JP5893126B2 - 電力用半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents
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-
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Description
図1は、この発明を実施するための実施の形態1における電力用半導体モジュールの上面模式図である。また、図2は、電力用半導体モジュールの等価回路図である。図1、2において、電力用半導体モジュール100の内部には、電力用半導体として自己消弧型半導体素子6と還流ダイオード7とが逆並列で接続されたアームと呼ばれる並列回路が2つ直列に接続され、上下アーム、つまり電力変換回路の1相分を構成している。電力変換回路の動作時に、自己消弧型半導体素子6と還流ダイオード7に流れる電流で自己消弧型半導体素子6のゲート充放電に関わる電流を除いた分を主電流とする。本実施の形態では、還流ダイオードとしてショットキーバリアダイオードなどのダイオード素子を自己消弧型半導体素子6に対して外付けに設けるものとしているが、還流ダイオードが自己消弧型半導体素子6の寄生ダイオードであってもよい。
図11は、この発明を実施するための実施の形態2における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール200は実施の形態1の電力用半導体モジュール100と主電流の流れる経路や構成部材に関してはほぼ同じである。実施の形態1と異なる点は、各回路ブロック101、102における交流端子10a、10bあるいは下アームの自己消弧型半導体素子6と還流ダイオード7とが接合された配線パターン4がワイヤボンド16により電気的に同電位に接続されている点である。
図14は、この発明を実施するための実施の形態3における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール300は実施の形態2の電力用半導体モジュール200と主電流の流れる経路や構成部材に関してはほぼ同じである。実施の形態2と異なる点は、実施の形態2の電力用半導体モジュール200は各回路ブロック毎に上下アームの制御端子1セット(正極・負極ゲート制御端子および正極・負極ソース制御端子)を備えているのに対し、本実施の形態の電力用半導体モジュール300は、各回路ブロックの自己消弧型半導体素子6用の制御端子を回路ブロック間で共通とした点である。
図15は、この発明を実施するための実施の形態4における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール400は実施の形態2の電力用半導体モジュール200と主電流の流れる経路や構成部材に関してはほぼ同じである。実施の形態2と異なる点は、実施の形態2の電力用半導体モジュール200はaブロック101とbブロック102との配置が略平行移動関係にあるのに対し、本実施の形態の電力用半導体モジュール300はaブロック101とbブロック102との配置が略鏡面対称関係にある点である。配線パターン3、4ならびに各回路ブロック101、102毎に設けられる自己消弧型半導体素子6およびダイオード7が隣り合うブロック間で逆向きとなるように配置されている。このような配置によって、自己消弧型半導体素子6およびダイオード7と配線パターン3、4とを接続するワイヤボンド15に流れる電流が隣り合うブロック間で逆向きとなる。
図16は、この発明を実施するための実施の形態5における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール500は実施の形態4の電力用半導体モジュール400と内部構造はほぼ同じである。実施の形態4と異なる点は、実施の形態4の電力用半導体モジュールでは、回路ブロック101、102における負極端子の接続される配線パターン3同士はワイヤボンドなどによる電気的に接続がされていないのに対し、本実施の形態の電力用半導体モジュールにおいては、配線パターン3同士がワイヤボンド17によって電気的に接続がなされている点である。下アームの配線パターン3同士がワイヤボンド17により電気的に同電位に接続されている。このように配線パターン3同士が接続されることにより、図16中の実線に示すような電流経路が出来る(点線は実施の形態4で示した電流経路)。
図18は、この発明を実施するための実施の形態6における電力変換装置の上面模式図である。図19は、図18の断面模式図である。図18に記載の電力用半導体モジュール100は実施の形態1で説明した電力用半導体モジュールである。図18には、電力用半導体モジュール100がインバータの1相を構成するとして図示したが、正確には3相を構成するので、電力用半導体モジュールは最低でも3つ必要である。3相分の電力用半導体モジュール100の正極端子11a、11bと負極端子12a、12bは、それぞれ正極外部ブスバー30と負極外部ブスバー31で電気的に接続されるのが一般的である。
5 セラミクス絶縁基板、6 自己消弧型半導体素子、7 還流ダイオード、
8 チップ抵抗、9 はんだ、
10,10a,10b 交流端子、11,11a,11b 正極端子、
12,12a,12b 負極端子、13,14 制御端子
13g,13ga,13gb 正極ゲート制御端子、
14g,14ga,14gb 負極ゲート制御端子、
13s,13sa,13sb 正極ソース制御端子、
14s,14sa,14sb 負極ソース制御端子、
15,16,17 ワイヤボンド、20 封止樹脂、21 ケース、22 蓋、
23 ナット、30 正極外部ブスバー、31 負極外部ブスバー、32 コンデンサ、
33 制御用ドライブ回路基板、40 負荷、
100,200,300,400,500 電力用半導体モジュール、
101、102 回路ブロック。
Claims (23)
- 複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された正極側スイッチング素子と複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された負極側スイッチング素子とを直列接続して構成された上下アームを複数備えた電力用半導体モジュールにおいて、
複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第1の正極側スイッチング素子と複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第1の負極側スイッチング素子とを直列接続して構成される第1の上下アームと、
複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第2の正極側スイッチング素子と複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第2の負極側スイッチング素子とを直列接続して構成され、前記第1の上下アームと並列接続される第2の上下アームと、
前記第1の上下アームに接続される第1の正極側直流端子、第1の負極側直流端子、および第1の交流端子と、
前記第2の上下アームに接続される第2の正極側直流端子、第2の負極側直流端子、および第2の交流端子と、
前記第1の上下アームと前記第1の正極側直流端子、前記第1の負極側直流端子、および前記第1の交流端子とを接続する第1の配線パターンと、
前記第2の上下アームと前記第2の正極側直流端子、前記第2の負極側直流端子、および前記第2の交流端子とを接続する第2の配線パターンと、
を備え、
前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームと前記第1の交流端子とを接続する第1の交流端子パターン部を有し、
前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームと前記第2の交流端子とを接続する第2の交流端子パターン部を有し、
前記第1の交流端子パターン部と前記第2の交流端子パターン部とが電気的に接続され、
前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子とが近接して配置され、かつ、前記第2の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子とが近接して配置される、
電力用半導体モジュール。 - 前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームと前記第1の負極側直流端子とを接続する第1の負極端子パターン部を有し、
前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームと前記第2の負極側直流端子とを接続する第2の負極端子パターン部を有し、
前記第1の負極端子パターン部が、前記第2の負極端子パターン部に、前記電力用半導体モジュールの外形内部において電気的に接続されることを特徴とする請求項1記載の電力用半導体モジュール。 - 複数の自己消弧型半導体素子を直列接続して構成された上下アームを複数備えた電力用半導体モジュールにおいて、
複数の自己消弧型半導体素子を直列接続して構成される第1の上下アームと、
複数の自己消弧型半導体素子を直列接続して構成され、前記第1の上下アームと並列接続される第2の上下アームと、
前記第1の上下アームに接続される第1の正極側直流端子、第1の負極側直流端子、および第1の交流端子と、
前記第2の上下アームに接続される第2の正極側直流端子、第2の負極側直流端子、および第2の交流端子と、
前記第1の上下アームと前記第1の正極側直流端子、前記第1の負極側直流端子、および前記第1の交流端子とを接続する第1の配線パターンと、
前記第2の上下アームと前記第2の正極側直流端子、前記第2の負極側直流端子、および前記第2の交流端子とを接続する第2の配線パターンと、
を備え、
前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームと前記第1の負極側直流端子とを接続する第1の負極端子パターン部を有し、
前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームと前記第2の負極側直流端子とを接続する第2の負極端子パターン部を有し、
前記負極端子から前記正極端子へと通る転流ループが新たに形成されるように、前記第1の負極端子パターン部が前記第2の負極端子パターン部に電気的に接続される、
電力用半導体モジュール。 - 前記第1の交流端子パターン部が、前記第2の交流端子パターン部に、前記電力用半導体モジュールの外形内部において電気的に接続される
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の交流端子又は前記第2の交流端子を通ることなく正極端子から負極端子へと通る転流ループが形成されるように、前記第1の交流端子パターン部が前記第2の交流端子パターン部に電気的に接続される、
ことを特徴とする請求項4に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記電力用半導体モジュールの外形に略四角形の面を有し、
前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子と前記第2の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子とが、前記略四角形の面の一辺に配置され、
前記第1の交流端子と前記第2の交流端子とが、前記一辺と対向する辺に配置される
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記電力用半導体モジュールの外形に略四角形の面を有し、
前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子と前記第1の交流端子と前記第2の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子と前記第2の交流端子とが、前記略四角形の面内に配置される
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間の距離が、前記第1の正極側直流端子と前記第1の交流端子との間の距離よりも短い
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間の距離が、前記第1の負極側直流端子と前記第1の交流端子との間の距離よりも短い
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の正極側直流端子、前記第1の負極側直流端子、前記第2の正極側直流端子、前記第2の負極側直流端子の順に配置される
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第1の制御用配線パターン部を有し、
前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第2の制御用配線パターン部を有し、
前記第1の制御用配線パターン部が、前記第1の上下アームに設けられる第1の制御端子に接続され、
前記第2の制御用配線パターン部が、前記第2の上下アームに設けられる第2の制御端子に接続される
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第1の制御用配線パターン部を有し、
前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第2の制御用配線パターン部を有し、
前記第1の制御用配線パターン部が、前記第1の上下アームに設けられる第1の制御端子に接続され、
前記第2の制御用配線パターン部は、前記第1の制御用配線パターン部に電気的に接続される、
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第1の制御用配線パターン部を有し、
前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第2の制御用配線パターン部を有し、
前記第1の制御用配線パターン部に流れる前記自己消弧型半導体素子のゲートの充放電電流の向きと前記自己消弧型半導体素子に流れる主電流の向きとの関係と、前記第2の制御用配線パターン部に流れる前記自己消弧型半導体素子のゲートの充放電電流の向きと前記自己消弧型半導体素子に流れる主電流の向きとの関係とが同じである
ことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間、前記第1の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子との間、の平均距離が、前記第1の正極側直流端子と前記第1の交流端子との間、前記第1の正極側直流端子と前記第2の交流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第1の交流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第2の交流端子との間、の平均距離よりも短い
ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間、前記第1の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子との間、の平均距離が、前記第1の負極側直流端子と前記第1の交流端子との間、前記第1の負極側直流端子と前記第2の交流端子との間、前記第2の負極側直流端子と前記第1の交流端子との間、前記第2の負極側直流端子と前記第2の交流端子との間、の平均距離よりも短い
ことを特徴とする請求項1から14のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の正極側直流端子と前記第1の配線パターンとが第1の接続部で接続し、
前記第1の負極側直流端子と前記第1の配線パターンは第2の接続部で接続し、
前記第1の交流端子と前記第1の配線パターンは第3の接続部で接続し、
前記第1の接続部と前記第2の接続部との間の距離が、前記第1の接続部と前記第3の接続部との間の距離よりも短い
ことを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の正極側直流端子と前記第1の配線パターンは第1の接続部で接続し、
前記第1の負極側直流端子と前記第1の配線パターンは第2の接続部で接続し、
前記第1の交流端子と前記第1の配線パターンは第3の接続部で接続し、
前記第1の接続部と前記第2の接続部との間の距離が、前記第2の接続部と前記第3の接続部との間の距離よりも短い
ことを特徴とする請求項1から16のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第2の正極側直流端子と前記第2の配線パターンとが第4の接続部で接続し、
前記第2の負極側直流端子と前記第2の配線パターンとが第5の接続部で接続し、
第前記第2の交流端子と前記第2の配線パターンとが第6の接続部で接続し、
前記第1の接続部と前記第2の接続部との間および前記第4の接続部と前記第5の接続部との間の平均距離が、前記第1の接続部と前記第3の接続部の間及び前記第4の接続部と前記第6の接続部の間の平均距離よりも短い
ことを特徴とする請求項16または17に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第2の正極側直流端子と前記第2の配線パターンとが第4の接続部で接続し、
前記第2の負極側直流端子と前記第2の配線パターンとが第5の接続部で接続し、
第前記第2の交流端子と前記第2の配線パターンとが第6の接続部で接続し、
前記第1の接続部と前記第2の接続部との間および前記第4の接続部と前記第5の接続部との間の平均距離が、前記第2の接続部と前記第3の接続部の間及び前記第5の接続部と前記第6の接続部の間の平均距離よりも短い
ことを特徴とする請求項16から18のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記第1の上下アームおよび前記第2の上下アームは、前記自己消弧型半導体素子に対して逆並列に接続されるダイオードを有することを特徴とする請求項1から19のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記ダイオードが、珪素よりバンドギャップが広い炭化珪素、窒化ガリウム材料、およびダイヤモンドのうちのいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1から20のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記自己消弧型半導体素子が、珪素よりバンドギャップが広い炭化珪素、窒化ガリウム材料、およびダイヤモンドのうちのいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1から21のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
- 請求項1から22のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュールと前記電力用半導体モジュールの前記自己消弧型半導体素子を制御する制御ドライバ回路とを備えた電力変換装置であって、
前記制御ドライバ回路を前記電力用半導体モジュールの表面に配置することを特徴とする電力変換装置。
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