JP6007578B2 - Power semiconductor module and assembly method thereof - Google Patents

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Description

この発明は、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などのスイッチング素子とこのスイッチング素子に逆並列に接続される還流ダイオードである例えばショットキーバリアダイオードを有するパワー半導体モジュールに関するものである。   The present invention relates to a power semiconductor module having a switching element such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor) and a freewheeling diode connected in reverse parallel to the switching element, for example, a Schottky barrier diode.

パワー半導体モジュールが使用される分野は、家電製品から電気鉄道、電気自動車、産業用ロボット、電力系統と広くにおよんでいる。パワー半導体装置の有用性が広がるにしたがい、その性能の向上が期待され、高周波化、小型化、大電力化がますます望まれている。   The fields where power semiconductor modules are used range from home appliances to electric railways, electric cars, industrial robots, and power systems. As the usefulness of power semiconductor devices expands, improvement in performance is expected, and higher frequency, smaller size, and higher power are increasingly desired.

これらの分野で使用されるパワー半導体モジュールの多くは、交流−直流変換、直流−交流変換、直流−直流変換などの変換回路で使用されている。これらのパワー半導体モジュール内には、例えばMOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)やIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などのスイッチング素子と、これらスイッチング素子と逆並列に接続される還流ダイオードであるFWDが搭載されている。   Many of the power semiconductor modules used in these fields are used in conversion circuits such as AC-DC conversion, DC-AC conversion, and DC-DC conversion. In these power semiconductor modules, for example, switching elements such as MOSFETs (MOS field effect transistors) and IGBTs (insulated gate bipolar transistors) and FWDs which are free-wheeling diodes connected in antiparallel with these switching elements are mounted. Has been.

図6は、単相ブリッジインバータ回路図である。これは従来のインバータ回路の1例であり、破線で囲んだ部分の6A、6B、6C、6Dはパワー半導体モジュールを示している。   FIG. 6 is a single-phase bridge inverter circuit diagram. This is an example of a conventional inverter circuit, and portions 6A, 6B, 6C, and 6D surrounded by broken lines indicate power semiconductor modules.

この例では、それぞれのパワー半導体モジュール6A、6B、6C、6Dは、1つの還流ダイオード(FWD)7A、7B、7C、7Dと1つのスイッチング素子(この例ではIGBT)3A、3B、3C、3Dをペアで搭載している。還流ダイオードは、スイッチング素子であるそれぞれのIGBTに逆並列に接続されてる。図中の符号の54は負荷でありインダクタンスを有する。55は直流の電源である。   In this example, each power semiconductor module 6A, 6B, 6C, 6D includes one free-wheeling diode (FWD) 7A, 7B, 7C, 7D and one switching element (IGBT in this example) 3A, 3B, 3C, 3D. Are installed in pairs. The free-wheeling diode is connected in antiparallel to each IGBT that is a switching element. Reference numeral 54 in the figure is a load having an inductance. Reference numeral 55 denotes a DC power source.

自己消弧機能を持つIGBTやMOSFET等のスイッチング素子を含むインバータ回路を用いて直流−交流変換を行う場合、PWM(パルス幅変調)方式が一般的に使用されている。   When performing DC-AC conversion using an inverter circuit including a switching element such as IGBT or MOSFET having a self-extinguishing function, a PWM (pulse width modulation) method is generally used.

図7は、図6の単相ブリッジインバータ回路を用いてPWM方式により直流−交流変換を行う時の負荷への出力波形図である。PWM方式ではスイッチング素子のゲート信号の方形パルス波形を、時間平均的に見れば負荷電圧が交流波形となる様に変調する。IGBT3A、3Dのオン・オフ動作で負荷54に正方向のパルス幅を変調したパルス電圧を出力すると、パルス電圧波形を時間平均的に見れば図7の実線Vmに示されている様な正弦波の半波が負荷に出力される。但し、この動作期間中(TAD)スイッチング素子であるIGBT3B、3Cはオフ状態である。次にIGBT3B、3Cのオン・オフ動作で負荷54に負方向のパルス電圧を出力し、残り半周期分(TBC)の正弦波の半波を負荷に出力する。   FIG. 7 is an output waveform diagram to the load when DC-AC conversion is performed by the PWM method using the single-phase bridge inverter circuit of FIG. In the PWM method, the square pulse waveform of the gate signal of the switching element is modulated so that the load voltage becomes an AC waveform when viewed on a time average basis. When a pulse voltage in which the pulse width in the positive direction is modulated is output to the load 54 by the on / off operation of the IGBTs 3A and 3D, a sine wave as shown by a solid line Vm in FIG. Is output to the load. However, during this operation period (TAD), the IGBTs 3B and 3C which are switching elements are in an OFF state. Next, a pulse voltage in the negative direction is output to the load 54 by the on / off operation of the IGBTs 3B and 3C, and a half wave of a sine wave corresponding to the remaining half cycle (TBC) is output to the load.

図6のIGBT3A、3Dのパルス動作期間中において、例えば、IGBT3Aがオン状態からオフになる時に、IGBT3Aに接続する回路配線の浮遊インダクタンスにより、IGBT3Aのコレクタ電圧は、図8に示すように、IGBT3Aのダイナミックアバランシェ電圧Vavd0(クランプ電圧)まで跳ね上がり、一定期間ダイナミックアバランシェ電圧Vavd0(クランプ電圧)を保持する。その後、IGBT3Aのコレクタ電圧は電源電圧に保持される。尚、図中の符号でIcはIGBTのコレクタ電流、Vcはコレクタ電圧である。   During the pulse operation period of the IGBT 3A and 3D in FIG. 6, for example, when the IGBT 3A is turned off from the on state, the collector voltage of the IGBT 3A is, as shown in FIG. 8, due to the floating inductance of the circuit wiring connected to the IGBT 3A. The dynamic avalanche voltage Vavd0 (clamping voltage) jumps to the dynamic avalanche voltage Vavd0 (clamping voltage). Thereafter, the collector voltage of the IGBT 3A is held at the power supply voltage. In the figure, Ic is the collector current of the IGBT, and Vc is the collector voltage.

特許文献1では、図6のFWDを2直列接続にしたSiC−SBDで構成して、FWDで発生する逆回復損失を減少させる例が記載されている。
以下の説明において、Siはシリコンであり、SiCは炭化珪素を指し、シリコン基板に形成したデバイスをSiで示し、炭化珪素基板に形成したデバイスをSiCで示す。また、SBDはショットキーバリアダイオードである。つまり、Si−IGBTはSi基板に形成されたIGBTであり、SiC−SBDはSiC基板に形成されたSBDである。さらに、前記したようにFWD(フリー・ホイーリング・ダイオード)は還流ダイオードであり、ここではSBDである。
Patent Document 1 describes an example in which the FWD in FIG. 6 is composed of two SiC-SBDs connected in series to reduce reverse recovery loss generated in the FWD.
In the following description, Si is silicon, SiC indicates silicon carbide, a device formed on the silicon substrate is indicated by Si, and a device formed on the silicon carbide substrate is indicated by SiC. SBD is a Schottky barrier diode. That is, Si-IGBT is an IGBT formed on a Si substrate, and SiC-SBD is an SBD formed on a SiC substrate. Furthermore, as described above, the FWD (free wheeling diode) is a freewheeling diode, here an SBD.

特許文献2では、SiC−SIT(静電誘導型トランジスタ)とSiC−Di(ダイオード)でDC−DCコンバータを構成してSi−スイッチング素子を用いるよりもオン抵抗、スイッチング速度、温度特性を改善し、接合温度を160℃〜300℃で用いた例が記載されている。   In Patent Document 2, the on-resistance, switching speed, and temperature characteristics are improved rather than using a Si-switching element in which a DC-DC converter is composed of SiC-SIT (electrostatic induction transistor) and SiC-Di (diode). An example in which the bonding temperature is 160 ° C. to 300 ° C. is described.

特許文献3では、Si−FWDとSiC−FWDを直列接続し、Si−FWDの温度特性をSiC−FWDの温度特性で打ち消して、Si−FWDの熱暴走を防ぐ例が記載されている。   Patent Document 3 describes an example in which Si-FWD and SiC-FWD are connected in series, and the temperature characteristics of Si-FWD are canceled by the temperature characteristics of SiC-FWD to prevent thermal runaway of Si-FWD.

特許文献4では、SiC−FWDを用いることでSi−FWDの場合よりチップの温度上昇を半分にすることができた例が記載されている。   Patent Document 4 describes an example in which the temperature rise of a chip can be halved by using SiC-FWD as compared with the case of Si-FWD.

特許第4594477号公報Japanese Patent No. 4559477 特開2006−187147号公報([0054]〜[0056])JP 2006-187147 A ([0054] to [0056]) 特許第4808290号公報([0033]、[0067])Japanese Patent No. 4808290 ([0033], [0067]) 特許第4722229号公報([0052])Japanese Patent No. 4722229 ([0052])

図9は、従来のインバータの1相分30の回路図である。ここでは1相分30とは上アームと下アームを直列接続した回路をいう。Si基板に形成したデバイスとSiC基板に形成したデバイスを組み合わせモジュールを構成する場合は、通常、Si−IGBT31の電圧定格とSiC−SBD32の電圧定格を整合させてパワー半導体モジュールを製作する。   FIG. 9 is a circuit diagram of one phase 30 of a conventional inverter. Here, one phase 30 means a circuit in which an upper arm and a lower arm are connected in series. When a module is formed by combining a device formed on the Si substrate and a device formed on the SiC substrate, the power semiconductor module is usually manufactured by matching the voltage rating of the Si-IGBT 31 and the voltage rating of the SiC-SBD 32.

しかし、電圧定格を整合させても、この電圧定格の1.1倍から1.2倍程度高く設計する静的アバランシェ電圧(通常、アバランシェ電圧と言われている)は両者で異なる。SiC−SBD32の静的アバランシェ電圧が低いと、サージ電圧や、Si−IGBT31のターンオフ時にインバータ回路の浮遊インダクタンス(L)とコレクタ電流Icの立下り(di/dt)の積で発生するダイナミックアバランシェ電圧(クランプ電圧)はSiC−SBD32の静的アバランシェ電圧で抑えられ、SiC−SBD32にはアバランシェ電流が流れる。   However, even if the voltage ratings are matched, the static avalanche voltage designed to be about 1.1 to 1.2 times higher than the voltage rating (usually referred to as an avalanche voltage) is different between the two. When the static avalanche voltage of the SiC-SBD 32 is low, the surge voltage or the dynamic avalanche voltage generated by the product of the stray inductance (L) of the inverter circuit and the fall of the collector current Ic (di / dt) when the Si-IGBT 31 is turned off. (Clamp voltage) is suppressed by the static avalanche voltage of the SiC-SBD 32, and an avalanche current flows through the SiC-SBD 32.

通常、SiC−SBD32のアバランシェ耐量はSi−IGBT31のアバランシェ耐量より低いため、このサージ電圧やSi−IGBT31のダイナミックアバランシェ電圧がSiC−SBD32に印加されると、SiC−SBD32が破壊する場合が生じる。尚、アバランシェ耐量とは素子がアバランシェに突入して発生する損失で破壊しない耐量のことである。また、図中の符号でPは正極端子、Nは負極端子、Mは中間電位端子である。   Normally, the avalanche resistance of the SiC-SBD 32 is lower than the avalanche resistance of the Si-IGBT 31. Therefore, when this surge voltage or the dynamic avalanche voltage of the Si-IGBT 31 is applied to the SiC-SBD 32, the SiC-SBD 32 may be destroyed. Note that the avalanche resistance is a resistance that does not break due to a loss generated when the element enters the avalanche. In the figure, P is a positive terminal, N is a negative terminal, and M is an intermediate potential terminal.

また、特許文献1〜特許文献4では、Si−スイッチング素子とSiC−還流ダイオード(FWD)の組み合わせでインバータ回路のアームを構成した場合、SiC−還流ダイオードの静的アバランシェ電圧をSi−スイッチング素子の静的アバランシェ電圧より高い素子を選定することで、使用中の接合温度の全範囲でSiC−還流ダイオードの破壊を防止することについては記載されていない。   Moreover, in patent document 1-patent document 4, when the arm of an inverter circuit is comprised with the combination of Si-switching element and SiC-freewheeling diode (FWD), the static avalanche voltage of SiC-freewheeling diode is set to Si-switching element. There is no mention of preventing destruction of the SiC-freewheeling diode over the full range of junction temperatures in use by selecting an element higher than the static avalanche voltage.

この発明の目的は、前記の課題を解決して、サージ電圧やSi−スイッチング素子のダイナミックアバランシェ電圧がSiC−還流ダイオードに印加された場合にSiC−還流ダイオードの破壊が防止できるパワー半導体モジュールを提供することである。   The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and provide a power semiconductor module capable of preventing the destruction of the SiC-freewheeling diode when the surge voltage or the dynamic avalanche voltage of the Si-switching element is applied to the SiC-freewheeling diode. It is to be.

前記の目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項1に記載の発明によれば、スイッチング素子と、該スイッチング素子と逆並列接続される還流ダイオードを有するパワー半導体モジュールにおいて、前記スイッチング素子がシリコン基板に形成され、前記還流ダイオードがワイドバンドギャップ基板に形成され、素子設計による最高接合温度において前記還流ダイオードの静的アバランシェ電圧が前記スイッチング素子の静的アバランシェ電圧より高く、かつ、使用中の接合温度の全範囲において前記還流ダイオードの静的アバランシェ電圧が前記スイッチング素子の静的アバランシェ電圧より高い素子を用いて構成にする。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, in a power semiconductor module having a switching element and a free-wheeling diode connected in reverse parallel to the switching element, the switching element Is formed on a silicon substrate, the freewheeling diode is formed on a wide band gap substrate, the static avalanche voltage of the freewheeling diode is higher than the static avalanche voltage of the switching device at the highest junction temperature according to the device design, and is in use The static avalanche voltage of the freewheeling diode is configured to be higher than the static avalanche voltage of the switching element in the entire junction temperature range.

また、特許請求の範囲の請求項2記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記ワイドバンドギャップ基板が炭化珪素からなる半導体基板であるとよい。
また、特許請求の範囲の請求項3記載の発明によれば、請求項1に記載の発明において、前記スイッチング素子が絶縁ゲート型バイポーラトランジスタもしくはMOS型電界効果トランジスタであり、前記還流ダイオードがショットキーバリアダイオードであるとよい。
According to the invention described in claim 2, it is preferable that in the invention described in claim 1, the wide band gap substrate is a semiconductor substrate made of silicon carbide.
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the switching element is an insulated gate bipolar transistor or a MOS field effect transistor, and the free wheel diode is a Schottky. It may be a barrier diode.

この発明によると、使用中の接合温度の全範囲において、SiC−FWD(SiC−SBD)の静的アバランシェ電圧がSi−スイッチング素子(Si−IGBTまたはSi−MOSFET)の静的アバランシェ電圧より高いSiC−FWDを用いてパワー半導体モジュールを構成する。この構成により、使用中の接合温度の全範囲において、SiC−FWDにサージ電圧やSi−スイッチング素子のダイナミックアバランシェ電圧が印加されても、この電圧よりSiC−SBCの静的アバランシェ電圧が高いため、SiC−SBDは破壊することがない。   According to the present invention, the SiC-FWD (SiC-SBD) static avalanche voltage is higher than the static avalanche voltage of the Si-switching element (Si-IGBT or Si-MOSFET) over the entire range of junction temperatures in use. -A power semiconductor module is comprised using FWD. With this configuration, even if a surge voltage or a dynamic avalanche voltage of the Si-switching element is applied to the SiC-FWD in the entire range of the junction temperature in use, the static avalanche voltage of the SiC-SBC is higher than this voltage. SiC-SBD does not break.

この発明の一実施例に係るパワー半導体モジュール100の回路構成図である。It is a circuit block diagram of the power semiconductor module 100 which concerns on one Example of this invention. Si−IGBT1とSiC−SBD2の静的アバランシェ電圧Vavs1,Vavs2と接合温度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between static avalanche voltage Vavs1, Vavs2 of Si-IGBT1 and SiC-SBD2, and junction temperature. 静的アバランシェ電圧を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining a static avalanche voltage. ダイナミックアバランシェ電圧Vavdを説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the dynamic avalanche voltage Vavd. 静的アバランシェ電圧Vavsが温度が高くなると上昇するメカニズムを説明した模式図である。It is the schematic diagram explaining the mechanism by which the static avalanche voltage Vavs increases as the temperature increases. 単相ブリッジインバータ回路図である。It is a single phase bridge inverter circuit diagram. 図6の単相ブリッジインバータ回路を用いてPWM方式により直流−交流変換を行う時の負荷への出力波形図である。FIG. 7 is an output waveform diagram to a load when DC-AC conversion is performed by a PWM method using the single-phase bridge inverter circuit of FIG. 6. IGBT3Aのターンオフ時に発生するクランプ電圧を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the clamp voltage which generate | occur | produces at the time of turn-off of IGBT3A. 従来のインバータの1相分30の回路図である。It is a circuit diagram of one phase 30 of the conventional inverter.

実施の形態を以下の実施例で説明する。
<実施例>
図1は、この発明の一実施例に係るパワー半導体モジュール100の回路構成図である。ここで、パワー半導体モジュール100は、スイッチング素子とFWDとの逆並列回路1組をパッケージに格納し、1in1モジュールを構成する場合を例に挙げた。上記の逆並列回路を2個直列に接続して1つのパッケージに格納すると2in1モジュールとなる。上記の逆並列回路を2個直列に接続し、この直列回路をを2個並列接続して1つのパッケージに格納すると4in1モジュールとなり単相インバータが構成される。同様に、上記の直列回路を3個並列接続して1つのパッケージに格納すると6in1の3相インバータが構成される。
Embodiments will be described in the following examples.
<Example>
FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a power semiconductor module 100 according to one embodiment of the present invention. Here, the power semiconductor module 100 is described as an example in which one set of anti-parallel circuits of switching elements and FWDs is stored in a package to form a 1 in 1 module. If two antiparallel circuits are connected in series and stored in one package, a 2-in-1 module is obtained. When two of the above antiparallel circuits are connected in series and two of these series circuits are connected in parallel and stored in one package, a 4-in-1 module is formed and a single-phase inverter is configured. Similarly, when three of the above series circuits are connected in parallel and stored in one package, a 6-in-1 three-phase inverter is configured.

パワー半導体モジュール100は、Si−IGBT1と、これに逆並列接続されたSiC−SBD2とを備えている。Si−IGBT1のコレクタ1aとSiC−SBD2のカソード2bはそれぞれ接続し、さらにコレクタ端子3に接続する。Si−IGBT1のエミッタ1bとSiC−SBD2のアノード2aはそれぞれ接続し、さらにエミッタ端子4に接続する。   The power semiconductor module 100 includes a Si-IGBT 1 and a SiC-SBD 2 connected in reverse parallel thereto. The collector 1a of the Si-IGBT 1 and the cathode 2b of the SiC-SBD 2 are connected to each other and further connected to the collector terminal 3. The emitter 1 b of the Si-IGBT 1 and the anode 2 a of the SiC-SBD 2 are connected to each other and further connected to the emitter terminal 4.

図示は省略するが、この例では、Si−IGBT1のコレクタ1aとSiC−SBD2のカソード2bは、絶縁基板の回路パターンに接合され、この回路パターンを介して外部導出端子(コレクタ端子3)に接続される。また、Si−IGBT1のエミッタ1bとSiC−SBD2のアノード2aは、ボンディングワイヤによって接続されて外部導出端子(エミッタ端子4)に接続される。   Although not shown, in this example, the collector 1a of the Si-IGBT 1 and the cathode 2b of the SiC-SBD 2 are joined to the circuit pattern of the insulating substrate and connected to the external lead-out terminal (collector terminal 3) via this circuit pattern. Is done. The emitter 1b of the Si-IGBT 1 and the anode 2a of the SiC-SBD 2 are connected by a bonding wire and connected to an external lead-out terminal (emitter terminal 4).

このパワー半導体モジュール100の使用中の接合温度の全範囲において、SiC−SBD2の静的アバランシェ電圧Vavs2がSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1より高いSiC−SBD2を選定する。   The SiC-SBD2 is selected in which the static avalanche voltage Vavs2 of the SiC-SBD2 is higher than the static avalanche voltage Vavs1 of the Si-IGBT1 in the entire junction temperature range during use of the power semiconductor module 100.

この選定はパワー半導体モジュールの組立工程に先立って行う。また、素子の諸特性を実測して選定する。
これによって、Si−IGBT1がオフするときに配線の浮遊インダクタンスによって発生するダイナミックアバランシェ電圧VavdがSiC−SBD2に印加されても、この電圧VavdよりSiC−SBD2の静的アバランシェ電圧Vavs2が高いため、SiC−SBD2は破壊することはない。また、サージ電圧など過電圧がパワー半導体モジュール100に印加された場合、SiC−SBDの静的アバランシェ電圧Vavs2より低いSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1で抑制されるので、SiC−SBD2はアバランシェに突入せず、破壊することがない。
This selection is performed prior to the assembly process of the power semiconductor module. In addition, various characteristics of the element are measured and selected.
Thereby, even if the dynamic avalanche voltage Vavd generated by the floating inductance of the wiring when the Si-IGBT1 is turned off is applied to the SiC-SBD2, the SiC-SBD2 static avalanche voltage Vavs2 is higher than the voltage Vavd. -SBD2 will not be destroyed. In addition, when an overvoltage such as a surge voltage is applied to the power semiconductor module 100, the SiC-SBD2 enters the avalanche because it is suppressed by the static avalanche voltage Vavs1 of the Si-IGBT1 that is lower than the static avalanche voltage Vavs2 of the SiC-SBD. Without destroying it.

尚、Si−IGBT1のダイナミックアバランシェ電圧VavdはSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1より低くなる。
図2は、Si−IGBT1とSiC−SBD2の静的アバランシェ電圧Vavs1,Vavs2と接合温度の関係を示す模式図である。参考までにSi−IGBT1のダイナミックアバランシェ電圧Vavdも点線で示した。これらのデータは実験で求めた。また、図中の符号のToは最高接合温度である。ここではToを175℃としているが、この値は素子設計に依存し200℃や125℃などの場合もある。
Note that the dynamic avalanche voltage Vavd of the Si-IGBT 1 is lower than the static avalanche voltage Vavs 1 of the Si-IGBT 1.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a relationship between the static avalanche voltages Vavs1 and Vavs2 of Si-IGBT1 and SiC-SBD2 and the junction temperature. For reference, the dynamic avalanche voltage Vavd of the Si-IGBT 1 is also indicated by a dotted line. These data were obtained experimentally. Also, the symbol To in the figure is the maximum junction temperature. Here, To is 175 ° C., but this value depends on the element design and may be 200 ° C. or 125 ° C.

SiC−SBD2の静的アバランシェ電圧Vavs2の接合温度依存性は、Si−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1に比べて緩やかになる。また、静的アバランシェ電圧Vavs1,Vavs2はSi−IGBT1およびSiC−SBD2の双方とも接合温度Tjが高くなると高くなる。   The junction temperature dependence of the static avalanche voltage Vavs2 of SiC-SBD2 is gentler than that of the static avalanche voltage Vavs1 of Si-IGBT1. Further, the static avalanche voltages Vavs1 and Vavs2 increase as the junction temperature Tj increases in both the Si-IGBT1 and the SiC-SBD2.

図3は、静的アバランシェ電圧を説明する模式図である。縦軸は電流であり横軸は電圧である。素子に電圧が印加されると漏れ電流が流れる。印加電圧を上昇させ、印加電圧が雪崩を発生させる電界強度に達すると(立ち上がり電圧に達すると)、電子が格子へ衝突して発生する電子の数が雪崩的に増大して急激に漏れ電流は立ち上がりアバランシェ電流となり、立ち上がった電圧が静的アバランシェ電圧となる。   FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a static avalanche voltage. The vertical axis is current and the horizontal axis is voltage. When a voltage is applied to the element, a leakage current flows. When the applied voltage is increased and the applied voltage reaches the electric field strength that causes an avalanche (when the rising voltage is reached), the number of electrons generated when the electrons collide with the lattice increases avalanche and the leakage current suddenly increases. A rising avalanche current is generated, and the rising voltage is a static avalanche voltage.

図4は、ダイナミックアバランシェ電圧Vavdを説明する模式図である。インダクタンスを通してSi−IGBT1にコレクタ電流Icを流す。Si−IGBT1がターンオフすると、コレクタ電流Icは下降する。そのコレクタ電流Icの下降の過程(ターンオフ過程)で、L×(di/dt)により電圧が発生する。この電圧が高くなると、Si−IGBTはアバランシェ(降伏)に突入し、アバランシェ電流を流しながら一定の電圧になる。この一定になった電圧をダイナミックアバランシェ電圧Vavdもしくはクランプ電圧と称す。このダイナミックアバランシェ電圧Vavdは前記の静的アバランシェ電圧Vavs1より低い電圧になる。   FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the dynamic avalanche voltage Vavd. A collector current Ic is passed through the Si-IGBT 1 through the inductance. When the Si-IGBT 1 is turned off, the collector current Ic decreases. In the process of decreasing the collector current Ic (turn-off process), a voltage is generated by L × (di / dt). When this voltage increases, the Si-IGBT enters an avalanche (breakdown) and becomes a constant voltage while flowing an avalanche current. This constant voltage is referred to as a dynamic avalanche voltage Vavd or a clamp voltage. The dynamic avalanche voltage Vavd is lower than the static avalanche voltage Vavs1.

図5は、静的アバランシェ電圧Vavsが温度が高くなると上昇するメカニズムを説明した模式図である。ここではSi結晶を例として挙げたがSiC結晶の場合も同様である。   FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a mechanism in which the static avalanche voltage Vavs increases as the temperature increases. Here, a Si crystal is taken as an example, but the same applies to a SiC crystal.

Si基板10の両端に電圧Voを印加する。Si基板10の温度が上がると結晶格子11の振動12が激しくなる。この格子振動が激しくなると、電子13が格子11に衝突するまでの距離D(平均自由行程)が短くなる。そうすると、電子13は衝突までに十分高いエネルギーを得ることができない。そのため、電子13が格子11に衝突しても格子11に拘束されている電子13aを弾き飛ばせなくなり、アバランシェが起きにくくなる。この状態でアバランシェを起こすためには印加する電圧Voをさらに高くする必要がある。そのため、静的アバランシェ電圧Vavsの温度依存性は、温度が高くなると高くなる。また、実験によるとSiC−SBD2の温度依存性の方がSi−IGBT1の温度依存性より小さい。   A voltage Vo is applied across the Si substrate 10. When the temperature of the Si substrate 10 rises, the vibration 12 of the crystal lattice 11 becomes intense. When this lattice vibration becomes intense, the distance D (mean free path) until the electrons 13 collide with the lattice 11 becomes short. Then, the electrons 13 cannot obtain sufficiently high energy before the collision. Therefore, even if the electrons 13 collide with the lattice 11, the electrons 13a restrained by the lattice 11 cannot be blown off, and avalanche hardly occurs. In order to cause avalanche in this state, it is necessary to further increase the applied voltage Vo. Therefore, the temperature dependence of the static avalanche voltage Vavs increases as the temperature increases. Further, according to experiments, the temperature dependence of SiC-SBD2 is smaller than the temperature dependence of Si-IGBT1.

図2に示す最高接合温度Toにおいて、SiC−SBD2の静的アバランシェ電圧Vavs2をSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1より高い素子を選定することで、使用中の接合温度の全範囲でSiC−SBD2の静的アバランシェ電圧Vavs2をSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1より高くすることができる。   By selecting an element in which the static avalanche voltage Vavs2 of the SiC-SBD2 is higher than the static avalanche voltage Vavs1 of the Si-IGBT1 at the maximum junction temperature To shown in FIG. 2, the SiC-SBD2 is used over the entire range of the junction temperature in use. The static avalanche voltage Vavs2 can be made higher than the static avalanche voltage Vavs1 of the Si-IGBT1.

そのため、SiC−SBD2とSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs2、Vavs1は使用中の接合温度の最高温度Toの一点で測定し、SiC−SBD2の静的アバランシェ電圧Vavs2をSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1より高い素子を選定すれば、使用中の接合温度の全範囲でSiC−SBD2の静的アバランシェ電圧Vavs2をSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1より高くすることができる。Si−IGBT1のターンオフ時に発生するダイナミックアバランシェ電圧VavdはSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1より低いため、Si−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1より高い静的アバランシェ電圧Vavs2を有するSiC−SBD2は破壊することはない。また、サージ電圧などが印加された場合もSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1で印加される電圧が抑えられるのでSiC−SBD2は破壊することはない。静的アバランシェ電圧Vavs1,Vavs2はカーブトレーサなどの耐圧測定装置を用いて容易に測定することができる。   Therefore, the static avalanche voltages Vavs2 and Vavs1 of the SiC-SBD2 and the Si-IGBT1 are measured at one point of the maximum temperature To of the junction temperature in use, and the static avalanche voltage Vavs2 of the SiC-SBD2 is measured as the static avalanche voltage of the Si-IGBT1. If an element higher than the voltage Vavs1 is selected, the static avalanche voltage Vavs2 of the SiC-SBD2 can be made higher than the static avalanche voltage Vavs1 of the Si-IGBT1 over the entire range of the junction temperature in use. Since the dynamic avalanche voltage Vavd generated when the Si-IGBT 1 is turned off is lower than the static avalanche voltage Vavs1 of the Si-IGBT1, the SiC-SBD2 having the static avalanche voltage Vavs2 higher than the static avalanche voltage Vavs1 of the Si-IGBT1 is destroyed. There is nothing. Even when a surge voltage or the like is applied, the voltage applied by the static avalanche voltage Vavs1 of the Si-IGBT1 is suppressed, so that the SiC-SBD2 is not destroyed. The static avalanche voltages Vavs1 and Vavs2 can be easily measured using a withstand voltage measuring device such as a curve tracer.

SiC−SBD2の静的アバランシェ電圧を高くする方策としては、基板を構成するエピタキシャル層の不純物濃度および厚みを制御するとよい。つまり、エピタキシャル層の厚みを厚くする、または比抵抗を高くする、もしくは両方を適用するとよい。   As a measure for increasing the static avalanche voltage of SiC-SBD2, the impurity concentration and thickness of the epitaxial layer constituting the substrate may be controlled. That is, it is preferable to increase the thickness of the epitaxial layer, increase the specific resistance, or both.

パワー半導体モジュール100の使用中の接合温度の全範囲において、Si−IGBT1がターンオフしたときに発生するダイナミックアバランシェ電圧VavdがSiC−SBC2の静的アバランシェ電圧Vavs2より低いため、SiC−SBD2は破壊することはない。また、印加される電圧はSi−IGBT1の静的アバランシェ電圧Vavs1とダイナミックアバランシェ電圧Vavdで抑制され、SiC−SBD2にはSiC−SBD2の静的アバランシェ電圧Vavs2に達しない電圧が印加される。そのためSiC−SBD2は破壊することがない。   Since the dynamic avalanche voltage Vavd generated when the Si-IGBT 1 is turned off is lower than the static avalanche voltage Vavs2 of the SiC-SBC2 in the entire junction temperature range during use of the power semiconductor module 100, the SiC-SBD2 is destroyed. There is no. The applied voltage is suppressed by the static avalanche voltage Vavs1 and the dynamic avalanche voltage Vavd of the Si-IGBT1, and a voltage that does not reach the static avalanche voltage Vavs2 of the SiC-SBD2 is applied to the SiC-SBD2. Therefore, SiC-SBD2 is not destroyed.

尚、前記の説明ではSi−IGBT1とSiC−SBD2の組み合わせの例に挙げたが、Si−MOSFET(MOS型電界効果トランジスタ)とSiC−SBD2の組み合わせの場合も本発明を適用できる。   In the above description, the example of the combination of Si-IGBT1 and SiC-SBD2 is given, but the present invention can also be applied to the combination of Si-MOSFET (MOS type field effect transistor) and SiC-SBD2.

1 Si−IGBT
1a コレクタ
1b エミッタ
2 SiC−SBD
2a アノード
2b カソード
3 コレクタ端子
4 エミッタ端子
5 ゲート端子
10 基板
11 結晶格子
12 格子振動
13 電子
13a 弾き飛んだ電子
100 パワー半導体モジュール
Iav アバランシェ電流
Vavs1、Vavs2 静的アバランシェ電圧
Vavd ダイナミックアバランシェ電圧
1 Si-IGBT
1a collector 1b emitter 2 SiC-SBD
2a anode 2b cathode 3 collector terminal 4 emitter terminal 5 gate terminal 10 substrate 11 crystal lattice 12 lattice vibration 13 electrons 13a blown electrons 100 power semiconductor module Iav avalanche current Vavs1, Vavs2 static avalanche voltage Vavd dynamic avalanche voltage

Claims (7)

スイッチング素子と、該スイッチング素子と逆並列接続される還流ダイオードを有するパワー半導体モジュールにおいて、
前記スイッチング素子がシリコン基板に形成され、前記還流ダイオードがワイドバンドギャップ基板に形成され、
素子設計による最高接合温度において前記還流ダイオードの静的アバランシェ電圧が前記スイッチング素子の静的アバランシェ電圧より高く、かつ、使用中の接合温度の全範囲において前記還流ダイオードの静的アバランシェ電圧が前記スイッチング素子の静的アバランシェ電圧より高いことを特徴とするパワー半導体モジュール。
In a power semiconductor module having a switching element and a free-wheeling diode connected in reverse parallel to the switching element,
The switching element is formed on a silicon substrate, the free wheel diode is formed on a wide band gap substrate,
The static avalanche voltage of the freewheeling diode is higher than the static avalanche voltage of the switching element at the maximum junction temperature according to the element design, and the static avalanche voltage of the freewheeling diode is the switching element over the entire range of the junction temperature in use. A power semiconductor module characterized by being higher than the static avalanche voltage.
前記ワイドバンドギャップ基板が炭化珪素からなる半導体基板であることを特徴とする請求項1に記載のパワー半導体モジュール。   The power semiconductor module according to claim 1, wherein the wide band gap substrate is a semiconductor substrate made of silicon carbide. 前記スイッチング素子が絶縁ゲート型バイポーラトランジスタもしくはMOS型電界効果トランジスタであり、前記還流ダイオードがショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項1または2に記載のパワー半導体モジュール。   3. The power semiconductor module according to claim 1, wherein the switching element is an insulated gate bipolar transistor or a MOS field effect transistor, and the freewheeling diode is a Schottky barrier diode. シリコン基板に形成されたスイッチング素子を用意し、Prepare the switching element formed on the silicon substrate,
素子設計による最高接合温度において前記スイッチング素子の静的アバランシェ電圧より高い静的アバランシェ電圧を有し、ワイドバンドギャップ基板に形成された還流ダイオードを選定することを特徴とするパワー半導体モジュールの組立方法。  A method of assembling a power semiconductor module, comprising selecting a freewheeling diode having a static avalanche voltage higher than a static avalanche voltage of the switching element at a maximum junction temperature according to an element design and formed on a wide band gap substrate.
使用中の接合温度の全範囲において前記還流ダイオードの静的アバランシェ電圧が前記スイッチング素子の静的アバランシェ電圧より高い請求項4記載のパワー半導体モジュールの組立方法。5. The method of assembling a power semiconductor module according to claim 4, wherein the static avalanche voltage of the freewheeling diode is higher than the static avalanche voltage of the switching element over the entire range of the junction temperature in use. 前記ワイドバンドギャップ基板が炭化珪素からなる半導体基板である請求項4記載のパワー半導体モジュールの組立方法。  5. The method for assembling a power semiconductor module according to claim 4, wherein the wide band gap substrate is a semiconductor substrate made of silicon carbide. 前記スイッチング素子が絶縁ゲート型バイポーラトランジスタもしくはMOS型電界効果トランジスタであり、前記還流ダイオードがショットキーバリアダイオードである請求項4記載のパワー半導体モジュールの組立方法。  5. The method of assembling a power semiconductor module according to claim 4, wherein the switching element is an insulated gate bipolar transistor or a MOS field effect transistor, and the freewheeling diode is a Schottky barrier diode.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021119989A1 (en) * 2019-12-17 2021-06-24 Techtronic Cordless Gp Overheat detection of mosfet

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020198960A1 (en) * 2019-03-29 2020-10-08 华为技术有限公司 Photovoltaic converter module string, control method, and system
WO2022158597A1 (en) * 2021-01-25 2022-07-28 住友電気工業株式会社 Semiconductor device
JPWO2022158596A1 (en) * 2021-01-25 2022-07-28

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2692765B2 (en) * 1989-12-22 1997-12-17 株式会社日立製作所 Parallel circuit with diode and IGBT, module thereof, and power converter using the same
JP4594477B2 (en) * 2000-02-29 2010-12-08 三菱電機株式会社 Power semiconductor module
JP4430531B2 (en) * 2004-12-28 2010-03-10 株式会社日立製作所 Bi-directional isolated DC-DC converter
JP5092312B2 (en) * 2006-08-10 2012-12-05 株式会社デンソー diode
JP5476028B2 (en) * 2009-04-17 2014-04-23 株式会社日立製作所 Power semiconductor switching element gate drive circuit and inverter circuit
AU2010342148B2 (en) * 2010-01-18 2013-05-16 Mitsubishi Electric Corporation Power semiconductor module, power conversion device, and rail car
WO2011111175A1 (en) * 2010-03-09 2011-09-15 三菱電機株式会社 Power semiconductor module, power conversion device, and railway vehicles

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021119989A1 (en) * 2019-12-17 2021-06-24 Techtronic Cordless Gp Overheat detection of mosfet

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