JP6400201B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents
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Description
[パワー半導体モジュールの回路構成]
図1は、実施の形態1に従うパワー半導体モジュールの構成を示す回路図である。図1を参照して、パワー半導体モジュール10は、いわゆる2in1構造と呼ばれるインバータモジュールである。パワー半導体モジュール10は、正極側電源電位が与えられる正極側電源端子101と、負荷と電気的に接続される出力端子102と、負極側電源電位が与えられる負極側電源端子103と、正極側スイッチング素子111と、正極側ダイオード素子121と、負極側スイッチング素子112と、負極側ダイオード素子122とを含む。
次に、図1の回路構成において生じるサージ電流の流れについて説明する。
図4は、図1のパワー半導体モジュールのレイアウトを模式的に示す平面図である。図4のパワー半導体モジュール10は、いわゆる2in1構造と呼ばれるものである。
次に、図4のパワー半導体モジュール10における定常状態の電流の流れについて説明する。
次に、図4のレイアウトの特徴とその効果について説明する。図4のレイアウトの特徴の1つは、絶縁基板100に垂直な方向から絶縁基板100を平面視したとき、出力側導電パターン132の一部が正極側導電パターン131の一部(特に、正極側ダイオード素子121の取り付け位置)と負極側導電パターン133の一部との間に挟まれている点にある。
図6は、図4のパワー半導体モジュールの変形例のレイアウトを模式的に示す平面図である。図6のパワー半導体モジュール11は、正極側ダイオード素子121および負極側ダイオード素子122の配置が図4の場合と異なる。具体的に、図6の場合には、各半導体素子を互いにより密接して配置するために、正極側スイッチング素子111、負極側ダイオード素子122、正極側ダイオード素子121、および負極側スイッチング素子112が略一列に配列されていない点に特徴がある。これによって、パワー半導体モジュールをより小型化することができる。
図7は、実施の形態2に従うパワー半導体モジュールのレイアウトを模式的に示す平面図である。
まず、正極側スイッチング素子211と負極側ダイオード素子222とが隣合って配置されているため、ボンディングワイヤ241を最短で結線することができる。正極側ダイオード素子221と負極側スイッチング素子212とが隣合って配置されているために、ボンディングワイヤ243を最短で結線できる。負極側スイッチング素子212と負極側導電パターン233とを隣接させているためボンディングワイヤ244を最短で結線できる。以上により、低インピーダンス化を実現できるので、サージ電圧を抑制できる。
図9は、図7のパワー半導体モジュールの変形例1のレイアウトを模式的に示す平面図である。図9のパワー半導体モジュール21は、ボンディングワイヤ243の配置が図7のパワー半導体モジュール20と異なる。具体的には、図9の場合には、ボンディングワイヤ243はボンディングワイヤ241と平行な方向(図7の基準線RL1に沿う方向)に設置される。これによって図8で説明したサージ電流SG2の経路長とサージ電流SG4の経路長とをさらに等しくでき、この結果、正極側スイッチング素子211のターンオン時のサージ電圧と、負極側スイッチング素子212のターンオン時のサージ電圧とをさらに均一に抑制できる。
図10は、図7のパワー半導体モジュールの変形例2のレイアウトを模式的に示す平面図である。図10のパワー半導体モジュール22は、各半導体素子を互いにより密接して配置するために、正極側スイッチング素子211、負極側ダイオード素子222、正極側ダイオード素子221、および負極側スイッチング素子212が略一列に配列されていない点に特徴がある。これによって、パワー半導体モジュールをより小型化することができる。
図11は、実施の形態3に従うパワー半導体モジュールのレイアウトを模式的に示す平面図である。
まず、正極側スイッチング素子311と負極側ダイオード素子322とが隣合って配置されているため、ボンディングワイヤ341を最短で結線することができる。正極側ダイオード素子321と負極側スイッチング素子312とが隣合って配置されているために、ボンディングワイヤ343を最短で結線できる。負極側スイッチング素子312と負極側導電パターン333とを隣接させているためボンディングワイヤ344を最短で結線できる。以上により、低インピーダンス化を実現できるので、サージ電圧を抑制できる。
図12は、図11のパワー半導体モジュールの変形例のレイアウトを模式的に示す平面図である。図12のパワー半導体モジュール31は、各半導体素子を互いにより密接して配置するために、正極側スイッチング素子311、負極側ダイオード素子322、正極側ダイオード素子321、および負極側スイッチング素子312が略一列に配列されていない点に特徴がある。これによって、パワー半導体モジュールをより小型化することができる。
図13は、実施の形態4に従うパワー半導体モジュールのレイアウトを模式的に示す平面図である。
まず、正極側スイッチング素子411と負極側ダイオード素子422とが隣合って配置されているため、ボンディングワイヤ441を最短で結線することができる。正極側ダイオード素子421と負極側スイッチング素子412とが隣合って配置されているために、ボンディングワイヤ443を最短で結線できる。負極側スイッチング素子412と負極側導電パターン433とを隣接させているためボンディングワイヤ444を最短で結線できる。以上により、低インピーダンス化を実現できるので、サージ電圧を抑制できる。
図14は、図13のパワー半導体モジュールの変形例1のレイアウトを模式的に示す平面図である。図14のパワー半導体モジュール41は、ボンディングワイヤ443の配置が図13のパワー半導体モジュール40と異なる。具体的には、図14の場合には、ボンディングワイヤ443はボンディングワイヤ441と平行な方向(図13の基準線RL1に沿う方向)に設置される。これによって図13の場合に比べて、正極側電源端子401、正極側スイッチング素子411、負極側ダイオード素子422、負極側電源端子403を順に通過するサージ電流(図8のSG2対応する)の経路長と、正極側電源端子401、正極側ダイオード素子421、負極側スイッチング素子412、負極側電源端子403を順に通過するサージ電流(図8のSG4に対応する)の経路長とをさらに等しくできる。この結果、正極側スイッチング素子411のターンオン時のサージ電圧と、負極側スイッチング素子412のターンオン時のサージ電圧とをさらに均一に抑制できる。
図15は、図13のパワー半導体モジュールの変形例2のレイアウトを模式的に示す平面図である。図15のパワー半導体モジュール42は、各半導体素子を互いにより密接して配置するために、正極側スイッチング素子411、負極側ダイオード素子422、正極側ダイオード素子421、および負極側スイッチング素子412が略一列に配列されていない点に特徴がある。これによって、パワー半導体モジュールをより小型化することができる。
図16は、実施の形態5に従うパワー半導体モジュールのレイアウトを模式的に示す平面図である。
まず、正極側スイッチング素子511と負極側ダイオード素子522とが隣合って配置されているため、ボンディングワイヤ541を最短で結線することができる。正極側ダイオード素子521と負極側スイッチング素子512とが隣合って配置されているために、ボンディングワイヤ543を最短で結線できる。負極側スイッチング素子512と負極側導電パターン533とを隣接させているためボンディングワイヤ544を最短で結線できる。以上により、低インピーダンス化を実現できるので、サージ電圧を抑制できる。
図18は、図16のパワー半導体モジュールの変形例のレイアウトを模式的に示す平面図である。図18のパワー半導体モジュール51は、各半導体素子を互いにより密接して配置するために、正極側スイッチング素子511、負極側ダイオード素子522、正極側ダイオード素子521、および負極側スイッチング素子512が略一列に配列されていない点に特徴がある。これによって、パワー半導体モジュールをより小型化することができる。
図19は、実施の形態6に従うパワー半導体モジュールの構成を示す回路図である。図19を参照して、パワー半導体モジュール60は、いわゆる6in1構造と呼ばれる3相ブリッジインバータ回路である。
Claims (8)
- 第1の主面および第2の主面を有する絶縁基板と、
各々が前記絶縁基板の前記第1の主面上に形成された正極側導電パターン、負極側導電パターン、および出力側導電パターンと、
前記正極側導電パターン上に設けられ、正極側電源電位が与えられる正極側電源端子と、
前記負極側導電パターン上に設けられ、負極側電源電位が与えられる負極側電源端子と、
前記出力側導電パターン上に設けられ、負荷と電気的に接続される出力端子と、
第1の主面上に形成された第1の主電極ならびに第2の主面上に形成された第2の主電極および制御電極を有し、第1の主電極が前記正極側導電パターンに取り付けられ、第2の主電極が電気的接続体を介して前記出力側導電パターンに接続された正極側スイッチング素子と、
第1の主面上に形成されたカソード電極および第2の主面上に形成されたアノード電極を有し、前記カソード電極が前記正極側導電パターンに取り付けられ、前記アノード電極が電気的接続体を介して前記出力側導電パターンに接続された正極側ダイオード素子と、
第1の主面上に形成された第1の主電極ならびに第2の主面上に形成された第2の主電極および制御電極を有し、第1の主電極が前記出力側導電パターンに取り付けられ、第2の主電極が電気的接続体を介して前記負極側導電パターンに接続された負極側スイッチング素子と、
第1の主面上に形成されたカソード電極および第2の主面上に形成されたアノード電極を有し、前記カソード電極が前記出力側導電パターンに取り付けられ、前記アノード電極が電気的接続体を介して前記負極側導電パターンに接続された負極側ダイオード素子とを備え、
前記絶縁基板を平面視して、前記正極側ダイオード素子および前記負極側ダイオード素子は、前記正極側スイッチング素子と前記負極側スイッチング素子との間に位置し、前記負極側ダイオード素子は、前記正極側ダイオード素子よりも前記正極側スイッチング素子の近くに配置され、
前記絶縁基板を平面視して、前記正極側ダイオード素子および前記負極側ダイオード素子は、前記正極側スイッチング素子の配置位置と前記負極側スイッチング素子の配置位置とを結ぶ第1の基準線上または前記第1の基準線に沿って配置される、パワー半導体モジュール。 - 前記絶縁基板を平面視して、前記出力側導電パターンの一部は、前記正極側ダイオード素子と前記負極側導電パターンとの間に位置している、請求項1に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記絶縁基板を平面視して、前記正極側導電パターンの一部は、前記負極側ダイオード素子と前記負極側導電パターンとの間に位置している、請求項1に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記絶縁基板を平面視して、前記出力端子は、前記負極側スイッチング素子を挟んで前記正極側スイッチング素子と反対側に配置され、
前記絶縁基板を平面視して、前記正極側電源端子は、前記正極側スイッチング素子を挟んで前記負極側スイッチング素子と反対側に配置され、
前記絶縁基板を平面視して、前記負極側電源端子は、前記正極側スイッチング素子よりも前記出力端子から離れた位置で、前記正極側電源端子と隣り合って配置される、請求項2に記載のパワー半導体モジュール。 - 前記絶縁基板を平面視して、前記正極側電源端子および前記負極側電源端子は、前記第1の基準線に対して前記出力端子と反対側に配置され、
前記絶縁基板を平面視して、前記正極側電源端子は、前記正極側スイッチング素子よりも前記第1の基準線から離れた位置で、前記正極側スイッチング素子と隣り合って配置され、
前記絶縁基板を平面視して、前記負極側電源端子は、前記負極側スイッチング素子よりも前記第1の基準線から離れた位置で、前記負極側スイッチング素子と隣り合って配置される、請求項3に記載のパワー半導体モジュール。 - 前記絶縁基板を平面視して、前記正極側電源端子および前記負極側電源端子は、前記正極側ダイオード素子と前記負極側ダイオード素子との間を通りかつ前記第1の基準線と直交する第2の基準線に沿って配置される、請求項2に記載のパワー半導体モジュール。
- 前記パワー半導体モジュールは、さらに、
前記絶縁基板上に形成され、前記正極側スイッチング素子の制御電極と電気的接続体を介して接続された正極側制御端子と、
前記絶縁基板上に形成され、前記負極側スイッチング素子の制御電極と電気的接続体を介して接続された負極側制御端子とを備え、
前記絶縁基板を平面視して、前記正極側スイッチング素子の制御電極と前記正極側制御端子とを結線する電気的接続体は、前記負極側導電パターンおよび前記出力側導電パターンと交差しておらず、
前記絶縁基板を平面視して、前記負極側スイッチング素子の制御電極と前記負極側制御端子とを結線する電気的接続体は、前記正極側導電パターンおよび前記出力側導電パターンと交差していない、請求項1〜6のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュール。 - 前記絶縁基板を平面視して、前記正極側制御端子および前記負極側制御端子は、前記第1の基準線に対して同じ側に配置され、
前記正極側制御端子は、前記正極側導電パターンよりも前記第1の基準線から離れた位置で、前記正極側導電パターンに隣接して配置され、
前記負極側制御端子は、前記出力側導電パターンよりも前記第1の基準線から離れた位置で、前記出力側導電パターンに隣接して配置される、請求項7に記載のパワー半導体モジュール。
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