JP6513303B2 - 電力用半導体モジュールおよび電力変換装置 - Google Patents
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Description
<電力用半導体モジュールの構成>
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置における電力変換回路を示す模式図である。図2は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの断面構造を示す模式図である。図3は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの平面構造を示す模式図である。図4は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールのスナバ基板の断面構造を示す模式図である。図5は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールのスナバ基板の平面構造を示す模式図である。図1〜図5を用いて、本実施形態に係る電力用半導体モジュールを説明する。
図1〜図5に示した電力用半導体モジュールによれば、スナバ回路の一端が正極導体パターン3aと、スナバ回路の他端が負極導体パターン3bとそれぞれ接続され、また、スナバ回路が正極導体パターン3aと負極導体パターン3bと交流電極パターン3cとの少なくともいずれか1つ上に配置されることで、当該スナバ回路が電力用半導体モジュールの内部に実装される。そのため、スイッチング動作時に発生するリンギングをこのスナバ回路により抑制できる。さらに、スナバ基板が正極導体パターン3aと負極導体パターン3bと交流電極パターン3cとの少なくともいずれか1つ上に重なるように配置されるので、スナバ基板が正極導体パターン3aおよび負極導体パターン3bと平面的に並んで配置される場合より、配線長を短くできて当該配線の寄生インダクタンスを小さくできる。また異なる観点から言えば、スナバ回路が電力用半導体モジュールに内蔵されるため、電力用半導体モジュールの外部にスナバ回路を設ける場合と比較して、正極側スイッチング素子16Pおよび正極側還流ダイオード17Pなどの電力用半導体素子に近い位置、即ちインダクタンスの小さい距離においてスナバ回路を設けることができ、リンギングの抑制効果を高めるとともに、電力用半導体モジュールを小型化できる。
図6は、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールの変形例の断面構造を示す模式図である。図6は図2に対応する。図2では、正極導体パターン3a、負極導体パターン3bは電気絶縁性を示す接合体4を介して金属ベース5と接続される例を示したが、図6に示すように、正極導体パターン3a、負極導体パターン3b、および図示しない交流導体パターン3cは第2の絶縁基板8b、裏面導体パターン3d、はんだ2を介して金属ベース5と接続されてもよい。
<電力用半導体モジュールの構成>
図7は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体モジュールの断面構造を示す模式図である。図8は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体モジュールのスナバ基板の断面構造を示す模式図である。図9は、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体モジュールのスナバ基板の平面構造を示す模式図である。図7〜図9に示す電力用半導体モジュールは、基本的には図1〜図5に示した電力用半導体モジュールと同様の構成を備えるが、スナバ回路と負極導体パターン3bとの接続構造が図1〜図5に示した電力用半導体モジュールと異なっている。具体的には、スナバ回路を構成する絶縁基板8の上面に形成された抵抗体11と接続されている第2の配線パターン7bが、スルーホール12の内部に配置された導電体、第2の配線パターン7b’、はんだ2を介して負極導体パターン3bと接続されている。
このような構成とすることで、本発明の実施の形態1に係る電力用半導体モジュールと同様の効果を得ることができる。すなわち、スナバ回路の一端は正極導体パターン3aとボンディングワイヤ6aで接続されるのに対して、スナバ回路の他端は負極導体パターン3bとスルーホール12中に配置された導電体を介して接続されることで、スナバ回路は電力用半導体モジュールに内蔵される。スナバ回路が電力用半導体モジュールに内蔵されるため、電力用半導体モジュールの外部にスナバ回路を設ける場合と比較して、正極側スイッチング素子16Pなどの電力用半導体素子に近い位置にスナバ回路を設けることとなり、リンギングの抑制効果を高めることが可能となる。特に、図7に示すように抵抗体11と負極導体パターン3bとがスルーホール12中の導電体により接続されるため、ボンディングワイヤを用いてこれらを接続する場合よりもスナバ回路と電力用半導体素子間の配線インダクタンスを小さくできる。この結果、スナバ回路によるリンギング抑制効果をより発揮することができる。
<電力用半導体モジュールの構成>
図10は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体モジュールの断面構造を示す模式図である。図11は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体モジュールのスナバ基板の断面構造を示す模式図である。図12は、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体モジュールのスナバ基板の平面構造を示す模式図である。図10〜図12に示す電力用半導体モジュールは、基本的には図7〜図9に示した電力用半導体モジュールと同様の構成を備えるが、絶縁基板8の配置およびスナバ回路と正極導体パターン3aとの接続部の構成が図7〜図9に示した電力用半導体モジュールと異なっている。図10〜図12に示した電力用半導体モジュールでは、絶縁基板8の下面に第1の配線パターン7a’、第2の配線パターン7b’が形成されている。スナバ回路が形成された絶縁基板8であるスナバ基板は正極導体パターン3aと負極導体パターン3bとの両方の一部上にまたがるように配置される。コンデンサ10の正極側は第1の配線パターン7a、スルーホール12中の導電体、第1の配線パターン7a’、はんだ2を介して正極導体パターン3aと接続される。抵抗体11の負極側は、第2の配線パターン7b、スルーホール12中の導電体、第2の配線パターン7b’、はんだ2を介して負極導体パターン3bと接続されている。
このような構成とすることで、本発明の実施の形態2に係る電力用半導体モジュールと同様の効果を得ることができる。すなわち、スナバ回路の一端は正極導体パターン3aと、スナバ回路の他端は負極導体パターン3bとそれぞれスルーホールを介して接続される。このようにしてスナバ回路は電力用半導体モジュールに内蔵される。スナバ回路が電力用半導体モジュールに内蔵されるため、電力用半導体モジュールの外部にスナバ回路を設ける場合と比較して、電力用半導体素子に近い位置にスナバ回路を設けることとなり、リンギングの抑制効果を高めることができる。特に、スナバ回路の正極側と正極導体パターン3a、スナバ回路の負極側と負極導体パターン3bのいずれもがスルーホール12中の導電体により接続されるため、ボンディングワイヤを用いる場合よりスナバ回路と電力用半導体素子間の配線インダクタンスが小さくなる。この結果、スナバ回路によるリンギング抑制効果をより発揮することができる。
<電力用半導体モジュールの構成>
図13は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体モジュールの断面構造を示す模式図である。図14は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体モジュールのスナバ基板の断面構造を示す模式図である。図15は、本発明の実施の形態4に係る電力用半導体モジュールのスナバ基板の平面構造を示す模式図である。図13〜図15に示す電力用半導体モジュールは、基本的には図10〜図12に示した電力用半導体モジュールと同様の構成を備えるが、スナバ回路における抵抗体11の配置および絶縁基板8の構成が異なっている。すなわち、図13〜図15に示す電力用半導体モジュールでは、コンデンサ10と抵抗体11とをスナバ基板の異なる面に実装している。
このような構成とすることで、本発明の実施の形態3に係る電力用半導体モジュールと同様の効果を得ることができる。すなわち、スナバ回路を構成するコンデンサ10と抵抗体11をスナバ基板の両面に実装して電力用半導体モジュールに内蔵しているため、電力用半導体モジュールの外部にスナバ回路を設ける場合と比較して、電力用半導体素子に近い位置にスナバ回路を設けることとなる。この結果、リンギングの抑制効果を高めることが可能となる。また、スナバ基板を平面視した場合にコンデンサ10と抵抗体11とを重なるように配置することが可能になるため、スナバ基板の面積、すなわち絶縁基板8の面積を小さくすることができる。このため、スナバ基板を内蔵する電力用半導体モジュールの小型化を実現できる。
<電力用半導体モジュールの構成>
図16は、本発明の実施の形態5に係る電力用半導体モジュールを構成する電力変換回路における1つのレグを示す模式図である。図17は、本発明の実施の形態5に係る電力変換回路を示す模式図である。図16に示すレグ20は、図17に示す電力変換回路を構成する。図16に示すレグ20は、正極側電力用半導体素子と負極側電力用半導体素子とを直列接続することで構成される。また、図16に示すレグ20にはスナバ回路13が一つ実装されている。スナバ回路13の正極側が正極側電力用半導体素子の正極と、スナバ回路13の負極側が正極側電力用半導体素子の負極と接続される。
このような構成とすることで、スナバ回路13が内蔵された電力用半導体モジュールとしてのレグ20a〜20cを用いて電力変換装置を構成することができ、スイッチング動作をする各レグ20a、20b、20cに対してスナバ回路が実装される構成となるため、リンギングの抑制効果を高めることが可能となる。
<電力変換装置の構成>
本実施の形態は、上述した実施の形態1〜5に係る電力用半導体モジュールを電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態6として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路201の半導体モジュール202として実施の形態1〜5に係る電力用半導体モジュールを適用するため、スナバ回路13が内蔵されていることによりリンギングを効果的に抑制できるとともに、半導体モジュール202および電力変換装置を小型化できる。
Claims (13)
- 金属ベースと、
少なくとも1つの正極側電力用半導体素子と、
少なくとも1つの負極側電力用半導体素子と、
前記少なくとも1つの正極側電力用半導体素子が実装される正極導体パターンを有する正極導体パターン部材と、
前記少なくとも1つの負極側電力用半導体素子の負極側電極が接続される負極導体パターンを有する負極導体パターン部材と、
前記少なくとも1つの負極側電力用半導体素子が実装され、前記少なくとも1つの正極側電力用半導体素子の負極側電極が接続される交流電極パターンを有する交流電極パターン部材と、
スナバ基板とを備え、
前記正極導体パターン部材と前記負極導体パターン部材と前記交流電極パターン部材とは、絶縁性の部材を介して前記金属ベースの主面に互いに間隔を隔てて配置され、
前記スナバ基板は、
第1の配線パターンと第2の配線パターンと前記第1の配線パターンと前記第2の配線パターンの間に位置する第3の配線パターンとを有する絶縁基板と、
前記絶縁基板に配置された少なくとも1つのスナバ回路とを含み、
前記少なくとも1つのスナバ回路はコンデンサと抵抗体が直列に接続された回路であり、前記コンデンサと前記抵抗体は前記第3の配線パターンに電気的に接続され、
前記スナバ基板は前記正極導体パターンと前記負極導体パターンと前記交流電極パターンとの少なくともいずれか1つ上に重なるように配置され、
前記少なくとも1つのスナバ回路は、前記正極導体パターンと前記負極導体パターンとに接続されている、電力用半導体モジュール。 - 前記少なくとも1つのスナバ回路と前記正極導体パターンとの間を接続する第1のボンディングワイヤと、
前記少なくとも1つのスナバ回路と前記負極導体パターンとの間を接続する第2のボンディングワイヤとを備える、請求項1に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記絶縁基板にはスルーホールが形成され、
前記スルーホールの内部に配置され、前記少なくとも1つのスナバ回路と接続された導電体を備え、
前記導電体は、前記スナバ基板下に位置する前記正極導体パターンと前記負極導体パターンとのいずれか一方と接続され、さらに、
前記少なくとも1つのスナバ回路と、前記正極導体パターンと前記負極導体パターンとのいずれか他方との間を接続するボンディングワイヤを備える、請求項1に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記少なくとも1つのスナバ回路は、前記正極導体パターンと前記負極導体パターンとの両方の上に配置され、
前記絶縁基板において、前記正極導体パターン上に位置する部分に第1のスルーホールが形成され、前記負極導体パターン上に位置する部分に第2のスルーホールが形成され、
前記第1のスルーホールの内部に配置され、前記少なくとも1つのスナバ回路と接続された第1の導電体と、
前記第2のスルーホールの内部に配置され、前記少なくとも1つのスナバ回路と接続された第2の導電体と、を備え、
前記第1の導電体は前記正極導体パターンと接続され、
前記第2の導電体は前記負極導体パターンと接続される、請求項1に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記コンデンサと前記抵抗体とは前記絶縁基板の第1の主面上に形成されている、請求項1に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記コンデンサと前記抵抗体とは、前記絶縁基板の互いに異なる面上に形成されている、請求項1に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記抵抗体は厚膜抵抗体である、請求項5または請求項6に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記少なくとも1つの正極側電力用半導体素子は、第1〜第3の正極側電力用半導体素子を含み、
前記少なくとも1つの負極側電力用半導体素子は、第1〜第3の負極側電力用半導体素子を含み、
前記第1の正極側電力用半導体素子と前記第1の負極側電力用半導体素子とが直列接続され第1のレグを構成し、
前記第2の正極側電力用半導体素子と前記第2の負極側電力用半導体素子とが直列接続され第2のレグを構成し、
前記第3の正極側電力用半導体素子と前記第3の負極側電力用半導体素子とが直列接続され第3のレグを構成する、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。 - 前記少なくとも1つのスナバ回路は、前記第1〜第3のレグのそれぞれに接続された第1〜第3のスナバ回路を含む、請求項8に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記少なくとも1つの正極側電力用半導体素子と前記少なくとも1つの負極側電力用半導体素子とは、ワイドバンドギャップ半導体からなる、請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム、ダイヤモンド、酸化ガリウムからなる群から選択される1つである、請求項10に記載の電力用半導体モジュール。
- 請求項1〜11のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュールを含み、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。 - スイッチング時の電圧変化率を15V/ns以上で動作させることを特徴とする、請求項12に記載の電力変換装置。
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