JP7099075B2 - Semiconductor module - Google Patents

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Description

本発明は、高電位側半導体スイッチング素子と低電位側スイッチング素子、及びこれらのスイッチング素子を駆動させる駆動回路を備え、高電位側の半導体スイッチング素子の基準電位と駆動回路の基準電位が接続された構成の半導体モジュールに関する。 The present invention includes a high-potential side semiconductor switching element, a low-potential side switching element, and a drive circuit for driving these switching elements, and the reference potential of the high-potential side semiconductor switching element and the reference potential of the drive circuit are connected. Regarding the semiconductor module of the configuration.

民生・産業用のモータ駆動用などに広く用いられるインバータ装置はMOSFETやIGBTなどの半導体スイッチング素子と、その半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路を有している。また、機器の小型化と保護回路内蔵のための手段として、前記の半導体スイッチング素子と駆動回路を一つにパッケージ化した半導体モジュールであるIntelligent Power Module(以下、「IPM」ともいう。) が用いられている。以下、半導体スイッチング素子として、IGBTを用いた場合について説明する。 Inverter devices widely used for driving consumer and industrial motors have semiconductor switching elements such as MOSFETs and IGBTs, and drive circuits that drive the semiconductor switching elements. In addition, as a means for miniaturizing equipment and incorporating a protection circuit, the Intelligent Power Module (hereinafter, also referred to as "IPM"), which is a semiconductor module in which the above-mentioned semiconductor switching element and drive circuit are packaged into one, is used. Has been done. Hereinafter, a case where an IGBT is used as the semiconductor switching element will be described.

図1は、IPMの3相インバータ回路である。この図においてIPM1は高電位側IGBT2u,2v,2wとこれらのコレクタ・エミッタ間にそれぞれ逆並列に接続された高電位側の還流ダイオード(以下、「FWD」ともいう。)4u,4v,4wと、低電位側IGBT3u,3v,3wとこれらのコレクタ・エミッタ間にそれぞれ逆並列に接続された低電位側FWD5u,5v,5wを備える。また、IPM1は、高電位側IGBT2u,2v,2wをそれぞれ駆動する駆動回路(以下、「HVIC」ともいう。)6u,6v,6wと低電位側IGBT3u,3v,3wを駆動する駆動回路(以下、「LVIC」ともいう。)7を備えている。 FIG. 1 is an IPM three-phase inverter circuit. In this figure, IPM1 is a high potential side IGBT 2u, 2v, 2w and a high potential side freewheeling diode (hereinafter, also referred to as “FWD”) 4u, 4v, 4w connected in antiparallel between these collectors and emitters, respectively. , Low potential side IGBT3u, 3v, 3w and low potential side FWD5u, 5v, 5w connected in antiparallel between these collectors and emitters, respectively. Further, the IPM1 is a drive circuit for driving the high potential side IGBTs 2u, 2v, 2w (hereinafter, also referred to as “HVIC”) 6u, 6v, 6w and a drive circuit for driving the low potential side IGBTs 3u, 3v, 3w, respectively (hereinafter, also referred to as “HVIC”). , Also referred to as "LVIC") 7.

図1において高電位側IGBT2u,2v,2wの基準電位となるエミッタ(E)とHVIC6u,6v,6wの基準電位(Vs)は、図9の参考例に示すようにボンディングワイヤ8u,8v,8wによって接続されている。なお、図9では、三相のうちU相の回路を代表して記載している。一般的にはこのボンディングワイヤは、ワイヤ長が短くなるように配線される。 In FIG. 1, the emitters (E) serving as the reference potentials of the high potential side IGBTs 2u, 2v, 2w and the reference potentials (Vs) of the HVIC 6u, 6v, 6w are the bonding wires 8u, 8v, 8w as shown in the reference example of FIG. Connected by. Note that FIG. 9 shows the U-phase circuit as a representative of the three-phase circuits. Generally, this bonding wire is wired so that the wire length is short.

IPM1のインバータ装置では、高電位側IGBT2u,2v,2wと低電位側IGBT3u,3v,3wを交互にターンオン・ターンオフ動作をすることで電力変換を行なうため、図10に示すようにターンオン・ターンオフ動作時にスイッチング損失が発生する。図10において、図10(a)は一般的なスイッチング素子であるIGBTのターンオン、ターンオフ時のコレクタ・エミッタ間の電圧(VCE)、図10(b)は当該IGBTのコレクタ電流(IC)の波形を表す。このとき図10(c)に示すように、ターンオン・ターンオフ時のVCEとICが重なったタイミング(同図斜線部分)でスイッチング損失が発生する。 In the inverter device of IPM1, power conversion is performed by alternately performing turn-on / turn-off operation of high-potential side IGBT2u, 2v, 2w and low-potential side IGBT3u, 3v, 3w, so that the turn-on / turn-off operation is performed as shown in FIG. Sometimes switching loss occurs. In FIG. 10, FIG. 10A is a waveform of a voltage (VCE) between a collector and an emitter at the time of turn-on and turn-off of a general switching element, and FIG. 10B is a waveform of a collector current (IC) of the IGBT. Represents. At this time, as shown in FIG. 10 (c), a switching loss occurs at the timing when the VCE and the IC overlap at the time of turn-on / turn-off (hatched portion in the same figure).

一般的にIGBTは、ターンオン・ターンオフ動作において、ゲート・コレクタ間の寄生容量の電荷を充放電し、ゲート・エミッタ間の電圧(基準電位に対するゲート電圧)がフラットになる期間が発生する。以下、この期間を「ミラー期間」という。 Generally, in the turn-on / turn-off operation, the IGBT charges and discharges the charge of the parasitic capacitance between the gate and the collector, and a period in which the voltage between the gate and the emitter (gate voltage with respect to the reference potential) becomes flat occurs. Hereinafter, this period is referred to as a "mirror period".

ミラー期間を図11に示す。図11(a)は、従来回路におけるIGBTのターンオフ時の電圧VCE、図11(b)はこのときの電流IC、図11(c)はゲート電圧VGEの波形である。図11(c)に示すように、ゲート電圧VGEがフラットになっている期間(t1~t2)がミラー期間である。 The mirror period is shown in FIG. FIG. 11A is a waveform of the voltage VCE at the turn-off of the IGBT in the conventional circuit, FIG. 11B is a waveform of the current IC at this time, and FIG. 11C is a waveform of the gate voltage VGE. As shown in FIG. 11 (c), the period (t1 to t2) in which the gate voltage VGE is flat is the mirror period.

一方、図12に示すように、一般に高電位側IGBT2u,2v,2wのエミッタとHVIC6u,6v,6wの基準電位間のインダクタンスLaは、低電位側IGBT3u,3v,3wのエミッタとLVIC7の基準電位間の配線のインダクタンスLbに比べて小さい。このため、図13(b)に示すように低電位側IGBT3u,3v,3wに比べて高電位側IGBT2u,2v,2wのターンオフ時のコレクタ電流の時間変化率di/dtは急峻になる。 On the other hand, as shown in FIG. 12, generally, the inductance La between the emitter of the high potential side IGBT 2u, 2v, 2w and the reference potential of the HVIC 6u, 6v, 6w is the reference potential of the emitter of the low potential side IGBT 3u, 3v, 3w and the LVIC 7. It is smaller than the inductance Lb of the wiring between them. Therefore, as shown in FIG. 13B, the time change rate di / dt of the collector current at the turn-off of the high potential side IGBTs 2u, 2v, 2w is steeper than that of the low potential side IGBT3u, 3v, 3w.

直流電源電圧をVDC、配線等の寄生インダクタンスをLとすると、一般に跳ね上がり電圧VCE(surge)は次の式で表される。
VCE(surge)=VDC+L・di/dt
Assuming that the DC power supply voltage is VDC and the parasitic inductance of wiring or the like is L, the jump voltage VCE (surge) is generally expressed by the following equation.
VCE (surge) = VDC + L ・ di / dt

したがって、図13(a)に示すように高電位側IGBT2u,2v,2wがターンオフするときは、IGBT2u,2v,2wのコレクタ・エミッタ間に印加される跳ね上がり電圧VCE(surge)も大きくなる。この跳ね上がり電圧VCE(surge)がIGBTの耐量を超えると、アバランシェ破壊を引き起こす。なお、図13では高電位側の回路の波形を実線、低電位側の回路の波形を破線で示している。 Therefore, as shown in FIG. 13A, when the high potential side IGBTs 2u, 2v, 2w are turned off, the jump voltage VCE (surge) applied between the collectors and emitters of the IGBTs 2u, 2v, 2w also becomes large. When this jump voltage VCE (surge) exceeds the withstand capacity of the IGBT, it causes avalanche destruction. In FIG. 13, the waveform of the circuit on the high potential side is shown by a solid line, and the waveform of the circuit on the low potential side is shown by a broken line.

アバランシェ破壊への対処方法としては、例えば特許文献1に示すように、IGBTのゲート抵抗Rgの抵抗値を大きくして、di/dtの傾きを緩やかにして、VCE(surge)の跳ね上がりを抑制するという方法が従来から知られている。 As a method for dealing with the destruction of the avalanche, for example, as shown in Patent Document 1, the resistance value of the gate resistance Rg of the IGBT is increased, the slope of the di / dt is made gentle, and the jumping of the VCE (surge) is suppressed. The method has been known conventionally.

しかしながら、IGBTのゲート抵抗Rgの値を大きくすると、図14に示すように、ゲート・エミッタ間の電圧がフラットになるミラー期間が長くなる。これにより、スイッチング損失が増大するという問題がある。 However, when the value of the gate resistance Rg of the IGBT is increased, as shown in FIG. 14, the mirror period in which the voltage between the gate and the emitter becomes flat becomes longer. This causes a problem that the switching loss increases.

また、特許文献2では、IGBT等のMOSゲート型半導体チップを内部に有するモジュール型素子において、半導体チップのエミッタとモジュール型素子のエミッタ端子との間にインダクタンスを介挿し、VCE(surge)の跳ね上がりを抑制する技術が開示されている。しかしながら、特許文献2は、半導体チップ単体を対象としており、還流ダイオードが逆並列接続された回路においてどのようにVCE(surge)の跳ね上がりを抑制するかについては何ら言及されていない。 Further, in Patent Document 2, in a modular element having a MOS gate type semiconductor chip such as an IGBT inside, an inductance is inserted between the emitter of the semiconductor chip and the emitter terminal of the modular element, and VCE (surge) jumps up. The technology to suppress the above is disclosed. However, Patent Document 2 targets a single semiconductor chip, and does not mention how to suppress the jumping of VCE (surge) in a circuit in which freewheeling diodes are connected in antiparallel connection.

また、特許文献3には、「高電位側半導体スイッチのエミッタと低電位側半導体スイッチのコレクタとの間の配線」と、「低電位側半導体スイッチ駆動のためのゲートへの配線」とを磁気結合させて逆起電力を得ることで、低電位側半導体スイッチのゲート・エミッタ間電圧Vgeを抑えてターンオン電流を抑制する電力変換装置が記載されている。しかしながら、特許文献3は、低電位側の半導体スイッチのターンオン電流抑制を目的としたものであり、ターンオフ時ではVgeを増加させるように逆起電力が発生するため、-di/dtの傾きは急峻になり、VCE(surge)が増大するという問題がある。 Further, in Patent Document 3, "wiring between the emitter of the high potential side semiconductor switch and the collector of the low potential side semiconductor switch" and "wiring to the gate for driving the low potential side semiconductor switch" are magnetically described. Described is a power conversion device that suppresses a turn-on current by suppressing a gate-emitter voltage Vge of a low-potential side semiconductor switch by coupling to obtain a counter electromotive force. However, Patent Document 3 aims to suppress the turn-on current of the semiconductor switch on the low potential side, and at the time of turn-off, a counter electromotive force is generated so as to increase Vge, so that the slope of −di / dt is steep. There is a problem that VCE (surge) increases.

特開2002-153043号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2002-153043 国際公開第98/53546号パンフレットInternational Publication No. 98/5546 Pamphlet 特許第6065744号公報Japanese Patent No. 6065744

本発明は、上述のかかる事情に鑑みてなされたものであり、還流ダイオードを有する半導体モジュールにおいて、ミラー期間に発生するスイッチング損失を増加させることなく、ターンオフ時の跳ね上がり電圧を抑制することのできる半導体モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and in a semiconductor module having a freewheeling diode, a semiconductor capable of suppressing a jump voltage at turn-off without increasing a switching loss generated during a mirror period. The purpose is to provide a module.

上記目的を達成するため、本発明の半導体モジュールにおいては、上アームおよび下アームをそれぞれ形成する高電位側スイッチング素子(2u,2v,2w)および低電位側スイッチング素子(3u,3v,3w)、これらのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード(4u,4v,4w,5u,5v,5w)、並びに前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動する高電位側駆動回路(6u,6v,6w)および低電位側駆動回路(7)を備えた半導体モジュール(1)であって、
前記上アームにおいて、前記還流ダイオード(4u,4v,4w)のアノード電極と前記高電位側駆動回路(6u,6v,6w)の基準電位電極(Vs)は第1の配線(9u,9v,9w)により直接接続され、
前記還流ダイオード(4u,4v,4w)のアノード電極は、インダクタンスを有する第2の配線(11u,11v,11w)を介して前記高電位側スイッチング素子の基準電位電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the semiconductor module of the present invention, the high potential side switching element (2u, 2v, 2w) and the low potential side switching element (3u, 3v, 3w) forming the upper arm and the lower arm, respectively, Freewheeling diodes (4u, 4v, 4w, 5u, 5v, 5w) connected in antiparallel to each of these switching elements, and a high potential that drives the high potential side switching element and the low potential side switching element on and off. A semiconductor module (1) including a side drive circuit (6u, 6v, 6w) and a low potential side drive circuit (7).
In the upper arm, the anode electrode of the freewheeling diode (4u, 4v, 4w) and the reference potential electrode (Vs) of the high potential side drive circuit (6u, 6v, 6w) are connected to the first wiring (9u, 9v, 9w). ) Directly connected,
The anode electrode of the freewheeling diode (4u, 4v, 4w) is electrically connected to the reference potential electrode of the high potential side switching element via a second wiring (11u, 11v, 11w) having an inductance. It is characterized by that.

本発明では、還流ダイオード(FWD)のアノード電極と高電位側スイッチング素子の基準電位電極が配線接続された構成の半導体モジュールにおいて、還流ダイオードのアノード電極と高電位側駆動回路の基準電位電極を直接配線接続する。 In the present invention, in a semiconductor module in which the anode electrode of the freewheeling diode (FWD) and the reference potential electrode of the high potential side switching element are connected by wiring, the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit are directly connected. Wire connection.

これにより、還流ダイオードのアノード・高電位側スイッチング素子の基準電位間の配線(前記第2の配線)の有するインダクタンスを利用して、ターンオフ時の跳ね上がり電圧を抑制することができる。 As a result, the jump voltage at the time of turn-off can be suppressed by utilizing the inductance of the wiring (the second wiring) between the anode of the freewheeling diode and the reference potential of the high potential side switching element.

ここで、「スイッチング素子の基準電位」とは、スイッチング素子を動作させるための基準となる電位であって、同スイッチング素子を動作させる駆動回路の基準電位と同電位となる部分を意味する。「直接接続され」とは、電極の端子に直接接続される場合の他、端子の近傍に引き出され、端子と同電位となる回路パターンを介して接続される場合も含む。また、「電気的に接続」とは、電気的に導通していれば足り、物理的に直接接続されている場合を含む趣旨である。 Here, the "reference potential of the switching element" means a portion that is a reference potential for operating the switching element and has the same potential as the reference potential of the drive circuit for operating the switching element. The term "directly connected" includes not only the case of being directly connected to the terminal of the electrode, but also the case of being pulled out in the vicinity of the terminal and being connected via a circuit pattern having the same potential as the terminal. Further, "electrically connected" means that it is sufficient if the electric conduction is electrically conducted, and the case where the physical connection is directly made is included.

なお、第2の配線のインダクタンスは、当該配線の寄生インダクタンスを利用することにしてもよい。また、第1の配線をボンディングワイヤとすることにより、当該第1の配線のインダクタンスの調整を容易にすることができる。 As the inductance of the second wiring, the parasitic inductance of the wiring may be used. Further, by using the bonding wire as the first wiring, it is possible to easily adjust the inductance of the first wiring.

また、本発明の半導体モジュールは、上アームおよび下アームをそれぞれ形成する高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子、これらのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、並びに前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動する高電位側駆動回路および低電位側駆動回路を備えた半導体モジュールであって、
前記上アームにおいて、前記還流ダイオードのアノード電極と前記高電位側駆動回路の基準電位電極は、インダクタンスを有する第1の配線により直接接続され、
前記還流ダイオードのアノード電極は、インダクタンスを有する第2の配線を介して前記高電位側スイッチング素子の基準電位電極と直接接続され、
前記高電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動した場合に、前記第1の配線と前記第2の配線との間で磁気結合が生じるように、前記第1の配線および前記第2の配線が設けられていることを特徴とする。
Further, the semiconductor module of the present invention includes a high potential side switching element and a low potential side switching element forming an upper arm and a lower arm, respectively, a freewheeling diode connected in antiparallel to these switching elements, and the high potential side. A semiconductor module including a high-potential side drive circuit and a low-potential side drive circuit for turning on / off a switching element and the low-potential side switching element.
In the upper arm, the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit are directly connected by a first wiring having an inductance.
The anode electrode of the freewheeling diode is directly connected to the reference potential electrode of the high potential side switching element via a second wiring having an inductance.
The first wiring and the second wiring are provided so that magnetic coupling occurs between the first wiring and the second wiring when the high potential side switching element is driven on and off. It is characterized by being.

特に、本発明は、第1の配線および第2の配線は、同相に電流が流れ、磁気結合により逆起電力が発生するよう配置されていることを特徴とする。 In particular, the present invention is characterized in that the first wiring and the second wiring are arranged so that a current flows in the same phase and a counter electromotive force is generated by magnetic coupling.

本発明では、還流ダイオードのアノード電極と高電位側駆動回路の基準電位電極とを接続する第1の配線と、還流ダイオードのアノード電極と高電位側スイッチング素子の基準電位電極とを接続する第2の配線とを電流同相で磁気結合させて、高電位側スイッチング素子のターンオフ時に第2の配線を介して第1の配線側に逆起電力を発生させる。そして、この逆起電力を利用して高電位側スイッチング素子のゲート駆動能力を低下させて、ターンオフ時の跳ね上がり電圧VCE(surge)の抑制効果を高める。 In the present invention, the first wiring connecting the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit, and the second wiring connecting the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side switching element. Is magnetically coupled to the wiring of the above in phase with the current, and a counter electromotive force is generated on the first wiring side via the second wiring when the high potential side switching element is turned off. Then, the gate drive capability of the high potential side switching element is reduced by utilizing this counter electromotive force, and the effect of suppressing the jump voltage VCE (surge) at the time of turn-off is enhanced.

なお、第1の配線および第2の配線の電流が同相で流れるように配線すれば、第1の配線は、還流ダイオードのアノード電極と高電位側駆動回路の基準電位電極とを接続することに代えて、高電位側スイッチング素子の基準電位電極と高電位側駆動回路の基準電位電極とを接続するようにしても良い。 If the currents of the first wiring and the second wiring are wired so as to flow in the same phase, the first wiring connects the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit. Alternatively, the reference potential electrode of the high potential side switching element and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit may be connected.

好ましくは、第1の配線および第2の配線はワイヤであり、スイッチング素子の基準電位と同電位となる配線パターン上にボンディングするのが良い。 Preferably, the first wiring and the second wiring are wires, and it is preferable to bond them on a wiring pattern having the same potential as the reference potential of the switching element.

本発明の半導体モジュールによれば、還流ダイオードを有する半導体モジュールにおいて、ミラー期間に発生するスイッチング損失を増加させることなく、ターンオフ時の跳ね上がり電圧を抑制することができる。 According to the semiconductor module of the present invention, in the semiconductor module having a freewheeling diode, it is possible to suppress the jump voltage at the time of turn-off without increasing the switching loss generated during the mirror period.

従来および本発明の実施の形態による半導体モジュール(IPM)の回路図である。It is a circuit diagram of the semiconductor module (IPM) by the conventional and the embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態における実施例1のIPMの要部結線図(図2(a))とその回路図(図2(b))である。It is the main part connection diagram (FIG. 2 (a)) and the circuit diagram (FIG. 2 (b)) of the main part of the IPM of Example 1 in the 1st Embodiment of this invention. 参考例、実施例1によるIPMの高電位側IGBTのターンオフ時の電圧VCE、電流IC、およびゲート電圧VGEの波形比較図である。It is a waveform comparison diagram of the voltage VCE, the current IC, and the gate voltage VGE at the time of turn-off of the high potential side IGBT of the IPM according to the reference example and the first embodiment. 実施例2(図2との比較例)のIGBTの回路図である。It is a circuit diagram of the IGBT of Example 2 (comparative example with FIG. 2). 図2と図4に示す回路構成の効果の違いの説明図であり、図5(a)は図4の回路構成時の逆回復電流経路を示す図、図5(b)は、図2の回路構成時の逆回復電流経路を示す図である。2 is an explanatory diagram of the difference in the effect of the circuit configuration shown in FIGS. 2 and 4, FIG. 5A is a diagram showing a reverse recovery current path in the circuit configuration of FIG. 4, and FIG. 5B is a diagram of FIG. It is a figure which shows the reverse recovery current path at the time of a circuit configuration. 本発明の第2の実施の形態における実施例3のIPMの要部結線図(図6(a))とその回路図(図6(b))である。It is the main part connection diagram (FIG. 6 (a)) and the circuit diagram (FIG. 6 (b)) of the main part of the IPM of Example 3 in the 2nd Embodiment of this invention. 実施例3の作用効果の説明図である。It is explanatory drawing of the action effect of Example 3. FIG. 参考例、実施例1、実施例3によるIPMの高電位側IGBTのターンオフ時の電圧VCE、電流IC、およびゲート電圧VGEの波形比較図である。It is a waveform comparison diagram of the voltage VCE, the current IC, and the gate voltage VGE at the time of turn-off of the high potential side IGBT of the IPM according to the reference example, the first embodiment, and the third embodiment. 参考例によるIPMの要部結線図(図9(a))とその回路図(図9(b))である。It is the main part connection diagram (FIG. 9 (a)) and the circuit diagram (FIG. 9 (b)) of the main part of IPM by a reference example. 一般的なスイッチング素子であるIGBTのターンオン、ターンオフ時のスイッチング損失の説明図であり、図10(a)はIGBTのコレクタ・エミッタ間の電圧(VCE)の波形図、図10(b)はIGBTのコレクタ電流(IC)の波形図、図10(c)はスイッチング損失の発生範囲の説明図である。It is explanatory drawing of the switching loss at the time of turn-on and turn-off of an IGBT which is a general switching element, FIG. 10A is a waveform diagram of the voltage (VCE) between the collector and emitter of an IGBT, and FIG. The waveform diagram of the collector current (IC) of the above, FIG. 10 (c) is an explanatory diagram of the generation range of the switching loss. ミラー期間の説明図であり、図11(a)は、IGBTのターンオフ時の電圧VCEの波形図、図11(b)はこのときの電流ICEの波形図、図11(c)はゲート電圧VGEの波形とミラー期間を示す図である。11 (a) is a waveform diagram of the voltage VCE at the turn-off of the IGBT, FIG. 11 (b) is a waveform diagram of the current ICE at this time, and FIG. 11 (c) is a gate voltage VGE. It is a figure which shows the waveform and the mirror period of. IGBTのエミッタからの配線の寄生インダクタンスの概念説明図である。It is a conceptual explanatory diagram of the parasitic inductance of the wiring from the emitter of the IGBT. 高電位側IGBTと低電位側IGBTのターンオフ時の電圧VCEの波形図(図13(a))と、電流ICの波形図(図13(b))である。It is a waveform diagram of the voltage VCE at the time of turn-off of the high potential side IGBT and the low potential side IGBT (FIG. 13 (a)), and the waveform diagram of the current IC (FIG. 13 (b)). ゲート抵抗Rgの大きさとIGBTターンオフ時の跳ね上がり電圧およびミラー期間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the magnitude of a gate resistance Rg, the jump voltage at the time of an IGBT turn-off, and the mirror period.

以下に本発明の第1の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態による半導体モジュール(IPM)1の全体回路は、従来と同様に図1によって表されるため、説明は割愛する。また、以下の説明は、高電位側の回路に関するものであるため、高電位/低電位の記載は省略する。 Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Since the entire circuit of the semiconductor module (IPM) 1 according to the present embodiment is represented by FIG. 1 as in the conventional case, the description thereof is omitted. Further, since the following description relates to the circuit on the high potential side, the description of high potential / low potential is omitted.

(実施例1)
図2(a)に実施例1によるIPM1のモジュール内部の結線構成、図2(b)にその回路構成を示す。なお、図2では、三相のうちU相の回路を代表して記載しているが、他の相についても同様に適用できることは言うまでもない。
(Example 1)
FIG. 2A shows the wiring configuration inside the module of IPM1 according to the first embodiment, and FIG. 2B shows the circuit configuration. It should be noted that although FIG. 2 shows the U-phase circuit as a representative of the three phases, it goes without saying that the same can be applied to other phases.

図2(a)に示すように、IPM1は、絶縁基板上にHVIC6u(6v,6w)と外部端子U(V,W)を配置し、その間にIGBT2u(2v,2w)とFWD4u(4v,4w)をHVIC6u(6v,6w)から順に配置して形成されている。 As shown in FIG. 2A, the IPM1 arranges the HVIC6u (6v, 6w) and the external terminal U (V, W) on the insulating substrate, and the IGBT 2u (2v, 2w) and the FWD4u (4v, 4w) are arranged between them. ) Are arranged in order from HVIC6u (6v, 6w).

そして、HVIC6u(6v,6w)の基準電位VsとFWD4u(4v,4w)のアノードとはボンディングワイヤ9u(9v,9w)で接続されている。また、HVIC6u(6v,6w)の出力OUTは、IGBT2u(2v,2w)のゲートとボンディングワイヤ10u(10v,10w)で接続されている。IGBT2u(2v,2w)のエミッタとFWD4u(4v,4w)のアノードはボンディングワイヤ11u(11v,11w)で接続され、FWD4u(4v,4w)のアノードと外部端子U(V,W)はボンディングワイヤ12u(12v,12w)で接続されている。また、IGBT2u(2v,2w)のコレクタとFWD4u(4v,4w)のカソードは、回路パターン16u(16v,16w)で繋がっている。なお、図2(a)において、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)、12u(12v,12w)が並行に2本設けられているが、ワイヤの電流容量により、任意の本数設けることができる。 The reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w) and the anode of the FWD 4u (4v, 4w) are connected by a bonding wire 9u (9v, 9w). Further, the output OUT of the HVIC 6u (6v, 6w) is connected to the gate of the IGBT 2u (2v, 2w) by a bonding wire 10u (10v, 10w). The emitter of the IGBT 2u (2v, 2w) and the anode of the FWD4u (4v, 4w) are connected by a bonding wire 11u (11v, 11w), and the anode of the FWD4u (4v, 4w) and the external terminal U (V, W) are bonded wires. It is connected by 12u (12v, 12w). Further, the collector of the IGBT 2u (2v, 2w) and the cathode of the FWD4u (4v, 4w) are connected by a circuit pattern 16u (16v, 16w). In FIG. 2A, two bonding wires 11u (11v, 11w) and 12u (12v, 12w) are provided in parallel, but any number of bonding wires can be provided depending on the current capacity of the wires.

各ボンディングワイヤやIGBT素子、FWD素子は図2(b)に示すインダクタンスを有する。図2(b)において、Li,LfはそれぞれIGBT2u(2v,2w)、FWD4u(4v,4w)の有する内部インダクタンス、L2はIGBT2u(2v,2w)のエミッタとFWD4u(4v,4w)のアノード間のボンディングワイヤ11u(11v,11w)の配線インダクタンス、L4はIPM1の外部端子U(V,W)へのボンディングワイヤ12u(12v,12w)の配線インダクタンスを表している。また、L1’はFWD4u(4v,4wの)アノードとHVIC6u(6v,6w)の基準電位間のボンディングワイヤ9u(9v,9w)の配線インダクタンスである。 Each bonding wire, IGBT element, and FWD element has the inductance shown in FIG. 2 (b). In FIG. 2B, Li and Lf are the internal inductances of the IGBT 2u (2v, 2w) and FWD4u (4v, 4w), respectively, and L2 is between the emitter of the IGBT 2u (2v, 2w) and the anode of the FWD4u (4v, 4w). The wiring inductance of the bonding wire 11u (11v, 11w) and L4 represent the wiring inductance of the bonding wire 12u (12v, 12w) to the external terminal U (V, W) of the IPM1. Further, L1'is the wiring inductance of the bonding wire 9u (9v, 9w) between the FWD4u (4v, 4w) anode and the reference potential of the HVIC6u (6v, 6w).

次に、この半導体モジュール(IPM)1の結線構成の作用効果について図9の参考例と比較しながら説明する。 Next, the action and effect of the connection configuration of the semiconductor module (IPM) 1 will be described with reference to the reference example of FIG.

図2に示す本実施例のIPM1の結線構成では、IGBT2u(2v,2w)の基準電位となるエミッタEとHVIC6u(6v,6w)の基準電位Vsとの間のインダクタンスは、Li+L2+L1’となる。一方、図9に示す参考例の結線構成では、IGBT2u(2v,2w)のエミッタEとHVIC6u(6v,6w)の基準電位Vs間のインダクタンスは、Li+L1である。通常は、L1とL1’はほぼ同じ値か、図2(a)のように、HVIC6u(6v,6w)とFWD4u(4v,4wの)の間にIGBT2u(2v,2w)を配置した構成の下では、L1’の方が大きな値となる。このため、本実施例による結成構成は、参考例よりも少なくともインダクタンスL2分だけ、IGBT2u(2v,2w)のエミッタEとHVIC6u(6v,6w)の基準電位Vs間のインダクタンスが大きくなる。すなわち参考例に比べて本実施例の結線構成の方が、IGBTターンオフ時の-di/dtによって、少なくともインダクタンスL2に起因する分だけ大きな逆起電力が発生し、IGBT2u(2v,2w)のゲートがバイアスされることになる。これにより本実施例は参考例に比べて、IGBTターンオフ時のdi/dtの傾きが緩やかになり、その分、跳ね上がり電圧の抑制効果を高めることができる。 In the connection configuration of the IPM1 of the present embodiment shown in FIG. 2, the inductance between the emitter E, which is the reference potential of the IGBT 2u (2v, 2w), and the reference potential Vs of the HVIC6u (6v, 6w) is Li + L2 + L1'. On the other hand, in the connection configuration of the reference example shown in FIG. 9, the inductance between the emitter E of the IGBT 2u (2v, 2w) and the reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w) is Li + L1. Normally, L1 and L1'are almost the same value, or as shown in FIG. 2A, the IGBT 2u (2v, 2w) is arranged between the HVIC6u (6v, 6w) and the FWD4u (4v, 4w). Below, L1'has a larger value. Therefore, in the formation configuration according to the present embodiment, the inductance between the emitter E of the IGBT 2u (2v, 2w) and the reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w) is larger than that of the reference example by at least the inductance L2. That is, in the connection configuration of this embodiment as compared with the reference example, a larger back electromotive force is generated by at least the amount of the inductance L2 due to −di / dt at the time of the IGBT turn-off, and the gate of the IGBT 2u (2v, 2w) is generated. Will be biased. As a result, in this embodiment, the slope of di / dt at the time of IGBT turn-off becomes gentler than that in the reference example, and the effect of suppressing the jump voltage can be enhanced by that amount.

ちなみに、インダクタンス成分Lによる起電力は、L・di/dtで計算することができるので、di/dt=1000A/μsのときに、上記インダクタンスL2が5~10nHの配線インダクタンスを有するボンディングワイヤを用いると、5~10V程度の跳ね上がり電圧抑制効果が得られることになる。 Incidentally, since the electromotive force due to the inductance component L can be calculated by L · di / dt, a bonding wire having a wiring inductance in which the inductance L2 is 5 to 10 nH is used when di / dt = 1000 A / μs. Then, the effect of suppressing the jumping voltage of about 5 to 10 V can be obtained.

図3に本実施例の結線構成におけるIGBT2u(2v,2w)のターンオフ時の電圧VCE、電流IC、電圧VGEの時間変化波形を参考例と比較して示す。図3において、実線は本実施例の波形、破線は参考例の波形である。図3(a)に示すように、本実施例による回路の跳ね上がり電圧VCE(surge)のピーク値は、参考例の回路による跳ね上がり電圧VCE(surge)のピーク値よりも低くなった。すなわち、本実施例による回路は、t1~t2(ミラー期間)およびその後のt3までのdV/dtは参考例と同等であり、かつその後の跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制することができる。
また、図3(b)に示すように、本実施例は参考例に比べてdi/dtの傾きは緩やかになる。また図3(c)に示すように、両回路のミラー期間(t1~t2)は同等である。
FIG. 3 shows the time change waveforms of the voltage VCE, the current IC, and the voltage VGE at the turn-off of the IGBT 2u (2v, 2w) in the connection configuration of this embodiment in comparison with the reference example. In FIG. 3, the solid line is the waveform of this embodiment, and the broken line is the waveform of the reference example. As shown in FIG. 3A, the peak value of the jump voltage VCE (surge) of the circuit according to this embodiment was lower than the peak value of the jump voltage VCE (surge) according to the circuit of the reference example. That is, in the circuit according to this embodiment, the dV / dt from t1 to t2 (mirror period) and thereafter to t3 are the same as those in the reference example, and the subsequent jump voltage VCE (surge) can be suppressed.
Further, as shown in FIG. 3B, the slope of di / dt in this embodiment is gentler than that in the reference example. Further, as shown in FIG. 3C, the mirror periods (t1 to t2) of both circuits are the same.

以上の如く、本実施例による半導体モジュール(IPM)の結線構成によれば、スイッチング素子(IGBT)に対し、逆並列に還流ダイオード(FWD)を接続した回路構成において、IGBTのゲート抵抗Rgの抵抗値を変えずにIGBTのエミッタ側のインダクタンス成分を増加させるので、ミラー期間は長くなることはなく、ミラー期間中のスイッチング損失は従来と同程度に維持したまま、跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制することができる。 As described above, according to the connection configuration of the semiconductor module (IPM) according to the present embodiment, the resistance of the gate resistance Rg of the IGBT in the circuit configuration in which the freewheeling diode (FWD) is connected in antiparallel to the switching element (IGBT). Since the inductance component on the emitter side of the IGBT is increased without changing the value, the mirror period does not become long, and the jumping voltage VCE (surge) is suppressed while maintaining the switching loss during the mirror period at the same level as before. can do.

なお、図2の結線構成において、FWD4u(4v,4w)のアノード電極とHVIC6u(6v,6w)の基準電位電極間をボンディングワイヤ9U(9v,9w)を用いて直接接続することができる。これにより、インダクタンス値(L1’)が調整されたボンディングワイヤを用いることで、IGBT2u(2v,2w)のエミッタとHVIC6u(6v,6w)の基準電位間のインダクタンスLi+L2+L1’を従来よりも十分に大きな値にして、IGBTターンオフ時のdi/dtの傾きを従来よりも緩やかな所望の値に調整することができる。FWD4u(4v,4w)のアノードとHVIC6u(6v,6w)の基準電位間のインダクタンスL1’は、インダクタを介挿してもよいが、ワイヤの寄生インダクタンスを利用することもできる。 In the connection configuration of FIG. 2, the anode electrode of FWD4u (4v, 4w) and the reference potential electrode of HVIC6u (6v, 6w) can be directly connected by using the bonding wire 9U (9v, 9w). As a result, by using the bonding wire whose inductance value (L1') is adjusted, the inductance Li + L2 + L1'between the emitter of the IGBT 2u (2v, 2w) and the reference potential of the HVIC 6u (6v, 6w) is sufficiently larger than before. As a value, the slope of di / dt at the time of IGBT turn-off can be adjusted to a desired value more gradual than before. The inductance L1'between the anode of the FWD4u (4v, 4w) and the reference potential of the HVIC6u (6v, 6w) may be inserted through an inductor, but the parasitic inductance of the wire can also be used.

特に、図2のようにHVIC6u(6v,6w)とFWD4u(4v,4w)との間にIGBT2u(2v,2w)を配置する構成においては、HVIC6u(6v,6w)の基準電位端子(Vs)とFWD4u(4v,4w)のアノード端子とをボンディングワイヤ9U(9v,9w)で直接接続することにより、ボンディングワイヤの寄生インダクタンス(L1’)が大きくなるので、簡便に跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制することができる。 In particular, in the configuration in which the IGBT2u (2v, 2w) is arranged between the HVIC6u (6v, 6w) and the FWD4u (4v, 4w) as shown in FIG. 2, the reference potential terminal (Vs) of the HVIC6u (6v, 6w) is arranged. By directly connecting the anode terminal of FWD4u (4v, 4w) with the bonding wire 9U (9v, 9w), the parasitic inductance (L1') of the bonding wire increases, so that the jump voltage VCE (surge) can be easily increased. It can be suppressed.

この他IGBT2u(2v,2w)のエミッタ電極とFWD4u(4v,4w)のアノード電極とをボンディングワイヤを用いて接続することにより、インダクタンスL1’のみならずインダクタンスL2も調整可能にすることができる。 In addition, by connecting the emitter electrode of the IGBT 2u (2v, 2w) and the anode electrode of the FWD4u (4v, 4w) using a bonding wire, not only the inductance L1'but also the inductance L2 can be adjusted.

(実施例2)
図2は、HVIC6u(6v,6w)の基準電位電極とFWD4u(4v,4w)のアノード電極とを直接ワイヤボンディングした構成であるが、図4に示すように、IGBT2u(2v,2w)のエミッタ電極からHVIC6u(6v,6w)の基準電位間に外付けインダクタンスLexを介挿することもできる。図4の回路構成の場合、IGBT2u(2v,2w)の基準電位であるエミッタEとHVIC6u(6v,6w)の基準電位Vsとの間のインダクタンスは、Li+Lex+L1となる。すなわち、図9に示す参考例による回路構成に比べて、IGBT2u(2v,2w)のエミッタ側のインダクタンス成分は(Lex)分だけ大きくなる。その分IGBTゲートのバイアスが大きくなり、di/dtを抑制することができる。
(Example 2)
FIG. 2 shows a configuration in which the reference potential electrode of HVIC6u (6v, 6w) and the anode electrode of FWD4u (4v, 4w) are directly wire-bonded. As shown in FIG. 4, the emitter of IGBT2u (2v, 2w) is used. An external inductance Lex can also be inserted between the electrode and the reference potential of HVIC6u (6v, 6w). In the case of the circuit configuration of FIG. 4, the inductance between the emitter E, which is the reference potential of the IGBT 2u (2v, 2w), and the reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w) is Li + Lex + L1. That is, the inductance component on the emitter side of the IGBT 2u (2v, 2w) is larger by (Lex) than the circuit configuration according to the reference example shown in FIG. The bias of the IGBT gate becomes larger by that amount, and di / dt can be suppressed.

このように図4に示す結線構成でも、図2の結線構成と同様にIGBTのゲート抵抗Rgの抵抗値を変えずに、エミッタ側のインダクタンス成分のみを増加させることができる。したがって、この実施例においても、ミラー期間に発生する損失を増加させることなく、ターンオフ時の跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制することができる。 As described above, even in the wiring configuration shown in FIG. 4, it is possible to increase only the inductance component on the emitter side without changing the resistance value of the gate resistance Rg of the IGBT, as in the wiring configuration of FIG. Therefore, also in this embodiment, it is possible to suppress the jump voltage VCE (surge) at the time of turn-off without increasing the loss generated during the mirror period.

ところで、図4の結線構成は、図2の結線構成に比べて、逆回復電流が大きくなる。ここで、逆回復電流とは、還流ダイオード(FWD)に印加される電圧が順方向電圧から逆方向電圧に切り替わった瞬間に流れる電流であり、その大きさは還流ダイオード(FWD)の電流経路に存在するインダクタンスによって決まる。 By the way, in the connection configuration of FIG. 4, the reverse recovery current is larger than that of the connection configuration of FIG. Here, the reverse recovery current is a current that flows at the moment when the voltage applied to the freewheeling diode (FWD) is switched from the forward voltage to the reverse voltage, and its magnitude is in the current path of the freewheeling diode (FWD). It depends on the inductance that exists.

図4の回路構成による逆回復電流時のインダクタンスは、図5(a)にその電流経路を示すように、Lf+L2+Lex+L4となる。一方、図9の回路構成による逆回復電流時のインダクタンスは、Lf+L4である。したがって、図4に示す参考例の回路構成によれば、ターンオフ時の跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制するという効果はあるものの、FWDのリカバリ動作時の跳ね上がり電圧が大きくなるという欠点がある。 The inductance at the time of reverse recovery current according to the circuit configuration of FIG. 4 is Lf + L2 + Lex + L4 as shown in FIG. 5A. On the other hand, the inductance at the time of the reverse recovery current according to the circuit configuration of FIG. 9 is Lf + L4. Therefore, according to the circuit configuration of the reference example shown in FIG. 4, although there is an effect of suppressing the jump voltage VCE (surge) at the time of turn-off, there is a drawback that the jump voltage during the recovery operation of the FWD becomes large.

一方、図2に示した回路構成では、逆回復電流時のインダクタンスは、図5(b)にその電流経路を示すように、Lf+L4であり、図4の参考例と変わらない。したがって、図2の回路構成には、FWDのリカバリ動作時の跳ね上がり電圧が参考例よりも大きくなるという欠点はない。 On the other hand, in the circuit configuration shown in FIG. 2, the inductance at the time of reverse recovery current is Lf + L4 as shown in FIG. 5 (b), which is the same as the reference example in FIG. Therefore, the circuit configuration of FIG. 2 does not have the drawback that the jump voltage during the recovery operation of the FWD becomes larger than that of the reference example.

以上説明したように、本実施の形態による半導体モジュールによれば、IGBTのエミッタ側のインダクタンスを大きくすることにより、ミラー期間に発生する損失を増加させることなく、ターンオフ時の跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制することができる。さらに、還流ダイオード(FWD)のアノード電極と駆動回路(HVIC)の基準電位電極間をボンディングワイヤにより直接接続するという図2の回路構成によれば、リカバリ動作時の跳ね上がり電圧を増加させることなく、これを実現することができ実用多大なる効果を奏するものである。 As described above, according to the semiconductor module according to the present embodiment, by increasing the inductance on the emitter side of the IGBT, the jump voltage VCE (surge) at the time of turn-off is not increased without increasing the loss generated during the mirror period. Can be suppressed. Further, according to the circuit configuration of FIG. 2 in which the anode electrode of the freewheeling diode (FWD) and the reference potential electrode of the drive circuit (HVIC) are directly connected by a bonding wire, the jump voltage during the recovery operation is not increased. This can be achieved and has a great effect in practical use.

次に本発明の第2の実施の形態について説明する。
本実施の形態は、図2(a)に例示する結線構成に対して、インダクタンスL1’を有するボンディングワイヤ9u(9v,9w)とインダクタンスL2を有するボンディングワイヤ11u(11v,11w)とを近接配置し、両インダクタンスL1’,L2の磁気結合により、IGBT2u(2v,2w)とのターンオフ時にボンディングワイヤ9u(9v,9w)のインダクタンスL1’に逆起電力を生じさせ、これを利用して、IGBT2u(2v,2w)のゲート駆動能力を低下させて、ターンオフ時の跳ね上がり電圧VCE(surge)を抑制するものである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
In this embodiment, the bonding wire 9u (9v, 9w) having the inductance L1'and the bonding wire 11u (11v, 11w) having the inductance L2 are arranged close to each other with respect to the connection configuration exemplified in FIG. 2A. Then, due to the magnetic coupling of both inductances L1'and L2, a counter electromotive force is generated in the inductance L1'of the bonding wire 9u (9v, 9w) at the time of turn-off with the IGBT 2u (2v, 2w), and this is used to generate a back electromotive force in the IGBT 2u. The gate drive capability of (2v, 2w) is lowered to suppress the jump voltage VCE (surge) at the time of turn-off.

(実施例3)
図6(a)に本実施の形態の実施例3によるIPM1のモジュール内部の結線構成、図6(b)にその回路構成を示す。なお、図6(a)では、三相のうちU相の回路を代表して記載しているが、他の相についても同様に適用できることは言うまでもない。
(Example 3)
FIG. 6A shows the wiring configuration inside the module of IPM1 according to the third embodiment of the present embodiment, and FIG. 6B shows the circuit configuration. In FIG. 6A, the circuit of the U phase among the three phases is described as a representative, but it goes without saying that the same can be applied to the other phases.

本実施の形態による結線構成の特徴は、具体的にはボンディングワイヤ9u(9v,9w)をFWD4u(4v,4w)の2本のボンディングワイヤ11u(11v,11w)の両端子の略中央にボンディングしたことである。このようにボンディングワイヤ9u(9v,9w)のFWD4u(4v,4w)上の接続位置を定めれば、HVIC6u(6v,6w)の基準電位VsからFWD4u(4v,4w)に至るボンディングワイヤ9u(9v,9w)を2本のボンディングワイヤ11u(11v,11w)の間を通すことができ、ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)が一定値以下の間隔で並行して配線される区間(以下、「並行配線区間」という。)を設けることが可能となる。また、図6(a)の結線構成によれば、並行配線区間において、ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)を夫々流れる電流は同相となる。 The characteristics of the connection configuration according to the present embodiment are specifically that the bonding wire 9u (9v, 9w) is bonded to the substantially center of both terminals of the two bonding wires 11u (11v, 11w) of the FWD4u (4v, 4w). That's what I did. If the connection position of the bonding wire 9u (9v, 9w) on the FWD4u (4v, 4w) is determined in this way, the bonding wire 9u (4v, 4w) from the reference potential Vs of the HVIC6u (6v, 6w) to the FWD4u (4v, 4w) 9v, 9w) can be passed between the two bonding wires 11u (11v, 11w), and the bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) are wired in parallel at intervals of a certain value or less. It is possible to provide a section (hereinafter referred to as "parallel wiring section"). Further, according to the connection configuration of FIG. 6A, the currents flowing through the bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) are in phase with each other in the parallel wiring section.

ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)は、夫々インダクタンスL1’、L2を有する。このインダクタンスは、ワイヤの寄生インダクタンスを利用することができる。この場合、ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)の間隔や並行配線区間の長さは、相互インダクタンスや磁気結合による逆起電力の大きさに影響を与える。すなわち、両ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)の間隔を狭くし、あるいは並行配線区間を長くすることにより、両ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)の相互インダクタンスやそれにより発生する逆起電力を大きくすることができる。 The bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) have inductances L1'and L2, respectively. This inductance can utilize the parasitic inductance of the wire. In this case, the spacing between the bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) and the length of the parallel wiring section affect the magnitude of the back electromotive force due to mutual inductance and magnetic coupling. That is, by narrowing the distance between the two bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) or lengthening the parallel wiring section, both bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) The mutual inductance of the wire and the counter electromotive force generated by the mutual inductance can be increased.

次に、図7を用いて、図6(a)の結線構成の作用効果について説明する。図7は、IPM1の構成要素のうち、磁気結合の説明に必要な要素のみを表している。この図において、ボンディングワイヤ9u(9v,9w)を介してHVIC6u(6v,6w)の基準電位電極(Vs)から流れ出す電流(i1)とIGBT2u(2v,2w)のエミッタから流れ出す電流(i2)は同一方向の矢印で示すように同相になっている。 Next, the operation and effect of the connection configuration of FIG. 6A will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 shows only the components necessary for explaining the magnetic coupling among the components of the IPM1. In this figure, the current (i1) flowing out from the reference potential electrode (Vs) of the HVIC 6u (6v, 6w) and the current (i2) flowing out from the emitter of the IGBT 2u (2v, 2w) via the bonding wire 9u (9v, 9w) are They are in phase as indicated by the arrows in the same direction.

この回路構成において、IGBT2u(2v,2w)がターンオフすると、電流(i2)が減少方向へ変化する。これにより、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)との相互インダクタンスにより磁気結合されたボンディングワイヤ9u(9v,9w)に逆起電力(=相互インダクタンスの値×電流i2の時間変化分)が発生して、その分、HVIC6u(6v,6w)の基準電位Vsに対してIGBT2u(2v,2w)のエミッタの電位が相対的に上昇する。その結果として、IGBT2u(2v,2w)のゲートがバイアスされることになり、HVIC6u(6v,6w)のゲート駆動能力が低下する。見方を変えれば、図6(a)の結線構成では、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)とボンディングワイヤ9u(9v,9w)は互いのインダクタンスL2,L1’を増加させるように磁気結合が働く。これにより、図8の一点鎖線で示すように、ターンオフ時のコレクタ電流の時間変化率di/dtは緩やかになり、その結果VCE(surge)の跳ね上がりが抑制される。 In this circuit configuration, when the IGBT 2u (2v, 2w) is turned off, the current (i2) changes in the decreasing direction. As a result, a counter electromotive force (= mutual inductance value x time change of current i2) is generated in the bonding wire 9u (9v, 9w) magnetically coupled by the mutual inductance with the bonding wire 11u (11v, 11w). By that amount, the potential of the emitter of the IGBT 2u (2v, 2w) rises relatively with respect to the reference potential Vs of the HVIC 6u (6v, 6w). As a result, the gate of the IGBT 2u (2v, 2w) is biased, and the gate drive capability of the HVIC 6u (6v, 6w) is reduced. From a different point of view, in the connection configuration of FIG. 6A, the bonding wires 11u (11v, 11w) and the bonding wires 9u (9v, 9w) are magnetically coupled so as to increase the mutual inductances L2 and L1'. As a result, as shown by the alternate long and short dash line in FIG. 8, the time change rate di / dt of the collector current at the time of turn-off becomes gradual, and as a result, the jumping of VCE (surge) is suppressed.

実用的には、通常の電流容量を有する両ボンディングワイヤ9u(9v,9w),11u(11v,11w)の間隔は、3mm程度以下(好ましくは、1.5mm以下)、並行配線区間は、10mm以上(好ましくは15mm以上)が望ましい。
この条件下では、di/dt=1000A/μsのとき、従来の構成(参考例)に比べて約20V程度のVsurge抑制効果が期待できる。
Practically, the distance between the two bonding wires 9u (9v, 9w) and 11u (11v, 11w) having a normal current capacity is about 3 mm or less (preferably 1.5 mm or less), and the parallel wiring section is 10 mm. The above (preferably 15 mm or more) is desirable.
Under this condition, when di / dt = 1000 A / μs, a Vsurge suppressing effect of about 20 V can be expected as compared with the conventional configuration (reference example).

なお、図6では、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)を2本に分け、その略中央にボンディングワイヤ9u(9v,9w)を配置したが、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)の分割本数はこれに限らず、任意の数(n)(nは2以上の整数)に分け、(n-1)本の数のボンディングワイヤ9u(9v,9w)をそれぞれ各ボンディングワイヤ11u(11v,11w)の間に配置するようにしても良い。一方、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)の電流容量が十分あれば本数は1本でも良い。この場合、ボンディングワイヤ11u(11v,11w)の接続FWD4u(4v,4w)上の接続位置に近接させて、ボンディングワイヤ9u(9v,9w)を接続する。 In FIG. 6, the bonding wire 11u (11v, 11w) is divided into two, and the bonding wire 9u (9v, 9w) is arranged substantially in the center thereof, but the number of divided bonding wires 11u (11v, 11w) is this. Not limited to this, it is divided into an arbitrary number (n) (n is an integer of 2 or more), and (n-1) number of bonding wires 9u (9v, 9w) are divided into each bonding wire 11u (11v, 11w). It may be arranged in between. On the other hand, if the current capacity of the bonding wires 11u (11v, 11w) is sufficient, the number of bonding wires 11u (11v, 11w) may be one. In this case, the bonding wire 9u (9v, 9w) is connected close to the connection position on the connection FWD4u (4v, 4w) of the bonding wire 11u (11v, 11w).

以上説明したように本実施の形態によれば、第1の実施の形態の効果に加え、次の効果を奏する。すなわち、本実施の形態では、ゲート抵抗値を変えず、「IGBTのエミッタ端子からFWDのアノード端子間の配線」と、「HVICの基準電位端子(Vs)からFWDのアノード端子間の配線」又は「HVICの基準電位端子(Vs)からIGBTのエミッタ端子間の配線」とを磁気結合させる回路としている。このため、IGBTのオフ時に誘導起電力が発生することでIGBTのゲート駆動能力が下がり、図8に示すように、-di/dtを低減することができる。このため、スイッチング損失を増大させることなく、VCE(surge)を抑制することが可能となる。また第1の実施の形態に比べて、短いワイヤ長で同等のVCE(surge)抑制効果を奏するため、IPMのパッケージを小型化することが可能となる。 As described above, according to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the following effects are exhibited. That is, in the present embodiment, "wiring between the emitter terminal of the IGBT and the anode terminal of the FWD" and "wiring between the reference potential terminal (Vs) of the HVIC and the anode terminal of the FWD" or "wiring between the anode terminals of the FWD" or The circuit is such that "wiring between the reference potential terminal (Vs) of the HVIC and the emitter terminal of the IGBT" is magnetically coupled. Therefore, the induced electromotive force is generated when the IGBT is turned off, so that the gate drive capability of the IGBT is reduced, and as shown in FIG. 8, −di / dt can be reduced. Therefore, it is possible to suppress VCE (surge) without increasing the switching loss. Further, as compared with the first embodiment, since the same VCE (surge) suppressing effect is obtained with a short wire length, the IPM package can be miniaturized.

本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実現することができる。例えば、上記の説明では、半導体スイッチング素子としてNPN型のIGBTを例にして、エミッタ端子がIGBTの基準電位電極となる回路について説明したが、PNP型のIGBTを用いてコレクタ端子をIGBTの基準電位電極とした回路についても同様に適用可能であることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be realized by various modifications without departing from the gist thereof. For example, in the above description, a circuit in which the emitter terminal is the reference potential electrode of the IGBT is described by taking an NPN type IGBT as an example as a semiconductor switching element, but the collector terminal is set to the reference potential of the IGBT using the PNP type IGBT. Needless to say, the circuit as an electrode can be similarly applied.

また、IGBT以外の半導体スイッチング素子、たとえばバイポーラトランジスタやMOSFETを用いる場合でも同様に適用することができる。なお、NMOSを用いる場合は、その基準電位電極はソース電極となり、PMOSを用いる場合は、その基準電位電極はドレイン電極となる。 Further, it can be similarly applied even when a semiconductor switching element other than the IGBT, for example, a bipolar transistor or a MOSFET is used. When an country is used, the reference potential electrode is a source electrode, and when a polyclonal is used, the reference potential electrode is a drain electrode.

ボンディングワイヤは、FWDのアノード端子、HVICの基準電位端子、IGBTの基準電位端子と夫々同電位となる配線パターン上にボンディングするのがよい。スイッチング素子、または、還流用ダイオード、もしくはその両方を珪素、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、酸化ガリウム系材料、ダイヤモンドの何れかを用いて構成することができる。 The bonding wire is preferably bonded on a wiring pattern having the same potential as the anode terminal of the FWD, the reference potential terminal of the HVIC, and the reference potential terminal of the IGBT. The switching element, the recirculation diode, or both can be configured by using any one of silicon, silicon carbide, gallium nitride-based material, gallium oxide-based material, and diamond.

1 半導体モジュール(IPM)
2u,2v,2w 高電位側IGBT(高電位側スイッチング素子)
3u,3v,3w 低電位側IGBT(低電位側スイッチング素子)
4u,4v,4w 高電位側還流ダイオード(FWD)
5u,5v,5w 低電位側還流ダイオード(FWD)
6u,6v,6w 高電位側駆動回路(HVIC)
7 低電位側駆動回路(LVIC)
9u,9v,9w ボンディングワイヤ(第1の配線)
11u,11v,11w ボンディングワイヤ(第2の配線)
1 Semiconductor module (IPM)
2u, 2v, 2w High potential side IGBT (High potential side switching element)
3u, 3v, 3w Low potential side IGBT (Low potential side switching element)
4u, 4v, 4w High potential side freewheeling diode (FWD)
5u, 5v, 5w Low potential side freewheeling diode (FWD)
6u, 6v, 6w High potential side drive circuit (HVIC)
7 Low potential side drive circuit (LVIC)
9u, 9v, 9w bonding wire (first wiring)
11u, 11v, 11w Bonding wire (second wiring)

Claims (4)

上アームおよび下アームをそれぞれ形成する高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子、これらのスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、並びに前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動する高電位側駆動回路および低電位側駆動回路を備えた半導体モジュールであって、
前記上アームにおいて、前記還流ダイオードのアノード電極と前記高電位側駆動回路の基準電位電極は、インダクタンスを有する第1の配線により直接接続され、
前記還流ダイオードのアノード電極は、インダクタンスを有する第2の配線を介して前記高電位側スイッチング素子の基準電位電極と直接接続され、
前記高電位側スイッチング素子をオン・オフ駆動した場合に、前記第1の配線と前記第2の配線との間で磁気結合が生じるように、前記第1の配線および前記第2の配線が設けられていることを特徴とする半導体モジュール。
The high-potential side switching element and the low-potential side switching element forming the upper arm and the lower arm, respectively, the freewheeling diode connected in antiparallel to these switching elements, and the high-potential side switching element and the low-potential side switching element, respectively. A semiconductor module equipped with a high-potential side drive circuit and a low-potential side drive circuit that drives the diode on and off.
In the upper arm, the anode electrode of the freewheeling diode and the reference potential electrode of the high potential side drive circuit are directly connected by a first wiring having an inductance.
The anode electrode of the freewheeling diode is directly connected to the reference potential electrode of the high potential side switching element via a second wiring having an inductance.
The first wiring and the second wiring are provided so that magnetic coupling occurs between the first wiring and the second wiring when the high potential side switching element is driven on and off. A semiconductor module characterized by being magnetized.
前記第1の配線と前記第2の配線は、電流が同じ位相で流れることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 1 , wherein the first wiring and the second wiring allow currents to flow in the same phase . 前記第1の配線のインダクタンスおよび前記第2の配線のインダクタンスは、それぞれ配線の寄生インダクタンスであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 1 or 2 , wherein the inductance of the first wiring and the inductance of the second wiring are parasitic inductances of the wiring, respectively. 前記第1の配線はワイヤであり、前記還流ダイオードのアノード電極にボンディングされていることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の半導体モジュール。 The semiconductor module according to any one of claims 1 to 3, wherein the first wiring is a wire and is bonded to the anode electrode of the freewheeling diode.
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