KR20180073474A - 반도체 장치 및 인버터 시스템 - Google Patents

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KR20180073474A
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KR
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igbt
resistor
gate
diode
mounting
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KR1020170174983A
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다이스께 곤도
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르네사스 일렉트로닉스 가부시키가이샤
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Abstract

IGBT 등의 파워 트랜지스터를 구비한 반도체 장치의 성능 향상을 도모한다. 반도체 장치는, IGBT 모듈(110)은 병렬 접속된 IGBT 소자 SWa 및 SWb와, IGBT 소자 SWa의 게이트 단자에 접속된 저항 R1a와, 저항 R1a와 병렬 접속되며, IGBT 소자 SWa의 게이트 단자를 향하는 방향을 순방향으로 하는 다이오드 D1a를 구비한다. 이에 의해, 게이트 발진의 발생을 억제하면서, 스위칭 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 장치 및 인버터 시스템{SEMICONDUCTOR APPARATUS AND INVERTER SYSTEM}
본 발명은 반도체 장치 및 인버터 시스템에 관한 것이며, 예를 들어 파워 트랜지스터를 구비하는 반도체 장치 및 인버터 시스템에 관한 것이다.
대전력으로 모터를 구동하거나, 에너지 변환 등을 행하는 시스템에서는, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor : 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)나 파워 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등의 파워 트랜지스터(3단자 증폭 소자)가 널리 이용되고 있다. 최근, 이와 같은 시스템의 용도가 확대되고 있기 때문에, 보다 대전력으로 부하를 구동할 필요성이 증가되고 있다.
따라서, 대전력으로의 스위칭을 가능하게 하기 위해, 복수의 파워 트랜지스터를 병렬로 접속하는 방법이 알려져 있다(예를 들어, 비특허문헌 1 및 2 참조).
후지 덴키 가부시키가이샤, "Prime PACK(등록 상표) 모듈 병렬 접속", [online], <URL : https://www.fujielectric.co.jp/products/semiconductor/model/igbt/application/box/doc/pdf/RH984b/Parallel％20connection_PP_J.pdf> 인터내셔널 렉티파이어, "애플리케이션 노트 : AN-941 파워 MOSFET의 병렬 접속", [online], <URL; http://www.infineon.com/dgdl/AN-941J.pdf?fileId=5546d46256fb43b301574c6033177c39>
상기한 바와 같이 출력의 대전력화에 수반하여, 파워 트랜지스터의 병렬 접속수가 증가 경향에 있다. 그러나, 관련되는 기술에서는, 파워 트랜지스터를 병렬 접속한 경우에, 성능이 열화될 우려가 있는 것을 본 발명자들은 발견하였다. 따라서, 일 실시 형태에서는, 반도체 장치의 성능 향상을 도모하는 것을 하나의 과제로 한다.
그 밖의 과제와 신규 특징은, 본 명세서의 기술 및 첨부 도면으로부터 명백하게 될 것이다.
일 실시 형태에 따르면, 반도체 장치는, 제1 및 제2 파워 트랜지스터, 제1 저항, 제1 다이오드를 구비한다. 제1 및 제2 파워 트랜지스터는 병렬 접속되어 있고, 제1 저항은 제1 파워 트랜지스터의 제어 단자에 접속되어 있다. 제1 다이오드는, 제1 저항과 병렬 접속되며, 제1 파워 트랜지스터의 제어 단자를 향하는 방향을 순방향으로 하는 것이다.
상기 일 실시 형태에 따르면, 반도체 장치의 성능 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 실시 형태 1에 따른 풍력 발전 시스템의 구성예를 도시하는 구성도.
도 2는 실시 형태 1에 따른 IGBT 소자의 일례를 도시하는 개략 단면도.
도 3은 실시 형태 1에 따른 IGBT 소자의 등가 회로의 일례를 도시하는 회로도.
도 4는 실시 형태 1에 따른 IGBT 소자의 다른 예를 도시하는 개략 단면도.
도 5는 실시 형태 1에 따른 IGBT 소자의 등가 회로의 다른 예를 도시하는 회로도.
도 6은 검토예의 IGBT 모듈을 포함하는 드라이브 시스템의 구성예를 도시하는 구성도.
도 7은 검토예의 IGBT 모듈에 있어서의 부하 단락 시의 신호를 도시하는 파형도.
도 8은 검토예의 IGBT 모듈에 있어서의 공진 루프의 등가 회로를 포함하는 구성도.
도 9는 검토예의 IGBT 모듈에 있어서의 공진 루프의 등가 회로의 구성을 도시하는 회로도.
도 10은 실시 형태 1에 따른 IGBT 모듈을 포함하는 드라이브 시스템의 구성예를 도시하는 구성도.
도 11은 실시 형태 1에 따른 IGBT 모듈에 있어서의 공진 루프의 등가 회로를 포함하는 구성도.
도 12는 실시 형태 1에 따른 IGBT 모듈에 있어서의 공진 루프의 등가 회로의 구성을 도시하는 회로도.
도 13은 실시 형태 1에 따른 IGBT 모듈의 다른 구성예를 도시하는 구성도.
도 14는 참고예의 IGBT 모듈의 실장예에 대응하는 구성도.
도 15는 참고예의 IGBT 모듈의 실장예를 도시하는 개략 평면도.
도 16은 실시 형태 2에 따른 IGBT 모듈의 실장예 1에 대응하는 구성도.
도 17은 실시 형태 2에 따른 IGBT 모듈의 실장예 1을 도시하는 개략 평면도.
도 18은 실시 형태 2에 따른 IGBT 모듈의 다른 실장예를 도시하는 개략 평면도.
도 19는 실시 형태 2에 따른 IGBT 모듈의 실장예 2에 대응하는 구성도.
도 20은 실시 형태 2에 따른 IGBT 모듈의 실장예 2를 도시하는 개략 평면도.
도 21은 실시 형태 2에 따른 IGBT 모듈의 실장예 3에 대응하는 구성도.
도 22는 실시 형태 2에 따른 IGBT 모듈의 실장예 3을 도시하는 개략 평면도.
설명의 명확화를 위해, 이하의 기재 및 도면은, 적절히, 생략 및 간략화가 이루어져 있다. 또한, 다양한 처리를 행하는 기능 블록으로서 도면에 기재되는 각 요소는, 하드웨어적으로는, CPU, 메모리, 그 밖의 회로를 포함할 수 있고, 소프트웨어적으로는, 메모리에 로드된 프로그램 등에 의해 실현된다. 따라서, 이들 기능 블록이 하드웨어만, 소프트웨어만 또는 그들의 조합에 의해 다양한 형태로 실현할 수 있는 것은 당업자에게는 이해되는 바이며, 어느 하나에 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 있어서, 동일한 요소에는 동일한 부호가 붙여져 있고, 필요에 따라서 중복 설명은 생략되어 있다.
(실시 형태 1)
이하, 도면을 참조하여 실시 형태 1에 대하여 설명한다.
<실시 형태 1의 시스템의 구성>
실시 형태 1에 따른 시스템으로서, 여기에서는 풍력 발전 시스템에 대하여 설명한다. 또한, 풍력 발전 시스템은, IGBT 등의 파워 디바이스를 사용한 시스템(인버터 시스템)의 일례이며, 산업용 모터 구동 시스템이나, 다른 에너지 전력 변환 시스템 등이어도 된다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 풍력 발전 시스템의 구성예를 도시하고 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전 시스템(1)은 풍차(101), AC 입력부(AC 생성부 : AC Generator)(102), 정류부(103), 승압부(104), 인버터(100), AC 출력부(105)를 구비하고 있다. 또한, 인버터(100)를 구성하는 IGBT 회로(111a 및 111b)를 구동하는 드라이버 모듈(112), 인버터 제어부(인버터 제어 마이크로컴퓨터)(113)를 구비하고 있다.
AC 입력부(102)는 풍차(101)의 회전에 따라 AC 전력을 생성하는 발전기이다. 예를 들어, AC 입력부(102)는 3상의 AC 전력을 생성하여 정류부(103)에 공급한다. 정류부(정류 회로)(103)는, AC 전력을 정류하여 DC 전력으로 변환하는 AC/DC 변환부이다. 정류부(103)는 AC 입력부(102)가 생성한 3상의 AC 전력을 DC 전력으로 변환한다. 정류부(103)는 직렬 접속된 다이오드(예를 들어 FRD : Fast Recovery Diode) D101 및 D102를 구비하고 있고, 다이오드 D101 및 D102의 페어가 복수 병렬로 접속되어 있다. 이 예에서는, 3상의 AC 전력에 대하여 3상 전파 정류를 행하기 위해, 다이오드 D101 및 D102의 페어가 3개 병렬 접속되고, 각 다이오드 D101 및 D102의 중간 노드에 AC 전력이 입력된다.
승압부(승압 초퍼 회로)(104)는 정류부(103)가 생성한 DC 전력을 승압한다. 승압부(104)는 인덕터 L101, 다이오드 D103, 콘덴서 C101, IGBT 회로(106)를 구비하고 있다. 정류부(103)(다이오드 D101의 캐소드측)와 인버터(100)(하이 사이드측) 사이에, 인덕터 L101, 다이오드 D103이 직렬로 접속되어 있다. 인덕터 L101과 다이오드 D103(애노드측) 사이에, 다이오드 D101 및 D102와 병렬로, IGBT 회로(106)가 접속되어 있다. 또한, 다이오드 D103(캐소드측)과 인버터(100) 사이에, IGBT 회로(106)와 병렬로, 콘덴서 C101이 접속되어 있다. 승압용의 제어 회로(도시하지 않음)에 의해, IGBT 회로(106)의 온/오프를 제어함으로써, 승압을 행한다.
인버터(100)는 인버터 제어부(113)의 제어에 따라서, 승압된 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 DC/AC 변환부이다. 인버터(100)에서는, IGBT 회로(하이 사이드측 스위치)(111a)와 IGBT 회로(로우 사이드측 스위치)(111b)가, IGBT 모듈(110)을 구성하고, IGBT 모듈(110)이 복수 병렬로 접속되어 있다. 이 예에서는, 3상의 AC 전력을 생성하기 위해, IGBT 모듈(110)이 3개 병렬 접속되고, 각 IGBT 회로(111a 및 111b)의 중간 노드로부터 AC 전력이 출력된다. 후술하는 바와 같이, IGBT 회로(111a 및 111b)의 각각은, 복수의 IGBT 소자가 병렬 접속되어 구성되어 있고, 예를 들어 대전력 용도의 인버터에서는, 2∼12개의 IGBT 소자가 병렬 접속되어 있다.
IGBT 모듈(110) 단위로 제어하기 위해, IGBT 모듈마다 드라이버 모듈(112)을 구비하고 있다. 드라이버 모듈(112)은 인버터 제어부(113)의 지시에 따라서, IGBT 회로(111a 및 111b)의 온/오프를 제어함으로써, AC 전력을 생성한다. 예를 들어, IGBT 회로(111)(111a와 111b 중 어느 하나, 또는 양쪽)와 드라이버 모듈(112)은 드라이브 시스템(인버터 시스템)(120)을 구성한다. 인버터 시스템에 본 실시 형태에 따른 IGBT 모듈을 적용함으로써, 고속 동작이 가능해지고, 효율적으로 전력을 변환할 수 있다.
AC 출력부(105)는 AC 전력의 출력처의 부하이며, 전력 계통이나 모터 등이다. AC 출력부(105)는 인덕터 L102와 AC 부하 회로(107)를 구비하고 있고, 인덕터 L102를 통해 AC 부하 회로(107)에 3상 AC 전력이 공급된다.
<실시 형태 1의 IGBT의 구성>
다음에, 본 실시 형태에 따른 인버터(100)의 IGBT 회로(111)에 포함되는 IGBT 소자의 구성예에 대하여 설명한다.
도 2는 일례로서, IGBT 소자 SW1의 개략 단면을 도시하고 있고, 도 3은 그 등화 회로의 구성을 도시하고 있다. 도 2의 예는, 일반적인 플로팅층을 갖는 IGBT 구조이며, 트렌치 전극이 게이트-게이트와 나란히 형성되기 때문에, GG 구조라 불린다. 이 구조에 의해, 대전력화에 대응할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, GG 구조의 IGBT 소자 SW1은, 콜렉터 전극(도시하지 않음) 상에 N- 드리프트층(201)이 형성되어 있다. N- 드리프트층(201) 상에 소정 간격으로 P형 플로팅층(202)이 형성되고, P형 플로팅층(202)의 사이에 N형 홀 배리어층(203)이 형성되어 있다. N형 홀 배리어층(203) 상에 P형 채널 영역(205)(콘택트층), N형 이미터 영역(이미터층)(206)이 형성되어 있다.
N형 이미터 영역(206) 및 P형 채널 영역(205)을 사이에 둔 양측에, 각각 게이트 전극(트렌치 게이트)(204)이 형성되어 있다. 게이트 전극(204)은 N형 이미터 영역(206) 및 P형 채널 영역(205)으로부터, N형 홀 배리어층(203)과 P형 플로팅층(202) 사이에 도달하는 트렌치 내에 형성되어 있다. P형 플로팅층(202), 게이트 전극(204), N형 이미터 영역(206)을 덮도록 절연막(207)이 형성되어 있다. 절연막(207)으로부터, N형 이미터 영역(206), P형 채널 영역(205)(콘택트층)에 도달하는 트렌치에, 이미터 전극(도시하지 않음)이 형성된다.
도 2와 같은 GG 구조의 IGBT 소자 SW1에서는, 도 3에 도시한 바와 같은 기생 용량이 발생한다. IGBT 소자 SW1에서는, 각 P형 플로팅층(202)을 통한 플로팅 용량 Cfpc 및 Cgfp와, N형 홀 배리어층(203)을 통한 게이트 용량 Cgd가, 콜렉터-게이트간 용량으로 된다.
도 4는 다른 예로서, IGBT 소자 SW2의 개략 단면을 도시하고 있고, 도 5는 그 등화 회로의 구성을 도시하고 있다. 도 4의 예는, 플로팅층을 통한 용량 성분을 저감한 IGBT 구조이며, 트렌치 전극이 이미터-게이트-이미터와 나란히 형성되기 때문에, EGE 구조라 불린다. 이 구조에 의해, 대전력화 및 고속화에 대응할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, EGE 구조의 IGBT 소자 SW2는, 도 2의 IGBT 소자 SW1과 비교하여, 트렌치 전극의 구성이 상이하다. 즉, P형 채널 영역(205)(콘택트층) 상의 중앙에 N형 이미터 영역(이미터층)(206)이 형성되고, P형 채널 영역(205) 및 N형 이미터 영역(206)의 중앙에 게이트 전극(트렌치 게이트)(204)이 형성되어 있다. 게이트 전극(204)은 N형 이미터 영역(206) 및 P형 채널 영역(205)으로부터, N형 홀 배리어층(203)에 도달하는 트렌치 내에 형성되어 있다. P형 채널 영역(205)을 사이에 둔 양측에, 각각 이미터 전극(트렌치 이미터)(208)이 형성되어 있다. 이미터 전극(208)은 P형 채널 영역(205)으로부터, N형 홀 배리어층(203)과 P형 플로팅층(202) 사이에 도달하는 트렌치 내에 형성되어 있다.
도 4와 같은 EGE 구조의 IGBT 소자 SW2에서는, 도 5와 같은 기생 용량이 발생한다. IGBT 소자 SW2에서는, P형 플로팅층(202)을 통한 플로팅 용량 Cfpc 및 Cgfp가, 콜렉터-이미터간에 접속되기 때문에, 콜렉터-게이트간 용량은, N형 홀 배리어층(203)을 통한 게이트 용량 Cgd만으로 된다. 이 때문에, EGE 구조에서는, GG 구조에 비해 귀환 용량(Cres)을 대폭 저감할 수 있어, 고속 스위칭이 가능해진다.
<검토예의 IGBT 모듈의 구성>
먼저, 본 실시 형태 적용 전의 검토예의 IGBT 모듈에 대하여 설명한다. 도 6은 검토예의 IGBT 모듈을 포함하는 드라이브 시스템의 구성을 도시하고 있다.
도 6에 도시한 바와 같이, 검토예의 IGBT 모듈(910)은 복수의 IGBT 실장부(실장 기판)(911)를 구비하고 있다. 복수의 IGBT 실장부(911)가, 도 1의 IGBT 회로(111)(111a 혹은 111b)에 상당한다. 이 예에서는, 2개의 IGBT 실장부(911a 및 911b)가 병렬 접속되어 있다.
IGBT 실장부(911a 및 911b)는 동일한 구성이며, 각각 IGBT 소자 SW(SWa, SWb), 다이오드 FD(FDa, FDb : 환류 다이오드(Free Wheeling Diode)), 저항 R1(R1a, R1b)을 구비하고 있다. IGBT 소자 SW의 콜렉터-이미터간에 다이오드 FD가 접속되고, IGBT 소자 SW의 게이트에 저항 R1(댐핑 저항)이 접속되어 있다. 복수의 IGBT 소자 SW의 게이트가 저항 R1을 통해 공통 접속되고, 콜렉터도 공통 접속되어 있다. 또한, 복수의 IGBT 소자 SW의 이미터도 공통 접속되어 있다(도시하지 않음). 게이트의 공통 노드에 드라이버 모듈(112)이 접속되고, 드라이버 모듈(112)로부터 제어 전압(게이트 전압)이 공급된다. 콜렉터의 공통 노드에 AC 부하 회로(107)가 접속되고, 이 예에서는, 콘덴서 C102가 접속되어 있다. 또한, 게이트를 제어 단자라 칭하고, 콜렉터 및 이미터(MOSFET이면 소스 및 드레인) 중 어느 하나를 제1 단자 또는 제2 단자라 칭해도 된다.
이와 같은 구성에 있어서, 부하가 단락(지락)되면 게이트 발진이 발생한다는 문제가 있다. 도 7은 부하 단락 시에 있어서의 IGBT 소자 SW의 각 신호 파형을 도시하고 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 부하가 단락되면, 게이트-이미터 전압 VGE 및 콜렉터-이미터 전압 VCE의 변동은 작지만, 콜렉터 전류 Ic가 상승하고, 포화 전류가 계속해서 흐른다. 그리고, 온도 특성 등의 영향에 의해 일정한 발진 조건(공진 조건)이 충족되면, 게이트-이미터 전압 VGE가 발진 상태(게이트 발진)로 된다.
이 발진은, 부하 단락 시에 IGBT의 병렬 접속에 의해 공진 루프가 형성되는 것에 기인한다. 도 8은 그 공진 루프의 기생 성분을 도시하고 있고, 도 9는 공진 루프의 등가 회로를 도시하고 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, IGBT 실장부(911a)에 게이트 용량(콜렉터-게이트) C0a, IGBT 실장부(911b)에 게이트 용량(콜렉터-게이트) C0b, IGBT 실장부(911a 및 911b)의 콜렉터간에 기생 인덕터 L0a, IGBT 실장부(911a 및 911b)의 게이트간에 기생 인덕터 L0b가 발생한다. 그렇게 되면, 도 9에 도시한 바와 같이, 저항 R1a, 게이트 용량 C0a, 기생 인덕터 L0a, 게이트 용량 C0b, 저항 R1b, 기생 인덕터 L0b를 포함하는 공진 루프에 회생 전류가 흐른다. 이 때문에, 공진 루프 내의 기생 인덕터 성분이 큰 경우, 또는 각 소자의 귀환 용량(게이트 용량)이 작은 경우, 부하 단락 중에 도 7과 같은 발진이 발생해버려 문제로 된다.
최근, 출력 대전력화에 수반하여, IGBT의 병렬 접속수가 증가 경향이기 때문에, 기생 인덕터 성분이 증가 경향에 있다. 또한, 스위칭 손실을 저감하기 위해 귀환 용량의 저감이 요구되고 있다. 이 때문에, 노이즈ㆍ발진 억제에 대한 디바이스/모듈의 최적화 설계가 과제로 되고 있다.
예를 들어, 상기의 EGE 구조의 IGBT 소자 SW2의 경우, GG 구조의 IGBT 소자 SW1에 대하여 스위칭 손실을 대폭 저감하는 것이 가능하지만, 한편 귀환 용량이 극단적으로 작은 것에 의해, 병렬 접속 시에 발진이 발생해 버린다. 이 발진 대책을 위해, 공진 루프 내의 게이트 저항(R1a 및 R1b)의 저항값을 높게 설정하는 방법도 생각된다. 그러나, 게이트 저항의 저항값을 크게 하면 고속 스위칭을 행할 수 없다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 다음과 같은 IGBT 모듈 구조로 함으로써, 스위칭 특성에의 영향을 억제하면서, 게이트 발진의 발생을 방지하는 것을 가능하게 한다.
<실시 형태 1의 IGBT 모듈의 구성>
도 10은 본 실시 형태에 따른 IGBT 모듈의 구성을 도시하고 있다. 도 10에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 IGBT 모듈(110)은 복수의 IGBT 실장부(실장 기판)(121)를 구비하고 있다. 복수의 IGBT 실장부(121)가 도 1의 IGBT 회로(111)(111b 혹은 111a)에 상당한다.
IGBT 실장부(121)(121a, 121b)는 도 6의 검토예의 구성에 더하여, 다이오드 D1(D1a, D1b)을 구비하고 있다. 다이오드 D1(제1 및 제2 다이오드)은 IGBT 소자 SW의 게이트에 접속된 저항 R1(제1 및 제2 저항)과 병렬로 접속되어 있다. 다이오드 D1은, 애노드가 드라이버 모듈(112)측(공통 노드측)에 접속되고, 캐소드가 IGBT 소자 SW의 게이트측에 접속되어 있고, 게이트를 향하는 방향이 순방향으로 되어 있다. 다이오드 D1 및 저항 R1은, IGBT 실장부(121)(반도체 칩)의 내부에 형성되어도 되고, 외장의 부품이어도 된다. 또한, 다이오드는 쇼트키 배리어 다이오드(SBD) 등을 사용해도 된다. 또한, 다이오드 D1 이외의 구성은 도 6과 마찬가지이다.
도 11은 도 10의 구성에 있어서의 공진 루프의 기생 성분을 도시하고 있고, 도 12는 그 공진 루프의 등가 회로를 도시하고 있다. 도 11에 도시한 바와 같이, 도 8과 마찬가지로, IGBT 실장부(121a)에 게이트 용량 C0a, IGBT 실장부(121b)에 게이트 용량 C0b, IGBT 실장부(121a 및 121b)의 콜렉터간에 기생 인덕터 L0a, IGBT 실장부(121a 및 121b)의 게이트간에 기생 인덕터 L0b가 발생한다. 그렇게 되면, 도 12에 도시한 바와 같이, 병렬 접속된 저항 R1a 및 다이오드 D1a, 게이트 용량 C0a, 기생 인덕터 L0a, 게이트 용량 C0b, 병렬 접속된 저항 R1b 및 다이오드 D1b, 기생 인덕터 L0b를 포함하는 공진 루프로 된다.
공진 루프 내의 회생 전류는 다이오드 D1a를 흐르지만, 다이오드 D1b는 역방향이기 때문에 전류 경로가 차단되어, 저항 R1b를 흐를려고 한다. 이 때문에, 저항 R1b(댐핑 저항)를 고저항화함으로써, 발진을 억제할 수 있다. 또한, 다이오드 D1(D1a 및 D1b)은 게이트 방향이 순방향이기 때문에, 턴온 시의 게이트 차지 경로의 임피던스를 낮게 확보할 수 있기 때문에, 스위칭 손실의 증가도 방지할 수 있고, 고속 동작이 가능해진다.
또한, IGBT가 2병렬인 경우, 공진 루프가 하나이기 때문에, 도 13에 도시한 바와 같이, 적어도 한쪽의 IGBT 소자 SW의 게이트에, 다이오드 D1 및 저항 R1의 병렬 회로를 삽입하는 구성이어도 된다. IGBT가 3병렬 이상인 경우, 공진 루프가 복수로 되기 때문에, 모든 IGBT 소자 SW의 게이트에, 다이오드 D1 및 저항 R1의 병렬회로를 삽입하는 것이 바람직하다. 또한, IGBT 소자에 한하지 않고, 파워 MOSFET 등의 파워 트랜지스터(게이트 구동의 3단자 증폭 소자)여도 된다. 즉, 도 13과 같이, IGBT 모듈(반도체 장치)(110)은, 병렬 접속된 IGBT 소자 SWb(제1 파워 트랜지스터)와 IGBT 소자 SWa(제2 파워 트랜지스터), IGBT 소자 SWb의 게이트(제어 단자)에 접속된 저항 R1(제1 저항), 저항 R1과 병렬 접속되며, 게이트를 향하는 방향을 순방향으로 하는 다이오드 D1(제1 다이오드)을 구비하고 있어도 된다.
이상과 같이, 본 실시 형태에서는, IGBT를 병렬 접속한 드라이브 시스템에 있어서, 각 IGBT의 게이트 입력부에 병렬 접속된 순방향 다이오드 및 저항을 삽입하는 것으로 하였다. 이에 의해, 스위칭 손실의 증가를 억제하면서 발진을 억제할 수 있다.
상기 검토예와 같이, 발진 대책으로서 공진 루프 내의 저항값을 올려 댐핑 효과를 높이는 것이 유효하지만, 개별 게이트 저항값을 증가시키면 디바이스가 갖는 고속 스위칭의 특장을 최대한으로 살릴 수 없다. 발진 억제 내량과 스위칭 특성의 트레이드 오프라는 문제가 있었다. 이 때문에, 검토예에서는, EGE 구조와 같은 고속의 IGBT를 사용해도 충분히 그 장점을 살릴 수 없었지만, 본 실시 형태를 적용한 드라이브 시스템에서 사용함으로써, 병렬 접속 용도에 있어서도 고속 스위칭의 특장을 살리는 것이 가능해진다. 또한, 디바이스/모듈의 최적화 설계의 자유도를 증가시키는 것도 가능해진다.
(실시 형태 2)
본 실시 형태에서는, 실시 형태 1에 따른 IGBT 모듈의 실장예에 대하여 설명한다.
<참고예>
도 14는 실시 형태 적용 전의 참고예의 IGBT 모듈의 구성을 도시하고, 도 15는 그 실장예를 도시하고 있다. 이 참고예는, 상기 검토예와 마찬가지로, IGBT의 게이트에 저항만을 삽입한 예이다.
도 14에 도시한 바와 같이, 참고예의 IGBT 모듈(920)은 IGBT 실장부(921a 및 921b)를 구비하고 있다. IGBT 실장부(921a 및 921b)는, 각각, IGBT 소자 SWa 및 SWb, 다이오드 FDa 및 FDb를 구비하고 있고, 저항 R1a 및 R1b가 게이트 단자에 외장되어 있다.
도 15에 도시한 바와 같이, 참고예의 IGBT 모듈(920)의 실장예에서는, 게이트 전위 영역(패턴 : 제1 실장 영역)(301a 및 301b), 콜렉터 전위 영역(패턴 : 제2 실장 영역)(302), 이미터 전위 영역(패턴)(303)을 구비하고 있다. 각 영역은, 각 소자를 실장하기 위한 섬이며, 동판으로 형성된 베이스 플레이트이다. 이 예에서는, IGBT 소자(IGBT 칩) SWa 및 SWb는, 이면측(도시하지 않음)에 콜렉터 단자(이면 단자)가 형성되고, 표면측에 이미터 단자(패드) TE 및 게이트 단자(패드) TG(표면 단자)가 형성되어 있다.
콜렉터 전위 영역(302)에 IGBT 소자(IGBT 칩) SWa 및 SWb가 실장되고, 콜렉터 전위 영역(302)에 IGBT 소자 SWa 및 SWb의 이면 단자(콜렉터 단자)가 전기적으로 접속된다. 콜렉터 전위 영역(302)에 다이오드(다이오드 칩) FDa 및 FDb가 실장되고, 콜렉터 전위 영역(302)에 다이오드 FDa 및 FDb의 이면 단자(캐소드 단자)가 전기적으로 접속된다.
저항 R1a 및 R1b는 면 실장 타입의 칩 저항이다. 게이트 전위 영역(301a)에 저항 R1a가 실장되어, 게이트 전위 영역(301a)에 저항 R1a의 이면 단자가 전기적으로 접속된다. 게이트 전위 영역(301b)에 저항 R1b가 실장되어, 게이트 전위 영역(301b)에 저항 R1b의 이면 단자가 전기적으로 접속된다.
IGBT 소자 SWa 및 SWb의 표면의 복수의 이미터 단자 TE가, 각각, 다이오드 FDa 및 FDb의 표면 단자(애노드 단자)를 통해 이미터 전위 영역(303)에, 와이어 배선에 의해 전기적으로 접속된다. IGBT 소자 SWa 및 SWb의 표면의 게이트 단자 TG가, 각각, 저항 R1a 및 R1b의 표면 단자에, 와이어 배선에 의해 전기적으로 접속된다. 게이트 전위 영역(301a 및 301b)은, 와이어 배선에 의해 전기적으로 접속되고, 예를 들어 게이트 전위 영역(301b)은 드라이버 모듈(112)과 전기적으로 접속되어, 게이트 신호가 입력된다.
<실장예 1>
도 16은 실시 형태 1에 따른 IGBT 모듈을 실현하는 구성예를 도시하고, 도 17은 그 실장예 1을 도시하고 있다.
도 16에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 IGBT 모듈(110)은 IGBT 실장부(121a 및 121b)를 구비하고 있다. IGBT 실장부(121a 및 121b)는, 참고예의 IGBT 실장부(921a 및 921b)와 동일한 구성이며, 저항 R1a 및 다이오드 D1a, 저항 R1b 및 다이오드 D1b가 게이트 단자에 외장되어 있다.
도 17에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 IGBT 모듈(110)의 실장예 1에서는, 게이트 전위 영역(301a)에 다이오드 D1a가 실장되어, 다이오드 D1a의 애노드 단자가 게이트 전위 영역(301a)에 전기적으로 접속되고, 다이오드 D1a의 캐소드 단자가 저항 R1a(면 실장 타입의 칩 저항)의 표면 단자에 전기적으로 접속되어 있다. 마찬가지로, 게이트 전위 영역(301b)에 다이오드 D1b가 실장되어, 다이오드 D1b의 애노드 단자가 게이트 전위 영역(301b)에 전기적으로 접속되고, 다이오드 D1b의 캐소드 단자가 저항 R1b의 표면 단자에 전기적으로 접속되어 있다. 그 외는 참고예와 마찬가지이다.
또한, 도 18은 다른 실장예를 도시하고 있다. 도 18은 저항 R1a 및 R1b로서 리드 타입 저항을 사용하는 예이다. 이 경우, 저항 접속용의 영역(패턴)(304a 및 304b), 다이오드 접속용의 영역(패턴)(305a 및 305b)이 필요로 된다. 즉, 저항 R1a의 일단이 영역(304a)에 접속되고, 타단이 게이트 전위 영역(301a)에 접속된다. 다이오드 D1a의 애노드 단자가 게이트 전위 영역(301a)에 접속되고, 다이오드 D1a의 캐소드 단자가 영역(304a)에 전기적으로 접속된다. 마찬가지로, 저항 R1b의 일단이 영역(304b)에 접속되고, 타단이 게이트 전위 영역(301b)에 접속된다. 다이오드 D1b의 애노드 단자가 게이트 전위 영역(301b)에 접속되고, 다이오드 D1b의 캐소드 단자가 영역(304b)에 전기적으로 접속된다.
일반적으로 게이트 노드 기판은 외장 저항의 유무나 사양에 의해 형상이 결정된다. 면 실장 타입의 저항을 사용하는 경우, 도 15에 도시한 바와 같은 섬(영역) 구성으로 실현 가능하고, 한편 리드 타입의 저항을 사용하는 경우에는 게이트 패드와 접속된 독립된 섬이 필요로 된다.
이 때문에 리드 타입 저항을 사용하여 본 실시 형태를 실현하는 경우, 도 18과 같이 기판 변경ㆍ배선 추가가 필요로 되어 비용면에서 단점이 커진다. 한편, 면 실장 타입의 저항을 사용하는 경우, 도 17에 도시한 바와 같이, 도 15의 구성으로부터 기판 레이아웃의 변경없이, 다이오드를 1개(IGBT마다) 추가함으로써 실현이 가능해진다. 이에 의해 기판의 범용성을 유지할 수 있음과 함께, 부재 비용ㆍ실장 공정의 증가를 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 도 18과 같이, 게이트 패드로부터 2개의 리드 저항ㆍ리드 다이오드를 사용하면 마찬가지의 구성은 실현 가능하지만, 패드 면적의 제약을 받을 가능성이 있다.
<실장예 2>
도 19는 실시 형태 1에 따른 IGBT 모듈을 실현하는 다른 구성예를 도시하고, 도 20은 그 실장예 2를 도시하고 있다.
도 19에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 IGBT 모듈(110)은 IGBT 실장부(121a 및 121b)를 구비하고 있다. IGBT 실장부(121a 및 121b)는, 각각, IGBT 소자 SWa 및 SWb, 다이오드 FDa 및 FDb, 저항 R1a 및 R1b, 다이오드 D1a 및 D1b를 구비하고 있다.
도 20에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 IGBT 모듈(110)의 실장예 2에서는, IGBT 실장부(121a 및 121b) 내에, 저항 R1a 및 R1b, 다이오드 D1a 및 D1b가 형성되어 있기 때문에, IGBT 소자 SWa 및 SWb의 게이트 단자 TG를, 각각 게이트 전위 영역(301a 및 301b)에 접속하는 것만으로 된다. 그 외는 도 17과 마찬가지이다.
이와 같이, 실장예 2는 게이트 저항과 병렬 다이오드를 IGBT 칩 내에 내장하는 예이다. 이에 의해, 외장 부품 구성을 실시 형태 적용 전과 변경하지 않고, 본 실시 형태를 실현하는 것이 가능해진다.
<실장예 3>
도 21은 실시 형태 1에 따른 IGBT 모듈을 실현하는 다른 구성예를 도시하고, 도 22는 그 실장예 3을 도시하고 있다.
도 21에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 IGBT 모듈(110)은 IGBT 실장부(121a 및 121b)를 구비하고 있다. IGBT 실장부(121a 및 121b)는, 각각, IGBT 소자 SWa 및 SWb, 다이오드 FDa 및 FDb, 저항 R1a 및 R1b를 구비하고 있고, 다이오드 D1a 및 D1b가 게이트 단자에 외장되어 있다.
도 22에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 IGBT 모듈(110)의 실장예 3에서는, IGBT 실장부(121a 및 121b) 내에 저항 R1a 및 R1b가 형성되어 있기 때문에, IGBT 소자 SWa 및 SWb의 표면 단자로서, 저항 R1 양단의 게이트 단자 TG1 및 TG2를 구비한다. 또한, 다이오드 접속용의 영역(패턴 : 제3 실장 영역)(306a 및 306b)을 구비한다.
IGBT 실장부(121a)에서는, 게이트 단자 TG1이 게이트 전위 영역(301a)에 접속되고, 게이트 단자 TG2가 영역(306a)에 접속되고, 다이오드 D1a가 영역(306a)과 게이트 전위 영역(301a) 사이에 접속된다. IGBT 실장부(121b)에서는, 게이트 단자 TG1이 게이트 전위 영역(301b)에 접속되고, 게이트 단자 TG2가 영역(306b)에 접속되고, 다이오드 D1b가 영역(306b)과 게이트 전위 영역(301b) 사이에 접속된다. 그 외는 도 17과 마찬가지이다.
이와 같이, 실장예 3은 IGBT 칩 내에 게이트 저항만 내장하고, 저항 양단의 패드를 설치하고, 거기에 병렬 다이오드를 접속하는 예이다. 이에 의해, 외장 다이오드 1개(IGBT마다)로 본 실시 형태를 실현하는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시 형태에 기초하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이미 설명한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능한 것은 물론이다.
1 : 풍력 발전 시스템
100 : 인버터
101 : 풍차
102 : AC 입력부
103 : 정류부
104 : 승압부
105 : AC 출력부
106 : IGBT 회로
107 : AC 부하 회로
110 : IGBT 모듈
111, 111a, 111b : IGBT 회로
112 : 드라이버 모듈
113 : 인버터 제어부
120 : 드라이브 시스템
121, 121a, 121b : IGBT 실장부
201 : N- 드리프트층
202 : P형 플로팅층
203 : N형 홀 배리어층
204 : 게이트 전극
205 : P형 채널 영역
206 : N형 이미터 영역
207 : 절연막
208 : 이미터 전극
301a, 301b : 게이트 전위 영역
302 : 콜렉터 전위 영역
303 : 이미터 전위 영역
304a, 304b : 영역
305a, 305b : 영역
306a, 306b : 영역
C0a, C0b : 게이트 용량
C101, C102 : 콘덴서
Cfpc, Cgfp : 플로팅 용량
Cgd : 게이트 용량
D1, D1a, D1b : 다이오드
D101, D102, D103 : 다이오드
FD, FDa, FDb : 다이오드
L0a, L0b : 기생 인덕터
L101, L102 : 인덕터
R1, R1a, R1b : 저항
SW, SWa, SWb, SW1, SW2 : IGBT 소자
TE : 이미터 단자
TG, TG1, TG2 : 게이트 단자

Claims (11)

  1. 병렬 접속된 제1 및 제2 파워 트랜지스터와,
    상기 제1 파워 트랜지스터의 제어 단자에 접속된 제1 저항과,
    상기 제1 저항과 병렬 접속되며, 상기 제1 파워 트랜지스터의 제어 단자를 향하는 방향을 순방향으로 하는 제1 다이오드
    를 구비하는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 파워 트랜지스터의 제1 단자 또는 제2 단자가 공통 접속되고, 상기 제1 및 제2 파워 트랜지스터의 제어 단자가 상기 제1 저항 및 상기 제1 다이오드를 통해 공통 접속되어 있는 반도체 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 파워 트랜지스터의 제어 단자에 접속된 제2 저항과,
    상기 제2 저항과 병렬 접속되며, 상기 제2 파워 트랜지스터의 제어 단자를 향하는 방향을 순방향으로 하는 제2 다이오드를 구비하는 반도체 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 파워 트랜지스터는, IGBT 소자인 반도체 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 IGBT 소자는, 채널 영역의 양측을 사이에 두고 제1 및 제2 트렌치 게이트가 배치된 게이트-게이트 구조인 반도체 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 IGBT 소자는, 채널 영역 및 트렌치 게이트의 양측을 사이에 두고 제1 및 제2 트렌치 이미터가 배치된 이미터-게이트-이미터 구조인 반도체 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파워 트랜지스터가 형성된 반도체 칩을 실장하는 제1 실장 영역과,
    상기 제1 파워 트랜지스터와 접속되는 상기 제1 저항 및 상기 제1 다이오드를 실장하고, 상기 제어 단자를 위한 제어 신호가 공급되는 제2 실장 영역을 구비하는 반도체 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 저항은, 면 실장형의 칩 저항인 반도체 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파워 트랜지스터, 상기 제1 저항 및 상기 제1 다이오드가 형성된 반도체 칩을 실장하는 제1 실장 영역과,
    상기 제1 저항 및 상기 제1 다이오드와 접속되며, 상기 제어 단자를 위한 제어 신호가 공급되는 제2 실장 영역을 구비하는 반도체 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파워 트랜지스터 및 상기 제1 저항이 형성된 반도체 칩을 실장하는 제1 실장 영역과,
    상기 제1 저항과 접속되며, 상기 제어 단자를 위한 제어 신호가 공급되는 제2 실장 영역과,
    상기 제1 파워 트랜지스터 및 상기 제1 저항과 접속되며, 상기 제1 다이오드를 실장하는 제3 실장 영역을 구비하는 반도체 장치.
  11. 직렬 접속된 제1 및 제2 파워 트랜지스터 회로를 구비하는 인버터 회로와,
    상기 제1 및 제2 파워 트랜지스터 회로를 구동하는 구동 회로를 구비하고,
    상기 제1 및 제2 파워 트랜지스터 회로는,
    병렬 접속된 복수의 파워 트랜지스터와,
    상기 복수의 파워 트랜지스터의 각각의 제어 단자에 접속된 복수의 저항과,
    상기 복수의 저항의 각각과 병렬 접속되며, 상기 복수의 파워 트랜지스터의 각각의 제어 단자를 향하는 방향을 순방향으로 하는 복수의 다이오드
    를 구비하는 인버터 시스템.
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