JP2007288046A

JP2007288046A - 電力用半導体モジュール

Info

Publication number: JP2007288046A
Application number: JP2006115656A
Authority: JP
Inventors: Kunio Matsubara; 邦夫松原; Kiyoaki Sasagawa; 清明笹川
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2007-11-01
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: JP4697025B2

Abstract

【課題】ＩＧＢＴなどの電圧駆動型半導体素子をアーム当たり複数個直列接続し、同時にスイッチングさせて使用する電力変換装置において、バランス抵抗による発熱を抑制し装置が大型化しないようにする。
【解決手段】直列接続されたパワー半導体チップ２８〜３１どうしの電圧分担を均一化させるために設けられるバランス抵抗４４〜４７を、絶縁基板２２を搭載した金属ベース板２１上で各パワー半導体チップとそれぞれ並列に接続することにより、パッケージ内に内蔵させる構造とする。バランス抵抗４４〜４７の発熱が、金属ベース板２１の搭載面から効率よく冷却され、発熱が抑制される。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力用半導体モジュールの内部構造に関する。

図７に電力用半導体モジュールの内部構造の従来例を、図８にその等価回路を示す。なお、図８は直列接続された電圧駆動型半導体（ここでは、ＩＧＢＴ：絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）チップを４直列接続し、同時にスイッチングさせて使用する電力用半導体モジュールの等価回路図で、１〜４はそれぞれダイオードＤ１〜Ｄ４が逆並列に接続されたＩＧＢＴ、９は電力用半導体モジュール、Ｃはコレクタ端子、Ｇ１〜Ｇ４はゲート端子、Ｅ，Ｅ１〜Ｅ４はエミッタ端子である。

電力用半導体モジュールの内部構造は図７のように、金属ベース板２１、絶縁基板２２、コレクタ導体２３〜２６、エミッタ導体２７、ＩＧＢＴチップ２８〜３１、ダイオードチップ３２〜３５、ゲート導体３６〜３９および補助エミッタ導体４０〜４３から構成される。すなわち、ＩＧＢＴチップのコレクタとダイオードチップのカソードを電気的に接着したコレクタ導体が絶縁基板上にマウントされ、ＩＧＢＴチップのエミッタとダイオードチップのアノードがワイヤボンディングによって接続される。そして、これらのパワー半導体チップをワイヤボンディングによって電気的に直列に接続することで、図８のような回路を構成している。なお、以上のようなモジュールとその内部構造は、例えば特許文献１に開示されている。

図７では、耐圧の低い（通常１２００Ｖ以下）パワー半導体チップを４直列に接続し、各パワー半導体チップを同時にスイッチングすることによって、電力用半導体モジュールの見かけ上の耐圧を４８００Ｖ（１２００Ｖ×４）とし、４５００Ｖ耐圧に適用できる電力用半導体モジュールを得るもので、一般的な高耐圧電力用半導体モジュール（３３００Ｖ以上）よりも、スイッチング損失を低減することができる。

その理由は、一般的に１２００Ｖ耐圧以下のＩＧＢＴチップまたはダイオードチップは、３３００Ｖ以上の高耐圧なチップと比較して、スイッチング時間が約１／１０程度で、複数個の半導体チップを直列接続にしても、約１／３程度の損失となるためである。
このように、低耐圧のパワー半導体チップを直列に接続した内部構造で１パッケージ化し、各パワー半導体チップを同時にスイッチングさせることで、スイッチング損失を低減した高耐圧大容量の電力用半導体モジュールを実現するようにしている。

図９に、各アームに電圧駆動型半導体素子が複数個直列接続された一般的な電力変換装置の回路構成を示す。図９において、６３は３相交流電源、６４は整流回路、６５は平滑用コンデンサ、６６〜７１は複数個直列接続されたＩＧＢＴなどの電圧駆動型半導体素子、７２は負荷としてのモータ、７３〜９０はバランス抵抗である。
つまり、直列接続された電圧駆動型半導体チップを、同時にスイッチングさせて使用する電力用半導体モジュールを電力変換装置に適用する場合は、図９に示すように直列接続されたパワー半導体チップ間の電圧分担を均一化するためにバランス抵抗が必要となる。

特開２００５−０９３６９８号公報

上記バランス抵抗は、各アーム毎に直列素子数分の個数が必要となるが、特に高耐圧大容量の電力変換装置ではバランス抵抗での消費電力が大きくなるため、高電力用で体積の大きな抵抗やそのための冷却装置を必要とし、一般的な高耐圧電力用半導体モジュールを適用した（バランス抵抗は必要なし）場合と比較して、装置が大型化してしまう可能性がある。
したがって、この発明の課題は、バランス抵抗による発熱を抑制し装置を大型化しないようにすることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、樹脂ケースと金属ベース板とを組み合わせたパッケージを有し、電圧駆動型半導体チップとこれに逆並列接続されたダイオードチップとを組とする複数のパワー半導体チップを、絶縁基板を搭載した金属ベース板上で直列に接続し、各パワー半導体チップを同時にスイッチングさせて使用する電力用半導体モジュールにおいて、
前記直列接続されたパワー半導体チップ間の電圧分担を均一化させるバランス抵抗を、前記絶縁基板を搭載した金属ベース板上で各パワー半導体チップとそれぞれ並列に接続し、パッケージ内に内蔵したことを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記バランス抵抗を複数個直列接続した抵抗により構成し、各接続箇所にそれぞれ出力端子を設けることができる（請求項２の発明）。

この発明によれば、低耐圧のパワー半導体チップを直列に接続し、スイッチング時の各半導体チップ間の電圧分担を均一化するためのバランス抵抗を内蔵させてパッケージ化し、各パワー半導体チップを同時にスイッチングさせることで発生損失が小さく、外付けのバランス抵抗を必要としない電力用半導体モジュールを実現することができる。また、この発明による電力用半導体モジュールを、特に高耐圧大容量の電力変換装置に適用することにより、装置の小型化を図ることが可能となる。

図１はこの発明の実施の形態を示す構成図、図２は図１に対応する等価回路図を示す。図１および図２において、図７および図８と同様の機能を有するものには同様の符号を付して示す。
そうすると、図１の図７に対する相違点はバランス抵抗４４〜４７を設けた点であり、また、図２の図８に対する相違点はバランス抵抗５〜８を接続した点にあることが分かり、その他は図７または図８と同じであることが分かる。

すなわち、図１に示すように、ＩＧＢＴチップのコレクタとダイオードチップのカソードを電気的に接着したコレクタ導体が絶縁基板上にマウントされ、ＩＧＢＴチップのエミッタとダイオードチップのアノードが、ワイヤボンディングによって接続されるところまでは従来と同じであるが、ここでは絶縁基板上にマウントしたバランス抵抗４４〜４７を、コレクタ導体２３〜２６またはエミッタ導体２７を介して、各パワー半導体チップと並列に接続した点で異なっており、そのバランス抵抗は図２では符号５〜８を付して示されている。

バランス抵抗４４〜４７は金属ベース板２１上に搭載されるので、バランス抵抗４４〜４７の発生損失による発熱を、搭載面から効率よく冷却できることになるため、バランス抵抗４４〜４７を小型化することができる。これにより、電力用半導体モジュールのパッケージ内に、バランス抵抗を内蔵させることが可能となる。
以上のことから、図１，図２では、直列接続された電圧駆動型半導体チップを同時にスイッチングさせて使用する電力用半導体モジュールに、バランス抵抗を内蔵させることにより、特に高耐圧大容量の電力変換装置に適用する場合に、外付けのバランス抵抗が不要となり、装置を小型化することができる。

図３に図１の変化例を示し、図４にその等価回路を示す。これは、各半導体チップのスイッチングタイミングを調整するコアを内蔵した電力用半導体モジュールに、バランス抵抗を内蔵させた例である。なお、コアでゲート線を磁気結合することは例えば特開２００２−２０４５７８号公報に、また、コアを電力用半導体モジュールのパッケージ内に内蔵させることは特許文献１に、それぞれ開示されている。

つまり、図３，図４は図１，図２に示すものに対し、スイッチングタイミングを調整するコア４８〜５０，１０〜１２をそれぞれ設けている他は同じなので詳細は省略する。
その結果、各半導体チップのスイッチングタイミングを調整するコアを内蔵し、直列接続された電圧駆動型半導体チップを同時にスイッチングさせて使用する電力用半導体モジュールに、バランス抵抗を内蔵させることにより、特に高耐圧大容量の電力変換装置に適用する場合に、外付けのバランス抵抗が不要となるため、装置を小型化することができる。

図５にこの発明の別の実施の形態を示し、図６にその等価回路を示す。図５の図１，図３との相違点は、補助コレクタ導体５１〜５４を設け、絶縁基板２１上にマウントしたバランス抵抗５５と５６、５７と５８、５０と６０，６１と６２を、補助コレクタ導体５１〜５４を介して直列に接続するとともに、コレクタ導体２３〜２６またはエミッタ導体２７を介して、各パワー半導体チップと並列に接続した点にある。これにより、バランス抵抗５５〜６２は金属ベース板２１上に搭載されるので、バランス抵抗４４〜４７の発生損失による発熱を、搭載面から効率よく冷却できることになるため、バランス抵抗４４〜４７を小型化することができる。その結果、電力用半導体モジュールのパッケージ内に、バランス抵抗を内蔵させることができるようになる。

以上のように図５，図６では、直列接続された電圧駆動型半導体チップを同時にスイッチングさせて使用する電力用半導体モジュールに、バランス抵抗を内蔵させることにより、特に高耐圧大容量の電力変換装置に適用する場合に、外付けのバランス抵抗が不要となるため、装置を小型化することができる。また、図６のように、直列接続されたランス抵抗１３〜２０の分圧比によって決定される電圧を出力する補助コレクタ端子Ｃ１〜Ｃ４を設けることで、パッケージ内の各パワー半導体チップの電圧を監視することが可能となる。

この発明は、電圧駆動型半導体チップのみが直列に接続される場合、または、ダイオードチップのみが直列に接続される場合にも有効であることは言うまでもない。

この発明の実施の形態を示す構成図図１の等価回路図図１の変形例を示す構成図図３の等価回路図この発明の別の実施の形態を示す構成図図５の等価回路図電力用半導体モジュールの従来例を示す内部構成図図７の等価回路図一般的な電力変換装置の主回路例を示す回路図

符号の説明

１〜４（Ｑ１〜Ｑ４）…ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、５〜８，１３〜２０，４４〜４７…バランス抵抗、９…電力用半導体モジュール、１０〜１２…コア、２１…金属ベース板、２２…絶縁基板、２３〜２６…コレクタ導体、２７…エミッタ導体、２８〜３１…ＩＧＢＴチップ、３２〜３５…ダイオードチップ、３６〜３９…ゲート導体、４０〜４３…補助エミッタ導体、Ｃ…コレクタ端子、Ｅ，Ｅ１〜Ｅ４…エミッタ端子、Ｇ１〜Ｇ４…ゲート端子、Ｃ１〜Ｃ４…補助コレクタ端子。

Claims

樹脂ケースと金属ベース板とを組み合わせたパッケージを有し、電圧駆動型半導体チップとこれに逆並列接続されたダイオードチップとを組とする複数のパワー半導体チップを、絶縁基板を搭載した金属ベース板上で直列に接続し、各パワー半導体チップを同時にスイッチングさせて使用する電力用半導体モジュールにおいて、
前記直列接続されたパワー半導体チップ間の電圧分担を均一化させるバランス抵抗を、前記絶縁基板を搭載した金属ベース板上で各パワー半導体チップとそれぞれ並列に接続し、パッケージ内に内蔵したことを特徴とする電力用半導体モジュール。
前記バランス抵抗を複数個直列接続した抵抗により構成し、各接続箇所にそれぞれ出力端子を設けたことを特徴とする請求項１に記載の電力用半導体モジュール。