JP2008054495A - 電流印加されたパワー回路のための低インダクタンスのパワー半導体モジュール - Google Patents

電流印加されたパワー回路のための低インダクタンスのパワー半導体モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】低い寄生インダクタンスを有し、簡単な製造が可能である、電流印加されたパワー回路のためのパワー半導体モジュールを紹介する。
【解決手段】第１部分モジュール（１）には、正極性の共通の端子（１２０）と電気的に分離された２つの交流電圧端子（１３０、１４０）とを有する２つの第１電流弁（１００、１１０）が配置されていて、第２部分モジュール（２）には、負極性の共通の端子（２２０）と電気的に分離された２つの交流電圧端子（２３０、２４０）とを有する２つの第２電流弁（２００、２１０）が配置されていて、第１電流弁も第２電流弁も交流電圧端子も、各々、互いに狭い間隔で隣接して配置されていて、それにより各々の第１電流弁の間又は各々の第２電流弁の間で転流時に電流の流れで取り囲まれる各々の面が小さくされていて、更に各電流弁がスイッチング可能な通電方向と遮断方向とを有すること。
【選択図】図３

Description

本発明は、電流印加されたパワー回路のためのパワー半導体モジュールに関し、ここではパワー半導体モジュールの内部の寄生インダクタンスが低いものとする。この際、所謂Ｈブリッジ接続形態の回路装置を有するパワー半導体モジュール並びにその部分モジュールが考察される。基礎を成すパワー半導体モジュールの従来技術は例えば特許文献１及び特許文献２から形成される。
特許文献１では、ハーフブリッジのために、直流リードにおける寄生インダクタンスを減少させるための回路装置が記載されている。ここでは両方の直流リードが狭い間隔で隣接し、少なくとも部分的に互いに平行に配置されている。これは、電圧印加されたパワー回路における転流時にパワー半導体モジュール内で電流の流れで取り囲まれる面を小さくするというものである。
特許文献２は、電圧印加されたパワー回路において寄生インダクタンスを減少させるための最新の回路装置が開示されていて、この回路装置は極めて手間と費用がかかるが極めて効果的でもある。この際、パワー半導体モジュール内で電流の流れで取り囲まれる全ての面ができるだけ最小限に抑えられる。
前記の従来技術に従う全てのパワー半導体モジュールは、電圧印加されたパワー回路のための寄生インダクタンスの低下を教示している。それに対し、電流印加されたパワー回路においてパワー半導体モジュールの内部の寄生インダクタンスを低下させるための要求は、異なっている。
ドイツ特許出願公開第３９３７０４５号明細書 ドイツ特許発明第１００３７５３３号明細書
本発明の基礎を成す課題は、低い寄生インダクタンスを有し、簡単な製造が可能である、電流印加されたパワー回路のためのパワー半導体モジュールを紹介することである。
この課題は、請求項１の構成要件の措置により解決される。有利な実施形態は下位請求項に記載されている。
Ｈブリッジ接続形態の電流印加されたパワー回路のための本発明に従うパワー半導体モジュールは第１部分モジュールと第２部分モジュールを有し、この際、これらの部分モジュールは、選択的に、外部端子要素を有するそれぞれの固有のハウジング内、又は共通のハウジング内にも配置され得る。第１部分モジュールは、正極性の共通の端子を有する２つの第１電流弁を有する。各電流弁は、この際、スイッチング可能な通電方向と遮断方向とを有する。更にこの部分モジュールは、電気的に互いに分離された２つの交流電圧端子を有する。
相補的に形成されている第２部分モジュールは、負極性の共通の端子を有する２つの第２電流弁と、同様に電気的に互いに分離された２つの交流電圧端子とを有する。
各々の第１電流弁及び第２電流弁は互いに狭い間隔で隣接して配置されていて、それにより各々の第１電流弁の間又は各々の第２電流弁の間で転流時に電流の流れで取り囲まれる各々の面が小さくされている。この配置構成によりこのパワー半導体モジュールは、電流印加されたパワー回路のために小さい寄生インダクタンスを有する。
次に、図１〜図４における実施例に基づき、本発明の思想を更に説明する。
図１は、本発明に従うパワー半導体モジュールの第１部分モジュール（１）を、図１ａで配線図として、図１ｂで断面図として示している。図１ａでは両方の第１電流弁（１００、１１０）が図示されていて、この際、各々の電流弁はダイオード（１０６、１１６）とトランジスタ（１０２、１１２）の直列配置から構成されている。各々のダイオード（１０６、１１６）のアノードは互いに接続され、第１部分モジュール（１）の正極性の直流電圧端子（１２０）と接続されている。ダイオード（１０６、１１６）の各々のカソードは、ここではＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）として形成されている付設のトランジスタ（１０２、１１２）のコレクタと接続されている。各々のトランジスタ（１０２、１１２）のエミッタは双方に付設の交流電圧端子（１３０、１４０）と接続されている。トランジスタのエミッタがダイオードのアノードと接続されているようにダイオード（１０６、１１６）を各々付設のトランジスタ（１０２、１１２）と直列に配置することも同様に有利であり得る。
更に、遮断方向における電圧ピークからトランジスタを保護するために各々のトランジスタ（１０２、１１２）にダイオード（１０４、１１４）を逆並列接続することは有利であり得る。
図１ｂは、冷却体（６０）上に配置された、本発明に従うパワー半導体モジュールの第１部分モジュール（１）の断面を示している。この第１部分モジュール（１）は、基板（５０）と、この基板（５０）を取り囲むハウジング部分（１６）と、このハウジング部分（１６）とスナップ・ロック・接続部（１４）を用いて接続されるハウジングカバー（１２）を有する。基板（５０）は冷却体（６０）に対する電気絶縁のための絶縁材料ボディ（５２）を有する。冷却体（６０）の方を向いた側において絶縁材料ボディ（５２）と冷却体（６０）の間に金属性の中間層（５６）を配置することは有利であり得る。
絶縁材料ボディ（５２）において冷却体（６０）の反対側には、電気的に互いに絶縁されている複数の導体パス（導電トラック、５４）が配置されている。一般性の制限なく、この基板を周知のＤＣＢ（ダイレクト・カッパー・ボンディング）基板として形成することは有利である。
互いに絶縁されている２つの導体パス（５４）上には、各々、両方の第１電流弁が配置されている。これらの第１電流弁は、ここではそれぞれのダイオード（１０６、１１６）と、直列接続されたそれぞれのトランジスタ（１０２、１１２）として形成されている。ダイオード（１０６、１１６）のアノードはワイヤボンディング接続部（５８）を用いて他の導体パス（５４）と接続されていて、この導体パスは正の直流電圧電位上に位置し、外部直流電圧端子（１２０）と接続されている。
各々のダイオード（１０６、１１６）のカソードと付設のトランジスタ（１０２、１１２）のコレクタとの間の電気接続部は共通の導体パス（５４）を用いて行われる。また、各々のエミッタと、交流電圧電位を有する付設の導体パス（５４）との間の接続は再びワイヤボンディング接続部（５８）を用いて行われる。付設の導体パスと接触する交流電圧端子要素（１３０、１４０）は、転流時に電流の流れで取り囲まれる面が小さく且つそれにより寄生インダクタンスも小さいように形成されている。
図２は、本発明に従うパワー半導体モジュールの第２部分モジュール（２）を、図２ａで配線図として、図２ｂで断面図として示している。この第２部分モジュール（２）は図１に従うものと相補的に形成されている。図２ａの配線図では両方の第２電流弁（２００、２１０）が図示されていて、再びダイオード（２０６、２１６）とトランジスタ（２０２、２１２）の直列配置として構成されている。各々のダイオード（２０６、２１６）のアノードは、第２部分モジュール（２）の電気的に分離されている付設の交流電圧端子（２３０、２４０）と接続されている。各々のダイオード（２０６、２１６）のカソードは付設のトランジスタ（２０２、２１２）のコレクタと接続されている。各々のトランジスタ（２０２、２１２）のエミッタは互いに接続され、第２部分モジュール（２）の負極性の直流電圧端子（２２０）と接続されている。トランジスタのエミッタがダイオードのアノードと接続されているようにダイオード（２０６、２１６）を各々付設のトランジスタ（２０２、２１２）と直列に配置することも同様に有利であり得る。
図２ｂは、冷却体（６０）上に配置された、本発明に従うパワー半導体モジュールの第２部分モジュール（２）の断面を示している。この第２部分モジュール（２）は、第１部分モジュール（図１ｂ参照）と同じ基板（５０）とハウジング（２０）を有し、それにより各々の部分モジュールの効果的な製造が可能である。
互いに絶縁されている２つの導体パス（５４）上には両方の第２電流弁（２００、２１０）が配置されている。これらの第２電流弁は、再びそれぞれのダイオード（２０６、２１６）と、直列接続されたそれぞれのトランジスタ（２０２、２１２）として形成されている。トランジスタ（２０２、２１２）のエミッタはワイヤボンディング接続部（５８）を用いて他の導体パス（５４）と接続されていて、この導体パスは負の直流電圧電位上に位置し、外部直流電圧端子（２２０）と接続されている。
トランジスタ（２０２、２１２）のコレクタと各々の付設のダイオード（２０６、２１６）のカソードとの間の電気接続部は共通の導体パスを用いて行われる。また、各々のダイオードのアノードと、交流電圧電位を有する付設の導体パスとの間の接続は再びワイヤボンディング接続部（５８）を用いて行われる。交流電圧端子要素（２３０、２４０）は、再び、転流時に電流の流れで取り囲まれる面が小さく且つそれにより寄生インダクタンスも小さいように形成されている。
図３は、部分モジュールごとに各々固有のハウジングと負荷（８０）とを有する、本発明に従うパワー半導体モジュールに関する第１部分モジュール（１）と第２部分モジュール（２）の配置構成の配線図を示している。この際、第１電流弁（１００、１１０）は、遮断方向（逆方向）で阻止するバイポーラトランジスタ（１０８、１１８）、所謂リバース・ブロッキング・絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＲＢ・ＩＧＢＴ：逆阻止ＩＧＢＴ）として形成されている。
Ｈブリッジ接続形態の回路の第１部分モジュール（１）の両方の第１ＲＢ・ＩＧＢＴは、コレクタが互いに接続されていて且つこの構成では二重に設けられている正極性の外部直流電圧端子（１２０）と接続されているようにハウジング内に配置されている。各ＲＢ・ＩＧＢＴ（１０８、１１８）のエミッタは交流電圧端子（１３０、１４０）のそれぞれと接続されていて、この際、これらの交流電圧端子は互いに狭い間隔で隣接しているが互いに電気的に分離して配置されている。
Ｈブリッジ接続形態の回路の第２部分モジュール（２）の同様にＲＢ・ＩＧＢＴ（２０８、２１８）である両方の第２電流弁（２００、２１０）は、コレクタが付設のそれぞれの交流電圧端子（２３０、２４０）と接続されていて且つＲＢ・ＩＧＢＴ（２０８、２１８）のエミッタが互いに接続されていて且つこの構成では二重に設けられている負極性の外部直流電圧端子（２２０）と接続されているようにハウジング内に配置されている。この際にもこれらの交流電圧端子（２３０、２４０）は互いに狭い間隔で隣接しているが互いに電気的に分離して配置されている。
更にこの配置構成は、負荷（８０）と並列接続されていて両方の部分モジュール（１、２）の交流電圧端子（１３０、２３０、１４０、２４０）と各々接続されているフィルタコンデンサ（７０）を有する。
図４は、共通のハウジング（３）と負荷（８０）とを有する、第１部分モジュール及び第２部分モジュールの配置構成を示している。電流弁（１００、１１０、２００、２１０）は再びＲＢ・ＩＧＢＴ（１０８、１１８、２０８、２１８）として形成されている。しかしこの構成において各々の第１電流弁（１０８、１１８）のエミッタはハーフブリッジの各々の第２電流弁（２０８、２１８）のコレクタと互いに接続され且つパワー半導体モジュールの付設の交流電圧端子（３３０、３４０）と接続されている。交流電圧端子（３３０、３４０）には再びフィルタコンデンサ（７０）とこれに対して並列に負荷（８０）とが接続されている。
ここで面（４）が例として転流過程中に電流の流れで取り囲まれる面を特徴付けている。電流弁と交流電圧端子との狭い間隔で隣接した適切な配置によりこの面は僅かであり、それによりパワー半導体モジュール内で発生する寄生インダクタンスも僅かである。
更にここでは正極性の直流電圧端子（１２０、２２０）にコイル（９０）が接続されていて、このコイル（９０）は、電流印加されたパワー回路の稼動に必要不可欠である。
この種のパワー半導体モジュールは、例えば、図１ｂに従う第１部分モジュール（１）と図２ｂに従う第２部分モジュール（２）が図面の方向で相前後し、この場合にハウジング内に配置されることで形成され得る。
本発明に従うパワー半導体モジュールの第１部分モジュールを示す図である。 本発明に従うパワー半導体モジュールの第２部分モジュールを示す図である。 各々固有のハウジングと負荷とを有する、第１部分モジュール及び第２部分モジュールの配置構成の配線図を示す図である。 共通のハウジングと負荷とを有する、第１部分モジュール及び第２部分モジュールの配置構成の配線図を示す図である。
符号の説明
１ 第１部分モジュール
１０ ハウジング
１２ ハウジングカバー
１４ スナップ・ロック・接続部
１６ ハウジング部分
５０ 基板
５２ 絶縁材料ボディ
５４ 導体パス
５６ 中間層
５８ ワイヤボンディング接続部
６０ 冷却体
１００、１１０ 第１電流弁
１０２、１１２ トランジスタ
１０４、１１４ ダイオード
１０６、１１６ ダイオード
１０８、１１８ ＲＢ・ＩＧＢＴ
１２０ 直流電圧端子
１３０、１４０ 交流電圧端子
２ 第２部分モジュール
２０ ハウジング
２００、２１０ 第２電流弁
２０２、２１２ トランジスタ
２０６、２１６ ダイオード
２０８、２１８ ＲＢ・ＩＧＢＴ
２２０ 直流電圧端子
２３０、２４０ 交流電圧端子
３ ハウジング
３３０、３４０ 交流電圧端子
４ 転流過程中に電流の流れで取り囲まれる面
７０ フィルタコンデンサ
８０ 負荷
９０ コイル

Claims (7)

  1. Ｈブリッジ接続形態の電流印加されたパワー回路のためのパワー半導体モジュールにおいて、第１部分モジュール（１）には、正極性の共通の端子（１２０）と電気的に分離された２つの交流電圧端子（１３０、１４０）とを有する２つの第１電流弁（１００、１１０）が配置されていて、第２部分モジュール（２）には、負極性の共通の端子（２２０）と電気的に分離された２つの交流電圧端子（２３０、２４０）とを有する２つの第２電流弁（２００、２１０）が配置されていて、第１電流弁（１００、１１０）も第２電流弁（２００、２１０）も交流電圧端子（１３０、１４０及び２３０、２４０）も、各々、互いに狭い間隔で隣接して配置されていて、それにより各々の第１電流弁の間又は各々の第２電流弁の間で転流時に電流の流れで取り囲まれる各々の面が小さくされていて、更に各電流弁がスイッチング可能な通電方向と遮断方向とを有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 各部分モジュール（１、２）が、１つの極性の直流電圧端子（１２０、２２０）と、狭い間隔で隣接して配置されている２つの交流電圧端子（１３０、１４０及び２３０、２４０）とを備えた固有のハウジング（２０）を有することを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 両方の部分モジュール（１、２）が、正極性及び負極性の直流電圧端子（１２０、２２０）と、狭い間隔で隣接して配置されている共通の２つの交流電圧端子（３３０、３４０）とを備えた共通のハウジング（３）内に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 各々の電流弁（１００、１１０、２００、２１０）がリバース・ブロッキング・絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＲＢ・ＩＧＢＴ）（１０８、１１８、２０８、２１８）であることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 各々の電流弁（１００、１１０、２００、２１０）がダイオード（１０６、１１６、２０６、２１６）とトランジスタ（１０２、１１２、２０２、２１２）の直列配置から構成されていて、この際にはダイオードのカソードがトランジスタのコレクタと接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 各々の電流弁（１００、１１０、２００、２１０）がダイオード（１０６、１１６、２０６、２１６）とトランジスタ（１０２、１１２、２０２、２１２）の直列配置から構成されていて、この際にはダイオードのアノードがトランジスタのエミッタと接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  7. トランジスタ（１０２、１１２、２０２、２１２）に対して逆並列に他のダイオード（１０４、１１４、２０４、２１４）が接続されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載のパワー半導体モジュール。
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