JP2009512994A - 低インダクタンスの半導体ハーフブリッジモジュール - Google Patents

低インダクタンスの半導体ハーフブリッジモジュール Download PDF

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グラント，ウィリアム
リン，へニー
マーシンコウスキ，ジャック
ネディック，ヴェリミア
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International Rectifier Corp USA
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Abstract

埋め込まれた電力バスバー及び出力バスを有し、それらは寄生インダクタンスを小さくするよう配置される電力モジュールに関する。

Description

本発明は、電力モジュールに関し、より具体的には、ハーフブリッジ電力モジュールに関する。
例えば半導体ハーフブリッジモジュールのような電力モジュールは、例えば電力変換及び／又は電力供給のような電源用途で使用され得ることがよく知られている。従来のモジュールは、ワイヤボンドなどにより半導体ダイ（ｄｉｅ）を外部接続用のリードフレーム及び端子へ取り付けて接続することによって構成される。ダイは、通常、非導電性の基板へ結合された導電性の金属層に実装され、リードフレームは、通常、プラスチック筐体に挿入モールド成形される。従って、電流は、ワイヤボンド、基板の金属層及びリードフレームによって伝送される。外部からアクセス可能な導電端子は、モジュールを外部回路へ接続することを可能にするが、非常に多くの場合、標準的な直流端子は遠く離れており、高い寄生インダクタンスを示す。
寄生インダクタンスを最小限とすることは、全てのスイッチモード電力変換アプリケーションにおいて重大である。寄生インダクタンスが最小限とされない場合、半導体ダイの一時的な電圧のオーバーシュート及び損失は増大し、半導体ダイが扱うことができる電力の量は有効に低減される。
本発明に従う電力モジュールは、フレームと、電源の１つの極へ接続可能であり、前記フレームに埋め込まれた第１のバスと、電源の他の極へ接続可能であり、前記フレームに埋め込まれた第２のバスと、前記フレームに埋め込まれ、前記第１のバスバー及び前記第２のバスバーから横方向に距離をあけて反対に配置される出力バスと、ハイサイド電力半導体スイッチ及びローサイド電力半導体スイッチを有する電力回路とを有し、前記ハイサイド電力半導体スイッチは、前記第１のバス及び前記出力バスへ電気的に接続され、前記ローサイド電力半導体スイッチは、前記第２のバス及び前記出力バスへ電気的に接続される。
好ましい実施形態で、前記フレームは、適切なプラスチックからモールド成形される。
本発明に従う電力モジュールは、前記フレームと一体化される第１の基板と、前記フレームと一体化される第２の基板とを更に有し、前記ハイサイド電力半導体スイッチは、前記第１の基板に配置され、前記ローサイド電力半導体スイッチは、前記第２の基板に配置される。望ましくは、前記第１の基板は、前記第１のバス、前記第２のバス及び前記出力バスの横に配置され、前記第２の基板は、前記第１のバス、前記第２のバス及び前記出力バスの横に且つ前記第１の基板の反対に配置され、これによって、前記第１のバス、前記第２のバス及び前記出力バスは、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される。
好ましい実施形態で、前記第１の基板は、全ての前記ハイサイドスイッチに関して共通のゲートトラックを有し、前記第２の基板は、全ての前記ローサイドスイッチに関して共通のゲートトラックを有する。更に、前記第１の基板は、全ての前記ハイサイドスイッチに関してエミッタ検知トラックを有し、前記第２の基板は、全ての前記ローサイドスイッチに関してエミッタ検知トラックを有する。
更に、前記ハイサイドスイッチは、前記第１の基板において共通のコレクタパッドを共有し、前記ローサイドスイッチは、前記第２の基板において共通のコレクタパッドを共有する。
本発明に従う電力モジュールは、また、前記第１の基板において前記共通のコレクタパッドへ電気的に接続されるコレクタ検知リードと、前記第２の基板において前記共通のコレクタパッドへ電気的に接続されるコレクタ検知リードと、前記フレームと一体化される前記ハイサイド電力半導体スイッチのための複数のハイサイド入出力リードと、前記フレームと一体化される前記ローサイド半導体スイッチのための複数のローサイド入出力リードとを更に有し、前記入出力リードは、温度検知リード、コレクタ検知リード、エミッタ検知リード、及びゲートリードを含む。
本発明の他の特徴及び効果は、添付の図面について言及する本発明の以下の記載から明らかとなるであろう。
図１を参照すると、本発明の好ましい実施形態に従う電力モジュールは、単相ハーフブリッジ回路１０を有する。単相ハーフブリッジ回路１０は、望ましくは、４つの並列接続されたハイサイドＭＯＳゲート半導体スイッチＱｈ１、Ｑｈ２、Ｑｈ３、Ｑｈ４と、４つの並列接続されたローサイドＭＯＳゲート半導体スイッチＱｌ１、Ｑｌ２、Ｑｌ３、Ｑｌ４とを有する。留意すべきは、望ましくは、パワーダイオードＤｈ１、Ｄｈ２、Ｄｈ３、Ｄｈ４、Ｄｌ１、Ｄｌ２、Ｄｌ３、Ｄｌ４は、夫々の電力スイッチと並列に接続されている点である。一般に知られるように、ハイサイドスイッチは、その１つの電源電極において１つの電源端子（例えば、Ｂ＋端子。）へ接続され、一方、ローサイドスイッチは、その１つの電源電極において他の電源端子（例えば、Ｂ−又は接地。）へ接続されている。ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチは、直列接続されており、ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチの接続点において出力ノード１２を有するハーフブリッジを形成する。
好ましい実施形態で、ＩＧＢＴがハーフブリッジ回路１０で使用される。従って、ハイサイドＩＧＢＴは、そのコレクタ電極においてＢ＋端子へ接続されており、ローサイドＩＧＢＴは、そのエミッタ電極においてＢ−端子へ接続されており、各ハイサイドスイッチにおけるエミッタ電極は、夫々のローサイドスイッチのコレクタ電極へ接続されている。留意すべきは、好ましい実施形態において、回路１０は、単一のハイサイドゲート端子ＧＨと、単一のローサイドゲート端子ＧＬとを有しうる点であり、その場合に、ハイサイドＩＧＢＴのゲート及びローサイドＩＧＢＴのゲートは並列接続され、端子ＧＨ（ハイサイドＩＧＢＴ）又は端子ＧＬ（ローサイドＩＧＢＴ）のいずれか一方から単一のゲート信号を受信する。望ましくは、回路１０は、情報を収集するための端子を更に有しうる。例えば、回路１０は、電力スイッチの温度に関する情報を収集するための２つの端子ＲＴ１、ＲＴ２と、ローサイドエミッタ電流を得るための端子ＥＬと、ハイサイドコレクタ電流を得るためのＣＨと、ハイサイドエミッタ電流を得るための端子ＥＨと、ローサイドコレクタ電流を得るための端子ＣＬとを有する。
留意すべきは、ＩＧＢＴは好ましいが、例えばパワーＭＯＳＦＥＴなどの他の電力半導体デバイス、又は第ＩＩＩ族窒化物（ＩＩＩ−ｎｉｔｒｉｄｅ）電源デバイスが、本発明から逸脱することなく、回路１０において使用され得る点である。
図２Ａ及び２Ｂを参照すると、本発明に従う電力モジュールは、成形フレーム１４と、第１及び第２の基板１６、１８と、Ｂ＋バスバー２０と、Ｂ−バスバー２２と、出力バスバー２４と、複数の入出力（Ｉ／Ｏ）リード２６とを有するハウジング配置を有する。Ｂ＋バスバー２０、Ｂ−バスバー２２、出力バスバー２４、及びリード２６は、フレーム１４に（モールド成形されて）埋め込まれる。留意すべきは、出力バスバー２４は、Ｂ＋バスバー２０及びＢ−バスバー２２に対して横方向に間隔をあけられて反対に配置され、従って、Ｂ＋、Ｂ−バスバー２０、２２は１つの面の上にあり、出力バスバー２４は他の面の上にある点である。更に、基板１６及び１８は、フレーム１４においてモールド成形されるか、あるいは、接着材などによってフレーム１４に取り付けられる。留意すべきは、望ましくは、フレーム１４は、概して数８のような形をしており、従って、Ｂ＋バスバー２０、Ｂ−バスバー２２及び出力バスバー２４が存在するところの中央部にわたって２つの対向する開口部を有する点である。夫々の基板１６、１８は、図に示されるような夫々の開口部を閉じる。留意すべきは、Ｂ＋バス２０、Ｂ−バス２２及び出力バス２４の夫々は、夫々のリード２８、３０、３２を有する点である。リード２８は電源のＢ＋極へ接続可能であり、リード３０は電源のＢ−極へ接続可能であり、リード３２は、望ましくはモータでありうる負荷へ接続可能である。基板１６は、ローサイドＩＧＢＴのコレクタ電極及びハイサイドダイオードの陽極を（例えば半田などのような導電性の接着材によって）電気的に且つ機械的に受ける導電パッド３４を有し、一方、基板１８は、ハイサイドＩＧＢＴのコレクタ電極及びハイサイドダイオードの陰極を（例えば半田などのような導電性の接着材によって）電気的に且つ機械的に受ける導電パッド３６を有する。基板１６は、また、ローサイドゲートトラック３８と、ローサイドゲートパッド４０と、ローサイドエミッタ検知トラック４２と、第１のローサイド温度パッド４４と、第２のローサイド温度パッド４６とを有する。同様に、基板１８は、また、ハイサイドゲートトラック４８と、ハイサイドゲートパッド５０と、ハイサイドエミッタ検知トラック５２と、第１のハイサイド温度パッド５４と、第２のハイサイド温度パッド５６とを有する。
ここで図３を参照すると、ハイサイドスイッチ、ハイサイドダイオード、ローサイドスイッチ及びローサイドダイオードは、示されるようにハウジング配置の中に配置され、回路１０を形成するようワイヤボンドによって相互に接続されている。従って、ハイサイドスイッチのエミッタ及びローサイドスイッチのコレクタは出力バス２４へワイヤボンド接続され、ハイサイドコレクタはＢ＋バス２０へワイヤボンド接続され、各スイッチのゲートは夫々のゲートパッド４０、５０へワイヤボンド接続され、各ゲートパッドは夫々のゲートトラック３８、４８へワイヤボンド接続される。同様に、ハイサイド及びローサイドのリードＲＴ１、ＲＴ２は、温度検知パッド４４、４６、５４、５６へワイヤボンド接続され、ハイサイド及びローサイドのゲートリードＧＨ、ＧＬは、夫々のゲートトラック４８、３８へワイヤボンド接続され、ハイサイド及びローサイドの夫々のエミッタ検知リードＥＳＨ、ＥＳＬは、夫々のエミッタ検知トラック５２、４２へワイヤボンド接続され、ハイサイド及びローサイドの夫々のコレクタ検知リードＣＳＨ、ＣＳＬは、夫々の導電パッド３６、３４へ接続される。留意すべきは、ワイヤボンドは、図式的に表されており、数５７によって示される点である。留意すべきは、各ＩＧＢＴのエミッタは、夫々のエミッタ検知トラック４２、５２へ少なくとも１つのワイヤボンドによりワイヤボンド接続される点である。
好ましい実施形態に従う電力モジュールは、概して、銅挿入モールド成形リードフレームを有するフレーム、及び基板の、２つの主な集積部分を有する。
望ましくは、フレーム１４は、適切な成形プラスチックから作られる。適切なプラスチックは、フレーム１４に関する望ましい温度に依存して、ＰＢＴ、ＰＰＳ、ＰＰＡなどであっても良い。
ここで参照されるリードフレームは、Ｂ＋バスバー２０と、Ｂ−バスバー２２と、出力バスバー２４と、入出力リード２６とを有する。Ｂ＋バスバー２０、Ｂ−バスバー２２、及び出力バスバー２４は、１ｍｍ又はそれ以上の厚さを有する銅から作られ、一方、リード２６は、１ｍｍよりも薄い銅から作られ得る。
各基板１６、１８は、モジュールの望ましい伝熱能力に依存して、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ（ＩＭＳ）、Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｅｄ Ｃｏｐｐｅｒ（ＤＢＣ）、Ｃｏｐｐｅｒ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅなどであっても良い。ＩＧＢＴは、半田又は熱伝導性の接着材を用いて、基板の導電パッドへ取り付けられ得る。
好ましい実施形態で、基板１６、１８は、接着材を用いてハウジングへ貼り付けられ、一般に直径０．０１５”又は０．０２０”のアルミニウムワイヤがワイヤボンディングで使用される。ワイヤボンディング動作の後、シリコンジェル又はそのようなものが、ダイオード及びスイッチを保護するために基板上に堆積される。
本発明に従う電力モジュールは、モジュールの寄生インダクタンスを最小限とする。特に、本発明の態様に従って、Ｂ＋バスバー２０及びＢ−バスバー２２は、互いに対して横に、隣り合って、且つ、並列に配置され、出力バスバー２４は、Ｂ＋バスバー２０及びＢ−バスバー２２の下に配置されている。Ｂ＋バスバー２０及びＢ−バスバー２２の下にある出力バスバー２４の配置により、寄生インダクタンスは小さくされる。即ち、出力バスバー２４の上にあるＢ＋バスバー２０及びその隣り合うＢ−バスバー２２の位置付けは、低インダクタンスモジュールをもたらす。Ｉ／Ｏリード２６の対称的な設計並びに基板１６及び１８のレイアウトは、更に、モジュールのインダクタンスをますます小さくする。
更に、有利に、インダクタンスは、ローサイドとハイサイドとの間に等しく分布しており、結果として、対称的な電気回路が得られる。即ち、ローサイドスイッチ及びハイサイドスイッチは、このようにして、例えば電圧オーバーシュート及びスイッチングストレスなど、寄生インダクタンスの影響を同様に受ける。結果として、モジュールにおける全ての半導体スイッチは、その最大定格で動作することが可能であり、それによって、最もストレスが加えられたスイッチのレベルまでモジュールの電力処理能力を下げる必要性を除く。
更に、集積されたバスバーを有することにより、外部の高いインダクタンス相互接続に関する必要性を除くことができる。結果として、システムの全ての浮遊インダクタンスは、効果的に小さくされて、交流ダイナミック電圧平衡を高め、ダイ（ｄｉｅ）の電圧遮断能力の最適な利用を可能にする。更に、Ｂ＋バスバー２０及びＢ−バスバー２２は、最も低い浮遊インダクタンスのために最適化され、互いに近くに配置されるので、正及び負の電流経路は同じ長さを有する。これは、磁束相殺を改善し、ＥＭＩ雑音を発生させうる漂遊磁界を最小限とする。更に、インダクタンスを小さくし、且つ、ローサイドとハイサイドとの間にインダクタンスを対称的に分布させることは、半導体における電圧のオーバーシュート及び損失を低下させることによって半導体スイッチに加わるストレスを低減し、それによって、効果的に放射されるＥＭＩ雑音を減らす。
既存のモジュールの現在の能力は、通常、基板及びワイヤボンドの金属層の通電容量によって制限される。本発明に従うモジュールは、電流電導のための基板の金属層の使用を最小限とし、ワイヤボンドの長さを最小限とし、高い電流を導くようリードフレームを最大限に使用し、且つ、余分の電流経路を設けることによって、改善された通電容量を示す。
更に、電流の共有及びスイッチング損失は、対称的且つバランスの取れた構成の結果として、半導体スイッチの電源端子及び制御端子の寄生インピーダンスを等しくすることによって、改善される。
有利に低い寄生インダクタンスを有する本発明に従うモジュールは、スナバ及びＥＭＩコンデンサ、並びに温度センサと組み合わされても良い。望ましくは、コンデンサは、コンデンサとスイッチとの間の寄生インダクタンスを最小限とするようスイッチの極めて近くに接続され、不要な電圧オーバーシュート、リンギング及びＥＭＩを低減するのに最も有効である。半導体スイッチの隣に基板上で直接に温度センサを実装することは、保護の目的のための半導体デバイスの温度状態の監視を可能にする。
本発明に従うモジュールは、増大したバス電圧動作と、より良いバス利用とを可能にすることによって、モータ駆動システムの全体的な効率を改善する。永久磁石同期及び誘導モータは、より高いライン電圧で増大した効率を示す。本発明に従うモジュールは、増大したバス電圧での動作を認めるよう、一時的な過電圧をより低くすることが可能である。これは、より効率的なモータ動作により、駆動システムの改善された効率をもたらす。
本発明の好ましい実施形態は、単一のハーフブリッジを有するが、そこで具現される概念は、２相、３相及び多相モジュールとともに、フルブリッジモジュールを構成するために用いられ得る。
本発明に従う電力モジュールは、例えば、バック（Ｂｕｃｋ）、ブースト、バック・ブーストなどの直流−直流コンバータ、又は、例えば、単相及び多相インバータ、サイクロコンバータ、モータドライブなどを含む交流アプリケーションのような、全ての種類の電力変換アプリケーションにおいて使用され得る。かかるアプリケーションは、また、スイッチモード電力増幅器を含んでも良い。
本発明は、その特定の実施形態に関して記載されてきたが、多数の他の変形及び変更並びに使用は、所謂当業者には明らかであろう。従って、好ましくは、本発明は、本明細書中の特定の開示によっては限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ特定される。
〔関連出願〕
本願は、２００５年６月２４日に出願された、“低インダクタンスの半導体スイッチハーフブリッジモジュール（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｗｉｔｃｈ Ｈａｌｆ−Ｂｒｉｄｇｅ Ｍｏｄｕｌｅ ｗｉｔｈ Ｌｏｗ Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）”と題された合衆国仮出願整理番号６０／１９３，６７８に基づき、その利益を請求する。この結果、かかる出願に関して優先権の主張がなされ、その開示は参照することによって援用される。
本発明の好ましい実施形態に従うハーフブリッジ回路を表す。 本発明に従う電力モジュールにおけるハウジング配置の平面図を示す。 矢印の方向から見た線２Ｂ−２Ｂの間のハウジング配置の断面図を示す。 好ましい実施形態に従う電力モジュールの平面図を示す。

Claims (19)

  1. フレームと、
    電源の１つの極へ接続可能であり、前記フレームに埋め込まれた第１のバスと、
    電源の他の極へ接続可能であり、前記フレームに埋め込まれた第２のバスと、
    前記フレームに埋め込まれ、前記第１のバスバー及び前記第２のバスバーから距離をあけて反対に配置される出力バスと、
    ハイサイド電力半導体スイッチ及びローサイド電力半導体スイッチを有する電力回路とを有し、
    前記ハイサイド電力半導体スイッチは、前記第１のバス及び前記出力バスへ電気的に接続され、
    前記ローサイド電力半導体スイッチは、前記第２のバス及び前記出力バスへ電気的に接続される、電力モジュール。
  2. 前記フレームはモールド成形される、請求項１記載のモジュール。
  3. 前記第１のバスバー及び前記第２のバスバーは、１つの面の上にあり、
    前記出力バスは、前記１つの面の下にある他の面の上にある、請求項１記載の電力モジュール。
  4. 前記フレームと一体化される第１の基板と、前記フレームと一体化される第２の基板とを更に有し、
    前記ハイサイド電力半導体スイッチは、前記第１の基板に配置され、
    前記ローサイド電力半導体スイッチは、前記第２の基板に配置される、請求項１記載の電力モジュール。
  5. 前記第１の基板は、前記第１のバス、前記第２のバス及び前記出力バスの横に配置され、
    前記第２の基板は、前記第１のバス、前記第２のバス及び前記出力バスの横に且つ前記第１の基板の反対に配置され、
    これによって、前記第１のバス、前記第２のバス及び前記出力バスは、前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される、請求項４記載の電力モジュール。
  6. 前記ハイサイド電力半導体スイッチに並列に接続されるハイサイドダイオードと、
    前記ローサイド電力半導体スイッチに並列に接続されるローサイドダイオードとを更に有する、請求項１記載の電力モジュール。
  7. 前記電力回路は、前記ハイサイド電力半導体スイッチに並列に接続される複数のハイサイド電力半導体スイッチと、前記ローサイド電力半導体スイッチに並列に接続される複数のローサイド電力半導体スイッチとを更に有する、請求項１記載の電力モジュール。
  8. 前記複数のハイサイド電力半導体スイッチは３つのスイッチを有し、
    前記複数のローサイド電力半導体スイッチは３つのスイッチを有する、請求項７記載の電力モジュール。
  9. 夫々の前記ハイサイドスイッチ及び夫々の前記ローサイドスイッチに並列に接続されるダイオードを更に有する、請求項７記載の電力モジュール。
  10. 前記第１の基板は、全ての前記ハイサイドスイッチに関して共通のゲートトラックを有し、
    前記第２の基板は、全ての前記ローサイドスイッチに関して共通のゲートトラックを有する、請求項７記載の電力モジュール。
  11. 前記第１の基板は、全ての前記ハイサイドスイッチに関してエミッタ検知トラックを有し、
    前記第２の基板は、全ての前記ローサイドスイッチに関してエミッタ検知トラックを有する、請求項７記載の電力モジュール。
  12. 前記ハイサイドスイッチは、前記第１の基板において共通のコレクタパッドを共有し、
    前記ローサイドスイッチは、前記第２の基板において共通のコレクタパッドを共有する、請求項７記載の電力モジュール。
  13. 前記第１の基板において前記共通のコレクタパッドへ電気的に接続されるコレクタ検知リードと、前記第２の基板において前記共通のコレクタパッドへ電気的に接続されるコレクタ検知リードとを更に有する、請求項１２記載の電力モジュール。
  14. 前記フレームと一体化される前記ハイサイド電力半導体スイッチのための複数のハイサイド入出力リードと、前記フレームと一体化される前記ローサイド半導体スイッチのための複数のローサイド入出力リードとを更に有し、
    前記入出力リードは、温度検知リード、コレクタ検知リード、エミッタ検知リード、及びゲートリードを含む、請求項１記載の電力モジュール。
  15. 前記フレームと一体化される前記ハイサイド電力半導体スイッチのための複数のハイサイド入出力リードと、前記フレームと一体化される前記ローサイド半導体スイッチのための複数のローサイド入出力リードとを更に有し、
    前記入出力リードは、温度検知リード、コレクタ検知リード、エミッタ検知リード、及びゲートリードを含む、請求項７記載の電力モジュール。
  16. 前記第１の基板及び前記第２の基板はＩＭＳ又はＤＢＣである、請求項４記載の電力モジュール。
  17. 前記ハイサイド電力半導体スイッチ及び前記ローサイド半導体スイッチはＩＧＢＴ又はパワーＭＯＳＦＥＴである、請求項１記載の電力モジュール。
  18. 前記ハイサイド電力半導体スイッチ及び前記ローサイド半導体スイッチはＩＧＢＴ又はパワーＭＯＳＦＥＴである、請求項７記載の電力モジュール。
  19. 前記第１のバス及び前記第２のバスは、互いに対して横に、隣り合って、且つ、並列に配置され、
    前記出力バスは、前記第１のバス及び前記第２のバスの下に配置される、請求項１記載の電力モジュール。
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