JP6912560B2 - 半導体モジュールおよび電力変換装置 - Google Patents
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Description
実施の形態1.
図1は、実施の形態1による半導体モジュール101の内部配線構造を示す斜視図である。図2は、電極部を除いた実施の形態1の半導体モジュール101の上面図である。図3は、電極部を含む実施の形態1の半導体モジュール101の上面図である。図4は、実施の形態1の半導体モジュール101の主要な構成の回路図である。
実施の形態2の半導体モジュール102は、実施の形態1の半導体モジュール101と略同様の構成を備える。
図13は、実施の形態3による半導体モジュール103の内部配線構造を示す斜視図である。図14は、電極部を除いた実施の形態3の半導体モジュール103の上面図である。
図20は、実施の形態4による半導体モジュール104の内部配線構造を示す斜視図である。図21は、電極部を除いた実施の形態4の半導体モジュール104の上面図である。図22は、実施の形態4の半導体モジュール104の主要な構成の回路図である。
図28は、実施の形態5による半導体モジュール105の内部配線構造を示す斜視図である。図29は、電極部を除いた実施の形態5の半導体モジュール105の上面図である。
図32は、実施の形態6による半導体モジュール106の内部配線構造を示す斜視図である。図33は、電極部を除いた実施の形態6の半導体モジュール106の上面図である。
図37は、実施の形態7による半導体モジュール107の内部配線構造を示す斜視図である。図38は、電極部を除いた実施の形態7の半導体モジュール107の上面図である。図37、図38の構成は、図20、図21の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
図42は、実施の形態8による半導体モジュール108の内部配線構造を示す斜視図である。図43は、電極部を除いた実施の形態8の半導体モジュール108の上面図である。図44は、実施の形態8の半導体モジュール108の主要な構成の回路図である。
本実施の形態は、上述した実施の形態1〜8にかかる半導体装置を電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態9として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、たとえば、以下のような変形例も含む。
半導体スイッチング素子の材料として、Si(シリコン)だけでなく、SiC(炭化ケイ素)、GaN(窒化ガリウム)、C(ダイヤモンド)などのワイドギャップ半導体を用いてもよい。ワイドギャップ半導体スイッチング素子は、高速スイッチングに適しており、高いdi/dtで動作可能である。
たとえば、実施の形態1において、負極電極12の主電流の電流経路と、ゲート制御ワイヤは、平行かつ逆方向のときに最も効果が高いが、必須ではない。ゲート制御ワイヤを通流する電流のベクトルが、負極電極12を通流する主電流の電流経路と平行となる成分を有している(つまり、垂直でない)ものとすればよい。他の実施形態も同様である。
Claims (19)
- 絶縁板と、
正極電極と、
負極電極と、
前記絶縁板上に設けられ、前記正極電極と前記負極電極の間に並列に接続された上アームの第1の半導体スイッチング素子および第2の半導体スイッチング素子と、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のゲートおよび前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のゲートを制御する前記上アームのゲート制御電極と、
前記上アームの前記ゲート制御電極と接続される前記上アームのゲートパターンと、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のゲートと前記上アームの前記ゲートパターンとを接続する前記上アームの第1のゲート制御ワイヤと、
前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のゲートと前記上アームの前記ゲートパターンとを接続する前記上アームの第2のゲート制御ワイヤと、
下アームのコレクタパターンと、並列に接続された前記下アームの第1の半導体スイッチング素子および前記下アームの第2の半導体スイッチング素子と、前記下アームのエミッタパターンと、負極電極接続部とを介して前記負極電極と接続される前記上アームのエミッタパターンと、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタと前記上アームの前記エミッタパターンとを接続する前記上アームの第1のエミッタワイヤと、
前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタと前記上アームの前記エミッタパターンとを接続する前記上アームの第2のエミッタワイヤとを備え、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタと前記負極電極とを接続する前記上アームの第1のエミッタ配線と、前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタと前記負極電極とを接続する前記上アームの第2のエミッタ配線との間で、長さと幅の一方または両方が相違し、
前記上アームの前記第1のエミッタ配線は、前記上アームの前記エミッタパターンと、前記上アームの前記第1のエミッタワイヤとを含み、前記上アームの前記第2のエミッタ配線は、前記上アームの前記エミッタパターンと、前記上アームの前記第2のエミッタワイヤとを含み、
スイッチング時において、前記相違に起因して生じる前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位と前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位との差を低減するように、前記正極電極を流れる電流および前記負極電極を流れる電流の少なくとも一方によって、前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤと前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤに、あるいは前記上アームの前記ゲートパターンに、あるいは前記上アームの前記第1のエミッタワイヤと前記上アームの前記第2のエミッタワイヤに誘導起電力を発生させる、半導体モジュール。 - 前記正極電極および前記負極電極の少なくとも一方は、前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤと垂直ではない主電流の電流経路を有する、請求項1に記載の半導体モジュール。
- 前記正極電極および前記負極電極の少なくとも一方は、前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤと平行である主電流の電流経路を有する、請求項2に記載の半導体モジュール。
- 前記スイッチング時に前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位が、前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位よりも大きくなり、
前記正極電極の構成部分の中の前記絶縁板に対して平行な部分と、前記負極電極の構成部分の中の前記絶縁板に対して平行な部分のうち、前記絶縁板に近い方を近接電極部分としたときに、
前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤと、前記近接電極部分の主電流の電流経路とが平行であり、
前記近接電極部分の主電流の電流経路の電流の向きと、前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤを流れる電流の向きとが逆方向であり、
前記上アームの第1のゲート制御ワイヤは、前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤよりも前記近接電極部分の主電流の電流経路に近い位置に配置される、請求項3に記載の半導体モジュール。 - 前記スイッチング時に前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位が、前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位よりも大きくなり、
前記正極電極の構成部分の中の前記絶縁板に対して平行な部分と、前記負極電極の構成部分の中の前記絶縁板に対して平行な部分のうち、前記絶縁板に近い方を近接電極部分としたときに、
前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤと、前記近接電極部分の主電流の電流経路とが平行であり、
前記近接電極部分の主電流の電流経路の電流の向きと、前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤを流れる電流の向きとが同一方向であり、
前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤは、前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤよりも前記近接電極部分の主電流の電流経路から遠い位置に配置される、請求項3に記載の半導体モジュール。 - 前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタおよび前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタを制御する前記上アームのエミッタ制御電極と、
前記上アームの前記エミッタ制御電極と接続される前記上アームのエミッタ制御パターンと、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタと前記上アームの前記エミッタ制御パターンとを接続する前記上アームの第1のエミッタ制御ワイヤと、
前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタと前記上アームの前記エミッタ制御パターンとを接続する前記上アームの第2のエミッタ制御ワイヤとをさらに備え、
前記正極電極を流れる電流および前記負極電極を流れる電流の少なくとも一方により前記上アームの前記第1のエミッタ制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタ制御ワイヤに誘導起電力を発生させ、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位をVeb、前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位をVea、前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のゲート電位をVgb、前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のゲート電位をVga、前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤに発生する誘電起電力をGb、前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤに発生する誘電起電力をGaとしたときに、前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤに発生する誘導起電力と前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤに発生する誘導起電力との差は、(Vga−Vgb)で表され、
前記スイッチング時の前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位と前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位との差(Veb−Vea)と、前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤに発生する誘導起電力と前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤに発生する誘導起電力との差(Vga−Vgb)が等しい場合に、前記近接電極部分の主電流の電流経路と前記上アームの前記第1のエミッタ制御ワイヤとの間の距離と、前記近接電極部分の主電流の電流経路と前記上アームの前記第2のエミッタ制御ワイヤとの間の距離とが等しく、
前記スイッチング時の前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位と前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位との差(Veb−Vea)が、前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤに発生する誘導起電力と前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤに発生する誘導起電力との差(Vga−Vgb)よりも大きい場合に、前記近接電極部分の主電流の電流経路と前記上アームの前記第1のエミッタ制御ワイヤとの間の距離が、前記近接電極部分の主電流の電流経路と前記上アームの前記第2のエミッタ制御ワイヤとの間の距離よりも小さく、
前記スイッチング時の前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位と前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位との差(Veb−Vea)が、前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤに発生する誘導起電力と前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤに発生する誘導起電力との差(Vga−Vgb)よりも小さい場合に、前記近接電極部分の主電流の電流経路と前記上アームの前記第1のエミッタ制御ワイヤとの間の距離が、前記近接電極部分の主電流の電流経路と前記上アームの前記第2のエミッタ制御ワイヤとの間の距離よりも大きい、請求項5に記載の半導体モジュール。 - 前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤは、前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤよりも短い、請求項3に記載の半導体モジュール。
- 前記正極電極および前記負極電極の少なくとも一方は、前記上アームの前記第1のゲート制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のゲート制御ワイヤと直交し、かつ前記上アームのゲートパターンと平行である主電流の電流経路を有する、請求項1に記載の半導体モジュール。
- 前記正極電極および前記負極電極の少なくとも一方は、前記上アームの前記第1のエミッタワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタワイヤと垂直ではない主電流の電流経路を有する、請求項1に記載の半導体モジュール。
- 前記正極電極および前記負極電極の少なくとも一方は、前記上アームの前記第1のエミッタワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタワイヤと平行な主電流の電流経路を有する、請求項1に記載の半導体モジュール。
- 前記スイッチング時に前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位が、前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位よりも大きくなり、
前記正極電極の構成部分の中の前記絶縁板に対して平行な部分と、前記負極電極の構成部分の中の前記絶縁板に対して平行な部分のうち、前記絶縁板に近い方を近接電極部分としたときに、
前記上アームの前記第1のエミッタワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタワイヤと、前記近接電極部分の主電流の電流経路とが平行であり、
前記近接電極部分の主電流の電流経路の電流の向きと、前記上アームの前記第1のエミッタワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタワイヤを流れる電流の向きとが逆方向であり、
前記上アームの前記第1のエミッタワイヤは、前記上アームの前記第2のエミッタワイヤよりも前記近接電極部分の主電流の電流経路に近い位置に配置される、請求項10に記載の半導体モジュール。 - 前記スイッチング時に前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位が、前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位よりも大きくなり、
前記正極電極の構成部分の中の前記絶縁板に対して平行な部分と、前記負極電極の構成部分の中の前記絶縁板に対して平行な部分のうち、前記絶縁板に近い方を近接電極部分としたときに、
前記上アームの前記第1のエミッタワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタワイヤと、前記近接電極部分の主電流の電流経路とが平行であり、
前記近接電極部分の主電流の電流経路の電流の向きと、前記上アームの前記第1のエミッタワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタワイヤを流れる電流の向きとが同一方向であり、
前記上アームの前記第1のエミッタワイヤは、前記上アームの前記第2のエミッタワイヤよりも前記近接電極部分の主電流の電流経路から遠い位置に配置される、請求項10に記載の半導体モジュール。 - 絶縁板と、
正極電極と、
負極電極と、
前記絶縁板上に設けられ、前記正極電極と前記負極電極の間に並列に接続された上アームの第1の半導体スイッチング素子および前記上アームの第2の半導体スイッチング素子と、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のゲートおよび前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のゲートを制御する前記上アームのゲート制御電極と、
前記上アームの前記ゲート制御電極と接続される前記上アームのゲートパターンと、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のゲートと前記上アームの前記ゲートパターンとを接続する前記上アームの第1のゲート制御ワイヤと、
前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のゲートと前記上アームの前記ゲートパターンとを接続する前記上アームの第2のゲート制御ワイヤと、
下アームのコレクタパターンと、並列に接続された前記下アームの第1の半導体スイッチング素子および前記下アームの第2の半導体スイッチング素子と、前記下アームのエミッタパターンと、負極電極接続部とを介して前記負極電極と接続される前記上アームのエミッタパターンと、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタと前記上アームの前記エミッタパターンとを接続する前記上アームの第1のエミッタワイヤと、
前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタと前記上アームの前記エミッタパターンとを接続する第2のエミッタワイヤと、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタおよび前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタを制御する前記上アームのエミッタ制御電極と、
前記上アームの前記エミッタ制御電極と接続される前記上アームのエミッタ制御パターンと、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタと前記上アームの前記エミッタ制御パターンとを接続する前記上アームの第1のエミッタ制御ワイヤと、
前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタと前記上アームの前記エミッタ制御パターンとを接続する前記上アームの第2のエミッタ制御ワイヤとを備え、
前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタと前記負極電極とを接続する前記上アームの第1のエミッタ配線と、前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタと前記負極電極とを接続する前記上アームの第2のエミッタ配線との間で、長さと幅の一方または両方が相違し、
前記上アームの前記第1のエミッタ配線は、前記上アームの前記エミッタパターンと、前記上アームの前記第1のエミッタワイヤとを含み、前記上アームの前記第2のエミッタ配線は、前記上アームの前記エミッタパターンと、前記上アームの前記第2のエミッタワイヤとを含み、
スイッチング時において、前記相違に起因して生じる前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位と前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位との差を低減するように、前記正極電極を流れる電流および前記負極電極を流れる電流の少なくとも一方によって、前記上アームの前記第1のエミッタ制御ワイヤと前記上アームの前記第2のエミッタ制御ワイヤに誘導起電力を発生させる、半導体モジュール。 - 前記正極電極および前記負極電極の少なくとも一方は、前記上アームの前記第1のエミッタ制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタ制御ワイヤと垂直ではない主電流の電流経路を有する、請求項13に記載の半導体モジュール。
- 前記正極電極および前記負極電極の少なくとも一方は、前記上アームの前記第1のエミッタ制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタ制御ワイヤと平行である主電流の電流経路を有する、請求項14に記載の半導体モジュール。
- 前記スイッチング時に前記上アームの前記第1の半導体スイッチング素子のエミッタ電位が、前記上アームの前記第2の半導体スイッチング素子のエミッタ電位よりも大きくなり、
前記正極電極の構成部分の中の前記絶縁板に対して平行な部分と、前記負極電極の構成部分の中の前記絶縁板に対して平行な部分のうち、前記絶縁板に近い方を近接電極部分としたときに、
前記上アームの前記第1のエミッタ制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタ制御ワイヤと、前記近接電極部分の主電流の電流経路とが平行であり、
前記近接電極部分の主電流の電流経路の電流の向きと、前記上アームの前記第1のエミッタ制御ワイヤおよび前記上アームの前記第2のエミッタ制御ワイヤを流れる電流の向きとが逆方向であり、
前記上アームの前記第1のエミッタ制御ワイヤは、前記上アームの前記第2のエミッタ制御ワイヤよりも前記近接電極部分の主電流の電流経路に近い位置に配置される、請求項15に記載の半導体モジュール。 - 前記上アームおよび前記下アームの前記第1の半導体スイッチング素子と、前記上アームおよび前記下アームの前記第2の半導体スイッチング素子とは、ケイ素よりもバンドギャップが広いワイドギャップ半導体で形成された自己消弧型半導体デバイスである、請求項1〜16のいずれか1項に記載の半導体モジュール。
- 前記ワイドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、およびダイヤモンドのうちのいずれか1つである、請求項17に記載の半導体モジュール。
- 請求項1〜18のいずれか1項に記載の半導体モジュールを有し、入力される電力を変換して出力する主変換回路と、
前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
を備えた電力変換装置。
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