JP4724251B2 - Power semiconductor module - Google Patents
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Description
本発明は、インバーター等の電力変換器等に使用される電力半導体モジュールに関するものである。 The present invention relates to a power semiconductor module used for a power converter such as an inverter.
電力半導体モジュールが使用される分野は、家電製品から電気鉄道、電気自動車、産業用ロボット、電力系統と広くにおよんでいる。電力半導体装置の有用性が広がるにしたがい、その性能の向上が期待され、高周波化、小型化、大電力化がますます望まれている。 The fields in which power semiconductor modules are used range from home appliances to electric railways, electric cars, industrial robots, and power systems. As the usefulness of power semiconductor devices expands, improvement in performance is expected, and higher frequency, smaller size, and higher power are increasingly desired.
これらの分野で使用される電力半導体モジュールの多くは、交流−直流変換、直流−交流変換、直流−直流変換などの変換回路で使用されている。これらの電力半導体モジュール内には、通常スイッチング素子、例えばMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transisitor)と、これらスイッチング素子と逆並列に接続される還流ダイオード(FWDi)が搭載されている。 Many of the power semiconductor modules used in these fields are used in conversion circuits such as AC-DC conversion, DC-AC conversion, and DC-DC conversion. In these power semiconductor modules, there are usually switching elements such as MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), and free-wheeling diodes (FWDi) connected in reverse parallel to these switching elements. ) Is installed.
図7の単相ブリッジインバーター回路は従来のインバーター回路の1例であり、破線部分の6A、6B、6C、6Dは電力半導体モジュールを示している。この例では、それぞれの電力半導体モジュール6A、6B、6C、6Dは、1つの還流ダイオード7A、7B、7C、7Dと1つのスイッチング半導体素子(この例ではIGBT)3A、3B、3C、3Dをペアで搭載している。還流ダイオードは、スイッチング半導体素子であるそれぞれのIGBTに逆並列に接続されてる。4は負荷でありインダクタンスを有する。5は直流の電源である。
The single-phase bridge inverter circuit of FIG. 7 is an example of a conventional inverter circuit, and 6A, 6B, 6C, and 6D in broken lines indicate power semiconductor modules. In this example, each
自己消弧機能を持つIGBTやMOSFET等のスイッチング素子を含むインバーター回路を用いて直流−交流変換を行う場合、PWM(Pulse Width Modulation)方式が一般的に使用されている。図7の単相ブリッジインバーター回路をもちいてPWM方式により直流−交流変換を行う時の負荷への出力波形を図8に示す。PWM方式ではスイッチング素子のゲート信号の方形パルス波形を、時間平均的に見れば負荷電圧が交流波形となる様に変調する。IGBT 3A、3Dのオン・オフ動作で負荷4に正方向のパルス幅を変調したパルス電圧を出力すると、パルス電圧波形を時間平均的に見れば図8の破線Vmに示されている様な正弦波の半波が負荷に出力される。但し、この動作期間中(TAD)スイッチング素子であるIGBT 3B、3Cはオフ状態である。次にIGBT 3B、3Cのオン・オフ動作で負荷4に負方向のパルス電圧を出力し、残り半周期分(TBC)の正弦波の半波を負荷に出力する。
When performing DC-AC conversion using an inverter circuit including a switching element such as IGBT or MOSFET having a self-extinguishing function, a PWM (Pulse Width Modulation) method is generally used. FIG. 8 shows an output waveform to the load when DC-AC conversion is performed by the PWM method using the single-phase bridge inverter circuit of FIG. In the PWM method, the square pulse waveform of the gate signal of the switching element is modulated so that the load voltage becomes an AC waveform when viewed on a time average basis. When a pulse voltage obtained by modulating the pulse width in the positive direction is output to the
図7のIGBT 3A、3Dのパルス動作期間中においてIGBT 3A、3Dのオフ時に、負荷のインダクタンス成分に蓄えられた磁気エネルギーを放出するため、インダクタンスの電流が逆相側の還流ダイオード7B、7Cを流れ、コンデンサ8に帰還する。また、IGBT 3B、3Cのパルス動作期間中においてはIGBT 3B、3Cのオフ時に、電流は還流ダイオード7D、7Aを流れコンデンサ8に帰還する。
In order to release magnetic energy stored in the inductance component of the load when the
前記では、単相ブリッジインバーター回路内の還流ダイオードの働きをPWM方式を例に述べたが、一般的に変換回路中にインダクタンス成分を持つ負荷と整流機能を有する素子が含まれている場合、インダクタンス成分に蓄えられた磁気エネルギーを放出するために還流ダイオードが必要となる。この様に還流ダイオードは回路中において重要な役割を果たす。 In the above, the function of the freewheeling diode in the single-phase bridge inverter circuit is described by taking the PWM method as an example. In general, when the conversion circuit includes a load having an inductance component and an element having a rectifying function, the inductance A free-wheeling diode is required to release the magnetic energy stored in the component. Thus, the freewheeling diode plays an important role in the circuit.
従来技術では、IGBTのパルス動作期間中にIGBTがオフ状態からオン状態になるとき、還流ダイオードに蓄積された電荷が回路に流れ、パルスのオン時に回路内で発生するエネルギー損失の大きな要因となってきた。例えば、図7の回路でIGBT 3A、3Dのパルス動作期間中にIGBT 3A、3Dがオフ状態からオン状態になるとき、還流ダイオード7C、7Bに蓄積された電荷(逆回復電荷)が回路に流れる。IGBT 3A、3Dには負荷電流が流れ始めており、逆回復電荷による電流はこれに重畳して流れる。重畳した電流は、IGBT素子の定格電流を越えることもあり、場合によっては素子破壊をもたらすことがある。また、回路電圧Vccは、IGBT 3A、3D部あるいは還流ダイオード7C、7B部で保持するので、IGBT 3A、3D部あるいは還流ダイオード7C、7B部でエネルギー損失が生じる。大きなエネルギー損失は、冷却機器などを大きくし、コストの増大やインバーター機器の使用場所に限界をもたらす。
In the prior art, when the IGBT is turned from the OFF state to the ON state during the pulse operation period of the IGBT, the charge accumulated in the freewheeling diode flows into the circuit, which is a major factor of energy loss generated in the circuit when the pulse is turned on. I came. For example, when the
従来は、還流ダイオードとしてSiを主材料とするPiNダイオードが使用されてきた。PiNダイオードはバイポーラ型の半導体素子であり順方向バイアスで大電流を通電させる場合、伝導度変調により電圧降下が低くなるような構造となっている。しかし、PiNダイオードは、順方向バイアス状態から急峻に逆バイアス状態にいたる過程で、伝導度変調によりPiNダイオードに残留したキャリアが逆回復電流として変換回路へ流れるという特性を持つ。SiからなるPiNダイオードにおいては、残留するキャリアの寿命が長く多くの残留キャリアが変換回路に流れる。 Conventionally, a PiN diode mainly made of Si has been used as a reflux diode. The PiN diode is a bipolar semiconductor element and has a structure in which a voltage drop is reduced by conductivity modulation when a large current is applied with a forward bias. However, the PiN diode has a characteristic that, in the process from the forward bias state to the steeply reverse bias state, carriers remaining in the PiN diode due to conductivity modulation flow to the conversion circuit as a reverse recovery current. In a PiN diode made of Si, the remaining carriers have a long lifetime, and many residual carriers flow through the conversion circuit.
一方ショットキーバリアダイオード(SBD)はユニポーラ型の半導体素子であり、伝導度変調によるキャリアを殆ど有しないので、還流ダイオードとして変換回路で使用される場合、逆回復電荷が変換回路に流れるという問題は無い。しかし、従来多く使用されている半導体材料であるSiは絶縁破壊電界強度が低いため、高耐圧を持たせる構造でSBDを作製すると通電時に大きな抵抗が生じるため、Si−SBDでは耐圧200V程度が限界であり、高電圧のSBDを実用化する事が困難であった。 On the other hand, a Schottky barrier diode (SBD) is a unipolar semiconductor element and has almost no carrier due to conductivity modulation. Therefore, when used as a freewheeling diode in a conversion circuit, the problem of reverse recovery charge flowing to the conversion circuit is No. However, since Si, which is a semiconductor material that has been widely used in the past, has a low dielectric breakdown electric field strength, when an SBD is manufactured with a structure having a high breakdown voltage, a large resistance is generated during energization. Therefore, with Si-SBD, a breakdown voltage of about 200 V is the limit. Therefore, it was difficult to put a high voltage SBD into practical use.
他方、炭化珪素(SiC)はSiの10倍の絶縁破壊電界強度を持ち、SiCを用いれば高耐圧のSBDの実用化が可能となる。また、SiC−SBDを変換回路中に還流ダイオードとして用いれば、逆回復電流を大きく減らすことが可能となり、逆回復電流によって生じていたエネルギー損失を大きく減らすことが可能になる。また、スイッチング素子がオンするときにスイッチング素子に流れる電流に逆回復電流による重畳が生じないので、素子破壊の危険性を大きく減らすことが可能となる。SiC−SBDに関するこれらの特徴は、M. Bhatnagar他“Comparison of 6H-SiC、3C-SiC, and Si for Power Devices,”IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES、vol.40、No.3、MARCH 1993において同様に指摘されている。
On the other hand, silicon carbide (SiC) has a dielectric breakdown
一方、SiCを主材料とすれば高耐圧・低損失のSBDを作製することが可能となるが、SBDにおいては逆バイアス電圧が大きくなるとトンネル電流による漏れ電流が大きくなるという問題がある。そのためSBDを電力用の還流ダイオードとして使用できる電圧には限界があるとされており、SiC−SBDの使用可能な逆バイアス電圧は3kV以下であるとの指摘がなされている(K.Rottner他“SiC power devices for high voltage applications,”Materials Science and Engineering、B61-62(1999)330-338)。 On the other hand, if SiC is the main material, an SBD having a high breakdown voltage and low loss can be produced. However, in SBD, there is a problem that leakage current due to tunneling current increases as the reverse bias voltage increases. Therefore, it is considered that there is a limit to the voltage at which SBD can be used as a power return diode, and it has been pointed out that the usable reverse bias voltage of SiC-SBD is 3 kV or less (K. Rottner et al., “ SiC power devices for high voltage applications, “Materials Science and Engineering, B61-62 (1999) 330-338).
前記のように、電力変換回路中において還流ダイオードとして従来使用されてきたPiNダイオードにおいては、順方向バイアス状態から急峻に逆バイアス状態にいたる過程で逆回復電流が変換回路に流れ、大きなエネルギー損失をもたらしてきた。PiNダイオードに替えてショットキーバリアダイオード(SBD)を還流ダイオードとして用いれば、逆回復電流を大きく低減することが可能となり、エネルギー損失を減らすことが可能となるが、従来の主な半導体材料であるシリコン(Si)では、高電圧用のSBDを実用化する事が困難であった。しかし、炭化珪素(SiC)はSiの10倍の絶縁破壊電界強度を持ち、SiCを用いれば高電圧用のSBDの実用化が可能となる。しかし、SiCで作製したSBDは、Si−SBDより高耐圧であるが、逆バイアスが大きくなると、トンネル電流による漏れ電流が大きくなり、高耐圧用に使用される還流ダイオードとしての限界があり、逆バイアス電圧が3kVを越えて使用する事が困難であるとされてきた。
As described above, in a PiN diode that has been conventionally used as a freewheeling diode in a power conversion circuit, a reverse recovery current flows to the conversion circuit in a process from a forward bias state to a sudden reverse bias state, resulting in a large energy loss. Has brought. If a Schottky barrier diode (SBD) is used as the freewheeling diode instead of the PiN diode, the reverse recovery current can be greatly reduced and energy loss can be reduced. However, this is a conventional main semiconductor material. In silicon (Si), it has been difficult to put SBD for high voltage into practical use. However, silicon carbide (SiC) has a dielectric breakdown
本発明の目的は、電力変換回路中において逆回復電流が原因となって生じるエネルギー損失の低減を行い、定格電圧の高い電力半導体モジュールを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a power semiconductor module having a high rated voltage by reducing energy loss caused by a reverse recovery current in a power conversion circuit.
本発明に係わる電力半導体モジュールは、電力変換回路内において使用される電力半導体モジュールであって、少なくとも1個のスイッチング素子と、直列接続された2個以上のSiCからなるショットキーバリアダイオードと、を逆並列に接続して構成される回路部分と、前記回路部分を2組搭載するベース板と、前記2組の回路部分を互いに接続する電気導体と、前記2組の回路部分のうちの一方を電源の正極側と接続するための正極側電源接続端子と、前記2組の回路部分のうちの他方を前記電源の負極側と接続するための負極側電源接続端子と、前記2組の回路部分を囲む筐体とを備えることを特徴とする。 Power semiconductor module according to the present invention is a power semiconductor module used in the power conversion circuit, and at least one switching element, and a Schottky barrier diode comprising two or more SiC connected in series, the and is Ru circuitry portion constituted by connecting in reverse parallel, a base plate for mounting two sets of said circuit portion, and an electrical conductor connecting the two sets of circuit portions each other, one of said two sets of circuit portions A positive-side power connection terminal for connecting the power source to the positive side of the power source, a negative-side power source connection terminal for connecting the other of the two sets of circuit parts to the negative side of the power source, and the two sets of circuits And a housing surrounding the portion.
さらに、本発明に係わる電力半導体モジュールにおいて、前記直列接続されたSiCからなるショットキーバリアダイオードの数が2個以上3個以下であることが好ましい。 Further, in the power semiconductor module according to the present invention, it is preferable that the number of Schottky barrier diodes made of SiC connected in series is 2 or more and 3 or less.
さらに、本発明に係わる電力半導体モジュールにおいて、前記直列接続されたSiCからなるショットキーバリアダイオードの複数組をさらに並列に接続することが好ましい。 Furthermore, in the power semiconductor module according to the present invention, it is preferable that a plurality of Schottky barrier diodes made of SiC connected in series are further connected in parallel.
さらに、本発明に係わる電力半導体モジュールにおいて、一方のSiCからなるショットキーバリアダイオードのオーミック電極面と、他方のSiCからなるショットキーバリアダイオードのショットキー電極面が、同一平面上で接続されるかあるいは前記電気導体を介して直接接続されることが好ましい。 Further, in the power semiconductor module according to the present invention, an ohmic electrode surface of the Schottky barrier diode comprising from one S i C, the Schottky electrode surface of the Schottky barrier diode comprising the other of SiC, are connected on the same plane Or directly connected via the electrical conductor.
さらに、前記スイッチング素子がIGBTあるいはMOSFETであることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the switching element is an IGBT or a MOSFET.
[作用]
本発明に係わる電力半導体モジュール中のSBDはユニポーラ型の半導体素子であり、伝導度変調によるキャリアを有しないので、逆回復電流が殆ど流れない。また、炭化珪素(SiC)はSiの10倍の絶縁破壊電界強度を持ち、SiCを用いてSBDを作製した場合、ドリフト層の厚さをSiの1/10倍にする事が可能となり、しかもキャリア密度をSiの100倍にできるので、順方向通電時の電圧降下を低くする事が可能となる。従って、本発明に係わる電力半導体モジュールを電力変換回路において使用することによって、逆回復電流によるエネルギー損失を低減することが可能となり、かつ、直列にSiC−SBDを接続するので、高電圧の電力変換回路において使用することが可能となる。
[Action]
The SBD in the power semiconductor module according to the present invention is a unipolar type semiconductor element and does not have carriers due to conductivity modulation, so that almost no reverse recovery current flows. Silicon carbide (SiC) has a dielectric breakdown
また、本発明に係わる電力半導体モジュール中の1つのSiC−SBDの順方向電圧降下(Von)は計算によると、耐圧2.5kV仕様、ショットキー障壁高さ1.0eV、素子有効面積1.0cm2、通電電流200A、125℃の場合においてVon<1.0Vであり、直列に接続するSiCからなるSBDの数が2個以上3個以下であることにより、直列接続時の全耐圧が5.0kV〜7.5kVとすることが可能となり、かつVon<2.0V〜3.0Vとすることが可能となる。この直列接続したSiC−SBDのVonは同一耐圧のSiC−PiNダイオードのVon(〜3V)以下の値となる。したがって、本発明に係わる電力半導体モジュールを含む電力変換回路において、還流電流が流れているときにおいての還流ダイオードの定常損失を低くすることが可能となる。 Further, according to the calculation, the forward voltage drop (Von) of one SiC-SBD in the power semiconductor module according to the present invention is specified as a withstand voltage of 2.5 kV, a Schottky barrier height of 1.0 eV, and an element effective area of 1.0 cm. 2. Von <1.0 V in the case of an energizing current of 200 A and 125 ° C., and the number of SBDs made of SiC connected in series is 2 or more and 3 or less, so that the total withstand voltage when connected in series is 5. 0 kV to 7.5 kV can be set, and Von <2.0 V to 3.0 V can be set. Von of the SiC-SBD connected in series is a value equal to or less than Von (˜3 V) of the SiC-PiN diode having the same breakdown voltage. Therefore, in the power conversion circuit including the power semiconductor module according to the present invention, it is possible to reduce the steady loss of the return diode when the return current flows.
また、本発明に係わる電力半導体モジュールにおいて、直列に接続するSiCからなるSBDの複数組を並列に接続することにより、本発明に係わる電力半導体モジュールを含む電力変換回路において、還流電流が流れているときにおいての還流ダイオードの定常損失を低くすることが可能となる。 In the power semiconductor module according to the present invention, a plurality of sets of SBDs made of SiC connected in series are connected in parallel, so that a return current flows in the power conversion circuit including the power semiconductor module according to the present invention. It is possible to reduce the steady loss of the freewheeling diode at times.
また、本発明に係わる電力半導体モジュールにおいて、スイッチング素子がIGBTあるいはMOSFETである時、これらのスイッチング素子は電圧駆動型のトランジスタであるので、電力変換回路の高速なスイッチング動作が可能となる。 Further, in the power semiconductor module according to the present invention, when the switching elements are IGBTs or MOSFETs, these switching elements are voltage-driven transistors, so that the power conversion circuit can perform a high-speed switching operation.
また、本発明に係わる電力半導体モジュールにおいて、一方のSiC−SBDのオーミック電極面と、他方のSiC−SBDのショットキー電極面を、同一平面上で接続することにより、SiC−SBD間の配線を無くすことが出来るので外部への電磁放射ノイズを低減することが可能となる。 In the power semiconductor module according to the present invention, the wiring between the SiC and SBD is connected by connecting the ohmic electrode surface of one SiC-SBD and the Schottky electrode surface of the other SiC-SBD on the same plane. Since it can be eliminated, the electromagnetic radiation noise to the outside can be reduced.
また、一方のSiC−SBDのオーミック電極面と、他方のSiC−SBDのショットキー電極面が電気導体を介して直列接続することにより、それぞれのSiC−SBDがの冷却能力を高くすることが出来、SiC−SBDの安定な動作を可能とする。 Also, the SiC-SBD ohmic electrode surface and the other SiC-SBD Schottky electrode surface are connected in series via an electrical conductor, so that the cooling capacity of each SiC-SBD can be increased. , Enabling stable operation of the SiC-SBD.
以上の様に、電力変換回路において、少なくとも1つのスイッチング素子とSiCからなる2個以上のダイオードが直列に接続された部分を搭載する半導体モジュールであって、前記の直列に接続された少なくとも2個以上のSiCからなるダイオードを前記スイッチング素子と逆並列に接続した構造を持つ電力半導体モジュールを使用することによって、定格電圧が高い電力変換回路においても還流ダイオードの逆回復電流が原因となって生じるエネルギー損失を低減することができる。 As described above, in a power conversion circuit, a semiconductor module including a portion in which at least one switching element and two or more diodes made of SiC are connected in series, wherein the at least two connected in series By using a power semiconductor module having a structure in which the above diode made of SiC is connected in antiparallel with the switching element, energy generated due to the reverse recovery current of the return diode even in a power converter circuit having a high rated voltage Loss can be reduced.
さらに、直列に接続するSiCからなるSBDの数を2個以上3個以下とすることによって、高電圧の電力変換回路において、還流電流が流れているときにおいての還流ダイオードの定常損失を制限することが可能となる。 Furthermore, by limiting the number of SBDs made of SiC connected in series to 2 or more and 3 or less, in a high voltage power conversion circuit, the steady loss of the freewheeling diode when the freewheeling current flows is limited. Is possible.
さらに、直列に接続するSiCからなるSBDの複数組を並列に接続する事によって、直列に接続されたSiC−SBDからなる還流ダイオード部の通電時における電圧降下を下げ、還流ダイオード部の損失を低くすることが可能となる。 Furthermore, by connecting in parallel a plurality of SBDs made of SiC connected in series, the voltage drop during energization of the free-wheeling diode parts made of SiC-SBD connected in series is reduced, and the loss of the free-wheeling diode parts is reduced. It becomes possible to do.
さらに、本発明モジュールに搭載するスイッチング素子をIGBTあるいはMOSFETにすることにより、電力変換回路の高速なスイッチング動作が可能となる。 Furthermore, by using an IGBT or a MOSFET as the switching element mounted on the module of the present invention, a high-speed switching operation of the power conversion circuit becomes possible.
さらに、一方のSiCからなるSBDのオーミック電極面と、他方のSiCからなるSBDのショットキー電極面が、同一平面上で接続されることにより、電磁放射ノイズを低減することが可能となり、モジュール誤動作の低減を行うことが可能となる。 Furthermore, by connecting the ohmic electrode surface of the SBD made of one SiC and the Schottky electrode surface of the other SBD made of the same plane, electromagnetic radiation noise can be reduced, and the module malfunctions. Can be reduced.
さらに、一方のSiCからなるSBDのオーミック電極面と他方のSiCからなるSBDのショットキー電極面が電気導体を介して直列接続することにより、それぞれのSiC−SBDの冷却能力を高くすることが出来、SiC−SBDの安定な動作を可能とする。 Furthermore, the cooling capacity of each SiC-SBD can be increased by connecting the ohmic electrode surface of one SiC SBD and the Schottky electrode surface of the other SiC SBD in series via an electrical conductor. , Enabling stable operation of the SiC-SBD.
実施の形態1
図1に、本発明の電力半導体モジュールの一実施の形態を示す。図1は、SiCからなるSBDが2個直列に接続された部分を搭載した半導体モジュールであって、直列に接続されたSiCからなる2個のSBDを還流ダイオードとして接続した本発明の電力半導体モジュールを使用した単相ブリッジインバーター内の回路図を示す。1A〜1Dは本発明の直列に接続された2個のSiCからなるSBDを還流ダイオードとして搭載した電力半導体モジュールである。2A〜2Dはそれぞれの電力半導体モジュール内の直列に接続された2個のSiC−SBDからなる還流ダイオードである。3A〜3Dはスイッチング素子のIGBTあるいはMOSFETである。29は電源の正極側と接続される接続端子、30は電源の負極側と接続される接続端子、26は負荷と接続される接続端子、4はモーター等の負荷でありインダクタンス成分を含む。5は直流電源であり、8はコンデンサーである。
FIG. 1 shows an embodiment of a power semiconductor module of the present invention. FIG. 1 shows a semiconductor module equipped with a portion in which two SBDs made of SiC are connected in series, and the power semiconductor module of the present invention in which two SBDs made of SiC connected in series are connected as a free-wheeling diode. The circuit diagram in the single phase bridge inverter which uses is shown.
図1の回路で、パルス制御により直流を交流に変換して負荷4に交流電流を供給する場合、各パルス毎に3Aと3D、あるいは3Bと3Cがペアでオンあるいはオフ動作を行う。スイッチング素子のオンあるいはオフ動作に対応して還流ダイオード2Aと2D、あるいは2Bと2Cがペアで逆バイアス状態あるいは順方向導通状態となる。例えば、3A、3Dが同時にオン状態のときには、電流は8→3A→4→3D→8の順で流れるが、パルスをオフするために3Aと3Dをオフとすると、還流電流が8→2B→4→2C→8の経路で流れ、還流ダイオード2Bおよび2Cは順方向の導通状態となる。再び3Aと3Dがオンになると8→3A→4→3D→8の順で電流は流れ、2Bおよび2Cは逆バイアス状態でほぼ回路電源電圧のVccが印加される。
In the circuit of FIG. 1, when direct current is converted into alternating current by pulse control and alternating current is supplied to the
還流電流が8→2B→4→2C→8の経路で流れている状態から、3Aおよび3Dがオン状態になる時、還流ダイオード2Bおよび2CはSiCからなるSBDなので、伝導度変調によるキャリアを有せず逆回復電流が殆ど生じない。3Aおよび3Dがオン状態になるときにはIGBT 3A、3Dには電流が流れ始めており、2Bおよび2Cに逆回復電荷が生じた場合、逆回復電流はこれに重畳して流れるが、還流ダイオードSiC−SBDの場合IGBT 3A、3Dには重畳した電流は流れないので、IGBT 3A、3D部で発生するエネルギー損失を減らすことが可能となる。また、還流ダイオード2C、2B部では電流が殆ど流れないのでエネルギー損失は殆ど生じない。
When 3A and 3D are turned on from the state in which the reflux current flows in the path of 8 → 2B → 4 → 2C → 8, since the
また、SiCはSiの10倍の絶縁破壊電界強度を持ちSiC−SBDの場合、ドリフト層の厚さをSiの1/10倍にする事が可能となり、しかもキャリア密度をSiの100倍にできるので、順方向通電時の電圧降下(Von)を低くする事が可能となる。仮に1つのSiC−SBDが耐圧2.5kV、ショットキー障壁高さ1.0eV、素子有効面積1.0cm2の仕様で、通電電流200A、125℃の場合においては、順方向電圧降下は1.0V以下であり直列に接続された2個のSiC−SBDによる電圧降下は2.0V以下であり、通常の1個のPiNダイオードの電圧降下(〜3V)より低い値となる。従って、還流電流が8→2B→4→2C→8の経路で流れている時でも、還流ダイオード2Bおよび2Cの順方向還流電流によるエネルギー損失を低くすることが可能である。
Further, SiC has a dielectric breakdown
さらに、直列に接続された1つのSiC−SBDの性能が逆バイアス2.5kVまで耐えうるものであれば、本発明により2A、2B、2C、2Dの耐圧は5.0kVとなり、Vccは通常素子耐圧の約1/2に設定するので、この場合Vccを2.5kVまで上げることが可能となる。従って、単一のSiC−SBDでは困難とされる定格1.5kVを越える電力変換動作が、本発明により容易に可能となる。 Furthermore, if the performance of one SiC-SBD connected in series can withstand a reverse bias of 2.5 kV, the breakdown voltage of 2A, 2B, 2C, and 2D is 5.0 kV according to the present invention, and Vcc is a normal element. In this case, Vcc can be increased to 2.5 kV since the breakdown voltage is set to about ½. Therefore, power conversion operation exceeding the rated 1.5 kV, which is difficult with a single SiC-SBD, can be easily performed by the present invention.
本実施の形態で明らかなように、本発明に係わる電力半導体モジュールを電力変換回路において使用することによって、逆回復電流によるエネルギー損失を低減することが可能となり、かつ、高電圧の電力変換回路において使用することが可能となる。 As is apparent from the present embodiment, by using the power semiconductor module according to the present invention in the power conversion circuit, it is possible to reduce the energy loss due to the reverse recovery current, and in the high voltage power conversion circuit. Can be used.
本実施の形態においては、2個のSiC−SBDを直列に接続したが、回路電源電圧の値に応じて3個のSiC−SBDを接続をすることも可能である。例えば、1つのSiC−SBDが耐圧2.5kV、ショットキー障壁高さ1.0eV、素子有効面積1.0cm2の仕様で、通電電流200A、125℃の場合においては電圧降下は1.0V以下であり、直列に接続された3個のSiC−SBDによる電圧降下は3.0V以下である。この電圧は、通常の1個のPiNダイオードの順方向電圧降下と同程度であるから、順方向還流電流によるエネルギー損失が増加することはない。また、SiC−SBDは伝導度変調によるキャリアを殆ど持たないので逆回復電流は殆ど生じず、かつ、直列に接続された3つのSiC−SBDによりVccを3.8kVまで上げることが可能となる。従って、単一のSiC−SBDでは困難とされるVcc=1.5kVを越える電力変換動作が容易に可能となる。 In the present embodiment, two SiC-SBDs are connected in series, but it is also possible to connect three SiC-SBDs according to the value of the circuit power supply voltage. For example, when one SiC-SBD has a withstand voltage of 2.5 kV, a Schottky barrier height of 1.0 eV, and an element effective area of 1.0 cm 2 , the voltage drop is 1.0 V or less when the energization current is 200 A and 125 ° C. The voltage drop due to the three SiC-SBDs connected in series is 3.0V or less. Since this voltage is almost the same as the forward voltage drop of one normal PiN diode, energy loss due to the forward return current does not increase. Also, since SiC-SBD has almost no carriers due to conductivity modulation, almost no reverse recovery current is generated, and Vcc can be increased to 3.8 kV by three SiC-SBDs connected in series. Therefore, a power conversion operation exceeding Vcc = 1.5 kV, which is difficult with a single SiC-SBD, can be easily performed.
以上の様に、直列に接続するSiC−SBDの数が2個以上3個以下であれば、高電圧の電力変換回路において還流電流が流れているときに生じる還流ダイオードの定常損失を制限することが可能となる。 As described above, if the number of SiC-SBDs connected in series is 2 or more and 3 or less, the steady loss of the freewheeling diode that occurs when the freewheeling current flows in the high voltage power conversion circuit is limited. Is possible.
実施の形態2
図2に、本発明による直列に接続するSiC−SBDの複数組を並列に接続した電力半導体モジュールが単相ブリッジインバーター内に接続された回路図を示す。1A−2〜1D−2は本発明の直列に接続したSiC−SBDの複数組を並列に接続した電力半導体モジュールである。2A−1および2A−2、2B−1および2B−2、2C−1および2C−2、2D−1および2D−2は直列に2個接続したSiC−SBDが並列に接続されたそれぞれの組である。3A〜3Dはスイッチング素子のIGBTあるいはMOSFETである。4はモーター等の負荷でありインダクタンス成分を含む。5は直流の電源であり、8はコンデンサーである。
FIG. 2 shows a circuit diagram in which power semiconductor modules in which a plurality of series-connected SiC-SBDs according to the present invention are connected in parallel are connected in a single-phase bridge inverter. 1A-2 to 1D-2 are power semiconductor modules in which a plurality of series-connected SiC-SBDs of the present invention are connected in parallel. 2A-1 and 2A-2, 2B-1 and 2B-2, 2C-1 and 2C-2, 2D-1 and 2D-2 are each a combination of two SiC-SBDs connected in series. It is.
図2の回路において、本発明による直列に接続するSiC−SBDの複数組を並列に接続した電力半導体モジュール1A−2〜1D−2の電気的動作は、基本的には先の実施の形態1の中で述べた図1の電力半導体モジュール1A〜1Dと同一であるが、直列接続したSiC−SBDの2組を並列に接続しているので還流電流が流れている時の順方向電圧降下を、直列接続するSiC−SBDを1組使用する時と比較して低くする事ができ、還流電源による還流ダイオード部の損失低減が可能となる。
In the circuit of FIG. 2, the electrical operation of
従って、本発明に係わる電力半導体モジュールを電力変換回路において使用することによって、逆回復電流によるエネルギー損失を低減することが可能となり、かつ、高電圧の電力変換回路において使用することが可能となり、さらに還流電流が流れているときにおいての還流ダイオードの定常損失を低くすることが可能となる。 Therefore, by using the power semiconductor module according to the present invention in the power conversion circuit, it becomes possible to reduce the energy loss due to the reverse recovery current, and it can be used in the high voltage power conversion circuit. It is possible to reduce the steady loss of the return diode when the return current is flowing.
本実施の形態においては、2個のSiC−SBDを直列に接続したが、回路電源電圧の値に応じて直列数が2個より多いSiC−SBDを接続をすることも可能であり、更に定格電圧の高い電力変換回路が実現できる。 In the present embodiment, two SiC-SBDs are connected in series, but it is also possible to connect SiC-SBDs having more than two in series according to the value of the circuit power supply voltage, and further rated A power conversion circuit having a high voltage can be realized.
実施の形態3
図3に本発明による電力半導体モジュールの他の実施の形態を示す。2は直列に2個接続されたSiC−SBDである。3はスイッチング素子であるIGBTあるいはMOSFET、13はスイッチング素子のエミッタあるいはソース電極、14は電極接続用の高さ調節治具、15はSiC−SBDのアノード側と14を接続する金属導体、16は2を上部から押さえる機能と19の外部配線用エミッタ導体へ電流を導く機能を合わせ持つ金属導体、17は絶縁基板上のコレクタ配線、18は外部配線用コレクタ導体、20は16を固定するための絶縁体、例えばガラスエポキシ、21はAlN(窒化アルミニウム)絶縁基板、22は銅またはSiC/Alのベース板である。通常ベース板22上の半導体素子を含む回路部分は筐体で囲まれ、シリコン樹脂で充填される。
FIG. 3 shows another embodiment of the power semiconductor module according to the present invention. 2 is a SiC-SBD connected in series. 3 is an IGBT or MOSFET which is a switching element, 13 is an emitter or source electrode of the switching element, 14 is a height adjusting jig for electrode connection, 15 is a metal conductor connecting the anode side of SiC-SBD and 14, 16 is 2 is a metal conductor having a function of holding 2 from the top and a function of conducting current to 19 external wiring emitter conductors, 17 is a collector wiring on an insulating substrate, 18 is a collector conductor for external wiring, and 20 is for fixing 16 An insulator, for example, glass epoxy, 21 is an AlN (aluminum nitride) insulating substrate, and 22 is a copper or SiC / Al base plate. Usually, the circuit portion including the semiconductor element on the
図4に、本実施の形態による電力半導体モジュール内の直列に2個接続されたSiC−SBD部2の詳細図を示した。本実施の形態の直列に2個接続されたSiC−SBD部の形態は、一方のSiCからなるSBDのオーミック電極面と他方のSiCからなるSBDのショットキー電極面が、同一平面上で接続されている。10はSiC−SBDのSiC主要部材、11はSiC−SBDのショットキー電極部、12はSiC−SBDのオーミック電極部である。
FIG. 4 shows a detailed view of two SiC-
接合部の形態としては、一方のSiC−SBDのショットキー電極面と他方のSiC−SBDのオーミック電極面を直接に接触させることが可能であるが、この場合両電極の金属部材表面の平面度が高いことが望ましく、さらに上下から抑える力が必要となる。金属導体16は、SiC−SBDにこの押圧力を与えている。 As a form of the joint portion, it is possible to directly contact the Schottky electrode surface of one SiC-SBD and the ohmic electrode surface of the other SiC-SBD, but in this case, the flatness of the metal member surface of both electrodes It is desirable that the height is high, and further a force to suppress from above and below is required. The metal conductor 16 applies this pressing force to the SiC-SBD.
他の同一平面上で接合される接合部の形態としては、一方のSiC−SBDのショットキー電極面と他方のSiC−SBDのオーミック電極面間に他の電気導体を介して接合されても良い。例えば、金、Alなどを一方のSiC−SBDのショットキー電極面または他方のSiC−SBDのオーミック電極面に蒸着し、蒸着した金あるいはAlなど介して同一平面上で接合させることも可能である。 As another form of the bonding portion bonded on the same plane, the bonding may be performed via another electric conductor between the Schottky electrode surface of one SiC-SBD and the ohmic electrode surface of the other SiC-SBD. . For example, gold, Al, or the like can be vapor-deposited on one SiC-SBD Schottky electrode surface or the other SiC-SBD ohmic electrode surface, and bonded on the same plane via vapor-deposited gold or Al. .
本実施の形態による電力半導体モジュール内において使用される直列に2個接続されたSiC−SBD2は、図4に示されている形態で直列接続されており、つまり、一方のSiCからなるSBDのオーミック電極面と、他方のSiCからなるSBDのショットキー電極面が同一平面上で接続されているので、SiC−SBD間の配線が無く、モジュール内の電流順路が19→16→2→17→18となるときにおいて電磁放射ノイズを低減することが可能となる。特に過渡的な電流が2に流れるときに本発明による電磁放射ノイズの低減効果が大きいことが期待される。この様な電磁放射ノイズの低減により、モジュール誤動作の低減を行うことが可能となる。
The two SiC-
本実施の形態による電力半導体モジュールにおいては、例えば、スイッチング素子の耐圧が5kVで、SiC−SBDが同一の耐圧能力を持ちそれぞれ耐圧2.5kVであれば直列に2個接続された2は耐圧5.0kVとなり、18の外部配線用コレクタ導体と19の外部配線用エミッタ導体間に印加される電圧が5.0kV以下であれば、電力半導体モジュールとして正常な動作が可能となり、高電圧の電力変換回路において使用することが可能となる。 In the power semiconductor module according to the present embodiment, for example, if the switching device has a withstand voltage of 5 kV and the SiC-SBD has the same withstand voltage capability and each has a withstand voltage of 2.5 kV, two connected two in series have a withstand voltage of 5 If the voltage applied between the 18 external wiring collector conductors and the 19 external wiring emitter conductors is 5.0 kV or less, normal operation as a power semiconductor module is possible, and high voltage power conversion is possible. It can be used in a circuit.
さらに、本実施の形態による電力半導体モジュールを図1の回路内の半導体モジュール1A〜1Dとして使用すれば、2A〜2DはSiC−SBDが直列に2個接続された還流ダイオードであるので、スイッチング素子3A〜3Dのいずれかがオン状態に移行するときに生じる逆回復電流によるエネルギー損失を大きく減らすことが可能となる。
Further, if the power semiconductor module according to the present embodiment is used as the
また、本実施の形態による電力半導体モジュールはスイッチング素子3A〜3DがIGBTあるいはMOSFETであるので、単相ブリッジインバーター回路の高速なスイッチング動作が可能となる。
In the power semiconductor module according to the present embodiment, since the
本実施の形態で明らかなように、本発明に係わる電力半導体モジュールを電力変換回路において使用することによって、逆回復電流によるエネルギー損失を低減することが可能となり、かつ、高電圧の電力変換回路において使用することが可能となる。 As is apparent from the present embodiment, by using the power semiconductor module according to the present invention in the power conversion circuit, it is possible to reduce the energy loss due to the reverse recovery current, and in the high voltage power conversion circuit. Can be used.
本実施の形態では直列接続されたSiC−SBD2の1組に対してスイッチング素子3が1つ逆並列に接続されているが、直列接続されたSiC−SBD2の1組に対して2つ以上のスイッチング素子を逆並列に接続しても、本実施の形態と同様な効果が期待できる。
In the present embodiment, one
本実施の形態では1組の直列接続するSiC−SBDをスイッチング素子に逆並列に接続したが、2組が並列に接続された直列接続するSiC−SBDをスイッチング素子と逆並列に接続した場合、還流ダイオードに順方向電流が流れているときの定常損失を低くすることが可能となる。 In this embodiment, one set of SiC-SBDs connected in series is connected in reverse parallel to the switching elements, but when two sets of SiC-SBDs connected in series connected in parallel are connected in reverse parallel to the switching elements, It is possible to reduce the steady loss when the forward current flows through the freewheeling diode.
実施の形態4
図5に本発明による電力半導体モジュールの実施の形態を示す。本発明による電力半導体モジュールはスイッチング素子3と、ワイヤボンド23により直列接続されたSiC−SBD10の組が2組搭載されており、互いに25の電気導体により接続されている。3はスイッチング素子であるIGBTあるいはMOSFET、13はスイッチング素子のエミッタあるいはソース電極、29は電源の正極側と接続される接続端子、30は電源の負極側と接続される接続端子、26は負荷と接続される接続端子、17は絶縁基板上のコレクタ配線、27、28は絶縁基板上のエミッタ配線、21はAlN絶縁基板、22は銅またはSiC/Alのベース板である。通常ベース板22上の半導体素子を含む回路部分は筐体で囲まれ、シリコン樹脂で充填される。
FIG. 5 shows an embodiment of a power semiconductor module according to the present invention. In the power semiconductor module according to the present invention, two sets of switching
図6に、本実施の形態による電力半導体モジュール内の直列に2個接続されたSiC−SBD部の形態を示す。本実施の形態の直列に2個接続されたSiC−SBD部の形態は、一方のSiCからなるSBDのオーミック電極面と他方のSiCからなるSBDのショットキー電極面が電気導体を介して直列接続されている。10はSiC−SBDのSiC主要部材、11はSiC−SBDのショットキー電極部、12はSiC−SBDのオーミック電極部であり、23は一方のSiC−SBDのショットキー電極と他方のSiC−SBDのオーミック電極とを接続する接続導体である。電気導体23を介して2つのSiC−SBDが直列に接続される。接続導体23としては、ワイヤボンドあるいは銅板等の金属導体が望ましい。
FIG. 6 shows a configuration of two SiC-SBD portions connected in series in the power semiconductor module according to the present embodiment. In this embodiment, two SiC-SBD portions connected in series are connected in series with one ohmic electrode surface of SBC made of SiC and another Schottky electrode surface of SBD made of SiC via an electric conductor. Has been. 10 is a SiC main member of SiC-SBD, 11 is a Schottky electrode part of SiC-SBD, 12 is an ohmic electrode part of SiC-SBD, and 23 is a Schottky electrode of one SiC-SBD and the other SiC-SBD. It is a connection conductor which connects the ohmic electrode. Two SiC-SBDs are connected in series via the
図6では、接続導体23を一方のSiC−SBDの電極と他方のSiC−SBDの電極とを直接に接続するものであるが、中継端子を介して2つ以上の接続導体により直列に接続してもよい。
In FIG. 6, the
本発明による電力半導体モジュールを単相ブリッジインバーターに使用する場合、本発明による電力半導体モジュールを2台使用することにより単相ブリッジインバーター回路を形成する事が可能となる。例えば、図1中の26、29、30は図6の同一番号に対応する。 When the power semiconductor module according to the present invention is used for a single-phase bridge inverter, a single-phase bridge inverter circuit can be formed by using two power semiconductor modules according to the present invention. For example, 26, 29, and 30 in FIG. 1 correspond to the same numbers in FIG.
本実施の形態による電力半導体モジュールにおいて、図5のワイヤボンド23により直列接続されたSiC−SBD 10に還流電流が流れると、SiC−SBDであってもエネルギー損失がありSiC−SBD 10の温度が上昇する。SiC−SBD 10で発生した熱は、17、27、28→21→22→冷却フィンの順で外部へ放出される。一方のSiCからなるSBDのオーミック電極面と、他方のSiCからなるSBDのショットキー電極面が電気導体を介して直列接続することにより、直列接続されるSiC−SBDを任意の距離に設置することが可能となる。その場合、直列接続されるSiC−SBDから外部への熱伝達経路は並列経路とすることが可能となり、それぞれのSiC−SBDの冷却能力を高くすることができるので、SiC−SBDの安定な動作を可能とする。
In the power semiconductor module according to the present embodiment, when a reflux current flows through SiC-
本実施の形態による電力半導体モジュールにおいては、例えば、スイッチング素子の耐圧が6kVで、SiC−SBDが同一の耐電圧能力を持ちそれぞれ耐電圧3.0kVであれば直列に2個接続された2は耐電圧6.0kVとなり、29と26間、あるいは26と30間の印加電圧が6.0kV以下であれば、電力半導体モジュールとして正常な動作が可能となり、高電圧の電力変換回路において使用することが可能となる。 In the power semiconductor module according to the present embodiment, for example, if the switching device has a withstand voltage of 6 kV and the SiC-SBD has the same withstand voltage capability and each has a withstand voltage of 3.0 kV, two connected two in series are When the withstand voltage is 6.0 kV and the applied voltage between 29 and 26 or between 26 and 30 is 6.0 kV or less, normal operation as a power semiconductor module is possible, and it should be used in a high voltage power conversion circuit. Is possible.
さらに、本実施の形態による電力半導体モジュールを図1の回路で使用すれば、2A〜2DはSiC−SBDが直列に2個接続された還流ダイオードであるので、スイッチング素子3A〜3Dがオン状態に移行するときに生じる逆回復電流によるエネルギー損失を大きく減らすことが可能となる。
Further, when the power semiconductor module according to the present embodiment is used in the circuit of FIG. 1, since 2A to 2D are free-wheeling diodes in which two SiC-SBDs are connected in series, the
また、本実施の形態による電力半導体モジュールを、例えば図1の単相ブリッジインバーター回路で使用すれば、本実施の形態による電力半導体モジュール内のスイッチング素子3A〜3DはIGBTあるいはMOSFETであるので、単相ブリッジインバーター回路の高速なスイッチング動作が可能となる。
Further, if the power semiconductor module according to the present embodiment is used in, for example, the single-phase bridge inverter circuit of FIG. 1, the
本実施の形態では直列接続されたSiC−SBD2の1組に対してスイッチング素子3が1つ逆並列に接続されているが、直列接続されたSiC−SBD2の1組に対して2つ以上のスイッチング素子を逆並列に接続しても、本実施の形態と同様な効果が期待できる。
In the present embodiment, one
本実施の形態では1組の直列接続するSiC−SBDをスイッチング素子に逆並列に接続したが、2組が並列に接続された直列接続するSiC−SBDをスイッチング素子と逆並列に接続した場合、還流電流が流れているときにおいての還流ダイオードの定常損失を低くすることが可能となる。 In this embodiment, one set of SiC-SBDs connected in series is connected in reverse parallel to the switching elements, but when two sets of SiC-SBDs connected in series connected in parallel are connected in reverse parallel to the switching elements, It is possible to reduce the steady loss of the return diode when the return current is flowing.
1A〜1D 電力半導体モジュール、2 SiC−SBD、2A〜2D SiC−SBD、3 スイッチング素子、3A〜3D スイッチング素子、4 負荷、5 直流電源、6A〜6D 電力半導体モジュール、7A〜7D Si−PiNダイオード、8 コンデンサー、10 SiC主要部材、11 オーミック電極部、12 ショットキー電極部、13 スイッチング素子のエミッタ電極、 16 金属導体、17 コレクタ配線、18 コレクタ導体、19 エミッタ導体、21 AlN絶縁基板、22 銅ベース板、23 接続導体、25 電気導体、26 負荷接続端子、27、28 エミッタ配線、29 正極側電源接続端子、30 負極側電源接続端子。 1A to 1D Power semiconductor module, 2 SiC-SBD, 2A to 2D SiC-SBD, 3 Switching element, 3A to 3D switching element, 4 Load, 5 DC power supply, 6A to 6D Power semiconductor module, 7A to 7D Si-PiN diode , 8 Capacitor, 10 SiC main member, 11 Ohmic electrode part, 12 Schottky electrode part, 13 Emitter electrode of switching element, 16 Metal conductor, 17 Collector wiring, 18 Collector conductor, 19 Emitter conductor, 21 AlN insulating substrate, 22 Copper Base plate, 23 connection conductor, 25 electrical conductor, 26 load connection terminal, 27, 28 emitter wiring, 29 positive power supply connection terminal, 30 negative power supply connection terminal.
Claims (6)
少なくとも1個のスイッチング素子と、直列接続された2個以上のSiCからなるショットキーバリアダイオードと、を逆並列に接続して構成される回路部分と、
前記回路部分を2組搭載するベース板と、
前記2組の回路部分を互いに接続する電気導体と、
前記2組の回路部分のうちの一方を電源の正極側と接続するための正極側電源接続端子と、
前記2組の回路部分のうちの他方を前記電源の負極側と接続するための負極側電源接続端子と、
前記2組の回路部分を囲む筐体とを備えることを特徴とする電力半導体モジュール。 A power semiconductor module used in a power conversion circuit,
And at least one switching element, connected in series with the two or more of the Schottky barrier diode and, Ru is constructed by connecting in reverse parallel to circuitry portion consisting SiC,
A base plate on which two sets of the circuit parts are mounted;
An electrical conductor connecting the two sets of circuit portions to each other;
A positive-side power connection terminal for connecting one of the two sets of circuit parts to the positive-side of the power source;
A negative-side power connection terminal for connecting the other of the two sets of circuit parts to the negative-side of the power source;
A power semiconductor module comprising: a casing surrounding the two sets of circuit portions.
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