JP5683525B2 - Power semiconductor module design method - Google Patents
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Description
本発明はパワー半導体モジュールの設計方法に関し、特に、モータなどの電気機器を駆動するための電力変換装置などに用いられるバイポーラパワー半導体モジュールにおいて、ターンオフ時の発振を抑制することを可能にする設計方法に関する。 The present invention relates to a design method for a power semiconductor module, and in particular, a design method capable of suppressing oscillation at turn-off in a bipolar power semiconductor module used in a power converter for driving an electric device such as a motor. About.
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体素子を用いたパワー半導体モジュールにおいては大容量化が進められている。大容量化にともない、パワー半導体モジュールの内部では複数のパワー半導体チップ(パワー半導体素子)が並列に接続される。このため、パワー半導体モジュールのパッケージ内部には、パワー半導体チップを接続するための結線によるインダクタンスとパワー半導体チップ内部の容量成分とによって形成される複数の共振回路が存在する。 A power semiconductor module using a power semiconductor element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) has been increased in capacity. As the capacity increases, a plurality of power semiconductor chips (power semiconductor elements) are connected in parallel inside the power semiconductor module. For this reason, there are a plurality of resonance circuits formed in the package of the power semiconductor module by the inductance due to the connection for connecting the power semiconductor chip and the capacitance component inside the power semiconductor chip.
また、パワー半導体モジュールには、使用用途に応じてさまざまな耐圧クラス(たとえば600V〜6500V)のパワー半導体チップが用いられるため、パワー半導体チップの容量成分の大きさもパワー半導体モジュールごとに異なり得る。このため、パワー半導体モジュール内部の共振回路とその共振周波数はより複雑に存在する。その共振周波数とIGBTチップ等のバイポーラパワー半導体素子の特性とがマッチングすることによって発振が生じることが確認されている。このため、パワー半導体モジュールの大容量化を図ることが困難であったり、低ノイズ化を図ることが困難であったりする。 In addition, since power semiconductor chips of various withstand voltage classes (for example, 600 V to 6500 V) are used for the power semiconductor module, the size of the capacity component of the power semiconductor chip may be different for each power semiconductor module. For this reason, the resonance circuit in the power semiconductor module and its resonance frequency are more complicated. It has been confirmed that oscillation occurs when the resonance frequency matches the characteristics of a bipolar power semiconductor element such as an IGBT chip. For this reason, it is difficult to increase the capacity of the power semiconductor module or to reduce noise.
この発振は、IGBTのターンオフ期間中にしばしば観測される。発振現象はEMC(Electro-Magnetic Compatibility)に関してより重要となっており、他の電子機器に対するEMCに良くない影響を与えるためこの発振を回避する必要がある。 また、IGBTT自身のゲート信号に発振による電磁波が重畳することにより、IGBTが誤動作する可能性がある。 This oscillation is often observed during the IGBT turn-off period. The oscillation phenomenon is more important with respect to EMC (Electro-Magnetic Compatibility), and it is necessary to avoid this oscillation because it adversely affects EMC on other electronic devices. Moreover, there is a possibility that the IGBT malfunctions by superimposing an electromagnetic wave due to oscillation on the gate signal of the IGBT T itself.
発振を回避するためには共振回路の特定が必要である。しかし、複雑な三次元構造を有するパワー半導体モジュールにおいては、共振回路の見積りや特定は困難である。このため、従来はパワー半導体モジュールを実際に試作した上で発振の有無等を評価し、その評価結果を設計にフィードバックすることによって発振を回避する方法に依存していた。このため、設計効率の向上およびコスト低減が困難であった。 In order to avoid oscillation, it is necessary to specify a resonance circuit. However, in a power semiconductor module having a complicated three-dimensional structure, it is difficult to estimate and specify a resonance circuit. For this reason, conventionally, a power semiconductor module was actually made on a trial basis, and the presence or absence of oscillation was evaluated, and the evaluation result was fed back to the design to depend on a method for avoiding oscillation. For this reason, it has been difficult to improve design efficiency and reduce costs.
また、仮に共振回路を特定できたとしても、その発振の抑制や影響の低減をするための方法が別途必要になる。このための方法としてゲート配線に抵抗素子や高周波損失素子を挿入してゲート信号に重畳するノイズを低減する方法が提案されている。たとえば特開平4−65866号公報(特許文献1)は、抵抗素子を用いた技術を開示する。また、特開2001−185679号公報(特許文献2)は、高周波損失素子としてフェライトコアを用いた技術を開示する。 Even if the resonance circuit can be specified, a method for suppressing the oscillation and reducing the influence is separately required. As a method for this, a method has been proposed in which a resistance element or a high-frequency loss element is inserted in the gate wiring to reduce noise superimposed on the gate signal. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-65866 (Patent Document 1) discloses a technique using a resistance element. Japanese Patent Laying-Open No. 2001-185679 (Patent Document 2) discloses a technique using a ferrite core as a high-frequency loss element.
以上のように、パワー半導体モジュールの発振によるゲート信号に対する影響を低減するためには試作による評価が必要であるため、設計効率が悪いという問題があった。ゲート配線に抵抗素子や高周波損失素子を挿入する方法は、部品点数の増加およびパワー半導体モジュールの損失の増加をもたらすので、低コスト化、低損失化および小型化が困難であった。また、従来の方法では発振周波数の算出が困難であり、確実な発振回避が困難であった。 As described above, in order to reduce the influence of the oscillation of the power semiconductor module on the gate signal, evaluation by trial manufacture is necessary, and thus there is a problem that design efficiency is poor. The method of inserting a resistance element or a high-frequency loss element in the gate wiring brings about an increase in the number of parts and an increase in the loss of the power semiconductor module, so that it is difficult to reduce the cost, the loss and the size. In addition, it is difficult to calculate the oscillation frequency with the conventional method, and it is difficult to reliably avoid oscillation.
本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、発振を回避し、かつ、小型化が可能なパワー半導体モジュールの設計方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a power semiconductor module design method capable of avoiding oscillation and miniaturizing.
本発明は要約すれば、バイポーラ型パワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールの設計方法であって、前記バイポーラ型パワー半導体素子に生じる空乏層の厚みにわたりホール速度の逆数を積分することにより、前記バイポーラ型パワー半導体素子におけるホール伝播時間を算出するステップと、前記パワー半導体モジュールの等価回路を作成するステップと、前記等価回路の共振周波数を算出するステップと、前記共振周波数が、前記ホール伝播時間の逆数で表される周波数を含む所定範囲内にあるか否かを判定するステップと、を備え、前記所定範囲が、前記ホール伝播時間の逆数で表される周波数の90%以上110%以下の範囲である。
In summary, the present invention provides a method for designing a power semiconductor module including a bipolar power semiconductor element, wherein the bipolar power semiconductor element is integrated by integrating the reciprocal of the hole velocity over the thickness of a depletion layer generated in the bipolar power semiconductor element. A step of calculating a hole propagation time in a power semiconductor device, a step of creating an equivalent circuit of the power semiconductor module, a step of calculating a resonance frequency of the equivalent circuit, and the resonance frequency is an inverse of the hole propagation time. And a step of determining whether or not the frequency is within a predetermined range including a frequency represented by : wherein the predetermined range is in a range of 90% to 110% of a frequency represented by a reciprocal of the hall propagation time. Oh Ru.
本発明によれば、パワー半導体モジュールに搭載されたバイポーラパワー半導体素子の発振現象を回避することができるので、半導体モジュールの低ノイズ化を図ることができる。また、本発明によれば部品点数を増やすことなく発振現象を回避できるため半導体モジュールの小型化を実現することができる。 According to the present invention, the oscillation phenomenon of the bipolar power semiconductor element mounted on the power semiconductor module can be avoided, so that the noise of the semiconductor module can be reduced. In addition, according to the present invention, since the oscillation phenomenon can be avoided without increasing the number of parts, the semiconductor module can be downsized.
<実施の形態>
以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下において図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さないものとする。
<Embodiment>
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
最初に、パワー半導体モジュールの構成について図を参照しながら説明する。なお、本発明の実施の形態による効果を分かりやすく示すため、以下では高周波損失素子を挿入した構成を有するパワー半導体モジュールを説明する。 First, the configuration of the power semiconductor module will be described with reference to the drawings. In order to clearly show the effects of the embodiment of the present invention, a power semiconductor module having a configuration in which a high-frequency loss element is inserted will be described below.
図1は、パワー半導体モジュールの概略側面図である。図2は、図1に示すパワー半導体モジュールの一部における概略上面図である。 FIG. 1 is a schematic side view of a power semiconductor module. FIG. 2 is a schematic top view of a part of the power semiconductor module shown in FIG.
図1および図2を参照して、パワー半導体モジュール100は、モータなどの電気機器を駆動する電力変換装置(インバータ等)などに用いられる。パワー半導体モジュール100は、ベース板1と、絶縁メタライズ基板2と、IGBTチップ(IGBT素子)3Aと、還流ダイオードチップ(還流ダイオード素子)3Bと、アルミワイヤ4,12と、主電極端子5A,5Bとを備える。
Referring to FIGS. 1 and 2,
ベース板1には、Cu,AlSiC,Cu−Moなどの材料が使用される。ベース板1の表面にはNiめっきが施され、その表面側(絶縁メタライズ基板2が搭載される側)にはレジストが塗布される。絶縁メタライズ基板2は、セラミック基板およびその両面に装着されたAl(またはCu)パターンからなる。絶縁メタライズ基板2の枚数はモジュールの規模に応じて定められ、たとえば複数枚用意される。
A material such as Cu, AlSiC, or Cu—Mo is used for the
IGBTチップ3Aはその裏面のコレクタ電極が絶縁メタライズ基板2の上にはんだ接合され、還流ダイオードチップ3Bはその裏面のカソード電極が絶縁メタライズ基板2の上にはんだ接合される。絶縁メタライズ基板2はベース板1に接合される。アルミワイヤ4はIGBTチップ3Aのエミッタ電極と還流ダイオードチップ3Bのアノード電極とを接続する。アルミワイヤ12は、IGBTチップ3Aのゲート電極に接続されるゲートワイヤである。主電極端子5A,5Bは、外部回路との間で主電流が流れる端子であり、主電極端子5AはIGBTチップ3Aのコレクタ電極に、主電極端子5BはIGBTチップ3Aのエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続される。主電極端子5A,5Bはその表面にNiめっきが施されたCu薄板からなり、絶縁メタライズ基板2上のパターンと接合される。
The collector electrode on the back surface of the
パワー半導体モジュール100は、さらに、制御回路基板6と、ケース7と、接続ピン8と、ゲートバランス抵抗10と、高周波損失素子11とを備える。制御回路基板6は多層プリント基板により構成され、IGBTチップ3Aのゲート電圧を制御するためにIGBTチップ3Aのゲート電極に接続されるゲート配線パターンが形成される。配線は接続ピン(端子)8を介して、絶縁メタライズ基板2の上のパターンと接合されるように構成される。ケース7(図2には示さず)は、ねじ、シリコンゴムによってベース板1に装着される。
The
パワー半導体モジュール100が搭載されるインバータでは、制御回路の信号に従ってパワー半導体モジュール100が動作する。よって、パワー半導体モジュール100はその信号の指令に従い、誤動作することなく正常に動作することが求められる。しかしながら、IGBTチップ3Aのターンオフ時にコレクタ・エミッタ間に発振が発生した場合、その電磁波がゲート信号にも影響を及ぼすことがある。この問題を防ぐために、図2に示すように、たとえば並列に接続された複数のIGBTチップの各々のゲート配線にゲートバランス抵抗10や高周波損失素子11を挿入して、ゲート信号に重畳するノイズを低減する方法が用いられることがある。 高周波損失素子11は、たとえばフェライトコアにより構成される。
In the inverter on which the
しかし、ゲートバランス抵抗等の挿入はスイッチング速度の低下を招き、結果としてスイッチング損失の増大に繋がる。また従来の技術では、パワー半導体モジュールを試作する前に発振の発生を予測することは困難である。 However, the insertion of a gate balance resistor or the like causes a decrease in switching speed, resulting in an increase in switching loss. Also, with the conventional technology, it is difficult to predict the occurrence of oscillation before the power semiconductor module is prototyped.
発明者は、高周波電位振動は主回路コレクタ−エミッタ配線で発生することを確認した。特開2001−185679号公報にも開示されているが、モジュールタイプの半導体装置ではIGBT素子のコレクタ側が絶縁基板上のパターンにはんだ付けされ、そのエミッタはワイヤボンドにより配線されているので、コレクタ−エミッタ配線間に高周波損失素子を挿入することは極めて困難である。 The inventor has confirmed that the high-frequency potential oscillation occurs in the main circuit collector-emitter wiring. As disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-185679, in the module type semiconductor device, the collector side of the IGBT element is soldered to the pattern on the insulating substrate, and the emitter is wired by wire bonding. It is extremely difficult to insert a high-frequency loss element between the emitter wirings.
ここで、パワー半導体モジュールがターンオフする際に生じる高周波電位振動の発生メカニズムに関しては、"Plasma extraction transit time oscillations in bipolar power devices"(Bernd Gutsmann 他2名、Solid-State Electronics 46 (2002) p.133-138)や、"Investigation on IGBT High-Frequency Plasma Extraction Transient Time Oscillation" (Shigeto Fujita 他3名、IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 24, No. 6 (2009) p.1570-1576)に記載されている。以下その概要について、バイポーラ半導体としてIGBTを例にとって図3を用いて説明する。 Here, regarding the generation mechanism of the high-frequency potential oscillation generated when the power semiconductor module is turned off, “Plasma extraction transit time oscillations in bipolar power devices” (Bernd Gutsmann et al., Solid-State Electronics 46 (2002) p.133). -138) and "Investigation on IGBT High-Frequency Plasma Extraction Transient Time Oscillation" (Shigeto Fujita and three others, IEEE Transaction on Power Electronics, Vol. 24, No. 6 (2009) p.1570-1576) ing. Hereinafter, the outline will be described with reference to FIG. 3 using an IGBT as an example of a bipolar semiconductor.
図3に示すように、IGBTチップ3Aのターンオフ時には、コレクタに印加される電圧に依存した厚み(W)を有する空乏層(空間電荷層)21がn-層20に形成される。
As shown in FIG. 3, when the
IGBTのゲート信号がオンになり、電流がコレクタからエミッタに流れるとp+層24からn-層20にホール(正孔)が注入される。ゲート信号がオフするとp+層24からn-層20へのホールの注入はなくなるが、n-層20にはホールが残る。n-層20の中で空乏化していない領域のうち、空乏層21に隣接しホールが残存する部分を残留プラズマ層ともよぶ。コレクタ−エミッタ間の電圧により、n-層20に残っていたホール25がエミッタ端子に移動する。この現象は、コレクタ−エミッタ間の電圧の上昇に応じて、空乏層が形成された後でもコレクタ電流が流れることである。この電流がIGBT素子のテイル電流である。
When the gate signal of the IGBT is turned on and a current flows from the collector to the emitter, holes (holes) are injected from the p +
テイル電流が生じる期間であるテイル期間において、テイル電流に寄与するホールに加えて、残留プラズマ層からホール25の束(ホールパケットとも呼ぶ)が電界により空乏層21内を走行することにより、IGBTチップ3Aは負性抵抗として動作する。負性抵抗は、バイポーラ半導体に特定の周波数をもつ高周波電圧が重畳したDC電圧が印加された場合に発生する。Gutsmann等は、IGBTにおける負性抵抗発生のメカニズムをBARITTダイオード(Barrier Injection Transit Time diode)発振と同様と考え、ホールのドリフト速度を一定速度とみなした上で、注入遅れ時間にホールの走行時間(空乏層の厚み(W)をホールのドリフト速度で割って得られる)を加え逆数を取ることで算出されるとしている。その算出された周波数と、パワー半導体モジュール内の配線により形成される共振回路の共振周波数とが一致するときに、パワー半導体モジュールが負性抵抗発振器として動作する。このモデルでは、注入遅れ時間の存在が負性抵抗すなわち利得の発生に必要不可欠である。
In a tail period in which a tail current is generated, in addition to holes contributing to the tail current, a bundle of holes 25 (also referred to as hole packets) from the residual plasma layer travels in the
また、Siemieniec等も"The Plasma Extraction Transit-Time Oscillation in Bipolar Power Devices--Mechanism, EMC Effects, and Prevention"(Ralf Siemieniec 他3名、IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 53, No. 2, p.369)において、ターンオフ発振の発生メカニズムはBARITTダイオード発振と同様と考え、ホールの束がBARITTダイオード発振の場合と同じく飽和速度で、等速で伝播するとしている。Siemieniec等によれば、共振回路の固有振動数fと空乏層をホールの束が伝播する時間が式(1)の関係にある場合にターンオフ発振が起こるとしている。 Siemieniec et al. "The Plasma Extraction Transit-Time Oscillation in Bipolar Power Devices-Mechanism, EMC Effects, and Prevention" (Ralf Siemieniec and three others, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 53, No. 2, p. 369), it is assumed that the generation mechanism of the turn-off oscillation is the same as that of the BARITT diode oscillation, and the bundle of holes propagates at the same speed and at the same saturation speed as in the case of the BARITT diode oscillation. According to Siemieniec et al., Turn-off oscillation occurs when the natural frequency f of the resonant circuit and the time for which the bundle of holes propagates through the depletion layer is in the relationship of equation (1).
f = 3vs / 4W …(1) f = 3v s / 4W ... ( 1)
ここで、Wは空乏層の長さ、vsはホールの飽和速度である。
なお、このモデルでは、電圧振動波形のピーク(位相がπ/2)のときに空乏層の一端にホールが注入され、空乏層を3/4サイクルの間に一定速度vsで伝播し、位相が2πのときに空乏層の他端に到達するとしている。また、注入遅れ時間は、位相0から位相π/2までの間の時間に相当するW/3vsであるとしている。
Here, W is the length of the depletion layer, and v s is the saturation rate of holes.
In this model, a hole at one end of the depletion layer at the time of the peak of the voltage oscillation waveform (phase [pi / 2) is injected, propagated at a constant velocity v s depletion layer between the 3/4 cycle phase It is assumed that the other end of the depletion layer is reached when is 2π. The injection delay time is assumed to be W / 3v s corresponding to the time between
発明者は、バイポーラパワー半導体とりわけIGBTのターンオフ発振に関して、実規模の模擬高電圧IGBT(HVIGBT)モジュールを用いたターンオフ発振の実験とシミュレーションを行い、ホールの束が飽和速度で伝播しているとすると、ターンオフ発振の周波数は実験結果と大きく異なることを見出した。そこで、発明者は模擬HVIGBTモジュールで発生したターンオフ発振のデバイスシミュレーションを行い、負性抵抗発生の様子を調べたところ、発振の起源は負性抵抗であり、負性抵抗がホールの伝播によって発生する点はPETT(Plasma Extraction Transit-Time)発振あるいはBARITTダイオードと共通するものの、これらとは異なりホールの伝播は等速度ではないことを見出した。そしてホールの束の伝播の様子と負性抵抗発生の起因となるホールの束により外部回路に誘導される電圧波形が、PETT発振あるいはBARITTダイオードのような矩形とはならず、発振の様子はPETT発振あるいはBARITTダイオードとは異なることを見出した。また発明者は、ホール注入遅れ時間は発振周波数とは関係しないことを見出し、更にIGBTチップがターンオフ発振する場合の発振周波数の簡便な算出方法を発案した。以下にこの算出方法について説明する。 The inventor conducted an experiment and simulation of turn-off oscillation using a real-scale simulated high-voltage IGBT (HIGBT) module with regard to bipolar power semiconductor, especially IGBT turn-off oscillation, and suppose that a bundle of holes propagates at a saturation speed. The frequency of turn-off oscillation was found to be significantly different from the experimental results. Therefore, the inventor conducted a device simulation of turn-off oscillation generated in the simulated HIGBT module and examined the state of negative resistance generation. The origin of oscillation was negative resistance, and negative resistance was generated by the propagation of holes. Although the point is in common with PETT (Plasma Extraction Transit-Time) oscillation or BARTIT diode, it has been found that the propagation of holes is not uniform at the same speed. The state of propagation of the bundle of holes and the voltage waveform induced in the external circuit by the bundle of holes causing the negative resistance are not rectangular as in the PETT oscillation or the BARITT diode. It has been found that it is different from an oscillation or BARITT diode. The inventor has also found that the hole injection delay time is not related to the oscillation frequency, and has proposed a simple calculation method of the oscillation frequency when the IGBT chip oscillates. This calculation method will be described below.
図4は、図1および図2に示した半導体パワーモジュールを簡略化したシミュレーションモデルであり、等価回路とチップ断面構造の概略の両方を示している。シミュレーションは、IGBTチップおよび還流ダイオードチップの断面構造に基づきそれらの動作を模擬するデバイスシミュレータと、半導体パワーモジュールの3次元構造に基づいた等価回路(IGBTチップおよび還流ダイオードチップの静電容量を含む)における時間変化を模擬する回路シミュレータを互いに連動させて行った。図3は図4のB−B’断面に対応する。図2には6つのIGBTチップ3Aと6つの還流ダイオードチップ3Bが搭載されたパワー半導体モジュールが示されているが、このシミュレーションモデルでは、1枚の絶縁メタライズ基板2の上の3つのIGBTチップ3Aと3つの還流ダイオードチップ3Bをそれぞれひとつにまとめて、2つのIGBTチップと2つの還流ダイオードチップとしている。IGBTチップ全体の容量はコレクタ・エミッタ間容量CCE、ゲート・コレクタ間容量CGC、ゲート・エミッタ間容量CGEで決まる。シミュレーションモデルでは、実際のIGBTチップと還流ダイオードチップの底面積を3倍にして、それぞれの静電容量を実験に用いたIGBTモジュールと合わせている。図4のインダクタンスLbus(=Lbus/2+Lbus/2)は左右のIGBTチップとダイオードが配置された絶縁メタライズ基板2を接続する主電極端子5と絶縁メタライズ基板2のパターンのインダクタンスの和である。インダクタンスLextは外部インダクタンスで、実験結果より算出した。IGBTチップとダイオードの静電容量とインダクタンスLbusは並列共振回路を構成する。この共振回路の固有振動数は80MHzである。シミュレーションモデルはゲートバランス抵抗10、高周波損失素子11を含んでいない。
FIG. 4 is a simulation model in which the semiconductor power module shown in FIGS. 1 and 2 is simplified, and shows both an equivalent circuit and an outline of a chip cross-sectional structure. The simulation is based on a cross-sectional structure of the IGBT chip and the free wheel diode chip, and a device simulator that simulates their operation, and an equivalent circuit based on the three-dimensional structure of the semiconductor power module (including the capacitance of the IGBT chip and free wheel diode chip). Circuit simulators simulating the time change in were linked to each other. FIG. 3 corresponds to the BB ′ cross section of FIG. FIG. 2 shows a power semiconductor module on which six
図5は、図4においてIGBT素子が発振する条件下でIGBT素子のコレクタ−エミッタ間電圧をシミュレータにより解析した結果を示す図である。ターンオフ発振のシミュレーションは、発振発生の起源であるIGBTチップ内部におけるホールの伝播を算出する必要がある。また、ターンオフ発振が高周波現象であるため、デバイスシミュレーションは高時間分解、高空間分解の計算が要求され、長時間を要する。なおデバイスシミュレータにはMedici(シノプシス社製ソフトウェア)を用いた。コレクタ電圧を1500Vとした。図5から、IGBT素子のターンオフ後に、コレクタ−エミッタ間電圧VCEに発振が重畳されていることが分かる。 発振周波数は共振周波数と同じ80MHzである。なお、実際のデバイスで観測されたターンオフ発振は75.6MHzでありほぼ一致している。 FIG. 5 is a diagram showing a result of analyzing the collector-emitter voltage of the IGBT element by a simulator under the condition that the IGBT element oscillates in FIG. In the simulation of turn-off oscillation, it is necessary to calculate the propagation of holes inside the IGBT chip, which is the origin of oscillation generation. In addition, since turn-off oscillation is a high-frequency phenomenon, device simulation requires calculation with high time resolution and high space resolution, and takes a long time. For the device simulator, Medici (software from Synopsys) was used. The collector voltage was 1500V. From Figure 5, after the turn-off of IGBT elements, the collector - it can be seen that the oscillation in the emitter voltage V CE is superimposed. The oscillation frequency is 80 MHz which is the same as the resonance frequency. Note that the turn-off oscillation observed in an actual device is 75.6 MHz, which is almost the same.
図6は図5における振動波形の拡大図である。図6における時刻12.690μsがほぼ位相0、時刻12.972μsがほぼ位相2πに対応する。
FIG. 6 is an enlarged view of the vibration waveform in FIG. In FIG. 6, time 12.690 μs corresponds to approximately
図7は図6の発振波形のピーク時(位相π/2)におけるIGBTチップの空乏層中の電界強度を示す。空乏層中の電界強度は、Si中のホールが飽和速度となる電界強度105V/cmより低いことが分かる。図7における横軸の深さは、図3に示す空乏層中の位置xに対応し、エミッタ側のp層(pベース層)とn-層20との境界を原点0にとり、コレクタ方向への距離を示すものである(以下の図8、図9、図10、図12、図13および関連する説明においても同様である)。
図8には、図7に示した電界強度をもとにデバイスシミュレーションで得られた空乏層中の位置とホール速度の関係を実線で示している。電界強度が高いほどホール速度は高くなるが、速度が高いほど有効質量が大きくなる等の理由でこれらは比例関係にはない。また、図8よりホールは飽和速度(およそ100km/s)には達していないことが分かる。
FIG. 7 shows the electric field strength in the depletion layer of the IGBT chip at the peak of the oscillation waveform of FIG. 6 (phase π / 2). It can be seen that the electric field strength in the depletion layer is lower than the electric field strength of 105 V / cm at which holes in Si reach the saturation speed. The depth of the horizontal axis in FIG. 7 corresponds to the position x in the depletion layer shown in FIG. 3, and the boundary between the emitter-side p layer (p base layer) and the n −
In FIG. 8, the relationship between the position in the depletion layer and the hole velocity obtained by device simulation based on the electric field strength shown in FIG. 7 is shown by a solid line. The higher the electric field strength, the higher the hole velocity. However, the higher the velocity, the larger the effective mass, and these are not proportional. Further, it can be seen from FIG. 8 that the hole does not reach the saturation speed (approximately 100 km / s).
図9に、図6に示した周期に対応する空乏層中のホール密度の時間変化のシミュレーション結果を示す。図9に示すようにシミュレーションではホールの束が空乏層を伝播する様子が観測される。図9の各時刻は図6に示した各時刻に対応している。図6と図9の比較より、この伝播は振動波形の周期と同じ周期で起こっていることが分かる。しかし、図9に見られるようにホールの束の拡散が大きいため、伝播の様子を正確には把握しにくい。すなわちホール密度の時間変化からは、ホールの束がどの瞬間に空乏層に注入され、どのような速度で空乏層を伝播し、いつ空乏層から出て行ったのかは明確ではない。よって、ホールの伝播時間とターンオフ発振の周波数の関係を得ることは容易ではなく、発振の周波数を予測することができない。発振は、共振回路の周波数がバイポーラ半導体素子によって決まる発振周波数と一致した場合に発生するが、バイポーラ半導体素子によって決まる発振周波数を容易に見積もる手段がなかったため、これらの周波数が一致しているか否かを判定できなかった。したがって、パワーモジュールがターンオフ発振を発生するか否かは、膨大な時間をかけてシミュレーションを行って高周波振動の有無を調べるか、実際にターンオフ実験を行って発振の発生の有無を確認する以外に方法がなかった。 FIG. 9 shows a simulation result of the time change of the hole density in the depletion layer corresponding to the period shown in FIG. As shown in FIG. 9, in the simulation, it is observed that a bundle of holes propagates through the depletion layer. Each time in FIG. 9 corresponds to each time shown in FIG. From comparison between FIG. 6 and FIG. 9, it can be seen that this propagation occurs in the same period as the period of the vibration waveform. However, as shown in FIG. 9, since the diffusion of the bundle of holes is large, it is difficult to accurately grasp the state of propagation. That is, from the time variation of the hole density, it is not clear at what moment a bundle of holes is injected into the depletion layer, propagates through the depletion layer, and when it leaves the depletion layer. Therefore, it is not easy to obtain the relationship between the hall propagation time and the turn-off oscillation frequency, and the oscillation frequency cannot be predicted. Oscillation occurs when the frequency of the resonant circuit matches the oscillation frequency determined by the bipolar semiconductor element, but there is no means for easily estimating the oscillation frequency determined by the bipolar semiconductor element, so whether these frequencies match. Could not be determined. Therefore, whether or not the power module generates turn-off oscillation can be determined by performing a simulation over a long period of time to check for the presence of high-frequency vibration, or by actually performing a turn-off experiment to check for the occurrence of oscillation. There was no way.
図10にシミュレーションから得られたホール電流密度の時間変化を示す(図10の各時刻は図6の時刻に対応している)。図11は、図10に示されたホール電流密度をRamo-Schottkyの式(W. T. Read ”A Proposed High-Frequency, Negative- Resistance Diode”, B.S.T.J., vol.37, p.401, 1958を参照)に適用して得られた、ホールの伝播により外部回路に誘導された電流密度の時間変化の計算結果である。図11では外部回路に誘導された電流密度の時間変化を図6で示した発振電圧波形と比較している。図11より、電流波形が電圧波形とほぼ逆位相になっていることから、IGBTが負性抵抗となっていることが分かる。 FIG. 10 shows the time variation of the hole current density obtained from the simulation (each time in FIG. 10 corresponds to the time in FIG. 6). FIG. 11 shows the Hall current density shown in FIG. 10 in the Ramo-Schottky equation (see WT Read “A Proposed High-Frequency, Negative-Resistance Diode”, BSTJ, vol. 37, p. 401, 1958). It is the calculation result of the time change of the current density induced | guided | derived to the external circuit by propagation of a hole obtained by applying. In FIG. 11, the time change of the current density induced in the external circuit is compared with the oscillation voltage waveform shown in FIG. From FIG. 11, it can be seen that the IGBT is a negative resistance because the current waveform is almost in phase with the voltage waveform.
図10に示したホール電流密度の時間変化からは、ホール電流密度のピークがコレクタ側からエミッタ側へ空乏層を伝播するような振舞をすることが分かる。図12にホール電流密度のピークが伝播する様子を示す。図12のデータは図10と同じであるが、各時刻におけるホール電流密度のピークに○印をつけることで、ホール電流密度のピークが伝搬する様子を分かりやすくしている。図6と図12から、ホール電流密度のピークは、VCEの位相がほぼ0のときに空乏層のコレクタ側付近に出現し、2πで空乏層のエミッタ側に到達していることが分かる。すなわち、ホール電流密度のピークが空乏層を伝播する時間は、ターンオフ発振であるVCEの振動波形の1周期の時間と一致している。 From the time change in the hole current density shown in FIG. 10, it can be seen that the peak of the hole current density behaves so as to propagate through the depletion layer from the collector side to the emitter side. FIG. 12 shows how the peak of the hole current density propagates. The data in FIG. 12 is the same as that in FIG. 10, but it is easy to understand how the peak of the hole current density propagates by marking the peak of the hole current density at each time. Figures 6 and 12, the peak of the hole current density, the phase of V CE is appearing about substantially the collector of the depletion layer at 0, it can be seen that reaching the emitter side of the depletion layer in the 2 [pi. That is, the time the peak of the hole current density propagate depletion is consistent with the time of one cycle of the vibration waveform of V CE is turned off oscillation.
図13は空乏層中の位置xにおけるホール電流密度のピークの伝播速度を黒点で示す。ホール電流密度のピークの伝播速度は、図12に示した各時刻間のホール電流密度のピークの移動距離を、それに対応する時間で割ることで求めることができる。図13では、空乏層中の位置とホール電流密度の伝播速度の関係を得るために、図10および図12で示したホール電流密度分布より細かい時間間隔の結果を用いてプロットしている。図13には、図7に示した空乏層中の位置とホール速度の関係を実線で示している。図13に示すように、ホール電流密度のピークの伝播速度(黒点)とホール速度(実線)はほぼ等しいことが分かった。 FIG. 13 shows the propagation speed of the peak of the hole current density at the position x in the depletion layer as a black dot. The propagation speed of the peak of the hole current density can be obtained by dividing the distance traveled by the peak of the hole current density between the times shown in FIG. 12 by the corresponding time. In FIG. 13, in order to obtain the relationship between the position in the depletion layer and the propagation speed of the hole current density, plotting is performed using the result of the time interval finer than the hole current density distribution shown in FIGS. In FIG. 13, the relationship between the position in the depletion layer shown in FIG. 7 and the hole velocity is shown by a solid line. As shown in FIG. 13, it was found that the propagation speed (black dot) of the peak of the hole current density and the hole speed (solid line) are substantially equal.
以上において、ホール電流密度のピークが空乏層を伝播する時間は、ターンオフ発振であるVCEの振動波形の1周期の時間と一致することを説明した。さらに図13のようにホール電流密度のピークの伝播速度が、ホール速度と一致することが分かった。そのため、伝播時間Tpはホール速度vh(x)を用いて式(2)のように求めることができる。 In the above, the time the peak of the hole current density propagates depletion has been described to be consistent with the time of one cycle of the vibration waveform of V CE is turned off oscillation. Further, as shown in FIG. 13, it was found that the propagation speed of the peak of the hole current density coincided with the hole speed. Therefore, the propagation time T p can be obtained as shown in Equation (2) using the hole velocity v h (x).
ここで、frは共振回路の固有振動数、L、Cはそれぞれ共振回路のインダクタンスとキャパシタンスである。また、vh(x)は空乏層中の位置xにおけるホール速度、Wは空乏層の長さ(厚さ)である。積分範囲は空乏層の生じる範囲に対応する。最右辺の積分はホールが空乏層を伝播するのにかかる時間を表す。以下では伝播時間Tpの逆数で表される周波数(1/Tp)を発振中心周波数ともよぶ。この周波数はIGBT素子の構造および印加電圧等の条件によりIGBT素子により決定される周波数である。
空乏層中の位置とホール速度との関係を求めるには、発振周期より十分細かい時間分解で発振現象をシミューレートする場合と比べて時間分解および空間分解が粗くても構わないため、シミュレーションで短時間に得ることができる。したがって、ホール電流密度の伝播速度をホール速度で代用すると、発振条件が成立するか否かを短時間で容易に判定することができる。
Here, fr is the natural frequency of the resonant circuit, and L and C are the inductance and capacitance of the resonant circuit, respectively. Further, v h (x) is the hole velocity at the position x in the depletion layer, and W is the length (thickness) of the depletion layer. The integration range corresponds to the range where the depletion layer occurs. The rightmost integral represents the time taken for the hole to propagate through the depletion layer. Hereinafter, the frequency (1 / T p ) represented by the reciprocal of the propagation time T p is also referred to as the oscillation center frequency. This frequency is a frequency determined by the IGBT element depending on conditions such as the structure of the IGBT element and the applied voltage.
In order to obtain the relationship between the position in the depletion layer and the hole velocity, the time resolution and spatial resolution may be coarser than in the case of simulating the oscillation phenomenon with time resolution sufficiently finer than the oscillation period. It can be obtained in a short time. Therefore, if the propagation speed of the Hall current density is substituted with the Hall speed, it can be easily determined in a short time whether or not the oscillation condition is satisfied.
図13に示したシミュレーションから得られる空乏層中の位置とホール速度の関係を利用し、ホールが空乏層を伝播する時間とパワーモジュール中の共振回路の固有振動の一波長に対応する時間(1/fr)が同じにならない、即ち、式(2)が成立しない半導体パワーモジュールとすることにより、ターンオフ発振が発生しない半導体パワーモジュールを容易に得ることができる。すなわち式(2)が成立しないようなLおよびCの値を持つ半導体パワーモジュールとすれば、ターンオフ発振が発生することがない。 Using the relationship between the position in the depletion layer and the hole velocity obtained from the simulation shown in FIG. 13, the time (1) corresponding to one wavelength of the natural vibration of the resonance circuit in the power module and the time for the hole to propagate through the depletion layer. / F r ) is not the same, that is, by using a semiconductor power module that does not hold the expression (2), a semiconductor power module that does not generate turn-off oscillation can be easily obtained. That is, if the semiconductor power module has values of L and C that do not hold Expression (2), turn-off oscillation does not occur.
配線長を調整するなどして、上記の式(2)が成立しないようなLおよびCの値を持つ半導体パワーモジュールとすることで、ターンオフ時に発振を起こさない半導体パワーモジュールを得ることができる。
ターンオフ発振は、IGBTチップに印加する正弦波電圧が負性抵抗により増幅されたものである。正弦波電圧は、IGBTモジュール内部の寄生共振回路が、半導体中の熱励起ノイズにより励起されることにより発生する。そのため、IGBTチップがターンオフ発振した場合の周波数と一致する固有振動数を持つ寄生共振回路をモジュール内部に存在しないようにすることにより、ターンオフ発振の抑制ができる。
A semiconductor power module that does not oscillate at the time of turn-off can be obtained by adjusting the wiring length to obtain a semiconductor power module having values of L and C that do not satisfy the above formula (2).
In the turn-off oscillation, a sine wave voltage applied to the IGBT chip is amplified by a negative resistance. The sinusoidal voltage is generated when a parasitic resonance circuit in the IGBT module is excited by thermal excitation noise in the semiconductor. Therefore, the turn-off oscillation can be suppressed by preventing the parasitic resonance circuit having the natural frequency that matches the frequency when the IGBT chip oscillates from turning off from being present in the module.
なお、先に負性抵抗は、ホールの伝播によるものであることを述べたが、図9に示されるようにホールは拡散している。そのため、式(2)で求めた発振中心周波数(1/Tp)から拡散範囲に対応する±10%程度の範囲で負性抵抗を示しうる。したがって寄生共振回路の周波数が、式(2)で表されるホールの伝播時間の逆数と完全に一致しなくても、デバイスが負性抵抗を示すある一定の周波数範囲、例えば±10%、であればターンオフ発振を起こしうる。したがって、式(2)が±10%の範囲で成立しないように判定して、LおよびCの値を設定することで、より確実にターンオフ発振が発生しない半導体モジュールを得ることができる。
なお、本例での共振回路は並列共振回路であったが、直列共振回路であっても発振が発生しうる。
Although it has been described above that the negative resistance is due to the propagation of holes, the holes are diffused as shown in FIG. Therefore, the negative resistance can be shown in a range of about ± 10% corresponding to the diffusion range from the oscillation center frequency (1 / T p ) obtained by the equation (2). Therefore, even if the frequency of the parasitic resonance circuit does not completely match the reciprocal of the propagation time of the hole expressed by the equation (2), the device has a certain frequency range in which negative resistance is exhibited, for example, ± 10%. If so, turn-off oscillation can occur. Therefore, it is possible to obtain a semiconductor module in which turn-off oscillation does not occur more reliably by determining that Equation (2) does not hold within the range of ± 10% and setting the values of L and C.
Although the resonance circuit in this example is a parallel resonance circuit, oscillation can occur even in a series resonance circuit.
図14は、本発明の実施の形態に従うパワー半導体モジュールの設計方法を実行するコンピュータの構成例を示す図である。図14を参照して、コンピュータ150には、マウス114と、キーボード116と、ディスプレイ118とが接続される。
FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of a computer that executes a method for designing a power semiconductor module according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 14, a
コンピュータ150は、それぞれバス120に接続された、CPU(Central Processing Unit)102と、オペレーティングシステムに送られたプログラムなどを記憶したROM(Read Only Memory)104と、実行されるプログラムをロードするための、およびプログラム実行中のデータを記憶するためのRAM(Random Access Memory)106と、ハードディスク(HDD)108とを備える。ハードディスク(HDD)108には、本設計方法を実行するためのソフトウェア(デバイスシミュレータ(デバイスシミュレーションプログラム)、電磁界解析ソフト(電磁界解析プログラム)、発振中心周波数算出プログラム、寄生容量成分抽出プログラム、等価回路モデル作成プログラム、共振周波数算出プログラム、周波数判定プログラム、設計パラメータ変更プログラム等)が格納される。
The
図15は、本発明の実施の形態のパワー半導体モジュールの設計方法を説明するフローチャートである。本実施の形態では、パワー半導体チップが搭載されたパワー半導体モジュールの共振周波数を抽出するとともに、その共振周波数とパワー半導体チップの発振中心周波数との関係を求めることにより発振を回避する。 FIG. 15 is a flowchart illustrating a method for designing a power semiconductor module according to the embodiment of the present invention. In the present embodiment, the resonance frequency of the power semiconductor module on which the power semiconductor chip is mounted is extracted, and oscillation is avoided by obtaining the relationship between the resonance frequency and the oscillation center frequency of the power semiconductor chip.
図15を参照して、ステップS1〜S3の処理によりパワー半導体チップの発振中心周波数および容量成分が抽出される。ステップS11〜S13の処理によってパワー半導体チップを搭載したパッケージ(図15では「PKG」と示す)のインピーダンスが抽出され、共振回路が算出される。 Referring to FIG. 15, the oscillation center frequency and the capacitance component of the power semiconductor chip are extracted by the processing of steps S1 to S3. The impedance of the package (indicated as “PKG” in FIG. 15) on which the power semiconductor chip is mounted is extracted by the processing in steps S11 to S13, and the resonance circuit is calculated.
ステップS1において、パワー半導体素子のチップ構造(チップを構成する各領域の大きさ、不純物濃度、配置等)が決定される。このチップ構造に基づきステップS2におけるデバイスシミュレーションを行う。パワー半導体素子のチップ構造の再設計を行う場合は、この決定されたチップ構造を初期パラメータとして、デバイスシミュレーションを行い、後のステップS6でOK判定となるまでチップ構造に関するパラメータを変更してステップS2以降を繰り返す。 In step S1, the chip structure of the power semiconductor element (size, impurity concentration, arrangement, etc. of each region constituting the chip) is determined. Based on this chip structure, device simulation in step S2 is performed. When redesigning the chip structure of the power semiconductor element, device simulation is performed using the determined chip structure as an initial parameter, and parameters related to the chip structure are changed until an OK determination is made in step S6. Repeat thereafter.
ステップS2は、ステップS2A〜S2Cを含む。ステップS2Aでは、コンピュータは、たとえば上述のMedici等のデバイスシミュレータを用いてパワー半導体チップのデバイスシミュレーションを実行する。ステップS2Bでは、シミュレーションによって正孔のドリフト速度の分布が抽出される。式(2)で示すようにパワー半導体素子の発振中心周波数1/Tpは、パワー半導体チップのターンオフ期間中にホールが空乏層内を走行する時間によって決定される。
Step S2 includes steps S2A to S2C. In step S2A, the computer executes device simulation of the power semiconductor chip using a device simulator such as the above-mentioned Medici. In step S2B, the hole drift velocity distribution is extracted by simulation. As shown in Expression (2), the
ステップS2Cでは、式(2)の関係に基づいて、発振中心周波数算出プログラムにより、パワー半導体チップのパワー半導体素子の発振中心周波数が算出される。 In step S2C, the oscillation center frequency of the power semiconductor element of the power semiconductor chip is calculated by the oscillation center frequency calculation program based on the relationship of Expression (2).
ステップS3において、デバイスシミュレーションの結果から寄生容量成分抽出プログラムによってパワー半導体素子の容量成分が抽出される。 In step S3, the capacitance component of the power semiconductor element is extracted from the device simulation result by the parasitic capacitance component extraction program.
一方、ステップS11においてパワー半導体モジュールのパッケージの構造が決定される。「パッケージの構造」とは、具体的には、たとえばベース板、アルミワイヤや絶縁メタライズ基板の構成、パワー半導体チップを外部配線と結線するための主電極の構造などである。この決定されたパッケージの構造を初期パラメータとしてステップS12の電磁界シミュレーションを行う。 On the other hand, in step S11, the package structure of the power semiconductor module is determined. The “package structure” specifically includes, for example, the structure of a base plate, an aluminum wire or an insulating metallized substrate, and the structure of a main electrode for connecting a power semiconductor chip to external wiring. The electromagnetic field simulation in step S12 is performed using the determined package structure as an initial parameter.
ステップS12では、ステップS11で求めたパッケージ構造に対して電磁界解析ソフト(たとえばアンシス社製Q3D Extractor)による電磁界シミュレーションを実行する。ステップS13では、ステップS12でのシミュレーションによって、主電極端子、ワイヤ、および絶縁メタライズ基板を含むパワー半導体モジュールのインピーダンスを抽出する。 In step S12, an electromagnetic field simulation using electromagnetic field analysis software (for example, Q3D Extractor manufactured by Ansys) is executed on the package structure obtained in step S11. In step S13, the impedance of the power semiconductor module including the main electrode terminal, the wire, and the insulating metallized substrate is extracted by the simulation in step S12.
ステップS4では、ステップS3において得られたパワー半導体チップの容量成分、およびステップS13において得られたインピーダンスを用いて等価回路モデル作成プログラムによって等価回路モデルが作成される。次にステップS5において、この等価回路モデルから共振周波数算出プログラムによって共振周波数が算出される。続いてステップS6では、周波数判定プログラムによって、共振周波数と発振中心周波数の比較および判定が行なわれる。ステップS6において共振周波数が発振中心周波数を含む所定の周波数範囲の内部に存在しないと判定されたことは、パワー半導体モジュールの設計が適切(OK)であること、すなわちIGBT素子のターンオフ時の電圧振動が発生しないことを意味する。 In step S4, an equivalent circuit model is created by an equivalent circuit model creation program using the capacitance component of the power semiconductor chip obtained in step S3 and the impedance obtained in step S13. Next, in step S5, the resonance frequency is calculated from the equivalent circuit model by the resonance frequency calculation program. Subsequently, in step S6, the resonance frequency and the oscillation center frequency are compared and determined by the frequency determination program. If it is determined in step S6 that the resonance frequency does not exist within the predetermined frequency range including the oscillation center frequency, the design of the power semiconductor module is appropriate (OK), that is, the voltage oscillation at the turn-off time of the IGBT element. Does not occur.
一方、ステップS6において、共振周波数が発振中心周波数を含む所定の周波数範囲の内部に存在すると判定されたことは、パワー半導体モジュールの設計が適切でない(NG)こと、すなわちIGBT素子のターンオフ時に電圧振動が発生することを意味する。 On the other hand, if it is determined in step S6 that the resonance frequency exists within a predetermined frequency range including the oscillation center frequency, the design of the power semiconductor module is not appropriate (NG), that is, voltage oscillation at the time of turn-off of the IGBT element. Means that
なお、上記の共振周波数と発振中心周波数の比較および判定において、共振周波数が、発振中心周波数と一致するか否かで判定することも可能である。しかし、IGBT素子は、式(2)で求めた発振中心周波数(1/Tp)から±10%程度の範囲で負性抵抗を示しうる。したがって、判定のための周波数範囲をもうけ、前記所定の周波数範囲を発振中心周波数の±10%(すなわち発振中心周波数の90%以上110%以下)として、ステップS6において共振周波数が発振中心周波数を基準に発振中心周波数の±10%の範囲の中にはないと判定されたときにパワー半導体モジュールの設計が適切である(OK)と判断し、共振周波数が発振中心周波数を基準に発振中心周波数の±10%の範囲内にあると判定されたときにパワー半導体モジュールの設計が適切でない(NG)と判断すると、より確実に発振を起こさないモジュールを設計することができるためより好ましい。
なお、判定のための周波数範囲を上記以外の範囲にとることもできる。発振周波数の±10%より広い範囲にとれば、発振に対するマージンをさらに広くとることになるため、さらに確実に発振を回避するモジュールを得ることができる。
In the comparison and determination between the resonance frequency and the oscillation center frequency, it is possible to determine whether or not the resonance frequency matches the oscillation center frequency. However, the IGBT element can exhibit a negative resistance within a range of about ± 10% from the oscillation center frequency (1 / T p ) obtained by Expression (2). Therefore, a frequency range for determination is provided, and the predetermined frequency range is set to ± 10% of the oscillation center frequency (that is, 90% to 110% of the oscillation center frequency), and the resonance frequency is based on the oscillation center frequency in step S6. When it is determined that the power semiconductor module is not within the range of ± 10% of the oscillation center frequency, it is determined that the design of the power semiconductor module is appropriate (OK), and the resonance frequency is determined based on the oscillation center frequency. If it is determined that the power semiconductor module is not properly designed (NG) when it is determined to be within the range of ± 10%, it is more preferable because a module that does not oscillate more reliably can be designed.
In addition, the frequency range for determination can also be taken as ranges other than the above. If the range is wider than ± 10% of the oscillation frequency, the margin for oscillation is further increased, so that a module that avoids oscillation more reliably can be obtained.
ステップS6においてコンピュータの周波数判定プログラムが、共振周波数と発振中心周波数の比較および判定を行う。上で説明した基準でOKと判断すれば全体の処理が終了し、パワー半導体モジュールの設計は終了する。
ステップS6において周波数判定プログラムがNGと判断すれば、コンピュータの設計パラメータ変更プログラムが、パッケージ構造に関する設計パラメータ(例えばアルミワイヤ、絶縁メタライズ基板およびその表面に形成された配線パターン、ならびに主電極の大きさ、長さ、配置等)を所定の値だけ変更してパッケージ構造を再設定する。そして、ステップS12から図15に示した順序で計算や回路成分抽出、等価回路モデル作成をやり直し、ステップS6において判定プログラムがOKと判断するまで設計パラメータを変更することを繰り返す。
なお、チップ構造についての設計や検討を行う場合には、ステップS6において周波数判定プログラムがNGと判断したとき、設計パラメータ変更プログラムが、チップ構造に関する設計パラメータを変更してステップS2から図15に示した順序でステップS6まで繰り返す。以上がコンピュータによるパワー半導体モジュール設計システムの動作である。
In step S6, the computer frequency determination program compares and determines the resonance frequency and the oscillation center frequency. If it is determined to be OK based on the criteria described above, the entire process is completed, and the design of the power semiconductor module is completed.
If the frequency determination program determines that the frequency determination program is NG in step S6, the computer design parameter change program determines the design parameters relating to the package structure (for example, the aluminum wire, the insulating metallized substrate and the wiring pattern formed on the surface thereof, and the size of the main electrode , Length, arrangement, etc.) are changed by a predetermined value to reset the package structure. Then, calculation, circuit component extraction, and equivalent circuit model creation are performed again from the step S12 in the order shown in FIG. 15, and the design parameters are repeatedly changed until the determination program determines OK in step S6.
When designing or examining the chip structure, when the frequency determination program determines NG in step S6, the design parameter change program changes the design parameter related to the chip structure from step S2 to FIG. Repeat until step S6. The above is the operation of the power semiconductor module design system by the computer.
なお、設計者がステップS6での判定結果に基づいてパワー半導体モジュールの設計を終了したり、パッケージ構造やチップ構造の再設計を行ったりすることも可能である。また設計者が、ステップS2Cで算出された発振中心周波数とステップS5で算出された共振周波数を人手で比較および判断することも可能である。設計者が再設計を行えば、ステップS12またはステップS2から図15に示した順序で再度計算等をやりなおして、ステップS6の判定を行う。 It is also possible for the designer to finish the design of the power semiconductor module based on the determination result in step S6, or to redesign the package structure or chip structure. It is also possible for the designer to manually compare and determine the oscillation center frequency calculated in step S2C and the resonance frequency calculated in step S5. If the designer redesigns, the calculation is performed again in the order shown in FIG. 15 from step S12 or step S2, and the determination of step S6 is made.
本実施の形態によれば、シミュレーション上で発振の有無を予測することができるため試作を行なわなくてもよい。よって設計効率の向上を図ることができる。また、発振を回避できるのでパワー半導体モジュールの低ノイズ化が可能となる。 According to the present embodiment, since it is possible to predict the presence or absence of oscillation on the simulation, it is not necessary to make a prototype. Therefore, the design efficiency can be improved. Further, since oscillation can be avoided, the noise of the power semiconductor module can be reduced.
本実施の形態によれば等価回路モデルを適宜変更することによってその共振周波数をシミュレーション上で変更することが可能になる。よって、ゲートに高周波損失素子や抵抗を挿入しなくてもパワー半導体モジュールの発振を回避できる。これによってパワー半導体のスイッチングの立ち上がり時間を長くせずに低損失化が可能となる。 According to the present embodiment, it is possible to change the resonance frequency on the simulation by appropriately changing the equivalent circuit model. Therefore, oscillation of the power semiconductor module can be avoided without inserting a high-frequency loss element or a resistor into the gate. As a result, the loss can be reduced without increasing the rise time of switching of the power semiconductor.
また、パワー半導体モジュールにおいて高周波損失素子や抵抗を搭載するために必要な領域を確保する必要がなくなるので、パワー半導体モジュールの小型化および低コスト化を実現できる。 In addition, since it is not necessary to secure a region necessary for mounting a high-frequency loss element and a resistor in the power semiconductor module, it is possible to reduce the size and cost of the power semiconductor module.
なお、本実施の形態においてパワー半導体素子はIGBT素子およびダイオードの例で説明した。IGBT素子はパワー半導体モジュールのインバータ回路またはコンバータ回路におけるスイッチング素子として用いられる。しかしIGBT素子でなくてもバイポーラ半導体素子であれば負性抵抗領域が存在し得る。したがって、IGBT素子以外のバイポーラ半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールであっても、半導体素子の容量成分と、パッケージのインピーダンスとからなる等価回路の共振周波数が、バイポーラ半導体素子の発振中心周波数と一致する場合、または発振中心周波数を含む所定の周波数範囲内にある場合には、発振が生じる可能性がある。本実施の形態をバイポーラ半導体素子を搭載した半導体モジュールの設計に適用することで発振を回避することができる。バイポーラ半導体素子としてP/N接合ダイオード等、バイポーラ半導体のスイッチング素子としてはバイポーラトランジスタ、サイリスタ等を挙げることができる。
互いに異なる構造または異なる特性を持つ複数のバイポーラ半導体素子をパワー半導体モジュールに搭載するときは、ステップS2においては異なる構造または異なる特性のバイポーラ素子それぞれについて発振中心周波数を算出し、ステップS6においてはいずれの発振中心周波数の近く(すなわち所定範囲内)にも共振周波数がない場合はOKの判定を行い、いずれかの中心周波数の近く(所定範囲内)に共振周波数がある場合はNGの判定を行う。
In the present embodiment, the power semiconductor element has been described as an example of an IGBT element and a diode. The IGBT element is used as a switching element in an inverter circuit or a converter circuit of a power semiconductor module. However, even if it is not an IGBT element, a negative resistance region can exist if it is a bipolar semiconductor element. Therefore, even in a power semiconductor module equipped with a bipolar semiconductor element other than an IGBT element, the resonance frequency of an equivalent circuit composed of the capacitance component of the semiconductor element and the impedance of the package matches the oscillation center frequency of the bipolar semiconductor element. In the case of or in a predetermined frequency range including the oscillation center frequency, oscillation may occur. Oscillation can be avoided by applying this embodiment to the design of a semiconductor module equipped with a bipolar semiconductor element. Examples of the bipolar semiconductor element include a P / N junction diode, and examples of the bipolar semiconductor switching element include a bipolar transistor and a thyristor.
When a plurality of bipolar semiconductor elements having different structures or different characteristics are mounted on the power semiconductor module, the oscillation center frequency is calculated for each of the bipolar elements having different structures or different characteristics in step S2, and any of the bipolar semiconductor elements in step S6 is determined in step S6. When there is no resonance frequency near the oscillation center frequency (that is, within a predetermined range), OK is determined, and when there is a resonance frequency near any center frequency (within the predetermined range), NG is determined.
本実施の形態における設計方法は、単数のパワー半導体チップが搭載されたパワー半導体モジュールと、複数のパワー半導体チップが搭載されたパワー半導体モジュールのいずれにも適用できることは言うまでもない。いずれのパワー半導体モジュールにおいても以上で説明した方法により、共振周波数を抽出し、その共振周波数とパワー半導体チップの負性抵抗領域との関係を求めることによって発振を回避することを可能にする。 It goes without saying that the design method in the present embodiment can be applied to both a power semiconductor module on which a single power semiconductor chip is mounted and a power semiconductor module on which a plurality of power semiconductor chips are mounted. In any power semiconductor module, it is possible to avoid oscillation by extracting the resonance frequency by the method described above and obtaining the relationship between the resonance frequency and the negative resistance region of the power semiconductor chip.
複数のパワー半導体素子が搭載されたパワー半導体モジュールにおいては、搭載するチップを外部配線と結線するための主電極端子(図2に示す主電極端子5)、アルミワイヤ(図2に示すアルミワイヤ4,12)および絶縁基板(図2に示す絶縁メタライズ基板2)のインピーダンスが複雑に存在するため多数の共振周波数が存在する。そのため、1つのパワー半導体素子が搭載されたパワー半導体モジュールよりも発振が生じやすくなるため大容量化が容易ではないという問題があった。
In a power semiconductor module on which a plurality of power semiconductor elements are mounted, a main electrode terminal (
しかし、シミュレーションによって共振周波数を変更できるので、パワー半導体モジュールの構造が複雑化しても、発振を防止するため個々のパワー半導体素子に対応する高周波損失素子や抵抗を搭載するために必要な領域を確保する必要がなくなる。したがって複数のパワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュールにおいては特に、パワー半導体モジュールの小型化および低コスト化を実現できる。さらには複雑化したモジュールにおいてもシミュレーションによって、マージンを確保しつつ発振を回避する設計が試作前に可能となり、パワー半導体モジュールの大容量化および安定動作化を容易に実現できる。 However, since the resonance frequency can be changed by simulation, even if the structure of the power semiconductor module is complicated, the area necessary for mounting the high-frequency loss element and resistance corresponding to each power semiconductor element is secured to prevent oscillation. There is no need to do it. Therefore, particularly in a power semiconductor module on which a plurality of power semiconductor elements are mounted, it is possible to realize a reduction in size and cost of the power semiconductor module. Furthermore, even for complicated modules, a design that avoids oscillation while ensuring a margin can be made by simulation, and a large capacity and stable operation of the power semiconductor module can be easily realized.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 ベース板、2 絶縁メタライズ基板、3A IGBTチップ、3B 還流ダイオードチップ、4,12アルミワイヤ、5A,5B 主電極端子、10 ゲートバランス抵抗、11 高周波損失素子、20 n-層、21 空乏層、24 p+層、25 正孔、100 パワー半導体モジュール、102 CPU、104 ROM、106 RAM、108 HDD、114 マウス、116 キーボード、118 ディスプレイ、120 バス、150 コンピュータ。 1 base plate, 2 insulating metallized substrate, 3A IGBT chip, 3B freewheeling diode chip, 4,12 aluminum wire, 5A, 5B main electrode terminal, 10 gate balance resistor, 11 high frequency loss element, 20 n-layer, 21 depletion layer, 24 p + layer, 25 holes, 100 power semiconductor module, 102 CPU, 104 ROM, 106 RAM, 108 HDD, 114 mouse, 116 keyboard, 118 display, 120 bus, 150 computer.
Claims (5)
前記バイポーラ型パワー半導体素子に生じる空乏層の厚みにわたりホール速度の逆数を積分することにより、前記バイポーラ型パワー半導体素子におけるホール伝播時間を算出するステップと、
前記パワー半導体モジュールの等価回路を作成するステップと、
前記等価回路の共振周波数を算出するステップと、
前記共振周波数が、前記ホール伝播時間の逆数で表される周波数を含む所定範囲内にあるか否かを判定するステップと、を備え、
前記所定範囲が、前記ホール伝播時間の逆数で表される周波数の90%以上110%以下の範囲であることを特徴とするパワー半導体モジュールの設計方法。 A method for designing a power semiconductor module equipped with a bipolar power semiconductor element,
Calculating the hole propagation time in the bipolar power semiconductor element by integrating the reciprocal of the hole velocity over the thickness of the depletion layer generated in the bipolar power semiconductor element;
Creating an equivalent circuit of the power semiconductor module;
Calculating a resonance frequency of the equivalent circuit;
Determining whether the resonance frequency is within a predetermined range including a frequency represented by a reciprocal of the Hall propagation time ,
The method for designing a power semiconductor module, wherein the predetermined range is a range of 90% to 110% of a frequency represented by a reciprocal of the hall propagation time .
前記パワー半導体モジュールは、前記複数のIGBT素子の各々に対応する還流ダイオードを備えたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールの設計方法。5. The power semiconductor module design method according to claim 1, wherein the power semiconductor module includes a free-wheeling diode corresponding to each of the plurality of IGBT elements. 6.
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