半导体模块、在半导体模块中使用的开关元件的选定方法以及开关元件的芯片设计方法技术

实现具备被互补地导通驱动或关断驱动的高压侧开关元件和低压侧开关元件的半导体模块的低损耗化，并且实现芯片尺寸的小型化和低廉化。半导体模块具备串联连接而被互补地导通驱动或关断驱动的高压侧开关元件和低压侧开关元件，并在低压侧开关元件的低电位侧和接地电位之间安装有过电流检测用的分流电阻而使用，所述半导体模块使用短路耐量比所述低压侧开关元件的短路耐量低的元件作为所述高压侧开关元件。优选地使用与所述低压侧开关元件相比导通损耗小或者芯片尺寸小的元件作为所述高压侧开关元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】半导体模块、在半导体模块中使用的开关元件的选定方法以及开关元件的芯片设计方法
本专利技术涉及半导体模块，用于半导体模块的开关元件的选定方法以及用于半导体模块的开关元件的芯片设计方法，该半导体模块具备串联连接而被互补地进行导通驱动或关断驱动的高压侧开关元件和低压侧开关元件，并在所述低压侧开关元件的低电位侧和接地电位之间安装过电流检测用的分流电阻而被使用。
技术介绍
作为驱动交流电机等负载的电力转换装置，已知有逆变器装置。这种逆变器装置(电力转换装置)基本上构成为具备功率MOS-FET、IGBT等开关元件和对该开关元件进行导通驱动或关断驱动的驱动电路。另外，为了实现逆变器装置的小型化，也进行将开关元件及其驱动电路与各种保护电路一起作为被称作所谓的IPM(智能功率模块)的半导体模块而进行封装。图5是表示现有的功率半导体装置(逆变器装置)10的一例的示意结构图，1表示作为智能功率模块(IPM)而进行封装的半导体模块。该半导体模块(IPM)1具备多组(3组)半桥电路，多组(3组)半桥电路由串联连接并且在电源端子P和接地端子N(U)、N(V)、N(W)之间并联设置的多个高压侧开关元件2u、2v、2w和低压侧开关元件3u、3v、3w构成。应予说明，这里表示了使用IGBT作为开关元件2u、2v、2w、3u、3v、3w的例子，但也可以使用功率MOS-FET。另外，在开关元件(IGBT)2u、2v、2w、3u、3v、3w分别反向并联连接有续流二极管4u、4v、4w、5u、5v、5w。并列形成3组半桥电路的高压侧开关元件2u、2v、2w和低压侧开关元件3u、3v、3w由高压侧驱动电路(HVIC)7u、7v、7w和低压侧驱动电路(LVIC)8以规定的相位、具体为错开120°的相位(U相、V相、W相)分别互补地进行导通驱动或关断驱动。并且半导体模块1从3组半桥电路的各中点输出驱动作为其负载的电机M的3相(U相、V相、W相)的交流电流。应予说明，3组半桥电路的各中点是指高压侧开关元件2u和低压侧开关元件3u的连接点、高压侧开关元件2v和低压侧开关元件3v的连接点、以及高压侧开关元件2w和低压侧开关元件3w的连接点。另外，在低压侧开关元件3u、3v、3w的低电位侧(IGBT的发射极侧)和接地电位GND之间，安装有过电流检测用的分流电阻Rs。半导体模块1中的低压侧驱动电路(LVIC)8具有过电流保护电路，该过电流保护电路在经由分流电阻Rs而检测到在开关元件(IGBT)2u、2v、2w、3u、3v、3w流通的过电流时，强制地关断这些开关元件(IGBT)2u、2v、2w、3u、3v、3w而执行过电流保护。这里低压侧驱动电路8将接地电位GND作为基准电位，将在半桥电路的各中点产生的电压Vs作为电源电压而动作。另外，高压侧驱动电路7u、7v、7w将在半桥电路的各中点产生的电压(中点电位)Vs作为基准电位，接受规定的电源电压Vcc而动作。并且高压侧驱动电路7u、7v、7w和低压侧驱动电路8根据从作为其上位控制器的微处理器单元(MPU)赋予的控制信号Uin、Vin、Win而对高压侧开关元件2u、2v、2w和低压侧开关元件3u、3v、3w分别互补地进行导通驱动或关断驱动。对于使用这样的结构的半导体模块(IPM)1和分流电阻Rs而实现的电力转换装置(逆变器装置)10，如在例如专利文献1等中进行详细介绍的。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2011-61896号公报
技术实现思路
技术问题但是，如上所述在半导体模块1中的低压侧开关元件3u、3v、3w的低电位侧(IGBT的发射极侧)连接有过电流检测用的分流电阻Rs。因此，在低压侧开关元件3u、3v、3w导通时，因其驱动电流Ic而在分流电阻Rs的两端产生电压。于是，不可否认因该电压，低压侧开关元件3u、3v、3w的栅极电压Vge降低，低压侧开关元件3u(3v、3w)的集电极-发射极间电压Vce升高。特别地，在例如高压侧开关元件2u(2v、2w)发生短路的情况下，如图6中例示的那样在低压侧开关元件3u(3v、3w)的导通时有过大的短路电流流通。但是经由分流电阻Rs检测该过大的短路电流而进行前述的过电流保护为止通常需要花费时间，有时会导致低压侧开关元件3u(3v、3w)的元件损坏。另外，图6是表示发生臂短路的情况下的低压侧开关元件3u(3v、3w)的电压和电流的时间性变化的一例。在该图中a表示输入电压Vin，b表示集电极-发射极间电压Vce，c表示集电极电流Ic。因此，在现有技术中，使用例如如图7所示构成的试验电路，在将高压侧开关元件2u(2v、2w)设定为导通的状态下使低压侧开关元件3u(3v、3w)导通或关断，测量低压侧开关元件3u(3v、3w)的导通时的集电极-发射极间电压Vce和短路时的驱动电流Ic。然后根据测量到的集电极-发射极间电压Vce、短路时的驱动电流Ic和短路时间，求出短路时产生的能量。并且基于求出的短路时的能量来求出低压侧开关元件3u(3v、3w)所需的短路耐量，选定满足该短路耐量的元件特性的IGBT(或者功率MOS-FET)作为低压侧开关元件3u(3v、3w)。另外，在开关元件2u、2v、2w、3u、3v、3w中的任意一个发生短路故障(臂短路)的情况下，如前述那样低压侧开关元件3u(3v、3w)的栅极电压被降低。因此，短路时的能量集中于低压侧开关元件3u(3v、3w)。因此，作为低压侧开关元件3u(3v、3w)，要求具有比高压侧开关元件2u(2v、2w)大的短路耐量。但是在现有技术中，主要只选定具有与低压侧开关元件3u、3v、3w相同的元件特性的IGBT(或者功率MOS-FET)作为高压侧开关元件2u、2v、2w而构建半导体模块1。换言之，不得不说高压侧开关元件2u、2v、2w的短路耐量是过剩的。于是，能够满足过剩的短路耐量的高压侧开关元件2u、2v、2w的导通电压变大，随之而来地产生其导通损耗变大的问题。并且，高压侧开关元件2u、2v、2w的短路耐量也与该高压侧开关元件2u、2v、2w的集电极-发射极间饱和电压Vce(sat)有关。因此，还产生需要选定芯片尺寸大的元件作为高压侧开关元件2u、2v、2w，来抑制其集电极-发射极间饱和电压Vce(sat)等问题。鉴于上述情况，本专利技术的目的在于，使具备被互补地导通驱动或关断驱动的高压侧开关元件和低压侧开关元件，并且在低压侧开关元件的低电位侧连接分流电阻而使用的半导体模块实现低损耗化，并且实现芯片尺寸的小型化和低廉化。技术方案为了实现上述目的，本专利技术的半导体模块构成为具备：高压侧开关元件和低压侧开关元件，串联连接而设置在电源端子和接地端子之间；续流二极管，分别与这些开关元件反向并联连接；以及高压侧驱动电路和低压侧驱动电路，对所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件互补地进行导通驱动或关断驱动，所述半导体模块在所述低压侧开关元件的低电位侧和接地电位之间设置过电流检测用的分流电阻而使用。特别地，本专利技术的半导体模块的特征在于，使用短路耐量比所述低压侧开关元件的短路耐量低的元件作为所述高压侧开关元件。另外，所述低压侧开关元件的短路耐量基于在所述高压侧开关元件导通的状态下所述低压侧开关元件进行导通时施加于该低压侧开关元件的能量而设定。另外，所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体模块，其特征在于，具备：高压侧开关元件和低压侧开关元件，串联连接而设置在电源端子和接地端子之间；续流二极管，分别与这些开关元件反向并联连接；以及高压侧驱动电路和低压侧驱动电路，对所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件互补地进行导通驱动或关断驱动，所述半导体模块在所述接地端子和接地电位之间安装有过电流检测用的分流电阻而使用，使用短路耐量比所述低压侧开关元件的短路耐量低的元件作为所述高压侧开关元件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.08.18 JP 2016-1603181.一种半导体模块，其特征在于，具备：高压侧开关元件和低压侧开关元件，串联连接而设置在电源端子和接地端子之间；续流二极管，分别与这些开关元件反向并联连接；以及高压侧驱动电路和低压侧驱动电路，对所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件互补地进行导通驱动或关断驱动，所述半导体模块在所述接地端子和接地电位之间安装有过电流检测用的分流电阻而使用，使用短路耐量比所述低压侧开关元件的短路耐量低的元件作为所述高压侧开关元件。2.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述低压侧开关元件的短路耐量基于在所述高压侧开关元件导通的状态下所述低压侧开关元件导通时施加于该低压侧开关元件的能量而设定，所述高压侧开关元件的短路耐量基于在所述低压侧开关元件导通的状态下所述高压侧开关元件导通时施加于该高压侧开关元件的能量而设定。3.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述高压侧开关元件的导通损耗小于所述低压侧开关元件的导通损耗。4.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述高压侧开关元件的芯片尺寸小于所述低压侧开关元件的芯片尺寸。5.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件分别由IGBT或者功率MOS-FET构成。6.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，所述高压侧驱动电路以将所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件串联连接而成的中点的电位作为基准电位，并接受规定的电源电压而动作，对所述高压侧开关元件进行导通驱动或关断驱动，所述低压侧驱动电路将所述接地端子的电位作为基准电位，并接受在所述中点产生的电压而对所述低压侧开关元件进行导通驱动或关断驱动。7.根据权利要求1所述的半导体模块，其特征在于，半桥电路以多组并联的方式设置在所述电源端子和接地端子之间，所述半桥电路包括串联连接的所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件，构成这些多个半桥电路的所述高压侧开关元件和所述低压侧开关元件由多个高压侧驱动电路和多个低压侧驱动电路以规定的相位差分别互补地进行导通驱动或...

【专利技术属性】
技术研发人员：东展弘，
申请(专利权)人：富士电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP