半導(dǎo)體模塊、上下臂成套件和三電平逆變器的制造方法
【專利摘要】不必開發(fā)新的封裝體而使用現(xiàn)有的封裝體,能夠提供低成本且寬額定電流和額定電壓的半導(dǎo)體模塊、上下臂成套件和三電平逆變器。使用現(xiàn)有的封裝體,形成上臂側(cè)的第一半導(dǎo)體模塊(100)和下臂側(cè)的第二半導(dǎo)體模塊(200),使用這些半導(dǎo)體模塊(100、200)構(gòu)成上下臂成套件(300)。進(jìn)而使用該上下臂成套件(300)構(gòu)成三電平逆變器(500)。能夠利用現(xiàn)有的封裝體(56)形成它們,因此能夠提供低成本且寬額定電流和額定電壓的半導(dǎo)體模塊(100、200)、上下臂成套件(300)和三電平逆變器(500)。
【專利說明】半導(dǎo)體模塊、上下臂成套件和三電平逆變器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體模塊、包括該半導(dǎo)體模塊的上下臂成套件和包括該上下臂成套件的三電平逆變器。
【背景技術(shù)】
[0002]圖13是利用現(xiàn)有技術(shù)的從直流轉(zhuǎn)換為交流的三電平逆變器的電路圖。
[0003]圖13中,圖中標(biāo)記51、52為串聯(lián)連接的直流電源,令正極電位為P,負(fù)極電位為N,中性點(diǎn)電位為M。由交流電源系統(tǒng)構(gòu)成直流電源51、52時(shí),能夠使用未圖示的二極管整流器、大電容的電解電容器等來構(gòu)成。
[0004]正極電位P與負(fù)極電位N之間,連接有三相的將二極管反向并聯(lián)連接的絕緣柵雙極晶體管(以下稱為IGBT)的串聯(lián)連接電路。即,U相用的串聯(lián)連接電路60由包括反向并聯(lián)連接有二極管Dl的IGBT (Tl)的上臂與包括反向并聯(lián)連接有二極管D2的IGBT (T2)的下臂的串聯(lián)連接電路構(gòu)成,V相用的串聯(lián)連接電路61由包括反向并聯(lián)連接有二極管D3的IGBT (T3)的上臂與包括反向并聯(lián)連接有二極管D4的IGBT (T4)的下臂的串聯(lián)連接電路構(gòu)成,W相用的串聯(lián)連接電路62由包括反向并聯(lián)連接有二極管D5的IGBT (T5)的上臂與包括反向并聯(lián)連接有二極管D6的IGBT (T6)的下臂的串聯(lián)連接電路構(gòu)成。
[0005]在各相的串聯(lián)連接電路的上臂和下臂的串聯(lián)連接點(diǎn)與直流中性點(diǎn)電位M之間連接有交流開關(guān),該交流開關(guān)反向串聯(lián)連接有IGBT,該IGBT反向并聯(lián)連接有二極管。S卩,在U相用的串聯(lián)連接電路60的串聯(lián)連接點(diǎn)與直流電源的中心點(diǎn)M之間,連接有包括反向并聯(lián)連接有二極管82的IGBT81的IGBT模塊63的發(fā)射極與包括反向并聯(lián)連接有二極管84的IGBT83的IGBT模塊64的發(fā)射極相連的結(jié)構(gòu)的交流開關(guān),在V相用的串聯(lián)連接電路61的串聯(lián)連接點(diǎn)與直流電源的中心點(diǎn)M之間,連接有包括反向并聯(lián)連接有二極管86的IGBT85的IGBT模塊65的發(fā)射極與包括反向并聯(lián)連接有二極管88的IGBT87的IGBT模塊66的發(fā)射極相連的結(jié)構(gòu)的交流開關(guān),在W相用的串聯(lián)連接電路62的串聯(lián)連接點(diǎn)與直流電源的中心點(diǎn)M之間,連接有包括反向并聯(lián)連接有二極管90的IGBT89的IGBT模塊67的發(fā)射極與包括反向并聯(lián)連接有二極管92的IGBT91的IGBT模塊68的發(fā)射極相連的結(jié)構(gòu)的交流開關(guān)。另夕卜,各串聯(lián)連接電路60、61、62的串聯(lián)連接點(diǎn)為交流輸出,分別經(jīng)由濾波器用電抗器71、72、73與負(fù)載74連接。
[0006]采用本電路結(jié)構(gòu),由此各串聯(lián)連接電路60、61、62的串聯(lián)連接點(diǎn)能夠輸出正極電位P、負(fù)極電位N和中性點(diǎn)電位M,因此成為三電平的逆變器輸出。圖14表示輸出電壓(Vout)波形例。相對(duì)于二電平形式的逆變器而言,特征在于輸出具有三個(gè)電壓電平的低次的高次諧波成分較少的交流電壓,能夠?qū)崿F(xiàn)濾波器用電抗器(輸出濾波器)71?73的小型化。
[0007]接著,利用圖15對(duì)專利文獻(xiàn)I所記載的現(xiàn)有技術(shù)的三電平逆變器進(jìn)行說明。
[0008]圖15是包含三電平逆變器的交流開關(guān)的上下臂一相的結(jié)構(gòu)圖,(a)是電路圖,(b)是半導(dǎo)體模塊的立體圖。[0009]圖15 (b)所示的半導(dǎo)體模塊40如圖15 (a)所示,收納有反向并聯(lián)有兩個(gè)反向截止IGBT54、55的交流開關(guān)53和兩個(gè)IGBT (Tl、T2)。
[0010]圖16是半導(dǎo)體模塊的示意截面圖。該半導(dǎo)體模塊40中,功率半導(dǎo)體芯片43(以圖15的標(biāo)記表示的Tl、T2、Dl、D2、54、55)安裝在散熱用金屬基底41上的絕緣基板42上,用于引出到外部的金屬端子44在封裝體45的上表面露出,封裝體45的內(nèi)部填充有樹脂46。
[0011]該半導(dǎo)體模塊40適用于電壓型的三電平逆變器。該半導(dǎo)體模塊40包括第一 IGBT(Tl)和第二 IGBT (T2),該第一 IGBT反向并聯(lián)連接有二極管D1,該第一 IGBT的集電極端子Cl與串聯(lián)連接電路60的正極端子(P端子)連接,該第二 IGBT反向并聯(lián)連接有二極管D2,該第二 IGBT的集電極與該第一 IGBT (Tl)的發(fā)射極連接,并且該第二 IGBT的發(fā)射極端子E2與串聯(lián)連接電路60的負(fù)極端子(N端子)連接。
[0012]另外,包括交流開關(guān)53,交流開關(guān)53包括集電極與第一 IGBT(Tl)的發(fā)射極連接的第一反向截止型IGBT54和與第一反向截止IGBT54反向并聯(lián)連接的第二反向截止IGBT55。
[0013]反向并聯(lián)有上述的二極管Dl的第一 IGBT (Tl)和第二 IGBT (T2)構(gòu)成串聯(lián)連接電路60,串聯(lián)連接電路60的正極端子(P端子)與第一 IGBT的集電極端子Cl連接,負(fù)極端子(N端子)與第二 IGBT (T2)的發(fā)射極端子E2連接。
[0014]上述的第一反向截止IGBT54和第二反向截止IGBT55構(gòu)成交流開關(guān)53。
[0015]另外,該交流開關(guān)53連接在第一 IGBT (Tl)的發(fā)射極和第二 IGBT (T2)的集電極的連接點(diǎn)E1C2與位于串聯(lián)連接電路的60的正極端子(P端子)與負(fù)極端子(N端子)之間的中間電位處的中間電位端子(M端子)之間。第一 IGBT (Tl)、第二 IGBT (T2)、第一反向截止IGBT54和第二反向截止IGBT55收納在一個(gè)封裝體45內(nèi)。
[0016]這樣,當(dāng)將一個(gè)上下臂收納于一個(gè)封裝體45并利用三個(gè)這種封裝體45來構(gòu)成三電平逆變器時(shí),外部配線得以簡(jiǎn)化。進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)三電平逆變器的配線阻抗的降低,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)裝置整體的小型化。
[0017]此處,反向截止IGBT是指具有與正向耐壓(正耐壓)同等的反向耐壓(反耐壓)的IGBT,由于正向耐壓與反向耐壓相等,有時(shí)也稱作對(duì)稱型IGBT。
[0018]另外,不具有反向耐壓的IGBT是指反向耐壓遠(yuǎn)低于正向耐壓的被稱作非對(duì)稱型IGBT的IGBT,其經(jīng)常將例如不施加反向耐壓的逆變器電路等與續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而使用。通常,只稱作IGBT時(shí),所指的是不具有該反向耐壓的IGBT。
[0019]另外,專利文獻(xiàn)2?4中公開了如下內(nèi)容:在所謂一組的半導(dǎo)體模塊中,準(zhǔn)備替換了發(fā)射極端子、集電極端子的引出位置的兩種模塊,將該兩種模塊并排配置,將相鄰的一個(gè)模塊的發(fā)射極端子與另一個(gè)模塊的集電極端子連接,由此構(gòu)成逆變器的一個(gè)上下臂。
[0020]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0021]專利文獻(xiàn)
[0022]專利文獻(xiàn)1:日本特開2008-193779號(hào)公報(bào)
[0023]專利文獻(xiàn)2:日本特開平3-108749號(hào)公報(bào)
[0024]專利文獻(xiàn)3:日本特開平3-65065號(hào)公報(bào)
[0025]專利文獻(xiàn)4:日本特開平9-9644號(hào)公報(bào)
【發(fā)明內(nèi)容】
[0026]發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0027]然而,當(dāng)利用上述圖15所示的半導(dǎo)體模塊制作三電平逆變器時(shí),模塊內(nèi)容納的IGBT、反向截止IGBT等半導(dǎo)體元件因三電平逆變器的容量而改變。即,為了增大容量,半導(dǎo)體元件的芯片尺寸要改變,或者要并聯(lián)連接IGBT、反向截止IGBT等。這樣,在準(zhǔn)備多種容量的三電平逆變器時(shí),需要根據(jù)所容納的IGBT、反向截止IGBT等半導(dǎo)體元件,重新開發(fā)出專用的半導(dǎo)體模塊的封裝體45。因此,為了適應(yīng)幾十A (安培)至幾千A的寬電流區(qū)域,需要新準(zhǔn)備幾個(gè)封裝體。另外,為了適應(yīng)幾百V (伏特)至一千幾百V的寬耐壓區(qū)域,需要新準(zhǔn)備幾個(gè)封裝體。
[0028]另外,在某些情況下,將上述的第一、第二 IGBT (Tl、T2)和第一、第二反向截止IGBT54、55用不同的封裝體56a、57 (參照?qǐng)D17、圖19)包裝而構(gòu)成三電平逆變器。
[0029]圖17是逆變器的上下臂一相的結(jié)構(gòu)圖,該圖(a)是電路圖,(b)是半導(dǎo)體模塊的主要部分平面圖。此處所示的例中,三個(gè)主要端子(E1C2、E2、C1)在封裝體56a的上表面配置為一排。
[0030]圖18是圖17的半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。I和II的E1C2在封裝體56a內(nèi)連接,配置在封裝體56a上的是I的E1C2。
[0031]圖19是反向并聯(lián)連接有反向截止IGBT的交流開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖,該圖(a)是電路圖,該圖(b)是交流開關(guān)的封裝體的平面圖。
[0032]將圖17和圖18所示的作為第一、第二 IGBT (T1、T2)的上下臂(串聯(lián)連接電路60)的半導(dǎo)體模塊47和利用圖19所示的第一、第二反向截止IGBT54、55的交流開關(guān)53組合而構(gòu)成圖15所示的三電平逆變器。此時(shí),圖17所示的半導(dǎo)體模塊47的封裝體為現(xiàn)有的封裝體56a,也就是收納有上臂的元件和下臂的元件的通常經(jīng)常使用的兩組封裝體。在該現(xiàn)有的封裝體56a上配置有三個(gè)主要端子(E1C2、Cl、E2)。
[0033]然而,圖19 (b)所示的交流開關(guān)53的封裝體57與圖17和圖18所示的半導(dǎo)體模塊47在內(nèi)部配線的電路結(jié)構(gòu)上不同,其為2個(gè)主端子(K端子、L端子),因此無法使用圖17(b)的封裝體56a。
[0034]因此,收納第一、第二反向截止IGBT54、55的封裝體57需要與額定電流和額定電壓一致地重新開發(fā)。
[0035]在制作三電平逆變器時(shí),使用圖15的半導(dǎo)體模塊40 (新的45封裝體)的情形和將圖17的半導(dǎo)體模塊47 (現(xiàn)有的封裝體56a)和圖19的交流開關(guān)53 (新的封裝體57)組合使用的情形均需要開發(fā)出新的封裝體。
[0036]另外,在專利文獻(xiàn)2?4中,未記載如下內(nèi)容:使用外部端子的位置相同的現(xiàn)有的封裝體,改變配置在內(nèi)部的半導(dǎo)體元件,由此封裝體的形狀相同地形成兩種模塊,使用這兩種模塊構(gòu)成三電平逆變器的一個(gè)上下臂。
[0037]本發(fā)明的目的在于解決上述的課題,不必開發(fā)新的封裝體,而使用現(xiàn)有的封裝體,能夠提供低成本且寬額定電流和額定電壓的半導(dǎo)體模塊、上下臂成套件和三電平逆變器。
[0038]用于解決問題的技術(shù)方案
[0039]為了實(shí)現(xiàn)上述目的,提供如下所示的半導(dǎo)體模塊。半導(dǎo)體模塊包括:將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第一開關(guān)元件;與上述第一開關(guān)元件串聯(lián)連接的具有反向耐壓的第一反向截止開關(guān)元件;收納有上述第一開關(guān)元件和上述第一反向截止開關(guān)元件的第一封裝體;配置在上述第一封裝體的上表面并與上述第一開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的高電位側(cè)端子(Cll);配置在上述第一封裝體的上表面的與上述第一反向截止開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的第一中間電位輔助端子(Mil);和配置在上述第一封裝體的上表面并與上述第一開關(guān)元件和上述第一反向截止開關(guān)元件連接的第一連接端子(Q11)。
[0040]另外,上述半導(dǎo)體模塊提供如下。上述第一開關(guān)元件是不具有反向耐壓的絕緣柵雙極晶體管,上述第一反向截止開關(guān)元件是具有反向耐壓的反向截止絕緣柵雙極晶體管,上述高電位側(cè)為集電極,上述低電位側(cè)為發(fā)射極。
[0041]為了實(shí)現(xiàn)上述目的,提供如下所示的半導(dǎo)體模塊。包括:具有反向耐壓的第二反向截止開關(guān)元件;與上述第二反向截止開關(guān)元件串聯(lián)連接并將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第二開關(guān)元件;收納有上述第二反向截止開關(guān)元件和上述第二開關(guān)元件的第二封裝體;配置在上述第二封裝體的上表面并與上述第二反向截止開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的第二中間電位輔助端子(M22);配置在上述第二封裝體的上表面并與上述第二開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的低電位側(cè)端子(E22);和配置在上述第二封裝體的上表面并與上述第二反向截止開關(guān)元件和上述第二開關(guān)元件連接的第二連接端子(Q22)。
[0042]另外,上述半導(dǎo)體模塊提供如下。上述第二開關(guān)元件是不具有反向耐壓的絕緣柵雙極晶體管,上述第二反向截止開關(guān)元件是具有反向耐壓的反向截止絕緣柵雙極晶體管,上述高電位側(cè)為集電極,上述低電位側(cè)為發(fā)射極。
[0043]為了實(shí)現(xiàn)上述目的,提供如下所示的上下臂成套件。上下臂成套件包括作為三電平逆變器的上臂側(cè)的第一半導(dǎo)體模塊和作為上述三電平逆變器的下臂側(cè)的第二半導(dǎo)體模塊這一對(duì)器件組,上述第一半導(dǎo)體模塊包括:將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第一開關(guān)元件;與上述第一開關(guān)元件串聯(lián)連接的具有反向耐壓的第一反向截止開關(guān)元件;收納有上述第一開關(guān)元件和上述第一反向截止開關(guān)元件的第一封裝體;配置在上述第一封裝體的上表面并與上述第一開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的高電位側(cè)端子(Cll);配置在上述第一封裝體的上表面的與上述第一反向截止開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的第一中間電位輔助端子(Mll);和配置在上述第一封裝體的上表面并與上述第一開關(guān)元件和上述第一反向截止開關(guān)元件連接的第一連接端子(Q11),上述第二半導(dǎo)體模塊包括:具有反向耐壓的第二反向截止開關(guān)元件;與上述第二反向截止開關(guān)元件串聯(lián)連接并將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第二開關(guān)元件;收納有上述第二反向截止開關(guān)元件和上述第二開關(guān)元件的第二封裝體;配置在上述第二封裝體的上表面并與上述第二反向截止開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的第二中間電位輔助端子(M22);配置在上述第二封裝體的上表面并與上述第二開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的低電位側(cè)端子(E22);和配置在上述第二封裝體的上表面并與上述第二反向截止開關(guān)元件和上述第二開關(guān)元件連接的第二連接端子(Q22)。
[0044]另外,提供并聯(lián)配置三個(gè)上述上下臂成套件的三電平逆變器。三電平逆變器中,上述第一半導(dǎo)體模塊的上述高電位側(cè)端子(Cll端子)彼此由第三連接導(dǎo)體連接,上述第二半導(dǎo)體模塊的低電位側(cè)端子(E22端子)彼此由第四連接導(dǎo)體連接,各上述第一半導(dǎo)體模塊的中間電位輔助端子(Mll)和各上述第二半導(dǎo)體模塊的中間電位輔助端子(M22)彼此由第五連接導(dǎo)體連接,上述第三連接導(dǎo)體和上述第五連接導(dǎo)體分別與第一直流電源的正極和負(fù)極連接,上述第五連接導(dǎo)體和上述第四連接導(dǎo)體分別與第二直流電源的正極和負(fù)極連接,各上述第一半導(dǎo)體模塊的第一連接端子(Qll)和各上述第二半導(dǎo)體模塊的第二連接端子(Q22)各自由第六連接導(dǎo)體連接,該三個(gè)第六連接導(dǎo)體為作為輸出端子的U端子、V端子、W端子。
[0045]另外,為了實(shí)現(xiàn)上述目的,提供如下所示的上下臂成套件。上下臂成套件包括第一半導(dǎo)體模塊和第二半導(dǎo)體模塊,上述第一半導(dǎo)體模塊包括:將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第一開關(guān)元件;與上述第一開關(guān)元件串聯(lián)連接的具有反向耐壓的第一反向截止開關(guān)元件;收納有上述第一開關(guān)元件和上述第一反向截止開關(guān)元件的第一封裝體;配置在上述第一封裝體的上表面并與上述第一開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的高電位側(cè)端子(Cll);配置在上述第一封裝體的上表面的與上述第一反向截止開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的第一中間電位輔助端子(Mll);和配置在上述第一封裝體的上表面并與上述第一開關(guān)元件和上述第一反向截止開關(guān)元件連接的第一連接端子(Q11),上述第二半導(dǎo)體模塊包括:具有反向耐壓的第二反向截止開關(guān)元件;與上述第二反向截止開關(guān)元件串聯(lián)連接并將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第二開關(guān)元件;收納有上述第二反向截止開關(guān)元件和上述第二開關(guān)元件的第二封裝體;配置在上述第二封裝體的上表面并與上述第二反向截止開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的第二中間電位輔助端子(M22);配置在上述第二封裝體的上表面并與上述第二開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的低電位側(cè)端子(E22);和配置在上述第二封裝體的上表面并與上述第二反向截止開關(guān)元件和上述第二開關(guān)元件連接的第二連接端子(Q22),上述第一連接端子(Qll端子)和上述第二連接端子(Q22端子)由第一連接導(dǎo)體連接,上述第一半導(dǎo)體模塊的中間電位輔助端子(Mil端子)和上述第二半導(dǎo)體模塊的中間電位輔助端子(M22端子)由第二連接導(dǎo)體連接。
[0046]另外,提供并聯(lián)配置三個(gè)上述上下臂成套件的三電平逆變器。三個(gè)三電平逆變器中,三個(gè)上述第一連接導(dǎo)體分別與作為三電平逆變器的輸出端子的U端子、V端子、W端子連接,上述第二連接導(dǎo)體彼此連接在一起作為中間電位端子(M端子),經(jīng)由第三連接導(dǎo)體(P端子)將上述第一半導(dǎo)體模塊的高電位側(cè)端子分別和第一直流電源的正極連接,該第一直流電源的負(fù)極與上述中間電位端子(M端子)連接,經(jīng)由第四連接導(dǎo)體(N端子)將上述第二半導(dǎo)體模塊的低電位側(cè)端子分別和第二直流電源的負(fù)極連接,該第二直流電源的正極與上述中間電位端子(M端子)連接。
[0047]發(fā)明效果
[0048]根據(jù)本發(fā)明,能夠使用現(xiàn)有的封裝體(三個(gè)主要端子),構(gòu)成半導(dǎo)體模塊、上下臂成套件和三電平逆變器,因此無需開發(fā)新的封裝體,就能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)效率的提高、封裝體部件的共用化,能夠減少成本。
[0049]另外,能夠使用各種現(xiàn)有的封裝體構(gòu)成電路結(jié)構(gòu),因此能夠提供寬額定電流和額定電壓的半導(dǎo)體模塊、上下臂成套件和三電平逆變器。
[0050]本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)通過表示作為本發(fā)明的例予以優(yōu)選的實(shí)施方式的結(jié)合附圖進(jìn)行的以下說明顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0051]圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)圖,Ca)是主要部分電路圖,(b)是主要部分平面圖。[0052]圖2是圖1的半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
[0053]圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)圖,Ca)是主要部分電路圖,(b)是主要部分平面圖。
[0054]圖4是圖3的半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
[0055]圖5是本發(fā)明的第三實(shí)施例的上下臂成套件的主要部分電路圖。
[0056]圖6是本發(fā)明的第三實(shí)施例的上下臂成套件的主要部分平面圖。
[0057]圖7是本發(fā)明的第四實(shí)施例的上下臂成套件的主要部分電路圖。
[0058]圖8是本發(fā)明的第四實(shí)施例的上下臂成套件的主要部分平面圖。
[0059]圖9是本發(fā)明的第五實(shí)施例的三電平逆變器的主要部分電路圖。
[0060]圖10是本發(fā)明的第五實(shí)施例的三電平逆變器的結(jié)構(gòu)圖的主要部分平面圖。
[0061]圖11是本發(fā)明的第六實(shí)施例的三電平逆變器的主要部分電路圖。
[0062]圖12是本發(fā)明的第六實(shí)施例的三電平逆變器的結(jié)構(gòu)圖的主要部分平面圖。
[0063]圖13是利用現(xiàn)有技術(shù)的由直流轉(zhuǎn)換為交流的三電平逆變器的電路圖。
[0064]圖14是三電平逆變器的輸出電壓(Vout)波形例的圖。
[0065]圖15是包含三電平逆變器的交流開關(guān)的上下臂一相的結(jié)構(gòu)圖,(a)是電路圖,(b)是半導(dǎo)體模塊的立體圖。
[0066]圖16是半導(dǎo)體模塊的示意截面圖。
[0067]圖17是逆變器的上下臂一相的結(jié)構(gòu)圖,(a)是電路圖,(b)是半導(dǎo)體模塊的主要部分平面圖。
[0068]圖18是圖17的半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
[0069]圖19是反向并聯(lián)連接有反向截止IGBT的交流開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖,Ca)是電路圖,(b)是交流開關(guān)的封裝體的平面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0070]通過以下的實(shí)施例說明實(shí)施方式。
[0071]〈實(shí)施例1>
[0072]圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)圖,該圖(a)是主要部分電路圖,該圖(b)是主要部分平面圖。圖2是圖1的半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖2中,所舉的例是如下配置:具有反向耐壓的第一反向截止IGBT5并聯(lián)連接有四個(gè),不具有反向耐壓的第
一IGBTl (通常使用的IGBT)并聯(lián)連接有四個(gè),四個(gè)FWD (續(xù)流二極管)2與各第一 IGBTl反向并聯(lián)。這與除去圖18的FWD (D2)的情形的配置相同。另外,I和II的Qll在封裝體56內(nèi)連接,配置在封裝體56上的是II的Q11,它是與圖17的E1C2對(duì)應(yīng)的端子。
[0073]另外,該第一半導(dǎo)體模塊100的特征在于,三電平逆變器的串聯(lián)連接電路的上臂的反向并聯(lián)有FWD2的不具有反向耐壓的第一 IGBTl和交流開關(guān)的一方的具有反向耐壓的第一反向截止IGBT5收納在與現(xiàn)有的封裝體56a相同的封裝體56中。
[0074]圖1中,第一半導(dǎo)體模塊100是將反向并聯(lián)連接有FWD2的第一 IGBTl與第一反向截止IGBT5串聯(lián)連接的結(jié)構(gòu),第一 IGBTl的發(fā)射極與第一反向截止IGBT5的集電極在連接點(diǎn)9a處連接。
[0075]在封裝體56上,配置有與第一 IGBTl的集電極連接的高電位側(cè)端子7(C11)、與第一反向截止IGBT5的發(fā)射極連接的第一中間電位輔助端子11 (MlI)、與第一 IGBTl的發(fā)射極和第一反向截止IGBT5的集電極的連接點(diǎn)9a連接的第一連接端子9 (Qll)0
[0076]另外,在封裝體56上,配置有第一 IGBTl和第一反向截止IGBT5各自的柵極端子G1、G2和輔助發(fā)射極端子E1、E2。上述的Qll是與圖17的E1C2對(duì)應(yīng)的端子。
[0077]上述的反向并聯(lián)連接有FWD2的第一 IGBTl是構(gòu)成三電平逆變器500 (參照?qǐng)D9、圖10)的上臂的元件,第一反向截止IGBT5是構(gòu)成交流開關(guān)15 (參照?qǐng)D9)的局部的元件。
[0078]圖1 (b)所示的封裝體56,包括各端子配置,均與現(xiàn)有的半導(dǎo)體模塊47的封裝體56a (參照?qǐng)D17 (b))相同。
[0079]這樣,圖1的半導(dǎo)體模塊100中使用的封裝體56能夠與圖17 (b)所示的現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體模塊47的現(xiàn)有的封裝體56a共用,因此,無需開發(fā)新的封裝體用于三電平逆變器500,能夠縮短第一半導(dǎo)體模塊100的開發(fā)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)低成本化。
[0080]另外,無需開發(fā)新的封裝體,而能夠容易提供寬額定電流和額定電壓的第一半導(dǎo)體模塊100。
[0081]〈實(shí)施例2>
[0082]圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)圖,該圖(a)是主要部分電路圖,該圖(b)是主要部分平面圖。圖4是圖3的半導(dǎo)體模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖4中,所舉的例是如下配置:具有反向耐壓的第二反向截止IGBT6并聯(lián)連接有四個(gè),不具有反向耐壓的第二 IGBT3 (通常使用的IGBT)并聯(lián)連接有四個(gè),四個(gè)FWD4與各通常的第二 IGBT3反向并聯(lián)。這與除去圖18的FWD (Dl)的情形的配置相同。另外,I和II的Q22在封裝體56內(nèi)連接,配置在封裝體56上的是I的Q22,它是與圖17的E1C2對(duì)應(yīng)的端子。
[0083]另外,該第二半導(dǎo)體模塊200的特征在于,三電平逆變器的串聯(lián)連接電路的下臂的反向并聯(lián)有FWD4的不具有反向耐壓的第二 IGBT3和交流開關(guān)的另一方的具有反向耐壓的第二反向截止IGBT6收納在與現(xiàn)有的封裝體56a相同的封裝體56中。
[0084]圖3中,第二半導(dǎo)體模塊200是將反向并聯(lián)連接有FWD4的第二 IGBT3與第二反向截止IGBT6串聯(lián)連接的結(jié)構(gòu),第二 IGBT3的集電極與第二反向截止IGBT6的發(fā)射極連接。
[0085]在第二半導(dǎo)體模塊200的封裝體56上,配置有與第二 IGBT3的發(fā)射極連接的低電位側(cè)端子8(E22)、與第二反向截止IGBT6的集電極連接的第二中間電位輔助端子12(M22)、與第二 IGBT3的集電極和第二反向截止IGBT6的發(fā)射極的連接點(diǎn)IOa連接的第二連接端子10 (Q22)、和第二 IGBT3和第二反向截止IGBT6各自的柵極端子G2和輔助發(fā)射極端子E2。
[0086]另外,在封裝體56上,配置有第二 IGBT3和第二反向截止IGBT6各自的柵極端子G3、G4和輔助發(fā)射極端子E3、E4。上述的Q22是與圖17的E1C2對(duì)應(yīng)的端子。
[0087]上述的反向并聯(lián)連接有FWD4的第二 IGBT3是構(gòu)成三電平逆變器500的下臂的元件,第二反向截止IGBT6是構(gòu)成交流開關(guān)15 (參照?qǐng)D9)的局部的元件。
[0088]圖3 (b)所示的封裝體56,包括各端子配置,均與串聯(lián)連接兩個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的IGBT芯片而收納的現(xiàn)有的半導(dǎo)體模塊47的封裝體56a (參照?qǐng)D17)相同。
[0089]這樣,圖3 (b)的半導(dǎo)體模塊200中使用的封裝體56能夠與圖17 (b)所示的現(xiàn)有技術(shù)的半導(dǎo)體模塊47的現(xiàn)有的封裝體56a共用,因此,無需開發(fā)新的封裝體用于三電平逆變器500,能夠縮短第二半導(dǎo)體模塊200的開發(fā)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)低成本化。
[0090]另外,無需開發(fā)新的封裝體,而能夠容易提供寬額定電流和額定電壓的第二半導(dǎo)體模塊200。
[0091]另外,圖中的G3、E3是第二反向截止IGBT6的柵極端子,發(fā)射極端子,G4、E4是第
二IGBT3的柵極端子、發(fā)射極端子。
[0092]<實(shí)施例3>
[0093]圖5和圖6是本發(fā)明的第三實(shí)施例的上下臂成套件,圖5是主要部分電路圖,圖6是主要部分平面圖。
[0094]該上下臂成套件300包括作為圖9和圖10所示的三電平逆變器500的上臂側(cè)的上述第一半導(dǎo)體模塊100和作為下臂側(cè)的第二半導(dǎo)體模塊200的一對(duì)器件組。
[0095]對(duì)使用未連接上下臂的圖5和圖6的上下臂成套件300構(gòu)成三電平逆變器500的一個(gè)上下臂的方法進(jìn)行說明。
[0096]上述第一半導(dǎo)體模塊100的第一連接端子9 (QlI)和第二半導(dǎo)體模塊200的第二連接端子10 (Q22)用虛線表示的第一連接導(dǎo)體13連接作為三電平逆變器500 (參照?qǐng)D9、圖10)的輸出端子,例如U端子。
[0097]上述第一半導(dǎo)體模塊100的第一中間電位輔助端子11 (Mll)和第二半導(dǎo)體模塊200的第二中間電位輔助端子12 (M22)用虛線表示的第二連接導(dǎo)體14連接作為三電平逆變器500的中間電位端子,M端子。
[0098]上述第一半導(dǎo)體模塊100的高電位側(cè)端子7 (Cll)與三電平逆變器500的未圖示的P端子連接,第二半導(dǎo)體模塊200的低電位側(cè)端子8 (E22)與三電平逆變器500的未圖示的N端子連接。
[0099]這樣,使用與現(xiàn)有的封裝體56a相同的封裝體56構(gòu)成該上下臂成套件300,因此能夠?qū)崿F(xiàn)上下臂成套件300的低成本化。另外,能夠容易提供寬額定電流和額定電壓的上下臂成套件300。
[0100]另外,上述上下臂成套件300包括未相互連接的第一半導(dǎo)體模塊100和第二半導(dǎo)體模塊200。
[0101]〈實(shí)施例4>
[0102]圖7和圖8是本發(fā)明的第四實(shí)施例的上下臂成套件,圖7是主要部分電路圖,圖8是主要部分平面圖。
[0103]圖7和圖8的上下臂成套件400與圖5和圖6的上下臂成套件300的不同之處在于,上臂側(cè)的第一半導(dǎo)體模塊100的Qll、Mll和下臂側(cè)的第二半導(dǎo)體模塊200的Q22、M22用第三連接導(dǎo)體16、第四連接導(dǎo)體17連接,從而使上下臂的半導(dǎo)體模塊100、200 —體化。
[0104]這種情況下,上下臂被一體化,因此使用方便。另外,能夠得到與第三實(shí)施例同樣的效果。
[0105]〈實(shí)施例5>
[0106]圖9和圖10是本發(fā)明的第五實(shí)施例的三電平逆變器的結(jié)構(gòu)圖,圖9是主要部分電路圖,圖10是主要部分平面圖。圖10中對(duì)圖9所示的第一、第二直流電源23、24未進(jìn)行圖
/Jn ο
[0107]三個(gè)上下臂成套件300 (圖5和圖6)各自的Q11、Q22用第一連接導(dǎo)體13連接,作為輸出端子,即U端子、V端子、W端子。
[0108]另外,三個(gè)上下臂成套件300各自的Mil、M22用第二連接導(dǎo)體14連接,作為中間電位端子,即M端子。這部分構(gòu)成圖9所示的三電平逆變器500的交流開關(guān)15。
[0109]另外,第一半導(dǎo)體模塊100的高電位側(cè)端子7(C11)分別用第五連接導(dǎo)體21連接,作為三電平逆變器500的P端子。
[0110]另外,第二半導(dǎo)體模塊200的高電位側(cè)端子8(E22)分別用第六連接導(dǎo)體22連接,作為三電平逆變器500的N端子。
[0111]第一直流電源23的正極和負(fù)極分別與三電平逆變器500的P端子和M端子連接,第二直流電源24的正極和負(fù)極分別與三電平逆變器500的M端子和N端子連接,由此構(gòu)成三電平逆變器500。另外,雖未圖示,但在某些情況下,通過在兩處設(shè)置作為中間電位端子的M端子,能夠減少與第一、第二直流電源23、24連接的配線阻抗。
[0112]這樣使用三個(gè)由一對(duì)的構(gòu)成上臂側(cè)的第一半導(dǎo)體模塊100和構(gòu)成下臂側(cè)的第二半導(dǎo)體模塊200構(gòu)成的上述的上下臂成套件300,制作三電平逆變器500,因此能夠?qū)崿F(xiàn)三電平逆變器500的低成本化。另外,能夠容易制作寬額定電流和額定電壓的三電平逆變器500。
[0113]〈實(shí)施例6>
[0114]圖11和圖12是本發(fā)明的第六實(shí)施例的三電平逆變器的結(jié)構(gòu)圖,圖11是主要部分電路圖,圖12是主要部分平面圖。圖12中對(duì)圖10所示的第一、第二直流電源23、24未進(jìn)行圖示。
[0115]該三電平逆變器600與圖9和圖10的三電平逆變器500不同之處在于,使用了上下臂成套件400,而不是上下臂成套件300。上下臂成套件400中,第一半導(dǎo)體模塊100和第二半導(dǎo)體模塊200由第三、第四連接導(dǎo)體16、17連接,因此將該第三、第四連接道題16、17與第7連接導(dǎo)體25、第八連接導(dǎo)體26分別在連接點(diǎn)18、19處連接,作為M端子、U端子、V端子、W端子。
[0116]第一直流電源23的正極和負(fù)極分別與三電平逆變器600的P端子和M端子連接,第二直流電源24的正極和負(fù)極分別與三電平逆變器600的M端子和N端子連接,由此構(gòu)成三電平逆變器600。另外,雖未圖示,但在某些情況下,通過在兩處設(shè)置作為中間電位端子的M端子,能夠減少與第一、第二直流電源23、24連接的配線阻抗。
[0117]該三電平逆變器600的情形中也能夠得到與上述的三電平逆變器500同樣的效
果O
[0118]另外,上述的第一實(shí)施例至第六實(shí)施例以IGBT為半導(dǎo)體元件的例子進(jìn)行了說明,但是也可以使用功率M0SFET。然而,內(nèi)置FWD的功率MOSFET的情形中,無需在外安裝FWD。另外,功率MOSFET沒有反向耐壓,因此用于與反向截止IGBT對(duì)應(yīng)的部位的功率MOSFET需
要與二極管串聯(lián)連接。
[0119]上述內(nèi)容僅僅是為了表示本發(fā)明的原理。
[0120]而且,對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說能夠作出各種變形、變更,本發(fā)明并不限于如上所述那樣示出和說明的準(zhǔn)確結(jié)構(gòu)和應(yīng)用例,對(duì)應(yīng)的所有變形例和等效物均視為由所附權(quán)利要求及其等效物限定的本發(fā)明的范圍。
[0121]符號(hào)說明
[0122]I 第一 IGBT
[0123]2、4 FffD[0124]3 第二 IGBT
[0125]5第一反向截止IGBT
[0126]6第二反向截止IGBT
[0127]7高電位側(cè)端子(Cl I)
[0128]8低電位側(cè)端子(E22)
[0129]9第一連接端子(QlI)
[0130]9a、10a、18、19 連接點(diǎn)
[0131]10第二連接端子(Q22)
[0132]11第一中間電位輔助端子(Ml I)
[0133]12第二中間電位輔助端子(M22)
[0134]13第一連接導(dǎo)體(輸出端子:U端子、V端子、N端子)
[0135]14第二連接導(dǎo)體(中間電位端子:M端子)
[0136]15交流開關(guān)
[0137]16第三連接導(dǎo)體
[0138]17第四連接導(dǎo)體
[0139]21第五連接導(dǎo)體(P端子)
[0140]22第六連接導(dǎo)體(N端子)
[0141]23第一直流電源
[0142]24第二直流電源
[0143]25第七連接導(dǎo)體(中間電位端子:M端子)
[0144]26第八連接導(dǎo)體(輸出端子:U端子、V端子、W端子)
[0145]56封裝體(與現(xiàn)有封裝體56a相同)
[0146]100第一半導(dǎo)體模塊
[0147]200第二半導(dǎo)體模塊
[0148]300、400上下臂成套件
[0149]500,600三電平逆變器
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體模塊,其特征在于,包括: 將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第一開關(guān)元件; 與所述第一開關(guān)元件串聯(lián)連接的具有反向耐壓的第一反向截止開關(guān)元件; 收納有所述第一開關(guān)元件和所述第一反向截止開關(guān)元件的第一封裝體; 配置在所述第一封裝體的上表面并與所述第一開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的高電位側(cè)端子(Cll); 配置在所述第一封裝體的上表面的與所述第一反向截止開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的第一中間電位輔助端子(Mll);和 配置在所述第一封裝體的上表面并與所述第一開關(guān)元件和所述第一反向截止開關(guān)元件連接的第一連接端子(Q11)。
2.—種半導(dǎo)體模塊,其特征在于,包括: 具有反向耐壓的第二反向截止開關(guān)元件; 與所述第二反向截止開關(guān)元件串聯(lián)連接并將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第二開關(guān)元件; 收納有所述第二反向截止開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件的第二封裝體; 配置在所述第二封裝體的上表面并與所`述第二反向截止開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的第二中間電位輔助端子(M22); 配置在所述第二封裝體的上表面并與所述第二開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的低電位側(cè)端子(E22);和 配置在所述第二封裝體的上表面并與所述第二反向截止開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件連接的第二連接端子(Q22 )。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體模塊,其特征在于: 所述第一開關(guān)元件是不具有反向耐壓的絕緣柵雙極晶體管, 所述第一反向截止開關(guān)元件是具有反向耐壓的反向截止絕緣柵雙極晶體管,所述高電位側(cè)為集電極,所述低電位側(cè)為發(fā)射極。
4.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體模塊,其特征在于: 所述第二開關(guān)元件是不具有反向耐壓的絕緣柵雙極晶體管, 所述第二反向截止開關(guān)元件是具有反向耐壓的反向截止絕緣柵雙極晶體管,所述高電位側(cè)為集電極,所述低電位側(cè)為發(fā)射極。
5.一種上下臂成套件,包括作為三電平逆變器的上臂側(cè)的第一半導(dǎo)體模塊和作為所述三電平逆變器的下臂側(cè)的第二半導(dǎo)體模塊這一對(duì)器件組,該上下臂成套件的特征在于: 所述第一半導(dǎo)體模塊包括: 將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第一開關(guān)元件; 與所述第一開關(guān)元件串聯(lián)連接的具有反向耐壓的第一反向截止開關(guān)元件; 收納有所述第一開關(guān)元件和所述第一反向截止開關(guān)元件的第一封裝體; 配置在所述第一封裝體的上表面并與所述第一開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的高電位側(cè)端子(Cll); 配置在所述第一封裝體的上表面的與所述第一反向截止開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的第一中間電位輔助端子(Mll);和配置在所述第一封裝體的上表面并與所述第一開關(guān)元件和所述第一反向截止開關(guān)元件連接的第一連接端子(Q11), 所述第二半導(dǎo)體模塊包括: 具有反向耐壓的第二反向截止開關(guān)元件; 與所述第二反向截止開關(guān)元件串聯(lián)連接并將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第二開關(guān)元件; 收納有所述第二反向截止開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件的第二封裝體; 配置在所述第二封裝體的上表面并與所述第二反向截止開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的第二中間電位輔助端子(M22); 配置在所述第二封裝體的上表面并與所述第二開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的低電位側(cè)端子(E22);和 配置在所述第二封裝體的上表面并與所述第二反向截止開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件連接的第二連接端子(Q22 )。
6.一種上下臂成套件,包括第一半導(dǎo)體模塊和第二半導(dǎo)體模塊,該上下臂成套件的特征在于: 所述第一半導(dǎo)體模塊包括: 將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第一開關(guān)元件; 與所述第一開關(guān)元件串聯(lián)連接的具有反向耐壓的第一反向截止開關(guān)元件; 收納有所述第一開關(guān)元件和所述第一反向截止開關(guān)元件的第一封裝體; 配置在所述第一封裝體的上表面并與所述第一開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的高電位側(cè)端子(Cll); 配置在所述第一封裝體的上表面的與所述第一反向截止開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的第一中間電位輔助端子(Mll);和 配置在所述第一封裝體的上表面并與所述第一開關(guān)元件和所述第一反向截止開關(guān)元件連接的第一連接端子(Q11), 所述第二半導(dǎo)體模塊包括: 具有反向耐壓的第二反向截止開關(guān)元件; 與所述第二反向截止開關(guān)元件串聯(lián)連接并將續(xù)流二極管反向并聯(lián)連接而成的不具有反向耐壓的第二開關(guān)元件; 收納有所述第二反向截止開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件的第二封裝體; 配置在所述第二封裝體的上表面并與所述第二反向截止開關(guān)元件的高電位側(cè)連接的第二中間電位輔助端子(M22); 配置在所述第二封裝體的上表面并與所述第二開關(guān)元件的低電位側(cè)連接的低電位側(cè)端子(E22);和 配置在所述第二封裝體的上表面并與所述第二反向截止開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件連接的第二連接端子(Q22 ), 所述第一連接端子(Qll端子)和所述第二連接端子(Q22端子)由第一連接導(dǎo)體連接,所述第一半導(dǎo)體模塊的中間電位輔助端子(MlI端子)和所述第二半導(dǎo)體模塊的中間電位輔助端子(M22端子)由第二連接導(dǎo)體連接。
7.一種三電平逆變器,其特征在于: 將權(quán)利要求5所述的上下臂成套件并聯(lián)配置三個(gè), 所述第一半導(dǎo)體模塊的所述高電位側(cè)端子(Cll端子)彼此由第三連接導(dǎo)體連接,所述第二半導(dǎo)體模塊的低電位側(cè)端子(E22端子)彼此由第四連接導(dǎo)體連接,各所述第一半導(dǎo)體模塊的中間電位輔助端子(Mll)和各所述第二半導(dǎo)體模塊的中間電位輔助端子(M22)彼此由第五連接導(dǎo)體連接,所述第三連接導(dǎo)體和所述第五連接導(dǎo)體分別與第一直流電源的正極和負(fù)極連接,所述第五連接導(dǎo)體和所述第四連接導(dǎo)體分別與第二直流電源的正極和負(fù)極連接,各所述第一半導(dǎo)體模塊的第一連接端子(Qll)和各所述第二半導(dǎo)體模塊的第二連接端子(Q22)各自由第六連接導(dǎo)體連接,該三個(gè)第六連接導(dǎo)體為作為輸出端子的U端子、V端子、W端子。
8.一種三電平逆變器,其特征在于: 將權(quán)利要求6所述的上下臂成套件并聯(lián)配置三個(gè), 三個(gè)所述第一連接導(dǎo)體分別與作為三電平逆變器的輸出端子的U端子、V端子、W端子連接,所述第二連接導(dǎo)體彼此連接在一起作為中間電位端子(M端子),經(jīng)由第三連接導(dǎo)體(P端子)將所述第一半導(dǎo)體模塊的高電位側(cè)端子分別和第一直流電源的正極連接,該第一直流電源的負(fù)極與所述中間電位端子(M端子)連接,經(jīng)由第四連接導(dǎo)體(N端子)將所述第二半導(dǎo)體模塊的低電位側(cè)端子分別和第二直流電源的負(fù)極連接,該第二直流電源的正極與所述中間電位端子(M端 子)連接。
【文檔編號(hào)】H02M7/00GK103597730SQ201280028073
【公開日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月10日
【發(fā)明者】小川省吾 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社