JP4830173B2 - Semiconductor switching device - Google Patents
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Description
この発明は、半導体素子を用いてスイッチング動作を行なう半導体スイッチング装置に関し、特に、半導体素子が複数個並列に配置される半導体スイッチング装置の出力ノイズ低減のための構成に関する。 The present invention relates to a semiconductor switching device that performs a switching operation using a semiconductor element, and more particularly to a configuration for reducing output noise of a semiconductor switching device in which a plurality of semiconductor elements are arranged in parallel.
電力制御を行なう電力変換機器においては、高速のオン・オフ制御が可能な半導体スイッチが利用される。特に、高速動作が求められる場合、このスイッチング素子として電界効果トランジスタ(FET)が利用される。電力変換機器の大容量化に伴って処理する電流量が増大し、半導体スイッチング素子を並列に接続して配置することが必要となる。このような並列にスイッチング素子を並列に配置する場合、素子配置の非対称性および素子特性の差に起因して、スイッチング素子間をループ状に流れるループ電流が発生するなどの不具合が生じる。このような並列に配置される素子における特性等の差に起因する問題に対処するために、種々の対策が提案されている。 In power conversion equipment that performs power control, a semiconductor switch capable of high-speed on / off control is used. In particular, when high-speed operation is required, a field effect transistor (FET) is used as the switching element. As the capacity of power conversion equipment increases, the amount of current to be processed increases, and it is necessary to connect semiconductor switching elements in parallel. When switching elements are arranged in parallel in this way, problems such as generation of a loop current flowing in a loop between the switching elements occur due to the asymmetry of the element arrangement and the difference in element characteristics. Various countermeasures have been proposed in order to cope with problems caused by such differences in characteristics and the like in elements arranged in parallel.
特許文献1(特開平10−080132号公報)は、複数の並列に配置されるIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)のゲート電位を、抵抗素子を介して制御するとともに、各エミッタ端子とドライバ回路との間に抵抗素子を配置する。ゲート抵抗により、短絡事故発生時におけるゲート−エミッタ間電圧が上昇するのを抑制することを図る。また、エミッタ抵抗を各IGBTに接続することにより、短絡事故発生時におけるスイッチング素子に振動電流が発生するのを防止することを図る。 Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 10-080132) controls the gate potential of a plurality of IGBTs (insulated gate type bipolar transistors) arranged in parallel through a resistance element, and also provides each emitter terminal and driver circuit. A resistive element is disposed between the two. The gate resistance is intended to suppress an increase in the gate-emitter voltage when a short circuit accident occurs. Further, by connecting an emitter resistor to each IGBT, it is intended to prevent generation of an oscillating current in the switching element at the time of occurrence of a short circuit accident.
特許文献1は、さらに、エミッタ抵抗と並列にショットキバリアダイオードを配置し、このダイオードによりターンオフ時に配線インダクタンス等に起因してエミッタ抵抗を介して流れる電流を高速で吸収することを図る。
In
特許文献2(特開平09−289442号公報)は、IGBTが並列に接続される電力変換装置において、これらのIGBTの特性の非対称に起因する主電流のアンバランスを回避することを図る構成を開示する。この特許文献2においては、IGBTを、主エミッタおよび電流センスエミッタのマルチエミッタ構造とする。電流センスエミッタに抵抗を接続し、このエミッタ抵抗両端の電圧を各IGBT素子間で比較する。その比較結果に従ってIGBTのゲート電位を制御して、各IGBTを流れる電流をバランスさせることを図る。
半導体スイッチング素子が並列に設けられる構成においては、スイッチングされる電流が流れる経路(主電流経路)に対し並列に半導体スイッチング素子が接続される。電源または出力端子からの主電流が半導体スイッチング素子を介して出力端子または電源へと流れる。いま、説明を簡単にするために、半導体スイッチング素子において、各スイッチング素子の主電流流入端および主電流流出端が、それぞれ、第1および第2の配線パターンに電気的に接続され、また、各スイッチング素子の主電流流出端が、ゲート駆動回路に共通に接続される構成を考える。 In the configuration in which the semiconductor switching elements are provided in parallel, the semiconductor switching elements are connected in parallel to the path (main current path) through which the current to be switched flows. A main current from the power supply or output terminal flows to the output terminal or power supply via the semiconductor switching element. For simplicity of explanation, in the semiconductor switching element, the main current inflow end and the main current outflow end of each switching element are electrically connected to the first and second wiring patterns, respectively. Consider a configuration in which the main current outflow ends of the switching elements are commonly connected to the gate drive circuit.
主電流が流れると、第2の配線パターンにおいては一方方向に電流が流れるため、第2の配線パターンによるインダクタンスにより、各半導体スイッチング素子の主電流流出端の電位に差が生じる。各半導体スイッチング素子において配線インダクタンスの差によりこのような電位差が生じた場合、第2の配線パターンに対する半導体スイッチング素子の配線およびゲート駆動回路に対する配線を介して、半導体スイッチング素子間をループ状に電流が流れる。このようなループ電流が発生した場合、新たな電磁放射源となり周辺機器に対するノイズ源となり、誤動作の原因となる。また、ゲート駆動回路の配線に過電流が流れ、配線劣化などの問題が生じる。 When the main current flows, a current flows in one direction in the second wiring pattern, so that a difference occurs in the potential at the main current outflow end of each semiconductor switching element due to the inductance of the second wiring pattern. When such a potential difference occurs due to a difference in wiring inductance in each semiconductor switching element, a current is looped between the semiconductor switching elements via the wiring of the semiconductor switching element with respect to the second wiring pattern and the wiring with respect to the gate drive circuit. Flowing. When such a loop current occurs, it becomes a new electromagnetic radiation source and a noise source for peripheral devices, which causes malfunction. Also, overcurrent flows through the wiring of the gate drive circuit, causing problems such as wiring deterioration.
前述の特許文献1においては、各半導体スイッチング素子にエミッタ抵抗を設けることにより、このようなループ状の電流が生じるのを抑制することを図る。抵抗素子は、比較的占有面積が大きく、1つのモジュール内に複数の半導体スイッチング素子が配置される場合、効率的に抵抗素子を配置することが、そのモジュールサイズの低減の観点から要求される。また、抵抗素子を実際に配置する場合、抵抗をスイッチング素子の配置に影響を及ぼすことなく配置することが要求される。この場合、抵抗素子を基板上の空き領域に配置し、また、抵抗に対する配線を基板上で引き回すなどの対策が考えられる。しかしながら、この場合、配線インダクタンスが増大するという問題が生じる。すなわち、抵抗の配置および抵抗に対する配線の配置を考慮しないと、配線のインダクタンスによる回路インダクタンスの増大、主電流回路との間のカップリングによるノイズの発生およびスイッチング速度の低下などの問題が生じる。
In the above-mentioned
しかしながら、この特許文献1においては、各IGBTのゲートおよびエミッタそれぞれに、抵抗素子を接続する電気的等価回路が示されているだけであり、どのようにゲート抵抗およびエミッタ抵抗を実装配置するかについては何ら考慮されていない。
However, this
特許文献2においても、各マルチエミッタ型IGBTの電流センスエミッタにセンス抵抗を設けているものの、ゲート抵抗およびエミッタ抵抗をどのように効率的に物理的に配置するかについては何ら考慮されていない。
Also in
それゆえ、この発明の目的は、占有面積を増大させることなく、確実にループ電流の発生を抑制して、高速でスイッチング動作を行なう半導体スイッチング装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor switching device that performs high-speed switching operation while reliably suppressing the generation of loop current without increasing the occupied area.
この発明に係る半導体スイッチング装置は、各々が、制御電極に印加される制御信号に従ってオンおよびオフが制御される複数の半導体スイッチング素子が並列に配置される基板と、半導体スイッチング素子の制御電極およびゲート駆動回路の間ならびに半導体スイッチング素子の第1電極とゲート駆動回路の間にそれぞれ接続される複数のゲート抵抗および複数のソース抵抗とを有する。これらのゲート抵抗およびソース抵抗は、複数の半導体スイッチング素子の各制御電極をゲート駆動回路に電気的に接続するための中継となる接続基板の表面および裏面の対向する位置に配置される。 A semiconductor switching device according to the present invention includes a substrate on which a plurality of semiconductor switching elements, each of which is controlled to be turned on and off in accordance with a control signal applied to the control electrode, are arranged in parallel, and the control electrode and gate of the semiconductor switching element A plurality of gate resistors and a plurality of source resistors are connected between the drive circuits and between the first electrode of the semiconductor switching element and the gate drive circuit. These gate resistances and source resistances are arranged at opposing positions on the front surface and back surface of the connection substrate serving as a relay for electrically connecting the control electrodes of the plurality of semiconductor switching elements to the gate drive circuit.
半導体スイッチング素子の第1電極とゲート駆動回路との間に抵抗が配置され、ループ電流が流れる経路の電流振幅を小さくすることができる。また、このループ電流振幅低減により、ループ回路のインダクタンスとループ抵抗とで決定される減衰時間も、大幅に改善することができる。従って、並列接続される複数の半導体スイッチング素子間の配線インダクタンスの差などの電流経路の非対称により起因するループ電流を、飛躍的に改善することができ、応じて、低ノイズレベルでスイッチング素子を高速にオン/オフ動作させることができる。 A resistor is disposed between the first electrode of the semiconductor switching element and the gate drive circuit, and the current amplitude of the path through which the loop current flows can be reduced. Further, the attenuation time determined by the inductance of the loop circuit and the loop resistance can be greatly improved by the reduction of the loop current amplitude. Therefore, it is possible to dramatically improve the loop current caused by the asymmetry of the current path such as the difference in wiring inductance between a plurality of semiconductor switching elements connected in parallel. Can be turned on / off.
また、ゲート抵抗および第1電極抵抗を、それぞれ接続基板の表面および裏面に配置しており、半導体スイッチング素子が実装配置される基板面積の増大を、抑制することができる。また、接続基板の表面および裏面に抵抗素子を配置することにより、これらの抵抗素子の配置面積を十分に確保することができる。 In addition, the gate resistance and the first electrode resistance are respectively disposed on the front surface and the back surface of the connection substrate, and an increase in the substrate area on which the semiconductor switching element is mounted can be suppressed. Further, by arranging the resistance elements on the front surface and the back surface of the connection substrate, it is possible to sufficiently secure the arrangement area of these resistance elements.
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1に従う半導体スイッチング装置のスイッチング素子の配置を概略的に示す図である。図1において、主電流経路を構成する配線パターン1および2の間に、MOSFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)で構成される半導体スイッチング素子3および4が並列に配置される。配線パターン1および2は、スイッチング素子3および4が実装される基板上の配線パターンで形成される。
[Embodiment 1]
1 schematically shows an arrangement of switching elements of the semiconductor switching device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. In FIG. 1,
半導体スイッチング素子3および4は、表面にゲート電極(制御電極)Gとソース電極(第1電極)Sが形成され、裏面にドレイン電極が形成される縦型構造を有する。この半導体スイッチング素子3および4のドレイン電極が、図示しないダイボンドにより、配線パターン1に固着されて電気的に接続される。
The
半導体スイッチング素子3および4は、また、それぞれ、ソース電極配線10aおよび10bを介して配線パターン2に電気的に接続される。ソース電極配線10aおよび10bは、ワイヤボンドにより形成されるボンディングワイヤである。
これらのスイッチング素子3および4のゲート電極Gは、それぞれ、ゲート抵抗7おび8を介してゲート駆動回路9に結合される。半導体スイッチング素子3および4のソース電極Sが、それぞれ、ソース抵抗12および11を介してゲート駆動回路9に電気的に接続される。このゲート駆動回路9は、パルス状の電圧を発生し、これらの半導体スイッチング素子3および4のゲート電極Gおよびソース電極Sの間の電位差を制御して、これらの半導体スイッチング素子3および4のオン/オフを制御する。
Gate electrodes G of
次に動作について説明する。ゲート駆動回路9からのパルス電圧により、半導体スイッチング素子3および4がオン状態となる。応じて、これらの半導体スイッチング素子3および4ならびにソース電極配線10aおよび10bを介して、配線パターン1から配線パターン2へ電流5が流れる。
Next, the operation will be described. The
半導体スイッチング素子3は、ソース電極Sが、ソース電極配線10aを介して配線パターン2に電気的に接続される。半導体スイッチング素子4は、ソース電極Sが、ソース電極配線10bを介して配線パターン2に電気的に接続される。これらの半導体スイッチング素子3および4を介して流れる電流5は、配線パターン2上の点Cにおいて合流する。
In the
図1に示されているように、半導体スイッチング素子3を通過する主電流においてソース電極SからC点までの距離と半導体スイッチング素子4を通過する主電流においてソース電極Sから点までの距離とが、互いに異なる。配線パターン2においては、寄生インダクタンスが存在する。このため、半導体スイッチング素子3のソース電極からC点のインダクタンスおよび半導体スイッチング素子4のソース電極からC点のインダクタンスは、一致しない。したがって、これらの半導体スイッチング素子3および4がスイッチング動作を行なう場合、電流変化率di/dtにより、これらの半導体スイッチング素子3および4のソース電極Sの間に電位差が発生する。
As shown in FIG. 1, the distance from the source electrode S to the point C in the main current passing through the semiconductor switching
主電流5は、図1に示すように半導体スイッチング素子3から半導体スイッチング素子4の方向に流れるため、半導体スイッチング素子3のソース電極Sの方が半導体スイッチング素子4のソース電極よりも電位が高くなる。従って、図1において矢印で示すように、半導体スイッチング素子3からソース電極配線10a、配線パターン2、ソース電極配線10b、および半導体スイッチング素子4を介して電流6が流れる。この場合、半導体スイッチング素子3および4のソース電極Sは、それぞれ、ソース抵抗12および11により接続されている。したがって、ソース抵抗11および12の電流制限機能により、このループ電流6が抑制され、スイッチング動作時のソース電流が振動するのを抑制することができる。
Since the main current 5 flows in the direction from the
また、このループ電流が流れる経路において、ループ電流6の時定数は、このループ電流6が流れる経路のインダクタンスLとソース抵抗11および12の抵抗値Rsとにより決定される(L/R(2・Rs))。ループ電流6は、時定数に従って低減されるため、この抵抗値Rsを適切な値に設定することにより、ループ電流6は急激に減衰する。これにより、高速でスイッチング動作を行なうことができる。
In the path through which the loop current flows, the time constant of the loop current 6 is determined by the inductance L of the path through which the loop current 6 flows and the resistance value Rs of the
また、ゲート抵抗7および8については、半導体スイッチング素子3のスイッチング時間を最適化するため設けられ、これらのゲート抵抗7および8の抵抗値Rgは、スイッチング損失の低減およびゲート電圧の振動するスイッチング時間の遅れ等を考慮してその値が調整される。
The gate resistors 7 and 8 are provided to optimize the switching time of the
また、図1においては、主電流は、配線パターン1から半導体スイッチング素子3および4を介して配線パターン2に向かって流れている。主電流が流れる方向が逆の場合、すなわち、配線パターン2から配線パターン1に向かって主電流が流れる場合においても、同様の効果を得ることができる。
In FIG. 1, the main current flows from the
さらに、半導体スイッチング素子の数は、2に限定されず、さらに多くのスイッチング素子が設けられても良い。駆動する電流値に応じて半導体スイッチング素子の数が決定される。 Furthermore, the number of semiconductor switching elements is not limited to two, and more switching elements may be provided. The number of semiconductor switching elements is determined according to the current value to be driven.
図2は、この発明の実施の形態1に従う半導体スイッチング装置のスイッチング素子の基板上の配置を概略的に示す平面図である。図2において、基板17上に、MOSFETで構成される半導体スイッチング素子18と電流転流用のフリーホイールダイオードとして機能するショットキバリアダイオード(SBD)19が、配線パターン1上に並列に配置される。図2においては、4つの半導体スイッチング素子(MOSFET)18と、3つのショットキバリアダイオード(SBD)19が配置される構成が一例として示される。この半導体装置は、1in1モジュール構成を一例として有し、同一動作を行う半導体スイッチング素子18およびショットキーバリアダイオード19により、1つのモジュールが構成される。
FIG. 2 is a plan view schematically showing an arrangement on the substrate of the switching element of the semiconductor switching device according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, a
配線パターン1は、その端部において外部に対する接続のための端子13に接続され、また配線パターン2も、同様、端子13と対向する端部において外部接続のための端子16に接続される。これらの接続端子13および16は、外部の負荷または電源との接続に用いられ、接続先は、この半導体スイッチング装置が用いられる回路内の位置に応じて、適宜決定される。たとえば、この半導体スイッチング装置がモータ駆動回路に利用される場合、この半導体スイッチング装置が、上側アームに接続されるか下側アームに接続されるかに応じて、これらの接続端子13および16の接続先が決定される。
The
この半導体スイッチング素子(MOSFET、以下単にMOSFETと称す)18に対向して、ゲート電極配線パターン14gとソース電極配線パターン14sが、交互に1列に整列して配置される。これらの電極配線パターン14gおよび14sは、同じ長さを有し、それぞれ対応のMOSFETのゲート電極Gおよびソース電極Sとボンディングワイヤ(図2において直線で示す)により電気的に接続される。MOSFET18のソース電極Sは、また、ボンディングワイヤにより、直線的に延在する配線パターン2に電気的に接続される。
The gate
ゲートパッド14に対応して外部のゲート駆動回路との電気的接続を取るための接続ピン15が配置される。接続ピン15は、接続配線の一部を構成し、後に説明する接続基板に電気的に接続される。
Corresponding to the
ショットキバリアダイオード(SBD)19は、カソード電極が、配線パターン1に電気的に接続され、アノード電極が、配線パターン2に、同様、ボンディングワイヤにより電気的に接続される。
The Schottky barrier diode (SBD) 19 has a cathode electrode electrically connected to the
半導体スイッチング素子18としては、一例として、外寸が1辺4mmの正方形形状のスイッチング素子を用いており、これらは、たとえば2mm間隔で配置される。図2に示すように、ゲート電極配線パターン14gおよびソース電極配線パターン14sを、低インダクタンス化のために平行に形成した場合、このゲート電極配線パターン14gとソース電極配線パターン14sの間の間隔として2mm確保する場合、1mm間隔でゲート電極配線パターン14gおよびソース電極配線パターン14sが形成される。
As an example of the
なお、以下の説明において、これらの電極配線パターン14gおよび14sを、まとめて参照する場合には、「ゲートパッド」という用語を用い、参照番号として「14」を用いる。
In the following description, when these
図3は、図2に示す構成の正面図である。図3において、基板17の両側に接続端子13および16が配設される。これらの接続端子13および16に近接して、ショットキバリアダイオード19が設けられる。これらのショットキバリアダイオード19の間に、MOSFET18が設けられる。MOSFET18に対応して、接続ピン15が設けられる。この接続ピン15は、図2に示すように、各ゲート電極配線パターン14gおよびソース電極配線パターン14sそれぞれに対応して設けられる。
FIG. 3 is a front view of the configuration shown in FIG. In FIG. 3,
図2および図3に示すように、基板17上には、半導体スイッチング素子を構成するMOSFET18と電流転流用のショットキバリアダイオード19が設けられているだけである。ゲート抵抗およびソース抵抗は設けられない。
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the
図4は、基板17上に配列される半導体スイッチング素子をゲート駆動回路に接続するための中継用の接続基板の正面図である。図4においては、半導体スイッチング素子が配置される基板17の正面図も併せて示す。図4において基板17の構成要素については、図3に示す構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付して、その詳細説明は省略する。
FIG. 4 is a front view of a relay connection board for connecting the semiconductor switching elements arranged on the
接続基板29においては、両側に、半導体スイッチング素子18により構成されるモジュールと外部とを接続するための接続金具20rおよび20lが設けられる。これらの取付金具20rおよび20lは、窪み構造を有しており、基板17に形成される接続端子13および16が、取付金具20rおよび20lに係合される。
In the
接続基板29中央部において、基板17上に配置される接続ピン15との電気的接続を取るためのソケット21が設けられる。接続基板29の表面に、ソケット21に対向して、ゲート駆動回路との電気的接続を取るためのコネクタ22が設けられる。
In the central portion of the
接続基板29の表面側に、ソケット21の各ピンに対応してゲート抵抗23が設けられる。接続基板29の裏面に、ゲート抵抗23とほぼ同じ位置に対向してソース抵抗24が配置される。
A
図4に示すように、ゲート抵抗23およびソース抵抗24を、接続基板29の表面および裏面にそれぞれ配置することにより、ゲート抵抗23およびソース抵抗24を、十分余裕を持って配置することができる。また、これらのゲート抵抗23およびソース抵抗24は、基板17上に半導体スイッチング素子と同一基板上に配置する必要がなく、基板17の面積を低減することができ、応じてモジュールのサイズの増大を抑制することができる。また、抵抗素子とスイッチング素子とが別の基板に設けられるため、ゲート抵抗およびソース抵抗を、MOSFET18の配置に何ら影響を及ぼすことなく配置することができる。
As shown in FIG. 4, by arranging the
図5は、接続基板29表面の配線パターンを示す図である。図5において、この接続基板29の両側に、取付金具20lおよび20rが配置される。この取付金具20lおよび20rの端部に貫通孔が設けられ、図3および4に示す接続端子13および16が結合される。
FIG. 5 is a diagram showing a wiring pattern on the surface of the
この接続基板29において中央部に、ゲート抵抗23が平行に所定の間隔で配置される。これらのゲート抵抗23は、それぞれの一方端が、配線パターン31および30を介してコネクタ22に接続され、それぞれの他方端が、配線パターン32を介してソケット21のピン端子のホール21hに結合される。配線パターン31は、ゲート抵抗23それぞれに対応して直線状に設けられ、配線パターン30は、配線パターン31に共通に電気的に接続され、配線パターン31をコネクタ22に電気的に接続する。
In the
ゲート電極用ピンおよびソース電極用ピンが、ゲート電極配線パターンおよびソース電極配線パターンに対応して交互に配置されるため、配線パターン32は、ソケット21のピン21hにおいて1つ置きのピンに接続される。
Since the gate electrode pins and the source electrode pins are alternately arranged corresponding to the gate electrode wiring pattern and the source electrode wiring pattern, the
図6は、接続基板29の裏面の配線パターンを示す図である。図6において、取付金具20lおよび20rの間に、ソース抵抗24が互いに平行に、ほぼゲート抵抗23と同じピッチで配置される。このソース抵抗24各々に対し、直線状の配線パターン36が形成され、これらの配線パターン36が共通に、直線的に延在する配線パターン35に電気的に接続され、この配線パターン35が、コネクタ22に、接続用のホールを介して接続される。
FIG. 6 is a diagram illustrating a wiring pattern on the back surface of the
ソース抵抗24の他方端は、またソケット21のピン21hに対し、直線的に延びる配線パターン37により電気的に接続される。このソース抵抗用の配線パターン37は、それぞれ、このソケットピン21hの1つ置きのピンに電気的に接続される。
The other end of the
ゲート抵抗23およびソース抵抗24は、接続基板29のほぼ対応する位置に配置され、ほぼ同一形状および同一ピッチの配線パターンにより、対応のソケットのピン21hに電気的に接続される。
The
これらの図5および図6に示すように、接続基板29の表面および裏面にゲート抵抗23およびソース抵抗24を配置することにより、これらのゲート抵抗23およびソース抵抗24として、寸法上の制約を大幅に緩和して低インダクタンスの抵抗(幅の広い抵抗)を十分余裕を持って配置することができる。また、接続基板29の表面および裏面を、その抵抗23および24に対する配線配置領域として利用することにより、ゲート抵抗とソース抵抗に対する配線を平行に配置する平行平板型の配線が可能となる。すなわち、直線的に延在する配線パターンをこれらの抵抗に対して配置することができ、配線長を低減することができ、配線インダクタンスを低減することができ、高速駆動を実現することができる。
As shown in FIGS. 5 and 6, by arranging the
本実施の形態1においては、ゲート抵抗23およびソース抵抗24の抵抗値は、たとえば1Ωである。半導体スイッチング素子のサイズが数mm角で、これらのスイッチング素子の間隔が数mmの場合(本実施の形態において素子サイズは、一辺が4.5mmの正方形であり、間隔が2mmである)、ループ電流経路の配線の寄生インダクタンスは、10nH程度となる。ループ電流が流れる際の減衰時間は、インダクタンス/抵抗値で決定されるため、この実施の形態1の構成に従えば、10ns程度で、ループ電流が減衰することが予想される。通常のスイッチング時間は、数十ns程度であり、その減衰時間は十分短く、その影響は小さいといえる。
In the first embodiment, the resistance values of the
以上のように、この発明の実施の形態1に従えば、並列に接続される半導体スイッチング素子のソース電極に対しそれぞれ抵抗素子を接続して共通にゲート駆動回路に接続している。このように、スイッチング動作時のスイッチング素子間を流れるループ電流を抑制し、また、その減衰時間を低減することができ、高速のスイッチングを実現することができる。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, the resistance elements are connected to the source electrodes of the semiconductor switching elements connected in parallel, and are commonly connected to the gate drive circuit. Thus, the loop current flowing between the switching elements during the switching operation can be suppressed, the decay time can be reduced, and high-speed switching can be realized.
また、半導体スイッチング素子が実装される基板ではなく、ゲート駆動回路との接続のための接続基板に、ゲート抵抗およびソース抵抗を配置している。したがって、これらのゲート抵抗およびソース抵抗の配置領域を基板上に設ける必要がなく、半導体スイッチング素子が実装される基板の面積増大を抑制することができ、モジュールのサイズを小さくすることができる。また、ゲート抵抗およびソース抵抗は、個々に配置することができ、これらの抵抗に対する配線長は、最短に設定することが可能となり、また、配線幅も十分広くすることができ、配線インダクタンスの増大を抑制することができる。 Further, the gate resistance and the source resistance are arranged not on the substrate on which the semiconductor switching element is mounted but on the connection substrate for connection with the gate drive circuit. Therefore, it is not necessary to provide these gate resistance and source resistance arrangement regions on the substrate, an increase in the area of the substrate on which the semiconductor switching element is mounted can be suppressed, and the size of the module can be reduced. Also, the gate resistance and the source resistance can be individually arranged, and the wiring length for these resistors can be set to the shortest, the wiring width can be sufficiently widened, and the wiring inductance is increased. Can be suppressed.
[実施の形態2]
図7は、この発明の実施の形態2に従う半導体スイッチング素子の基板上の配線パターンを概略的に示す図である。この図7に示す基板17の配置は、以下の点で、図2に示す基板の配置と異なる。すなわち、MOSFET18に対向して、ゲート電極配線パターン14gとソース電極配線パターン14sが交互に配置される。このゲート電極配線パターン14gおよびソース電極配線パターン14sは、それぞれ直線的に延在して形成されるものの、このソース電極配線パターン14sの長さは、ゲート電極配線パターン14gよりも長くされる。したがって、ゲート電極配線パターン14gおよびソース電極配線パターン14sに対する基板上接続位置を示す接続ピン15gおよび15sは、ジグザグ状に交互に配置される。これらの接続ピン15gおよび15sは、接続基板に形成されるゲート電極用のソケットピン21hgおよびソース電極用のソケットピン21hsに電気的に接続される。ゲート電極用のピン15gが、直線的に整列して配置され、また、ソース電極に対する接続ピン15sが、別の位置において、直線的に配置される。ゲート電極用接続ピン15gとソケットピン21hgとの位置は、平面図的に見て同じであり、また、ソース電極用接続ピン15sとソケットピン21hsの位置は、平面図的に見て同じである。
[Embodiment 2]
FIG. 7 schematically shows a wiring pattern on the substrate of the semiconductor switching element according to the second embodiment of the present invention. The arrangement of the
ソース電極用接続ピン15sが整列する直線とゲート電極用の接続ピン15gが整列する直線の間の距離(間隔)LPは、ソース電極配線パターン14sとゲート電極配線パターン14gの間の間隔Lgよりも大きくされる。ソケットピン21hgおよび21hsは、それぞれ、接続ピン15gおよび15sに対応して配置されており、従って、ソケットピン21hgおよび21hsにおいても、これらの接続ピン15gおよび15sと同様の関係が満たされる。
The distance (interval) LP between the straight line where the source electrode connection pins 15s are aligned and the straight line where the gate
この図7に示す基板17上のパターンの他の構成は、図2に示す実施の形態1の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付して、その詳細説明は省略する。
The other configuration of the pattern on the
図8は、実施の形態1における接続基板29上の配線パターンを、比較のために模式的に示す図である。図8において、ソケットピン21hが、ゲート電極用およびソース電極用として一列に整列して配置される。ソケットピン21hには、ソケットに対する電気的接続のために、ハンダ領域40が形成される。
FIG. 8 is a diagram schematically showing a wiring pattern on the
この接続基板29表面において、半導体スイッチング素子の配置の実装密度が高くされた場合、スイッチング素子の間隔が狭くなり、応じて、ゲート電極配線パターンおよびソース電極配線パターンの間隔も狭くなる。この場合、ソケットピン21hの間隔が極めて狭くなり、ハンダ領域40を十分に確保することできなくなる恐れがある。この場合、ハンダ領域40により、配線間の間隔が非常に狭くなった場合、配線間に高電圧が印加され、短絡などの不具合が生じる可能性があり、耐電圧特性上問題が生じる。
When the mounting density of the semiconductor switching elements is increased on the surface of the
このスイッチング素子のピッチおよびゲートパッドの間隔が狭くなる場合、ハンダ領域40を、十分に確保するために、図7に示すように、ゲート電極配線パターン14gおよびソース電極配線パタン14sの長さを異ならせ、ソケットに対する接続用のピン15をジグザク状に配置し、応じて、ソケットピン21hをジグザグ状に配置してハンダ領域40を確保する。
When the pitch of the switching elements and the interval between the gate pads are narrowed, the lengths of the gate
図9は、この発明の実施の形態2に従う半導体スイッチング装置の接続基板の配線パターンを概略的に示す図である。図9において、接続基板29表面において、ゲート抵抗23が、それぞれ、配線パターン32を介してソケットピン21hgに電気的に接続される。ゲート電極に対するソケットピン21hgが1列に整列して配置される。ゲート電極用ソケットピン21hgと異なる位置において1列に整列して、ソース電極用のソケットピン21hsが配置される。
FIG. 9 schematically shows a wiring pattern of a connection substrate of the semiconductor switching device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 9, the
ソケットピン21hgおよび21hs各々に対しては、ハンダ領域40が設けられる。この場合、ゲート電極用ソケットピン21hgが整列する直線とソース電極用ソケットピンが整列する直線の間の距離Lpは、ゲートパッドの間の距離(間隔)LGより十分大きくされる。また、ソース電極用のソケットピン21hsのピッチ(L1+L2)は、ソース電極用のソケットピン21sとゲート電極用のソケットピン21gの間のピッチL1よりも十分広くされる。これは、ゲート電極に対するソケットピン21hgについても同様である。したがって、半導体スイッチング素子のピッチ(または間隔)が十分小さくなり、またゲートパッドの間隔が小さくなる場合においても十分に、ハンダ領域40を確保することができる。
A
また、ゲート抵抗に対する配線パターンは、ソース抵抗に対する配線パターンよりも短くされている。これにより、MOSFET(半導体スイッチング素子)18のゲート配線のインダクタンスの増大を抑制して、スイッチング素子のゲート電位の変化速度が低下するのを抑制する。 The wiring pattern for the gate resistance is shorter than the wiring pattern for the source resistance. This suppresses an increase in inductance of the gate wiring of the MOSFET (semiconductor switching element) 18 and suppresses a decrease in the change rate of the gate potential of the switching element.
なお、図9に示す配置において、ソース電極用のソケットピン21hsに対するハンダ領域40とゲート電極用のソケットピン21hgに対するハンダ領域40の間の最小距離Lgsが、ゲートパッドの間の間隔LGよりも十分に広く確保されていれば、半導体スイッチング素子の間隔が小さくなる場合においても、ハンダ領域40を十分に確保することができ、耐電圧特性を十分に保証することができる。
In the arrangement shown in FIG. 9, the minimum distance Lgs between the
図10は、この発明の実施の形態2に従う半導体スイッチング装置の接続基板29の裏面の配線パターンを概略的に示す図である。図10において、接続基板29の裏面においては、ソース抵抗24が整列して配置され、それぞれに、直線的に延在する配線パターン36および37が接続される。
FIG. 10 schematically shows a wiring pattern on the back surface of
図10に示す接続基板29裏面の配線パターンは、図6に示す配線パターンと以下の点で異なる。すなわち、ソース抵抗24に対する配線パターン37の長さが、実施の形態1に比べて長くされ、ゲート電極用のソケットピン21hgの間を通過して、さらに遠方まで、ソース電極用ソケットピン21hsにまで延在する点が異なる。この図10に示す接続基板29の配線パターンの他の構成は、図6に示す配線パターンと同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。
10 differs from the wiring pattern shown in FIG. 6 in the following points. In other words, the length of the
接続基板29の裏面には、ソケットとの接続を取るためのハンダ領域は設けられない。したがって、ソース抵抗24に対する配線パターン37を、直線的に、ソケットピン21hgの間を通過させてソース電極用ソケットピン21hsにまで延在させることができる。
A solder region for establishing connection with the socket is not provided on the back surface of the
以上のように、この発明の実施の形態2に従えば、ソース電極配線パターンおよびゲート電極配線パターンに対する接続基板との接続位置(接続ピン)を、基板上でジグザク状に配置している。したがって、ソケットピンについても同様、接続基板上でジグザグ状に配置される。従って、スイッチング素子が高密度に配置され、スイッチング素子間の間隔が狭くなり、ゲートパッド(ゲート電極配線パターンおよびソース電極配線パターン)の間隔が狭くなる場合においても、十分に、ハンダ領域を確保することができる。これにより、スイッチング素子の間隔が狭くなる場合においても、耐電圧特性の劣化を抑制することができ、安定にかつ高速動作するスイッチング装置を実現することができる。 As described above, according to the second embodiment of the present invention, the connection positions (connection pins) with the connection substrate with respect to the source electrode wiring pattern and the gate electrode wiring pattern are arranged in a zigzag pattern on the substrate. Accordingly, the socket pins are similarly arranged in a zigzag pattern on the connection board. Therefore, even when the switching elements are arranged at a high density, the interval between the switching elements is narrowed, and the interval between the gate pads (gate electrode wiring pattern and source electrode wiring pattern) is narrowed, a sufficient solder area is secured. be able to. As a result, even when the interval between the switching elements becomes narrow, it is possible to suppress the deterioration of the withstand voltage characteristics and to realize a switching device that operates stably and at high speed.
なお、上述の実施の形態1および2においては、接続基板の表面にゲート抵抗が配置され、接続基板の裏面にソース抵抗が配置されている。しかしながら、逆に、接続基板の表面にソース抵抗が配置され、裏面にゲート抵抗が配置されても良い。 In the first and second embodiments described above, the gate resistance is disposed on the surface of the connection substrate, and the source resistance is disposed on the back surface of the connection substrate. However, conversely, the source resistor may be disposed on the surface of the connection substrate, and the gate resistor may be disposed on the back surface.
この発明は、複数の半導体スイッチング素子を並列に接続してスイッチング動作を行なわせる半導体スイッチング装置に適用することにより、高速かつ安定に動作する半導体スイッチング装置を実現することができる。 The present invention can be applied to a semiconductor switching device in which a plurality of semiconductor switching elements are connected in parallel to perform a switching operation, thereby realizing a semiconductor switching device that operates stably at high speed.
なお、上述の説明においては、半導体スイッチング素子として、MOSFETが用いられている。しかしながら、ソース電極をエミッタ電極で置き換えれば、同様、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)に対しても適用可能である。 In the above description, a MOSFET is used as the semiconductor switching element. However, if the source electrode is replaced with an emitter electrode, it can be applied to an IGBT (insulated gate bipolar transistor) as well.
1,2 配線パターン、3,4 MOSFET、7,8 ゲート抵抗、11,12 ソース抵抗、9 ゲート駆動回路、18 MOSFET、19 ショットキバリアダイオード、14 ゲートパッド、14g ゲート電極配線パターン、14s ソース電極配線パターン、15 接続ピン、17 基板、29 接続基板、21 ソケットピン、21h ソケットピン、21hs ソース電極用ソケットピン、21hg ゲート電極用ソケットピン、22 コネクタ、23 ゲート抵抗、24 ソース抵抗、40 ハンダ領域。 1, 2 wiring pattern, 3, 4 MOSFET, 7, 8 gate resistance, 11, 12 source resistance, 9 gate drive circuit, 18 MOSFET, 19 Schottky barrier diode, 14 gate pad, 14g gate electrode wiring pattern, 14s source electrode wiring Pattern, 15 connection pin, 17 substrate, 29 connection substrate, 21 socket pin, 21h socket pin, 21hs source electrode socket pin, 21hg gate electrode socket pin, 22 connector, 23 gate resistance, 24 source resistance, 40 solder area.
Claims (3)
前記複数の半導体スイッチング素子の制御電極に、前記半導体スイッチング素子のオンおよびオフを制御するための制御信号を与えるゲート駆動回路、
前記複数の半導体スイッチング素子の制御電極と前記ゲート駆動回路の間に接続され、接続基板の第1の表面上に接続される複数のゲート抵抗、および
前記複数の半導体スイッチング素子の第1電極と前記ゲート駆動回路との間に設けられ、前記接続基板の前記第1の表面の反対側の第2の表面に前記接続基板を介して前記ゲート抵抗と対向するように接続される複数のソース抵抗を備える、半導体スイッチング装置。 A substrate on which a plurality of semiconductor switching elements having at least a control electrode for controlling on and off and a first electrode are arranged in parallel;
A gate drive circuit for supplying a control signal for controlling on and off of the semiconductor switching element to the control electrodes of the plurality of semiconductor switching elements;
A plurality of gate resistors connected between the control electrodes of the plurality of semiconductor switching elements and the gate drive circuit and connected on a first surface of a connection substrate; and the first electrodes of the plurality of semiconductor switching elements and the A plurality of source resistors provided between the gate driving circuit and connected to the second surface opposite to the first surface of the connection substrate so as to face the gate resistor via the connection substrate; A semiconductor switching device.
前記基板上に前記複数の制御電極配線パターンと整列してかつ交互に配置され、前記複数の半導体スイッチング素子の第1の電極にそれぞれ電気的に接続される複数の第1電極配線パターン、
前記複数の制御電極配線パターンとの前記基板上での接続位置が直線的に規定され、前記接続基板と前記制御電極配線パターンとを電気的に接続するための複数のゲート接続配線、および
前記複数の第1電極配線パターンとの接続位置が前記基板上において直線的に規定され、前記接続基板と前記第1電極配線パターンとを電気的に接続するための複数の第1電極接続配線を備え、前記制御電極配線パターンと前記第1電極配線パターンとの間の間隔は、前記制御電極配線パターンの接続位置と前記第1電極配線パターンの接続位置の間の間隔よりも短い、請求項1記載の半導体スイッチング装置。 A plurality of control electrode wiring patterns arranged in a line on the substrate and electrically connected to the control electrodes of the plurality of semiconductor switching elements;
A plurality of first electrode wiring patterns which are arranged on the substrate in alignment with and alternately with the plurality of control electrode wiring patterns and are respectively electrically connected to the first electrodes of the plurality of semiconductor switching elements;
Connection positions on the substrate with the plurality of control electrode wiring patterns are linearly defined, a plurality of gate connection wirings for electrically connecting the connection substrate and the control electrode wiring pattern, and the plurality A connection position with the first electrode wiring pattern is linearly defined on the substrate, and includes a plurality of first electrode connection wirings for electrically connecting the connection substrate and the first electrode wiring pattern, The interval between the control electrode wiring pattern and the first electrode wiring pattern is shorter than the interval between the connection position of the control electrode wiring pattern and the connection position of the first electrode wiring pattern. Semiconductor switching device.
前記制御電極配線パターンの接続位置と前記第1電極配線パターンの接続位置とは、前記基板上においてジグザグ状に配置される、請求項2記載の半導体スイッチング装置。 The control electrode wiring pattern and the first electrode wiring pattern are formed in different lengths and are alternately arranged on the substrate,
The semiconductor switching device according to claim 2, wherein the connection position of the control electrode wiring pattern and the connection position of the first electrode wiring pattern are arranged in a zigzag shape on the substrate.
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