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JP5164136B2 - 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パワー半導体モジュールにおいて、ターンオフ時の電流振動(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 method for designing a power semiconductor module, and in particular, in a power semiconductor module used in a power converter for driving an electric device such as a motor, it is possible to suppress current oscillation (oscillation) at turn-off. Relates to the design method

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、モジュール外部の回路と接続するための結線とパワー半導体チップの容量成分とによって形成される複数の共振ループが存在する。   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 loops formed by the connection for connecting to a circuit outside the module and the capacitance component of the power semiconductor chip inside the package of the power semiconductor module.

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 frequency of a power semiconductor module exists more complicatedly. It has been confirmed that oscillation occurs when the resonance frequency matches the characteristics of a 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)に関しては、より重要となっている。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ことが報告されている。   This oscillation is often observed during the IGBT turn-off period. The oscillation phenomenon is more important with respect to EMC (Electro-Magnetic Compatibility). It has been reported that this oscillation must be avoided because it has a negative impact on EMC.

発振を回避するためには共振ループ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、共振ループの特定(見積り)は困難である。このため、従来ではパワー半導体モジュールの試作品を評価し、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 loop. However, it is difficult to specify (estimate) a resonance loop in a power semiconductor module having a complicated three-dimensional structure. For this reason, conventionally, a prototype of a power semiconductor module is evaluated, and the evaluation result is 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、仮に共振ループを特定できたとしても、その発振を抑制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共振ループ内に抵抗素子や高周波損失素子を挿入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。
特開平4−65866号公報 特開2001−185679号公報
Even if the resonance loop can be specified, a method for suppressing the oscillation is required separately. As a method for this purpose, a method of inserting a resistance element or a high-frequency loss element in a resonance loop has been proposed. 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.
JP-A-4-65866 JP 2001-185679 A

上述のように、パワー半導体モジュールの発振を回避するためには試作による評価が必要であるため、設計効率およびコストの点での課題がある。また、共振ループ内に高周波損失素子を挿入する方法を適用した場合には、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の点での課題がある。   As described above, in order to avoid oscillation of the power semiconductor module, evaluation by trial manufacture is necessary, and thus there are problems in terms of design efficiency and cost. In addition, when the method of inserting a high-frequency loss element in the resonance loop is applied, the number of components and the loss of the power semiconductor module are increased, so that the cost, the loss, and the size can be reduced. There are challenges.

本発明は上述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、低ノイズ化および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-described problems, and an object of the present invention is to provide a power semiconductor module design method capable of avoiding oscillation and reducing noise and size.

本発明は要約すれば、動作周波数範囲内に負性抵抗特性を有する単数または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の設計方法であって、単数または複数のパワー半導体素子のデバイスシミュレーションを実行することによって、負性抵抗領域を算出するステップと、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、等価回路の共振周波数を算出するステップと、共振周波数が前記負性抵抗領域の外側に存在するか否かを判定するステップとを備える。   In summary, the present invention provides a method for designing a power semiconductor module including one or more power semiconductor elements having negative resistance characteristics within an operating frequency range, and performs device simulation of the one or more power semiconductor elements Calculating a negative resistance region, creating an equivalent circuit of the power semiconductor module, calculating a resonance frequency of the equivalent circuit, and the resonance frequency is outside the negative resistance region. Determining whether or not.

本発明によれば、パワー半導体モジュールに搭載されたパワー半導体素子の負性抵抗特性による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 due to the negative resistance characteristic of the 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.

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。   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、以下では共振ループ内に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 show the effect of the embodiment of the present invention in an easy-to-understand manner, a power semiconductor module having a configuration in which a high-frequency loss element is inserted in a resonance loop will be described below.

図1は、共振ループ内に高周波損失素子が挿入された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 in which a high-frequency loss element is inserted in a resonance loop. 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3Aと、還流ダイオードチップ3Bと、アルミワイヤ4,12,13と、主電極端子5とを備える。   Referring to FIGS. 1 and 2, power semiconductor module 100 is used for a power conversion device (an inverter or the like) that drives an electric device such as a motor. The power semiconductor module 100 includes a base plate 1, an insulating metallized substrate 2, an IGBT chip 3 </ b> A, a reflux diode chip 3 </ b> B, aluminum wires 4, 12 and 13, and a main electrode terminal 5.

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 base plate 1. The surface of the base plate 1 is plated with Ni, and a resist is applied to the surface side (side on which the insulating metallized substrate 2 is mounted). The insulating metallized substrate 2 is made of a ceramic substrate and Al (or Cu) patterns mounted on both sides thereof. The number of insulating metallized substrates 2 is determined according to the scale of the module, for example, a plurality of sheets are prepared.

IGBTチップ3Aおよび還流ダイオードチップ3Bは絶縁メタライズ基板2の上に接合(はんだ付け)され、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のエミッタと還流ダイオードチップ3Bのアノードとを接続する。アルミワイヤ12は、IGBTチップ3Aのゲートに接続されるゲートワイヤである。アルミワイヤ13は、IGBTチップ3Aのエミッタに接続されるエミッタセンスワイヤである。主電極端子5は、外部回路との間で主電流が流れる端子である。主電極端子5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 IGBT chip 3A and the reflux diode chip 3B are joined (soldered) on the insulating metallized substrate 2, and the insulating metallized substrate 2 is joined to the base plate 1. The aluminum wire 4 connects the emitter of the IGBT chip 3A and the anode of the reflux diode chip 3B. The aluminum wire 12 is a gate wire connected to the gate of the IGBT chip 3A. The aluminum wire 13 is an emitter sense wire connected to the emitter of the IGBT chip 3A. The main electrode terminal 5 is a terminal through which a main current flows with an external circuit. The main electrode terminal 5 is made of a Cu thin plate having a Ni plating on its surface, and is joined to a pattern on the insulating metallized substrate 2.

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、ゲート中継端子9と、ゲートバランス抵抗10と、高周波損失素子11,15と、エミッタバランス抵抗14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と、IGBTチップ3Aのエミッタ電極およびコレクタ電極にそれぞれ接続されるエミッタ配線パターンおよびコレクタ配線パターンが形成される。各配線は接続ピン(端子)8、ゲート中継端子9、エミッタ中継端子を介して、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 power semiconductor module 100 further includes a control circuit board 6, a case 7, a connection pin 8, a gate relay terminal 9, a gate balance resistor 10, high frequency loss elements 11 and 15, and an emitter balance resistor 14. . The control circuit board 6 is composed of a multilayer printed board, and is connected to the gate wiring pattern connected to the gate electrode of the IGBT chip 3A to control the gate voltage of the IGBT chip 3A, and to the emitter electrode and the collector electrode of the IGBT chip 3A, respectively. An emitter wiring pattern and a collector wiring pattern are formed. Each wiring is configured to be joined to a pattern on the insulating metallized substrate 2 via a connection pin (terminal) 8, a gate relay terminal 9, and an emitter relay terminal. The case 7 (not shown in FIG. 2) is attached to the base plate 1 with screws and silicone rubber.

ゲートバランス抵抗10は各IGBTチップ3Aに対応して設けられる。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、IGBTチップ3Aのゲートに挿入される。エミッタバランス抵抗14は各IGBTチップ3Aに対応して設けられる。高周波損失素子15は、たとえばフェライトコアにより構成され、IGBTチップ3Aのエミッタに挿入される。   The gate balance resistor 10 is provided corresponding to each IGBT chip 3A. The high-frequency loss element 11 is formed of, for example, a ferrite core and is inserted into the gate of the IGBT chip 3A. The emitter balance resistor 14 is provided corresponding to each IGBT chip 3A. The high-frequency loss element 15 is formed of, for example, a ferrite core and is inserted into the emitter of the IGBT chip 3A.

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のターンオフ時に電流振動が生じることがある。この問題を防ぐための方法としては、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あるいは高周波損失素子を挿入する方法が用いられる。   In the inverter on which the power semiconductor module 100 is mounted, the power semiconductor module 100 operates in accordance with a signal from the control circuit. Therefore, the power semiconductor module 100 is required to operate normally without malfunction according to the command of the signal. However, current oscillation may occur when the IGBT chip 3A is turned off. As a method for preventing this problem, as shown in FIG. 2, for example, a method of inserting a gate balance resistor or a high-frequency loss element into each gate wiring of a plurality of IGBT chips connected in parallel is used.

ただし、この場合のゲートバランス抵抗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、高周波電流がゲートバランス抵抗や高周波損失素子(フェライトコア)を経由する経路を流れなければ発振を抑制することはできない。さらに、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この経路を予測することにより発振を回避することは困難である。   However, the insertion of the gate balance resistor in this case leads to a decrease in switching speed, resulting in an increase in switching loss. In addition, oscillation cannot be suppressed unless the high-frequency current flows through a path that passes through the gate balance resistor or the high-frequency loss element (ferrite core). Furthermore, in the conventional technology, it is difficult to avoid oscillation by predicting this path before making a prototype of the power semiconductor module.

発明者は、このような発振現象に関し、(1)ゲート配線を電流が経由する場合に生じる発振、(2)主回路コレクタ−エミッタ配線を振動電流が流れる場合に生じる発振の2つの場合が存在することを確認した。(2)の場合、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となる。   The inventor relates to such an oscillation phenomenon. There are two cases of (1) oscillation that occurs when current flows through the gate wiring, and (2) oscillation that occurs when oscillation current flows through the main circuit collector-emitter wiring. Confirmed to do. In the case of (2), 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. Therefore, it is extremely difficult to insert a high-frequency loss element between the collector and emitter wiring.

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電磁波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)に記載されている。以下、その概要について図3を用いて説明する。   Here, regarding the generation mechanism of electromagnetic waves 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). )It is described in. The outline will be described below with reference to FIG.

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)を有する空間電荷層(空乏層)21がn-層20に形成される。 As shown in FIG. 3, when the IGBT chip 3 </ b> A is turned off, a space charge layer (depletion layer) 21 having a thickness (W) depending on the voltage applied to the collector is formed in the n layer 20.

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に正孔(ホール)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への正孔の注入はなくなるが、n-層20には正孔が残る。次にコレクタ−エミッタ間の電圧が上昇すると、n-層20に残っていたホールがエミッタ端子に出てくる。この現象は、コレクタ−エミッタ間の電圧の上昇に応じてコレクタ電流が再び流れ出すことに相当する。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 are injected from the p + layer 24 to the n layer 20. When the gate signal is turned off, holes are not injected from the p + layer 24 into the n layer 20, but holes remain in the n layer 20. Next, when the collector-emitter voltage rises, holes remaining in the n layer 20 appear at the emitter terminal. This phenomenon corresponds to the collector current flowing out again as the collector-emitter voltage increases. This current is the tail current of the IGBT element.

テイル電流が生じる期間であるテイル期間において、空間電荷層21内を正孔25が走行する。この際、IGBTチップ3Aは負性抵抗として動作する。負性抵抗として動作するときのIGBTチップ3Aの動作周波数は、注入遅れ時間と、正孔25のドリフト速度の逆数を空間電荷層21の厚み(W)で積分して得られる正孔の走行時間とを加算し、その値の逆数を取ることで求められる。その算出し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並列共振周波数がマッチングした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。   Holes 25 travel in space charge layer 21 during a tail period in which a tail current is generated. At this time, the IGBT chip 3A operates as a negative resistance. The operating frequency of the IGBT chip 3 </ b> A when operating as a negative resistance is the hole travel time obtained by integrating the injection delay time and the reciprocal of the drift velocity of the holes 25 by the thickness (W) of the space charge layer 21. And the inverse of the value is obtained. The power semiconductor module operates as a negative resistance oscillator when the calculated frequency matches the parallel resonant frequency of the resonant circuit formed by the wiring in the power semiconductor module.

発明者はこの現象に関してデバイスシミュレーションを適用することによって、負性抵抗が生じるときのIGBT素子の動作周波数領域(以下、「負性抵抗領域」と呼ぶ)がチップ裏面側からの正孔の注入遅れ時間に依存することを確認した。さらに、発明者は、この領域は、正孔の注入遅れ時間が1/2波長遅れから遅れ時間なしの範囲であることを確認した。   The inventor applies device simulation to this phenomenon, so that the operating frequency region of the IGBT element when negative resistance occurs (hereinafter referred to as “negative resistance region”) is a delay in injection of holes from the back side of the chip. Confirmed that it depends on time. Furthermore, the inventor has confirmed that in this region, the hole injection delay time is in the range from 1/2 wavelength delay to no delay time.

図4は、IGBTチップ3Aにおいてコレクタ−エミッタ間電圧Vceが1000Vから2250Vでの負性抵抗の解析結果を示す図である。図4に示す結果から、負性抵抗の周波数範囲は、40MHzから120MHzの範囲であると見積られる。   FIG. 4 is a diagram showing an analysis result of the negative resistance when the collector-emitter voltage Vce is 1000 V to 2250 V in the IGBT chip 3A. From the results shown in FIG. 4, the frequency range of the negative resistance is estimated to be in the range of 40 MHz to 120 MHz.

さらに、発明者は、負性抵抗領域の妥当性を確認するために、デバイスシミュレーションによって負性抵抗発振器の実証を行なった。テイル期間中におけるIGBTの動作はサイリスタの動作と等しい。計算負荷を考慮して、IGBTをサイリスタに置き換えたモデルを使用した。また、並列共振周波数は、サイリスタの容量および回路のインダクタンスにより形成した。   Furthermore, in order to confirm the validity of the negative resistance region, the inventor has demonstrated a negative resistance oscillator by device simulation. The operation of the IGBT during the tail period is equal to the operation of the thyristor. In consideration of calculation load, a model in which the IGBT was replaced with a thyristor was used. The parallel resonance frequency is formed by the capacitance of the thyristor and the inductance of the circuit.

図5は、IGBT素子が発振している条件下でIGBT素子をシミュレータにより解析した結果を示す図である。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。また、発振の条件として、コレクタ電圧を1500Vとし、共振周波数を80MHzとした。図5は、IGBT素子のターンオフ後に、コレクタ−エミッタ間電圧Vceおよびコレクタ電流Icに発振が重畳されることを示している。   FIG. 5 is a diagram illustrating a result of analyzing the IGBT element by a simulator under a condition in which the IGBT element oscillates. For the device simulator, Medici (software from Synopsys) was used. Further, as oscillation conditions, the collector voltage was 1500 V and the resonance frequency was 80 MHz. FIG. 5 shows that oscillation is superimposed on the collector-emitter voltage Vce and the collector current Ic after the IGBT element is turned off.

次に、図6に示すように、発明者は負性抵抗領域と共振周波数とには依存関係があり、負性抵抗領域の外側に並列共振周波数を設定することによりターンオフ時の発振を回避できることを確認した。図6において、記号「○」は発振が生じていることを示し、記号「×」は発振が生じていないことを示す。図6は、共振周波数が負性抵抗領域内(すなわち1/2波長遅れ〜遅れ時間なしの間)にある場合には発振が生じ、共振周波数が負性抵抗領域の外側にある場合には発振が生じていないことを示す。   Next, as shown in FIG. 6, the inventor has a dependency relationship between the negative resistance region and the resonance frequency, and the oscillation at turn-off can be avoided by setting the parallel resonance frequency outside the negative resistance region. It was confirmed. In FIG. 6, the symbol “◯” indicates that oscillation has occurred, and the symbol “×” indicates that oscillation has not occurred. FIG. 6 shows that oscillation occurs when the resonance frequency is in the negative resistance region (ie, between 1/2 wavelength delay and no delay time), and oscillation occurs when the resonance frequency is outside the negative resistance region. Indicates that this has not occurred.

以上説明した原理に基づけば、発振を回避するための方法として、(1)IGBTチップの負性抵抗領域からパワー半導体モジュールの共振周波数を外す、(2)共振ループ内に抵抗素子や高周波損失素子を挿入する、という2つの方法が考えられる。ただし(2)についてはパワー半導体モジュールの構造が原因となって実現困難となることがありうる。よって本実施の形態では(1)を採用する。   Based on the principle described above, as a method for avoiding oscillation, (1) the resonance frequency of the power semiconductor module is removed from the negative resistance region of the IGBT chip, and (2) a resistance element or a high-frequency loss element in the resonance loop. There are two possible ways to insert However, (2) may be difficult to realize due to the structure of the power semiconductor module. Therefore, (1) is adopted in this embodiment.

[実施の形態1]
図7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7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。
[Embodiment 1]
FIG. 7 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. With reference to FIG. 7, a mouse 114, a keyboard 116, and a display 118 are connected to a computer 150.

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、電磁界解析ソフト等)が格納される。   The computer 150 is connected to the bus 120, a CPU (Central Processing Unit) 102, a ROM (Read Only Memory) 104 storing a program sent to the operating system, and the program to be executed And a RAM (Random Access Memory) 106 for storing data during program execution, and a hard disk (HDD) 108. The hard disk (HDD) 108 stores software (device simulator, electromagnetic field analysis software, etc.) for executing this design method.

図8は、本発明の実施の形態1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。実施の形態1では、パワー半導体チップが1つ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負性抵抗領域との関係を求めることにより発振を回避する。   FIG. 8 is a flowchart illustrating a method for designing a power semiconductor module according to the first embodiment of the present invention. In the first embodiment, the resonance frequency of the power semiconductor module on which one power semiconductor chip is mounted is extracted, and oscillation is avoided by obtaining the relationship between the resonance frequency and the negative resistance region of the power semiconductor chip.

図8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負性抵抗領域および寄生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8では「PKG」と示す)の寄生インピーダンス(インダクタンス成分L、容量成分C、および抵抗成分R)が抽出される。   Referring to FIG. 8, the negative resistance region and the parasitic capacitance component of the power semiconductor chip are extracted by the processes of steps S1 to S3. The parasitic impedances (inductance component L, capacitance component C, and resistance component R) of the package (indicated as “PKG” in FIG. 8) on which the power semiconductor chip is mounted are extracted by the processes in steps S11 to S13.

ステップS1において、パワー半導体素子のチップ構造が決定される。ステップS2では、デバイスシミュレーションを実行することにより、このパワー半導体チップの負性抵抗領域が算出される。   In step S1, the chip structure of the power semiconductor element is determined. In step S2, a negative resistance region of the power semiconductor chip is calculated by executing device simulation.

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(1)で示すようにパワー半導体素子の負性抵抗領域における周波数fは、パワー半導体チップのターンオフ期間中に正孔が空間電荷層内を走行する時間と注入遅れ時間とに依存する。   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 (1), the frequency f in the negative resistance region of the power semiconductor element depends on the time for which holes travel in the space charge layer and the injection delay time during the turn-off period of the power semiconductor chip.

1/f=(注入遅れ時間)+(正孔の走行時間) …(1)
注入遅れ時間は、1/2波長〜遅れ時間なしと報告されている。パワー半導体チップはその領域内で負性抵抗となる。ステップS2Cでは、この関係に基づいてパワー半導体チップの負性抵抗領域が算出される。ただし負性抵抗はそれのみでは発振せず、信号を増幅する並列共振回路を必要とする(図6参照)。
1 / f = (injection delay time) + (hole travel time) (1)
The injection delay time is reported to be 1/2 wavelength to no delay time. The power semiconductor chip becomes a negative resistance in that region. In step S2C, the negative resistance region of the power semiconductor chip is calculated based on this relationship. However, the negative resistance alone does not oscillate, and a parallel resonance circuit that amplifies the signal is required (see FIG. 6).

並列共振回路の共振周波数が負性抵抗領域内に存在すれば、パワー半導体モジュールは発振する。このため、ステップS3においてシミュレーションの結果からパワー半導体素子の寄生容量成分が抽出される。   If the resonant frequency of the parallel resonant circuit exists in the negative resistance region, the power semiconductor module oscillates. Therefore, in step S3, the parasitic capacitance component of the power semiconductor element is extracted from the simulation result.

さらにステップ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。   In step S11, the structure of the power semiconductor module package 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.

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(たとえばアンソフト社製Q3D Extractor)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。ただし、抵抗成分やインダクタンス成分は周波数依存性を有するため、電磁界解析上でLCRマトリクスを抽出する際には、負性抵抗領域に合わせて周波数を補正した上でそのマトリクスを抽出する。   In step S12, an electromagnetic field simulation using electromagnetic field analysis software (for example, Q3D Extractor manufactured by Ansoft) 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. However, since the resistance component and the inductance component have frequency dependency, when extracting the LCR matrix in the electromagnetic field analysis, the matrix is extracted after correcting the frequency according to the negative resistance region.

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寄生容量成分、およびステップS13において得られた寄生インピーダンス(LCRマトリクス)を用い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並列共振周波数が算出される。続いてステップS6では、負性抵抗領域の外側に並列共振周波数が存在するか否かの判定が行なわれる。ステップS6において負性抵抗領域の外側に並列共振周波数が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(OK)であること、すなわちIGBT素子のターンオフ時の電流振動を回避できることを意味する。   In step S4, an equivalent circuit model is created using the parasitic capacitance component of the power semiconductor chip obtained in step S3 and the parasitic impedance (LCR matrix) obtained in step S13. Next, in step S5, a parallel resonance frequency is calculated from this equivalent circuit model. Subsequently, in step S6, it is determined whether or not the parallel resonance frequency exists outside the negative resistance region. The determination that the parallel resonance frequency exists outside the negative resistance region in step S6 means that the design of the power semiconductor module is appropriate (OK), that is, current oscillation at the time of turning off the IGBT element can be avoided. To do.

一方、ステップS6において、負性抵抗領域の内側に並列共振周波数が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流振動が生じることを意味する。   On the other hand, when it is determined in step S6 that the parallel resonance frequency exists inside the negative resistance region, the design of the power semiconductor module is not appropriate (NG), that is, current oscillation occurs when the IGBT element is turned off. means.

ステップS6の処理が終了すると全体の処理が終了する。たとえば、設計者は、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、再設計を行なったりする。なお、ステップS6において負性抵抗領域の内側に並列共振周波数が存在する場合には、たとえば、コンピュータが自動的にパッケージ構造を検証(再設定)するなどして、等価回路モデルを変更し、ステップS5,S6の処理を再び実行してもよい。   When the process of step S6 ends, the entire process ends. For example, the designer ends design of the power semiconductor module or performs redesign based on the determination result in step S6. If there is a parallel resonance frequency inside the negative resistance region in step S6, for example, the computer automatically verifies (resets) the package structure to change the equivalent circuit model, and the step You may perform the process of S5 and S6 again.

実施の形態1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 first 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.

さらに、高周波損失素子を不要とすることができるので、高周波損失素子を基板に搭載するための基板上の領域を確保する必要がなくなる。これによって、パワー半導体モジュールの小型化および低コスト化が実現できる。   Furthermore, since a high frequency loss element can be made unnecessary, it is not necessary to secure an area on the substrate for mounting the high frequency loss element on the substrate. As a result, the power semiconductor module can be reduced in size and cost.

[実施の形態2]
実施の形態1ではパワー半導体チップの個数は単数であるとした。実施の形態2では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における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。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the number of power semiconductor chips is single. In the second embodiment, it is possible to avoid oscillation by extracting the resonance frequency in a power semiconductor module on which a plurality of power semiconductor chips are mounted and obtaining the relationship between the resonance frequency and the negative resistance region of the power semiconductor chip. To.

実施の形態2に係る設計方法を実行するためのコンピュータの構成は図7に示す構成と同様である。また、実施の形態2に係る設計方法を示すフローチャートは、図8のフローチャートと基本的に同様である。   The configuration of the computer for executing the design method according to the second embodiment is the same as that shown in FIG. The flowchart showing the design method according to the second embodiment is basically the same as the flowchart of FIG.

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4,12,13)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、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。さらに、複数のパワー半導体チップ間を経由する経路で発振が生じる場合、バランス抵抗(図2に示すゲートバランス抵抗10およびエミッタバランス抵抗14)が必要となるため、パワー半導体チップ1つ当たりの抵抗が増加する。これによって低損失化が困難になるという問題がある。   In a power semiconductor module on which a plurality of power semiconductor chips are mounted, a main electrode terminal (main electrode terminal 5 shown in FIG. 2) for connecting the mounted chip to external wiring, an aluminum wire (aluminum wire 4 shown in FIG. 2). , 12, 13) and the impedance of the insulating substrate (insulating metallized substrate 2 shown in FIG. 2) exist in a complicated manner, so that a large number of resonance frequencies exist. For this reason, since oscillation is more likely to occur than in a power semiconductor module on which a single power semiconductor chip is mounted, it is not easy to increase the capacity. Furthermore, when oscillation occurs in a path that passes between a plurality of power semiconductor chips, a balance resistor (the gate balance resistor 10 and the emitter balance resistor 14 shown in FIG. 2) is required. To increase. As a result, it is difficult to reduce the loss.

実施の形態2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並列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、バランス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。これによって低損失化が可能となる。   According to the second embodiment, the parallel resonance frequency can be changed on the simulation by appropriately changing the equivalent circuit model. Therefore, oscillation of the power semiconductor module can be avoided without inserting a balance resistor. This makes it possible to reduce the loss.

また、実施の形態1と同様にバランス抵抗を基板に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。さらに実施の形態2によれば、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、コレクタ主電極およびエミッタ主電極間に、高周波損失素子を挿入しなくてもよい。これによって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の高周波損失素子を不要とすることができる。よって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することができる。   Further, as in the first embodiment, it is not necessary to secure an area necessary for mounting the balance resistor on the substrate, so that the power semiconductor module can be reduced in size and cost. Furthermore, according to the second embodiment, since the resonance frequency can be changed by simulation, it is not necessary to insert a high-frequency loss element between the collector main electrode and the emitter main electrode. This eliminates the need for a high-frequency loss element for preventing oscillation even when the structure of the power semiconductor module is complicated. Therefore, the power semiconductor module can be reduced in size and cost.

なお、本実施の形態においてはパワー半導体素子はIGBT素子およびダイオードであるとした。ただし、ある動作周波数範囲において負性抵抗特性を有する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、そのパワー半導体素子の容量成分と、パッケージの寄生インピーダンスとからなる等価回路の並列共振周波数がパワー半導体素子の負性抵抗領域内にあれば発振が生じる可能性がある。本発明をこのようなパワー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。よって、パワー半導体素子はIGBTあるいはダイオードに限定されるものではなく、他の素子でもよい。たとえば他のパワー半導体素子としては半導体スイッチ素子の1種であるサイリスタを挙げることができる。   In the present embodiment, the power semiconductor element is an IGBT element and a diode. However, in a power semiconductor module equipped with a power semiconductor element having negative resistance characteristics in a certain operating frequency range, the parallel resonant frequency of the equivalent circuit composed of the capacitance component of the power semiconductor element and the parasitic impedance of the package is the power semiconductor element. If it is within the negative resistance region, oscillation may occur. Oscillation can be avoided by applying the present invention to the design of such a power semiconductor module. Therefore, the power semiconductor element is not limited to the IGBT or the diode, and may be another element. For example, as another power semiconductor element, a thyristor which is a kind of semiconductor switch element can be cited.

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.

共振ループ内に高周波損失素子が挿入されたパワー半導体モジュールの概略側面図である。It is a schematic side view of the power semiconductor module in which the high frequency loss element was inserted in the resonance loop. 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。It is a schematic top view in a part of the power semiconductor module shown in FIG. IGBT素子のターンオフ時に生じる現象を説明する図である。It is a figure explaining the phenomenon which arises at the time of turn-off of an IGBT element. IGBTチップ3Aにおいてコレクタ−エミッタ間電圧Vceが1000Vから2250Vでの負性抵抗の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the negative resistance in collector chip | tip emitter voltage Vce in 1000V to 2250V in IGBT chip | tip 3A. IGBT素子が発振している条件下でIGBT素子をシミュレータにより解析した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having analyzed the IGBT element with the simulator on the conditions which the IGBT element is oscillating. 負性抵抗領域と共振周波数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a negative resistance area | region and a resonant frequency. 本発明の実施の形態1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。It is a figure which shows the structural example of the computer which performs the design method of the power semiconductor module according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1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。It is a flowchart explaining the design method of the power semiconductor module of Embodiment 1 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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、4,12,13 アルミワイヤ、5 主電極端子、6 制御回路基板、7 ケース、8 接続ピン、9 ゲート中継端子、10 ゲートバランス抵抗、11,15 高周波損失素子、14 エミッタバランス抵抗、20 n-層、21 空間電荷層、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 Insulated metallized substrate, 3A IGBT chip, 3B Reflux diode chip, 4, 12, 13 Aluminum wire, 5 Main electrode terminal, 6 Control circuit board, 7 Case, 8 Connection pin, 9 Gate relay terminal, 10 Gate Balance resistor, 11, 15 High frequency loss element, 14 Emitter balance resistor, 20 n layer, 21 Space charge layer, 24 p + layer, 25 hole, 100 power semiconductor module, 102 CPU, 104 ROM, 106 RAM, 108 HDD , 114 mouse, 116 keyboard, 118 display, 120 bus, 150 computer.

Claims (2)

動作周波数範囲内に負性抵抗特性を有する単数または複数のIGBT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、
前記単数または複数のIGBT素子のデバイスシミュレーションを実行することによって、前記単数または複数のIGBT素子の負性抵抗領域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負性抵抗領域の外側に存在するか否かを判定するステップとを備え
前記負性抵抗領域を算出するステップにおいて、前記IGBT素子の正孔ドリフト速度分布を抽出して、正孔の注入遅れ時間と正孔の走行時間との和の逆数によって、前記負性抵抗領域における周波数を算出する、パワー半導体モジュールの設計方法。
A method of designing a power semiconductor module including one or more IGBT elements having negative resistance characteristics within an operating frequency range,
By performing a device simulation of the one or more of the IGBT element, a step of calculating a negative resistance region of said one or more of the IGBT element,
Creating an equivalent circuit of the power semiconductor module;
Calculating a resonance frequency of the equivalent circuit;
Determining whether the resonance frequency exists outside the negative resistance region ,
In the step of calculating the negative resistance region, a hole drift velocity distribution of the IGBT element is extracted, and a reciprocal of a sum of a hole injection delay time and a hole travel time is used to calculate the negative resistance region in the negative resistance region. A method for designing a power semiconductor module that calculates a frequency .
前記パワー半導体モジュールは、前記IGBT素子に対応して設けられる還流ダイオードをさらに含む、請求項1に記載のパワー半導体モジュールの設計方法。 The power semiconductor module design method according to claim 1, wherein the power semiconductor module further includes a free-wheeling diode provided corresponding to the IGBT element .
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