JP7782602B2 - Power Module - Google Patents
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Description
本発明は、パワーモジュールに関する。 The present invention relates to a power module.
従来、6個のダイオードをブリッジ接続した3相ブリッジインバータ回路がある(特許文献1参照)。また、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのパワー半導体素子を基板上に搭載し、基板上に形成された配線用の導体やボンディングワイヤなどで必要な回路が構成されたパワーモジュールが知られている。かかるパワーモジュールでは、ノイズ発生の原因となる配線インダクタンスを低減するため、パワー半導体素子の配置を最適化することが重要である(特許文献2参照)。 Conventionally, there is a three-phase bridge inverter circuit in which six diodes are bridge-connected (see Patent Document 1). Also known is a power module in which power semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) are mounted on a substrate, and the necessary circuits are configured using wiring conductors and bonding wires formed on the substrate. In such power modules, it is important to optimize the layout of the power semiconductor elements in order to reduce wiring inductance, which causes noise (see Patent Document 2).
シリコン(以下Siと呼称する)をベースとしたパワー半導体素子では、スイッチングスピードを速くしようとするとパワー半導体素子のON電圧が高くなり、定常ON状態での損失が大きくなる。このため、Siの変わりにスイッチングスピードが速くてもON電圧が高くなりづらい材料としてシリコンカーバイド(以下SiCと呼称する)やガリウムナイトライド(GaN:Gallium Nitride))を用いた新しいパワー半導体素子の開発が行われている。 In silicon (hereafter referred to as Si)-based power semiconductor elements, increasing the switching speed increases the ON voltage of the power semiconductor element, resulting in greater losses in the steady ON state. For this reason, new power semiconductor elements are being developed that use silicon carbide (hereafter referred to as SiC) and gallium nitride (GaN) as materials that are less likely to increase the ON voltage even when switching quickly.
GaN-FET(GaN Field-Effect Transistor)は、従来のパワーモジュールで用いられるIGBTやパワーMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)FETなどとは異なり、3つの電極(ドレイン電極、ソース電極およびゲート電極)がすべて一方の面に設けられる。このGaN-FETの3つの電極が設けられた面をおもて面、反対側の面を裏面とすると、GaN-FETを基板に載置する際に、裏面が基板側(下側)に向けて設けられる。 Unlike IGBTs and power MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) FETs used in conventional power modules, GaN-FETs (GaN Field-Effect Transistors) have all three electrodes (drain electrode, source electrode, and gate electrode) on one surface. If the surface of this GaN-FET with the three electrodes is called the front surface and the opposite surface is called the back surface, then when the GaN-FET is placed on a substrate, the back surface is oriented toward the substrate (bottom).
それゆえ、裏面にも電極が存在するIGBTやパワーMOSFETで最適化されたパワーモジュール内の配置をそのまま用いたとしても、パワーモジュール内の配線パターンに大電流が流れた時にノイズ発生の原因となる配線インダクタンスを十分に低減することは困難である。すなわち、GaN-FETを搭載したパワーモジュールでは、パワー基板上におけるチップ配置の最適化が十分に実施されているとはいえない。 For this reason, even if the optimized layout within a power module for IGBTs or power MOSFETs, which have electrodes on the backside, is used as is, it is difficult to sufficiently reduce the wiring inductance that causes noise when a large current flows through the wiring pattern within the power module. In other words, it cannot be said that the chip layout on the power board has been fully optimized in power modules equipped with GaN-FETs.
そこで、本開示では、パワー基板上における素子の配置を最適化して配線インダクタンスを低減することでノイズの発生を低減できる、GaNを用いたパワー半導体素子を搭載したパワーモジュールを提案する。 This disclosure therefore proposes a power module equipped with GaN-based power semiconductor elements that can reduce noise generation by optimizing the placement of elements on the power board and reducing wiring inductance.
本開示の一態様によるパワーモジュールは、少なくとも6つのアームを構成するスイッチング素子を1枚の回路基板上に搭載したパワー基板と、少なくとも6つのアームのそれぞれを駆動するドライバを備えたドライバ基板とを備え、パワー基板とドライバ基板とを、基板の厚み方向に離間して配置したパワーモジュールであって、上アーム側と下アーム側に仮想的に分割し、さらに上アーム側を仮想的に分割して、それぞれの基板を4つのブロックに分けたとき、それぞれの基板の対応するブロックが基板の厚み方向に重なる。 A power module according to one aspect of the present disclosure comprises a power board on which switching elements constituting at least six arms are mounted on a single circuit board, and a driver board equipped with drivers for driving each of the at least six arms. The power board and driver board are arranged at a distance in the thickness direction of the board, and when the board is virtually divided into an upper arm side and a lower arm side, and the upper arm side is further virtually divided so that each board is divided into four blocks, the corresponding blocks on each board overlap in the thickness direction of the board.
本開示によれば、配線インダクタンスを低減することができる。 This disclosure makes it possible to reduce wiring inductance.
以下、添付図面を参照して、本願の開示するパワーモジュールの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。 Embodiments of the power module disclosed herein will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Note that the present disclosure is not limited to the embodiments shown below. It should be noted that the drawings are schematic, and the dimensional relationships and ratios of each element may differ from reality. Furthermore, there may be parts in which the dimensional relationships and ratios differ between the drawings.
従来、IGBTなどのパワー半導体素子をパワー基板上に搭載し、ボンディングワイヤで配線を行うことで必要な回路が構成されたパワーモジュールが知られている。かかるパワーモジュールでは、ノイズ発生の原因となる配線インダクタンスを低減するため、パワー半導体素子の配置を最適化することが重要である。 Conventionally, power modules have been known in which power semiconductor elements such as IGBTs are mounted on a power board and the necessary circuits are constructed by wiring them with bonding wires. In such power modules, it is important to optimize the layout of the power semiconductor elements in order to reduce wiring inductance, which causes noise.
一方で、近年開発が進むパワー半導体素子のGaN-FETは、従来のパワーモジュールで用いられるIGBTやパワーMOSFETなどとは異なり、3つの電極(ドレイン電極、ソース電極およびゲート電極)がすべておもて面に設けられる。 On the other hand, GaN-FETs, a power semiconductor element that has been developed in recent years, differ from the IGBTs and power MOSFETs used in conventional power modules in that all three electrodes (drain electrode, source electrode, and gate electrode) are located on the front surface.
それゆえ、裏面にも電極が存在するIGBTやパワーMOSFETで最適化されたパワーモジュール内の配置をそのまま用いたとしても、配線インダクタンスを十分に低減することは困難である。すなわち、GaN-FETを搭載したパワーモジュールでは、回路基板上におけるチップ配置の最適化されているとはいえない。 For this reason, even if the optimized internal layout of a power module for IGBTs or power MOSFETs, which have electrodes on the backside, is used as is, it is difficult to sufficiently reduce wiring inductance. In other words, in a power module equipped with GaN-FETs, the chip layout on the circuit board cannot be said to be optimized.
なぜなら、裏面にコレクタ電極やドレイン電極が設けられる従来のパワー半導体素子では、パワー基板の回路パターンで裏面の電極に配線が形成されるのに対し、おもて面にドレイン電極が設けられるGaN-FETでは、ボンディングワイヤでドレイン電極に配線が形成されるからである。 This is because, in conventional power semiconductor elements where the collector electrode and drain electrode are provided on the back surface, wiring is formed to the electrodes on the back surface using the circuit pattern on the power substrate, whereas in GaN-FETs where the drain electrode is provided on the front surface, wiring is formed to the drain electrode using a bonding wire.
そこで、GaN-FETが搭載されたパワーモジュールにおいて、配線インダクタンスを低減することができる技術が期待されている。 Therefore, there is a need for technology that can reduce wiring inductance in power modules equipped with GaN-FETs.
<スイッチング素子の構成>
本開示は、GaN-FETまたはカスケード型GaN-FETであるスイッチング素子を用いたパワーモジュールに関するものである。そこで、本開示の各実施形態の理解を容易とするために、図1~図5を参照しながら、各実施形態に適用可能なGaN-FETおよびカスケード型GaN-FETについて説明する。
<Configuration of switching element>
The present disclosure relates to a power module using a switching element that is a GaN-FET or a cascade-type GaN-FET. To facilitate understanding of each embodiment of the present disclosure, GaN-FETs and cascade-type GaN-FETs applicable to each embodiment will be described with reference to FIGS.
図1は、GaN-FETの回路例を示す図である。GaN-FETでは、ゲートに印加される電圧を制御することによって、ドレインからソースに流れる電流が制御される。 Figure 1 shows an example of a GaN-FET circuit. In a GaN-FET, the current flowing from the drain to the source is controlled by controlling the voltage applied to the gate.
図2は、カスケード型GaN-FETの回路例を示す図である。図2に示すように、カスケード型GaN-FETの内部では、GaN-FETのソース端子とSi-FETのドレイン端子とが電気的に接続され、Si-FETのソース端子とGaN-FETのゲート端子とが電気的に接続される。 Figure 2 shows an example circuit of a cascade GaN-FET. As shown in Figure 2, inside the cascade GaN-FET, the source terminal of the GaN-FET and the drain terminal of the Si-FET are electrically connected, and the source terminal of the Si-FET and the gate terminal of the GaN-FET are electrically connected.
そして、GaN-FETのドレイン端子がカスケード型GaN-FETのドレイン電極となり、Si-FETのソース端子がカスケード型GaN-FETのソース電極となり、Si-FETのゲート端子がカスケード型GaN-FETのゲート電極となる。 The drain terminal of the GaN-FET becomes the drain electrode of the cascade GaN-FET, the source terminal of the Si-FET becomes the source electrode of the cascade GaN-FET, and the gate terminal of the Si-FET becomes the gate electrode of the cascade GaN-FET.
このような回路構成のカスケード型GaN-FETでは、ノーマリーオンのGaN-FETを、ノーマリーオフのスイッチング素子として駆動させることができる。すなわち、カスケード型GaN-FETでは、ゲート電極(すなわち、Si-FETのゲート端子)にローレベルの信号を入力することにより、素子をオフ状態にすることができる。また、カスケード型GaN-FETでは、ゲート電極にハイレベルの信号を入力することにより、素子をオン状態にすることができる。 In a cascade GaN-FET with this circuit configuration, a normally-on GaN-FET can be driven as a normally-off switching element. That is, in a cascade GaN-FET, the element can be turned off by inputting a low-level signal to the gate electrode (i.e., the gate terminal of the Si-FET). In addition, in a cascade GaN-FET, the element can be turned on by inputting a high-level signal to the gate electrode.
そして、カスケード型GaN-FETは、GaN-FETの耐圧特性を利用できることから、高い耐圧特性を有する。さらに、カスケード型GaN-FETは、ゲートの駆動に低耐圧Si-FETの特性を利用できることから、GaN-FETの高速性を損なうことなく、高電圧での駆動が可能となる。 The cascade GaN-FET has high breakdown voltage characteristics because it can utilize the breakdown voltage characteristics of GaN-FETs. Furthermore, the cascade GaN-FET can utilize the characteristics of low-breakdown-voltage Si-FETs to drive the gate, making it possible to drive the GaN-FET at high voltages without compromising its high speed.
図3は、GaN-FETの例を示す図である。このGaN-FETはパッケージのないベアチップであり、図3は、その上面図である。GaN-FETの外形は長方形であり、長辺と短辺とを有する。GaN-FETのおもて面には、一方の長辺の近傍にドレインパッドが設けられる。このドレインパッドは一方の長辺に沿って設けられる。他方の長辺の近傍にはソースパッドが設けられる。このソースパッドは他方の長辺に沿って設けられる。また、GaN-FETのおもて面には、他方の長辺に沿ってソースパッドを挟む位置に1対のゲートパッドが設けられる。 Figure 3 shows an example of a GaN-FET. This GaN-FET is a bare chip without a package, and Figure 3 is a top view of it. The GaN-FET has a rectangular outer shape with long and short sides. A drain pad is provided on the front surface of the GaN-FET near one of the long sides. This drain pad is provided along one of the long sides. A source pad is provided near the other long side. This source pad is provided along the other long side. In addition, a pair of gate pads are provided on the front surface of the GaN-FET along the other long side, sandwiching the source pad.
図4は、Si-FETの例を示す図である。このSi-FETはパッケージのないベアチップであり、図4は、その上面図である。図4に示すように、Si-FETは、おもて面にソースパッドおよびゲートパッドを有し、裏面にドレインパッドを有する。 Figure 4 shows an example of a Si-FET. This Si-FET is a bare chip without a package, and Figure 4 is a top view of it. As shown in Figure 4, the Si-FET has a source pad and a gate pad on the front surface, and a drain pad on the back surface.
図5は、カスケード型GaN-FETの実装例を示す図である。図5の(a)は樹脂封止前を示し、図5の(b)は樹脂封止後を示す。図5の(a)に示すように、カスケード型GaN-FETは、長方形状のGaN-FETと、かかるGaN-FETより小さい長方形状のSi-FETとが積層されて構成される。GaN-FETのおもて面に設けられるソースパッドと、Si-FETの裏面に設けられるドレインパッドとが、ハンダや導電性接着剤などの導電性接合材で電気的および機械的に接続される。これにより、GaN-FETのドレインがカスケード型GaN-FETのドレインと対応し、Si-FETのソースがカスケード型GaN-FETのソースと対応し、Si-FETのゲートがカスケード型GaN-FETのゲートと対応する。 Figure 5 shows an example of a cascade GaN-FET implementation. Figure 5(a) shows the cascade GaN-FET before resin sealing, and Figure 5(b) shows the cascade GaN-FET after resin sealing. As shown in Figure 5(a), the cascade GaN-FET is composed of a rectangular GaN-FET stacked on a rectangular Si-FET that is smaller than the GaN-FET. The source pad on the front surface of the GaN-FET and the drain pad on the back surface of the Si-FET are electrically and mechanically connected using a conductive bonding material such as solder or conductive adhesive. As a result, the drain of the GaN-FET corresponds to the drain of the cascade GaN-FET, the source of the Si-FET corresponds to the source of the cascade GaN-FET, and the gate of the Si-FET corresponds to the gate of the cascade GaN-FET.
また、カスケード型GaN-FETのドレインパッドが沿う長辺に沿ってGaN-FETの一方のドレインのリードフレームが設けられ、GaN-FETの他方の長辺に沿ってソースのリードフレームが設けられ、カスケード型GaN-FETのゲートパッドがある側のGaN-FETの短辺に沿ってゲートのリードフレームが設けられる。ドレインパッドとドレインのリードフレームとはAL(Aluminum)ワイヤなどのボンディングワイヤで接続され、ソースパッドとソースのリードフレームとはALワイヤなどのボンディングワイヤで接続され、ゲートパッドとゲートのリードフレームとはALワイヤなどで接続される。また、GaN-FETの2つのゲートパッドとソースのリードフレームとはALワイヤなどで接続される。 In addition, one drain lead frame of the GaN-FET is provided along the long side along which the drain pad of the cascade GaN-FET is located, a source lead frame is provided along the other long side of the GaN-FET, and a gate lead frame is provided along the short side of the GaN-FET on the side where the gate pad of the cascade GaN-FET is located. The drain pad and drain lead frame are connected by a bonding wire such as AL (Aluminum) wire, the source pad and source lead frame are connected by a bonding wire such as AL wire, and the gate pad and gate lead frame are connected by AL wire or the like. In addition, the two gate pads of the GaN-FET are connected to the source lead frame by AL wire or the like.
また、図5の(b)に示すように、樹脂封止後は、ドレインパッド、ソースパッド、ゲートパッドは樹脂で封止され、ドレイン、ソースおよびゲートのリードフレームの一部だけが外部と接続される。 Furthermore, as shown in Figure 5(b), after resin sealing, the drain pad, source pad, and gate pad are sealed with resin, and only a portion of the drain, source, and gate lead frames are connected to the outside.
なお、カスケード型GaN-FETには、GaN-FETチップとSi-FETチップを重ねる(Chip on Chip)以外に、2つのチップを並列に並べてワイヤ、パターン、リードフレームなどで接続する例もある。 In addition to stacking a GaN-FET chip and a Si-FET chip (Chip on Chip), cascade GaN-FETs also include two chips arranged in parallel and connected by wires, patterns, lead frames, etc.
<パワーモジュールの回路構成(第1実施形態)>
つづいて、第1実施形態に係るパワーモジュールの回路構成について、図6~図12を参照しながら説明する。図6および図7は、第1実施形態に係るパワーモジュールを用いて実現したい回路例を示す図である。図6は、DCを入力し三相ACを出力する回路を示す図である。図6では、出力先の用途の例として、三相モータが示されている。以下、図6の回路をモータ制御回路ということがある。図7は、DCを入力しその入力電流の力率を改善しつつ昇圧し、単相ACを出力する回路を示す。以下、図7の回路を昇圧型単相インバータ出力回路ということがある。
<Circuit Configuration of Power Module (First Embodiment)>
Next, the circuit configuration of the power module according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 6 to 12. FIGS. 6 and 7 are diagrams showing examples of circuits that can be realized using the power module according to the first embodiment. FIG. 6 is a diagram showing a circuit that inputs DC and outputs three-phase AC. In FIG. 6, a three-phase motor is shown as an example of an output application. Hereinafter, the circuit in FIG. 6 may be referred to as a motor control circuit. FIG. 7 shows a circuit that inputs DC, boosts the input current while improving its power factor, and outputs single-phase AC. Hereinafter, the circuit in FIG. 7 may be referred to as a boost-type single-phase inverter output circuit.
図6および図7に示すように、回路ブロックAは、第1スイッチング素子Q1~第6スイッチング素子Q6の6つのスイッチング素子を備える。回路ブロックBは、回路ブロックAと、Q1-GaN-FETドライブ回路~Q6-GaN-FETドライブ回路の6つのドライブ回路とを備える。回路ブロックAおよび回路ブロックBは、さまざまな回路構成を有する電力変換装置に適用することができる。電力変換装置の一例としてインバータがある。第1実施形態に係るパワーモジュール1は、回路ブロックAにコンデンサC1を加えた回路ブロックに対応する。 As shown in Figures 6 and 7, circuit block A includes six switching elements, the first switching element Q1 through the sixth switching element Q6. Circuit block B includes circuit block A and six drive circuits, the Q1-GaN-FET drive circuit through the Q6-GaN-FET drive circuit. Circuit block A and circuit block B can be applied to power conversion devices with various circuit configurations. An example of a power conversion device is an inverter. The power module 1 according to the first embodiment corresponds to a circuit block obtained by adding capacitor C1 to circuit block A.
第1~第6スイッチング素子Q1~Q6は、すべてカスケード型GaN-FETであるスイッチング素子Qで構成され、略等しい耐圧特性およびスイッチング特性を有する。なお、第1~第6スイッチング素子Q1~Q6は、すべてGaN-FETであってもよい。 The first to sixth switching elements Q1 to Q6 are all configured with switching elements Q that are cascade-type GaN-FETs, and have approximately the same breakdown voltage characteristics and switching characteristics. Note that the first to sixth switching elements Q1 to Q6 may all be GaN-FETs.
第1スイッチング素子Q1のドレイン端子は、正極端子Pに接続され、第1スイッチング素子Q1のソース端子は、第2スイッチング素子Q2のドレイン端子に接続される。また、第1スイッチング素子Q1のゲート端子は、ゲート端子Q1-Gに接続され、第1スイッチング素子Q1のソース端子は、ソース端子Q1-Sに接続される。 The drain terminal of the first switching element Q1 is connected to the positive terminal P, and the source terminal of the first switching element Q1 is connected to the drain terminal of the second switching element Q2. The gate terminal of the first switching element Q1 is connected to the gate terminal Q1-G, and the source terminal of the first switching element Q1 is connected to the source terminal Q1-S.
第2スイッチング素子Q2のドレイン端子は、第1スイッチング素子Q1のソース端子に接続され、第2スイッチング素子Q2のソース端子は、負極端子Nに接続される。また、第2スイッチング素子Q2のゲート端子は、ゲート端子Q2-Gに接続され、第2スイッチング素子Q2のソース端子は、ソース端子Q2-Sに接続される。 The drain terminal of the second switching element Q2 is connected to the source terminal of the first switching element Q1, and the source terminal of the second switching element Q2 is connected to the negative terminal N. The gate terminal of the second switching element Q2 is connected to the gate terminal Q2-G, and the source terminal of the second switching element Q2 is connected to the source terminal Q2-S.
第3スイッチング素子Q3のドレイン端子は、正極端子Pに接続され、第3スイッチング素子Q3のソース端子は、第4スイッチング素子Q4のドレイン端子に接続される。また、第3スイッチング素子Q3のゲート端子は、ゲート端子Q3-Gに接続され、第3スイッチング素子Q3のソース端子は、ソース端子Q3-Sに接続される。なお、図6および図7では、ゲート端子Q3-Gおよびソース端子Q3-Sは省略されている。 The drain terminal of the third switching element Q3 is connected to the positive terminal P, and the source terminal of the third switching element Q3 is connected to the drain terminal of the fourth switching element Q4. The gate terminal of the third switching element Q3 is connected to the gate terminal Q3-G, and the source terminal of the third switching element Q3 is connected to the source terminal Q3-S. Note that the gate terminal Q3-G and source terminal Q3-S are omitted in Figures 6 and 7.
第4スイッチング素子Q4のドレイン端子は、第3スイッチング素子Q3のソース端子に接続され、第4スイッチング素子Q4のソース端子は、負極端子Nに接続される。また、第4スイッチング素子Q4のゲート端子は、ゲート端子Q4-Gに接続され、第4スイッチング素子Q4のソース端子は、ソース端子Q4-Sに接続される。なお、図6および図7では、ゲート端子Q4-Gおよびソース端子Q4-Sは省略されている。 The drain terminal of the fourth switching element Q4 is connected to the source terminal of the third switching element Q3, and the source terminal of the fourth switching element Q4 is connected to the negative terminal N. The gate terminal of the fourth switching element Q4 is connected to the gate terminal Q4-G, and the source terminal of the fourth switching element Q4 is connected to the source terminal Q4-S. Note that the gate terminal Q4-G and source terminal Q4-S are omitted from Figures 6 and 7.
第5スイッチング素子Q5のドレイン端子は、正極端子Pに接続され、第5スイッチング素子Q5のソース端子は、第6スイッチング素子Q6のドレイン端子に接続される。また、第5スイッチング素子Q5のゲート端子は、ゲート端子Q5-Gに接続され、第5スイッチング素子Q5のソース端子は、ソース端子Q5-Sに接続される。なお、図6および図7では、ゲート端子Q5-Gおよびソース端子Q5-Sは省略されている。 The drain terminal of the fifth switching element Q5 is connected to the positive terminal P, and the source terminal of the fifth switching element Q5 is connected to the drain terminal of the sixth switching element Q6. The gate terminal of the fifth switching element Q5 is connected to the gate terminal Q5-G, and the source terminal of the fifth switching element Q5 is connected to the source terminal Q5-S. Note that the gate terminal Q5-G and source terminal Q5-S are omitted from Figures 6 and 7.
第6スイッチング素子Q6のドレイン端子は、第5スイッチング素子Q5のソース端子に接続され、第6スイッチング素子Q6のソース端子は、負極端子Nに接続される。また、第6スイッチング素子Q6のゲート端子は、ゲート端子Q6-Gに接続され、第6スイッチング素子Q6のソース端子は、ソース端子Q6-Sに接続される。なお、図6および図7では、ゲート端子Q6-Gおよびソース端子Q6-Sは省略されている。 The drain terminal of the sixth switching element Q6 is connected to the source terminal of the fifth switching element Q5, and the source terminal of the sixth switching element Q6 is connected to the negative terminal N. The gate terminal of the sixth switching element Q6 is connected to the gate terminal Q6-G, and the source terminal of the sixth switching element Q6 is connected to the source terminal Q6-S. Note that the gate terminal Q6-G and source terminal Q6-S are omitted from Figures 6 and 7.
コンデンサC1は、正極端子Pと負極端子Nとの間に接続されるノイズ除去用のコンデンサである。また、回路ブロックAは、出力端子OUT1、OUT2、OUT3を有する。 Capacitor C1 is a noise-removing capacitor connected between positive terminal P and negative terminal N. Circuit block A also has output terminals OUT1, OUT2, and OUT3.
図6のパワーモジュール1の出力端子OUT1は、第1スイッチング素子Q1のソース端子と第2スイッチング素子Q2のドレイン端子との間に接続される。出力端子OUT2は、第3スイッチング素子Q3のソース端子と第4スイッチング素子Q4のドレイン端子との間に接続される。出力端子OUT3は、第5スイッチング素子Q5のソース端子と第6スイッチング素子Q6のドレイン端子との間に接続される。 The output terminal OUT1 of the power module 1 in FIG. 6 is connected between the source terminal of the first switching element Q1 and the drain terminal of the second switching element Q2. The output terminal OUT2 is connected between the source terminal of the third switching element Q3 and the drain terminal of the fourth switching element Q4. The output terminal OUT3 is connected between the source terminal of the fifth switching element Q5 and the drain terminal of the sixth switching element Q6.
Q1-GaN-FETドライブ回路は、第1スイッチング素子Q1を駆動し、Q2-GaN-FETドライブ回路は、第2スイッチング素子Q2を駆動する。なお、図6および図7では省略されているが、Q3-GaN-FETドライブ回路は、第3スイッチング素子Q3を駆動し、Q4-GaN-FETドライブ回路は、第4スイッチング素子Q4を駆動し、Q5-GaN-FETドライブ回路は、第5スイッチング素子Q5を駆動し、Q6-GaN-FETドライブ回路は、第6スイッチング素子Q6を駆動する。全体制御ブロックは、Q1-GaN-FETドライブ回路~Q6-GaN-FETドライブ回路を制御する。 The Q1-GaN-FET drive circuit drives the first switching element Q1, and the Q2-GaN-FET drive circuit drives the second switching element Q2. Although not shown in Figures 6 and 7, the Q3-GaN-FET drive circuit drives the third switching element Q3, the Q4-GaN-FET drive circuit drives the fourth switching element Q4, the Q5-GaN-FET drive circuit drives the fifth switching element Q5, and the Q6-GaN-FET drive circuit drives the sixth switching element Q6. The overall control block controls the Q1-GaN-FET drive circuit through the Q6-GaN-FET drive circuit.
そして、図6や図7に示したような電力変換装置において、スイッチング素子のオンオフにより断続する大電流により発生するノイズを低減させて、さらに効率の高い電力変換を実現するためには、回路ブロックA内の配線インダクタンスを低減することが重要である。そこで、回路ブロックA内の配線インダクタンスを低減するために注意すべきポイントについて、図8および図9を参照しながら説明する。 In power conversion devices such as those shown in Figures 6 and 7, reducing the wiring inductance within circuit block A is important in order to reduce the noise generated by the large currents that are intermittently switched on and off by switching elements, and to achieve even more efficient power conversion. Therefore, the points to note in reducing the wiring inductance within circuit block A will be explained with reference to Figures 8 and 9.
図8は、第1実施形態に係るパワーモジュール1において配線インダクタンスを低減するために注意すべきポイントについて説明するための図(1)である。図8に示すように、パワーモジュール1の内部には、矢印で示される電流の流れによる様々な経路の回路ループが形成される。 Figure 8 is a diagram (1) for explaining points to note in order to reduce wiring inductance in the power module 1 according to the first embodiment. As shown in Figure 8, within the power module 1, circuit loops of various paths are formed by the current flow indicated by the arrows.
たとえば、パワーモジュール1内には、第1スイッチング素子Q1を駆動するQ1-GaN-FETドライブ回路から出力された電流が、第1スイッチング素子Q1のゲート端子、第1スイッチング素子Q1のソース端子、Q1-GaN-FETドライブ回路の順で戻る回路ループ1-1が形成される。 For example, within power module 1, a circuit loop 1-1 is formed in which the current output from the Q1-GaN-FET drive circuit that drives the first switching element Q1 returns in the following order: the gate terminal of the first switching element Q1, the source terminal of the first switching element Q1, and the Q1-GaN-FET drive circuit.
また、パワーモジュール1内には、第2スイッチング素子Q2を駆動するQ2-GaN-FETドライブ回路から出力された電流が、第2スイッチング素子Q2のゲート端子、第2スイッチング素子Q2のソース端子、Q2-GaN-FETドライブ回路の順で戻る回路ループ1-2が形成される。 In addition, within the power module 1, a circuit loop 1-2 is formed in which the current output from the Q2-GaN-FET drive circuit that drives the second switching element Q2 returns in the following order: the gate terminal of the second switching element Q2, the source terminal of the second switching element Q2, and the Q2-GaN-FET drive circuit.
同様に、パワーモジュール1内には、第3スイッチング素子Q3に関して回路ループ1-3が形成され、第4スイッチング素子Q4に関して回路ループ1-4が形成され、第5スイッチング素子Q5に関して回路ループ1-5が形成され、第6スイッチング素子Q6に関して回路ループ1-6が形成される。 Similarly, within the power module 1, a circuit loop 1-3 is formed for the third switching element Q3, a circuit loop 1-4 is formed for the fourth switching element Q4, a circuit loop 1-5 is formed for the fifth switching element Q5, and a circuit loop 1-6 is formed for the sixth switching element Q6.
また、パワーモジュール1内には、正極端子Pから、第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2、負極端子N、第4スイッチング素子Q4、第3スイッチング素子Q3、正極端子Pに順に流れる電流の回路ループ2-1が形成される。 In addition, within the power module 1, a circuit loop 2-1 is formed in which a current flows in sequence from the positive terminal P through the first switching element Q1, the second switching element Q2, the negative terminal N, the fourth switching element Q4, the third switching element Q3, and the positive terminal P.
また、パワーモジュール1内には、正極端子Pから、第3スイッチング素子Q3、第4スイッチング素子Q4、負極端子N、第6スイッチング素子Q6、第5スイッチング素子Q5、正極端子Pに順に流れる電流の回路ループ2-2が形成される。 In addition, within the power module 1, a circuit loop 2-2 is formed in which current flows in sequence from the positive terminal P to the third switching element Q3, the fourth switching element Q4, the negative terminal N, the sixth switching element Q6, the fifth switching element Q5, and the positive terminal P.
また、パワーモジュール1内には、コンデンサC1から、正極端子P、第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2、負極端子N、コンデンサC1に順に流れる電流の回路ループ3-1が形成される。 In addition, within the power module 1, a circuit loop 3-1 is formed in which current flows in sequence from the capacitor C1 to the positive terminal P, the first switching element Q1, the second switching element Q2, the negative terminal N, and the capacitor C1.
また、パワーモジュール1内には、コンデンサC1から、正極端子P、第3スイッチング素子Q3、第4スイッチング素子Q4、負極端子N、コンデンサC1に順に流れる電流の回路ループ3-2が形成される。 In addition, within the power module 1, a circuit loop 3-2 is formed in which current flows in sequence from capacitor C1 to the positive terminal P, the third switching element Q3, the fourth switching element Q4, the negative terminal N, and capacitor C1.
また、パワーモジュール1内には、コンデンサC1から、正極端子P、第5スイッチング素子Q5、第6スイッチング素子Q6、負極端子N、コンデンサC1に順に流れる電流の回路ループ3-3が形成される。 In addition, within the power module 1, a circuit loop 3-3 is formed in which current flows in sequence from capacitor C1 to the positive terminal P, fifth switching element Q5, sixth switching element Q6, negative terminal N, and capacitor C1.
そして、第1実施形態に係るパワーモジュール1は、上述の回路ループ1-1~1-6、回路ループ2-1および2-2、回路ループ3-1~3-3の長さをすべて極力短くすると共に、かかる回路ループに内包される面積(ループ面積)をすべて極力小さくすることにより、回路ループから発生されるノイズ(以下、発生ノイズともいう)を低減(配線インダクタンスを低減)することができる。 The power module 1 according to the first embodiment minimizes the lengths of the circuit loops 1-1 to 1-6, circuit loops 2-1 and 2-2, and circuit loops 3-1 to 3-3, and minimizes the areas (loop areas) enclosed by these circuit loops, thereby reducing the noise generated from the circuit loops (hereinafter also referred to as generated noise) (reducing wiring inductance).
図9は、第1実施形態に係るパワーモジュール1において配線インダクタンスを低減するために注意すべきポイントについて説明するための図(2)である。図9に示すように、パワーモジュール1内の第1スイッチング素子Q1には、ドレイン端子からソース端子に大電流を流す大電流ラインILが形成される。 Figure 9 is a diagram (2) for explaining points to note in order to reduce wiring inductance in the power module 1 according to the first embodiment. As shown in Figure 9, a large current line IL is formed in the first switching element Q1 in the power module 1, through which a large current flows from the drain terminal to the source terminal.
また、パワーモジュール1内の第1スイッチング素子Q1には、ゲート端子からソース端子に制御信号を流す小電流ラインISが形成される。 In addition, a small current line IS is formed in the first switching element Q1 within the power module 1, which passes a control signal from the gate terminal to the source terminal.
そして、第1実施形態に係るパワーモジュール1では、上述の大電流ラインILと小電流ラインISのそれぞれを流れる電流が共通して流れる部位の共通インピーダンスCIを極力小さくすることにより、配線インダクタンスを低減することができる。 In the power module 1 according to the first embodiment, the common impedance CI at the portion where the currents flowing through the large current line IL and the small current line IS mentioned above flow together is minimized, thereby reducing wiring inductance.
なお、図9の例では第1スイッチング素子Q1について示したが、第2スイッチング素子Q2~第6スイッチング素子Q6においても同様に、この共通インピーダンスCIを極力小さくすることで配線インダクタンスを低減することができる。 Note that while the example in Figure 9 shows the first switching element Q1, the same applies to the second switching element Q2 through the sixth switching element Q6. By minimizing this common impedance CI, wiring inductance can be reduced.
図8および図9に示す回路は図6および図7の回路に共通して含まれる。すなわち、図8および図9を用いて説明したポイントは、図6および図7の回路に共通して有効であり、図6および図7に示す回路ブロックAおよび回路ブロックBを有する多種多様な回路にも有効である。なお、図8および図9では、スイッチング素子としてカスケード型GaN-FETを用いたが、すべてのスイッチング素子はGaN-FETであってもよい。 The circuits shown in Figures 8 and 9 are common to the circuits in Figures 6 and 7. That is, the points explained using Figures 8 and 9 are valid for both the circuits in Figures 6 and 7, and are also valid for a wide variety of circuits that have circuit block A and circuit block B shown in Figures 6 and 7. Note that while Figures 8 and 9 use cascade GaN-FETs as switching elements, all switching elements may be GaN-FETs.
次に、ここまで説明した注意すべきポイントに基づいて、パワーモジュール1内の配線インダクタンスを低減する具体的な手段について、図10および図11を参照しながら説明する。 Next, based on the points to note explained so far, specific means for reducing wiring inductance within the power module 1 will be explained with reference to Figures 10 and 11.
図10は、第1実施形態に係るパワーモジュール1における第1~第6スイッチング素子Q1~Q6およびコンデンサC1の最適な配置について説明するための図である。図10の(a)は回路を示し、図10の(b)は最適配置を示す。本開示では、図10の(a)に示すように、パワーモジュール1の内部に形成される配線をいくつかのまとまり(以下、配線部ともいう)として仮想的に分割する。 Figure 10 is a diagram illustrating the optimal layout of the first to sixth switching elements Q1 to Q6 and capacitor C1 in the power module 1 according to the first embodiment. Figure 10(a) shows the circuit, and Figure 10(b) shows the optimal layout. In this disclosure, as shown in Figure 10(a), the wiring formed inside the power module 1 is virtually divided into several groups (hereinafter also referred to as wiring sections).
具体的には、コンデンサC1から正極端子Pを介して第1スイッチング素子Q1のドレイン端子、第3スイッチング素子Q3のドレイン端子または第5スイッチング素子Q5のドレイン端子に至る配線部を、ネットワークP-NETとする。また、ゲート端子Q1Gから第1スイッチング素子Q1のゲート端子、当該ゲート端子からSi-FETの内部を経由して第1スイッチング素子Q1のソース端子、当該ソース端子を介してソース端子Q1Sに至る配線部をネットワークQ1G-NETとする。 Specifically, the wiring section from capacitor C1 via positive terminal P to the drain terminal of the first switching element Q1, the drain terminal of the third switching element Q3, or the drain terminal of the fifth switching element Q5 is referred to as network P-NET. Furthermore, the wiring section from gate terminal Q1G to the gate terminal of the first switching element Q1, from that gate terminal via the inside of the Si-FET to the source terminal of the first switching element Q1, and from that source terminal to source terminal Q1S via that source terminal is referred to as network Q1G-NET.
また、出力端子OUT1から第1スイッチング素子Q1のソース端子および第2スイッチング素子Q2のドレイン端子に至る配線部をネットワークOUT1-NETとする。また、ゲート端子Q2Gから第2スイッチング素子Q2のゲート端子、当該ゲート端子からSi-FETの内部を経由して第2スイッチング素子Q2のソース端子、当該ソース端子を介してソース端子Q2Sに至る配線部をネットワークQ2G-NETとする。 The wiring section from the output terminal OUT1 to the source terminal of the first switching element Q1 and the drain terminal of the second switching element Q2 is referred to as the network OUT1-NET. The wiring section from the gate terminal Q2G to the gate terminal of the second switching element Q2, from that gate terminal via the inside of the Si-FET to the source terminal of the second switching element Q2, and from that source terminal to the source terminal Q2S is referred to as the network Q2G-NET.
また、ゲート端子Q3Gから第3スイッチング素子Q3のゲート端子、当該ゲート端子からSi-FETの内部を経由して第3スイッチング素子Q3のソース端子、当該ソース端子を介してソース端子Q3Sに至る配線部をネットワークQ3G-NETとする。また、出力端子OUT2から第3スイッチング素子Q3のソース端子および第4スイッチング素子Q4のドレイン端子に至る配線部をネットワークOUT2-NETとする。 The wiring section from the gate terminal Q3G to the gate terminal of the third switching element Q3, from this gate terminal through the inside of the Si-FET to the source terminal of the third switching element Q3, and via this source terminal to the source terminal Q3S is referred to as the network Q3G-NET. The wiring section from the output terminal OUT2 to the source terminal of the third switching element Q3 and the drain terminal of the fourth switching element Q4 is referred to as the network OUT2-NET.
また、ゲート端子Q4Gから第4スイッチング素子Q4のゲート端子、当該ゲート端子からSi-FETの内部を経由して第4スイッチング素子Q4のソース端子、当該ソース端子を介してソース端子Q4Sに至る配線部をネットワークQ4G-NETとする。また、ゲート端子Q5Gから第5スイッチング素子Q5のゲート端子、当該ゲート端子からSi-FETの内部を経由して第5スイッチング素子Q5のソース端子、当該ソース端子を介してソース端子Q5Sに至る配線部をネットワークQ5G-NETとする。また、出力端子OUT3から第5スイッチング素子Q5のソース端子および第6スイッチング素子Q6のドレイン端子に至る配線部をネットワークOUT3-NETとする。 The wiring section from the gate terminal Q4G to the gate terminal of the fourth switching element Q4, from that gate terminal via the inside of the Si-FET to the source terminal of the fourth switching element Q4, and via that source terminal to the source terminal Q4S, is referred to as network Q4G-NET. The wiring section from the gate terminal Q5G to the gate terminal of the fifth switching element Q5, from that gate terminal via the inside of the Si-FET to the source terminal of the fifth switching element Q5, and via that source terminal to the source terminal Q5S is referred to as network Q5G-NET. The wiring section from the output terminal OUT3 to the source terminal of the fifth switching element Q5 and the drain terminal of the sixth switching element Q6 is referred to as network OUT3-NET.
また、ゲート端子Q6Gから第6スイッチング素子Q6のゲート端子、当該ゲート端子からSi-FETの内部を経由して第6スイッチング素子Q6のソース端子、当該ソース端子を介してソース端子Q6Sに至る配線部をネットワークQ6G-NETとする。また、コンデンサC1から負極端子Nを介して第2スイッチング素子Q2のソース端子、第4スイッチング素子Q4のソース端子または第6スイッチング素子Q6のソース端子に至る配線部を、ネットワークN-NETとする。 The wiring section from the gate terminal Q6G to the gate terminal of the sixth switching element Q6, from that gate terminal via the inside of the Si-FET to the source terminal of the sixth switching element Q6, and via that source terminal to the source terminal Q6S is referred to as the network Q6G-NET. The wiring section from capacitor C1 via the negative terminal N to the source terminal of the second switching element Q2, the source terminal of the fourth switching element Q4, or the source terminal of the sixth switching element Q6 is referred to as the network N-NET.
図10の(b)に示すP-NET AREA、Q-NET AREA、OUT1-NET AREA、OUT2-NET AREA、OUT3-NET AREA、Q1G-NET AREA、Q2G-NET AREA、Q3G-NET AREA、Q4G-NET AREA、Q5G-NET AREA、Q6G-NET AREAのそれぞれは、図10の(a)に示すP-NET、Q-NET、OUT1-NET、OUT2-NET、OUT3-NET、Q1G-NET、Q2G-NET、Q3G-NET、Q4G-NET、Q5G-NET、Q6G-NETのそれぞれに対応するパターニングエリアである。 The P-NET AREA, Q-NET AREA, OUT1-NET AREA, OUT2-NET AREA, OUT3-NET AREA, Q1G-NET AREA, Q2G-NET AREA, Q3G-NET AREA, Q4G-NET AREA, Q5G-NET AREA, and Q6G-NET shown in Figure 10(b) Each AREA is a patterning area corresponding to P-NET, Q-NET, OUT1-NET, OUT2-NET, OUT3-NET, Q1G-NET, Q2G-NET, Q3G-NET, Q4G-NET, Q5G-NET, and Q6G-NET shown in Figure 10(a).
図10の(b)に示すように、第1実施形態に係るパワーモジュール1では、上アームのスイッチング素子(Q1、Q3、Q5)はSi-FETのゲートが、コンデンサC1が配置場所されるパワーモジュール1の中央部4よりも上部にくるように配置される。そして、それぞれのGaN-FETのドレイン側にP-NETが配置され、それぞれのGaN-FETのソース側にOUT1-NET~OUT3-NETが配置される。また、下アームのスイッチング素子(Q2、Q4、Q6)はSi-FETのゲートが中央部4よりも下部にくるように配置される。そして、それぞれのGaN-FETのソース側にN-NETが配置され、それぞれのGaN-FETのドレイン側にOUT1-NET~OUT3-NETが配置される。さらに、P-NETとN-NETは上アームと下アームのスイッチング素子の間を並走するように配置される。そして、コンデンサC1は、第3スイッチング素子Q3と第4スイッチング素子Q4との間に、つまり、第1~第6スイッチング素子Q1~Q6が配置されるパワー基板の中央部4に配置される。 As shown in (b) of Figure 10, in the power module 1 of the first embodiment, the upper arm switching elements (Q1, Q3, Q5) are arranged so that the gates of the Si-FETs are above the central portion 4 of the power module 1 where the capacitor C1 is located. A P-NET is arranged on the drain side of each GaN-FET, and OUT1-NET to OUT3-NET are arranged on the source side of each GaN-FET. Furthermore, the lower arm switching elements (Q2, Q4, Q6) are arranged so that the gates of the Si-FETs are below the central portion 4. An N-NET is arranged on the source side of each GaN-FET, and OUT1-NET to OUT3-NET are arranged on the drain side of each GaN-FET. Furthermore, the P-NET and N-NET are arranged to run parallel between the upper arm and lower arm switching elements. Capacitor C1 is located between the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4, i.e., in the central portion 4 of the power board where the first to sixth switching elements Q1 to Q6 are located.
OUT2-NET~OUT3-NETとP-NET、N-NETとが交差する箇所は、多層基板であれば別層で配線され、単相基板であればジャンパー線などで接続される。図10の(b)では、OUT2-NET AREAおよびOUT3-NET AREAが上下で切断され、切断された箇所がワイヤボンディングで接続される。 The intersections between OUT2-NET to OUT3-NET and P-NET and N-NET are wired on separate layers on multi-layer boards, and connected with jumper wires on single-phase boards. In Figure 10(b), OUT2-NET AREA and OUT3-NET AREA are cut at the top and bottom, and the cut points are connected with wire bonding.
このように第1~第6スイッチング素子Q1~Q6およびコンデンサC1を配置することで、6つのスイッチング素子間で発生ノイズがアンバランスにならず、配線の長さを短かくできるので発生ノイズを低くできる。従って、極端に長い配線パターンによる発生ノイズの増加を抑制すると共に、大電流を流すための良好な電流経路を確保することができる。なお、本発明に関わる各実施例ではこの中央部4を基準として各スイッチング素子とコンデンサC1を配置した例を説明している。 By arranging the first through sixth switching elements Q1-Q6 and capacitor C1 in this way, noise is not unbalanced among the six switching elements, and the wiring length can be shortened, reducing noise generation. This prevents an increase in noise generated by extremely long wiring patterns, while also ensuring a good current path for large currents. Note that each example of the present invention describes an example in which the switching elements and capacitor C1 are arranged based on this central portion 4.
また、かかる第1~第6スイッチング素子Q1~Q6の配置としては、第1スイッチング素子Q1と第3スイッチング素子Q3と第5スイッチング素子Q5とが一つの直線(仮想的な直線(不図示))の上に並ぶように配置される。第2スイッチング素子Q2と第4スイッチング素子Q4と第6スイッチング素子Q6とが一つの直線(仮想的な直線(不図示))の上に並ぶように配置される。それぞれの仮想的な直線は略平行である。また、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2とを結ぶ直線(不図示)と、第3スイッチング素子Q3と第4スイッチング素子Q4とを結ぶ直線(不図示)と、第5スイッチング素子Q5と第6スイッチング素子Q6とを結ぶ直線(不図示)とは略平行である。 The first to sixth switching elements Q1 to Q6 are arranged so that the first switching element Q1, the third switching element Q3, and the fifth switching element Q5 are aligned on a single straight line (a virtual straight line (not shown)). The second switching element Q2, the fourth switching element Q4, and the sixth switching element Q6 are aligned on a single straight line (a virtual straight line (not shown)). These virtual straight lines are substantially parallel. The line (not shown) connecting the first switching element Q1 and the second switching element Q2, the line (not shown) connecting the third switching element Q3 and the fourth switching element Q4, and the line (not shown) connecting the fifth switching element Q5 and the sixth switching element Q6 are substantially parallel.
図11は、カスケード型GaN-FETの代わりにGaN-FETを用いた場合の最適配置を示す図である。図11では、図10のカスケード型GaN-FETがGaN-FETに置き換えられている。 Figure 11 shows the optimal layout when a GaN-FET is used instead of a cascade GaN-FET. In Figure 11, the cascade GaN-FET in Figure 10 has been replaced with a GaN-FET.
<パワーモジュールの構成(第1実施形態)>
つづいて、図10に示した最適な配置を適用したパワーモジュール1の構成について、図12および図13を参照しながら説明する。図12は、回路ブロックAの回路例を示す図である。図6および図7に示した回路ブロックAと比較して、図12では、回路ブロックAは、サーミスタが設けられる。かかるサーミスタには、2つの端子TH1、TH2が接続される。なお、サーミスタは基板の温度を検知するために設けられる。
<Configuration of Power Module (First Embodiment)>
Next, the configuration of the power module 1 employing the optimal layout shown in FIG. 10 will be described with reference to FIGS. 12 and 13. FIG. 12 is a diagram showing an example of a circuit block A. Compared to the circuit block A shown in FIGS. 6 and 7, the circuit block A in FIG. 12 is provided with a thermistor. Two terminals TH1 and TH2 are connected to the thermistor. The thermistor is provided to detect the temperature of the substrate.
図13は、第1実施形態に係るパワーモジュール1の構成を示す断面図および上面図を示す図である。図13の(a)が断面図を示し、図13の(b)が上面図を示す。断面図が示す断面箇所を上面図に示す。なお、図13の(b)に示す上面図の断面線から矢印方向に目視した概略図が図13の(a)となる。13の(a)に示すように、第1実施形態に係るパワーモジュール1は、パワー基板10と、ケース11と、蓋12と、樹脂封止剤としてのシリコンゲル13とを備える。パワー基板10は、回路基板の一例である。 Figure 13 shows a cross-sectional view and a top view illustrating the configuration of a power module 1 according to the first embodiment. Figure 13(a) shows the cross-sectional view, and Figure 13(b) shows the top view. The cross-sectional area shown in the cross-sectional view is shown in the top view. Figure 13(a) is a schematic view viewed in the direction of the arrow from the cross-sectional line in the top view shown in Figure 13(b). As shown in Figure 13(a), the power module 1 according to the first embodiment includes a power board 10, a case 11, a lid 12, and silicone gel 13 as a resin sealant. The power board 10 is an example of a circuit board.
パワー基板10は、たとえば、DCB(Direct Copper Bonding)基板やAMB(Active Metal Brazing)基板などの高い耐熱性および高い放熱性を有する回路基板で構成される。かかるパワー基板10のおもて面には、第1~第6スイッチング素子Q1~Q6やコンデンサC1などが搭載される。 The power board 10 is composed of a circuit board with high heat resistance and high heat dissipation properties, such as a DCB (Direct Copper Bonding) board or an AMB (Active Metal Brazing) board. The front surface of the power board 10 is mounted with the first through sixth switching elements Q1 through Q6, a capacitor C1, and other components.
ケース11は、枠形状を有し、パワー基板10のおもて面を囲むように設けられる。ケース11は、パワー基板10に搭載される各素子を収容する。また、ケース11には、電力変換装置の内部にパワーモジュール1を固定する際などに用いられる取り付け穴が形成される。 The case 11 has a frame shape and is provided to surround the front surface of the power board 10. The case 11 houses each element mounted on the power board 10. The case 11 also has mounting holes formed therein that are used to secure the power module 1 inside the power conversion device.
ケース11は、たとえば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)やポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、ポリブチレンサクシネート(PBS)樹脂、ポリアミド(PA)樹脂、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)樹脂などで形成される。 The case 11 is formed from, for example, polyphenylene sulfide (PPS), polybutylene terephthalate (PBT) resin, polybutylene succinate (PBS) resin, polyamide (PA) resin, or acrylonitrile butadiene styrene (ABS) resin.
蓋12は、ケース11に収容されるパワー基板10のおもて面を覆うと共に、枠形状のケース11の上部を塞ぐように設けられる。蓋12は、たとえば、ケース11と同様の樹脂で形成される。シリコンゲル13は、ケース11の内部に充填され、パワー基板10のおもて面に搭載される各素子などを封止する。パワー基板10には外部出力用PINが立設される。例えば、図13(b)には、負極端子Nに立設した外部出力のPINを、上面から見た図(上面視図)と横から見た図(横面視図)を対応させた図が図示される。 The lid 12 covers the front surface of the power board 10 housed in the case 11 and is provided to close the top of the frame-shaped case 11. The lid 12 is formed, for example, from the same resin as the case 11. Silicon gel 13 is filled inside the case 11 and seals the various elements mounted on the front surface of the power board 10. An external output PIN is provided on the power board 10. For example, Figure 13(b) shows a diagram of the external output PIN provided on the negative terminal N, viewed from above (top view) and from the side (side view).
なお、パワー基板10とケース11との間や、ケース11と蓋12との間は、図示しない接着剤で接合される。 The power board 10 and the case 11, and the case 11 and the lid 12 are joined together with adhesive (not shown).
図13の(b)に示すように、パワー基板10のおもて面には、コンデンサC1と、第1~第6スイッチング素子Q1~Q6とが搭載される。コンデンサC1は、パワー基板10の中央部4に配置される。上アームのスイッチング素子(Q1、Q3、Q5)はSi-FETのゲートがパワー基板10の中央部4よりも上部にくるように配置される。また、下アームのスイッチング素子(Q2、Q4、Q6)はSi-FETのゲートがパワー基板10の中央部4よりも下部にくるように配置される。 As shown in Figure 13 (b), capacitor C1 and first to sixth switching elements Q1 to Q6 are mounted on the front surface of power board 10. Capacitor C1 is located in central portion 4 of power board 10. The upper arm switching elements (Q1, Q3, Q5) are located so that the gates of their Si-FETs are located above central portion 4 of power board 10. The lower arm switching elements (Q2, Q4, Q6) are located so that the gates of their Si-FETs are located below central portion 4 of power board 10.
パワー基板10のおもて面には、配線部を構成する回路パターン21~43が設けられる。なお、かかる回路パターン21~43はパワー基板10に含まれる絶縁層上に互いに独立して設けられることから、回路パターン21~43同士は導通していない。 Circuit patterns 21-43 that make up the wiring section are provided on the front surface of the power board 10. Note that these circuit patterns 21-43 are provided independently of each other on an insulating layer included in the power board 10, and therefore are not electrically connected to each other.
かかる回路パターン21~43について、図14を参照しながら説明する。図14は、第1実施形態に係るパワーモジュール1が最適な配置を実現していることを説明するための図である。図14の(a)は、図13に示したパワー基板10のおもて面を示す図であり、図14の(b)は、回路パターンと図10に示した部位との対応を示す図である。 These circuit patterns 21 to 43 will be explained with reference to Figure 14. Figure 14 is a diagram illustrating how the power module 1 according to the first embodiment achieves an optimal layout. (a) of Figure 14 is a diagram showing the front surface of the power board 10 shown in Figure 13, and (b) of Figure 14 is a diagram showing the correspondence between the circuit patterns and the parts shown in Figure 10.
図14の(a)に示すように、パワー基板10のサイズは、37.50mm×28.50mmである。 As shown in Figure 14(a), the size of the power board 10 is 37.50 mm x 28.50 mm.
第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2を基準にした場合に、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2を挟んでコンデンサC1が配置される領域とは反対側にある領域には、回路パターン21が形成される。かかる回路パターン21の大部分は、ネットワークOUT1-NETに対応する。 When the first switching element Q1 and the second switching element Q2 are used as references, a circuit pattern 21 is formed in the area on the opposite side of the first switching element Q1 and the second switching element Q2 from the area where the capacitor C1 is located. Most of this circuit pattern 21 corresponds to the network OUT1-NET.
第1スイッチング素子Q1のドレイン端子側の領域、第3スイッチング素子Q3のドレイン端子側の領域、第5スイッチング素子Q5のドレイン端子側の領域、および、これらの3つの領域を下アーム側で接続する領域には、回路パターン22が形成される。かかる回路パターン22は、ネットワークP-NETに対応する。 Circuit patterns 22 are formed in the region on the drain terminal side of the first switching element Q1, the region on the drain terminal side of the third switching element Q3, the region on the drain terminal side of the fifth switching element Q5, and the region connecting these three regions on the lower arm side. These circuit patterns 22 correspond to the network P-NET.
第2スイッチング素子Q2のソース端子側の領域、第4スイッチング素子Q4のソース端子側の領域、第6スイッチング素子Q6のソース端子側の領域、および、これらの3つの領域を上アーム側で接続する領域には、回路パターン23が形成される。かかる回路パターン23の大部分は、ネットワークN-NETに対応する。 Circuit patterns 23 are formed in the region on the source terminal side of the second switching element Q2, the region on the source terminal side of the fourth switching element Q4, the region on the source terminal side of the sixth switching element Q6, and the region connecting these three regions on the upper arm side. Most of these circuit patterns 23 correspond to the network N-NET.
第1スイッチング素子Q1を基準にした場合に、第1スイッチング素子Q1を挟んで第2スイッチング素子Q2が配置される領域とは反対側にある領域には、回路パターン24、25が配置される。かかる回路パターン24、25は、ネットワークQ1G-NETの一部に対応する。 When the first switching element Q1 is used as a reference, circuit patterns 24 and 25 are arranged in an area on the opposite side of the first switching element Q1 from the area in which the second switching element Q2 is arranged. These circuit patterns 24 and 25 correspond to part of the network Q1G-NET.
第2スイッチング素子Q2を基準にした場合に、第2スイッチング素子Q2を挟んで第2スイッチング素子Q1が配置される領域とは反対側にある領域には、回路パターン26、27が配置される。かかる回路パターン26、27は、ネットワークQ2G-NETの一部に対応する。 When the second switching element Q2 is used as a reference, circuit patterns 26 and 27 are arranged in an area on the opposite side of the second switching element Q2 from the area in which the second switching element Q1 is arranged. These circuit patterns 26 and 27 correspond to part of the network Q2G-NET.
第3スイッチング素子Q3を基準にした場合に、第3スイッチング素子Q3を挟んで第4スイッチング素子Q4が配置される領域とは反対側にある領域には、回路パターン28、29、30が配置される。回路パターン28は、第3スイッチング素子Q3のソース側の領域まで延びる。回路パターン28は、ネットワークOUT2-NETの一部に対応する。また、回路パターン29、30は、ネットワークQ3G-NETの一部に対応する。 When the third switching element Q3 is used as a reference, circuit patterns 28, 29, and 30 are arranged in an area on the opposite side of the third switching element Q3 from the area in which the fourth switching element Q4 is arranged. Circuit pattern 28 extends to the area on the source side of the third switching element Q3. Circuit pattern 28 corresponds to part of network OUT2-NET. Circuit patterns 29 and 30 correspond to part of network Q3G-NET.
第4スイッチング素子Q4のドレイン側の領域には、回路パターン31が配置される。また、第4スイッチング素子Q4を基準にした場合に、第4スイッチング素子Q4を挟んで第3スイッチング素子Q3が配置される領域とは反対側にある領域には、回路パターン32、33が配置される。回路パターン31は、ネットワークOUT2-NETの一部に対応する。また、回路パターン32、33は、ネットワークQ4G-NETの一部に対応する。 Circuit pattern 31 is arranged in the region on the drain side of the fourth switching element Q4. Furthermore, when the fourth switching element Q4 is used as a reference, circuit patterns 32 and 33 are arranged in the region on the opposite side of the fourth switching element Q4 from the region in which the third switching element Q3 is arranged. Circuit pattern 31 corresponds to part of network OUT2-NET. Furthermore, circuit patterns 32 and 33 correspond to part of network Q4G-NET.
第5スイッチング素子Q5を基準にした場合に、第5スイッチング素子Q5を挟んで第6スイッチング素子Q6が配置される領域とは反対側にある領域には、回路パターン34、35、36が配置される。回路パターン34は、第5スイッチング素子Q5のソース側の領域を含む。回路パターン34は、ネットワークOUT3-NETの一部に対応する。また、回路パターン35、36は、ネットワークQ5G-NETの一部に対応する。 When the fifth switching element Q5 is used as a reference, circuit patterns 34, 35, and 36 are arranged in an area on the opposite side of the fifth switching element Q5 from the area in which the sixth switching element Q6 is arranged. Circuit pattern 34 includes the area on the source side of the fifth switching element Q5. Circuit pattern 34 corresponds to part of the network OUT3-NET. Furthermore, circuit patterns 35 and 36 correspond to part of the network Q5G-NET.
第6スイッチング素子Q6のドレイン側の領域には、回路パターン37が配置される。また、第6スイッチング素子Q6を基準にした場合に、第6スイッチング素子Q6を挟んで第5スイッチング素子Q5が配置される領域とは反対側にある領域には、回路パターン38、39が配置される。回路パターン37は、ネットワークOUT3-NETの一部に対応する。また、回路パターン38、39は、ネットワークQ6G-NETの一部に対応する。 Circuit pattern 37 is arranged in the region on the drain side of sixth switching element Q6. Furthermore, when sixth switching element Q6 is used as a reference, circuit patterns 38 and 39 are arranged in the region on the opposite side of sixth switching element Q6 from the region in which fifth switching element Q5 is arranged. Circuit pattern 37 corresponds to part of network OUT3-NET. Furthermore, circuit patterns 38 and 39 correspond to part of network Q6G-NET.
回路パターン21の第2スイッチング素子Q2に隣接する部位を基準にした場合に、第2スイッチング素子Q2を挟んで第2スイッチング素子Q2に隣接する部位とは反対側にある領域には、回路パターン40、41が配置される。第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2とに挟まれる領域には、回路パターン42、43が配置される。 When the portion of circuit pattern 21 adjacent to the second switching element Q2 is used as a reference, circuit patterns 40 and 41 are arranged in the region on the opposite side of the second switching element Q2 from the portion adjacent to the second switching element Q2. Circuit patterns 42 and 43 are arranged in the region sandwiched between the first switching element Q1 and the second switching element Q2.
ここまで説明したように、第1実施形態に係るパワーモジュール1では、コンデンサC1、第1~第6スイッチング素子Q1~Q6および各配線部について、図11の(b)に示した最適な配置が実現されている。 As explained above, in the power module 1 according to the first embodiment, the capacitor C1, the first to sixth switching elements Q1 to Q6, and the wiring sections are optimally arranged as shown in Figure 11(b).
かかる回路パターン21~43に関する具体的な配線の構成は以下の通りである。回路パターン21には、第1スイッチング素子Q1のソース電極(ソースパッド)と、第1スイッチング素子Q1のGaN-FETのゲート電極(ゲートパッド)と、第2スイッチング素子Q2のドレイン電極(ドレインパッド)とがボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。また、回路パターン21における回路パターン24に隣接する部位には、ソース端子Q1-Sが設けられ、かかるソース端子Q1-Sを基準にした場合に、ソース端子Q1-Sを挟んで回路パターン24が配置される領域とは反対側にある回路パターン21には出力端子OUT1が設けられる。 The specific wiring configuration for these circuit patterns 21-43 is as follows. The source electrode (source pad) of the first switching element Q1, the gate electrode (gate pad) of the GaN-FET of the first switching element Q1, and the drain electrode (drain pad) of the second switching element Q2 are electrically connected to circuit pattern 21 via bonding wire W. Furthermore, a source terminal Q1-S is provided in a portion of circuit pattern 21 adjacent to circuit pattern 24, and, when using source terminal Q1-S as a reference, an output terminal OUT1 is provided in the circuit pattern 21 on the opposite side of source terminal Q1-S from the area in which circuit pattern 24 is located.
回路パターン22には、第1スイッチング素子Q1のドレイン電極と、第3スイッチング素子Q3のドレイン電極と、第5スイッチング素子Q5のドレイン電極とが、ボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。また、回路パターン22において第5スイッチング素子Q5の近傍には、正極端子Pが設けられる。 The drain electrode of the first switching element Q1, the drain electrode of the third switching element Q3, and the drain electrode of the fifth switching element Q5 are electrically connected to the circuit pattern 22 via bonding wires W. In addition, a positive terminal P is provided on the circuit pattern 22 near the fifth switching element Q5.
回路パターン22と回路パターン23との間にはコンデンサC1が設けられ、かかるコンデンサC1を介して回路パターン22と回路パターン23とが電気的に接続される。 A capacitor C1 is provided between circuit pattern 22 and circuit pattern 23, and circuit pattern 22 and circuit pattern 23 are electrically connected via this capacitor C1.
回路パターン23には、第2スイッチング素子Q2のソース電極と、第2スイッチング素子Q2のGaN-FETのゲート電極と、第4スイッチング素子Q4のソース電極と、第4スイッチング素子Q4のGaN-FETのゲート電極と、第6スイッチング素子Q6のソース電極と、第6スイッチング素子Q6のGaN-FETのゲート電極とがボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。 The circuit pattern 23 is electrically connected via bonding wires W to the source electrode of the second switching element Q2, the gate electrode of the GaN-FET of the second switching element Q2, the source electrode of the fourth switching element Q4, the gate electrode of the GaN-FET of the fourth switching element Q4, the source electrode of the sixth switching element Q6, and the gate electrode of the GaN-FET of the sixth switching element Q6.
また、回路パターン23において第6スイッチング素子Q6の近傍には、負極端子Nが設けられる。また、回路パターン23の回路パターン26に近接する部位にはソース端子Q2-Sが設けられ、回路パターン23の回路パターン32に近接する部位にはソース端子Q4-Sが設けられ、回路パターン23の回路パターン38に近接する部位にはソース端子Q6-Sが設けられる。 A negative terminal N is provided in the vicinity of the sixth switching element Q6 on the circuit pattern 23. A source terminal Q2-S is provided in the vicinity of circuit pattern 26 on the circuit pattern 23, a source terminal Q4-S is provided in the vicinity of circuit pattern 32 on the circuit pattern 23, and a source terminal Q6-S is provided in the vicinity of circuit pattern 38 on the circuit pattern 23.
回路パターン24には、ゲート端子Q1-Gが設けられる。なお、回路パターン24と回路パターン25との間には抵抗R1-1が設けられ、かかる抵抗R1-1を介して回路パターン24と回路パターン25が電気的に接続される。 A gate terminal Q1-G is provided on circuit pattern 24. A resistor R1-1 is provided between circuit pattern 24 and circuit pattern 25, and circuit pattern 24 and circuit pattern 25 are electrically connected via resistor R1-1.
回路パターン25には、第1スイッチング素子Q1のゲート電極が、ボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。なお、回路パターン25と回路パターン21との間には抵抗R1-2が設けられ、かかる抵抗R1-2を介して回路パターン25と回路パターン21が電気的に接続される。 The gate electrode of the first switching element Q1 is electrically connected to the circuit pattern 25 via a bonding wire W. A resistor R1-2 is provided between the circuit pattern 25 and the circuit pattern 21, and the circuit pattern 25 and the circuit pattern 21 are electrically connected via this resistor R1-2.
回路パターン26には、ゲート端子Q2-Gが設けられる。なお、回路パターン26と回路パターン27との間には抵抗R2-1が設けられ、かかる抵抗R2-1を介して回路パターン26と回路パターン27が電気的に接続される。 A gate terminal Q2-G is provided on circuit pattern 26. A resistor R2-1 is provided between circuit pattern 26 and circuit pattern 27, and circuit pattern 26 and circuit pattern 27 are electrically connected via resistor R2-1.
回路パターン27には、第2スイッチング素子Q2のゲート電極が、ボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。なお、回路パターン27と回路パターン23との間には抵抗R2-2が設けられ、かかる抵抗R2-2を介して回路パターン27と回路パターン23が電気的に接続される。 The gate electrode of the second switching element Q2 is electrically connected to the circuit pattern 27 via a bonding wire W. A resistor R2-2 is provided between the circuit pattern 27 and the circuit pattern 23, and the circuit pattern 27 and the circuit pattern 23 are electrically connected via this resistor R2-2.
回路パターン28には、第3スイッチング素子Q3のソース電極と、第3スイッチング素子Q3のGaN-FETのゲート電極とがボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。また、回路パターン28には、回路パターン31がボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。また、回路パターン28における回路パターン29に隣接する部位には、ソース端子Q3-Sが設けられ、かかるソース端子Q3-Sを基準にした場合に、回路パターン29の反対側における回路パターン28には出力端子OUT2が設けられる。 The source electrode of the third switching element Q3 and the gate electrode of the GaN-FET of the third switching element Q3 are electrically connected to circuit pattern 28 via bonding wire W. Circuit pattern 31 is also electrically connected to circuit pattern 28 via bonding wire W. A source terminal Q3-S is provided in a portion of circuit pattern 28 adjacent to circuit pattern 29, and an output terminal OUT2 is provided on the circuit pattern 28 on the opposite side of circuit pattern 29 from source terminal Q3-S.
回路パターン29には、ゲート端子Q3-Gが設けられる。なお、回路パターン29と回路パターン30との間には抵抗R3-1が設けられ、かかる抵抗R3-1を介して回路パターン29と回路パターン30が電気的に接続される。 A gate terminal Q3-G is provided on circuit pattern 29. A resistor R3-1 is provided between circuit pattern 29 and circuit pattern 30, and circuit pattern 29 and circuit pattern 30 are electrically connected via resistor R3-1.
回路パターン30には、第3スイッチング素子Q3のゲート電極が、ボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。なお、回路パターン30と回路パターン28との間には抵抗R3-2が設けられ、かかる抵抗R3-2を介して回路パターン30と回路パターン28が電気的に接続される。 The gate electrode of the third switching element Q3 is electrically connected to the circuit pattern 30 via a bonding wire W. A resistor R3-2 is provided between the circuit pattern 30 and the circuit pattern 28, and the circuit pattern 30 and the circuit pattern 28 are electrically connected via this resistor R3-2.
回路パターン31には、第4スイッチング素子Q4のドレイン電極がボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。 The drain electrode of the fourth switching element Q4 is electrically connected to the circuit pattern 31 via a bonding wire W.
回路パターン32には、ゲート端子Q4-Gが設けられる。なお、回路パターン32と回路パターン33との間には抵抗R4-1が設けられ、かかる抵抗R4-1を介して回路パターン32と回路パターン33が電気的に接続される。 A gate terminal Q4-G is provided on circuit pattern 32. A resistor R4-1 is provided between circuit pattern 32 and circuit pattern 33, and circuit pattern 32 and circuit pattern 33 are electrically connected via resistor R4-1.
回路パターン33には、第4スイッチング素子Q4のソース電極が、ボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。なお、回路パターン33と回路パターン23との間には抵抗R4-2が設けられ、かかる抵抗R4-2を介して回路パターン33と回路パターン23が電気的に接続される。 The source electrode of the fourth switching element Q4 is electrically connected to the circuit pattern 33 via a bonding wire W. A resistor R4-2 is provided between the circuit pattern 33 and the circuit pattern 23, and the circuit pattern 33 and the circuit pattern 23 are electrically connected via this resistor R4-2.
回路パターン34には、第5スイッチング素子Q5のソース電極と、第5スイッチング素子Q5のGaN-FETのゲート電極とがボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。また、回路パターン34には、回路パターン37がボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。なお、コンデンサC1は、上アームのGaN系スイッチング素子のドレイン電極と下アームのGaN系スイッチング素子のソース電極をつなぐワイヤで挟まれる領域に配置される。具体的には、コンデンサC1は、回路パターン28と回路パターン31を接続するボンディングワイヤWと回路パターン34と回路パターン37を接続するボンディングワイヤWに挟まれる領域に配置される。また、回路パターン34における回路パターン35に隣接する部位には、ソース端子Q5-Sが設けられ、かかるソース端子Q5-Sを基準にした場合に、ソース端子Q5-Sを挟んで回路パターン35が配置される領域とは反対側にある回路パターン34には出力端子OUT3が設けられる。 The source electrode of the fifth switching element Q5 and the gate electrode of the GaN-FET of the fifth switching element Q5 are electrically connected to circuit pattern 34 via bonding wire W. Circuit pattern 37 is also electrically connected to circuit pattern 34 via bonding wire W. Capacitor C1 is located in an area sandwiched between wires connecting the drain electrode of the GaN-based switching element of the upper arm and the source electrode of the GaN-based switching element of the lower arm. Specifically, capacitor C1 is located in an area sandwiched between the bonding wire W connecting circuit pattern 28 and circuit pattern 31 and the bonding wire W connecting circuit pattern 34 and circuit pattern 37. A source terminal Q5-S is provided in a portion of circuit pattern 34 adjacent to circuit pattern 35. When using source terminal Q5-S as a reference, an output terminal OUT3 is provided on the circuit pattern 34 on the opposite side of source terminal Q5-S from the area where circuit pattern 35 is located.
回路パターン35には、ゲート端子Q5-Gが設けられる。なお、回路パターン35と回路パターン36との間には抵抗R5-1が設けられ、かかる抵抗R5-1を介して回路パターン35と回路パターン36が電気的に接続される。 A gate terminal Q5-G is provided on circuit pattern 35. A resistor R5-1 is provided between circuit pattern 35 and circuit pattern 36, and circuit pattern 35 and circuit pattern 36 are electrically connected via resistor R5-1.
回路パターン36には、第5スイッチング素子Q5のゲート電極が、ボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。なお、回路パターン36と回路パターン34との間には抵抗R5-2が設けられ、かかる抵抗R5-2を介して回路パターン36と回路パターン34が電気的に接続される。 The gate electrode of the fifth switching element Q5 is electrically connected to the circuit pattern 36 via a bonding wire W. A resistor R5-2 is provided between the circuit pattern 36 and the circuit pattern 34, and the circuit pattern 36 and the circuit pattern 34 are electrically connected via this resistor R5-2.
回路パターン37には、第6スイッチング素子Q6のドレイン電極がボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。 The drain electrode of the sixth switching element Q6 is electrically connected to the circuit pattern 37 via a bonding wire W.
回路パターン38には、ゲート端子Q6-Gが設けられる。なお、回路パターン38と回路パターン39との間には抵抗R6-1が設けられ、かかる抵抗R6-1を介して回路パターン38と回路パターン39が電気的に接続される。 A gate terminal Q6-G is provided on circuit pattern 38. A resistor R6-1 is provided between circuit pattern 38 and circuit pattern 39, and circuit pattern 38 and circuit pattern 39 are electrically connected via resistor R6-1.
回路パターン39には、第6スイッチング素子Q6のソース電極が、ボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。なお、回路パターン39と回路パターン23との間には抵抗R6-2が設けられ、かかる抵抗R6-2を介して回路パターン39と回路パターン23が電気的に接続される。 The source electrode of the sixth switching element Q6 is electrically connected to circuit pattern 39 via a bonding wire W. A resistor R6-2 is provided between circuit pattern 39 and circuit pattern 23, and circuit pattern 39 and circuit pattern 23 are electrically connected via resistor R6-2.
回路パターン40には、サーミスタの一方の電極に接続される端子TH1が設けられる。回路パターン40には、回路パターン42がボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。回路パターン41には、サーミスタの他方の電極に接続される端子TH2が設けられる。回路パターン41には、回路パターン43がボンディングワイヤWを介して電気的に接続される。 Circuit pattern 40 has a terminal TH1 that is connected to one electrode of the thermistor. Circuit pattern 42 is electrically connected to circuit pattern 40 via a bonding wire W. Circuit pattern 41 has a terminal TH2 that is connected to the other electrode of the thermistor. Circuit pattern 41 is electrically connected to circuit pattern 43 via a bonding wire W.
また、正極端子P、負極端子N、出力端子OUT1~OUT3、ゲート端子Q1-G~Q6-G、ソース端子Q1-S~Q6-Sおよび端子TH1、TH2は、いずれも金属などの導電性材料で構成され、ハンダや導電性接着剤などの導電性接合材で各回路パターンと電気的および機械的に接続される。 In addition, the positive terminal P, negative terminal N, output terminals OUT1 to OUT3, gate terminals Q1-G to Q6-G, source terminals Q1-S to Q6-S, and terminals TH1 and TH2 are all made of conductive materials such as metal, and are electrically and mechanically connected to each circuit pattern with conductive bonding materials such as solder or conductive adhesive.
図15は、第1実施形態に係るパワーモジュール1内の回路ループ1-1~1-6について説明するための図である。図15に示すように、第1実施形態に係るパワーモジュール1では、回路ループ1-1~1-6の長さが極力短くなっていると共に、かかる回路ループ1-1~1-6のループ面積が極力小さくなっている。 Figure 15 is a diagram for explaining the circuit loops 1-1 to 1-6 within the power module 1 according to the first embodiment. As shown in Figure 15, in the power module 1 according to the first embodiment, the lengths of the circuit loops 1-1 to 1-6 are made as short as possible, and the loop areas of the circuit loops 1-1 to 1-6 are made as small as possible.
図16は、第1実施形態に係るパワーモジュール1内の回路ループ2-1について説明するための図である。図16の(a)に示すように、第1実施形態に係るパワーモジュール1では、回路ループ2-1の長さが極力短くなっていると共に、かかる回路ループ2-1のループ面積が極力小さくなっている。また、図16の(b)に示すように、回路ループ2-2の長さが極力短くなっていると共に、かかる回路ループ2-2のループ面積が極力小さくなっている。 Figure 16 is a diagram for explaining the circuit loop 2-1 in the power module 1 according to the first embodiment. As shown in Figure 16(a), in the power module 1 according to the first embodiment, the length of the circuit loop 2-1 is made as short as possible, and the loop area of the circuit loop 2-1 is made as small as possible. Also, as shown in Figure 16(b), the length of the circuit loop 2-2 is made as short as possible, and the loop area of the circuit loop 2-2 is made as small as possible.
以上説明したように、パワーモジュール1内の回路ループ1-1~1-6および回路ループ2-1および2-2に関して、それぞれの回路ループの長さが極力短くなっていると共に、それぞれのループ面積が極力小さくなっている。従って、それぞれの回路ループにおける発生ノイズを低減させる効果が得られる。なお、回路ループ1-1~1-6および回路ループ2-1、2-2はコンデンサC1を経由するループでないため、コンデンサC1が装着されていなくても、それぞれの回路ループにおける配線インダクタンスを低減させる効果が得られる。 As explained above, the length of each of the circuit loops 1-1 to 1-6 and circuit loops 2-1 and 2-2 within the power module 1 is minimized, and the loop area is also minimized. This has the effect of reducing noise generated in each circuit loop. Furthermore, because circuit loops 1-1 to 1-6 and circuit loops 2-1 and 2-2 do not pass through capacitor C1, the effect of reducing wiring inductance in each circuit loop can be achieved even if capacitor C1 is not installed.
図17は、第1実施形態に係るパワーモジュール1内の回路ループ3-1、3-2、3-3について説明するための図である。図17に示すように、第1実施形態に係るパワーモジュール1では、コンデンサC1を経由する回路ループ3-1、3-2、3-3の長さが極力短くなっていると共に、かかる回路ループ3-1、3-2、3-3のループ面積が極力小さくなっている。したがって、コンデンサC1を装着したパワーモジュール1は、上記効果に加えてさらに回路ループにおける配線インダクタンスを低減させる効果が得られる。 Figure 17 is a diagram for explaining the circuit loops 3-1, 3-2, and 3-3 within the power module 1 according to the first embodiment. As shown in Figure 17, in the power module 1 according to the first embodiment, the lengths of the circuit loops 3-1, 3-2, and 3-3 passing through the capacitor C1 are minimized, and the loop areas of these circuit loops 3-1, 3-2, and 3-3 are minimized. Therefore, in addition to the above effects, the power module 1 equipped with the capacitor C1 also achieves the effect of reducing wiring inductance in the circuit loops.
図18は、第1実施形態に係るパワーモジュール1内の共通インピーダンスCIについて説明するための図である。図18の(a)は第1スイッチング素子Q1周りを説明するための図であり、図18の(b)は第2スイッチング素子Q2周りを説明するための図である。 Figure 18 is a diagram illustrating the common impedance CI within the power module 1 according to the first embodiment. (a) of Figure 18 is a diagram illustrating the area around the first switching element Q1, and (b) of Figure 18 is a diagram illustrating the area around the second switching element Q2.
図18の(a)に示すように、第1スイッチング素子Q1において、Si-FETのソース電極(すなわち、第1スイッチング素子Q1のソース電極)から延びるボンディングワイヤWが回路パターン21に接続される箇所を第1接続部51とする。 As shown in (a) of Figure 18, in the first switching element Q1, the location where the bonding wire W extending from the source electrode of the Si-FET (i.e., the source electrode of the first switching element Q1) is connected to the circuit pattern 21 is referred to as the first connection portion 51.
また、第1スイッチング素子Q1において、GaN-FETのゲート電極から延びるボンディングワイヤWが回路パターン21に接続される箇所を第2接続部52とする。 Furthermore, in the first switching element Q1, the location where the bonding wire W extending from the gate electrode of the GaN-FET is connected to the circuit pattern 21 is referred to as the second connection portion 52.
そして、第1実施形態では、かかる第1接続部51が第2接続部52よりもパワー基板10の短辺(図18における左側)に近い。言い換えれば、第1接続部51は第2接続部52よりも両者が接続される第1スイッチング素子Q1から離れて配置される。これにより、第1スイッチング素子Q1のドレイン端子からソース端子に流れる大電流ラインILと、第1スイッチング素子Q1のゲート電極からソース端子に流れる小電流ラインISとの重なる部分(すなわち、共通インピーダンスCI)を極力小さくすることができる。 In the first embodiment, the first connection portion 51 is closer to the short side (the left side in FIG. 18 ) of the power board 10 than the second connection portion 52. In other words, the first connection portion 51 is positioned farther away from the first switching element Q1 to which they are connected than the second connection portion 52. This makes it possible to minimize the overlapping portion (i.e., common impedance CI) between the large current line IL flowing from the drain terminal to the source terminal of the first switching element Q1 and the small current line IS flowing from the gate electrode to the source terminal of the first switching element Q1.
したがって、第1実施形態によれば、共通インピーダンスCIを低減して大電流ラインILで発生するノイズの小電流ラインISへの影響を低減することができる。 Therefore, according to the first embodiment, the common impedance CI can be reduced, thereby reducing the impact of noise generated on the large current line IL on the small current line IS.
なお、図18の(a)では第1スイッチング素子Q1について示したが、第3スイッチング素子Q3、第5スイッチング素子Q5でも同様に回路パターン28、34に第1接続部51、第2接続部52を設けることにより、共通インピーダンスCIを極力小さくすることができる。 Note that while Figure 18(a) shows the first switching element Q1, the common impedance CI can be minimized by similarly providing the first connection portion 51 and the second connection portion 52 on the circuit patterns 28 and 34 for the third switching element Q3 and the fifth switching element Q5.
また、図18の(b)に示すように、第2スイッチング素子Q2において、Si-FETのソース電極(すなわち、第2スイッチング素子Q2のソース電極)から延びるボンディングワイヤWが回路パターン23に接続される箇所を第3接続部53とする。 Also, as shown in (b) of Figure 18, in the second switching element Q2, the location where the bonding wire W extending from the source electrode of the Si-FET (i.e., the source electrode of the second switching element Q2) is connected to the circuit pattern 23 is referred to as the third connection portion 53.
また、第2スイッチング素子Q2において、GaN-FETのゲート電極から延びるボンディングワイヤWが回路パターン23に接続される箇所を第4接続部54とする。 Furthermore, in the second switching element Q2, the location where the bonding wire W extending from the gate electrode of the GaN-FET is connected to the circuit pattern 23 is referred to as the fourth connection portion 54.
そして、第1実施形態では、かかる第3接続部53が第4接続部54よりもパワー基板10の中央に近い。言い換えれば、第3接続部53は第4接続部54よりも両者が接続される第2スイッチング素子Q2から離れて配置される。これにより、第2スイッチング素子Q2のドレイン端子からソース端子に流れる大電流ラインILと、第2スイッチング素子Q2のゲート電極からソース端子に流れる小電流ラインISとの重なる部分(すなわち、共通インピーダンスCI)を極力小さくすることができる。 In the first embodiment, the third connection portion 53 is closer to the center of the power board 10 than the fourth connection portion 54. In other words, the third connection portion 53 is positioned farther away from the second switching element Q2 to which they are connected than the fourth connection portion 54. This makes it possible to minimize the overlapping portion (i.e., common impedance CI) between the large current line IL flowing from the drain terminal to the source terminal of the second switching element Q2 and the small current line IS flowing from the gate electrode to the source terminal of the second switching element Q2.
したがって、第1実施形態によれば、共通インピーダンスCIを低減して大電流ラインILで発生するノイズの小電流ラインISへの影響を低減することができる。 Therefore, according to the first embodiment, the common impedance CI can be reduced, thereby reducing the impact of noise generated on the large current line IL on the small current line IS.
なお、図18の(b)では第2スイッチング素子Q2について示したが、第4スイッチング素子Q4、第6スイッチング素子Q6でも同様に回路パターン23に第3接続部53、第4接続部54を設けることにより、共通インピーダンスCIを極力小さくすることができる。 Note that while Figure 18(b) shows the second switching element Q2, the common impedance CI can also be minimized by providing the third connection portion 53 and the fourth connection portion 54 in the circuit pattern 23 for the fourth switching element Q4 and the sixth switching element Q6.
つづいて、ここまで説明した第1実施形態に係るパワーモジュール1と、第1実施形態とは別のコンセプトで配置された参考例のパワーモジュール100との配線インダクタンスについて比較する。図19は、参考例におけるパワーモジュール100の構成を示す上面図である。かかる参考例は、Si-FET、Si-IGBTを用いたパワーモジュールで一般的に採用されている部品配置とパターンニング方法である。 Next, we will compare the wiring inductance between the power module 1 according to the first embodiment described above and a power module 100 of a reference example, which is arranged based on a different concept from the first embodiment. Figure 19 is a top view showing the configuration of the power module 100 of the reference example. This reference example uses a component arrangement and patterning method that is commonly adopted in power modules using Si-FETs and Si-IGBTs.
図19に示すように、パワーモジュール100のパワー基板のサイズは、58.00mm×29.00mmである。図14の(a)と比較して、同一素子を用いて同一回路を形成しながら、パワーモジュール100のパワー基板のサイズは大きい。 As shown in Figure 19, the size of the power board of the power module 100 is 58.00 mm x 29.00 mm. Compared to Figure 14(a), the size of the power board of the power module 100 is larger, even though the same elements are used to form the same circuit.
図20は、参考例におけるパワーモジュール100内の回路ループ1-1~1-6について説明するための図である。図15と図20を比較すると、第1実施形態に係るパワーモジュール1と参考例のパワーモジュール100では、優劣差はない。 Figure 20 is a diagram for explaining the circuit loops 1-1 to 1-6 within the power module 100 of the reference example. Comparing Figure 15 and Figure 20, there is no difference in merit between the power module 1 of the first embodiment and the power module 100 of the reference example.
図21は、参考例におけるパワーモジュール100内の回路ループ2-1について説明するための図である。図16と図21を比較すると、参考例のパワーモジュール100では、第1実施形態に比べて、回路ループ2-1の長さが長くなっていると共に、かかる回路ループ2-1のループ面積が大きくなっている。 Figure 21 is a diagram for explaining the circuit loop 2-1 in the power module 100 of the reference example. Comparing Figure 16 and Figure 21, in the power module 100 of the reference example, the length of the circuit loop 2-1 is longer and the loop area of the circuit loop 2-1 is larger than in the first embodiment.
図22は、参考例におけるパワーモジュール100内の回路ループ3-1について説明するための図である。図17と図22を比較すると、参考例のパワーモジュール100では、第1実施形態に比べて、回路ループ3-1の長さが長くなっていると共に、かかる回路ループ3-1のループ面積が大きくなっている。 Figure 22 is a diagram for explaining the circuit loop 3-1 in the power module 100 of the reference example. Comparing Figure 17 and Figure 22, in the power module 100 of the reference example, the length of the circuit loop 3-1 is longer and the loop area of the circuit loop 3-1 is larger than in the first embodiment.
すなわち、第1実施形態に係るパワーモジュール1は、参考例のパワーモジュール100に比べて、回路ループ2-1、3-1の長さが短くなっていると共に、かかる回路ループのループ面積が小さくなっている。これにより、第1実施形態では、パワーモジュール1の配線インダクタンスを低減することができる。 In other words, the power module 1 according to the first embodiment has shorter circuit loops 2-1 and 3-1 and a smaller loop area than the power module 100 according to the reference example. This allows the wiring inductance of the power module 1 to be reduced in the first embodiment.
図23は、参考例におけるパワーモジュール100内の共通インピーダンスCIについて説明するための図である。図18の(a)と図23を比較すると、第1実施形態に係るパワーモジュール1と参考例のパワーモジュール100では、優劣差はない。 Figure 23 is a diagram for explaining the common impedance CI within the power module 100 in the reference example. Comparing Figure 18(a) with Figure 23, there is no difference in merit between the power module 1 in accordance with the first embodiment and the power module 100 in the reference example.
<第1実施形態の変形例>
ここまでは、コンデンサC1を1つだけ配置した場合について説明したが、パワーモジュール1により多くのコンデンサを配置してもよい。図24は、3つのコンデンサを配置した変形例1を示す図である。図24の(a)は、コンデンサの配置を示し、図24の(b)は、回路ループ3-1~3-3を示す。
<Modification of the first embodiment>
So far, we have described the case where only one capacitor C1 is arranged, but more capacitors may be arranged in the power module 1. Fig. 24 is a diagram showing Modification 1 in which three capacitors are arranged. Fig. 24(a) shows the arrangement of the capacitors, and Fig. 24(b) shows the circuit loops 3-1 to 3-3.
図24の(a)に示すように、コンデンサC1は、第3スイッチング素子Q3のドレイン電極に接続するボンディングワイヤWと第4スイッチング素子Q4のソース電極に接続するボンディングワイヤWに挟まれる領域に配置される。コンデンサC2は、第1スイッチング素子Q1のドレイン電極に接続するボンディングワイヤWと第2スイッチング素子Q2のソース電極に接続するボンディングワイヤWに挟まれる領域に配置される。コンデンサC3は、第5スイッチング素子Q5のソース電極と第6スイッチング素子Q6のソース電極に挟まれる領域に配置される。 As shown in (a) of Figure 24, capacitor C1 is located in a region sandwiched between a bonding wire W connected to the drain electrode of the third switching element Q3 and a bonding wire W connected to the source electrode of the fourth switching element Q4. Capacitor C2 is located in a region sandwiched between a bonding wire W connected to the drain electrode of the first switching element Q1 and a bonding wire W connected to the source electrode of the second switching element Q2. Capacitor C3 is located in a region sandwiched between the source electrode of the fifth switching element Q5 and the source electrode of the sixth switching element Q6.
コンデンサC1が配置される領域とコンデンサC2が配置される領域は、回路パターン28と回路パターン31とを接続するボンディングワイヤWで区切られる。コンデンサC1が配置される領域とコンデンサC3が配置される領域は、回路パターン34と回路パターン37とを接続するボンディングワイヤWで区切られる。 The area where capacitor C1 is placed and the area where capacitor C2 is placed are separated by a bonding wire W that connects circuit pattern 28 and circuit pattern 31. The area where capacitor C1 is placed and the area where capacitor C3 is placed are separated by a bonding wire W that connects circuit pattern 34 and circuit pattern 37.
図24の(b)に示すように、変形例1では、コンデンサC2を含む回路ループ3-1が形成され、コンデンサC1を含む回路ループ3-2が形成され、コンデンサC3を含む回路ループ3-3が形成される。図17に示した回路ループ3-1~3-3と比較すると、図24の(b)に示す回路ループ3-1~3-3の長さは、短く、かかる回路ループ3-1~3-3のループ面積が小さくなっている。 As shown in (b) of Figure 24, in variant 1, a circuit loop 3-1 including capacitor C2 is formed, a circuit loop 3-2 including capacitor C1 is formed, and a circuit loop 3-3 including capacitor C3 is formed. Compared to the circuit loops 3-1 to 3-3 shown in (b) of Figure 24, the lengths of the circuit loops 3-1 to 3-3 shown in (b) of Figure 24 are shorter, and the loop areas of the circuit loops 3-1 to 3-3 are smaller.
図25は、図6に示したモータ制御回路の変形例を示す図である。図6と比較すると、図25に示す回路では、負極端子Nの代わりに負極端子N1~N3が設けられている。また、負極端子N1とDCマイナス入力端子との間、負極端子N2とDCマイナス入力端子との間、負極端子N3とDCマイナス入力端子との間には、それぞれ電流検出回路が設けられる。 Figure 25 shows a modified example of the motor control circuit shown in Figure 6. Compared to Figure 6, the circuit shown in Figure 25 has negative terminals N1 to N3 instead of negative terminal N. In addition, current detection circuits are provided between negative terminal N1 and the negative DC input terminal, between negative terminal N2 and the negative DC input terminal, and between negative terminal N3 and the negative DC input terminal.
図26は、図25に示した回路のパワー基板10を変形例2として示す図である。図14と比較して、回路パターン23のソース端子Q2-Sに近接する部位には負極端子N1が設けられ、回路パターン23のソース端子Q4-Sに近接する部位には負極端子N2が設けられ、回路パターン23のソース端子Q6-Sに近接する部位には負極端子N3が設けられる。 Figure 26 is a diagram showing a power board 10 of the circuit shown in Figure 25 as variant 2. Compared to Figure 14, a negative terminal N1 is provided in the vicinity of source terminal Q2-S of circuit pattern 23, a negative terminal N2 is provided in the vicinity of source terminal Q4-S of circuit pattern 23, and a negative terminal N3 is provided in the vicinity of source terminal Q6-S of circuit pattern 23.
図26に示すパワー基板10においても、図14に示したパワー基板10と同様に、パワーモジュール1内の回路ループ1-1~1-6、2-1、2-2、3-1~3-3に関して、それぞれの回路ループの長さが極力短くなっていると共に、それぞれのループ面積が極力小さくなっている。 In the power board 10 shown in Figure 26, as with the power board 10 shown in Figure 14, the length of each circuit loop 1-1 to 1-6, 2-1, 2-2, 3-1 to 3-3 within the power module 1 is made as short as possible, and the loop area of each loop is made as small as possible.
図27は、変形例2におけるパワーモジュール1内の共通インピーダンスCIについて説明するための図である。図27は、Q2周りを示す。図18の(b)における説明と同様に、変形例2においてもパワーモジュール1内の共通インピーダンスCIを極力小さくすることができる。 Figure 27 is a diagram for explaining the common impedance CI within the power module 1 in Modification 2. Figure 27 shows the area around Q2. As with the explanation in Figure 18(b), in Modification 2, the common impedance CI within the power module 1 can also be minimized.
<第2実施形態>
つづいて、第2実施形態に係るパワーモジュール1について、図28~図33を参照しながら説明する。図28は、第2実施形態に係るパワーモジュール1の回路構成を示す図である。
Second Embodiment
Next, a power module 1 according to a second embodiment will be described with reference to Fig. 28 to Fig. 33. Fig. 28 is a diagram showing the circuit configuration of the power module 1 according to the second embodiment.
図28に示すように、第2実施形態のパワーモジュール1は、パワー基板10と、ドライバ基板3とを備える。なお、パワー基板10の回路構成は第1実施形態と同様であることから、詳細な説明は省略する。 As shown in Figure 28, the power module 1 of the second embodiment includes a power board 10 and a driver board 3. Note that the circuit configuration of the power board 10 is the same as in the first embodiment, so a detailed description will be omitted.
ドライバ基板3は、GaN-FETドライブ回路DR1~DR6と、インターフェイス回路IFとを有する。 Driver board 3 has GaN-FET drive circuits DR1 to DR6 and an interface circuit IF.
GaN-FETドライブ回路DR1は、ソース端子A(Q1-S)およびゲート端子B(Q1-G)に接続され、かかるソース端子Q1-Sおよびゲート端子Q1-Gを介して第1スイッチング素子Q1を駆動する。かかるGaN-FETドライブ回路DR1には、インターフェイス回路IFから所定の制御信号が入力され、上アーム用電源入力端子VU1から所定の制御用電圧が入力される。 The GaN-FET drive circuit DR1 is connected to the source terminal A (Q1-S) and gate terminal B (Q1-G), and drives the first switching element Q1 via the source terminal Q1-S and gate terminal Q1-G. A predetermined control signal is input to the GaN-FET drive circuit DR1 from the interface circuit IF, and a predetermined control voltage is input from the upper arm power supply input terminal VU1.
GaN-FETドライブ回路DR2は、ゲート端子G(Q2-G)およびソース端子H(Q2-S)に接続され、かかるゲート端子Q2-Gおよびソース端子Q2-Sを介して第2スイッチング素子Q2を駆動する。かかるGaN-FETドライブ回路DR2には、インターフェイス回路IFから所定の制御信号および所定の制御用電圧が入力される。 The GaN-FET drive circuit DR2 is connected to the gate terminal G (Q2-G) and source terminal H (Q2-S), and drives the second switching element Q2 via the gate terminal Q2-G and source terminal Q2-S. A predetermined control signal and a predetermined control voltage are input to the GaN-FET drive circuit DR2 from the interface circuit IF.
GaN-FETドライブ回路DR3は、ソース端子C(Q3-S)およびゲート端子D(Q3-G)に接続され、かかるソース端子Q3-Sおよびゲート端子Q3-Gを介して第3スイッチング素子Q3を駆動する。かかるGaN-FETドライブ回路DR3には、インターフェイス回路IFから所定の制御信号が入力され、上アーム用電源入力端子VU2から所定の制御用電圧が入力される。 The GaN-FET drive circuit DR3 is connected to the source terminal C (Q3-S) and gate terminal D (Q3-G), and drives the third switching element Q3 via the source terminal Q3-S and gate terminal Q3-G. A predetermined control signal is input to the GaN-FET drive circuit DR3 from the interface circuit IF, and a predetermined control voltage is input from the upper arm power supply input terminal VU2.
GaN-FETドライブ回路DR4は、ゲート端子I(Q4-G)およびソース端子J(Q4-S)に接続され、かかるゲート端子Q4-Gおよびソース端子Q4-Sを介して第4スイッチング素子Q4を駆動する。かかるGaN-FETドライブ回路DR4には、インターフェイス回路IFから所定の制御信号および所定の制御用電圧が入力される。 The GaN-FET drive circuit DR4 is connected to the gate terminal I (Q4-G) and source terminal J (Q4-S), and drives the fourth switching element Q4 via the gate terminal Q4-G and source terminal Q4-S. A specified control signal and a specified control voltage are input to the GaN-FET drive circuit DR4 from the interface circuit IF.
GaN-FETドライブ回路DR5は、ソース端子C(Q5-S)およびゲート端子D(Q5-G)に接続され、かかるソース端子Q5-Sおよびゲート端子Q5-Gを介して第5スイッチング素子Q5を駆動する。かかるGaN-FETドライブ回路DR5には、インターフェイス回路IFから所定の制御信号が入力され、上アーム用電源入力端子VU3から所定の制御用電圧が入力される。 The GaN-FET drive circuit DR5 is connected to the source terminal C (Q5-S) and gate terminal D (Q5-G), and drives the fifth switching element Q5 via the source terminal Q5-S and gate terminal Q5-G. A predetermined control signal is input to the GaN-FET drive circuit DR5 from the interface circuit IF, and a predetermined control voltage is input from the upper arm power supply input terminal VU3.
GaN-FETドライブ回路DR6は、ゲート端子K(Q6-G)およびソース端子L(Q6-S)に接続され、かかるゲート端子Q6-Gおよびソース端子Q6-Sを介して第6スイッチング素子Q6を駆動する。かかるGaN-FETドライブ回路DR6には、インターフェイス回路IFから所定の制御信号および所定の制御用電圧が入力される。 The GaN-FET drive circuit DR6 is connected to the gate terminal K (Q6-G) and source terminal L (Q6-S), and drives the sixth switching element Q6 via the gate terminal Q6-G and source terminal Q6-S. A predetermined control signal and a predetermined control voltage are input to the GaN-FET drive circuit DR6 from the interface circuit IF.
インターフェイス回路IFには、外部からインターフェイス端子IF1~nを介して所定の制御信号が入力される。また、インターフェイス回路IFには、下アーム用電源入力端子VL1~VL3から所定の制御用電圧が入力される。なお、かかる下アーム用電源入力端子VL1~VL3から入力される所定の制御用電圧は、GaN-FETドライブ回路DR2、DR4、DR6をそれぞれ駆動するための電圧である。 Predetermined control signals are input to the interface circuit IF from the outside via interface terminals IF1-IFn. Predetermined control voltages are also input to the interface circuit IF from the lower arm power supply input terminals VL1-VL3. These predetermined control voltages input from the lower arm power supply input terminals VL1-VL3 are voltages used to drive the GaN-FET drive circuits DR2, DR4, and DR6, respectively.
図29は、第2実施形態に係るパワーモジュール1の構成を示す断面図および上面図である。図29の(a)が断面図を示し、図29の(b)が上面図を示す。なお、パワー基板10の構成は上述の第1実施形態と同様であることから、図示および詳細な説明は省略する。 Figure 29 is a cross-sectional view and a top view showing the configuration of a power module 1 according to the second embodiment. Figure 29(a) shows a cross-sectional view, and Figure 29(b) shows a top view. Note that the configuration of the power board 10 is the same as that of the first embodiment described above, so illustrations and detailed description will be omitted.
図29の(a)に示すように、第2実施形態に係るパワーモジュール1では、パワー基板10と蓋12との間に、かかるパワー基板10および蓋12と略並行にドライバ基板3が配置される。ドライバ基板3は、ケース11のドライバ基板受け11aで受けられる。そして、ケース11の内部は、かかるドライバ基板3も含めてシリコンゲル13が充填されている。 As shown in Figure 29(a), in the power module 1 according to the second embodiment, the driver board 3 is disposed between the power board 10 and the lid 12, approximately parallel to the power board 10 and the lid 12. The driver board 3 is received in a driver board receiver 11a of the case 11. The interior of the case 11, including the driver board 3, is filled with silicone gel 13.
図29の(b)に示すように、ドライバ基板3には、GaN-FETドライブ回路DR1~DR6と、インターフェイス端子IF1~nと、上アーム用電源入力端子VU1~、VU3と、下アーム用電源入力端子VL1~VL3とが設けられる。なお、図29には図示していないが、ドライバ基板3には、インターフェイス回路IFも設けられる。 As shown in Figure 29(b), the driver board 3 is provided with GaN-FET drive circuits DR1 to DR6, interface terminals IF1 to IFn, upper arm power supply input terminals VU1 to VU3, and lower arm power supply input terminals VL1 to VL3. Although not shown in Figure 29, the driver board 3 is also provided with an interface circuit IF.
そして、第2実施形態では、平面視において、第1スイッチング素子Q1の近傍にGaN-FETドライブ回路DR1が設けられ、第2スイッチング素子Q2の近傍にGaN-FETドライブ回路DR2が設けられる。また、第3スイッチング素子Q3の近傍にGaN-FETドライブ回路DR3が設けられ、第4スイッチング素子Q4の近傍にGaN-FETドライブ回路DR4が設けられる。また、第5スイッチング素子Q5の近傍にGaN-FETドライブ回路DR5が設けられ、第6スイッチング素子Q6の近傍にGaN-FETドライブ回路DR6が設けられる。 In the second embodiment, in a plan view, a GaN-FET drive circuit DR1 is provided near the first switching element Q1, and a GaN-FET drive circuit DR2 is provided near the second switching element Q2. Furthermore, a GaN-FET drive circuit DR3 is provided near the third switching element Q3, and a GaN-FET drive circuit DR4 is provided near the fourth switching element Q4. Furthermore, a GaN-FET drive circuit DR5 is provided near the fifth switching element Q5, and a GaN-FET drive circuit DR6 is provided near the sixth switching element Q6.
また、第2実施形態では、平面視において、GaN-FETドライブ回路DR1の近傍に上アーム用電源入力端子VU1が設けられ、GaN-FETドライブ回路DR3の近傍に上アーム用電源入力端子VU2が設けられ、GaN-FETドライブ回路DR5の近傍に上アーム用電源入力端子VU3が設けられる。 In addition, in the second embodiment, in a plan view, the upper arm power supply input terminal VU1 is provided near the GaN-FET drive circuit DR1, the upper arm power supply input terminal VU2 is provided near the GaN-FET drive circuit DR3, and the upper arm power supply input terminal VU3 is provided near the GaN-FET drive circuit DR5.
図30は、第2実施形態に係るパワーモジュール1において親和性が高い回路ごとに仮想的にブロック分けした図である。図30に示すように、第2実施形態に係るパワーモジュール1に形成される回路は、親和性が高い回路ごとに4つのブロックA、ブロックB、ブロックCおよびブロックDに分けられる。 Figure 30 is a diagram showing a virtual division of high-affinity circuits into blocks in the power module 1 according to the second embodiment. As shown in Figure 30, the circuits formed in the power module 1 according to the second embodiment are divided into four blocks, A, B, C, and D, according to high-affinity circuits.
ここで、「親和性が高い回路」とは、近い電位でくくられる回路のことであり、この親和性の高い回路内では、各部を近接させたとしてもノイズなどによる誤動作が起きづらい。一方で、属するブロックが異なる回路を互いに近接させた場合、異なる電位の影響を受けてノイズなどによる誤動作が生じやすい。 Here, a "circuit with high affinity" refers to a circuit that is grouped together at a similar potential. Within this circuit with high affinity, malfunctions due to noise, etc. are unlikely to occur even if the various parts are placed close to each other. On the other hand, if circuits belonging to different blocks are placed close to each other, they are more likely to malfunction due to noise, etc., due to the influence of different potentials.
図30に示すように、ブロックAには、第1スイッチング素子Q1と、GaN-FETドライブ回路DR1と、ゲート端子Bと、ソース端子Aと、出力端子OUT1と、上アーム用電源入力端子VU1とが含まれる。 As shown in Figure 30, block A includes a first switching element Q1, a GaN-FET drive circuit DR1, a gate terminal B, a source terminal A, an output terminal OUT1, and an upper arm power supply input terminal VU1.
かかるブロックAは、パワーモジュール1における上アームの1つに対応する。したがって、かかるブロックAでは、第1スイッチング素子Q1がオンオフする毎に、高電圧(たとえば、400V)と低電圧(たとえば、0V)との間で電位が大きくスイングする。 Block A corresponds to one of the upper arms of the power module 1. Therefore, in block A, the potential swings widely between a high voltage (e.g., 400 V) and a low voltage (e.g., 0 V) each time the first switching element Q1 is turned on or off.
ブロックBには、第3スイッチング素子Q3と、GaN-FETドライブ回路DR3と、ゲート端子Dと、ソース端子Cと、出力端子OUT2と、上アーム用電源入力端子VU2とが含まれる。 Block B includes a third switching element Q3, a GaN-FET drive circuit DR3, a gate terminal D, a source terminal C, an output terminal OUT2, and an upper arm power input terminal VU2.
かかるブロックBは、パワーモジュール1における上アームの1つに対応する。したがって、かかるブロックBでは、第3スイッチング素子Q3がオンオフする毎に、高電圧(たとえば、400V)と低電圧(たとえば、0V)との間で電位が大きくスイングする。 Block B corresponds to one of the upper arms of power module 1. Therefore, in block B, the potential swings widely between a high voltage (e.g., 400 V) and a low voltage (e.g., 0 V) each time the third switching element Q3 is turned on or off.
ブロックCには、第5スイッチング素子Q5と、GaN-FETドライブ回路DR5と、ゲート端子Fと、ソース端子Eと、出力端子OUT3と、上アーム用電源入力端子VU3とが含まれる。 Block C includes a fifth switching element Q5, a GaN-FET drive circuit DR5, a gate terminal F, a source terminal E, an output terminal OUT3, and an upper arm power input terminal VU3.
かかるブロックCは、パワーモジュール1における上アームの1つに対応する。したがって、かかるブロックCでは、第5スイッチング素子Q5がオンオフする毎に、高電圧(たとえば、400V)と低電圧(たとえば、0V)との間で電位が大きくスイングする。 Block C corresponds to one of the upper arms of the power module 1. Therefore, in block C, the potential swings widely between a high voltage (e.g., 400 V) and a low voltage (e.g., 0 V) each time the fifth switching element Q5 is turned on or off.
ブロックDには、第2スイッチング素子Q2と、第4スイッチング素子Q4と、第6スイッチング素子Q6と、GaN-FETドライブ回路DR2、DR4、DR6と、インターフェイス回路IFと、ゲート端子G、I、Kと、ソース端子H、J、Lと、インターフェイス端子IF1~nと、下アーム用電源入力端子VL1~VL3とが含まれる。 Block D includes the second switching element Q2, the fourth switching element Q4, the sixth switching element Q6, GaN-FET drive circuits DR2, DR4, and DR6, the interface circuit IF, gate terminals G, I, and K, source terminals H, J, and L, interface terminals IF1 to IFn, and power input terminals VL1 to VL3 for the lower arm.
かかるブロックDは、パワーモジュール1における3つの下アームに対応する。したがって、かかるブロックDでは、第2スイッチング素子Q2、第4スイッチング素子Q4または第6スイッチング素子Q6がオンオフする場合でも、高電圧と低電圧との間で電位が大きくスイングすることなく、低電圧(たとえば、0V)の近傍で電位が維持される。 Such block D corresponds to the three lower arms of the power module 1. Therefore, in such block D, even when the second switching element Q2, the fourth switching element Q4, or the sixth switching element Q6 is turned on or off, the potential does not swing significantly between high and low voltages, and the potential is maintained near a low voltage (e.g., 0 V).
図31は、第2実施形態に係るパワーモジュール1のパワー基板10を図30に示した手法でブロック分けした図である。図31に示すように、パワー基板10において、ブロックAの大部分は、左側の短辺の上部分および上側の長辺の左部分に沿って配置される。また、パワー基板10において、ブロックCの大部分は、右側の短辺の上部分および上側の長辺の右部分に沿って配置される。また、パワー基板10において、ブロックBの大部分は、ブロックAとブロックCに挟まれるように配置される。さらに、パワー基板10において、ブロックDは、概ね下半分に配置される。 Figure 31 is a diagram showing the power board 10 of the power module 1 according to the second embodiment divided into blocks using the method shown in Figure 30. As shown in Figure 31, on the power board 10, most of block A is arranged along the upper portion of the left short side and the left portion of the upper long side. On the power board 10, most of block C is arranged along the upper portion of the right short side and the right portion of the upper long side. On the power board 10, most of block B is arranged so as to be sandwiched between blocks A and C. On the power board 10, block D is arranged roughly in the lower half.
図32は、第2実施形態に係るパワーモジュール1のドライバ基板3を図30に示した手法でブロック分けした図である。図32に示すように、ドライバ基板3において、ブロックAは、左側の短辺の上部分および上側の長辺の左部分に沿って矩形状に配置される。また、ドライバ基板3において、ブロックCは、右側の短辺の上部分および上側の長辺の右部分に沿って矩形状に配置される。また、ドライバ基板3において、ブロックBは、ブロックAとブロックCに挟まれるように配置される。さらに、ドライバ基板3において、ブロックDは、下半分に矩形状に配置される。 Figure 32 is a diagram showing the driver board 3 of the power module 1 according to the second embodiment divided into blocks using the method shown in Figure 30. As shown in Figure 32, on the driver board 3, block A is arranged in a rectangular shape along the upper part of the left short side and the left part of the upper long side. On the driver board 3, block C is arranged in a rectangular shape along the upper part of the right short side and the right part of the upper long side. On the driver board 3, block B is arranged so as to be sandwiched between blocks A and C. On the driver board 3, block D is arranged in a rectangular shape in the lower half.
図33は、第2実施形態に係るパワーモジュール1のパワー基板10におけるブロックとドライバ基板3におけるブロックとを重ね合わせた図である。図33において、斜線部分は、異なるブロックが重なる箇所である。図33に示すように、第2実施形態のパワーモジュール1では、上アームの1つに対応するブロックAと、上アームの1つに対応するブロックBと、上アームの1つに対応するブロックCと、3つの下アームに対応するブロックDとがそれぞれ厚み方向に極力重なるようにしている。ブロックAとブロックDが一部重なる箇所、ブロックAとブロックDが一部重なる箇所、ブロックCとブロックDが一部重なる箇所がある。 Figure 33 is a diagram showing the overlapping of blocks on the power board 10 and blocks on the driver board 3 of the power module 1 according to the second embodiment. In Figure 33, the shaded areas indicate where different blocks overlap. As shown in Figure 33, in the power module 1 of the second embodiment, block A corresponding to one of the upper arms, block B corresponding to one of the upper arms, block C corresponding to one of the upper arms, and block D corresponding to the three lower arms are each designed to overlap as much as possible in the thickness direction. There are areas where block A and block D partially overlap, areas where block A and block D partially overlap, and areas where block C and block D partially overlap.
これにより、属するブロックが異なる回路を互いに近接させることを抑制することができる。したがって、第2実施形態によれば、ノイズなどによる誤動作を抑制することができる。 This prevents circuits belonging to different blocks from being placed close to each other. Therefore, according to the second embodiment, malfunctions due to noise, etc. can be suppressed.
また、第2実施形態では、図29の(b)などに示すように、ブロックAに属するゲート端子Bおよびソース端子A、ブロックBに属するゲート端子Dおよびソース端子C、ブロックCに属するゲート端子Fおよびソース端子Eが、ブロックDから離れた領域に配置される。また、ブロックDに属するゲート端子G、I、Kおよびソース端子H、J、Lが、ブロックA、B、Cから離れた領域に配置される。 In the second embodiment, as shown in FIG. 29(b), gate terminal B and source terminal A belonging to block A, gate terminal D and source terminal C belonging to block B, and gate terminal F and source terminal E belonging to block C are arranged in an area away from block D. Furthermore, gate terminals G, I, K and source terminals H, J, L belonging to block D are arranged in an area away from blocks A, B, and C.
これにより、異なるブロックからのノイズがかかるゲート端子B、D、F、G、I、Kおよびソース端子A、C、E、H、J、Lに入力されることを抑制することができる。したがって、第2実施形態によれば、第1スイッチング素子Q1~第6スイッチング素子Q6がノイズなどによって誤動作することを抑制できる。 This prevents noise from different blocks from being input to the gate terminals B, D, F, G, I, and K and the source terminals A, C, E, H, J, and L. Therefore, according to the second embodiment, it is possible to prevent the first switching element Q1 to the sixth switching element Q6 from malfunctioning due to noise or the like.
以上、本開示の各実施形態について説明したが、本開示は上記の各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。 Although the above describes various embodiments of the present disclosure, the present disclosure is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present disclosure.
たとえば、上述の各実施形態では、コンデンサC1が1つのコンデンサで構成された例について示したが、コンデンサC1は1つのコンデンサで構成されなくともよい。複数のコンデンサが直列に接続されてコンデンサC1が構成されてもよいし、複数のコンデンサが並列に接続されてコンデンサC1が構成されてもよい。また、コンデンサと抵抗とが直列に接続されてコンデンサC1が構成されてもよい。 For example, in each of the above-described embodiments, an example was shown in which capacitor C1 was composed of a single capacitor, but capacitor C1 does not have to be composed of a single capacitor. Capacitor C1 may be composed of multiple capacitors connected in series, or multiple capacitors connected in parallel. Capacitor C1 may also be composed of a capacitor and a resistor connected in series.
また、上述の各実施形態では、第1~第6スイッチング素子Q1~Q6の各電極がボンディングワイヤWで対応する回路パターンに接続された例について示したが、第1~第6スイッチング素子Q1~Q6の各電極と回路パターンとを接続する部材はボンディングワイヤWに限られない。たとえば、第1~第6スイッチング素子Q1~Q6の各電極と回路パターンとをリードフレームなどで電気的に接続してもよい。 In addition, in the above-described embodiments, examples have been shown in which the electrodes of the first to sixth switching elements Q1 to Q6 are connected to the corresponding circuit patterns by bonding wires W. However, the members connecting the electrodes of the first to sixth switching elements Q1 to Q6 to the circuit patterns are not limited to bonding wires W. For example, the electrodes of the first to sixth switching elements Q1 to Q6 may be electrically connected to the circuit patterns by a lead frame or the like.
また、上述の各実施形態では、GaN-FETについて説明したが、GaN-FETは、他のGaN系スイッチング素子でもよい。また、上述の各実施形態では、Si-FETについて説明したが、Si-FETは、他のSi系スイッチング素子でもよい。 Furthermore, in each of the above embodiments, GaN-FETs have been described, but the GaN-FETs may be other GaN-based switching elements. Furthermore, in each of the above embodiments, Si-FETs have been described, but the Si-FETs may be other Si-based switching elements.
また、上述の第2実施形態では、コンデンサC1がパワー基板10に搭載された例について示したが、コンデンサC1がドライバ基板3に搭載されていてもよく、別途設けられるプリント基板2にコンデンサC1が搭載されていてもよい。この場合、コンデンサC1は、平面視においてパワー基板10の中央部4に設けられていればよい。 In addition, in the second embodiment described above, an example was shown in which capacitor C1 was mounted on the power board 10, but capacitor C1 may also be mounted on the driver board 3, or on a separately provided printed circuit board 2. In this case, capacitor C1 only needs to be located in the center portion 4 of the power board 10 in a plan view.
上述してきたように、各実施形態に係るパワーモジュール1は、パワー基板10に、3つの上アームとして第1スイッチング素子Q1と、第3スイッチング素子Q3と、第5スイッチング素子Q5とを備え、3つの下アームとして第2スイッチング素子Q2と、第4スイッチング素子Q4と、第6スイッチング素子Q6とを備える。また、各実施形態に係るパワーモジュール1は、パワー基板10の中央にコンデンサC1を備える。3つの上アームのスイッチング素子と3つの下アームのスイッチング素子は、コンデンサC1を挟むように配置される。各スイッチング素子は長辺と短辺とを有する長方形状であり、一方の長辺側にドレイン電極が設けられ、他方の長辺側にゲート電極が設けられる。上アームの3つのスイッチング素子と下アームの3つのスイッチング素子は、ドレイン電極とゲート電極が逆向きになるように配置される。これにより、回路ループ1-1~1-6、回路ループ2-1~2-2、回路ループ3-1~3-3を全て極力短くし、さらにこれらの回路ループのループ面積を極力小さくできる。このため、パワーモジュール1の配線インダクタンスを低減できる。 As described above, the power module 1 according to each embodiment includes a power board 10 having three upper arms, namely, the first switching element Q1, the third switching element Q3, and the fifth switching element Q5, and three lower arms, namely, the second switching element Q2, the fourth switching element Q4, and the sixth switching element Q6. The power module 1 according to each embodiment also includes a capacitor C1 in the center of the power board 10. The three upper arm switching elements and the three lower arm switching elements are arranged on either side of the capacitor C1. Each switching element has a rectangular shape with long and short sides, with a drain electrode provided on one long side and a gate electrode provided on the other long side. The three upper arm switching elements and the three lower arm switching elements are arranged so that the drain electrode and gate electrode are oriented in opposite directions. This allows circuit loops 1-1 to 1-6, circuit loops 2-1 to 2-2, and circuit loops 3-1 to 3-3 to be as short as possible, and also minimizes the loop area of these circuit loops. This reduces the wiring inductance of the power module 1.
また、各実施形態に係るパワーモジュール1において、スイッチング素子の一方の長辺に沿ってドレイン電極が設けられ、他方の長辺に沿ってソース電極が設けられる。また、各スイッチング素子は、短辺がパワー基板10の長辺と向かい合うように配置される。これにより、パワーモジュール1の配線インダクタンスを低減できる。 In addition, in the power module 1 according to each embodiment, a drain electrode is provided along one long side of the switching element, and a source electrode is provided along the other long side. Furthermore, each switching element is arranged so that its short side faces the long side of the power board 10. This reduces the wiring inductance of the power module 1.
また、各実施形態に係るパワーモジュール1では、Si-FETのソース電極から延びるボンディングワイヤWが回路パターン21に接続される箇所を第1接続部51とし、GaN-FETのゲート電極から延びるボンディングワイヤWが回路パターン21に接続される箇所を第2接続部52とする。そして、第1接続部51を第2接続部52よりもパワー基板10の短辺に近いようにする。これにより、第1接続部51を含む大電流ラインと第2接続部52を含む小電流ラインとの重なりを小さくできる。このため、パワーモジュール1の共通インピーダンスCIを極力小さくできる。 In addition, in the power module 1 according to each embodiment, the location where the bonding wire W extending from the source electrode of the Si-FET is connected to the circuit pattern 21 is designated as the first connection portion 51, and the location where the bonding wire W extending from the gate electrode of the GaN-FET is connected to the circuit pattern 21 is designated as the second connection portion 52. The first connection portion 51 is located closer to the short side of the power substrate 10 than the second connection portion 52. This reduces the overlap between the large current line including the first connection portion 51 and the small current line including the second connection portion 52. This minimizes the common impedance CI of the power module 1.
また、各実施形態に係るパワーモジュール1では、第2スイッチング素子Q2において、Si-FETのソース電極から延びるボンディングワイヤWが回路パターン23に接続される箇所を第3接続部53とし、GaN-FETのゲート電極から延びるボンディングワイヤWが回路パターン23に接続される箇所を第4接続部54とする。そして、第3接続部53が第4接続部54よりもパワー基板10の中央に近いようにする。これにより、第2スイッチング素子Q2のドレイン端子からソース端子に流れる大電流ラインILと、第2スイッチング素子Q2に含まれるGaN-FETのゲート電極からソース端子に流れる小電流ラインISとの重なりを小さくできる。このため、パワーモジュール1の共通インピーダンスCIを極力小さくできる。 In addition, in the power module 1 according to each embodiment, the point where the bonding wire W extending from the source electrode of the Si-FET in the second switching element Q2 connects to the circuit pattern 23 is designated as the third connection portion 53, and the point where the bonding wire W extending from the gate electrode of the GaN-FET connects to the circuit pattern 23 is designated as the fourth connection portion 54. The third connection portion 53 is located closer to the center of the power board 10 than the fourth connection portion 54. This reduces the overlap between the large current line IL flowing from the drain terminal to the source terminal of the second switching element Q2 and the small current line IS flowing from the gate electrode to the source terminal of the GaN-FET included in the second switching element Q2. This minimizes the common impedance CI of the power module 1.
また、各実施形態に係るパワーモジュール1では、コンデンサC1は、回路パターン28と回路パターン31を接続するボンディングワイヤWと回路パターン34と回路パターン37を接続するボンディングワイヤWに挟まれる領域に配置される。これにより、パワーモジュール1を小型化できる。 Furthermore, in the power module 1 according to each embodiment, capacitor C1 is placed in an area sandwiched between the bonding wire W connecting circuit pattern 28 and circuit pattern 31 and the bonding wire W connecting circuit pattern 34 and circuit pattern 37. This allows the power module 1 to be made smaller.
第1実施形態の変形例1に係るパワーモジュール1では、コンデンサC1は、第3スイッチング素子Q3のドレイン電極に接続するボンディングワイヤWと第4スイッチング素子Q4のソース電極に接続するボンディングワイヤWに挟まれる領域に配置される。コンデンサC2は、第1スイッチング素子Q1のドレイン電極に接続するボンディングワイヤWと第2スイッチング素子Q2のソース電極に接続するボンディングワイヤWに挟まれる領域に配置される。コンデンサC3は、第5スイッチング素子Q5のソース電極と第6スイッチング素子Q6のソース電極に挟まれる領域に配置される。これにより、回路ループ3-1~3-3をより短くし、さらにこれらの回路ループのループ面積をより小さくできる。このため、パワーモジュール1の配線インダクタンスをより低減できる。 In the power module 1 according to Variation 1 of the first embodiment, capacitor C1 is located in a region sandwiched between a bonding wire W connected to the drain electrode of the third switching element Q3 and a bonding wire W connected to the source electrode of the fourth switching element Q4. Capacitor C2 is located in a region sandwiched between a bonding wire W connected to the drain electrode of the first switching element Q1 and a bonding wire W connected to the source electrode of the second switching element Q2. Capacitor C3 is located in a region sandwiched between the source electrode of the fifth switching element Q5 and the source electrode of the sixth switching element Q6. This shortens the circuit loops 3-1 to 3-3 and further reduces the loop areas of these circuit loops. This further reduces the wiring inductance of the power module 1.
また、実施形態2に係るパワーモジュール1は、6つのアームとして第1スイッチング素子Q1~第6スイッチング素子Q6を搭載したパワー基板10と、第1スイッチング素子Q1~第6スイッチング素子Q6のそれぞれを駆動するGaN-FETドライブ回路DR1~DR6を搭載したドライバ基板3を備える。また、ドライバ基板3は、パワー基板10と蓋12との間に、パワー基板10および蓋12と略並行に配置される。また、パワー基板10およびドライバ基板3は、親和性が高い回路ごとに4つのブロックA、ブロックB、ブロックCおよびブロックDに分けられる。そして、パワー基板10のブロックA~ブロックDはそれぞれドライバ基板3のブロックA~ブロックDと重なるように配置される。これにより、第1スイッチング素子Q1~第6スイッチング素子Q6がノイズなどによって誤動作することを抑制できる。 The power module 1 according to the second embodiment includes a power board 10 mounted with six arms, the first switching element Q1 through the sixth switching element Q6, and a driver board 3 mounted with GaN-FET drive circuits DR1 through DR6 that drive the first switching element Q1 through the sixth switching element Q6, respectively. The driver board 3 is positioned between the power board 10 and the lid 12, approximately parallel to the power board 10 and the lid 12. The power board 10 and the driver board 3 are divided into four blocks A, B, C, and D, each with a high degree of affinity for the circuit. Blocks A through D of the power board 10 are positioned to overlap blocks A through D of the driver board 3, respectively. This prevents the first switching element Q1 through the sixth switching element Q6 from malfunctioning due to noise or other factors.
また、各実施形態に係るパワーモジュール1において、コンデンサC1は、パワー基板10上の中央部4に搭載される。これにより、コンデンサC1を搭載するために、別途プリント基板2を設ける必要がなくなることから、パワーモジュール1の製造コストを低減できる。 Furthermore, in the power module 1 according to each embodiment, the capacitor C1 is mounted in the central portion 4 on the power board 10. This eliminates the need to provide a separate printed circuit board 2 to mount the capacitor C1, thereby reducing the manufacturing cost of the power module 1.
また、各実施形態に係るパワーモジュール1において、第1~第6スイッチング素子Q1~Q6は、GaN-FETのおもて面に配置されるソース電極と、Si-FETの裏面に配置されるドレイン電極とが電気的および機械的に接続されるカスケード型GaN-FETである。これにより、ノーマリーオンのGaN-FETを、ノーマリーオフのスイッチング素子として駆動することができる。 In addition, in the power module 1 according to each embodiment, the first to sixth switching elements Q1 to Q6 are cascade GaN-FETs in which the source electrode located on the front surface of the GaN-FET is electrically and mechanically connected to the drain electrode located on the back surface of the Si-FET. This allows the normally-on GaN-FET to be driven as a normally-off switching element.
なお、今回開示された各実施形態は全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。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の各実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。 The embodiments disclosed herein should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive. Indeed, the above-described embodiments may be embodied in a variety of forms. Furthermore, the above-described embodiments may be omitted, substituted, or modified in various ways without departing from the scope and spirit of the appended claims.
1 パワーモジュール
2 プリント基板
3 ドライバ基板
4 中央部
10 パワー基板
21~43 回路パターン
51 第1接続部
52 第2接続部
P 正極端子
N 負極端子
C1~C3 コンデンサ
Q1 第1スイッチング素子
Q2 第2スイッチング素子
Q3 第3スイッチング素子
Q4 第4スイッチング素子
Q5 第5スイッチング素子
Q6 第6スイッチング素子
W ボンディングワイヤ
REFERENCE SIGNS LIST 1 Power module 2 Printed circuit board 3 Driver board 4 Central portion 10 Power board 21 to 43 Circuit pattern 51 First connection portion 52 Second connection portion P Positive terminal N Negative terminal C1 to C3 Capacitors Q1 First switching element Q2 Second switching element Q3 Third switching element Q4 Fourth switching element Q5 Fifth switching element Q6 Sixth switching element W Bonding wire
Claims (3)
前記3つの上アームと前記3つの下アームのそれぞれを駆動するドライバを備えたドライバ基板とを備え、
前記パワー基板と前記ドライバ基板とを、基板の厚み方向に離間して配置したパワーモジュールであって、
前記パワー基板及び前記ドライバ基板に含まれる領域であって、前記3つの上アームを構成する前記スイッチング素子のソース電極の電位を基準電位としてそれぞれ動作する回路を含む3つのブロックと、前記3つの下アームを構成する3つのスイッチング素子の共通のソース電極の電位を基準電位として動作する回路を含むブロックとを備え、
前記パワー基板における前記上アームに対応する前記3つのブロック及び前記ドライバ基板における前記上アームに対応する前記3つのブロックは、同じ前記基準電位のブロック同士が基板の厚み方向に略重なる位置に配置され、
前記パワー基板における前記下アームに対応する前記ブロック及び前記ドライバ基板における前記下アームに対応する前記ブロックは、基板の厚み方向に略重なる位置に配置され、
前記パワー基板における前記上アームに対応する前記3つのブロックは、前記上アーム及び前記下アームを接続するアーム間配線の領域をそれぞれ含み、
前記パワー基板における上アームに対応する前記3つのブロックと前記ドライバ基板における前記下アームに対応する前記ブロックとは、前記アーム間配線の領域以外の領域において基板の厚み方向に重ならない
パワーモジュール。 a power board on which switching elements constituting the three upper arms and three lower arms are mounted on a single circuit board;
a driver board including drivers for driving the three upper arms and the three lower arms,
A power module in which the power board and the driver board are arranged to be spaced apart in a thickness direction of the boards,
an area included in the power board and the driver board, the area including three blocks each including a circuit that operates using a potential of the source electrode of the switching elements that configure the three upper arms as a reference potential; and a block including a circuit that operates using a potential of a common source electrode of the three switching elements that configure the three lower arms as a reference potential;
the three blocks corresponding to the upper arm on the power board and the three blocks corresponding to the upper arm on the driver board are arranged at positions where blocks having the same reference potential substantially overlap each other in a thickness direction of the board;
the block corresponding to the lower arm on the power board and the block corresponding to the lower arm on the driver board are disposed at positions that substantially overlap each other in a thickness direction of the boards,
the three blocks corresponding to the upper arms on the power board each include an area for inter-arm wiring connecting the upper arms and the lower arms;
the three blocks corresponding to the upper arms on the power board and the block corresponding to the lower arms on the driver board do not overlap in a thickness direction of the board in an area other than an area of the inter-arm wiring.
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