(57)【要約】【課題】負電圧用の電源を追加することなく、簡易で小規模な回路構成により、半導体スイッチの意図しないスイッチング動作を抑制できる半導体モジュールを提供する。【解決手段】ゲート電極、ドレイン電極及びソース電極を有する半導体スイッチ６と、ゲート電極に接続されたインダクタ１６とを備え、ゲート電極とソース電極との間に発生する寄生コンデンサ１７とインダクタ１６とによる共振動作により、ソース電極を基準としたゲート電極の電圧（ゲート電圧Ｖｇｓ）が所定期間中負にバイアスされるように動作することを特徴とする半導体モジュール２０。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極、ドレイン電極及びソース電極を有する半導体スイッチと、
前記ゲート電極に接続されたインダクタとを備え、
前記ゲート電極と前記ソース電極との間に発生する寄生コンデンサと前記インダクタとによる共振動作により、前記ソース電極を基準とした前記ゲート電極の電圧が所定期間中負にバイアスされるように動作することを特徴とする半導体モジュール。
【請求項２】
前記ゲート電極と接続され、前記ゲート電極に制御信号を供給するための導電接続部材が接続されるゲートランドをさらに備え、
平面的に見て前記導電接続部材と前記ゲートランドとの接続部を囲む位置に配設された環状磁性部材と、前記導電接続部材とにより前記インダクタが構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記ゲート電極と接続され、前記ゲート電極に制御信号を供給するための導電接続部材が接続されるゲートランドと、
前記導電接続部材を介して前記ゲートランドと接続された外部接続端子とをさらに備え、
平面的に見て前記導電接続部材と前記外部接続端子との接続部を囲む位置に配設された環状磁性部材と、前記導電接続部材とにより前記インダクタが構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記環状磁性部材の少なくとも一部は絶縁部材に封止されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記所定期間は、少なくとも前記半導体スイッチのリンギング半周期よりも長い期間であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記半導体スイッチは、ワイドギャップ半導体により形成されてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記ワイドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドからなることを特徴とする請求項６に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体スイッチを備える電源装置が知られている。
そのような電源装置１０１においては、図８に示すように、半導体スイッチ１０６は、ダイオードブリッジ１０３の出力側に接続されている。制御部１１１が半導体スイッチ１０６をオンオフ制御することにより入力コイル１０５に誘導電圧を発生させ、この誘導電圧とダイオードブリッジ１０３により半波整流された入力電圧とを加算した電圧により整流コンデンサ１０８を充電する。一対の出力端子１１０からは、整流コンデンサ１０８に充電された電圧が出力される。このようにして、電源装置１０１は、所望の高電圧を、一対の出力端子から図示外の負荷へ供給することができる。
【０００３】
ところで、近年、このような電源装置１０１に用いる半導体スイッチ１０６として、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体スイッチが盛んに研究開発されている。ワイドバンドギャップ半導体を用いることによって、従来よりも大幅にオン抵抗が小さくスイッチング速度が速い半導体スイッチを実現できるからである。
【０００４】
しかしながら、ワイドバンドギャップ半導体を用いる場合、半導体スイッチの閾値電圧Ｖｔｈが低くなる傾向にあるため、図９に示すように、当該半導体スイッチ１０６をターンオフ制御した直後にゲート電圧が振動する現象（リンギング現象）が起こり易く、オフ制御期間中に半導体スイッチ１０６が瞬時的に誤ってオン状態になり易くなる。その結果、半導体スイッチ１０６が意図しないスイッチング動作をしてしまう可能性があるという問題がある。
【０００５】
なお、このような問題は、半導体スイッチとして、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体スイッチを用いた場合だけに発生し得る問題ではなく、通常のシリコンを用いた半導体スイッチ（特に高速スイッチング可能な半導体スイッチ）を用いた場合にも発生し得る問題でもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２２１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、上記のような電源装置において、特許文献１のように、電源装置に負電圧用の電源を追加し、オフ制御期間のゲート電圧を負の電圧にバイアスすることが考えられる。しかしながら、このように電源装置に負電圧用の電源を追加する場合には、電源装置において正負両方の電源を用いる必要が生じ、その結果として電源装置の回路構成が複雑となり、電源装置の回路規模も大幅に大きくなってしまう。
【０００８】
そこで、本発明は上記したような事情に鑑みてなされたものであり、負電圧用の電源を追加することなく、簡易で小規模な回路構成により、半導体スイッチの意図しないスイッチング動作を抑制できる半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
［１］本発明の半導体モジュールは、ゲート電極、ドレイン電極及びソース電極を有する半導体スイッチと、前記ゲート電極に接続されたインダクタとを備え、前記ゲート電極と前記ソース電極との間に発生する寄生コンデンサと前記インダクタとによる共振動作により、前記ソース電極を基準とした前記ゲート電極の電圧（ゲート電圧Ｖｇｓ）が所定期間中負にバイアスされるように動作することを特徴とする。
【００１０】
［２］本発明の半導体モジュールにおいては、前記ゲート電極と接続され、前記ゲート電極に制御信号を供給するための導電接続部材が接続されるゲートランドをさらに備え、平面的に見て前記導電接続部材と前記ゲートランドとの接続部を囲む位置に配設された環状磁性部材と、前記導電接続部材とにより前記インダクタが構成されていることが好ましい。
【００１１】
［３］本発明の半導体モジュールにおいては、前記ゲート電極と接続され、前記ゲート電極に制御信号を供給するための導電接続部材が接続されるゲートランドと、前記導電接続部材を介して前記ゲートランドと接続された外部接続端子とをさらに備え、平面的に見て前記導電接続部材と前記外部接続端子との接続部を囲む位置に配設された環状磁性部材と、前記導電接続部材とにより前記インダクタが構成されていることが好ましい。
【００１２】
［４］本発明の半導体モジュールにおいては、前記環状磁性部材の少なくとも一部は前記絶縁部材に封止されていることが好ましい。
【００１３】
［５］本発明の半導体モジュールにおいては、前記所定期間は、少なくとも前記半導体スイッチのリンギング半周期よりも長い期間であることが好ましい。
【００１４】
［６］本発明の半導体モジュールにおいては、前記半導体スイッチは、ワイドギャップ半導体により形成されてなることが好ましい。
【００１５】
［７］本発明の半導体モジュールにおいては、前記ワイドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドからなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の半導体モジュールによれば、半導体スイッチをターンオフした直後においては、オン制御期間中に寄生コンデンサに蓄積された電荷により、ゲート電圧Ｖｇｓが瞬時的に負の電圧となる。しかも、その後においては、寄生コンデンサとインダクタとの共振回路によって短期間であるが上記した負の電圧が保持される。その結果、本発明の半導体モジュールにおいては、負電圧用の電源を追加しなくても、ゲート電圧Ｖｇｓが所定期間中負にバイアスされるようになるのである。このため、本発明の半導体モジュールによれば、半導体スイッチをターンオフした直後におけるゲート電圧のリンギング現象に起因して「オフ制御期間中に半導体スイッチが瞬時的に誤ってオン状態になる」という事態の発生を抑制できる。
【００１７】
その結果、本発明の半導体モジュールは、負電圧用の電源を追加することなく、簡易で小規模な回路構成により、半導体スイッチの意図しないスイッチング動作を抑制できる半導体モジュールとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態１に係る半導体モジュール２０を用いた電源装置１の回路図である。
【図２】実施形態１に用いる電源装置１において、半導体スイッチ６をターンオフする際のゲート電圧Ｖｇｓの波形を模式的に示す図である。
【図３】実施形態１に係る半導体モジュール２０の等価回路を示す図である。
【図４】実施形態１に係る半導体モジュール２０を説明するために示す図である。図４（ａ）は半導体モジュール２０の平面図であり、図４（ｂ）は半導体モジュール２０の断面図である。
【図５】実施形態１に係る半導体モジュール２０における環状磁性部材２６の平面図である。
【図６】実施形態２に係る半導体モジュール２０ａを説明するために示す図である。図６（ａ）は半導体モジュール２０ａの平面図であり、図６（ｂ）は半導体モジュール２０ａの断面図である。
【図７】実施形態１に係る半導体モジュール２０を別の半導体スイッチ７１のスイッチングに用いた場合の等価回路を示す図である。
【図８】半導体スイッチ６を用いた従来の電源装置１０１の回路図である。
【図９】従来の電源装置１０１において、半導体スイッチ６をターンオフする際のゲート電圧Ｖｇｓの波形を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。
【００２０】
［実施形態１］
実施形態１に用いる電源装置１は、図１に示すように、一対の入力端子２に、ダイオードブリッジ３が接続される。ダイオードブリッジ３の出力側には、入力コンデンサ４、入力コイル５、半導体スイッチ６、整流ダイオード７、整流コンデンサ８、分圧抵抗ラダー９及び一対の出力端子１０が順番に接続される。分圧抵抗ラダー９と、半導体スイッチ６との間には、制御部１１が接続される。制御部１１は、第１オペアンプ１２、第２オペアンプ１３、フリップフロップ１４及びタイマ１５を有する。
【００２１】
このような電源装置１においては、一対の入力端子２から例えば商用交流電圧が入力されると、ダイオードブリッジ３で半波整流され、整流ダイオード７を通じて整流コンデンサ８に電荷が蓄積される。これにより、一対の出力端子１０から、整流コンデンサ８に蓄電された電圧が出力される。そして、例えば電源投入時のように整流コンデンサ８の電圧が入力コンデンサ４の電圧より低い場合、入力コイル５には電流が流れ、フリップフロップ１４がセットされ、半導体スイッチ６は、オン状態に制御される。
【００２２】
フリップフロップ１４は、半導体スイッチ６へローレベルの電圧を出力するタイミングで、タイマ１５をリセットする。そして、タイマ１５が所定期間をカウントすると、第２オペアンプ１３を通じて、フリップフロップ１４がリセットされ、半導体スイッチ６は、オフ状態に制御される。出力電圧は、分圧抵抗ラダー９により分圧され、制御部１１により検出される。制御部１１において、第１オペアンプ１２は、分圧抵抗素子による検出電圧と所定の目標電圧とを比較する。これにより、例えば検出電圧が目標電圧より低い場合は第１オペアンプ１２の出力に基づいてフリップフロップ１４が切り替え動作をし、高い場合にはフリップフロップ１４は切り替え動作を停止する。半導体スイッチ６は、フリップフロップ１４によりゲート電圧のオンオフ状態が制御される。
【００２３】
ところで、半導体スイッチ６をターンオフする場合において、従来の電源装置１０１のように、制御部１１からの制御信号を半導体スイッチ６に直接入力した場合には（図７参照。）、ゲート電圧Ｖｇｓは、図２の破線で示すように、ターンオフした直後（のオフ制御期間中）にゲート電圧Ｖｇｓが振動する（リンギング現象を起こす）。この振動により半導体スイッチ１０６のゲート電圧Ｖｇｓがターンオン閾値電圧Ｖｔｈに達すると、 オフ制御期間中に半導体スイッチ１０６が瞬時的に誤ってオン状態になる場合がある。 
【００２４】
そこで、実施形態１においては、図１及び図３に示すように、制御部１１からの制御信号を「半導体スイッチ６」に直接入力するのではなく、等価回路的には、「半導体スイッチ６と、半導体スイッチ６のゲート電極に接続されたインダクタ１６とを備える半導体モジュール２０」に入力することとした。
【００２５】
実施形態１に係る半導体モジュール２０は、ゲート電極、ドレイン電極及びソース電極を有する半導体スイッチ６と、ゲート電極に接続されたインダクタ１６とを備え、ゲート電極とソース電極との間に発生する寄生コンデンサ１７とインダクタ１６とによる共振動作により、ソース電極を基準としたゲート電極の電圧（ゲート電圧Ｖｇｓ）が所定期間中負にバイアスされるように動作する半導体モジュールである。
【００２６】
本発明の半導体モジュールにおいては、種々の構成のインダクタを用いることができるが、実施形態１に係る半導体モジュール２０においては、図４及び図５に示すようなインダクタを用いた。
【００２７】
すなわち、実施形態１に係る半導体モジュール２０は、図４に示すように、ベース部材２１と、ベース部材２１上に搭載された半導体チップ２２と、半導体チップ２２上に形成されたゲートランド２３と、ベース部材２１上に形成された外部接続端子（パッド）２４と、ゲートランド２３と外部接続端子（パッド）２４との間を接続する導電接続部材２５と、ゲートランド２３を囲む位置に配設された環状磁性部材２６と、これらを内部に封止するモールド樹脂２７とを備える。
モールド樹脂２７は、環状磁性部材２６の孔内にも充填されている。これにより、導電接続部材２５と環状磁性部材２６との間にもモールド樹脂２７が充填されることとなる。
【００２８】
導電接続部材２５は、外部接続端子（パッド）２４とゲートランド２３とを接続してゲート電極に制御信号を供給するための部材であり、公知のボンディングワイヤや接続子からなる。環状磁性部材２６は、平面的に見て、導電接続部材２５とゲートランド２３との接続部を囲む位置に配設されてなる。環状磁性部材２６は、半導体チップ２２の表面に配設されている。環状磁性部材２６は、フェライトなどの磁性材料粉末を薄い円環形状に焼結させたものからなる（図５参照。）。その結果、実施形態１に係る半導体モジュール２０においては、環状磁性部材２６と導電接続部材２５との電磁気的な結合により、制御部１１とゲート端子との間にインダクタ１６が構成されることとなる（図３参照。）。
【００２９】
実施形態１に係る半導体モジュール２０においては、所定期間は、少なくとも半導体スイッチ６のリンギング半周期（例えば７０ｎｓ）よりも長い期間とする。所定時間を例えば７０ｎｓよりも長い期間とするには、インダクタ１６のインダクタンスを適宜の値（例えば０．１〜１μＨ）に調整すればよい。
【００３０】
実施形態１に係る半導体モジュール２０においては、半導体スイッチ６は、ワイドギャップ半導体により形成されてなる。ワイドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドからなる。
【００３１】
以上のように構成された実施形態１に係る半導体モジュール２０によれば、ゲート電極とソース電極との間に発生する寄生コンデンサ１７とインダクタ１６とによる共振動作により、ソース電極を基準としたゲート電極の電圧（ゲート電圧Ｖｇｓ）が所定期間中負にバイアスされるように動作する。このことから、半導体スイッチ６をターンオフした直後におけるゲート電圧Ｖｇｓのリンギング現象に起因して「オフ制御期間中に半導体スイッチが瞬時的に誤ってオン状態になる」という事態の発生を抑制できるようになる。その結果、実施形態１に係る半導体モジュール２０は、負電圧用の電源を追加することなく、簡易で小規模な回路構成により、半導体スイッチの意図しないスイッチング動作を抑制できる半導体モジュールとなる。
【００３２】
また、実施形態１に係る半導体モジュール２０によれば、平面的に見て導電接続部材２５とゲートランド２３との接続部を囲む位置に配設された環状磁性部材２６と、導電接続部材２５とによりインダクタ１６が構成されていることから、導電接続部材２５とゲートランド２３との接続部を囲む位置に環状磁性部材２６を配設するだけの簡単な構成で、半導体スイッチの意図しないスイッチング動作を抑制できる半導体モジュールを構成することができる。
【００３３】
また、実施形態１に係る半導体モジュール２０によれば、環状磁性部材２６の少なくとも一部は絶縁部材としてのモールド樹脂２７に封止されていることから、環状磁性部材２６と導電接続部材２５との位置関係が安定するため、インダクタ１６のインダクタンスや寄生コンデンサの容量が安定するようになり、半導体スイッチの意図しないスイッチング動作を確実に抑制できるようになる。
【００３４】
また、実施形態１に係る半導体モジュール２０によれば、所定期間が、少なくとも半導体スイッチ６のリンギング半周期よりも長い期間であることから、ゲート電圧Ｖｇｓのリンギング現象に起因して「オフ制御期間中に半導体スイッチが瞬時的に誤ってオン状態になる」という事態の発生を効果的に抑制できるようになる。
【００３５】
また、実施形態１に係る半導体モジュール２０によれば、半導体スイッチが、従来よりも大幅にオン抵抗が小さくスイッチング速度が速い反面、半導体スイッチの閾値電圧Ｖｔｈが小さくなる傾向にあり、ターンオフ時にリンギング現象が起こり易い、ワイドギャップ半導体（半炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンド）により形成されているにもかかわらず、半導体スイッチの意図しないスイッチング動作を抑制することができる。
【００３６】
また、実施形態１に係る半導体モジュール２０によれば、導電接続部材２５と環状磁性部材２６との結合を、環状磁性部材の２６の材質及び構造（大きさ、厚さなど）、モールド樹脂２７の材質（誘電率）などにより細かく調整することができることから、インダクタ１６のインダクタンスの値を所望の値に容易に調整できる。
【００３７】
［実施形態２］
実施形態２に係る半導体モジュール２０ａは、基本的には実施形態１に係る半導体モジュール２０と同様の構成を有するが、図６に示すように、環状磁性部材の配設位置が実施形態１に係る半導体モジュール２０の場合とは異なる。すなわち、実施形態２に係る半導体モジュール２０ａにおいては、環状磁性部材２６ａが、平面的に見て導電接続部材２５と外部接続端子（パッド）２４との接続部を囲む位置に配設されている。従って、実施形態２に係る半導体モジュール２０ａにおいては、当該環状磁性部材２６ａと導電接続部材２５とによりインダクタ１６ａが構成されている。なお、実施形態２においては、環状磁性部材２６ａは、外部接続端子（パッド）２４の形状（四角形状）に対応して四角環形状を有する。
【００３８】
このように、実施形態２に係る半導体モジュール２０ａは、環状磁性部材の配設位置が実施形態１に係る半導体モジュール２０の場合とは異なるが、ゲート電極とソース電極との間に発生する寄生コンデンサ１７（図３参照。）とインダクタ１６ａとによる共振動作により、ソース電極を基準としたゲート電極の電圧（ゲート電圧Ｖｇｓ）が所定期間中負にバイアスされるように動作することから、実施形態１に係る半導体モジュール２０の場合と同様に、半導体スイッチをターンオフした直後におけるゲート電圧のリンギング現象に起因して「オフ制御期間中に半導体スイッチが瞬時的に誤ってオン状態になる」という事態の発生を抑制できる。その結果、実施形態２に係る半導体モジュール２０ａは、負電圧用の電源を追加することなく、簡易で小規模な回路構成により、半導体スイッチの意図しないスイッチング動作を抑制できる半導体モジュールとなる。
【００３９】
なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施可能となるものである。例えば、下記に示すような変形実施も可能である。
【００４０】
（１）上記した各実施形態においては、半導体モジュールを電源装置のスイッチングに用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、半導体モジュールを電源装置以外の、高電圧が用いられる電子機器のスイッチングに用いてもよい。また、例えば、半導体モジュールを、別の半導体スイッチのスイッチングに用いてもよい。図７は、実施形態１に係る半導体モジュール２０を別の半導体スイッチ７１のスイッチングに用いた場合の等価回路７０を示す図である。
【００４１】
等価回路７０においては、実施形態１に係る半導体モジュール２０と、半導体スイッチ７１とがカスコード接続されている。すなわち、半導体スイッチ７１は、ドレイン電極が電源装置１の正電圧ラインに接続され、ソース電極が半導体スイッチ６のドレイン電極に接続され、ゲート電極が電源装置１の接地ラインに接続される。半導体スイッチ７１は、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドからなる、超高速動作可能な、半導体スイッチ（例えばＨＥＭＴ）である。半導体スイッチ７１は、半導体スイッチ６とは異なり、いわゆるデプレッション型のノーマリオン型の半導体スイッチである。
【００４２】
半導体スイッチ６は、ドレイン電極が半導体スイッチ７１のソース電極に接続され、ソース電極が電源装置１の接地ラインに接続され、ゲート電極がインダクタ１６を介して、電源装置１の制御部１１に接続されている。このため、半導体モジュール２０は、半導体スイッチ６をターンオフした直後においては、オン制御期間中に寄生コンデンサ１７に蓄積された電荷により、ゲート電圧が瞬時的に負の電圧となる。しかも、その後においては、寄生コンデンサ１７とインダクタ１６との共振回路によって短期間であるが上記した負の電圧が保持され、ゲート電圧Ｖｇｓが所定期間中負にバイアスされる。その結果、半導体モジュール２０は、所定期間中、ノーマリオン型の半導体スイッチ７１をオフすることができる。 
【００４３】
（２）上記した各実施形態においては、半導体スイッチとして、ワイドバンドギャップ半導体を用いた半導体スイッチを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、通常のシリコンを用いた半導体スイッチを用いてもよい。
【００４４】
（３）上記した各実施形態においては、環状磁性部材として、フェライトなどの磁性材料粉末を薄い円環形状又は四角環形状に焼結させたものを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、フェライト以外の磁性材料から製造されたものを用いてもよい。また、円環形状又は四角環形状以外の環形状に焼結させたものを用いてもよい。また、磁性材料粉末を焼結させたもの以外の環状磁性部材を用いてもよい。
【００４５】
（４）上記した各実施形態においては、環状磁性部材を半導体チップの表面又はベース部材上に配設したが、その際、半導体チップの表面又はベース部材上に、所定の凹部を有する絶縁層を形成しておき、当該凹部内に環状磁性部材を配設するようにしてもよい。
【００４６】
（５）上記した各実施形態においては、環状磁性部材を半導体チップの表面又はベース部材上に配設したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、環状磁性部材を制御部１１と、半導体スイッチ６のゲート電極との間の電流経路を取り囲む位置に配設してもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１，１０１…電源装置、２，１０２…入力端子、３，１０３…ダイオードブリッジ、４，１０４…入力コンデンサ、５，１０５…入力コイル、６，１０６…半導体スイッチ、７，１０７…整流ダイオード、８，１０８…整流コンデンサ、９，１０９…分圧抵抗ラダー、１０，１１０…出力端子、１１，１１１…制御部、１２…第１オペアンプ、１３…第２オペアンプ、１４…フリップフロップ、１５…タイマ、１６，１６ａ…インダクタ、１７…寄生コンデンサ、２０，２０ａ，７０…半導体モジュール、２１…ベース部材、２２…半導体チップ、２３…ゲートランド、２４…外部接続端子（パッド）、２５…導電接続部材、２６，２６ａ…環状磁性部材、２７…モールド樹脂、７０…等価回路、７１…別の半導体スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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