(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた少なくとも１つの電力用半導体スイッチング素子とを有するスイッチング部と、
前記第１電極と前記第２電極との間に前記スイッチング部と並列に設けられたスナバ回路部と、
ケースとを備え、
前記スナバ回路部は、
前記第１電極に接続された第３電極と、前記第２電極に接続された第４電極と、制御電極とを有するスナバ回路部用半導体スイッチング素子と、
前記第３電極と前記制御電極との間に接続された抵抗と、
前記第４電極と前記制御電極との間に接続された、印加電圧が所定値を越えると導通する選択導通素子とを備え、
少なくとも前記電力用半導体スイッチング素子，前記スナバ回路部用半導体スイッチング素子及び前記抵抗が前記ケース内に収納され、
前記選択導通素子は前記ケースの外部において脱着可能に設けられていることを特徴とする、
パワーモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワーモジュールであって、
前記少なくとも１つの電力用半導体スイッチング素子は、直列接続された複数の電力用半導体スイッチング素子を含むことを特徴とする、
パワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はパワーモジュールに関し、特にスナバ回路ないしは保護回路を備えたパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」とも呼ぶ）等の電力用半導体スイッチング素子には、当該スイッチング素子が開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）する際に発生するサージ電圧を吸収するために、スナバ回路が設けられている。
【０００３】
従来のスナバ回路は、コンデンサ（いわゆるスナバコンデンサ）や、スナバコンデンサとダイオードとの組み合わせから成り、電力用半導体スイッチング素子の主端子間に並列に接続される。そして、スナバコンデンサの充放電によりサージ電圧を吸収・抑制する。
【０００４】
このとき、サージ電圧を十分に吸収させるためにスナバコンデンサとして大容量のコンデンサが用いられる。大容量のコンデンサは大型であるので、更にコンデンサは熱に弱いので、スナバコンデンサは電力用半導体スイッチング素子が収納されるケースの外部に設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来のスナバ回路では、スナバコンデンサが上記ケースの外部に設けられているので、電力用半導体スイッチング素子とスナバコンデンサとを繋ぐ配線のインダクタンスに起因して、スナバ回路が動作するまで時間がかかってしまう。更に、スナバ回路を構成するダイオードの過渡順電圧等もスナバ回路の応答性を低下させる一因となりうる。このため、従来のスナバ回路では応答性の低さ故にサージ電圧を十分に吸収できないという問題がある。
【０００６】
更に、上述のようにスナバコンデンサは大型である上に上記ケースの外部に設けられているので、スナバ回路を含むパワーモジュール全体が大型になってしまうという問題がある。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、スナバ回路部を備えたパワーモジュールの応答性の向上及び小型化を図ることを第１の目的とする。
【０００８】
更に、本発明は、第１の目的を実現すると共に、汎用性の高いパワーモジュールを提供することを第２の目的とする。
【０００９】
更に、本発明は、第１の目的を実現すると共に、上記パワーモジュールを安価に提供することを第３の目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
（１）請求項１に記載のパワーモジュールは、第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた少なくとも１つの電力用半導体スイッチング素子とを有するスイッチング部と、前記第１電極と前記第２電極との間に前記スイッチング部と並列に設けられたスナバ回路部と、ケースとを備え、前記スナバ回路部は、前記第１電極に接続された第３電極と、前記第２電極に接続された第４電極と、制御電極とを有するスナバ回路部用半導体スイッチング素子と、前記第３電極と前記制御電極との間に接続された抵抗と、前記第４電極と前記制御電極との間に接続された、印加電圧が所定値を越えると導通する選択導通素子とを備え、少なくとも前記電力用半導体スイッチング素子，前記スナバ回路部用半導体スイッチング素子及び前記抵抗が前記ケース内に収納され、前記選択導通素子は前記ケースの外部において脱着可能に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
（２）請求項２に記載のパワーモジュールは、請求項１に記載のパワーモジュールであって、前記少なくとも１つの電力用半導体スイッチング素子は、直列接続された複数の電力用半導体スイッチング素子を含むことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態１＞
図１に実施の形態１に係るパワーモジュール１０１の模式的な構成図を示す。パワーモジュール１０１は、直列接続された２つのスイッチング部５０と、各スイッチング部５０に並列に設けられたスナバ回路部１０と、ケース４０とを備える。なお、ここでは、説明の簡単のために２つのスイッチング部５０は同等の構成とし、図１（及び後述の図面）では一方についてのみ具体的な回路構成を図示している。スナバ回路部１０についても同様とする。
【００１５】
図１に示すように、各スイッチング部５０はそれぞれ第１電極５１及び第２電極５２を有している。なお、第１電極５１及び第２電極５２をそれぞれ単に「電極５１」，「電極５２」とも呼ぶ。
【００１６】
一方のスイッチング部５０（図１における左側）の第１電極５１は端子１に接続されており、当該一方のスイッチング部５０の第２電極５２は他方のスイッチング部５０（図１における右側）の第１電極５１に接続されている。上記他方のスイッチング部の第２電極５２は端子２に接続されている。また、直列接続された両スイッチング部５０の間から出力用の端子３が引き出されている。なお、パワーモジュール１０１は、端子１を電源９０の低電位側に接続し、端子２を電源９０の高電位側に接続して使用する。
【００１７】
詳細には、スイッチング部５０は電極５１，５２間に接続された電力用半導体スイッチング素子（以下「電力用スイッチング素子」とも呼ぶ）５３を備え、スイッチング素子５３は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下「ＩＧＢＴ」とも呼ぶ）５４及びダイオード５５を含んでいる。ＩＧＢＴ５４のエミッタが電極５１に接続されており、コレクタが電極５２に接続されており、ゲートがケース４０の外部へ引き出されている。また、ＩＧＢＴ５４のエミッタにダイオード５５のアノードが接続されており、コレクタにダイオード５５のカソードが接続されている。なお、ＩＧＢＴ５４に変えて、トランジスタやＭＯＳＦＥＴ等を用いても構わない。
【００１８】
そして、各スイッチング部５０の電極５１，５２間にそれぞれスナバ回路部１０が各スイッチング部５０に並列接続されている。詳細には、スナバ回路部１０は、スナバ回路部用半導体スイッチング素子（以下「スナバ回路部用スイッチング素子」とも呼ぶ）１１と、抵抗１５と、選択導通素子１６と、ダイオード１９とを備える。
【００１９】
ここでは、スナバ回路部用スイッチング素子１１がＩＧＢＴから成る場合を説明するものとし、当該ＩＧＢＴをスナバ回路部用スイッチング素子１１の符号を以て「ＩＧＢＴ１１」とも呼ぶ。なお、スナバ回路部用スイッチング素子１１に他の素子（例えばトランジスタ，ＭＯＳＦＥＴ等）や回路を適用しても良い。
【００２０】
また、選択導通素子とは、印加電圧が所定値を越えると導通するないしは良導性を示す素子を言う。詳細には、印加電圧の絶対値を増大していくと所定の電圧を超えた時点で、その所定電圧以前と比して電流値が急峻に変化するないしは低抵抗化する特性、例えばブレークダウン特性やブレークオーバー特性を有する素子や回路を含む。選択導通素子１６として、例えば定電圧ダイオード（例えばアバランシェダイオードやツェナダイオード）やサイリスタが適用可能である。ここでは、選択導通素子１６が定電圧ダイオードから成る場合を説明するものとし、当該定電圧ダイオードを選択導通素子１６の符号を以て「定電圧ダイオード１６」とも呼ぶ。
【００２１】
スナバ回路部用スイッチング素子１１は制御電極１２，第３電極１３及び第４電極１４を有している。なお、制御電極１２，第３電極１３及び第４電極１４をそれぞれ単に「電極１２」，「電極１３」，「電極１４」とも呼ぶ。第３電極１３はスイッチング部５０の第１電極５１に接続されており、第４電極１４は第２電極５２に接続されている。なお、ＩＧＢＴ１１のゲート，エミッタ及びコレクタがそれぞれスナバ回路部用スイッチング素子１１の制御電極１２，第３電極１３及び第４電極１４に対応する。
【００２２】
更に、電極１２，１３間には抵抗１５が接続されている。また、電極１２，１４間にダイオード１９及び定電圧ダイオード１６が直列接続されている。より具体的には、電極１２にダイオード１９のカソードが接続されており、ダイオード１９のアノードは定電圧ダイオード１６のアノードに接続されており、定電圧ダイオード１６のカソードは電極１４に接続されている。
【００２３】
特に、パワーモジュール１０１ではスイッチング部５０及びスナバ回路部１０の全体がケース４０内に収納されている。即ち、電力用スイッチング素子５３，スナバ回路部用スイッチング素子１１，抵抗１５，選択導通素子１６及びダイオード５５，１９がケース４０内に収納されている。
【００２４】
次に、図２にパワーモジュール１０１の模式的な断面図を示す。図２に示すように、パワーモジュール１０１では枠４１，蓋４２及びベース板４３で以てケース４０が構成される。
【００２５】
詳細には、例えば銅から成る放熱用ベース板（以下単に「ベース板」とも呼ぶ）４３上に銅箔７２ｂを介してセラミック基板７１が配置されており、セラミック基板７１上にスイッチング部５０又はスナバ回路部１０が形成された各半導体チップが銅箔７２ａを介して配置されている。銅箔７２ａ，７２ｂはセラミック基板７１の各主面上に形成されている。なお、図示化の方向の都合により、図２ではスイッチング部５０及びスナバ回路部１０の各半導体チップをそれぞれ１つずつ図示している。
【００２６】
上記両半導体チップ及びセラミック基板７１を取り囲んでベース板４３に接する枠４１が配置されており、ベース板４３及び枠４１で以て器状を成している。枠４１は例えば樹脂等の絶縁性材料から成る。枠４１内には端子１〜３やＩＧＢＴ５４のゲートに繋がる端子（図２中には図示せず）等用の金具が埋設されており、各金具のケース４０の外部に露出した部分が各端子を成す。各金具のケース４０内の端部は各半導体チップや銅箔７２ａ等の所定の箇所にワイヤ７３によって接続されている。
【００２７】
ベース板４３及び枠４１で形成された器内に半導体チップ等を覆ってシリコンゲル４４が充填されており、更にシリコンゲル４４上にエポキシ樹脂４５が充填されている。そして、エポキシ樹脂４５上に、例えば樹脂等の絶縁性材料から成る蓋４２が配置されており、これによりベース板４３及び枠４１で形成された器に蓋がなされる。なお、電力用スイッチング素子５３，スナバ回路部用スイッチング素子１１，抵抗１５，選択導通素子１６及びダイオード５５，１９を収納可能であれば、他の形態のケースを適用しても良い。
【００２８】
次に、既述の図１を参照しつつ、スナバ回路部１０の動作を説明する。電力用スイッチング素子５３のＩＧＢＴ５４がＯＮ／ＯＦＦする際に、ＩＧＢＴ５４のコレクタ・エミッタ間にサージ電圧が発生しやすい。このとき、サージ電圧が定電圧ダイオード１６のブレークダウン電圧よりも大きい場合、スナバ回路部１０内の定電圧ダイオード１６，ダイオード１９及び抵抗１５を通って電流が流れる。そして、スナバ回路部１０のＩＧＢＴ１１のゲート・エミッタ間（ないしは電極１２，１３間）の電圧が上昇し、ゲート・エミッタ間電圧がＩＧＢＴ１１のしきい値電圧を超えるとＩＧＢＴ１１がＯＮする。これにより、配線に蓄えられていたエネルギーがＩＧＢＴ１１で消費され、サージ電圧が抑制される。逆に言えば、抑制すべきサージ電圧の電圧値に基づいて、定電圧ダイオード１６のブレークダウン電圧や抵抗１５の抵抗値等を設定する。なお、ダイオード１９は定電圧ダイオード１６に順電流が流れることにより生じる熱的不具合を防止するために設けられる。また、ダイオード５５はフリーホイーリングダイオードである。
【００２９】
パワーモジュール１０１によれば以下の効果を得ることができる。まず、パワーモジュール１０１のスナバ回路部１０は、従来のスナバ回路とは異なり、スナバコンデンサを有さない。このため、スナバ回路部１０の全体をケース４０内に収納することができる。従って、ケースの外部にスナバコンデンサを有する従来の構成と比較して、パワーモジュールを小型化することができる。
【００３０】
更に、スナバ回路部１０がケース４０内に収納されているので、上述の従来のパワーモジュールよりも、スイッチング部５０とスナバ回路部１０とを近接させることができる。このため、スイッチング部５０とスナバ回路部１０との間の配線インダクタンスを低減でき、これによりスナバ回路部１０の応答性を向上することができる。
【００３１】
このとき、スイッチング部５０とスナバ回路部１０とがケース４０内で近接配置されることによって、スイッチング部５０が形成された半導体チップと端子１，２との間で発生するサージ電圧（内部サージ電圧）を低減することができる。即ち、上述の従来のパワーモジュールではスナバコンデンサをケースの外部に設けるのでスイッチング部とスナバ回路とが離れており、このためスイッチング部が形成された半導体チップと各端子との間の配線インダクタンスを（従って内部サージ電圧を）低減することはできなかった。
【００３２】
また、スナバ回路部用スイッチング素子１１にＩＧＢＴを適用することによって、スナバ回路部１０の応答性を従来よりも大幅に向上することができる。これは、（従来のスナバ回路に用いられる）ダイオードとは異なり、ＩＧＢＴは過渡順電圧がほとんど無いことに起因する。
【００３３】
＜実施の形態２＞
図３に実施の形態２に係るパワーモジュール１０２の模式的な構成図を示す。なお、以下の説明では、既述の図１に示すパワーモジュール１０１との相違を中心に述べることにし、既述の構成要素と同等のものには同一の符号を付してその説明を援用する。図１のパワーモジュール１０１と同様に、パワーモジュール１０２は、直列接続された２つのスイッチング部５０と、各スイッチング部５０に並列に設けられたスナバ回路部１０と、ケース４０とを備える。
【００３４】
図３と既述の図１とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１０２では選択導通素子（ここでは定電圧ダイオード）１６がケース４０の外部に設けられている。詳細には、パワーモジュール１０２のケース４０は枠４１（図２参照）内に端子１７，１８を成す金具が埋設されており、端子１７，１８がケース４０の外部に設けられている。これにより、ダイオード１９のアノードが端子１７として、又、電極１４（ないしはＩＧＢＴ１１のコレクタ）が端子１８として、ケース４０の外部へ引き出されている。
【００３５】
そして、定電圧ダイオード１６のアノード及びカソードがそれぞれ端子１７，１８に電気的に接続されている。しかも、定電圧ダイオード１６は端子１７，１８間に脱着可能に設けられている。例えば、定電圧ダイオード１６のアノード及びカソードの各端子を端子１７，１８にネジ止めする形態とすることにより、定電圧ダイオード１６を脱着可能に設けることができる。また、定電圧ダイオード１６の各端子を各端子１７，１８に半田付けすることによっても脱着は可能である。なお、パワーモジュール１０２のその他の構成はパワーモジュール１０１（図１参照）と同様である。
【００３６】
パワーモジュール１０２によれば、図１のパワーモジュール１０１と同様の効果を得ることができる。なお、選択導通素子１６をケース４０内に備える分だけ、既述のパワーモジュール１０１の方がより小型である。これに対して、パワーモジュール１０２はパワーモジュール１０１に比して以下の効果が得られる。即ち、パワーモジュール１０２の選択導通素子１６はケース４０の外部において脱着可能に設けられているので、選択導通素子１６を容易に交換することができる。このため、サージ電圧とスナバ回路部用スイッチング素子１１とによって消費されるエネルギーを調整可能である。換言すれば、パワーモジュール１０２は、パワーモジュールに繋がれる電源９０の電圧の変更に柔軟に対応可能である。従って、パワーモジュール１０２によれば、汎用性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【００３７】
＜実施の形態３＞
図４に実施の形態３に係るパワーモジュール１０３の模式的な構成図を示す。図１のパワーモジュール１０１と同様に、パワーモジュール１０３は、直列接続された２つのスイッチング部５０と、各スイッチング部５０に並列に設けられたスナバ回路部１０と、ケース４０とを備える。
【００３８】
図４と既述の図１とを比較すれば分かるように、パワーモジュール１０３ではスイッチング部５０は直列接続された２つの電力用スイッチング素子５３ａ，５３ｂを含んでいる。詳細には、電力用スイッチング素子５３ａ，５３ｂは図１の電力用スイッチング素子５３と同様にＩＧＢＴ５４及びダイオード５５で構成されている。そして、電力用スイッチング素子５３ａのＩＧＢＴ５４のエミッタが電極５１に接続されており、当該電力用スイッチング素子５３ａのＩＧＢＴ５４のコレクタは電力用スイッチング素子５３ｂのＩＧＢＴ５４のエミッタに接続されている。電力用スイッチング素子５３ｂのＩＧＢＴ５４のコレクタは電極５２に接続されている。また、直列接続された両電力用スイッチング素子５３ａ，５３ｂの間から出力用の端子３が引き出されている。なお、パワーモジュール１０３のその他の構成はパワーモジュール１０１（図１参照）と同様である。
【００３９】
パワーモジュール１０３によれば、図１のパワーモジュール１０１と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
更に、パワーモジュール１０３によれば、２つの電力用スイッチング素子５３ａ，５３ｂに対して１つのスナバ回路部１０が設けられているので、以下の効果が得られる。即ち、各電力用スイッチング素子５３ａ，５３ｂにそれぞれスナバ回路部１０を設ける場合と比較して、スナバ回路部１０の個数を削減することができる。従って、パワーモジュール１０３によれば、構成の簡素化により安価なパワーモジュールを提供することができる。
【００４１】
なお、スイッチング部５０は、直列接続された３つ以上の電力用スイッチング素子を含んでいても構わない。
【００４２】
＜実施の形態４＞
図４のパワーモジュール１０３に鑑みれば、図５に示すパワーモジュール１０４によってもパワーモジュール１０３と同様の効果を得ることができる。即ち、２つの電力用スイッチング素子５３ａ，５３ｂを含む１つのスイッチング部５０と１つスナバ回路部１０とで以てパワーモジュールを構成することも可能である。パワーモジュール１０４では、出力用の端子３は直列接続された両電力用スイッチング素子５３ａ，５３ｂの間から引き出される。
【００４３】
パワーモジュール１０４においてもスイッチング部５０を直列接続された３つ以上の電力用スイッチング素子を含んで構成しても良く、直列接続された電力用スイッチング素子の所定の位置から出力用の端子３が引き出される。
【００４４】
また、図６に実施の形態４に係る他のパワーモジュール１０５の模式的な構成図を示す。図６に示すように、パワーモジュール１０５のスイッチング部５０は、ＩＧＢＴ５４から成る電力用スイッチング素子５３ｃとダイオード５６とを含む。詳細には、電力用スイッチング素子５３ｃは既述の図１に図示される電力用スイッチング素子５３中からダイオード５５を除去した形態にあたる。また、ダイオード５６のアノードがＩＧＢＴ５４のコレクタに接続され、カソードが電極５２に接続されている。なお、ダイオード５６はフリーホイーリングダイオードである。その他の構成は上述の図５に示すパワーモジュール１０４と同様である。パワーモジュール１０５によってもパワーモジュール１０３，１０４と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
なお、電力用スイッチング素子５３ｃとダイオード５６との接続位置を互いに入れ替えても構わない。
【００４６】
＜変形例１＞
既述のように、選択導電素子１６にブレークオーバー特性を有する素子や回路を適用することも可能である。例えば、電極１２，１４間にサイリスタのブレークオーバー特性を利用することができ、この場合、サイリスタのゲートに所定のゲート電流を与えて使用する。また、ショックレー・ダイオード（ＰＮＰＮスイッチ又は４層ダイオードとも呼ばれる）を用いても良い。
【００４７】
＜変形例２＞
なお、パワーモジュール１０３〜１０５（図４〜図６を参照）の選択導通素子１６を、既述の図３に示すパワーモジュール１０２のようにケース４０の外部に設けても構わない。
【００４８】
＜変形例３＞
また、パワーモジュール１０１〜１０３（図１，図３及び図４を参照）の２つのスナバ回路部１０の構成を互いに違えても良い。例えば、一方のスナバ回路部１０の選択導通素子１６のみをケース４０の外部に設けても構わない。また、パワーモジュール１０１〜１０３の２つのスイッチング部５０の構成を互いに違えても良い。パワーモジュール１０４（図５参照）の２つの電力用スイッチング素子５３ａ，５３ｂの構成についても同様である。
【００４９】
【発明の効果】
（１）請求項１に係る発明によれば、従来のスナバ回路とは異なり、スナバ回路部はスナバコンデンサを有さないので、スナバ回路部をケース内に収納することができる。このため、スナバコンデンサがパワーモジュールの外部に設けられている従来の構成と比較して、パワーモジュールを小型化することができる。
【００５０】
更に、スナバ回路部がケース内に収納されているので、上述の従来のパワーモジュールよりも、スイッチング部とスナバ回路部とを近接させることができる。このため、スイッチング部とスナバ回路部との間の配線インダクタンスを低減でき、これによりスナバ回路部の応答性を向上することができる。このとき、当該パワーモジュールによれば、従来のスナバ回路では取り除くことができない内部サージ電圧を低減することができる。
【００５２】
また、請求項１に係る発明によれば、選択導通素子を容易に交換することができる。このため、パワーモジュールに繋がれる電源電圧の変更に柔軟に対応することができるので、汎用性の高いパワーモジュールを提供することができる。
【００５３】
（２）請求項２に係る発明によれば、複数の電力用半導体スイッチング素子に対して１つのスナバ回路部が設けられる。このため、複数の電力用半導体スイッチング素子のそれぞれにスナバ回路部を設ける場合と比較して、スナバ回路部の数を削減することができる。従って、パワーモジュールの構成を簡素化して、安価なパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１に係るパワーモジュールの模式的な構成図である。
【図２】  実施の形態１に係るパワーモジュールの模式的な断面図である。
【図３】  実施の形態２に係るパワーモジュールの模式的な構成図である。
【図４】  実施の形態３に係るパワーモジュールの模式的な構成図である。
【図５】  実施の形態４に係るパワーモジュールの模式的な構成図である。
【図６】  実施の形態４に係る他のパワーモジュールの模式的な構成図である。
【符号の説明】
１０  スナバ回路部、１１  スナバ回路部用半導体スイッチング素子、１２  制御電極、１３  第３電極、１４  第４電極、１５  抵抗、１６  選択導通素子、１７，１８  端子、１９，５５，５６  ダイオード、４０  ケース、４１  枠、４２  蓋、４３  放熱用ベース板、５０  スイッチング部、５１  第１電極、５２  第２電極、５３，５３ａ，５３ｂ，５３ｃ  電力用半導体スイッチング素子、５４  ＩＧＢＴ、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５  パワーモジュール。
【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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