(57)【要約】  パワーモジュール装置は、パワー基板、パワー基板に電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイスおよびパワー基板に搭載されたゲート−ソースボード、少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたゲート−ソースボード、パワー基板に固定されたハウジングならびに少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路を含む。クランプ回路は少なくとも一つのパワーデバイスのゲートにおける電圧チャージアップを所望の電圧の８Ｖ以内に低減させるように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュール装置であって、
パワー基板と、
前記パワー基板に電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイスと、
前記パワー基板に対して搭載されたゲート−ソースボードであって、前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続された前記ゲート−ソースボードと、
前記パワー基板に固定されたハウジングと、
前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路であって、前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートにおける電圧チャージアップを所望の電圧の８Ｖ以内に低減させるように構成された前記クランプ回路と、
を備える、パワーモジュール装置。
【請求項２】
前記クランプ回路がミラークランプを備える、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項３】
前記クランプ回路が前記ゲート−ソースボードに配置され、
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートへの入力をクランプするように構成され、
前記クランプ回路がベースプレート、前記パワー基板、少なくとも二つのパワーコンタクトのうちの一つ、前記少なくとも一つのパワーデバイス、前記ゲート−ソースボード、ゲートドライブコネクタ、および前記ハウジングのうちの少なくとも一つと共に配置される、
請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項４】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートにおける電圧をピーク・ツー・ピークで８Ｖ未満にクランプするように構成される、請求項２に記載のパワーモジュール装置。
【請求項５】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスを個別にオフに保持するトランジスタを備え、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートに接続され、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスのソース／エミッタおよび−Ｖのうち少なくとも一つに接続される、
請求項４に記載のパワーモジュール装置。
【請求項６】
前記クランプ回路に電気的に接続されたセンスおよび制御回路をさらに備え、前記センスおよび制御回路がドライバ制御信号の関数として前記クランプ回路を制御するように構成される、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項７】
前記センスおよび制御回路が立ち下がりエッジ遅延および立ち上がりエッジパススルー動作に基づき前記ドライバ制御信号の関数として前記クランプ回路を制御するように構成される、請求項６に記載のパワーモジュール装置。
【請求項８】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートにおける前記電圧チャージアップを少なくとも１０％低減させるように構成される、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項９】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートにおける電圧チャージアップを所望の電圧の６Ｖ以内に低減させるように構成される、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１０】
パワーモジュール装置であって、
ベースプレートに配置されたパワー基板と、
少なくとも二つのパワーコンタクトに電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイスと、
前記パワー基板に対して搭載されたゲート−ソースボードであって、前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続された前記ゲート−ソースボードと、
前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路であって、前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートへの入力をクランプするように構成された前記クランプ回路と、
を備え、
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートにおける電圧をピーク・ツー・ピークで１０Ｖ未満にクランプするように構成される、
パワーモジュール装置。
【請求項１１】
前記クランプ回路がミラークランプを備える、請求項１０に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１２】
前記クランプ回路が前記ベースプレート、前記パワー基板、前記少なくとも二つのパワーコンタクトのうちの一つ、前記少なくとも一つのパワーデバイス、前記ゲート−ソースボード、ゲートドライブコネクタ、およびハウジングのうち少なくとも一つと共に配置される、請求項１０に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１３】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスを個別にオフに保持するトランジスタを備え、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートに接続され、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスのソース／エミッタおよび−Ｖのうち少なくとも一つに接続される、
請求項１１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１４】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートにおける電圧をピーク・ツー・ピークで８Ｖ未満にクランプするように構成される、請求項１３に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１５】
前記クランプ回路に電気的に接続されたセンスおよび制御回路をさらに備え、前記センスおよび制御回路がドライバ制御信号の関数として前記クランプ回路を制御するように構成される、請求項１０に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１６】
パワーモジュール装置であって、
ベースプレートに配置されたパワー基板と、
少なくとも二つのパワーコンタクトに電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイスと、
前記パワー基板に対して搭載されたゲート−ソースボードであって、前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続された前記ゲート−ソースボードと、
前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路であって、前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートへの入力をクランプするように構成された前記クランプ回路と、
を備え、
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートにおける電圧チャージアップを少なくとも１０％低減させるように構成される、
パワーモジュール装置。
【請求項１７】
前記クランプ回路がミラークランプを備える、請求項１６に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１８】
前記クランプ回路が前記ベースプレート、前記パワー基板、前記少なくとも二つのパワーコンタクトのうちの一つ、前記少なくとも一つのパワーデバイス、前記ゲート−ソースボード、ゲートドライブコネクタ、およびハウジングのうち少なくとも一つと共に配置される、請求項１６に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１９】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスを個別にオフに保持するトランジスタを備え、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートに接続され、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスのソース／エミッタおよび−Ｖのうち少なくとも一つに接続される、
請求項１７に記載のパワーモジュール装置。
【請求項２０】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートにおける前記電圧チャージアップを少なくとも３０％低減させるように構成される、請求項１６に記載のパワーモジュール装置。
【請求項２１】
パワーモジュール装置であって、
パワー基板と、
前記パワー基板に電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイスと、
前記パワー基板に対して搭載されたゲート−ソースボードであって、前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続された前記ゲート−ソースボードと、
前記パワー基板に固定されたハウジングと、
前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路であって、前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートへの入力をクランプするように構成され、前記クランプ回路がベースプレート、前記パワー基板、少なくとも二つのパワーコンタクトのうちの一つ、前記少なくとも一つのパワーデバイス、前記ゲート−ソースボード、ゲートドライブコネクタ、および前記ハウジングのうち少なくとも一つと共に配置される、
パワーモジュール装置。
【請求項２２】
前記クランプ回路がミラークランプを備える、請求項２１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項２３】
前記クランプ回路が前記ゲート−ソースボードに配置される、請求項２１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項２４】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスを個別にオフに保持するトランジスタを備える、請求項２２に記載のパワーモジュール装置。
【請求項２５】
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートに接続され、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスのソース／エミッタおよび−Ｖのうち少なくとも一つに接続される、
請求項２４に記載のパワーモジュール装置。
【請求項２６】
前記クランプ回路に電気的に接続されたセンスおよび制御回路をさらに備え、前記センスおよび制御回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの状態の関数として前記クランプ回路を制御するように構成される、請求項２１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項２７】
トポロジーパターンを定義する前記ベースプレートと、
前記ベースプレートに配置された前記パワー基板と、
前記少なくとも二つのパワーコンタクトであって、前記少なくとも二つのパワーコンタクトの各々が前記パワー基板に電気的に接続された前記少なくとも二つのパワーコンタクトと、
前記ゲート−ソースボードに電気的に接続された前記ゲートドライブコネクタと、
をさらに備え、
前記トポロジーパターンがハーフブリッジ基板、共通ソース／エミッタ基板、および共通ドレイン／コレクタ基板のうち少なくとも一つを形成する、
請求項２１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項２８】
前記クランプ回路の配置により従来技術のパワーデバイスに対して前記少なくとも一つのパワーデバイスのより良好な性能がもたらされる、請求項２１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項２９】
前記少なくとも二つのパワーコンタクトが前記ハウジングを通って延在するように構成され、
前記ハウジングがファスナ開口部内に位置するファスナを受け取るように構成された前記ファスナ開口部を画定するように構成され、
前記ファスナ開口部内の前記ファスナを留めるために前記少なくとも二つのパワーコンタクトが曲げられ、前記ファスナ開口部の上に延在する、
請求項２７に記載のパワーモジュール装置。
【請求項３０】
パワーモジュール装置であって、
ベースプレートに配置されたパワー基板と、
少なくとも二つのパワーコンタクトに電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイスと、
前記パワー基板に対して搭載されたゲート−ソースボードであって、前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続された前記ゲート−ソースボードと、
前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路であって、前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートへの入力をクランプするように構成された前記クランプ回路と、
を備え、
前記クランプ回路の配置により従来技術のパワーデバイスに対して前記少なくとも一つのパワーデバイスのより良好な性能がもたらされ、前記クランプ回路が前記ベースプレート、前記パワー基板、少なくとも二つのパワーコンタクトのうちの一つ、前記少なくとも一つのパワーデバイス、前記ゲート−ソースボード、ゲートドライブコネクタ、およびハウジングのうち少なくとも一つと共に配置される、
パワーモジュール装置。
【請求項３１】
前記クランプ回路がミラークランプを備える、請求項３０に記載のパワーモジュール装置。
【請求項３２】
前記クランプ回路が前記ゲート−ソースボードに配置される、請求項３０に記載のパワーモジュール装置。
【請求項３３】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスを個別にオフに保持するトランジスタを備える、請求項３１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項３４】
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートに接続され、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスのソース／エミッタおよび−Ｖのうち少なくとも一つに接続される、
請求項３３に記載のパワーモジュール装置。
【請求項３５】
前記クランプ回路に電気的に接続されたセンスおよび制御回路をさらに備え、前記センスおよび制御回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの状態の関数として前記クランプ回路を制御するように構成される、請求項３０に記載のパワーモジュール装置。
【請求項３６】
パワーモジュール装置を構成するプロセスであって、
パワー基板を設けることと、
前記少なくとも二つのパワーコンタクトに電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイスを設けることと、
前記パワー基板に対して搭載されたゲート−ソースボードを設けることであって、前記ゲート−ソースボードが前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続された、前記ゲート−ソースボードを設けることと、
前記パワー基板に固定されたハウジングを設けることと、
前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路を設けることであって、前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートへの入力をクランプするように構成される、前記クランプ回路を設けることと、
前記クランプ回路をベースプレート、前記パワー基板、少なくとも二つのパワーコンタクトのうちの一つ、前記少なくとも一つのパワーデバイス、前記ゲート−ソースボード、ゲートドライブコネクタ、および前記ハウジングのうち少なくとも一つと共に配置することと、
を含む、パワーモジュール装置を構成するプロセス。
【請求項３７】
前記ゲート−ソースボードに前記クランプ回路を配置することをさらに含み、
前記クランプ回路がミラークランプを備える、
請求項３６に記載のパワーモジュール装置を構成するプロセス。
【請求項３８】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスを個別にオフに保持するトランジスタを備える、請求項３６に記載のパワーモジュール装置を構成するプロセス。
【請求項３９】
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートに接続され、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスのソース／エミッタおよび−Ｖのうち少なくとも一つに接続される、
請求項３８に記載のパワーモジュールを構成するプロセス。
【請求項４０】
前記クランプ回路に電気的に接続されたセンスおよび制御回路を設けることと、
前記センスおよび制御回路を有する前記少なくとも一つのパワーデバイスの状態の関数として前記クランプ回路を制御することと、
をさらに含む、請求項３６に記載のパワーモジュールを構成するプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先出願の相互参照］
本出願は、２０１６年１２月６日に出願された米国特許出願第１５／３８２，１７２号の一部継続出願であり、参照によりその全体が本明細書に組み入れられる。本出願はまた、２０１７年２月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／４６２，５５２に基づく利益を主張し、本明細書に完全に記載されているかのように全ての目的のために参照により本明細書に組み入れられる。
【０００２】
［連邦政府による資金提供を受けた研究開発に関する記載］
本発明は、陸軍研究所による政府の支援を受けて行われたものである（契約番号Ｗ９１１ＮＦ−１６−２−０１３２）。米国政府は本発明について一定の権利を有する。
【０００３】
［本開示の分野］
本開示は一体型クランプ回路を有するパワーモジュールに関する。さらには、本開示は一体型クランプ回路を含むパワーモジュールを構成するプロセスに関する。
【背景技術】
【０００４】
当業者によって理解されるように、様々な形態のパワーモジュールが知られている。パワーモジュールはパワー部品、一般にはパワー半導体デバイスを物理的に含む。これらのパワー半導体は通常、パワーエレクトロニクス基板に半田付けまたは焼結される。パワーモジュールは通常、パワー半導体を搭載し、電気的および熱的接触を提供し、そして電気的な絶縁体を含む。
【０００５】
パワーモジュールを動作させる際に直面する一般的な課題の一つは、寄生電流および／または電圧信号に起因する意図しない動作である。例えば、スイッチング動作中の経時的な電圧のより大きな変化は、パワーモジュール内のスイッチに寄生ターンオンを引き起こす可能性がある。関連するドライバ回路のこの意図しない動作に対処するために多くの手法が利用されてきた。しかしながら、これらの手法は満足のいくものではなかった。
【０００６】
したがって、パワーモジュールの適切な制御を可能にするために、寄生信号に起因する意図しない動作を制限するように構成されたパワーモジュールが必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
一つの態様では、パワーモジュール装置はパワー基板、パワー基板に電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイス、パワー基板に搭載されたゲート−ソースボード、少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたゲート−ソースボード、パワー基板に固定されたハウジング、少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路、および少なくとも一つのパワーデバイスのゲートにおける電圧チャージアップを所望の電圧の８Ｖ以内に低減するように構成されたクランプ回路を含む。
【０００８】
別の態様では、パワーモジュール装置はベースプレートに配置されたパワー基板、少なくとも二つのパワーコンタクトに電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイス、パワー基板に搭載されたゲート−ソースボード、少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたゲート−ソースボード、少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路、入力を少なくとも一つのパワーデバイスにクランプするように構成されたクランプ回路を含み、クランプ回路は少なくとも一つのパワーデバイスのゲートにおける電圧をピーク・ツー・ピークで８Ｖ未満にクランプするように構成される。
【０００９】
別の態様では、ベースプレートに配置されたパワー基板、少なくとも二つのパワーコンタクトに電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイス、パワー基板に搭載されたゲート−ソースボード、少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたゲート−ソースボード、入力を少なくとも一つのパワーデバイスのゲートにクランプするように構成されたクランプ回路を含み、クランプ回路は少なくとも一つのパワーデバイスのゲートにおける電圧チャージアップを少なくとも１０％低減させるように構成される。
【００１０】
本開示のさらなる特徴、利点、および態様は以下の詳細な説明、図面および特許請求の範囲を考慮することにより説明されるかまたは明らかになり得る。さらに、前述の本開示の概要および以下の詳細な説明の両方は例示的なものであり、特許請求の範囲に記載の本開示の範囲を限定することなくさらなる説明を提供することを意図したものであることを理解されるべきである。
【００１１】
本開示のさらなる理解を提供するために含まれる添付図面は、本明細書に組み入れられてその一部を構成し、本開示の態様を例示し、詳細な説明と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。本開示の基本的な理解およびそれが実施され得る様々な方法のために必要となり得るよりも詳細に本開示の構造上の詳細を示すことは試みられない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本開示の一態様によるパワーモジュールの概略図を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、図１のパワーモジュールの一実施形態の概略図を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１のパワーモジュールの別の実施形態の概略図を示す。
【図３】図３は、本開示の一態様による例示的なセンスおよび制御回路を示す。
【図４】図４は、図１のパワーモジュールの構造上の実施形態を示す。
【図５】図５は、図４のパワーモジュールの分解図を示す。
【図６】図６は、図４のパワーモジュールの厚さに対する相対的なサイズの比較を示す。
【図７】図７は、図４のパワーモジュールの複数の並列なデバイスに対する電流の流れを示す。
【図８】図８は、図４のパワーモジュールのパワーコンタクト構成を示す。
【図９】図９は、図４のパワーモジュールの薄型パワーコンタクトを示す。
【図１０】図１０は、図４のパワーモジュールのパワーモジュールベースプレートを示す。
【図１１】図１１は、図４のゲート−ソースＰＣＢを示す。
【図１２】図１２は、図４のパワーモジュールのハーフブリッジ配置を有するゲート−ソースＰＣＢを示す。
【図１３】図１３は、図４のパワーモジュールの共通ソース／エミッタ配置を有するゲート−ソースＰＣＢを示す。
【図１４】図１４は、図４のパワーモジュールの共通ドレイン／コレクタ配置を有するゲート−ソースＰＣＢを示す。
【図１５】図１５は、図４のパワーモジュールの単一層モジュール式のゲート−ソースＰＣＢのレイアウトの例を示す。
【図１６】図１６は、図４のパワーモジュールのパワー基板ハーフブリッジ配置を示す。
【図１７】図１７は、図４のパワーモジュールのパワー基板共通ソース／エミッタ配置を示す。
【図１８】図１８は、図４のパワーモジュールのパワー基板共通ドレイン／コレクタ配置を示す。
【図１９】図１９は、図４のパワーモジュールのハウジング上面の特徴を示す。
【図２０】図２０は、図４のパワーモジュールのハウジング裏面の特徴を示す。
【図２１】図２１は、図４のパワーモジュールのパワーモジュールアセンブリから分離されたハウジングを示す。
【図２２】図２２は、図４のパワーモジュールのパワーコンタクトガイドを示す。
【図２３】図２３は、図４のパワーモジュールのハーフブリッジ、単一チャネル共通ソース／エミッタまたはドレイン／コレクタモジュールを示す。
【図２４】図２４は、本開示の別の態様によるパワーモジュールのフルブリッジ、デュアルチャネル共通ソース／エミッタまたはドレイン／コレクタモジュールを示す。
【図２５】図２５は、本開示の別の態様によるパワーモジュールの拡張された単一ハウジングの並列モジュール構成を示す。
【図２６】図２６は、パワーモジュールの試験性能データを提供するためのクランプ誘導負荷（ＣＩＬ）試験装置の概略図を示す。
【図２７】図２７は、ゲートクランプ無しのパワーモジュールについての試験データのグラフを示す。
【図２８】図２８は、ゲートドライバに配置されたクランプ回路有りのパワーモジュールについての試験データのグラフを示す。
【図２９】図２９は、本開示に基づくパワーモジュールと共に配置されたクランプ回路を有するパワーモジュールについての試験データのグラフを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示の態様および様々な特徴ならびにそれらの有利な詳細は、添付図面において説明および／または例示され、以下の詳細な説明において詳しく説明される非限定的な態様および例を参照してより十分に説明される。図面に示される特徴は必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではなく、一つの態様の特徴は本明細書において明示的に言及されなくとも、当業者が認識されるような他の態様と共に用いられ得ることに留意されるべきである。周知の部品および処理技術の説明は本開示の態様を不必要に妨げることのないように省略され得る。本開示の態様を不必要に曖昧にすることのないように、周知の部品および処理技術の説明が省略され得る。本明細書で用いられる例は単に本開示が実施される方法の理解を容易にすること、および当業者が本開示の態様を実施することをさらに可能にすることを意図している。したがって、本明細書の例および態様は本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではなく、これは添付の特許請求の範囲および適用可能な法律によってのみ定義される。さらに、図面のいくつかの図を通して、同様の参照番号は同様の部分を表すことに留意されたい。
【００１４】
図１は本開示の態様に基づくパワーモジュールの概略図を示す。図１に示されるように、本開示の一つの例示的な態様は一般的にパワーモジュール１００のように示される。パワーモジュール１００はハーフブリッジ、フルブリッジ、共通ソース／エミッタ、共通ドレイン／コレクタ等のようないくつかの有用な電力工学の形態で構成可能であり得る。パワーモジュール１００は二つ、四つ、六つ、またはそれよりも多くの別々のチャネルで構成することができる。さらに、パワーモジュール１００は任意の数の別々のチャネルを用いて構成することができる。
【００１５】
パワーモジュール１００はベースプレート２００、パワー基板３００、（図５に示される）パワーコンタクト４００、パワーデバイス５００、ゲート−ソースプリント基板（ＰＣＢ）６００、ゲートドライブコネクタ７００、およびハウジング８００を含むいくつかの要素を含み得る。パワーモジュール１００はさらにクランプ回路１０４を含む。クランプ回路１０４はパワーモジュール１００内またはその上に配置される。図１に示される要素の配置は単にクランプ回路１０４の様々な位置を例示するためのものであり、必ずしも要素の配置およびポジショニングを示すものではない。さらに、パワーモジュール１００は本明細書に記載されているよりも少数、多数、または異なる要素を含み得ることが考えられる。
【００１６】
ゲートドライバ１０２はパワーモジュール１００とは別に配置してもよく、信号線１０６に沿ってパワーモジュール１００のパワーデバイス５００に接続してもよい。ゲートドライバ１０２は信号線１０６に沿ってパワーデバイス５００に一つまたは複数のゲートドライブ信号を供給し得る。ゲートドライバ１０２は任意のタイプのドライバとすることができる。ゲートドライバ１０２はバイポーラドライバ、高性能ドライバ、高周波スイッチングドライバ、１０から１５アンペア（Ａ）の電流を扱うための構造を有するドライバ、任意の大きさの電流を扱うための構造を有するドライバ等であり得る。ゲートドライバ１０２は開示されるパワーデバイス５００を駆動するように構成された任意のタイプのドライバであり得る。
【００１７】
クランプ回路１０４はパワーモジュール１００内またはその上に配置され得る。一つの態様では、クランプ回路１０４は矢印１０８で示されるように、ゲート−ソースＰＣＢ６００上に、またはそれと共に配置され得る。一つの態様では、クランプ回路１０４は矢印１１０によって示されるように、ベースプレート２００上に、またはそれと共に配置され得る。一つの態様では、クランプ回路１０４は矢印１１２によって示されるように、パワー基板３００上に、またはそれと共に配置され得る。一つの態様では、クランプ回路１０４は矢印１１４によって示されるように、ゲートドライブコネクタ７００上に、またはそれと共に配置され得る。一つの態様では、クランプ回路１０４は矢印１１６によって示されるように、ハウジング８００上に、またはそれと共に配置され得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーモジュール１００上に配置され得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーモジュール１００内に配置され得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーコンタクト４００上に配置され得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００上に配置され得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００内に配置され得る。クランプ回路１０４のこれらの位置の各々はパワーモジュール１００に物理的に近接しているかまたはパワーモジュール１００に一体化していると定義されている。
【００１８】
一つの態様では、クランプ回路１０４はミラークランプであり得る。別の態様では、クランプ回路１０４はアクティブミラークランプであり得る。クランプ回路１０４によりパワーデバイス５００のドレイン／コレクタでの電圧の急激な変化の存在下でパワーデバイス５００のゲートをオフに保持することが可能になり得る。ドレイン／コレクタでの電圧の急激な変化は寄生ターンオンの一つの原因となっている。寄生ターンオンはまた過度のターンオフ誘起電圧スパイク、ゲートの不必要なチャージ、ゲートとパワーモジュールとの間の寄生インダクタンス、ミラー誘起ターンオン、寄生ミラー容量、ミラー誘起チャージアップ、および／またはパワーモジュールの適切な制御を低下させる同様のものによって特徴付けられ得る。クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のうち一つのゲートを低く保持するように構成されてもよく、それによりゲートにみられるあらゆる外乱が最小化および／または除去され得る。パワーデバイス５００のゲートをより良く制御するために、クランプ回路１０４は（図１に示されるように制御されることが意図されている）パワーデバイス５００のゲートに物理的に近接して配置され得る。クランプ回路１０４をパワーモジュール１００に物理的に近接して配置することによりパワーデバイス５００の性能が向上する。さらに、クランプ回路１０４をパワーモジュール１００に物理的に近接して配置することによりパワーモジュール１００の動作および制御に関する顧客の複雑さが低減される。これに関して、ドライバの複雑さおよび動作はパワーモジュール１００に実装された本開示のクランプ回路１０４を利用することによって非常に単純化され得る。一つの態様では、本開示に基づくパワーモジュール１００を動作させるドライバは潜在的な寄生ターンオンの問題を考慮する必要がないためドライバの複雑さを低減させる。さらに、物理的な結合、配置、パワーモジュール１００に物理的に近接した位置によりパワーデバイス５００のより良い制御が可能になり、クランプ回路１０４がゲートドライバをパワーモジュールの外に配置した従来技術の実装よりもはるかに良好にゲートをオフに保持することが可能になる。
【００１９】
動作中、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートへの望ましくない電圧および／または電流の影響を制限および低減する。換言すると、クランプ回路１０４は寄生ターンオンのようなパワーデバイス５００の望ましくない動作を防ぐためにパワーデバイス５００のゲートへの入力をクランプする。
【００２０】
一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を少なくとも１０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を少なくとも２０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を少なくとも４０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を少なくとも６０％低減させ得る。
【００２１】
一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を１０Ｖ未満に低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を８Ｖ未満に低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を７Ｖ未満に低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を６Ｖ未満に低減させ得る。
【００２２】
一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を４−１０Ｖの範囲に低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を２−１０Ｖの範囲に低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を４−６Ｖの範囲に低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を２−６Ｖの範囲に低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバ内に実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバ内に実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を少なくとも１０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバ内に実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を少なくとも２０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバ内に実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を少なくとも４０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバ内に実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を少なくとも６０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバ内に実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加されるピーク・ツー・ピーク電圧を少なくとも８０％低減させ得る。
【００２３】
一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を少なくとも１０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を少なくとも２０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を少なくとも４０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を少なくとも６０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を少なくとも６４％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を少なくとも７０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はクランプ回路無しで実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を少なくとも８０％低減させ得る。
【００２４】
一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバに実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバに実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を１０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバに実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を２０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバに実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を４０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバに実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を６０％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバに実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を６２％低減させ得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はゲートドライバに実装されたクランプ回路を用いて実装されるパワーモジュールと比較してパワーデバイス５００のゲートに印加される最大電圧を８０％低減させ得る。
【００２５】
一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加される電圧が所望の電圧の１０Ｖ以内であることを保証し得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加される電圧が所望の電圧の８Ｖ以内であることを保証し得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加される電圧が所望の電圧の６Ｖ以内であることを保証し得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加される電圧が所望の電圧の５Ｖ以内であることを保証し得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加される電圧が所望の電圧の４Ｖ以内であることを保証し得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加される電圧が所望の電圧の３Ｖ以内であることを保証し得る。一つの態様では、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートに印加される電圧が所望の電圧の２Ｖ以内であることを保証し得る。
【００２６】
クランプ回路１０４は複数のクランプ回路を用いて実装され得る。例えば、パワーモジュール１００の各チャネルに対して一つのクランプ回路１０４が存在する。一つの態様では二つのクランプ回路が存在する。一つの態様では四つのクランプ回路が存在する。一つの態様では六つのクランプ回路が存在する。一つの態様では、パワーデバイス５００の各々がクランプ回路を有し得る。さらに、パワーモジュール１００は任意の数のチャネルおよびチャネル毎に任意の数のクランプ回路１０４を用いて構成することができる。
【００２７】
開示されるクランプ回路１０４の実施形態は、寄生ターンオンのようなパワーデバイス５００の意図しない動作をもたらすパワーモジュール１００内のシュートスルー事象に関する問題を低減する。さらに、クランプ回路１０４はパワーモジュール１００およびパワーデバイス５００のよりよい制御性を提供する。これに関して、クランプ回路１０４をパワーデバイス５００に物理的に近接して配置することにより寄生が低減する。例えば、寄生抵抗、寄生誘導、高インピーダンス等であり、いずれも高周波でのスイッチングの際に増加し得る。さらに、クランプ回路がパワーモジュールの外側に配置されると、寄生抵抗、寄生誘導、高インピーダンス等はいずれも増加し得る。寄生は寄生ターンオンの少なくとも一つの原因である。
【００２８】
加えて、結果として得られるゲートドライバ１０２のゲートドライバ構造により複雑さが低減され得る。さらに、本開示のパワーモジュール１００を用いて実装されるゲートドライバ１０２によりバイポーラドライバが必要になるのが回避される。加えて、クランプ回路１０４の位置はパワーモジュール１００のロバスト性、信頼性を高め、故障等を低減させるパワーデバイス５００の望ましくないスイッチング（例えば、寄生ターンオン効果）を回避するのに役立つ。これに関して、パワーモジュール１００の寄生ターンオンは装置の寿命を縮める有害な影響を有する。
【００２９】
クランプ回路１０４の動作はセンスおよび制御回路等を用いて制御され得る。これに関して、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートへの電圧および／または電流入力をクランプするようにクランプ回路１０４に伝える入力信号の入力によって個別に動作され得る。同様に、クランプ回路１０４はパワーデバイス５００のゲートへの電圧および／または電流入力をクランプしないようにクランプ回路１０４に伝える入力信号の入力によって個別に動作され得る。これに関して、クランプ回路１０４の入力はクランプ回路１０４の動作を制御するための入力信号であり得る。制御信号は自律制御するロジックによって生成され得る。このロジックは論理ゲートを備える結線された回路であり得る。例えば単一のコンバータである。一つの態様では、制御信号ロジックはパワーデバイス５００のうちの一つの現在のスイッチング状態の関数として動作し得る。一つの態様では、制御信号ロジックはパワーデバイス５００のうちの一つの現在の所望のスイッチング状態の関数として動作し得る。一つの態様では、パワーデバイス５００がスイッチオフされている間に少なくとも部分的にクランプ回路１０４を動作させるように構成され得る。一つの態様では、制御ロジックはパワーデバイス５００がスイッチオンされている間に少なくとも部分的にクランプ回路１０４を停止させるように構成され得る。別の態様では、制御ロジックはパワーデバイス５００がスイッチオフされている間にクランプ回路１０４を動作させるように構成され得る。一つの態様では、制御ロジックはパワーデバイス５００がスイッチオンされている間にクランプ回路１０４を停止させるように構成され得る。一つの態様では、制御ロジックはゲートドライバ１０２がパワーデバイス５００をスイッチオフしている間に少なくとも部分的にクランプ回路１０４を動作させるように構成され得る。一つの態様では、制御ロジックはゲートドライバ１０２がパワーデバイス５００をスイッチオンしている間に少なくとも部分的にクランプ回路１０４を停止させるように構成され得る。一つの態様では、制御ロジックはゲートドライバ１０２がパワーデバイス５００をスイッチオフしている間にクランプ回路１０４を動作させるように構成され得る。一つの態様では、制御ロジックはゲートドライバ１０２がパワーデバイス５００をスイッチオンしている間にクランプ回路１０４を停止させるように構成され得る。
【００３０】
一つの態様では、パワーデバイス５００はパワー電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等のスイッチングデバイスを含み得る。しかしながら、パワーデバイス５００は任意のタイプのトランジスタまたはスイッチを用いて実装され得る。例えば、パワーデバイス５００はＭＯＳＦＥＴ、シリコンカーバイドＭＯＳ、トレンチＭＯＳ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、任意のＭＯＳの構造、および／または同様のものおよびそれらの組み合わせを含む金属酸化物半導体（ＭＯＳ）フロントエンドを有する任意のデバイスを含み得る。一つの態様では、パワーデバイス５００は一つまたは複数のダイオードを含み得る。一つの態様では、パワーデバイス５００は一つまたは複数のダイオードを有してもよく、一つまたは複数のスイッチングデバイスを有してもよい。
【００３１】
ベースプレート２００は機械的支持、熱拡散、およびパワーモジュール１００をヒートシンクまたはコールドプレートに効果的に取り付けるための構造を提供し得る。ベースプレート２００の材料特性は動作温度が上昇するにつれてますます重要になる。ベースプレート２００の材料は熱膨張係数（ＣＴＥ）を考慮して選択することができ、そうでなければアセンブリ内の材料が熱によって異なる速度で膨張し、それらの界面に大きな応力を生じる可能性がある。
【００３２】
ベースプレート２００は金属基複合（ＭＭＣ）材料を利用してもよく、これは高導電性金属、銅、アルミニウム等とモリブデン、ベリリウム、タングステン等の低ＣＴＥ金属および／またはシリコンカーバイド、酸化ベリリウム、グラファイト等の非金属のいずれかとの複合材料としてもよい。これらの複合材料により寄与している各元素の特徴を組み合わせてそれが取り付けられているパワー基板３００と実質的に一致し得るＣＴＥを有する高熱伝導率が可能になる。
【００３３】
パワー基板３００は金属−セラミック−金属の積層構造であり得る。言うまでもなく、他の材料をパワー基板３００に利用してもよい。パワー基板３００は非常に高い電流および電圧を扱うように構成および設計され得る。この構造の金属は厚さが異なる銅、アルミニウム等でもよく、一方この構造のセラミック材料はアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）等でもよい。
【００３４】
ハウジング８００は絶縁材料、合成材料等で形成することができる。一つの態様では、ハウジング８００はプラスチック材料であり得る。一つの態様では、ハウジング８００は強化高温プラスチックを用いた射出成形プロセスで形成され得る。ハウジング８００はパワーデバイス５００に対する保護バリアであることに加えていくつかの機能を果たし得る。これらは電圧遮断、機械的支持、パワーコンタクトガイド、ゲルパッシベーションの進入区域、ゲルパッシベーションプロセス用の通気孔、自己強化内部リブ等を含み得る。
【００３５】
ゲート−ソースＰＣＢ６００はパワーデバイス５００を制御するためのゲートおよびソースのケルビン接続を形成するために必要とされ得る各スイッチ位置についての独立した電気経路を含み得る。一つの態様では、ゲート−ソースＰＣＢ６００をパワー基板３００上に配置し、さらにベースプレート２００に接続してもよい。ゲート−ソースＰＣＢ６００はゲートドライブコネクタ７００用のアタッチメントを含み得る。ゲートドライブコネクタ７００はゲートドライバ１０２からのドライブ信号を受信するために信号線１０６に接続するように構成され得る。ゲート−ソースＰＣＢ６００はゲートドライブコネクタ７００からパワーデバイス５００にドライブ信号を供給し得る。
【００３６】
図２Ａは図１のパワーモジュールの実施形態の概略図を示す。特には、図２Ａはミラークランプとして実装されたクランプ回路１０４の実施形態を示す。クランプ回路１０４は信号線１０６およびパワーデバイス５００のソース／エミッタ２０６に接続されたトランジスタ２０２を含み得る。この実施形態はゲートドライバ１０２の実施を単純化することのできるＶターンオフ駆動を可能にし得る。図２Ａの実施形態は実施の際にパワーデバイス５００のゲートをソース／エミッタ２０６に短絡する。加えて、図２Ａはクランプ回路１０４がパワーモジュール１００に物理的に近接して配置されていることを示す。特には、クランプ回路１０４は図１に関連して前述したようにパワーモジュール１００内に配置されている。この物理的に近接した配置は前述の利益を含むいくつかの利益を提供する。図２Ａにさらに示されるように、パワーモジュール１００はセンスおよび制御回路２１４をさらに含み得る。センスおよび制御回路２１４はパワーモジュール１００内の電流、電圧等を感知し、それに応答してクランプ回路１０４を制御する。一つの態様では、センスおよび制御回路２１４は信号線１０６上の電圧および／または電流を感知し、それに応じてクランプ回路１０４を有効または無効にし得る。一つの態様では、センスおよび制御回路２１４は信号線１０６上のゲートドライバ１０２のドライブ信号を検出し、クランプ回路１０４を無効にする。さらに、センスおよび制御回路２１４は信号線１０６上のゲートドライバ１０２ドライブ信号の欠如を検出し、クランプ回路１０４を有効にする。言うまでもなく、他のタイプの制御ロジックもまた考えられる。
【００３７】
図２Ａの態様では、パワーデバイス５００はトランジスタ２２０を含むパワーＦＥＴとしてもよい。言うまでもなく前述のもの以外に他のタイプのパワーデバイス５００もまた考えられる。図２Ａの実施形態におけるパワーデバイス５００はドレイン／コレクタ２０４およびソース／エミッタ２０６を含む。パワーデバイス５００はドレイン／コレクタ２０４とソース／エミッタ２０６との間に接続されたキャパシタ２１２をさらに含み得る。パワーデバイス５００はドレイン／コレクタ２０４と信号線１０６との間に接続されたキャパシタ２０８をさらに含み得る。パワーデバイス５００はソース／エミッタ２０６と信号線１０６との間に接続されたキャパシタ２１０をさらに含み得る。言うまでもなく、パワーデバイス５００についても他の回路構成が考えられる。
【００３８】
図３は、本開示の一態様によるセンスおよび制御回路を示す。特には、図３はＲＣ（抵抗器−キャパシタ）回路として実装されたセンスおよび制御回路２１４を示す。この態様では、センスおよび制御回路２１４は信号線１０６からの入力３７０でゲートドライバ１０２ドライブ信号を受信し、クランプ回路を有効にするためにクランプ回路アクチュエーション信号を３７２で出力し得る。一つの態様では、センスおよび制御回路２１４の図３の実施形態は立ち下がりエッジ遅延および立ち上がりエッジパススルー動作を用いて実装され得る。一つの態様では、センスおよび制御回路２１４の図３の実施形態は抵抗器３６４と並列なダイオード３６２を用いて実装され得る。ダイオード３６２および抵抗器３６４の出力はキャパシタ３６６およびバッファ３６８に接続され得る。バッファ３６８は出力３７２においてドライブ信号をクランプ回路１０４に供給し得る。
【００３９】
これに関して、ＲＣ時定数を利用して、調整可能な遅延をセンスおよび制御回路２１４のターンオフ事象に導入することができる。これはパワーデバイス５００がシグナルオフされたときから出力３７２がクランプ回路１０４を作動させるときまでの遅延に相当する。いくつかの態様では、パワーデバイス５００がコマンドオンされるとき、クランプ回路１０４が作動されるのは望ましくない可能性があるため立ち上がりエッジ遅延が導入されない可能性がある。いくつかの態様では、調整可能なＲＣ時定数は抵抗器３６４のトリマポテンショメータ実装を介して調整可能であり得る。これに関して、パワーデバイス５００がシグナルオンされるときから出力３７２がクランプ回路１０４を作動させるときまでの遅延量はトリマポテンショメータの調整により抵抗器３６４の抵抗を変化させることによって調整され得る。
【００４０】
図２Ａはさらにゲートドライバ１０２の例示的な構造を示す。ゲートドライバ１０２はＶ＋およびＶ−に接続された一つまたは複数のトランジスタ２１８を含み得る。ゲートドライバ１０２は回路素子２１６をさらに含み得る。回路素子２１６は直列抵抗器ＲGおよび／またはインダクタＬGSを用いて実装され得る。ゲートドライバ１０２のための他の部品もまた考えられる。
【００４１】
図２Ｂは図１のパワーモジュールの別の実施形態の概略図を示す。特には、図２Ｂはミラークランプとして実装されたクランプ回路１０４の実施形態を示す。クランプ回路１０４は信号線１０６およびＶ−に接続されたトランジスタ３０２を含み得る。この実施形態は−Ｖバイアスでパワーデバイス５００のゲートをオフに保持する。この実施形態は改善されたホールドオフ性能を提供することがわかっている。加えて、図２Ｂはクランプ回路１０４がパワーモジュール１００に物理的に近接して配置されていることを示す。特には、クランプ回路１０４は図１に関連して前述したようにパワーモジュール１００内に配置されている。この物理的に近接した配置は前述の利益を含むいくつかの利益を提供する。
【００４２】
図４は図１のパワーモジュールの構造上の実施形態を示す。図５は図４のパワーモジュールの分解図を示す。図６は図４のパワーモジュールの厚さに対する相対的なサイズの比較を示す。
【００４３】
パワーモジュール１００はハーフブリッジ、フルブリッジ、共通ソース／エミッタ、および共通ドレイン／コレクタ等の複数の有用な電力工学の形態で構成可能であり、二つ、四つおよび六つの別々のチャネルで構成することができる。さらに、パワーモジュール１００は任意の数の別々のチャネルを用いて構成することができる。
【００４４】
パワーモジュール１００は図１に関連して説明したようにいくつかの要素を含み得る。これらの要素はベースプレート２００、パワー基板３００、パワーコンタクト４００、パワーデバイス５００、ゲート−ソースＰＣＢ６００、ゲートドライブコネクタ７００、ハウジング８００等を含み得る。パワーモジュール１００は電気的な接続を固定するために一つまたは複数のファスナ９００をさらに含み得る。加えて、図５に示されるように、クランプ回路１０４はゲート−ソースＰＣＢ６００上に配置され得る。
【００４５】
一つの態様では、パワーモジュール１００はパワーエレクトロニクス産業で一般的な設置面積で構成され得る。一つの態様では、パワーモジュール１００の設置面積は４８ｍｍ×９３ｍｍ離れて配置されたＭ６取付け穴を有する６２ｍｍ×１０７ｍｍのベースプレート２００を用いて実装され得る。一つの態様では、一般的な設置面積を使用することで既存のシステムを有する顧客がシステムの再設計に投資することなくパワーモジュール１００を利用することが可能になる。言うまでもなく、他のサイズの実施形態もまた考えられる。
【００４６】
一方、いくつかの態様ではパワーモジュール１００の長さおよび幅は業界標準に適合しており、パワーモジュール１００の高さは従来技術の実施形態よりも２倍から３倍薄くてもよい。一つの態様では、パワーモジュールは１５ｍｍ以下の厚さであり得る。一つの態様では、パワーモジュールは１３ｍｍ以下の厚さであり得る。一つの態様では、パワーモジュールは１０ｍｍ以下の厚さであり得る。これにより、経路長をより短くすることでパワーモジュールのインダクタンスが劇的に低減され、部分的に通電性能が向上する。それはまたパワーコンバータまたは他の用途においてシステムレベルの体積を節約する主要な要因を提供し得る。
【００４７】
パワーモジュール１００の上部サイズと厚さ寸法の比較が、上面図と側面図との比較において図６に示されている。一つの態様では、パワーモジュール１００の寸法は６５ｍｍ×１１０ｍｍ×１０ｍｍである。ハウジング８００は電圧分離のためにベースプレート２００を覆うシースのように延在してもよく、これはベースプレート２００の寸法を超えて各側に３ｍｍの追加分を占める。一つの態様では、パワーモジュール１００は７１．５ｃｍ3の体積と１４０ｇの重量を有し得る。別の態様ではパワーモジュール１００の寸法は６５ｍｍ×１１０ｍｍ×１３ｍｍ以下である。別の態様では、パワーモジュール１００の寸法は６５ｍｍ×１１０ｍｍ×１５ｍｍ以下である。
【００４８】
一つの態様では、パワーモジュール１００は伝導のために設置面積のうち５７．５ｍｍ×７３ｍｍ、４２ｃｍ2を利用し得る。これは通電専用の６０％の利用である。残りの面積は取り付けに５％、ゲートドライブ接続部に５％、最小壁厚、電圧クリーページエクステンダ、強化リブを含むプラスチックフィーチャに３０％が使用され得る。
【００４９】
図７は図４のパワーモジュールの複数の並列デバイスに対する電流の流れを示す。図７に示されるように、パワーモジュール１００のパワーループ７１０は多数のパワーデバイス５００を効果的に並列接続するために構成され得る。特には、図７はパワーデバイス５０１−５１１を示す。それにもかかわらず、パワーモジュール１００は任意の数のパワーデバイス５００を含み得ることが考えられる。いくつかの態様では、パワーモジュール１００はその構成に応じて二つ、四つ、またはそれよりも多くのスイッチ位置を有することができ、これは後に詳細に説明される。さらに、パワーモジュール１００は任意の数のスイッチ位置を用いて構成することができる。図７は上方位置４８０および下方位置４９０を示す。各スイッチ位置の配置は非常にフレキシブルであり、そのためそれらは高価なパワーモジュール１００を修正することなく特定の要素に合わせて調整することができる。例えば、位置はパワーデバイス５００と同数のダイオード、少数のダイオードのみを有するか、または全く存在しなくてもよい。図７は「Ｖ＋」端子４１０（４００）から「中間」端子４２０（４００）へ移動する電流の均等な供給電流経路１２０を描写するパワーループ７１０を表したものであり、下方位置４９０内のパワーデバイス５００に使用される「Ｖ−」端子４３０（４００）もまた示されている。このレイアウトのさらなる利益は、各パワーデバイス５００の均等な間隔がそれらを少ない場所に集中させるのではなくパワーモジュール１００にわたって熱源が拡散するのを助けることである。
【００５０】
図７にさらに示されるように、所定の態様ではパワーモジュール１００のほぼ全幅が電流の伝導のために利用される。パワーモジュール１００が高すぎた場合は多くの利益が失われるであろう。最悪の場合、パワーコンタクト４１０、４２０、４３０を通って流れる長さは、パワー基板３００に到達した後に流れる経路よりも長くなるであろう。したがって、パワーコンタクト４００はシステムの抵抗およびインダクタンスに対してそれらが無視できる量の貢献をするように低い高さを有するように構成および設計され得る。したがって、パワーコンタクト４００はそれらがシステムの抵抗およびインダクタンスに対してごくわずかな量しか寄与しかしないように、低い高さを有するように構成および設計され得る。
【００５１】
図８は図４のパワーモジュールのパワーコンタクト構成を示す。一つの態様では、パワーコンタクト４００は低い高さを有し得る。パワーコンタクト４００の低い高さはデュアルベンディングプロセスを使用することによって達成され得る。最初に、パワーコンタクト４００は金属スタンピング操作でエッチング等によって形成し、続いてプレスブレーキによって形成し得る。ベース４５０で９０°に曲げることで垂直体４６０を有する「Ｌ」字型コネクタが形成される。ベース４５０はパワー基板３００に半田付けされ得る。ベース４５０は全体的な形状と比較して相対的に薄くなるように構成され得る。これはこの接着によって消費される面積を減らし、パワーモジュール１００の内側のよりアクティブなパワーデバイス５００の面積を可能にする。これによりこの接着によって消費される面積が減り、パワーモジュール１００内でよりアクティブなパワーデバイス５００の面積が可能になる。この薄い接着の接着性を向上させるために、千鳥状の穴または半田キャッチ４５４をベース４５０の底面上のボンディング面４５２に沿ってエッチングまたは形成し得る。製造中、溶融半田は毛細管現象により半田キャッチ４５４を這い上がることがある。ひとたび凝固すると、半田キャッチ４５４の内側の半田は多方向での接着強度を実質的に向上させる。半田キャッチ４５４を有する例示的なパワーコンタクト４００が図８に示される。
【００５２】
図８にはまた、コンタクト上部４７０を形成するために製造プロセスの最後に「Ｌ」字型のパワーコンタクト４００を二回曲げる方法が示されている。曲げる前に、アンダーカットが存在しないのでパワーコンタクト４００の垂直体４６０はハウジング８００が適切な場所に落ちることを可能にする。所定の態様では、ハウジング８００は単一のピースのプラスチックハウジングであり得る。第二の曲げ部４７２の半径は第一の曲げ部４６２ほど大きくなくてもよい。これによりプロセスにおいてある程度の公差を提供され、よりスムーズな曲げ操作をもたらされ得る。第二の半径４７２はこの段階でパワーコンタクト４００のリーディングエッジ４６４に接触し得るプラスチックハウジング８００内の予備成形された半径８１０を介して容易にされ得る。明確に設計された回転曲げハードウェアは反対側の表面４６６を平らに押し付けて、パワーコンタクト４００をキャプティブファスナ９００の上に折り畳み得る。「Ｌ」字型コンタクトを「Ｃ」字型形状に曲げることの例は、図９に湾曲した矢印によって示されている。
【００５３】
折り畳まれたパワーコンタクト４００の下に薄型ファスナ９００を配置してもよく、一つの態様では、ファスナ９００はねじ山を設けられてもよい。例えば、ファスナはナットであり得る。これらのファスナ９００はパワーコンタクト４００の下に固定され得る。ファスナ９００はそうでなければ緩んでいてもよい。キャプティブファスナ９００は、パワーモジュール１００がバスバーにボルトで固定される際にファスナ９００およびパワーコンタクト４００がバスに向けて上方に引っ張られ、より高品質の電気接続を形成するように配置され得る。ファスナ９００がハウジング８００に固定されている場合、それらはバスをパワーモジュール１００に引き下げるように作用する可能性があり、バスバーの硬さに起因して接続不良を形成する可能性がある。
【００５４】
図１０は図４のパワーモジュールのパワーモジュールベースプレートを示す。特には、図１０はパワーモジュール１００ベースプレート２００が業界標準の６２ｍｍジオメトリに適合するようにどのように構成され得るかを示しており、隅に取付け穴２０３のための設定された直径および位置を有する。いくつかの態様におけるベースプレート２００の厚さはＣＡＤモデルのパラメトリック有限要素解析を使用することで微調整され得る。これは所定の実用上の制限の間で厚さを一掃することならびに熱的および機械的応答を測定することによって達成される。最小の機械的な歪みで最良の熱的性能を達成する材料と厚さとの組み合わせを次に選択し得る。パワーモジュール１００プレートのさらなる特徴はＭＭＣ材料に応じてねじ穴が設けられたボード穴２４２およびハウジング穴２９０を含み得るスタンドオフ２４０を含むように機械加工または成形され得る。スタンドオフ２４０はゲート−ソースＰＣＢ６００が撓むことなくボルトで固定することができるようにパワー基板３００を有する平面を提供し得る。
【００５５】
図１１は図４のパワーモジュールのゲート−ソースＰＣＢ二次基板を示す。ゲート−ソースＰＣＢ６００はゲートおよびソースケルビン接続を形成するために必要とされる各スイッチ位置について独立した電気経路を含んでもよく、これはパワーデバイス５００を制御するために必要であり得る。加えて、ゲート−ソースＰＣＢ６００はクランプ回路１０４を含み得る。パワーデバイス５００は広く均等化されたパワーの経路と干渉しないように構成されたゲートおよびソースケルビンルーティングと並列に配置され得る。図１１はパワーモジュール１００およびそのバリエーションがパワー基板３００上に配置されてもよく、次いでベースプレート２００に固定され得る単一のピースの二次ゲート−ソースＰＣＢ６００をどのように含み得るかを示す。
【００５６】
図１１から図１５に示されるように、ゲート−ソースＰＣＢ６００は多数のパワーモジュール１００構成を可能にするために外部ダイアパーチャ６０３または中間ダイアパーチャ６０５等のダイアパーチャを画定するための四つの位置、すなわち上部または第一の位置６１１、上中部または第二の位置６１２、下中部または第三の位置６１３、および底部または第四の位置６１４のうち一つに位置し得る二つの相互接続チャネル６０２、６０４を有し得る。ゲート−ソースＰＣＢ６００は必要に応じて他の位置および相互接続チャネルを利用し得る。本質的に、各相互接続チャネル６０２、６０４の相対的なレイアウトは同じであり得る。しかしながら、関連するダイアパーチャ６０３、６０５ならびにパワーデバイス５００の配置および回転が各形態に一致するように、位置および方向を一致させるように適合させることができる。これはそれぞれハーフブリッジ、共通ソース／エミッタ、および共通ドレイン／コレクタ形態を示す矢印を用いて図１２、図１３、および図１４に示されている。これらの各々は、パワー基板３００のレイアウトならびにパワーコンタクト４００およびハウジング８００のフォーマットに応じて、単一または二つのチャネル配置を含み得る。
【００５７】
図１５に示されるように、並列接続を助けるために、個々のバラスト抵抗器６４０がゲート−ソースＰＣＢ６００に含まれ得る。これらのボードが利用できる平行平面、クロックツリー分配等のような多くの異なるレイアウトが存在するが、より効果的なものの一つは、多数のボンディング位置６４２を有する低コストの単層モジュラー配置である。示されるように、ゲートトラック６５０およびソーストラック６５２は相互接続チャネル６５４の長さにわたって延在し得る。ソースワイヤボンドはソーストラック６５２に直接形成され得る。各ゲートは個々のゲートパッド６５１に接合されてもよく、抵抗器６４０を介してゲートトラックに接続されてもよい。抵抗器６４０の値はデバイスおよび用途に依存し、パワーモジュール１００の構成間で異なるであろう。
【００５８】
図１６は図４のパワーモジュールのパワー基板ハーフブリッジ配置を示す。図１７は図４のパワーモジュールのパワー基板共通ソース／エミッタ配置を示す。図１８は図４のパワーモジュールのパワー基板共通ドレイン／コレクタ配置を示す。特には、図１６はパワー基板３００を示す。金属層３０４はハーフブリッジ基板３３０については図１６、共通ソース／エミッタ基板３４０については図１７、共通ドレイン／コレクタ基板３５０については図１８に示されるように、各構成に対する上部および下部デバイス５００の位置を示す形態固有のパターン３３０、３４０、３５０にエッチングされ得る。これらのレイアウトの各々はパワー基板３００の中心に沿って線をエッチングすることによって二つのチャネル配置に分割され得ることにも留意されたい。必要に応じて、それらをチャネルごとに個々の基板に分割され得る。これはより小さな基板はより少ないストレスを受けるため、より過酷な環境にも有用であり得る。
【００５９】
図１９は図４のパワーモジュールのハウジング上面の特徴を示す。２０は図４のパワーモジュールのハウジング裏面の特徴を示す。
【００６０】
ハウジング８００は強化高温プラスチックを用いて射出成形プロセスで形成され得る。ハウジング８００は傷が付きやすいパワーデバイス５００に対する保護バリアであるのに加えて多くの機能を果たし得る。これは電圧遮断、キャプティブファスナ９００のための機械的支持、パワーコンタクト曲げプロセスのためのガイド、ゲルパッシベーションの進入区域、ゲルパッシベーションプロセスの通気孔、自己強化内部リブ８１２、を含む。これらの特徴の多くは図１９および図２０に描写されている。高アスペクト比のトレンチは露出した金属コンタクト間の表面距離を増大させ、電圧遮断性能を増大させるためにパワーコンタクト４００の周囲に配置され得る。
【００６１】
図１９はクリーページエクステンダ８０２、パッシベーション進入部および通気孔８０４、キャプティブファスナ開口部８０６、ラベリング領域８０８、およびパワーコンタクトピンチおよび半径８１０を含む高温プラスチックハウジング上面の特徴を示す。図２０は強化リブ８１２、太いボルト孔コアセクション８１４、ボルトヘッドクリアランス凹部８１６、ファスナインセットの底部８１８、パワーコンタクト進入口８２０、およびワイヤボンドクリアランス開口部８２２を含む裏面の特徴を示す。
【００６２】
図２１は図４のパワーモジュールのパワーモジュールアセンブリから分離されたハウジングを示す。図２２は図４のパワーモジュールのパワーコンタクトガイドを示す。
【００６３】
図２１はパワーコンタクト４００が狭い開口部またはスロット８２０を通ってルーティングされた状態で、パワーモジュール１００の上面を形成するためにハウジング８００が電子サブアセンブリ上をどのようにスライドするかを示す。ハウジング８００は二点でベースプレート２００のねじ用ハウジング孔２９０にボルト８３０で締められ得る。この段階で、ゲルパッシベーション材料をパワーモジュール１００に注入して完全に硬化させることができる。複数の開口部および通気孔８０４はこの組み立て工程を助ける。パワーコンタクト４００用のハウジング８００内のスロット８２０は、このプロセスを助けるための下書きされた「ガイド（ｇｕｉｄｅｓ）」および折り曲げ手順を助けるための上部の丸いフィレット８１０を有する。これらは図２２に示されている。
【００６４】
これまでに論じられたように、パワーモジュール１００は様々な有用な電力工学の形態で構成可能である。これらはハーフブリッジ、共通ソース／エミッタ、および共通ドレイン／コレクタを含む。パワー基板３００およびゲート−ソースＰＣＢ６００のレイアウト変更ならびにパワーコンタクト４００およびハウジング８００の変更を通してチャネルを分割することにより、フルブリッジ、共通ソース／エミッタ、および共通ドレイン／コレクタデュアルチャネルを含む三つのさらなる構成が可能になる。
【００６５】
図２３は図４のパワーモジュールのハーフブリッジ、単一チャネル共通ソースまたはドレイン／コレクタモジュールを示す。図２４は本開示の別の態様によるパワーモジュールのフルブリッジ、デュアルチャネル共通ソース／エミッタまたはドレイン／コレクタモジュールを示す。図２５は本開示の別の態様によるパワーモジュールの延長された単一ハウジングの並列モジュール構成を示す。
【００６６】
図２３はハーフブリッジ、単一チャネル共通ソース／エミッタ、および単一チャネル共通ドレイン／コレクタ構成のための第一の外部構成１５０を示す。各側に二つずつ、ゲートドライブコネクション７００のための四つの位置７０１、７０２、７０３、７０４が存在する。片側または両側がこの目的のために使用され得る。図２４に示されるデュアルチャネル配置１５２のためにパワーコンタクト４００は分割され二つの完全に分離されたチャネルを提供する。両側にゲートドライブコネクタ７００が必要となる場合がある。この配置はフルブリッジ、デュアルチャネル共通ソース／エミッタ、およびデュアルチャネル共通ドレイン／コレクタ形態に使用される。
【００６７】
より高い電流のため、および単一モジュールを所望する顧客のために、デュアルパワーモジュール２５００のより大きな並列配置は単一のハウジング８００内に並んで構築された二つのモジュールから組み立てられ得る。これは図２５に示されている。
【００６８】
［実験結果］
図２６はパワーモジュールの試験性能データを提供するためのクランプ誘導負荷（ＣＩＬ）試験装置の概略図を示す。クランプ回路１０４の性能を検証するために、ＣＩＬ試験装置１が利用された。クランプ回路１０４の試験の性能基準がパワーモジュール６のゲート電圧であり、コモンモードノイズの影響を受けやすいために差動プローブは利用されなかった。差動プローブを用いることなくパワーモジュール６のゲート性能を正確に測定することを可能にするために、下方デバイス４の電圧のみが測定された。
【００６９】
ＣＩＬ試験装置１の概略図が図２６に示されており、そこでは誘導負荷２がパワーモジュール６のハーフブリッジの中間点５からパワーモジュール６の下方デバイス４のソースに結び付けられている。上方デバイス３がターンオンされ、中間点電圧がバス電圧まで急激に上昇する。図２６はさらに抵抗器８（ＣＶＲ）に並列に接続する一対のキャパシタ７（ＣBULKおよびＣHF）を示す。
【００７０】
ＣＩＬ試験装置１のこの配置および動作は、理論的には下方デバイス４に最大電圧外乱を生じさせた。関連するゲート−ソースケルビンＰＣＢの一部はパワーモジュール６をゲートドライバに接続する信号接続専用であるため、ゲート−ソース電圧測定用のケルビン試験ポイントを作成するためにサイドパッドのいくつかが利用された。この測定アプローチはきれいで代表的な電圧波形を可能にし、理論的にはゲートドライバによってパワーモジュール６の相互接続部に導入されるインダクタンスのあらゆる影響を含まなかった。
【００７１】
最初に、対照試料を試験した。市販のゲートドライバは逆並列ショットキーダイオードを用いずに、カスタムＣＡＳ３２５Ｍ１２ＨＭ２パワーモジュール６（１２００Ｖ、３２５Ａ、アーカンソー州ファイエットビルのＷｏｌｆｓｐｅｅｄによって製造されたシリコンカーバイド高性能６２ｍｍハーフブリッジモジュール）を用いて試験された。ゲートドライバでは０Ωターンオン抵抗器と共に５Ωターンオフ抵抗器が使用された。このゲート抵抗器の配置はターンオン損失を低減し、ターンオフ電圧のオーバーシュートを制限するために選択された。バス電圧は４００Ａのドレイン電流で８００Ｖになるように選択された。下方デバイス４のゲート電圧は上方デバイスがターンオンされたときの図２７から図２９の下側のグラフに示されている。
【００７２】
図２７はゲートクランプ無しのパワーモジュールに対する試験データのグラフを示す。特には、図２７はゲートクランプ無しでの強制転流時のローサイドＭＯＳＦＥＴドレイン電圧および電流（上のグラフ）ならびにゲートクランプ無しでの強制転流時のＭＯＳＦＥＴゲート電圧（下のグラフ）を示す。より具体的には、図２７はローサイドＭＯＳＦＥＴのドレイン電圧および電流（上のグラフ）を示しており、縦軸は単位をボルト（Ｖ）とするドレイン電圧および単位をアンペア（Ａ）とするドレイン電流、横軸は単位を秒（ｓ）とする時間を示す。図２７はさらにＭＯＳＦＥＴのゲート電圧（下のグラフ）を示しており、縦軸は単位をボルト（Ｖ）とするゲート電圧、横軸は単位を秒（ｓ）とする時間を示す。図２７に示されるように、ゲート電圧はデバイスの閾値電圧を上回る＋５Ｖにまでスパイクする。パワーモジュール６の未使用のゲート−ソースピンは可能な限り多くの結合を除去するためにケルビンコンタクトとして使用された。ゲートでの測定から、パワーモジュール６内のデバイスはミラー誘導チャージアップを経験するが、シュートスルー点までは経験しないことは明らかである。図２７はさらにピーク電圧の上昇が−６Ｖから＋５Ｖまでで、１１Ｖの上昇であることを示す。これは所望の−６Ｖから１１Ｖである。さらに、図２７はピーク・ツー・ピーク電圧が１１Ｖであることを示す。
【００７３】
図２８はゲートドライバに配置されたクランプ回路を有するパワーモジュールについての試験データのグラフを示す。特には、図２８はゲートドライバに配置されたクランプ回路有りの強制転流時のローサイドＭＯＳＦＥＴのドレイン電圧および電流（上のグラフ）ならびにゲートドライバに配置されたクランプ回路有りの強制転流時のＭＯＳＦＥＴのゲート電圧（下のグラフ）を示す。より具体的には、図２８はローサイドＭＯＳＦＥＴドレイン電圧（上のグラフ）を示しており、縦軸は単位をボルト（Ｖ）とするドレイン電圧および単位をアンペア（Ａ）とするドレイン電流、横軸は単位を秒（ｓ）とする時間を示す。図２８はまたＭＯＳＦＥＴのゲート電圧（下のグラフ）を示しており、縦軸は単位をボルト（Ｖ）とするゲート電圧、横軸は単位を秒（ｓ）とする時間を示す。
【００７４】
図２８の実施形態では、ゲートドライバボードに配置された（しかしモジュールの内部ではない）クランプ回路を用いて調整されたゲートドライバが試験された。ドライバおよびパワーモジュール６は同じ条件下で試験された。図２８の結果はゲートドライバＰＣＢにクランプ回路を導入するとデバイスのゲートにおいてみられるオーバーシュートをわずかに約０．４Ｖ低減させることを示している。この時点でゲートは約４．６Ｖでピークに達し、これはまだデバイスの閾値電圧を上回っている。クランプ回路がゲート抵抗器とＭＯＳＦＥＴとの間に配置されているため、ターンオフＭＯＳＦＥＴの値を小さくしてもミラー誘導チャージアップを低減させるのには役立たないのは明らかである。クランプ回路はネガティブレールに非常に低インピーダンスの経路を提供することができるが、ゲートドライバとパワーデバイスとの間の相互接続インピーダンスはこの時点で支配的である。これはクランプ回路をゲートドライバ上に配置しなければならない場合、パワーモジュール６のゲートにみられる電圧スパイクを除去するための唯一の方法は相互接続インダクタンスを低減させることであり、これは通常はバスバーのクリーページ、クリアランスの制約等のために実現不可能であることを示している。図２８はさらにピーク電圧の上昇が−６Ｖから＋４．６Ｖまでで、１０．６Ｖの上昇であることを示す。これは所望の−６Ｖから１０．６Ｖである。さらに、図２７はピーク・ツー・ピーク電圧が約１３．６Ｖであることを示す。
【００７５】
図２９は本開示に基づくパワーモジュールと共に配置されたクランプ回路を有するパワーモジュールについての試験データのグラフを示す。特には、図２９は本開示に基づくパワーモジュール内に配置されたクランプ回路有りでの強制転流時のローサイドＭＯＳＦＥＴのドレイン電圧および電流（上のグラフ）ならびに本開示に基づくパワーモジュール内にまたしても配置されたクランプ回路有りでの強制転流時のＭＯＳＦＥＴのゲート電圧を示す。より具体的には、ローサイドＭＯＳＦＥＴのドレイン電圧（上のグラフ）を示しており、縦軸は単位をボルト（Ｖ）とするドレイン電圧および単位をアンペア（Ａ）とするドレイン電流、横軸は単位を秒（ｓ）とする時間を示す。さらにＭＯＳＦＥＴゲートの電圧（下のグラフ）を示しており、縦軸は単位をボルト（Ｖ）とするゲート電圧、横軸は単位を秒（ｓ）とする時間を示す。
【００７６】
本開示に基づく組み込まれたクランプ回路実施形態を有するパワーモジュール６は同じ電圧および電流条件下で試験された。
【００７７】
図２９に示されるように、最大ゲート電圧は−２Ｖであった。図２９はピーク電圧の上昇が−６Ｖから−２Ｖまでであり、４Ｖの上昇であることを示している。これは所望の−６Ｖから４Ｖである。さらに、図２９はピーク・ツー・ピーク電圧が約８Ｖであるのを示している。４Ｖの上昇は図２７に関連するクランプ回路を有しない実施形態よりも６４％小さく、図２８に関連するゲートドライバのクランプ回路を有する実施形態よりも６２％小さい。さらに、図２９に示されるピーク・ツー・ピーク電圧は８Ｖであり、これは図２８に関連する実施形態よりも２７％小さく、図２７に関連する実施形態よりも４１％小さい。
【００７８】
本開示によるクランプ回路の実施形態はＭＯＳＦＥＴのゲートへのほぼ直接的なアクセスを有し、したがってゲートでみられる電圧チャージアップを劇的に低減させることが可能である。ゲート電圧は約−２Ｖまで上昇し、これは適切な負のバイアスよりも大きい。クランプ回路は最悪の条件下であってもゲートを確実に制御し続けることができる。最も厳しい条件下でのクランプ回路の性能を証明するために極端な条件を再現するため、ドレイン電圧ｄｖ／ｄｔを非常に高速にした。
【００７９】
示された実験結果に基づき、高性能パワーモジュールにクランプ回路を含めることには説得力のある理由が存在する。パワーモジュールのゲートドライバをそれほど複雑にすることなく、優れたゲート制御が可能である。ＭＯＳＦＥＴのような小信号デバイスによってクランプ回路が実現されるため、このようなデバイスを追加することによる追加費用はほとんどない。さらに、パワーモジュール内のクランプ回路配置の有益な性能は異なる電圧および異なる電流を利用する実施形態にも同様に展開し得ることを理解されるべきである。これに関して、本開示は試験された特定の電圧および電流に限定されるべきではない。本開示は他の可能な電圧および電流に対する利益を考慮する。
【００８０】
本開示のさらなる態様では、ゲートドライバの要件をさらに単純化するためにクランプ回路１０４がパワーモジュール１００に組み込まれ得る。これに関して、クランプ回路１０４はさらにパワーモジュール１００内のセンスおよび制御回路２１４の制御ロジックと一体化されてもよく、そのため顧客側からさらなるゲートドライブ回路が必要とされることは無いだろう。これはさらなる部品を有するより重要なゲート−ソースケルビンＰＣＢを必要としてもよいが、ユーザの観点からの単純化は追加の一回限りの設計の複雑さに値するものである。さらなる態様では、本開示の態様はゲートドライバ回路の単純化を容易にすることができ、これはネガティブゲートレールを除去する能力を有することができる。クランプ回路１０４は非常に良好なゲート制御能力を示すため、ＭＯＳＦＥＴのようなパワーデバイスを０Ｖレベルに駆動することおよびデバイスが確実にオフに保持されるよう一体化されたクランプ回路１０４を利用することが可能である。ネガティブレールを除去することによりゲートドライバ自体に対するパワー供給の要件を低減してもよく、それによってコストおよび複雑さを低減される。ゲートドライバのパワー供給の要件を単純化することでＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴのようなパワーデバイスを標準のＳｉゲートドライブレールおよびＩＣ上で動作させることを可能にする可能性を有する。したがって、本開示は本明細書に記載の多数の利益を有する一体型クランプ回路を有する改良型パワーモジュール１００を説明している。例えば、クランプ回路１０４をパワーモジュール１００に物理的に近接配置することによりパワーデバイス５００の性能が向上する。さらに、クランプ回路１０４をパワーモジュール１００に物理的に近接配置することによりパワーモジュール１００の動作および制御に関して顧客の複雑さが低減される。パワーモジュール１００の用途はモータ駆動装置、太陽光インバータ、回路遮断器、保護回路、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を含む。
【００８１】
本開示の態様は本開示の態様が示されている添付図面を参照して上記で説明されている。しかしながら、この開示は多くの異なる形態で実施されてもよく、上述の態様に限定されるべきでないことを理解されたい。むしろ、これらの態様はこの開示が徹底的かつ完全であり、開示の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。全体を通して同様の番号は同様の要素を指す。
【００８２】
第一、第二等の用語は本明細書を通して様々な要素を説明するために使用されており、これらの要素はこれらの用語によって制限されるべきでないことが理解されるであろう。これらの用語はある要素を別の要素と区別するためにのみ使用されている。例えば、本開示の範囲から逸脱することなく、第一の要素を第二の要素と呼ぶことができ、同様に、第二の要素を第一の要素と呼ぶことができる。「および／または」という用語は、関連する列挙された項目の一つまたは複数のいくつかおよび全ての組み合わせを含む。
【００８３】
本明細書で使用される用語は、特定の態様を説明することのみを目的としており、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も含むことを意図している。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、本明細書で使用される場合、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または部品の存在を明示するが、一つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、部品、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。
【００８４】
層、領域または基板のような要素が別の要素「上（ｏｎ）」に存在しているかまたは「上へ（ｏｎｔｏ）」延在していると述べられる場合、他の要素上に直接存在するかまたは他の要素上へ直接延在する可能性があり、または介在する要素が存在する可能性もあることを理解されたい。対照的に、ある要素が別の要素「上に直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ）」存在しているかまたは他の要素「上へ直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎｔｏ）」延在していると述べられる場合、介在する要素は存在しない。要素が別の要素に「接続されて（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」いるかまたは別の要素に「結合されて（ｃｏｕｐｌｅｄ）」いると述べられる場合、他の要素に直接接続または結合されるかまたは介在する要素が存在し得ることもまた理解されたい。対照的に、要素が別の要素に「直接接続されて（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」いるかまたは別の要素に「直接結合されて（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」いると述べられる場合、介在する要素は存在しない。
【００８５】
「よりも下（ｂｅｌｏｗ）」または「よりも上（ａｂｏｖｅ）」または「上側の（ｕｐｐｅｒ）」または「下側の（ｌｏｗｅｒ）」または「上部（ｔｏｐ）」または「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」等の相対的な用語は、本明細書では図に示される一つの要素、層または領域と別の要素、層または領域との関係を説明するために使用される。これらの用語は、図に描写された方向に加えて、デバイスの異なる方向を包含することを意図していることを理解されたい。
【００８６】
本開示の態様は本開示の理想的な実施形態（および介在する構造）の概略図である断面図を参照して本明細書で説明されている。図面中の層および領域の厚さは分かりやすくするために誇張されている場合がある。加えて、例えば製造技術および／または公差の結果としての図の形状からの変形が予想されるべきである。
【００８７】
図面および明細書において、本開示の典型的な態様が開示されてきたが、固有の用語が用いられているもののそれらは一般的かつ説明する意味でのみ使用され、以下の特許請求の範囲で明らかにされている本開示の範囲を限定することを目的とするものではない。
【００８８】
本開示を例示的な態様に関して説明してきたが、当業者においては本開示が添付の特許請求の範囲の精神および範囲内での調整を加えて実施できることを認識されるであろう。前述の所与のこれらの例は単に例示的なものであり、全ての可能性のある本開示の設計、態様、用途または調整の余すところのないリストの意味をもつものではない。前述のこれらの例は単に例示的なものであり、本開示の全ての可能な設計、態様、用途または調整の網羅的なリストを意味するものではない。これに関して、様々な態様、特徴、部品、要素、モジュール、配置、回路等は交換可能、混在、適合、組み合わせ等であると考えられる。これに関して、本開示の異なる特徴はモジュール式であり、互いに混在させ、そして互いに適合させることができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年8月14日(2019.8.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュール装置であって、
パワー基板と、
前記パワー基板に電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイスと、
前記パワー基板に対して搭載されたゲート−ソースボードであって、前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続された前記ゲート−ソースボードと、
前記パワー基板に固定されたハウジングと、
前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路であって、前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートにおける電圧チャージアップを所望の電圧の８Ｖ以内に低減させるように構成された前記クランプ回路と、
を備える、パワーモジュール装置。
【請求項２】
前記クランプ回路がミラークランプを備える、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項３】
前記クランプ回路が前記ゲート−ソースボードに配置され、
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートへの入力をクランプするように構成される、
請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項４】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートにおける電圧をピーク・ツー・ピークで８Ｖ未満にクランプするように構成される、請求項２に記載のパワーモジュール装置。
【請求項５】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスを個別にオフに保持するトランジスタを備え、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートに接続され、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスのソース／エミッタおよび−Ｖのうち少なくとも一つに接続される、
請求項４に記載のパワーモジュール装置。
【請求項６】
前記クランプ回路に電気的に接続されたセンスおよび制御回路をさらに備え、前記センスおよび制御回路がドライバ制御信号の関数として前記クランプ回路を制御するように構成される、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項７】
前記センスおよび制御回路が立ち下がりエッジ遅延および立ち上がりエッジパススルー動作に基づき前記ドライバ制御信号の関数として前記クランプ回路を制御するように構成される、請求項６に記載のパワーモジュール装置。
【請求項８】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートにおける前記電圧チャージアップを少なくとも１０％低減させるように構成される、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項９】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートにおける電圧チャージアップを所望の電圧の６Ｖ以内に低減させるように構成される、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１０】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートにおける電圧をピーク・ツー・ピークで１０Ｖ未満にクランプするように構成される、請求項１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１１】
パワーモジュール装置であって、
パワー基板と、
前記パワー基板に電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイスと、
前記パワー基板に対して搭載されたゲート−ソースボードであって、前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続された前記ゲート−ソースボードと、
前記パワー基板に固定されたハウジングと、
前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路であって、前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートへの入力をクランプするように構成され、前記クランプ回路がベースプレート、前記パワー基板、少なくとも二つのパワーコンタクトのうちの一つ、前記少なくとも一つのパワーデバイス、前記ゲート−ソースボード、ゲートドライブコネクタ、および前記ハウジングのうち少なくとも一つと共に配置される、
パワーモジュール装置。
【請求項１２】
前記クランプ回路がミラークランプを備える、請求項１１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１３】
前記クランプ回路が前記ゲート−ソースボードに配置される、請求項１１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１４】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスを個別にオフに保持するトランジスタを備える、請求項１３に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１５】
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスの前記ゲートに接続され、
前記トランジスタが前記少なくとも一つのパワーデバイスのソース／エミッタおよび−Ｖのうち少なくとも一つに接続される、
請求項１４に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１６】
前記クランプ回路に電気的に接続されたセンスおよび制御回路をさらに備え、前記センスおよび制御回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスの状態の関数として前記クランプ回路を制御するように構成される、請求項１１に記載のパワーモジュール装置。
【請求項１７】
パワーモジュール装置を構成するプロセスであって、
パワー基板を設けることと、
少なくとも二つのパワーコンタクトに電気的に接続された少なくとも一つのパワーデバイスを設けることと、
前記パワー基板に対して搭載されたゲート−ソースボードを設けることであって、前記ゲート−ソースボードが前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続された、前記ゲート−ソースボードを設けることと、
前記パワー基板に固定されたハウジングを設けることと、
前記少なくとも一つのパワーデバイスに電気的に接続されたクランプ回路を設けることであって、前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスのゲートへの入力をクランプするように構成される、前記クランプ回路を設けることと、
前記クランプ回路をベースプレート、前記パワー基板、前記少なくとも二つのパワーコンタクトのうちの一つ、前記少なくとも一つのパワーデバイス、前記ゲート−ソースボード、ゲートドライブコネクタ、および前記ハウジングのうち少なくとも一つと共に配置することと、
を含む、パワーモジュール装置を構成するプロセス。
【請求項１８】
前記ゲート−ソースボードに前記クランプ回路を配置することをさらに含み、
前記クランプ回路がミラークランプを備える、
請求項１７に記載のパワーモジュール装置を構成するプロセス。
【請求項１９】
前記クランプ回路が前記少なくとも一つのパワーデバイスを個別にオフに保持するトランジスタを備える、請求項１７に記載のパワーモジュール装置を構成するプロセス。
【請求項２０】
前記クランプ回路に電気的に接続されたセンスおよび制御回路を設けることと、
前記センスおよび制御回路を有する前記少なくとも一つのパワーデバイスの状態の関数として前記クランプ回路を制御することと、
をさらに含む、請求項１７に記載のパワーモジュールを構成するプロセス。
【国際調査報告】
2020517125.tif 000033
2020517125.tif 000034