半导体装置 |
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| 申请号 | CN201510957520.6 | 申请日 | 2015-12-18 | 公开(公告)号 | CN105720834A | 公开(公告)日 | 2016-06-29 |
| 申请人 | 三菱电机株式会社; | 发明人 | 后藤晶子; | ||||
| 摘要 | 本 发明 得到一种能够降低关断浪涌 电压 和损耗的 半导体 装置。在外部 端子 (P)和外部端子(AC)之间连接有 开关 元件(Q1)。在外部端子(AC)和外部端子(N)之间连接有开关元件(Q2)。作为AC开关部(SW1)，在外部端子(C)和外部端子(AC)之间反向 串联 连接有开关元件(Q3、Q4)。作为AC开关部(SW2)，在外部端子(C)和外部端子(AC)之间反向串联连接有开关元件(Q5、Q6)。AC开关部(SW1、SW2)相互并联连接。开关元件(Q1～Q6)被收容于1个模 块 (M)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种半导体装置，其特征在于，具有： |
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| 说明书全文 | 半导体装置技术领域背景技术[0002] 在将直流电力变换为交流电力、或者将交流电力变换为直流电力的电力变换装置中采用了3级电力变换装置。3级电力变换装置能够降低交流电压的波形畸变，能够实现低噪音化、低噪声化。 [0004] 外部端子P、N与串联连接有直流电压源DV1、DV2的直流电压源电路的高压端子及低压端子分别连接。外部端子C与直流电压源DV1和直流电压源DV2的连接点连接。在外部端子P和外部端子AC之间连接有开关元件Q1。在外部端子AC和外部端子N之间连接有开关元件Q2。作为AC开关部，在外部端子C和外部端子AC之间反向串联连接有开关元件Q3、Q4。 [0005] 图20的装置是将开关元件Q1～Q4收容于1个模块M，并将该模块和直流电压源电路连接而构成的。图21的装置是将电桥部即开关元件Q1、Q2收容于第一模块M1，将AC开关部即开关元件Q3、Q4收容于第二模块M2，将该第一及第二模块与直流电压源电路连接而构成的(例如，参照专利文献1)。 [0006] 专利文献1：国际公开第2010/146637号 [0007] 如果开关元件Q1～Q4的某一个接通、剩余的开关元件全部断开，则从外部端子AC输出电压。此时，在从直流电压源通过开关元件而返回至直流电压源的换流环路(commutation loop)中，在通断时流过高频电流，产生高的di/dt。由该换流环路的电感成分而产生的－L·di/dt作为关断浪涌电压而施加至开关元件IGBT。 [0008] 产生与包含直流电压源DV1和开关元件Q1、Q3、Q4在内的换流环路、包含直流电压源DV2和开关元件Q2～Q4在内的换流环路各自的电感相对应的关断浪涌电压。在图20的装置的情况下，难以使两个换流环路的电感成分同时变小，因此关断浪涌电压变大。在图21的装置的情况下，由于第一模块M1和第二模块M2的连接部的电感成分，使关断浪涌电压增大。 [0009] 如果关断浪涌电压超过耐压，则IGBT被破坏。为了避免破坏，需要将薄膜类的电容器或缓冲电路连接于半导体装置的附近而使高频电流旁通。但是，在追加的电容器、缓冲电路中，在通断时也产生损耗。还能够代替使用缓冲电路这一做法而使用高耐压的开关元件，但不仅半导体装置的价格上升，导通损耗也会增大。 [0010] 另外，还能够将IGBT的通断速度变慢而使di/dt降低，抑制关断浪涌电压，但开关元件的损耗增大。例如，在太阳能功率调节器、UPS(不间断电源)等重视变换效率的用途下的电力变换装置中，由于因半导体装置及电力变换装置的关断浪涌电压引起的损耗的增大而产生变换效率下降的问题。 发明内容[0011] 本发明就是为了解决如上所述的课题而提出的，其目的在于得到一种能够降低关断浪涌电压和损耗的半导体装置。 [0012] 本发明所涉及的半导体装置的特征在于，具有：第一及第二外部端子，它们与串联连接有第一及第二直流电压源的直流电压源电路的高压端子和低压端子分别连接；第三外部端子，其与所述第一直流电压源和所述第二直流电压源的连接点连接；第四外部端子；第一开关元件，其连接在所述第一外部端子和所述第四外部端子之间；第二开关元件，其连接在所述第四外部端子和所述第二外部端子之间；第一AC开关部，其具有在所述第三外部端子和所述第四外部端子之间反向串联连接的第三及第四开关元件；以及第二AC开关部，其具有在所述第三外部端子和所述第四外部端子之间反向串联连接的第五及第六开关元件，所述第一及第二AC开关部相互并联连接，所述第一及第二开关元件和所述第一及第二AC开关部被收容于1个模块。 [0013] 发明的效果 [0014] 在本发明中，由于第一及第二AC开关部相互并联连接，因此能够使第一换流环路的电感成分和第二换流环路的电感成分同时变小。另外，由于电桥部的第一及第二开关元件与第一及第二AC开关部被收容于1个模块，因此换流环路的电感小。因而，能够降低关断浪涌电压。另外，不需要旁通用的缓冲电路或高耐压的开关元件，且无需使通断速度变慢，因此能够降低损耗。附图说明 [0015] 图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的电路图。 [0016] 图2是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的电路图。 [0017] 图3是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体装置的电路图。 [0018] 图4是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的电路图。 [0019] 图5是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的变形例1的电路图。 [0020] 图6是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的变形例2的电路图。 [0021] 图7是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的变形例3的电路图。 [0022] 图8是表示本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的电路图。 [0023] 图9是表示本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的变形例1的电路图。 [0024] 图10是表示本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的变形例2的电路图。 [0025] 图11是表示本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的变形例3的电路图。 [0026] 图12是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的电路图。 [0027] 图13是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的变形例1的电路图。 [0028] 图14是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的变形例2的电路图。 [0029] 图15是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的变形例3的电路图。 [0030] 图16是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的电路图。 [0031] 图17是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的变形例1的电路图。 [0032] 图18是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的变形例2的电路图。 [0033] 图19是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的变形例3的电路图。 [0034] 图20是表示现有的3级电力变换装置的电路图。 [0035] 图21是表示现有的3级电力变换装置的电路图。 [0036] 标号的说明 具体实施方式[0038] 参照附图对本发明的实施方式所涉及的半导体装置进行说明。对相同或相对应的结构要素标注相同标号，有时省略重复说明。 [0039] 实施方式1. [0040] 图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体装置的电路图。外部端子P、N与串联连接有直流电压源DV1、DV2的直流电压源电路的高压端子及低压端子分别连接。外部端子C与直流电压源DV1和直流电压源DV2的连接点连接。在外部端子P和外部端子AC之间连接有开关元件Q1。在外部端子AC和外部端子N之间连接有开关元件Q2。 [0041] 作为AC开关部SW1，在外部端子C和外部端子AC之间反向串联连接有开关元件Q3、Q4。作为AC开关部SW2，在外部端子C和外部端子AC之间反向串联连接有开关元件Q5、Q6。AC开关部SW1、SW2相互并联连接。 [0042] 开关元件Q1～Q6例如是IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。二极管D1～D6与开关元件Q1～Q6分别反向并联连接。 [0043] 开关元件Q1～Q6及二极管D1～D6被收容于1个模块M。在该模块M内部，AC开关部SW1、SW2相互并联连接。 [0044] 如果向P-N间施加E[V]，则成为向P-C间及C-N间分别施加了E/2[V]的状态。在开关元件Q1～Q6之中开关元件Q1接通而剩余开关元件断开的情况下，从外部端子AC输出E[V]的电压。在开关元件Q1～Q6之中开关元件Q3～Q6中某一个接通而剩余开关元件断开的情况下，或者开关元件Q3、Q5接通而剩余开关元件断开的情况下，或者开关元件Q4、Q6接通而剩余开关元件断开的情况下，从外部端子AC输出E/2[V]的电压。在开关元件Q1～Q6之中开关元件Q2接通而剩余开关元件断开的情况下，从外部端子AC输出0[V]的电压。由此，该电力变换装置能够生成由0、E/2、E这3级电位构成的交流电压。 [0045] 开关元件Q1、Q3、Q4的关断浪涌电压，与从直流电压源DV1依次通过外部端子P、开关元件Q1、反向串联连接有开关元件Q3、Q4的AC开关部SW1、以及外部端子C并返回至直流电压源DV1的第一换流环路的电感成分相对应而产生。另外，开关元件Q2、Q5、Q6的关断浪涌电压，与从直流电压源DV2依次通过外部端子C、反向串联连接有开关元件Q5、Q6的AC开关部SW2、开关元件Q2、以及外部端子N并返回至直流电压源DV2的第二换流环路的电感成分相对应而产生。 [0046] 在本实施方式中，由于AC开关部SW1、SW2相互并联连接，因此，能够使第一换流环路的电感成分和第二换流环路2的电感成分同时变小。另外，由于电桥部的开关元件Q1、Q2与AC开关部SW1、SW2被收容于1个模块M，因此换流环路的电感小。因此，能够降低关断浪涌电压。另外，不需要旁通用的缓冲电路或高耐压的开关元件，且不需要将通断速度变慢，因此能够降低损耗。另外，通过将AC开关部产生的损耗分割成2部分，从而还能够抑制AC开关部的温度上升。 [0047] 另外，通过使模块M的外部端子P与外部端子C相邻，从而能够将直流电压源与模块M接近地配置。因而，易于有效地安装平行平板、缓冲电路，能够减少连接部的电感成分。关于外部端子C和外部端子N，也是相同的。 [0048] 另外，为了减小电感，在能够确保绝缘距离的范围内，尽可能使外部端子P与外部端子C接近，并尽可能使外部端子N与外部端子C接近。将外部端子P与外部端子AC的间隔设为大于或等于外部端子P与外部端子C的间隔的1.5倍，将外部端子N与外部端子AC的间隔设为大于或等于外部端子N与外部端子C的间隔的1.5倍。例如，在3级T型4合1模块的一边依次配置外部端子P、C、N，并在与其相对的边配置外部端子AC。 [0049] 实施方式2. [0050] 图2是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体装置的电路图。代替实施方式1的外部端子C，而设置有与第一AC开关部连接的外部端子C1、与第二AC开关部连接的外部端子C2。代替实施方式1的外部端子AC，而设置有与开关元件Q1及第一AC开关部连接的外部端子AC1、与开关元件Q2及第二AC开关部连接的外部端子AC2。外部端子C1、C2在模块M内部不相互电连接，在模块M外部相互电连接。外部端子AC1、AC2在模块M内部不相互电连接，在模块M外部相互电连接。 [0051] 使外部端子P与外部端子C1接近，使外部端子N与外部端子C2接近，使外部端子C1与外部端子C2接近。将外部端子P与外部端子AC1的间隔设为大于或等于外部端子P与外部端子C1的间隔的1.5倍。将外部端子N与外部端子AC2的间隔设为大于或等于外部端子N与外部端子C2的间隔的1.5倍。 [0052] 在本实施方式中，将第一及第二AC开关部在模块M外部并联连接。由此，与将第一及第二AC开关部在模块M内部并联连接的实施方式1相比，能够将模块M的内部配线简化，能够进一步降低模块M内部的电感成分。因此，能够进一步抑制通断时的浪涌电压的产生，能够抑制由于关断浪涌电压所引起的损耗增大而导致的电力变换装置的变换效率的下降。 [0053] 此外，在本实施方式中，将外部端子C1、C2在外部进行了连接，并将外部端子AC1、AC2在外部进行了连接，但也可以为将某一方在外部进行连接的结构。 [0054] 实施方式3. [0055] 图3是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体装置的电路图。在本实施方式中，开关元件Q1与AC开关部SW1被收容于模块M1，开关元件Q2与AC开关部SW2被收容于模块M2。通过将第一及第二AC开关部在模块M1、M2外部进行并联连接，从而构成电路接线与实施方式2相同的半导体装置。 [0056] 模块M1具有外部端子P、C1、AC1，模块M2具有外部端子N、C2、AC2。使外部端子P与外部端子C1接近，使外部端子N与外部端子C2接近。将外部端子P与外部端子AC1的间隔设为大于或等于外部端子P与外部端子C1的间隔的1.5倍。将外部端子N与外部端子AC2的间隔设为大于或等于外部端子N与外部端子C2的间隔的1.5倍。 [0057] 在本实施方式中将模块分为2个，从而与使用了1个模块的实施方式1相比，电力变换装置整体的配置自由度提高。特别是在将多个模块并联连接而确保规定的电流容量的情况下，能够通过使直流电压源DV1和DV2与模块M1、M2各自之间靠近地配置，并且使往返线路(例如由平行平板等构成)靠近，从而使换流环路的电感减少。另外，通过将模块分割，从而散热和冷却设备(例如散热器等)与半导体装置之间的散热面积增大，散热性提高。 [0058] 此外，由于将模块M1的外部端子C1和模块M2的外部端子C2连接，将模块M1的外部端子AC1和模块M2的外部端子AC2连接，因此优选将模块M1、M2的外部端子相对于一边而线对称地配置。 [0059] 实施方式4. [0060] 图4是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的电路图。在将电流从直流电压源电路流入至半导体装置的方向设为正向的情况下，该半导体装置是面向将平均电流限定为正(功率因数PF＝0～1)的用途(例如，逆变器、太阳能功率调节器等)的装置。 [0061] 作为AC开关部SW1，在外部端子C1和外部端子AC1之间反向串联连接有开关元件Q7与二极管D7。作为AC开关部SW2，在外部端子C2和外部端子AC2之间反向串联连接有开关元件Q8与二极管D8。AC开关部SW1、SW2相互并联连接。AC开关部SW1、SW2分别与开关元件Q1、Q2反向串联连接。开关元件Q1和AC开关部SW1被收容于模块M1，开关元件Q2和AC开关部SW2被收容于模块M2。 [0062] 能够通过将AC开关部SW1、SW2在模块M1、M2外部相互反向并联连接，从而期待在将平均电流限定为正的用途中进行与实施方式3相同的动作。这是因为，在将平均电流限定为正的情况下，能够唯一确定开关元件Q1、Q2和AC开关部SW1、SW2的通电路径即开关元件的动作顺序。由于存在动作不连续的开关元件的组合，这些开关元件间的电感成分不会有助于关断浪涌电压的增大，因此能够在AC开关部SW1、SW2中去除开关元件。因此，能够实现半导体装置的小型化，进而实现电力变换装置整体的小型化，另外，开关元件的控制也能够简化。 [0063] 图5～7分别是表示本发明的实施方式4所涉及的半导体装置的变形例1～3的电路图。在变形例1中，AC开关部SW1、SW2中的开关元件和二极管的顺序与图4的例子相反。由此，AC开关部SW1、SW2中的开关元件和二极管的顺序是任意的。 [0064] 在变形例2、3中，二极管D9、D10与开关元件Q7、Q8反向并联连接。由于开关元件Q1、Q2的通断动作而对开关元件Q7、Q8施加反向耐压。二极管D9、D10保护开关元件Q7、Q8不受该反向耐压影响，防止元件破坏。 [0065] 由于可以不用考虑二极管D9、D10的导通损耗，因此二极管D9、D10的芯片面积可以小于或等于开关元件Q7、Q8的芯片面积的一半。此外，由于将电流流过AC开关部SW1、SW2的方向限定为一个方向，因此也可以没有二极管D9、D10。 [0066] 另外，二极管D1、D2的面积相对于IGBT即开关元件Q1、Q2的面积之比通常为0.5～0.85左右。另一方面，在所面向的用途(例如太阳能功率调节器等)被限定于平均电流为正且以大于或等于一定值(例如PF＝0.8～1.0)的功率因数进行动作的情况下，该比优选为0.1～0.4。由此，开关元件Q1、Q2的电流容量变大。由于在PF＝0.8～1.0下，开关元件Q1、Q2的稳态损耗处于支配性地位，因此通过使开关元件Q1、Q2的电流容量增大而将稳态损耗降低，从而能够降低装置整体的损耗。另外，在PF＝0.8～1.0下，二极管D1、D2产生的损耗与开关元件Q1、Q2相比非常小，因此选定能够容许最低峰值电流的二极管D1、D2而降低电容成分，由此能够降低包含开关元件Q1、Q2的通断损耗在内的装置整体的损耗。 [0067] 实施方式5. [0068] 图8是表示本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的电路图。将与开关元件Q7和二极管D7的连接点连接的外部端子X1设置于模块M1。将与开关元件Q8和二极管D8的连接点连接的外部端子X2设置于模块M2。将外部端子X1、X2在模块M1、M2外部进行连接，而将开关元件Q7、Q8反向串联连接。其他结构与实施方式4相同。 [0069] 通过以上述方式将开关元件Q7与二极管D7的连接点和开关元件Q8与二极管D8的连接点连接，由此开关元件Q7、Q8之间的电位稳定，特别是在将多个半导体装置并联连接的情况下的通断动作稳定。 [0070] 另外，在将多个半导体装置并联连接而确保规定的电流容量的情况下，能够在并联连接的模块M1、M2中使开关元件Q7、Q8之间的电压统一为一定值，能够防止并联连接的电流的不均衡。 [0071] 另外，能够根据外部端子X1、X2的电位差对在AC开关部SW1、SW2中流动的电流的值进行检测，因此能够进行AC开关部SW1、SW2的各元件的特性确认及检查。 [0072] 另外，在确保了绝缘性的模块M1、M2分别设置外部端子X1、X2，由此能够避免在装置内部产生电气浮置(没有与外部电连接)的金属图案，防止半导体装置的绝缘劣化。此外，在将开关元件Q7、Q8进行共发射极连接的情况下，外部端子X1、X2能够兼用于栅极驱动用的发射极传感。 [0073] 图9～11是分别表示本发明的实施方式5所涉及的半导体装置的变形例1～3的电路图。在变形例1中，AC开关部SW1、SW2中的开关元件和二极管的顺序与图8的例子相反。由此，AC开关部SW1、SW2中的开关元件和二极管的顺序是任意的。 [0074] 在变形例2、3中，二极管D9、D10与开关元件Q7、Q8反向并联连接。由于开关元件Q1、Q2的通断动作而向开关元件Q7、Q8施加反向耐压。二极管D9、D10保护开关元件Q7、Q8不受该反向耐压的影响，防止元件破坏。 [0075] 另外，与其他外部端子P、N、C1、C2、AC1、AC2等相比，使外部端子X1、X2的表面积变小。由此，在电连接的外部端子X1、X2间产生电感成分。利用该电感成分妨碍向二极管D9、D10的电流流入(导通)。因此，由于可以不用考虑二极管D9、D10的导通损耗，因此二极管D9、D10的芯片面积可以小于或等于开关元件Q7、Q8的芯片面积的一半。此外，由于将电流流过AC开关部SW1、SW2的方向限定为一个方向，因此也可以没有二极管D9、D10。 [0076] 实施方式6. [0077] 图12是表示本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的电路图。在将电流从直流电压源电路流入至半导体装置的方向设为正的情况下，该半导体装置是面向将平均电流限定为负(功率因数PF＝0～－1)的用途(例如充电机、再生动作等)的装置。与实施方式4相比，二极管D7、D8的方向相反，AC开关部SW1、SW2分别与开关元件Q1、Q2串联连接。 [0078] 通过将AC开关部SW1、SW2在第一及第二模块外部进行反向并联连接，从而能够在将平均电流限定为负的用途中期待进行与实施方式3相同的动作。这是因为，在将平均电流限定为负的情况下，与限定为正的情况相同地，能够唯一地确定通电路径即开关元件的动作顺序。由于存在动作不连续的开关元件的组合，这些开关元件间的电感成分不会有助于关断浪涌电压的增大，因此能够在AC开关部SW1、SW2中去除开关元件。因此，能够实现半导体装置的小型化，进而实现电力变换装置整体的小型化，另外，开关元件的控制也能够简化。 [0079] 图13～15是分别表示本发明的实施方式6所涉及的半导体装置的变形例1～3的电路图。在变形例1中，AC开关部SW1、SW2中的开关元件和二极管的顺序与图12的例子相反。由此，AC开关部SW1、SW2中的开关元件和二极管的顺序是任意的。 [0080] 在变形例2、3中，二极管D9、D10与开关元件Q7、Q8反向并联连接。由于开关元件Q1、Q2的通断动作而向开关元件Q7、Q8施加反向耐压。二极管D9、D10保护开关元件Q7、Q8不受该反向耐压的影响，防止元件破坏。 [0081] 由于可以不用考虑二极管D9、D10的导通损耗，因此二极管D9、D10的芯片面积可以小于或等于开关元件Q7、Q8的芯片面积的一半。此外，由于将电流流过AC开关部SW1、SW2的方向限定为一个方向，因此也可以没有二极管D9、D10。 [0082] 另外，二极管D1、D2的面积相对于IGBT即开关元件Q1、Q2的面积之比通常为0.5～0.85左右。另一方面，在所面向的用途(例如充电机等)被限定于平均电流为负且以小于或等于一定值(例如PF＝－0.8～－1.0)的功率因数进行动作的情况下，该比优选为大于或等于0.85。由此，二极管D1、D2的电流容量变大。由于在PF＝－0.8～－1.0下，二极管D1、D2的稳态损耗处于支配性地位，因此通过使二极管D1、D2的电流容量增大而将稳态损耗降低，从而能够降低装置整体的损耗。另外，在PF＝－0.8～－1.0下，开关元件Q1、Q2产生的损耗与二极管D1、D2相比非常小，因此选定能够容许最低峰值电流的开关元件Q1、Q2而降低电容成分，由此能够降低包含二极管D1、D2的通断损耗在内的装置整体的损耗。 [0083] 实施方式7. [0084] 图16是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的电路图。将与开关元件Q7和二极管D7的连接点连接的外部端子X1设置于模块M1。将与开关元件Q8和二极管D8的连接点连接的外部端子X2设置于模块M2。将外部端子X1、X2在模块M1、M2外部连接，而将开关元件Q7、Q8反向串联连接。其他结构与实施方式6相同。由此，能够得到与实施方式5相同的效果。 [0085] 图17～19分别是表示本发明的实施方式7所涉及的半导体装置的变形例1～3的电路图。在变形例1中，AC开关部SW1、SW2中的开关元件和二极管的顺序与图16的例子相反。在变形例2、3中，二极管D9、D10与开关元件Q7、Q8反向并联连接。由此，能够得到与实施方式5的变形例1～3相同的效果。 [0086] 此外，作为上述的实施方式1～7，说明了共集电极型的半导体装置，但并不限定于此，即使是共发射极型也同样能够应用本发明，能够得到相同的效果。 |
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