JP2017077102A - Semiconductor Power Module - Google Patents

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山口 浩二
Koji Yamaguchi
浩二 山口
朋浩 松田
Tomohiro Matsuda
朋浩 松田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce switching loss.SOLUTION: A semiconductor power module comprises: a first transistor Q1 and a first diode D1 made of silicon; a second transistor Q2 and a second diode D2 made of a compound semiconductor; a positive conductor for connecting a first output terminal of the first transistor and a cathode of the second diode; a negative conductor for connecting an anode of the first diode and a first output terminal of the second transistor; a first output conductor for connecting a second output terminal of the first transistor and a cathode of the first diode; a second output conductor for connecting a second output terminal of the second transistor and an anode of the second diode; a positive terminal connected to the positive conductor; a negative terminal connected to the negative conductor; a first output terminal connected to the first output conductor; a second output terminal connected to the second output conductor; a first control terminal connected to a control terminal of the first transistor; and a second control terminal connected to a control terminal of the second transistor.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体パワーモジュールに関する。   The present invention relates to a semiconductor power module.

下記特許文献1には、スイッチトリラクタンスモータ(以下ではSRモータという。)用の駆動回路が開示されている。この駆動回路は、直流電源から供給された直流電力を間欠状電力に変換する電力変換回路であり、H型ブリッジ回路をSRモータのステータ巻線に対応して設けたものである。例えば特許文献1の図13には、三相のSRモータに対応して、3つのH型ブリッジ回路(H型の非対称ブリッジ回路)を基本構成回路として備える駆動回路が記載されている。   Patent Document 1 below discloses a drive circuit for a switched reluctance motor (hereinafter referred to as an SR motor). This drive circuit is a power conversion circuit that converts DC power supplied from a DC power source into intermittent power, and is provided with an H-type bridge circuit corresponding to the stator winding of the SR motor. For example, FIG. 13 of Patent Document 1 describes a drive circuit including three H-type bridge circuits (H-type asymmetric bridge circuits) as a basic configuration circuit corresponding to a three-phase SR motor.

特開2012−044816号公報JP 2012-044816 A

ところで、上記H型ブリッジ回路では、左右のスイッチングレグを構成する半導体スイッチング素子のスイッチング回数に偏りがあるため、左右のスイッチングレグでスイッチング損失や発熱が異なるという現象が起こる。すなわち、上記H型ブリッジ回路では、スイッチング回数の多い方のスイッチングレグの半導体スイッチング素子がスイッチング回数の少ない方のスイッチングレグの半導体スイッチング素子よりも劣化が早くなり、この結果としてスイッチング回数の多い方のスイッチングレグによってH型ブリッジ回路つまり電力変換回路の寿命が支配されてしまう。   By the way, in the H-type bridge circuit, since the switching frequency of the semiconductor switching elements constituting the left and right switching legs is biased, a phenomenon occurs in which the switching loss and heat generation differ between the left and right switching legs. In other words, in the H-type bridge circuit, the semiconductor switching element of the switching leg with the higher switching frequency deteriorates faster than the semiconductor switching element of the switching leg with the lower switching frequency. The life of the H-type bridge circuit, that is, the power conversion circuit, is dominated by the switching leg.

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、スイッチング回数の多い方のスイッチングレグにおけるスイッチング損失を従来よりも低減することが可能な半導体パワーモジュールの提供を目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor power module capable of reducing the switching loss in the switching leg having the larger number of times of switching than before.

上記目的を達成するために、本発明では、第1の解決手段として、シリコンを半導体材料とする第1の半導体スイッチング素子と、前記シリコンを半導体材料とする第2の半導体スイッチング素子と、前記シリコンよりもバンドギャップが広い第2の半導体材料で形成された第3の半導体スイッチング素子と、前記第2の半導体材料で形成された第4の半導体スイッチング素子と、前記第1の半導体スイッチング素子の第1の入出力端と前記第3の半導体スイッチング素子の第1の入出力端とを接続する第1の接続導体と、前記第2の半導体スイッチング素子の第1の入出力端と前記第4の半導体スイッチング素子の第1の入出力端とを接続する第2の接続導体と、前記第1の半導体スイッチング素子の第2の入出力端と前記第2の半導体スイッチング素子の第2の入出力端とを接続する第3の接続導体と、前記第3の半導体スイッチング素子の第2の入出力端と前記第4の半導体スイッチング素子の第2の入出力端とを接続する第4の接続導体と、前記第1の接続導体に接続された第1の外部用入力/出力端子と、前記第2の接続導体に接続された第2の外部用入力/出力端子と、前記第3の接続導体に接続された第1の外部用出力/入力端子と、前記第4の接続導体に接続された第2の外部用出力/入力端子と、前記第1の半導体スイッチング素子あるいは/及び前記第2の半導体スイッチング素子の制御端に接続された第1の外部用制御端子と、前記第4の半導体スイッチング素子あるいは/及び前記第3の半導体スイッチング素子の制御端に接続された第2の外部用制御端子とが一体に実装されている、という手段を採用する。   In order to achieve the above object, in the present invention, as a first solving means, a first semiconductor switching element using silicon as a semiconductor material, a second semiconductor switching element using silicon as a semiconductor material, and the silicon A third semiconductor switching element formed of a second semiconductor material having a wider band gap, a fourth semiconductor switching element formed of the second semiconductor material, and a first semiconductor switching element of the first semiconductor switching element. A first connection conductor connecting the first input / output terminal and the first input / output terminal of the third semiconductor switching element; the first input / output terminal of the second semiconductor switching element; A second connection conductor connecting the first input / output end of the semiconductor switching element; the second input / output end of the first semiconductor switching element; and the second semiconductor switch. A third connection conductor for connecting the second input / output terminal of the etching element; a second input / output terminal of the third semiconductor switching element; and a second input / output terminal of the fourth semiconductor switching element. A fourth connection conductor connecting the first connection conductor, a first external input / output terminal connected to the first connection conductor, and a second external input / output terminal connected to the second connection conductor A first external output / input terminal connected to the third connection conductor, a second external output / input terminal connected to the fourth connection conductor, and the first semiconductor switching A first external control terminal connected to the control end of the element or / and the second semiconductor switching element, and a control end of the fourth semiconductor switching element or / and the third semiconductor switching element. Second external control end Bet to adopt means that are implemented in one piece.

本発明では、第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記第1〜第4の半導体スイッチング素子のいずれかはトランジスタであり、前記トランジスタの一部あるいは全部には、同一の半導体材料の保護用ダイオードが備えられる、という手段を採用する。   In the present invention, as a second solution, in the first solution, any one of the first to fourth semiconductor switching elements is a transistor, and a part or all of the transistors include the same semiconductor. The means that a protective diode for the material is provided is adopted.

本発明では、第3の解決手段として、上記第1または第2の解決手段において、前記第1の半導体スイッチング素子は、トランジスタあるいはダイオードであり、前記第2の半導体スイッチング素子は、ダイオードあるいはトランジスタであり、前記第3の半導体スイッチング素子は、ダイオードあるいはトランジスタであり、前記第4の半導体スイッチング素子は、トランジスタあるいはダイオードである、という手段を採用する。   In the present invention, as a third solution, in the first or second solution, the first semiconductor switching element is a transistor or a diode, and the second semiconductor switching element is a diode or a transistor. The third semiconductor switching element is a diode or a transistor, and the fourth semiconductor switching element is a transistor or a diode.

本発明では、第4の解決手段として、上記第3の解決手段において、前記ダイオードは、トランジスタのベースをダイオードとして機能するように接続したものである、という手段を採用する。   In the present invention, as a fourth solving means, in the third solving means, a means is adopted in which the base of the transistor is connected so as to function as a diode.

本発明では、第5の解決手段として、上記第1〜第4のいずれかの解決手段において、一端が前記第1の接続導体に接続され、かつ、他端が前記第2の接続導体に接続されたコンデンサをさらに備える、という手段を採用する。   In the present invention, as a fifth solving means, in one of the first to fourth solving means, one end is connected to the first connection conductor and the other end is connected to the second connection conductor. A means of further including a capacitor is adopted.

本発明では、第6の解決手段として、上記第1〜第5のいずれかの解決手段において、前記第2の半導体材料は、炭化ケイ素半導体あるいは窒化ガリウム半導体である、という手段を採用する。   In the present invention, as a sixth solving means, in any one of the first to fifth solving means, the second semiconductor material is a silicon carbide semiconductor or a gallium nitride semiconductor.

本発明によれば、スイッチング回数の多い方のスイッチングレグにおけるスイッチング損失を従来よりも低減することが可能な半導体パワーモジュールの提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor power module which can reduce the switching loss in a switching leg with many switching frequency compared with the past can be provided.

本発明の第1実施形態に係る半導体パワーモジュールのレイアウトを示す模式図及び半導体パワーモジュールの回路図である。1A and 1B are a schematic diagram illustrating a layout of a semiconductor power module according to a first embodiment of the present invention and a circuit diagram of the semiconductor power module. 本発明の第1実施形態に係る半導体パワーモジュールをSRモータに適用した場合の動作を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows operation | movement at the time of applying the semiconductor power module which concerns on 1st Embodiment of this invention to SR motor. 本発明の第1実施形態の変形例に係る半導体パワーモジュールのレイアウトを示す模式図及び半導体パワーモジュールの回路図である。It is the schematic diagram which shows the layout of the semiconductor power module which concerns on the modification of 1st Embodiment of this invention, and the circuit diagram of a semiconductor power module. 本発明の第2実施形態に係る半導体パワーモジュールのレイアウトを示す模式図及び半導体パワーモジュールの回路図である。It is the schematic diagram which shows the layout of the semiconductor power module which concerns on 2nd Embodiment of this invention, and the circuit diagram of a semiconductor power module. 本発明の第2実施形態の第1変形例に係る半導体パワーモジュールのレイアウトを示す模式図及び半導体パワーモジュールの回路図である。It is the schematic diagram which shows the layout of the semiconductor power module which concerns on the 1st modification of 2nd Embodiment of this invention, and the circuit diagram of a semiconductor power module. 本発明の第2実施形態の第2変形例に係る半導体パワーモジュールのレイアウトを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the layout of the semiconductor power module which concerns on the 2nd modification of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る半導体パワーモジュールの回路図及び半導体パワーモジュールのレイアウトを示す模式図である。It is the schematic diagram which shows the circuit diagram of the semiconductor power module which concerns on 3rd Embodiment of this invention, and the layout of a semiconductor power module.

以下、図面を参照して、本発明の第1〜第3実施形態について説明する。
〔第1実施形態〕
第1実施形態に係る半導体パワーモジュールは、図1(a)に示すように、絶縁基板P、正極導体パターンH1、負極導体パターンH2、第1出力導体パターンH3a、第1出力ワイヤH3b、第2出力導体パターンH4a、第2出力ワイヤH4b、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)Q1、シリコンダイオードD1、ショットキーダイオードD2、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタQ2、正極端子T1、負極端子T2、第1出力端子T3、第2出力端子T4、第1ゲート導体パターンH5a、第1ゲートワイヤH5b、第2ゲート導体パターンH6a、第2ゲートワイヤH6b、第1負極ワイヤH7及び第2負極ワイヤH8を備えている。
Hereinafter, first to third embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1A, the semiconductor power module according to the first embodiment includes an insulating substrate P, a positive conductor pattern H1, a negative conductor pattern H2, a first output conductor pattern H3a, a first output wire H3b, and a second. Output conductor pattern H4a, second output wire H4b, IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Q1, silicon diode D1, Schottky diode D2, MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor Q2, positive terminal T1, negative terminal T2, first An output terminal T3, a second output terminal T4, a first gate conductor pattern H5a, a first gate wire H5b, a second gate conductor pattern H6a, a second gate wire H6b, a first negative electrode wire H7, and a second negative electrode wire H8 are provided. Yes.

絶縁基板Pは、所定の絶縁材から形成された矩形かつ所定厚の板材であり、一面(表面)に上述した各部材が装着されている。すなわち、第1実施形態に係る半導体パワーモジュールは、上述した各部材が一体に実装された1つの電子部品である。なお、図示しないが、絶縁基板Pの裏面には絶縁基板Pと略同一形状のベースプレートが密着状態で装着されている。このベースプレートは、上述した各チップ(半導体チップ)が発する熱を気中に放熱するための放熱部材である。なお、このようなベースプレートには、必要に応じてヒートシンクが装着され、放熱性能の向上が図られる。   The insulating substrate P is a rectangular plate material having a predetermined thickness formed from a predetermined insulating material, and each member described above is mounted on one surface (front surface). That is, the semiconductor power module according to the first embodiment is one electronic component in which the above-described members are integrally mounted. Although not shown, a base plate having substantially the same shape as that of the insulating substrate P is attached to the back surface of the insulating substrate P in a close contact state. The base plate is a heat radiating member for radiating heat generated by each chip (semiconductor chip) described above into the air. In addition, a heat sink is attached to such a base plate as necessary, and the heat dissipation performance is improved.

正極導体パターンH1は、絶縁基板Pにおける4辺のうち、1辺に沿って設けられた長方形の金属板あるいは金属箔である。この正極導体パターンH1は、長辺の一方が絶縁基板Pの1辺に沿うように、上記絶縁基板Pの表面に接着剤等を用いて貼り合わされている。このような正極導体パターンH1は、本発明における第1の接続導体に相当する。   The positive electrode conductor pattern H1 is a rectangular metal plate or metal foil provided along one side of the four sides of the insulating substrate P. The positive electrode conductor pattern H1 is bonded to the surface of the insulating substrate P using an adhesive or the like so that one of the long sides is along one side of the insulating substrate P. Such a positive electrode conductor pattern H1 corresponds to the first connection conductor in the present invention.

負極導体パターンH2は、上記1辺に並行する他辺に沿って設けられた長方形の金属板あるいは金属箔である。この負極導体パターンH2は、長辺の一方が絶縁基板Pの他辺に沿うように、上記絶縁基板Pの表面に接着剤等を用いて貼り合わされている。このような負極導体パターンH2は、本発明における第2の接続導体に相当する。   The negative electrode conductor pattern H2 is a rectangular metal plate or metal foil provided along the other side parallel to the one side. The negative electrode conductor pattern H2 is bonded to the surface of the insulating substrate P using an adhesive or the like so that one of the long sides is along the other side of the insulating substrate P. Such a negative electrode conductor pattern H2 corresponds to the second connection conductor in the present invention.

第1出力導体パターンH3aは、正極導体パターンH1と負極導体パターンH2との間に、正極導体パターンH1及び負極導体パターンH2と所定の間隔を設けて配置された金属板あるいは金属箔である。この第1出力導体パターンH3aは、正極導体パターンH1及び負極導体パターンH2とは電気的に絶縁された状態で絶縁基板Pの表面に貼り合わされている。   The first output conductor pattern H3a is a metal plate or a metal foil that is disposed between the positive electrode conductor pattern H1 and the negative electrode conductor pattern H2 with a predetermined distance from the positive electrode conductor pattern H1 and the negative electrode conductor pattern H2. The first output conductor pattern H3a is bonded to the surface of the insulating substrate P in a state of being electrically insulated from the positive electrode conductor pattern H1 and the negative electrode conductor pattern H2.

第2出力導体パターンH4aは、正極導体パターンH1と負極導体パターンH2との間、かつ、第1出力導体パターンH3aに隣接するように配置された金属板あるいは金属箔である。この第2出力導体パターンH4aは、正極導体パターンH1、負極導体パターンH2及び第1出力導体パターンH3aと所定の間隔を設けた状態で、つまり正極導体パターンH1、負極導体パターンH2及び第1出力導体パターンH3aと電気的に絶縁された状態で絶縁基板Pの表面に貼り合わされている。   The second output conductor pattern H4a is a metal plate or metal foil that is disposed between the positive electrode conductor pattern H1 and the negative electrode conductor pattern H2 and adjacent to the first output conductor pattern H3a. The second output conductor pattern H4a is in a state of being spaced apart from the positive conductor pattern H1, the negative conductor pattern H2, and the first output conductor pattern H3a, that is, the positive conductor pattern H1, the negative conductor pattern H2, and the first output conductor. It is bonded to the surface of the insulating substrate P while being electrically insulated from the pattern H3a.

IGBTQ1は、シリコンを半導体材料とするシリコン半導体素子であり、コレクタ(第1の入出力端)が正極導体パターンH1に接触する状態で正極導体パターンH1上に設けられている。このIGBTQ1は、本発明における第1の半導体スイッチング素子に相当する。このようなIGBTQ1(シリコン半導体素子)は、例えば302[K]におけるバンドギャップが約1.11[eV]である。   The IGBT Q1 is a silicon semiconductor element using silicon as a semiconductor material, and is provided on the positive electrode conductor pattern H1 in a state where the collector (first input / output end) is in contact with the positive electrode conductor pattern H1. The IGBT Q1 corresponds to the first semiconductor switching element in the present invention. Such an IGBT Q1 (silicon semiconductor element) has a band gap of about 1.11 [eV] at, for example, 302 [K].

シリコンダイオードD1は、シリコンを半導体材料とするシリコン半導体素子であり、カソード(第2の入出力端)が第1出力導体パターンH3aに接触する状態で第1出力導体パターンH3a上に設けられている。このシリコンダイオードD1は、本発明における第2の半導体スイッチング素子に相当する。このようなシリコンダイオードD1(シリコン半導体素子)は、上述したIGBTQ1と同様に、302[K]におけるシリコンのバンドギャップが約1.11[eV]である。   The silicon diode D1 is a silicon semiconductor element using silicon as a semiconductor material, and is provided on the first output conductor pattern H3a so that the cathode (second input / output end) is in contact with the first output conductor pattern H3a. . This silicon diode D1 corresponds to the second semiconductor switching element in the present invention. Such a silicon diode D1 (silicon semiconductor element) has a silicon band gap of about 1.11 [eV] at 302 [K], similarly to the above-described IGBT Q1.

ショットキーダイオードD2は、炭化ケイ素を半導体材料とする炭化ケイ素半導体素子であり、カソード(第1の入出力端)が正極導体パターンH1に接触する状態で正極導体パターンH1上に設けられている。このショットキーダイオードD2は、本発明における第3の半導体スイッチング素子に相当する。   The Schottky diode D2 is a silicon carbide semiconductor element using silicon carbide as a semiconductor material, and is provided on the positive electrode conductor pattern H1 in a state where the cathode (first input / output terminal) is in contact with the positive electrode conductor pattern H1. The Schottky diode D2 corresponds to the third semiconductor switching element in the present invention.

上記炭化ケイ素半導体は、シリコンよりもバンドギャップが広い化合物半導体の一種である。このような炭化ケイ素半導体を半導体材料(第2の半導体材料)とするショットキーダイオードD2(炭化ケイ素半導体素子)は、例えば302[K]におけるバンドギャップが約2.86[eV]である。すなわち、ショットキーダイオードD2のバンドギャップは、IGBTQ1及びシリコンダイオードD1のバンドギャップよりも大幅に広い。   The silicon carbide semiconductor is a kind of compound semiconductor having a wider band gap than silicon. Such a Schottky diode D2 (silicon carbide semiconductor element) using a silicon carbide semiconductor as a semiconductor material (second semiconductor material) has, for example, a band gap of about 2.86 [eV] at 302 [K]. That is, the band gap of the Schottky diode D2 is significantly wider than the band gap of the IGBT Q1 and the silicon diode D1.

MOSトランジスタQ2は、炭化ケイ素を半導体材料(第2の半導体材料)とする炭化ケイ素半導体素子であり、ドレイン(第2の入出力端)が第2出力導体パターンH4a1に接触する状態で第2出力導体パターンH4a1上に設けられている。このMOSトランジスタQ2は、本発明における第4の半導体スイッチング素子に相当する。   The MOS transistor Q2 is a silicon carbide semiconductor element using silicon carbide as a semiconductor material (second semiconductor material), and has a second output in a state where the drain (second input / output terminal) is in contact with the second output conductor pattern H4a1. It is provided on the conductor pattern H4a1. The MOS transistor Q2 corresponds to the fourth semiconductor switching element in the present invention.

すなわち、MOSトランジスタQ2のバンドギャップは、上述したショットキーダイオードD2と同様に302[K]において約2.86[eV]であり、IGBTQ1及びシリコンダイオードD1のバンドギャップよりも大幅に広い。   That is, the band gap of the MOS transistor Q2 is about 2.86 [eV] at 302 [K] similarly to the Schottky diode D2 described above, and is significantly wider than the band gap of the IGBT Q1 and the silicon diode D1.

ここで、IGBTQ1(第1の半導体スイッチング素子)のコレクタ(第1の入出力端)とショットキーダイオードD2(第3の半導体スイッチング素子)のカソード(第1の入出力端)とは、正極導体パターンH1によって接続されている。すなわち、上記正極導体パターンH1は、本願発明における第1の接続導体に相当する。また、シリコンダイオードD1(第2の半導体スイッチング素子)のアノード(第1の入出力端)とMOSトランジスタQ2(第4の半導体スイッチング素子)のソース(第1の入出力端)とは、負極導体パターンH2によって接続されている。すなわち、上記負極導体パターンH2は、本発明における第2の接続導体に相当する。   Here, the collector (first input / output terminal) of the IGBT Q1 (first semiconductor switching element) and the cathode (first input / output terminal) of the Schottky diode D2 (third semiconductor switching element) are a positive conductor. They are connected by the pattern H1. That is, the positive electrode conductor pattern H1 corresponds to the first connection conductor in the present invention. The anode (first input / output terminal) of the silicon diode D1 (second semiconductor switching element) and the source (first input / output terminal) of the MOS transistor Q2 (fourth semiconductor switching element) are a negative conductor. They are connected by the pattern H2. That is, the negative electrode conductor pattern H2 corresponds to the second connection conductor in the present invention.

正極端子T1は、図示しない外部電源の正極端子との接続用に設けられた電源入力端子であり、正極導体パターンH1と接触する状態つまり正極導体パターンH1と電気的に接続された状態で正極導体パターンH1上に設けられている。この正極端子T1は、本発明における第1の外部用入力/出力端子に相当する。   The positive electrode terminal T1 is a power supply input terminal provided for connection to a positive electrode terminal of an external power source (not shown), and is in a state where it is in contact with the positive electrode conductor pattern H1, that is, a state where it is electrically connected to the positive electrode conductor pattern H1. It is provided on the pattern H1. The positive terminal T1 corresponds to a first external input / output terminal in the present invention.

負極端子T2は、上記外部電源の負極端子との接続用に設けられた電源入力端子であり、負極導体パターンH2と接触する状態つまり負極導体パターンH2と電気的に接続された状態で負極導体パターンH2上に設けられている。このような負極端子T2は、本発明における第2の外部用入力/出力端子に相当する。   The negative electrode terminal T2 is a power input terminal provided for connection to the negative electrode terminal of the external power supply, and is in a state of being in contact with the negative electrode conductor pattern H2, that is, in a state of being electrically connected to the negative electrode conductor pattern H2. It is provided on H2. Such a negative terminal T2 corresponds to a second external input / output terminal in the present invention.

第1出力端子T3は、図示しない外部負荷との接続用に設けられた一方の出力端子であり、第1出力導体パターンH3aと接触する状態つまり第1出力導体パターンH3aと電気的に接続された状態で第1出力導体パターンH3a上に設けられている。このような第1出力端子T3は、本発明における第1の外部用出力/入力端子に相当する。   The first output terminal T3 is one output terminal provided for connection to an external load (not shown), and is in contact with the first output conductor pattern H3a, that is, electrically connected to the first output conductor pattern H3a. In a state, it is provided on the first output conductor pattern H3a. Such a first output terminal T3 corresponds to the first external output / input terminal in the present invention.

第2出力端子T4は、図示しない外部負荷との接続用に設けられた他方の出力端子であり、第2出力導体パターンH4aと接触する状態つまり第2出力導体パターンH4aと電気的に接続された状態で第2出力導体パターンH4a上に設けられている。このような第2出力端子T4は、本発明における第2の外部用出力/入力端子に相当する。   The second output terminal T4 is the other output terminal provided for connection to an external load (not shown), and is in contact with the second output conductor pattern H4a, that is, electrically connected to the second output conductor pattern H4a. In the state, it is provided on the second output conductor pattern H4a. Such a second output terminal T4 corresponds to a second external output / input terminal in the present invention.

第1ゲート導体パターンH5aは、絶縁基板Pにおける4辺のうち、正極導体パターンH1及び負極導体パターンH2が沿う2辺に直交する2辺のうち、一方の辺に沿って設けられた帯状の金属板あるいは金属箔である。この第1ゲート導体パターンH5aは、上記一方の辺に沿うように上記絶縁基板Pの表面に貼り合わされている。このような第1ゲート導体パターンH5aは、本発明における第1の外部用制御端子に相当する。   The first gate conductor pattern H5a is a band-shaped metal provided along one of two sides perpendicular to the two sides along which the positive electrode conductor pattern H1 and the negative electrode conductor pattern H2 along the four sides of the insulating substrate P. It is a plate or metal foil. The first gate conductor pattern H5a is bonded to the surface of the insulating substrate P along the one side. Such a first gate conductor pattern H5a corresponds to a first external control terminal in the present invention.

第2ゲート導体パターンH6aは、絶縁基板Pにおける4辺のうち、正極導体パターンH1及び負極導体パターンH2が沿う2辺に直交する2辺のうち、他方の辺に沿って設けられた帯状の金属板あるいは金属箔である。この第2ゲート導体パターンH6aは、上記他方の辺に沿うように上記絶縁基板Pの表面に貼り合わされている。このような第2ゲート導体パターンH6aは、本発明における第2の外部用制御端子に相当する。   The second gate conductor pattern H6a is a band-shaped metal provided along the other side of the two sides orthogonal to the two sides along which the positive electrode conductor pattern H1 and the negative electrode conductor pattern H2 along the four sides of the insulating substrate P. It is a plate or metal foil. The second gate conductor pattern H6a is bonded to the surface of the insulating substrate P along the other side. Such a second gate conductor pattern H6a corresponds to a second external control terminal in the present invention.

第1出力ワイヤH3bは、IGBTQ1のエミッタを第1出力導体パターンH3aに接続する金属ワイヤである。上記第1出力導体パターンH3a及び第1出力ワイヤH3bは、IGBTQ1(第1の半導体スイッチング素子)のエミッタ(第2の入出力端)とシリコンダイオードD1(第2の半導体スイッチング素子)のカソード(第2の入出力端)とを接続するものであり、本願発明における第3の接続導体に相当する。   The first output wire H3b is a metal wire that connects the emitter of the IGBT Q1 to the first output conductor pattern H3a. The first output conductor pattern H3a and the first output wire H3b are formed by the emitter (second input / output terminal) of the IGBT Q1 (first semiconductor switching element) and the cathode (second output) of the silicon diode D1 (second semiconductor switching element). 2 input / output ends) and corresponds to the third connection conductor in the present invention.

第2出力ワイヤH4bは、ショットキーダイオードD2のアノードを第2出力導体パターンH4aに接続する金属ワイヤである。上記第2出力導体パターンH4a及び第2出力ワイヤH4bは、ショットキーダイオードD2(第3の半導体スイッチング素子)のアノード(第2の入出力端)とMOSトランジスタQ2(第4の半導体スイッチング素子)のドレイン(第2の入出力端)とを接続するものであり、本願発明における第4の接続導体に相当する。   The second output wire H4b is a metal wire that connects the anode of the Schottky diode D2 to the second output conductor pattern H4a. The second output conductor pattern H4a and the second output wire H4b are connected to the anode (second input / output terminal) of the Schottky diode D2 (third semiconductor switching element) and the MOS transistor Q2 (fourth semiconductor switching element). The drain is connected to the second input / output terminal and corresponds to the fourth connection conductor in the present invention.

第1ゲートワイヤH5bは、IGBTQ1(第1の半導体スイッチング素子)のゲート(制御端)と第1ゲート導体パターンH5aを第1ゲート導体パターンH5aに接続する金属ワイヤである。上記第1ゲート導体パターンH5a及び第1ゲートワイヤH5bは、本発明における第1の外部用制御端子に相当する。   The first gate wire H5b is a metal wire that connects the gate (control end) of the IGBT Q1 (first semiconductor switching element) and the first gate conductor pattern H5a to the first gate conductor pattern H5a. The first gate conductor pattern H5a and the first gate wire H5b correspond to the first external control terminal in the present invention.

第2ゲートワイヤH6bは、MOSトランジスタQ2(第4の半導体スイッチング素子)のゲート(制御端)を第2ゲート導体パターンH6aに接続する金属ワイヤである。上記第2ゲート導体パターンH6a及び第2ゲートワイヤH6bは、本発明における第2の外部用制御端子に相当する。   The second gate wire H6b is a metal wire that connects the gate (control end) of the MOS transistor Q2 (fourth semiconductor switching element) to the second gate conductor pattern H6a. The second gate conductor pattern H6a and the second gate wire H6b correspond to a second external control terminal in the present invention.

第1負極ワイヤH7は、シリコンダイオードD1のアノードを負極導体パターンH2に接続する金属ワイヤである。第2負極ワイヤH8は、MOSトランジスタQ2のソースを負極導体パターンH2に接続する金属ワイヤである。このような第1負極ワイヤH7、第2負極ワイヤH8及び負極導体パターンH2は、本発明における第2の接続導体に相当する。   The first negative electrode wire H7 is a metal wire that connects the anode of the silicon diode D1 to the negative electrode conductor pattern H2. The second negative wire H8 is a metal wire that connects the source of the MOS transistor Q2 to the negative conductor pattern H2. Such first negative electrode wire H7, second negative electrode wire H8, and negative electrode conductor pattern H2 correspond to the second connection conductor in the present invention.

このようにレイアウトされた半導体パワーモジュールは、全体として図1(b)に示すH型ブリッジ回路(電力変換回路)を構成している。この図1(b)に示すように、半導体パワーモジュールに実装されている4つの半導体スイッチング素子のうち、IGBTQ1及びシリコンダイオードD1は、H型ブリッジ回路の左レグNを構成し、ショットキーダイオードD2及びMOSトランジスタQ2は、H型ブリッジ回路の右レグMを構成している。   The semiconductor power module laid out in this way constitutes an H-type bridge circuit (power conversion circuit) shown in FIG. 1B as a whole. As shown in FIG. 1B, among the four semiconductor switching elements mounted on the semiconductor power module, the IGBT Q1 and the silicon diode D1 constitute the left leg N of the H-type bridge circuit, and the Schottky diode D2 The MOS transistor Q2 constitutes the right leg M of the H-type bridge circuit.

また、IGBTQ1及びシリコンダイオードD1のうち、IGBTQ1は左レグNの上アームを構成し、シリコンダイオードD1は左レグNの下アームを構成している。また、ショットキーダイオードD2及びMOSトランジスタQ2のうち、ショットキーダイオードD2は右レグMの上アームを構成し、MOSトランジスタQ2は、右レグMの下アームを構成している。   Of the IGBT Q1 and the silicon diode D1, the IGBT Q1 constitutes the upper arm of the left leg N, and the silicon diode D1 constitutes the lower arm of the left leg N. Of the Schottky diode D2 and the MOS transistor Q2, the Schottky diode D2 constitutes the upper arm of the right leg M, and the MOS transistor Q2 constitutes the lower arm of the right leg M.

すなわち、本実施形態に係る半導体パワーモジュールは、左レグNを構成するIGBTQ1及びシリコンダイオードD1がシリコンを半導体材料とするシリコン半導体素子であり、これに対して右レグMを構成するショットキーダイオードD2及びMOSトランジスタQ2は、シリコンよりもバンドギャップが広い炭化ケイ素を半導体材料とする炭化ケイ素半導体素子である。   That is, in the semiconductor power module according to the present embodiment, the IGBT Q1 and the silicon diode D1 constituting the left leg N are silicon semiconductor elements using silicon as a semiconductor material, whereas the Schottky diode D2 constituting the right leg M is provided. The MOS transistor Q2 is a silicon carbide semiconductor element using silicon carbide having a wider band gap than silicon as a semiconductor material.

このような半導体パワーモジュール(H型ブリッジ回路)は、例えば三相SRモータを駆動するモータ駆動回路に適用される。このモータ駆動回路は、三相SRモータにおける各相のステータ巻線に対応して3つの半導体パワーモジュール(H型ブリッジ回路)を備え、各正極端子T1に外部電源の正極端子を接続すると共に各負極端子T2に外部電源の負極端子を接続したものである。   Such a semiconductor power module (H-type bridge circuit) is applied to, for example, a motor drive circuit that drives a three-phase SR motor. This motor drive circuit includes three semiconductor power modules (H-type bridge circuits) corresponding to the stator windings of each phase in a three-phase SR motor, and connects each positive electrode terminal T1 with a positive electrode terminal of an external power source. The negative terminal of the external power source is connected to the negative terminal T2.

このモータ駆動回路は、各半導体パワーモジュールの第1出力端子T3が各相のステータ巻線の一端にそれぞれ接続されると共に各半導体パワーモジュールの第2出力端子T4が各相のステータ巻線の他端にそれぞれ接続され、専用のモータ制御装置によって各半導体パワーモジュールが制御されることによって駆動電流(モータ電流)を三相SRモータの各ステータ巻線に供給する。   In this motor drive circuit, the first output terminal T3 of each semiconductor power module is connected to one end of the stator winding of each phase, and the second output terminal T4 of each semiconductor power module is connected to the stator winding of each phase. Each of the semiconductor power modules is connected to each end, and each semiconductor power module is controlled by a dedicated motor controller, so that a drive current (motor current) is supplied to each stator winding of the three-phase SR motor.

すなわち、上記モータ制御装置は、3つの半導体パワーモジュール(H型ブリッジ回路)のIGBTQ1及びMOSトランジスタQ2のゲート電圧を設定する制御信号(ゲート信号)を各半導体パワーモジュールに供給することにより、各半導体パワーモジュールを制御する。そして、モータ駆動回路は、上記ゲート信号に基づいて各半導体パワーモジュールのIGBTQ1及びMOSトランジスタQ2がON/OFFすることにより、外部電源から供給された直流電力を各相のステータ巻線に給電するパルス状のモータ電流に変換する。   That is, the motor control device supplies each semiconductor power module with a control signal (gate signal) for setting the gate voltage of the IGBT Q1 and the MOS transistor Q2 of the three semiconductor power modules (H-type bridge circuit). Control the power module. Then, the motor drive circuit turns on / off the IGBT Q1 and the MOS transistor Q2 of each semiconductor power module based on the gate signal, thereby supplying a DC power supplied from an external power source to the stator windings of each phase. To the motor current.

3つの半導体パワーモジュール(H型ブリッジ回路)は、動作タイミングが異なるものの、基本的に同じ動作をする。図2は、1つの半導体パワーモジュール(H型ブリッジ回路)の動作を示す波形図である。モータ制御装置は、IGBTQ1に対するゲート信号として図2の下から2段目に示すQ1ゲート信号を生成し、またMOSトランジスタQ2に対するゲート信号として図2の最下段に示すQ2ゲート信号を生成する。   Although the three semiconductor power modules (H-type bridge circuits) have different operation timings, they basically perform the same operation. FIG. 2 is a waveform diagram showing the operation of one semiconductor power module (H-type bridge circuit). The motor control device generates a Q1 gate signal shown at the second stage from the bottom of FIG. 2 as a gate signal for the IGBT Q1, and generates a Q2 gate signal shown at the bottom stage of FIG. 2 as a gate signal for the MOS transistor Q2.

これに対して、半導体パワーモジュール(H型ブリッジ回路)のIGBTQ1は、上記Q1ゲート信号に基づいてON/OFFし、またMOSトランジスタQ2はQ2ゲート信号に基づいてON/OFFする。この結果、三相SRモータMのA相巻線Laには、図2の下から3段目に示すモータ電圧が印加され、よってモータ電圧には図2の最上段に示すモータ電流が通電される。   On the other hand, the IGBT Q1 of the semiconductor power module (H-type bridge circuit) is turned on / off based on the Q1 gate signal, and the MOS transistor Q2 is turned on / off based on the Q2 gate signal. As a result, the motor voltage shown in the third stage from the bottom of FIG. 2 is applied to the A-phase winding La of the three-phase SR motor M, so that the motor current shown in the uppermost stage of FIG. The

すなわち、モータ電流は、ロータの回転角θonでIGBTQ1及びMOSトランジスタQ2の何れもがONする、つまり動作モードがモード1(正電圧モード)となることによって立ち上がる。そして、モータ電流は、MOSトランジスタQ2がON/OFFを繰り返す、つまり一定期間に亘ってモード2(還流モード)とモード1(正電圧モード)を繰り返すことによって目標電流Irefを維持する。そして、モータ電流は、回転角θoffでIGBTQ1及びMOSトランジスタQ2の何れもがOFFする、つまり動作モードがモード3(負電圧モード)になることによって立ち下る。 That is, the motor current rises when both the IGBT Q1 and the MOS transistor Q2 are turned on at the rotor rotation angle θ on , that is, the operation mode is mode 1 (positive voltage mode). The motor current maintains the target current I ref by repeating ON / OFF of the MOS transistor Q2, that is, repeating mode 2 (reflux mode) and mode 1 (positive voltage mode) over a certain period. The motor current falls when both the IGBT Q1 and the MOS transistor Q2 are turned OFF at the rotation angle θ off , that is, when the operation mode is mode 3 (negative voltage mode).

ここで、IGBTQ1は回転角θonから回転角θoffまでの期間においてON状態を維持するが、MOSトランジスタQ2は、当該期間においてON/OFFを繰り返す。また、シリコンダイオードD1は上記期間においてOFF状態を維持し、ショットキーダイオードD2は、MOSトランジスタQ2のON/OFFに連動してOFF/ONを繰り返す。 Here, the IGBT Q1 maintains the ON state during the period from the rotation angle θ on to the rotation angle θ off, but the MOS transistor Q2 repeats ON / OFF during the period. In addition, the silicon diode D1 maintains the OFF state during the above period, and the Schottky diode D2 repeats OFF / ON in conjunction with the ON / OFF of the MOS transistor Q2.

すなわち、ステータ巻線への1回のモータ電流の通電に際して、右レグMを構成するショットキーダイオードD2及びMOSトランジスタQ2のスイッチング回数は、左レグNを構成するIGBTQ1及びシリコンダイオードD1のスイッチング回数よりも多い。第1実施形態に係る半導体パワーモジュール(H型ブリッジ回路)において、右レグMは、スイッチング回数が多い方のスイッチングレグであり、左レグNはスイッチング回数が少ない方のスイッチングレグである。   That is, when the motor current is supplied to the stator winding once, the number of switching times of the Schottky diode D2 and the MOS transistor Q2 constituting the right leg M is based on the number of switching times of the IGBT Q1 and the silicon diode D1 constituting the left leg N. There are also many. In the semiconductor power module (H-type bridge circuit) according to the first embodiment, the right leg M is the switching leg with the higher switching frequency, and the left leg N is the switching leg with the lower switching frequency.

従来のように左レグ及び右レグを同一の半導体材料から形成された同一のパワートランジスタ及びパワーダイオードから構成した場合、右レグにおけるスイッチング損失及び当該スイッチング損失に起因する発熱は左レグにおけるスイッチング損失及び発熱よりも大幅に大きくなる。   When the left leg and the right leg are composed of the same power transistor and power diode formed of the same semiconductor material as in the prior art, the switching loss in the right leg and the heat generated by the switching loss are the switching loss in the left leg and Significantly greater than fever.

これに対して第1実施形態に係る半導体パワーモジュール(H型ブリッジ回路)では、右レグMは、左レグNのIGBTQ1及びシリコンダイオードD1の半導体材料であるシリコンよりもバンドギャップが広い炭化ケイ素を半導体材料とするショットキーダイオードD2及びMOSトランジスタQ2で構成されているので、スイッチング損失及び発熱がシリコンを半導体材料する半導体スイッチング素子を用いた場合よりも大幅に抑制される。   On the other hand, in the semiconductor power module (H-type bridge circuit) according to the first embodiment, the right leg M is made of silicon carbide having a wider band gap than silicon that is a semiconductor material of the IGBT Q1 and the silicon diode D1 of the left leg N. Since it is composed of the Schottky diode D2 and the MOS transistor Q2 which are semiconductor materials, switching loss and heat generation are greatly suppressed as compared with the case where a semiconductor switching element using silicon as a semiconductor material is used.

したがって、第1実施形態に係る半導体パワーモジュール(H型ブリッジ回路)によれば、SRモータの駆動回路に適用した場合において、右レグMつまりスイッチング回数の多い方のスイッチングレグにおけるスイッチング損失及び発熱を従来よりも低減することができる。   Therefore, according to the semiconductor power module (H-type bridge circuit) according to the first embodiment, when applied to the driving circuit of the SR motor, the switching loss and heat generation in the right leg M, that is, the switching leg having the larger number of switchings are reduced. This can be reduced as compared with the prior art.

なお、第1実施形態に係る半導体パワーモジュールには、図3に示すような変形例が考えられる。すなわち、この変形例に係る半導体パワーモジュールは、図3(a)に示すように、正極導体パターンH1上にIGBTQ1に加えて第2のシリコンダイオードD3を設け、当該第2のシリコンダイオードD3と第1出力導体パターンH3aとを第3出力ワイヤH9で接続したものである。上記第2のシリコンダイオードD3は、カソードが正極導体パターンH1と接触する状態で正極導体パターンH1上に設けられている。   Note that the semiconductor power module according to the first embodiment may be modified as shown in FIG. That is, in the semiconductor power module according to this modification, as shown in FIG. 3A, a second silicon diode D3 is provided on the positive electrode conductor pattern H1 in addition to the IGBT Q1, and the second silicon diode D3 and the second silicon diode D3 One output conductor pattern H3a is connected by a third output wire H9. The second silicon diode D3 is provided on the positive electrode conductor pattern H1 with the cathode in contact with the positive electrode conductor pattern H1.

また、この変形例に係る半導体パワーモジュールは、図3(b)に示すように、IGBTQ1に当該IGBTQ1を保護するための第2のシリコンダイオードD3(保護用ダイオード)を並列接続したものである。すなわち、第2のシリコンダイオードD3は、カソードがIGBTQ1のコレクタに接続され、アノードがIGBTQ1のエミッタに接続されており、逆方向電圧からIGBTQ1を保護する。   Further, as shown in FIG. 3B, the semiconductor power module according to this modification is obtained by connecting a second silicon diode D3 (protective diode) for protecting the IGBT Q1 in parallel to the IGBT Q1. That is, the second silicon diode D3 has a cathode connected to the collector of the IGBT Q1 and an anode connected to the emitter of the IGBT Q1, and protects the IGBT Q1 from a reverse voltage.

すなわち、この変形例に係る半導体パワーモジュールは、左レグNpがシリコン半導体素子であるIGBTQ1、シリコンダイオードD1及び第2のシリコンダイオードD3から構成され、これに対して右レグMが炭化ケイ素半導体素子であるショットキーダイオードD2及びMOSトランジスタQ2から構成されている。したがって、このような変形例に係る半導体パワーモジュールによれば、右レグMにおけるスイッチング損失及び発熱を従来よりも低減することができるだけではなく、IGBTQ1を逆方向電圧からから保護することができるので、信頼性を向上させることができる。   That is, in the semiconductor power module according to this modification, the left leg Np is composed of the IGBT Q1, which is a silicon semiconductor element, the silicon diode D1, and the second silicon diode D3, while the right leg M is a silicon carbide semiconductor element. A Schottky diode D2 and a MOS transistor Q2 are included. Therefore, according to the semiconductor power module according to such a modification, not only can the switching loss and heat generation in the right leg M be reduced as compared with the prior art, but also the IGBT Q1 can be protected from the reverse voltage. Reliability can be improved.

〔第2実施形態〕
次に、第2実施形態について、図4を参照して説明する。
第2実施形態に係る半導体パワーモジュールは、図4(a)に示すように、第1実施形態に係る半導体パワーモジュールにおいて、IGBTQ1とシリコンダイオードD1とを入れ替えると共にショットキーダイオードD2とMOSトランジスタQ2とを入れ替えたものである。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 4A, the semiconductor power module according to the second embodiment is the same as the semiconductor power module according to the first embodiment, except that the IGBT Q1 and the silicon diode D1 are replaced, and the Schottky diode D2 and the MOS transistor Q2 are replaced. Is replaced.

すなわち、第2実施形態に係る半導体パワーモジュールでは、シリコンダイオードD1及びMOSトランジスタQ2が正極導体パターンH1上に設けられ、IGBTQ1が第1出力導体パターンH3a上に設けられ、ショットキーダイオードD2が第2出力導体パターンH4a上に設けられる。   That is, in the semiconductor power module according to the second embodiment, the silicon diode D1 and the MOS transistor Q2 are provided on the positive conductor pattern H1, the IGBT Q1 is provided on the first output conductor pattern H3a, and the Schottky diode D2 is the second. Provided on the output conductor pattern H4a.

このように各部材がレイアウトされた第2実施形態に係る半導体パワーモジュールは、図4(b)に示すように、第1実施形態に係る半導体パワーモジュールにおいて、IGBTQ1とシリコンダイオードD1とが入れ替えられ、かつ、ショットキーダイオードD2とMOSトランジスタQ2とが入れ替えられた回路構成を備える。すなわち、この半導体パワーモジュールは、左レグNqの上アームがシリコンダイオードD1で、また下アームがIGBTQ1で構成されており、右レグMqの上アームがMOSトランジスタQ2で、また下アームがショットキーダイオードD2で構成されている。   As shown in FIG. 4B, the semiconductor power module according to the second embodiment in which the respective members are laid out in this way is replaced with IGBT Q1 and silicon diode D1 in the semiconductor power module according to the first embodiment. And a circuit configuration in which the Schottky diode D2 and the MOS transistor Q2 are interchanged. That is, in this semiconductor power module, the upper arm of the left leg Nq is composed of a silicon diode D1, the lower arm is composed of an IGBT Q1, the upper arm of the right leg Mq is a MOS transistor Q2, and the lower arm is a Schottky diode. It is composed of D2.

このような第2実施形態に係る半導体パワーモジュールによれば、左レグNqがシリコン半導体素子であるIGBTQ1及びシリコンダイオードD1で構成され、これに対して右レグMqが炭化ケイ素半導体素子であるショットキーダイオードD2及びMOSトランジスタQ2から構成されているので、右レグMqにおけるスイッチング損失及び発熱を従来よりも低減することができる。   According to such a semiconductor power module according to the second embodiment, the left leg Nq is configured by the IGBT Q1 and the silicon diode D1 that are silicon semiconductor elements, while the right leg Mq is a Schottky that is a silicon carbide semiconductor element. Since it is composed of the diode D2 and the MOS transistor Q2, the switching loss and heat generation in the right leg Mq can be reduced as compared with the prior art.

なお、このような第2実施形態に係る半導体パワーモジュールには、図5に示すような変形例が考えられる。すなわち、この変形例に係る半導体パワーモジュールは、図5(a)に示すように、第1出力導体パターンH3a上にIGBTQ1に加えて第2のシリコンダイオードD3を設け、当該第2のシリコンダイオードD3と第1出力導体パターンH3aとを第3負極ワイヤH10で接続したものである。上記第2のシリコンダイオードD3は、カソードが正極導体パターンH1と接触する状態で正極導体パターンH1上に設けられている。   Note that the semiconductor power module according to the second embodiment may be modified as shown in FIG. That is, in the semiconductor power module according to this modification, as shown in FIG. 5A, the second silicon diode D3 is provided on the first output conductor pattern H3a in addition to the IGBT Q1, and the second silicon diode D3. And the first output conductor pattern H3a are connected by a third negative electrode wire H10. The second silicon diode D3 is provided on the positive electrode conductor pattern H1 with the cathode in contact with the positive electrode conductor pattern H1.

また、この変形例に係る半導体パワーモジュールは、図5(b)に示すように、IGBTQ1に当該IGBTQ1を保護するための第2のシリコンダイオードD3(保護用ダイオード)を並列接続したものである。すなわち、第2のシリコンダイオードD3は、カソードがIGBTQ1のコレクタに接続され、アノードがIGBTQ1のエミッタに接続されており、逆方向電圧からIGBTQ1を保護する。   Further, as shown in FIG. 5B, the semiconductor power module according to this modification is obtained by connecting a second silicon diode D3 (protective diode) for protecting the IGBT Q1 in parallel to the IGBT Q1. That is, the second silicon diode D3 has a cathode connected to the collector of the IGBT Q1 and an anode connected to the emitter of the IGBT Q1, and protects the IGBT Q1 from a reverse voltage.

すなわち、この変形例に係る半導体パワーモジュールは、左レグNrがシリコン半導体素子であるIGBTQ1、シリコンダイオードD1及び第2のシリコンダイオードD3から構成され、これに対して右レグMが炭化ケイ素半導体素子であるショットキーダイオードD2及びMOSトランジスタQ2から構成されている。したがって、このような変形例に係る半導体パワーモジュールによれば、右レグMにおけるスイッチング損失及び発熱を従来よりも低減することができるだけではなく、IGBTQ1を逆方向電圧から保護することができるので、信頼性を向上させることができる。   That is, in the semiconductor power module according to this modification, the left leg Nr is composed of an IGBT Q1, which is a silicon semiconductor element, a silicon diode D1, and a second silicon diode D3, while the right leg M is a silicon carbide semiconductor element. A Schottky diode D2 and a MOS transistor Q2 are included. Therefore, according to the semiconductor power module according to such a modified example, not only switching loss and heat generation in the right leg M can be reduced as compared with the prior art, but also the IGBT Q1 can be protected from the reverse voltage. Can be improved.

また、第2実施形態に係る半導体パワーモジュールには、図6に示すような変形例も考えられる。すなわち、この変形例に係る半導体パワーモジュールは、長方形の正極導体パターンH1に代えてT字状の正極導体パターンH1’を採用すると共に同じく長方形の負極導体パターンH2に代えて逆T字状の負極導体パターンH2を採用し、互いに対向する正極導体パターンH1’の突出部h1と負極導体パターンH2の突出部h2との間に平滑コンデンサCを設けたものである。   Further, the semiconductor power module according to the second embodiment may be modified as shown in FIG. That is, the semiconductor power module according to this modification employs a T-shaped positive electrode conductor pattern H1 ′ instead of the rectangular positive electrode conductor pattern H1, and similarly uses a reverse T-shaped negative electrode instead of the rectangular negative electrode conductor pattern H2. A smoothing capacitor C is provided between the protruding portion h1 of the positive electrode conductor pattern H1 ′ and the protruding portion h2 of the negative electrode conductor pattern H2 that employ the conductor pattern H2 and face each other.

このような半導体パワーモジュールは、正極端子T1と負極端子T2との間に平滑コンデンサCが介装された回路構成を備えるので、第2実施形態に係る半導体パワーモジュールに対する追加機能として、正極端子T1と負極端子T2との間に印加される直流電圧の変動を上記平滑コンデンサCが充放電することによって抑制することができる。   Since such a semiconductor power module has a circuit configuration in which a smoothing capacitor C is interposed between the positive electrode terminal T1 and the negative electrode terminal T2, as an additional function to the semiconductor power module according to the second embodiment, the positive electrode terminal T1. The smoothing capacitor C can be charged and discharged to suppress fluctuations in the DC voltage applied between the capacitor and the negative terminal T2.

〔第3実施形態〕
次に、第3実施形態について、図7を参照して説明する。
なお、この第3実施形態に係る半導体パワーモジュールについては、図7(a)と図3(b)とを対比すると最も解り易い。以下の説明では、図3(b)及び図3(a)に示した構成要素と同一の構成要素には同一符合を付し、再度の説明を省略する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.
The semiconductor power module according to the third embodiment is most easily understood when FIG. 7A is compared with FIG. In the following description, the same components as those shown in FIGS. 3B and 3A are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

すなわち、この半導体パワーモジュールは、シリコンダイオードD1’と並列に第3のシリコンダイオードD4(保護用ダイオード)を設け、またショットキーダイオードD2’と並列に第2のショットキーダイオードD5(保護用ダイオード)を設け、さらにMOSトランジスタQ2に第3のショットキーダイオードD6(保護用ダイオード)を設けたものである。上記シリコンダイオードD1’は、ダイオードとして機能するように第2のIGBTQ3のゲートをエミッタに接続したものであり、また上記ショットキーダイオードD2’は、同じくダイオードとして機能するように第2のMOSトランジスタQ4のゲートをソースに接続したものである。   That is, this semiconductor power module is provided with a third silicon diode D4 (protective diode) in parallel with the silicon diode D1 ′, and a second Schottky diode D5 (protective diode) in parallel with the Schottky diode D2 ′. And a third Schottky diode D6 (protective diode) is provided in the MOS transistor Q2. The silicon diode D1 ′ has a gate connected to the emitter of the second IGBT Q3 so as to function as a diode, and the Schottky diode D2 ′ also functions as a second MOS transistor Q4 so as to function as a diode. The gate is connected to the source.

このような半導体パワーモジュールは、図7(b)に示すように、正極導体パターンH1上にIGBTQ1と第2のシリコンダイオードD3とを設けることに加え、第1出力導体パターンH3a上に第2のIGBTQ3と第3のシリコンダイオードD4を設け、上記第2のIGBTQ3のエミッタと負極導体パターンH2とを第1負極ワイヤH7で接続し、また第3のシリコンダイオードD4と負極導体パターンH2とを第4負極ワイヤH11で接続したものである。   In such a semiconductor power module, as shown in FIG. 7 (b), in addition to providing the IGBT Q1 and the second silicon diode D3 on the positive electrode conductor pattern H1, a second output on the first output conductor pattern H3a. The IGBT Q3 and the third silicon diode D4 are provided, the emitter of the second IGBT Q3 and the negative conductor pattern H2 are connected by the first negative wire H7, and the third silicon diode D4 and the negative conductor pattern H2 are connected to the fourth. It is connected with the negative electrode wire H11.

また、この半導体パワーモジュールは、第2のIGBTQ3のゲートに接続された第3のゲート導体パターンH12aと、当該第3のゲート導体パターンH12aと第2のIGBTQ3のゲートとを接続する第3ゲートワイヤH12bを備えている。   In addition, the semiconductor power module includes a third gate conductor pattern H12a connected to the gate of the second IGBT Q3, and a third gate wire connecting the third gate conductor pattern H12a and the gate of the second IGBT Q3. H12b is provided.

また、この半導体パワーモジュールは、正極導体パターンH1上に第2のMOSトランジスタQ4及び第2のショットキーダイオードD5を設け、第2のMOSトランジスタQ4と第2ゲート導体パターンH4aとを第2出力ワイヤH4bで接続し、また第2のショットキーダイオードD5と第2ゲート導体パターンH4aとを第4出力ワイヤH13で接続したものである。   Further, this semiconductor power module is provided with the second MOS transistor Q4 and the second Schottky diode D5 on the positive conductor pattern H1, and the second MOS transistor Q4 and the second gate conductor pattern H4a are connected to the second output wire. The second Schottky diode D5 and the second gate conductor pattern H4a are connected by the fourth output wire H13.

また、この半導体パワーモジュールは、第2のMOSトランジスタQ4のゲートに接続された第4のゲート導体パターンH14aと、当該第4のゲート導体パターンH14aと第2のMOSトランジスタQ4のソースとを接続する第4ゲートワイヤH14bを備えている。   The semiconductor power module connects the fourth gate conductor pattern H14a connected to the gate of the second MOS transistor Q4, and the fourth gate conductor pattern H14a and the source of the second MOS transistor Q4. A fourth gate wire H14b is provided.

また、この半導体パワーモジュールは、第2出力導体パターンH4a上にMOSトランジスタQ2に加えて第3のショットキーダイオードD6を設け、当該第3のショットキーダイオードD6と負極導体パターンH2とを第5負極ワイヤH15で接続したものである。   The semiconductor power module also includes a third Schottky diode D6 in addition to the MOS transistor Q2 on the second output conductor pattern H4a, and the third Schottky diode D6 and the negative conductor pattern H2 are connected to the fifth negative electrode. It is connected with a wire H15.

このような第3実施形態に係る半導体パワーモジュールでは、左レグNsがシリコン半導体素子であるIGBTQ1、シリコンダイオードD1’、第2のシリコンダイオードD3及び第3のシリコンダイオードD4から構成され、これに対して右レグMsが炭化ケイ素半導体素子であるショットキーダイオードD2’、MOSトランジスタQ2、第2のショットキーダイオードD5及び第3のショットキーダイオードD6から構成されている。   In such a semiconductor power module according to the third embodiment, the left leg Ns is composed of IGBTQ1, which is a silicon semiconductor element, a silicon diode D1 ′, a second silicon diode D3, and a third silicon diode D4. The right leg Ms includes a Schottky diode D2 ′, which is a silicon carbide semiconductor element, a MOS transistor Q2, a second Schottky diode D5, and a third Schottky diode D6.

したがって、この半導体パワーモジュールによれば、右レグMsにおけるスイッチング損失及び発熱を従来よりも低減することができるだけではなく、IGBTQ1、シリコンダイオードD1’、ショットキーダイオードD2’ 及びMOSトランジスタQ2を逆方向電圧から保護することができるので、信頼性を向上させることができる。   Therefore, according to this semiconductor power module, not only the switching loss and the heat generation in the right leg Ms can be reduced as compared with the prior art, but also the IGBT Q1, the silicon diode D1 ′, the Schottky diode D2 ′ and the MOS transistor Q2 are connected to the reverse voltage. Therefore, reliability can be improved.

なお、本発明は上記第1、第2実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記第1〜第3実施形態では本願発明を非対称ブリッジ回路、つまり上アームと下アームとが異なる半導体スイッチング素子で構成されるH型ブリッジ回路(つまり非対称型Hブリッジ回路)について説明したが、本願発明はこれに限定されない。本願発明は、上アームと下アームとが同一のパワートランジスタで構成されたH型ブリッジ回路(つまり対称型Hブリッジ回路)にも適用可能である。
In addition, this invention is not limited to the said 1st, 2nd embodiment, For example, the following modifications can be considered.
(1) In the first to third embodiments, the present invention has been described with respect to an asymmetric bridge circuit, that is, an H-type bridge circuit (that is, an asymmetric type H-bridge circuit) composed of semiconductor switching elements having different upper and lower arms. However, the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied to an H-type bridge circuit (that is, a symmetric H-bridge circuit) in which the upper arm and the lower arm are configured by the same power transistor.

(2)上記第1、第2実施形態では、上アーム及び下アームを単一の半導体スイッチング素子で構成したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、上アーム及び/あるいは下アームを複数の半導体スイッチング素子で構成してもよい。 (2) In the first and second embodiments, the upper arm and the lower arm are configured by a single semiconductor switching element, but the present invention is not limited to this. That is, the upper arm and / or the lower arm may be composed of a plurality of semiconductor switching elements.

例えば図1(b)における左レグNの上アームを直列接続及び/あるいは並列接続された複数のIGBTQ1で構成し、下アームを直列接続及び/あるいは並列接続された複数のシリコンダイオードD1で構成し、また右レグMの上アームを直列接続及び/あるいは並列接続された複数のショットキーダイオードD2で構成し、下アームを直列接続及び/あるいは並列接続された複数のMOSトランジスタQ2で構成しても良い。このような構成を採用することにより、上アーム及び下アームの耐圧及び/あるいは電流容量を増大させることが可能である。   For example, the upper arm of the left leg N in FIG. 1B is configured by a plurality of IGBTs Q1 connected in series and / or in parallel, and the lower arm is configured by a plurality of silicon diodes D1 connected in series and / or in parallel. Further, the upper arm of the right leg M may be composed of a plurality of Schottky diodes D2 connected in series and / or in parallel, and the lower arm may be composed of a plurality of MOS transistors Q2 connected in series and / or in parallel. good. By adopting such a configuration, it is possible to increase the withstand voltage and / or current capacity of the upper arm and the lower arm.

(3)上記第1〜第3実施形態では、MOSトランジスタ及びショットキーダイオード、つまり炭化ケイ素半導体素子をスイッチング回数が多い方のスイッチングレグに採用したが、本発明はこれに限定されない。化合物半導体には種々のものがあるが、炭化ケイ素半導体素子に代えて、例えば窒化ガリウム半導体素子を採用してもよい。窒化ガリウム半導体素子として、例えばGaN-HEMT(High Electron Mobility Transistor)を採用することが考えられる。 (3) In the first to third embodiments, the MOS transistor and the Schottky diode, that is, the silicon carbide semiconductor element, are employed for the switching leg having the higher switching frequency. However, the present invention is not limited to this. There are various types of compound semiconductors. For example, a gallium nitride semiconductor element may be employed instead of the silicon carbide semiconductor element. For example, a GaN-HEMT (High Electron Mobility Transistor) may be adopted as the gallium nitride semiconductor element.

P 絶縁基板
H1 正極導体パターン(第1の接続導体)
H2 負極導体パターン(第2の接続導体)
H3a 第1出力導体パターン(第3の接続導体)
H3b 第1出力ワイヤ(第3の接続導体)
H4a 第2出力導体パターン(第4の接続導体)
H4b 第2出力ワイヤ(第4の接続導体)
T1 正極端子(第1の外部用入力/出力端子)
T2 負極端子(第2の外部用入力/出力端子)
T3 第1出力端子(第1の外部用出力/入力端子)
T4 第2出力端子(第2の外部用出力/入力端子)
H5a 第1ゲート導体パターン(第1の外部用制御端子)
H5b 第1ゲートワイヤ(第1の外部用制御端子)
H6a 第2ゲート導体パターン(第2の外部用制御端子)
H6b 第2ゲートワイヤ(第2の外部用制御端子)
H7 第1負極ワイヤ(第2の接続導体)
H8 第2負極ワイヤ(第2の接続導体)
Q1 IGBT(第1の半導体スイッチング素子)
Q2 MOSトランジスタ(第4の半導体スイッチング素子)
D1 シリコンダイオード(第2の半導体スイッチング素子)
D2 ショットキーダイオード(第3の半導体スイッチング素子)
P Insulating substrate H1 Positive conductor pattern (first connecting conductor)
H2 negative electrode conductor pattern (second connecting conductor)
H3a First output conductor pattern (third connection conductor)
H3b first output wire (third connection conductor)
H4a Second output conductor pattern (fourth connection conductor)
H4b second output wire (fourth connecting conductor)
T1 Positive terminal (first external input / output terminal)
T2 Negative terminal (second external input / output terminal)
T3 first output terminal (first external output / input terminal)
T4 Second output terminal (second external output / input terminal)
H5a First gate conductor pattern (first external control terminal)
H5b first gate wire (first external control terminal)
H6a Second gate conductor pattern (second external control terminal)
H6b Second gate wire (second external control terminal)
H7 First negative electrode wire (second connecting conductor)
H8 Second negative electrode wire (second connecting conductor)
Q1 IGBT (first semiconductor switching element)
Q2 MOS transistor (fourth semiconductor switching element)
D1 Silicon diode (second semiconductor switching element)
D2 Schottky diode (third semiconductor switching element)

Claims (6)

シリコンを半導体材料とする第1の半導体スイッチング素子と、
前記シリコンを半導体材料とする第2の半導体スイッチング素子と、
前記シリコンよりもバンドギャップが広い第2の半導体材料で形成された第3の半導体スイッチング素子と、
前記第2の半導体材料で形成された第4の半導体スイッチング素子と、
前記第1の半導体スイッチング素子の第1の入出力端と前記第3の半導体スイッチング素子の第1の入出力端とを接続する第1の接続導体と、
前記第2の半導体スイッチング素子の第1の入出力端と前記第4の半導体スイッチング素子の第1の入出力端とを接続する第2の接続導体と、
前記第1の半導体スイッチング素子の第2の入出力端と前記第2の半導体スイッチング素子の第2の入出力端とを接続する第3の接続導体と、
前記第3の半導体スイッチング素子の第2の入出力端と前記第4の半導体スイッチング素子の第2の入出力端とを接続する第4の接続導体と、
前記第1の接続導体に接続された第1の外部用入力/出力端子と、
前記第2の接続導体に接続された第2の外部用入力/出力端子と、
前記第3の接続導体に接続された第1の外部用出力/入力端子と、
前記第4の接続導体に接続された第2の外部用出力/入力端子と、
前記第1の半導体スイッチング素子あるいは/及び前記第2の半導体スイッチング素子の制御端に接続された第1の外部用制御端子と、
前記第4の半導体スイッチング素子あるいは/及び前記第3の半導体スイッチング素子の制御端に接続された第2の外部用制御端子と
が一体に実装されていることを特徴とする半導体パワーモジュール。
A first semiconductor switching element using silicon as a semiconductor material;
A second semiconductor switching element using silicon as a semiconductor material;
A third semiconductor switching element formed of a second semiconductor material having a wider band gap than silicon;
A fourth semiconductor switching element formed of the second semiconductor material;
A first connection conductor connecting the first input / output end of the first semiconductor switching element and the first input / output end of the third semiconductor switching element;
A second connection conductor connecting the first input / output end of the second semiconductor switching element and the first input / output end of the fourth semiconductor switching element;
A third connection conductor connecting the second input / output end of the first semiconductor switching element and the second input / output end of the second semiconductor switching element;
A fourth connection conductor connecting the second input / output end of the third semiconductor switching element and the second input / output end of the fourth semiconductor switching element;
A first external input / output terminal connected to the first connection conductor;
A second external input / output terminal connected to the second connection conductor;
A first external output / input terminal connected to the third connection conductor;
A second external output / input terminal connected to the fourth connection conductor;
A first external control terminal connected to a control terminal of the first semiconductor switching element or / and the second semiconductor switching element;
A semiconductor power module, wherein the fourth semiconductor switching element and / or a second external control terminal connected to a control terminal of the third semiconductor switching element are integrally mounted.
前記第1〜第4の半導体スイッチング素子のいずれかはトランジスタであり、
前記トランジスタの一部あるいは全部には、同一の半導体材料の保護用ダイオードが備えられることを特徴とする請求項1に記載の半導体パワーモジュール。
Any of the first to fourth semiconductor switching elements is a transistor,
2. The semiconductor power module according to claim 1, wherein a part or all of the transistors are provided with protective diodes made of the same semiconductor material.
前記第1の半導体スイッチング素子は、トランジスタあるいはダイオードであり、
前記第2の半導体スイッチング素子は、ダイオードあるいはトランジスタであり、
前記第3の半導体スイッチング素子は、ダイオードあるいはトランジスタであり、
前記第4の半導体スイッチング素子は、トランジスタあるいはダイオードであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体パワーモジュール。
The first semiconductor switching element is a transistor or a diode;
The second semiconductor switching element is a diode or a transistor;
The third semiconductor switching element is a diode or a transistor;
The semiconductor power module according to claim 1, wherein the fourth semiconductor switching element is a transistor or a diode.
前記ダイオードは、トランジスタのベースをダイオードとして機能するように接続したものであることを特徴とする請求項3に記載の半導体パワーモジュール。   4. The semiconductor power module according to claim 3, wherein the diode has a transistor base connected so as to function as a diode. 一端が前記第1の接続導体に接続され、かつ、他端が前記第2の接続導体に接続されたコンデンサをさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体パワーモジュール。   5. The semiconductor according to claim 1, further comprising a capacitor having one end connected to the first connection conductor and the other end connected to the second connection conductor. Power module. 前記第2の半導体材料は、炭化ケイ素半導体あるいは窒化ガリウム半導体であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体パワーモジュール。   The semiconductor power module according to any one of claims 1 to 5, wherein the second semiconductor material is a silicon carbide semiconductor or a gallium nitride semiconductor.
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