半导体模块以及升压整流电路的制作方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种能够抑制由线性调节器功能引起的温度上升的技术。半导体模块（11）具有电压生成部（15）、和由绝缘散热片（16）及散热片（17）构成的散热机构而构成。电压生成部（15）能够使用内置的线性调节器功能，根据通过升压转换器（59）升压后的电压，生成用于驱动升压转换器（59）的电源电压。并且，电压生成部（15）搭载在上述散热机构上。
【专利说明】半导体模块以及升压整流电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及能够生成用于驱动升压转换器的电源电压的半导体模块、以及具有该半导体模块的升压整流电路。
【背景技术】
[0002]当前，使用MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等半导体开关元件和使该半导体开关元件进行驱动的驱动ICXIntegrated Circuit),将输入电压升压至期望电压的升压转换器，作为功率半导体装置的一种广为人知。此外，例如专利文献1、2所述，通常，家用交流电源或辅助线圈两端之间的交流电压等，通过二极管及电容等的整流平滑电路而转换成直流电压，该直流电压作为用于驱动上述升压转换器的电源电压，被供给至升压转换器。
[0003]专利文献1:日本特开2012-74829号公报
[0004]专利文献2:日本特开2006-53803号公报
[0005]但是，将交流电压整流而供给至升压转换器的电源电压存在不稳定等的问题。因此，为了使用于驱动升压转换器的电源电压稳定化，可以考虑将能够输出恒定电压的线性调节器功能内置于IC芯片中的结构。但是，由于通常线性调节器电路将输入至自身的输入电压和自身输出的输出电压之差以热量的方式释放，因此，该差越大，发热量越大。
[0006]因此，关于例如根据对AC商用电源进行整流而获得的大于或等于100V的较高输入电压，生成用于驱动升压转换器的15V左右电源电压的线性调节器功能，由于线性调节器功能的发热而引起的温度上升问题等，很难将这种线性调节器功能内置在IC芯片中。
【发明内容】
[0007]因此，本发明就是鉴于上述问题而提出的，目的在于提供一种能够抑制由线性调节器功能引起的温度上升的技术。
[0008]本发明所涉及的半导体模块具有:电压生成部，其能够使用内置的线性调节器功能，根据通过升压转换器升压后的电压生成用于驱动所述升压转换器的电源电压；以及散热机构，其搭载有所述电压生成部。
[0009]发明的效果
[0010]根据本发明，由于内置线性调节器功能的电压生成部搭载在散热机构上，因此能够抑制由线性调节器功能引起的温度上升。另外，由于使用线性调节器功能，根据通过升压转换器升压后的电压生成用于驱动升压转换器的电源电压，因此，还能够实现消耗电力的减少。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是表示本实施方式I所涉及的半导体模块以及升压整流电路的结构的电路图。[0012]图2是表示本实施方式I所涉及的半导体模块以及升压整流电路的结构的电路图。
[0013]图3是表示本实施方式I所涉及的半导体模块的结构的剖面图。
[0014]图4是表示本实施方式2所涉及的半导体模块以及升压整流电路的结构的电路图
[0015]图5是表示本实施方式2所涉及的半导体模块以及升压整流电路的动作的时序图。
[0016]图6是表示本实施方式3所涉及的半导体模块以及升压整流电路的结构的电路图。
[0017]图7是表示本实施方式3所涉及的半导体模块以及升压整流电路的动作的时序图。
[0018]标号的说明
[0019]I升压整流电路、11半导体模块、13半导体开关元件、14驱动1C、15电压生成部、16绝缘散热片、17散热片、20电压供给部、51 二极管桥、52电感、59升压转换器。
【具体实施方式】
[0020]<实施方式1>
[0021]图1是表示本发明的实施方式I所涉及的半导体模块以及具有该半导体模块的升压整流电路的结构的电路图。
[0022]如后详述，升压整流电路I能够实现将从AC商用电源2输入的AC电压转换为DC电压的整流功能，和使该DC电压升压的升压功能。3相逆变器3通过PWM (pulse widthmodulat1n)控制部3a的控制,将由升压整流电路I升压后的DC电压转换为AC电压,通过将该AC电压输出至电动机4而驱动电动机4。
[0023]下面，对进行上述动作的升压整流电路I的结构进行说明。如图1所示，升压整流电路I具有半导体模块11、二极管桥(整流电路)51、电感52、电容53、PWM控制部54、电容55而构成。此外，此处对于升压整流电路I具有电容53、55的结构进行说明，但并不限定于此，也可以是电容53、55设置在升压整流电路I外部的结构。
[0024]半导体模块11与二极管桥51、电感52、电容53、PWM控制部54以及电容55电气连接。如图1所示，半导体模块11具有二极管12、半导体开关元件13、驱动IC(驱动部)14和电压生成部15而构成。
[0025]二极管12的负极在点P处与电容55的一端连接，正极与电感52的一端连接。
[0026]半导体开关元件13的源极端子在点N处与电容55的另一端连接，漏极端子与二极管12的正极连接，栅极端子与驱动IC14连接。此外，本实施方式I将由SiC或GaN等宽带隙半导体构成的MOSFET应用于半导体开关元件13，实现高耐压化、小型化、以及高速开关化。
[0027]驱动IC14基于从PWM控制部54输入的PWM信号(规定信号)，将供给至自身的电压(在这里是从电压生成部15供给的电源电压)传输至半导体开关元件13的栅极端子。在驱动IC14基于PWM信号，将来自电压生成部15的电压传输(供给)至半导体开关元件13的栅极端子的情况下，半导体开关元件13变为接通。另一方面，在驱动IC14基于PWM信号，没有将来自电压生成部15的电压传输(供给)至半导体开关元件13的栅极端子的情况下，半导体开关元件13变为断开。S卩，驱动IC14构成为，基于PWM信号对半导体开关元件13进行驱动。
[0028]下面，在对电压生成部15进行说明之前，对升压整流电路I的整流功能以及升压功能进行说明。
[0029]<整流功能>
[0030]二极管桥51与半导体模块11 (在这里是半导体开关元件13的源极端子)、以及电感52连接。该二极管桥51通过将从AC商用电源2输入的正侧波形直接输出，将负侧波形反转为正侧后输出，从而将该AC电压转换为DC电压。
[0031]〈升压功能〉
[0032]升压整流电路I具有对通过二极管桥51转换后的DC电压进行升压的升压转换器59。该升压转换器59包含二极管12、半导体开关元件13、电感52以及电容55而构成。
[0033]具体地说，如果半导体开关元件13从断开切换为接通，则由于来自二极管桥51的DC电压而在电感52中流过DC电流，积蓄能量。如果半导体开关元件13从接通切换为断开，则与蓄积在电感52中的能量相对应的DC电压，经由二极管12而对电容55充电。然后，即使半导体开关元件13再次从断开切换为接通，电容55的放电也会由于二极管12的整流功能而受到抑制。
[0034]其结果，半导体开关元件13每一次进行通断切换，电容55两端之间(点P以及点N之间)的DC电压上升。其上升的程度可以基于半导体开关元件13接通及断开的占空比，即PWM信号的占空比而进行调整。因此，根据升压转换器59，能够基于PWM信号的占空比，将通过二极管桥51转换后的DC电压升压至期望电压。
[0035]<电压生成部>
[0036]下面，对电压生成部15进行说明。在电压生成部15中，能够使用内置的线性调节器功能，根据通过升压转换器59升压后的点P及点N之间的电压(以下有时也称为“升压电压”)生成用于驱动升压转换器59的电源电压(供给至驱动IC14的电压)。在本实施方式I中，由电压生成部15以及电容53构成根据升压电压生成电源电压的线性调节器电路。
[0037]图2是表示由电压生成部15以及电容53构成的线性调节器电路的图。
[0038]电压生成部15具有电阻15a、多个晶体管15b、齐纳二极管15c、晶体管15d、15e、以及电阻15f而构成。点P、电阻15a、多个晶体管15b、齐纳二极管15c、以及点N依次串联连接。晶体管15d的基极端子连接在电阻15a与附图纸面最上部的晶体管15b的连接点处，集电极端子与点P连接。晶体管15e与晶体管15d进行达林顿(Darlington)连接。电阻15f连接在晶体管15e的发射极端子和接地电位之间。
[0039]电容53在点Pl (晶体管15e和电阻15f的连接点)和点NI (接地电位)之间与电阻15f以及驱动IC14并联连接。
[0040]对于按照上述方式构成的线性调节器电路，即使供给至点P和点N之间的电压产生若干变动，也将比该电压低的恒定电压输出至连接在点Pl和点NI之间的驱动IC14。在图2所示的例子中，构成在点P和点N之间的电压是200?370V左右的情况下，在点Pl和点NI之间生成与驱动IC14的电源电压(例如15V)大致一致的恒定电压的线性调节器电路。此外，在该结构中，在驱动IC14的阻抗是3kQ的情况下，线性调节器电路中的损耗总计达到3.3W左右。[0041 ] 在这里，线性调节器电路将输入至自身的输入电压和自身输出的输出电压的差以热量的方式释放。因此，由于温度上升的问题等而很难在半导体模块11中内置线性调节器功能，即，内置电压生成部15。与此相对，在本实施方式I所涉及的半导体模块11中，能够抑制由线性调节器功能引起的温度上升。
[0042]图3是表示本实施方式I所涉及的半导体模块的结构的剖面图。该半导体模块11在上述二极管12、半导体开关元件13、驱动IC14及电压生成部15的基础上，具有散热机构(绝缘散热片16以及散热片17)、金属框架(第I及第2金属框架18a、18b)、和树脂模塑部19。
[0043]绝缘散热片16紧贴在散热片17上而形成，第I及第2金属框架18a、18b紧贴在绝缘散热片16上而形成。此外,第I及第2金属框架18a、18b使用例如铜框架。在第I金属框架18a上形成有二极管12以及半导体开关元件13，在第2金属框架18b上形成有驱动IC14以及电压生成部15。S卩，在本实施方式I中，电压生成部15搭载在散热机构(绝缘散热片16以及散热片17)上。
[0044]此外，二极管12及半导体开关元件13、驱动IC14及电压生成部15、和第I及第2金属框架18a、18b (封装引脚；package pin),经由例如以银、招以及铜等构成的金属线(未图示)适当连接。另外，虽未图示，但电感52、电容53、55等在树脂模塑部19的外侧与第I及第2金属框架18a、18b (封装引脚)连接。
[0045]除了第I及第2金属框架18a、18b的端部和散热片17的与绝缘散热片16相反侧的面以外，半导体模块11的结构要素由树脂模塑部19包覆。此外，树脂模塑部19的材质可使用例如环氧树脂等。
[0046]在这里，在不具有上述散热机构的半导体模块中，形成热阻较大的结构。例如，如果针对将热阻设为100°C /W而使电压生成部15的线性调节器功能进行了动作的情况来估算温度，则温度上升至330°C左右。因此，在这种半导体模块中，存在使用环境温度受到很大限制等的问题，不能在半导体模块中内置电压生成部15。
[0047]与此相对，在本实施方式I所涉及的半导体模块11中，由于具有上述散热机构，因此能够降低热阻。例如，如果针对将热阻设为3.5°C /W而使电压生成部15的线性调节器功能进行了动作的情况来估算温度，则为11.6°C左右，与不具有上述散热机构的半导体模块相比，能够降低温度。
[0048]S卩，根据本实施方式I所涉及的半导体模块11及升压整流电路1，由于将内置线性调节器功能的电压生成部15搭载在散热机构上，因此能够抑制由线性调节器功能引起的温度上升。另外，由于使用线性调节器功能，根据通过升压转换器59升压后的电压生成用于驱动升压转换器59的电源电压，因此能够减少消耗电力(应从外部供给的电力)。
[0049]<实施方式2>
[0050]图4是表示本发明实施方式2所涉及的半导体模块及升压整流电路的结构的电路图。此外，在本实施方式2所涉及的半导体模块及升压整流电路中，对于与在实施方式I中说明的结构要素同一或类似的要素标记同一标号，以不同点为中心进行以下说明。
[0051]在该图4中，示出驱动IC14的具体电路例子，并且，追加了电压供给部20以及电容56。此外，在本实施方式中对电容56设置在电压供给部20外部的结构进行说明，但并不限定于此，也可以是电压供给部20具有电容56的结构。[0052]图4中示出的驱动IC14具有半导体开关元件14a、14b而构成。另外，电压供给部20具有二极管20a、电阻20b、齐纳二极管20c以及半导体开关元件20d而构成。半导体开关元件14a使用P型的M0SFET，半导体开关元件14b、20d使用N型的M0SFET。
[0053]点PU半导体开关元件14a、半导体开关元件14b、二极管20a、以及点NI依次串联连接，半导体开关元件14a、14b的漏极端子之间的连接点与半导体开关元件13的栅极端子连接。此外，在半导体开关元件14a、14b各自的栅极端子，输入来自PWM控制部54的PWM信号。二极管20a的正极与半导体开关元件14b的源极端子连接，负极与点NI连接。
[0054]半导体开关元件14a的源极端子、电阻20b、电容56、以及半导体开关元件14b的源极端子依次串联连接。齐纳二极管20c的负极与电阻20b以及电容56的连接点连接，齐纳二极管20c的正极与二极管20a的负极连接。半导体开关元件20d的栅极端子与半导体开关元件14a、14b的栅极端子连接，半导体开关元件20d的漏极端子与齐纳二极管20c的负极连接，半导体开关元件20d的源极端子与齐纳二极管20c的正极连接。
[0055]图5是表示在由以上结构构成的本实施方式2所涉及的半导体模块以及升压整流电路中，半导体开关元件13进行通断切换时的动作的时序图。图5中所示的A、B、C、D分别与图4中所示的点A、点B、点C、点D相对应。
[0056]在点A处施加用于使半导体开关元件13导通或切断的控制信号(来自PWM控制部54的PWM信号)。
[0057]在导通时，点A的电位从H切换到L，半导体开关元件14a接通(有源)，半导体开关元件14b、20d断开(无源)。因此，点D的电位与从电压生成部15供给的电源电压(例如15V)相等，半导体开关元件13导通。另外，通过使电流从电压生成部15流过电阻20b以及齐纳二极管20c，从而，点B的电位以齐纳二极管20c的电压VF (例如5V)的量而上升，电容56以与其相同的电压(例如5V)被充入电荷。
[0058]在切断时，点A的电位从L切换到H，半导体开关元件14a断开(无源)，半导体开关元件14b、20d接通(有源)。因此，点B的电位与点N的电位(在这里是0V)相等，并且，点C以及点D的电位也大致与点N的电位相等，其结果，半导体开关元件13切断。但是，通过使用电容56的电压实现的电荷泵式功能，与点N的电位相比，点C的电位以充入电容56的电压(例如5V)的量而向负侧下降，点D的电位也同样地向负侧下降。
[0059]如上所述，本实施方式2中，电压供给部20能够在驱动IC14不向半导体开关元件13传输驱动IC14的电源电压的非传输期间(规定期间)，向半导体开关元件13供给负偏压。因而，在半导体开关元件13断开的期间，即使在其栅极端子暂时施加噪声等，也能够对施加在栅极端子的电压超过阈值电压这一情况进行抑制。即，对于半导体开关元件13，能够提高噪声耐量，实现稳定的开关控制。
[0060]上述方案对于将由SiC或GaN等宽带隙半导体构成的MOSFET这种阈值电压较低的元件用于半导体开关元件13的结构特别有效。
[0061]〈实施方式3>
[0062]图6是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体模块以及升压整流电路的结构的电路图。此外，在本实施方式3所涉及的半导体模块及升压整流电路中，对于与在实施方式2中说明的结构要素同一或类似的要素标记同一标号，以不同点为中心进行以下说明。
[0063]在上述的实施方式2 (图4)中，在半导体开关元件20d的栅极端子输入有PWM信号，使半导体开关元件13的非传输期间(断开期间)的切换定时、和半导体开关元件20d的接通期间的切换定时同步。
[0064]与此相对，在本实施方式3中，在电压供给部20中追加有信号振荡部20e。并且，该信号振荡部20e构成为，将半导体开关元件13的断开期间(非传输期间)的切换定时、和半导体开关元件20d的接通期间的切换定时变为不同步的方波信号，输入至半导体开关元件20d的栅极端子。
[0065]图7是表示在由以上结构构成的本实施方式3所涉及的半导体模块以及升压整流电路中，半导体开关元件13通断切换时的动作的时序图。图7中所示的A、B、C、D，与图6中所示的点A、点B、点C、点D相对应。
[0066]在本实施方式3中，在A点的电位从L切换到H的时刻T2之前的时刻Tl，信号振荡部20e将从L切换到H的方波信号输入至半导体开关元件20d。另外，在A点的电位从H切换到L的时刻T3之后的时刻T4，信号振荡部20e将从H切换到L的方波信号输入至半导体开关元件20d。下面，对于各时刻Tl?T4的本实施方式3所涉及的半导体模块以及升压整流电路的动作进行详细说明。
[0067]在时刻Tl，由于点A的电位维持L，因此，半导体开关元件14a维持接通，半导体开关元件14b维持断开。另一方面，由于半导体开关元件20d的栅极端子从L切换到H，因此，半导体开关元件20d从断开切换为接通。由此，点B的电位与点N的电位相等，点C的电位通过电荷泵式功能，从而以被充入电容56的电压(例如5V)的量相对于点N的电位向负侧下降。但是，由于半导体开关元件14a接通而半导体开关元件14b断开，因此，点D的电位并不是点C的电位，而是维持为从电压生成部15供给的电源电压(例如15V)，半导体开关元件13维持接通。
[0068]在时刻T2，由于点A的电位从L切换到H，因此，半导体开关元件14a从接通切换为断开，半导体开关元件14b从断开切换为接通。由此，点D的电位并不是上述电源电压，而是与点C的电位相等，半导体开关元件13切断。
[0069]在时刻T3，由于点A的电位从H切换到L，因此，半导体开关元件14a从断开切换为接通，半导体开关元件14b从接通切换为断开。由此，点D的电位并不是点C的电位，而是与上述电源电压相等，半导体开关元件13导通。
[0070]在时刻T4，由于点A的电位维持L，因此，半导体开关元件14a维持接通，半导体开关元件14b维持断开。另一方面，由于半导体开关元件20d的栅极端子从H切换到L，因此，半导体开关元件20d从接通切换为断开。由此，通过使电流从电压生成部15流过电阻20b及齐纳二极管20c，从而点B的电位以齐纳二极管20c的电压VF (例如5V)的量而上升，电容56以与其相同的电压(例如5V)被充入电荷。与之相伴，点C的电位变为0V。
[0071]根据上述本实施方式3所涉及的半导体模块11以及升压整流电路1，能够在比不向半导体开关元件13传输驱动IC14的电源电压的非传输期间T2?T3长的期间Tl?T4内，向半导体开关元件13供给负偏压。因此，在非传输期间T2?T3 (半导体开关元件13断开的期间)内，能够立即向半导体开关元件13供给负偏压，从而能够可靠地实现稳定的开关控制。
[0072]此外，本发明能够在其发明的范围内，将各实施方式自由组合，或对各实施方式进行适当的变形、省略。
【权利要求】
1.一种半导体模块，其具有: 电压生成部，其能够使用内置的线性调节器功能，根据通过升压转换器升压后的电压生成用于驱动所述升压转换器的电源电压；以及散热机构，其搭载有所述电压生成部。
2.根据权利要求1所述的半导体模块，其还具有: 半导体开关元件，其包含在所述升压转换器内； 驱动部，其通过基于规定信号将所述电源电压传输至所述半导体开关元件，而对所述半导体开关元件进行驱动；以及 电压供给部，其能够在包含非传输期间的规定期间内，向所述半导体开关元件供给负偏压，其中，该非传输期间是所述驱动部不向所述半导体开关元件传输所述电源电压的期间。
3.根据权利要求2所述的半导体模块，其中， 所述规定期间比所述非传输期间长。
4.根据权利要求2或3所述的半导体模块，其中， 所述半导体开关元件的材质包括宽带隙半导体。
5.一种升压整流电路，其具有: 权利要求1至3中任一项所述的半导体模块； 包含在所述升压转换器中的电感；以及 与所述半导体模块及所述电感连接的整流电路。
【文档编号】H02M7/217GK104038083SQ201410077138
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年3月4日 优先权日:2013年3月4日
【发明者】酒井伸次, 加藤正博, 田中智典 申请人:三菱电机株式会社