(57)【要約】【課題】複数の半導体モジュール素子を直列に接続する際に、熱抵抗の上昇を防止し、その結果冷却体の大型化を防止することができる高電圧用の半導体電力変換装置を提供する。【解決手段】複数の半導体モジュール素子を直列に接続した高電圧用の半導体電力変換装置１であって、導電性基板２の一方の面２ａに前記半導体モジュール素子３を実装し、前記導電性基板２の前記半導体モジュール素子３の実装面２ａとは反対側の面２ｂに絶縁層４と金属層５とがその順に一体成形され、前記金属層５の前記絶縁層４側とは反対側の面５ｂに前記半導体モジュール素子３から発生した熱を放熱する冷却体６が配設されている。【選択図】図１
2010074961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体モジュール素子を直列に接続した高電圧用の半導体電力変換装置であって、
導電性基板の一方の面に前記半導体モジュール素子を実装し、前記導電性基板の前記半導体モジュール素子の実装面とは反対側の面に絶縁層と金属層とがその順に一体成形され、前記金属層の前記絶縁層側とは反対側の面に前記半導体モジュール素子から発生した熱を放熱する冷却体が配設されていることを特徴とする高電圧用の半導体電力変換装置。
【請求項２】
前記金属層は、前記冷却体と面接触させた状態で、露出する外周面に樹脂材によるコーティングが施されていることを特徴とする請求項１に記載の高電圧用の半導体電力変換装置。
【請求項３】
前記金属層の前記絶縁層側の面は、前記絶縁層の前記金属層側の面に対して小さい面積に選定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の高電圧用の半導体電力変換装置。
【請求項４】
前記冷却体は、前記金属層の前記絶縁層側とは反対側の面と面接触する突出部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項に記載の高電圧用の半導体電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の半導体モジュール素子を直列に接続した高電圧用の半導体電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型のモータや電車等の１０００Ｖを超える高電圧用の半導体電力変換装置を作製する場合に、耐圧の高い半導体モジュール素子では、スイッチング速度が遅いことから半導体モジュール素子のロスが大きくなり、大きな冷却体を必要としたり、出力側に高コストの高調波抑制フィルタを設置する必要などがあり、高コストや大型になってしまう。
【０００３】
また、複数の半導体モジュール素子を直列に接続し、高電圧用の半導体電力変換装置に用いる場合は、印加される総電圧が半導体モジュール素子の耐圧より大きくても、夫々の半導体モジュール素子には定格以内の電圧に収まるように設計するので問題にはならない。しかし、何らかの原因によって、直列に接続した複数の半導体素子の幾つかが故障した場合には、一つの半導体素子に耐圧以上の電圧が印加されてしまう。特に、一つの半導体モジュール素子に耐圧以上の電圧が印加されて絶縁破壊に至った際には、系統の電源がアースに短絡するといった最悪のケースが予想される。したがって、複数の半導体モジュール素子を直列に接続し、高電圧用の半導体電力変換装置に用い、冷却体をアース電位とした際には、半導体モジュール素子と冷却体との間に樹脂シート等を介装して絶縁補強を施す必要がある。
【０００４】
従来の高電圧用の半導体電力変換装置としては、例えば特許文献１に記載されている構成が知られている。すなわち、導電性の基板上に半導体チップを絶縁して搭載してなる半導体モジュール素子を複数個直列接続し、これらの半導体モジュール素子をそれぞれの導電性の基板を共通の導電性の冷却体と対向させて、それぞれ間に熱伝導性の絶縁シートを介して前記冷却体に結合してなる高電圧用の半導体電力変換装置において、前記半導体モジュール素子の導電性基板を絶縁性の結合手段により前記冷却体に結合し、絶縁シートが結合手段により短絡されないようにする高電圧用半導体電力変換装置が知られている。
【特許文献１】特開２００７−２５２０２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載の従来例にあっては、一般的に優れた絶縁シートは熱伝導率が低いために半導体モジュール素子と冷却体との間に設置すると大きな熱抵抗となり、冷却体を大きくしなければならず、複数の半導体モジュール素子を直列に接続することで冷却体を小さくできたメリットを生かせなくなってしまう。さらに、半導体モジュール素子、導電性基板、絶縁シート及び冷却体によって接触する面が増えてしまうことで接触熱抵抗を上げる結果となってしまう。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、複数の半導体モジュール素子を直列に接続する際に、熱抵抗の上昇を防止し、その結果冷却体の大型化を防止することができる高電圧用の半導体電力変換装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１に係る高電圧用の半導体電力変換装置は、複数の半導体モジュール素子を直列に接続した高電圧用の半導体電力変換装置であって、導電性基板の一方の面に前記半導体モジュール素子を実装し、前記導電性基板の前記半導体モジュール素子の実装面とは反対側の面に絶縁層と金属層とがその順に一体成形され、前記金属層の前記絶縁層側とは反対側の面に前記半導体モジュール素子から発生した熱を放熱する冷却体が配設されていることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２に係る高電圧用の半導体電力変換装置は、請求項１に係る発明において、前記金属層は、前記冷却体と面接触させた状態で、露出する外周面に樹脂によるコーティングが施されていることを特徴としている。
さらに、請求項３に係る高電圧用の半導体電力変換装置は、請求項１又は２に係る発明において、前記金属層の前記絶縁層側の面は、前記絶縁層の前記金属層側の面に対して接触面積が小さく選定されていることを特徴としている。
さらにまた、請求項４に係る高電圧用の半導体電力変換装置は、請求項１乃至３の何れか１項に係る発明において、前記冷却体は、前記金属層の前記絶縁層側とは反対側の面と面接触する突出部が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の半導体モジュール素子を直列に接続し、高電圧用の半導体電力変換装置に用いる際に、導電性基板の半導体モジュール素子の実装面とは反対側の面に絶縁層と金属層とが、その順に一体成形されているので、沿面距離を容易に確保することができ、熱抵抗の上昇を防止し、その結果冷却体の大型化を防止することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の高電圧用の半導体電力変換装置の側面図、図２は従来の高電圧用の半導体電力変換装置の説明に供する一例の側面図である。
図中、１は高電圧用の半導体電力変換装置であって、導電性基板２の一方の面となる上面２ａの略中央位置に、例えばインバータ装置を構成するスイッチング動作を行う半導体モジュール素子３が実装されている。
【００１０】
また、導電性基板２の半導体モジュール素子３の実装面とは反対側となる下面２ｂには、その下面２ｂを全て覆うように形成された絶縁層４と、この絶縁層４の導電性基板２側とは反対側の面即ち下面４ｂにその中心を一致させて形成された面積の小さい金属層５と、がその順に一体成形されている。さらに、金属層５の絶縁層４側即ち上面５ａとは反対側の面即ち下面５ｂには、半導体モジュール素子３から発生した熱を放熱する冷却体６が配設されている。そして、導電性基板２は冷却体６に対して、例えば図示しないボルトとこのボルトを絶縁する絶縁物とによって固定されている。
半導体モジュール素子３は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇｅｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等を用いることができる。
【００１１】
絶縁層４は、導電性基板２の下面２ｂに、その下面２ｂの形状と略等しく選定されたプリプレグを積層した状態で、チャンバーに入れ、このチャンバーで加熱及び加圧することよって成形し、厚さが約０．３ｍｍとなるように導電性基板２に一体成形されている。ここで、プリプレグは、炭素繊維やガラス繊維等に予め熱硬化性樹脂を含浸させてシート状に形成されている。熱硬化性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、エポキシ樹脂に対して絶縁抵抗性に優れたシリカフィラー等を混合してなる混合物、エポキシ樹脂に対して熱伝導性に優れた窒化アルミフィラー等を混合してなる混合物等を用いることができる。
【００１２】
金属層５は、例えば、アルミニウムや銅等の導電性に優れた金属部材によって形成されている。そして、金属層５は、導電性基板２の下面２ｂにプリプレグを積層した状態で、そのプリプレグの導電性基板２側とは反対側の面を覆うように積層し、チャンバーによる加熱及び加圧によって一体成形した後に、エッチングによって、外周部を除去することにより絶縁層４の下面４ｂの面積より小さい面積となるように成形されている。
【００１３】
冷却体６は、図１に示すように、熱伝導性に優れた金属からなる基部６ａと、この基部６ａの一方の面即ち上面６ｂの略中央位置から上方に突出する突出部６ｃとから凸状に形成された冷却体本体６ｄと、この冷却体本体６ｄの突出部６ｃ側とは反対側の面即ち下面６ｅに、所定間隔を保って平行に垂設された複数の放熱フィン６ｆとを備えている。ここで、突出部６ｃの基部６ａ側とは反対側の面即ち上面６ｇの面積は、金属層５の下面５ｂと対向するように金属層５の面積と略等しく選定されている。
【００１４】
そして、金属層５は、後述するように、金属層５の下面５ｂと突出部６ｃの上面６ｇとを面接触させた状態で、露出した外周面が例えば熱硬化性樹脂でなる樹脂コーティング材７によって覆われた構成を有する。ここで、樹脂コーティング材７は、金属層５の下面５ｂの端部から絶縁層４の下面４ｂに行くにつれて徐々に厚さが厚くなる断面で見て逆末広がり状に形成されている。
そして、樹脂コーティング材７の形成方法は、後述するように、金属層５の下面５ｂと突出部６ｃの上面６ｇとを面接触させた状態で、露出する外周面に、例えば熱硬化性樹脂を塗布した後に高温で加熱する工程を所定回数繰り返すことで成形されている。
【００１５】
次に、上記実施形態の動作を説明する。
高電圧用の半導体電力変換装置１を組立てるには、先ず、下面２ｂに絶縁層４及び金属層５を一体成形した導電性基板２の上面２ａを上方に向けた状態で、半導体モジュール素子３を導電性基板２の上面２ａの略中央位置に同軸的に実装する。
この状態で、導電性基板２の下面２ｂに絶縁層４を介して形成された金属層５の下面５ｂと冷却体６の突出部６ｃの上面６ｇとを対向させる。この状態で、導電性基板２を下降させて、突出部６ｃの上面６ｇに金属層５の下面５ｂを面接触させる。
このとき、金属層５の下面５ｂと突出部６ｃの上面６ｇ    とは、面の面積が略等しく選定されているので、突出部６ｃの上面６ｇに対して金属層５の下面５ｂの位置決めを容易に行うことができる。
【００１６】
この状態で、導電性基板２を冷却体本体６ｄに対して図示しないボルトと絶縁物とで固定させる。
このように、導電性基板２を絶縁層４と金属層５とを介して冷却体６の突出部６ｃに固定させることで、必要とする沿面距離を容易に確保することができる。この沿面距離は、金属層５の下面５ｂと冷却体６の突出部６ｃの上面６ｇとを面接触させた状態で、導電性基板２の下面２ｂの端部から突出部６ｃの上面６ｇの端部までの絶縁層４及び樹脂コーティング材７の露出した表面に沿った最短の距離のことであり、ＩＥＣ６０６６４−１規格やＥＮ５０１２４−１等で規定されている。そして、沿面距離は、材料や周囲の汚染度によって異なるが、例えば、汚染度ＰＤ３、材料グループ２とし、電圧を電車の在来線がインバータ駆動を行ったときの最高繰り返し電圧程度の３．３ＫＶとすると、ＥＮ５０１２４−１において、沿面距離が３１ｍｍ必要とされている。
【００１７】
因みに、金属層５及び突出部６ｃを省略し、絶縁層４の下面４ｂを直接冷却体６の基部６ａの上面６ｂに面接触させる構成とした場合に、数十ｍｍの沿面距離を確保しようとすると、絶縁層４の厚さと沿面距離とが同一距離となってしまい、絶縁層４の厚さを数十ｍｍにしなくてはならない。この場合には、絶縁層４が厚すぎて熱抵抗が増加し、絶縁層４を介して冷却体６に放熱する放熱効果が低下するという問題がある。
導電性基板２、絶縁層４及び金属層５は、プリプレグで一体形成されており、これらの接触部分の接触熱抵抗はほぼ無視できる程度なので、接触熱抵抗は冷却体６との接触部分である下面５ｂだけとみなすことができる。一方、従来のように絶縁シートを挟んだものは、導電性基板２、絶縁シート８及び冷却体６によって２箇所の接触部分があるので、接触熱抵抗が大きくなる。
【００１８】
本発明では、上述したように、絶縁層４の下側に面積の小さい金属層５を一体成形し、これに冷却体６の突出部６ｃを接触させるようにしたので、必要な沿面距離を確保しながら絶縁層４を薄くすることができ、冷却体６への高い放熱効果を確保することができる。
また、導電性基板２の下面２ｂに絶縁層４と金属層５とを一体成形することによって必要な沿面距離を確保し、金属層５の下面５ｂと突出部６ｃの上面６ｇとを面接触させた状態で、金属層５の露出した外周面が樹脂コーティング材７で覆われているので、絶縁層４及び樹脂コーティング材７の露出した表面で部分放電開始電圧を上昇させることができる。
【００１９】
因みに、金属層５の下面５ｂと突出部６ｃの上面６ｇとを面接触させた状態で、金属層５が露出している場合には、金属層５の上面５ａ及び下面５ｂの端部で部分放電開始電圧が低下してしまう。このため、部分放電開始電圧を上昇させるためには絶縁層４の厚さを厚くする必要があるが、厚さを厚くすれば熱抵抗が上昇するので、冷却体６を大型化する必要が出てきてしまう。
【００２０】
したがって、上記実施形態によれば、絶縁層４の厚さを厚くせずに沿面距離を確保することで、冷却体６を大型化することなく、熱抵抗の上昇を確実に防止することができる。
また、沿面距離を確保するために、図２に示すように、導電性基板２と冷却体６との間に、冷却体６の基部６ａから張り出す絶縁シート８を介装する場合もある。ここで、導電性基板２及び冷却体６は、絶縁シート８の上面８ａ及び下面８ｂの略中央位置に配置されている。この場合の沿面距離は、導電性基板２の下面２ｂの端部から冷却体６の基部６ａの上面６ｂの端部までの絶縁シート８の露出した表面に沿った最短の距離である。
【００２１】
しかし、絶縁シート８は、高放熱性と絶縁性を併せ持つ材料として、例えば、シリコンシートや窒化アルミニウム等で形成されてので、組立や運搬等の際に傷がつきやすく、傷がつくとその部分の絶縁性が低下してしまい、傷がついた箇所から絶縁破壊などの致命的な損傷となってしまう。また、絶縁シート８は、沿面距離を確保するために冷却体６の基部６ａから張り出すように形成されているので、運搬や組立の際に、シリコンシートでは傷がつきやすく、窒化アルミニウムでは脆く割れてしまう。さらに、導電性基板２を冷却体６に対して図示しないボルトと絶縁物とで固定する際に、導電性基板２、冷却体６、絶縁シート８等に歪みがあると、絶縁シート８が例えば窒化アルミニウム等のセラミックであると割れてしまう等の問題点がある。
【００２２】
しかしながら、上記実施形態によると、導電性基板２の下面２ｂに絶縁層４と金属層５が一体成形され、金属層５の下面５ｂと突出部６ｃの上面６ｇとを面接触させながら導電性基板２を冷却体６に対して図示しないボルトと絶縁物とによって固定するので、絶縁層４に傷がつくことを防止することができる。また、沿面距離を確保するために、導電性基板２の下面２ｂの形状と略等しい絶縁層４の下面４ｂに、その下面４ｂより面積の小さい金属層５を一体成形することで、運搬の際に、絶縁層４が傷つくことを防止することができる。
【００２３】
なお、上記実施形態において、冷却体６の基部６ａに突出部６ｃを形成する場合について、説明したが、これに限定されるものではなく、突出部６ｃの厚さを金属層５の厚さに足し合わして金属層５を厚くし、突出部６ｃを省略するようにしてもよく、この場合には、金属層５の下面５ｂを冷却体６の基部６ａの上面６ｂの略中央位置に面接触させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の高電圧用の半導体電力変換装置の側面図である。
【図２】従来の高電圧用の半導体電力変換装置の説明に供する一例の側面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１…高電圧用の半導体電力変換装置、２…導電性基板、３…半導体モジュール素子、４…絶縁層、５…金属層、６…冷却体、６ａ…基部、６ｃ…突出部、６ｅ…放熱フィン、７…樹脂コーティング材、８…絶縁シート
【図１】
2010074961.tif 000003
【図２】
2010074961.tif 000004