(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブリッジ接続された少なくとも２個の半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、少なくとも２つの直流端子対と、前記出力端子と前記半導体スイッチとを接続する第１の導体と、前記直流端子対と前記半導体スイッチとを接続する第２の導体と、前記半導体スイッチを含む筐体とを有し、前記第２の導体の少なくとも一部は導体間に絶縁体を挟む積層構造を有し、前記少なくとも２つの直流端子対を前記筐体の一面の１辺に設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ブリッジ接続された６個の半導体スイッチと、１組の３相交流端子と、少なくとも２つの直流端子対と、前記３相交流端子と半導体スイッチとを接続する第１の導体と、前記直流端子対と半導体スイッチとを接続する第２の導体と、前記半導体スイッチを含むケース及び底板とを有し、前記第２の導体の少なくとも一部は導体間に絶縁体を挟む積層構造を有し、前記少なくとも２つの直流端子対を前記ケース上面の１辺に設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
半導体装置内の半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体と負極側導体の少なくとも一部とにより絶縁体を挟み、前記正極側導体と前記負極側導体に対となるように正極直流端子と負極直流端子を少なくとも２つずつ設け、前記正極直流端子と前記負極直流端子を半導体装置のケース上面の１辺に設けたことを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
対となる直流端子間のそれぞれに少なくとも１つのコンデンサを接続したことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記導体の少なくとも一部は、底板上に、絶縁体を介して設けられていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか記載の半導体装置と前記半導体装置の直流端子に接続された電解コンデンサとを有する電力変換装置。
【請求項７】
請求項６において、前記電解コンデンサの一方の端子が前記半導体装置の正極側の直流端子に接続され、前記電解コンデンサの他方の端子が前記半導体装置の負極側の直流端子に接続され、
これらの接続は、複数の導体間に絶縁体を積層した導体板で実現されたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記電解コンデンサの一方の端子が前記半導体装置の正極側の直流端子の一方に接続され、前記電解コンデンサの他方の端子が前記半導体装置の負極側の直流端子の一方に接続されたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記半導体装置は、直流を可変電圧かつ可変周波数の交流に変換し、前記電解コンデンサは、直流の変動抑制することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
交流が入力される３相交流端子を有する請求項２記載の半導体装置と、該半導体装置の直流端子に接続された電解コンデンサと、電解コンデンサに直流端子が接続される請求項２記載の半導体装置とを有することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及び電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置内配線構造については、特開平７−３１１５５２  号公報が、電力変換装置で電解コンデンサと半導体装置を接続する配線構造については、特開平８−１４０３６３号公報がある。これらの技術は、スイッチング時の損失増加と素子耐圧を越える電圧発生の要因となるインダクタンスを減少させるため、半導体装置内配線と、電力変換装置における電解コンデンサと半導体装置を接続する配線において、正極側配線と負極側配線を流れる電流の向きが互いに逆になるように積層構造化することを開示する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、スイッチング時の損失増加と素子耐圧を越える電圧発生の要因となるインダクタンスを、半導体装置内配線と、電力変換装置における電解コンデンサと半導体装置を接続する配線において、個別に低減するものである。上記従来技術では、電解コンデンサと半導体装置を接続する配線と半導体装置直流端子の接続部で生じるインダクタンス等を含めたインダクタンス全体の低減について、配慮されていない。本発明の目的は、インダクタンスを低減できる半導体装置及び電力変換装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの見方によれば、本発明の一つの特徴は、半導体装置内の半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体と負極側導体の少なくとも一部を、絶縁体を挟むことで積層化し、前記正極側導体と負極側導体に対となるように正極直流端子と負極直流端子を少なくとも２つずつ設け、前記正極直流端子と負極直流端子を半導体装置のケース上面の１辺に設けたことを特徴とする半導体装置、又は前記半導体装置を用いた電力変換装置である。
【０００５】
本明細書において、半導体装置の筐体は、少なくともケ−スと底板を有している。また、正極直流端子と負極直流端子を単に直流端子と称することも有る。また、２個の正極直流端子又は２個の負極直流端子が一対となっている場合、それぞれ直流端子対と称することも有る。
【０００６】
本発明の上記特徴及びその他の特徴は、以下の記載により、さらに明確とされる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図１から図９に基づいて説明する。図１から図９において、同じもの及び同じ機能を有するものは同じ符号を付した。また、図を分かり易くするため、半導体スイッチを駆動するドライブ回路は省略している。
【０００８】
図８は、電力変換装置の回路構成の一例を示している。図８において、３０ａ，３０ｂは半導体装置、３１は三相交流電源、３２は入力電線、３３ａは主回路配線、３３ｂは主回路配線、２７は電解コンデンサ、３４は出力配線、３５は誘導電動機（負荷とも呼ばれる）である。前記半導体装置３０ａ，３０ｂはＩＰＭ、又はパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体スイッチ素子で構成されている。
【０００９】
半導体装置３０ｂは三相交流電源３１を直流に変換しているため、半導体装置３０ｂは三相交流電源３１を合わせて直流電源と見なすことができる。従って、入力電源がバッテリー等の直流電源の場合、図８の電力変換装置は半導体装置３０ｂと三相交流電源３１と入力電線３２を直流電源に置き替えた装置構成になる。本実施の形態において、半導体装置３０ｂと三相交流電源３１と入力電線３２の組合わせも直流電源と称することがある。
【００１０】
上記半導体装置３０ａは電解コンデンサ２７で平滑化された直流電圧を入力とし、可変電圧、可変周波数の交流をＵ相Ｖ相Ｗ相の３相交流を出力配線３４へ出力する。誘導電動機３５は出力配線３４を通じて供給される電流・電圧により駆動される。
【００１１】
また、図８中には示してないが、電力変換装置には、上記の構成物の他に、前記半導体装置３０ａや３０ｂのスイッチング動作を制御する制御回路となる回路基板と、前記半導体装置３０ａや３０ｂを冷却するための冷却フィン，冷却ファン等を更に含んでも良い。
【００１２】
図９は、直流を入力し、ＵＶＷ三相交流を出力するための半導体装置３０ａの構成の一例を示した図である。図９において、３０ａは半導体装置、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは半導体スイッチ、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆはダイオード、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆは半導体スイッチ制御端子、３は正極端子、２は負極端子、４はＷ相出力端子、５はＶ相出力端子、６はＵ相出力端子であり、４，５，６で一組の三相交流端子である。正極端子３と負極端子２間には直流電圧が印加されている。また、図を分かり易くするため、半導体スイッチのオンオフ信号を駆動するドライブ回路は省略している。ドライブ回路からの制御信号は半導体スイッチ制御端子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆを介して半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆのスイッチングを制御する。
【００１３】
半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆには、パワーＭＯＳＦＥＴ或いはＩＧＢＴが用いられる。半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合、前記パワーＭＯＳＦＥＴは素子構造的にダイオードを含んでいるため、半導体スイッチ１８ａとダイオード１９ａを１チップで構成することができる。したがって、半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合にはダイオードを別部品として実装しなくて良い。
【００１４】
半導体スイッチ１８ａと半導体スイッチ１８ｂが、半導体スイッチ１８ｃと半導体スイッチ１８ｄが、半導体スイッチ１８ｅと半導体スイッチ１８ｆはそれぞれブリッジ接続されている。半導体装置３０ａは半導体スイッチ制御端子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆにＰＷＭ（ＰＬＵＳＥ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号電圧を印加し、ブリッジ接続されたそれぞれの半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆのオン（開），オフ（閉）の時間を制御することで、可変周波数・可変電圧の三相交流を三相交流出力端子４，５，６から負荷３５へ出力するものである。
【００１５】
上記ＵＶＷ三相交流を出力する装置構成としては正極端子３，負極端子２，ブリッジ接続した半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ、出力端子６で構成した半導体装置を３つ用いても実現できる。本発明は半導体スイッチの個数、ブリッジ回路の個数に依存しない箇所の配線構造に関するものなので、ブリッジ接続された少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、正極・負極直流端子で構成された半導体装置に適用することができる。
【００１６】
半導体装置３０ａにおいて、半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆのそれぞれがオンからオフへの切り替えする際に、そのオンからオフへの切り替わる半導体スイッチをブリッジ接続する配線と、主回路配線３３ａおよび主回路配線３３ｂと電解コンデンサ２７で構成する経路で電流値が大きく変化する。その時、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチには、電解コンデンサに印加されている直流電圧を越えた電圧が瞬時的に印加される。上記の直流電圧を越えた電圧分（以下、この電圧を跳ね上り電圧と呼ぶ）は前記経路と電解コンデンサ２７の合計インダクタンスと前記経路における電流の時間微分値の積によって決定される。従って、上記インダクタンスの増加すると、スイッチング時の半導体スイッチへの印加電圧が増加することになる。そして、前記印加電圧が素子耐圧を越えたとき、素子破壊が起ることになる。
【００１７】
また、跳ね上り電圧の増大に伴なって半導体スイッチのスイッチング損失が増大し、前記スイッチング損失増大は半導体スイッチの寿命短縮または冷却ためのコスト増加の一因となる。
【００１８】
また、図８に示した３相交流を直流に変換する半導体装置３０ｂは、基本構成を図９で述べた半導体装置３０ａと同様にしても良い。
【００１９】
図１は、本発明の半導体装置の直流端子配置を示す半導体モジュールの概観図である。
【００２０】
図１において、１はケース、２ａ，２ｂは負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、２４は制御補助端子、３０は半導体装置である。２ａ，２ｂ，３ａ，３ｂの各端子には配線取付け用のネジ穴が設けられている。また、４，５，６の出力端子には配線取付け用の穴が設けられている。ネジ穴８は冷却フィンと金属底板７を面固定する時に使用する。
【００２１】
図１は半導体装置において、正極直流端子３ａと負極直流端子２ａが、正極直流端子３ｂと負極直流端子２ｂがそれぞれ対となり、直方体形状のケース１の一辺に並設されている構造を示している。以下では、上記の３ａと２ａのような端子組み合わせを正極負極直流端子対と呼ぶ。
【００２２】
以下では、図１の半導体装置３０の電力変換装置における実装形態及び半導体装置３０の内部配線構造を示し、本発明が解決する課題であるスイッチング時の損失増加と素子耐圧を越える電圧発生による半導体スイッチ破壊の要因となるインダクタンスを低減することについて説明する。
【００２３】
図４は、電力変換装置において電解コンデンサ２７と半導体装置３０の接続例である。
【００２４】
図４において、１はケース、２ａ，２ｂは負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、２４は制御補助端子、３０は半導体装置、２１は正極側導体板、２２は負極側導体板、２３は絶縁シート、２４は制御補助端子、２５，２６はコンデンサ端子、２７は電解コンデンサ、３６は正極側端子、３７は負極側端子である。図４において、正極側導体板２１と正極直流端子３ａ，３ｂは、負極側導体板２２と負極直流端子２ａ，２ｂはネジで面接続されている。また、電解コンデンサ２７はコンデンサ端子２５，２６で負極側導体板２２と正極側導体板２１にそれぞれ接続している。３６及び３７は直流電源に接続されている。また、出力端子４，５，６は負荷に接続されている。
【００２５】
図２は図１の半導体装置内で半導体スイッチとブリッジ回路を構成する配線構造を示す斜視図である。図１の半導体装置３０は６つの半導体スイッチをブリッジ接続した半導体装置である。
【００２６】
図２において２ａ，２ｂは負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６は出力端子、９は負極側板状導体、１０は正極側板状導体、１１は絶縁シート、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆは基板、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆはダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌはワイヤ配線、１７は金属底板である。
【００２７】
図２において、基板１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆは導体配線と絶縁板の層構造になっており、基板上での電流経路と、金属底板１７との絶縁を確保している。
【００２８】
図２において、半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴを使用した場合に想定して、半導体スイッチとダイオードを合わせて１部品として記載した。
【００２９】
図２においてワイヤ配線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍは４本ずつ図示されているが、半導体装置の仕様とワイヤ配線径によってワイヤ配線本数は異なり、４本に限定するものではない。
【００３０】
図２において負極直流端子２ａ，２ｂが負極側板状導体９の一部分、正極直流端子３ａ，３ｂが正極側板状導体１０の一部分であり、前記負極側板状導体９と正極側板状導体１０は絶縁シート１１を挟んだ積層構造になっている。負極側板状導体９と正極側板状導体１０において流れる電流の向きが互いに逆になっていることと導体間距離が絶縁シート厚さ分の極近接している。そのため、これらの配線は低インダクタンス構造になっている。
【００３１】
図２と図４を用いて、跳ね上り電圧に関する電流経路を説明する。半導体装置３０の内部には３つのブリッジ回路があるが、全て類似な経路となるので、ここではダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，１３ｂで構成されたブリッジ回路を通る電流経路について示す。前記電流経路はコンデンサ端子２６を始まりとすると、正極側導体板２１より正極直流端子３ａと３ｂを通り、正極直流端子３ａと３ｂから正極側板状導体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導体９から負極直流端子２ａ，２ｂを通って、負極直流端子２ａ，２ｂから負極側導体板２１を通ってコンデンサ端子２５に到る経路である。
【００３２】
上記の電流経路において、半導体装置３０では以下の１）２）３）の順に示す考えによって、低インダクタンス化を実現している。
【００３３】
１）半導体装置３０に２つ以上の正極負極直流端子対を設ける。上記電流経路では正極直流端子３ａと３ｂと負極直流端子２ａ，２ｂで電流経路を並列化することにより、インダクタンスを低減することが可能である。
【００３４】
２）半導体装置と正極側導体板２０及び負極側導体板２１を同方向から接続することで、正極側導体板２０と負極側導体板２１を曲げの少ない形状でかつ、正極側導体板２０と負極側導体板２１で生じる電解コンデンサ２７から各々の正極負極直流端子対までのインダクタンス差を小さくした配線構造を実現可能にするため、１）に記載した２つ以上の正極負極直流端子対を半導体装置３０における直方体状のケース１の上面一辺に並設する。
【００３５】
３）図３に図２のブリッジ等価回路を示す。図３において、２ａ，２ｂは負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６は出力端子、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは半導体スイッチ、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆはダイオード、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆは半導体スイッチング制御端子である。また、９′と１０′は等価回路上で、図２における負極側板状導体９と正極側板状導体１０を積層化による低インダクタンス構造にした部分に該当する。図３の等価回路において、半導体スイッチ１８ａ，１８ｂで構成するブリッジ回路を通る上記電流経路を例にすると、２ａと３ａで構成される正極負極直流端子対から半導体スイッチ１８ａ，１８ｂに到る経路と２ｂと３ｂで構成される正極負極直流端子対から半導体スイッチ１８ａ，１８ｂに到る経路では９′と１０′の経路分のインダクタンス差が生じる。前記インダクタンス差が大きいほど、電流はインダクタンスの小さい経路へ流れ、１）に記載したように２つ以上の正極負極直流端子対を半導体装置に設けた電流経路並列化の効果は小さい。そのため、９′と１０′の経路を図２の示すように負極側板状導体９と正極側板状導体１０を積層化による低インダクタンス構造とする。
【００３６】
上記の１）２）３）に従い、半導体装置３０及びそれを用いた電力変換装置では電解コンデンサ２７から正極負極直流端子対である２ａと３ａ，２ｂと３ｂまでの電流経路と半導体装置内部のブリッジ配線の電流経路が並列化できる。加えて、電流経路並列化による効果を高めるために、半導体装置内部のブリッジ配線の一部積層構造化と正極負極直流端子対である２ａと３ａ，２ｂと３ｂをケース１の上面１辺に設けることで、電流経路並列化によるインダクタンス低減効果を高めている。よって、半導体装置３０及びそれを用いた電力変換装置では跳ね上り電圧の大きさを決定するインダクタンス全体を低減することが可能である。その結果、スイッチング時の跳ね上がり電圧の増大とそれに伴なう素子破壊が防止され、且つ跳ね上り電圧増大に伴なう電力損失が低減される。
【００３７】
また、本実施の形態において、半導体装置３０では半導体装置内部において、図３における９′と１０′の部分が低インダクタンス化されているため、３つのブリッジ回路において跳ね上り電圧の大きさを決定するインダクタンスの差を小さくすることを実現している。これにより、３つのブリッジ回路における跳ね上り電圧の差が減少し、電流・電圧出力のバランスが良い半導体装置を提供できる効果もある。
【００３８】
ここで、図４の構造を例に本発明の実施例の効果を具体的な数値を用いて説明する。以下では半導体装置の寸法を縦１２０ｍｍ，横１４０ｍｍ，高さ３０ｍｍとし、素子耐圧１００Ｖ，立ち下り時間３００ｎｓｅｃの半導体スイッチを直流電圧４０Ｖ，遮断電流２５０Ａで使用する電力変換装置を想定する。
【００３９】
上記のモジュール寸法に図２の配線構造を実装した場合、正極直流端子３ａから正極側板状導体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導体９から負極直流端子２ａを通る経路のインダクタンスは約３５ｎＨである。その内訳は、正極直流端子３ａと負極直流端子２ａの非積層構造部で生じているインダクタンスは約１５ｎＨ、積層配線９，１０で生じているインダクタンス約５ｎＨ、ボンディングワイヤ１４及び基板１２ａ，１２ｂと半導体素子１３ａ，１３ｂで構成される電流経路のインダクタンスは約１５ｎＨである。
【００４０】
また、正極直流端子３ｂから正極側板状導体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導体９から負極直流端子２ｂを通る経路のインダクタンスは約３０ｎＨである。本実施例の配線構造では上記２経路におけるインダクタンスの差は差を生じる配線９，１０を積層化することで小さくなっている。上記のインダクタンスはボンディングワイヤ１４の本数及びルーフトップ高さによって変化するが、実現可能な数値として示した。この半導体装置３０を図４に示すように電解コンデンサ２７と正極側導体板２１と負極側導体板２２を用いて接続する。本検討では電解コンデンサの内部インダクタンス値を２０ｎＨと仮定する。コンデンサ端子２５，２６端子の距離を約３０ｍｍとするとコンデンサ端子から見た端子２ａ，３ａを短絡した場合のインダクタンスは約３０ｎＨである。その内訳は、コンデンサ端子２５，２６で電流が対向して流れないことによるインダクタンスが約１０ｎＨ，半導体装置３０の直流端子付近の正極側導体板２１と負極側導体板２２が非積層構造になっている部分でのインダクタンスが約１５ｎＨ，正極側導体板２１と負極側導体板２２の積層構造部のインダクタンスが約５ｎＨである。
【００４１】
上記と同様にコンデンサ端子２５，２６端子から見た端子２ｂ，３ｂを短絡した場合のインダクタンスも同様に約３０ｎＨである。上記の各部位のインダクタンス内訳と電解コンデンサの内部インダクタンスから、跳ね上り電圧値に大きな影響を与える電解コンデンサから半導体装置内のブリッジ配線を通る電流経路のインダクタンスを概算すると、本実施例では電流経路が並列化した効果により、約５０ｎＨとなる。上記の電流経路のインダクタンスに電解コンデンサの内部インダクタンスを加え、半導体スイッチに印加されるピーク電圧を概算すると、｛（直流電圧）＋（インダクタンス）×（遮断電流）÷（立ち下り時間）｝より、約８２Ｖとなり、素子耐圧に対して設計余裕度のある値になっている。
【００４２】
一方、従来方式の端子構造を正極直流端子３ｂと負極直流端子２ｂが無い場合と同等と見なしてインダクタンスを算出すると、約７５ｎＨとなる。この場合、半導体スイッチに印加されるピーク電圧を概算すると、約１０３Ｖとなる。従って、ピーク電圧が素子耐圧を越えることになるため、このままでは本仕様の半導体装置および電力変換装置は実現できないことになる。
【００４３】
次に、半導体装置の正極負極直流端子対にコンデンサ２８ａ，２８ｂを実装した半導体装置及び電力変換装置について説明する。図５は半導体装置の正極負極直流端子対にコンデンサ２８ａ，２８ｂを実装した電力変換装置の概観図である。
【００４４】
図５において、１はケース、２ａ，２ｂは負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、２１は正極側導体板、２２は負極側導体板、２３は絶縁シート、２４は制御補助端子、２５，２６はコンデンサ端子、２７は電解コンデンサ、２８ａ，２８ｂはコンデンサ、３６は正極側端子、３７は負極側端子である。コンデンサ２８ａ，２８ｂはスイッチング時に流れる高周波電流のみを充放電するため、その容量は電解コンデンサに比較して非常に小さくてよい。そのため、コンデンサには容量が１μＦ〜１０μＦ程度の高周波特性の良い、即ちインダクタンスが小さいフィルムコンデンサが使用可能であり、コンパクトな実装が可能である。
【００４５】
図５の半導体装置及び電力変換装置における跳ね上り電圧に関する電流経路を図２と図５を用いて以下に説明する。ここではダイオード及び半導体スイッチ１４ａ，１４ｂで構成されたブリッジ回路を通る電流経路について示す。本構造において、前記電流経路はコンデンサ２８ａを始まりとして、正極直流端子３ａから正極側板状導体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導体９から負極直流端子２ａを通ってコンデンサ２８ａへ戻る経路と、コンデンサ２８ｂを始まりとして、正極直流端子３ｂから正極側板状導体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導体９から負極直流端子２ｂを通ってコンデンサ２８ｂへ戻る経路の２経路である。上記の２経路でワイヤ配線１４ａからワイヤ配線１４ｃまでは共通である。
【００４６】
跳ね上り電圧に関するインダクタンスに関して、図５の構造は、正極側導体板２１と負極側導体板２２で生じるインダクタンスが含まれないことと、電解コンデンサ２７の内部インダクタンスに比べ、コンデンサ２８ａ，２８ｂのインダクタンスが小さいこと、さらにコンデンサ２８ａ，２８ｂの２つのコンデンサを並列化していることにより、図４の構造に比べ、低インダクタンス化が実現できる。
【００４７】
従って、図５の構造により、正極側導体板２０と負極側導体板２１及び電解コンデンサ２７の配線構造に依存しない半導体装置を提供することができる。
【００４８】
図６に図５の２つの正極負極直流端子対にコンデンサ２８ａ，２８ｂを接続する構造の応用例を示す。
【００４９】
図６において、１はケース、２ａ，２ｂは負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、２１は正極側導体板、２２は負極側導体板、２３は絶縁シート、２４は制御補助端子、２５，２６はコンデンサ端子、２７は電解コンデンサ、２８ａ，２８ｂはコンデンサ、３６は正極側端子、３７は負極側端子である。
【００５０】
図６は図５の構造に対して、正極側導体板２１と負極側導体板２２をそれぞれ正極直流端子３ａ，負極直流端子２ａにのみ接続した構造である。図６の構造は、跳ね上り電圧を決めるインダクタンスに関して、図５とほぼ同じ低インダクタンス化が実現できる。
【００５１】
図６の例は、電力変換器の配線構造を設計する際に、インダクタンス低減という課題に対して、半導体装置３０が正極側導体板２１と負極側導体板２２の形状依存しない柔軟な設計が可能な構造であることを示している。
【００５２】
ここで、図５，図６の構造を例に本実施例の効果を具体的な数値を用いて説明する。以下では半導体装置の寸法を縦１２０ｍｍ，横１４０ｍｍ、高さ３０ｍｍとし、素子耐圧１００Ｖ、立ち下り時間３００ｎｓｅｃの半導体スイッチを直流電圧４０Ｖ，遮断電流４００Ａで使用する電力変換装置を想定する。
【００５３】
正極直流端子３ａから正極側板状導体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導体９から負極直流端子２ａを通る経路のインダクタンスは約３５ｎＨである。その内訳は、正極直流端子３ａと負極直流端子２ａの非積層構造部で生じているインダクタンスは約１５ｎＨ，積層配線９，１０で生じているインダクタンス約５ｎＨ，ボンディングワイヤ１４及び基板１２ａ，１２ｂと半導体素子１３ａ，１３ｂで構成されるの電流経路のインダクタンスは約１５ｎＨである。
【００５４】
また、正極直流端子３ｂから正極側板状導体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導体９から負極直流端子２ｂを通る経路のインダクタンスは約３０ｎＨである。
【００５５】
図５，図６の構造では跳ね上り電圧値に大きな影響を与える電流経路はコンデンサ２８ａ，２８ｂのインダクタンスと半導体装置内のブリッジ配線のみになる。ここでコンデンサ２８ａ，２８ｂのインダクタンスを約１０ｎＨと仮定する。この時と跳ね上り電圧値に大きな影響を与えるインダクタンスは、電流経路を並列化したことにより、約２５ｎＨとなる。この時、半導体スイッチに印加されるピーク電圧は約７３Ｖとなり、素子耐圧に対して設計余裕度のある値になっている。
【００５６】
一方、従来方式の端子構造を正極直流端子３ｂと負極直流端子２ｂが無い場合と同等と見なして算出すると、インダクタンスは約４５ｎＨとなる。この場合、半導体スイッチに印加されるピーク電圧は約１００Ｖとなり、耐圧に対して余裕が無く、このままでは仕様の半導体装置および電力変換装置が実現できないことになる。本検討において、跳ね上り電圧抑制の目的のために必要なコンデンサ２８ａ，２８ｂの容量は５μＦ〜１０μＦ程度である。
【００５７】
図７に正極直流端子３ａと負極直流端子２ａ間のコンデンサ２９ａと正極直流端子３ｂと負極直流端子２ｂ間のコンデンサ２９ｂをケース１の内部で接続した構造を示す。図７において、２ａ，２ｂは負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６は出力端子、９は負極側板状導体、１０は正極側板状導体、１１は絶縁シート、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆは基板、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆはダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍはワイヤ配線、１７は金属底板、２９ａ，２９ｂはコンデンサである。
【００５８】
図７では、半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴを使用した場合に想定して、半導体スイッチとダイオードを合わせて１部品として記載した。
【００５９】
図７の構造はインダクタンス低減の観点から図５，図６の構造と同じ効果である。しかし、半導体装置としての概観は図１と同じになり、図５，図６の構造と比較して、コンデンサ２９ａ，２９ｂをケース１の内部に実装することによるコンパクト化の利点がある。
【００６０】
図１から図７では半導体装置３０の正極直流端子３ａ，３ｂ，負極直流端子２ａ，２ｂはケース１の上面の一辺に２ａ，３ａ，２ｂ，３ｂの順に配置してあるが、本実施の形態では３ａと２ａが、３ｂと２ｂが対になっていれば、上記の１）２）３）で述べたインダクタンス低減が実現できる。従って、半導体装置３０においてケース１の上面の直流端子は２ａ，３ａ，３ｂ，２ｂの順、或いは３ａ，２ａ，２ｂ、３ｂの順に配置してあっても良い。
【００６１】
図１から図７では６つの半導体スイッチをブリッジ接続した半導体装置を用い、インダクタンス低減という課題を解決する半導体装置構造および電力変換装置を示した。しかし、本実施の形態は、半導体装置の正極直流端子と負極直流端子及び負極側板状導体９，正極側板状導体１０の構造に関するものであり、その効果はダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，前記ダイオード及び半導体スイッチと直接接続されるワイヤ配線１４ａ，１４ｂ、１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ、１４ｌ、基板１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆが種々の構造に適用できる。例えば、２つの半導体スイッチをブリッジ接続した半導体装置において、半導体装置３０と同様に半導体スイッチをブリッジ接続する導体の少なくとも一部を積層化し、２つ以上の正極負極直流端子対をケース上面の１辺に並設することにより、適用できる。従って、ブリッジ接続された少なくとも２つの半導体スイッチを有する半導体装置であっても適用することが可能である。
【００６２】
図１から図７では、２つの正極負極直流端子対を持つ半導体装置３０を例に説明したが、正極負極直流端子対の並列化によるインダクタンス低減メカニズムより、３つ以上の直流端子対をケース上面の一辺に並列化しても同様の効果を得ることができる。
【００６３】
また、半導体装置３０の正極負極直流端子対についても、正極負極直流端子対の並列化によるインダクタンス低減メカニズムより、２つの正極直流端子と１つの負極直流端子を、或いは１つの正極直流端子と２つの負極直流端子を１対の正極負極直流端子対と見なして半導体装置のケース上面の一辺に並列化しても同様の効果を得ることができる。
【００６４】
以上に述べた配線及び端子構造を有する半導体装置或いは前記半導体装置の端子にコンデンサを接続した半導体装置と、それらの半導体装置を用いた電力変換装置の配線構造は、スイッチング時に半導体スイッチの耐圧を越えた電圧が印加されることによる半導体素子破壊の防止と、スイッチング時の半導体素子損失を低減する効果がある。上記の効果により、より大きな電流を出力する半導体装置及び電力変換装置を半導体装置及び電力変換装置の配線構造の変更と言う安価な方法によって提供することができる。即ち、半導体装置におけるスイッチング時の跳ね上がり電圧の増大とそれに伴なう素子破壊と電力損失の増大の原因となるインダクタンスの低減できる半導体装置の構造とそれを用いた電力変換装置が開示される。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、インダクタンスを低減できる半導体装置及び電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における半導体装置のモジュール外観の概略を示す斜視図。
【図２】図１の半導体装置内の配線構造を示す斜視図。
【図３】本発明の一実施例の半導体スイッチを有するブリッジ等価回路を示す図。
【図４】図１の半導体装置を用いた電力変換器の一例を示す斜視図。
【図５】図１の半導体装置を用いた電力変換器の他の一例を示す斜視図。
【図６】図１の半導体装置を用いた電力変換器のその他の一例を示す斜視図。
【図７】本発明の一実施例の配線構造を示す概略斜視図。
【図８】電力変換装置の回路構成の一例を示す図。
【図９】ＵＶＷ三相交流を出力するための半導体装置の回路構成の一例を示した図である。
【符号の説明】
１…ケース、２ａ，２ｂ…負極直流端子、３ａ，３ｂ…正極直流端子、４，５，６…出力端子、７…金属底板、８…ネジ穴、９，２２…負極側板状導体、９′，１０′…電流経路、１０，２１…正極側板状導体、１１，２３…絶縁シート、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ…基板、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ…ダイオード及びパワー半導体素子、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ…ワイヤー配線、１７…金属底板、１８…半導体スイッチング、１９…ダイオード、２０…半導体スイッチング制御端子、２４…制御補助端子、２５，２６…コンデンサ端子、２７…電解コンデンサ、２８ａ，２８ｂ，２９ａ，２９ｂ…コンデンサ、３０，３０ａ，３０ｂ…半導体装置、３１…三相交流電源、３２…入力電線、３３ａ，３３ｂ…主回路配線、３４…出力配線、３５…誘導電動機（負荷）、３６…正極側端子、３７…負極側端子。
【図１】
0003633432.tif 000002
【図２】
0003633432.tif 000003
【図３】
0003633432.tif 000004
【図４】
0003633432.tif 000005
【図５】
0003633432.tif 000006
【図６】
0003633432.tif 000007
【図７】
0003633432.tif 000008
【図８】
0003633432.tif 000009
【図９】
0003633432.tif 000010