(57)【要約】【課題】実装プロセスを容易にすること及び、パワー半導体モジュールの信頼性を向上することである。【解決手段】パワー半導体素子が実装されている前記第１および第２の導体板と、前記パワー半導体素子を駆動する前記駆動素子が実装された前記配線基板を備えたパワー半導体モジュールであって、前記パワー半導体素子と対向する前記第１導体板の対向面の垂直方向から投影した場合に、前記配線基板は、当該配線基板の射影部の一部が前記第１導体板の射影部と重なるように配置されるとともに前記第１導体板に接合され、前記駆動用素子及び前記配線導体は、当該駆動用素子及び当該配線導体の射影部が前記第１導体板及び前記第２射影部の射影部と重ならないように配置されるパワー半導体モジュール。【選択図】図１
2014038973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電流を交流電流に変換するインバータ回路を構成するパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子と対向する第１導体板と、
前記パワー半導体素子を挟んで前記第１導体板と対向する第２導体板と、
前記パワー半導体素子を駆動する駆動用素子と、
前記駆動用素子を搭載する配線基板と、
前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第２導体板と前記駆動用素子と前記配線基板を封止する封止材と、を備え、
前記第１導体板において当該第１導体板と前記パワー半導体素子との対向面の垂直方向から投影した場合に、
前記配線基板は、当該配線基板の射影部の一部が前記第１導体板の射影部と重なるように配置されるとともに前記第１導体板に接合され、
前記駆動用素子は、当該駆動用素子の射影部が前記第１導体板及び前記第２導体板の射影部と重ならないように配置されるパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載されたパワー半導体モジュールであって、
前記パワー半導体素子のゲート端子と前記配線基板を電気的に接続する配線導体を備え、
前記配線導体は、当該配線導体の射影部が前記第１導体板及び前記第２導体板の射影部と重ならないように配置されるパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１に記載されたパワー半導体モジュールであって、
前記配線基板は、当該配線基板の一部が前記第１導体板と前記第２導体板との間に挟まれる位置に配置され、
さらに前記配線基板は、前記第１導体板と前記第２導体板により支持されるパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記封止材によって封止された前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第２導体板と前記駆動用素子と前記配線基板を封止体と定義し、
前記封止体の一方の面と対向する第１放熱板と、
前記封止体を挟んで、前記第１放熱板と対向する第２放熱板と、を備え、
前記封止体と対向する前記一方の面の垂直方向から投影した場合に、
前記駆動用素子は、当該駆動用素子の射影部が前記第１放熱板の射影部及び前記第２放熱板の射影部と重なるように配置される電力変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載されたパワー半導体モジュールであって、
前記配線基板と前記第２放熱板との間に配置されるスペーサを備え、
前記スペーサは、当該スペーサの一面が前記第２導体板の一面と同一面上に配置されるように形成されるパワー半導体モジュール。
【請求項６】
請求項１ないし５に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記パワー半導体素子は、複数設けられ、
前記複数のパワー半導体素子は、前記インバータ回路の上アーム回路部を構成する第１パワー半導体素子と、前記インバータ回路の下アーム回路部を構成する第２パワー半導体素子と、を含んで構成され、
前記駆動用素子は、前記第１パワー半導体素子を駆動するための第１駆動信号及び前記第２パワー半導体素子を駆動するための第２駆動信号の両方を出力するパワー半導体モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載されたパワー半導体モジュールであって、
前記駆動用素子は、前記第１パワー半導体素子及び前記第２パワー半導体素子の双方を遮断状態とするためのデッドタイム期間を設けるように、前記第１駆動信号及び前記第２駆動信号を出力し、
前記駆動用素子は、前記第１パワー半導体素子と当該駆動用素子と間の距離と前記第２パワー半導体素子と当該駆動用素子と間の距離を同じになるように配置されるパワー半導体モジュール。
【請求項８】
請求項１ないし７に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記配線基板は、電気的絶縁性を有する基板部と、当該基板部の内部に配置されるとともに前記駆動用素子と接続される第１配線層と、当該基板部の表面に実装される第２配線層と、を有し、
前記駆動用素子を搭載した前記配線基板の面と垂直方向から投影した場合に、前記第１配線層は、当該第１配線層の射影部が前記第２配線層の射影部と重なるように形成されるパワー半導体モジュール。
【請求項９】
請求項８に記載されたパワー半導体モジュールであって、
前記第２配線層は、電源トランスと電気的に接続されるとともに前記駆動用素子を駆動させる電力を伝達するパワー半導体モジュール。
【請求項１０】
請求項１ないし９に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記封止材によって封止された前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第２導体板と前記駆動用素子と前記配線基板を封止体と定義し、
前記封止体を収納するケースと、を備え、
前記ケースは、前記封止体と対向する部分に放熱部を有し、
前記封止体と対向する前記放熱部の対向面の垂直方向から投影した場合に、
前記駆動用素子は、当該駆動用素子の射影部が前記放熱部の射影部と重なるように配置されるパワー半導体モジュール。
【請求項１１】
請求項１ないし１０に記載されたいずれかのパワー半導体モジュールであって、
前記封止材によって封止された前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第２導体板と前記駆動用素子と前記配線基板を封止体と定義し、
前記封止体を収納するケースと、
前記駆動用素子と電気的に接続される制御端子と、
前記直流電流又は前記交流電流を伝達する主端子と、を備え、
前記ケースは、前記封止体と対向する部分に放熱部を有するとともに、第１開口部と、当該放熱部を挟んで前記第１開口部とは反対側に配置される第２開口部を形成し、
前記制御端子は、前記ケース内部から前記第１開口部を介して前記ケース外部に突出し、
前記主端子は、前記ケースの内部から前記第２開口部を介して前記ケースの外部に突出するパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は直流電力を交流電力に変換しあるいは交流電力を直流電力に変換するために使用するパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力変換装置の高出力・高密度化が求められ、パワー半導体モジュールの小型化が注目されている。小型化のためには、ドライブ回路などの制御回路をパワー半導体モジュールと一体化し、内蔵集積化のキー技術が必須となっている。
【０００３】
パワー半導体モジュールでは、一般的に電力スイッチング用素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や電流還流用のダイオードが実装されており、そのＩＧＢＴを駆動するためのドライブＩＣなどの制御素子をモジュール化したインテリジェント型パワー半導体モジュールが知られている。
【０００４】
たとえば、特許文献１では、リード端子が外部へ引き出された状態で、パワー半導体を搭載したパワー回路基板が絶縁樹脂で封止されてなるパワー回路モジュールと、パワー半導体を駆動・制御する制御回路基板が絶縁樹脂で封埋された制御回路モジュールを備え、パワー回路モジュールのリード端子が制御回路モジュールの接続部に接続された状態で機械的に一体化され、パワー回路モジュールと制御回路モジュールとをワイヤで接続した電力変化装置が記載されている。
【０００５】
一方で、ドライブ回路をパワー半導体モジュール内に搭載する際に、更なる組立性の向上が求められる。
【０００６】
また、ドライブ回路を構成する回路部品は、パワー半導体モジュール内のパワー素子よりも熱的条件が厳しい場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１２１８６１号公報
【特許文献２】特開２０１１−２３６５４号公報
【特許文献３】特開２００８−１６８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明の課題は、実装プロセスを容易にすること及び、パワー半導体モジュールの信頼性を向上することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るパワー半導体モジュールは、直流電流を交流電流に変換するインバータ回路を構成するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子と対向する第１導体板と、前記パワー半導体素子を挟んで前記第１導体板と対向する第２導体板と、前記パワー半導体素子を駆動する駆動用素子と、前記駆動用素子を搭載する配線基板と、前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第２導体板と前記駆動用素子と前記配線基板を封止する封止材と、を備え、前記第１導体板において当該第１導体板と前記パワー半導体素子との対向面の垂直方向から投影した場合に、前記配線基板は、当該配線基板の射影部の一部が前記第１導体板の射影部と重なるように配置されるとともに前記第１導体板に接合され、前記駆動用素子は、当該駆動用素子の射影部が前記第１導体板及び前記第２導体板の射影部と重ならないように配置される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により、実装プロセスを容易にするとともに、パワー半導体モジュールの信頼性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１（ａ）はモールド樹脂材４を取り除いたパワー半導体モジュール１の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の断面ＡＡの矢印方向から見た断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）の断面ＢＢの矢印方向から見た断面図である。
【図２】図１の実施形態の変形例としてのパワー半導体モジュール１の概観図である。
【図３】図１の実施形態の変形例としてのパワー半導体モジュール１の概観図である。
【図４】図４の上側の構造図はモールド樹脂材４を取り除いたパワー半導体モジュール１であり、図４の下側の構造図はモールド樹脂材４の注入が終了した直後の断面図である。
【図５】図４の実施形態の変形例としてのパワー半導体モジュール１の概観図である。
【図６】図１(a)のＢＢ断面の方向から見た、本実施形態の配線構造を示すパワー半導体モジュール１の断面図である。
【図７】図１のパワー半導体モジュール１の回路構成図である。
【図８】図８（ａ）はモールド樹脂材４を取り除いたパワー半導体モジュール１の上面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示されるパワー半導体モジュール１の回路構成図である。
【図９】図９（ａ）は本実施例に係るパワー半導体モジュール１の外観斜視図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡＡ断面の矢印方向から見た断面図である。
【図１０】本実施形態に係るインバータシステムの構成の概略図である。
【図１１】従来のパワー半導体モジュール５１を３つ用いた場合のインバータシステムの構造例を示す。
【図１２】本実施形態に係るインバータシステムの構造の一例を示す。
【図１３】ハイブリット自動車システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置（又は、パワー半導体モジュール）の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１３】
図１を参照して、本実施形態１に係るパワー半導体モジュール１の構造について説明する。図１は実施例１に係るパワー半導体モジュール１の構造概略図を示す。図１（ａ）はモールド樹脂材４を取り除いたパワー半導体モジュール１の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の断面ＡＡの矢印方向から見た断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）の断面ＢＢの矢印方向から見た断面図である。
【００１４】
本実施形態におけるパワー半導体モジュール１は、電力変換素子として機能するＩＧＢＴ１１ａ及びＩＧＢＴ１１ｂと、還流素子として機能するダイオード１３ａ及びダイオード１３ｂを有する。ＩＧＢＴ１１ａ及びダイオード１３ａはインバータ回路の上アーム回路を構成するパワー半導体素子であり、ＩＧＢＴ１１ｂ及びダイオード１３ｂはインバータ回路の下アーム回路を構成するパワー半導体素子である。
【００１５】
図１(ａ)及び図１(ｃ)に示されるように、ＩＧＢＴ１１ａ及びダイオード１３ａは、第１導体板１４ａと第２導体板１２ａとの間の空間に配置される。第１導体板１４ａは、ＩＧＢＴ１１ａのコレクタ電極及びダイオード１３ａのアノード電極とはんだ材を介して接続される。第２導体板１２ａは、ＩＧＢＴ１１ａのエミッタ電極及びダイオード１３ａのカソード電極とはんだ材を介して接続される。
【００１６】
図１(ａ)及び図１(ｂ)に示されるように、ＩＧＢＴ１１ｂ及びダイオード１３ｂは、第３導体板１４ｂと第４導体板１２ｂとの間の空間に配置される。第３導体板１４ｂは、ＩＧＢＴ１１ｂのコレクタ電極及びダイオード１３ｂのアノード電極とはんだ材を介して接続される。第４導体板１２ｂは、ＩＧＢＴ１１ｂのエミッタ電極及びダイオード１３ｂのカソード電極とはんだ材を介して接続される。
【００１７】
図１(ａ)に示されるように、第２導体板１２ａと第３導体板１４ｂは、パワー半導体モジュール１の中央部付近において、はんだ材等により接続される。
【００１８】
配線基板６は、駆動素子７ａ、駆動素子７ｂ及びプリドライバ回路１７を搭載する。駆動素子７ａは、プリドライバ回路１７のドライバ信号に基づいてＩＧＢＴ１１ａの駆動信号を出力する。駆動素子７ｂは、プリドライバ回路１７のドライバ信号に基づいてＩＧＢＴ１１ｂの駆動信号を出力する。配線基板６は、例えばプリント配線基板である。
【００１９】
図１(ｂ)に示されるように、配線基板６の一部は、第３導体板１４ｂの一部と第４導体板１２ｂの一部との間に挟まれ、かつはんだ材等の接着材により第３導体板１４ｂ及び第４導体板１２ｂに接合される。第３導体板１４ｂの一部は、第３導体板１４ｂの本体部から配線基板６に向かって突出する突出部１４０であり、生産性向上の観点から、第３導体板１４ｂの本体部と一体に形成されていてもよい。第４導体板１２ｂの一部は、第４導体板１２ｂの本体部から配線基板６に向かって突出する突出部１２０であり、生産性向上の観点から、第４導体板１２ｂの本体部と一体に形成されていてもよい。
【００２０】
また配線基板６は、駆動素子７ａが配置された側からＩＧＢＴ１１ａに向かって配線された配線導体１５ａと、駆動素子７ｂが配置された側からＩＧＢＴ１１ｂに向かって配線された配線導体１５ｂと、を実装する。配線導体１５ａは、ＩＧＢＴ１１ａのゲート電極を構成するパッド９ａと、ボンディングワイヤ８ａを介して接続される。配線導体１５ｂは、ＩＧＢＴ１１ｂのゲート電極を構成するパッド９ｂと、ボンディングワイヤ８ｂを介して接続される。ボンディングワイヤ８ａ及びボンディングワイヤ８ｂは、配線導体として機能する。
【００２１】
負極側端子３０は第１導体板１４ａと接続され、正極側端子３１は第３導体板１４ｂと接続され、交流側端子３２は、第４導体板１２ｂと接続される。
【００２２】
第１導体板１４ａ又は第２導体板１２ａとＩＧＢＴ１１ａとの対向面の垂直方向から投影した場合に、つまり図１（ａ）に示される側から投影した場合に、配線基板６は、この配線基板６の射影部の一部が第１導体板１４ａの射影部及び第２導体板１２ａの射影部と重なるように配置される。そして、配線基板６は、第１導体板１４ａ及び第２導体板１２ａに接合される。一方、駆動素子７ａ及び７ｂは、この駆動素子７ａ及び７ｂの射影部が第１導体板１４ａの射影部及び第２導体板１２ａの射影部と重ならないように配置される。
【００２３】
このような構造により、第１導体板１４ａ、第２導体板１２ａ、第３導体板１４ｂ、第４導体板１２ｂ及びパワー半導体素子からの熱が駆動素子７ａ及び駆動素子７ｂに伝わり難くなり、駆動素子７ａ及び駆動素子７ｂは伝熱による信頼性の低下を抑制されることができる。また、配線基板６が第１導体板１４ａの一部と第２導体板１２ａの一部との間に挟まれかつ第３導体板１４ｂの一部と第４導体板１２ｂの一部との間に挟まれていることにより、配線基板６と導体板とを強固に接続することができ、信頼性を向上した実装が可能となる。
【００２４】
なお図１（ａ）ないし図１（ｃ）に係る実施形態においては、配線基板６は第１導体板１４ａの一部と第２導体板１２ａの一部との間に挟まれかつ第３導体板１４ｂの一部と第４導体板１２ｂの一部との間に挟まれているが、配線基板６が第１導体板１４ａ又は第２導体板１２ａの一方のみ、第３導体板１４ｂ又は第４導体板１２ｂの一方のみと接合されていてもよい。
【００２５】
また第１導体板１４ａ又は第２導体板１２ａとＩＧＢＴ１１ａとの対向面の垂直方向から投影した場合に、第２導体板１２ａ及び第４導体板１２ｂは、第２導体板１２ａの射影部及び第４導体板１２ｂの射影部がボンディングワイヤ８ａの射影部及びボンディングワイヤ８ｂの射影部と重ならないように形成される。パワー半導体素子を第１導体板１４ａ等に接合した後に、ワイヤボンディングプロセスを行うことができ、実装プロセスが簡略化することができる。
【００２６】
また、本実施形態におけるパワー半導体モジュール１は、第１導体板１４ａ、第２導体板１２ａ、第３導体板１４ｂ、第４導体板１２ｂ及び配線基板６をモールド樹脂材４により一体に形成する。このモールド樹脂材４によって封止されたものを封止体４ａと定義する。さらに第１導体板１４ａの一部及び第２導体板１２ａの一部は、モールド樹脂材４の一方の面から露出する。第３導体板１４ｂの一部及び第４導体板１２ｂの一部は、モールド樹脂材４の他方の面から露出する。放熱板２ａは、絶縁部材３ａを挟んで、第２導体板１２ａと第４導体板１２ｂと配線基板６と対向する位置に配置される。また放熱板２ｂは、絶縁部材３ｂを挟んで、第１導体板１４ａと第３導体板１４ｂと配線基板６と対向する位置に配置される。
【００２７】
つまり、封止体４ａと対向する放熱板２ａの面の垂直方向から投影した場合に、駆動用素子７ａ及び駆動用素子７ｂは、これらの駆動用素子の射影部が放熱板２ａの射影部及び放熱板２ｂの射影部と重なるように配置される。
【００２８】
このような構成により、パワー半導体素子が両面から冷却されるだけでなく、配線基板６が両面から冷却することができ、配線基板６の冷却性能を向上させることができる。なお、配線基板６の両面を冷却する必要が無い場合は、駆動素子７ａ及び駆動素子７ｂに近い放熱板２ａのみを配線基板６と対向させるように形成してもよい。
【００２９】
また複数の入出力端子５は、配線基板６に信号を伝達する。図１(ａ)及び図１(ｂ)に示されるように、複数の入出力端子５は、モールド樹脂材４から突出する。また複数の入出力端子５は、それぞれの入出力端子５の上面が仮想平面５ａと重なるように並べられる。
【００３０】
このような構成により、モールド樹脂材４を流し込むための型を複数の入出力端子５に接触させた状態で、この型にモールド樹脂材４を流し込むことができ、モールド樹脂材４が漏れ難くなる。
【００３１】
図４は、図１に示す実施形態に係るパワー半導体モジュール１の樹脂モールド加工を示す図である。図４の上側の構造図はモールド樹脂材４を取り除いたパワー半導体モジュール１であり、図４の下側の構造図はモールド樹脂材４の注入が終了した直後の断面図である。
【００３２】
モールドライン２１aおよびモールドライン２１ｂに、モールド樹脂材４の流出を防ぐために、タイバー構造２０aおよびタイバー構造２０ｂを備える。樹脂モールド加工工程では、樹脂モールド加工前のパワー半導体モジュール１を樹脂モールド冶具２２で抑えて密閉性を保ちながら、一定の圧力で樹脂を注入する必要がある。本実施例のように、タイバー構造を備えることにより、樹脂の流出を防ぐことができる。
【００３３】
図７は、図１のパワー半導体モジュール１の回路構成図である。
【００３４】
プリドライバ１７は、上位制御部からの指令信号を受けて上アームのパワー半導体素子１１ａを駆動するための第１駆動信号と下アームのパワー半導体素子１１ｂを駆動するための第２駆動信号の両方を出力する。
【００３５】
そして、ドライバＩＣを構成する駆動素子７aは第１駆動信号を受けてパワー半導体素子１１ａを駆動し、ドライバＩＣを構成する駆動素子７ｂは第２駆動信号を受けてパワー半導体素子１１ｂを駆動する。
【００３６】
さらに第１駆動信号および第２駆動信号との間には、パワー半導体素子１１ａおよびパワー半導体素子１１ｂが同時にＯＮとならないように、上下アームのパワー半導体素子の双方が遮断状態とするためのデッドタイム期間が設けられている。
【００３７】
本実施形態においては、基板上の配線遅延などにより、プリドライバ１７で設けたデッドタイムのタイミングずれが生じないように、駆動素子７aとパワー半導体素子１１ａの信号配線経路と駆動素子７ｂとパワー半導体素子１１ｂの信号配線経路が略同一となるように、駆動素子７a及び駆動素子７ｂが配置されている。
【００３８】
さらにプリドライバ１７は駆動素子７aと駆動素子７ｂとの間に配置することにより、プリドライバ１７と駆動素子７aの信号配線経路とプリドライバ１７と駆動素子７ｂの信号配線経路が略同一となるように構成されている。
【００３９】
図１０を参照して、本実施形態に係るパワー半導体モジュール１を用いたインバータシステムについて説明する。図１０は、本実施形態に係るインバータシステムの構成の概略図である。
【００４０】
本実施形態に係るパワー半導体モジュール１を合計３つ用いて、図１０に記した３相のインバータシステム４２を構成する。インバータシステム４２では、パワー半導体モジュール１を３つ有するほかに、平滑化コンデンサ４１も内蔵している。また、パワー半導体モジュール１を制御するためのコントローラ４３も内蔵している。パワー半導体モジュール１の正極側端子３０、負極側端子３１には、外部から高圧電源４０が接続される。コントローラ４３には外部から低圧電源４５が接続される。
【００４１】
３つのパワー半導体モジュール１はそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応しており、各相のパワー半導体モジュール１の交流側端子３２はモータ４４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ接続される。
【００４２】
コントローラ４３からの制御信号は各相のパワー半導体モジュール１に内蔵する配線基板６に入力され、制御回路で各相のパワー半導体素子を駆動する。また各パワー半導体モジュールの動作状態を制御回路からコントローラ４３に出力される。
【００４３】
図１１に従来のパワー半導体モジュール５１を３つ用いた場合のインバータシステムの構造例を示す。従来のインバータシステムでは、インバータ筺体５０に水路５２を設け、パワー半導体モジュール５１を水路５２内に配置する。また、パワー半導体モジュール５２のパワー端子はバスバー５７を介して平滑化コンデンサ４１に接続される。一方、信号端子５６はドライバ基板５３に接続されており、さらに前記ドライバ基板５３は信号ハーネス５５を介してコントローラ基板４３に接続される。このような構造のインバータシステムにおいては、ドライバ基板５３とコントローラ基板４３の２枚の基板が必要であり、インバータシステム内に大きなスペースを確保する必要があり、２枚の基板接続するための信号ハーネス５５も必要であり、複雑な構造となる。
【００４４】
図１２に本実施形態に係るインバータシステムの構造の一例を示す。本構造では、パワー半導体モジュール１はこれまでの実施例で述べた駆動回路を内蔵した構造となっており、さらにパワー半導体モジュール１の各々に水路５２を設け、それぞれのパワー半導体モジュールの水路は独立した構造とする。また、後述する図９にて説示するパワー半導体モジュールを用いることにより、パワー半導体モジュール１のパワー系の端子部はパワー半導体モジュール１のケースを挟んで駆動信号端子の反対側に位置している構造となっている。
【００４５】
また、駆動信号端子はパワー半導体モジュール１の一端から突出しており、コントローラ基板４３に接続される。一方、パワー半導体モジュール１の駆動信号端子の反対側に設けたパワー端子はパワーボード６０を介して平滑化コンデンサ４１に接続される。また本インバータシステムの構造では、図１１に示した従来のインバータシステムに比べて、ドライバ基板とこのドライバ基板をコントローラ基板に接続するための信号ハーネスを不要としたことで、より大きなスペースを必要とせず、インバータシステム全体の小型化が期待できる。また、低圧信号系の必要とするスペースを低減したことで、高圧信号配線のためにより大きなスペースを確保することができ、高圧信号配線の寄生抵抗を低減し、寄生抵抗による発熱を抑えることができ、インバータシステムの高信頼化、高効率化が期待できる。
【００４６】
なお、本実施形態により、ドライバ基板の搭載される回路部品の一部をパワー半導体モジュール１内に搭載し、他の回路部品をコントローラ基板に搭載することにより、ドライバ基板を不要とすることもできる。
【００４７】
図１３を参照して、本実施例のパワー半導体モジュール１を用いたインバータシステムをエンジンとモータの両方を使用して走行するはハイブリット自動車（ＨＥＶ）システムに適用した場合の実施例について説明する。図１３はハイブリット自動車システムの概略図である。
【００４８】
本実施形態に係る電力変換装置はハイブリッド自動車(以下ＨＥＶと称す)のみならず、モータのみで走行する電気自動車（以下ＥＶと称す）にも適用可能であり、また一般産業機械に使用されているモータを駆動するための電力変換装置としても使用可能である。
【００４９】
図１３に示したＨＥＶシステムでは、エンジン（ＥＮＧ）７５及びモータジェネレータ（ＭＧ）７０は車両の走行用トルクを発生する。またモータジェネレータは回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータに外部から加えられる機械エネルギを電力に変換する機能を有する。
【００５０】
モータジェネレータ７０は、例えば同期機あるいは誘導機であり、上述の通り、運転方法によりモータとしても発電機としても動作する。モータジェネレータ７０を自動車に搭載する場合に、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジム(Nd)などの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また永久磁石型の同期電動機は、誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として好適である。
【００５１】
エンジンの出力側の出力トルクは動力分配機構（ＴＳＭ）７４を介してモータジェネレータ７０伝達され、動力分配機構７４からの回転トルクあるいはモータジェネレータ７０が発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭ７３およびディファレンシャルギアＤＥＦ７７を介して車輪７８に伝達される。一方回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータ７０に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は電力変換装置により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリシステム７６を充電し、充電された電力は再び走行エネルギとして使用される。
【実施例２】
【００５２】
図２を参照して、本実施形態２に係るパワー半導体モジュール１について説明する。図２は、図１の実施形態の変形例としてのパワー半導体モジュール１の概観図である。
【００５３】
図１の実施形態と異なるところは、配線基板６を保持するためのスペーサ１６を設けたことである。スペーサ１６は、配線基板６とはんだ材等の接着剤により接続されるとともに、絶縁部材３ｂを介して放熱板２ｂに支持される。
【００５４】
つまりスペーサ１６は、スペーサ１６の下面が第３導体板１４ｂの下面と同一面上に配置されるように形成される。
【００５５】
このような構成により、配線基板６の一端は突出部１４０により支持され、配線基板６の他端はスペーサ１６により支持されるので、配線基板６の両端を安定に固定することでき、実装信頼性の向上が図ることができる。
【００５６】
なお、スペーサ１６と配線基板６が接続される接続部は、配線導体１５ａや配線導体１５ｂが設けられた配線基板６の面とは反対側に設けられる。これにより、配線導体１５ａや配線導体１５ｂが、スペーサ１６と配線基板６が接続される接続部と干渉することを避けることができる。
【実施例３】
【００５７】
図３を参照して、本実施形態３に係るパワー半導体モジュール１について説明する。図３は、図１の実施形態の変形例としてのパワー半導体モジュール１の概観図である。
【００５８】
図１の実施形態と異なるところは、配線基板６は、第４導体板１２ｂ及び第３導体板１４ｂの中央部に向かって突出する突出部６ａを有することである。この突出部６ａは、第４導体板１２ｂと第３導体板１４ｂにより挟持される。
【００５９】
このような構成により、配線基板６がさらに強固に固定される。
【実施例４】
【００６０】
図５を参照して、実施例４に係るパワー半導体モジュール１について説明する。図５は、図４の実施形態の変形例としてのパワー半導体モジュール１の概観図である。図５(ａ)はモールド樹脂材４を取り除いたパワー半導体モジュール１の上面図である。図５(ｂ)はモールド樹脂材４を注入した直後のパワー半導体モジュール１であり、図５(ａ)のＡＡ断面の矢印方向から見た断面図である。
【００６１】
本実施例４では、実施例１と異なる点を中心に説明する。正極側端子３１は第１導体板１４ａと接続され、負極側端子３０は第４導体板１２ｂと接続され、交流側端子３２は第３導体板１４ｂと接続される。
【００６２】
正極側端子３１、負極側端子３０及び交流側端子３２は、配線基板６の下方を通って、モールド樹脂材４から突出する。つまり、正極側端子３１、負極側端子３０及び交流側端子３２は、配線導体１５ａ及び配線導体１５ｂが実装された面とは反対側の面の近くに配置される。この構成により、正極側端子３１、負極側端子３０及び交流側端子３２から放射されるノイズが配線導体１５ａ及び配線導体１５ｂに混入することを抑制することができる。
【００６３】
また、入出力端子５は、正極側端子３１、負極側端子３０及び交流側端子３２と同一方向に突出する。そして入出力端子５は、その一部が屈曲し、モールド樹脂材４から突出する延長端子５ｂと接続される。
【００６４】
この延長端子５ｂ、正極側端子３１、負極側端子３０及び交流側端子３２は、それぞれの上面が仮想平面５ｃと重なるように並べられる。
【００６５】
このような構成により、モールド樹脂材４を流し込むための型を延長端子５ｂ、正極側端子３１、負極側端子３０及び交流側端子３２に接触させた状態で、この型にモールド樹脂材４を流し込むことができ、モールド樹脂材４が漏れ難くなる。
【実施例５】
【００６６】
図６を参照して、実施例５に係るパワー半導体モジュール１における、他の実施例に係る配線基板６００上の配線構造について説明する。図６は、図１(a)のＢＢ断面の方向から見た、本実施形態の配線構造を示すパワー半導体モジュール１の断面図である。
【００６７】
本実施形態では、駆動素子７ａを搭載した配線基板６００は少なくとも２層以上の配線層を有する多層配線基板となっている。配線基板６００は、絶縁性の基板内に内部配線６０１を有する。シールド配線層２３aは、内部配線６０１と対向するとともに配線基板６００の上面に形成される。シールド層２３ｂは、内部配線６０１を挟んでシールド配線層２３aと対向するとともに配線基板６００下面に形成される。
【００６８】
シールド配線層２３ａおよびシールド配線層２３ｂは電位的に比較的に安定である低圧側電源配線とすることが好適である。このような構造をなすことで、パワー半導体素子を搭載した第２導体板１２aおよび第１導体板１４aからのスイッチングノイズを遮蔽する効果があり、低圧側の信号の信頼性の向上が可能である。またシールド配線層２３ａおよびシールド配線層２３ｂは電位的にフローティングであってもよく、金属配線層を配置するだけでも、スイッチングノイズの遮蔽効果がある。
【実施例６】
【００６９】
図８を参照して、実施例６に係るパワー半導体モジュールの内部回路構成について説明する。図８は、図７に示した本実施形態に係るパワー半導体モジュールの回路構成の変形例の概略図である。図８（ａ）はモールド樹脂材４を取り除いたパワー半導体モジュール１の上面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示されるパワー半導体モジュール１の回路構成図である。
【００７０】
電源生成回路３９が配線基板６上に配置される。電源生成回路３９は、駆動素子７ａ、駆動素子７ｂおよびプリドライバ１７が使用する電源を出力する。
【００７１】
このような構造により、パワー半導体モジュール１を駆動するための低圧側電源をパワー半導体モジュールの外から与えることなく、高圧側の電源さえ与えれば、パワー半導体モジュール１は動作することが可能であり、パワー半導体モジュール１の配線が簡素化されると共に、上位コントロール基板で電源を作る必要がなく、インバータシステム全体としての小型化が期待できる。
【実施例７】
【００７２】
図９を参照して、実施例７に係る本発明のパワー半導体モジュール１の構造について説明する。図９（ａ）は本実施例に係るパワー半導体モジュール１の外観斜視図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＡＡ断面の矢印方向から見た断面図である。
【００７３】
ケース８０は、実施例１に説示された封止体４ａを収納空間内に収納する。ケース８０は、絶縁部材３ａを挟んで封止体４ａの一方の面と対向する放熱板２ａと、絶縁部材３ｂを挟んで封止体４ａの他方の面と対向する放熱板２ｂと、を有する。また、ケース８０は、放熱板２ａの一方の端部と放熱板２ｂの一方の端部に接続されるフランジ部８３と、放熱板２ａの他方の端部と放熱板２ｂの他方の端部に接続されるフランジ部８４と、を有する。
【００７４】
また、フィン８１が放熱板２ａの外面に形成され、フィン８２が放熱板２ｂの外面に形成される
フランジ部８３は、負極側端子３０、正極側端子３１及び交流側端子３２を貫通させる貫通孔８４を形成する。フランジ部８５は、入出力端子５を貫通させる貫通孔８６を形成する。
【００７５】
このケース８０は、フランジ部８３及びフランジ部８５が流路形成体に固定されることにより、放熱板２ａの外面及び放熱板２ｂの外面が冷却媒体と直接接触するように配置される。
【００７６】
このような構造により、パワー半導体素子からの発熱を放熱板２ａ及び放熱板２ｂで放熱することが可能であると共に、駆動素子７ａも放熱部に熱的に接触することにより効率よく放熱することができ、駆動素子が熱により劣化することを防ぐことが可能である。
【００７７】
また前記駆動素子と電気的に接続される入出力端子５は、ケース８０の一端に設けられた貫通孔８４からケース８０の外部に突出すると共に、入出力端子５よりも強電系である負極側端子３０、正極側端子３１及び交流側端子３２は放熱板２ａ、放熱板２ｂ、フランジ部８３及びフランジ部８５を挟んで貫通孔８６から突出している。
【００７８】
このような構造により、駆動素子７ａに電気的に接続される駆動信号配線とパワー半導体素子の出力信号を遠ざけることができ、電気的な結合を小さくすることで、パワー半導体素子のスイッチングノイズからの干渉を抑えることが可能である。また、駆動素子とパワー配線部を物理的により遠いところに配置することが可能であり、パワー配線部からの伝熱を最小化することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、電力変換装置に関し、特に、ＨＥＶやＥＶに用いるインバータシステムに適用可能である。また、一般産業機械に使用されているモータを駆動するための電力変換装置としても使用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１  ・・・パワー半導体モジュール
２ａ・・・放熱板
２ｂ・・・放熱板
３ａ・・・絶縁部材
３ｂ・・・絶縁部材
４  ・・・モールド樹脂材
４ａ・・・封止体
５  ・・・入出力端子
５ａ・・・仮想平面
５ｂ・・・延長端子
６  ・・・配線基板
６ａ・・・突出部
７ａ・・・駆動素子
７ｂ・・・駆動素子
８ａ  ・・・ボンディングワイヤ
８ｂ  ・・・ボンディングワイヤ
９ａ  ・・・パッド
９ｂ  ・・・パッド
１１ａ・・・ＩＧＢＴ
１１ｂ・・・ＩＧＢＴ
１２ａ・・・第２導体板
１２ｂ・・・第４導体板
１３ａ・・・ダイオード
１３ｂ・・・ダイオード
１４ａ・・・第１導体板
１４ｂ・・・第３導体板
１５ａ・・・配線導体
１５ｂ・・・配線導体
１６・・・スペーサ
１７・・・プリドライバ
２０a、２０b・・・タイバー構造
２１a、２１b・・・モールドライン
２２・・・モールド冶具
２３a・・・シールド配線層
２３b・・・シールド配線層
３０・・・負極側端子
３１・・・正極側端子
３２・・・交流側端子
３９・・・電源生成回路
４０・・・高圧電源
４１・・・平滑化コンデンサ
４２・・・インバータシステム
４３・・・コントローラ
４４・・・モータ
５０・・・インバータ筺体
５１・・・パワー半導体モジュール
５２・・・水路
５３・・・ドライバ基板
５５・・・ワイヤハーネス
５７・・・バスバー
６０・・・パワーボード
７０・・・モータジェネレータ
７３・・・トランスミッション
７４・・・動力分配機構
７５・・・エンジン
７６・・・バッテリ
７７・・・ディファレンシャルギア
７８・・・車輪
８０・・・ケース
８１・・・フィン
８２・・・フィン
８３・・・フランジ部
８４・・・貫通孔
８５・・・フランジ部
８６・・・貫通孔
１２０・・・突出部
１４０・・・突出部
６００・・・配線基板
６０１・・・内部配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2014038973.tif 000011
【図１０】
2014038973.tif 000012
【図１１】
2014038973.tif 000013
【図１２】
2014038973.tif 000014
【図１３】
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