(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性のベース基板が主電流入力用電極と兼用にある非絶縁型の半導体モジュールをデュアルインバータ構造に接続する電極端子接続構造において、
前記主電流入力用電極としての前記ベース基板に前記半導体モジュールの外部から主電流を入力するための電極端子を、導電性金属からなる略直方体状のブロック体で構成し、該ブロック体を、前記半導体モジュールのパッケージ内部に立設された主電流出力用電極と平行に近接するよう、かつ、該平行に近接した部分に互いに反対方向の電流が流れるよう、前記ベース基板上に立設させ、かつ、前記ブロック体により前記デュアルインバータ構造における母線電極板を下方から支持すると共に、前記ブロック体がその上端面から前記ベース基板へかけてスクリューで貫通螺着されることにより前記ベース基板上に固定保持されており、
前記ブロック体は、前記スクリューを上下に貫通可能な大きさの水平断面を有すると共に、前記母線電極板を他の強度支持部材を必要とすることなく下方から支持可能な機械的強度を有していることを特徴とする半導体モジュールの電極端子接続構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、産業車両のモータ・コントロール装置に使用するデュアルインバータ構造に非絶縁型の半導体モジュールを接続するための電極端子接続構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バッテリー・フォークリフト等の電気モータ駆動車両に使用されるモータ・コントロール装置において、走行用のメインモータに直接電力を供給するインバータのスイッチングデバイスに電流容量の大きい半導体モジュールが使用される。半導体モジュールは複数個のパワー半導体チップを１つの絶縁パッケージに組み込んだものであり、同じチップを単に並列に組み込んで電流容量を大きくしたもの、何種類かのチップで簡単な回路を構成したもの、半導体チップのドライブ回路を内蔵したものなど多様な内部構成のものがある。パッケージは普通プラスチックで構成されており、さらにパッケージ内部の空洞部には下からゲル、およびエポキシ絶縁剤がチップ周辺回路の酸化防止用に充填されている。
【０００３】
また、半導体モジュールは大電流を制御する用途の性質上発熱が非常に大きく、そのため発熱源の電流制御回路本体である半導体チップを、熱容量が大きく放熱効果の高い（熱伝導率の高い）放熱基板上に直接設置し、またその放熱基板自体を１つの電極として構成した非絶縁型のものが一般的に使用されている。そして上記のような構成にある半導体モジュールの放熱板には、通常さらに効率のよい放熱が行えるよう放熱部材として熱伝導率の高いアルミ材等で形成されたヒートシンク等が半導体モジュール自身の固定も兼ねて取り付けられる。
【０００４】
このように構成される半導体モジュールで、例えば上述した電気自動車等で通常使用されるスイッチング周波数は約１０ｋＨｚ程度となる。
【０００５】
以上説明したように構成される半導体モジュールを実際に上記スイッチング周波数で使用する場合、内部回路の配線中および半導体モジュールを外部に接続する配線中には大きなインダクタンスの発生が不可避なものとなり、その影響によってスイッチング素子のターンオフ時にはかなり大きなスイッチング電力のロス（以下スイッチングロスという）が発生し、また一方スイッチング素子のターンオフ時にはかなり高いサージ電圧を発生させ、内部回路を電気的に損傷させる大きな要因となっている。
【０００６】
このスイッチングロスとは、前記半導体スイッチのような制御電極を持つデバイスがスイッチングを行うときに内部で発生する電力損失のことであり、前記モータコントロール装置中には通常多数（５〜６個程度）の半導体スイッチが使用されるためこれらに発生するスイッチングロスは累計すると多大なものとなっていた。そしてこの大きな損失分は例えば前記電気自動車等の駆動・操作に大きな影響を与えると共に、損失分の電力が発熱に変わり半導体スイッチの熱損傷の原因となっていた。
【０００７】
そして従来よりこのスイッチングロスとサージ電圧の低減を図ることを目的として、大電流が逆向きに流れて半導体モジュールに対する入出力を行う２つの主電流用電極配線（例えばＭＯＳ  ＦＥＴの場合におけるソース電極配線とドレイン電極配線）をできるだけ相互に平行かつ近接した位置に配置し、これにより相互誘導作用により配線インダクタンスを相殺する（打ち消し合う）といった電磁気的効果が生じ、これを利用することで配線インダクタンスの低減、ひいてはスイッチングロスおよびサージ電圧の低減を図っていた。
【０００８】
図２は上述した半導体モジュールを使用したインバータの回路図であり、図中のスイッチング素子Ｑ１〜６にそれぞれ半導体モジュール１つが相当する。
【０００９】
そして不図示のドライブ回路からの制御信号が各スイッチング素子（半導体モジュール）のゲート電極に入力することで３相モータＭの回転が制御される。
【００１０】
そしてバッテリー・フォークリフト等の産業車両において上記インバータは走行用と荷役装置用の２つが必要であり、近年においては、概略図３（平面図（ａ）、側面図（ｂ））に示すようにそれら２つのインバータ２、３を並置し、電源コンデンサや母線電極等を共用化して単モジュールとすることで少容積化、軽量化、少コスト化を図る構成となるデュアルインバータ構造１が提案されている。
【００１１】
そしてさらに図４は例えば回路図（図２）中のＱ１、Ｑ２の組み合わせの上下アーム対に相当するモジュール対の従来の接続構成を抜粋拡大して示した側面図である。また同図において、比較的流れる電流値が低いために配線インダクタンスの影響をあまり受けることのないゲート電極については省略したものとなる。
【００１２】
同図に示すように、使用する半導体モジュールはベース基板６ａ、ｂがドレイン電極と兼用の非絶縁型の構成にあり、またソース電極７ａ、ｂはパッケージ８ａ、ｂ上面に載設している接続部から破線で示すようにパッケージ８ａ、ｂ内部側面に沿って垂直に立設する構成にある。
【００１３】
そして、十分薄い絶縁シート９を挟着したサンドイッチ構造にあり、インバータ２、３の上方に位置する母線電極板５の下面側の正電極１０および上面側の負電極１１の各延設部分が正極側電極端子１２、負極側電極端子１３として、それぞれＱ１モジュールのドレイン電極６ａおよびＱ２モジュールのソース電極７ｂへ延設してスクリュー１４により止着・接続している。
【００１４】
またＱ１モジュールのソース電極７ａとＱ２モジュールのドレイン電極６ｂを銅板製のモジュール間電極端子１５が接続しており、この端子の一部が駆動するモータＭへの出力部を構成する。
【００１５】
そして正極側電極端子１２は同図における奥行き方向に２つに分割しており、モジュール間電極端子１５はこれらの間を貫通するよう接続される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述したようなデュアルインバータ構造１中における従来の半導体モジュール接続構造では、各半導体モジュールに接続する電極端子１２、１３、１５が母線電極板５の各電極板１０、１１の延設部分、または単体の銅板であり、スクリュー１４で止着固定する上でドライバー等の工具の到達を容易にするために図４中のＤに示すような間隙をパッケージ８ａ、ｂの間に設けており半導体モジュールのパッケージ８ａ、ｂ内部のソース電極７ａ、ｂと電極端子１２、１５の垂直立設部分がそれぞれ幾何的に平行でありながら離間した構成にあった。そのためこの垂直立設部分においての相互誘導作用による配線インダクタンス相殺効果が見込めず、その分だけサージ電圧・スイッチングロスを誘発する要因を備えている構成となっていた。
【００１７】
そして母線電極板５上には電源コンデンサ４として多数の電解コンデンサを設置するため高重量となり、また従来の構成では該母線電極板５は回路全体の上方に位置させるためにブラケット１６等の強度支持部材を別に設置する必要があった。
【００１８】
よって本発明は上記問題点に鑑み、上記デュアルインバータ構造に半導体モジュールを接続する上で、ブラケット等の強度構造部材の設置を必要とせず、パッケージ内部のソース電極側面と電極端子の各垂直立設部分においても相互誘導作用によって配線インダクタンスの相殺が可能となる構成とし、よりサージ電圧、スイッチングロスを低減させる半導体モジュール電極構造の提供を課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、主に上記ＭＯＳ  ＦＥＴからなる半導体スイッチの課題を解決するものであるが、これに限らず同様な課題を有するバイポーラトランジスタやサイリスタ等その他の半導体スイッチにも適用可能である。なお、半導体スイッチの種類で各電極の呼称が異なるため、便宜上、各電極の機能を考慮して”主電流入力用電極”、”主電流出力用電極”、”制御電極”という呼称を使用する。例えばＭＯＳ  ＦＥＴの場合は、ドレイン電極が主電流入力用電極に、ソース電極が主電流出力用電極に、ゲート電極が制御電極に、それぞれ相当する。
【００２０】
そして上記課題を解決するために、本発明は、導電性のベース基板が主電流入力用電極と兼用にある非絶縁型の半導体モジュールをデュアルインバータ構造に接続する電極端子接続構造に適用され、前記主電流入力用電極としての前記ベース基板に前記半導体モジュールの外部から主電流を入力するための電極端子を、導電性金属からなる略直方体状のブロック体で構成し、該ブロック体を、前記半導体モジュールのパッケージ内部に立設された主電流出力用電極と平行に近接するよう、かつ、該平行に近接した部分に互いに反対方向の電流が流れるよう、前記ベース基板上に立設させ、かつ、前記ブロック体により前記デュアルインバータ構造における母線電極板を下方から支持すると共に、前記ブロック体がその上端面から前記ベース基板へかけてスクリューで貫通螺着されることにより前記ベース基板上に固定保持されており、前記ブロック体は、前記スクリューを上下に貫通可能な大きさの水平断面を有すると共に、前記母線電極板を他の強度支持部材を必要とすることなく下方から支持可能な機械的強度を有している構成とする。
【００２１】
これにより、パッケージ内部のソース電極と電極端子の両垂直立設部分間においても相互誘導作用によって配線インダクタンスを相殺する構成となり、よりサージ電圧、スイッチングロスの低減が可能となる。
【００２２】
また、前記電極端子が略直方体状のブロック体で構成されているので、より確実な電極端子の立設および母線電極板の支持が可能となり、デュアルインバータ構造全体の簡便化、軽量化が図られる。
【００２４】
更に、上記ブロック体で構成された電極端子は、その上端面から前記ベース基板へかけてスクリューで貫通螺着されることにより前記ベース基板上に固定保持されているので、従来の構成においてソース電極が立設するパッケージ内部側面と電極端子との間に設ける必要のあったスクリュー止着用の間隙を省いて近接平行の配置状態にでき、その上で逆方向に電流を流すことで相互誘導作用による配線インダクタンス相殺効果を利用する構成となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
【００２６】
また前述の通り、本発明はＭＯＳ  ＦＥＴからなる半導体モジュールを例に説明するが、これに限らず同様な課題を有するバイポーラトランジスタ等その他の半導体スイッチにも適用可能である。
【００２７】
まず図１は、本実施形態の電極端子接続構造により１組の上下アーム対に相当する半導体モジュール対Ｑ１、Ｑ２をデュアルインバータ構造に接続した構成の側面図である。また同図において、比較的流れる電流値が低いために配線インダクタンスの影響をあまり受けることのないゲート電極については省略したものとなる。
【００２８】
この図において、本実施形態で使用する半導体モジュールはベース基板６ａ、ｂがドレイン電極と兼用の構成にある非絶縁型半導体モジュールであり、パッケージ８ａ、ｂ内部のベース基板６ａ、ｂ上に不図示のゲート電極からの制御信号によってターンオン・オフの制御を行う半導体チップ３７ａ、ｂが載置し、その上面とソース電極７ａ、ｂ間をボンディングワイヤ３８ａ、ｂが接続する。ソース電極７ａ、ｂは半導体チップ３７ａ、ｂ側に向けて開いた略「コ」の字型の形状にあり、下面は絶縁物３９ａ、ｂを挟んで電気的に絶縁した上でベース基板６ａ、ｂ上に載置しボンディングワイヤ３８ａ、ｂから制御電流が入力される。そして側面はパッケージ８ａ、ｂ内部で外部側面と平行近接の配置状態に立設し、上面はパッケージ８ａ、ｂ上で水平に載置する構成となる。
【００２９】
そして１組の上下アーム対に対応する２つの上記半導体モジュールをソース電極７ａ、ｂ側面同士が対向するよう向かい合わせで並置し、上アーム素子に対応する半導体モジュールＱ１のソース電極７ａと、下アーム素子に対応する半導体モジュールＱ２のドレイン電極（ベース基板）６ｂとを接続するモジュール間電極端子３５が導電性金属のブロック体で構成され、一端が半導体モジュールＱ１のソース電極７ａ上面と接続し、他端が半導体モジュールＱ２のベース基板６ｂ上にパッケージ８ｂ内のソース電極７ｂ側面と平行近接の配置状態で立設し、両端はスクリュー１４によって止着される構成となる。ここで上記ブロック体とは高さ、幅、奥行きがそれぞれ十分にある略直方体、またはそれら略直方体を組み合わせた形状物を意味する。
【００３０】
またインバータの負荷対象となる３相モータへの出力はこのモジュール間電極端子３５に設けた負荷接続部３６から行う。
【００３１】
下面側正電極３０および、上面側負電極３１の２枚の銅板で絶縁シート９を挟着した構成にある母線電極板２５がデュアルインバータ構造全体の中央上方に水平の姿勢で位置し、導電性金属のブロック体で構成された正極側電極端子３２が半導体モジュールＱ１のベース基板６ａと母線電極板２５の下面側正電極３０と電気的に接続すると同時に母線電極板２５に対する機構的な支持を行うよう立設する。
【００３２】
またこの正極側電極端子３２は半導体モジュールＱ１のパッケージ８ａ内のソース電極７ａ側面と平行近接となる位置で垂直に立設し、母線電極板２５の絶縁シート９上面からベース基板６ａにかけてスクリュー１４が貫通螺着することで固定保持される。
【００３３】
そして母線電極板２５の上面側負電極３１が半導体モジュールＱ２のソース電極７ｂ上面まで延設して負極側電極端子３３を構成し、スクリュー１４により止着接続される。
【００３４】
次に以上のように構成した本実施形態の電極端子の接続構造の作用を電流の流れとともに説明する。
【００３５】
まずデュアルインバータ構造の電源となる母線電極板２５は前述したように薄い絶縁シート９を上下に挟着した下面側正電極３０と上面側負電極３１の２枚の銅板で構成されており、両銅板は平行近接の配置状態にあって各銅板中に流れる電流もまた入力・出力の関係となってほぼ逆の方向に流れるため、母線電極板２５全体に相互誘導作用による配線インダクタンスの相殺低減が行われる構成となる。この場合挟着する絶縁シート９は電気的には絶縁を行う一方磁力線は容易に透過する材質のものを使用する。
【００３６】
またインバータの機能上、アーム対を形成する２つのモジュールＱ１、Ｑ２は同時にターンオンすることはなく、２つのモジュールＱ１、Ｑ２にそれぞれ流れる電流ＩＭ  、ＩＭ  ’は下面側正電極板３０と負荷接続部３６と上面側負電極板３１との間で交互に流れることになる。
【００３７】
ここで、半導体モジュールＱ１と、これとモータＭ（図２）を挟んだ位置にある他の半導体モジュールとが同時にターンオン制御されると、半導体モジュールＱ１からモータＭを介して上記他の半導体モジュールへ電源ＩＭ  が流れる。この際の電流ＩＭ  の通電経路は以下の通りである。すなわち、まず母線電極板２５の下面側正電極板３０から正極側電極端子３２を介して下方垂直に流れて半導体モジュールＱ１のベース基板６ａに入力し、ベース基板６ａを介して図中左方向に流れ、ベース基板６ａ上に載置する導通状態の半導体チップ３７ａを通過し、ボンディングワイヤ３８ａを介して図中右方向に折り返し、ソース電極７ａの下面中で右方向、側面中で上方に流れ、上面でモジュール間電極端子３５を介して負荷接続部３６へ出力される。この負荷接続部３６を通過した電流ＩＭ  は、モータＭを介して上記他の半導体モジュール側へ流れていく。
【００３８】
また、もう一方の半導体モジュールＱ２と、これとモータＭ（図２）を挟んだ位置にある別の半導体モジュールとが同時にターンオン制御されると、上記別の半導体モジュールからモータＭを介して半導体モジュールＱ２へ電流ＩＭ  ’が流れる。この際の電流ＩＭ  ’の通電経路は以下の通りである。すなわち、上記別の半導体モジュール内で上記電流ＩＭ  と同様の通電経路を通った後にモータＭを介して半導体モジュールＱ２側へ流れてきた電流ＩＭ  ’は、まずモジュール間電極端子３５上に設けた負荷接続部３６からモジュール間電極端子３５の垂直立設部分中で下方垂直に流れて半導体モジュールＱ２のベース基板６ｂに入力し、ベース基板６ｂ中右方向に流れ、ベース基板６ｂ上に載置する導通状態の半導体チップ３７ｂを通過し、ボンディングワイヤ３８ｂを介して図中左方向に折り返し、ソース電極７ｂの下面中で左方向、側面中で上方に流れ、上面で母線電極板２５の負電極板延設部分で構成する負極側電極端子１３に接続し出力する。
【００３９】
そしてこれらＩＭ  、ＩＭ  ’の各流路において、図中Ａ１  、Ａ２  の範囲に示す２つの電極端子３２、３５の各垂直立設部分と、それぞれ接続する半導体モジュールのソース電極７ａ、ｂ側面とが絶縁体であるパッケージ８ａ、ｂ側面を挟んで平行近接の配置状態にあり、それぞれにおいて流れる電流ＩＭ  、ＩＭ  ’の通電方向が相互に逆方向となるため、相互誘導作用により配線インダクタンスの相殺低減が可能となり、従来のデュアルインバータ構造に接続した半導体モジュールと比較して格段にサージ電圧・スイッチングロスの低減が可能な構成となる。
【００４０】
これは、従来の構成においてソース電極が立設するパッケージ内部側面と電極端子との間に設ける必要のあったスクリュー止着用の間隙を省いて近接平行の配置構成にできたことによるものである。
【００４１】
また従来通り同図のＢ１  、Ｂ２  の範囲においてもドレイン電極と兼用にあるベース基板６ａ、ｂ中に流れる電流とボンディングワイヤ３８ａ、ｂを介してソース電極７ａ、ｂ下面に流れる電流とが平行近接で逆方向に流れる状態にあるため同様の効果が得られる構成にある。
【００４２】
そして上述したように正極側電極端子３２は導電性金属のブロック体であって剛性を有しており、デュアルインバータ構造中の各半導体モジュール対で２箇所ずつ母線電極板５を下方から支持する構成となるため、従来必要としていたブラケット等の強度支持部材を削減でき、それによりデュアルインバータ構造の簡便化、軽量化が図られる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明によれば、デュアルインバータ構造に半導体モジュールを接続する上で、パッケージ内部のソース電極側面と電極端子の各垂直立設部分においても、相互誘導作用によって配線インダクタンスの相殺が可能となり、一層のサージ電圧・スイッチングロスの低減が可能となる。そして上記効果によりヒートシンクの小型化、スナバレス化、またはディレーティングを小さくできるための半導体チップ数の削減が実現され、その結果半導体スイッチの信頼性向上と共に製造コストの削減をも可能とする。
【００４４】
また高重量の母線電極板を支持するために必要であったブラケット等の強度支持部材の設置を必要としないため、デュアルインバータ構造の簡便化、軽量化をも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】デュアルインバータ構造において上下アーム対に相当する半導体モジュール対の本発明の電極接続構成を抜粋拡大して示した側面図である。
【図２】モータ制御に使用されるインバータの回路図である。
【図３】デュアルインバータ構造の概略を示す平面図（ａ）、側面図（ｂ）である。
【図４】デュアルインバータ構造において上下アーム対に相当する半導体モジュール対の従来の電極接続構成を抜粋拡大して示した側面図である。
【符号の説明】
１  デュアルインバータ構造
２、３  インバータ
４  電源コンデンサ
５  母線電極板
６ａ、ｂ  ベース基板（ドレイン電極）
７ａ、ｂ  ソース電極
８ａ、ｂ  パッケージ
９  絶縁シート
１４  スクリュー
１６  ブラケット
２５  母線電極板
３０  下面側正電極
３１  上面側負電極
３２  正極側電極端子
３３  負極側電極端子
３５  モジュール間電極端子
３６  負荷接続部
３７ａ、ｂ  半導体チップ
３８ａ、ｂ  ボンディングワイヤ
３９ａ、ｂ  絶縁物
Ｅ  電源
Ｃ  電源コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ６  スイッチング素子
Ｍ  ３相モータ
Ｄ  従来の接続構成における電極端子とパッケージ側面との間隙
ＩＭ  半導体モジュールＱ１に通電する電流
ＩＭ  ’  半導体モジュールＱ２に通電する電流
Ａ１  、Ａ２  電極端子とソース電極間における配線インダクタンス相殺効果の有効範囲
Ｂ１  、Ｂ２  ベース基板（ドレイン電極）とソース電極間における配線インダクタンス相殺効果の有効範囲
【図１】
0003552549.tif 000002
【図２】
0003552549.tif 000003
【図３】
0003552549.tif 000004
【図４】
0003552549.tif 000005