(57)【要約】【課題】放熱効率が高く、高いパワー密度を有する空冷機構、パワーモジュール、および空冷インバータを提供する。【解決手段】空冷機構（パワーモジュール１３０）は、ファン２と、ファン２の送風側に配置され、ファン２の回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔１５０を有する放熱フィン部４と、放熱フィン部４上に配置され、ファン２の回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔１５０を有するモジュール部６と、モジュール部６の貫通孔１５０およびモジュール部６の貫通孔１５０によって形成される中空部内に配置され、モジュール部６に比べて発熱しないキャパシタ部８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファンと、
前記ファンの送風側に配置され、前記ファンの回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔を有する放熱部と、
前記放熱部上に配置され、前記ファンの前記中心部に対応する位置に貫通孔を有する第１の発熱部と、
前記放熱部の前記貫通孔および前記第１の発熱部の前記貫通孔によって形成される中空部内に配置され、前記第１の発熱部に比べて発熱しない非発熱部と
を備えることを特徴とする空冷機構。
【請求項２】
前記第１の発熱部に積層するように配置された第２の発熱部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の空冷機構。
【請求項３】
前記第２の発熱部は、前記ファンの回転軸の前記中心部に対応する位置に貫通孔を有し、
前記非発熱部は、前記放熱部に形成された前記貫通孔、前記第１の発熱部に形成された前記貫通孔、および前記第２の発熱部に形成された前記貫通孔によって形成される中空部内に配置されることを特徴とする請求項２に記載の空冷機構。
【請求項４】
前記非発熱部は、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、セラミックコンデンサのうちのいずれかであり、前記第１の発熱部に電力を供給する電源端子間に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の空冷機構。
【請求項５】
前記第１の発熱部は、シックスインワン構造のパワーモジュールまたはフォーインワン構造のパワーモジュールであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の空冷機構。
【請求項６】
前記放熱部に形成される前記貫通孔、および前記第１の発熱部に形成される前記貫通孔は、前記非発熱部の形状に応じた形状を有し、前記貫通孔の大きさは、前記ファンの中心部の羽の無い部分の大きさと略同じ大きさを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の空冷機構。
【請求項７】
前記非発熱部の形状は、円筒形、角筒形のうちのいずれかあることを特徴とする請求項６に記載の空冷機構。
【請求項８】
前記放熱部に形成される前記貫通孔、および前記第１の発熱部に形成される前記貫通孔の形状は、円形、楕円形、長方形、正方形、三角形、菱形のうちのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の空冷機構。
【請求項９】
前記第１の発熱部上に配置され、中心部に貫通孔を有する第２の発熱部と、
前記第２の発熱部上に配置され、中心部に貫通孔を有する第２のファンと
を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の空冷機構。
【請求項１０】
ファンと
前記ファンの送風側に配置され、前記ファンの回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔を有し、前記ファンからの送風を受けるようにフィンが配置された放熱フィン部と、
前記放熱フィン部に積層配置され、前記ファンの回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔を有し、電源端子からの電力を変換して出力するパワーモジュール部と、
前記放熱フィン部の前記貫通孔および前記パワーモジュール部の前記貫通孔によって形成される中空部内に配置され、前記電源端子間に接続されるキャパシタ部と
を備えることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１１】
前記パワーモジュール部に積層配置され、前記パワーモジュール部に搭載された各スイッチング素子のスイッチング動作を制御するゲートドライバ部をさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のパワーモジュール。
【請求項１２】
前記ゲートドライバ部は、前記ファンの前記中心部に対応する位置に貫通孔を有し、
前記キャパシタ部は、前記放熱フィン部に形成された前記貫通孔、前記モジュール部に形成された前記貫通孔、および前記ゲートドライバ部に形成された前記貫通孔によって形成される中空部内に配置されることを特徴とする請求項１１に記載のパワーモジュール。
【請求項１３】
前記キャパシタ部は、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、セラミックコンデンサのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１４】
前記パワーモジュール部は、ワンインワンモジュール、ツーインワンモジュール、フォーインワンモジュール、シックスインワンモジュール、セブンインワンモジュール、エイトインワンモジュール、トゥエルブインワンモジュール、またはフォーティーンインワンモジュールのいずれかの構造のモジュールを備えることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１５】
前記放熱フィン部に形成される前記貫通孔、および前記モジュール部に形成される前記貫通孔は、前記キャパシタ部の形状に応じた形状を有し、前記貫通孔の大きさは、前記ファンの中心部の羽の無い部分の大きさと略同じ大きさを備えることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項１６】
前記キャパシタ部の形状は、円筒形、角筒形のうちのいずれかあることを特徴とする請求項１５に記載のパワーモジュール。
【請求項１７】
前記放熱フィンに形成される前記貫通孔、および前記パワーモジュール部に形成される前記貫通孔の形状は、円形、楕円形、長方形、正方形、三角形、菱形のうちのいずれかであることを特徴とする請求項１５に記載のパワーモジュール。
【請求項１８】
前記スイッチング素子を第１電源と第２電源との間に直列に接続されたスイッチング回路を複数用いてインバータまたはコンバータを構成することを特徴とする請求項１１または１２に記載のパワーモジュール。
【請求項１９】
電源端子間に複数のスイッチング素子を直列に接続し、前記複数のスイッチング素子の接続部を出力とする回路を有する空冷インバータであって、
前記キャパシタ部は、電源端子間に接続されていることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に記載のパワーモジュールに搭載可能であることを特徴とする空冷インバータ。
【請求項２０】
前記スイッチング素子は、ＳｉＣ系ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ系ＩＧＢＴ、Ｓｉ系ＭＯＳＦＥＴ、Ｓｉ系ＩＧＢＴ、ＧａＮ系ＦＥＴのいずれかを備えることを特徴とする請求項１９に記載の空冷インバータ。
【請求項２１】
前記スイッチング素子は、複数チップのスイッチング素子が並列接続され、
前記パワーモジュール部は、樹脂により封止されていることを特徴とする請求項２０に記載の空冷インバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施の形態は、空冷機構、パワーモジュール、および空冷インバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、空冷インバータの小型化、高密度化が求められている。現在１００ｋＷ／Ｌに及ぶパワー密度を有する空冷インバータも登場している。
【０００３】
しかしながら、大きなパワー密度を有する空冷インバータでは、構造上、ファンの中心部の回転軸付近には送風するための羽がなく、充分に送風できないので発熱体から発生する熱が滞留する部分（熱溜まり）が生じるため、中心部の放熱性能は低くなる。
【０００４】
空冷インバータの高温化対策として、周波数の大きいスイッチングデバイスの高温化を抑制するために、出力部の中央に送風する半導体装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１８２２６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施の形態は、放熱効率が高く、高いパワー密度を有する空冷機構、パワーモジュール、および空冷インバータを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施の形態の一態様によれば、ファンと、前記ファンの送風側に配置され、前記ファンの回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔を有する放熱部と、前記放熱部上に配置され、前記ファンの前記中心部に対応する位置に貫通孔を有する第１の発熱部と、前記放熱部の前記貫通孔および前記第１の発熱部の前記貫通孔によって形成される中空部内に配置され、前記第１の発熱部に比べて発熱しない非発熱部とを備える空冷機構が提供される。
【０００８】
本実施の形態の他の態様によれば、ファンと、前記ファンの送風側に配置され、前記ファンの回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔を有し、前記ファンからの送風を受けるようにフィンが配置された放熱フィン部と、前記放熱フィン部に積層配置され、前記ファンの回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔を有し、電源端子からの電力を変換して出力するパワーモジュール部と、前記放熱フィン部の前記貫通孔および前記パワーモジュール部の前記貫通孔によって形成される中空部内に配置され、前記電源端子間に接続されるキャパシタ部とを備えるパワーモジュールが提供される。
【０００９】
本実施の形態の他の態様によれば、電源端子間に複数のスイッチング素子を直列に接続し、前記複数のスイッチング素子の接続部を出力とする回路を有する空冷インバータであって、前記キャパシタ部は、電源端子間に接続されているパワーモジュールに搭載可能である空冷インバータが提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本実施の形態によれば、放熱効率が高く、高いパワー密度を有する空冷機構、パワーモジュール、および空冷インバータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）実施の形態に係る空冷機構の基本構造の模式的断面構造図、（ｂ）比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造図（片面冷却構造）、（ｃ）図１（ａ）および図１（ｂ）に例示した冷却ファン部の模式的平面構造図。
【図２】（ａ）実施の形態に係るパワーモジュールの模式的断面構造図（両面冷却構造）、（ｂ）比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造（両面冷却構造）。
【図３】比較例に係るパワーモジュールのインバータ部とキャパシタ部のサイズ例を示す模式図であって、（ａ）模式的上面図、（ｂ）模式的斜視図。
【図４】実施の形態に係るパワーモジュールのインバータ部とキャパシタ部のサイズ例を示す模式図であって、（ａ）模式的上面図、（ｂ）模式的斜視図。
【図５】実施の形態に係るパワーモジュール例の模式的構造図であって、（ａ）パワーモジュールの模式的断面構造図、（ｂ）キャパシタ部を内包したフィン領域部の模式的裏面図。
【図６】（ａ）実施の形態に係るパワーモジュールに内包されるキャパシタ部の一例（円筒型）を示す模式的斜視図、（ｂ）実施の形態に係るパワーモジュールのモジュール部の模式的上面構造図。
【図７】実施の形態に係るパワーモジュール例の模式的斜視構造図であって、（ａ）放熱フィン部、およびモジュール部にキャパシタ部が内包される例、（ｂ）放熱フィン部、モジュール部、およびゲートドライバ部にキャパシタ部が内包される例、（ｃ）放熱フィン部のみにキャパシタ部が内包される例。
【図８】実施の形態に係るパワーモジュール（シックスインワン（６ in １）モジュール）（３相ブリッジインバータ）を例示する模式図であって、（ａ）模式的上面構造図、（ｂ）回路構成図。
【図９】図８に例示したパワーモジュール（６ in １モジュール）の模式図であって、（ａ）パワーモジュール部（底面基板部）の模式的平面パターン図、（ｂ）図９（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う６ in １モジュールの模式的断面構造図。
【図１０】図９（ａ）に例示したパワーモジュール部（底面基板部）の模式的斜視パターン図。
【図１１】図８に例示した６ in １モジュールの模式図であって、６ in １モジュールを構成する各層を重ねる様子を例示する模式的斜視図。
【図１２】図１１に例示した各層を離間させた様子を例示する図であって、（ａ）正側電極パターンの模式的斜視図、（ｂ）絶縁基板の模式的斜視図、（ｃ）負側電極パターンの模式的斜視図、（ｄ）パワーモジール部の模式的斜視図。
【図１３】図１１〜図１２に例示した各層を接着させた様子を例示する模式的斜視図。
【図１４】実施の形態に係るパワーモジュール（６ in １モジュール）（３相ブリッジインバータ）の別の例を示す模式的上面構造図。
【図１５】図１４に例示した６ in １モジュールの模式図であって、（ａ）パワーモジュール部の模式的平面パターン図、（ｂ）図１５（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図、（ｃ）図１５（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１６】実施の形態に係るパワーモジュール（フォーインワン（４ in １）モジュール）（単相ブリッジインバータ（フルブリッジ構成））を例示する模式図であって、（ａ）模式的上面構造図、（ｂ）回路構成図。
【図１７】図１６に例示したパワーモジュールの模式図であって、（ａ）パワーモジュール部の模式的平面パターン図、（ｂ）図１７（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図。
【図１８】実施の形態に係るパワーモジュールに内包されるキャパシタ部の別の例（箱型）を示す模式的斜視図。
【図１９】実施の形態に係るパワーモジュールであって、（ａ）ワンインワン（１ in １）モジュールのＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的回路表現図、（ｂ）１ in １モジュールのＩＧＢＴの模式的回路表現図。
【図２０】実施の形態に係るパワーモジュールであって、１ in １モジュールのＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの詳細回路表現図。
【図２１】実施の形態に係るパワーモジュールであって、（ａ）ツーインワン（２ in １）モジュールのＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的回路表現図、（ｂ）２ in １モジュールのＩＧＢＴの模式的回路表現図。
【図２２】実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、ソースパッド電極ＳＰＤ、ゲートパッド電極ＧＰＤを含むＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図２３】実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、エミッタパッド電極ＥＰＤ、ゲートパッド電極ＧＰＤを含むＩＧＢＴの模式的断面構造図。
【図２４】実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ  ＤＩ（Double Implanted）ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図２５】実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ  Ｔ（Trench）ＭＯＳＦＥＴの模式的断面構造図。
【図２６】実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した３相交流インバータの回路構成において、（ａ）半導体デバイスとしてＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用し、電源端子ＰＬ・接地端子ＮＬ間にスナバキャパシタを接続した回路構成例、（ｂ）半導体デバイスとしてＩＧＢＴを適用し、電源端子ＰＬ・接地端子ＮＬ間にスナバキャパシタを接続した回路構成例。
【図２７】実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した３相交流インバータの回路構成において、半導体デバイスとしてＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用した３相交流インバータの回路構成図。
【図２８】実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した３相交流インバータの回路構成において、半導体デバイスとしてＩＧＢＴを適用した３相交流インバータの回路構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１３】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１４】
[実施の形態]
（基本構造：片面冷却構造）
実施の形態に係る空冷機構の基本構造の模式的断面構造は、図１（ａ）に示すように表され、比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造図（片面冷却構造）は、図１（ｂ）に示すように表され、図１（ａ）および図１（ｂ）に例示した冷却ファン部の模式的平面構造は、図１（ｃ）に示すように表される。
【００１５】
また、実施の形態に係るパワーモジュールの模式的断面構造図（両面冷却構造）は、図２（ａ）に示すように表され、比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造（両面冷却構造）は、図２（ｂ）に示すように表される。
【００１６】
実施の形態に係る空冷機構の基本構造の模式的断面構造は、図１（ａ）・図２（ａ）に示すように表される。実施の形態に係る空冷機構の基本構造は、例えば、シックスインワン（６ in １）モジュールやフォーインワン（４ in １）モジュールとして構成可能であり、３相ブリッジインバータや単相ブリッジインバータなどの空冷インバータ等に適用可能である。
【００１７】
より具体的には、実施の形態の基本構造に係る空冷機構（パワーモジュール１３０）は、図１（ａ）に例示するように、ファン（冷却ファン）２と、ファン２の送風側に配置され、ファン２の回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔１５０（図７参照）を有する放熱部（放熱フィン部４）と、放熱部（放熱フィン部４）上に配置され、ファン２の中心部に対応する位置に貫通孔１５０（図７参照）を有する第１の発熱部（モジュール部６）と、放熱部（放熱フィン部４）の貫通孔１５０および第１の発熱部（モジュール部６）の貫通孔１５０によって形成される中空部１５０（図７参照）内に配置され、第１の発熱部に比べて発熱しない非発熱部（キャパシタ部８）とを備える。
【００１８】
実施の形態に係る空冷機構（パワーモジュール１３０）では、放熱部（放熱フィン部４）に形成された貫通孔１５０および第１の発熱部（モジュール部６）に形成された貫通孔１５０によって形成された中空部１５０内に、発熱部に比べて熱を発生させない非発熱部（キャパシタ部８）（キャパシタ）を内包することで、ファン２の回転軸の中心部分で送風され難い放熱部（放熱フィン部４）に熱溜まりが生じないようにし、その結果、放熱効率が高く、高いパワー密度を有することができる。
【００１９】
実施の形態に係る空冷機構（パワーモジュール１３０）は、さらに、第１の発熱部（モジュール部６）に積層するように配置された第２の発熱部（ゲートドライバ７）（図５参照）を備える。第２の発熱部（ゲートドライバ７）は、ファン２の回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔１５０を有してもよく、非発熱部（キャパシタ部８）は、放熱部（放熱フィン部４）に形成された貫通孔１５０、第１の発熱部（モジュール部６）に形成された貫通孔１５０、および第２の発熱部（ゲートドライバ７）に形成された貫通孔１５０によって形成される中空部１５０内に配置されてもよい。
【００２０】
実施の形態に係る空冷機構（パワーモジュール１３０）において、非発熱部（キャパシタ部８）は、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、セラミックコンデンサなどであってもよい。キャパシタ部８は、モジュール部６に電力を供給する電源端子間に接続されている。
【００２１】
実施の形態に係る空冷機構（パワーモジュール１３０）において、第１の発熱部（モジュール部６）は、６ in １構造のパワーモジュールまたは４ in １構造のパワーモジュールであってもよい。
【００２２】
実施の形態に係る空冷機構（パワーモジュール１３０）において、放熱部（放熱フィン部４）、第１の発熱部（モジュール部６）および第２の発熱部（ゲートドライバ７）に形成される貫通孔１５０は、非発熱部（キャパシタ部８）の形状に応じた形状を有し、貫通孔１５０の大きさは、ファンの中心部の羽の無い部分の大きさと略同じ大きさを備える。
【００２３】
放熱部（放熱フィン部４）に形成される貫通孔１５０、および第１の発熱部（モジュール部６）に形成される貫通孔１５０の形状は、例えば、円形、楕円形、長方形、正方形、三角形、菱形などであってもよい。非発熱部（キャパシタ部８）の形状は、円筒形、角筒形などであってもよい。
【００２４】
（両面冷却構造）
実施の形態に係るパワーモジュールの模式的断面構造（両面冷却構造）は、図２（ａ）に示すように表される。
【００２５】
実施の形態に係るパワーモジュールの両面冷却構造は、図２（ａ）に示すように、モジュール部６と、モジュール部６の上面に配置された放熱フィン部４2と、放熱フィン部４2上に配置され、放熱フィン部４2側に送風するファン２2と、モジュール部６の下面に配置された放熱フィン部４1と、放熱フィン部４1上に配置され、放熱フィン部４1側に送風するファン２1とを備える。
【００２６】
より具体的には、実施の形態の基本構造に係る空冷機構は、図２（ａ）に例示するように、ファン（冷却ファン）２1・２2と、ファン２1・２2の送風側に配置され、ファン２1・２2の回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔１５０（図７参照）を有する放熱部（放熱フィン部４1・４2）と、放熱部（放熱フィン部４1・４2）上に配置され、ファン２1・２2の中心部に対応する位置に貫通孔１５０（図７参照）を有する第１の発熱部（モジュール部６）と、放熱部（放熱フィン部４1・４2）の貫通孔１５０および第１の発熱部（モジュール部６）の貫通孔１５０によって形成される中空部１５０（図７参照）内に配置され、第１の発熱部（モジュール部６）に比べて発熱しない非発熱部（キャパシタ部８）とを備える。
【００２７】
実施の形態に係る空冷機構では、放熱部（放熱フィン部４1・４2）に形成された貫通孔１５０および第１の発熱部（モジュール部６）に形成された貫通孔１５０によって形成された中空部１５０内に、発熱部に比べて熱を発生させない非発熱部（キャパシタ部８）（キャパシタ）を内包することで、ファン２1・２2の回転軸の中心部分で送風され難い放熱部（放熱フィン部４1・４2）に熱溜まりが生じないようにし、その結果、放熱効率が高く、高いパワー密度を有することができる。
【００２８】
実施の形態に係る空冷機構は、さらに、第１の発熱部（モジュール部６）に積層するように配置された第２の発熱部（ゲートドライバ７）（図５参照）を備えていても良い。第２の発熱部（ゲートドライバ７）は、ファン２1・２2の回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔１５０を有してもよく、非発熱部（キャパシタ部８）は、放熱部（放熱フィン部４1・４2）に形成された貫通孔１５０、第１の発熱部（モジュール部６）に形成された貫通孔１５０、および第２の発熱部（ゲートドライバ７）に形成された貫通孔１５０によって形成される中空部１５０内に配置されてもよい。
【００２９】
実施の形態に係る空冷機構において、非発熱部（キャパシタ部８）は、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、セラミックコンデンサなどであってもよい。キャパシタ部８は、モジュール部６に電力を供給する電源端子間に接続されている。
【００３０】
実施の形態に係る空冷機構において、第１の発熱部（モジュール部６）は、６ in １構造のパワーモジュールまたは４ in １構造のパワーモジュールであってもよい。
【００３１】
実施の形態に係る空冷機構において、放熱部（放熱フィン部４1・４2）、第１の発熱部（モジュール部６）および第２の発熱部（ゲートドライバ７）に形成される貫通孔１５０は、非発熱部（キャパシタ部８）の形状に応じた形状を有し、貫通孔１５０の大きさは、ファンの中心部の羽の無い部分の大きさと略同じ大きさを備える。
【００３２】
放熱部（放熱フィン部４1・４2）に形成される貫通孔１５０、および第１の発熱部（モジュール部６）に形成される貫通孔１５０の形状は、例えば、円形、楕円形、長方形、正方形、三角形、菱形などであってもよい。非発熱部（キャパシタ部８）の形状は、円筒形、角筒形などであってもよい。
【００３３】
また、実施の形態に係るパワーモジュール（両面冷却構造）は、更に、第１の発熱部上に配置され、中心部に貫通孔を有する第２の発熱部と、第２の発熱部上に配置され、中心部に貫通孔を有する第２のファンとを備えていても良い。
【００３４】
（比較例）
比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造（片面冷却構造）は、図１（ａ）に示すように表され、比較例に係るパワーモジュールの模式的断面構造（両面冷却構造）は、図２（ｂ）に示すように表される。
【００３５】
比較例に係るパワーモジュールの片面冷却構造は、図１（ｂ）に示すように、モジュール部６Ａと、モジュール部６Ａの上面に配置された放熱フィン部４Ａと、放熱フィン部４Ａ上に配置され、放熱フィン部４Ａ側に送風するファン２Ａとを備える。
【００３６】
比較例に係るパワーモジュールの両面冷却構造は、図２（ｂ）に示すように、モジュール部６Ａと、モジュール部６Ａの上面に配置された放熱フィン部４2Ａと、放熱フィン部４2Ａ上に配置され、放熱フィン部４2Ａ側に送風するファン２2Ａと、モジュール部６Ａの下面に配置された放熱フィン部４1Ａと、放熱フィン部４1Ａ上に配置され、放熱フィン部４1Ａ側に送風するファン２1Ａとを備える。
【００３７】
ここで、ファン本体１に配置されたファン２（２Ａ・２1Ａ・２2Ａ）の有効領域（送風領域）は、図１（ｃ）に網掛け部で示すようなドーナツ状の領域であり、ファン２（２Ａ、２1Ａ、２2Ａ）の回転の中心部からは風がほぼ出ていない。
【００３８】
例えば、直径６０ｍｍ程度のファン２の場合、ファン２（２Ａ・２1Ａ・２2Ａ）の中心部の約３０ｍｍの部分からの領域からは風がほぼ出て来ない。この場合、ファン２（２Ａ・２1Ａ・２2Ａ）の有効領域（送風領域）は、ファン２（２Ａ・２1Ａ・２2Ａ）の中心部（約３０ｍｍ）の外側の約１５ｍｍのドーナツ状の領域である。
【００３９】
そのため、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、放熱フィン部４Ａ・４1Ａ・４2Ａ内部に熱溜まりＴＨ、ＴＨ１、ＴＨ２が生じ、発熱部であるモジュール部６Ａから発生する熱が滞留する部分（熱溜まり）が生じるため、放熱性能は低い。
【００４０】
（パワーモジュールのサイズ）
図３は、比較例に係るパワーモジュールのインバータ部５（モジュール部６Ａ＋放熱フィン部４Ａ＋ファン２）のサイズ例と、キャパシタ部８のサイズ例を模式的に示す。比較例に係るパワーモジュールは、インバータ部５（モジュール部６Ａ＋放熱フィン部４Ａ＋ファン２）の側面にキャパシタ部８が配置されている。
【００４１】
例えば、インバータ部５の長さＬ１、幅Ｗ１、高さＨ１の値を、それぞれ、８０ｍｍ、８０ｍｍ、８０ｍｍとし、キャパシタ部８の長さＬ２、幅Ｗ１、高さＨ１の値を、それぞれ、８０ｍｍ、８０ｍｍ、８０ｍｍとすると、比較例に係るパワーモジュールの容量は約０．７５Ｌである。
【００４２】
図４は、実施の形態に係るパワーモジュール１３０のインバータ部５（モジュール部６＋放熱フィン部４＋ファン２）のサイズ例と、キャパシタ部８のサイズ例を模式的に示す。実施の形態に係るパワーモジュール１３０は、インバータ部５のモジュール部６Ａと放熱フィン部４とに形成される中空部１５０内に円筒型のキャパシタ部８が配置されている。
【００４３】
インバータ部５の長さＬ３、幅Ｗ３、高さＨ２の値は、例えば、約８０〜１００ｍｍ程度、約８０〜１００ｍｍ程度、約８０〜１００ｍｍ程度である。例えば、インバータ部５の長さＬ３、幅Ｗ３、高さＨ２の値を、それぞれ、９５ｍｍ、９５ｍｍ、８０ｍｍとし、円筒型のキャパシタ部８の直径Ｄ１の値を５６ｍｍとすると、実施の形態に係るパワーモジュール１３０の容量は約０．７５Ｌとなり、比較例に係るパワーモジュールの容量と同等である。
【００４４】
このように構成された実施の形態に係るパワーモジュール１３０によれば、以下の利点がある。尚、以下の説明において、コンデンサは回路部品としての名称であり、キャパシタ部は、回路構成上のキャパシタ部分を呼称するものである。したがって、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、セラミックコンデンサ、箱型コンデンサなどを表現する場合には、コンデンサの表記を用い、その他は、コンデンサはすべてキャパシタで統一して表現する。
（１）比較例のような外付けのキャパシタではなく、キャパシタ部８をインバータ部５に内包することで、熱溜まりを解消し、ファン２の有効領域を効率的に使うことができ、放熱効果が向上する。
（２）インバータ部５を大きく取ることができるので、ファン２の径のサイズも大きくすることができ、風量を増大させ、放熱効果が向上する。
（３）円筒型のキャパシタ部８を採用することで、さらなる高密度化が可能になる。
【００４５】
（実施の形態に係るパワーモジュール）
実施の形態に係るパワーモジュール１３０の基本構造の模式的構造であって、模式的断面構造は図５（ａ）に示すように表され、キャパシタ部８を内包したフィン領域部４Ｆの模式的裏面構造は図５（ｂ）に示すように表される。実施の形態に係るパワーモジュール１３０は、例えば、シックスインワン（６ in １）モジュールやフォーインワン（４ in １）モジュールとして構成可能であり、３相ブリッジインバータや単相ブリッジインバータなどの空冷インバータ等に適用可能である。
【００４６】
より具体的には、実施の形態に係るパワーモジュール１３０は、図５に例示するように、ファン２と、ファン２の送風側に配置され、ファン２の回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔１５０を有し、ファン２からの送風を受けるようにフィンが配置された放熱フィン部（ヒートシンク）４と、放熱フィン部４に積層配置され、ファン２の回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔１５０を有し、電源端子からの電力を変換して出力するパワーモジュール部６と、放熱フィン部４の貫通孔１５０およびパワーモジュール部６の貫通孔１５０によって形成される中空部１５０（図６参照）内に配置され、電源端子間に接続されるキャパシタ部８とを備える。
【００４７】
実施の形態に係るパワーモジュール１３０では、放熱フィン部４に形成された貫通孔１５０およびモジュール部６に形成された貫通孔１５０によって形成された中空部１５０内に、熱を発生させないキャパシタ部８（キャパシタ）を内包することで、ファン２の有効領域（送風領域）に対応する箇所にのみ放熱フィン部４やモジュール部６が配置されるため、放熱フィン部４内に熱溜まりが生じ難くなる。その結果、放熱効率が高く、高いパワー密度を有するパワーモジュール１３０を提供することができる。
【００４８】
実施の形態に係るパワーモジュール１３０は、さらに、パワーモジュール部６に積層配置され、パワーモジュール部６に搭載された各スイッチング素子のスイッチング動作を制御するゲートドライバ部７をさらに備えていても良い。ゲートドライバ部７は、ファン２の回転軸の中心部に対応する位置に貫通孔１５０を有してもよく、キャパシタ部８は、放熱フィン部４に形成された貫通孔１５０、モジュール部６に形成された貫通孔１５０、およびゲートドライバ部７に形成された貫通孔１５０によって形成される中空部１５０内に配置されてもよい。
【００４９】
実施の形態に係るパワーモジュール１３０において、キャパシタ部８は、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、セラミックコンデンサなどであってもよい。
【００５０】
実施の形態に係るパワーモジュール１３０において、放熱フィン部４、パワーモジュール部６、およびゲートドライバ７に形成される貫通孔１５０は、キャパシタ部８の形状に応じた形状を有し、貫通孔１５０の大きさは、ファンの中心部の羽の無い部分の大きさと略同じ大きさを備えていても良い。放熱フィン部４に形成される貫通孔１５０、および電力モジュール部６に形成される貫通孔１５０の形状は、キャパシタ部８の形状に応じた形状であればよく、例えば、円形、楕円形、長方形、正方形、三角形、菱形などであってもよい。キャパシタ部８の形状は、円筒形、角筒形などであってもよい。
【００５１】
また、実施の形態に係るパワーモジュール１３０において、スイッチング素子を第１電源と第２電源との間に直列に接続されたスイッチング回路を複数用いてインバータまたはコンバータを構成しても良い。
【００５２】
実施の形態に係るパワーモジュール１３０に内包されるキャパシタ部８の一例（円筒型）は、図６（ａ）に示すように模式的に表され、円筒型キャパシタ部８を内包するモジュール部６の模式的上面構造は、図６（ｂ）に示すように模式的に表される。図６（ａ）に例示するキャパシタ部８は、例えば、リード線Ｅ１・Ｅ２を備える円筒型のフィルムコンデンサであり、図６（ｂ）に例示するような３相ブリッジインバータに円形状に形成された中空部１５０内に装着される。ここで、モジュール部６の長さＬ３、幅Ｗ３の値は、例えば、約８０〜１００ｍｍ程度、約８０〜１００ｍｍ程度であり、中空部１５０の直径は、約３０〜６０ｍｍ程度である。
【００５３】
実施の形態に係るパワーモジュール１３０の模式的斜視構造図であって、図７（ａ）は、放熱フィン部４およびモジュール部６に、キャパシタ部８が内包される中空部１５０が形成された例であり、図７（ｂ）は、放熱フィン部４、モジュール部６、およびゲートドライバ部７に、キャパシタ部８が内包される中空部１５０が形成された例であり、図７（ｃ）は、放熱フィン部４のみに、キャパシタ部８が内包される中空部１５０が形成された例である。
【００５４】
図７（ｃ）に例示した放熱フィン部４のみにキャパシタ部８が内包される場合は、図７（ａ）や図７（ｂ）の例に比べて冷却効果は低いが、モジュール部６、およびゲートドライバ部７の領域を広くすることができる。
【００５５】
（パワーモジュール例１）
実施の形態に係るパワーモジュール１３０（６ in １モジュール）（３相ブリッジインバータ）の模式的上面構造は、図８（ａ）に模式的に表され、３相ブリッジインバータの回路構成は、図８（ｂ）に概略的に表される。
【００５６】
図８（ａ）に例示するパワーモジュール１３０は、正側電力端子（Ｐ）、負側電力端子（Ｎ）、Ｕ相出力端子（Ｕ）、Ｖ相出力端子（Ｖ）、Ｗ相出力端子（Ｗ）を有する３相ブリッジインバータを構成する６ in １モジュールである。
【００５７】
３相ブリッジインバータは、半導体デバイスとしてＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用し、正側電力端子（Ｐ）・負側電力端子（Ｎ）間にスナバキャパシタＣを接続した回路構成を有する。また、３相ブリッジインバータは、３相交流モータ部５１に接続されており、３相交流モータ部５１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータが接続されている。また、インバータ構成のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５、およびＱ３・Ｑ６を備え、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のソース・ドレイン間には、フリーホイールダイオードＤＩ１〜ＤＩ６がそれぞれ逆並列に接続されている。フリーホイールダイオードＤＩ１〜ＤＩ６は寄生ダイオードを用いることにより省略することもできる。
【００５８】
図９は、図８に例示したパワーモジュール１３０（６ in １モジュール）の模式図であって、図９（ａ）は、パワーモジュール部１００ＰＭの模式的平面パターンを表し、図９（ｂ）は、図９（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造を表す。また、図１０は、図９（ａ）に例示したパワーモジュール部１００ＰＭの模式的斜視パターン図である。
【００５９】
ここで、パワーモジュール１３０の長さＬ３、幅Ｗ３の値は、例えば、約８０〜１００ｍｍ程度、約８０〜１００ｍｍ程度であり、中空部１５０の形状は矩形であり、中空部１５０の直径は約４０ｍｍ程度である。
【００６０】
パワーモジュール部１００ＰＭは、底面基板部１０と、上面基板部２０と、底面基板部１０・上面基板部２０間を接続する柱状電極１６11・１６22・１６33および柱状電極１８41・１８42・１８51・１８52・１８61・１８62とを備え、モールド樹脂１５によってモールド成形されている。
【００６１】
底面基板部１０は、銅箔（電極パターン）１４1・１４2・…１４6と、絶縁基板（例えばセラミックス基板）８Ｄと、銅箔（ベタ）６Ｄとから構成されるＤＢＣ（Direct Bonding Copper）基板である。上面基板部２０は、銅箔（正側電極パターン）１４Ｕ（ＢＰ）と、絶縁基板（例えばセラミックス基板）８Ｕと、銅箔（負側電極パターン）６Ｕ（ＢＮ）とから構成されるＤＢＣ基板である。
【００６２】
電力用トランジスタＱ１1・Ｑ１2は、電極パターン１４1上に配置され、電力用トランジスタＱ４1・Ｑ４2およびＵ相出力端子（Ｕ）は、電極パターン１４4上に配置され、電極パターン１４1・電極パターン１４4間は、プラグ電極ＰＬ１によって接続される。電力用トランジスタＱ５1・Ｑ５2およびＶ相出力端子（Ｖ）は、電極パターン１４5上に配置され、電力用トランジスタＱ２1・Ｑ２2は、電極パターン１４2上に配置され、電極パターン１４5・電極パターン１４2間は、プラグ電極ＰＬ２によって接続される。電力用トランジスタＱ６1・Ｑ６2およびＷ相出力端子（Ｗ）は、電極パターン１４6上に配置され、電力用トランジスタＱ３1・Ｑ３2は、電極パターン１４3上に配置され、電極パターン１４6・電極パターン１４3間は、プラグ電極ＰＬ３によって接続される。
【００６３】
柱状電極１６11・１６22・１６33は、底面基板部１０と上面基板部２０の正側電極パターン１４Ｕ（ＢＰ）との間を接続する。柱状電極１８41・１８42・１８51・１８52・１８61・１８62は、底面基板部１０上の各電力用トランジスタＱのソース電極と上面基板部２０の負側電極パターン６Ｕ（ＢＮ）との間を接続する。
【００６４】
図１１は、図８に例示したパワーモジュール１３０（６ in １モジュール）であって、６ in １モジュールを構成する各層を重ねる様子を模式的に例示する。図１１に例示した各層を離間させた様子を例示する図であって、図１２（ａ）は正側電極パターンの模式的斜視図、図１２（ｂ）は絶縁基板の模式的斜視図、図１２（ｃ）は負側電極パターンの模式的斜視図、図１２（ｄ）はパワーモジール部の模式的斜視図をそれぞれ示す。また、図１３は、図１１〜図１２に例示した各層を接着させてパワーモジュール１３０（６ in １モジュール）とした様子を模式的に例示する。
【００６５】
正側電極パターン１００Ｐ（１４Ｕ（ＢＰ））、絶縁基板（例えばセラミックス基板）１００Ｉ、および負側電極パターン１００Ｎ（６Ｕ（ＢＮ））は、正側および負側のバスバーを構成し、正側電極パターン１００Ｐおよび負側電極パターン１００Ｎの全面には電極が張り巡らされている。
【００６６】
パワーモジュール部１００ＰＭと負側電極パターン１００Ｎとの間は、縦配線の柱状電極１８41・１８42・１８51・１８52・１８61・１８62によって接続される。パワーモジュール部１００ＰＭと正側電極パターン１００Ｐとの間は、縦配線の柱状電極１６11・１６22・１６33によって接続される。柱状電極１６11は、負側電極パターン１００Ｎに形成されたスルーホール１６０11および絶縁基板１００Ｉに形成されたスルーホール１７０11を通じて正側電極パターン１００Ｐ（１４Ｕ（ＢＰ））に接続される。柱状電極１６22は、負側電極パターン１００Ｎに形成されたスルーホール１６０22および絶縁基板１００Ｉに形成されたスルーホール１７０22を通じて正側電極パターン１００Ｐ（１４Ｕ（ＢＰ））に接続される。柱状電極１６33は、負側電極パターン１００Ｎに形成されたスルーホール１６０33および絶縁基板１００Ｉに形成されたスルーホール１７０33を通じて正側電極パターン１００Ｐ（１４Ｕ（ＢＰ））に接続される。
【００６７】
（パワーモジュール例２）
実施の形態に係るパワーモジュール１３０（６ in １モジュール）（３相ブリッジインバータ）の別の例の模式的上面構造は、図１４に模式的に表される。また、図１５（ａ）は、図１４に例示したパワーモジュール１３０（６ in １モジュール）のパワーモジュール部１００ＰＭの模式図であって、図１５（ａ）は模式的平面パターンを表し、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造を表し、図１５（ｃ）は、図１５（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造を表す。
【００６８】
パワーモジュール１３０は、電極パターンＢＮ（１４4・１４5・１４6）と、電極パターンＢＰ（１４1・１４2・１４3）とを備え、モールド樹脂１５によってモールド成形されている。
【００６９】
例えば、電力用トランジスタＱ５1・Ｑ５2は、電極パターンＢＮ（１４5）の表面上に配置され、電力用トランジスタＱ２1・Ｑ２2およびＶ相出力端子（Ｖ）は、電極パターンＢＰ（１４2）の裏面上に配置され、電極パターンＢＮ（１４5）・電極パターンＢＰ（１４2）間は、柱状電極１７Ｐによって接続される。また、電極パターンＢＮ上には、絶縁基板１３Ｉを挟んで正側電力ライン１３Ｐと負側電力ライン１３Ｎとが配置され、それぞれ正側電力端子（Ｐ）と負側電力端子（Ｎ）に接続される。
【００７０】
また、電力用トランジスタＱ６1・Ｑ６2は、電極パターンＢＮ（１４6）の表面上に配置され、電力用トランジスタＱ３1・Ｑ３2およびＷ相出力端子（Ｗ）は、電極パターンＢＰ（１４3）の裏面上に配置され、電極パターンＢＮ（１４6）・電極パターンＢＰ（１４3）間は、柱状電極１９61によって接続される。また、電力用トランジスタＱ４1・Ｑ４2は、電極パターンＢＮ（１４4）の表面上に配置され、電力用トランジスタＱ１1・Ｑ１2およびＵ相出力端子（Ｕ）は、電極パターンＢＰ（１４1）の裏面上に配置され、電極パターンＢＮ（１４4）・電極パターンＢＰ（１４1）間は、柱状電極１９41によって接続される。
【００７１】
また、電極パターンＢＮ上には、絶縁基板１３Ｉを挟んで正側電力ライン１３Ｐと負側電力ライン１３Ｎとが配置される。
【００７２】
（パワーモジュール例３）
実施の形態に係るパワーモジュール１３０（４ in １モジュール）（単相ブリッジインバータ）の模式的上面構造は、図１６（ａ）に示すように表され、回路構成は、図１６（ｂ）に示すように表される。また、図１７は、図１６に例示したパワーモジュール１３０のパワーモジュール部１００ＰＭの模式図であって、図１７（ａ）は、模式的平面パターンを表し、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造を表す。
【００７３】
実施の形態に係るパワーモジュール１３０において、図１６〜図１７は、電力回路がフルブリッジ構成の例である。
【００７４】
単相ブリッジインバータは、半導体デバイスとしてＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用し、正側電力端子（Ｐ）・負側電力端子（Ｎ）間にスナバキャパシタＣを接続した回路構成を有する。また、単相ブリッジインバータは、負荷（抵抗Ｒ、インダクタンスＬ）に接続されており、負荷（抵抗Ｒ、インダクタンスＬ）のＵ相、Ｖ相に対応して、Ｕ相、Ｖ相のインバータが接続されている。また、インバータ構成のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５を備え、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５のソース・ドレイン間には、フリーホイールダイオードＤＩ１〜ＤＩ６がそれぞれ逆並列に接続されている。
【００７５】
例えば、電力用トランジスタＱ１1・Ｑ１2・Ｑ１3・Ｑ２1・Ｑ２2・Ｑ２3および正側電力端子（Ｐ）は、電極パターン１４1（１４2）上に配置される。電力用トランジスタＱ４1・Ｑ４2・Ｑ４3は、電極パターン１４4上に配置され、電力用トランジスタＱ５1・Ｑ５2・Ｑ５3は、電極パターン１４5上に配置される。電力用トランジスタＱ１1・Ｑ１2・Ｑ１3は、プラグ電極ＰＬ１によって電力用トランジスタＱ４1・Ｑ４2・Ｑ４3側に接続され、電力用トランジスタＱ２1・Ｑ２2・Ｑ２3は、プラグ電極ＰＬ２によって電力用トランジスタＱ５1・Ｑ５2・Ｑ５3側に接続される。電力用トランジスタＱ４1・Ｑ４2・Ｑ４3・Ｑ５1・Ｑ５2・Ｑ５3は、プラグ電極ＰＬ４５によって接続され、プラグ電極ＰＬ４５の一端は、負側電力端子（Ｎ）に接続された電極パターン１４nに接続される。
【００７６】
（箱型コンデンサの例）
図１８は、実施の形態に係るパワーモジュール１３０に内包されるキャパシタ部８の箱型コンデンサの例を模式的に示す。箱型コンデンサの幅Ｘ、奥行Ｙ、高さＺの値を、例えば、約４０ｍｍ程度（約４０ｍｍ×２）、約４２ｍｍ程度、約４２ｍｍ程度とすると、容量は約０．７５Ｌとなる。
【００７７】
キャパシタ部８は、フィルムコンデンサ、電解コンデンサ、セラミックコンデンサなどであってもよい。
【００７８】
（半導体デバイスの具体例）
実施の形態に係るパワーモジュール１３０であって、１ in １モジュール５０のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的回路表現は、図１９（ａ）に示すように表され、１ in １モジュール５０のＩＧＢＴの模式的回路表現は、図１９（ｂ）に示すように表される。図１９（ａ）には、ＭＯＳＦＥＴに逆並列接続されるダイオードＤＩが示されている。ＭＯＳＦＥＴの主電極は、ドレイン端子ＤＴおよびソース端子ＳＴで表される。同様に、図１９（ｂ）には、ＩＧＢＴに逆並列接続されるダイオードＤＩが示されている。ＩＧＢＴの主電極は、コレクタ端子ＣＴおよびエミッタ端子ＥＴで表される。
【００７９】
また、実施の形態に係るパワーモジュール１３０であって、１ in １モジュール５０のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの詳細回路表現は、図２０に示すように表される。
【００８０】
１ in １モジュール５０は、例えば、１個のＭＯＳＦＥＴが１つのモジュールに内蔵されている。一例として、５チップ（ＭＯＳＦＥＴ×５）搭載可能であり、それぞれのＭＯＳＦＥＴは、５個まで並列接続可能である。なお、５チップの内、一部をダイオードＤＩ用として搭載することも可能である。
【００８１】
さらに詳細には、図２０に示すように、ＭＯＳＦＥＴＱに並列にセンス用ＭＯＳＦＥＴＱｓが接続される。センス用ＭＯＳＦＥＴＱｓは、ＭＯＳＦＥＴＱと同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されている。図２０において、ＳＳはソースセンス端子、ＣＳは電流センス端子であり、Ｇはゲート信号端子である。実施の形態に係るパワーモジュール１３０においても、ＭＯＳＦＥＴＱには、センス用ＭＯＳＦＥＴＱｓが同一チップ内に、微細トランジスタとして形成されていても良い。
【００８２】
（回路構成）
実施の形態に係るパワーモジュールであって、２ in １モジュール１００のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴの模式的回路表現は、図２１（ａ）に示すように表され、２ in １モジュール１００のＩＧＢＴの模式的回路表現は、図２１（ｂ）に示すように表される。
【００８３】
実施の形態に係るパワーモジュールであって、２個の半導体デバイスＱ１・Ｑ４が１つのモールド樹脂に封止された２ in １タイプのモジュールについて説明する。
【００８４】
半導体デバイスＱ１・Ｑ４として、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用した２ in １モジュール１００は、図２１（ａ）に示すように、２個のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４が内蔵されたハーフブリッジ構成を備える。
【００８５】
ここで、モジュールの各トランジスタは、１つの大きなトランジスタとみなすことができるが、内蔵トランジスタが１チップまたは複数チップの場合がある。また、モジュールには、１ in １、２ in １、４ in １、６ in １などがあり、例えば、１つのモジュールにおいて、２組分のトランジスタ（チップ）を内蔵したモジュールは２ in １、２ in １を２組み内蔵したモジュールは４ in １、２ in １を３組み内蔵したモジュールは６ in １と呼ばれる。
【００８６】
図２１（ａ）に示すように、２ in １モジュール１００には、２組のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４と、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４に逆並列接続されるダイオードＤＩ１・ＤＩ４が内蔵される。図２１（ａ）において、Ｇ１はＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート信号用のリード端子であり、Ｓ１はＭＯＳＦＥＴＱ１のソース信号用のリード端子である。同様に、Ｇ４はＭＯＳＦＥＴＱ４のゲート信号用のリード端子であり、Ｓ４はＭＯＳＦＥＴＱ４のソース信号用のリード端子である。Ｐは正側電力端子であり、Ｎは負側電力端子であり、Ｏは出力端子電極である。
【００８７】
また、半導体デバイスＱ１・Ｑ４として、ＩＧＢＴを適用した２ in １モジュール１００には、図２１（ｂ）に示すように、２個のＩＧＢＴＱ１・Ｑ４と、ＩＧＢＴＱ１・Ｑ４に逆並列接続されるダイオードＤＩ１・ＤＩ４が内蔵される。図２１（ｂ）において、Ｇ１はＩＧＢＴＱ１のゲート信号用のリード端子であり、Ｅ１はＩＧＢＴＱ１のエミッタ信号用のリード端子である。同様に、Ｇ４はＩＧＢＴＱ４のゲート信号用のリード端子であり、Ｅ４はＩＧＢＴＱ４のエミッタ信号用のリード端子である。
【００８８】
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスＱ２・Ｑ５、および半導体デバイスＱ３・Ｑ６についても同様である。
【００８９】
（デバイス構造）
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスＱ１・Ｑ４の例であって、ソースパッド電極ＳＰＤ、ゲートパッド電極ＧＰＤを含むＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ２５０Ａの模式的断面構造は、図２２に示すように表される。
【００９０】
図２２に示すように、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ２５０Ａは、ｎ-高抵抗層からなる半導体層３１と、半導体層３１の表面側に形成されたｐボディ領域３２と、ｐボディ領域３２の表面に形成されたソース領域３３と、ｐボディ領域３２間の半導体層３１の表面上に配置されたゲート絶縁膜３４と、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５と、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６と、半導体層３１の表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ドレイン領域３７と、ｎ+ドレイン領域３７に接続されたドレイン電極３８とを備える。
【００９１】
ゲートパッド電極ＧＰＤは、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５に接続され、ソースパッド電極ＳＰＤは、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６に接続される。また、ゲートパッド電極ＧＰＤおよびソースパッド電極ＳＰＤは、図２２に示すように、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ２５０Ａの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜３９上に配置される。
【００９２】
なお、ゲートパッド電極ＧＰＤおよびソースパッド電極ＳＰＤの下方の半導体層３１内には、図示していないが、微細構造のトランジスタ構造が形成されていても良い。
【００９３】
さらに、図２２に示すように、中央部のトランジスタ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜３９上にソースパッド電極ＳＰＤが延在して配置されていても良い。
【００９４】
図２２において、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ２５０Ａは、プレーナゲート型のｎチャネル縦型ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴで構成されているが、後述する図２５に示すように、トレンチゲート型のｎチャネル縦型ＳｉＣ  ＴＭＯＳＦＥＴ２５０Ｄなどで構成されていても良い。
【００９５】
または、実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスＱ１・Ｑ４としては、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ２５０Ａの代わりに、ＧａＮ系ＦＥＴなどを採用することもできる。
【００９６】
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスＱ２・Ｑ５、および半導体デバイスＱ３・Ｑ６についても同様である。
【００９７】
さらには、実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスＱ１〜Ｑ６には、バンドギャップエネルギーが、例えば、１．１ｅＶ〜８ｅＶのワイドバンドギャップ型と称される半導体を用いることができる。
【００９８】
同様に、実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスＱ１・Ｑ４の例であって、エミッタパッド電極ＥＰＤ、ゲートパッド電極ＧＰＤを含むＩＧＢＴ２５０Ｂの模式的断面構造は、図２３に示すように表される。
【００９９】
図２３に示すように、ＩＧＢＴ２５０Ｂは、ｎ-高抵抗層からなる半導体層３１と、半導体層３１の表面側に形成されたｐボディ領域３２と、ｐボディ領域３２の表面に形成されたエミッタ領域３３Ｅと、ｐボディ領域３２間の半導体層３１の表面上に配置されたゲート絶縁膜３４と、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５と、エミッタ領域３３Ｅおよびｐボディ領域３２に接続されたエミッタ電極３６Ｅと、半導体層３１の表面と反対側の裏面に配置されたｐ+コレクタ領域３７Ｐと、ｐ+コレクタ領域３７Ｐに接続されたコレクタ電極３８Ｃとを備える。
【０１００】
ゲートパッド電極ＧＰＤは、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５に接続され、エミッタパッド電極ＥＰＤは、エミッタ領域３３Ｅおよびｐボディ領域３２に接続されたエミッタ電極３６Ｅに接続される。また、ゲートパッド電極ＧＰＤおよびエミッタパッド電極ＥＰＤは、図２３に示すように、ＩＧＢＴ２５０Ｂの表面を覆うパッシベーション用の層間絶縁膜３９上に配置される。
【０１０１】
なお、ゲートパッド電極ＧＰＤおよびエミッタパッド電極ＥＰＤの下方の半導体層３１内には、図示していないが、微細構造のＩＧＢＴ構造が形成されていても良い。
【０１０２】
さらに、図２３に示すように、中央部のＩＧＢＴ構造においても、パッシベーション用の層間絶縁膜３９上にエミッタパッド電極ＥＰＤが延在して配置されていても良い。
【０１０３】
図２３において、ＩＧＢＴ２５０Ｂは、プレーナゲート型のｎチャネル縦型ＩＧＢＴで構成されているが、トレンチゲート型のｎチャネル縦型ＩＧＢＴなどで構成されていても良い。
【０１０４】
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスＱ２・Ｑ５、および半導体デバイスＱ３・Ｑ６についても同様である。
【０１０５】
半導体デバイスＱ１〜Ｑ６としては、後述するＳｉＣ  ＤＩＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ  ＴＭＯＳＦＥＴなどのＳｉＣ系パワーデバイス、或いはＧａＮ系ＨＥＭＴなどのＧａＮ系パワーデバイスを適用可能である。また、場合によっては、Ｓｉ系ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ系ＩＧＢＴなどのパワーデバイスも適用可能である。
【０１０６】
―ＳｉＣ  ＤＩＭＯＳＦＥＴ―
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ  ＤＩＭＯＳＦＥＴ２５０Ｃの模式的断面構造は、図２４に示すように表される。
【０１０７】
図２４に示すＳｉＣ  ＤＩＭＯＳＦＥＴ２５０Ｃは、ｎ-高抵抗層からなる半導体層３１と、半導体層３１の表面側に形成されたｐボディ領域３２と、ｐボディ領域３２の表面に形成されたｎ+ソース領域３３と、ｐボディ領域３２間の半導体層３１の表面上に配置されたゲート絶縁膜３４と、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５と、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６と、半導体層３１の表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ドレイン領域３７と、ｎ+ドレイン領域３７に接続されたドレイン電極３８とを備える。
【０１０８】
図２４において、ＳｉＣ  ＤＩＭＯＳＦＥＴ２５０Ｃは、ｐボディ領域３２と、ｐボディ領域３２の表面に形成されたｎ+ソース領域３３が、ダブルイオン注入（ＤＩＩ）で形成され、ソースパッド電極ＳＰＤは、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６に接続される。
【０１０９】
図示を省略するゲートパッド電極ＧＰＤは、ゲート絶縁膜３４上に配置されたゲート電極３５に接続される。また、ソースパッド電極ＳＰＤおよびゲートパッド電極ＧＰＤは、図２４に示すように、ＳｉＣ  ＤＩＭＯＳＦＥＴ２５０Ｃの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜３９上に配置される。
【０１１０】
ＳｉＣ  ＤＩＭＯＳＦＥＴ２５０Ｃは、図２４に示すように、ｐボディ領域３２に挟まれたｎ-高抵抗層からなる半導体層３１内に、破線で示されるような空乏層が形成されるため、接合型ＦＥＴ（ＪＦＥＴ）効果に伴うチャネル抵抗ＲJFETが形成される。また、ｐボディ領域３２／半導体層３１間には、図２４に示すように、ボディダイオードＢＤが形成される。
【０１１１】
―ＳｉＣ  ＴＭＯＳＦＥＴ―
実施の形態に係るパワーモジュールに適用可能な半導体デバイスの例であって、ＳｉＣ  ＴＭＯＳＦＥＴ２５０Ｄの模式的断面構造は、図２５に示すように表される。
【０１１２】
図２５に示すＳｉＣ  ＴＭＯＳＦＥＴ２５０Ｄは、ｎ層からなる半導体層３１Ｎと、半導体層３１Ｎの表面側に形成されたｐボディ領域３２と、ｐボディ領域３２の表面に形成されたｎ+ソース領域３３と、ｐボディ領域３２を貫通し、半導体層３１Ｎまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜３４および層間絶縁膜３９Ｕ・３９Ｂを介して形成されたトレンチゲート電極３５ＴＧと、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６と、半導体層３１Ｎの表面と反対側の裏面に配置されたｎ+ドレイン領域３７と、ｎ+ドレイン領域３７に接続されたドレイン電極３８とを備える。
【０１１３】
図２５において、ＳｉＣ  ＴＭＯＳＦＥＴ２５０Ｄは、ｐボディ領域３２を貫通し、半導体層３１Ｎまで形成されたトレンチ内にゲート絶縁膜３４および層間絶縁膜３９Ｕ・３９Ｂを介してトレンチゲート電極３５ＴＧが形成され、ソースパッド電極ＳＰＤは、ソース領域３３およびｐボディ領域３２に接続されたソース電極３６に接続される。
【０１１４】
図示を省略するゲートパッド電極ＧＰＤは、ゲート絶縁膜３４上に配置されたトレンチゲート電極３５ＴＧに接続される。また、ソースパッド電極ＳＰＤおよびゲートパッド電極ＧＰＤは、図２５に示すように、ＳｉＣ  ＴＭＯＳＦＥＴ２５０Ｄの表面を覆うように、パッシベーション用の層間絶縁膜３９Ｕ上に配置される。
【０１１５】
ＳｉＣ  ＴＭＯＳＦＥＴ２５０Ｄでは、ＳｉＣ  ＤＩＭＯＳＦＥＴ２５０ＣのようなＪＦＥＴ効果に伴うチャネル抵抗ＲJFETは形成されない。ｐボディ領域３２／半導体層３１Ｎ間には、図２４と同様に、ボディダイオードＢＤが形成される。
【０１１６】
（応用例）
実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した３相交流インバータ４０Ａの回路構成において、半導体デバイスとしてＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用し、電源端子ＰＬ・接地端子ＮＬ間にスナバキャパシタＣを接続した回路構成例は、図２６（ａ）に示すように表される。同様に、半導体デバイスとしてＩＧＢＴを適用し、電源端子ＰＬ・接地端子ＮＬ間にスナバキャパシタＣを接続した３相交流インバータ４０Ｂの回路構成例は、図２６（ｂ）に示すように表される。
【０１１７】
パワーモジュールを電源Ｅと接続し、スイッチング動作を行うと、接続ラインの有するインダクタンスＬによって、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのスイッチング速度が速いため、大きなサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔを生ずる。例えば、電流変化ｄｉ＝３００Ａとし、スイッチングに伴う時間変化ｄｔ＝１００ｎｓｅｃとすると、ｄｉ／ｄｔ＝３×１０９（Ａ／ｓ）となる。
【０１１８】
インダクタンスＬの値により、サージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔの値は変化するが、電源Ｅに、このサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔが重畳される。電源端子ＰＬ・接地端子ＮＬ間に接続されるスナバキャパシタＣによって、このサージ電圧Ｌｄｉ／ｄｔを吸収することができる。
【０１１９】
（具体例）
次に、図２７を参照して、半導体デバイスとしてＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴを適用した３相交流インバータ４２Ｂについて説明する。
【０１２０】
図２７に示すように、３相交流インバータ４２Ａは、ゲートドライバ（ＧＤ）１８０に接続されたパワーモジュール２００と、３相交流モータ部５１と、電源もしくは蓄電池（Ｅ）５３と、コンバータ５５とを備える。パワーモジュール２００は、３相交流モータ部５１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータが接続されている。
【０１２１】
ここで、ＧＤ１８０は、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ２・Ｑ５、およびＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ３・Ｑ６のゲート端子に接続され、各トランジスタのスイッチング動作を制御している。
【０１２２】
パワーモジュール２００は、電源もしくは蓄電池（Ｅ）５３が接続されたコンバータ５５のプラス端子（＋）Ｐとマイナス端子（−）Ｎとの間に接続され、インバータ構成のＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５、およびＱ３・Ｑ６を備える。また、ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ６のソース・ドレイン間には、フリーホイールダイオードＤＩ１〜ＤＩ６がそれぞれ逆並列に接続されている。
【０１２３】
次に、図２８を参照して、半導体デバイスとしてＩＧＢＴを適用し、実施の形態に係るパワーモジュールを用いて構成した３相交流インバータ４２Ｂについて説明する。
【０１２４】
図２８に示すように、３相交流インバータ４２Ｂは、パワーモジュール２００と、ＧＤ１８０と、３相交流モータ部５１と、電源もしくは蓄電池（Ｅ）５３と、コンバータ５５とを備える。パワーモジュール２００は、３相交流モータ部５１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のインバータが接続されている。
【０１２５】
ここで、ＧＤ１８０は、ＩＧＢＴＱ１・Ｑ４、ＩＧＢＴＱ２・Ｑ５、およびＩＧＢＴＱ３・Ｑ６のゲート端子に接続され、各トランジスタのスイッチング動作を制御している。
【０１２６】
パワーモジュール２００は、蓄電池（Ｅ）５３が接続されたコンバータ５５のプラス端子（＋）Ｐとマイナス端子（−）Ｎとの間に接続され、インバータ構成のＩＧＢＴ  Ｑ１・Ｑ４、Ｑ２・Ｑ５、およびＱ３・Ｑ６を備える。また、ＩＧＢＴ  Ｑ１〜Ｑ６のエミッタ・コレクタ間には、フリーホイールダイオードＤＩ１〜ＤＩ６がそれぞれ逆並列に接続されている。
【０１２７】
（空冷インバータ）
実施の形態に係る空冷インバータは、電源端子間に複数のスイッチング素子を直列に接続し、複数のスイッチング素子の接続部を出力とする回路を有する。ここで、キャパシタ部８は、電源端子間に接続されている上記のパワーモジュール１３０に搭載可能である。
【０１２８】
実施の形態に係る空冷インバータにおいて、スイッチング素子は、ＳｉＣ系ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ系ＩＧＢＴ、Ｓｉ系ＭＯＳＦＥＴ、Ｓｉ系ＩＧＢＴ、ＧａＮ系ＦＥＴのいずれかを備えていても良い。
【０１２９】
また、スイッチング素子は、複数チップのスイッチング素子が並列接続され、パワーモジュール部６は、樹脂により封止されていても良い。
【０１３０】
本実施の形態によれば、モジュール部などの発熱部の中央部に形成した中空部にキャパシタを内包し、空冷ファンからの送風を発熱部に対応して設けた放熱フィンに効果的に導くことで、放熱効率が高く、高いパワー密度を有しながら小型化可能な空冷機構、パワーモジュール、および空冷インバータを提供することができる。
【０１３１】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。また、主基板を使わずにパターンのみを金属板や金属フレームで用意し、樹脂封止や絶縁シートなどで主基板の役割であるパターン同士の配置関係保持、絶縁保持を実現したパワーモジュールについても同様の対策によって同様の効果が得られる。
【０１３２】
なお、本実施の形態に係るパワーモジュールにおいては、主として１ in １モジュール、２ in １モジュール、６ in １モジュール、４ in １モジュールについて説明したが、これに限らず、例えば６ in １モジュールュールにスナバキャパシタなどを備えたセブンインワン（７ in １）モジュール、エイトインワン（８ in １）モジュール、トゥエルブインワン（１２ in １）モジュール、フォーティーンイン（１４ in １）ワンモジュールなどにも適用できる。
【０１３３】
このように、本実施の形態はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本実施の形態の空冷機構は、パワーモジュールに限らず、空冷ファンを用いた様々な空冷機構（例えば、サーバ装置やデスクトップパソコンのＣＰＵ、アクセレレータ等の冷却装置、倉庫やコンテナなどの空調システムなど）に適用できる。
【０１３５】
本実施の形態のパワーモジュールは、ＳｉＣパワーモジュールインテリジェントパワーモジュールなどパワーデバイス全般に利用可能であり、特に、ＨＥＶ／ＥＶ、インホイールモータ向けのコンバータ、インバータ（バッテリーから昇圧するためのＰＦＣ回路やモータ駆動用３相インバータ）、太陽電池システムのパワーコンディショナー向け昇圧コンバータ、産業機器向けのコンバータ、インバータなど幅広い応用分野に適用可能である。
【符号の説明】
【０１３６】
１…ファン本体
２、２Ａ、２1Ａ、２2Ａ…ファン（冷却ファン）
４、４Ａ、４1Ａ、４2Ａ…放熱部、放熱フィン部（ヒートシンク）
４Ｆ…フィン領域部
５…インバータ部
６、６Ａ…第１の発熱部（モジュール部）
７…第２の発熱部（ゲートドライバ部）
８…非発熱部（キャパシタ部）
６Ｄ…銅箔（ベタ）
６Ｕ、ＢＮ…銅箔（負側電極パターン）
８Ｄ、８Ｕ…絶縁基板（セラミックス基板）
１０…底面基板部
１３Ｐ…正側電力ライン
１３Ｉ…絶縁基板（セラミックス基板）
１３Ｎ…負側電力ライン
１４1、１４2、…、１４6…銅箔（電極パターン）
１４Ｕ、ＢＰ…銅箔（正側電極パターン）
１５…モールド樹脂
１６11、１６22、１６33、１８41、１８42、１８51、１８52、１８61、１８62、１７Ｐ、１９６１、１９４１…柱状電極
２０…上面基板部
４０Ａ、４０Ｂ、４２Ａ、４２Ｂ…３相交流インバータ
５０…ワンインワン（１ ｉｎ １）モジュール
１００…ツーインワン（２ ｉｎ １）モジュール
１００Ｐ…正側電極パターン
１００Ｉ…絶縁基板
１００Ｎ…負側電極パターン
１００ＰＭ…パワーモジュール部
１３０、２００…パワーモジュール
１５０…中空部（貫通孔）
１５０ＴＨ…
１８０…ゲートドライバ（ＧＤ）
Ｎ…負側電力端子
Ｐ…正側電力端子
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６…半導体デバイス、電力用トランジスタ（ＳｉＣ  ＭＯＳＦＥＴ）
Ｕ、Ｖ、Ｗ…出力端子
【図１】
2018170414.tif 000003
【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】
2018170414.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2018170414.tif 000012
【図１１】
2018170414.tif 000013
【図１２】
2018170414.tif 000014
【図１３】
2018170414.tif 000015
【図１４】
2018170414.tif 000016
【図１５】
2018170414.tif 000017
【図１６】
2018170414.tif 000018
【図１７】
2018170414.tif 000019
【図１８】
2018170414.tif 000020
【図１９】
2018170414.tif 000021
【図２０】
2018170414.tif 000022
【図２１】
2018170414.tif 000023
【図２２】
2018170414.tif 000024
【図２３】
2018170414.tif 000025
【図２４】
2018170414.tif 000026
【図２５】
2018170414.tif 000027
【図２６】
2018170414.tif 000028
【図２７】
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【図２８】
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