(57)【要約】【課題】  上アームスイッチング素子のエミッタ電極における断線を未然に回避する。【解決手段】  自動車に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータが開示される。ＤＣ−ＤＣコンバータは、高電位配線と、中電位配線と、低電位配線と、高電位配線と中電位配線との間に接続された上アームスイッチング素子と、中電位配線と低電位配線との間に接続された下アームスイッチング素子とを備える。高電位配線と低電位配線は負荷に接続され、中電位配線と低電位配線は直流電源に接続される。上アームスイッチング素子はＲＣ−ＩＧＢＴである。ＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタ電極には、中電位配線に電気的に接続された導電体が接合されている。エミッタ電極と導電体との間の接合面積は、エミッタ電極の面積の５０パーセント以上である。【選択図】図３
2018074809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の走行用モータを含む負荷に電力を供給する直流電源に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータであって、
高電位配線と、
中電位配線と、
低電位配線と、
前記高電位配線と前記中電位配線との間に接続された上アームスイッチング素子と、
前記中電位配線と前記低電位配線との間に接続された下アームスイッチング素子と、
を備え、
前記高電位配線と前記低電位配線は前記負荷に接続され、前記中電位配線と前記低電位配線は前記直流電源に接続され、
前記上アームスイッチング素子は、ＲＣ−ＩＧＢＴであり、
前記ＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタ電極には、前記中電位配線に電気的に接続された導電体が接合されており、
前記エミッタ電極と前記導電体との間の接合面積は、前記エミッタ電極の面積の５０パーセント以上である、
ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記エミッタ電極と前記導電体は、はんだを介して接合されている、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記エミッタ電極と前記導電体は、互いに圧接している、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、ＤＣ−ＤＣコンバータに関し、特に、自動車の走行用モータを含む負荷に電力を供給する直流電源に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に、ＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。このＤＣ−ＤＣコンバータは、自動車の走行用モータを含む負荷に電力を供給する直流電源に用いられる。このＤＣ−ＤＣコンバータは、高電位配線と、中電位配線と、低電位配線と、高電位配線と中電位配線との間に接続された上アームスイッチング素子と、中電位配線と低電位配線との間に接続された下アームスイッチング素子とを備える。高電位配線と低電位配線は負荷に接続され、中電位配線と低電位配線は直流電源に接続される。ＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源からの直流電力を昇圧して、走行用モータを含む負荷へ供給することができる。
【０００３】
上記したＤＣ−ＤＣコンバータでは、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子のそれぞれに、ＲＣ−ＩＧＢＴ（Reverse -Conducting Insulated-Gate Bipolar Transistor）が採用されている。ＲＣ−ＩＧＢＴは、単一の半導体基板内にＩＧＢＴと還流ダイオードとが一体的に形成された半導体素子であり、逆導通ＩＧＢＴとも称される。ＲＣ−ＩＧＢＴは、エミッタ電極とコレクタ電極を有する。エミッタ電極には、ＩＧＢＴのエミッタに加えて、還流ダイオードのアノードが電気的に接続されている。コレクタ電極には、ＩＧＢＴのコレクタに加えて、還流ダイオードのカソードが電気的に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１５４００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＤＣ−ＤＣコンバータでは、上アームスイッチング素子のエミッタ電極に接合された導電体（例えばワイヤ又はリードフレーム）や、当該導電体とエミッタ電極との間の接合部分において、断線が生じるおそれがある。特に、導電体とエミッタ電極との間の接合部分は、製造誤差や経時劣化に起因して、断線が生じやすい部分である。以下、導電体とエミッタ電極との間の接合部分における断線を、「エミッタ電極における断線」などのように簡略して記載することがある。上アームスイッチング素子がＲＣ−ＩＧＢＴではなく、還流ダイオードが上アームスイッチング素子とは別の半導体素子で設けられているとする。このような形態であれば、上アームスイッチング素子のエミッタ電極において断線が生じたとしても、直流電源と負荷との間は還流ダイオードを介して電気的に接続され続けるので、走行用モータへの電力供給については継続することができる。
【０００６】
これに対して、上アームスイッチング素子がＲＣ−ＩＧＢＴである場合は、ＩＧＢＴと還流ダイオードが同じエミッタ電極を共用することから、エミッタ電極において断線が生じることによって、還流ダイオードを通る経路についても断線されてしまう。その結果、直流電源と負荷との間の電気的な接続は完全に切断され、直流電源から走行用モータへの電力供給はもはや不可能となる。このように、上アームスイッチング素子にＲＣ−ＩＧＢＴを採用したＤＣ−ＤＣコンバータでは、特有の問題として、上アームスイッチング素子のエミッタ電極で断線が生じた段階で、走行用モータへの電力供給ができなくなってしまう。
【０００７】
自動車以外の他の工業製品であれば、ＤＣ−ＤＣコンバータに故障や異常が生じた時点で、その動作を直ちに中止することが考えられる。しかしながら、自動車では、ＤＣ−ＤＣコンバータに異常が生じたときでも、例えば路肩等まで退避し得るように、一定限の走行を継続することが求められる。そのためには、ＤＣ−ＤＣコンバータに故障や異常が生じたときでも、走行用モータへの電力供給が維持されることが望ましい。言い換えると、走行用モータへの電力供給を不可能とする故障は、未然に回避されることが求められる。即ち、上アームスイッチング素子にＲＣ−ＩＧＢＴを採用したＤＣ−ＤＣコンバータでは、上アームスイッチング素子のエミッタ電極における断線を、未然に回避することが求められる。
【０００８】
上記を鑑み、本明細書は、上アームスイッチング素子にＲＣ−ＩＧＢＴを採用したＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、上アームスイッチング素子のエミッタ電極（即ち、ＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタ電極）における断線を未然に回避するのに有用な技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書は、自動車の走行用モータを含む負荷に電力を供給する直流電源に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータを開示する。このＤＣ−ＤＣコンバータは、高電位配線と、中電位配線と、低電位配線と、高電位配線と中電位配線との間に接続された上アームスイッチング素子と、中電位配線と低電位配線との間に接続された下アームスイッチング素子とを備える。高電位配線と低電位配線は負荷に接続され、中電位配線と低電位配線は直流電源に接続される。上アームスイッチング素子はＲＣ−ＩＧＢＴである。ＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタ電極には、中電位配線に電気的に接続された導電体が接合されている。エミッタ電極と導電体との間の接合面積は、エミッタ電極の面積の５０パーセント以上である。ここでいうエミッタ電極の面積とは、上アームスイッチング素子（即ち、ＲＣ−ＩＧＢＴ）を単体で取り出したときに、エミッタ電極の外部に露出する表面積を意味する。
【００１０】
上アームスイッチング素子のエミッタ電極における断線は、エミッタ電極と導電体との間の接合部分が、通電に起因する発熱によって過熱され、溶断することによって生じる。この点に関して、エミッタ電極と導電体との間の接合面積を大きくするほど、接合部分における電流密度が低下することから、接合部分の温度上昇を抑制することができる。本発明者は、エミッタ電極と導電体との間の接合面積と、それらの接合部分の温度上昇との間の関係について検証を行った。その結果、当該接合面積がエミッタ電極の面積の５０パーセント以上であれば、製造誤差や経時劣化を考慮しても、エミッタ電極と導電体との間の接合部分の温度上昇が、溶断しない範囲に維持されることを見出した。上記したＤＣ−ＤＣコンバータは、この知見に基づいて具現化されたものであり、その構造によると、上アームスイッチング素子のエミッタ電極（即ち、ＲＣ−ＩＧＢＴのエミッタ電極）における断線を、未然に回避又は抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ１０の構成を示す回路図。
【図２】上アームスイッチング素子２０の断面構造を模式的に示す図。
【図３】半導体モジュール７０の構成を模式的に示す図。
【図４】面積率Ａと上昇温度ΔＴの関係を示すグラフ。
【図５】変形例の半導体モジュール１７０を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本技術の一実施形態では、エミッタ電極と導電体がはんだを介して接合されていてもよい。このような構成によると、エミッタ電極と導電体との間の接合面積を広くしても、両者を隙間なく接合することができる。
【００１３】
本技術の一実施形態では、エミッタ電極と導電体が互いに圧接していてもよい。このような構成によると、接合部分にはんだのような低融点の材料を必要としないことから、エミッタ電極における断線をより防止することができる。
【実施例】
【００１４】
図面を参照して実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ１０について説明する。以下、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を単にコンバータ１０と称することがある。図１に示すように、コンバータ１０は、自動車の走行用モータ１０４を含む負荷１０２に電力を供給する直流電源１００に用いられる。コンバータ１０は、直流電源１００からの直流電力を昇圧して、走行用モータ１０４を含む負荷１０２へ供給する。即ち、コンバータ１０は、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する。走行用モータ１０４は、自動車の車輪を駆動するモータである。本実施例の走行用モータ１０４は三相モータである。従って、コンバータ１０と走行用モータ１０４との間には、三相インバータ１０６が設けられている。本実施例では、負荷１０２の一部に三相インバータ１０６が含まれるが、例えば走行用モータ１０４の構成によっては、三相インバータ１０６が存在しない形態も想定し得る。
【００１５】
図１に示す構成は典型例を示すものであり、コンバータ１０の適用先を限定するものではない。例えば、コンバータ１０は、複数の走行用モータ１０４を有する自動車にも適用することができる。また、直流電源１００の構成についても特に限定されない。直流電源１００は、例えば、リチウムイオン電池といった二次電池を有してもよいし、燃料電池又は太陽電池といった発電素子を有してもよい。本実施例における直流電源１００は、複数のリチウムイオン電池を有しており、走行用モータ１０４が回生制動を実施するときに、走行用モータ１０４による発電電力を蓄えることができる。この場合、コンバータ１０は、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして機能することができる。
【００１６】
コンバータ１０は、高電位配線１２と中電位配線１４と低電位配線１６とを備える。高電位配線１２と低電位配線１６は、負荷１０２の三相インバータ１０６に接続されており、昇圧後の直流電力を三相インバータ１０６へ出力する。詳しくは、高電位配線１２が三相インバータ１０６の正極に接続され、低電位配線１６が三相インバータ１０６の負極に接続される。高電位配線１２と低電位配線１６との間には、第１平滑コンデンサ４０が接続されている。第１平滑コンデンサ４０は、高電位配線１２と低電位配線１６との間の電圧の変動を抑制する。
【００１７】
中電位配線１４と低電位配線１６は、直流電源１００に接続され、直流電源１００から昇圧前の直流電力を受け取る。詳しくは、中電位配線１４が直流電源１００の正極に接続され、低電位配線１６が直流電源１００の負極に接続される。中電位配線１４には、インダクタ４４が設けられている。また、中電位配線１４と低電位配線１６との間には、第２平滑コンデンサ４２が接続されている。第２平滑コンデンサ４２は、主にコンバータ１０が降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するときに、中電位配線１４と低電位配線１６との間の電圧の変動を抑制する。
【００１８】
なお、本明細書における高電位配線、中電位配線及び低電位配線といった呼称は、便宜的に付されたものであり、例えば高電位配線が中電位配線よりも常に高電位であること意図するものではない。本実施例のコンバータ１０においても、例えば高電位配線１２の電位が中電位配線１４の電位以下となり得る。
【００１９】
コンバータ１０はさらに、上アームスイッチング素子２０と下アームスイッチング素子３０とを備える。上アームスイッチング素子２０は、高電位配線１２と中電位配線１４との間に接続されており、下アームスイッチング素子３０は、中電位配線１４と低電位配線１６との間に接続されている。上アームスイッチング素子２０及び下アームスイッチング素子３０の動作は、図示されないゲート駆動装置によって制御される。
【００２０】
上アームスイッチング素子２０は、ＲＣ−ＩＧＢＴであり、ＩＧＢＴ２２と還流ダイオード２４とが一体的に形成された半導体素子である。上アームスイッチング素子２０は、エミッタ電極２６とコレクタ電極２８を有する。エミッタ電極２６には、ＩＧＢＴ２６のエミッタに加えて、還流ダイオード２４のアノードが電気的に接続されている。コレクタ電極２８には、ＩＧＢＴのコレクタに加えて、還流ダイオードのカソードが電気的に接続されている。また、上アームスイッチング素子２０は、ＩＧＢＴ２２のゲートに接続されたゲート端子２９を備える。
【００２１】
図２を参照して、上アームスイッチング素子２０の具体的な構造について説明する。なお、図２に示す構造は一例であり、上アームスイッチング素子２０の構造を限定するものではない。上述したように、上アームスイッチング素子２０はＲＣ−ＩＧＢＴであり、単一の半導体基板５０にＩＧＢＴ２２と還流ダイオード２４とが一体に形成されている。半導体基板５０の上面５０ａにはエミッタ電極２６が形成されており、半導体基板５０の下面５０ｂにはコレクタ電極２８が形成されている。上面５０ａと下面５０ｂは、半導体基板５０の主面であって、互いに反対側に位置する。
【００２２】
半導体基板５０のＩＧＢＴ２２を構成する部分には、ｎ＋型のエミッタ領域５２、ｐ型のボディ領域５４、ｎ−型のドリフト領域５６、ｎ型のバッファ領域５８、及び、ｐ＋型のコレクタ領域６０が形成されている。エミッタ領域５２は、半導体基板５０の上面５０ａに露出しており、エミッタ電極２６に電気的に接続されている。ボディ領域５４もまた、図示されない位置で半導体基板５０の上面５０ａに露出しており、エミッタ電極２６に電気的に接続されている。コレクタ領域６０は、半導体基板５０の下面５０ｂに露出しており、コレクタ電極２８に電気的に接続されている。さらに、半導体基板５０の上面５０ａに沿って、複数のゲート電極６２が形成されている。ゲート電極６２はトレンチ型の埋め込み電極であって、絶縁膜６４によって半導体基板５０から絶縁されている。各々のゲート電極６２は、図示されない位置でゲート端子２９（図１参照）と電気的に接続されている。
【００２３】
半導体基板５０の還流ダイオード２４を構成する部分には、ｐ型のアノード領域６６、ｎ−型のドリフト領域５６、ｎ型のバッファ領域５８、及び、ｎ＋型のカソード領域６８が形成されている。アノード領域６６は、半導体基板５０の上面５０ａに露出しており、エミッタ電極２６に電気的に接続されている。カソード領域６８は、半導体基板５０の下面５０ｂに露出しており、コレクタ電極２８に電気的に接続されている。なお、ドリフト領域５６とバッファ領域５８のそれぞれは、ＩＧＢＴ２２を構成する部分と還流ダイオード２４を構成する部分との両者に亘って広がっている。また、還流ダイオード２４を構成する部分にも複数のゲート電極６２が形成されているが、これらのゲート電極６２はゲート端子２９に接続されていないダミーである。
【００２４】
下アームスイッチング素子３０もまた、ＲＣ−ＩＧＢＴであり、ＩＧＢＴ３２と還流ダイオード３４とが一体的に形成された半導体素子である。下アームスイッチング素子３０は、エミッタ電極３６とコレクタ電極３８を有する。エミッタ電極３６には、ＩＧＢＴ３２のエミッタに加えて、還流ダイオード３４のアノードが電気的に接続されている。コレクタ電極３８には、ＩＧＢＴ３２のコレクタに加えて、還流ダイオード３４のカソードが電気的に接続されている。また、下アームスイッチング素子３０は、ＩＧＢＴ３２のゲートに接続されたゲート端子３９を備える。
【００２５】
下アームスイッチング素子３０の具体的な構造についても特に限定されない。一例ではあるが、本実施例における下アームスイッチング素子３０は、図２に示す上アームスイッチング素子２０と同じ構造を有する。即ち、上アームスイッチング素子２０と下アームスイッチング素子３０との両者に、同一仕様のＲＣ−ＩＧＢＴが採用されている。なお、上アームスイッチング素子２０と下アームスイッチング素子３０には、互いに異なる仕様のＲＣ−ＩＧＢＴを採用してもよい。
【００２６】
図３に示すように、上アームスイッチング素子２０は、半導体モジュール７０内に配置されている。半導体モジュール７０は、二つの冷却器９０の間に配置されている。半導体モジュール７０と各々の冷却器９０は、絶縁プレート９２を介して圧接している。冷却器９０と絶縁プレート９２との間、及び、絶縁プレート９２と半導体モジュール７０との間には、伝熱性を悪化させる隙間を排除するために、放熱グリス９４が満たされている。
【００２７】
半導体モジュール７０は、上アームスイッチング素子２０を封止する樹脂モールド７２と、第１リードフレーム７４と、導電性ブロック７６と、第２リードフレーム７８を備える。第１リードフレーム７４、導電性ブロック７６及び第２リードフレーム７８は、導電性を有する部材であり、例えば銅といった金属材料で形成されている。第１リードフレーム７４は、はんだ層７５を介して導電性ブロック７６に接続されており、導電性ブロック７６は、はんだ層７７を介して上アームスイッチング素子２０のエミッタ電極２６に接合されている。第１リードフレーム７４は、図示されない位置で、中電位配線１４へ電気的に接続されている。これにより、上アームスイッチング素子２０のエミッタ電極２６は、導電性ブロック７６及び第１リードフレーム７４を介して、中電位配線１４へ電気的に接続されている。なお、導電性ブロック７６及び第１リードフレーム７４は、中電位配線１４の一部を構成するとも解釈し得る。
【００２８】
第２リードフレーム７８は、はんだ層７９を介して上アームスイッチング素子２０のコレクタ電極２８に接合されている。第２リードフレーム７８は、図示されない位置で、高電位配線１２へ電気的に接続されている。これにより、上アームスイッチング素子２０のコレクタ電極２８は、第２リードフレーム７８を介して高電位配線１２へ電気的に接続されている。なお、第２リードフレーム７８は、高電位配線１２の一部を構成するとも解釈し得る。
【００２９】
第１リードフレーム７４は、樹脂モールド７２の表面に露出しており、かつ、上アームスイッチング素子２０と熱的にも接続されている。これにより、第１リードフレーム７４は、半導体モジュール７０の熱を外部へ放出する放熱部材としても機能する。即ち、上アームスイッチング素子２０が発した熱は、導電性ブロック７６を介して第１リードフレーム７４に伝達され、第１リードフレーム７４から冷却器９０へ放出される。同様に、第２リードフレーム７８は、樹脂モールド７２の表面に露出しており、かつ、上アームスイッチング素子２０と熱的にも接続されている。これにより、第２リードフレーム７８もまた、半導体モジュール７０の熱を外部へ放出する放熱部材としても機能する。
【００３０】
半導体モジュール７０はさらに、信号入力端子８４を備える。信号入力端子８４は、導電性を有するワイヤ８２を介して上アームスイッチング素子２０のゲート端子２９に接続されている。信号入力端子８４は、図示されないゲート駆動装置に接続される。なお、前述した導電性ブロック７６は、第１リードフレーム７４と第２リードフレーム７８との間に、ワイヤ８２のスペースを確保するために設けられている。
【００３１】
図示省略するが、下アームスイッチング素子３０についても、半導体モジュール７０内に配置されている。下アームスイッチング素子３０に関して、半導体モジュール７０の構造は特に限定されない。上アームスイッチング素子２０と同様であってもよいし、異なっていてもよい。また、上アームスイッチング素子２０と下アームスイッチング素子３０は、互いに異なるモジュール又はパッケージ内に配置されてもよい。
【００３２】
次に、コンバータ１０の動作について説明する。例えば自動車が加速するときは、直流電源１００から負荷１０２へ電力が供給される。直流電源１００から負荷１０２へ電力が供給される場合、コンバータ１０は昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する。この場合、コンバータ１０では、下アームスイッチング素子３０のオン及びオフが高速で繰り返される。下アームスイッチング素子３０がオンしている間、直流電源１００からインダクタ４４に電流が流れ込み、インダクタ４４にエネルギーが蓄えられる。その後、下アームスイッチング素子３０がオフされると、インダクタ４４の逆起電力が発生し、インダクタ４４に蓄えられたエネルギーが、上アームスイッチング素子２０の還流ダイオード２４を通じて、直流電源１００の出力とともに負荷１０２へ出力される。その結果、直流電源１００の出力電圧よりも高電圧の直流電力が負荷１０２に供給される。
【００３３】
一方、例えば自動車が減速するときのように、負荷１０２から直流電源１００へ電力が供給されるときは、コンバータ１０が降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する。コンバータ１０が降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する場合、上アームスイッチング素子２０のオン及びオフが高速で繰り返される。上アームスイッチング素子２０がオンしている間、負荷１０２からインダクタ４４に電流が流れ込み、インダクタ４４にエネルギーが蓄えられる。その後、上アームスイッチング素子２０がオフされると、インダクタ４４において逆起電力が発生し、インダクタ４４に蓄えられた電力が直流電源１００へ供給される。その結果、負荷１０２の出力電圧よりも低電圧の直流電力が負荷１０２に供給される。
【００３４】
一般的に、ＤＣ−ＤＣコンバータでは、上アームスイッチング素子のエミッタ電極に接合された導電体や、当該導電体とエミッタ電極との間の接合部分において、断線が生じるおそれがある。特に、導電体とエミッタ電極との間の接合部分は、製造誤差や経時劣化に起因して、断線が生じやすい部分である。即ち、本実施例のコンバータ１０では、上記した導電体の一例である導電性ブロック７６と、上アームスイッチング素子２０のエミッタ電極２６との接合部分（即ち、はんだ層７７）において、断線が生じやすいといえる。以下、導電性ブロック７６とエミッタ電極２６との間の接合部分における断線を、「エミッタ電極２６における断線」などのように簡略して記載することがある。ここで、仮に上アームスイッチング素子２０がＲＣ−ＩＧＢＴではなく、還流ダイオード２４が上アームスイッチング素子２０とは別の半導体素子で設けられていると仮定する。このような形態であれば、上アームスイッチング素子２０のエミッタ電極２６において断線が生じたとしても、直流電源１００と負荷１０２との間は還流ダイオード２４を介して電気的に接続され続けるので、直流電源１００から走行用モータ１０４への電力供給を継続することができる。
【００３５】
これに対して、本実施例では、上アームスイッチング素子２０がＲＣ−ＩＧＢＴであり、ＩＧＢＴ２２と還流ダイオード２４が同じエミッタ電極２６を共用する。従って、エミッタ電極２６において断線が生じると、還流ダイオード２４を通る経路についても断線されてしまう。その結果、直流電源１００と負荷１０２との間の電気的な接続は完全に切断され、直流電源１００から走行用モータ１０４への電力供給はもはや不可能となる。このように、上アームスイッチング素子２０にＲＣ−ＩＧＢＴを採用したコンバータ１０では、特有の問題として、上アームスイッチング素子２０のエミッタ電極２６で断線が生じた段階で、走行用モータ１０４への電力供給ができなくなってしまう。
【００３６】
自動車では、他の工業製品と異なり、コンバータ１０に異常が生じたときでも、例えば路肩等まで退避し得るように、一定限の走行を継続することが求められる。このような異常時における一定限の走行は、例えば退避走行又はフェールセーフ走行と称されることがある。退避走行を可能とするためには、コンバータ１０に故障や異常が生じたときでも、走行用モータ１０４への電力供給が維持されることが望ましい。言い換えると、走行用モータ１０４への電力供給を不可能とする故障は、未然に回避されることが求められる。即ち、上アームスイッチング素子２０にＲＣ−ＩＧＢＴを採用したコンバータ１０では、上アームスイッチング素子２０のエミッタ電極２６における断線を、未然に回避することが求められる。
【００３７】
上アームスイッチング素子２０のエミッタ電極２６における断線は、エミッタ電極２６と導電性ブロック７６との間の接合部分（本実施例では、はんだ層７７）が、通電に起因する発熱によって過熱され、溶断することによって生じる。この点に関して、エミッタ電極２６と導電性ブロック７６との間の接合面積（本実施例では、はんだ層７７の面積）を大きくするほど、接合部分における電流密度が低下することから、接合部分の温度上昇を抑制することができる。本発明者は、エミッタ電極２６と導電性ブロック７６との間の接合面積と、それらの接合部分の温度上昇との間の関係について検証を行った。その結果を以下に説明する。
【００３８】
最初に、今回の検証の前提条件について説明する。面積に関する条件として、上アームスイッチング素子２０の面積（いわゆる素子サイズ）を２００ｍｍ２とし、エミッタ電極２６の面積は、上アームスイッチング素子２０の面積の８０パーセント、即ち１６０ｍｍ２とした。そして、エミッタ電極２６の面積に対する接合面積の割合（以下、面積率）は、経験則に基づいて、製造時の値から経時劣化によって５０パーセントまで低下するものと仮定した。即ち、製造時の面積率をＡとしたときに、製造時の接合面積は１６０ｍｍ２×Ａで表されるが、温度上昇の計算では接合面積を（１６０ｍｍ２×Ａ）×０．５＝８０ｍｍ２×Ａとした。
【００３９】
電気抵抗に関する条件としては、接合部分であるはんだ層７７の厚みを１５０μｍとし、はんだ層７７の電気抵抗率を３０×１０−８Ωｍとし、短絡時における最大電流を３５００アンペアとした。従って、損失Ｗを計算する式は、Ｗ＝Ｒ×Ｉ２＝（３０×１０−８）×（１５０×１０−６）／（８０×Ａ×１０−６）×３５００２＝６．９／Ａと表される。なお、飽和電流の値は１５００アンペアを想定している。
【００４０】
温度に関する条件としては、溶断が生じない上限温度を２３０℃とし、正常動作時の基準温度を１５０℃とした。従って、許容される温度上昇は８０℃となる。なお、２３０℃という上限温度は、錫（Ｓｎ）を主成分とするはんだ層７７の融点に基づく。そして、接合部分（即ち、はんだ層７７）の熱抵抗は、冷却器９０を含む冷却システムに異常が発生した状況も想定して、３．０℃／Ｗとした。以上の条件により、面積率Ａに対して、接合部分の上昇温度ΔＴは、ΔＴ＝３．０×６．９／Ａ＝２０．７Ａと表される。
【００４１】
図４は、上述した条件下において、面積率Ａと上昇温度ΔＴの関係をグラフ化したものである。図４に示すように、製造時の面積率Ａが２５パーセント以下であれば、接合部分の上昇温度ΔＴは許容値である８０℃を下回る。そのことから、経験則に基づいて安全率を２倍とし、面積率Ａを５０パーセント以上とすることで、上アームスイッチング素子２０のエミッタ電極２６における断線を未然に回避し得ると考えられる。以上の知見に基づいて、本実施例におけるコンバータ１０では、エミッタ電極２６と導電性ブロック７６との間の接合面積（即ち、はんだ層７７の面積）が、エミッタ電極２６の面積の５０パーセント以上となるように設計されている。
【００４２】
上述した知見は、上アームスイッチング素子２０のコレクタ電極２８と、それに接合された導電体である第２リードフレーム７８との間の接合部分についても適用され得る。特に、コレクタ電極２８の面積は、エミッタ電極２６の面積よりも広い。従って、コレクタ電極２８側の接合部分における電流密度は、エミッタ電極２６側のそれよりも小さく、前者の方が温度上昇の幅も小さくなる。そのことから、エミッタ電極２６の場合と同様に、コレクタ電極２８と第２リードフレーム７８との間の接合面積（即ち、はんだ層７９の面積）が、コレクタ電極２８の５０パーセント以上となるように設計されていれば、コレクタ電極２８の接合部分における短絡についても未然に防止することができる。
【００４３】
以上、本技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。例えば、上アームスイッチング素子２０が配置される半導体モジュール７０の構成は、適宜変更することができる。図５は、変形例の半導体モジュール１７０を示す。この半導体モジュール１７０では、上アームスイッチング素子２０が、第１リードフレーム１７４と第２リードフレーム１７８との間に配置されている。第１リードフレーム１７４と第２リードフレーム１７８は、図示しない締結装置によって互いに締め付けられており、上アームスイッチング素子２０に向けて付勢されている。
【００４４】
第１リードフレーム１７４とエミッタ電極２６との間には、モリブデンで形成された第１導電体１８６が配置されており、第２リードフレーム１７８とコレクタ電極２８との間にも、モリブデンで形成された第２導電体１８８が配置されている。エミッタ電極２６と第１導電体１８６は互いに圧接しており、それによって両者は接合されている。同様に、コレクタ電極２８と第２導電体１８８は互いに圧接しており、それによって両者は接合されている。半導体モジュール１７０はさらに、信号入力端子１８４を備える。信号入力端子１８４は、弾性変形可能なピン１８５を介して、ゲート端子２９に接続されている。半導体モジュール１７０は、圧接型の半導体モジュールの一例である。このように、上アームスイッチング素子２０は、圧接型の半導体モジュール１７０に配置されてもよい。圧接型の半導体モジュール１７０では、低融点のはんだを利用する必要がないので、エミッタ電極２６やコレクタ電極２８における断線をより防止することができる。
【００４５】
また、コンバータ１０は、互いに並列に接続された複数の上アームスイッチング素子２０を備えてもよく、互い並列に接続された複数の下アームスイッチング素子３０を備えてもよい。
【００４６】
本明細書又は図面に記載された技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載された組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示された技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４７】
１０：ＤＣ−ＤＣコンバータ（コンバータ）
１２：高電位配線
１４：中電位配線
１６：低電位配線
２０：上アームスイッチング素子
２２：上アームスイッチング素子のＩＧＢＴ
２４：上アームスイッチング素子の還流ダイオード
２６：上アームスイッチング素子のエミッタ電極
２８：上アームスイッチング素子のコレクタ電極
３０：下アームスイッチング素子
３２：下アームスイッチング素子のＩＧＢＴ
３４：下アームスイッチング素子の還流ダイオード
３６：下アームスイッチング素子のエミッタ電極
３８：下アームスイッチング素子のコレクタ電極
４０：第１平滑コンデンサ
４２：第２平滑コンデンサ
４４：インダクタ
５０：半導体基板
７０、１７０：半導体モジュール
７２：樹脂モールド
７４、１７４：第１リードフレーム
７５、７７、７９：はんだ層
７６：導電性ブロック（エミッタ電極に接合された導電体の一例）
７８、１７８：第２リードフレーム
９０：冷却器
９２：絶縁プレート
９４：放熱グリス
１００：直流電源
１０２：負荷
１０４：走行用モータ
１０６：三相インバータ
【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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