(57)【要約】【課題】良好な放熱とスイッチングの誤動作を低減した構造を有するとともに、信頼性を向上させた半導体スイッチ用モジュールを得る。【解決手段】半導体スイッチ素子からの発熱をプリント基板から離隔して設けられた放熱板に伝導する構造にするとともに、半導体スイッチ素子への入出力となるスイッチング電流の経路と、半導体スイッチ素子をスイッチ駆動する駆動信号の経路とを分離し、それぞれの経路は短距離での接続を可能とする構造としている。【選択図】  図３
2011130626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの半導体スイッチ素子が互いに直列に接続され、その両端が入力側の端子対に、またこれら２つの素子の接続点が出力側の端子にそれぞれ接続されたスイッチアームが複数組、入力側の端子対を共通にして並列に接続されてなる半導体スイッチ回路と、
前記入力側の端子対間に接続された平滑コンデンサと、
前記半導体スイッチ回路内の各半導体スイッチ素子にスイッチ駆動信号を供給する駆動回路とがプリント基板上に実装された半導体スイッチ用モジュールにおいて、
前記プリント基板の一方の面には、
前記平滑コンデンサと、
この平滑コンデンサを挟むように前記半導体スイッチ回路内の各スイッチアームを構成する２つの半導体スイッチ素子の電極リードを互いに対向させ、前記複数のアーム数分、電極リードが対向する方向と直交する方向に互いに隣接させて実装するとともに、
前記各半導体スイッチ素子の放熱面を、このプリント基板の面と同一の側に平行に離間させて設けられた放熱板に共通に取り付け、
前記プリント基板の他方の面には、
このプリント基板の一方の面において前記平滑コンデンサを挟むように対向させた前記半導体スイッチ素子の電極リードの相互間の領域に対応する部位に前記入力側の端子対及び出力側の端子を実装し、
この領域の外側で前記半導体スイッチ素子と対向する部位に前記駆動回路を実装したことを特徴とする半導体スイッチ用モジュール。
【請求項２】
前記半導体スイッチ素子を、複数の個別半導体素子で構成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体スイッチ用モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチ用モジュールに係り、特に、直流電力をスイッチングすることにより所定の電力に変換する電力変換装置等に用いられる半導体スイッチ用モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体素子のスイッチング機能を利用して高電圧大電流を高速でスイッチングするように構成された、半導体スイッチ用モジュールが知られており、例えばスイッチング型の電源やインバータ装置等の電力変換装置に用いられている（例えば、特許文献１、及び特許文献２参照。）。この種の従来の半導体スイッチ用モジュールの一例を図４乃至図６に例示する。この事例は、半導体スイッチ用モジュールが熱伝導性の良好なアルミ基板上に表面実装型として構成された事例であり、その回路構成を図４に、またモジュールの構造を図５及び図６に例示する。
【０００３】
図４はこの半導体スイッチ用モジュールの回路構成の一例を示すブロック図である。図４に例示したように、この半導体スイッチ用モジュールは、半導体スイッチ回路としての２つのスイッチアーム１ａ及び１ｂ、平滑コンデンサ２、駆動回路３、入力側端子対４、ならびに出力端子５から構成されている。半導体スイッチ回路としてのスイッチアーム１ａ及び１ｂは、同一に構成される。すなわち、スイッチアーム１ａでは２つの半導体スイッチ素子１１Ａ及び１１Ｂが、またスイッチアーム１ｂでは２つの半導体スイッチ素子１１Ｃ及び１１Ｄが互いに直列に接続されており、その両端は、入力側の端子対４に共通に接続され、２つの半導体スイッチ素子の接続点が出力端子５に接続されている。そして半導体スイッチ素子１１Ａ及び１１Ｃがハイサイドスイッチとして、また半導体スイッチ素子１１Ｂ及び１１Ｄがローサイドスイッチとして機能する。なお、それぞれの半導体スイッチ素子は、さらに２つの半導体素子により構成されているものとしている。
【０００４】
平滑コンデンサ２も入力端子対４間に接続されており、この端子対間を低インピーダンスにして各半導体スイッチ素子が発生するスイッチングノイズを抑える。駆動回路３は、各半導体スイッチ素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、及び１１Ｄをオンオフするための駆動信号を供給する。入力端子対４は、この半導体スイッチ用モジュールへの入力を接続するための端子対である。出力端子５は、半導体スイッチ回路によるスイッチング後の出力が現れる端子である。
【０００５】
また、図５、及び図６は、それぞれこの半導体スイッチ用モジュールの構造の一例を示す平面図、及び側面図である。この事例では、半導体スイッチ用モジュールは、放熱性を考慮してアルミ基板上に表面実装型として構成されており、図５に例示したように、アルミ基板６の左端側に２つの半導体素子で構成されたハイサイドスイッチの半導体スイッチ素子１１Ａ及び１１Ｃが、その右側の領域にこれら半導体スイッチに駆動信号を供給する駆動回路３の一部及び出力端子５が、その右側の領域となるアルミ基板６の中央部分には平滑コンデンサ２及び入力端子対の一方４ａが、その右側の領域に半導体スイッチ素子１１Ｂ及び１１Ｄが、そしてさらにその右隣となるアルミ基板６の右端部には、駆動回路３の一部及び入力端子対の片方４ｂが、それぞれ実装されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−９２８４７号公報（第５ページ、図１）
【特許文献２】特開２００４−３３５６２５号公報（第１２ページ、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、表面実装型に構成された従来の半導体スイッチ用モジュールでは、各半導体スイッチ素子を構成する半導体素子としては、例えば所定の耐電力を有する面実装型のＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられ、スイッチング時の損失による半導体素子からの発熱は、熱伝導性絶縁シート等（図示せず）を介してアルミ基板６に伝導される。また、駆動信号は、駆動回路３から対応するＦＥＴのゲート電極に供給されるが、ゲート電極は入力インピーダンスが高いので、周辺からのノイズによる影響を受けやすい。このため、駆動回路３は、対応する各半導体素子の近傍に配置する必要がある。さらに、配線パターンによるラインドロップや自己インダクタンスを低減するために、ひとつのスイッチアームを構成するハイサイドスイッチとローサイドスイッチとは、平滑コンデンサ２に短距離で接続されることが望ましい。
【０００８】
しかしながら、上述した従来の半導体スイッチ用モジュールでは、駆動回路３と各半導体素子とを短距離に配置しているため、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチとを短距離で接続できない。このため、その間の配線パターンを十分に短くできず、ラインドロップによる温度上昇や自己インダクタンスの影響により各半導体素子に対するサージ電圧が増加し、放射ノイズの増加や半導体素子が破壊してしまう場合があった。また、分散配置された各駆動回路の周辺には、各半導体素子でスイッチングされた比較的大きなドレイン電流が流れるため、この電流によって生ずる磁界が駆動回路３から半導体素子に供給される駆動信号に結合して半導体素子が誤動作し、同じスイッチアーム内のハイサイドスイッチとローサイドスイッチとが両導通を起こして半導体素子が破損する場合があった。さらに、半導体素子からの発熱がアルミ基板６を介して繰り返し平滑コンデンサ２に伝わるため、温度サイクル等により平滑コンデンサ２の電極にクラックを発生させてしまう場合があった。
【０００９】
このように、従来の半導体スイッチ用モジュールの構造では、表面実装型を採用して小型化されているものの、発熱の影響を受けやすく、またスイッチング動作に異常を生ずる場合があり、必ずしも信頼性が十分ではなかった。
【００１０】
本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、良好な放熱とスイッチングの誤動作を低減した構造を有するともに、信頼性を向上させた半導体スイッチ用モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の半導体スイッチ用モジュールは、２つの半導体スイッチ素子が互いに直列に接続され、その両端が入力側の端子対に、またこれら２つの素子の接続点が出力側の端子にそれぞれ接続されたスイッチアームが複数組、入力側の端子対を共通にして並列に接続されてなる半導体スイッチ回路と、前記入力側の端子対間に接続された平滑コンデンサと、前記半導体スイッチ回路内の各半導体スイッチ素子にスイッチ駆動信号を供給する駆動回路とがプリント基板上に実装された半導体スイッチ用モジュールにおいて、前記プリント基板の一方の面には、前記平滑コンデンサと、この平滑コンデンサを挟むように前記半導体スイッチ回路内の各スイッチアームを構成する２つの半導体スイッチ素子の電極リードを互いに対向させ、前記複数のアーム数分、電極リードが対向する方向と直交する方向に互いに隣接させて実装するとともに、前記各半導体スイッチ素子の放熱面を、このプリント基板の面と同一の側に平行に離間させて設けられた放熱板に共通に取り付け、前記プリント基板の他方の面には、このプリント基板の一方の面において前記平滑コンデンサを挟むように対向させた前記半導体スイッチ素子の電極リードの相互間の領域に対応する部位に前記入力側の端子対及び出力側の端子を実装し、この領域の外側で前記半導体スイッチ素子と対向する部位に前記駆動回路を実装したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、良好な放熱とスイッチングの誤動作を低減した構造を有するとともに、信頼性を向上させた半導体スイッチ用モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る半導体スイッチ用モジュールの回路構成の一例を示すブロック図。
【図２】本発明に係る半導体スイッチ用モジュールの構造の一例を示す平面図。
【図３】本発明に係る半導体スイッチ用モジュールの構造の一例を示す側面図。
【図４】従来の半導体スイッチ用モジュールの回路構成の一例を示すブロック図。
【図５】従来の半導体スイッチ用モジュールの構造の一例を示す平面図。
【図６】従来の半導体スイッチ用モジュールの構造の一例を示す側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明に係る半導体スイッチ用モジュールを実施するための最良の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。なお、以下の実施例においては、背景技術で説明した従来の半導体スイッチ用モジュールと同一の構成要素に相当する部分には、背景技術の説明で使用した符号と同一の符号を用いて説明する。
【実施例】
【００１５】
図１は、本発明に係る半導体スイッチ用モジュールの一実施例の回路構成を示すブロック図である。本実施例においては、基本部分の回路構成は、図４に例示した従来の回路構成と同様なブロックによりモジュールが構成されているものとしている。
【００１６】
すなわち、半導体スイッチ回路として２つのスイッチアーム１ａ及び１ｂ、平滑コンデンサ２、駆動回路３、入力端子対４、出力端子５、ならびにスイッチ駆動用信号入力端子８から構成されている。スイッチアーム１ａは、２つの半導体スイッチ素子１１Ａ及び１１Ｂが互いに直列に接続され、その両端は入力端子対４に、またこれら２つの半導体スイッチ素子の接続点は出力端子５ａに接続されている。スイッチアーム１ｂも同様に２つの半導体スイッチ素子１１Ｃ及び１１Ｄが互いに直列に接続されており、その両端は入力端子対４を共通にしてスイッチアーム１ａと並列に接続され、２つの素子の接続点は出力端子５ｂに接続されている。
【００１７】
本実施例においては、それぞれの半導体スイッチ素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、及び１１Ｄは、さらに２つのＦＥＴ等の個別半導体素子により構成されているものとしている。そして、それぞれのスイッチアームでは、半導体スイッチ素子１１Ａ、及び１１Ｃがハイサイドスイッチとして、また半導体スイッチ１１Ｂ及び１１Ｄがローサイドスイッチとして機能する。
【００１８】
平滑コンデンサ２は、その両端が入力端子対４に接続されており、２つのスイッチアーム１ａ及び１ｂとも並列に接続され、入力端子対４間を高周波に対して低インピーダンスにして各半導体スイッチ素子が発生する高周波のスイッチングノイズを抑える。駆動回路３は、外部から送られてくるスイッチ駆動用信号をドライブし、これを駆動信号として半導体スイッチ素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、及び１１Ｄを構成するそれぞれの個別半導体素子に供給する。入力端子対４は、この半導体スイッチ用モジュールへの入力を接続するための端子対であり、例えば外部の直流電源等に接続される。また、出力端子５は、この半導体スイッチ用モジュールでスイッチング後の出力を外部の負荷等に供給する端子である。スイッチ駆動用信号入力端子８は、外部から供給されるスイッチ駆動用信号を受けとる端子である。
【００１９】
また、図２及び図３は、それぞれこの半導体スイッチ用モジュールの構造の一例を示す平面図及び側面図である。これら図２、及び図３に例示したように、この半導体スイッチモジュールは、半導体スイッチ回路をなす半導体スイッチ素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、及び１１Ｄ、平滑コンデンサ２（２ａ及び２ｂ）、駆動回路３、入力端子対４、出力端子５、ならびにスイッチ駆動用信号入力端子８が上面または下面に実装されたプリント基板７と、このプリント基板７に実装された各半導体スイッチ素子の放熱面が共通に取り付けられた平板状の放熱板９とが、互いに平行に配置された構造をなしている。
【００２０】
プリント基板７の下面側には、半導体スイッチ回路をなす半導体スイッチ素子１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、及び１１Ｄ、ならびに２つの平滑コンデンサ２ａ及び２ｂが実装されている。本実施例では、半導体スイッチ素子１１Ａ〜１１Ｄは、上記したようにそれぞれに２つの個別半導体素子で構成されており、これら個別半導体素子は、各スイッチアームを構成する２つの半導体スイッチの組み合わせ毎に、平滑コンデンサ２を挟むようにしてその電極リードを互いに対向させ、２アーム分隣接させて実装されている。すなわち、図２に示したように、第１のアーム１ａをなす半導体スイッチ素子１１Ａ内の２つの個別半導体素子と半導体スイッチ素子１１Ｂ内の２つの個別半導体素子とが、平滑コンデンサ２ａを挟むようにしてそれぞれの電極リードを対向させて実装されており、これと同じように第２のアーム１ｂをなす半導体スイッチ素子１１Ｃ及び１１Ｄのそれぞれの個別半導体素子ならびに平滑コンデンサ２ｂが、図２の紙面で第１のアーム１ａの下側に隣接させて実装されている。そして、それぞれの半導体スイッチ素子内の個別半導体素子は、プリント基板７と平行に配置された平面状の放熱板に、熱伝導性絶縁シート１０を介して共通に取り付けられている。
【００２１】
一方、プリント基板７の上面側には、駆動回路３、入力端子対４、出力端子５、及びスイッチ駆動用信号入力端子８が実装されている。この中で、入力端子対４、及び出力端子５は、平滑コンデンサ２に対向する上面側の位置、すなわち、電極リードが対向するように実装された各アームの個別半導体素子の電極リード相互間の領域に実装されている。図２においては、半導体スイッチ素子１１Ａと半導体スイッチ素子１１Ｂを構成するそれぞれの個別半導体素子の電極リード相互間で、かつ平滑コンデンサ２ａと対向するプリント基板の上面側の領域に入力端子対の一方４ａ、及び出力端子５ａが実装されており、同様に半導体スイッチ素子１１Ｃと半導体スイッチ素子１１Ｄを構成するそれぞれの個別半導体素子の電極リード相互間で、かつ平滑コンデンサ２ｂと対向するプリント基板７の上面側の領域に入力端子対の一方４ｂ、及び出力端子５ｂが実装されている。また、駆動回路３は、４つの半導体スイッチ素子１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれに対応させて４分割し、各半導体スイッチ素子を構成する半導体素子と対向するプリント基板７の上面側に実装されている。さらに、外部から供給されるスイッチ駆動用信号を受けとるスイッチ駆動用信号入力端子８ａ及び８ｂは、２つのアームをなす半導体スイッチ素子が隣接する領域に実装されている。
【００２２】
上述のように構成された本実施例の半導体スイッチ用モジュールにおいては、例えば、入力端子対４には直流電源を接続しておき、この直流電源からの直流電力を、半導体スイッチ素子１１Ａ〜１１Ｄからなる半導体スイッチ回路において、スイッチ駆動用信号入力端子８に印加されたスイッチ駆動用の信号によりスイッチングする。この時の半導体スイッチ回路内の各半導体スイッチ素子１１A〜１１Ｄは、各スイッチアーム内のハイサイドスイッチとローサイドスイッチが交互に、しかもスイッチアーム間では異なるサイドのスイッチが同時にオンまたはオフとなるような、２つのスイッチ状態を定周期で交互に繰り返すように、駆動回路３からの駆動信号によりスイッチ制御される。すなわち、半導体スイッチ素子１１Ａと半導体スイッチ素子１１Ｄとが同時にオンとなり、かつ半導体スイッチ素子１１Ｂと半導体スイッチ素子１１Ｃとが同時にオフとなる第１のスイッチ状態と、半導体スイッチ素子１１Ａと半導体スイッチ素子１１Ｄとが同時にオフとなり、かつ半導体スイッチ素子１１Ｂと半導体スイッチ素子１１Ｃとが同時にオンとなる第２のスイッチ状態とを定周期で交互に繰り返す。そして、スイッチング後の電力を出力端子５から取り出している。
【００２３】
このようなスイッチング動作においては、特にスイッチの状態が切り換わるタイミングを中心に損失が発生し、半導体スイッチ素子１１Ａ〜１１Ｄを構成する個別半導体素子は発熱するが、本実施例においては、これら個別半導体素子の放熱面は、プリント基板７とは距離をおいて配置された放熱板９に、熱伝導性絶縁シート１０を介して取り付けられている。このため、これらの素子からの発熱は、主に放熱板９から放熱されることになり、プリント基板７への熱伝導も低減される。従って、プリント基板７に実装された平滑コンデンサ２に対する温度サイクル等の温度負荷も十分低減され、平滑コンデンサ２に対する発熱の影響を抑えることができる。
【００２４】
また、各アームを構成する、直列に接続された２つの半導体スイッチ素子１１Ａ及び１１Ｂ、ならびに１１Ｃ及び１１Ｄは、それぞれ平滑コンデンサ２ａ及び２ｂを挟むようにして、その電極リードを対向させてプリント基板７に実装されている。このため、相互間の接続を短距離の配線パターンとすることができ、配線パターンの自己インダクタンスを減らすことができるとともに、大電流を取り扱う場合においてもラインドロップの影響を低減することができる。加えて、平滑コンデンサとスイッチングノイズの発生源となる半導体スイッチ素子とが短距離で接続されることになるので、スイッチングノイズに対する平滑コンデンサの効果をより高めることができる。
【００２５】
さらに、各半導体スイッチ素子１１Ａ〜１１Ｄに対して駆動信号を供給する駆動回路３は、各半導体スイッチ素子とは反対側のプリント基板７の面上で、各半導体スイッチ素子と対向する部位に、それぞれの半導体スイッチ素子に対応するように分散させて実装されている。このため、それぞれの駆動回路と半導体スイッチ素子との間の接続距離を短くすることができるとともに、その接続経路は、半導体スイッチ回路が扱う電流の経路からは離隔させることができる。従って、スイッチング電流が駆動信号に結合することによる影響を減らすことができ、半導体スイッチ素子の誤動作を防止して、その破損を抑制することができる。
【００２６】
以上説明したように、本実施例においては、半導体スイッチ素子からの発熱をプリント基板から離隔して設けられた放熱板に伝導する構造にするとともに、半導体スイッチ素子への入出力となるスイッチング電流の経路と、半導体スイッチ素子をスイッチ駆動する駆動信号の経路とを分離し、それぞれの経路は短距離での接続を可能とする構造としている。これにより、良好な放熱とスイッチングの誤動作を低減した構造を有するとともに、信頼性を向上させた半導体スイッチ用モジュールを得ることができる。
【００２７】
なお、本発明は、上記した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１ａ、１ｂ  スイッチアーム
２、２ａ、２ｂ  平滑コンデンサ
３  駆動回路
４  入力端子対
５  出力端子
６  アルミ基板
７  プリント基板
８  スイッチ駆動用信号入力端子
９  放熱板
１０  熱伝導性絶縁シート
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ  半導体スイッチ素子
【図１】
2011130626.tif 000003
【図２】
2011130626.tif 000004
【図３】
2011130626.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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