(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ベース上に搭載される１枚の絶縁基板と、前記絶縁基板上に搭載される第１〜第４のスイッチング素子及び第１〜第４のダイオードと、前記第１のスイッチング素子と前記第１のダイオードとが逆並列接続された第１の上アーム、並びに前記第２のスイッチング素子と前記第２のダイオードとが逆並列接続された第２の上アームと、前記第３のスイッチング素子と前記第３のダイオードとが逆並列接続された第１の下アーム、並びに前記第４のスイッチング素子と前記第４のダイオードとが逆並列接続された第２の下アームと、前記第１の上アームと前記第１の下アームとの直列接続回路の一端、及び前記第２の上アームと前記第２の下アームとの直列接続回路の一端に接続された第１の直流端子と、前記第１の上アームと前記第１の下アームとの直列接続回路の他端、及び前記第２の上アームと前記第２の下アームとの直列接続回路の他端に接続された第２の直流端子と、前記第１の上アームと前記第１の下アームとの直列接続点に接続された第１の交流端子と、前記第２の上アームと前記第２の下アームとの直列接続点に接続された第２の交流端子と、を備えたパワー半導体モジュールにおいて、
前記１枚の絶縁基板上には、前記第１の上アーム及び前記第１の下アームからなる第１の列と前記第２の上アーム及び前記第２の下アームからなる第２の列とが、当該第１の上アーム及び当該第２の上アームが列の直交方向で対向し、且つ当該第１の下アーム及び当該第２の下アームが当該列の直交方向で対向するように、基板の列中心線を挟んで略線対称に配置され、当該第１の列と当該第２の列との両端部の一端側に前記第１の直流端子と前記第２の直流端子が配置され、当該第１の列と当該第２の列との他端側に前記第１の交流端子と前記第２の交流端子とが配置される他、前記第１〜第４のスイッチング素子及び前記第１〜第４のダイオードを載置するか、或いはワイヤボンディング若しくはメタルボンディングによりボンディング地点となる配線パターンを複数個形成し、当該第１の下アーム及び当該第２の下アーム側のパワー半導体モジュールの側縁側に当該第１直流端子と当該第２の直流端子とが配置される場合、第１の配線パターン上には当該第１の上アームと当該第２の上アームとをそれぞれ実装し、第２の配線パターン上には当該第１の下アームを実装し、第３の配線パターン上には当該第２の下アームを実装し、当該基板の列中心線を挟んで左右に離隔形成された当該第２の配線パターンと当該第３の配線パターンとの間には当該第１の配線パターンの延長部を形成し、且つ当該延長部の端部には当該第１の直流端子である正極端子からのボンディング用の配線が接続され、第４の配線パターン上には当該第２の直流端子である負極端子からのボンディング用の配線が接続されたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
金属ベース上に搭載される１枚の絶縁基板と、前記絶縁基板上に搭載される第１〜第４のスイッチング素子及び第１〜第４のダイオードと、前記第１のスイッチング素子と前記第１のダイオードとが逆並列接続された第１の上アーム、並びに前記第２のスイッチング素子と前記第２のダイオードとが逆並列接続された第２の上アームと、前記第３のスイッチング素子と前記第３のダイオードとが逆並列接続された第１の下アーム、並びに前記第４のスイッチング素子と前記第４のダイオードとが逆並列接続された第２の下アームと、前記第１の上アームと前記第１の下アームとの直列接続回路の一端、及び前記第２の上アームと前記第２の下アームとの直列接続回路の一端に接続された第１の直流端子と、前記第１の上アームと前記第１の下アームとの直列接続回路の他端、及び前記第２の上アームと前記第２の下アームとの直列接続回路の他端に接続された第２の直流端子と、前記第１の上アームと前記第１の下アームとの直列接続点に接続された第１の交流端子と、前記第２の上アームと前記第２の下アームとの直列接続点に接続された第２の交流端子と、を備えたパワー半導体モジュールにおいて、
前記１枚の絶縁基板上には、前記第１の上アーム及び前記第１の下アームからなる第１の列と前記第２の上アーム及び前記第２の下アームからなる第２の列とが、当該第１の上アーム及び当該第２の上アームが列の直交方向で対向し、且つ当該第１の下アーム及び当該第２の下アームが当該列の直交方向で対向するように、基板の列中心線を挟んで略線対称に配置され、当該第１の列と当該第２の列との両端部の一端側に前記第１の直流端子と前記第２の直流端子が配置され、当該第１の列と当該第２の列との他端側に前記第１の交流端子と前記第２の交流端子とが配置される他、前記第１〜第４のスイッチング素子及び前記第１〜第４のダイオードを載置するか、或いはワイヤボンディング若しくはメタルボンディングによりボンディング地点となる配線パターンを複数個形成し、前記第１の上アーム及び前記第２の上アーム側のパワー半導体モジュールの側縁側に前記第１の直流端子と前記第２の直流端子とが配置される場合、第１の配線パターン上には当該第１の上アームと当該第２の上アームとをそれぞれ実装し、第２の配線パターン上には当該第１の下アームを実装し、第３の配線パターン上には当該第２の下アームを実装し、当該基板の列中心線を挟んで左右に離隔形成された当該第２の配線パターンと当該第３の配線パターンとの間には第４の配線パターンを形成し、当該第４の配線パターンに当該第２の直流端子である負極端子からのボンディング用の配線が接続され、当該第１の配線パターン上には当該第１の直流端子である正極端子からのボンディング用の配線が接続されたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項３】
請求項１記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第４の配線パターンは、前記第２の配線パターンと前記第３の配線パターンとの間に介在する延長部を形成し、当該延長部の端部に前記第２の直流端子である負極端子からメタルボンディングで接続し、前記第１の配線パターンに前記第１の直流端子である正極端子からメタルボンディングで接続し、当該負極端子と当該正極端子とのメタルボンディング用の両導体は積層構造であることを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項４】
請求項１又は３記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記第１の上アーム及び前記第２の上アームにおける前記第１のダイオードと前記第２のダイオードとは、前記第１の配線パターン上で前記基板の列中心線の鉛直方向において、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との内側に実装され、前記第１の下アーム及び前記第２の下アームにおける前記第３のダイオードと前記第４のダイオードとは、前記第２の配線パターン上と前記第３の配線パターン上とで当該基板の列中心線の並行方向において、前記第３のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子との上側に実装されたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項記載のパワー半導体モジュールにおいて、
前記１枚の絶縁基板を複数枚並置して配置し、当該複数の絶縁基板における直流端子と交流端子とを前記一端側と前記他端側とにそれぞれ揃えて配置したことを特徴と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】
本発明は半導体装置に関し、特に電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド自動車および電気自動車の生産が増えつつある。これらの自動車では電池から供給される直流電力を電力変換装置によって交流に変換してモータを駆動する方式が一般的に用いられる。このような電力変換装置に搭載されるパワー半導体モジュールは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワー半導体素子をスイッチングすることにより、直流電力を交流電力に変換あるいは交流を直流に変換するものである。
【０００３】
パワー半導体モジュールでは、スイッチング素子とダイオードを並列接続して（この一組をアームと称する）使用することが一般的である。この一組の半導体を正極端子と交流端子の間に接続したものを上アーム、交流端子と負極端子の間に接続したものを下アームと称する。上アームと下アームを組み合わせることによって一相の交流電力を出力することができる。したがって、三相交流を発生させるためには３組の上下アーム（合計６アーム）が必要となる。
【０００４】
ところで、ハイブリッド自動車の駆動方式には様々なものが提案されている。例えば駆動用のモータと電力回生用の発電機を別に備えるシステムにおいては、モータ駆動用電力と回生電力のために合わせて２系統の電力変換装置を必要とする。２系統の三相交流を直流と変換するためには、上記の３組の上下アームから成る半導体群を２群、合計で１２アームのパワー半導体素子が必要となる。
【０００５】
また、車両の駆動用途にスイッチド・リラクタンス・モータ（ＳＲモータ）を採用する場合、例えばロータ４極ステータ６極のモータでは１モータを駆動するためにステータの６端子から電力を供給する必要があり、交流１端子の出力に上下アームが必要なので、電力変換のためにはやはり１２アームのパワー半導体が必要となる。このように、ハイブリッド自動車の駆動方式によっては１２アームから成る電力変換装置を必要とする場合がある。
【０００６】
一方、一つのケースの内部に１２アームのパワー半導体を搭載し、これを半導体モジュール（以下、１２ｉｎ１モジュールと称する）とする技術が、例えば特許文献１に開示されている。また、上アームと下アームからなる上下アームを半導体モジュールとして、６個の半導体モジュールすなわち１２個のアームを一体とした電力変換装置が、例えば特許文献２に開示され、この特許文献２には半導体モジュールの回路構成とその各構成要素の配置構成とが提示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−３３６６４３号公報
【特許文献２】特開２００９−２１９２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
汎用的に用いられるパワー半導体モジュールとしては１ｉｎ１から６ｉｎ１まで、すなわち一つのケースに搭載される半導体素子が６アーム以内のものが一般的であり、１２ｉｎ１モジュールは比較的複雑な回路構成となる。したがって、１２ｉｎ１モジュールをコンパクトに実装するためにはレイアウトに工夫が必要となる。
【０００９】
一方、上記の特許文献１に開示された構成は、工夫したレイアウトでコンパクトに実装された例であるが、モジュールの１辺に１系統の交流端子（Ｕ，Ｖ，Ｗの計３本）が配置され、対向する辺にもう１系統の交流端子（同じく３本）が配置されている。さらに直流端子はモジュールの上面中央から接続する形態をとる。また、上記の特許文献２における半導体モジュールは、２ｉｎ１モジュールであり、正極端子、負極端子、交流端子、ゲート端子などはすべて半導体モジュールの上面側に配置された構造となっている。
【００１０】
しかしながら、車両の一般的な構成ではすべての交流端子を同じ方向にまとめて配置し、交流端子と逆側に直流端子を配置する方が好まれる場合が多い。その理由は、交流端子に接続されるモータおよび発電機はエンジンと変速機の周囲にまとめて配置され、直流端子に接続される電池はエンジンとは離れた場所に配置される場合が多いためである。また、直流端子をパワー半導体モジュールの上面中央に配置しない方が好まれる理由は、上面には制御信号の端子が配置されるため、直流電力のバスと制御信号線を同じ方向に出してしまうと制御信号ピンの配置に制約が増えるためである。
【００１１】
さらに別の課題としては、電力回路のインダクタンスを低くすることが挙げられる。電力回路のインダクタンスと電流の変化率の積によって跳ね上がり電圧が決まるが、跳ね上がり電圧は部品の耐圧より低く抑える必要があるので、インダクタンスの値に応じて電流変化率の上限が決まる。しかし、電力変換の効率を高めるためには電流の変化率を大きくした方が有利であるため、回路インダクタンスをできるだけ低く抑えたい。
【００１２】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、１つのパワー半導体モジュールに例えば１２アームを含む複数のアームを搭載可能な簡易な構造でコンパクトに実装するとともに、パワー半導体モジュール外との直流、交流および制御信号との接続を行い易いそれぞれの端子をモジュール端面に配置とすることであり、さらに、パワー半導体モジュールの電力回路のインダクタンスを低く保つことのできるパワー半導体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明のパワー半導体モジュールの１つは、金属ベース上に搭載される１枚の絶縁基板と、絶縁基板上に搭載される第１〜第４のスイッチング素子及び第１〜第４のダイオードと、第１のスイッチング素子と第１のダイオードとが逆並列接続された第１の上アーム、並びに第２のスイッチング素子と第２のダイオードとが逆並列接続された第２の上アームと、第３のスイッチング素子と第３のダイオードとが逆並列接続された第１の下アーム、並びに第４のスイッチング素子と第４のダイオードとが逆並列接続された第２の下アームと、第１の上アームと第１の下アームとの直列接続回路の一端、及び第２の上アームと第２の下アームとの直列接続回路の一端に接続された第１の直流端子と、第１の上アームと第１の下アームとの直列接続回路の他端、及び第２の上アームと第２の下アームとの直列接続回路の他端に接続された第２の直流端子と、第１の上アームと第１の下アームとの直列接続点に接続された第１の交流端子と、第２の上アームと第２の下アームとの直列接続点に接続された第２の交流端子と、を備えたパワー半導体モジュールにおいて、１枚の絶縁基板上には、第１の上アーム及び第１の下アームからなる第１の列と第２の上アーム及び第２の下アームからなる第２の列とが、当該第１の上アーム及び当該第２の上アームが列の直交方向で対向し、且つ当該第１の下アーム及び当該第２の下アームが当該列の直交方向で対向するように、基板の列中心線を挟んで略線対称に配置され、当該第１の列と当該第２の列との両端部の一端側に第１の直流端子と第２の直流端子が配置され、当該第１の列と当該第２の列との他端側に第１の交流端子と第２の交流端子とが配置される他、第１〜第４のスイッチング素子及び第１〜第４のダイオードを載置するか、或いはワイヤボンディング若しくはメタルボンディングによりボンディング地点となる配線パターンを複数個形成し、当該第１の下アーム及び当該第２の下アーム側のパワー半導体モジュールの側縁側に当該第１直流端子と当該第２の直流端子とが配置される場合、第１の配線パターン上には当該第１の上アームと当該第２の上アームとをそれぞれ実装し、第２の配線パターン上には当該第１の下アームを実装し、第３の配線パターン上には当該第２の下アームを実装し、当該基板の列中心線を挟んで左右に離隔形成された当該第２の配線パターンと当該第３の配線パターンとの間には当該第１の配線パターンの延長部を形成し、且つ当該延長部の端部には当該第１の直流端子である正極端子からのボンディング用の配線が接続され、第４の配線パターン上には当該第２の直流端子である負極端子からのボンディング用の配線が接続されたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のパワー半導体モジュールのもう１つは、金属ベース上に搭載される１枚の絶縁基板と、絶縁基板上に搭載される第１〜第４のスイッチング素子及び第１〜第４のダイオードと、第１のスイッチング素子と第１のダイオードとが逆並列接続された第１の上アーム、並びに第２のスイッチング素子と第２のダイオードとが逆並列接続された第２の上アームと、第３のスイッチング素子と第３のダイオードとが逆並列接続された第１の下アーム、並びに第４のスイッチング素子と第４のダイオードとが逆並列接続された第２の下アームと、第１の上アームと第１の下アームとの直列接続回路の一端、及び第２の上アームと第２の下アームとの直列接続回路の一端に接続された第１の直流端子と、第１の上アームと第１の下アームとの直列接続回路の他端、及び第２の上アームと第２の下アームとの直列接続回路の他端に接続された第２の直流端子と、第１の上アームと第１の下アームとの直列接続点に接続された第１の交流端子と、第２の上アームと第２の下アームとの直列接続点に接続された第２の交流端子と、を備えたパワー半導体モジュールにおいて、１枚の絶縁基板上には、第１の上アーム及び第１の下アームからなる第１の列と第２の上アーム及び第２の下アームからなる第２の列とが、当該第１の上アーム及び当該第２の上アームが列の直交方向で対向し、且つ当該第１の下アーム及び当該第２の下アームが当該列の直交方向で対向するように、基板の列中心線を挟んで略線対称に配置され、当該第１の列と当該第２の列との両端部の一端側に第１の直流端子と第２の直流端子が配置され、当該第１の列と当該第２の列との他端側に第１の交流端子と第２の交流端子とが配置される他、第１〜第４のスイッチング素子及び第１〜第４のダイオードを載置するか、或いはワイヤボンディング若しくはメタルボンディングによりボンディング地点となる配線パターンを複数個形成し、第１の上アーム及び第２の上アーム側のパワー半導体モジュールの側縁側に第１の直流端子と第２の直流端子とが配置される場合、第１の配線パターン上には当該第１の上アームと当該第２の上アームとをそれぞれ実装し、第２の配線パターン上には当該第１の下アームを実装し、第３の配線パターン上には当該第２の下アームを実装し、当該基板の列中心線を挟んで左右に離隔形成された当該第２の配線パターンと当該第３の配線パターンとの間には第４の配線パターンを形成し、当該第４の配線パターンに当該第２の直流端子である負極端子からのボンディング用の配線が接続され、当該第１の配線パターン上には当該第１の直流端子である正極端子からのボンディング用の配線が接続されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、１２ｉｎ１パワー半導体モジュールをコンパクトに実装することができる。したがって、１２アームを必要とする電力変換装置を一つのパワー半導体モジュールで構成することができ、電力変換装置を小型かつ安価に製造することができる。
【００１７】
また、電力回路のインダクタンスを低くできるので電力変換の際の電流変化率を大きくすることができ、電力変換の効率を高めることができる。引いては、車両の燃費を向上させると同時に、損失によって発生する熱が減るので、パワー半導体モジュールの冷却装置を小型化ないし低コスト化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１に係るパワー半導体モジュールの各構成要素の配置構造を示す平面図である。
【図２】本実施例１に係るパワー半導体モジュールと冷却装置の全体構造を示す斜視図である。
【図３】図２に示す全体構造においてパワー半導体モジュールの蓋を開いた状態の斜視図である。
【図４】本実施例１に係るパワー半導体モジュールの２相分の各構成要素の配置構造を示す斜視図である。
【図５】本実施例１に係るパワー半導体モジュールの回路構成を示す図である。
【図６】本実施例１に係るパワー半導体モジュールの一部断面図である。
【図７】本発明の実施例２に係るパワー半導体モジュールの２相分の各構成要素の配置構造を示す斜視図である。
【図８】本実施例２に係るパワー半導体モジュールの各構成要素の配置構造を示す平面図である。
【図９】本発明の実施例３に係るパワー半導体モジュールの蓋を開いた全体構造を示す斜視図である。
【図１０】本実施例３に係るパワー半導体モジュールの２相分の各構成要素の配置構造を示す斜視図である。
【図１１】本実施例３に係るパワー半導体モジュールの各構成要素の配置構造を示す平面図である。
【図１２】本実施例４に係るパワー半導体モジュールの２相分の各構成要素の配置構造を示す斜視図である。
【図１３】本実施例４に係るパワー半導体モジュールの各構成要素の配置構造を示す平面図である。
【図１４】本実施例５に係るパワー半導体モジュールの２相分の各構成要素の配置構造を示す斜視図である。
【図１５】本実施例５に係るパワー半導体モジュールの各構成要素の配置構造を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
１枚の絶縁基板上に２組の上アームを絶縁基板上の上寄り左右に配置し、２組の下アームを絶縁基板上の下寄り左右に配置して、絶縁基板上の配線パターンとして、２組の上アームを第１の配線パターン上に実装し、２組の下アームは第１の配線パターンの下に配置した第２、第３の配線パターン上にそれぞれ実装して、第２、第３の配線パターンの間に第１の配線パターンを延長し、その延長した端部に正極端子からの配線を接続し、さらに、この絶縁基板を１モジュール中に３枚並置して実装することによって１２ｉｎ１モジュールの構成とすることが本発明の概要を示す主たる特徴である。
詳しく記述すると、金属ベース上に搭載される１枚の絶縁基板と、前記絶縁基板上に搭載される第１〜第４のスイッチング素子及び第１〜第４のダイオードと、前記第１のスイッチング素子と前記第１のダイオードが逆並列接続された第１の上アーム、及び前記第２のスイッチング素子と前記第２のダイオードが逆並列接続された第２の上アームと、前記第３のスイッチング素子と前記第３のダイオードが逆並列接続された第１の下アーム、及び前記第４のスイッチング素子と前記第４のダイオードが逆並列接続された第２の下アームと、前記第１の上アームと前記第１の下アームの直列接続回路の一端と、前記第２の上アームと前記第２の下アームの直列接続回路の一端が接続される第１の直流端子と、前記第１の上アームと前記第１の下アームの直列接続回路の他端と、前記第２の上アームと前記第２の下アームの直列接続回路の他端が接続される第２の直流端子と、前記第１の上アームと前記第１の下アームの直列接続点が接続される第１の交流端子と、前記第２の上アームと前記第２の下アームの直列接続点が接続される第２の交流端子と、を備えるパワー半導体モジュールにおいて、前記１枚の絶縁基板上には、前記第１の上アームと前記第１の下アームからなる第１の列と、前記第２の上アームと前記第２の下アームからなる第２の列が、前記第１の上アームと前記第２の上アームが列の直交方向で対向するように、かつ前記第１の下アームと前記第２の下アームが前記列の直交方向で対向するように、前記絶縁基板の列中心線を挟んで略線対称に配置され、前記第１の列と前記第２の列の両端部の一端側に前記第１の直流端子と前記第２の直流端子が配置され、その他端側に前記第１の交流端子と前記第２の交流端子が配置される構成とする。 また、前記パワー半導体モジュールにおいて、前記１枚の絶縁基板上には、前記スイッチング素子及びダイオードを載置し又はワイヤボンディング若しくはメタルボンディングのボンディング地点となる配線パターンを複数個形成し、前記第１と第２の下アーム側のパワー半導体モジュールの側縁側に前記第１と第２の直流端子が配置される場合、第１の配線パターン上には前記第１と第２の上アームをそれぞれ実装し、第２の配線パターン上には前記第１の下アームを実装し、第３の配線パターン上には前記第２の下アームを実装し、前記絶縁基板の列中心線を挟んで左右に離隔形成された前記第２の配線パターンと前記第３の配線パターンの間には、前記第１の配線パターンの延長部を形成し、前記延長部の端部には前記第１の直流端子である正極端子からのボンディング用の配線が接続され、第４の配線パターン上には、前記第２の直流端子である負極端子からのボンディング用の配線が接続される構成とする。
以下、本発明の各実施例に係るパワー半導体モジュールについて、図面を参照しながら説明する。本発明の実施例１に係る半導体モジュールは図１〜図６を用いて、実施例２は図７と図８を用いて、実施例３は図９〜図１１を用いて、実施例４は図１２と図１３を用いて、実施例５は図１４と図１５を用いて、それぞれ以下詳細に説明する。本発明の各実施例を説明する上で、背景技術欄に記載した各特許文献を含めた従来技術におけるパワー半導体モジュールの構成要素（ＩＧＢＴ、ダイオード、アーム、各端子など）の基本的な機能については、以下の実施例でも同様である。
【００２０】
「実施例１」
図１には本実施例１に係るパワー半導体モジュールの絶縁基板上でのレイアウトを示している。ＩＧＢＴ１００〜１０３とダイオード１０４〜１０７が絶縁基板１０８上に実装されており、パワー半導体モジュールの構成要素であるＩＧＢＴ１００〜１０３、ダイオード１０４〜１０７、配線パターンＣ０１〜Ｃ０５、電力端子Ｔ０１〜Ｔ０４、信号ピンＰ０１〜Ｐ０４（図４を参照）のそれぞれの間がボンディングワイヤＷ０１〜Ｗ１１で接続される。図１の例では、ＩＧＢＴ１００とダイオード１０４の一組が１アームを構成するので、１枚の絶縁基板１０８の上には合計で４つのアームが搭載される（後述する図５と図６をも参照）。
【００２１】
図２は本実施例に係るパワー半導体モジュールを冷却装置に搭載した斜視図である。パワー半導体モジュール１１３を冷却装置１１４に搭載して冷却水を入口１１５から出口１１６に流すことによって、パワー半導体モジュール１１３の損失によって発生する熱が除去される。
【００２２】
図３は図２に示したパワー半導体モジュールの蓋１１９を外した図である。パワー半導体モジュール１１３の内部には図１に示した絶縁基板１０８が３枚並置されて実装されており、合計で１２アームを搭載する１２ｉｎ１モジュールを構成する。図示しないが実際にはケース１１８の内部にはゲルが充填されて配線間の絶縁を確保する。図示例では絶縁基板１０８は３枚並置であるが、これに限らず複数枚並置してもよい。
【００２３】
図４は、図３のケース１１８を取り除いて、絶縁基板１枚分の内部の配線を示す図である（実際には、端子Ｔ０１〜Ｔ０４とピンＰ０１〜Ｐ０３はケース１１８にインサート成形されるので、図４のようにケース１１８を取り除くことはできない）。図４を真上から見た平面図が図１である。
【００２４】
４本の電力端子は、Ｔ０１が正極端子、Ｔ０２が負極端子、Ｔ０３およびＴ０４が交流端子である。信号ピンについては、Ｐ０１およびＰ０２がゲート信号ピン、Ｐ０３がシャント抵抗１２２の電圧検出ピン、その他のピンＰ０４は各所の電圧検出ピンである。シャント抵抗１２２は、その両端の電圧差を検出することによって電流値を測定するために使用する。
【００２５】
図５は本実施例１に適用されるモータ駆動システム構成例の主回路図である。電池１２３から供給される直流電力をパワー半導体モジュール１１３で交流に変換してモータ１２５を駆動する。その際、直流ラインの変動電流成分を平滑化コンデンサ１２４で吸収して電流の平滑化を行う。図５の図示例ではモータ１２５はスイッチド・リラクタンス・モータであるので、ステータの６極に対して個別に交流電流を供給する必要がある。そのため、図５に示したような１２アームを備えた電力変換装置が必要となる。
【００２６】
図６は絶縁基板１０８に半導体素子を搭載した際の断面図である。絶縁基板１０８は表面に配線銅パターン１１０を、裏面にベタの銅パターン１２７を備える。配線パターン１１０（図１に示すＣ０２に対応）上にははんだ１２６を用いてＩＧＢＴ素子１０１とダイオード素子１０５が搭載される。また、絶縁基板１０８自体も基板接続はんだ１２８を用いて銅ベース１１７（図３を参照）に接続される。
【００２７】
配線パターンＣ０１〜Ｃ０５について、さらに図１を参照しながら説明する。配線パターンＣ０１は、図１の図示配置例で、絶縁基板１０８上において上半分と中央縦部分を含むパターンであり、その上半分には、その右側にＩＧＢＴ１００及びダイオード１０４（上アーム）が載置され左側にＩＧＢＴ１０２及びダイオード１０６（上アーム）が載置される。配線パターンＣ０２は配線パターンＣ０１の中央縦部分の左右両側に配置された一対の配線パターンであり、その右側にＩＧＢＴ１０１及びダイオード１０５（下アーム）が載置され、左側にＩＧＢＴ１０３及びダイオード１０７（下アーム）が載置される。
【００２８】
また、配線パターンＣ０３は、左・右の下アームとワイヤボンディングＷ０４・Ｗ０２で接続される左右一対の配線パターンである。また、配線パターンＣ０４は、左・右の上アームとワイヤボンディングＷ０３・Ｗ０１で接続される左右一対の配線パターンであり、この配線パターンＣ０４はさらに交流端子Ｔ０３とＴ０４にワイヤボンディングＷ０７とＷ０８で接続される。また、配線パターンＣ０５は、図１の例で絶縁基板１０８の最下部に配置された配線パターンであり、ワイヤボンディングＷ０６で負極端子Ｔ０２と接続されるとともに、シャント抵抗１２２を介して配線パターンＣ０３と接続される。
【００２９】
次に、図１、図４、図５、図６を用いて本実施例１に係るパワー半導体モジュールの各構成要素における接続関係を説明する。金属ベース１２７上に搭載される１枚の絶縁基板１０８には、第１〜第４のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）１００〜１０３及び第１〜第４のダイオード１０４〜１０７と、第１のスイッチング素子１００と第１のダイオード１０４が逆並列接続された第１の上アームと、第２のスイッチング素子１０２と第２のダイオード１０６が逆並列接続された第２の上アームと、第３のスイッチング素子１０１と第３のダイオード１０５が逆並列接続された第１の下アームと、第４のスイッチング素子１０３と第４のダイオード１０７が逆並列接続された第２の下アームと、が搭載されている。
【００３０】
さらに、第１の上アームと第１の下アームが直列に接続されるとともに、第２の上アームと第２の下アームが直列に接続され、第１の上アームと第１の下アームの直列接続回路の一端と、第２の上アームと第２の下アームの直列接続回路の一端が正極端子Ｔ０１（第１の直流端子）に接続されるとともに、第１の上アームと第１の下アームの直列接続回路の他端と、第２の上アームと第２の下アームの直列接続回路の他端が負極端子Ｔ０２（第２の直流端子）に接続されている。また、第１の上アームと第１の下アームの直列接続点には第１の交流端子Ｔ０３が接続され、第２の上アームと第２の下アームの直列接続点には第２の交流端子Ｔ０４が接続されている。
【００３１】
上述したパワー半導体モジュールの各構成要素の接続関係において、第１の上アームと第１の下アームからなる第１の列（図１の例で右側の列）と、第２の上アームと第２の下アームからなる第２の列（図１の例で左側の列）とは略平行に配置されるとともに、第１の上アームと第２の上アームが図示の左右方向で、すなわち列の直交方向で互いに対向するように且つ第１の下アームと第２の下アームが図示の左右方向で、すなわち列の直交方向で互いに対向するように、第１の列と前記第２の列が配線パターンＣ０１を間にして（絶縁基板１０８の列中心線を挟んで）略線対称に配置される。そして、第１の列と第２の列の両端部の一端側（図２に示すパワー半導体モジュールの１１３の一端側）に正極端子Ｔ０１（第１の直流端子）と負極端子Ｔ０２（第２の直流端子）が揃って配置され、他端側（図２に示すパワー半導体モジュールの１１３の他端側）に第１の交流端子Ｔ０３と第２の交流端子Ｔ０４が揃って配置されている。
【００３２】
上述した直流端子と交流端子のパワー半導体モジュールにおける配置の意味を説明すると、車両の一般的な構成ではすべての交流端子を同じ方向にまとめて配置し、交流端子と逆側に直流端子を配置する方が好都合である場合が多く、交流端子に接続されるモータおよび発電機はエンジンと変速機の周囲にまとめて配置され、直流端子に接続される電池はエンジンとは離れた場所に配置される場合が多いためである。また、直流端子をパワー半導体モジュールの上面中央に配置しない方が好都合である理由は、上面には制御信号の端子が配置されるため、直流電力のバスと制御信号線を同じ方向に出してしまうと制御信号ピンの配置に制約が増えるためである。
【００３３】
次に、本発明の実施例１に係るパワー半導体モジュールの動作について、図１と図５を参照して説明する。交流端子Ｔ０３とＴ０４は交流電流を出力するので、位相に従って電流の流出と流入を交互に繰り返す。まず、交流端子Ｔ０３より電流が流出する状態での動作を述べる。このとき、正極端子Ｔ０１より直流電力が供給され、ボンディングワイヤＷ０５を通して配線パターンＣ０１に流れ込む。ここで、ゲート信号ピンＰ０１にゲート電圧が印加されて上アームのＩＧＢＴ１００がオンすると、電流はＩＧＢＴ１００を裏から表に通過し、ボンディングワイヤＷ０１を通して配線パターンＣ０４に流れる。さらに配線パターンＣ０４からワイヤＷ０７を通して交流端子Ｔ０３から電流が流出する。
【００３４】
次に、ゲート信号ピンＰ０１の電圧が下がってＩＧＢＴ１００がオフすると、配線パターンＣ０１からの電流は遮断される。このとき、負極端子Ｔ０２からの帰還電流がボンディングワイヤＷ０６を介し配線パターンＣ０５からシャント抵抗１２２と配線パターンＣ０３とワイヤＷ０２を通して下アームのダイオード１０５を表から裏に通過し、配線パターンＣ０２に流れる。配線パターンＣ０２からワイヤＷ０１に流れた後は上記と同様の経路で交流端子Ｔ０３から流出する。
【００３５】
逆に、交流端子Ｔ０３から電流が流入する状態では、下アームのＩＧＢＴ１０１と上アームのダイオード１０４が動作し、上記とほぼ同様の手順に従って電流が流れる。
【００３６】
したがって、ゲート信号ピンＰ０１とＰ０２への印加電圧を制御することによって直流端子Ｔ０１およびＴ０２から交流端子Ｔ０３への接続を制御することができ、電圧パルスの幅を制御するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって任意周波数の交流を発生することができる。
【００３７】
以上のように、ＩＧＢＴ１００，１０１とダイオード１０４，１０５のセットで端子Ｔ０３から１相の交流を出力できる。同様にＩＧＢＴ１０２，１０３とダイオード１０６，１０７のセットで端子Ｔ０４からもう１相の交流を出力できるので、１枚の絶縁基板１０８について２相の交流が出力できる４アームの構成であることがわかる。
【００３８】
１台のパワー半導体モジュール１１３の中に絶縁基板１０８が３枚並置し搭載されるので、パワー半導体モジュール１１３全体では１２アームの構成となる。したがって、本実施例１のパワー半導体モジュール１１３を用いれば６相の交流電力を直流と変換する電力変換装置を１台のパワー半導体モジュール１１３で構成することができる。
【００３９】
さらに、本実施例１によれば、交流端子Ｔ０３，Ｔ０４を全てパワー半導体モジュール１１３の１辺に集中して配置し（図２を参照）、それと対向する辺に直流端子Ｔ０１，Ｔ０２をまとめて配置することができる。また、信号ピンＰ０１〜Ｐ０４はパワー半導体モジュール１１３の中央部の上面に配置され、電力端子Ｔ０１〜Ｔ０４との干渉を避けることができる。
【００４０】
ところで、発明が解決しようとする課題の欄で述べたように、電力回路のインダクタンスを低くすることが求められているが、このための手法として本実施例１では、ＩＧＢＴ１００，１０１を含む右半分の回路ではリカバリー電流が正極端子Ｔ０１、配線パターンＣ０１、アーム１００，１０４、アーム１０１，１０５、配線パターンＣ０５を通して負極端子Ｔ０２に至る時計回りに回転するループを形成している。また、ＩＧＢＴ１０２，１０３を含む左半分の回路ではリカバリー電流が上述と同様に反時計回りに回転するループを形成している。したがって、絶縁基板１０８上の電力回路について時計回りと反時計回りの２つのループが形成されており、相互のインダクタンスを打ち消すことができるので、パワー半導体モジュール内部のインダクタンスを低減することができる。
【００４１】
なお、本実施例ではスイッチング素子としてＩＧＢＴを用いたが、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタ等の他のスイッチング素子を用いても良い（以下の各実施例も同様）。
【００４２】
「実施例２」
本発明の実施例２は、図１に示す電流測定用シャント抵抗１２２を用いずに、電流センサをパワー半導体モジュール１１３の外部に設ける場合の構成例であり、パワー半導体モジュール１１３の内部にはシャント抵抗１２２を含まないものである。図７は本実施例２における絶縁基板１０８の１枚分の内部の配線を示す斜視図である。図７を真上から見た平面図が図８である。ここで、既に説明した図１〜図６に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、その説明を援用する。
【００４３】
実施例１では図１のＣ０３とＣ０５に分割されていた負極側の配線パターンが、実施例２では図８に示したＣ０３のように１つの配線パターンにまとめられる。そして、負極端子Ｔ０２からのボンディングワイヤＷ０６と下アームからのボンディングワイヤＷ０２およびＷ０４がいずれも配線パターンＣ０３に接続される。このように負極側の配線パターンが簡略化されるため、絶縁基板の上下方向のサイズを縮小することができる。
【００４４】
敷衍して実施例２を説明すると、１枚の絶縁基板上１０８には、スイッチング素子１００〜１０３及びダイオード１０４〜１０７を載置し又はワイヤボンディングのボンディング地点となる配線パターンＣ０１〜Ｃ０４を複数個形成し、第１と第２の下アーム側のパワー半導体モジュールの側縁側に第１と第２の直流端子（Ｔ０１とＴ０２）が配置される場合、第１の配線パターンＣ０１上には第１と第２の上アーム（１００，１０４と１０２，１０６）をそれぞれ実装し、第２の配線パターン（右のＣ０２）上には第１の下アームを実装し、第３の配線パターン（左のＣ０２）上には第２の下アームを実装し、絶縁基板１０８の列中心線を挟んで左右に離隔形成された第２の配線パターン（右のＣ０２）と第３の配線パターン（左のＣ０２）の間には、第１の配線パターン０１の延長部を形成し、延長部の端部には第１の直流端子である正極端子Ｔ０１からのワイヤボンディング用の配線が接続され、第４の配線パターン０３上には、第２の直流端子である負極端子Ｔ０２からのボンディング用の配線が接続される構成となっている。当該構成は、図１に示すシャント抵抗１２２を接続する配線パターンＣ０３を無くしたものに対応している。
【００４５】
「実施例３」
本発明の実施例３は、電力端子Ｔ０５〜Ｔ０８（実施例１のＴ０１〜Ｔ０４に対応する）をワイヤボンディングではなくてメタルボンディングで接続したパワー半導体モジュールの構成例である。
【００４６】
図９は本発明の実施例３に係るパワー半導体モジュールの蓋を開いた全体構造を示す斜視図であり、図１０は本実施例３に係るパワー半導体モジュールの２相分の各構成要素の配置構造を示す斜視図であり、図１１は本実施例３に係るパワー半導体モジュールの各構成要素の配置構造を示す平面図である。ここで、既に説明した図１〜図６に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、その説明を援用する。
【００４７】
図１０を参照して、４本の電力端子Ｔ０５〜Ｔ０８は、Ｔ０５が正極端子、Ｔ０６が負極端子、Ｔ０７およびＴ０８が交流端子である。電力端子Ｔ０５〜Ｔ０８は、メタルボンディングによって直接に配線パターンに接合され、ワイヤボンディングを省略できるため電流の抵抗を減らし、ワイヤボンディングの工数を削減することができる。
【００４８】
また、図１０に示すように、直流端子Ｔ０５とＴ０６を平行にして近づけたラミネート構造（積層構造）とすることによって配線のインダクタンスを低減することができる。なお、交流端子Ｔ０７およびＴ０８に関しては、パルス電流が流れないので（交流波形であるので）、電圧跳ね上がりの問題がなく、インダクタンスを下げる必要がないのでラミネート構造にはしていない。
【００４９】
さらに、図１１に示したように、直流端子Ｔ０５，Ｔ０６との接続において、たるみが生じるワイヤボンディングではなくてメタルボンディングにすると、絶縁基板１０８の中央付近に各端子の接合部を持って来られるので、図１に示す配線パターンＣ０５を直流端子側Ｔ０５，Ｔ０６から中央部分に引き込むことができ（図１に示す絶縁基板１０８の最下部に配された配線パターンＣ０５との対比）、絶縁基板１０８の上下方向のサイズを縮小することができる。
【００５０】
敷衍して実施例３を説明すると、第４の配線パターンＣ０５は、第２の配線パターン（右のＣ０２）と第３の配線パターン（左のＣ０２）の間に介在する延長部を形成し、延長部の端部に第２の直流端子である負極端子Ｔ０６からメタルボンディングで接続し、第１の配線パターン０１に第１の直流端子である正極端子Ｔ０５からメタルボンディングで接続し、負極端子Ｔ０６と正極端子Ｔ０５のメタルボンディング用の両導体は積層構造である構成となっている。
【００５１】
「実施例４」
本発明の実施例４は、素子の配置を変更して絶縁基板１０８の縦方向のサイズを縮小したパワー半導体モジュールの構成例である。図１２は本実施例４における絶縁基板１０８の１枚分の内部の配線を示す斜視図であり、図１３は図１２を真上から見た平面図である。ここで、既に説明した図９〜図１１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、その説明を援用する。
【００５２】
図１３を参照して、上アームのダイオード１０４および１０６が本実施例４では上アームのＩＧＢＴ１００および１０２の内側に実装されており、この配置を採ることによって絶縁基板１０８の上下方向のサイズをさらに縮小することができる。
【００５３】
敷衍して実施例４を説明すると、第１の上アームと第２の上アームにおける第１のダイオード１０４と第２のダイオード１０７は、第１の配線パターンＣ０１上で絶縁基板１０８の列中心線の鉛直方向において、第１のスイッチング素子１００と第２のスイッチング素子１０２の内側に実装され、第１の下アームと第２の下アームにおける第３のダイオード１０５と第４のダイオード１０７は、第２の配線パターン（右のＣ０２）上と第３の配線パターン（左のＣ０２）上で絶縁基板１０８の列中心線の並行方向において、第３のスイッチング素子１０１と第４のスイッチング素子１０３の上側に実装される構成としている。
【００５４】
「実施例５」
本発明の実施例５は、直流端子Ｔ０５，Ｔ０６と交流端子Ｔ０７，Ｔ０８との配置を入れ替えて絶縁基板１０８の縦方向のサイズを縮小したパワー半導体モジュールの構成例である。図１４は実施例５における絶縁基板１０８の１枚分の内部の配線を示す図であり、図１５は図１４を真上から見た平面図である。ここで、既に説明した図９〜１１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
【００５５】
図１５を参照して、正極端子Ｔ０５および負極端子Ｔ０６を上アーム側に配置し、交流端子Ｔ０７およびＴ０８を下アーム側に配置する。交流端子Ｔ０７およびＴ０８は配線パターンＣ０２上に直接接続するので、図１１のＣ０４に相当する配線パターンは必要なくなり（図１１では、交流端子Ｔ０７，Ｔ０８は配線パターンＣ０４とワイヤボンディングＷ０１，Ｗ０３とを通して配線パターンＣ０２に接続されている）（図５に示す配線回路をも参照）、絶縁基板１０８の上下方向のサイズをさらに縮小することができる。
【００５６】
また、絶縁基板１０８の列中心線を挟んで左右に離隔形成され且つ２組の下アームを実装した配線パターンＣ０２，Ｃ０２間には配線パターンＣ０５が形成され、この配線パターンＣ０５に負極端子Ｔ０６からのボンディング用配線が接続され、さらに、２組の上アームを実装した配線パターンＣ０１上には、直流端子である正極端子Ｔ０５からのボンディング用配線が接続される。
【００５７】
敷衍して実施例５を説明すると、１枚の絶縁基板１０８上には、スイッチング素子１００〜１０３及びダイオード１０４〜１０７を載置し又はワイヤボンディング若しくはメタルボンディングのボンディング地点となる配線パターンＣ０１〜Ｃ０３、Ｃ０５を複数個形成し、第１と第２の上アーム側のパワー半導体モジュールの側縁側に第１と第２の直流端子（Ｔ０５とＴ０６）が配置される場合、第１の配線パターンＣ０１上には第１と第２の上アーム（１００，１０４と１０２，１０６）をそれぞれ実装し、第２の配線パターン（右のＣ０２）上には第１の下アームを実装し、第３の配線パターン（左のＣ０２）上には第２の下アームを実装し、絶縁基板１０８の列中心線を挟んで左右に離隔形成された第２の配線パターン（右のＣ０２）と第３の配線パターン（左のＣ０２）の間には第４の配線パターンＣ０５を形成し、第４の配線パターンＣ０５に第２の直流端子である負極端子Ｔ０６からのメタルボンディング用の配線が接続され、第１の配線パターンＣ０１上には、第１の直流端子である正極端子Ｔ０５からのメタル７ボンディング用の配線が接続される構成となっている。
【符号の説明】
【００５８】
１００〜１０３  ＩＧＢＴ
１０４〜１０７  ダイオード
１０８  絶縁基板
１１３  パワー半導体モジュール
１１４  冷却装置
１１５  冷却水入口
１１６  冷却水出口
１１７  ベース
１１８  モジュールケース
１１９  蓋
１２０  ピンフィン
１２１  Ｏリング
１２２  シャント抵抗
１２３  電池
１２４  平滑化コンデンサ
１２５  モータ
１２６  チップ接合はんだ
１２７  裏面銅箔パターン
１２８  絶縁基板接合はんだ
１２９  パワー半導体モジュール
Ｃ０１〜Ｃ０５  配線パターン
Ｗ０１〜Ｗ１１  ボンディングワイヤ
Ｔ０１〜Ｔ０８  電力端子
Ｐ０１〜Ｐ０４  信号ピン
【図２】
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【図５】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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