(57)【要約】  この電力変換装置（１００、１０１ａ〜１０１ｃ）は、導電パターン（３２ａ、３３ｂ）上に配置される横型スイッチ素子（１１ａ〜１１ｃ、１２ａ〜１２ｃ）と、導電パターン上に第２基板（２、３）を介して配置され、横型スイッチ素子に接続されるとともに、横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子（１３ａ〜１３ｃ、１４ａ〜１４ｃ）とを備える。
2014155486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電部材（３２ａ、３３ｂ）上に配置される横型スイッチ素子（１１ａ〜１１ｃ、１２ａ〜１２ｃ）と、
前記第１導電部材上に絶縁部材（２、３）を介して配置され、前記横型スイッチ素子に接続されるとともに、前記横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子（１３ａ〜１３ｃ、１４ａ〜１４ｃ）とを備える、電力変換装置。
【請求項２】
前記絶縁部材上には、第２導電部材（２ａ、３ａ）を介して前記制御用スイッチ素子が配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第２導電部材は、平面視で、前記制御用スイッチ素子が配置される第１部分（２０１ａ、３０１ａ）と、前記第１部分に隣接して配置される第２部分（２０２ａ、３０２ａ）とを有し、
前記第２部分は、平面視において、前記第１部分よりも大きな面積を有する、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記横型スイッチ素子と、前記第２導電部材の前記第２部分とは、第１ワイヤ（１１１、１２１）により接続されている、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記横型スイッチ素子と、前記第２導電部材の前記第２部分とは、複数の第１ワイヤにより接続されている、請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記第２導電部材は、平面視で、前記横型スイッチ素子に対して第１方向に隣接するとともに、前記第１方向と交差する第２方向が長手方向となるように設けられており、
前記第２導電部材の前記第１部分および前記第２部分は、前記第２方向に隣接するように配置されており、
前記第２導電部材の前記第２部分と前記横型スイッチ素子とは、前記第１方向に延びる前記第１ワイヤにより接続されている、請求項４または５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記第２導電部材の前記第２部分の長手方向の長さは、前記第２方向において、前記第１部分の長手方向の長さよりも大きい、請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記第２導電部材から前記第２方向側に離間して配置された端子（１８ａ〜２１ａ）をさらに備え、
前記制御用スイッチ素子は、前記第２導電部材の前記第２方向における前記端子側の端部近傍に設けられた前記第１部分に配置されているとともに、前記端子と第２ワイヤ（１３２、１３３、１４２、１４３）により接続されている、請求項６または７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記制御用スイッチ素子の前記第１導電部材側の面は、前記第２導電部材の前記第１部分の前記第１導電部材とは反対側の面に接合されている、請求項３〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記横型スイッチ素子は、前記第１導電部材とは反対側の面に設けられた電極（Ｄ１ａ〜Ｄ１ｃ、Ｄ２ａ〜Ｄ２ｃ、Ｇ１ａ〜Ｇ１ｃ、Ｇ２ａ〜Ｇ２ｃ、Ｓ１ａ〜Ｓ１ｃ、Ｓ２ａ〜Ｓ２ｃ）を含むとともに、前記横型スイッチ素子の前記第１導電部材側の面が、前記第１導電部材の前記制御用スイッチ素子側の面に接合されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記第１導電部材が前記制御用スイッチ素子側の面に設けられた第１基板をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記第１基板、前記第１導電部材、前記絶縁部材および前記制御用スイッチ素子は、この順番で積層されている、請求項１１に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記絶縁部材は、絶縁性の第２基板（２、３）を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
絶縁性の前記第２基板は、前記第１導電部材よりも低い熱伝導率を有する、請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記制御用スイッチ素子の前記第１導電部材側の面は、前記横型スイッチ素子の少なくとも前記第１導電部材側の面よりも高い位置に配置されている、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記制御用スイッチ素子の前記第１導電部材側の面は、前記横型スイッチ素子の前記第１導電部材とは反対側の面よりも高い位置に配置されている、請求項１５に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記横型スイッチ素子と前記制御用スイッチ素子との平面視における間隔は、前記第１導電部材と前記制御用スイッチ素子との高さ方向における間隔よりも小さい、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
前記第１導電部材は、平面視で、互いに所定の間隔を隔てて複数設けられており、
複数の前記第１導電部材における前記横型スイッチ素子と前記制御用スイッチ素子との平面視における間隔は、隣接する前記第１導電部材間の平面視における間隔よりも小さい、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
前記横型スイッチ素子および前記制御用スイッチ素子は、封止樹脂（２２）により封止されている、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項２０】
前記制御用スイッチ素子は、前記横型スイッチ素子にカスコード接続されている、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、横型スイッチ素子を備えた電力変換装置が知られている。このような電力変換装置は、たとえば、特開２０１１−０６７０５１号公報に開示されている。【０００３】
上記特開２０１１−０６７０５１号公報には、基板の表面に配置されるＧａＮ電界効果トランジスタ（横型スイッチ素子）と、ＧａＮ電界効果トランジスタが配置された基板の表面に配置され、ＧａＮ電界効果トランジスタに接続されるとともに、ＧａＮ電界効果トランジスタの駆動を制御するＮチャネルＭＯＳトランジスタ（制御用スイッチ素子）とを備えた電力変換装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０６７０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特開２０１１−０６７０５１号公報に開示された電力変換装置では、ＧａＮ電界効果トランジスタ（横型スイッチ素子）およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ（制御用スイッチ素子）は、互いに同一の基板の表面に配置されているため、比較的耐熱性が高いＧａＮ電界効果トランジスタから発生する熱が比較的耐熱性が低いＮチャネルＭＯＳトランジスタに伝わることに起因して、ＮチャネルＭＯＳトランジスタの電気的特性が低下し、その結果、電力変換装置の電力変換機能が低下するという問題点がある。【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、横型スイッチ素子を備える電力変換装置において、電力変換機能が低下することを抑制することが可能な電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一の局面による電力変換装置は、第１導電部材上に配置される横型スイッチ素子と、第１導電部材上に絶縁部材を介して配置され、横型スイッチ素子に接続されるとともに、横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子とを備える。【０００８】
一の局面による電力変換装置では、横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子が、横型スイッチ素子が配置された第１導電部材上に絶縁部材を介して配置されることによって、絶縁部材を介する分、横型スイッチ素子から発生する熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制することができるので、制御用スイッチ素子の電気的特性が低下するのを抑制することができる。その結果、電力変換装置の電力変換機能が低下することを抑制することができる。また、絶縁部材により、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子とを確実に絶縁することができるので、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子との平面視における間隔を小さくすることができる。その結果、横型スイッチ素子と制御用スイッチ素子とを接続するための配線の長さを小さくしてインピーダンスを低減することができるとともに、平面視における電力変換装置の面積を小型化することができる。
【発明の効果】
【０００９】
上記電力変換装置によれば、電力変換装置の機能が低下することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態によるパワーモジュールを含む３相インバータ装置の回路を示した図である。
【図２】一実施形態によるパワーモジュールの上面図である。
【図３】図２の２００−２００線に沿った断面図である。
【図４】一実施形態によるパワーモジュールの第１基板の上面図である。
【図５】一実施形態によるパワーモジュールの第２基板の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
まず、図１を参照して、本実施形態によるパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃを含む３相インバータ装置１００の構成について説明する。なお、パワーモジュール１０１ａ〜１０１ｃおよび３相インバータ装置１００は、「電力変換装置」の一例である。
【００１３】
図１に示すように、３相インバータ装置１００は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電力変換をそれぞれ行う３個のパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃが電気的に並列に接続されることにより構成されている。
【００１４】
パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ、直流電源（図示せず）から入力端子ＰおよびＮを介して入力される直流電力を３相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）の交流電力に変換するように構成されている。そして、パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ、上記のように変換したＵ相、Ｖ相およびＷ相の交流電力を、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを介して外部に出力するように構成されている。なお、出力端子Ｕ、ＶおよびＷは、モータ（図示せず）などに接続されている。
【００１５】
パワーモジュール１０１ａは、２個の横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａと、２個の横型スイッチ素子の各々に接続された２個の制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａと、２個のコンデンサ１５ａおよび１６ａと、スナバコンデンサ１７ａと、端子１８ａ、１９ａ、２０ａおよび２１ａとを含む。なお、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａは、共に、ノーマリオン型のスイッチ素子（ゲート電極Ｇ１ａおよびＧ２ａに印加される電圧が０Ｖのときに、ドレイン電極Ｄ１ａとソース電極Ｓ１ａとの間、および、ドレイン電極Ｄ２ａとソース電極Ｓ２ａとの間で電流が流れるように構成されたスイッチ素子）である。また、制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａは、共に、ノーマリオフ型のスイッチ素子（ゲート電極Ｇ３ａおよびＧ４ａに印加される電圧が０Ｖのときに、ドレイン電極Ｄ３ａとソース電極Ｓ３ａとの間、および、ドレイン電極Ｄ４ａとソース電極Ｓ４ａとの間で電流が流れないように構成されたスイッチ素子）である。また、制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａは、それぞれ、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａにカスコード接続されている。
【００１６】
横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）のゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）は、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）に接続されている。これにより、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の駆動（スイッチング）の制御を行うように構成されている。その結果、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とからなるスイッチ回路は、全体として、ノーマリオフ型として制御されるように構成されている。
【００１７】
また、上記パワーモジュール１０１ａと同様に、パワーモジュール１０１ｂも、ノーマリオン型の２個の横型スイッチ素子１１ｂおよび１２ｂと、２個の横型スイッチ素子の各々にカスコード接続されたノーマリオフ型の２個の制御用スイッチ素子１３ｂおよび１４ｂと、２個のコンデンサ１５ｂおよび１６ｂと、スナバコンデンサ１７ｂと、端子１８ｂ、１９ｂ、２０ｂおよび２１ｂとを含む。そして、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ｂ（１２ｂ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ｂ（１４ｂ）とによって、ノーマリオフ型のスイッチ回路が構成されている。なお、制御用スイッチ素子１３ｂ（１４ｂ）は、ゲート電極Ｇ３ｂ（Ｇ４ｂ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ｂ（１２ｂ）のスイッチングの制御を行うように構成されている。
【００１８】
また、上記パワーモジュール１０１ａおよび１０１ｂと同様に、パワーモジュール１０１ｃも、ノーマリオン型の２個の横型スイッチ素子１１ｃおよび１２ｃと、２個の横型スイッチ素子の各々にカスコード接続されたノーマリオフ型の２個の制御用スイッチ素子１３ｃおよび１４ｃと、２個のコンデンサ１５ｃおよび１６ｃと、スナバコンデンサ１７ｃと、端子１８ｃ、１９ｃ、２０ｃおよび２１ｃとを含む。そして、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ｃ（１２ｃ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ｃ（１４ｃ）とによって、ノーマリオフ型のスイッチ回路が構成されている。なお、制御用スイッチ素子１３ｃ（１４ｃ）は、ゲート電極Ｇ３ｃ（Ｇ４ｃ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ｃ（１２ｃ）のスイッチングの制御を行うように構成されている。
【００１９】
次に、図２〜図５を参照して、本実施形態によるパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃの具体的な構成（構造）について説明する。なお、パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ略同様の構成を有するので、以下では、Ｕ相の電力変換を行うパワーモジュール１０１ａについてのみ説明する。
【００２０】
図２および図３に示すように、パワーモジュール１０１ａは、第１基板１と、２つの第２基板２および３と、２個の横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａと、２個の制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａと、２個のコンデンサ１５ａおよび１６ａと、スナバコンデンサ１７ａと、端子１８ａ、１９ａ、２０ａおよび２１ａと、封止樹脂２２とを備える。なお、第２基板２および３は、「絶縁部材」の一例である。
【００２１】
図２および図４に示すように、第１基板１の上面（上方（Ｚ２方向）の表面）（制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）側の面）には、導電パターン３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２ａ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ、３８ａおよび３８ｂが設けられている。図４に示すように、導電パターン３２ａ（３３ｂ）の第２基板２（３）が配置される部分には、ソルダーレジスト３２ｂ（３３ｃ）が設けられている。また、各導電パターンは、銅（熱伝導率約４００Ｗ／ｍＫ）などの金属部材により形成されている。なお、導電パターン３２ａおよび３３ｂは、「第１導電部材」の一例である。
【００２２】
導電パターン３１ａ、３１ｂおよび３１ｃは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３３ａおよび３３ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３４ａおよび３４ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３５ａおよび３５ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。
【００２３】
また、導電パターン３６ａおよび３６ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３７ａおよび３７ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３８ａおよび３８ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３８ｂと導電パターン３３ａとは電気的に接続されている。
【００２４】
図２に示すように、導電パターン３１ａには、入力端子Ｐが接続されている。また、導電パターン３２ａには、出力端子Ｕが接続されている。また、導電パターン３３ａには、入力端子Ｎが接続されている。
【００２５】
導電パターン３４ｂには、端子１８ａが接続されている。また、導電パターン３５ｂには、端子１９ａが接続されている。また、導電パターン３６ｂには、端子２０ａが接続されている。また、導電パターン３７ｂには、端子２１ａが接続されている。
【００２６】
図３に示すように、導電パターン３２ａおよび３３ｂは、Ｘ方向に沿って間隔Ｄ１を隔てて配置されている。これにより、導電パターン３２ａおよび３３ｂが確実に互いに電気的に絶縁されている。
【００２７】
ここで、本実施形態では、第２基板２（３）は、絶縁部材（たとえば、Ｓｉ3Ｎ4（熱伝導率約２５Ｗ／ｍＫ）などのセラミック）により構成されている。また、絶縁性の第２基板２（３）は、第１基板１の各導電パターンよりも低い熱伝導率を有する。図２、図３および図５に示すように、第２基板２（３）の上方（Ｚ２方向）の表面には、導電パターン２ａ（３ａ）が設けられている。導電パターン２ａ（３ａ）は、銅などの金属部材により形成されている。
【００２８】
また、図２に示すように、第２基板２（３）の導電パターン２ａ（３ａ）は、平面視で（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）のＸ方向（Ｘ１方向）側に隣接して配置されている。また、図５に示すように、導電パターン２ａ（３ａ）は、平面視で、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）が配置される第１部分２０１ａ（３０１ａ）と、第１部分２０１ａ（３０１ａ）に隣接して配置される第２部分２０２ａ（３０２ａ）とを含む。詳細には、導電パターン２ａ（３ａ）は、Ｙ方向に延びるように（Ｙ方向が長手方向となるように）形成されており、第１部分２０１ａ（３０１ａ）がＹ１方向側に配置され、第２部分２０２ａ（３０２ａ）がＹ２方向側に配置されている。なお、Ｘ方向は、「第１方向」の一例である。また、Ｙ方向は、「第２方向」の一例である。
【００２９】
第１部分２０１ａ（３０１ａ）は、Ｙ方向において、Ｌ１の長さを有する。第２部分２０２ａ（３０２ａ）は、Ｙ方向（長手方向）において、Ｌ１よりも大きいＬ２の長さを有する。つまり、第２部分２０２ａ（３０２ａ）は、平面視において、第１部分２０１ａ（３０１ａ）よりも大きな面積を有する。
【００３０】
また、図３に示すように、第２基板２（３）の下方（Ｚ１方向）の表面には、導電パターン２ｂ（３ｂ）が設けられている。第２基板２（３）は、導電パターン２ｂ（３ｂ）が、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）に接合層を介して接続されている。詳しくは、導電パターン２ｂ（３ｂ）は、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）のソルダーレジスト３２ｂ（３３ｃ）（図４参照）で囲まれた部分に半田などからなる接合層を介して接続されている。
【００３１】
図２に示すように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）上に配置されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）と、ソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）と、ドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）とがそれぞれ同じ側の面（上面（Ｚ２方向側の表面）（導電パターン３２ａ（３３ｂ）とは反対側の面）に設けられるように構成されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、駆動する際に、各電極が設けられた片側の面側を主に電流が流れるため、各電極が設けられた側の面から主に発熱する。言い換えると、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、各電極が設けられた側の面が発熱面となる。
【００３２】
また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む半導体材料により構成されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、約２００℃の温度の耐熱性を有する。
【００３３】
また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、図２に示すように、ドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）が、第１基板１の導電パターン３１ｂ（３２ａ）に複数のワイヤ１１２（１２２）により接続されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）が、第２基板２（３）の導電パターン２ａ（３ａ）に複数のワイヤ１１１（１２１）により接続されている。具体的には、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）のソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）と、導電パターン２ａ（３ａ）の第２部分２０２ａ（３０２ａ）とは、Ｘ方向に延びる複数のワイヤ１１１（１２１）により接続されている。なお、ワイヤ１１１および１２１は、「第１ワイヤ」の一例である。
【００３４】
また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）が、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）に複数のワイヤ１１３（１２３）により接続されている。また、図３に示すように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、電極が設けられた面とは反対側（Ｚ１方向側）（導電パターン３２ａ（３３ｂ）側）の面（下面）が、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）の上面（Ｚ２方向側の面）（制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）側の面）に接合層を介して接続されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、発熱面を上側（Ｚ２方向側）に向けて、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）の上面（Ｚ２方向側の表面）に接合されている。
【００３５】
また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の下面（Ｚ１方向側の表面）は、導電パターン３２ａ（３３ｂ）の表面から、約１００μｍの高さ位置に配置されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の上面（Ｚ２方向側の表面）は、導電パターン３２ａ（３３ｂ）の表面から、約６００μｍの高さ位置に配置されている。
【００３６】
制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）と、ソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）と、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）とを有する縦型デバイスにより構成されている。具体的には、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）およびソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）が上方（Ｚ２方向）側に配置され、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）が下方（Ｚ１方向）側に配置されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ケイ素（Ｓｉ）を含む半導体材料により構成されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、約１５０℃の温度の耐熱性を有する。
【００３７】
ここで、本実施形態では、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、図３に示すように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）が配置された導電パターン３２ａ（３３ｂ）上に第２基板２（３）を介して配置されている。詳しくは、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、導電パターン２ａ（３ａ）を介して第２基板２（３）上に配置されている。
【００３８】
また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）（導電パターン３２ａ（３３ｂ）側の面）は、導電パターン２ａ（３ａ）の第１部分２０１ａ（３０１ａ）の上面（Ｚ２方向側の面）（導電パターン３２ａ（３３ｂ）とは反対側の面）に半田などの接合層を介して接合されている。つまり、第１基板１、導電パターン３２ａ（３３ｂ）、第２基板２（３）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、Ｚ２方向に向かってこの順番で積層するように配置されている。
【００３９】
また、図５に示すように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、導電パターン２ａ（３ａ）のＹ方向における端子１８ａおよび１９ａ（２０ａおよび２１ａ）側（Ｙ１方向側）の端部近傍に設けられた第１部分２０１ａ（３０１ａ）に配置されている。また、図３に示すように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、Ｘ方向において、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、間隔Ｄ２を隔てて配置されている。
【００４０】
また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、図２および図３に示すように、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）が、第２基板２（３）の導電パターン２ａ（３ａ）に半田などからなる接合層を介して接続されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）が、第１基板１の導電パターン３２ａおよび３５ａ（３３ｂおよび３７ａ）に、それぞれ、銅やアルミニウムなどからなるワイヤ１３１および１３２（１４１および１４２）を介して接続されている。
【００４１】
つまり、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）は、導電パターン２ａ（３ａ）のＹ１方向側に離間して配置された端子１９ａ（２１ａ）とワイヤ１３２（１４２）により接続されている。なお、ワイヤ１３２および１４２は、「第２ワイヤ」の一例である。
【００４２】
また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）が、第１基板１の導電パターン３４ａ（３６ａ）に銅やアルミニウムなどからなるワイヤ１３３（１４３）を介して接続されている。つまり、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）は、導電パターン２ａ（３ａ）のＹ１方向側に離間して配置された端子１８ａ（２０ａ）とワイヤ１３３（１４３）により接続されている。なお、ワイヤ１３３および１４３は、「第２ワイヤ」の一例である。
【００４３】
また、図３に示すように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、導電パターン３２ａ（３３ｂ）と高さ方向（Ｚ方向）において間隔Ｄ３（たとえば、約１０００μｍ）を隔てて配置されている。つまり、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の表面）は、導電パターン３２ａ（３３ｂ）の表面から、約１０００μｍの高さ位置に配置されている。したがって、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）（高さ約１００μｍ）よりも高い位置に配置されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の上面（Ｚ２方向側の面）（高さ約６００μｍ）よりも高い位置に配置されている。
【００４４】
また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔Ｄ２は、導電パターン３２ａ（３３ｂ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との高さ方向（Ｚ方向）における間隔Ｄ３よりも小さい。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは、高さ方向（Ｚ方向）において離間させることにより絶縁しているため、平面視における方向（Ｘ方向）の間隔を小さくすることが可能である。
【００４５】
また、導電パターン３２ａ（３３ｂ）における横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔Ｄ２は、導電パターン３２ａおよび３３ｂ間の平面視における間隔Ｄ１よりも小さい。
【００４６】
図２に示すように、コンデンサ１５ａおよび１６ａは、ノイズを抑制する為に設けられている。また、コンデンサ１５ａおよび１６ａは、ＭＯＳゲートコンデンサにより構成されている。また、コンデンサ１５ａ（１６ａ）は、第１基板１の導電パターン３４ｂ（３６ｂ）と、導電パターン３５ｂ（３７ｂ）とを接続するように配置されている。
【００４７】
スナバコンデンサ１７ａは、図２に示すように、第１基板１の導電パターン３１ｃと、導電パターン３８ａとを接続するように配置されている。
【００４８】
封止樹脂２２は、第１基板１の上側（Ｚ２方向側）に充填されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ)は、封止樹脂２２により封止されている。また、封止樹脂２２は、高耐熱性を有する。また、封止樹脂２２は、たとえば、エポキシ系の樹脂により構成されている。また、封止樹脂２２は、絶縁性の材料により構成されている。
【００４９】
本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の駆動を制御する制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）が配置された導電パターン３２ａ（３３ｂ）上に第２基板２（３）を介して配置することによって、第２基板２（３）を介する分、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制することができるので、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の電気的特性が低下するのを抑制することができる。その結果、パワーモジュール１０１ａの電力変換機能が低下することを抑制することができる。また、第２基板２（３）により、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを確実に絶縁することができるので、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔を小さくすることができる。その結果、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを接続するためのワイヤ１１１（１２１）の長さを小さくしてインピーダンスを低減することができるとともに、平面視におけるパワーモジュール１０１ａの面積を小型化することができる。
【００５０】
また、本実施形態では、上記のように、第２基板２（３）上には、導電パターン２ａ（３ａ）を介して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）が配置されている。これにより、導電パターン２ａ（３ａ）により、容易に制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に配線することができる。
【００５１】
また、本実施形態では、上記のように、導電パターン２ａ（３ａ）は、平面視で（Ｚ方向から見て）、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）が配置される第１部分２０１ａ（３０１ａ）と、第１部分２０１ａ（３０１ａ）に隣接して配置される第２部分２０２ａ（３０２ａ）とを有し、第２部分２０２ａ（３０２ａ）は、平面視において（Ｚ方向から見て）、第１部分２０１ａ（３０１ａ）よりも大きな面積を有する。これにより、第１部分２０１ａ（３０１ａ）よりも大きい第２部分２０２ａ（３０２ａ）から制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）で発生した熱および横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から伝達された熱を容易に放熱することができる。
【００５２】
また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、導電パターン２ａ（３ａ）の第２部分２０２ａ（３０２ａ）とを、ワイヤ１１１（１２１）により接続することによって、第２部分２０２ａ（３０２ａ）と、ワイヤ１１１（１２１）とを用いて、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを容易にカスコード接続することができる。
【００５３】
また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、導電パターン２ａ（３ａ）の第２部分２０２ａ（３０２ａ）とを、複数のワイヤ１１１（１２１）により接続することによって、配線（ワイヤ１１１（１２１）によるインピーダンスを低減するとともに、必要な電流容量を容易に確保することができる。
【００５４】
また、本実施形態では、上記のように、導電パターン２ａ（３ａ）を、平面視で（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）に対してＸ方向に隣接するとともに、Ｙ方向が長手方向となるように設け、導電パターン２ａ（３ａ）の第１部分２０１ａ（３０１ａ）および第２部分２０２ａ（３０２ａ）を、Ｙ方向に隣接するように配置し、導電パターン２ａ（３ａ）の第２部分２０２ａ（３０２ａ）と横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とを、Ｘ方向に延びるワイヤ１１１（１２１）により接続する。これにより、Ｘ方向に延びるワイヤ１１１（１２１）が接続される第２部分２０２ａ（３０２ａ）がＹ方向に延びているので、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）をカスコード接続する際の、ワイヤ１１１（１２１）の長さが大きくなるのを抑制することができる。これによっても、配線（ワイヤ１１１（１２１）によるインピーダンスを低減することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、上記のように、導電パターン２ａ（３ａ）の第２部分２０２ａ（３０２ａ）の長手方向（Ｙ方向）の長さＬ２を、第１部分２０１ａ（３０１ａ）の長手方向（Ｙ方向）の長さＬ１よりも大きくすることによって、複数のワイヤ１１１（１２１）を第２部分２０２ａ（３０２ａ）に接続する際の自由度を大きくすることができる。また、第２部分２０２ａ（３０２ａ）の面積を第１部分２０１ａ（３０１ａ）の面積よりも容易に大きくすることができる。
【００５６】
また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、導電パターン２ａ（３ａ）のＹ方向における端子１８ａおよび１９ａ（２０ａおよび２１ａ）側の端部近傍に設けられた第１部分２０１ａ（３０１ａ）に配置するとともに、端子１８ａおよび１９ａ（２０ａおよび２１ａ）と、それぞれ、ワイヤ１３３および１３２（１４３および１４２）により接続する。これにより、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と、端子１８ａおよび１９ａ（２０ａおよび２１ａ）との距離が大きくなるのを抑制することができるので、ワイヤ１３３および１３２（１４３および１４２）の長さを小さくして、配線（ワイヤ１３３および１３２（１４３および１４２））によるインピーダンスを低減することができる。
【００５７】
また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）を、導電パターン２ａ（３ａ）の第１部分２０１ａ（３０１ａ）の上面（Ｚ２方向側の面）に接合する。これにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを容易にカスコード接続することができる。
【００５８】
また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、上面側（Ｚ２方向側）に設けられたソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）、ドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）およびゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）を含むとともに、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）が、導電パターン３２ａ（３３ｂ）の上面（Ｚ２方向側の面）に接合されている。これにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の各電極が設けられた発熱面（上面）とは反対側の面（下面）が、導電パターン３２ａ（３３ｂ）と接合されるので、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が、導電パターン３２ａ（３３ｂ）を介して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制することができる。
【００５９】
また、本実施形態では、上記のように、導電パターン３２ａ（３３ｂ）が上面（Ｚ２方向側の面）に配置された第１基板１を設けることによって、第１基板１に導電パターン３２ａ（３３ｂ）や配線パターンなどを一括して容易に形成することができる。
【００６０】
また、本実施形態では、上記のように、第１基板１、導電パターン３２ａ（３３ｂ）、絶縁部材からなる第２基板２（３）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、Ｚ２方向に向かってこの順番で積層することによって、電力変換機能の低下を抑制することが可能なパワーモジュール１０１ａ（３相インバータ装置１００）を容易に組み立てることができる。
【００６１】
また、本実施形態では、上記のように、絶縁部材からなる絶縁性の第２基板２（３）を、導電パターン３２ａ（３３ｂ）よりも低い熱伝導率を有するように構成することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が、導電パターン３２ａ（３３ｂ）を介して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを効果的に抑制することができる。
【００６２】
また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）よりも高い位置（Ｚ２方向側）に配置することによって、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とを高さ方向（Ｚ方向）に離間させることができるので、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とを高さ方向（Ｚ方向）に離間させてより確実に絶縁しつつ、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを効果的に抑制することができる。また、高さ方向に離間させることにより、その分、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）との隣接する方向（Ｘ方向）の間隔を小さくすることができるので、平面視におけるパワーモジュール１０１ａの面積（平面積）を小さくすることができる。
【００６３】
また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の上面（Ｚ２方向側の面）よりも高い位置に配置することによって、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とを高さ方向（Ｚ方向）により離間させることができる。
【００６４】
また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔Ｄ２を、導電パターン３２ａ（３３ｂ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との高さ方向（Ｚ方向）における間隔Ｄ３よりも小さくする。この場合、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との絶縁距離を高さ方向（Ｚ方向）に確保することができるので、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔を小さくすることができる。その結果、平面視におけるパワーモジュール１０１ａの面積（平面積）を容易に小さくすることができる。
【００６５】
また、本実施形態では、上記のように、導電パターン３２ａ（３３ｂ）における横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔Ｄ２を、導電パターン３２ａおよび３３ｂ間の平面視における間隔Ｄ１よりも小さくする。これにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを同一の導電パターン３２ａ（３３ｂ）上に配置して、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔を小さくすることができる。その結果、平面視におけるパワーモジュール１０１ａの面積を容易に小さくすることができる。
【００６６】
また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、絶縁性の封止樹脂２２により封止することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に異物が侵入するのを抑制しつつ、絶縁の信頼性を高めることができる。
【００６７】
また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）にカスコード接続することによって、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）のスイッチングの制御を容易に行うことができる。
【００６８】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【００６９】
たとえば、上記実施形態では、電力変換装置の一例として３相インバータ装置を示したが、３相インバータ装置以外の電力変換装置であってもよい。
【００７０】
また、上記実施形態では、ノーマリオン型の横型スイッチ素子を用いる例を示したが、ノーマリオフ型の横型スイッチ素子を用いてもよい。
【００７１】
また、上記実施形態では、横型スイッチ素子は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む半導体材料により構成されている例を示したが、横型スイッチ素子は、ＧａＮ以外のＩＩＩ−Ｖ族の材料や、Ｃ（ダイヤモンド）などのＩＶ族の材料により構成されていてもよい。
【００７２】
また、上記実施形態では、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子とが、平面視において、離間している構成の例を示したが、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子とが適切に絶縁（たとえば、高さ方向において離間）されていれば、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子とが、平面視において、離間していなくてもよい。たとえば、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子とが、絶縁部材または空間を介して平面視において、重なって配置されていてもよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、制御用スイッチ素子の下面が、横型スイッチ素子の上面よりも高い位置に配置されている例を示したが、制御用スイッチ素子の下面が、横型スイッチ素子の少なくとも下面よりも高い位置に配置されていればよい。
【００７４】
また、上記実施形態では、絶縁部材として第２基板を用いる構成の例を示したが、絶縁部材は基板以外を用いてもよい。たとえば、絶縁性の板、膜または樹脂などを用いてもよい。
【００７５】
また、上記実施形態では、絶縁部材としてＳｉ3Ｎ4セラミックからなる第２基板を用いたが、Ｓｉ3Ｎ4以外のセラミック基板やセラミック以外の絶縁材料からなる絶縁基板（絶縁部材）を用いてもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１  第１基板
２、３  第２基板（絶縁部材）
２ａ、３ａ  導電パターン（第２導電部材）
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  横型スイッチ素子
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ  制御用スイッチ素子
１８ａ、１９ａ、２０ａ、２１ａ  端子
２２  封止樹脂
３２ａ、３３ｂ  導電パターン（第１導電部材）
１００  ３相インバータ装置（電力変換装置）
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ  パワーモジュール（電力変換装置）
１１１、１２１  ワイヤ（第１ワイヤ）
１３２、１３３、１４２、１４３  ワイヤ（第２ワイヤ）
２０１ａ、３０１ａ  第１部分
２０２ａ、３０２ａ  第２部分
Ｄ１ａ、Ｄ１ｂ、Ｄ１ｃ、Ｄ２ａ、Ｄ２ｂ、Ｄ２ｃ  ドレイン電極（電極）
Ｇ１ａ、Ｇ１ｂ、Ｇ１ｃ、Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ  ゲート電極（電極）
Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ  ソース電極（電極）
【図１】
2014155486.tif 000003
【図２】
2014155486.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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2014155486.tif 000009
2014155486.tif 000010
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