(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子が収納され、第１の面からヒートスプレッダを介して冷却器に熱を放出するパッケージ、複数の前記パッケージのそれぞれの第１の面と対向するそれぞれの第２の面に接触して、それぞれの前記第２の面を覆っている１枚のプレート、一端で前記冷却器に固定され、他端で前記プレートを複数の前記パッケージに押圧しているバネ部材からなる押圧部材、を備え、前記プレートの面積が複数の前記パッケージの前記第２の面の面積の総和より大きく形成され、前記プレートの外周部に沿って、前記プレートから垂直に立つ面が、端子部が露出する面を除いた複数の前記パッケージの側面で形成される外周面全てに係合しているとともに、前記プレートが複数の前記パッケージを抱え込むように組付けられて、前記押圧部材により固定されていることにより、前記パッケージに亀裂が生じることで流入する酸素を遮断することを特徴とする半導体素子の保持装置。
【請求項２】
パワー半導体素子はワイドバンドギャップ半導体であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の保持装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の半導体素子の保持装置を用いた電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
パワーエレクトロニクス分野において、バッテリに接続される電力変換装置内部に搭載される半導体素子の保持装置、及びこの保持装置を用いた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体素子の保持構造としては、板バネ部と支持部とからなるバネ支持具が、板バネ部を半導体素子の上面に当接させることで、半導体素子を所定の弾性力で放熱板側に固定している（例えば、特許文献１参照）。車載用電力変換装置の内部に設けられるパワー半導体素子は一般に同様の方法で固定されることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５１２０２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されている車載用電力変換装置においては、車載用電力変換装置が車両側の鉛バッテリと接続されるため、整流ダイオードに短絡故障が発生した場合、鉛バッテリから大電流が流入し、発煙および発火に至るという欠点がある。
本発明は、電力変換装置内部に実装されるパワー半導体素子の短絡故障に起因して発生する発煙および発火に対して、簡素な構造で対策することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る半導体装置の保持装置において、パワー半導体素子が収納され、第１の面からヒートスプレッダを介して冷却器に熱を放出するパッケージ、複数の前記パッケージのそれぞれの第１の面と対向するそれぞれの第２の面に接触して、それぞれの第２の面を覆っている１枚のプレート、一端で冷却器に固定され、他端でプレートを複数の前記パッケージに押圧しているバネ部材からなる押圧部材、を備え、プレートの面積が複数のパッケージの第２の面の面積の総和より大きく形成され、プレートの外周部に沿って、プレートから垂直に立つ面が、端子部が露出する面を除いた複数のパッケージの側面で形成される外周面全てに係合しているとともに、プレートが複数のパッケージを抱え込むように組付けられて、押圧部材により固定されていることにより、パッケージに亀裂が生じることで流入する酸素を遮断することを特徴とする半導体素子の保持装置。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、パワー半導体素子が収納されているパッケージをプレートで押圧することで、パワー半導体素子の短絡故障時にパッケージに生じる亀裂から酸素が流入しないため、パワー半導体素子の発煙、発火を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施の形態１によるＤＣ−ＤＣコンバータを説明する回路構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１の半導体素子の保持構造を示す組立斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態２の半導体素子の保持構造を示す組立斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態３の半導体素子の保持構造を示す組立斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施の形態１．
以下、本発明に係る半導体素子の保持構造に関する好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付す。
図１は、本発明の実施の形態１の電力変換装置であるＤＣ−ＤＣコンバータを説明する回路構成図である。
この回路のトランス二次側は、センタータップ型ダイオード整流方式であり、全波整流回路と同等の整流波形を得ることができるものである。図１において、直流電圧を印加する入力端子１０１ａ、１０１ｂには、出力端子１１１の出力電圧よりも高い電圧が印加される。入力端子１０１ａ、１０１ｂに入力された直流電圧は、インバータ回路１０２で交流電圧に変換される。インバータ回路１０２は、一般的には、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field-Effect  Transistor）、などのスイッチング素子で構成される。
インバータ回路１０２から出力された交流電圧は、トランス一次巻線１０３に印加される。インバータ回路１０２に設けられた半導体素子を、図示しない駆動回路から供給される駆動信号に応じてスイッチングすることによって生成される矩形波に近い交流電圧が印加される。
トランス二次側は、トランスの巻き数比に応じて異なる電圧レベルに変換された交流電圧が印加されるトランス上側二次巻線１０４と、トランス下側二次巻線１０５とからなる。
磁性体コア１０６で、トランス一次巻線１０３、トランス上側二次巻線１０４、及びトランス下側二次巻線１０５を電磁気的に結合する。トランスを構成する各巻線は、磁性体コア１０６に設けられた中足の周囲に配置される。
整流素子１０７ａ、１０７ｂは、パワー半導体素子で構成され、トランス上側二次巻線１０４、トランス下側二次巻線１０５から出力される交流電圧を整流する。整流素子１０７ａ、１０７ｂで整流したリップル電圧波形は、リアクトル１０９、コンデンサ１１０からなる平滑回路で平滑され、この平滑回路で得られた直流電圧を出力端子１１１から出力する。なお、本実施の形態では、二次側回路のグランド端子１０８を金属筐体と同電位にしているため、出力電圧は出力端子１１１と金属筐体との間に出力される。
【０００９】
このように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータでは、入力端子１０１ａ、１０１ｂから供給される直流入力電圧がインバータ回路１０２でスイッチングされて入力交流電圧が生成され、トランス一次巻線１０３へと供給される。そして、生成された入力交流電圧が変圧され、トランス上側二次巻線１０４、トランス下側二次巻線１０５から出力交流電圧として出力される。そしてこの出力交流電圧が整流素子１０７ａ、１０７ｂによって整流されると共に、リアクトル１０９とコンデンサ１１０からなる平滑回路で平滑化され、直流電圧が、出力端子１１１から車両側に設けられた鉛バッテリ１１２に供給される。
しかし、整流素子１０７ｂに短絡故障が発生した場合、矢印１１３で示されるように、鉛バッテリ１１２から整流素子１０７ｂに大電流が流入し、整流素子１０７ｂが発煙、発火に至る恐れがある。すなわち、整流素子１０７ｂ内部が非常に細いアルミワイヤで結線されている場合、車両側に設けた速断性ヒューズよりも先にアルミワイヤが溶断するため、アルミワイヤ周辺のエポキシ樹脂が炭化することで、鉛バッテリ１１２からの通電経路が形成される。これに加え、大電流によりエポキシ樹脂にひび割れが生じ、ひび割れた箇所から酸素が供給されるため、発煙、発火が引き起こされる。
【００１０】
上述した、エポキシ樹脂のひび割れによる酸素の供給を防止する半導体素子の保持構造を図２に示す。半導体素子として、図１で示された整流素子１０７ａ、１０７ｂを例にとって説明するが、整流素子に限らず、同様な課題が発生するパワー半導体素子に用いることができる。
図２は、図１で示された整流素子１０７ａまたは１０７ｂが収納された整流素子パッケージ２０１の保持構造２００を示す組立斜視図である。
整流素子パッケージ２０１は、整流素子の端子が露出する側の反対側上部の両側部に、半円状に切り欠いた凹部２０２ａ、２０２ｂが形成され、この凹部２０２ａ、２０２ｂの間に、固定用ネジ２０９を貫通させるためのパッケージ孔部２０３が設けられている。
この整流素子パッケージ２０１の上面に接触して、上面の面積よりも一回り大きなプレート２０４が配置される。プレート２０４は材質を金属、あるいは樹脂などで構成され、整流素子パッケージ２０１の凹部２０２ａ、２０２ｂに対応する両側部には、プレート上面から整流素子パッケージ２０１の方向に垂直に折り曲げられたプレート凸部２０５ａ、２０５ｂが形成される。プレート凸部２０５ａ、２０５ｂは、凹部２０２ａ、２０２ｂの円弧状の側面と係合し、整流素子パッケージ２０１とプレート２０４が位置決めされる。  また、プレート２０４にもパッケージ孔部２０３と同じ位置にプレート孔部２０６が設けられている。
整流素子パッケージ２０１の下面に接触して放熱シート２０７が配置される。放熱シート２０７にも固定用ネジ２０９が貫通する放熱シート孔部２０８が形成されている。また、整流素子パッケージ２０１の下面には金属製のヒートスプレッダ（図示せず）が配置されている。
固定用ネジ２０９は、プレート孔部２０６、パッケージ孔部２０３、放熱シート孔部２０８を貫通して、冷却器（図示せず）に設けられた冷却器孔部２１０のネジ溝と螺合する。これにより、プレート２０４、整流素子パッケージ２０１、及び放熱シート２０７は、互いに固定されると共に、冷却器に機械的に固定される。
【００１１】
このような保持構造２００により、整流素子パッケージ２０１の上面にプレート２０４が押し当てられるため、整流素子が短絡故障した場合に整流素子パッケージ２０１に亀裂が生じることで流入する酸素を遮断することができる。プレート２０４の面積が整流素子パッケージ２０１の面積より広く構成されているため、整流素子パッケージ２０１の上面を確実にプレート２０４で覆うことができる。また、凹部２０２ａ、２０２ｂとプレート凸部２０５ａ、２０５ｂが係合することにより、組み立て時のプレート２０５の位置ズレ、回転を防止できる。なお、凹部２０２ａ、２０２ｂ、及びプレート凸部２０５ａ、２０５ｂの形状は図２で示された形状に限らず、位置ズレ、回転が防止できるものであれば、どのような形状でもよい。
また、整流素子パッケージの下面は、ヒートスプレッダが配置され、酸素が流入しにくい構造となっている。さらに固定用ネジ２０９により冷却器に押し当てられている。このため、冷却器がプレート２０４と同様の働きをして酸素の流入を防いでいる。
【００１２】
実施の形態２．
半導体素子の保持構造の別の実施の形態について図３で説明する。半導体素子として、図１で示された整流素子１０７ａ、１０７ｂを例にとって説明するが、実施の形態１同様、整流素子に限らず、同様な課題が発生するパワー半導体素子に用いることができる。
図３は、図１で示された整流素子１０７ａまたは１０７ｂが収納された整流素子パッケージ３０１の保持構造３００を示す組立斜視図である。
整流素子パッケージ３０１の上面に接触して、上面の面積よりも一回り大きなプレート３０２が配置される。プレート３０２は材質を金属、あるいは樹脂などで構成され、その外周部には、プレート上面から整流素子パッケージ３０１の方向に垂直に折り曲げられた外周面３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃが形成され、整流素子パッケージ３０１の側部にそれぞれ係合する。整流素子パッケージ３０１の下面に接触して放熱シート３０３が配置される。プレート３０２の上面に、バネ部材３０４の一方の端部３０４ａが接触し、他方の端部３０４ｂに形成された固定ネジが貫通するバネ部材孔部３０５に固定用ネジ３０６が貫通して、冷却器に設けられた冷却器孔部３０７のネジ溝と螺合する。これにより、バネ部材３０４は冷却器に機械的に固定されるとともに、プレート３０２、整流素子パッケージ３０１、及び放熱シート３０３を、冷却器に押し付ける。
【００１３】
このような保持構造３００により、整流素子パッケージ３０１の上面にプレート３０２が押し当てられるため、整流素子が短絡故障した場合に整流素子パッケージ３０１に亀裂が生じることで流入する酸素を遮断することができる。プレート３０２の面積が整流素子パッケージ３０１の面積より広く構成されているため、整流素子パッケージ３０１の上面を確実にプレート３０２で覆うことができる。また、プレート３０２がプレート外周部に沿って垂直な外周面３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃを有しており、組立て時には整流素子パッケージ３０１を抱え込むように組み付けられる。これにより組立て時のプレートの位置ズレ、回転を防止できる。なお、実施の形態１と同様、整流素子パッケージ３０１の下面は、ヒートスプレッダ（図示せず）が配置され、酸素が流入しにくい構造となっている。さらにバネ部材３０４により冷却器に押し当てられている。このため、冷却器がプレート３０２と同様の働きをして酸素の流入を防いでいる。
【００１４】
実施の形態３．
半導体素子の保持構造の別の実施の形態について図４で説明する。実施の形態１、２同様、半導体素子として、図１で示された整流素子１０７ａ、１０７ｂを例にとって説明するが、整流素子に限らず、同様な課題が発生するパワー半導体素子に用いることができる。
図４は、図１で示された整流素子１０７ａまたは１０７ｂが収納された複数の整流素子パッケージ４０１の保持構造４００を示す組立斜視図である。
複数の（この図では４個）整流素子パッケージ４０１の上面に接触して、複数の整流素子パッケージ４０１を１枚で覆うことができるプレート４０２が配置される。プレート４０２は材質を金属、あるいは樹脂などで構成され、その外周部には、プレート上面から整流素子パッケージ４０１の方向に垂直に折り曲げられた外周面４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃが形成され、外周面４０２ｂは複数の整流素子パッケージ４０１のそれぞれの側部４０１ｂに係合し、外周面４０２ａ、４０２ｃは複数の整流素子パッケージ４０１の端部に位置する側部４０１ａ、４０１ｃに係合する。整流素子パッケージ４０１の下面に接触して放熱シート４０３が配置される。プレート４０２の上面に、複数の（この図では２個）バネ部材４０４の一方の端部４０４ａが接触し、他方の端部４０４ｂに形成され、固定ネジが貫通するバネ部材孔部４０５ａ、４０５ｂに固定用ネジ４０６が貫通して、冷却器に設けられた冷却器孔部４０７ａ、４０７ｂのネジ溝と螺合する。これにより、バネ部材４０４は冷却器に機械的に固定されるとともに、プレート４０２、整流素子パッケージ４０１、及び放熱シート４０３を、冷却器に押し付ける。
【００１５】
このような保持構造４００により、複数の整流素子パッケージ４０１の上面にプレート４０２が押し当てられるため、整流素子が短絡故障した場合に整流素子パッケージ４０１に亀裂が生じることで流入する酸素を遮断することができる。プレート４０２の面積が整流素子パッケージ４０１の複数の面積の総和より広く構成されているため、複数の整流素子パッケージ４０１の上面を確実にプレート４０２で覆うことができる。また、プレート４０２がプレート外周部に沿って垂直な外周面４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃを有しており、組立て時には１枚のプレート４０２が、複数の整流素子パッケージ４０１を抱え込むように組み付けられる。これにより組立て時のプレートの位置ズレを防止できると共に、部品点数を削減でき、組立工数も削減することができる。なお、実施の形態１及び２と同様、整流素子パッケージ４０１の下面は、ヒートスプレッダ（図示せず）が配置され、酸素が流入しにくい構造となっている。さらにバネ部材４０４により冷却器に押し当てられている。このため、冷却器がプレート４０２と同様の働きをして酸素の流入を防いでいる。
【００１６】
なお、最近は、半導体素子にSi半導体だけなく、ＳｉＣ、ＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体を用いた整流素子やスイッチング素子などをインバータ回路等に使用することが増えてきている。これらワイドバンドギャップ半導体は、Ｓｉ半導体よりも高周波で動作させるため、一般的に故障確率が高いとされており、発煙や発火を生じる恐れも高くなる。しかし、本発明を適用することによって、発煙や発火を防止できるものであり、ワイドバンドギャップ半導体を用いたパワー半導体素子に好適である。
【００１７】
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００１８】
２０１、３０１、４０１  整流素子パッケージ、２０４、３０２、４０２  プレート、２０９、３０６、４０６  固定用ネジ、３０４、４０４  バネ部材、２０７、３０３、４０３  放熱シート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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