(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１の側面と第２の側面とを有する筐体と、
前記筐体の第１の側面から引き出された第１の主端子と、
前記筐体の第１の側面から引き出された第２の主端子と、
前記筐体の第２の側面から引き出され、前記第１の主端子と前記筐体内部で電気的に接続された第３の主端子と、
前記筐体内部に封入され、前記第１の主端子が電気的に接続された金属ブロックと、
前記金属ブロック上にその一方の主面と接するように戴置され、その他方の主面に前記第２の主端子が電気的に接続された少なくとも１つの電力半導体素子と、
を備える電力半導体装置。
【請求項２】
互いに対向する第１の側面と第２の側面とを有する筐体と、
前記筐体の第１の側面から引き出された第１の主端子と、
前記筐体の第１の側面から引き出された第２の主端子と、
前記筐体の第２の側面から引き出され、前記第２の主端子と前記筐体内部で一体で接続された第３の主端子と、
前記筐体内部に封入され、前記第１の主端子が電気的に接続された金属ブロックと、
前記金属ブロック上にその一方の主面と接するように戴置され、その他方の主面に前記第２の主端子が電気的に接続された少なくとも１つの電力半導体素子と、
を備える電力半導体装置。
【請求項３】
第１のバスバーと、
前記第１のバスバーに近接して平行に並置されている第２のバスバーと、
前記第１のバスバーと前記第２のバスバーのそれぞれに接続された少なくとも一対の請求項１又は請求項２記載の電力半導体装置と、
を備えたインバータブリッジモジュールであって、
前記一対の電力半導体装置は、それぞれ前記第１のバスバー又は第２のバスバーに対してその第１の側面が対向するように配置されていることを特徴とするインバータブリッジモ
ジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、インバータ装置に使用するインバータブリッジモジュール及びそれに使用する電力半導体装置に係り、特に電力半導体装置相互を結線するバスバーの配線インダクタンス低減に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車等の駆動源には通常モータが用いられており、モータはインバータ装置によって制御されている。このようなインバータ装置の主回路にはＩＧＢＴ又はパワーＭＯＳＦＥＴ等の電力半導体装置が用いられている。特許文献１の図１には、このような電力半導体装置が、図１９にはこの電力半導体装置を複数個結線した三相インバータブリッジモジュールの構成が示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１７６５号公報  （図１，図１９）
【０００４】
上記特許文献の図１に示された電力半導体装置においては、コレクタ端子及びエミッタ端子の２つの主端子が筐体の一側面から引き出されている。このような電力半導体装置を６個使用し、それらを相互に結線して上記特許文献の図１９に示されたような三相インバータブリッジモジュールが構成されている。この図においては、６個の電力半導体装置は３個ずつ２列に配置されており、一方の列の電力半導体装置のエミッタ端子と他方の列の電力半導体装置のコレクタ端子とが所定の間隔をおいて向かい合っている。すなわち、共通の出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されるべき主端子の接続端部同士が、所定の間隔をおいて向き合っている。また、一方の列の各電力半導体装置のコレクタ端子は一列に並び共通の電源端子Ｐに接続されており、他方の列の各電力半導体装置のエミッタ端子は一列に並び共通の電源端子Ｎに接続されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の三相インバータブリッジモジュールにおいては、対向配置されている２列の電力半導体装置の間に電源端子Ｐ，Ｎのバスバーだけでなく出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗのバスバーも配置されているため、各バスバーの配置が複雑化するだけでなく、電源端子Ｐ，Ｎのバスバー間の間隔を大きくせざるを得ず、三相インバータブリッジモジュールの配線インダクタンスが十分に小さくできなかった。
【０００６】
このように配線インダクタンスが大きくなると、インバータブリッジモジュールのスイッチング動作時における急激な電流変化（di/dt）により発生するサージ電圧が上記インダクタンスに比例して大きくなり、そのようなサージ電圧による電力半導体装置の破壊を防止するために、急激な電流変化を抑制する工夫が必要となり、そのことが電力変換の効率低下またはコストの増大を招いていた。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、インバータブリッジモジュールの構成及びそれに使用される電力半導体装置の主端子配置に工夫を加えることにより、バスバーの配線インダクタンスを減少させるとともに、小型、軽量でコストの低廉なインバータブリッジモジュールを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明に係る電力半導体装置は、互いに対向する第１の側面と第２の側面とを有する筐体と、上記筐体の第１の側面から引き出された第１の主端子と、上記筐体の第１の側面から引き出された第２の主端子と、上記筐体の第２の側面から引き出され、上記第１の主端子と上記筐体内部で電気的に接続された第３の主端子と、上記筐体内部に封入され、上記第１の主端子が電気的に接続された金属ブロックと、上記金属ブロック上にその一方の主面と接するように戴置され、その他方の主面に上記第２の主端子が電気的に接続された少なくとも１つの電力半導体素子とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る電力半導体装置の別の局面では、互いに対向する第１の側面と第２の側面とを有する筐体と、上記筐体の第１の側面から引き出された第１の主端子と、上記筐体の第１の側面から引き出された第２の主端子と、上記筐体の第２の側面から引き出され、上記第２の主電極と上記筐体内部で一体で接続された第３の主端子と、上記筐体内部に封入され、上記第１の主端子が電気的に接続された金属ブロックと、上記金属ブロック上にその一方の主面と接するように戴置され、その他方の主面に上記第２の主端子が電気的に接続された少なくとも１つの電力半導体素子とを備える。
【００１０】
さらに、本発明に係るインバータブリッジモジュールは、第１のバスバーと、上記第１のバスバーに近接して平行に並置されている第２のバスバーと、上記第１のバスバーと前記第２のバスバーのそれぞれに接続された少なくとも一対の上記本発明に係る電力半導体装置とを備えたインバータブリッジモジュールであって、上記一対の電力半導体装置は、それぞれ上記第１のバスバー又は第２のバスバーに対してその第１の側面が対向するように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
上記のような構成としたため、本発明に係るインバータブリッジモジュールによれば、従来のインバータブリッジモジュールと比較して主電流経路を構成するバスバー配線が簡素化され、インバータブリッジモジュール固有の配線インダクタンスが小さくなり、併せてシステムの小型・軽量化が図られ、電力変換効率がよくコストの低廉なインバータブリッジモジュールが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
＜実施の形態＞
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係る三相インバータブリッジモジュールの実施の形態を示す斜視図である。図２は図１の三相インバータブリッジモジュールに使用されているバスバーの平面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。図３は図１の三相インバータブリッジモジュールに使用されている電力半導体装置の外観を示す斜視図である。図４は図１の三相インバータブリッジモジュールの回路図である。
【００１３】
図１において、銅又は銅合金からなり、ストライプ形状を有し、厚みが１．５ｍｍのＰバスバー１とＮバスバー２がヒートシンク３の上面のほぼ中央に設けられている。Ｐバスバー１とＮバスバー２は互いに近接して２ｍｍの間隔で平行に並置されており、図２に示されるように、電源と接続するためのボルト穴が形成された１つのタブ（１ａ又は２ａ）をストライプ端部の互いに対向する位置にそれぞれ有しており、さらに後述する電力半導体装置と接続するためのボルト穴が形成された３つのタブ（１ｂ又は２ｂ）をストライプ側部の互いに対向する位置にそれぞれ有している。Ｐバスバー１の３つのタブ１ｂには３つの電力半導体装置４が接続されている。これら３つの電力半導体装置は同一のものであるが、区別のため順に４ａ，４ｂ，４ｃと番号を付与する。Ｎバスバー２の３つのタブ２ｂにもやはり３つの電力半導体装置４が上述した電力半導体装置４ａ，４ｂ，４ｃとそれぞれ対向するように接続されている。これら３つの電力半導体装置は上述の電力半導体装置４ａ，４ｂ，４ｃと同一のものであるが、区別のため順に４ｄ，４ｅ，４ｆと番号を付与する。これらの電力半導体装置４ａ，４ｂ，４ｃ及び電力半導体装置４ｄ，４ｅ，４ｆはヒートシンク３の上面に互いに所定の間隔で向かい合って固定されている。
【００１４】
電力半導体装置４は、ＩＧＢＴとフリーホイールダイオードとが逆並列に接続されて１つのエポキシ樹脂の筐体９の中に封入されており、図３に示されるように、筐体９は上面と底面と４つの側面を有する直方体形状を有し、その第１の側面から主端子の１つである第１のコレクタ端子５とやはり主端子のひとつである第１のエミッタ端子６が引き出されている。上記第１側面と反対側の第２の側面からは主端子のひとつである第２のコレクタ端子７が引き出されている。図１の電力半導体装置４ａ，４ｂ，４ｃにおいては、各電力半導体装置はその第１の側面がＰバスバー１に対向するように並置され、各第１のコレクタ端子５がＰバスバー１の３つのタブ１ｂにボルトで接続固定されており、電力半導体装置４ｄ，４ｅ，４ｆにおいては、各電力半導体装置はその第１の側面がＮバスバー２に対向するように並置され、各第１のエミッタ端子６がＮバスバー２の３つのタブ２ｂにボルトで接続固定されている。Ｐバスバー１とＮバスバー２とを挟んで対向配置されている電力半導体装置４ａの第１のエミッタ端子６と電力半導体装置４ｄの第１のコレクタ端子５とは、Ｐバスバー１及びＮバスバー２の下方において適当な接続部材で橋絡することにより、互いに電気的に接続されている。電力半導体装置４ｄ，４ｅ，４ｆの各第２のコレクタ端子７は、それぞれインバータブリッジモジュールの出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗを構成しており、バスバー等によりモータ等の負荷に接続される。電力半導体装置４ａ，４ｂ，４ｃの第２のコレクタ端子７は、本実施例においてはどこにも接続されておらず、根元から切断されていてもよい。このように結線されることにより、図１のインバータブリッジモジュールは図４のような回路構成となっている。
【００１５】
次に電力半導体装置４の内部構造について説明する。図５は電力半導体装置４の内部構造を示す平面図（ａ）とそのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。便宜上筐体９についてはその輪郭を破線で示している。厚みが３ｍｍの金属ブロック１０の上にはダイオード素子１１及びＩＧＢＴ素子１２が戴置されており、ダイオード素子１１及びＩＧＢＴ素子１２の裏面と金属ブロック１０の表面とが半田接合により固着されている。金属ブロック１０はダイオード素子１１及びＩＧＢＴ素子１２の支持のほかに、ダイオード素子１１及びＩＧＢＴ素子１２から発生する熱を外部に放散させる役割や電極としての役割を担っており、そのため３〜４ｍｍ程度の厚さを有することが望ましく、熱伝導性及び電気伝導性の良好な材料が使用されている。
【００１６】
ダイオード素子１１及びＩＧＢＴ素子１２の表面にはそれぞれエミッタ電極及びアノード電極が形成されており、筐体９の内部に延びている第１のエミッタ端子６とこれら電極は半田により接合されている。やはり筐体９の内部に延びている第１のコレクタ端子５及び第２のコレクタ端子７は、半田接合又は超音波接合により金属ブロック１０に固着されている。補助エミッタ端子１３はアルミニウム細線によるワイヤボンドによりＩＧＢＴ素子１２の表面のエミッタ電極に電気的に接続されており、制御端子１４はＩＧＢＴ素子１２の表面のゲート電極に同様に電気的に接続されており、センス端子１５はＩＧＢＴ素子１２の表面のセンスエミッタ電極に同様に電気的に接続されている。以上述べたような構造体全体を封入するようにエポキシ樹脂によりモールドし筐体９が形成されている。第１のコレクタ端子５、第２のコレクタ端子７、補助エミッタ端子１３、制御端子１４及びセンス端子１５は、通常パターン付けされたリードフレームを用い、樹脂モールド後不要部分を切断して形成されるため、材料には加工性を重視して１ｍｍ以下の薄い銅板が使用される。
【００１７】
次に本実施の形態に係る三相インバータブリッジモジュールの動作について説明する。インバータブリッジモジュールは直流電力を任意の周波数の交流電力に電力変換をおこなう場合に用いられる。Ｐバスバー１には比較的高い電位を有する直流電源が、Ｎバスバー２には比較的低い電位を有する直流電源が接続され、これら直流電源より供給された直流電力を三相交流電力に変換して、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗからモータ等の負荷に供給する。出力端子Ｕに接続されている電力半導体装置４ａと電力半導体装置４ｄとは同時に導通状態になることはないため、電力半導体装置４ａは導通状態にあり電力半導体装置４ｄは非導通状態にあるときは、Ｐバスバー１から入力された主電流は電力半導体装置４ａの第１のコレクタ端子５、金属ブロック１０、ＩＧＢＴ素子１２、第１のエミッタ端子６、電力半導体装置４ｄの第１のコレクタ端子５、金属ブロック１０、第２のコレクタ端子７という電流経路を経て出力端子Ｕから負荷に流れ込む。このとき電力半導体装置４ｅ及び電力半導体装置４ｆのいずれか又は両方が導通状態にあれば、前記主電流は負荷より出力端子Ｖ及び出力端子Ｗのいずれか又は両方に帰還し、電力半導体装置４ｅ及び電力半導体装置４ｆのいずれか又は両方の第２のコレクタ端子７、金属ブロック１０、ＩＧＢＴ素子１２、第１のエミッタ端子６という電流経路を経てＮバスバー２から直流電源に戻る。
【００１８】
同様に、出力端子Ｖに接続されている電力半導体装置４ｂと電力半導体装置４ｅとは同時に導通状態になることはないため、電力半導体装置４ｂは導通状態にあり電力半導体装置４ｅは非導通状態にあるときは、Ｐバスバー１から入力された主電流は電力半導体装置４ｂの第１のコレクタ端子５、金属ブロック１０、ＩＧＢＴ素子１２、第１のエミッタ端子６、電力半導体装置４ｅの第１のコレクタ端子５、金属ブロック１０、第２のコレクタ端子７という電流経路を経て出力端子Ｖから負荷に流れ込む。このとき電力半導体装置４ｄ及び電力半導体装置４ｆのいずれか又は両方が導通状態にあれば、前記主電流は負荷より出力端子Ｕ及び出力端子Ｗのいずれか又は両方に帰還し、電力半導体装置４ｄ及び電力半導体装置４ｆのいずれか又は両方の第２のコレクタ端子７、金属ブロック１０、ＩＧＢＴ素子１２、第１のエミッタ端子６という電流経路を経てＮバスバー２から直流電源に戻る。電力半導体装置４ｃが導通状態にあり電力半導体装置４ｆが非導通状態にあるときも同様であるので説明は省略する。
【００１９】
上記動作説明からもわかるように、このようなインバータブリッジモジュールにおいては、電源から供給される電流は常にＰバスバー１及びＮバスバー２を流れ、その大きさは等しく逆方向である。本実施の形態に係るインバータブリッジモジュールにおいては、構成要素である電力半導体装置４の筐体９の第１の側面から第１のコレクタ端子５及び第１のエミッタ端子６を引き出し、反対側の第２の側面から第２のコレクタ端子７を引き出しているので、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに接続されるバスバーをＰバスバー１及びＮバスバー２と別の位置に配置することが可能となり、Ｐバスバー１とＮバスバー２との間の距離を十分に小さく設定できる。これにより、バスバー配線が簡素化し、インバータブリッジモジュール全体の小型化、低コスト化ができるだけでなく、Ｐバスバー１及びＮバスバー２それぞれの配線インダクタンスがキャンセルされ、インバータブリッジモジュール全体の配線インダクタンスが小さくなり、発生するサージ電圧が低下するため、電力変換効率がよくコストの低廉なインバータブリッジモジュールが実現できる。
【００２０】
＜変形例１＞
図６は図１のインバータブリッジモジュールに使用されている電力半導体装置の変形例１の内部構造を示す平面図である。図５の電力半導体装置との相違は第１のコレクタ端子５と第２のコレクタ端子７とを金属ブロック１０の対角位置に接合したことである。この変形例においても図５の電力半導体装置と同様に、その筐体９の第１の側面から第１のコレクタ端子５及び第１のエミッタ端子６を引き出し、反対側の第２の側面から第２のコレクタ端子７を引き出しているので、インバータブリッジモジュールのバスバーの簡素化や配線インダクタンスの低減に寄与することはいうまでもない。さらに、金属ブロック１０には厚みの厚い銅を使用しているため、組立て工程において金属ブロック１０に接合された第１のコレクタ端子５又は第２のコレクタ端子７が金属ブロック１０の重量により変形し接合部に亀裂が生じるという問題点があったが、本変形例においては第１のコレクタ端子５又は第２のコレクタ端子７が金属ブロック１０の対角位置に接合されており、金属ブロック１０は第１のコレクタ端子５と第２のコレクタ端子７とによりバランス良く保持されるので接合部に過大な応力がかかる心配はなく、上述したような問題点も解消することができる。
【００２１】
＜変形例２＞
図７は図１のインバータブリッジモジュールに使用されている電力半導体装置の変形例２の内部構造を示す平面図である。図５の電力半導体装置との相違は、第２のコレクタ端子７の替わりに第２のエミッタ端子８が設けられており、第２のエミッタ端子８は第１のエミッタ端子６に一体で接続されていることである。すなわち第１のエミッタ端子６と第２のエミッタ端子８とは１つの薄い銅板からできている。この図７の電力半導体装置を図１のインバータブリッジモジュールに適用する場合には、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗの役割はそれぞれ電力半導体装置４ａ，４ｂ，４ｃの各第２のエミッタ端子８が担うことになる。その場合の回路構成は図８のようになり、実質的に図４の回路構成と同じである。したがって、この変形例においても図５の電力半導体装置と同様に、その筐体９の第１の側面から第１のコレクタ端子５及び第１のエミッタ端子６を引き出し、反対側の第２の側面から第２のエミッタ端子８を引き出しているので、インバータブリッジモジュールのバスバーの簡素化や配線インダクタンスの低減に寄与することはいうまでもない。さらに本変形例においては、金属ブロック１０と第２のエミッタ端子８との接合が不要となるため、電力半導体装置の信頼性も向上する。
【００２２】
以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれらに限らず種々の改変が可能である。例えば、上記実施の形態においてインバータブリッジモジュールは直流を三相交流に変換する三相ブリッジの構成であるが、直流を単相交流に変換する単相ブリッジの構成やハーフブリッジの構成とすることもできる。単相ブリッジの構成の場合は、インバータブリッジモジュールの構成は、図１において電力半導体装置４ｃと電力半導体装置４ｆを除いた構成となり、ハーフブリッジの構成の場合は、インバータブリッジモジュールの構成は、さらに電力半導体装置４ｃと電力半導体装置４ｆを除いた構成となる。すなわち、Ｐバスバー１とＮバスバー２とを挟んだ少なくとも一対の電力半導体装置４ａと電力半導体装置４ｄが備わっておれば、本発明の効果は発揮されることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る三相インバータブリッジモジュールの実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１の三相インバータブリッジモジュールに使用されているバスバーの平面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。
【図３】図１の三相インバータブリッジモジュールに使用されている電力半導体装置の外観を示す斜視図である。
【図４】図１の三相インバータブリッジモジュールの回路図である。
【図５】図３の電力半導体装置の内部構造を示す平面図（ａ）とそのＡ−Ａ断面図（ｂ）である。
【図６】図１の三相インバータブリッジモジュールに使用されている電力半導体装置の変形例１の内部構造を示す平面図である。
【図７】図１の三相インバータブリッジモジュールに使用されている電力半導体装置の変形例２の内部構造を示す平面図である。
【図８】図１の三相インバータブリッジモジュールに図７の電力半導体装置を適用したときの回路図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  Ｐバスバー、  ２  Ｎバスバー、  ３  ヒートシンク、  ４  電力半導体装置、  ５  第１のコレクタ端子、  ６  第１のエミッタ端子、  ７  第２のコレクタ端子、  ８  第２のエミッタ端子、  ９  筐体、  １０  金属ブロック  １１  ダイオード素子  １２  ＩＧＢＴ素子  １３  補助エミッタ端子  １４  制御端子  １５  センス端子  。
【図１】
0004640213.tif 000002
【図２】
0004640213.tif 000003
【図３】
0004640213.tif 000004
【図４】
0004640213.tif 000005
【図５】
0004640213.tif 000006
【図６】
0004640213.tif 000007
【図７】
0004640213.tif 000008
【図８】
0004640213.tif 000009