(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インバータ回路の上アームを構成する第１パワー半導体素子と、
前記インバータ回路の下アームを構成する第２パワー半導体素子と、
前記第１パワー半導体素子のコレクタ電極と接続される第１導体部と、
前記第２パワー半導体素子のエミッタ電極と接続される第４導体部と、
前記第１導体部と接続される第１正極端子及び第２正極端子と、
前記第４導体部と接続される第１負極端子及び第２負極端子と、を備え、
前記第１正極端子及び前記第２正極端子と前記第１負極端子及び前記第２負極端子のそれぞれは、主面と、当該主面より面積が小さい側面をそれぞれ有し、
前記第１負極端子は、一方の側面が前記第１正極端子の側面と対向するとともに他方の側面が前記第２正極端子の一方の側面と対向するように、当該第１正極端子と当該第２正極端子に挟まれ、
前記第２正極端子は、前記第１正極端子よりも前記第４導体部に近くに配置され、
前記第２負極端子は、一方の側面が前記第２正極端子の他方の側面と対向するように配置され、
さらに前記第２負極端子は、前記第１正極端子及び前記第２正極端子と前記第１負極端子よりも、前記第４導体部に最も近くに配置されるパワー半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載したパワー半導体装置において、
第１中間導体部と、
第２中間導体部と、を備え、
前記第１中間導体部は、前記第２正極端子を跨ぐように、前記第１負極端子と前記第２負極端子とを接続し、
前記第２中間導体部は、前記第１中間導体部と前記第４導体部とを接続し、
前記第２正極端子の主面に垂直な方向から見たときに、前記第２中間導体部は、当該第２中間導体部と前記第１中間導体部との接続部が前記第２正極端子と重なるように、配置されるパワー半導体装置。
【請求項３】
インバータ回路の上アームを構成する第１パワー半導体素子と、
前記インバータ回路の下アームを構成する第２パワー半導体素子と、
前記第１パワー半導体素子のコレクタ電極と接続される第１導体部と、
前記第２パワー半導体素子のエミッタ電極と接続される第４導体部と、
前記第１導体部と接続される第１正極端子及び第２正極端子と、
前記第４導体部と接続される第１負極端子及び第２負極端子と、を備え、
前記第１正極端子及び前記第２正極端子と前記第１負極端子及び前記第２負極端子は、主面と、当該主面より面積が小さい側面をそれぞれ有し、
前記第１負極端子は、一方の側面が前記第１正極端子の側面と対向するとともに他方の側面が前記第２正極端子の一方の側面と対向するように、当該第１正極端子と当該第２正極端子に挟まれ、
前記第２正極端子は、前記第１正極端子よりも前記第４導体部に近くに配置され、
前記第２負極端子は、一方の側面が前記第２正極端子の他方の側面と対向するように配置され、
さらに前記第１正極端子は、前記第２正極端子及び前記第１負極端子と前記第２負極端子よりも、前記第１導体部に最も近くに配置されるパワー半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載したパワー半導体装置において、
上アーム用信号接続端子と、
下アーム用信号接続端子と、を備え、
前記上アーム用信号接続端子及び前記下アーム用信号接続端子は、  前記第１正極端子、前記第２正極端子、前記第１負極端子及び前記第２負極端子とは反対方向に配置されるパワー半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワー半導体装置に関し、特に車載用の電力変換装置に用いられるパワー半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、直流電流を交流電流に変換するためのパワー半導体装置に関し、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに交流電流を供給するパワー半導体装置に関する。
【０００３】
近年、電流変換装置では、高密度化が求められている。高密度化により、パワー半導体装置内のパワー半導体素子で生じる発熱が大きくなってしまい、パワー半導体装置の耐熱温度に到達してパワー半導体装置の小型化を妨げとなる。そこで、パワー半導体素子を両面から冷却することにより冷却効率を向上させる両面冷却型パワー半導体装置の技術が開示されている。
【０００４】
電力変換装置を高密度化するためには、低損失なパワー半導体素子を高速スイッチングする必要がある。しかし、高速スイッチングするためには、インバータ回路を構成する配線導体に生じる配線インダクタンスによって発生するサージ電圧を抑制する必要がある。
【０００５】
サージ電圧の原因であるインバータ回路の配線インダクタンスを低減させる手段としては、特許文献１のような技術が知られている。特許文献１は、正極端子と負極端子をそれぞれ分岐させることで、各端子に流れる電流を分散させ、更に分岐した正極端子及び負極端子を交互に配置する構造にすることにより正極端子と負極端子に流れる電流が反対方向に流れ、互いにインダクタンスを打ち消す作用が働き、インバータ回路の配線インダクタンスが低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−５０２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に係る構成においては、端子の分岐によって端子の数が増大かつ正極端子と負極端子とを交互に配置すると、分岐した負極端子を接続する導体部とインバータ回路の下アームを構成するパワー半導体素子のエミッタ面と接続する導体部を接続する中間導体の長さが長くなってしまう。そのため、配線インダクタンス低減効果の効果が薄れてしまうおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで本発明に係るパワー半導体装置は、インバータ回路の上アームを構成する第１パワー半導体素子と、前記インバータ回路の下アームを構成する第２パワー半導体素子と、前記第１パワー半導体素子のコレクタ電極と接続される第１導体部と、前記第２パワー半導体素子のエミッタ電極と接続される第４導体部と、前記第１導体部と接続される第１正極端子及び第２正極端子と、前記第２導体部と接続される第１負極端子及び第２負極端子を備え、前記第１正極端子及び前記第２正極端子と前記第１負極端子及び前記第２負極端子は、主面と、当該主面より面積が小さい側面をそれぞれ有し、前記第１負極端子は、一方の側面が前記第１正極端子の側面と対向するとともに他方の側面が前記第２正極端子の一方の側面と対向するように、当該第１正極端子と当該第２正極端子に挟まれ、前記第２正極端子は、前記第１正極端子よりも前記第４導体部に近くに配置され、前記第２負極端子は、一方の側面が前記第２正極端子の他方の側面と対向するように配置され、さらに前記第２負極端子は、前記第１正極端子及び前記第２正極端子と前記第１負極端子よりも、前記第４導体部に最も近くに配置される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、インバータ主回路の配線インダクタンスの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】パワー半導体装置の上下アームの直列回路を構成する回路部分の分解斜視図である。
【図２】図１に示された回路部分が組まれた後の外観斜視図である。
【図３】図１に示された第１正極端子３０４と第２正極端子３０５と第１負極端子３０６と第２負極端子３０７の配向を説明する外観斜視図である。
【図４】図２に示された回路部分を封止樹脂３２０で成形した外観斜視図である。
【図５】図２で示した回路部分を含んだインバータ装置の回路図である。
【図６】第２の実施例に係るパワー半導体装置の外観斜視図である。
【図７】強電系端子と制御端子とを分離したパワー半導体装置の上下アームの直列回路を構成する回路部分の分解斜視図である。
【図８】図７に示された回路部品が組まれた後の外観斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
【００１２】
図１は、パワー半導体装置の上下アームの直列回路を構成する回路部分の分解斜視図であり、図２は、図１に示された回路部分が組まれた後の外観斜視図である。
【００１３】
第１正極端子３０４及び第２正極端子３０５は、第１導体部３００と接続される。第１正極端子３０４及び第２正極端子３０５は、第１導体部３００と一体で成形されてもよい。
【００１４】
第１負極端子３０６は、第１中間導体部３０９と第２中間導体部３１０を介し、第４導体部３０３と接続される。第２負極端子３０７は、第１中間導体部３０９と第２中間導体部３１０を介し、第４導体部３０３と接続される。
【００１５】
交流端子３０８は、第２パワー半導体素子３１４の近くに位置し、第２導体部３０１と接続された中点部分（中間電極）の端子である。
【００１６】
第１パワー半導体素子３１３及び第２パワー半導体素子３１４は、一方の面にコレクタ電極を、他方の面にエミッタ電極と、信号電極を有する。第１パワー半導体素子３１３のコレクタ電極は、第１導体部３００と金属接合され、他方の面のエミッタ電極は、第３導体部３０２と金属接合される。第２パワー半導体素子３１４のコレクタ電極は、第２導体部３０１と金属接合され、他方の面のエミッタ電極は、第４導体部３０３と金属接合される。
【００１７】
第１ダイオード３１５の一主面は、第１導体部３００と金属接合され、他方の面は第３導体部３０２と金属接合される。さらに第１ダイオード３１５は、第１正極端子３０４や第２正極端子３０５及び第１負極端子３０６や第２負極端子３０７から遠い位置に配置され、電気的に第１パワー半導体素子３１３と並列に接続される。
【００１８】
第２ダイオード３１６の一主面は、第２導体部３０１と金属接合され、他方の面は第４導体部３０３と金属接合される。さらに第２ダイオード３１６は、第１正極端子３０４や第２正極端子３０５及び第１負極端子３０６や第２負極端子３０７から遠い位置に配置され、電気的に前記第２パワー半導体素子３１４と並列に接続される。
【００１９】
第１中間導体部３０９は、第１負極端子３０６と第２負極端子３０７とを金属接合材等により接続される。第２中間導体部３１０は、その一端が第１中間導体部３０９と接続され、その他端が第４導体部３０３と接続される。インバータ主回路の配線インダクタンスの低減を図るため、第２中間導体３１０の距離を短い構造とするために、第２中間導体３１０の配置を阻害しないように、第３導体部３０２に凹み構造３０２Ａを設けている。
【００２０】
上アーム用信号接続端子３１７Ｕは、アルミ（Al）または金（Au）で構成されたワイヤ（不図示）を介して第１パワー半導体素子３１３の信号電極と接続される。下アーム用信号接続端子３１７Lは、アルミ（Al）または金（Au）で構成されたワイヤ（不図示）を介して第２パワー半導体素子３１４の信号電極と接続される。
【００２１】
図３は、図１に示された第１正極端子３０４と第２正極端子３０５と第１負極端子３０６と第２負極端子３０７の配向を説明する外観斜視図である。
【００２２】
端子主面３１８は、第１導体部３００と第２導体部３０１に第１パワー半導体素子３１３等が金属接合される面と同一面であり、かつ第１中間導体部３０９が接続される面である。
【００２３】
第１正極端子側面Ｂ３０４Ｂは、第１負極端子側面Ａ３０６Ａと対向する面である。第１正極端子側面Ａ３０４Ａは、第１正極端子側面Ｂ３０４Ｂとは反対側に形成された第１正極端子３０４の側面である。
【００２４】
第２正極端子側面Ａ３０５Ａは、第１負極端子側面Ｂ３０６Ｂと対向する面である。第２正極端子側面Ｂ３０５Ｂは、第２負極端子側面Ａ３０７Ａと対向する面である。第１負極端子側面Ａ３０６Ａは、第１正極端子側面Ｂ３０４Ｂと対向する面である。第１負極端子側面Ｂ３０６Ｂは、第２正極端子側面Ａ３０５Ａと対向する面である。第２負極端子側面Ａ３０７Ａは、第２正極端子側面Ｂ３０５Ｂと対向する面である。第２負極端子側面Ｂ３０７Ｂは、交流端子３０８に一番近い面である。
【００２５】
このように正極端子と負極端子を交互に配置した構造にすることにより正極端子と負極端子に流れる電流が反対方向に流れ、互いのインダクタンスを打ち消す作用が働き、インバータ回路の配線インダクタンスが低減できる。
【００２６】
図４は、図２に示された回路部分を封止樹脂３２０で成形した外観斜視図である。
【００２７】
端子主面３１８の一方面に一方の金型が押し付けられ、また端子主面３１８の他方面に他方の金型が押し付けられる。そして金型内に封止樹脂材３２０を注入（トランスファーモールド）する。仮に、第１正極端子３０４の主面と第１負極端子３０６の主面同士を積層すると、この主面の間の空間から封止樹脂材３２０を漏れ出さないように構成することは金型が複雑になる。そこで、正・負極端子の側面を対向かつ正・負極端子を一列に配置することで、それぞれ端子の主面を金型に押し当て、封止樹脂材３２０を注入している。
【００２８】
図４より第３導体部３０２及び第４導体部は、封止樹脂３２０により封止されるが、パワー半導体素子及びダイオードと接続している面との反対面は露出する。封止樹脂３２０により、第１正極端子３０４と第２正極端子３０５と第１負極端子３０６と第２負極端子３０７と交流端子３０８と上アーム用信号接続端子３１７Ｕと下アーム用信号接続端子３１７Ｌは一部封止される。
【００２９】
図５は、図２で示した回路部分を含んだインバータ装置の回路図である。
【００３０】
インバータ回路１００は、上アーム１０１として動作する第１パワー半導体素子３１３と第１ダイオード３１５と、下アーム１０２として動作する第２パワー半導体素子３１４と第２ダイオード３１６から構成され、モータジェネレータへ交流電流を伝送するコネクタ１１３と接続される。上アーム１０１と下アーム１０２は、その中点部分から交流端子１１０及び交流コネクタ１１３を通してモータジェネレータへの交流電力線と接続する。
【００３１】
制御部１１７は、インバータ回路１００を駆動制御するドライバ回路１１９と、ドライバ回路１１９へ信号線１２０を介して制御信号を供給する制御回路１１８を有している。
【００３２】
パワー半導体素子は、制御部１１７から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリから供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力は、モータジェネレータの電機子巻線に供給される。
【００３３】
第１パワー半導体素子３１３は、コレクタ電極１０５と、信号用エミッタ電極１０７と、ゲート電極１０６を備えている。また、第２パワー半導体素子３１４は、コレクタ電極１０５と、信号用のエミッタ電極１０７と、ゲート電極１０６を備えている。第１ダイオード３１５が、第１パワー半導体素子３１３と電気的に並列に接続されている。また、第２ダイオード３１６が、第２パワー半導体素子３１４と電気的に並列に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよいが、この場合は第１ダイオード３１５や第２ダイオード３１６は不要となる。
【００３４】
制御回路１１８は、第１パワー半導体素子３１３と第２パワー半導体素子３１４のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータに対して要求される目標トルク値、上アーム１０１と下アーム１０２からモータジェネレータの電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータの回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１２１から信号線１２０を介して出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータに設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。
【００３５】
本実施形態においては、正極端子１０８（図４参照）及び負極端子１０９（図４参照）をそれぞれ第１正極端子３０４と第２正極端子３０５及び第１負極端子３０６と第２負極端子３０７に分岐し、正・負極端子側面同士を交互構成とすることにより、前記正極端子１０８と前記負極端子１０９に流れる電流が反対方向に流れ、互いにインダクタンスを打ち消す作用が働き、インバータ主回路の配線インダクタンスが低減できる。
【００３６】
仮に、正極端子１０８の側面と負極端子１０９の側面が対向に配置される状態を維持した場合、正極端子１０８が第４導体部３０３よりも第１導体部３００に近く配置されると、前記正極端子１０８と前記第１導体部３００との距離が小さいのに対し、前記負極端子１０９と前記第４導体部３０３との距離が大きくなる。また、正極端子１０８が第１導体部３００よりも第４導体部３０３に近い配置されると、前記正極端子１０８と前記第１導体部３００との距離が大きくなり、前記負極端子１０９と前記第４導体部３０３との距離が小さくなる。
【００３７】
そこで、本実施形態においては、第１負極端子３０６は、第１負極端子側面Ａ３０６Ａが第１正極端子３０４の第１正極端子側面Ｂ３０４Ｂと対向するとともに第１負極端子側面Ｂ３０６Ｂが第２正極端子３０５の第２正極端子側面Ａ３０５Ａと対向するように、第１正極端子３０４と第２正極端子３０５に挟まれる。第２正極端子３０５は、第１正極端子３０４よりも第２導体部３０３に近くに配置される。第２負極端子３０７は、第２負極端子側面Ａ３０７Ａが第２正極端子３０５の第２正極端子側面Ｂ３０５Ｂと対向するように配置され、さらに第２負極端子３０７は、第１正極端子３０４及び第２正極端子３０５と第１負極端子３０６よりも、第２導体部３０３に最も近くに配置される。
【００３８】
これにより、第１負極端子３０６と第２負極端子３０７を接続する第１中間導体３０９と第２導体部３０３を接続する第２中間導体３１０の長さが短くなり、インバータ主回路の配線インダクタンスが低減できる。
【００３９】
図６は、第２の実施例に係るパワー半導体装置の外観斜視図である。
【００４０】
図６は、第１負極端子３０６及び第２負極端子３０７に発生するインダクタンス及び抵抗のアンバランスを低減するため、図１の第２中間導体部３１０を改良した分解斜視図である。
【００４１】
図１及び図２と同様に第１中間導体部３０９と、第２中間導体部３１０とを備え、第１中間導体部３０９は、第２正極端子３０５を跨ぐように、第１負極端子３０６と第２負極端子３０７とを接続される。第２中間導体部３１０は、第１中間導体部３０９と第４導体部３０３とを接続される。
【００４２】
第２正極端子３０５の端子主面３１８に垂直な方向から見たときに、第２中間導体部３１０は、当該第２中間導体部３１０と第１中間導体部３０９との接続部が第２正極端子３０５と重なるように、配置される構造である。
【００４３】
しかし、第２中間導体部３１０と第１中間導体部３０９との接続部位置により、この接続部から第１負極端子３０６までの電流経路と第２負極端子３０７までの電流経路の長さが異なり、両電流経路における抵抗の大きさも異なる。これにより、負極端子の発熱が不均一になる。
【００４４】
第２中間導体部３１０は、第２正極端子３０５に積層するように第１中間導体部３０９と接続され、第４導体部３０３の交流端子３０８側かつ第２負極端子３０７に最も近くなる部位と第２中間導体３０９との接続部を接続する。
【００４５】
これにより、第２中間導体部３１０と第１中間導体部３０９との接続部と第２正極端子３０５が重なる面積部から第１負極端子３０６間の電流経路と、第２中間導体部３１０と第１中間導体部３０９との接続部と第２正極端子３０５が重なる面積部から第２負極端子３０７間の電流経路の長さが等しくなり、両電流経路間の抵抗の大きさが等しくなる。
【００４６】
これにより、第１負極端子３０６で発生する磁界が大きくなり、正極端子で発生する磁界を打ち消す効果が増大し、従来構造例よりも第２中間導体部３１０の長さを短くできるため、インダクタンス低減ができる。また、両電流経路の抵抗がバランスし、第１負極端子３０６と第２負極端子３０７に生じる発熱もバランスするため、負極端子の発熱を均等にでき、端子全体に生じる発熱も抑えることができる。
【００４７】
図７は、強電系端子と制御端子とを分離したパワー半導体装置の上下アームの直列回路を構成する回路部分の分解斜視図であり、図８は図７に示された回路部品が組まれた後の外観斜視図である。
【００４８】
正極端子は、第１正極端子３０４及び第２正極端子３０５に対応し、負極端子は、第１負極端子３０６及び第２負極端子３０７に対応する。
【００４９】
接合材３１１は、第２導体部３０１と第３導体部３０２を接続する。正極端子及び負極端子は、弱電系端子である上アーム用信号接続端子３１７Ｕ及び下アーム用信号接続端子３１７Ｌとは反対方向に配置された構造である。これにより、正極端子及び負極端子を第１導体部３００及び第４導体部３０３のどちらに近づけても配置ができ、正極端子及び負極端子が第２導体部３０３に近い位置に配置されると、第１正極端子３０４が最も第１導体部３００に近い位置に配置される。また、上記構造により、第１パワー半導体素子３１３と第２パワー半導体素子３１４は、信号接続端子と近い位置に配置される。第１ダイオード３１５と第２ダイオード３１６は、正極端子及び負極端子と近い位置に配置される。
【符号の説明】
【００５０】
１００…インバータ回路、１０１…上アーム、１０２…下アーム、１０５…コレクタ電極、１０６…ゲート電極、１０７…信号用エミッタ電極、１０８…正極端子、１０９…負極端子、１１０…交流端子、１１１…直流正極端子、１１２…直流負極端子、１１３…交流コネクタ、１１７…制御部、１１８…制御回路、１１９…ドライバ回路、１２０…信号線、１２１…電流センサ、３００…第１導体部、３０１…第２導体部、３０２…第３導体部、３０２Ａ…凹み構造、３０３…第４導体部、３０４…第１正極端子、３０４Ａ…第１正極端子側面Ａ、３０４Ｂ…第１正極端子側面Ｂ、３０５…第２正極端子、３０５Ａ…第２正極端子側面Ａ、３０５Ｂ…第２正極端子側面Ｂ、３０６…第１負極端子、３０６Ａ…第１負極端子側面Ａ、３０６Ｂ…第１負極端子側面Ｂ、３０７…第２負極端子、３０７Ａ…第２負極端子側面Ａ、３０７Ｂ…第２負極端子側面Ｂ、３０８…交流端子、３０９…第１中間導体部、３１０…第２中間導体部、３１１…接合剤、３１３…第１パワー半導体素子、３１４…第２パワー半導体素子、３１５…第１ダイオード、３１６…第２ダイオード、３１７Ｕ…上アーム用信号接続端子、３１７Ｌ…下アーム用信号接続端子、３１８…端子主面、３２０…樹脂封止材
【図１】
0006407798.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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