(57)【要約】【課題】複数の半導体スイッチング素子を内蔵したパワー半導体モジュール（４in１タイプの３レベルＩＧＢＴモジュール）を対象に、モジュールの小形，コンパクト化、国際規格ＩＥＣ６００７７−１の準拠を両立できるように端子部絶縁構造を改良する。【解決手段】複数組の半導体スイッチング素子を内蔵し、外周四隅のコーナーにネジ座５ｃを形成した樹脂ケース５に上面側に主回路端子７，制御端子８を配置する端子台部５ａ，５ｂを形成したパワー半導体モジュールにおいて、ケース側縁に形成した制御端子８の端子台部５ｂに対して、制御端子８のグループ相互間，およびネジ座５ｃに隣接する高電位側の制御端子との間にリブ状の絶縁隔壁５ｂ−２，５ｂ−３を起立形成した上で、該絶縁隔壁の高さ，厚さ寸法を、国際規格ＩＥＣ６００７７−１で規定した空間距離，沿面距離に準拠して設定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数組の半導体スイッチング素子を箱形のモールド樹脂ケースに内蔵したパッケージ構造になるパワー半導体モジュールであり、四隅コーナーの底部側に固定ネジを通すネジ座を形成した前記樹脂ケースの上面中央に形成した端子台部に主回路端子を配し、該主回路端子から離間して樹脂ケースの側縁に形成した端子台部に各組の半導体スイッチング素子から引出した制御端子を一列に並べて配置した構成において、
モールドケースの側縁に形成して制御端子を配置した前記端子台部に対して、各組の半導体スイッチング素子に対応する制御端子のグループ相互間，およびモールドケースのネジ座に隣接する高電位側の制御端子との間に介在して端子台の面から起立するリブ状の絶縁隔壁を設けたことを特徴とするパワー半導体モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、樹脂ケースの側縁端子台部に形成した前記絶縁隔壁の高さ，厚さ寸法を、国際規格ＩＥＣ６００７７−１で規定した空間距離，沿面距離に準拠して設定し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または２に記載のパワー半導体モジュールにおいて、当該モジュールが、ＩＧＢＴとＦＷＤを逆並列接続して樹脂ケースに内蔵した４組の半導体スイッチング素子を用いて、直流電源の正極／負極端子間に接続する１相分のインバータ回路の上アームと下アーム、および該インバータ回路の交流出力端子と直流電源の中性点端子との間に接続する双方向性スイッチング回路を形成した４in１型の３レベルＩＧＢＴモジュールである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、鉄道車両用電源装置などに適用する電力変換装置のＩＧＢＴモジュールを対象とするパワー半導体モジュールに関し、詳しくは当該モジュールのモールド樹脂ケースに形成した制御端子台部の絶縁構造に係わる。
【背景技術】
【０００２】
近年になり、頭記の電力変換装置には３レベルのＰＷＭインバータ装置が多く採用されている。また、このインバータ装置に適用する３レベルＩＧＢＴモジュールとして、ＩＧＢＴにＦＷＤを逆並列に接続した４組の半導体スイッチング素子をモールド樹脂ケースに内蔵してワンパッケージに集約した４in１タイプのＩＧＢＴモジュールが本発明と同一出願人より先に提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
次に、特許文献１に開示されている４in１タイプのパワー半導体モジュールを用いて構成した単相インバータユニット（鉄道車両用に特化しない汎用のユニット）を例に、その従来構造を図４〜図７に示す。なお、図４はインバータユニット全体の組立図、図５は１相分（Ｕ相）のＩＧＢＴモジュール（パワー半導体モジュール）の外形斜視図、図６は図５の平面図、図７はモジュールの内部回路図である。
【０００４】
まず、図４において、１はＩＧＢＴモジュール、２はヒートシンク（冷却フィン）、３はユニットの回路基板を構成するラミネートブスバー、４はＩＧＢＴモジュール１の入力側に接続した直流電源の平滑コンデンサである。ここで、ＩＧＢＴモジュール１は、方形状になる箱型のモールド樹脂ケース５（図５，図６参照）に図７の内部回路に示した４組のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４が組み込まれており、各組のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４から引出した主回路端子７，制御端子８が、それぞれ樹脂ケース５の上面中央に形成した凸状の端子台部５ａ、ケースの側縁（短辺側）に形成した端子台部５ｂに分けて一列に配置されている。なお、５ｃは樹脂ケース５の四隅コーナーに形成した固定ネジのネジ座、５ｃ−１はネジ座５ｃのネジ通し穴に嵌挿した金属スリーブ、６は樹脂ケース５の底面に配した金属ベース板であり、ＩＧＢＴモジュール１は前記ネジ座５ｃに通した固定ネジ８でヒートシンク２（図４参照）に固定される。
【０００５】
次に、前記ＩＧＢＴモジュールの内部回路を図７で補足説明すると、図７において、４組の各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４はＩＧＢＴとＦＷＤが逆並列接続され、このうち２組のスイッチング素子Ｔ１とＴ２を直流電源の正極Ｐと負極Ｎの間に直列接続して１相分の上アームと下アームを形成し、残る２組のスイッチング素子Ｔ３とＴ４は逆直列に接続した上で、交流出力端子Ｕと直流電源の中性点端子Ｍとの間に接続して双方向スイッチ回路を形成している。なお、この３レベルＩＧＢＴモジュールの動作については特許文献１に詳しく述べられており、ここではその説明は省略する。
【０００６】
また、図７の図中に表した端子記号Ｔ１  Ｇ，Ｔ１／Ｔ４  Ｅ，Ｔ２  Ｇ，Ｔ２  Ｅ，Ｔ３  Ｇ，Ｔ３  Ｅ，Ｔ４  Ｇ，Ｔ４  Ｅ，およびＣは、各組のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４に対応して引き出した制御端子（センス端子）であり、図６における主回路端子７，制御端子８には、それぞれ図７に対応した端子記号を表示している。なお、実際の製品では、前記の各端子記号が端子７，８に並べて樹脂ケース５の表面に刻印して表示されている。
【０００７】
一方、前記したパワーＩＧＢＴモジュールについては、その絶縁に関する指針として、国内ではＪＥＭ規格(日本電機工業会標準規格)が、また国際規格としてＩＥＣ規格(International Electro technical Commission)などがあり、当該半導体モジュールが使用される環境、作動電圧などに応じた絶縁の沿面距離や空間距離が規定され、特に鉄道車両用の機器（ＩＧＢＴモジュール等）については、ＩＥＣ６００７７−１（鉄道車両基準の付属書）により架線電圧，使用環境の汚染度に応じた絶縁距離（沿面距離，空間距離）が規定されている。
【０００８】
この場合に、モジュールの外形サイズに制約が無ければ、図５，図６のモールド樹脂ケース５の上面に配した主回路端子７，制御端子８とケース底部側に配した金属ベース板６，固定ネジ９（グランドフレーム電位）との間、および各端子相互間の絶縁距離については、モジュール自体を大型化すれば必要な絶縁距離を問題なく確保できる。
【０００９】
しかしながら、モジュールの小型化、薄型化が要求される場合には、外形サイズの制約からケース上面の平坦な絶縁面だけで必要な沿面距離，空間距離を確保するのが難しく、特にスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４から引出して樹脂ケース５の前記端子台部５ｂの上に一列に配列した制御端子８については、端子相互間の間隔も狭く、かつ端子台部５ｂの両端にはグランドフレーム電位の固定ネジ９が近接して位置することからこのままでは必要な絶縁距離を確保することが難しくなる。
【００１０】
なお、このような絶縁性問題の対応策として、ケース上面に配した主回路端子，制御端子の周域を取り囲んで、モールド樹脂ケースの周縁に絶縁隔壁（バリア）を起立形成し、前記端子とケースの底部側に配した金属ベース板，固定ネジとの間に必要な沿面距離，空間距離を確保するようにしたモジュールのパッケージ構造が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【００１１】
このような背景から、発明者等は図５，図６に示したモジュールのパッケージ構造を基本として、図８で示すように制御端子８を配したケース側縁の端子台部５ｂに対し、各組のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４に対応する制御端子８の周域を取り囲むように周壁５ｂ−１を起立形成し、制御端子８とグランドフレーム電位の金属ベース板６，固定ネジ９の間、および制御端子相互間の絶縁距離を増強するようにしたパッケージ構造を作製して絶縁性などを検証した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−１９３７７９号公報
【特許文献２】特許第３７０５７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
先記した図８のＩＧＢＴモジュールは、図５，図６に示した従来構造と比べて制御端子８に対する絶縁性が強化されるものの、鉄道車両用（例えば、入力：ＤＣ７５０Ｖの車両用補助電源装置）に適用することを想定して検討すると、次記のような課題が新たに派生することが判った。すなわち、
（１）制御端子８を包囲するように樹脂ケース５の側縁に形成した端子台部５ｂの全周域に亙って周壁状の絶縁隔壁５ｂ−１を設けると、絶縁隔壁５ｂ−１が占有する周壁の厚さによってその内側の端子台面に刻印する各制御端子記号の表示スペースが縮小することになる。このために、端子記号の表示文字は必然的に小さくせざるを得ず、また前記周壁が邪魔になって端子記号が見難くなるなど、目視識別が困難になってインバータユニットの配線作業時に誤配線を招く虞れがある。また、端子記号の表示スペース確保を優先して端子台部５ｂを拡張しようとすると、その分だけ樹脂ケース５の外形サイズが一回り大きくなってＩＧＢＴモジュールの実装面積を圧迫することになる。
（２）また、先記したＩＥＣ６００７７−１（鉄道車両基準）の規格では、樹脂ケースの表面に形成した溝幅について最小幅（ｘ）が２．５ｍｍに規定されていて、これよりも小幅の間隙，溝は沿面距離とは見なされない。また、絶縁電圧が１０００Ｖクラスでの導体部と接地金属間の沿面距離は１６mm以上に規定されている。このために、前記規格に準拠して端子台部５ｂに配置した個々の制御端子８とこれを包囲する絶縁隔壁５ｂ−１との間に前記の最小幅（ｘ）に相当する２．５ｍｍ以上の空間距離を確保しようとすると、必然的に樹脂ケース５の外形サイズも大きくなってモジュールが大形化する問題もある。
【００１４】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、樹脂ケースの側縁に形成して制御端子を配置する端子台部について、先記の検証結果を基に従来構造を見直してモジュールの小形，コンパクト化と、鉄道車両用への適用の両立が図れるように制御端子部の絶縁構造を改良したパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記目的を達成するために、本発明によれば、複数組の半導体スイッチング素子を箱形のモールド樹脂ケースに内蔵した構成になり、四隅コーナーの底部側に固定ネジを通すネジ座を形成した前記樹脂ケースの上面中央に形成した端子台部に主回路端子を配し、該主回路端子から離間して樹脂ケースの側縁に形成した端子台部に各組の半導体スイッチング素子から引出した制御端子を一列に並べて配置したパワー半導体モジュールにおいて、
モールドケースの側縁に形成して制御端子を配置した前記端子台部に対して、各組の半導体スイッチング素子に対応する制御端子のグループ相互間，およびモールドケースのネジ座に隣接する高電位側の制御端子との間に介在して端子台の面から起立するリブ状の絶縁隔壁を設け（請求項１）、ここで樹脂ケースの側縁端子台部に設けた前記絶縁隔壁の高さ，厚さ寸法は、国際規格ＩＥＣ６００７７−１で規定した空間距離，沿面距離に準拠して設定するものとする（請求項２）。
【００１６】
また、前記のパワー半導体モジュールには、ＩＧＢＴとＦＷＤを逆並列接続して樹脂ケースに内蔵した４組の半導体スイッチング素子を用いて、直流電源の正極／負極端子間に接続する１相分のインバータ回路の上アームと下アーム、および該インバータ回路の交流出力端子と直流電源の中性点端子との間に接続する双方向性スイッチング回路を形成した４in１型の３レベルＩＧＢＴモジュールを採用する（請求項３）。
【発明の効果】
【００１７】
上記構成によれば、制御端子の端子台部に単純なリブ状の絶縁隔壁を追加することで、モジュールの小形，コンパクト化と、鉄道車両用の国際規格ＩＥＣ６００７７−１で規定される絶縁距離の確保を両立させた３レベルのパワー半導体モジュールを提供することができる。また、端子台部の表面に刻印した制御端子記号の表示も見やすくなって、モジュールの配線作業を楽に行うことができる効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例によるパワー半導体モジュールの構成斜視図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図２における要部構造の拡大図であって、（ａ）は平面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ（ａ）を異なる向きから見た斜視図である。
【図４】３レベルのＩＧＢＴモジュールを用いて構成したインバータユニットの組立構造図である。
【図５】図４のユニットに採用する４in１型ＩＧＢＴモジュールの従来構造を表す外形斜視図である。
【図６】図５の平面図である。
【図７】図５の内部回路図である。
【図８】図４のモールド樹脂ケースの端子台部に制御端子の全周を包囲する絶縁隔壁を設けた従来例の構造を表す外形斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明によるパワー半導体モジュールの実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、図示実施例の図中で、図５，図６に対応する部材には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００２０】
図示実施例において、樹脂ケース５の短辺側の側縁に沿って形成した端子台部５ｂには、図７に示した半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４に対応するゲート，エミッタの制御端子８が図６の従来構造と同じ配列に設けられ、その両端の制御端子にはネジ座５ｃに通した固定ネジ９が対峙している。このような制御端子８の配列においては、図７の内部回路から判るように各制御端子に加わる電圧は次記のようになる。すなわち、半導体スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ４のゲート端子（Ｇ）とエミッタ端子（Ｅ）との間の動作電圧差は数十Ｖ程度であるが、スイッチング素子Ｔ４のゲート端子（Ｇ）と固定ネジ９（グランドフレーム電位）との間、およびＴ１のゲート端子（Ｇ）とこれに隣接するスイッチング素子Ｔ２のエミッタ端子（Ｅ）との間には電源の全電圧に相応した動作電圧（例えば、最大９００Ｖ）が加わり、またスイッチング素子Ｔ２のゲート端子（Ｇ）とスイッチング素子Ｔ３のエミッタ端子（Ｅ）との間、およびスイッチング素子Ｔ３のゲート端子（Ｇ）とこれに対峙する固定ネジ９との間には電源の１／２電圧に相応した動作電圧（例えば、最大４５０Ｖ）が加わる。
【００２１】
そこで、図示実施例では、制御端子８の各端子間に加わる前記電圧の分布を基に、端子台部５ｂの上面には図示のように絶縁隔壁５ｂ−２と５ｂ−３を起立形成して絶縁強化を図るようにしている。ここで、絶縁隔壁５ｂ−２は、スイッチング素子Ｔ４のゲート端子（Ｇ）とこれに高さ方向の段差空間を隔てて対峙する固定ネジ９との間に直交して介在するよう端子台部５ｂの端縁に沿って起立形成したリブ状の凸壁である。一方、絶縁隔壁５ｂ−３は、スイッチング素子Ｔ２のエミッタ端子（Ｅ），ゲート端子（Ｇ）をグループとして、その両隣に並ぶスイッチング素子Ｔ１のゲート端子（Ｇ）とスイッチング素子Ｔ３のエミッタ端子（Ｅ）との間に介在して起立するコ字形の壁（ケースの外周面側は開放）で形成されている。なお、端子台部５ｂの絶縁隔壁５ｂ−２と反対側の端部には絶縁隔壁は設けてない。これは、スイッチング素子Ｔ３のゲート端子（Ｇ）と固定ネジ９との間に加わる電圧が反対側の端部に並ぶ制御端子（スイッチング素子Ｔ４のゲート端子（Ｇ））の１／２になるので、この部位には絶縁隔壁を設けなくても必要な絶縁強度を確保できる。
【００２２】
また、図示実施例の構造では、前記絶縁隔壁５ｂ−２，５ｂ−３の追加と併せて、先記したＩＥＣ６００７７−１の規格に準拠した絶縁距離（空間距離，沿面距離）を確保するために、絶縁隔壁５ｂ−２の厚さ，高さは２．５mm以上、また絶縁隔壁５ｂ−３については厚さを２．５mm以上，高さを５mm以上とし、さらに各絶縁隔壁５ｂ−２，５ｂ−３とこれに隣接する制御端子８との間には２．５mm以上の間隔を設定している。この条件で、固定ネジ９とこれに隣接する高電位側の制御端子８であるスイッチング素子Ｔ４のゲート端子（Ｇ）との間には、図３（ｃ）の点線Ｌで表すように前記規格で規定された最小沿面距離を上回る１６mm以上の沿面距離が確保される。なお、図示実施例の構造では、樹脂ケース５の上面中央に形成した主回路端子７の端子台部５ａについても、各端子の相互間に形成した溝部５ａ−１の溝幅を２．５mm以上に設定するようにしている。
【００２３】
以上述べたように、ＩＧＢＴモジュール１の樹脂ケース５に形成した端子台部５ｂについて、固定ネジ／端子間，および制御端子のグループ相互間に絶縁隔壁５ｂ−２，５ｂ−３を追加した上で、その高さ，厚さ、および端子との間の間隔を上記のように設定することにより、小形，コンパクトなモジュール設計で鉄道車両用の国際規格ＩＥＣ６００７７−１に準拠した絶縁強度を確保することができる。また、制御端子８を配した端子台部５ｂの上面は、図８のように周壁で囲わずに樹脂ケース５の外周側に向けて開放しているので、表示スペースの制約を受けること無しに、端子記号を見やすい位置に刻印して表示できる。
【符号の説明】
【００２４】
１：ＩＧＢＴモジュール（パワー半導体モジュール）
５：モールド樹脂ケース
５ａ：主回路端子の端子台部
５ｂ：制御端子の端子台部
５ｂ−２，５ｂ−３：絶縁隔壁
５ｃ：ネジ座
６：金属ベース板
７：主回路端子
８：制御端子
９：固定ネジ
【図１】
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【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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