(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部より電力を入力する複数の入力ブスバーと、外部へ電力を出力する複数の出力ブスバーと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーに電気的に接続されると共に入力される電力を変換して出力する複数の半導体チップとを備え、前記半導体チップは半導体スイッチング素子を有しており、複数の前記入力ブスバーは、正極入力ブスバーと負極入力ブスバーとを有すると共に、並置して長く延びるように設け、複数の前記出力ブスバーは、並置して長く延びると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーの長手方向と交差するように設け、複数の前記半導体チップは、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとの交差する部分の間に挟持されるように電気的及び熱的に接続して配置すると共に、前記正極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、かつ前記負極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、さらに、共通する前記出力ブスバーに対しては極性の向きが異なるもので隣合うように接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーは直線状に長く延びると共に同一平面上に並置し、複数の前記出力ブスバーは、直線状に長く延びると共に同一平面に並置し、かつ前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーの長手方向とほぼ直交するように設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーはその長手方向における同じ側からラミネート状に形成した正極入力端子及び負極入力端子に接続し、複数の前記出力ブスバーはその長手方向における同じ側でかつ正極入力端子及び負極入力端子と異なる側からそれぞれの出力端子に接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置において、前記各半導体チップは半導体スイッチング素子及びこれに逆並列接続したダイオードを有するＭＯＳＦＥＴで構成し、前記出力ブスバーは３つで形成し、前記入力ブスバーと前記出力ブスバーとの間に前記半導体チップを３相ブリッジ回路を形成するように接続して入力される直流電力を３相交流電力に変換するように構成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
外部より電力を入力する複数の入力ブスバーと、外部へ電力を出力する複数の出力ブスバーと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーに電気的に接続されると共に入力される電力を変換して出力する複数の半導体チップキャリアとを備え、複数の前記入力ブスバーは、正極入力ブスバーと負極入力ブスバーとを有すると共に、並置して長く延びるように設け、複数の前記出力ブスバーは、並置して長く延びると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーの長手方向と交差するように設け、前記半導体チップキャリアは、半導体スイッチング素子を有する半導体チップと、前記半導体チップの両側の正極面及び負極面に電気的及び熱的に接続された金属部材とを有すると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとの交差する部分の間に挟持されるように電気的及び熱的に接続して配置すると共に、前記正極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、かつ前記負極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、さらには共通する前記出力ブスバーに対しては極性の向きが異なるもので隣合うように接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換装置において、前記金属部材は、前記半導体チップの線膨張係数に近い線膨張係数を有する低熱膨張金属材料で形成すると共に、前記半導体チップに接合部材を介して接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電力変換装置において、前記金属部材は線膨張係数が３から１０の範囲の低熱膨張金属材料で形成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項５に記載の電力変換装置において、前記半導体チップキャリアと前記入力ブスバーまたは出力ブスバーの突起部及び係合部を係合して両者の位置を確定する位置決め機構を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項５に記載の電力変換装置において、前記金属部材は、前記半導体チップの投影面積より大きい面積にすると共に、厚さを１〜２ｍｍ程度に薄く形成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
外部より電力を入力する複数の入力ブスバーと、外部へ電力を出力する複数の出力ブスバーと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーに電気的に接続されると共に入力される電力を変換して出力する複数の半導体チップキャリアと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーを前記半導体チップキャリアに加圧する加圧機構とを備え、複数の前記入力ブスバーは、正極入力ブスバーと負極入力ブスバーとを有すると共に、並置して長く延びるように設け、複数の前記出力ブスバーは、並置して長く延びると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーの長手方向と交差するように設け、前記半導体チップキャリアは、半導体スイッチング素子を有する半導体チップと、前記半導体チップの両側の正極面及び負極面に接続用半田を介して電気的及び熱的に接続された低熱膨張金属部材とを有すると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとの交差する部分の間に挟持されるように電気的及び熱的に接続して配置すると共に、前記正極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、かつ前記負極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、さらには共通する前記出力ブスバーに対しては極性の向きが異なるもので隣合うように接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電力変換装置において、前記入力ブスバーの幅と厚さの比を５〜２０の範囲に設定したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
外部より電力を入力する複数の入力ブスバーと、外部へ電力を出力する複数の出力ブスバーと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーに電気的に接続されると共に入力される電力を変換して出力する複数の半導体チップキャリアと、前記半導体チップキャリアを内蔵するケースと、前記入力ブスバーまたは出力ブスバーを冷却する冷却器とを備え、複数の前記入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとは交差するように設け、前記半導体チップキャリアは、半導体スイッチング素子を有する半導体チップと、前記半導体チップの両側の正極面及び負極面に電気的及び熱的に接続された金属部材とを有すると共に、複数の前記入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとの交差する部分の間に挟持されるように電気的及び熱的に接続して配置すると共に、前記正極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、かつ前記負極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、さらには共通する前記出力ブスバーに対しては極性の向きが異なるもので隣合うように接続し、前記ケースは、全体を合成樹脂で形成し、その合成樹脂成形時に、前記入力ブスバーまたは前記出力ブスバーの側面を一体にモールドして反半導体チップキャリア側の面を外部に露出し、前記冷却器は、前記ケースの外部に配置すると共に、前記入力ブスバーまたは前記出力ブスバーが露出する反半導体チップキャリア側の面に電気絶縁層を介して熱的に接続したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電力変換装置において、前記ケースに一体に形成された前記入力ブスバーまたは前記出力ブスバーにその反対側の前記出力ブスバーまたは前記入力ブスバーを加圧する加圧機構を設けたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１４】
バッテリより直流電力を入力する複数の入力ブスバーと、自動車駆動用回転電機へ交流電力を出力する複数の出力ブスバーと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーに電気的に接続されると共に入力される直流電力を３相交流電力に変換して出力する複数の半導体チップキャリアと、前記半導体チップキャリアを内蔵するケースと、前記入力ブスバーまたは出力ブスバーを冷却する冷却器と、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーを前記半導体チップキャリアに加圧する加圧機構とを備え、複数の前記入力ブスバーは、正極入力ブスバーと負極入力ブスバーとを有するものであり、複数の前記出力ブスバーは、３つで形成すると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーと交差するように設け、前記半導体チップキャリアは、半導体スイッチング素子及びこれに逆並列接続したダイオードをＭＯＳＦＥＴで形成した半導体チップと、前記半導体チップの両側の正極面及び負極面に電気的及び熱的に接続された金属部材とを有すると共に、複数の前記入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとの交差する部分の間に挟持されるように電気的及び熱的に接続して配置すると共に、前記正極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、かつ前記負極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続すると共に、さらには共通する前記出力ブスバーに対しては極性の向きが異なるもので隣合うように接続して、３相ブリッジ回路を形成し、前記ケースは、合成樹脂で形成し、その合成樹脂成形時に、前記入力ブスバーまたは前記出力ブスバーを一体に形成すると共に、反半導体チップキャリア面を外部に露出するように形成し、前記冷却器は、前記ケースの外部に配置すると共に、前記入力ブスバーまたは前記出力ブスバーが露出する反半導体チップキャリア側の面に電気絶縁層を介して熱的に接続し、前記加圧機構は、前記ケースに一体に形成された前記入力ブスバーまたは前記出力ブスバーにその反対側の前記出力ブスバーまたは前記入力ブスバーを加圧するように設けたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置などの電力変換装置に係り、特に高信頼性が要求される自動車用モータ駆動装置に用いられる電力変換装置に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術１のインバータ装置としては、特開平１１−３４６４８０号公報の第３の実施形態に示されているように、直流電源及びコンデンサより直流電力を入力する２つの給電ブスバーと、モータへ３相交流電力を出力する複数の出力ブスバーと、給電ブスバー及び出力ブスバーに電気的に接続されて入力される直流電力を３相交流電力に変換して出力する複数の半導体スイッチングモジュールと、半導体スイッチングモジュール、給電ブスバー及び出力ブスバーを設置するヒートシンクとを備えたものがある。
【０００３】
この従来技術１のインバータ装置をさらに具体的に説明する。複数の給電ブスバーは＋給電ブスバーと−給電ブスバーとからなっている。複数の出力ブスバーは３相を形成するように３つからなっている。半導体スイッチングモジュールは、ＩＧＢＴ及び逆並列ダイオードを接続した３つの並列回路からなり、３相インバータの各アームを形成している。３相ブリッジの１相は２つのアームで形成され、この２つのアームを構成する半導体スイッチングモジュールは、ヒートシンク上に絶縁基板、共通電極パターン及び高温半田を介して設置され、左右に並置されている。この並置された半導体スイッチングモジュールの周囲に位置するように出力ブスバー及び＋給電ブスバーが絶縁板を介してヒートシンク上に接合して設置されている。さらには、出力ブスバーの上に−給電ブスバーが絶縁板を介して接合して設置されている。また、−給電ブスバーは並置された半導体スイッチングモジュールの中間に位置して配置されている。そして、出力バスバーまたは給電バスバーと半導体スイッチングモジュールとの間は、ワイヤボンディングにより接続されている。
【０００４】
なお、この従来技術１のインバータ装置は、インバータ主回路の半導体スイッチングモジュール及びブスバーをヒートシンクの表面に接合して取り付け、このヒートシンクの裏側に形成した冷却水路で冷却することにより、電気自動車のインバータ装置の小型化と長寿命化をはかるものである。
【０００５】
また、従来技術２の半導体スイッチング素子を有する半導体装置としては、特開２０００−４９２８１号公報に示されているように、一表面に正極電極が形成され且つ他表面に負極電極が形成された一対の半導体スイッチング素子と、この一対の半導体スイッチング素子の相互の向きを変えて実装され且つ一方の半導体スイッチング素子の正極電極と他方の半導体スイッチング素子の負極電極とが半田接合される共通のランドを有している配線基板と、一方の半導体スイッチング素子の負極電極及び他方の半導体スイッチング素子の正極電極に半田接合され且つ共通ランドの上方に位置して共通ランドの延びる方向と平行に延びる配線とを備えたものがある。
【０００６】
なお、この従来技術２の半導体装置は、基板に対して垂直成分を有するＬ字状配線をなくし、基板に対する垂直方向の配線によるインダクタンスや配線抵抗の増加を防止すると共に、半導体スイッチング素子の間隔をつめてパッケージの大きさを小さくしようとするものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術１では、並置された半導体スイッチングモジュールの周囲に位置するように出力ブスバー及び＋給電ブスバーが設置されると共に、並置された半導体スイッチングモジュールの中間に−給電ブスバーが配置されているので、半導体装置の全体の平面スペースが半導体スイッチングモジュール、出力ブスバー、＋給電ブスバー及び−給電ブスバーの各平面面積の合計以上となり、極めて大きな平面スペースを必要とするものであった。このことは、特に据付けスペースが極めて限られたものとなる自動車用電力変換装置に用いる場合に問題である。
【０００８】
また、従来技術１では、並置された半導体スイッチングモジュールとその周囲または中間に配置された出力バスバーまたは給電バスバーとの間をワイヤボンディングにより接続するようにしているので、配線全体が複雑なものとなり、回路インダクタンス及び配線抵抗が大きくなるという問題がある。
【０００９】
さらには、従来技術１では、半導体スイッチングモジュールの一側のヒートシンクから放熱するものであるため、この一側のヒートシンクの放熱量で半導体スイッチングモジュール全体を冷却する必要があり、確実に放熱できないという問題がある。しかも、半導体スイッチングモジュールは半田のみを介して共通電極に設置されているので、半導体スイッチングモジュールと電極とは一般に線膨張係数が大きく異なるものであり、半導体スイッチングモジュールの断続動作による熱サイクルで半田が大きな熱疲労を受けるという問題がある。
【００１０】
一方、従来技術２では、インバータ装置の全体を小型化する具体的構成は記載されておらず、半導体スイッチング素子とランドまたは配線とは半田のみを介して接合されているので、半導体スイッチング素子の断続動作による熱サイクルで半田が大きな熱疲労を受けるという問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、全体をコンパクトなものとして回路インダクタンス及び配線抵抗の低減を図り、据付け性が良好で信頼性及び電力変換効率が高い電力変換装置を得ることにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、全体をコンパクトなものとして回路インダクタンス及び配線抵抗の低減を図ると共に、熱サイクルに対する熱疲労の緩和を図り、据付け性が良好で信頼性及び電力変換効率が高い電力変換装置を得ることにある。
【００１３】
本発明の別の目的は、全体をコンパクトなものとして回路インダクタンス及び配線抵抗の低減を図ると共に、半導体チップの電極面の経時劣化の防止を図り、据付け性が良好で信頼性及び電力変換効率が高い電力変換装置を得ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第１の特徴は、外部より電力を入力する複数の入力ブスバーと、外部へ電力を出力する複数の出力ブスバーと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーに電気的に接続されると共に入力される電力を変換して出力する複数の半導体チップとを備え、前記半導体チップは半導体スイッチング素子を有しており、複数の前記入力ブスバーは、正極入力ブスバーと負極入力ブスバーとを有すると共に、並置して長く延びるように設け、複数の前記出力ブスバーは、並置して長く延びると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーの長手方向と交差するように設け、複数の前記半導体チップは、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとの交差する部分の間に挟持されるように電気的及び熱的に接続して配置すると共に、前記正極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、かつ前記負極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、さらに、共通する前記出力ブスバーに対しては極性の向きが異なるもので隣合うように接続したことにある。
【００１５】
特に好ましくは、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーは直線状に長く延びると共に同一平面上に並置し、複数の前記出力ブスバーは、直線状に長く延びると共に同一平面に並置し、かつ前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーの長手方向とほぼ直交するように設けたことにある。
【００１６】
また、特に好ましくは、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーはその長手方向における同じ側からラミネート状に形成した正極入力端子及び負極入力端子に接続し、複数の前記出力ブスバーはその長手方向における同じ側でかつ正極入力端子及び負極入力端子と異なる側からそれぞれの出力端子に接続したことにある。
【００１７】
また、特に好ましくは、前記各半導体チップは半導体スイッチング素子及びこれに逆並列接続したダイオードを有するＭＯＳＦＥＴで構成し、前記出力ブスバーは３つで形成し、前記入力ブスバーと前記出力ブスバーとの間に前記半導体チップを３相ブリッジ回路を形成するように接続して入力される直流電力を３相交流電力に変換するように構成したことにある。
【００１８】
本発明の第２の特徴は、外部より電力を入力する複数の入力ブスバーと、外部へ電力を出力する複数の出力ブスバーと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーに電気的に接続されると共に入力される電力を変換して出力する複数の半導体チップキャリアとを備え、複数の前記入力ブスバーは、正極入力ブスバーと負極入力ブスバーとを有すると共に、並置して長く延びるように設け、複数の前記出力ブスバーは、並置して長く延びると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーの長手方向と交差するように設け、前記半導体チップキャリアは、半導体スイッチング素子を有する半導体チップと、前記半導体チップの両側の正極面及び負極面に電気的及び熱的に接続された金属部材とを有すると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとの交差する部分の間に挟持されるように電気的及び熱的に接続して配置すると共に、前記正極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、かつ前記負極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、さらには共通する前記出力ブスバーに対しては極性の向きが異なるもので隣合うように接続したことにある。
【００１９】
特に好ましくは、前記金属部材は、前記半導体チップの線膨張係数に近い線膨張係数を有する低熱膨張金属材料で形成すると共に、前記半導体チップに接続用半田を介して接続したことにある。
【００２０】
また、特に好ましくは、前記金属部材は線膨張係数が３から１０の範囲の低熱膨張金属材料で形成したことにある。
【００２１】
また、特に好ましくは、前記半導体チップキャリアと前記入力ブスバーまたは出力ブスバーの突起部及び係合部を係合して両者の位置を確定する位置決め機構を設けたことにある。
【００２２】
また、特に好ましくは、前記金属部材は、前記半導体チップの投影面積より大きい面積にすると共に、厚さを１〜２ｍｍ程度に薄く形成したことにある。
【００２３】
本発明の第３の特徴は、外部より電力を入力する複数の入力ブスバーと、外部へ電力を出力する複数の出力ブスバーと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーに電気的に接続されると共に入力される電力を変換して出力する複数の半導体チップキャリアと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーを前記半導体チップキャリアに加圧する加圧機構とを備え、複数の前記入力ブスバーは、正極入力ブスバーと負極入力ブスバーとを有すると共に、並置して長く延びるように設け、複数の前記出力ブスバーは、並置して長く延びると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーの長手方向と交差するように設け、前記半導体チップキャリアは、半導体スイッチング素子を有する半導体チップと、前記半導体チップの両側の正極面及び負極面に接続用半田を介して電気的及び熱的に接続された低熱膨張金属部材とを有すると共に、前記正極入力ブスバー及び前記負極入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとの交差する部分の間に挟持されるように電気的及び熱的に接続して配置すると共に、前記正極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、かつ前記負極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、さらには共通する前記出力ブスバーに対しては極性の向きが異なるもので隣合うように接続したことにある。
【００２４】
特に好ましくは、前記入力ブスバーの幅と厚さの比を５〜２０の範囲に設定したことにある。
【００２５】
本発明の第４の特徴は、外部より電力を入力する複数の入力ブスバーと、外部へ電力を出力する複数の出力ブスバーと、前記入力ブスバー及び前記出力ブスバーに電気的に接続されると共に入力される電力を変換して出力する複数の半導体チップキャリアと、前記半導体チップキャリアを内蔵するケースと、前記入力ブスバーまたは出力ブスバーを冷却する冷却器とを備え、複数の前記入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとは交差するように設け、前記半導体チップキャリアは、半導体スイッチング素子を有する半導体チップと、前記半導体チップの両側の正極面及び負極面に電気的及び熱的に接続された金属部材とを有すると共に、複数の前記入力ブスバーと複数の前記出力ブスバーとの交差する部分の間に挟持されるように電気的及び熱的に接続して配置すると共に、前記正極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、かつ前記負極入力ブスバーに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、さらには共通する前記出力ブスバーに対しては極性の向きが異なるもので隣合うように接続し、前記ケースは、全体を合成樹脂で形成し、その合成樹脂成形時に、前記入力ブスバーまたは前記出力ブスバーの側面を一体にモールドして反半導体チップキャリア側の面を外部に露出し、前記冷却器は、前記ケースの外部に配置すると共に、前記入力ブスバーまたは前記出力ブスバーが露出する反半導体チップキャリア側の面に電気絶縁層を介して熱的に接続したことにある。
【００２６】
特に好ましくは、前記ケースに一体に形成された前記入力ブスバーまたは前記出力ブスバーにその反対側の前記出力ブスバーまたは前記入力ブスバーを加圧する加圧機構を設けたことにある。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図を用いて説明する。なお、第２実施形態以降の実施形態においては第１実施形態と共通する構成を一部省略すると共に、重複する説明を省略する。各実施形態の図における同一符号は同一物又は相当物を示す。
【００２８】
まず、本発明の各実施形態の電力変換装置を適用する自動車用電動機の駆動システムの電力変換装置を図２３を参照して説明する。図２３は本発明の各実施形態の電力変換装置を適用する自動車用電動機の駆動システムの電力変換装置の回路図である。
【００２９】
本実施形態の電力変換装置は、バッテリー３０３からの直流電流を、インバータ回路３０６を介して可変電圧可変周波数の交流電流に変換して３相交流回転電機３０５を制御するものである。本実施形態におけるバッテリー電圧は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）で構成される半導体チップ１の耐圧が最大１００Ｖ程度であることを考慮して、従来の自動車に一般に用いられる１４Ｖバッテリーを３つ直列に接続した４２Ｖ程度の電圧に設定されている。
【００３０】
インバータ回路３０６の直流側には、バッテリー３０３からの直流電流のリップル成分を除去するためのフィルタコンデンサ３０２が接続されている。また、インバータ回路３０６の主回路は、３相交流のうち１相分の出力を発生する３組の回路３０１ｕ、３０１ｖ、３０１ｗが、直流入力に対し並列に接続されて構成される。なお、図では符号の後に添え字ｕ、ｖ、ｗを３相を区別するために用いているが、説明において共通的または一つを代表的に用いる時は添え字ｕ、ｖ、ｗを省略する場合がある。１相分の回路３０１は、基準電位に対してプラス側の出力を発生する正極半導体チップ１ｐとマイナス側の出力を発生する負極半導体チップ１ｎとが１組として直列に接続されて構成され、入力された直流を正・負・中性の３つのレベルを有するパルスに変換して出力するようになっている。なお、図では符号の後に添え字ｐ、ｎを正極、負極を区別するために用いているが、説明において共通的または一つを代表的に用いる時は添え字ｐ、ｎを省略する場合がある。上述した３組の回路３０１ｕ、３０１ｖ、３０１ｗによってインバータ回路３０６からＰＷＭ変調された可変電圧可変周波数の３相交流が出力される。
【００３１】
回転電機３０５は自動車用電動機として用いられるものである。この回転電機３０５が電動機として動作する時は、可変電圧可変周波数の３相交流を入力することによって、その回転が制御されて動力を発生する。なお、回転電機３０５が発電機として動作するように用いることも可能であり、その回生時は上記動作とは反対に発電エネルギーがバッテリ３０３に流れてバッテリ３０３に蓄電される。
【００３２】
以上説明した電力変換装置において、主たる発熱性の電気部品は半導体チップ１であるが、半導体チップ１の耐熱温度を越えないように放熱手段を用いて半導体チップ１の温度上昇を防ぐことが必要がある。また、半導体チップ１を実装するインバータモジュールの熱抵抗が全体熱抵抗に対して大きな割合を占める。そのため、半導体チップを実装するインバータモジュールの構造は、低熱抵抗化されたものであることが要請される。
【００３３】
また、自動車に使用される電力変換装置は、例えばエンジン発生トルクを回転電機３０５で短時間の間補助するように電力供給したり、エンジン自身の始動時に回転電機３０５で駆動するように電力供給したりする場合に用いるなど、短時間に大電流を流す用途で頻繁に電力供給することが多い。そのため電力変換装置、特に発熱する半導体チップ１は非常に過酷な熱サイクルを受けることになる。そのために、長期に渡って継続的に被る熱サイクルによるインバータモジュールの熱疲労破壊を防ぐことが必要である。そのため、モジュール構造は、熱サイクルに強いものであることが要請される。
【００３４】
また、半導体チップ１の耐圧は、一般に１００Ｖ程度であり、バッテリー電圧を本実施形態のように４２Ｖ程度に設定すると、そのバッテリー電圧の２倍程度の耐圧に過ぎないものになってしまう。このような使用条件では、回路インダクタンスが大きいと、スイッチング時の電圧の跳ね上がりが大きくなって半導体チップ１を破壊するおそれがある。そのため、インバータモジュール構造は、回路インダクタンスを低く抑えることが要請される。
【００３５】
本発明は上述したこれらの要請に応じ得るものである。
【００３６】
次に、本発明の電力変換装置の第１実施形態を図１乃至図７を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図、図３は図１におけるＢ−Ｂ断面図、図４は図２に示したチップキャリアの積層方向に垂直な断面図、図５は図４におけるＣ−Ｃ断面図、図６は同電力変換装置において主回路配線およびチップキャリアの部分のみを抽出した構成図、図７は同電力変換装置の周辺機器までを示した構成図である。
【００３７】
最初に、チップキャリア１１の構成について図４及び図５を用いて説明する。チップキャリア１１は、半導体チップ１と、その両側の電極面に接合部材（例えば半田等）２ｓ、２ｄを介して接合された低熱膨張金属部材３ｓ、３ｄとを有して構成されている。図４では、半導体チップ１の上面がソース側電極面であり、下面がドレイン側電極面である。なお、図中では、ソース側に位置する部材には符号の後ろにｓの添え字を付け、ドレイン側に位置する部材には符号の後ろにｄの添え字を付けているが、説明において共通的または一つを代表的に用いる時は添え字ｓ、ｄを省略する場合がある。ここで、低熱膨張金属とは、半導体チップ１の材料として用いられるシリコンの線膨張係数（約３）と同じ程度に小さい金属という意味であり、例えば線膨張係数が５程度のモリブデンや線膨張係数が１０程度の酸化銅合金などが用いられる。
【００３８】
半導体チップ１のソース側電極面に関して、この電極面からは主回路電流以外にも複数の制御電極およびセンサ電極を取り出す必要があることなどから、ソース電極面には、配線と接合可能な領域が前面よりその分だけ小さくなっている。さらに、制御電極から信号を引き出すための制御端子４は、例えば半田等の接合部材２ｇを介して電気的に半導体チップ１の制御電極と接続される。
【００３９】
これに対し、半導体チップ１のドレイン側電極面は、全面が主回路電流の流れる面となるため、全面が接合部材（例えば半田、銀ペースト等）２ｄを介して低熱膨張金属部材３ｄと接続される。
【００４０】
低熱膨張金属部材３は、半導体チップ１から発生した熱を平面方向に拡散するために、半導体チップ１の投影面積よりも大きい面積となるような寸法で構成されることが望ましい。また厚さについては、厚すぎると熱拡散板の効果以上に垂直方向の熱抵抗成分が大きくなることや、低熱膨張金属部材３は一般に高価な部材であること等を考慮して１〜２ｍｍ程度の厚さに設定されることが好ましい。
【００４１】
次に、図１から図３および図６、図７を用いて、チップキャリア１１および入出力配線板を構成するブスバーとのレイアウトを含むインバータモジュールの構造を説明する。
【００４２】
まず、二つの入力ブスバー１４ｐ、１４ｎは、その長手方向が互いに沿う形で並行して配置されている。なお、図では符号の後に添え字ｐ、ｎを正極、負極を区別するために用いているが、説明において共通的または一つを代表的に用いる時は添え字ｐ、ｎを省略する場合がある。これら入力ブスバー１４の材料としては銅やアルミが用いられる。
【００４３】
そして、正極入力ブスバー１４ｐのチップキャリア１１と接触しない面側は、冷却器を構成する金属製のヒートシンク１０３（図７参照）に取り付ける冷却面として、ケース２０の下面から露出するように配置されている。ケース２０は樹脂等でモールド成形され、正極入力ブスバー１４ｐ及び負極入力ブスバー１４ｎはこのケース２０と一体にモールドされることでケース２０に固定されている。正極入力ブスバー１４ｐ及び負極入力ブスバー１４ｎの冷却面側は、金属製のヒートシンク１０３と接触するために、電気的絶縁を確保するための例えばエポキシ等を主成分とする樹脂あるいはセラミック粉末体による絶縁層１５が形成されている。また、正極入力ブスバー１４ｐ及び負極入力ブスバー１４ｎは、ケース２０と一体にモールドされているが、冷却器１０３に絶縁層１５を介して接触する冷却面のみならずチップキャリア１１に接触する上面がケース２０から露出する構造となっている。なお、ヒートシンク１０３はモジュールケース２０に形成された取付け用穴２５および図示しないボルトを用いて正極入力ブスバー１４ｐ及び負極入力ブスバー１４ｎの冷却面側に接触するように取付けられている。この際、正極入力ブスバー１４ｐ及び負極入力ブスバー１４ｎの冷却面側の絶縁層１５とヒートシンク１０３との接触熱抵抗を低減する目的で、この間隙には熱伝導グリース１０２が挿入されている。
【００４４】
正極入力ブスバー１４ｐの上には、３つのチップキャリア１１が、そのドレイン側が正極入力ブスバー１４ｐと接触して電気的に接続するように、かつ長手方向に並べられて配置されている。一方、負極入力ブスバー１４ｎの上には、同様に３つのチップキャリア１１が、そのソース側が負極入力ブスバー１４ｎと接触して電気的に接続するように、かつ長手方向に並べられて配置されている。
【００４５】
さらに、正極入力ブスバー１４ｐ上の１つのチップキャリア１１と、負極入力ブスバー１４ｎ上の１つのチップキャリア１１とにまたがってその上面に電気的に接続されて出力ブスバー１８が配置されている。出力ブスバー１８は入力ブスバー１４に対して互いの長手方向がほぼ直交するように配置されている。このようなチップキャリア１１の組み合わせは計３組あり、それぞれに対で出力ブスバー１８がチップキャリア１１の上面に配置されている。
【００４６】
上述したチップキャリア１１、入力ブスバー１４及び出力ブスバー１８の積層構造に対し、図２で明らかなように、出力ブスバー１８の上面には、さらに加圧体２４が積層されている。これらの積層構造は、加圧体２４の中央部に穴を有し、この穴に上方から締結手段（例えばネジ等）２１を通し、入力ブスバー１４を一体にモールドしたケース２０の内部に設けられるメネジ部２２に締結手段２１を結合することにより構成されている。これにより、チップキャリア１１は、入力ブスバー１４および出力ブスバー１８で圧接加圧され、入力ブスバー１４および出力ブスバー１８との電気的及び熱的接続が確保される。出力ブスバー１８と加圧体２４の間には、電気絶縁を確保するための絶縁層１９と、ネジ２１等の緩みによる加圧力の急激な低下を避ける目的で、例えば皿バネ等の弾性体２３とが挿入されている。
【００４７】
入力ブスバー１４ｐ、１４ｎは、図１で明らかなように、接続用配線部材１３ｐ、１３ｎを介してケース２０に一体成形された正負極入力端子１２ｐ、１２ｎに接続されている。ここで、正負極入力端子１２ｐ、１２ｎは、インダクタンスを低減する目的で、双方の配線面を絶縁が確保できる程度近接した、いわゆるラミネート構造としている。なお、この入力ブスバー１４の形状によっては配線部材１３を省略し、入力端子１２を一体物として構成することも可能である。出力ブスバー１８ｕ、１８ｖ、１８ｗは、接続用配線部材１７ｕ、１７ｖ、１７ｗを介してケース２０に一体成形された出力端子１６ｕ、１６ｖ、１６ｗに接続されている。
【００４８】
各チップキャリア１１から引き出される制御端子４は、ケース２０上に配置された制御配線体２６に接続され、さらにこの配線体２６上に形成された制御端子ピン２７によりモジュール上面に制御信号が取り出される。モジュール上面には制御基板１０４（図７参照）がモジュールに近接して配置され、制御端子ピン２７が接続されている。
【００４９】
次に、上述した本実施形態の構成における作用効果を説明する。
【００５０】
まず、回路インダクタンスの観点から見た作用効果を説明する。
【００５１】
本実施形態において正負極の直流電源から３相交流を引き出すインバータ回路としては、最も簡素な構造を採用している。即ち、正負極入力ブスバー１４ｐ、１４ｎに搭載するチップキャリア１１の極性を異ならせ、これに交流出力ブスバー１８を電気的に接続することで、インバータ回路の１相分を構成している。さらに、この出力ブスバー１８の長手方向を入力ブスバーの長手方向、即ち、チップキャリア１１を並べる方向に対してほぼ直交するように配置することで、３相分の出力ブスバー１８が最もコンパクトな形で配置されている。この配置は、インバータモジュールの小型化に寄与することはもちろんのこと、チップキャリア１１が全て同一極性で実装された場合に必然的に生じる入力配線に対して垂直に横切る電流成分が、チップキャリア１１の部分を除いてまったく無いことから、回路全体の低インダクタンス化が可能となり、素子耐圧を回路上の要請以上に上げる必要がなくなる。また、半導体素子の抵抗を必要以上に大きくすることがないため、インバータ回路の基本性能である電力変換効率の向上を可能とする。
【００５２】
次に、モジュール構造の信頼性の観点から見た作用効果を説明する。
【００５３】
本実装構造では、半導体チップ１に線膨張係数が近い低熱膨張金属部材３を接合してチップキャリア１１を形成している。これにより、熱サイクルによる半田接合部の熱疲労破壊を防止することができる。
【００５４】
また、出力ブスバー１８の構成材料としては、電気伝導性やコストの観点から、銅やアルミといった半導体チップ１及び低熱膨張金属部材３と比較して線膨張係数の大きい（約２０程度）金属材料を用いることが一般的であり、この場合に、出力ブスバー１８をチップキャリア１１の低熱膨張金属部材３面に圧接する構造としているので、半導体チップ１及び低熱膨張金属微罪３と出力ブスバー１８との線膨張係数の不一致により生じる接合部の疲労破壊を防止することができる。この圧接構造においては、接触面に例えば銀のように柔らかい金属のメッキ層を施したり、あるいは柔らかい金属箔を挿入することで特に接触熱抵抗の低減を図ることが好ましい。以上示した部分接合・部分圧接構造が電気配線であるブスバー１８を加圧部材に利用して構成されることで、低インダクタンス化と耐熱性が両立する構造を実現している。
【００５５】
さらには、インバータモジュールの気密性については、基本的には最も汚損環境に弱い半導体チップ１の両面の電極面に低熱膨張金属部材３を接合して電極面を覆うようにした接合構造をとっているので、半導体チップ１電極部の経時劣化を防止することができる。これにより、従来の圧接構造モジュールで必須であった完全密閉構造を採用する必要がないことから、インバータモジュール構造がより簡素化し、その結果、低コスト化が可能となる。本実施形態では接合構造のインバータモジュールで通常よく用いられるゲルやレジンといった封止材をインバータモジュール内部に充填したり、チップキャリア１１の半田接合部以外の露出面に充填材を塗布することで、充分な防曝構造とすることが可能である。
【００５６】
次に、インバータモジュール構造の冷却性の観点から見た作用効果を説明する。本実装構造は冷却面が１面の片面冷却構造となっているが、通電時間が短時間の場合には低熱膨張金属部材３及び出力ブスバー１８が熱溜めの機能を果たし、過渡熱抵抗が通常の片面冷却構造と比較して小さくすることができるという特徴がある。その特徴を具体的に示す例として、出力ブスバー１８に厚さ２ｍｍ、巾１５ｍｍの銅製ブスバーを用いた場合の半導体チップ温度Ｔｊおよびヒートシンク表面温度Ｔｆの過渡温度上昇の計算結果を、定常時のチップ温度で規格化した値で示す。本計算によると、非冷却面の上面に出力ブスバー１８が無い場合に対して、出力ブスバー１８が有る場合の半導体チップ１および冷却器１０３の過渡温度上昇は、発熱開始から１０秒間の間、約２０％小さい値を示すことがわかる。この特徴は、短時間定格で使用されることの多い、例えば自動車用電装品や回転電機の制御に用いる際、特に有効に作用するものである。また、本実施形態では冷却面として２つの入力ブスバー１４ｐ、１４ｎを用いているが、これは３つ出力ブスバー１８を冷却面として全体巾を固定した際のブスバー巾より広く確保可能であり、その結果、熱抵抗がより低減可能であることによるものである。
【００５７】
また、本実装構造では、チップキャリア１１と入力ブスバー１４の間に接触熱抵抗が存在するが、半導体チップ１の加圧限界内の加圧力で、厚さ０．１ｍｍ程度の半田層に相当する程度までこの接触熱抵抗を低減できる。
【００５８】
上述した通り、入力ブスバー１４の寸法は冷却性能に大きな影響を及ぼす一方、回路インダクタンスにも大きな影響を及ぼすため、入力ブスバー１４の寸法は最適化設計をする必要がある。図９に入力ブスバー巾を一定値に固定した場合の、入力ブスバー巾と入力ブスバー厚さの比をパラメータにして熱抵抗とインダクタンスを計算した結果を示す。グラフの縦軸は、それぞれの値の設計許容値で規格化した相対値で示している。これによると、入力ブスバー厚さを小さくしていくとインダクタンスは低減していくが、熱抵抗は入力ブスバーの熱拡散板としての機能が低下し、増加していく傾向にある。逆に入力ブスバー厚さを大きくしていくとインダクタンスが増加していく。これらの傾向を考慮すると、ブスバー寸法比の適正範囲は、入力ブスバー巾と入力ブスバー厚さの比が５〜２０程度の範囲にあることがより好ましいことがわかる。
【００５９】
なお、本実施形態ではＭＯＳＦＥＴを用いた場合について説明したが、当然ながら、ＩＧＢＴを始めとした他の半導体スイッチング素子を用いた場合でもここまでに示した同様な効果が得られる。さらにはＳｉＣを材料とした半導体スイッチング素子に適用した場合には、ＳｉＣの大きな特徴である高温動作を可能とする耐熱構造を実現していることから、より半導体チップ１ひいては冷却器の小型化１０３が図れるものである。
【００６０】
次に、図１０を用いて、本発明の電力変換装置の第２実施形態を説明する。図１０は本発明の第２実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【００６１】
本実施形態は、例えば皿バネ等の弾性体２３をボルト２１と出力ブスバー１８の間に介在させたものである。これにより第１実施形態で必要であった加圧体２４の代用として出力ブスバー１８自身が加圧体を兼ねる構造にできることから、より簡素化した圧接構造を実現するすることができる。
【００６２】
次に、図１１を用いて、本発明の電力変換装置の第３実施形態を説明する。図１１は本発明の第３実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【００６３】
本実施形態は、第２実施形態における弾性体２３を削除し、出力ブスバー１８自身が弾性体と加圧体および出力ブスバーを兼ねる構造にしたものであり、より簡素化した圧接構造を実現することができる。この際には出力ブスバー１８のたわみを利用することから、チップキャリア１１と出力ブスバー１８との接触面の間にはたわみによる２平面の平行度の変化を考慮した平面仕上げを行なうことが好ましい。また同様な理由で、出力ブスバー１８と出力端子１６との電気接続には、例えばアルミワイヤや銅箔体といった柔軟な構造の接続配線１７を用いることが好ましい。
【００６４】
次に、図１２を用いて、本発明の電力変換装置の第４実施形態を説明する。図１２は本発明の第４実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【００６５】
本実施形態は、第１実施形態において、加圧体としてケースカバー２８を用いてチップキャリア１１を加圧する構造とし、ケース２０およびケースカバー２８間を締結手段（例えばボルト等）２１によって固定したものである。本構造により、加圧に必要な締結手段がインバータモジュール内部への汚損を防ぐためのシール手段と共有できることから、さらに対環境性に優れたインバータモジュールが実現できる。また、１つのケースカバー２８で３つの出力ブスバー１８を加圧できるので、加圧機構を簡素化することが可能となる。
【００６６】
次に、図１３を用いて、本発明の電力変換装置の第５実施形態を説明する。図１３は本発明の第５実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【００６７】
本実施形態では、各出力ブスバー１８を加圧する加圧体２４を１つとし、さらに材質を金属性にしたものである。これにより、この加圧体２４は６つのチップキャリア１１全体を覆う金属板となることから、半導体チップ１のスイッチング時に発生する電磁波をシールドし、インバータモジュール近傍に配置される制御基板１０４（図７参照）等の誤動作を防止する役割を果たすことができる。
【００６８】
次に、図１４から図１６を用いて、本発明の電力変換装置の第６実施形態を説明する。図１４は本発明の第６実施形態の電力変換装置のチップキャリアの構造を示す断面図である。図１５は図１４におけるＤ方向から見た構成図である。図１６は図１４にブスバーを組み合わせた断面図である。
【００６９】
本実施形態は、インバータモジュールの製造時にチップキャリア１１の位置決めを精度良く行なうための位置決め機構を設けたものである。チップキャリア１１の接触面上に２つ以上の突起部５を設け、ブスバー１４、１８側にはこれに対応する係合部（例えば孔等）６を設けている。これにより製造時に入力ブスバー１４上に精度良くチップキャリア１１を配置し、さらに出力ブスバー１８をチップキャリア１１上に組み合わせることができる。この位置決め機構はチップキャリア１１の両面で、それぞれ異なる仕様にすることが望ましい。具体的には誤ってチップキャリア１１の極性を反転させようとしても実装できないように、あるいは誤りが容易に検出できるように２つの突起間の距離や寸法を両面で異ならせておくことが望ましい。
【００７０】
次に、図１７及び図１８を用いて、本発明の電力変換装置の第７実施形態を説明する。図１７は本発明の第７実施形態の電力変換装置のチップキャリア部の構造を示す断面図である。図１８は図１７におけるＥ−Ｅ断面図である。
【００７１】
本実施形態では、チップキャリア１１と出力ブスバー１８との間に加圧ガイド７を挿入して、チップキャリア１１と入力ブスバー１８接触面に生じる加圧力に対して、半導体チップ１にかかる加圧力を小さくするようにしたものである。これにより半導体チップ１の加圧限界以上にチップキャリア１１とブスバー１８との加圧力を大きくすることができるため、接触熱抵抗および接触電気抵抗が低減できる。
【００７２】
次に、図１９を用いて、本発明の電力変換装置の第８実施形態を説明する。図１９は本発明の第８実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【００７３】
本実施形態では、入力ブスバー１４の冷却面に絶縁層を設けず、代わりに入力ブスバー１４と分離可能な絶縁シート１０５をヒートシンク１０３との間に挿入した。これにより、素子耐圧の変更による絶縁耐圧の変更が容易に可能となるため、インバータモジュール構造をＭＯＳＦＥＴ以外の異なる耐圧の素子のモジュールとして共通化を図ることができる。
【００７４】
次に、図２０から図２２を用いて、本発明の電力変換装置の第９実施形態を説明する。図２０は本発明の第９実施形態における電力変換装置の構成図である。図２１は図２０におけるＡ―Ａ面の断面図である。図２２は図２０におけるＢ―Ｂ面の断面図である。
【００７５】
本実施形態は、第１実施形態に対し、出力ブスバー１８と入力ブスバー１４の積層順序を逆転させたものである。具体的には出力ブスバー１８が冷却面となっている。この場合、第１実施形態と比較して冷却性能がやや落ちるものの、インダクタンスに大きな影響を及ぼす入力ブスバー１４が冷却性能にあまり寄与しないため、よりインダクタンスを小さくする必要がある場合に好適な構造である。
【００７６】
以上までの実施形態では、チップキャリア１１内に一枚のＭＯＳＦＥＴが内蔵された場合についての例を示したが、当然１つのチップキャリア１１内に複数の半導体スイッチング素子が内蔵されてもよいし、あるいは複数のチップキャリア１１の並列接続によって、１スイッチング回路を形成してもよい。また、半導体スイッチング素子の電極面に経時劣化を防止するための処理を施すことにより、チップキャリアで用いている低熱膨張金属部材を省略したり、あるいは低熱膨張金属部材を省略した上で、同等の機能を有する金属箔を挿入することで代用することも可能である。
【００７７】
以上説明した実施形態においては、正極入力ブスバー１４ｐ及び負極入力ブスバー１４ｎと複数の出力ブスバー１８との交差する部分の間に挟持されるように半導体チップ１を電気的及び熱的に接続して配置すると共に、正極入力ブスバー１４ｐに対してはこれに合致する極性となる向きで半導体チップ１を接続し、かつ負極入力ブスバー１４ｎに対してはこれに合致する極性となる向きで半導体チップ１を接続し、さらに、共通する出力ブスバー１８に対しては極性の向きが異なるもので隣合うように半導体チップ１を接続しているので、隣合う半導体チップ１、隣合う入力ブスバー１４及び隣合う出力ブスバー１８をそれぞれ近接して配置することができ、全体を極めてコンパクトなものとすることができる。これにより、電力変換装置の据付け性を良好なものとすることができると共に、回路インダクタンス及び配線抵抗の低減を図ることができる。この回路インダクタンスの低減により、半導体スイッチング素子のスイッチング時の電圧の跳ね上がりを抑制して半導体チップ１の破壊を防止でき、信頼性の高い電力変換装置とすることができると共に、配線抵抗の低減により電力変換効率の高い電力変換装置とすることができる。
【００７８】
また、正極入力ブスバー１４ｐ及び負極入力ブスバー１４ｎを直線状に長く延びると共に同一平面に並置し、かつ複数の出力ブスバー１８を直線状に長く延びると共に同一平面に並置したので、入力ブスバー１４及び出力ブスバー１８を最も簡単な形状で組合せることができ、かつより一層コンパクトなものとすることができると共に安価なものとすることができる。
【００７９】
さらには、正極入力ブスバー１４ｐ及び負極入力ブスバー１４ｎをその長手方向における同じ側からラミネート状に形成した正極入力端子１２ｐ及び負極入力端子１２ｎに接続し、複数の出力ブスバー１８はその長手方向における同じ側でかつ正極入力端子１２ｐ及び負極入力端子１２ｎと異なる側からそれぞれの出力端子１６に接続しているので、出力端子１６による制約を受けることなくかつ並置された正極入力ブスバー１４ｐ及び負極入力ブスバー１４ｎの間を利用して正極入力端子１２ｐ及び負極入力端子１２ｎのラミネート面積を大きいものとすることができ、これにより回路インダクタンスの低減をより一層図ることができる。
【００８０】
そして、半導体スイッチング素子を有する半導体チップ１と、半導体チップ１の両側の正極面及び負極面に電気的及び熱的に接続された金属部材３とより半導体チップキャリア１１を構成し、正極入力ブスバー１４ｐ及び負極入力ブスバー１４ｎと複数の出力ブスバー１８との交差する部分の間に半導体チップキャリア１１を電気的及び熱的に接続して配置すると共に、正極入力ブスバー１４ｐに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、かつ負極入力ブスバー１４ｎに対してはこれに合致する極性となる向きで接続し、さらには共通する出力ブスバー１８に対しては極性の向きが異なるもので隣合うように接続しているので、全体がコンパクトでかつ低い回路インダクタンス及び低い配線抵抗であることを保持しつつ、半導体チップ１とその両側の入力ブスバー１４及び出力ブスバー１８との電気的及び熱的接続を金属部材３を通して効率よく確実に行なうことができ、半導体スイッチング素子の動作の確実性と信頼性を確保することができると共に、最も汚損に弱い半導体チップ１の電極面を金属部材３で閉鎖して電極面に経時劣化を防止することができる。
【００８１】
また、半導体チップ１の線膨張係数に近い線膨張係数を有する低熱膨張金属材料で金属部材３を形成すると共に、半導体チップ１に接続用半田２を介して金属部材３を接続して半導体チップキャリア１１を構成しているので、電力変換装置が大電流でかつ頻繁に断続して動作が行われる過酷な熱サイクルを受けても半導体チップ１と金属部材３との熱膨張変位量の差異が小さいものとなり、接続用半田２に加わる熱疲労を緩和でき、これにより半導体チップキャリア１１の熱疲労破壊を防止することができる。
【００８２】
さらには、金属部材３を半導体チップ１の投影面積より大きい面積にすると共に、その厚さを１〜２ｍｍ程度に形成しているので、半導体チップ１から発生した熱を平面方向に広く拡散することができると共に、一般に高価な低熱膨張金属材料の金属部材３の使用量を少ないものとすることができる。
【００８３】
そして、入力ブスバー１４及び出力ブスバー１８を半導体チップキャリア１１に加圧する加圧機構を備えているので、入力ブスバー１４及び出力ブスバー１８と半導体チップキャリア１１との間に接続用半田等を介することなく電気的及び熱的に接続することができ、接続用半田の熱疲労の問題をなくすことができると共に製作が容易で安価なものとすることができる。
【００８４】
そして、ケース２０の合成樹脂成形時に一体に入力ブスバー１４または出力ブスバー１８をモールドし、半導体チップキャリア１１を内蔵する入力ブスバー１４または出力ブスバー１８が露出する反半導体チップキャリア１１側の面に電気絶縁層を介して熱的に冷却器１０３を接続しているので、外部の塵埃等による半導体チップキャリア１１の汚損を防止することができると共に、ケース２０内部の半導体チップキャリア１１を入力ブスバー１４または出力ブスバー１８を介して確実に冷却することができ、半導体チップキャリア１１の信頼性を確保することができる。
【００８５】
また、ケース２０に一体に形成された入力ブスバー１４または出力ブスバー１８にその反対側の出力ブスバー１８または入力ブスバー１４を加圧する加圧機構としているので、簡単な構成で加圧することができる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明によれば、全体をコンパクトなものとして回路インダクタンス及び配線抵抗の低減を図り、据付け性が良好で信頼性及び電力変換効率が高い電力変換装置を得ることができる。
【００８７】
また、本発明によれば、全体をコンパクトなものとして回路インダクタンス及び配線抵抗の低減を図ると共に、熱サイクルに対する熱疲労の緩和を図り、据付け性が良好で信頼性及び電力変換効率が高い電力変換装置を得ることができる。
【００８８】
また、本発明によれば、全体をコンパクトなものとして回路インダクタンス及び配線抵抗の低減を図ると共に、半導体チップの電極面の経時劣化の防止を図り、据付け性が良好で信頼性及び電力変換効率が高い電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図２】図１におけるＡ―Ａ面の断面図である。
【図３】図１におけるＢ―Ｂ面の断面図である。
【図４】図２におけるチップキャリア１１の積層方向に垂直な断面図である。
【図５】図４におけるＣ―Ｃ面の断面図である。
【図６】本発明の第１実施形態における主回路配線およびチップキャリアを抽出した斜視図である。
【図７】本発明の第１実施形態における電力変換装置およびその周辺機器の構成図である。
【図８】本発明の第１実施形態の電力変換装置の半導体チップ温度及びヒートシンク表面温度を説明する特性図である。
【図９】本発明の第１実施形態の電力変換装置の入力バスバーの幅と厚さの比に対する熱抵抗及びインダクタンスの特性図である。
【図１０】本発明の第２実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図１１】本発明の第３実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図１２】本発明の第４実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図１４】本発明の第６実施形態の電力変換装置のチップキャリアの構造を示す断面図である。
【図１５】図１４におけるＤ方向から見た構成図である。
【図１６】図１４にブスバーを組み合わせた断面図である。
【図１７】本発明の第７実施形態の電力変換装置のチップキャリア部の構造を示す断面図である。
【図１８】図１７におけるＥ−Ｅ断面図である。
【図１９】本発明の第８実施形態の電力変換装置の構造を示す断面図である。
【図２０】本発明の第９実施形態における電力変換装置の構成図である。
【図２１】図２０におけるＡ―Ａ面の断面図である。
【図２２】図２０におけるＢ―Ｂ面の断面図である。
【図２３】本発明の各実施形態の電力変換装置を適用する自動車用電動機の駆動システムの電力変換装置の回路図である。
【符号の説明】
１…半導体チップ、１ｐ…正極半導体チップ、１ｎ…負極半導体チップ、２…接続部材、２ｓ…ソース側接続部材、２ｄ…ドレイン側接続部材、２ｇ…制御端子接続部材、３…金属部材、３ｓ…ソース側金属部材、３ｄ…ドレイン側金属部材、４…制御端子、５…位置決め突起部、６…位置決め用係合部、７…加圧ガイド、１１…半導体チップキャリア、１２…入力端子、１３…接続配線、１４…入力ブスバー、１４ｐ…正極入力ブスバー、１４ｎ…負極入力ブスバー、１５…絶縁層、１６…出力端子、１７…接続配線、１８…出力ブスバー、１９…絶縁体、２０…ケース、２１…ネジ、２２…メネジ部、２３…弾性体、２４…加圧体、２５…ボルト締結用穴、２６…制御配線体、２７…制御端子ピン、２８…ケースカバー、１０１…電力変換モジュール、１０２…熱伝導グリース、１０３…ヒートシンク（冷却器）、１０４…制御基板、１０５…絶縁シート、３０１…電力変換用半導体スイッチング回路（１相分）、３０２…平滑コンデンサ、３０３…バッテリー、３０４…平滑コンデンサ、３０５…３相回転電機、３０６…インバータ回路。
【図１】
0003793407.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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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