CN104838576B - 半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使中间电位导体板与正侧导体板相对，且使中间电位导体板与负侧导体板相对，从而可靠地降低电感的半导体装置。该半导体装置包括：绝缘基板(11)，该绝缘基板(11)搭载有构成三电平功率转换电路的至少4个半导体元件；配置有该绝缘基板的底板(3)；所述底板上的与所述半导体元件内的一个半导体元件相连的直流正侧电位的正侧导体板(21)；所述底板上的与所述半导体元件内的另一个半导体元件相连的直流负侧电位的负侧导体板(22)；以及所述底板上的与所述半导体元件内的剩余两个半导体元件相连的中间电位的中间电位导体板(23)，所述正侧导体板及所述负侧导体板配置在所述中间电位导体板的附近并与其相对。

Description

半导体装置
技术领域
本发明涉及存放有功率器件、并将直流电转换成交流电的功率转换装置等所使用的半导体装置。
背景技术
功率转换装置广泛应用于功率调节器(PCS：Power Conditioning Subsystem：功率调节子系统)、不间断电源装置(UPS：Uninterruptible Power Supply)等中，该功率调节器具备将太阳能电池、燃料电池、燃气发动机等发电单元的发电功率转换成系统功率的功能。
在这样的功率转换装置中，将绝缘栅双极晶体管(IGBT：Insulated Gate BipolarTransistor)、续流二极管(FWD：Free Wheeling Diode)等功率器件安装于绝缘基板上，使用存放在树脂壳体中的半导体模块。
作为这种功率转换装置所使用的半导体模块的一个示例，例如提出了专利文献1所记载的功率半导体模块。
该功率半导体模块的壳体内收容有三电平逆变器电路一个相的电路。该三电平逆变器电路中，进行布线，使得彼此在相反方向上流过电流的U端子和M端子中的一方配置在另一方的上方附近，从而降低壳体内的电感。
作为现有模块的其他示例，提出了专利文献2所记载的功率半导体模块。在该功率半导体模块中，在与专利文献1所记载的三电平逆变器同样地构成三电平逆变器的情况下，对于外部端子P、M、N、U，将其中的M端子设为M1、M2两个端子，将端子排列以M1、P、N、M2、U的顺序、或M1、N、P、M2、U的顺序配置成一直线状。通过该结构，防止在逆变器的动作模式从三电平变为双电平模式时、因布线电感的影响而产生的弹跳电压变大。
作为现有模块的另一其他示例，提出了专利文献3所记载的功率半导体模块。该半导体模块中，通过将连接在直流电源的P端子和N端子之间的IGBT的串联连接电路、连接在该串联连接电路的连接点和直流电源的中性点之间的交流开关元件内置在一个封装中，来实现布线电感的降低和装置的低价格化。此处，作为构成三电平逆变器的情况，记载有如下情况：串联连接IGBT来作为双向开关的情况，该IGBT反向并联连接了两个二极管，并反向并联连接两个反向阻止IGBT来作为双向开关。反向阻止IGBT是具有反方向的耐压特性的IGBT。
作为现有模块的又一其他示例，提出了专利文献4所记载的功率半导体模块。该半导体装置包括：连接在三电平逆变器电路的直流电源的P端子和N端子之间的IGBT的串联连接电路、以及设置于第1IGBT和第2IGBT的连接部位的中间端子，该第1IGBT和第2IGBT彼此串联连接在该串联连接电路的连接点和直流电源的中性点之间，且该第1IGBT和第2IGBT彼此反向并联连接有二极管。通过该结构，半导体装置能在防止IGBT、二极管的破坏的同时进行绝缘试验。
作为现有模块的再一其他示例，提出了专利文献5所记载的半导体装置。该半导体装置是用于逆变器等装置的大容量半导体装置，在半导体装置中，在绝缘基板上设有三个IGBT贴片，为了并联连接这些IGBT贴片，配置成交错状。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2012-110095号公报
专利文献2：日本专利特开2011-254672号公报
专利文献3：日本专利特开2008-193779号公报
专利文献4：日本专利特开2011-193646号公报
专利文献5：日本专利特开2002-368192号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，上述专利文献1中，以重叠U端子和M端子的方式进行布线，因此能降低壳体内的电感。上述专利文献2中，具有如下未解决的技术问题：端子P和端子N接近，端子P和端子M1相邻，端子N和端子M2相邻，但各端子间的重叠宽度较窄，无法充分地降低电感。
上述专利文献3中，记载了P-C1布线和M布线、以及M布线和N-E2布线容易成为接近布线这一情况，但M布线和P-C1布线以及M布线和N-E2布线之间的相对宽度较窄，无法充分降低电感。
上述专利文献4及5中，没有关于电感降低的叙述，仅公开了三电平逆变器电路的结构。
因此，本发明是着眼于上述现有例的未解决技术问题而完成的，其目的在于提供一种半导体装置，该半导体装置使中间电位导体板和正侧导体板及负侧导体板相对，来可靠地降低电感。
解决技术问题所采用的技术手段
为了达到上述目的，本发明所涉及的半导体装置的第一方式包括：绝缘基板，该绝缘基板搭载有构成三电平功率转换电路的至少4个半导体元件；配置有该绝缘基板的底板；所述底板上的与所述半导体元件内的一个半导体元件相连的直流正侧电位的正侧导体板；所述底板上的与所述半导体元件内的另一个半导体元件相连的直流负侧电位的负侧导体板；以及所述底板上的与所述半导体元件内的剩余两个半导体元件相连的中间电位的中间电位导体板。所述正侧导体板及所述负侧导体板配置在所述中间电位导体板的附近并与其相对。
发明效果
根据本发明，在搭载有构成三电平功率转换电路的至少4个半导体元件的绝缘基板上，使正侧导体板及负侧导体板从一个方向与中间电位导体板相对，使彼此在相反方向上流过电流的中间电位导体板与正侧导体板之间的相对面积较大，并使彼此在相反方向上流过电流的中间电位导体板与负侧导体板之间的相对面积较大，从而能大幅度地降低电感。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置的立体图。
图2是表示搭载于和图1所示的半导体装置的底板相接合的绝缘基板的半导体元件的俯视图。
图3是表示三电平功率转换电路的一个示例的电路图。
图4是表示正侧导体板、负侧导体板、中间电位导体及交流输出用导体板的配置的立体图。
图5是对本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置的一个动作模式中的半导体元件的发热状态进行说明的示意图。
图6是对本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置的其他动作模式中的半导体元件的发热状态进行说明的示意图。
图7是对本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置的另一其他动作模式中的半导体元件的发热状态进行说明的示意图。
图8是对本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置的又一其他动作模式中的半导体元件的发热状态进行说明的示意图。
图9是表示本发明的第2实施方式所涉及的半导体装置的立体图。
图10是表示搭载于和图9所示的半导体装置的底板相接合的绝缘基板上的半导体元件的俯视图。
图11是对本发明的第2实施方式所涉及的半导体装置的每个动作模式的半导体元件的发热状态进行简略说明的图。
图12(a)是表示第2实施方式中的三电平功率转换电路的一个示例的电路结构的图，图12(b)是表示端子配置的图。
图13(a)是表示第2实施方式中的三电平功率转换电路的另一个示例的电路结构的图，图13(b)是表示端子配置的图。
图14是表示在第2实施方式中输出正电压的状态下、图12(a)所示的电路结构中的电流路径和图13(a)所示的电路结构中的电流路径之间的比较的图。
图15是表示在第2实施方式中输出负电压的状态下、图12(a)所示的电路结构中的电流路径和图13(a)所示的电路结构中的电流路径之间的比较的图。
图16是表示在第2实施方式中输出零电压的状态下、图12(a)所示的电路结构中的电流路径和图13(a)所示的电路结构中的电流路径之间的比较的图。
图17是表示在本发明的第3实施方式所涉及的半导体装置中、搭载有半导体元件的绝缘基板的俯视图。
图18是对本发明的第3实施方式所涉及的半导体装置的每个动作模式的半导体元件的发热状态进行简略说明的图。
图19是表示在本发明的第3实施方式所涉及的半导体装置的变形例中、搭载有半导体元件的绝缘基板的俯视图。
图20是在本发明的第3实施方式所涉及的半导体装置的变形例中，对每个动作模式的半导体元件的发热状态进行简略说明的图。
图21是表示在本发明的第4实施方式所涉及的半导体装置中、搭载有半导体元件的绝缘基板的俯视图。
图22是对本发明的第4实施方式所涉及的半导体装置的每个动作模式的半导体元件的发热状态进行简略说明的图。
图23是表示在本发明的第4实施方式所涉及的半导体装置的变形例中、搭载有半导体元件的绝缘基板的俯视图。
图24是在本发明的第4实施方式所涉及的半导体装置的变形例中，对每个动作模式的半导体元件的发热状态进行简略说明的图。
图25是表示在与图1所示的本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置相对应的半导体装置中、调换两个外部连接端子彼此的配置位置后的状态的变形例的立体图。
图26是表示与图1所示的本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置相对应的半导体装置的其他变形例的立体图。
图27是表示与图1所示的本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置相对应的半导体装置的另一其他变形例的立体图。
具体实施方式
下面参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置的立体图。图2是表示搭载于和图1所示的半导体装置的底板相接合的绝缘基板上的半导体元件的俯视图。图1所示的半导体装置能应用于功率调节器(PCS：Power Conditioning Subsystem)。
半导体装置1如图1所示，具有以绝缘性的树脂成形的壳体2。该壳体2使用于对底板3进行螺钉固定而设置于底板3的孔部露出，并覆盖底板3上的其他部分。此外，在壳体2的上表面侧形成有端子配置面4。在该端子配置面4的横向中央部设有在端子配置面4的长边方向上延伸的突条5。在突条5上，从其右端侧起，作为直流电源的正侧端子P的第1外部连接端子tm1(P)、作为中间端子的第2外部连接端子tm2(M2)和第3外部连接端子tm3(M2)、作为直流电源的负侧端子N的第4外部连接端子tm4(N)及作为交流输出端子U的第5外部连接端子tm5(U)按该顺序串联配置成直线状。
在端子配置面4的前端侧，从右侧起配置有：输出后述的绝缘栅双极晶体管T1的集电极电压的第1辅助端子ts1(T1P)、提供绝缘栅双极晶体管T1的栅极电压的成为栅极端子的第2辅助端子ts2(T1G)、输出后述的绝缘栅双极晶体管T1的发射极电压的第3辅助端子ts3(T1E)、提供后述的绝缘栅双极晶体管T2的栅极电压的成为栅极端子的第4辅助端子ts4(T2G)、以及输出绝缘栅双极晶体管T2的发射极电压的第5辅助端子ts5(T2E)。
在端子配置面4的后端侧，靠近右端的位置排列设置有输出后述的绝缘栅双极晶体管T3的发射极电压的第6辅助端子ts6(T3E)及提供绝缘栅双极晶体管T3的栅极电压的成为栅极端子的第7辅助端子ts7(T3G)。在端子配置面4的后端侧，靠近左端的位置排列设置有输出后述的绝缘栅双极晶体管T4的发射极电压的第8辅助端子ts8(T4E)及提供绝缘栅双极晶体管T4的栅极电压的成为栅极端子的第9辅助端子ts9(T4G)。并且，在端子配置面4的后端侧的中央部配置有与热敏电阻150相连的热敏电阻用第10辅助端子ts10(TH2)及第11辅助端子ts11(TH1)，该热敏电阻150埋设于壳体2内，对壳体2的内部温度进行检测。
并且，壳体2的突条5具有形成于第1外部连接端子tm1和第2外部连接端子tm2之间的部分、第2外部连接端子tm2及第3外部连接端子tm3之间的部分、第3外部连接端子tm3及第4外部连接端子tm4之间的部分、第4外部连接端子tm4及第5外部连接端子tm5之间的部分的多个横向的切口。这些切口6用于延长上述部分的沿面距离，以便确保所述各部分的绝缘。
壳体2的第1辅助端子ts1～第11辅助端子ts11的下方侧的各部分具有与切口6同样地形成的多个切口7。这些切口7用于延长上述部分的沿面距离，以便确保各辅助端子ts1～ts11和底板3(接地电位)之间部分的绝缘。此处，各切口6及7的个数可以根据所期望的绝缘耐压来设定。
如图2所示，在底板3上配置有绝缘基板11，该绝缘基板11在导热性优异的陶瓷(例如氧化铝)基板的两表面形成有导体图案。图2的示例中，底板3上配置有6片绝缘基板11。该6片绝缘基板11的每两片安装有构成三电平功率转换装置(逆变器)电路的三相中的图3所示的一个相电路的4个绝缘栅双极晶体管T1～T4。这4个绝缘栅双极晶体管T1～T4中，T1和T3安装于同一个绝缘基板11，T2和T4安装于此外的同一个绝缘基板11。绝缘栅双极晶体管T1～T4中，T3、T4是反向阻止型绝缘栅双极晶体管。
图2的示例中，对于安装有T1和T3的三片绝缘基板11(记为SB11～SB13)、安装有T2和T4的三片绝缘基板11(记为SB21～SB23)，并联连接各绝缘件基板SB11～SB13、并联连接各绝缘件基板SB21～SB23来使用。
这里，通过图2所示的长边方向的中央线L1及横向的中央线L2将底板3上的壳体2内部整体的区域分割为4个区域，如图2所示那样，分别设为区域DA1、DA2、DA3、及DA4。
图2的示例中，区域DA1配置有作为后述的半导体元件的绝缘栅双极晶体管T1及与该绝缘栅双极晶体管T1反向并联连接的续流二极管D1。即，各绝缘基板SB11～SB13的区域DA1的区域中搭载有绝缘栅双极晶体管T1及与该绝缘栅双极晶体管T1反向并联连接的续流二极管D1。并且，这些绝缘栅双极晶体管T1和续流二极管D1在底板3的长边方向上配置成直线状。
区域DA2中配置有作为后述的半导体元件的绝缘栅双极晶体管T2及与该绝缘栅双极晶体管T2反向并联连接的续流二极管D2。即，各绝缘基板SB21～SB23的区域DA2的区域中搭载有绝缘栅双极晶体管T2及与该绝缘栅双极晶体管T2反向并联连接的续流二极管D2。并且，这些绝缘栅双极晶体管T2和续流二极管D2在底板3的长边方向上配置成直线状。
区域DA3中配置有作为半导体元件的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3，该半导体元件成为后述的双向开关元件。即，各绝缘基板SB21～SB23的区域DA3的区域中，搭载有反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3。并且，这些反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3在底板3的长边方向上配置成直线状。
区域DA4中配置有作为半导体元件的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4，该半导体元件成为后述的双向开关元件。即，各绝缘基板SB11～SB13的区域DA4的区域中，搭载有反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4。并且，这些反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4在底板3的长边方向上配置成直线状。
此处，如图3所示，内置于半导体装置1的三电平功率转换(逆变器)电路的电路结构、例如U相的电路结构包括：串联连接的绝缘栅双极晶体管T1及绝缘栅双极晶体管T2、与这些绝缘栅双极晶体管T1的发射极及绝缘栅双极晶体管T2的集电极之间的连接点C1相连的双向开关元件12。
双向开关元件12由反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3和反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4构成，该反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的集电极与连接点C1相连，该反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4与上述反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3反向并联连接。
各绝缘基板SB11～SB13的一端配置有导电图案121a和导电图案121b。导电图案121a与输出绝缘栅双极晶体管T1的发射极电压的第3辅助端子ts3(T1E)电连接。导电图案121b与提供绝缘栅双极晶体管T1的栅极电压的成为栅极端子的第2辅助端子ts2(T1G)电连接。
各绝缘基板SB11～SB13的另一端配置有导电图案121h和导电图案121g。导电图案121h与输出反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的发射极电压的第6辅助端子ts3(T3E)电连接。导电图案121g与提供反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的栅极电压的成为栅极端子的第7辅助端子ts7(T3G)电连接。
各绝缘基板SB11～SB13具有配置于区域DA1的导电图案121c及导电图案121d，该区域DA1安装有绝缘栅双极晶体管T1。导电图案121c经由包含锡的焊料、或包含银及锡等导电性材料的导电糊料与绝缘栅双极晶体管T1的集电极和续流二极管D1的阴极相连。导电图案121d与绝缘栅双极晶体管T1的发射极电连接。
各绝缘基板SB11～SB13具有配置在区域DA4中的导电图案121f及导电图案121e，该区域DA4安装有反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3。导电图案121f经由包含锡的焊料、或包含银及锡等导电性材料的导电糊料与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的集电极相连。导电图案121e与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的发射极电连接。
绝缘基板SB12的导电图案121a、121b、121g、121h分别通过图3的引线130与右侧相邻的绝缘基板SB11的导电图案121a、121b、121g、121h以及左侧相邻的绝缘基板SB13的导电图案121a、121b、121g、121h相连接。
第3辅助端子ts3(T1E)和绝缘基板SB13的导电图案121a经由引线130相连。利用第3辅助端子ts3(T1E)的位置，第3辅助端子ts3(T1E)能经由引线130与绝缘基板SB11或绝缘基板SB12的导电图案121a相连接。
第2辅助端子ts2(T1G)和绝缘基板SB13的导电图案121b经由引线130相连。利用第2辅助端子ts2(T1G)的位置，第2辅助端子ts2(T1G)能经由引线130与绝缘基板SB11或绝缘基板SB12的导电图案121b相连接。
第1辅助端子ts1(T1P)和绝缘基板SB12的导电图案121c经由引线130相连。利用第1辅助端子ts1(T1P)的位置，第1辅助端子ts1(T1P)能经由引线130与绝缘基板SB11或绝缘基板SB13的导电图案121c相连接。
第6辅助端子ts6(T3E)和绝缘基板SB12的导电图案121h经由引线130相连。利用第6辅助端子ts6(T3E)的位置，第6辅助端子ts6(T3E)能经由引线130与绝缘基板SB11或绝缘基板SB13的导电图案121h相连接。
第7辅助端子ts7(T3G)和绝缘基板SB12的导电图案121g经由引线130相连。利用第7辅助端子ts7(T3G)的位置，第7辅助端子ts7(T3G)能经由引线130与绝缘基板SB11或绝缘基板SB13的导电图案121g相连接。
绝缘栅双极晶体管T1的栅极垫和导电图案121b经由引线130相连接。绝缘栅双极晶体管T1的发射极、续流二极管D1的阳极、导电图案121d经由引线130相连接。
反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的栅极垫和导电图案121g经由引线130相连接。反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的发射极和导电图案121e经由引线130相连接。
导电图案121d和导电图案121a、以及导电图案121e和导电图案121h经由引线130相连接。
各绝缘基板SB21～SB23的一端配置有导电图案122a和导电图案122b。导电图案122a与输出绝缘栅双极晶体管T2的发射极电压的第5辅助端子ts5(T2E)电连接。导电图案122b与提供绝缘栅双极晶体管T2的栅极电压的成为栅极端子的第4辅助端子ts4(T2G)电连接。
各绝缘基板SB21～SB23的另一端配置有导电图案122g和导电图案122f。导电图案122g与输出反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的发射极电压的第8辅助端子ts8(T4E)电连接。导电图案122f与提供反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的栅极电压的成为栅极端子的第9辅助端子ts9(T4G)电连接。
各绝缘基板SB21～SB23具有配置在区域DA2中的导电图案122c及导电图案122d，该区域DA2安装有绝缘栅双极晶体管T2。导电图案122c经由包含锡的焊料、或包含银及锡等导电性材料的导电糊料与绝缘栅双极晶体管T2的集电极和续流二极管D2的阴极相连。导电图案122d与绝缘栅双极晶体管T2的发射极电连接。
此处，导电图案122c遍及区域DA2和区域DA3而配置，为了使绝缘栅双极晶体管T2的集电极和反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的发射极彼此电连接。
各绝缘基板SB21～SB23具有配置在区域DA3中的导电图案122e及导电图案122c的一部分，该区域DA3安装有反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4。导电图案122e经由包含锡的焊料、或包含银及锡等导电性材料的导电糊料与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的集电极相连。导电图案122c的一部分与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的发射极电连接。
绝缘基板SB22的导电图案122a、122b、122g、122f分别通过引线130与右侧相邻的绝缘基板SB21的导电图案122a、122b、122g、122f以及左侧相邻的绝缘基板SB13的导电图案122a、122b、122g、122f相连接。
第4辅助端子ts4(T2G)和绝缘基板SB23的导电图案122b经由引线130相连。利用第4辅助端子ts4(T2G)的位置，第4辅助端子ts4(T2G)能经由引线130与绝缘基板SB21或绝缘基板SB22的导电图案122b相连接。
第5辅助端子ts5(T2E)和绝缘基板SB23的导电图案122a经由引线130相连。利用第5辅助端子ts5(T2E)的位置，第5辅助端子ts5(T2E)能经由引线130与绝缘基板SB21或绝缘基板SB22的导电图案122a相连接。
第8辅助端子ts8(T4E)和绝缘基板SB23的导电图案122g经由引线130相连。利用第8辅助端子ts8(T4E)的位置，第8辅助端子ts8(T4E)能经由引线130与绝缘基板SB21或绝缘基板SB22的导电图案122g相连接。
第9辅助端子ts9(T4G)和绝缘基板SB23的导电图案122f经由引线130相连。利用第9辅助端子ts9(T4G)的位置，第9辅助端子ts9(T4G)能经由引线130与绝缘基板SB21或绝缘基板SB22的导电图案122f相连接。
绝缘栅双极晶体管T2的栅极垫和导电图案122b经由引线130相连接。绝缘栅双极晶体管T2的发射极、续流二极管D2的阳极、导电图案122d经由引线130相连接。
反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的栅极垫和导电图案122f经由引线130相连接。反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的发射极和导电图案121g经由导电图案121c的一部分并利用引线130相连接。
此外，导电图案122d和导电图案122a也利用引线130相连接。
双向开关元件12的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的发射极和反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的集电极的连接点C2连接到成为构成主电路端子的中间端子M1的第2外部连接端子tm2(M1)。
绝缘栅双极晶体管T1的集电极与作为连接至直流电源的正极侧的正侧端子的第1外部连接端子tm1(P)相连接。
并且，绝缘栅双极晶体管T2的发射极与作为连接至直流电源的负极侧的负侧端子的第4外部连接端子tm4(N)相连接。
并且，双向开关元件12的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的发射极与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的集电极之间的连接点C2与第2外部连接端子tm2(M1)和第3外部连接端子tm3(M2)相连，该第3外部连接端子tm3(M2)与上述第2外部连接端子tm2(M1)相连接，且与该第2外部连接端子tm2(M1)电位相同。
此外，绝缘栅双极晶体管T1的发射极及T2的集电极的连接点C1与作为交流输出端子的第5外部连接端子tm5(U)相连接。
本实施方式中，三电平功率转换电路的图3所示一个相(例如U向)的电路由4个绝缘栅双极晶体管T1～T4构成。这些绝缘栅双极晶体管T1～T4中，绝缘栅双极晶体管T1和T3分别搭载于各绝缘基板SB11～SB13，绝缘栅双极晶体管T1彼此并联连接，此外，绝缘栅双极晶体管T3彼此并联连接。并且，绝缘栅双极晶体管T2和T4分别搭载于各绝缘基板SB21～SB23，绝缘栅双极晶体管T2彼此并联连接，此外，绝缘栅双极晶体管T4彼此并联连接。由此，构成图2所示的半导体装置。
因此，若搭载于绝缘基板SB11的绝缘栅双极晶体管T1和T3、以及搭载于绝缘基板SB21的绝缘栅双极晶体管T2和T4的电流容量为300A，则通过设为绝缘基板SB11和SB21、SB12和SB22、及SB13和SB23这三组，所有绝缘栅双极晶体管T1～T4的总电流容量为900A。
于是，各绝缘基板SB11～SB13如图2所示那样连接有正侧导体板21，各绝缘基板SB21～SB23如图2所示那样连接有负侧导体板22。此外，如图2所示，各绝缘基板SB11～SB13及SB21～SB23连接有共用的中间电位导体板23。此外，如图2所示，各绝缘基板SB11～SB13及SB21～SB23连接有共用的交流输出用导体板24。
图4是表示正侧导体板21、负侧导体板22、中间电位导体板23及交流输出用导体板24的配置的立视图。如图4所示，这些正侧导体板21、负侧导体板22、中间电位导体板23及交流输出用导体板24相对于各绝缘基板SB11～SB13及SB21～SB23竖立在垂直方向上，且在左右方向上延长。正侧导体板21和负侧导体板22如图2所示那样，相对于中间电位导体板23接近其一面侧即前表面侧，并相对配置。此外，交流输出用导体板24设置在中间电位导体板23的后方侧附近，并相对配置。
中间电位导体板23的右端侧形成有向上方延长的第2外部连接端子tm2(M1)，在中央部形成有向上方延长的第3外部连接端子tm3(M2)。正侧导体板21的第2外部连接端子tm2(M1)的右侧位置形成有向上方延长的第1外部连接端子tm1(P)。并且，负侧导体板22的第3外部连接端子tm3(M2)的左侧位置形成有向上方延长的第4外部连接端子tm4(N)。此外，交流输出用导体板24的第4外部连接端子tm4(N)的左侧位置形成有向上方延长的第5外部连接端子tm5(U)。
这些第1外部连接端子tm1～第5外部连接端子tm5具有形成在各自的上部的贯通孔25。
壳体2的突条5的上表面的分别配置有第1外部连接端子tm1～第5外部连接端子tm5的位置处具有用于插入螺母而形成的凹部(未图示)，在该凹部中分别插入有螺母(未图示)。第1外部连接端子tm1～第5外部连接端子tm5的上端从壳体2的突条5的上表面向上方突出，在突条5的上表面位置处弯曲，从而使各个贯通孔25与插入至突条5的凹部的螺母的内螺纹部26相对。
接着，对上述第1实施方式的动作进行说明。
图5～图8是对本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置的每个动作模式的半导体元件的发热状态进行说明的示意图。
图5～图8中将如下变形例作为第1实施方式的一个示例来表示，该变形例将各绝缘基板SB11～SB13及SB21～SB23分割成两个，并且在分割得到的每一个绝缘基板上搭载一个绝缘栅双极晶体管。该示例中，上述三片绝缘基板分别配置于区域DA1～DA4。
如今，当动作为将栅极脉冲输入至绝缘栅双极晶体管T1的栅极来开关绝缘栅双极晶体管T1、且反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4进行恢复(recovery)的模式时，如图5所示，配置于区域DA1的各绝缘基板SB11～SB13的绝缘栅双极晶体管T1和搭载于各绝缘基板SB21～SB23的区域DA3的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4会产生发热，该区域DA3与区域DA1处于对角位置。另一方面，区域DA2及DA4不产生发热。
当动作为将栅极脉冲提供给绝缘栅双极晶体管T2的各栅极来开关绝缘栅双极晶体管T2、且反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3进行恢复的模式时，如图6所示，搭载于各绝缘基板SB21～SB23的区域DA2的绝缘栅双极晶体管T2和搭载于各绝缘基板SB11～SB13的区域DA4的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3会产生发热，该区域DA4与区域DA2处对角位置。另一方面，区域DA1及DA3不产生发热。
当动作为将栅极脉冲提供给反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的各栅极来开关反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3、且绝缘栅双极晶体管T1进行恢复的模式时，如图7所示，搭载于各绝缘基板SB11～SB13的区域DA1的续流二极管D1产生发热，并且搭载于各绝缘基板SB11～SB13的区域DA4的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3会产生发热，该区域DA4与区域DA1在横向上处于相邻位置。另一方面，区域DA2及DA3不产生发热。
当动作为将栅极脉冲提供给反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的各栅极来开关反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4、且绝缘栅双极晶体管T2进行恢复的模式时，如图8所示，搭载于各绝缘基板SB21～SB23的区域DA2的续流二极管D1产生发热，并且搭载于各绝缘基板SB21～SB23的区域DA3的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4会产生发热，该区域DA3与区域DA2在横向上处于相邻位置。另一方面，区域DA1及DA4不产生发热。
由此，根据第1实施方式，在将半导体装置1设为动作状态时，区域DA1～DA4不会所有的区域均发热，仅处于对角位置的两个区域或在横向上相邻的两个区域产生发热。即，根据动作模式仅局部的两个区域产生发热。
因而，如上述现有模块的示例所示，与底板3上的绝缘基板整体产生发热的情况相比，能分散发热，从而能可靠防止半导体装置1成为过热状态。
并且，在将本实施方式的半导体装置1作为上述使用太阳能电池的大型太阳能系统(mega solar system)中的功率调节器(PCS)来使用的情况下，半导体装置1仅作为逆变器来进行动作，因此续流二极管D1及D2的发热较少。因而，上述图7和图8所示的模式中，续流二极管D1及D2的发热较少。由此，能抑制搭载有发热量较大的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的各绝缘基板SB11～SB13的区域DA4和搭载有发热量较大的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的各绝缘基板SB21～SB23的区域DA3同时进行发热，以及发生热干扰的情况。
因而，根据上述第1实施方式，每个动作模式的发热区域发生变化，并且发热区域为局部，从而能进行有效的热分散。
第1实施方式中，相对于中间电位导体板23，正侧导体板21及负侧导体板22设置在中间电位导体板23的一面侧即前表面侧附近并相对配置。因此，电流从第1外部连接端子tm1(P)通过各绝缘栅双极晶体管T1，并进一步通过各反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3流至第2外部连接端子tm2(M1)或第3外部连接端子tm3(M2)。由此，成为流过中间电位导体板23的电流的方向与流过正侧导体板21的电流的方向彼此相反的状态。该状态下，中间电位导体板23和正侧导体板21彼此接近配置，因此，由流过中间电位导体板23的电流而产生的磁场与由流过正侧导体板21的电流而产生的磁场彼此抵消。其结果是，磁场对流过中间电位导体板23的电流和流过正侧导体板21的电流的影响变小，基于该结果能减低中间电位导体板23和正侧导体板21之间的电感。
同样，在电流从第2外部连接端子tm2(M1)或第3外部连接端子tm3(M2)通过各反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4，并进一步通过各绝缘栅双极晶体管T2流至第4外部连接端子tm4(N)的情况下，流过中间电位导体板23的电流的方向与流过负侧导体板22的电流的方向彼此相反，能降低彼此接近的中间电位导体板23和负侧导体板22之间的电感。
并且，正侧导体板21及负侧导体板22分别与中间电位导体板23相对，因此与中间电位导体板23之间的相对面积能变大，能进一步发挥电感降低效果。
并且，正侧导体板21和负侧导体板22配置成直线状，因此这些正侧导体板21和负侧导体板22通过例如图2所示的接合部140中的超声波接合而与各绝缘基板SB11～SB13上的导电图案121c和各绝缘基板SB21～SB23上的导电图案122d电连接。
接着，使用图9及图10对本发明的第2实施方式进行说明。
图9是表示本发明的第2实施方式所涉及的半导体装置的立体图。图10是表示搭载于和图9所示的半导体装置的底板3相接合的绝缘基板的半导体元件的俯视图。
该第2实施方式是将第1实施方式中的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的配置位置与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的配置位置彼此调换而得的半导体装置。
即，第2实施方式中，如图10所示，上述第1实施方式中配置于底板3的区域DA3的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4搭载于各绝缘基板SB11～SB13，并配置于DA4。与此同时，配置于区域DA4的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3搭载于各绝缘基板SB21～SB23，配置于区域DA3。与此同时，绝缘基板11的导电图案也从第1实施方式发生变更。
各绝缘基板SB11～SB13的一端配置有导电图案123a和导电图案123b。导电图案123a与输出绝缘栅双极晶体管T1的发射极电压的第3辅助端子ts3(T1E)电连接。导电图案123b与提供绝缘栅双极晶体管T1的栅极电压的成为栅极端子的第2辅助端子ts2(T1G)电连接。
各绝缘基板SB11～SB13的另一端配置有导电图案123g和导电图案123f。导电图案123g与输出反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的发射极电压的第8辅助端子ts8(T4E)电连接。导电图案123f与提供反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的栅极电压的成为栅极端子的第9辅助端子ts9(T4G)电连接。
各绝缘基板SB11～SB13具有配置于区域DA1的导电图案123c及导电图案123e，该区域DA1安装有绝缘栅双极晶体管T1。导电图案123c经由包含锡的焊料、或包含银及锡等导电性材料的导电糊料与绝缘栅双极晶体管T1的集电极和续流二极管D1的阴极相连。导电图案123e与绝缘栅双极晶体管T1的发射极电连接。
此处，导电图案123e遍及区域DA1和区域DA4而配置，为了使绝缘栅双极晶体管T1的发射极和反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的发射极彼此电连接。
各绝缘基板SB11～SB13具有配置于安装有反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的区域DA4的导电图案123d和导电图案123e。导电图案123d经由包含锡的焊料、或包含银及锡等导电性材料的导电糊料与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4相连接。导电图案123e与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的发射极电连接。
绝缘基板SB12的导电图案123a、123b、123f、123g分别通过图10的引线130与右侧的相邻的绝缘基板SB11的导电图案123a、123b、123f、123g以及左侧相邻的绝缘基板SB13的导电图案123a、123b、123f、123g相连接。
第3辅助端子ts3(T1E)和绝缘基板SB13的导电图案123a经由引线130相连。利用第3辅助端子ts3(T1E)的位置，第3辅助端子ts3(T1E)能经由引线130与绝缘基板SB11或绝缘基板SB12的导电图案123a相连接。
第2辅助端子ts2(T1G)和绝缘基板SB13的导电图案123b经由引线130相连。利用第2辅助端子ts2(T1G)的位置，第2辅助端子ts2(T1G)能经由引线130与绝缘基板SB11或绝缘基板SB12的导电图案123b相连接。
第1辅助端子ts1(T1P)和绝缘基板SB12的导电图案123c经由引线130相连。利用第1辅助端子ts1(T1P)的位置，第1辅助端子ts1(T1P)能经由引线130与绝缘基板SB11或绝缘基板SB13的导电图案123c相连接。
第8辅助端子ts8(T4E)和绝缘基板SB12的导电图案123g经由引线130相连。利用第8辅助端子ts8(T4E)的位置，第8辅助端子ts8(T4E)能经由引线130与绝缘基板SB11或绝缘基板SB13的导电图案123g相连接。
第9辅助端子ts9(T4G)和绝缘基板SB12的导电图案123f经由引线130相连。利用第9辅助端子ts9(T4G)的位置，第9辅助端子ts9(T4G)能经由引线130与绝缘基板SB11或绝缘基板SB13的导电图案123f相连接。
绝缘栅双极晶体管T1的栅极垫和导电图案123b经由引线130相连接。绝缘栅双极晶体管T1的发射极、续流二极管D1的阳极、导电图案123e经由引线130相连接。
反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的栅极垫和导电图案123f经由引线130相连接。反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的发射极和导电图案123e经由引线130相连接。
导电图案123e也与导电图案123a、导电图案123g经由引线130相连接。
各绝缘基板SB21～SB23的一端配置有导电图案124a和导电图案124b。导电图案124a与输出绝缘栅双极晶体管T2的发射极电压的第5辅助端子ts5(T2E)电连接。导电图案124b与提供绝缘栅双极晶体管T2的栅极电压的成为栅极端子的第4辅助端子ts4(T2G)电连接。
各绝缘基板SB21～SB23的另一端配置有导电图案124g和导电图案124f。导电图案124g与输出反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的发射极电压的第6辅助端子ts3(T3E)电连接。导电图案124f与提供反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的栅极电压的成为栅极端子的第7辅助端子ts7(T3G)电连接。
各绝缘基板SB21～SB23具有配置在区域DA2中的导电图案124d及导电图案124c，该区域DA2安装有绝缘栅双极晶体管T2。导电图案124d经由包含锡的焊料、或包含银及锡等导电性材料的导电糊料与绝缘栅双极晶体管T2的集电极和续流二极管D2的阴极相连。导电图案124c与绝缘栅双极晶体管T2的发射极电连接。
此处，导电图案124d遍及区域DA2和区域DA3而配置，为了使绝缘栅双极晶体管T2的集电极、续流二极管D2的阴极、反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的集电极彼此电连接。
各绝缘基板SB21～SB23具有配置在区域DA3中的导电图案124d及导电图案124e，该区域DA3安装有反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3。导电图案124d经由包含锡的焊料、或包含银及锡等导电性材料的导电糊料与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的集电极相连。导电图案124e与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的发射极电连接。
绝缘基板SB22的导电图案124a、124b、124f、124g分别通过图10的引线130与右侧相邻的绝缘基板SB21的导电图案124a、124b、124f、124g以及左侧相邻的绝缘基板SB23的导电图案124a、124b、124f、124g相连接。
第4辅助端子ts4(T2G)和绝缘基板SB23的导电图案124b经由引线130相连。利用第4辅助端子ts4(T2G)的位置，第4辅助端子ts4(T2G)能经由引线130与绝缘基板SB21或绝缘基板SB22的导电图案124b相连接。
第5辅助端子ts5(T2E)和绝缘基板SB23的导电图案124a经由引线130相连。利用第5辅助端子ts5(T2E)的位置，第5辅助端子ts5(T2E)能经由引线130与绝缘基板SB21或绝缘基板SB22的导电图案124a相连接。
第6辅助端子ts6(T3E)和绝缘基板SB23的导电图案124g经由引线130相连。利用第6辅助端子ts6(T3E)的位置，第6辅助端子ts6(T3E)能经由引线130与绝缘基板SB21或绝缘基板SB22的导电图案124g相连接。
第7辅助端子ts7(T3G)和绝缘基板SB23的导电图案124f经由引线130相连。利用第7辅助端子ts7(T3G)的位置，第7辅助端子ts7(T3G)能经由引线130与绝缘基板SB21或绝缘基板SB22的导电图案124f相连接。
绝缘栅双极晶体管T2的栅极垫和导电图案124b经由引线130相连接。绝缘栅双极晶体管T2的发射极、续流二极管D1的阳极、导电图案124c经由引线130相连接。
反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的栅极垫和导电图案124f经由引线130相连接。反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的发射极和导电图案124e经由引线130相连接。
导电图案124a和导电图案124c经由引线130相连，并且导电图案124e和导电图案124g也经由引线130相连。
因而，如图9所示，在壳体2的端子配置面4中，配置第6辅助端子ts6(T3E)的位置和配置第8辅助端子ts8(T4E)的位置从图1所示的第1实施方式中的位置起在壳体2的长边方向上彼此调换。此外，配置第7辅助端子ts7(T3G)的位置和配置第9辅助端子ts9(T4G)的位置也从图1所示位置起在壳体2的长边方向上彼此调换。
其他的结构与上述第1实施方式的结构相同。因此，对于与图1和图2相对应的部分标注相同的标号，并省略其详细说明。
该第2实施方式的配置具有如下结构：彼此在长边方向上调换上述第1实施方式中反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的配置与反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的配置。因而，虽然没有对上述第1实施方式中的不发生发热的区域进行图示，但不发生发热的区域当然彼此在长边方向上进行调换。
图11是对本发明的第2实施方式所涉及的半导体装置的每个动作模式的半导体元件的发热状态进行简略说明的图。图11中，以网格来表示区域DA1～DA4中的各绝缘基板SB11～SB23，以网格中的参照数据来表示搭载于这些各绝缘基板SB11～SB23的各绝缘栅双极晶体管T1、T2及各反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3、T4，以阴影来表示其发热状态。
在绝缘栅双极晶体管T1处于开关状态、且反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4为恢复的模式下，如图11(a)所示，在区域DA1及DA4中产生发热。作为此时的发热量，区域DA1的发热量比区域DA4的发热量多。
在绝缘栅双极晶体管T2处于开关状态、且反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3为恢复的模式下，如图11(b)所示，在区域DA2及DA3中产生发热。此时，区域DA2的发热量比区域DA3的发热量多。
并且，在反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3处于开关状态、且绝缘栅双极晶体管T1为恢复的模式下，如图11(c)所示，在区域DA1及与其处于对角位置的DA3中产生发热。此时，区域DA1中仅续流二极管D1产生发热，因此区域DA3的发热量比区域DA1的发热量多。
在反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4处于开关状态、且绝缘栅双极晶体管T2为恢复的模式下，如图11(d)所示，在区域DA2及与其处于对角位置的DA4中产生发热。此时，区域DA2中仅续流二极管D2产生发热，因此区域DA4的发热量比区域DA2的发热量多。
对于正侧导体板21、负侧导体板22、中间电位导体板23及交流输出用导体板24，若图10所示，配置位置没有变更。因此，与上述第1实施方式同样，流过中间电位导体板23的电流的方向与流过配置在其附近的正侧导体板21的电流的方向彼此相反，此外，流过中间电位导体板23的电流的方向与流过配置在其附近的负侧导体板22的电流的方向也彼此相反。由此，能降低中间电位导体板23及正侧导体板21之间的电感、及中间电位导体板23及负侧导体板22之间的电感。
因而，第2实施方式中，也能降低半导体装置1内的电感。此外，半导体装置1内的底板3整体并不同时进行发热，发热区域根据动作模式来移动，由此能可靠地进行热分散，能可靠防止半导体装置1成为过热状态。
图12(a)是表示本第2实施方式中的三电平功率转换电路的一个示例的电路结构的图，图12(b)是表示端子配置的图。图13(a)是表示本第2实施方式中的三电平功率转换电路的另一个示例的电路结构的图，图13(b)是表示端子配置的图。
如上所述，本第2实施方式的三电平功率转换电路的一个示例中的壳体2的端子配置如图12(b)所示，通过对第1实施方式中的端子配置进行变更而得到，图12(a)所示的电路结构与图3所示的第1实施方式中的电路结构保持相同。
并且，本第2实施方式中，三电平功率转换电路的电路结构由上述图12(a)所示的使用了反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3及T4的电路结构调换内部布线图案，即使变更为使用绝缘栅双极晶体管T3’及T4’的图13(a)所示的其他示例的电路结构，图13(b)所示的壳体2的端子配置也能维持图12(b)所示的端子配置，以相同的动作模式获得相同的交流输出电压。
即，在图13(a)所示的三电平功率转换电路中应用绝缘栅双极晶体管T3’及T4’来代替图12(a)所示的绝缘栅双极晶体管T3及T4，该绝缘栅双极晶体管T3’及T4’分别和绝缘栅双极晶体管T3及T4所对应的续流二极管D3及D4反向并联连接。
与图12(a)所示的电路所使用的情况相同，与续流二极管D1反向并联连接的绝缘栅双极晶体管T1的发射极连接有与续流二极管D4反向并联连接的绝缘栅双极晶体管T4’。并且，绝缘栅双极晶体管T4’的发射极连接有与续流二极管D3反向并联连接的绝缘栅双极晶体管T3’的集电极。绝缘栅双极晶体管T4’的发射极与绝缘栅双极晶体管T3’的集电极的连接点还连接有第5外部连接端子tm5(U)。
并且，绝缘栅双极晶体管T3’的发射极连接有与续流二极管D2反向并联连接的绝缘栅双极晶体管T2的集电极。
并且，绝缘栅双极晶体管T1的发射极及绝缘栅双极晶体管T4’的集电极的连接点连接二极管D5的阴极。二极管D5的阳极与二极管D6的阴极相连，二极管D6的阳极与绝缘栅双极晶体管T3’的发射极和绝缘栅双极晶体管T2的集电极之间的连接点相连。二极管D5的阳极和二极管D6的阴极之间的连接点连接有第2外部连接端子tm2(M1)及第3外部连接端子tm3(M2)。
图14是表示在第2实施方式中输出正电压的状态下、图12(a)所示的电路结构中的电流路径和图13(a)所示的电路结构中的电流路径之间的比较的图。
在该情况下，如图12(a)和图13(a)所示那样，在具有互不相同的电路结构的三电平电压转换电路中，如图14所示，为了实现第1动作模式，在图12(a)所示结构的电路中，使绝缘栅双极晶体管T1进行开关动作，使反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4处于导通状态，使绝缘栅双极晶体管T2及反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3处于截止状态，该第1动作模式使从第5外部连接端子tm5(U)输出的电压成为对电容器C11进行充电的直流电压+E(V)。另一方面，在图13(a)所示结构的电路中，使绝缘栅双极晶体管T1进行开关动作，使绝缘栅双极晶体管T4’处于导通状态，使绝缘栅双极晶体管T2及T3’处于截止状态。
在该情况下，流过图12(a)所示结构的三电平电压转换电路的电流的路径如图14(a)所示那样成为如下路径：从电容器C11的正极侧出发，通过绝缘栅双极晶体管T1，并通过感应性负载L而返回电容器11的负极侧。因此，感应性负载L施加有+E(V)的输出电压。
与此相对，流过图13(a)所示结构的三电平电压转换电路的电流的路径如图14(b)所示那样成为如下路径：从电容器C11的正极侧开始通过绝缘栅双极晶体管T1及T4'，并通过感应性负载L而返回电容器C11的负极侧。由此，感应性负载L施加有+E(V)的输出电压。
因而，对于图12(a)所示结构的电路的4个绝缘栅双极晶体管T1～T4以及图13(a)所示结构的电路的4个绝缘栅双极晶体管T1～T4’，提供相同种类的栅极信号，从而输出相同的输出电压。
图15是表示在第2实施方式中输出负电压的状态下、图12(a)所示的电路结构中的电流路径和图13(a)所示的电路结构中的电流路径之间的比较的图。
为了实现第2动作模式，如图15所示，在图12(a)所示结构的电路中，使绝缘栅双极晶体管T2进行开关动作，输入使反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3成为导通状态的栅极信号，该第2动作模式与上述相反，使从第5外部连接端子tm5(U)输出的电压成为对电容器C12进行充电的直流电压-E(V)。对于剩余的绝缘栅双极晶体管T1及反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4，输入使晶体管T1和T4分别成为截止状态的栅极信号。
在该情况下，流过图12(a)所示结构的三电平电压转换电路的电流的路径如图15(a)所示那样成为如下路径：从电容器C12的正极侧出发，通过感应性负载L，通过绝缘栅双极晶体管T2，返回电容器12的负极侧。因此，能对感应性负载L施加输出电压-E(V)。
与此相对，流过图13(a)所示结构的三电平电压转换电路的电流的路径如图15(b)所示那样成为如下路径：从电容器C12的正极侧出发，通过感应性负载L，通过绝缘栅双极晶体管T3’及第2绝缘栅双极晶体管T2，返回电容器C12的负极侧。因此，能对感应性负载L施加输出电压-E(V)。
在该情况下，也对于图12(a)所示结构的电路的4个绝缘栅双极晶体管T1～T4以及图13(a)所示结构的电路的4个绝缘栅双极晶体管T1～T4’，提供相同的栅极信号，从而在图12(a)的结构及图13(a)的结构中输出相同的输出电压。
此外，在将第5外部连接端子tm5(U)的输出电压设为0(V)的第3动作模式下，如图16所示，输入使反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3成为导通状态的栅极信号，对于其他所有的绝缘栅双极晶体管T1、T2及反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4输入使它们成为截止状态的栅极信号。
在该情况下，流过图12(a)所示结构的三电平电压转换电路的电流的路径如图16(a)所示那样成为如下路径：从电容器C11和电容器C12间的连接点出发，通过感应性负载L，通过反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3，并返回至电容器C11和电容器C12间的连接点。因此，施加于感应性负载L的输出电压成为0(V)。
另一方面，流过如图13(a)所示结构的三电平电压转换电路的电流路径如图16(b)所示那样，形成从电容器C11和电容器C12间的连接点起通过感应性负载L、通过绝缘栅双极晶体管T3’、并通过二极管D6而返回至电容器C11和电容器C12间的连接点的电流路径，施加于感应性负载L的输出电压成为0(V)。
因而，该动作模式下也对于图12(a)所示结构的电路的4个绝缘栅双极晶体管T1～T4以及图13(a)所示结构的电路的4个绝缘栅双极晶体管T1～T4’，提供相同种类的栅极信号，从而在图12(a)的结构及图13(a)的结构中输出相同的输出电压。
由此，即使在内置于半导体装置1中的三电平功率转换电路的结构不同的情况下，第1～第5外部连接端子tm1～tm5和第1～第11辅助端子ts1～ts11的配置位置对于电路结构为共通，在各动作模式下，相对于同一种类的栅极信号能获得相同的输出电压。因此，用户能无需意识到内置于半导体装置1中的三电平功率转换电路的结构来进行使用，能提供互换性高的半导体装置。
接着，使用图17及图18对本发明的第3实施方式进行说明。
图17是表示在本发明的第3实施方式所涉及的半导体装置中、搭载有半导体元件的绝缘基板的俯视图。对于图2所示的底板3、第1辅助端子ts1～第11辅助端子ts11，省略图示。该第3实施方式中，将上述第1实施方式中发热量最大的绝缘栅双极晶体管T1及T2彼此配置在对角位置上。
即，第3实施方式如图17所示具有如下结构：将在上述第1实施方式的图2所示的结构中配置于区域DA2的绝缘栅双极晶体管T2配置于各绝缘基板SB21～SB23的区域DA3，将配置于区域DA3的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4配置于各绝缘基板SB21～SB23的区域DA2。
与该配置替换相对应，负侧导体板22及交流输出用导体板24相对于中间电位导体板23的配置关系发生变更。
即，中间电位导体板23及正侧导体板21的配置与上述第1实施方式中的配置相同，但负侧导体板22配置于区域DA3，且接近中间电位导体板23的背面侧，并与其相对。并且，交流输出用导体板24分割配置于区域DA2及DA4。
其他的结构与上述第1实施方式的结构相同。因此，对于与图2相对应的部分标注相同的标号，并省略其详细说明。
根据该第3实施方式，正侧导体板21配置在中间电位导体板23的正面侧附近并与其相对，负侧导体板22配置在中间电位导体板23的背面侧附近并与其相对。流过中间电位导体板23的电流的方向与流过正侧导体板21的电流的方向彼此相反，此外流过中间电位导体板23的电流的方向与流过负侧导体板22的电流的方向彼此相反，由此如上所述，能降低中间电位导体板23和正侧导体板21之间的电感，以及中间电位导体板23和负侧导体板22之间的电感。
通过替换绝缘栅双极晶体管T2和反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的配置，导电图案也发生变更。
此外，关于热量的产生，第3实施方式中，对于上述第1实施方式调换了区域DA2及DA3，因此每个动作模式的发热状态如图18(a)～(d)中简略示出的那样。
即，当动作为将栅极脉冲输入至绝缘栅双极晶体管T1的栅极来开关绝缘栅双极晶体管T1、且反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4处于恢复的模式时，如图18(a)所示，搭载于区域DA1所配置的各绝缘基板SB11～SB13的绝缘栅双极晶体管T1和搭载于区域DA2所配置的各绝缘基板SB21～SB23的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4会发热，该区域DA2与区域DA1左侧相邻。另一方面，区域DA3及DA4不产生发热。
此外，当动作为将栅极脉冲输入至绝缘栅双极晶体管T2的栅极来开关绝缘栅双极晶体管T2、且反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3处于恢复的模式时，如图18(b)所示，搭载于区域DA3所配置的各绝缘基板SB21～SB23的绝缘栅双极晶体管T2和搭载于区域DA4所配置的各绝缘基板SB11～SB13的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3会发热，该区域DA4与区域DA3右侧相邻。另一方面，区域DA1及DA2不产生发热。
并且，当动作为将栅极脉冲提供给反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3的栅极来开关反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3、且绝缘栅双极晶体管T1进行恢复的模式时，如图18(c)所示，搭载于区域DA1的各绝缘基板SB11～SB13的续流二极管D1产生发热，并且搭载于其后方侧的区域DA4的各绝缘基板SB11～SB13的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3会产生发热。另一方面，区域DA2及DA3不产生发热。
并且，当动作为将栅极脉冲提供给反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的栅极来开关反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4、且绝缘栅双极晶体管T2进行恢复的模式时，如图18(d)所示，搭载于区域DA2的各绝缘基板SB21～SB23的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4产生发热，并且与其后侧相邻的区域DA3的续流二极管D1产生发热。另一方面，区域DA1及DA4不产生发热。
由此，根据第3实施方式，在半导体装置1处于动作状态时，与上述的第1实施方式相同，区域DA1～DA4的所有区域不会同时发热，仅左右相邻的两个区域或前后相邻的两个区域会产生发热。即，根据动作模式仅局部的两个区域产生发热。
因而，如上述现有模块的示例所示，与底板3上的绝缘基板整体产生发热的情况相比，能分散发热，从而能可靠防止半导体装置1成为过热状态。
在上述第3实施方式中，对以下情况进行了说明：即、将上述第1实施方式中、配置于区域DA2及DA3的绝缘栅双极晶体管T2和反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4分别以配置于DA3和DA2的方式进行调换。然而，本发明并不限于上述结构，如图19及图20所示，第3实施方式中可以变更为如下结构：区域DA2及DA4的反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4和反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3分别以配置于区域DA4和区域DA2中的方式进行调换。
图19是表示在本发明的第3实施方式所涉及的半导体装置的变形例中、搭载有半导体元件的绝缘基板的俯视图，图10是在本发明的第3实施方式所涉及的半导体装置的变形例中、对每个动作模式的半导体元件的发热装置进行简略说明的图。
在该变形例的情况下，虽省略了详细说明，但正侧导体板21、负侧导体板22、中间电位导体板23及交流输出用导体板24的配置关系与上述第3实施方式相同，能发挥降低电感的效果。此外，上述图18(a)～图18(d)的模式中的发热状态如图20(a)～图20(d)所示那样。由此，与上述第3实施方式相同，前后相邻的两个区域和左右相邻的两个区域产生发热，能获得与上述第1～第3实施方式相同的作用效果。
接着，使用图21及图22对本发明的第4实施方式进行说明。
图21是表示在本发明的第4实施方式所涉及的半导体装置中、搭载有半导体元件的绝缘基板的俯视图。对于图2所示的底板3、第1～第11辅助端子，省略图示。
上述的第1～第3实施方式中，构成三电平功率转换电路的4个绝缘栅双极晶体管T1～T4中，安装有绝缘栅双极晶体管T1和T3或绝缘栅双极晶体管T1和T4的三片相同的各绝缘基板SB11～SB13相邻配置，安装有绝缘栅双极晶体管T2和T4或绝缘栅双极晶体管T2和T3的三片相同的各绝缘基板SB21～SB23相邻配置，T1～T4中的参照文字的参照数字相同即功能相同的晶体管配置为彼此相邻。然而，本第4实施方式中，与上述第1～第3实施方式不同，如图21所示，这些各绝缘基板SB11～SB13和各绝缘基板SB21～SB23不相邻，而是交替地从右侧起以如下参照文字的参照数字的顺序来配置，该顺序为SB11、SB21、SB12、SB22、SB13、SB23，绝缘栅双极晶体管T1和T2不相邻而是交替地配置，反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3和T4不相邻而是交替地配置。
在该情况下，如图21所示，中间电位导体板23及交流输出用导体板24与上述的第1实施方式同样地配置。与此相对，正侧导体板21相对于中间电位导体板23从正面侧以遍及大致全长的方式与该中间电位导体板23接近并相对，该负侧导体板22相对于中间电位导体板23从背面侧以遍及大致全长的方式与该中间电位导体板23接近并相对。
因此，彼此流过相反方向的电流的中间电位导体板23和正侧导体板21之间的相对面积、以及彼此流过相反方向的电流的中间电位导体板23和负侧导体板22之间的相对面积能比第1实施方式大，由此，能进一步发挥降低电感的效果。
图22是对本发明的第4实施方式所涉及的半导体装置的每个动作模式的半导体元件的发热状态进行简略说明的图。虽省略了详细说明，但当动作为绝缘栅双极晶体管T1处于开关状态、反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4进行恢复的模式时，如图22(a)所示，以交错状进行发热。
当动作为绝缘栅双极晶体管T2处于开关状态、反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3进行恢复的模式时，如图22(b)所示，以将图22(a)的交错状前后反转后得到的交错状进行发热。
并且，当动作为反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3处于开关状态、绝缘栅双极晶体管T1进行恢复的模式时，如图22(c)所示，交替地进行发热。
另外，当动作为反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4处于开关状态、绝缘栅双极晶体管T2进行恢复的模式时，如图22(d)所示，在图22(c)所示的模式中不发热的交替的绝缘基板中的两个区域进行发热。
因而，本第4实施方式中，也能降低半导体装置1内的电感。此外，半导体装置1内的底板3整体并不同时进行发热，发热区域根据动作模式来移动，由此能可靠地进行热分散，能可靠防止半导体装置1成为过热状态。
图23是表示在本发明的第4实施方式所涉及的半导体装置的变形例中、搭载有半导体元件的绝缘基板的俯视图。图24是在本发明的第4实施方式所涉及的半导体装置的变形例中、对每个动作模式的半导体元件的发热状态进行简略说明的图。
上述第4实施方式中，如图23及图24所示，能调换各绝缘基板SB21～SB23的绝缘栅双极晶体管T2和反向阻止型绝缘栅双极晶体管T4的前后方向的排列。该情况下，成为图24(a)～图24(d)所示的上述第3实施方式的发热状态与第4实施方式的发热状态混合存在的发热状态，能获得与上述第1～第4实施方式相同的作用效果。
上述第1～第4实施方式中，对如下情况进行了说明：即、配置有三组搭载有绝缘栅双极晶体管T1、T2和反向阻止型绝缘栅双极晶体管T3、4的绝缘基板的组。本发明并不限于此，能根据所需电流量来任意决定绝缘基板的组数。
上述第1～第4实施方式中，对形成于壳体2的第1外部连接端子tm1～第5外部连接端子tm5的配置位置固定的情况进行了说明，但并不限于此。图25是表示在图1所示的本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置中、调换两个外部连接端子彼此的配置位置后的状态的变形例的立体图。即，如图25所示，可以调换第1外部连接端子tm1(P)和第2外部连接端子tm2(M1)彼此的配置位置。
上述第1～第4实施方式中，对如下情况进行了说明：设置有内置于壳体2的三电平功率转换电路所需个数的外部连接端子及辅助端子。本发明并不限于此。图26是表示与图1所示的本发明的第1实施方式相对应的半导体装置的其他变形例的俯视图。即、如图26所示，除了上述图1中的第1外部连接端子tm1～第5外部连接端子tm5、第1辅助端子ts1～第11辅助端子ts11以外，可以在能形成辅助端子的区域形成辅助端子形成用孔31。在该情况下，能根据用户的规格改变或追加辅助端子的位置，能提供通用性高的半导体装置。
上述第1～第4实施方式中，对三电平功率转换电路具有图12(a)或图13(a)所示那样结构的情况进行了说明，但本发明并不限于此。即、本发明也能应用如下三电平功率转换电路，该三电平功率转换电路的双向开关元件如专利文献4所记载的那样，连接与二极管反向并联连接的两个绝缘栅双极晶体管的集电极彼此，从而构成串联连接的双向开关元件。在该情况下，如专利文献4所记载的那样，绝缘栅双极晶体管的集电极的连接点需要设置中间端子，该中间端子在绝缘试验中防止因大电位差而引起的绝缘栅双极晶体管的破坏。因此，图27是表示与图1所示的本发明的第1实施方式所涉及的半导体装置相对应的半导体装置的另一其他变形例的立体图。如图27所示，壳体2的端子配置面4配置有中间端子tc。
本发明仅通过半导体模块的端子连接的组合能获得所希望的电路结构，因此，本发明并不限于应用于上述的功率调节器(PCS：Power Conditioning Subsystem)的半导体装置，也能应用于不间断电源装置(UPS)、其他任意的功率转换装置及高频用途的开关IC等其他装置的半导体装置。
标号说明
1…半导体装置、2…成型体、3…底板、4…端子配置面、5…突条、tm1…第1外部连接端子、tm2…第2外部连接端子、tm3…第3外部连接端子、tm4…第4外部连接端子、tm5…第5外部连接端子、ts1～ts11…辅助端子、SB11，SB12，SB13，SB21，SB22，SB23…绝缘基板、21…正侧导体板、22负侧导体板、23…中间电位导体板、24…交流输出用导体板、121a～121h，122a～122g、123a～123g、124a～124g…导电图案、130…引线、140…接合部、150…热敏电阻。

Claims (19)

1.一种半导体装置，其特征在于，包括：
第一绝缘基板，该第一绝缘基板搭载有构成三电平功率转换电路的至少4个半导体元件；
配置有该第一绝缘基板的底板；
所述底板的一个面上的与所述半导体元件内的一个半导体元件相连的直流正侧电位的正侧导体板；
所述底板的一个面上的与所述半导体元件内的另一个半导体元件相连的直流负侧电位的负侧导体板；以及
所述底板的一个面上的与所述半导体元件内的剩余两个半导体元件相连的中间电位的中间电位导体板，
所述正侧导体板及所述负侧导体板设置在所述中间电位导体板的附近并与其相对而配置。
2.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述负侧导体板配置在所述正侧导体板的延长线上。
3.如权利要求1所述的半导体装置，其特征在于，
所述正侧导体板、所述负侧导体板及所述中间电位导体板垂直配置在所述一个面上。
4.如权利要求1至3任一项所述的半导体装置，其特征在于，
该半导体装置具有覆盖所述半导体元件的绝缘树脂材料的成型体，形成于所述正侧导体板的第一外部连接端子、形成于所述中间电位导体板的第二外部连接端子和第三外部连接端子、与所述负侧导体板相连的第四外部连接端子被导出至所述成型体的一个表面上，并按所述第一外部连接端子、所述第二外部连接端子、所述第三外部连接端子及所述第四外部连接端子的顺序并排设置在一直线上。
5.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，
所述中间电位导体板的与所述正侧导体板和所述负侧导体板相反的一侧相对配置有交流输出用导体板，形成于该交流输出用导体板的第五外部连接端子配置在所述第四外部连接端子的与第三外部连接端子相反的一侧。
6.如权利要求4所述的半导体装置，其特征在于，
所述第一外部连接端子、所述第二外部连接端子、所述第三外部连接端子、所述第四外部连接端子按所述第二外部连接端子、所述第一外部连接端子、所述第三外部连接端子、所述第四外部连接端子的顺序并排配置成一直线状。
7.如权利要求5所述的半导体装置，其特征在于，
所述三电平功率转换电路包括：集电极连接至直流电路的正侧电位的第一绝缘栅双极晶体管；发射极连接至所述直流电路的负侧电位的第二绝缘栅双极晶体管；以及一端连接至所述第一绝缘栅双极晶体管的发射极和所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极之间的连接点的双向开关元件，
所述中间电位导体板与所述双向开关元件的另一端相连接，所述正侧导体板与所述第一绝缘栅双极晶体管的集电极相连接，所述负侧导体板与所述第二绝缘栅双极晶体管的发射极相连接。
8.如权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，
所述双向开关元件由反向阻断型绝缘栅双极晶体管的反向并联电路构成。
9.如权利要求7所述的半导体装置，其特征在于，
所述半导体装置的夹着并排设置在一直线上的所述第一外部连接端子至所述第四外部连接端子而相对的两条边中的一条边侧配置有第一绝缘栅双极晶体管的栅极、发射极用的第一辅助端子、第二绝缘栅双极晶体管的栅极、发射极用的第二辅助端子，另一条边侧配置有第三绝缘栅双极晶体管的栅极、发射极用的第三辅助端子、第四绝缘栅双极晶体管的栅极、发射极用的第四辅助端子，
所述第三辅助端子和所述第四辅助端子的配置在应用于所述三电平功率转换电路的情况下、和应用于半导体元件的连接以及配置与所述三电平功率转换电路不同的其他三电平功率转换电路的情况下通用。
10.如权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，
所述其他三电平功率转换电路包括：集电极连接至直流电路的正侧电位的第一绝缘栅双极晶体管；发射极连接至所述直流电路的负侧电位的第二绝缘栅双极晶体管；发射极连接至所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极的第三绝缘栅双极晶体管；集电极连接至所述第一绝缘栅双极晶体管的发射极的第四绝缘栅双极晶体管；以及串联连接在所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极和所述第三绝缘栅双极晶体管的发射极的连接点与所述第一绝缘栅双极晶体管的发射极和所述第四绝缘栅双极晶体管的集电极的连接点之间的第一及第二二极管，
所述半导体装置包括与该第一及第二二极管的连接点相连接的所述中间电位导体板；与所述第一绝缘栅双极晶体管的集电极相连接的所述正侧导体板；与所述第二绝缘栅双极晶体管的发射极相连接的所述负侧导体板；以及与所述第四绝缘栅双极晶体管的发射极和所述第三绝缘栅双极晶体管的集电极之间的连接点相连接的所述交流输出用导体板。
11.如权利要求9所述的半导体装置，其特征在于，
所述成型体在多个位置形成有用于将所述第一辅助端子至所述第四辅助端子导出到外部的辅助端子形成用孔部，以根据内置的三电平功率转换电路的半导体元件的连接或配置选择性地将所述第一辅助端子至所述第四辅助端子导出到外部。
12.如权利要求8所述的半导体装置，其特征在于，
配置于所述底板的所述第一绝缘基板具有多个平面形状为矩形的第二绝缘基板和多个平面形状为矩形的第三绝缘基板，
所述第二绝缘基板包括：
配置在所述矩形的长边方向的一侧的所述反向阻断型绝缘栅双极晶体管；以及配置在所述矩形的长边方向的另一侧的所述第一绝缘栅双极晶体管和第一二极管，
所述第三绝缘基板包括：
配置在所述矩形的长边方向的一侧的所述反向阻断型绝缘栅双极晶体管；以及配置在所述矩形的长边方向的另一侧的所述第二绝缘栅双极晶体管和第二二极管，
多个所述第二绝缘基板配置成各自的所述一侧和所述另一侧相邻，
多个所述第三绝缘基板配置成各自的所述一侧和所述另一侧相邻，
多个所述第二绝缘基板的所述一侧和多个所述第三绝缘基板的所述一侧、与多个所述第二绝缘基板的所述另一侧和多个所述第三绝缘基板的所述另一侧相邻配置。
13.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，包括：
与多个所述第二绝缘基板的所述第一绝缘栅双极晶体管的集电极和所述第一二极管的阴极相连接的所述正侧导体板；
与多个所述第三绝缘基板的所述第二绝缘栅双极晶体管的发射极和所述第二二极管的阳极相连接的所述负侧导体板；
与多个所述第二绝缘基板的所述反向阻断型绝缘栅双极晶体管的发射极和多个所述第三绝缘基板的所述反向阻断型绝缘栅双极晶体管的集电极相连接的所述中间电位导体板；以及
与多个所述第二绝缘基板的所述反向阻断型绝缘栅双极晶体管的集电极、多个所述第三绝缘基板的所述第二绝缘栅双极晶体管的集电极、多个所述第三绝缘基板的所述第二二极管的阴极、及多个所述第三绝缘基板的所述反向阻断型绝缘栅双极晶体管的发射极相连接的所述交流输出用导体板。
14.如权利要求13所述的半导体装置，其特征在于，
所述负侧导体板配置在所述正侧导体板的延长线上，
所述中间电位导体板配置在所述正侧导体板和所述交流输出用导体板之间、以及所述负侧导体板和所述交流输出用导体板之间，
所述中间电位导体板配置在比所述正侧导体板及所述负侧导体板更靠所述反向阻断型绝缘栅双极晶体管侧的部位。
15.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，
多个所述第二绝缘基板分别并联连接。
16.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，
多个所述第三绝缘基板分别并联连接。
17.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，
所述第二绝缘基板的所述第一绝缘栅双极晶体管和所述第一二极管并联连接。
18.如权利要求12所述的半导体装置，其特征在于，
所述第三绝缘基板的所述第二绝缘栅双极晶体管和所述第二二极管并联连接。
19.如权利要求13所述的半导体装置，其特征在于，
分别经由接合线来进行下述连接：所述负侧导体板和多个所述第三绝缘基板的所述第二绝缘栅双极晶体管的发射极、及所述第二二极管的阳极之间的连接；
所述中间电位导体板和多个所述第二绝缘基板的所述反向阻断型绝缘栅双极晶体管的发射极之间的连接；以及
所述交流输出用导体板和多个所述第三绝缘基板的所述反向阻断型绝缘栅双极晶体管的发射极之间的连接。
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