JP2002078356A

JP2002078356A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2002078356A
Application number: JP2000254294A
Authority: JP
Inventors: Toshiharu Obe; 部利春大; Kenji Kijima; 島研二木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2002-03-15
Anticipated expiration: 2020-08-24
Also published as: JP3645475B2

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却効率の向上、及び寄生インダクタンスの
低減を図ること。【解決手段】液冷式冷却器１３Ａの冷却管１４Ａを絶
縁基板１９に近い線膨張係数を有する金属基複合材料に
より形成し、この冷却管１４Ａの外面に絶縁基板１９の
裏面を直接に接触させた状態で取り付けているので、冷
却効率が向上している。そして、絶縁基板１９及び冷却
管１４Ａの各線膨張係数は互いに近いものであるため、
絶縁基板１９に熱応力が生じることはない。また、熱緩
衝板２８を介して幅広導体２５，２６が半導体チップに
接続されているので寄生インダクタンスが低減されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として、電気自
動車に搭載されるインバータ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近時の省エネルギー化及び環境問題等の
見直しにより、電気自動車（ハイブリッドカーを含む）
が脚光を浴び、その実用化の促進が急がれている。電気
自動車に搭載されるインバータ装置については、小型化
及び高信頼性が要求されるが、小型化及び高信頼性を実
現するためには、冷却効率を向上させると共に、配線回
りの寄生インダクタンスを低減させることが重要とな
る。

【０００３】図１２及び図１３は、このような電気自動
車に搭載される従来のインバータ装置の構成を示す平面
断面図及び側面断面図である。これらの図において、複
数の電力用半導体素子により構成される半導体素子ユニ
ット１が金属製のケース部材１２の内部に配設されてお
り、この半導体素子ユニット１に隣接して固定台３によ
り固定された３個の平滑コンデンサ２（アルミ電解コン
デンサ）が配設されている。これらの平滑コンデンサ２
は、正極側導体４及び負極側導体５を介して半導体素子
ユニット１内の電力用半導体素子に接続されており、ま
た、中央の平滑コンデンサ２には外部の電源と接続され
る端子部４ａ，５ａが取り付けられている。そして、上
記の半導体素子ユニット１内の複数の電力用半導体素
子、及び平滑コンデンサ２によりインバータ回路が構成
されており、半導体素子ユニット１の上方に配設されて
いる制御ユニット６により、このインバータ回路の制御
が行われるようになっている。また、半導体素子ユニッ
ト１には、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の出力導体７，８，９が接
続されており、更に、Ｕ相出力導体７及びＷ相出力導体
９には、それぞれ電流検出器１０，１１が取り付けられ
ている。

【０００４】半導体素子ユニット１の下方には、液冷式
冷却器１３が配設されている。この液冷式冷却器１３
は、アルミニウム、銅等の熱伝導性の良い材質により形
成された冷却管１４を有しており、この冷却管１４内に
冷媒流路１５が蛇行状に形成されている。冷媒流路１５
には、入水口１６及び排水口１７が設けられており、冷
媒１８が入水口１６から入り冷媒流路１５を通過して排
水口１７から排出されるまでの間に、半導体素子ユニッ
ト１が、この冷媒１８によって冷却されるようになって
いる。なお、冷媒１８としては、例えば水とエチレング
リコール等を混合させた不凍液が用いられる。

【０００５】図１４は、半導体素子ユニット１内の電力
用半導体素子の構成及びその冷却管１４に対する取付構
造を示す一部拡大断面図である。絶縁基板１９の上面側
に金属電極２０が形成され、更に、金属電極２０上に半
導体チップであるＩＧＢＴ１０１及びダイオード２０１
が形成されている。このＩＧＢＴ１０１及びダイオード
２０１には、第１の接続導体であるワイヤボンディング
２１が接続されており、金属電極２０には第２の接続導
体としてのワイヤボンディング２２が接続されている。
これらワイヤボンディング２１，２２は、それぞれ図１
２に示した正極側導体４及び負極側導体５に接続されて
いる。

【０００６】絶縁基板１９の裏面側には放熱用金属板２
３の上面が接触しており、この放熱用金属板２３の裏面
は、塗布された熱伝導グリース２４を介して冷却管１４
に接触している。そして、絶縁基板１９及び放熱用金属
板２３は、図１２及び図１３に示したネジ部材４１によ
り冷却管１４に取り付けられており、絶縁基板１９と放
熱用金属板２３との間、及び放熱用金属板２３と冷却管
１４との間の各接触面は加圧接触状態となっている。な
お、金属電極２０、及びその上面に形成されたＩＧＢＴ
１０１及びダイオード２０１の周囲にはゲル状の絶縁物
が充填された状態となっている。

【０００７】上記のＩＧＢＴ１０１及びダイオード２０
１から発生する熱は、絶縁基板１９及び放熱用金属板２
３を通って冷却管１４で放熱されるようになっている。
ここで、絶縁基板１９は、例えば、アルミナ、窒化アル
ミ、あるいは窒化ケイ素等のセラミックス部材により形
成されており、冷却管１４は上記のようにアルミニウ
ム、銅などの良熱伝導性の金属により形成されている。
したがって、両者の線膨張係数は大きく異なっている
が、放熱用金属板２３が介在していることにより、絶縁
基板１９はある程度の変形が許容されることになり、こ
れに加わる熱応力が軽減されるようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
のインバータ装置は次のような課題を有するものであっ
た。すなわち、まず第一に、絶縁基板１９及び放熱用金
属板２３は、ネジ部材４１により冷却管１４に取り付け
られているため、放熱用金属板２３の加圧力を接触面の
全てにわたって均一にすることは困難である。したがっ
て、実際には放熱用金属板２３と冷却管１４との間の熱
抵抗は、電力用半導体素子側の内部熱抵抗（金属電極２
０から放熱用金属板２３に至るまでの熱抵抗）とほぼ同
程度の大きなものとなり、冷却効率が非常に悪いものと
なっている。そして、このように冷却効率が悪いことか
ら、ＩＧＢＴ１０１及びダイオード２０１を密集して配
置することができなくなり、そのため電力用半導体素子
が大きくなってしまい、結果としてインバータ装置自体
も大型化してしまっていた。

【０００９】第二に、ＩＧＢＴ１０１及びダイオード２
０１は、ワイヤボンディング２１，２２により平滑コン
デンサ２側と電気的に接続されているが、これらのワイ
ヤボンディングは抵抗が大きなものであるため、高温に
なりやすく一定以上の通電容量を確保するのが困難なも
のである。また、ワイヤボンディングを用いた場合、外
部引出端子からＩＧＢＴ１０１又はダイオード２０１を
経てこの外部引出端子へ流れる電流のループが長くな
る。したがって、装置の配線回りの寄生インダクタンス
が大きなものとなり、過電圧の発生や電力損失が増大す
る結果となっていた。ワイヤボンディングを用いた場合
のこのような欠点を解消する方策として、ワイヤボンデ
ィングの代わりに、銅などの良伝導性の部材により形成
された幅広の導体を用いることも考えられる。しかし、
シリコン系の材料により形成されるＩＧＢＴ１０１ある
いはダイオード２０１などの半導体チップと、銅との間
の線膨張係数は大きく異なっているために、この銅製の
幅広導体を半導体チップに対して直接接続したのでは、
半導体チップに大きな熱応力が加わり、破損してしまう
虞がある。

【００１０】第三に、図１３の図示から明らかなよう
に、スペース上の制約から液冷式冷却器１３の冷媒流路
１５は、半導体素子ユニット１の下方にのみ形成されて
おり、平滑コンデンサ２側には形成されていない。した
がって、平滑コンデンサ２に対する冷却は、空気により
自然冷却となるが、これは充分な冷却効果を期待し難い
ものである。そのため、コンデンサ１個あたりについて
流すことのできるリップル電流は小さなものとなり、多
くのリップル電流を流すことができるようにするため
に、容量の大きなコンデンサを用いたり、コンデンサの
数を多くしなければならず、装置の大型化を招く原因と
なっていた。

【００１１】第四に、平滑コンデンサ２としては、一般
的にコスト上の理由からアルミ電解コンデンサが多く用
いられている。しかし、このアルミ電解コンデンサは内
部インダクタンスが大きなものであるため、電力用半導
体素子のターンオフ時にはＩＧＢＴ１０１に急峻な過電
圧が印加されることがある。そのため、ＩＧＢＴ１０１
にはより高い耐電圧を有するものを使用しなければなら
なかった。

【００１２】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、冷却効率の向上、及び寄生インダクタンスの低減
を図り、もって一層の小型化及び信頼性の更なる向上を
図ることが可能なインバータ装置を提供することを目的
としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として請求項１記載の発明は、絶縁基板表面側に
形成された半導体チップ及び金属電極から成り、インバ
ータ回路を構成する複数の電力用半導体素子と、この電
力用半導体素子付近に配設され、正極側及び負極側がそ
れぞれ第１及び第２の接続線により前記半導体チップと
接続される平滑コンデンサと、前記絶縁基板の裏面側に
配設され、前記電力用半導体素子を冷却する冷却管を有
する液冷式冷却器と、を備えたインバータ装置におい
て、前記液冷式冷却器の冷却管を前記絶縁基板に近い線
膨張係数を有する材料により形成し、この冷却管に前記
絶縁基板の裏面を直接取り付けた、ことを特徴とする。

【００１４】上記構成によれば、温度変化により絶縁基
板が変形しようとする場合に、液冷式冷却器の冷却管も
同様に変形するので、両者の密着性は高くなり、冷却効
率が向上する。また、絶縁基板の変形が拘束されること
はないので、絶縁基板に熱応力が生じることもない。

【００１５】請求項２記載の発明は、絶縁基板表面側に
形成された半導体チップ及び金属電極から成り、インバ
ータ回路を構成する複数の電力用半導体素子と、この電
力用半導体素子付近に配設され、正極側及び負極側がそ
れぞれ第１及び第２の接続線により前記半導体チップと
接続される平滑コンデンサと、前記絶縁基板の裏面側に
配設され、前記電力用半導体素子を冷却する冷却管を有
する液冷式冷却器と、を備えたインバータ装置におい
て、前記液冷式冷却器の冷却管を熱伝導性の良好な材料
により形成すると共に、この冷却管の外面に、前記絶縁
基板と略同一形状を有し且つこの絶縁基板に発生する熱
応力を緩衝するための熱応力緩衝板を固着し、この熱応
力緩衝板に前記絶縁基板の裏面を取り付けた、ことを特
徴とする。

【００１６】上記構成によれば、液冷式冷却器の冷却管
は熱伝導性の良好な材料により形成されているので、絶
縁基板からの発生する熱の放熱は、従来装置と同様に効
率良く行われる。この場合、絶縁基板の線膨張係数とと
冷却管の線膨張係数とは大きく異なるため、絶縁基板に
熱応力が発生しようとするが、熱応力緩衝板によりこの
熱応力の発生は抑制される。

【００１７】請求項３記載の発明は、請求項２記載の発
明において、前記熱応力緩衝板を、複数の分割部材によ
り形成した、ことを特徴とする。

【００１８】上記構成によれば、請求項２記載の構成に
比べて、熱応力の発生の抑制を一層効果的に行うことが
できる。

【００１９】請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の
いずれかに記載の発明において、前記液冷式冷却器の冷
却管は、前記平滑コンデンサの内部を挿通し、この平滑
コンデンサに対する冷却を前記電力用半導体素子に対す
る冷却と同時に行うものである、ことを特徴とする。

【００２０】上記構成によれば、平滑コンデンサに対す
る冷却効率を高めることができ、平滑コンデンサにより
多くのリップル電流を流すことができる。

【００２１】請求項５記載の発明は、請求項１乃至４の
いずれかに記載の発明において、前記第１及び第２の接
続線を良電導性の第１及び第２の幅広導体により形成
し、更に、この第１及び第２の幅広導体と前記半導体チ
ップとを、半導体チップに発生する熱応力及び熱上昇を
抑制する熱緩衝板を介して接続した、ことを特徴とす
る。

【００２２】上記構成によれば、熱緩衝板を介して第１
及び第２の幅広導体と半導体チップとが接続されている
ので、両者の線膨張係数が異なっているにもかかわら
ず、半導体チップ側の変形及び熱応力の発生が緩衝され
る。

【００２３】請求項６記載の発明は、請求項５記載の発
明において、前記第１及び第２の幅広導体の間に絶縁物
を介挿させると共に、これら第１及び第２の幅広導体を
流れる各電流の向きを互いに逆方向にすることにより、
各インダクタンスを相殺するようにした、ことを特徴と
する。

【００２４】上記構成によれば、第１及び第２の幅広導
体は互いに平行に延び、それぞれの電流の向きが逆にな
るのでインダクタンスが相殺され、低インダクタンス化
を図ることができる。

【００２５】請求項７記載の発明は、請求項１乃至６の
いずれかに記載の発明において、前記インバータ回路
に、前記半導体チップに対するサージを吸収するための
サージ吸収用コンデンサを設けた、ことを特徴とする。

【００２６】上記構成によれば、ターンオフ時に発生す
るサージをサージ吸収用コンデンサにより吸収できるの
で、耐電圧容量の高い半導体チップを使用する必要がな
くなる。

【００２７】請求項８記載の発明は、請求項７記載の発
明において、前記サージ吸収用コンデンサは、セラミッ
クコンデンサである、ことを特徴とする。

【００２８】上記構成によれば、もともとインダクタン
スの比較的小さなセラミックコンデンサを用いているの
で、寄生インダクタンスの増大を抑制することができ
る。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図に基
づき説明する。但し、図１２乃至図１４において説明し
たのと同様の構成要素には同一符号を付して重複した説
明を省略する。図１は、第１の実施形態の要部構成を示
す側面断面図、図２は平面断面図、図３はインバータ回
路構成図である。なお、図１及び図２においては、図面
の都合上、平滑コンデンサ２の図示を省略している。

【００３０】半導体素子ユニット１Ａの下方には液冷式
冷却器１３Ａが配設されている。この液冷式冷却器１３
Ａの冷却管１４Ａは、従来のようなアルミ、銅などの熱
伝導性の良好なものではなく、絶縁基板１９に近い線膨
張係数を有する金属基複合材料（金属とセラミックスの
複合材料）により形成されている。そして、図１４にお
いて用いられていた放熱用金属板２３及び熱伝導グリー
ス２４は省略されており、絶縁基板１９の裏面が冷却管
１４Ａの外面に直接接触して取り付けられている。

【００３１】半導体素子ユニット１Ａは、図２に示され
るように、電力用半導体素子ＳＣ1〜ＳＣ6により構成さ
れており、各絶縁基板１９に形成された金属電極２０上
には半導体チップであるＩＧＢＴ１０１〜１０６及びダ
イオード２０１〜２０６が形成されている。

【００３２】各電力用半導体素子のＩＧＢＴ及びダイオ
ードには第１の幅広導体２５及び第２の幅広導体２６の
一端側が熱緩衝板２８を介して接続されている。これら
第１の幅広導体２５及び第２の幅広導体２６は良電導材
である銅により形成されており、これらの間には絶縁部
材２７が介挿されている。熱緩衝板２８の材料は、第１
の幅広導体２５及び第２の幅広導体２６とＩＧＢＴ及び
ダイオードとの中間の線膨張係数を有する材料（例えば
モリブデン）により形成されている。これら、第１の幅
広導体２５及び第２の幅広導体２６の他端側は、この図
１では図示が省略されている正極側導体４及び負極側導
体５（図１２参照）に接続されている。また、本実施形
態では、第１の幅広導体２５を流れる電流の向きと、第
２の幅広導体２６を流れる電流の向きとが互いに逆方向
となっている。これにより、それぞれのインダクタンス
が相殺され、電力用半導体素子内部の配線の寄生インダ
クタンスをより低減することができる。

【００３３】なお、各電力用半導体素子の金属電極２０
上には、熱緩衝板２８と同じ材料の熱緩衝部材２９を介
して幅広導体２５，２６と同様の幅広導体が接続されて
いる。この幅広導体は、各電力用半導体素子間の接続を
行うために設けられたものである。また、各ＩＧＢＴに
接続されているゲートリード３０には、従来と同様のワ
イヤボンディングが用いられている。このゲートリード
３０についても、本来は、幅広導体部材を用いることが
好ましいが、製造上の都合によりゲートリード３０につ
いてだけはワイヤボンディングを用いることとしてい
る。そして、半導体素子ユニット１Ａの側面部には、固
定フレーム３１が設けられており、この固定フレーム３
１の内側に高分子材料であるゲル状絶縁物３２が充填さ
れて、各ＩＧＢＴ及びダイオード、並びに第１及び第２
の幅広導体２５，２６等がこのゲル状絶縁物３２に覆わ
れた状態になっている（この実施形態では、天井部の蓋
板部材を省略して半導体素子ユニット１Ａの構造の簡略
化を図っている。）。

【００３４】次に、上記のように構成される第１の実施
形態の作用につき説明する。インバータ装置の運転が開
始されると、入水口１６に冷媒１８が導入され、この冷
媒１８は蛇行状に形成された冷媒流路１５を通過して排
水口１７から冷媒ポンプ（図示せず）側に戻される。一
方、半導体素子ユニット１Ａ内では各電力用半導体素子
に電流が流れ、また、ＩＧＢＴが高速のスイッチング動
作を行うために、絶縁基板１９の温度が上昇する。この
場合、半導体素子ユニット１Ａの上部側には、ゲル状絶
縁物３２が充填されており、このゲル状絶縁物３２が断
熱材として機能するために、絶縁基板１９上に発生した
熱の殆どは冷却管１４Ａ側に移動する。そして、この発
生した熱と冷媒１８との間の熱交換により絶縁基板１９
及びその上に形成されたＩＧＢＴ及びダイオードに対す
る冷却が行われることになる。

【００３５】このとき、冷却管１４Ａ上に直接取り付け
られた絶縁基板１９は、温度変化に伴う冷却管１４Ａの
変形の影響をもろに受けるように見えるが、冷却管１４
Ａと絶縁基板１９とは線膨張係数がほぼ同じになってい
るので、実際には殆ど影響を受けることはない。また、
半導体チップに接続されている第１の幅広導体２５及び
第２の幅広導体２６は良電導材料である銅により形成さ
れており、半導体チップとは線膨張係数が異なっている
ために、この半導体チップもこれら幅広導体２５，２６
の変形の影響を受けるように見える。しかし、これらの
幅広導体２５，２６は、両者の中間的な値の線膨張係数
を持つ熱緩衝板２８を介して半導体チップに接続されて
いるので、その影響は大きく緩和されることになる。

【００３６】さらに、図１の構成では、各電力用半導体
素子が、上記の熱緩衝板２８、及び熱緩衝部材２９を有
しているので、過渡的な熱耐量が大きなものとなってい
る。すなわち、ＩＧＢＴのターンオフ時には、瞬間的に
大きな温度上昇が発生するが、熱緩衝板２８及び熱緩衝
部材２９は、この瞬間的な温度上昇を吸収し得る過渡的
な蓄熱材として機能することになる。それ故、図１の構
成によれば、過渡的な熱耐量を大きくし、急激な温度変
化を有効に抑制する機能を持たせることができる。

【００３７】上記したように、第１の実施形態の構成に
よれば、液冷式冷却器１３Ａの冷却管１４Ａを絶縁基板
１９に近い線膨張係数を有する金属基複合材料により形
成し、この冷却管１４Ａの外面に絶縁基板１９の裏面を
直接に接触させた状態で取り付けるようにしているの
で、絶縁基板１９から冷却管１４Ａへの放熱が促進さ
れ、冷却効率が向上したものとなっている。そして、温
度変化によって絶縁基板１９及び冷却管１４Ａが変形し
ようとする場合に、両者の線膨張係数が近いものである
ために、各変形量も互いに対応したものとなっている。
したがって、絶縁基板１９を直接に冷却管１４Ａに取り
付けているにもかかわらず、絶縁基板１９の変形が拘束
されることはなく、熱応力が生じることはない。

【００３８】また、各電力用半導体素子の半導体チップ
と平滑コンデンサ２とは、従来、ワイヤボンディングに
より接続されていたが、図１の構成では、良電導材であ
る銅により形成された第１の幅広導体２５及び第２の幅
広導体２６と熱緩衝板２８とにより接続されているの
で、寄生インダクタンスが低減された結果となってい
る。このとき、半導体チップと幅広導体２５，２６とは
線膨張係数が異なるので、半導体チップに熱応力が加わ
りそうになるが、熱緩衝板２８を介して幅広導体２５，
２６が半導体チップに接続されているので、半導体チッ
プ及び幅広導体２５，２６双方の変形が熱緩衝板２８に
より吸収され、半導体チップに対する熱応力の付加が抑
制される。更に、第１の幅広導体２５と第２の幅広導体
２６とは互いに平行に延びており、流れる電流の向きが
逆方向になるようにしているので、それぞれのインダク
タンスが相殺され、寄生インダクタンスが一層低減され
た結果となっている。

【００３９】図４は、本発明の第２の実施形態の要部構
成を示す側面断面図である。半導体素子ユニット１Ｂの
下方には液冷式冷却器１３が配設されているが、この液
冷式冷却器１３の冷却管１４は、従来装置と同様に、ア
ルミ、銅などの熱伝導性の良好な材料により形成されて
いる。そして、冷却管１４の外面には、絶縁基板１９と
略同一形状を有し、冷却管１４と絶縁基板１９との中間
の線膨張係数を有する熱応力緩衝板４２が、その上面の
みが露出するように埋設された状態で接合されており、
この上面に絶縁基板１９の裏面が接合されている。その
他の構成は、第１の実施形態と同様である。

【００４０】この第２の実施形態によれば、冷却管１４
を従来と同様の熱伝導性の良い材料により形成している
ので、充分な冷却能力を確保できると共に、液冷式冷却
器１３の製造も容易である。そして、冷却管１４と絶縁
基板１９との間には両者の中間の線膨張係数を有する熱
応力緩衝板４２が介在しているので、温度変化に伴う絶
縁基板１９の熱応力を緩衝することができ、絶縁基板１
９の割れ等の発生を防止することができる。

【００４１】図５は、本発明の第３の実施形態の要部構
成を示す側面断面図である。図５が図４と異なる点は、
熱応力緩衝板４２を、複数の分割板４２ａ，４２ｂ，４
２ｃにより形成される熱応力緩衝板４２Ａに置き換えた
点であり、その他は同様の構成である。本実施形態で
は、このように熱応力緩衝板４２Ａが複数の分割板４２
ａ，４２ｂ，４２ｃにより形成されているので、絶縁基
板１９に対する熱応力の緩衝作用がより著しいものとな
る。

【００４２】図６は、本発明の第４の実施形態の要部構
成を示す側断面図であり、図７はその平面断面図であ
る。本実施形態は、平滑コンデンサとして液冷式アルミ
電解コンデンサ３３を用いたものであり、液冷式冷却器
１３Ａ内を通過する冷媒１８が同時にこの液冷式アルミ
電解コンデンサ３３の中心部を通過して冷却作用を行う
ものである。したがって、空気による自然冷却しか行っ
ていなかった従来装置に比べて平滑コンデンサに対する
冷却機能が格段にアップしたものとなっている。

【００４３】図７に示すように、入水口１６からの冷媒
１８は一方の液冷式アルミ電解コンデンサ３３の冷却管
３４を通過する際にこの液冷式アルミ電解コンデンサ３
３に対する冷却を行うようになっており、この冷却管３
４を通過した冷媒１８は半導体素子ユニット１Ａ側の液
冷式冷却器１３Ａ内に送り込まれるようになっている。
そして、液冷式冷却器１３Ａ内を流れ、半導体素子ユニ
ット１Ａに対する冷却を行った冷媒１８は、他方の液冷
式アルミ電解コンデンサ３３の冷却管３４を通過してこ
の液冷式アルミ電解コンデンサ３３に対する冷却を行
い、その後に排水口１７を通って冷媒ポンプ側に戻るよ
うになっている。

【００４４】図８は、上記の液冷式アルミ電解コンデン
サ３３の構造を示す縦断面図である。この図に示すよう
に、液冷式アルミ電解コンデンサ３３は外筒３５を有し
ており、この外筒３５の内部にコンデンサ素子３６が配
設されている。そして、このコンデンサ素子３６の中心
部を絶縁シート３７で被覆された冷却管３４が貫通し、
この冷却管３４内を冷媒１８が通過するようになってい
る。なお、液冷式アルミ電解コンデンサ３３の一端側に
は外部電源と接続される外部端子３８が設けられてい
る。

【００４５】このように、本実施形態によれば、液冷式
アルミ電解コンデンサ３３の冷却機能が大幅にアップし
ているので、従来の平滑コンデンサ２と同一体積の場合
にはより大きなリップル電流を液冷式アルミ電解コンデ
ンサ３３に流すことが可能になり、一方、従来と同じリ
ップル電流を流す場合には液冷式アルミ電解コンデンサ
３３の体積をより小さなものにすることが可能になる
（図７に示したように、本実施形態では液冷式アルミ電
解コンデンサ３３の個数は２個であり、図１２における
平滑コンデンサ２の３個よりも少ない個数となってい
る。）。

【００４６】また、このように液冷式アルミ電解コンデ
ンサ３３の体積を小さくできることから正極側導体４及
び負極側導体５の長さをより短くすることができ、寄生
インダクタンスを小さくすることができる。その結果、
ＩＧＢＴ１０１〜１０６のターンオン時に印加される過
電圧をより小さなものとすることができる。更に、本実
施形態では、液冷式冷却器１３Ａに用いられる冷媒１８
をそのまま液冷式アルミ電解コンデンサ３３に対する冷
却に用いるようにしているので、冷却構成が簡単化され
たものとなっている。

【００４７】図９は、本発明の第５の実施形態の要部構
成を示す側面断面図、図１０は平面断面図、図１１はイ
ンバータ回路図である。上述したような冷却機能のアッ
プした液冷式アルミ電解コンデンサ３３を用いることに
より従来よりも寄生インダクタンスを低減することが可
能になっているものの、もともとアルミ電解コンデンサ
は寄生インダクタンスが大きなものであるために、依然
としてＩＧＢＴ１０１〜１０６のターンオン時に印加さ
れる過電圧は大きなものとなっている。そこで、この実
施形態では、サージ吸収用コンデンサ３９を追設するこ
とにより、ＩＧＢＴ１０１〜１０６に印加される過電圧
をより小さなものとしている。よって、本実施形態によ
れば、従来装置ほどには耐電圧容量の高いＩＧＢＴを用
いる必要がなくなる。そして、本実施形態では、このサ
ージ吸収用コンデンサ３９としてセラミックコンデンサ
を用いることとしている。セラミックコンデンサはアル
ミ電解コンデンサに比べてインダクタンスが小さなもの
なので、サージ吸収用コンデンサ３９を追設することに
伴う寄生インダクタンスの増加を極力抑制することが可
能になる。なお、このサージ吸収用コンデンサ３９は、
サージ吸収用コンデンサ３９の取付位置は液冷式アルミ
電解コンデンサ３３と半導体素子ユニット１Ａとの間で
あり、サージ吸収効果をできるだけ効果的にするため、
極力半導体素子ユニット１Ａ側に接近した位置となって
いる。

【００４８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、液冷式
冷却器の冷却管を前記絶縁基板に近い線膨張係数を有す
る材料により形成し、この冷却管に絶縁基板の裏面を直
接取り付けた構成、あるいは、液冷式冷却器の冷却管を
熱伝導性の良好な材料により形成すると共に、この冷却
管の外面に、前記絶縁基板と略同一形状を有し且つこの
絶縁基板に発生する熱応力を緩衝するための熱応力緩衝
板を固着し、この熱応力緩衝板に絶縁基板の裏面を取り
付けた構成としたので、冷却効率の向上を図ることがで
きる。

【００４９】また、上記の液冷式冷却器の冷却管により
電力用半導体素子と同時に平滑コンデンサをも冷却する
構成を採用し、あるいは、第１及び第２の幅広導体を熱
緩衝板を介して半導体チップに接続する構成を採用する
ことにより、寄生インダクタンスの低減を図ることがで
きる。

【００５０】さらに、インバータ回路にサージ吸収用コ
ンデンサを設けた構成とすることにより、半導体チップ
に印加される過電圧を小さくすることができる。

【００５１】結局、これらのことからインバータ装置の
一層の小型化、及び信頼性の更なる向上を図ることが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の要部構成を示す側面
断面図。

【図２】図１の平面断面図。

【図３】上記第１の実施形態のインバータ回路構成図。

【図４】本発明の第２の実施形態の要部構成を示す側面
断面図。

【図５】本発明の第３の実施形態の要部構成を示す側面
断面図。

【図６】本発明の第４の実施形態の要部構成を示す側断
面図。

【図７】図６の平面断面図。

【図８】図６及び図７における液冷式アルミ電解コンデ
ンサ３３の構造を示す縦断面図

【図９】本発明の第５の実施形態の要部構成を示す側面
断面図。

【図１０】図９の平面断面図。

【図１１】上記第５の実施形態のインバータ回路構成
図。

【図１２】従来のインバータ装置の構成を示す平面断面
図。

【図１３】図１２の側面断面図。

【図１４】図１２及び図１３における半導体素子ユニッ
ト１内の電力用半導体素子の構成及びその冷却管１４に
対する取付構造を示す一部拡大断面図。

【符号の説明】

１，１Ａ半導体素子ユニット２平滑コンデンサ３固定台４正極側導体５負極側導体６制御ユニット７Ｕ相出力導体８Ｖ相出力導体９Ｗ相出力導体１０電流検出器１１電流検出器１２ケース部材１３，１３Ａ液冷式冷却器１４，１４Ａ冷却管１５冷媒流路１６入水口１７排水口１８冷媒１９絶縁基板２０金属電極２１，２２ワイヤボンディング２３放熱用金属板２４熱伝導グリース２５第１の幅広導体２６第２の幅広導体２７絶縁部材２８熱緩衝板２９熱緩衝部材３０ゲートリード３１固定フレーム３２ゲル状絶縁物３３液冷式アルミ電解コンデンサ３４冷却管３５外筒３６コンデンサ素子３７絶縁シート３８外部端子３９サージ吸収用コンデンサ４０接続ネジ４１ネジ部材４２，４２Ａ熱応力緩衝板４２ａ，４２ｂ，４２ｃ分割板１０１〜１０６ＩＧＢＴ２０１〜２０６ダイオードＳＣ1〜ＳＣ6 電力用半導体素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H007 AA06 BB06 CA01 CB05 HA03 HA06 HA07 5H740 BA11 BB05 BB09 MM10 PP02 PP04 PP05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁基板表面側に形成された半導体チップ
及び金属電極から成り、インバータ回路を構成する複数
の電力用半導体素子と、この電力用半導体素子付近に配設され、正極側及び負極
側がそれぞれ第１及び第２の接続線により前記半導体チ
ップと接続される平滑コンデンサと、前記絶縁基板の裏面側に配設され、前記電力用半導体素
子を冷却する冷却管を有する液冷式冷却器と、を備えたインバータ装置において、前記液冷式冷却器の冷却管を前記絶縁基板に近い線膨張
係数を有する材料により形成し、この冷却管に前記絶縁
基板の裏面を直接取り付けた、ことを特徴とするインバータ装置。
【請求項２】絶縁基板表面側に形成された半導体チップ
及び金属電極から成り、インバータ回路を構成する複数
の電力用半導体素子と、この電力用半導体素子付近に配設され、正極側及び負極
側がそれぞれ第１及び第２の接続線により前記半導体チ
ップと接続される平滑コンデンサと、前記絶縁基板の裏面側に配設され、前記電力用半導体素
子を冷却する冷却管を有する液冷式冷却器と、を備えたインバータ装置において、前記液冷式冷却器の冷却管を熱伝導性の良好な材料によ
り形成すると共に、この冷却管の外面に、前記絶縁基板
と略同一形状を有し且つこの絶縁基板に発生する熱応力
を緩衝するための熱応力緩衝板を固着し、この熱応力緩
衝板に前記絶縁基板の裏面を取り付けた、ことを特徴とするインバータ装置。
【請求項３】前記熱応力緩衝板を、複数の分割部材によ
り形成した、ことを特徴とする請求項２記載のインバータ装置。
【請求項４】前記液冷式冷却器の冷却管は、前記平滑コ
ンデンサの内部を挿通し、この平滑コンデンサに対する
冷却を前記電力用半導体素子に対する冷却と同時に行う
ものである、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のイ
ンバータ装置。
【請求項５】前記第１及び第２の接続線を、良電導性の
第１及び第２の幅広導体により形成し、更に、この第１
及び第２の幅広導体と前記半導体チップとを、半導体チ
ップに発生する熱応力及び熱上昇を抑制する熱緩衝板を
介して接続した、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のイ
ンバータ装置。
【請求項６】前記第１及び第２の幅広導体の間に絶縁物
を介挿させると共に、これら第１及び第２の幅広導体を
流れる各電流の向きを互いに逆方向にすることにより、
各インダクタンスを相殺するようにした、ことを特徴とする請求項５記載のインバータ装置。
【請求項７】前記インバータ回路に、前記半導体チップ
に対するサージを吸収するためのサージ吸収用コンデン
サを設けた、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のイ
ンバータ装置。
【請求項８】前記サージ吸収用コンデンサは、セラミッ
クコンデンサである、ことを特徴とする請求項７記載のインバータ回路。