JP2004194382A - 半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型かつ高効率でさらに低インダクタンス化を実現した半導体装置及び電力変換装置を低コストで提供する。
【解決手段】導体板からなる正極及び負極直流端子（３、２）、半導体スイッチ（１３ａ）、出力端子（４、５、６）、及び、前記半導体スイッチ（１３ａ）を駆動した際の電圧変化を緩和するコンデンサ（２９ａ、２９ｂ）、を有し、前記正極直流端子（３）と負極直流端子（２）とは、間に絶縁体（１１）を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記コンデンサ（２９ａ、２９ｂ）の対応する極に直接接続されてなる。
【選択図】 図２
【解決手段】導体板からなる正極及び負極直流端子（３、２）、半導体スイッチ（１３ａ）、出力端子（４、５、６）、及び、前記半導体スイッチ（１３ａ）を駆動した際の電圧変化を緩和するコンデンサ（２９ａ、２９ｂ）、を有し、前記正極直流端子（３）と負極直流端子（２）とは、間に絶縁体（１１）を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記コンデンサ（２９ａ、２９ｂ）の対応する極に直接接続されてなる。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びそれを備えた電力変換装置に係り、特に、小型化、高効率化、及び低インダクタンス実装を図り得るようにされた半導体装置及び電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置に用いられる半導体装置の従来例を図７を参照しながら簡単に説明する。図７において、半導体装置３０は、本体基板（底板）となる矩形の放熱板７と、該放熱板７の幅方向一端側に隣接配置された電解コンデンサ２９ａ、２９ｂと、を備えている。前記放熱板７は、材料として銅やＡｌ−ＳｉＣ合金等が用いられて板状に作製されており、この放熱板７上には、絶縁基板１５ａ、１５ｂ、１５ｃが載設され、それらの上面に基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成されるとともに、ＭＯＳＦＥＴが用いられた半導体スイッチとダイオードの組み合わせ（単一部品）１３ａ、１３ｂ（以下、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂと称す）が取り付けられ、前記放熱板７の幅方向一端側端部には、Ｌ形状の負極直流端子２及び正極直流端子３が設けられ、他端側には、出力端子４、５、６が設けられている。なお、前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂは、前記半導体スイッチ１３ａ、１３ｂを駆動した際の電圧変化を緩和するために設けられている。
【０００３】
前記負極直流端子２及び正極直流端子３は、間に絶縁シート１１が介装されており、それらはそれぞれ、平面視凸字状とされた導体板からなる負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２を介して前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの対応する極に接続されている。より詳細には、前記負極直流端子２及び正極直流端子３には、上端から横向きに折れ曲がって突出する突出接続部２ａ、３ａが設けられ、これら突出接続部２ａ、３ａに前記負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２の凸部２１ａ、２２ａが重ねられて電気的に接続されている。なお、負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２は、それぞれ前記コンデンサ２９ａ、２９ｂに跨乗せしめられてネジ等で固定されている。
【０００４】
なお、図７において、符号１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅはワイヤ配線を示しており、ワイヤ配線１４ａは正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続し、ワイヤ配線１４ｂは半導体スイッチ１３ａと基板導体パターン１２ｂを接続し、ワイヤ配線１４ｃは半導体スイッチ１３ｂと基板導体パターン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｄは負極直流端子２と基板導体パターン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｅは出力端子４と基板導体パターン１２ｂを接続している。前記ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅは、４本づつ図示されているが、半導体装置の仕様とワイヤ配線径によって必要なワイヤ配線本数は異なり、ワイヤ配線本数は４本に限定されるものではない。
【０００５】
また、前記半導体装置３０を含む電力変換装置においては、図示はされていないが、通常、半導体装置を駆動するドライブ回路基板と、入出力端子と、この入出力端子と半導体装置を接続する配線と、それらを保持する筐体と、を備える。
【０００６】
さらに、絶縁基板１５ｂ、１５ｃに実装された半導体スイッチ及びワイヤ配線等の構造及び作用は絶縁基板１５ａのものと同様であるため、以下では絶縁基板１５ａについて説明する。また、以下の説明において負極直流端子２及び正極直流端子３は、それぞれを構成している導体板を指す。
【０００７】
上記半導体装置３０において、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂのそれぞれがオンからオフへの切り替えする際に、そのオンからオフへの切り替わる半導体スイッチ１３ａ、１３ｂをブリッジ接続する配線と、負極直流端子２と正極直流端子３と、負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２と、電解コンデンサ２９ａ、２９ｂと、で構成する経路で電流値が大きく変化する。以下、前記経路を主回路配線と称す。前記半導体スイッチ１３ａ、１３ｂをブリッジ接続する配線とは、図７において、基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃとワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄである。半導体スイッチ１３ａ、１３ｂがオンからオフへの切り替わる際に、前記主回路配線と電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの合計のインダクタンスと前記主回路配線における電流量の時間微分値の積によって決定される電圧が生じる。
【０００８】
前記電圧（以下、ここの電圧を跳ね上り電圧と呼ぶ）により、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチ１３ａ、１３ｂには、電源電圧に前記跳ね上り電圧分を加えた電圧が瞬時的に印加される。上記跳ね上り電圧が増加し、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチへの印加電圧が素子耐圧を越えたとき、絶縁破壊が起ることになり、半導体装置の正常動作には、跳ね上り電圧を抑制する必要がある。半導体装置の大電流化においては、前記電流の時間微分値も増加するため、インダクタンスの低減が特に重要となっている。
【０００９】
前記インダクタンスの低減に関連して、前記正極及び負極直流端子と電解コンデンサとを接続する配線構造等について、従来より幾つかの提案がなされており、その一つに、スイッチング時の損失増加と素子耐圧を越える電圧発生の要因となるインダクタンスを、半導体装置内配線、並びに、電解コンデンサと半導体装置とを接続する配線において、正極側配線と負極側配線を流れる電流の向きが互いに逆になるように積層構造化することで、配線インダクタンスを減少させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開平８−１４０３６３号公報（第１〜４頁、第１〜４図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体装置における大電流化及び小型化の要求に対して、より低いインダクタンス配線実装を小さな実装面積でかつ安価に実現する重要性が高まっている。
【００１１】
そして、前記した跳ね上り電圧の問題に対して、耐圧の高い半導体スイッチを使用する対策があるが、耐圧を高くした場合、半導体スイッチはオン状態での抵抗値が大きくなる傾向がある。特に電源電圧が低く、半導体スイッチに大電流が流れるシステムでは、オン状態での半導体スイッチでの損失の割合が大きくなるため、インダクタンスを下げることにより跳ね上り電圧を抑制することは、耐圧のより低い半導体スイッチを使用可能にし、その効果として発熱低減による温度上昇の抑制に伴う寿命や信頼性の向上あるいは冷却コストの低減及び冷却装置の小型化などの大きなメリットがある。
【００１２】
特に、自動車のような搭載可能な空間が限られた製品に使われる場合、搭載する際の自由度を大きくするために小型化が重要になる。また、半導体装置の小型化は材料費抑制によるコスト低減効果もある。
【００１３】
したがって、半導体装置において主回路配線インダクタンスの低減と小型化には大きなメリットがあり、半導体装置における低インダクタンス配線構造と小型化を同時に実現する方策が強く要望されている。
【００１４】
本発明は、前記要望に応えるべくなされたもので、その目的とするところは、低インダクタンス実装が可能でかつ小型化及び高効率化を実現する半導体装置及び電力変換装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る半導体装置は、基本的には、導体板からなる正極及び負極直流端子、半導体スイッチ、出力端子、及び、前記半導体スイッチを駆動した際の電圧変化を緩和するコンデンサ、を有する。
【００１６】
そして、前記正極直流端子と負極直流端子とは、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記コンデンサの対応する極に直接接続されていることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係る半導体装置の、より具体的な好ましい態様は、導体板からなる正極及び負極直流端子、少なくとも４つの制御可能な半導体スイッチ、少なくとも２つの出力端子、前記半導体スイッチを実装する絶縁基板、前記正極及び負極直流端子と絶縁基板及び半導体スイッチとを接続する配線、前記正極及び負極直流端子や前記絶縁基板が設けられた放熱板、前記半導体スイッチ等を覆うケース、及び、前記半導体スイッチを駆動した際の電圧変化を緩和するコンデンサ、を備え、前記正極直流端子と負極直流端子とは、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記コンデンサの対応する極に届くまで伸ばされてそれに直接接続されていることを特徴としている。
更に好ましい態様では、前記正極直流端子と負極直流端子との間に介装された絶縁体と前記ケースとが絶縁材料で一体に構成される。
【００１８】
このような構成とされた本発明に係る半導体装置の好ましい態様においては、負極直流端子と正極直流端子は、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ電解コンデンサの対応する極に届くまで伸ばされてそれに直接接続されているので、主回路配線の長さが短くされ、装置の小型化が図られる。
【００１９】
また、前述した図７の従来例では、負極直流端子及び正極直流端子と電解コンデンサとは、コンデンサ端子を介して接続されているが、本発明装置では、負極直流端子及び正極直流端子が放熱板外に伸ばされて電解コンデンサに直接接続されるので、従来例では存在したコンデンサ端子が本発明装置では不要となる。
【００２０】
ここで、自動車などの低電圧下において高出力が要求される電力変換装置の場合、その端子や内部の導体には大電流が流れるので、端子と端子の接続部の損失は高くなる。このため、装置内部の端子接続部の削減は装置の高効率化に効果がある。また、前記コンデンサ端子が不要となることから、部品コスト及び組立て工数が削減され、その結果、生産コストが低減される。
【００２１】
また、負極直流端子、絶縁体、正極直流端子からなる積層構造体は、間に挟む絶縁体をケースと一体に樹脂成形することで容易に製作でき、これによっても、工数削減等による生産コストの低減を図れる。
【００２２】
さらに、負極直流端子と正極直流端子を、ワイヤ配線の接合面の直前まで絶縁体を挟んだ積層構造とすることによって、負極直流端子と正極直流端子における配線インダクタンスが低減され、また、同様に電解コンデンサとの接合部周辺も絶縁体を挟んだ積層構造とすることでも配線インダクタンスが低減される。
【００２３】
また、負極直流端子と正極直流端子を半導体装置（放熱板）内外に伸ばし、半導体スイッチ、導体パターン、電解コンデンサ間をワイヤ配線と負極直流端子、正極直流端子のみで接続することによって、主回路配線が短くされ、これによっても、配線インダンタンスが低減される。
【００２４】
一方、本発明に係る電力変換装置は、前記半導体装置と、前記半導体スイッチを駆動するドライブ回路基板と、前記コンデンサや前記ドライブ回路基板が取り付けられる筐体と、を備え、前記半導体装置におけるケースと前記筐体とが絶縁材料で一体に構成されてなる。
【００２５】
かかる構成とされた電力変換装置においては、前記した半導体装置が用いられるので、跳ね上り電圧の要因であるインダクタンスが低減され、これによって、発熱も低減されるので、冷却コストの低減が可能になり、電力変換装置の大容量化及び小型化が可能となる。また、半導体装置のケースと電力変換装置の筐体とを一体に構成し、より好ましくは、半導体装置の出力端子と正極及び負極直流端子に、それぞれ電動機及び直流電源との接続部を設けることにより、電力変換装置内の導体接続による損失が低減されるとともに、電力変換装置の小型化が可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す概略平面図、図２は、図１に示される半導体装置の概略側面図、図３は、図１に示される半導体装置を備えた本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す概略斜視図、図４は、図３に示される電力変換装置が用いられた自動車の駆動システムの一例を示す概略構成図、図５は、図３に示される電力変換装置の概略回路構成図、図６は、図１に示される半導体装置の概略回路構成図である。なお、上記各図において、前述した図７に示される従来例の半導体装置の各部に対応する部分もしくは同一機能部分には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略する。
【００２７】
まず、図５を参照しながら本実施形態の電力変換装置３２の回路構成を説明する。図５において、電力変換装置３２は、直流電源３１から主回路配線３３を介して電力供給を受ける半導体装置３０を備え、該半導体装置３０は、可変周波数の交流電流をＵＶＷ相の出力配線３４を介して誘導電動機３５へ出力する。該電動機３５は出力配線３４を通じて供給される電流・電圧により駆動する。前記半導体装置３０（の正極及び負極直流端子）が接続される電解コンデンサ２９は、半導体装置３０（に備えられる半導体スイッチ）のスイッチング動作による直流電圧の変動を抑制する機能を持つ。
【００２８】
なお、前記コンデンサ２９は、電解コンデンサに限定されるものではなく、直流電圧の変動を目標値以内に抑制可能な十分大きな静電容量を持つコンデンサであればよい。
また、電力変換装置３２は、上記の他に、図示はされていないが、前記半導体装置３０のスイッチング動作を制御するドライブ回路基板と、前記半導体装置３０を冷却するための冷却フィン、冷却ファン等を備えている。
【００２９】
前記半導体装置３０は、図６に示される如くの、ＵＶＷ三相交流を出力するための回路構成を有する。すなわち、半導体装置３０は、半導体スイッチ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、ダイオード１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、半導体スイッチ制御端子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、正極直流端子３、負極直流端子２、Ｕ相出力端子４、Ｖ相出力端子５、Ｗ相出力端子６を有する。
【００３０】
なお、前記出力端子４、５、６は、一組で三相交流端子とされ、また、前記正極直流端子３と負極直流端子２間には直流電圧が印加されている。通常、半導体スイッチは制御端子と半導体スイッチの負極側の端子間電圧が半導体スイッチのオンオフ信号となるため、ドライブ回路に接続するための半導体スイッチの負極側端子が必要だが、図を分かり易くするため、前記端子とドライブ回路は省略している。
【００３１】
前記半導体スイッチ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆには、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）あるいはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられる。半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合、前記パワーＭＯＳＦＥＴは素子構造にダイオードを含んでいるため、半導体スイッチ１８ａとダイオード１９ａを１チップで構成することができる。本実施形態においても、半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合はダイオードを別部品として実装しなくて良い。また、ＭＯＳＦＥＴにおいて前記半導体スイッチ制御端子はゲート端子と呼ばれる。
【００３２】
図６において半導体スイッチ１８ａと半導体スイッチ１８ｂが、半導体スイッチ１８ｃと半導体スイッチ１８ｄが、半導体スイッチ１８ｅと半導体スイッチ１８ｆが、それぞれ正極直流端子３と負極直流端子２間でブリッジ接続されている。半導体装置３０は、半導体スイッチ制御端子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆにＰＷＭ（ＰＬＵＳＥ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号電圧を印加し、ブリッジ接続されたそれぞれの半導体スイッチ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆのオン（開）、オフ（閉）の時間を制御することで、可変周波数・可変電圧の三相交流を三相交流出力端子４，５，６から電動機３５へ出力するものである。
【００３３】
また、図５、図６の回路構成を用いた場合、電動機３５を外力（例えば、ガソリンエンジン等）により回転させることにより、発電させることが可能であり、電動機３５によって発生した３相交流を半導体装置３０によって直流に変換することで、直流電源へ送電が可能である。
【００３４】
次に、前述した如くの回路構成を有する本実施形態の半導体装置３０及び電力変換装置３２（の配線構造）を、図１、図２、図３を参照しながら説明する。
なお、図１〜図３では、半導体装置３０内部の配線構造等を示すため、ケース１を部分的に取り除いた状態が示されている。
【００３５】
本実施形態の半導体装置３０は、図１、図２に示される如くに、本体基板（底板）となる矩形の放熱板７と、該放熱板７の幅方向一端側に隣接配置された電解コンデンサ２９ａ、２９ｂと、を備えている。前記放熱板７は、材料として銅やＡｌ−ＳｉＣ合金等が用いられて板状に作製され、その四隅には冷却フィン３６（図３）と放熱板７とをボルト等で固定する際に使用するネジ穴８が形成されている。この放熱板７上には、６枚の絶縁基板１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆが左右互い違い載設され、それらの上面に基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆが形成されるとともに、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆが実装され、前記放熱板７の幅方向一端側端部には、平面視矩形で平板状の導体板からなる負極直流端子２及び正極直流端子３が設けられ、他端側には、配線取付け用の穴が形成された出力端子４、５、６が設けられている。
【００３６】
前記負極直流端子２と正極直流端子３とは、間に絶縁体１１を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂに届くように前記放熱板７の外方に水平に伸ばされて、前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの対応する極にネジ等で直接接続されている。また、負極直流端子２と正極直流端子３は、図２に示される如くに、正極直流端子３を下にしてその上に絶縁体１１を介して負極直流端子２を重ねた積層構造のまま、前記放熱板７の内方にも（絶縁基板１５ａの手前まで）伸ばされており、かつ、積層構造部分（負極直流端子２、絶縁体１１、及び正極直流端子３が重なっている部分）が、正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続するワイヤ配線１４ａの接合面の直前まで延長されている。同様に電解コンデンサ２９ａ、２９ｂとの接合部周辺も絶縁体を挟んだ積層構造とされている。なお、前記負極直流端子２及び正極直流端子３にはそれぞれ直流電源３１に接続される接続部２ａ、３ａが水平に突設されている。
【００３７】
上記に加え、前記半導体装置３０における前記放熱板７上に設けられた半導体スイッチ等の各部品を覆うように、後述する電力変換装置３２の筐体を兼ねた合成樹脂製で平面視矩形のケース１が配設されている。このケース１には、前記正極直流端子３と負極直流端子２との間に挟まれた絶縁体１１が一体に成形されている。
【００３８】
なお、図１において、符号１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ及び符号１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆは、所定の態様で各部品間を接続するワイヤ配線を示している。各ワイヤ配線は、４本づつ図示されているが、半導体装置の仕様とワイヤ配線径によってワイヤ配線本数は異なり、ワイヤ配線本数は４本に限定されるものではない。また、図１、図２では、半導体スイッチとして、素子構造にダイオードを含んでいるＭＯＳＦＥＴを使用した場合のレイアウト構造を示しているが、ＩＧＢＴとダイオードを組み合わせのように半導体スイッチとダイオードを用いることもできる。
【００３９】
また、正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ａ、１５ｂ、出力端子４の配線接続関係は、正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ｃ、１５ｄ、出力端子５の配線接続関係及び正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ｅ、１５ｆ、出力端子６の配線接続関係と同様であるため、以下においては、正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ａ、１５ｂ、出力端子４の配線接続関係について説明する。
【００４０】
図１において、ワイヤ配線１４ａは正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続し、ワイヤ配線１４ｂは半導体スイッチ１３ａと出力端子４を接続し、ワイヤ配線１４ｃは出力端子４と基板導体パターン１２ｂを接続し、ワイヤ配線１４ｄは半導体スイッチ１３ｂと負極直流端子２を接続している。本実施形態は、半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴを用いているので、ワイヤ配線と接続している面がソース電極面であり、基板導体パターンと接続している面がドレイン電極面である。本実施形態では、ソース電極と同じ面上に半導体スイッチのオンオフ信号等を受信するゲート電極等の端子電極を形成したＭＯＳＦＥＴを実装した例である。半導体スイッチ１３ａのゲート電極等の前記端子電極はワイヤ配線１６ａによってドライブ回路基板接続端子２４ａに接続されている。
【００４１】
図１では、ＭＯＳＦＥＴの前記端子電極は２個づつ、ドライブ回路基板接続端子２４ａ（２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ）は３個づつ図示されているが、半導体スイッチ１３ａ（１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ）に電流検出、温度検出等の機能が付加されている場合には前記端子電極の数が増え、また電圧検出、温度検出等を実施する場合には前記ドライブ回路基板接続端子数が増えるため、図１に示されている数に限定される訳ではない。前記ドライブ回路基板接続端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆには、ドライブ回路基板（図示省略）が接続されるが、前記ドライブ回路基板が半導体装置３０内に実装された場合、半導体装置３０のケース１上面から前記ドライブ回路基板接続端子を露出し、外部で前記ドライブ基板を接続する場合の両方に適用することができる。前記ドライブ回路基板が半導体装置内に実装された場合には半導体装置には制御端子が設けられる。
【００４２】
また、前記負極直流端子２及び正極直流端子３と出力端子４は、配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄのみによって導体パターン１２ａ、１２ｂ及び半導体スイッチ１３ａ、１３ｂと接続可能な配置とされている。
【００４３】
一方、図３に示される電力変換装置は、前記した半導体装置３０と、前記半導体スイッチ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆを駆動するドライブ回路基板（図示省略）と、前記コンデンサ２９ａ、２９ｂや前記ドライブ回路基板が取り付けられる筐体と、を備える。この筐体は、前記半導体装置３０におけるケース１を兼ねるものとなっている。言い換えれば、前記ケース１と前記筐体とが絶縁材料を素材とした樹脂成形により一体に構成されている。
【００４４】
上記した如くの構成とされた本実施形態の半導体装置３０においては、負極直流端子２と正極直流端子３は、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの対応する極に届くまで伸ばされてそれに直接接続されているので、主回路配線の長さが短くされ、装置の小型化が図られる。
【００４５】
また、図７の従来例では、負極直流端子２及び正極直流端子３と電解コンデンサ２９ａ、２９ｂとは、コンデンサ端子２１、２２を介して接続されているが、本実施形態では、負極直流端子２及び正極直流端子３が放熱板７外に伸ばされて電解コンデンサ２９ａ、２９ｂに直接接続されている。つまり、従来例では存在したコンデンサ端子２１、２２が本実施形態では存在しない。
【００４６】
ここで、自動車などの低電圧下において高出力が要求される電力変換装置の場合、その端子や内部の導体には大電流が流れるので、端子と端子の接続部の損失は高くなる。このため、装置内部の端子接続部の削減は装置の高効率化に効果がある。また、前記コンデンサ端子２１、２２が不要となることで、部品コスト及び組立て工数が削減され、その結果、生産コストが低減される。
【００４７】
また、負極直流端子２、絶縁体１１、正極直流端子３からなる積層構造体は、間に挟む絶縁体１１をケース１と一体に樹脂成形することで容易に製作でき、これによっても、工数削減等による生産コストの低減を図れる。
【００４８】
さらに、負極直流端子２と正極直流端子３は、ワイヤ配線１４ａの接合面の直前まで絶縁体１１を挟んだ積層構造とされているので、負極直流端子２と正極直流端子３における配線インダクタンスが低減され、また、同様に電解コンデンサ２９ａ、２９ｂとの接合部周辺も絶縁体を挟んだ積層構造とされているので、これによっても配線インダクタンスが低減される。
【００４９】
また、負極直流端子２と正極直流端子３を半導体装置（放熱板７）内外に伸ばし、半導体スイッチ１３ｄ、導体パターン１２ａ、電解コンデンサ２９ａ、２９ｂ間をワイヤ配線１４ａ、１４ｄと負極直流端子２、正極直流端子３のみで接続するようにされているので、主回路配線が短くされ、これによっても、配線インダンタンスが低減される。
【００５０】
一方、本実施形態の電力変換装置３２は、前記半導体装置３０が用いられるので、跳ね上り電圧の要因であるインダクタンスが低減され、これによって、発熱も低減されるので、冷却コストの低減が可能になり、電力変換装置の大容量化及び小型化が可能となる。また、半導体装置３０のケース１と電力変換装置３２の筐体を一体に構成し、半導体装置３０の出力端子４、５、６と正極及び負極直流端子３、２に、それぞれ電動機３５及び直流電源３１との接続部３ａ、２ａを設けているので、電力変換装置３２内の導体接続による損失が低減されかつ電力変換装置の小型化が可能となる。
【００５１】
なお、前記実施形態の半導体装置３０は３相交流を出力可能なものとされているが、前述の説明からもわかるように、各相の配線接続関係は同様であるため、図１の半導体装置３０の１相分の構造を抜き出したモジュールについても小型化、インダクタンス低減等の効果がある。すなわち、本発明は３相交流を出力する半導体装置に限定するものではなく、少なくとも２つの制御可能な半導体スイッチと少なくとも１つの出力端子と正極負極直流端子を有する半導体装置に適用できる。但し、小型化の点から本発明は３相交流を出力する半導体装置の方が、得られる効果が大きい。
【００５２】
次に前記実施形態の電力変換装置３２を自動車の駆動システムに適用した例を説明する。図４は、前記自動車５０の駆動システムの構成図である。
図４に示される自動車５０は、駆動システムとして、電動機３５、電力変換装置３２、直流電源３１、出力配線３４、制御装置５１、伝導装置５２、エンジン５３、車輪５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、信号端子５５等を備えている。信号端子５５は、自動車５０の運転状態、及び、運転者からの発進、加速、減速、停止の指令に対する信号を受信する。制御装置５１は信号端子５５より受信した情報に基づき、電力変換装置３２へ制御信号を送信し、電動機３５を駆動する。電動機３５はトルクをクランクシャフト５３ａに伝え、伝動装置５２を介して、車輪（駆動輪）５４ａ、５４ｂを駆動させることができる。即ち、図４の駆動システムでは、自動車のエンジン５３が停止している場合においても、誘導電動機３５によって車輪５４ａ、５４ｂを駆動することができ、また、エンジン５３が稼動している際もトルクアシストすることも可能である。さらに、エンジン５３により電動機３５を駆動させ、誘導モータ３５で発生した交流を電力変換装置３２で直流に変換することで、直流電源３１に充電することができる。
【００５３】
図４の駆動システムにおいて、前記の誘導電動機３５のみによる車輪駆動やトルクアシスト時には大きなトルクが要求されることから、大電流で電動機３５を駆動する必要があり、そのため、大電流を制御できる電力変換器が必須である。また、搭載可能な空間が限られるため、小型の電力変換装置が必要となり、そのため、前記電力変換装置の実現を可能する半導体装置が必要となる。従って、本発明の半導体装置３０を用いた電力変換装置３２によれば、より大きなトルク要求を満たし、搭載時の自由度を大きくした駆動システムを実現できる。
【００５４】
かかる駆動システムを塔載した自動車は電動機による速やかな発進が可能なため、停車時のエンジンアイドリングを停止することや、前記電動機を発電機として使用して、三相電流を半導体装置により効率良く直流電流に変換し直流電源への充電を行う等の燃費向上に効果があり、本発明の半導体装置を用いることで、より効率を向上させることができる。
【００５５】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。
【００５６】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、小型かつ高効率でさらに低インダクタンス化を実現した半導体装置及び電力変換装置を低コストで提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す概略平面図。
【図２】図１に示される半導体装置の概略側面図。
【図３】図１に示される半導体装置を備えた本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す概略斜視図。
【図４】図３に示される電力変換装置が用いられた自動車の駆動システムの一例を示す概略構成図。
【図５】図３に示される電力変換装置の概略回路構成図。
【図６】図１に示される半導体装置の概略回路構成図。
【図７】電力変換装置に用いられる半導体装置の従来例を示す概略斜視図。
【符号の説明】
１：ケース、２：負極直流端子、３：正極直流端子、４：出力端子、５：出力端子、６：出力端子、７：放熱板、８：ネジ穴、１１：絶縁体、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ：導体パターン、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ：半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ：ワイヤ配線、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ：絶縁基板、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ：ワイヤ配線、１８：半導体スイッチ、１９：ダイオード、２０：半導体スイッチング制御端子、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ：ドライブ回路基板接続端子、２６：制御補助端子、２９ａ、２９ｂ：コンデンサ、３０：半導体装置、３１：直流電源、３２：電力変換装置、３３：主回路配線、３４出力配線、３５：電動機
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びそれを備えた電力変換装置に係り、特に、小型化、高効率化、及び低インダクタンス実装を図り得るようにされた半導体装置及び電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置に用いられる半導体装置の従来例を図７を参照しながら簡単に説明する。図７において、半導体装置３０は、本体基板（底板）となる矩形の放熱板７と、該放熱板７の幅方向一端側に隣接配置された電解コンデンサ２９ａ、２９ｂと、を備えている。前記放熱板７は、材料として銅やＡｌ−ＳｉＣ合金等が用いられて板状に作製されており、この放熱板７上には、絶縁基板１５ａ、１５ｂ、１５ｃが載設され、それらの上面に基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成されるとともに、ＭＯＳＦＥＴが用いられた半導体スイッチとダイオードの組み合わせ（単一部品）１３ａ、１３ｂ（以下、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂと称す）が取り付けられ、前記放熱板７の幅方向一端側端部には、Ｌ形状の負極直流端子２及び正極直流端子３が設けられ、他端側には、出力端子４、５、６が設けられている。なお、前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂは、前記半導体スイッチ１３ａ、１３ｂを駆動した際の電圧変化を緩和するために設けられている。
【０００３】
前記負極直流端子２及び正極直流端子３は、間に絶縁シート１１が介装されており、それらはそれぞれ、平面視凸字状とされた導体板からなる負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２を介して前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの対応する極に接続されている。より詳細には、前記負極直流端子２及び正極直流端子３には、上端から横向きに折れ曲がって突出する突出接続部２ａ、３ａが設けられ、これら突出接続部２ａ、３ａに前記負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２の凸部２１ａ、２２ａが重ねられて電気的に接続されている。なお、負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２は、それぞれ前記コンデンサ２９ａ、２９ｂに跨乗せしめられてネジ等で固定されている。
【０００４】
なお、図７において、符号１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅはワイヤ配線を示しており、ワイヤ配線１４ａは正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続し、ワイヤ配線１４ｂは半導体スイッチ１３ａと基板導体パターン１２ｂを接続し、ワイヤ配線１４ｃは半導体スイッチ１３ｂと基板導体パターン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｄは負極直流端子２と基板導体パターン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｅは出力端子４と基板導体パターン１２ｂを接続している。前記ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅは、４本づつ図示されているが、半導体装置の仕様とワイヤ配線径によって必要なワイヤ配線本数は異なり、ワイヤ配線本数は４本に限定されるものではない。
【０００５】
また、前記半導体装置３０を含む電力変換装置においては、図示はされていないが、通常、半導体装置を駆動するドライブ回路基板と、入出力端子と、この入出力端子と半導体装置を接続する配線と、それらを保持する筐体と、を備える。
【０００６】
さらに、絶縁基板１５ｂ、１５ｃに実装された半導体スイッチ及びワイヤ配線等の構造及び作用は絶縁基板１５ａのものと同様であるため、以下では絶縁基板１５ａについて説明する。また、以下の説明において負極直流端子２及び正極直流端子３は、それぞれを構成している導体板を指す。
【０００７】
上記半導体装置３０において、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂのそれぞれがオンからオフへの切り替えする際に、そのオンからオフへの切り替わる半導体スイッチ１３ａ、１３ｂをブリッジ接続する配線と、負極直流端子２と正極直流端子３と、負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２と、電解コンデンサ２９ａ、２９ｂと、で構成する経路で電流値が大きく変化する。以下、前記経路を主回路配線と称す。前記半導体スイッチ１３ａ、１３ｂをブリッジ接続する配線とは、図７において、基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃとワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄである。半導体スイッチ１３ａ、１３ｂがオンからオフへの切り替わる際に、前記主回路配線と電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの合計のインダクタンスと前記主回路配線における電流量の時間微分値の積によって決定される電圧が生じる。
【０００８】
前記電圧（以下、ここの電圧を跳ね上り電圧と呼ぶ）により、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチ１３ａ、１３ｂには、電源電圧に前記跳ね上り電圧分を加えた電圧が瞬時的に印加される。上記跳ね上り電圧が増加し、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチへの印加電圧が素子耐圧を越えたとき、絶縁破壊が起ることになり、半導体装置の正常動作には、跳ね上り電圧を抑制する必要がある。半導体装置の大電流化においては、前記電流の時間微分値も増加するため、インダクタンスの低減が特に重要となっている。
【０００９】
前記インダクタンスの低減に関連して、前記正極及び負極直流端子と電解コンデンサとを接続する配線構造等について、従来より幾つかの提案がなされており、その一つに、スイッチング時の損失増加と素子耐圧を越える電圧発生の要因となるインダクタンスを、半導体装置内配線、並びに、電解コンデンサと半導体装置とを接続する配線において、正極側配線と負極側配線を流れる電流の向きが互いに逆になるように積層構造化することで、配線インダクタンスを減少させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開平８−１４０３６３号公報（第１〜４頁、第１〜４図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体装置における大電流化及び小型化の要求に対して、より低いインダクタンス配線実装を小さな実装面積でかつ安価に実現する重要性が高まっている。
【００１１】
そして、前記した跳ね上り電圧の問題に対して、耐圧の高い半導体スイッチを使用する対策があるが、耐圧を高くした場合、半導体スイッチはオン状態での抵抗値が大きくなる傾向がある。特に電源電圧が低く、半導体スイッチに大電流が流れるシステムでは、オン状態での半導体スイッチでの損失の割合が大きくなるため、インダクタンスを下げることにより跳ね上り電圧を抑制することは、耐圧のより低い半導体スイッチを使用可能にし、その効果として発熱低減による温度上昇の抑制に伴う寿命や信頼性の向上あるいは冷却コストの低減及び冷却装置の小型化などの大きなメリットがある。
【００１２】
特に、自動車のような搭載可能な空間が限られた製品に使われる場合、搭載する際の自由度を大きくするために小型化が重要になる。また、半導体装置の小型化は材料費抑制によるコスト低減効果もある。
【００１３】
したがって、半導体装置において主回路配線インダクタンスの低減と小型化には大きなメリットがあり、半導体装置における低インダクタンス配線構造と小型化を同時に実現する方策が強く要望されている。
【００１４】
本発明は、前記要望に応えるべくなされたもので、その目的とするところは、低インダクタンス実装が可能でかつ小型化及び高効率化を実現する半導体装置及び電力変換装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る半導体装置は、基本的には、導体板からなる正極及び負極直流端子、半導体スイッチ、出力端子、及び、前記半導体スイッチを駆動した際の電圧変化を緩和するコンデンサ、を有する。
【００１６】
そして、前記正極直流端子と負極直流端子とは、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記コンデンサの対応する極に直接接続されていることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係る半導体装置の、より具体的な好ましい態様は、導体板からなる正極及び負極直流端子、少なくとも４つの制御可能な半導体スイッチ、少なくとも２つの出力端子、前記半導体スイッチを実装する絶縁基板、前記正極及び負極直流端子と絶縁基板及び半導体スイッチとを接続する配線、前記正極及び負極直流端子や前記絶縁基板が設けられた放熱板、前記半導体スイッチ等を覆うケース、及び、前記半導体スイッチを駆動した際の電圧変化を緩和するコンデンサ、を備え、前記正極直流端子と負極直流端子とは、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記コンデンサの対応する極に届くまで伸ばされてそれに直接接続されていることを特徴としている。
更に好ましい態様では、前記正極直流端子と負極直流端子との間に介装された絶縁体と前記ケースとが絶縁材料で一体に構成される。
【００１８】
このような構成とされた本発明に係る半導体装置の好ましい態様においては、負極直流端子と正極直流端子は、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ電解コンデンサの対応する極に届くまで伸ばされてそれに直接接続されているので、主回路配線の長さが短くされ、装置の小型化が図られる。
【００１９】
また、前述した図７の従来例では、負極直流端子及び正極直流端子と電解コンデンサとは、コンデンサ端子を介して接続されているが、本発明装置では、負極直流端子及び正極直流端子が放熱板外に伸ばされて電解コンデンサに直接接続されるので、従来例では存在したコンデンサ端子が本発明装置では不要となる。
【００２０】
ここで、自動車などの低電圧下において高出力が要求される電力変換装置の場合、その端子や内部の導体には大電流が流れるので、端子と端子の接続部の損失は高くなる。このため、装置内部の端子接続部の削減は装置の高効率化に効果がある。また、前記コンデンサ端子が不要となることから、部品コスト及び組立て工数が削減され、その結果、生産コストが低減される。
【００２１】
また、負極直流端子、絶縁体、正極直流端子からなる積層構造体は、間に挟む絶縁体をケースと一体に樹脂成形することで容易に製作でき、これによっても、工数削減等による生産コストの低減を図れる。
【００２２】
さらに、負極直流端子と正極直流端子を、ワイヤ配線の接合面の直前まで絶縁体を挟んだ積層構造とすることによって、負極直流端子と正極直流端子における配線インダクタンスが低減され、また、同様に電解コンデンサとの接合部周辺も絶縁体を挟んだ積層構造とすることでも配線インダクタンスが低減される。
【００２３】
また、負極直流端子と正極直流端子を半導体装置（放熱板）内外に伸ばし、半導体スイッチ、導体パターン、電解コンデンサ間をワイヤ配線と負極直流端子、正極直流端子のみで接続することによって、主回路配線が短くされ、これによっても、配線インダンタンスが低減される。
【００２４】
一方、本発明に係る電力変換装置は、前記半導体装置と、前記半導体スイッチを駆動するドライブ回路基板と、前記コンデンサや前記ドライブ回路基板が取り付けられる筐体と、を備え、前記半導体装置におけるケースと前記筐体とが絶縁材料で一体に構成されてなる。
【００２５】
かかる構成とされた電力変換装置においては、前記した半導体装置が用いられるので、跳ね上り電圧の要因であるインダクタンスが低減され、これによって、発熱も低減されるので、冷却コストの低減が可能になり、電力変換装置の大容量化及び小型化が可能となる。また、半導体装置のケースと電力変換装置の筐体とを一体に構成し、より好ましくは、半導体装置の出力端子と正極及び負極直流端子に、それぞれ電動機及び直流電源との接続部を設けることにより、電力変換装置内の導体接続による損失が低減されるとともに、電力変換装置の小型化が可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す概略平面図、図２は、図１に示される半導体装置の概略側面図、図３は、図１に示される半導体装置を備えた本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す概略斜視図、図４は、図３に示される電力変換装置が用いられた自動車の駆動システムの一例を示す概略構成図、図５は、図３に示される電力変換装置の概略回路構成図、図６は、図１に示される半導体装置の概略回路構成図である。なお、上記各図において、前述した図７に示される従来例の半導体装置の各部に対応する部分もしくは同一機能部分には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略する。
【００２７】
まず、図５を参照しながら本実施形態の電力変換装置３２の回路構成を説明する。図５において、電力変換装置３２は、直流電源３１から主回路配線３３を介して電力供給を受ける半導体装置３０を備え、該半導体装置３０は、可変周波数の交流電流をＵＶＷ相の出力配線３４を介して誘導電動機３５へ出力する。該電動機３５は出力配線３４を通じて供給される電流・電圧により駆動する。前記半導体装置３０（の正極及び負極直流端子）が接続される電解コンデンサ２９は、半導体装置３０（に備えられる半導体スイッチ）のスイッチング動作による直流電圧の変動を抑制する機能を持つ。
【００２８】
なお、前記コンデンサ２９は、電解コンデンサに限定されるものではなく、直流電圧の変動を目標値以内に抑制可能な十分大きな静電容量を持つコンデンサであればよい。
また、電力変換装置３２は、上記の他に、図示はされていないが、前記半導体装置３０のスイッチング動作を制御するドライブ回路基板と、前記半導体装置３０を冷却するための冷却フィン、冷却ファン等を備えている。
【００２９】
前記半導体装置３０は、図６に示される如くの、ＵＶＷ三相交流を出力するための回路構成を有する。すなわち、半導体装置３０は、半導体スイッチ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、ダイオード１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、半導体スイッチ制御端子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、正極直流端子３、負極直流端子２、Ｕ相出力端子４、Ｖ相出力端子５、Ｗ相出力端子６を有する。
【００３０】
なお、前記出力端子４、５、６は、一組で三相交流端子とされ、また、前記正極直流端子３と負極直流端子２間には直流電圧が印加されている。通常、半導体スイッチは制御端子と半導体スイッチの負極側の端子間電圧が半導体スイッチのオンオフ信号となるため、ドライブ回路に接続するための半導体スイッチの負極側端子が必要だが、図を分かり易くするため、前記端子とドライブ回路は省略している。
【００３１】
前記半導体スイッチ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆには、パワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）あるいはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられる。半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合、前記パワーＭＯＳＦＥＴは素子構造にダイオードを含んでいるため、半導体スイッチ１８ａとダイオード１９ａを１チップで構成することができる。本実施形態においても、半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合はダイオードを別部品として実装しなくて良い。また、ＭＯＳＦＥＴにおいて前記半導体スイッチ制御端子はゲート端子と呼ばれる。
【００３２】
図６において半導体スイッチ１８ａと半導体スイッチ１８ｂが、半導体スイッチ１８ｃと半導体スイッチ１８ｄが、半導体スイッチ１８ｅと半導体スイッチ１８ｆが、それぞれ正極直流端子３と負極直流端子２間でブリッジ接続されている。半導体装置３０は、半導体スイッチ制御端子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆにＰＷＭ（ＰＬＵＳＥ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号電圧を印加し、ブリッジ接続されたそれぞれの半導体スイッチ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆのオン（開）、オフ（閉）の時間を制御することで、可変周波数・可変電圧の三相交流を三相交流出力端子４，５，６から電動機３５へ出力するものである。
【００３３】
また、図５、図６の回路構成を用いた場合、電動機３５を外力（例えば、ガソリンエンジン等）により回転させることにより、発電させることが可能であり、電動機３５によって発生した３相交流を半導体装置３０によって直流に変換することで、直流電源へ送電が可能である。
【００３４】
次に、前述した如くの回路構成を有する本実施形態の半導体装置３０及び電力変換装置３２（の配線構造）を、図１、図２、図３を参照しながら説明する。
なお、図１〜図３では、半導体装置３０内部の配線構造等を示すため、ケース１を部分的に取り除いた状態が示されている。
【００３５】
本実施形態の半導体装置３０は、図１、図２に示される如くに、本体基板（底板）となる矩形の放熱板７と、該放熱板７の幅方向一端側に隣接配置された電解コンデンサ２９ａ、２９ｂと、を備えている。前記放熱板７は、材料として銅やＡｌ−ＳｉＣ合金等が用いられて板状に作製され、その四隅には冷却フィン３６（図３）と放熱板７とをボルト等で固定する際に使用するネジ穴８が形成されている。この放熱板７上には、６枚の絶縁基板１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆが左右互い違い載設され、それらの上面に基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆが形成されるとともに、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆが実装され、前記放熱板７の幅方向一端側端部には、平面視矩形で平板状の導体板からなる負極直流端子２及び正極直流端子３が設けられ、他端側には、配線取付け用の穴が形成された出力端子４、５、６が設けられている。
【００３６】
前記負極直流端子２と正極直流端子３とは、間に絶縁体１１を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂに届くように前記放熱板７の外方に水平に伸ばされて、前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの対応する極にネジ等で直接接続されている。また、負極直流端子２と正極直流端子３は、図２に示される如くに、正極直流端子３を下にしてその上に絶縁体１１を介して負極直流端子２を重ねた積層構造のまま、前記放熱板７の内方にも（絶縁基板１５ａの手前まで）伸ばされており、かつ、積層構造部分（負極直流端子２、絶縁体１１、及び正極直流端子３が重なっている部分）が、正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続するワイヤ配線１４ａの接合面の直前まで延長されている。同様に電解コンデンサ２９ａ、２９ｂとの接合部周辺も絶縁体を挟んだ積層構造とされている。なお、前記負極直流端子２及び正極直流端子３にはそれぞれ直流電源３１に接続される接続部２ａ、３ａが水平に突設されている。
【００３７】
上記に加え、前記半導体装置３０における前記放熱板７上に設けられた半導体スイッチ等の各部品を覆うように、後述する電力変換装置３２の筐体を兼ねた合成樹脂製で平面視矩形のケース１が配設されている。このケース１には、前記正極直流端子３と負極直流端子２との間に挟まれた絶縁体１１が一体に成形されている。
【００３８】
なお、図１において、符号１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ及び符号１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆは、所定の態様で各部品間を接続するワイヤ配線を示している。各ワイヤ配線は、４本づつ図示されているが、半導体装置の仕様とワイヤ配線径によってワイヤ配線本数は異なり、ワイヤ配線本数は４本に限定されるものではない。また、図１、図２では、半導体スイッチとして、素子構造にダイオードを含んでいるＭＯＳＦＥＴを使用した場合のレイアウト構造を示しているが、ＩＧＢＴとダイオードを組み合わせのように半導体スイッチとダイオードを用いることもできる。
【００３９】
また、正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ａ、１５ｂ、出力端子４の配線接続関係は、正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ｃ、１５ｄ、出力端子５の配線接続関係及び正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ｅ、１５ｆ、出力端子６の配線接続関係と同様であるため、以下においては、正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ａ、１５ｂ、出力端子４の配線接続関係について説明する。
【００４０】
図１において、ワイヤ配線１４ａは正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続し、ワイヤ配線１４ｂは半導体スイッチ１３ａと出力端子４を接続し、ワイヤ配線１４ｃは出力端子４と基板導体パターン１２ｂを接続し、ワイヤ配線１４ｄは半導体スイッチ１３ｂと負極直流端子２を接続している。本実施形態は、半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴを用いているので、ワイヤ配線と接続している面がソース電極面であり、基板導体パターンと接続している面がドレイン電極面である。本実施形態では、ソース電極と同じ面上に半導体スイッチのオンオフ信号等を受信するゲート電極等の端子電極を形成したＭＯＳＦＥＴを実装した例である。半導体スイッチ１３ａのゲート電極等の前記端子電極はワイヤ配線１６ａによってドライブ回路基板接続端子２４ａに接続されている。
【００４１】
図１では、ＭＯＳＦＥＴの前記端子電極は２個づつ、ドライブ回路基板接続端子２４ａ（２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ）は３個づつ図示されているが、半導体スイッチ１３ａ（１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ）に電流検出、温度検出等の機能が付加されている場合には前記端子電極の数が増え、また電圧検出、温度検出等を実施する場合には前記ドライブ回路基板接続端子数が増えるため、図１に示されている数に限定される訳ではない。前記ドライブ回路基板接続端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆには、ドライブ回路基板（図示省略）が接続されるが、前記ドライブ回路基板が半導体装置３０内に実装された場合、半導体装置３０のケース１上面から前記ドライブ回路基板接続端子を露出し、外部で前記ドライブ基板を接続する場合の両方に適用することができる。前記ドライブ回路基板が半導体装置内に実装された場合には半導体装置には制御端子が設けられる。
【００４２】
また、前記負極直流端子２及び正極直流端子３と出力端子４は、配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄのみによって導体パターン１２ａ、１２ｂ及び半導体スイッチ１３ａ、１３ｂと接続可能な配置とされている。
【００４３】
一方、図３に示される電力変換装置は、前記した半導体装置３０と、前記半導体スイッチ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆを駆動するドライブ回路基板（図示省略）と、前記コンデンサ２９ａ、２９ｂや前記ドライブ回路基板が取り付けられる筐体と、を備える。この筐体は、前記半導体装置３０におけるケース１を兼ねるものとなっている。言い換えれば、前記ケース１と前記筐体とが絶縁材料を素材とした樹脂成形により一体に構成されている。
【００４４】
上記した如くの構成とされた本実施形態の半導体装置３０においては、負極直流端子２と正極直流端子３は、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの対応する極に届くまで伸ばされてそれに直接接続されているので、主回路配線の長さが短くされ、装置の小型化が図られる。
【００４５】
また、図７の従来例では、負極直流端子２及び正極直流端子３と電解コンデンサ２９ａ、２９ｂとは、コンデンサ端子２１、２２を介して接続されているが、本実施形態では、負極直流端子２及び正極直流端子３が放熱板７外に伸ばされて電解コンデンサ２９ａ、２９ｂに直接接続されている。つまり、従来例では存在したコンデンサ端子２１、２２が本実施形態では存在しない。
【００４６】
ここで、自動車などの低電圧下において高出力が要求される電力変換装置の場合、その端子や内部の導体には大電流が流れるので、端子と端子の接続部の損失は高くなる。このため、装置内部の端子接続部の削減は装置の高効率化に効果がある。また、前記コンデンサ端子２１、２２が不要となることで、部品コスト及び組立て工数が削減され、その結果、生産コストが低減される。
【００４７】
また、負極直流端子２、絶縁体１１、正極直流端子３からなる積層構造体は、間に挟む絶縁体１１をケース１と一体に樹脂成形することで容易に製作でき、これによっても、工数削減等による生産コストの低減を図れる。
【００４８】
さらに、負極直流端子２と正極直流端子３は、ワイヤ配線１４ａの接合面の直前まで絶縁体１１を挟んだ積層構造とされているので、負極直流端子２と正極直流端子３における配線インダクタンスが低減され、また、同様に電解コンデンサ２９ａ、２９ｂとの接合部周辺も絶縁体を挟んだ積層構造とされているので、これによっても配線インダクタンスが低減される。
【００４９】
また、負極直流端子２と正極直流端子３を半導体装置（放熱板７）内外に伸ばし、半導体スイッチ１３ｄ、導体パターン１２ａ、電解コンデンサ２９ａ、２９ｂ間をワイヤ配線１４ａ、１４ｄと負極直流端子２、正極直流端子３のみで接続するようにされているので、主回路配線が短くされ、これによっても、配線インダンタンスが低減される。
【００５０】
一方、本実施形態の電力変換装置３２は、前記半導体装置３０が用いられるので、跳ね上り電圧の要因であるインダクタンスが低減され、これによって、発熱も低減されるので、冷却コストの低減が可能になり、電力変換装置の大容量化及び小型化が可能となる。また、半導体装置３０のケース１と電力変換装置３２の筐体を一体に構成し、半導体装置３０の出力端子４、５、６と正極及び負極直流端子３、２に、それぞれ電動機３５及び直流電源３１との接続部３ａ、２ａを設けているので、電力変換装置３２内の導体接続による損失が低減されかつ電力変換装置の小型化が可能となる。
【００５１】
なお、前記実施形態の半導体装置３０は３相交流を出力可能なものとされているが、前述の説明からもわかるように、各相の配線接続関係は同様であるため、図１の半導体装置３０の１相分の構造を抜き出したモジュールについても小型化、インダクタンス低減等の効果がある。すなわち、本発明は３相交流を出力する半導体装置に限定するものではなく、少なくとも２つの制御可能な半導体スイッチと少なくとも１つの出力端子と正極負極直流端子を有する半導体装置に適用できる。但し、小型化の点から本発明は３相交流を出力する半導体装置の方が、得られる効果が大きい。
【００５２】
次に前記実施形態の電力変換装置３２を自動車の駆動システムに適用した例を説明する。図４は、前記自動車５０の駆動システムの構成図である。
図４に示される自動車５０は、駆動システムとして、電動機３５、電力変換装置３２、直流電源３１、出力配線３４、制御装置５１、伝導装置５２、エンジン５３、車輪５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、信号端子５５等を備えている。信号端子５５は、自動車５０の運転状態、及び、運転者からの発進、加速、減速、停止の指令に対する信号を受信する。制御装置５１は信号端子５５より受信した情報に基づき、電力変換装置３２へ制御信号を送信し、電動機３５を駆動する。電動機３５はトルクをクランクシャフト５３ａに伝え、伝動装置５２を介して、車輪（駆動輪）５４ａ、５４ｂを駆動させることができる。即ち、図４の駆動システムでは、自動車のエンジン５３が停止している場合においても、誘導電動機３５によって車輪５４ａ、５４ｂを駆動することができ、また、エンジン５３が稼動している際もトルクアシストすることも可能である。さらに、エンジン５３により電動機３５を駆動させ、誘導モータ３５で発生した交流を電力変換装置３２で直流に変換することで、直流電源３１に充電することができる。
【００５３】
図４の駆動システムにおいて、前記の誘導電動機３５のみによる車輪駆動やトルクアシスト時には大きなトルクが要求されることから、大電流で電動機３５を駆動する必要があり、そのため、大電流を制御できる電力変換器が必須である。また、搭載可能な空間が限られるため、小型の電力変換装置が必要となり、そのため、前記電力変換装置の実現を可能する半導体装置が必要となる。従って、本発明の半導体装置３０を用いた電力変換装置３２によれば、より大きなトルク要求を満たし、搭載時の自由度を大きくした駆動システムを実現できる。
【００５４】
かかる駆動システムを塔載した自動車は電動機による速やかな発進が可能なため、停車時のエンジンアイドリングを停止することや、前記電動機を発電機として使用して、三相電流を半導体装置により効率良く直流電流に変換し直流電源への充電を行う等の燃費向上に効果があり、本発明の半導体装置を用いることで、より効率を向上させることができる。
【００５５】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。
【００５６】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、小型かつ高効率でさらに低インダクタンス化を実現した半導体装置及び電力変換装置を低コストで提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す概略平面図。
【図２】図１に示される半導体装置の概略側面図。
【図３】図１に示される半導体装置を備えた本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す概略斜視図。
【図４】図３に示される電力変換装置が用いられた自動車の駆動システムの一例を示す概略構成図。
【図５】図３に示される電力変換装置の概略回路構成図。
【図６】図１に示される半導体装置の概略回路構成図。
【図７】電力変換装置に用いられる半導体装置の従来例を示す概略斜視図。
【符号の説明】
１：ケース、２：負極直流端子、３：正極直流端子、４：出力端子、５：出力端子、６：出力端子、７：放熱板、８：ネジ穴、１１：絶縁体、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ：導体パターン、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ：半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ：ワイヤ配線、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ：絶縁基板、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ：ワイヤ配線、１８：半導体スイッチ、１９：ダイオード、２０：半導体スイッチング制御端子、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ：ドライブ回路基板接続端子、２６：制御補助端子、２９ａ、２９ｂ：コンデンサ、３０：半導体装置、３１：直流電源、３２：電力変換装置、３３：主回路配線、３４出力配線、３５：電動機
Claims (4)
- 導体板からなる正極及び負極直流端子、半導体スイッチ、出力端子、及び、前記半導体スイッチを駆動した際の電圧変化を緩和するコンデンサ、を有する半導体装置であって、前記正極直流端子と負極直流端子とは、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記コンデンサの対応する極に直接接続されていることを特徴とする半導体装置。
- 導体板からなる正極及び負極直流端子、少なくとも４つの制御可能な半導体スイッチ、少なくとも２つの出力端子、前記半導体スイッチを実装する絶縁基板、前記正極及び負極直流端子と絶縁基板及び半導体スイッチとを接続する配線、前記正極及び負極直流端子や前記絶縁基板が設けられた放熱板、前記半導体スイッチ等を覆うケース、及び、前記半導体スイッチを駆動した際の電圧変化を緩和するコンデンサ、を備えた半導体装置において、前記正極直流端子と負極直流端子とは、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記コンデンサの対応する極に届くまで伸ばされてそれに直接接続されていることを特徴とする半導体装置。
- 前記正極直流端子と負極直流端子との間に介装された絶縁体と前記ケースとが絶縁材料で一体に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置
- 請求項１から３のいずれかに記載の半導体装置と、前記半導体スイッチを駆動するドライブ回路基板と、前記コンデンサや前記ドライブ回路基板が取り付けられる筐体と、を備え、前記半導体装置におけるケースと前記筐体とが絶縁材料で一体に構成されていることを特徴とする電力変換装置。
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