JP2004229393A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】スイッチング素子に電力を供給する配線のインダクタンスを低減し、かつ、小型化が可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】正極導体１１、負極導体１２および出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが絶縁樹脂７０上に配置される。ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ５，Ｑ７は、正極導体１１上に配置され、ＭＯＳトランジスタＱ４，Ｑ６，Ｑ８は、それぞれ、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ上に配置される。配線１，３，５は、それぞれ、ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ５，Ｑ７を出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに接続する。配線２，４，６は、それぞれ、ＭＯＳトランジスタＱ４，Ｑ６，Ｑ８を負極導体１２に接続する。ループ導体８０は、絶縁樹脂７０の下側に正極導体１１および負極導体１２に平行に配置される。
【選択図】 図３
【解決手段】正極導体１１、負極導体１２および出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが絶縁樹脂７０上に配置される。ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ５，Ｑ７は、正極導体１１上に配置され、ＭＯＳトランジスタＱ４，Ｑ６，Ｑ８は、それぞれ、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ上に配置される。配線１，３，５は、それぞれ、ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ５，Ｑ７を出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに接続する。配線２，４，６は、それぞれ、ＭＯＳトランジスタＱ４，Ｑ６，Ｑ８を負極導体１２に接続する。ループ導体８０は、絶縁樹脂７０の下側に正極導体１１および負極導体１２に平行に配置される。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、スイッチング素子に電力を供給する配線のインダクタンスを低減可能な半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、環境に配慮した自動車としてハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）および電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が大きな注目を集めている。そして、ハイブリッド自動車は、一部、実用化されている。
【０００３】
このハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。また、電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。
【０００４】
このようなハイブリッド自動車または電気自動車は、たとえば、図９に示すようなモータ駆動装置３００を搭載している。図９を参照して、モータ駆動装置３００は、直流電源３１０と、コンデンサ３２０と、インバータ３３０とを備える。
【０００５】
直流電源３１０は、直流電圧を出力する。コンデンサ３２０は、直流電源３１０から供給された直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ３３０へ供給する。
【０００６】
インバータ３３０は、コンデンサ３２０を介して供給された直流電圧を交流電圧に変換し、その変換した交流電圧を交流モータＭ１のＵ相、Ｖ相およびＷ相へ供給して交流モータＭ１を駆動する。
【０００７】
このように、モータ駆動装置３００は、直流電源３１０からの直流電圧をインバータ３３０によって交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。そして、インバータ３３０は、交流モータＭ１のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応してＵ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームを含み、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは、電源ライン３１１とアースライン３１２との間に並列に接続される。また、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームの各々は、電源ライン３１１とアースライン３１２との間に直列に接続された２つのＭＯＳトランジスタから成る。
【０００８】
そして、インバータ３３０は、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームに含まれる６個のＭＯＳトランジスタをオン／オフすることにより直流電圧を交流電圧に変換する。
【０００９】
そうすると、ＭＯＳトランジスタがオンからオフに、またはオフからオンに切換わるとき、電源ライン３１１およびアースライン３１２を流れる直流電流が変化する。電源ライン３１１およびアースライン３１２は、インダクタンスを有するためＭＯＳトランジスタのスイッチングの際にはインダクタンスに比例したスパイク電圧が発生する。そして、その発生したスパイク電圧がＭＯＳトランジスタのスイッチング損失を低下させるという問題がある。
【００１０】
このような問題を解決するために、特開２００２−１１２５３０号公報には、スイッチング素子に電力を供給する配線に平行に導体を設け、配線に電流が流れることによって導体に誘起された誘導電流によって配線のインダクタンスを低減する技術が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１１２５３０号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平１０−７４８８６号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開２００２−１４１４５２号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開２００２−１１２５３０号公報に開示された技術では、配線と導体との間に絶縁紙が必要である。また、特開２００２−１１２５３０号公報に開示された技術では、配線と導体とをスイッチング素子の端子および電源の端子にビスで固定するが、絶縁紙によって配線と導体との間が絶縁されるように各部品を位置ズレなく組立てるためには位置決め構造が必要であり、装置が大型化してしまうという問題がある。
【００１５】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、スイッチング素子に電力を供給する配線のインダクタンスを低減し、かつ、小型化が可能な半導体装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によれば、半導体装置は、金属基板と、絶縁物と、正極導体と、負極導体と、スイッチング素子群と、ループ導体とを備える。絶縁物は、金属基板の一方の表面を覆うように形成される。正極導体および負極導体は、絶縁物上に形成される。スイッチング素子群は、絶縁物上に形成され、正極導体および負極導体に接続される。ループ導体は、絶縁物によって正極導体および負極導体と絶縁され、正極導体および負極導体に略平行に配置される。そして、スイッチング素子群は、正極導体と負極導体との間に並列に接続される。複数のアームの各々は、正極導体と負極導体との間に直列に接続された第１および第２のスイッチング素子から成る。
【００１７】
好ましくは、半導体装置は、出力導体をさらに備える。出力導体は、絶縁物上に形成され、第１および第２のスイッチング素子に接続される。
【００１８】
好ましくは、ループ導体は、金属基板と絶縁物との間に形成される。
好ましくは、ループ導体は、銅メッキにより形成される。
【００１９】
好ましくは、ループ導体は、金属基板の一方の表面に形成される。
好ましくは、ループ導体は、正極導体および負極導体に対応して一方の表面を凸状に加工することにより形成される。
【００２０】
好ましくは、金属基板は、冷却路を含む。
この発明による半導体装置においては、直流電流が正極導体および負極導体に流れると、誘導電流がループ導体に誘起される。そして、ループ導体に誘起された誘導電流によって発生された磁界は、正極導体および負極導体に流れる直流電流によって発生される磁界を弱める。また、正極導体および負極導体とループ導体とを絶縁する絶縁物は、金属基板を覆うように形成される。
【００２１】
したがって、この発明によれば、小型化が可能な構造において正極導体および負極導体のインダクタンスを減少できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２３】
図１を参照して、この発明の実施の形態による半導体装置を備えるモータ駆動装置１００は、直流電源１０と、正極導体１１と、負極導体１２と、コンデンサ２０と、電圧センサー２１と、インバータ装置３０と、制御装置５０とを備える。
【００２４】
交流モータＭ１は、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータである。あるいは、このモータはエンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。
【００２５】
コンデンサ２０は、正極導体１１と負極導体１２との間に接続される。
インバータ装置３０は、インバータ３１と、ドライブ回路３２と、電流センサー４０とを含む。
【００２６】
インバータ３１は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とから成る。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、およびＷ相アーム１７は、正極導体１１と負極導体１２との間に並列に設けられる。
【００２７】
Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４から成り、Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＱ５，Ｑ６から成り、Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＱ７，Ｑ８から成る。また、各ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８のソース−ドレイン間には、ソース側からドレイン側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。
【００２８】
各相アームの中間点は、交流モータＭ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、交流モータＭ１は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４の中間点１５Ａに、Ｖ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＱ５，Ｑ６の中間点１６Ａに、Ｗ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＱ７，Ｑ８の中間点１７Ａにそれぞれ接続されている。
【００２９】
直流電源１０は、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成る。コンデンサ２０は、直流電源１０から供給された直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ３１へ供給する。電圧センサー２１は、コンデンサ２０の両端の電圧、すなわち、インバータ３１への入力電圧Ｖｍを検出し、その検出した入力電圧Ｖｍを制御装置５０へ出力する。
【００３０】
インバータ３１は、コンデンサ２０から直流電圧が供給されるとドライブ回路３２からの駆動信号ＤＲＶＩに基づいて直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。これにより、交流モータＭ１は、トルク指令値ＴＲによって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ３１は、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、交流モータＭ１が発電した交流電圧をドライブ回路３２からの駆動信号ＤＲＶＣに基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサ２０を介して直流電源１０に供給する。なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。
【００３１】
ドライブ回路３２は、電流センサー４０からのモータ電流ＭＣＲＴを受け、その受けたモータ電流ＭＣＲＴを制御装置５０へ出力する。また、ドライブ回路３２は、制御装置５０からの信号ＰＷＭＩに応じて駆動信号ＤＲＶＩを生成し、その生成した駆動信号ＤＲＶＩをＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。さらに、ドライブ回路３２は、制御装置５０からの信号ＰＷＭＣに応じて駆動信号ＤＲＶＣを生成し、その生成した駆動信号ＤＲＶＣをＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。
【００３２】
電流センサー４０は、交流モータＭ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴを検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴをドライブ回路３２へ出力する。
【００３３】
制御装置５０は、外部に設けられたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）から入力されたトルク指令値ＴＲ、電圧センサー２１からの入力電圧Ｖｍ、およびドライブ回路３２からのモータ電流ＭＣＲＴに基づいて、後述する方法によりインバータ３１を駆動するための信号ＰＷＭＩを生成し、その生成した信号ＰＷＭＩをドライブ回路３２へ出力する。
【００３４】
信号ＰＷＭＩは、交流モータＭ１がトルク指令値ＴＲによって指定されたトルクを出力するようにインバータ３１を駆動するための信号である。
【００３５】
また、制御装置５０は、ハイブリッド自動車または電気自動車が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、交流モータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭＣを生成してドライブ回路３２へ出力する。この場合、インバータ３１のＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８は、ドライブ回路３２が信号ＰＷＭＣに応じて生成した駆動信号ＤＲＶＣによってスイッチング制御される。これにより、インバータ３１は、交流モータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して直流電源１０へ供給する。
【００３６】
図２は、制御装置５０の機能のうち、信号ＰＷＭＩを生成する機能を示す機能ブロック図である。図２を参照して、制御装置５０は、モータ制御用相電圧演算部４１と、インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２とを含む。
【００３７】
モータ制御用相電圧演算部４１は、インバータ３１への入力電圧Ｖｍを電圧センサー２１から受け、交流モータＭ１の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴをドライブ回路３２から受け、トルク指令値ＴＲ（車両におけるアクセルペダルの踏み込み度合い、ハイブリッド車両においてはエンジンの動作状態をも考慮しながらモータに与えるべきトルク指令を演算して得られている）を外部ＥＣＵから受ける。そして、モータ制御用相電圧演算部４１は、これらの入力される信号に基づいて、交流モータＭ１の各相のコイルに印加する電圧を演算し、その演算した結果をインバータ用ＰＷＭ信号変換部４２へ供給する。
【００３８】
インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２は、モータ制御用相電圧演算部４１から受けた演算結果に基づいて、実際にインバータ３１の各ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするための信号ＰＷＭＩを生成し、その生成した信号ＰＷＭＩをドライブ回路３２へ出力する。そして、ドライブ回路３２は、信号ＰＷＭＩに応じて駆動信号ＤＲＶＩを生成してインバータ３１の各ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。
【００３９】
これにより、各ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８は、スイッチング制御され、交流モータＭ１が指令されたトルクを出力するように交流モータＭ１の各相に流す電流を制御する。このようにして、モータ駆動電流が制御され、トルク指令値ＴＲに応じたモータトルクが出力される。
【００４０】
図３は、この発明による半導体装置を含むインバータ３１の平面図を示す。図３を参照して、インバータ３１は、ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８、ダイオードＤ３〜Ｄ８、正極導体１１および負極導体１２に追加して、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、絶縁樹脂７０、ループ導体８０および金属基板（図示せず）を含む。なお、図３においては、ダイオードＤ３〜Ｄ８は省略されている。
【００４１】
絶縁樹脂７０は、金属基板の一方の表面を覆うように形成される。正極導体１１、負極導体１２および出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、絶縁樹脂７０上に形成される。そして、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、正極導体１１と負極導体１２との間に配置される。
【００４２】
ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ５，Ｑ７は、正極導体１１上に配置される。そして、ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ５，Ｑ７は、ドレインが正極導体１１に接続される。また、ＭＯＳトランジスタＱ４，Ｑ６，Ｑ８は、それぞれ、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ上に配置される。そして、ＭＯＳトランジスタＱ４，Ｑ６，Ｑ８は、ドレインがそれぞれ出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに接続される。
【００４３】
配線１は、ＭＯＳトランジスタＱ３のソースを出力導体１３Ａに接続する。配線２は、ＭＯＳトランジスタＱ４のソースを負極導体１２に接続する。これにより、ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４は、正極導体１１と負極導体１２との間に直列に接続される。
【００４４】
配線３は、ＭＯＳトランジスタＱ５のソースを出力導体１３Ｂに接続する。配線４は、ＭＯＳトランジスタＱ６のソースを負極導体１２に接続する。これにより、ＭＯＳトランジスタＱ５，Ｑ６は、正極導体１１と負極導体１２との間に直列に接続される。
【００４５】
配線５は、ＭＯＳトランジスタＱ７のソースを出力導体１３Ｃに接続する。配線６は、ＭＯＳトランジスタＱ８のソースを負極導体１２に接続する。これにより、ＭＯＳトランジスタＱ７，Ｑ８は、正極導体１１と負極導体１２との間に直列に接続される。
【００４６】
そして、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、それぞれ、図１に示す中間点１５Ａ，１６Ａ，１７Ａに相当し、それぞれ、交流モータＭ１のＵ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルに電圧を印加する。
【００４７】
ループ導体８０は、絶縁樹脂７０の下側、すなわち、絶縁樹脂７０と金属基板（図示せず）との間に配置される。そして、ループ導体８０は、全体的には四角形の環状導体であり、辺８０Ａは、正極導体１１と平行に配置され、辺８０Ｂは、負極導体１２と平行に配置される。このように、ループ導体８０は、正極導体１１および負極導体１２に平行に配置される。
【００４８】
図４は、図３に示すＡ−Ａ線における断面図を示す。図４を参照して、金属基板６０の一方の表面６０Ａにループ導体８０が形成される。そして、金属基板６０の表面６０Ａおよびループ導体８０を覆うように絶縁樹脂７０が形成される。正極導体１１、負極導体１２および出力導体１３Ｂは、絶縁樹脂７０上に配置される。ＭＯＳトランジスタＱ５は、ドレインが正極導体１１に接続されるように正極導体１１上に配置される。また、ＭＯＳトランジスタＱ６は、ドレインが出力導体１３Ｂに接続されるように出力導体１３Ｂ上に配置される。そして、ループ導体８０の辺８０Ａは、絶縁樹脂７０を介して正極導体１１の下側に配置される。また、ループ導体８０の辺８０Ｂは、絶縁樹脂７０を介して負極導体１２の下側に配置される。
【００４９】
正極導体１１は、矢印２６の方向に曲げられた端子１１Ｔを有し、出力導体１３Ｂは、矢印２６の方向に曲げられた端子１３ＢＴを有し、負極導体１２は、矢印２６の方向に曲げられた端子１２Ｔを有する。
【００５０】
金属基板６０は、アルミニウム（Ａｌ）から成る。そして、金属基板６０は、冷却路６１を有する。つまり、金属基板６０は、冷却機構を兼ね備える。また、ループ導体８０は、銅から成る。そして、ループ導体８０は、銅メッキにより、金属基板６０の表面６０Ａにループ状に形成される。
【００５１】
正極導体１１とループ導体８０（８０Ａ）との距離および負極導体１２とループ導体８０（８０Ｂ）との距離は、絶縁樹脂７０の厚さに等しいため、ループ導体８０は、正極導体１１および負極導体１２に近接して配置される。そして、絶縁樹脂７０の厚さは、正極導体１１および負極導体１２とループ導体８０との間で絶縁破壊が生じない厚さに設定される。
【００５２】
ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４の配置部分およびＭＯＳトランジスタＱ７，Ｑ８の配置部分は、図４に示す断面構造と同じ断面構造を有する。
【００５３】
再び、図３を参照して、端子１１Ｔ，１２Ｔ間に電力が供給され、直流電流が、矢印２２で示す方向に正極導体１１を流れ、矢印２３で示す方向に負極導体１２を流れると、正極導体１１を流れる直流電流によって発生される磁界は、絶縁樹脂７０を介してループ導体８０の辺８０Ａに及び、負極導体１２を流れる直流電流によって発生される磁界は、絶縁樹脂７０を介してループ導体８０の辺８０Ｂに及ぶ。その結果、正極導体１１の下側に配置されたループ導体８０の辺８０Ａには、矢印２４によって示す方向に誘導電流が流れ、負極導体１２の下側に配置されたループ導体８０の辺８０Ｂには、矢印２５によって示す方向に誘導電流が流れる。そして、誘導電流は、ループ導体８０を反時計回りに流れる。
【００５４】
そうすると、辺８０Ａ，８０Ｂに流れる誘導電流は、正極導体１１および負極導体１２に流れる直流電流によって発生される磁界と反対方向の磁界を発生し、正極導体１１および負極導体１２に流れる直流電流によって発生される磁界を減少させる。その結果、正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスが減少する。
【００５５】
このように、この発明においては、正極導体１１および負極導体１２に平行にループ導体８０を配置することにより、正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを低減する。そして、正極導体１１とループ導体８０（８０Ａ）との距離および負極導体１２とループ導体８０（８０Ｂ）との距離は、絶縁樹脂７０の厚さに等しいので、ループ導体８０は正極導体１１および負極導体１２に近接して配置され、ループ導体８０は、誘起された誘導電流によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを確実に低減できる。
【００５６】
この発明においては、金属基板６０およびループ導体８０に代えて図５に示す金属基板６００を用いてもよい。図５を参照して、金属基板６００は、一方の表面６００Ａに溝６０１，６０２を形成することにより、正極導体１１の下側に凸状領域６０３を形成し、負極導体１２の下側に凸状領域６０４を形成する。また、金属基板６００は、アルミニウムから成り、冷却路６１を有する。すなわち、金属基板６００は、冷却機構を兼ね備える。そして、絶縁樹脂７０は、金属基板６００の表面６００Ａを覆うように形成され、絶縁樹脂７０の厚さは、正極導体１１および負極導体１２と金属基板６００の凸状領域６０３，６０４との間で絶縁破壊が生じない厚さに設定される。
【００５７】
図５に示す断面構造において、正極導体１１および負極導体１２に直流電流が流れると、金属基板６００の凸状領域６０３，６０４に誘導電流が流れる。その結果、上述した機構によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスが低減される。
【００５８】
図６は、絶縁樹脂７０側から見た金属基板６００の平面図を示す。図６を参照して、金属基板６００は、溝６０１，６０２を有する。溝６０１は、内周側に形成され、溝６０２は、溝６０１の外周側に形成される。その結果、凸状領域６０５が形成される。凸状領域６０５は、全体的には四角形から成り、ループ状である。正極導体１１は、凸状領域６０５の一部である凸状領域６０３の上側に凸状領域６０３の長手方向に沿って配置され、負極導体１２は、凸状領域６０５の一部である凸状領域６０４の長手方向に沿って配置される。
【００５９】
このように、金属基板６００の表面６００Ａにループ状の凸状領域６０５を形成することによっても、金属基板６０上にループ導体８０を形成した場合と同様に凸状領域６０５に誘導電流を誘起でき、その誘起された誘導電流によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを低減できる。
【００６０】
また、この発明においては、金属基板６０およびループ導体８０に代えて図７に示す金属基板７００を用いてもよい。図７を参照して、金属基板７００は、一方の表面７００Ａに凸状領域７０１，７０２を有する。凸状領域７０１は、正極導体１１の下側に配置され、凸状領域７０２は、負極導体１２の下側に配置される。また、金属基板７００は、アルミニウムから成り、冷却路６１を有する。すなわち、金属基板７００は、冷却機構を兼ね備える。そして、絶縁樹脂７０は、金属基板７００の表面７００Ａを覆うように形成され、絶縁樹脂７０の厚さは、正極導体１１および負極導体１２と金属基板７００の凸状領域７０１，７０２との間で絶縁破壊が生じない厚さに設定される。
【００６１】
図７に示す断面構造において、正極導体１１および負極導体１２に直流電流が流れると、金属基板７００の凸状領域７０１，７０２に誘導電流が流れる。その結果、上述した機構によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスが低減される。
【００６２】
図８は、絶縁樹脂７０側から見た金属基板７００の平面図を示す。図８を参照して、金属基板７００は、凸状領域７０３を有する。凸状領域７０３は、全体的には四角形から成り、ループ状である。正極導体１１は、凸状領域７０３の一部である凸状領域７０１の上側に凸状領域７０１の長手方向に沿って配置され、負極導体１２は、凸状領域７０３の一部である凸状領域７０２の長手方向に沿って配置される。
【００６３】
このように、金属基板７００の表面７００Ａにループ状の凸状領域７０３を形成することによっても、金属基板６０上にループ導体８０を形成した場合と同様に凸状領域７０３に誘導電流を誘起でき、その誘起された誘導電流によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを低減できる。
【００６４】
再び、図１を参照して、モータ駆動装置１００における全体動作について説明する。全体の動作が開始されると、直流電源１０は、直流電圧を出力し、コンデンサ２０は、直流電源１０からの直流電圧を平滑化してインバータ装置３０へ供給する。また、電圧センサー２１は、コンデンサ２０の両端の電圧、すなわち、インバータ装置３０への入力電圧Ｖｍを検出して制御装置５０へ出力する。
【００６５】
電流センサー４０は、モータ電流ＭＣＲＴを検出してドライブ回路３２へ出力し、ドライブ回路３２は、モータ電流ＭＣＲＴを制御装置５０へ出力する。制御装置５０は、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲを受け、電圧センサー２１から入力電圧Ｖｍを受け、ドライブ回路３２からモータ電流ＭＣＲＴを受ける。そして、制御装置５０は、トルク指令値ＴＲ、入力電圧Ｖｍおよびモータ電流ＭＣＲＴに基づいて、上述した方法により信号ＰＷＭＩを生成してドライブ回路３２へ出力する。
【００６６】
ドライブ回路３２は、制御装置５０からの信号ＰＷＭＩに応じて駆動信号ＤＲＶＩを生成してＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。そして、ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８は、駆動信号ＤＲＶＩによってオン／オフされ、インバータ３１は、コンデンサ２０から供給された直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。これにより、交流モータＭ１は、トルク指令値ＴＲによって指定されたトルクを出力する。
【００６７】
また、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、制御装置５０は、外部ＥＣＵから信号ＲＧＥを受け、その受けた信号ＲＧＥに応じて、信号ＰＷＭＣを生成してドライブ回路３２へ出力する。
【００６８】
ドライブ回路３２は、信号ＰＷＭＣに応じて駆動信号ＤＲＶＣを生成してＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。
【００６９】
そうすると、ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８は、駆動信号ＤＲＶＣによってオン／オフされ、インバータ３１は、モータＭ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換して直流電源１０に供給する。
【００７０】
そして、インバータ３１が交流モータＭ１を駆動する場合、または交流モータＭ１が発電した電力を回生する場合、ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８はオン／オフされ、正極導体１１および負極導体１２に流れる直流電流は急峻に変化するが、上述したループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスは低減される。その結果、スパイク電圧の発生が抑制され、ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８のスイッチング損失を低減できる。
【００７１】
この発明においては、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、Ｗ相アーム１７、正極導体１１、負極導体１２、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、金属基板６０、絶縁樹脂７０およびループ導体８０は、「半導体装置」を構成する。
【００７２】
また、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、Ｗ相アーム１７、正極導体１１、負極導体１２、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、絶縁樹脂７０および金属基板６００は、「半導体装置」を構成する。
【００７３】
さらに、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、Ｗ相アーム１７、正極導体１１、負極導体１２、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、絶縁樹脂７０および金属基板７００は、「半導体装置」を構成する。
【００７４】
そして、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７の各々は、正極導体１１と負極導体１２との間に直列に接続されたそれぞれ２つのＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４；Ｑ５，Ｑ６；Ｑ７，Ｑ８から成る。
【００７５】
この発明による半導体装置は、正極導体１１および負極導体１２と絶縁されたループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）を形成し、正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを低減することを特徴とするが、正極導体１１および負極導体１２とループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）との絶縁は、金属基板６０およびループ導体８０（または金属基板６００，７００の表面６００Ａ，７００Ａ）を覆うように絶縁樹脂７０を形成することにより行なうので、正極導体１１および負極導体１２とループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）との絶縁に関し、位置決めを行なうための特定の構造は必要ではない。したがって、この発明による半導体装置は、小型化に適した構造から成る。
【００７６】
なお、上記においては、インバータ３１のＵ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７の全体に対して１つのループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）を形成すると説明したが、この発明は、これに限らず、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７の各々に対して別個のループ導体（または凸状領域）を形成するようにしてもよい。
【００７７】
また、上記においては、ループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）は、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７、すなわち、３つのアームに対して形成されると説明したが、この発明は、これに限らず、少なくとも２つのアームに対して形成されていればよい。２つのアームが正極導体１１と負極導体１２との間に並列に接続されている場合、正極導体１１および負極導体１２は、各アームに含まれる２つのＭＯＳトランジスタが配置される方向と垂直な方向に配置され、インダクタンスとして作用する直線部分を有するからである。
【００７８】
さらに、上記においては、ループ導体８０（凸状領域６０５，７０３）は、インバータ３１に対して形成されると説明したが、この発明は、これに限らず、電圧変換を行なうコンバータに対して形成されてもよい。コンバータは、直列接続された２つのＭＯＳトランジスタを構成要素として含み、ＭＯＳトランジスタがオン／オフされることにより動作するからである。
【００７９】
さらに、インバータ３１は、ＭＯＳトランジスタにより構成されると説明したが、この発明においては、これに限らず、インバータ３１は、ＮＰＮトランジスタおよびＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体スイッチング素子により構成されていてもよい。
【００８０】
さらに、ループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）は、正極導体１１および負極導体１２に平行に配置されると説明したが、この発明においては、ループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）は、正極導体１１および負極導体１２に対して略平行に配置されていればよい。そして、「略平行」とは、正極導体１１および負極導体１２に流れる直流電流によって誘起される誘導電流が正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを低減可能に、ループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）が正極導体１１および負極導体１２に対して配置されていることを言う。
【００８１】
この発明の実施の形態によれば、半導体装置は、正極導体および負極導体のインダクタンスを低減するループ導体と、正極導体および負極導体とを絶縁する絶縁樹脂とを備え、絶縁樹脂は、金属基板の表面を覆うように形成されるので、小型化可能な構造において、正極導体および負極導体のインダクタンスを低減できる。
【００８２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態におけるモータ駆動装置の概略ブロック図である。
【図２】図１に示す制御装置の一部の機能を示す機能ブロック図である。
【図３】この発明による半導体装置を含むインバータの平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線における断面図である。
【図５】他の金属基板を用いた場合の図３のＡ−Ａ線における断面図である。
【図６】図５に示す金属基板の平面図である。
【図７】さらに他の金属基板を用いた場合の図３のＡ−Ａ線における断面図である。
【図８】図７に示す金属基板の平面図である。
【図９】従来のモータ駆動装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
１〜６ 配線、１０，３１０ 直流電源、１１ 正極導体、１１Ｔ，１２Ｔ，１３ＢＴ 端子、１２ 負極導体、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 出力導体、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、１５Ａ，１６Ａ，１７Ａ 中間点、２０，３２０ コンデンサ、２１ 電圧センサー、２２〜２６ 矢印、３０ インバータ装置、３１，３３０ インバータ、３２ ドライブ回路、４０電流センサー、４１ モータ制御用相電圧演算部、４２ インバータ用ＰＷＭ信号変換部、５０ 制御装置、６０，６００，７００ 金属基板、６０Ａ，６００Ａ，７００Ａ 表面、６１ 冷却路、７０ 絶縁樹脂、８０ ループ導体、８０Ａ，８０Ｂ 辺、１００，３００ モータ駆動装置、６０１，６０２ 溝、６０３〜６０５，７０１〜７０３ 凸状領域、Ｑ３〜Ｑ８ ＭＯＳトランジスタ、Ｄ３〜Ｄ８ ダイオード、Ｍ１ 交流モータ。
【発明の属する技術分野】
この発明は、スイッチング素子に電力を供給する配線のインダクタンスを低減可能な半導体装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、環境に配慮した自動車としてハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）および電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が大きな注目を集めている。そして、ハイブリッド自動車は、一部、実用化されている。
【０００３】
このハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。また、電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。
【０００４】
このようなハイブリッド自動車または電気自動車は、たとえば、図９に示すようなモータ駆動装置３００を搭載している。図９を参照して、モータ駆動装置３００は、直流電源３１０と、コンデンサ３２０と、インバータ３３０とを備える。
【０００５】
直流電源３１０は、直流電圧を出力する。コンデンサ３２０は、直流電源３１０から供給された直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ３３０へ供給する。
【０００６】
インバータ３３０は、コンデンサ３２０を介して供給された直流電圧を交流電圧に変換し、その変換した交流電圧を交流モータＭ１のＵ相、Ｖ相およびＷ相へ供給して交流モータＭ１を駆動する。
【０００７】
このように、モータ駆動装置３００は、直流電源３１０からの直流電圧をインバータ３３０によって交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。そして、インバータ３３０は、交流モータＭ１のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応してＵ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームを含み、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは、電源ライン３１１とアースライン３１２との間に並列に接続される。また、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームの各々は、電源ライン３１１とアースライン３１２との間に直列に接続された２つのＭＯＳトランジスタから成る。
【０００８】
そして、インバータ３３０は、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームに含まれる６個のＭＯＳトランジスタをオン／オフすることにより直流電圧を交流電圧に変換する。
【０００９】
そうすると、ＭＯＳトランジスタがオンからオフに、またはオフからオンに切換わるとき、電源ライン３１１およびアースライン３１２を流れる直流電流が変化する。電源ライン３１１およびアースライン３１２は、インダクタンスを有するためＭＯＳトランジスタのスイッチングの際にはインダクタンスに比例したスパイク電圧が発生する。そして、その発生したスパイク電圧がＭＯＳトランジスタのスイッチング損失を低下させるという問題がある。
【００１０】
このような問題を解決するために、特開２００２−１１２５３０号公報には、スイッチング素子に電力を供給する配線に平行に導体を設け、配線に電流が流れることによって導体に誘起された誘導電流によって配線のインダクタンスを低減する技術が開示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１１２５３０号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平１０−７４８８６号公報
【００１３】
【特許文献３】
特開２００２−１４１４５２号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開２００２−１１２５３０号公報に開示された技術では、配線と導体との間に絶縁紙が必要である。また、特開２００２−１１２５３０号公報に開示された技術では、配線と導体とをスイッチング素子の端子および電源の端子にビスで固定するが、絶縁紙によって配線と導体との間が絶縁されるように各部品を位置ズレなく組立てるためには位置決め構造が必要であり、装置が大型化してしまうという問題がある。
【００１５】
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、スイッチング素子に電力を供給する配線のインダクタンスを低減し、かつ、小型化が可能な半導体装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
この発明によれば、半導体装置は、金属基板と、絶縁物と、正極導体と、負極導体と、スイッチング素子群と、ループ導体とを備える。絶縁物は、金属基板の一方の表面を覆うように形成される。正極導体および負極導体は、絶縁物上に形成される。スイッチング素子群は、絶縁物上に形成され、正極導体および負極導体に接続される。ループ導体は、絶縁物によって正極導体および負極導体と絶縁され、正極導体および負極導体に略平行に配置される。そして、スイッチング素子群は、正極導体と負極導体との間に並列に接続される。複数のアームの各々は、正極導体と負極導体との間に直列に接続された第１および第２のスイッチング素子から成る。
【００１７】
好ましくは、半導体装置は、出力導体をさらに備える。出力導体は、絶縁物上に形成され、第１および第２のスイッチング素子に接続される。
【００１８】
好ましくは、ループ導体は、金属基板と絶縁物との間に形成される。
好ましくは、ループ導体は、銅メッキにより形成される。
【００１９】
好ましくは、ループ導体は、金属基板の一方の表面に形成される。
好ましくは、ループ導体は、正極導体および負極導体に対応して一方の表面を凸状に加工することにより形成される。
【００２０】
好ましくは、金属基板は、冷却路を含む。
この発明による半導体装置においては、直流電流が正極導体および負極導体に流れると、誘導電流がループ導体に誘起される。そして、ループ導体に誘起された誘導電流によって発生された磁界は、正極導体および負極導体に流れる直流電流によって発生される磁界を弱める。また、正極導体および負極導体とループ導体とを絶縁する絶縁物は、金属基板を覆うように形成される。
【００２１】
したがって、この発明によれば、小型化が可能な構造において正極導体および負極導体のインダクタンスを減少できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２３】
図１を参照して、この発明の実施の形態による半導体装置を備えるモータ駆動装置１００は、直流電源１０と、正極導体１１と、負極導体１２と、コンデンサ２０と、電圧センサー２１と、インバータ装置３０と、制御装置５０とを備える。
【００２４】
交流モータＭ１は、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータである。あるいは、このモータはエンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。
【００２５】
コンデンサ２０は、正極導体１１と負極導体１２との間に接続される。
インバータ装置３０は、インバータ３１と、ドライブ回路３２と、電流センサー４０とを含む。
【００２６】
インバータ３１は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とから成る。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、およびＷ相アーム１７は、正極導体１１と負極導体１２との間に並列に設けられる。
【００２７】
Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４から成り、Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＱ５，Ｑ６から成り、Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＭＯＳトランジスタＱ７，Ｑ８から成る。また、各ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８のソース−ドレイン間には、ソース側からドレイン側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。
【００２８】
各相アームの中間点は、交流モータＭ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、交流モータＭ１は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４の中間点１５Ａに、Ｖ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＱ５，Ｑ６の中間点１６Ａに、Ｗ相コイルの他端がＭＯＳトランジスタＱ７，Ｑ８の中間点１７Ａにそれぞれ接続されている。
【００２９】
直流電源１０は、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成る。コンデンサ２０は、直流電源１０から供給された直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ３１へ供給する。電圧センサー２１は、コンデンサ２０の両端の電圧、すなわち、インバータ３１への入力電圧Ｖｍを検出し、その検出した入力電圧Ｖｍを制御装置５０へ出力する。
【００３０】
インバータ３１は、コンデンサ２０から直流電圧が供給されるとドライブ回路３２からの駆動信号ＤＲＶＩに基づいて直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。これにより、交流モータＭ１は、トルク指令値ＴＲによって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ３１は、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、交流モータＭ１が発電した交流電圧をドライブ回路３２からの駆動信号ＤＲＶＣに基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサ２０を介して直流電源１０に供給する。なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。
【００３１】
ドライブ回路３２は、電流センサー４０からのモータ電流ＭＣＲＴを受け、その受けたモータ電流ＭＣＲＴを制御装置５０へ出力する。また、ドライブ回路３２は、制御装置５０からの信号ＰＷＭＩに応じて駆動信号ＤＲＶＩを生成し、その生成した駆動信号ＤＲＶＩをＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。さらに、ドライブ回路３２は、制御装置５０からの信号ＰＷＭＣに応じて駆動信号ＤＲＶＣを生成し、その生成した駆動信号ＤＲＶＣをＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。
【００３２】
電流センサー４０は、交流モータＭ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴを検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴをドライブ回路３２へ出力する。
【００３３】
制御装置５０は、外部に設けられたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）から入力されたトルク指令値ＴＲ、電圧センサー２１からの入力電圧Ｖｍ、およびドライブ回路３２からのモータ電流ＭＣＲＴに基づいて、後述する方法によりインバータ３１を駆動するための信号ＰＷＭＩを生成し、その生成した信号ＰＷＭＩをドライブ回路３２へ出力する。
【００３４】
信号ＰＷＭＩは、交流モータＭ１がトルク指令値ＴＲによって指定されたトルクを出力するようにインバータ３１を駆動するための信号である。
【００３５】
また、制御装置５０は、ハイブリッド自動車または電気自動車が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、交流モータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭＣを生成してドライブ回路３２へ出力する。この場合、インバータ３１のＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８は、ドライブ回路３２が信号ＰＷＭＣに応じて生成した駆動信号ＤＲＶＣによってスイッチング制御される。これにより、インバータ３１は、交流モータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して直流電源１０へ供給する。
【００３６】
図２は、制御装置５０の機能のうち、信号ＰＷＭＩを生成する機能を示す機能ブロック図である。図２を参照して、制御装置５０は、モータ制御用相電圧演算部４１と、インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２とを含む。
【００３７】
モータ制御用相電圧演算部４１は、インバータ３１への入力電圧Ｖｍを電圧センサー２１から受け、交流モータＭ１の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴをドライブ回路３２から受け、トルク指令値ＴＲ（車両におけるアクセルペダルの踏み込み度合い、ハイブリッド車両においてはエンジンの動作状態をも考慮しながらモータに与えるべきトルク指令を演算して得られている）を外部ＥＣＵから受ける。そして、モータ制御用相電圧演算部４１は、これらの入力される信号に基づいて、交流モータＭ１の各相のコイルに印加する電圧を演算し、その演算した結果をインバータ用ＰＷＭ信号変換部４２へ供給する。
【００３８】
インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２は、モータ制御用相電圧演算部４１から受けた演算結果に基づいて、実際にインバータ３１の各ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするための信号ＰＷＭＩを生成し、その生成した信号ＰＷＭＩをドライブ回路３２へ出力する。そして、ドライブ回路３２は、信号ＰＷＭＩに応じて駆動信号ＤＲＶＩを生成してインバータ３１の各ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。
【００３９】
これにより、各ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８は、スイッチング制御され、交流モータＭ１が指令されたトルクを出力するように交流モータＭ１の各相に流す電流を制御する。このようにして、モータ駆動電流が制御され、トルク指令値ＴＲに応じたモータトルクが出力される。
【００４０】
図３は、この発明による半導体装置を含むインバータ３１の平面図を示す。図３を参照して、インバータ３１は、ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８、ダイオードＤ３〜Ｄ８、正極導体１１および負極導体１２に追加して、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、絶縁樹脂７０、ループ導体８０および金属基板（図示せず）を含む。なお、図３においては、ダイオードＤ３〜Ｄ８は省略されている。
【００４１】
絶縁樹脂７０は、金属基板の一方の表面を覆うように形成される。正極導体１１、負極導体１２および出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、絶縁樹脂７０上に形成される。そして、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、正極導体１１と負極導体１２との間に配置される。
【００４２】
ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ５，Ｑ７は、正極導体１１上に配置される。そして、ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ５，Ｑ７は、ドレインが正極導体１１に接続される。また、ＭＯＳトランジスタＱ４，Ｑ６，Ｑ８は、それぞれ、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ上に配置される。そして、ＭＯＳトランジスタＱ４，Ｑ６，Ｑ８は、ドレインがそれぞれ出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃに接続される。
【００４３】
配線１は、ＭＯＳトランジスタＱ３のソースを出力導体１３Ａに接続する。配線２は、ＭＯＳトランジスタＱ４のソースを負極導体１２に接続する。これにより、ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４は、正極導体１１と負極導体１２との間に直列に接続される。
【００４４】
配線３は、ＭＯＳトランジスタＱ５のソースを出力導体１３Ｂに接続する。配線４は、ＭＯＳトランジスタＱ６のソースを負極導体１２に接続する。これにより、ＭＯＳトランジスタＱ５，Ｑ６は、正極導体１１と負極導体１２との間に直列に接続される。
【００４５】
配線５は、ＭＯＳトランジスタＱ７のソースを出力導体１３Ｃに接続する。配線６は、ＭＯＳトランジスタＱ８のソースを負極導体１２に接続する。これにより、ＭＯＳトランジスタＱ７，Ｑ８は、正極導体１１と負極導体１２との間に直列に接続される。
【００４６】
そして、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、それぞれ、図１に示す中間点１５Ａ，１６Ａ，１７Ａに相当し、それぞれ、交流モータＭ１のＵ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルに電圧を印加する。
【００４７】
ループ導体８０は、絶縁樹脂７０の下側、すなわち、絶縁樹脂７０と金属基板（図示せず）との間に配置される。そして、ループ導体８０は、全体的には四角形の環状導体であり、辺８０Ａは、正極導体１１と平行に配置され、辺８０Ｂは、負極導体１２と平行に配置される。このように、ループ導体８０は、正極導体１１および負極導体１２に平行に配置される。
【００４８】
図４は、図３に示すＡ−Ａ線における断面図を示す。図４を参照して、金属基板６０の一方の表面６０Ａにループ導体８０が形成される。そして、金属基板６０の表面６０Ａおよびループ導体８０を覆うように絶縁樹脂７０が形成される。正極導体１１、負極導体１２および出力導体１３Ｂは、絶縁樹脂７０上に配置される。ＭＯＳトランジスタＱ５は、ドレインが正極導体１１に接続されるように正極導体１１上に配置される。また、ＭＯＳトランジスタＱ６は、ドレインが出力導体１３Ｂに接続されるように出力導体１３Ｂ上に配置される。そして、ループ導体８０の辺８０Ａは、絶縁樹脂７０を介して正極導体１１の下側に配置される。また、ループ導体８０の辺８０Ｂは、絶縁樹脂７０を介して負極導体１２の下側に配置される。
【００４９】
正極導体１１は、矢印２６の方向に曲げられた端子１１Ｔを有し、出力導体１３Ｂは、矢印２６の方向に曲げられた端子１３ＢＴを有し、負極導体１２は、矢印２６の方向に曲げられた端子１２Ｔを有する。
【００５０】
金属基板６０は、アルミニウム（Ａｌ）から成る。そして、金属基板６０は、冷却路６１を有する。つまり、金属基板６０は、冷却機構を兼ね備える。また、ループ導体８０は、銅から成る。そして、ループ導体８０は、銅メッキにより、金属基板６０の表面６０Ａにループ状に形成される。
【００５１】
正極導体１１とループ導体８０（８０Ａ）との距離および負極導体１２とループ導体８０（８０Ｂ）との距離は、絶縁樹脂７０の厚さに等しいため、ループ導体８０は、正極導体１１および負極導体１２に近接して配置される。そして、絶縁樹脂７０の厚さは、正極導体１１および負極導体１２とループ導体８０との間で絶縁破壊が生じない厚さに設定される。
【００５２】
ＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４の配置部分およびＭＯＳトランジスタＱ７，Ｑ８の配置部分は、図４に示す断面構造と同じ断面構造を有する。
【００５３】
再び、図３を参照して、端子１１Ｔ，１２Ｔ間に電力が供給され、直流電流が、矢印２２で示す方向に正極導体１１を流れ、矢印２３で示す方向に負極導体１２を流れると、正極導体１１を流れる直流電流によって発生される磁界は、絶縁樹脂７０を介してループ導体８０の辺８０Ａに及び、負極導体１２を流れる直流電流によって発生される磁界は、絶縁樹脂７０を介してループ導体８０の辺８０Ｂに及ぶ。その結果、正極導体１１の下側に配置されたループ導体８０の辺８０Ａには、矢印２４によって示す方向に誘導電流が流れ、負極導体１２の下側に配置されたループ導体８０の辺８０Ｂには、矢印２５によって示す方向に誘導電流が流れる。そして、誘導電流は、ループ導体８０を反時計回りに流れる。
【００５４】
そうすると、辺８０Ａ，８０Ｂに流れる誘導電流は、正極導体１１および負極導体１２に流れる直流電流によって発生される磁界と反対方向の磁界を発生し、正極導体１１および負極導体１２に流れる直流電流によって発生される磁界を減少させる。その結果、正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスが減少する。
【００５５】
このように、この発明においては、正極導体１１および負極導体１２に平行にループ導体８０を配置することにより、正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを低減する。そして、正極導体１１とループ導体８０（８０Ａ）との距離および負極導体１２とループ導体８０（８０Ｂ）との距離は、絶縁樹脂７０の厚さに等しいので、ループ導体８０は正極導体１１および負極導体１２に近接して配置され、ループ導体８０は、誘起された誘導電流によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを確実に低減できる。
【００５６】
この発明においては、金属基板６０およびループ導体８０に代えて図５に示す金属基板６００を用いてもよい。図５を参照して、金属基板６００は、一方の表面６００Ａに溝６０１，６０２を形成することにより、正極導体１１の下側に凸状領域６０３を形成し、負極導体１２の下側に凸状領域６０４を形成する。また、金属基板６００は、アルミニウムから成り、冷却路６１を有する。すなわち、金属基板６００は、冷却機構を兼ね備える。そして、絶縁樹脂７０は、金属基板６００の表面６００Ａを覆うように形成され、絶縁樹脂７０の厚さは、正極導体１１および負極導体１２と金属基板６００の凸状領域６０３，６０４との間で絶縁破壊が生じない厚さに設定される。
【００５７】
図５に示す断面構造において、正極導体１１および負極導体１２に直流電流が流れると、金属基板６００の凸状領域６０３，６０４に誘導電流が流れる。その結果、上述した機構によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスが低減される。
【００５８】
図６は、絶縁樹脂７０側から見た金属基板６００の平面図を示す。図６を参照して、金属基板６００は、溝６０１，６０２を有する。溝６０１は、内周側に形成され、溝６０２は、溝６０１の外周側に形成される。その結果、凸状領域６０５が形成される。凸状領域６０５は、全体的には四角形から成り、ループ状である。正極導体１１は、凸状領域６０５の一部である凸状領域６０３の上側に凸状領域６０３の長手方向に沿って配置され、負極導体１２は、凸状領域６０５の一部である凸状領域６０４の長手方向に沿って配置される。
【００５９】
このように、金属基板６００の表面６００Ａにループ状の凸状領域６０５を形成することによっても、金属基板６０上にループ導体８０を形成した場合と同様に凸状領域６０５に誘導電流を誘起でき、その誘起された誘導電流によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを低減できる。
【００６０】
また、この発明においては、金属基板６０およびループ導体８０に代えて図７に示す金属基板７００を用いてもよい。図７を参照して、金属基板７００は、一方の表面７００Ａに凸状領域７０１，７０２を有する。凸状領域７０１は、正極導体１１の下側に配置され、凸状領域７０２は、負極導体１２の下側に配置される。また、金属基板７００は、アルミニウムから成り、冷却路６１を有する。すなわち、金属基板７００は、冷却機構を兼ね備える。そして、絶縁樹脂７０は、金属基板７００の表面７００Ａを覆うように形成され、絶縁樹脂７０の厚さは、正極導体１１および負極導体１２と金属基板７００の凸状領域７０１，７０２との間で絶縁破壊が生じない厚さに設定される。
【００６１】
図７に示す断面構造において、正極導体１１および負極導体１２に直流電流が流れると、金属基板７００の凸状領域７０１，７０２に誘導電流が流れる。その結果、上述した機構によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスが低減される。
【００６２】
図８は、絶縁樹脂７０側から見た金属基板７００の平面図を示す。図８を参照して、金属基板７００は、凸状領域７０３を有する。凸状領域７０３は、全体的には四角形から成り、ループ状である。正極導体１１は、凸状領域７０３の一部である凸状領域７０１の上側に凸状領域７０１の長手方向に沿って配置され、負極導体１２は、凸状領域７０３の一部である凸状領域７０２の長手方向に沿って配置される。
【００６３】
このように、金属基板７００の表面７００Ａにループ状の凸状領域７０３を形成することによっても、金属基板６０上にループ導体８０を形成した場合と同様に凸状領域７０３に誘導電流を誘起でき、その誘起された誘導電流によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを低減できる。
【００６４】
再び、図１を参照して、モータ駆動装置１００における全体動作について説明する。全体の動作が開始されると、直流電源１０は、直流電圧を出力し、コンデンサ２０は、直流電源１０からの直流電圧を平滑化してインバータ装置３０へ供給する。また、電圧センサー２１は、コンデンサ２０の両端の電圧、すなわち、インバータ装置３０への入力電圧Ｖｍを検出して制御装置５０へ出力する。
【００６５】
電流センサー４０は、モータ電流ＭＣＲＴを検出してドライブ回路３２へ出力し、ドライブ回路３２は、モータ電流ＭＣＲＴを制御装置５０へ出力する。制御装置５０は、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲを受け、電圧センサー２１から入力電圧Ｖｍを受け、ドライブ回路３２からモータ電流ＭＣＲＴを受ける。そして、制御装置５０は、トルク指令値ＴＲ、入力電圧Ｖｍおよびモータ電流ＭＣＲＴに基づいて、上述した方法により信号ＰＷＭＩを生成してドライブ回路３２へ出力する。
【００６６】
ドライブ回路３２は、制御装置５０からの信号ＰＷＭＩに応じて駆動信号ＤＲＶＩを生成してＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。そして、ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８は、駆動信号ＤＲＶＩによってオン／オフされ、インバータ３１は、コンデンサ２０から供給された直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭ１を駆動する。これにより、交流モータＭ１は、トルク指令値ＴＲによって指定されたトルクを出力する。
【００６７】
また、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、制御装置５０は、外部ＥＣＵから信号ＲＧＥを受け、その受けた信号ＲＧＥに応じて、信号ＰＷＭＣを生成してドライブ回路３２へ出力する。
【００６８】
ドライブ回路３２は、信号ＰＷＭＣに応じて駆動信号ＤＲＶＣを生成してＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。
【００６９】
そうすると、ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８は、駆動信号ＤＲＶＣによってオン／オフされ、インバータ３１は、モータＭ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換して直流電源１０に供給する。
【００７０】
そして、インバータ３１が交流モータＭ１を駆動する場合、または交流モータＭ１が発電した電力を回生する場合、ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８はオン／オフされ、正極導体１１および負極導体１２に流れる直流電流は急峻に変化するが、上述したループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）によって正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスは低減される。その結果、スパイク電圧の発生が抑制され、ＭＯＳトランジスタＱ３〜Ｑ８のスイッチング損失を低減できる。
【００７１】
この発明においては、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、Ｗ相アーム１７、正極導体１１、負極導体１２、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、金属基板６０、絶縁樹脂７０およびループ導体８０は、「半導体装置」を構成する。
【００７２】
また、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、Ｗ相アーム１７、正極導体１１、負極導体１２、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、絶縁樹脂７０および金属基板６００は、「半導体装置」を構成する。
【００７３】
さらに、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、Ｗ相アーム１７、正極導体１１、負極導体１２、出力導体１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ、絶縁樹脂７０および金属基板７００は、「半導体装置」を構成する。
【００７４】
そして、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７の各々は、正極導体１１と負極導体１２との間に直列に接続されたそれぞれ２つのＭＯＳトランジスタＱ３，Ｑ４；Ｑ５，Ｑ６；Ｑ７，Ｑ８から成る。
【００７５】
この発明による半導体装置は、正極導体１１および負極導体１２と絶縁されたループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）を形成し、正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを低減することを特徴とするが、正極導体１１および負極導体１２とループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）との絶縁は、金属基板６０およびループ導体８０（または金属基板６００，７００の表面６００Ａ，７００Ａ）を覆うように絶縁樹脂７０を形成することにより行なうので、正極導体１１および負極導体１２とループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）との絶縁に関し、位置決めを行なうための特定の構造は必要ではない。したがって、この発明による半導体装置は、小型化に適した構造から成る。
【００７６】
なお、上記においては、インバータ３１のＵ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７の全体に対して１つのループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）を形成すると説明したが、この発明は、これに限らず、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７の各々に対して別個のループ導体（または凸状領域）を形成するようにしてもよい。
【００７７】
また、上記においては、ループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）は、Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７、すなわち、３つのアームに対して形成されると説明したが、この発明は、これに限らず、少なくとも２つのアームに対して形成されていればよい。２つのアームが正極導体１１と負極導体１２との間に並列に接続されている場合、正極導体１１および負極導体１２は、各アームに含まれる２つのＭＯＳトランジスタが配置される方向と垂直な方向に配置され、インダクタンスとして作用する直線部分を有するからである。
【００７８】
さらに、上記においては、ループ導体８０（凸状領域６０５，７０３）は、インバータ３１に対して形成されると説明したが、この発明は、これに限らず、電圧変換を行なうコンバータに対して形成されてもよい。コンバータは、直列接続された２つのＭＯＳトランジスタを構成要素として含み、ＭＯＳトランジスタがオン／オフされることにより動作するからである。
【００７９】
さらに、インバータ３１は、ＭＯＳトランジスタにより構成されると説明したが、この発明においては、これに限らず、インバータ３１は、ＮＰＮトランジスタおよびＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体スイッチング素子により構成されていてもよい。
【００８０】
さらに、ループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）は、正極導体１１および負極導体１２に平行に配置されると説明したが、この発明においては、ループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）は、正極導体１１および負極導体１２に対して略平行に配置されていればよい。そして、「略平行」とは、正極導体１１および負極導体１２に流れる直流電流によって誘起される誘導電流が正極導体１１および負極導体１２のインダクタンスを低減可能に、ループ導体８０（または凸状領域６０５，７０３）が正極導体１１および負極導体１２に対して配置されていることを言う。
【００８１】
この発明の実施の形態によれば、半導体装置は、正極導体および負極導体のインダクタンスを低減するループ導体と、正極導体および負極導体とを絶縁する絶縁樹脂とを備え、絶縁樹脂は、金属基板の表面を覆うように形成されるので、小型化可能な構造において、正極導体および負極導体のインダクタンスを低減できる。
【００８２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態におけるモータ駆動装置の概略ブロック図である。
【図２】図１に示す制御装置の一部の機能を示す機能ブロック図である。
【図３】この発明による半導体装置を含むインバータの平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線における断面図である。
【図５】他の金属基板を用いた場合の図３のＡ−Ａ線における断面図である。
【図６】図５に示す金属基板の平面図である。
【図７】さらに他の金属基板を用いた場合の図３のＡ−Ａ線における断面図である。
【図８】図７に示す金属基板の平面図である。
【図９】従来のモータ駆動装置の概略ブロック図である。
【符号の説明】
１〜６ 配線、１０，３１０ 直流電源、１１ 正極導体、１１Ｔ，１２Ｔ，１３ＢＴ 端子、１２ 負極導体、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 出力導体、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、１５Ａ，１６Ａ，１７Ａ 中間点、２０，３２０ コンデンサ、２１ 電圧センサー、２２〜２６ 矢印、３０ インバータ装置、３１，３３０ インバータ、３２ ドライブ回路、４０電流センサー、４１ モータ制御用相電圧演算部、４２ インバータ用ＰＷＭ信号変換部、５０ 制御装置、６０，６００，７００ 金属基板、６０Ａ，６００Ａ，７００Ａ 表面、６１ 冷却路、７０ 絶縁樹脂、８０ ループ導体、８０Ａ，８０Ｂ 辺、１００，３００ モータ駆動装置、６０１，６０２ 溝、６０３〜６０５，７０１〜７０３ 凸状領域、Ｑ３〜Ｑ８ ＭＯＳトランジスタ、Ｄ３〜Ｄ８ ダイオード、Ｍ１ 交流モータ。
Claims (7)
- 金属基板と、
前記金属基板の一方の表面を覆うように形成された絶縁物と、
前記絶縁物上に形成された正極導体と、
前記絶縁物上に形成された負極導体と、
前記絶縁物上に形成され、前記正極導体および前記負極導体に接続されたスイッチング素子群と、
前記絶縁物によって前記正極導体および前記負極導体と絶縁され、前記正極導体および前記負極導体に略平行に配置されたループ導体とを備え、
前記スイッチング素子群は、前記正極導体と前記負極導体との間に並列に接続された複数のアームを含み、
前記複数のアームの各々は、前記正極導体と前記負極導体との間に直列に接続された第１および第２のスイッチング素子から成る、半導体装置。 - 前記絶縁物上に形成され、前記第１および第２のスイッチング素子に接続された出力導体をさらに備える、請求項１に記載の半導体装置。
- 前記ループ導体は、前記金属基板と前記絶縁物との間に形成される、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
- 前記ループ導体は、銅メッキにより形成される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
- 前記ループ導体は、前記一方の表面に形成される、請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
- 前記ループ導体は、前記正極導体および前記負極導体に対応して前記一方の表面を凸状に加工することにより形成される、請求項５に記載の半導体装置。
- 前記金属基板は、冷却路を含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
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