JP2005085840A

JP2005085840A - 電力用半導体装置

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Publication number: JP2005085840A
Application number: JP2003313523A
Authority: JP
Inventors: Koichi Ushijima; 光一牛嶋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Renesas Device Design Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Renesas Device Design Corp
Priority date: 2003-09-05
Filing date: 2003-09-05
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2023-09-05
Also published as: US20050051874A1; JP4138612B2; US6870253B1

Abstract

【課題】配線インダクタンスや実装面積を小さくした電力変換装置を提供する。
【解決手段】素子１０１〜１０４のエミッタ電極Ｅ及びコレクタ電極Ｃは、バスバー３５１のバス電極３６１〜３６４にそれぞれ接続される。ここで、バスバー３５１は、４層の絶縁層（図示しない）と、それらの間に介在する３層の導電層（図示している）とからなる７層構成をとるものとする。即ち、バス電極３６１〜３６４は、正電極Ｐ、負電極Ｎ、及び中間電極Ｌのいずれかに対応する導電層に接続される。バス電極３６１には、素子１０３，１０４のコレクタ電極Ｃが重ねて接続される。バス電極３６２には、素子１０３，１０４のエミッタ電極Ｅが重ねて接続される。バス電極３６３には、素子１０１，１０２のコレクタ電極Ｃが重ねて接続される。バス電極３６４には、素子１０１，１０２のエミッタ電極Ｅが重ねて接続される。
【選択図】図４

Description

本発明は、電力用半導体装置に関し、特に、電力制御機器等において、トランスファモールド法等により樹脂封止されたスイッチング素子を並列に接続させるための技術に関する。

一般に、１つのスイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、及びＩＧＢＴ等）を、トランスファモールド法等で樹脂封止した電力用半導体素子は、１ｉｎ１型パワーモジュールと呼ばれる。１ｉｎ１型パワーモジュールとその制御回路とを内蔵する従来のインバータ及びコンバータ等の電力変換装置においては、次のような問題点があった。即ち、制御回路に含まれる半導体基板等が、スイッチング素子のスイッチング時に配線インダクタンスにより発生する強大なノイズや電磁波を受けてしまうことにより、電力変換装置が誤動作したり、破壊されたりするという問題点があった。

また、従来の電力変換装置においては、配線用バスバーを封止樹脂の外側に搭載していたので、全体の実装面積が大きくなってしまうという問題点があった。

例えば特許文献１〜３には、配線の長さや形状等を工夫することにより、配線インダクタンスを小さくさせた電力変換装置の例が示されている。

特開平１１−２９９２３９号公報特開２０００−２３４６２号公報特開平１０−２０９１９７号公報

特許文献１〜３に示される電力変換装置は、パワーモジュールとして１ｉｎ１型パワーモジュールを使用することを前提とした構成をとっているわけではない。従って、１ｉｎ１型パワーモジュールの使用を前提とした場合には、必ずしも最適な構成であると言うことはできず、配線インダクタンスや実装面積の点で、まだ課題が残されている。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、配線インダクタンスや実装面積を小さくした電力変換装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る電力用半導体装置は、第１ゲート電極、第１エミッタ電極および第１コレクタ電極を有する第１の樹脂封止型スイッチング素子と、第２ゲート電極、第２エミッタ電極および第２コレクタ電極を有する第２の樹脂封止型スイッチング素子と、第３ゲート電極、第３エミッタ電極および第３コレクタ電極を有する第３の樹脂封止型スイッチング素子と、第４ゲート電極、第４エミッタ電極および第４コレクタ電極を有する第４の樹脂封止型スイッチング素子と、第１乃至第４バス電極をこの順に設けられたバスバーとを備え、前記バスバーを間に置いて前記第１及び第２の樹脂封止型スイッチング素子と前記第３及び第４の樹脂封止型スイッチング素子とは対向して配置されており、前記第１コレクタ電極と前記第２コレクタ電極とは重ねて前記第１バス電極に接続され、前記第１エミッタ電極と前記第２エミッタ電極とは重ねて前記第２バス電極に接続され、前記第３コレクタ電極と前記第４コレクタ電極とは重ねて前記第３バス電極に接続され、前記第３エミッタ電極と前記第４エミッタ電極とは重ねて前記第４バス電極に接続される。

請求項１に記載の発明に係る電力用半導体装置は、第１ゲート電極、第１エミッタ電極および第１コレクタ電極を有する第１の樹脂封止型スイッチング素子と、第２ゲート電極、第２エミッタ電極および第２コレクタ電極を有する第２の樹脂封止型スイッチング素子と、第３ゲート電極、第３エミッタ電極および第３コレクタ電極を有する第３の樹脂封止型スイッチング素子と、第４ゲート電極、第４エミッタ電極および第４コレクタ電極を有する第４の樹脂封止型スイッチング素子と、第１乃至第４バス電極をこの順に設けられたバスバーとを備え、前記バスバーを間に置いて前記第１及び第２の樹脂封止型スイッチング素子と前記第３及び第４の樹脂封止型スイッチング素子とは対向して配置されており、前記第１コレクタ電極と前記第２コレクタ電極とは重ねて前記第１バス電極に接続され、前記第１エミッタ電極と前記第２エミッタ電極とは重ねて前記第２バス電極に接続され、前記第３コレクタ電極と前記第４コレクタ電極とは重ねて前記第３バス電極に接続され、前記第３エミッタ電極と前記第４エミッタ電極とは重ねて前記第４バス電極に接続されるので、バス電極の個数が少ない分だけバスバーが短くなる。従って、配線距離を小さくすることができるので、配線インダクタンスを小さくすることができる。また、バスバーが素子の間に配置されるので、実装時の面積を小さくすることができる。

＜実施の形態１＞
実施の形態１に係る電力用半導体装置（電力変換装置）は、バスバーの片側に４つのパワーモジュール素子を並べるのではなく、バスバーの両側にパワーモジュール素子を２つずつ並べることにより、バスバーの長さおよび実装面積を小さくすることを特徴とする。即ち、２つずつ並べられた素子は、バスバーを挟んで対向する。

まず、図１〜３を用いて、本実施の形態の背景として、従来の電力変換装置の構成について説明する。

図１に、従来の電力変換装置の回路構成を示す。

電力変換装置は、トランスファーモールド法等で樹脂封止させた１ｉｎ１型パワーモジュール素子である素子１０１〜１０４を備える。素子１０１〜１０４は、ゲート電極Ｇ、エミッタ電極Ｅ、及びコレクタ電極Ｃをそれぞれ有する。以下で説明するように、素子１０１〜１０４はそれぞれ、本発明における第１乃至第４の樹脂封止型スイッチング素子として機能する。

素子１０１，１０２のコレクタ電極Ｃは、正電極Ｐに接続される。素子１０３，１０４のエミッタ電極Ｅは、負電極Ｎに接続される。素子１０１，１０２のエミッタ電極Ｅ及び素子１０３，１０４のコレクタ電極Ｃは、中間電極Ｌに接続される。ここで、中間電極Ｌは、正電極Ｐの電位と負電極Ｎの電位との中間の電位を入出力するためのものである。ゲート電極Ｇの接続先については、本発明との直接の関係が薄いので、説明を省略する。

ここで、素子１０１〜１０４は、図２に示すような構造を有し、電気的特性も同一であるとする。図２において、直方体の素子本体の厚さ方向をｚとし、ｚ軸に垂直な各辺に平行となるようにｘ軸及びｙ軸を規定する。図２において、素子本体の一辺（ｘ＝０）からｚ方向に、複数の制御ピンからなる制御ピン群ＰＧが延在する。また、素子本体からｘ方向には、導電板からなるコレクタ電極Ｃ及びエミッタ電極Ｅが延在する。図２においては、コレクタ電極Ｃのｙ座標は、エミッタ電極Ｅのｙ座標より大きい。ここで、制御ピン群ＰＧのうちのいずれか１本のピンが、図１におけるゲート電極Ｇに対応しているものとする。

図３は、図１の回路構成に対応する素子の接続構成を示す斜視図である。

図３において、素子１０１〜１０４のエミッタ電極Ｅ及びコレクタ電極Ｃは、バスバー３０１のバス電極３１１〜３１８にそれぞれ接続される。ここで、バスバー３０１は、４層の絶縁層（図示しない）と、それらの間に介在する３層の導電層（図示されている）とからなる７層構成をとる。この３層の導電層は、それぞれ上記の正電極Ｐ、負電極Ｎ、及び中間電極Ｌに対応している。即ち、バス電極３１１〜３１８は、正電極Ｐ、負電極Ｎ、及び中間電極Ｌのいずれかに対応する導電層に接続される。

バス電極３１１には、素子１０１のコレクタ電極Ｃが接続される。バス電極３１２には、素子１０１のエミッタ電極Ｅが接続される。バス電極３１３には、素子１０２のコレクタ電極Ｃが接続される。バス電極３１４には、素子１０２のエミッタ電極Ｅが接続される。バス電極３１５には、素子１０３のコレクタ電極Ｃが接続される。バス電極３１６には、素子１０３のエミッタ電極Ｅが接続される。バス電極３１７には、素子１０４のコレクタ電極Ｃが接続される。バス電極３１８には、素子１０４のエミッタ電極Ｅが接続される。

素子１０１〜１０４への上記の接続は、図３に示すように、各電極を互いに接触させ、各電極に空けられたボルト穴にボルト４０１〜４０８を通し、ナット５０１〜５０８で固定することにより行われる。

また、図３に示すように、バスバー３０１の３層の導電層へ外部よりバスバーや導線等を用いて正電極Ｐ、負電極Ｎ、及び中間電極Ｌをそれぞれ接続する。これにより、図１の回路構成が実現される。

また、素子１０１〜１０４には冷却フィン６０１が接触する。このとき、冷却フィン６０１は、素子１０１〜１０４の制御ピン群ＰＧとの接触を避けるために、制御ピン群ＰＧの反対側（図２の−ｚ方向）に接続される。即ち、図３において、冷却フィン６０１は、素子１０１〜１０４の下側に配置される。

従来の電力変換装置は、以上のように構成されていた。従って、バスバーにおける配線距離が長くなってしまうので、その分だけインダクタンスが大きくなってしまうという問題点があった。また、バスバーの片側に４つのパワーモジュール素子を並べるので、全体の実装面積が大きくなってしまうという問題点があった（素子１０１〜１０４をまとめて樹脂封止した場合に、バスバーが樹脂の外側に配置されてしまう）。

図４は、本実施の形態に係る電力用半導体装置としての電力変換装置１における素子の接続構成を示す斜視図である。図４は、図３において、８つのバス電極３１１〜３１８を有するバスバー３０１に代えて、４つのバス電極３６１〜３６４を有するバスバー３５１を用いた構成となっている。即ち、バスバーの片側に４つの素子を並べるのではなく、バスバーの両側に素子を２つずつ並べる（即ち、バスバーを挟んで素子を２つずつ対向させる）ことにより、１つのバス電極に対して２つの素子の電極を接続することが可能となる。以下で説明するように、バス電極３６１〜３６４はそれぞれ、本発明における第１乃至第４バス電極として機能する。

図４において、素子１０１〜１０４のエミッタ電極Ｅ及びコレクタ電極Ｃは、バスバー３５１のバス電極３６１〜３６４にそれぞれ接続される。ここで、バスバー３５１は、バスバー３０１と同様に、４層の絶縁層（図示しない）と、それらの間に介在する３層の導電層（図示している）とからなる７層構成をとるものとする。即ち、バス電極３６１〜３６４は、正電極Ｐ、負電極Ｎ、及び中間電極Ｌのいずれかに対応する導電層に接続される。

図４に示されるバスバー３５１の３層の導電層において、最上層にはバス電極３６１，３６４が設けられ、中間電極Ｌに接続される。中間層にはバス電極３６２が設けられ、負電極Ｎに接続される。最下層にはバス電極３６３が設けられ、正電極Ｐに接続される。

バス電極３６１には、素子１０３，１０４のコレクタ電極Ｃが接続される。バス電極３６２には、素子１０３，１０４のエミッタ電極Ｅが接続される。バス電極３６３には、素子１０１，１０２のコレクタ電極Ｃが接続される。バス電極３６４には、素子１０１，１０２のエミッタ電極Ｅが接続される。

素子１０１〜１０４への上記の接続は、図４に示すように、各電極を互いに接触させ、各電極に空けられたボルト穴にボルト４０１〜４０４を通し、ナット５０１〜５０４で固定させることにより行われる。

また、図４に示すように、バスバー３５１の３層の導電層へ外部よりバスバーや導線等を用いて正電極Ｐ、負電極Ｎ、及び中間電極Ｌをそれぞれ接続する。これにより、図１の回路構成が実現される。

また、素子１０１，１０３には冷却フィン６０１の表面が、素子１０２，１０４には冷却フィン６０２の表面が、それぞれ接触する。このとき、冷却フィン６０１，６０２は、素子１０１〜１０４の制御ピン群ＰＧとの接触を避けるために、制御ピン群ＰＧの反対側（図２の−ｚ方向）に配置される。即ち、図４において、冷却フィン６０１は、素子１０１，１０３の下側に配置され、冷却フィン６０２は、素子１０２，１０４の上側に配置される。

図４の接続構成においては、バス電極の個数が少ない分だけバスバーが短くなっている。従って、配線距離を小さくすることができるので、配線インダクタンスを小さくすることができる。

また、正電極Ｐ及び負電極Ｎの個数が１つずつであるので、図３と比べて接続のための導線の本数を少なくすることができ、配線インダクタンスを小さくすることができる。

また、バスバーが素子の間に配置されるので、実装時の面積を小さくすることができる（即ち、素子１０１〜１０４を樹脂封止する場合に、バスバー３５１もその樹脂内に封止することができる）。

また、図４においては、素子１０１，１０２が素子１０３，１０４の手前になるように配置することにより、バス電極３６１〜３６４に、中間電極Ｌ，負電極Ｎ，正電極Ｐ，中間電極Ｌの順に電極が接続される。よって、正電極Ｐに接続されるボルト４０３と、負電極Ｎに接続されるボルト４０２とが、互いに隣接している。従って、素子１０１〜１０４の周囲に、制御回路としての昇降圧チョッパー回路等を接続する場合に、接続用配線のインダクタンスを小さくすることができる（素子１０３，１０４が素子１０１，１０２の手前になるように配置しても、図１の回路構成は実現できるが、その場合、バス電極３６１〜３６４には、正電極Ｐ，中間電極Ｌ，中間電極Ｌ，負電極Ｎの順に電極が接続される）。

このように、本実施の形態に係る電力変換装置１においては、配線インダクタンス及び実装時の面積を小さくすることができるという効果を有する。

なお、上記の説明においては、素子の個数が４つである場合について説明したが、素子の個数は、４の倍数であれば、４つより多くてもよい。例えば、図５に示すように、素子の個数を８つに増やした場合には、バスバーを延ばして、上記と同様に追加分の４つの素子をバスバーに接続する。この場合、正電極Ｐ及び負電極Ｎは共通のものを使用し、中間電極Ｌとしては、別の中間電極Ｌ’を使用する。

＜実施の形態２＞
実施の形態１に係る電力変換装置１は、図２に示すような同一の構造を有する素子１０１〜１０４から構成されているので、２つの冷却フィン６０１，６０２を用いる必要がある。しかし、素子１０２，１０４に代えて、図６に示すような構造を有する素子を用いることにより、冷却フィンの数を１つにすることができる。図６は、図２の構造において、制御ピン群ＰＧを逆方向（−ｚ方向）に延在させたものであり、図２と同一の電気的特性を有するものとする。

図７は、実施の形態２に係る電力用半導体装置としての電力変換装置２における素子の接続構成を示す斜視図である。電力変換装置２は、実施の形態１に係る図４の電力変換装置１において、素子１０２，１０４を素子２０２，２０４に代えたものである。電力変換装置２において、素子１０１，２０２，１０３，２０４の制御ピン群ＰＧは、同一方向（上向き）に延在している。従って、１つの冷却フィン６０３を用いて、冷却フィン６０３と各制御ピン群ＰＧとを接触させることなく、４つの素子を冷却することが可能となる。

また、素子パッケージ形状により、ボルト４０１〜４０４の先端やナット５０１〜５０４が冷却フィン６０３に接触してしまうことがあるので、図７に示すように、ボルト４０１〜４０４の先端やナット５０１〜５０４を格納するための穴を有する樹脂製絶縁部材７０１を用いて絶縁させる。

このように、本実施の形態に係る電力変換装置２においては、１つの冷却フィン６０３を用いて、４つの素子を冷却するので、実施の形態１の効果に加えて、構造が簡略化できるという効果を有する。

＜実施の形態３＞
実施の形態１，２においては、図２，６に示すように、素子本体からｘ方向にコレクタ電極Ｃ及びエミッタ電極Ｅが延在する構造の素子を用いているが、図８に示すような構造の素子１０１ａ，１０３ａ及び図９に示すような構造の素子２０２ａ，２０４ａを用いてもよい。図８は、図２の構造において、コレクタ電極Ｃ及びエミッタ電極Ｅを素子本体からｚ方向に延在させたものであり、図２と同一の電気的特性を有するものとする。また、図９は、図６の構造において、コレクタ電極Ｃ及びエミッタ電極Ｅを素子本体から−ｚ方向に延在させたものであり、図６と同一の電気的特性を有するものとする。

図１０は、実施の形態３に係る電力用半導体装置としての電力変換装置３における素子の接続構成を示す斜視図である。電力変換装置３は、実施の形態２に係る図７の電力変換装置２において、素子１０１，２０２，１０３，２０４に代えて素子１０１ａ，２０２ａ，１０３ａ，２０４ａをそれぞれ用いたものである。

電力変換装置３においては、コレクタ電極Ｃ及びエミッタ電極Ｅが、制御ピン群ＰＧと同じ方向に延在するので、ボルト４０１〜４０４の先端やナット５０１〜５０４が冷却フィン６０３に接触してしまうことがない。従って、樹脂製絶縁部材７０１が不要となる。

また、バスバー３５１を挟んで互いに対向する素子どうしにおける、コレクタとエミッタとの距離が小さくなる（電極の長さ分の距離が、電極の厚さ分の距離になる）ので、配線インダクタンスをさらに小さくすることができる。

このように、本実施の形態に係る電力変換装置３においては、コレクタ電極Ｃ及びエミッタ電極Ｅが制御ピン群ＰＧと同じ方向に素子本体から延在する。従って、ボルト４０１〜４０４の先端やナット５０１〜５０４が冷却フィン６０３に接触してしまうことがないので、樹脂製絶縁部材７０１が不要となるという効果を有する。

また、バスバー３５１を挟んで互いに対向する素子どうしにおいて、コレクタ端子Ｃとエミッタ端子Ｅとの距離が小さくなるので、配線インダクタンスをさらに小さくすることができるという効果を有する。

なお、上述の電力変換装置１〜３は、まとめて樹脂封止することにより、絶縁性を高めることができる。

従来の電力変換装置の回路構成を示す図である。従来の電力変換装置に用いられる素子の構造を示す図である。従来の電力変換装置における素子構成を示す斜視図である。実施の形態１に係る電力変換装置１における素子の接続構成を示す斜視図である。実施の形態１に係る電力変換装置１における素子の接続構成を示す斜視図である。実施の形態２に係る電力変換装置２に用いられる素子の構造を示す図である。実施の形態２に係る電力変換装置２における素子の接続構成を示す斜視図である。実施の形態３に係る電力変換装置３に用いられる素子の構造を示す図である。実施の形態３に係る電力変換装置３に用いられる素子の構造を示す図である。実施の形態３に係る電力変換装置３における素子の接続構成を示す斜視図である。

符号の説明

１〜３電力変換装置、１０１，１０１ａ，１０２，１０３，１０３ａ，１０４，２０２，２０２ａ，２０４，２０４ａ素子、３０１，３５１バスバー、３１１〜３１８，３６１〜３６４バス電極、４０１〜４０８ボルト、５０１〜５０８ナット、６０１〜６０３冷却フィン、７０１樹脂製絶縁部材、Ｃコレクタ電極、Ｅエミッタ電極、Ｇゲート電極、Ｌ中間電極、Ｎ負電極、Ｐ正電極、ＰＧ制御ピン群。

Claims

第１ゲート電極、第１エミッタ電極および第１コレクタ電極を有する第１の樹脂封止型スイッチング素子と、
第２ゲート電極、第２エミッタ電極および第２コレクタ電極を有する第２の樹脂封止型スイッチング素子と、
第３ゲート電極、第３エミッタ電極および第３コレクタ電極を有する第３の樹脂封止型スイッチング素子と、
第４ゲート電極、第４エミッタ電極および第４コレクタ電極を有する第４の樹脂封止型スイッチング素子と、
第１乃至第４バス電極をこの順に設けられたバスバーと
を備え、
前記バスバーを間に置いて前記第１及び第２の樹脂封止型スイッチング素子と前記第３及び第４の樹脂封止型スイッチング素子とは対向して配置されており、
前記第１コレクタ電極と前記第２コレクタ電極とは重ねて前記第１バス電極に接続され、
前記第１エミッタ電極と前記第２エミッタ電極とは重ねて前記第２バス電極に接続され、
前記第３コレクタ電極と前記第４コレクタ電極とは重ねて前記第３バス電極に接続され、
前記第３エミッタ電極と前記第４エミッタ電極とは重ねて前記第４バス電極に接続される
電力用半導体装置。
請求項１に記載の電力用半導体装置であって、
前記第１乃至第４の樹脂封止型スイッチング素子は単一の冷却フィン表面上に配置され、
前記第１乃至第４ゲート電極は前記冷却フィン表面に対し垂直に起立している
電力用半導体装置。
請求項２に記載の電力用半導体装置であって、
前記第１乃至第４エミッタ電極および前記第１乃至第４コレクタ電極は前記冷却フィン表面に垂直な方向に前記冷却フィン表面に対し垂直に起立している
電力用半導体装置。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の電力用半導体装置であって、
前記第２バス電極は負電極に接続され、
前記第３バス電極は正電極に接続され、
前記第１バス電極及び前記第４バス電極は前記負電極の電位と前記正電極の電位との中間の電位を入出力するための中間電極に接続される
電力用半導体装置。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電力用半導体装置をまとめて樹脂封止した
電力用半導体装置。