JP2006303455A - パワー半導体モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】コンデンサとパワー半導体素子が良好に冷却可能でかつサージ電圧の低減が可能なパワー半導体モジュールを提供する。
【解決手段】パワー半導体素子５２とコンデンサ４６とはモジュール内で電極同士が接合される。パワー半導体素子５２は、第１、第２の主面を有する半導体基板に形成される。パワー半導体モジュール１１Ａは、第１の主面に接合され、主電流が流れる電極４８と、第２の主面に接合され、主電流が流れる電極６０と、半導体基板、コンデンサ４６、電極４８，６０を封止する樹脂部７０とを備える。コンデンサは、電極４２，４４を含む。電極４８と電極４２とは封止部から露出する面同士が冷却器取付け可能な同一の連続面上に配置されるように電極同士がはんだ６２で接合される。
【選択図】図７

Description

この発明は、パワー半導体モジュールに関し、特にコンデンサを内蔵するパワー半導体モジュールに関する。
近年、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車等のように、車両推進用の駆動源として交流式モータを採用し、この交流式モータを駆動するインバータ装置を搭載する自動車が登場している。
このような自動車では、交流式モータをインバータ装置で駆動する駆動装置の小型化が要求されている。このようなインバータ装置は、一般にＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子と整流用のダイオード素子で構成されている。そして、小型化を図るためにモジュールとして提供される場合がある。またスイッチング素子の近くには、サージ吸収用のコンデンサが配置される場合も多い。
しかし、ハイブリッド自動車においては、コストおよびスペース上の制約が大きく、単品のＩＧＢＴ素子やコンデンサ素子を組合せて使用するのであればコストやスペース的に難がある。
特開２０００−９２８４７号公報（特許文献１）には、耐サージ性能に優れるコンデンサ付半導体モジュールが開示されている。この半導体モジュールの外囲ケースは、平滑コンデンサを冷却ベースに押し付けつつ固定するので、コンデンサの冷却性を確保しつつコンデンサの組付け、固定作業が簡素化される。
特開２０００−９２８４７号公報 特開平６−２０９５６２号公報 特開平５−１６１２５３号公報
特開２０００−９２８４７号公報（特許文献１）に開示された技術では、ＩＧＢＴなどのパワー素子が内蔵されたパワーモジュールとコンデンサの形状を組みつけやすいように工夫されてはいるが、結局パワーモジュールの端子に螺子でコンデンサが締結されて用いられている。したがって、パワー素子とコンデンサとの物理的な距離はなお短くする改善の余地があり、また締結部のインダクタンス成分も低減させる改善の余地がある。さらに、この技術はパワー素子の片面のみしか冷却器の取り付けが考慮されておらず冷却の観点からもなお改善の余地がある。
またたとえば、ハイブリッド自動車においては、いっそうの燃費向上が要求されており、スイッチング損失を低減することが必須である。しかしながら、スイッチング損失を低減するためには従来よりも高速にスイッチングすることが必要となるが、高速スイッチングを行なうと、スイッチング素子の両端に生ずるサージ電圧が大きくなり、追加的にスナバ回路を組込む必要があった。
スナバ回路は、電流の流れをオン／オフするスイッチング回路において，切り替わりの過渡状態で発生する高いスパイク電圧を防止する回路である。スパイク電圧は電流の流れる経路の配線などのインダクタンス分によって出るもので，とくにスイッチがオフした瞬間に大きく出るものである。
通常、パワー半導体が実装されている部分とスナバ回路のコンデンサがおかれている部分とは空間的距離があり、バスバーで接続されていた。しかしバスバーにはインダクタンス成分があり、蓄積されたエネルギーがサージ電圧として跳ね返ってしまうという問題がある。
この発明の目的は、コンデンサとパワー半導体素子が良好に冷却可能でかつサージ電圧の低減が可能なパワー半導体モジュールを提供することである。
この発明は、要約すると、パワー半導体モジュールであって、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に接続されるコンデンサとを備える。パワー半導体素子とコンデンサとはモジュール内で電極同士が接合される。
好ましくは、パワー半導体素子は、第１、第２の主面を有する半導体基板に形成される。パワー半導体モジュールは、第１の主面に接合され、主電流が流れる第１の電極と、第２の主面に接合され、主電流が流れる第２の電極と、半導体基板、コンデンサ、第１、第２の電極を封止する樹脂部とをさらに備える。コンデンサは、第３、第４の電極を含む。第１の電極と第３の電極とは樹脂部から露出する面同士が同一の連続面上に配置されるように電極同士が接合される。
より好ましくは、パワー半導体モジュールは、第１、第３の電極の樹脂部から露出する面に取付けられた冷却器をさらに備える。
より好ましくは、パワー半導体モジュールは、第２の電極と第４の電極とは樹脂部から露出する面同士が同一の連続面上に配置されるように電極同士が接合される。
さらに好ましくは、パワー半導体モジュールは、コンデンサおよびパワー半導体素子を冷却する冷却器をさらに備える。冷却器は、第１、第３の電極の樹脂部から露出する面に共通に取付けられた第１の冷却部と、第２、第４の電極の樹脂部から露出する面に共通に取付けられた第２の冷却部とを含む。
さらに好ましくは、第１、第２の冷却部は、パワー半導体素子およびコンデンサを両側から挟むように配置されている。
より好ましくは、パワー半導体モジュールは、第３、第４の電極にそれぞれ接合された主電流取出し用の第１、第２の端子をさらに備える。
さらに好ましくは、パワー半導体モジュールは、半導体基板に電気的に接続され主電流を制御する制御信号を入力する制御電極をさらに備える。
本発明によれば、コンデンサの電極とパワー半導体素子の電極とが直結するように配置されているため、接続する配線のＬ成分（インダクタンス）、抵抗成分を減らすことができサージ電圧を低減することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付してそれらについての説明は繰返さない。
図１は、本発明のパワー半導体モジュールが適用される車両のモータ駆動システム部分について説明するための回路図である。このようなモータ駆動システムは、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車などに搭載される。
図１に示される車両は、バッテリ４と、平滑コンデンサ６と、インバータ装置２と、モータ８とを含む。
バッテリ４は、たとえばニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池である。平滑コンデンサ６およびインバータ装置２は、バッテリ４の正負電極間に並列に接続される。
インバータ装置２は、平滑コンデンサ６によって平滑化されている電源電位を受けて交流モータ８を駆動する。また、インバータ装置２は、回生制動に伴い交流モータ８において発電された電力をバッテリ４に戻す。
交流モータ８は、車両の図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生するモータである。このモータは、たとえばハイブリッド自動車に搭載される場合には、エンジンによって駆動される発電機の性能を持ち、かつ、エンジンに対して電動機として動作しエンジンの始動を行ない得るようなものであってもよい。
インバータ装置２は、電源電圧が与えられる平滑コンデンサ６の端子間に並列に接続されるＵ相アームＵＡと、Ｖ相アームＶＡと、Ｗ相アームＷＡとを含む。
Ｕ相アームＵＡは、平滑コンデンサ６の端子間に直列接続されたパワー半導体モジュール１１，１２を含む。Ｖ相アームＶＡは、平滑コンデンサ６の端子間に直列接続されたパワー半導体モジュール１３，１４を含む。Ｗ相アームＷＡは、平滑コンデンサ６の端子間に直列接続されたパワー半導体モジュール１５，１６を含む。
パワー半導体モジュール１１，１２の接続ノードはモータ８の図示しないＵ相コイルの一方端に接続される。パワー半導体モジュール１３，１４の接続ノードはモータ８の図示しないＶ相コイルの一方端に接続される。パワー半導体モジュール１５，１６の接続ノードはモータ８の図示しないＷ相コイルの一方端に接続される。Ｕ相コイル，Ｖ相コイル，Ｗ相コイルの各他方端は中点に共に結合される。
図２は、図１におけるパワー半導体モジュール１１の構成を示した回路図である。
図２を参照して、パワー半導体モジュール１１は、ノードＮ１とノードＮ２との間に接続されるコンデンサＣ１と、ノードＮ１にコレクタが接続されノードＮ２にエミッタが接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１と、ダイオード２１とを含む。ノードＮ１、Ｎ２間にはパワー半導体モジュール１１と並列にダイオード２１が接続される。ダイオード２１はノードＮ２からノードＮ１に向かう向きを順方向として接続されている。
コンデンサＣ１は、スナバコンデンサであり容量値は０．１μＦ程度でよく、図１の平滑コンデンサ６よりは容量値ははるかに小さくてよい。
なお、図２では、ダイオード２１も含めてパワー半導体モジュールとしたが、後に図９に示すようにパワー半導体モジュール１１の外部にダイオード２１が設けても良い。
また、図１のパワー半導体モジュール１２〜１６については、パワー半導体モジュール１１と同様な構成を有するので、説明は繰返さない。
図３は、パワー半導体モジュール１１の正面図である。
図４は、図３のＩＶ−ＩＶにおけるパワー半導体モジュール１１の断面図である。
図３、図４を参照して、パワー半導体モジュール１１は、パワー半導体素子５２と、パワー半導体素子５２に接続されるコンデンサ４６とを備える。パワー半導体素子５２とコンデンサ４６とはモジュール内で電極同士が接合される。なお、コンデンサ４６は図２のコンデンサＣ１に対応するものである。また、パワー半導体素子５２は、図２のＩＧＢＴ素子Ｑ１およびダイオード２１に対応するものである。
パワー半導体素子５２は、第１、第２の主面を有する半導体基板に形成される。パワー半導体モジュール１１は、第１の主面にはんだ層５０によって接合され、主電流が流れる電極４８と、第２の主面にはんだ層５８によって接合され、主電流が流れる電極６０と、半導体基板、コンデンサ４６、電極４８，６０を封止する樹脂部７０とをさらに備える。
電極４８，６０は、半導体基板からの放熱を外部にむけて良好に行なう伝熱材としてのヒートシンクのような役割も果たしている。
コンデンサ４６は、電極４２，４４を含む。電極４８と電極４２とは封止部から露出する面同士が冷却器取付け可能な同一の連続面上に配置されるように電極同士がはんだ６２で接合される。電極６０と電極４４とは封止部から露出する面同士が冷却器取付け可能な同一の連続面上に配置されるように電極同士がはんだ６４で接合される。これにより、パワー半導体モジュール１１の両面を放熱器に取付けることが容易にできる。なお、図４では同一の連続面は単なる平面である例を示したが、放熱器の取付け面が曲面である場合には、電極４２，４８はその曲面上に沿うように表面が形成され電極表面が連続面上に来るようにはんだ６２で電極４２，４８を接合すればよい。
コンデンサ４６をパワー半導体素子５２の直近に配置し、締結部なしで接続することにより、従来これらの接続に用いられていたバスバーのＬ成分（インダクタンス）を極力排除し、サージ除去におけるスナバ回路の効果が高められる。
パワー半導体モジュール１１は、電極４２にはんだ６６で接合された主電流取出し用の端子５３と、電極４４にはんだ６８で接合された主電流取出し用の端子５４をさらに含む。端子５３，５４はバスバーであり、インバータの電源線や出力線に接続される。
パワー半導体モジュール１１は、半導体基板にワイヤー５６によって電気的に接続され主電流を制御する制御信号を入力する制御電極５５をさらに備える。
電極４８と端子５３は分割されており、また、電極６０と端子５４は分割されているので、コンデンサ４６はパワー半導体モジュールの厚さ分全体を占めるように配置することができるので容量を大きくすることができている。
図５は、図４のコンデンサ４６の断面の詳細構造を示した図である。
図６は、コンデンサ４６の構造を説明するための模式図である。
図５、図６を参照して、アルミニウム等の蒸着金属層４６Ｂが片面に形成されたポリエ
チレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリプロピレン（ＰＰ）等の絶縁フィルム４６Ａが積層されている。
その２枚の帯状の絶縁フィルムがすこしずれて重ねられ巻回されることにより積層される。２枚の絶縁フィルムはマージン４６Ｃが設けられる位置が異なっており、一方は電極４２側にマージン４６Ｃが設けられ、他方は電極４４側にマージン４６Ｃが設けられている。巻回後両端面にメタリコンと呼ばれる溶射金属によって電極４２、４４が形成される。
なお、図５，図６では、コンデンサ４６としてフィルムコンデンサを用いる場合について説明したが、他のコンデンサ、たとえばセラミック積層コンデンサを用いても良い。
図７は、冷却器を取付けた状態のパワー半導体モジュールを示す断面図である。
図７を参照して、パワー半導体モジュール１１Ａは、図３、図４を用いて説明したパワー半導体モジュール１１の構成に加えて、コンデンサ４６およびパワー半導体素子５２を冷却する冷却器をさらに備える。冷却器は、電極４２および電極４８の封止部から露出する面に絶縁樹脂８２を介して共通に取付けられたアルミニウム製のマイクロチャネル冷却ユニット８４と、電極４４および電極６０の封止部から露出する面に絶縁樹脂８６を介して共通に取付けられたアルミニウム製のマイクロチャネル冷却ユニット８８とを含む。
マイクロチャネル冷却ユニット８４と８８は、パワー半導体素子５２およびコンデンサ４６を両側から挟むように配置されている。
フィルムコンデンサのフィルムの耐熱性は、約９５℃と比較的低い。自己発熱分の排熱とスナバコンデンサとしてできるだけパワー半導体素子に近づけることからの受熱を考慮すると冷却が必要である。図７に示したようにパワー半導体素子と同時にコンデンサも冷却することが可能となる。
なお、図８に示すパワー半導体モジュール１１Ｂのように、コンデンサＣ１とダイオード２１の接続位置を変えても良い。すなわち、図２では、ダイオード２１を内側に接続しその外側にコンデンサＣ１を接続したが、図８のようにコンデンサＣ１を内側に接続しその外側にダイオード２１を接続してもよい。また、図９に示すパワー半導体モジュール１１Ｃのように、ＩＧＢＴ素子Ｑ１とコンデンサＣ１を含み、外部にダイオード２１を接続して用いても良い。
また、本実施の形態では、パワースイッチング素子としてＩＧＢＴ素子を例にあげたが、ＭＯＳトランジスタ等をパワースイッチング素子として含む構成であっても良い。
以上説明したように、本発明の実施の形態においては、スナバコンデンサをパワー半導体素子の直近に配置することにより接続する配線部分のＬ成分（インダクタンス）および抵抗成分を減らし、サージ電圧を低減させることが可能となる。
また、自己発熱およびパワー半導体素子等周辺部からの熱により温度上昇するスナバコンデンサをパワー半導体素子と同時に冷却することが可能となる。
さらに、部品点数が減り半導体モジュールがコンパクトになることで取り扱い性が向上し、また搭載実装性も向上する。
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。
本発明のパワー半導体モジュールが適用される車両のモータ駆動システム部分について説明するための回路図である。 図１におけるパワー半導体モジュール１１の構成を示した回路図である。 パワー半導体モジュール１１の正面図である。 図３のＩＶ−ＩＶにおけるパワー半導体モジュール１１の断面図である。 図４のコンデンサ４６の断面の詳細構造を示した図である。 コンデンサ４６の構造を説明するための模式図である。 冷却器を取付けた状態のパワー半導体モジュールを示す断面図である。 変形例のパワー半導体モジュール１１Ｂの構成を示した回路図である。 さらに他の変形例のパワー半導体モジュール１１Ｃの構成を示した回路図である。
符号の説明
２ インバータ装置、４ バッテリ、６ 平滑コンデンサ、８ モータ、１１〜１６，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ パワー半導体モジュール、２１〜２６ ダイオード、４２，４４，４８，６０ 電極、４６ コンデンサ、４６Ａ 絶縁フィルム、４６Ｂ 蒸着金属層、４６Ｃ マージン、５０，５８ はんだ層、５２ パワー半導体素子、５３，５４ 端子、５５ 制御電極、５６ ワイヤー、７０ 樹脂部、８２，８６ 絶縁樹脂、８４，８８ マイクロチャネル冷却ユニット、Ｃ１ コンデンサ、Ｑ１ ＩＧＢＴ素子、ＵＡ Ｕ相アーム、ＶＡ Ｖ相アーム、ＷＡ Ｗ相アーム。

Claims (8)

  1. パワー半導体素子と、
    前記パワー半導体素子に接続されるコンデンサとを備え、
    前記パワー半導体素子と前記コンデンサとはモジュール内で電極同士が接合される、パワー半導体モジュール。
  2. 前記パワー半導体素子は、第１、第２の主面を有する半導体基板に形成され、
    前記パワー半導体モジュールは、
    前記第１の主面に接合され、主電流が流れる第１の電極と、
    前記第２の主面に接合され、主電流が流れる第２の電極と、
    前記半導体基板、前記コンデンサ、前記第１、第２の電極を封止する樹脂部とをさらに備え、
    前記コンデンサは、
    第３、第４の電極を含み、
    前記第１の電極と前記第３の電極とは前記樹脂部から露出する面同士が同一の連続面上に配置されるように電極同士が接合される、請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 前記第１、第３の電極の前記樹脂部から露出する面に取付けられた冷却器をさらに備える、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 前記第２の電極と前記第４の電極とは前記樹脂部から露出する面同士が同一の連続面上に配置されるように電極同士が接合される、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 前記パワー半導体モジュールは、
    前記コンデンサおよびパワー半導体素子を冷却する冷却器をさらに備え、
    前記冷却器は、
    前記第１、第３の電極の前記樹脂部から露出する面に共通に取付けられた第１の冷却部と、
    前記第２、第４の電極の前記樹脂部から露出する面に共通に取付けられた第２の冷却部とを含む、請求項４に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 前記第１、第２の冷却部は、
    前記パワー半導体素子および前記コンデンサを両側から挟むように配置されている、請求項５に記載のパワー半導体モジュール。
  7. 前記第３、第４の電極にそれぞれ接合された主電流取出し用の第１、第２の端子をさらに備える、請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  8. 前記半導体基板に電気的に接続され前記主電流を制御する制御信号を入力する制御電極をさらに備える、請求項７に記載のパワー半導体モジュール。
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