JP2009071130A - コンデンサ内蔵非絶縁型半導体パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】平滑用として有効な容量のコンデンサを素子の増加や配線の発生を招くことなく内蔵させることができる非絶縁型半導体パワーモジュールを提供すること。
【解決手段】絶縁基板１１を挟んでその表裏両面に分散配置した、Ｐ側及びＮ側の電極板１ｄ，１ｅ、３ｄ，３ｅ、５ｄ，５ｅと、Ｐ側電極板１ｄ，３ｄ，５ｄの一部とＮ側電極板１ｅ，３ｅ，５ｅの一部との間の空間１ｉ，３ｉ，５ｉを埋める絶縁基板１１部分とによって、絶縁基板１１の表裏両面に分散配置したハイサイド用のパワートランジスタ１ａ，３ａ，５ａ及びローサイド用のパワートランジスタ１ｂ，３ｂ，５ｂの直列回路と並列に接続されたコンデンサ１ｃ，３ｃ，５ｃを、絶縁基板１１上に構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、非絶縁型の半導体パワーモジュールに係り、特に、平滑用のコンデンサを内蔵したコンデンサ内蔵の非絶縁型半導体パワーモジュールに関するものである。

半導体パワーモジュールの主な用途の一つにインバータがある。このインバータにおいては、平滑用のコンデンサが欠かせない。インバータに半導体パワーモジュールを用いる場合、この平滑用コンデンサは、ノイズ対策のため半導体パワーモジュールになるべく近い端子やバスバーに接続される。また、配線インダクタンス成分の影響を少なくし、かつ、十分な平滑量を得るために、平滑用コンデンサには容量が非常に大きいものが使用される。

このような平滑用コンデンサの存在は、インバータの小型化に対する障害となりかねない。そのような状況を打開する上で、半導体パワーモジュールの内部に平滑用コンデンサを設けることは非常に有効である。これにより、半導体パワーモジュール外部の平滑用コンデンサの省略又は低容量化が可能となり、インバータの小型化が図り易くなる。

なお、半導体パワーモジュールのスイッチング素子（ＩＧＢＴ）のスイッチングによるコレクタ電流変化に対処するために、ゲート−エミッタ間に接続したリードタイプやチップタイプのコンデンサを半導体パワーモジュールに内蔵することは、既に提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平８−２０４０６５号公報

しかしながら、特許文献１のリードタイプのコンデンサは、容量面で平滑用コンデンサへの応用の余地が全くない。また、特許文献１のチップタイプのコンデンサについては、コンデンサチップという新たな素子が必要となる上、コンデンサチップに対する配線（ワイヤ）において配線インダクタンス成分の影響が生じてしまうので、コスト及び性能面でさらなる改良の余地を残している。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、平滑用として有効な容量のコンデンサを素子の増加や配線の発生を招くことなく内蔵させることができる、非絶縁型半導体スイッチング素子を用いた半導体パワーモジュールを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のコンデンサ内蔵非絶縁型半導体パワーモジュールは、絶縁層を挟んで該絶縁層の表裏両面に分散配置したハイサイド用の第１の非絶縁型半導体スイッチング素子及びローサイド用の第２の非絶縁型半導体スイッチング素子の直列回路を、前記絶縁層の表裏両面に分散配置したＰ側及びＮ側の電極板間に接続した非絶縁型半導体パワーモジュールにおいて、前記Ｐ側及びＮ側の電極板と、これらＰ側及びＮ側の電極板間に介在する前記絶縁層とにより、前記直列回路と並列に接続されたコンデンサを構成したことを特徴とする。

本発明のコンデンサ内蔵非絶縁型半導体パワーモジュールによれば、Ｐ側及びＮ側の電極板間にコンデンサが構成されるので、それらＰ側及びＮ側の電極板を、絶縁基板上で形成することが可能な範囲内で、電極板として本来必要とする面積よりも大きい面積で形成することにより、大容量の内蔵コンデンサを構成することが可能となる。また、内蔵コンデンサを構成するに当たって新たなコンデンサチップが発生しないので、コスト面で有利な構成となり、かつ、配線インダクタンス成分の影響が生じるコンデンサチップ絡みの配線を発生させず性能面で有利な構成とすることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、本発明の一実施形態に係るコンデンサ内蔵非絶縁型半導体パワーモジュールを、図１に示すその等価回路図によって説明する。本実施形態のコンデンサ内蔵非絶縁型半導体パワーモジュールは、三相インバータの主回路部分に用いられるもので、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相用のインバータ１，３，５を有している。

そして、各相用のインバータ１，３，５は、後述の筐体（アルミベース１３）を介してアースに接続される非絶縁型の半導体スイッチング素子として、ＮＰＮ型のパワートランジスタを用いている。

具体的には、インバータ１は、直列に接続したハイサイドとローサイドとの２つのパワートランジスタ１ａ，１ｂ（請求項中の第１の絶縁型半導体スイッチング素子及び第２の絶縁型半導体スイッチング素子に相当）と、これらパワートランジスタ１ａ，１ｂの直列回路に並列接続された平滑用のコンデンサ１ｃとを有している。

また、他のインバータ３，５も、それぞれ、直列に接続したハイサイドとローサイドとの２つのパワートランジスタ３ａ，３ｂ、５ａ，５ｂ（請求項中の第１の絶縁型半導体スイッチング素子及び第２の絶縁型半導体スイッチング素子に相当）と、パワートランジスタ３ａ，３ｂ、５ａ，５ｂの各直列回路にそれぞれ並列接続された平滑用のコンデンサ３ｃ，５ｃとを有している。

そして、ハイサイドのパワートランジスタ１ａ，３ａ，５ａのコレクタにはＰ側電極板１ｄ，３ｄ，５ｄが接続されている。また、ローサイドのパワートランジスタ１ｂ，３ｂ，５ｂのエミッタにはＮ側電極板１ｅ，３ｅ，５ｅが接続されている。さらに、パワートランジスタ１ａ，１ｂ、３ａ，３ｂ、５ａ，５ｂの各直列回路の中点（接続点）には、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の出力用導電体１ｆ，３ｆ，５ｆが接続されている。

Ｐ側電極板１ｄ，３ｄ，５ｄは電源（図示せず）の正極側又は負荷に接続され、Ｎ側電極板１ｅ，３ｅ，５ｅは負荷又は電源の負極側（アース）に接続される。Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の出力用導電体１ｆ，３ｆ，５ｆは、負荷（例えば三相交流電動機）に接続される。

なお、各パワートランジスタ１ａ，１ｂ、３ａ，３ｂ、５ａ，５ｂのゲート接続線は、図示を省略している。また、各パワートランジスタ１ａ，１ｂ、３ａ，３ｂ、５ａ，５ｂのコレクタ−エミッタ間には、フライホイールダイオード（図示せず）をそれぞれ設けることができる。

次に、上述のような回路構成による本発明の一実施形態のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールの構造について、図２の説明図を参照して説明する。なお、各相のインバータ１，３，５は互いに同一の構造を有しているので、ここでは代表してインバータ１の構造について説明するものとする。

インバータ１は、図２に示すように、セラミック製の絶縁基板１１（請求項中の絶縁層に相当）と、上述したＰ側電極板１ｄ、Ｎ側電極板１ｅ、Ｕ相の出力用導電体１ｆ、及び、ハイサイドとローサイドとの２つのパワートランジスタ１ａ，１ｂを有している。

Ｐ側電極板１ｄ及びＵ相の出力用導電体１ｆは、絶縁基板１１の表面（請求項中の絶縁層の表面に相当）上に、互いに間隔をおいて絶縁した状態で配置されている。Ｐ側電極板１ｄの一部は絶縁基板１１の周縁から外側に突出しており、Ｐ側の端子を構成している。

ハイサイドのパワートランジスタ１ａは、Ｐ側電極板１ｄ上に配置されており、ハイサイドのパワートランジスタ１ａのコレクタ電極はＰ側電極板１ｄに物理的及び電気的に接触されている。また、ローサイドのパワートランジスタ１ｂは、Ｕ相の出力用導電体１ｆ上に配置されており、ローサイドのパワートランジスタ１ｂのコレクタ電極はＵ相の出力用導電体１ｆに物理的及び電気的に接触されている。

ハイサイドのパワートランジスタ１ａのエミッタ電極とＵ相の出力用導電体１ｆとは、ワイヤー１ｇによって電気的に接続されている。そして、このワイヤー１ｇと、Ｕ相の出力用導電体１ｆ上の不図示の配線パターンとを介して、ハイサイドのパワートランジスタ１ａのエミッタ電極とローサイドのパワートランジスタ１ｂのコレクタ電極とが電気的に接続されている。

また、Ｎ側電極板１ｅは、絶縁基板１１の裏面上に配置されている。このＮ側電極板１ｅは、絶縁基板１１よりも一回り大きい輪郭で形成されている。そして、Ｎ側電極板１ｅの一部は、Ｐ側電極板１ｄの一部と対向し、この対向するＰ側電極板１ｄの一部とＮ側電極板１ｅの一部との間に、空間１ｉが形成されている。この空間１ｉは、絶縁基板１１によって埋め尽くされている。

更に、Ｎ側電極板１ｅの一部は絶縁基板１１の周縁から外側に突出しており、Ｎ側の端子を構成している。

なお、ローサイドのパワートランジスタ１ｂのエミッタ電極は、絶縁基板１１に形成された切欠部１１ｄに露出する部分のＮ側電極板１ｅと、ワイヤー１ｈによって電気的に接続されている。

以上の構成による本実施形態のインバータ１では、上述したＰ側電極板１ｄ及びＮ側電極板１ｅの互いに対向する部分とその間の空間１ｉを埋める絶縁基板１１とで、パワートランジスタ１ａ，１ｂの直列回路に並列接続された図１のコンデンサ１ｃが構成されている。

また、図２中の括弧内の引用符号で示すように、本実施形態のインバータ３も、上述したインバータ１と同様に、一部が対向するＰ側電極板３ｄ及びＮ側電極板３ｅとその対向する部分間の空間３ｉを埋める絶縁基板１１とを有している。そして、これらのＰ側電極板３ｄ及びＮ側電極板３ｅの互いに対向する部分とその間の空間３ｉを埋める絶縁基板１１とで、パワートランジスタ３ａ，３ｂの直列回路に並列接続された図１のコンデンサ３ｃが構成されている。

なお、パワートランジスタ３ａ，３ｂの直列回路は、Ｐ側電極板３ｄ、ハイサイドのパワートランジスタ３ａのコレクタ電極、ハイサイドのパワートランジスタ３ａのエミッタ電極、ワイヤー３ｇ、Ｖ相の出力用導電体３ｆ、ローサイドのパワートランジスタ３ｂのコレクタ電極、ローサイドのパワートランジスタ３ｂのエミッタ電極、ワイヤー３ｈ、及び、Ｎ側電極板３ｅによって構成されている。

ちなみに、ローサイドのパワートランジスタ３ｂのエミッタ電極とＮ側電極板３ｅとをワイヤー３ｈによって電気的に接続するために、絶縁基板１１にはＮ側電極板３ｅの一部を露出させる切欠部１１ｅが形成されている。

同じく、図２中の括弧内の引用符号で示すように、本実施形態のインバータ５も、上述したインバータ１と同様に、一部が対向するＰ側電極板５ｄ及びＮ側電極板５ｅとその対向する部分間の空間５ｉを埋める絶縁基板１１とを有している。そして、これらのＰ側電極板５ｄ及びＮ側電極板５ｅの互いに対向する部分とその間の空間５ｉを埋める絶縁基板１１とで、パワートランジスタ５ａ，５ｂの直列回路に並列接続された図１のコンデンサ５ｃが構成されている。

なお、パワートランジスタ５ａ，５ｂの直列回路は、Ｐ側電極板５ｄ、ハイサイドのパワートランジスタ５ａのコレクタ電極、ハイサイドのパワートランジスタ５ａのエミッタ電極、ワイヤー５ｇ、Ｗ相の出力用導電体５ｆ、ローサイドのパワートランジスタ５ｂのコレクタ電極、ローサイドのパワートランジスタ５ｂのエミッタ電極、ワイヤー５ｈ、及び、Ｎ側電極板５ｅによって構成されている。

ちなみに、ローサイドのパワートランジスタ５ｂのエミッタ電極とＮ側電極板５ｅとをワイヤー５ｈによって電気的に接続するために、絶縁基板１１にはＮ側電極板５ｅの一部を露出させる切欠部１１ｆが形成されている。

そして、絶縁基板１１の表面側に配置される上述のハイサイドのパワートランジスタ１ａ，３ａ，５ａ、ローサイドのパワートランジスタ１ｂ，３ｂ，５ｂ、Ｐ側電極板１ｄ，３ｄ，５ｄ、及び、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の出力用導電体１ｆ，３ｆ，５ｆは、ゲルゴム等からなる被覆材（図示せず）によって被覆、封止されている。

なお、本実施形態のコンデンサ内蔵絶縁型非半導体パワーモジュールにおいては、インバータ１，３，５の各Ｎ側電極板１ｅ，３ｅ，５ｅを一体化して一枚の部材とすることができる。

このような構成による本実施形態のコンデンサ内蔵絶縁型非半導体パワーモジュールによれば、平滑用のコンデンサ１ｃ，３ｃ，５ｃが絶縁基板１１の表面上に形成され、不図示の被覆材により被覆されて内蔵コンデンサとなる。このため、コンデンサを内蔵する構成とするに当たって新たなコンデンサチップを必要としないので、コスト面で有利な構成となり、かつ、配線インダクタンス成分の影響が生じるコンデンサチップ絡みの配線を発生させず性能面で有利な構成とすることができる。

その上、Ｐ側電極板１ｄ，３ｄ，５ｄやＮ側電極板１ｅ，３ｅ，５ｅを、絶縁基板１１上で形成することの可能な範囲で、電極板として本来必要な面積よりも大きい面積で形成することにより、大容量の内蔵コンデンサを構成することができる。

なお、ナノテクノロジー技術等によって、絶縁基板１１の、特に互いに対向するＰ側電極板１ｄ，３ｄ，５ｄの一部とＮ側電極板１ｆ，３ｆ，５ｆの一部との間の空間１ｉ，３ｉ，５ｉに配置される部分に、極薄のＰＮ層を微少な間隔をおいて積層形成し、絶縁基板１１を積層セラミックコンデンサのような構造とすることで、Ｐ側電極板１ｄ，３ｄ，５ｄとＮ側電極板１ｆ，３ｆ，５ｆとの間に配置される部分の絶縁基板１１を用いて構成されるコンデンサ１ｃ，３ｃ，５ｃの大容量化を図ることもできる。

また、上述した実施形態では、絶縁基板１１をセラミック製とした構造を例に取って説明したが、絶縁基板１１の材料はセラミック製に限らず任意である。

の実施形態に係るコンデンサ内蔵非絶縁型半導体パワーモジュールを説明する等価回路図である。 本発明の一実施形態に係るコンデンサ内蔵非絶縁型半導体パワーモジュールの構造を示す説明図である。

符号の説明

１ａ，３ａ，５ａ パワートランジスタ（第１の非絶縁型半導体スイッチング素子）
１ｂ，３ｂ，５ｂ パワートランジスタ（第２の非絶縁型半導体スイッチング素子）
１ｃ，３ｃ，５ｃ コンデンサ
１ｄ，３ｄ，５ｄ Ｐ側電極板
１ｅ，３ｅ，５ｅ Ｎ側電極板
１１ 絶縁基板

Claims (2)

1. 絶縁層を挟んで該絶縁層の表裏両面に分散配置したハイサイド用の第１の非絶縁型半導体スイッチング素子及びローサイド用の第２の非絶縁型半導体スイッチング素子の直列回路を、前記絶縁層の表裏両面に分散配置したＰ側及びＮ側の電極板間に接続した非絶縁型半導体パワーモジュールにおいて、
   前記Ｐ側及びＮ側の電極板と、これらＰ側及びＮ側の電極板間に介在する前記絶縁層とにより、前記直列回路と並列に接続されたコンデンサを構成した、
   ことを特徴とするコンデンサ内蔵非絶縁型半導体パワーモジュール。
2. 単一の前記絶縁層を挟んで該絶縁層の表裏両面に前記Ｐ側及びＮ側の電極板と前記第１及び第２の非絶縁型半導体スイッチング素子とが複数組分散配置されており、各組の前記Ｐ側及びＮ側の電極板と、前記絶縁層とにより、各組の前記第１及び第２の非絶縁型半導体スイッチング素子の直列回路とそれぞれ並列に接続された複数組の前記コンデンサが構成されている請求項１記載のコンデンサ内蔵非絶縁型半導体パワーモジュール。

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