JP2010016926A - 電力半導体モジュールおよびこれを備えた半導体電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率の向上が可能な電力半導体モジュール、および半導体電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力半導体モジュールは、第１スイッチング素子４１ａを含み１アームを構成する第１半導体素子と、第２スイッチング素子４１ｂを含み他アームを構成する第２半導体素子と、第１半導体素子の正極側に接合した第１導体６１と、第２半導体素子の負極側に接合した第２導体６２と、第１導体と第２導体との間に配設され、第１半導体素子の負極側および第２半導体素子の正極側に接合した第３導体６３と、を備えている。第１スイッチング素子および第２スイッチング素子は、第３導体の中心軸線に対して、非対称な位置に配置されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電力半導体モジュール、およびこれを備えた半導体電力変換装置に関する。

一般に、電気自動車、ハイブリッド自動車は、直流を交流に変換してモータに供給する電力用半導体装置として、インバータ装置を備えている。例えば、３相のインバータ装置の場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３つの電力半導体モジュールを有している。このような車載用の半導体電力変換装置は、小型化、低コスト化、冷却効率の向上が必須であり、この目的を達成するためには、半導体電力変換装置の主要部品である電力半導体モジュールの小型化、抵コスト化、冷却効率の向上が重要となる。

例えば、特許文献１に開示された半導体電力変換装置によれば、電力半導体モジュールは、それぞれ導電性金属で形成された第１導体、第２導体、第３導体と、これらの導体に接合された接合面を有する冷却器と、を備えている。第１導体には、１相の上アームを構成する半導体素子であるＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)及びダイオードの正極側が接合されている。第２導体には、１相の下アームを構成するＩＧＢＴ及びダイオードの負極側が接合されている。そして、第３導体は、第１導体と第２導体の間に配設され、上アームを構成するＩＧＢＴ及びダイオードの負極側、および下アームを構成するＩＧＢＴ及びダイオードの正極側に接合されている。第１導体および第２導体は、正極電極および負極電極として機能し、第３導体は、交流出力電極として機能する。

そして、第１ないし第３導体は、半導体素子との接合面が、冷却器と導体との間の接合面と非平行になるように、冷却器に配置されている。このような構成により、冷却効率および製造性を高めた電力半導体モジュールおよび半導体電力変換装置が提供される。
特開２００７−６８３０２号公報

上記のように構成された電力半導体モジュールにおいて、ダイオードに比較して発熱量の大きい複数のＩＧＢＴは、第３導体を挟んで、互いに向い合って配置されている。この場合、両ＩＧＢＴから第３導体に伝わった熱が互いに干渉し、第３導体内に熱がこもり易くなる。そのため、半導体素子の熱抵抗が高くなり、電力半導体モジュールの冷却効率向上が低下する。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、冷却効率の向上を図ることが可能な電力半導体モジュール、および半導体電力変換装置を提供することにある。

本発明の態様に係る電力半導体モジュールは、第１スイッチング素子を含み１アームを構成する第１半導体素子と、第２スイッチング素子を含み他アームを構成する第２半導体素子と、前記第１半導体素子の正極側に接合した第１導体と、前記第２半導体素子の負極側に接合した第２導体と、前記第１導体と第２導体との間に配設され、前記第１半導体素子の負極側および第２半導体素子の正極側に接合した第３導体と、を備え、前記第１スイッチング素子および第２スイッチング素子は、前記第３導体の中心軸線に対して、非対称な位置に配置されている。

この発明の他の態様に係る半導体電力変換装置は、前記電力半導体モジュールと、前記複数の電力半導体モジュールを駆動する駆動回路と、前記複数の電力半導体モジュールを制御する制御回路と、を備えている。

上記構成によれば、冷却効率の向上が可能な電力半導体モジュール、および半導体電力変換装置を提供することができる。

以下図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る電力半導体モジュールを備えた半導体電力変換装置をインバータ装置に適用した実施形態について説明する。
図１は、インバータ装置の等価回路を示している。図１に示すように、インバータ装置１０は、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相インバータとして構成されているとともに、負荷対象として、モータ１２に電力を供給するように構成されている。インバータ装置１０は、モータ１２に電力を供給するインバータ回路を一体に備えている。

インバータ装置１０は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応する３つの電力半導体モジュール１６、１８、２０と、直流電源、例えば、バッテリ２２から電力半導体モジュールに供給される直流電圧を平滑する平滑コンデンサ２４と、３相出力用接続導体２６を介してモータ１２へ流れる電流を検出する電流検出器２８ａ、２８ｂ、２８ｃと、電流検出器により検出された電流情報や平滑コンデンサ２４に印加される電圧等に基づき、電力半導体モジュール１６、１８、２０を制御する制御ユニット３２と、制御ユニット３２の制御信号に基づき、後述する電力半導体モジュールの半導体素子のゲートを駆動するための駆動回路を有した駆動基板３４と、を備えている。駆動基板３４には、半導体素子を駆動する駆動用ＩＣ３６が半導体素子に対して１対１の対応で設けられている。即ち、この回路では、駆動用ＩＣ３６が６個設けられている。また、電力半導体モジュール１６、１８、２０、および平滑コンデンサ２４の下方には、これらを冷却するヒートシンク等の図示しない冷却器が設けられている。

以下、電力半導体モジュール１６、１８、２０について詳細に説明する。電力半導体モジュール１６、１８、２０は、それぞれ同一の構成を有していることから、１つの電力半導体モジュール１６を代表して説明する。
図２は、カバーを取外した状態における電力半導体モジュール１６を示す斜視図、図３は、電力半導体モジュールの平面図である。

図１、図２、図３に示すように、電力半導体モジュール１６は、インバータ回路におけるＵ相の上側アームを構成する第１半導体素子、ここでは、第１スイッチング素子であるＩＧＢＴ４１ａおよびダイオード５１ａ、インバータ回路におけるＵ相の下側アームを構成する第２半導体素子、ここでは、第２スイッチング素子として機能するＩＧＢＴ４１ｂおよびダイオード５１ｂ、第１導体６１、第２導体６２、第３導体６３、シート状絶縁体６６、ベースとして機能する放熱板６７を備えている。

ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂ、およびダイオード５１ａ、５１ｂは、例えば、サイズがほぼ１０ｍｍ角程度の半導体チップである。ダイオード５１ａ、５１ｂの各々は、ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂの各々に逆並列接続されている。

第１、第２、第３導体６１、６２、６３は、それぞれ導電性金属により、軸方向両端部を有する細長い棒状、例えば、角柱形状に形成されている。第１導体６１、第２導体６２、および第３導体６３は、同一の長さを有し、また、ほぼ同一の径に形成されている。

第１導体６１の一側面は第１接合面６１ａを形成し、この一側面と直交する他の一側面は第２接合面を形成している。第１導体６１の第１接合面６１ａは、上側アームを構成するＩＧＢＴ４１ａおよびダイオード５１ａの正極側（それぞれコレクタ、カソード）に電気的かつ機械的に接合されている。第１導体６１は、第１半導体素子に共通の直流正極導体を構成している。第１接合面６１ａ上において、ＩＧＢＴ４１ａおよびダイオード５１ａは、第１導体６１の長手方向（中心軸線方向）に沿って並んで配置されている。

第２導体６２の一側面は第１接合面６２ａを形成し、この一側面と直交する他の一側面は第２接合面を形成している。第２導体６２の第１接合面６２ａは、下側アームを構成するＩＧＢＴ４１ｂおよびダイオード５１ｂの負極側（それぞれエミッタ、アノード）に接合されている。これにより、第２導体６２は、ＩＧＢＴ４１ｂおよびダイオード５１ｂの負極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。第２導体６２は、第２半導体素子に共通の直流負極導体を構成している。第１接合面６２ａ上において、ＩＧＢＴ４１ｂ、ダイオード５１ｂは、第２導体６２の長手方向（中心軸線方向）に沿って並んで配置されている。

第２導体６２は、第１導体６１と互いに平行に並んで、かつ、隙間を置いて配置されている。そして、第１導体６１の第１接合面６１ａと第２導体６２の第１接合面６２ａとは、互いに平行に、かつ、隙間を置いて向かい合っている。第１導体６１の第２接合面と第２導体６２の第２接合面とは、同一平面上に並んで位置している。

図２および図３に示すように、第３導体６３は、第１導体６１と第２導体６２との間に隙間を置いて、かつ、第１および第２導体と平行に配置されている。第３導体６３は、その軸方向一端部が、第１および第２導体６１、６２の軸方向一端部と整列して配置されている。第３導体６３は、その軸方向他端部が、第１および第２導体６１、６２の軸方向他端部と整列して配置されている。第３導体６３は、その長手方向に沿った中心軸線Ｃを有し、第１、第２、第３導体６１、６２、６３は、中心軸線Ｃに対して左右対称に配設されている。

第３導体６３の対向する２つの側面は２つの第１接合面６３ａを形成し、これらの第１接合面６３ａは、第１導体６１の第１接合面６１ａおよび第２導体６２の第１接合面６２ａとそれぞれ平行に対向している。また、第３導体６３の上記２つの側面と直交する他の側面は、第２接合面を形成している。第２接合面は、第１および第２導体６１、６２の第２接合面と同一平面に位置している。

第３導体６３の一方の接合面６３ａは、上側アームを構成するＩＧＢＴ４１ａおよびダイオード５１ａの負極側（それぞれエミッタ、アノード）に接合され、第３導体６３は、ＩＧＢＴ４１ａおよびダイオード５１ａの負極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。第３導体６３の他方の第１接合面６３ａは、下側アームを構成するＩＧＢＴ４１ｂおよびダイオード５１ｂの正極側（それぞれコレクタ、カソード）に接合され、第３導体６３は、ＩＧＢＴ４１ｂおよびダイオード５１ｂの正極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。これにより、第３導体６３は、交流電極（出力電極）導体を構成している。

図２および図３に示すように、第３導体６３の一方の第１接合面６３ａに接合されたＩＧＢＴ４１ａは、第３導体６３の他方の第１接合面６３ａに接合されたＩＧＢＴ４１ｂに対して、第３導体の中心軸線Ｃに沿った方向にずれた位置に配設され、ＩＧＢＴ４１ｂと向い合うことなく、第３導体６３の他方の第１接合面に接合されたダイオード５１ｂと向い合って配置されている。同様に、第３導体６３の他方の第１接合面６３ａに接合されたＩＧＢＴ４１ｂは、第３導体６３に接合されたダイオード５１ａと向い合って配置されている。言い換えると、図２から良く分かるように、第３導体６３の両側に接合されたＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂは、第３導体の中心軸線Ｃに対して非対称な位置に設けられている。

なお、上述した各導体の接合面と、ＩＧＢＴおよびダイオードとの接合は、ハンダあるいは導電性接着剤により行うことができ、また、熱衝撃板を介して接合してもよい。第１、第２、第３導体６１、６２、６３の材質は、冷却の観点からすると銅が望ましいが、アルミニウム等の他金属や、Ａｌ−ＳｉＣ等の金属複合材料としても良い。

図２および図３に示すように、放熱板６７は、シート状絶縁体６６を介して第１導体６１、第２導体６２、第３導体６３の第２接合面に接着され、これらの導体を支持している。放熱部材として機能する放熱板６７は、例えば、銅、アルミニウム等の伝熱性の高い金属により形成され、ＩＧＢＴ、ダイオード、および第１ないし第３導体の熱を外部に放熱する。シート状絶縁体６６は、第１ないし第３導体に対して十分に剛性の低い材料、例えば、接着性を有するエポキシ樹脂に窒化ホウ素等のセラミックフィラーを充填したもので形成されている。

第１、第２、第３導体６１、６２、６３に接合された放熱板６７の上面、つまり、接合面は、第１導体６１の第１接合面６１ａ、第２導体６２の第１接合面６２ａ、および第３導体６３の第１接合面６３ａに対して交差する方向、例えば、直交する方向に延びている。即ち、ＩＧＢＴおよびダイオードの各半導体素子は、正極側及び負極側の面が放熱板６７の接合面に対して非平行となるように配置されている。
放熱板６７の裏面には、図示しない熱伝導グリースが塗布され、放熱板は、この熱伝導グリースを介してインバータ装置の冷却器に接合され、ネジ止め等により固定されている。

図２および図３に示すように、第１導体６１の軸方向一端には正極出力端子７１が接続され、第１導体から一方向に延出している。第２導体６２の軸方向一端には負極出力端子７２が接続され、第２導体の一端から正極出力端子７１と同一の方向に延出している。第３導体６３の軸方向他端、つまり、正極出力端子７１と反対側に位置した他端には、交流出力端子７３が接続され、第３導体の他端から正極出力端子７１と反対の方向に延出している。

ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂの各々には、ゲート端子等の複数の入出力端子７６ａ、７６ｂが接続されている。また、各ＩＧＢＴを駆動する入出力端子の内、エミッタセンス端子は、ＩＧＢＴ素子以外の位置、つまり、ＩＧＢＴのエミッタ電極表面から離間した位置、に設けられている。

本実施形態において、ＩＧＢＴ４１ａに対応するエミッタセンス端子７８ａは、交流出力端子７１と一体に形成され、交流出力端子の基端部から上方に突出している。ＩＧＢＴ４１ｂに対応するエミッタセンス端子７８ｂは、負極出力端子７２と一体に形成され、負極極出力端子の基端部から上方に突出している。

第１ないし第３導体６１、６２、６３、および第１および第２半導体素子は、合成樹脂等によって形成された図示しないカバーにより覆われている。カバーは、例えば、放熱板６７に固定されている。正極出力端子７１、負極出力端子７２、および交流出力端子７３のそれぞれの端部は、カバーの外面に露出して設けられている。

上記の構成により、Ｕ相用の電力半導体モジュール１６が得られる。Ｖ相用の電力半導体モジュール１８およびＷ相用の電力半導体モジュール２０は、上述したＵ相用の電力半導体モジュール１６と同様に構成されている。すなわち、図１に示すように、Ｖ相用の電力半導体モジュール１８は、インバータ回路におけるＶ相の上側アームを構成するＩＧＢＴ４２ａおよびダイオード５２ａ、Ｖ相の下側アームを構成するＩＧＢＴ４２ｂおよびダイオード５２ｂ、直流正極導体として機能する第１導体、直流負極導体として機能する第２導体、第１、第２導体間に配設され交流電極導体として機能する第３導体、正極出力端子、負極出力端子、交流出力端子、シート状絶縁体、放熱板を備えている。

Ｗ相用の電力半導体モジュール２０は、インバータ回路におけるＷ相の上側アームを構成するＩＧＢＴ４３ａおよびダイオード５３ａ、Ｗ相の下側アームを構成するＩＧＢＴ４３ｂおよびダイオード５３ｂ、直流正極導体として機能する第１導体、直流負極導体として機能する第２導体、第１、第２導体間に配設され交流電極導体として機能する第３導体、正極出力端子、負極出力端子、交流出力端子、シート状絶縁体、放熱板を備えている。

３つの電力半導体モジュール１６、１８、２０は、正極出力端子、負極出力端子、交流出力端子の向きが一致した状態で、同一平面上に並べて配置されている。電力半導体モジュール１６、１８、２０の各々の正極出力端子および負極出力端子は、図示しない接続導体を介して、コンデンサ２４および直流電源装置あるいはバッテリに接続される。電力半導体モジュール１６、１８、２０の各々の交流出力端子は３相出力用接続導体２６を介してモータ１２に接続され接続される。

以上のように構成されたインバータ装置の電力半導体モジュールによれば、各半導体素子を熱容量の大きな電極導体間に挟んで配置することにより、半導体素子から発生した熱を複数の電極導体を通して効率良く放熱することができる。これにより、図６に示すように、従来の電力半導体モジュールに比較して、半導体素子の熱抵抗を約６０％程度低減することができる。

電力半導体モジュールにおいて、ダイオードに比較して発熱量の大きい複数のＩＧＢＴは、互いに向い合うことなく、第３導体の中心軸線の方向に対し互いにずれた位置に設けられている。すなわち、第３導体の両側に配設されたＩＧＢＴは、第３導体の中心軸線に対して非対称な位置に配設されている。そのため、第３導体における熱のこもりを抑制し、冷却効率の向上を図ることができる。

図４（ａ）は、第３導体６３を挟んで、２つのＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂが向い合って配置されている構成を示している。この場合、ＩＧＢＴ４１ａおよびＩＧＢＴ４１ｂからの熱が第３導体内で互いに干渉する。そのため、第３導体内に熱がたまり易く、熱抵抗が高くなる。これに対して、図４（ｂ）に示すように、本実施形態のように、第３導体６３の両側に配設されたＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂが、第３導体の中心軸線の方向に沿って互いにずれて配置されている構成によれば、第３導体において、ＩＧＢＴ４１ａ、４１ｂからの熱の干渉が低減し、熱をこもり難くすることができる。これにより、図５に示すように、半導体素子の熱抵抗を約１３％程度低減することが可能となる。
以上のことから、冷却効率の向上した電力半導体モジュールおよび半導体電力変換装置が得られる。

電力半導体モジュールによれば、スイッチング素子であるＩＧＢＴの入出力端子の内、エミッタセンス端子は、ＩＧＢＴ素子以外の位置に設けられ、例えば、出力端子の基端部に設けられている。そのため、スイッチング素子のエミッタとエミッタセンス端子との間に導体が介在し、スイッチング素子は、エミッタ側にインダクタンスを持つ構造となる。これにより、スイッチング素子の両面を導体に接続する構成とした場合でも、スイッチング素子の振動現象の発生を防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

上述した各実施形態において、スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いる構成としたが、他の種類のトランジスタやサイリスタなどを用いた構成としてもよい。各実施形態において、ＩＧＢＴ及びダイオードを実装する個数は、必要に応じて増減可能である。半導体素子は、半導体電力変換装置を適用する対象物（例えば、電気自動車）の目的や用途などにより適宜変更し、最適な電力容量等を選ぶことができる。また、電力半導体モジュールは、上述した２アームの構成に限らず、３アーム以上の多アーム構造としてもよい。半導体電力変換装置は、直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置に限定されることなく、直流電力を単相交流電力に変換するインバータ装置にも適用することできる。

図１は、本発明の実施形態に係るインバータ装置の等価回路図。 図２は、前記インバータ装置における電力半導体モジュールを、そのカバーを取外して示す斜視図。 図３は、前記電力半導体モジュールを示す平面図。 図４は、比較例に係る電力半導体モジュールにおける熱の干渉状態、および本実施形態に係る電力半導体モジュールにおける熱の干渉状態をそれぞれ概略的に示す図。 図５は、半導体素子の熱抵抗の解析結果を示す図。 図６は、電力半導体モジュールの熱抵抗の解析結果を示す図。

符号の説明

１０…インバータ装置、１２…モータ、１６、１８、２０…電力半導体モジュール、
２２…バッテリ、２４…コンデンサ、３２…制御ユニット、３４…駆動基板、
４１ａ、４１ｂ、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ…ＩＧＢＴ、
５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂ、５３ａ、５３ｂ…ダイオード、
６１…第１導体、６２…第２導体、６３…第３導体、６７…放熱板、
７１…正極直流出力端子、７２…負極直流出力端子、７３…交流出力端子、
７８ａ、７８ｂ、７８ｃ…エミッタセンス端子

Claims (6)

1. 第１スイッチング素子を含み１アームを構成する第１半導体素子と、
   第２スイッチング素子を含み他アームを構成する第２半導体素子と、
   前記第１半導体素子の正極側に接合した第１導体と、
   前記第２半導体素子の負極側に接合した第２導体と、
   前記第１導体と第２導体との間に配設され、前記第１半導体素子の負極側および第２半導体素子の正極側に接合した第３導体と、を備え、
   前記第１スイッチング素子および第２スイッチング素子は、前記第３導体の中心軸線に対して、非対称な位置に配置されている電力半導体モジュール
2. 前記第１導体、第２導体、第３導体は、互いに平行に並んで配置され、
   前記第１半導体素子は、前記第１スイッチング素子およびダイオードを含み、前記第１スイッチング素子およびダイオードは、前記第１導体と第３導体との間に挟まれて配置されているとともに、前記中心軸線に沿って並んで配置され、
   前記第２半導体素子は、前記第２スイッチング素子およびダイオードを含み、前記第２スイッチング素子およびダイオードは、前記第２導体と第３導体との間に挟まれて配置されているとともに、前記中心軸線に沿って並んで配置され、
   前記第１スイッチング素子および第２スイッチング素子は、前記中心軸線の方向に沿って互いにずれた位置に配設されている請求項１に記載の電力半導体モジュール。
3. 前記第１スイッチング素子は、前記第３導体を挟んで、前記第２半導体素子のダイオードと向い合って配置され、
   前記第２スイッチング素子は、前記第３導体を挟んで、前記第１半導体素子のダイオードと向い合って配置されている請求項２に記載の電力半導体モジュール。
4. 前記第１導体、第２導体、および第３導体に接合された接合面を有する放熱部材を備えている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力半導体モジュール。
5. 前記第１導体と前記第１半導体素子との接合面、前記第２導体と前記第２半導体素子との接合面、前記第３導体と前記第１半導体素子および第２半導体素子との接合面は、それぞれ前記放熱部材の接合面と交差して延びている請求項４に記載の電力半導体モジュール。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力半導体モジュールと、
   前記電力半導体モジュールを駆動する駆動回路と、
   前記電力半導体モジュールを制御する制御回路と、を備えた半導体電力変換装置。

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