JP2010251665A - 電力変換用半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子の動作に伴って生じるサージ電圧を抑制できる電力変換用半導体装置１を提供する。
【解決手段】高電位側スイッチング素子４ａと低電位側スイッチング素子４ｂとを積層し、その間に出力端子板３を設けるとともに、これら高電位側スイッチング素子４ａと低電位側スイッチング素子４ｂと出力端子板３とを一対の電極板２ａ，２ｂで挟持した。そして、この一対の電極板２ａ，２ｂの間にコンデンサ５を設けた。これによりコンデンサ５とスイッチング素子４との距離が短くなり、寄生インダクタンスを低減できるため、サージ電圧を低減できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、サージ電圧を低減できる電力変換用半導体装置に関する。

従来から、電力変換用半導体装置が知られている（下記特許文献１）。この電力変換用半導体装置は図１１に示すごとく、２枚の電極板９１ａ，９１ｂと、この２枚の電極板９１ａ，９１ｂに挟持されたスイッチング素子（ＩＧＢＴ素子）９２およびフライホイールダイオード９３と、電極板９１ａ，９１ｂに接する冷却器９７ａ，９７ｂと、コンデンサ９６とを備える。

コンデンサ９６は、スイッチング素子９２のスイッチング動作に伴って生じるサージ電圧を吸収するためのものである。すなわち、スイッチング素子９２を動作させると、配線等に存在する寄生インダクタンスに起因してサージ電圧が発生する。このサージ電圧が高くなりすぎると、スイッチング素子９２が破損する場合があるため、コンデンサ９６を設けている。

特開２００８−２５３０５７号公報

しかしながら、図１１に示すごとく、従来の電力変換用半導体装置９０は、コンデンサ９６がスイッチング素子９２の直近には設けられておらず、スイッチング素子９２から比較的離れた位置に設けられている。そして、コンデンサ９６とスイッチング素子９２とは、電極板９１および接続端子９８によって接続されている。
このように従来の電力変換用半導体装置９０は、スイッチング素子９２とコンデンサ９６との間の電流経路が長い構造になっているため、この電流経路上、すなわち電極板９１および接続端子９８上に存在する寄生インダクタンスが大きい。サージ電圧は寄生インダクタンスに比例するため、この構造にするとサージ電圧も大きくなる。

特に、電力変換用半導体装置には大電流が流れるため、スイッチング素子の周囲に僅かな寄生インダクタンスが存在するだけでも、大きなサージ電圧が発生し、スイッチング素子を破損する原因になり得る。そのため、スイッチング素子の動作に伴って生じるサージ電圧を抑制できる電力変換用半導体装置が望まれている。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、スイッチング素子の動作に伴って生じるサージ電圧を抑制できる電力変換用半導体装置を提供しようとするものである。

本発明は、所定間隔をおいて対向配置された金属製の高電位側電極板および低電位側電極板と、
上記高電位側電極板と上記低電位側電極板との間に設けられた金属製の出力端子板と、
上記高電位側電極板と上記出力端子板との間に介在し、上記高電位側電極板と上記出力端子板とに各々電気的に接続された高電位側スイッチング素子と、
上記低電位側電極板と上記出力端子板との間に介在し、上記低電位側電極板と上記出力端子板とに各々電気的に接続された低電位側スイッチング素子と、
上記高電位側電極板と上記低電位側電極板との間に設けられ、上記高電位側電極板と上記低電位側電極板とに各々電気的に接続されたコンデンサと、
を備えることを特徴とする電力変換用半導体装置にある（請求項１）。

本発明の作用効果につき説明する。
本発明では、高電位側スイッチング素子と低電位側スイッチング素子とを積層し、その間に出力端子板を設けるとともに、これら高電位側スイッチング素子と低電位側スイッチング素子と出力端子板とを一対の電極板で挟持した。そして、この一対の電極板の間にコンデンサを設け、２個のスイッチング素子とコンデンサとが電極板によって並列接続されるようにした。
このようにすると、スイッチング素子の近傍にコンデンサを配置することができ、スイッチング素子とコンデンサとを繋ぐ電流の経路を短くすることができる。これにより、電流経路上に存在する寄生インダクタンスを小さくすることが可能となる。サージ電圧の大きさは寄生インダクタンスに比例するため、寄生インダクタンスを小さくすることにより、サージ電圧を小さくすることができる。

従来の電力変換用半導体装置（図１１参照）は、１個のスイッチング素子９２のみを一対の電極板９１ａ，９１ｂで挟持しているため、電極板９１ａ，９１ｂの間隔を十分に広げることができなかった。そのため、コンデンサ９６を電極板９１ａ，９１ｂの間に配置しにくかった。しかし、本発明では２個のスイッチング素子を積層配置したため、電極板（高電位側電極板及び低電位側電極板）の間隔を広げることができ、この電極板の間にコンデンサを配置することが可能となる。その結果、コンデンサとスイッチング素子との間の電流経路が小さくなり、インダクタンスを低減することができる。

以上のごとく、本発明によれば、スイッチング素子の動作に伴って生じるサージ電圧を抑制できる電力変換用半導体装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換用半導体装置の斜視図。 図１の一部切欠斜視図。 実施例１における、電力変換用半導体装置の矢視図であって、図５のＣ−Ｃ矢視図。 図３のＡ−Ａ矢視図。 図３のＢ−Ｂ矢視図。 実施例１における、電力変換用半導体装置の回路図。 実施例２における、電力変換用半導体装置の矢視図であって、図９のＦ−Ｆ矢視図。 図７のＤ−Ｄ矢視図。 図７のＥ−Ｅ矢視図。 実施例２における、電力変換用半導体装置の回路図。 従来例における、電力変換用半導体装置の断面図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記高電位側スイッチング素子と上記出力端子板と上記低電位側スイッチング素子とが積層した積層体と、上記コンデンサとをそれぞれ複数個備え、上記積層体と上記コンデンサとを交互に隣接配置したことが好ましい（請求項２）。
このようにすると、上記積層体と積層体との間のスペースを有効活用することが可能になる。すなわち、出力端子板の電位は各積層体によって異なっているため、隣接する出力端子板は、一定の距離以上、離す必要がある。上記構成を採用することにより、出力端子板と出力端子板との間にコンデンサを配置することができるため、スペースを有効活用でき、電力変換用半導体装置を小型化できる。

また、上記高電位側スイッチング素子と上記出力端子板と上記低電位側スイッチング素子とが積層した積層体を複数個備え、１個の上記コンデンサが、上記高電位側電極板と上記低電位側電極板とを介して複数個の上記積層体に電気的に接続されており、個々の上記積層体と上記コンデンサとの距離が均等にされていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、スイッチング素子とコンデンサとの間に存在する寄生インダクタンスが、全ての積層体について均等になる。そのため、全ての積層体についてサージ電圧が均等になり、局所的にサージ電圧が高くなるような不具合が生じにくくなる。
また、コンデンサが１個の場合、コンデンサを複数個有する場合と比較して、回路内で共振が起きにくいというメリットもある。

また、上記高電位側電極板と上記出力端子板との間に、上記高電位側スイッチング素子および第１の金属ブロックが設けられ、上記出力端子板と上記低電位側電極板との間に、上記低電位側スイッチング素子および第２の金属ブロックが設けられていることが好ましい。
このようにすると、高電位側電極板と低電位側電極板との間の間隔を、金属ブロックによって広げることができる。そのため、電極板の間にコンデンサを配置しやすくなる。また、金属ブロックの厚みを適宜調節することにより、コンデンサの厚みと、高電位側スイッチング素子、低電位側スイッチング素子、出力端子板の合計厚みとの寸法差に容易に対応することができる。金属ブロックの材料としては、例えば電気伝導性が高い銅を用いることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換用半導体装置につき、図１〜図６の３相インバータを用いて説明する。図１は本例の電力変換用半導体装置１の斜視図であり、図２は図１の一部切欠斜視図である。また、図２〜図５は、冷却器７及び制御回路８を組み合わせた状態における、電力変換用半導体装置１の矢視図である。
図１〜図５に示すごとく、本例の電力変換用半導体装置１は、所定間隔をおいて対向配置された金属製の高電位側電極板２ａおよび低電位側電極板２ｂを備える。
この高電位側電極板２ａと低電位側電極板２ｂとの間に、金属製の出力端子板３が設けられている。

高電位側電極板２ａと出力端子板３とに各々電気的に接続された高電位側スイッチング素子４ａが、高電位側電極板２ａと出力端子板３との間に介在している。
また、低電位側電極板２ｂと出力端子板３とに各々電気的に接続された低電位側スイッチング素子４ｂが、低電位側電極板２ｂと出力端子板３との間に介在している。
そして、高電位側電極板２ａと低電位側電極板２ｂとに各々電気的に接続されたコンデンサ５が、高電位側電極板２ａと低電位側電極板２ｂとの間に設けられている。
以下、詳述する。

図１に示すごとく、スイッチング素子４の制御端子１０が電力変換用半導体装置１の側部に設けられており、この制御端子１０は図３に示すごとく、制御回路８に接続されている。制御回路８の制御により、スイッチング素子４がスイッチング動作する。

電極板２ａ，２ｂはスイッチング素子４の電極であるとともに、スイッチング素子４から発生した熱を放熱するための放熱板を兼ねている。
図１、図４に示すごとく、冷却器７は断面四角形状の管状部材であり、管内７０に冷媒が流れる。この冷却器７は熱伝導性を有する絶縁板を介して電極板２ａ，２ｂに接触しており、上記冷媒によって電極板２およびスイッチング素子４を冷却している。

また、図２、図３に示すごとく、本例の電力変換用半導体装置１は、高電位側スイッチング素子４ａと出力端子板３と低電位側スイッチング素子４ｂとが積層した積層体６と、コンデンサ５とをそれぞれ複数個備え、積層体６とコンデンサ５とを交互に隣接配置している。
また、コンデンサ５と積層体６とは、合成樹脂１１によって封止されている。

一方、図３、図４に示すごとく、高電位側スイッチング素子４と出力端子板３との間には第１の金属ブロック１４ａが設けられている。この金属ブロック１４は、高電位側スイッチング素子４ａと出力端子板３との間隔を広げて、ワイヤ１５が出力端子板３に接触しないようにするためのものである。同様にして、低電位側スイッチング素子４ｂと低電位側電極板２ｂとの間には第２の金属ブロック１４ｂが設けられている。
このように本例では、高電位側電極板２ａと出力端子板３との間に、高電位側スイッチング素子４ａおよび第１の金属ブロック１４ａが設けられ、出力端子板３と低電位側電極板２ｂとの間に、低電位側スイッチング素子４ｂおよび第２の金属ブロック１４ｂが設けられている。

図６に、本例の電力変換用半導体装置１を用いたインバータの回路図を示す。同図に示すごとく、本例の電力変換用半導体装置１は、６個のスイッチング素子４と、３個のコンデンサ５からなる。スイッチング素子４はＩＧＢＴ素子とフライホイールダイオードから構成されている。高電位側スイッチング素子４ａのコレクタ端子４０ａは高電位側電極板２ａに接続されている。また、高電位側スイッチング素子４ａのエミッタ端子４１ａと、低電位側スイッチング素子４ｂのコレクタ端子４０ｂとは、出力端子板３を介して接続されている。そして、低電位側スイッチング素子４ｂのエミッタ端子４１ｂは低電位側電極板２ｂに接続されている。
図６に示すごとく、高電位側電極板２ａは直流電源８１の正極に接続されており、低電位側電極板２ｂは直流電源８１の負極に接続されている。そして、スイッチング素子４ａ，４ｂを動作させることにより、出力端子３から交流電力を出力する。この交流電力により、本例では三相交流モータ８０を駆動している。

図６に示すごとく、寄生インダクタンスＬ１〜Ｌ６は、電流経路上、すなわち、スイッチング素子４ａと高電位側電極板２ａとの間や、高電位側電極板２ａとコンデンサ５との間等に生じる。なお、図６のＬ１〜Ｌ６は仮想のコイルであり、実際には接続されていない。

次に、本例の電力変換用半導体装置１の作用効果につき説明する。
本例では図３〜図５に示すごとく、高電位側スイッチング素子４ａと低電位側スイッチング素子４ｂとを積層し、その間に出力端子板３を設けるとともに、これら高電位側スイッチング素子４ａと低電位側スイッチング素子４ｂと出力端子板３とを一対の電極板２ａ，２ｂで挟持した。そして、この一対の電極板２ａ，２ｂの間にコンデンサ５を設け、２個のスイッチング素子４ａ，４ｂとコンデンサ５とが電極板２ａ，２ｂによって並列接続されるようにした。
このようにすると、スイッチング素子４ａ，４ｂの近傍にコンデンサ５を配置することができ、スイッチング素子４ａ，４ｂとコンデンサ５とを繋ぐ電流の経路を短くすることができる。これにより、電流経路上に存在する寄生インダクタンスを小さくすることが可能となる。サージ電圧の大きさは寄生インダクタンスに比例するため、寄生インダクタンスを小さくすることにより、サージ電圧を小さくすることができる。

従来の電力変換用半導体装置１（図１１参照）は、１個のスイッチング素子９２のみを一対の電極板９１ａ，９１ｂで挟持しているため、電極板９１ａ，９１ｂの間隔を十分に広げることができなかった。そのため、コンデンサ９６を電極板９１ａ，９１ｂの間に配置しにくかった。しかし、本発明では２個のスイッチング素子４ａ，４ｂを積層配置したため、電極板２ａ，２ｂの間隔を広げることができ、この電極板２ａ，２ｂの間にコンデンサ５を配置することが可能となる。その結果、コンデンサ５とスイッチング素子４ａ，４ｂとの間の電流経路を小さくでき、インダクタンスを低減できる。

また、本例では図３に示すごとく、高電位側スイッチング素子４ａと出力端子板３と低電位側スイッチング素子４ｂとが積層した積層体６と、コンデンサ５とをそれぞれ複数個備え、積層体６とコンデンサ５とを交互に隣接配置している。
このようにすると、積層体６と積層体６との間のスペースを有効活用することが可能になる。すなわち、出力端子板３の電位は各積層体６によって異なっているため、隣接する出力端子板３は、一定の距離以上、離す必要がある。上記構成を採用することにより、出力端子板３と出力端子板３との間にコンデンサ５を配置することができるため、スペースを有効活用でき、電力変換用半導体装置１を小型化できる。

また、本例では図３、図４に示すごとく、高電位側スイッチング素子４ａと出力端子板３との間に第１の金属ブロック１４ａを設け、低電位側スイッチング素子４ｂと低電位側電極板２ｂとの間に第２の金属ブロック１４ｂを設けた。
このようにすると、高電位側電極板２ａと低電位側電極板２ｂとの間の間隔を、金属ブロック１４ａ，１４ｂによって広げることができる。そのため、電極板２ａ，２ｂの間にコンデンサ５を配置しやすくなる。また、金属ブロック１４の厚みを適宜調節することにより、コンデンサ５の厚みと、高電位側スイッチング素子４ａ、低電位側スイッチング素子４ｂ、出力端子板３の合計厚みとの寸法差に容易に対応することができる。金属ブロック１４の材料としては、例えば電気伝導性が高い銅を用いることができる。

以上のごとく、本例によれば、スイッチング素子の動作に伴って生じるサージ電圧を抑制できる電力変換用半導体装置１を提供することができる。
（実施例２）

本例は、コンデンサ５の取り付け位置および数、大きさを変更した例である。図７〜図９に示すごとく、本例では高電位側スイッチング素子４ａと出力端子板３と低電位側スイッチング素子４ｂとが積層した積層体６を複数個備え、１個のコンデンサ５（図９参照）が、高電位側電極板２ａと低電位側電極板２ｂとを介して複数個の積層体６に電気的に接続されており、個々の積層体６とコンデンサ５との距離ｘが均等にされている。
より詳しくは、本例では制御端子１０を設けた側に出力端子板３を突出させている。そして電極板２ａ，２ｂを、制御端子１０を設けた側の反対側に延ばし、この電極板２ａ，２ｂの間に１個のコンデンサ５を配置した。

上記構成にすると、スイッチング素子４とコンデンサ５との距離ｘ（図９参照）が均等であるため、スイッチング素子４とコンデンサ５との間に存在する寄生インダクタンスが、全ての積層体６について均等になる。そのため、全ての積層体６についてサージ電圧が均等になり、局所的にサージ電圧が高くなるような不具合が生じにくくなる。

また、図１０の回路図に示すごとく、本例では６個のスイッチング素子４に対し、１個のコンデンサ５を並列接続している。このようにすると、コンデンサ５を複数個備える場合（図６参照）と比較して、回路内で共振が起きにくいというメリットもある。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。
なお、本実施例では３相インバータを例にして用いたが、２相式インバータを用いても同様な作用効果を有する。

１ 電力変換用半導体装置
２ａ 高電位側電極板
２ｂ 低電位側電極板
３ 出力端子板
４ａ 高電位側スイッチング素子
４ｂ 低電位側スイッチング素子
５ コンデンサ
６ 積層体
７ 冷却器
８ 制御回路

Claims (3)

1. 所定間隔をおいて対向配置された金属製の高電位側電極板および低電位側電極板と、
   上記高電位側電極板と上記低電位側電極板との間に設けられた金属製の出力端子板と、
   上記高電位側電極板と上記出力端子板との間に介在し、上記高電位側電極板と上記出力端子板とに各々電気的に接続された高電位側スイッチング素子と、
   上記低電位側電極板と上記出力端子板との間に介在し、上記低電位側電極板と上記出力端子板とに各々電気的に接続された低電位側スイッチング素子と、
   上記高電位側電極板と上記低電位側電極板との間に設けられ、上記高電位側電極板と上記低電位側電極板とに各々電気的に接続されたコンデンサと、
   を備えることを特徴とする電力変換用半導体装置。
2. 請求項１において、上記高電位側スイッチング素子と上記出力端子板と上記低電位側スイッチング素子とが積層した積層体と、上記コンデンサとをそれぞれ複数個備え、上記積層体と上記コンデンサとを交互に隣接配置したことを特徴とする電力変換用半導体装置。
3. 請求項１において、上記高電位側スイッチング素子と上記出力端子板と上記低電位側スイッチング素子とが積層した積層体を複数個備え、１個の上記コンデンサが、上記高電位側電極板と上記低電位側電極板とを介して複数個の上記積層体に電気的に接続されており、個々の上記積層体と上記コンデンサとの距離が均等にされていることを特徴とする電力変換用半導体装置。

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