JP2014049576A - パワー半導体モジュールおよびインバータ装置 - Google Patents

パワー半導体モジュールおよびインバータ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】相ごとにインダクタンスの差異が生じることを防止し、インバータ装置の小型化を可能にするパワー半導体モジュールおよびインバータ装置を提供することである。
【解決手段】実施形態のパワー半導体モジュールは、正極端子がチップ状のスイッチ素子の一方の面と電気的に接続され、負極端子が前記スイッチ素子の他方の面と電気的に接続される。内部配線は、２つの端子を有する略帯状であり、一方の端子が前記負極端子と隣接し、他方の端子が前記正極端子と隣接するように配置される。樹脂部は、前記正極端子、前記負極端子、前記内部配線の前記端子を突出させるように前記スイッチ素子および前記内部配線をモールドする。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、パワー半導体モジュールおよびインバータ装置に関する。
一般に、各種用途のインバータ装置は、高効率および高信頼性であるとともに、より小形であることが期待されている。特に電気自動車やハイブリッドカーなどの車載インバータは、より大きな出力をより小さな体格で構成することが要求される。
このことを実現する１つの方法として、樹脂封止したパワー半導体モジュールを用いることが挙げられる。樹脂封止したパワー半導体モジュールは、外囲器に硬質プラスチックケースを用いて内部にゲル状の絶縁材を充填した従来構造のパワー半導体モジュールより、体格を小さくすることが可能である。特に、厚さを薄くすることができる。
しかし、樹脂封止方式のパワー半導体モジュールでは、大形のモジュールを一体で製造することが困難である。そのためインバータ装置に用いられ、三相のインバータ回路を構成する場合では、上側（ハイサイド）に３個、下側（ローサイド）に３個のパワー半導体モジュールが冷却器の上面に配置され、パワー半導体モジュール相互間および、パワー半導体モジュールからコンデンサやＵ相Ｖ相Ｗ相の３相交流を出力する出力部へ至る配線が必要になる。
ここで、上側（ハイサイド）のパワー半導体モジュールの負極端子と、下側（ローサイド）のパワー半導体の正極端子との位置は、パワー半導体モジュール群の中央付近に位置する。一方、出力部はインバータ装置の外部へ接続する必要があるため、パワー半導体モジュール群の外側に位置する。
そのため、上側（ハイサイド）のパワー半導体モジュールの負極端子と、下側（ローサイド）のパワー半導体の正極端子とを接続し、出力部に至る配線は、他の配線や部品をまたぎ越しして敷設される。さらに、使用時に振動が加わった場合などでも、部品や配線が接触し短絡事故が発生しないようにするために、離隔距離を十分に設ける必要がある。
その結果、樹脂封止したパワー半導体モジュールにより、モジュール自体の体格を小さくすることができたとしても、インバータ装置を構成するうえで内部配線の敷設による制約のためインバータ装置としての体格は大きくなってしまう。
また、三相のインバータ装置の場合、互いに接続された上側（ハイサイド）のモジュールと下側（ローサイド）の組は３つ存在するが、それらは梯子状の配置となるため、コンデンサからの距離が異なる。コンデンサからの距離の差異はインダクタンスの差異に繋がるため、相ごとのインダクタンスに差異が生じる。
その結果、発生するサージ電圧も相ごとに差異が生じる。発生するサージ電圧に応じて電圧定格の異なる素子を使い分けることは、組立て間違いの発生や管理上の煩雑さの面で望ましくない。一方で、発生するサージ電圧が最も大きい相に合せて素子の電圧定格を決定する場合では、三相のうち二相については過剰なマージンを付加することとなり合理的ではない。
特開２００１−２８６１５８号公報
本発明の実施形態が解決しようとする課題は、相ごとにインダクタンスの差異が生じることを防止し、インバータ装置の小型化を可能にするパワー半導体モジュールおよびインバータ装置を提供することである。
実施形態のパワー半導体モジュールは、正極端子がチップ状のスイッチ素子の一方の面と電気的に接続され、負極端子が前記スイッチ素子の他方の面と電気的に接続される。内部配線は、２つの端子を有する略帯状であり、一方の端子が前記負極端子と隣接し、他方の端子が前記正極端子と隣接するように配置される。樹脂部は、前記正極端子、前記負極端子、前記内部配線の前記端子を突出させるように前記スイッチ素子および前記内部配線をモールドする。
第１の実施形態のパワー半導体モジュールの構成を示す斜視図。 第１の実施形態のパワー半導体モジュールの内部構成を示す斜視図。 第１の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置の構成を示す斜視図。 第１の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置の回路図。 第１の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置と従来構成のインバータ装置のインダクタンスの解析結果を示す説明図。 第２の実施形態のパワー半導体モジュールの内部構成を示す斜視図。 図６の部分分解図。 第２の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置の一部を示す斜視図。 第２の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置の回路図。 第２の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置と第１の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置および従来構成のインバータ装置のインダクタンスの解析結果を示す説明図。
以下、実施形態を図面に基づき説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のパワー半導体モジュールの構成を示す斜視図であり、図２は、第１の実施形態のパワー半導体モジュールの内部構成を示す斜視図である。
第１の実施形態のパワー半導体モジュール１は、図１および図２に示すように放熱板１０１、スイッチ素子１０２、ダイオード１０３、正極端子１０４、負極端子１０５、内部配線１０６、樹脂部１０７を有する。
図２は、図１から樹脂部１０７を取り除いた場合を示している。
銅などの金属製の放熱板１０１の表面に、チップ状のスイッチ素子１０２およびダイオード１０３が例えば図示しないハンダ部材によって固定される。
正極端子１０４は、放熱板１０１の一方の端部に接合され、負極端子１０５は、スイッチ素子１０２とダイオード１０３のそれぞれの表面に接合され、放熱板１０１の他方の端部側に伸びるように配置される。
つまり、スイッチ素子１０２とダイオード１０３のそれぞれの表面は負極端子１０５と電気的に接続され、裏面は放熱板１０１を介して正極端子１０４と電気的に接続される。
内部配線１０６は、略帯状であり、両端部に第１の端子１０８および第２の端子１０９を有する。ここで内部配線１０６は、第１の端子１０８が正極端子１０４と隣接し、第２の端子１０９が負極端子１０５と隣接するように配置され、放熱板１０１とは接しない。
これらの内部構造は樹脂によってモールドされ、樹脂部１０７が形成される。樹脂部１０７によって内部配線１０６は、放熱板１０１、スイッチ素子１０２、ダイオード１０３、正極端子１０４、負極端子１０５と電気的に絶縁される。ここで、正極端子１０４、負極端子１０５、内部配線１０６の第１の端子１０８および第２の端子１０９は樹脂部１０７から突出し、放熱板１０１の裏面も樹脂部１０７から突出している。
スイッチ素子１０２としては、ＭＯＳＦＥＴ(Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)やＩＧＢＴ(Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)が挙げられる。
図３は、第１の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置の構成を示す斜視図、図４は、第１の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置の回路図である。
図３および図４では、例としてパワー半導体モジュール１を６個使用して、三相のインバータ回路を構成する場合を示している。
第１の実施形態のパワー半導体モジュール１を用いたインバータ装置は、パワー半導体モジュール１、冷却器２、固定部材３、コンデンサ正側接続導体４、コンデンサ負側接続導体５、中継導体６、出力導体７を有する。
冷却器２に、図示しない絶縁板を介してパワー半導体モジュール１がハイサイドのモジュール１ａとして３個、ローサイドのモジュール１ｂとして３個それぞれ配置され、固定部材３によって固定される。
コンデンサ正側接続導体４は、一端がハイサイドのモジュール１ａの正極端子１０４ａに接続され、他端が図示しないコンデンサに接続される。
コンデンサ負側接続導体５は、一端がハイサイドのモジュール１ａの内部配線１０６ａにおける第１の端子１０８ａに接続され、他端が図示しないコンデンサに接続される。ここで、コンデンサ正側接続導体４とコンデンサ負側接続導体５は１組（各１個ずつ）ではなく、３組（各３個ずつ）形成される。すなわち、三相インバータの各相に対応している。
また、ハイサイドのモジュール１ａの負極端子１０５ａとローサイドのモジュール１ｂにおける第２の端子１０９ｂが中継導体６を介して接続され、ハイサイドのモジュール１ａの内部配線１０６ａにおける第２の端子１０９ａとローサイドのモジュール１ｂの負極端子１０５ｂが中継導体６を介して接続される。
出力導体７は、ローサイドのモジュール１ｂにおける正極端子１０４ｂと内部配線１０６ｂの第１の端子１０８ｂとを接続する。
このように構成されるインバータ装置の配線経路について図４を用いて説明する。
直流電源８からコンデンサ９を経由して、コンデンサ正側接続導体４、ハイサイドのモジュール１ａにおける正極端子１０４ａ、スイッチ素子１０２ａまたはダイオード１０３ａ、負極端子１０５ａ、ローサイドのモジュール１ｂにおける内部配線１０６ｂの第２の端子１０９ｂ、第１の端子１０８ｂ、出力導体７、正極端子１０４ｂ、スイッチ素子１０２ｂまたはダイオード１０３ｂ、負極端子１０５ｂ、ハイサイドのモジュール１ａにおける内部配線１０６ａの第２の端子１０９ａ、第１の端子１０８ａ、コンデンサ負側接続導体５に至る配線経路が構成される。
本実施形態のパワー半導体モジュール１では、内部配線１０６を設けることで、インバータ装置を構成したときに出力導体７をモジュール群の中央部ではなく、モジュール群の端部に配置することが可能である。そのため、Ｕ相Ｖ相Ｗ相の３相交流を出力する出力部１０へ接続する際に、他の配線や部品をまたぎ越しして敷設することを防止することができる。また、固定部材３を配置するスペース、すなわち樹脂部７の外側表面にもパワー半導体モジュール１を固定するうえで障害となる部品が存在しない。
以上のことから、本実施形態のパワー半導体モジュール１を用いることでインバータ装置を小型化することが可能である。
さらに、Ｕ相Ｖ相Ｗ相の３相とも同じ接続形態にすることが可能であるため、コンデンサからの距離は等しくなる。そのため、相ごとのインダクタンスに差異が生じることを防止することができる。
また、パワー半導体モジュール１において内部配線１０６は、第１の端子１０８が正極端子１０４と隣接し、第２の端子１０９が負極端子１０５と隣接するように配置されるため、配線経路を短くすることができ、インダクタンスを低減することが可能である。
このことを確認するために行った解析結果を図５に示す。図５中における従来構成の「近い相」、「遠い相」、「中央の相」とは、それぞれコンデンサからの距離が近い相、遠い相、その間に位置する相を表している。図５より、本実施形態のパワー半導体モジュールを用いて構成したインバータ装置は、従来構成に比べてインダクタンスが低減できていることがわかる。
また、パワー半導体モジュール１は樹脂部７によってモールドされるため、使用時に振動が加わった場合などでも、部品同士が接触し短絡事故が発生することを防止することができる。
さらに、内部配線１０６を冷却器２と平行になるように配置することで、相互誘導効果によるさらなるインダクタンス低減が可能となる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態の構成について、図６および図７を用いて説明する。なお、第１の実施形態の各部と同一部分は同一符号で示し、説明は省略する。図６は、第２の実施形態のパワー半導体モジュールの内部構成を示す斜視図であり、図７は、図６の部分分解図である。
この第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点は、パワー半導体モジュール１１にある。具体的には、放熱板１０１と内部配線１０６との間かつ、内部配線１０６の第２の端子１０９付近に導体１１０を設ける点にある。このように構成することで、内部配線１０６と方熱板１０１は電気的に接続される。
この第２の実施形態のパワー半導体モジュール１１を用いたインバータ装置について、図８および図９を用いて説明する。図８は、第２の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置の一部を示す斜視図、図９は、第２の実施形態のパワー半導体モジュールを用いたインバータ装置の回路図である。ここで、図８では三相のうち一相のパワー半導体モジュール１１のみを示している。
図８に示すように、第２の実施形態のパワー半導体モジュール１１は、ローサイドのモジュール１１ｂとして用いられ、第１の実施形態のパワー半導体モジュール１が、ハイサイドのモジュール１ａとして用いられる。
このように構成されるインバータ装置の配線経路について図９を用いて説明する。
ローサイドのモジュール１１ｂにおいては、第１の実施形態で説明した配線経路に加えて、内部配線１０６ｂの第２の端子１０９ｂから導体１１０を介して、スイッチ素子１０２ｂまたはダイオード１０３ｂ、負極端子１０５ｂに至る短絡路が形成される。
このような短絡路が形成されることによって、第１の実施形態で得られる効果に加えて、よりインダクタンスを低減することが可能となる。図１０に示す解析結果からもこのことを確認することができる。
なお、図６、図７において、導体１１０は放熱板１０１と内部配線１０６との間に設けられているが、内部配線１０６に穴をあけて導体１１０を通すことで、放熱板１０１と内部配線１０６とを電気的に接続させてもよい。
第１の実施形態および第２の実施形態において、放熱板１０１と正極端子１０４は別の部品として記載しているが、一体成形されていてもよい。
また、パワー半導体モジュール１，９を固定部材３によって固定しているが、固定部材３を用いずに接着剤によって固定してもよい。そのように構成することによって部品点数を減らすことができる。図３では、正極端子１０４、負極端子１０５、内部配線１０６の第１の端子１０８および第２の端子１０９をボルトによって固定しているが、レーザー等で溶接することにより固定しても良い。そのように構成することによって部品点数を減らすことができ、経年劣化によるボルトの緩みを考慮する必要がなくなる。
本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１，１１…パワー半導体モジュール
１０１…放熱板
１０２…スイッチ素子
１０３…ダイオード
１０４…正極端子
１０５…負極端子
１０６…内部配線
１０７…樹脂部
１０８…第１の端子
１０９…第２の端子
１１０…導体
２…冷却器
３…固定部材
４…コンデンサ正極接続導体
５…コンデンサ負極接続導体
６…中継導体
７…出力導体
８…直流電源
９…コンデンサ
１０…出力部

Claims (7)

  1. チップ状のスイッチ素子と、
    前記スイッチ素子の一方の面と電気的に接続された正極端子と、
    前記スイッチ素子の他方の面と電気的に接続された負極端子と、
    ２つの端子を有する略帯状であり、一方の端子が前記負極端子と隣接し、他方の端子が前記正極端子と隣接するように配置された内部配線と、
    前記正極端子、前記負極端子、前記内部配線の前記端子を突出させるように前記スイッチ素子および前記内部配線をモールドする樹脂部と
    を備えるパワー半導体モジュール。
  2. 前記内部配線は、前記正極端子、前記負極端子、前記スイッチ素子と電気的に絶縁される請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 導電性を有する放熱板をさらに有し、
    前記スイッチ素子の前記一方の面は、前記放熱板を介して前記正極端子と電気的に接続される請求項１又は請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. 前記内部配線と前記放熱板は前記樹脂部により電気的に絶縁される請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
  5. 前記内部配線と前記放熱板を電気的に接続させる導体をさらに有する請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
  6. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールをハイサイドのモジュールおよびローサイドのモジュールとして用い、前記ハイサイドのモジュールにおける前記負極端子と前記ローサイドのモジュールにおける前記内部配線の前記一方の端子が電気的に接続され、前記ハイサイドのモジュールにおける前記内部配線の前記一方の端子と前記ローサイドのモジュールにおける前記負極端子が電気的に接続され、前記ローサイドのモジュールにおける正極端子と前記内部配線の前記他方の端子とを電気的に接続する出力導体を有するインバータ装置。
  7. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のパワー半導体モジュールをハイサイドのモジュールとして、請求項５に記載のパワー半導体モジュールをローサイドのモジュールとして用い、前記ハイサイドのモジュールにおける前記負極端子と前記ローサイドのモジュールにおける前記内部配線の前記一方の端子が電気的に接続され、前記ハイサイドのモジュールにおける前記内部配線の前記一方の端子と前記ローサイドのモジュールにおける前記負極端子が電気的に接続され、前記ローサイドのモジュールにおける正極端子と前記内部配線の前記他方の端子とを電気的に接続する出力導体を有するインバータ装置。
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