JP2014128066A - 半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、サージ電圧によるノイズが外部に漏洩することを防止するとともに、ヒートサイクルにおける耐久性が高く、かつ汎用性の高い半導体モジュールを得ることを目的とする。
【解決手段】 本発明に係る半導体モジュール８ｕは、スイッチ素子及びスイッチ素子に逆並列に接続された整流素子を有するパワー半導体素子を内蔵し、主回路と電気的に接続する複数の主端子が外部に露出するようにモールド樹脂１８にて封止されており、主端子のうち第１端子１０ａ及び第２端子１０ｂは、モールド樹脂が形成する同じ外面１８から露出しており、容量性部材７ｂを有するとともに第1端子１０ａ及び第２端子１０ｂに直接接続され、パワー半導体素子で発生するサージ電圧によるノイズを当該端子間でバイパスするスナバ回路部７を備えるものである。
【選択図】 図５

Description

本発明は、電力変換装置等に適用される半導体モジュールに関する。

従来より、パワー半導体素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等のスイッチ素子に、還流ダイオードとなる整流素子を逆並列に接続したものが広く用いられており、モールド樹脂で封止した半導体モジュールの形態で提供されている。

このような半導体モジュールは電力変換装置に組み込まれ、直流電力を交流電力に変換して回転機を駆動するインバータや、直流電力を異なる電圧の直流電力に変換して直流負荷へ供給するＤＣ−ＤＣコンバータ等が、電力変換装置の一例として挙げられる。これら電力変換装置は、スイッチ素子のスイッチ オン、スイッチ オフの切換や整流素子の動作により、電力変換装置から放射される放射ノイズや、接続線を通じて漏洩する伝導ノイズを引き起こすことがあった。これらノイズは、電力変換装置自身のみならず、これに接続される外部装置や近接する電子機器へも障害を発生させる。

従来の漏洩するノイズを低減する方法として、特許文献１に開示されたものがある。特許文献１は、半導体モジュールを組合せた電力変換部が筐体内に収容されており、電力変換部に向けて筐体外部から電力を供給する複数の入力線の線間にバイパス用コンデンサを設け、このバイパス用コンデンサは筺体の内部又は外部に取り付けた基板や端子台に実装されており、入力線を通じて筐体から外部へ漏洩するノイズ電流をバイパスし、ノイズ電流の漏洩を防止しようとするものである。（特許文献１の図１、図２を参照）

しかし、ノイズの発生源となる電力変換部からバイパス用コンデンサは離れた位置に配置されており、この位置関係により大きなループ回路が形成されることで、新たに大きな電磁ノイズが発生する。この発生したノイズはバイパス用コンデンサが対応できない大きさとなって入力線を通じて外部に漏洩する恐れがある。また、金属の筐体で放射ノイズをシールドしていたが、この新たなノイズは既存のシールドでは筐体外に漏れる恐れがあり、筐体のシールド性をより高性能化させなければならず高コストとなる。そこで、新たに大きなノイズを発生させないためには、ノイズのバイパス手段はノイズの発生源となる電力変換部にできるだけ近接させる必要がある。

そこでノイズのバイパス手段をノイズの発生源に近接させる方法として、特許文献２に開示されたものがある。特許文献２は、電力変換装置における主なノイズの一つであるサージ電圧によるノイズをスナバ回路により低減させるものである。詳細には、スイッチ素子及びそのスイッチ素子に逆並列に接続された還流ダイオードからなるパワー半導体素子が配置された金属膜に、パワー半導体素子と並列に半導体スナバも配置、接続することで、それらを１チップ化した半導体チップとしている。このとき、配線に流れる電流がスイッチングによって急に変化するとともに、配線が有する配線インダクタンスの影響で、サージ電圧が一時的に起こる。この過渡的なサージ電圧によるノイズを吸収するための保護回路として半導体スナバが取付けられている。パワー半導体素子と同一の金属膜上に半導体スナバが配置されることで、サージ電圧によるノイズの発生源となるパワー半導体素子の直近に半導体スナバが配置され、効率よくノイズを吸収するとともに大きなノイズの発生を防止し、結果として、サージ電圧によるノイズがこの半導体チップから外部に漏洩することを防止している。（特許文献２の図１８、図１９参照）

特開２００９−２４００３７号公報 特開２０１０−２０５９９７号公報

この特許文献２の記載にあるような半導体装置においては、パワー半導体素子及び半導体スナバを保護被覆するため、これらが載置される絶縁基板を覆うようにモールド樹脂にて封止するのが一般的である。このとき、これらパワー半導体や半導体スナバはスイッチングを繰り返すことにより熱を発生するため、モールド樹脂内は非常に高温となる。そこで素子を封止したモールド樹脂内は作動時に高温となり停止時に低温となることでヒートサイクル性に課題が生じる。つまり、モールド樹脂と各素子の熱膨張率が異なることで、激しい温度変化に対して半導体装置の各パーツ間に熱応力がかかり、ひびや剥がれが生じることとなる。このひびや剥がれは熱膨張率が異なる物質が互いを固定、拘束しているときに起こるもので、熱膨張率の異なる物質の数が多いほど、ひびや剥がれの発生するリスクが高くなる。この特許文献２に記載の半導体装置においては、パワー半導体素子としてスイッチ素子と整流素子のみならず半導体スナバまでもモールド樹脂により樹脂封止しているため、従来のパワー半導体素子のみを樹脂封止していた場合に比べ、ひびや剥がれが生じやすい、つまりヒートサイクルにおける耐久性が低い。さらに、半導体装置を車両に搭載した場合には、車両は例えば砂漠や極寒地など過酷な温度環境での使用が考えられ、また、パワー半導体素子として高温下での利用が期待されるワイドバンドギャップ半導体が用いられた場合は温度差の激しい条件での利用が考えられるため、これらの場合においては特に、ヒートサイクルにおける耐久性が重大な懸案事項である。

また、この半導体装置がどのようなスイッチ回路に組み込まれるかにより、サージ電圧により発生するノイズは異なる。そのため、例えばスナバ回路が抵抗素子とコンデンサ素子との直列接続により構成される場合、そのノイズに見合う抵抗値とコンデンサの静電容量をスイッチ回路毎に決定しなければならない。この特許文献２に記載の半導体装置においては、半導体スナバも共に樹脂封止されているため、樹脂封止された段階で、スナバ回路が有効に機能する条件が限定される。例えば回路構成やスイッチング周波数に変更があった場合、また、この半導体装置を他のスイッチ回路に転用しようとした場合、変更又は転用後のスイッチ回路に有効なスナバ回路を設定するには、封止したモールド樹脂を取り除かなければならない。つまり、スナバ回路の素子を変更するには、モールド樹脂を除去する必要があるが、モールド樹脂を除去するのは現実的でなく、実際にはスイッチ回路毎にカスタマイズして半導体装置を用意する必要があり、半導体装置の汎用性が低いという課題があった。

以上のような問題を解決するためになされたものであり、本発明は、サージ電圧によるノイズが外部に漏洩することを防止するとともに、ヒートサイクルにおける耐久性が高く、かつ汎用性の高い半導体モジュールを得ることを目的とする。

本発明に係る半導体モジュールは、スイッチ素子及びスイッチ素子に逆並列に接続された整流素子を有するパワー半導体素子を内蔵し、スイッチ素子により断続される電流が流れる主回路と電気的に接続する複数の主端子が外部に露出するようにモールド樹脂にて封止された樹脂封止型の半導体モジュールであって、複数の主端子のうち、第１端子及び第２端子は、モールド樹脂が形成するいずれかの外面の同じ面から露出しており、容量性部材を有するとともに第1端子及び第２端子に直接接続され、パワー半導体素子で発生するサージ電圧によるノイズを当該端子間でバイパスするスナバ回路部を備えるものである。

この発明によれば、サージ電圧によるノイズが外部に漏洩することを防止するとともに、ヒートサイクルにおける耐久性が高く、かつ半導体モジュールの汎用性を高くすることができる。

本発明の実施の形態１に係るモータ駆動回路を示す回路ブロック図である。 図１の半導体モジュールの回路図である。 半導体モジュールの内部構造を上面側から示した図である。 図３のＡ−Ａ断面の矢印方向から見た図である。 半導体モジュールの外観斜視図である。 電力変換装置の実装形態を示す図である。 半導体モジュールにおけるスナバ回路を収容するフレーム受台の実装構造を示す図である。 スナバ回路とフレーム受台の実装構造を説明する展開図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体モジュールの回路図である。 自動車用電気駆動システムの構成図である。 本発明の実施の形態３による太陽光発電用の電力変換システムの構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、図中における同等または対応する部品、箇所については同番号を付す。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係るモータ駆動回路を示す回路ブロック図であり、図２は図１の半導体モジュールの回路図である。図１に示した電力変換装置１は、三相インバータの例である。電力変換装置１は、直流高圧電源２から供給される直流電力を交流電力に変換し、回転機（モータ）３を駆動する。電力変換装置１は、電力経路の接続端子として、一次側に正極端子Ｐｄｃ、負極端子Ｎｄｃ、二次側にＵａｃ端子、Ｖａｃ端子、Ｗａｃ端子を備えている。一次側の正極端子Ｐｄｃ、負極端子Ｎｄｃには、直流高圧電源２が接続され、直流電力の導通路となっている。二次側には三相交流の回転機３のＵ相がＵａｃ端子に、Ｖ相がＶａｃ端子に、Ｗ相がＷａｃ端子に接続され、交流電力の導通路となっている。このモータ駆動回路は、後述するスイッチ素子によって断続される電流が流れる主回路と、スイッチ素子のオン、オフを制御する制御回路（図示せず）から構成されている。

電力変換装置１は、Ｕ相アームを構成する半導体モジュール８ｕ、Ｖ相アームを構成する半導体モジュール８ｖ、Ｗ相アームを構成する半導体モジュール８ｗ、平滑コンデンサ４から構成される。各相の半導体モジュール８ｕ、８ｖ、８ｗは、２組の、ＩＧＢＴ５及びＰｉＮダイオード６からなるパワー半導体素子１００と、スナバ回路７から構成される。ＩＧＢＴ５はバイポーラ型のトランジスタであり、スイッチ素子に相当する。また、ＰｉＮダイオード６はＰＮ接合を整流機能に用いたバイポーラ型のダイオードであり、整流素子に相当する。ここでＩＧＢＴ５とＰｉＮダイオード６のいずれも、シリコン（Ｓｉ）半導体材料から製造されるものである。また、スナバ回路７は例として抵抗素子及びコンデンサ素子を直列に接続したＲＣスナバが採用されている。

Ｕ相アームを構成する半導体モジュール８ｕは、図２に示すように、２つのパワー半導体素子１００ａ、１００ｂが直列に接続されており、パワー半導体素子１００ａはＩＧＢＴ５ａ、ＰｉＮダイオード６ａから成り、パワー半導体素子１００ｂはＩＧＢＴ５ｂ、ＰｉＮダイオード６ｂから成る。ＩＧＢＴ５ａのエミッタＥはＩＧＢＴ５ｂのコレクタＣに接続され、ＰｉＮダイオード６ａはＩＧＢＴ５ａに逆並列になるように、そのアノードＡがＩＧＢＴ５ａのエミッタＥに、カソードＫがＩＧＢＴ５ａのコレクタＣに接続される。また、ＰｉＮダイオード６ｂはＩＧＢＴ５ｂに逆並列となるように、そのアノードＡがＩＧＢＴ５ｂのエミッタＥに、カソードＫがＩＧＢＴ５ｂのコレクタＣに接続される。ＩＧＢＴ５ａのコレクタＣは主回路と半導体モジュール８ｕとの正極接続点Ｐｕに接続され、ＩＧＢＴ５ｂのエミッタＥは主回路と半導体モジュール８ｕとの負極接続点Ｎｕに接続される。ＩＧＢＴ５ａのエミッタＥ及びＩＧＢＴ５ｂのコレクタＣは主回路と半導体モジュール８ｕとの中間接続点Ｍｕに接続される。また、スナバ回路７ｕは抵抗素子７ｕａ及びコンデンサ素子７ｕｂが直列に接続しており、スナバ回路７ｕの一方の端子はＩＧＢＴ５ａのコレクタＣと同電位となる正極接続点Ｐｕに接続され、スナバ回路の他方の端子はＩＧＢＴ５ｂのエミッタＥと同電位となる負極接続点Ｎｕに接続される。これらＩＧＢＴ５ａ、５ｂ、ＰｉＮダイオード６ａ、６ｂおよびスナバ回路７ｕによりＵ相アームが構成される。

また、Ｖ相アームを構成する半導体モジュール８ｖ、Ｗ相アームを構成する半導体モジュール８ｗも、Ｕ相アームを構成する半導体モジュール８ｕと同様の構成である。ＩＧＢＴ５ｃ、５ｄ、ＰｉＮダイオード６ｃ、６ｄおよびスナバ回路７ｖによりＶ相アームが、ＩＧＢＴ５ｅ、５ｆ、ＰｉＮダイオード６ｅ、６ｆおよびスナバ回路７ｗにより、Ｗ相アームが構成される。ＩＧＢＴ５ｃのコレクタＣは正極接続点Ｐｖに接続され、ＩＧＢＴ５ｄのエミッタＥは負極接続点Ｎｖに接続される。ＩＧＢＴ５ｅのコレクタＣは正極接続点Ｐｗに接続され、ＩＧＢＴ５ｆのエミッタＥは負極接続点Ｎｗに接続される。ＩＧＢＴ５ｃのエミッタＥ及びＩＧＢＴ５ｄのコレクタＣは中間接続点Ｍｖに接続される。ＩＧＢＴ５ｅのエミッタＥ及びＩＧＢＴ５ｆのコレクタＣは中間接続点Ｍｗに接続される。このように、半導体モジュール８（８ｕ、８ｖ、８ｗ）には、パワー半導体素子１００のスイッチ素子５としてＩＧＢＴが、整流素子６としてＰｉＮダイオードが互いに逆並列に接続しつつ、この接続体を直列に接続したものに並列にスナバ回路７を接続し、これらを一つのアーム構成としたものが実装されている。

平滑コンデンサ４の一方の端子は各相アームの高電位端であるＩＧＢＴ５ａ、５ｃ、５ｅのコレクタＣと同電位となる直流高圧電源２の出力の高電位側へ、つまり端子Ｐｄｃに接続される。ＩＧＢＴ５ａ、５ｃ、５ｅはそれぞれ正極接続点Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗにて、正極接続点Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗと端子Ｐｄｃとを接続する配索導電部材２１に接続される。

また、平滑コンデンサ４の他方の端子は各相アームの低電位端であるＩＧＢＴ５ｂ、５ｄ、５ｆのエミッタＥと同電位となる直流高圧電源２の出力の低電位側へ、つまり端子Ｎｄｃに接続される。ＩＧＢＴ５ｂ、５ｄ、５ｆは、それぞれ負極接続点Ｎｕ、Ｎｖ、Ｎｗにて、負極接続点Ｎｕ、Ｎｖ、Ｎｗと端子Ｎｄｃとを接続する配索導電部材２１に接続される。

さらに、Ｕ相アームの中間点であるＩＧＢＴ５ａのエミッタＥとＩＧＢＴ５ｂのコレクタＣの接続部は、中間接続点Ｍｕから配索導電部材２１を経て端子Ｕａｃを介し、回転機３のＵ相に接続される。同様にＶ相アームの中間点であるＩＧＢＴ５ｃのエミッタＥとＩＧＢＴ５ｄのコレクタＣの接続部は、中間接続点Ｍｖから配索導電部材２１を経て端子Ｖａｃを介し、回転機３のＶ相に接続される。また、Ｗ相アームの中間点であるＩＧＢＴ５ｅのエミッタＥとＩＧＢＴ５ｆのコレクタＣの接続部は、中間接続点Ｍｗから配索導電部材２１を経て端子Ｗａｃを介し、回転機３のＷ相に接続される。したがって、ＩＧＢＴ５ａからＩＧＢＴ５ｆをスイッチングしてスイッチ オン、スイッチ オフを切替えることにより、回転機３の端子電圧を調整し、ひいては、回転機３の出力トルクや回転速度を制御する事ができる。

本実施の形態における、ノイズの発生と、スナバ回路によるノイズの外部への漏洩防止との仕組みは以下の通りである。パワー半導体素子１００において、スイッチのオン、オフを切換することでサージ電圧が発生する。詳細には、ＩＧＢＴ５をオン、オフする時、またはＰｉＮダイオード６において逆回復時に、急激な電流変化（ｄｉ／ｄｔ）が起こり、半導体モジュールの配線インダクタンスＬによって、サージ電圧Ｌ・ｄｉ／ｄｔが発生する。このサージ電圧に起因した高周波のノイズが直流高圧電源２や回転機３に漏洩するところを吸収するのがスナバ回路７の役割である。つまり、容量性部材であるコンデンサ素子７ｂの働きにより、スナバ回路はサージ電圧に起因した高周波のノイズの経路となり、さらに、スナバ回路に流入したノイズは抵抗素子７ａで電力消費される。よって、ノイズが直流高圧電源２や回転機３に漏洩することを防止し、かつバイパスされたノイズの振動を抑制することが可能となる。サージ電圧によるノイズには、サージ電圧により発生するサージ電流のみならず、半導体モジュールが有する浮遊容量において生成されるノイズとこのサージ電流の合成によって得られたノイズなど、サージ電圧に起因する種々のノイズが含まれる。また、サージ電圧の因子となる配線インダクタンスＬを小さくすることもノイズの抑制には重要である。

発生したノイズは、抵抗素子の抵抗値の大きさとコンデンサ素子の容量の大きさに依存してスナバ回路にバイパスされるため、選定された素子によっては所望のノイズをバイパスすることができない。よって発生するノイズを主回路やパワー半導体素子等の全体構成から見据えて、適切な抵抗素子とコンデンサ素子を選定する。また、本実施の形態１では、Ｕ相アームに対し一括で設けられた一括スナバを採用したが、各スイッチ素子に１対１で設けられる個別スナバとしてもよく、例えばＩＧＢＴ５ａ、５ｂそれぞれにスナバ回路を接続してもよい。スナバ回路には種々の構成があり、本実施の形態ではＲＣスナバを採用したが、これに限らず、容量性部材のみを配したＣスナバ、容量性部材に抵抗と整流素子を組み合わせたＲＣＤスナバ（充放電型ＲＣＤスナバ、放電阻止型スナバ）等があり、用途やコストに応じて選定すればよい。個別スナバであれば、それぞれのパワー半導体素子に最適なスナバ回路の回路素子を選定でき、一方、一括スナバであればスナバ回路を簡素化できる。

本実施の形態の半導体モジュール８において、各ＩＧＢＴ、ＰｉＮダイオードはモールド樹脂１８に封止された状態で実装され、各スナバ回路７はモールド樹脂１８の外部に露出した後述の主端子１０に直接接続されている。その構造を以下に図を用いて説明する。図３は半導体モジュールの内部構造を上面側から示した図であり、図４は図３のＡ−Ａ断面の矢印方向から見た図である。図５は半導体モジュールの外観斜視図である。これらの図を用いて半導体モジュール８の構造を説明する。

三相インバータ１の主回路のアーム構成のうち、Ｕ相上側アームのパワー半導体素子１００ａとしてＩＧＢＴ５ａとＰｉＮダイオード６ａが、金属ブロック１１ａの上部に、半田９によって接合され、載置されている。ＩＧＢＴ５ａは、上面側にエミッタ電極Ｅとゲート電極Ｇが形成され、下面側にコレクタ電極Ｃが形成されている。また、ＰｉＮダイオード６ａは、上面側にアノード電極Ａが、下面側にカソード電極Ｋが形成されている。ＩＧＢＴ５ａの上面側にあるゲート電極Ｇには、外部との間でＩＧＢＴ５ａのオン、オフを制御する制御信号を入出力するための信号線として、３本のボンディングワイヤ１９ａのうちの１本の一端が接続されており、このボンディングワイヤ１９ａの他端は制御端子１７ａに接続されている。３本のボンディングワイヤ１９ａのうち残り２本とそれに接続する制御端子１７ａは、図示しないが、温度検知のためＩＧＢＴ５ａのチップ上に形成された検温ダイオードのアノード電極、カソード電極にそれぞれ接続されるものである。このゲート電極Ｇから制御端子１７ａに至る導通路は制御回路に相当し、主回路とは異なり、また制御端子１７ａは主端子とは異なる。

ＩＧＢＴ５ａの上面側のエミッタ電極Ｅと、ＰｉＮダイオード６ａの上面側のアノード電極Ａは、ともに電極フレーム１６ｃへ半田９によって接合される。また、電極フレーム１６ａが、金属ブロック１１ａへ半田９によって接合される。電極フレーム１６ａ及び電極フレーム１６ｃにおけるモールド樹脂１８の外側に突出した部分は、それぞれ正極接続点Ｐｕ及び中間接続点Ｍｕとして配索導電部材２１に接続する。

また、同様にＵ相下側アームのパワー半導体素子１００ｂとしてＩＧＢＴ５ｂとＰｉＮダイオード６ｂが、金属ブロック１１ｂの上部に半田９によって接合、載置されている。ＩＧＢＴ５ｂはＩＧＢＴ５ａと同じく、上面側にエミッタ電極Ｅとゲート電極Ｇが形成され、下面側にコレクタ電極Ｃが形成されている。ＰｉＮダイオード６ｂはＰｉＮダイオード６ａと同じく、上面側にアノード電極Ａが、下面側にカソード電極Ｋが形成されている。ＩＧＢＴ５ｂのゲート電極Ｇと図示しないＩＧＢＴ５ｂのチップ上に形成された検温ダイオードのアノード電極、カソード電極は、ボンディングワイヤ１９ｂを介して制御端子１７ｂに接続される。

ＩＧＢＴ５ｂの上面側のエミッタ電極Ｅと、ＰｉＮダイオード６ｂの上面側のアノード電極Ａは、ともに電極フレーム１６ｂへ半田９によって接合される。また、電極フレーム１６ｃが、金属ブロック１１ａの上方から分枝しつつ、金属ブロック１１ｂへ半田９によって接合される。電極フレーム１６ｂにおけるモールド樹脂１８の外側に突出した部分は、負極接続点Ｎｕとして配索導電部材２１に接続する。

電極フレーム１６ａ、電極フレーム１６ｂ、電極フレーム１６ｃは、モールド樹脂１８で封止された封止体から、封止体の下面と略平行に、側方へ突出している。電極フレーム１６ａと電極フレーム１６ｂは封止体の同一側面から平行して突出しており、その対向する側面から電極フレーム１６ｃが突出している。これら電極フレーム１６ａ、１６ｂ、１６ｃにおけるモールド樹脂１８の外側に突出した一部分は、特許請求の範囲における、スイッチ素子により断続される電流が流れる主回路と電気的に接続する主端子１０にいずれも相当し、それぞれ主端子１０ａ、１０ｂ、１０ｃとする。

主端子１０ａ、１０ｂには、スナバ回路７の実装基板７ｃが取付けられる。この実装基板７ｃには共締め孔１４が空いており、ネジ部材１５により、主端子１０ａ、１０ｂと共に共締めされる。図５のネジ部材１５は、共締めする前の状態を示しており、図４のネジ部材１５の状態となるように、下方にある共締め孔１４に挿入するものである。ネジ部材１５は図示しないが、主端子１０ａ、１０ｂの下方にあるナットで受けて締めている。この共締め時に、図示しない配索導電部材２１も共締めすることで、半導体モジュールを含めた主回路が構成される。また、実装基板７ｃ上には抵抗素子７ａとコンデンサ素子７ｂが配置されると共に抵抗素子７ａとコンデンサ素子７ｂは直列に接続しており、実装基板７ｃを介して主端子１０ａ及び１０ｂに電気的に接続している。

金属ブロック１１ａ、１１ｂは電流導通の機能も有しており、パワー半導体素子１００ａ、１００ｂの電極と接続されて、その電極と同電位となる。一方、後述する金属ベース２０ｂ（図６、図７参照）は電力変換装置１の筺体の一部となる、または、筺体に対して金属ネジ等を用いて剛性を保って係止されるため、装置全体を外部に取り付ける部分と同電位となる。そのため、金属ブロック１１ａ、１１ｂと金属ベース２０ｂとの間は、放熱性と絶縁性の両立する要求を満たすために、シリカやアルミナなどの伝熱フィラー材を混入したシート状の高分子樹脂（高熱伝導絶縁層）１２を適用して介挿される。

金属ブロック１１ａと金属ブロック１１ｂは、共にシート状の高分子樹脂１２の上面に配置しており、高分子樹脂１２の反対面(金属ブロック１１ａ、１１ｂとの当接面と対向する面)に設けられた金属箔１３との間で、電気絶縁されている。

金属ブロック１１ａの電位は、ＩＧＢＴ５ａのコレクタ電極Ｃと同電位であり、電極フレーム１６ａを通って、正極接続点Ｐｘ（Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗ）を経由し、配索導電部材２１によって直流高圧電源２の出力の高電位側へ接続される。また、金属ブロック１１ｂの電位は、ＩＧＢＴ５ｂのコレクタ電極Ｃと同電位であり、電極フレーム１６ｃを通って、中間接続点Ｍｘ（Ｍｕ、Ｍｖ、Ｍｗ）を経由し、端子Ｘａｃ（Ｕａｃ、Ｖａｃ、Ｗａｃ）にて、回転機３の三相端子と接続される。ＩＧＢＴ５ｂのエミッタ電極Ｅと、ＰｉＮダイオード６ｂのアノード電極Ａは、電極フレーム１６ｂに接合し、負極接続点Ｎｘ（Ｎｕ、Ｎｖ、Ｎｗ）を経由して、配索導電部材２１によって直流高圧電源２の出力の低電位側へ接続される。したがって、電極フレーム１６ｂは、直流高圧電源２の出力の低電位と同じ電位となる。なお、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各半導体モジュール８ｕ、８ｖ、８ｗの電極フレーム１６ａ、電極フレーム１６ｂ、電極フレーム１６ｃには、各相を通じて同一番号を付与しているが、各相別個に電極フレーム１６ａ、電極フレーム１６ｂ、電極フレーム１６ｃを有している。

ＩＧＢＴ５ａとＩＧＢＴ５ｂとは、直列接続の短絡状態とならないよう、同時にはスイッチ オンの状態にはならないようスイッチング制御される。ＩＧＢＴ５ａがスイッチ オンの状態では、正（半導体モジュール８から回転機３へ流出する向き）の方向に電流は流れ、ＩＧＢＴ５ａのエミッタ電極Ｅの電位は、直流高圧電源２の出力の高電位と略同電位となり、電極フレーム１６ｃを介して接続される金属ブロック１１ｂの電位も同電位となる。一方、ＩＧＢＴ５ｂがスイッチ オンの状態では、負（回転機３から半導体モジュール８へ流入する向き）の方向に電流は流れ、ＩＧＢＴ５ｂのコレクタ電極Ｃの電位は、直流高圧電源２の出力の低電位と略同電位となり、電極フレーム１６ｃを介して接続される金属ブロック１１ｂの電位も同電位となる。

パワー半導体素子１００は、その寸法がおよそ５ｍｍ×５ｍｍ程度から２０ｍｍ×２０ｍｍ程度、あるいは、これに準じた矩形の寸法で構成されており、モールド樹脂１８の寸法は５０ｍｍ×５０ｍｍ程度となる。

以上のように構成された半導体モジュールは、サージ電圧によるノイズが外部に漏洩することを防止しつつ、ヒートサイクルにおける高耐久性と、半導体モジュールの汎用性が高いという効果をも達成するものである。以下にその効果を説明する。本発明の半導体モジュールは、スイッチ素子及びスイッチ素子に逆並列に接続された整流素子を有するパワー半導体素子を内蔵し、スイッチ素子により断続される電流が流れる主回路と電気的に接続する複数の主端子が外部に露出するようにモールド樹脂にて封止された樹脂封止型の半導体モジュールであって、容量性部材を有するとともにパワー半導体素子に発生するサージ電圧によるノイズを主端子間でバイパスするスナバ回路部を備えている。本実施の形態に沿えば、ＩＧＢＴ５及びＩＧＢＴ５に逆並列に接続されたＰｉＮダイオード６を有するパワー半導体素子１００を内蔵し、ＩＧＢＴ５により断続される電流が流れる主回路と電気的に接続する複数の主端子１０が外部に露出するようにモールド樹脂１８にて封止された半導体モジュール８であって、コンデンサ素子７ｂを有するとともにサージ電圧によるノイズを主端子１０ａと主端子１０ｂとの間でバイパスするスナバ回路７を備える。そのため、パワー半導体素子１００をスイッチ オン、オフすることで発生するサージ電圧によるノイズが、このスナバ回路部にバイパスされ、半導体モジュールから漏洩することを防止できる。スナバ回路部にも配線インダクタンスが存在し、ノイズの発生因子となるため、配線を短くしたり、太くしたりすることで低インダクタンス化を図り、ノイズの抑制をすればよい。

さらに、スナバ回路部は、モールド樹脂が形成するいずれかの外面の同じ面から露出する２つの主端子に直接接続されている。本実施の形態に沿えば、スナバ回路７は、モールド樹脂１８の同じ側面から露出する主端子１０ａ、１０ｂに直接接続されているため、ノイズがバイパスされる経路を小さくすることができる。そのため、従来の半導体モジュールでは、ノイズがバイパスされる経路が大きいことで大きなノイズが新たに発生し、半導体モジュールから外部との電気的な接続線を通じてこのノイズが漏洩したり、放射ノイズ対策に金属筐体のシールド性を高性能化させねばならないという課題が生じていたが、本発明では、大きなノイズの発生を抑制することで、ノイズの漏洩を防止しつつ、格別のシールド性の高性能化を要せずとも済む。

また、スナバ回路部は、モールド樹脂が形成する外面から露出する２つの主端子に接続されている。本実施の形態に沿えば、スナバ回路７は、モールド樹脂１８の側面から露出する主端子１０ａ、１０ｂに接続されている。そのため、スナバ回路部における各素子、例えばコンデンサと抵抗の選定、取付けをモールド樹脂による封止後にできる。サージ電圧により発生するノイズは、スイッチング周波数を含むスイッチ回路の全体構成によって異なり、スナバ回路部にこのノイズを吸収させるためには、主回路の動作特性に見合った適切な素子をスナバ回路部で選定しなければならない。そのため、パワー半導体素子と共にスナバ回路部をも樹脂封止していた従来の半導体モジュールの場合、ノイズを適切にスナバ回路部にバイパスするためには、既に樹脂封止された半導体モジュールでは、用いられるスイッチ回路が制限されるが、本発明の半導体モジュールの場合、既に樹脂封止された半導体モジュールであっても、主回路の動作特性に見合ったスナバ回路部を選定し取付け可能であるため、用いられる回路に制限がなく、半導体モジュールの汎用性が高めつつ、ノイズを抑制できる。

同様に、スナバ回路部は、モールド樹脂が形成する外面から露出する２つの主端子に接続されているため、ヒートサイクルにおける耐久性が高い。つまり、従来のパワー半導体素子と共に半導体スナバまでも樹脂封止していた半導体モジュールでは、モールド樹脂により封止されるパーツ数が多く、ヒートサイクルによりひびや剥がれが発生するリスクが高くなっていたところ、本発明の半導体モジュールは、パワー半導体素子を樹脂封止する一方で、スナバ回路部は、モールド樹脂の外部で接続されるため、モールド樹脂に封止されるパーツ数が減り、ヒートサイクルによりひびや剥がれが発生するリスクを減少させることができる。

以上の効果を有する構成に加えて、本発明では、スナバ回路部は、主回路と半導体モジュールとを電気的に接続する導電部材と共に第１端子または第２端子に締付け固定される共締め固定部を有し、スナバ回路を構成するスナバ回路素子が実装されるスナバ回路実装基板を備えることも可能である。本実施の形態に沿えば、図３〜図５にあるように、スナバ回路７は、配索導電部材２１と共に第１端子１０ａまたは第２端子１０ｂに締付け固定される共締め孔１４を有し、スナバ回路素子である抵抗素子７ａ及びコンデンサ７ｂが実装される実装基板７ｃを備えることも可能である。この構成により、半導体モジュールのうち、スナバ回路部とスナバ回路部を除くモールド樹脂に樹脂封止される部分とを、並行して製造することができ、製造時間の短縮が可能となるとともに、スナバ回路部を基板で取り扱うことができるため、その取扱いが簡単である。また、共締めすることで、パーツ数を削減し、製造工程数及びコストを減少させることができるとともに、振動に強く、頑丈な固定が可能となる。本実施の形態では、主端子１０ａ、主端子１０ｂの両方で共締めしたが、いずれか一方を共締めとし、他方を別の方法で電気的に接続してもよい。

以上の本実施の形態１では、半導体モジュール８の主端子のうち主端子１０ａ及び主端子１０ｂを一方の側面から露出し、その側面と反対の側面から主端子１０ｃを露出させたが、これに限らず、例えば同一の側面から主端子１０ａ、１０ｂ、１０ｃが露出するようにしてもよく、複数の主端子のうち主端子１０ａ及び主端子１０ｂが、モールド樹脂１８が形成するいずれかの外面の同じ面から露出していればよい。

本実施の形態１では一括スナバを用いて説明してきたが、同一の側面から主端子１０ａ、１０ｂ、１０ｃが露出する場合、主端子１０ａ及び主端子１０ｃ間をバイパスする第１のスナバ回路、主端子１０ｂ及び主端子１０ｃ間をバイパスする第２のスナバ回路と２つのスナバ回路部を備える構成であってもよい。これは上記で説明した個別スナバに相当する。また、本実施の形態１では３相それぞれに一括スナバを用いた構成であったが、少なくとも１つのパワー半導体素子に対して個別スナバを備える構成であれば、本発明の効果はある。

また、主端子の数は３つに限らず、例えばパワー半導体素子を１つ含んだ半導体モジュールであれば正極側と負極側の２つの主端子となる。また、３相全てのパワー半導体素子を含む半導体モジュールや、Ｈブリッジ回路を構成するパワー半導体素子からなる半導体モジュールであれば主端子の数はさらに増えうるが、スナバ回路部がこれらの主端子に直接接続されることで、これら半導体モジュールも本発明の効果を満たす構成となる。

また、図３〜図５にあるようにスナバ回路７と配索導電部材２１とを共締めしたが、溶接や半田付けを用いて主端子と接続してもよく、さらにスナバ回路７と主端子、配索導電部材２１と主端子、それぞれ別に接続してもよい。

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２に関して、以下に図を用いて説明する。回路ブロック図や半導体モジュールのモールド樹脂内の素子の構成等は、実施の形態１と同様であり、実施の形態１と異なる点、新たな点について詳述する。図６は、電力変換装置の実装形態を示す図である。図６は、電力変換装置１として、三相インバータを構成した場合であり、金属ベース２０ｂに対して、３個の半導体モジュール８ｕ、８ｖ、８ｗの搭載状態を模式的に示している。Ｕ相アームに対応する半導体モジュール８ｕ、Ｖ相アームに対応する半導体モジュール８ｖ、Ｗ相アームに対応する半導体モジュール８ｗのそれぞれが金属ベース２０ｂの上面へ整列して配置される。

三相インバータには、半導体モジュール８ｕ、８ｖ、８ｗのモールド樹脂１８より突出する各電極フレーム１６ａ、１６ｂ、１６ｃを支持するフレーム受台３５、３６が備えられ、このフレーム受台３５、３６は端子台に相当する。電極フレーム１６ａ及び電極フレーム１６ｂはフレーム受台３６に共に固定され、電極フレーム１６ｃは金属ベース２０ｂに固定される。フレーム受台３５、３６は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）といったエンジニアリングプラスチック材料からなり、電極フレーム１６と金属ベース２０ｂとの間に配置して電気絶縁を保つ。また、スナバ回路７は本実施の形態１の図３〜図５では実装基板７ｃを備える構成であったが、本実装の形態２では、各フレーム受台３６に収容された構成とする。収容されたスナバ回路７の詳細は、後述の図７、図８にて記載する。

金属ベース２０ｂはヒートシンクを兼ねる形態のものであり、金属ベース２０ｂの下面には表面積を増して放熱に適するよう放熱フィン２４が形成されている。ＩＧＢＴ５ａ、５ｂ、ＰｉＮダイオード６ａ、６ｂで発生した熱は金属ベース２０ｂへ伝熱し、下部の放熱フィン２４から空気、水、不凍液などの冷媒へ放熱される。

各電極フレーム１６ａ、１６ｂ、１６ｃの主端子１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、図示しない配索導電部材２１に係合しており、各相の主端子１０ａ、１０ｂは、図示しない平滑コンデンサ４、正極端子Ｐｄｃ及び負極端子Ｎｄｃへそれぞれ電気的に接続している。また、各相の主端子１０ｃは、図示しない端子Ｕａｃ、Ｖａｃ、Ｗａｃへそれぞれ電気的に接続している。

図７は半導体モジュール８ｕにおけるスナバ回路７ｕとスナバ回路７ｕを収容するフレーム受台３６の実装構造を示す図である。フレーム受台３６はフレーム受台基部３１とフレーム受台蓋部３２の２部品から成るが、これに限定されずフレーム受台基部３１とフレーム受台蓋部３２が一体になったものでもよい。電極フレーム１６ａと電極フレーム１６ｂの間で、電極フレーム１６ａ側から第１導通体３３、抵抗素子７ａ、第３導通体３０、コンデンサ素子７ｂ、第２導通体３４の順にこれらが物理的にも電気的にも接続している。

第３導通体３０は、例えば銅材を断面形状がＵ字状に加工してバネ性を付与した部品であって、電極フレーム１６ａと電極フレーム１６ｂとの間で、ほぼ等距離の位置で、フレーム受台基部３１内の最下面に載置される。第３導通体３０の電極フレーム１６ａ寄りの側面には、抵抗素子７ａが、側面の電極を第３導通体３０に接触するよう配置される。同様に、第３導通体３０の電極フレーム１６ｂ寄りの側面には、扁平状のコンデンサ素子７ｂが、側面の電極を第３導通体３０に接触するよう配置される。

第１導通体３３及び第２導通体３４は、板状の銅材などの金属導体を断面形状がＪ字状に加工してバネ性を付与したものである。正側の第１導通体３３は、一端が電極フレーム１６ａの下面と接し、他端は、抵抗素子７ａにおける、抵抗素子７ａと第３導通体３０との上記接触面と対向する側面の電極に接するよう配置される。負側の第２導通体３４は、一端が電極フレーム１６ｂの下面と接し、他端は、コンデンサ素子７ｂにおける、コンデンサ素子７ｂと後述する第３導通体３０との接触面と対向する側面の電極に接するよう配置される。

これら第１導通体３３、第２導通体３４、第３導通体３０、抵抗素子７ａ、コンデンサ素子７ｂは、フレーム受台基部３１の凹凸により、位置決めされて、上記の接続関係を構成する。また、フレーム受台蓋部３２が、電極フレーム１６ａ、電極フレーム１６ｂの間で、上方から、フレーム受台基部３１に対して嵌合するように配置する。

図８はスナバ回路７ｕとフレーム受台３６の実装構造を説明する展開図であり、図７に示す実装構造を展開すると図８の展開図が得られる。半導体モジュール８ｕは、モールド樹脂１８の一側面から電極フレーム（正極接続点Ｐｕ含む）１６ａと電極フレーム（負極接続点Ｎｕ含む）１６ｂが平行して突出している。また、前述の一側面と対向する側面から電極フレーム（中間接続点Ｍｕ含む）１６ｃが突出している。電極フレーム１６ａと電極フレーム１６ｂの下方に、フレーム受台基部３１が位置しており、その底面は金属ベース２０ｂに当接する。第３導通体３０は、フレーム受台基部３１内の最下部に位置決めして収容される。また、フレーム受台基部３１内の最下部に対し、電極フレーム１６ａと電極フレーム１６ｂに対向する面は盛り上がっており、電極フレーム１６ａに対向する面の一部には切り欠き３１２ａが設けられる。同様に、電極フレーム１６ｂに対向する面の一部には切り欠き３１２ｂが設けらる。また、フレーム受台蓋部３２の下面においても、電極フレーム１６ａに対向する面の一部に切り欠き３２１ａが設けられ、電極フレーム１６ｂに対向する面の一部に切り欠き３２１ｂが設けられる。

切り欠き３１２ａへは第１導通体３３の一部が電極フレーム１６ａの直下に位置するよう収容される。切り欠き３１２ｂへは第２導通体３４の一部が電極フレーム１６ｂの直下に位置するよう収容される。抵抗素子７ａとコンデンサ素子７ｂは、それぞれ両側方面が、第１導通体３３と第３導通体３０、第２導通体３４と第３導通体３０に接触するようにフレーム受台基部３１に収容される。

フレーム受台基部３１とフレーム受台蓋部３２が嵌合したとき、第１導通体３３の一部は上方から切り欠き３２１ａに収容され、第２導通体３４の一部は上方から切り欠き３２１ｂに収容される。また、第１導通体３３、第２導通体３４及び第３導通体３０は、抵抗素子７ａ、コンデンサ素子７ｂに対してバネとして働く。つまり、抵抗素子７ａの電極面である両側方面は、それぞれ、第１導通体３３と第３導通体３０のバネ性で付勢されて、抵抗素子７ａに対して第１導通体３３と第３導通体３０が電気的に接続する。同様に、コンデンサ素子７ｂの電極面である両側方面は、それぞれ、第２導通体３４と第３導通体３０のバネ性で付勢され、コンデンサ素子７ｂに対して第２導通体３４と第３導通体３０が電気的に接続する。

なお、電極フレーム１６ｃの下部へは、スナバ回路７ｕが実装されないものの、フレーム受台３６と同様な絶縁材料から成るフレーム受台３５を配して、金属ベース２０ｂとの間の電気絶縁を保っている。

また、フレーム受台基部３１とフレーム受台蓋部３２との嵌合の維持については、明示していないが、図示していない別の係止部材で固定している。または、フレーム受台蓋部３２の一部が電極フレーム１６ａ、電極フレーム１６ｂの下面に入り込むような羽根状の延伸部を備えており、その延伸部が入り込むことで固定してもよい。または、電極フレーム１６ａ、電極フレーム１６ｂの主端子１０を配索導電部材２１と締結するのに連動して、嵌合する方向に押圧するものであっても良い。

また、本実施の形態はＲＣスナバを用いたため第３導通体３０を用いて電気的に接続したが、例えばＣスナバであれば第３導通体３０を用いる必要はなく、コンデンサ素子の両端子を、それぞれ第１導通体３３、第２導通体３４に接続すればよい。このように、スナバ回路素子は構成する素子数は１つに限らない。１つの素子で構成される場合は、一方の端子が第１導通体３３に接続され、他方の端子が第２導通体３４に接続されるが、連結した複数の素子で構成される場合は、その連結体の一端の素子に第１導通体３３が接続し、他端の素子に第２導通体３４が接続する。この際、各素子間は例えば第３導通体３０によってそれぞれ接続するようにすればよい。

以上のように構成された、本実施の形態２にかかる半導体モジュールは、第１端子及び第２端子を支持するとともにスナバ回路部を収容する端子台を備え、スナバ回路部は、スナバ回路を構成するスナバ回路素子と、スナバ回路素子の一方の端子及び第１端子を電気的に接続するように、スナバ回路素子の一方の端子及び第１端子を付勢する弾性力を有する第１導通体と、スナバ回路素子の他方の端子及び第２端子を電気的に接続するように、スナバ回路素子の他方の端子及び前記第２端子を付勢する弾性力を有する第２導通体と、を備えている。本実施の形態２に沿えば、実施の形態１に記載の実装基板７ｃを備えた構成に替えて、図６〜図８にあるように、第１端子１０ａ及び第２端子１０ｂを支持するとともにスナバ回路７を収容するフレーム受台３６を備え、スナバ回路７は、スナバ回路素子である抵抗素子７ａ及びコンデンサ７ｂと、抵抗素子７ａの一側面の電極と第１端子１０ａを電気的に接続するように、抵抗素子７ａの該電極及び第１端子１０ａを付勢する弾性力を有する第１導通体３３と、コンデンサ７ｂの一側面の電極と第２端子１０ｂを電気的に接続するように、コンデンサ７ｂの該電極及び第２端子１０ｂを付勢する弾性力を有する第２導通体３４と、を備えている。そのため、第１端子及び第２端子を支持するものとスナバ回路部を収容するものを一体化したことにより、パーツ数を減らすことができる。また、第１端子及び第２端子にスナバ回路部を電気的に接続する際に、溶接や締付けを用いず、第１導通体及び第２導通体の弾性力を利用するため、スナバ回路部の組立を簡単にすることができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３に関して、図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施の形態３に係る半導体モジュールの回路図である。実施の形態１では、半導体モジュール８（８ｕ、８ｖ、８ｗ）に封止されるパワー半導体素子１００として、シリコン半導体材料によるバイポーラ型半導体のＩＧＢＴ、同じくバイポーラ型半導体のＰｉＮダイオードを用いたが、図９ではユニポーラ型のパワー半導体素子を用いる例を示しており、いずれも、一つのアームを構成単位としている。

図９（ａ）は、スイッチ素子としてＩＧＢＴ５ａ、５ｂを用い、整流素子としてＰｉＮダイオード６ａ、６ｂ（図２参照）に替えて、ショットキーバリアダイオード（金属接合障壁ダイオード、ＳＢＤ）２６ａ、２６ｂを適用するものである。このパワー半導体素子に並列にスナバ回路７（抵抗素子７ａ、コンデンサ素子７ｂ）が接続している。ショットキーバリアダイオードはユニポーラ型の半導体素子であることから、電流がダイオード内を、順方向に導通している状態から遮断する状態へ移行する転流動作の際に、リカバリ電流（逆回復電流）が、ほとんど流れず、ＰｉＮダイオードと比較して、発生損失が軽減されるという特徴がある。

図９（ｂ）は、整流素子としてＰｉＮダイオード６ａ、６ｂに替えて、ショットキーバリアダイオード２６ａ、２６ｂを適用し、スイッチ素子としてＩＧＢＴ５ａ、５ｂに替えて、ＭＯＳ−ＦＥＴ２７ａ、２７ｂを適用するものである。このパワー半導体素子に並列にスナバ回路７（抵抗素子７ａ、コンデンサ素子７ｂ）が接続している。ショットキーバリアダイオード２６ａ、２６ｂとＭＯＳ−ＦＥＴ２７ａ、２７ｂのいずれも、ユニポーラ型の半導体素子であり、ショットキーバリアダイオード２６ａ、２６ｂにあっては、リカバリ電流がほとんど流れず、発生損失が軽減される。

また、ＭＯＳ−ＦＥＴ２７ａ、２７ｂにあっては、ユニポーラ型の半導体素子であるがゆえ、ＩＧＢＴのようにターンオフ時の終盤に、ドリフト層内の蓄積キャリアが、再結合により消滅するまでの期間としてテール電流が流れるといった現象が生じず、スイッチングの応答が速いという特徴がある。スイッチングの応答が速いという特性を活かし、発生損失を軽減することができる。

図９（ｃ）は、スイッチ素子としてＩＧＢＴ５ａ、５ｂに替えて、ＭＯＳ−ＦＥＴ２７ａ、２７ｂを適用し、ＭＯＳ−ＦＥＴ２７ａ、２７ｂが整流素子の機能をも果たす構成のものである。この２つのＭＯＳ−ＦＥＴ２７ａ、２７ｂによる直列回路に並列にスナバ回路７（抵抗素子７ａ、コンデンサ素子７ｂ）が接続している。逆バイアス時（ドレイン電極の電位よりもソース電極の電位の方が高い状態）には、ＭＯＳ−ＦＥＴ２７ａ、２７ｂの半導体構造として内在するボディダイオードが、上記のＰｉＮダイオードやＳＢＤのように還流ダイオードとして機能する。このように、半導体が有するボディダイオードも、スイッチ素子に逆並列に接続された整流素子に相当する。この整流作用をも有するスイッチ素子は、ユニポーラ型半導体素子の特性が当てはまるため、図９（ａ）、図９（ｂ）と同様に、リカバリ電流がほとんど流れず、発生損失が軽減される、また、ターンオフ時にテール電流が流れず、スイッチングを速い応答性となるようＭＯＳ−ＦＥＴ２７ａ、２７ｂのゲート容量充電特性を設定して、発生損失を軽減することができる。

本実施の形態３における電力変換装置は、その全体を図示しないが、本実施の形態１に示した電力変換装置１において、半導体モジュール８（８ｕ、８ｖ、８ｗ）の回路が、図９（ａ）、９（ｂ）、９（ｃ）に示すもののいずれかを含む構成で実現した電力変換装置である。この電力変換装置の回路構成は、本実施の形態１で示したような１種の半導体モジュールのみで構成されるものに限らず、図２、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）の各回路構成を組合せた構成としてもよい。

これらＭＯＳ−ＦＥＴ２７ａ、２７ｂやショットキーバリアダイオード２６ａ、２６ｂといったユニポーラ型素子は、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、ダイヤモンドといったワイドバンドギャップ半導体材料から製造している。従来の半導体材料として良く用いられるシリコンは、バンドギャップ値が１．１２ｅＶであった。このシリコンのバンドギャップ値よりも大きなバンドギャップ値を持つ半導体材料が、ワイドバンドギャップと総称されており、それぞれのバンドギャップ値は炭化珪素（４Ｈ−ＳｉＣ）が３．２５ｅＶ、窒化ガリウムが３．３９ｅＶ、ダイヤモンドが５．４７ｅＶである。

上記のワイドバンドギャップ半導体を用いる利点として、高い耐圧のユニポーラ型パワー半導体素子を、実用的な特性で実現できるという点が挙げられる。これは、ワイドバンドギャップ半導体材料の絶縁破壊強度が、シリコンの絶縁破壊強度よりも、数倍以上、高い数値であるということに起因する。

高い耐圧のパワー半導体素子を実現するためには、半導体の内部のドリフト領域に厚みを持たせ、内部の電界強度が絶縁破壊を起こさないよう厚みが設定される。シリコンを用いたユニポーラ型のパワー半導体素子では、耐圧が１００Ｖを超える領域において絶縁破壊を生じない厚みを設定しようとすると、絶縁破壊強度が低いため、ドリフト領域の厚みを厚くしなければならない。このドリフト領域の厚みは、導通時に抵抗成分としても作用し、厚いと損失が著しく増加する。そのため、同程度の耐圧のバイポーラ型のパワー半導体素子と比較してドリフト領域が厚く、特性が劣ってしまう。

例えば、自動車に搭載の電気駆動システム用の電力変換装置の場合、直流電圧が１００Ｖから約７００Ｖに到る範囲の電圧帯を扱うため、パワー半導体素子には耐圧が６００Ｖ、あるいは１２００Ｖのものが用いられる。この電力変換装置に、シリコンを用いたユニポーラ型のパワー半導体素子を適用した場合、ドリフト領域を厚くしなければならず、損失が大きく、発熱による温度上昇により耐熱温度を超過することから、実用困難であった。

一方、ワイドバンドギャップ半導体材料は、高い絶縁破壊強度を有し、半導体の内部のドリフト領域の厚みを薄くできるため、損失が大きくならない。そのため、耐圧を高くしても、特性が良いユニポーラ型のパワー半導体素子が実現できる。すなわち、ユニポーラ型であることから、整流素子にあっては、リカバリ電流がほとんど流れず、発生損失が軽減される、また、スイッチ素子にあっては、ターンオフ時にテール電流が流れず、スイッチングの応答性を速く設定でき、発生損失を軽減することが可能となる。

また、シリコンに比べワイドバンドギャップ半導体材料は、ドリフト領域を薄くすることができるため、損失が小さく速い応答性を示し、小型、軽量なパワー半導体素子を設けることができる。なお、絶縁破壊強度は、それぞれシリコンが３．０×１０＾５Ｖ／ｃｍであるのに対して、炭化珪素（４Ｈ−ＳｉＣ）が２．５×１０＾６Ｖ／ｃｍ、窒化ガリウムが３．３×１０＾６Ｖ／ｃｍ、ダイヤモンドが１×１０＾７Ｖ／ｃｍである。

このワイドバンドギャップ半導体材料の高い絶縁破壊強度という特性により、ワイドバンドギャップ半導体は優れた温度特性も有する。ワイドバンドギャップ半導体は、より多くの熱エネルギーを与えないと絶縁破壊が起きないため、シリコンの場合の漏れ電流が流れ始める温度に比べ、その温度は高くなる。そのため、半導体として正常に動作する温度の上限を高く設定でき、より高温下での使用が可能となる。また、パワー半導体に供給する電力を増加させると、パワー半導体に生じる損失が増加して半導体モジュールが高温となるが、ドリフト領域が薄く損失を小さくすることができるため、温度上昇を抑えられる。以上のように、ワイドバンドギャップ半導体は高温での利用が可能となるとともに、高出力時にも温度上昇を抑えられるという、２つの温度特性に優れた特徴を有する。

上記のように、ユニポーラ型のパワー半導体素子を用いることで、スイッチ素子、整流素子の損失が軽減し、効率の向上が図れ、高電力密度の電力変換装置の実現に適している。さらに、耐圧が６００Ｖから１２００Ｖの、従来のシリコン半導体材料のユニポーラ型半導体素子では非実用的であった耐圧帯であっても、ワイドバンドギャップ半導体を用いれば実用化可能である。このとき、ユニポーラ型の特性とワイドバンドギャップの特性を活かすことができる。

しかしながら、ユニポーラ型のパワー半導体素子を用い、また、パワー半導体素子がワイドバンドギャップ半導体材料による６００Ｖから１２００Ｖに到る耐圧の半導体素子である場合、その両特性が有する速い応答性によって、電位変動が急激かつ振動的になり、ノイズを誘発し易いという問題が生じる。

そこで、本実施の形態３では、スナバ回路をモールド樹脂から露出する主端子に直接接続する構成を取るため、サージ電圧により誘発されたノイズもこの主端子間でパイパスされ、さらにこのノイズのループ経路を小さくすることができる。ゆえに、パワー半導体素子の応答性が速くなったとしても、サージ電圧によるノイズも半導体モジュールから漏洩することを防止し、速い応答性の実現とノイズ漏洩の防止が両立できる。

また、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いることで、シリコンに比べてより高温下での使用が可能となるが、そのために電力変換装置の作動時と停止時における高温、低温状態を繰り返すヒートサイクルの耐久性がより懸念される。スナバ回路をモールド樹脂の内部に配置する従来の構成では、高温域を含むヒートサイクルによって各素子とモールド樹脂との間でひびや剥がれが生じうる箇所が多く存在した。しかし、本実施の形態３では、スナバ回路をモールド樹脂から露出する主端子に接続する構成を取るため、高温域を含むヒートサイクルであっても各素子とモールド樹脂との間でひびや剥がれが生じうる箇所が少なく、ひびや剥がれが生じにくくなる。すなわち、本実施の形態３により、高温域での使用とヒートサイクルにおける高耐久性が両立できる。

本実施の形態３では、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたユニポーラ型半導体で半導体モジュールを構成したが、ユニポーラ型半導体に限らず、ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたバイポーラ型半導体であってもよい。

本実施の形態３における電力変換装置の一例としては、ＨＥＶやＥＶといった車両に搭載されるインバータやＤＣ−ＤＣコンバータが挙げられる。この際、スナバ回路部を備える本発明の半導体モジュールがこれらインバータやＤＣ−ＤＣコンバータに適用される。図１０に本実施の形態３の半導体モジュールを車載のＤＣ−ＤＣコンバータ及びインバータに適用した自動車用電気駆動システムの構成図を示す。

図１０の電気駆動システムは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の一次側端子Ｐ１、Ｎ１にニッケル水素電池やリチウムイオン電池、燃料電池などの直流電源となる電池１０３を、二次側端子Ｐ２、Ｎ２にインバータ１０１ａを接続している。更に、インバータ１０１ａの出力側には回転機３が接続されている。回転機３は車両の駆動力源となる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、一次側の電池１０３の電圧をＤＣ−ＤＣ電圧変換して二次側のインバータ１０１ａに供給する。インバータ１０１ａは回転機３と交流電力を授受する。このシステムは回転機３の駆動を用いて回生発電して電池１０３に蓄電することも可能である。

車両には、これらインバータとＤＣ−ＤＣコンバータの他にも多くの電子機器が搭載されるが、車両という限られた狭いスペースにこれら電子機器が搭載されるため、各電子機器間の距離が短く、各電子機器から発生するノイズの影響が大きく、特にラジオや各種制御機器はノイズの影響を受けやすい。中でも大電流、高電圧を要するインバータとＤＣ−ＤＣコンバータは、サージ電圧による大きなノイズを発生しやすいため、このノイズの漏洩防止が重大な課題である。インバータとＤＣ−ＤＣコンバータに適用された本実施の形態３の半導体モジュールは、サージ電圧によるノイズを主端子間でバイパスし、半導体モジュール外へのノイズの漏洩を防止するため、車載という条件下で特に効果的である。

また、車載のインバータとＤＣ−ＤＣコンバータは、大電流、高電圧での運転により発熱量も大きく、ヒートサイクルにおける各素子とモールド樹脂間のひびや剥がれがさらに懸念されるが、スナバ回路部をモールド樹脂の外面から露出する主端子に接続しているため、ヒートサイクルにおける耐久性が高く、本発明の半導体モジュールをこれらに適用することは特に効果的である。さらに車両は、砂漠や極寒地といった温度環境が苛酷な状況下での使用が考えられ、ヒートサイクルにおける耐久性が特に課題として挙げられるため、本発明の半導体モジュールは、車載時に特に効果的である。

以上に、車載のインバータとＤＣ−ＤＣコンバータに適用される半導体モジュールとして、本実施の形態３の半導体モジュールを用いて説明したが、本実施の形態１、２の半導体モジュールでも、上記の効果はある。ただし、本実施の形態３にある、ワイドバンドギャップ半導体で構成されたパワー半導体素子を用いた半導体モジュールの方が、ワイドバンドギャップ半導体の特性と車載のインバータとＤＣ−ＤＣコンバータという条件を効果的に生かしている。

実施の形態４
本発明に関する実施の形態を、実施の形態１〜３によって説明したが、これらは本発明の好適な実施事例を例示したものに過ぎない。例えば、後述の図１１に示す太陽光発電におけるＤＣ−ＤＣコンバータやインバータに適用するものであっても良い。

図１１は、本発明の実施の形態３による太陽光発電用の電力変換システムの構成図である。図１１の太陽光発電用電力変換システムにおいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の一次側端子Ｐ１、Ｎ１に太陽電池１０４を、また、二次側端子Ｐ２、Ｎ２にインバータ１０１ｂを接続している。インバータ１０１ｂは、フィルタ１０５を介して商用交流電源１０６に接続しており、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は一次側の太陽電池１０４の発電電圧をＤＣ−ＤＣ電圧変換して二次側のインバータ１０１ｂに供給する。インバータ１０１ｂは、直流電圧を所定の商用交流電圧の振幅、周波数にＤＣ−ＡＣ変換して商用電力系統に供給する。

このような構成であっても、本実施の形態の半導体モジュールは、実施の形態１、２で詳述したように、サージ電圧によるノイズが半導体モジュール外へ漏洩することを防止しつつ、ヒートサイクルにおける耐久性が高く、半導体モジュールの汎用性が高いという効果を有する。また、図３〜５のようなスナバ回路実装基板を備えた場合や、図６〜８のような端子台を備えた場合、また、バンドギャップ半導体で構成した場合にも、既述の効果をそれぞれ有する。

以上に説明した実施の形態１〜４の構成、動作に限定されることはなく、本発明の範囲内にある限り、別な構成、動作へ変更を加えて実施してもよい。例えば、モールド樹脂内のスイッチ素子や整流素子等の配置、構成はこれに限定されない。また、スイッチ素子には、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の能動的にスイッチの切換が行われる素子であればよく、整流素子として、本実施の形態のＰｉＮダイオードやショットキーバリアダイオード、ＦＥＴのボディダイオード等、種々の整流素子を採用してよい。

１ 電力変換装置
５、５ａ、５ｂ ＩＧＢＴ
６、６ａ、６ｂ ＰｉＮダイオード
７、７ｕ、７ｖ、７ｗ スナバ回路
７ａ、７ｕａ 抵抗素子
７ｂ、７ｕｂ コンデンサ素子
７ｃ、７ｕｃ 実装基板
８、８ｕ、８ｖ、８ｗ 半導体モジュール
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 主端子
１４ 共締め孔
１５ ネジ部材
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ 金属フレーム
１８ モールド樹脂
２６ａ、２６ｂ ショットキーバリアダイオード
２７ａ、２７ｂ ＭＯＳ−ＦＥＴ
３１ フレーム受台基部
３２ フレーム受台蓋部
３３ 第１導通体
３４ 第２導通体
３５、３６ フレーム受台
１００、１００ａ、１００ｂ パワー半導体素子
１０１ａ、１０１ｂ インバータ
１０２ ＤＣ−ＤＣコンバータ

本発明に係る半導体モジュールは、スイッチ素子及びスイッチ素子に逆並列に接続された整流素子を有するパワー半導体素子を内蔵し、スイッチ素子により断続される電流が流れる主回路と電気的に接続する複数の主端子が外部に露出するようにモールド樹脂にて封止された樹脂封止型の半導体モジュールであって、複数の主端子のうち、第１端子及び第２端子は、モールド樹脂が形成するいずれかの外面の同じ面から露出しており、容量性部材を有するとともに第1端子及び第２端子に架橋するように直接接続され、パワー半導体素子で発生するサージ電圧によるノイズを当該端子間でバイパスするスナバ回路部を備えるものである。

Claims (7)

1. スイッチ素子及び前記スイッチ素子に逆並列に接続された整流素子を有するパワー半導体素子を内蔵し、前記スイッチ素子により断続される電流が流れる主回路と電気的に接続する複数の主端子が外部に露出するようにモールド樹脂にて封止された樹脂封止型の半導体モジュールであって、
   複数の前記主端子のうち、第１端子及び第２端子は、前記モールド樹脂が形成するいずれかの外面の同じ面から露出しており、
   容量性部材を有するとともに前記第1端子及び前記第２端子に直接接続され、前記パワー半導体素子で発生するサージ電圧によるノイズを当該端子間でバイパスするスナバ回路部を備える
   ことを特徴とする半導体モジュール。
2. 前記第１端子及び前記第２端子を支持するとともに前記スナバ回路部を収容する端子台を備え、
   前記スナバ回路部は、
   スナバ回路を構成するスナバ回路素子と、
   前記スナバ回路素子の一方の端子及び前記第１端子を電気的に接続するように、前記スナバ回路素子の一方の端子及び前記第１端子を付勢する弾性力を有する第１導通体と、
   前記スナバ回路素子の他方の端子及び前記第２端子を電気的に接続するように、前記スナバ回路素子の他方の端子及び前記第２端子を付勢する弾性力を有する第２導通体と、
   を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
3. 前記スナバ回路部は、
   前記主回路と前記半導体モジュールとを電気的に接続する導電部材と共に前記第１端子または前記第２端子に締付け固定される共締め固定部を有し、スナバ回路を構成するスナバ回路素子が実装されるスナバ回路実装基板
   を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の半導体モジュール。
4. 前記スイッチ素子及び前記整流素子のうち少なくとも一方は、そのバンドギャップがシリコンより大きいワイドバンドギャップ半導体で構成した
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体モジュール。
5. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンドのいずれかのワイドバンドギャップ半導体材料により形成されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の半導体モジュール。
6. 車載のインバータに適用され、
   前記インバータは車両の駆動用回転機を負荷とするものである
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体モジュール。
7. 車載のＤＣ−ＤＣコンバータに適用される
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体モジュール。

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