JP2016101065A - 半導体電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、ディスクリートタイプの半導体素子SeがIGBTの場合は、等価回路で表すと、図12(a)に示すように、コレクタ及びエミッタ間にフリーホイーリングダイオードが逆方向接続された構成を有する。外見は、図12(b)に示すように、正面から見て長方形で、下端部には、左側からゲート端子G、コレクタ端子C及びエミッタ端子Eが順に突出形成されている。また、厚みは、図12(c)に示すように比較的薄く、非絶縁パッケージの場合、背面側にコレクタ端子Cと同電位となる背面金属板部C2が露出して形成されている。
複数のディスクリートタイプの半導体素子Seを並列接続する場合には、図13に示すように横長の共通冷却フィンFに背面金属板部C2を接触させて並列配置するようにしている。また、ヒートシンク上に絶縁伝熱シートを介して半導体ディスクリート部品を並列配置することも知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、前述した特許文献3に記載されているように、中央のコレクタ端子Cを背面金属板部とは反対側の前方に折り曲げ、その折り曲げ端をさらに下方に折り曲げてプリント基板の挿通孔に挿通することも考えられる。この場合には、図15に示すように、複数のディスクリートタイプの半導体素子を直列に接続する場合、コレクタ端子Cが前方に折り曲げられて突出する関係で、ディスクリートタイプの半導体素子Seの前方側の絶縁沿面距離がコレクタ端子の絶縁沿面距離分だけ前方に膨出することになり、プリント基板上でのディスクリートタイプの半導体素子Seの配列長さが長くなり、結果としてプリント基板サイズの大型化に繋がってしまい、コストアップとなるという未解決の課題がある。
〔第1の実施形態〕
本発明の一態様を示す第1の実施形態では、図1(a)に示すディスクリートタイプのディスクリート半導体素子Seが図1(b)に示すように基板としてのプリント基板11に装着されている。
そして、中央位置のコレクタ端子Cが、図1(a)に示すように、パッケージ12の底面から下方に突出する突出部13aと、この突出部13aの下端から背面金属導体板部C2を含む平面に向かって底面と平行に折り曲げられた第1折曲部13bと、この第1折曲部13bの背面金属導体板部C2を含む平面より後方側の先端位置で下方に折り曲げられた第2折曲部13cとを有する折曲部13とで構成されている。
なお、上記実施形態では、第1折曲部13bと第2折曲部13cにより2段階で折り曲げた場合を示しているが、必要な絶縁沿面距離CDを確保できるようにすれば折曲位置や折曲位置の個数を任意に設定することも可能である。例えば、折曲位置を第1折曲部13bのみとしてコレクタ端子が挿通孔14c(図1(a)参照)に対して斜めに挿通するようにしてもよく、また、折曲位置を3個以上設けるようにしてもよい。
放熱フィン16は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金、銅等の高熱伝導率の金属材料で例えば引き抜き加工によって形成され、平坦面を有する板状部16aと、この板状部16aの背面側からプリント基板11と平行に上下方向に所定間隔を保って後方に延長する複数のフィン部16bとで構成されている。
そして、ディスクリート半導体素子Seと放熱フィン16とで構成される半導体装置SDを等価回路で表すと、図2(b)に示すように、ディスクリート半導体素子Seが電圧制御型半導体スイッチング素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)Qと、この絶縁ゲートバイポーラトランジスタQに逆接続されたフリーホイーリングダイオードDとで構成され、コレクタ端子Cと放熱フィン16とが電気的に接続されて同電位となっている。また、図2(a)に示すように、プリント基板11の配線パターン11aによってディスクリート半導体素子Seのコレクタ端子Cの第2折曲部13cと放熱フィン16の固定治具16cとが同電位とされている。
この半導体電力変換装置20の一例は、例えば5レベル半導体電力変換装置を例にとり、その三相中の一相分を表すと、図3に示す構成を有する。
すなわち、正極ラインP1と負極ラインN1との間に、直列に接続された4個の充放電用コンデンサ301〜304と、直列に接続された例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される4個の半導体スイッチング素子Q1〜Q4が直列に接続された上スイッチングアームSA1u及び直列に接続された例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される4個の半導体スイッチング素子Q5〜Q8が直列に接続された下スイッチングアームSA1dの直列回路とが、並列に接続されている。
また、充放電用コンデンサ301,302間の中点に正極ラインP2が接続され、充放電用コンデンサ302,303間の中点に中性点ラインMが接続され、充放電用コンデンサ303,304間の中点に負極ラインN2が接続されている。
また、半導体スイッチング素子Q3〜Q6の直列回路には、直列に接続されたダイオードD11,D12が逆並列に接続され、そのダイオードD11,D12間の中点が充放電用コンデンサ302,303間の中点を介して中性点ラインMに接続されている。
そして、上述した上スイッチングアームSA1u及び下スイッチングアームSA1dを構成する各半導体スイッチング素子Q1〜Q8及びフリーホイーリングダイオードD1〜D8は、図3及び図4(a)に示すように、ディスクリート半導体素子Se1〜Se8で構成され、これらディスクリート半導体素子Se1〜Se8を、図4(b)に示すように、個別に放熱フィン16に固定保持して半導体装置SD1〜SD8が構成されている。
また、放熱フィン16をプリント基板11に形成した配線パターン11aによって高電位端子となるコレクタ端子C及び背面金属導体部C2と同電位となるようにしている。このため、コレクタ端子Cの第1折曲部13bを放熱フィン16の下面に近づけても放電などが発生することはなくなる。しかも、ディスクリート半導体素子Seを放熱フィン16に固定する際には、電気的な面から考慮する接触抵抗と、冷却的な面から考慮する接触熱抵抗との双方を考慮する必要がある。しかしながら、本実施形態では、放熱フィン16とコレクタ端子C及び背面金属端子C2とが同電位であるので、ディスクリート半導体素子Seを放熱フィン16に固定する際に、特に電気的な面から考慮する接触抵抗は不要であり、例えば絶縁特性を有する熱伝導部材などを使用しても問題ない。
次に、本発明の第2の実施形態について図7を伴って説明する。
この第2の実施形態は、各ディスクリート半導体素子Seのゲートを駆動するゲート駆動回路を絶縁沿面距離の範囲上に配置するようにしたものである。
そして、隣接するディスクリート半導体素子Sei(i=1〜7)及びSei+1間で、ディスクリート半導体素子Seiのエミッタ端子Eiとディスクリート半導体素子Sei+1のコレクタ端子Ci+1とをプリント基板11の表面上に形成した配線パターンP21で接続する。
また、上記各実施形態では、5レベル電力変換装置に本発明を適用した場合について説明したが、図9に示す2レベル電力変換装置や3レベル、4レベルあるいは6レベル以上のマルチレベル電力変換装置にも本発明を適用することができる。
また、上記半導体スイッチング素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウムもしくはダイヤモンドのいずれかを主材料とするワイドバンドギャップ半導体材料で構成したワイドバンドギャップ半導体素子とすることもできる。
G…ゲート端子
C…コレクタ端子
E…エミッタ端子
11…プリント基板
12…パッケージ
13…折曲部
13a…突出部
13b…第1折曲部
13c…第2折曲部
14g,14c及び14e…挿通孔
16…放熱フィン
SD,SD1〜SD8…半導体装置
20…半導体電力変換装置
SA1u…上スイッチングアーム
SA1d…下スイッチングアーム
Q1〜Q8…半導体スイッチング素子
D1〜D8…フリーホイーリングダイオード
30…スリット
GD1〜GD8…ゲート駆動回路
Claims (9)
- ディスクリートタイプの複数の半導体素子を基板に固定して構成される半導体電力変換装置であって、
前記半導体素子は、一方の面に形成された放熱面と、該放熱面と交差する側面から突出され前記基板に保持される複数の端子とを備え、
前記複数の端子のうち他の端子に対して高電位となる高電位端子を、少なくとも前記放熱面を含む面に向かって折り曲げた
ことを特徴とする半導体電力変換装置。 - 前記半導体素子は、前記放熱面を金属導体で構成し、前記半導体素子を、放熱部品に前記金属導体を接触させた状態で固定して半導体装置を構成し、前記放熱部品が、前記高電位端子と同電位となるように設定されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体電力変換装置。
- 前記半導体素子は、前記高電位端子より低電位に設定され、当該高電位端子を挟んで整列された2つの低電位端子を備え、前記放熱部品は、前記低電位端子に対して沿面距離分離れた位置に前記基板への固定部が突出して形成されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体電力変換装置。
- 前記高電位端子は、前記放熱部品及び前記基板間を通る第1折り曲げ部と、該第1折り曲げ部から前記基板側に折り曲げられた第2折り曲げ部とを有することを特徴とする請求項3に記載の半導体電力変換装置。
- 前記第2折り曲げ部は前記低電位端子に対して沿面距離分離れた位置で折り曲げられていることを特徴とする請求項4に記載の半導体電力変換装置。
- 前記基板は、前記半導体素子の前記低電位端子を挿通する挿通孔と前記高電位端子を挿通する挿通孔との間に1つのスリットが形成されていることを特徴とする請求項3から5の何れか1項に記載の半導体電力変換装置。
- 前記半導体素子は、半導体スイッチング素子と当該半導体スイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードとを含んで構成され、前記半導体装置の複数を前記基板に前記高電位端子及び放熱部品の沿面距離を保って配置したことを特徴とする請求項2から6の何れか1項に記載の半導体電力変換装置。
- 前記半導体素子は、半導体スイッチング素子と当該半導体スイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードとを含んで構成され、前記半導体装置の複数を前記基板に前記高電位端子及び前記放熱部品の沿面距離を保って整列配置するとともに、隣接する半導体装置の一方の半導体素子の出力端子となる低電位端子と、他方の半導体素子の入力端子となる高電位端子とを電気的に接続し、前記一方の半導体素子の制御端子を駆動する駆動回路の一部を隣接する他方の半導体装置における前記放熱部品の沿面距離範囲内に配置したことを特徴とする請求項3から6の何れか1項に記載の半導体電力変換装置。
- 前記半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウムもしくはダイヤモンドのいずれかを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の半導体電力変換装置。
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