JP2019204924A - 半導体モジュールおよび電力変換装置 - Google Patents

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    • H02M5/458—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/4585—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases with intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes or semiconductor devices to convert the intermediate dc into ac using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having a rectifier with controlled elements

Abstract

【課題】主電極と外部装置との間の配線の長さを短くすることによって、小型化および配線インダクタンスの低減を図る。【解決手段】放熱用のベース板と、ベース板と向い合う下面、下面と逆側の上面、および下面と上面との間の複数の側面を備える本体とを備え、複数の側面のうちの第１側面に、第１主電流が流れる第１主電極が向い合って配置され、第１側面と逆側の第２側面に、第２主電流が流れる第２主電極が向い合って配置されている半導体モジュールを提供する。また、半導体モジュールを複数含む電力変換装置であって、予め定められた位置を囲むように複数の半導体モジュールが配置されることによって筒部が形成されており、筒部の一端の第１環状端面に、複数の第１主電極および複数の第２主電極のうち、一部の電極が配置されており、筒部の他端の第２環状端面に、残りの電極が配置されている電力変換装置を提供する。【選択図】図６

Description

本発明は、半導体モジュールおよび電力変換装置に関する。
台形形状の半導体モジュールが知られている。複数の台形形状の半導体モジュールは、台形の短辺に対応する面が環状中心を向くように環状に配列されている（例えば、特許文献１、２、３、および４参照）。半導体モジュールは、環状中心に向く面と、環状の外周の面にそれぞれ主電極が配置される。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１３−１８８０２７号公報
［特許文献２］ 特開２０１７−１９９８２７号公報
［特許文献３］ 特開２００７−１１６８４０号公報
［特許文献４］ 特開２００８−９９４６０号公報
半導体モジュールは、それぞれの主電極と外部装置との間の配線の長さを短くすることによって、小型化および配線インダクタンスの低減を図ることが望ましい。
本発明の第１の態様においては、半導体モジュールを提供する。半導体モジュールは、放熱用のベース板を備えてよい。半導体モジュールは、本体を備えてよい。本体は、下面および上面を備えてよい。下面は、ベース板と向い合ってよい。上面は、下面と逆側に配置されてよい。本体は、複数の側面を備えてよい。複数の側面は、ベース板と上面との間に備えられてよい。複数の側面のうちの第１側面に第１主電極が向い合って配置されてよい。第２側面に、第２主電極が向い合って配置されてよい。第１主電極には第１主電流が流れてよい。第２主電極には、第２主電流が流れてよい。第２側面は、第１側面と逆側に配置されてよい。
第３側面および第４側面には、テーパーが設けられてよい。第３側面および第４側面は、複数の側面のうち第１側面および第２側面以外の側面であってよい。第４側面は、第２側面の逆側に配置されてよい。
第３側面は、第１領域と第２領域とを有してよい。第２領域は、第１領域よりも上面に近くてよい。第４側面は、第１領域と第２領域とを有してよい。第２領域は、第１領域よりも上面に近くてよい。第２領域にはテーパーが設けられてよい。第１領域にはテーパーが設けられていなくてよい。
第１側面において第１主電極には、複数の半導体モジュール同士を連結するためのプレート締結部が設けられてよい。第２側面において第２主電極には、複数の半導体モジュール同士を連結するためのプレート締結部が設けられてよい。
半導体モジュールは、制御端子を更に備えてよい。制御端子は、第１主電流および第２主電流を制御してよい。制御端子は、上面から突出してよい。
第１主電極および第２主電極が、上面にも配置されてよい。上面において第１主電極および第２主電極には、複数の半導体モジュール同士を連結するための固定用締結部がそれぞれ設けられてよい。
第１主電極および第２主電極は、それぞれ第１側面および第２側面から表出して上面まで延伸してよい。第１主電極および第２主電極は、上面から表出して、それぞれ第１側面および第２側面まで延伸してよい。
本発明の第２の態様においては、電力変換装置を提供する。電力変換装置は、上記のいずれか一つに記載の半導体モジュールを複数含んでよい。予め定められた位置を囲むように複数の半導体モジュールが配置されることによって筒部が形成されてよい。筒部の一端の第１環状端面に、複数の第１主電極および複数の第２主電極のうち、一部の電極が配置されてよい。筒部の他端の第２環状端面に、複数の第１主電極および複数の第２主電極のうち、残りの電極が配置されてよい。
複数の半導体モジュールのそれぞれは、第３側面および第４側面に、テーパーが設けられてよい。第３側面および第４側面は、複数の側面のうち第１側面および第２側面以外の側面であってよい。第４側面は第３側面と逆側に配置されてよい。互いに隣接する半導体モジュールのテーパー同士が向い合うように、複数の半導体モジュールが配置されてよい。
複数の半導体モジュールのそれぞれは、制御端子を含んでよい。制御端子は、第１主電流および第２主電流を制御してよい。制御端子は、筒部の内側に向かって突出するように配置されてよい。
電力変換装置は、制御端子に接続される少なくとも一つの配線を備えてよい。配線は、筒部の一端および他端の少なくとも一方から筒部の内部に挿入されてよい。
電力変換装置は、筒状の外側放熱部を更に備えてよい。複数の半導体モジュールのそれぞれのベース板が外側放熱部に固定されてよい。
各半導体モジュールの第１側面および第２側面のそれぞれにおいて、複数の第１主電極および複数の第２主電極には、プレート締結部が形成されてよい。筒部の第１環状端面および第２環状端面の少なくとも一方において、隣接する第１主電極と第２主電極の少なくとも一部が、プレート締結部に固定されたプレートによって互いに電気的に接続されてよい。
筒部の内側の面において、各半導体モジュールの上面にも、第１主電流が流れる第１主電極および第２主電流が流れる第２主電極が配置されてよい。上面において第１主電極および第２主電極には、固定用締結部がそれぞれ設けられてよい。固定用締結部は、複数の半導体モジュール同士を連結するための締結部であってよい。筒部の内側において、半導体モジュールの上面に設けられた第１主電極が、隣接する半導体モジュールの上面に設けられた第１主電極または第２主電極に、固定用締結部に固定されたプレートによって接続されてよい。半導体モジュールの上面に設けられた第２主電極が、隣接する半導体モジュールの上面に設けられた第１主電極または第２主電極に、固定用締結部に固定されたプレートによって接続されてよい。
半導体モジュールは、第３側面および第４側面を有してよい。第３側面および第４側面は、複数の側面のうち第１側面および第２側面以外の側面であってよい。第４側面は、第３側面と逆側に配置されてよい。一の半導体モジュールの第３側面が、隣接する他の半導体モジュールの第３側面または第４側面に向い合うように、複数の半導体モジュールが予め定められた位置を囲んで配置されることによって筒部が形成されてよい。
複数の半導体モジュールが筒部の軸方向に配列されて半導体モジュール組を構成してよい。複数の半導体モジュールは、一の半導体モジュールの第１側面が、隣接する他の半導体モジュールの第１側面または第２側面と向い合うように配列されてよい。予め定められた位置を囲むように、複数組の半導体モジュール組が配置されることによって筒部が形成されてよい。
筒部の一端の第１環状端面には、正極端子および負極端子を備えてよい。正極端子は、入力電源の正極が接続されてよい。負極端子は、入力電源の負極が接続されてよい。筒部の他端の第２環状端面には、三相交流出力端子として、Ｕ端子、Ｖ端子、およびＷ端子を備えてよい。
第１主電極と第２主電極とが、第１環状端面および第２環状端面の少なくとも一方において、ｎ個ずつ交互に並んでよい。ｎは、正の整数であってよい。第１主電極と第２主電極とが、第１環状端面および第２環状端面の少なくとも一方において、一つずつ交互に並んでよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の実施形態の電力変換装置２０をモータ駆動システム２に適用した場合を示す図である。 電力変換装置２０を第１環状端面２２から見た図である。 電力変換装置２０を第２環状端面２４から見た図である。 電力変換装置２０の構成例を示す図である。 電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態の半導体モジュール１０の一例を示す側面図である。 半導体モジュール１０の一例を示す上面図である。 図７のＡ−Ａ´線に沿った半導体モジュール１０の断面図である。 半導体モジュール１０の他の例を示す断面図である。 半導体モジュール１０の他の例を示す断面図である。 複数の半導体モジュール１０が配列された半導体モジュール組１１の一例を示す上面図である。 複数の半導体モジュール１０が配列された半導体モジュール組１１の他の例を示す上面図である。 複数組の半導体モジュール組１１を配列した電力変換装置２０の構成例を示す図である。 複数の半導体モジュール１０の他の連結例を示す上面図である。 複数の半導体モジュール１０の他の連結例を示す上面図である。 電力変換装置２０の他の構成例を示す図である。 半導体モジュール１０の他の例を示す図である。 ２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。 ２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の第１環状端面から見た図である。 ２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の第２環状端面から見た図である。 ２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。 ２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の第１環状端面から見た図である。 ２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の第１環状端面から見た図である。 マトリックスコンバータである電力変換装置３００をモータ駆動システム４に適用する場場を示す図である。 マトリックスコンバータの回路構成の一例を示す図である。 マトリックスコンバータの第１環状端面３１２から見た図である。 マトリックスコンバータの第１中間部端面３１４から見た図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の第１実施形態の電力変換装置２０をモータ駆動システム２に適用する場合を示す。モータ駆動システム２は、電力変換装置２０を用いるシステムの一例である。モータ駆動システム２は、電力変換装置２０、入力電源３０、およびモータ装置４０を備える。電力変換装置２０は、入力された電力を別の電力に変換する装置である。具体的には、電力変換装置２０は、入力電源３０から入力された直流電力を交流電力に変換するインバータ装置であってよい。入力電源３０は、直流電源であってよい。モータ装置４０は、負荷の一例である。
本例の電力変換装置２０は、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆを含んでいる。後述するとおり、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆは、筒部２１を形成している。図１では、Ｘ軸方向の軸をもつ筒部２１が形成される。筒部２１の一端は、第１環状端面２２をなし、筒部２１の他端は、第２環状端面２４をなす。第１環状端面２２は、入力電源３０に向い合うように配置されてよく、第２環状端面２４は、モータ装置４０に向い合うように配置されてよい。
図２は、電力変換装置２０を第１環状端面２２から見た図である。図３は、電力変換装置２０を第２環状端面２４から見た図である。図２および図３に示されるとおり、半導体モジュール１０ａから１０ｆ（半導体モジュール１０と総称する場合がある）は、予め定められた位置を囲むように配置されている。これにより、筒部２１の内側の空間が形成される。筒部２１は、環状であってよい。電力変換装置２０に含まれる半導体モジュール１０の個数に応じて、端面方向から見た筒部２１の形状が定められてよい。電力変換装置２０に含まれる半導体モジュール１０が６個の場合は、端面方向から見た筒部２１が六角形状をしてよい。
各半導体モジュール１０は、放熱用のベース板１２と、本体１００とを含む。本体１００は、樹脂で形成されてよい。本体１００は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）またはポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ樹脂）等の熱可塑性樹脂で形成されてよい。但し、本体１００の材質は限定されない。複数の半導体モジュール１０は、それぞれベース板１２を外側に配置して、円形に配置されてよい。
ベース板１２は、金属、セラミックスや樹脂で形成される。例えば、ベース板１２は、アルミニウム、銅、またはこれらの少なくとも一つを含む合金で形成されてよい。例えば、ベース板１２は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、または窒化ケイ素などのセラミックスで形成されてよい。例えば、ベース板１２は、炭化ケイ素フィラーを添加したアルミニウム合金、または、炭化ケイ素フィラーを添加したマグネシウム合金等の金属基複合材料で形成されてよい。また、例えば、ベース板１２は、酸化シリコンフィラーを添加したエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で形成されてよい。ベース板１２が熱硬化性樹脂で形成されている場合、本体１００と一体で形成されてよい。ベース板１２は、１枚であっても、複数に分割されていてもよい。ベース板１２自体が水冷機構を設けた冷却板または冷却フィンとして機能してよい。また、ベース板１２には、図２および図３に示されるように、別体の水冷機構を設けた冷却板または冷却フィン６０等が接続されてもよい。冷却部分として機能するベース板１２を筒部２１の外周に設けることができるので、自然の空気や水による放熱の効率を高めることができる。
本体１００は、下面１３および上面１４を有する。下面１３は、ベース板１２と向い合う。上面１４は、下面１３と逆側に配置される面である。本体１００は、下面１３と上面１４との間において複数の側面を有する。複数の側面は、第１側面１３０および第２側面１３２を含む。第２側面１３２は、第１側面１３０と逆側の側面である。第１側面１３０および第２側面１３２は、台形をしていてよい。なお、下面１３は、第１側面１３０および第２側面１３２の台形の長辺に対応する面であってよい。台形の長辺に対応する面にベース板１２が設けられている。上面１４は、第１側面１３０および第２側面１３２の台形の短辺に対応する面であってよい。
さらに、本体１００は、第３側面１１０および第４側面１２０を含む。第３側面１１０および第４側面１２０は、本体１００における複数の側面のうち、第１側面１３０および第２側面１３２以外の側面である。第４側面は、第３側面と逆側の側面である。第３側面１１０および第４側面１２０には、テーパーが設けられている。具体的には、第３側面１１０および第４側面１２０におけるテーパーは、ベース板１２の法線方向から、予め定められた角度以上傾いた面である。テーパーとベース板１２の法線方向の角度は、２０度以上であってよい。テーパーとベース板１２の法線方向の角度は、２０度以上７０℃以下であってよく、より好ましくは、２０度以上４０度以下であってよい。更に好ましくは、３０度である。
互いに隣接する半導体モジュール１０のテーパー同士が向い合うように、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆが配置される。テーパーが設けられているため、隣接する半導体モジュール１０同士が干渉することが防止され、装置の小型化を実現することができる。例えば、図５に示すような３相インバータ回路を構成する場合、図２および図３に示されるとおり、テーパーとベース板１２の法線方向の角度が３０度である６個の半導体モジュール１０ａ〜１０ｆを環形状に配置することで、効率的に装置の小型化を実現することができる。
例えば、隣接する半導体モジュール１０ｄおよび半導体モジュール１０ｃは、半導体モジュール１０ｄの第３側面１１０のテーパーと、半導体モジュール１０ｃの第４側面１２０のテーパーとが向い合うように、環形状に配置される。それぞれの半導体モジュール１０は、第１側面１３０および第２側面１３２において上面１４に平行な方向に沿う長さは、第３側面１１０および第４側面１２０において上面１４に平行な方向に沿う各々の長さより長くてよい。筒部２１の軸方向の厚みを短くして小型化を図ることができる。
それぞれの半導体モジュール１０において、第１側面１３０および第２側面１３２の一方が、筒部２１の一端における第１環状端面２２に露出する。第１側面１３０および第２側面１３２の他方が、筒部２１の他端における第２環状端面２４に露出する。例えば、半導体モジュール１０ｃにおいては、図３に示されるように、第１側面１３０が、第２環状端面２４側に露出する。図２に示されるように、第２側面１３２が第１環状端面２２側に露出する。
第１主電極１４０が、第１側面１３０に向い合うように配置される。第２主電極１５０が、第２側面１３２に向い合うように配置される。第１主電極１４０は、コレクタ電極に対応してよい。第２主電極１５０は、エミッタ電極に対応してよい。図中において、コレクタ電極に対応する電極にはＣと表示し、エミッタ電極に対応する電極にはＥと表示している。第１主電極１４０には、半導体モジュール１０の動作に応じて第１主電流が流れてよい。第２主電極１５０には半導体モジュール１０の動作に応じて第２主電流が流れてよい．第１主電流および第２主電極は、エミッタ電流またはコレクタ電流であってよい。第１主電流がコレクタ電流であり、第２主電流がエミッタ電流であってよい。第１主電流がエミッタ電流であり、第２主電流がコレクタ電流であってよい。
第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２主電極１５０（エミッタ電極）とは、相互に対称な形状としてよい。区別のために、半導体モジュール１０の本体１００のみならず、第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２主電極１５０（エミッタ電極）に、「Ｃ」の文字または「Ｅ」の文字など主電極の種類を識別する記号や文字を刻印してもよい。
本例において、筒部２１の第１環状端面２２には、図２に示されるとおり、半導体モジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆの第１主電極１４０と半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅの第２主電極１５０とが周方向に沿って、一つずつ交互に配置されている。換言すれば、第１環状端面２２には、複数の第１主電極１４０および複数の第２主電極１５０うち、一部の電極が配置されている。筒部２１の第２環状端面２４には、図３に示されるとおり、複数の第１主電極１４０および複数の第２主電極１５０うち、残りの電極が配置されている。
第１環状端面２２において、各第１主電極（コレクタ電極）は、入力電源３０の正極に接続される正極端子Ｐであってよい。各第２主電極（エミッタ電極）Ｅは、入力電源３０の負極に接続される負極端子Ｎであってよい。換言すれば、第１環状端面２２には、入力電源３０の正極が接続される正極端子および入力電源の負極が接続される負極端子を備える。
本例において、第２環状端面２４には、図３に示されるとおり、半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅの第１主電極１４０と半導体モジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆの第２主電極１５０とが周方向に沿って、一つずつ交互に配置されている。各半導体モジュール１０の第１側面１３０および第２側面１３２のそれぞれにおいて、複数の第１主電極１４０および複数の第２主電極１５０には、プレート締結部１４２およびプレート締結部１５２が形成されていてよい。プレート締結部１４２は、第１主電極１４０に形成された螺子穴を含んでよく、プレート締結部１５２は、第２主電極１５０に形成された螺子穴を含んでよい。
筒部２１の第１環状端面２２および第２環状端面２４の少なくとも一方において、隣接する第１主電極１４０と第２主電極１５０の少なくとも一部が、プレート締結部１４２およびプレート締結部１５２に固定されたプレート２１５、２１６、２１７によって互いに電気的に接続される。本例では、図３に示されるように、第２環状端面２４において、プレート２１５、２１６、２１７が設けられる。プレート２１５、２１６、２１７は、金属等の導電性材料によって形成される。例えば、プレート２１５、２１６、２１７は、アルミニウム、銅、またはこれらの少なくとも一つを含む合金で形成されてよい。
本例では、互い隣接する半導体モジュール１０ａと半導体モジュール１０ｆが隣接している。半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０と半導体モジュール１０ｆの第２主電極１５０とが、筒部２１の一方の端部で露出している。本例では、半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０と半導体モジュール１０ｆの第２主電極１５０が第２環状端面２４に露出している。そして、半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０と半導体モジュール１０ｆの第２主電極１５０とがプレート２１５によって互いに電気的に接続される。
同様に、半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０と、半導体モジュール１０ｃの第１主電極１４０とが、プレート２１６によって電気的に接続される。さらに、半導体モジュール１０ｄの第２主電極１５０と半導体モジュール１０ｅの第１主電極１４０とが、プレート２１７によって電気的に接続される。
なお、図３に示されるとおり、半導体モジュール１０ａと半導体モジュール１０ｂとの間、半導体モジュール１０ｃと半導体モジュール１０ｄとの間、および半導体モジュール１０ｅと半導体モジュール１０ｆとの間は、プレート２１５、２１６、２１７によって接続されない。したがって、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆが環状に配置されており、隣接する半導体モジュール１０同士がプレート２１５、２１６、２１７で電気的に接続される境界と、接続されない境界とが交互に設けられる。
第２環状端面２４において、プレート２１５に電気的に接続される部分、すなわち、半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極Ｃ）と半導体モジュール１０ｆの第２主電極１５０（エミッタ電極Ｅ）との接続点は、三相交流出力端子の一つであるＵ端子に対応する。同様に、半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極Ｅ）と半導体モジュール１０ｃの第１主電極１４０（コレクタ電極Ｃ）との接続点は、三相交流出力端子の一つであるＶ端子に対応する。同様に、半導体モジュール１０ｄの第２主電極１５０（エミッタ電極Ｅ）と半導体モジュール１０ｃの第１主電極１４０（コレクタ電極Ｃ）との接続点は、三相交流出力端子の一つであるＷ端子と対応する。したがって、第２環状端面２４には、三相交流出力端子としてＵ端子、Ｖ端子、Ｗ端子を備えられてよい。
複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆのそれぞれは、第１主電極１４０および第２主電極１５０に流れる電流を制御する制御端子１６０を含んでよい。制御端子１６０は、第１主電極１４０および第２主電極１５０に流れる主電流を制御する。制御端子１６０は、ゲート端子を含んでよい。制御端子１６０は、それぞれの半導体モジュール１０の本体１００の上面１４から筒部２１の内側に向かって突出するように配置されてよい。
筒部２１の内側の空間には、制御部５０が収容されてよい。制御部５０は、筒部２１の内側に向かって延びた制御端子１６０との間で信号を送受信してよい。制御部５０は、制御端子１６０のうちゲート端子に制御信号を与えて、制御信号に応じて主電流を制御してよい。
本実施形態によれば、筒部２１の内側の空間を有効に活用することができる。筒部２１の内側に制御系の配線を集約することができる。本実施形態の電力変換装置２０によれば、筒部２１の第１環状端面２２に入力側の直流配線を集約し、筒部２１の第２環状端面２４に出力側の交流配線を集約し、筒部２１の内側に制御系の配線を集約することができる。したがって、それぞれの配線を短くすることができ、設置面積を小さくすることができるとともにインダクタンスを小さくすることができる。
特に、電力変換装置２０がインバータユニットの場合に、インバータユニットの両面に主端子が位置することになるため、モータおよび電源に最短距離で配線することができる。また、各種の端子が、筒部２１の中心より同距離にレイアウトされる。したがって、複数の半導体モジュール１０間のインピーダンスばらつきを抑えることができる。さらに、電流経路が、入力電源３０から第１環状端面２２に真っ直ぐに形成でき、さらに、第２環状端面２４からモータ装置４０の端子まで真っ直ぐに形成できる。したがって、配線インダクタンスを低減することができる。
図４は、電力変換装置２０の構成例を示す図である。電力変換装置２０の第１環状端面２２および第２環状端面２４の少なくとも一つには、支持部７０が設けられてよい。支持部７０は、筒部２１の一端または他端に設けられるカバー部であってよい。支持部７０の内側の面には、制御部５０が固定されてよい。第１環状端面２２および第２環状端面２４の両方に支持部７０が設けられる場合には、制御部５０は、一対の支持部７０の双方によって支持されてよい。支持部７０には、配線用の開口７２および開口７４が設けられてよい。
少なくとも一つの配線７６が、筒部２１の一端および他端の少なくとも一方から筒部の内部に挿入されてよい。本例では、開口７２を通じて配線７６が外部から筒部２１の内部に挿入される。挿入された配線７６は、制御部５０に接続されてよい。なお、制御部５０が筒部２１の外部に設けられてもよい。この場合は、配線７６が制御端子１６０に接続されてよい。制御部５０は、配線７６を通じて制御端子１６０に制御信号を与えて、第１主電極１４０および第２主電極１５０に流れる電流を制御してよい。配線７６は、空中配線であってもよく、開口７２に挿入可能なサイズの基板に沿って設けられていてもよい。
電力変換装置２０は、筒状の外側放熱部８０を備えてよい。電力変換装置２０に含まれる半導体モジュール１０の数に応じて、端面方向から見た外側放熱部８０の内側形状が定められてよい。電力変換装置２０に含まれる半導体モジュール１０が６個の場合は、端面方向から見た外側放熱部の内側形状が六角形状であってよい。但し、外側放熱部８０の形状は、この場合に限定されない。筒状の外側放熱部８０は、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆを固定される筐体であるとともに、冷却部材としても機能する。
複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆのそれぞれのベース板１２が外側放熱部８０に固定されてよい。なお、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆのそれぞれのベース板１２が外側放熱部８０に固定されていればよく、隣接する半導体モジュール１０ａから１０ｆ同士は、互いに接続されていなくてもよい。本例では、固定手段８２によって、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆのそれぞれのベース板１２が外側放熱部８０に固定されている。固定手段８２は螺子であってよい。但し、固定方法は、この場合に限られない。
図５は、電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。上記の図２および図３を参照しつつ説明する。電力変換装置２０は、入力端子として、正極端子Ｐおよび負極端子Ｎを備える。電力変換装置２０は、出力端子として、三相交流出力端子としてのＵ端子、Ｖ端子、Ｗ端子を備える。
本例では、電力変換装置２０は、６つの半導体モジュール１０ａから１０ｆを含んでいる。半導体モジュール１０ａから１０ｆは、それぞれ１つ以上のトランジスタ１５および１つ以上のダイオード１６を含む。本例の半導体モジュール１０は、いわゆる１イン１タイプの半導体モジュールであってよい。本例では、トランジスタ１５は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。本例では、ダイオード１６は、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ 還流ダイオード）である。
但し、半導体モジュール１０がダイオード１６を含まずにトランジスタ１５を含んでもよい。例えば、トランジスタ１５として、逆素子ＩＧＢＴを含んでいてもよい。また、トランジスタ１５とダイオード１６は、ＩＧＢＴとＦＷＤに限定されない。例えば、トランジスタ１５として、化合物半導体材料を用いたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含んでいてもよい。ダイオード１６として、ショットキーバリアダイオードまたはＰＮダイオードを含んでいてもよい。化合物半導体材料としては、例えば、ＳｉＣ（窒化シリコン）またはＧａＮ（窒化ガリウム）が挙げられる。
各半導体モジュール１０において、トランジスタ１５とダイオード１６とは逆並列に接続されてよい。すなわち、トランジスタ１５のコレクタ電極とダイオード１６のカソードが接続され、トランジスタ１５のエミッタ電極とダイオード１６のアノードが接続される。なお、本例では、ＩＧＢＴの第１主電極および第２主電極として、コレクタ電極及びエミッタ電極を例に示すが、ＭＯＳＦＥＴの第１主電極および第２主電極として、ソース電極及びドレイン電極であっても構わない。トランジスタ１５が、ＭＯＳＦＥＴの場合は、第１主電流がソース電流であり第２主電流がドレイン電流であってもよく、第１主電流がドレイン電流であり第２主電流がソース電流であってもよい。
図５に示される回路は、インバータ回路に相当する。半導体モジュール１０ｆ、１０ｂ、１０ｄは、上アームを構成し、半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅは下アームを構成する。半導体モジュール１０ａのコレクタ電極Ｃである第１主電極１４０と、半導体モジュール１０ｆのエミッタ電極である第２主電極１５０とがプレート２１５によって電気的に接続される。同様に、半導体モジュール１０ｃのコレクタ電極Ｃである第１主電極１４０と、半導体モジュール１０ｂのエミッタ電極である第２主電極１５０とがプレート２１６によって電気的に接続される。半導体モジュール１０ｅのコレクタ電極Ｃである第１主電極１４０と、半導体モジュール１０ｄのエミッタ電極である第２主電極１５０とがプレート２１７によって電気的に接続される。そして、プレート２１５による接続点、プレート２１６による接続点、プレート２１７による接続点が、それぞれ三相交流出力端子としてのＵ端子、Ｖ端子、Ｗ端子に対応する。
図６は、本発明の実施形態の半導体モジュール１０の一例を示す側面図である。図７は、半導体モジュール１０の一例を示す上面図である。本体１００の第３側面１１０および第４側面１２０は、それぞれテーパー１１６、１２６を有する。但し、第３側面１１０の全体領域にわたってテーパー１１６を有している必要はない。
第３側面１１０は、第１領域１１４および第２領域１１５を有してよい。第２領域１１５は、第１領域１１４より本体１００の上面１４に近い。第２領域１１５にはテーパー１１６が設けられ、第１領域１１４にはテーパー１１６が設けられていない。換言すれば、第２領域１１５においては、第３側面１１０とベース板１２の法線方向との角度が２０度以上であってよく、第１領域１１４においては、第３側面１１０とベース板１２の法線方向との角度が２０度以下であってよい。
第４側面１２０についても、第３側面１１０と同様に、第１領域１２４および第２領域１２５を有してよい。第２領域１２５にはテーパー１２６が設けられ、第１領域１２４にはテーパー１２６が設けられていない。第２領域１１５、１２５の部分は、仮に尖らせたとして厚みが小さい。したがって、半導体モジュール１０の内部でチップ等を配置するほどのスペースは確保できない。また、尖らせないことによって、尖った部分で怪我をすることを未然に防ぐことができる。
本例では、第１主電極１４０には、プレート締結部１４２が複数設けられている。具体的には、プレート締結部１４２ａ、１４２ｂが２つ設けられている。プレート締結部１４２ａは、第１側面１３０の長手方向の中心位置からみて、第３側面１１０に近い位置に設けられる。プレート締結部１４２ｂは、第１側面１３０の長手方向の中心位置からみて、第４側面１２０に近い位置に設けられる。これによって、複数の半導体モジュール１０を連結するときの自由度が増す。但し、第１主電極１４０の形状は、この場合に限定されない。
制御端子１６０として、第１主電極１４０および第２主電極１５０に流れる電流を制御する制御端子１６２のみならず、センシング等の制御端子１６４が設けられていてよい。制御端子１６４も、本体１００の上面１４から突出してよい。
図７に示されるとおり、第１主電極１４０は、本体１００の上面１４の上方に延伸した延伸部１４６ａおよび１４６ｂを備えてよい。本例では、延伸部１４６ａおよび１４６ｂには、固定用締結部１４７ａおよび１４７ｂとして機能する螺子穴が設けられている。固定用締結部１４７は、複数の半導体モジュール１０同士を連結する場合に用いられる。
第２主電極１５０も、第１主電極１４０と同様であり、延伸部１５６ａおよび１５６ｂを備えている。延伸部１５６ａおよび１５６ｂには、固定用締結部１５７ａおよび１５７ｂとして機能する螺子穴が設けられている。但し、半導体内部で、第１主電極１４０と電気的に接続された別の電極を本体１００の上面１４から突出するように構成し、この別の電極に固定用締結部を形成してもよい。このような構成によって、固定用締結部を、本体１００の上面１４の上方に設けてもよい。但し、図７に示される例によれば、第１主電極１４０および第２主電極１５０を上面１４の上方まで延伸することによって、別途の導電部材を上面１４に延伸する必要がない。
図８は、図７のＡ−Ａ´線に沿った半導体モジュール１０の断面図である。また、半導体モジュール１０は、内部に第１配線部１４８、第２配線部１５８、配線部材９２、および半導体チップ９０を含む。半導体チップ９０は、図示されないはんだ等により、第１配線部１４８及び制御端子１６２に電気的に接続されてよい。半導体チップ９０は、配線部材９２を介して、第２配線部１５８に電気的に接続されてよい。配線部材９２は、例えば、ボンディングワイヤーである。また、半導体チップは、図示されないリードフレーム、ポスト電極、プリント基板等を介して、第１配線部１４８、第２配線部１５８及び制御端子１６２に電気的に接続されてよい。ベース板１２が金属などの導電体である場合、第１配線部１４８及び第２配線部１５８とベース板１２との間は、直接接しない。ベース板１２がセラミックスなどの絶縁体である場合、第１配線部１４８及び第２配線部１５８とベース板１２とは、接していてもよい。
第１配線部１４８及び第２配線部１５８とベース板１２との間に、積層基板を含んでもよい。積層基板は、例えば、ベース板１２に近い方から、金属層、絶縁層、及び回路層を含む。金属層とベース板１２とが、はんだにより接合されてよい。回路層は、回路パターンに形成された銅などの金属層であってよい。回路層に半導体チップ９０、第１配線部１４８、第２配線部１５８及び配線部材９２が、はんだや超音波接合等により接続されてよい。トランジスタ１５および１つのダイオード１６が別々の半導体チップであってもよい。
半導体モジュール１０は、第１配線部１４８および第２配線部１５８を備える。第１配線部１４８は、本体１００の上面１４を経由することなく半導体チップ９０と第１主電極１４０との間を接続する。第２配線部１５８は、本体１００の上面１４を経由することなく配線部材９２と第１主電極１４０との間を接続する。本例では、第１配線部１４８は、樹脂で形成された本体１００から第１側面１３０に向かって延伸する。第１配線部１４８は、第１側面１３０で本体１００から表出し、第１主電極１４０と接続する。なお、第１配線部１４８は、第１主電極１４０と一体であってもよい。第２配線部１５８は、樹脂で形成された本体１００から第２側面１３２に向かって延伸する。第２配線部１５８は、第２側面１３２で本体１００から表出し、第２主電極１５０と接続する。なお、第２配線部１５８は、第２主電極１５０と一体であってもよい。このような構成によれば、半導体チップ９０から第１主電極１４０および第２主電極１５０までの各電流経路が短くなり、インダクタンスを減らすことができる。なお、第１配線部１４８および第２配線部１５８は、それぞれ２つ以上の配線およびリードフレームを含んでよい。
半導体モジュール１０は、第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２主電極１５０（エミッタ電極）とが、相互に対称な形状をしてよい。特に、図７に示されるとおり、第１主電極１４０における固定用締結部１４７ａ、１４７ｂと、第２主電極１５０における固定用締結部１５７ａ、１５７ｂとが、半導体モジュール１０の上面１４の長手方向の長さの垂直二等分線、および上面１４の短手方向の長さの垂直二等分線のどちらを基準としても、対称となる位置に設けられてよい。これにより、図２および図３に示されるように、複数の半導体モジュール１０が立体的に配置される場合のみならず、多様に連結することができる。特に、従来の半導体モジュールと同様に、複数の半導体モジュール１０を平面的に連結することもできる。
図９は、半導体モジュール１０の他の例を示す断面図である。図９に示される例では、第１配線部１４８は、本体１００の第１側面１３０および第２側面１３２を経ることなく半導体チップ９０と第１主電極１４０との間を接続する。第２配線部１５８は、本体１００の第１側面１３０および第２側面１３２を経由することなく配線部材９２と第１主電極１４０との間を接続する。本例では、第１配線部１４８は、樹脂で形成された本体１００から第１側面１３０に向かって一旦延伸し、屈曲部を経て、上面１４に向かって延伸する。第１配線部１４８は、上面１４で本体１００から表出して、上面１４に沿って第１側面１３０まで延伸して、第１主電極１４０と接続する。なお、第１配線部１４８は、第１主電極１４０と一体であってもよい。第１配線部１４８が上面１４に沿って第１側面１３０まで延伸する部分が、延伸部１４６ａおよび１４６ｂとして用いられてよい。
第２配線部１５８は、本体１００の上面１４から表出して、上面１４に沿って第２側面１３２まで延伸して、第２主電極１５０と接続する。第２配線部１５８が上面１４に沿って第２側面１３２まで延伸する部分が、延伸部１５６ａおよび１５６ｂとして用いられてよい。なお、第２配線部１５８は、第２主電極１５０と一体であってもよい。このような図９に示される構成によれば、従来の上面電極を備える半導体モジュールにおける基板、内部配線、端子等の内部構造を利用できる。したがって、本体１００の外側部分を変更することにより、本例の半導体モジュール１０を適用することができる。
図８および図９において、第１主電極１４０および第２主電極１５０が半導体モジュール１０の本体１００の上面１４にも配置される場合が示された。しかしながら、半導体モジュール１０は、図８および図９の場合に限られない。図１０は、半導体モジュール１０の他の例を示す断面図である。図１０に示される例では、第１配線部１４８は、本体１００から第１側面１３０に向かって延伸する部分と、本体１００から上面１４に向かって延伸する部分とを含む。第１配線部１４８は、第１側面１３０で本体１００から表出する部分と、上面１４で本体１００から表出する部分とを別個に含む。各部分は、それぞれ第１主電極１４０に接続される。なお、第１配線部１４８は、第１主電極１４０と一体であってもよい。第２配線部１５８は、本体１００から第２側面１３２に向かって延伸する部分と、本体１００から上面１４に向かって延伸する部分とを含む。第２配線部１５８は、第２側面１３２で本体１００から表出する部分と、上面１４で本体１００から表出する部分とを別個に含む。各部分は、それぞれ第２主電極１５０に接続される。
図１１は、複数の半導体モジュール１０が配列された半導体モジュール組１１の一例を示す上面図である。本例では、第１の半導体モジュール１０ａの第１側面１３０と第２の半導体モジュール１０ｂの第２側面１３２とを向い合うように配置させて、半導体モジュール組１１を構成している。そして、第１の半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが電気的に接続される。
具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１４６ａに設けられた固定用締結部１４７ａと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ａに設けられた固定用締結部１５７ａとが導電性プレート２２０によって電気的に接続される。同様に、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１４６ｂに設けられた固定用締結部１４７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂとが導電性プレート２２０によって電気的に接続される。
図１２は、複数の半導体モジュール１０が配列された半導体モジュール組１１の他の例を示す上面図である。第１の半導体モジュール１０ａの第２側面１３２と第２の半導体モジュール１０ｂの第２側面１３２を向い合うように配置させて、半導体モジュール組１１を構成してもよい。第１の半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが電気的に接続される。
具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１５６ａに設けられた固定用締結部１５７ａと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂとが導電性プレート２２０によって電気的に接続される。同様に、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ａに設けられた固定用締結部１５７ｂとが導電性プレート２２０によって電気的に接続される。
図１２に示される連結形態と異なり、第１の半導体モジュール１０ａの第１側面１３０と第２の半導体モジュール１０ｂの第１側面１３０を向い合うように配置させて、コレクタ電極同士を連結させて、半導体モジュール組１１を構成してもよい。なお、図１１および図１２においては、２つの半導体モジュール１０が配列されて一組の半導体モジュール組１１が構成される場合が示された。しかしながら、この場合に限られず、３つ以上の半導体モジュール１０が配列されて一組の半導体モジュール組１１が構成されてもよい。
図１３は、複数組の半導体モジュール組１１を配列した電力変換装置２０の構成例を示す図である。筒部２１の内側の面において、図１１および図１２に示されるとおり、各半導体モジュール１０の上面１４にも、主電流が流れる第１主電極１４０および第２主電極１５０が配置されている。本例では、第１主電極１４０の延伸部１４６および第２主電極１５０の延伸部１５６が上面１４に配置されている。上面１４において第１主電極１４０の延伸部１４６には、複数の半導体モジュール同士を連結するための固定用締結部１４７が設けられている。上面１４において第２主電極１５０の延伸部１５６には、複数の半導体モジュール同士を連結するための固定用締結部１５７が設けられている。
筒部２１の内側において、半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第１主電極１４０の延伸部１４６が、隣接する半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第１主電極１４０の延伸部１４６または第２主電極１５０の延伸部１５６に、固定用締結部１４７、１５７に固定された導電性プレート２２０によって接続されている。半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第２主電極１５０の延伸部１５６が、隣接する半導体モジュール１０の上面に設けられた第１主電極１４０の延伸部１４６または第２主電極１５０の延伸部１５６に、固定用締結部１４７、１５７に固定された導電性プレート２２０によって接続されている。
図１３に示される例では、半導体モジュール組１１は、図１１および図１２に示された構成を有してよい。一の半導体モジュールの第１側面１３０が、隣接する他の半導体モジュールの第１側面１３０または第２側面１３２と向い合うように、複数の半導体モジュール１０が筒部２１の軸方向に配列されて半導体モジュール組１１を構成している。本例では、２つの半導体モジュール１０が配列されて一組の半導体モジュール組１１が構成されている。
予め定められた位置を囲むように、複数組の半導体モジュール組１１が配置されることによって筒部２１が形成されている。本例では、６組の半導体モジュール組１１が配置される。複数組の半導体モジュール組１１によって筒部２１が形成されることを除いて、本例の構成は、図２から図４に示される電力変換装置２０の構成と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。
以上のように、複数の半導体モジュール１０を配列した半導体モジュール組１１を構成することによって、筒部２１の径を大きくすることなく、半導体モジュール１０を並列接続して電力変換装置２０の大容量化等を図ることができる。
図１４は、複数の半導体モジュール１０の他の連結例を示す上面図である。第１の半導体モジュール１０ａにおける第４側面１２０の端部と第２の半導体モジュール１０ｂにおける第４側面１２０の端部とを向い合うように配置させてよい。第１の半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが電気的に接続される。具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１４６ｂに設けられた固定用締結部１４７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂとが導電性プレート２２０ａによって電気的に接続される。
また、第１の半導体モジュール１０ａの第２主電極１５０（エミッタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第１主電極１４０（コレクタ電極）とが電気的に接続される。具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１４６ｂに設けられた固定用締結部１４７ｂとが導電性プレート２２０ｂによって電気的に接続される。
図１５は、複数の半導体モジュール１０の他の連結例を示す上面図である。第１の半導体モジュール１０ａにおける第４側面１２０の端部と第２の半導体モジュール１０ｂにおける第３側面１１０の端部とを向い合うように配置させてよい。第１の半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第１主電極１４０（コレクタ電極）とが電気的に接続される。具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１４６ｂに設けられた固定用締結部１４７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１４６ａに設けられた固定用締結部１４７ａとが導電性プレート２２０ａによって電気的に接続される。
また、第１の半導体モジュール１０ａの第２主電極１５０（エミッタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが電気的に接続される。具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ａに設けられた固定用締結部１５７ａとが導電性プレート２２０ｂによって電気的に接続される。
なお、図１４および図１５において、隣接する半導体モジュール１０は、平面状に連結されてよい。一の半導体モジュール１０の第３側面１１０が、隣接する他の半導体モジュール１０の第３側面１１０または第４側面１２０に向い合うように、複数の半導体モジュール１０が予め定められた位置を囲んで配置されることによって筒部２１が形成されてもよい。
図１６は、電力変換装置２０の他の構成例を示す図である。図１６は、電力変換装置２０を第２環状端面２４から見た図である。図１６に示される電力変換装置２０は、図３に示される構成と同様に、一の半導体モジュール１０の第３側面１１０が、隣接する他の半導体モジュール１０の第３側面１１０または第４側面１２０に向い合うように、複数の半導体モジュール１０が予め定められた位置を囲んで配置されることによって筒部２１が形成されている。
図３に示される構成においては、第２環状端面２４において、プレート締結部１４２、１５２にプレート２１５、２１６、２１７を固定することによって、隣接する半導体モジュール１０同士が連結される。これに対し、図１６に示される例では、筒部２１の内側の面において、各半導体モジュール１０の上面１４にも、第１主電極１４０および第２主電極１５０が配置されている。上面１４において第１主電極１４０および第２主電極１５０には、複数の半導体モジュール同士を連結するための固定用締結部１４７、１５７がそれぞれ設けられている。そして、筒部２１の内側において、半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第１主電極１４０が、隣接する半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第１主電極１４０または第２主電極１５０に、固定用締結部１４７、１５７に固定された導電性プレート２２０によって接続される。半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第２主電極１５０が、隣接する半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第１主電極１４０または第２主電極１５０に、固定用締結部１４７、１５７に固定された導電性プレート２２０によって接続される。
第３側面１１０および第４側面１２０のテーパーに応じて、隣接する半導体モジュール１０の各上面１４は平行ではなく、予め定められた角度をなす。本例では、隣接する半導体モジュール１０の各上面１４は１２０度の角度をなす。したがって、導電性プレート２２０も、予め定められた角度をなすように屈曲していてよい。
第１環状端面２２または第２環状端面２４に形成されたプレート締結部１４２およびプレート締結部１５２に固定されるプレート２１５、２１６、２１７に代わって、筒部２１の内側の面に形成された固定用締結部１４７および固定用締結部１５７に固定される導電性プレートにより、第１主電極１４０と第２主電極１５０とが連結されること除いて、他の構成は、図３に示される構成と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。なお、図１６に示される例において、第１環状端面２２および第２環状端面２４におけるプレート締結部１４２、１５２は省略されてよい。
以上のように、本実施形態の半導体モジュール１０は、本体１００の上面１４にも固定用締結部１４７および固定用締結部１５７を備えるとともに、第１主電極１４０および第２主電極１５０の形状が線対称となっている。したがって、多様な平面状の連結形態、および多様な環状の連結形態に対応することができる。
なお、上述した半導体モジュール１０は、第１側面１３０および第２側面１３２において上面１４に平行方向に沿う長さが、第３側面１１０および第４側面１２０において上面１４に平行方向の各々の幅より長い場合を説明した。但し、半導体モジュール１０は、この場合に限られない。
図１７は、半導体モジュール１０の他の例を示す図である。図１７の上段は、上面図を示し、下段は側面図を示す。本例の半導体モジュール１０は、第１側面１３０および第２側面１３２において上面１４に平行方向に沿う長さが、第３側面１１０および第４側面１２０において上面１４に平行方向の各々の長さより短くなっている。したがって、図１７に示される半導体モジュール１０を複数用いて図２および図３で説明した筒部２１を構成すると、図２および図３における第１環状端面２２および第２環状端面２４の径を小さくすることができる。
また、図１７に示される例によれば、第１主電極１４０は、本体１００の上面１４の上方に延伸した延伸部１４６を備えてよい。延伸部１４６には、少なくとも一つの固定用締結部１４７が形成されてよい。本例では、延伸部１４６が一つであり、延伸部１４６に設けられる固定用締結部１４７も一つである。第２主電極１５０も、同様に、延伸部１５６および固定用締結部１５７を備える。他の構成は、上述した図２および図３に示される半導体モジュール１０と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。
図１から図４を用いて説明した電力変換装置２０は、６個の半導体モジュール１０を有する。また、図１３を用いて説明した電力変換装置２０は、６組の半導体モジュール組１１を有する。そして、複数の半導体モジュール１０によって構成される筒部２１は、端面方向から見た形状が六角形形状であった。しかしながら、電力変換装置は、この場合に限られない。
図１８は、２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。本例では、例えば、半導体モジュール１０ａと半導体モジュール１０ｂが並列に接続されている。具体的には、半導体モジュール１０ａと半導体モジュール１０ｂとのコレクタ端子同士が電気的に接続され、半導体モジュール１０ａと半導体モジュール１０ｂとのエミッタ端子同士も電気的に接続される。同様に、半導体モジュール１０ｃと半導体モジュール１０ｄとの間、半導体モジュール１０ｅと半導体モジュール１０ｆとの間、半導体モジュール１０ｇと半導体モジュール１０ｈとの間、半導体モジュール１０ｉと半導体モジュール１０ｊとの間、および半導体モジュール１０ｋと半導体モジュール１０ｌとの間が並列に接続される。
なお、各半導体モジュール１０内の回路構成は、図５に示した回路構成と同様であってよい。並列に接続された一対の半導体モジュール１０ｋ、１０ｌのエミッタ端子と、並列に接続された一対の半導体モジュール１０ａ、１０ｂのコレクタ端子とが電気的に接続されて、三相交流端子のＵ端子となる。他のＶ端子およびＷ端子も同様に、並列に接続された一対の半導体モジュール１０のコレクタ端子と、並列に接続された他の一対の半導体モジュールのエミッタ端子とが接続されて構成される。
図１９は、２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の第１環状端面２２から見た図である。図２０は、２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の第２環状端面２４から見た図である。図１９は、第１実施形態における図２に対応し、図２０は、図３に対応する。
図１９および図２０においては、第１主電極１４０であるコレクタ電極を「Ｃ」と表示し、第２主電極１５０であるエミッタ電極を「Ｅ」と表示している。第１主電極１４０は、第１側面１３０に設けられる。第２主電極１５０は、第２側面１３２に設けられる。図１９および図２０においては、第１側面１３０および第２側面１３２の符号の表示を省略している。
本例の電力変換装置２０によれば、予め定められた位置を囲むように１２個の半導体モジュール１０ａから１０ｌが配置されている。これにより、筒部２１の内側の空間が形成される。電力変換装置２０に含まれる半導体モジュール１０が１２個である場合は、端面方向から見た筒部２１が十二角形状をしてよい。また、端面方向から見た外側放熱部８０の内側形状が十二角形状であってよい。複数の半導体モジュール１０ａから１０ｌのそれぞれのベース板１２が外側放熱部８０に固定されてよい。
図１９に示されるとおり、入力電源側に位置する第１環状端面２２においては、図１８の回路図に示されるように互いに並列に接続される合計六組の半導体モジュール１０のペアが構成される。六組のペアのうち、三組の半導体モジュール１０のペア同士は、第１環状端面２２において第１主電極１４０（コレクタ電極）同士が隣接するように配置される。一方、残りの三組の半導体モジュール１０のペア同士は、第１環状端面２２において第２主電極１５０（エミッタ電極）同士が隣接するように配置される。
第１主電極１４０（コレクタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０のペアと、第２主電極１５０（エミッタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０のペアとが、周方向に沿って、交互に配置されている。筒部２１の第２環状端面２４には、図２０に示されるとおり、複数の第１主電極１４０および複数の第２主電極１５０うち、残りの電極が配置されている。したがって、第１主電極１４０（コレクタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０のペアと、第２主電極１５０（エミッタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０のペアとが、周方向に沿って、交互に配置されている。換言すれば、第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２主電極１５０（エミッタ電極）とが、第１環状端面２２および第２環状端面２４の少なくとも一方において、２個ずつ交互に並んでよい。
第１環状端面２２において、各第１主電極（コレクタ電極）Ｃは、入力電源３０の正極に接続される正極端子Ｐであってよい。各第２主電極（エミッタ電極）Ｅは、入力電源３０の負極に接続される負極端子Ｎであってよい。第１環状端面２２には、入力電源３０の正極が接続される正極端子および入力電源の負極が接続される負極端子を備える。
図２０に示される第２環状端面２４においては、隣接する半導体モジュール１０ｋ、１０ｌの第２主電極１５０（エミッタ電極）同士を並列接続用プレート２３１によって電気的に接続する。並列接続用プレート２３１は、金属等の導電性材料で形成されてよい。並列接続用プレート２３１は、プレート締結部１４２およびプレート締結部１５２に固定されてよい。六組のペアを作るために、合計６個の並列接続用プレート２３１から２３６が設けられる。そして、第１主電極１４０（コレクタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０ａ、１０ｂのペアと、第２主電極１５０（エミッタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０ｋ、１０ｌのペアとがプレート２１５によって連結される。
プレート２１５は、プレート締結部１４２およびプレート締結部１５２に固定されてよい。プレート締結部１４２は、一つの第１主電極１４０に２つ設けられていてよい。同様に、プレート締結部１５２は、一つの第２主電極１５０に２つ設けられていてよい。このように、２つの半導体モジュールを並列する構成によれば、電力変換装置２０の大容量化を図ることができる。なお、ｎ個（ｎは、正の整数）の半導体モジュール１０を相互に並列に接続してもよい。この場合、第１主電極１４０と第２主電極１５０とが、第１環状端面２２および第２環状端面２４の少なくとも一方において、ｎ個（ｎは、正の整数）ずつ交互に並んでよい。ｎは３以上であってもよい。
なお、半導体モジュール１０自体は、第１実施形態における図６から図８に説明したものと同様のモジュールを利用することができる。したがって、半導体モジュールを共通化することができる。
図２１は、２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。図２１に示される電力変換装置２０では、半導体モジュール１０の数が３個ではなく、６個である。上アーム回路を構成する半導体モジュール１０ｌ、１０ｂ、１０ｄ、１０ｆ、１０ｈ、および１０ｊの数が６個となっている。同様に、下アーム回路を構成する半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅ、１０ｇ、１０ｉ、および１０ｋの数も６個となっている。したがって、三相交流出力端子として、２組（２スロット）の三相交流出力の端子を設けることができる。具体的には、三相交流出力端子として、Ｕ１端子、Ｖ１端子、Ｗ１端子、Ｕ２端子、Ｖ２端子、およびＷ２端子が設けられる。以上の点を除いて、回路構成は、図５の場合と同様である。
図２２は、２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の第１環状端面から見た図である。図２３は、２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の第２環状端面から見た図である。図２２および図２３においては、第１主電極１４０であるコレクタ電極を「Ｃ」と表示し、第２主電極１５０であるエミッタ電極を「Ｅ」と表示している。筒部２１の第１環状端面２２には、図２２に示されるとおり、半導体モジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆ、１０ｈ、１０ｊ、および１０ｌの第１主電極１４０（コレクタ電極）と、半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅ、１０ｇ、１０ｉ、および１０ｋの第２主電極１５０とが周方向に沿って、一つずつ交互に配置されている。
第２環状端面２４には、図２３に示されるとおり、半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅ、１０ｇ、１０ｉ、および１０ｋの第１主電極１４０（コレクタ電極）と、半導体モジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆ、１０ｈ、１０ｊ、および１０ｌの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが周方向に沿って、一つずつ交互に配置されている。
本例では、プレート２４１から２４６を備える。プレートは導電性材料で形成されてよい。図２３に示されるとおり、半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極Ｃ）と半導体モジュール１０ｌの第２主電極１５０（エミッタ電極Ｅ）とがプレート２４１によって互いに電気的に接続される。半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極）と半導体モジュール１０ｃの第１主電極１４０（コレクタ電極）とがプレート２４２によって互いに電気的に接続される。同様に、半導体モジュール１０ｄの第２主電極１５０（エミッタ電極）と半導体モジュール１０ｅの第１主電極（コレクタ電極）とがプレート２４３によって互いに電気的に接続される。
同様に、半導体モジュール１０ｆの第２主電極１５０（エミッタ電極）と半導体モジュール１０ｇの第１主電極１４０（コレクタ電極）とがプレート２４４によって互いに電気的に接続される。半導体モジュール１０ｈの第２主電極１５０（エミッタ電極）と半導体モジュール１０iの第１主電極１４０（コレクタ電極）とがプレート２４５によって互いに電気的に接続される。半導体モジュール１０ｊの第２主電極１５０（エミッタ電極）と半導体モジュール１０ｋの第１主電極１４０（コレクタ電極）とがプレート２４６によって互いに電気的に接続される。そして、各接続点が、２組の三相交流出力に対応する。
したがって、モータ装置４０が多スロット構成のモータ装置である場合であっても、図２１から図２３に示される電力変換装置を適用することが可能である。また、図２２および図２３のように、Ｕ１端子、Ｖ１端子、Ｗ１端子、Ｕ２端子、Ｖ２端子、およびＷ１端子が配列されるようにすることによって、回路インダクタンスの低減が可能となる。
上記の実施形態では、電力変換装置２０として、直流電力から三相交流電力へ変換するものを説明したが、本発明の電力交換装置は、この場合に限られない。三相交流電力の入力を受けて調整して三相交流電力に変換するマトリックスコンバータと呼ばれる回路であってもよい。
図２４は、マトリックスコンバータである電力変換装置３００をモータ駆動システム４に適用する場場を示す図である。モータ駆動システム４は、電力変換装置３００を用いるシステムの一例である。モータ駆動システム４は、電力変換装置３００、交流入力電源３３０、およびモータ装置４０を備える。電力変換装置３００は、入力された交流電力を別の交流電力に変換するマトリックスコンバータである。
電力変換装置３００は、第１インバータ部３１０および第２インバータ部３２０を含む。第１インバータ部３１０は、第２インバータ部３２０よりも交流入力電源３３０の近くに設けられる。第１インバータ部３１０および第２インバータ部３２０は、それぞれ図２から図５において説明した電力変換装置２０と同様の構造を有してよい。第１インバータ部３１０および第２インバータ部３２０は、それぞれ予め定められた位置を囲むように複数の半導体モジュールが配列されて筒部を構成していい。したがって、電力変換装置３００は、複数の筒部が、筒の軸方向に連なった構造を有してよい。
図２５は、マトリックスコンバータの回路構成の一例を示す図である。マトリックスコンバータの回路構成は、入力側に位置する第１インバータ部３１０の回路部分と、出力側に対応する第２インバータ部３２０の回路部分とに大別される。第１インバータ部３１０の回路部分と、第２インバータ部３２０の回路部分とは、正極端子Ｐおよび負極端子Ｎによって互いに結合している。第２インバータ部３２０の回路部分は、正極端子Ｐおよび負極端子Ｎに直流電力が入力されて、三相交流電力を出力する点で、図５において説明した回路と同じである。したがって、第２インバータ部３２０の回路部分の詳しい説明は省略する。
第１インバータ部３１０の回路部分は、例えば、三相交流入力端子として、Ｒ端子、Ｓ端子、およびＴ端子を備える。一方、出力端子として、正極端子Ｐおよび負極端子Ｎを備える。第１インバータ部３１０も、６つの半導体モジュール１０ｇから１０ｌを含んでいる。第１インバータ部３１０は、半導体モジュール１０ｌ、１０ｈ、１０ｊが上アームを構成し、半導体モジュール１０ｇ、１０ｉ、１０ｋが下アームを構成している。
半導体モジュール１０ｋのコレクタ電極Ｃである第１主電極４４０と、半導体モジュール１０ｊのエミッタ電極である第２主電極４５０とがプレート４１５によって電気的に接続される。同様に、半導体モジュール１０ｇのコレクタ電極Ｃである第１主電極４４０と、半導体モジュール１０ｌのエミッタ電極である第２主電極４５０とがプレート４１６によって電気的に接続される。半導体モジュール１０ｉのコレクタ電極Ｃである第１主電極４４０と、半導体モジュール１０ｄのエミッタ電極である第２主電極４５０とがプレート４１７によって電気的に接続される。
図２４に示されるとおり、第１インバータ部３１０の第１環状端面３１２は、マトリックスコンバータ全体の第１環状端面３１２でもある。また、第１インバータ部３１０は、第２インバータ部３２０と向い合う端部に第１中間部端面３１４を備える。第１中間部端面３１４とは、マトリックスコンバータを構成する２層のインバータ部同士が向い合う面であってよい。第１中間部端面３１４は、第１インバータ部３１０の出力側の端部である。
第２インバータ部３２０は、第２中間部端面３２２および第２環状端面３２４を備える。第２中間部端面３２２は、図１の第１環状端面２２に対応し、第２環状端面３２４は、図１の第２環状端面２４に対応する。第２環状端面３２４は、マトリックスコンバータ全体の第２環状端面でもある。第２中間部端面３２２は、第１中間部端面３１４と向い合うように配置されてよい。また、第２中間部端面３２２は、第１中間部端面３１４と接触してもよい。
第２インバータ部３２０の第２中間部端面３２２には、正極端子Ｐと負極端子Ｎが設けられる。例えば、第１主電極１４０が正極端子Ｐに対応し、第２主電極１５０が負極端子Ｎに対応する。他端側である第２環状端面３２４には、三相交流出力端子としてＵ端子、Ｖ端子、Ｗ端子を備えられる。このような第２インバータ部３２０の構成は、図２から図５に示される構成と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。
図２６は、マトリックスコンバータの第１環状端面３１２から見た図である。図２７は、マトリックスコンバータの第１中間部端面３１４から見た図である。第２環状端面３２４は、第２インバータ部３２０の出力側の端部である。第１インバータ部３１０においても、予め定められた位置を囲むように複数の半導体モジュール１０が配置されることで、筒部４２１が形成される。
各半導体モジュール１０は、放熱用のベース板１２と、本体４００とを含む。本体４００の下面１３と上面１４との間に、第１側面４３０、第２側面４３２、第３側面４１０、第４側面４２０を備える。第１主電極４４０が第１側面４３０に向い合うように配置される。第２主電極４５０が第２側面４３２に向い合うように配置される。各半導体モジュール１０の第１側面４３０および第２側面１３２のそれぞれにおいて、複数の第１主電極４４０および複数の第２主電極４５０には、プレート締結部４４２およびプレート締結部４５２が形成されていてよい。プレート締結部４４２およびプレート締結部４５２は、螺子穴を含んでよい。
筒部４２１の第１環状端面３１２において、隣接する第１主電極４４０と第２主電極４５０の少なくとも一部が、プレート締結部４４２およびプレート締結部４５２に固定されたプレート４１５、４１６、４１７によって互いに電気的に接続される。本例では、図２６に示されるように、第１環状端面３１２において、プレート４１５、４１６、４１７が設けられる。プレート４１５、４１６、４１７は、金属等の導電性材料によって形成される。
プレート４１５による接続点、プレート４１６による接続点、プレート４１７による接続点が、それぞれ三相交流入力端子としてのＲ端子、Ｓ端子、Ｔ端子に対応する。したがって、交流電源に向い合うように、三相交流入力端子としてのＲ端子、Ｓ端子、Ｔ端子が設けられる。これにより、筒部４２１の第１環状端面３１２に三相交流を入力する配線が集約される。
本例において、筒部４２１の第１中間部端面３１４には、図２７に示されるとおり、半導体モジュール１０ｈ、１０ｊ、１０ｌの第１主電極４４０と半導体モジュール１０ｉ、１０ｋ、１０ｍの第２主電極４５０とが周方向に沿って、交互に配置されている。換言すれば、第１中間部端面３１４には、複数の第１主電極４４０および複数の第２主電極４５０うち、一部の電極が配置されている。各第１主電極４４０（コレクタ電極）Ｃは、直流の正電圧が印加される正極端子Ｐであってよい。各第２主電極４５０（エミッタ電極）Ｅは、直流の負電圧が印加される負極端子Ｎであってよい。第１中間部端面３１４には、直流の正電圧が印加される正極端子および直流の負荷電圧が印加される負極端子を備える。
第１インバータ部３１０の第１中間部端面３１４に設けられた第１主電極４４０（コレクタ電極）と、第２インバータ部３２０の第２中間部端面３２２に設けられた第１主電極１４０（コレクタ電極）とが電気的に接続される。例えば、第１インバータ部３１０の第１主電極４４０に設けられたプレート締結部４４２と、第２インバータ部３２０の第１主電極１４０に設けられたプレート締結部１４２とが直接的に連結される。同様に、第１インバータ部３１０の第１中間部端面３１４に設けられた第２主電極４５０（エミッタ電極）と、第２インバータ部３２０の第２中間部端面３２２に設けられた第２主電極１５０（エミッタ電極）とが電気的に接続されてよい。特に、第１インバータ部３１０の第２主電極４５０に設けられたプレート締結部４５２と、第２インバータ部３２０の第２主電極１５０に設けられたプレート締結部１５２とが直接的に連結されてよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
２・・モータ駆動システム、４・・モータ駆動システム、１０・・半導体モジュール、１１・・半導体モジュール組、１２・・ベース板、１３・・下面、１４・・上面、１５・・トランジスタ、１６・・ダイオード、２０・・電力変換装置、２１・・筒部、２２・・第１環状端面、２４・・第２環状端面、３０・・入力電源、４０・・モータ装置、５０・・制御部、６０・・冷却フィン、７０・・支持部、７２・・開口、７４・・開口、７６・・配線、８０・・外側放熱部、８２・・固定手段、９０・・半導体チップ、９２・・配線部材、１００・・本体、１１０・・第３側面、１１４・・第１領域、１１５・・第２領域、１１６・・テーパー、１２０・・第４側面、１２４・・第１領域、１２５・・第２領域、１２６・・テーパー、１３０・・第１側面、１３２・・第２側面、１４０・・第１主電極、１４２・・プレート締結部、１４６・・延伸部、１４７・・固定用締結部、１４８・・第１配線部、１５０・・第２主電極、１５２・・プレート締結部、１５６・・延伸部、１５７・・固定用締結部、１５８・・第２配線部、１６０・・制御端子、１６２・・制御端子、１６４・・制御端子、２１５・・プレート、２１６・・プレート、２１７・・プレート、２２０・・導電性プレート、２３１・・並列接続用プレート、２４１・・プレート、２４２・・プレート、２４３・・プレート、２４４・・プレート、２４５・・プレート、２４６・・プレート、３００・・電力変換装置、３１０・・第１インバータ部、３１２・・第１環状端面、３１４・・第１中間部端面、３２０・・第２インバータ部、３２２・・第２中間部端面、３２４・・第２環状端面、３３０・・交流入力電源、４００・・本体、４１０・・第３側面、４１５・・プレート、４１６・・プレート、４１７・・プレート、４２０・・第４側面、４２１・・筒部、４３０・・第１側面、４３２・・第２側面、４４０・・第１主電極、４４２・・プレート締結部、４５０・・第２主電極、４５２・・プレート締結部
本発明は、半導体モジュールおよび電力変換装置に関する。
台形形状の半導体モジュールが知られている。複数の台形形状の半導体モジュールは、台形の短辺に対応する面が環状中心を向くように環状に配列されている（例えば、特許文献１、２、３、および４参照）。半導体モジュールは、環状中心に向く面と、環状の外周の面にそれぞれ主電極が配置される。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特開２０１３−１８８０２７号公報
［特許文献２］ 特開２０１７−１９９８２７号公報
［特許文献３］ 特開２００７−１１６８４０号公報
［特許文献４］ 特開２００８−９９４６０号公報
半導体モジュールは、それぞれの主電極と外部装置との間の配線の長さを短くすることによって、小型化および配線インダクタンスの低減を図ることが望ましい。
本発明の第１の態様においては、半導体モジュールを提供する。半導体モジュールは、放熱用のベース板を備えてよい。半導体モジュールは、本体を備えてよい。本体は、下面および上面を備えてよい。下面は、ベース板と向い合ってよい。上面は、下面と逆側に配置されてよい。本体は、複数の側面を備えてよい。複数の側面は、ベース板と上面との間に備えられてよい。複数の側面のうちの第１側面に第１主電極が向い合って配置されてよい。第２側面に、第２主電極が向い合って配置されてよい。第１主電極には第１主電流が流れてよい。第２主電極には、第２主電流が流れてよい。第２側面は、第１側面と逆側に配置されてよい。
第３側面および第４側面には、テーパーが設けられてよい。第３側面および第４側面は、複数の側面のうち第１側面および第２側面以外の側面であってよい。第４側面は、第３側面の逆側に配置されてよい。
第３側面は、第１領域と第２領域とを有してよい。第２領域は、第１領域よりも上面に近くてよい。第４側面は、第１領域と第２領域とを有してよい。第２領域は、第１領域よりも上面に近くてよい。第２領域にはテーパーが設けられてよい。第１領域にはテーパーが設けられていなくてよい。
第１側面において第１主電極には、複数の半導体モジュール同士を連結するためのプレート締結部が設けられてよい。第２側面において第２主電極には、複数の半導体モジュール同士を連結するためのプレート締結部が設けられてよい。
半導体モジュールは、制御端子を更に備えてよい。制御端子は、第１主電流および第２主電流を制御してよい。制御端子は、上面から突出してよい。
第１主電極および第２主電極が、上面にも配置されてよい。上面において第１主電極および第２主電極には、複数の半導体モジュール同士を連結するための固定用締結部がそれぞれ設けられてよい。
第１主電極および第２主電極は、それぞれ第１側面および第２側面から表出して上面まで延伸してよい。第１主電極および第２主電極は、上面から表出して、それぞれ第１側面および第２側面まで延伸してよい。
本発明の第２の態様においては、電力変換装置を提供する。電力変換装置は、上記のいずれか一つに記載の半導体モジュールを複数含んでよい。予め定められた位置を囲むように複数の半導体モジュールが配置されることによって筒部が形成されてよい。筒部の一端の第１環状端面に、複数の第１主電極および複数の第２主電極のうち、一部の電極が配置されてよい。筒部の他端の第２環状端面に、複数の第１主電極および複数の第２主電極のうち、残りの電極が配置されてよい。
複数の半導体モジュールのそれぞれは、第３側面および第４側面に、テーパーが設けられてよい。第３側面および第４側面は、複数の側面のうち第１側面および第２側面以外の側面であってよい。第４側面は第３側面と逆側に配置されてよい。互いに隣接する半導体モジュールのテーパー同士が向い合うように、複数の半導体モジュールが配置されてよい。
複数の半導体モジュールのそれぞれは、制御端子を含んでよい。制御端子は、第１主電流および第２主電流を制御してよい。制御端子は、筒部の内側に向かって突出するように配置されてよい。
電力変換装置は、制御端子に接続される少なくとも一つの配線を備えてよい。配線は、筒部の一端および他端の少なくとも一方から筒部の内部に挿入されてよい。
電力変換装置は、筒状の外側放熱部を更に備えてよい。複数の半導体モジュールのそれぞれのベース板が外側放熱部に固定されてよい。
各半導体モジュールの第１側面および第２側面のそれぞれにおいて、複数の第１主電極および複数の第２主電極には、プレート締結部が形成されてよい。筒部の第１環状端面および第２環状端面の少なくとも一方において、隣接する第１主電極と第２主電極の少なくとも一部が、プレート締結部に固定されたプレートによって互いに電気的に接続されてよい。
筒部の内側の面において、各半導体モジュールの上面にも、第１主電流が流れる第１主電極および第２主電流が流れる第２主電極が配置されてよい。上面において第１主電極および第２主電極には、固定用締結部がそれぞれ設けられてよい。固定用締結部は、複数の半導体モジュール同士を連結するための締結部であってよい。筒部の内側において、半導体モジュールの上面に設けられた第１主電極が、隣接する半導体モジュールの上面に設けられた第１主電極または第２主電極に、固定用締結部に固定されたプレートによって接続されてよい。半導体モジュールの上面に設けられた第２主電極が、隣接する半導体モジュールの上面に設けられた第１主電極または第２主電極に、固定用締結部に固定されたプレートによって接続されてよい。
半導体モジュールは、第３側面および第４側面を有してよい。第３側面および第４側面は、複数の側面のうち第１側面および第２側面以外の側面であってよい。第４側面は、第３側面と逆側に配置されてよい。一の半導体モジュールの第３側面が、隣接する他の半導体モジュールの第３側面または第４側面に向い合うように、複数の半導体モジュールが予め定められた位置を囲んで配置されることによって筒部が形成されてよい。
複数の半導体モジュールが筒部の軸方向に配列されて半導体モジュール組を構成してよい。複数の半導体モジュールは、一の半導体モジュールの第１側面が、隣接する他の半導体モジュールの第１側面または第２側面と向い合うように配列されてよい。予め定められた位置を囲むように、複数組の半導体モジュール組が配置されることによって筒部が形成されてよい。
筒部の一端の第１環状端面には、正極端子および負極端子を備えてよい。正極端子は、入力電源の正極が接続されてよい。負極端子は、入力電源の負極が接続されてよい。筒部の他端の第２環状端面には、三相交流出力端子として、Ｕ端子、Ｖ端子、およびＷ端子を備えてよい。
第１主電極と第２主電極とが、第１環状端面および第２環状端面の少なくとも一方において、ｎ個ずつ交互に並んでよい。ｎは、正の整数であってよい。第１主電極と第２主電極とが、第１環状端面および第２環状端面の少なくとも一方において、一つずつ交互に並んでよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
本発明の実施形態の電力変換装置２０をモータ駆動システム２に適用した場合を示す図である。 電力変換装置２０を第１環状端面２２から見た図である。 電力変換装置２０を第２環状端面２４から見た図である。 電力変換装置２０の構成例を示す図である。 電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態の半導体モジュール１０の一例を示す側面図である。 半導体モジュール１０の一例を示す上面図である。 図７のＡ−Ａ´線に沿った半導体モジュール１０の断面図である。 半導体モジュール１０の他の例を示す断面図である。 半導体モジュール１０の他の例を示す断面図である。 複数の半導体モジュール１０が配列された半導体モジュール組１１の一例を示す上面図である。 複数の半導体モジュール１０が配列された半導体モジュール組１１の他の例を示す上面図である。 複数組の半導体モジュール組１１を配列した電力変換装置２０の構成例を示す図である。 複数の半導体モジュール１０の他の連結例を示す上面図である。 複数の半導体モジュール１０の他の連結例を示す上面図である。 電力変換装置２０の他の構成例を示す図である。 半導体モジュール１０の他の例を示す図である。 ２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。 ２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の第１環状端面から見た図である。 ２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の第２環状端面から見た図である。 ２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。 ２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の第１環状端面から見た図である。 ２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の第１環状端面から見た図である。 マトリックスコンバータである電力変換装置３００をモータ駆動システム４に適用する場合を示す図である。 マトリックスコンバータの回路構成の一例を示す図である。 マトリックスコンバータの第１環状端面３１２から見た図である。 マトリックスコンバータの第１中間部端面３１４から見た図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の第１実施形態の電力変換装置２０をモータ駆動システム２に適用する場合を示す。モータ駆動システム２は、電力変換装置２０を用いるシステムの一例である。モータ駆動システム２は、電力変換装置２０、入力電源３０、およびモータ装置４０を備える。電力変換装置２０は、入力された電力を別の電力に変換する装置である。具体的には、電力変換装置２０は、入力電源３０から入力された直流電力を交流電力に変換するインバータ装置であってよい。入力電源３０は、直流電源であってよい。モータ装置４０は、負荷の一例である。
本例の電力変換装置２０は、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆを含んでいる。後述するとおり、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆは、筒部２１を形成している。図１では、Ｘ軸方向の軸をもつ筒部２１が形成される。筒部２１の一端は、第１環状端面２２をなし、筒部２１の他端は、第２環状端面２４をなす。第１環状端面２２は、入力電源３０に向い合うように配置されてよく、第２環状端面２４は、モータ装置４０に向い合うように配置されてよい。
図２は、電力変換装置２０を第１環状端面２２から見た図である。図３は、電力変換装置２０を第２環状端面２４から見た図である。図２および図３に示されるとおり、半導体モジュール１０ａから１０ｆ（半導体モジュール１０と総称する場合がある）は、予め定められた位置を囲むように配置されている。これにより、筒部２１の内側の空間が形成される。筒部２１は、環状であってよい。電力変換装置２０に含まれる半導体モジュール１０の個数に応じて、端面方向から見た筒部２１の形状が定められてよい。電力変換装置２０に含まれる半導体モジュール１０が６個の場合は、端面方向から見た筒部２１が六角形状をしてよい。
各半導体モジュール１０は、放熱用のベース板１２と、本体１００とを含む。本体１００は、樹脂で形成されてよい。本体１００は、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）またはポリブチレンテレフタレート樹脂（ＰＢＴ樹脂）等の熱可塑性樹脂で形成されてよい。但し、本体１００の材質は限定されない。複数の半導体モジュール１０は、それぞれベース板１２を外側に配置して、円形に配置されてよい。
ベース板１２は、金属、セラミックスや樹脂で形成される。例えば、ベース板１２は、アルミニウム、銅、またはこれらの少なくとも一つを含む合金で形成されてよい。例えば、ベース板１２は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、または窒化ケイ素などのセラミックスで形成されてよい。例えば、ベース板１２は、炭化ケイ素フィラーを添加したアルミニウム合金、または、炭化ケイ素フィラーを添加したマグネシウム合金等の金属基複合材料で形成されてよい。また、例えば、ベース板１２は、酸化シリコンフィラーを添加したエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で形成されてよい。ベース板１２が熱硬化性樹脂で形成されている場合、本体１００と一体で形成されてよい。ベース板１２は、１枚であっても、複数に分割されていてもよい。ベース板１２自体が水冷機構を設けた冷却板または冷却フィンとして機能してよい。また、ベース板１２には、図２および図３に示されるように、別体の水冷機構を設けた冷却板または冷却フィン６０等が接続されてもよい。冷却部分として機能するベース板１２を筒部２１の外周に設けることができるので、自然の空気や水による放熱の効率を高めることができる。
本体１００は、下面１３および上面１４を有する。下面１３は、ベース板１２と向い合う。上面１４は、下面１３と逆側に配置される面である。本体１００は、下面１３と上面１４との間において複数の側面を有する。複数の側面は、第１側面１３０および第２側面１３２を含む。第２側面１３２は、第１側面１３０と逆側の側面である。第１側面１３０および第２側面１３２は、台形をしていてよい。なお、下面１３は、第１側面１３０および第２側面１３２の台形の長辺に対応する面であってよい。台形の長辺に対応する面にベース板１２が設けられている。上面１４は、第１側面１３０および第２側面１３２の台形の短辺に対応する面であってよい。
さらに、本体１００は、第３側面１１０および第４側面１２０を含む。第３側面１１０および第４側面１２０は、本体１００における複数の側面のうち、第１側面１３０および第２側面１３２以外の側面である。第４側面は、第３側面と逆側の側面である。第３側面１１０および第４側面１２０には、テーパーが設けられている。具体的には、第３側面１１０および第４側面１２０におけるテーパーは、ベース板１２の法線方向から、予め定められた角度以上傾いた面である。テーパーとベース板１２の法線方向の角度は、２０度以上であってよい。テーパーとベース板１２の法線方向の角度は、２０度以上７０℃以下であってよく、より好ましくは、２０度以上４０度以下であってよい。更に好ましくは、３０度である。
互いに隣接する半導体モジュール１０のテーパー同士が向い合うように、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆが配置される。テーパーが設けられているため、隣接する半導体モジュール１０同士が干渉することが防止され、装置の小型化を実現することができる。例えば、図５に示すような３相インバータ回路を構成する場合、図２および図３に示されるとおり、テーパーとベース板１２の法線方向の角度が３０度である６個の半導体モジュール１０ａ〜１０ｆを環形状に配置することで、効率的に装置の小型化を実現することができる。
例えば、隣接する半導体モジュール１０ｄおよび半導体モジュール１０ｃは、半導体モジュール１０ｄの第３側面１１０のテーパーと、半導体モジュール１０ｃの第４側面１２０のテーパーとが向い合うように配置される。それぞれの半導体モジュール１０は、第１側面１３０および第２側面１３２において上面１４に平行な方向に沿う長さは、第３側面１１０および第４側面１２０において上面１４に平行な方向に沿う各々の長さより長くてよい。筒部２１の軸方向の厚みを短くして小型化を図ることができる。
それぞれの半導体モジュール１０において、第１側面１３０および第２側面１３２の一方が、筒部２１の一端における第１環状端面２２に露出する。第１側面１３０および第２側面１３２の他方が、筒部２１の他端における第２環状端面２４に露出する。例えば、半導体モジュール１０ｃにおいては、図３に示されるように、第１側面１３０が、第２環状端面２４側に露出する。図２に示されるように、第２側面１３２が第１環状端面２２側に露出する。
第１主電極１４０が、第１側面１３０に向い合うように配置される。第２主電極１５０が、第２側面１３２に向い合うように配置される。第１主電極１４０は、コレクタ電極に対応してよい。第２主電極１５０は、エミッタ電極に対応してよい。図中において、コレクタ電極に対応する電極にはＣと表示し、エミッタ電極に対応する電極にはＥと表示している。第１主電極１４０には、半導体モジュール１０の動作に応じて第１主電流が流れてよい。第２主電極１５０には半導体モジュール１０の動作に応じて第２主電流が流れてよい．第１主電流および第２主電極は、エミッタ電流またはコレクタ電流であってよい。第１主電流がコレクタ電流であり、第２主電流がエミッタ電流であってよい。第１主電流がエミッタ電流であり、第２主電流がコレクタ電流であってよい。
第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２主電極１５０（エミッタ電極）とは、相互に対称な形状としてよい。区別のために、半導体モジュール１０の本体１００のみならず、第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２主電極１５０（エミッタ電極）に、「Ｃ」の文字または「Ｅ」の文字など主電極の種類を識別する記号や文字を刻印してもよい。
本例において、筒部２１の第１環状端面２２には、図２に示されるとおり、半導体モジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆの第１主電極１４０と半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅの第２主電極１５０とが周方向に沿って、一つずつ交互に配置されている。換言すれば、第１環状端面２２には、複数の第１主電極１４０および複数の第２主電極１５０うち、一部の電極が配置されている。筒部２１の第２環状端面２４には、図３に示されるとおり、複数の第１主電極１４０および複数の第２主電極１５０うち、残りの電極が配置されている。
第１環状端面２２において、各第１主電極（コレクタ電極）は、入力電源３０の正極に接続される正極端子Ｐであってよい。各第２主電極（エミッタ電極）Ｅは、入力電源３０の負極に接続される負極端子Ｎであってよい。換言すれば、第１環状端面２２には、入力電源３０の正極が接続される正極端子および入力電源の負極が接続される負極端子を備える。
本例において、第２環状端面２４には、図３に示されるとおり、半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅの第１主電極１４０と半導体モジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆの第２主電極１５０とが周方向に沿って、一つずつ交互に配置されている。各半導体モジュール１０の第１側面１３０および第２側面１３２のそれぞれにおいて、複数の第１主電極１４０および複数の第２主電極１５０には、プレート締結部１４２およびプレート締結部１５２が形成されていてよい。プレート締結部１４２は、第１主電極１４０に形成された螺子穴を含んでよく、プレート締結部１５２は、第２主電極１５０に形成された螺子穴を含んでよい。
筒部２１の第１環状端面２２および第２環状端面２４の少なくとも一方において、隣接する第１主電極１４０と第２主電極１５０の少なくとも一部が、プレート締結部１４２およびプレート締結部１５２に固定されたプレート２１５、２１６、２１７によって互いに電気的に接続される。本例では、図３に示されるように、第２環状端面２４において、プレート２１５、２１６、２１７が設けられる。プレート２１５、２１６、２１７は、金属等の導電性材料によって形成される。例えば、プレート２１５、２１６、２１７は、アルミニウム、銅、またはこれらの少なくとも一つを含む合金で形成されてよい。
本例では、互い隣接する半導体モジュール１０ａと半導体モジュール１０ｆが隣接している。半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０と半導体モジュール１０ｆの第２主電極１５０とが、筒部２１の一方の端部で露出している。本例では、半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０と半導体モジュール１０ｆの第２主電極１５０が第２環状端面２４に露出している。そして、半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０と半導体モジュール１０ｆの第２主電極１５０とがプレート２１５によって互いに電気的に接続される。
同様に、半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０と、半導体モジュール１０ｃの第１主電極１４０とが、プレート２１６によって電気的に接続される。さらに、半導体モジュール１０ｄの第２主電極１５０と半導体モジュール１０ｅの第１主電極１４０とが、プレート２１７によって電気的に接続される。
なお、図３に示されるとおり、半導体モジュール１０ａと半導体モジュール１０ｂとの間、半導体モジュール１０ｃと半導体モジュール１０ｄとの間、および半導体モジュール１０ｅと半導体モジュール１０ｆとの間は、プレート２１５、２１６、２１７によって接続されない。したがって、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆが環状に配置されており、隣接する半導体モジュール１０同士がプレート２１５、２１６、２１７で電気的に接続される境界と、接続されない境界とが交互に設けられる。
第２環状端面２４において、プレート２１５に電気的に接続される部分、すなわち、半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極Ｃ）と半導体モジュール１０ｆの第２主電極１５０（エミッタ電極Ｅ）との接続点は、三相交流出力端子の一つであるＵ端子に対応する。同様に、半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極Ｅ）と半導体モジュール１０ｃの第１主電極１４０（コレクタ電極Ｃ）との接続点は、三相交流出力端子の一つであるＶ端子に対応する。同様に、半導体モジュール１０ｄの第２主電極１５０（エミッタ電極Ｅ）と半導体モジュール１０ｃの第１主電極１４０（コレクタ電極Ｃ）との接続点は、三相交流出力端子の一つであるＷ端子と対応する。したがって、第２環状端面２４には、三相交流出力端子としてＵ端子、Ｖ端子、Ｗ端子を備えられてよい。
複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆのそれぞれは、第１主電極１４０および第２主電極１５０に流れる電流を制御する制御端子１６０を含んでよい。制御端子１６０は、第１主電極１４０および第２主電極１５０に流れる主電流を制御する。制御端子１６０は、ゲート端子を含んでよい。制御端子１６０は、それぞれの半導体モジュール１０の本体１００の上面１４から筒部２１の内側に向かって突出するように配置されてよい。
筒部２１の内側の空間には、制御部５０が収容されてよい。制御部５０は、筒部２１の内側に向かって延びた制御端子１６０との間で信号を送受信してよい。制御部５０は、制御端子１６０のうちゲート端子に制御信号を与えて、制御信号に応じて主電流を制御してよい。
本実施形態によれば、筒部２１の内側の空間を有効に活用することができる。筒部２１の内側に制御系の配線を集約することができる。本実施形態の電力変換装置２０によれば、筒部２１の第１環状端面２２に入力側の直流配線を集約し、筒部２１の第２環状端面２４に出力側の交流配線を集約し、筒部２１の内側に制御系の配線を集約することができる。したがって、それぞれの配線を短くすることができ、設置面積を小さくすることができるとともにインダクタンスを小さくすることができる。
特に、電力変換装置２０がインバータユニットの場合に、インバータユニットの両面に主端子が位置することになるため、モータおよび電源に最短距離で配線することができる。また、各種の端子が、筒部２１の中心より同距離にレイアウトされる。したがって、複数の半導体モジュール１０間のインピーダンスばらつきを抑えることができる。さらに、電流経路が、入力電源３０から第１環状端面２２に真っ直ぐに形成でき、さらに、第２環状端面２４からモータ装置４０の端子まで真っ直ぐに形成できる。したがって、配線インダクタンスを低減することができる。
図４は、電力変換装置２０の構成例を示す図である。電力変換装置２０の第１環状端面２２および第２環状端面２４の少なくとも一つには、支持部７０が設けられてよい。支持部７０は、筒部２１の一端または他端に設けられるカバー部であってよい。支持部７０の内側の面には、制御部５０が固定されてよい。第１環状端面２２および第２環状端面２４の両方に支持部７０が設けられる場合には、制御部５０は、一対の支持部７０の双方によって支持されてよい。支持部７０には、配線用の開口７２および開口７４が設けられてよい。
少なくとも一つの配線７６が、筒部２１の一端および他端の少なくとも一方から筒部の内部に挿入されてよい。本例では、開口７２を通じて配線７６が外部から筒部２１の内部に挿入される。挿入された配線７６は、制御部５０に接続されてよい。なお、制御部５０が筒部２１の外部に設けられてもよい。この場合は、配線７６が制御端子１６０に接続されてよい。制御部５０は、配線７６を通じて制御端子１６０に制御信号を与えて、第１主電極１４０および第２主電極１５０に流れる電流を制御してよい。配線７６は、空中配線であってもよく、開口７２に挿入可能なサイズの基板に沿って設けられていてもよい。
電力変換装置２０は、筒状の外側放熱部８０を備えてよい。電力変換装置２０に含まれる半導体モジュール１０の数に応じて、端面方向から見た外側放熱部８０の内側形状が定められてよい。電力変換装置２０に含まれる半導体モジュール１０が６個の場合は、端面方向から見た外側放熱部の内側形状が六角形状であってよい。但し、外側放熱部８０の形状は、この場合に限定されない。筒状の外側放熱部８０は、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆを固定される筐体であるとともに、冷却部材としても機能する。
複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆのそれぞれのベース板１２が外側放熱部８０に固定されてよい。なお、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆのそれぞれのベース板１２が外側放熱部８０に固定されていればよく、隣接する半導体モジュール１０ａから１０ｆ同士は、互いに接続されていなくてもよい。本例では、固定手段８２によって、複数の半導体モジュール１０ａから１０ｆのそれぞれのベース板１２が外側放熱部８０に固定されている。固定手段８２は螺子であってよい。但し、固定方法は、この場合に限られない。
図５は、電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。上記の図２および図３を参照しつつ説明する。電力変換装置２０は、入力端子として、正極端子Ｐおよび負極端子Ｎを備える。電力変換装置２０は、出力端子として、三相交流出力端子としてのＵ端子、Ｖ端子、Ｗ端子を備える。
本例では、電力変換装置２０は、６つの半導体モジュール１０ａから１０ｆを含んでいる。半導体モジュール１０ａから１０ｆは、それぞれ１つ以上のトランジスタ１５および１つ以上のダイオード１６を含む。本例の半導体モジュール１０は、いわゆる１イン１タイプの半導体モジュールであってよい。本例では、トランジスタ１５は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。本例では、ダイオード１６は、ＦＷＤ（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ 還流ダイオード）である。
但し、半導体モジュール１０がダイオード１６を含まずにトランジスタ１５を含んでもよい。例えば、トランジスタ１５として、逆阻止ＩＧＢＴを含んでいてもよい。また、トランジスタ１５とダイオード１６は、ＩＧＢＴとＦＷＤに限定されない。例えば、トランジスタ１５として、化合物半導体材料を用いたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含んでいてもよい。ダイオード１６として、ショットキーバリアダイオードまたはＰＮダイオードを含んでいてもよい。化合物半導体材料としては、例えば、ＳｉＣ（窒化シリコン）またはＧａＮ（窒化ガリウム）が挙げられる。
各半導体モジュール１０において、トランジスタ１５とダイオード１６とは逆並列に接続されてよい。すなわち、トランジスタ１５のコレクタ電極とダイオード１６のカソードが接続され、トランジスタ１５のエミッタ電極とダイオード１６のアノードが接続される。なお、本例では、ＩＧＢＴの第１主電極および第２主電極として、コレクタ電極及びエミッタ電極を例に示すが、ＭＯＳＦＥＴの第１主電極および第２主電極として、ソース電極及びドレイン電極であっても構わない。トランジスタ１５が、ＭＯＳＦＥＴの場合は、第１主電流がソース電流であり第２主電流がドレイン電流であってもよく、第１主電流がドレイン電流であり第２主電流がソース電流であってもよい。
図５に示される回路は、インバータ回路に相当する。半導体モジュール１０ｆ、１０ｂ、１０ｄは、上アームを構成し、半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅは下アームを構成する。半導体モジュール１０ａのコレクタ電極Ｃである第１主電極１４０と、半導体モジュール１０ｆのエミッタ電極である第２主電極１５０とがプレート２１５によって電気的に接続される。同様に、半導体モジュール１０ｃのコレクタ電極Ｃである第１主電極１４０と、半導体モジュール１０ｂのエミッタ電極である第２主電極１５０とがプレート２１６によって電気的に接続される。半導体モジュール１０ｅのコレクタ電極Ｃである第１主電極１４０と、半導体モジュール１０ｄのエミッタ電極である第２主電極１５０とがプレート２１７によって電気的に接続される。そして、プレート２１５による接続点、プレート２１６による接続点、プレート２１７による接続点が、それぞれ三相交流出力端子としてのＵ端子、Ｖ端子、Ｗ端子に対応する。
図６は、本発明の実施形態の半導体モジュール１０の一例を示す側面図である。図７は、半導体モジュール１０の一例を示す上面図である。本体１００の第３側面１１０および第４側面１２０は、それぞれテーパー１１６、１２６を有する。但し、第３側面１１０の全体領域にわたってテーパー１１６を有している必要はない。
第３側面１１０は、第１領域１１４および第２領域１１５を有してよい。第２領域１１５は、第１領域１１４より本体１００の上面１４に近い。第２領域１１５にはテーパー１１６が設けられ、第１領域１１４にはテーパー１１６が設けられていない。換言すれば、第２領域１１５においては、第３側面１１０とベース板１２の法線方向との角度が２０度以上であってよく、第１領域１１４においては、第３側面１１０とベース板１２の法線方向との角度が２０度以下であってよい。
第４側面１２０についても、第３側面１１０と同様に、第１領域１２４および第２領域１２５を有してよい。第２領域１２５にはテーパー１２６が設けられ、第１領域１２４にはテーパー１２６が設けられていない。第１領域１１４、１２４の部分は、仮に尖らせたとして厚みが小さい。したがって、半導体モジュール１０の内部でチップ等を配置するほどのスペースは確保できない。また、尖らせないことによって、尖った部分で怪我をすることを未然に防ぐことができる。
本例では、第１主電極１４０には、プレート締結部１４２が複数設けられている。具体的には、プレート締結部１４２ａ、１４２ｂが２つ設けられている。プレート締結部１４２ａは、第１側面１３０の長手方向の中心位置からみて、第３側面１１０に近い位置に設けられる。プレート締結部１４２ｂは、第１側面１３０の長手方向の中心位置からみて、第４側面１２０に近い位置に設けられる。これによって、複数の半導体モジュール１０を連結するときの自由度が増す。但し、第１主電極１４０の形状は、この場合に限定されない。
制御端子１６０として、第１主電極１４０および第２主電極１５０に流れる電流を制御する制御端子１６２のみならず、センシング等の制御端子１６４が設けられていてよい。制御端子１６４も、本体１００の上面１４から突出してよい。
図７に示されるとおり、第１主電極１４０は、本体１００の上面１４の上方に延伸した延伸部１４６ａおよび１４６ｂを備えてよい。本例では、延伸部１４６ａおよび１４６ｂには、固定用締結部１４７ａおよび１４７ｂとして機能する螺子穴が設けられている。固定用締結部１４７は、複数の半導体モジュール１０同士を連結する場合に用いられる。
第２主電極１５０も、第１主電極１４０と同様であり、延伸部１５６ａおよび１５６ｂを備えている。延伸部１５６ａおよび１５６ｂには、固定用締結部１５７ａおよび１５７ｂとして機能する螺子穴が設けられている。但し、半導体内部で、第１主電極１４０と電気的に接続された別の電極を本体１００の上面１４から突出するように構成し、この別の電極に固定用締結部を形成してもよい。このような構成によって、固定用締結部を、本体１００の上面１４の上方に設けてもよい。但し、図７に示される例によれば、第１主電極１４０および第２主電極１５０を上面１４の上方まで延伸することによって、別途の導電部材を上面１４に延伸する必要がない。
図８は、図７のＡ−Ａ´線に沿った半導体モジュール１０の断面図である。また、半導体モジュール１０は、内部に第１配線部１４８、第２配線部１５８、配線部材９２、および半導体チップ９０を含む。半導体チップ９０は、図示されないはんだ等により、第１配線部１４８及び制御端子１６２に電気的に接続されてよい。半導体チップ９０は、配線部材９２を介して、第２配線部１５８に電気的に接続されてよい。配線部材９２は、例えば、ボンディングワイヤーである。また、半導体チップは、図示されないリードフレーム、ポスト電極、プリント基板等を介して、第１配線部１４８、第２配線部１５８及び制御端子１６２に電気的に接続されてよい。ベース板１２が金属などの導電体である場合、第１配線部１４８及び第２配線部１５８とベース板１２との間は、直接接しない。ベース板１２がセラミックスなどの絶縁体である場合、第１配線部１４８及び第２配線部１５８とベース板１２とは、接していてもよい。
第１配線部１４８及び第２配線部１５８とベース板１２との間に、積層基板を含んでもよい。積層基板は、例えば、ベース板１２に近い方から、金属層、絶縁層、及び回路層を含む。金属層とベース板１２とが、はんだにより接合されてよい。回路層は、回路パターンに形成された銅などの金属層であってよい。回路層に半導体チップ９０、第１配線部１４８、第２配線部１５８及び配線部材９２が、はんだや超音波接合等により接続されてよい。トランジスタ１５および１つのダイオード１６が別々の半導体チップであってもよい。
半導体モジュール１０は、第１配線部１４８および第２配線部１５８を備える。第１配線部１４８は、本体１００の上面１４を経由することなく半導体チップ９０と第１主電極１４０との間を接続する。第２配線部１５８は、本体１００の上面１４を経由することなく配線部材９２と第１主電極１４０との間を接続する。本例では、第１配線部１４８は、樹脂で形成された本体１００内部において第１側面１３０に向かって延伸する。第１配線部１４８は、第１側面１３０で本体１００から表出し、第１主電極１４０と接続する。なお、第１配線部１４８は、第１主電極１４０と一体であってもよい。第２配線部１５８は、樹脂で形成された本体１００内部において第２側面１３２に向かって延伸する。第２配線部１５８は、第２側面１３２で本体１００から表出し、第２主電極１５０と接続する。なお、第２配線部１５８は、第２主電極１５０と一体であってもよい。このような構成によれば、半導体チップ９０から第１主電極１４０および第２主電極１５０までの各電流経路が短くなり、インダクタンスを減らすことができる。なお、第１配線部１４８および第２配線部１５８は、それぞれ２つ以上の配線およびリードフレームを含んでよい。
半導体モジュール１０は、第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２主電極１５０（エミッタ電極）とが、相互に対称な形状をしてよい。特に、図７に示されるとおり、第１主電極１４０における固定用締結部１４７ａ、１４７ｂと、第２主電極１５０における固定用締結部１５７ａ、１５７ｂとが、半導体モジュール１０の上面１４の長手方向の長さの垂直二等分線、および上面１４の短手方向の長さの垂直二等分線のどちらを基準としても、対称となる位置に設けられてよい。これにより、図２および図３に示されるように、複数の半導体モジュール１０が立体的に配置される場合のみならず、多様に連結することができる。特に、従来の半導体モジュールと同様に、複数の半導体モジュール１０を平面的に連結することもできる。
図９は、半導体モジュール１０の他の例を示す断面図である。図９に示される例では、第１配線部１４８は、本体１００の第１側面１３０および第２側面１３２を経ることなく半導体チップ９０と第１主電極１４０との間を接続する。第２配線部１５８は、本体１００の第１側面１３０および第２側面１３２を経由することなく配線部材９２と第１主電極１４０との間を接続する。本例では、第１配線部１４８は、樹脂で形成された本体１００内部において第１側面１３０に向かって一旦延伸し、屈曲部を経て、上面１４に向かって延伸する。第１配線部１４８は、上面１４で本体１００から表出して、上面１４に沿って第１側面１３０まで延伸して、第１主電極１４０と接続する。なお、第１配線部１４８は、第１主電極１４０と一体であってもよい。第１配線部１４８が上面１４に沿って第１側面１３０まで延伸する部分が、延伸部１４６ａおよび１４６ｂとして用いられてよい。
第２配線部１５８は、本体１００の上面１４から表出して、上面１４に沿って第２側面１３２まで延伸して、第２主電極１５０と接続する。第２配線部１５８が上面１４に沿って第２側面１３２まで延伸する部分が、延伸部１５６ａおよび１５６ｂとして用いられてよい。なお、第２配線部１５８は、第２主電極１５０と一体であってもよい。このような図９に示される構成によれば、従来の上面電極を備える半導体モジュールにおける基板、内部配線、端子等の内部構造を利用できる。したがって、本体１００の外側部分を変更することにより、本例の半導体モジュール１０を適用することができる。
図８および図９において、第１主電極１４０および第２主電極１５０が半導体モジュール１０の本体１００の上面１４にも配置される場合が示された。しかしながら、半導体モジュール１０は、図８および図９の場合に限られない。図１０は、半導体モジュール１０の他の例を示す断面図である。図１０に示される例では、第１配線部１４８は、本体１００内部において第１側面１３０に向かって延伸する部分と、本体１００内部において上面１４に向かって延伸する部分とを含む。第１配線部１４８は、第１側面１３０で本体１００から表出する部分と、上面１４で本体１００から表出する部分とを別個に含む。各部分は、それぞれ第１主電極１４０に接続される。なお、第１配線部１４８は、第１主電極１４０と一体であってもよい。第２配線部１５８は、本体１００内部において第２側面１３２に向かって延伸する部分と、本体１００内部において上面１４に向かって延伸する部分とを含む。第２配線部１５８は、第２側面１３２で本体１００から表出する部分と、上面１４で本体１００から表出する部分とを別個に含む。各部分は、それぞれ第２主電極１５０に接続される。
図１１は、複数の半導体モジュール１０が配列された半導体モジュール組１１の一例を示す上面図である。本例では、第１の半導体モジュール１０ａの第１側面１３０と第２の半導体モジュール１０ｂの第２側面１３２とを向い合うように配置させて、半導体モジュール組１１を構成している。そして、第１の半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが電気的に接続される。
具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１４６ａに設けられた固定用締結部１４７ａと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ａに設けられた固定用締結部１５７ａとが導電性プレート２２０によって電気的に接続される。同様に、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１４６ｂに設けられた固定用締結部１４７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂとが導電性プレート２２０によって電気的に接続される。
図１２は、複数の半導体モジュール１０が配列された半導体モジュール組１１の他の例を示す上面図である。第１の半導体モジュール１０ａの第２側面１３２と第２の半導体モジュール１０ｂの第２側面１３２を向い合うように配置させて、半導体モジュール組１１を構成してもよい。第１の半導体モジュール１０ａの第２主電極１５０（エミッタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが電気的に接続される。
具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１５６ａに設けられた固定用締結部１５７ａと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂとが導電性プレート２２０によって電気的に接続される。同様に、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ａに設けられた固定用締結部１５７ｂとが導電性プレート２２０によって電気的に接続される。
図１２に示される連結形態と異なり、第１の半導体モジュール１０ａの第１側面１３０と第２の半導体モジュール１０ｂの第１側面１３０を向い合うように配置させて、コレクタ電極同士を連結させて、半導体モジュール組１１を構成してもよい。なお、図１１および図１２においては、２つの半導体モジュール１０が配列されて一組の半導体モジュール組１１が構成される場合が示された。しかしながら、この場合に限られず、３つ以上の半導体モジュール１０が配列されて一組の半導体モジュール組１１が構成されてもよい。
図１３は、複数組の半導体モジュール組１１を配列した電力変換装置２０の構成例を示す図である。筒部２１の内側の面において、図１１および図１２に示されるとおり、各半導体モジュール１０の上面１４にも、主電流が流れる第１主電極１４０および第２主電極１５０が配置されている。本例では、第１主電極１４０の延伸部１４６および第２主電極１５０の延伸部１５６が上面１４に配置されている。上面１４において第１主電極１４０の延伸部１４６には、複数の半導体モジュール同士を連結するための固定用締結部１４７が設けられている。上面１４において第２主電極１５０の延伸部１５６には、複数の半導体モジュール同士を連結するための固定用締結部１５７が設けられている。
筒部２１の内側において、半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第１主電極１４０の延伸部１４６が、隣接する半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第１主電極１４０の延伸部１４６または第２主電極１５０の延伸部１５６に、固定用締結部１４７、１５７に固定された導電性プレート２２０によって接続されている。半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第２主電極１５０の延伸部１５６が、隣接する半導体モジュール１０の上面に設けられた第１主電極１４０の延伸部１４６または第２主電極１５０の延伸部１５６に、固定用締結部１４７、１５７に固定された導電性プレート２２０によって接続されている。
図１３に示される例では、半導体モジュール組１１は、図１１および図１２に示された構成を有してよい。一の半導体モジュールの第１側面１３０が、隣接する他の半導体モジュールの第１側面１３０または第２側面１３２と向い合うように、複数の半導体モジュール１０が筒部２１の軸方向に配列されて半導体モジュール組１１を構成している。本例では、２つの半導体モジュール１０が配列されて一組の半導体モジュール組１１が構成されている。
予め定められた位置を囲むように、複数組の半導体モジュール組１１が配置されることによって筒部２１が形成されている。本例では、６組の半導体モジュール組１１が配置される。複数組の半導体モジュール組１１によって筒部２１が形成されることを除いて、本例の構成は、図２から図４に示される電力変換装置２０の構成と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。
以上のように、複数の半導体モジュール１０を配列した半導体モジュール組１１を構成することによって、筒部２１の径を大きくすることなく、半導体モジュール１０を並列接続して電力変換装置２０の大容量化等を図ることができる。
図１４は、複数の半導体モジュール１０の他の連結例を示す上面図である。第１の半導体モジュール１０ａにおける第４側面１２０の端部と第２の半導体モジュール１０ｂにおける第４側面１２０の端部とを向い合うように配置させてよい。第１の半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが電気的に接続される。具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１４６ｂに設けられた固定用締結部１４７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂとが導電性プレート２２０ａによって電気的に接続される。
また、第１の半導体モジュール１０ａの第２主電極１５０（エミッタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第１主電極１４０（コレクタ電極）とが電気的に接続される。具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１４６ｂに設けられた固定用締結部１４７ｂとが導電性プレート２２０ｂによって電気的に接続される。
図１５は、複数の半導体モジュール１０の他の連結例を示す上面図である。第１の半導体モジュール１０ａにおける第４側面１２０の端部と第２の半導体モジュール１０ｂにおける第３側面１１０の端部とを向い合うように配置させてよい。第１の半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第１主電極１４０（コレクタ電極）とが電気的に接続される。具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１４６ｂに設けられた固定用締結部１４７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１４６ａに設けられた固定用締結部１４７ａとが導電性プレート２２０ａによって電気的に接続される。
また、第１の半導体モジュール１０ａの第２主電極１５０（エミッタ電極）と第２の半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが電気的に接続される。具体的には、上面１４において、第１の半導体モジュール１０ａの延伸部１５６ｂに設けられた固定用締結部１５７ｂと、第２の半導体モジュール１０ｂの延伸部１５６ａに設けられた固定用締結部１５７ａとが導電性プレート２２０ｂによって電気的に接続される。
なお、図１４および図１５において、隣接する半導体モジュール１０は、平面状に連結されてよい。一の半導体モジュール１０の第３側面１１０が、隣接する他の半導体モジュール１０の第３側面１１０または第４側面１２０に向い合うように、複数の半導体モジュール１０が予め定められた位置を囲んで配置されることによって筒部２１が形成されてもよい。
図１６は、電力変換装置２０の他の構成例を示す図である。図１６は、電力変換装置２０を第２環状端面２４から見た図である。図１６に示される電力変換装置２０は、図３に示される構成と同様に、一の半導体モジュール１０の第３側面１１０が、隣接する他の半導体モジュール１０の第３側面１１０または第４側面１２０に向い合うように、複数の半導体モジュール１０が予め定められた位置を囲んで配置されることによって筒部２１が形成されている。
図３に示される構成においては、第２環状端面２４において、プレート締結部１４２、１５２にプレート２１５、２１６、２１７を固定することによって、隣接する半導体モジュール１０同士が連結される。これに対し、図１６に示される例では、筒部２１の内側の面において、各半導体モジュール１０の上面１４にも、第１主電極１４０および第２主電極１５０が配置されている。上面１４において第１主電極１４０および第２主電極１５０には、複数の半導体モジュール同士を連結するための固定用締結部１４７、１５７がそれぞれ設けられている。そして、筒部２１の内側において、半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第１主電極１４０が、隣接する半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第１主電極１４０または第２主電極１５０に、固定用締結部１４７、１５７に固定された導電性プレート２２０によって接続される。半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第２主電極１５０が、隣接する半導体モジュール１０の上面１４に設けられた第１主電極１４０または第２主電極１５０に、固定用締結部１４７、１５７に固定された導電性プレート２２０によって接続される。
第３側面１１０および第４側面１２０のテーパーに応じて、隣接する半導体モジュール１０の各上面１４は平行ではなく、予め定められた角度をなす。本例では、隣接する半導体モジュール１０の各上面１４は１２０度の角度をなす。したがって、導電性プレート２２０も、予め定められた角度をなすように屈曲していてよい。
第１環状端面２２または第２環状端面２４に形成されたプレート締結部１４２およびプレート締結部１５２に固定されるプレート２１５、２１６、２１７に代わって、筒部２１の内側の面に形成された固定用締結部１４７および固定用締結部１５７に固定される導電性プレートにより、第１主電極１４０と第２主電極１５０とが連結されること除いて、他の構成は、図３に示される構成と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。なお、図１６に示される例において、第１環状端面２２および第２環状端面２４におけるプレート締結部１４２、１５２は省略されてよい。
以上のように、本実施形態の半導体モジュール１０は、本体１００の上面１４にも固定用締結部１４７および固定用締結部１５７を備えるとともに、第１主電極１４０および第２主電極１５０の形状が線対称となっている。したがって、多様な平面状の連結形態、および多様な環状の連結形態に対応することができる。
なお、上述した半導体モジュール１０は、第１側面１３０および第２側面１３２において上面１４に平行方向に沿う長さが、第３側面１１０および第４側面１２０において上面１４に平行方向の各々の幅より長い場合を説明した。但し、半導体モジュール１０は、この場合に限られない。
図１７は、半導体モジュール１０の他の例を示す図である。図１７の上段は、上面図を示し、下段は側面図を示す。本例の半導体モジュール１０は、第１側面１３０および第２側面１３２において上面１４に平行方向に沿う長さが、第３側面１１０および第４側面１２０において上面１４に平行方向の各々の長さより短くなっている。したがって、図１７に示される半導体モジュール１０を複数用いて図２および図３で説明した筒部２１を構成すると、図２および図３における第１環状端面２２および第２環状端面２４の径を小さくすることができる。
また、図１７に示される例によれば、第１主電極１４０は、本体１００の上面１４の上方に延伸した延伸部１４６を備えてよい。延伸部１４６には、少なくとも一つの固定用締結部１４７が形成されてよい。本例では、延伸部１４６が一つであり、延伸部１４６に設けられる固定用締結部１４７も一つである。第２主電極１５０も、同様に、延伸部１５６および固定用締結部１５７を備える。他の構成は、上述した図２および図３に示される半導体モジュール１０と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。
図１から図４を用いて説明した電力変換装置２０は、６個の半導体モジュール１０を有する。また、図１３を用いて説明した電力変換装置２０は、６組の半導体モジュール組１１を有する。そして、複数の半導体モジュール１０によって構成される筒部２１は、端面方向から見た形状が六角形形状であった。しかしながら、電力変換装置は、この場合に限られない。
図１８は、２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。本例では、例えば、半導体モジュール１０ａと半導体モジュール１０ｂが並列に接続されている。具体的には、半導体モジュール１０ａと半導体モジュール１０ｂとのコレクタ端子同士が電気的に接続され、半導体モジュール１０ａと半導体モジュール１０ｂとのエミッタ端子同士も電気的に接続される。同様に、半導体モジュール１０ｃと半導体モジュール１０ｄとの間、半導体モジュール１０ｅと半導体モジュール１０ｆとの間、半導体モジュール１０ｇと半導体モジュール１０ｈとの間、半導体モジュール１０ｉと半導体モジュール１０ｊとの間、および半導体モジュール１０ｋと半導体モジュール１０ｌとの間が並列に接続される。
なお、各半導体モジュール１０内の回路構成は、図５に示した回路構成と同様であってよい。並列に接続された一対の半導体モジュール１０ｋ、１０ｌのエミッタ端子と、並列に接続された一対の半導体モジュール１０ａ、１０ｂのコレクタ端子とが電気的に接続されて、三相交流端子のＵ端子となる。他のＶ端子およびＷ端子も同様に、並列に接続された一対の半導体モジュール１０のコレクタ端子と、並列に接続された他の一対の半導体モジュールのエミッタ端子とが接続されて構成される。
図１９は、２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の第１環状端面２２から見た図である。図２０は、２つの半導体モジュール１０を並列に接続した場合の電力変換装置２０の第２環状端面２４から見た図である。図１９は、第１実施形態における図２に対応し、図２０は、図３に対応する。
図１９および図２０においては、第１主電極１４０であるコレクタ電極を「Ｃ」と表示し、第２主電極１５０であるエミッタ電極を「Ｅ」と表示している。第１主電極１４０は、第１側面１３０に設けられる。第２主電極１５０は、第２側面１３２に設けられる。図１９および図２０においては、第１側面１３０および第２側面１３２の符号の表示を省略している。
本例の電力変換装置２０によれば、予め定められた位置を囲むように１２個の半導体モジュール１０ａから１０ｌが配置されている。これにより、筒部２１の内側の空間が形成される。電力変換装置２０に含まれる半導体モジュール１０が１２個である場合は、端面方向から見た筒部２１が十二角形状をしてよい。また、端面方向から見た外側放熱部８０の内側形状が十二角形状であってよい。複数の半導体モジュール１０ａから１０ｌのそれぞれのベース板１２が外側放熱部８０に固定されてよい。
図１９に示されるとおり、入力電源側に位置する第１環状端面２２においては、図１８の回路図に示されるように互いに並列に接続される合計六組の半導体モジュール１０のペアが構成される。六組のペアのうち、三組の半導体モジュール１０のペア同士は、第１環状端面２２において第１主電極１４０（コレクタ電極）同士が隣接するように配置される。一方、残りの三組の半導体モジュール１０のペア同士は、第１環状端面２２において第２主電極１５０（エミッタ電極）同士が隣接するように配置される。
第１主電極１４０（コレクタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０のペアと、第２主電極１５０（エミッタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０のペアとが、周方向に沿って、交互に配置されている。筒部２１の第２環状端面２４には、図２０に示されるとおり、複数の第１主電極１４０および複数の第２主電極１５０うち、残りの電極が配置されている。したがって、第１主電極１４０（コレクタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０のペアと、第２主電極１５０（エミッタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０のペアとが、周方向に沿って、交互に配置されている。換言すれば、第１主電極１４０（コレクタ電極）と第２主電極１５０（エミッタ電極）とが、第１環状端面２２および第２環状端面２４の少なくとも一方において、２個ずつ交互に並んでよい。
第１環状端面２２において、各第１主電極（コレクタ電極）Ｃは、入力電源３０の正極に接続される正極端子Ｐであってよい。各第２主電極（エミッタ電極）Ｅは、入力電源３０の負極に接続される負極端子Ｎであってよい。第１環状端面２２には、入力電源３０の正極が接続される正極端子および入力電源の負極が接続される負極端子を備える。
図２０に示される第２環状端面２４においては、隣接する半導体モジュール１０ｋ、１０ｌの第２主電極１５０（エミッタ電極）同士を並列接続用プレート２３１によって電気的に接続する。並列接続用プレート２３１は、金属等の導電性材料で形成されてよい。並列接続用プレート２３１は、プレート締結部１４２およびプレート締結部１５２に固定されてよい。六組のペアを作るために、合計６個の並列接続用プレート２３１から２３６が設けられる。そして、第１主電極１４０（コレクタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０ａ、１０ｂのペアと、第２主電極１５０（エミッタ電極）同士が隣接する半導体モジュール１０ｋ、１０ｌのペアとがプレート２１５によって連結される。
プレート２１５は、プレート締結部１４２およびプレート締結部１５２に固定されてよい。プレート締結部１４２は、一つの第１主電極１４０に２つ設けられていてよい。同様に、プレート締結部１５２は、一つの第２主電極１５０に２つ設けられていてよい。このように、２つの半導体モジュールを並列する構成によれば、電力変換装置２０の大容量化を図ることができる。なお、ｎ個（ｎは、正の整数）の半導体モジュール１０を相互に並列に接続してもよい。この場合、第１主電極１４０と第２主電極１５０とが、第１環状端面２２および第２環状端面２４の少なくとも一方において、ｎ個（ｎは、正の整数）ずつ交互に並んでよい。ｎは３以上であってもよい。
なお、半導体モジュール１０自体は、第１実施形態における図６から図８に説明したものと同様のモジュールを利用することができる。したがって、半導体モジュールを共通化することができる。
図２１は、２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の回路構成の一例を示す図である。図２１に示される電力変換装置２０では、半導体モジュール１０の数が３個ではなく、６個である。上アーム回路を構成する半導体モジュール１０ｌ、１０ｂ、１０ｄ、１０ｆ、１０ｈ、および１０ｊの数が６個となっている。同様に、下アーム回路を構成する半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅ、１０ｇ、１０ｉ、および１０ｋの数も６個となっている。したがって、三相交流出力端子として、２組（２スロット）の三相交流出力の端子を設けることができる。具体的には、三相交流出力端子として、Ｕ１端子、Ｖ１端子、Ｗ１端子、Ｕ２端子、Ｖ２端子、およびＷ２端子が設けられる。以上の点を除いて、回路構成は、図５の場合と同様である。
図２２は、２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の第１環状端面から見た図である。図２３は、２組の３相交流出力を有する電力変換装置２０の第２環状端面から見た図である。図２２および図２３においては、第１主電極１４０であるコレクタ電極を「Ｃ」と表示し、第２主電極１５０であるエミッタ電極を「Ｅ」と表示している。筒部２１の第１環状端面２２には、図２２に示されるとおり、半導体モジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆ、１０ｈ、１０ｊ、および１０ｌの第１主電極１４０（コレクタ電極）と、半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅ、１０ｇ、１０ｉ、および１０ｋの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが周方向に沿って、一つずつ交互に配置されている。
第２環状端面２４には、図２３に示されるとおり、半導体モジュール１０ａ、１０ｃ、１０ｅ、１０ｇ、１０ｉ、および１０ｋの第１主電極１４０（コレクタ電極）と、半導体モジュール１０ｂ、１０ｄ、１０ｆ、１０ｈ、１０ｊ、および１０ｌの第２主電極１５０（エミッタ電極）とが周方向に沿って、一つずつ交互に配置されている。
本例では、プレート２４１から２４６を備える。プレートは導電性材料で形成されてよい。図２３に示されるとおり、半導体モジュール１０ａの第１主電極１４０（コレクタ電極Ｃ）と半導体モジュール１０ｌの第２主電極１５０（エミッタ電極Ｅ）とがプレート２４１によって互いに電気的に接続される。半導体モジュール１０ｂの第２主電極１５０（エミッタ電極）と半導体モジュール１０ｃの第１主電極１４０（コレクタ電極）とがプレート２４２によって互いに電気的に接続される。同様に、半導体モジュール１０ｄの第２主電極１５０（エミッタ電極）と半導体モジュール１０ｅの第１主電極（コレクタ電極）とがプレート２４３によって互いに電気的に接続される。
同様に、半導体モジュール１０ｆの第２主電極１５０（エミッタ電極）と半導体モジュール１０ｇの第１主電極１４０（コレクタ電極）とがプレート２４４によって互いに電気的に接続される。半導体モジュール１０ｈの第２主電極１５０（エミッタ電極）と半導体モジュール１０iの第１主電極１４０（コレクタ電極）とがプレート２４５によって互いに電気的に接続される。半導体モジュール１０ｊの第２主電極１５０（エミッタ電極）と半導体モジュール１０ｋの第１主電極１４０（コレクタ電極）とがプレート２４６によって互いに電気的に接続される。そして、各接続点が、２組の三相交流出力に対応する。
したがって、モータ装置４０が多スロット構成のモータ装置である場合であっても、図２１から図２３に示される電力変換装置を適用することが可能である。また、図２２および図２３のように、Ｕ１端子、Ｖ１端子、Ｗ１端子、Ｕ２端子、Ｖ２端子、およびＷ１端子が配列されるようにすることによって、回路インダクタンスの低減が可能となる。
上記の実施形態では、電力変換装置２０として、直流電力から三相交流電力へ変換するものを説明したが、本発明の電力交換装置は、この場合に限られない。三相交流電力の入力を受けて調整して三相交流電力に変換するマトリックスコンバータと呼ばれる回路であってもよい。
図２４は、マトリックスコンバータである電力変換装置３００をモータ駆動システム４に適用する場合を示す図である。モータ駆動システム４は、電力変換装置３００を用いるシステムの一例である。モータ駆動システム４は、電力変換装置３００、交流入力電源３３０、およびモータ装置４０を備える。電力変換装置３００は、入力された交流電力を別の交流電力に変換するマトリックスコンバータである。
電力変換装置３００は、第１インバータ部３１０および第２インバータ部３２０を含む。第１インバータ部３１０は、第２インバータ部３２０よりも交流入力電源３３０の近くに設けられる。第１インバータ部３１０および第２インバータ部３２０は、それぞれ図２から図５において説明した電力変換装置２０と同様の構造を有してよい。第１インバータ部３１０および第２インバータ部３２０は、それぞれ予め定められた位置を囲むように複数の半導体モジュールが配列されて筒部を構成していい。したがって、電力変換装置３００は、複数の筒部が、筒の軸方向に連なった構造を有してよい。
図２５は、マトリックスコンバータの回路構成の一例を示す図である。マトリックスコンバータの回路構成は、入力側に位置する第１インバータ部３１０の回路部分と、出力側に対応する第２インバータ部３２０の回路部分とに大別される。第１インバータ部３１０の回路部分と、第２インバータ部３２０の回路部分とは、正極端子Ｐおよび負極端子Ｎによって互いに結合している。第２インバータ部３２０の回路部分は、正極端子Ｐおよび負極端子Ｎに直流電力が入力されて、三相交流電力を出力する点で、図５において説明した回路と同じである。したがって、第２インバータ部３２０の回路部分の詳しい説明は省略する。
第１インバータ部３１０の回路部分は、例えば、三相交流入力端子として、Ｒ端子、Ｓ端子、およびＴ端子を備える。一方、出力端子として、正極端子Ｐおよび負極端子Ｎを備える。第１インバータ部３１０も、６つの半導体モジュール１０ｇから１０ｌを含んでいる。第１インバータ部３１０は、半導体モジュール１０ｌ、１０ｈ、１０ｊが上アームを構成し、半導体モジュール１０ｇ、１０ｉ、１０ｋが下アームを構成している。
半導体モジュール１０ｋのコレクタ電極Ｃである第１主電極４４０と、半導体モジュール１０ｊのエミッタ電極である第２主電極４５０とがプレート４１５によって電気的に接続される。同様に、半導体モジュール１０ｇのコレクタ電極Ｃである第１主電極４４０と、半導体モジュール１０ｌのエミッタ電極である第２主電極４５０とがプレート４１６によって電気的に接続される。半導体モジュール１０ｉのコレクタ電極Ｃである第１主電極４４０と、半導体モジュール１０ｄのエミッタ電極である第２主電極４５０とがプレート４１７によって電気的に接続される。
図２４に示されるとおり、第１インバータ部３１０の第１環状端面３１２は、マトリックスコンバータ全体の第１環状端面３１２でもある。また、第１インバータ部３１０は、第２インバータ部３２０と向い合う端部に第１中間部端面３１４を備える。第１中間部端面３１４とは、マトリックスコンバータを構成する２層のインバータ部同士が向い合う面であってよい。第１中間部端面３１４は、第１インバータ部３１０の出力側の端部である。
第２インバータ部３２０は、第２中間部端面３２２および第２環状端面３２４を備える。第２中間部端面３２２は、図１の第１環状端面２２に対応し、第２環状端面３２４は、図１の第２環状端面２４に対応する。第２環状端面３２４は、マトリックスコンバータ全体の第２環状端面でもある。第２中間部端面３２２は、第１中間部端面３１４と向い合うように配置されてよい。また、第２中間部端面３２２は、第１中間部端面３１４と接触してもよい。
第２インバータ部３２０の第２中間部端面３２２には、正極端子Ｐと負極端子Ｎが設けられる。例えば、第１主電極１４０が正極端子Ｐに対応し、第２主電極１５０が負極端子Ｎに対応する。他端側である第２環状端面３２４には、三相交流出力端子としてＵ端子、Ｖ端子、Ｗ端子が備えられる。このような第２インバータ部３２０の構成は、図２から図５に示される構成と同様である。したがって、繰り返しの説明を省略する。
図２６は、マトリックスコンバータの第１環状端面３１２から見た図である。図２７は、マトリックスコンバータの第１中間部端面３１４から見た図である。第２環状端面３２４は、第２インバータ部３２０の出力側の端部である。第１インバータ部３１０においても、予め定められた位置を囲むように複数の半導体モジュール１０が配置されることで、筒部４２１が形成される。
各半導体モジュール１０は、放熱用のベース板１２と、本体４００とを含む。本体４００の下面１３と上面１４との間に、第１側面４３０、第２側面４３２、第３側面４１０、第４側面４２０を備える。第１主電極４４０が第１側面４３０に向い合うように配置される。第２主電極４５０が第２側面４３２に向い合うように配置される。各半導体モジュール１０の第１側面４３０および第２側面１３２のそれぞれにおいて、複数の第１主電極４４０および複数の第２主電極４５０には、プレート締結部４４２およびプレート締結部４５２が形成されていてよい。プレート締結部４４２およびプレート締結部４５２は、螺子穴を含んでよい。
筒部４２１の第１環状端面３１２において、隣接する第１主電極４４０と第２主電極４５０の少なくとも一部が、プレート締結部４４２およびプレート締結部４５２に固定されたプレート４１５、４１６、４１７によって互いに電気的に接続される。本例では、図２６に示されるように、第１環状端面３１２において、プレート４１５、４１６、４１７が設けられる。プレート４１５、４１６、４１７は、金属等の導電性材料によって形成される。
プレート４１５による接続点、プレート４１６による接続点、プレート４１７による接続点が、それぞれ三相交流入力端子としてのＲ端子、Ｓ端子、Ｔ端子に対応する。したがって、交流電源に向い合うように、三相交流入力端子としてのＲ端子、Ｓ端子、Ｔ端子が設けられる。これにより、筒部４２１の第１環状端面３１２に三相交流を入力する配線が集約される。
本例において、筒部４２１の第１中間部端面３１４には、図２７に示されるとおり、半導体モジュール１０ｈ、１０ｊ、１０ｌの第１主電極４４０と半導体モジュール１０ｉ、１０ｋ、１０ｍの第２主電極４５０とが周方向に沿って、交互に配置されている。換言すれば、第１中間部端面３１４には、複数の第１主電極４４０および複数の第２主電極４５０うち、一部の電極が配置されている。各第１主電極４４０（コレクタ電極）Ｃは、直流の正電圧が印加される正極端子Ｐであってよい。各第２主電極４５０（エミッタ電極）Ｅは、直流の負電圧が印加される負極端子Ｎであってよい。第１中間部端面３１４には、直流の正電圧が印加される正極端子および直流の負荷電圧が印加される負極端子を備える。
第１インバータ部３１０の第１中間部端面３１４に設けられた第１主電極４４０（コレクタ電極）と、第２インバータ部３２０の第２中間部端面３２２に設けられた第１主電極１４０（コレクタ電極）とが電気的に接続される。例えば、第１インバータ部３１０の第１主電極４４０に設けられたプレート締結部４４２と、第２インバータ部３２０の第１主電極１４０に設けられたプレート締結部１４２とが直接的に連結される。同様に、第１インバータ部３１０の第１中間部端面３１４に設けられた第２主電極４５０（エミッタ電極）と、第２インバータ部３２０の第２中間部端面３２２に設けられた第２主電極１５０（エミッタ電極）とが電気的に接続されてよい。特に、第１インバータ部３１０の第２主電極４５０に設けられたプレート締結部４５２と、第２インバータ部３２０の第２主電極１５０に設けられたプレート締結部１５２とが直接的に連結されてよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
２・・モータ駆動システム、４・・モータ駆動システム、１０・・半導体モジュール、１１・・半導体モジュール組、１２・・ベース板、１３・・下面、１４・・上面、１５・・トランジスタ、１６・・ダイオード、２０・・電力変換装置、２１・・筒部、２２・・第１環状端面、２４・・第２環状端面、３０・・入力電源、４０・・モータ装置、５０・・制御部、６０・・冷却フィン、７０・・支持部、７２・・開口、７４・・開口、７６・・配線、８０・・外側放熱部、８２・・固定手段、９０・・半導体チップ、９２・・配線部材、１００・・本体、１１０・・第３側面、１１４・・第１領域、１１５・・第２領域、１１６・・テーパー、１２０・・第４側面、１２４・・第１領域、１２５・・第２領域、１２６・・テーパー、１３０・・第１側面、１３２・・第２側面、１４０・・第１主電極、１４２・・プレート締結部、１４６・・延伸部、１４７・・固定用締結部、１４８・・第１配線部、１５０・・第２主電極、１５２・・プレート締結部、１５６・・延伸部、１５７・・固定用締結部、１５８・・第２配線部、１６０・・制御端子、１６２・・制御端子、１６４・・制御端子、２１５・・プレート、２１６・・プレート、２１７・・プレート、２２０・・導電性プレート、２３１・・並列接続用プレート、２４１・・プレート、２４２・・プレート、２４３・・プレート、２４４・・プレート、２４５・・プレート、２４６・・プレート、３００・・電力変換装置、３１０・・第１インバータ部、３１２・・第１環状端面、３１４・・第１中間部端面、３２０・・第２インバータ部、３２２・・第２中間部端面、３２４・・第２環状端面、３３０・・交流入力電源、４００・・本体、４１０・・第３側面、４１５・・プレート、４１６・・プレート、４１７・・プレート、４２０・・第４側面、４２１・・筒部、４３０・・第１側面、４３２・・第２側面、４４０・・第１主電極、４４２・・プレート締結部、４５０・・第２主電極、４５２・・プレート締結部

Claims (20)

  1. 放熱用のベース板と、
    前記ベース板と向い合う下面、前記下面と逆側の上面、および前記下面と前記上面との間の複数の側面を備える本体とを備え、
    前記複数の側面のうちの第１側面に、第１主電流が流れる第１主電極が向い合って配置され、前記第１側面と逆側の第２側面に、第２主電流が流れる第２主電極が向い合って配置されている
    半導体モジュール。
  2. 前記複数の側面のうち前記第１側面および前記第２側面以外の第３側面と前記第３側面と逆側の第４側面とには、テーパーが設けられている
    請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 前記第３側面および前記第４側面は、第１領域と、前記第１領域よりも前記上面に近い第２領域とを有し、
    前記第２領域には前記テーパーが設けられ、前記第１領域には前記テーパーが設けられていない
    請求項２に記載の半導体モジュール。
  4. 前記第１側面および前記第２側面において前記第１主電極および前記第２主電極には、複数の半導体モジュール同士を連結するためのプレート締結部がそれぞれ設けられている
    請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記第１主電流および前記第２主電流を制御する制御端子を更に備え、
    前記制御端子は、前記上面から突出する
    請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記第１主電極および前記第２主電極が、前記上面にも配置されている
    請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記上面において前記第１主電極および前記第２主電極には、複数の半導体モジュール同士を連結するための固定用締結部がそれぞれ設けられている
    請求項６に記載の半導体モジュール。
  8. 前記第１主電極および前記第２主電極は、それぞれ前記第１側面および前記第２側面から表出して前記上面まで延伸する
    請求項６または７に記載の半導体モジュール。
  9. 前記第１主電極および前記第２主電極は、前記上面から表出して、それぞれ前記第１側面および前記第２側面まで延伸する
    請求項６または７に記載の半導体モジュール。
  10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の半導体モジュールを複数含む電力変換装置であって
    予め定められた位置を囲むように複数の前記半導体モジュールが配置されることによって筒部が形成されており、
    前記筒部の一端の第１環状端面に、複数の前記第１主電極および複数の前記第２主電極のうち、一部の電極が配置されており、
    前記筒部の他端の第２環状端面に、複数の前記第１主電極および複数の前記第２主電極のうち、残りの電極が配置されている
    電力変換装置。
  11. 複数の前記半導体モジュールのそれぞれは、前記複数の側面のうち前記第１側面および前記第２側面以外の第３側面と前記第３側面と逆側の第４側面とに、テーパーが設けられており、
    互いに隣接する前記半導体モジュールの前記テーパー同士が向い合うように、複数の前記半導体モジュールが配置される
    請求項１０に記載の電力変換装置。
  12. 複数の前記半導体モジュールのそれぞれは、前記第１主電流および前記第２主電流を制御する制御端子を含んでおり、
    前記制御端子は、前記筒部の内側に向かって突出するように配置されている
    請求項１０または１１に記載の電力変換装置。
  13. 前記筒部の一端および他端の少なくとも一方から前記筒部の内部に挿入されて前記制御端子に接続される少なくとも一つの配線を備える
    請求項１２に記載の電力変換装置。
  14. 筒状の外側放熱部を更に備えており、
    複数の前記半導体モジュールのそれぞれの前記ベース板が前記外側放熱部に固定されている
    請求項１０から１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  15. 各半導体モジュールの前記第１側面および前記第２側面のそれぞれにおいて、複数の第１主電極および複数の第２主電極には、プレート締結部が形成されており、
    前記筒部の前記第１環状端面および前記第２環状端面の少なくとも一方において、隣接する前記第１主電極と前記第２主電極の少なくとも一部が、前記プレート締結部に固定されたプレートによって互いに電気的に接続される
    請求項１０から１４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  16. 前記筒部の内側の面において、各半導体モジュールの上面にも、前記第１主電流が流れる前記第１主電極、および第２主電流が流れる第２主電極が配置されており、
    前記上面において前記第１主電極および前記第２主電極には、複数の半導体モジュール同士を連結するための固定用締結部がそれぞれ設けられており、
    前記筒部の内側において、半導体モジュールの上面に設けられた前記第１主電極が、隣接する半導体モジュールの上面に設けられた第１主電極または第２主電極に、前記固定用締結部に固定されたプレートによって接続されており、半導体モジュールの上面に設けられた第２主電極が、隣接する半導体モジュールの上面に設けられた第１主電極または第２主電極に、前記固定用締結部に固定されたプレートによって接続されている
    請求項１０から１４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  17. 前記半導体モジュールは、前記複数の側面のうち前記第１側面および前記第２側面以外の第３側面と前記第３側面と逆側の第４側面とを有し、
    一の半導体モジュールの前記第３側面が、隣接する他の半導体モジュールの前記第３側面または前記第４側面と向い合うように、複数の前記半導体モジュールが予め定められた位置を囲んで配置されることによって前記筒部が形成されている、
    請求項１６に記載の電力変換装置。
  18. 一の半導体モジュールの前記第１側面が、隣接する他の半導体モジュールの前記第１側面または前記第２側面と向い合うように、複数の半導体モジュールが前記筒部の軸方向に配列されて半導体モジュール組を構成しており、
    予め定められた位置を囲むように、複数組の前記半導体モジュール組が配置されることによって前記筒部が形成されている
    請求項１６に記載の電力変換装置。
  19. 前記筒部の一端の前記第１環状端面には、入力電源の正極が接続される正極端子および前記入力電源の負極が接続される負極端子を備えており、
    前記筒部の他端の前記第２環状端面には、三相交流出力端子としてＵ端子、Ｖ端子、Ｗ端子を備える
    請求項１０から１８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  20. 前記第１主電極と前記第２主電極とが、前記第１環状端面および前記第２環状端面の少なくとも一方において、ｎ個（ｎは、正の整数）ずつ交互に並ぶ
    請求項１０から１９のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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