JP2022148233A - パワー半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】小型化、低損失化に課題がある。【解決手段】直流電流を交流電流に変換するインバータ回路の上アームを構成する第１回路体と、前記インバータ回路の下アームを構成する第２回路体と、前記第１回路体と前記第２回路体が配置される貫通穴を形成し、前記第１回路体と前記第２回路体との間に中間基板を有する回路基板と、を備え、前記中間基板は、前記交流電流を伝達する交流配線パターンを有し、前記交流配線パターンには前記第１回路体と前記第２回路体が面接触して接続されるパワー半導体装置。【選択図】図１

Description

本発明は、パワー半導体装置および電力変換装置に関する。
パワー半導体装置のスイッチング動作により電力変換を行う電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。このパワー半導体装置はスイッチング動作により大電流が流れるので、低損失な電流経路が求められる。例えば、車載用においては、小型化、低損失化が要求されている。
特許文献１には、パワー半導体素子を有する回路体であって、コレクタ側リードフレームに、パワー半導体素子である上アーム側ＩＧＢＴ、上アーム側ダイオード、下アーム側ＩＧＢＴ、下アーム側ダイオードがはんだ接続されるパワー半導体装置が開示されている。
特開２０１８－１４２６２０号公報
特許文献１に記載の装置では、小型化、低損失化に課題がある。
本発明によるパワー半導体装置は、直流電流を交流電流に変換するインバータ回路の上アームを構成する第１回路体と、前記インバータ回路の下アームを構成する第２回路体と、前記第１回路体と前記第２回路体が配置される貫通穴を形成し、前記第１回路体と前記第２回路体との間に中間基板を有する回路基板と、を備え、前記中間基板は、前記交流電流を伝達する交流配線パターンを有し、前記交流配線パターンには前記第１回路体と前記第２回路体が面接触して接続される。
本発明によれば、パワー半導体装置の小型化、低損失化が可能となる。
電力変換装置の上面図である。 電力変換装置の断面図である。 パワー半導体装置の要部の斜視図である。 パワー半導体装置の回路構成図である。 回路基板の上面図である。 回路基板の貫通穴の変形例１を示す上面図である。 回路基板の貫通穴の変形例２を示す上面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。
図１は、パワー半導体装置１００により構成される電力変換装置１０００の上面図である。
パワー半導体装置１００は、後述のインバータ回路の上アームを構成する第１回路体１１０と、インバータ回路の下アームを構成する第２回路体１２０とを備える。
電力変換装置１０００は、Ｕ相のパワー半導体装置１００Ｕと、Ｖ相のパワー半導体装置１００Ｖと、Ｗ相のパワー半導体装置１００Ｗを回路基板２００に並列に配置して構成される。パワー半導体装置１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗは同様のチップ構成であり、以下の説明では、単に、パワー半導体装置１００と称する場合がある。
回路基板２００は、第１回路体１１０と第２回路体１２０が回路基板２００の上面と下面に貫通して配置される貫通穴が形成され、第１回路体１１０と第２回路体１２０との間に中間基板２１０を有する。貫通穴の詳細は後述する。
回路基板２００の一側（図示の上方側）には、正極の直流配線パターン２２０と負極の直流配線パターン２３０とが互いに絶縁状態で積層して形成されている。正極の直流配線パターン２２０は、正極端子２２１へ、負極の直流配線パターン２３０は、負極端子２３１へ接続される。
回路基板２００の他側（図示の下方側）には、回路基板２００の中間基板２１０に交流電流を伝達する交流配線パターン２４０が形成され、さらに、各回路体１１０、１２０内のトランジスタ１４０のゲート電極へリード線２５１を介して制御信号を伝達する制御配線パターンが制御配線パターンエリア２５０に形成されている。交流配線パターン２４０は、交流端子２４１へ、制御配線パターンエリア２５０は図示省略した制御端子へ接続される。
第１回路体１１０および第２回路体１２０は、それぞれダイオード１３０とトランジスタ１４０より構成され、回路基板２００の面の一側から他側に沿って、直流配線パターン２２０、２３０、ダイオード１３０、トランジスタ１４０、制御配線パターンエリア２５０が順に配置される。トランジスタ１４０は、例えばＩＧＢＴである。
回路基板２００上にはコンデンサなどの回路部品３００が搭載される。コンデンサは、例えば、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサなどである。コンデンサ以外の他の電子部品を搭載してもよい。回路部品３００は、直流配線パターン２２０、２３０側に配置してもよく、交流配線パターン２４０側に配置してもよい。
回路基板２００に並列に配置された三相分のパワー半導体装置１００の第１回路体１１０および第２回路体１２０は、封止部材４００で封止される。なお、図１では、内部の構成を明示する為に封止部材４００を透過状態で図示している。封止部材４００は、絶縁性の樹脂材料などであり、第１回路体１１０および第２回路体１２０の全部と、直流配線パターン２２０、２３０、交流配線パターン２４０、制御配線パターンエリア２５０の一部とを含み、回路基板２００の上下に形成される。なお、封止部材４００は、回路部品３００を含めて形成してもよい。
図２は、電力変換装置１０００の断面図である。図１のＸ－Ｘ’線における断面を示す。
トランジスタ１４０のエミッタは、はんだ１５０によりエミッタ側リードフレーム１４０Ｅと接合される。トランジスタ１４０のコレクタは、はんだ１５０によりコレクタ側リードフレーム１４０Ｃと接合される。回路基板２００の一方の面に、三相分のパワー半導体装置１００の第１回路体１１０および第２回路体１２０のエミッタ側を、他方の面に、三相分のパワー半導体装置１００の第１回路体１１０のおよび第２回路体１２０のコレクタ側を配置する。これにより、各トランジスタ１４０のチップが同じ面を向くので、製造工程を簡略化できる。
第１回路体１１０のエミッタ側リードフレーム１４０Ｅは、中間基板２１０の交流配線パターン２４０に面接触して接続される。また、第２回路体１２０のコレクタ側リードフレーム１４０Ｃは、中間基板２１０の交流配線パターン２４０に面接触して接続される。
電力変換装置１０００には、回路基板２００を挟む、第１回路体１１０および第２回路体１２０のエミッタ側と、第１回路体１１０および第２回路体１２０のコレクタ側に、それぞれ絶縁部材を介して図示省略した冷却装置が接触して配置される。回路基板２００に貫通穴を設けて、第１回路体１１０および第２回路体１２０を回路基板２００の両面に露出するので、冷却装置はパワー半導体装置１００を両面から冷却できる。そして、各リードフレーム１４０Ｅ、１４０Ｃと交流配線パターン２４０とが面接触して接続される中間基板２１０は、冷却装置の下に位置するので、発熱が大きい交流配線パターン２４０を効率よく冷却できる。
図３は、パワー半導体装置１００Ｕの要部の斜視図である。
既に述べたように、第１回路体１１０のエミッタ側リードフレーム１４０Ｅは、中間基板２１０の交流配線パターン２４０に面接触して接続される。また、第２回路体１２０のコレクタ側リードフレーム１４０Ｃは、中間基板２１０の交流配線パターン２４０に面接触して接続される。各リードフレーム１４０Ｅ、１４０Ｃと交流配線パターン２４０とは中間基板２１０上に面で接触するので、接触面積が確保され、流れる電流の損失を低減できる。また、第１回路体１１０のエミッタ側と第２回路体１２０のコレクタ側を繋ぐ電流経路も最短化されるので損失を低減でき、装置を小型化できる。さらに、第１回路体１１０のエミッタ側と第２回路体１２０のコレクタ側を繋ぐ電流経路も最短化されることより、インダクタンスの低減ができ、高速スイッチング時のサージ電圧を低減できる。また、面接触して接続されるので、製造過程において接続工程を安定して行うことができ、製造後は装置の構成を強固にすることができる。
さらに、第１回路体１１０のコレクタ側リードフレーム１４０Ｃは、正極の直流配線パターン２２０に面接触して接続される領域を形成している。第２回路体１２０のエミッタ側リードフレーム１４０Ｅは、負極の直流配線パターン２３０に面接触して接続される領域を形成している。したがって、各直流配線パターン２２０、２３０との接触面積が確保され、電流の損失を低減できる。また、電流経路も最短化されるので損失を低減でき、装置を小型化できる。また、面接触して接続されるので、製造過程において接続工程を安定して行うことができ、製造後は装置の構成を強固にすることができる。
図３に示すように、パワー半導体装置１００は、第１回路体１１０および第２回路体１２０が、回路基板２００の直流配線パターン２２０、２３０および交流配線パターン２４０と面接触して接続される。そして、図２に示すように、回路基板２００に貫通穴を設けて、回路基板２００の貫通穴に第１回路体１１０および第２回路体１２０を配置して、三一相分のパワー半導体装置１００を構成する。このように構成した電力変換装置１０００は、薄型化が図れ、小型化、低損失化が可能となる。
図４は、パワー半導体装置１００の回路構成図である。
電力変換装置１０００は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のパワー半導体装置１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗによりインバータ回路を構成する。
各パワー半導体装置１００は、インバータ回路の上アームを構成する第１回路体１１０と、インバータ回路の下アームを構成する第２回路体１２０とを備える。第１回路体１１０および第２回路体１２０は、各々ダイオード１３０とトランジスタ１４０より構成される。
正極端子２２１の配線パターン２２０と負極端子２３１の配線パターン２３０との間には、回路部品３００である平滑用のコンデンサが接続される。図示省略したバッテリなどの直流電源は、正極端子２２１および負極端子２３１に接続される。インバータ回路は、入力された直流電力を交流電力に変換し、３相の交流電流を交流端子２４１へ出力する。上述したように、第１回路体１１０のエミッタ側と第２回路体１２０のコレクタ側は、中間基板２１０の交流配線パターン２４０に面接触して接続されるので、接触面積が確保され、流れる電流の損失を低減できる。また、第１回路体１１０のエミッタ側と第２回路体１２０のコレクタ側を繋ぐ電流経路も最短化される。
図５は、電力変換装置１０００の回路基板２００の上面図である。
図１とは、Ｗ相の第１回路体１１０および第２回路体１２０を取り除いた点が相違する。その他は、図１と同様であり、同一箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
図５に示す電力変換装置１０００は、図１に示した電力変換装置１０００と同一の構成であるが、図５は、回路基板２００に形成した貫通穴２６０を説明するための図である。貫通穴２６０は、第１回路体１１０と第２回路体１２０を回路基板２００の上面と下面に貫通して配置するために形成される。この例では、貫通穴２６０は、第１回路体１１０が配置される穴と第２回路体１２０が配置される穴は連通し、その中間に中間基板２１０が形成されている。中間基板２１０は、直流配線パターン２２０、２３０が配置されている回路基板２００の近くまで伸びている。これにより、既に述べたように、第１回路体１１０のエミッタ側リードフレーム１４０Ｅと第２回路体１２０のコレクタ側リードフレーム１４０Ｃを、中間基板２１０の交流配線パターン２４０に面接触して接続することができる。図５では、回路基板２００のＷ相に形成された貫通穴２６０を例に説明したが、Ｕ相、Ｖ相も同様の構成である。
図６は、回路基板２００の貫通穴２６０の変形例１を示す上面図である。
図１とは、回路基板２００からＷ相の第１回路体１１０および第２回路体１２０を取り除いた点が相違する。その他は、図１と同様であり、同一箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
図５では、中間基板２１０は、直流配線パターン２２０、２３０が配置されている回路基板２００の近くまで伸びている例を示したが、図６に示す変形例１では、中間基板２１０は、直流配線パターン２２０、２３０が配置されている回路基板２００に繋がっている。換言すれば、貫通穴２６０は、第１回路体１１０が配置される第１貫通穴２６１と第２回路体１２０が配置される第２貫通穴２６２とをそれぞれ独立して形成し、交流配線パターンを有する中間基板２１０は、第１貫通穴２６と第２貫通穴２６２との間に設けられる。この変形例１の構成であっても、前述と同様の効果を奏する。
図７は、回路基板２００の貫通穴２６０の変形例２を示す上面図である。
図１とは、回路基板２００からＷ相の第１回路体１１０および第２回路体１２０を取り除いた点が相違する。その他は、図１と同様であり、同一箇所には同一の符号を付してその説明を省略する。
図７に示すように、回路基板２００は、第１回路基板２０１と第２回路基板２０２に分離している。すなわち、回路基板２００は、直流配線パターン２２０、２３０と回路部品３００とが配置される第１回路基板２０１と、交流配線パターン２４０と第１回路体１１０および第２回路体１２０の制御配線パターンエリア２５０とが配置される第２回路基板２０２とがそれぞれ別体に構成される。そして、中間基板２１０は、第２回路基板２０２と一体に設けられ、直流配線パターン２２０、２３０が配置されている第１回路基板２０１の近くまで伸びている。そして、第１回路基板２０１と第２回路基板２０２との間に貫通穴２６０が形成される。
この変形例２の構成であっても、前述と同様の効果を奏する他、回路基板２００の材料のコストを低減でき、回路基板２００の生産性を向上させることができる。
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）パワー半導体装置１００は、直流電流を交流電流に変換するインバータ回路の上アームを構成する第１回路体１１０と、インバータ回路の下アームを構成する第２回路体１２０と、第１回路体１１０と第２回路体１２０が配置される貫通穴２６０を形成し、第１回路体１１０と第２回路体１２０との間に中間基板２１０を有する回路基板２００と、を備え、中間基板２１０は、交流電流を伝達する交流配線パターン２４０を有し、交流配線パターン２４０には第１回路体１１０と第２回路体１２０が面接触して接続される。これにより、パワー半導体装置の小型化、低損失化が可能となる。
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。
１００、１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗ・・・パワー半導体装置、１１０・・・第１回路体、１２０・・・第２回路体、１３０・・・ダイオード、１４０・・・トランジスタ、１４０Ｃ・・・コレクタ側リードフレーム、１４０Ｅ・・・エミッタ側リードフレーム、１５０・・・はんだ、２００・・・回路基板、２０１・・・第１回路基板、２０２・・・第２回路基板、２１０・・・中間基板、２２０、２３０・・・直流配線パターン、２２１・・・正極端子、２３１・・・負極端子、２４０・・・交流配線パターン、２４１・・・交流端子、２５０・・・制御配線パターンエリア、２５１・・・リード線、２６０・・・貫通穴、２６１・・・第１貫通穴、２６２・・・第２貫通穴、３００・・・回路部品、４００・・・封止部材、１０００・・・電力変換装置。

Claims (9)

  1. 直流電流を交流電流に変換するインバータ回路の上アームを構成する第１回路体と、
    前記インバータ回路の下アームを構成する第２回路体と、
    前記第１回路体と前記第２回路体が配置される貫通穴を形成し、前記第１回路体と前記第２回路体との間に中間基板を有する回路基板と、を備え、
    前記中間基板は、前記交流電流を伝達する交流配線パターンを有し、前記交流配線パターンには前記第１回路体と前記第２回路体が面接触して接続されるパワー半導体装置。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、
    前記回路基板の一方の面に、前記第１回路体のおよび前記第２回路体のエミッタ側を、前記回路基板の他方の面に、前記第１回路体および前記第２回路体のコレクタ側を配置したパワー半導体装置。
  3. 請求項１に記載のパワー半導体装置において、
    前記回路基板は前記直流電流を伝達する直流配線パターンを有し、前記直流配線パターンには前記第１回路体および前記第２回路体が面接触して接続されるパワー半導体装置。
  4. 請求項３に記載のパワー半導体装置において、
    前記第１回路体および前記第２回路体は、それぞれダイオードとトランジスタより構成され、
    前記回路基板の面に沿って、前記直流配線パターン、前記ダイオード、前記トランジスタ、前記トランジスタの制御配線パターンが順に配置されるパワー半導体装置。
  5. 請求項３に記載のパワー半導体装置において、
    前記貫通穴は、前記第１回路体が配置される第１貫通穴と前記第２回路体が配置される第２貫通穴とにそれぞれ独立して形成され、前記交流配線パターンを有する前記中間基板は、前記第１貫通穴と前記第２貫通穴との間に設けられるパワー半導体装置。
  6. 請求項３に記載のパワー半導体装置において、
    前記回路基板は、前記直流配線パターンが配置される第１回路基板と、前記交流配線パターンと前記第１回路体および前記第２回路体の制御配線パターンとが配置される第２回路基板とをそれぞれ別体に構成するパワー半導体装置。
  7. 請求項３に記載のパワー半導体装置において、
    前記第１回路体および前記第２回路体は、封止部材で封止されるパワー半導体装置。
  8. 請求項３に記載のパワー半導体装置において、
    前記回路基板上には回路部品が搭載されるパワー半導体装置。
  9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載のパワー半導体装置により一相分が構成されるアーム回路を前記回路基板に三相分並列に配置した電力変換装置。
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