JP2024003917A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子に過電流が流れた際、半導体素子周辺の樹脂に発生する異常発熱に伴う熱損傷を防止でき、且つ低コストの過電流保護手段を備えた電力変換装置を得る。【解決手段】入力電源１に接続されたヒューズ８と、入力電源１にヒューズ８を介して直列接続された半導体素子３ａ～３ｄを備え、半導体素子３ａ～３ｄは、上面に電極を有する半導体チップと、前記電極に実装されヒューズ８を通る電流が流れる板状の導体からなる板状配線部材３８ａ～３８ｄを有すると共に、前記半導体チップと板状配線部材３８ａ～３８ｄを封止樹脂１２により封止して構成し、ヒューズ８の溶断時間は板状配線部材の溶断時間よりも短くした。【選択図】図３

Description

本願は、電力変換装置に係るものである。

近年、環境保護の観点から電気自動車(ＥＶ：Electric Vehicle)、あるいはＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）／ＰＨＥＶ(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)等のハイブリッド自動車の開発が進められている。このような自動車には充電された電力により走行用の電動モータを駆動させる高圧バッテリが搭載されており、自動車に搭載された電力変換装置で高圧バッテリの電力を電力変換して、低圧バッテリあるいは電動モータに所望の電流と電圧を供給している。

このような電力変換装置は複数の半導体素子とトランス、あるいはリアクトル等の磁性部品で主に構成されている。この半導体素子を構成する半導体チップは、例えば特許文献１に開示されているように、半導体チップの上面の電極にワイヤで構成されたワイヤ配線部材の一端が接続され、他端がリードフレームに接続されている。このワイヤ配線部材は、ゲート駆動回路の故障、あるいは誤動作によって半導体素子が短絡故障して過電流が流れると溶断される。
ここで、溶断後においてもワイヤ配線部材とリードフレームの間に継続して電圧が印加されると、アークが発生し、半導体チップ周辺の樹脂が炭化する。さらに炭化した部分に電流が流れると異常発熱が生じて熱損傷する。

これに対して特許文献２には、半導体素子と直列にヒューズを接続し、過電流がヒューズを介して半導体素子に流れた際、ヒューズが半導体素子のワイヤ配線部材よりも早く溶断するように構成された電力変換装置が開示されている。このような構成では、過電流が半導体素子に流れた際、半導体素子のワイヤ配線部材が溶断する前にヒューズが溶断し、半導体素子のワイヤ配線部材に印加される電圧及び流れる電流を遮断できるため、半導体素子のワイヤ配線部材の溶断に伴うアーク発生を防ぎ、半導体チップ周辺の樹脂が異常発熱して熱損傷することを防止できる。

特開平８－２４２０４６号公報 特開２０２０－９６４７１号公報

しかしながら、このような電力変換装置は、ヒューズが半導体素子のワイヤ配線部材よりも早く溶断する必要があることから、過電流発生時に溶断するまでの時間(以降、溶断時間という。)が短い、高性能なヒューズを適用する必要がある。高性能なヒューズはコストが高いため、電力変換装置が高コストになるという課題がある。

低価格なヒューズを適用できるようにするために、半導体チップの上面の電極に実装されたワイヤ配線部材の本数を増やす方法がある。この方法であれば、半導体素子のワイヤ配線部材の溶断時間を長く設定できるため、溶断時間が長い安価なヒューズが適用できるようになる。しかし、ワイヤ配線部材の本数の増加に伴い、半導体素子の製作時間が増加し、且つ、歩留まりが悪化するため、製造コストが高くなり、電力変換装置が高コスト化する。
加えて、ワイヤ配線部材の本数が増加した分、ワイヤ配線部材の実装に必要な面積を半導体チップ上面の電極にて確保する必要性が生じるため、チップサイズが増加し、半導体素子が高コストとなる。

上記の理由から、半導体素子のワイヤ配線部材の溶断を防止する保護手段を備えた従来の電力変換装置は、ヒューズあるいはワイヤ配線部材の実装に伴うコスト、及び半導体チップのコストが高くなり、電力変換装置が高コストになる課題がある。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、半導体素子に過電流が流れた際、半導体素子周辺の樹脂に発生する異常発熱に伴う熱損傷を防止でき、且つ低コストの過電流保護手段を備えた電力変換装置を提供することを目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、入力電源に接続されたヒューズと、前記入力電源に前記ヒューズを介して直列接続された半導体素子と、を備え、
前記半導体素子は、上面に電極を有する半導体チップと、前記電極に実装され前記ヒューズを通る電流が流れる板状の導体からなる板状配線部材とを有すると共に、前記半導体チップと前記板状配線部材を封止樹脂により封止して構成し、前記ヒューズの溶断時間を前記板状配線部材の溶断時間よりも短くしたことを特徴とする。

本願に開示される電力変換装置によれば、半導体素子に過電流が流れた際、半導体素子周辺の樹脂に発生する熱損傷を防止でき、且つ低コストな過電流保護手段を備えた電力変換装置が得られる。

実施の形態１に係る電力変換装置の回路図である。 実施の形態１に係る電力変換装置に用いる半導体モジュールの内部構成を示す図である。 図２のＡ－Ａ線断面を矢印Ｂ方向から見た半導体素子の周辺構成の一部省略断面図である。 半導体素子を構成する半導体チップの上面に実装されたワイヤ配線部材の溶断の仕組みを示す断面図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のヒューズと板状配線部材の溶断特性を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の変形構成例を示す回路図である。

以下、本願に係る電力変換装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一または相当する部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力変換装置の回路構成図である。本実施の形態では電力変換装置として、絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを用いて説明する。
図１に示す電力変換装置は、出力に入力電圧よりも低い電圧が出力される降圧型コンバータであり、入力電源１の直流電圧Ｖｉｎを電力変換し、例えば低圧バッテリ等の負荷２に直流電圧Ｖｏｕｔを出力する。

まず、電力変換装置の構成について説明する。
図１に示す電力変換装置は、入力電源１と、入力電源１の出力側に接続され、ソース・ドレイン間に寄生ダイオードが内蔵されたＭＯＳＦＥＴからなる半導体素子３ａ～３ｄによりフルブリッジ回路を構成する単相インバータ３と、一次巻線４ａ及び二次巻線４ｂを有し、一次巻線４ａが半導体素子３ａ～３ｄに接続された絶縁トランス４と、絶縁トランス４の二次巻線４ｂに接続され、整流素子として機能するダイオード５ａ、５ｂを有する整流回路５と、整流回路５の出力側に接続された出力平滑用の平滑リアクトル６及び平滑コンデンサ７と、単相インバータ３を構成する半導体素子３ａ～３ｄと入力電源１に直列接続され、入力電源１と単相インバータ３の間に接続されたヒューズ８を備えて構成されている。ここで、半導体素子３ａ～３ｄは一次側半導体素子を構成し、ダイオード５ａ、５ｂは二次側半導体素子を構成している。

上記構成の電力変換装置は、入力電源１から供給された電力が電力変換により所望の電圧及び電流に変換された電力として出力され、低圧バッテリ等の負荷２に直流電圧Ｖｏｕｔを出力する。

トランス４は二次側がセンタータップ型であり、センタータップ端子はＧＮＤに接続され、それ以外の二次巻線４ｂの端子は、ダイオード５ａ、５ｂのアノード端子にそれぞれ接続されている。ダイオード５ａ、５ｂのカソード端子は、平滑リアクトル６に接続されている。ヒューズ８は、入力電源１と単相インバータ３の間に直接接続されている。ここで、単相インバータ３を構成する半導体素子３ａ～３ｄと、整流回路５を構成するダイオード５ａ、５ｂは同一パッケージに樹脂で封止され、図２に示す半導体モジュール（以降、モジュールという。）９として構成されている。

次に、モジュール９の構成について図２を用いて説明する。図２（ａ）はモジュール９の上面透視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の矢印Ｂ方向から見た一部を省略した断面透視図である。図２（ａ）、図２（ｂ）において、図１に対応する箇所は同一符号を付している。

まず、図２によりモジュール９の断面構造を説明する。
モジュール９を構成する半導体素子３ａ～３ｄは、底面にドレイン電極を持ち、上面にそれぞれゲート電極３１ａ～３１ｄ、及び第１ソース電極３２ａ～３２ｄ、第２ソース電極３３ａ～３３ｄを備えた半導体チップを有しており、この半導体チップは、それぞれリードフレーム３４ａ～３４ｄに実装される。第２ソース電極３３ａ～３３ｄは、上記半導体チップのゲートを駆動するための基準電位であり、例えばゲート電極３１ａ～３１ｄを挟んで対称に配置される。

整流回路５を構成するダイオード５ａ、５ｂは、底面にカソード電極、上面にアノード電極を有する半導体チップを備えており、リードフレーム５１に実装される。符号３５、３６ａ～３６ｄ、３７ａ～３７ｄ、５２ａ、５２ｂはリードフレームを示しており、リードフレーム３４ａ～３４ｄ、３５、３６ａ～３６ｄ、３７ａ～３７ｄ、５１、５２ａ、５２ｂは、絶縁部材１０により冷却部材１１と絶縁されている。

半導体素子３ａ～３ｄ、ダイオード５ａ、５ｂ、リードフレーム３５、３６ａ～３６ｄ、３４ａ～３４ｄ、３７ａ～３７ｄ、５２ａ、５２ｂ、５１、冷却部材１１、絶縁部材１０、及び板状部材で構成された板状配線部材３８ａ～３８ｄは、冷却部材１１のモジュール９の底面方向の面を露出させてシリコン樹脂からなる封止樹脂１２により封止されている。また、リードフレーム３５、３６ａ～３６ｄ、３４ａ～３４ｄ、３７ａ～３７ｄ、５２ａ、５２ｂ、５１は、モジュール９の上面方向に向かって折り曲げられており、モジュール９の外部端子を構成する。図２（ｂ）の断面透視図では、板状配線部材３８ａ～３８ｄは省略している。なお、板状配線部材３８ａ～３８ｄについては後述する。

半導体素子３ａのドレイン電極は、リードフレーム３４ａに実装され、リードフレーム３４ａは、例えばガラスエポキシ基板の配線パターン等を介して、入力電源１の正極に接続される。半導体素子３ａの第１ソース電極３２ａは板状配線部材３８ａでリードフレーム３４ｂに実装され、リードフレーム３４ｂは、例えばガラスエポキシ基板の配線パターン等を介して、トランス４の一次巻線４ａに接続される。半導体素子３ｂのドレイン電極は、リードフレーム３４ｂに実装される。半導体素子３ｂの第１ソース電極３２ｂは板状配線部材３８ｂでリードフレーム３５と接続され、リードフレーム３５は、ガラスエポキシ基板の配線パターン等を介して、入力電源１の負極に接続される。

半導体素子３ｃのドレイン電極は、リードフレーム３４ｃに実装され、リードフレーム３４ｃは、ガラスエポキシ基板の配線パターン等を介して、入力電源１の正極に接続される。半導体素子３ｃの第１ソース電極３２ｃは、板状配線部材３８ｃでリードフレーム３４ｄと接続され、リードフレーム３４ｄは、ガラスエポキシ基板の配線パターン等を介して、トランス４の一次巻線４ａに接続される。半導体素子３ｄのドレイン電極は、リードフレーム３４ｄに実装される。半導体素子３ｄの第１ソース電極３２ｄは、板状配線部材３８ｄでリードフレーム３５に接続される。また、リードフレーム３６ａ～３６ｄは、ガラスエポキシ基板の配線パターンを介して、ガラスエポキシ基板に実装されているゲート回路に接続される。

ダイオード５ａは、アノード電極５３ａから板状配線部材５４ａでリードフレーム５２ａと接続され、リードフレーム５２ａは、例えば半田付けまたは溶接等でトランス４の二次巻線４ｂに接続される。また、ダイオード５ｂは、アノード電極５３ｂから板状配線部材５４ｂでリードフレーム５２ｂと接続され、リードフレーム５２ｂは、例えば半田付けまたは溶接等でトランス４の二次巻線４ｂに接続される。また、ダイオード５ａ、５ｂのカソード電極は共通のリードフレーム５１に実装され、リードフレーム５１は平滑リアクトル６に接続される。

リードフレーム３４ａ、３４ｃは、モジュール９の外側であるガラスエポキシ基板上で接続しても良いし、リードフレーム３５を跨ぐ板状配線部材を実装してモジュール９の内部にて接続しても良い。
半導体素子３ａ～３ｄのゲート電極３１ａ～３１ｄは、それぞれワイヤで構成されたワイヤ配線部材２９ａ～２９ｄでリードフレーム３６ａ～３６ｄに接続され、第２ソース電極３３ａ～３３ｄは、それぞれワイヤ配線部材３０ａ～３０ｄでリードフレーム３７～３７ｄに接続されている。なお、板状配線部材３８ａ～３８ｄ、及び５４ａ、５４ｂはバスバー等の平板状の導体、例えば銅板で構成されている。

なお、上記構成では、ガラスエポキシ基板の配線パターンを介してリードフレーム３４ａ、３４ｃ、３５と入力電源１を接続しているが、配線パターンを介さず直接接続しても良い。リードフレーム３４ｂ、３４ｄとトランス４の一次巻線４ａはガラスエポキシ基板の配線パターンを介して接続しているが、配線パターンを介さず直接接続されていても良い。リードフレーム５２ａ、５２ｂは、半田付けまたは溶接等でトランス４の二次巻線４ｂに接続しているが、ガラスエポキシ基板上の配線パターンを介して接続しても良い。さらに、封止樹脂１２にはシリコン樹脂以外にエポキシ樹脂等も用いることができる。

次に、モジュール９を構成する半導体素子３ａ～３ｄの周辺構成について図３を用いて説明する。図３は、図２のＡ－Ａ線断面を矢印Ｂ方向から見た半導体素子の周辺構成図であり、一部を省略した断面図である。以降では、半導体素子３ｂを主として説明するが、他の半導体素子３ａ、３ｃ、３ｄも同様に構成されている。なお、図３では図の簡略化のために、リードフレーム３６ｂと３７ｂが省略され、リードフレーム３４ｂについてモジュール９の上面方向に向かって形成された部分が省略されている。

図３において、冷却部材１１の上に絶縁部材１０を介して配置されたリードフレーム３４ｂに、半導体素子３ｂの半導体チップが導電性接着剤を介して固定されている。さらに半導体素子３ｂの半導体チップ上面の第１ソース電極３２ｂと他方のリードフレーム３５が板状配線部材３８ｂで接続されている。通常、板状配線部材３８ｂは、定格電流に応じて断面積が定められるため、異常時に過電流が流れると溶断してしまうことがある。板状配線部材３８ｂと第１ソース電極３２ｂは、ダイレクトリードボンディング方式で半田接合されている。ダイレクトリードボンディング方式とは、従来のワイヤ実装とは異なり、半導体チップ上面の電極に半田等の接合部材で平板状の導体を実装する方法である。

なお、板状配線部材３８ｂ、第１ソース電極３２ｂ、及び板状配線部材３８ｂを接合する材料、接合方法は、それぞれ、銅及び半田、ダイレクトリードボンディング方式として説明しているが、これに限定するものではなく、別の材料、あるいはボンディング方式でも良い。また、板状配線部材３８ｂの形状は、実施の形態１で図示しているように平板状に限らず、板状部材を折り曲げ加工して形成された形状でも良い。

本実施の形態において、ヒューズ８と半導体素子３ａ～３ｄの板状配線部材３８ａ～３８ｄが溶断するとは、ヒューズ８の可溶部、即ち、ヒューズエレメント及び半導体素子３ａ～３ｄの半導体チップ上面に接続された板状配線部材３８ａ～３８ｄが溶解して電気的及び物理的に切断されることを意味している。なお、ヒューズ８の可溶部とは、ヒューズ内部に搭載され、過電流が流れた際に溶断する箇所を指す。また、図３には示されていないが、モジュール９の冷却部材１１は、放熱グリス等の放熱部材を介して冷却器に固定され、電力変換装置の内部に取付けられている。

次に、本実施の形態の電力変換装置の動作について説明する。
本実施の形態に係る電力変換装置であるＤＣ－ＤＣコンバータは、主に４モードの動作を行う。
モード１では、半導体素子３ａ、３ｄが導通状態となり、半導体素子３ｂ、３ｃが非導通状態となる。この状態ではトランス４の一次巻線４ａには、図１の上から下へ電流が流れ、二次巻線４ｂにはダイオード５ａの順方向に電流が流れる。
モード２では、すべての半導体素子３ａ～３ｄは非導通状態であり、トランス４の二次巻線４ｂに電力は伝達されず、平滑リアクトル６の自己誘導による電流のみとなる。
モード３では、モード１とは反対に、半導体素子３ａ、３ｄが非導通状態となり、半導体素子３ｂ、３ｃが導通状態となる。この状態ではトランス４の一次巻線４ａには、図１の下から上へ電流が流れ、二次巻線４ｂにはダイオード５ｂの順方向に電流が流れる。
モード４では、再びすべての半導体素子３ａ～３ｄは非導通状態となり、トランス４の二次巻線４ｂに電力は伝達されず、平滑リアクトル６の自己誘導による電流のみとなる。
このモード１からモード４を繰り返し、各モードの動作周期を調整することにより、目的とする出力を得ることができる。

上記のモード１からモード４の切り替えは、ゲート駆動回路により半導体素子３ａ～３ｄのゲート電極３１ａ～３１ｄに所望のタイミングで電圧を印加し、半導体素子３ａ～３ｄをオン・オフすることで実現する。このように、半導体素子３ａ～３ｄをゲート駆動回路でオン・オフ切り替え動作させるので、ゲート駆動回路の故障、あるいは誤動作が生じた場合に短絡故障となる。この時、半導体素子３ａ～３ｄに定格電流を大幅に超過する過電流が流れる。

ここで半導体素子に過電流が流れた際、半導体素子の半導体チップ上面の電極に実装され、半導体素子チップとリードフレームを接続する配線部材が溶断し、熱損傷が生じる。この仕組みについて、図４(ａ)～(ｄ)を用いて、配線部材が従来のワイヤ配線部材の場合で説明する。
図４(ａ)～図４(ｄ)は、図１～図３に示す電力変換装置において、ヒューズ８を実装せず、銅板で構成された板状配線部材３６ｂをワイヤで構成されたワイヤ配線部材Ｗに変更した際の半導体素子３ｂを構成する半導体素子チップの周辺構造を示した図である。

図４(ａ)は、半導体素子３ｂの半導体素子チップを構成する第１ソース電極３２ｂとリードフレーム３５とを接続するワイヤ配線部材Ｗに過電流が流れた状態を示しており、流れる電流を矢印Ｃで模擬的に示している。
図４(ｂ)は、ワイヤ配線部材Ｗに流れた過電流により、ワイヤ配線部材Ｗが溶断された状態を示している。この状態において、電力変換装置の入力電源１が高圧であり、図４(ｃ)に示すように、溶断部分には電圧が印加され続けて矢印Ｄで示した部分に電位差が生じ、図４(ｄ)で示すように炭化されて炭化部Ｅが形成される。

図４(ｄ)に示すように、炭化部Ｅは電気的抵抗体として示すことができ、ワイヤ配線部材Ｗから封止樹脂１２を経てリードフレーム３５へ接続する矢印Ｆで示す通電回路が形成される。炭化した封止樹脂１２の抵抗は、通常の導体と比べ少し高い抵抗値を有する。そのため、半導体素子３ｂに流れ続ける電流値は、この抵抗値に応じて低い値となり、ワイヤ配線部材Ｗが溶断された後も流れ続け、封止樹脂１２の炭化部Ｅで異常発熱が発生し、さらには熱損傷する可能性がある。

次に、実施の形態１に係る半導体素子３ａ～３ｄの保護方法について説明する。
図５は、図１のヒューズ８と板状配線部材３８ａ～３８ｄの電流－溶断時間特性(以降、溶断特性という。)のグラフであり、縦軸が溶断時間、横軸が電流値を示し、ある電流値に対して各部品が溶断までに必要とする時間を示している。

具体的には下方部分にプロットされるほど溶断時間が短く、逆に上方部分にプロットされるほど溶断時間が長くなることを示している。本実施の形態では、図１に示す通りヒューズ８が半導体素子３ｂに直列接続されており、ヒューズ８の溶断時間が、半導体素子３ａ～３ｄの第１ソース電極３２ａ～３２ｄに接続された板状配線部材３８ａ～３８ｄよりも短く設定されている。溶断特性をこの順序とすることにより、過電流が発生した場合、まずヒューズ８が溶断し、ヒューズ８に直列接続されている半導体素子３ｂの板状配線部材３８ｂに流れる電流と印加電圧を瞬時に遮断することができる。従って、この構成であれば、板状配線部材３８ａ～３８ｄとリードフレーム３５、３４ｂ、３４ｄの間に電位差が生じないことから、アーク発生に伴う樹脂の炭化が生じないため、炭化した部分に電流が流れて異常発熱に伴う熱損傷が生じることがない電力変換装置を実現できる。

次に、銅板で構成された板状配線部材３８ａ～３８ｄとヒューズ８を組み合わせた効果について説明する。
従来は、図４に示すように、半導体素子３ｂの第１ソース電極３２ｂとリードフレーム３５がワイヤ配線部材Ｗで接続されており、ワイヤ配線部材Ｗの溶断時間は短い。従って、ヒューズ８は、図５に示すようにワイヤ配線部材Ｗの溶断時間を下回る必要があるため、溶断時間が短い高価格なヒューズ８を適用する必要があった。

これに対し本実施の形態では、図２に示すように、ダイレクトリードボンディング方式により半導体素子３ｂの第１ソース電極３２ｂとリードフレーム３５を接続する配線部材を平板状の銅板で構成された板状配線部材３８ｂを用いているため、板状配線部材３８ｂの電流が流れる断面積はワイヤ配線部材Ｗで構成される場合よりも大きく、抵抗値が小さい。例えば、従来のワイヤ配線部材Ｗの実装であれば、半導体素子３ａ～３ｄに実装される全ワイヤ配線部材Ｗの総断面積は０.１ｍｍ^２オーダーであるが、板状配線部材３８ａ～３８ｄであれば、数ｍｍ^２オーダーになるため、抵抗値は大幅に低減できる。また、板状配線部材３８ａ～３８ｄの形状が平板状であるため、ワイヤ配線部材Ｗよりも放熱面積を広くできる。これらの理由から板状配線部材３８ａ～３８ｄに過電流が流れた際、ワイヤ配線部材Ｗよりも温度上昇が小さく、溶断時間が長くなるため、ヒューズ８に溶断時間が長い低コストなヒューズを適用できる。

前述の通り、従来においてはヒューズ８を低コスト化するために、半導体素子３ｂの第１ソース電極３２ｂとリードフレーム３５を接続するワイヤ配線部材Ｗの本数を多くする方法がある。この方法であれば、ワイヤ配線部材Ｗの溶断時間を長くし、低価格ヒューズを適用可能にできるが、第１ソース電極３２ｂに実装するワイヤ配線部材Ｗの本数が増えると、ワイヤ配線部材Ｗの実装に時間が掛かる。また、第１ソース電極３２ｂ上面にワイヤ配線部材Ｗを実装する際、一般的には超音波を利用して実装するが、この方法はワイヤ配線部材Ｗを１本ずつ第１ソース電極３２ｂ上面の電極に接触させて超音波を当てることにより、ワイヤ配線部材Ｗを実装する方法であるため、ワイヤ配線部材Ｗの本数が多くなるほど作製時間が増え、コスト増となる。

また、半導体チップに実装したワイヤ配線部材Ｗの内、１本でも不良が生じた場合、同じ半導体チップに実装された他のワイヤ配線部材Ｗが正常であっても、その半導体チップは不良品となるため、ワイヤ本数が多いほど歩留まりが悪くなる。

これらの理由から、ワイヤ配線部材Ｗの本数を多くするとヒューズ８は低価格となるが、ワイヤ配線部材Ｗの実装に時間が掛かること、及び歩留まり悪くなることで、大幅に製造コストが高くなるため、かえって電力変換装置が高コスト化する。
これに対し、本実施の形態では、ダイレクトリードボンディング方式で平板状の銅板からなる板状配線部材３８ａを半導体素子３ｂの第１ソース電極３２ｂとリードフレーム３５に接続していることから、ワイヤ配線部材Ｗの実装の場合と異なり、ワイヤ配線部材Ｗの本数増加に伴う実装時間の増加と歩留まりの悪化が無くなり、配線部材の製造コストが増加することなく、低価格なヒューズ８が適用できる。

加えて、従来方式で複数のワイヤ配線部材Ｗを実装する場合、２本目以降のワイヤ配線部材Ｗは先に実装したワイヤ配線部材Ｗと接触することを避けるため、先に実装されたワイヤ配線部材Ｗと一定の間隔を空けて半導体チップ上面の電極に実装されることから、半導体チップ上面の電極の面積の内、物理的にワイヤ配線部材Ｗを接続できない部分が生じる。従って、低価格なヒューズを適用するために、実装するワイヤ配線部材Ｗの本数を増やす場合、製造コストの増加だけでなく、ワイヤ配線部材Ｗの実装に必要な電極の面積を確保するために半導体チップ上面の面積が大きくなり、半導体素子も高コスト化する。

これに対し、本実施の形態のように、板状配線部材３８ｂを実装した場合、ワイヤ配線部材Ｗの実装と異なり、半導体素子３ｂの半導体チップの電極全体に板状配線部材３８ｂを物理的に接続できる。また、板状配線部材３８ｂの断面積を増やして抵抗値を下げたい場合、銅板の厚さを増やせば、容易に電流が流れる断面積を増やせる。従って、半導体チップの電極の面積が小さくても、電流が流れる断面積を広く確保でき、板状配線部材３８ｂの抵抗値を小さくできるため、チップサイズを増やす必要がなくなるため、半導体素子３ｂの高コスト化を防ぐことができる。

次に、モジュール９を構成するリードフレーム３５の効果について説明する。図１と図２に示す通り、リードフレーム３５は半導体素子３ｂ、３ｄのソースと同電位であり、板状配線部材３８ｂ、３８ｄを介して入力電源１と半導体素子３ｂ、３ｄのソースを接続している。また、板状配線部材３８ａ～３８ｄはリードフレーム３４ａ～３４ｄから絶縁部材１０と冷却部材１１を介して冷却器に放熱している。このとき熱は、冷却部材１１により広がるため、リードフレーム３５があることでモジュール９の底面の面積が増えると、板状配線部材３８ａ～３８ｄの熱が冷却器に放熱し易くなるため、板状配線部材３８ａ～３８ｄは、温度が低くなり、溶断時間が長くなる。

また、リードフレーム３５を実装し冷却部材１１の面積が増えることで半導体素子３ｂの半導体チップの温度上昇が抑えられる。これにより、半導体チップから板状配線部材３８ｂへの熱干渉の影響を緩和できるため、板状配線部材３８ｂの温度上昇を抑えることができ、板状配線部材３８ｂの溶断時間を長くすることができる。従って、板状配線部材３８ａ～３８ｄの溶断時間が増えた分、ヒューズ８に溶断時間が長い低価格なヒューズを適用できて電力変換装置を低コスト化できる。

次に、本実施の形態において、モジュール９が、絶縁部材１０と冷却部材１１を有することによる効果について説明する。
冷却器と絶縁する絶縁部材が搭載されていないモジュールの場合、冷却器とモジュールを絶縁する方法として、例えば、冷却器とモジュールの間に絶縁紙を配置して、冷却器と接続する方法がある。このとき、モジュールは通常、ばね等で固定するが、ばねの圧力には限界があり、絶縁紙とモジュール間、絶縁紙と冷却器間に隙間が生じ、それら界面の熱抵抗が高くなる。従って、モジュール内部の配線部材は放熱特性が低く、配線部材の温度が上昇するため、配線部材に過電流が流れた際、溶断時間が短くなる。

それに対し、図３に示すような絶縁部材１０と冷却部材１１が封止樹脂１２で封止されて作製されたモジュール９の場合について説明する。
図３に示すような構成においては、冷却部材１１と絶縁部材１０に高い圧力を加えて作製しており、絶縁部材１０を薄くでき、且つ絶縁部材１０と冷却部材１１に隙間が生じないため、絶縁部材１０の熱抵抗と、絶縁部材１０と冷却部材１１の界面の熱抵抗を小さくできる。

さらに、板状配線部材３８ｂについては、ワイヤ配線部材で構成した場合より平板状の銅板で構成した場合の方が、電流が流れる断面積が大きく、抵抗値が小さいことと、表面積大きいことから、損失が小さく、放熱し易いため、温度上昇を抑制可能である。従って、板状配線部材３８ｂを銅板で構成し、且つ半導体素子３ｂをモジュール９に搭載することにより、大幅に配線部材の溶断時間を長くすることができる。従って、板状配線部材３８ａ～３８ｄの溶断時間が増えた分、ヒューズ８に溶断時間が長い低価格なヒューズを適用できるため、電力変換装置を低コスト化できる。

次に、本実施の形態において、トランス４の一次側の半導体素子３ａ～３ｄとトランス４の二次側のダイオード５ａ、５ｂを同一パッケージで作製した効果について説明する。
本実施の形態の図１に示すような降圧コンバータでは、入力電源１から供給される電圧を降圧して入力電圧以下の電圧を負荷２に出力することと、入力電力＝出力電力が成り立つことから、出力側のダイオード５ａ、５ｂに流れる電流は、入力側の半導体素子３ａ～３ｄに流れる電流よりも大きい。そのため、出力側のダイオード５ａ、５ｂに適用される配線部材は、半導体素子３ａ～３ｄに適用される配線部材と異なり、平板状の銅板で構成するのが一般的である。一方、入力側の半導体素３ａ～３ｄに流れる電流は、出力側のダイオード５ａ、５ｂに流れる電流よりも小さいため、半導体素子３ａ～３ｄに適用される配線部材３８ａ～３８ｄはワイヤ配線部材で構成されることが一般的である。

従来では上記のように、半導体素子２ａ～２ｄにはワイヤ配線部材を実装し、ダイオード４ａ、４ｂに平板状の銅板からなる板状配線部材を実装していたことから、ワイヤ配線部材と板状配線部材をそれぞれ別々の装置を用いて実装する必要があり、工数が多く製造コストが高かった。
それに対し、本実施の形態では、半導体素子３ａ～３ｄとダイオード５ａ、５ｂを同一パッケージで作製し、且つ、銅板で構成された板状配線部材３８ａ～３８ｄ、５４ａ、５４ｂを適用していることから、同一の装置で板状配線部材３８ａ～３８ｄ、５４ａ、５４ｂをまとめて作製することができ、配線部材の製造コストを削減することができる。
また、半導体素子３ａ～３ｄ、１３ａ、１３ｄに実装されている板状配線部材３８ａ～３８ｄと５４ａ、５４ｂは全て同じ形状の銅板で構成されている。通常、板状配線部材３８ａ～３８ｄと５４ａ、５４ｂの形状はチップ位置とリードフレーム間の距離と、半導体チップとリードフレームの形状、半導体チップの定格電流で決まることから、板状配線部材３８ａ～３８ｄと５４ａ、５４ｂは同一形状になるとは限らないが、本実施の形態では、半導体チップとリードフレーム間の位置とリードフレーム形状を調節し、且つ板状配線部材３８ａ～３８ｄと５４ａ、５４ｂの定格電流が半導体素子３８ａ～３８ｄとダイオード１３ａ、１３ｄの両方の定格電流を満足するように設計しているため、板状配線部材３８ａ～３８ｄと５４ａ、５４ｂを同一形状とすることができる。
このような構成にすることにより、板状配線部材３８ａ～３８ｄと５４ａ、５４ｂに実装される銅板を共通化できるため、製造する際の銅板の管理が容易になり、管理費を削減することができる。また、金型も共通化でき、金型製造コストあるいは管理費も削減することができる。

また、本実施の形態において、半導体素子３ａ～３ｄとしてＭＯＳＦＥＴを用いたが、これに限定されるものではなく、例えばＩＧＢＴとダイオードを用いても同様の効果を得ることができる。

さらに、本実施の形態においては、ヒューズ８は、入力電源１の正極側に直列に接続されているが、これとは反対に負極側に接続されても同様の効果を有する。
また、本実施の形態では、電力変換装置は絶縁型コンバータとしているが、これに限定するものではなく、非絶縁型コンバータであっても同様の効果を得ることができる。
本実施の形態では、入力側よりも出力側で低電圧となる降圧型コンバータを用いたが、これに限定するものではなく、入力側よりも出力側で高電圧となる昇圧型コンバータであっても同様の効果を得ることができる。この場合、２次側で高電圧となるため、図６に示すようにトランス４の部分の後段にヒューズ８Ａを配置することで同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態１においては、半導体素子３ａ～３ｄで構成される単相インバータ３とヒューズ８を直列接続した構成を用いて説明したが、図６に示すようにダイオード１３ａ～１３ｄで構成される整流回路４Ａにヒューズ８Ａを直列接続した構成でも同様の効果を得ることができる。この構成において、整流回路５Ａを構成するダイオード１３ａ～１３ｄは、半導体素子３ａ～３ｄと同様に、実装される配線部材は銅板で構成され、ヒューズ８Ａの溶断時間はダイオード１３ａ～１３ｄに実装されて銅板で構成される板状配線部材の溶断時間より短く設定されている。この整流回路４Ａを用いた構成の電力変換装置においても高い信頼性を得ることができる。

なお、本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１ 入力電源、２ 負荷、３ 単相インバータ、３ａ～３ｄ 半導体素子、４ 絶縁トランス、４ａ 一次巻線、４ｂ 二次巻線、５、５Ａ 整流回路、５ａ、５ｂ、１３ａ～１３ｄ ダイオード、６ 平滑リアクトル、７ 平滑コンデンサ、８、８Ａ ヒューズ、９ 半導体モジュール、１０ 絶縁部材、１１ 冷却部材、１２ 封止樹脂、２９ａ～２９ｄ、３０ａ～３０ｄ、Ｗ ワイヤ配線部材、３１ａ～３１ｄ ゲート電極、３２ａ～３２ｄ 第１ソース電極、３３ａ～３３ｄ 第２ソース電極、３４ａ～３４ｄ、３５、３６ａ～３６ｄ、３７ａ～３７ｄ、５１、５２ａ、５２ｂ リードフレーム、３８ａ～３８ｄ、５４ａ、５４ｂ 板状配線部材、５３ａ アノード電極、Ｖｉｎ、Ｖｏｕｔ 直流電圧、Ｅ 炭化部。

Claims (8)

1. 入力電源に接続されたヒューズと、
   前記入力電源に前記ヒューズを介して直列接続された半導体素子と、を備え、
   前記半導体素子は、上面に電極を有する半導体チップと、前記電極に実装され前記ヒューズを通る電流が流れる板状の導体からなる板状配線部材とを有すると共に、前記半導体チップと前記板状配線部材を封止樹脂により封止して構成し、前記ヒューズの溶断時間を前記板状配線部材の溶断時間よりも短くしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記半導体素子は、
   複数の前記半導体チップと、前記複数の半導体チップそれぞれの上面電極に実装された複数の前記板状配線部材と、前記複数の半導体チップそれぞれが実装された複数のリードフレームと、前記半導体チップが実装されていないリードフレームと、を有し、前記封止樹脂により同一パッケージに封止されたモジュールで構成され、
   前記複数の板状配線部材の少なくとも１つは、前記半導体チップが実装されていないリードフレームと接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の板状配線部材が全て同一形状であることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記半導体素子は、
   前記半導体チップを冷却する冷却部材と、前記半導体チップと前記冷却部材とを絶縁する絶縁部材と、を有することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の電力変換装置。
5. 入力電源に接続されたヒューズと、
   前記入力電源に前記ヒューズを介して直列接続され、前記入力電源の電力を電力変換する一次側半導体素子と、
   前記電力変換された電力を一次側から二次側へ伝達するトランスと、
   前記トランスの前記二次側に出力された電力を電力変換する二次側半導体素子と、
   を備え、
   前記一次側半導体素子と前記二次側半導体素子は、上面に電極を有する半導体チップと、板状の導体からなる板状配線部材とをそれぞれ有し、封止樹脂により同一パッケージに封止されたモジュールで構成されると共に、前記一次側半導体素子が有する前記板状配線部材は前記ヒューズを通る電流が流れ、前記ヒューズの溶断時間を前記板状配線部材の溶断時間よりも短くしたことを特徴とする電力変換装置。
6. 前記一次側半導体素子と前記二次側半導体素子は、
   複数の前記半導体チップと、前記複数の半導体チップそれぞれの上面電極に実装された複数の前記板状配線部材と、前記複数の半導体チップそれぞれが実装された複数のリードフレームと、前記半導体チップが実装されていないリードフレームと、を有し、
   前記複数の板状配線部材の少なくとも１つは、前記半導体チップが実装されていないリードフレームと接続されていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記複数の板状配線部材が全て同一形状であることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記一次側半導体素子と前記二次側半導体素子は、
   前記半導体チップを冷却する冷却部材と、前記半導体チップと前記冷却部材とを絶縁する絶縁部材と、を有することを特徴とする請求項５から７の何れか一項に記載の電力変換装置。

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