JP3642012B2 - 半導体装置，電力変換装置及び自動車 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及び電力変換装置および電力変換装置によって駆動する電動機を有する自動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として特開平11-89247 号公報がある。この技術は、半導体装置とコンデンサを接続する配線を間に絶縁体を挟むことで積層化した導体板を用い、前記半導体装置とコンデンサを接続する配線部分のインダクタンスを低減することで、スイッチング時の損失増加と跳ね上り電圧発生の要因となる配線インダクタンスを減少させる方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
大電流を制御する半導体装置において、半導体スイッチの定常損失を低減するために、低オン抵抗な半導体スイッチが使用されることが多い。しかし、低オン抵抗な半導体スイッチは通常素子耐圧が低く、そのため前記の半導体装置ではスイッチング時の素子耐圧を越える電圧発生の要因となる配線インダクタンスを低減することが課題となる。
【０００４】
本発明の目的は、跳ね上がり電圧発生の要因となる配線インダクタンスの低減を実現する半導体装置，電力変換装置及びそれを用いた自動車を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、前記出力端子を備えたケースを有し、半導体スイッチを介してブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板の少なくとも一部に絶縁体を挟むことで積層化し、積層化した正極側導体板と負極側導体板を前記ケース外へ延長した延長部分を有し、該延長部分に複数の端子を有する半導体装置を特徴とする。
また、本発明の他の一態様によれば、ブリッジ接続された少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、少なくとも２つの正極負極直流端子と、前記出力端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記直流端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記出力端子及び直流端子を備えたケースを有する半導体装置において、半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板を幅広導体とし、前記正極側導体板と負極側導体板を絶縁体を挟むことで積層化し、直流端子部を前記の正極側導体板と負極側導体板のうち上側の導体板，絶縁体，下側の導体板を積層化した部分より階段状に延長した幅広な面構造にし、コンデンサと接続する導体板を前記直流端子部に重ね合わせ、面接触させるためのネジ止め個所を前記上側の導体板と下側の導体板のそれぞれの導体面上に少なくとも２つ以上備えたことを特徴とする半導体装置を特徴とする。
【０００６】
本発明の他の態様によれば、半導体スイッチを介してブリッジ接続する正極側導体と負極側導体を幅広導体又は幅広導体板とし、絶縁体を挟むことで積層化した前記正極側導体と負極側導体を有する半導体装置において、前記正極側導体と負極側導体を半導体装置ケースより延長し、前記の積層化した正極側導体と負極側導体の延長部位に電解コンデンサを接続する電力変換装置を特徴とする。
【０００７】
さらに本発明の他の態様によれば、電力変換装置によって駆動する電動機を有する自動車を特徴とする。
【０００８】
本発明は、上記記載内容に限定されず、以下の記載からさらに説明される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１から図９に基づいて説明する。図１から図９において、同じもの及び同じ機能を有するものは同じ符号を付した。また、図を分かり易くするため、半導体スイッチを駆動するドライブ回路は省略している。
【００１０】
図８は電力変換装置の必要最小限の一回路構成例を示している。図８において、３０は半導体装置、３１は直流電源、３２は電力変換器、３３ａは主回路配線、３３ｂは主回路配線、２９は電解コンデンサ、３４は出力配線、３５は誘導電動機（負荷とも呼ばれる）である。前記半導体装置３０はパワーＭＯＳＦＥＴ
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体スイッチ素子で構成されている。また、以下では出力電流が流れる電力変換器内の配線を半導体装置内の配線を含め、主回路配線と呼ぶ。
【００１１】
半導体装置３０は直流電圧を入力とし、可変電圧，可変周波数の交流をＵＶＷ相の出力配線３４へ出力する。誘導電動機３５は出力配線３４を通じて供給される電流・電圧により駆動する。電解コンデンサ２９は半導体装置のスイッチング動作により、直流電圧の変動を抑制する機能を持つ。本発明の電力変換器において、電解コンデンサ２９は電解コンデンサに限定するものではなく、使用条件に対して十分大きな静電容量があるコンデンサを用いても良い。電力変換器３２はＵＶＷよりの三相交流を直流に変換することも可能であり、前記の電力変換器を直流電源に用いることも可能である。即ち、半導体装置３０を２つ用いて、交流電源を一度直流に変換した後、三相交流に変換することで誘導電動機を駆動することもできる。本発明の一態様は、半導体装置３０に関するものであり、従って、前述の交流電源を入力した電力変換器にも適用することができる。
【００１２】
また、図８中には示してないが、電力変換器は前記の構成物の他に、前記半導体装置３０のスイッチング動作を制御する回路基板と、前記半導体装置３０を冷却するための冷却フィン，冷却ファン等で構成されている。
【００１３】
図９は、ＵＶＷ三相交流を出力するために半導体装置３０の必要最小限の一構成例を示した図である。図９において、３０は半導体装置、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは半導体スイッチ、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆはダイオード、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ,２０ｄ,２０ｅ，２０ｆは半導体スイッチ制御端子、３は正極端子、２は負極端子、４はＷ相出力端子、５はＶ相出力端子、６はＵ相出力端子であり、４，５，６で一組の三相交流端子である。正極端子３と負極端子２間には直流電圧が印加されている。また、図９では図を分かり易くするため、半導体スイッチのオンオフ信号を駆動するドライブ回路は省略している。
【００１４】
半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆにはパワーＭＯＳＦＥＴ或いはＩＧＢＴが用いられる。半導体スイッチにパワーMOSFETを用いる場合、前記パワーＭＯＳＦＥＴはその素子構造にダイオードを含んでいるため、半導体スイッチ１８ａとダイオード１９ａを１チップで構成することができる。本発明においても、半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合はダイオードを別部品として実装しなくて良い。
【００１５】
半導体スイッチ１８ａと半導体スイッチ１８ｂが、半導体スイッチ１８ｃと半導体スイッチ１８ｄが、半導体スイッチ１８ｅと半導体スイッチ１８ｆはそれぞれブリッジ接続されている。半導体装置３０ａは半導体スイッチ制御端子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆにＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号電圧を印加し、ブリッジ接続されたそれぞれの半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆのオン（開），オフ（閉）の時間を制御することで、可変周波数・可変電流の三相交流三相交流出力端子４，５，６から負荷３５へ出力するものである。
【００１６】
ＵＶＷ三相交流を出力する装置の構成としては正極端子３，負極端子２，ブリッジ接続した半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ、出力端子６で構成した半導体装置を３つ用いても実現できる。本発明は、特に半導体スイッチの個数、ブリッジ回路の個数に依存しない直流配線部分の構造に関するものである。よって、ブリッジ接続された少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、正極負極直流端子で構成された半導体装置に適用することができる。
【００１７】
半導体装置３０において、半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆのそれぞれがオンからオフへの切り替えをする際に、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチをブリッジ接続する配線と、主回路配線３３ａおよび主回路配線３３ｂと電解コンデンサ２９で構成する経路で電流値が大きく変化する。その時、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチには、電解コンデンサ２９に印加されている直流電圧を越えた電圧が瞬時的に印加される。直流電圧を越えた電圧分（以下、この電圧を跳ね上り電圧と呼ぶ）は前記経路と電解コンデンサ２９の合計インダクタンスと前記経路における電流時間変化の微分値の積によって決定される。従って、前記インダクタンスが増加すると、スイッチング時における半導体スイッチへの印加電圧が増加する。前記印加電圧は、素子耐圧を越えたとき、素子の絶縁破壊等を起す。また、電力変換器の大電流化に対して、特に電源電圧が低い場合、半導体スイッチでの電圧降下抑制の観点から低オン損失な半導体スイッチを選定することが必要だが、低オン損失な半導体スイッチは通常素子耐圧が低くなる傾向があるために素子耐圧に対する許容可能な前記の印加電圧が低くなることと、スイッチング時の電流変化量が大きくなるために前記跳ね上り電圧が大きくなる。
【００１８】
また、跳ね上り電圧の増大に伴なって半導体スイッチのスイッチング損失が増大し、前記スイッチング損失の増大は半導体スイッチの寿命短縮または冷却コスト増加の一因となる。
【００１９】
上記の事情により、大電流を制御する、特に電源電圧が低い電力変換器では、配線インダクタンスを小さくすることが重要となっている。
【００２０】
図１から図３を用いて、本発明の一実施例を説明する。図１は、本実施例の半導体装置の概要を示す図である。図２は、半導体装置の主回路配線構造の一例を示す図である。図３は、コンデンサと半導体装置を接続する配線の比較例の構造を示す。
【００２１】
図１において、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、９は負極側導体板、１０は正極側導体板、１１は絶縁体、２４は制御補助端子、２５ａ，２５ｂ，２５ｃは電解コンデンサ負極端子固定ネジ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃは電解コンデンサ正極端子固定ネジ、２９ａ，２９ｂ，２９ｃは電解コンデンサ、３０は半導体装置である。２，３の各端子には直流電源への配線取付け用のネジ穴が設けられている。また、４，５，６の出力端子には出力配線取付け用の穴が設けられている。ネジ穴８は冷却フィンと金属底板７を面固定する時に使用する。正極側導体板１０と負極側導板９は絶縁体１１を挟み込んだ積層構造になっている。また、負極直流端子２と正極直流端子３は直流電源に接続した配線に接続される。
【００２２】
図２は、図１のケース１と制御補助端子２４を取り除いた半導体装置の主回路配線構造の概要図である。図２において、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４，５，６は出力端子、９は負極側板状導体、１０は正極側板状導体、１１は絶縁体、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ，１２ｉは基板導体パターン、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆはダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ，１４ｎ，１４ｏはワイヤー配線、７は金属底板、２５ａ，２５ｂ，２５ｃは電解コンデンサ負極端子固定ネジ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃは電解コンデンサ正極端子固定ネジ、２９ａ，２９ｂ，２９ｃは電解コンデンサ、３０は半導体装置、３６ａ，３６ｂ，３６ｃは絶縁基板である。図２は半導体スイッチにＭＯＳＦＥＴを用いた場合であり、半導体スイッチとダイオードの組合わせを一部品で示している。
【００２３】
図２においてワイヤー配線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ，１４ｏは４本ずつ図示されているが、半導体装置の仕様とワイヤー配線径によってワイヤー配線本数は異なり、本発明はワイヤー配線本数を４本に限定するものではない。
【００２４】
図２において、基板導体パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃは絶縁基板３６ａ上に形成された導体部であり、ダイオード及び半導体スイッチ１３ａを基板導体パターン１２ａの上に、ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂを基板導体パターン１２ｂの上に半田付けされている。
【００２５】
図２におけるワイヤー配線の接続を絶縁基板３６ａ上の基板導体パターンに関して説明する。ワイヤー配線１４ａの両端はそれぞれ正極側板状導体１０と基板導体パターン１２ａに接続され、ワイヤー配線１４ｂの両端はそれぞれダイオード及び半導体スイッチ１３ａのソース電極と基板導体パターン１２ｂに接続され、ワイヤー配線１４ｃの両端はそれぞれダイオード及び半導体スイッチ１３ｂのソース電極と基板導体パターン１２ｃに接続され、ワイヤー配線１４ｄの両端はそれぞれ基板導体パターン１２ｃと負極側板状導体９に接続され、ワイヤー配線１４ｃの両端はそれぞれと基板導体パターン１２ｃと出力端子６に接続されている。上述のワイヤー配線を含めた絶縁基板上で形成される電流路は金属底板７の上をループ状になっており、スイッチング時には前記電流路に流れる電流の変化に応じて、前記金属底板７に渦電流が流れる。前記電流路に流れる電流と前記金属底板７に流れる渦電流は極近接しているため、電磁結合(相互インダクタンス)により、図２のワイヤー配線及び基板導体パターン構造は前記電流路のインダクタンスを抑制した構造になっている。絶縁基板３６ｂ，３６ｃ上のそれぞれの基板導体パターンに関するワイヤー配線の接続関係も同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００２６】
また、図２と図９の対応関係を出力端子６と接続するブリッジ回路に関して説明すると、図２のダイオード及び半導体スイッチ１３ａは図９の１８ｅと１９ｅに、図２のダイオード及び半導体スイッチ１３ｂは図９の１８ｆと１９ｆに対応しているとおり、図２の負極側板状導体９，正極側板状導体１０，基板導体パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，ワイヤー配線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは図９の出力端子６と接続するブリッジ回路を構成する配線に対応している。また、図２のワイヤー配線１４ｅと出力端子６は図９の出力端子６とブリッジ回路を接続する配線に対応している。図９の出力端子４，５と接続するブリッジ回路に関しても、図２と同様の対応関係がある。
【００２７】
図２において、正極側導体板１０と負極側導体板９は、半導体スイッチ１３ａと１３ｂが構成するブリッジ回路を、半導体スイッチ１３ｃと１３ｄが構成するブリッジ回路を、半導体スイッチ１３ｅと１３ｆが構成するブリッジ回路の共通な配線部分である。図２では前記正極側導体板１０と負極側導体板９は絶縁体１１を挟み込んだ積層構造をしており、正極側導体板１０と負極側導体板９に電解コンデンサ３６ａ,３６ｂ,３６ｃがそれぞれ２６ａと２５ａ，２６ｂと２５ｂ，２６ｃと２５ｃのネジで接続されている。
【００２８】
図３は比較例のコンデンサと半導体装置を接続する積層配線構造の概要図である。図３において、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、２１は正極側導体板、２２は負極側導体板、２３は絶縁体、２４は制御補助端子、２５，２６はコンデンサ端子、２９は電解コンデンサ、３０は半導体装置、３８は正極側端子、３７は負極側端子である。２，３の各端子には直流電源への配線取付け用のネジ穴が設けられている。正極側端子３８，負極側端子３７には直流電源への配線が接続される。
【００２９】
図３は、半導体装置の内部構造を考慮せず、電解コンデンサ２９を接続する配線部のみを積層化した構造を示す図である。このような積層化した配線構造では正極側導体板２１と負極側導体板２２にはそれぞれに逆向きの電流（以下、往復電流と呼ぶ）が近接して流れ、前記逆向きの電流間で生じる強い電磁結合によってインダクタンスを低減している。
【００３０】
図３の構造において、負極直流端子２と正極直流端子３の幅がそれぞれ１０mm、前記負極直流端子２と正極直流端子３の間が５mm、正極側導体板２１と負極側導体板２２の板厚が１mm、正極側導体板２１と負極側導体板２２の絶縁体２３の厚さが１mm、半導体装置の直流端子２，３からコンデンサ端子までの距離が８０mm、コンデンサ端子２５，２６間が３０mmであると仮定して、前記電解コンデンサ２９を接続する配線部のインダクタンスを概算すると、正極側導体板２１と負極側導体板２２において、往復電流が近接して流れず、インダクタンス低減効果の小さい電解コンデンサ２９の端子部で約７ｎＨ、往復電流によるインダクタンスを低減効果の大きい半導体装置３０の直流端子からコンデンサ端子までの部位で約５ｎＨ、往復電流が近接して流れない前記の電解コンデンサ２９を接続する配線と半導体装置３０の直流端子の接続部では約２０ｎＨである。ここで、電解コンデンサの内部インダクタンスを２０ｎＨ、半導体装置３０内の配線インダクタンスを３０ｎＨと仮定すると、図３の構造において前記電解コンデンサ２９を接続する配線と半導体装置３０の直流端子接続部のインダクタンスは概算したインダクタンス全体の約２５％程度を占める。上述の概算値は導体板の導電率、コンデンサ端子を接続するための導体板の穴形状等により変化するが、実現可能な数値として示した。
【００３１】
図１，図２で示した構造では積層化した正極側導体板１０と負極側導体板９をケース外に積層化したまま延長し、前記正極側導体板１０と負極側導体板９に電解コンデンサ２９を接続する。これにより、図３に示す比較例の構造において電解コンデンサ２９を接続する配線と半導体装置３０の直流端子の接続部で生じていたインダクタンスを零又は極めて小さく出来る。また、半導体装置内の積層化した正極側導体板１０と負極側導体板９を幅広のまま延長している。これにより、図３の直流端子部で生じていた電流集中をなくし、加えて電解コンデンサを積層化した導体板に複数個接続することが容易な構造になっている。その結果、図１，図２の実施例では前記図３の比較例の構造において電解コンデンサを接続する配線と半導体装置の直流端子の接続部で生じていたインダクタンスを解消したことに加えて、他の部位においてもインダクタンスの低減がされている。本明細書で「幅広」という用語は、例えば、少なくとも１相分のＡｌＮ基板（例えば、絶縁基板３６ａ，３６ｂ，３６ｃ）の幅より広いことを意味し、図１では、３相のブリッジ回路に亘る幅を有することを意味している。
【００３２】
図１，図２の構造において、前述と同様の積層構造，電解コンデンサとして、さらに半導体装置の寸法を縦１２００mm，横１４０mm，高さ３０mmとして内部の配線構造を仮定して、同様にインダクタンスを概算をするとワイヤー配線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと基板パターン１３ａ，１３ｂ，１３ｃに流れる電流経路では約１５ｎＨ、正極側導体板１０と負極側導体板９の積層化部位では約５ｎＨ、コンデンサ端子部で約３ｎＨであり、コンデンサ内部インダクタンス約７ｎＨとすると、前述の概算結果と比べ、インダクタンスは約６０％減少することが見込まれる。上記のインダクタンスはボンディングワイヤー１４の本数及びルーフトップ高さによって変化するが、実現可能な数値として示した。また、図１，図２において、電解コンデンサが１個の場合にはコンデンサ端子部のインダクタンスの概算値は約７ｎＨであり、コンデンサ内部インダクタンスを約２０ｎＨとすると、図３の構造の前記概算結果と比べ、約４０％のインダクタンスの低減が見込まれる。
【００３３】
半導体スイッチの耐圧の問題に対して考察すると、｛（インダクタンス）×（遮断電流）÷（立ち下り時間）｝の跳ね上り電圧の概算式より、インダクタンスの６０％低減は半導体装置において約２.５ 倍の電流が遮断可能になることを示している。従って、図１，図２の実施例では、電力変換器の大電流化に効果があることが分かる。
【００３４】
次に、図１，図２の実施例の構造をもとに、電力変換器の部品配置，配線構造等の実装上の柔軟性をさらに向上させるようにした半導体装置の正極負極直流端子構造を変更した他の実施例を図４，図５及び図６で説明する。
【００３５】
図４は、半導体装置３０と、半導体装置３０と電解コンデンサ２９を接続する導体板構造の接続例を示す図である。
【００３６】
図４において、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、１１は絶縁体、２１は負極側導体板、２２は正極側導体板、２３は絶縁体、２５ａ，２５ｂ，２５ｃは電解コンデンサ負極端子止めネジ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃは電解コンデンサ正極端子止めネジ、２９ａ，２９ｂ，２９ｃは電解コンデンサ、３０は半導体装置、３６は正極側端子、３７は負極側端子、４０ａ，４０ｂは負極直流端子ネジ止め穴、４１ａ，４１ｂ，４１ｃは正極直流端子ネジ止め穴、４２ａ，４２ｂは負極側導体板固定ネジ、４３ａ，４３ｂ，４３ｃは正極側導体板固定ネジである。符号では示していないが、負極側導体板固定ネジ４０ａ，４０ｂと正極側導体板固定ネジ43ａ，４３ｂ，４３ｃのネジ固定に対応した穴と相対する側の導体板に対して絶縁を保つための穴が正極側導体板２１と負極側導体板２２それぞれに設けられている。図４において、正極側導体板２１と正極直流端子３は、負極側導体板２２と負極直流端子２はネジで面接続される。また、電解コンデンサ２９ａ，２９ｂ，２９ｃはコンデンサ端子２５ａ,２５ｂ,２５ｃとコンデンサ端子２６ａ，２６ｂ，２６ｃで負極側導体板２２と正極側導体板２１にそれぞれ接続している。３６及び３７は直流電源に接続されている。また、出力端子４，５，６は負荷に接続されている。
【００３７】
図５は、図４のケース１と制御補助端子２４を取り除いた主回路配線構造の概要図である。図５において、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、９は負極側導体板、１０は正極側導体板、１１は絶縁体、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ，１２ｉは基板導体パターン、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆはダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ，１４ｎ，１４ｏはワイヤー配線、２１は負極側導体板、２２は正極側導体板、２３は絶縁体、２５ａ，２５ｂ，２５ｃは電解コンデンサ負極端子固定ネジ、２６ａ,２６ｂ,２６ｃは電解コンデンサ正極端子固定ネジ、２９ａ，２９ｂ，２９ｃは電解コンデンサ、３０は半導体装置、３６ａ,３６ｂ,３６ｃは絶縁基板、３６は正極側端子、３７は負極側端子、４０ａ，４０ｂは負極直流端子ネジ止め穴、４１ａ，４１ｂ，４１ｃは正極直流端子ネジ止め穴、４２ａ，４２ｂは負極側導体板固定ネジ、４３ａ，４３ｂ，４３ｃは正極側導体板固定ネジである。図５は半導体スイッチにＭＯＳＦＥＴを用いた場合であり、半導体スイッチとダイオードの組合わせを一部品で示している。
【００３８】
図４と図５は半導体装置の直流端子構造において、半導体装置の負極導体板９と絶縁体１１と正極導体板１０を幅広のまま順次長くした階段状の構造を示している。前記半導体装置の直流端子部における負極側導体板２１，正極側導体板２２の接続を半導体装置３０の側面から見た概略図により説明する。
【００３９】
図６は、図５を側面から見た概略図である。図６では、半導体装置の直流端子部の構造説明に必要ない部品は省略した。図６において、２は負極直流端子、３は正極直流端子、７は金属底板、９は負極側導体板、１０は正極側導体板、１１は絶縁体、１４はワイヤー配線、２１は負極側導体板、２２は正極側導体板、２３は絶縁体、３０は導体装置、３６絶縁基板、４０は負極直流端子ネジ止め穴、４１は正極直流端子ネジ止め穴、４２は負極側導体板固定ネジ、４３は正極側導体板固定ネジ、４４，４５はナットである。図６は半導体装置の直流端子部において、負極導体板９と絶縁体１１と正極導体板１０を幅広のまま順次長くした階段状の構造により負極直流端子２，正極直流端子３を構成していることを示している。また、図６は電解コンデンサを接続する導体板の構造を前記半導体装置の直流端子部の構造と相対するように負極導体板２１と絶縁体２３と正極導体板２２を階段状の構造し、負極側導体板固定ネジ４２とナット４４との、正極側導体板固定ネジ４３とナット４５とのネジ締め付け固定により、負極導体板９と負極導体板２１が、正極導体板１０と正極導体板２２が面接続できることを示している。前記の面接続により、負極導体板９と負極導体板２１は、正極導体板１０と正極導体板２２は非常に電気的に一枚の導体と見なすことができ、図１，図２で示した実施例と同等のインダクタンス低減効果を実現することができる。但し、図４，図５，図６で説明した半導体装置では、面接続の効果を保つために正極負極それぞれの端子について２個所以上でネジ固定をしている。
【００４０】
図４，図５，図６で説明した半導体装置は、負極導体板２１と絶縁体２３と正極導体板２２で構成する積層化板状配線の形状を電力変換器に合せ、変更することが可能であり、図１，図２で示した半導体装置と同等のインダクタンス低減による電力変換器の大容量化と部品配置，配線構造等の実装上の柔軟性を向上させる効果がある。
【００４１】
次に本発明の実施例として、本半導体装置を用いた電力変換器を自動車の駆動システムに適用した例を説明する。
【００４２】
図７は本発明の一実施例の自動車構成図である。
【００４３】
図７において、３５は誘導電動機、４６は電力変換器、４７は直流電源、４８は出力配線、５０は自動車、５１は制御装置、５２は伝導装置、５３はエンジン、５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄは車輪、５５は信号端子である。信号端子は自動車の運転状態及び、運転者からの発進，加速，減速，停止の指令に対する信号を受信する。制御装置５１は信号端子より受信した情報に基づき、電力変換器へ制御信号を送信し、誘導電動機３５を駆動する。誘導電動機３５はトルクをエンジン５３のエンジンシャフトに伝え、伝導装置５２を介して、車輪を駆動させることができる。即ち、図７の駆動システムでは、自動車のエンジン５３が停止している場合においても、誘導電動機３５によって車輪５４ａ，５４ｂを駆動することができ、また、エンジン５３が稼動している際もトルクアシストすることも可能である。さらに、エンジン５３により誘導電動機３５を駆動させ、誘導電動機３５で発生した交流を電力変換器４６で直流に変換することで、直流電源４７に充電することができる。エンジン５３と誘導電動機３５との間は、直結状態又はギアを介在して接続される。駆動の態様例としては、誘導電動機３５が回転開始すると車輪の駆動が開始される。誘導電動機３５で駆動し、エンジンシャフトが一定の回転数に達するとエンジンが起動される。開始すると車輪の駆動が開始される。駆動システムの配置は、高さ方向に低く構成される場合は床下などへ配置可能である。自動車の中央部又は前半部又は後半部に配置でき、各所に分散配置することも可能である。半導体装置の冷却は、水冷又は空冷で行われる。水冷の場合エンジンの冷却システムとの兼用も可能であるが、専用の冷却装置を持つことで、長寿命化が可能である。空冷の場合は、冷却フィンを有することが望ましい。エンジン内よりも車室内などのより低温部分に配置することが望ましい。沸騰冷却方式を採用する場合はヒートパイプを有することが望ましい。
【００４４】
図７に示す駆動システムにおいて、前記の誘導電動機のみによる車輪駆動やトルクアシスト時には大きなトルクが要求されることから、大電流で誘導電動機３５を駆動する必要があり、そのため、大電流を制御できる電力変換器が必須である。従って、本発明の半導体装置を用いた電力変換器によれば、より大きなトルク要求を満たす駆動システムを持った自動車を提供できる。自動車は、頻繁に発進又は後退を行う。その際、トルクを出すために、出力電線３４等に大電流状態が生ずるので、本発明は有効である。なお、誘導電動機３５以外のモータであっても、所定の自動車駆動に必要な特性を満たせば使用できる。
【００４５】
本発明の実施例の配線及び端子構造を有する半導体装置或いは前記半導体装置と電解コンデンサを接続する積層配線を用いた電力変換器は、スイッチング時に半導体スイッチに印可する跳ね上り電圧の抑制とスイッチング時の半導体素子損失を低減する効果がある。前記の効果により、より大きな電流を出力する半導体装置及び電力変換装置を半導体装置及び電力変換装置の配線構造の変更と言う安価な方法によって提供することができる。また、前記の電力変換装置よる高トルクなモータ駆動システムを塔載した自動車を提供できる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、跳ね上がり電圧発生の要因となる配線インダクタンスの低減を実現する半導体装置，電力変換装置及びそれを用いた自動車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における半導体装置のモジュール概要図。
【図２】図１の半導体装置内の半導体スイッチとブリッジ回路を構成する配線構造を示す斜視図。
【図３】比較例のコンデンサと半導体装置を接続する積層配線構造の概要図。
【図４】本発明の一実施例における半導体装置を用いた電力変換器の概要図。
【図５】図４の半導体装置内の半導体スイッチとブリッジ回路を構成する配線構造を示す斜視図。
【図６】図５に示す半導体装置の直流端子部の構造を示す概略図。
【図７】本発明の電力変換器を用いた駆動システムを有する自動車の構成図。
【図８】電力変換器の構成図。
【図９】半導体装置のブリッジ回路図。
【符号の説明】
１…ケース、２…負極直流端子、３…正極直流端子、４，５，６…出力端子、７…金属底板、８…ネジ穴、９，２２…負極側導体板、１０，２１…正極側導体板、１１，２３…絶縁体、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ，１２ｉ…基板導体パターン、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ…ダイオード及びパワー半導体素子、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ，１４ｎ，１４ｏ…ワイヤー配線、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ…半導体スイッチ、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆ…ダイオード、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ,２０ｄ,２０ｅ，２０ｆ…半導体スイッチング制御端子、２４…制御補助端子、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…コンデンサ負極端子固体ネジ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…コンデンサ正極端子固体ネジ、２９ａ，２９ｂ，２９ｃ…電解コンデンサ、３０…半導体装置、３１…直流電源、３２…電力変換器、３３ａ，３３ｂ…主回路配線、３４…出力配線、３５…誘導電動機（負荷）、３６ａ，３６ｂ，３６ｃ…絶縁基板、３７…負極側端子、３８…正極側端子、４０，４０ａ，４０ｂ…負極側直流端子ネジ止め穴、４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ…正極側直流端子ネジ止め穴、４２，４２ａ，４２ｂ…負極側導体板固定ネジ、４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ…正極側導体板固定ネジ、４４，４５…ナット、５０…自動車、５１…制御装置、５２…伝動装置、５３…エンジン、５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ…車輪、５５…信号端子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及び電力変換装置および電力変換装置によって駆動する電動機を有する自動車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として特開平11-89247 号公報がある。この技術は、半導体装置とコンデンサを接続する配線を間に絶縁体を挟むことで積層化した導体板を用い、前記半導体装置とコンデンサを接続する配線部分のインダクタンスを低減することで、スイッチング時の損失増加と跳ね上り電圧発生の要因となる配線インダクタンスを減少させる方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
大電流を制御する半導体装置において、半導体スイッチの定常損失を低減するために、低オン抵抗な半導体スイッチが使用されることが多い。しかし、低オン抵抗な半導体スイッチは通常素子耐圧が低く、そのため前記の半導体装置ではスイッチング時の素子耐圧を越える電圧発生の要因となる配線インダクタンスを低減することが課題となる。
【０００４】
本発明の目的は、跳ね上がり電圧発生の要因となる配線インダクタンスの低減を実現する半導体装置，電力変換装置及びそれを用いた自動車を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、前記出力端子を備えたケースを有し、半導体スイッチを介してブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板の少なくとも一部に絶縁体を挟むことで積層化し、積層化した正極側導体板と負極側導体板を前記ケース外へ延長した延長部分を有し、該延長部分に複数の端子を有する半導体装置を特徴とする。
また、本発明の他の一態様によれば、ブリッジ接続された少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、少なくとも２つの正極負極直流端子と、前記出力端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記直流端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記出力端子及び直流端子を備えたケースを有する半導体装置において、半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板を幅広導体とし、前記正極側導体板と負極側導体板を絶縁体を挟むことで積層化し、直流端子部を前記の正極側導体板と負極側導体板のうち上側の導体板，絶縁体，下側の導体板を積層化した部分より階段状に延長した幅広な面構造にし、コンデンサと接続する導体板を前記直流端子部に重ね合わせ、面接触させるためのネジ止め個所を前記上側の導体板と下側の導体板のそれぞれの導体面上に少なくとも２つ以上備えたことを特徴とする半導体装置を特徴とする。
【０００６】
本発明の他の態様によれば、半導体スイッチを介してブリッジ接続する正極側導体と負極側導体を幅広導体又は幅広導体板とし、絶縁体を挟むことで積層化した前記正極側導体と負極側導体を有する半導体装置において、前記正極側導体と負極側導体を半導体装置ケースより延長し、前記の積層化した正極側導体と負極側導体の延長部位に電解コンデンサを接続する電力変換装置を特徴とする。
【０００７】
さらに本発明の他の態様によれば、電力変換装置によって駆動する電動機を有する自動車を特徴とする。
【０００８】
本発明は、上記記載内容に限定されず、以下の記載からさらに説明される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１から図９に基づいて説明する。図１から図９において、同じもの及び同じ機能を有するものは同じ符号を付した。また、図を分かり易くするため、半導体スイッチを駆動するドライブ回路は省略している。
【００１０】
図８は電力変換装置の必要最小限の一回路構成例を示している。図８において、３０は半導体装置、３１は直流電源、３２は電力変換器、３３ａは主回路配線、３３ｂは主回路配線、２９は電解コンデンサ、３４は出力配線、３５は誘導電動機（負荷とも呼ばれる）である。前記半導体装置３０はパワーＭＯＳＦＥＴ
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体スイッチ素子で構成されている。また、以下では出力電流が流れる電力変換器内の配線を半導体装置内の配線を含め、主回路配線と呼ぶ。
【００１１】
半導体装置３０は直流電圧を入力とし、可変電圧，可変周波数の交流をＵＶＷ相の出力配線３４へ出力する。誘導電動機３５は出力配線３４を通じて供給される電流・電圧により駆動する。電解コンデンサ２９は半導体装置のスイッチング動作により、直流電圧の変動を抑制する機能を持つ。本発明の電力変換器において、電解コンデンサ２９は電解コンデンサに限定するものではなく、使用条件に対して十分大きな静電容量があるコンデンサを用いても良い。電力変換器３２はＵＶＷよりの三相交流を直流に変換することも可能であり、前記の電力変換器を直流電源に用いることも可能である。即ち、半導体装置３０を２つ用いて、交流電源を一度直流に変換した後、三相交流に変換することで誘導電動機を駆動することもできる。本発明の一態様は、半導体装置３０に関するものであり、従って、前述の交流電源を入力した電力変換器にも適用することができる。
【００１２】
また、図８中には示してないが、電力変換器は前記の構成物の他に、前記半導体装置３０のスイッチング動作を制御する回路基板と、前記半導体装置３０を冷却するための冷却フィン，冷却ファン等で構成されている。
【００１３】
図９は、ＵＶＷ三相交流を出力するために半導体装置３０の必要最小限の一構成例を示した図である。図９において、３０は半導体装置、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは半導体スイッチ、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆはダイオード、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ,２０ｄ,２０ｅ，２０ｆは半導体スイッチ制御端子、３は正極端子、２は負極端子、４はＷ相出力端子、５はＶ相出力端子、６はＵ相出力端子であり、４，５，６で一組の三相交流端子である。正極端子３と負極端子２間には直流電圧が印加されている。また、図９では図を分かり易くするため、半導体スイッチのオンオフ信号を駆動するドライブ回路は省略している。
【００１４】
半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆにはパワーＭＯＳＦＥＴ或いはＩＧＢＴが用いられる。半導体スイッチにパワーMOSFETを用いる場合、前記パワーＭＯＳＦＥＴはその素子構造にダイオードを含んでいるため、半導体スイッチ１８ａとダイオード１９ａを１チップで構成することができる。本発明においても、半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴを用いる場合はダイオードを別部品として実装しなくて良い。
【００１５】
半導体スイッチ１８ａと半導体スイッチ１８ｂが、半導体スイッチ１８ｃと半導体スイッチ１８ｄが、半導体スイッチ１８ｅと半導体スイッチ１８ｆはそれぞれブリッジ接続されている。半導体装置３０ａは半導体スイッチ制御端子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆにＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号電圧を印加し、ブリッジ接続されたそれぞれの半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆのオン（開），オフ（閉）の時間を制御することで、可変周波数・可変電流の三相交流三相交流出力端子４，５，６から負荷３５へ出力するものである。
【００１６】
ＵＶＷ三相交流を出力する装置の構成としては正極端子３，負極端子２，ブリッジ接続した半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ、出力端子６で構成した半導体装置を３つ用いても実現できる。本発明は、特に半導体スイッチの個数、ブリッジ回路の個数に依存しない直流配線部分の構造に関するものである。よって、ブリッジ接続された少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、正極負極直流端子で構成された半導体装置に適用することができる。
【００１７】
半導体装置３０において、半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆのそれぞれがオンからオフへの切り替えをする際に、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチをブリッジ接続する配線と、主回路配線３３ａおよび主回路配線３３ｂと電解コンデンサ２９で構成する経路で電流値が大きく変化する。その時、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチには、電解コンデンサ２９に印加されている直流電圧を越えた電圧が瞬時的に印加される。直流電圧を越えた電圧分（以下、この電圧を跳ね上り電圧と呼ぶ）は前記経路と電解コンデンサ２９の合計インダクタンスと前記経路における電流時間変化の微分値の積によって決定される。従って、前記インダクタンスが増加すると、スイッチング時における半導体スイッチへの印加電圧が増加する。前記印加電圧は、素子耐圧を越えたとき、素子の絶縁破壊等を起す。また、電力変換器の大電流化に対して、特に電源電圧が低い場合、半導体スイッチでの電圧降下抑制の観点から低オン損失な半導体スイッチを選定することが必要だが、低オン損失な半導体スイッチは通常素子耐圧が低くなる傾向があるために素子耐圧に対する許容可能な前記の印加電圧が低くなることと、スイッチング時の電流変化量が大きくなるために前記跳ね上り電圧が大きくなる。
【００１８】
また、跳ね上り電圧の増大に伴なって半導体スイッチのスイッチング損失が増大し、前記スイッチング損失の増大は半導体スイッチの寿命短縮または冷却コスト増加の一因となる。
【００１９】
上記の事情により、大電流を制御する、特に電源電圧が低い電力変換器では、配線インダクタンスを小さくすることが重要となっている。
【００２０】
図１から図３を用いて、本発明の一実施例を説明する。図１は、本実施例の半導体装置の概要を示す図である。図２は、半導体装置の主回路配線構造の一例を示す図である。図３は、コンデンサと半導体装置を接続する配線の比較例の構造を示す。
【００２１】
図１において、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、９は負極側導体板、１０は正極側導体板、１１は絶縁体、２４は制御補助端子、２５ａ，２５ｂ，２５ｃは電解コンデンサ負極端子固定ネジ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃは電解コンデンサ正極端子固定ネジ、２９ａ，２９ｂ，２９ｃは電解コンデンサ、３０は半導体装置である。２，３の各端子には直流電源への配線取付け用のネジ穴が設けられている。また、４，５，６の出力端子には出力配線取付け用の穴が設けられている。ネジ穴８は冷却フィンと金属底板７を面固定する時に使用する。正極側導体板１０と負極側導板９は絶縁体１１を挟み込んだ積層構造になっている。また、負極直流端子２と正極直流端子３は直流電源に接続した配線に接続される。
【００２２】
図２は、図１のケース１と制御補助端子２４を取り除いた半導体装置の主回路配線構造の概要図である。図２において、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４，５，６は出力端子、９は負極側板状導体、１０は正極側板状導体、１１は絶縁体、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ，１２ｉは基板導体パターン、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆはダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ，１４ｎ，１４ｏはワイヤー配線、７は金属底板、２５ａ，２５ｂ，２５ｃは電解コンデンサ負極端子固定ネジ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃは電解コンデンサ正極端子固定ネジ、２９ａ，２９ｂ，２９ｃは電解コンデンサ、３０は半導体装置、３６ａ，３６ｂ，３６ｃは絶縁基板である。図２は半導体スイッチにＭＯＳＦＥＴを用いた場合であり、半導体スイッチとダイオードの組合わせを一部品で示している。
【００２３】
図２においてワイヤー配線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ，１４ｏは４本ずつ図示されているが、半導体装置の仕様とワイヤー配線径によってワイヤー配線本数は異なり、本発明はワイヤー配線本数を４本に限定するものではない。
【００２４】
図２において、基板導体パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃは絶縁基板３６ａ上に形成された導体部であり、ダイオード及び半導体スイッチ１３ａを基板導体パターン１２ａの上に、ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂを基板導体パターン１２ｂの上に半田付けされている。
【００２５】
図２におけるワイヤー配線の接続を絶縁基板３６ａ上の基板導体パターンに関して説明する。ワイヤー配線１４ａの両端はそれぞれ正極側板状導体１０と基板導体パターン１２ａに接続され、ワイヤー配線１４ｂの両端はそれぞれダイオード及び半導体スイッチ１３ａのソース電極と基板導体パターン１２ｂに接続され、ワイヤー配線１４ｃの両端はそれぞれダイオード及び半導体スイッチ１３ｂのソース電極と基板導体パターン１２ｃに接続され、ワイヤー配線１４ｄの両端はそれぞれ基板導体パターン１２ｃと負極側板状導体９に接続され、ワイヤー配線１４ｃの両端はそれぞれと基板導体パターン１２ｃと出力端子６に接続されている。上述のワイヤー配線を含めた絶縁基板上で形成される電流路は金属底板７の上をループ状になっており、スイッチング時には前記電流路に流れる電流の変化に応じて、前記金属底板７に渦電流が流れる。前記電流路に流れる電流と前記金属底板７に流れる渦電流は極近接しているため、電磁結合(相互インダクタンス)により、図２のワイヤー配線及び基板導体パターン構造は前記電流路のインダクタンスを抑制した構造になっている。絶縁基板３６ｂ，３６ｃ上のそれぞれの基板導体パターンに関するワイヤー配線の接続関係も同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００２６】
また、図２と図９の対応関係を出力端子６と接続するブリッジ回路に関して説明すると、図２のダイオード及び半導体スイッチ１３ａは図９の１８ｅと１９ｅに、図２のダイオード及び半導体スイッチ１３ｂは図９の１８ｆと１９ｆに対応しているとおり、図２の負極側板状導体９，正極側板状導体１０，基板導体パターン１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，ワイヤー配線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは図９の出力端子６と接続するブリッジ回路を構成する配線に対応している。また、図２のワイヤー配線１４ｅと出力端子６は図９の出力端子６とブリッジ回路を接続する配線に対応している。図９の出力端子４，５と接続するブリッジ回路に関しても、図２と同様の対応関係がある。
【００２７】
図２において、正極側導体板１０と負極側導体板９は、半導体スイッチ１３ａと１３ｂが構成するブリッジ回路を、半導体スイッチ１３ｃと１３ｄが構成するブリッジ回路を、半導体スイッチ１３ｅと１３ｆが構成するブリッジ回路の共通な配線部分である。図２では前記正極側導体板１０と負極側導体板９は絶縁体１１を挟み込んだ積層構造をしており、正極側導体板１０と負極側導体板９に電解コンデンサ３６ａ,３６ｂ,３６ｃがそれぞれ２６ａと２５ａ，２６ｂと２５ｂ，２６ｃと２５ｃのネジで接続されている。
【００２８】
図３は比較例のコンデンサと半導体装置を接続する積層配線構造の概要図である。図３において、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、２１は正極側導体板、２２は負極側導体板、２３は絶縁体、２４は制御補助端子、２５，２６はコンデンサ端子、２９は電解コンデンサ、３０は半導体装置、３８は正極側端子、３７は負極側端子である。２，３の各端子には直流電源への配線取付け用のネジ穴が設けられている。正極側端子３８，負極側端子３７には直流電源への配線が接続される。
【００２９】
図３は、半導体装置の内部構造を考慮せず、電解コンデンサ２９を接続する配線部のみを積層化した構造を示す図である。このような積層化した配線構造では正極側導体板２１と負極側導体板２２にはそれぞれに逆向きの電流（以下、往復電流と呼ぶ）が近接して流れ、前記逆向きの電流間で生じる強い電磁結合によってインダクタンスを低減している。
【００３０】
図３の構造において、負極直流端子２と正極直流端子３の幅がそれぞれ１０mm、前記負極直流端子２と正極直流端子３の間が５mm、正極側導体板２１と負極側導体板２２の板厚が１mm、正極側導体板２１と負極側導体板２２の絶縁体２３の厚さが１mm、半導体装置の直流端子２，３からコンデンサ端子までの距離が８０mm、コンデンサ端子２５，２６間が３０mmであると仮定して、前記電解コンデンサ２９を接続する配線部のインダクタンスを概算すると、正極側導体板２１と負極側導体板２２において、往復電流が近接して流れず、インダクタンス低減効果の小さい電解コンデンサ２９の端子部で約７ｎＨ、往復電流によるインダクタンスを低減効果の大きい半導体装置３０の直流端子からコンデンサ端子までの部位で約５ｎＨ、往復電流が近接して流れない前記の電解コンデンサ２９を接続する配線と半導体装置３０の直流端子の接続部では約２０ｎＨである。ここで、電解コンデンサの内部インダクタンスを２０ｎＨ、半導体装置３０内の配線インダクタンスを３０ｎＨと仮定すると、図３の構造において前記電解コンデンサ２９を接続する配線と半導体装置３０の直流端子接続部のインダクタンスは概算したインダクタンス全体の約２５％程度を占める。上述の概算値は導体板の導電率、コンデンサ端子を接続するための導体板の穴形状等により変化するが、実現可能な数値として示した。
【００３１】
図１，図２で示した構造では積層化した正極側導体板１０と負極側導体板９をケース外に積層化したまま延長し、前記正極側導体板１０と負極側導体板９に電解コンデンサ２９を接続する。これにより、図３に示す比較例の構造において電解コンデンサ２９を接続する配線と半導体装置３０の直流端子の接続部で生じていたインダクタンスを零又は極めて小さく出来る。また、半導体装置内の積層化した正極側導体板１０と負極側導体板９を幅広のまま延長している。これにより、図３の直流端子部で生じていた電流集中をなくし、加えて電解コンデンサを積層化した導体板に複数個接続することが容易な構造になっている。その結果、図１，図２の実施例では前記図３の比較例の構造において電解コンデンサを接続する配線と半導体装置の直流端子の接続部で生じていたインダクタンスを解消したことに加えて、他の部位においてもインダクタンスの低減がされている。本明細書で「幅広」という用語は、例えば、少なくとも１相分のＡｌＮ基板（例えば、絶縁基板３６ａ，３６ｂ，３６ｃ）の幅より広いことを意味し、図１では、３相のブリッジ回路に亘る幅を有することを意味している。
【００３２】
図１，図２の構造において、前述と同様の積層構造，電解コンデンサとして、さらに半導体装置の寸法を縦１２００mm，横１４０mm，高さ３０mmとして内部の配線構造を仮定して、同様にインダクタンスを概算をするとワイヤー配線１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと基板パターン１３ａ，１３ｂ，１３ｃに流れる電流経路では約１５ｎＨ、正極側導体板１０と負極側導体板９の積層化部位では約５ｎＨ、コンデンサ端子部で約３ｎＨであり、コンデンサ内部インダクタンス約７ｎＨとすると、前述の概算結果と比べ、インダクタンスは約６０％減少することが見込まれる。上記のインダクタンスはボンディングワイヤー１４の本数及びルーフトップ高さによって変化するが、実現可能な数値として示した。また、図１，図２において、電解コンデンサが１個の場合にはコンデンサ端子部のインダクタンスの概算値は約７ｎＨであり、コンデンサ内部インダクタンスを約２０ｎＨとすると、図３の構造の前記概算結果と比べ、約４０％のインダクタンスの低減が見込まれる。
【００３３】
半導体スイッチの耐圧の問題に対して考察すると、｛（インダクタンス）×（遮断電流）÷（立ち下り時間）｝の跳ね上り電圧の概算式より、インダクタンスの６０％低減は半導体装置において約２.５ 倍の電流が遮断可能になることを示している。従って、図１，図２の実施例では、電力変換器の大電流化に効果があることが分かる。
【００３４】
次に、図１，図２の実施例の構造をもとに、電力変換器の部品配置，配線構造等の実装上の柔軟性をさらに向上させるようにした半導体装置の正極負極直流端子構造を変更した他の実施例を図４，図５及び図６で説明する。
【００３５】
図４は、半導体装置３０と、半導体装置３０と電解コンデンサ２９を接続する導体板構造の接続例を示す図である。
【００３６】
図４において、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、１１は絶縁体、２１は負極側導体板、２２は正極側導体板、２３は絶縁体、２５ａ，２５ｂ，２５ｃは電解コンデンサ負極端子止めネジ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃは電解コンデンサ正極端子止めネジ、２９ａ，２９ｂ，２９ｃは電解コンデンサ、３０は半導体装置、３６は正極側端子、３７は負極側端子、４０ａ，４０ｂは負極直流端子ネジ止め穴、４１ａ，４１ｂ，４１ｃは正極直流端子ネジ止め穴、４２ａ，４２ｂは負極側導体板固定ネジ、４３ａ，４３ｂ，４３ｃは正極側導体板固定ネジである。符号では示していないが、負極側導体板固定ネジ４０ａ，４０ｂと正極側導体板固定ネジ43ａ，４３ｂ，４３ｃのネジ固定に対応した穴と相対する側の導体板に対して絶縁を保つための穴が正極側導体板２１と負極側導体板２２それぞれに設けられている。図４において、正極側導体板２１と正極直流端子３は、負極側導体板２２と負極直流端子２はネジで面接続される。また、電解コンデンサ２９ａ，２９ｂ，２９ｃはコンデンサ端子２５ａ,２５ｂ,２５ｃとコンデンサ端子２６ａ，２６ｂ，２６ｃで負極側導体板２２と正極側導体板２１にそれぞれ接続している。３６及び３７は直流電源に接続されている。また、出力端子４，５，６は負荷に接続されている。
【００３７】
図５は、図４のケース１と制御補助端子２４を取り除いた主回路配線構造の概要図である。図５において、１はケース、２は負極直流端子、３は正極直流端子、４，５，６は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、９は負極側導体板、１０は正極側導体板、１１は絶縁体、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ，１２ｉは基板導体パターン、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆはダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ，１４ｎ，１４ｏはワイヤー配線、２１は負極側導体板、２２は正極側導体板、２３は絶縁体、２５ａ，２５ｂ，２５ｃは電解コンデンサ負極端子固定ネジ、２６ａ,２６ｂ,２６ｃは電解コンデンサ正極端子固定ネジ、２９ａ，２９ｂ，２９ｃは電解コンデンサ、３０は半導体装置、３６ａ,３６ｂ,３６ｃは絶縁基板、３６は正極側端子、３７は負極側端子、４０ａ，４０ｂは負極直流端子ネジ止め穴、４１ａ，４１ｂ，４１ｃは正極直流端子ネジ止め穴、４２ａ，４２ｂは負極側導体板固定ネジ、４３ａ，４３ｂ，４３ｃは正極側導体板固定ネジである。図５は半導体スイッチにＭＯＳＦＥＴを用いた場合であり、半導体スイッチとダイオードの組合わせを一部品で示している。
【００３８】
図４と図５は半導体装置の直流端子構造において、半導体装置の負極導体板９と絶縁体１１と正極導体板１０を幅広のまま順次長くした階段状の構造を示している。前記半導体装置の直流端子部における負極側導体板２１，正極側導体板２２の接続を半導体装置３０の側面から見た概略図により説明する。
【００３９】
図６は、図５を側面から見た概略図である。図６では、半導体装置の直流端子部の構造説明に必要ない部品は省略した。図６において、２は負極直流端子、３は正極直流端子、７は金属底板、９は負極側導体板、１０は正極側導体板、１１は絶縁体、１４はワイヤー配線、２１は負極側導体板、２２は正極側導体板、２３は絶縁体、３０は導体装置、３６絶縁基板、４０は負極直流端子ネジ止め穴、４１は正極直流端子ネジ止め穴、４２は負極側導体板固定ネジ、４３は正極側導体板固定ネジ、４４，４５はナットである。図６は半導体装置の直流端子部において、負極導体板９と絶縁体１１と正極導体板１０を幅広のまま順次長くした階段状の構造により負極直流端子２，正極直流端子３を構成していることを示している。また、図６は電解コンデンサを接続する導体板の構造を前記半導体装置の直流端子部の構造と相対するように負極導体板２１と絶縁体２３と正極導体板２２を階段状の構造し、負極側導体板固定ネジ４２とナット４４との、正極側導体板固定ネジ４３とナット４５とのネジ締め付け固定により、負極導体板９と負極導体板２１が、正極導体板１０と正極導体板２２が面接続できることを示している。前記の面接続により、負極導体板９と負極導体板２１は、正極導体板１０と正極導体板２２は非常に電気的に一枚の導体と見なすことができ、図１，図２で示した実施例と同等のインダクタンス低減効果を実現することができる。但し、図４，図５，図６で説明した半導体装置では、面接続の効果を保つために正極負極それぞれの端子について２個所以上でネジ固定をしている。
【００４０】
図４，図５，図６で説明した半導体装置は、負極導体板２１と絶縁体２３と正極導体板２２で構成する積層化板状配線の形状を電力変換器に合せ、変更することが可能であり、図１，図２で示した半導体装置と同等のインダクタンス低減による電力変換器の大容量化と部品配置，配線構造等の実装上の柔軟性を向上させる効果がある。
【００４１】
次に本発明の実施例として、本半導体装置を用いた電力変換器を自動車の駆動システムに適用した例を説明する。
【００４２】
図７は本発明の一実施例の自動車構成図である。
【００４３】
図７において、３５は誘導電動機、４６は電力変換器、４７は直流電源、４８は出力配線、５０は自動車、５１は制御装置、５２は伝導装置、５３はエンジン、５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄは車輪、５５は信号端子である。信号端子は自動車の運転状態及び、運転者からの発進，加速，減速，停止の指令に対する信号を受信する。制御装置５１は信号端子より受信した情報に基づき、電力変換器へ制御信号を送信し、誘導電動機３５を駆動する。誘導電動機３５はトルクをエンジン５３のエンジンシャフトに伝え、伝導装置５２を介して、車輪を駆動させることができる。即ち、図７の駆動システムでは、自動車のエンジン５３が停止している場合においても、誘導電動機３５によって車輪５４ａ，５４ｂを駆動することができ、また、エンジン５３が稼動している際もトルクアシストすることも可能である。さらに、エンジン５３により誘導電動機３５を駆動させ、誘導電動機３５で発生した交流を電力変換器４６で直流に変換することで、直流電源４７に充電することができる。エンジン５３と誘導電動機３５との間は、直結状態又はギアを介在して接続される。駆動の態様例としては、誘導電動機３５が回転開始すると車輪の駆動が開始される。誘導電動機３５で駆動し、エンジンシャフトが一定の回転数に達するとエンジンが起動される。開始すると車輪の駆動が開始される。駆動システムの配置は、高さ方向に低く構成される場合は床下などへ配置可能である。自動車の中央部又は前半部又は後半部に配置でき、各所に分散配置することも可能である。半導体装置の冷却は、水冷又は空冷で行われる。水冷の場合エンジンの冷却システムとの兼用も可能であるが、専用の冷却装置を持つことで、長寿命化が可能である。空冷の場合は、冷却フィンを有することが望ましい。エンジン内よりも車室内などのより低温部分に配置することが望ましい。沸騰冷却方式を採用する場合はヒートパイプを有することが望ましい。
【００４４】
図７に示す駆動システムにおいて、前記の誘導電動機のみによる車輪駆動やトルクアシスト時には大きなトルクが要求されることから、大電流で誘導電動機３５を駆動する必要があり、そのため、大電流を制御できる電力変換器が必須である。従って、本発明の半導体装置を用いた電力変換器によれば、より大きなトルク要求を満たす駆動システムを持った自動車を提供できる。自動車は、頻繁に発進又は後退を行う。その際、トルクを出すために、出力電線３４等に大電流状態が生ずるので、本発明は有効である。なお、誘導電動機３５以外のモータであっても、所定の自動車駆動に必要な特性を満たせば使用できる。
【００４５】
本発明の実施例の配線及び端子構造を有する半導体装置或いは前記半導体装置と電解コンデンサを接続する積層配線を用いた電力変換器は、スイッチング時に半導体スイッチに印可する跳ね上り電圧の抑制とスイッチング時の半導体素子損失を低減する効果がある。前記の効果により、より大きな電流を出力する半導体装置及び電力変換装置を半導体装置及び電力変換装置の配線構造の変更と言う安価な方法によって提供することができる。また、前記の電力変換装置よる高トルクなモータ駆動システムを塔載した自動車を提供できる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、跳ね上がり電圧発生の要因となる配線インダクタンスの低減を実現する半導体装置，電力変換装置及びそれを用いた自動車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における半導体装置のモジュール概要図。
【図２】図１の半導体装置内の半導体スイッチとブリッジ回路を構成する配線構造を示す斜視図。
【図３】比較例のコンデンサと半導体装置を接続する積層配線構造の概要図。
【図４】本発明の一実施例における半導体装置を用いた電力変換器の概要図。
【図５】図４の半導体装置内の半導体スイッチとブリッジ回路を構成する配線構造を示す斜視図。
【図６】図５に示す半導体装置の直流端子部の構造を示す概略図。
【図７】本発明の電力変換器を用いた駆動システムを有する自動車の構成図。
【図８】電力変換器の構成図。
【図９】半導体装置のブリッジ回路図。
【符号の説明】
１…ケース、２…負極直流端子、３…正極直流端子、４，５，６…出力端子、７…金属底板、８…ネジ穴、９，２２…負極側導体板、１０，２１…正極側導体板、１１，２３…絶縁体、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ，１２ｉ…基板導体パターン、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ…ダイオード及びパワー半導体素子、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ，１４ｎ，１４ｏ…ワイヤー配線、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ…半導体スイッチ、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９ｆ…ダイオード、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ,２０ｄ,２０ｅ，２０ｆ…半導体スイッチング制御端子、２４…制御補助端子、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…コンデンサ負極端子固体ネジ、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…コンデンサ正極端子固体ネジ、２９ａ，２９ｂ，２９ｃ…電解コンデンサ、３０…半導体装置、３１…直流電源、３２…電力変換器、３３ａ，３３ｂ…主回路配線、３４…出力配線、３５…誘導電動機（負荷）、３６ａ，３６ｂ，３６ｃ…絶縁基板、３７…負極側端子、３８…正極側端子、４０，４０ａ，４０ｂ…負極側直流端子ネジ止め穴、４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ…正極側直流端子ネジ止め穴、４２，４２ａ，４２ｂ…負極側導体板固定ネジ、４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ…正極側導体板固定ネジ、４４，４５…ナット、５０…自動車、５１…制御装置、５２…伝動装置、５３…エンジン、５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ…車輪、５５…信号端子。
Claims (9)
- 少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、前記出力端子を備えたケースを有し、
半導体スイッチを介してブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板の少なくとも一部に絶縁体を挟むことで積層化し、積層化した正極側導体板と負極側導体板を前記ケース外へ延長した延長部分を有し、該延長部分に複数の端子を有する半導体装置。 - ブリッジ接続された少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、前記出力端子を備えたケースを有し、
半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板の少なくとも一部について絶縁体を挟むことで積層化し、積層化した正極側導体板と負極側導体板を前記ケース外へ延長した延長部分を有し、該延長部分に複数の端子を有する半導体装置と、前記半導体装置の前記延長部分の複数の端子の一部に接続された電解コンデンサと、前記複数の端子の残りを直流入力端子とした電力変換装置。 - ブリッジ接続された６個の制御可能な半導体スイッチと、１組の３相交流端子と、少なくとも２つの正極負極直流端子と、前記出力端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記直流端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記出力端子を備えたケースを有する半導体装置において、半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板を幅広導体で構成し、前記正極側導体と負極側導体の少なくとも一部に絶縁体を挟むことで積層化し、前記の積層化した正極側導体板と負極側導体板を前記ケースより延長し、前記の正極側導体板と負極側導体板の延長した部位に１個以上のコンデンサを接続することを特徴とする半導体装置。
- ブリッジ接続された少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、少なくとも２つの正極負極直流端子と、前記出力端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記直流端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記出力端子及び直流端子を備えたケースを有する半導体装置において、半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板を幅広導体とし、前記正極側導体板と負極側導体板を絶縁体を挟むことで積層化し、直流端子部を前記の正極側導体板と負極側導体板のうち上側の導体板，絶縁体，下側の導体板を積層化した部分より階段状に延長した幅広な面構造にし、コンデンサと接続する導体板を前記直流端子部に重ね合わせ、面接触させるためのネジ止め個所を前記上側の導体板と下側の導体板のそれぞれの導体面上に少なくとも２つ以上備えたことを特徴とする半導体装置。
- ブリッジ接続された６個の制御可能な半導体スイッチと、１組の３相交流端子と、少なくとも２つの正極負極直流端子と、前記出力端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記直流端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記出力端子及び直流端子を備えたケースを有する半導体装置において、半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板を幅広導体とし、前記正極側導体板と負極側導体板を絶縁体を挟むことで積層化し、直流端子部を前記の正極側導体板と負極側導体板のうち上側の導体板，絶縁体，下側の導体板を積層化した部分より階段状に延長した幅広な面構造にし、コンデンサと接続する導体板を前記直流端子部に上方より重ね合わせることで面接触させるためのネジ止め個所を前記上側の導体板と下側の導体板のそれぞれの導体面上に少なくとも２つ以上備えたことを特徴とする半導体装置。
- 入力される直流電圧を可変電圧かつ可変周波数の交流に変換する半導体装置と、直流電圧の変動抑制するコンデンサを有する電力変換装置において、
ブリッジ接続された少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、前記出力端子を備えたケースを有し、
半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板の少なくとも一部に絶縁体を挟むことで積層化し、積層化した正極側導体板と負極側導体板を前記ケース表面に露出させた半導体装置を用いたことを特徴とする電力変換装置。 - 入力される直流電圧を可変電圧かつ可変周波数の交流に変換する半導体装置と、直流電圧の変動抑制するコンデンサを有する電力変換装置において、
ブリッジ接続された６個の制御可能な半導体スイッチと、１組の３相交流端子と、少なくとも２つの正極負極直流端子と、前記出力端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記直流端子及び半導体スイッチを接続する導体と、前記出力端子を備えたケースを有し、半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板を幅広導体で構成し、前記正極側導体と負極側導体の少なくとも一部に絶縁体を挟むことで積層化し、前記の積層化した正極側導体板と負極側導体板を前記ケースより延長し、前記の正極側導体板と負極側導体板の延長した部位に１個以上のコンデンサを接続することを特徴とする半導体装置を用いたことを特徴とする電力変換装置。 - 入力された直流電圧を可変電圧かつ可変周波数の交流に変換する半導体装置と、直流電圧の変動抑制するコンデンサを有する電力変換装置において、
ブリッジ接続された少なくとも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、前記出力端子を備えたケースを有し、
半導体スイッチをブリッジ接続する正極側導体板と負極側導体板の少なくとも一部に絶縁体を挟むことで積層化し、積層化した正極側導体板と負極側導体板を前記ケース外へ延長した延長部分を有し、該延長部分に複数の端子を有する半導体装置を用い、少なくとも１つ以上のコンデンサを接続し、絶縁体を間に挟むことで積層化した幅広な２枚の導体板を前記の半導体装置の正極負極それぞれの直流端子に２つ以上のネジで面接触したことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項２および４乃至６いずれか記載の電力変換器と、該電力変換器へ直流電力を供給する電源と、前記電力変換器の出力が入力される電動機とを有し、該電動機により少なくとも発進又は後退する自動車。
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