JP3643525B2 - インバータ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の電力用半導体素子と、複数の電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、複数の電力用半導体素子を制御する制御回路とを備えて構成されるインバータ装置に係り、特に小型で冷却効率が良く、かつ配線の寄生インダクタンスが小さく、信頼性の高い例えば電気自動車用のインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、例えば電気自動車に適用されるインバータ装置においては、装置の小型化、高信頼性が要求されてきている。
【０００３】
この場合、インバータ装置の小型化、高信頼性を図るためには、冷却効率が良く、かつ配線の寄生インダクタンスが小さいインバータ装置を適用することが必要となる。
【０００４】
以下、この種の従来のインバータ装置について、図１１乃至図１３を参照して説明する。
【０００５】
図１１は従来のインバータ装置の構成例を示す平面断面図、図１２は従来のインバータ装置の構成例を示す側面断面図、図１３は従来の電力用半導体素子の構成例を示す内部部分断面図である。
【０００６】
図１１および図１２において、インバータ装置は、インバータ装置筐体１の底面に取付けねじ３により取付けられた電力用半導体素子２と、固定台５に固定されている電源平滑用コンデンサであるアルミ電解コンデンサ４と、３相出力導体９１〜９３の電流を検出する電流検出器１０１〜１０２と、制御ユニット１１とから構成されている。
【０００７】
電力用半導体素子２とアルミ電解コンデンサ４とは、正極側導体７および負極側導体８と接続ねじ６により電気的に接続されている。
【０００８】
また、インバータ装置筐体１の底面には流路１５が設けられており、当該流路１５の内部を流れる冷媒１４により電力用半導体素子２が冷却される。
【０００９】
なお、冷媒１４としては、例えば不凍液等を用いることができる。
【００１０】
一方、電力用半導体素子２は、図１３に示すように、放熱用金属板１６の上部に絶縁基板１７、絶縁基板１７の上部に金属電極１８、金属電極１８の上部にＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１がそれぞれ積層されかつ接合されている。
【００１１】
また、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１、金属電極１８、絶縁基板１７が、絶縁性を有する樹脂製パッケージに収納されている。
【００１２】
さらに、放熱用金属板１６と樹脂製パッケージとが、端部で接着されて成っている。
【００１３】
なお、樹脂製パッケージの内部には、絶縁性のゲルが封入されている。
【００１４】
また、外部引き出し端子とＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１とは、ワイヤボンディング２１により電気的に接続されている。
【００１５】
さて、以上のように構成されたインバータ装置の電力用半導体素子２においては、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１が通電された時に、損失が発生する。
【００１６】
この場合、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１の上部には、断熱材である絶縁性のゲルが封入されているので、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１で発生した損失の大部分は、下部の金属電極１８に熱伝導する。そして、この金属電極１８に熱伝導した損失は、絶縁基板１７を伝わり、放熱用金属板１６に熱伝導する。
【００１７】
また、放熱用金属板１６は、図１２に示すように、取付けねじ３によりインバータ装置筐体１の底面に加圧接触され、損失が冷媒１４により放熱される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のインバータ装置においては、以下のような問題点がある。
【００１９】
（ａ）外部引出し端子から、ＩＧＢＴ１９１またはダイオード２０１を経て外部引き出し端子へ流れる電流のループが広く、電力用半導体素子２内部の配線の寄生インダクタンスが大きくなり、過電圧の発生や損失が増大する。
また、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１がワイヤボンディング２１により電気的に接続されているので、ワイヤボンディング２１の抵抗が大きく温度上昇が高くなるため、所定の通電容量を確保することができない。
【００２０】
（ｂ）電力用半導体素子２の周囲にある取付けねじ３により放熱用金属板１６を、流路１５が構成されているインバータ装置筐体１の底面に加圧接触させているので、加圧力が放熱用金属板１６全体に均等にかからない。
このため、放熱用金属板１６とインバータ装置筐体１との間の接触熱抵抗は、電力用半導体素子２内部の熱抵抗とほぼ同等と非常に大きくなり、冷却効率が低い。
【００２１】
（ｃ）上記（ｂ）の問題点に加え、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１の上部には、断熱材である絶縁性のゲルが封入されており、発生した損失を片面からしか放熱することができないので、冷却効率が低い。
故に、インバータ装置の通電容量の向上に対応することができない。
また、冷却器等が大型化し、結果としてインバータ装置も大型化する。
【００２２】
本発明の目的は、電力用半導体素子の内部インダクタンスを低減し、過電圧および損失を低減することが可能なインバータ装置を提供することにある。
【００２３】
また、本発明の他の目的は、電力用半導体素子の通電容量を向上させて、信頼性を向上させることが可能なインバータ装置を提供することにある。
【００２４】
さらに、本発明の他の目的は、冷却効率を向上し、電力用半導体素子を小型化して、装置全体を小型化することが可能なインバータ装置を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に対応する発明では、複数の電力用半導体素子と、当該複数の電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、前記複数の電力用半導体素子を制御する制御回路とを備えて構成されるインバータ装置において、第１の絶縁基板の上部に、第１の金属電極を接合し、前記第１の金属電極の上部に、複数の半導体チップを接合し、前記複数の半導体チップの上部に、熱緩衝板を接合し、前記熱緩衝板の上部に、第２の金属電極を接合し、前記第２の金属電極の上部に、第２の絶縁基板を接合し、前記第 1 の金属電極の取出し口と前記第２の金属電極の取出し口とを同一方向に設け、前記第１の金属電極を流れる電流の向きと前記第２の金属電極を流れる電流の向きとを対向させている。
【００２９】
従って、請求項１に対応する発明のインバータ装置においては、複数の半導体チップの上部に熱緩衝板を接合し、さらにその上部に第２の金属電極を接合し、さらにその上部に第２の絶縁基板を接合することにより、複数の半導体チップを絶縁をとりながら両面冷却することが可能となり、冷却効率を向上することができる。
【００３０】
また、コレクタ電極の取出し口とエミッタ電極の取出し口とを同一方向に設け、コレクタ電極である第１の金属電極を流れる電流の向きと、エミッタ電極である第２の金属電極を流れる電流の向きとを対向させることにより、インダクタンスが相殺されて、配線の寄生インダクタンスを極めて小さくすることが可能となり、過電圧および損失を低減することができる。
【００３３】
一方、請求項３に対応する発明では、複数の電力用半導体素子と、当該複数の電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、前記複数の電力用半導体素子を制御する制御回路とを備えて構成されるインバータ装置において、第１の絶縁基板の上部に、第１の金属電極を接合し、前記第１の金属電極の上部に、複数の半導体チップを接合し、前記複数の半導体チップの上部に、熱緩衝板を接合し、前記熱緩衝板の上部に、第２の金属電極を接合し、前記第２の金属電極の上部に、第２の絶縁基板を接合し、前記第１の絶縁基板の下部に、内部が中空で冷媒が通る第１の液冷式冷却器を接合し、前記第２の絶縁基板の上部に、内部が中空で冷媒が通る第２の液冷式冷却器を接合し、前記複数の半導体チップを両面冷却している。
【００３５】
従って、請求項３に対応する発明のインバータ装置においては、複数の半導体チップと、第１の液冷式冷却器と第２の液冷式冷却器とを接合し、かつ両面冷却することにより、前述した従来のインバータ装置のような冷却器との間の接触熱抵抗がなくなり、さらに両面冷却が可能となり、熱抵抗が半減して、より一層冷却効率を向上することができる。
【００３６】
以上により、接触熱抵抗がなくなり、より一層冷却効率を向上することが可能となる。
【００４０】
一方、請求項８に対応する発明では、請求項２乃至請求項７のいずれか１項に対応する発明のインバータ装置において、３相インバータの上側アームを構成する複数の半導体チップを、第１の絶縁基板および第２の絶縁基板と熱緩衝板を介して接合し、３相インバータの下側アームを構成する複数の半導体チップを、第３の絶縁基板および第４の絶縁基板と熱緩衝板を介して接合し、３相インバータの上側アームを構成する第１および第２の絶縁基板と、３相インバータの下側アームを構成する第３および第４の絶縁基板とを、一定距離だけ離して第１の液冷式冷却器に接合し、３相インバータの上側アームを構成する第１および第２の絶縁基板と、３相インバータの下側アームを構成する第３および第４の絶縁基板との間に、直流電源の正極側と接続する正極側導体と負極側と接続する負極側導体と３相出力導体とを絶縁物を介して積層した積層基板を配置し、第２の絶縁基板および第４の絶縁基板の上部に、第２の液冷式冷却器を接合している。
【００４１】
また、請求項９に対応する発明では、上記請求項８に対応する発明のインバータ装置において、複数の半導体チップより、ゲートおよびセンスを、第１および第２の液冷式冷却器とほぼ平行に、第１および第２の液冷式冷却器の間に形成された外周部の空間より取出している。
【００４２】
さらに、請求項１０に対応する発明では、上記請求項８に対応する発明のインバータ装置において、第２の液冷式冷却器を２つに分割して、それぞれ第２の絶縁基板および第４の絶縁基板と接合し、２つに分割された第２の液冷式冷却器の間より、３相出力導体を取出している。
【００４３】
従って、請求項８乃至請求項１０に対応する発明のインバータ装置においては、３相インバータの上側アームを構成する複数の半導体チップを、第１および第２の絶縁基板と熱緩衝板を介して接合し、下側アームを構成する複数の半導体チップを、第３および第４の絶縁基板と熱緩衝板を介して接合し、上側アームを構成する第１および第２の絶縁基板と、下側アームを構成する第３および第４の絶縁基板とを、一定距離だけ離して第１の液冷式冷却器に接合し、上側アームを構成する第１および第２の絶縁基板と、下側アームを構成する第３および第４の絶縁基板との間に、直流電源の正極側と接続する正極側導体と負極側と接続する負極側導体と３相出力導体とを絶縁物を介して積層した積層基板を配置し、第２および第４の絶縁基板の上部に、第２の液冷式冷却器を接合することにより、前記請求項１乃至請求項７に対応する発明のインバータ装置と同様の作用を奏するのに加えて、複数の半導体チップを両面冷却しても、配線の寄生インダクタンスが小さく、かつ簡略な構造で３相インバータを構成することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４５】
（第１の実施の形態）図１は本実施の形態によるインバータ装置における半導体チップの実装構成例を示す部分縦断面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図、図３は図１におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００４６】
図１乃至図３において、第１の絶縁基板２２の上部には、第１の金属電極２３を接合している。
【００４７】
また、第１の金属電極２３の上部には、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１を、高温はんだにより接合している。
【００４８】
さらに、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１の上部には、熱緩衝板２４を、高温はんだにより接合している。
【００４９】
また、熱緩衝板２４の上部には、第２の金属電極２５を、高温はんだにより接合している。
【００５０】
さらに、第２の金属電極２５の上部には、第２の絶縁基板２６を接合している。
【００５１】
なお、図１乃至図３では、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１は、３並列構成としている。
【００５２】
一方、第１の金属電極２２をコレクタ電極とし、第２の金属電極２５をエミッタ電極とし、コレクタ電極の取出し口２７とエミッタ電極の取出し口２８とを、同一方向に設けている。
【００５３】
また、熱緩衝板２４の材質としては、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１と線膨張係数の近似した、例えばＭｏ、Ｗ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等の金属としている。
【００５４】
さらに、熱緩衝板２４としては、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１よりゲートワイヤボンディング２９や電流センスワイヤボンディング３１を引出すのに十分な厚みを持たせている。
【００５５】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるインバータ装置においては、ＩＧＢＴ１９１およびＦＲＤ２０１の上部に熱緩衝板２４が接合され、その上部に第２の金属電極２５が接合され、さらにその上部に第２の絶縁基板２６が接合されていることにより、ＩＧＢＴ１９１およびＦＲＤ２０１を絶縁をとりながら両面冷却することができる。
【００５６】
また、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１が、第１の金属電極２２および熱緩衝板２４および第２の金属電極２５により配線接続されていることにより、ワイヤボンディングにより接続されている場合に比べて、抵抗が小さく、温度上昇も低くなり、通電容量を向上し、信頼性を向上することができる。
【００５７】
さらに、コレクタ電極の取出し口２７とエミッタ電極の取出し口２８とが同一方向に設けられ、コレクタ電極である第１の金属電極２３を流れる電流の向きと、エミッタ電極である第２の金属電極２５を流れる電流の向きとが対向していることにより、インダクタンスが相殺されて配線の寄生インダクタンスを極めて小さくすることができる。
【００５８】
上述したように、本実施の形態によるインバータ装置では、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１を両面冷却することが可能となって冷却効率を向上し、さらに配線の寄生インダクタンスを低減することが可能となって過電圧および損失を低減し、通電容量を向上し、信頼性も向上することが可能となる。
【００５９】
（第２の実施の形態）図４は、本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す部分縦断面図であり、図１乃至図３と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６０】
図４において、第１の絶縁基板２２の下部には、内部が中空で冷媒が通る第１の液冷式冷却器３３を、低温はんだにより接合している。
【００６１】
また、第２の絶縁基板２６の上部には、内部が中空で冷媒が通る第２の液冷式冷却器３４を、低温はんだにより接合している。
【００６２】
これにより、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１を両面冷却するようにしている。
【００６３】
さらに、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の材質としては、例えばＡｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−ＳｉＣ等の金属とセラミックスとの複合材料である金属基複合材料としている。
【００６４】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるインバータ装置においては、前述した第１の実施の形態のインバータ装置と同様の作用効果を奏することができる。
【００６５】
さらに、これに加えて、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１と、第１の液冷式冷却器３３と第２の液冷式冷却器３４とが接合され、かつ両面冷却されていることにより、前述した従来のインバータ装置のような冷却器との間の接触熱抵抗がなくなり、さらに両面冷却が可能となり、熱抵抗が半減して、より一層冷却効率を向上することができる。
【００６６】
上述したように、本実施の形態によるインバータ装置では、接触熱抵抗がなくなり、より一層冷却効率を向上することが可能となる。
【００６７】
（第３の実施の形態）図５は、本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す部分縦断面図であり、図１乃至図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６８】
図５において、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の材質としては、例えば銅、アルミニウム等の金属としている。
【００６９】
また、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の表面には、前記第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６とほぼ同等の形状を有する、例えばＡｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−ＳｉＣ等の金属基複合材料製の熱応力緩衝板３５、または前記第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と熱膨張係数の近似した、例えばＭｏ、Ｗ等の金属製の熱応力緩衝板３５を接合し、前記第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と接合している。
【００７０】
一方、その製造方法としては、まず、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４を製造する。
【００７１】
次に、第１の金属電極２３、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１、熱緩衝板２４、第２の金属電極２６を、例えば３００℃〜４００℃位の高温はんだにより接合する。
【００７２】
そして最後に、第１の液冷式冷却器３３と熱応力緩衝板３５と第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と第２の液冷式冷却器３４を積層し、例えば１８０℃〜２００℃位の低温はんだにより、熱応力緩衝板３５を、液冷式冷却器３３，３４および絶縁基板２２，２６とはんだ付けする方法が考えられる。
【００７３】
また、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の材質が例えばＡｌで、熱応力緩衝板３５の材質が例えばＡｌ−ＳｉＣの場合には、ＳｉＣをＡｌの鋳込みで冷却器と一体に製造する方法等も考えられる。
【００７４】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるインバータ装置においては、前述した第１および第２の実施の形態のインバータ装置と同様の作用効果を奏することができる。
【００７５】
さらに、これに加えて、第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４との間に、両者の中間位の線膨張係数を有する熱応力緩衝板３５が接合されていることにより、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の材質を、線膨張係数が大きい銅やアルミニウム等の金属としても、第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６の熱応力による割れを防ぐことができる。
【００７６】
これにより、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の材質を、金属基複合材料よりも熱伝導率が大きく、かつ複雑な加工ができ、様々な伝熱面積拡大手段であるフィンを加工でき、かつ金属基複合材料に比べて破壊し難い銅やアルミニウム等の金属にすることが可能となるため、より一層冷却効率を向上し、製造も容易となり、信頼性も向上することができる。
【００７７】
また、前記図１１乃至図１３に示した従来のインバータ装置では、ＩＧＢＴ１９１ １チップ当たりのジャンクションから冷却水までの熱抵抗は約０．３０４Ｋ／Ｗであるが、図５に示すような本実施の形態のようなインバータ装置の構成では、ＩＧＢＴ１９１ １チップ当たりのジャンクションから冷却水までの熱抵抗が約０．１９Ｋ／Ｗとなり、熱抵抗がほぼ半減する。
【００７８】
これにより、前述した第１および第２の実施の形態のインバータ装置と同様の作用効果を奏するのに加えて、より一層冷却効率および信頼性を向上し、インバータ装置を簡略化することができる。
【００７９】
上述したように、本実施の形態によるインバータ装置では、接触熱抵抗がなくなり、より一層冷却効率を向上することが可能となる。
【００８０】
（第４の実施の形態）図６は本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す正面断面図、図７は本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す平面断面図、図８は本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す側面図、図９は本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す斜視図、図１０本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す回路図であり、図１乃至図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００８１】
図６乃至図１０において、図１０に示す３相インバータのＵ相の上側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９１およびＦＲＤ２０１を、前記第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と熱緩衝板２４を介して接合している。
【００８２】
なお、本実施の形態では、ＩＧＢＴ１９１およびＦＲＤ２０１は、３並列構成としている。
【００８３】
また、図１０に示す３相インバータのＶ相の上側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９３およびダイオード２０３、図１０に示す３相インバータのＷ相の上側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９５およびダイオード２０５も、上記Ｕ相の場合と同様に、前記第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と熱緩衝板２４を介して接合している。
【００８４】
一方、図１０に示す３相インバータのＵ相の下側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９２およびダイオード２０２を、上記上側アームの場合と同様に、第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８と熱緩衝板２４を介して接合している。
【００８５】
また、図１０に示す３相インバータのＶ相の下側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９４およびダイオード２０４、図１０に示す３相インバータのＷ相の下側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９６およびダイオード２０６も、上記Ｕ相の場合と同様に、第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８と熱緩衝板２４を介して接合している。
【００８６】
一方、図１０に示す３相インバータの上側アームを構成する第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と、下側アームを構成する第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８とを、一定距離だけ離して前記第１の液冷式冷却器３３に接合している。
【００８７】
また、図１０に示す３相インバータの上側アームを構成する第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と、下側アームを構成する第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８との間に、直流電源の正極側と接続する正極側導体３９と負極側と接続する負極側導体４０と３相出力導体４１とを絶縁物４２を介して積層した積層基板４３を配置している。
【００８８】
さらに、第２の絶縁基板２６および第４の絶縁基板３８の上部には、前記第２の液冷式冷却器３４を接合している。
【００８９】
一方、上記第２の液冷式冷却器３４を２つに分割し、それぞれ第２の絶縁基板２６および第４の絶縁基板３８と接合して、それぞれ第２の絶縁基板２６および第４の絶縁基板３８と接合し、上記２つに分割された第２の液冷式冷却器３４の間より、３相出力導体４１を取出している。
【００９０】
また、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の周囲、および上記２つに分割された第２の液冷式冷却器３４の間を、絶縁性を有するパッケージ４４で密封している。
【００９１】
さらに、パッケージ４４の内部には、絶縁性の高分子材料を封入している。
【００９２】
さらにまた、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１〜１９６より、ゲート４５および電流センス４６を、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４とほぼ平行に、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の間に形成された外周部の空間４７より取出している。
【００９３】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるインバータ装置においては、前述した第１乃至第３の実施の形態のインバータ装置と同様の作用効果を奏することができる。
【００９４】
さらに、これに加えて、３相インバータの上側アームを構成するＩＧＢＴ１９１およびＦＲＤ２０１が、第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と熱緩衝板２４を介して接合され、下側アームを構成するＩＧＢＴ１９２およびダイオード２０２が、第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８と熱緩衝板２４を介して接合され、上側アームを構成する第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と、下側アームを構成する第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８とが、一定距離だけ離して第１の液冷式冷却器３３に接合され、上側アームを構成する第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と、下側アームを構成する第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８との間に、直流電源の正極側と接続する正極側導体３９と負極側と接続する負極側導体４０と３相出力導体４１とを絶縁物４２を介して積層した積層基板４３が配置され、第２の絶縁基板２６および第４の絶縁基板３８の上部に、第２の液冷式冷却器３４が接合されていることにより、ＩＧＢＴ１９１〜１９６およびダイオード２０１〜２０６を両面冷却しても、配線の寄生インダクタンスが小さく、かつ簡略な構造で３相インバータを構成することができる。
【００９５】
上述したように、本実施の形態によるインバータ装置では、複数の半導体チップを両面冷却しても、配線の寄生インダクタンスが小さく、かつ簡略な構造で３相インバータを構成することが可能となる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインバータ装置によれば、複数の半導体チップを両面冷却することが可能となって冷却効率を向上し、さらに配線の寄生インダクタンスを低減することが可能となって過電圧および損失を低減し、インバータ装置の通電容量を向上し、信頼性も向上することが可能となる。
【００９７】
また、複数の半導体チップを両面冷却しても、配線の寄生インダクタンスが小さく、かつ簡略な構造で３相インバータを構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるインバータ装置における半導体チップの実装構成例を示す部分縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す部分縦断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す部分縦断面図。
【図６】本発明の第４の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す正面断面図。
【図７】本発明の第４の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す平面断面図。
【図８】本発明の第４の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す側面図。
【図９】本発明の第４の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す斜視図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す回路図。
【図１１】従来のインバータ装置の構成例を示す水平断面図。
【図１２】従来のインバータ装置の構成例を示す側面断面図。
【図１３】従来のインバータ装置における電力用半導体素子の構成例を示す部分断面図。
【符号の説明】
１…インバータ装置筐体
２…電力用半導体素子
３…取付けねじ
４…アルミ電解コンデンサ
５…固定台
６…接続ねじ
７…正極側導体
８…負極側導体
９１〜９３…３相出力導体
１０１〜１０２…電流検出器
１１…制御ユニット
１２…入水口
１３…排水口
１４…冷媒
１５…流路
１６…放熱用金属板
１７…絶縁基板
１８…金属電極
１９１〜１９６…ＩＧＢＴ
２０１〜２０６…ダイオード
２１…ワイヤボンディング
２２…第１の絶縁基板
２３…第１の金属電極
２４…熱緩衝板
２５…第２の金属電極
２６…第２の絶縁基板
２７…コレクタ電極取出し口
２８…エミッタ電極取出し口
２９…ゲートワイヤボンディング
３０…ゲート電極取出し口
３１…電流センスワイヤボンディング
３２…電流センス取出し口
３３…第１の液冷式冷却器
３４…第２の液冷式冷却器
３５…熱応力緩衝板
３６…電源平滑用コンデンサ
３７…第３の絶縁基板
３８…第４の絶縁基板
３９…正極側導体
４０…負極側導体
４１…３相出力導体
４２…絶縁物
４３…積層基板
４４…パッケージ
４５…ゲート
４６…電流センス
４７…外周部の空間。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の電力用半導体素子と、複数の電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、複数の電力用半導体素子を制御する制御回路とを備えて構成されるインバータ装置に係り、特に小型で冷却効率が良く、かつ配線の寄生インダクタンスが小さく、信頼性の高い例えば電気自動車用のインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、例えば電気自動車に適用されるインバータ装置においては、装置の小型化、高信頼性が要求されてきている。
【０００３】
この場合、インバータ装置の小型化、高信頼性を図るためには、冷却効率が良く、かつ配線の寄生インダクタンスが小さいインバータ装置を適用することが必要となる。
【０００４】
以下、この種の従来のインバータ装置について、図１１乃至図１３を参照して説明する。
【０００５】
図１１は従来のインバータ装置の構成例を示す平面断面図、図１２は従来のインバータ装置の構成例を示す側面断面図、図１３は従来の電力用半導体素子の構成例を示す内部部分断面図である。
【０００６】
図１１および図１２において、インバータ装置は、インバータ装置筐体１の底面に取付けねじ３により取付けられた電力用半導体素子２と、固定台５に固定されている電源平滑用コンデンサであるアルミ電解コンデンサ４と、３相出力導体９１〜９３の電流を検出する電流検出器１０１〜１０２と、制御ユニット１１とから構成されている。
【０００７】
電力用半導体素子２とアルミ電解コンデンサ４とは、正極側導体７および負極側導体８と接続ねじ６により電気的に接続されている。
【０００８】
また、インバータ装置筐体１の底面には流路１５が設けられており、当該流路１５の内部を流れる冷媒１４により電力用半導体素子２が冷却される。
【０００９】
なお、冷媒１４としては、例えば不凍液等を用いることができる。
【００１０】
一方、電力用半導体素子２は、図１３に示すように、放熱用金属板１６の上部に絶縁基板１７、絶縁基板１７の上部に金属電極１８、金属電極１８の上部にＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１がそれぞれ積層されかつ接合されている。
【００１１】
また、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１、金属電極１８、絶縁基板１７が、絶縁性を有する樹脂製パッケージに収納されている。
【００１２】
さらに、放熱用金属板１６と樹脂製パッケージとが、端部で接着されて成っている。
【００１３】
なお、樹脂製パッケージの内部には、絶縁性のゲルが封入されている。
【００１４】
また、外部引き出し端子とＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１とは、ワイヤボンディング２１により電気的に接続されている。
【００１５】
さて、以上のように構成されたインバータ装置の電力用半導体素子２においては、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１が通電された時に、損失が発生する。
【００１６】
この場合、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１の上部には、断熱材である絶縁性のゲルが封入されているので、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１で発生した損失の大部分は、下部の金属電極１８に熱伝導する。そして、この金属電極１８に熱伝導した損失は、絶縁基板１７を伝わり、放熱用金属板１６に熱伝導する。
【００１７】
また、放熱用金属板１６は、図１２に示すように、取付けねじ３によりインバータ装置筐体１の底面に加圧接触され、損失が冷媒１４により放熱される。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のインバータ装置においては、以下のような問題点がある。
【００１９】
（ａ）外部引出し端子から、ＩＧＢＴ１９１またはダイオード２０１を経て外部引き出し端子へ流れる電流のループが広く、電力用半導体素子２内部の配線の寄生インダクタンスが大きくなり、過電圧の発生や損失が増大する。
また、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１がワイヤボンディング２１により電気的に接続されているので、ワイヤボンディング２１の抵抗が大きく温度上昇が高くなるため、所定の通電容量を確保することができない。
【００２０】
（ｂ）電力用半導体素子２の周囲にある取付けねじ３により放熱用金属板１６を、流路１５が構成されているインバータ装置筐体１の底面に加圧接触させているので、加圧力が放熱用金属板１６全体に均等にかからない。
このため、放熱用金属板１６とインバータ装置筐体１との間の接触熱抵抗は、電力用半導体素子２内部の熱抵抗とほぼ同等と非常に大きくなり、冷却効率が低い。
【００２１】
（ｃ）上記（ｂ）の問題点に加え、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１の上部には、断熱材である絶縁性のゲルが封入されており、発生した損失を片面からしか放熱することができないので、冷却効率が低い。
故に、インバータ装置の通電容量の向上に対応することができない。
また、冷却器等が大型化し、結果としてインバータ装置も大型化する。
【００２２】
本発明の目的は、電力用半導体素子の内部インダクタンスを低減し、過電圧および損失を低減することが可能なインバータ装置を提供することにある。
【００２３】
また、本発明の他の目的は、電力用半導体素子の通電容量を向上させて、信頼性を向上させることが可能なインバータ装置を提供することにある。
【００２４】
さらに、本発明の他の目的は、冷却効率を向上し、電力用半導体素子を小型化して、装置全体を小型化することが可能なインバータ装置を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１に対応する発明では、複数の電力用半導体素子と、当該複数の電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、前記複数の電力用半導体素子を制御する制御回路とを備えて構成されるインバータ装置において、第１の絶縁基板の上部に、第１の金属電極を接合し、前記第１の金属電極の上部に、複数の半導体チップを接合し、前記複数の半導体チップの上部に、熱緩衝板を接合し、前記熱緩衝板の上部に、第２の金属電極を接合し、前記第２の金属電極の上部に、第２の絶縁基板を接合し、前記第 1 の金属電極の取出し口と前記第２の金属電極の取出し口とを同一方向に設け、前記第１の金属電極を流れる電流の向きと前記第２の金属電極を流れる電流の向きとを対向させている。
【００２９】
従って、請求項１に対応する発明のインバータ装置においては、複数の半導体チップの上部に熱緩衝板を接合し、さらにその上部に第２の金属電極を接合し、さらにその上部に第２の絶縁基板を接合することにより、複数の半導体チップを絶縁をとりながら両面冷却することが可能となり、冷却効率を向上することができる。
【００３０】
また、コレクタ電極の取出し口とエミッタ電極の取出し口とを同一方向に設け、コレクタ電極である第１の金属電極を流れる電流の向きと、エミッタ電極である第２の金属電極を流れる電流の向きとを対向させることにより、インダクタンスが相殺されて、配線の寄生インダクタンスを極めて小さくすることが可能となり、過電圧および損失を低減することができる。
【００３３】
一方、請求項３に対応する発明では、複数の電力用半導体素子と、当該複数の電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、前記複数の電力用半導体素子を制御する制御回路とを備えて構成されるインバータ装置において、第１の絶縁基板の上部に、第１の金属電極を接合し、前記第１の金属電極の上部に、複数の半導体チップを接合し、前記複数の半導体チップの上部に、熱緩衝板を接合し、前記熱緩衝板の上部に、第２の金属電極を接合し、前記第２の金属電極の上部に、第２の絶縁基板を接合し、前記第１の絶縁基板の下部に、内部が中空で冷媒が通る第１の液冷式冷却器を接合し、前記第２の絶縁基板の上部に、内部が中空で冷媒が通る第２の液冷式冷却器を接合し、前記複数の半導体チップを両面冷却している。
【００３５】
従って、請求項３に対応する発明のインバータ装置においては、複数の半導体チップと、第１の液冷式冷却器と第２の液冷式冷却器とを接合し、かつ両面冷却することにより、前述した従来のインバータ装置のような冷却器との間の接触熱抵抗がなくなり、さらに両面冷却が可能となり、熱抵抗が半減して、より一層冷却効率を向上することができる。
【００３６】
以上により、接触熱抵抗がなくなり、より一層冷却効率を向上することが可能となる。
【００４０】
一方、請求項８に対応する発明では、請求項２乃至請求項７のいずれか１項に対応する発明のインバータ装置において、３相インバータの上側アームを構成する複数の半導体チップを、第１の絶縁基板および第２の絶縁基板と熱緩衝板を介して接合し、３相インバータの下側アームを構成する複数の半導体チップを、第３の絶縁基板および第４の絶縁基板と熱緩衝板を介して接合し、３相インバータの上側アームを構成する第１および第２の絶縁基板と、３相インバータの下側アームを構成する第３および第４の絶縁基板とを、一定距離だけ離して第１の液冷式冷却器に接合し、３相インバータの上側アームを構成する第１および第２の絶縁基板と、３相インバータの下側アームを構成する第３および第４の絶縁基板との間に、直流電源の正極側と接続する正極側導体と負極側と接続する負極側導体と３相出力導体とを絶縁物を介して積層した積層基板を配置し、第２の絶縁基板および第４の絶縁基板の上部に、第２の液冷式冷却器を接合している。
【００４１】
また、請求項９に対応する発明では、上記請求項８に対応する発明のインバータ装置において、複数の半導体チップより、ゲートおよびセンスを、第１および第２の液冷式冷却器とほぼ平行に、第１および第２の液冷式冷却器の間に形成された外周部の空間より取出している。
【００４２】
さらに、請求項１０に対応する発明では、上記請求項８に対応する発明のインバータ装置において、第２の液冷式冷却器を２つに分割して、それぞれ第２の絶縁基板および第４の絶縁基板と接合し、２つに分割された第２の液冷式冷却器の間より、３相出力導体を取出している。
【００４３】
従って、請求項８乃至請求項１０に対応する発明のインバータ装置においては、３相インバータの上側アームを構成する複数の半導体チップを、第１および第２の絶縁基板と熱緩衝板を介して接合し、下側アームを構成する複数の半導体チップを、第３および第４の絶縁基板と熱緩衝板を介して接合し、上側アームを構成する第１および第２の絶縁基板と、下側アームを構成する第３および第４の絶縁基板とを、一定距離だけ離して第１の液冷式冷却器に接合し、上側アームを構成する第１および第２の絶縁基板と、下側アームを構成する第３および第４の絶縁基板との間に、直流電源の正極側と接続する正極側導体と負極側と接続する負極側導体と３相出力導体とを絶縁物を介して積層した積層基板を配置し、第２および第４の絶縁基板の上部に、第２の液冷式冷却器を接合することにより、前記請求項１乃至請求項７に対応する発明のインバータ装置と同様の作用を奏するのに加えて、複数の半導体チップを両面冷却しても、配線の寄生インダクタンスが小さく、かつ簡略な構造で３相インバータを構成することができる。
【００４４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４５】
（第１の実施の形態）図１は本実施の形態によるインバータ装置における半導体チップの実装構成例を示す部分縦断面図、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図、図３は図１におけるＢ−Ｂ断面図である。
【００４６】
図１乃至図３において、第１の絶縁基板２２の上部には、第１の金属電極２３を接合している。
【００４７】
また、第１の金属電極２３の上部には、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１を、高温はんだにより接合している。
【００４８】
さらに、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１の上部には、熱緩衝板２４を、高温はんだにより接合している。
【００４９】
また、熱緩衝板２４の上部には、第２の金属電極２５を、高温はんだにより接合している。
【００５０】
さらに、第２の金属電極２５の上部には、第２の絶縁基板２６を接合している。
【００５１】
なお、図１乃至図３では、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１は、３並列構成としている。
【００５２】
一方、第１の金属電極２２をコレクタ電極とし、第２の金属電極２５をエミッタ電極とし、コレクタ電極の取出し口２７とエミッタ電極の取出し口２８とを、同一方向に設けている。
【００５３】
また、熱緩衝板２４の材質としては、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１と線膨張係数の近似した、例えばＭｏ、Ｗ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等の金属としている。
【００５４】
さらに、熱緩衝板２４としては、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１よりゲートワイヤボンディング２９や電流センスワイヤボンディング３１を引出すのに十分な厚みを持たせている。
【００５５】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるインバータ装置においては、ＩＧＢＴ１９１およびＦＲＤ２０１の上部に熱緩衝板２４が接合され、その上部に第２の金属電極２５が接合され、さらにその上部に第２の絶縁基板２６が接合されていることにより、ＩＧＢＴ１９１およびＦＲＤ２０１を絶縁をとりながら両面冷却することができる。
【００５６】
また、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１が、第１の金属電極２２および熱緩衝板２４および第２の金属電極２５により配線接続されていることにより、ワイヤボンディングにより接続されている場合に比べて、抵抗が小さく、温度上昇も低くなり、通電容量を向上し、信頼性を向上することができる。
【００５７】
さらに、コレクタ電極の取出し口２７とエミッタ電極の取出し口２８とが同一方向に設けられ、コレクタ電極である第１の金属電極２３を流れる電流の向きと、エミッタ電極である第２の金属電極２５を流れる電流の向きとが対向していることにより、インダクタンスが相殺されて配線の寄生インダクタンスを極めて小さくすることができる。
【００５８】
上述したように、本実施の形態によるインバータ装置では、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１を両面冷却することが可能となって冷却効率を向上し、さらに配線の寄生インダクタンスを低減することが可能となって過電圧および損失を低減し、通電容量を向上し、信頼性も向上することが可能となる。
【００５９】
（第２の実施の形態）図４は、本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す部分縦断面図であり、図１乃至図３と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６０】
図４において、第１の絶縁基板２２の下部には、内部が中空で冷媒が通る第１の液冷式冷却器３３を、低温はんだにより接合している。
【００６１】
また、第２の絶縁基板２６の上部には、内部が中空で冷媒が通る第２の液冷式冷却器３４を、低温はんだにより接合している。
【００６２】
これにより、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１を両面冷却するようにしている。
【００６３】
さらに、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の材質としては、例えばＡｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−ＳｉＣ等の金属とセラミックスとの複合材料である金属基複合材料としている。
【００６４】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるインバータ装置においては、前述した第１の実施の形態のインバータ装置と同様の作用効果を奏することができる。
【００６５】
さらに、これに加えて、ＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１と、第１の液冷式冷却器３３と第２の液冷式冷却器３４とが接合され、かつ両面冷却されていることにより、前述した従来のインバータ装置のような冷却器との間の接触熱抵抗がなくなり、さらに両面冷却が可能となり、熱抵抗が半減して、より一層冷却効率を向上することができる。
【００６６】
上述したように、本実施の形態によるインバータ装置では、接触熱抵抗がなくなり、より一層冷却効率を向上することが可能となる。
【００６７】
（第３の実施の形態）図５は、本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す部分縦断面図であり、図１乃至図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００６８】
図５において、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の材質としては、例えば銅、アルミニウム等の金属としている。
【００６９】
また、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の表面には、前記第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６とほぼ同等の形状を有する、例えばＡｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−ＳｉＣ等の金属基複合材料製の熱応力緩衝板３５、または前記第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と熱膨張係数の近似した、例えばＭｏ、Ｗ等の金属製の熱応力緩衝板３５を接合し、前記第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と接合している。
【００７０】
一方、その製造方法としては、まず、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４を製造する。
【００７１】
次に、第１の金属電極２３、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１およびダイオード２０１、熱緩衝板２４、第２の金属電極２６を、例えば３００℃〜４００℃位の高温はんだにより接合する。
【００７２】
そして最後に、第１の液冷式冷却器３３と熱応力緩衝板３５と第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と第２の液冷式冷却器３４を積層し、例えば１８０℃〜２００℃位の低温はんだにより、熱応力緩衝板３５を、液冷式冷却器３３，３４および絶縁基板２２，２６とはんだ付けする方法が考えられる。
【００７３】
また、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の材質が例えばＡｌで、熱応力緩衝板３５の材質が例えばＡｌ−ＳｉＣの場合には、ＳｉＣをＡｌの鋳込みで冷却器と一体に製造する方法等も考えられる。
【００７４】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるインバータ装置においては、前述した第１および第２の実施の形態のインバータ装置と同様の作用効果を奏することができる。
【００７５】
さらに、これに加えて、第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４との間に、両者の中間位の線膨張係数を有する熱応力緩衝板３５が接合されていることにより、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の材質を、線膨張係数が大きい銅やアルミニウム等の金属としても、第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６の熱応力による割れを防ぐことができる。
【００７６】
これにより、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の材質を、金属基複合材料よりも熱伝導率が大きく、かつ複雑な加工ができ、様々な伝熱面積拡大手段であるフィンを加工でき、かつ金属基複合材料に比べて破壊し難い銅やアルミニウム等の金属にすることが可能となるため、より一層冷却効率を向上し、製造も容易となり、信頼性も向上することができる。
【００７７】
また、前記図１１乃至図１３に示した従来のインバータ装置では、ＩＧＢＴ１９１ １チップ当たりのジャンクションから冷却水までの熱抵抗は約０．３０４Ｋ／Ｗであるが、図５に示すような本実施の形態のようなインバータ装置の構成では、ＩＧＢＴ１９１ １チップ当たりのジャンクションから冷却水までの熱抵抗が約０．１９Ｋ／Ｗとなり、熱抵抗がほぼ半減する。
【００７８】
これにより、前述した第１および第２の実施の形態のインバータ装置と同様の作用効果を奏するのに加えて、より一層冷却効率および信頼性を向上し、インバータ装置を簡略化することができる。
【００７９】
上述したように、本実施の形態によるインバータ装置では、接触熱抵抗がなくなり、より一層冷却効率を向上することが可能となる。
【００８０】
（第４の実施の形態）図６は本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す正面断面図、図７は本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す平面断面図、図８は本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す側面図、図９は本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す斜視図、図１０本実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す回路図であり、図１乃至図５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【００８１】
図６乃至図１０において、図１０に示す３相インバータのＵ相の上側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９１およびＦＲＤ２０１を、前記第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と熱緩衝板２４を介して接合している。
【００８２】
なお、本実施の形態では、ＩＧＢＴ１９１およびＦＲＤ２０１は、３並列構成としている。
【００８３】
また、図１０に示す３相インバータのＶ相の上側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９３およびダイオード２０３、図１０に示す３相インバータのＷ相の上側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９５およびダイオード２０５も、上記Ｕ相の場合と同様に、前記第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と熱緩衝板２４を介して接合している。
【００８４】
一方、図１０に示す３相インバータのＵ相の下側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９２およびダイオード２０２を、上記上側アームの場合と同様に、第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８と熱緩衝板２４を介して接合している。
【００８５】
また、図１０に示す３相インバータのＶ相の下側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９４およびダイオード２０４、図１０に示す３相インバータのＷ相の下側アームを構成する半導体チップであるＩＧＢＴ１９６およびダイオード２０６も、上記Ｕ相の場合と同様に、第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８と熱緩衝板２４を介して接合している。
【００８６】
一方、図１０に示す３相インバータの上側アームを構成する第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と、下側アームを構成する第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８とを、一定距離だけ離して前記第１の液冷式冷却器３３に接合している。
【００８７】
また、図１０に示す３相インバータの上側アームを構成する第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と、下側アームを構成する第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８との間に、直流電源の正極側と接続する正極側導体３９と負極側と接続する負極側導体４０と３相出力導体４１とを絶縁物４２を介して積層した積層基板４３を配置している。
【００８８】
さらに、第２の絶縁基板２６および第４の絶縁基板３８の上部には、前記第２の液冷式冷却器３４を接合している。
【００８９】
一方、上記第２の液冷式冷却器３４を２つに分割し、それぞれ第２の絶縁基板２６および第４の絶縁基板３８と接合して、それぞれ第２の絶縁基板２６および第４の絶縁基板３８と接合し、上記２つに分割された第２の液冷式冷却器３４の間より、３相出力導体４１を取出している。
【００９０】
また、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の周囲、および上記２つに分割された第２の液冷式冷却器３４の間を、絶縁性を有するパッケージ４４で密封している。
【００９１】
さらに、パッケージ４４の内部には、絶縁性の高分子材料を封入している。
【００９２】
さらにまた、半導体チップであるＩＧＢＴ１９１〜１９６より、ゲート４５および電流センス４６を、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４とほぼ平行に、第１の液冷式冷却器３３および第２の液冷式冷却器３４の間に形成された外周部の空間４７より取出している。
【００９３】
次に、以上のように構成した本実施の形態によるインバータ装置においては、前述した第１乃至第３の実施の形態のインバータ装置と同様の作用効果を奏することができる。
【００９４】
さらに、これに加えて、３相インバータの上側アームを構成するＩＧＢＴ１９１およびＦＲＤ２０１が、第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と熱緩衝板２４を介して接合され、下側アームを構成するＩＧＢＴ１９２およびダイオード２０２が、第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８と熱緩衝板２４を介して接合され、上側アームを構成する第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と、下側アームを構成する第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８とが、一定距離だけ離して第１の液冷式冷却器３３に接合され、上側アームを構成する第１の絶縁基板２２および第２の絶縁基板２６と、下側アームを構成する第３の絶縁基板３７および第４の絶縁基板３８との間に、直流電源の正極側と接続する正極側導体３９と負極側と接続する負極側導体４０と３相出力導体４１とを絶縁物４２を介して積層した積層基板４３が配置され、第２の絶縁基板２６および第４の絶縁基板３８の上部に、第２の液冷式冷却器３４が接合されていることにより、ＩＧＢＴ１９１〜１９６およびダイオード２０１〜２０６を両面冷却しても、配線の寄生インダクタンスが小さく、かつ簡略な構造で３相インバータを構成することができる。
【００９５】
上述したように、本実施の形態によるインバータ装置では、複数の半導体チップを両面冷却しても、配線の寄生インダクタンスが小さく、かつ簡略な構造で３相インバータを構成することが可能となる。
【００９６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のインバータ装置によれば、複数の半導体チップを両面冷却することが可能となって冷却効率を向上し、さらに配線の寄生インダクタンスを低減することが可能となって過電圧および損失を低減し、インバータ装置の通電容量を向上し、信頼性も向上することが可能となる。
【００９７】
また、複数の半導体チップを両面冷却しても、配線の寄生インダクタンスが小さく、かつ簡略な構造で３相インバータを構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるインバータ装置における半導体チップの実装構成例を示す部分縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す部分縦断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す部分縦断面図。
【図６】本発明の第４の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す正面断面図。
【図７】本発明の第４の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す平面断面図。
【図８】本発明の第４の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す側面図。
【図９】本発明の第４の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す斜視図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態によるインバータ装置の構成例を示す回路図。
【図１１】従来のインバータ装置の構成例を示す水平断面図。
【図１２】従来のインバータ装置の構成例を示す側面断面図。
【図１３】従来のインバータ装置における電力用半導体素子の構成例を示す部分断面図。
【符号の説明】
１…インバータ装置筐体
２…電力用半導体素子
３…取付けねじ
４…アルミ電解コンデンサ
５…固定台
６…接続ねじ
７…正極側導体
８…負極側導体
９１〜９３…３相出力導体
１０１〜１０２…電流検出器
１１…制御ユニット
１２…入水口
１３…排水口
１４…冷媒
１５…流路
１６…放熱用金属板
１７…絶縁基板
１８…金属電極
１９１〜１９６…ＩＧＢＴ
２０１〜２０６…ダイオード
２１…ワイヤボンディング
２２…第１の絶縁基板
２３…第１の金属電極
２４…熱緩衝板
２５…第２の金属電極
２６…第２の絶縁基板
２７…コレクタ電極取出し口
２８…エミッタ電極取出し口
２９…ゲートワイヤボンディング
３０…ゲート電極取出し口
３１…電流センスワイヤボンディング
３２…電流センス取出し口
３３…第１の液冷式冷却器
３４…第２の液冷式冷却器
３５…熱応力緩衝板
３６…電源平滑用コンデンサ
３７…第３の絶縁基板
３８…第４の絶縁基板
３９…正極側導体
４０…負極側導体
４１…３相出力導体
４２…絶縁物
４３…積層基板
４４…パッケージ
４５…ゲート
４６…電流センス
４７…外周部の空間。
Claims (10)
- 複数の電力用半導体素子と、
当該複数の電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、
前記複数の電力用半導体素子を制御する制御回路と
を備えて構成されるインバータ装置において、
第１の絶縁基板の上部に、第１の金属電極を接合し、
前記第１の金属電極の上部に、複数の半導体チップを接合し、
前記複数の半導体チップの上部に、熱緩衝板を接合し、
前記熱緩衝板の上部に、第２の金属電極を接合し、
前記第２の金属電極の上部に、第２の絶縁基板を接合し、
前記第 1 の金属電極の取出し口と前記第２の金属電極の取出し口とを同一方向に設け、前記第１の金属電極を流れる電流の向きと前記第２の金属電極を流れる電流の向きとを対向させたことを特徴とするインバータ装置。 - 前記請求項１に記載のインバータ装置において、
前記第１の絶縁基板の下部に、内部が中空で冷媒が通る第１の液冷式冷却器を接合し、
前記第２の絶縁基板の上部に、内部が中空で冷媒が通る第２の液冷式冷却器を接合し、
前記複数の半導体チップを両面冷却したことを特徴とするインバータ装置。 - 複数の電力用半導体素子と、
当該複数の電力用半導体素子を駆動する駆動回路と、
前記複数の電力用半導体素子を制御する制御回路と
を備えて構成されるインバータ装置において、
第１の絶縁基板の上部に、第１の金属電極を接合し、
前記第１の金属電極の上部に、複数の半導体チップを接合し、
前記複数の半導体チップの上部に、熱緩衝板を接合し、
前記熱緩衝板の上部に、第２の金属電極を接合し、
前記第２の金属電極の上部に、第２の絶縁基板を接合し、
前記第１の絶縁基板の下部に、内部が中空で冷媒が通る第１の液冷式冷却器を接合し、
前記第２の絶縁基板の上部に、内部が中空で冷媒が通る第２の液冷式冷却器を接合し、
前記複数の半導体チップを両面冷却したことを特徴とするインバータ装置。 - 前記請求項２または請求項３に記載のインバータ装置において、
前記第１および第２の液冷式冷却器の材質としては、Ａｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−ＳｉＣ等の金属とセラミックスとの複合材料である金属基複合材料としたことを特徴とするインバータ装置。 - 前記請求項２または請求項３に記載のインバータ装置において、
前記第１および第２の液冷式冷却器の材質としては、銅、アルミニウム等の金属とし、
前記第１および第２の液冷式冷却器の表面に、前記第１および第２の絶縁基板とほぼ同等の形状を有するＡｌ−ＳｉＣ、Ｃｕ−ＳｉＣ等の金属基複合材料製の金属熱応力緩衝板、または前記第１および第２の絶縁基板と線膨張係数の近似した、Ｍｏ、Ｗ等の金属製の熱応力緩衝板を接合し、
前記第１および第２の絶縁基板と接合したことを特徴とするインバータ装置。 - 前記請求項１乃至前記請求項５に記載のインバータ装置において、
前記熱緩衝板の材質としては、前記複数の半導体チップと線膨張係数の近似した、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ−Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ等の金属としたことを特徴とするインバータ装置。 - 前記請求項１乃至前記請求項６のいずれか１項に記載のインバータ装置において、
前記熱緩衝板としては、前記複数の半導体チップよりゲートや電流センスをワイヤボンディングにより引出すのに十分な厚みを持たせたことを特徴とするインバータ装置。 - 前記請求項２乃至請求項７のいずれか１項に記載のインバータ装置において、
３相インバータの上側アームを構成する複数の半導体チップを、前記第１の絶縁基板および第２の絶縁基板と熱緩衝板を介して接合し、
前記３相インバータの下側アームを構成する複数の半導体チップを、第３の絶縁基板および第４の絶縁基板と熱緩衝板を介して接合し、
前記３相インバータの上側アームを構成する第１および第２の絶縁基板と、前記３相インバータの下側アームを構成する第３および第４の絶縁基板とを、一定距離だけ離して前記第１の液冷式冷却器に接合し、
前記３相インバータの上側アームを構成する第１および第２の絶縁基板と、前記３相インバータの下側アームを構成する第３および第４の絶縁基板との間に、直流電源の正極側と接続する正極側導体と負極側と接続する負極側導体と３相出力導体とを絶縁物を介して積層した積層基板を配置し、
前記第２の絶縁基板および第４の絶縁基板の上部に、前記第２の液冷式冷却器を接合したことを特徴とするインバータ装置。 - 前記請求項８に記載のインバータ装置において、
前記複数の半導体チップより、ゲートおよびセンスを、前記第１および第２の液冷式冷却器とほぼ平行に、前記第１および第２の液冷式冷却器の間に形成された外周部の空間より取出したことを特徴とするインバータ装置。 - 前記請求項８に記載のインバータ装置において、
前記第２の液冷式冷却器を２つに分割して、それぞれ前記第２の絶縁基板および第４の絶縁基板と接合し、
前記２つに分割された第２の液冷式冷却器の間より、３相出力導体を取出したことを特徴とするインバータ装置。
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