JP3819838B2

JP3819838B2 - Semiconductor device and power conversion device

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Publication number: JP3819838B2
Application number: JP2002356606A
Authority: JP
Inventors: 伸一藤野; 敏之印南; 広生後藤; 哲重田; 真司白川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2022-12-09
Also published as: JP2004194382A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びそれを備えた電力変換装置に係り、特に、小型化、高効率化、及び低インダクタンス実装を図り得るようにされた半導体装置及び電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置に用いられる半導体装置の従来例を図７を参照しながら簡単に説明する。図７において、半導体装置３０は、本体基板（底板）となる矩形の放熱板７と、該放熱板７の幅方向一端側に隣接配置された電解コンデンサ２９ａ、２９ｂと、を備えている。前記放熱板７は、材料として銅やＡｌ−ＳｉＣ合金等が用いられて板状に作製されており、この放熱板７上には、絶縁基板１５ａ、１５ｂ、１５ｃが載設され、それらの上面に基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃが形成されるとともに、ＭＯＳＦＥＴが用いられた半導体スイッチとダイオードの組み合わせ（単一部品）１３ａ、１３ｂ（以下、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂと称す）が取り付けられ、前記放熱板７の幅方向一端側端部には、Ｌ形状の負極直流端子２及び正極直流端子３が設けられ、他端側には、出力端子４、５、６が設けられている。なお、前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂは、前記半導体スイッチ１３ａ、１３ｂを駆動した際の電圧変化を緩和するために設けられている。
【０００３】
前記負極直流端子２及び正極直流端子３は、間に絶縁シート１１が介装されており、それらはそれぞれ、平面視凸字状とされた導体板からなる負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２を介して前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの対応する極に接続されている。より詳細には、前記負極直流端子２及び正極直流端子３には、上端から横向きに折れ曲がって突出する突出接続部２ａ、３ａが設けられ、これら突出接続部２ａ、３ａに前記負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２の凸部２１ａ、２２ａが重ねられて電気的に接続されている。なお、負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２は、それぞれ前記コンデンサ２９ａ、２９ｂに跨乗せしめられてネジ等で固定されている。
【０００４】
なお、図７において、符号１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅはワイヤ配線を示しており、ワイヤ配線１４ａは正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続し、ワイヤ配線１４ｂは半導体スイッチ１３ａと基板導体パターン１２ｂを接続し、ワイヤ配線１４ｃは半導体スイッチ１３ｂと基板導体パターン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｄは負極直流端子２と基板導体パターン１２ｃを接続し、ワイヤ配線１４ｅは出力端子４と基板導体パターン１２ｂを接続している。前記ワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅは、４本づつ図示されているが、半導体装置の仕様とワイヤ配線径によって必要なワイヤ配線本数は異なり、ワイヤ配線本数は４本に限定されるものではない。
【０００５】
また、前記半導体装置３０を含む電力変換装置においては、図示はされていないが、通常、半導体装置を駆動するドライブ回路基板と、入出力端子と、この入出力端子と半導体装置を接続する配線と、それらを保持する筐体と、を備える。
【０００６】
さらに、絶縁基板１５ｂ、１５ｃに実装された半導体スイッチ及びワイヤ配線等の構造及び作用は絶縁基板１５ａのものと同様であるため、以下では絶縁基板１５ａについて説明する。また、以下の説明において負極直流端子２及び正極直流端子３は、それぞれを構成している導体板を指す。
【０００７】
上記半導体装置３０において、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂのそれぞれがオンからオフへの切り替えする際に、そのオンからオフへの切り替わる半導体スイッチ１３ａ、１３ｂをブリッジ接続する配線と、負極直流端子２と正極直流端子３と、負極コンデンサ端子２１及び正極コンデンサ端子２２と、電解コンデンサ２９ａ、２９ｂと、で構成する経路で電流値が大きく変化する。以下、前記経路を主回路配線と称す。前記半導体スイッチ１３ａ、１３ｂをブリッジ接続する配線とは、図７において、基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃとワイヤ配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄである。半導体スイッチ１３ａ、１３ｂがオンからオフへの切り替わる際に、前記主回路配線と電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの合計のインダクタンスと前記主回路配線における電流量の時間微分値の積によって決定される電圧が生じる。
【０００８】
前記電圧（以下、ここの電圧を跳ね上り電圧と呼ぶ）により、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチ１３ａ、１３ｂには、電源電圧に前記跳ね上り電圧分を加えた電圧が瞬時的に印加される。上記跳ね上り電圧が増加し、オンからオフへの切り替わる半導体スイッチへの印加電圧が素子耐圧を越えたとき、絶縁破壊が起ることになり、半導体装置の正常動作には、跳ね上り電圧を抑制する必要がある。半導体装置の大電流化においては、前記電流の時間微分値も増加するため、インダクタンスの低減が特に重要となっている。
【０００９】
前記インダクタンスの低減に関連して、前記正極及び負極直流端子と電解コンデンサとを接続する配線構造等について、従来より幾つかの提案がなされており、その一つに、スイッチング時の損失増加と素子耐圧を越える電圧発生の要因となるインダクタンスを、半導体装置内配線、並びに、電解コンデンサと半導体装置とを接続する配線において、正極側配線と負極側配線を流れる電流の向きが互いに逆になるように積層構造化することで、配線インダクタンスを減少させるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開平８−１４０３６３号公報（第１〜４頁、第１〜４図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体装置における大電流化及び小型化の要求に対して、より低いインダクタンス配線実装を小さな実装面積でかつ安価に実現する重要性が高まっている。
【００１１】
そして、前記した跳ね上り電圧の問題に対して、耐圧の高い半導体スイッチを使用する対策があるが、耐圧を高くした場合、半導体スイッチはオン状態での抵抗値が大きくなる傾向がある。特に電源電圧が低く、半導体スイッチに大電流が流れるシステムでは、オン状態での半導体スイッチでの損失の割合が大きくなるため、インダクタンスを下げることにより跳ね上り電圧を抑制することは、耐圧のより低い半導体スイッチを使用可能にし、その効果として発熱低減による温度上昇の抑制に伴う寿命や信頼性の向上あるいは冷却コストの低減及び冷却装置の小型化などの大きなメリットがある。
【００１２】
特に、自動車のような搭載可能な空間が限られた製品に使われる場合、搭載する際の自由度を大きくするために小型化が重要になる。また、半導体装置の小型化は材料費抑制によるコスト低減効果もある。
【００１３】
したがって、半導体装置において主回路配線インダクタンスの低減と小型化には大きなメリットがあり、半導体装置における低インダクタンス配線構造と小型化を同時に実現する方策が強く要望されている。
【００１４】
本発明は、前記要望に応えるべくなされたもので、その目的とするところは、低インダクタンス実装が可能でかつ小型化及び高効率化を実現する半導体装置及び電力変換装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る半導体装置は、基本的には、導体板からなる正極直流端子及び負極直流端子、少なくとも４つの制御可能な半導体スイッチ、少なくとも２つの出力端子、前記半導体スイッチを実装する絶縁基板、前記正極直流端子及び負極直流端子と絶縁基板及び半導体スイッチとを接続する配線、前記正極直流端子及び負極直流端子や前記絶縁基板が設けられた放熱板、前記半導体スイッチ等を覆うケース、及び、前記半導体スイッチを駆動した際の電圧変化を緩和するコンデンサ、を備えた半導体装置であって、前記正極直流端子と負極直流端子とは、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記コンデンサの対応する極に届くまで水平に伸ばされてそれに直接接続されており、前記正極直流端子と負極直流端子との間に介装された前記絶縁体と前記ケースとが絶縁材料で一体に構成されていることを特徴としている。
【００１８】
このような構成とされた本発明に係る半導体装置の好ましい態様においては、負極直流端子と正極直流端子は、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ電解コンデンサの対応する極に届くまで伸ばされてそれに直接接続されているので、主回路配線の長さが短くされ、装置の小型化が図られる。
【００１９】
また、前述した図７の従来例では、負極直流端子及び正極直流端子と電解コンデンサとは、コンデンサ端子を介して接続されているが、本発明装置では、負極直流端子及び正極直流端子が放熱板外に伸ばされて電解コンデンサに直接接続されるので、従来例では存在したコンデンサ端子が本発明装置では不要となる。
【００２０】
ここで、自動車などの低電圧下において高出力が要求される電力変換装置の場合、その端子や内部の導体には大電流が流れるので、端子と端子の接続部の損失は高くなる。このため、装置内部の端子接続部の削減は装置の高効率化に効果がある。また、前記コンデンサ端子が不要となることから、部品コスト及び組立て工数が削減され、その結果、生産コストが低減される。
【００２１】
また、負極直流端子、絶縁体、正極直流端子からなる積層構造体は、間に挟む絶縁体をケースと一体に樹脂成形することで容易に製作でき、これによっても、工数削減等による生産コストの低減を図れる。
【００２２】
さらに、負極直流端子と正極直流端子を、ワイヤ配線の接合面の直前まで絶縁体を挟んだ積層構造とすることによって、負極直流端子と正極直流端子における配線インダクタンスが低減され、また、同様に電解コンデンサとの接合部周辺も絶縁体を挟んだ積層構造とすることでも配線インダクタンスが低減される。
【００２３】
また、負極直流端子と正極直流端子を半導体装置（放熱板）内外に伸ばし、半導体スイッチ、導体パターン、電解コンデンサ間をワイヤ配線と負極直流端子、正極直流端子のみで接続することによって、主回路配線が短くされ、これによっても、配線インダンタンスが低減される。
【００２４】
一方、本発明に係る電力変換装置は、前記半導体装置と、前記半導体スイッチを駆動するドライブ回路基板と、前記コンデンサや前記ドライブ回路基板が取り付けられる筐体と、を備え、前記半導体装置におけるケースと前記筐体とが絶縁材料で一体に構成されてなる。
【００２５】
かかる構成とされた電力変換装置においては、前記した半導体装置が用いられるので、跳ね上り電圧の要因であるインダクタンスが低減され、これによって、発熱も低減されるので、冷却コストの低減が可能になり、電力変換装置の大容量化及び小型化が可能となる。また、半導体装置のケースと電力変換装置の筐体とを一体に構成し、より好ましくは、半導体装置の出力端子と正極及び負極直流端子に、それぞれ電動機及び直流電源との接続部を設けることにより、電力変換装置内の導体接続による損失が低減されるとともに、電力変換装置の小型化が可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す概略平面図、図２は、図１に示される半導体装置の概略側面図、図３は、図１に示される半導体装置を備えた本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す概略斜視図、図４は、図３に示される電力変換装置が用いられた自動車の駆動システムの一例を示す概略構成図、図５は、図３に示される電力変換装置の概略回路構成図、図６は、図１に示される半導体装置の概略回路構成図である。なお、上記各図において、前述した図７に示される従来例の半導体装置の各部に対応する部分もしくは同一機能部分には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略する。
【００２７】
まず、図５を参照しながら本実施形態の電力変換装置３２の回路構成を説明する。図５において、電力変換装置３２は、直流電源３１から主回路配線３３を介して電力供給を受ける半導体装置３０を備え、該半導体装置３０は、可変周波数の交流電流をＵＶＷ相の出力配線３４を介して誘導電動機３５へ出力する。該電動機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。前記半導体装置３０（の正極及び負極直流端子）が接続される電解コンデンサ２９は、半導体装置３０（に備えられる半導体スイッチ）のスイッチング動作による直流電圧の変動を抑制する機能を持つ。
【００２８】
なお、前記コンデンサ２９は、電解コンデンサに限定されるものではなく、直流電圧の変動を目標値以内に抑制可能な十分大きな静電容量を持つコンデンサであればよい。
また、電力変換装置３２は、上記の他に、図示はされていないが、前記半導体装置３０のスイッチング動作を制御するドライブ回路基板と、前記半導体装置３０を冷却するための冷却フィン、冷却ファン等を備えている。
【００２９】
前記半導体装置３０は、図６に示される如くの、ＵＶＷ三相交流を出力するための回路構成を有する。すなわち、半導体装置３０は、半導体スイッチ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆ、ダイオード１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、半導体スイッチ制御端子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、正極直流端子３、負極直流端子２、Ｕ相出力端子４、Ｖ相出力端子５、Ｗ相出力端子６を有する。
【００３０】
なお、前記出力端子４、５、６は、一組で三相交流端子とされ、また、前記正極直流端子３と負極直流端子２間には直流電圧が印加されている。通常、半導体スイッチは制御端子と半導体スイッチの負極側の端子間電圧が半導体スイッチのオンオフ信号となるため、ドライブ回路に接続するための半導体スイッチの負極側端子が必要だが、図を分かり易くするため、前記端子とドライブ回路は省略している。
【００３１】
前記半導体スイッチ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ、１８ｆには、パワーＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)あるいはＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)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。本実施形態においても、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。また、ＭＯＳＦＥＴにおいて前記半導体スイッチ制御端子はゲート端子と呼ばれる。
【００３２】
図６において半導体スイッチ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が、それぞれ正極直流端子３と負極直流端子２間でブリッジ接続されている。半導体装置３０は、半導体スイッチ制御端子２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆにＰＷＭ(PLUSE 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・可変電圧の三相交流を三相交流出力端子４，５，６から電動機３５へ出力するものである。
【００３３】
また、図５、図６の回路構成を用いた場合、電動機３５を外力（例えば、ガソリンエンジン等）により回転させることにより、発電させることが可能であり、電動機３５によって発生した３相交流を半導体装置３０によって直流に変換することで、直流電源へ送電が可能である。
【００３４】
次に、前述した如くの回路構成を有する本実施形態の半導体装置３０及び電力変換装置３２（の配線構造）を、図１、図２、図３を参照しながら説明する。
なお、図１〜図３では、半導体装置３０内部の配線構造等を示すため、ケース１を部分的に取り除いた状態が示されている。
【００３５】
本実施形態の半導体装置３０は、図１、図２に示される如くに、本体基板（底板）となる矩形の放熱板７と、該放熱板７の幅方向一端側に隣接配置された電解コンデンサ２９ａ、２９ｂと、を備えている。前記放熱板７は、材料として銅やＡｌ−ＳｉＣ合金等が用いられて板状に作製され、その四隅には冷却フィン３６（図３）と放熱板７とをボルト等で固定する際に使用するネジ穴８が形成されている。この放熱板７上には、６枚の絶縁基板１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆが左右互い違い載設され、それらの上面に基板導体パターン１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆが形成されるとともに、半導体スイッチ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆが実装され、前記放熱板７の幅方向一端側端部には、平面視矩形で平板状の導体板からなる負極直流端子２及び正極直流端子３が設けられ、他端側には、配線取付け用の穴が形成された出力端子４、５、６が設けられている。
【００３６】
前記負極直流端子２と正極直流端子３とは、間に絶縁体１１を挟んで積層化されるとともに、それぞれ前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂに届くように前記放熱板７の外方に水平に伸ばされて、前記電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの対応する極にネジ等で直接接続されている。また、負極直流端子２と正極直流端子３は、図２に示される如くに、正極直流端子３を下にしてその上に絶縁体１１を介して負極直流端子２を重ねた積層構造のまま、前記放熱板７の内方にも（絶縁基板１５ａの手前まで）伸ばされており、かつ、積層構造部分（負極直流端子２、絶縁体１１、及び正極直流端子３が重なっている部分）が、正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続するワイヤ配線１４ａの接合面の直前まで延長されている。同様に電解コンデンサ２９ａ、２９ｂとの接合部周辺も絶縁体を挟んだ積層構造とされている。なお、前記負極直流端子２及び正極直流端子３にはそれぞれ直流電源３１に接続される接続部２ａ、３ａが水平に突設されている。
【００３７】
上記に加え、前記半導体装置３０における前記放熱板７上に設けられた半導体スイッチ等の各部品を覆うように、後述する電力変換装置３２の筐体を兼ねた合成樹脂製で平面視矩形のケース１が配設されている。このケース１には、前記正極直流端子３と負極直流端子２との間に挟まれた絶縁体１１が一体に成形されている。
【００３８】
なお、図１において、符号１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ及び符号１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆは、所定の態様で各部品間を接続するワイヤ配線を示している。各ワイヤ配線は、４本づつ図示されているが、半導体装置の仕様とワイヤ配線径によってワイヤ配線本数は異なり、ワイヤ配線本数は４本に限定されるものではない。また、図１、図２では、半導体スイッチとして、素子構造にダイオードを含んでいるＭＯＳＦＥＴを使用した場合のレイアウト構造を示しているが、ＩＧＢＴとダイオードを組み合わせのように半導体スイッチとダイオードを用いることもできる。
【００３９】
また、正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ａ、１５ｂ、出力端子４の配線接続関係は、正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ｃ、１５ｄ、出力端子５の配線接続関係及び正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ｅ、１５ｆ、出力端子６の配線接続関係と同様であるため、以下においては、正極直流端子３と負極直流端子２、絶縁基板１５ａ、１５ｂ、出力端子４の配線接続関係について説明する。
【００４０】
図１において、ワイヤ配線１４ａは正極直流端子３と基板導体パターン１２ａを接続し、ワイヤ配線１４ｂは半導体スイッチ１３ａと出力端子４を接続し、ワイヤ配線１４ｃは出力端子４と基板導体パターン１２ｂを接続し、ワイヤ配線１４ｄは半導体スイッチ１３ｂと負極直流端子２を接続している。本実施形態は、半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴを用いているので、ワイヤ配線と接続している面がソース電極面であり、基板導体パターンと接続している面がドレイン電極面である。本実施形態では、ソース電極と同じ面上に半導体スイッチのオンオフ信号等を受信するゲート電極等の端子電極を形成したＭＯＳＦＥＴを実装した例である。半導体スイッチ１３ａのゲート電極等の前記端子電極はワイヤ配線１６ａによってドライブ回路基板接続端子２４ａに接続されている。
【００４１】
図１では、ＭＯＳＦＥＴの前記端子電極は２個づつ、ドライブ回路基板接続端子２４ａ（２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ）は３個づつ図示されているが、半導体スイッチ１３ａ（１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ）に電流検出、温度検出等の機能が付加されている場合には前記端子電極の数が増え、また電圧検出、温度検出等を実施する場合には前記ドライブ回路基板接続端子数が増えるため、図１に示されている数に限定される訳ではない。前記ドライブ回路基板接続端子２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆには、ドライブ回路基板（図示省略）が接続されるが、前記ドライブ回路基板が半導体装置３０内に実装された場合、半導体装置３０のケース１上面から前記ドライブ回路基板接続端子を露出し、外部で前記ドライブ基板を接続する場合の両方に適用することができる。前記ドライブ回路基板が半導体装置内に実装された場合には半導体装置には制御端子が設けられる。
【００４２】
また、前記負極直流端子２及び正極直流端子３と出力端子４は、配線１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄのみによって導体パターン１２ａ、１２ｂ及び半導体スイッチ１３ａ、１３ｂと接続可能な配置とされている。
【００４３】
一方、図３に示される電力変換装置は、前記した半導体装置３０と、前記半導体スイッチ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆを駆動するドライブ回路基板（図示省略）と、前記コンデンサ２９ａ、２９ｂや前記ドライブ回路基板が取り付けられる筐体と、を備える。この筐体は、前記半導体装置３０におけるケース１を兼ねるものとなっている。言い換えれば、前記ケース１と前記筐体とが絶縁材料を素材とした樹脂成形により一体に構成されている。
【００４４】
上記した如くの構成とされた本実施形態の半導体装置３０においては、負極直流端子２と正極直流端子３は、間に絶縁体を挟んで積層化されるとともに、それぞれ電解コンデンサ２９ａ、２９ｂの対応する極に届くまで伸ばされてそれに直接接続されているので、主回路配線の長さが短くされ、装置の小型化が図られる。
【００４５】
また、図７の従来例では、負極直流端子２及び正極直流端子３と電解コンデンサ２９ａ、２９ｂとは、コンデンサ端子２１、２２を介して接続されているが、本実施形態では、負極直流端子２及び正極直流端子３が放熱板７外に伸ばされて電解コンデンサ２９ａ、２９ｂに直接接続されている。つまり、従来例では存在したコンデンサ端子２１、２２が本実施形態では存在しない。
【００４６】
ここで、自動車などの低電圧下において高出力が要求される電力変換装置の場合、その端子や内部の導体には大電流が流れるので、端子と端子の接続部の損失は高くなる。このため、装置内部の端子接続部の削減は装置の高効率化に効果がある。また、前記コンデンサ端子２１、２２が不要となることで、部品コスト及び組立て工数が削減され、その結果、生産コストが低減される。
【００４７】
また、負極直流端子２、絶縁体１１、正極直流端子３からなる積層構造体は、間に挟む絶縁体１１をケース１と一体に樹脂成形することで容易に製作でき、これによっても、工数削減等による生産コストの低減を図れる。
【００４８】
さらに、負極直流端子２と正極直流端子３は、ワイヤ配線１４ａの接合面の直前まで絶縁体１１を挟んだ積層構造とされているので、負極直流端子２と正極直流端子３における配線インダクタンスが低減され、また、同様に電解コンデンサ２９ａ、２９ｂとの接合部周辺も絶縁体を挟んだ積層構造とされているので、これによっても配線インダクタンスが低減される。
【００４９】
また、負極直流端子２と正極直流端子３を半導体装置（放熱板７）内外に伸ばし、半導体スイッチ１３ｄ、導体パターン１２ａ、電解コンデンサ２９ａ、２９ｂ間をワイヤ配線１４ａ、１４ｄと負極直流端子２、正極直流端子３のみで接続するようにされているので、主回路配線が短くされ、これによっても、配線インダンタンスが低減される。
【００５０】
一方、本実施形態の電力変換装置３２は、前記半導体装置３０が用いられるので、跳ね上り電圧の要因であるインダクタンスが低減され、これによって、発熱も低減されるので、冷却コストの低減が可能になり、電力変換装置の大容量化及び小型化が可能となる。また、半導体装置３０のケース１と電力変換装置３２の筐体を一体に構成し、半導体装置３０の出力端子４、５、６と正極及び負極直流端子３、２に、それぞれ電動機３５及び直流電源３１との接続部３ａ、２ａを設けているので、電力変換装置３２内の導体接続による損失が低減されかつ電力変換装置の小型化が可能となる。
【００５１】
なお、前記実施形態の半導体装置３０は３相交流を出力可能なものとされているが、前述の説明からもわかるように、各相の配線接続関係は同様であるため、図１の半導体装置３０の１相分の構造を抜き出したモジュールについても小型化、インダクタンス低減等の効果がある。すなわち、本発明は３相交流を出力する半導体装置に限定するものではなく、少なくとも２つ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を有する半導体装置に適用できる。但し、小型化の点から本発明は３相交流を出力する半導体装置の方が、得られる効果が大きい。
【００５２】
次に前記実施形態の電力変換装置３２を自動車の駆動システムに適用した例を説明する。図４は、前記自動車５０の駆動システムの構成図である。
図４に示される自動車５０は、駆動システムとして、電動機３５、電力変換装置３２、直流電源３１、出力配線３４、制御装置５１、伝導装置５２、エンジン５３、車輪５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、信号端子５５等を備えている。信号端子５５は、自動車５０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５５より受信した情報に基づき、電力変換装置３２へ制御信号を送信し、電動機３５を駆動する。電動機３５はトルクをクランクシャフト５３ａに伝え、伝動装置５２を介して、車輪（駆動輪）５４ａ、５４ｂを駆動させることができる。即ち、図４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により電動機３５を駆動させ、誘導モータ３５で発生した交流を電力変換装置３２で直流に変換することで、直流電源３１に充電することができる。
【００５３】
図４の駆動システムにおいて、前記の誘導電動機３５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。また、搭載可能な空間が限られるため、小型の電力変換装置が必要となり、そのため、前記電力変換装置の実現を可能する半導体装置が必要となる。従って、本発明の半導体装置３０を用いた電力変換装置３２によれば、より大きなトルク要求を満たし、搭載時の自由度を大きくした駆動システムを実現できる。
【００５４】
かかる駆動システムを塔載した自動車は電動機による速やかな発進が可能なため、停車時のエンジンアイドリングを停止することや、前記電動機を発電機として使用して、三相電流を半導体装置により効率良く直流電流に変換し直流電源への充電を行う等の燃費向上に効果があり、本発明の半導体装置を用いることで、より効率を向上させることができる。
【００５５】
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。
【００５６】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、小型かつ高効率でさらに低インダクタンス化を実現した半導体装置及び電力変換装置を低コストで提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体装置の一実施形態を示す概略平面図。
【図２】図１に示される半導体装置の概略側面図。
【図３】図１に示される半導体装置を備えた本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す概略斜視図。
【図４】図３に示される電力変換装置が用いられた自動車の駆動システムの一例を示す概略構成図。
【図５】図３に示される電力変換装置の概略回路構成図。
【図６】図１に示される半導体装置の概略回路構成図。
【図７】電力変換装置に用いられる半導体装置の従来例を示す概略斜視図。
【符号の説明】
１：ケース、２：負極直流端子、３：正極直流端子、４：出力端子、５：出力端子、６：出力端子、７：放熱板、８：ネジ穴、１１：絶縁体、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ：導体パターン、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ：半導体スイッチ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、１４ｈ、１４ｉ、１４ｊ、１４ｋ、１４ｌ：ワイヤ配線、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ：絶縁基板、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ：ワイヤ配線、１８：半導体スイッチ、１９：ダイオード、２０：半導体スイッチング制御端子、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ：ドライブ回路基板接続端子、２６：制御補助端子、２９ａ、２９ｂ：コンデンサ、３０：半導体装置、３１：直流電源、３２：電力変換装置、３３：主回路配線、３４出力配線、３５：電動機[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a power conversion device including the same, and more particularly to a semiconductor device and a power conversion device that can be reduced in size, increased in efficiency, and mounted with low inductance.
[0002]
[Prior art]
A conventional example of a semiconductor device used in a power conversion device will be briefly described with reference to FIG. In FIG. 7, the semiconductor device 30 includes a rectangular heat sink 7 serving as a main body substrate (bottom plate), and electrolytic capacitors 29 a and 29 b disposed adjacent to one end in the width direction of the heat sink 7. The heat radiating plate 7 is made of copper, Al-SiC alloy or the like as a material, and is formed in a plate shape. On the heat radiating plate 7, insulating substrates 15a, 15b, and 15c are mounted and their upper surfaces are arranged. Board conductor patterns 12a, 12b, and 12c are formed on the semiconductor switch and diode combinations (single parts) 13a and 13b (hereinafter referred to as semiconductor switches 13a and 13b) using MOSFETs, An L-shaped negative DC terminal 2 and a positive DC terminal 3 are provided at one end in the width direction of the heat radiating plate 7, and output terminals 4, 5, 6 are provided at the other end. The electrolytic capacitors 29a and 29b are provided to alleviate voltage changes when the semiconductor switches 13a and 13b are driven.
[0003]
An insulating sheet 11 is interposed between the negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3, and each of them has a negative capacitor terminal 21 and a positive capacitor terminal 22 made of conductor plates that are convex in plan view. To the corresponding poles of the electrolytic capacitors 29a and 29b. More specifically, the negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3 are provided with protruding connection portions 2a and 3a that are bent laterally from the upper end to protrude, and the negative capacitor terminal 21 and the protruding connection portions 2a and 3a are provided. The convex portions 21a and 22a of the positive capacitor terminal 22 are overlapped and electrically connected. Note that the negative capacitor terminal 21 and the positive capacitor terminal 22 are respectively placed on the capacitors 29a and 29b and fixed with screws or the like.
[0004]
In FIG. 7, reference numerals 14a, 14b, 14c, 14d, and 14e denote wire wirings, the wire wiring 14a connects the positive DC terminal 3 and the substrate conductor pattern 12a, and the wire wiring 14b includes the semiconductor switch 13a and the substrate. The conductor pattern 12b is connected, the wire wiring 14c connects the semiconductor switch 13b and the board conductor pattern 12c, the wire wiring 14d connects the negative DC terminal 2 and the board conductor pattern 12c, and the wire wiring 14e connects the output terminal 4 and the board conductor. The pattern 12b is connected. The wire wirings 14a, 14b, 14c, 14d, and 14e are shown four by four, but the number of wire wirings required differs depending on the specifications of the semiconductor device and the wire wiring diameter, and the number of wire wirings is limited to four. It is not a thing.
[0005]
In addition, although not shown in the power conversion device including the semiconductor device 30, a drive circuit board for driving the semiconductor device, an input / output terminal, and a wiring for connecting the input / output terminal and the semiconductor device are usually provided. And a housing for holding them.
[0006]
Furthermore, since the structures and operations of the semiconductor switch and the wire wiring mounted on the insulating substrates 15b and 15c are the same as those of the insulating substrate 15a, the insulating substrate 15a will be described below. Moreover, in the following description, the negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3 refer to the conductor plates constituting each.
[0007]
In the semiconductor device 30, when each of the semiconductor switches 13a and 13b is switched from on to off, the semiconductor switch 13a and 13b that is switched from on to off is bridge-connected, the negative DC terminal 2 and the positive DC The current value greatly changes in a path constituted by the terminal 3, the negative capacitor terminal 21, the positive capacitor terminal 22, and the electrolytic capacitors 29a and 29b. Hereinafter, the path is referred to as main circuit wiring. In FIG. 7, the wirings that bridge-connect the semiconductor switches 13a and 13b are substrate conductor patterns 12a, 12b, and 12c and wire wirings 14a, 14b, 14c, and 14d. When the semiconductor switches 13a and 13b are switched from on to off, a voltage determined by the product of the total inductance of the main circuit wiring and the electrolytic capacitors 29a and 29b and the time differential value of the current amount in the main circuit wiring is generated. .
[0008]
A voltage obtained by adding the amount of the jump voltage to the power supply voltage is instantaneously applied to the semiconductor switches 13a and 13b that are switched from on to off by the voltage (hereinafter, this voltage is referred to as the jump voltage). . When the jump voltage increases and the applied voltage to the semiconductor switch that switches from on to off exceeds the element breakdown voltage, dielectric breakdown occurs, and the jump voltage is suppressed for normal operation of the semiconductor device. There is a need to. In order to increase the current of a semiconductor device, the time differential value of the current also increases, so that reduction of inductance is particularly important.
[0009]
In connection with the reduction of the inductance, several proposals have been made for the wiring structure for connecting the positive and negative DC terminals and the electrolytic capacitor, and one of them is an increase in loss during switching and the element. Inductance that causes voltage generation exceeding the withstand voltage is set so that the direction of the current flowing through the positive electrode side wire and the negative electrode side wire is opposite to each other in the wiring in the semiconductor device and the wiring connecting the electrolytic capacitor and the semiconductor device. There is one in which the wiring inductance is reduced by forming a laminated structure (for example, see Patent Document 1).
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-140363 (pages 1 to 4 and FIGS. 1 to 4)
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, the importance of realizing lower inductance wiring mounting with a small mounting area and at a low cost has been increasing in response to demands for large current and miniaturization in semiconductor devices.
[0011]
And there is a measure to use a semiconductor switch with a high breakdown voltage for the above-mentioned problem of the jumping voltage, but when the breakdown voltage is increased, the resistance value of the semiconductor switch in the ON state tends to increase. In particular, in a system where the power supply voltage is low and a large current flows through the semiconductor switch, the ratio of loss in the semiconductor switch in the on state increases, so suppressing the jumping voltage by lowering the inductance has a lower withstand voltage. The semiconductor switch can be used, and as its effect, there are significant advantages such as improvement of life and reliability associated with suppression of temperature rise due to heat generation reduction, reduction of cooling cost, and downsizing of the cooling device.
[0012]
In particular, when used in a product with a limited space such as an automobile, downsizing is important in order to increase the degree of freedom in mounting. Further, downsizing of the semiconductor device has an effect of reducing costs by suppressing material costs.
[0013]
Therefore, there is a great merit in reducing the main circuit wiring inductance and downsizing in the semiconductor device, and there is a strong demand for a method for simultaneously realizing the low inductance wiring structure and downsizing in the semiconductor device.
[0014]
The present invention has been made to meet the above-mentioned demands, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a power conversion device that can be mounted with low inductance and can be reduced in size and increased in efficiency.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention basically includes a positive DC terminal and a negative DC terminal made of a conductor plate, at least four controllable semiconductor switches, at least two output terminals, and the semiconductor switch. Insulating substrate for mounting, wiring for connecting the positive and negative DC terminals to the insulating substrate and the semiconductor switch, a heat sink provided with the positive and negative DC terminals and the insulating substrate, the semiconductor switch, etc. A semiconductor device comprising a covering case and a capacitor for relaxing a voltage change when the semiconductor switch is driven, wherein the positive DC terminal and the negative DC terminal are stacked with an insulator interposed therebetween. In addition, each is stretched horizontally until it reaches the corresponding pole of the capacitor and is connected directly to the positive and DC terminals. And the insulator interposed between the DC terminals and the case is characterized in that it is integrally formed of an insulating material.
[0018]
In a preferred embodiment of the semiconductor device according to the present invention having such a configuration, the negative DC terminal and the positive DC terminal are stacked with an insulator interposed therebetween, and reach each corresponding electrode of the electrolytic capacitor. The length of the main circuit wiring is shortened, and the apparatus can be miniaturized.
[0019]
In the above-described conventional example of FIG. 7, the negative DC terminal, the positive DC terminal, and the electrolytic capacitor are connected via the capacitor terminal. However, in the device of the present invention, the negative DC terminal and the positive DC terminal are the heat sinks. Since it is extended to the outside and directly connected to the electrolytic capacitor, the capacitor terminal existing in the conventional example becomes unnecessary in the device of the present invention.
[0020]
Here, in the case of a power conversion device that requires a high output under a low voltage, such as an automobile, a large current flows through the terminal and an internal conductor, so that the loss at the terminal-terminal connection portion is high. For this reason, the reduction of the terminal connection part inside the apparatus is effective in increasing the efficiency of the apparatus. Further, since the capacitor terminal is not necessary, the component cost and the assembly man-hour are reduced, and as a result, the production cost is reduced.
[0021]
In addition, a laminated structure composed of a negative electrode DC terminal, an insulator, and a positive electrode DC terminal can be easily manufactured by resin-molding an insulator sandwiched between the case and the production cost by reducing man-hours, etc. Reduction can be achieved.
[0022]
Furthermore, the negative electrode DC terminal and the positive electrode DC terminal have a laminated structure in which an insulator is sandwiched just before the bonding surface of the wire wiring, so that the wiring inductance at the negative electrode DC terminal and the positive electrode DC terminal is reduced. The wiring inductance is also reduced by forming a laminated structure around the junction with the capacitor with an insulator in between.
[0023]
Also, the main circuit wiring is achieved by extending the negative DC terminal and the positive DC terminal into and out of the semiconductor device (heat sink) and connecting the semiconductor switch, conductor pattern, and electrolytic capacitor only with the wire wiring, the negative DC terminal, and the positive DC terminal. As a result, the wiring inductance is reduced.
[0024]
On the other hand, a power conversion device according to the present invention includes the semiconductor device, a drive circuit board that drives the semiconductor switch, and a casing to which the capacitor and the drive circuit board are attached, and a case in the semiconductor device; The casing is integrally formed of an insulating material.
[0025]
In the power conversion device having such a configuration, since the semiconductor device described above is used, the inductance that is a factor of the jumping voltage is reduced, thereby reducing the heat generation, and thus the cooling cost can be reduced. The capacity and size of the power conversion device can be reduced. Further, the case of the semiconductor device and the casing of the power conversion device are integrally configured, and more preferably, by providing a connection portion for the motor and the DC power source at the output terminal, the positive electrode, and the negative DC terminal, respectively. The loss due to the conductor connection in the power converter is reduced, and the power converter can be downsized.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1 is a schematic plan view showing an embodiment of a semiconductor device according to the present invention, FIG. 2 is a schematic side view of the semiconductor device shown in FIG. 1, and FIG. 3 is provided with the semiconductor device shown in FIG. 4 is a schematic perspective view showing an embodiment of a power conversion device according to the present invention, FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing an example of an automobile drive system using the power conversion device shown in FIG. 3, and FIG. 3 is a schematic circuit configuration diagram of the power conversion device shown in FIG. 3, and FIG. 6 is a schematic circuit configuration diagram of the semiconductor device shown in FIG. In the drawings, portions corresponding to the portions of the conventional semiconductor device shown in FIG. 7 described above or portions having the same functions are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
[0027]
First, the circuit configuration of the power conversion device 32 of the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 5, a power conversion device 32 includes a semiconductor device 30 that receives power supply from a DC power supply 31 via a main circuit wiring 33, and the semiconductor device 30 converts a variable frequency alternating current to a UVW-phase output wiring 34. To the induction motor 35. The electric motor 35 is driven by current / voltage supplied through the output wiring 34. The electrolytic capacitor 29 to which the semiconductor device 30 (the positive and negative DC terminals thereof) is connected has a function of suppressing fluctuations in DC voltage due to the switching operation of the semiconductor device 30 (a semiconductor switch provided in the semiconductor device 30).
[0028]
The capacitor 29 is not limited to an electrolytic capacitor, and may be any capacitor having a sufficiently large capacitance that can suppress fluctuations in DC voltage within a target value.
In addition to the above, the power converter 32 is not shown in the figure, but a drive circuit board that controls the switching operation of the semiconductor device 30, a cooling fin, a cooling fan, etc. for cooling the semiconductor device 30. It has.
[0029]
The semiconductor device 30 has a circuit configuration for outputting UVW three-phase alternating current as shown in FIG. That is, the semiconductor device 30 includes semiconductor switches 18a, 18b, 18c, 18d, 18e, 18f, diodes 19a, 19b, 19c, 19d, 19e, 19f, semiconductor switch control terminals 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, 20f, A positive DC terminal 3, a negative DC terminal 2, a U-phase output terminal 4, a V-phase output terminal 5, and a W-phase output terminal 6 are provided.
[0030]
The output terminals 4, 5, 6 are a set of three-phase AC terminals, and a DC voltage is applied between the positive DC terminal 3 and the negative DC terminal 2. Normally, the voltage between the control terminal and the negative terminal of the semiconductor switch is an on / off signal for the semiconductor switch, so the negative terminal of the semiconductor switch is required to connect to the drive circuit. The terminals and the drive circuit are omitted.
[0031]
For the semiconductor switches 18a, 18b, 18c, 18d, 18e, and 18f, a power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is used. When a power MOSFET is used for the semiconductor switch, the power MOSFET includes a diode in the element structure, so that the semiconductor switch 18a and the diode 19a can be configured in one chip. Also in this embodiment, when a power MOSFET is used for the semiconductor switch, the diode does not have to be mounted as a separate component. In the MOSFET, the semiconductor switch control terminal is called a gate terminal.
[0032]
In FIG. 6, the semiconductor switch 18a and the semiconductor switch 18b, the semiconductor switch 18c and the semiconductor switch 18d, and the semiconductor switch 18e and the semiconductor switch 18f are bridge-connected between the positive DC terminal 3 and the negative DC terminal 2, respectively. The semiconductor device 30 applies a PWM (PLUS Width Modulation) control signal voltage to the semiconductor switch control terminals 20a, 20b, 20c, 20d, 20e, and 20f, and bridges the semiconductor switches 18a, 18b, 18c, 18d, By controlling the ON (open) and OFF (close) times of 18e and 18f, three-phase alternating current of variable frequency and variable voltage is output from the three-phase alternating current output terminals 4, 5, 6 to the motor 35. .
[0033]
In addition, when the circuit configurations of FIGS. 5 and 6 are used, it is possible to generate electric power by rotating the electric motor 35 with an external force (for example, a gasoline engine), and the three-phase alternating current generated by the electric motor 35 is a semiconductor. By converting into direct current by the device 30, power can be transmitted to the direct current power source.
[0034]
Next, the semiconductor device 30 and the power conversion device 32 (wiring structure thereof) having the circuit configuration as described above will be described with reference to FIGS.
1 to 3 show a state in which the case 1 is partially removed in order to show the wiring structure and the like inside the semiconductor device 30.
[0035]
As shown in FIGS. 1 and 2, the semiconductor device 30 of this embodiment includes a rectangular heat sink 7 serving as a main body substrate (bottom plate) and an electrolytic capacitor disposed adjacent to one end in the width direction of the heat sink 7. 29a, 29b. The heat sink 7 is made of copper, Al—SiC alloy or the like as a material, and is used to fix the cooling fin 36 (FIG. 3) and the heat sink 7 at the four corners with bolts or the like. A screw hole 8 is formed. On the heat sink 7, six insulating substrates 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, and 15f are alternately mounted on the left and right sides, and substrate conductor patterns 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, and 12f are formed on the upper surfaces thereof. The semiconductor switches 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f are mounted, and a negative DC terminal made of a flat conductor plate having a rectangular shape in plan view is provided at one end in the width direction of the heat radiating plate 7. 2 and a positive DC terminal 3 are provided, and output terminals 4, 5 and 6 in which holes for wiring attachment are formed are provided on the other end side.
[0036]
The negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3 are stacked with an insulator 11 therebetween, and are extended horizontally outward of the heat sink 7 so as to reach the electrolytic capacitors 29a and 29b, respectively. The electrodes are directly connected to the corresponding electrodes of the electrolytic capacitors 29a and 29b with screws or the like. Further, as shown in FIG. 2, the negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3 are in a laminated structure in which the positive DC terminal 3 is placed downward and the negative DC terminal 2 is stacked thereon with an insulator 11 interposed therebetween. The inner side of the heat radiating plate 7 is extended (to the front of the insulating substrate 15a), and the laminated structure portion (portion where the negative electrode DC terminal 2, the insulator 11, and the positive electrode DC terminal 3 overlap) It extends to just before the bonding surface of the wire wiring 14a that connects the positive DC terminal 3 and the substrate conductor pattern 12a. Similarly, the periphery of the junction with the electrolytic capacitors 29a and 29b has a laminated structure with an insulator interposed therebetween. The negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3 are respectively provided with connecting portions 2a and 3a that are connected to a DC power source 31 so as to project horizontally.
[0037]
In addition to the above, a case made of a synthetic resin that also serves as a casing of a power conversion device 32, which will be described later, has a rectangular shape in plan view so as to cover each component such as a semiconductor switch provided on the heat sink 7 in the semiconductor device 30 1 is disposed. The case 1 is integrally formed with an insulator 11 sandwiched between the positive DC terminal 3 and the negative DC terminal 2.
[0038]
In FIG. 1, reference numerals 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h, 14i, 14j, 14k, 14l and reference numerals 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f The wire wiring which connects between components is shown. Although each wire wiring is illustrated by four, the number of wire wirings differs depending on the specifications of the semiconductor device and the wire wiring diameter, and the number of wire wirings is not limited to four. 1 and 2 show a layout structure in which a MOSFET including a diode is used as an element structure as a semiconductor switch. However, a semiconductor switch and a diode are used as a combination of an IGBT and a diode. You can also.
[0039]
The wiring connection relationship between the positive DC terminal 3 and the negative DC terminal 2, the insulating substrates 15 a and 15 b and the output terminal 4 is the wiring connection relationship between the positive DC terminal 3 and the negative DC terminal 2, the insulating substrates 15 c and 15 d and the output terminal 5. The positive DC terminal 3 and the negative DC terminal 2, the insulating substrates 15e and 15f, and the output connection of the output terminal 6 are the same as the wiring connection relationship. Therefore, in the following, the positive DC terminal 3 and the negative DC terminal 2, the insulating substrates 15a and 15b, The wiring connection relationship of the output terminal 4 will be described.
[0040]
In FIG. 1, the wire wiring 14a connects the positive DC terminal 3 and the board conductor pattern 12a, the wire wiring 14b connects the semiconductor switch 13a and the output terminal 4, and the wire wiring 14c connects the output terminal 4 and the board conductor pattern 12b. The wire wiring 14 d connects the semiconductor switch 13 b and the negative DC terminal 2. In this embodiment, since a MOSFET is used as the semiconductor switch, the surface connected to the wire wiring is the source electrode surface, and the surface connected to the substrate conductor pattern is the drain electrode surface. In the present embodiment, a MOSFET in which a terminal electrode such as a gate electrode that receives an on / off signal of a semiconductor switch is formed on the same surface as the source electrode is mounted. The terminal electrode such as the gate electrode of the semiconductor switch 13a is connected to the drive circuit board connection terminal 24a by a wire wiring 16a.
[0041]
In FIG. 1, two terminal electrodes of the MOSFET and two drive circuit board connection terminals 24a (24b, 24c, 24d, 24e, 24f) are illustrated, but the semiconductor switch 13a (13b, 13c, 13d) is illustrated. 13e, 13f) when the functions such as current detection and temperature detection are added, the number of the terminal electrodes is increased, and when voltage detection and temperature detection are performed, the number of the drive circuit board connection terminals is increased. Therefore, the number is not limited to the number shown in FIG. A drive circuit board (not shown) is connected to the drive circuit board connection terminals 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, and 24f. When the drive circuit board is mounted in the semiconductor device 30, the semiconductor device The present invention can be applied to both cases where the drive circuit board connection terminal is exposed from the upper surface of the case 1 and the drive board is connected externally. When the drive circuit board is mounted in the semiconductor device, the semiconductor device is provided with a control terminal.
[0042]
The negative DC terminal 2, the positive DC terminal 3 and the output terminal 4 are arranged so that they can be connected to the conductor patterns 12a, 12b and the semiconductor switches 13a, 13b only by the wirings 14a, 14b, 14c, 14d.
[0043]
On the other hand, the power conversion device shown in FIG. 3 includes the semiconductor device 30 described above, a drive circuit board (not shown) for driving the semiconductor switches 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, and 13f, and the capacitors 29a and 29b. And a housing to which the drive circuit board is attached. This housing also serves as the case 1 in the semiconductor device 30. In other words, the case 1 and the casing are integrally formed by resin molding using an insulating material as a raw material.
[0044]
In the semiconductor device 30 of the present embodiment configured as described above, the negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3 are stacked with an insulator interposed therebetween, and correspond to the electrolytic capacitors 29a and 29b, respectively. Therefore, the length of the main circuit wiring is shortened and the apparatus can be miniaturized.
[0045]
Further, in the conventional example of FIG. 7, the negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3 and the electrolytic capacitors 29a and 29b are connected via the capacitor terminals 21 and 22, but in this embodiment, the negative DC terminal 2 is used. And the positive electrode DC terminal 3 is extended outside the heat sink 7 and directly connected to the electrolytic capacitors 29a and 29b. That is, the capacitor terminals 21 and 22 that existed in the conventional example do not exist in the present embodiment.
[0046]
Here, in the case of a power conversion device that requires a high output under a low voltage, such as an automobile, a large current flows through the terminal and the internal conductor, so that the loss of the connection portion between the terminal and the terminal becomes high. For this reason, the reduction of the terminal connection part inside the apparatus is effective in increasing the efficiency of the apparatus. Further, since the capacitor terminals 21 and 22 are not required, the component cost and the assembly man-hour are reduced, and as a result, the production cost is reduced.
[0047]
Moreover, the laminated structure including the negative electrode DC terminal 2, the insulator 11, and the positive electrode DC terminal 3 can be easily manufactured by resin-molding the insulator 11 sandwiched between the case 1 and the case 1, thereby reducing man-hours. The production cost can be reduced by such means.
[0048]
Further, since the negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3 have a laminated structure in which the insulator 11 is sandwiched until just before the bonding surface of the wire wiring 14a, the wiring inductance in the negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3 is reduced. Similarly, since the periphery of the junction with the electrolytic capacitors 29a and 29b has a laminated structure sandwiching an insulator, this also reduces the wiring inductance.
[0049]
Further, the negative DC terminal 2 and the positive DC terminal 3 are extended in and out of the semiconductor device (heat sink 7), and the wire wirings 14a and 14d and the negative DC terminal 2 and the positive electrode are connected between the semiconductor switch 13d, the conductor pattern 12a, and the electrolytic capacitors 29a and 29b. Since the connection is made only with the DC terminal 3, the main circuit wiring is shortened, and this also reduces the wiring inductance.
[0050]
On the other hand, since the semiconductor device 30 is used in the power conversion device 32 of this embodiment, the inductance that is a factor of the jumping voltage is reduced, and thereby heat generation is also reduced, so that the cooling cost can be reduced. Thus, the capacity and size of the power converter can be reduced. Further, the case 1 of the semiconductor device 30 and the casing of the power conversion device 32 are integrally formed, and an electric motor 35 and a DC power source are respectively connected to the output terminals 4, 5, 6 and the positive and negative DC terminals 3, 2 of the semiconductor device 30. Since the connection portions 3a and 2a to 31 are provided, the loss due to the conductor connection in the power converter 32 is reduced, and the power converter can be downsized.
[0051]
Although the semiconductor device 30 of the above embodiment can output a three-phase alternating current, as can be understood from the above description, the wiring connection relationship of each phase is the same, so the semiconductor device of FIG. A module obtained by extracting the structure for one phase of 30 has effects such as downsizing and inductance reduction. That is, the present invention is not limited to a semiconductor device that outputs a three-phase alternating current, but can be applied to a semiconductor device having at least two controllable semiconductor switches, at least one output terminal, and a positive and negative DC terminal. However, from the viewpoint of miniaturization, the present invention has a greater effect in a semiconductor device that outputs a three-phase alternating current.
[0052]
Next, the example which applied the power converter device 32 of the said embodiment to the drive system of a motor vehicle is demonstrated. FIG. 4 is a configuration diagram of a drive system of the automobile 50.
4 includes a motor 35, a power converter 32, a DC power supply 31, an output wiring 34, a control device 51, a transmission device 52, an engine 53, wheels 54a, 54b, 54c, 54d, and signals as a drive system. Terminal 55 etc. are provided. The signal terminal 55 receives signals for the driving state of the automobile 50 and the start, acceleration, deceleration, and stop commands from the driver. Based on the information received from the signal terminal 55, the control device 51 transmits a control signal to the power conversion device 32 to drive the electric motor 35. The electric motor 35 can transmit torque to the crankshaft 53 a and drive the wheels (drive wheels) 54 a and 54 b via the transmission device 52. That is, in the drive system of FIG. 4, even when the engine 53 of the automobile is stopped, the wheels 54a and 54b can be driven by the induction motor 35, and the torque assist is also performed when the engine 53 is operating. It is also possible to do. Furthermore, the DC power source 31 can be charged by driving the electric motor 35 with the engine 53 and converting the alternating current generated by the induction motor 35 into direct current with the power converter 32.
[0053]
In the drive system of FIG. 4, since a large torque is required at the time of wheel driving or torque assist using only the induction motor 35, it is necessary to drive the motor 35 with a large current, and therefore, power conversion that can control a large current. A bowl is essential. Further, since the space that can be mounted is limited, a small-sized power conversion device is required, and therefore, a semiconductor device that can realize the power conversion device is required. Therefore, according to the power conversion device 32 using the semiconductor device 30 of the present invention, it is possible to realize a drive system that satisfies a larger torque requirement and has a high degree of freedom in mounting.
[0054]
Since an automobile equipped with such a drive system can be started quickly by an electric motor, the engine idling can be stopped when the vehicle is stopped, and a three-phase current can be efficiently generated by a semiconductor device using the electric motor as a generator. This is effective in improving fuel efficiency such as conversion to current and charging to a DC power source, and the efficiency can be further improved by using the semiconductor device of the present invention.
[0055]
Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes in design can be made without departing from the spirit of the invention described in the claims. It is something that can be done.
[0056]
【The invention's effect】
As can be understood from the above description, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device and a power conversion device that are small in size, high in efficiency, and low in inductance at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic side view of the semiconductor device shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic perspective view showing an embodiment of a power conversion device according to the present invention including the semiconductor device shown in FIG. 1;
4 is a schematic configuration diagram showing an example of a drive system for an automobile in which the power conversion device shown in FIG. 3 is used.
FIG. 5 is a schematic circuit configuration diagram of the power conversion device shown in FIG. 3;
6 is a schematic circuit configuration diagram of the semiconductor device shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 7 is a schematic perspective view showing a conventional example of a semiconductor device used in a power conversion device.
[Explanation of symbols]
1: Case, 2: Negative DC terminal, 3: Positive DC terminal, 4: Output terminal, 5: Output terminal, 6: Output terminal, 7: Heat sink, 8: Screw hole, 11: Insulator, 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f: Conductor pattern, 13a, 13b, 13c, 13d, 13e, 13f: Semiconductor switch, 14a, 14b, 14c, 14d, 14e, 14f, 14g, 14h, 14i, 14j, 14k, 14l: Wire wiring, 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f: Insulating substrate, 16a, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f: Wire wiring, 18: Semiconductor switch, 19: Diode, 20: Semiconductor switching control terminal, 24a 24b, 24c, 24d, 24e, 24f: drive circuit board connection terminals, 26: control auxiliary terminals, 29a, 29b: connectors Capacitor, 30: semiconductor device, 31: DC power supply, 32: power converter, 33: main circuit wiring, 34 output wires, 35: motor

Claims

Positive and negative DC terminals composed of conductive plates, at least four controllable semiconductor switches, at least two output terminals, an insulating substrate on which the semiconductor switch is mounted, the positive and negative DC terminals, an insulating substrate and a semiconductor switch Wiring for connecting the positive and negative DC terminals and a heat sink provided with the insulating substrate, a case for covering the semiconductor switch, and a capacitor for relaxing the voltage change when the semiconductor switch is driven, A semiconductor device comprising:
The positive DC terminal and the negative DC terminal are stacked with an insulator in between, and each is stretched horizontally until reaching the corresponding pole of the capacitor and directly connected thereto,
The semiconductor device, wherein the insulator and the case interposed between the positive DC terminal and the negative DC terminal are integrally formed of an insulating material.

The semiconductor device according to claim 1, a drive circuit board that drives the semiconductor switch, and a casing to which the capacitor and the drive circuit board are attached, wherein the case and the casing in the semiconductor device are A power converter characterized by being integrally formed of an insulating material.