JP5099417B2 - 半導体モジュール及びインバータ装置 - Google Patents
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Description
本発明の第一の実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態においては、本発明を三相交流用のインバータ回路を構成するインバータ装置としての半導体モジュール1に適用した例について説明する。図1は、本実施形態に係る半導体モジュール1の要部の構成を示す平面図である。図2は、図1のII−II断面図、図3は、図1のIII−III断面図、図4は、図2のIV−IV断面図である。図5は、この半導体モジュール1の断面斜視図である。図6は、本実施形態に係るインバータ回路11の配線図である。図7は、本実施形態に係る半導体モジュール1の全体の構成を示す平面図であり、図8は、図7のVIII−VIII断面図である。なお、図1〜図5では、ベースプレート2より上の基板3以外の構成を省略して示している。
まず、図1〜図5に基づいて、半導体モジュール1における基板3の冷却構造について説明する。図1に示すように、この半導体モジュール1は、ベースプレート2と、このベースプレート2の上面2Aに載置された6つの基板3と、ベースプレート2の下面2Bに接するように設けられた冷媒流路7とを備えている。ここで、冷媒流路7内には、所定方向の平行な冷媒の流れを形成する平行流形成手段としての複数のフィン8が設けられている。図2〜図5に示すように、複数のフィン8は、ベースプレート2の下面2Bに沿って互いに平行に配置されている。ここでは、各フィン8は、ベースプレート2の下面2Bに対して垂直に立設された所定厚さの板状に形成されており、ベースプレート2の下面2Bの切削加工等によってベースプレート2と一体的に形成されている。また、複数のフィン8の間隔はほぼ一定とされ、複数のフィン8の高さも一定とされている。そして、図1に示すように、複数のフィン8に平行な方向(図1における下から上に向かう方向)が冷媒の流れ方向Dとなる。また、この冷媒の流れ方向Dに対して直交する方向が、冷媒の流れ方向に対する直交方向C(図1における左右方向、以下単に「直交方向C」という。)となる。なお、本実施形態においては、ベースプレート2の上面2Aが本発明における一方の面に相当し、下面2Bが本発明における他方の面に相当する。
次に、本発明の要部となる、半導体モジュール1における基板3の配置構成について図1に基づいて説明する。本実施形態においては、ベースプレート2の上面2Aに、6つの基板3が、冷媒の流れ方向Dに2つ並ぶとともに、直交方向Cに3つ並ぶように配置されている。そして、これら6つの基板3により、後述するようにインバータ回路11を構成している。
WD素子(Free Wheel Diode)である。よって、基板3の中では、スイッチング素子4の発熱量が最も多い。また、接続端子領域6は、上側の銅箔10が設けられていない領域において、基板本体21上に直接載置されるように設けられている。なお、図1では省略しているが、接続端子領域6には、スイッチング素子4と制御基板9とを電気的に接続するためのリードピン22(図7及び図8参照)がはんだを介して固着される。また、接続端子領域6には、スイッチング素子4とリードピン22とを電気的に接続するためのワイヤボンディングも行われる。
次に、本実施形態に係る半導体モジュール1により構成されるインバータ回路11の電気的な構成について説明する。図6に示すように、このインバータ回路11は、三相交流電動機31の駆動用の回路となっている。すなわち、このインバータ回路11は、三相交流電動機31のU相コイル31u、V相コイル31v、及びW相コイル31wのそれぞれに対応して設けられた(U相、V相、及びW相の各相に対応する)U相アーム32u、V相アーム32v、及びW相アーム32wを備えている。そして、これらの各相用のアーム32u、32v、32wは、それぞれ相補的に動作可能な一対の下アーム33及び上アーム34を有して構成されている。ここで、下アーム33は、npn型のIGBT素子でなる下アーム用スイッチング素子4Aと、この下アーム用スイッチング素子4Aのエミッタ−コレクタ間に並列に接続されたダイオード素子5とを有して構成されている。同様に、上アーム34は、npn型のIGBT素子でなる上アーム用スイッチング素子4Bと、この上アーム用スイッチング素子4Bのエミッタ−コレクタ間に並列に接続されたダイオード素子5とを有して構成されている。ここで、ダイオード素子5は、アノードがスイッチング素子4A、4Bのエミッタに接続され、カソードがスイッチング素子4A、4Bのコレクタに接続されている。
次に、ベースプレート2よりも上側に設けられる半導体モジュール1の上部構成について説明する。図7及び図8に示すように、この半導体モジュール1は、このような上部構成として、ベースプレート2上に載置され、上述した6つの基板3を囲むように設けられる樹脂製のケース41と、このケース41によって6つの基板3の上方に支持される制御基板9とを有している。
本発明の第二の実施形態について図面に基づいて説明する。図9は、本実施形態に係る半導体モジュール1の要部の構成を示す平面図である。この図に示すように、本実施形態に係る半導体モジュール1は、一つのベースプレート2に、一対の下アーム用基板3Aと上アーム用基板3Bとで構成される組を一組だけ載置して構成されている。すなわち、本実施形態に係る半導体モジュール1は、一つのベースプレート2に載置される基板3の数が、上記第一の実施形態とは異なっている。なお、本実施形態において特に説明しない点については、上記第一の実施形態と同様の構成とすることができる。
本発明の第三の実施形態について図面に基づいて説明する。図10は、本実施形態に係る半導体モジュール1の要部の構成を示す平面図である。本実施形態に係る半導体モジュール1は、基板3の配置構成が、上記第一及び第二の実施形態と比べて異なる。ここでは図面等の簡略化のため、上記第二の実施形態と同様に、一つのベースプレート2に一対の基板3A、3Bで構成される組を一組だけ載置した構成の例を用いて説明するが、当然に上記第一の実施形態と同様に一対の基板3A、3Bを一組として複数組の基板3をベースプレート2に載置した構成にも同様に適用することができる。なお、本実施形態において特に説明しない点については、上記第一の実施形態又は第二の実施形態と同様の構成とすることができる。
本発明の第四の実施形態について図面に基づいて説明する。図11は、本実施形態に係る半導体モジュール1の要部の構成を示す平面図である。本実施形態に係る半導体モジュール1は、基板3の配置構成が、上記第一から第三の実施形態と比べて異なる。ここでは図面等の簡略化のため、上記第二の実施形態と同様に、一つのベースプレート2に一対の基板3A、3Bで構成される組を一組だけ載置した構成の例を用いて説明するが、当然に上記第一の実施形態と同様に一対の基板3A、3Bを一組として複数組の基板3をベースプレート2に載置した構成にも同様に適用することができる。なお、本実施形態において特に説明しない点については、上記第一の実施形態又は第二の実施形態と同様の構成とすることができる。
本発明の第五の実施形態について図面に基づいて説明する。図12は、本実施形態に係る半導体モジュール1の要部の構成を示す平面図である。本実施形態に係る半導体モジュール1は、基板3の配置構成が、上記第一から第四の実施形態と比べて異なる。ここでは図面等の簡略化のため、上記第二の実施形態と同様に、一つのベースプレート2に一対の基板3A、3Bで構成される組を一組だけ載置した構成の例を用いて説明するが、当然に上記第一の実施形態と同様に一対の基板3A、3Bを一組として複数組の基板3をベースプレート2に載置した構成にも同様に適用することができる。なお、本実施形態において特に説明しない点については、上記第一の実施形態又は第二の実施形態と同様の構成とすることができる。
(1)上記の各実施形態において説明した半導体モジュール1を、複数組み合わせて用いる場合であって、各半導体モジュール1の発熱量が異なる場合には、発熱量が多い半導体モジュール1ほど冷媒の流れ方向Dの下流側となるように、順に配置すると好適である。図13に、発熱量が異なる2つの半導体モジュール1A、1Bを冷媒の流れ方向Dに直列に配置した例を示す。この例では、各半導体モジュール1の構成は、上記第一の実施形態に係るものと同一である。そして、冷媒の流れ方向Dの下流側に配置されている第一半導体モジュール1Aは、冷媒の流れ方向Dの上流側に配置されている第二半導体モジュール1Bよりも発熱量が大きい。本例では、冷媒は、流れ方向Dに従って、第一半導体モジュール1Aの冷媒流路7を通過した後で第二半導体モジュール1Bの冷媒流路7を通過する。このような構成とすることにより、流れ方向Dの下流側に流れるに従って温度が次第に上昇する冷媒による冷却性能の低下と、各半導体モジュール1の発熱量との均衡を図ることが可能となる。なお、このように複数の半導体モジュール1の発熱量が異なる場合としては、例えば、各半導体モジュール1が構成するインバータ回路11が、それぞれ出力の異なる電動機を駆動する構成となっており、各半導体モジュール1のスイッチング素子4を流れる電流量が異なる場合等がある。
2:ベースプレート
2A:ベースプレートの上面(一方の面)
2B:ベースプレートの下面(他方の面)
3:基板
3A:下アーム用基板
3B:上アーム用基板
4:スイッチング素子
4A:下アーム用スイッチング素子
4B:上アーム用スイッチング素子
5:ダイオード素子
6:接続端子領域
7:冷媒流路
8:フィン(平行流形成手段)
11:インバータ回路
D:冷媒の流れ方向
C:冷媒の流れ方向に対する直交方向
P:正極
N:負極(グランド)
Claims (11)
- ベースプレートと、
該ベースプレートの一方の面に載置され、スイッチング素子、ダイオード素子、及び接続端子領域をそれぞれ備えた複数の基板と、
前記ベースプレートの他方の面に接するように設けられた冷媒流路と、
を備えた半導体モジュールであって、
前記冷媒流路内に所定方向の互いに平行な冷媒の流れを形成する平行流形成手段を備え、
前記各基板は、前記スイッチング素子と前記ダイオード素子とが前記冷媒の流れ方向に直列に配置されるとともに、前記スイッチング素子と前記接続端子領域とが前記冷媒の流れ方向に対する直交方向に位置を異ならせて配置され、
前記複数の基板を構成する一対の基板が前記冷媒の流れ方向に直列に配置されるとともに、一方の基板では前記直交方向の一方側に前記スイッチング素子が配置され、他方の基板では前記直交方向の一方側に前記接続端子領域が配置されている半導体モジュール。 - 前記冷媒流路は、所定方向の複数本の平行な冷媒の流れを形成するように複数に区切られている請求項1に記載の半導体モジュール。
- 前記平行流形成手段は、前記ベースプレートの他方の面に沿って互いに平行に配置された複数のフィンである請求項1又は2に記載の半導体モジュール。
- 前記冷媒流路は、所定方向の複数本の平行な冷媒の流れを形成するように複数に区切られ、
前記複数に区切られている冷媒流路のそれぞれを流れる同じ冷媒の流れが、前記一対の基板のそれぞれが備えるスイッチング素子のうちのいずれか一方のスイッチング素子のみの冷却を行う請求項1から3のいずれか一項に記載の半導体モジュール。 - 前記一対の基板は、互いに同一の構成を有し、点対称に配置されている請求項1から4のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
- 前記一対の基板の一方又は双方の前記ダイオード素子が、各基板の前記スイッチング素子よりも他方の基板側に配置されている請求項1から5のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
- 前記冷媒の流れ方向の下流側に配置された前記基板の前記スイッチング素子について設けられた温度検出手段を用いて、前記一対の基板の双方のスイッチング素子の温度管理のための温度検出を行う請求項1から6のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
- 前記一対の基板は、一対の下アーム用スイッチング素子及び上アーム用スイッチング素子のいずれか一方をそれぞれ備えている請求項1から7のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
- グランドに接続された前記下アーム用スイッチング素子について設けられた温度検出手段を用いて、前記一対の基板の双方のスイッチング素子の温度管理のための温度検出を行う請求項8に記載の半導体モジュール。
- 前記複数の基板として、三相交流用のインバータ回路を構成する各相の下アーム用スイッチング素子及び上アーム用スイッチング素子のいずれかをそれぞれ備えた6つの基板が前記ベースプレートの一方の面に載置されている請求項1から9のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
- 請求項10に記載の半導体モジュールを備えたインバータ装置。
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