JP5151338B2 - コンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュール - Google Patents

コンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュール Download PDF

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Description

本発明は、絶縁型の半導体パワーモジュールに係り、特に、平滑用のコンデンサを内蔵したコンデンサ内蔵の絶縁型半導体パワーモジュールに関するものである。
半導体パワーモジュールの主な用途の一つにインバータがある。このインバータにおいては、平滑用のコンデンサが欠かせない。インバータに半導体パワーモジュールを用いる場合、この平滑用コンデンサは、ノイズ対策のため半導体パワーモジュールになるべく近い端子やバスバーに接続される。また、配線インダクタンス成分の影響を少なくし、かつ、十分な平滑量を得るために、平滑用コンデンサには容量が非常に大きいものが使用される。
このような平滑用コンデンサの存在は、インバータの小型化に対する障害となりかねない。そのような状況を打開する上で、半導体パワーモジュールの内部に平滑用コンデンサを設けることは非常に有効である。これにより、半導体パワーモジュール外部の平滑用コンデンサの省略又は低容量化が可能となり、インバータの小型化が図り易くなる。
なお、半導体パワーモジュールのスイッチング素子(IGBT)のスイッチングによるコレクタ電流変化に対処するために、ゲート−エミッタ間に接続したリードタイプやチップタイプのコンデンサを半導体パワーモジュールに内蔵することは、既に提案されている(例えば、特許文献1)。
特開平8−204065号公報
しかしながら、特許文献1のリードタイプのコンデンサは、容量面で平滑用コンデンサへの応用の余地が全くない。また、特許文献1のチップタイプのコンデンサについては、コンデンサチップという新たな素子が必要となる上、コンデンサチップに対する配線(ワイヤ)において配線インダクタンス成分の影響が生じてしまうので、コスト及び性能面でさらなる改良の余地を残している。
本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、平滑用として有効な容量のコンデンサを素子の増加や配線の発生を招くことなく内蔵させることができる、絶縁型半導体スイッチング素子を用いた半導体パワーモジュールを提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1及び請求項2に記載した本発明のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールは、P側及びN側の電極板と、これらP側及びN側の電極板間に接続されるハイサイド用の第1の絶縁型半導体スイッチング素子及びローサイド用の第2の絶縁型半導体スイッチング素子の直列回路とを、絶縁基板上に配置した半導体パワーモジュールにおいて、前記P側及びN側の電極板間に空間を設け、該空間に誘電体を介設することで、前記直列回路と並列に接続されたコンデンサを前記絶縁基板上に構成したことを特徴とする。
また、請求項1に記載した本発明のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールは、前記P側及びN側の電極板を、前記絶縁基板における前記第1の絶縁型半導体スイッチング素子及び前記第2の絶縁型半導体スイッチング素子の共通する実装面の延在方向と交わる方向に間隔をおいて配置して、前記第1の絶縁型半導体スイッチング素子及び前記第2の絶縁型半導体スイッチング素子を被覆し封止する被覆材を前記誘電体として前記空間に充填したことを特徴とする。
一方、請求項2に記載した本発明のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールは、前記P側及びN側の電極板を、前記絶縁基板における前記第1の絶縁型半導体スイッチング素子及び前記第2の絶縁型半導体スイッチング素子の共通する実装面の延在方向と交わる方向に間隔をおいて配置して、前記第1の絶縁型半導体スイッチング素子及び前記第2の絶縁型半導体スイッチング素子を被覆し封止する被覆材を前記誘電体として前記空間に充填したことを特徴とする。
本発明のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールによれば、P側及びN側の電極板間にコンデンサが構成されるので、それらP側及びN側の電極板を、絶縁基板上で形成することが可能な範囲内で、電極板として本来必要とする面積よりも大きい面積で形成することにより、大容量の内蔵コンデンサを構成することが可能となる。また、内蔵コンデンサを構成するに当たって新たなコンデンサチップが発生しないので、コスト面で有利な構成となり、かつ、配線インダクタンス成分の影響が生じるコンデンサチップ絡みの配線を発生させず性能面で有利な構成とすることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、本発明の第1実施形態に係るコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールを、図1に示すその等価回路図によって説明する。第1実施形態のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールは、三相インバータの主回路部分に用いられるもので、U,V,Wの各相用のインバータ1,3,5を有している。
そして、各相用のインバータ1,3,5は、アースに接続される後述の筐体(アルミベース13)に対して絶縁された絶縁型の半導体スイッチング素子として、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor、以下、「IGBT」と略記する。)を用いている。
具体的には、インバータ1は、直列に接続したハイサイドとローサイドとの2つのIGBT1a,1b(請求項中の第1の絶縁型半導体スイッチング素子及び第2の絶縁型半導体スイッチング素子に相当)と、これらIGBT1a,1bの直列回路に並列接続された平滑用のコンデンサ1cとを有している。
また、他のインバータ3,5も、それぞれ、直列に接続したハイサイドとローサイドとの2つのIGBT3a,3b、5a,5b(請求項中の第1の絶縁型半導体スイッチング素子及び第2の絶縁型半導体スイッチング素子に相当)と、IGBT3a,3b、5a,5bの各直列回路にそれぞれ並列接続された平滑用のコンデンサ3c,5cとを有している。
そして、ハイサイドのIGBT1a,3a,5aのコレクタにはP側電極板1d,3d,5dが接続されている。また、ローサイドのIGBT1b,3b,5bのエミッタにはN側電極板1e,3e,5eが接続されている。さらに、IGBT1a,1b、3a,3b、5a,5bの各直列回路の中点(接続点)には、U,V,Wの各相の出力用導電体1f,3f,5fが接続されている。
P側電極板1d,3d,5dは電源(図示せず)の正極側又は負荷に接続され、N側電極板1e,3e,5eは負荷又は電源の負極側(アース)に接続される。U,V,Wの各相の出力用導電体1f,3f,5fは、負荷(例えば三相交流電動機)に接続される。
なお、各IGBT1a,1b、3a,3b、5a,5bのゲート接続線は、図示を省略している。また、各IGBT1a,1b、3a,3b、5a,5bのコレクタ−エミッタ間には、フライホイールダイオード(図示せず)をそれぞれ設けることができる。
次に、上述のような回路構成による第1実施形態のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールの構造について、図2の説明図を参照して説明する。なお、各相のインバータ1,3,5は互いに同一の構造を有しているので、ここでは代表してインバータ1の構造について説明するものとする。
インバータ1は、図2に示すように、絶縁基板11及びアルミベース13と、上述したP側電極板1d、N側電極板1e、U相の出力用導電体1f、及び、ハイサイドとローサイドとの2つのIGBT1a,1bを有している。
絶縁基板11はセラミック製であり、絶縁基板11の裏面上に、放熱用としてアルミベース13が取り付けられている。
P側電極板1d、N側電極板1e、及び、U相の出力用導電体1fは、絶縁基板11の表面(請求項中の実装面に相当)上に、互いに間隔をおいて絶縁した状態で配置されている。P側電極板1dとN側電極板1eとの各一部は絶縁基板11及びアルミベース13の周縁から外側に突出しており、P側とN側の端子を構成している。
ハイサイドのIGBT1aは、P側電極板1d上に配置されており、ハイサイドのIGBT1aのコレクタ電極はP側電極板1dに物理的及び電気的に接触されている。また、ローサイドのIGBT1bは、U相の出力用導電体1f上に配置されており、ローサイドのIGBT1bのコレクタ電極はU相の出力用導電体1fに物理的及び電気的に接触されている。
ハイサイドのIGBT1aのエミッタ電極とU相の出力用導電体1fとは、ワイヤー1gによって電気的に接続されている。そして、このワイヤー1gと、U相の出力用導電体1f上の不図示の配線パターンとを介して、ハイサイドのIGBT1aのエミッタ電極とローサイドのIGBT1bのコレクタ電極とが電気的に接続されている。また、ローサイドのIGBT1bのエミッタ電極とN側電極板1eとは、ワイヤー1hによって電気的に接続されている。
なお、P側電極板1d及びN側電極板1eには、それぞれ立設片1d1,1e1が折り曲げ形成されており、空間1iを挟んで互いに対向している。そして、この空間1iは、絶縁基板11の表面に形成された膨出部11aによって埋め尽くされている。この膨出部11aは所定の誘電率を有している。
以上の構成による本実施形態のインバータ1では、上述したP側電極板1d及びN側電極板1eの立設片1d1,1e1とその間の空間1iを埋める絶縁基板11の膨出部11aとで、IGBT1a,1bの直列回路に並列接続された図1のコンデンサ1cが構成されている。
また、図2中の括弧内の引用符号で示すように、本実施形態のインバータ3も、上述したインバータ1と同様に、P側電極板3d及びN側電極板3eの立設片3d1,3e1とその間の空間3iを埋める絶縁基板11の膨出部11bとを有している。そして、これらのP側電極板3d及びN側電極板3eの立設片3d1,3e1と、所定の誘電率を有し空間3iを埋める絶縁基板11の膨出部11bとで、IGBT3a,3bの直列回路に並列接続された図1のコンデンサ3cが構成されている。
なお、IGBT3a,3bの直列回路は、P側電極板3d、ハイサイドのIGBT3aのコレクタ電極、ハイサイドのIGBT3aのエミッタ電極、ワイヤー3g、V相の出力用導電体3f、ローサイドのIGBT3bのコレクタ電極、ローサイドのIGBT3bのエミッタ電極、ワイヤー3h、及び、N側電極板3eによって構成されている。
同じく、図2中の括弧内の引用符号で示すように、本実施形態のインバータ5も、上述したインバータ1と同様に、P側電極板5d及びN側電極板5eの立設片5d1,5e1とその間の空間5iを埋める絶縁基板11の膨出部11cとを有している。そして、これらのP側電極板5d及びN側電極板5eの立設片5d1,5e1と、所定の誘電率を有し空間5iを埋める絶縁基板11の膨出部11cとで、IGBT5a,5bの直列回路に並列接続された図1のコンデンサ5cが構成されている。
なお、IGBT5a,5bの直列回路は、P側電極板5d、ハイサイドのIGBT5aのコレクタ電極、ハイサイドのIGBT5aのエミッタ電極、ワイヤー5g、W相の出力用導電体5f、ローサイドのIGBT5bのコレクタ電極、ローサイドのIGBT5bのエミッタ電極、ワイヤー5h、及び、N側電極板5eによって構成されている。
そして、絶縁基板11の表面側に配置される上述のハイサイドのIGBT1a,3a,5a、ローサイドのIGBT1b,3b,5b、P側電極板1d,3d,5d、N側電極板1e,3e,5e、及び、U,V,Wの各相の出力用導電体1f,3f,5fは、ゲルゴム等からなる被覆材(図示せず)によって被覆、封止されている。
このような構成による第1実施形態のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールによれば、平滑用のコンデンサ1c,3c,5cが絶縁基板11の表面上に形成され、不図示の被覆材により被覆されて内蔵コンデンサとなる。このため、コンデンサを内蔵する構成とするに当たって新たなコンデンサチップを必要としないので、コスト面で有利な構成となり、かつ、配線インダクタンス成分の影響が生じるコンデンサチップ絡みの配線を発生させず性能面で有利な構成とすることができる。
その上、P側電極板1d,3d,5dやN側電極板1e,3e,5eを、絶縁基板11上で形成することの可能な範囲で、電極板として本来必要な面積よりも大きい面積で形成することにより、大容量の内蔵コンデンサを構成することができる。
ちなみに、ナノテクノロジー技術等によって、絶縁基板11の膨出部11a,11b,11cに極薄のPN層を微少な間隔をおいて積層形成し、膨出部11a,11b,11cを積層セラミックコンデンサのような構造とすることで、膨出部11a,11b,11cを用いて構成されるコンデンサ1c,3c,5cの大容量化を図ることもできる。
なお、上述した空間1i,3i,5iには、絶縁基板11の表面に形成された膨出部11a,11b,11cの代わりに、絶縁基板11の表面側を被覆する上述の不図示の被覆材を充填してもよい。この被覆材は所定の誘電率を有しているので、空間1i,3i,5iに被覆材を充填した場合には、P側電極板1d,3d,5d及びN側電極板1e,3e,5eの立設片1d1,1e1、3d1,3e1、5d1,5e1と、空間1i,3i,5iを埋める不図示の被覆材とで、IGBT1a,1b、3a,3b、5a,5bの直列回路に並列接続された図1のコンデンサ1c,3c,5cが構成されることになる。
次に、本発明の第2実施形態に係るコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールの構造について説明する。
第2実施形態のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールは、図2に示す第1実施形態のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールと同様に、図1の等価回路図に示す回路構成のインバータ1,3,5を有している。
以下、本発明の第2実施形態に係るコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールの構造を、図3の説明図を参照して説明する。なお、各相のインバータ1,3,5は互いに同一の構造を有しているので、ここでは代表してインバータ1の構造について説明するものとする。
インバータ1は、セラミック製の絶縁基板11と、絶縁基板11の裏面上に取り付けられた放熱用のアルミベース13と、P側電極板1d、N側電極板1e、U相の出力用導電体1f、及び、ハイサイドとローサイドとの2つのIGBT1a,1bと、絶縁基板11の表面側を被覆する被覆材15とを有している。
但し、図3においては、図面の見やすさのため、被覆材15を、後述するように対向して配置されたP側電極板1dの一部分とN側電極板1eの一部分との間に充填された分のみ示している。即ち、図3においては、P側電極板1d、N側電極板1e、U相の出力用導電体1f、及び、ハイサイドとローサイドとの2つのIGBT1a,1bの全体を覆う被覆材15の図示は省略している。
P側電極板1d及びU相の出力用導電体1fは、絶縁基板11の表面上に、互いに間隔をおいて絶縁した状態で配置されている。P側電極板1dの一部は絶縁基板11及びアルミベース13の周縁から外側に突出しており、P側の端子を構成している。
ハイサイドのIGBT1aは、P側電極板1d上に配置されており、ハイサイドのIGBT1aのコレクタ電極はP側電極板1dに物理的及び電気的に接触されている。また、ローサイドのIGBT1bは、U相の出力用導電体1f上に配置されており、ローサイドのIGBT1bのコレクタ電極はU相の出力用導電体1fに物理的及び電気的に接触されている。
ハイサイドのIGBT1aのエミッタ電極とU相の出力用導電体1fとは、ワイヤー1gによって電気的に接続されている。そして、このワイヤー1gと、U相の出力用導電体1f上の不図示の配線パターンとを介して、ハイサイドのIGBT1aのエミッタ電極とローサイドのIGBT1bのコレクタ電極とが電気的に接続されている。
また、N側電極板1eは、絶縁基板11の表面側に、その表面の延在方向と直交する方向にP側電極板1dから間隔をおいて配置されている。そして、N側電極板1eの一部は、P側電極板1dの一部と対向し、この対向するP側電極板1dの一部とN側電極板1eの一部との間に、空間1iが形成されている。
更に、N側電極板1eの一部は絶縁基板11及びアルミベース13の周縁から外側に突出しており、N側の端子を構成している。
なお、ローサイドのIGBT1bのエミッタ電極とN側電極板1eとは、ワイヤー1hによって電気的に接続されている。
そして、絶縁基板11の表面側に配置される上述のハイサイドのIGBT1a、ローサイドのIGBT1b、P側電極板1d、N側電極板1e、及び、出力用導電体1fは、ゲルゴム等からなる被覆材15によって被覆、封止されている。この被覆材15は所定の誘電率を有している。そして、対向して配置されたP側電極板1dの一部とN側電極板1eの一部との間の空間1iに、この被覆材15が充填されている。
以上の構成による本実施形態のインバータ1では、上述したP側電極板1d及びN側電極板1eの互いに対向する部分とその間の空間1iを埋める被覆材15とで、IGBT1a,1bの直列回路に並列接続された図1のコンデンサ1cが構成されている。
また、図3中の括弧内の引用符号で示すように、本実施形態のインバータ3も、上述したインバータ1と同様に、一部が互いに対向するP側電極板3d及びN側電極板3eとその対向する部分間の空間3iを埋める被覆材15とを有している。そして、これらのP側電極板3d及びN側電極板3eの互いに対向する部分とその間の空間3iを埋める被覆材15とで、IGBT3a,3bの直列回路に並列接続された図1のコンデンサ3cが構成されている。
なお、IGBT3a,3bの直列回路は、P側電極板3d、ハイサイドのIGBT3aのコレクタ電極、ハイサイドのIGBT3aのエミッタ電極、ワイヤー3g、V相の出力用導電体3f、ローサイドのIGBT3bのコレクタ電極、ローサイドのIGBT3bのエミッタ電極、ワイヤー3h、及び、N側電極板3eによって構成されている。
同じく、図3中の括弧内の引用符号で示すように、本実施形態のインバータ5も、上述したインバータ1と同様に、一部が互いに対向するP側電極板5d及びN側電極板5eとその対向する部分間の空間5iを埋める被覆材15とを有している。そして、これらのP側電極板5d及びN側電極板5eの互いに対向する部分とその間の空間5iを埋める被覆材15とで、IGBT5a,5bの直列回路に並列接続された図1のコンデンサ5cが構成されている。
なお、IGBT5a,5bの直列回路は、P側電極板5d、ハイサイドのIGBT5aのコレクタ電極、ハイサイドのIGBT5aのエミッタ電極、ワイヤー5g、W相の出力用導電体5f、ローサイドのIGBT5bのコレクタ電極、ローサイドのIGBT5bのエミッタ電極、ワイヤー5h、及び、N側電極板5eによって構成されている。
このような構成による第2実施形態のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールによっても、第1実施形態のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールと同様に、コンデンサを内蔵する構成とするに当たって新たなコンデンサチップを必要としないので、コスト面で有利な構成となり、かつ、配線インダクタンス成分の影響が生じるコンデンサチップ絡みの配線を発生させず性能面で有利な構成とすることができる。
その上、P側電極板1d,3d,5dやN側電極板1e,3e,5eを、可能な限り大きい面積で、絶縁基板11の表面の延在方向と直交する方向において対向するように形成、配置することにより、P側電極板1d,3d,5dとN側電極板1e,3e,5eとの対向する部分間に、大容量の内蔵コンデンサを構成することができる。
なお、上述した各実施形態では、絶縁基板11をセラミック製とし、絶縁基板11の裏面に放熱用のアルミベース13を取り付けた構造を例に取って説明したが、絶縁基板11の材料はセラミック製に限らず任意であり、また、アルミベース13の有無も任意である。
また、上述した各実施形態において、絶縁型の半導体スイッチング素子として、IGBTに代えてMOSFET(金属酸化膜形電界効果トランジスタ)を用いてもよく、あるいは、IGBTやMOSFETに限らず、絶縁型の半導体パワーモジュールの全般に広く適用可能である。
の実施形態に係るコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールを説明する等価回路図である。 本発明の第1実施形態に係るコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールの構造を示す説明図である。 本発明の第2実施形態に係るコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュールの構造を示す説明図である。
符号の説明
1a,3a,5a IGBT(第1の絶縁型半導体スイッチング素子)
1b,3b,5b IGBT(第2の絶縁型半導体スイッチング素子)
1c,3c,5c コンデンサ
1d,3d,5d P側電極板
1e,3e,5e N側電極板
1i,3i,5i 空間
11 絶縁基板
11a,11b,11c 膨出部
15 被覆材

Claims (3)

  1. P側及びN側の電極板と、これらP側及びN側の電極板間に接続されるハイサイド用の第1の絶縁型半導体スイッチング素子及びローサイド用の第2の絶縁型半導体スイッチング素子の直列回路とを、絶縁基板上に配置した絶縁型半導体パワーモジュールにおいて、
    前記P側及びN側の電極板間に空間を設け、該空間に誘電体を介設することで、前記直列回路と並列に接続されたコンデンサを前記絶縁基板上に構成し、
    前記P側及びN側の電極板を、前記絶縁基板における前記第1の絶縁型半導体スイッチング素子及び前記第2の絶縁型半導体スイッチング素子の共通する実装面の延在方向に間隔をおいて配置して、前記実装面から一部膨出させた前記絶縁基板の膨出部を前記誘電体として前記空間に配置した、
    ことを特徴とするコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュール。
  2. P側及びN側の電極板と、これらP側及びN側の電極板間に接続されるハイサイド用の第1の絶縁型半導体スイッチング素子及びローサイド用の第2の絶縁型半導体スイッチング素子の直列回路とを、絶縁基板上に配置した絶縁型半導体パワーモジュールにおいて、
    前記P側及びN側の電極板間に空間を設け、該空間に誘電体を介設することで、前記直列回路と並列に接続されたコンデンサを前記絶縁基板上に構成し、
    前記P側及びN側の電極板を、前記絶縁基板における前記第1の絶縁型半導体スイッチング素子及び前記第2の絶縁型半導体スイッチング素子の共通する実装面の延在方向と交わる方向に間隔をおいて配置して、前記第1の絶縁型半導体スイッチング素子及び前記第2の絶縁型半導体スイッチング素子を被覆し封止する被覆材を前記誘電体として前記空間に充填した、
    ことを特徴とするコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュール。
  3. 単一の前記絶縁基板上に、前記P側及びN側の電極板、前記直列回路、及び、前記コンデンサが複数組設けられている請求項1又は2記載のコンデンサ内蔵絶縁型半導体パワーモジュール。
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