JP5193777B2 - パワー半導体モジュールとそれを用いたインバータシステム - Google Patents

Description

本発明はパワー半導体モジュールとそれを用いたインバータシステムに関し、特にパワー半導体素子の効率的な冷却と信頼性の向上に関する。

近年、電力変換器の高電力密度化（電力密度＝電力変換器の出力電力／電力変換器の体積）の要望が大きくなっている。電力変換器の高電力密度化を実現するには電力変換器の出力電力を上昇させ、体積を小さくすることが要求される。それらを両立させるには、電力変換器の構成要素の一つである冷却体の冷却性能を向上させることが重要である。

冷却性能を向上させるための技術として、特許文献１に示されるようにパワー半導体素子の表電極側と裏面電極側にヒートシンクを設置し、パワー半導体素子の両面から冷却する構造がある。

特許文献１に記載の構成のパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体と放熱板をエポキシ樹脂で同一にモールドすることにより、パワー半導体素子と放熱板との間に発生する熱応力による変形を抑える構造が開示されているが、エポキシ樹脂のガラス転移温度は２００℃以下であるので、パワー半導体素子を２００℃以上で動作させることが不可能という問題がある。

特許文献２には熱応力を緩和する構造として、パワー半導体素子とベースプレートの間に熱応力緩衝層を挟み込むことが開示されているが、熱抵抗が上昇し、冷却効率が悪いという問題がある。

また、非特許文献３には熱線膨張係数がＣｕより小さな部材、例えばＡｌＳｉＣをベースプレートに採用することが開示されているが、ＡｌＳｉＣはＣｕに比べ熱抵抗が大きいため、冷却効率が悪いという問題点がある。

パワー半導体素子モジュールを効率的に冷却する構造として、特許文献４に示されるようにペルチェ素子からなる電子冷却装置を用いたものがあるが、上述の公報にはペルチェ素子とパワー半導体素子モジュールとの接続構造については何等記述されていない。
特開２００５−１７５１３０号公報 特開２００１−１４８４５１号公報 富士時報 Ｖｏｌ．８０ Ｎｏ．６ ２００７ 特開平１１−１５４７２０号公報

従来技術における半導体モジュールでは高い冷却効率が得られる構造にすると熱応力の影響によりパワー半導体素子を長期間、安定動作させる信頼性が低くなり、また、熱応力の影響を緩和させる構造にすると高い冷却効率を得ることが困難であった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、パワー半導体素子を効率よく冷却し、且つ熱応力を軽減して信頼性を確保できるパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のパワー半導体モジュールはパワー半導体素子と前記パワー半導体素子の一方の電極面と接した金属製の配線板と、前記配線板と吸熱面が接触した第１のペルチェモジュールと、前記第１のペルチェモジュールの発熱面と接触したＣｕベースプレートと、前記パワー半導体素子の前記電極面とは別の電極面に接触した回路基板と、前記回路基板と吸熱面が接触した第２のペルチェモジュールと、前記第２のペルチェモジュールの発熱面と接触したＣｕベースプレートとを具備し、前記回路基板は、セラミックス層の両面に銅板が形成されたものであって、前記一方の銅板の面は、前記パワー半導体素子の前記電極面とは別の電極面と接触し、前記他方の銅板の面は、前記第２のペルチェモジュールの吸熱面と接触し、前記第１及び第２のペルチェモジュールの吸熱面がＴｉＮであり、かつ、第１及び第２のペルチェモジュールの発熱面がＳｉＮであることを特徴とする。

上記構成のパワー半導体モジュールを用いることで、パワー半導体素子高効率な冷却と高信頼性が達成される。

上記課題を解決するために、本発明者らはパワー半導体の安定した冷却効率を得るために種々の検討を行った結果以下の事実を見出した。

本発明によるパワーモジュールの構成は、パワー半導体素子の裏面はセラミックス製の回路基板、表面は銅製の金属板が半田により接合され、回路基板および金属板のパワー半導体素子が接合されている別の面にペルチェモジュールが接触されている。

上記構造では、ベースプレートを介さずにペルチェモジュールで回路基板を直接冷却するので、熱抵抗が低減されパワー半導体素子を高効率に冷却することが可能である。

また、上記構造のペルチェモジュールの吸熱面はパワー半導体素子の線膨張係数に近いＴｉＮなどのセラミックスで構成されており、パワー半導体素子との間で熱応力による変形が発生しないので信頼性が向上する。

また、ペルチェモジュールの発熱面はＣｕ製のベースプレートに接触されるが、ペルチェモジュールのＣｕベースプレートとの接触面はＳｉＮ製のセラミックスプレートとすることにより、熱応力を緩和する。

また、上記構造では、Ｓｉ製パワー半導体素子とＳｉＣ製パワー半導体素子が混合されたパワー半導体モジュールにおいて、ＳｉＣパワー半導体よりも動作の低いＳｉ製のパワー半導体素子の部分のみにペルチェモジュールを設置して冷却することにより、Ｓｉ製パワー半導体素子とＳｉＣ製のパワー半導体素子の動作温度を別々に設定することが可能であり、パワー半導体素子の材料特性を活かしたパワー半導体モジュールを構成することが可能である。

〈第１の実施の形態〉
以下、本発明の第１の実施の形態（図１）の半導体モジュール構成の概略を説明する。冷却対象であるパワー半導体１と、パワー半導体の一方の電極表面と接している回路パターンが形成された回路基板と、回路基板を介して伝わった熱を冷却するペルチェモジュール６と、前記回路基板を冷却するペルチェモジュールを冷却するＣｕベースプレート５及びヒートシンク７と、パワー半導体の他方の面の電極表面と接している金属製の配線板８と、配線板を介して伝わった熱を冷却するペルチェモジュール９と、前記配線板を冷却するペルチェモジュール９を冷却するＣｕベースプレート１０及びヒートシンク１１と、前記のＣｕベースプレート５，１０及びヒートシンク７，１１を固定するボルト１４、ナット１５及びスペーサー１３を具備する。

以下、実施の形態の詳細を説明する。なお、半導体モジュールを構成する部材が接する面は特に記載がない限り、いずれも一部の面又は全面である。また、一つの半導体モジュール内のパワー半導体は複数あっても、ペルチェモジュールは２以上あってもよい。パワー半導体が複数ある場合は、それぞれのペルチェモジュールが、制御する領域の温度や個々のパワー半導体の発熱量に応じて個別に制御してもよい。

パワー半導体は両面に電極を有するＳｉＣ製ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ製絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などが挙げられる。

パワー半導体と接する回路基板は銅によってセラミックスの両面に回路パターンが形成された銅板２−セラミックス層３−銅板４の構成を有する。

回路基板のセラミックス層３は熱導電率が高い窒化アルミニウム等が挙げられる。

ペルチェモジュール６は回路基板の銅板４側とＣｕベースプレート５と接している。さらに、図１のようにペルチェモジュール６は回路基板の銅板４側と接していない面がすべて、Ｃｕベースプレート５に埋め込まれた形態であることが好ましい。図１のような形態でペルチェモジュールが他の部材と接することで、冷却効率が向上することが好ましい。

パワー半導体が発した熱を冷却するペルチェモジュールも接する部材との熱応力による影響を緩和する必要がある。部材に応じて適切なペルチェモジュールの吸熱面の材料を選択しないとパワー半導体素子だけでなくパワー半導体モジュールが変形して、パワー半導体素子１、パワー半導体モジュールが破損する危険性が高まる。そこで、ペルチェモジュールと接する部材に応じてペルチェモジュールの吸熱面の材料を限定する必要がある。

ペルチェモジュール６の吸熱面はセラミックス製であるので、パワー半導体素子１の材料であるＳｉ、ＳｉＣおよび、回路基板を構成するセラミックスとの間で線膨張係数の差が小さいため熱応力によるパワー半導体素子１の変形が抑えられる。

ペルチェモジュール６の発熱面はＣｕペースプレートと接触されており、熱はＣｕベースプレート５、ヒートシンク７の順に伝導され放熱される。ペルチェモジュールの発熱面はＳｉＮを使用することにより、線熱膨張係数が大きく異なるＣｕと接触させても割れを回避することができる。

ペルチェモジュール９は配線板８とＣｕベースプレート１０と接している。さらに、図１のようにペルチェモジュール９は配線板８と接していない面の回路基板と対向しない面がすべて、Ｃｕベースプレート１０に埋め込まれた形態であることが好ましい。図１のような形態でペルチェモジュールが他の部材と接することで、冷却効率が向上することが好ましい。

また、図１のようにペルチェモジュール９又は／及びベースプレート１０の回路基板と対面する面に輻射熱吸収膜１２を具備してもよい。輻射熱吸収膜を具備することで回路基板からの輻射熱をペルチェモジュール９又は／及びＣｕベースプレートへの伝熱効率が向上し、パワー半導体素子１の冷却効率が向上する。

ベースプレート５とのＣｕベースプレート１０の間には絶縁性の材料、たとえばエポキシ樹脂等で構成されたスペーサー１３が挿入されている。スペーサーの中央と上下のＣｕベースプレート５、１０にはボルト１４を通すための貫通穴が設けられており、ボルト１４とナット１５によって、上下のＣｕペースプレート５、１０が固定される構造としている。上下のＣｕベースプレート５、１０を固定することにより、Ｃｕベースプレートの熱応力による変形を抑え、信頼性を向上させている。

〈第２の実施の形態〉
本発明の第２の実施の形態について説明する。図２は本発明の実施の形態に係わるパワー半導体モジュールの構成を模式的に例示する断面図である。同図については、図１に関して前述したものと同様の要素については、同一の符号を付して具体的な説明は省略する。

図２に示すパワー半導体モジュールは第１の実施の形態の構成に加え、パワー半導体素子１が接している回路基板上にダイオード１６と、ダイオード１６の回路基板と接している反対の面に配線板１７を具備する。

ＳｉＣダイオード１６はＳｉ−ＩＧＢＴ１よりも高温で動作させることができる。例えば、Ｓｉ−ＩＧＢＴ１の動作温度上限は１５０℃であるのに対し、ＳｉＣダイオード１６の動作温度は２００℃以上が実現できる。ここで、Ｓｉ−ＩＧＢＴ１とＳｉＣダイオードを組み合わせて構成されるパワー半導体モジュールでは、パワー半導体素子の動作温度上限は、Ｓｉ−ＩＧＢＴの動作温度上限で決まってしまう。

図２に示すように、Ｓｉ−ＩＧＢＴ１の直下にペルチェモジュール６を配置し、さらに、Ｓｉ−ＩＧＢＴ１の表面電極にペルチェモジュール９を設置することにより、Ｓｉ−ＩＧＢＴ１だけを選択的に冷却する構造とすれば、ＳｉＣダイオード１６はＳｉ−ＩＧＢＴ１の動作温度上限の影響を受けることなく、自身の動作温度上限で動作することが可能となり、ＳｉＣダイオードの特性を活かした使用が可能となる。

また、図２に示すパワー半導体モジュールにおいて、パワー半導体素子の組み合わせとして、ＳｉＣ製のＭＯＳＦＥＴ（以下、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴと略）１とＳｉＣダイオード１６とする構成も考えられる。

現在、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１は高温時におけるゲート絶縁膜の信頼性の問題が存在しており、ＳｉＣダイオード１６と比較して高温動作が実現できない問題がある。このような場合でも、先に説明したようにＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１を選択的にペルチェモジュール６、９で冷却することにより、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ１は低温で、ＳｉＣダイオード１６は高温で動作させることができ、ＳｉＣ製のパワー半導体素子の特性を活かした使用が可能となる。

〈第３の実施の形態〉
本発明の第３の実施の形態について説明する。図３は本発明の実施の形態にかかるインバータシステムの等価回路である。図３のインバータシステムは、パワー半導体モジュール２１，モーター２２、ヒートシンク２３、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４、スイッチング素子２５、バッテリー２６を具備する。

ペルチェモジュールを内蔵したヒートシンク２３はパワー半導体モジュール２１を冷却する。パワー半導体モジュール２１の入力にはバッテリー２６が、出力にはモーター２２が接続されている。パワー半導体モジュール２１とバッテリー６の間にそれぞれに並列にモーター２２の回生エネルギーをバイパスさせるためのスイッチング素子２５が接続されている。スイッチング素子２５はＤＣ−ＤＣコンバータ２４の入力端子と接続されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力端子はヒートシンク２３に内蔵されているペルチェモジュールの入力端子に接続されている。

パワー半導体モジュール２１は６個のＳｉ−ＩＧＢＴと６個のＳｉＣダイオードから構成される。また、図２に示したパワー半導体モジュールを６個使用して三相インバータ回路を構成しても良い。また、スイッチング素子はＳｉ−ＩＧＢＴ、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ等が挙げられる。
以下に、上記インバータシステムの動作を説明する。

〈力行モード〉
まず、スイッチング素子２５はオフ状態とする。バッテリー２６に蓄積されている電力エネルギーがパワー半導体モジュール２１を介してモーターへ送られることによりモーター２２が駆動される。この動作モードを力行という。バッテリー２６からパワー半導体モジュール２１へ送られる電力は直流電力であり、パワー半導体モジュール２１からモーター２２に供給される電力は交流電力である。すなわち、パワー半導体モジュール２１を介して電力が直流から交流へ変換される。この時、パワー半導体モジュール２１内のパワー半導体素子は発熱する。パワー半導体素子の発熱はヒートシンク２３によって放熱される。

〈通常の回生モード〉
次に、モーター２２への電力供給を止めた場合の動作について説明する。モーター２２へ電力の供給を止めても、モーター２２の慣性によって、モーター２２は回り続ける。この時、モーター２２は発電機として振る舞い、電力を発生する。発生された電力は交流電力であり、パワー半導体モジュール２１を介してバッテリー２６の方向へ直流電力として供給される。この動作モードを回生といい、このとき供給されるエネルギーを回生エネルギーという。通常のインバータシステムでは、回生エネルギーをバッテリー２６へ戻している。回生エネルギーによってバッテリー２６の充電が完了すると、残りの回生エネルギーは回生エネルギーを消費するために設置した抵抗（図省略）で消費させる。すなわち、回生エネルギーは廃棄しており、有効に活用されていない。

〈本発明の回生モード〉
そこで図３に示すインバータシステムでは、回生時にスイッチング素子２５をオンさせ、回生エネルギーでヒートシンク２３に内蔵されているペルチェモジュールを駆動する。この方式により、回生エネルギーによってパワー半導体素子が冷却される。ＤＣ−ＤＣコンバータ２４は、回生エネルギーの電圧をペルチェモジュールの駆動に適した電圧に変換するために設置される。

図４は、上記インバータシステムの応用としてハイブリッド自動車や電気自動車を想定した場合のパワー半導体素子の温度の時間変化を模式的に示した図である。ハイブリッド自動車や電気自動車の市街地走行においては、加速、減速、停止を数分間隔で繰り返している。加速時のモーターは力行モードであり、減速時のモーターは回生モードである。

通常のインバータシステムでは図４に示すように、パワー半導体素子の温度は、力行モードと回生モードにおいて上昇し、約１時間程度で定常値に到達する。

一方、本発明の回生エネルギーを用いてパワー半導体素子を冷却するインバータシステムでは、回生モードにペルチェモジュールを駆動しパワー半導体素子を急速に冷却することができる。したがって、図４に示すように回生モードにおいてパワー半導体素子の温度が下がる。この動作を繰り返し、約１時間程度でパワー半導体素子の温度は定常値に到達するが、ペルチェモジュールによる冷却効果のため、通常のインバータシステムの場合と比較し、定常値は低くなる。

パワー半導体素子の動作温度が低いとオン抵抗が低くなり、インバータシステムの効率が向上する。また、パワー半導体素子の動作温度が低い場合、インバータシステムの信頼性が向上する。さらに、ペルチェモジュールの駆動には回生エネルギーを利用するため、回生エネルギーを有効に活用することができ、インバータシステム全体の効率をよくすることができる。

本発明の実施形態１のパワー半導体モジュールの構成を示す平面図である。 本発明の実施形態２のパワー半導体モジュールの構成を示す平面図である。 図２のパワー半導体モジュールを用いて構成される三相インバータの等価回路である。 ペルチェモジュールの駆動にモーターの回生エネルギーを使用した場合のパワー半導体素子の温度の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

１…パワー半導体素子
２…銅板
３…セラミック基板
４…銅板
５…Ｃｕベースプレート
６…ペルチェモジュール
７…ヒートシンク
８…配線板
９…ペルチェモジュール
１０…Ｃｕベースプレート
１１…ヒートシンク
１２…輻射熱吸収膜
１３…絶縁性材料からなるスペーサー
１４…ボルト
１５…ナット
１６…ＳｉＣ製ダイオード
１７…配線板
２１…パワー半導体モジュール
２２…モーター
２３…ヒートシンク
２４…ＤＣ−ＤＣコンバータ
２５…スイッチング素子
２６…バッテリー

Claims (4)

1. パワー半導体素子と
   前記パワー半導体素子の一方の電極面と接した金属製の配線板と、
   前記配線板と吸熱面が接触した板を介して設置された第１のペルチェモジュールと、
   前記第１のペルチェモジュールの発熱面と接触したＣｕベースプレートと、
   前記パワー半導体素子の前記電極面とは別の電極面に接触した回路基板と、
   前記回路基板と吸熱面が接触した第２のペルチェモジュールと、
   前記第２のペルチェモジュールの発熱面と接触したＣｕベースプレートとを具備し、
   前記回路基板は、セラミックス層の両面に銅板が形成されたものであって、前記一方の銅板の面は、前記パワー半導体素子の前記電極面とは別の電極面と接触し、前記他方の銅板の面は、前記第２のペルチェモジュールの吸熱面と接触し、
   前記第１及び第２のペルチェモジュールの吸熱面がＴｉＮであり、かつ、第１及び第２のペルチェモジュールの発熱面がＳｉＮであることを特徴とするパワー半導体モジュール。
2. 前記回路基板にダイオードを具備することを特徴とする請求項１記載のパワー半導体モジュール。
3. 請求項１記載のパワー半導体モジュールを用いることを特徴とするインバータシステム
4. インバータの負荷をモーターとし、モーターの回生エネルギーを用いてペルチェモジュールを駆動することを特徴とする請求項３記載のインバータシステム。