JP5230213B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、パワーデバイスと制御回路とを備えたインテリジェントパワーモジュールである半導体装置に関する。

従来、ＩＧＢＴ等を含み複数の異なる位相を出力可能な出力部とＩＧＢＴのゲート等を制御するための制御回路とが一体的に設けられたパワーモジュールであるＩＰＭが知られている。

特許文献１には、一枚の平面状の板部材にＵ相、Ｖ相、Ｗ相を出力するためのパワーデバイス（出力部）が配置されたＩＰＭが開示されている。
特開２００５−１４２２２８号公報

しかしながら、特許文献１のＩＰＭでは、パワーデバイスが一枚の平面状の板部材に設置されているため、平面積が大きくなるといった課題がある。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、平面積を小さくできる半導体装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１相を出力する第１出力部と、前記第１出力部に積層されるように配置され、第１相と異なる位相の第２相を出力する第２出力部と、前記出力部を制御する制御部と、外部から供給される電圧を調節する電圧調節部とを備え、前記各出力部は、高圧部と、前記高圧部よりも低い電圧を有する電力が供給される低圧部とを備え、前記高圧部と前記低圧部は、積層されており、前記各出力部及び前記電圧調節部は、オン・オフ切り換え可能なスイッチングデバイスを有し、前記各出力部及び前記電圧調節部のうち、前記スイッチングデバイスのオン・オフ切り換えの周波数の最も大きいものが積層方向の外側に配置されている特徴とする半導体装置である。尚、ここでいう「積層」とは、第１出力部と第２出力部との間の間隔の有無に関係なく、積まれている状態をいう。

また、請求項２に記載の発明は、前記高圧部と前記低圧部は、半導体素子を含み、前記高圧部と前記低圧部は、互いの半導体素子が対向するように積層されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置である。

また、請求項３に記載の発明は、前記高圧部と前記低圧部は、電流が流れる配線及びバスバーを備え、前記高圧部の配線及びバスバーと、前記高圧部の配線及びバスバーとは電流が逆方向に流れる前記低圧部の配線及びバスバーの何れかが並行に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の半導体装置である。

また、請求項４に記載の発明は、前記第１出力部と前記第２出力部は、前記制御部に立設されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置である。

また、請求項５に記載の発明は、前記第１出力部及び前記第２出力部は、前記制御部と接続するための制御用のバスバーを備え、前記制御用のバスバーは、前記制御部に形成された穴に挿通されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置である。

また、請求項６に記載の発明は、前記第１出力部及び前記第２出力部は、前記制御部が配置された方向とは異なる方向に熱を伝導させる放熱板を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置である。

また、請求項７に記載の発明は、前記出力部は、複数の半導体素子と、半導体素子が設けられる配線基板とを備え、前記複数の半導体素子は、基板の両面に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置である。

また、請求項８に記載の発明は、前記電圧調節部は、前記各出力部よりも前記周波数が大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置である。

また、請求項９に記載の発明は、前記電圧調節部は、前記各出力部よりも空気の上流側に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置である。

また、請求項１０に記載の発明は、前記電圧調節部は、スイッチングデバイスを有する高圧部と、スイッチングデバイスを有し、前記高圧部に印加される電圧よりも低い電圧が印加される低圧部とを備え、前記電圧調節部の低圧部のスイッチングデバイスのオン・オフ切り換えの周波数は、前記電圧調節部の高圧部のスイッチングデバイスのオン・オフ切り換えの周波数よりも大きく、前記電圧調節部の低圧部は、積層方向の外側に配置されていることを特徴とする請求項１、８または請求項９のいずれか１項に記載の半導体装である。

また、請求項１１に記載の発明は、前記電圧調節部の低圧部は、前記電圧調節部の高圧部よりも空気の流れの上流側に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置である。

また、請求項１２に記載の発明は、前記高圧部と前記低圧部は、それぞれ個別の部品により構成され、前記高圧部と前記低圧部は、前記制御部に対して並列に配置されており、前記各部品は、合成樹脂により被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置である。

また、請求項１３に記載の発明は、前記第１出力部及び前記第２出力部は、前記制御部と接続するための制御用のバスバーを備え、前記制御用のバスバーは、前記第１出力部及び前記第２出力部から前記制御部に垂直方向に延伸して接続されることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置である。

本発明の半導体装置によれば、異なる位相を出力する出力部を積層することにより、平面積を小さくすることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明を三相式のインテリジェントパワーモジュール（以下、ＩＰＭ）に適用した第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態によるＩＰＭの全体斜視図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。図３は、Ｕ相出力部の平面図である。図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。図５は、スイッチングデバイスを説明するための斜視図である。図６は、ダイオードを説明するための斜視図である。図７は、ＩＰＭの概略回路図である。尚、以下の説明において、図２に示す上下を上下方向とする。

図１及び図２に示すように、第１実施形態によるＩＰＭ１は、Ｕ相出力部２と、Ｖ相出力部３と、Ｗ相出力部４と、制御部５と、昇圧部６とを備えている。異なる位相を出力する出力部２〜４及び昇圧部６は、積層されている。また、出力部２〜４及び昇圧部６は、制御部５に垂直に立設された状態でネジ（図示略）により一定の間隔を開けて固定されている。

図３及び図４に示すように、Ｕ相出力部２は、高圧部１１と、低圧部１２と、配線基板１３と、放熱板１４と、７つのバスバー１５〜２１と、複数のＡｌワイヤ２２と、ケース２３とを備えている。

高圧部１１には、Ｐ側電力供給部から高電圧（正の電圧）を有する直流の電力が供給される。高圧部１１は、ｎｐｎ型のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ等からなるスイッチングデバイス３２と、逆流防止用の転流ダイオード（以下、ダイオード）３３と、配線基板１３上に形成されたＡｌ配線３４とを備えている。

図５に示すように、スイッチングデバイス３２の上面には、ゲート３２ｇと、ソース３２ｓが形成されている。スイッチングデバイス３２の下面には、半田を介してＡｌ配線３４に接続されるドレイン３２ｄが形成されている。尚、以下の説明において、他のスイッチングデバイスのドレイン、ゲート、ソースを説明する際にも、当該スイッチングデバイスの番号に符号ｄ、ｇ、ｓを付与して説明する。図３及び図７に示すように、スイッチングデバイス３２のドレイン３２ｄは、Ａｌ配線３４とＡｌワイヤ２２を介してＰ側電力供給用のバスバー１６に接続されている。スイッチングデバイス３２のソース３２ｓは、Ａｌワイヤ２２を介してＵ相出力用のバスバー１５に接続されている。また、スイッチングデバイス３２のソース３２ｓは、昇圧部６へ接続するためのバスバー１９にもＡｌワイヤ２２を介して接続されている。スイッチングデバイス３２のゲート３２ｇは、Ａｌワイヤ２２を介してゲートドライバ接続用のバスバー１８に接続されている。

また、スイッチングデバイス３２を構成する材料は、特に限定されるものではなく、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド等を用途や目的に応じて適宜変更可能である。例えば、スイッチング損失や電力損失を抑制したい場合には、ＳｉＣやＧａＮが好ましい。尚、ＳｉＣは高温（約３００℃）で動作させる場合にも有効である。また、高周波で駆動させたい場合には、ＧａＮが好ましい。尚、ＧａＮを採用した場合には、更に、インダクタンス成分（Ｌ成分）及び容量成分（Ｃ成分）を抑制でき、小型化も可能となる。また、絶縁破壊係数を上げて耐圧を向上させたい場合には、ＡｌＮが好ましい。尚、ＡｌＮを採用し、配線基板１３を同じＡｌＮにより構成した場合には、熱膨張係数の違いに起因する熱応力の発生を抑制できる。また、ダイヤモンドを採用する場合には、上述した材料の物性値を全て越えており、ＩＰＭ１の小型化を実現し、電力損失やスイッチング損失を大幅に低減することができる。

ダイオード３３は、スイッチングデバイス３２に電流が逆流することを防ぐためのものである。図６に示すように、ダイオード３３の上面には、アノード３３ａが形成されている。ダイオード３３の下面には、半田を介してＡｌ配線３４と接続されるカソード３３ｋが形成されている。尚、以下の説明において、他のダイオードのアノード、カソードを説明する際にも、当該ダイオードの番号に符号ａ、ｋを付与して説明する。図３及び図７に示すように、ダイオード３３のアノード３３ａは、Ａｌワイヤ２２を介してＵ相出力用のバスバー１５に接続されている。ダイオード３３のカソード３３ｋは、Ａｌ配線３４とＡｌワイヤ２２とを介してＰ側電力供給用のバスバー１６に接続されている。即ち、ダイオード３３は、スイッチングデバイス３２のソース３２ｓからドレイン３２ｄ方向が順方向となるように接続されている。また、ダイオード３３を構成する材料は、特に限定されるものではなく、スイッチングデバイス３２と同様に、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ダイヤモンド等を用途や目的に応じて適宜変更可能である。

低圧部１２には、Ｐ側電力供給部から供給される電力よりも低い電圧（負の電圧）を有する直流の電力がＮ側電力供給部から供給される。低圧部１２は、ｎｐｎ型のＩＧＢＴまたはＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ等からなるスイッチングデバイス３６と逆流防止用の転流ダイオード（以下、ダイオード）３７と、配線基板１３上に形成されたＡｌ配線３８とを備えている。

スイッチングデバイス３６のドレイン３６ｄは、Ａｌ配線３８及びＡｌワイヤ２２を介してＵ相出力用のバスバー１５に接続されている。スイッチングデバイス３６のソース３６ｓは、Ａｌワイヤ２２を介してＮ側電力供給用のバスバー１７に接続されている。また、スイッチングデバイス３６のソース３６ｓは、Ａｌワイヤ２２を介して昇圧部６に接続するためのバスバー２０にも接続されている。スイッチングデバイス３６のゲート３６ｇは、ゲートドライバ接続用のバスバー２１に接続されている。

ダイオード３７のアノード３７ａは、Ａｌワイヤ２２を介してＮ側電力供給用のバスバー１７に接続されている。ダイオード３７のカソード３７ｋは、Ａｌ配線３８及びＡｌワイヤ２２を介してＵ相出力用のバスバー１５に接続されている。

配線基板１３は、絶縁性のＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４またはＳｉＯ_２からなる。配線基板１３の上面には、Ａｌ配線３４、３８が形成される（ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum））。Ａｌ配線３４、３８の代わりに、Ｃｕ配線を形成してもよい（ＤＢＣ（Direct Bonding Copper））。一方、配線基板１３の下面には、熱伝導性の良い金属（例えば、ＡｌまたはＣｕ等）からなる接合剤（図示略）により放熱板１４が接合されている。

放熱板１４は、配線基板１３を介して伝導する高圧部１１及び低圧部１２から発生した熱を外部へ放熱するためのものである。放熱板１４は、絶縁性の配線基板１３により高圧部１１及び低圧部１２と絶縁されている。図２に示すように、放熱板１４は、面に垂直な方向Ｓ１、即ち、制御部５が配置された方向とは異なる方向Ｓ１への熱伝導率が高い熱伝導異方性材料により構成されている。熱伝導異方性材料とは、例えば、方向が揃えられた炭素繊維をアルミニウムに埋設させたもの等を適用することができる。放熱板１４の外周部は、接着剤によりケース２３の下面に接着される。

バスバー１５〜２１は、ケース２３に中央部が埋設されて固定されている。これにより、バスバー１５〜２１の一端部はケース２３の凹部２３ｄ側に、他端部がケース２３の外側に配置される。バスバー１５〜２１は、導電性のＣｕまたはＡｌにより板状に形成されている。バスバー１５は、Ｕ相を出力するためのものである。バスバー１６は、Ｐ側電力を供給するためのものである。バスバー１７は、Ｎ側電力を供給するためのものである。即ち、バスバー１６には、バスバー１７とは逆方向の電流が流れる。バスバー１８、２１は、後述する制御部５のゲートドライブ４３、４４に接続されている。また、バスバー１９、２０は、ゲートドライブ４３、４４を介して昇圧部６に接続されている。

ケース２３は、合成樹脂からなり、長方形の板状に形成されている。ケース２３の中央部には、窓２３ａが形成されている。窓２３ａには、配線基板１３が嵌め込まれる。ケース２３には、窓２３ａよりも一回り大きい凹部２３ｄが形成されている。凹部２３ｄには、高圧部１１及び低圧部１２等を保護及び絶縁するための保護ゲル２４が充填されている。保護ゲル２４は、約１８０℃程度の熱に耐えることができる軟性のシリコン樹脂またはエポキシ樹脂からなる。また、保護ゲル２４の上面には、保護ゲル２４の漏れを防止するとともに、高圧部１１及び低圧部１２への熱の伝導を抑制する蓋２５が被せられている。

Ｖ相出力部３及びＷ相出力部４は、Ｕ相出力部２と略同じ構成を有するので異なる点のみ説明する。Ｖ相出力部３は、出力用のバスバー１５からＵ相と位相が異なるＶ相を出力する。Ｗ相出力部４は、出力用のバスバー１５からＵ相及びＶ相と位相が異なるＶ相を出力する。Ｖ相出力部３のバスバー１８、２１は、制御部５のゲートドライブ４５、４６に接続されている。また、Ｖ相出力部３のバスバー１９、２０は、ゲートドライブ４５、４６を介して昇圧部６に接続されている。Ｗ相出力部４のバスバー１８、２１は、制御部５のゲートドライブ４７、４８に接続されている。また、Ｗ相出力部４のバスバー１９、２０は、ゲートドライブ４７、４８を介して昇圧部６に接続されている。

制御部５は、断熱材４１と、配線基板４２と、６個のゲートドライブ４３〜４８と、Ａｌ配線５０とを備えている。尚、Ａｌ配線５０は、一部のみ図示している。断熱材４１は、熱に弱いゲートドライブ４３〜４８に各相出力部２〜４からの熱が伝導されることを抑制するためのものである。断熱材４１は、約３５０℃の熱に耐えることが可能な絶縁性のポリイミド系樹脂からなり、配線基板４２と各相出力部２〜４との間に配置されている。断熱材４１及び配線基板４２の外周部には、制御用のバスバー１５〜２１及びバスバー５５〜６０を挿通させるための穴４９（図１０参照）が形成されている。各穴４９からは、バスバー１８〜２１、各ゲートドライブ４３〜４８及びバスバー５５〜６０を接続するためのＡｌ配線５０が延びている。バスバー１８〜２１及びバスバー５５〜６０と、Ａｌ配線５０は、半田により接続されている。

各ゲートドライブ４３〜４８は、配線基板４２上に設けられている。ゲートドライブ４３（４４）は、Ｕ相出力部２に設けられたスイッチングデバイス３２（３６）のゲート３２ｇ（３６ｇ）を制御するためのものである。ゲートドライブ４５（４６）は、Ｖ相出力部３に設けられたスイッチングデバイス３２（３６）のゲート３２ｇ（３６ｇ）を制御するためのものである。ゲートドライブ４７（４８）は、Ｗ相出力部４に設けられたスイッチングデバイス３２（３６）のゲート３２ｇ（３６ｇ）を制御するためのものである。

図２に示すように、昇圧部６は、昇圧回路部５１と、Ａｌ配線５２と、配線基板５３と、放熱板５４と、ゲートドライブ４３〜４８に接続される６つのバスバー５５〜６０と、ケース２３とを備えている。昇圧部６は、ゲートドライブ４３〜４８、バスバー１９、２０及びバスバー５５〜６０を介して接続されている各出力部２〜４のスイッチングデバイス３２、３６のソース３２ｓ、３６ｓの電圧を制御する。これにより、スイッチングデバイス３２、３６のゲート３２ｇ、３６ｇの電圧を安定させて、ゲート３２ｇ、３６ｇに高い電圧が印加されることを抑制する。

次に、上述したＩＰＭ１の動作説明を行う。

ゲートドライブ４３〜４８により各スイッチングデバイス３２、３６のゲート３２ｇ、３６ｇが制御されつつ、Ｐ側電力供給用のバスバー１６及びＮ側電力供給用のバスバー１７から電力が供給されると、各相の出力部２〜４により異なる位相を有する三相の交流電力が出力される。また、動作中には、各出力部２〜４の放熱板１４から方向Ｓ１に熱が放熱される。そして、各出力部２〜４の間を通る空気により、熱が外部へと放出される。

次に、上述したＩＰＭ１の組立工程について説明する。図８〜図１０は、ＩＰＭの組立工程を説明するための斜視図である。

まず、図８に示すように、バスバー１５〜２１を金型に入れた状態で、ケース２３を射出成型により作製する。次に、図９に示すように、高圧部１１、低圧部１２及び配線基板１３が接合された放熱板１４をケース２３に接着する。その後、図３に示すように、Ａｌワイヤ２２を配線する。次に、図１０に示すように、バスバー１５〜２１及びバスバー５５〜６０が、制御部５の穴４９と一致するように位置決めを行う。その後、制御部５に出力部２〜４及び昇圧部６を挿入して、ネジ（図示略）により固定する。この後、バスバー１５〜２１及びバスバー５５〜６０とＡｌ配線５０とを半田により電気的に接続する。これにより、ＩＰＭ１が完成する。

上述したように、第１実施形態によるＩＰＭ１では、出力部２〜４及び昇圧部６を積層している。これにより、全てを同一平面状に配置した場合に比べて、平面視における平面積を小さくすることができる。出力部２〜４及び昇圧部６を積層することにより、整流回路等を新たに設ける場合でも、平面積の増加を抑制することができる。

また、一般には、出力部上にゲートドライブを構成する場合が多く、ゲートドライブに出力部からの熱が伝達され易いが、ＩＰＭ１では、制御部５に対して出力部２〜４を垂直に立設させることにより、出力部２〜４からの熱の伝達を抑制できる。更に、ゲートドライブ４３〜４８と出力部２〜４との間に断熱材４１を設けることにより、熱の伝達をより抑制できる。これらにより、各出力部２〜４を高温（例えば、約２００℃）で動作させても、熱に弱いゲートドライブ４３〜４８の破損を抑制することができる。この結果、ＩＰＭ１の寿命を延ばすことができる。

また、ＩＰＭ１では、出力部２〜４及び昇圧部６の間に一定の間隔ができるように積層しているので、通気性が高い。これにより、冷却機能を向上させることができるので、熱に弱いゲートドライブ４３〜４８の破損を抑制できる。更に、一定の間隔を開けることにより、出力部２〜４間の熱の伝達を抑制できるので、出力部２〜４のスイッチングデバイス３２、３６及びダイオード３３、３７の破損を抑制できる。この結果、ＩＰＭ１の寿命を延ばすことができる。更に、ＩＰＭ１では、出力部２〜４及び昇圧部６を積層しているので、スイッチングデバイス３２、３６及びダイオード３３、３７のそれぞれが隣接することを低減できるので、熱の集中を抑制できる。

また、制御用のバスバー１５〜２１及びバスバー５５〜６０を制御部５の穴４９に挿通させた状態で、Ａｌ配線５０と接続しているので、位置決めと接続とを容易に行うことができる。

（第２実施形態）
次に、上述した第１実施形態を部分的に変更した第２実施形態について説明する。尚、第１実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。図１１は、第２実施形態によるＩＰＭの図２相当図である。図１２は、高圧部側の出力部の平面図である。図１３は、低圧部側の出力部の平面図である。

図１１に示すように、第２実施形態によるＩＰＭ１Ａでは、高圧部１１を有する出力部２Ａ〜４Ａ及び低圧部１２を有する出力部２Ｂ〜４Ｂが、別々の部品により構成されている。そして、高圧部１１側の出力部２Ａ〜４Ａと低圧部１２側の出力部２Ｂ〜４Ｂとが積層されるように、制御部５Ａに固定される。

図１２に示すように、出力部２Ａは、第１実施形態による出力部２を半分に分割した部分のうち、高圧部１１側と略同じ構成を有する。また、図１３に示すように、出力部２Ｂは、第１実施形態による出力部２を半分に分割した部分のうち、低圧部１２側と略同じ構成を有する。図１２及び図１３に示すように、出力部２Ａ及び出力部２Ｂは、それぞれ、出力用のバスバー１５Ａ及びバスバー１５Ｂを備えている。また、電流の流れる方向が反対側のバスバー１６及びバスバー１７が並行になるように積層される。尚、出力部３Ａ、４Ａは、出力部２Ａと同じ構成を有し、出力部３Ｂ、４Ｂは、出力部２Ｂと同じ構成を有する。

第２実施形態によるＩＰＭ１Ａでは、高圧部１１側の出力部２Ａ〜４Ａと低圧部１２側の出力部２Ｂ〜２Ｂとを別々に構成して、積層することにより、より平面積を小さくすることができる。また、バスバー１６及びバスバー１７が並行になるように配置することにより、バスバー１６及びバスバー１７に生じる寄生インダクタンスを相殺できる。尚、他のバスバーやＡｌ配線のうち、逆方向に電流が流れるバスバーやＡｌ配線を並行に構成することがより好ましい。

（第３実施形態）
次に、上述した第２実施形態を部分的に変更した第３実施形態について説明する。尚、第１及び第２実施形態と同様の構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。図１４は、第３実施形態によるＩＰＭの図２相当図である。

図１４に示すように、第３実施形態によるＩＰＭ１Ｂでは、第２実施形態のＩＰＭ１Ａにおける高圧部１１側の各出力部２Ａ〜４Ａを上下逆にして、制御部５Ａに設置している即ち、高圧部１１のスイッチングデバイス３２及びダイオード３３と、低圧部１２のスイッチングデバイス３６及びダイオード３７とが互いに対向するように配置されている。

このように構成することにより、相殺される寄生インダクタンスを増加させることができる。

（第４実施形態）
次に、上述した第１実施形態を部分的に変更した第４実施形態について説明する。尚、上述した実施形態と同様の構成には同じ符号を付けて説明を省略する。図１５は、第４実施形態によるＩＰＭの全体斜視図である。図１６は、第４実施形態によるＩＰＭの昇圧部の平面図である。図１７は、第４実施形態によるＩＰＭの概略回路図である。尚、図１５に示す上下を上下方向とする。また、上述した実施形態と同じ構成には、同じ符号を付けて説明を省略する。

図１５に示すように、第４実施形態によるＩＰＭ１Ｃは、Ｕ相出力部２と、Ｖ相出力部３と、Ｗ相出力部４と、制御部５Ｃと、昇圧部（請求項９の電圧調節部に相当）６Ｃとを備えている。異なる位相を出力する出力部２〜４及び昇圧部６Ｃは、積層されている。また、出力部２〜４及び昇圧部６Ｃは、制御部５に垂直に立設された状態でネジ（図示略）により一定の間隔を開けて固定されている。

昇圧部６Ｃは、外部の電源２００から２００Ｖの供給された電圧を６００Ｖに昇圧する。そして、昇圧部６Ｃは、昇圧した電力をバスバー１６、１７を介して各出力部２〜４に電力を供給するためのものである。昇圧部６Ｃは、積層方向において、最下層（即ち、積層方向の外側）に配置されている。尚、上述した電圧値は、適宜変更可能である。

図１６に示すように、昇圧部６Ｃは、高圧部７１と、低圧部７２と、コイル７３と、コンデンサ７４と、基板７５と、放熱板７６と、４つのバスバー７７〜８１と、複数のＡｌワイヤ８２と、ケース８３と、Ａｌ配線８４、８５とを備えている。

図１６及び図１７に示すように、高圧部７１は、オン・オフ切り換え可能なトランジスタからなるスイッチングデバイス９２と、逆流防止用のダイオード９３と、Ａｌ配線９４とを備えている。スイッチングデバイス９２のソース９２ｓは、Ａｌ配線８４を介してコイル７３に接続されている。スイッチングデバイス９２のドレイン９２ｄは、Ａｌ配線９４を介してコンデンサ７４の一端が接続されるＰ側電力供給用のバスバー７８に接続されている。スイッチングデバイス９２のゲート９２ｇは、バスバー８０を介して制御部５Ｃのゲートドライバ５６に接続されている。ダイオード９３のアノード９３ａは、Ａｌ配線８４を介してコイル７３の一端及びスイッチングデバイス９２のソース９２ｓに接続されている。ダイオード９３のカソード９３ｋは、Ａｌ配線９４を介してコンデンサ７４の一端が接続されるバスバー７８に接続されている。

低圧部７２は、オン・オフ切り換え可能なトランジスタからなるスイッチングデバイス９６と、逆流防止用のダイオード９７と、Ａｌ配線９８とを備えている。尚、低圧部７２には、高圧部７１に印加される電圧よりも低い電圧が外部の電源２００により印加される。スイッチングデバイス９６のソース９６ｓは、電源２００の負極及びコンデンサ７４の一端に接続されているＮ側電力供給用のバスバー７９に接続されている。スイッチングデバイス９６のドレイン９６ｄは、Ａｌ配線９８を介してコイル７３の一端に接続されている。スイッチングデバイス９６のゲート９６ｇは、バスバー８１を介して制御部５Ｃのゲートドライバ５７に接続されている。ダイオード９７のアノード９７ａは、Ｎ側電力供給用のバスバー７９に接続されている。ダイオード９７のカソード９７ｋは、Ａｌ配線９８を介してコイル７３の一端に接続されている。

コイル７３の一端は、Ａｌ配線８４を介して、スイッチングデバイス９２のソース９２ｓ、ダイオード９３のアノード９３ａ、スイッチングデバイス９６のドレイン９６ｄ、及び、ダイオード９７のカソード９７ｋに接続されている。コイル７３の他端は、バスバー７７を介して電源２００の正極に接続されている。

コンデンサ７４の一端は、各出力部２〜４にＰ側電力を供給するためのバスバー７８に接続されている。コンデンサ７４の他端は、Ａｌ配線８５を介して各出力部２〜４にＮ側電力を供給するためのバスバー７９に接続されている。

次に、昇圧部６Ｃの動作説明を行う。

低圧部７２のスイッチングデバイス９６がオンのときは、コイル７３及びスイッチングデバイス９６に電流が流れる。この状態から、低圧部７２のスイッチングデバイス９６がオフに切り換わると、コイル７３では流れる電流が遮断されて起電力が生じる。このコイル７３に起電力が生じている状態で、高圧部７１のスイッチングデバイス９２がオフになると、コイル７３から高圧部７１を介してコンデンサ７４に電荷が供給される。これにより、コンデンサ７４には、電源２００の電圧とコイル７３の起電力による電荷が蓄えられる。この結果、電源２００の電圧がコンデンサ７４により昇圧されて、各出力部２〜４に印加される。

ここで、昇圧部６Ｃの各スイッチングデバイス９２、９６のオン・オフ切り換えの周波数は、各出力部２〜４のスイッチングデバイス３２、３６のオン・オフ切り換えの周波数に比べて大きい。更に、昇圧部６Ｃの低圧部７２のスイッチングデバイス９６のオン・オフ切り換えの周波数は、昇圧部６Ｃの高圧部７１のスイッチングデバイス９２のオン・オフ切り換えの周波数よりも大きい。

即ち、各出力部２〜４よりも昇圧部６Ｃの方が高温になる。更に、昇圧部６Ｃでも、高圧部７１よりも低圧部７２の方が高温になる。

上述したように、第４実施形態によるＩＰＭ１Ｃでは、出力部２〜４よりも高温になる昇圧部６Ｃを積層方向において外側の層になるように配置している。これにより、昇圧部６Ｃの放熱性を向上させることができる。更に、昇圧部６Ｃを最下層にすることにより、空気の流れの最上流側に昇圧部６Ｃが位置することになる。これにより、各出力部２〜４からの熱が昇圧部６Ｃに作用することがないので、昇圧部６Ｃの高温化をより抑制できる。

また、従来、昇圧部の高温化を抑制するために、出力部ごとに昇圧部を設けていたが、ＩＰＭ１Ｃでは、昇圧部６Ｃの高温化を抑制することができるので、昇圧部６Ｃを出力部２〜４で兼用することができる。これにより、ＩＰＭ１Ｃの小型化をより促進できる。

（第５実施形態）
次に、上述した第３実施形態を部分的に変更した第５実施形態について説明する。尚、上述した実施形態と同様の構成には同じ符号を付けて説明を省略する。図１８は、第５実施形態によるＩＰＭの断面図である。

図１８に示すように、第５実施形態によるＩＰＭ１Ｄでは、第３実施形態と同様に、高圧部１１を有する出力部２Ａ〜４Ａ及び低圧部１２を有する出力部２Ｂ〜４Ｂが、別々の部品により構成されている。そして、高圧部１１側の出力部２Ａ〜４Ａと低圧部１２側の出力部２Ｂ〜４Ｂとが交互に積層されるように、制御部５Ａに固定される。

更に、第５実施形態によるＩＰＭ１Ｄでは、高圧部７１を有する昇圧部６Ｄと、低圧部７２を有する昇圧部６Ｅとが、別々の部品により構成されている。低圧部７２を有する昇圧部６Ｅが、積層方向の最下層に配置されている。また、高圧部７１を有する昇圧部６Ｄが、積層方向の最上層に配置されている。各出力部２Ａ〜４Ａ、２Ｂ〜４Ｂが、低圧部７２を有する昇圧部６Ｅと高圧部７１を有する昇圧部６Ｄとの間に積層されている。即ち、高温になる昇圧部６Ｅと昇圧部６Ｄが、積層方向の一番外側である最下層と最上層に配置されている。更に、高温側から低温側に空気が流れることを考慮すると、空気の流れの最上流側に低圧部７２を有する昇圧部６Ｅが配置されている。

上述したように第５実施形態によるＩＰＭ１Ｄでは、昇圧部６Ｄの高圧部７１及び昇圧部６Ｅの低圧部７２を積層方向の最も外側の層に配置しているので、高温になる昇圧部６Ｄの高圧部７１及び昇圧部６Ｅの低圧部７２の放熱性を向上させることができる。更に、昇圧部６Ｅの低圧部７２を空気の流れの最上流に配置することによって、昇圧部６Ｅの低圧部７２の高温化をより抑制できる。

以上、実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、上述した実施形態では、三相式のＩＰＭに本発明を適用した例を示したが、二相式、または、四相式以上のＩＰＭに本発明を適用してもよい。

また、上述した実施形態で適用した材料、数値、形状等は一例であり、適宜変更可能である。

また、上述した実施形態では、各出力部の半導体素子であるスイッチングデバイス及びダイオードを配線基板の同じ面に配置したが、配線基板の表面及び裏面の両面に配置してもよい。これにより、平面積をより低減することができる。

また、上述した実施形態では、各出力部の間に一定の間隔を開けて積層する例を示したが、各出力部の間隔を省略してもよい。尚、このように構成する場合には、ケースに送風用の穴を開けることが好ましい。

また、上述した実施形態では、各出力部の高圧部及び低圧部にスイッチングデバイスを１つずつ設けたが、各出力部の高圧部及び低圧部に複数のスイッチングデバイスを並列に接続してもよい。

また、上述した実施形態では、電圧調節部の一例として昇圧部を例に挙げたが、外部から供給された電圧を下げるための降圧部等の電圧を調節可能なものに適用してもよい。

第１実施形態によるＩＰＭの全体斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 Ｕ相出力部の平面図である。 図３におけるＩＶ−ＩＶ線に沿った断面図である。 スイッチングデバイスを説明するための斜視図である。 ダイオードを説明するための斜視図である。 ＩＰＭの概略回路図である。 ＩＰＭの組立工程を説明するための斜視図である。 ＩＰＭの組立工程を説明するための斜視図である。 ＩＰＭの組立工程を説明するための斜視図である。 第２実施形態によるＩＰＭの図２相当図である。 高圧部側の出力部の平面図である。 低圧部側の出力部の平面図である。 第３実施形態によるＩＰＭの図２相当図である。 第４実施形態によるＩＰＭの全体斜視図である。 第４実施形態によるＩＰＭの昇圧部の平面図である。 第４実施形態によるＩＰＭの概略回路図である。 第５実施形態によるＩＰＭの断面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ ＩＰＭ
２、２Ａ、２Ｂ Ｕ相出力部
３、３Ａ、３Ｂ Ｖ相出力部
４、４Ａ、４Ｂ Ｗ相出力部
５、５Ａ 制御部
６、６Ｃ、６Ｅ 昇圧部
１１ 高圧部
１２ 低圧部
１３ 配線基板
１４ 放熱板
１５〜２１、１５Ａ、１５Ｂ バスバー
２２ Ａｌワイヤ
２３ ケース
２３ａ 窓
２３ｄ 凹部
２４ 保護ゲル
２５ 蓋
３２、３６ スイッチングデバイス
３２ｇ、３６ｇ ゲート
３２ｓ、３６ｓ ソース
３２ｄ、３６ｄ ドレイン
３３、３７ ダイオード
３３ａ、３７ａ アノード
３３ｋ、３７ｋ カソード
３４、３８ Ａｌ配線
４１ 断熱材
４２ 配線基板
４３〜４８ ゲートドライブ
４９ 穴
５０ 配線
５１ 昇圧回路部
５２ 配線
５３ 配線基板
５４ 放熱板
７１ 高圧部
７２ 低圧部
７３ コイル
７４ コンデンサ
７５ 配線基板
７６ 放熱板
７７〜８１ バスバー
８２ Ａｌワイヤ
８３ ケース
８４、８５ Ａｌ配線
９２、９６ スイッチングデバイス
９３、９７ ダイオード

Claims (13)

1. 第１相を出力する第１出力部と、
   前記第１出力部に積層されるように配置され、第１相と異なる位相の第２相を出力する第２出力部と、
   前記出力部を制御する制御部と、
   外部から供給される電圧を調節する電圧調節部とを備え、
   前記各出力部は、高圧部と、前記高圧部よりも低い電圧を有する電力が供給される低圧部とを備え、前記高圧部と前記低圧部は、積層されており、
   前記各出力部及び前記電圧調節部は、オン・オフ切り換え可能なスイッチングデバイスを有し、前記各出力部及び前記電圧調節部のうち、前記スイッチングデバイスのオン・オフ切り換えの周波数の最も大きいものが積層方向の外側に配置されていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記高圧部と前記低圧部は、半導体素子を含み、
   前記高圧部と前記低圧部は、互いの半導体素子が対向するように積層されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記高圧部と前記低圧部は、電流が流れる配線及びバスバーを備え、
   前記高圧部の配線及びバスバーと、前記高圧部の配線及びバスバーとは電流が逆方向に流れる前記低圧部の配線及びバスバーの何れかが並行に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の半導体装置。
4. 前記第１出力部と前記第２出力部は、前記制御部に立設されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。
5. 前記第１出力部及び前記第２出力部は、前記制御部と接続するための制御用のバスバーを備え、
   前記制御用のバスバーは、前記制御部に形成された穴に挿通されていることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
6. 前記第１出力部及び前記第２出力部は、前記制御部が配置された方向とは異なる方向に熱を伝導させる放熱板を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
7. 前記出力部は、複数の半導体素子と、半導体素子が設けられる配線基板とを備え、
   前記複数の半導体素子は、基板の両面に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
8. 前記電圧調節部は、前記各出力部よりも前記周波数が大きいことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
9. 前記電圧調節部は、前記各出力部よりも空気の上流側に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置。
10. 前記電圧調節部は、スイッチングデバイスを有する高圧部と、スイッチングデバイスを有し、前記高圧部に印加される電圧よりも低い電圧が印加される低圧部とを備え、
    前記電圧調節部の低圧部のスイッチングデバイスのオン・オフ切り換えの周波数は、前記電圧調節部の高圧部のスイッチングデバイスのオン・オフ切り換えの周波数よりも大きく、
    前記電圧調節部の低圧部は、積層方向の外側に配置されていることを特徴とする請求項１、８または請求項９のいずれか１項に記載の半導体装置。
11. 前記電圧調節部の低圧部は、前記電圧調節部の高圧部よりも空気の流れの上流側に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置。
12. 前記高圧部と前記低圧部は、それぞれ個別の部品により構成され、前記高圧部と前記低圧部は、前記制御部に対して並列に配置されており、前記各部品は、合成樹脂により被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
13. 前記第１出力部及び前記第２出力部は、前記制御部と接続するための制御用のバスバーを備え、
    前記制御用のバスバーは、前記第１出力部及び前記第２出力部から前記制御部に垂直方向に延伸して接続されることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。

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