JP5444486B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体チップで構成する電力用半導体素子及びこれを利用したインバータ装置に関する。

一般的に、例えば電気自動車では、電力用半導体素子及びそれを用いたインバータ装置の小型化、高信頼性化が要求されている。係る電力用半導体素子及びインバータ装置の小型化、高信頼性化を図るためには、電力用半導体素子及びインバータ装置について、冷却効率を高めることが必要となる。

そこで、以下のようなインバータ装置が開示されている。

半導体チップであるＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)及びダイオードを、平面形状が正方形でその正方形の一辺の長さを１０ｍｍ以下のサイズとし、更に、これらの半導体チップの厚みが１．５ｍｍ以上５ｍｍ以下の導体に接合し、この導体を冷却器に、セラミックスを含有した絶縁樹脂シートを介在させて加圧及び過熱接着することで、冷却効率を高める（例えば、特許文献１を参照）。

また、複数の半導体チップを導体の一方の面に接合し、他方の面にセラミックを含有した絶縁樹脂シートで放熱用金属板を接着し、この放熱用金属板を熱伝導グリースを介して、冷却器に加圧接触することで、冷却効率を高める（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００３−１５３５５４号公報 特開２００４−２８８７５５号公報

しかしながら、上述したインバータ装置には次のような課題がある。

まず、複数個並列接続されたＩＧＢＴ又はダイオードなどの半導体チップは、主回路配線がボンディングワイヤにより電気的に配線されているので、複数のボンディングワイヤを配線するのに時間がかかり、製造時間が長くなる。また、冷却効率の向上を図ろうとしても、構造的に限界があり、一層の冷却効率の向上が難しい。

そこで、本発明の実施形態による目的は、電力用半導体素子の冷却効率を向上させ、通電容量の向上及び小型化に対応し、製造性に優れた電力用半導体素子及びインバータ装置を提供することにある。

本発明の観点に従ったインバータ装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置において、第１の放熱部と、前記第１の放熱部の上に設けられた正側導体と、前記正側導体と対向するように前記第１の放熱部の上に設けられた負側導体と、前記正側導体と前記負側導体との間の一部に位置し、前記第１の放熱部の上に設けられた第１の交流側導体と、前記第１の交流側導体の上に設けられた第１の交流端子と、前記第１の交流側導体と前記正側導体との間に設けられ、前記正側導体と正極側が接合され、前記第１の交流側導体と負極側が接合された第１の半導体チップと、前記第１の交流側導体と前記負側導体との間に設けられ、前記負側導体と負極側が接合され、前記第１の交流側導体と正極側が接合された第２の半導体チップと、前記第１の交流側導体とは異なる位置で、前記正側導体と前記負側導体との間の一部に位置し、前記第１の放熱部の上に設けられた第２の交流側導体と、前記第２の交流側導体の上に設けられた第２の交流端子と、前記第２の交流側導体と前記正側導体との間に設けられ、前記正側導体と正極側が接合され、前記第２の交流側導体と負極側が接合された第３の半導体チップと、前記第２の交流側導体と前記負側導体との間に設けられ、前記負側導体と負極側が接合され、前記第２の交流側導体と正極側が接合された第４の半導体チップとを備えた構成である。

本発明によれば、電力用半導体素子の冷却効率を向上させ、通電容量の向上及び小型化に対応し、製造性に優れた電力用半導体素子及びインバータ装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係るインバータ装置の構成を示す立体図。 第１の実施形態に係る電力用半導体素子の構成を示す分解図。 第１の実施形態に係る電力用半導体素子に有する半導体チップの実装位置を示す透視図。 第２の実施形態に係るインバータ装置の立体図。 第２の実施形態に係るインバータ装置の構成を示す上面図。 第２の実施形態に係るインバータ装置の構成を示す正面図。 第２の実施形態に係るインバータ装置の構成を示す側面図。 第３の実施形態に係るインバータ装置の立体図。 第４の実施形態に係るインバータ装置の立体図。 第５の実施形態に係るインバータ装置の立体図。 第６の実施形態に係るインバータ装置の立体図。 第６の実施形態に係るインバータ装置の構成を示す正面図。 第７の実施形態に係るインバータ装置の立体図。 第７の実施形態に係るインバータ装置に有する半導体チップの実装位置を示す透視図。 各実施形態に係るインバータ装置の回路構成を示す回路図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１５を参照して、各実施形態に係るインバータ装置の回路について説明する。

各実施形態の電力用半導体素子は、図１５に示すように、回路１０と等価の回路の一部及び全部を基本に構成している。

回路１０は、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)１９１，１９２と、ダイオード２０１，２０２とからなる。

回路１０は、直流電源１から供給される直流電力の正極及び負極をそれぞれ正極端子３９及び負極端子４０に印加し、コンデンサ４を利用して、ＩＧＢＴ１９１，１９２のそれぞれのゲートを制御することにより、交流電力に変換して、出力部２に出力する。

コンデンサ４は、例えば電源平滑用コンデンサであるアルミ電解コンデンサなどである。

直流電力を三相交流電力に変換する場合は、３つの本電力用半導体素子を使用し、図１５に示す構成とすることにより実現できる。

直流電力を単相交流電力に変換する場合は、２つの本電力用半導体素子を使用し、図１５に示す構成のうち１つの回路１０を削除した構成とすることにより実現できる。

（第１の実施形態）
図１〜３を参照して、本実施形態に係る電力用半導体素子及びインバータ装置について説明する。図１５と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、ここでは異なる部分について主に述べる。なお、以下の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。

本インバータ装置は、直流電力をＷ相、Ｖ相、Ｕ相からなる三相交流に変換するインバータ装置（以下、「三相インバータ装置」という）である。

本インバータ装置は、図１に示すように、放熱板２２と、放熱板２２の上に実装される３つの各相に対応する電力用半導体素子と、放熱板２２と３つの電力用半導体素子をそれぞれ接着するＷ相絶縁樹脂シート３６、Ｖ相絶縁樹脂シート４２及びＵ相絶縁樹脂シート４３とからなる。

各相の電力用半導体素子は、それぞれに対応した各相の絶縁樹脂シート３６，４２，４３を用いて、放熱板２２に接着している。各相の絶縁樹脂シート３６，４２，４３は、一定の距離を離して、放熱板２２に接着されている。

放熱板２２は、図示しない冷却器に搭載されている。放熱板２２の材質は、半導体チップの冷却作用の観点からすると銅が望ましいが、アルミニウムなどの他金属や、Ａｌ−ＳｉＣなどの金属基複合材料としても構わない。

各相の絶縁樹脂シート３６，４２，４３は、例えば絶縁樹脂に窒化ホウ素などのセラミックフィラ−を充填したものであり、熱伝導率は２〜４Ｗ／ｍＫ、厚みは０．０５〜０．１５ｍｍ程度である。

（電力用半導体素子）
次に、Ｗ相に実装されているＷ相電力用半導体素子について説明する。なお、Ｕ相電力用半導体素子及びＶ相電力用半導体素子は、Ｗ相電力用半導体素子と同一の構成であり、説明を省略する。

Ｗ相電力用半導体素子は、Ｗ相上アームと、Ｗ相下アームと、Ｗ相正極端子３９と、Ｗ相負極端子４０、Ｗ相出力端子４１Ａとから構成されている。

Ｗ相上アームは、図２に示すように、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄと、ダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃと、それぞれの半導体チップに対応する熱緩衝板３４と、Ｗ相正側導体３３と、Ｗ相第１の交流側導体３５とからなる。

Ｗ相下アームは、ＩＧＢＴ１９２Ａ〜１９２Ｄと、ダイオード２０２Ａ〜２０２Ｃと、それぞれの半導体チップに対応する熱緩衝板３４と、Ｗ相第２の交流側導体３７と、Ｗ相負側導体３８とからなる。

Ｗ相正極端子３９及びＷ相負極端子４０は、それぞれＷ相正側導体３３及びＷ相負側導体３８に電気的に接続されている。

Ｗ相出力端子４１Ａは、Ｗ相第１の交流側導体３５及びＷ相第２の交流側導体３７の両方に跨るように電気的に接続されている。

これらの各端子は、主に外部配線接続などを容易にするために設けられている。例えば、Ｗ相正極端子３９及びＷ相負極端子４０は、図１５の直流電源１の正極及び負極とそれぞれ接続する。また、Ｗ相正極端子３９及びＷ相負極端子４０は、図１５のコンデンサ４を接続してもよい。

なお、図１は、Ｗ相電力用半導体素子のみに各端子を図示し、Ｖ相電力用半導体素子及びＵ相電力用半導体素子にも同様に設けられているものとして、図示を省略している。

図１に示すように、Ｗ相正側導体３３、Ｗ相第１の交流側導体３５、Ｗ相第２の交流側導体３７及びＷ相負側導体３８は、Ｗ相絶縁樹脂シート３６を介して、放熱板２２に搭載されている。Ｗ相第１の交流側導体３５及びＷ相第２の交流側導体３７は、一定の絶縁距離を確保して、隣り合っている。

Ｗ相正側導体３３は、Ｗ相正極端子３９を介して、直流電力の正極が印加される導体である。

Ｗ相負側導体３８は、Ｗ相負極端子４０を介して、直流電力の負極が印加される導体である。

Ｗ相第１の交流側導体３５及びＷ相第２の交流側導体３７は、Ｗ相出力端子４１Ａを介して、直流電力が変換された交流電力のＷ相を出力する導体である。

Ｗ相正側導体３３とＷ相第１の交流側導体３５、及びＷ相第２の交流側導体３７とＷ相負側導体３８は、それぞれ対向するように実装されている。

Ｗ相正側導体３３とＷ相第１の交流側導体３５、及びＷ相第２の交流側導体３７とＷ相負側導体３８は、それぞれの導体間に、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃを接合している。

以下、主にＷ相上アームの構成について述べ、Ｗ相下アームの構成については同様であり、説明を省略する。

Ｗ相正側導体３３及びＷ相第１の交流側導体３５は、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃ（半導体チップ）との接合面が、放熱板２２の表面に対して垂直となるように、Ｗ相絶縁樹脂シート３６を用いて、放熱板２２に接着されている。インバータ起動時の温度上昇を低減し、これらの各導体の熱拡散の効果により定常熱抵抗を低減するために、各導体と放熱板２２とを接着する各々の面は、必要な一定の面積を確保している。

Ｗ相正側導体３３及びＷ相第１の交流側導体３５の材質は、半導体チップの冷却作用の観点からすると銅が望ましいが、アルミニウムなどの他金属や、Ａｌ−ＳｉＣなどの金属基複合材料としても構わない。また、放熱板２２と同じ材質を選択することもできる。同じ材質を選択することで、製造コストの削減をすることができる。

Ｗ相正側導体３３及びＷ相第１の交流側導体３５と放熱板２２は、いずれも銅やアルミニウムなどの金属、又はＡｌ−ＳｉＣなどの金属基複合材料を用いて形成している。これら導体と放熱板２２は、Ｗ相絶縁樹脂シート３６で接着している。被接合部材が金属又は金属基複合材料同士であるため、線膨張係数の差が小さく、接合時に生じるそりを小さい値に抑制することができる。

そのため、放熱板２２の裏面の平面度は、良好な状態を保持でき、放熱板２２を冷却器に搭載した場合、両者の間の空隙は小さくなる。その結果、放熱板２２と冷却器の接触面に要する熱伝導グリースの層の厚さを小さくすることができ、放熱板２２と冷却器との間の接触熱抵抗を大幅に低減できる。

ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃは、平面形状が正方形であって、その一辺の長さが１０ｍｍ以下のサイズになる半導体チップである。

ここで、非線型ひずみについて説明する。

非線型ひずみが生じる場合として、例えば、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃなどの半導体チップの材質がシリコンであり、これらの半導体チップと接合するＷ相正側導体３３又はＷ相第１の交流側導体３５の材質が銅である場合である。このとき、これらの半導体チップと各導体との線膨張係数に違いがある。これにより、特にインバータ装置の作動及び停止により、半導体チップ（特に、ＩＧＢＴ）から発生する熱の温度サイクルが負荷されることで、半導体チップと各導体とを接合する半田等に対して、せん断応力が発生し、非線型ひずみが発生することがある。

半導体チップは、チップサイズを大きくすると非線型ひずみが増大する。この非線型ひずみの値が大きくなると、経時的に導体等に接合している半田等にクラックなどが発生する原因となる。よって、これらの半導体チップを上述のようなサイズとすることにより、非線型ひずみを減少させる。

ＩＧＢＴ及びダイオードは、上述のように一辺の長さを１０ｍｍ以下にすると、１チップ辺りの通電容量が小さくなる。よって、例えば電気自動車に適用する数１０ｋＷのインバータ装置の場合、単一の半導体チップで構成すると、容量不足になる。そこで、本実施形態では、ＩＧＢＴを４つ、ダイオードを３つそれぞれ並列接続することで、この容量不足を解消している。

ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃは、図３に示すように、Ｗ相正側導体３３とＷ相第１の交流側導体３５との間に実装されている。なお、図３は、これらの半導体チップの実装位置を示すため、便宜上、Ｗ相第１の交流側導体３５の破線部分を透視するように図示している。

図２を参照して、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃの実装されている構造ついて説明する。

ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃは、Ｗ相正側導体３３に一列に配置されている。

ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄは、それぞれのコレクタ側（すなわち、正極側）をＷ相正側導体３３に接合し、それぞれのエミッタ側（すなわち、負極側）に、熱緩衝板３４を介して、Ｗ相第１の交流側導体３５に接合している。

ダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃは、それぞれのカソード側（すなわち、正極側）をＷ相正側導体に接合し、それぞれのエミッタ側（すなわち、負極側）を、熱緩衝板３４を介して、Ｗ相第１の交流側導体３５に接合している。

これらの構成により、これらの半導体チップ（特に、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ）に発生する熱は、その接合面を通して約半分がＷ相正側導体３３に、残りの約半分がＷ相第１の交流側導体３５に熱伝導し、さらに、放熱板２２に熱伝導する。放熱板２２は、冷却器により冷却される。すなわち、半導体チップは、正極側及び負極側の両面から大きな熱容量を有する導体により冷却されることになる。

ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃは、全て並列に接続されている。ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄは、４並列接続されることにより、図１５に示すＩＧＢＴ１９１を構成している。ダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃは、３並列接続されることにより、図１５に示すダイオード２０１を構成している。

熱緩衝板３４は、半導体チップとこれらを接合している各導体とを接合する例えば半田等に対する非線型ひずみを小さくする。熱緩衝板３４は、特に長寿命を必要とする場合に設けることが必要となる。

熱緩衝板３４の材質は、ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃの材質であるシリコンと、Ｗ相正側導体３３及びＷ相第１の交流側導体３５の材質との、おおよそ中間の線膨張係数を持つもの、例えばＭｏなどの低熱膨張金属材料である。

ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ又はダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃと熱緩衝板３４との接合や、Ｗ相正側導体３３又はＷ相第１の交流側導体３５と熱緩衝板３４との接合は、Ｓｎ、Ｐｂなどの低融点、又はＳｎ、Ａｇ、Ｃｕなどの高融点の半田を用いて接合することができるが、銀ペーストなどの導電性接着剤を用いて接合しても構わない。

（第１の実施形態の作用・効果）
本実施形態によれば、以下のような作用・効果を得ることができる。

半導体チップは、正極側及び負極側の両面を大きな熱容量を有する導体が直接的に（配線部材等を介することなく）接合していることにより、半導体チップから発生した熱は、半導体チップの両面から冷却することができる。特に、従来の方式のように、半導体チップが、正極側及び負極側のどちらか一方の面がボンディングワイヤ等の熱抵抗の高い配線部材を用いて接続されていると、この面の側からの冷却効果は期待できず、もう片側の面からの冷却のみとなる。この方式に比べると、本実施形態による半導体チップは、両面から冷却できる分、２倍近くの冷却効果がある。

これらにより、インバータ起動時に問題となる過渡熱抵抗も低減することができ、インバータ起動時及び低常状態の両方ともで、温度上昇が低くなり、冷却効率を向上させることができる。

本インバータ装置は、通電容量の大きい（インピーダンスの少ない）導体を、直接半田等により接合して、電気回路を構成するため、特にボンディングワイヤ等の配線部材により接続する場合よりも、通電容量及び電力変換効率を向上することができる。

各導体及び半導体チップ等を、各々半田等により接合することで、主回路の電気的配線を行うことができるため、ボンディングワイヤ等の配線部材を用いることなく製造することができる。よって、配線部材を配線する工程がなくなり、製造時間の短縮などにより製造性（製造歩留まりなど）を向上させることができる。

放熱板２２とこの放熱板２２に接合する各導体は、金属又は金属基複合材料とし、線膨張係数差を小さくすることで、接合時に生じる反りを小さく抑制し、放熱板２２を冷却器に搭載したときの両者の空隙を小さくできる。これにより、両者の空隙を埋める熱伝導グリースの層の厚さを薄くすることができ、放熱板２２と冷却器との間の接触熱抵抗を大幅に低減できる。よって、冷却効率を向上させることができる。

本電力用半導体素子の構成は、熱緩衝材３４を介することで、半導体チップと導体とを接合する半田等に対して、非線型ひずみを軽減させることができる。また、半導体チップの一辺の長さを約１０ｍｍ以下とすることで、更に非線型ひずみを軽減させることができ、信頼性・耐久性を向上させることができる。

以上に述べたように、本実施形態によれば、電力用半導体素子の冷却効率を向上させ、通常容量の向上及び小型化に対応し、製造性に優れ、信頼性・耐久性が向上したインバータ装置を提供することができる。

（第２の実施形態）
図４〜７を参照して、本実施形態について説明する。なお、図４は、図１と同様に、Ｗ相電力用半導体素子のみに各端子を図示し、Ｖ相電力用半導体素子及びＵ相電力用半導体素子にも同様に設けられているものとして、図示を省略している。

本インバータ装置は、図１に示すインバータ装置に、放熱板２２Ａが加わった点以外は、図１と同じである。

放熱板２２Ａは、各相の電力用半導体素子に対して、放熱板２２（底面）と反対側の上面に位置している。

なお、放熱板２２Ａは、放熱板２２が搭載されている冷却器と兼用することにより冷却されてもよいし、別途冷却器を設けてもよい。新たに、冷却器を設けた場合は、１台で冷却する場合よりもより高い冷却効果が得られる。

各相の電力用半導体素子は、それぞれに対応した各相の絶縁樹脂シート３６Ａ，４２Ａ，４３Ａを用いて、放熱板２２Ａに接着している。各相の絶縁樹脂シート３６Ａ，４２Ａ，４３Ａは、互いに一定の距離を離して、放熱板２２Ａに接着されている。

図６に示すように、放熱板２２と同様に、Ｗ相正側導体３３、Ｗ相第１の交流側導体３５、Ｗ相第２の交流側導体３７及びＷ相負側導体３８は、Ｗ相絶縁樹脂シート３６Ａを介して、放熱板２２Ａに接着している。

これらの導体は、半導体チップとの接合面が、放熱板２２Ａの表面（各導体との接合面）に対して垂直となるように、Ｗ相絶縁樹脂シート３６Ａを用いて、放熱板２２Ａに接着されている。インバータ起動時の温度上昇を低減し、これらの各導体の熱拡散の効果により定常熱抵抗を低減するために、各導体と放熱板とを接着する各々の面は、必要な一定の面積を確保している。

Ｖ相及びＵ相も、Ｗ相と同様に、各導体を、放熱板２２と放熱板２２Ａに、絶縁樹脂シート４２Ａ，４３Ａを用いて接着している。

（第２の実施形態の作用・効果）
本実施形態によれば、放熱板２２に加え、さらに放熱板２２Ａを追加することで、半導体チップを接合している各導体の冷却面積を増大させることができる。よって、第１の実施形態に係る電力用半導体素子及びインバータ装置と同様の効果を得られるとともに、より冷却効率に優れたインバータ装置を提供することができる。

（第３の実施形態）
図８を参照して、本実施形態について説明する。

本インバータ装置は、図１に示すインバータ装置において、Ｗ相出力端子４１Ａが、Ｗ相出力端子４１Ａ−１及びＷ相出力端子４１Ａ−２となって、各端子の構成、位置及び形状が変わり、Ｖ相及びＵ相も同様に変わった点以外は、図１と同じである。

Ｗ相正極端子３９は、Ｗ相正側導体３３と、半導体チップとの接合面及び放熱板２２との接合面の両方に対して、垂直に（非平行に）面している側面に設けられている。Ｗ相正極端子３９は、この側面と一体形成するように設けられている。

Ｗ相負極端子４０、Ｗ相出力端子４１Ａ−１及びＷ相出力端子４１Ａ−２は、それぞれＷ相負側導体３８、Ｗ相第１の交流側導体３５及びＷ相第２の交流側導体３７に設けられている。これらの各端子は、対応する各導体に、Ｗ相正極端子３９がＷ相正側導体３３に設けられているのと同様に設けられている。Ｗ相出力端子４１Ａ−１，４１Ａ−２は、外部配線接続時に相互に接続される。

また、Ｖ相及びＵ相も、Ｗ相と同様に、各端子は、対応する各導体に設けられている。

（第３の実施形態の作用・効果）
本実施形態によれば、Ｗ相正極端子３９、Ｗ相負極端子４０、Ｗ相出力端子４１Ａ−１，４１Ａ−２は、各端子の断面積を大きくすることができ、端子のインピーダンスをより小さくすることができる。よって、第１の実施形態に係る電力用半導体素子及びインバータ装置と同様の効果を得られるとともに、端子のインピーダンス低減による通電損失を抑制することができる。

また、本実施形態を第２の実施形態と組み合わせた構成とする場合、各導体に各端子を付ける面積を確保する必要がないため、放熱板２２Ａと各導体との接合面の面積を大きくとることができ、冷却効率をさらに向上させることができる。

（第４の実施形態）
図９を参照して、本実施形態について説明する。

本インバータ装置は、図８に示すインバータ装置において、Ｗ相正極端子３９、Ｗ相負極端子４０、Ｗ相出力端子４１Ａ−１，４１Ａ−２の設けられる位置が変わった点以外は、図８と同じである。

Ｗ相正極端子３９及びＷ相負極端子４０は、同一平面上に位置するように、それぞれＷ相正側導体３３及びＷ相負側導体３８の側面に設けられている。

一方、Ｗ相出力端子４１Ａ−１及びＷ相出力端子４１Ａ−２は、Ｗ相正極端子３９及びＷ相負極端子４０が設けられている側面と反対側の側面に、同一平面上に位置するように、それぞれＷ相第１の交流側導体３５及びＷ相第２の交流側導体３７に設けられている。

（第４の実施形態の作用・効果）
本実施形態によれば、このように各端子を配列した場合、Ｗ相正極端子３９とＷ相出力端子４１Ａ−１、及びＷ相出力端子４１Ａ−２とＷ相負極端子４０のそれぞれの相互の隣接関係が解消されるので、各相互間の絶縁の配慮が容易になる。その結果、各端子の断面積をさらに大きくすることができ、端子のインピーダンスをさらに低減できる。第１の実施形態に係る電力用半導体素子及びインバータ装置と同様の効果を得られるとともに、さらに、通電損失を抑制することができる。

（第５の実施形態）
図１０を参照して、本実施形態について説明する。なお、図１０は、図１と同様に、Ｗ相電力用半導体素子のみに各端子を図示し、Ｖ相電力用半導体素子及びＵ相電力用半導体素子にも同様に設けられているものとして、図示を省略している。

本インバータ装置は、図１に示すインバータ装置において、Ｗ相第１の交流側導体３５及びＷ相第２の交流側導体３７を一体形成して、Ｗ相交流側導体３５Ａに変わり、Ｖ相及びＵ相も同様に変わった点以外は、図１と同じである。

Ｗ相交流側導体３５Ａは、Ｗ相正側導体３３と対向するように位置している。Ｗ相負側導体３８は、Ｗ相交流側導体３５Ａと対向するように、Ｗ相正側導体３３とは反対側に位置している。

ＩＧＢＴ１９１Ａ〜１９１Ｄ及びダイオード２０１Ａ〜２０１Ｃは、正極側がＷ相正側導体３３と接合し、負極側がＷ相交流側導体３５Ａと接合する。

ＩＧＢＴ１９２Ａ〜１９２Ｄ及びダイオード２０２Ａ〜２０２Ｃは、正極側がＷ相交流側導体３５Ａと接合し、負極側がＷ相負側導体３８と接合する。

Ｖ相及びＵ相も、Ｗ相と同様の構成である。

（第５の実施形態の作用・効果）
本実施形態によれば、第１の実施形態におけるＷ相第１の交流側導体３５及びＷ相第２の交流側導体３７を一体形成することにより、両導体の占める幅が節約できる。また、Ｖ相及びＵ相も、Ｗ相と同様に節約できる。よって、第１の実施形態に係る電力用半導体素子及びインバータ装置と同様の効果を得られるとともに、インバータ装置の全体の体積を小さくすることができる。

（第６の実施の形態）
図１１及び図１２を参照して、本実施形態について説明する。

本インバータ装置は、三相インバータ装置である。

本インバータ装置は、放熱板２２と、絶縁樹脂シート５０と、Ｗ相正側導体３３Ａと、Ｗ相交流側導体３５Ａと、Ｗ相とＶ相の負側導体を共通にしたＷＶ相負側導体３８Ａと、Ｖ相交流側導体３５Ｂと、Ｖ相とＵ相の正側導体を共通にしたＶＵ相正側導体３３Ｂと、Ｕ相交流側導体３５Ｃと、Ｕ相負側導体３８Ｂと、三相インバータ装置の電気回路を構成する前述した各半導体チップと、それぞれの半導体チップに対応する熱緩衝板３４と、Ｗ相正極端子３９Ａと、ＶＵ相正極端子３９Ｂと、ＷＶ相負極端子４０Ａと、Ｕ相負極端子４０Ｂと、Ｗ相出力端子４１Ａと、Ｖ相出力端子４１Ｂと、Ｕ相出力端子４１Ｃとからなる。

図１２に示すように、各導体は、絶縁樹脂シート５０を用いて、放熱板２２に接着されている。

絶縁樹脂シート５０は、全ての導体を放熱板２２に接着している点以外は、他の実施形態の絶縁樹脂シートと同じである。

各導体は、放熱板２２上に、Ｗ相正側導体３３Ａと、Ｗ相交流側導体３５Ａと、ＷＶ相負側導体３８Ａと、Ｖ相交流側導体３５Ｂと、ＶＵ相正側導体３３Ｂと、Ｕ相交流側導体３５Ｃと、Ｕ相負側導体３８Ｂとの順番に、互いに隣接して対向するように構成されている。

本インバータ装置の構成について、図１０のインバータ装置と比較して説明する。なお、熱緩衝板３４は、他の実施形態と同様に構成されているものとする。

Ｗ相の構成において、Ｗ相正側導体３３Ａと、Ｗ相交流側導体３５Ａと、ＷＶ相負側導体３８Ａと、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成は、図１０における、それぞれＷ相正側導体３３と、Ｗ相交流側導体３５Ａと、Ｗ相負側導体３８と、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成と同じである。

Ｖ相の構成において、ＶＵ相正側導体３３Ｂと、Ｖ相交流側導体３５Ｂと、ＷＶ相負側導体３８Ａと、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成は、図１０における、それぞれＷ相正側導体３３と、Ｗ相交流側導体３５Ａと、Ｗ相負側導体３８と、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成と同じである。

Ｕ相の構成において、ＶＵ相正側導体３３Ｂと、Ｕ相交流側導体３５Ｃと、Ｕ相負側導体３８Ｂと、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成は、図１０における、それぞれＷ相正側導体３３と、Ｗ相交流側導体３５Ａと、Ｗ相負側導体３８と、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成と同じである。

（第６の実施形態の作用・効果）
本実施形態によれば、構成部品を少なくして製造できるため、さらに小型化することができ、さらに製造コストを抑えることができる。よって、第１の実施形態に係る電力用半導体素子及びインバータ装置と同様の効果を得られるとともに、さらに小型化に対応し、さらに製造性に優れたインバータ装置を提供することができる。

（第７の実施形態）
図１３及び図１４を参照して、本実施形態について説明する。なお、図１４は、半導体チップの実装位置を示すため、便宜上、負側導体３８Ｓを透視するように図示している。

本インバータ装置は、三相インバータ装置である。

本インバータ装置は、放熱板２２と、絶縁樹脂シート５０と、正側導体３３Ｓと、Ｗ相交流側導体３５Ａと、Ｖ相交流側導体３５Ｂと、Ｕ相交流側導体３５Ｃと、負側導体３８Ｓと、三相インバータ装置の電気回路を構成する前述した各半導体チップと、それぞれの半導体チップに対応する熱緩衝板３４と、正極端子３９Ｓと、負極端子４０Ｓと、Ｗ相出力端子４１Ａ、Ｖ相出力端子４１Ｂ、Ｕ相出力端子４１Ｃとからなる。

正側導体３３Ｓ及び負側導体３８Ｓの各々の幅は、Ｗ相交流側導体３５Ａ、Ｖ相交流側導体３５Ｂ及びＵ相交流側導体３５Ｃの幅の総和よりも広くなっている。

正側導体３３Ｓと負側導体３８Ｓとは、平行に配置されている。

Ｗ相交流側導体３５Ａ、Ｖ相交流側導体３５Ｂ及びＵ相交流側導体３５Ｃは、正側導体３３Ｓと負側導体３８Ｓとの間で、これらの導体と平行になる方向に、一定の絶縁距離を確保して、並べられている。

正側導体３３Ｓと各相の交流側導体３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃとの間と、負側導体３８Ｓと各相の交流側導体３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃとの間にそれぞれ半導体チップが、熱緩衝板３４を介して、接合されている。

本インバータ装置の構成について、図１０のインバータ装置と比較して説明する。なお、熱緩衝板３４は、図１０のインバータ装置と同様に構成されているものとする。

Ｗ相の構成において、正側導体３３Ｓと、Ｗ相交流側導体３５Ａと、負側導体３８Ｓと、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成は、図１０における、それぞれＷ相正側導体３３と、Ｗ相交流側導体３５Ａと、Ｗ相負側導体３８と、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成と同じである。

Ｖ相の構成において、正側導体３３Ｓと、Ｖ相交流側導体３５Ｂと、相負側導体３８Ｓと、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成は、図１０における、それぞれＷ相正側導体３３と、Ｗ相交流側導体３５Ａと、Ｗ相負側導体３８と、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成と同じである。

Ｕ相の構成において、正側導体３３Ｓと、Ｕ相交流側導体３５Ｃと、Ｕ相負側導体３８Ｓと、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成は、図１０における、それぞれＷ相正側導体３３と、Ｗ相交流側導体３５Ａと、Ｗ相負側導体３８と、これらの各導体間に接合される半導体チップとの構成と同じである。

正極端子３９Ｓ及び負極端子４０Ｓは、それぞれ正側導体３３Ｓ及び負側導体３８Ｓに電気的に接続されている。この他の点は、第１の実施形態のＷ相正極端子３９及びＷ相負極端子４０と同様である。

Ｗ相出力端子４１Ａ、Ｖ相出力端子４１Ｂ及びＵ相出力端子４１Ｃは、それぞれＷ相交流側導体３５Ａ、Ｖ相交流側導体３５Ｂ、及びＵ相交流側導体３５Ｃの上部に電気的に接続されている。なお、第３の実施形態と同様に、これらの各端子おいても、それぞれに接続されている各導体と一体形成されていてもよい。

（第７の実施形態の作用・効果）
本実施形態によれば、第６の実施形態による構成部品よりもさらに少ない構成部品で製造できるため、第６の実施形態よりも、さらに小型化することができ、さらに製造コストを抑えることができる。よって、第１の実施形態に係る電力用半導体素子及びインバータ装置と同様の効果を得られるとともに、第６の実施形態よりも、さらに小型化に対応し、さらに製造性に優れたインバータ装置を提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、以下のように変形して実施することができる。

各実施形態において、各導体は、直方体として図示しているが、これに限らない。半導体チップを正極側及び負極側から接合でき、各導体が放熱板２２に接合でき、各実施形態における効果等（冷却効率等）を得ることができれば、形状は何でもよい。例えば、立方体や直方体の折れ曲がっている形状であってもよいし、曲面、突起、窪みなどを有していてもよい。本インバータ装置を適用する対象物や目的に応じて、適宜変形することができる。

各実施形態のインバータ装置において、放熱板２２の表面と、各導体の半導体チップとの接合面は、垂直でなくともよい。半導体チップを両面から冷却できるように、この半導体チップが２つの導体と接合し、さらにこの２つの導体が放熱板２２と接合していればよく、放熱板２２の表面と接合面との角度は問わない。よって、例えば各導体が直方体のような形状の場合に、放熱板２２の表面と接合面とは、非平行或いは垂直となる。また、第２の実施形態における放熱板２２Ａについても同様である。

各実施形態は、２つ以上の実施形態を組み合わせた構成とすることにより、それぞれの実施形態による効果を得ることができる。例えば、ある実施形態のインバータ装置の上面に放熱板２２Ａを接合することで、新たに、第２の実施形態の効果である冷却効率をさらに高めることができる。また、ある実施形態のインバータ装置において、各端子とそれに対応する導体を一体形成することで、第３の実施形態の効果である端子のインピーダンス低減による通電損失を抑制することができる。

第６の実施形態では、Ｗ相とＶ相の負側導体を共通にし、Ｖ相とＵ相の正側導体を共通にしたが、Ｗ相とＶ相の正側導体を共通にし、Ｖ相とＵ相の負側導体を共通にしてもよい。本インバータ装置を適用する対象物などに合わせて、適宜選択することができる。同様に、単相インバータ装置として構成する場合においても、負側導体及び正側導体のどちらを共通の導体としてもよい。

冷却器は、半導体チップから発生する熱が最終的に放熱できる役割をすれば、どのようなものであってもよい。例えば、インバータ装置の筐体の底面に、流路が設けられ、流路の内部を流れる冷媒（例えば、不凍液）により冷却する方式でもよい。

各実施形態において、ＩＧＢＴ及びダイオードを実装する個数はいくつであってもよい。半導体チップは、大容量化したものを選択すると寿命が短くなる。また、あまり小容量化のものを選択すると、並列接続する個数を増やす必要がある。このため、装置全体が大きくし、配線も増え、自己インダクタンスを増やす恐れがある。従って、適用する対象物（例えば、電気自動車）に適用する目的や用途などにより適宜変更し、最適な電力容量等を選ぶことができる。

各実施形態において、各導体は、放熱部として放熱板２２に接着する構成としたが、放熱効果のある他のものであってもよい。例えば、放熱部として、冷却器に直接接着する構成としてもよい。

各絶縁樹脂シートは、任意の絶縁樹脂シートを一体形成としてもよいし、適宜分割して切り離してもよい。

各端子の接続位置は、各実施形態の構成及び効果などを満たせば、接続する各導体の何処に接続してもよい。また、各端子は、直流電源１や交流電力の供給先などとの配線をし易くするために、穴が空いていたり、ネジ状の取り付け部を有していたり、その他の特別な形状を有していてもよい。

１…直流電源、２…出力部、４…コンデンサ、１０…電力用半導体素子、２２…放熱板、３３…Ｗ相正側導体、３５…Ｗ相第１の交流側導体、３６…Ｗ相絶縁樹脂シート、３７…Ｗ相第２の交流側導体、３８…Ｗ相負側導体、３９…正極端子、４０…負極端子、４１Ａ…Ｗ相出力端子、４１Ｂ…Ｖ相出力端子、４１Ｃ…Ｕ相出力端子、４２…Ｖ相絶縁樹脂シート、４３…Ｕ相絶縁樹脂シート、１９１Ａ〜１９１Ｄ，１９２Ａ〜１９２Ｄ…ＩＧＢＴ、２０１Ａ〜２０１Ｃ，２０２Ａ〜２０２Ｃ…ダイオード。

Claims (3)

1. 直流電力を交流電力に変換するインバータ装置において、
   第１の放熱部と、
   前記第１の放熱部の上に設けられた正側導体と、
   前記正側導体と対向するように前記第１の放熱部の上に設けられた負側導体と、
   前記正側導体と前記負側導体との間の一部に位置し、前記第１の放熱部の上に設けられた第１の交流側導体と、
   前記第１の交流側導体の上に設けられた第１の交流端子と、
   前記第１の交流側導体と前記正側導体との間に設けられ、前記正側導体と正極側が接合され、前記第１の交流側導体と負極側が接合された第１の半導体チップと、
   前記第１の交流側導体と前記負側導体との間に設けられ、前記負側導体と負極側が接合され、前記第１の交流側導体と正極側が接合された第２の半導体チップと、
   前記第１の交流側導体とは異なる位置で、前記正側導体と前記負側導体との間の一部に位置し、前記第１の放熱部の上に設けられた第２の交流側導体と、
   前記第２の交流側導体の上に設けられた第２の交流端子と、
   前記第２の交流側導体と前記正側導体との間に設けられ、前記正側導体と正極側が接合され、前記第２の交流側導体と負極側が接合された第３の半導体チップと、
   前記第２の交流側導体と前記負側導体との間に設けられ、前記負側導体と負極側が接合され、前記第２の交流側導体と正極側が接合された第４の半導体チップと
   を具備することを特徴とするインバータ装置。
2. 前記第１の交流側導体及び前記第２の交流側導体とは異なる位置で、前記正側導体と前記負側導体との間に位置し、前記第１の放熱部の上に設けられた第３の交流側導体と、
   前記交流側導体の上に設けられた第３の交流端子と、
   前記第３の交流側導体と前記正側導体との間に設けられ、前記正側導体と正極側が接合され、前記第３の交流側導体と負極側が接合された第５の半導体チップと、
   前記第３の交流側導体と前記負側導体との間に設けられ、前記負側導体と負極側が接合され、前記第３の交流側導体と正極側が接合された第６の半導体チップと
   を具備することを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記第１の放熱部の上に設けられた全ての導体と同一平面上で接合する第２の放熱部
   を具備することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のインバータ装置。

Images