JP5544255B2 - 半導体パワーモジュール及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体パワーモジュール及び電力変換装置に係り、特に、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴという）などの電力用半導体素子が搭載される大容量に好適な半導体パワーモジュール及び電力変換装置に関する。

風力発電機などに用いられている電力変換装置に搭載される半導体パワーモジュールは、１つの電力用半導体素子あたりに流すことのできる電流量は限られているため、半導体パワーモジュールの内部でＩＧＢＴ素子が多数並列接続され、かつ、半導体パワーモジュール自体を、並列使用する必要がある。つまり、大容量の電力変換装置の小型化を実現するためには、１つ１つのモジュールが小型化され、かつ、それらモジュールを並列に組み合わせた状態でも小型化されている必要がある。

１つ１つのモジュールを小型化するためには、ＩＧＢＴ素子の面積や並列数を小さくする必要があり、その手段として冷却性能を向上させることが有効である。特に、液体冷却は、空気冷却に比べ冷却性能が高いため、大容量電力変換装置の冷却には広く用いられている。液体冷却は、通常、半導体パワーモジュールに、例えば、熱伝導グリースなどを介して放熱フィンが接着され、その放熱フィンが冷却水の流路の中に浸されることで冷却するものである。ところが、熱伝導グリースは、金属に比べ熱抵抗が高いという欠点を有している。

これに対して、より高い冷却能力を確保し、１つ１つのモジュールを小型化するために、熱伝導グリースを介することなく、冷却部に熱を伝達し冷却する直接冷却方式の半導体パワーモジュールが知られている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。

その直接冷却方式の半導体パワーモジュールによれば、ヒートシンクの上面に絶縁層を介して電力用半導体素子が直接搭載され、かつ、ヒートシンクの下面に放熱フィンが設けられているが、このとき、水路形成体の上面の開口部がヒートシンクの下面によって覆い塞がれている構造であるため、ヒートシンクの下面は、冷却水に直接接触することになり、ヒートシンクの冷却効果が向上することになる。その結果、１モジュールあたりのＩＧＢＴ素子の面積や並列数を小さくすることができるので、大容量の電力変換装置の小型化が実現可能となる。

しかし、特許文献１や特許文献２は、車両搭載の回転電機に接続することを想定しており、比較的出力電流が小さくてすむため、１つの半導体モジュールで３相交流を作り出すことが可能な６in１構成（６組の電力用半導体素子が搭載された構成）を採用している。よって、モジュール自体を並列接続することは想定していない。

モジュール自体を並列接続することを想定し、モジュールの放熱器への設置方法や主回路構成については、例えば特許文献３に開示されている。

特開２００７−２９５７６５号公報 特開２００８−２０６２４３号公報 特開２００６−４２４０６号公報

特許文献３は、空気冷却であるため、上述した直接冷却方式の液体冷却に比べたら冷却性能が低く熱を広い面積に拡大して冷却しなければならないので、１つ１つのモジュールの小型化は難しい。また、主回路端子が各モジュールの中央に位置し、各モジュールは通風方向に対して相ごとに平行になるように配置されているため、コンデンサと各直流端子を接続する導体板を設置するスペースが各相の間に必要になる。よって、複数個並列に組み合わせた状態での小型化も困難である。

本発明は、以上のような技術的な問題に鑑みなされたもので、その目的とするところは、大容量で直接冷却方式を採用するものであっても小型化が可能な半導体パワーモジュール及び電力変換装置を提供することにある。

本発明の半導体パワーモジュールは、上記目的を達成するために、複数の電力用半導体素子を搭載した絶縁基板と、前記複数の電力用半導体素子から発生する熱を放熱するヒートシンクと、前記電力用半導体素子へ直流電流を供給する直流端子と、前記電力用半導体素子から交流電流を取り出す交流端子とを備えた半導体パワーモジュールであって、前記絶縁基板は、前記ヒートシンクの冷媒が接触する面と反対側の面に金属接合され、かつ、前記半導体パワーモジュールは、略長方形に形成され、その長手方向に対して前記複数の電力用半導体素子が並列に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の電力変換装置は、上記目的を達成するために、発電機から供給される交流電流を直流に変換するコンバータモジュールと、該コンバータモジュールから供給される直流電流を安定化し、平滑化するためのコンデンサモジュールと、直流電流から所定の周波数の交流電流を生成するためのインバータモジュールとを備え、前記コンバータモジュール若しくはインバータモジュールが、半導体パワーモジュールと、該半導体パワーモジュールによって、上面の開口部が塞がれている水路形成体からなる電力変換装置であって、前記コンバータモジュール若しくはインバータモジュールは、上記構成の半導体パワーモジュールの少なくとも２つが、互いに長辺の面で隣接するよう配置されて構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、大容量で直接冷却方式を採用するものであっても小型化が可能な半導体パワーモジュール及びそれが搭載される電力変換装置を得ることができる。

本発明の実施形態１に係る電力変換装置を示す回路ブロック図である。 本発明の実施形態１に係る電力変換装置のコンデンサモジュールとインバータモジュール及びインバータモジュール用ドライバ回路基板を示す外観斜視図である。 本発明の実施形態１に係る単相分インバータモジュールを示す外観斜視図である。 本発明の実施形態１に係る単相分インバータモジュールを示す分解斜視図である。 本発明の実施形態１に係る水路形成体及び冷媒の進行方向の例を示す斜視図である。 図３のＡ−Ａ′断面図である。 本発明の実施形態１に係る半導体パワーモジュールを示す外観斜視図である。 図７の主端子を外した半導体パワーモジュールを示す外観斜視図である。 本発明の実施形態１に係る電力変換装置のコンデンサモジュールとインバータモジュール及びインバータモジュール用ドライバ回路基板を示す模式図である。 実施形態１で示した半導体パワーモジュールの２つが１つになった場合の図９に相当する図である。 正極直流端子と負極直流端子が半導体パワーモジュールの中央に配置された場合の、コンデンサモジュールとインバータモジュールとインバータモジュール用ドライバ回路８１０の相対位置関係を示す模式図である。 ＩＧＢＴやダイオードが千鳥配列の場合の実施例を示す図である。 隣り合う２つの半導体パワーモジュールを共通のボルトで固定する場合の実施例を示し、図９に相当する図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る電力変換装置の回路ブロック構成の例を示した図である。

図１に示すように、電力変換装置１０００は、ブレード（回転羽根）５００と変圧器６００に接続されており、風の力によって回転するブレード５００によって得た回転力から発電機４００で交流電流を発生させ、この発電機４００から供給される交流電流を直流に変換するコンバータモジュール３００と、前記コンバータモジュール３００から供給される直流電流を安定化し、平滑化するためのコンデンサモジュール２００と、直流電流から所定の周波数の交流電流を生成するためのインバータモジュール１００とから概略構成される。電力変換装置１０００から得た交流電流は、変圧器６００により所定の電圧に変換され、外部電力系統７００へ供給される。

コンバータモジュール３００やインバータモジュール１００において、上下アーム直列回路１のそれぞれは、上アームＩＧＢＴ２ａと上アームダイオード２ｂとの並列接続回路からなる２つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。上下アーム直列回路１の上下端は、それぞれ、コンデンサモジュール２００の正極および負極に接続される。そして、その上側（正極側）に配置された上アームＩＧＢＴ２ａと上アームダイオード２ｂとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる上アームとして動作し、下側（負極側）に配置された下アームＩＧＢＴ２ｃと下アームダイオード２ｄとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる下アームとして動作する。

インバータモジュール１００は、このような上下アーム直列回路１が３組設けられた、いわゆる、３相ブリッジ回路によって構成される。そして、それぞれの上下アーム直列回路１の中点位置、すなわち、上下の電流スイッチ回路の接続部分からは、３相の交流電流（Ｕ，Ｖ，Ｗ）が出力され、その出力された３相の交流電流（Ｕ，Ｖ，Ｗ）は、変圧器６００へ供給される。

また、コンバータモジュール３００は、３つの上下アーム直列回路１からなるインバータ回路を構成し、コンバータモジュール３００を駆動制御するコンバータモジュール用ドライバ回路８００と、コンバータモジュール用ドライバ回路８００へ制御信号を供給するコンバータモジュール用制御回路９００と、を含んで構成されている。同様に、インバータモジュール１００は、３つの上下アーム直列回路１からなるインバータ回路を構成し、各相の上アームＩＧＢＴ２ａにゲート信号を供給し、インバータモジュール３００を駆動制御するインバータモジュール用ドライバ回路８１０と、インバータモジュール用ドライバ回路８１０へ制御信号を供給するインバータモジュール用制御回路９１０と、を含んで構成されている。ここで、両ドライバ回路８００，８１０から出力されるゲート信号は、各相の上アームＩＧＢＴ２ａに供給され、交流電流（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の振幅や位相などを制御する。

各制御回路９００，９１０は、各上アームＩＧＢＴ２ａのスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータを備えている。ちなみに、各アームの上アームＩＧＢＴ２ａのエミッタ電極は、各ドライバ回路８００，８１０に接続され、各ドライバ回路８００，８１０は、それぞれの上アームＩＧＢＴ２ａごとにエミッタ電極における過電流検知を行い、過電流が検知された上アームＩＧＢＴ２ａについては、そのスイッチング動作を停止させ、過電流から保護する。さらに、各制御回路９００，９１０には、上下アーム直列回路１に設けられた図示しない温度センサや、上下アーム直列回路１の両端に印加される直流電圧を検出する検出回路などからの信号が入力され、それらの信号に基づき、過温度，過電圧などの異常を検知する。そして、過温度，過電圧などの異常を検知した場合には、全ての上アームＩＧＢＴ２ａスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路１を過電流，過電圧，過温度などの異常から保護する。

以上に示した電力変換装置１０００において、上アームＩＧＢＴ２ａおよび上アームダイオード２ｂからなる電流スイッチ回路は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いて構成してもよい。図１に示したインバータモジュール１００やコンバータモジュール３００は、それぞれ６個の上アームＩＧＢＴ２ａが搭載された６in１構造の半導体モジュールである。半導体モジュールは６in１構造だけでなく、１２個すべての上アームＩＧＢＴ２ａが搭載された１２in１構造でも良いし、２個の上アームＩＧＢＴ２ａが搭載された２in１構造の半導体モジュールでも良い。さらに、出力電流が大きい場合には個数を増やして並列接続して良い。さらに、電力変換装置１０００は、図１の回路構成に加え、電池に充電する機能が入った装置であってもよい。また図１の回路構成に加え、風車の回転数から発電機の回転数に変換する増速器を設けても良い。

図２は、本発明の実施形態１に係る電力変換装置のコンデンサモジュール２００とインバータモジュール１００及びインバータモジュール用ドライバ回路８１０の外観斜視図の例を示した図である。

図２に示すように、コンデンサモジュール２００とインバータモジュール１００は、正極導体板２０３ａと負極導体板２０３ｂによって電気的に接続され、インバータモジュール１００とインバータモジュール用ドライバ回路８１０は、弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極１１２によって電気的に接続される。コンデンサモジュール２００には、コンデンサセル２０１が複数搭載されており、各コンデンサセル２０１を挟み込むように正極導体板２０２ａと負極導体板２０２ｂが配置され、それぞれの導体板は前記正極導体板２０３ａと負極導体板２０３ｂに接続されている。

インバータモジュール１００は、主に半導体パワーモジュール１１０と、半導体パワーモジュール１１０によって開口部を塞ぐ水路形成体１０１とからなる。水路形成体１０１には、入口パイプ１０１ａと出口パイプ１０１ｂが一体成型されており、入口パイプ１０１ａから冷媒を供給し、出口パイプ１０１ｂから取り出す構成になっている。

図２の例は、図１の上下アーム直列回路１に相当する箇所に、１相あたり２in１タイプの半導体パワーモジュール１１０を２台設けている。この結果、３相の交流電流Ｕ，Ｖ，Ｗを出力するために、２in１タイプの半導体パワーモジュール１１０を６つ用意しており、２つのパワーモジュールを繋げるように交流電流供給用導体板１２０を設けている。インバータモジュール用ドライバ回路８１０は、複数の半導体パワーモジュール１１０の上面を跨るように配置されている。インバータモジュール用ドライバ回路８１０が、複数ある半導体パワーモジュール１１０の上方に配置することにより、インバータモジュール用ドライバ回路８１０と半導体パワーモジュール１１０の間の配線長を短くすることができ、かつドライバ回路を１枚にすることで床面積を共通化することで、くみ上げたときの小型化を実現できる。

３相を構成する水路形成体１０１と半導体パワーモジュール１１０の構造は全て同じであるため、１相分の水路形成体に２つの半導体パワーモジュール１１０が搭載された図（図３〜図９）を用いて詳細構造を説明する。

図３は本発明の実施形態１に係る単相分インバータモジュール１００の外観斜視図の例を示した図であり、図４は図３の分解図の例を示した図である。

インバータモジュール１００は、水路形成体１０１と、この水路形成体１０１の上面に位置する水路開口部１０１ｃを塞ぐように、Ｏリング１３０を代表とするシール材を介して、半導体パワーモジュール固定用ボルト穴１０３にボルトを通すことによって固定される半導体パワーモジュール１１０とで構成される。上面から、Ｏリング１３０と半導体パワーモジュール１１０を取り付けることにより、組み付け時にＯリング１３０がＯリング用溝１０２から外れることがないため、組立性が向上する。

水路形成体１０１は、鋳造（重力鋳造やダイキャスト）により一体成型され、Ｏリング用溝１０２，半導体パワーモジュール固定用ボルト穴１０３，入口パイプ１０１ａ，出口パイプ１０１ｂは、鋳造後に機械加工される。機械加工用チャック１０５は、機械加工時に水路形成体１０１を加工機に固定する際使用され、Ｏリング用溝１０２の外側に機械加工用チャックを設けることにより、シールの信頼性を維持している。また、水路形成体１０１を一体成型することにより、シールの信頼性が向上し、小型化低コスト化にも繋がる。

なお、シールにはＯリング１３０を用いず、液状シールや金属パッキンを用いても良い。

図３に示すように、各半導体パワーモジュール１１０は略長方形であり、正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂ及び交流端子１１１ｃが短辺側に設けられている。その結果、比較的面積を有する強電系の端子（正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂ及び交流端子１１１ｃ）が各半導体パワーモジュール１１０の間に配置する必要がなくなり、各半導体パワーモジュール１１０を隣接して配置することが可能となり、複数の半導体パワーモジュール１１０を組み合わせた状態でも小型化が可能となる。

図４は本発明の実施形態１に係る単相分インバータモジュールを示す分解斜視図、図５は本発明の実施形態１に係る水路形成体１０１および冷媒の進行方向の例を示した図である。

冷媒は、入口パイプ１０１ａから入口パイプ内冷媒進行方向１５０ａに従い水路形成体１０１に流入し、１つ目の半導体パワーモジュール１１０のヒートシンク４が挿入されている（図６参照）水路開口部１０１ｃ内をヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに従い進行し、水路形成体の開口部間を繋ぐ流路（図示せず）を水路形成体１０１の開口部間を繋ぐ流路内冷媒進行方向１５０ｄに従い進行方向を変え、１つ目のヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃに対向する方向に、２つ目の半導体パワーモジュール１１０のヒートシンク４が挿入されている水路開口部１０１ｃ内をヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｅに従い進行し、出口パイプ１０１ｂから出口パイプ内冷媒進行方向１５０ｂに従い水路形成体１０１から流出する。

図４及び図５に示すように、モジュール長手方向に冷媒用流路が形成されヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃ，１５０ｅをモジュール長手方向と同じにすることで、流路幅（図５中のＷ）を小さくすることができ、その結果、流路内の流速が大きくなり冷却性能が向上する。冷却性能が向上することで、電力用半導体素子２の面積を小さくすることができ、その結果小型化が実現できる。

図６は図３のＡ−Ａ′断面を示す図である。同じ構造をした２つの半導体パワーモジュール１１０が、隣接して配置されているのがわかる。半導体パワーモジュール１１０は、直接冷却方式の半導体パワーモジュールであるため、ヒートシンク４の上面に絶縁基板３を介して上アームＩＧＢＴ２ａや上アームダイオード２ｂが搭載される。

このとき、水路形成体１０１の上面の水路開口部１０１ｃがヒートシンク４の下面によって覆い塞がれている構造であるので、ヒートシンク４の下面は、冷却水に直接に接触することになり、ヒートシンク４の冷却効果が向上する。直接冷却方式の半導体パワーモジュールは熱抵抗が小さいため、熱を広げずに冷却できる特徴がある。よって、上アームＩＧＢＴ２ａや上アームダイオード２ｂなどの発熱源近傍領域の幅（図６中のＷｃ）に対して１〜１０mm程度大きい流路幅（図６中のＷ）で冷却が可能なため、ヒートシンク４のフィン領域を必要最低限に抑えることができ、その結果小型化が実現できる。

弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極１１２や上アームエミッタ領域の主端子接続部５ｂなどは、あまり発熱しないため、積極的に冷却する必要がない。よって、水路開口部１０１ｃの外側に位置させることが可能である。

水路開口部１０１ｃの外側は、Ｏリング１３０などのシール材があるシール領域でもあるため、弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極１１２や上アームエミッタ領域の主端子接続部５ｂの位置と共通化することにより、スペース効率が上がり、その結果半導体パワーモジュールを小型化できる。

図７は本発明の実施形態１に係る半導体パワーモジュール１１０の外観斜視図の例を示した図であり、図８は図７の主端子を外した図である（ただし、主端子接続部は図８にも図示してある。）。

該図に示す如く、半導体パワーモジュール１１０の片方の辺には、正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂを設け、直流端子が配置される面とは反対の面に交流端子１１１ｃを設け、強電系の端子（直流や交流の主端子１１１）が設けられている面とは別の面に弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極１１２を設けることにより、強電系から弱電系を離すことができるため、各信号（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）のノイズを抑制することができる。

強電系の主端子（直流や交流の主端子１１１）から電力用半導体素子２へ電流を供給するために、電力用半導体素子２の上方に積層平板１１３を設けている。積層平板１１３は、上から順に負極導体板１１３ａ，絶縁材１１３ｂ，正極導体板１１３ｃ，絶縁材１１３ｄ，交流導体板１１３ｅがレイヤー状に積層されて構成されている。負極導体板１１３ａと正極導体板１１３ｃは、絶縁材１１３ｂを介して並行して配置され、且つ逆向きの同一電流が流れる。その結果、負極導体板１１３ａと正極導体板１１３ｃの間の空間では、互いの電流によって発生する磁界が打ち消し合うことになり、結果として電流経路のインダクタンスが低下することとなる。

なお、絶縁材１１３ｂ（１１３ｄ）は、各導体板（負極導体板１１３ａ，正極導体板１１３ｃ，交流導体板１１３ｅ）を電気的に絶縁する目的で設けられ、絶縁紙を導体板に接着する方法や、導体板にラミネートコーティングする方法によって実装される。

また、積層平板を上面から見た形状は、略台形型をしており、絶縁基板上の金属パターンと接続されている各端子に向かって低インダクタンスで電流が流れる形状である。

図８では、主端子の下に隠れ見えにくかった上アームＩＧＢＴ２ａと上アームダイオード２ｂの面積や位置がわかるようにしている。

この実施例では、上アームと下アームそれぞれに上アームＩＧＢＴ２ａと上アームダイオード２ｂを３つずつ並列に接続している。並列接続する方向は、ヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃと同じであり、その結果、流路幅を小さくすることができ、流速に比例する熱伝達率を上げることが可能となる。熱伝達率が上がることにより、冷却性能は向上し、その結果、熱抵抗が低減でき、上アームＩＧＢＴ２ａと上アームダイオード２ｂの面積を低減することが可能となり、半導体パワーモジュール１１０の小型化に繋がる。

一般的には、上アームダイオード２ｂの方が上アームＩＧＢＴ２ａよりも総面積（１素子あたりの面積×並列数）が小さく、コレクタ領域回路パターン上に主端子接続領域を設けることが可能である。一方、エミッタ領域の回路パターンへの主端子接続部は、上アームＩＧＢＴ２ａと上アームダイオード２ｂから離れた位置に設けられる。図６に示した通り、上アームエミッタ領域の主端子接続部５ｂなどはあまり発熱しないため、積極的に冷却する必要がない。よって、水路開口部１０１ｃの外側に位置させることが可能である。水路開口部１０１ｃの外側はＯリング１３０などのシール材があるシール領域でもあるため、弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極１１２や上アームエミッタ領域の主端子接続部５ｂの位置と共通化することにより、スペース効率が上がり、その結果、半導体パワーモジュールを小型化できる。

図９は、図２に示した本発明の実施形態１に係る電力変換装置のコンデンサモジュール２００とインバータモジュール１００及びインバータモジュール用ドライバ回路８１０の模式図である。

該図に示す如く、正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂ及び交流端子１１１ｃは、インバータモジュール１００の短辺側に設けられている。これにより、コンデンサモジュール２００とインバータモジュール１００との距離を短くすることができ、互いに隣接して配置でき、インダクタンス低減の効果がある。さらに比較的面積を有する強電系の端子（正極直流端子１１１ａ，負極直流端子１１１ｂ，交流端子１１１ｃ）が各半導体パワーモジュール１１０の短辺側に設けられ、かつ、各半導体パワーモジュール１１０は長辺側で隣接するため、各半導体パワーモジュール１１０の間に強電系の端子を配置する必要がなくなり、各半導体パワーモジュール１１０を隣接して配置することができ、複数の半導体パワーモジュール１１０を組み合わせた状態でも小型化が可能となる。また、インバータモジュール用ドライバ回路８１０の位置を、複数の半導体パワーモジュール１１０の強電系端子を除いた上方領域にすることで、インバータモジュール用ドライバ回路８１０そのものは複数に分ける必要がなくなり、通信用配線回路などの領域が低減し、インバータモジュール用ドライバ回路８１０のコスト低減や小型化が可能となる。また強電系の端子（直流や交流の主端子１１１）が設けられている面とは別の面に弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極１１２を設けることにより、強電系から弱電系を離すことができるため、各信号（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）のノイズを抑制することができる。

本実施例で採用する直接冷却方式の半導体パワーモジュールは、熱抵抗が小さいため、熱を広げずに冷却できる。よって、上アームＩＧＢＴ２ａや上アームダイオード２ｂなどの発熱源近傍領域の幅（図６中のＷｃ）に対して１〜１０mm程度大きい流路幅（図６中のＷ）で冷却が可能なため、ヒートシンク４のフィン領域を必要最低限に抑えることができ、その結果、小型化が実現できる。

上アームＩＧＢＴ２ａと上アームダイオード２ｂが並列に接続される方向は、ヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃと同じである。よって、流路幅を小さくすることができ、流速に比例する熱伝達率を上げることが可能となる。熱伝達率が上がることにより、冷却性能は向上し、その結果、熱抵抗が低減でき上アームＩＧＢＴ２ａと上アームダイオード２ｂの面積を低減することが可能となり、半導体パワーモジュール１１０の小型化に繋がる。

上記実施例はインバータモジュール１００を例に示したが、コンバータモジュール３００に置き換えても良い。また、ヒートシンク４は、ピンフィン，平板フィン、或いはコルゲートフィンであっても良い。また、上記実施例の電力変換装置１０００は、風力発電用として好適であるばかりでなく、自動車やトラックなどの電力変換装置，電車や船舶や航空機などの電力変換装置，工場設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置，家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられる家庭用電力変換装置に対しても適用することができる。

（実施形態２）
図１０は、図９に示した実施形態１で示した半導体パワーモジュール１１０の２つが１つになった場合の実施例を示す図である。

該図に示す例は、コンデンサモジュール２００とインバータモジュール１００とインバータモジュール用ドライバ回路８１０の相対位置関係は変わらないが、弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極１１２の位置を半導体パワーモジュール１１０の略中央に配置することに特徴がある。弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極１１２の位置を可能なかぎり共通化することにより、インバータモジュール用ドライバ回路８１０の回路を、よりシンプルに構成することが可能となり、その結果、インバータモジュール用ドライバ回路８１０の小型化に繋がる。

（実施形態３）
図１１は、正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂが、半導体パワーモジュール１１０の略中央に配置された場合のコンデンサモジュール２００とインバータモジュール１００とインバータモジュール用ドライバ回路８１０の相対位置関係を示す模式図である。

該図に示す如く、正極直流端子１１１ａと負極直流端子１１１ｂが、半導体パワーモジュール１１０の略中央に配置されることにより、コンデンサモジュール２００と各半導体パワーモジュール１１０の距離を最短にし、かつ、インダクタンスを低減させるために、コンデンサモジュールは、各半導体パワーモジュール１１０に対して積層される構成をとる。また、弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の端子１１２の位置を強電系の端子（直流や交流の主端子１１１）から離し、ノイズを低減させるために、弱電系の端子はモジュール端部に設け、インバータモジュール用ドライバ回路８１０は、各半導体パワーモジュール１１０側面に隣接するように配置される。

なお、本実施例は、説明を簡略化するために、上アームＩＧＢＴ２ａ，上アームダイオード２ｂ，ヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃを省略しているが、基本構成は、上アームＩＧＢＴ２ａや上アームダイオード２ｂの並列方向がヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃと一致するという意味では実施例１と同じである。

（実施形態４）
図１２は、上アームＩＧＢＴ２ａや上アームダイオード２ｂが千鳥配列の場合の実施例である。基本構成は、上アームＩＧＢＴ２ａや上アームダイオード２ｂの並列方向がヒートシンク内冷媒進行方向１５０ｃと一致するという意味では実施例１と同じである。

（実施形態５）
図１３は、隣り合う２つの半導体パワーモジュール１１０を共通のボルトで固定する場合の実施例を示す。

本実施例は、半導体パワーモジュール固定用ボルト穴を、互いに隣り合う２つの半導体パワーモジュール１１０で共通化し、一緒に固定することにより、ボルト総数を低減させ、組立コストを低減させることができ、かつ組み合わせたときの全体の小型化が実現できるものである。

１ 上下アーム直列回路
２ 電力用半導体素子
２ａ 上アームＩＧＢＴ
２ｂ 上アームダイオード
２ｃ 下アームＩＧＢＴ
２ｄ 下アームダイオード
３ 絶縁基板
４ ヒートシンク
５ａ 上アームコレクタ領域の主端子接続部
５ｂ 上アームエミッタ領域の主端子接続部
５ｃ 下アームコレクタ領域の主端子接続部
５ｄ 下アームエミッタ領域の主端子接続部
６ａ 上アームコレクタ領域の回路パターン
６ｂ 上アームエミッタ領域の回路パターン
６ｃ 下アームコレクタ領域の回路パターン
６ｄ 下アームエミッタ領域の回路パターン
１１ａ 正極直流端子接続部
１１ｂ 負極直流端子接続部
１１ｃ 交流端子接続部
１００ インバータモジュール
１０１ 水路形成体
１０１ａ 入口パイプ
１０１ｂ 出口パイプ
１０１ｃ 水路開口部
１０２ Ｏリング用溝
１０３ 半導体パワーモジュール固定用ボルト穴
１０４ 水路形成体底面空間
１０５ 機械加工用チャック
１０７ａ 入口／出口パイプ水路断面積
１０７ｂ ノズル最小部水路断面積
１０７ｃ モジュール間水路断面積
１０７ｄ 開口部水路断面積
１０８ａ 水路形成体抜き勾配
１０８ｂ 抜き勾配が存在する部位の壁面厚さ
１０９ ヒートシンクと水路形成体との間の距離
１０９ａ ヒートシンクフィン先端と水路形成体との間の距離（クリアランス）
１０９ｂ ヒートシンクベースと水路形成体との間の距離
１１０ 半導体パワーモジュール
１１１ 主端子（正極直流端子，負極直流端子，交流端子）
１１１ａ 正極直流端子
１１１ｂ 負極直流端子
１１１ｃ 交流端子
１１２ 弱電系（ゲート信号，温度検知信号，エミッタ信号）の電極
１１３ 積層平板
１１３ａ，２０２ｂ，２０３ｂ 負極導体板
１１３ｂ，１１３ｄ 絶縁材
１１３ｃ，２０２ａ，２０３ａ 正極導体板
１１３ｅ 交流導体板
１２０ 交流電流供給用導体板
１３０ Ｏリング
１５０ａ 入口パイプ内冷媒進行方向（流入方向）
１５０ｂ 出口パイプ内冷媒進行方向（吐出方向）
１５０ｃ，１５０ｅ，１５０ｆ，１５０ｇ，１５０ｈ，１５０ｉ ヒートシンク内冷媒進行方向
１５０ｄ 水路形成体の開口部間を繋ぐ流路内冷媒進行方向
１５１ 入口パイプから繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向
１５２ 出口パイプへ繋がる半導体パワーモジュールの下層を流れる流路内の冷媒進行方向
２００ コンデンサモジュール
２０１ コンデンサセル
３００ コンバータモジュール
４００ 発電機
５００ ブレード（回転羽根）
６００ 変圧器
７００ 外部電力系統
８００ コンバータモジュール用ドライバ回路
８１０ インバータモジュール用ドライバ回路
９００ コンバータモジュール用制御回路
９１０ インバータモジュール用制御回路
１０００ 電力変換装置

Claims (12)

1. 複数の電力用半導体素子を搭載した絶縁基板と、前記複数の電力用半導体素子から発生する熱を放熱するヒートシンクと、前記電力用半導体素子へ直流電流を供給する直流端子と、前記電力用半導体素子から交流電流を取り出す交流端子とを備えた半導体パワーモジュールであって、
   前記絶縁基板は、前記ヒートシンクの冷媒が接触する面と反対側の面に金属接合され、かつ、前記半導体パワーモジュールは、略長方形に形成され、その長手方向に対して前記複数の電力用半導体素子が並列に設けられ、
   １相あたりの前記並列方向が前記ヒートシンク内における前記冷媒の進行方向と同じであり、かつ、前記並列方向の延長線上に、前記直流端子と前記交流端子とから成る主端子が配置されている
   ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
2. 請求項１に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記半導体パワーモジュールは、略長方形の短辺側に強電系の直流端子と交流端子が設けられている
   ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
3. 請求項２に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記半導体パワーモジュールの外周の一辺に設けられる直流端子とは反対側の辺に交流端子が設けられていると共に、前記直流端子と交流端子の間には積層平板が設けられ、さらに強電系の端子が設けられている辺とは別の辺に弱電系の電極が設けられている
   ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
4. 請求項２に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記半導体パワーモジュールの外周の一辺に直流端子と交流端子を設け、該強電系の端子が設けられている辺とは別の辺に弱電系の電極が設けられている
   ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
5. 請求項３に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記積層平板は、上から負極導体板，絶縁材，正極導体板，絶縁材，交流導体板がレイアー状に積層されている
   ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
6. 請求項３又は５に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記積層平板は、上面から見た形状が略台形型である
   ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
7. 請求項３又は４に記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記弱電系の電極は、半導体パワーモジュールの略中央に配置されている
   ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
8. 請求項２乃至４のいずれかに記載の半導体パワーモジュールであって、
   前記強電系の端子は、半導体パワーモジュールの略中央に配置されている
   ことを特徴とする半導体パワーモジュール。
9. 発電機から供給される交流電流を直流に変換するコンバータモジュールと、該コンバータモジュールから供給される直流電流を安定化し、平滑化するためのコンデンサモジュールと、直流電流から所定の周波数の交流電流を生成するためのインバータモジュールとを備え、前記コンバータモジュール若しくはインバータモジュールが、半導体パワーモジュールと、該半導体パワーモジュールによって、上面の開口部が塞がれている水路形成体からなる電力変換装置であって、
   前記コンバータモジュール若しくはインバータモジュールは、請求項１乃至８のいずれかに記載の半導体パワーモジュールの少なくとも２つが、互いに長辺の面で隣接するよう配置されて構成されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項９に記載の電力変換装置であって、
    前記水路形成体の上面の開口部は、シール材を介して前記半導体パワーモジュールによって塞がれている
    ことを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１０に記載の電力変換装置であって、
    複数の電力用半導体素子がある領域よりも１〜１０mm広い領域に冷媒流路を設け、前記半導体パワーモジュールがシールされる領域に、前記弱電系の電極が設けられている
    ことを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項１０に記載の電力変換装置であって、
    複数の電力用半導体素子がある領域よりも１〜１０mm広い領域に冷媒流路を設け、前記半導体パワーモジュールがシールされる領域に、エミッタ領域の回路パターンを設けて直流端子若しくは主端子を接続させる
    ことを特徴とする電力変換装置。

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