JP5879238B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、インバータ回路に使用するためのパワー半導体モジュールに関する。
インバータ回路で大電流のスイッチング制御を行うために従来使用されているＩＧＢＴ等のパワー半導体素子では、電流に応じた発熱を効果的に冷却する必要がある。さらに近年では、小型化、構造の簡素化、耐環境性、信頼性向上などのために冷却効率の向上が望まれている。特許文献１には、ＩＧＢＴとダイオードの表裏両面に電極をそれぞれ設け、これらの電極に板状のリード配線をそれぞれ接合することで、放熱面積を増大して冷却効率を向上させた半導体装置が開示されている。
特開２００７−５３２９５号公報
特許文献１に開示された従来の半導体装置では、ＩＧＢＴ素子からなる半導体チップの表面側に、ＩＧＢＴのゲート端子とエミッタ端子に加えて、エミッタ電位を検出するためのセンサ端子が設けられている。そのため、半導体チップ上でエミッタ端子のレイアウト範囲に制約が生じており、放熱領域を十分に確保することができない。
上記に鑑みて、本発明の目的は、パワー半導体素子を冷却するための放熱領域を十分に確保して冷却効率のさらなる向上を図ることにある。
本発明の一態様によるパワー半導体モジュールは、ゲート電極およびエミッタ電極が形成された第１電極面と、コレクタ電極が形成された第２電極面とを有するパワー半導体素子と、第１電極面と対向して配置され、エミッタ電極と電気的に接続される第１導体板と、第２電極面と対向して配置され、コレクタ電極と電気的に接続される第２導体板と、ゲート電極と電気的に接続され、ゲート電極への信号を伝送する第１信号導体と、信号の基準電位を測定するためのケルビンエミッタ電極と電気的に接続される第２信号導体と、パワー半導体素子、第１導体板、第２導体板、第１信号導体および第２信号導体を一体的に封止する封止材と、を備え、第１導体板と第２信号導体とを電気的に接続することで、第１導体板の一部をケルビンエミッタ電極として用い、第１導体板は、エミッタ電極が固着された固着領域を含む固着面と、固着面とは反対側に設けられた伝熱面とを有し、第１導体板は、固着領域に対応する伝熱面の領域内において、第２信号導体と接続されており、伝熱面は、固着面から第１の距離だけ離れた第１伝熱面と、固着面から第１の距離より小さい第２の距離だけ離れた第２伝熱面とを有し、第２伝熱面に第２信号導体との接続部が形成されているものである。
本発明の他の一態様によるパワー半導体モジュールは、ゲート電極およびエミッタ電極が形成された第１電極面と、コレクタ電極が形成された第２電極面とを有するパワー半導体素子と、第１電極面と対向して配置され、エミッタ電極と電気的に接続される第１導体板と、第２電極面と対向して配置され、コレクタ電極と電気的に接続される第２導体板と、ゲート電極と電気的に接続され、ゲート電極への信号を伝送する第１信号導体と、信号の基準電位を測定するためのケルビンエミッタ電極と電気的に接続される第２信号導体と、を備え、第１導体板と第２信号導体とを電気的に接続することで、第１導体板の一部をケルビンエミッタ電極として用い、第１導体板は、エミッタ電極が固着された固着面と、第２信号導体と接合された接合面と、固着面および接合面とは反対側に設けられた伝熱面とを有するものである。
本発明のさらに別の一態様によるパワー半導体モジュールは、ゲート電極およびエミッタ電極が形成された第１電極面と、コレクタ電極が形成された第２電極面とを有するパワー半導体素子と、第１電極面と対向して配置され、エミッタ電極と電気的に接続される第１導体板と、第２電極面と対向して配置され、コレクタ電極と電気的に接続される第２導体板と、ゲート電極と電気的に接続され、ゲート電極への信号を伝送する第１信号導体と、信号の基準電位を測定するためのケルビンエミッタ電極と電気的に接続される第２信号導体と、パワー半導体素子、第１導体板、第２導体板、第１信号導体および第２信号導体を一体的に封止する封止材と、アノード電極およびカソード電極を有するダイオードと、第１電極面およびアノード電極と対向して配置された第３導体板と、アノード電極と第３導体板との間に配置され、一方の面にアノード電極が固着され、他方の面が第３導体板と接合される第４導体板と、を備え、第１導体板と第２信号導体とを電気的に接続することで、第１導体板の一部をケルビンエミッタ電極として用い、第１導体板は、第１電極面と第３導体板との間に配置され、一方の面にエミッタ電極が固着され、他方の面が第３導体板と接合されており、第３導体板は、第１導体板および第４導体板と接合されている面とは反対側の面が封止材から露出しているものである。
本発明によれば、パワー半導体素子を冷却するための放熱領域を十分に確保して冷却効率を向上することができる。
本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置を搭載したハイブリッド自動車の制御ブロック図である。 本実施形態による電力変換装置の回路構成を示す図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの断面図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの斜視図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの内部断面図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの内部斜視図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの分解図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの回路図である。 本実施形態による補助モールド体の斜視図である。 本実施形態による補助モールド体の側面図である。 本実施形態による補助モールド体のＡ−Ａ断面図である。 本実施形態による補助モールド体の透過図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールの成型方法の説明図である。 本実施形態によるモジュール一次封止体の斜視図である。 本実施形態によるモジュール一次封止体をモジュールケースの中に挿入する様子を示す図である。 本実施形態によるモジュール一次封止体の組み立て方法を説明する図である。 本実施形態によるＩＧＢＴの電極レイアウトの一例を示す図である。 本実施形態によるＩＧＢＴの電極レイアウトの一例を示す図である。 本実施形態によるＩＧＢＴの電極レイアウトの一例を示す図である。 本実施形態によるＩＧＢＴの電極レイアウトの一例を示す図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子、導体板および信号導体間の接続レイアウトを示した上面図である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子、導体板および信号導体間の接続構造を示した断面図の一例である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子、導体板および信号導体間の接続構造を示した断面図の一例である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子、導体板および信号導体間の接続構造を示した断面図の一例である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子、導体板および信号導体間の接続構造を示した断面図の一例である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子、導体板および信号導体間の接続構造を示した断面図の一例である。 本実施形態によるパワー半導体モジュールにおけるパワー半導体素子、導体板および信号導体間の接続構造を示した断面図の一例である。
本発明に係る両面冷却型のパワー半導体モジュールとこれを用いた電力変換装置の一実施形態について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明によるパワー半導体モジュールおよび電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能である。以下では、代表例として、本発明によるパワー半導体モジュールおよび電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の実施形態について説明する。
以下の実施形態では、自動車に搭載される回転電機駆動システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置での適用例を説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は、運転モードに応じて車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。
なお、以下の実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両を駆動するための電力変換装置として最適であるが、これ以外の電力変換装置に対しても適用可能である。例えば、電車、船舶、航空機などにおいて使用される電力変換装置や、工場の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、あるいは、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たりする、家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
図１は、本発明の一実施形態によるパワー半導体モジュールを用いた電力変換装置を搭載したハイブリッド自動車の制御ブロックを示す。ハイブリッド自動車（以下、ＨＥＶと記述する）１１０は２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジン駆動システムである。もう１つは、モータジェネレータ１９２や１９４を動力源とする回転電機駆動システムである。回転電機駆動システムは、モータジェネレータ１９２や１９４を駆動源として備えている。モータジェネレータ１９２や１９４としては、同期機あるいは誘導機が使用される。モータジェネレータ１９２や１９４は、制御によりモータとしても、あるいは発電機としても動作する。そのため、この明細書ではこれらをモータジェネレータと記す。これらは代表的な使用例であり、モータジェネレータ１９２や１９４をモータのみあるいは発電機のみとして使用してもよい。以下に説明するインバータ回路部１４０や１４２によりモータジェネレータ１９２あるいは１９４が制御され、この制御においてモータとして動作したり発電機として動作したりする。
本発明は、図１に示すＨＥＶに使用できることは当然であるが、エンジン駆動システムを使用しない純粋な電気自動車にも適用できる。ＨＥＶの回転電機駆動システムも純粋な電気自動車の駆動システムも、本発明の関係する部分は、基本的な動作や構成が共通している。そのため、煩雑さを避けるために、以下では代表してＨＥＶの例で説明する。
車体のフロント部には一対の前輪１１２が設けられた前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。本実施の形態では、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
前輪車軸１１４には、デファレンシャルギア（以下ＤＥＦと記す）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は、ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。ＤＥＦ１１６の入力側には、変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されたトルクを受け、左右の前輪車軸１１４に分配する。変速機１１８の入力側には、モータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には、動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側あるいはモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。なお、モータジェネレータ１９２，１９４および動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
モータジェネレータ１９２および１９４は、誘導機でも良いが、本実施の形態ではより効率向上に優れている、回転子に永久磁石を備えた同期機が使用されている。誘導機や同期機の固定子が有する固定子巻線に供給される交流電力がインバータ回路部１４０，１４２によって制御されることにより、モータジェネレータ１９２，１９４のモータあるいは発電機としての動作やその特性が制御される。インバータ回路部１４０，１４２にはバッテリ１３６が接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路部１４０，１４２との間において電力の授受が可能である。
本実施の形態では、ＨＥＶ１１０は、モータジェネレータ１９２およびインバータ回路部１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４およびインバータ回路部１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している状況において、車両の駆動トルクをアシストする場合には、第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の状況において車両の車速をアシストする場合には、第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
また、本実施の形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを、発電ユニットとしてエンジン１２０の動力あるいは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。
バッテリ１３６は、さらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機用のモータ１９５としては、たとえばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータがある。バッテリ１３６から供給された直流電力は補機用の変換機４３で交流の電力に変換され、モータ１９５に供給される。補機用の変換機４３はインバータ回路部１４０，１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。たとえば、モータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このような補機用の変換機４３の制御機能は、インバータ回路部１４０，１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２，１９４の容量より小さいので、補機用の変換機４３の最大変換電力はインバータ回路部１４０，１４２より小さいが、補機用の変換機４３の回路構成は基本的にインバータ回路部１４０，１４２の回路構成と同じである。
図１の実施の形態では、定電圧電源を省略している。各制御回路や各種センサは図示していない定電圧電源からの電力で動作する。この定電圧電源は例えば１４ボルト系の電源であり、鉛バッテリなどの１４ボルト系、場合によっては２４ボルト系のバッテリを備え、正極あるいは負極の一方が車体と接続されており、車体が定電圧電源の電力供給用導体として使用される。
インバータ回路部１４０，１４２および補機用の変換機４３とコンデンサモジュール５００とは、電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０，１４２と、補機用の変換機４３と、コンデンサモジュール５００とを、電力変換装置２００の筐体１２（図２参照）内に内蔵している。この構成により小型化が可能となる。さらにハーネスの数を低減できる、あるいは放射ノイズなどを低減できるなどの効果がある。この効果は小型化にもつながり、あるいは信頼性の向上にもつながる。また生産性の向上にもつながる。また、コンデンサモジュール５００とインバータ回路部１４０，１４２および補機用の変換機４３との接続回路が短くなり、あるいは以下に説明する構造が可能となり、インダクタンスを低減でき、その結果としてスパイク電圧を低減できる。さらに以下に説明する構造により、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。電力変換装置２００は、直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６と接続されている。
〔電力変換装置の構成〕
図２を用いて、本実施形態による電力変換装置２００の回路構成について説明する。図１に示したように、電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０や１４２と、補機用の変換機４３と、コンデンサモジュール５００とを備えている。補機用の変換機４３は、ＨＥＶ１１０が備える補機類を駆動するための補機用のモータ１９５を制御するインバータ装置である。また補機用の変換機４３は、ＤＣ−ＤＣコンバータであっても良い。ＤＣ−ＤＣコンバータは、例えば、バッテリ１３６の供給電圧を更に昇圧する、あるいは高い電圧からバッテリ１３６の供給電圧に降圧する、昇圧あるいは降圧回路である。
インバータ回路部１４０，１４２は、両面冷却構造を有するパワー半導体モジュール３００をそれぞれ複数台、この実施例では３個ずつ備えている。これらのパワー半導体モジュール３００を並列接続することにより、３相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更に複数のパワー半導体モジュール３００を並列接続してもよい。パワー半導体モジュール３００の並列接続を３相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、以下で説明の如くパワー半導体モジュール３００に内蔵している半導体素子を並列接続してもよい。これにより、複数のパワー半導体モジュール３００を並列接続しなくても、パワーの増大に対応できる。
後述するように、各パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体素子とその接続配線を、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すモジュールケース３０４の内部に収納している。本実施の形態では、モジュールケース３０４は、開口が形成された開口部を有する缶状の放熱金属のベース等を備えている。このモジュールケース３０４は、対向する一対の放熱ベース３０７を有している。この実施例では、モジュールケース３０４の開口部を有する面以外の５つの面のうち、最も広い２つの面に放熱ベース３０７が形成されている。これらの両放熱ベース３０７と連続してその間をつなぐように、繋ぎ目の無い同一材質で、残りの各面に外壁が構成されている。直方体形状を成す上記缶状のモジュールケース３０４の一面には開口が形成されている。この開口からパワー半導体素子がモジュールケース３０４の内部に挿入されて保持される。
インバータ回路部１４０、１４２は、ドライバ回路１７４によってそれぞれ駆動制御される。ドライバ回路１７４は制御回路１７２により制御される。制御回路１７２は、パワー半導体素子のスイッチングタイミングを制御するためのスイッチング信号を生成する。
インバータ回路部１４０とインバータ回路部１４２とは基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。そのため、これらを代表してインバータ回路部１４０を例に説明する。インバータ回路部１４０は３相ブリッジ回路を基本構成として備えている。具体的には、Ｕ相のパワー半導体モジュール３００（符号Ｕ１で示す）、Ｖ相のパワー半導体モジュール３００（符号Ｖ１で示す）、Ｗ相のパワー半導体モジュール３００（符号Ｗ１で示す）を有している。なお、インバータ回路部１４２についても同様に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のパワー半導体モジュール３００をそれぞれ符号Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２で示している。各相のパワー半導体モジュール３００は、上アーム回路と下アーム回路とが直列に接続された上下アーム直列回路で構成される。各相のパワー半導体モジュール３００は、上アーム回路に接続される直流正極端子３１５Ｂと、下アーム回路に接続される直流負極端子３１９Ｂと、上アーム回路と下アーム回路の接続部に接続される交流端子３２１とを有している。
各相のパワー半導体モジュール３００において、上アーム回路と下アーム回路の接続部にはそれぞれ交流電力が発生する。各相のパワー半導体モジュール３００の交流端子３２１は、交流出力コネクタ１８８に接続される。電力変換装置２００において、インバータ回路部１４０、１４２の各相のパワー半導体モジュール３００で発生した交流電力は、この交流出力コネクタ１８８を介して、モータジェネレータ１９２あるいは１９４の固定子巻線に供給される。
ここで、インバータ回路部１４０、１４２がそれぞれ有する各相のパワー半導体モジュール３００は基本的に同じ構造を有しており、動作も基本的に同じである。そのため、以下ではこれらを代表して、インバータ回路部１４０のＵ相のパワー半導体モジュール３００、すなわちパワー半導体モジュールＵ１について説明する。
パワー半導体モジュールＵ１において、上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として、上アームＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１５５と、上アームダイオード１５６とを備えている。また下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として、下アームＩＧＢＴ１５７と、下アームダイオード１５８とを備えている。上アーム回路に接続された直流正極端子３１５Ｂと、下アーム回路に接続された直流負極端子３１９Ｂは、コンデンサモジュール５００にそれぞれ接続される。
なお、前述のように、インバータ回路部１４０のＶ相およびＷ相の各パワー半導体モジュールＶ１、Ｗ１については、上記のパワー半導体モジュールＵ１と略同じ回路構成となる。また、インバータ回路部１４２の各相のパワー半導体モジュールＵ２、Ｖ２、Ｗ２は、インバータ回路部１４０の場合と同様の構成である。そのため、パワー半導体モジュールＵ１以外については、図２において上記の各構成要素に対応する符号の図示を省略している。
上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７は、ドライバ回路１７４から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。変換された電力はモータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される。なお、補機用の変換機４３はインバータ回路部１４２と同様の構成を有しており、ここでは説明を省略する。
本実施の形態では、スイッチング用のパワー半導体素子として上アームＩＧＢＴ１５５、および下アームＩＧＢＴ１５７を用いた例を示している。上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７は、後で詳しく説明するように、コレクタ電極、エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子）、およびゲート電極（ゲート電極端子）をそれぞれ備えている。上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極とエミッタ電極との間には、上アームダイオード１５６や下アームダイオード１５８が図示するように電気的に接続されている。上アームダイオード１５６と下アームダイオード１５８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極をそれぞれ備えている。上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極は上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極に、アノード電極は上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極に、それぞれ電気的に接続されている。
制御回路１７２は、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する。ドライバ回路１７４は、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７をスイッチング動作させるための駆動信号を生成する。
制御回路１７２は、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７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（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路からモータジェネレータ１９２の固定子巻線に供給される電流値、モータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置などが、入力情報として入力される。目標トルク値は、上位の制御装置（不図示）から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。なお、本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても良い。
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２のｄ軸やｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸やｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸やｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸やｑ軸の電圧指令値を演算する。さらにマイコンは、この演算されたｄ軸やｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいて、パルス状の変調波であるＰＷＭ（パルス幅変調）信号を生成し、これを前述のタイミング信号としてドライバ回路１７４に出力する。
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、制御回路１７２からのタイミング信号すなわちＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号（ゲート信号）として、対応する下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極に出力する。一方、上アームを駆動する場合には、ドライバ回路１７４は、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号（ゲート信号）として、対応する上アームＩＧＢＴ１５５のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７は、入力されたドライブ信号（ゲート信号）に基づいてそれぞれスイッチング動作する。
また、ドライバ回路１７４や制御回路１７２は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アーム直列回路を保護している。このため、ドライバ回路１７４や制御回路１７２には各種のセンシング情報が入力されている。たとえば、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７の信号用エミッタ電極端子からドライバ回路１７４には、エミッタ電極に流れる電流の情報が入力されている。これにより、ドライバ回路１７４は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応する上アームＩＧＢＴ１５５または下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させて、そのＩＧＢＴを過電流から保護する。また、上下アーム直列回路から制御回路１７２には、温度センサ（不図示）からの温度の情報や、直流正極側の電圧情報が入力されている。制御回路１７２は、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度や過電圧が検知された場合には全ての上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作を停止させて、上下アーム直列回路を過温度や過電圧から保護する。
インバータ回路部１４０の各相において、上アームＩＧＢＴ１５５や下アームＩＧＢＴ１５７の導通および遮断動作は一定の順で切り替わる。この切り替わり時にモータジェネレータ１９２の固定子巻線に発生する電流は、ダイオード１５６、１５８を含む回路を流れる。なお、本実施の形態の電力変換装置２００では、インバータ回路部１４０の各相に１つの上下アーム直列回路を設けたが、上述の通り、モータジェネレータ１９２へ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を並列接続するようにした回路構成の電力変換装置であってもよい。
各パワー半導体モジュール３００の直流正極端子３１５Ｂおよび直流負極端子３１９Ｂは、積層配線板７００を介してコンデンサモジュール５００にそれぞれ接続されている。積層配線板７００は、各パワー半導体モジュール３００の配列方向に幅広な導電性板材から成る配線層７０２、７０４で絶縁シート（不図示）を挟持して構成された、３層構造の配線板である。積層配線板７００の配線層７０２、７０４は、コンデンサモジュール５００に設けられた積層配線板５０１が有する配線層５０７、５０５にそれぞれ接続されている。配線層５０７、５０５も配線層７０２、７０４と同様に、各パワー半導体モジュール３００の配列方向に幅広な導電性板材から成り、絶縁シートを挟持した３層構造の積層配線板５０１を構成している。
コンデンサモジュール５００には複数のコンデンサセル５１４が並列接続されている。コンデンサセル５１４の正極側が配線層５０７に接続され、コンデンサセル５１４の負極側が配線層５０５に接続されている。コンデンサモジュール５００は、上アームＩＧＢＴ１５５，下アームＩＧＢＴ１５７のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成している。
コンデンサモジュール５００の積層配線板５０１は、電力変換装置２００の直流コネクタ１３８に接続された入力積層配線板２３０に接続されている。入力積層配線板２３０には、補機用の変換機４３も接続されている。入力積層配線板２３０と積層配線板５０１との間には、不図示のノイズフィルタが設けられている。このノイズフィルタは、筐体１２の接地端子と各直流電力ラインとを接続する２つのコンデンサを備えており、これらのコンデンサはコモンモードノイズ対策用のＹコンデンサを構成している。
図２に示す電力変換装置２００の構成において、コンデンサモジュール５００は、直流電源であるバッテリ１３６から直流電力を受けるために直流コネクタ１３８に接続される端子（符号省略）と、インバータ回路部１４０あるいはインバータ回路部１４２に接続される端子とを別々に有する。そのため、インバータ回路部１４０あるいはインバータ回路部１４２が発生するノイズがバッテリ１３６の方に及ぼす悪影響を低減できる。この構成は、ひいては平滑作用の効果を高めることとなる。
また、コンデンサモジュール５００と各パワー半導体モジュール３００との接続に上述のように積層導体板７００を使用しているので、各パワー半導体モジュール３００の上下アーム直列回路を流れる電流に対するインダクタンスを低減できる。そのため、上記電流の急変に伴って跳ね上がる電圧を低減できる。
〔パワー半導体モジュール３００の説明〕
インバータ回路部１４０およびインバータ回路部１４２に使用されるパワー半導体モジュール３００の詳細構成を説明する。図３（ａ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００の断面図であり、図３（ｂ）は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００の斜視図である。
図４（ａ）は、図３（ａ）に示したパワー半導体モジュール３００の断面図から、モジュールケース３０４と絶縁シート３３３と第一封止樹脂３５０と第二封止樹脂３５１とを取り除いた、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００の内部断面図である。図４（ｂ）は、この図４（ａ）に対応するパワー半導体モジュール３００の内部斜視図である。図４（ｃ）は、図４（ａ）の構造の理解を助けるためのパワー半導体モジュール３００の分解図である。図４（ｄ）は、パワー半導体モジュール３００の回路図である。
図４（ｂ）、図４（ｃ）等に示す如く、上下アーム直列回路を構成するパワー半導体素子のうち上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６は、直流正極導体板３１５と第二交流導体板３１８に両面から挟まれた状態でこれらの導体板に固着される。また、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８は、直流負極導体板３１９と第一交流導体板３１６に両面から挟まれた状態でこれらの導体板に固着される。さらに、上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７は、補助モールド体６００にインサート成形された信号導体３２４Ｕ、３２４Ｌとそれぞれ接続される。これらの各パワー半導体素子、各導体板および各信号導体を、各導体板の伝熱面３２３を露出させて、封止材である第一封止樹脂３５０で一体的に封止することで、モジュール一次封止体３００Ａが形成される。このモジュール一次封止体３００Ａに絶縁シート３３３を熱圧着したものをモジュールケース３０４の中に挿入して、絶縁シート３３３と缶型の冷却器であるモジュールケース３０４の内面とを熱圧着した後、モジュールケース３０４の内部に残存する空隙に第二封止樹脂３５１を充填することで、パワー半導体モジュール３００が組み立てられる。
上述のように絶縁シート３３３を利用して、パワー半導体素子を支持している各導体板とモジュールケース３０４の内側とを固着する構造とすることにより、後述するような製造方法が可能となり、生産性が向上する。また、パワー半導体素子が発生する熱を効率良く放熱ベース３０７に形成されているフィン３０５へ伝達できるため、パワー半導体素子の冷却効果が向上する。さらにまた、温度変化などによる熱応力の発生を抑えることができるため、温度変化の激しい車両用のインバータに使用するのに良好である。
なお、図４（ｂ）、図４（ｃ）では、パワー半導体モジュール３００において、上アームＩＧＢＴ１５５、上アームダイオード１５６、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８の各パワー半導体素子が、それぞれ２個ずつ並列に接続された構成例を図示している。しかし、本願発明によるパワー半導体モジュールの構成はこれに限定されるものではない。たとえば、各パワー半導体素子を並列接続せずに１個ずつとしてもよいし、３個以上を並列接続してもよい。以下の実施形態では、これらの構成を全て含むものとして説明する。
パワー半導体モジュール３００には、コンデンサモジュール５００と接続するための直流バスバーとして、直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂと直流負極端子３１９Ｂがそれぞれ形成されている。また、モータジェネレータ１９２あるいは１９４に交流電力を供給するための交流バスバーとして交流配線３２０が設けられており、その先端に交流端子３２１が形成されている。この実施例では、直流正極配線３１５Ａと直流正極導体板３１５、および直流負極配線３１９Ａと直流負極導体板３１９が、それぞれ一体的に成形されている。また、交流配線３２０と第一交流導体板３１６が一体的に整形されており、これと第二交流導体板３１８が中間電極１５９（図４（ｄ）参照）を介して接続されている。さらに、ドライバ回路１７４と接続するための信号導体３２４Ｕおよび３２４Ｌが設けられている。この信号導体３２４Ｕ、３２４Ｌは補助モールド体６００にインサート成形されており、外側には外部信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌが、内側には内部信号端子３２６Ｕ、３２６Ｌがそれぞれ形成されている。内部信号端子３２６Ｕ、３２６Ｌは、図４（ａ）に示すように、ワイヤボンディング３２７を介して、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７とそれぞれ接続されている。
モジュールケース３０４は、たとえばＡｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＳｉＣ，Ａｌ−Ｃ等のアルミ合金材料から構成されており、つなぎ目の無い一体成形された缶型の形状、すなわち所定の一面に挿入口３０６を備え、かつ有底の略直方体形状を為している。また、モジュールケース３０４は、挿入口３０６以外に開口を設けない構造である。挿入口３０６は、フランジ３０４Ｂにその外周を囲まれている。
モジュールケース３０４には、図３（ｂ）の如く、他の面よりも広い面積を有する２つの放熱面に放熱ベース３０７が互いに対向した状態で配置されている。これらの放熱面が有する四辺のうち３つの辺は、放熱面よりも狭い幅で密閉された面を構成しており、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成されている。上記構造は正確な直方体である必要は無く、角の部分が図３（ｂ）に示す如く曲面を成していても良い。このような形状の金属性のモジュールケース３０４とすることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷却媒体が流れる流路内に挿入しても、冷却媒体に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できる。そのため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部及び端子部分に侵入するのを、簡易な構成にて防ぐことができる。また、モジュールケース３０４の外壁には、対向した放熱ベース３０７にフィン３０５が均一に形成されており、その同一面の外周には、厚みが極端に薄くなっている湾曲部３０４Ａが形成されている。湾曲部３０４Ａは、フィン３０５を加圧することで簡単に変形する程度まで厚みを極端に薄くしてあるため、モジュール一次封止体３００Ａが挿入された後の生産性が向上する。
パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体素子の動作時の発熱が、その両面から導体板で拡散して絶縁シート３３３に伝わる。そして、モジュールケース３０４に形成された放熱ベース３０７と前記放熱ベース３０７に設けられたフィン３０５から冷却媒体に放熱される。そのため、高い冷却性能を実現できる。
ここで、パワー半導体素子と導体板の配置を、電気回路と関連付けて説明する。この実施の形態では、パワー半導体素子は前述のように、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７、上アームダイオード１５６および下アームダイオード１５８である。直流正極導体板３１５と第一交流導体板３１６は略同一平面状に配置されている。直流正極導体板３１５には、上アームＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極と上アームダイオード１５６のカソード電極が固着され、第一交流導体板３１６には、下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極と下アームダイオード１５８のカソード電極が固着される。また、第二交流導体板３１８と直流負極導体板３１９とは略同一平面状に配置されている。第二交流導体板３１８には、上アームＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極と上アームダイオード１５６のアノード電極が固着され、直流負極導体板３１９には、下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極と下アームダイオード１５８のアノード電極が固着される。これらの各パワー半導体素子は、上記各導体板に設けられた固着領域３２２にそれぞれ固着される。すなわち、直流正極導体板３１５、直流負極導体板３１９、第一交流導体板３１６および第二交流導体板３１８は、固着領域３２２を含む固着面を有している。これらの各導体板において、固着面と反対側には、図４（ｂ）に示すように伝熱面３２３がそれぞれ設けられている。なお、図４（ｂ）では、表側に配置された直流負極導体板３１９および第二交流導体板３１８の伝熱面３２３のみが示されているが、裏側の直流正極導体板３１５および第一交流導体板３１６についても、同様に伝熱面３２３が設けられている。
各パワー半導体素子は板状の扁平構造を有しており、その表面または裏面に各電極が形成されている。そのため、図４（ｂ）の様に、直流正極導体板３１５と第二交流導体板３１８、および第一交流導体板３１６と直流負極導体板３１９は、各ＩＧＢＴ及びダイオードを介して、すなわちこれらのパワー半導体素子を挟むようにして、略平行に対向した積層状の配置となっている。第一交流導体板３１６と第二交流導体板３１８とは、中間電極１５９を介して接続されている。この接続により、上アーム回路と下アーム回路が電気的に接続され、上下アーム直列回路が形成される。なお、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極は、内部信号端子３２６Ｕ、３２６Ｌにそれぞれ接続されている。
各パワー半導体素子の電極と対応する各導体板とは、はんだ材や銀シート、微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等の金属接合材料１６０を用いて、電気的にかつ熱的に接合することで固着される。前述のように、直流正極配線３１５Ａは直流正極導体板３１５に一体で形成され、その先端に直流正極端子３１５Ｂが形成されている。直流負極配線３１９Ａも基本的構造は同じで、直流負極導体板３１９に一体で形成され、その先端に直流負極端子３１９Ｂが形成されている。
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間には、樹脂材料で成形された補助モールド体６００が介在している。上記直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、対向した状態で略平行に、パワー半導体の位置に対して反対方向に延びる形状を成している。また、信号導体３２４Ｕや３２４Ｌは、補助モールド体６００に一体に成形されて、上記直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａと同様の方向であるモジュールの外に向かって延びており、その先に外部信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌがそれぞれ設けられている。
補助モールド体６００に用いる樹脂材料には、絶縁性を有する熱硬化性樹脂か、あるいは熱可塑性樹脂が適している。外部信号端子３２５Ｌや３２５Ｕは、上記補助モールド体６００にインサート成形されている。このような構造により、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａ間の絶縁性と、外部信号端子３２５Ｌ、３２５Ｕと各配線板との間の絶縁性とを確保できる。この構造により高密度配線が可能となる。
さらに、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａを略平行に対向するように配置したことで、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流を、上記直流正極配線３１５Ａと上記直流負極配線３１９Ａに互いに逆方向に流れるようにすることができる。この互いに逆方向に流れる電流が作る磁界は、互いに相殺するように作用する。この作用により低インダクタンス化が可能となる。
〔補助モールド体６００の説明〕
図５（ａ）は、本実施形態による補助モールド体６００の斜視図、図５（ｂ）は補助モールド体６００の側面図、図５（ｃ）は図５（ｂ）に示す補助モールド体６００のＡ−Ａ断面図、図５（ｄ）は補助モールド体６００の透過図である。図６は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００の成型方法の説明図である。この図６では、一次封止金型に補助モールド体６００を設置して樹脂を充填する状態を、理解し易いように断面図で示している。
上記図面を参照して、補助モールド体６００の構造について説明する。補助モールド体６００は信号導体３２４Ｕ、３２４Ｌをインサート成形にて一体化している。信号導体３２４Ｕ、３２４Ｌは、補助モールド体６００の封止部６０１の一方からパワー半導体素子に対して反対方向に延びている。この部分が、パワー半導体素子を制御するドライバ回路１７４等と接続するための外部信号端子３２５Ｕや３２５Ｌを形成する。信号導体３２４Ｕ、３２４Ｌの反対側は、パワー半導体素子の表面電極に設けられた信号パッドと、前述のワイヤボンディング３２７（図４（ａ）参照）を介して接続するための内部信号端子３２６Ｕや３２６Ｌを形成する。封止部６０１は、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａおよび交流配線３２０の形状の長軸に対してこれを横切る方向、この実施の形態では略直交する向きに伸びている形状を成している。したがって、補助モールド体６００は、図４（ｂ）や図４（ｃ）に示す如く、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａおよび交流配線３２０の長手方向の軸を横切る方向に伸びている。その長さは、横に並べられた直流正極導体板３１５と第一交流導体板３１６を合わせた長さ、および横に並べられた直流負極導体板３１９と第二交流導体板３１８を合わせた長さよりも長い。すなわち、上記横に並べられた直流正極導体板３１５と第一交流導体板３１６、および横に並べられた直流負極導体板３１９と第二交流導体板３１８は、いずれも補助モールド体６００の横方向の長さの範囲内に入っている。
また、図５（ａ）、図５（ｂ）に示す様に、補助モールド体６００の配線勘合部６０２Ａ、６０２Ｂおよび６０２Ｃには、バスバーである直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａおよび交流配線３２０と勘合するための窪みがそれぞれ形成されている。この各窪みに各配線が挿入されることにより、各配線が位置決めされる。これにより、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａおよび交流配線３２０を補助モールド体６００に勘合して組み付けることが可能となる。そのため量産性が向上する。さらに、配線絶縁部６０８が直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間に介在しているため、絶縁性を確保してこれらを確実に平行に対向配置できる。ただし、この対向配置にズレがあると、前述のような磁界相殺効果が効果的に発現しないため、低インダクタンス化の妨げとなる。また、封止部６０１には金型押圧面６０４が形成されており、そこには樹脂漏れ防止突起６０５が長手方向の外周を一周して複数本形成されている。配線絶縁部６０８は、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間の絶縁距離を十分確保するために板形状となっている。
ここで、前述したように、パワー半導体モジュール３００の各パワー半導体素子および各導体板は、第一封止樹脂３５０にて封止される。この封止工程では、図６（ａ）に示す如く、先ず１５０〜１８０℃程度に余熱された金型９００の下型９０１と上型９０２の間に、パワー半導体モジュール３００を構成する各パワー半導体素子および各導体板と接続された補助モールド体６００を挿入する。本実施の形態では、補助モールド体６００を所定の位置に設置することで、各パワー半導体素子が所定の位置に設置される。従って生産性が向上すると共に、信頼性が向上する。
次に図６（ｂ）に示す如く、第一封止樹脂３５０がゲート９０４からランナー９０５を通ってキャビティ９０３へと加圧注入される。これにより、下型９０１と上型９０２により塞がれた空間であるキャビティ９０３が、補助モールド体６００と共に第一封止樹脂３５０により満たされる。その後、図６（ｃ）に示すように、第一封止樹脂３５０が硬化してから上型９０２を外すことにより、第一封止樹脂３５０で封止されたモジュール一次封止体３００Ａを取り出すことができる。
なお、図６（ｂ）の工程では、下型９０１と上型９０２の型締め力により、補助モールド体６００の封止部６０１に形成されている樹脂漏れ防止突起６０５が、その先端部分が潰れた状態で下型９０１または上型９０２にそれぞれ密着される。これにより、補助モールド体６００と金型９００を綿密に密着させ、第一封止樹脂３５０が各端子部に漏れるのを防止することができる。すなわち、補助モールド体６００にこのように金型面に向かって突出する樹脂漏れ防止突起６０５を設ける構造とすることで、樹脂漏れを防止して量産性を向上することができる。この樹脂漏れ防止突起６０５の形状は、図５（ｃ）に示したとおりである。
図５（ｃ）のように、配線絶縁部６０８により、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａとの間の絶縁が維持されると共に、これらの位置関係を略平行に維持することができる。そのため、第一封止樹脂３５０を注入した後に、これらを好ましい配置関係で保持できる。また、直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａの間にも樹脂漏れ防止突起６０５が設けられているので、これらの周囲から第一封止樹脂３５０が漏れるのも防止できる。
ここで、封止部６０１の材料としては、上記のように１５０〜１８０℃程度の金型９００に設置されることを考えると、高耐熱性が期待できる熱可塑性樹脂、たとえば液晶ポリマー、ポリブチレンテレクタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）などが望ましい。
その他、補助モールド体６００の短手方向のパワー半導体チップ側には、図５（ｂ）に示す貫通孔６０６が長手方向に複数設けられている。封止後には、ここに第一封止樹脂３５０が流入して硬化することにより、アンカー効果が発現して、補助モールド体６００は第一封止樹脂３５０に強固に保持される。そのため、温度変化や機械的振動によって応力がかかっても両者は剥離しない。貫通孔６０６の代わりに凸凹の形状としてもよく、この場合にも補助モールド体６００と第一封止樹脂３５０は剥離しがたくなる。また、補助モールド体６００にポリイミド系のコート剤を塗布するか、あるいは表面を粗化することでも、ある程度の効果が得られる。
なお、第一封止樹脂３５０や第二封止樹脂３５１に代えて、樹脂以外の材料、たとえばシリコーンゲル等を封止材として用いてもよい。電気的絶縁性の確保と、外部からの汚染防止とが可能であれば、どのような材料であっても封止材として利用可能である。
〔パワー半導体モジュール３００の組み立て〕
図７（ａ）は、本実施形態によるモジュール一次封止体３００Ａの斜視図であり、図７（ｂ）は、モジュール一次封止体３００Ａをモジュールケース３０４の中に挿入する様子を示す図である。モジュール一次封止体３００Ａは、前述の図６（ａ）〜（ｃ）に示したような方法で作ることができる。このモジュール一次封止体３００Ａの各導体板には、パワー半導体素子の電極が固着される固着領域３２２（図４（ａ）や図４（ｃ）参照）を含む固着面とは反対側に、伝熱面３２３（図４（ｂ）参照）が設けられている。この伝熱面３２３は、図７（ａ）に示すように、モジュール一次封止体３００Ａの表面から露出している。各導体板は、第一封止樹脂表面３３７（図７（ａ）参照）と共に、絶縁シート圧着面３３８を形成する。絶縁シート圧着面３３８は、モジュール一次封止体３００Ａの両面に形成される。これにより、パワー半導体素子の発熱によって発生する熱流は、第一封止樹脂３５０に阻害されること無く絶縁シート３３３に拡散して到達する。そのため、パワー半導体素子から絶縁シート３３３までの熱抵抗を低くできる。
図８は、本実施形態によるモジュール一次封止体３００Ａの組み立て方法を説明する図である。この図８により、絶縁シート３３３を備えたモジュール一次封止体３００Ａをモジュールケース３０４に接着する熱圧着工程を以下に説明する。
図８（ａ）に示すように、絶縁シート圧着面３３８を半硬化状態で、真空環境下にて絶縁シート圧着面３３８に仮圧着し、ボイドレスで密着保持する。
次に、図８（ｂ）に示すように、モジュール一次封止体３００Ａは、モジュールケース３０４に挿入口３０６から挿入され、絶縁シート３３３とアルマイト処理された内部平面３０８が対向するように配置される。
次に、図８（ｃ）に示すように、真空高温下において、モジュールケース３０４は、フィン３０５が形成された側からモジュールケース３０４に挿入されたモジュール一次封止体３００Ａ側に向かって加圧される。この加圧力により、湾曲部３０４Ａが僅かに変形して、絶縁シート３３３とアルマイト処理された内部平面３０８とが接触する。上述のようにモジュールケース３０４は、真空高温下に置かれているので、絶縁シート３３３と内部平面３０８との接触界面において接着力が発生することになる。なお、本実施の形態では、上述の如く、モジュールケース３０４は缶型形状の冷却器である。
次に、図８（ｄ）に示すように、モジュールケース３０４内のモジュール一次封止体３００Ａと絶縁シート３３３によって占有されなかった残りの空間は、第二封止樹脂３５１により充填される。第二封止樹脂３５１の充填は、図３（ｂ）に示す如く、補助モールド体６００の長手方向の端部とモジュールケース３０４の開口の横方向端部との間の空隙から行われる。これにより、補助モールド体６００の側部とモジュールケース３０４の開口の側部、および前記開口部につながるモジュールケース３０４の収納室の両脇の空間および底の空間が第二封止樹脂３５１により埋められる。
〔ＩＧＢＴの電極レイアウト〕
続いて、パワー半導体モジュール３００に使用される上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７の電極レイアウトを説明する。なお、上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７には、同じ構造のＩＧＢＴが共通に用いられる。そのため以下では、上アームＩＧＢＴ１５５について、これを単にＩＧＢＴ１５５と称して電極レイアウトを説明する。
図９は、本実施形態によるＩＧＢＴ１５５の電極レイアウトの一例を示す図である。この電極レイアウトでは、ＩＧＢＴ１５５が有する２つの電極面のうち、ゲート電極４０３およびエミッタ電極４０５が形成された電極面（以下、第１電極面と称する）を示している。なお、これと反対側の電極面（以下、第２電極面と称する）にはコレクタ電極が形成されているが、図９では図示を省略している。また、図９に示した第１電極面には、ゲート電極４０３とエミッタ電極４０５以外にも、たとえばコーティング材である有機保護膜や、外周部の耐圧性能を確保するためのガードリング構造等がさらに設けられているが、図９ではこれらの図示を省略している。
図９に示す電極レイアウトでは、ゲート電極４０３は、第１電極面において隅部（コーナー部）に形成されている。一方、エミッタ電極４０５は、ゲート電極４０３が形成されている領域を除いて、第１電極面のほぼ全領域に形成されている。すなわち、エミッタ電極４０５は、四角形の頂点の１つを切り欠いた形状を有している。
図１０は、本実施形態によるＩＧＢＴ１５５の電極レイアウトの、図９とは異なる一例を示す図である。この電極レイアウトは、図９の電極レイアウトと比べて、第１電極面にミラーエミッタ電極４０４がさらに形成されている点が異なっている。ミラーエミッタ電極４０４は、エミッタ電極４０５に流れる電流を測定するために用いられるものであり、ここにはエミッタ電極４０５に流れるエミッタ電流に比例したセンス電流が流れる。このセンス電流を測定することにより、エミッタ電流を測定することができる。
なお、図１０においても図９と同様に、図示したのと反対側の第２電極面にはコレクタ電極が形成されているが、図１０では図示を省略している。また、図１０に示した第１電極面には、ゲート電極４０３、ミラーエミッタ電極４０４およびエミッタ電極４０５以外にも、たとえばコーティング材である有機保護膜や、外周部の耐圧性能を確保するためのガードリング構造等がさらに設けられているが、図１０ではこれらの図示を省略している。これらの点は、以降で説明する図１１、図１２についても同様である。
図１１は、本実施形態によるＩＧＢＴ１５５の電極レイアウトの、図９、１０とは異なる一例を示す図である。この電極レイアウトは、図９の電極レイアウトと比べて、ゲート電極４０３の配置位置が異なっている。すなわち、図１１に示す電極レイアウトでは、ゲート電極４０３は、第１電極面において隅部ではない周縁部（端部）の位置に、第１電極面が有する四辺のうちの一辺に沿って形成されている。
図１２は、本実施形態によるＩＧＢＴ１５５の電極レイアウトの、図９〜１１とは異なる一例を示す図である。この電極レイアウトは、図１１の電極レイアウトと比べて、第１電極面に前述のミラーエミッタ電極４０４がさらに形成されている点が異なっている。
なお、以上説明した図９乃至図１２の各電極レイアウト例では、エミッタ電極４０５が左右２つにそれぞれ分割されているが、エミッタ電極４０５を分割せずに一体形状としてもよい。
〔パワー半導体素子、導体板および信号導体の接続レイアウト〕
図１３は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００における上アームＩＧＢＴ１５５、上アームダイオード１５６、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８の各パワー半導体素子と、直流正極導体板３１５、第一交流導体板３１６、第二交流導体板３１８および直流負極導体板３１９の各導体板と、信号導体３２４Ｕ、３２４Ｌとの間の接続レイアウトを示した上面図である。この図１３では、接続レイアウトを分かりやすくするため、上記の各パワー半導体素子、各導体板および各信号導体以外のパワー半導体モジュール３００の構成は省略されている。
なお、図１３では、前述の図９に示したような電極レイアウトを有する上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７を用いた場合の接続レイアウト例を示している。しかし、図１０〜図１２に示したような他の電極レイアウトを有する上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７を用いた場合にも、同様の接続レイアウトとすることができる。
また、図１３では、前述の図４（ｂ）や図４（ｃ）とは異なり、パワー半導体モジュール３００において、上アームＩＧＢＴ１５５、上アームダイオード１５６、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８の各パワー半導体素子が、対応する導体板とそれぞれ１個ずつ接続されている例を図示している。しかし、本願発明によるパワー半導体モジュールの構成はこれに限定されるものではない。たとえば、各パワー半導体素子を図４（ｂ）や図４（ｃ）のように２個ずつ並列に接続してもよいし、３個以上を並列接続してもよい。
さらに、図１３の例では、接続レイアウトを分かりやすく示すため、各パワー半導体素子、各導体板および各信号導体の配置について、前述の図３（ａ）〜図４（ｄ）で説明したものとは異なる部分がある。以下の説明では、こうした配置の異なる部分については、いずれの配置であってもよいものとする。
図１３において、上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６の前面側に位置する第二交流導体板３１８は、上アームＩＧＢＴ１５５のゲート電極４０３およびエミッタ電極４０５が形成されている前述の第１電極面と対向して配置されている。さらに、上アームダイオード１５６のアノード電極が形成されている電極面とも対向して配置されている。この配置により、第二交流導体板３１８は、上アームＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極４０５および上アームダイオード１５６のアノード電極と接合されて電気的に接続されている。同様に、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８の前面側に位置する直流負極導体板３１９は、下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極４０３およびエミッタ電極４０５が形成されている第１電極面と対向して配置されている。さらに、下アームダイオード１５８のアノード電極が形成されている電極面とも対向して配置されている。この配置により、直流負極導体板３１９は、下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極４０５および下アームダイオード１５８のアノード電極と接合されて電気的に接続されている。
一方、上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６の背面側に位置する直流正極導体板３１５は、上アームＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極が形成されている前述の第２電極面と対向して配置されている。さらに、上アームダイオード１５６のカソード電極が形成されている電極面とも対向して配置されている。この配置により、直流正極導体板３１５は、上アームＩＧＢＴ１５５のコレクタ電極および上アームダイオード１５６のカソード電極と接合されて電気的に接続されている。同様に、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８の背面側に位置する第一交流導体板３１６は、下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極が形成されている第２電極面と対向して配置されている。さらに、下アームダイオード１５８のカソード電極が形成されている電極面とも対向して配置されている。この配置により、第一交流導体板３１６は、下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極および下アームダイオード１５８のカソード電極と接合されて電気的に接続されている。
信号導体３２４Ｕは、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１および第２上アーム信号導体３２４Ｕ２によって構成されている。第１上アーム信号導体３２４Ｕ１は、ドライバ回路１７４から上アームＩＧＢＴ１５５に対して出力されたドライブ信号（ゲート信号）を伝送するためのものであり、上アームＩＧＢＴ１５５のゲート電極４０３と、アルミニウム等を用いたワイヤボンディング３２７を介して電気的に接続されている。一方、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２は、上記のドライブ信号（ゲート信号）の基準電位を測定するためのものであり、第二交流導体板３１８とワイヤボンディング３２７を介して電気的に接続されている。本実施形態のパワー半導体モジュール３００では、こうして上アームＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極４０５と電気的に接続された第二交流導体板３１８に第２上アーム信号導体３２４Ｕ２を接続することにより、上アームＩＧＢＴ１５５の第１電極面にケルビンエミッタ電極を設けることなく、第二交流導体板３１８の一部を、上記の基準電位を測定するためのケルビンエミッタ電極として用いることができるようにしている。
同様に、信号導体３２４Ｌは、第１下アーム信号導体３２４Ｌ１および第２下アーム信号導体３２４Ｌ２によって構成されている。第１下アーム信号導体３２４Ｌ１は、ドライバ回路１７４から下アームＩＧＢＴ１５７に対して出力されたドライブ信号（ゲート信号）を伝送するためのものであり、下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極４０３とワイヤボンディング３２７を介して電気的に接続されている。一方、第２下アーム信号導体３２４Ｌ２は、上記のドライブ信号（ゲート信号）の基準電位を測定するためのものであり、直流負極導体板３１９とワイヤボンディング３２７を介して電気的に接続されている。本実施形態のパワー半導体モジュール３００では、こうして下アームＩＧＢＴ１５７のエミッタ電極４０５と電気的に接続された直流負極導体板３１９に第２下アーム信号導体３２４Ｌ２を接続することにより、下アームＩＧＢＴ１５７の第１電極面にケルビンエミッタ電極を設けることなく、直流負極導体板３１９の一部を、上記の基準電位を測定するためのケルビンエミッタ電極として用いることができるようにしている。
以上のことから、ＩＧＢＴ１５５、１５７の各第１電極面において、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９とそれぞれ接合されるエミッタ電極４０５の面積を、従来はケルビンエミッタ電極として使用していた領域の分だけ大きくすることができる。したがって、発熱するパワー半導体素子であるＩＧＢＴ１５５、１５７をそれぞれ冷却するための放熱領域を十分に確保して、冷却効率のさらなる向上を図ることができる。
なお、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９において、ワイヤボンディング３２７を介して第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、第２下アーム信号導体３２４Ｌ２とそれぞれ接続される箇所は、ＩＧＢＴ１５５、１５７における電流変動が基準電位に及ぼす影響をなるべく抑制できるような箇所とすることが好ましい。具体的には、ＩＧＢＴ１５５、１５７の各エミッタ電極４０５が固着される固着領域３２２（図４（ｃ）参照）に対応する伝熱面３２３（図４（ｂ）参照）の領域内において、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９と第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、第２下アーム信号導体３２４Ｌ２とを、ワイヤボンディング３２７を介してそれぞれ接続する。これにより、ＩＧＢＴ１５５、１５７と第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、第２下アーム信号導体３２４Ｌ２との間にそれぞれ介在する第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９のインダクタンスを最小化できる。したがって、当該インダクタンスとＩＧＢＴ１５５、１５７の電流変動の時間変化率との積によって表される電圧変動を最小化して、基準電位に対する電流変動の影響を最小化することができる。ただし、何らかの理由、たとえばワイヤボンディング装置との干渉などの構造上の理由により、上記の領域内にワイヤボンディング３２７を接続できない場合は、他の箇所に接続しても構わない。なお、図１３は上面図であるため、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９の各伝熱面３２３側のみが図示されており、これと反対側に設けられた固着領域３２２を含む固着面側は図示されていない。
図１３において、第二交流導体板３１８と第一交流導体板３１６とは、中間電極１５９を介して電気的に接続されている。これにより、上アームＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極４０５および上アームダイオード１５６のアノード電極と、下アームＩＧＢＴ１５７のコレクタ電極および下アームダイオード１５８のカソード電極とが、電気的に接続される。すなわち、上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６と、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８とは、第二交流導体板３１８、中間電極１５９および第一交流導体板３１６を介して、電気的に直列に接続されている。
図１４は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００における上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６の各パワー半導体素子と、直流正極導体板３１５および第二交流導体板３１８の各導体板と、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１および第２上アーム信号導体３２４Ｕ２の各信号導体との間の接続構造を示した断面図の一例である。この図１４では、図１３に示した上記の各パワー半導体素子、各導体板および各信号導体に加えて、さらにモジュールケース３０４、第一封止樹脂３５０および絶縁シート３３３を示している。なお、図１４に示す断面図は、図１３の上面図に対するＢ−Ｂ断面図である。
図１４において、第二交流導体板３１８および直流正極導体板３１５には、はんだ材等の金属接合材料１６０により、上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６がそれぞれ固着されている。また、第二交流導体板３１８および直流正極導体板３１５において、上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６が固着されている固着面と反対側の伝熱面３２３は、第一封止樹脂３５０から露出しており、絶縁シート３３３とそれぞれ接触している。すなわち、第二交流導体板３１８および直流正極導体板３１５の各伝熱面３２３は、絶縁シート３３３を介して、フィン３０５が形成されているモジュールケース３０４と接している。これにより、上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６による発熱を、第二交流導体板３１８および直流正極導体板３１５からモジュールケース３０４へ効率的に逃がして放熱することができる。なお、下アームＩＧＢＴ１５７、下アームダイオード１５８、直流負極導体板３１９および第一交流導体板３１６についても、これと同様の構造を有している。
また、第二交流導体板３１８には、伝熱面３２３側に段差形状３７０が設けられている。第２上アーム信号導体３２４Ｕ２に繋がるワイヤボンディング３２７と第二交流導体板３１８との接続部は、この段差形状３７０で低い方の段差面に設けられている。すなわち、第二交流導体板３１８において、固着面からの距離が遠い（大きい）方の伝熱面３２３は、上記のように第一封止樹脂３５０から露出しているのに対して、固着面からの距離が近い（小さい）方の伝熱面３２３には、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２との接続部が形成されている。このようにして、第二交流導体板３１８の厚みを部分的に薄くすることで、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２との接続の際にワイヤボンディング３２７の配線スペースを確保し、ワイヤボンディング３２７のループ部分が第一封止樹脂３５０の上面から露出するのを防ぐことができる。なお、直流負極導体板３１９と第２下アーム信号導体３２４Ｌ２との接続部についても、これと同様の構造を有している。
図１５は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００における上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６の各パワー半導体素子と、直流正極導体板３１５および第二交流導体板３１８の各導体板と、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１および第２上アーム信号導体３２４Ｕ２の各信号導体との間の接続構造を示した、図１４とは異なる断面図の一例である。この断面図に示す接続構造は、図１４の断面図に示した接続構造と比べて、第二交流導体板３１８の伝熱面３２３が第一封止樹脂３５０から露出しておらず、第一封止樹脂３５０の当該面がモジュールケース３０４から露出している点が異なっている。また、直流正極導体板３１５とモジュールケース３０４との間の電気的絶縁性が、図１４の絶縁シート３３３に代えて、絶縁基板３６４により確保されている点も異なっている。なお、絶縁基板３６４は、はんだ材等の金属接合材料１６０により、直流正極導体板３１５およびモジュールケース３０４にそれぞれ接合されている。
図１５のような構造により、冷却構造を簡素化すると共に、パワー半導体モジュール３００の組み立てを容易にすることができる。
図１６は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００における上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６の各パワー半導体素子と、直流正極導体板３１５および第二交流導体板３１８の各導体板と、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１および第２上アーム信号導体３２４Ｕ２の各信号導体との間の接続構造を示した、図１４、１５とは異なる断面図の一例である。この断面図に示す接続構造は、図１４の断面図に示した接続構造と比べて、第二交流導体板３１８が上アームＩＧＢＴ１５５のみと接続されており、導体板２１８、２１９をさらに有する点が異なっている。
導体板２１８は、上アームＩＧＢＴ１５５のゲート電極４０３およびエミッタ電極４０５が形成されている第１電極面および上アームダイオード１５６のアノード電極と対向して配置されている。この導体板２１８と上アームＩＧＢＴ１５５の第１電極面との間に第二交流導体板３１８が配置されている。第二交流導体板３１８は、ＩＧＢＴ１５５が固着された固着面と反対側の面、すなわち伝熱面３２３が、はんだ材等の金属接合材料１６０により導体板２１８と接合されている。
導体板２１９は、上アームダイオード１５６のアノード電極と導体板２１８との間に配置されている。この導体板２１９の一方の面には、金属接合材料１６０により、上アームダイオード１５６のアノード電極が固着される。導体板２１９の他方の面は、金属接合材料１６０により導体板２１８と接合される。
導体板２１８において、第二交流導体板３１８および導体板２１９と接合されている面とは反対側の面は、第一封止樹脂３５０から露出している。これにより、上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６による発熱を、第二交流導体板３１８または導体板２１９および導体板２１８と、直流正極導体板３１５とから、モジュールケース３０４へ効率的に逃がして放熱することができる。なお、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８と、直流負極導体板３１９および第一交流導体板３１６とについても、これと同様の放熱構造を有している。
図１６のような構造により、上アームＩＧＢＴ１５５と上アームダイオード１５６との高さの違いによる傾きを抑制すると共に、ワイヤボンディング３２７の配線スペースを容易に確保することができるため、パワー半導体モジュール３００の実装性を向上させることができる。なお、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８についても同様である。
なお、図１６の例では、図１５の例と同様に、導体板２１８および直流正極導体板３１５とモジュールケース３０４との間の電気的絶縁性が、金属接合材料１６０により接合された絶縁基板３６４により確保されている。しかし、図１４の例と同様に、絶縁シート３３３を用いて電気的絶縁性を確保してもよい。
図１７は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００における上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６の各パワー半導体素子と、直流正極導体板３１５および第二交流導体板３１８の各導体板と、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１および第２上アーム信号導体３２４Ｕ２の各信号導体との間の接続構造を示した、図１４〜１６とは異なる断面図の一例である。この断面図に示す接続構造は、図１４の断面図に示した接続構造と比べて、第二交流導体板３１８が第２上アーム信号導体３２４Ｕ２の近傍まで延長されており、この第二交流導体板３１８と第２上アーム信号導体３２４Ｕ２とがはんだ材等の金属接合材料１６０により接合されることで電気的に接続されている点が異なっている。すなわち、図１７の例において、第二交流導体板３１８は、上アームＩＧＢＴ１５５のエミッタ電極４０５が固着された固着面と、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２と接合された接合面と、これらの固着面および接合面とは反対側に設けられた伝熱面３２３とを有している。この伝熱面３２３は、図１４の例と同様に第一封止樹脂３５０から露出しており、絶縁シート３３３を介して、フィン３０５が形成されているモジュールケース３０４と接している。なお、直流負極導体板３１９も上記の第二交流導体板３１８と同様の構造を有しており、これと第２下アーム信号導体３２４Ｌ２とが同様の方法で電気的に接続されている。
図１７のような構造により、ワイヤボンディングを用いずに第二交流導体板３１８と第２上アーム信号導体３２４Ｕ２とを電気的に接続できるため、ワイヤボンディングの配線に必要なループ部分の高さを確保する必要がなくなる。そのため、パワー半導体モジュール３００を小型化することができる。なお、第二交流導体板３１８と第２上アーム信号導体３２４Ｕ２との接続をはんだ付け以外の方法、たとえば溶接等により行ってもよい。
図１８は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００における上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６の各パワー半導体素子と、直流正極導体板３１５および第二交流導体板３１８の各導体板と、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１および第２上アーム信号導体３２４Ｕ２の各信号導体との間の接続構造を示した、図１４〜１７とは異なる断面図の一例である。この断面図に示す接続構造では、図１７の断面図に示した接続構造と同様に、第二交流導体板３１８が第２上アーム信号導体３２４Ｕ２の近傍まで延長されており、この第二交流導体板３１８と第２上アーム信号導体３２４Ｕ２とがはんだ材等の金属接合材料１６０により接合されることで電気的に接続されている。この図１８と図１７との違いは、前述の図１４と図１５との違いと同様である。すなわち、図１８の断面図に示す接続構造は、図１７の断面図に示した接続構造と比べて、第二交流導体板３１８の伝熱面３２３が第一封止樹脂３５０から露出しておらず、第一封止樹脂３５０の当該面がモジュールケース３０４から露出している点が異なっている。また、直流正極導体板３１５とモジュールケース３０４との間の電気的絶縁性が、図１７の絶縁シート３３３に代えて、金属接合材料１６０により接合された絶縁基板３６４により確保されている点も異なっている。
図１８のような構造により、冷却構造を簡素化すると共に、パワー半導体モジュール３００の組立てを容易にすることができる。
図１９は、本実施形態によるパワー半導体モジュール３００における上アームＩＧＢＴ１５５および上アームダイオード１５６の各パワー半導体素子と、直流正極導体板３１５および第二交流導体板３１８の各導体板と、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１および第２上アーム信号導体３２４Ｕ２の各信号導体との間の接続構造を示した、図１４〜１８とは異なる断面図の一例である。この断面図に示す接続構造では、図１７、１８の断面図に示した接続構造と同様に、第二交流導体板３１８が第２上アーム信号導体３２４Ｕ２の近傍まで延長されており、この第二交流導体板３１８と第２上アーム信号導体３２４Ｕ２とがはんだ材等の金属接合材料１６０により接合されることで電気的に接続されている。この図１９と図１７との違いは、前述の図１４と図１６との違いと同様である。すなわち、図１９の断面図に示す接続構造は、図１７の断面図に示した接続構造と比べて、第二交流導体板３１８が上アームＩＧＢＴ１５５のみと接続されており、導体板２１８、２１９をさらに有する点が異なっている。導体板２１８は、上アームＩＧＢＴ１５５のゲート電極４０３およびエミッタ電極４０５が形成されている第１電極面および上アームダイオード１５６のアノード電極と対向して配置されており、導体板２１９は、上アームダイオード１５６のアノード電極と導体板２１８との間に配置されている。
図１９のような構造により、上アームＩＧＢＴ１５５と上アームダイオード１５６との高さの違いによる傾きを抑制すると共に、ワイヤボンディング３２７の配線スペースを容易に確保することができるため、パワー半導体モジュール３００の実装性を向上させることができる。なお、下アームＩＧＢＴ１５７および下アームダイオード１５８についても同様である。
なお、図１９の例では、図１８の例と同様に、導体板２１８および直流正極導体板３１５とモジュールケース３０４との間の電気的絶縁性が、金属接合材料１６０により接合された絶縁基板３６４により確保されている。しかし、図１７の例と同様に、絶縁シート３３３を用いて電気的絶縁性を確保してもよい。
以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果を奏する。
（１）パワー半導体モジュール３００は、パワー半導体素子である上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７と、直流正極導体板３１５、第一交流導体板３１６、第二交流導体板３１８および直流負極導体板３１９の各導体板と、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、第１下アーム信号導体３２４Ｌ１および第２下アーム信号導体３２４Ｌ２の各信号導体とを備える。上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７は、ゲート電極４０３およびエミッタ電極４０５が形成された第１電極面と、コレクタ電極が形成された第２電極面とをそれぞれ有する。第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９は、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７の第１電極面とそれぞれ対向して配置され、これらのエミッタ電極４０５とそれぞれ電気的に接続される。直流正極導体板３１５、第一交流導体板３１６は、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７の第２電極面とそれぞれ対向して配置され、これらのコレクタ電極とそれぞれ電気的に接続される。第１上アーム信号導体３２４Ｕ１、第１下アーム信号導体３２４Ｌ１は、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極４０３とそれぞれ電気的に接続され、ゲート電極４０３へのドライブ信号を伝送する。第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、第２下アーム信号導体３２４Ｌ２は、ドライブ信号の基準電位を測定するためのケルビンエミッタ電極とそれぞれ電気的に接続される。この構成において、第二交流導体板３１８と第２上アーム信号導体３２４Ｕ２とを電気的に接続し、直流負極導体板３１９と第２下アーム信号導体３２４Ｌ２とを電気的に接続することで、第二交流導体板３１８および直流負極導体板３１９の一部をケルビンエミッタ電極としてそれぞれ用いるようにした。このようにしたので、パワー半導体素子である上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７を冷却するための放熱領域を十分に確保して、冷却効率を向上することができる。
（２）図１３等に示したように、第二交流導体板３１８および直流負極導体板３１９は、エミッタ電極４０５が固着された固着領域３２２を含む固着面と、その固着面とは反対側に設けられた伝熱面３２３とをそれぞれ有している。これらの第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９は、固着領域３２２に対応する伝熱面３２３の領域内において、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、第２下アーム信号導体３２４Ｌ２とそれぞれ接続されていることが好ましい。このようにすれば、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９のインダクタンスをそれぞれ最小化して、基準電位に対する電流変動の影響を最小化することができる。
（３）パワー半導体モジュール３００は、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７、直流正極導体板３１５、第一交流導体板３１６、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、第１下アーム信号導体３２４Ｌ１および第２下アーム信号導体３２４Ｌ２を一体的に封止する封止材としての第一封止樹脂３５０をさらに備える。図１４〜１６に示したように、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９において、固着面からの距離が異なる２つの伝熱面３２３を有する段差形状３７０を設け、固着面からの距離が小さい方の伝熱面３２３に第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、第２下アーム信号導体３２４Ｌ２との接続部がそれぞれ形成されている構造とすることができる。このようにすれば、第二交流導体板３１８または直流負極導体板３１９と、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２または第２下アーム信号導体３２４Ｌ２とをそれぞれ接続する際に、ワイヤボンディング３２７の配線スペースを容易に確保し、ワイヤボンディング３２７のループ部分が第一封止樹脂３５０の上面から露出するのを防ぐことができる。そのため、パワー半導体モジュール３００の組み立て作業を容易に行うことができる。
（４）図１４に示したように、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９において、固着面からの距離が大きい方の伝熱面３２３は、第一封止樹脂３５０から露出している構造とすることができる。このようにすれば、パワー半導体素子である上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７による発熱を、モジュールケース３０４へそれぞれ効率的に逃がして放熱することができる。
（５）図１７〜１９に示したように、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９は、エミッタ電極４０５が固着された固着面と、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、第２下アーム信号導体３２４Ｌ２とそれぞれ接合された接合面と、その固着面および接合面とは反対側に設けられた伝熱面３２３とをそれぞれ有する構造とすることができる。このようにすれば、ワイヤボンディングを用いずに、第二交流導体板３１８と第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、直流負極導体板３１９と第２下アーム信号導体３２４Ｌ２をそれぞれ電気的に接続できるため、ワイヤボンディングの配線に必要なループ部分の高さを確保する必要がなくなる。そのため、パワー半導体モジュール３００の小型化が可能となる。
（６）パワー半導体モジュール３００は、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７、直流正極導体板３１５、第一交流導体板３１６、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２、第１下アーム信号導体３２４Ｌ１および第２下アーム信号導体３２４Ｌ２を一体的に封止する封止材としての第一封止樹脂３５０をさらに備える。図１７に示したように、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９において、伝熱面３２３は、第一封止樹脂３５０から露出している構造とすることができる。このようにすれば、パワー半導体素子である上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７による発熱を、モジュールケース３０４へそれぞれ効率的に逃がして放熱することができる。
（７）パワー半導体モジュール３００は、図１６、１９に示したように、アノード電極およびカソード電極をそれぞれ有する上アームダイオード１５６および下アームダイオード１５８と、上アームＩＧＢＴ１５５または下アームＩＧＢＴ１５７の第１電極面および上アームダイオード１５６または下アームダイオード１５８のアノード電極とそれぞれ対向して配置された導体板２１８と、上アームダイオード１５６または下アームダイオード１５８のアノード電極と導体板２１８との間に配置され、一方の面にアノード電極が固着され、他方の面が導体板２１８と接合される導体板２１９とをさらに備えることができる。この構成において、第二交流導体板３１８、直流負極導体板３１９は、上アームＩＧＢＴ１５５または下アームＩＧＢＴ１５７の第１電極面と導体板２１８との間にそれぞれ配置され、一方の面にエミッタ電極４０５が固着され、他方の面が導体板２１８と接合されている。また、導体板２１８は、第二交流導体板３１８（または直流負極導体板３１９）および導体板２１９と接合されている面とは反対側の面が第一封止樹脂３５０から露出している。このようにすれば、上アームＩＧＢＴ１５５または下アームＩＧＢＴ１５７と、上アームダイオード１５６または下アームダイオード１５８との高さの違いによる傾きを抑制すると共に、ワイヤボンディング３２７の配線スペースを容易に確保することができる。そのため、パワー半導体モジュール３００の実装性を向上させることができる。
（８）図１３〜１９に示したように、上アームＩＧＢＴ１５５、下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極４０３と、第１上アーム信号導体３２４Ｕ１または第１下アーム信号導体３２４Ｌ１とは、ワイヤボンディング３２７を介してそれぞれ電気的に接続される。このようにしたので、これらの電気的接続を容易に行うことができる。
（９）図１３〜１９に示したように、第二交流導体板３１８または直流負極導体板３１９と、第２上アーム信号導体３２４Ｕ２または第２下アーム信号導体３２４Ｌ２とは、ワイヤボンディング３２７またははんだ材である金属接合材料１６０を介して、あるいは溶接されることで、それぞれ電気的に接続される。このようにしたので、これらの電気的接続を、パワー半導体モジュール３００の構造ごとに最適な方法で行うことができる。
（１０）図９〜１２に示したように、上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７のゲート電極４０３は、第１電極面の隅部または周縁部に形成されている。このようにしたので、エミッタ電極４０５の面積をなるべき大くして冷却効率の向上を図ることができる。
（１１）図１０、１２に示したように、上アームＩＧＢＴ１５５および下アームＩＧＢＴ１５７の第１電極面には、エミッタ電極４０５に流れる電流を測定するためのミラーエミッタ電極４０４をさらに形成することができる。このようにすれば、エミッタ電極４０５に流れる電流を容易に測定することができる。
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。また、上記実施形態で説明した各種の変形例は、任意に組み合わせて用いることができる。
１５５ 上アームＩＧＢＴ
１５６ 上アームダイオード
１５７ 下アームＩＧＢＴ
１５８ 下アームダイオード
１５９ 中間電極
１６０ 金属接合材料
２１８ 導体板
２１９ 導体板
３００ パワー半導体モジュール
３０４ モジュールケース
３０５ フィン
３１５ 直流正極導体板
３１６ 第一交流導体板
３１８ 第二交流導体板
３１９ 直流負極導体板
３２０ 交流配線
３２４Ｌ 信号導体
３２４Ｕ 信号導体
３２７ ワイヤボンディング
３３３ 絶縁シート
３５０ 第一封止樹脂
３５１ 第二封止樹脂
３６４ 絶縁基板
４０３ ゲート電極
４０４ ミラーエミッタ電極
４０５ エミッタ電極
６００ 補助モールド体

Claims (9)

  1. ゲート電極およびエミッタ電極が形成された第１電極面と、コレクタ電極が形成された第２電極面とを有するパワー半導体素子と、
    前記第１電極面と対向して配置され、前記エミッタ電極と電気的に接続される第１導体板と、
    前記第２電極面と対向して配置され、前記コレクタ電極と電気的に接続される第２導体板と、
    前記ゲート電極と電気的に接続され、前記ゲート電極への信号を伝送する第１信号導体と、
    前記信号の基準電位を測定するためのケルビンエミッタ電極と電気的に接続される第２信号導体と、
    前記パワー半導体素子、前記第１導体板、前記第２導体板、前記第１信号導体および前記第２信号導体を一体的に封止する封止材と、を備え、
    前記第１導体板と前記第２信号導体とを電気的に接続することで、前記第１導体板の一部を前記ケルビンエミッタ電極として用い、
    前記第１導体板は、前記エミッタ電極が固着された固着領域を含む固着面と、前記固着面とは反対側に設けられた伝熱面とを有し、
    前記第１導体板は、前記固着領域に対応する前記伝熱面の領域内において、前記第２信号導体と接続されており、
    前記伝熱面は、前記固着面から第１の距離だけ離れた第１伝熱面と、前記固着面から前記第１の距離より小さい第２の距離だけ離れた第２伝熱面とを有し、
    前記第２伝熱面に前記第２信号導体との接続部が形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記第１伝熱面は、前記封止材から露出していることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  3. ゲート電極およびエミッタ電極が形成された第１電極面と、コレクタ電極が形成された第２電極面とを有するパワー半導体素子と、
    前記第１電極面と対向して配置され、前記エミッタ電極と電気的に接続される第１導体板と、
    前記第２電極面と対向して配置され、前記コレクタ電極と電気的に接続される第２導体板と、
    前記ゲート電極と電気的に接続され、前記ゲート電極への信号を伝送する第１信号導体と、
    前記信号の基準電位を測定するためのケルビンエミッタ電極と電気的に接続される第２信号導体と、を備え、
    前記第１導体板と前記第２信号導体とを電気的に接続することで、前記第１導体板の一部を前記ケルビンエミッタ電極として用い、
    前記第１導体板は、前記エミッタ電極が固着された固着面と、前記第２信号導体と接合された接合面と、前記固着面および前記接合面とは反対側に設けられた伝熱面とを有することを特徴とするパワー半導体モジュール。
  4. 請求項３に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記パワー半導体素子、前記第１導体板、前記第２導体板、前記第１信号導体および前記第２信号導体を一体的に封止する封止材をさらに備え、
    前記伝熱面は、前記封止材から露出していることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  5. ゲート電極およびエミッタ電極が形成された第１電極面と、コレクタ電極が形成された第２電極面とを有するパワー半導体素子と、
    前記第１電極面と対向して配置され、前記エミッタ電極と電気的に接続される第１導体板と、
    前記第２電極面と対向して配置され、前記コレクタ電極と電気的に接続される第２導体板と、
    前記ゲート電極と電気的に接続され、前記ゲート電極への信号を伝送する第１信号導体と、
    前記信号の基準電位を測定するためのケルビンエミッタ電極と電気的に接続される第２信号導体と、
    前記パワー半導体素子、前記第１導体板、前記第２導体板、前記第１信号導体および前記第２信号導体を一体的に封止する封止材と、
    アノード電極およびカソード電極を有するダイオードと、
    前記第１電極面および前記アノード電極と対向して配置された第３導体板と、
    前記アノード電極と前記第３導体板との間に配置され、一方の面に前記アノード電極が固着され、他方の面が前記第３導体板と接合される第４導体板と、を備え、
    前記第１導体板と前記第２信号導体とを電気的に接続することで、前記第１導体板の一部を前記ケルビンエミッタ電極として用い、
    前記第１導体板は、前記第１電極面と前記第３導体板との間に配置され、一方の面に前記エミッタ電極が固着され、他方の面が前記第３導体板と接合されており、
    前記第３導体板は、前記第１導体板および前記第４導体板と接合されている面とは反対側の面が前記封止材から露出していることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記ゲート電極と前記第１信号導体は、ワイヤボンディングを介して電気的に接続されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  7. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記第１導体板と前記第２信号導体は、ワイヤボンディングまたははんだ材を介して、あるいは溶接されることで、電気的に接続されることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  8. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記ゲート電極は、前記第１電極面の隅部または周縁部に形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
  9. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記第１電極面には、前記エミッタ電極に流れる電流を測定するためのミラーエミッタ電極がさらに形成されていることを特徴とするパワー半導体モジュール。
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