JP5893126B2 - 電力用半導体モジュール及び電力変換装置 - Google Patents

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Description

この発明は、小型化が求められるインバータなどの電力変換装置に使用される電力用半導体モジュールの小型化・低インダクタンス化技術に関する。
インバータなどの電力変換装置に使用される絶縁型の電力用半導体モジュールは、放熱板となる金属板に絶縁層を介して配線パターンが形成され、その上にスイッチング動作する電力用半導体素子が設けられている。この電力用半導体素子は、外部端子と接続され、樹脂にて封止されている。大電流、高電圧でスイッチング動作する電力変換装置では、電力用半導体素子がオフする際の電流の時間変化率di/dtと電力変換装置に含まれる配線インダクタンスLとにより、サージ電圧(ΔV=L・di/dt)が発生し、このサージ電圧が電力用半導体素子に印加される。配線インダクタンスLが大きくなると、電力用半導体素子の耐圧を超えるサージ電圧が発生し、電力用半導体素子の破壊の原因となることがある。このため、電力変換装置として低インダクタンス化が求められ、電力用半導体モジュールにも低インダクタンス化が求められている。
ところで、電力用変換装置としては、必要な電流容量を満たすため、それに見合う電力用半導体モジュールを選定するか、あるいは、見合うものがなければ電力用半導体モジュールの並列使用が行われてきた。しかしながら、電力用半導体モジュールを並列使用する場合、絶縁距離を確保するためにモジュール間隔を離す必要があり、フットプリントが増加するという欠点がある。この欠点を解決するため、同一パッケージ内に電力用半導体素子が多並列で配置されたものがある(例えば、特許文献1参照)
また、特許文献1と同様に同一パッケージ内に複数の電力用半導体素子が多並列で配置され、複数の外部端子が備えられたもので、複数の電力用半導体素子の端子が個別にパッケージ内で外部端子に接続されるものが開発されている(例えば、特許文献2参照)。さらに、特許文献2では主電流を流すための外部端子の配置を上下に積層させ、主電流が作る磁束を打ち消すようにワイヤボンドを配置させ、低インダクタンス化が図られている。
特許第3519227号公報(第3頁、第2,6図) 特許第3798184号公報(第6頁、第8図)
特許文献2のような従来の電力用半導体モジュールでは、外部ブスバーにより並列接続される正極である2つのD1端子がそれぞれ外装ケースの対向する辺に離れて配置されており、同様に、外部ブスバーにより並列接続される負極である2つのS2端子がそれぞれ外装ケースの対向する辺に離れて配置されている。このため、外部ブスバーのインダクタンスが大きくなり、サージ電圧が大きくなると恐れがあるいう問題点があった。また、正極であるD1端子と負極であるS2端子とが離れて配置され、外部ブスバーのインダクタンスが大きくなることに伴い、正極側の並列回路と負極側の並列回路との間でインダクタンスがばらつきやすく、それが原因で電力用半導体素子に流れる電流にアンバランスが生じ、電力用半導体モジュールのパワーサイクル寿命に影響を及ぼす恐れがあるいうという問題点もあった。
さらに、特許文献2では、D1端子とS2端子との間にS1/D2端子が配置され、D1端子とS2端子とが離れていることが特徴である。同一パッケージ内に上下アームが構成されている電力用半導体モジュールが一般的によく使用される2レベル電力変換回路において、特許文献2に記載の電力用半導体モジュールでは、正極から負極を通る転流ループの配線インダクタンスが大きく、サージ電圧が大きくなり、電力用半導体素子が破壊する恐れがあるという問題点もあった。また、特許文献2では、外部端子を積層化し、配線インダクタンスを低減している。しかしながら、外部端子を積層するためには、絶縁を確保する必要が生じ、外装ケースがインサートケースとなり複雑化するなど、コストが増大する恐れがあるという問題点もあった。
さらに、ボンディング領域を有する外部端子にワイヤボンドする場合、外部端子の外装ケースへの取付け強度不足により、ワイヤボンディング時に力が伝わりにくく、強度が弱くなるリスクが生じる。この場合、ワイヤボンドに大電流が流れるとボンディング部の抵抗が大きいために発熱が大きく、ワイヤボンドが外れやすく、電力用半導体モジュールのパワーサイクル寿命が短くなる恐れがあるという問題点もあった。また、特許文献2では、上下アームでパワー半導体素子の表裏の正極・負極が一致しておらず、2種類のパワー半導体素子が必要であり、パワー半導体素子のコストが増大するという問題点もあった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、コストを増大させることなく、電力用半導体モジュールのインダクタンスを低減するものであり、さらには電力用半導体モジュールの信頼性を向上させるものである。
この発明に係る電力用半導体モジュールは、複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された正極側スイッチング素子と複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された負極側スイッチング素子とを直列接続して構成された上下アームを複数備えた電力用半導体モジュールにおいて、複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第1の正極側スイッチング素子と複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第1の負極側スイッチング素子とを直列接続して構成される第1の上下アームと、複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第2の正極側スイッチング素子と複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第2の負極側スイッチング素子とを直列接続して構成され第1の上下アームと並列接続される第2の上下アームと、第1の上下アームに接続される第1の正極側直流端子、第1の負極側直流端子、および第1の交流端子と、第2の上下アームに接続される第2の正極側直流端子、第2の負極側直流端子、および第2の交流端子と、第1の上下アームと第1の正極側直流端子、第1の負極側直流端子、および第1の交流端子とを接続する第1の配線パターンと、第2の上下アームと第2の正極側直流端子、第2の負極側直流端子、および第2の交流端子とを接続する第2の配線パターンとを備え、第1の配線パターンは第1の上下アームと第1の交流端子とを接続する第1の交流端子パターン部を有し、第2の配線パターンは第2の上下アームと第2の交流端子とを接続する第2の交流端子パターン部を有し、第1の交流端子パターン部と第2の交流端子パターン部とが電気的に接続され、第1の正極側直流端子と第1の負極側直流端子とが近接して配置されかつ第2の正極側直流端子と第2の負極側直流端子とが近接して配置される、電力用半導体モジュールである。
この発明に係る電力用半導体モジュールでは、第1の正極側直流端子と第1の負極側直流端子とが近接して配置されかつ第2の正極側直流端子と第2の負極側直流端子とが近接して配置されるので、インダクタンスを低減しサージ電圧の増加を抑制することができる
この発明の実施の形態1における電力用半導体モジュールの上面模式図である。 この発明の実施の形態1における電力用半導体モジュールの等価回路図である。 この発明の実施の形態1における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。 図3のA1−A2の断面模式図である。 図3のB1−B2の断面模式図である。 この発明の実施の形態1における2レベル回路における上アーム自己消弧型半導体素子のスイッチング動作回路図である。 この発明の実施の形態1における2レベル回路における上アーム自己消弧型半導体素子のスイッチング動作時の転流ループを示す回路図である。 この発明の実施の形態1における電力用半導体モジュールのaブロックの等価回路図である。 この発明の実施の形態1における別の電力用半導体モジュールの上面模式図である。 この発明の実施の形態1における別の電力用半導体モジュールの上面模式図である。 この発明の実施の形態2における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。 この発明の実施の形態2における電力用半導体モジュールの等価回路図である。 この発明の実施の形態2における2レベル回路における上アーム自己消弧型半導体素子のスイッチング動作時の転流ループを示す回路図である。 この発明の実施の形態3における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。 この発明の実施の形態4における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。 この発明の実施の形態5における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である この発明の実施の形態5における2レベル回路における上アーム自己消弧型半導体素子のスイッチング動作時の転流ループを示す回路図である。 この発明の実施の形態6における電力変換装置の上面模式図である。 図18の断面模式図である。
実施の形態1.
図1は、この発明を実施するための実施の形態1における電力用半導体モジュールの上面模式図である。また、図2は、電力用半導体モジュールの等価回路図である。図1、2において、電力用半導体モジュール100の内部には、電力用半導体として自己消弧型半導体素子6と還流ダイオード7とが逆並列で接続されたアームと呼ばれる並列回路が2つ直列に接続され、上下アーム、つまり電力変換回路の1相分を構成している。電力変換回路の動作時に、自己消弧型半導体素子6と還流ダイオード7に流れる電流で自己消弧型半導体素子6のゲート充放電に関わる電流を除いた分を主電流とする。本実施の形態では、還流ダイオードとしてショットキーバリアダイオードなどのダイオード素子を自己消弧型半導体素子6に対して外付けに設けるものとしているが、還流ダイオードが自己消弧型半導体素子6の寄生ダイオードであってもよい。
本実施の形態の電力用半導体モジュール100は、上下アームを同一ケース21(同一パッケージ)内に備えた「2in1」と一般的に呼ばれる電力用半導体モジュールである。ケース21は、電力用半導体モジュール100の外形となるものである。なお、本実施の形態では、ケースと称しているが、電力用半導体モジュールを樹脂封止などで外形を形成するような場合には、樹脂の外周部がケースとなり、同等の機能を果たす。図1のとおり、ケース21は、各端子が張り出しているが、略直方体の形状をしており、略四角形の面(図1において各端子が設けられている面)を有している。図2の等価回路図に示すように、電力用半導体モジュール100は、一点鎖線で囲んだように2つの回路ブロック101、102に分けられる。2つの回路ブロック101、102は、それぞれ上下アームを構成しており、各回路ブロック101、102には正極側直流端子である正極端子11a、11b、負極側直流端子である負極端子12a、12bがそれぞれ1つずつ備えられている。これ以降、2つの回路ブロックをそれぞれaブロック101、bブロック102と称することがある。
本実施の形態の電力用半導体モジュール100は、aブロック101およびbブロック102のそれぞれの正極端子と負極端子とが近接して配置されていることが特徴である。各回路ブロック101、102を、外部ブスバーを用いて並列に接続して使用する場合において、正極端子11a、11bと負極端子12a、12bとが近接しているので、外部ブスバーとの接続長の各回路ブロック101、102間のばらつきが小さくなる。したがって、各回路ブロック101、102間のインダクタンスのばらつきが低減でき、さらにインダクタンスのばらつきに起因した電流ばらつきを低減でき、電力用半導体モジュール100の電流を均等化できる。また、電力用半導体モジュール100は、外部ブスバーと接続して電力変換装置として使用されるが、外部ブスバーの引き回しが短くなるため、電力変換装置のインダクタンスの低減に寄与できる。
図3は、図1に示した電力用半導体モジュール100の内部構造を示した上面模式図である。図3におけるA1−A2の断面模式図を図4に、図3におけるB1−B2の断面模式図を図5にそれぞれ示す。本実施の形態の電力用半導体モジュール100は、電力用半導体モジュール100を構成する自己消弧型半導体素子6と還流ダイオード7との発熱を放熱する金属放熱体であるベース板1の一方の面に、金属箔がロウ付けなどで接合された絶縁基板であるセラミクス絶縁層2が、はんだ9により接合されている。一方、セラミクス絶縁層2のベース板1と接合された面と対向する面には、金属箔により配線パターン3、4がロウ付けなどにより接合されている。金属箔が接合されたセラミクス絶縁層2と配線パターン3、4とによりセラミクス絶縁基板5が構成されている。
配線パターン3、4のセラミクス絶縁層2と接合された面と対向する面には、自己消弧型半導体素子6、還流ダイオード7、自己消弧型半導体素子6のゲート抵抗となるチップ抵抗8、さらに交流端子10a、10b、正極端子11a、11b、負極端子12a、12bが、はんだ9により接合されている。なお、交流端子、正極端子、および負極端子には、大電流が流れるため、外部回路と接続するためにネジを使用するのが一般的である。このため、本実施の形態では、交流端子10a、10b、正極端子11a、11b、および負極端子12a、12bには、ネジ挿入用の穴があり、その端子の下に接するケース21にはナット23が埋め込まれている。
図3において、ケース21には、セラミクス絶縁層2、配線パターン3、4、および複数の上下アームであるaブロック101、bブロック102が収納されている。正極端子11a、11b、負極端子12a、12b、交流端子10a、10bのそれぞれは一方が配線パターン3または配線パターン4に接続されるとともに、他方がケース21の表面に露出するように設けられている。正極端子11a、11b、負極端子12a、12b、交流端子10a、10bは、配線パターン3、4を介してaブロック101、bブロック102に接続される。正極端子11a、11b、負極端子12a、12b、交流端子10a、10bは、複数の回路ブロックであるaブロック101、bブロック102に対応してそれぞれ複数設けられている。
図3において、正極端子11a、11bと負極端子12a、12bは、ケース21の略四角形の面の一辺に配置されている。つまり、複数の正極端子11a、11bと複数の負極端子12a、12bとが近接して配置されている。一方、交流端子10a、10bは、正極端子11a、11bおよび負極端子12a、12bが配置されている一辺と対向する辺に配置されている。また、各正極端子11a、11bと各負極端子12a、12bとの間の平均距離が、各正極端子11a、11bと各交流端子10a、10bとの間の平均距離よりも短い。そして、正極端子11a、11bと負極端子12a、12bとが交互に配置され、正極端子11a、負極端子12a、正極端子11b、負極端子12bの順に並んでいる。
自己消弧型半導体素子6のはんだ接合されていない面と還流ダイオード7のはんだ接合されていない面は、ワイヤボンド15により配線パターン3、4等に接合される。また、チップ抵抗8のはんだ接合されていない面は、ワイヤボンド15により自己消弧型半導体素子6のゲート電極に接合される。また、ケース21は、ベース板1の上に接着剤などで接合されており、電力用半導体モジュール100の内部を絶縁するためにケース21内部に封止樹脂20が注入される。その後、ケース21に蓋22を嵌合し、接着剤などで接着させると図1のような電力用半導体モジュール100となる。
図3における電力用半導体モジュール100では、各アームを構成する自己消弧型半導体素子6と還流ダイオード7は、アーム毎にセラミクス絶縁基板5が分割されているように示しているが、必ずしもセラミクス絶縁基板が分割されている必要があるわけではない。電力用半導体モジュール100に配置される自己消弧型半導体素子6や還流ダイオード7の素子数は、電力用半導体モジュール100の電流容量によって異なるため、素子数が多い場合には、セラミクス絶縁基板5を一枚にすると、セラミクス絶縁基板5のサイズが大きくなる。この場合、ベース板1やはんだ9などの電力用半導体モジュール100の構成部材との熱膨張率の違いからセラミクス絶縁基板にクラックが入るなどの信頼性の問題が発生する。したがって、素子数が多い場合など、電流容量に応じてセラミクス絶縁基板5の分割を考慮すると良い。
次に、2in1の電力用半導体モジュールを用いた2レベル回路におけるスイッチング動作について説明する。図6は、2レベル回路における上アーム自己消弧型半導体素子のスイッチング動作回路図である。図6に示した動作回路図を用いて、自己消弧型半導体素子がMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)である場合を例として上アーム(正極側)のMOSFETがスイッチングするモードについて説明する。
図6(a)に示すように、正側直流母線Pと負側直流母線Nとの間にコンデンサ32の両端が接続されており、電力用半導体モジュール100の正極端子11を正側直流母線Pに、負極端子12を負側直流母線Nに接続して、2レベル回路を構成している。図6(a)の破線で囲まれた部分は電力用半導体モジュール100を示しており、白丸は交流端子10、正極端子11、負極端子12などの電力用半導体モジュール100の表面に露出する外部端子を示している。図6には、正極側MOSFET6uがスイッチングする場合の電流経路を矢印で回路に重ねて示している。
図6(a)において、正極側MOSFET6uがオンの場合、電流はコンデンサ32の正極から正極側MOSFET6uを通り、交流端子10を通り、モーターなどの負荷40を経由して他相の負極アーム26dを通り、コンデンサ32の負極に電流が流れる。MOSFETのスイッチング時には負荷に対してインダクタンス成分が影響するため、図6では負荷40をインダクタンスとして表記した。一方、正極側MOSFET6uがオンからオフにスイッチングすると、図6(b)に示すように、負荷40に流れていた電流が負極側還流ダイオード7dに還流する。したがって、正極側MOSFET6uのターンオフ時の転流ループL1は、図6(c)に示すように、コンデンサ32の正極から正極側MOSFET6u、負極側還流ダイオード7dを通り、コンデンサ32の負極に戻るというループとなる。ただし、図6にはMOSFETと還流ダイオードとコンデンサのみを記載しているが、実際には半導体同士が接続される配線のインダクタンスや抵抗成分が回路に含まれ、この転流ループL1にはその配線インダクタンスや抵抗成分が含まれる。
一方、負極側MOSFET6dがスイッチングする場合には、上記と同様に転流ループは、コンデンサ32の正極から正極側還流ダイオード7u、負極側MOSFET6dを通り、コンデンサ32の負極に戻るというループとなる。前述したように、自己消弧型半導体素子6のターンオフ時に印加されるサージ電圧は転流ループのインダクタンスLsに比例する。したがって、2レベル回路では図6(c)に記載の転流ループL1のインダクタンスを低減させることが必要となる。転流ループのインダクタンス要因としては、電力用半導体モジュールとコンデンサとを接続するブスバーのインダクタンス、コンデンサ自体のインダクタンス、電力用半導体モジュール内部の配線インダクタンスの3つの要素に分けられる。本発明は3つめの電力用半導体モジュール内部の配線インダクタンスの低減に関するものである。
図7は、2レベル回路における上アーム自己消弧型半導体素子のスイッチング動作時の転流ループL2を示す回路図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール100には、モジュール内部に上下アームが2回路ブロック分配置されている。このため、図7の実線で示した転流ループL2のように2回路ブロックに対応して2つの経路ができ、インダクタンスは1回路ブロックのものに比べて低減できる。なお、図7の点線で示す交流端子10a、10bを通る経路も転流ループL3となる。
また、本実施の形態の電力用半導体モジュール100は、ケース21の一辺上に正極端子と負極端子が、正極端子11a、負極端子12a、正極端子11b、負極端子12bというように交互に並んでいることが特徴である。前述のとおり、外部ブスバーを接続することにより各回路ブロック101、102は並列接続され、電力用半導体モジュール100のインダクタンスが低減する。端子部分のインダクタンスについては、正極端子11a、11bに流れる電流の向きと負極端子12a、12bに流れる電流の向きとが反対であることから、正極端子11a、11bと負極端子12a、12bとを交互に配置することにより、さらに正極端子11a、11bおよび負極端子12a、12bのインダクタンスを低減することができる。また、正極端子11a、11bおよび負極端子12a、12bと交流端子10a、10bとが離れているほうが、外部ブスバーを接続しやすく、端子の間に制御ドライバ回路を搭載した制御ドライバ回路基板を配置でき、電力変換装置の小型化につながる。なお、交流端子10a、10bは、正極端子11a、11bおよび負極端子12a、12bが配置されたケース21の一辺と対向する辺上に配置されている。交流端子の数は電流容量に合わせて設定すれば良く、本実施の形態では4つの端子を配置している。
ところで、上下アームの自己消弧型半導体素子6の制御端子13、14(正極ゲート制御端子13ga、13gb、負極ゲート制御端子14ga、14gb、正極ソース制御端子13sa、13sb、負極ソース制御端子14sa、14sb)を各回路ブロック101、102毎に分けて備え、かつケース21の表面の残りの二辺上に配置している。配線パターン3の中で各回路ブロック101、102における制御端子13、14が接続される配線パターンを、便宜的に制御用配線パターン部とする。制御用配線パターン部は、正極ゲート制御用配線パターン部、負極ゲート制御用配線パターン部、正極ソース制御用配線パターン部、負極ソース制御用配線パターン部に分けられる。本実施の形態では、各回路ブロック101、102の自己消弧型半導体素子6の各制御用電極が各制御用配線パターン部に接続され、各回路ブロック101、102の各制御用配線パターン部は、各回路ブロック101、102毎にケース21の表面に設けられる制御端子13、14にそれぞれ接続される。制御端子13、14を、各回路ブロック毎に設けたことにより、ケース21内部で制御用配線パターン部を接続する必要がなく、モジュールの小型化が可能となる。
なお、図2では、同一回路ブロック内で並列接続された自己消弧型半導体素子6や還流ダイオード7をまとめて1つとして表記しているが、実際には図8のaブロック101の等価回路図に示すように同一回路ブロック内で自己消弧型半導体素子6や還流ダイオード7が並列に接続されている場合がある。図8は、aブロック101についての等価回路図であるが、bブロック102についても同様である。しかしながら、必ずしも複数個の自己消弧型半導体素子6や還流ダイオード7が並列接続されている必要はなく、自己消弧型半導体素子6や還流ダイオード7で各回路ブロックが構成されていれば、本発明の効果が得られる。また、本実施の形態では、自己消弧型半導体素子6をMOSFETとして説明したが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やバイポーラトランジスタなどのその他の自己消弧型半導体素子であっても、本発明の効果は得られる。
また、図9および図10は、別の電力用半導体モジュールの上面模式図である。図9および図10に示したように、各端子の配置は、ケース21の略四角形の面上に各回路ブロックの正極端子11a、11bと負極端子12a、12bとが近接するように配置されている。このように正極端子11a、11bと負極端子12a、12bとが近接して配置されていれば、本発明の効果が得られ、図1に示した電力用半導体モジュール100のように、正極端子11a、11bと負極端子12a、12bとの配置をケース21のいずれかの辺上に配置する場合に限られるわけではない。また、交流端子10が正極端子11a、11bや負極端子12a、12bから離れていても、本発明の効果は得られる。さらに、正極端子11a、11bおよび負極端子12a、12bと交流端子10a、10bとが離れているほうが、外部ブスバーを接続しやすく、端子の間に制御ドライバ回路を搭載した制御ドライバ回路基板を配置でき、電力変換装置の小型化につながる。
また、本実施例ではaブロック101とbブロック102との2並列での電力用半導体モジュール100について説明を行ったが、回路ブロックが2並列以上であっても、本発明の効果が得られる。
以上のように、正極端子11a、11b、負極端子12a、12b、および交流端子10a、10bは、複数の回路ブロック(上下アーム)101、102に対応してそれぞれ複数設けられ、複数の正極端子11a、11bと複数の負極端子12a、12bとが近接して配置されるので、外部ブスバーとの接続長の各回路ブロック101、102間のばらつきが小さくなり、各回路ブロック101、102間のインダクタンスのばらつきが低減できる。また、インダクタンスのばらつきに起因した電流ばらつきを低減でき、電力用半導体モジュール100に流れる電流の均等化ができる。さらに、電力用半導体モジュール100は、外部ブスバーと接続して電力変換装置として使用されるが、外部ブスバーの引き回しが短くなるため、電力変換装置のインダクタンスの低減に寄与できる。また、上下アームを構成する回路ブロックを複数具備することにより、電力用半導体モジュールのインダクタンスの低減が可能となる。さらに、本実施の形態の電力用半導体モジュール100は、複雑なケースを用いる必要もなく、従来の電力用半導体モジュールと同じ構成要素を用いることができるので、コストを増大させることなく、電力用半導体モジュールの低インダクタンス化ができ、さらには電力用半導体モジュールの信頼性を向上させることができる。
実施の形態2
図11は、この発明を実施するための実施の形態2における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール200は実施の形態1の電力用半導体モジュール100と主電流の流れる経路や構成部材に関してはほぼ同じである。実施の形態1と異なる点は、各回路ブロック101、102における交流端子10a、10bあるいは下アームの自己消弧型半導体素子6と還流ダイオード7とが接合された配線パターン4がワイヤボンド16により電気的に同電位に接続されている点である。
配線パターン3、4の中で各回路ブロック101、102における交流端子10a、10bが接続される配線パターンを、便宜的に交流端子パターン部4a、4bとする。本実施の形態では、aブロック101の交流端子パターン部4aとbブロック102の交流端子パターン部4b同士がケース21内部でワイヤボンド16により電気的に同電位に接続されている。
本実施の形態の電力用半導体モジュール200の等価回路図を図12に示す。本実施の形態の電力用半導体モジュール200は、実施の形態1と同様に、aブロック101およびbブロック102のそれぞれの正極端子11a、11bと負極端子12a、12bとが近接して配置されていることが特徴である。各回路ブロック101、102を、外部ブスバーを用いて並列に接続して使用する場合において、正極端子11a、11bと負極端子12a、12bとが近接しているので、外部ブスバーとの接続長の各回路ブロック間のばらつきが小さくなる。したがって、各回路ブロック間のインダクタンスのばらつきが低減でき、さらにインダクタンスのばらつきに起因した電流ばらつきを低減でき、電力用半導体モジュール200に流れる電流を均等化できる。また、電力用半導体モジュール200は、外部ブスバーと接続して電力変換装置として使用されるが、外部ブスバーの引き回しが短くなるため、電力変換装置のインダクタンスの低減に寄与できる。
図13は、2レベル回路における上アーム自己消弧型半導体素子のスイッチング動作時の転流ループL4を示す回路図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール200には、モジュール内部に上下アームが2回路ブロック分配置されている。このため、図13の実線で示した転流ループL4のように2回路ブロックに対応して2つの経路ができ、インダクタンスは1回路ブロックのものに比べて低減できる。また、交流端子10や下アームの自己消弧型半導体素子6および還流ダイオード7がそれぞれ接合された交流端子パターン部4a、4bは、ワイヤボンド16により2回路ブロック間が電気的に接続されている。このため、図13の点線で示す経路も転流ループL5となる。本実施の形態の電力用半導体モジュール200は、2回路ブロック間が電力用半導体モジュール内部で電気的に接続されていることが特徴であるが、電力用半導体モジュール200の内部で接続されているため、図7で示したように交流端子10を通ることがなく、転流ループL5が小さくなり、正極端子11bから負極端子12aへと通る転流ループL5(図11、図13の点線で示した経路)のインダクタンスが小さくなる。また、正極端子11bから負極端子12aへと通る転流ループL5において、逆方向に流れる電流経路が沿うように配置されているため、さらなる転流ループのインダクタンスの低減が可能となる。これは、2回路ブロックの主電流の流れる経路に対応する配線パターン3、4が回路ブロック間で、正極端子11a、11b、負極端子12a、12bの配置されるケース21の辺に沿って略平行移動の関係にあるので、正極端子11bと負極端子12aとの近くの配線パターン4が沿うように配置できるためである。このように、2回路ブロック配置されることによるインダクタンスの低減のみならず、各回路ブロック101、102間の電気的な接続により、さらなるインダクタンスの低減が可能となる。
一方、実施の形態1の電力用半導体モジュール100のように、外部ブスバーを用いてモジュールの外側で交流端子10a、10bを接続した場合、交流端子自体のインダクタンスが大きいため、図7の実線で示した転流ループL2に比べて、図7の点線で示した交流端子を通る転流ループL3のインダクタンスが大きい。この結果、図7の実線で示した転流ループL2によるインダクタンスが支配的となるため、インダクタンスの低減は小さく、本実施の形態の電力用半導体モジュール200と同等の効果を得ることはできない。
なお、本実施の形態では、2回路ブロック間を電気的に同電位にするための接続をワイヤボンド16によって行うことを説明したが、電気的に同電位となる接続が可能な方法であればその他の方法でもよく、本発明の効果が得られる。また、本実施の形態では、aブロック101とbブロック102との2並列での電力用半導体モジュール200について説明を行ったが、回路ブロックが2並列以上であっても、本発明の効果が得られる。
以上のように、各回路ブロック101、102における交流端子10a、10bが接合された配線パターン4がワイヤボンド16により電気的に同電位に接続されているので、転流ループが小さくなり、正極端子11bから負極端子12aへと通る転流ループのインダクタンスをより小さくすることができる。
実施の形態3.
図14は、この発明を実施するための実施の形態3における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール300は実施の形態2の電力用半導体モジュール200と主電流の流れる経路や構成部材に関してはほぼ同じである。実施の形態2と異なる点は、実施の形態2の電力用半導体モジュール200は各回路ブロック毎に上下アームの制御端子1セット(正極・負極ゲート制御端子および正極・負極ソース制御端子)を備えているのに対し、本実施の形態の電力用半導体モジュール300は、各回路ブロックの自己消弧型半導体素子6用の制御端子を回路ブロック間で共通とした点である。
上下アームの自己消弧型半導体素子6の制御端子13、14(正極ゲート制御端子13g、負極ゲート制御端子14g、正極ソース制御端子13s、負極ソース制御端子14s)を各回路ブロック101、102共通として、かつケース21の表面の一辺上に配置している。配線パターン3の中で各回路ブロック101、102における制御端子13、14が接続される配線パターンを、便宜的に制御用配線パターン部とする。制御用配線パターン部は、正極ゲート制御用配線パターン部、負極ゲート制御用配線パターン部、正極ソース制御用配線パターン部、負極ソース制御用配線パターン部に分けられる。本実施の形態では、各回路ブロック101、102の自己消弧型半導体素子6の各制御用電極が各制御用配線パターン部に接続され、各回路ブロック101、102間で対応する制御用配線パターン部同士がケース21内部でワイヤボンドにより電気的に同電位に接続されている。電気的に同電位に接続された各制御用配線パターン部は、ケース21の表面の一辺上に設けられる制御端子13、14にそれぞれ接続される。つまり、複数の制御用配線パターン部のうちの一つの制御用配線パターン部が制御端子13、14に接続される。
本実施の形態の電力用半導体モジュール300は、実施の形態1と同様に、aブロック101およびbブロック102のそれぞれの正極端子と負極端子とが近接して配置されていることが特徴である。各回路ブロック101、102を、外部ブスバーを用いて並列に接続して使用する場合において、正極端子と負極端子とが近接しているので、外部ブスバーとの接続長の各回路ブロック間のばらつきが小さくなる。したがって、各回路ブロック間のインダクタンスのばらつきが低減でき、さらにインダクタンスのばらつきに起因した電流ばらつきを低減でき、電力用半導体モジュール300を流れる電流を均等化できる。また、電力用半導体モジュール300は、外部ブスバーと接続して電力変換装置として使用されるが、外部ブスバーの引き回しが短くなるため、電力変換装置のインダクタンスの低減に寄与できる。
また、ワイヤボンド16により配線パターン4が2回路ブロック間で電気的に接続されていることや、2回路ブロックの主電流の流れる経路に対応する配線パターン3、4が、正極端子および負極端子が配置されたケース21の辺に沿って略平行移動の関係にあることから、実施の形態2と同様に、電力用半導体モジュール300のインダクタンスを低減できる。
ところで、本実施の形態の電力用半導体モジュール300では、自己消弧型半導体素子6のゲート制御用の配線パターン部を2回路ブロック間で電気的に接続している。このことにより、主回路は平行移動関係にあるため、図14の矢印で示す主電流の向きと自己消弧型半導体素子6のゲートの充放電電流の向きとの関係を全回路ブロックに対し統一させたことが特徴である。つまり、制御用配線パターン部に流れる自己消弧型半導体素子6のゲートの充放電電流の向きと自己消弧型半導体素子6に流れる主電流の向きとの関係が複数の上下アームである回路ブロック101および回路ブロック102において同じである。主電流による電磁誘導により自己消弧型半導体素子6のゲート制御用の配線パターン部やワイヤボンド15などのゲート充放電経路に起電力が生じる。したがって、主電流の向きと自己消弧型半導体素子6のゲートの充放電電流の向きとを回路ブロック間で統一させることにより、回路ブロック毎に自己消弧型半導体素子6のゲートへの主電流の誘導を統一させることができ、回路ブロック間の電流アンバランスを低減することができる。
以上のように、各回路ブロック101、102の自己消弧型半導体素子6用の制御端子13、14を回路ブロック101、102間で共通としたので、各回路ブロック101、102間で、自己消弧型半導体素子6のゲート電極に対する主電流の誘導が揃うため、電流アンバランスが低減することができる。
実施の形態4.
図15は、この発明を実施するための実施の形態4における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール400は実施の形態2の電力用半導体モジュール200と主電流の流れる経路や構成部材に関してはほぼ同じである。実施の形態2と異なる点は、実施の形態2の電力用半導体モジュール200はaブロック101とbブロック102との配置が略平行移動関係にあるのに対し、本実施の形態の電力用半導体モジュール300はaブロック101とbブロック102との配置が略鏡面対称関係にある点である。配線パターン3、4ならびに各回路ブロック101、102毎に設けられる自己消弧型半導体素子6およびダイオード7が隣り合うブロック間で逆向きとなるように配置されている。このような配置によって、自己消弧型半導体素子6およびダイオード7と配線パターン3、4とを接続するワイヤボンド15に流れる電流が隣り合うブロック間で逆向きとなる。
本実施の形態の電力用半導体モジュール400も、実施の形態2と同様に、交流端子10、つまり下アームの半導体素子が接合される配線パターンを2つの回路間で電気的に接続することにより、1つ回路の正極端子から他方の回路の負極端子へ通る転流ループができる。このため、インダクタンスのさらなる低減が可能となる。aブロック101とbブロック102との配置を略鏡面対称にすることにより、制御端子13、14を回路ブロック毎に備えながらも、主電流の向きと自己消弧型半導体素子6のゲートの充放電電流の向きとを回路ブロック毎に一致させることが可能となり、回路ブロック間の電流アンバランスを低減することができる。なお、回路ブロックは2つに限定されるわけではなく、2n(nは自然数)あっても略鏡面対称にすることができる。ただし、交流端子10、つまり、下アームの半導体素子が接合される配線パターンを2つの回路間で電気的に接続しないような図15におけるワイヤボンド16がない場合や、鏡面対称に配置されたaブロック101とbブロック102の制御端子をブロック間で共通とした場合においても、実施の形態1と同等の効果は得られる。したがって、交流端子10、つまり下アームの半導体素子が接合される配線パターンを2つの回路間で電気的に接続することや回路ブロック毎に制御端子を備えることに限定するものではなく、aブロック101とbブロック102が鏡面対称に配置された場合、正極端子11a、11b、負極端子12a、12bが近接して配置されることによって、インダクタンスの低減が可能となる。
以上のように、配線パターン3、4ならびに各回路ブロック101、102毎に設けられる自己消弧型半導体素子6およびダイオード7が鏡面対称に配置されているので、主電流の向きとゲートの充放電電流の向きとを回路ブロック毎に一致させることが可能となり、回路ブロック間の電流アンバランスを低減することができる。
実施の形態5.
図16は、この発明を実施するための実施の形態5における電力用半導体モジュールの内部構造を示した上面模式図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール500は実施の形態4の電力用半導体モジュール400と内部構造はほぼ同じである。実施の形態4と異なる点は、実施の形態4の電力用半導体モジュールでは、回路ブロック101、102における負極端子の接続される配線パターン3同士はワイヤボンドなどによる電気的に接続がされていないのに対し、本実施の形態の電力用半導体モジュールにおいては、配線パターン3同士がワイヤボンド17によって電気的に接続がなされている点である。下アームの配線パターン3同士がワイヤボンド17により電気的に同電位に接続されている。このように配線パターン3同士が接続されることにより、図16中の実線に示すような電流経路が出来る(点線は実施の形態4で示した電流経路)。
図17は、2レベル回路における上アーム自己消弧型半導体素子のスイッチング動作時の転流ループを示す回路図である。本実施の形態の電力用半導体モジュール500には、モジュール内部に上下アームが2回路ブロック分配置されている。実施の形態4の電力用半導体モジュール400においては転流ループL4、L5があり、さらに本実施の形態では配線パターン3同士を接続することで転流ループL6が追加され、転流ループが増えることがわかる。転流ループのインダクタンスは電流経路が増えるほどに値が小さくなる傾向があり、本実施の形態5の電力用半導体モジュール500は実施の形態4の電力用半導体モジュール400よりもさらに低インダクタンス化が可能となる。なお、図16には、前記配線パターン3を電気的に接続するワイヤボンド17を2箇所設けているが、2箇所である必要はなく、どちらか一箇所であっても本発明の効果は得られる。
なお、本実施の形態では、2回路ブロック間を電気的に同電位にするための接続をワイヤボンド17によって行うことを説明したが、電気的に同電位となる接続が可能な方法であればその他の方法でもよく、本発明の効果が得られる。また、本実施の形態では、aブロック101とbブロック102との2並列での電力用半導体モジュール500について説明を行ったが、回路ブロックが2並列以上であっても、本発明の効果が得られる。
以上のように、各回路ブロック101、102における負極端子12a、12bへ接続される下アームの配線パターン3同士がワイヤボンド17により電気的に同電位に接続されているので、転流ループにおける電流経路が増加し、負極端子12a、12bへと通る転流ループのインダクタンスをより小さくすることができる。
また、本実施の形態5の電力変換装置では、aブロック101とbブロック102との配置が略鏡面対称関係にある電力用半導体モジュールについて説明したが、実施の形態1〜3の電力用半導体モジュール100、200、300のようなaブロック101とbブロック102との配置が略平行移動関係にある電力用半導体モジュールを用いても本発明の効果が得られる。
実施の形態6.
図18は、この発明を実施するための実施の形態6における電力変換装置の上面模式図である。図19は、図18の断面模式図である。図18に記載の電力用半導体モジュール100は実施の形態1で説明した電力用半導体モジュールである。図18には、電力用半導体モジュール100がインバータの1相を構成するとして図示したが、正確には3相を構成するので、電力用半導体モジュールは最低でも3つ必要である。3相分の電力用半導体モジュール100の正極端子11a、11bと負極端子12a、12bは、それぞれ正極外部ブスバー30と負極外部ブスバー31で電気的に接続されるのが一般的である。
実施の形態1で説明したように、電力用半導体モジュール100は、正極端子11a、11bおよび負極端子12a、12bと交流端子10a、10bとが対向する辺に配置されている。したがって、電力用半導体モジュール100の上部のスペースが空くため、そこに電力用半導体モジュール100の自己消弧型半導体素子6を制御する制御ドライバ回路を搭載した制御用ドライブ回路基板33を配置することが可能となる。つまり、制御ドライバ回路基板33を電力用半導体モジュール100の表面に配置する。特に、電力用半導体モジュール100は、制御端子13、14がピンタイプのものであるため、制御用ドライブ回路基板33に制御端子13、14をはんだ接合できるようにスルーホールを設けたものを使用すると良いが、それに限るものではなく、電力用半導体モジュール100の上部に制御用ドライブ回路基板を配置できるようなその他の接続方法であっても本発明の効果が得られる。また、回路ブロック毎に制御端子を備えた電力用半導体モジュール100においては、ドライブ回路基板や配線を用いてブロック間の制御端子を接続する。
また、制御用ドライブ回路基板を電力用半導体モジュール100の上部に配置できれば、制御端子13、14からの距離が短くノイズが乗りにくく、自己消弧型半導体素子6が誤動作しにくくなるため、電力用半導体モジュール100の故障を防ぐことができる。さらに、デッドスペースを活用できるため、電力変換装置の小型化に繋がる。また、本実施の形態の電力変換装置では、実施の形態1で説明した電力用半導体モジュール100を用いて説明したが、実施の形態2〜5の電力用半導体モジュール200、300、400、500を用いても本発明の効果が得られる。
なお、全ての実施の形態において、自己消弧型半導体素子や還流ダイオードを、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成された自己消弧型半導体素子や還流ダイオードは、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、自己消弧型半導体素子や還流ダイオードの小型化が可能であり、これら小型化された自己消弧型半導体素子や還流ダイオードを用いることにより、これらの素子を組み込んだ電力用半導体モジュールの小型化が可能となる。
また、電力損失が低いため、スイッチング周波数の高周波化が可能であるが、高速スイッチングを行うには、電力用半導体モジュールの低インダクタンス化が求められる。ここで、本発明の電力用半導体モジュールにワイドギャップ半導体を用いれば、高速スイッチング時のサージ電圧を抑制することが可能であるため、スイッチング周波数の高周波化が可能となる。スイッチング周波数の高周波化に伴い、電力用半導体モジュールを組み込んだ電力変換装置の小型化が可能となる。なお、自己消弧型半導体素子および還流ダイオードの両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよく、本発明の効果を得ることができる。
1 ベース板、2 セラミクス絶縁層、3,4 配線パターン、
5 セラミクス絶縁基板、6 自己消弧型半導体素子、7 還流ダイオード、
8 チップ抵抗、9 はんだ、
10,10a,10b 交流端子、11,11a,11b 正極端子、
12,12a,12b 負極端子、13,14 制御端子
13g,13ga,13gb 正極ゲート制御端子、
14g,14ga,14gb 負極ゲート制御端子、
13s,13sa,13sb 正極ソース制御端子、
14s,14sa,14sb 負極ソース制御端子、
15,16,17 ワイヤボンド、20 封止樹脂、21 ケース、22 蓋、
23 ナット、30 正極外部ブスバー、31 負極外部ブスバー、32 コンデンサ、
33 制御用ドライブ回路基板、40 負荷、
100,200,300,400,500 電力用半導体モジュール、
101、102 回路ブロック。

Claims (23)

  1. 複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された正極側スイッチング素子と複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された負極側スイッチング素子とを直列接続して構成された上下アームを複数備えた電力用半導体モジュールにおいて、
    複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第1の正極側スイッチング素子と複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第1の負極側スイッチング素子とを直列接続して構成される第1の上下アームと、
    複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第2の正極側スイッチング素子と複数の自己消弧型半導体素子が並列接続された第2の負極側スイッチング素子とを直列接続して構成され、前記第1の上下アームと並列接続される第2の上下アームと、
    前記第1の上下アームに接続される第1の正極側直流端子、第1の負極側直流端子、および第1の交流端子と、
    前記第2の上下アームに接続される第2の正極側直流端子、第2の負極側直流端子、および第2の交流端子と、
    前記第1の上下アームと前記第1の正極側直流端子、前記第1の負極側直流端子、および前記第1の交流端子とを接続する第1の配線パターンと、
    前記第2の上下アームと前記第2の正極側直流端子、前記第2の負極側直流端子、および前記第2の交流端子とを接続する第2の配線パターンと、
    を備え、
    前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームと前記第1の交流端子とを接続する第1の交流端子パターン部を有し、
    前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームと前記第2の交流端子とを接続する第2の交流端子パターン部を有し、
    前記第1の交流端子パターン部と前記第2の交流端子パターン部とが電気的に接続され、
    前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子とが近接して配置され、かつ、前記第2の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子とが近接して配置される、
    電力用半導体モジュール。
  2. 前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームと前記第1の負極側直流端子とを接続する第1の負極端子パターン部を有し、
    前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームと前記第2の負極側直流端子とを接続する第2の負極端子パターン部を有し、
    前記第1の負極端子パターン部が、前記第2の負極端子パターン部に、前記電力用半導体モジュールの外形内部において電気的に接続されることを特徴とする請求項1記載の電力用半導体モジュール。
  3. 複数の自己消弧型半導体素子を直列接続して構成された上下アームを複数備えた電力用半導体モジュールにおいて、
    複数の自己消弧型半導体素子を直列接続して構成される第1の上下アームと、
    複数の自己消弧型半導体素子を直列接続して構成され、前記第1の上下アームと並列接続される第2の上下アームと、
    前記第1の上下アームに接続される第1の正極側直流端子、第1の負極側直流端子、および第1の交流端子と、
    前記第2の上下アームに接続される第2の正極側直流端子、第2の負極側直流端子、および第2の交流端子と、
    前記第1の上下アームと前記第1の正極側直流端子、前記第1の負極側直流端子、および前記第1の交流端子とを接続する第1の配線パターンと、
    前記第2の上下アームと前記第2の正極側直流端子、前記第2の負極側直流端子、および前記第2の交流端子とを接続する第2の配線パターンと、
    を備え、
    前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームと前記第1の負極側直流端子とを接続する第1の負極端子パターン部を有し、
    前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームと前記第2の負極側直流端子とを接続する第2の負極端子パターン部を有し、
    前記負極端子から前記正極端子へと通る転流ループが新たに形成されるように、前記第1の負極端子パターン部が前記第2の負極端子パターン部に電気的に接続される、
    電力用半導体モジュール。
  4. 記第1の交流端子パターン部が、前記第2の交流端子パターン部に、前記電力用半導体モジュールの外形内部において電気的に接続される
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電力用半導体モジュール。
  5. 前記第1の交流端子又は前記第2の交流端子を通ることなく正極端子から負極端子へと通る転流ループが形成されるように、前記第1の交流端子パターン部が前記第2の交流端子パターン部に電気的に接続される、
    ことを特徴とする請求項に記載の電力用半導体モジュール。
  6. 前記電力用半導体モジュールの外形に略四角形の面を有し、
    前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子と前記第2の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子とが、前記略四角形の面の一辺に配置され、
    前記第1の交流端子と前記第2の交流端子とが、前記一辺と対向する辺に配置される
    ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  7. 前記電力用半導体モジュールの外形に略四角形の面を有し、
    前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子と前記第1の交流端子と前記第2の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子と前記第2の交流端子とが、前記略四角形の面内に配置される
    ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  8. 前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間の距離が、前記第1の正極側直流端子と前記第1の交流端子との間の距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  9. 前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間の距離が、前記第1の負極側直流端子と前記第1の交流端子との間の距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  10. 前記第1の正極側直流端子、前記第1の負極側直流端子、前記第2の正極側直流端子、前記第2の負極側直流端子の順に配置される
    ことを特徴とする請求項1からのいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  11. 前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第1の制御用配線パターン部を有し、
    前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第2の制御用配線パターン部を有し、
    前記第1の制御用配線パターン部が、前記第1の上下アームに設けられる第1の制御端子に接続され、
    前記第2の制御用配線パターン部が、前記第2の上下アームに設けられる第2の制御端子に接続される
    ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  12. 前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第1の制御用配線パターン部を有し、
    前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第2の制御用配線パターン部を有し、
    前記第1の制御用配線パターン部が、前記第1の上下アームに設けられる第1の制御端子に接続され、
    前記第2の制御用配線パターン部は、前記第1の制御用配線パターン部に電気的に接続される、
    ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  13. 前記第1の配線パターンは、前記第1の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第1の制御用配線パターン部を有し、
    前記第2の配線パターンは、前記第2の上下アームの前記自己消弧型半導体素子の制御用電極に接続される第2の制御用配線パターン部を有し、
    前記第1の制御用配線パターン部に流れる前記自己消弧型半導体素子のゲートの充放電電流の向きと前記自己消弧型半導体素子に流れる主電流の向きとの関係と、前記第2の制御用配線パターン部に流れる前記自己消弧型半導体素子のゲートの充放電電流の向きと前記自己消弧型半導体素子に流れる主電流の向きとの関係とが同じである
    ことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  14. 前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間、前記第1の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子との間、の平均距離が、前記第1の正極側直流端子と前記第1の交流端子との間、前記第1の正極側直流端子と前記第2の交流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第1の交流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第2の交流端子との間、の平均距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  15. 前記第1の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間、前記第1の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第1の負極側直流端子との間、前記第2の正極側直流端子と前記第2の負極側直流端子との間、の平均距離が、前記第1の負極側直流端子と前記第1の交流端子との間、前記第1の負極側直流端子と前記第2の交流端子との間、前記第2の負極側直流端子と前記第1の交流端子との間、前記第2の負極側直流端子と前記第2の交流端子との間、の平均距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項1から14のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  16. 前記第1の正極側直流端子と前記第1の配線パターンとが第1の接続部で接続し、
    前記第1の負極側直流端子と前記第1の配線パターンは第2の接続部で接続し、
    前記第1の交流端子と前記第1の配線パターンは第3の接続部で接続し、
    前記第1の接続部と前記第2の接続部との間の距離が、前記第1の接続部と前記第3の接続部との間の距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項1から15のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  17. 前記第1の正極側直流端子と前記第1の配線パターンは第1の接続部で接続し、
    前記第1の負極側直流端子と前記第1の配線パターンは第2の接続部で接続し、
    前記第1の交流端子と前記第1の配線パターンは第3の接続部で接続し、
    前記第1の接続部と前記第2の接続部との間の距離が、前記第2の接続部と前記第3の接続部との間の距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項1から16のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  18. 前記第2の正極側直流端子と前記第2の配線パターンとが第4の接続部で接続し、
    前記第2の負極側直流端子と前記第2の配線パターンとが第5の接続部で接続し、
    第前記第2の交流端子と前記第2の配線パターンとが第6の接続部で接続し、
    前記第1の接続部と前記第2の接続部との間および前記第4の接続部と前記第5の接続部との間の平均距離が、前記第1の接続部と前記第3の接続部の間及び前記第4の接続部と前記第6の接続部の間の平均距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項16または17に記載の電力用半導体モジュール。
  19. 前記第2の正極側直流端子と前記第2の配線パターンとが第4の接続部で接続し、
    前記第2の負極側直流端子と前記第2の配線パターンとが第5の接続部で接続し、
    第前記第2の交流端子と前記第2の配線パターンとが第6の接続部で接続し、
    前記第1の接続部と前記第2の接続部との間および前記第4の接続部と前記第5の接続部との間の平均距離が、前記第2の接続部と前記第3の接続部の間及び前記第5の接続部と前記第6の接続部の間の平均距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項16から18のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  20. 前記第1の上下アームおよび前記第2の上下アームは、前記自己消弧型半導体素子に対して逆並列に接続されるダイオードを有することを特徴とする請求項1から19のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  21. 前記ダイオードが、珪素よりバンドギャップが広い炭化珪素、窒化ガリウム材料、およびダイヤモンドのうちのいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1から2のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  22. 前記自己消弧型半導体素子が、珪素よりバンドギャップが広い炭化珪素、窒化ガリウム材料、およびダイヤモンドのうちのいずれか1つで形成されることを特徴とする請求項1から2のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュール。
  23. 請求項1から2のいずれか1項に記載の電力用半導体モジュールと前記電力用半導体モジュールの前記自己消弧型半導体素子を制御する制御ドライバ回路とを備えた電力変換装置であって、
    前記制御ドライバ回路を前記電力用半導体モジュールの表面に配置することを特徴とする電力変換装置。
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