JP6345361B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、パワーデバイス機器に用いて好適なパワー半導体モジュールに関する。
下記特許文献１には、ダイオード素子とＭＯＳ型スイッチング素子とが逆並列に接続され、電力変換装置における正側アームとして動作する第１の素子対と、ダイオード素子とＭＯＳ型スイッチング素子とが逆並列に接続され、電力変換装置における負側アームとして動作する第２の素子対と、を有し、第１および第２の素子対は１つのモジュール内に収容されて２ｉｎ１モジュールとして構成されると共に、第１および第２の素子対同士の直列接続を可能とする外部電極端子を有して構成される鉄道車両用途のパワー半導体モジュールが開示されている。
特許第４９０２０２９号公報
上記従来技術は、直列接続して駆動することが容易なＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴを搭載したパワー半導体モジュールの接続形態を変更して、架線電圧の異なる鉄道車両用の電力変換装置に適用する場合の回路例については開示されているが、パワー半導体モジュール自体の構成を直接的に開示したものではない。このため、従来技術では、鉄道車両用の種々の電力変換装置に適用する場合には、複数のパワー半導体モジュールを組み合わせた回路構成とする必要があり、汎用性という観点において改善の余地があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、鉄道車両用の種々の電力変換装置への適用に際し、汎用性を有するパワー半導体モジュールを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るパワー半導体モジュールは、ダイオード素子とスイッチング素子とが逆並列に接続された第１の素子対とダイオード素子とスイッチング素子とが逆並列に接続された第２の素子対とが直列に接続され、第１の素子対と第２の素子対とが樹脂封止されたコアモジュール、ならびに、直流正極端子、直流負極端子、および交流端子を有する端子付きカバーを備える。当該コアモジュールにおいて、第１の素子対を構成するスイッチング素子の正側電極と電気的に接続する第１電極、第１の素子対を構成する前記スイッチング素子の負側電極と電気的に接続する第２電極、第２の素子対を構成するスイッチング素子の正側電極と電気的に接続する第３電極、および第２の素子対を構成する前記スイッチング素子の負側電極と電気的に接続する第４電極は、表面に露出している。端子付きカバーの直流正極端子は第１電極に電気的に接続され、端子付きカバーの直流負極端子は第４電極に電気的に接続され、端子付きカバーの交流端子は第２電極および第３電極に電気的に接続される。
本発明によれば、汎用性を有し、量産効果を得ることができる高耐圧仕様のパワー半導体モジュールを提供することができるという効果を奏する。
実施の形態に係るパワー半導体モジュールを搭載する電力変換装置の概略の機能構成を示す図 実施の形態に係るパワー半導体モジュールを構成する際の基本単位であるコアモジュールの概略形状を示す斜視図 図２に示すコアモジュール内部の電気配線を示す図 実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの一例である５００Ａ定格１相モジュールの外観構成を示す分解斜視図 図４（ａ）に示した端子付きカバー２０Ａを裏面側かつ下方側から視認したときの斜視図 図４に示す５００Ａ定格１相モジュールにおける端子付きカバー内部の電気配線を示す図 実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの一例である１０００Ａ定格１相モジュールの外観構成を示す斜視図 図７に示す１０００Ａ定格１相モジュールにおける端子付きカバー内部の電気配線を示す図 実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの一例である５００Ａ定格単相モジュールの外観構成を示す斜視図 図９に示す５００Ａ定格単相モジュールにおける端子付きカバー内部の電気配線を示す図 実施の形態４に係るパワー半導体モジュールの一例である１５００Ａ定格１相モジュールの外観構成を示す斜視図 図１１に示す１５００Ａ定格１相モジュールにおける端子付きカバー内部の電気配線を示す図 実施の形態５に係るパワー半導体モジュールの一例である５００Ａ定格３相モジュールの外観構成を示す斜視図 図１３に示す５００Ａ定格３相モジュールにおける端子付きカバー内部の電気配線を示す図 実施の形態６に係るパワー半導体モジュールの一例である５００Ａ定格１相３レベルモジュールの外観構成を示す斜視図 図１５に示す５００Ａ定格１相３レベルモジュールにおける端子付きカバー内部の電気配線を示す図 実施の形態７に係るパワー半導体モジュールの一例である２０００Ａ定格１相モジュールの外観構成を示す斜視図 図１７に示す２０００Ａ定格１相モジュールにおける端子付きカバー内部の電気配線を示す図 実施の形態８に係るパワー半導体モジュールの一例である複合モジュールの外観構成を示す斜視図 図１９に示す複合モジュールにおける端子付きカバー内部の電気配線を示す図
以下に、本発明の実施の形態に係るパワー半導体モジュールを図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールを搭載する電力変換装置の概略の機能構成を示す図であり、鉄道車両１００に搭載される電力変換装置１５０の一構成例を示している。図１に示すように、電力変換装置１５０は、コンバータ１１０、コンデンサ１２０およびインバータ１３０を備えて構成される。鉄道車両１００には、電力変換装置１５０の入力端側に配置されてコンバータ１１０に接続される変圧器１０６および、電力変換装置１５０の出力端側に配置されてインバータ１３０に接続され、電力変換装置１５０からの電力供給を受けて車両を駆動する電動機１４０が搭載されている。なお、電動機１４０としては、誘導電動機または同期電動機が好適である。
変圧器１０６の一次巻線の一端は集電装置１０２を介して架線１０１に接続され、他端は車輪１０３を介して大地電位であるレール１０４に接続されている。架線１０１から供給される電力は、集電装置１０２を介して変圧器１０６の一次巻線に入力されるとともに、変圧器１０６の二次巻線に生じた電力がコンバータ１１０に入力される。
コンバータ１１０は、半導体素子ＵＰＣ，ＶＰＣで構成される正側アーム（例えばＵ相ではＵＰＣ）と、半導体素子ＵＮＣ，ＶＮＣで構成される負側アーム（例えばＵ相ではＵＮＣ）とがそれぞれ直列に接続された回路部（以下「レグ」という）を有している。すなわち、コンバータ１１０には、２組（Ｕ相分、Ｖ相分）のレグを有する単相ブリッジ回路が構成されている。なお、半導体素子ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＮＣ，ＶＮＣは、後述するようにスイッチング素子と、スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオード素子とを有する構成が一般的である。
コンバータ１１０は、半導体素子ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＮＣ，ＶＮＣをＰＷＭ制御することで入力された交流電圧を所望の直流電圧に変換して出力する。
コンバータ１１０の出力端には、直流電源となるコンデンサ１２０が並列に接続されると共に、コンデンサ１２０の直流電圧を入力とし、任意電圧および任意周波数の交流電圧に変換し出力するインバータ１３０が接続される。
インバータ１３０は、半導体素子ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩで構成される正側アーム（例えばＵ相ではＵＰＩ）と、半導体素子ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩで構成される負側アーム（例えばＵ相ではＵＮＩ）とがそれぞれ直列に接続されたレグを有している。すなわち、インバータ１３０には、３組（Ｕ相分、Ｖ相分、Ｗ相分）のレグを有する３相ブリッジ回路が構成されている。なお、半導体素子ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩは、コンバータ１１０と同様に、スイッチング素子と、スイッチング素子に逆並列に接続されるダイオード素子とを有する構成が一般的である。
インバータ１３０は、半導体素子ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩをＰＷＭ制御することで入力された直流電圧を所望の交流電圧に変換して出力する。
なお、図１では、実施の形態１に係る電力変換装置の好適な例として、交流入力の電気車に適用する場合を一例として示したが、地下鉄または郊外電気車等に多用される直流入力の電気車に対しても同様に適用することができる。なお、直流入力の電気車の構成は公知であるため、ここでの説明は省略する。
つぎに、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールについて説明する。図２は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールを構成する際の基本単位であるコアモジュールの概略形状を示す斜視図であり、図３は、図２に示すコアモジュール内部の電気配線を示す図である。
図２および図３に示すように、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの基本単位であるコアモジュール１０では、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）型のスイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ（MOS-Field-Effect Transistor）１２ａとフライホイールダイオード（Fly Wheel Diode：以下「ＦＷＤ」と表記）１２ｂとが逆並列に接続された第１の素子対１２と、ＭＯＳＦＥＴ１４ａとＦＷＤ１４ｂとが逆並列に接続された第２の素子対１４が樹脂封止されて形成されている。このように、基本単位であるコアモジュール１０は、２個の素子対が１つのモジュール内に収容される、いわゆる２ｉｎ１モジュールを構成している。なお、本実施の形態ではスイッチング素子としてＭＯＳ型のスイッチング素子を用いることとしたが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の他のパワー半導体スイッチング素子を用いることとしてもよい。
ここで、第１の素子対１２では、ＭＯＳＦＥＴのドレイン（正側電極）とＦＷＤのカソードとがモジュール内で接続され、その接続端は樹脂封止された部分の外側に引き出されてコアモジュール１０における第１のドレイン電極Ｄ１（第１電極ともいう。）を構成し、ＭＯＳＦＥＴのソース（負側電極）とＦＷＤのアノードとがモジュール内で接続され、その接続端は樹脂封止された部分の外側に引き出されてコアモジュール１０における第１のソース電極Ｓ１（第２電極ともいう。）を構成する。同様に、第２の素子対１４では、ＭＯＳＦＥＴのドレイン（正側電極）とＦＷＤのカソードとがモジュール内で接続され、その接続端は樹脂封止された部分の外側に引き出されてコアモジュール１０における第２のドレイン電極Ｄ２（第３電極ともいう。）を構成し、ＭＯＳＦＥＴのソース（負側電極）とＦＷＤのアノードとがモジュール内で接続され、その接続端は樹脂封止された部分の外側に引き出されてコアモジュール１０における第２のソース電極Ｓ２（第４電極ともいう。）を構成する。ここで、図２に示すように、コアモジュール１０の第１のドレイン電極Ｄ１、第１のソース電極Ｓ１、第２のドレイン電極Ｄ２、および第２のソース電極Ｓ２は、それぞれ樹脂封止されたコアモジュール１０の表面に露出して設けられている。すなわち、コアモジュール１０に内蔵されたスイッチング素子の正側電極および負側電極ごとに対応し、これらの電極に電気的に接続される電極がコアモジュール１０の表面に設けられている。
図４（ｃ）は、実施の形態１に係るパワー半導体モジュールの一例である５００Ａ定格１相モジュールの外観構成を示す分解斜視図である。図４（ｃ）に示す５００Ａ定格１相モジュールは、図４（ａ）に示す端子付きカバー２０Ａと、図４（ｂ）に示すコアモジュール１０を用いて構成する。端子付きカバー２０Ａは、第１の面（図４の例では上部面）に向かい合う第２の面（図４の例では下部面）が開口する箱形構造であり、第１の面には、直流正極端子２２Ｐの一部を構成する正極面状電極２４Ｐ、直流負極端子２２Ｎの一部を構成する負極面状電極２４Ｎ、および交流端子２２ＡＣの一部を構成する交流面状電極２４ＡＣが形成されている。なお、正極面状電極２４Ｐ、負極面状電極２４Ｎおよび交流面状電極２４ＡＣのうちの少なくとも１つは、第１の面以外の他の面に形成されていてもよい。
図５は、図４（ａ）に示した端子付きカバー２０Ａの裏面側かつ下方側から視認したときの斜視図である。端子付きカバー２０Ａの内部では、図５に示すように、内方に向かって突出した正極突状電極２６Ｐ、負極突状電極２６Ｎ、交流突状第１電極２６ＡＣ１および交流突状第２電極２６ＡＣ２が形成されると共に、正極突状電極２６Ｐと正極面状電極２４Ｐとを電気的に接続するための正極連結電極２８Ｐ、負極突状電極２６Ｎと負極面状電極２４Ｎとを電気的に接続するための負極連結電極２８Ｎ、ならびに、交流突状第１電極２６ＡＣ１および交流突状第２電極２６ＡＣ２のそれぞれと交流面状電極２４ＡＣとを電気的に接続するための交流連結電極２８ＡＣが形成されている。正極突状電極２６Ｐおよび正極連結電極２８Ｐは、直流正極端子２２Ｐの一部を構成する。負極突状電極２６Ｐおよび負極連結電極２８Ｎは、直流負極端子２２Ｎの一部を構成する。交流第１突状電極２６ＡＣ１、交流第２突状電極２６ＡＣ２および交流連結電極２８ＡＣは、交流端子２２ＡＣの一部を構成する。
実施の形態１に係るパワー半導体モジュールは、端子付きカバー２０Ａをコアモジュール１０の上部、すなわち第１、第２のドレイン電極（Ｄ１，Ｄ２）および第１、第２のソース電極（Ｓ１，Ｓ２）が露出している側から被せると、端子付きカバー２０Ａに形成された正極突状電極２６Ｐと第１のドレイン電極Ｄ１とが接触し、また、負極突状電極２６Ｎと第２のソース電極Ｓ２とが接触し、そして交流突状第１電極２６ＡＣ１と第１のソース電極Ｓ１とが接触し、さらに交流突状第２電極２６ＡＣ２と第２のドレイン電極Ｄ２によるそれぞれの組が接触する。これらの電極同士の接触により、コアモジュール１０と端子付きカバー２０Ａとの間の電気配線が為され、図４（ｃ）に示す５００Ａ定格１相モジュールが得られる。
図６は、図４に示す５００Ａ定格１相モジュールにおける端子付きカバー２０Ａ内部の電気配線を示す図である。図６には、図３に示したコアモジュール１０の回路構成が示されている。端子付きカバー２０Ａの内部では、コアモジュール１０の第１のドレイン電極Ｄ１と端子付きカバー２０Ａの直流正極端子２２Ｐを成す正極面状電極２４Ｐとが正極突状電極２６Ｐおよび正極連結電極２８Ｐにて結線されると共に、コアモジュール１０の第２のソース電極Ｓ２と端子付きカバー２０Ａの直流負極端子２２Ｎを成す負極面状電極２４Ｎとが負極突状電極２６Ｎおよび負極連結電極２８Ｎにて結線される。また、コアモジュール１０の第１のソース電極Ｓ１と端子付きカバー２０Ａの交流端子２２ＡＣを成す交流突状第１電極２６ＡＣ１とが結線され、コアモジュール１０の第２のドレイン電極Ｄ２と端子付きカバー２０Ａの交流端子２２ＡＣを成す交流突状第２電極２６ＡＣ２とが結線され、交流突状第１電極２６ＡＣ１および交流突状第２電極２６ＡＣ２に電気的に接続されている交流連結電極２８ＡＣを介して交流端子２２ＡＣを成す交流面状電極２４ＡＣと結線される。このようにして、直流正極端子２２Ｐ、直流負極端子２２Ｎおよび交流端子２２ＡＣのそれぞれと、対応する第１、第２のドレイン電極（Ｄ１，Ｄ２）、第１、第２のソース電極（Ｓ１，Ｓ２）との間の電気配線が為され、コアモジュール１０が構成される。
図４および図６に示す５００Ａ定格１相モジュールは、インバータ回路を構成する１相分のレグまたはコンバータ回路を構成する１相分のレグに用いることができる。例えば、図１の構成において、インバータ１３０であれば、半導体素子ＵＰＩ，ＵＮＩ、半導体素子ＶＰＩ，ＶＮＩおよび半導体素子ＷＰＩ，ＷＮＩのそれぞれの組に用いることができる。また、コンバータ１１０であれば、半導体素子ＵＰＣ，ＵＮＣおよび半導体素子ＶＰＣ，ＶＮＣのそれぞれの組に用いることができる。
実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係るパワー半導体モジュールの一例である１０００Ａ定格１相モジュールの外観構成を示す斜視図であり、図８は、図７に示す１０００Ａ定格１相モジュールにおける端子付きカバー２０Ｂ内部の電気配線を示す図である。
１０００Ａ定格１相モジュールは、図７に示すように、図２に示すコアモジュール１０を２つ並べて配置し、２つのコアモジュール１０における各電極が露出している側から端子付きカバー２０Ｂを被せることで実現する。端子付きカバー２０Ｂの内部には、図５に示す端子付きカバー２０Ａと同様な突状電極および連結電極（以下「電極部材」と称する）が構成されており、それらの電極部材を介することで、各面状電極（２４Ｐ，２４Ｎ，２４ＡＣ）と、２つのコアモジュール１０における各電極（Ｄ１，Ｄ２，Ｓ１，Ｓ２）とが電気的に結線される。
端子付きカバー２０Ｂの内部では、図８に示すように、２つのコアモジュール１０が並列に接続されるので、２倍の容量の１相モジュール、すなわち１０００Ａ定格１相モジュールが構成される。
図７および図８に示す１０００Ａ定格１相モジュールは、インバータ回路を構成する各１相分の正側アームおよび負側アーム、または、コンバータ回路を構成する１相分の正側アームおよび負側アームに用いることができる。例えば、図１の構成において、インバータ１３０であれば、半導体素子ＵＰＩ，ＵＮＩ、半導体素子ＶＰＩ，ＶＮＩおよび半導体素子ＷＰＩ，ＷＮＩのそれぞれの組に用いることができる。また、コンバータ１１０であれば、半導体素子ＵＰＣ，ＵＮＣおよび半導体素子ＶＰＣ，ＶＮＣのそれぞれの組に用いることができる。何れの構成においても、５００Ａ定格１相モジュールを用いた場合よりも２倍の電流容量を確保することができる。
実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係るパワー半導体モジュールの一例である５００Ａ定格単相モジュールの外観構成を示す斜視図であり、図１０は、図９に示す５００Ａ定格単相モジュールにおける端子付きカバー２０Ｃ内部の電気配線を示す図である。
５００Ａ定格単相モジュールは、図９に示すように、図２に示すコアモジュール１０を２つ並べて配置し、２つのコアモジュール１０における各電極が露出している側から端子付きカバー２０Ｃを被せることで実現する。端子付きカバー２０Ｃの内部には、図５に示す端子付きカバー２０Ａと同様な電極部材が構成されており、それらの電極部材を介することで、各面状電極（２４Ｐ，２４Ｎ，２４ＡＣ１，２４ＡＣ２）と、２つのコアモジュール１０における各電極（Ｄ１，Ｄ２，Ｓ１，Ｓ２）とが電気的に結線される。
端子付きカバー２０Ｃの内部では、図１０に示すように、２つのコアモジュール１０が並列に接続される一方で、２つの交流端子同士（Ｓ１とＤ２）のそれぞれを電気的に接続せずに、端子付きカバー２０Ｃにおける２つの個別の交流端子（２２ＡＣ１，２２ＡＣ２）に電気的に接続することで、５００Ａ定格１相モジュールが並列に接続された５００Ａ定格単相モジュールが構成される。
図９および図１０に示す５００Ａ定格単相モジュールは、単相インバータ回路を構成するブリッジ回路、または、単相コンバータ回路を構成するブリッジ回路に用いることができる。例えば、図１の電力変換装置１５０の構成であれば、コンバータ１１０にそのまま用いることができる。
実施の形態４．
図１１は、実施の形態４に係るパワー半導体モジュールの一例である１５００Ａ定格１相モジュールの外観構成を示す斜視図であり、図１２は、図１１に示す１５００Ａ定格１相モジュールにおける端子付きカバー２０Ｄ内部の電気配線を示す図である。
１５００Ａ定格１相モジュールは、図１１に示すように、図２に示すコアモジュール１０を３つ並べて配置し、３つのコアモジュール１０における各電極が露出している側から端子付きカバー２０Ｄを被せることで実現する。端子付きカバー２０Ｄの内部には、図５に示す端子付きカバー２０Ａと同様な電極部材が構成されており、それらの電極部材を介することで、各面状電極（２４Ｐ，２４Ｎ，２４ＡＣ）と、３つのコアモジュール１０における各電極（Ｄ１，Ｄ２，Ｓ１，Ｓ２）とが電気的に結線される。
端子付きカバー２０Ｄの内部では、図１２に示すように、３つのコアモジュール１０が３並列に接続されるので、３倍の容量の１相モジュール、すなわち１５００Ａ定格１相モジュールが構成される。
図１１および図１２に示す１５００Ａ定格１相モジュールは、インバータ回路を構成する各１相分のレグまたはコンバータ回路を構成する１相分のレグに用いることができる。例えば、図１の構成において、インバータ１３０であれば、半導体素子ＵＰＩ，ＵＮＩ、半導体素子ＶＰＩ，ＶＮＩおよび半導体素子ＷＰＩ，ＷＮＩのそれぞれの組に用いることができる。また、コンバータ１１０であれば、半導体素子ＵＰＣ，ＵＮＣおよび半導体素子ＶＰＣ，ＶＮＣのそれぞれの組に用いることができる。何れの構成においても、５００Ａ定格１相モジュールを用いた場合よりも３倍の電流容量を確保することができる。
実施の形態５．
図１３は、実施の形態５に係るパワー半導体モジュールの一例である５００Ａ定格３相モジュールの外観構成を示す斜視図であり、図１４は、図１３に示す５００Ａ定格３相モジュールにおける端子付きカバー２０Ｅ内部の電気配線を示す図である。
５００Ａ定格３相モジュールは、図１３に示すように、図２に示すコアモジュール１０を３つ並べて配置し、３つのコアモジュール１０における各電極が露出している側から端子付きカバー２０Ｅを被せることで実現する。端子付きカバー２０Ｅの内部には、図５に示す端子付きカバー２０Ａと同様な電極部材が構成されており、それらの電極部材を介することで、各面状電極（２４Ｐ，２４Ｎ，２４ＡＣ１，２４ＡＣ２，２４ＡＣ３）と、３つのコアモジュール１０における各電極（Ｄ１，Ｄ２，Ｓ１，Ｓ２）とが電気的に結線される。
端子付きカバー２０Ｅの内部では、図１４に示すように、３つのコアモジュール１０が３並列に接続される一方で、３つの交流端子同士（Ｓ１とＤ２）のそれぞれを電気的に接続せずに、端子付きカバー２０Ｃにおける３つの個別の交流端子（２２ＡＣ１，２２ＡＣ２，２２ＡＣ３）に電気的に接続することで、５００Ａ定格１相モジュールが３並列に接続された５００Ａ定格３相モジュールが構成される。
図１３および図１４に示す５００Ａ定格３相モジュールは、３相インバータ回路を構成するブリッジ回路、または、３相コンバータ回路を構成するブリッジ回路に用いることができる。例えば、図１の電力変換装置１５０の構成であれば、インバータ１３０にそのまま用いることができる。
上述したパワー半導体モジュールは、何れも２レベルの回路への適用例であったが、次の例では、３レベルの回路への適用例について説明する。
実施の形態６．
図１５は、実施の形態６に係るパワー半導体モジュールの一例である５００Ａ定格１相３レベルモジュールの外観構成を示す斜視図であり、図１６は、図１５に示す５００Ａ定格１相３レベルモジュールにおける端子付きカバー２０Ｆ内部の電気配線を示す図である。なお、図１６では、便宜的に、添字ａ，ｂ，ｃを付して、３つのコアモジュール１０を識別している。
５００Ａ定格１相３レベルモジュールは、図１５に示すように、図２に示すコアモジュール１０を３つ並べて配置し、３つのコアモジュール１０における各電極が露出している側から端子付きカバー２０Ｆを被せることで実現する。端子付きカバー２０Ｅの内部には、図５に示す端子付きカバー２０Ａと同様な電極部材が構成されており、それらの電極部材を介することで、各面状電極（２４Ｐ，２４Ｃ，２４Ｎ，２４ＡＣ）と、３つのコアモジュール１０における各電極（Ｄ１，Ｄ２，Ｓ１，Ｓ２）とが電気的に結線される。なお、面状電極２４Ｃは、直流中点端子２２Ｃの一部を構成する電極である。
端子付きカバー２０Ｆの内部では、図１６に示すように、３つのコアモジュール１０のうち、第１のコアモジュール１０ａの第１のドレイン電極Ｄ１と端子付きカバー２０Ｆの直流正極端子２２Ｐとが電気的に接続され、第１のコアモジュール１０ａの第２のソース電極Ｓ２と第２のコアモジュール１０ｂの第１のドレイン電極Ｄ１と直流中点端子２２Ｃとが電気的に接続され、第２のコアモジュール１０ｂの第２のソース電極Ｓ２と端子付きカバー２０Ｆの直流負極端子２２Ｎとが電気的に接続され、第３のコアモジュール１０ｃの第１のソース電極Ｓ１と第３のコアモジュール１０ｃの第２のドレイン電極Ｄ２と交流端子２２ＡＣとが電気的に接続され、３つの各コアモジュール間では、第１のコアモジュール１０ａの第１のソース電極Ｓ１と第１のコアモジュール１０ａの第２のドレイン電極Ｄ２と第３のコアモジュール１０ｃの第１のドレイン電極Ｄ１とが電気的に接続され、第２のコアモジュール１０ｂの第１のソース電極Ｓ１と第２のコアモジュール１０ｂの第２のドレイン電極Ｄ２と第３のコアモジュール１０ｃの第２のソース電極Ｓ２とが電気的に接続されるように形成された電極部材によって結線される。これらの結線により、５００Ａ定格１相モジュールを３個使用した５００Ａ定格１相３レベルモジュールが構成される。
図１５および図１６に示す５００Ａ定格１相３レベルモジュールは、３レベルインバータ回路を構成する各１相分のレグまたは３レベルコンバータ回路を構成する１相分のレグに用いることができる。
上述したパワー半導体モジュールは、基本単位であるコアモジュール１０を２つもしくは３つ用いる例であったが、４つ以上を用いてパワー半導体モジュールを構成してもよい。以下、４つのコアモジュール１０を用いてパワー半導体モジュールを構成する例について説明する。
実施の形態７．
図１７は、実施の形態７に係るパワー半導体モジュールの一例である２０００Ａ定格１相モジュールの外観構成を示す斜視図であり、図１８は、図１７に示す２０００Ａ定格１相モジュールにおける端子付きカバー２０Ｇ内部の電気配線を示す図である。
２０００Ａ定格１相モジュールは、図１７に示すように、図２に示すコアモジュール１０を４つ並べて配置し、４つのコアモジュール１０における各電極が露出している側から端子付きカバー２０Ｇを被せることで実現する。端子付きカバー２０Ｇの内部には、図５に示す端子付きカバー２０Ａと同様な電極部材が構成されており、それらの電極部材を介することで、各面状電極（２４Ｐ，２４Ｎ，２４ＡＣ）と、３つのコアモジュール１０における各電極（Ｄ１，Ｄ２，Ｓ１，Ｓ２）とが電気的に結線される。
端子付きカバー２０Ｇの内部では、図１８に示すように、４つのコアモジュール１０が４並列に接続されるので、４倍の容量の１相モジュール、すなわち２０００Ａ定格１相モジュールが構成される。
図１７および図１８に示す２０００Ａ定格１相モジュールは、インバータ回路を構成する各１相分のレグまたはコンバータ回路を構成する１相分のレグに用いることができる。例えば、図１の構成において、インバータ１３０であれば、半導体素子ＵＰＩ，ＵＮＩ、半導体素子ＶＰＩ，ＶＮＩおよび半導体素子ＷＰＩ，ＷＮＩのそれぞれの組に用いることができる。また、コンバータ１１０であれば、半導体素子ＵＰＣ，ＵＮＣおよび半導体素子ＶＰＣ，ＶＮＣのそれぞれの組に用いることができる。何れの構成においても、５００Ａ定格１相モジュールを用いた場合よりも４倍の電流容量を確保することができる。
実施の形態８．
図１９は、実施の形態８に係るパワー半導体モジュールの一例である複合モジュールの外観構成を示す斜視図であり、図２０は、図１９に示す複合モジュールにおける端子付きカバー２０Ｈ内部の電気配線を示す図である。
図２０に示す複合モジュールは、図２に示すコアモジュール１０を４つ並べて配置し、４つのコアモジュール１０における各電極が露出している側から端子付きカバー２０Ｈを被せることで実現する。端子付きカバー２０Ｈの内部には、図５に示す端子付きカバー２０Ａと同様な電極部材が構成されており、それらの電極部材を介することで、各面状電極（２４Ｐ，２４Ｎ，２４ＡＣ）と、４つのコアモジュール１０における各電極（Ｄ１，Ｄ２，Ｓ１，Ｓ２）とが電気的に結線される。
端子付きカバー２０Ｈの内部では、図２０に示すように、４つのコアモジュール１０が４並列に接続される一方で、４つの交流端子同士（Ｓ１とＤ２）のそれぞれを電気的に接続せずに、端子付きカバー２０Ｃにおける４つの個別の交流端子（２２ＡＣ１，２２ＡＣ２，２２ＡＣ３，２２ＡＣ４）に電気的に接続することで、５００Ａ定格１相モジュールが４並列に接続された複合モジュールが構成される。
図１９および図２０に示す複合モジュールは、４つのコアモジュール１０のうちの何れか３つのコアモジュール１０によって構成される回路を５００Ａ定格の３相インバータ回路として用いることができ、残りの１つのコアモジュール１０を例えばチョッパ回路として用いることができる。
以上説明したように、本実施の形態に係るパワー半導体モジュールによれば、第１の素子対のスイッチング素子の正側電極および負側電極と第２の素子対のスイッチング素子の正側電極および負側電極のそれぞれに接続する電極が表面に露出したコアモジュール１０と、各用途に合わせてコアモジュール１０の電極を内部配線しモジュール端子として引き出す端子付きカバー２０によってパワー半導体モジュールを構成している。これにより、各用途に合わせた端子付きカバー製造し、共通のコアモジュール１０の数を変更するだけで電流容量、および２レベルまたは３レベルといった用途に応じた最適なパワー半導体モジュールを構成することができるため、汎用性が高く製造コストを削減することができる。
また、本実施の形態に係るパワー半導体モジュールによれば、１または複数枚のコアモジュールを使用し、端子付きカバーの内部の電気配線を変更することで、５００Ａ定格１相モジュール、１０００Ａ定格１相モジュール、５００Ａ定格単相モジュール、１５００Ａ定格１相モジュール、５００Ａ定格３相モジュール、５００Ａ定格１相３レベルモジュール、２０００Ａ定格１相モジュールおよび複合モジュール（５００Ａ定格３相＋チョッパ回路）を含む種々の電力変換モジュールを構成できるので、電力変換装置の製造コストを削減し、また、電力変換装置のサイズを低減することが可能となる。
なお、本実施の形態では、コアモジュール１個の定格を５００Ａとする例について説明したが、５００Ａに限定されるものではない。例えば、コアモジュールのサイズを変更することで、任意の定格のものを形成することができる。
また、コアモジュール１０を構成するＭＯＳＦＥＴおよびＦＷＤの素材としては、例えば珪素（以下「Ｓｉ」と表記）または炭化珪素（以下「ＳｉＣ」と表記）を用いることができる。特に、ＳｉＣは、高温度での使用が可能であるという特徴を有しているので、モジュールの許容動作温度をＳｉの場合よりも高めることができる。このため、各素子対におけるチップ占有面積をさらに小さくすることができ、モジュールサイズの更なる削減が可能となる。
また、ＳｉＣの場合、チップ厚も薄くすることができるので、熱抵抗が小さくなるという利点もある。さらに、ＳｉＣをＦＷＤとして使用した場合、オン電圧を低減することができるので、リカバリ損失も大幅に低減することができるという効果も得られる。このため、チップサイズを削減しても、温度上昇を抑制しつつ、損失を低減することができる。
なお、ＳｉＣは、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例であり、このＳｉＣ以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属する。したがって、ＳｉＣ以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。
また、本実施の形態では、鉄道車両用の電力変換装置に適用する場合について説明したが、産業機械用途、電気自動車用途、ハイブリッド車用途、パワーコンディショナ用途などに用いられる電力変換装置においても、同一構成のインバータ回路、コンバータ回路が用いられるので、これら数多くのアプリケーションに適用可能であることは言うまでもない。
さらに、本実施の形態では、ＡＣ−ＤＣコンバータ、単相インバータまたは三相インバータに本発明を適用する場合を例に説明したが、昇圧チョッパ回路または降圧チョッパ回路等の他の電力変換装置に適用することも可能である。
１０ コアモジュール、１２ 第１の素子対、１４ 第２の素子対、１２ａ，１４ａ ＭＯＳＦＥＴ、１２ｂ，１４ｂ ＦＷＤ、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ 導体配線、２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆ，２０Ｇ，２０Ｈ 端子付きカバー、２２Ｐ 直流正極端子、２２Ｎ 直流負極端子、２２Ｃ 直流中点端子、２２ＡＣ 交流端子、２２ＡＣ１ 第１の交流端子、２２ＡＣ２ 第２の交流端子、２２ＡＣ３ 第３の交流端子、２２ＡＣ４ 第４の交流端子、２４Ｐ 正極面状電極、２８Ｐ 正極連結電極、２４Ｎ 負極面状電極、２６Ｐ 正極突状電極、２６Ｎ 負極突状電極、２６ＡＣ１ 交流突状第１電極、２６ＡＣ２交流突状第２電極、２８Ｎ 負極連結電極、２４ＡＣ 交流面状電極、２８ＡＣ 交流連結電極、１００ 鉄道車両、１０１ 架線、１０２ 集電装置、１０３ 車輪、１０４ レール、１０６ 変圧器、１１０ コンバータ、１２０ コンデンサ、１３０ インバータ、１４０ 電動機、１５０ 電力変換装置、Ｄ１ 第１のドレイン電極、Ｄ２ 第２のドレイン電極、Ｓ１ 第１のソース電極、Ｓ２ 第２のソース電極、ＵＮＣ，ＶＮＣ，ＵＮＩ，ＶＮＩ，ＷＮＩ，ＵＰＣ，ＶＰＣ，ＵＰＩ，ＶＰＩ，ＷＰＩ 半導体素子。

Claims (11)

  1. ダイオード素子とスイッチング素子とが逆並列に接続された第１の素子対とダイオード素子とスイッチング素子とが逆並列に接続された第２の素子対とが直列に接続され、前記第１の素子対と前記第２の素子対とが樹脂封止されたコアモジュールと、
    直流正極端子、直流負極端子、および交流端子を有する端子付きカバーと、
    を備え、
    前記コアモジュールにおいて、前記第１の素子対を構成する前記スイッチング素子の正側電極と電気的に接続する第１電極と、前記第１の素子対を構成する前記スイッチング素子の負側電極と電気的に接続する第２電極と、前記第２の素子対を構成する前記スイッチング素子の正側電極と電気的に接続する第３電極と、前記第２の素子対を構成する前記スイッチング素子の負側電極と電気的に接続する第４電極とが表面に露出しており、
    前記端子付きカバーの前記直流正極端子は前記第１電極に電気的に接続し、
    前記端子付きカバーの前記直流負極端子は前記第４電極に電気的に接続し、
    前記端子付きカバーの前記交流端子は前記第２電極および前記第３電極に電気的に接続する、
    ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
  2. 前記コアモジュールを複数備え、
    複数の前記コアモジュールにおける前記第１電極同士が前記端子付きカバーによって電気的に接続され、
    複数の前記コアモジュールにおける前記第２電極同士および前記第３電極同士が前記端子付きカバーによって電気的に接続され、
    複数の前記コアモジュールにおける前記第４電極同士が前記端子付きカバーによって電気的に接続される、
    ことを特徴とする請求項１に記載のパワー半導体モジュール。
  3. 前記コアモジュールを複数備え、
    前記端子付きカバーには、前記コアモジュールの数と同数の前記交流端子が前記コアモジュールごとに対応して設けられ、
    前記コアモジュールの前記第２電極と前記第３電極は、複数の前記交流端子のうち対応する前記交流端子によって電気的に接続される、
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のパワー半導体モジュール。
  4. ２つの前記コアモジュールを具備し、
    ２つの前記コアモジュールにおける前記第１電極同士、および前記第４電極同士が前記端子付きカバーの内部で並列に結線され、２つの前記コアモジュールにおける前記第２電極同士および前記第３電極同士が前記交流端子に結線されて構成されていることを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  5. ２つの前記コアモジュールを具備し、
    前記端子付きカバーの交流端子は、第１の交流端子および第２の交流端子を有して成り、
    ２つの前記コアモジュールにおける前記第１電極同士、前記第４電極同士が前記端子付きカバーの内部で並列に結線され、１つのモジュールの前記第２電極および前記第３電極が前記第１の交流端子に結線され、残りの１つのモジュールの前記第２電極および前記第３電極が前記第２の交流端子に結線されて構成されていることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
  6. ３つの前記コアモジュールを具備し、
    ３つの前記コアモジュールにおける前記第１電極同士、前記第４電極同士および、前記第２電極同士または前記第３電極同士が前記端子付きカバーの内部で並列に結線されて構成されていることを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  7. ３つの前記コアモジュールを具備し、
    前記端子付きカバーの交流端子は、第１の交流端子、第２の交流端子および第３の交流端子を有して成り、３つの前記コアモジュールにおける前記第１電極同士、前記第４電極同士が前記端子付きカバーの内部で並列に結線され、１つのモジュールの前記第２電極および前記第３電極が前記第１の交流端子に結線され、他の１つのモジュールの前記第２電極および前記第３電極が前記第２の交流端子に結線され、残りの１つのモジュールの前記第２電極および前記第３電極が前記第３の交流端子に結線されて構成されていることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
  8. ４つの前記コアモジュールを具備し、
    ４つの前記コアモジュールにおける前記第１電極同士、前記第４電極同士および、前記第２電極同士または前記第３電極同士が前記端子付きカバーの内部で並列に結線されて構成されていることを特徴とする請求項２に記載のパワー半導体モジュール。
  9. ４つの前記コアモジュールを具備し、
    前記端子付きカバーの交流端子は、第１の交流端子、第２の交流端子、第３の交流端子および第４の交流端子を有して成り、４つの前記コアモジュールにおける前記第１電極同士、前記第４電極同士が前記端子付きカバーの内部で並列に結線され、１つのモジュールの前記第２電極および前記第３電極が前記第１の交流端子に結線され、他の１つのモジュールの前記第２電極および前記第３電極が前記第２の交流端子に結線され、他の１つのモジュールの前記第２電極および前記第３電極が前記第３の交流端子に結線され、残りの１つのモジュールの前記第２電極および前記第３電極が前記第４の交流端子に結線されて構成されていることを特徴とする請求項３に記載のパワー半導体モジュール。
  10. ダイオード素子とスイッチング素子とが逆並列に接続された第１の素子対とダイオード素子とスイッチング素子とが逆並列に接続された第２の素子対とが直列に接続され、前記第１の素子対と前記第２の素子対とが樹脂封止された少なくとも３つのコアモジュールと、
    直流正極端子、直流負極端子、直流中点端子、および交流端子を有する端子付きカバーと
    を備え、
    前記コアモジュールにおいて、前記第１の素子対を構成する前記スイッチング素子の正側電極と電気的に接続する第１電極と、前記第１の素子対を構成する前記スイッチング素子の負側電極と電気的に接続する第２電極と、前記第２の素子対を構成する前記スイッチング素子の正側電極と電気的に接続する第３電極と、前記第２の素子対を構成する前記スイッチング素子の負側電極と電気的に接続する第４電極とが表面に露出しており、
    前記端子付きカバーの前記直流正極端子は、少なくとも３つの前記コアモジュールのうちの第１のコアモジュールに設けられた前記第１電極に電気的に接続し、
    前記端子付きカバーの前記直流負極端子は、少なくとも３つの前記コアモジュールのうちの第２のコアモジュールに設けられた前記第４電極に電気的に接続し、
    前記端子付きカバーの前記直流中点端子は、前記第１のコアモジュールに設けられた前記第４電極と前記第２のコアモジュールに設けられた前記第１電極とに電気的に接続し、
    前記端子付きカバーの前記交流端子は、少なくとも３つの前記コアモジュールのうちの第３のコアモジュールに設けられた前記第２電極および前記第３電極に電気的に接続することを特徴とするパワー半導体モジュール。
  11. ３つの前記コアモジュールを具備し、
    前記端子付きカバーには直流中点端子が形成され、
    ３つの前記コアモジュールのうち、前記第１のコアモジュールの前記第１電極と前記端子付きカバーの直流正極端子とが結線され、前記第１のコアモジュールの前記第４電極と前記第２のコアモジュールの前記第１電極の電気的接続点と前記直流中点端子とが結線され、前記第２のコアモジュールの前記第４電極と前記直流負極端子とが結線され、前記第３のコアモジュールの前記第２電極と前記第３のコアモジュールの前記第３電極の電気的接続点と前記交流端子とが結線されると共に、
    前記第１のコアモジュールの前記第２電極もしくは前記第１のコアモジュールの前記第３電極の何れかと前記第３のコアモジュールの前記第１電極とが結線され、前記第２のコアモジュールの前記第２電極もしくは前記第２のコアモジュールの前記第３電極の何れかと前記第３のコアモジュールの前記第４電極とが結線されて構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のパワー半導体モジュール。
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