JP6409733B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、積層ユニットを備えた半導体装置に関する。積層ユニットは、直列に接続されている２個のトランジスタを収容した複数の半導体モジュールと複数の冷却器を積層したデバイスである。

２個のトランジスタが直列に接続された回路を複数組用いる半導体装置が知られている。例えば、特許文献１の図１には、２個のトランジスタが直列に接続された回路が５組用いられている回路図が示されている。以下では、説明の便宜のため、「２個のトランジスタが直列に接続された回路」を「２個のトランジスタの直列接続」、あるいは、さらに単純に、「直列接続」と称することがある。

特許文献１の図１は、電気自動車に搭載される半導体装置（電力制御装置）の回路図を示している。その半導体装置は、バッテリの電力を昇圧した後に交流に変換して走行用モータに供給する。また、その半導体装置は、走行用モータが発電した回生電力（交流）を直流に変換した後に降圧してバッテリに供給することもある。

５組の直列接続のうち、３組の直列接続はインバータ回路に用いられ、２組の直列接続は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路に用いられる。なお、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ回路では、２組の直列接続は並列に接続され、同期して同じ動作を行うようになっている。以下では、同期して同じ動作を行うことを並列動作と称する。一つの機能を同じ構造の複数の回路の並列動作によって実現することで、トランジスタに加わる負荷が抑えられる。

複数組の直列接続が用いられる半導体装置に好適なハードウエア構造が特許文献２に開示されている。特許文献２に開示された半導体装置では、複数の冷却器が平行に配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットを採用している。各半導体モジュールには、２個のトランジスタの直列接続が収容されている。この積層ユニットは、一つの半導体モジュールが一組の直列接続に対応するので、複数組の直列接続を含む装置を実現するのに適している。また、この積層ユニットは、複数の半導体モジュールの夫々が両側から冷却されるので、冷却効率がよい。

２個のトランジスタの直列接続を収容する半導体モジュールの構造の一例が特許文献３に開示されている。その構造は次の通りである。半導体モジュールの本体に、２個のトランジスタの直列接続が収容されている。本体の一つの側面（第１側面）から、直列接続の高電位側の端子と低電位側の端子と中点端子が延びている。第１側面とは反対側の第２側面からは、各トランジスタのゲート電極と接続されているゲート端子と吊りリードが延びている。中点端子と吊りリードは一枚の金属板の一部であり、両者は導通している。なお、前述の「吊りリード」は、特許文献３では「吊りリード端子」と表記されている。

吊りリードは、もともとは、半導体モジュールの製造工程において製造装置が把持するために設けられるものであって、他のデバイスと電気的に接続するために設けられたものではない。

特開２００９―２２５５３１号公報 特開２０１５―１５４５１６号公報 特開２０１５―１３０４６５号公報

特許文献１で例示されているように、一つの機能を少なくとも２組の直列接続の並列動作によって実現することで、トランジスタの負荷を抑えることができる。特許文献１に開示されている回路図を特許文献２に開示されている積層ユニットで実現する場合、積層ユニットに含まれる少なくとも２個の半導体モジュールの高電位側の端子同士、低電位側の端子同士、及び、中点端子同士を接続することになる。

少なくとも２組の直列接続を並列動作させる場合、２組の直列接続の中点間の寄生インダクタンスが大きいとゲート発振と呼ばれる現象が生じ得る。近年はトランジスタのスイッチングスピードが向上し、並列動作を上記した積層ユニットで実現する場合、並列動作させる複数の半導体モジュールの中点端子同士を接続するだけでは、直列接続の中点間の寄生インダクタンス（即ち、中点端子間の寄生インダクタンス）が十分に小さくならず、ゲート発振を生じる場合がある。本明細書は、上記した半導体モジュールを含む積層ユニットを備えた半導体装置の構造を巧みに利用して、中点間の寄生インダクタンスを低減する技術を提供する。中点間の寄生インダクタンスを低減することで、ゲート発振の発生が抑制される。

本明細書が開示する半導体装置は、積層ユニットと、回路基板を備える。積層ユニットでは、複数の冷却器が平行に配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている。各半導体モジュールは、本体と正極端子と負極端子と中点端子とゲート端子を備えている。本体の内部には２個のトランジスタの直列接続が収容されている。正極端子、負極端子、及び、中点端子のそれぞれは、本体の内部で直列接続の高電位側、低電位側、及び、中点の夫々と導通している。正極端子、負極端子、及び、中点端子は、また、本体の第１側面から本体の外へ延びている。ゲート端子は、本体の内部でトランジスタのゲート電極と接続されており、第１側面とは反対側の第２側面から本体の外へ延びている。回路基板には、積層ユニットに積層されている複数の半導体モジュールに収容されているトランジスタを駆動する駆動回路が実装されている。その回路基板は、第２側面に対向するように積層ユニットに隣接配置されている。複数の半導体モジュールのゲート端子が回路基板に接続されている。複数の半導体モジュールのうち、少なくとも２個の半導体モジュールはさらに、吊りリードを備えている。吊りリードは、本体の内部で中点と導通している。吊りリードは、第２側面から本体の外へ延びている。中点端子と吊りリードは、それぞれ、一枚の金属板の一部である。上記した少なくとも２個の半導体モジュールの中点端子同士が接続されている。その少なくとも２個の半導体モジュールの正極端子同士、負極端子同士も接続されている。そして、少なくとも２個の半導体モジュールの夫々の吊りリードが回路基板に接続されているとともにその回路基板上で導通している。

本明細書が開示する半導体装置は、並列動作させる少なくとも２個の半導体モジュールの吊りリード同士を、回路基板を介して接続する。少なくとも２個の半導体モジュールのそれぞれに収容されている直接接続の中点は、中点端子を介して接続されるだけでなく吊りリードを介しても接続される。２つの中点を結ぶ導通経路が吊りリードの分だけ増えるので、２つの中点の間のインダクタンスが小さくなる。本明細書が開示する技術は、半導体モジュールの吊りリードを活用することで、２組の直列接続の中点間のインダクタンスを低減する。

なお、積層ユニットの全ての半導体モジュールが吊りリードを備えていてもよいが、並列動作に関わらない半導体モジュールは吊りリードが除去されていてもよい。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の半導体装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 半導体モジュールの斜視図である。 半導体モジュールの内部構造を示す斜視図である。 リードフレームの斜視図である。 半導体装置のケース内の部品レイアウトを示す平面図である（カバーを外した状態）。 図５のVI−VI線に沿った半導体装置の断面図である。 積層ユニットとリアクトルと回路基板のアセンブリの斜視図である。

図面を参照して実施例の半導体装置を説明する。実施例の半導体装置は、電気自動車に搭載されており、バッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力制御装置である。図１に、電力制御装置２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、２個の走行用モータ８３ａ、８３ｂを備える。それゆえ、電力制御装置２は、２組のインバータ回路１３ａ、１３ｂを備える。なお、２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、動力分配機構８５で合成／分配されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。

電力制御装置２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力制御装置２は、バッテリ８１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２組のインバータ回路１３ａ、１３ｂを備えている。

電圧コンバータ回路１２は、一方の端子に印加された電圧を昇圧して他方の端子に出力する昇圧動作と、他方の端子に印加された電圧を降圧して一方の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能ないわゆる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。説明の便宜上、以下では、低電圧側の端子を入力端１８と称し、高電圧側の端子を出力端１９と称する。また、入力端１８の正極と負極を夫々、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂと称する。出力端１９の正極と負極を夫々、出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂと称する。「入力端１８」、「出力端１９」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるので、出力端１９から入力端１８へ電力が流れる場合がある。

電圧コンバータ回路１２は、４個のトランジスタ６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、リアクトル４、フィルタコンデンサ３、各トランジスタに逆並列に接続されているダイオードで構成されている。２個のトランジスタ６ａ、７ａは直列に接続されており、残りの２個のトランジスタ６ｂ、７ｂも直列に接続されている。前述したように、２個のトランジスタが直列に接続された回路を単純に直列接続と称する場合がある。また、以下では、直列接続の高電位側に位置するトランジスタ６ａ、６ｂを上アームトランジスタと称し、低電位側に位置するトランジスタ７ａ、７ｂを下アームトランジスタと称することがある。

２組の直列接続は並列に接続されている。２組の直列接続の高電位側は出力正極端１９ａに接続されており、低電位側は出力負極端１９ｂに接続されている。リアクトル４は、一端が入力正極端１８ａに接続されており、他端は、２組の直列接続のそれぞれの中点Ｑａ、Ｑｂに接続されている。フィルタコンデンサ３は、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂの間に接続されている。入力負極端１８ｂは、出力負極端１９ｂと直接に接続されている。

４個のトランジスタ６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂは、後述する回路基板に実装された駆動回路で駆動される。上アームトランジスタ６ａ、６ｂは、同じタイミングでオンとオフが切り換えられる。下アームトランジスタ７ａ、７ｂも、同じタイミングでオンとオフが切り換えられる。即ち、２個の上アームトランジスタ６ａ、６ｂは同じタイミングで同じ動作をするように駆動され、２個の下アームトランジスタ７ａ、７ｂも同じタイミングで同じ動作をするように駆動される。以下では、同じタイミングで同じ動作をすることを並列動作と称する。並列に接続された２組の直列接続を並列動作させることで、２組の直列接続はあたかも一つの直列接続のように動作する。

先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は、昇圧動作と降圧動作の双方を行うことができる。電圧コンバータ回路１２の昇圧動作とは、バッテリ８１の電圧を昇圧してインバータ回路１３ａ、１３ｂへ供給する動作である。電圧コンバータ回路１２の降圧動作とは、インバータ回路１３ａ、１３ｂから入力される直流電力（モータ８３ａ又は８３ｂが発生する回生電力）を降圧する動作である。なお、降圧された回生電力はバッテリ８１の充電に使われる。下アームトランジスタ７ａ、７ｂが昇圧動作に関与し、上アームトランジスタ６ａ、６ｂが降圧動作に関与する。

図１において、符号８ａが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール８ａに対応する。符号８ｂが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール８ｂに対応する。半導体モジュールは、２個のトランジスタの直列接続と、各トランジスタに逆並列に接続されているダイオードを収容したデバイスである。半導体モジュール８ａは、２個のトランジスタ６ａ、７ａの直列接続と、各トランジスタに逆並列に接続されたダイオードを収容している。半導体モジュール８ｂは、２個のトランジスタ６ｂ、７ｂの直列接続と、各トランジスタに逆並列に接続されたダイオードを収容している。半導体モジュールについては後述する。

インバータ回路１３ａ、１３ｂについて概説する。なお、図１では、インバータ回路１３ａ、１３ｂの回路構成の図示は省略しており、半導体モジュール８ｃ−８ｈ（後述）を破線矩形で模式的に表すだけにとどめている。一つの半導体モジュールが一つの直列接続に対応する。

インバータ回路１３ａは、２個のトランジスタの直列接続を３組備えている。各トランジスタにはダイオードが逆並列に接続されている。半導体モジュール８ｃ、８ｄ、８ｅが３組の直列接続に対応する。それゆえ、以下では、半導体モジュール８ｃ−８ｅを用いてインバータ回路１３ａを説明する。３個の半導体モジュール８ｃ−８ｅは並列に接続されている。３個の半導体モジュール８ｃ−８ｅの高電位側と低電位側は、夫々、電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂに接続されている。夫々の半導体モジュールの中点端子から交流が出力される。

インバータ回路１３ｂはインバータ回路１３ａと同じ構成を備えている。即ちインバータ回路１３ｂは、３個の半導体モジュール８ｆ、８ｇ、８ｈを備えており、夫々の中点端子から交流が出力される。インバータ回路１３ａ、１３ｂの夫々の交流出力は、モータ８３ａ、８３ｂに供給される。なお、出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂの間には、平滑コンデンサ５が接続されている。

インバータ回路１３ａ、１３ｂの合計６個の半導体モジュール８ｃ−８ｈは、全て、電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂに並列に接続されている。電圧コンバータ回路１２の２個の半導体モジュール８ａ、８ｂも、出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂに接続されている。即ち、電力制御装置２が備える８個の半導体モジュール８ａ−８ｈは、それらの高電位側が互いに接続されるとともに、それらの低電位側も互いに接続される。

電圧コンバータ回路１２の説明を補足する。先に述べたように、上アームトランジスタ６ａ、６ｂは同じタイミングでオンとオフが切り換えられる。すなわち、２個の上アームトランジスタ６ａ、６ｂのゲートには同じタイミングのパルス信号（ＰＷＭ信号）が加えられる。このとき、ゲートとエミッタの間の電圧が、２つの上アームトランジスタ６ａ、６ｂの間で異なるとゲート発振と呼ばれる現象が生じる。先に述べたように、図１の破線８ａ、８ｂは半導体モジュールを表す。そして、詳しくは後述するが、半導体モジュール内の導電経路は極めて短くインダクタンスが小さい（半導体モジュール内の構造は後に詳しく説明する）。一方、半導体モジュール間はバスバと呼ばれる細長金属板で接続される。バスバのインダクタンスは、半導体モジュール内の導電経路と比較すると大きい。すなわち、図１において、導電区間Ｐａｂのインダクタンスが中点ＱａとＱｂの間のインダクタンスに支配的な影響をおよぼす。中点ＱａとＱｂの間に電流が流れると、図１の符号Ｐａｂが示す区間のインダクタンスによって中点Ｑａと中点Ｑｂの間に電位差が生じる。この電位差により、上アームトランジスタ６ａのゲートエミッタ間電圧と上アームトランジスタ６ｂのゲートエミッタ間の電圧に差が生じる。この差が大きいとゲート発振が生じる。電力制御装置２では、半導体モジュール８ａの直列接続の中点Ｑａと半導体モジュール８ｂの直列接続の中点Ｑｂを接続する導電経路（図１の導電区間Ｐａｂ）を物理的に二重にして、中点間のインダクタンスを小さくする。次に、中点間の導電経路の具体的態様を含む電力制御装置２のハードウエア構成について説明する。なお、ゲート発振は、並列動作する下アームトランジスタ７ａ、７ｂでも生じ得るが、２個のトランジスタの直列接続の上側のトランジスタ（即ち、上アームトランジスタ６ａ、６ｂ）の方が、ゲート発振が生じ易い。それゆえ、電力制御装置２では、２組の直列接続の中点間のインダクタンスを低減する。

まず、半導体モジュールの構造を説明する。なお、図１に示したように、電力制御装置２は、８個の半導体モジュール８ａ−８ｈを備える。複数の半導体モジュール８ａ−８ｈは同じ構造を有している。以下では、複数の半導体モジュール８ａ−８ｈのいずれか一つを区別なく示すときには「半導体モジュール８」と表記する。

図２に、半導体モジュール８の斜視図を示す。図３に、半導体モジュール８の内部構造を示す斜視図を示す。半導体モジュール８は、２個のトランジスタチップ２１ａ、２１ｂと、２個のダイオードチップ２２ａ、２２ｂを封止している本体９と、一部が本体９に埋設されている金属板２４、２５、２６、２７、２８を備えている。トランジスタチップ２１ａと２１ｂは、図１の回路図における上アームトランジスタ６ａと下アームトランジスタ７ａに対応する。ダイオードチップ２２ａ、２２ｂは、図１の回路図においてトランジスタ６ａ、７ａに逆並列に接続されているダイオードに対応する。

半導体モジュール８の本体９は、樹脂で作られている。本体９は平板型であり、その一方の平坦面９ｃに放熱部２５ａ、２７ａが露出している。図２では隠れて見えないが、反対側の平坦面９ｄには放熱部２４ａ、２６ａが露出している。平坦面９ｃ、９ｄは、複数の半導体モジュール８と冷却器４１（後述）が積層される積層ユニットにおいて、冷却器４１と対向する面である。

平坦面９ｃに隣接する第１側面９ａから、正極端子２４ｂ、負極端子２８ｂ、中点端子２６ｂが延びている。第１側面９ａとは反対側の第２側面９ｂから、ゲート端子２９と吊りリード２４ｃ、２６ｃが延びている。図３は樹脂の本体９を取り去った斜視図である。図３によく示されているように、放熱部２４ａ、正極端子２４ｂ、吊りリード２４ｃは一枚の金属板２４で作られている。放熱部２６ａ、中点端子２６ｂ、吊りリード２６ｃも、一枚の金属板２６で作られている。別言すれば、放熱部２４ａ、正極端子２４ｂ、吊りリード２４ｃは、それぞれ、一枚の金属板２４の一部であり、放熱部２６ａ、中点端子２６ｂ、吊りリード２６ｃは、それぞれ、一枚の金属板２６の一部である。

なお、吊りリード２４ｃ、２６ｃは、第２側面９ｂの長手方向の両端の夫々から延びている。吊りリード２４ｃ、２６ｃは、半導体モジュール８の製造工程において、製造装置が半導体モジュールを把持するために設けられている。吊りリード２４ｃ、２６ｃは、元々、他のデバイスと電気的接続を行うための部位ではない。

トランジスタチップ２１ａ、２１ｂは、ＮＰＮ型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、コレクタからエミッタに向かう方向が電流の順方向となる。トランジスタチップ２１ａ、２１ｂは、扁平なチップであり、一方の面にコレクタ電極が露出しており、他方の面にエミッタ電極とゲート電極が露出している。ダイオードチップ２２ａ、２２ｂも扁平なチップであり、一方の面にアノード電極が露出しており、他方の面にカソード電極が露出している。次に、本体９の内部におけるチップと金属板の接合関係についてより詳しく説明する。以下、説明の便宜上、図３においてＸ軸の正方向を「上」と表現し、Ｘ軸の負方向を「下」と表現する。

トランジスタチップ２１ａは、そのコレクタ電極が下を向きエミッタ電極が上を向くように、金属板２４の放熱部２４ａの上に配置される。トランジスタチップ２１ａのコレクタ電極が放熱部２４ａに接合される。ダイオードチップ２２ａは、そのカソード電極が下を向きアノード電極が上を向くように、金属板２４の放熱部２４ａの上に配置される。ダイオードチップ２２ａのカソード電極が放熱部２４ａに接合される。

トランジスタチップ２１ａのエミッタ電極には導電性のスペーサ２３ａが接合され、ダイオードチップ２２ａのアノード電極には導電性のスペーサ２３ｂが接合される。スペーサ２３ａと２３ｂの上に、金属板２５の放熱部２５ａが接合される。以上の接合により、トランジスタチップ２１ａとダイオードチップ２２ａが逆並列に接続される。トランジスタチップ２１ａのゲート電極には、ボンディングワイヤ３０を介してゲート端子２９が接合される。なお、図では４本の端子をまとめて「ゲート端子」と称しているが、ゲート電極と接続されているのは４本のうちの１本であり、他の３本は、温度センサの信号端子などである。本明細書では、ボンディングワイヤ３０でチップと接続される４本の同タイプの端子をまとめて「ゲート端子」と称している。

トランジスタチップ２１ｂは、そのコレクタ電極が下を向きエミッタ電極が上を向くように、金属板２６の放熱部２６ａの上に配置される。トランジスタチップ２１ｂのコレクタ電極が放熱部２６ａに接合される。ダイオードチップ２２ｂは、そのカソード電極が下を向きアノード電極が上を向くように、金属板２６の放熱部２６ａの上に配置される。ダイオードチップ２２ｂのカソード電極が放熱部２６ａに接合される。トランジスタチップ２１ｂのエミッタ電極には導電性のスペーサ２３ｃが接合され、ダイオードチップ２２ｂのアノード電極には導電性のスペーサ２３ｄが接合される。スペーサ２３ｃと２３ｄの上に、金属板２７の放熱部２７ａが接合される。以上の接合により、トランジスタチップ２１ｂとダイオードチップ２２ｂが逆並列に接続される。トランジスタチップ２１ｂのゲート電極には、ボンディングワイヤ３０を介してゲート端子２９が接合される。

金属板２５の放熱部２５ａの縁から接続部２５ｂが延びており、金属板２６の放熱部２６ａの縁から接続部２６ｄが延びている。接続部２５ｂと接続部２６ｄが接合される。この接合により、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂが直列に接続される。即ち、図１に示した上アームトランジスタ６ａと下アームトランジスタ７ａの直列接続が実現される。このように半導体モジュール８の内部では上アームトランジスタ６ａと下アームトランジスタ７ａが短い距離でしかも大きな金属板で接続されるので、２個のトランジスタ間のインダクタンスは小さい。

金属板２７の放熱部２７ａの縁から接続部２７ｂが延びており、この接続部２７ｂには、金属板２８の接続部２８ａが接続される。放熱部２４ａ、２６ａと、放熱部２５ａ、２７ａの間が樹脂で満たされて本体９が形成される。本体９は、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂとダイオードチップ２２ａ、２２ｂを封止する。金属板２４、２５、２６、２７、２８の一部が本体９に埋設され、残部が本体から露出する。本体９から露出した部分が、放熱部と端子を形成する。放熱部２４ａの縁から延びており、本体９から露出する正極端子２４ｂが２個のトランジスタの直列接続の高電位側の端子となる。放熱部２６ａの縁から延びており本体９から露出する中点端子２６ｂが２個のトランジスタの直列接続の中点の端子となる。金属板２８の一部であって本体９から露出する負極端子２８ｂが、２個のトランジスタの直列接続の低電位側の端子となる。

金属板２４（放熱部２４ａ、正極端子２４ｂ、吊りリード２４ｃ）、金属板２６（放熱部２６ａ、中点端子２６ｂ、吊りリード２６ｃ）、金属板２８（負極端子２８ｂ）、及び、ゲート端子２９は、もともと、一枚のリードフレームの一部である。図４にリードフレーム３１の斜視図を示す。半導体モジュールの製造工程において、図４のリードフレーム３１の上にトランジスタチップ２１ａ、２１ｂ、ダイオードチップ２２ａ、２２ｂが接合され、夫々のチップの上にスペーサ２３ａ−２３ｄの夫々が接合される。そして、スペーサ２３ａ、２３ｂの上に金属板２５が接合され、スペーサ２３ｃ、２３ｄの上に金属板２７が接合される。なお、図４の放熱部２４ａ、２６ａに示した破線矩形は、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂ、ダイオードチップ２２ａ、２２ｂの接合箇所を示している。リードフレームと金属板とチップとスペーサを接合した後、リードフレーム３１と金属板２５、２７の間の空間が樹脂で充填され、本体９が形成される。本体９が形成された後、図４に示す複数の破線ＣＬでリードフレーム３１が切断され、正極端子２４ｂ（金属板２４）、負極端子２８ｂ（金属板２８）、中点端子２６ｂ（金属板２６）、ゲート端子２９が分離する。吊りリード２４ｃ、２６ｃは、リードフレーム３１の一部が本体９の側に残った部位である。

半導体モジュール８の構造をまとめると以下の通りである。半導体モジュール８は、本体９と、本体９から延びている正極端子２４ｂ、中点端子２６ｂ、負極端子２８ｂ、吊りリード２４ｃ、２６ｃ、ゲート端子２９を備えている。本体９は、２個のトランジスタチップ２１ａ、２１ｂ（トランジスタ６ａ、７ａ）の直列接続を収容している。本体９は、また、２個のダイオードチップ２２ａ、２２ｂを収容している。正極端子２４ｂは、本体９の内部で、２個のトランジスタの直列接続の高電位側と導通しており、本体９の第１側面９ａから本体９の外へ延びている。第１側面９ａは、後述する積層ユニットにおいて冷却器４１と対向する平坦面９ｃ、９ｄに隣接する側面である。中点端子２６ｂは、本体９の内部で２個のトランジスタの直列接続の中点と導通しており、第１側面９ａから本体９の外へ延びている。負極端子２８ｂは、本体９の内部で２個のトランジスタの直列接続の低電位側と導通しており、第１側面９ａから本体９の外へ延びている。ゲート端子２９は、本体９の内部でトランジスタのゲート電極と導通しており、本体９の第２側面から本体９の外へ延びている。第２側面は、第１側面の反対側の側面である。吊りリード２４ｃは、本体９の内部で、２個のトランジスタの直列接続の高電位側と導通しており、第２側面９ｂから本体９の外へ延びている。吊りリード２６ｃは、本体９の内部で、２個のトランジスタの直列接続の中点と導通しており、第２側面９ｂから本体９の外へ延びている。吊りリード２４ｃと正極端子２４ｂは、放熱部２４ａとともに一枚の金属板２４で作られている。吊りリード２６ｃと中点端子２６ｂは、放熱部２６ａとともに、一枚の金属板２６で作られている。別言すれば、吊りリード２４ｃと正極端子２４ｂは一枚の金属板２４の一部であり、吊りリード２６ｃと中点端子２６ｂは一枚の金属板２６の一部である。なお、半導体モジュール８ａ、８ｂの吊りリード２６ｃは、他の吊りリード（半導体モジュール８ａ、８ｂの吊りリード２４ｃ、及び、半導体モジュール８ｃ−８ｈの吊りリード２４ｃと２６ｃ）よりも長くなっている。この点については後述する。

次に、図５−図７を参照して、電力制御装置２のハードウエア構成を説明する。なお、前述したように、電力制御装置２は、８個の半導体モジュール８を採用しており、それらの半導体モジュール８は全て、上記した構造を有している。

図５に、電力制御装置２の平面図を示す。図５は、カバーを外した電力制御装置２の平面図であり、ケース９０の内部に収容された部品のレイアウトが示されている。図６は、図５のVI−VI線に沿った断面図を示している。ケース９０の中には、フィルタコンデンサユニット１０３、リアクトルユニット１０４、積層ユニット４０、平滑コンデンサユニット１０５、回路基板５０などが収容されている。

フィルタコンデンサユニット１０３の中に、図１で示したフィルタコンデンサ３に相当するコンデンサ素子が収容されている。リアクトルユニット１０４の中に、図１で示したリアクトル４に相当するリアクトルデバイスが収容されている。平滑コンデンサユニット１０５の中に、図１で説明した平滑コンデンサ５に相当するコンデンサ素子１０５ａ（図６参照）が収容されている。フィルタコンデンサ３、平滑コンデンサ５、リアクトル４には大電流が流れるため、それらに対応するハードウエアは体格が大きい。

平滑コンデンサユニット１０５に隣接して積層ユニット４０が配置されている。積層ユニット４０は、複数の冷却器４１と複数の半導体モジュール８ａ−８ｈが積層されたユニットである。図５では右端の冷却器だけに符号４１を付しており、残りの冷却器の符号は省略している。また、図５では、左端の半導体モジュール８ａと右端の半導体モジュール８ｈにのみ、正極端子、中点端子、負極端子を示す符号２４ｂ、２６ｂ、２８ｂを付しており、他の半導体モジュールにはそれらの符号を省略した。

積層ユニット４０では、複数の冷却器４１が平行に配置されており、隣り合う冷却器４１の間に半導体モジュール８ａ−８ｈの夫々が挟まれている。半導体モジュール８ａ−８ｈの構造は先に説明した通りであり、その本体には２個のトランジスタチップの直列接続が収容されている。

積層ユニット４０は、ケース９０に設けられた支持壁８９と、２本の支持柱８７の間に挿入されている。図示を省略しているが、支持柱８７と積層ユニット４０の間には板バネが挿入されており、その板バネにより、積層ユニット４０はその積層方向に加圧されつつ、ケース９０に支持されている。積層方向の加圧によって半導体モジュール８と冷却器４１の密着性が高まり、冷却性能が向上する。また、積層ユニット４０の一端には冷媒供給管９１と冷媒排出管９２が接続されており、それらの管はケース９０を貫通している。冷媒供給管９１から供給された冷媒は全ての冷却器４１に分配される。冷媒は各冷却器４１の内部を通過する間に隣接する半導体モジュール８から熱を吸収する。冷却器４１を通過した冷媒は、冷媒排出管９２を通じて電力制御装置２の外へと排出される。半導体モジュール８は平板型（カード型）であり、それぞれの平坦面（図２で示した平坦面９ｃ、９ｄ）が冷却器４１によって冷却される。先に示したように、半導体モジュール８の平坦面９ｃ、９ｄには、内部のトランジスタチップの電極と導通している放熱部が露出している。内部のトランジスタチップの電極と導通している放熱部が冷却器４１に接することで、各半導体モジュール８に収容されているトランジスタチップが効率よく冷却される。

図１の回路図を参照して説明したように、全ての半導体モジュール８の高電位側（正極端子２４ｂ）が互いに接続されるとともに、低電位側（負極端子２８ｂ）が互いに接続される。そして、全ての半導体モジュール８の高電位側（正極端子２４ｂ）と低電位側（負極端子２８ｂ）の間に平滑コンデンサ５（平滑コンデンサユニット１０５）が並列に接続される。図５、図６に示されているように、全ての半導体モジュール８の正極端子２４ｂは、バスバ４３によって相互に接続されるとともに、平滑コンデンサユニット１０５の一方の電極に接続される。全ての半導体モジュール８の負極端子２８ｂはバスバ４２によって相互に接続されるとともに、平滑コンデンサユニット１０５の他方の電極に接続される。なお、バスバとは、小さい内部抵抗で電力を伝える金属板を意味する。

半導体モジュール８ｃ−８ｈはインバータ回路に用いられ、それらの中点端子２６ｂから交流が出力される。半導体モジュール８ｃ−８ｈの中点端子２６ｂは、別のバスバを介して電力制御装置２の出力端子９３に接続される。

図１の回路図を参照して説明したように、半導体モジュール８ａ、８ｂは並列に接続され、電圧コンバータ回路で用いられる。半導体モジュール８ａ、８ｂの正極端子２４ｂはバスバ４３によって相互に接続され、負極端子２８ｂはバスバ４２によって相互に接続されている。半導体モジュール８ａ、８ｂの中点端子２６ｂは、バスバ４４によってリアクトルユニット１０４の一方の端子に接続される。こうして、半導体モジュール８ａ、８ｂの正極端子２４ｂ同士、負極端子２８ｂ同士、中点端子２６ｂ同士が接続される。リアクトルユニット１０４の他方の端子は、電力制御装置２の入力端９４の正極に接続される。入力端９４の正極（バスバ４５）と負極の間にフィルタコンデンサユニット１０３が接続される。

先に述べたように、半導体モジュール８ａの中点端子２６ｂと半導体モジュール８ｂの中点端子２６ｂとの間の部分のインダクタンスが大きいと、半導体モジュール８ａと８ｂを並列動作させたときにゲート発振が生じ得る。

図６に示されているように、回路基板５０は、半導体モジュール８ａの第２側面９ｂに対向するように、積層ユニット４０に隣接して配置されている。回路基板５０には、半導体モジュール８ａのゲート端子２９が接続されている。なお、全ての半導体モジュール８のゲート端子２９が回路基板５０に接続されている。回路基板５０には、各半導体モジュール８に収容されているトランジスタ（トランジスタチップ）を駆動する駆動回路が実装されている。なお、先に述べたように、半導体モジュール８ａに収容されたトランジスタチップ２１ａと半導体モジュール８ｂに収容されたトランジスタチップ２１ａは、同じタイミングでオンとオフが切り換えられる。従って回路基板５０には、並列動作させる半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々のトランジスタチップ２１ａに同じ駆動信号を供給する駆動回路が実装されている。半導体モジュール８ａのトランジスタチップ２１ｂと半導体モジュール８ｂのトランジスタチップ２１ｂについても同様である。

本実施例の電力制御装置２では、中点端子２６ｂと導通している吊りリード２６ｃは、正極端子２４ｂと導通している吊りリード２４ｃよりも長くなっており、回路基板５０に接続している。なお、半導体モジュール８ｂの吊りリード２６ｃも長くなっており、回路基板５０に接続している。半導体モジュール８ｃ−８ｈでは、吊りリード２６ｃは長くなっておらず、回路基板５０に接続していない。

図７に、積層ユニット４０と回路基板５０とリアクトルユニット１０４のアセンブリの斜視図を示す。なお、リアクトルユニット１０４と電力制御装置２の入力端９４（図５参照）の正極を接続するバスバ４５は途中から図示を省略している。

図７において符号５１は、回路基板５０の上に形成されたプリント配線である。半導体モジュール８ａから延びる吊りリード２６ｃと半導体モジュール８ｂから延びる吊りリード２６ｃは、回路基板５０に接続されているとともに、その回路基板５０の上で、プリント配線５１を介して相互に接続されている。また、半導体モジュール８ａの中点端子２６ｂと半導体モジュール８ｂの中点端子２６ｂは、バスバ４４に接続されている。即ち、実施例の電力制御装置２では、図１に示す導電区間Ｐａｂが、バスバ４４を経由する従来の導電経路に加えて、吊りリード２６ｃとプリント配線５１を経由する導電経路の二重になっている。即ち、従来よりも導電経路を太くすることにより、２つの直列接続の中点間を電流が流れ易くなり、その結果、中点間のインダクタンスが小さくなる。

回路基板５０には、複数の駆動回路５２が実装されている。夫々の駆動回路５２は、夫々のゲート端子２９に対応している。半導体モジュール８ａのための駆動回路５２ａと半導体モジュール８ｂのための駆動回路５２ｂは、それらの半導体モジュール８ａ、８ｂを並列動作させる。別言すれば、回路基板５０は、半導体モジュール８ａ、８ｂを並列動作させる駆動回路５２ａ、５２ｂを備えている。

本実施例の電力制御装置２（半導体装置）は、並列に動作する直列接続の中点同士を、２つの導電経路で接続する。一つは、中点端子２６ｂ同士を接続するバスバ４４であり、もう一つは、中点端子２６ｂと導通している吊りリード２６ｃと、回路基板５０上のプリント配線５１である。なお、中点端子２６ｂと吊りリード２６ｃは一枚の金属板２６の一部である。実施例の電力制御装置２では、並列に動作する直列接続の中点同士を２つの導電経路で接続することによって、中点間のインダクタンスを抑制する。中点間のインダクタンスを抑制することで、ゲート発振が生じ難くなる。

また、実施例の電力制御装置２では、もともと存在した吊りリード２６ｃと回路基板５０を活用して、直列接続の中点同士を接続する。実施例の技術は電力制御装置２がもともと有していた部品を活用して中点間のインダクタンスを低減する。従って実施例の技術は、中点間のインダクタンスを低コストで低減することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例では電圧コンバータ回路で２つの直列接続が並列動作を行う。そして、その２つの直列接続の中点間のインダクタンスを低減する。本明細書が開示する技術は、電圧コンバータ回路以外に適用することもできる。例えば、インバータ回路において２組の直列接続を並列動作させる場合に、その２組の夫々の直列接続を収容している２個の半導体モジュールの中点に接続する吊りリード同士を接続してもよい。

実施例の電力制御装置２では、積層ユニット４０に含まれるすべての半導体モジュール８が吊りリード２４ｃ、２６ｃを備えている。並列動作させる半導体モジュールのみが回路基板５０と接続される吊りリードを備えていればよく、並列動作に関わらない半導体モジュールの吊りリードは製造後に除去されていてもよい。あるいは、積層ユニット４０には、吊りリードを必要としない製造工程で作られた半導体モジュールが混在していてもよい。

また、本明細書が開示した技術は、２組の直列接続を並列動作させる場合に限られず、３組以上の直列接続を並列動作する場合にも適用できる。例えば、３組の直列接続を３個の半導体モジュールで実現し、３個の半導体モジュールを並列動作させる場合、３個の半導体モジュールの吊りリード同士を回路基板上で相互に導通させてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力制御装置
３：フィルタコンデンサ
４：リアクトル
５：平滑コンデンサ
６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ：トランジスタ
８、８ａ−８ｈ：半導体モジュール
９：本体
１２：電圧コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
２１ａ、２１ｂ：トランジスタチップ
２２ａ、２２ｂ：ダイオードチップ
２３ａ−２３ｄ ：スペーサ
２４、２５、２６、２７、２８：金属板
２４ａ、２５ａ、２６ａ、２７ａ：放熱部
２４ｂ：正極端子
２４ｃ、２６ｃ：吊りリード
２６ｂ：中点端子
２８ｂ：負極端子
２９：ゲート端子
３０：ボンディングワイヤ
３１：リードフレーム
４０：積層ユニット
４１：冷却器
４２−４５：バスバ
５０：回路基板
５１：プリント配線
５２、５２ａ、５２ｂ：駆動回路
８１：バッテリ
８３ａ、８３ｂ：走行用モータ
１００：電気自動車
１０３：フィルタコンデンサユニット
１０４：リアクトルユニット
１０５：平滑コンデンサユニット
１０５ａ：コンデンサ素子

Claims (1)

1. 複数の冷却器が平行に配置されており、隣り合う前記冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットと、
   回路基板と、
   を備えており、
   複数の前記半導体モジュールの夫々は、
   ２個のトランジスタの直列接続を収容している本体と、
   前記本体の内部で前記直列接続の中点と導通しており、前記本体の第１側面から前記本体の外へ延びている中点端子と、
   前記本体の内部で前記直列接続の高電位側と導通しており、前記第１側面から前記本体の外へ延びている正極端子と、
   前記本体の内部で前記直列接続の低電位側と導通しており、前記第１側面から前記本体の外へ延びている負極端子と、
   前記本体の内部で前記トランジスタのゲート電極と接続されており、前記第１側面とは反対側の第２側面から前記本体の外へ延びているゲート端子と、
   を備えており、
   前記回路基板には、複数の前記半導体モジュールに収容されているトランジスタを駆動する駆動回路が実装されており、
   前記回路基板は前記第２側面に対向するように前記積層ユニットに隣接配置されているとともに、複数の前記半導体モジュールの前記ゲート端子が前記回路基板に接続されており、
   複数の前記半導体モジュールのうちの少なくとも２個の半導体モジュールは、さらに、前記本体の内部で前記中点と導通しており、前記第２側面から前記本体の外へ延びている吊りリードを備えており、
   前記中点端子と前記吊りリードは一枚の金属板の一部であり、
   前記少なくとも２個の半導体モジュールの前記正極端子同士、前記負極端子同士、及び、前記中点端子同士が接続されており、
   前記少なくとも２個の半導体モジュールの夫々の前記吊りリードが前記回路基板に接続されているとともに当該回路基板上で導通している、
   半導体装置。

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