JP6602474B2 - 半導体装置および電力変換装置 - Google Patents

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本発明は、半導体装置および電力変換装置に関するものである。
半導体装置の一例として、電力を制御するための半導体素子を備えた半導体パワーモジュールが知られている。半導体パワーモジュールを用いて構成される電力変換装置では、半導体素子のスイッチング動作、電力変換装置により駆動されるモータにおける電位変動などがノイズの発生源となることが知られている。このようなノイズは各種電子機器の誤動作の要因となるため、ノイズフィルタ挿入によるノイズの抑制が行われている。
上記のノイズ抑制手段のひとつに、半導体素子と放熱用導体との間に生じる静電容量をノイズフィルタとして利用する方法がある。一般に半導体素子を接合する電極は薄い絶縁体を介し放熱用導体に接続されるため、半導体素子と放熱用導体との間に静電容量が存在している。この静電容量をフィルタとして利用し、ノイズ電流の流れる経路を制御することでノイズの抑制が実現されている。
例えば、特開２０１５−１４９８８３号公報（特許文献１）には、半導体素子と放熱用導体との間に生じる静電容量を近接バイパスコンデンサとして利用し、ノイズを抑制する電力変換装置が記載されている。また、この電力変換装置では、電流経路が近接バイパスコンデンサよりも長く、静電容量が近接バイパスコンデンサよりも大きい遠方バイパスコンデンサを備えることで広い周波数領域のノイズの抑制が可能となる。
特開２０１５−１４９８８３号公報
上記公報に記載された電力変換装置では、半導体パワーモジュールにおける半導体素子と放熱用導体との間に生じる静電容量をフィルタとして利用するため、放熱用導体からノイズが拡散するという課題がある。具体的には、ノイズ電流が放熱用導体へ流れたことによって放熱用導電体から放射ノイズが発生するという課題がある。また、放熱用導電体がグランドに接地されている場合には、ノイズ電流がグランドを介し系統電源、制御回路などへ伝搬するという課題がある。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱用導体から発生する放射ノイズおよび放熱用導体から拡散するノイズ電流の抑制を可能にする半導体装置および電力変換装置を提供することである。
本発明の半導体装置は、正極側半導体素子と、負極側半導体素子と、正電極板と、負電極板と、交流電極板と、正極側補助電極端子と、負極側補助電極端子と、正極側キャパシタと、負極側キャパシタと、放熱用導体と、絶縁体とを備えている。正極側半導体素子は、第１正極と第１負極とを有する。負極側半導体素子は、第２正極と第２負極とを有する。正電極板は、正極側半導体素子の第１正極と接続されている。負電極板は、負極側半導体素子の第２負極と接続されている。交流電極板は、正極側半導体素子の第１負極および負極側半導体素子の第２正極に接続されている。正極側キャパシタは、正電極板と接続され、かつ正極側補助電極端子と接続されている。負極側キャパシタは、負電極板と接続され、かつ負極側補助電極端子と接続されている。絶縁体は、正電極板、負電極板および交流電極板の各々と放熱用導体との間に設けられている。正電極板を介し正極側半導体素子の第１正極と放熱用導体との間に設けられる静電容量よりも正極側キャパシタの静電容量が大きく、かつ負電極板を介し負極側半導体素子の第２負極と放熱用導体との間に設けられる静電容量よりも負極側キャパシタの静電容量が大きい。
本発明の半導体装置によれば、正極側半導体素子の第１正極から、正電極板、正極側キャパシタおよび正極側補助電極により形成された電流経路と、負極側半導体素子の第２負極から、負電極板、負極側キャパシタおよび負極側補助電極により形成された電流経路とによってノイズ電流の制御が可能となる。したがって、正極側半導体素子および負極側半導体素子の各々が絶縁体を介して放熱用導体に接続された場合に、放熱用導体へ流れるノイズ電流を低減することができる。このため、放熱用導体から発生する放射ノイズおよび放熱用導体から拡散するノイズ電流の抑制が可能となる。
実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの内部構成を概略的に示す断面図であって、図２のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。 実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの内部構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１に係る半導体パワーモジュールにおける単相ブリッジインバータの構成を概略的に示す回路図である。 実施の形態１に係る半導体パワーモジュールにおける単相ブリッジインバータの内部構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態２に係る半導体パワーモジュールの内部構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態２に係る半導体パワーモジュールの構成を概略的に示す回路図である。 実施の形態３に係る半導体パワーモジュールにおける単相ブリッジインバータの内部構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態３に係る半導体パワーモジュールにおける三相ブリッジインバータの内部構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態４に係る半導体パワーモジュールの内部構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態５に係る半導体パワーモジュールの一例の内部構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態５に係る半導体パワーモジュールの他例の内部構成を概略的に示す斜視図である。 実施の形態６に係る半導体パワーモジュールの内部構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態６に係る積層導体パターンの構成を概略的に示す模式断面図である。 実施の形態７に係る電力変換装置の構成を概略的に示す回路図である。 実施の形態７に係る電力変換装置の変形例の構成を概略的に示す回路図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１および図２を参照して、本発明の実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの構成の概略について説明する。なお、本実施の形態では、半導体装置の一例として、電力を制御するための半導体素子を備えた半導体パワーモジュールについて説明する。図１は実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの内部構成を概略的に示す断面図であって、図２のＩ−Ｉ線に沿う断面図である。図２は実施の形態１に係る半導体パワーモジュールの内部構成を概略的に示す上面図である。
本実施の形態の半導体パワーモジュール（半導体装置）１は、放熱用導体２、絶縁体３、正電極板４、負電極板５、交流電極板６、正極側半導体素子７、負極側半導体素子８、第１接続導体９、第２接続導体１０、正極側キャパシタ１１、負極側キャパシタ１２、正極側補助電極端子１３、負極側補助電極端子１４、封止剤１５、正電極端子４１、負電極端子５１および交流電極端子６１を主に有している。
放熱用導体２上に絶縁体３が設けられており、絶縁体３上に正電極板４、負電極板５および交流電極板６が設けられている。絶縁体３は、正電極板４、負電極板５および交流電極板６の各々と放熱用導体２との間に設けられている。
正電極板４上に正極側半導体素子７、正極側キャパシタ１１および正電極端子４１が設けられている。正極側半導体素子７は正極（第１正極）７１と負極（第１負極）７２とを有する。正電極板４は正極側半導体素子７の正極（第１正極）７１と接続されている。正極側半導体素子７の負極（第１負極）７２は第１接続導体９を用いて交流電極板６に接続されている。正極側キャパシタ１１は正電極板４と接続されている。正極側キャパシタ１１は正電極板４に対して絶縁体３と反対側に配置されている。また、正極側キャパシタ１１は絶縁体３に対して放熱用導体２と反対側に配置されている。正極側キャパシタ１１上に正極側補助電極端子１３が設けられている。正極側キャパシタ１１は正極側補助電極端子１３と接続されている。正電極板４には正電極端子４１が接続されている。なお、上記では正極側半導体素子７は正電極板４上に設けられ、第１接続導体９を用いて交流電極板６に接続されているが、正極側半導体素子７は交流電極板６上に設けられ、第１接続導体９を用いて正電極板４に接続されていてもよい。つまり、正極側半導体素子７は、第１接続導体９によって正電極板４および交流電極板６のいずれかに接続されていればよい。
交流電極板６上に第１接続導体９、負極側半導体素子８および交流電極端子６１が設けられている。負極側半導体素子８は正極（第２正極）８１と負極（第２負極）８２とを有する。交流電極板６は負極側半導体素子８の正極（第２正極）８１と接続されている。負極側半導体素子８の負極（第２負極）８２は第２接続導体１０を用いて負電極板５に接続されている。交流電極板６には交流電極端子６１が接続されている。なお、上記では負極側半導体素子８は交流電極板６上に設けられ、第２接続導体１０を用いて負電極板５に接続されているが、負極側半導体素子８は負電極板５上に設けられ、第２接続導体１０を用いて交流電極板６に接続されていてもよい。つまり、負極側半導体素子８は、第２接続導体１０によって負電極板５および交流電極板６のいずれかに接続されていればよい。
負電極板５上に第２接続導体１０、負極側キャパシタ１２および負電極端子５１が設けられている。負極側キャパシタ１２は負電極板５と接続されている。負極側キャパシタ１２上に負極側補助電極端子１４が設けられている。負極側キャパシタ１２は負極側補助電極端子１４と接続されている。負極側キャパシタ１２は負電極板５に対して絶縁体３と反対側に配置されている。また、負極側キャパシタ１２は絶縁体３に対して放熱用導体２と反対側に配置されている。負電極板５には負電極端子５１が接続されている。
放熱用導体２上に配置した絶縁体３、正電極板４、負電極板５、交流電極板６、正極側半導体素子７、負極側半導体素子８、第１接続導体９、第２接続導体１０、正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２は封止剤１５によって覆われている。また、正極側補助電極端子１３、負極側補助電極端子１４、正電極端子４１、負電極端子５１および交流電極端子６１も封止剤１５によって覆われている。しかしながら、正極側補助電極端子１３、負極側補助電極端子１４正電極端子４１、負電極端子５１、交流電極端子６１、正極側補助電極端子１３、負極側補助電極端子１４の各々の一部は封止剤１５の外部へ露出している。
なお、図２においては半導体パワーモジュール１の内部構成を示すために封止剤１５は図示されていない。この点は他の上面図においても同様である。また、図１および図２には図示されていないが、封止剤１５を充填するためのケースが半導体パワーモジュール１に設けられていても良い。
正電極板４および負電極板５は薄い絶縁体３を介し放熱用導体２と対向しているため、正電極板４および負電極板５と放熱用導体２との間にそれぞれ浮遊容量１６、１８が存在する。ここで浮遊容量１６に対して正極側キャパシタ１１の静電容量が大きくなるように正極側キャパシタ１１が設けられている。つまり、正電極板４を介し正極側半導体素子７の正極（第１正極）７１と放熱用導体２との間に設けられる静電容量よりも正極側キャパシタ１１の静電容量が大きい。また、浮遊容量１８に対して負極側キャパシタ１２の静電容量が大きくなるように負極側キャパシタ１２が設けられている。つまり、負電極板５を介し負極側半導体素子８の負極（第２負極）８２と放熱用導体２との間に設けられる静電容量よりも負極側キャパシタ１２の静電容量が大きい。
次に、図３および図４を参照して、本実施の形態に係る半導体パワーモジュール１の具体的な構成例を説明する。図３および図４に示す半導体パワーモジュール１は、図１および図２の構造で構成された単相ブリッジインバータである。図３は半導体パワーモジュール１における単相ブリッジインバータの構成を概略的に示す回路図である。図４は半導体パワーモジュール１における単相ブリッジインバータの内部構成を概略的に示す上面図である。
半導体パワーモジュール１は、正極側半導体素子７、負極側半導体素子８、正極側還流ダイオード１９および負極側還流ダイオード２０を備えている。正極側半導体素子７および負極側半導体素子８はそれぞれ例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）または金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。正極側半導体素子７は正極側還流ダイオード１９と第１接続導体９を用いて接続されている。正電極板４上に正極側半導体素子７および正極側還流ダイオード１９が設けられている。負極側半導体素子８は負極側還流ダイオード２０と第２接続導体１０を用いて接続されている。交流電極板６上に負極側半導体素子８および負極側還流ダイオード２０が設けられている。
第１接続導体９および第２接続導体１０はそれぞれ導電性を有する任意の材料および任意の形状で構成されていれば良い。第１接続導体９および第２接続導体１０はそれぞれ例えば銅リードフレーム、アルミワイヤ等で構成されている。これらにより単相ブリッジインバータ２１が構成されている。浮遊容量１６は正電極板４と放熱用導体２との間に存在する寄生容量である。浮遊容量１８は、負電極板５と放熱用導体２との間に存在する寄生容量である。また、放熱用導体２はグランドに接続されている。
一般に、半導体素子のスイッチング動作、交流電極端子に接続されたモータにおける電位変動などがノイズの発生源となっている。ノイズ電流はインピーダンスの小さい電流経路を流れる。静電容量Ｃに対する電流ＩおよびインピーダンスＺは次の式（１）、（２）で表される。
Ｉ＝Ｖ／Ｚ （１）
Ｚ＝１／（ｊωＣ）＝１／（ｊ２πｆＣ） （２）
ここでｊは虚数成分、ωは角周波数、ｆは周波数、Ｖは電圧である。ノイズ電流は、瞬時的なスイッチング動作、電位変動によって生じるため、周波数ｆの高い高周波数成分を多く含んでいる。即ち、周波数ｆの高い高周波数成分の電流に対して、式（２）のインピーダンスＺは低い値を示す。一方、周波数ｆの低い低周波数成分の電流に対して、インピーダンスＺは高い値を示す。また、式（２）から、静電容量Ｃが大きいほどインピーダンスＺは低い値を示す。したがって、大きな静電容量を持つ経路を設けることで、高周波数成分を多く含むノイズ電流に対しインピーダンスの小さい経路ができる。これにより、ノイズ電流が流れる経路を事前に設定することができ、ノイズ耐量の低い経路へ電流が流れないように制御することが可能となる。
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態に係る半導体パワーモジュール１によれば、正極側半導体素子７の正極（第１正極）７１から、正電極板４、正極側キャパシタ１１および正極側補助電極端子１３により形成された電流経路と、負極側半導体素子８の負極（第２負極）８２から、負電極板５、負極側キャパシタ１２および負極側補助電極端子１４により形成された電流経路とによってノイズ電流の制御が可能となる。したがって、正極側半導体素子７および負極側半導体素子８の各々が絶縁体３を介して放熱用導体２に接続された場合に、放熱用導体２へ流れるノイズ電流を低減することができる。このため、放熱用導体２から発生する放射ノイズおよび放熱用導体２から拡散するノイズ電流の抑制が可能となる。
また、本発明における実施の形態１に係る半導体パワーモジュール１によれば、浮遊容量１６よりも静電容量の大きい正極側キャパシタ１１が正極側に設けられている。つまり、正電極板４を介し正極側半導体素子７の正極（第１正極）７１と放熱用導体２との間に設けられる静電容量よりも正極側キャパシタ１１の静電容量が大きい。したがって、浮遊容量１６を介して放熱用導体２へ流れるノイズ電流経路よりもインピーダンスが低いノイズ電流経路を形成することができる。また、浮遊容量１８よりも静電容量の大きい負極側キャパシタ１２が負極側に設けられている。つまり、負電極板５を介し負極側半導体素子８の負極（第２負極）８２と放熱用導体２との間に設けられる静電容量よりも負極側キャパシタ１２の静電容量が大きい。したがって、浮遊容量１８を介して放熱用導体２へ流れるノイズ電流経路よりもインピーダンスが低いノイズ電流経路を形成することができる。これによりノイズ耐量の低い経路へノイズ電流が流れないように制御することが可能となる。この結果、浮遊容量１６、１８を介して放熱用導体２へ流れるノイズ電流を抑制でき、放熱用導体２から発生する放射ノイズおよび放熱用導体２を経由し外部へ伝搬するノイズ電流を低減することができる。
また、キャパシタを用いることで、半導体パワーモジュール１の構造を変更することなく、正極側および負極側に設けたノイズ電流経路の静電容量を容易に所望の値へ変更できる。即ち、高周波成分を多く含むノイズ電流に対して、放熱用導体２を介する経路よりもインピーダンスの低い経路を容易に設けることができる。
さらに、正極側キャパシタ１１の静電容量に対する負極側キャパシタ１２の静電容量の比を０．９〜１．１とした場合においては、正極側と負極側でインピーダンスのバランスがとれるため、インバータ動作時の回路における電位変動を低減することができる。これにより電位変動によるノイズの発生を抑制することが可能となる。
また、本発明における実施の形態１に係る半導体パワーモジュール１によれば、正極側半導体素子７は、第１接続導体９によって正電極板４および交流電極板６のいずれかに接続されている。負極側半導体素子８は、第２接続導体１０によって負電極板５および交流電極板６のいずれかに接続されている。このため、第１接続導体９および第２接続導体１０によって接続することにより、容易に電気的な接続が可能となる。
（実施の形態２）
以下、特に説明しない限り、上記の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。なお、この点は実施の形態３〜７においても同様である。
図５および図６を参照して、本発明の実施の形態２に係る半導体パワーモジュール１を説明する。図５は、実施の形態２に係る半導体パワーモジュール１の内部構成を概略的に示す上面図である。図６は、実施の形態２に係る半導体パワーモジュール１の構成を概略的に示す回路図である。
実施の形態２に係る半導体パワーモジュール１は、実施の形態１に示した単相ブリッジインバータを３つ組み合わせることにより三相ブリッジインバータ２２を構成した半導体パワーモジュールである。
本実施の形態の半導体パワーモジュール１は、交流電極板６ａ、６ｂ、６ｃと、正極側半導体素子７ａ、７ｂ、７ｃと、負極側半導体素子８ａ、８ｂ、８ｃと、第１接続導体９ａ、９ｂ、９ｃと、第２接続導体１０ａ、１０ｂ、１０ｃと、交流電極端子６１ａ、６１ｂ、６１ｃとを備えている。
正電極板４上に正極側半導体素子７ａ、７ｂ、７ｃおよび正極側還流ダイオード１９ａ、１９ｂ、１９ｃが設けられている。正極側半導体素子７ａ、７ｂ、７ｃには第１接続導体９ａ、９ｂ、９ｃを用いて正極側還流ダイオード１９ａ、１９ｂ、１９ｃがそれぞれ並列に接続されている。
交流電極板６ａ上に負極側半導体素子８ａ、負極側還流ダイオード２０ａおよび交流電極端子６１ａが設けられている。交流電極板６ｂ上に負極側半導体素子８ｂ、負極側還流ダイオード２０ｂおよび交流電極端子６１ｂが設けられている。交流電極板６ｃ上に負極側半導体素子８ｃ、負極側還流ダイオード２０ｃおよび交流電極端子６１ｃが設けられている。負極側半導体素子８ａ、８ｂ、８ｃには第２接続導体１０ａ、１０ｂ、１０ｃを用いて負極側還流ダイオード２０ａ、２０ｂ、２０ｃがそれぞれ並列に接続されている。
このように、実施の形態２に係る半導体パワーモジュール１は、実施の形態１に係る半導体パワーモジュール１と基本構成は同様であるが、単一のモジュール内で三相ブリッジインバータ２２を構成している点、並びに、各相に配置する正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２を共通としている点が異なる。
実施の形態２に係る半導体パワーモジュール１によれば、ノイズ電流が流れる経路を事前に設定することができ、ノイズ耐量の低い経路へ電流が流れないように制御することが可能となる。また、三相ブリッジインバータ２２を単一モジュール内に構成し、正極側キャパシタ１１、負極側キャパシタ１２を共通とすることで、モジュールを小型化することができる。
（実施の形態３）
次に、図７および図８を参照して、実施の形態３に係る半導体パワーモジュール１について説明する。図７は、実施の形態３に係る半導体パワーモジュール１における単相ブリッジインバータの内部構成を概略的に示す上面図である。図８は、実施の形態３に係る半導体パワーモジュール１における三相ブリッジインバータの内部構成を概略的に示す上面図である。
図７に示す実施の形態３に係る半導体パワーモジュール１は、実施の形態１または実施の形態２に係る半導体パワーモジュール１と比較して、負電極板５が負極側半導体素子８および負極側還流ダイオード２０上に配置されている点で主に異なっている。
実施の形態３に係る半導体パワーモジュール１は、補助電極板２３をさらに備えている。補助電極板２３は絶縁体３上に設けられている。負極側補助電極端子１４は補助電極板２３に接続されている。負極側キャパシタ１２は補助電極板２３上に配置されている。負電極板５は負極側キャパシタ１２上に配置されている。負電極板５は負極側還流ダイオード２０上に配置されている。負電極板５は負極側半導体素子８上に配置されている。負極側半導体素子８は負極側還流ダイオード２０と負電極板５を用いて接続されている。負電極板５は負電極端子５１上に設けられている。
図８に示す実施の形態３に係る半導体パワーモジュール１は、図７に示した単相ブリッジインバータを３つ組み合わせることにより三相ブリッジインバータを構成した半導体パワーモジュールである。
図８に示す実施の形態３に係る半導体パワーモジュール１においては、負電極板５は負極側半導体素子８ａ、８ｂ、８ｃ上に配置されている。負電極板５は負極側還流ダイオード２０ａ、２０ｂ、２０ｃ上に配置されている。負極側半導体素子８ａ、８ｂ、８ｃは負極側還流ダイオード２０ａ、２０ｂ、２０ｃとそれぞれ負電極板５を用いて接続されている。
実施の形態３に係る半導体パワーモジュール１によれば、負電極板５は負極側半導体素子８（８ａ、８ｂ、８ｃ）および負極側キャパシタ１２の上に配置されている。したがって、負電極板５を正電極板４および交流電極板６と異なる平面に設けることで、半導体パワーモジュール１を更に小型化することができる。
（実施の形態４）
次に、図９を参照して、実施の形態４に係る半導体パワーモジュール１について説明する。図９は、実施の形態４に係る半導体パワーモジュール１の内部構成の一部を概略的に示す斜視図である。図９には、説明の便宜のため、放熱用導体２、絶縁体３および封止剤１５は図示されていない。
正極側半導体素子７および正極側還流ダイオード１９は正電極板４の上に配置されている。正電極板４には、正極側半導体素子７の正極（第１正極）７１および正極側還流ダイオード１９の負極が接続されている。
交流電極板６は正極側半導体素子７および正極側還流ダイオード１９の上に配置されている。負極側半導体素子８および負極側還流ダイオード２０は交流電極板６の上に配置されている。正極側半導体素子７の負極（第１負極）７２および正極側還流ダイオード１９の正極は、交流電極板６を介して、負極側半導体素子８の正極（第２正極）８１および負極側還流ダイオード２０の負極に接続されている。
負電極板５は負極側半導体素子８および負極側還流ダイオード２０の上に配置されている。負極側半導体素子８の負極（第２負極）８２および負極側還流ダイオード２０の正極は、負電極板５へ接続されている。
正極側キャパシタ１１は正電極板４上に設けられている。正極側補助電極端子１３は正極側キャパシタ１１上に接続されている。また負極側キャパシタ１２は負極側補助電極端子１４上に設けられている。負電極板５は負極側キャパシタ１２上に接続されている。
実施の形態４に係る半導体パワーモジュールによれば、正極側半導体素子７および負極側半導体素子８が３次元的に配置されている。したがって、同一平面内へ正極側半導体素子７および負極側半導体素子８を配置する従来の半導体パワーモジュールと比較して高密度な半導体素子の実装が可能となるため、半導体パワーモジュールの更なる小型化が可能となる。
また、実施の形態４に係る半導体パワーモジュールによれば、正極側還流ダイオード１９および負極側還流ダイオード２０が３次元的に配置されている。したがって、同一平面内へ正極側還流ダイオード１９および負極側還流ダイオード２０を配置する従来の半導体パワーモジュールと比較して高密度な半導体素子の実装が可能となるため、半導体パワーモジュールの更なる小型化が可能となる。
（実施の形態５）
次に、図１０および図１１を参照して、実施の形態５に係る半導体パワーモジュール１について説明する。図１０は、実施の形態５に係る半導体パワーモジュール１の一例の内部構成を概略的に示す上面図である。図１０は、図４に対応する図である。図１１は、実施の形態５に係る半導体パワーモジュールの他例の内部構成を概略的に示す斜視図である。図１１は、図９に対応する図である。
実施の形態５に係る半導体パワーモジュール１は、実施の形態１〜４に係る半導体パワーモジュール１と比較して、正極側キャパシタ１１、負極側キャパシタ１２に共通補助電極端子１００が接続されている点で異なっている。
実施の形態５に係る半導体パワーモジュール１では、正極側補助電極端子１３と負極側補助電極端子１４とは一体化された共通補助電極端子１００である。正極側キャパシタ１１に接続された正極側補助電極端子１３および負極側キャパシタ１２に接続された負極側補助電極端子１４として、共通補助電極端子１００が正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２に接続されている。
実施の形態５に係る半導体パワーモジュールに１よれば、共通補助電極端子１００が正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２に接続されているため、構造の簡略化および小型化を実現できる。
（実施の形態６）
次に、図１２および図１３を参照して、実施の形態６に係る半導体パワーモジュール１について説明する。図１２は、実施の形態６に係る半導体パワーモジュール１の内部構成を概略的に示す断面図である。図１３は、実施の形態６に係る積層導体パターンの構成を概略的に示す模式断面図である。
実施の形態６に係る半導体パワーモジュール１は、実施の形態１〜５に係る半導体パワーモジュール１と比較して、正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２として、積層導体パターン２００、２０１が設けられている点で異なっている。本実施の形態では、正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２の各々は、導体２０３と絶縁体２０２とを含み、正電極板４と導体２０３との間および負電極板５と導体２０３との間の各々に絶縁体２０２を挟むことで形成されている。
図１２に示すように、積層導体パターン２００、２０１は、絶縁体２０２と導体２０３とを交互に積層した構成を備えている。絶縁体２０２と導体２０３との積層数は１つであってもよく、また２つ以上であってもよい。以下、積層数が複数の場合を例に説明する。正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２の各々は、複数の導体２０３と、導体２０３と同数の絶縁体２０２とを含んでいる。正電極板４および負電極板５の各々の上に絶縁体２０２、導体２０３が順に交互に積層されている。正電極板４上に積層された導体２０３のうち正電極板４側から数えて奇数層が正極側補助電極端子１３に接続され、かつ偶数層が正電極板４に接続されている。負電極板５上に積層された導体２０３のうち負電極板５側から数えて奇数層が負極側補助電極端子１４に接続され、かつ偶数層が負電極板５に接続されている。
図１３を参照して、積層導体パターン２００の構成を具体的に説明する。例えば３層を積層させる場合、積層導体パターン２００は、第１絶縁体２０２ａと、第２絶縁体２０２ｂと、第３絶縁体２０２ｃと、第１導体２０３ａと、第２導体２０３ｂと、第３導体２０３ｃとを備えている。
第１絶縁体２０２ａ、第２絶縁体２０２ｂ、第３絶縁体２０２ｃと、第１導体２０３ａ、第２導体２０３ｂ、第３導体２０３ｃとは交互に積層されている。正電極板４と第１導体２０３ａとの間に第１絶縁体２０２ａが挟まれている。第１導体２０３ａと第２導体２０３ｂとの間に第２絶縁体２０２ｂが挟まれている。第２導体２０３ｂと第３導体２０３ｃとの間に第３絶縁体２０２ｃが挟まれている。第１導体２０３ａは第３導体２０３ｃと接続されている。第２導体２０３ｂは正電極板４と接続されている。第３導体２０３ｃは正極側補助電極端子１３と接続されている。
このように、積層した第１導体２０３ａ、第２導体２０３ｂ、第３導体２０３ｃを隔層ごとに接続することで、各導体間に生じる静電容量２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃが並列接続される。このため、正電極板４と正極側補助電極端子１３との間に生じる静電容量の大容量化が可能となる。
また積層導体パターン２０１も同様の構成を備えている。積層導体パターン２０１は、積層導体パターン２００と比較して、第１絶縁体２０２ａが負電極板５と第１導体２０３ａとの間に挟まれている点、第２導体２０３ｂが負電極板５に接続されている点および第３導体２０３ｃが負極側補助電極端子１４と接続されている点で異なっている。積層導体パターン２０１においては、負電極板５と負極側補助電極端子１４との間に生じる静電容量の大容量化が可能となる。
正極側に接続された積層導体パターン２００の静電容量は、正電極板４、第１導体２０３ａ、第２導体２０３ｂおよび第３導体２０３ｃの対向面積Ｓと、第１絶縁体２０２ａ、第２絶縁体２０２ｂ、第３絶縁体２０２ｃの厚さｄおよび誘電率εとを用いて、εＳ／ｄと表される。一方、正極側の浮遊容量１６は、正電極板４と放熱用導体２の対向面積Ｓ’、絶縁体３の厚さｄ’および誘電率ε’を用いて、ε’Ｓ’／ｄ’と表される。したがって、ε’Ｓ’／ｄ’に対するεＳ／ｄの比を１より大きくすることで、実施の形態１〜５に係る半導体パワーモジュール１と同じ効果を得ることができる。積層導体パターンの静電容量εＳ／ｄを大きくする方法は、導体２０３の面積を大きくすること、導体２０３の積層数を増加させること、絶縁体２０２の厚さを薄くすること、絶縁体２０２の誘電率を増加させることなどがある。この点は負極側の積層導体パターン２０１においても同様である。
実施の形態６に係る半導体パワーモジュール１によれば、正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２として、積層導体パターン２００および２０１が設けられている。このため、積層導体パターン２００および２０１を用いることで、コンデンサを用いずに、浮遊容量１６および１８よりも大容量な静電容量を実装できる。
本実施の形態のパワーモジュール１によれば、正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２の各々は、正電極板４と導体２０３との間および負電極板５と導体２０３との間の各々に絶縁体２０２を挟むことで形成されている。このため、導体２０３と絶縁体２０２とを積層することにより大容量な静電容量を実装できる。
また、本実施の形態のパワーモジュール１によれば、正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２の各々は、複数の導体２０３と、導体２０３と同数の絶縁体２０２とを含んでいる。そして、正電極板４上に積層された導体２０３のうち正電極板４側から数えて奇数層が正極側補助電極端子１３に接続され、かつ偶数層が正電極板４に接続されている。また、負電極板５上に積層された導体２０３のうち負電極板５側から数えて奇数層が負極側補助電極端子１４に接続され、かつ偶数層が負電極板５に接続されている。このため、導体２０３と絶縁体２０２とを複数積層することにより大容量な静電容量を実装できる。
（実施の形態７）
次に、図１４および図１５を参照して、実施の形態７に係る電力変換装置３００について、説明する。図１４は、実施の形態７に係る電力変換装置３００の構成を概略的に示した回路図である。図１５は、実施の形態７に係る電力変換装置の変形例の構成を概略的に示す回路図である。
電力変換装置３００には、半導体パワーモジュール１が備えられている。半導体パワーモジュール１の正電極端子４１および負電極端子５１に、直流電源３０１と平滑コンデンサ３０２とが並列接続されている。交流電極端子６１ａ、６１ｂ、６１ｃはモータ（負荷）３０３に接続されている。放熱用導体２はグランドに接続されている。ここで、グランドは電力変換装置の基準電位で、例えば電力変換装置３００の金属筺体などである。モータ３０３は、モータ用金属筺体（負荷用金属筐体）３０４に収められており、モータ用金属筺体３０４は接続線３０６を用いて、半導体パワーモジュール１の正極側補助電極端子１３および負極側補助電極端子１４に接続されている。モータ３０３とモータ用金属筺体３０４との間には浮遊容量３０５が存在している。したがって、三相ブリッジインバータ２２、正極側キャパシタ１１または負極側キャパシタ１２、接続線３０６、浮遊容量３０５、モータ３０３によって電流経路３０７および電流経路３０８が形成されている。
実施の形態７に係る半導体パワーモジュール１によれば、正極側補助電極端子１３および負極側補助電極端子１４はモータ用金属筺体３０４に接続されている。そして、正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２による静電容量は、浮遊容量１６、１８と比較して大きい。このため、高周波数成分を含むノイズ電流に対して、電流経路３０７および電流経路３０８はインピーダンスの小さい経路となる。よって、ノイズ電流の制御が可能となる。したがって、放熱用導体２へ流れるノイズ電流を抑制できる。このため、放熱用導体２を介し伝搬するノイズ電流および放熱用導体２から発生する放射ノイズを低減することができる。
また、図１５に示すように、モータ用金属筺体３０４は、インダクタ３０９を介しグランドに接続されていても良い。実施の形態７に係る電力変換装置の変形例では、モータ用金属筺体３０４は、インダクタ３０９を介しグランドに接続されている。
インダクタ３０９は、以下の式（３）に示すように高周波数成分を多く含むノイズ電流に対して高いインピーダンスを示す。ここでＬはインダクタンスである。
Ｚ＝ｊωＬ＝ｊ２πｆＬ （３）
実施の形態７に係る電力変換装置の変形例では、モータ用金属筺体３０４は、インダクタ３０９を介しグランドに接続されている。このため、モータ用金属筺体３０４の電位をグランドの電位に安定させ、かつグランドへ流れるノイズ電流を抑制することができる。このため、グランドから伝搬するノイズを抑制することができる。
実施の形態１〜７に係る半導体パワーモジュール１では、正極側キャパシタ１１、負極側キャパシタ１２、または、積層導体パターン２００、２０１を封止剤１５によって内蔵する構成であるが、封止剤１５の外部で正電極端子４１、負電極端子５１へ外付けされていてもよい。この場合、正極側補助電極端子１３、負極側補助電極端子１４、または、共通補助電極端子１００は、すべて露出していてもよい。
なお、実施の形態１〜７に係る半導体パワーモジュール１を構成する部材は任意の方法で接続されていればよいが、例えば、はんだ、接着剤などで接続されている。
なお、上記の各実施の形態は適宜組み合わせることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
１ 半導体パワーモジュール、２ 放熱用導体、３ 絶縁体、４ 正電極板、５ 負電極板、６ 交流電極板、７ 正極側半導体素子、８ 負極側半導体素子、９ 第１接続導体、１０ 第２接続導体、１１ 正極側キャパシタ、１２ 負極側キャパシタ、１３ 正極側補助電極端子、１４ 負極側補助電極端子、１５ 封止剤、１６，１８ 浮遊容量、１９ 正極側還流ダイオード、２０ 負極側還流ダイオード、２１ 単相ブリッジインバータ、２２ 三相ブリッジインバータ、２３ 補助電極板、４１ 正電極端子、５１ 負電極端子、６１ 交流電極端子、７１ 第１正極、７２ 第１負極、８１ 第２正極、８２ 第２負極、１００ 共通補助電極端子、２００，２０１ 積層導体パターン、２０２ａ 第１絶縁体、２０２ｂ 第２絶縁体、２０２ｃ 第３絶縁体、２０３ａ 第１導体、２０３ｂ 第２導体、２０３ｃ 第３導体、３００ 電力変換装置、３０１ 直流電源、３０２ 平滑コンデンサ、３０３ モータ、３０４ モータ用金属筺体、３０６ 接続線、３０７，３０８ 電流経路、３０９ インダクタ。

Claims (9)

  1. 第１正極と第１負極とを有する正極側半導体素子と、
    第２正極と第２負極とを有する負極側半導体素子と、
    前記正極側半導体素子の前記第１正極と接続された正電極板と、
    前記負極側半導体素子の前記第２負極と接続された負電極板と、
    前記正極側半導体素子の前記第１負極および前記負極側半導体素子の前記第２正極に接続された交流電極板と、
    正極側補助電極端子と、
    負極側補助電極端子と、
    前記正電極板と接続され、かつ前記正極側補助電極端子と接続された正極側キャパシタと、
    前記負電極板と接続され、かつ前記負極側補助電極端子と接続された負極側キャパシタと、
    放熱用導体と、
    前記正電極板、前記負電極板および前記交流電極板の各々と前記放熱用導体との間に設けられた絶縁体とを備え、
    前記正電極板を介し前記正極側半導体素子の前記第１正極と前記放熱用導体との間に設けられる静電容量よりも前記正極側キャパシタの静電容量が大きく、かつ
    前記負電極板を介し前記負極側半導体素子の前記第２負極と前記放熱用導体との間に設けられる静電容量よりも前記負極側キャパシタの静電容量が大きい、半導体装置。
  2. 前記絶縁体上に設けられた補助電極板をさらに備え、
    前記負極側補助電極端子は前記補助電極板に接続されており、
    前記負極側キャパシタは前記補助電極板上に配置されており、
    前記負電極板は前記負極側半導体素子および前記負極側キャパシタの上に配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
  3. 前記交流電極板は前記正極側半導体素子の上に配置されており、
    前記負極側半導体素子は前記交流電極板の上に配置されており、
    前記負電極板は前記負極側半導体素子の上に配置されている、請求項１に記載の半導体装置。
  4. 前記正極側補助電極端子と前記負極側補助電極端子とは一体化された共通補助電極端子である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 前記正極側キャパシタおよび前記負極側キャパシタの各々は、
    導体と絶縁体とを含み、
    前記正電極板と前記導体との間および前記負電極板と前記導体との間の各々に前記絶縁体を挟むことで形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  6. 前記正極側キャパシタおよび前記負極側キャパシタの各々は、
    複数の導体と、前記導体と同数の絶縁体とを含み、
    前記正電極板および前記負電極板の各々の上に前記絶縁体、前記導体が順に交互に積層され、
    前記正電極板上に積層された前記導体のうち前記正電極板側から数えて奇数層が前記正極側補助電極端子に接続され、かつ偶数層が前記正電極板に接続され、
    前記負電極板上に積層された前記導体のうち前記負電極板側から数えて奇数層が前記負極側補助電極端子に接続され、かつ偶数層が前記負電極板に接続されることで形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 前記正極側半導体素子は、第１接続導体によって前記正電極板および前記交流電極板のいずれかに接続されており、
    前記負極側半導体素子は、第２接続導体によって前記負電極板および前記交流電極板のいずれかに接続されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置と、
    負荷と、
    前記負荷を収める負荷用金属筐体とを備え、
    前記正極側補助電極端子および前記負極側補助電極端子は前記負荷用金属筺体に接続されている、電力変換装置。
  9. インダクタをさらに備え、
    前記負荷用金属筺体は前記インダクタを介しグランドに接続されている、請求項８に記載の電力変換装置。
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