JP6634945B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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本発明は、半導体モジュールに関する。
従来より、電力変換装置を構成する半導体モジュールとして、大電流域での性能に優れたＩＧＢＴと低電流域での性能に優れたＭＯＳＦＥＴとを組み合わせた構成のものが知られている。例えば、下記の特許文献１及び２にはいずれも、互い並列接続されたＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴを備える半導体モジュール（パワーモジュール）が開示されている。この半導体モジュールは、ＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴの双方の良特性を兼ね備え点において有利である。
特許第５８６３５９９号公報 特許第５８０５５１３号公報
ところで、ＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴの双方を備える半導体モジュールの設計に際しては、これら２つのスイッチング素子が互いに熱干渉するような熱的影響（「熱害」ともいう。）を抑えたいという要請がある。この要請に対して、上記の特許文献１に開示の半導体モジュールは、耐熱性の高いＭＯＳＦＥＴを積極的に冷却しない構造が採用されており、ＭＯＳＦＥＴが高温になるとＩＧＢＴがＭＯＳＦＥＴから熱的影響を受け易い。また、上記の特許文献２に開示の半導体モジュールは、ＩＧＢＴの通電時にＭＯＳＦＥＴの直下のバスバーに電流が流れるように構成されており、高温状態のバスバーからＭＯＳＦＥＴが熱的影響を受け易い。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子が熱的影響を受けにくい半導体モジュールを提供しようとするものである。
本発明の一態様は、
互いに並列接続され且つ同一のリードフレーム（１６，１７）に設けられたＩＧＢＴ（１４）及びＭＯＳＦＥＴ（１５）と、
上記リードフレームから一体に延出したパワー端子としてのＰ端子（１１ｐ）及びＮ端子（１１ｎ）と、
を備え、
上記リードフレームにおいて上記ＩＧＢＴ及び上記ＭＯＳＦＥＴのいずれか一方である第１スイッチング素子を経由して上記Ｐ端子と上記Ｎ端子との間に形成される通電経路（Ｐａ，Ｐｂ）から外れた位置に、上記ＩＧＢＴ及び上記ＭＯＳＦＥＴのいずれか他方である第２スイッチング素子が配置されるように構成されている、半導体モジュール（１１）にある。
本発明の別態様は、
ＩＧＢＴ（１４）及びＭＯＳＦＥＴ（１５）が互いに並列接続されるとともに、電源（Ｂ）の高電位側ライン（Ｌｐ）と低電位側ライン（Ｌｎ）との間に直列に接続され且つ同一のリードフレーム（１６，１７）に設けられた複数の半導体素子対と、
上記リードフレームから一体に延出したパワー端子としてのＰ端子（１１ｐ）及びＮ端子（１１ｎ）及びＯ端子（１１ｏ）と、
を備え、
上記Ｐ端子が上記高電位側ラインに接続され、上記Ｎ端子が上記低電位側ラインに接続され、上記Ｏ端子が上記交流出力ライン（Ｌｏ）に接続されており、
上記複数の半導体素子対に含まれる複数の上記ＩＧＢＴ及び複数の上記ＭＯＳＦＥＴのいずれか一方である複数の第１スイッチング素子が他方である複数の第２スイッチング素子よりも先に駆動されるとともに、上記複数の半導体素子対のうち上記高電位側ラインと上記交流出力ラインとの間に配置される半導体素子対について上記第１スイッチング素子を経由して上記Ｐ端子と上記Ｏ端子との間に形成される通電経路（Ｐｃ）から外れた位置に上記第２スイッチング素子が配置され、上記複数の半導体素子対のうち上記低電位側ラインと上記交流出力ラインとの間に配置される半導体素子対について上記第１スイッチング素子を経由して上記Ｎ端子と上記Ｏ端子との間に形成される通電経路（Ｐｄ）から外れた位置に上記第２スイッチング素子が配置されるように構成されている、半導体モジュール（１１１）にある。
上記の一態様の半導体モジュールにおいて、第１スイッチング素子の駆動時にこの第１スイッチング素子の通電経路において生じる熱の影響を第２スイッチング素子が受けにくい。同様に、第２スイッチング素子の駆動時にこの第２スイッチング素子の通電経路において生じる熱の影響を第１スイッチング素子が受けにくい。即ち、２つのスイッチング素子が互いに及ぼし得る熱的影響を抑えることができる。
上記の別態様の半導体モジュールにおいて、先に駆動される第１スイッチング素子の通電経路上に第２スイッチング素子が配置されていないため、該通電経路において生じる熱の影響を第２スイッチング素子が受けにくい。
以上のごとく、上記の各態様によれば、スイッチング素子が熱的影響を受けにくい半導体モジュールを提供することが可能になる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態１の電力変換装置の概要を示す平面図。 図１の電力変換装置の斜視図。 図１中の半導体モジュールの厚み方向の側面図。 図３のIＶ−IＶ線矢視断面図。 図１の電力変換装置のインバータ回路図。 図５の半導体モジュールの等価回路図。 図６の等価回路の変形例を示す図。 スイッチング制御を説明するための図。 半導体素子の損失を説明するための図。 図５の半導体モジュールと冷却器の冷媒流路における冷媒の流れとの関係を示す図。 図１０の変形例を示す図。 図１０の変形例を示す図。 実施形態２の電力変換装置における半導体モジュールの厚み方向の側面図。 図１３のXIV−XIV線矢視断面図。 図１３の半導体モジュールの等価回路図。 図１５の等価回路の変形例を示す図。 図１３の半導体モジュールと冷却器の冷媒流路における冷媒の流れとの関係を示す図。 図１７の変形例を示す図。
以下、電力変換装置に係る実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
なお、本明細書の図面では、特に断わらない限り、半導体モジュール及び冷却管の積層方向である第１方向を矢印Ｘで示し、冷却管の長手方向である第２方向を矢印Ｙで示し、第１方向及び第２方向の双方と直交する第３方向を矢印Ｚで示すものとする。
本実施形態の電力変換装置は、電力変換を行う装置である。この電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、直流の電源電力を駆動用モータの駆動に必要な交流電力に変換するインバータとして、また直流電力を昇圧或いは降圧された直流電力に変換するコンバータとして用いられる。
（実施形態１）
図１及び図２に示されるように、実施形態１の電力変換装置１は、半導体積層ユニット１０及び制御回路基板３０を含む複数の要素を備えている。これら複数の要素はケース１ａによって区画された空間に収容されている。ケース１ａは、軽量且つ高度な寸法精度が要求される自動車部品であり、アルミニウムを使用したアルミダイカスト製法によって作製されている。
半導体積層ユニット１０は、複数の半導体モジュール１１と、これら複数の半導体モジュール１１を冷却する冷却器２０と、を備えている。第冷却器２０は、第１方向Ｘに延在する流入管（流入ヘッダー）２１と、第１方向Ｘに延在する流出管（流出ヘッダー）２２と、いずれも第２方向Ｙに延在し且つ第１方向Ｘについて所定の間隔を隔てて配置された複数の冷却管２３と、を備えている。
この半導体積層ユニット１０において、複数の半導体モジュール１１と複数の冷却管２３とが第１方向Ｘに交互に積層されている。この場合、半導体モジュール１１は、互いに平行に延在する２つの外表面１１ａ，１１ａを有し、冷却管２３が半導体モジュール１１の２つの外表面１１ａ，１１ａのそれぞれに当接するように設けられている。即ち、各導体モジュール１１は、２つの冷却管２３，２３によって両側から挟持されている。なお、この半導体積層ユニット１０を、「電力変換装置」或いは「半導体モジュール」ということもできる。
半導体モジュール１１の複数の制御端子（後述の複数の制御端子１４ａ，１５ａ）はいずれも、制御回路基板３０に接続されている。半導体モジュール１１の半導体素子のスイッチング動作を制御する制御電流が制御回路基板３０からこれら複数の制御端子を通じて該半導体モジュール１１に入力される。
冷却器２０において、複数の冷却管２３のそれぞれの流入部は流入管２１に連結され、且つ複数の冷却管２３のそれぞれの流出部は流出管２２に連結されている。また、冷却管２３は、管内に冷媒流路２４を有する。従って、流入管２１から冷却管２３の流入部に流入した冷媒は、冷却管２３内の冷媒流路２４を流通するときにこの冷却管２３に当接する半導体モジュール１１を冷却したのちに、冷却管２３の流出部から流出管２２へと排出される。この冷却器２０は、アルミニウム等の熱伝導性に優れた材料からなる。
なお、冷却管２３の冷媒流路２４に流す冷媒として、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。
図３及び図４に示されるように、半導体モジュール１１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１４と、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）１５と、リードフレーム１６と、を備えている。この半導体モジュール１１は、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５からなる半導体素子対を１つ備えており、「１ｉｎ１モジュール」と称呼される。
ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５は、いずれもスイッチング素子である。本実施形態において、ＩＧＢＴ１４は、Ｓｉ（シリコン）系材料によって構成された絶縁ゲートバイポーラトランジスタであり、ＭＯＳＦＥＴ１５は、ワイドギャップ半導体で構成された電界効果トランジスタである。ＩＧＢＴ１４は、大電流特性に優れ、ＭＯＳＦＥＴ１５よりも安価である。ＭＯＳＦＥＴ１５は、低電流特性及び高速スイッチング特性に優れている。
なお、ワイドギャップ半導体で構成されたＭＯＳＦＥＴ１５として、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）系材料や、ＧａＮ（窒化ガリウム）系材料などによって構成されたワイドギャップ半導体素子を使用するのが好ましい。
図４に示されるように、半導体モジュール１１は、モールド樹脂１１ｂによって成型されている。
ＩＧＢＴ１４は、その一方の素子面がはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１６に接合され、且つその他方の素子面が、別のはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１７に接合されたターミナル１８に接合されている。
ＭＯＳＦＥＴ１５は、その一方の素子面がはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１６に接合され、且つその他方の素子面が、別のはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１７に接合されたターミナル１９に接合されている。
リードフレーム１６，１７は、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５の双方を支持固定するとともに、外部からの入力と外部への出力とを行う入出力端子とを構成している。これらリードフレーム１６，１７は、Ｃｕ合金系素材、鉄合金系素材、その他の機械的強度、電気伝導度、熱伝導度、耐食性などの優れた金属素材などの薄板からなる。
半導体モジュール１１は、リードフレーム１６，１７から互いに平行に延出した、パワー端子としてのＰ端子１１ｐ及びＮ端子１１ｎを備えている。Ｐ端子１１ｐがリードフレーム１６から第３方向Ｚに沿って延出し、Ｎ端子１１ｎがリードフレーム１７から第３方向Ｚに沿って延出している。Ｐ端子１１ｐ及びＮ端子１１ｎを介して半導体モジュール１１に直流電圧が印加される。
本実施形態の半導体モジュール１１では、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５が同一のリードフレーム１６に設けられている。或いは、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５が同一のリードフレーム１７に設けられているということもできる。
また、半導体モジュール１１は、ＩＧＢＴ１４の制御端子１４ａとＭＯＳＦＥＴ１５の制御端子１５ａとがそれぞれ制御回路基板３０に接続されるように構成されている。
半導体モジュール１１は、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５がＰ端子１１ｐ及びＮ端子１１ｎの延出方向（第３方向Ｚ）と交差する方向（第２方向Ｙ）に並んで配置されている。
また、この半導体モジュール１１は、該モジュールを素子の厚み方向（第１方向Ｘ）から視たとき、同一のリードフレーム１６においてＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５のいずれか一方である第１スイッチング素子の通電経路から外れた位置に他方である第２スイッチング素子が配置されるように構成されている。
具体的には、半導体モジュール１１を素子の厚み方向から視たとき、第１スイッチング素子であるＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐａから外れた位置（互いに重ならない位置）に第２スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴ１５が配置されている。即ち、ＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐａ上にＭＯＳＦＥＴ１５が配置されていない。一方で、半導体モジュール１１を素子の厚み方向から視たとき、ＭＯＳＦＥＴ１５の通電経路Ｐｂから外れた位置（互いに重ならない位置）にＩＧＢＴ１４が配置されている。即ち、ＭＯＳＦＥＴ１５の通電経路Ｐｂ上にＩＧＢＴ１４が配置されていない。
ここで、通電経路Ｐａは、ＩＧＢＴ１４を経由してＰ端子１１ｐとＮ端子１１ｎとの間に形成される通電経路であり、ＩＧＢＴ１４を駆動するための電流が実質的に流れる領域をいう。また、通電経路Ｐｂは、ＭＯＳＦＥＴ１５を経由してＰ端子１１ｐとＮ端子１１ｎとの間に形成される通電経路であり、ＭＯＳＦＥＴ１５を駆動するための電流が実質的に流れる領域をいう。
また、この半導体モジュール１１は、ＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐａの長さが、ＭＯＳＦＥＴ１５の通電経路Ｐｂの長さを下回るように構成されている。この場合、長さが短い方の通電経路Ｐａのインダクタンスが通電経路Ｐｂのインダクタンスよりも小さい。
図５に示されるように、電力変換装置１のインバータ回路４０は、複数の（図５では８つの）半導体モジュール１１を用いて構成されている。８つの半導体モジュール１１は、電源Ｂの電圧を昇圧する昇圧回路を構成する２つのモジュール１１Ｃ，１１Ｃと、昇圧された直流電力を交流電力に変換する変換回路を構成する６つのモジュールと、に分類される。変換回路の６つのモジュールは、更に電源Ｂの高電位側ラインＬｐに接続された３つの上アームモジュール１１Ｈと、電源Ｂの低電位側ラインＬｎに接続された３つの下アームモジュール１１Ｌとに分類される。
図６の等価回路が参照されるように、半導体モジュール１１において、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５が互いに並列接続されている。より具体的には、ＩＧＢＴ１４のコレクタとＭＯＳＦＥＴ１５のドレインが接続され、ＩＧＢＴ１４のエミッタとＭＯＳＦＥＴ１５のソースが接続されている。ＩＧＢＴ１４のゲートとＭＯＳＦＥＴ１５のゲートは、制御回路基板３０に接続されている。このインバータ回路４０で得られた交流電力によって、車両走行用の三相交流モータＭが駆動される。
なお、この等価回路において、ＩＧＢＴ１４と還流のためのＦＷＤ（Free Wheeling Diode）とが同一、または別体の素子によって構成された構造（図７に示されるＦＷＤ１４Ｄを参照）や、ＭＯＳＦＥＴ１５のボディーダイオードや同期整流を採用することもできる。
図８に示されるように、本実施形態の半導体モジュール１１は、ＩＧＢＴ１４がＭＯＳＦＥＴ１５よりも先に駆動され（オンし）、且つＭＯＳＦＥＴ１５がオフした後にＩＧＢＴ１４がオフするように、制御回路基板３０によって制御される。つまり、ＭＯＳＦＥＴ１５がスイッチングするときは、ＩＧＢＴ１４が必ずオンしているよう構成してある。この場合、ＩＧＢＴ１４がスイッチング動作をメインで行う素子（以下、「メイン素子」ともいう。）となり、ＭＯＳＦＥＴ１５がＩＧＢＴ１４を補助或いはアシストする素子（以下、「サブ素子」ともいう。）となる。
このような制御によれば、図９が参照されるように、ＩＧＢＴ１４がオンし、ＭＯＳＦＥＴ１５に加わる電圧（オン電圧）が低下した状態で、ＭＯＳＦＥＴ１５をスイッチングすることができる。従って、ＩＧＢＴ１４にはスイッチング損失Ｌａが発生するものの、ＭＯＳＦＥＴ１５にはスイッチング損失Ｌａが発生しない。そのため、スイッチング損失ＬａをＩＧＢＴ１４が負担し、且つ導通損失ＬｂをＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５の双方が分担することになる。この場合、ＭＯＳＦＥＴ１５の負担を軽減することができ、その分、ＭＯＳＦＥＴ１５の素子サイズを小さくできる。また、燃費（「電費」ともいう。）への影響が大きい動作点である低電流時において、ＭＯＳＦＥＴ１５の抵抗はＩＧＢＴ１４の抵抗に比べて低いことが知られており、ＭＯＳＦＥＴ１５に電流が流れ易いため、燃費を向上させるのに有効である。
ここで「スイッチング損失Ｌａ」とは、スイッチング素子のスイッチング時間Δｔにおける損失（電圧と電流の積）である。一方で、「導通損失Ｌｂ」とは、スイッチング素子のスイッチング時間Δｔを除くオン期間における損失（電圧と電流の積）である。
また、前述のように、本実施形態では、サブ素子であるＭＯＳＦＥＴ１５の通電経路Ｐｂに比べてメイン素子であるＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐａの方が短くインダクタンスが小さいため、ＩＧＢＴ１４によるスイッチング損失を低く抑えることができ、ＩＧＢＴ１４の素子サイズを小さくできる。
ところで、上記の制御において、ＩＧＢＴ１４をオフからオンに切り替えるとき（オン切替時）にスイッチング速度を速くすると、主電流ｉの時間変化率ｄｉ／ｄｔが高くなり、ＭＯＳＦＥＴ１５の制御端子１５ａに高い誘導電流が発生しやすい。そこで、本実施形態の半導体モジュール１１は、このとき誘導電流が、ＭＯＳＦＥＴ１５をオフする向きに流れるように構成されるのが好ましい。本構成によれば、高い誘導電流が流れても、ＭＯＳＦＥＴ１５はオンしない。従って、ＩＧＢＴ１４と同時にＭＯＳＦＥＴ１５がオンして、ＭＯＳＦＥＴ１５のスイッチング損失Ｌａが高くなることを抑制できる。
また、ＩＧＢＴ１４をオンからオフに切り替えるときは、ＩＧＢＴ１４をオンするときと同様に、ＭＯＳＦＥＴ１５の制御端子１５ａに誘導電流が発生する。この誘導電流は、ＩＧＢＴ１４をオンするとき（高速切替時）とは反対方向に流れる。つまり、誘導電流は、ＭＯＳＦＥＴ１５をオンする方向に流れる。そこで、本実施形態の半導体モジュール１１は、ＩＧＢＴ１４をオフするときは、ＩＧＢＴ１４のスイッチング速度を遅くするように構成されるのが好ましい。本構成によれば、ＩＧＢＴ１４をオフするときに発生する誘導電流を小さくすることができ、ＭＯＳＦＥＴ１５がオンすることを抑制できる。
図１０に示されるように、前記の冷却器２０の冷却管２３は、絶縁体（図示省略）を介して、半導体モジュール１１の外表面１１ａ，１１ａを構成するリードフレーム１６，１７に間接的に当接している。半導体モジュール１１の外表面１１ａ，１１ａが放熱面を形成し、冷却管２３の表面が受熱面を形成する。この場合、冷却管２３の冷媒流路２４は、リードフレーム１６，１７に対向して延びるように配置されている。そして、半導体モジュール１１は、先に駆動されるＩＧＢＴ１４が冷却器２０の冷媒流路２４における冷媒の流れＦに対してＭＯＳＦＥＴ１５よりも上流側に配置されるように構成されている。換言すれば、半導体モジュール１１は、先に駆動されるＩＧＢＴ１４が冷却器２０の冷媒流路２４における冷媒の流れＦに対してＭＯＳＦＥＴ１５よりも下流側に配置されないように構成されている。本構成は、半導体モジュール１１におけるＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５のそれぞれの配置関係や、冷却器２０における冷媒流路２４の配置などを適宜に調整することによって達成される。本構成によれば、ＭＯＳＦＥＴ１５よりも前にＩＧＢＴ１４が冷却され、ＭＯＳＦＥＴ１５よりも後にＩＧＢＴ１４が冷却されることがないため、ＩＧＢＴ１４の冷却を強化できる。
次に、実施形態１の電力変換装置１の作用効果について説明する。
この電力変換装置１によれば、半導体モジュール１１の一方のスイッチング素子の通電経路上に他方のスイッチング素子が配置されていないため、ＩＧＢＴ１４の駆動時にこのＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐａにおいて生じる熱の影響をＭＯＳＦＥＴ１５が受けにくい。同様に、ＭＯＳＦＥＴ１５の駆動時にこのＭＯＳＦＥＴ１５の通電経路Ｐｂにおいて生じる熱の影響をＩＧＢＴ１４が受けにくい。即ち、２つのスイッチング素子であるＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５が互いに及ぼし得る熱的影響を抑えることができる。
また、この熱的影響を抑えることによって、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５のそれぞれの性能が向上し、その分、各スイッチング素子の素子サイズを小さくできる。
上記の電力変換装置１によれば、先に駆動されるＩＧＢＴ１４の方がＭＯＳＦＥＴ１５よりも前に冷却されるため、ＩＧＢＴ１４の性能を高く維持することができ、その分、ＩＧＢＴ１４の素子サイズを小さくできる。
なお、図１０に示されるようなスイッチング素子（ＩＧＢＴ１４、ＭＯＳＦＥＴ１５）の配置態様に関連して、図１１及び図１２に示されるようなスイッチング素子の配置態様を採り得る。
図１１に示される半導体モジュール１１は、冷却器２０の冷媒流路２４における冷媒の流れＦに対してＩＧＢＴ１４がＭＯＳＦＥＴ１５と同様の位置に配置されるように構成されている。この場合も、図１０の場合と同様に、先に駆動されるＩＧＢＴ１４は、冷却器２０の冷媒流路２４における冷媒の流れＦに対してＭＯＳＦＥＴ１５よりも下流側に配置されていない。
また、図１２に示される半導体モジュール１１において、冷却器２０の冷却管２３は、冷媒流路２４に異なる４つの冷媒の流れＦａ，Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄが形成されるように構成されている。この冷媒流路２４において、冷却管２３に流入した冷媒の流れＦａは、２つの流れＦｂ，Ｆｃに分岐してＭＯＳＦＥＴ１５及びＩＧＢＴ１４に対して並列的に流れた後、合流した冷媒の流れＦｄとなって冷却管２３から流出する。このような流れは、冷却管２３の冷媒流路２４に設けられた複数の放熱フィン２５によって形成される。複数の放熱フィン２６は、いずれも第３方向Ｚに互いに平行に延在するように構成されており、冷媒との接触面積を増やすことによって熱交換効率を高めて冷却能力を向上させるのにも効果がある。この場合も、図１０の場合と同様に、先に駆動されるＩＧＢＴ１４は、冷却器２０の冷媒流路２４における冷媒の流れＦａ，Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄに対してＭＯＳＦＥＴ１５よりも下流側に配置されていない。
従って、図１１及び図１２に示されるようなスイッチング素子の配置態様の場合も、先に駆動されるＩＧＢＴ１４がＭＯＳＦＥＴ１５よりも後に冷却されることがなく、ＩＧＢＴ１４の冷却を強化できる。
（実施形態２）
実施形態２の電力変換装置２は、実施形態１の電力変換装置１に対して、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５からなる半導体素子対の数が異なる。即ち、電力変換装置２の半導体モジュール１１１は、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５からなる半導体素子対を２つ備えている。この半導体モジュール１１１は、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５が互いに並列接続された２つの半導体素子対を備えており、これら２つの半導体素子対が電源Ｂの高電位側ラインＬｐと低電位側ラインＬｎとの間に直列に接続されている。この半導体モジュール１１１は、「２ｉｎ１モジュール」と称呼される。この半導体モジュール１１１は、図５中の１つ上アームモジュール１１Ｈと１つの下アームモジュール１１Ｌとを組み合わせた構成を有する。
なお、必要に応じて、３つ以上の半導体素子対を備えた半導体モジュールを採用することもできる。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
図１３及び図１５に示されるように、半導体モジュール１１１は、パワー端子としての、Ｐ端子１１ｐ、Ｎ端子１１ｎ、Ｏ端子１１ｏを備えている。Ｐ端子１１ｐ及びＮ端子１１ｎを介して半導体モジュール１１１に直流電圧が印加され、Ｏ端子１１ｏを通じて該半導体モジュール１１１から交流電力が出力される。
なお、図１５に示される等価回路において、ＩＧＢＴ１４と還流のためのＦＷＤ（Free Wheeling Diode）とが同一、または別体の素子によって構成された構造（図１６に示されるＦＷＤ１４Ｄを参照）や、ＭＯＳＦＥＴ１５のボディーダイオードや同期整流を採用することもできる。
図１４に示されるように、半導体モジュール１１１は、半導体モジュール１１と同様のモールド樹脂１１ｂによって成型されている。
図１４中の左側のＩＧＢＴ１４は、その一方の素子面がはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１７に接合され、且つその他方の素子面が、別のはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１６に接合されたターミナル１８に接合されている。図１４中の右側のＩＧＢＴ１４は、その一方の素子面がはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１６に接合され、且つその他方の素子面が、別のはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１７に接合されたターミナル１８に接合されている。リードフレーム１７は、２つのフレームがはんだ層１１ｃを介して一体化されている。
図１４中の左側のＭＯＳＦＥＴ１５は、その一方の素子面がはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１７に接合され、且つその他方の素子面が、別のはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１６に接合されたターミナル１９に接合されている。図１４中の右側のＭＯＳＦＥＴ１５は、その一方の素子面がはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１６に接合され、且つその他方の素子面が、別のはんだ層１１ｃを介してリードフレーム１７に接合されたターミナル１９に接合されている。
半導体モジュール１１１において、Ｐ端子１１ｐが一方のリードフレーム１６から第３方向Ｚに沿って延出し、Ｎ端子１１ｎが他方のリードフレーム１６から第３方向Ｚに沿って延出している。
本実施形態の半導体モジュール１１１では、一方の半導体素子対のＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５が同一のリードフレーム１６に設けられ、他方の半導体素子対のＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５が同一のリードフレーム１７に設けられている。
半導体モジュール１１１は、２つの半導体素子対に含まれる２つのＩＧＢＴ１４，１４が２つのＭＯＳＦＥＴ１５，１５よりも先に駆動されるように、制御回路基板３０によって制御される。
半導体モジュール１１１は、２つのＩＧＢＴ１４，１４及び２つのＭＯＳＦＥＴ１５，１５がＰ端子１１ｐ、Ｎ端子１１ｎ及びＯ端子１１ｏの延出方向（第３方向Ｚ）と交差する方向（第２方向Ｙ）に並んで配置されている。具体的には、図１３中の左側から順に、ＭＯＳＦＥＴ１５、ＩＧＢＴ１４、ＩＧＢＴ１４、ＭＯＳＦＥＴ１５が配置されている。
この半導体モジュール１１１は、該モジュールを素子の厚み方向（第１方向Ｘ）から視たとき、２つの半導体素子対のうち高電位側ラインＬｐと交流出力ラインＬｏとの間に配置される半導体素子対について、ＩＧＢＴ１４を経由して高電位側ラインＬｐと交流出力ラインＬｏとの間に形成される通電経路Ｐｃから外れた位置（互いに重ならない位置）にＭＯＳＦＥＴ１５が配置されるように構成されている。この通電経路Ｐｃは、ＩＧＢＴ１４を経由してＰ端子１１ｐとＯ端子１１ｏとの間に形成される通電経路である。本実施形態では、先に駆動されるＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐｃから外れた位置にＭＯＳＦＥＴ１５が配置されている。即ち、ＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐｃ上にＭＯＳＦＥＴ１５が配置されていない。
同様に、この半導体モジュール１１１は、該モジュールを素子の厚み方向（第１方向Ｘ）から視たとき、２つの半導体素子対のうち低電位側ラインＬｎと交流出力ラインＬｏとの間に配置される半導体素子対について、ＩＧＢＴ１４を経由して高電位側ラインＬｐと交流出力ラインＬｏとの間に形成される通電経路Ｐｄから外れた位置（互いに重ならない位置）にＭＯＳＦＥＴ１５が配置されるように構成されている。この通電経路Ｐｄは、ＩＧＢＴ１４を経由してＮ端子１１ｎとＯ端子１１ｏとの間に形成される通電経路である。本実施形態では、先に駆動されるＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐｄから外れた位置にＭＯＳＦＥＴ１５が配置されている。即ち、ＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐｄ上にＭＯＳＦＥＴ１５が配置されていない。
また、この半導体モジュール１１１は、先に駆動される２つのＩＧＢＴ１４，１４の通電経路（２つのＩＧＢＴ１４，１４を順次経由して高電位側ラインＬｐと低電位側ラインＬｎとの間に形成される通電経路）の長さが、２つのＭＯＳＦＥＴ１５，１５の通電経路（２つのＭＯＳＦＥＴ１５，１５を順次経由して高電位側ラインＬｐと低電位側ラインＬｎとの間に形成される通電経路）の長さを下回るように構成されている。この場合、長さが相対的に短い方の通電経路のインダクタンスは、長さが相対的に長い通電経路のインダクタンスよりも小さい。
図１７に示されるように、半導体モジュール１１１は、同一のリードフレーム１６または１７において、２つの半導体素子対のそれぞれにおいて先に駆動されるＩＧＢＴ１４が冷却器２０の冷媒流路２４における冷媒の流れＦに対してＭＯＳＦＥＴ１５よりも下流側に配置されないように構成されている。具体的には、冷却器２０の冷却管２３は、冷媒流路２４に異なる４つの冷媒の流れＦａ，Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄが形成されるように構成されている。この冷媒流路２４において、冷却管２３に流入した冷媒の流れＦａは、２つの流れＦｂ，Ｆｃに分岐して２つの半導体素子対に対して並列的に流れた後、合流した冷媒の流れＦｄとなって冷却管２３から流出する。このような流れは、冷却管２３の冷媒流路２４に前述の放熱フィン２６（図１２参照）と同様の複数の放熱フィン２６を設けることによって形成される。このとき、冷媒の流れＦｂによって一方の半導体素子対のＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５が同じタイミングで冷却される。また、冷媒の流れＦｂによって他方の半導体素子対のＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５が同じタイミングで冷却される。このため、先に駆動されるＩＧＢＴ１４がＭＯＳＦＥＴ１５よりも後に冷却されることがなく、ＩＧＢＴ１４の冷却を強化できる。
次に、実施形態２の電力変換装置２の作用効果について説明する。
電力変換装置２によれば、半導体モジュール１１１において、先に駆動されるＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐｃ上にＭＯＳＦＥＴ１５が配置されていないため、この通電経路Ｐｃにおいて生じる熱の影響をこのＭＯＳＦＥＴ１５が受けにくい。同様に、先に駆動されるＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐｄ上にＭＯＳＦＥＴ１５が配置されていないため、この通電経路Ｐｃにおいて生じる熱の影響をこのＭＯＳＦＥＴ１５が受けにくい。
また、サブ素子である２つのＭＯＳＦＥＴ１５，１５を順次経由して高電位側ラインＬｐと低電位側ラインＬｎとの間に形成される通電経路に比べてメイン素子である２つのＩＧＢＴ１４，１４を順次経由して高電位側ラインＬｐと低電位側ラインＬｎとの間に形成される通電経路の方が短くインダクタンスが小さいため、ＩＧＢＴ１４によるスイッチング損失を低く抑えることができ、ＩＧＢＴ１４の素子サイズを小さくできる。
なお、必要に応じて、２つの半導体素子対に含まれる２つのＭＯＳＦＥＴ１５，１５が２つのＩＧＢＴ１４，１４よりも先に駆動される構成を採用してもよい。この場合、先に駆動されるＭＯＳＦＥＴ１５の通電経路（Ｐ端子１１ｐとＯ端子１１ｏとの間に形成される通電経路、或いはＮ端子１１ｎとＯ端子１１ｏとの間に形成される通電経路）から外れた位置にＩＧＢＴ１４が配置されるように構成されるのが好ましい。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１５の通電経路において生じる熱の影響をＩＧＢＴ１４が受けにくい。この場合、更に、先に駆動される２つのＭＯＳＦＥＴ１５，１５の通電経路（２つのＭＯＳＦＥＴ１５，１５を順次経由して高電位側ラインＬｐと低電位側ラインＬｎとの間に形成される通電経路）の長さが、２つのＩＧＢＴ１４，１４の通電経路（２つのＩＧＢＴ１４，１４を順次経由して高電位側ラインＬｐと低電位側ラインＬｎとの間に形成される通電経路）の長さを下回るように構成されるのが好ましい。これにより、ＭＯＳＦＥＴ１５によるスイッチング損失を低く抑えることができ、ＭＯＳＦＥＴ１５の素子サイズを小さくできる
その他、実施形態１と同様の作用効果を奏する。
また、図１７に示されるようなスイッチング素子（ＩＧＢＴ１４、ＭＯＳＦＥＴ１５）の配置態様に関連して、図１８に示されるようなスイッチング素子の配置態様を採り得る。
図１８に示される半導体モジュール１１１は、同一のリードフレーム１６において、冷却器２０の冷媒流路２４における冷媒の流れＦに対してＭＯＳＦＥＴ１５がＩＧＢＴ１４と同様の位置に配置されるように、また同一のリードフレーム１７において、冷却器２０の冷媒流路２４における冷媒の流れＦに対してＭＯＳＦＥＴ１５がＩＧＢＴ１４と同様の位置に配置されるように構成されている。この場合も、図１７の場合と同様に、同一のリードフレーム１６または１７において、先に駆動されるＩＧＢＴ１４が冷却器２０の冷媒流路２４における冷媒の流れＦに対してＭＯＳＦＥＴ１５よりも下流側に配置されていない。従って、図１８に示されるようなスイッチング素子の配置態様の場合も、先に駆動されるＩＧＢＴ１４がＭＯＳＦＥＴ１５よりも後に冷却されることがなく、ＩＧＢＴ１４の冷却を強化できる。
本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記の実施形態を応用した次の各形態を実施することもできる。
上記の実施形態では、半導体モジュール１１のＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５がＰ端子１１ｐ及びＮ端子１１ｎの延出方向と交差する方向に並んで配置される場合について例示したが、一方のスイッチング素子の通電経路から外れた位置に他方のスイッチング素子を配置することができれば、ＩＧＢＴ１４及びＭＯＳＦＥＴ１５の配置関係は適宜に変更することができる。
上記の実施形態では、先に駆動されるスイッチング素子は、冷却器２０の冷媒流路２４における冷媒の流れに対して別のスイッチング素子よりも下流側に配置されないように構成される場合について例示したが、冷媒流路２４における冷媒の流れに対する２つのスイッチング素子の配置関係はこれに限定されるものではなく、必要に応じて変更することができる。
上記の実施形態では、冷却管２３が半導体モジュール１１の２つの外表面１１ａ，１１ａのそれぞれに当接するように設けられた冷却器２０について記載したが、この冷却器２０に代えて、半導体モジュール１１の一方の外表面１１ａのみに冷却面が当接するように構成された冷却器を採用することもできる。
上記の実施形態では、半導体モジュール１１において、ＩＧＢＴ１４の通電経路Ｐａの長さが、ＭＯＳＦＥＴ１５の通電経路Ｐｂの長さを下回る場合について例示したが、必要に応じて、通電経路Ｐａと通電経路Ｐｂの長さが同じである構成や、通電経路Ｐａの長さが通電経路Ｐｂの長さを上回るような構成を採用することもできる。また、半導体モジュール１１１において、必要に応じて、２つのＩＧＢＴ１４，１４を順次経由して高電位側ラインＬｐと低電位側ラインＬｎとの間に形成される通電経路の長さＬ１と２つのＭＯＳＦＥＴ１５，１５を順次経由して高電位側ラインＬｐと低電位側ラインＬｎとの間に形成される通電経路の長さＬ２が同じである構成や、長さＬ１が長さＬ２を上回るような構成を採用することもできる。
上記の実施形態では、Ｓｉ系材料によって構成されたＩＧＢＴ１４と、ＳｉＣ系材料によって構成されたＭＯＳＦＥＴ１５を用いる場合について例示したが、必要に応じて、Ｓｉ系材料以外の材料によって構成されたＩＧＢＴ１４や、ＳｉＣ系材料以外の材料によって構成されたＭＯＳＦＥＴ１５を用いることもできる。
１，２ 電力変換装置
１１，１１１ 半導体モジュール
１１ｐ Ｐ端子（第１端子）
１１ｎ Ｎ端子（第２端子）
１１ｏ Ｏ端子
１４ ＩＧＢＴ
１５ ＭＯＳＦＥＴ
１６，１７ リードフレーム
２０ 冷却器
２４ 冷媒流路
Ｂ 電源
Ｆ，Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄ 冷媒の流れ
Ｌｐ 高電位側ライン
Ｌｎ 低電位側ライン
Ｌｏ 交流出力ライン
Ｐａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ 通電経路

Claims (9)

  1. 互いに並列接続され且つ同一のリードフレーム（１６，１７）に設けられたＩＧＢＴ（１４）及びＭＯＳＦＥＴ（１５）と、
    上記リードフレームから一体に延出したパワー端子としてのＰ端子（１１ｐ）及びＮ端子（１１ｎ）と、
    を備え、
    上記リードフレームにおいて上記ＩＧＢＴ及び上記ＭＯＳＦＥＴのいずれか一方である第１スイッチング素子を経由して上記Ｐ端子と上記Ｎ端子との間に形成される通電経路（Ｐａ，Ｐｂ）から外れた位置に、上記ＩＧＢＴ及び上記ＭＯＳＦＥＴのいずれか他方である第２スイッチング素子が配置されるように構成されている、半導体モジュール（１１）。
  2. 上記Ｐ端子と上記Ｎ端子が上記リードフレームから互いに平行に延出しており、
    上記ＩＧＢＴ及び上記ＭＯＳＦＥＴは、上記Ｐ端子及び上記Ｎ端子の延出方向と交差する方向に並んで配置されている、請求項１に記載の半導体モジュール。
  3. 上記第１スイッチング素子が上記第２スイッチング素子よりも先に駆動されるとともに、上記第１スイッチング素子を経由して上記Ｐ端子と上記Ｎ端子との間に形成される通電経路のインダクタンスが、上記第２スイッチング素子を経由して上記Ｐ端子と上記Ｎ端子との間に形成される通電経路のインダクタンスを下回るように構成されている、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
  4. 上記リードフレームに対向して延びる冷媒流路（２４）を有する冷却器（２０）が取付けられ、先に駆動される上記第１スイッチング素子は、上記冷却器の上記冷媒流路における冷媒の流れに対して上記第２スイッチング素子よりも下流側に配置されないように構成されている、請求項３に記載の半導体モジュール。
  5. 先に駆動される上記第１スイッチング素子は、上記冷却器の上記冷媒流路における冷媒の流れに対して上記第２スイッチング素子よりも上流側に配置されるように構成されている、請求項４に記載の半導体モジュール。
  6. ＩＧＢＴ（１４）及びＭＯＳＦＥＴ（１５）が互いに並列接続されるとともに、電源（Ｂ）の高電位側ライン（Ｌｐ）と低電位側ライン（Ｌｎ）との間に直列に接続され且つ同一のリードフレーム（１６，１７）に設けられた複数の半導体素子対と、
    上記リードフレームから一体に延出したパワー端子としてのＰ端子（１１ｐ）及びＮ端子（１１ｎ）及びＯ端子（１１ｏ）と、
    を備え、
    上記Ｐ端子が上記高電位側ラインに接続され、上記Ｎ端子が上記低電位側ラインに接続され、上記Ｏ端子が交流出力ライン（Ｌｏ）に接続されており、
    上記複数の半導体素子対に含まれる複数の上記ＩＧＢＴ及び複数の上記ＭＯＳＦＥＴのいずれか一方である複数の第１スイッチング素子が他方である複数の第２スイッチング素子よりも先に駆動されるとともに、上記複数の半導体素子対のうち上記高電位側ラインと上記交流出力ラインとの間に配置される半導体素子対について上記第１スイッチング素子を経由して上記Ｐ端子と上記Ｏ端子との間に形成される通電経路（Ｐｃ）から外れた位置に上記第２スイッチング素子が配置され、上記複数の半導体素子対のうち上記低電位側ラインと上記交流出力ラインとの間に配置される半導体素子対について上記第１スイッチング素子を経由して上記Ｎ端子と上記Ｏ端子との間に形成される通電経路（Ｐｄ）から外れた位置に上記第２スイッチング素子が配置されるように構成されている、半導体モジュール（１１１）。
  7. 上記複数の第１スイッチング素子を順次経由して上記高電位側ラインと上記低電位側ラインとの間に形成される通電経路のインダクタンスが、上記複数の第２スイッチング素子を順次経由して上記高電位側ラインと上記低電位側ラインとの間に形成される通電経路のインダクタンスを下回るように構成されている、請求項６に記載の半導体モジュール。
  8. 上記リードフレームに対向して延びる冷媒流路（２４）を有する冷却器（２０）が取付けられ、上記複数の半導体素子対のそれぞれにおいて先に駆動される上記第１スイッチング素子が上記冷却器の上記冷媒流路における冷媒の流れに対して上記第２スイッチング素子よりも下流側に配置されないように構成されている、請求項６または７に記載の半導体モジュール。
  9. 上記第１スイッチング素子がＳｉ系材料によって構成された上記ＩＧＢＴであり、上記第２スイッチング素子がワイドギャップ半導体材料によって構成された上記ＭＯＳＦＥＴである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
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