JP6776923B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

この明細書の開示は、制御対象であるアクチュエータに一体的に取り付けられて構成された機電一体型の半導体装置に関する。
近年、オルタネータなどのアクチュエータと、アクチュエータを制御する制御装置とを一体的に構成する機電一体型の回転電機が利用されつつある。機電一体の技術は、アクチュエータと制御装置とでモジュールとして出力を合わせ込むことによって制御の精度を向上できるほか、ワイヤハーネスの削減による軽量化や組付け容易性を実現できる。一方で、制御装置は、駆動により自身が発生する熱とともにアクチュエータの発熱に対しても動作を保証しなければならず、高い熱的信頼性が求められる。
特許文献１には、モータの回転軸まわりに制御装置としての整流器モジュールを環状に配置した車両用回転電機が開示されている。
特開２０１１−１６６８４７号公報
特許文献１のように、制御装置としてのモジュールが回転電機の回転軸まわりに環状に配置される構成は、モジュールへの電流供給のために、略環状に成形された１本のバスバーに各モジュールが接続する態様を採用することがある。この構成では、電流供給源から近い側に接続されるモジュールと、遠い側に接続されるモジュールとが存在することになる。電流供給源から見たとき、バスバーを含めた各モジュールへの電流経路の抵抗値は、電流供給源から近いほど低抵抗となる。
ここで、電流供給のための電源が意図せずに正常の接続に対して逆接続されてしまった状況を考える。この状況では、モジュールに含まれるスイッチング素子、例えばＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを介して電流が流れる。この電流は、各モジュールのうち、抵抗値の低いモジュールほど大きくなる。例えば各モジュールが載置される台座や回転電機の放熱構造などの要素を排除して考えると、電源から近い位置に配置された低抵抗のモジュールに大きな電流が流れることになる。ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードは負の抵抗温度係数を有することから、大電流が流れることによる温度上昇に起因してさらに低抵抗化し、電流の増加に対してポジティブフィードバックとなる虞がある。これは機電一体型の半導体装置として好ましくない。
そこで、この明細書の開示は上記問題点に鑑み、万一電源に対して逆接続されてしまった状況下であっても、熱的信頼性を確保することのできる半導体装置を提供することを目的とする。
ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として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って、発明の技術的範囲を限定するものではない。
上記目的を達成するために、この明細書に開示される半導体装置のひとつは、回転電機（１０）を制御する複数の制御モジュール（６１〜６６）が、回転電機の回転軸（１１）まわりに環状に配置される半導体装置であって、制御モジュールは、電源に接続されたバスバー（５０）から電流の供給を受ける少なくとも１つのスイッチング素子（Ｈ１〜Ｈ６，Ｌ１〜Ｌ６）を有し、スイッチング素子は、寄生ダイオードを有し、制御モジュールは、１つの電源が接続されたバスバーに対して複数の制御モジュールが電気的に並列に接続されるとともに、回転軸を囲むようにＣ字状に成形された金属製の放熱板（６０）に環状に配置され、寄生ダイオードを介して流れる電流に対して生じる抵抗は、放熱板において２つの端部に配置された制御モジュールを除く制御モジュールにおける少なくとも１つのスイッチング素子において、複数の制御モジュールが有するスイッチング素子のうちの他のスイッチング素子よりも低抵抗とされる。
ところで、この開示に係る放熱板はＣ字状を成しており、一部が欠けた環状である。換言すれば、この放熱板には周方向において端部が存在する。端部はその先に放熱板がないため、周方向における中央部に較べて放熱効率が低い。
制御モジュールのうち、放熱板において２つの端部に配置された制御モジュールを除く制御モジュールに属するスイッチング素子を低抵抗とすることにより、電源が誤って逆接続された場合には、該当する制御モジュール、すなわち、意図した制御モジュールに大きな電流を流すことができる。該当する制御モジュールは、放熱板のうち比較的放熱効率の高い中央寄りの部分に配置されている。このため、通電による温度上昇を抑制することができる。つまり、万一電源に対して逆接続されてしまった状況下であっても、熱的信頼性を確保することができる。
上記目的の達成のため、この明細書に開示されるもうひとつの半導体装置は、回転電機（１０）を制御する複数の制御モジュール（２０，３０，４０）が、回転電機の回転軸（１１）まわりに環状に配置される半導体装置であって、制御モジュールは、電源に接続されたバスバー（５０）から電流の供給を受ける少なくとも１つのスイッチング素子（Ｈ１〜Ｈ６，Ｌ１〜Ｌ６）を有し、スイッチング素子は、寄生ダイオードを有し、寄生ダイオードを介して流れる電流に対して生じる抵抗は、制御モジュールのうち、配置される構造的条件においてシミュレーションまたは実験により予め取得されたもっとも放熱効率が高い位置にある制御モジュールにおける少なくとも１つのスイッチング素子において、複数の制御モジュールが有するスイッチング素子のうちの他のスイッチング素子よりも低抵抗とされる。
これによれば、制御モジュールのうち、構造的に放熱効率が高い制御モジュールに属するスイッチング素子を低抵抗とすることにより、電源が誤って逆接続された場合には、該当する制御モジュール、すなわち、意図した制御モジュールに大きな電流を流すことができる。該当する制御モジュールは、その他制御モジュールに較べて放熱効率が高くされているため、通電による温度上昇を抑制することができる。つまり、万一電源に対して逆接続されてしまった状況下であっても、熱的信頼性を確保することができる。
第１実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す上面断面図である。 半導体装置の回路構成を示す図である。 制御モジュールの詳細構造を示す図である。 変形例１に係る半導体装置の概略構成を示す上面断面図である。 変形例１に係る半導体装置の概略構成を示す上面断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す上面図である。 変形例２に係る半導体装置の概略構成を示す上面図である。 低抵抗化に係るＭＯＳトランジスタの有効セル領域面積の関係を示す図である。
以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
（第１実施形態）
最初に、図１〜図３を参照して、本実施形態に係る半導体装置の概略構成について説明する。
本実施形態における半導体装置は、回転電機としてのオルタネータと、整流器を構成する制御モジュールとが一体的に構成された機電一体型のオルタネータ装置である。
図１に示すように、半導体装置１００は、図示しない回転子および固定子を有するオルタネータ１０と、オルタネータ１０の回転子の回転軸１１を取り囲むように配置された３つの制御モジュール２０，３０，４０と、制御モジュール２０，３０，４０が接続されたバスバー５０と、制御モジュール２０，３０，４０が載置される放熱板２１，３１，４１と、を備えている。
図２に示すように、オルタネータ１０は、３相巻線を２組備えた固定子と、回転軸シャフトを含む回転子により構成されている。固定子は図示しない固定子鉄心と、固定子巻線Ｍ１，Ｍ２とにより構成されている。具体的には、固定子巻線Ｍ１がＸ相、Ｙ相、Ｚ相からなる３相巻線であり、固定子巻線Ｍ２がＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相巻線である。固定子巻線Ｍ２は固定子巻線Ｍ１に対して電気角にして３０度ずれた位置に配置されている。制御モジュール２０，３０，４０は、固定子巻線Ｍ１，Ｍ２への電流の向きを制御する整流器であり、合計で６つのアームがＸ，Ｙ，ＺおよびＵ，Ｖ，Ｗの各相への電流を制御している。
バスバー５０は、その一端が電源に接続されており、制御モジュール２０，３０，４０に電流を供給することができるようになっている。制御モジュール２０，３０，４０は一つのバスバー５０に接続されており、図１および図２に示すように、電源に近い側から制御モジュール２０、制御モジュール３０、制御モジュール４０の順に接続されている。制御モジュール２０，３０，４０はそれぞれがインバータとしての機能を有し、図２に示すように、固定子を構成する固定子巻線Ｍ１，Ｍ２に接続されている。
図１〜図３を参照して、制御モジュール２０，３０，４０の詳しい構造について説明する。なお、図３は断面図ではないが、金属板２３の状態をわかりやすく示すためハッチングを施している。
図１に示すように、制御モジュール２０は、金属板２３と、ブリッジ２４と、封止樹脂体２５と、を有している。そして、制御モジュール２０は、インバータを構成するためのスイッチング素子として、４つのＭＯＳトランジスタＨ１，Ｌ１，Ｈ２，Ｌ２を有している。図１は断面図であるから、制御モジュール２０に属するＭＯＳトランジスタとして、Ｈ１とＨ２のみが図示されている。
同様に、制御モジュール３０は、金属板３３と、ブリッジ３４と、封止樹脂体３５と、を有している。そして、制御モジュール３０は、インバータを構成するためのスイッチング素子として、４つのＭＯＳトランジスタＨ３，Ｌ３，Ｈ４，Ｌ４を有している。同様に、制御モジュール４０は、金属板４３と、ブリッジ４４と、封止樹脂体４５と、を有している。そして、制御モジュール４０は、インバータを構成するためのスイッチング素子として、４つのＭＯＳトランジスタＨ５，Ｌ５，Ｈ６，Ｌ６を有している。
３つの制御モジュール２０，３０，４０は、その物理的配置や意図的に抵抗値に相違を生じるように設計されたスイッチング素子の構造を除き構成要素は互いに等価であるから、その詳しい構造については、ひとつの制御モジュール２０を例に説明する。
図２に示すように、制御モジュール２０は、６つのアームのうち２つのアームを担い、Ｘ相およびＹ相への電流の供給を制御している。制御モジュール２０は、１つのアームとして、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１と、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ１を有し、これらが電源ＶＢに対して直列に接続されている。ＭＯＳトランジスタＨ１とＭＯＳトランジスタＬ１との中間点が固定子巻線Ｍ１に接続されてＸ相を成す。同様に、もうひとつのアームとして、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ２と、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ２を有し、これらが電源ＶＢに対して直列に接続されている。ＭＯＳトランジスタＨ２とＭＯＳトランジスタＬ２との中間点が回転子巻線Ｍ１に接続されてＹ相を成す。これらのアームは電源に対して並列に接続されている。
上記の接続を実現するため、制御モジュール２０は、図３に示すように実装される。金属板２３は、第１金属板２３ａ、第２金属板２３ｂ、第３金属板２３ｃ、第４金属板２３ｄおよび第５金属板２３ｅを有している。これらは互いに別体として同一平面上に成形されている。また、ブリッジ２４は、第１ブリッジ２４ａ、第２ブリッジ２４ｂ、第３ブリッジ２４ｃおよび第４ブリッジ２４ｄを有している。
第１金属板２３ａはハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１が載置されてドレイン端子と電気的に接続される。第１金属板２３ａからは端子ＴＨ１が引き出され、バスバー５０に接続される。
第２金属板２３ｂはローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ１が載置されてドレイン端子と電気的に接続されるとともに、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１のソース端子が第１ブリッジ２４ａを介して接続されている。第２金属板２３ｂからは端子Ｔｘが引き出され、固定子巻線Ｍ１に接続される。
第３金属板２３ｃはハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ２が載置されてドレイン端子と電気的に接続される。第３金属板２３ｃからは端子ＴＨ２が引き出され、バスバー５０に接続される。
第４金属板２３ｄはローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ２が載置されてドレイン端子と電気的に接続されるとともに、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ２のソース端子が第３ブリッジ２３ｃを介して接続されている。第４金属板２３ｄからは端子Ｔｙが引き出され、固定子巻線Ｍ１に接続される。
第５金属板２３ｅは、第２ブリッジ２４ｂを介してＭＯＳトランジスタＬ１のソース端子と接続されるとともに、第４ブリッジ２４ｂを介してＭＯＳトランジスタＬ２のソース端子と接続される。第５金属板２３ａからは端子ＴＬ１および端子ＴＬ２が引き出されており、それらは、ＧＮＤ電位とされたバスバーに接続されている。また、第５金属板２３ｅには、ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２のスイッチングを制御するための制御ＩＣ２６が載置されている。制御ＩＣ２６はボンディングワイヤによって各ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２に接続されているが、図３では図示を省略している。制御モジュール２０における金属板２３およびブリッジ２４ならびにＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２はアーム単位で略左右対称に配置されている。
なお、本実施形態における第１金属板２３ａと第３金属板２３ｃは、連結板２３ｆを介して互いに接続されている。つまり、第１金属板２３ａ、第３金属板２３ｃおよび連結板２３ｆは一体の板として成形されている。連結板２３ｆは、第１金属板２３ａと第３金属板２３ｃとの間の熱的な接続を担っており、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２のうち、一方が過剰に発熱した場合に、他方のＭＯＳトランジスタが載置された金属板に伝熱するようになっている。
ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２および金属板２３は、これらを覆い隠すように封止樹脂体２５により封止されている。金属板２３のうち、ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２が載置されていない側の面は封止樹脂体２５から露出している。制御モジュール２０は、封止樹脂体２５から露出した金属板２３の一面が放熱板２１と対向するように配置され、絶縁層２２を介して放熱板２１に載置される。これにより、ＭＯＳトランジスタＨ１，Ｈ２，Ｌ１，Ｌ２が発した熱は金属板２３と絶縁層２２を介して放熱板２１に伝熱して放熱される。放熱板２１における制御モジュール２０が載置されない側の面には放熱フィン２１ａが形成されている。
上記したように、制御モジュール３０についても制御モジュール２０と同様の構成要素を有している。すなわち、５つに分割された金属板３３にハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ３，Ｈ４、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ３，Ｌ４および制御ＩＣが適宜載置されている。そして、ＭＯＳトランジスタＨ３およびＬ３により構成されるアームは固定子巻線Ｍ１のＺ相を提供し、ＭＯＳトランジスタＨ４およびＬ４により構成されるアームは固定子巻線Ｍ２のＵ相を提供する。放熱板３１は放熱フィン３１ａを有している。
制御モジュール４０についても制御モジュール２０と同様の構成要素を有している。すなわち、５つに分割された金属板４３にハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ５，Ｈ６、ローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ５，Ｌ６および制御ＩＣが適宜載置されている。そして、ＭＯＳトランジスタＨ５およびＬ５により構成されるアームは固定子巻線Ｍ２のＶ相を提供し、ＭＯＳトランジスタＨ６およびＬ６により構成されるアームは固定子巻線Ｍ２のＷ相を提供する。放熱板４１は放熱フィン４１ａを有している。
図１に示すように、制御モジュール２０，３０，４０は、回転軸１１を取り囲むように環状に配置されている。制御モジュール２０，３０，４０は、放熱板２１，３１，４１に対する載置面が回転軸方向に沿うように配置されている。放熱板２１と放熱板４１は放熱フィン２１ａと放熱フィン４１ａが対向するように配置され、放熱板３１は放熱板２１および放熱板４１と直交するように配置されている。つまり、放熱板２１，３１，４１は、放熱フィンが回転軸１１側を向くように環状に配置され、放熱フィンが形成されない外側の面に制御モジュール２０，３０，４０が貼り付くように配置されている。このような態様では、金属板２３，３３，４３から延びる端子がＵ字状に並ぶので、バスバー５０もＵ字状に曲げられている。
ところで、図示はしないが、半導体装置１００において、制御モジュール２０，３０，４０は、空冷（あるいは水冷）により冷却される構成になっている。オルタネータ１０の構造に起因する発熱状況や温度分布、放熱板２１，３１，４１の配置位置等の構造的条件により、各制御モジュール２０，３０，４０の放熱効率は異なる。放熱効率は、熱抵抗の大小で言い換えることができる。熱抵抗が大きいほど放熱しにくく放熱効率が低い。放熱効率は、所定の構造条件下において熱伝導シミュレーションを行う等によって予測することができる。例えば、半導体装置１００が車両に搭載されて通常の駆動をするときの放熱効率をシミュレーションや実験により予め取得しておくことができる。本実施形態においては、例えば、制御モジュール３０がもっとも放熱効率が高いと仮定する。
このような構造的条件下において、制御モジュール３０に属する４つのＭＯＳトランジスタＨ３，Ｈ４，Ｌ３，Ｌ４のうちの少なくとも１つのＭＯＳトランジスタの通電にかかる抵抗値が、その他のＭＯＳトランジスタの抵抗値よりも小さくされている。
例えば、ＭＯＳトランジスタＨ３の抵抗値が、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６よりも低抵抗とされている。また、別の例では、ＭＯＳトランジスタＨ３，Ｌ４の抵抗値が、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ６よりも低抵抗とされている。このようにすれば、制御モジュール３０の通電に係る抵抗値が、制御モジュール２０および制御モジュール４０の抵抗値よりも小さくなる。
ＭＯＳトランジスタの低抵抗化は、例えば、ドレイン電流が流れる有効セル領域の面積を大きくすることにより実現することができる。一例としてトレンチ型のＭＯＳトランジスタにおいては、半導体基板の一面であって、ソース領域が露出し、トレンチゲートへの電圧印加によってチャネルを生じてドレイン電流の通電に寄与する領域が有効セル領域である。この有効セル領域が大きくなるほどＭＯＳトランジスタの抵抗値は小さくなる。
例えば、ＭＯＳトランジスタＨ３の抵抗値が、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６よりも低抵抗とされているとは、ＭＯＳトランジスタＨ３の有効セル領域の面積が、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６よりも大きくされている。
次に、本実施形態に係る半導体装置１００を採用することによる作用効果について説明する。
例えば、半導体装置１００に電源が逆接続された場合を想定する。すなわち、本来ＧＮＤ電位とされるべきバスバーが、本来ＶＢ電位とされるべきバスバー５０よりも高電位になった場合を想定する。
図２に示すように、ＭＯＳトランジスタにはソース端子からドレイン端子に順方向となるように寄生ダイオードが生じる。上記のように、電源が逆接続されると、寄生ダイオードを介して電流が流れる。つまり、ローサイド側のＭＯＳトランジスタからハイサイド側のＭＯＳトランジスタへ電流が流れる。この電流によりＭＯＳトランジスタは発熱する。寄生ダイオードは負の抵抗温度係数をもつので、発熱によりさらに低抵抗化する。このため、より多くの電流が流れて発熱量も増加する。
本実施形態における制御モジュール３０は、制御モジュール２０および制御モジュール４０よりも抵抗値が小さい。このため、逆接続による電流は制御モジュール３０に流れる電流がもっとも大きくなる。前述のとおり制御モジュール３０は発熱するが、制御モジュール３０は、制御モジュール２０および制御モジュール４０に較べて放熱効率が高い構造的条件下にあるので、制御モジュール３０の温度上昇は抑制される。これにより、制御モジュール３０の熱暴走を防止でき、例えば逆接に対するフェールセーフが機能するまでの時間を確保することができる。
とくに、例えば、ＭＯＳトランジスタＨ３，Ｌ３の抵抗値が、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６よりも低抵抗とされるように構成するなど、同一のアームを構成するハイサイド側およびローサイド側のＭＯＳトランジスタの抵抗値を低くするようにすることによって、積極的に当該アームに逆接続にかかる電流を流すことができる。これにより、当該アーム以外のアームに対して熱的信頼性を向上することができる。
また、本実施形態における制御モジュール３０では、ＭＯＳトランジスタＨ３が載置される金属板３３とＭＯＳトランジスタＨ４が載置される金属板３３とが連結板によって熱的に連結されているから、ＭＯＳトランジスタＨ３の発熱によりＭＯＳトランジスタＨ４の温度も上昇して抵抗値が低下する。これにより、ＭＯＳトランジスタＨ３のみならず、ＭＯＳトランジスタＨ４にも電流を担わせることができ、意図的に大きな電流が流れるようにされたＭＯＳトランジスタＨ３の過剰な発熱を抑制できるようになっている。
（変形例１）
上記例では、制御モジュール２０，３０，４０がそれぞれ４つのＭＯＳトランジスタを含んだ、いわゆる４ｉｎ１構成のモジュールである例について説明した。しかしながら、同様の効果は、複数の制御モジュールを備えた半導体装置に対して有効である。具体的には、６ｉｎ１構成の２つの制御モジュールが６相を制御する半導体装置や、２ｉｎ１構成の６つの制御モジュールが６相を制御する半導体装置についても有効である。６ｉｎ１構成の制御モジュールは、６つのＭＯＳトランジスタが１つの制御モジュールに内蔵されている態様であり、図４に示すように、２つの制御モジュールＣ１とＣ２とが放熱板ＨＳに接着されつつ回転軸１１を挟むように配置されている。２ｉｎ１構成の制御モジュールは、２つのＭＯＳトランジスタが１つの制御モジュールに内蔵されている態様であり、図５に示すように、６つの制御モジュールＣ３〜Ｃ８が放熱板ＨＳに接着されつつ回転軸１１を取り囲むように配置されている。このような構成にあっても、制御モジュールのうち、配置される構造的条件においてもっとも放熱効率が高い制御モジュールにおける少なくとも１つのスイッチング素子を、その他のスイッチング素子よりも低抵抗とする。これにより、電源の逆接続時において、所定の制御モジュールに意図的に大きな電流を流しつつ、その制御モジュールは放熱効率が高いので、当該制御モジュールの温度上昇を抑制することができる。
（第２実施形態）
第１実施形態においては、各制御モジュールが、それぞれ別体とされた放熱板に配置される例について説明した。これに対して、本実施形態では、各制御モジュールが、一体的に連結された１つの放熱板に配置される例について説明する。なお、本実施形態では、２つのＭＯＳトランジスタが１つの制御モジュールに内蔵された２ｉｎ１構成の制御モジュールを６つ有する半導体装置２００を例に説明する。
図６に示すように、半導体装置２００は、オルタネータ（図６では回転軸１１のみ図示する）と、回転軸１１を取り囲むようにＣ字状に成形された放熱板６０と、放熱板６０上においてその延設方向に沿って回転軸１１を取り囲むように配置された制御モジュール６１〜６６と、制御モジュール６１〜６６が接続されたバスバー５０と、を備えている。
オルタネータは、第１実施形態におけるオルタネータ１０と同様である。すなわち、オルタネータは、３相巻線を２組備えた固定子と、回転軸シャフトを含む回転子により構成されている。固定子は図示しない固定子鉄心と、固定子巻線Ｍ１，Ｍ２とにより構成されている。具体的には、固定子巻線Ｍ１がＸ相、Ｙ相、Ｚ相からなる３相巻線であり、固定子巻線Ｍ２がＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相巻線である。固定子巻線Ｍ２は固定子巻線Ｍ１に対して電気角にして３０度ずれた位置に配置されている。制御モジュール６１〜６６は、固定子巻線Ｍ１，Ｍ２への電流の向きを制御する整流器であり、１つの制御モジュールにつき１つのアームを担い、合計で６つのアームがＸ，Ｙ，ＺおよびＵ，Ｖ，Ｗの各相への電流を制御している。
放熱板６０は、回転軸１１を取り囲むようにＣ字状に成形された金属板である。本実施形態における放熱板６０は、回転軸１１の軸方向においてオルタネータと対向して配置され、放熱板６０のオルタネータとの対向面に図示しない放熱フィンが形成されている。
制御モジュール６１〜６６は、放熱フィンの形成面と反対の面に並んで配置されている。制御モジュール６１〜６６は、電源に接続されるバスバー５０に並列に接続されているのであり、電源に近い側から制御モジュール６１，６２，６３，６４，６５，６６の順で並んで配置されている。制御モジュール６１は放熱板６０の一方の端部に配置され、制御モジュール６６は放熱板６０の他方の端部に配置されている。
図２と対応させれば、制御モジュール６１は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ１およびローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ１を含むモジュールである。同様に、制御モジュール６２は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ２およびローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ２を含むモジュールである。制御モジュール６３は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ３およびローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ３を含むモジュールである。制御モジュール６４は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ４およびローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ４を含むモジュールである。制御モジュール６５は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ５およびローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ５を含むモジュールである。制御モジュール６６は、ハイサイド側のＭＯＳトランジスタＨ６およびローサイド側のＭＯＳトランジスタＬ６を含むモジュールである。
バスバー５０は、放熱板６０の形状に沿って形成され、とくに本実施形態では、回転軸１１と放熱板６０の間の領域において放熱板６０の内側の面に沿うように配置されている。制御モジュール６１〜６６は、ハイサイド側の電源端子を回転軸１１側に向けて放射状に配置される。
ところで、半導体装置２００では、放熱板６０の端部に位置する制御モジュール６１および６６を除く制御モジュール６２〜６５を構成するＭＯＳトランジスタＨ２〜Ｈ５，Ｌ２〜Ｌ５のうち少なくとも１つのＭＯＳトランジスタが、その他のＭＯＳトランジスタに較べて低抵抗とされている。
例えば、ＭＯＳトランジスタＨ３の抵抗値が、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６よりも低抵抗とされている。このようにすれば、制御モジュール６３の通電に係る抵抗値が、制御モジュール６１，６２，６４，６５，６６の抵抗値よりも小さくなる。また、別の例では、ＭＯＳトランジスタＨ４，Ｌ４の抵抗値が、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ５，Ｈ６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ６よりも低抵抗とされている。このようにすれば、制御モジュール６４の通電に係る抵抗値が、制御モジュール６１，６２，６３，６５，６６の抵抗値よりも小さくなる。ＭＯＳトランジスタの低抵抗化は、例えば、ドレイン電流が流れる有効セル領域の面積を大きくすることにより実現することができる。有効セルの面積に関しては第１実施形態において説明したとおりである。
次に、本実施形態に係る半導体装置２００を採用することによる作用効果について説明する。
一体的に構成された放熱板６０において、放熱板６０の形成に沿って制御モジュール６１〜６６が一列に並んで配置される本実施形態における半導体装置２００にあっては、放熱板６０の端部近傍は、熱が逃げる先が無いため、中央部に較べて放熱効率が悪い。換言すれば、放熱板６０の中央部近傍は、端部近傍に較べて放熱効率が高い。
よって、半導体装置２００のように、放熱板６０の端部に位置する制御モジュール６１および６６を除く制御モジュール６２〜６５を構成するＭＯＳトランジスタＨ２〜Ｈ５，Ｌ２〜Ｌ５のうち少なくとも１つのＭＯＳトランジスタを低抵抗とすることにより、そのＭＯＳトランジスタが属する制御モジュールを、その他の制御モジュールに較べて低抵抗にすることができる。
例えば、半導体装置１００に電源が逆接続された場合を想定する。すなわち、本来ＧＮＤ電位とされるべきバスバーが、本来ＶＢ電位とされるべきバスバー５０よりも高電位になった場合を想定する。このとき、第１実施形態と同様に、逆接続に起因した電流が寄生ダイオードを流れる。
例えば、ＭＯＳトランジスタＨ３の抵抗値が、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ４，Ｈ５，Ｈ６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６よりも低抵抗とされている例では、制御モジュール６３の通電に係る抵抗値が、制御モジュール６１，６２，６４，６５，６６の抵抗値よりも小さくなる。このため、制御モジュール６３に積極的に電流が流れるが、制御モジュール６３は放熱板６０上において放熱効率の高い位置に配置されているから、電流に起因する温度上昇を抑制することができる。
また、ＭＯＳトランジスタＨ４，Ｌ４の抵抗値が、Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ５，Ｈ６，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ６よりも低抵抗とされている例では、制御モジュール６４の通電に係る抵抗値が、制御モジュール６１，６２，６３，６５，６６の抵抗値よりも小さくなる。このため、制御モジュール６４に積極的に電流が流れるが、制御モジュール６４は放熱板６０上において放熱効率の高い位置に配置されているから、電流に起因する温度上昇を抑制することができる。
低抵抗化する制御モジュールは制御モジュール６３や制御モジュール６４に限らず、制御モジュール６２や制御モジュール６５を低抵抗化しても良いが、放熱板６０のより中央部に近い制御モジュール６３，６４を低抵抗化することが好ましい。また、一つの制御モジュールのみを低抵抗化しなければならないことはなく、制御モジュール６３，６２を低抵抗化するようにしても良い。
また、低抵抗化する制御モジュールの選択にあっては、他の制御モジュールに較べてもっとも放熱効率が高い制御モジュールを低抵抗化することが好ましい。これにより、低抵抗化したことにより意図的に大電流が流される制御モジュールにおいても温度上昇を抑制することができる。よって、該当する制御モジュールの熱暴走を防止でき、例えば逆接に対するフェールセーフが機能するまでの時間を確保することができる。
（変形例２）
上記例では、制御モジュール６１〜６６がそれぞれ２つのＭＯＳトランジスタを含んだ、いわゆる２ｉｎ１構成のモジュールである例について説明した。しかしながら、同様の効果は、３つ以上の制御モジュールが一体的に形成された放熱板上で一列に並んで配置された半導体装置に対して有効である。具体的には、４ｉｎ１構成の３つの制御モジュールが６相を制御する半導体装置についても有効である。例えば、図７に示すように、３つの制御モジュールＣ９〜Ｃ１１がＣ字状に一体的に成形された放熱板ＨＳ２に接着されつつ回転軸１１を取り囲むように配置されている。このような態様では、放熱板ＨＳ２の端部に位置しない制御モジュールＣ１０を低抵抗化する。これにより、電源の逆接続時において、制御モジュールＣ１０に意図的に大きな電流を流しつつ、制御モジュールＣ１０は制御モジュールＣ９，Ｃ１１よりも放熱効率が高いので、当該制御モジュールＣ１０の温度上昇を抑制することができる。
（その他の実施形態）
以上、好ましい実施形態について説明したが、上記した実施形態になんら制限されることなく、この明細書に開示する主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
上記した各実施形態および変形例においては、制御モジュールに含まれるスイッチング素子としてＭＯＳトランジスタを採用する例について説明したが、スイッチング素子としては絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やその他の半導体スイッチング素子を採用することもできる。
また、上記した各実施形態および変形例においては、固定子巻線Ｍ１，Ｍ２として、３相巻線を採用する例について説明したが、相の数については限定しない。これに伴って、制御モジュールの数についても適宜変更されるべきである。
また、上記した各実施形態および変形例においては、制御モジュールの低抵抗化の手段として、スイッチング素子の有効セル領域の面積を増大することによる低抵抗化について説明した。しかしながら、低抵抗化の手段についてはこれに限定しない。例えば、金属板２３，３３，４３の構成材料を変更して低抵抗化する手段や、電気的接続に用いる導電性接着剤（例えばはんだ）の成分を変更することによる低抵抗化をおこなっても良い。ただし、金属板２３，３３，４３の構成材料の変更や導電性接着剤の変更に較べて、スイッチング素子の有効セル領域の面積の変更は容易であり、低抵抗化の効果も大きい。
有効セル領域の面積について、発明者は、低抵抗化しないＭＯＳトランジスタに対する、低抵抗化するＭＯＳトランジスタの有効セル領域面積の大きさを調べた。図７に示す変形例２において説明した態様において、放熱効率を均一とした条件下でコンピュータシミュレーションを行った結果を図８に示す。隣り合う制御モジュールＣ９とＣ１０の間のバスバー５０に起因する抵抗値を５０μΩとし、回路全体の配線抵抗を７５ｍΩとし、電源を逆接続した際に制御モジュールに印加される電位差を１４Ｖとしてシミュレーションを行った。制御モジュールＣ９を構成するＭＯＳトランジスタの面積に対して、制御モジュールＣ１０の発熱量が制御モジュールＣ９と同一になる制御モジュールＣ１０のＭＯＳトランジスタの面積を求めた結果が図８である。これによれば、隣接する制御モジュール間では、電源から遠い側のＭＯＳトランジスタの面積を略１．２倍に設定することで、逆接続時の電流値を略同一にすることができる。よって、放熱効率が高くされた制御モジュールに対してＭＯＳトランジスタの面積を決定する際は、１．２倍以上の面積を確保することが好ましい。
１０…オルタネータ，２０…制御モジュール，３０…制御モジュール，４０…制御モジュール，５０…バスバー，Ｈ１〜Ｈ６…ＭＯＳトランジスタ（ハイサイド側），Ｌ１〜Ｌ６…ＭＯＳトランジスタ（ローサイド側）

Claims (5)

  1. 回転電機（１０）を制御する複数の制御モジュール（６１〜６６）が、前記回転電機の回転軸（１１）まわりに環状に配置される半導体装置であって、
    前記制御モジュールは、電源に接続されたバスバー（５０）から電流の供給を受ける少なくとも１つのスイッチング素子（Ｈ１〜Ｈ６，Ｌ１〜Ｌ６）を有し、
    前記スイッチング素子は、寄生ダイオードを有し、
    前記制御モジュールは、１つの前記電源が接続された前記バスバーに対して複数の前記制御モジュールが電気的に並列に接続されるとともに、前記回転軸を囲むようにＣ字状に成形された金属製の放熱板（６０）に環状に配置され、
    前記寄生ダイオードを介して流れる電流に対して生じる抵抗は、前記放熱板において２つの端部に配置された前記制御モジュールを除く前記制御モジュールにおける少なくとも１つのスイッチング素子において、前記複数の制御モジュールが有する前記スイッチング素子のうちの他の前記スイッチング素子よりも低抵抗とされる半導体装置。
  2. 低抵抗とされる前記スイッチング素子が属する前記制御モジュールは、配置される構造的条件においてシミュレーションまたは実験により予め取得されたもっとも放熱効率が高い位置にある制御モジュールである請求項１に記載の半導体装置。
  3. 回転電機（１０）を制御する複数の制御モジュール（２０，３０，４０）が、前記回転電機の回転軸（１１）まわりに環状に配置される半導体装置であって、
    前記制御モジュールは、電源に接続されたバスバー（５０）から電流の供給を受ける少なくとも１つのスイッチング素子（Ｈ１〜Ｈ６，Ｌ１〜Ｌ６）を有し、
    前記スイッチング素子は、寄生ダイオードを有し、
    前記寄生ダイオードを介して流れる電流に対して生じる抵抗は、前記制御モジュールのうち、配置される構造的条件においてシミュレーションまたは実験により予め取得されたもっとも放熱効率が高い位置にある前記制御モジュールにおける少なくとも１つのスイッチング素子において、前記複数の制御モジュールが有する前記スイッチング素子のうちの他の前記スイッチング素子よりも低抵抗とされる半導体装置。
  4. 前記制御モジュールはインバータであり、低抵抗とされる前記スイッチング素子が属する前記制御モジュールは、ハイサイド側の前記スイッチング素子とローサイド側の前記スイッチング素子とがともに低抵抗とされる請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
  5. 低抵抗とされる前記スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴであり、ドレイン電流が流れる有効セル領域の面積がその他のスイッチング素子よりも大きくされることにより、その他のスイッチング素子よりも低抵抗とされる請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
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