JP6838243B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換しあるいは交流電力を直流電力に変換するために使用する電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる電力変換装置に関する。
ハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる電力変換装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動トルクの増大に伴い出力電力の増大が求められている。このような出力電力の増大に対応するために、パワー半導体を複数並列に接続することが行われる。
しかし、複数並列に接続したパワー半導体の性能を引き出すためには、これら並列接続したパワー半導体を同時にスイッチングさせることが必要であり、各パワー半導体に制御信号を伝送する制御信号線のインピーダンスにアンバランスが生じないようにする必要がある。
このような課題に対し、特許文献１では複数のパワー半導体のエミッタに形成され、電流アンバランスを引き起こすエミッタループの電流抑制を目的として、制御信号線を積層して構成している。
しかしながら、制御信号線を積層した多層基板で構成する必要があり、制御信号基板の大型化を引き起こすことが課題であった。
特開２０１６−４６８４２号公報
そこで本発明の課題は、各パワー半導体に伝送する制御信号の電流アンバランスを抑制しながら制御信号基板の大型化を抑制することである。
本発明に係る電力変換装置は、第１パワー半導体素子と、第２パワー半導体素子と、前記第１パワー半導体素子及び前記第２パワー半導体素子の駆動信号を伝達する回路を有する回路基板とを備え、前記回路基板は、前記第１パワー半導体素子と前記第２パワー半導体素子の配列方向に沿って形成される第１エミッタ配線と、前記第１パワー半導体素子と前記第１エミッタ配線との間に配置される第１ゲート配線と、前記第２パワー半導体素子と前記エミッタ配線との間に配置される第２ゲート配線と、前記エミッタ配線を挟んで前記第１ゲート配線及び前記第２ゲート配線と対抗して配置される第３ゲート配線と、を備え、前記第１エミッタ配線を跨いで前記第１ゲート配線と前記第３ゲート配線を接続する第１ゲート抵抗と、を有する。
本発明によれば、パワー半導体の制御信号配線間のインダクタンス差を低減でき、制御信号の電流アンバランスを抑制しながら制御信号基板の大型化を抑制することができる。
本実施例の電力変換装置の電気回路図である。 本実施例の電力変換装置５００の概念分解斜視図である。 図１の回路構成においてＩＧＢＴとダイオードをそれぞれ４つのパワー半導体を用いて構成したパワーモジュール１００の例である。 ４つのＩＧＢＴ素子１６５を並列に接続したときのパワーモジュールの上面図である。 実施例１のゲート配線と、エミッタ配線と、ＩＧＢＴの接続を示した図である。 実施例１のゲート配線と、エミッタ配線の電気回路図を示した図である。 通常の４つのＩＧＢＴと制御信号基板を配置した構成図の例である。 図７の構成におけるゲート配線と、エミッタ配線と、ＩＧＢＴの接続を示した図である。 図７の構成におけるゲート配線と、エミッタ配線の電気回路図を示した図である。 パワー半導体モジュール１００の外観斜視図である。 パワー半導体モジュール１００のケース１０３にモジュール封止体１９１を組み立てる工程を示す分解斜視図である。 パワー半導体モジュール１００の上下アームの直列回路を構成する回路部品の分解斜視図である。 実施例１の８つのＩＧＢＴと制御信号基板を配置した構成図の例である。
以下、実施例について図面を用いて説明する。
本実施例では、パワー半導体の制御信号配線間のインダクタンス差を低減でき、制御信号の電流アンバランスを抑制できる電力変換装置の例を説明する。
図１は、本実施例の電力変換装置５００の電気回路図である。本実施例の電力変換装置５００の動作原理について図１を用いて説明する。
電力変換装置５００は、パワー半導体モジュール１００と、コンデンサモジュール２００と、正極導体３１０と、負極導体３２０と、から構成される。本実施例の電力変換装置５００は、直流電流を３相の交流電流に変換、又は３相の交流電流を直流電流に変換する電力変換装置であり、３つのパワー半導体モジュール１００Ｕ、１００Ｖ、１００Ｗから構成される。
パワー半導体モジュール１００Ｕないし１００Ｗのそれぞれは、交流端子が設けられる。すなわち、パワー半導体モジュール１００Ｕは、モジュール交流端子１５０Ｕを有する。パワー半導体モジュール１００Ｖは、モジュール交流端子１５０Ｖを有する。パワー半導体モジュール１００Ｗは、モジュール交流端子１５０Ｗを有する。モジュール交流端子１５０Ｕ、１５０Ｖ、１５０Ｗは、モータの３相端子と接続される。
正極導体３１０の直流入出力正極端子３１９は、高電圧バッテリーの正極端子と接続される。負極導体板３２０の直流入出力負極端子３２９は、高電圧バッテリーの負極端子に接続される。
コンデンサモジュール２００は、正極導体３１０と電気的に接続される正極端子と、負極導体３２０と電気的に接続される負極端子が設けられる。
パワー半導体モジュール１００は、上アームと下アームから構成されている。なお、以下で半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを例に使用しており、以下略してＩＧＢＴと記す。パワー半導体モジュール１００の上アームは、ＩＧＢＴ１６１とダイオード１６２から構成される。また、上アームには、ＩＧＢＴ１６１をオン・オフするための制御端子１７１が設けられている。パワー半導体モジュール１００の下アームは、ＩＧＢＴ１６３とダイオード１６４から構成される。また、下アームには、ＩＧＢＴ１６３をオン・オフするための制御端子１７２が設けられている。
上アームのＩＧＢＴ１６１のコレクタには、正極導体３１０と接続するための第１モジュール正極端子１１１が設けられている。下アームのＩＧＢＴ１６３のエミッタは、負極導体３２０と接続するための第１モジュール負極端子１２１が設けられている。また上アームＩＧＢＴ１６１のエミッタと下アームＩＧＢＴ１６３のコレクタとの間には、モジュール交流端子１５０が設けられている。
電力変換装置５００は、上アームの制御端子１７１および下アームの制御端子１７２に印加する制御信号を切り換えることで、直流電流から交流電流、又は交流電流から直流電流に変換できる。例えば、パワー半導体モジュール１００の上アームＩＧＢＴ１６１をオンにし、下アームＩＧＢＴ１６３をオフの定常状態では、正極導体板３１０からモジュール正極端子１１１を通ってモジュール交流端子１５０に向かって電流が流れる。逆にパワー半導体モジュール１００の上アームＩＧＢＴ１６１をオフにし、下アームＩＧＢＴ１６３をオンの定常状態では、モジュール交流端子１５０からモジュール負極端子１２１に向かって電流が流れる。
図２は、本実施例の電力変換装置５００の概念分解斜視図である。
電力変換装置５００は、正極導体３１０と、負極導体３２０と、パワー半導体モジュール１００と、コンデンサモジュール２００と、から構成される。コンデンサモジュール２００は、正極導体３１０と電気的に接続される正極端子と、負極導体３２０と電気的に接続される負極端子が設けられる。
パワー半導体モジュール１００の第１モジュール正極端子１１１は、正極導体３１０の第１正極端子３１１と電気的に接続される。パワー半導体モジュール１００の第１モジュール負極端子１２１は、負極導体３２０の第１負極端子３２１と電気的に接続される。
次に、出力電力向上のためにパワー半導体を複数並列に接続した場合の構成例を示す。図３は、図１の回路構成においてＩＧＢＴとダイオードをそれぞれ４つのパワー半導体を用いて構成したパワーモジュール１００の例である。
上アーム側は、４つのＩＧＢＴ１６１と４つのダイオード１６２が並列に接続されている。４つのＩＧＢＴ１６１のソース端子とダイオード１６２のカソード端子は、モジュール正極端子１１１に接続されている。また４つのＩＧＢＴ１６１のエミッタ端子とダイオード１６２のアノード端子はモジュール交流端子１５０に接続されている。
下アーム側は、４つのＩＧＢＴ１６３と４つのダイオード１６４が並列に接続されている。４つのＩＧＢＴ１６３のソース端子とダイオード１６４のカソード端子は、モジュール交流端子１５０に接続されている。また４つのＩＧＢＴ１６３のエミッタ端子とダイオード１６４のアノード端子はモジュール負極端子１２１に接続されている。
ＩＧＢＴ１６２及び１６３のゲート端子１６６は制御信号基板４００に構成されたゲート配線に接続され、ＩＧＢＴ１６２及び１６３のエミッタ端子１６７は制御信号基板４００に構成されたエミッタ配線に接続される。
２つの制御信号基板４００のゲート配線のそれぞれには並列接続されたＩＧＢＴ１６２及び１６３のゲート間共振を抑制するためのゲート抵抗４３０が４つ挿入されている。
制御端子１７１及び１７２から入力されたゲート信号は、制御信号基板４００のゲート端子４１０およびエミッタ端子４２０に入力される。これらの信号は制御信号基板４００上の配線により４つに分岐されて各ＩＧＢＴ１６２及び１６３のゲート端子１６６およびエミッタ端子１６７に入力される。
図４は、４つのＩＧＢＴ１６５を並列に接続したときのパワーモジュールの上面図である。
制御信号基板４００を挟んでＩＧＢＴ１６５が２つずつ配置される。制御信号基板４００には第１ゲート配線４１１と、第２ゲート配線４１２と、第３ゲート配線４１３と、第４ゲート配線４１４と、第５ゲート配線４１５と、が配置されている。
また、第１ゲート配線４１１と第３ゲート配線４１３の間と、第２ゲート配線４１２と第３ゲート配線４１３の間には、第１エミッタ配線４２１が配置されている。
第４ゲート配線４１４と第３ゲート配線４１３の間と、第５ゲート配線４１５と第３ゲート配線４１３の間には第２エミッタ配線４２２が配置されている。
第１ゲート抵抗４３１は、第１エミッタ配線４２１を跨いで第１ゲート配線４１１と第３ゲート配線４１３に接続されている。
第２ゲート抵抗４３２は、第１エミッタ配線４２１を跨いで第２ゲート配線４１２と第３ゲート配線４１３に接続されている。
同様に、第３ゲート抵抗４３３は、第２エミッタ配線４２２を跨いで第４ゲート配線４１４と第３ゲート配線４１３に接続されており、第４ゲート抵抗４３４は、第２エミッタ配線４２２を跨いで第５ゲート配線４１５と第３ゲート配線４１３に接続されている。
ＩＧＢＴ１６５のゲート端子１６６はワイヤボンディング４４０により制御信号基板４００のゲート配線と接続される。ＩＧＢＴ１６５のエミッタ端子１６７はワイヤボンディング４４０により制御信号基板４００のエミッタ配線と接続される。
このような構成にすることで、制御信号基板４００のゲート端子４１０とエミッタ端子４２０間に入力されたゲート信号は、制御信号基板４００上のゲート配線により等距離で分岐されて各ＩＧＢＴまで伝達できる。
また別の効果として、２つのゲート配線の間にエミッタ配線を設置することで、ゲート配線に流れるゲート信号による磁束と、エミッタ配線に流れるゲート電流による磁束が打消し合うため、ゲート配線のインダクタンスを低減できる。さらに、エミッタ配線を跨いでゲート抵抗を設置することで、信号配線基板の実装面積を縮小できる。
以下、ゲート配線のインダクタンス低減の原理について説明する。
図５は、本実施例のゲート配線と、エミッタ配線と、ＩＧＢＴの接続構造を示す。ここでは、説明の簡略化のため、２つのＩＧＢＴの接続構成で説明する。
制御信号基板４００のゲート端子４１０に入力されたゲート電流２Ｉｇは第３ゲート配線４１３を通って第１ゲート抵抗４３１と第２ゲート抵抗４３２に分流される。
第１ゲート抵抗４３１を通ったゲート電流Ｉｇは、第１ゲート配線４１１に印加され、第１ＩＧＢＴ１８１のゲート端子１８３に印加される。一方、エミッタ配線に流れるゲート電流Ｉｇは、第１ＩＧＢＴ１８１のエミッタ端子１８４から第１エミッタ配線４２１と通って制御信号基板のエミッタ端子４２０に戻る。
同様に、第２ゲート抵抗４３２、第２ゲート配線４１２を通って第２ＩＧＢＴ１８２のゲート端子１８５にゲート電流Ｉｇが印加される。またゲート電流Ｉｇは、第２ＩＧＢＴ１８２のエミッタ端子１８６から、第１エミッタ配線４２１を通って、制御信号基板のエミッタ端子４２０に戻る。
このとき第１ゲート配線４１１の自己インダクタンスをＬｇ１、第２ゲート配線４１２の自己インダクタンスをＬｇ２、第３ゲート配線４１３の自己インダクタンスをＬｇ３、第１ゲート配線と対抗するエミッタ配線４２１の自己インダクタンスをＬｅ１、第２ゲート配線４１２と対抗するエミッタ配線４２１の自己インダクタンスをＬｅ２とする。
また、第１ゲート配線４１１と第１エミッタ配線４２１との間の相互インダクタンスをＭ１、第２ゲート配線４１２と第１エミッタ配線４２１との間の相互インダクタンスをＭ２、第３ゲート配線４１３と第１エミッタ配線４２１との間の相互インダクタンスをＭ３とすると、図６に示す電気回路図で表現できる。
ここで、各ゲート配線及びエミッタ配線のインダクタンスの影響を着目するために、各配線が持つ抵抗は無視した。また、第１ゲート配線４１１と第３ゲート配線４１３との間の相互インダクタンスは距離が離れているため無視した。第１ＩＧＢＴ１８１のゲート端子１８３とエミッタ端子１８４間の電圧Ｖｇｅ１は、制御信号基板４００のゲート端子４１０とエミッタ端子４２０の間に印加された電圧をＶｇｅとし、流れる電流をＩｇで表現すると以下の式となる。
Figure 0006838243
ここで、第１ゲート配線４１１と第２ゲート配線４１２に等しいゲート電流Ｉｇが流れると仮定した。一方、第２ＩＧＢＴ１８２のゲート端子１８５とエミッタ端子１８６間の電圧Ｖｇｅ２は以下の式となる。
Figure 0006838243
第１ＩＧＢＴと第２ＩＧＢＴに印加されるゲート電圧の差は、数１および数２より、以下の数３となる。
Figure 0006838243
つまり電圧差はインダクタンスとゲート電流Ｉｇの積で表現される。ここで簡単化のために、配線が対称であると仮定し、Ｌｇ＝Ｌｇ１＝Ｌｇ２、Ｌｅ＝Ｌｅ１＝Ｌｅ２、Ｍ＝Ｍ１＝Ｍ２＝Ｍ３とすると、第１ＩＧＢＴ１８１と第２ＩＧＢＴ１８２に印加されるゲート電圧の差、つまりゲート配線インダクタンス差ΔＬは数４となる。
Figure 0006838243
次に、エミッタ配線をゲート抵抗で跨がない通常の制御信号基板について考察する。ここでは図７に示す制御信号基板について考える。制御信号基板のゲート端子に印加されたゲート電流は、第３ゲート配線を通った後に４つのゲート抵抗４３１〜４３４により分岐され、４つのＩＧＢＴ１６５に伝達される。
ここでは、説明の簡略化のため、図８に示すように、２つのＩＧＢＴの接続構成で説明する。制御信号基板のゲート端子４１０に入力されたゲート電流２Ｉｇは第３ゲート配線４１３を通って第１ゲート抵抗４３１と第２ゲート抵抗４３２に分流される。
第１ゲート抵抗４３１を通ったゲート電流Ｉｇは、第１ゲート配線４１１に印加され、第１ＩＧＢＴ１８１のゲート端子１８３に印加される。一方、エミッタ配線に流れるゲート電流Ｉｇは、第１ＩＧＢＴ１８１のエミッタ端子１８４から第１エミッタ配線４２１と通って制御信号基板のエミッタ端子４２０に戻る。
同様に、第２ＩＧＢＴ１８２のゲート端子１８５に印加されるゲート電流Ｉｇは、第２ゲート抵抗４３２、第２ゲート配線４１２を通る。またゲート電流Ｉｇは、第２ＩＧＢＴ１８２のエミッタ端子１８６から、第１エミッタ配線４２１を通って、制御信号基板のエミッタ端子４２０に戻る。このとき第１ゲート配線４１１の自己インダクタンスをＬ’ｇ１、第２ゲート配線４１２の自己インダクタンスをＬ’ｇ２、第３ゲート配線４１３の自己インダクタンスをＬ’ｇ３、第１ゲート配線と対抗するエミッタ配線４２１の自己インダクタンスをＬ’ｅ１、第２ゲート配線４１２と対抗するエミッタ配線４２１の自己インダクタンスをＬ’ｅ２とする。また、第１ゲート配線４１１と第１エミッタ配線４２１との間の相互インダクタンスをＭ’１、第２ゲート配線４１２と第１エミッタ配線４２１との間の相互インダクタンスをＭ’２、第１ゲート配線４１１と第３ゲート配線４１３との間の相互インダクタンスをＭ’４とすると、図９に示す等価回路図で表現できる。ここで、各ゲート配線及びエミッタ配線のインダクタンスの影響を着目するために、各配線が持つ抵抗は無視した。また、第３ゲート配線４１３と第１エミッタ配線４２１との間の相互インダクタンスは距離が離れているため無視した。第１ＩＧＢＴ１８１のゲート端子１８３とエミッタ端子１８４間の電圧Ｖ’ｇｅ１は、制御信号基板４００のゲート端子４１０とエミッタ端子４２０の間に印加された電圧をＶｇｅとし、流れる電流をＩｇで表現すると以下の式となる。
Figure 0006838243
ここで、第１ゲート配線４１１と第２ゲート配線４１２に等しいゲート電流Ｉｇが流れると仮定した。一方、第２ＩＧＢＴ１８２のゲート端子１８５とエミッタ端子１８６間の電圧Ｖ’ｇｅ２は以下の式となる。
Figure 0006838243
第１ＩＧＢＴと第２ＩＧＢＴに印加されるゲート電圧の差は、数５および数６より、以下の数７となる。
Figure 0006838243
つまり電圧差はインダクタンスとゲート電流Ｉｇの積で表現される。ここで簡単化のために、配線が対称であると仮定し、Ｌ’ｇ＝Ｌ’ｇ１＝Ｌ’ｇ２、Ｌ’ｅ＝Ｌ’ｅ１＝Ｌ’ｅ２、Ｍ’＝Ｍ’１＝Ｍ’２＝Ｍ’４とすると、第１ＩＧＢＴ１８１と第２ＩＧＢＴ１８２に印加されるゲート電圧の差、つまりゲート配線インダクタンス差ΔＬは、以下の数８となる。
Figure 0006838243
次に、図４に示す本実施例のレイアウトにおける制御信号のインダクタンス差（数４）と、図７に示す通常のレイアウトにおけるインダクタンス差（数８）を比較する。両レイアウトにおいて、配線幅や配線間隔が等しい場合には、エミッタ配線の自己インダクタンスと、配線間の相互インダクタンスは両レイアウトにおいて等しくなる。つまり、Ｌｅ＝Ｌ’ｅ、Ｍ＝Ｍ’である。このとき、インダクタンス差は本実施例（数４）の方が小さくなり、ＩＧＢＴに印加される制御信号の電流アンバランスを抑制できることが分かる。
続いて、上記の実施例１の電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュール１００の構成例について説明する。図１０は、本実施例の電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュール１００の構成図の例である。図３に示したように、パワー半導体モジュール１００は、上アームのＩＧＢＴ１６１とダイオード１６２と、下アームのＩＧＢＴ１６３とダイオード１６４とで構成される。
本実施例のパワー半導体モジュール１００は、内部のＩＧＢＴやダイオードを保護するために、樹脂でモールドされている。パワー半導体モジュール１００のモールド端子面１９０には、正極端子３１１あるいは負極端子３２１と接続するための、モジュール正極端子１１１と、モジュール負極端子１２１と、モジュール交流端子１５０と、が設置されている。また、これらの端子（正極端子１１１、負極端子１２１、交流端子１５０）は、それぞれの主面が一つの仮想面上と重なるように配置されている。そのため、パワー半導体モジュール１００のモールド工程において、端子部分のモールド治具の形状を簡単化できるため、モールド工程を容易化できる。
上記のパワー半導体モジュールのより詳細な実施形態の一例について図１０ないし図１２を用いて説明する。図１０は、パワー半導体モジュール１００の外観斜視図である。パワー半導体モジュール１００は、端子を出力する開口部以外は全閉な構造となっているケース１０３を有する。ケース１０３は、側壁及び底面を形成する枠体１０４と、パワー半導体素子を冷却する放熱フィン１０５と、フランジ部１０６と、により構成される。
放熱フィン１０５は、ケース１０３の側壁及び底面と直交する最も広い長手の面に形成される。放熱フィン１０５は、対向する反対の面にも同様の形状で形成されている。
フランジ部１０６は、パワー半導体モジュール１００を電力変換装置に組み付ける際の位置決めの役割を果たす。本実施例のパワー半導体モジュール１００は、放熱フィン１０５が形成される放熱部が直接冷媒と接する形式の電力変換装置を想定しており、前記フランジ部１０６は、冷媒と接する放熱部と、端子部との間の気密性を確保する役割も果たす。フランジ部１０６に設けられた溝部１０６Ａには、例えばＯリングのような気密性を確保する部材が配置される。なお、ここでは前記のような直冷方式の電力変換装置について例示し説明したが、本実施形態のパワー半導体モジュールは、特にこれらの用途に限定されるわけではなく、他の方式の電力変換装置に利用しても良い。
絶縁モールド端子１９３は、モジュール正極端子１１１と、モジュール負極端子１２１と、モジュール交流端子１５０と、モジュール制御端子１７１、１７２と、モールド部材１９４と、により構成される。
モールド部材１９４には、これらの端子（モジュール正極端子１１１、モジュール負極端子１２１、モジュール交流端子１５０、モジュール制御端子１７１、１７２）を貫通させるための複数の貫通孔が形成される。当該モールド部材１９４により、これらの端子は互いに電気的に絶縁される。
また、別体の絶縁板材を各端子間に組み付けて絶縁を確保する構成としても良い。
図１１は、パワー半導体モジュール１００のケース１０３にモジュール封止体１９１を組み立てる工程を示す分解斜視図である。パワー半導体素子（上アームのＩＧＢＴ１６１とダイオード１６２、下アームのＩＧＢＴ１６３とダイオード１６４）を封止して内蔵するモジュール封止体１９１は、前記ケース１０３の挿入口１０７に挿入される。その際、絶縁部材１０８が、モジュール封止体１９１のそれぞれの面と対向して配置される。
図１２は、パワー半導体モジュール１００の上下アームの直列回路を構成する回路部品の分解斜視図である。図１２においては、モジュール封止体１９１の封止材は図示していない。
上アーム回路を構成する並列に接続された４つのＩＧＢＴ１６１は、当該ＩＧＢＴ１６１のコレクタ電極が導体板１９９に接合されるように配置される。上アーム回路を構成する並列接続された４つのダイオード１６２は、当該ダイオード１６２のカソード電極が導体板１９９に接合されるように配置される。電極板１９６は、ＩＧＢＴ１６１及びダイオード１６２を挟んで、電極板１９９と対向して配置される。電極板１９６は、ＩＧＢＴ１６１のエミッタ電極と、ダイオード１６２のアノード電極と接合される。上アーム回路のパワー半導体素子（ＩＧＢＴ１６１、ダイオード１６２）は、電極板１９９と電極板１９６に平行に挟まれるようにして、並列に接続される。また並列接続されたＩＧＢＴ１６１に制御信号を分岐して伝達するために、制御信号基板４００が導体板１９９上に配置されている。
下アーム回路を構成する並列接続された４つのＩＧＢＴ１６３は、当該ＩＧＢＴ１６３のコレクタ電極が導体板１９５に接合されるように配置される。下アーム回路を構成する並列接続された４つのダイオード１６４は、当該ダイオード１６４のカソード電極が導体板１９５に接合されるように配置される。電極板１９７は、ＩＧＢＴ１６３及びダイオード１６４を挟んで、電極板１９５と対向して配置される。電極板１９７は、ＩＧＢＴ１６３のエミッタ電極と、ダイオード１６４のアノード電極と接合される。下アーム回路のパワー半導体素子（ＩＧＢＴ１６３、ダイオード１６４）は、電極板１９５と電極板１９７に平行に挟まれるようにして、並列に接続される。また並列接続されたＩＧＢＴ１６１に制御信号を分岐して伝達するために、制御信号基板４００が導体板１９５上に配置されている。
導体板１９６と導体板１９５は、導体板１９６に形成された中間電極１９８Ａと、導体板１９５に形成された中間電極１９８Ｂとが金属接合されることにより、接続される。すなわち、上アーム回路のパワー半導体素子（ＩＧＢＴ１６１、ダイオード１６２）と下アーム回路のパワー半導体素子（ＩＧＢＴ１６３、ダイオード１６４）は、直列に接続される回路を構成する。
また、信号端子１７１、１７２は、ボンディングワイヤなどにより制御信号基板のゲート端子４１０あるいはエミッタ端子４２０と接続される。
導体板１９６と導体板１９７は、同一平面上に配置される。また、図１１に示すように、これらの導体板１９６、１９７は、ＩＧＢＴとダイオードが接合される面とは反対側の面がモジュール封止体１９１の封止材から露出するように配置される。
導体板１９５と導体板１９９は、同一平面上に配置される。また、図１１に図示されないが、これらの導体板１９５、１９９は、ＩＧＢＴとダイオードが接合される面とは反対側の面がモジュール封止体１９１の封止材から露出するように配置される。
上記の導体板１９５、１９６、１９７、１９９の露出面は、ケース１０３の放熱フィン１０５と対向して配置される。
また、モジュール封止体１９１のモジュール端子面１９０からは、モジュール正極端子１１１、モジュール負極端子１２１、モジュール交流端子１５０が突出して配置される。前述のように、これらの端子は、それぞれの主面が一つの仮想面上と重なるように配置される。
本実施例のパワー半導体モジュール１００においては、ケース１０３は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから形成されている。また、ケース１０３は、溶接など防水性の高い接合法で、あるいは鍛造、鋳造法などにより成形されている。
モジュール封止体１９１の封止材としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができ、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ，ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させ、熱膨張係数を導体板１９５，１９６，１９７，１９９に近づける。これにより、部材間の熱膨張係数差を低減でき、使用環境時の温度上昇にともない発生する熱応力が大幅に低下するため、パワー半導体モジュールの寿命をのばすことが可能となる。
導体板とパワー半導体素子との接合などに用いる金属接合剤は、例えばＳｎ合金系の軟ろう材（はんだ）やＡｌ合金・Ｃｕ合金等の硬ろう材や金属のナノ粒子・マイクロ粒子を用いた金属焼結材を用いることができる。
本実施例では、８つのＩＧＢＴを並列に接続したときの構成例を説明する。
本実施例の電力変換装置の構成を、図１３を用いて説明する。ただし、実施例１で既に説明した同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
図１３は、本実施例の電力変換装置の構成図の例である。本実施例では、８つのＩＧＢＴ１６５を並列に接続したときの、ＩＧＢＴ間の電流アンバランスを低減できる構造について説明する。制御信号基板４００は、制御信号基板のゲート端子４１０に印加されたゲート信号を８つのＩＧＢＴ１６５に分岐するゲート配線４１１〜４１９を有している。第３ゲート配線４１３と、第１ゲート配線４１１、第２ゲート配線４１２、第６ゲート配線４１６、第７ゲート配線４１７とは、第１エミッタ配線４２１を跨ぐゲート抵抗４３０により接続される。これらのゲート配線は、第1エミッタ配線４２１と隣接して配置されているため、ゲート配線に流れる電流と、エミッタ配線に流れる電流と、によるインダクタンスの打ち消しにより、実施例１に示した原理でインダクタンス差の低減が可能である。同様に、第３ゲート配線４１３と、第４ゲート配線４１４、第５ゲート配線４１５、第８ゲート配線４１８、第９ゲート配線４１９とは、第２エミッタ配線４２２を跨ぐゲート抵抗４３０により接続される。これらのゲート配線は、第２エミッタ配線４２２と隣接して配置されているため、ゲート配線に流れる電流と、エミッタ配線に流れる電流と、によるインダクタンスの打ち消しにより、インダクタンス差の低減が可能である。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記実施例ではパワー半導体としてＳｉ製のＩＧＢＴを例として説明したが、ＳｉＣあるいはＧａＮなどのパワー半導体を使用した場合でも同様の効果が得られる。さらに実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１００…パワー半導体モジュール、１０３…ケース、１０４…枠体、１０５…放熱フィン、１０６…フランジ、１０６Ａ…溝部、１０７…挿入口、１０８…絶縁部材、１１１…モジュール正極端子、１２１…モジュール負極端子、１５０…モジュール交流端子、１６１…上アームのＩＧＢＴ、１６２…上アームのダイオード、１６３…下アームのＩＧＢＴ、１６４…下アームのダイオード、１６５…ＩＧＢＴ、１６６…ＩＧＢＴのゲート端子、１６７…ＩＧＢＴのエミッタ端子、１７１…上アームの制御端子、１７２…下アームの制御端子、１９０…モールド端子面、１９１…モジュール封止体、１９３…絶縁モールド端子、１９４…モールド部材、１９５…導体板、１９６…導体板、１９７…導体板、１９８…中間電極、１９９…導体板、２００…コンデンサモジュール、３１０…正極導体、３１１…正極端子、３１９…直流入出力正極端子、３２０…負極導体、３２１…負極端子、３２９…直流入出力負極端子、４００…制御信号基板、４１０…ゲート端子、４１１…第１ゲート配線、４１２…第２ゲート配線、４１３…第３ゲート配線、４１４…第４ゲート配線、４１５…第５ゲート配線、４１６…第６ゲート配線、４１７…第７ゲート配線、４１８…第８ゲート配線、４１９…第９ゲート配線、４２０…エミッタ端子、４２１…第１エミッタ配線、４２２…第２エミッタ配線、４３０…制御信号基板のゲート抵抗、４３１…第１ゲート抵抗、４３２…第２ゲート抵抗、４３３…第３ゲート抵抗、４３４…第４ゲート抵抗、４４０…ワイヤボンディング、５００…電力変換装置

Claims (4)

  1. 第１パワー半導体素子と、
    第２パワー半導体素子と、
    前記第１パワー半導体素子及び前記第２パワー半導体素子の駆動信号を伝達する回路を有する回路基板と、を備え、
    前記回路基板は、
    前記第１パワー半導体素子と前記第２パワー半導体素子の配列方向に沿って形成される第１エミッタ配線と、
    前記第１パワー半導体素子と前記第１エミッタ配線との間に配置される第１ゲート配線と、
    前記第２パワー半導体素子と前記第１エミッタ配線との間に配置される第２ゲート配線と、
    前記第１エミッタ配線を挟んで前記第１ゲート配線及び前記第２ゲート配線と対向して配置される第３ゲート配線と、
    前記第１エミッタ配線を跨いで前記第１ゲート配線と前記第３ゲート配線を接続する第１ゲート抵抗と、を有する電力変換装置。
  2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
    前記回路基板は、前記第１エミッタ配線を跨いで前記第２ゲート配線と前記第３ゲート配線を接続する第２ゲート抵抗と、を有する電力変換装置。
  3. 第１パワー半導体素子と、
    第３パワー半導体素子と、
    前記第１パワー半導体素子及び前記第３パワー半導体素子の駆動信号を伝達する回路を有する回路基板と、を備え、
    前記回路基板は、
    前記第１パワー半導体素子と前記第３パワー半導体素子の配列方向に対して横切る方向で形成される第１エミッタ配線および第２エミッタ配線と、
    前記第１パワー半導体素子と前記第１エミッタ配線との間に配置される第１ゲート配線と、
    前記第３パワー半導体素子と前記第２エミッタ配線との間に配置される第４ゲート配線と、
    前記第１エミッタ配線と前記第２エミッタ配線の間に配置される第３ゲート配線と、
    前記第１エミッタ配線を跨いで前記第１ゲート配線と前記第３ゲート配線を接続する第１ゲート抵抗と、を有する電力変換装置。
  4. 請求項３に記載された電力変換装置であって、
    前記回路基板は、前記第２エミッタ配線を跨いで前記第４ゲート配線と前記第３ゲート配線を接続する第３ゲート抵抗と、を有する電力変換装置。
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