JP7191158B1 - パワーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】インダクタンスをより低減できるパワーモジュールを提供する。【解決手段】パワーモジュールは、第１負極側半導体素子１１及び第２負極側半導体素子１２を有する下アーム部１０と、第１正極側半導体素子２１を有し、下アーム部１０と並列して下アーム部１０の一方側に配置された第１上アーム部２０と、第２正極側半導体素子３１を有し、下アーム部１０と並列して下アーム部１０の他方側に配置された第２上アーム部３０と、を備え、下アーム部１０の一方の側面は、第１上アーム部２０の側面と対向しており、下アーム部１０の他方の側面は、第２上アーム部３０の側面と対向している。【選択図】図１

Description

本開示は、パワーモジュールに関するものである。

ハイブリッド車などの電動自動車、又は電気自動車には、ＤＣ／ＡＣインバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換装置が搭載されている。電力変換装置の部品の１つとして、パワーモジュールが用いられる。

特許文献１には、パワーモジュールが記載されている。このパワーモジュールは、多層基板と、多層基板の導体層に電気的に接続された第１半導体素子と、多層基板の別の導体層に電気的に接続された第２半導体素子と、を有している。また、パワーモジュールは、第１半導体素子の電極と電気的に接続された第１入力端子と、第２半導体素子の電極と電気的に接続された第２入力端子と、を有している。第１入力端子及び第２入力端子は、平行平板を構成している。これにより、パワーモジュールのインダクタンスを低減することが可能となる。

特許第６２０３２３２号公報

しかしながら、特許文献１のパワーモジュールにおいてインダクタンスの低減効果が得られるのは、第１入力端子と第２入力端子との間のみである。したがって、特許文献１の構成では、パワーモジュールのインダクタンスを十分に低減できないという課題があった。

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、インダクタンスをより低減できるパワーモジュールを提供することを目的とする。

本開示に係るパワーモジュールは、第１負極側半導体素子及び第２負極側半導体素子を有する下アーム部と、第１正極側半導体素子を有し、前記下アーム部と並列して前記下アーム部の一方側に配置された第１上アーム部と、第２正極側半導体素子を有し、前記下アーム部と並列して前記下アーム部の他方側に配置された第２上アーム部と、を備え、前記下アーム部の一端には、負極側入力端子が形成されており、前記第１上アーム部の一端には、前記負極側入力端子と並列して配置された第１正極側入力端子が形成されており、前記第２上アーム部の一端には、前記負極側入力端子と並列して配置された第２正極側入力端子が形成されており、前記下アーム部の他端、前記第１上アーム部の他端、及び前記第２上アーム部の他端は、出力端子に電気的に接続されており、前記下アーム部の一方の側面は、前記第１上アーム部の側面と対向しており、前記下アーム部の他方の側面は、前記第２上アーム部の側面と対向している。

本開示によれば、パワーモジュールのインダクタンスをより低減することができる。

実施の形態１に係るパワーモジュールの物理的な構成を示す平面図である。 実施の形態１に係るパワーモジュールの回路構成を示す等価回路図である。 実施の形態１の比較例に係るパワーモジュールにおいて、上アームを構成する導体と下アームを構成する導体との位置関係を示す模式的な断面図である。 実施の形態１の比較例に係るパワーモジュールにおいて、上アームを構成する導体と下アームを構成する導体との位置関係を示す模式的な断面図である。 実施の形態１に係るパワーモジュールにおいて、上アームを構成する導体と下アームを構成する導体との位置関係を示す模式的な断面図である。 実施の形態１に係るパワーモジュールにおいて、上アームを構成する導体と下アームを構成する導体との位置関係を示す模式的な断面図である。 一般的なパワーモジュールにおいて、正極側半導体素子がオフになった直後の電流の流れを示す図である。 実施の形態１に係るパワーモジュールにおいて、正極側半導体素子がオフになった直後の電流の流れを示す図である。 一般的なパワーモジュールにおいて、正極側半導体素子がオンになった直後の電流の流れを示す図である。 実施の形態１に係るパワーモジュールにおいて、正極側半導体素子がオンになった直後の電流の流れを示す図である。 実施の形態２に係るパワーモジュールの物理的な構成を示す平面図である。 実施の形態３に係るパワーモジュールの構成の一部を示す斜視図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係るパワーモジュールについて説明する。図１は、本実施の形態に係るパワーモジュールの物理的な構成を示す平面図である。本実施の形態のパワーモジュールは、単相インバータ回路を構成している。本実施の形態のパワーモジュールは、例えば、車載用電力変換装置の部品の１つとして用いられる。

図１に示すように、パワーモジュールは、下アーム部１０、第１上アーム部２０、第２上アーム部３０、及び交流側アーム部５０を有している。図１に示す物理的な配置において、パワーモジュールは、中心線１０ａを対称軸として線対称となるように構成されている。中心線１０ａは、下アーム部１０の幅方向において下アーム部１０の中心を通っている。第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０は、下アーム部１０を挟んで両側に配置されている。

下アーム部１０は、単相インバータ回路における２つの下アームを構成している。下アーム部１０は、中心線１０ａに沿って延伸している。下アーム部１０は、第１導体パターン１３と、第１導体パターン１３から分離された第２導体パターン１４と、を有している。第１導体パターン１３及び第２導体パターン１４は、いずれも絶縁基板６０の基板面上に形成されている。

下アーム部１０の一端には、負極側入力端子１５が形成されている。負極側入力端子１５は、第２導体パターン１４に形成されている。つまり、第２導体パターン１４は、下アーム部１０の一端側に設けられている。第１導体パターン１３は、下アーム部１０の他端側に設けられている。

下アーム部１０は、互いに並列して設けられた第１負極側半導体素子１１及び第２負極側半導体素子１２を有している。下アーム部１０は、２つ以上の第１負極側半導体素子１１を有していてもよい。また、下アーム部１０は、２つ以上の第２負極側半導体素子１２を有していてもよい。

第１負極側半導体素子１１は、信号端子１１ａを介して入力される電圧信号に基づき動作するスイッチング素子である。第１負極側半導体素子１１の表面側には、ソース端子が形成されている。第１負極側半導体素子１１の裏面側には、ドレイン端子が形成されている。

第２負極側半導体素子１２は、信号端子１２ａを介して入力される電圧信号に基づき動作するスイッチング素子である。第２負極側半導体素子１２の表面側には、ソース端子が形成されている。第２負極側半導体素子１２の裏面側には、ドレイン端子が形成されている。

第１負極側半導体素子１１及び第２負極側半導体素子１２は、いずれも第１導体パターン１３に設けられている。第１負極側半導体素子１１及び第２負極側半導体素子１２のそれぞれは、ダイレクトボンディングにより第１導体パターン１３の表面に実装されている。これにより、第１負極側半導体素子１１及び第２負極側半導体素子１２のそれぞれのドレイン端子は、第１導体パターン１３と電気的に接続されている。

第１負極側半導体素子１１の表面と、第２導体パターン１４との間には、第１リードフレーム１６が設けられている。第１負極側半導体素子１１のソース端子は、第１リードフレーム１６を介して第２導体パターン１４と電気的に接続されている。

第１リードフレーム１６は、板状に形成されている。第１リードフレーム１６は、一方向に長い長方形状の平面形状を有している。第１リードフレーム１６の長手方向における一方の端部１６ａは、ダイレクトボンディングにより第１負極側半導体素子１１の表面に接合されている。第１リードフレーム１６の長手方向における他方の端部１６ｂは、第２導体パターン１４に接合されている。第１リードフレーム１６の長手方向は、下アーム部１０の延伸方向、すなわち図１中の上下方向と平行になっている。

第２負極側半導体素子１２の表面と、第２導体パターン１４との間には、第２リードフレーム１７が設けられている。第２負極側半導体素子１２のソース端子は、第２リードフレーム１７を介して第２導体パターン１４と電気的に接続されている。

第２リードフレーム１７は、板状に形成されている。第２リードフレーム１７は、一方向に長い長方形状の平面形状を有している。第２リードフレーム１７の長手方向における一方の端部１７ａは、ダイレクトボンディングにより第２負極側半導体素子１２の表面に接合されている。第２リードフレーム１７の長手方向における他方の端部１７ｂは、第２導体パターン１４に接合されている。第２リードフレーム１７の長手方向は、下アーム部１０の延伸方向、すなわち図１中の上下方向と平行になっている。

第１上アーム部２０は、単相インバータ回路における２つの上アームのうちの一方を構成している。第１上アーム部２０は、下アーム部１０と並列して延伸している。第１上アーム部２０は、下アーム部１０の一方側に配置されている。図１では、第１上アーム部２０は、下アーム部１０の左側に配置されている。

第１上アーム部２０は、第３導体パターン２３を有している。第３導体パターン２３は、絶縁基板６０の基板面上、すなわち、下アーム部１０の第１導体パターン１３及び第２導体パターン１４と同一平面上に形成されている。第３導体パターン２３は、第１導体パターン１３及び第２導体パターン１４のいずれからも分離されている。

第１上アーム部２０の第３導体パターン２３の側面２３ａは、隙間２７を挟んで、下アーム部１０の第２導体パターン１４の一方の側面１４ａと対向している。側面２３ａ及び側面１４ａは、互いに平行に形成されている。これにより、第１上アーム部２０の第３導体パターン２３と、下アーム部１０の第２導体パターン１４とは、絶縁基板６０の基板面に沿った方向において互いに対向する平行平板を構成している。

第３導体パターン２３には、側面２３ａに沿って電流が流れる。第２導体パターン１４には、側面１４ａに沿って電流が流れる。パワーモジュールの通常稼働時において、第３導体パターン２３に電流が流れるとき、第２導体パターン１４には、第３導体パターン２３に流れる電流の向きと平行な向きの電流が流れる。後述するような平行平板としての効果を得るため、側面２３ａと側面１４ａとの間の距離は５ｍｍ以下であることが望ましい。

第１上アーム部２０の一端には、第１正極側入力端子２５が形成されている。第１正極側入力端子２５は、負極側入力端子１５と並列して配置されている。第１正極側入力端子２５は、第３導体パターン２３に形成されている。

第１上アーム部２０は、第１正極側半導体素子２１を有している。第１上アーム部２０は、２つ以上の第１正極側半導体素子２１を有していてもよい。第１正極側半導体素子２１は、信号端子２１ａを介して入力される電圧信号に基づき動作するスイッチング素子である。第１正極側半導体素子２１の表面側には、ソース端子が形成されている。第１正極側半導体素子２１の裏面側には、ドレイン端子が形成されている。

第１正極側半導体素子２１は、第３導体パターン２３に設けられている。第１正極側半導体素子２１は、ダイレクトボンディングにより第３導体パターン２３の表面に実装されている。これにより、第１正極側半導体素子２１のドレイン端子は、第３導体パターン２３と電気的に接続されている。

第１正極側半導体素子２１の表面と、下アーム部１０の第１導体パターン１３との間には、第３リードフレーム２６が設けられている。第１正極側半導体素子２１のソース端子は、第３リードフレーム２６を介して第１導体パターン１３と電気的に接続されている。

第３リードフレーム２６は、板状に形成されている。第３リードフレーム２６は、一方向に長い長方形状の平面形状を有している。第３リードフレーム２６の長手方向における一方の端部２６ａは、ダイレクトボンディングにより第１正極側半導体素子２１の表面に接合されている。第３リードフレーム２６の長手方向における他方の端部２６ｂは、第１導体パターン１３に接合されている。第３リードフレーム２６の端部２６ｂは、第１上アーム部２０の他端となる。第３リードフレーム２６の長手方向は、第１リードフレーム１６及び第２リードフレーム１７のそれぞれの長手方向と平行になっている。

第３リードフレーム２６の側面２６ｃは、少なくとも一部において、第１リードフレーム１６の側面１６ｃと対向している。側面２６ｃ及び側面１６ｃは、互いに平行に形成されている。これにより、第１上アーム部２０の第３リードフレーム２６と、下アーム部１０の第１リードフレーム１６とは、絶縁基板６０の基板面に沿った方向において互いに対向する平行平板を構成している。

第２上アーム部３０は、単相インバータ回路における２つの上アームのうちの他方を構成している。第２上アーム部３０は、下アーム部１０と並列して延伸している。第２上アーム部３０は、下アーム部１０の他方側に配置されている。図１では、第２上アーム部３０は、下アーム部１０の右側に配置されている。第２上アーム部３０は、中心線１０ａを対称軸として、第１上アーム部２０と線対称となるように構成されている。

第２上アーム部３０は、第４導体パターン３３を有している。第４導体パターン３３は、絶縁基板６０の基板面上、すなわち、下アーム部１０の第１導体パターン１３及び第２導体パターン１４と同一平面上に形成されている。第４導体パターン３３は、第１導体パターン１３及び第２導体パターン１４のいずれからも分離されている。

第２上アーム部３０の第４導体パターン３３の側面３３ａは、隙間３７を挟んで、下アーム部１０の第２導体パターン１４の他方の側面１４ｂと対向している。側面３３ａ及び側面１４ｂは、互いに平行に形成されている。これにより、第２上アーム部３０の第４導体パターン３３と、下アーム部１０の第２導体パターン１４とは、絶縁基板６０の基板面に沿った方向において互いに対向する平行平板を構成している。

第４導体パターン３３には、側面３３ａに沿って電流が流れる。第２導体パターン１４には、側面１４ｂに沿って電流が流れる。パワーモジュールの通常稼働時において、第４導体パターン３３に電流が流れるとき、第２導体パターン１４には、第４導体パターン３３に流れる電流の向きと平行な向きの電流が流れる。後述するような平行平板としての効果を得るため、側面３３ａと側面１４ｂとの間の距離は５ｍｍ以下であることが望ましい。

第２上アーム部３０の一端には、第２正極側入力端子３５が形成されている。第２正極側入力端子３５は、負極側入力端子１５と並列して配置されている。第２正極側入力端子３５は、第４導体パターン３３に形成されている。

第２上アーム部３０は、第２正極側半導体素子３１を有している。第２上アーム部３０は、２つ以上の第２正極側半導体素子３１を有していてもよい。第２正極側半導体素子３１は、信号端子３１ａを介して入力される電圧信号に基づき動作するスイッチング素子である。第２正極側半導体素子３１の表面側には、ソース端子が形成されている。第２正極側半導体素子３１の裏面側には、ドレイン端子が形成されている。

第２正極側半導体素子３１は、第４導体パターン３３に設けられている。第２正極側半導体素子３１は、ダイレクトボンディングにより第４導体パターン３３の表面に実装されている。これにより、第２正極側半導体素子３１のドレイン端子は、第４導体パターン３３と電気的に接続されている。

第２正極側半導体素子３１の表面と、下アーム部１０の第１導体パターン１３との間には、第４リードフレーム３６が設けられている。第２正極側半導体素子３１のソース端子は、第４リードフレーム３６を介して第１導体パターン１３と電気的に接続されている。

第４リードフレーム３６は、板状に形成されている。第４リードフレーム３６は、一方向に長い長方形状の平面形状を有している。第４リードフレーム３６の長手方向における一方の端部３６ａは、ダイレクトボンディングにより第２正極側半導体素子３１の表面に接合されている。第４リードフレーム３６の長手方向における他方の端部３６ｂは、第１導体パターン１３に接合されている。第４リードフレーム３６の端部３６ｂは、第２上アーム部３０の他端となる。第４リードフレーム３６の長手方向は、第１リードフレーム１６、第２リードフレーム１７及び第３リードフレーム２６のそれぞれの長手方向と平行になっている。

第４リードフレーム３６の側面３６ｃは、少なくとも一部において、第２リードフレーム１７の側面１７ｃと対向している。側面３６ｃ及び側面１７ｃは、互いに平行に形成されている。これにより、第２上アーム部３０の第４リードフレーム３６と、下アーム部１０の第２リードフレーム１７とは、絶縁基板６０の基板面に沿った方向において互いに対向する平行平板を構成している。

交流側アーム部５０は、単相インバータ回路における交流側アームを構成している。交流側アーム部５０は、交流側の出力端子５１を有している。出力端子５１は、中心線１０ａ上に配置されている。出力端子５１は、絶縁基板６０の基板面上に形成されている。

出力端子５１は、下アーム部１０の他端である第１導体パターン１３と、第１上アーム部２０の他端である第３リードフレーム２６の端部２６ｂと、第２上アーム部３０の他端である第４リードフレーム３６の端部３６ｂと、のそれぞれに電気的に接続されている。本実施の形態では、出力端子５１は、第１導体パターン１３と一体に形成されている。

図２は、本実施の形態に係るパワーモジュールの回路構成を示す等価回路図である。図２の等価回路図において、各半導体素子及び各電流経路の位置関係は、図１に示した各半導体素子及び各電流経路の物理的な位置関係と対応している。

図２に示すように、第１正極側半導体素子２１のドレイン端子Ｄは、第１正極側入力端子２５に接続されている。第１正極側入力端子２５は、不図示の直流電源の正極に接続されている。第１正極側半導体素子２１と第１正極側入力端子２５との間の電流経路は、図１に示した第３導体パターン２３に相当する。

第１正極側半導体素子２１のソース端子Ｓは、出力端子５１に接続されているとともに、第１負極側半導体素子１１のドレイン端子Ｄに接続されている。第１正極側半導体素子２１と出力端子５１との間の電流経路は、図１に示した第３リードフレーム２６及び第１導体パターン１３に相当する。第１正極側半導体素子２１と第１負極側半導体素子１１との間の電流経路も、第３リードフレーム２６及び第１導体パターン１３に相当する。

第１負極側半導体素子１１のソース端子Ｓは、負極側入力端子１５に接続されている。負極側入力端子１５は、不図示の直流電源の負極に接続されている。第１負極側半導体素子１１と負極側入力端子１５との間の電流経路は、図１に示した第１リードフレーム１６及び第２導体パターン１４に相当する。

第２正極側半導体素子３１のドレイン端子Ｄは、第２正極側入力端子３５に接続されている。第２正極側入力端子３５は、不図示の直流電源の正極に接続されている。第２正極側半導体素子３１と第２正極側入力端子３５との間の電流経路は、図１に示した第４導体パターン３３に相当する。

第２正極側半導体素子３１のソース端子Ｓは、出力端子５１に接続されているとともに、第２負極側半導体素子１２のドレイン端子Ｄに接続されている。第２正極側半導体素子３１と出力端子５１との間の電流経路は、図１に示した第４リードフレーム３６及び第１導体パターン１３に相当する。第２正極側半導体素子３１と第２負極側半導体素子１２との間の電流経路も、第４リードフレーム３６及び第１導体パターン１３に相当する。

第２負極側半導体素子１２のソース端子Ｓは、負極側入力端子１５に接続されている。第２負極側半導体素子１２と負極側入力端子１５との間の電流経路は、図１に示した第２リードフレーム１７及び第２導体パターン１４に相当する。

次に、本実施の形態に係るパワーモジュールの構造によって得られるインダクタンス低減効果の原理について説明する。まず、本実施の形態の比較例に係るパワーモジュールにおける導体の位置関係について説明する。

図３及び図４は、本実施の形態の比較例に係るパワーモジュールにおいて、上アームを構成する導体と下アームを構成する導体との位置関係を示す模式的な断面図である。図３に示すように、導体１０１及び導体１０２は、いずれも長方形状の断面形状を有している。導体１０１は、上アームを構成する導体である。導体１０２は、下アームを構成する導体である。

導体１０１及び導体１０２は、同一平面上に配置されている。導体１０１及び導体１０２は、隙間１０３を挟んで並列している。導体１０１及び導体１０２には、互いに平行でかつ逆向きの電流が流れる。

図４では、計算の簡易化のため、導体１０１及び導体１０２が円柱型導線１０４及び円柱型導線１０５にそれぞれ置き換えられている。円柱型導線１０４は、導体１０１と等価の導線である。円柱型導線１０４のインピーダンスは、導体１０１のインピーダンスと等しい。円柱型導線１０４は、図３に示した導体１０１の断面における電流密度分布の重心に中心を有している。円柱型導線１０４の半径はＲ１である。

円柱型導線１０５は、導体１０２と等価の導線である。円柱型導線１０５のインピーダンスは、導体１０２のインピーダンスと等しい。円柱型導線１０５は、図３に示した導体１０２の断面における電流密度分布の重心に中心を有している。円柱型導線１０５の半径はＲ２である。円柱型導線１０４と円柱型導線１０５との間の距離はｄである。

上アームの電流経路、すなわち正極側入力端子から出力端子までの電流経路をＳ１とする。下アームの電流経路、すなわち出力端子から負極側入力端子までの電流経路をＳ２とする。正極側入力端子から出力端子を経由して負極側入力端子まで電流が流れる場合、パワーモジュールの自己インダクタンスＬは、ノイマンの式により、以下の式（１）のように表される。

ここで、μは、導線の透磁率である。ｒ（ｌ１，ｌ２）は、経路Ｓ１において始点からの距離がｌ１となる位置と、経路Ｓ２において始点からの距離がｌ２となる位置と、の間の距離である。経路Ｓ１と経路Ｓ２との間の中心距離を一定値であるｒとし、距離ｌ１及び距離ｌ２をいずれもｌとすると、経路Ｓ１及び経路Ｓ２に直流電流のみが流れる場合の自己インダクタンスＬ（ｒ）は、以下の式（２）のように表される。

また、非常に高い周波数を有する交流電流が経路Ｓ１及び経路Ｓ２に流れ、各導線の表面にしか電流が流れない場合、自己インダクタンスＬ’（ｒ）は、以下の式（３）のように表される。

ここで、Ｒ１＝１０［ｍｍ］とし、Ｒ２＝２０［ｍｍ］とし、ｌ＝２５［ｍｍ］とする。この場合、距離ｄが５ｍｍであるときの経路Ｓ１及び経路Ｓ２の合成インダクタンスから、距離ｄが１ｍｍであるときの経路Ｓ１及び経路Ｓ２の合成インダクタンスを減じた値ΔＬ’は、以下の式（４）に示すように、約４．４ｎＨとなる。

一般的に、パワーモジュール内の配線インダクタンスは、２０ｎＨ以下であることが多い。パワーモジュール内において、同一平面上に配置された２つの平板状の導体間の距離が５ｍｍを超えると、これらの導体間では、インダクタンス低減効果が効率的に得られなくなる。つまり、同一平面上に配置された２つの平板状の導体間において、インダクタンス低減効果が効率的に得られるようにするためには、当該２つの平板状の導体間の距離は５ｍｍ以下であることが望ましい。その上、同一平面上に配置された２つの平板状の導体間の距離が５ｍｍを超えると、パワーモジュールが平面的に大型化してしまうため、インバータの出力密度、すなわちインバータの単位体積あたりの出力が低下してしまう。つまり、インバータの出力密度の低下を抑制するためにも、２つの平板状の導体間の距離は５ｍｍ以下であることが望ましい。一方で、同一平面上に配置された２つの平板状の導体間の距離が短くなると、当該２つの平板状の導体間における絶縁性が低下してしまう。２つの平板状の導体間における絶縁性を確保するため、当該２つの平板状の導体間の距離は、０ｍｍよりも長いことが望ましい。２つの平板状の導体間の距離が０ｍｍよりも長くかつ５ｍｍ以下であれば、実製品において、インダクタンス低減及び出力密度低下抑制と、絶縁性確保と、のバランスをとることができる。

次に、本実施の形態に係るパワーモジュールにおける導体の位置関係について説明する。図５及び図６は、本実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、上アームを構成する導体と下アームを構成する導体との位置関係を示す模式的な断面図である。

本実施の形態のパワーモジュールは、第１正極側入力端子２５から出力端子５１を経由して負極側入力端子１５まで電流が流れる回路と、第２正極側入力端子３５から出力端子５１を経由して負極側入力端子１５まで電流が流れる回路と、を有している。本実施の形態のパワーモジュールは、これらの２つの回路が並列した並列回路を有していると考えることができる。

ここで、第１正極側入力端子２５から出力端子５１までの電流経路を経路Ｓ１とし、第２正極側入力端子３５から出力端子５１までの電流経路を経路Ｓ１’とし、出力端子５１から負極側入力端子１５までの電流経路を経路Ｓ２とする。本実施の形態のパワーモジュールは、中心線１０ａを対称軸として線対称となるように構成されているため、経路Ｓ１＝経路Ｓ１’と考えることができる。

図５に示すように、導体１０６、導体１０７、導体１０８及び導体１０９は、いずれも長方形状の断面形状を有している。導体１０６は、１つの上アームを構成する導体である。導体１０６は、例えば、図１に示した第１上アーム部２０の第３導体パターン２３に相当する。導体１０７及び導体１０８は、２つの下アームを構成する導体である。導体１０７及び導体１０８は、例えば、図１に示した下アーム部１０の第２導体パターン１４に相当する。導体１０９は、別の１つの上アームを構成する導体である。導体１０９は、例えば、図１に示した第２上アーム部３０の第４導体パターン３３に相当する。

導体１０６、導体１０７、導体１０８及び導体１０９は、同一平面上に配置されている。導体１０６及び導体１０７は、隙間１１０を挟んで並列している。導体１０６及び導体１０７には、互いに平行でかつ逆向きの電流が流れる。導体１０７及び導体１０８は互いに接している。導体１０７及び導体１０８には、同じ向きの電流が流れる。導体１０８及び導体１０９は、隙間１１１を挟んで並列している。導体１０８及び導体１０９には、互いに平行でかつ逆向きの電流が流れる。

図６では、計算の簡易化のため、導体１０６、導体１０７、導体１０８及び導体１０９が円柱型導線１１２、円柱型導線１１３、円柱型導線１１４及び円柱型導線１１５にそれぞれ置き換えられている。

円柱型導線１１２は、導体１０６と等価の導線である。円柱型導線１１２のインピーダンスは、導体１０６のインピーダンスと等しい。円柱型導線１１２は、図５に示した導体１０６の断面における電流密度分布の重心に中心を有している。円柱型導線１１２の半径はＲ１である。

円柱型導線１１３は、導体１０７と等価の導線である。円柱型導線１１３のインピーダンスは、導体１０７のインピーダンスと等しい。円柱型導線１１３は、図５に示した導体１０７の断面における電流密度分布の重心に中心を有している。円柱型導線１１３の半径はＲ２である。

円柱型導線１１４は、導体１０８と等価の導線である。円柱型導線１１４のインピーダンスは、導体１０８のインピーダンスと等しい。円柱型導線１１４は、図５に示した導体１０８の断面における電流密度分布の重心に中心を有している。円柱型導線１１４の半径はＲ２である。

円柱型導線１１５は、導体１０９と等価の導線である。円柱型導線１１５のインピーダンスは、導体１０９のインピーダンスと等しい。円柱型導線１１５は、図５に示した導体１０９の断面における電流密度分布の重心に中心を有している。円柱型導線１１５の半径はＲ１である。

本実施の形態では、２つの回路が並列していることから、内側に位置している導体１０６、１０７は、２つの円柱型導線１１３、１１４に置き換えられる。このため、円柱型導線１１３の中心が外側の円柱型導線１１２に近づくとともに、円柱型導線１１４の中心が外側の円柱型導線１１５に近づく。これにより、図４に示した構成と比較すると、円柱型導線１１３の中心と円柱型導線１１２の中心との間の距離、及び、円柱型導線１１４の中心と円柱型導線１１５の中心との間の距離のそれぞれを短くすることができる。磁場の影響の強さは距離に反比例するため、本実施の形態では、円柱型導線１１３と円柱型導線１１２との間、及び、円柱型導線１１４と円柱型導線１１５との間のそれぞれにおける磁場の相互作用を強めることができる。また、交流電流の周波数が高くなると、表皮効果が強くなるため、導体表面の電流密度が高くなり、導体内部の電流密度が低くなる。このため、交流電流の周波数が高くなると、円柱型導線１１３と円柱型導線１１２との間、及び、円柱型導線１１４と円柱型導線１１５との間のそれぞれにおいて、実質的な距離が中心間距離よりも短くなるため、磁場の相互作用がさらに強くなる。

図７は、一般的なパワーモジュールにおいて、正極側半導体素子がオフになった直後の電流の流れを示す図である。図７では、正極側半導体素子１２０を有する上アームと、負極側半導体素子１２１を有する下アームとが、１組のみ示されている。

図７に示すように、正極側半導体素子１２０がオンからオフになると、正極側半導体素子１２０を流れる導通電流１２２が減少する。回路全体では、電流を維持しようとする方向にインダクタンスが働くため、交流側に向かう還流電流１２３が発生する。還流電流１２３は、パワーモジュールの外部に設けられている交流側バスバーのインダクタンスによって発生する電流である。このため、パワーモジュールの外部に設けられている正極側及び負極側のバスバーが持つインダクタンスと、パワーモジュール内の導体が持つインダクタンスと、のそれぞれにより生じる起電力は、そのまま正極側半導体素子１２０にかかってしまう。これにより、正極側半導体素子１２０のソース端子及びドレイン端子の間に電位差が生じ、サージ電圧が発生する。したがって、パワーモジュールにおけるスイッチング損失が増大してしまう。

図８は、本実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、正極側半導体素子がオフになった直後の電流の流れを示す図である。還流電流８１は、交流側バスバーの電流を維持しようとするインダクタンスにより生じる電流である。このため、導通電流８０が減少するにつれて還流電流８１は増加する。これにより、還流電流８１が流れる下アーム部１０には、還流電流８１が増加するのを妨げる還流電流８１自身による磁場が生じる。すなわち、下アーム部１０のインダクタンスによって発生する渦電流により、還流電流８１の増加が妨げられる。結果として、その分の電位差が、オフになった正極側半導体素子にかかり、サージ電圧が発生する。

しかしながら、本実施の形態では、第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０のそれぞれと下アーム部１０とが平行平板を構成している。このため、第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０の一方を流れる導通電流８０が減少した場合、第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０の他方には、当該他方を流れる導通電流８０と同じ向きに流れる還流電流８１を増加させる磁場が発生する。この磁場の影響は、磁場の発生源となる上アーム部から近ければ近いほど大きい。

正極側半導体素子がオフになったときに上アーム部で発生した上記の磁場は、還流電流８１が増加するときに下アーム部１０で発生した磁場と打ち消し合う。これにより、正極側半導体素子にかかるサージ電圧が低下し、見かけ上のインダクタンスが低減する。

図９は、一般的なパワーモジュールにおいて、正極側半導体素子がオンになった直後の電流の流れを示す図である。図９に示すように、正極側半導体素子１２０がオフからオンになると、正極側半導体素子１２０を流れる導通電流１２４が発生し、時間経過と共に導通電流１２４が増加する。回路全体では、電流を維持しようとする方向にインダクタンスが働くため、負極側半導体素子１２１に溜まった電荷によってリカバリ電流１２５が発生する。

リカバリ電流１２５は、還流電流１２３と同様に、パワーモジュールの外部に設けられている交流側バスバーのインダクタンスによって発生する電流である。このため、パワーモジュールの外部に設けられている正極側及び負極側のバスバーが持つインダクタンスと、パワーモジュール内の導体が持つインダクタンスと、のそれぞれにより生じる起電力は、そのまま正極側半導体素子１２０にかかってしまう。これにより、正極側半導体素子１２０のソース端子及びドレイン端子の間に電位差が生じ、サージ電圧が発生する。したがって、パワーモジュールにおけるスイッチング損失が増大してしまう。

図１０は、本実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、正極側半導体素子がオンになった直後の電流の流れを示す図である。リカバリ電流８３は、交流側バスバーの電流を維持しようとするインダクタンスにより生じる電流である。このため、導通電流８２が増加するにつれてリカバリ電流８３も増加する。これにより、リカバリ電流８３が流れる下アーム部１０には、リカバリ電流８３が増加するのを妨げるリカバリ電流８３自身による磁場が生じる。すなわち、下アーム部１０のインダクタンスによって発生する渦電流により、リカバリ電流８３の増加が妨げられる。結果として、その分の電位差が、オンになった正極側半導体素子にかかり、サージ電圧が発生する。

しかしながら、本実施の形態では、第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０のそれぞれと下アーム部１０とが平行平板を構成している。このため、第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０の一方を流れる導通電流８２が増加した場合、第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０の他方には、当該他方を流れる導通電流８２の向きと逆向きに流れるリカバリ電流８３を増加させる磁場が発生する。この磁場の影響は、磁場の発生源となる上アーム部から近ければ近いほど大きい。

正極側半導体素子がオンになったときに上アーム部で発生した上記の磁場は、リカバリ電流８３が増加するときに下アーム部１０で発生した磁場と打ち消し合う。これにより、正極側半導体素子にかかるサージ電圧が低下し、見かけ上のインダクタンスが低減する。

上アーム部と下アーム部との間における磁場の相互作用は、上アーム部と下アーム部との間の距離が離れると弱まる。本実施の形態では、第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０によって下アーム部１０が挟まれているため、第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０のそれぞれと下アーム部１０との間の距離を近づけることができる。したがって、本実施の形態によれば、第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０のそれぞれと下アーム部１０との間における磁場の相互作用をより強めることができるため、パワーモジュールのインダクタンスをより低減することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係るパワーモジュールは、下アーム部１０と、第１上アーム部２０と、第２上アーム部３０と、を備えている。下アーム部１０は、第１負極側半導体素子１１及び第２負極側半導体素子１２を有している。第１上アーム部２０は、第１正極側半導体素子２１を有している。第１上アーム部２０は、下アーム部１０と並列して下アーム部１０の一方側に配置されている。第２上アーム部３０は、第２正極側半導体素子３１を有している。第２上アーム部３０は、下アーム部１０と並列して下アーム部１０の他方側に配置されている。

下アーム部１０の一端には、負極側入力端子１５が形成されている。第１上アーム部２０の一端には、第１正極側入力端子２５が形成されている。第１正極側入力端子２５は、負極側入力端子１５と並列して配置されている。第２上アーム部３０の一端には、第２正極側入力端子３５が形成されている。第２正極側入力端子３５は、負極側入力端子１５と並列して配置されている。下アーム部１０の他端、第１上アーム部２０の他端、及び第２上アーム部３０の他端は、出力端子５１に電気的に接続されている。第２導体パターン１４の一方の側面１４ａは、第３導体パターン２３の側面２３ａと対向している。第２導体パターン１４の他方の側面１４ｂは、第４導体パターン３３の側面３３ａと対向している。第２導体パターン１４の一方の側面１４ａは、下アーム部１０の一方の側面の一例である。第２導体パターン１４の他方の側面１４ｂは、下アーム部１０の他方の側面の一例である。第３導体パターン２３の側面２３ａは、第１上アーム部２０の側面の一例である。第４導体パターン３３の側面３３ａは、第２上アーム部３０の側面の一例である。

この構成によれば、下アーム部１０と第１上アーム部２０とが平行平板を構成するとともに、下アーム部１０と第２上アーム部３０とが平行平板を構成する。したがって、パワーモジュールのインダクタンスをより低減することができる。このため、回路の損失を減らすことができるため、サイズのより小さい半導体素子を用いて回路を成立させることができる。したがって、パワーモジュール及びそれを含む電力変換装置全体において、小型化及びコスト削減を実現できる。

本実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、第２導体パターン１４の一方の側面１４ａと第３導体パターン２３の側面２３ａの間の距離は、５ｍｍ以下である。第２導体パターン１４の他方の側面１４ｂと第４導体パターン３３の側面３３ａとの間の距離は、５ｍｍ以下である。この構成によれば、下アーム部１０と第１上アーム部２０とをより確実に平行平板として機能させることができるとともに、下アーム部１０と第２上アーム部３０とをより確実に平行平板として機能させることができる。したがって、パワーモジュールのインダクタンスをより低減することができる。

本実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、下アーム部１０は、第１導体パターン１３と、第２導体パターン１４と、第１リードフレーム１６と、第２リードフレーム１７と、を有している。第１導体パターン１３には、第１負極側半導体素子１１及び第２負極側半導体素子１２が設けられている。第２導体パターン１４は、第１導体パターン１３から分離されている。第１リードフレーム１６は、第１負極側半導体素子１１と第２導体パターン１４とを電気的に接続している。第２リードフレーム１７は、第２負極側半導体素子１２と第２導体パターン１４とを接続している。

第１上アーム部２０は、第３導体パターン２３と、第３リードフレーム２６と、を有している。第３導体パターン２３には、第１正極側半導体素子２１が設けられている。第３リードフレーム２６は、第１正極側半導体素子２１と第１導体パターン１３とを電気的に接続している。

第２上アーム部３０は、第４導体パターン３３と、第４リードフレーム３６と、を有している。第４導体パターン３３には、第２正極側半導体素子３１が設けられている。第４リードフレーム３６は、第２正極側半導体素子３１と第１導体パターン１３とを電気的に接続している。

第１リードフレーム１６、第２リードフレーム１７、第３リードフレーム２６及び第４リードフレーム３６のそれぞれの長手方向は、互いに平行である。この構成によれば、下アーム部１０の第１リードフレーム１６と、第１上アーム部２０の第３リードフレーム２６と、が平行平板を構成する。また、下アーム部１０の第２リードフレーム１７と、第２上アーム部３０の第４リードフレーム３６と、が平行平板を構成する。したがって、パワーモジュールのインダクタンスをより低減することができる。

本実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、第１上アーム部２０に電流が流れるとき、下アーム部１０には、第１上アーム部２０に流れる電流の向きと平行な向きの電流が流れる。第２上アーム部３０に電流が流れるとき、下アーム部１０には、第２上アーム部３０に流れる電流の向きと平行な向きの電流が流れる。この構成によれば、パワーモジュールのインダクタンスをより低減することができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係るパワーモジュールについて説明する。図１１は、本実施の形態に係るパワーモジュールの物理的な構成を示す平面図である。図１１に示すように、本実施の形態のパワーモジュールは、導体ブリッジ４０が設けられている点で、図１に示した実施の形態１のパワーモジュールと異なっている。なお、実施の形態１と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

導体ブリッジ４０は、下アーム部１０を跨いで第１上アーム部２０と第２上アーム部３０とを電気的に接続するリードフレームである。導体ブリッジ４０は、板状に形成されている。導体ブリッジ４０は、一方向に長い長方形状の平面形状を有している。導体ブリッジ４０の長手方向は、第１リードフレーム１６、第２リードフレーム１７、第３リードフレーム２６及び第４リードフレーム３６のそれぞれの長手方向と直交している。導体ブリッジ４０の長手方向は、下アーム部１０、第１上アーム部２０及び第２上アーム部３０のそれぞれに流れる電流の向きと概ね直交している。導体ブリッジ４０の短手方向の幅は、３ｍｍ以上である。

導体ブリッジ４０の長手方向における一方の端部４０ａは、第１上アーム部２０の第３導体パターン２３の表面に接合されている。導体ブリッジ４０の長手方向における他方の端部４０ｂは、第２上アーム部３０の第４導体パターン３３の表面に接合されている。導体ブリッジ４０と、下アーム部１０の第２導体パターン１４とは、絶縁基板６０の基板面に垂直な方向において、隙間を挟んで対向している。すなわち、導体ブリッジ４０と第２導体パターン１４とは、平行平板を構成している。

パワーモジュールが対称構造を有している場合であっても、パワーモジュールの外部に設けられている正極側及び負極側のバスバーは、レイアウト上非対称である可能性が高い。正極側及び負極側のバスバーが非対称である場合、第１上アーム部２０と第２上アーム部３０とには、電位差が生じやすい。

本実施の形態のパワーモジュールでは、導体ブリッジ４０によって第１上アーム部２０と第２上アーム部３０とが電気的に接続されている。導体ブリッジ４０は、第１上アーム部２０と第２上アーム部３０との間の電位差を緩和する電流経路となる。導体ブリッジ４０は、パワーモジュール内に設けられているため、パワーモジュール外部に設けられているバスバーの磁場による影響を受けにくい。これにより、第１上アーム部２０と第２上アーム部３０との間における分流差を緩和することができる。

例えば、第２上アーム部３０に流れる電流が、第１上アーム部２０に流れる電流よりも大きい場合、一部の電流は、電位差により導体ブリッジ４０を通って第２上アーム部３０から第１上アーム部２０に流れる。

ここで、図１１において、第２上アーム部３０の第２正極側入力端子３５は導体ブリッジ４０の右上に存在しており、第１上アーム部２０の第１正極側半導体素子２１は導体ブリッジ４０の左下に存在している。これにより、導体ブリッジ４０を流れる電流は、図１１において右上から左下に向かって流れる。このため、導体ブリッジ４０を流れる電流は、図１１において下向きのベクトル成分を有する。

一方、下アーム部１０の第２導体パターン１４には、図１１において上向きの電流が流れる。すなわち、導体ブリッジ４０を流れる電流は、第２導体パターン１４を流れる電流と平行でかつ逆向きのベクトル成分を有する。このため、導体ブリッジ４０が設けられていることにより、インダクタンス低減の効果も得られる。

以上説明したように、本実施の形態に係るパワーモジュールは、導体ブリッジ４０をさらに備えている。導体ブリッジ４０は、下アーム部１０を跨いで第１上アーム部２０と第２上アーム部３０とを電気的に接続している。この構成によれば、第１上アーム部２０と第２上アーム部３０との間における分流差を緩和することができるとともに、パワーモジュールのインダクタンスをより低減することができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係るパワーモジュールについて説明する。図１２は、本実施の形態に係るパワーモジュールの構成の一部を示す斜視図である。なお、実施の形態１又は２と同一の機能及び作用を有する構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１２に示すように、第３リードフレーム２６の長手方向に沿って第３リードフレーム２６を切断した断面において、第３リードフレーム２６の端部２６ａは、Ｔ字状の断面形状を有している。すなわち、第３リードフレーム２６は、上記断面における端部２６ａの裏面側において、平坦部２６ｄと、平坦部２６ｄから突出した突出部２６ｅと、を有している。突出部２６ｅは、第１正極側半導体素子２１の表面に接合されている。第１リードフレーム１６、第２リードフレーム１７及び第４リードフレーム３６は、第３リードフレーム２６と同様の構成を有している。

各リードフレームと半導体素子のチップとの間には、絶縁距離が確保される必要がある。本実施の形態によれば、リードフレーム接合部と半導体素子との距離における製造公差から影響を受けずに、上アームを構成するリードフレームと、下アームを構成するリードフレームと、の距離を近づけることができる。このため、リードフレーム間の磁場の相互作用により、パワーモジュール内の合成インダクタンスの低減効果を高めることができる。

以上説明したように、本実施の形態に係るパワーモジュールにおいて、第１リードフレーム１６、第２リードフレーム１７、第３リードフレーム２６及び第４リードフレーム３６のそれぞれは、Ｔ字状の断面形状を有している。この構成によれば、第１リードフレーム１６と第３リードフレーム２６との間の距離を近づけることができるとともに、第２リードフレーム１７と第４リードフレーム３６との間の距離を近づけることができる。したがって、第１リードフレーム１６と第３リードフレーム２６との間、及び第２リードフレーム１７と第４リードフレーム３６との間のそれぞれにおける磁場の相互作用を強めることができるため、パワーモジュールのインダクタンスをより低減することができる。

１０ 下アーム部、１０ａ 中心線、１１ 第１負極側半導体素子、１１ａ 信号端子、１２ 第２負極側半導体素子、１２ａ 信号端子、１３ 第１導体パターン、１４ 第２導体パターン、１４ａ、１４ｂ 側面、１５ 負極側入力端子、１６ 第１リードフレーム、１６ａ、１６ｂ 端部、１６ｃ 側面、１７ 第２リードフレーム、１７ａ、１７ｂ 端部、１７ｃ 側面、２０ 第１上アーム部、２１ 第１正極側半導体素子、２１ａ 信号端子、２３ 第３導体パターン、２３ａ 側面、２５ 第１正極側入力端子、２６ 第３リードフレーム、２６ａ、２６ｂ 端部、２６ｃ 側面、２６ｄ 平坦部、２６ｅ 突出部、２７ 隙間、３０ 第２上アーム部、３１ 第２正極側半導体素子、３１ａ 信号端子、３３ 第４導体パターン、３３ａ 側面、３５ 第２正極側入力端子、３６ 第４リードフレーム、３６ａ、３６ｂ 端部、３６ｃ 側面、３７ 隙間、４０ 導体ブリッジ、４０ａ、４０ｂ 端部、５０ 交流側アーム部、５１ 出力端子、６０ 絶縁基板、８０ 導通電流、８１ 還流電流、８２ 導通電流、８３ リカバリ電流、１０１、１０２ 導体、１０３ 隙間、１０４、１０５ 円柱型導線、１０６、１０７、１０８、１０９ 導体、１１０、１１１ 隙間、１１２、１１３、１１４、１１５ 円柱型導線、１２０ 正極側半導体素子、１２１ 負極側半導体素子、１２２ 導通電流、１２３ 還流電流、１２４ 導通電流、１２５ リカバリ電流。

Claims (7)

1. 第１負極側半導体素子及び第２負極側半導体素子を有する下アーム部と、
   第１正極側半導体素子を有し、前記下アーム部と並列して前記下アーム部の一方側に配置された第１上アーム部と、
   第２正極側半導体素子を有し、前記下アーム部と並列して前記下アーム部の他方側に配置された第２上アーム部と、
   を備え、
   前記下アーム部の一端には、負極側入力端子が形成されており、
   前記第１上アーム部の一端には、前記負極側入力端子と並列して配置された第１正極側入力端子が形成されており、
   前記第２上アーム部の一端には、前記負極側入力端子と並列して配置された第２正極側入力端子が形成されており、
   前記下アーム部の他端、前記第１上アーム部の他端、及び前記第２上アーム部の他端は、出力端子に電気的に接続されており、
   前記下アーム部、前記第１上アーム部、及び前記第２上アーム部が同一平面に配置されており、
   前記下アーム部の一方の側面は、前記第１上アーム部の側面と対向しており、
   前記下アーム部の他方の側面は、前記第２上アーム部の側面と対向しており、
   前記下アーム部と前記第１上アーム部とが平行平板を構成するとともに、前記下アーム部と前記第２上アーム部とが平行平板を構成するパワーモジュール。
2. 前記下アーム部の前記一方の側面と前記第１上アーム部の前記側面との間の距離、及び前記下アーム部の前記他方の側面と前記第２上アーム部の前記側面との間の距離は、いずれも５ｍｍ以下である請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記下アーム部を跨いで前記第１上アーム部と前記第２上アーム部とを電気的に接続する導体ブリッジをさらに備える請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 前記下アーム部は、前記第１負極側半導体素子及び前記第２負極側半導体素子が設けられた第１導体パターンと、前記第１導体パターンから分離された第２導体パターンと、前記第１負極側半導体素子と前記第２導体パターンとを電気的に接続する第１リードフレームと、前記第２負極側半導体素子と前記第２導体パターンとを接続する第２リードフレームと、を有しており、
   前記第１上アーム部は、前記第１正極側半導体素子が設けられた第３導体パターンと、前記第１正極側半導体素子と前記第１導体パターンとを電気的に接続する第３リードフレームと、を有しており、
   前記第２上アーム部は、前記第２正極側半導体素子が設けられた第４導体パターンと、前記第２正極側半導体素子と前記第１導体パターンとを電気的に接続する第４リードフレームと、を有しており、
   前記第１リードフレーム及び前記第３リードフレーム、並びに前記第２リードフレーム及び前記第４リードフレームが、各々、平行平板を構成する請求項１～請求項３のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
5. 前記第１リードフレーム、前記第２リードフレーム、前記第３リードフレーム及び前記第４リードフレームのそれぞれの長手方向は、互いに平行である請求項４に記載のパワーモジュール。
6. 前記第１リードフレーム、前記第２リードフレーム、前記第３リードフレーム及び前記第４リードフレームのそれぞれは、Ｔ字状の断面形状を有している請求項４又は請求項５に記載のパワーモジュール。
7. 前記第１上アーム部に電流が流れるとき、前記下アーム部には、前記第１上アーム部に流れる電流の向きと平行な向きの電流が流れ、
   前記第２上アーム部に電流が流れるとき、前記下アーム部には、前記第２上アーム部に流れる電流の向きと平行な向きの電流が流れる請求項１～請求項６のいずれか一項に記載のパワーモジュール。

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