JP7196770B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関する。

半導体装置の一例として、特許文献１には、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータが記載されている。特許文献１に記載のインバータは、複数のパワー素子を並べたパワー素子群が複数配列されているパワー基板と、パワー基板の板厚方向にパワー基板と並べて配置されており、複数のコンデンサが実装されたコンデンサ基板と、パワー基板及びコンデンサ基板の板厚方向においてパワー基板とコンデンサ基板との間に配置され、パワー基板とコンデンサ基板とを電気的に接続しているスペーサとを備える。複数のコンデンサは、パワー素子の並ぶ方向でのパワー素子群の中心の両側に配置されている。パワー素子の並ぶ方向でのパワー素子群の中心よりも一端側に配置されるコンデンサの数は、パワー素子の並ぶ方向でのパワー素子群の中心よりも他端側に配置されるコンデンサの数と同数である。

特開２０１４－４９４７５号公報

このようなインバータでは、インバータの体格を大型化することなく部品を搭載するスペースを確保することが求められる場合がある。例えば、パワー基板全体とコンデンサ基板全体とが重なっていると、パワー基板とコンデンサ基板との間に部品を搭載することが困難である。そこで、複数のコンデンサをパワー素子の並ぶ方向でのパワー素子群の中心よりも一端側に集約して配置するとともに、コンデンサ基板におけるコンデンサが配置されていない部分を省略することでコンデンサ基板の面積を低減させる。この場合、パワー基板にはコンデンサ基板と重ならない部分が生じるため、インバータの体格を大型化することなくパワー基板上に部品を搭載できる。しかしながら、コンデンサをパワー素子の並ぶ方向でのパワー素子群の中心よりも一端側に集約して配置すると、パワー素子群を構成する複数のパワー素子のうち、パワー素子の並ぶ方向の一端に位置するパワー素子とコンデンサとの通電経路の長さと、パワー素子の並ぶ方向の他端に位置するパワー素子とコンデンサとの通電経路の長さとの差が大きくなる。これは、パワー素子群を構成する複数のパワー素子についてインダクタンスのアンバランスが生じる要因となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、パワー素子群を構成する複数のパワー素子についてインダクタンスのアンバランスを抑制できる半導体装置を提供することにある。

上記問題点を解決するための半導体装置は、複数のパワー素子を並べたパワー素子群が複数配列されているパワー基板と、前記パワー基板の板厚方向に前記パワー基板と並べて配置されており、複数のコンデンサが前記パワー素子の並ぶ方向に並べて実装されているコンデンサ基板と、前記パワー基板及び前記コンデンサ基板の板厚方向において前記パワー基板と前記コンデンサ基板との間に配置され、前記パワー基板と前記コンデンサ基板とを電気的に接続している接続部材と、を備え、前記複数のコンデンサは、前記パワー素子の並ぶ方向での前記パワー素子群の中心よりも一端側に集約して配置されている半導体装置であって、前記パワー素子群を構成する前記複数のパワー素子のうち、前記パワー素子の並ぶ方向の一端に位置するパワー素子を一端側パワー素子とし、前記パワー素子の並ぶ方向の他端に位置するパワー素子を他端側パワー素子とし、前記複数のコンデンサのうち、前記パワー素子の並ぶ方向の一端に位置するコンデンサを一端側コンデンサとし、前記パワー素子の並ぶ方向の他端に位置するコンデンサを他端側コンデンサとしたとき、前記パワー素子の並ぶ方向において、前記一端側パワー素子と前記パワー基板における前記一端側パワー素子に近い一端との最短距離は、前記他端側パワー素子と前記パワー基板における前記他端側パワー素子に近い他端との最短距離よりも短く、前記パワー基板の板厚方向から見たとき、前記一端側パワー素子は、前記一端側コンデンサと重なり合っており、かつ前記複数のパワー素子の少なくとも１つは、前記パワー素子の並ぶ方向において前記パワー基板の一端と前記他端側コンデンサとの間に位置することを要旨とする。

これによれば、パワー素子の並ぶ方向において、一端側パワー素子と他端側コンデンサとの距離と、他端側パワー素子と他端側コンデンサとの距離との差が小さくなる。即ち、一端側パワー素子とコンデンサとの通電経路の長さと、他端側パワー素子とコンデンサとの通電経路との差が小さくなる。また、パワー基板の板厚方向から見たとき、一端側パワー素子は、一端側コンデンサと重なり合っている。よって、パワー素子群を構成する複数のパワー素子についてインダクタンスのアンバランスを抑制できる。

また、上記半導体装置について、上アーム用の前記パワー素子群、及び、下アーム用の前記パワー素子群のそれぞれについて、前記パワー素子の並ぶ方向において、前記一端側パワー素子と前記パワー基板の一端との最短距離は、前記他端側パワー素子と前記パワー基板の他端との最短距離よりも短く、前記パワー基板の板厚方向から見たとき、前記一端側パワー素子は、前記一端側コンデンサと重なり合っており、かつ前記複数のパワー素子の少なくとも１つは、前記パワー素子の並ぶ方向において前記パワー基板の一端と前記他端側コンデンサとの間に位置するのが好ましい。

これによれば、上アーム用のパワー素子群、及び、下アーム用のパワー素子群のそれぞれについて、パワー素子の並ぶ方向において、一端側パワー素子とコンデンサとの通電経路の長さと、他端側パワー素子とコンデンサとの通電経路の長さとの差が小さくなる。また、パワー基板の板厚方向から見たとき、一端側パワー素子は、一端側コンデンサと重なり合っている。よって、上アーム用のパワー素子群を構成する複数のパワー素子についてインダクタンスのアンバランスを抑制できるとともに、下アーム用のパワー素子群を構成する複数のパワー素子についてインダクタンスのアンバランスを抑制できる。

また、上記半導体装置について、前記パワー素子群と電気的に接続されている出力端子を備え、前記パワー素子の並ぶ方向での前記パワー素子群の中心は、前記パワー素子の並ぶ方向での前記出力端子の中心と前記パワー基板の一端との間に位置しているのが好ましい。

これによれば、パワー素子の並ぶ方向において、一端側パワー素子と出力端子との距離は、他端側パワー素子と出力端子との距離よりも長くなる。一方、パワー素子の並ぶ方向において、一端側パワー素子とコンデンサとの距離は、他端側パワー素子とコンデンサとの距離よりも短い。このため、パワー素子の並ぶ方向において、一端側パワー素子を介したコンデンサと出力端子との通電経路の長さと、他端側パワー素子を介したコンデンサと出力端子との通電経路の長さとの差が小さくなる。よって、パワー素子群を構成する複数のパワー素子についてインダクタンスのアンバランスを抑制できる。

本発明によれば、パワー素子群を構成する複数のパワー素子についてインダクタンスのアンバランスを抑制できる。

インバータの分解斜視図。 パワー基板の平面図。 スペーサの斜視図。 パワー基板の部分平面図。 制御基板を省略した状態のインバータを示す斜視図。 制御基板を省略した状態のインバータを示す平面図。 図６における７－７線断面図。 比較例のインバータのパワー基板の平面図。 パワー素子毎のインダクタンスを示すグラフ。

以下、半導体装置をインバータに具体化した一実施形態について説明する。なお、本実施形態のインバータは、バッテリ式の産業車両としてのフォークリフトに搭載される。インバータは、バッテリから入力された直流電力を交流電力に変換して、三相モータに出力する。これにより、三相モータが駆動する。

図１に示すように、半導体装置としてのインバータ１０は、ヒートシンク１１を備える。ヒートシンク１１は、アルミニウム系金属や銅等の金属製である。ヒートシンク１１は、板状の固定部１２と、固定部１２の板厚方向の一面から突出するフィン１３と、を備える。

インバータ１０は、パワー基板２０と、制御基板６０と、コンデンサ基板５０と、を備える。制御基板６０は、パワー基板２０の板厚方向においてパワー基板２０と間隔を空けて配置されている。コンデンサ基板５０は、パワー基板２０と、制御基板６０との間に配置されている。コンデンサ基板５０は、パワー基板２０の板厚方向においてパワー基板２０と間隔を空けて配置されている。パワー基板２０の板厚方向と、制御基板６０の板厚方向と、コンデンサ基板５０の板厚方向は一致している。ヒートシンク１１、パワー基板２０、コンデンサ基板５０、及び、制御基板６０は、層状に配置されているといえる。

インバータ１０は、複数のパワー素子２４と、２つの入力端子２５と、３つの出力端子３５と、２つの接続部材としてのスペーサ４０と、ピンヘッダ４６と、を備える。パワー素子２４、入力端子２５、出力端子３５、スペーサ４０、及び、ピンヘッダ４６は、パワー基板２０に実装されている。本実施形態のパワー素子２４は、ＭＯＳＦＥＴである。なお、パワー素子２４としては、ＭＯＳＦＥＴ以外の半導体素子、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタを用いることもできる。

図２に示すように、複数のパワー素子２４は、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６に分かれて配置されている。本実施形態の各パワー素子群Ｇ１～Ｇ６は、７個のパワー素子２４によって形成されている。よって、本実施形態のインバータ１０は、計４２個のパワー素子２４を備える。各パワー素子群Ｇ１～Ｇ６において、７個のパワー素子２４は、等間隔で一直線上に並んでいる。以下、各パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成するパワー素子２４の並ぶ方向を第１方向とする。第１方向でのパワー基板２０の両端のうち、一方を一端２０ａとし、一端２０ａとは反対側の他方を他端２０ｂとする。第１方向での各パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の中心Ｃ２４は、第１方向でのパワー基板２０の中心Ｃ２０よりもパワー基板２０の一端２０ａ寄りに位置している。ピンヘッダ４６は、パワー基板２０において第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６が実装されていない部分に実装されている。よって、ピンヘッダ４６は、第１方向においてパワー基板２０の他端２０ｂ寄りに位置している。

各パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する７個のパワー素子２４を、第１方向におけるパワー基板２０の一端２０ａから他端２０ｂに向かう順に第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇとする。第１パワー素子２４ａは、第１方向の一端に位置する一端側パワー素子であり、第７パワー素子２４ｇは、第１方向の他端に位置する他端側パワー素子である。第１パワー素子２４ａは、パワー基板２０の一端２０ａに最も近いパワー素子２４であり、第７パワー素子２４ｇは、パワー基板２０の他端２０ｂに最も近いパワー素子２４である。第１方向における第１パワー素子２４ａとパワー基板２０の一端２０ａとの距離は、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６で同じである。本実施形態の第１方向でのパワー素子群Ｇ１～Ｇ６の中心Ｃ２４は、第１方向での第４パワー素子２４ｄの中心と一致している。第１方向において第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する第１パワー素子２４ａと、パワー基板２０の一端２０ａとの最短距離を第１距離Ｌ１とする。第１方向において第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する第７パワー素子２４ｇと、パワー基板２０の他端２０ｂとの最短距離を第２距離Ｌ２とする。第１距離Ｌ１は、第２距離Ｌ２よりも短い。

各パワー素子群Ｇ１～Ｇ６は、間隔を空けて配列されている。詳細にいえば、各パワー素子群Ｇ１～Ｇ６は、パワー基板２０の板厚方向の面に沿う方向のうち、第１方向に交差する方向に配列されている。以下、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の配列方向を第２方向とする。第１パワー素子群Ｇ１は、インバータ１０におけるＵ相の上アームを構成し、第２パワー素子群Ｇ２は、インバータ１０におけるＵ相の下アームを構成している。第３パワー素子群Ｇ３は、インバータ１０におけるＶ相の下アームを構成し、第４パワー素子群Ｇ４は、インバータ１０におけるＶ相の上アームを構成している。第５パワー素子群Ｇ５は、インバータ１０におけるＷ相の上アームを構成し、第６パワー素子群Ｇ６は、インバータ１０におけるＷ相の下アームを構成している。

パワー基板２０は、固定部１２の板厚方向の両面のうちフィン１３が設けられた面の反対面に固定されている。本実施形態のパワー基板２０は、絶縁金属基板であり、金属製のベースに絶縁層を設けたものである。

図４に示すように、パワー基板２０は、パワー素子２４が電気的に接続される第１導体パターン２１、第２導体パターン２２、及び、第３導体パターン２３を備える。なお、図示を省略するが、パワー基板２０は、２つの第１導体パターン２１、３つの第２導体パターン２２、及び、２つの第３導体パターン２３を備える。第１～第３導体パターン２１～２３は、互いに間隔を空けて第２方向に並んで配置されている。第１導体パターン２１は入力端子２５に接続され、第２導体パターン２２は出力端子３５に接続され、第３導体パターン２３はスペーサ４０に接続されている。また、第１～第３導体パターン２１～２３には、パワー素子２４が接続されている。

第１導体パターン２１は、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を第２方向に挟んで配置されている。第２導体パターン２２は、第１パワー素子群Ｇ１と第２パワー素子群Ｇ２との間、第３パワー素子群Ｇ３と第４パワー素子群Ｇ４との間、及び、第５パワー素子群Ｇ５と第６パワー素子群Ｇ６との間に配置されている。第３導体パターン２３は、第２パワー素子群Ｇ２と第３パワー素子群Ｇ３との間、及び、第４パワー素子群Ｇ４と第５パワー素子群Ｇ５との間に配置されている。第３導体パターン２３は、第２パワー素子群Ｇ２と第３パワー素子群Ｇ３との間、又は第４パワー素子群Ｇ４と第５パワー素子群Ｇ５との間で第１方向に延びる第１部位２３Ａと、第１パワー素子２４ａよりもパワー基板２０の一端２０ａ側に突出した第２部位２３Ｂと、を備える。

パワー基板２０は、板厚方向に貫通した複数の第１挿通孔Ｈ１と、複数の第２挿通孔Ｈ２とを備える。第１挿通孔Ｈ１は、パワー基板２０において、第１～第３導体パターン２１～２３の配置された部分に設けられている。第１挿通孔Ｈ１は、第１導体パターン２１の配置された部分、及び、第２導体パターン２２の配置された部分のそれぞれに２つずつ設けられている。第１挿通孔Ｈ１は、第１部位２３Ａの配置された部分に２つ、第２部位２３Ｂの配置された部分に１つ設けられている。

図２に示すように、２つの入力端子２５と、３つの出力端子３５は、第２方向に間隔を空けて並んでいる。入力端子２５は、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を第２方向に挟んで配置されている。３つの出力端子３５は、２つの入力端子２５同士の間に配置されている。出力端子３５は、第１パワー素子群Ｇ１と第２パワー素子群Ｇ２との間、第３パワー素子群Ｇ３と第４パワー素子群Ｇ４との間、及び、第５パワー素子群Ｇ５と第６パワー素子群Ｇ６との間に配置されている。

図１に示すように、入力端子２５は、基部２６と、基部２６から突出する柱状部２７と、柱状部２７の周面から突出する台座部２８と、を備える。出力端子３５は、基部３６と、基部３６から突出する柱状部３７と、を備える。入力端子２５、及び、出力端子３５は、アルミニウム系金属や銅などの金属製である。図４に示すように、入力端子２５の柱状部２７と、出力端子３５の柱状部３７とは、第２方向において一直線上に並んでいる。第１方向での第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の中心Ｃ２４は、第１方向での出力端子３５の中心Ｃ３５である柱状部３７の中心と、パワー基板２０の一端２０ａとの間に位置している。第１方向において、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する第１パワー素子２４ａと、第１方向での出力端子３５の中心Ｃ３５との最短距離を第３距離Ｌ３とする。第１方向において、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する第７パワー素子２４ｇと、第１方向での出力端子３５の中心Ｃ３５との最短距離を第４距離Ｌ４とする。第３距離Ｌ３は、第４距離Ｌ４よりも長い。

入力端子２５の基部２６は、第１導体パターン２１に重なりあっている。これにより、入力端子２５は、パワー基板２０の第１導体パターン２１に電気的に接続されている。出力端子３５の基部３６は、第２導体パターン２２に重なりあっている。これにより、出力端子３５は、パワー基板２０の第２導体パターン２２に電気的に接続されている。また、入力端子２５の柱状部２７には、バッテリが接続される。出力端子３５の柱状部３７には、三相モータが接続される。

図２に示すように、２つのスペーサ４０は、第２方向に間隔を空けて並んでいる。各スペーサ４０は、出力端子３５同士の間に配置されている。スペーサ４０は、アルミニウム系金属や銅などの金属製である。

図３に示すように、スペーサ４０は、矩形板状の本体４１と、本体４１の長手方向の一端に設けられた円筒状の伝熱部４２と、を備える。本体４１は、基部４５と、基部４５から突出する２つの接触部４３と、を備える。２つの接触部４３は、本体４１の板厚方向に突出している。２つの接触部４３と、伝熱部４２とは、本体４１の長手方向に並んで配置されている。スペーサ４０は、本体４１の板厚方向にスペーサ４０を貫通したスペーサ孔４４を備える。スペーサ孔４４は、本体４１において各接触部４３を備える部分、及び、伝熱部４２に設けられている。

スペーサ４０は、パワー基板２０に接触する第１接触面４７Ａ，４７Ｂと、コンデンサ基板５０に接触する第２接触面４８Ａ，４８Ｂと、を備える。本体４１の板厚方向の両面のうち接触部４３が設けられた面の反対面は第１接触面４７Ａであり、伝熱部４２の軸線方向の両端面のうち一方の面は第１接触面４７Ｂである。各接触部４３の先端面は第２接触面４８Ａであり、伝熱部４２の軸線方向の両端面のうち第１接触面４７Ｂの反対面は第２接触面４８Ｂである。各接触面４７Ａ，４７Ｂ，４８Ａ，４８Ｂは、切削加工によって平滑化されている。

図２に示すように、２つのスペーサ４０のうち、一方のスペーサ４０の本体４１は、第２パワー素子群Ｇ２と第３パワー素子群Ｇ３との間に配置され、他方のスペーサ４０の本体４１は、第４パワー素子群Ｇ４と第５パワー素子群Ｇ５との間に配置されている。各スペーサ４０の伝熱部４２は、第１方向において、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の第１パワー素子２４ａよりもパワー基板２０の一端２０ａ寄りに配置されている。図４に示すように、スペーサ４０の本体４１は、第３導体パターン２３の第１部位２３Ａに重なりあっている。スペーサ４０の伝熱部４２は、第３導体パターン２３の第２部位２３Ｂに重なりあっている。これにより、第１接触面４７Ａ，４７Ｂは、パワー基板２０の第３導体パターン２３に電気的に接続されている。

図５、及び、図６に示すように、インバータ１０は、コンデンサ基板５０に実装された複数のコンデンサ５４を備える。各コンデンサ５４は、バッテリに接続され、バイパスコンデンサとして機能する。各コンデンサ５４は、円柱状であり、軸線方向とコンデンサ基板５０の板厚方向とが一致するように配置されている。各コンデンサ５４は、コンデンサ基板５０に立設しているといえる。複数のコンデンサ５４は、第１コンデンサ群５４Ａと、第２コンデンサ群５４Ｂとに分かれて配置されている。本実施形態の第１コンデンサ群５４Ａは９個のコンデンサ５４によって形成され、第２コンデンサ群５４Ｂは１２個のコンデンサ５４によって形成されている。よって、本実施形態のインバータ１０は、２１個のコンデンサ５４を備える。第１コンデンサ群５４Ａを構成するコンデンサ５４を第１コンデンサ５４ａとし、第２コンデンサ群５４Ｂを構成するコンデンサ５４を第２コンデンサ５４ｂとする。

各コンデンサ群５４Ａ，５４Ｂにおいて、コンデンサ５４は一直線上に並んでいる。各第１コンデンサ５４ａの中心を第１方向での第１コンデンサ群５４Ａの中心Ｃ５４Ａとし、各第２コンデンサ５４ｂの中心を第１方向での第２コンデンサ群５４Ｂの中心Ｃ５４Ｂとする。

各第１コンデンサ５４ａは、コンデンサ基板５０において、第１方向の両縁５５，５６のうち一方の縁５５に沿って配置されている。各第２コンデンサ５４ｂは、コンデンサ基板５０において、第１コンデンサ群５４Ａに沿って配置されている。全てのコンデンサ５４は、第１方向でのコンデンサ基板５０の中心Ｃ５０よりも、一端５８側に集約して配置されている。なお、一端５８は、コンデンサ基板５０において、縁５５側の端部である。第１方向でのコンデンサ基板５０の中心Ｃ５０でコンデンサ基板５０を二分すると、一方の領域にはコンデンサ５４が配置されており、他方の領域にはコンデンサ５４が配置されていないことになる。なお、コンデンサ基板５０は、縁５５に沿う部分の一部に、コンデンサ５４が設けられていない非配置領域５７を備える。

コンデンサ基板５０は、導体パターン５２を備える。コンデンサ基板５０は、出力孔５３を備える。出力端子３５の柱状部３７は、出力孔５３を挿通している。図１及び図６に示すように、コンデンサ基板５０は、板厚方向に貫通した第３挿通孔Ｈ３を備える。第３挿通孔Ｈ３は、非配置領域５７を含む複数箇所に設けられている。第３挿通孔Ｈ３は、第１挿通孔Ｈ１と同数設けられている。第３挿通孔Ｈ３同士の間隔は、第１挿通孔Ｈ１同士の間隔と同一である。第３挿通孔Ｈ３と、第１挿通孔Ｈ１とは、コンデンサ基板５０の板厚方向に向かい合って配置されている。

図５～図７に示すように、コンデンサ基板５０は、入力端子２５の基部２６、出力端子３５の基部３６、及び、スペーサ４０に重ねて配置されている。スペーサ４０は、パワー基板２０及びコンデンサ基板５０の板厚方向においてパワー基板２０とコンデンサ基板５０との間に配置されている。コンデンサ基板５０は、第１方向での中心Ｃ５０が第１方向でのパワー基板２０の中心Ｃ２０よりもパワー基板２０の一端２０ａ側に位置するように配置されている。第１方向において、コンデンサ基板５０の一方の縁５５はパワー基板２０の一端２０ａ側に位置し、コンデンサ基板５０の他方の縁５６はパワー基板２０の他端２０ｂ側に位置している。図２及び図４に示すように、複数のコンデンサ５４は、第１方向での第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の中心Ｃ２４よりも一端側に集約して配置されている。言い換えると、複数のコンデンサ５４は、パワー基板２０の一端２０ａ側に集約して配置されている。よって、各第１コンデンサ５４ａは、複数のコンデンサ５４のうち、第１方向の一端に位置する一端側コンデンサであり、各第２コンデンサ５４ｂは、複数のコンデンサ５４のうち、第１方向の他端に位置する他端側コンデンサである。

コンデンサ基板５０が入力端子２５、出力端子３５、及び、スペーサ４０に重ねて配置された状態において、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する第１パワー素子２４ａは、第１方向での第１コンデンサ群５４Ａの中心Ｃ５４Ａと第１方向での第２コンデンサ群５４Ｂの中心Ｃ５４Ｂとの間に位置している。パワー基板２０の板厚方向から見たとき、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する第１パワー素子２４ａと、第１コンデンサ５４ａとは重なり合っている。また、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する第１パワー素子２４ａは、第１方向においてパワー基板２０の一端２０ａと、第１方向での第２コンデンサ群５４Ｂの中心Ｃ５４Ｂとの間に位置している。つまり、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する第１パワー素子２４ａは、第１方向において、パワー基板２０の一端２０ａと第２コンデンサ５４ｂとの間に位置している。

また、コンデンサ基板５０が入力端子２５、出力端子３５、及び、スペーサ４０に重ねて配置された状態において、コンデンサ基板５０の非配置領域５７とスペーサ４０の伝熱部４２とが向かい合っている。言い換えると、コンデンサ基板５０の板厚方向から見て、伝熱部４２は、コンデンサ５４と重ならない位置に配置されている。図７に示すように、スペーサ４０の第２接触面４８Ａ，４８Ｂは、コンデンサ基板５０に接触している。入力端子２５の基部２６、及び、スペーサ４０を介して、コンデンサ基板５０とパワー基板２０とは、電気的に接続されている。

図１に示すように、制御基板６０は、板厚方向に貫通した出力孔６１を３つ備える。出力端子３５の柱状部３７は、出力孔６１を挿通している。制御基板６０は、ピンヘッダ４６が挿入されるスルーホール６２を備える。制御基板６０は、板厚方向に貫通した複数の第４挿通孔Ｈ４を備える。

インバータ１０は、制御基板６０に実装された複数の電子部品６３、電流センサ６５、及び、接続部６７を備える。電子部品６３は、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を制御する制御回路を構成している。制御回路により第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６が制御されることで、電力変換が行われる。

スルーホール６２にピンヘッダ４６が挿入されることで、制御基板６０とパワー基板２０との接続が行われる。電流センサ６５は、３つの出力端子３５のうちの２つに設けられている。電流センサ６５は、コア６６と、図示しないホール素子と、を備える。接続部６７は、インバータ１０を制御する制御装置（上位制御装置）とインバータ１０とを接続するコネクタが挿入される雌コネクタである。

インバータ１０は、制御基板６０をヒートシンク１１に固定するために設けられたブラケット７０を備える。ブラケット７０は、板状の本体７１と、本体７１の板厚方向に突出する複数の締結ボス７２と、を備える。締結ボス７２により、パワー基板２０と、制御基板６０との間隔が維持されている。ブラケット７０は、アルミニウム系金属や銅などの金属製である。

インバータ１０は、ブラケット７０と制御基板６０との間に配置された熱伝導部材９１と、ブラケット７０とコンデンサ基板５０との間に配置された介在熱伝導部材９２と、を備える。熱伝導部材９１及び介在熱伝導部材９２の配置箇所は、電流の集中する箇所や、発熱素子となる電子部品６３の近くになるように定められている。熱伝導部材９１は、制御基板６０からブラケット７０に熱を伝導させる。介在熱伝導部材９２は、コンデンサ基板５０からブラケット７０に熱を伝導させる。

図１、及び、図６に示すように、インバータ１０は、パワー基板２０、制御基板６０、及び、コンデンサ基板５０をヒートシンク１１に固定するための複数のネジＳ１，Ｓ２，Ｓ３と、絶縁性のカラーＣと、を備える。複数のネジＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、第１ネジＳ１と、第２ネジＳ２と、第３ネジＳ３と、を含む。

図７に示すように、複数の第１ネジＳ１は、カラーＣとともにコンデンサ基板５０の第３挿通孔Ｈ３と、パワー基板２０の第１挿通孔Ｈ１とを挿通して、ヒートシンク１１の固定部１２に締結されている。これにより、第１ネジＳ１は、パワー基板２０とコンデンサ基板５０とを共締めしている。また、複数の第１ネジＳ１のうち一部の第１ネジＳ１は、第３挿通孔Ｈ３、第１挿通孔Ｈ１とともにスペーサ４０のスペーサ孔４４を挿通している。

複数の第２ネジＳ２は、制御基板６０の第４挿通孔Ｈ４のうち一部の第４挿通孔Ｈ４とパワー基板２０の第２挿通孔Ｈ２とを挿通してヒートシンク１１の固定部１２に締結されている。これにより、第２ネジＳ２は、制御基板６０とパワー基板２０とを共締めしている。

複数の第３ネジＳ３は、制御基板６０の第４挿通孔Ｈ４のうち一部の第４挿通孔Ｈ４を挿通して、入力端子２５の台座部２８及びブラケット７０に締結されている。
三相モータを駆動させるため、インバータ１０を駆動させると、コンデンサ５４とパワー素子２４とは、スペーサ４０及び第３導体パターン２３を介して電気的に接続される。即ち、スペーサ４０は、コンデンサ５４とパワー素子２４とを電気的に接続する通電経路として機能している。図７に矢印Ｙ１で示すように、実施形態のインバータ１０は、本体４１に加えて伝熱部４２も通電経路となる。また、パワー素子２４と出力端子３５とは、第２導体パターン２２を介して電気的に接続される。

本実施形態の作用について、比較例１とともに説明する。なお、以下では、一例として、Ｕ相下アームを構成する第２パワー素子群Ｇ２について詳述するが、第１パワー素子群Ｇ１、及び、第３～第６パワー素子群Ｇ３～Ｇ６についても同様である。

図８に示すように、比較例１のインバータでは、パワー基板２０に対する第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６、入力端子２５、出力端子３５、スペーサ４０、及び、第１～第３導体パターン２１～２３の配置が実施形態のインバータ１０と異なる。なお、図８では、第１～第３導体パターン２１～２３の図示を省略している。比較例１のインバータでは、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６、入力端子２５、出力端子３５、スペーサ４０、及び、第１～第３導体パターン２１～２３は、実施形態よりもパワー基板２０の他端２０ｂ寄りに配置されている。各パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇの間隔は、実施形態と同じ間隔である。比較例１では、第１方向において、第１パワー素子２４ａとパワー基板２０の一端２０ａとの最短距離である第１距離Ｌ１０と、第７パワー素子２４ｇとパワー基板２０の他端２０ｂとの最短距離である第２距離Ｌ２０とは同じ距離である。比較例１のインバータでは、パワー基板２０に対するコンデンサ基板５０の配置、及び、コンデンサ基板５０に対する複数のコンデンサ５４の配置は、実施形態の配置と同じ配置になっている。

本実施形態及び比較例１では、複数のコンデンサ５４は、第１方向での第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の中心Ｃ２４よりも第１パワー素子２４ａ側、即ちパワー基板２０の一端２０ａ側に集約して配置されている。このため、第１方向におけるパワー素子２４とコンデンサ５４との最短距離は、第１パワー素子２４ａから第７パワー素子２４ｇに向かうにつれて長くなる。これにより、第２パワー素子群Ｇ２を構成する第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇについてインダクタンスのアンバランスが生じる。

図９のグラフに示すように、比較例１では、第１パワー素子２４ａでインダクタンスが最小となり、第７パワー素子２４ｇでインダクタンスが最大となる。同様に、本実施形態でも、第１パワー素子２４ａでインダクタンスが最小となり、第７パワー素子２４ｇでインダクタンスが最大となる。本実施形態におけるインダクタンスの最大値と最小値との差Ａは、比較例１におけるインダクタンスの最大値と最小値との差Ｂ１よりも小さい。即ち、本実施形態では、比較例１よりも第２パワー素子群Ｇ２を構成する第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇについてのインダクタンスのアンバランスが抑制されているといえる。

上述したように、本実施形態のインバータ１０では、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６は、第１方向においてパワー基板２０の一端２０ａ側に配置されている。詳しくは、第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６は、第１距離Ｌ１が第２距離Ｌ２よりも短くなるようにパワー基板２０に対して配置されている。また、第１パワー素子２４ａは、パワー基板２０の一端２０ａと、第１方向での第２コンデンサ群５４Ｂの中心Ｃ５４Ｂとの間に位置している。

図４及び図８に示すように、第１方向において第１パワー素子２４ａと第１方向での第２コンデンサ群５４Ｂの中心Ｃ５４Ｂとの最短距離を第１離間距離Ｐとし、第７パワー素子２４ｇと第１方向での第２コンデンサ群５４Ｂの中心Ｃ５４Ｂとの最短距離を第２離間距離Ｑとする。実施形態における第１離間距離Ｐと第２離間距離Ｑとの差｜Ｐ－Ｑ｜は、比較例１における第１離間距離Ｐと第２離間距離Ｑとの差｜Ｐ－Ｑ｜よりも短い。即ち、実施形態における第１パワー素子２４ａと第２コンデンサ５４ｂとの通電経路の長さと、第７パワー素子２４ｇと第２コンデンサ５４ｂとの通電経路の長さとの差は、比較例１よりも小さくなる。

また、比較例１では、パワー基板２０の板厚方向から見たとき、第１パワー素子２４ａと第１コンデンサ５４ａとは重なり合っていないのに対し、実施形態では、パワー基板２０の板厚方向から見たとき、第１パワー素子２４ａと第１コンデンサ５４ａとは重なり合っている。

よって、実施形態における第１パワー素子２４ａのインダクタンスと第７パワー素子２４ｇのインダクタンスとの差は、比較例１における第１パワー素子２４ａのインダクタンスと第７パワー素子２４ｇのインダクタンスとの差よりも小さくなる。即ち、第２パワー素子群Ｇ２を構成する第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇについてのインダクタンスのアンバランスが抑制される。

図９のグラフには、第１距離を実施形態の第１距離Ｌ１よりも短くした比較例２での第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇのインダクタンスが示されている。なお、比較例２では、実施形態よりも第１距離を短くした分だけ、第２距離は実施形態よりも長くなっている。この場合、第１パワー素子２４ａでインダクタンスが最小となり、第５パワー素子２４ｅでインダクタンスが最大となる。また、インダクタンスの最大値と最小値との差Ｂ２は、実施形態におけるインダクタンスの最大値と最小値との差Ａよりも小さくなる。即ち、比較例２では、実施形態よりも第２パワー素子群Ｇ２を構成する第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇについてのインダクタンスのアンバランスが抑制されている。このことから、第２パワー素子群Ｇ２をパワー基板２０の一端２０ａ側に移動させるほど、インダクタンスのアンバランスが抑制されることが分かる。

本実施形態の効果について説明する。
（１）第２パワー素子群Ｇ２は、第１方向においてパワー基板２０の一端２０ａ側に配置されているため、第１パワー素子２４ａとパワー基板２０の一端２０ａとの距離である第１距離Ｌ１は、第７パワー素子２４ｇとパワー基板２０の他端２０ｂとの距離である第２距離Ｌ２よりも短い。

第２パワー素子群Ｇ２を構成する第１パワー素子２４ａは、第１方向において、第２コンデンサ群５４Ｂを構成する第２コンデンサ５４ｂとパワー基板２０の一端２０ａとの間に位置している。このため、第１離間距離Ｐと第２離間距離Ｑとの差が小さくなり、第１パワー素子２４ａと第２コンデンサ５４ｂとの通電経路の長さと、第７パワー素子２４ｇと第２コンデンサ群５４Ｂを構成する第２コンデンサ５４ｂとの通電経路の長さとの差が小さくなる。また、パワー基板２０の板厚方向から見たとき、第２パワー素子群Ｇ２を構成する第１パワー素子２４ａと、第１コンデンサ群５４Ａを構成する第１コンデンサ５４ａとは重なり合っている。よって、第２パワー素子群Ｇ２を構成する第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇについてインダクタンスのアンバランスを抑制できる。

同様に、第１パワー素子群Ｇ１、及び第３～第６パワー素子群Ｇ３～Ｇ６を構成する第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇについてインダクタンスのアンバランスを抑制できる。

（２）Ｕ相上アームを構成する第１パワー素子群Ｇ１及びＵ相下アームを構成する第２パワー素子群Ｇ２の両方について、第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇのインダクタンスのアンバランスを抑制できる。また、Ｖ相上アームを構成する第３パワー素子群Ｇ３及びＶ相下アームを構成する第４パワー素子群Ｇ４の両方について、第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇのインダクタンスのアンバランスを抑制できる。更に、Ｗ相上アームを構成する第５パワー素子群Ｇ５及びＷ相下アームを構成する第６パワー素子群Ｇ６の両方について、第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇのインダクタンスのアンバランスを抑制できる。

（３）第１方向での第２パワー素子群Ｇ２の中心Ｃ２４は、第１方向での出力端子３５の中心Ｃ３５とパワー基板２０の一端２０ａとの間に位置している。このため、第１パワー素子２４ａと、第１方向での出力端子３５の中心Ｃ３５との最短距離である第３距離Ｌ３は、第７パワー素子２４ｇと、第１方向での出力端子３５の中心Ｃ３５との最短距離である第４距離Ｌ４よりも長い。一方で、第１離間距離Ｐは第２離間距離Ｑよりも短い。よって、第１方向において、第１パワー素子２４ａを介したコンデンサ５４と出力端子３５との通電経路の長さと、第７パワー素子２４ｇを介したコンデンサ５４と出力端子３５との通電経路との差が小さくなる。その結果、第２パワー素子群Ｇ２を構成する第１～第７パワー素子２４ａ～２４ｇについてインダクタンスのアンバランスを抑制できる。

（４）複数のコンデンサ５４は、第１方向での第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の中心Ｃ２４よりも一端側に集約して配置されるように、コンデンサ基板５０において縁５５側に集約して配置されている。このため、コンデンサ基板５０においてコンデンサ５４が配置されない縁５６側の部分には、複数のコンデンサ５４と並ぶようにブラケット７０の一部を配置することができる。よって、コンデンサ基板５０全体にコンデンサ５４が配置されている場合と比較して、インバータ１０の体格を小型化できる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○ 第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成するパワー素子２４の数は、７個に限定されず、２個以上であれば適宜変更してよい。

○ パワー基板２０が備えるパワー素子群の数は、６つに限定されず、モータの相数に応じて変更してよい。例えば、単相モータに交流電力を出力するインバータ１０の場合、パワー基板２０は、上アームを構成する第１パワー素子群Ｇ１と、下アームを構成する第２パワー素子群Ｇ２の２つのパワー素子群を備えていてもよい。

○ 第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の少なくとも１つについて、第１距離Ｌ１が第２距離Ｌ２よりも短く、かつ第１パワー素子２４ａが、パワー基板２０の板厚方向から見たときに第１コンデンサ５４ａと重なり合っているとともに第１方向においてパワー基板２０の一端２０ａと第２コンデンサ５４ｂとの間に位置していればよい。

○ パワー素子群を構成する複数のパワー素子のうち、２つ以上のパワー素子が、第１方向においてパワー基板２０の一端２０ａと第２コンデンサ５４ｂとの間に位置していてもよい。

○ 第１コンデンサ群５４Ａを構成する第１コンデンサ５４ａの数は、９個に限定されず、適宜変更してよい。同様に、第２コンデンサ群５４Ｂを構成する第２コンデンサ５４ｂの数は、１２個に限定されず、適宜変更してよい。

○ コンデンサ基板５０が備えるコンデンサ群の数は、３つ以上でもよい。ただし、複数のコンデンサ群は、コンデンサ基板５０に対し、第１方向に並べて配列されるものとする。

○ 第１方向においてパワー基板２０に対する各パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の位置は、適宜変更してよい。ただし、第１距離Ｌ１が第２距離Ｌ２よりも短く、かつ各パワー素子群Ｇ１～Ｇ６を構成する複数のパワー素子２４のうちの少なくとも１つが、第１方向においてコンデンサ５４とパワー基板２０の一端２０ａとの間に位置するものとする。

○ 第１方向での第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の中心Ｃ２４は、第１方向での出力端子３５の中心Ｃ３５と一致していてもよい。また、第１方向での第１～第６パワー素子群Ｇ１～Ｇ６の中心Ｃ２４は、第１方向での出力端子３５の中心Ｃ３５とパワー基板２０の他端２０ｂとの間に位置していてもよい。

○ スペーサ４０において、伝熱部４２を省略してもよい。
○ スペーサ４０は、第１ネジＳ１以外で固定されていてもよい。例えば、スペーサ４０は、半田などの接合剤により、パワー基板２０及びコンデンサ基板５０に固定されていてもよい。

○ パワー基板２０、コンデンサ基板５０、及び制御基板６０はそれぞれ、絶縁金属基板や、プリント基板などどのような基板であってもよい。
○ インバータ１０は、産業車両に搭載されるものでなくてもよい。

○ 半導体装置は、インバータに限定されず、例えばコンバータであってもよい。

１０…半導体装置としてのインバータ、２０…パワー基板、２０ａ…一端、２０ｂ…他端、２４…パワー素子、２４ａ…一端側パワー素子としての第１パワー素子、２４ｇ…他端側パワー素子としての第７パワー素子、３５…出力端子、４０…接続部材としてのスペーサ、５０…コンデンサ基板、５４…コンデンサ、５４ａ…一端側コンデンサとしての第１コンデンサ、５４ｂ…他端側コンデンサとしての第２コンデンサ、Ｇ１…上アーム用のパワー素子群としての第１パワー素子群、Ｇ２…下アーム用のパワー素子群としての第２パワー素子群、Ｇ３…下アーム用のパワー素子群としての第３パワー素子群、Ｇ４…上アーム用のパワー素子群としての第４パワー素子群、Ｇ５…上アーム用のパワー素子群としての第５パワー素子群、Ｇ６…下アーム用のパワー素子群としての第６パワー素子群。

Claims (2)

1. 複数のパワー素子を第１方向に並べたパワー素子群が、前記第１方向に交差する第２方向に複数配列されているパワー基板と、
   前記パワー基板の板厚方向に前記パワー基板と並べて配置されており、複数のコンデンサが前記第１方向に並べて実装されているコンデンサ基板と、
   前記パワー基板及び前記コンデンサ基板の板厚方向において前記パワー基板と前記コンデンサ基板との間に配置され、前記パワー基板と前記コンデンサ基板とを電気的に接続している接続部材と、
   前記パワー素子群と電気的に接続されている出力端子と、
   前記パワー基板の板厚方向において前記パワー基板を挟んで前記コンデンサ基板とは反対側に配置されたヒートシンクと、
   前記パワー素子群を制御する制御回路を有する制御基板と、
   を備え、
   前記複数のコンデンサは、前記第１方向での前記パワー素子群の中心よりも一端側に集約して配置されている半導体装置であって、
   前記制御基板を前記ヒートシンクに固定するためのブラケットを備え、
   前記ブラケットは、板状の本体を有し、
   前記パワー素子群を構成する前記複数のパワー素子のうち、前記第１方向の一端に位置するパワー素子を一端側パワー素子とし、前記第１方向の他端に位置するパワー素子を他端側パワー素子とし、
   前記複数のコンデンサのうち、前記第１方向の一端に位置するコンデンサを一端側コンデンサとし、前記第１方向の他端に位置するコンデンサを他端側コンデンサとしたとき、
   前記第１方向において、前記一端側パワー素子と前記パワー基板における前記一端側パワー素子に近い一端との最短距離は、前記他端側パワー素子と前記パワー基板における前記他端側パワー素子に近い他端との最短距離よりも短く、
   前記パワー基板の板厚方向から見たとき、前記一端側パワー素子は、前記一端側コンデンサと重なり合っており、かつ前記複数のパワー素子の少なくとも１つは、前記第１方向において前記パワー基板の一端と前記他端側コンデンサとの間に位置し、
   前記第１方向での前記パワー素子群の中心は、前記第１方向での前記出力端子の中心と前記パワー基板の一端との間に位置し、
   前記コンデンサ基板は、前記第１方向における縁であって前記パワー基板の一端側に位置する一方の縁と、前記第１方向における縁であって前記パワー基板の他端側に位置する他方の縁とを有し、
   前記パワー基板の他端と前記コンデンサ基板の他方の縁は、前記第１方向においてずれており、
   前記他端側パワー素子と前記パワー基板の他端との最短距離は、前記コンデンサ基板の他方の縁と前記パワー基板の他端との最短距離よりも長く、
   前記複数のコンデンサは、前記第１方向での前記コンデンサ基板の中心よりも前記一方の縁側に集約して配置されており、
   前記ブラケットの前記本体は、前記コンデンサ基板における前記他端側コンデンサと前記他方の縁との間の部分に対向して配置されている半導体装置。
2. 上アーム用の前記パワー素子群、及び、下アーム用の前記パワー素子群のそれぞれについて、
   前記第１方向において、前記一端側パワー素子と前記パワー基板の一端との最短距離は、前記他端側パワー素子と前記パワー基板の他端との最短距離よりも短く、
   前記パワー基板の板厚方向から見たとき、前記一端側パワー素子は、前記一端側コンデンサと重なり合っており、かつ前記複数のパワー素子の少なくとも１つは、前記第１方向において前記パワー基板の一端と前記他端側コンデンサとの間に位置する請求項１に記載の半導体装置。

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