JP7278441B1

JP7278441B1 - 半導体モジュールおよび電力変換器

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Publication number: JP7278441B1
Application number: JP2022020937A
Authority: JP
Inventors: 哲郎藤原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-02-15
Filing date: 2022-02-15
Publication date: 2023-05-19
Anticipated expiration: 2042-02-15
Also published as: CN116614016A; JP2023118160A; US20230261585A1

Abstract

【課題】バスバーの配線インダクタンスを効果的に抑制することにより、配線インダクタンスに起因したサージ電圧を低減する。【解決手段】直列接続された第１半導体素子１０３ａと第２半導体素子１０３ｂから成るスイッチング回路を有し、第１半導体素子１０３ａの正極側が接続される第１バスバー２０１と、第２半導体素子１０３ｂの負極側が接続される第２バスバー２０２と、第１半導体素子１０３ａの負極側と第２半導体素子１０３ｂの正極側が接続される第３バスバー２０３を設け、第１バスバー２０１と第２バスバー２０２と第３バスバー２０３は同一方向に延びるとともに、第１バスバー２０１と第２バスバー２０２のうちのいずれか一方のバスバーは、第３バスバー２０３、及び第１バスバー２０１と第２バスバー２０２のうちの他方のバスバーを挟み込むように配置されている。【選択図】図３

Description

本願は、半導体モジュールとそれを備えた電力変換器に関するものである。

電力変換器では、電力密度が高く、電力損失の小さな電力変換器が求められており、電力を供給するＩＧＢＴ（ＩＮＳＵＬＡＴＥＤＧＡＴＥＢＩＰＯＬＡＲＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）又はＭＯＳＦＥＴ（ＭＥＴＡＬ－ＯＸＩＤＥ－ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＦＩＥＬＤ－ＥＦＦＥＣＴＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）などのスイッチング素子の大電流化、高電圧化および高速スイッチング化が進められている。このようにスイッチング素子の大電流化、高電圧化および高速スイッチング化が進められると、スイッチング時に発生するサージ電圧が増大する。これにより、スイッチング素子のスイッチング損失および発熱が増加する。発熱を抑制するためには高放熱部材を備えることが考えられるが、コストアップ又は装置の大型化は避けられないものとなる。

スイッチング素子のスイッチングに起因したサージ電圧の大きさは、スイッチング素子と電気的に接続されるバスバーなどの配線インダクタンスの大きさに依存する。この配線インダクタンスが大きい場合には、サージ電圧が大きくなる。配線インダクタンスを低減するためには、バスバーを短くしたり、又一対のバスバーの発生磁束を打ち消すことが出来るように、互いに逆方向に電流が流れるようにすることが有効な手段となる。

従来においては、上アームと下アームのスイッチング素子が直列接続された半導体モジュールにおけるバスバーにおいて、上アームのスイッチング素子の正電極側が接続される正極入力バスバーと下アームのスイッチング素子の負極側が接続される負極入力バスバーと上アームのスイッチング素子の負極側と下アームのスイッチング素子の正極側が接続される出力バスバーがあり、正極入力バスバーと負極入力バスバーを同じ高さに平行に配置し、正極入力バスバー及び負極入力バスバーに対して、出力バスバーを直交するように配置するものがあった。そして出力バスバーにより上アームと下アームのスイッチング素子を接続することで、正極入力バスバー及び負極入力バスバーに対して垂直方向となる配線を使うことなくモジュールをコンパクトに構成し、配線インダクタンスの増加を抑制しているものがあった。更に、平行配置された正極入力バスバーと負極入力バスバーは互いに逆方向に電流が流れるため、発生磁束がキャンセルされ、インダクタンスを小さくするようにしている（特許文献１参照）。

特許第３７９３４０７号

上記特許文献１の電力変換器では、バスバーの配線を極力コンパクトにして、一対の正極入力バスバーと負極入力バスバーを互い平行に配置することにより、インダクタンスを低減するようにしている。しかし、一対の正極入力バスバーおよび負極入力バスバーに対して直交して間に配置される出力バスバー部にモジュールケースとの締結部を設けているため、出力バスバーが長くなり、正極入力バスバーと負極入力バスバーの距離を大きくとる必要がある。従って、一対のバスバー間における磁束のキャンセル効果だけでは、インダクタンスを十分に低減できない。さらには、出力バスバーにおいては、正極入力バスバーおよび負極入力バスバーに対して直交する方向に電流が流れるので、出力バスバーと正極入力バスバー、および出力バスバーと負極入力バスバー間において、発生する磁束が互いにキャンセルされない。よって出力バスバーにおける配線インダクタンスは低減できておらず、半導体モジュール全体において、インダクタンスの低減を図ることができない。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、バスバーの配線インダクタンスを効果的に抑制できる半導体モジュール及び電力変換器を提供することを目的とする。

本願に開示される半導体モジュールは、
直列接続された第１半導体素子と第２半導体素子から成るスイッチング回路を有し、
前記第１半導体素子の正極側に接続される第１バスバーと、
前記第２半導体素子の負極側に接続される第２バスバーと、
前記第１半導体素子の負極側と前記第２半導体素子の正極側に接続される第３バスバーを設け、
前記第１バスバーと前記第２バスバーと前記第３バスバーは同一方向に延びるとともに、
前記第１バスバーと前記第２バスバーのうちのいずれか一方のバスバーは、前記第３バスバー、及び前記第１バスバーと前記第２バスバーのうちの他方のバスバーを挟み込むように配置されているものである。

本願に開示される電力変換器は、半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサを有し、
第１バスバーは前記平滑コンデンサの正極側配線と接続するための第１端子部を有し、
第２バスバーは前記平滑コンデンサの負極側配線と接続するための第２端子部を有し、
前記第１端子部と前記第２端子部は同一方向に突出しているものである。

本願に開示される半導体モジュール及び電力変換器によれば、バスバーの配線インダクタンスを効果的に抑制することができる。

実施の形態１による半導体モジュールを備えた電力変換装置を示す回路図である。三相インバータ回路のうちＵ相アームのスイッチング動作を示す回路図である。実施の形態１による半導体モジュールを示す平面断面図である。図３におけるＡ－Ａ線断面図である。実施の形態１による半導体モジュールを示す平面断面図である。図５におけるＢ－Ｂ線断面図である。図３に示された半導体モジュールの構成に平滑コンデンサを接続した状態を示す平面断面図である。図７におけるＣ－Ｃ線断面図である。実施の形態１による半導体モジュールを示す平面断面図である。半導体モジュールのバスバーの形状を示す簡略平面図である。自己インダクタンスと合成インダクタンスの比率の関係を、解析で計算した結果を示すグラフである。実施の形態２による半導体モジュールを示す平面断面図である。実施の形態２による半導体モジュールを示す平面断面図である。実施の形態２による半導体モジュールにおける等価回路図である。

実施の形態１．
本実施の形態は、バスバーを有する半導体モジュール及びこの半導体モジュールを備えた電力変換器に関するものである。
図１は実施の形態１による半導体モジュールを備えた電力変換装置を示す回路図であり、三相交流モータの駆動を行う三相インバータ回路を示す構成図である。本実施の形態による電力変換装置は、直流電源１０１及び三相交流モータ１０６を有している。そして直流電源１０１は半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサ１０２に接続され、平滑コンデンサ１０２の後段には、スイッチング素子１０３ａ、１０３ｂが直列接続されたＵ相アーム１０３、スイッチング素子１０４ａ、１０４ｂが直列接続されたＶ相アーム１０４、スイッチング素子１０５ａ、１０５ｂが直列接続されたＷ相アーム１０５からなる三相インバータ回路が接続される。この三相インバータ回路の後段に三相交流モータ１０６が接続される。そして、各相アーム１０３～１０５のスイッチング素子１０３ａ～１０５ｂを所定の順番でオン、オフ制御して、三相の交流電流を生成し、三相交流モータ１０６を駆動している。

スイッチング素子１０３ａ～１０５ｂは、例えばＭＯＳＦＥＴ（ＭＥＴＡＬ－ＯＸＩＤＥ－ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＦＩＥＬＤ－ＥＦＦＥＣＴＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）で構成される。なお、スイッチング素子１０３ａ～１０５ｂは、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ（ＩＮＳＵＬＡＴＥＤＧＡＴＥＢＩＰＯＬＡＲＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ）等の自己消弧型半導体スイッチング素子、ＳｉＣ（ＳＩＬＩＣＯＮＣＡＲＢＩＤＥ）又はＧａＮ（ＧＡＬＬＩＵＭＮＩＴＲＩＤＥ）などで構成されたワイドバンドギャップ半導体を使用しても良い。本実施の形態では、スイッチング素子１０３ａ～１０５ｂとしてＭＯＳＦＥＴを用いた場合について説明する。

また、Ｕ相アーム１０３、Ｖ相アーム１０４、Ｗ相アーム１０５は、例えば上アームと下アームのスイッチング素子とバスバーを樹脂モールドで一体化した２ｉｎ１構造の半導体モジュールで構成される。なお、三相の上アームと下アームの全てのスイッチング素子を樹脂モールドで一体化した６ｉｎ１構造の半導体モジュールで構成しても良い。本実施の形態では、２ｉｎ１構造の半導体モジュールを用いる場合について説明する。

次に配線インダクタンスとサージ電圧の関係について説明する。図２は簡略化のため図１の三相インバータ回路のうちＵ相アーム１０３のスイッチング動作を示す回路図であり、三相交流モータ１０６をインダクタンス負荷１１３に置き換えた回路を示している。サージ電圧の発生原理は図１の三相インバータ回路と同じであり、図２を用いて説明する。なお、図２では、平滑コンデンサ１０２の正極側の配線インダクタンスを１０７で示し、負極側の配線インダクタンスを１０８で示している。

又スイッチング素子（第１半導体素子）１０３ａのドレイン側の配線インダクタンスを１０９で示し、スイッチング素子１０３ａのソース側（スイッチング素子１０３ｂのドレイン側）の配線インダクタンスを１１０で示し、スイッチング素子１０３ｂ（第２半導体素子）のソース側の配線インダクタンスを１１１で示し、スイッチング素子１０３ａとスイッチング素子１０３ｂの接続点Ｘと、負荷インダクタンス１１３の間の配線インダクタンスを１１２で示している。具体的には、配線インダクタンス１０９～１１２は半導体モジュール内のバスバーに起因した配線インダクタンスである。

スイッチング素子１０３ａがＯＮの状態からＯＦＦの状態になったときのオフサージ電圧ΔＶｓについて説明する。図２において、スイッチング素子１０３ａがＯＮのときは実線矢印で示す電流経路が形成され、スイッチング素子１０３ａがＯＦＦのときは一点鎖線矢印で示す電流経路が形成される。スイッチング素子１０３ａがＯＮからＯＦＦとなるときに電流経路が切り替わるので、配線に流れる電流はｄｉ／ｄｔの傾きで変化する。そして配線インダクタンス１０７の大きさをＬ_１０７、配線インダクタンス１０８の大きさをＬ_１０８、配線インダクタンス１０９の大きさをＬ_１０９、配線インダクタンス１１０の大きさをＬ_１１０、配線インダクタンス１１１の大きさをＬ_１１１とすると、オフサージ電圧ΔＶｓは次式（１）で示すことができる。
ΔＶｓ＝（Ｌ_１０７＋Ｌ_１０８＋Ｌ_１０９＋Ｌ_１１０＋Ｌ_１１１）×ｄｉ／ｄｔ・・・・（１）

（１）式に示すように、オフサージ電圧ΔＶｓは配線インダクタンスＬ_１０７、Ｌ_１０８、Ｌ_１０９、Ｌ_１１０、Ｌ_１１１の和に比例する。したがって、これらの配線インダクタンス成分を減少させることができれば、サージ電圧を低減することができる。

図３は実施の形態１による半導体モジュールを示す平面断面図、図４は図３におけるＡ－Ａ線断面図である。図３、図４において、半導体モジュールの高さ方向をＺ方向とし、Ｚ方向に対して垂直な方向をＸ方向、Ｙ方向とする。即ちＸ－Ｙ方向は半導体モジュールにおける平面方向となる。図３はＸ－Ｙ方向における平面図であり、図４はＸ－Ｚ方向における断面図である。図において、スイッチング素子１０３ａ、１０３ｂとＰバスバー２０１、Ｎバスバー２０２ａ、Ｎバスバー２０２ｂ、ＡＣバスバー２０３、負荷バスバー２０４が樹脂モールドされており、半導体モジュール（第１半導体モジュール）２００が構成されている。モールド樹脂２０８は、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂材料からなり、樹脂モールドされる各構成部品を成形型内に配置したのち、成形型内に樹脂を注入し、封止することで成形される。

図３、図４において、上アームのスイッチング素子１０３ａの正極側が接続されるバスバーをＰバスバー（第１バスバー）２０１とし、下アームのスイッチング素子１０３ｂの負極側が接続されるバスバーをＮバスバー（第２バスバー）２０２ａ、２０２ｂとし、上アームのスイッチング素子１０３ａの負極側と下アームのスイッチング素子１０３ｂの正極側が接続されるバスバーをＡＣバスバー（第３バスバー）２０３とする。モールド樹脂２０８の内部においては、Ｐバスバー２０１と放熱板２０５は接合部材２１３ａを介して接続され、放熱板２０５とスイッチング素子１０３ａのドレイン端子は接合部材２１３ｂを介して接続され、スイッチング素子１０３ａのソース端子とＡＣバスバー２０３は接合部材２１３ｃを介して接続され、ＡＣバスバー２０３と放熱板２０６は接合部材２１３ｄを介して接続され、放熱板２０６とスイッチング素子１０３ｂのドレイン端子は接合部材２１３ｅを介して接続され、スイッチング素子１０３ｂのソース端子とＮバスバー２０２は接合部材２１３ｆを介して接続され、放熱板２０６と負荷バスバー２０４は接合部材２１３ｇを介して接続される。放熱板２０５、２０６は銅などの金属導体で構成され、放熱板２０５はスイッチング素子１０３ａのドレイン端子と同電位であり、放熱板２０６はスイッチング素子１０３ｂのドレイン端子と同電位となる。接合部材２１３ａ～２１３ｇは半田などで構成される。放熱板２０５、２０６は絶縁シート２０７を介して、銅などで構成される金属プレート２１２に接続され、モジュール外部とは絶縁される。

ここで、Ｐバスバー２０１に起因する配線インダクタンスは、図２中の配線インダクタンス１０９に該当し、Ｎバスバー２０２に起因する配線インダクタンスは図２中の配線インダクタンス１１１に該当し、ＡＣバスバー２０３に起因する配線インダクタンスは図２中の配線インダクタンス１１０に該当し、負荷バスバー２０４に起因する配線インダクタンスは図２中の配線インダクタンス１１２に該当する。また、Ｐバスバー２０１と平滑コンデンサ１０２の正極側配線との接続端子を２０９とし、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂと平滑コンデンサ１０２の負極側配線との接続端子を２１０ａ、２１０ｂとし、負荷バスバー２０４と負荷配線との接続端子を２１１としている。なお、スイッチング素子１０３ａ、１０３ｂのゲート配線などの制御回路配線は図示を省略している。

図３において、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂはＰバスバー２０１およびＡＣバスバー２０３を挟み込むように配置している。詳細に説明すると、半導体モジュール２００において、Ｐバスバー２０１の正極側接続端子２０９と、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂの負極側接続端子２１０ａ、ｂが突出する方向（Ｘ方向）において、２つに枝分かれになるよう配置された（平面断面形状がコ字状）Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂの間に、Ｐバスバー２０１およびＡＣバスバー２０３を配置している。なお、Ｘ方向とそれに直交するＹ方向のＸＹ平面において、Ｐバスバー２０１、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂ、ＡＣバスバー２０３の面の少なくとも一部を、概ね同一平面に、かつ平行となるように配置している。即ち図４に示すように、例えばＡＣバスバー２０３の一部に段差部２０３Ａ、２０３Ｂが存在する場合でも、Ｐバスバー２０１、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂ、ＡＣバスバー２０３の面の他の部分は概ね同一平面かつ平行となっている。

次に図３に示す半導体モジュール２００の構成により、Ｐバスバー２０１、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂ、ＡＣバスバー２０３に起因した配線インダクタンス１０９、１１０、１１１が低減できる効果について説明する。サージ電圧が発生する際の電流経路を図３中の点線矢印で示す。Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂに挟み込むように配置されたＰバスバー２０１およびＡＣバスバー２０３には、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂとは逆向きに電流が流れる。つまり、Ｐバスバー２０１およびＡＣバスバー２０３の両隣に逆向きの電流が流れるＮバスバー２０２ａ、２０２ｂを配置することで、Ｐバスバー２０１およびＡＣバスバー２０３と、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂのそれぞれに発生する磁束を効果的にキャンセルできる。従ってＰバスバー２０１、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂ、ＡＣバスバー２０３に起因した配線インダクタンス１０９、１１０、１１１を低減することができる。なお、Ｐバスバー２０１、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂ、ＡＣバスバー２０３を同一平面（ＸＹ平面）に配置することにより、異なる平面で配置する場合よりも、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂとＰバスバー２０１との距離、及びＮバスバー２０２ａ、２０２ｂとＡＣバスバー２０３との距離を短くすることができ、磁束のキャンセル効果が高い。

図５は実施の形態１による別の半導体モジュールを示す平面断面図、図６は図５におけるＢ－Ｂ線断面図である。図３、図４においては、Ｎバスバー２０２ａ、２０２ｂがＰバスバー２０１およびＡＣバスバー２０３を挟み込むように配置する場合について説明したが、図５に示すように、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂがＮバスバー３０２およびＡＣバスバー３０３を挟み込むように配置する構成でも良い。
図において、スイッチング素子１０３ａ、１０３ｂとＰバスバー３０１ａ、３０１ｂ、Ｎバスバー３０２、ＡＣバスバー３０３は樹脂モールドされている。モールド樹脂３０８は、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂材料からなり、樹脂モールドされる各構成部品を成形型内に配置したのち、成形型内に樹脂を注入し、封止することで成形される。

モールド樹脂３０８の内部においては、Ｐバスバー３０１ａと放熱板３０６は接合部材３１３ａを介して接続され、Ｐバスバー３０１ｂと放熱板３０６は接合部材３１３ｂを介して接続され、放熱板３０６とスイッチング素子１０３ａのドレイン端子は接合部材３１３ｃを介して接続され、スイッチング素子１０３ａのソース端子とＡＣバスバー３０３は接合部材３１３ｄを介して接続され、ＡＣバスバー３０３と放熱板３０５は接合部材３１３ｅを介して接続され、放熱板３０５とスイッチング素子１０３ｂのドレイン端子は接合部材３１３ｆを介して接続され、スイッチング素子１０３ｂのソース端子とＮバスバー３０２は接合部材３１３ｇを介して接続され、スイッチング素子１０３ａのソース端子と負荷バスバー３０４が接合部材３１３ｄを介して接続される。
放熱板３０５、３０６は銅などの金属導体で構成し、放熱板３０６はスイッチング素子１０３ａのドレイン端子と同電位となるとともに、放熱板３０５はスイッチング素子１０３ｂのドレイン端子と同電位となる。放熱板３０５、３０６は絶縁シート３０７を介して、銅などで構成される金属プレート３１２に接続され、モジュール外部とは絶縁される。

ここで、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂに起因する配線インダクタンスは図２中の配線インダクタンス１０９に該当し、Ｎバスバー３０２に起因する配線インダクタンスは図２中の配線インダクタンス１１１に該当し、ＡＣバスバー３０３に起因する配線インダクタンスは図２中の配線インダクタンス１１０に該当し、負荷バスバー３０４に起因する配線インダクタンスは図２中の配線インダクタンス１１２に該当する。
また、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂと平滑コンデンサ１０２の正極側配線との接続端子を３０９ａ、３０９ｂとし、Ｎバスバー３０２と平滑コンデンサ１０２の負極側配線との接続端子を３１０とし、負荷バスバー３０４と負荷配線との接続端子を３１１としている。なお、スイッチング素子１０３ａ、１０３ｂのゲート配線などの制御回路配線は図示を省略している。

図５、図６において、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂはＮバスバー３０２およびＡＣバスバー３０３を挟み込むように配置されている。詳細に説明すると、半導体モジュール（第２半導体モジュール）３００において、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂの端子３０９ａ、３０９ｂ及びＮバスバー３０２の端子３１０が突出する方向（Ｘ方向）において、２本のＰバスバー３０１ａ、３０１ｂの間にＮバスバー３０２およびＡＣバスバー３０３を配置している。なお、Ｘ方向とそれに直交する方向（Ｙ方向）のＸＹ平面において、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂ、Ｎバスバー３０２、ＡＣバスバー３０３の面の少なくとも一部は、概ね同一平面に、かつ平行となるように配置されている。

次に図５、図６に示す半導体モジュール３００の構成において、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂ、Ｎバスバー３０２、ＡＣバスバー３０３に起因した配線インダクタンスを低減する効果について説明する。サージ電圧が発生する際の電流経路を図５中の点線矢印で示す。２本のＰバスバー３０１ａ、３０１ｂに挟み込むように配置されたＮバスバー３０２およびＡＣバスバー３０３は、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂと逆向きに電流が流れる。つまり、Ｎバスバー３０２およびＡＣバスバー３０３の両隣に逆向きの電流が流れる２本のＰバスバー３０１ａ、３０１ｂを配置することで、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂと、ＡＣバスバー３０３およびＮバスバー３０２の間において、それぞれに発生する磁束を効果的にキャンセルできる。従ってＰバスバー３０１ａ、３０１ｂ、Ｎバスバー３０２、ＡＣバスバー３０３に起因した配線インダクタンス１０９、１１０、１１１を低減することができる。なお、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂ、Ｎバスバー３０２、ＡＣバスバー３０３を同一平面（ＸＹ平面）内に配置することにより、異なる平面で配置するよりも、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂと、Ｎバスバー３０２及びＡＣバスバー３０３の距離を小さくすることができ、磁束のキャンセル効果が高い。

また、図３～図６に示すように、上アーム、下アームのスイッチング素子が２ｉｎ１構造の半導体モジュールであれば、上アームと下アームを別のモジュールで構成するよりも、上アームと下アームを接続するためのバスバーの長さを小さく構成することができ、バスバーに起因した配線インダクタンスをより低減できる。即ち、図３～図６においては、第１半導体素子と第２半導体素子は同一のモジュールにパッケージされている。

また、図３～図６に示すように、平滑コンデンサ１０２の正極側配線と半導体モジュール２００、３００のＰバスバーとの接続端子（第１端子部）２０９、３０９、及び平滑コンデンサ１０２の負極側配線と半導体モジュール２００、３００のＮバスバーとの接続端子（第２端子部）２１０、３１０を同一方向に配置することにより、平滑コンデンサ１０２の配線インダクタンスを低減することかできる。
図７は図３に示された半導体モジュール２００の構成に平滑コンデンサ１０２を接続した状態を示す平面断面図、図８は図７におけるＣ－Ｃ線断面図である。平滑コンデンサ１０２の正極側バスバー２１４は、正極側接続端子２０９において、半導体モジュール２００のＰバスバー２０１と接続される。又平滑コンデンサ１０２の負極側バスバー２１５ａ、２１５ｂは負極側接続端子２１０ａ、２１０ｂにおいて、半導体モジュール２００のＮバスバー２０２ａ、２０２ｂと接続される。なお、バスバー同士の接続はＴＩＧ（ＴＵＮＧＳＴＥＮＩＮＥＲＴＧＡＳ）溶接などのアーク溶接が用いられる。ここで、平滑コンデンサ１０２の正極側バスバー２１４に起因する配線インダクタンスは、図２における配線インダクタンス１０７に該当し、平滑コンデンサ１０２の負極側バスバー２１５ａ、２１５ｂに起因する配線インダクタンスは、図２における配線インダクタンス１０８に該当する。

図７に示すように、同一方向に配置した正極側接続端子２０９と負極側接続端子２１０ａ、２１０ｂに対して隣り合う位置に平滑コンデンサ１０２を配置することにより、平滑コンデンサ１０２の正極側バスバー２１４と、負極側バスバー２１５ａ、２１５ｂを短く構成できる。従って正極側バスバー２１４と負極側バスバー２１５ａ、２１５ｂに起因した配線インダクタンス１０７、１０８を低減することができる。

本実施の形態によれば、スイッチング素子を有する半導体モジュールにおいて、２本のＰバスバーがＮバスバーおよびＡＣバスバーを挟み込むように配置し、あるいは２本のＮバスバーがＰバスバーおよびＡＣバスバーを挟み込むように配置するので、逆相の電流が流れるバスバー同士に発生する磁束がキャンセルできる。これにより、Ｐバスバー、Ｎバスバーだけでなく、ＡＣバスバーの発生磁束もキャンセルでき、半導体モジュール全体の配線インダクタンスを低減できる。さらには、２本のバスバーの間に逆方向に流れるバスバーを挟み込むように配置するので、隣り合うバスバー同士の間で磁束をキャンセルすることができる。従って特許文献１の電力変換器のように、一対のバスバーで構成するよりも、より磁束キャンセル効果が高く、配線インダクタンスが小さい半導体モジュールが提供できる。したがって、配線インダクタンスに起因したサージ電圧を低減でき、スイッチング素子のスイッチング損失および発熱を抑制できるため、放熱部材などの付属部品を削減できる。更には装置全体を小型化できるので、装置の小型化、及び低コスト化を実現できる。

図９は別の形態による半導体モジュールを示す平面断面図である。半導体モジュールを並列に複数使用する場合は、半導体モジュール（第１半導体モジュール）２００と半導体モジュール（第２半導体モジュール）３００を隣り合わせて配置すれば、よりバスバーに起因した配線インダクタンスを低減できる。図９にはこのような構成を実現するための配置例を示している。サージ電圧が発生する際の電流経路を図９において点線矢印で示す。半導体モジュール２００と半導体モジュール３００を隣り合わせて配置すれば、隣り合うバスバーにはそれぞれ逆向きに電流が流れるため、それぞれに発生する磁束を効果的にキャンセルすることができる。従ってＰバスバー２０１、Ｎバスバー２０２、ＡＣバスバー２０３、Ｐバスバー３０１ａ、３０１ｂ、Ｎバスバー３０２、ＡＣバスバー３０３に起因した配線インダクタンス１０９、１１０、１１１を低減することができる。なお、図９においては、２つの半導体モジュールを並列に配置する場合について説明したが、並列の数に合わせて半導体モジュール（第１半導体モジュール）２００と半導体モジュール（第２半導体モジュール）３００を交互に配置することにより同様の効果が得られる。

実施の形態２．
次に図１０、図１１、図１２を用いて、バスバーの幅、バスバー同士の間隔と、インダクタンスの低減率について説明する。図１０は、半導体モジュール２００及び半導体モジュール３００のバスバーの形状を示す簡略平面図であり、バスバー４０２ａ、４０２ｂがバスバー４０１を挟み込むように配置している。バスバー４０１、４０２ａ、４０２ｂの自己インダクタンスをそれぞれＬ_４０１、Ｌ_４０２ａ、Ｌ_４０２ｂとし、Ｌ_４０１とＬ_４０２ａの結合係数をＫ_ａ、Ｌ_４０１とＬ_４０２ｂの結合係数をＫ_ｂとした時、Ｌ_４０１とＬ_４０２ａの相互インダクタンスＭ_ａ、及びＬ_４０１とＬ_４０２ｂの相互インダクタンスＭ_ｂは次式（２）で示すことができる。

（２）式よりそれぞれのインダクタンスの結合係数Ｋ_ａ、Ｋ_ｂが大きいほど、相互インダクタンスＭ_ａ、Ｍ_ｂは大きくなることが判る。バスバー４０２ａ、４０２ｂとバスバー４０１に逆向きに電流を流すと、隣り合うバスバー同士で発生する磁束はキャンセルされ、バスバー４０１の合成インダクタンスＬ_４０１Ｍは次式（３）で示すことができる。

（３）式より、相互インダクタンスＭ_ａ、Ｍ_ｂが大きいほど、バスバー４０１の合成インダクタンスＬ_４０１Ｍを小さくすることができる。バスバー４０１、４０２ａ、４０２ｂの幅をａ［ｍｍ］、隣り合うバスバー同士の間隔ｂ［ｍｍ］とし、バスバー４０２ａ、４０２ｂと、バスバー４０１に逆向きに電流を流し、バスバーの幅ａ［ｍｍ］を固定値として、バスバー同士の間隔ｂ［ｍｍ］を変数とした際の、自己インダクタンスＬ_４０１と合成インダクタンスＬ_４０１Ｍの比率の関係を、解析で計算した結果を図１１に示す。具体的には図１１の横軸はバスバー同士の間隔ｂ［ｍｍ］／バスバーの幅ａ［ｍｍ］の比率を示し、縦軸は合成インダクタンスＬ_４０１Ｍ／自己インダクタンスＬ_４０１の比率を示す。（２）式、（３）式と、この結果より、バスバー同士の間隔ｂ［ｍｍ］が小さいほど、インダクタンスの結合係数Ｋ_ａ、Ｋ_ｂが大きくなるので、合成インダクタンスＬ_４０１Ｍは低減する。

バスバー同士の間隔ｂ［ｍｍ］／バスバーの幅ａ［ｍｍ］の比率を１以下になるように設定しておけば、自己インダクタンスＬ_４０１に対して、３０％以下に合成インダクタンスＬ_４０１Ｍを抑制できる。つまり、バスバーの幅ａ［ｍｍ］≧バスバー同士の間隔ｂ［ｍｍ］となるよう設定すれば、十分にインダクタンスの抑制効果が得られる。
図３等においては、図示を省略しているが、実際には、図１２に示すように、スイッチング素子１０３ａ、１０３ｂを駆動するために、ゲート配線及びソース配線である制御端子２１４ａ、２１４ｂが必要となる。図１２に示した配置例においては、制御端子２１４ａ、２１４ｂが配置されている箇所を除き、バスバーの幅ａ［ｍｍ］≧バスバー同士の間隔ｂ［ｍｍ］となるように、Ｐバスバー２０１、Ｎバスバー２０２、ＡＣバスバー２０３を配置することにより、インダクタンスを抑制することができる。以上より第１バスバー、第２バスバー及び第３バスバーのいずれかの幅をａ［ｍｍ］、これらバスバー同士の間隔をｂ［ｍｍ］としたとき、第１バスバー、第２バスバー及び第３バスバーのうちの少なくとも一部の関係において、ｂ≦ａを満たすようにａ、ｂを設定するものである。

図１３は実施の形態２による他の半導体モジュールを示す平面断面図、図１４は等価回路図である。図１３、図１４においては、図３に示した半導体モジュール２００のスイッチング素子をそれぞれ並列に配置した場合の半導体モジュール５００の構成を示す。スイッチング素子５０１ａ、５０１ｂは上アームを構成し、スイッチング素子５０２ａ、５０２ｂは下アームを構成する。図３に示した半導体モジュール２００と同様に、Ｎバスバー５０４は、Ｐバスバー５０３およびＡＣバスバー５０５を挟み込むように配置している。より詳細に説明すると、半導体モジュール５００において、Ｐバスバー５０３とＮバスバー５０４の端子５１２、５１３ａ、５１３ｂが突出する方向（Ｘ方向）において、２つに枝分かれするように配置されたＮバスバー５０４の間に、Ｐバスバー５０３およびＡＣバスバー５０５を配置している。

図１４において、スイッチング素子５０１ａのドレイン側の配線インダクタンスを５０６ａとし、スイッチング素子５０１ｂのドレイン側の配線インダクタンスを５０６ｂとし、スイッチング素子５０１ａのソース側の配線インダクタンスを５０７ａとし、スイッチング素子５０１ｂのソース側の配線インダクタンスを５０７ｂとし、スイッチング素子５０２ａのドレイン側の配線インダクタンスを５０８ａとし、スイッチング素子５０２ｂのドレイン側の配線インダクタンスを５０８ｂとし、スイッチング素子５０２ａのソース側の配線インダクタンスを５０９ａとし、スイッチング素子５０２ｂのソース側の配線インダクタンスを５０９ｂとしている。

ここで、複数のスイッチング素子を並列で使用する際に、それぞれの配線インダクタンスに差が生じると、スイッチング素子間の分流の偏りが大きくなり、電流が多く流れる方の発熱が大きくなる。つまり、配線インダクタンス５０６ａと５０６ｂ、配線インダクタンス５０７ａと５０７ｂ、配線インダクタンス５０８ａと５０８ｂ、配線インダクタンス５０９ａと５０９ｂがそれぞれ等しいこと好ましい。図１３に示すように、Ｐバスバー５０３の分岐点５１０、ＡＣバスバー５０５の分岐点５１１ａ、５１１ｂを、並列に配置されたスイッチング素子に対して等距離の位置に配置する。更にはＮバスバー５０４をモジュールの中心線に対して対称に配置する。このように構成することにより、配線をモジュールの中心線に対して対称に配置し、モジュールの中心線に対してその両側において配線の長さを等しくすることができる。従って配線インダクタンス５０６ａと５０６ｂ、配線インダクタンス５０７ａと５０７ｂ、配線インダクタンス５０８ａと５０８ｂ、配線インダクタンス５０９ａと５０９ｂを等しくすることができる。

上記実施の形態においては、スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴとして説明したが、高周波駆動が可能で、スイッチング速度（ｄｖ／ｄｔ、ｄｉ／ｄｔ）が速く、損失を小さくできるＳｉＣ又はＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体を用いて構成しても良い。スイッチング速度（ｄｉ／ｄｔ）が速いと、サージ電圧も大きくなる。すなわち、ワイドギャップ半導体を用いて、本実施の形態を構成すれば、サージ電圧及びスイッチング素子の発熱を抑制でき、電力変換器の小型化及び高効率化を更に実現できる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０１直流電源、１０２平滑コンデンサ、１０３Ｕ相アーム、
１０３ａスイッチング素子、１０３ｂスイッチング素子、１０４Ｖ相アーム、
１０４ａスイッチング素子、１０４ｂスイッチング素子、１０５Ｗ相アーム、
１０５ａスイッチング素子、１０５ｂスイッチング素子、１０６三相交流モータ、
２００半導体モジュール、２０１Ｐバスバー、２０２Ｎバスバー、
２０３ＡＣバスバー、２０４負荷バスバー、２０５放熱板、２０６放熱板、
２０７絶縁シート、２０８モールド樹脂、２１２金属プレート、
３００半導体モジュール、３０１ａ，３０１ｂＰバスバー、３０２Ｎバスバー、
３０３ＡＣバスバー、３０４負荷バスバー、３０５放熱板、３０６放熱板、
３０７絶縁シート、３０８モールド樹脂、３１２金属プレート。

Claims

直列接続された第１半導体素子と第２半導体素子から成るスイッチング回路を有し、
前記第１半導体素子の正極側に接続される第１バスバーと、
前記第２半導体素子の負極側に接続される第２バスバーと、
前記第１半導体素子の負極側と前記第２半導体素子の正極側に接続される第３バスバーを設け、
前記第１バスバーと前記第２バスバーと前記第３バスバーは同一方向に延びるとともに、
前記第１バスバーと前記第２バスバーのうちのいずれか一方のバスバーは、前記第３バスバー、及び前記第１バスバーと前記第２バスバーのうちの他方のバスバーを挟み込むように配置されている半導体モジュール。
前記第２バスバーは２つに枝分かれになるよう配置され、
２つに枝分かれになるよう配置された前記第２バスバーの間に前記第１バスバー及び前記第３バスバーを配置した請求項１に記載の半導体モジュール。
前記第１バスバーは２本のバスバーにより構成され、
２本の前記第１バスバーの間に前記第２バスバー及び前記第３バスバーを配置した請求項１に記載の半導体モジュール。
前記第２バスバーは２つに枝分かれになるよう配置され、２つに枝分かれになるよう配置された前記第２バスバーの間に前記第１バスバー及び前記第３バスバーを配置した第１半導体モジュールと、
前記第１バスバーは２本のバスバーにより構成され、２本の前記第１バスバーの間に前記第２バスバー及び前記第３バスバーを配置した第２半導体モジュールを構成し、
前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールを交互に配置した請求項１に記載の半導体モジュール。
前記第１バスバーと前記第２バスバーと前記第３バスバーの少なくとも一部は、概ね同一平面上に配置される請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
前記第１半導体素子と前記第２半導体素子は同一のモジュールにパッケージされる請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
前記第１バスバー、前記第２バスバー及び前記第３バスバーのいずれかの幅をａ、これらバスバー同士の間隔をｂとしたとき、前記第１バスバー、前記第２バスバー及び前記第３バスバーのうちの少なくとも一部の関係において、ｂ≦ａを満たすようにａ、ｂを設定する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
前記第１半導体素子と前記第２半導体素子はワイドバンドギャップ半導体である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体モジュール。
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の半導体モジュールを用いた電力変換器であって、
前記半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサを有し、
前記第１バスバーは前記平滑コンデンサの正極側配線と接続するための第１端子部を有し、
前記第２バスバーは前記平滑コンデンサの負極側配線と接続するための第２端子部を有し、
前記第１端子部と前記第２端子部は同一方向に突出している電力変換器。