JPWO2013179374A1 - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

格子状の仕切り部（１）が複数の収納部（２）を構成する。半導体ブロック（４）や端子台ブロック（５）などの複数の回路ブロックは、それぞれ収納部（２）に収納された状態で互いに電気的に接続されてパワー半導体回路を構成する。半導体ブロック（４）は、ＩＧＢＴ（７）を絶縁体（８）で覆ってブロック化したものである。ＩＧＢＴ（７）のコレクタは金属板（１１）を介して電極（１２）に接続されている。電極（１２）は絶縁体（８）内部から絶縁体（８）の側面に引き出されている。端子台ブロック（５）は、ＩＧＢＴ（７）に電力を供給する外部の電力配線が電気的に接続される電力端子（１５）と、電力配線を固定するためのネジが挿入されるネジ穴（１６）とを有する。

Description

本発明は、複雑なパワー半導体回路を容易に構成することができる半導体装置に関する。
パワーＩＧＢＴの一般的な駆動回路は、２ｉｎ１構造などＩＧＢＴとＦＷＤを上アーム側と下アーム側に搭載したブリッジ構造である。しかし、希土類磁石等を使用しないＳＲモータの駆動回路等、一般的なハーフブリッジ回路を適用できない駆動回路も実用化されつつある（例えば、特許文献１参照）。また、電気的な回路が付設されたブロック部材を、基格子状に配設された区画部材の間に配置して半導体回路を構成する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平１１−１９１９９５号公報 特開２００５−２６００１８号公報
特許文献１のような一般的ではない複雑なパワー半導体回路を複数の半導体モジュールを組み合わせて構成する場合に、半導体モジュール間の接続が複雑になる。また、特許文献２の技術では、乾電池などの低圧の電源を内蔵することを前提としており、外部の高電圧の電源との接続が考慮されていないため、パワー半導体回路に適用することはできなかった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は複雑なパワー半導体回路を容易に構成することができる半導体装置を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、複数の収納部を構成する格子状の仕切り部と、前記複数の収納部に収納された状態で互いに電気的に接続されてパワー半導体回路を構成する複数の回路ブロックとを備え、前記複数の回路ブロックは、半導体素子と、前記半導体素子を覆う絶縁体と、前記半導体素子に接続され前記絶縁体から引き出された電極とを有する半導体ブロックと、前記半導体素子に電力を供給する外部の電力配線が電気的に接続される電力端子と、前記電力配線を固定するためのネジが挿入されるネジ穴とを有する端子台ブロックとを少なくとも含むことを特徴とする。
本発明により、複雑なパワー半導体回路を容易に構成することができる。
本発明の実施の形態に係るパワー半導体回路を示す回路図である。 本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。 図２のＩ−ＩＩに沿った断面図である。 図３の装置を組み立てる様子を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。 図７の装置を組み立てる様子を示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態に係るパワー半導体回路を示す回路図である。この回路は、ＳＲモータ用の駆動回路である。駆動回路においてトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６がそれぞれダイオードＤ１〜Ｄ６と直列に接続され、これらは高電圧の電源に接続される。
図２は、本発明の実施の形態１に係る半導体装置を示す断面図である。この装置は図１の破線で囲った回路を構成したものである。図３は、図２のＩ−ＩＩに沿った断面図である。図４は、図３の装置を組み立てる様子を示す断面図である。
格子状の仕切り部１が複数の収納部２を構成する。冷却器３が仕切り部１の下に配置されている。半導体ブロック４、端子台ブロック５、及びバスバーブロック６などの回路ブロックは、それぞれ収納部２に収納された状態で互いに電気的に接続されてパワー半導体回路を構成する。回路ブロックの外形は、収納部２の格子サイズに一致する正方形となっている。
半導体ブロック４は、ＩＧＢＴ７（Insulated Gate Bipolar Transistor）を絶縁体８で覆ってブロック化したものである。ＩＧＢＴ７は、冷却体９上に絶縁シート１０及び金属板１１を介して実装されている。ＩＧＢＴ７のコレクタは金属板１１を介して電極１２に接続され、ＩＧＢＴ７のエミッタは電極１３に接続されている。電極１２，１３は絶縁体８内部から絶縁体８の側面に引き出されている。
端子台ブロック５は、絶縁ブロック１４上に電力端子１５を設けたものである。この電力端子１５には、ＩＧＢＴ７に電力を供給する外部の電力配線が電気的に接続される。また、絶縁ブロック１４には、電力配線を固定するためのネジが挿入されるネジ穴１６が設けられている。
バスバーブロック６は、導体であるバスバー１７を絶縁体１８で覆ってブロック化し、バスバー１７の両端を絶縁体１８の側面に引き出したものである。ここでは図示を省略するが、回路ブロックとして、ダイオードを絶縁体で覆ってブロック化したものや、容量を絶縁体で覆ってブロック化したものや、インダクタを絶縁体で覆ってブロック化したものも用いられる。
壁面電極１９が複数の収納部２の壁面にそれぞれ設けられている。隣接する収納部２間で壁面電極１９は、仕切り部１を貫通する貫通電極２０を介して互いに電気的に接続されている。半導体ブロック４が収納部２に収納された状態で半導体ブロック４の電極１２が壁面電極１９に接触して電気的に接続される。端子台ブロック５が収納部２に収納された状態で端子台ブロック５の電力端子１５が壁面電極１９に接触して電気的に接続される。これにより端子台ブロック５の電力端子１５が半導体ブロック４のＩＧＢＴ７のコレクタに電気的に接続される。
このように様々な回路ブロックを組み合わせて収納部２に収納させて電気的に接続させることで、複雑な回路でも容易に構成することができる。また、端子台ブロック５により外部の高電圧の電源との電気的な接続を取ることができるため、パワー半導体回路にも適用することができる。よって、本実施の形態により、複雑なパワー半導体回路を容易に構成することができる。
なお、半導体ブロック４の上面にコネクターを設けてＩＧＢＴ７を制御する制御回路と通信ケーブルにより接続する。これにより、複数の半導体ブロック４に必要分の制御回路を任意の状態で接続することができる。また、半導体ブロック４に受光部を設けて制御回路と光通信により接続してもよい。これにより低電圧側と高電圧側を容易に絶縁分離できる。
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る半導体装置を示す断面図である。冷却器３は、水などの冷媒が通る冷媒路２１を有する。半導体ブロック４のＩＧＢＴ７に熱的に接続された冷却体９（フィン）が絶縁体８の下面から突出している。半導体ブロック４が収納部２に収納された状態で半導体ブロック４の冷却体９が冷媒路２１に接続されて冷却系を構成する。この構成により半導体ブロック４のＩＧＢＴ７を効率的に冷却することができる。
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。半導体ブロック４の高さを他の回路ブロックの高さより低くし、ＩＧＢＴ７を制御する制御基板２２を半導体ブロック４上に配置している。押さえ板２３が、ばねやゴム等の干渉材２４を介して制御基板２２を半導体ブロック４に押さえ付ける。押さえ板２３はネジ２５により仕切り部１に固定される。
半導体ブロック４の絶縁体８の上面に、ＩＧＢＴ７のゲートに電気的に接続された制御電極２６が配置されている。この制御電極２６と相対するように制御基板２２の裏面に出力電極２７が設けられている。
押さえ板２３により押さえ付けられた制御基板２２の出力電極２７が制御基板２２の制御電極２６に接触して電気的に接続される。また、半導体ブロック４と冷却器３との熱的な接続も確保することができる。よって、電気的な接続と熱的な接続を一体で確保することができるため、組み立てが容易となる。
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る半導体装置を示す断面図である。図８は、図７の装置を組み立てる様子を示す断面図である。半導体ブロック２８と半導体ブロック２９がバスバーブロック３０により互いに電気的に接続されてパワー半導体回路を構成する。
バスバーブロック３０は、バスバー３１を絶縁体３２で覆ってブロック化したものであり、２つのピン３３，３４がバスバー３１の両端にそれぞれ電気的に接続され絶縁体３２から下に突出している。
半導体ブロック２８は、ＩＧＢＴ７を絶縁体３５で覆ってブロック化したものである。絶縁体３５の上面に挿入口を持つ挿入電極３６，３７がＩＧＢＴ７のエミッタ及びコレクタにそれぞれ電気的に接続されている。
半導体ブロック２９は、ダイオード３８を絶縁体３９で覆ってブロック化したものである。絶縁体３９の上面に挿入口を持つ挿入電極４０，４１がダイオード３８のカソード及びアノードにそれぞれ電気的に接続されている。
バスバーブロック６のピン３３は半導体ブロック２８の挿入電極３６に挿入されて電気的に接続され、ピン３４は半導体ブロック２９の挿入電極４０に挿入されて電気的に接続される。これにより半導体ブロック２８のＩＧＢＴ７のエミッタと半導体ブロック２９のダイオード３８のカソードが電気的に接続される。
このように様々な半導体ブロックを組み合わせてバスバーブロック６で電気的に接続させることで、実施の形態１のような収納部が無くても複雑なパワー半導体回路を容易に構成することができる。また、配線方向が異なるバスバーブロック６を組み合わせることにより、容易に接続位置を変更することができる。
１ 仕切り部、２ 収納部、３ 冷却器、４ 半導体ブロック（回路ブロック）、５ 端子台ブロック（回路ブロック）、７ ＩＧＢＴ（半導体素子）、８ 絶縁体、９ 冷却体、１２ 電極、１５ 電力端子、１６ ネジ穴、１９ 壁面電極、２１ 冷媒路、２２ 制御基板、２３ 押さえ板、２６ 制御電極、２７ 出力電極、２８，２９ 半導体ブロック、３０ バスバーブロック、３１ バスバー、３２ 絶縁体（第１の絶縁体）、３３，３４ ピン、３５，３９ 絶縁体（第２の絶縁体）、３６，３７，４０，４１ 挿入電極、３８ ダイオード（半導体素子）
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る半導体装置を示す断面図である。半導体ブロック４の高さを他の回路ブロックの高さより低くし、ＩＧＢＴ７を制御する制御基板２２を半導体ブロック４上に配置している。押さえ板２３が、ばねやゴム等の緩衝材２４を介して制御基板２２を半導体ブロック４に押さえ付ける。押さえ板２３はネジ２５により仕切り部１に固定される。
バスバーブロック３０のピン３３は半導体ブロック２８の挿入電極３６に挿入されて電気的に接続され、ピン３４は半導体ブロック２９の挿入電極４０に挿入されて電気的に接続される。これにより半導体ブロック２８のＩＧＢＴ７のエミッタと半導体ブロック２９のダイオード３８のカソードが電気的に接続される。
このように様々な半導体ブロックを組み合わせてバスバーブロック３０で電気的に接続させることで、実施の形態１のような収納部が無くても複雑なパワー半導体回路を容易に構成することができる。また、配線方向が異なるバスバーブロック３０を組み合わせることにより、容易に接続位置を変更することができる。

Claims (5)

  1. 複数の収納部を構成する格子状の仕切り部と、
    前記複数の収納部に収納された状態で互いに電気的に接続されてパワー半導体回路を構成する複数の回路ブロックとを備え、
    前記複数の回路ブロックは、
    半導体素子と、前記半導体素子を覆う絶縁体と、前記半導体素子に接続され前記絶縁体から引き出された電極とを有する半導体ブロックと、
    前記半導体素子に電力を供給する外部の電力配線が電気的に接続される電力端子と、前記電力配線を固定するためのネジが挿入されるネジ穴とを有する端子台ブロックとを少なくとも含むことを特徴とする半導体装置。
  2. 前記複数の収納部の壁面にそれぞれ設けられ、隣接する前記収納部間で互いに電気的に接続された壁面電極を更に備え、
    前記半導体ブロックが前記収納部に収納された状態で前記半導体ブロックの前記電極が前記壁面電極に接触して電気的に接続され、
    前記端子台ブロックが前記収納部に収納された状態で前記端子台ブロックの前記電力端子が前記壁面電極に接触して電気的に接続されることを特徴する請求項１の半導体装置。
  3. 前記仕切り部の下に配置され、冷媒が通る冷媒路を有する冷却器を更に備え、
    前記半導体ブロックは、前記半導体素子に熱的に接続され前記絶縁体の下面から突出した冷却体を更に有し、
    前記半導体ブロックが前記収納部に収納された状態で前記半導体ブロックの前記冷却体が前記冷媒路に接続されて冷却系を構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
  4. 前記半導体ブロック上に配置され、前記半導体素子を制御する制御基板と、
    前記制御基板を前記半導体ブロックに押さえ付ける押さえ板とを更に備え、
    前記半導体ブロックは、前記絶縁体の上面に配置され、前記半導体素子の制御端子に電気的に接続された制御電極を更に有し、
    前記押さえ板により押さえ付けられた前記制御基板の出力電極が前記制御基板の前記制御電極に接触して電気的に接続されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
  5. バスバーと、前記バスバーを覆う第１の絶縁体と、前記バスバーの両端にそれぞれ電気的に接続され前記第１の絶縁体から下に突出した２つのピンとを有する複数のバスバーブロックと、
    前記複数のバスバーブロックにより互いに電気的に接続されてパワー半導体回路を構成する複数の半導体ブロックとを備え、
    各半導体ブロックは、
    半導体素子と、
    前記半導体素子を覆う第２の絶縁体と、
    前記第２の絶縁体の上面に挿入口を持ち、前記半導体素子に電気的に接続された挿入電極とを有し、
    前記バスバーブロックの前記ピンは、前記半導体ブロックの前記挿入電極に挿入されて電気的に接続されることを特徴とする半導体装置。
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