WO2014155486A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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conductive member
control switch
horizontal
power conversion
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友和 本田
佐々木　亮
小熊　清典
山口　芳文
祐 氏田
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株式会社安川電機
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Definitions

  • This invention relates to a power converter.
  • a power conversion device including a horizontal switch element is known.
  • Such a power converter is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-067051.
  • a GaN field effect transistor (lateral switching element) disposed on the surface of the substrate and a surface of the substrate on which the GaN field effect transistor is disposed are connected to the GaN field effect transistor.
  • a power conversion device including an N-channel MOS transistor (control switch element) that controls driving of a GaN field effect transistor is disclosed.
  • the GaN field effect transistor (lateral switch element) and the N-channel MOS transistor (control switch element) are arranged on the same substrate surface. Therefore, the heat generated from the GaN field effect transistor having a relatively high heat resistance is transferred to the N channel MOS transistor having a relatively low heat resistance, resulting in a decrease in the electrical characteristics of the N channel MOS transistor. As a result, there exists a problem that the power conversion function of a power converter device falls.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and one object of the present invention is to suppress a decrease in power conversion function in a power conversion device including a lateral switch element. It is to provide a possible power conversion device.
  • a power conversion device includes a horizontal switch element disposed on a first conductive member, and an insulating member disposed on the first conductive member and connected to the horizontal switch element. And a control switch element for controlling driving.
  • the control switch element that controls the driving of the horizontal switch element is disposed on the first conductive member on which the horizontal switch element is disposed via the insulating member, whereby the insulating member is Therefore, heat generated from the horizontal switch element can be prevented from being transmitted to the control switch element, so that the electrical characteristics of the control switch element can be prevented from deteriorating. As a result, it can suppress that the power conversion function of a power converter device falls.
  • the horizontal switch element and the control switch element can be reliably insulated by the insulating member, the distance between the horizontal switch element and the control switch element in plan view can be reduced. As a result, the length of the wiring for connecting the horizontal switch element and the control switch element can be reduced to reduce the impedance, and the area of the power conversion device in plan view can be reduced.
  • the power conversion device it is possible to suppress a decrease in the function of the power conversion device.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line 200-200 in FIG. It is a top view of the 1st substrate of the power module by one embodiment. It is a top view of the 2nd substrate of the power module by one embodiment.
  • the configuration of the three-phase inverter device 100 including the power modules 101a, 101b, and 101c according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • the power modules 101a to 101c and the three-phase inverter device 100 are examples of the “power conversion device”.
  • the three-phase inverter device 100 is configured by electrically connecting three power modules 101a, 101b, and 101c that respectively perform U-phase, V-phase, and W-phase power conversion. Has been.
  • Each of the power modules 101a, 101b, and 101c converts DC power input from a DC power source (not shown) through input terminals P and N into AC power of three phases (U phase, V phase, and W phase). Is configured to do.
  • the power modules 101a, 101b, and 101c are configured to output the U-phase, V-phase, and W-phase AC power converted as described above to the outside via the output terminals U, V, and W, respectively. ing.
  • the output terminals U, V, and W are connected to a motor (not shown).
  • the power module 101a includes two horizontal switch elements 11a and 12a, two control switch elements 13a and 14a connected to each of the two horizontal switch elements, two capacitors 15a and 16a, a snubber Capacitor 17a and terminals 18a, 19a, 20a and 21a are included.
  • the lateral switch elements 11a and 12a are both normally-on switch elements (when the voltage applied to the gate electrodes G1a and G2a is 0 V, between the drain electrode D1a and the source electrode S1a, and the drain electrode D2a and the source electrode S2a, a switching element configured to allow a current to flow).
  • the control switch elements 13a and 14a are both normally-off type switch elements (when the voltage applied to the gate electrodes G3a and G4a is 0 V, between the drain electrode D3a and the source electrode S3a, and the drain electrode D4a and the source electrode S4a is a switching element configured so that no current flows between them.
  • the control switch elements 13a and 14a are cascode-connected to the horizontal switch elements 11a and 12a, respectively.
  • the gate electrode G1a (G2a) of the horizontal switch element 11a (12a) is connected to the source electrode S3a (S4a) of the control switch element 13a (14a).
  • the control switch element 13a (14a) controls the drive (switching) of the horizontal switch element 11a (12a) by performing switching based on the control signal input to the gate electrode G3a (G4a). It is configured as follows.
  • the switch circuit including the normally-on lateral switch element 11a (12a) and the normally-off control switch element 13a (14a) is configured to be controlled as a normally-off type as a whole.
  • the power module 101b also includes two normally-on lateral switch elements 11b and 12b and two normally-off control elements that are cascode-connected to each of the two lateral switch elements.
  • the normally-on horizontal switch element 11b (12b) and the normally-off control switch element 13b (14b) constitute a normally-off switch circuit.
  • the control switch element 13b (14b) is configured to control the switching of the horizontal switch element 11b (12b) by performing switching based on a control signal input to the gate electrode G3b (G4b). ing.
  • the power module 101c includes two normally-on type horizontal switching elements 11c and 12c and two normally-off type cascode-connected to each of the two horizontal switching elements.
  • the normally-on lateral switch element 11c (12c) and the normally-off control switch element 13c (14c) constitute a normally-off switch circuit.
  • the control switch element 13c (14c) is configured to control the switching of the horizontal switch element 11c (12c) by performing switching based on a control signal input to the gate electrode G3c (G4c). ing.
  • the power module 101a includes a first substrate 1, two second substrates 2 and 3, two lateral switch elements 11a and 12a, and two control switch elements 13a. And 14a, two capacitors 15a and 16a, a snubber capacitor 17a, terminals 18a, 19a, 20a and 21a, and a sealing resin 22.
  • the second substrates 2 and 3 are examples of “insulating members”.
  • conductive patterns 31a, 31b, 31c, and 32a are formed on the upper surface (upper surface in the Z2 direction) of the first substrate 1 (surface on the control switch element 13a (14a) side). , 33a, 33b, 34a, 34b, 35a, 35b, 36a, 36b, 37a, 37b, 38a and 38b.
  • the solder resist 32b (33c) is provided in the part by which the 2nd board
  • Each conductive pattern is formed of a metal member such as copper (thermal conductivity of about 400 W / mK).
  • the conductive patterns 32a and 33b are examples of the “first conductive member”.
  • the conductive patterns 31 a, 31 b and 31 c are electrically connected inside the first substrate 1.
  • the conductive patterns 33 a and 33 b are electrically connected inside the first substrate 1.
  • the conductive patterns 34 a and 34 b are electrically connected inside the first substrate 1.
  • the conductive patterns 35 a and 35 b are electrically connected inside the first substrate 1.
  • the conductive patterns 36 a and 36 b are electrically connected inside the first substrate 1.
  • the conductive patterns 37 a and 37 b are electrically connected inside the first substrate 1.
  • the conductive patterns 38 a and 38 b are electrically connected inside the first substrate 1.
  • the conductive pattern 38b and the conductive pattern 33a are electrically connected.
  • an input terminal P is connected to the conductive pattern 31a.
  • An output terminal U is connected to the conductive pattern 32a.
  • An input terminal N is connected to the conductive pattern 33a.
  • the terminal 18a is connected to the conductive pattern 34b. Further, the terminal 19a is connected to the conductive pattern 35b. Further, the terminal 20a is connected to the conductive pattern 36b. Further, the terminal 21a is connected to the conductive pattern 37b.
  • the conductive patterns 32a and 33b are arranged with a gap D1 along the X direction. This ensures that the conductive patterns 32a and 33b are electrically insulated from each other.
  • the second substrate 2 (3) is made of an insulating member (for example, ceramic such as Si 3 N 4 (thermal conductivity of about 25 W / mK)).
  • the insulating second substrate 2 (3) has a lower thermal conductivity than each conductive pattern of the first substrate 1.
  • a conductive pattern 2 a (3 a) is provided on the upper surface (Z2 direction) of the second substrate 2 (3).
  • the conductive pattern 2a (3a) is formed of a metal member such as copper.
  • the conductive pattern 2a (3a) of the second substrate 2 (3) is in the X direction (X1 direction) of the horizontal switch element 11a (12a) in plan view (viewed from the Z direction). Adjacent to the side. Further, as shown in FIG. 5, the conductive pattern 2a (3a) includes, in plan view, a first portion 201a (301a) where the control switch element 13a (14a) is disposed and a first portion 201a (301a). 2nd part 202a (302a) arrange
  • the conductive pattern 2a (3a) is formed so as to extend in the Y direction (the Y direction is the longitudinal direction), the first portion 201a (301a) is disposed on the Y1 direction side, Two portions 202a (302a) are arranged on the Y2 direction side.
  • the X direction is an example of a “first direction”.
  • the Y direction is an example of a “second direction”.
  • the first portion 201a (301a) has a length L1 in the Y direction.
  • the second portion 202a (302a) has a length L2 that is larger than L1 in the Y direction (longitudinal direction). That is, the second portion 202a (302a) has a larger area than the first portion 201a (301a) in plan view.
  • a conductive pattern 2b (3b) is provided on the lower surface (Z1 direction) of the second substrate 2 (3).
  • the conductive pattern 2b (3b) is connected to the conductive pattern 32a (33b) of the first substrate 1 via a bonding layer.
  • the conductive pattern 2b (3b) is connected to a portion surrounded by the solder resist 32b (33c) (see FIG. 4) of the conductive pattern 32a (33b) of the first substrate 1 via a bonding layer made of solder or the like.
  • the horizontal switch element 11a (12a) is disposed on the conductive pattern 32a (33b) of the first substrate 1. Further, in the lateral switch element 11a (12a), the gate electrode G1a (G2a), the source electrode S1a (S2a), and the drain electrode D1a (D2a) are on the same surface (upper surface (surface on the Z2 direction side)). In other words, the lateral switch element 11a (12a) has a surface on one side where each electrode is provided when driven, when the lateral switch element 11a (12a) is driven. Since the current mainly flows, heat is mainly generated from the surface on which each electrode is provided, in other words, in the lateral switch element 11a (12a), the surface on which each electrode is provided becomes the heat generating surface.
  • the lateral switch element 11a (12a) is made of a semiconductor material containing GaN (gallium nitride). Further, the horizontal switch element 11a (12a) has heat resistance at a temperature of about 200 ° C.
  • the drain electrode D1a (D2a) is connected to the conductive pattern 31b (32a) of the first substrate 1 by a plurality of wires 112 (122).
  • the source electrode S1a (S2a) is connected to the conductive pattern 2a (3a) of the second substrate 2 (3) by a plurality of wires 111 (121).
  • the source electrode S1a (S2a) of the horizontal switch element 11a (12a) and the second portion 202a (302a) of the conductive pattern 2a (3a) are formed by a plurality of wires 111 (121) extending in the X direction. It is connected.
  • the wires 111 and 121 are examples of the “first wire”.
  • the gate electrode G1a (G2a) is connected to the conductive pattern 32a (33b) of the first substrate 1 by a plurality of wires 113 (123).
  • the horizontal switch element 11a (12a) has a surface (lower surface) opposite to the surface on which the electrodes are provided (Z1 direction side) (conductive pattern 32a (33b) side).
  • the conductive pattern 32a (33b) of one substrate 1 is connected to the upper surface (the surface on the Z2 direction side) (the surface on the control switch element 13a (14a) side) via a bonding layer. That is, the horizontal switch element 11a (12a) is bonded to the upper surface (surface on the Z2 direction side) of the conductive pattern 32a (33b) of the first substrate 1 with the heat generation surface facing upward (Z2 direction side).
  • the lower surface (the surface on the Z1 direction side) of the horizontal switch element 11a (12a) is disposed at a height of about 100 ⁇ m from the surface of the conductive pattern 32a (33b).
  • the upper surface (surface on the Z2 direction side) of the horizontal switch element 11a (12a) is disposed at a height of about 600 ⁇ m from the surface of the conductive pattern 32a (33b).
  • the control switch element 13a (14a) is constituted by a vertical device having a gate electrode G3a (G4a), a source electrode S3a (S4a), and a drain electrode D3a (D4a). Specifically, in the control switch element 13a (14a), the gate electrode G3a (G4a) and the source electrode S3a (S4a) are disposed on the upper side (Z2 direction), and the drain electrode D3a (D4a) is disposed on the lower side (Z1 direction). ) Is located on the side.
  • the control switch element 13a (14a) is made of a semiconductor material containing silicon (Si).
  • the control switch element 13a (14a) has heat resistance at a temperature of about 150 ° C.
  • control switch element 13a (14a) is formed on the second substrate 2 (3b) on the conductive pattern 32a (33b) on which the horizontal switch element 11a (12a) is arranged. ) Is arranged through. Specifically, the control switch element 13a (14a) is disposed on the second substrate 2 (3) via the conductive pattern 2a (3a).
  • the lower surface (surface on the Z1 direction side) (surface on the conductive pattern 32a (33b) side) of the control switch element 13a (14a) is the upper surface (Z2) of the first portion 201a (301a) of the conductive pattern 2a (3a). (Surface on the direction side) (surface opposite to the conductive pattern 32a (33b)) via a bonding layer such as solder. That is, the first substrate 1, the conductive pattern 32a (33b), the second substrate 2 (3), and the control switch element 13a (14a) are arranged to be laminated in this order in the Z2 direction.
  • control switch element 13a (14a) is provided in the vicinity of the end of the conductive pattern 2a (3a) on the terminals 18a and 19a (20a and 21a) side (Y1 direction side) in the Y direction.
  • the first portion 201a (301a) is disposed.
  • the control switch element 13a (14a) is arranged at a distance D2 from the horizontal switch element 11a (12a) in the X direction.
  • the control switch element 13a (14a) has a drain electrode D3a (D4a) bonded to the conductive pattern 2a (3a) of the second substrate 2 (3) made of solder or the like. Connected through layers. Further, the control switch element 13a (14a) has the source electrodes S3a (S4a) formed on the conductive patterns 32a and 35a (33b and 37a) of the first substrate 1 and wires 131 and 132 (such as copper and aluminum), respectively. 141 and 142).
  • the source electrode S3a (S4a) of the control switch element 13a (14a) is connected to the terminal 19a (21a) spaced apart on the Y1 direction side of the conductive pattern 2a (3a) by the wire 132 (142). ing.
  • the wires 132 and 142 are examples of the “second wire”.
  • the control switch element 13a (14a) has a gate electrode G3a (G4a) connected to the conductive pattern 34a (36a) of the first substrate 1 via a wire 133 (143) made of copper, aluminum, or the like. . That is, the gate electrode G3a (G4a) of the control switch element 13a (14a) is connected to the terminal 18a (20a) spaced apart on the Y1 direction side of the conductive pattern 2a (3a) by the wire 133 (143). ing.
  • the wires 133 and 143 are examples of “second wires”.
  • the control switch element 13a (14a) is arranged at a distance D3 (for example, about 1000 ⁇ m) in the height direction (Z direction) from the conductive pattern 32a (33b). That is, the lower surface (the surface on the Z1 direction side) of the control switch element 13a (14a) is disposed at a height of about 1000 ⁇ m from the surface of the conductive pattern 32a (33b). Therefore, the lower surface (the surface on the Z1 direction side) of the control switch element 13a (14a) is disposed at a position higher than the lower surface (the surface on the Z1 direction side) (height of about 100 ⁇ m) of the horizontal switch element 11a (12a). ing.
  • the lower surface (surface in the Z1 direction) of the control switch element 13a (14a) is disposed at a position higher than the upper surface (surface in the Z2 direction side) (height of about 600 ⁇ m) of the horizontal switch element 11a (12a). ing.
  • the distance D2 between the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) in plan view (viewed from the Z direction) is equal to the conductive pattern 32a (33b) and the control switch element 13a (14a). Is smaller than the interval D3 in the height direction (Z direction). That is, since the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) are insulated by being separated in the height direction (Z direction), the interval in the direction (X direction) in plan view is set. It can be made smaller.
  • the distance D2 (viewed from the Z direction) between the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) in the conductive pattern 32a (33b) is a plan view between the conductive patterns 32a and 33b. Is smaller than the interval D1.
  • Capacitors 15a and 16a are provided to suppress noise.
  • Capacitors 15a and 16a are composed of MOS gate capacitors.
  • the capacitor 15a (16a) is disposed so as to connect the conductive pattern 34b (36b) of the first substrate 1 and the conductive pattern 35b (37b).
  • the snubber capacitor 17a is disposed so as to connect the conductive pattern 31c of the first substrate 1 and the conductive pattern 38a.
  • the sealing resin 22 is filled on the upper side (Z2 direction side) of the first substrate 1. That is, the horizontal switch element 11 a (12 a) and the control switch element 13 a (14 a) are sealed with the sealing resin 22. Moreover, the sealing resin 22 has high heat resistance.
  • the sealing resin 22 is made of, for example, an epoxy resin.
  • the sealing resin 22 is made of an insulating material.
  • the control switch element 13a (14a) for controlling the driving of the horizontal switch element 11a (12a) is placed on the conductive pattern 32a (33b) on which the horizontal switch element 11a (12a) is arranged.
  • the heat generated from the horizontal switch element 11a (12a) is transferred to the control switch element 13a (14a) by the amount corresponding to the second board 2 (3). Therefore, it is possible to prevent the electrical characteristics of the control switch element 13a (14a) from being deteriorated. As a result, it can suppress that the power conversion function of the power module 101a falls.
  • the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) can be reliably insulated by the second substrate 2 (3), the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) The distance between the switch element 13a (14a) in plan view (viewed from the Z direction) can be reduced. As a result, the impedance can be reduced by reducing the length of the wire 111 (121) for connecting the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a), and the power in plan view can be reduced. The area of the module 101a can be reduced.
  • control switch element 13a (14a) is disposed on the second substrate 2 (3) via the conductive pattern 2a (3a). Thereby, it is possible to easily wire the control switch element 13a (14a) by the conductive pattern 2a (3a).
  • the conductive pattern 2a (3a) is a first portion 201a (301a) in which the control switch element 13a (14a) is arranged in plan view (as viewed from the Z direction). And a second portion 202a (302a) disposed adjacent to the first portion 201a (301a), and the second portion 202a (302a) is first in plan view (viewed from the Z direction). It has a larger area than the portion 201a (301a).
  • heat generated in the control switch element 13a (14a) from the second part 202a (302a) larger than the first part 201a (301a) and heat transferred from the horizontal switch element 11a (12a) can be easily dissipated. can do.
  • the horizontal switching element 11a (12a) and the second portion 202a (302a) of the conductive pattern 2a (3a) are connected by the wire 111 (121), thereby
  • the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) can be easily cascode-connected using the two portions 202a (302a) and the wire 111 (121).
  • the horizontal switch element 11a (12a) and the second portion 202a (302a) of the conductive pattern 2a (3a) are connected by the plurality of wires 111 (121).
  • the wiring wire 111 (121)
  • the conductive pattern 2a (3a) is adjacent to the horizontal switch element 11a (12a) in the X direction in a plan view (viewed from the Z direction) and in the Y direction.
  • the first portion 201a (301a) and the second portion 202a (302a) of the conductive pattern 2a (3a) are arranged adjacent to each other in the Y direction, and the conductive pattern 2a (3a)
  • the second portion 202a (302a) and the horizontal switch element 11a (12a) are connected by a wire 111 (121) extending in the X direction.
  • the second portion 202a (302a) to which the wire 111 (121) extending in the X direction is connected extends in the Y direction, the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) are cascoded.
  • An increase in the length of the wire 111 (121) when connecting can be suppressed. This also reduces the impedance due to the wiring (wire 111 (121)).
  • the length L2 in the longitudinal direction (Y direction) of the second portion 202a (302a) of the conductive pattern 2a (3a) is set to the longitudinal direction of the first portion 201a (301a) (
  • the degree of freedom when connecting the plurality of wires 111 (121) to the second portion 202a (302a) can be increased.
  • the area of the second portion 202a (302a) can be easily made larger than the area of the first portion 201a (301a).
  • the control switch element 13a (14a) is provided in the vicinity of the end of the conductive pattern 2a (3a) on the terminals 18a and 19a (20a and 21a) side in the Y direction. It arrange
  • an increase in the distance between the control switch element 13a (14a) and the terminals 18a and 19a (20a and 21a) can be suppressed, so that the lengths of the wires 133 and 132 (143 and 142) can be reduced.
  • the impedance due to the wiring (wires 133 and 132 (143 and 142)) can be reduced.
  • the lower surface (the surface on the Z1 direction side) of the control switch element 13a (14a) is the upper surface (the Z2 direction) of the first portion 201a (301a) of the conductive pattern 2a (3a). Side surface).
  • the lateral switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) can be easily cascode-connected.
  • the lateral switch element 11a (12a) includes the source electrode S1a (S2a), the drain electrode D1a (D2a), and the gate electrode G1a (on the upper surface side (Z2 direction side)). G2a) and the lower surface (Z1 direction side surface) of the horizontal switch element 11a (12a) are joined to the upper surface (Z2 direction side surface) of the conductive pattern 32a (33b).
  • the surface (lower surface) opposite to the heat generating surface (upper surface) on which each electrode of the horizontal switch element 11a (12a) is provided is joined to the conductive pattern 32a (33b), so that the horizontal switch element 11a ( It is possible to suppress the heat generated from 12a) from being transmitted to the control switch element 13a (14a) via the conductive pattern 32a (33b).
  • the conductive pattern 32a (33b) is provided on the first substrate 1 by providing the first substrate 1 having the conductive pattern 32a (33b) disposed on the upper surface (the surface on the Z2 direction side). ) And wiring patterns can be easily formed in a lump.
  • the first substrate 1, the conductive pattern 32a (33b), the second substrate 2 (3) made of an insulating member, and the control switch element 13a (14a) are directed in the Z2 direction.
  • the power module 101a three-phase inverter device 100
  • the insulating second substrate 2 (3) made of an insulating member is configured to have a thermal conductivity lower than that of the conductive pattern 32a (33b).
  • the heat generated from the switch element 11a (12a) can be effectively suppressed from being transmitted to the control switch element 13a (14a) via the conductive pattern 32a (33b).
  • the lower surface (surface on the Z1 direction side) of the control switch element 13a (14a) is higher than the lower surface (surface on the Z1 direction side) of the horizontal switch element 11a (12a). Since the control switch element 13a (14a) and the horizontal switch element 11a (12a) can be separated in the height direction (Z direction) by being arranged at the position (Z2 direction side), the control switch element 13a (14a) and the horizontal switch element 11a (12a) are separated from each other in the height direction (Z direction) and more reliably insulated, and heat generated from the horizontal switch element 11a (12a) is controlled by the control switch element. It is possible to effectively suppress transmission to 13a (14a).
  • the lower surface (the surface on the Z1 direction side) of the control switch element 13a (14a) is higher than the upper surface (the surface on the Z2 direction side) of the horizontal switch element 11a (12a).
  • the distance D2 between the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) in plan view (viewed from the Z direction) is set to the conductive pattern 32a (33b). And the distance D3 in the height direction (Z direction) between the control switch element 13a (14a).
  • the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch The distance (viewed from the Z direction) in plan view with the element 13a (14a) can be reduced.
  • the area (planar area) of the power module 101a in plan view can be easily reduced.
  • the distance D2 in the plan view (viewed from the Z direction) between the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) in the conductive pattern 32a (33b) is set.
  • the distance between the conductive patterns 32a and 33b is smaller than the distance D1 in plan view.
  • the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) are arranged on the same conductive pattern 32a (33b), and the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) are arranged.
  • plan view viewed from the Z direction
  • the area of the power module 101a in plan view can be easily reduced.
  • the horizontal switch element 11a (12a) and the control switch element 13a (14a) are sealed with the insulating sealing resin 22 to thereby form the horizontal switch element 11a (12a). ) And the control switch element 13a (14a), and the reliability of insulation can be improved while suppressing the entry of foreign matter.
  • control switch element 13a (14a) is cascode-connected to the horizontal switch element 11a (12a), whereby the gate electrode G3a (G4a) of the control switch element 13a (14a) is obtained.
  • the switching of the horizontal switch element 11a (12a) can be easily controlled by performing the switching based on the control signal input to.
  • a three-phase inverter device is shown as an example of the power conversion device, but a power conversion device other than the three-phase inverter device may be used.
  • the lateral switch element is made of a semiconductor material containing GaN (gallium nitride).
  • the lateral switch element is made of a III-V group material other than GaN, C ( It may be composed of a group IV material such as diamond.
  • the horizontal switch element and the control switch element are separated from each other in plan view.
  • the horizontal switch element and the control switch element are appropriately insulated (
  • the horizontal switch element and the control switch element do not have to be separated in plan view as long as they are separated in the height direction.
  • the horizontal switch element and the control switch element may be arranged so as to overlap with each other in plan view through an insulating member or space.
  • the lower surface of the control switch element is arranged at a position higher than the upper surface of the horizontal switch element.
  • the lower surface of the control switch element is at least lower than the lower surface of the horizontal switch element. As long as it is arranged at a high position.
  • the insulating member may be other than the substrate.
  • an insulating plate, film or resin may be used.
  • the second substrate composed of Si 3 N 4 ceramic as an insulating member, an insulating substrate made of Si 3 N 4 other than the ceramic substrate and a ceramic non-insulating material (insulating member) Also good.

Abstract

　この電力変換装置（１００、１０１ａ～１０１ｃ）は、導電パターン（３２ａ、３３ｂ）上に配置される横型スイッチ素子（１１ａ～１１ｃ、１２ａ～１２ｃ）と、導電パターン上に第２基板（２、３）を介して配置され、横型スイッチ素子に接続されるとともに、横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子（１３ａ～１３ｃ、１４ａ～１４ｃ）とを備える。

Description

電力変換装置
　この発明は、電力変換装置に関する。
　従来、横型スイッチ素子を備えた電力変換装置が知られている。このような電力変換装置は、たとえば、特開２０１１－０６７０５１号公報に開示されている。
　上記特開２０１１－０６７０５１号公報には、基板の表面に配置されるＧａＮ電界効果トランジスタ（横型スイッチ素子）と、ＧａＮ電界効果トランジスタが配置された基板の表面に配置され、ＧａＮ電界効果トランジスタに接続されるとともに、ＧａＮ電界効果トランジスタの駆動を制御するＮチャネルＭＯＳトランジスタ（制御用スイッチ素子）とを備えた電力変換装置が開示されている。
特開２０１１－０６７０５１号公報
　しかしながら、上記特開２０１１－０６７０５１号公報に開示された電力変換装置では、ＧａＮ電界効果トランジスタ（横型スイッチ素子）およびＮチャネルＭＯＳトランジスタ（制御用スイッチ素子）は、互いに同一の基板の表面に配置されているため、比較的耐熱性が高いＧａＮ電界効果トランジスタから発生する熱が比較的耐熱性が低いＮチャネルＭＯＳトランジスタに伝わることに起因して、ＮチャネルＭＯＳトランジスタの電気的特性が低下し、その結果、電力変換装置の電力変換機能が低下するという問題点がある。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、横型スイッチ素子を備える電力変換装置において、電力変換機能が低下することを抑制することが可能な電力変換装置を提供することである。
　一の局面による電力変換装置は、第１導電部材上に配置される横型スイッチ素子と、第１導電部材上に絶縁部材を介して配置され、横型スイッチ素子に接続されるとともに、横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子とを備える。
　一の局面による電力変換装置では、横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子が、横型スイッチ素子が配置された第１導電部材上に絶縁部材を介して配置されることによって、絶縁部材を介する分、横型スイッチ素子から発生する熱が制御用スイッチ素子に伝わるのを抑制することができるので、制御用スイッチ素子の電気的特性が低下するのを抑制することができる。その結果、電力変換装置の電力変換機能が低下することを抑制することができる。また、絶縁部材により、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子とを確実に絶縁することができるので、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子との平面視における間隔を小さくすることができる。その結果、横型スイッチ素子と制御用スイッチ素子とを接続するための配線の長さを小さくしてインピーダンスを低減することができるとともに、平面視における電力変換装置の面積を小型化することができる。
　上記電力変換装置によれば、電力変換装置の機能が低下することを抑制することができる。
一実施形態によるパワーモジュールを含む３相インバータ装置の回路を示した図である。 一実施形態によるパワーモジュールの上面図である。 図２の２００－２００線に沿った断面図である。 一実施形態によるパワーモジュールの第１基板の上面図である。 一実施形態によるパワーモジュールの第２基板の上面図である。
　以下、実施形態を図面に基づいて説明する。
　まず、図１を参照して、本実施形態によるパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃを含む３相インバータ装置１００の構成について説明する。なお、パワーモジュール１０１ａ～１０１ｃおよび３相インバータ装置１００は、「電力変換装置」の一例である。
　図１に示すように、３相インバータ装置１００は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の電力変換をそれぞれ行う３個のパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃが電気的に並列に接続されることにより構成されている。
　パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ、直流電源（図示せず）から入力端子ＰおよびＮを介して入力される直流電力を３相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）の交流電力に変換するように構成されている。そして、パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ、上記のように変換したＵ相、Ｖ相およびＷ相の交流電力を、出力端子Ｕ、ＶおよびＷを介して外部に出力するように構成されている。なお、出力端子Ｕ、ＶおよびＷは、モータ（図示せず）などに接続されている。
　パワーモジュール１０１ａは、２個の横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａと、２個の横型スイッチ素子の各々に接続された２個の制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａと、２個のコンデンサ１５ａおよび１６ａと、スナバコンデンサ１７ａと、端子１８ａ、１９ａ、２０ａおよび２１ａとを含む。なお、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａは、共に、ノーマリオン型のスイッチ素子（ゲート電極Ｇ１ａおよびＧ２ａに印加される電圧が０Ｖのときに、ドレイン電極Ｄ１ａとソース電極Ｓ１ａとの間、および、ドレイン電極Ｄ２ａとソース電極Ｓ２ａとの間で電流が流れるように構成されたスイッチ素子）である。また、制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａは、共に、ノーマリオフ型のスイッチ素子（ゲート電極Ｇ３ａおよびＧ４ａに印加される電圧が０Ｖのときに、ドレイン電極Ｄ３ａとソース電極Ｓ３ａとの間、および、ドレイン電極Ｄ４ａとソース電極Ｓ４ａとの間で電流が流れないように構成されたスイッチ素子）である。また、制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａは、それぞれ、横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａにカスコード接続されている。
　横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）のゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）は、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）に接続されている。これにより、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の駆動（スイッチング）の制御を行うように構成されている。その結果、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とからなるスイッチ回路は、全体として、ノーマリオフ型として制御されるように構成されている。
　また、上記パワーモジュール１０１ａと同様に、パワーモジュール１０１ｂも、ノーマリオン型の２個の横型スイッチ素子１１ｂおよび１２ｂと、２個の横型スイッチ素子の各々にカスコード接続されたノーマリオフ型の２個の制御用スイッチ素子１３ｂおよび１４ｂと、２個のコンデンサ１５ｂおよび１６ｂと、スナバコンデンサ１７ｂと、端子１８ｂ、１９ｂ、２０ｂおよび２１ｂとを含む。そして、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ｂ（１２ｂ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ｂ（１４ｂ）とによって、ノーマリオフ型のスイッチ回路が構成されている。なお、制御用スイッチ素子１３ｂ（１４ｂ）は、ゲート電極Ｇ３ｂ（Ｇ４ｂ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ｂ（１２ｂ）のスイッチングの制御を行うように構成されている。
　また、上記パワーモジュール１０１ａおよび１０１ｂと同様に、パワーモジュール１０１ｃも、ノーマリオン型の２個の横型スイッチ素子１１ｃおよび１２ｃと、２個の横型スイッチ素子の各々にカスコード接続されたノーマリオフ型の２個の制御用スイッチ素子１３ｃおよび１４ｃと、２個のコンデンサ１５ｃおよび１６ｃと、スナバコンデンサ１７ｃと、端子１８ｃ、１９ｃ、２０ｃおよび２１ｃとを含む。そして、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１ｃ（１２ｃ）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３ｃ（１４ｃ）とによって、ノーマリオフ型のスイッチ回路が構成されている。なお、制御用スイッチ素子１３ｃ（１４ｃ）は、ゲート電極Ｇ３ｃ（Ｇ４ｃ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ｃ（１２ｃ）のスイッチングの制御を行うように構成されている。
　次に、図２～図５を参照して、本実施形態によるパワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃの具体的な構成（構造）について説明する。なお、パワーモジュール１０１ａ、１０１ｂおよび１０１ｃは、それぞれ略同様の構成を有するので、以下では、Ｕ相の電力変換を行うパワーモジュール１０１ａについてのみ説明する。
　図２および図３に示すように、パワーモジュール１０１ａは、第１基板１と、２つの第２基板２および３と、２個の横型スイッチ素子１１ａおよび１２ａと、２個の制御用スイッチ素子１３ａおよび１４ａと、２個のコンデンサ１５ａおよび１６ａと、スナバコンデンサ１７ａと、端子１８ａ、１９ａ、２０ａおよび２１ａと、封止樹脂２２とを備える。なお、第２基板２および３は、「絶縁部材」の一例である。
　図２および図４に示すように、第１基板１の上面（上方（Ｚ２方向）の表面）（制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）側の面）には、導電パターン３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３２ａ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂ、３８ａおよび３８ｂが設けられている。図４に示すように、導電パターン３２ａ（３３ｂ）の第２基板２（３）が配置される部分には、ソルダーレジスト３２ｂ（３３ｃ）が設けられている。また、各導電パターンは、銅（熱伝導率約４００Ｗ／ｍＫ）などの金属部材により形成されている。なお、導電パターン３２ａおよび３３ｂは、「第１導電部材」の一例である。
　導電パターン３１ａ、３１ｂおよび３１ｃは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３３ａおよび３３ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３４ａおよび３４ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３５ａおよび３５ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。
　また、導電パターン３６ａおよび３６ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３７ａおよび３７ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３８ａおよび３８ｂは、第１基板１の内部で電気的に接続されている。また、導電パターン３８ｂと導電パターン３３ａとは電気的に接続されている。
　図２に示すように、導電パターン３１ａには、入力端子Ｐが接続されている。また、導電パターン３２ａには、出力端子Ｕが接続されている。また、導電パターン３３ａには、入力端子Ｎが接続されている。
　導電パターン３４ｂには、端子１８ａが接続されている。また、導電パターン３５ｂには、端子１９ａが接続されている。また、導電パターン３６ｂには、端子２０ａが接続されている。また、導電パターン３７ｂには、端子２１ａが接続されている。
　図３に示すように、導電パターン３２ａおよび３３ｂは、Ｘ方向に沿って間隔Ｄ１を隔てて配置されている。これにより、導電パターン３２ａおよび３３ｂが確実に互いに電気的に絶縁されている。
　ここで、本実施形態では、第２基板２（３）は、絶縁部材（たとえば、Ｓｉ3Ｎ4（熱伝導率約２５Ｗ／ｍＫ）などのセラミック）により構成されている。また、絶縁性の第２基板２（３）は、第１基板１の各導電パターンよりも低い熱伝導率を有する。図２、図３および図５に示すように、第２基板２（３）の上方（Ｚ２方向）の表面には、導電パターン２ａ（３ａ）が設けられている。導電パターン２ａ（３ａ）は、銅などの金属部材により形成されている。
　また、図２に示すように、第２基板２（３）の導電パターン２ａ（３ａ）は、平面視で（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）のＸ方向（Ｘ１方向）側に隣接して配置されている。また、図５に示すように、導電パターン２ａ（３ａ）は、平面視で、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）が配置される第１部分２０１ａ（３０１ａ）と、第１部分２０１ａ（３０１ａ）に隣接して配置される第２部分２０２ａ（３０２ａ）とを含む。詳細には、導電パターン２ａ（３ａ）は、Ｙ方向に延びるように（Ｙ方向が長手方向となるように）形成されており、第１部分２０１ａ（３０１ａ）がＹ１方向側に配置され、第２部分２０２ａ（３０２ａ）がＹ２方向側に配置されている。なお、Ｘ方向は、「第１方向」の一例である。また、Ｙ方向は、「第２方向」の一例である。
　第１部分２０１ａ（３０１ａ）は、Ｙ方向において、Ｌ１の長さを有する。第２部分２０２ａ（３０２ａ）は、Ｙ方向（長手方向）において、Ｌ１よりも大きいＬ２の長さを有する。つまり、第２部分２０２ａ（３０２ａ）は、平面視において、第１部分２０１ａ（３０１ａ）よりも大きな面積を有する。
　また、図３に示すように、第２基板２（３）の下方（Ｚ１方向）の表面には、導電パターン２ｂ（３ｂ）が設けられている。第２基板２（３）は、導電パターン２ｂ（３ｂ）が、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）に接合層を介して接続されている。詳しくは、導電パターン２ｂ（３ｂ）は、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）のソルダーレジスト３２ｂ（３３ｃ）（図４参照）で囲まれた部分に半田などからなる接合層を介して接続されている。
　図２に示すように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）上に配置されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）と、ソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）と、ドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）とがそれぞれ同じ側の面（上面（Ｚ２方向側の表面）（導電パターン３２ａ（３３ｂ）とは反対側の面）に設けられるように構成されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、駆動する際に、各電極が設けられた片側の面側を主に電流が流れるため、各電極が設けられた側の面から主に発熱する。言い換えると、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、各電極が設けられた側の面が発熱面となる。
　また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む半導体材料により構成されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、約２００℃の温度の耐熱性を有する。
　また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、図２に示すように、ドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）が、第１基板１の導電パターン３１ｂ（３２ａ）に複数のワイヤ１１２（１２２）により接続されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）が、第２基板２（３）の導電パターン２ａ（３ａ）に複数のワイヤ１１１（１２１）により接続されている。具体的には、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）のソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）と、導電パターン２ａ（３ａ）の第２部分２０２ａ（３０２ａ）とは、Ｘ方向に延びる複数のワイヤ１１１（１２１）により接続されている。なお、ワイヤ１１１および１２１は、「第１ワイヤ」の一例である。
　また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、ゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）が、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）に複数のワイヤ１１３（１２３）により接続されている。また、図３に示すように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、電極が設けられた面とは反対側（Ｚ１方向側）（導電パターン３２ａ（３３ｂ）側）の面（下面）が、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）の上面（Ｚ２方向側の面）（制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）側の面）に接合層を介して接続されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、発熱面を上側（Ｚ２方向側）に向けて、第１基板１の導電パターン３２ａ（３３ｂ）の上面（Ｚ２方向側の表面）に接合されている。
　また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の下面（Ｚ１方向側の表面）は、導電パターン３２ａ（３３ｂ）の表面から、約１００μｍの高さ位置に配置されている。また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の上面（Ｚ２方向側の表面）は、導電パターン３２ａ（３３ｂ）の表面から、約６００μｍの高さ位置に配置されている。
　制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）と、ソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）と、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）とを有する縦型デバイスにより構成されている。具体的には、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）およびソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）が上方（Ｚ２方向）側に配置され、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）が下方（Ｚ１方向）側に配置されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ケイ素（Ｓｉ）を含む半導体材料により構成されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、約１５０℃の温度の耐熱性を有する。
　ここで、本実施形態では、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、図３に示すように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）が配置された導電パターン３２ａ（３３ｂ）上に第２基板２（３）を介して配置されている。詳しくは、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、導電パターン２ａ（３ａ）を介して第２基板２（３）上に配置されている。
　また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）（導電パターン３２ａ（３３ｂ）側の面）は、導電パターン２ａ（３ａ）の第１部分２０１ａ（３０１ａ）の上面（Ｚ２方向側の面）（導電パターン３２ａ（３３ｂ）とは反対側の面）に半田などの接合層を介して接合されている。つまり、第１基板１、導電パターン３２ａ（３３ｂ）、第２基板２（３）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、Ｚ２方向に向かってこの順番で積層するように配置されている。
　また、図５に示すように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、導電パターン２ａ（３ａ）のＹ方向における端子１８ａおよび１９ａ（２０ａおよび２１ａ）側（Ｙ１方向側）の端部近傍に設けられた第１部分２０１ａ（３０１ａ）に配置されている。また、図３に示すように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、Ｘ方向において、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、間隔Ｄ２を隔てて配置されている。
　また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、図２および図３に示すように、ドレイン電極Ｄ３ａ（Ｄ４ａ）が、第２基板２（３）の導電パターン２ａ（３ａ）に半田などからなる接合層を介して接続されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）が、第１基板１の導電パターン３２ａおよび３５ａ（３３ｂおよび３７ａ）に、それぞれ、銅やアルミニウムなどからなるワイヤ１３１および１３２（１４１および１４２）を介して接続されている。
　つまり、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のソース電極Ｓ３ａ（Ｓ４ａ）は、導電パターン２ａ（３ａ）のＹ１方向側に離間して配置された端子１９ａ（２１ａ）とワイヤ１３２（１４２）により接続されている。なお、ワイヤ１３２および１４２は、「第２ワイヤ」の一例である。
　また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、ゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）が、第１基板１の導電パターン３４ａ（３６ａ）に銅やアルミニウムなどからなるワイヤ１３３（１４３）を介して接続されている。つまり、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）は、導電パターン２ａ（３ａ）のＹ１方向側に離間して配置された端子１８ａ（２０ａ）とワイヤ１３３（１４３）により接続されている。なお、ワイヤ１３３および１４３は、「第２ワイヤ」の一例である。
　また、図３に示すように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）は、導電パターン３２ａ（３３ｂ）と高さ方向（Ｚ方向）において間隔Ｄ３（たとえば、約１０００μｍ）を隔てて配置されている。つまり、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の表面）は、導電パターン３２ａ（３３ｂ）の表面から、約１０００μｍの高さ位置に配置されている。したがって、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）（高さ約１００μｍ）よりも高い位置に配置されている。また、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）は、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の上面（Ｚ２方向側の面）（高さ約６００μｍ）よりも高い位置に配置されている。
　また、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔Ｄ２は、導電パターン３２ａ（３３ｂ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との高さ方向（Ｚ方向）における間隔Ｄ３よりも小さい。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とは、高さ方向（Ｚ方向）において離間させることにより絶縁しているため、平面視における方向（Ｘ方向）の間隔を小さくすることが可能である。
　また、導電パターン３２ａ（３３ｂ）における横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔Ｄ２は、導電パターン３２ａおよび３３ｂ間の平面視における間隔Ｄ１よりも小さい。
　図２に示すように、コンデンサ１５ａおよび１６ａは、ノイズを抑制する為に設けられている。また、コンデンサ１５ａおよび１６ａは、ＭＯＳゲートコンデンサにより構成されている。また、コンデンサ１５ａ（１６ａ）は、第１基板１の導電パターン３４ｂ（３６ｂ）と、導電パターン３５ｂ（３７ｂ）とを接続するように配置されている。
　スナバコンデンサ１７ａは、図２に示すように、第１基板１の導電パターン３１ｃと、導電パターン３８ａとを接続するように配置されている。
　封止樹脂２２は、第１基板１の上側（Ｚ２方向側）に充填されている。つまり、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ)は、封止樹脂２２により封止されている。また、封止樹脂２２は、高耐熱性を有する。また、封止樹脂２２は、たとえば、エポキシ系の樹脂により構成されている。また、封止樹脂２２は、絶縁性の材料により構成されている。
　本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の駆動を制御する制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）が配置された導電パターン３２ａ（３３ｂ）上に第２基板２（３）を介して配置することによって、第２基板２（３）を介する分、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制することができるので、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の電気的特性が低下するのを抑制することができる。その結果、パワーモジュール１０１ａの電力変換機能が低下することを抑制することができる。また、第２基板２（３）により、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを確実に絶縁することができるので、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔を小さくすることができる。その結果、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを接続するためのワイヤ１１１（１２１）の長さを小さくしてインピーダンスを低減することができるとともに、平面視におけるパワーモジュール１０１ａの面積を小型化することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、第２基板２（３）上には、導電パターン２ａ（３ａ）を介して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）が配置されている。これにより、導電パターン２ａ（３ａ）により、容易に制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に配線することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、導電パターン２ａ（３ａ）は、平面視で（Ｚ方向から見て）、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）が配置される第１部分２０１ａ（３０１ａ）と、第１部分２０１ａ（３０１ａ）に隣接して配置される第２部分２０２ａ（３０２ａ）とを有し、第２部分２０２ａ（３０２ａ）は、平面視において（Ｚ方向から見て）、第１部分２０１ａ（３０１ａ）よりも大きな面積を有する。これにより、第１部分２０１ａ（３０１ａ）よりも大きい第２部分２０２ａ（３０２ａ）から制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）で発生した熱および横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から伝達された熱を容易に放熱することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、導電パターン２ａ（３ａ）の第２部分２０２ａ（３０２ａ）とを、ワイヤ１１１（１２１）により接続することによって、第２部分２０２ａ（３０２ａ）と、ワイヤ１１１（１２１）とを用いて、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを容易にカスコード接続することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、導電パターン２ａ（３ａ）の第２部分２０２ａ（３０２ａ）とを、複数のワイヤ１１１（１２１）により接続することによって、配線（ワイヤ１１１（１２１）によるインピーダンスを低減するとともに、必要な電流容量を容易に確保することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、導電パターン２ａ（３ａ）を、平面視で（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）に対してＸ方向に隣接するとともに、Ｙ方向が長手方向となるように設け、導電パターン２ａ（３ａ）の第１部分２０１ａ（３０１ａ）および第２部分２０２ａ（３０２ａ）を、Ｙ方向に隣接するように配置し、導電パターン２ａ（３ａ）の第２部分２０２ａ（３０２ａ）と横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とを、Ｘ方向に延びるワイヤ１１１（１２１）により接続する。これにより、Ｘ方向に延びるワイヤ１１１（１２１）が接続される第２部分２０２ａ（３０２ａ）がＹ方向に延びているので、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）をカスコード接続する際の、ワイヤ１１１（１２１）の長さが大きくなるのを抑制することができる。これによっても、配線（ワイヤ１１１（１２１）によるインピーダンスを低減することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、導電パターン２ａ（３ａ）の第２部分２０２ａ（３０２ａ）の長手方向（Ｙ方向）の長さＬ２を、第１部分２０１ａ（３０１ａ）の長手方向（Ｙ方向）の長さＬ１よりも大きくすることによって、複数のワイヤ１１１（１２１）を第２部分２０２ａ（３０２ａ）に接続する際の自由度を大きくすることができる。また、第２部分２０２ａ（３０２ａ）の面積を第１部分２０１ａ（３０１ａ）の面積よりも容易に大きくすることができる。
　また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、導電パターン２ａ（３ａ）のＹ方向における端子１８ａおよび１９ａ（２０ａおよび２１ａ）側の端部近傍に設けられた第１部分２０１ａ（３０１ａ）に配置するとともに、端子１８ａおよび１９ａ（２０ａおよび２１ａ）と、それぞれ、ワイヤ１３３および１３２（１４３および１４２）により接続する。これにより、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と、端子１８ａおよび１９ａ（２０ａおよび２１ａ）との距離が大きくなるのを抑制することができるので、ワイヤ１３３および１３２（１４３および１４２）の長さを小さくして、配線（ワイヤ１３３および１３２（１４３および１４２））によるインピーダンスを低減することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）を、導電パターン２ａ（３ａ）の第１部分２０１ａ（３０１ａ）の上面（Ｚ２方向側の面）に接合する。これにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを容易にカスコード接続することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）は、上面側（Ｚ２方向側）に設けられたソース電極Ｓ１ａ（Ｓ２ａ）、ドレイン電極Ｄ１ａ（Ｄ２ａ）およびゲート電極Ｇ１ａ（Ｇ２ａ）を含むとともに、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）が、導電パターン３２ａ（３３ｂ）の上面（Ｚ２方向側の面）に接合されている。これにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の各電極が設けられた発熱面（上面）とは反対側の面（下面）が、導電パターン３２ａ（３３ｂ）と接合されるので、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が、導電パターン３２ａ（３３ｂ）を介して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、導電パターン３２ａ（３３ｂ）が上面（Ｚ２方向側の面）に配置された第１基板１を設けることによって、第１基板１に導電パターン３２ａ（３３ｂ）や配線パターンなどを一括して容易に形成することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、第１基板１、導電パターン３２ａ（３３ｂ）、絶縁部材からなる第２基板２（３）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、Ｚ２方向に向かってこの順番で積層することによって、電力変換機能の低下を抑制することが可能なパワーモジュール１０１ａ（３相インバータ装置１００）を容易に組み立てることができる。
　また、本実施形態では、上記のように、絶縁部材からなる絶縁性の第２基板２（３）を、導電パターン３２ａ（３３ｂ）よりも低い熱伝導率を有するように構成することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が、導電パターン３２ａ（３３ｂ）を介して制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを効果的に抑制することができる。
　また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）よりも高い位置（Ｚ２方向側）に配置することによって、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とを高さ方向（Ｚ方向）に離間させることができるので、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とを高さ方向（Ｚ方向）に離間させてより確実に絶縁しつつ、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）から発生する熱が、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に伝わるのを効果的に抑制することができる。また、高さ方向に離間させることにより、その分、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）との隣接する方向（Ｘ方向）の間隔を小さくすることができるので、平面視におけるパワーモジュール１０１ａの面積（平面積）を小さくすることができる。
　また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）の下面（Ｚ１方向側の面）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）の上面（Ｚ２方向側の面）よりも高い位置に配置することによって、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）と、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）とを高さ方向（Ｚ方向）により離間させることができる。
　また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔Ｄ２を、導電パターン３２ａ（３３ｂ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との高さ方向（Ｚ方向）における間隔Ｄ３よりも小さくする。この場合、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との絶縁距離を高さ方向（Ｚ方向）に確保することができるので、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔を小さくすることができる。その結果、平面視におけるパワーモジュール１０１ａの面積（平面積）を容易に小さくすることができる。
　また、本実施形態では、上記のように、導電パターン３２ａ（３３ｂ）における横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔Ｄ２を、導電パターン３２ａおよび３３ｂ間の平面視における間隔Ｄ１よりも小さくする。これにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）とを同一の導電パターン３２ａ（３３ｂ）上に配置して、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）と制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）との平面視における（Ｚ方向から見た）間隔を小さくすることができる。その結果、平面視におけるパワーモジュール１０１ａの面積を容易に小さくすることができる。
　また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、絶縁性の封止樹脂２２により封止することによって、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）および制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）に異物が侵入するのを抑制しつつ、絶縁の信頼性を高めることができる。
　また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）を、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）にカスコード接続することによって、制御用スイッチ素子１３ａ（１４ａ）のゲート電極Ｇ３ａ（Ｇ４ａ）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１ａ（１２ａ）のスイッチングの制御を容易に行うことができる。
　なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
　たとえば、上記実施形態では、電力変換装置の一例として３相インバータ装置を示したが、３相インバータ装置以外の電力変換装置であってもよい。
　また、上記実施形態では、ノーマリオン型の横型スイッチ素子を用いる例を示したが、ノーマリオフ型の横型スイッチ素子を用いてもよい。
　また、上記実施形態では、横型スイッチ素子は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む半導体材料により構成されている例を示したが、横型スイッチ素子は、ＧａＮ以外のＩＩＩ－Ｖ族の材料や、Ｃ（ダイヤモンド）などのＩＶ族の材料により構成されていてもよい。
　また、上記実施形態では、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子とが、平面視において、離間している構成の例を示したが、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子とが適切に絶縁（たとえば、高さ方向において離間）されていれば、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子とが、平面視において、離間していなくてもよい。たとえば、横型スイッチ素子と、制御用スイッチ素子とが、絶縁部材または空間を介して平面視において、重なって配置されていてもよい。
　また、上記実施形態では、制御用スイッチ素子の下面が、横型スイッチ素子の上面よりも高い位置に配置されている例を示したが、制御用スイッチ素子の下面が、横型スイッチ素子の少なくとも下面よりも高い位置に配置されていればよい。
　また、上記実施形態では、絶縁部材として第２基板を用いる構成の例を示したが、絶縁部材は基板以外を用いてもよい。たとえば、絶縁性の板、膜または樹脂などを用いてもよい。
　また、上記実施形態では、絶縁部材としてＳｉ3Ｎ4セラミックからなる第２基板を用いたが、Ｓｉ3Ｎ4以外のセラミック基板やセラミック以外の絶縁材料からなる絶縁基板（絶縁部材）を用いてもよい。
　１　第１基板
　２、３　第２基板（絶縁部材）
　２ａ、３ａ　導電パターン（第２導電部材）
　１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ　横型スイッチ素子
　１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ　制御用スイッチ素子
　１８ａ、１９ａ、２０ａ、２１ａ　端子
　２２　封止樹脂
　３２ａ、３３ｂ　導電パターン（第１導電部材）
　１００　３相インバータ装置（電力変換装置）
　１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ　パワーモジュール（電力変換装置）
　１１１、１２１　ワイヤ（第１ワイヤ）
　１３２、１３３、１４２、１４３　ワイヤ（第２ワイヤ）
　２０１ａ、３０１ａ　第１部分
　２０２ａ、３０２ａ　第２部分
　Ｄ１ａ、Ｄ１ｂ、Ｄ１ｃ、Ｄ２ａ、Ｄ２ｂ、Ｄ２ｃ　ドレイン電極（電極）
　Ｇ１ａ、Ｇ１ｂ、Ｇ１ｃ、Ｇ２ａ、Ｇ２ｂ、Ｇ２ｃ　ゲート電極（電極）
　Ｓ１ａ、Ｓ１ｂ、Ｓ１ｃ、Ｓ２ａ、Ｓ２ｂ、Ｓ２ｃ　ソース電極（電極）

Claims (20)

  1. 　第１導電部材（３２ａ、３３ｂ）上に配置される横型スイッチ素子（１１ａ～１１ｃ、１２ａ～１２ｃ）と、
    　前記第１導電部材上に絶縁部材（２、３）を介して配置され、前記横型スイッチ素子に接続されるとともに、前記横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子（１３ａ～１３ｃ、１４ａ～１４ｃ）とを備える、電力変換装置。
  2. 　前記絶縁部材上には、第２導電部材（２ａ、３ａ）を介して前記制御用スイッチ素子が配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記第２導電部材は、平面視で、前記制御用スイッチ素子が配置される第１部分（２０１ａ、３０１ａ）と、前記第１部分に隣接して配置される第２部分（２０２ａ、３０２ａ）とを有し、
    　前記第２部分は、平面視において、前記第１部分よりも大きな面積を有する、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記横型スイッチ素子と、前記第２導電部材の前記第２部分とは、第１ワイヤ（１１１、１２１）により接続されている、請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 　前記横型スイッチ素子と、前記第２導電部材の前記第２部分とは、複数の第１ワイヤにより接続されている、請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 　前記第２導電部材は、平面視で、前記横型スイッチ素子に対して第１方向に隣接するとともに、前記第１方向と交差する第２方向が長手方向となるように設けられており、
    　前記第２導電部材の前記第１部分および前記第２部分は、前記第２方向に隣接するように配置されており、
    　前記第２導電部材の前記第２部分と前記横型スイッチ素子とは、前記第１方向に延びる前記第１ワイヤにより接続されている、請求項４または５に記載の電力変換装置。
  7. 　前記第２導電部材の前記第２部分の長手方向の長さは、前記第２方向において、前記第１部分の長手方向の長さよりも大きい、請求項６に記載の電力変換装置。
  8. 　前記第２導電部材から前記第２方向側に離間して配置された端子（１８ａ～２１ａ）をさらに備え、
    　前記制御用スイッチ素子は、前記第２導電部材の前記第２方向における前記端子側の端部近傍に設けられた前記第１部分に配置されているとともに、前記端子と第２ワイヤ（１３２、１３３、１４２、１４３）により接続されている、請求項６または７に記載の電力変換装置。
  9. 　前記制御用スイッチ素子の前記第１導電部材側の面は、前記第２導電部材の前記第１部分の前記第１導電部材とは反対側の面に接合されている、請求項３～８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  10. 　前記横型スイッチ素子は、前記第１導電部材とは反対側の面に設けられた電極（Ｄ１ａ～Ｄ１ｃ、Ｄ２ａ～Ｄ２ｃ、Ｇ１ａ～Ｇ１ｃ、Ｇ２ａ～Ｇ２ｃ、Ｓ１ａ～Ｓ１ｃ、Ｓ２ａ～Ｓ２ｃ）を含むとともに、前記横型スイッチ素子の前記第１導電部材側の面が、前記第１導電部材の前記制御用スイッチ素子側の面に接合されている、請求項１～９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  11. 　前記第１導電部材が前記制御用スイッチ素子側の面に設けられた第１基板をさらに備える、請求項１～１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  12. 　前記第１基板、前記第１導電部材、前記絶縁部材および前記制御用スイッチ素子は、この順番で積層されている、請求項１１に記載の電力変換装置。
  13. 　前記絶縁部材は、絶縁性の第２基板（２、３）を含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  14. 　絶縁性の前記第２基板は、前記第１導電部材よりも低い熱伝導率を有する、請求項１３に記載の電力変換装置。
  15. 　前記制御用スイッチ素子の前記第１導電部材側の面は、前記横型スイッチ素子の少なくとも前記第１導電部材側の面よりも高い位置に配置されている、請求項１～１４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  16. 　前記制御用スイッチ素子の前記第１導電部材側の面は、前記横型スイッチ素子の前記第１導電部材とは反対側の面よりも高い位置に配置されている、請求項１５に記載の電力変換装置。
  17. 　前記横型スイッチ素子と前記制御用スイッチ素子との平面視における間隔は、前記第１導電部材と前記制御用スイッチ素子との高さ方向における間隔よりも小さい、請求項１～１６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  18. 　前記第１導電部材は、平面視で、互いに所定の間隔を隔てて複数設けられており、
    　複数の前記第１導電部材における前記横型スイッチ素子と前記制御用スイッチ素子との平面視における間隔は、隣接する前記第１導電部材間の平面視における間隔よりも小さい、請求項１～１７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  19. 　前記横型スイッチ素子および前記制御用スイッチ素子は、封止樹脂（２２）により封止されている、請求項１～１８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  20. 　前記制御用スイッチ素子は、前記横型スイッチ素子にカスコード接続されている、請求項１～１９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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