WO2015087433A1 - 半導体モジュールおよび電力変換装置 - Google Patents

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WO2015087433A1
WO2015087433A1 PCT/JP2013/083385 JP2013083385W WO2015087433A1 WO 2015087433 A1 WO2015087433 A1 WO 2015087433A1 JP 2013083385 W JP2013083385 W JP 2013083385W WO 2015087433 A1 WO2015087433 A1 WO 2015087433A1
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WO
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bus bar
plate
semiconductor module
bent portion
hole
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PCT/JP2013/083385
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English (en)
French (fr)
Inventor
貴史 小川
大西　正己
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/367—Cooling facilitated by shape of device
    • H01L23/3672—Foil-like cooling fins or heat sinks
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor module in which a power semiconductor cell including a power semiconductor element is connected to a bus bar, and a power conversion device including the semiconductor module.
  • Patent Document 1 discloses a connection using a clip using an ampere force.
  • the ampere force changes according to the magnitude of the flowing current, there is a problem that the contact resistance value is not stable.
  • Patent Document 2 discloses a structure in which a connection terminal is welded to a bus bar. In this case, the entire contact surface cannot be welded, and only the outer peripheral portion is welded, which is not suitable when the current capacity is large.
  • a semiconductor module includes a plurality of bus bars, a power semiconductor cell that includes a semiconductor element, and has a plurality of connection terminals that connect the semiconductor element and the plurality of bus bars. At least one of the bus bars has first and second plate-like conductive members arranged in layers and facing each other, and further includes a fixing portion that fixes the first and second plate-like conductive members to each other.
  • the connection terminal connected to the bus bar having the second plate-like conductive member has a surface that faces the second plate-like conductive member from one surface through the first through hole formed in the first plate-like conductive member.
  • an inverter circuit is configured by the semiconductor module of the above aspect.
  • the contact area between the bus bar and the connection terminal can be increased, and a highly reliable connection structure can be provided.
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the semiconductor module 101 of the present embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB of FIG.
  • FIG. 4 is a plan view of the bus bars 110a and 110b before the slide movement.
  • FIG. 5 is a plan view of the bus bars 110a and 110b after the slide movement.
  • FIG. 6 is a view showing a CC section and a DD section of FIG.
  • FIG. 7 is a view showing the EE cross section and the FF cross section of FIG.
  • FIG. 8 is a view showing the tenon portion 118 and the groove portion 119.
  • FIG. 9 is a diagram showing the semiconductor cell 103 and the bus bars 110a and 110b in the state shown in FIG. 6 and FIG.
  • FIG. 10 is a diagram showing a case where the emitter terminal 108 is also inserted into the through hole 116a.
  • FIG. 11 is a diagram showing a case where a plurality of tenon portions 118 and a plurality of groove portions 119 are provided.
  • FIG. 12 is an external perspective view of the semiconductor module according to the second embodiment.
  • FIG. 13 is a view showing a GG section of FIG.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the connection between the collector terminal 107 and the bus bar 109.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a power conversion device of the three-level inverter circuit 800 according to the third embodiment.
  • FIG. 16 is a circuit diagram of the three-level inverter circuit 800.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration when the bent portion 108a is formed in advance.
  • FIG. 18 is a
  • FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of the semiconductor module 101.
  • 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
  • the semiconductor module 101 includes a power semiconductor cell 103 (hereinafter referred to as a semiconductor cell 103), a heat sink 102, and bus bars 109 and 110.
  • the bus bar 109 is fixed to the heat sink 102 by an insulating bar 111
  • the bus bar 110 is fixed to the heat sink 102 by an insulating bar 112.
  • the semiconductor cell 103 contains a semiconductor chip such as a power semiconductor element.
  • the power semiconductor element is molded with an insulating material such as resin, and a large current terminal and a control terminal connected to the power semiconductor element protrude from the molded body.
  • an IGBT and a free wheel diode are mounted as power semiconductor elements.
  • the control terminals are a gate terminal 105 and a sense terminal 106, and the large current terminals are a collector terminal 107 which is a forward current injection terminal and an emitter terminal 108 which is a reverse current injection terminal (see FIG. 3).
  • the semiconductor cell 103 is provided with one or more IGBTs. When a plurality of IGBTs are provided, they are connected in parallel or in series.
  • the current capacity of the semiconductor module 101 is determined by the number of parallel connections of the semiconductor cells 103. For example, if the current capacity per semiconductor cell is 500 A, the current capacity of the semiconductor module 101 shown in FIG. 1 is 2500 A.
  • the collector terminal 107 is connected to the bus bar 109, and the emitter terminal 108 is connected to the bus bar 110 as shown in FIG. 3.
  • the bus bar 110 has a layered structure in which a bus bar 110a and a bus bar 110b are stacked. Details of the connection structure between the bus bar and the connection terminal will be described later.
  • the current flowing from the bus bar 109 through the collector terminal 107, emitter terminal 108, and bus bar 110 is controlled by a control voltage supplied between the gate terminal 105 and the sense terminal 106.
  • the heat radiating plate 102 is formed by forming a plate-like member having a high thermal conductivity such as metal in a meander shape (a plurality of continuous folded shapes). Each of the plurality of semiconductor cells 103 is disposed so as to be sandwiched between recesses opened above the meander-shaped heat radiation plate 102.
  • the recess 104 opened below the heat radiating plate 102 serves as a cooling water flow path or a heat pipe or the like.
  • the collector terminal 107 passes through a through hole 113 formed in the bus bar 110, is further inserted into a through hole 114 provided in the bus bar 109, and is connected to the collector terminal 107 by welding or the like.
  • the through hole 113 has a shape such that the collector terminal 107 does not come into contact with the bus bar 110 and is formed in consideration of a creepage distance and an insulation distance. Further, the shortest distance between the bus bar 109 and the bus bar 110 is determined in consideration of the creepage distance and the insulation distance so as not to be short-circuited.
  • the bus bar 110 is formed of two layers of a bus bar 110a and a bus bar 110b.
  • the emitter terminal 108 passes through the through-hole 115 provided in the bus bar 110a, and after penetrating, the emitter terminal 108 is substantially perpendicular to the extending direction of the layers of the bus bar 110a and the bus bar 110b, that is, in the direction along the surfaces of the bus bars 110a and 110b. It is bent.
  • this bent portion is referred to as a bent portion 108a.
  • the bent portion 108a is sandwiched between the bus bar 110a and the bus bar 110b, the lower surface of the bent portion 108a is in contact with the bus bar 110a, and the upper surface of the bent portion 108a is in contact with the bus bar 110b.
  • a recess 120 is formed in which the bent portion 108a is fitted.
  • the depth dimension of the recess 120 is set slightly smaller than the thickness dimension of the bent part 108a (about minus tolerance), and when the bus bars 110a and 110b are stacked, the bus bars 110a and 110b and the bent part 108a are in contact with each other.
  • the dimensions are such that Further, when the bus bars 110a and 110b are fixed together, the opposing surfaces of the bus bars 110a and 110b are brought into close contact with each other.
  • a joint structure in which a tenon portion and a groove portion are engaged as described later is used as described later.
  • FIGS. 4 to 7 are diagrams illustrating a method of connecting the emitter terminal 108 to the bus bars 110a and 110b.
  • the upper bus bar 110b is slid relative to the lower bus bar 110a.
  • a part of the emitter terminal 108 is bent to form a bent portion 108a, and the bent portion 108a is sandwiched between the bus bar 110a and the bus bar 110b.
  • FIG. 4 is a plan view of the bus bars 110a and 110b before the bus bar 110b is slid.
  • 4A is a plan view of the bus bar 110b
  • FIG. 4B is a plan view of the bus bar 110a.
  • 6A is a CC cross-sectional view of FIG. 4
  • FIG. 6B is a DD cross-sectional view of FIG. 5 is a plan view of the bus bars 110a and 110b after sliding movement
  • FIG. 5 (a) is a plan view of the bus bar 110b
  • FIG. 5 (b) is a plan view of the bus bar 110a.
  • 7A is a cross-sectional view taken along line EE in FIG. 5
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line FF in FIG.
  • a through hole 115 through which the emitter terminal 108 penetrates and a through hole 113 through which the collector terminal 107 penetrates are formed in the lower bus bar 110a.
  • the through-hole 113 has a shape that takes into account the insulation distance and creepage distance between the collector terminal 107 and the bus bar 110a.
  • the cross-sectional shape of the through hole 115 is substantially the same as the cross-sectional shape of the emitter terminal 108.
  • the emitter terminal 108 is formed with a thick portion 117 for positioning the vertical position of the bus bar 110a.
  • a tenon portion 118 for fixing the bus bars 110a and 110b to each other is formed on the upper surface of the bus bar 110a (the surface facing the bus bar 110b).
  • the upper bus bar 110b shown in FIG. 4A is formed with a through hole 116b through which the collector terminal 107 passes and a through hole 116a through which the emitter terminal 108 before being bent passes.
  • the through hole 116a and the through hole 116b are connected, but may be separated.
  • a groove portion 119 into which the tenon portion 118 of the bus bar 110a is fitted is formed on the lower surface of the bus bar 110b.
  • the tenon portion 118 is guided in the left-right direction by the groove portion 119.
  • the tenon portion 118 may be formed on the bus bar 110b side, and the groove portion 119 may be formed on the bus bar 110a side.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the tenon portion 118 and the groove portion 119 taken along a plane orthogonal to the guide direction.
  • the tenon 118 and the groove 119 have cross-sectional shapes that are trapezoidal upside down, and the tenon 118 engages with the groove 119 so that the bus bar 110a and the bus bar 110b are fixed to each other, and are integrated.
  • a bus bar 110 is formed.
  • the groove portion 119 is configured to be slidable relative to the tenon portion 118.
  • the bus bars 110a and 110b are arranged so that the through hole 115 and the through hole 106a face each other, the emitter terminal 108 of the semiconductor cell 103 is passed through the through holes 115 and 106a, and the collector terminal 107 is It penetrates through the through holes 113 and 106b. At this time, the emitter terminal 108 is penetrated until the thick portion 117 of the emitter terminal 108 contacts the lower surface of the bus bar 110a. Since the thick portion 117 contacts the lower surface of the bus bar 110a, the penetration amount of the emitter terminal 108 with respect to the bus bar 110a, that is, the contact area of the bent portion 18a can be accurately set.
  • the upper bus bar 110b is slid in the left direction shown by the arrow in FIG. 4 to the position shown in FIG. At this time, the tenon portion 118 and the groove portion 119 are engaged.
  • the through hole 116a through which the emitter terminal 108 passes also moves to the left.
  • the emitter terminal 108 is bent along the bus bar 110a on the left side in the drawing, and the bent portion is fitted into the recess 120 of the bus bar 110b.
  • the tip of the emitter terminal 108 comes out of the through hole 116a, and the bent portion 108a is stored in the recess 120.
  • the bent portion 108a is sandwiched between the bus bar 110a and the bus bar 110b.
  • the thickness of the emitter terminal 108 changes to be approximately the same as the depth of the recess 120, and the emitter terminal 108 fits into the recess 120 exactly.
  • FIG. 9A shows the semiconductor cell 103 and the bus bars 110a and 110b in the state shown in FIG. 6, and FIG. 9B shows the state shown in FIG.
  • the collector terminal 107 is passed through the through hole 114 of the bus bar 109 and the bus bar 109 is positioned on the collector terminal 107 as shown in FIG. It mounts on the thick part 122 which is a member. Thereafter, the collector terminal 107 and the bus bar 109 are connected by welding.
  • the bent portion 108a formed by bending the emitter terminal 108 is interposed between the bus bar 110a and the bus bar 110b divided into two layers. Since they are sandwiched, the contact area between the emitter terminal 108 and the bus bar 110 can be made larger than in the prior art. In addition, since the portion sandwiched between the bus bars 110a and 110b is bent, a plurality of semiconductor cells 103 can be connected to the pair of bus bars 110a and 110b.
  • bus bar 110a and the bus bar 110b are fixed by a joint structure using the tenon portion 118 and the groove portion 119, it is possible to prevent the emitter terminal 108 from coming off even when vibration or the like is applied.
  • the method for fixing the bus bars 110a and 110b is not limited to the above-described assembled structure, and may be fastened with screws.
  • the contact area is 97.5 mm 2
  • the emitter terminal 108 is the same terminal size as the collector terminal 107.
  • the contact area is 217.5 mm 2 .
  • the contact area between the bus bar and the connection terminal can be increased, so that the current density can be reduced, the heat generation at the contact portion can be suppressed, and the interlayer distance between the bus bar 109 and the bus bar 110 can be reduced. It can be shortened.
  • the interlayer distance is shortened, the magnetic coupling between the bus bar 109 and the bus bar 110 is increased, and the inductance generated in the current path of the bus bar 109, the collector terminal 107, the emitter terminal 108, and the bus bar 110 can be reduced. Thereby, since the jump voltage at the time of switching can be reduced, switching loss can be reduced.
  • the integration of the bus bars 110a and 110b and the bending operation of the emitter terminal 108 are collectively performed. be able to.
  • the length dimension in the sliding direction is set according to the length of the bent portion 108a. For example, when the emitter terminal 108 having a length of 9 mm is bent, it can be bent along the layer direction of the bus bars 110a and 110b if the sliding movement distance is 10 mm.
  • the emitter terminal 108 ( A portion indicated by reference numeral 108b) can be inserted. As a result, the contact area between the emitter terminal 108 and the bus bar 110b can be further increased. However, if the dimension of the part to be bent (bent part) is too long, the tip of the emitter terminal 108 protrudes above the bus bar 110b and approaches the bus bar 109, which is not preferable.
  • the degree of adhesion between the bus bar 110a and the bus bar 110b can be increased over the entire area of the bus bar 110. Can be improved.
  • the bus bars 110a and 110b are fixed to each other by the joint structure using the tenon portion 118 and the groove portion 119.
  • the bus bar 110a and the bus bar 110b are fastened with screws. Additional structures may be added.
  • the assembly structure may be omitted, and the bus bars 110a and 110b may be fixed to each other only by screw fastening.
  • the emitter terminal 108 and the bus bars 110a and 110b may be welded through the through hole 116.
  • the contact portion between the bus bar 110 and the emitter terminal 108 may be subjected to a plating process for preventing aging and the like. Furthermore, you may provide the recessed part 120 in the bus-bar 110a side.
  • the emitter terminal 108 is bent to form the bent portion 108a by sliding the bus bar 110b with respect to the bus bar 110a.
  • the portion 108a may be formed, and the bent portion 108a may be sandwiched between the bus bars 110a and 110b.
  • a through hole 115a larger than the through hole 115 shown in FIG. 6 is formed in the bus bar 110a. Then, the emitter terminal 108 in which the bent portion 108a is formed in advance is inserted into the through hole 115a as indicated by the broken line arrow, and the bent portion 108a is placed on the bus bar 110a.
  • the bus bar 110b in which the recess 120 is formed is placed on the bus bar 110a, and the bent portion 108a is sandwiched between the bus bars 110a and 110b.
  • a joint structure using the tenon portion 118 and the groove portion 119 may be used, or a screw fastening structure may be used.
  • the recessed part 120 is not necessarily required. That is, the shape of the bus bar 110b may be a simple flat plate. However, since it is preferable that the bus bar 110a and the bus bar 110b are in close contact with each other, the recess 120 is preferably provided.
  • the emitter terminal 108 is detached from the bus bar 110 because the bent portion 108a does not come out of the recess 120 even if vibration or the like is applied. Can be reliably prevented.
  • FIG. 12 is an external perspective view of the semiconductor module.
  • the bus bars 109 and 110 only the connection portion with the connection terminal of the semiconductor cell 103 is shown, and the other portions are not shown. Also, the third and fourth semiconductor cells 103, and the heat sink 102 and bus bars 109 and 110 related to them are not shown.
  • FIG. 13 is a view showing a GG cross section of FIG. 12, and shows an enlarged cross section of a connection portion between the collector terminal 107 and the bus bar 109.
  • the same structure as the connection structure between the emitter terminal 108 and the bus bar 110 described in the first embodiment is also adopted in the connection structure between the collector terminal 107 and the bus bar 109.
  • the bus bar 109 includes a bus bar 109a and a bus bar 109b that are stacked in layers.
  • the structure for fixing the bus bar 109a and the bus bar 109b integrally is the same as that of the first embodiment.
  • the collector terminal 107 penetrates the through hole 123 of the lower bus bar 109a after passing through the through hole 115 of the bus bar 110a and the through hole 106b of the bus bar 110b.
  • the collector terminal 107 is bent at a substantially right angle along the surface of the bus bar 109a after passing through the through hole 123. This bent portion is called a bent portion 107a.
  • the bent portion 107a is sandwiched between the bus bar 109a and the bus bar 109b, and is fitted into a recess 121 formed on the lower surface side of the bus bar 109b.
  • the bent portion 107a comes into contact with the bus bar 109a and the bus bar 109b, and the bus bars 109a and 109b are in close contact with each other in a region other than the recess 121.
  • the size of the recess 121 is set in the same manner as the recess 120 according to the size of the bent portion 107a.
  • a thick portion 122 for positioning is also formed on the collector terminal 107. By providing the thick portion 122, the length of the bent portion 107a can be set accurately.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a portion of the collector terminal 107, FIG. 14 (a) shows a state before sliding the bus bar 109b, and FIG. 14 (b) shows a state after the sliding movement is completed. is there.
  • the collector terminal 107 is passed through the through hole 123 of the bus bar 109a, and the bus bar 109a is positioned on the thick portion 122.
  • the collector terminal 107 is passed through the through hole 124 of the bus bar 109b, and the bus bar 109b is placed on the bus bar 109a.
  • the bus bar 109b is slid in the left direction in the figure.
  • the collector terminal 107 protruding upward in the figure from the through-hole 123 is bent to the left side by being slid and is gradually inserted into the recess 121, and is slid to the state shown in FIG.
  • the tip is removed from the through-hole 124, and the bent portion fits into the recess 121, forming a bent portion 107a.
  • the bent portion 107a is in close contact with both the bus bars 109a and 109b, and the bus bars 109a and 109b are also in close contact with each other.
  • the bus bars 109a and 109b also have a joint structure with tenon portions and groove portions as in the case of the bus bars 110a and 110b, and the bus bars are engaged by engaging the tenon portions and the groove portions.
  • 109a and bus bar 109b are fixed integrally.
  • the bus bars 109a and 109b may be brought into close contact with each other by screw fastening, or the bus bars 109a and 109b may be integrated only by the screw fastening structure.
  • the contact portion between the bent portion 107a of the collector terminal 107 and the bus bar 109a may be further welded. Further, the contact portion between the bus bars 109a and 109b and the collector terminal 107 may be subjected to a plating process for preventing deterioration over time such as oxidation. Further, the recess 121 may be formed on any of the opposing surfaces of the bus bars 109a and 109b.
  • both the collector terminal 107 and the emitter terminal 108 are configured such that the bent portion is sandwiched between a pair of bus bars that form a layer, so that the contact area between the collector terminal 107 and the bus bar 109, the emitter terminal 108, The contact area with the bus bar 110 can be easily increased.
  • the same effects as those of the connection structure of the emitter terminal 108 described above can be obtained.
  • FIG. 15 shows a power conversion device using a three-level inverter circuit 800.
  • FIG. 16 is a circuit diagram of the three-level inverter circuit 800.
  • the three-level inverter circuit 800 includes a plurality of switch groups 801, 802, 803, and 804 connected in parallel, and diode modules 805 and 806 in which a plurality of diodes are connected in parallel.
  • the plurality of semiconductor cells 901 correspond to the switch group 801 in FIG. 16, and the connection terminals of each semiconductor cell 901 are connected to the positive bus bar 911 (P) and the bus bar 912.
  • the plurality of semiconductor cells 902 correspond to the switch group 802 in FIG. 16, and the connection terminals of each semiconductor cell 902 are connected to the bus bar 912 and the bus bar 913.
  • the plurality of semiconductor cells 903 correspond to the switch group 803 in FIG. 16, and the connection terminals of the respective semiconductor cells 903 are connected to the bus bar 913 and the bus bar 914.
  • the plurality of semiconductor cells 904 correspond to the switch group 804 in FIG. 16, and the connection terminal of each semiconductor cell 904 is connected to the bus bar 914 and the negative electrode bus bar 915 (N).
  • the plurality of semiconductor cells 905 correspond to the diode module 805 in FIG. 16, and the connection terminals of the respective semiconductor cells 905 are connected to the bus bar 912 and the bus bar 916.
  • the plurality of semiconductor cells 906 correspond to the diode module 806 in FIG. 16 and are connected to the bus bar 916 and the bus bar 914.
  • connection structure described in the first and second embodiments is used for connection of each semiconductor cell connection terminal to each bus bar. Thereby, the heat generation at the connection portion between the bus bar and the connection terminal can be suppressed. Further, by arranging each bus bar as shown in FIG. 15, a three-level circuit power converter with a small inductance component can be provided. The above effects can be exhibited not only in the three-level circuit but also in the entire switching circuit using the semiconductor module of the present invention.
  • the semiconductor module according to the present invention includes a plurality of bus bars 109 and 110 and a plurality of connections that incorporate the semiconductor elements and connect the semiconductor elements and the plurality of bus bars 109 and 110, as shown in FIG. And a semiconductor cell 103 having terminals (collector terminal 107 and emitter terminal 108).
  • a semiconductor cell 103 having terminals (collector terminal 107 and emitter terminal 108).
  • at least one of the plurality of bus bars (bus bar 110) includes bus bars 110a and 110b which are first and second plate-like conductive members arranged in layers and opposed to each other.
  • a tenon portion 118 and a groove portion 119 are further provided as fixing portions for fixing the bus bars 110a and 110b to each other, and an emitter terminal 108 connected to the bus bar 110 having the bus bars 110a and 110b is a first through hole 115 formed in the bus bar 110a. From one surface to the surface side facing the bus bar 110b, and the terminal portion penetrating to the opposite surface side forms a bent portion 108a bent along the bus bar 110a, and the bent portion 108a is connected to the bus bar 110a, It is characterized by being sandwiched by 110b.
  • the emitter terminal 108 is bent and the bent portion 108a is sandwiched between the pair of bus bars 110a and 110b, the front and back surfaces of the bent portion 108a can be brought into contact with the bus bars 110a and 110b. Therefore, the contact area between the connection terminal and the bus bar can be increased as much as possible, and heat generation at the connection portion can be suppressed. Further, since the pair of bus bars 110a and 110b are fixed to each other by the fixing portions (118 and 119), it is possible to prevent the connection terminals from being detached from the bus bar.
  • the bus bar 110b is formed with the recess 120 into which the bent portion 108a is inserted, so that the bus bars 110a and 110b can be brought into close contact with each other.
  • the thick portion 117 on the emitter terminal 108 is locked by the bus bar 110 a in the through hole 115, and positioning when the emitter terminal 108 is inserted into the through hole 115 is performed accurately. Can do. Further, when the bent portion 108a is formed by sliding the bus bar 110b, the bent portion 108a having a set length can be formed, and the desired contact area can be reliably set.
  • the structure as shown in FIG. 18 other than the above-mentioned thick part 108a may be sufficient.
  • the positioning portion 200 a is formed integrally with the molding material (insulating resin or the like) 200 of the semiconductor cell 103. Thereby, the manufacturing cost can be reduced.
  • the bus bar 110b has a second through hole 106a through which the emitter terminal 108 can pass.
  • the tenon portion 118 and the groove portion 119 have the bus bar 110b connected to the second through hole 106a and the first through hole 106a.
  • the bus bar 110b is sandwiched between the bus bar 110a and the bent portion 108a inserted into the recess 120. It is in an engaged state when it is in the position 2, and is configured to be slidable between the disengaged state and the engaged state.
  • the bent portion 108a can be formed by sliding the bus bar 110b while the emitter terminal 108 is passed through the through holes 115 and 106a. it can.
  • the bending work and the integration work of the bus bars 110a and 110b can be performed simultaneously.
  • the tip end portion of the bent portion 108a may be inserted into the through hole 106a and may be in contact with the bus bar 110b. With such a configuration, the contact area between the bus bar 110 and the emitter terminal 108 can be further increased.
  • the semiconductor cell 103 when the semiconductor cell 103 includes a collector terminal 107 connected to the bus bar 109 and an emitter terminal connected to the bus bar 110, the bent portion 107a of the collector terminal 107 is provided. It is preferable to sandwich between the bus bars 109a and 109b and to bend the bent portion 108a of the emitter terminal 108 between the bus bars 110a and 110b. With such a configuration, the contact area can be increased in any connection portion, and heat generation in the connection portion can be reduced.
  • 101 semiconductor module
  • 102 heat sink
  • 103 901 to 906: semiconductor cell
  • 105 gate terminal
  • 106 sense terminal
  • 107 collector terminal
  • 107a, 108a bent portion
  • 108 emitter terminal
  • 111, 112 insulating bar
  • 118 tenon part
  • 119 Groove part, 120, 121: recess
  • 200a positioning part
  • 800 three-level inverter circuit
  • 801 to 804 switch group
  • 805, 806 diode module

Landscapes

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Abstract

　半導体モジュールは、複数のバスバーと、半導体素子を内蔵し、半導体素子と複数のバスバーとを接続する複数の接続端子を有するパワー半導体セルと、を備え、複数のバスバーの少なくとも一つは、層状に対向配置された第１および第２の板状導電部材を有し、第１および第２の板状導電部材を互いに固定する固定部をさらに備え、第１および第２の板状導電部材を有するバスバーと接続される接続端子は、第１の板状導電部材に形成された第１の貫通孔を一方の面から第２の板状導電部材に対向する面側に貫通するとともに、対向する面側に貫通した端子部分が第１の板状導電部材に沿うように折れ曲がった屈曲部を成し、屈曲部が第１および第２の板状導電部材によって挟まれている。

Description

半導体モジュールおよび電力変換装置
　パワー半導体素子を備えるパワー半導体セルをバスバーに接続した半導体モジュール、およびその半導体モジュールを備えた電力変換装置に関する。
　半導体モジュールとバスバーの接続には、溶接、クリップなどを用いることが多く、特許文献１ではアンペール力を利用したクリップによる接続が開示されている。しかしながら、アンペール力は流れる電流の大きさに応じて変化するため、接触抵抗値が安定しないという問題がある。また、振動により半導体モジュール側またはクリップ側に位置ずれが生じるなどの問題がある。また、特許文献２には、接続端子をバスバーに溶接する構造が開示されている。この場合、接触面全体を溶接できるわけではなく、外周部しか溶接されないため、電流容量が大きい場合には適さない。
日本国特開２００８－２０４７１６号公報 日本国特開２００５－１８５０６３号公報
　近年、半導体モジュールの高性能化、冷却方法の高効率化により小型・大電流容量の半導体モジュールが製品化されている。このような半導体モジュールでは、バスバーとの接続部における発熱を抑えるために接続部の接触面積を大きくとることが望まれる。接続部に発生した熱はバスバー全体の温度を上昇させるので、接続部での発熱が大きいと、バスバー冷却のためにバスバーの間隔を離す必要がある。しかしながら、間隔を大きくするとバスバーで発生した磁束を打ち消す効果が小さくなるため、バスバーのインダクタンス成分が大きくなり、半導体モジュールのスイッチング時における跳ね上り電圧が大きくなってスイッチング損失が増加する。
　本発明の一の態様によると、半導体モジュールは、複数のバスバーと、半導体素子を内蔵し、半導体素子と複数のバスバーとを接続する複数の接続端子を有するパワー半導体セルと、を備え、複数のバスバーの少なくとも一つは、層状に対向配置された第１および第２の板状導電部材を有し、第１および第２の板状導電部材を互いに固定する固定部をさらに備え、第１および第２の板状導電部材を有するバスバーと接続される接続端子は、第１の板状導電部材に形成された第１の貫通孔を一方の面から第２の板状導電部材に対向する面側に貫通するとともに、対向する面側に貫通した端子部分が第１の板状導電部材に沿うように折れ曲がった屈曲部を成し、屈曲部が第１および第２の板状導電部材によって挟まれている。
　本発明の他の態様によると、電力変換装置は、上記態様の半導体モジュールでインバータ回路が構成されている。
　本発明によれば、バスバーと接続端子との接触面積の増大が図れると共に、信頼性の高い接続構造を提供することができる。
図１は、本実施の形態の半導体モジュール１０１の外観を示す斜視図である。 図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。 図３は、図１のＢ－Ｂ断面図である。 図４は、スライド移動前のバスバー１１０ａ，１１０ｂの平面図である。 図５は、スライド移動後のバスバー１１０ａ，１１０ｂの平面図である。 図６は、図４のＣ－Ｃ断面およびＤ－Ｄ断面を示す図である。 図７は、図５のＥ－Ｅ断面およびＦ－Ｆ断面を示す図である。 図８は、ほぞ部１１８と溝部１１９とを示す図である。 図９は、図６および図７に示す状態における半導体セル１０３，バスバー１１０ａ，１１０ｂを示す図である。 図１０は、貫通孔１１６ａにもエミッタ端子１０８を挿入させた場合を示す図である。 図１１は、ほぞ部１１８と溝部１１９とを複数設けた場合を示す図である。 図１２は、第２の実施の形態における半導体モジュールの外観斜視図である。 図１３は、図１２のＧ－Ｇ断面を示す図である。 図１４は、コレクタ端子１０７とバスバー１０９との接続を説明する図である。 図１５は、第３の実施の形態における３レベルインバータ回路８００の電力変換装置を示す図である。 図１６は、３レベルインバータ回路８００の回路図である。 図１７は、屈曲部１０８ａを予め形成しておく場合の構成を説明する図である。 図１８は、モールド材による位置決め部２００ａを示す図である。
　以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
－第１の実施の形態－
　図１～３は本発明に係る半導体モジュールの第１の実施形態を示す図である。図１は半導体モジュール１０１の外観を示す斜視図である。図２は図１のＡ－Ａ断面図であり、図３は図１のＢ－Ｂ断面図である。半導体モジュール１０１は、パワー半導体セル１０３（以下、半導体セル１０３と呼ぶ）、放熱板１０２およびバスバー１０９，１１０を備えている。バスバー１０９は絶縁バー１１１によって放熱板１０２に固定され、バスバー１１０は絶縁バー１１２によって放熱板１０２に固定されている。半導体セル１０３には、パワー半導体素子等の半導体チップが内蔵されている。パワー半導体素子は樹脂等の絶縁材によりモールドされており、パワー半導体素子に接続されている大電流端子と制御端子とがモールド体から突出している。
　本実施の形態における半導体セル１０３では、パワー半導体素子としてＩＧＢＴおよびフリーホイールダイオードが搭載されている。制御端子はゲート端子１０５とセンス端子１０６であり、大電流端子は順方向電流注入端子であるコレクタ端子１０７と逆方向電流注入端子であるエミッタ端子１０８（図３参照）である。半導体セル１０３にはＩＧＢＴが１以上設けられており、複数設けられている場合には、それはらは並列接続や直列接続されている。半導体セル１０３の並列接続数で半導体モジュール１０１の電流容量が決まる。例えば、半導体セル１台あたりの電流容量が５００Ａとすると、図１に示す半導体モジュール１０１の電流容量は２５００Ａとなる。
　図２に示すようにコレクタ端子１０７はバスバー１０９と接続され、図３に示すようにエミッタ端子１０８はバスバー１１０と接続される。バスバー１１０は、バスバー１１０ａとバスバー１１０ｂとを積層した層状構造となっている。バスバーと接続端子との接続構造の詳細については後述する。バスバー１０９からコレクタ端子１０７、エミッタ端子１０８、バスバー１１０の経路で流れる電流を、ゲート端子１０５とセンス端子１０６との間に供給する制御電圧で制御する。
　放熱板１０２は、金属などの熱伝導率の高い板状部材をミアンダ形状（連続した複数の折り返し形状）に形成したものである。複数の半導体セル１０３の各々は、ミアンダ形状放熱板１０２の上方に開いた凹部に挟持されるように配置されている。放熱板１０２の下方に開いた凹部１０４は冷却水流路とされたり、ヒートパイプ等が配置されたりする。
　図２に示すように、コレクタ端子１０７は、バスバー１１０に形成された貫通孔１１３を貫通し、さらにバスバー１０９に設けられた貫通孔１１４に挿入され、溶接などによりコレクタ端子１０７と接続される。貫通孔１１３は、コレクタ端子１０７がバスバー１１０と接触しないような形状とされ、かつ沿面距離、絶縁距離を考慮して形成されている。また、バスバー１０９とバスバー１１０との間の最短距離は、短絡しないように沿面距離、絶縁距離を考慮して決められる。
　図３に示すように、バスバー１１０はバスバー１１０ａとバスバー１１０ｂの２層で形成される。エミッタ端子１０８は、バスバー１１０ａに設けられた貫通孔１１５を貫通し、貫通後、バスバー１１０ａおよびバスバー１１０ｂの層の延在方向に、すなわちバスバー１１０ａ，１１０ｂの面に沿った方向に、ほぼ直角に屈曲している。ここでは、この屈曲している部分を屈曲部１０８ａと呼ぶ。屈曲部１０８ａはバスバー１１０ａとバスバー１１０ｂとの間に挟まれ、屈曲部１０８ａの下面はバスバー１１０ａと接触し、屈曲部１０８ａの上面はバスバー１１０ｂと接触している。
　バスバー１１０ｂの下面には、屈曲部１０８ａが填まり込む凹部１２０が形成されている。凹部１２０の深さ寸法は屈曲部１０８ａの厚さ寸法に対して若干小さく（マイナス公差程度）設定されており、バスバー１１０ａ，１１０ｂを積層したときに、バスバー１１０ａ，１１０ｂと屈曲部１０８ａとが接触するような寸法となっている。さらに、バスバー１１０ａ，１１０ｂ同士を一体に固定すると、バスバー１１０ａ，１１０ｂの各対向面が密着する。バスバー１１０ａ，１１０ｂ同士の固定方法としては、例えば、後述するようにほぞ部と溝部とが係合する組接ぎ構造が用いられる。
　図４～７は、エミッタ端子１０８のバスバー１１０ａ，１１０ｂへの接続方法を説明する図である。エミッタ端子１０８をバスバー１１０ａ，１１０ｂに接続する際には、下側のバスバー１１０ａに対して上側のバスバー１１０ｂをスライド移動させる。そのスライド移動に伴ってエミッタ端子１０８の一部が折り曲げられて屈曲部１０８ａが形成されると共に、屈曲部１０８ａがバスバー１１０ａとバスバー１１０ｂとの間に挟持される。
　図４は、バスバー１１０ｂをスライド移動させる前の、バスバー１１０ａ，１１０ｂの平面図である。図４（ａ）はバスバー１１０ｂの平面図、図４（ｂ）はバスバー１１０ａの平面図である。図６（ａ）は図４のＣ－Ｃ断面図、図６（ｂ）は図４のＤ－Ｄ断面図である。また、図５はスライド移動後のバスバー１１０ａ，１１０ｂの平面図であり、図５（ａ）はバスバー１１０ｂの平面図、図５（ｂ）はバスバー１１０ａの平面図である。図７（ａ）は図５のＥ－Ｅ断面図、図７（ｂ）は図５のＦ－Ｆ断面図である。
　図４（ｂ）に示すように、下側のバスバー１１０ａには、エミッタ端子１０８が貫通する貫通孔１１５、および、コレクタ端子１０７が貫通する貫通孔１１３が形成されている。上述したように、貫通孔１１３は、コレクタ端子１０７とバスバー１１０ａとの絶縁距離、沿面距離を考慮した形状となっている。貫通孔１１５の断面形状は、エミッタ端子１０８の断面形状とほぼ同一となっている。エミッタ端子１０８にはバスバー１１０ａの上下位置を位置決めするための肉厚部１１７が形成されている。バスバー１１０ａの上面（バスバー１１０ｂに対向している面）には、バスバー１１０ａ，１１０ｂ同士を固定するためのほぞ部１１８が形成されている。
　一方、図４（ａ）に示す上側のバスバー１１０ｂには、コレクタ端子１０７が貫通する貫通孔１１６ｂと、折り曲げられる前のエミッタ端子１０８が貫通する貫通孔１１６ａとが形成されている。本実施形態では、貫通孔１１６ａと貫通孔１１６ｂとは繋がっているが、分離されていても構わない。また、バスバー１１０ｂの下面には、バスバー１１０ａのほぞ部１１８が嵌め合う溝部１１９が形成されている。ほぞ部１１８は、溝部１１９によって左右方向にガイドされる。なお、ほぞ部１１８がバスバー１１０ｂ側に形成され、溝部１１９がバスバー１１０ａ側に形成されていても良い。バスバー１１０ａ，１１０ｂが図４に示す位置に配置されている場合には、ほぞ部１１８と溝部１１９とは非係合状態となってる。
　図８は、ほぞ部１１８と溝部１１９とを、ガイド方向に直交する面で断面した図である。ほぞ部１１８および溝部１１９の断面形状は台形を上下逆にした形状を有しており、溝部１１９にほぞ部１１８が係合することにより、バスバー１１０ａとバスバー１１０ｂとが互いに固定されて、一体のバスバー１１０を形成する。溝部１１９はほぞ部１１８に対して相対的にスライド移動可能に構成されている。
　図４に示すように、貫通孔１１５と貫通孔１０６ａとが対向するようにバスバー１１０ａ，１１０ｂを配置し、半導体セル１０３のエミッタ端子１０８を貫通孔１１５および１０６ａに貫通させると共に、コレクタ端子１０７を貫通孔１１３および１０６ｂに貫通させる。このとき、エミッタ端子１０８の肉厚部１１７がバスバー１１０ａの下面に当接するまでエミッタ端子１０８を貫通させる。肉厚部１１７がバスバー１１０ａの下面に当接することで、バスバー１１０ａに対するエミッタ端子１０８の貫通量、すなわち屈曲部１８ａの接触面積を正確に設定することができる。
　次いで、図４の矢印で示す図示左方向に上側のバスバー１１０ｂをスライド移動させて、図５に示す位置まで移動させる。このとき、ほぞ部１１８と溝部１１９とは係合状態となる。上側のバスバー１１０ｂを図示左側にスライド移動させると、エミッタ端子１０８が貫通している貫通孔１１６ａも左側に移動する。その結果、エミッタ端子１０８が図示左側にバスバー１１０ａに沿って折れ曲がり、その折れ曲がった部分がバスバー１１０ｂの凹部１２０内に填まり込む。スライド移動が完了すると、図７（ｂ）に示すように、エミッタ端子１０８の先端が貫通孔１１６ａから抜け出て、凹部１２０内に屈曲部１０８ａが収納される。その結果、屈曲部１０８ａがバスバー１１０ａとバスバー１１０ｂとの間に挟持される。エミッタ端子１０８が折り曲げられて凹部１２０に填り込む際に、エミッタ端子１０８の厚さが変化して凹部１２０の深さとほぼ同じになり、エミッタ端子１０８が凹部１２０内にぴったりと填り込む。
　図９（ａ）は、図６に示す状態における半導体セル１０３，バスバー１１０ａ，１１０ｂを示す図であり、図９（ｂ）は、図７に示す状態を示す。図９（ｂ）に示す状態に組上がったならば、図７（ａ）に示すように、バスバー１０９の貫通孔１１４にコレクタ端子１０７を貫通させ、バスバー１０９をコレクタ端子１０７に形成された位置決め部材である肉厚部１２２上に載置する。その後、コレクタ端子１０７とバスバー１０９とを溶接により接続する。
　上述したように、本実施の形態におけるエミッタ端子１０８とバスバー１１０との接続構造においては、エミッタ端子１０８を折り曲げて形成した屈曲部１０８ａを、層状に２分割したバスバー１１０ａとバスバー１１０ｂとの間に挟むようにしたので、エミッタ端子１０８とバスバー１１０との接触面積を従来よりも大きくすることができる。また、バスバー１１０ａ，１１０ｂに挟まれる部分を屈曲させているので、複数の半導体セル１０３を一対のバスバー１１０ａ，１１０ｂに接続することが可能となる。
　さらに、バスバー１１０ａとバスバー１１０ｂとをほぞ部１１８と溝部１１９とを用いた組継ぎ構造により固定しているので、振動等が加わった場合でもエミッタ端子１０８が外れるのを防止することができる。なお、バスバー１１０ａ，１１０ｂ同士の固定方法としては、上述した組接ぎ構造に限らず、ネジにより締結するようにしても良い。
　一例として、バスバー１０９の厚さを６．５ｍｍ、コレクタ端子１０７の幅を７．５ｍｍとすると、接触面積は９７．５ｍｍ２、エミッタ端子１０８もコレクタ端子１０７と同じ端子サイズとするとバスバー１１０との接触面積は２１７．５ｍｍ２となる。この接触部分に２５０Ａの電流が流れるとすると、電流密度はコレクタ端子１０７の１本あたり２．５６Ａ／ｍｍ２、エミッタ端子１０８の１本あたり１．１５Ａ／ｍｍ２となる。
　すなわち、本実施の形態では、バスバーと接続端子との接触面積を大きくすることができるので、電流密度を低くでき、接触部の発熱を抑えることができ、バスバー１０９とバスバー１１０との層間距離を短くすることが可能となる。この層間距離が短くなるとバスバー１０９とバスバー１１０との磁界結合が大きくなりバスバー１０９、コレクタ端子１０７、エミッタ端子１０８、バスバー１１０の電流経路で発生するインダクタンスを小さくすることができる。これにより、スイッチング時の跳ね上り電圧を低減できるため、スイッチング損失を軽減できる。
　また、バスバー１１０ａ，１１０ｂ同士の固定に、ほぞ部１１８と溝部１１９とを用いた組継ぎ構造を採用することで、バスバー１１０ａ，１１０ｂの一体化と、エミッタ端子１０８の屈曲作業とを一括で行うことができる。スライド方向長さ寸法は、屈曲部１０８ａの長さに応じて設定される。例えば、長さ９ｍｍのエミッタ端子１０８を屈曲させる場合には、スライド移動距離が１０ｍｍであれば、バスバー１１０ａ，１１０ｂの層方向に沿って曲げることが可能である。
　また、エミッタ端子１０８の折り曲げられる部分の長さを凹部１２０の長さ（スライド方向長さ）よりも長くすることで、図１０に示すように、バスバー１１０ｂの貫通孔１１６ａにもエミッタ端子１０８（符号１０８ｂで示す部分）を挿入させた状態とすることができる。その結果、エミッタ端子１０８とバスバー１１０ｂとの接触面積をさらに増加させることができる。ただし、折り曲げられる部分（屈曲部）の寸法を長くし過ぎると、エミッタ端子１０８の先端部分がバスバー１１０ｂの上方に突出してバスバー１０９に近づくので好ましくない。
　また、図１１に示すように、ほぞ部１１８と溝部１１９とを複数（例えば、各接続部に対応した数だけ）設けることにより、バスバー１１０ａとバスバー１１０ｂとの密着度を、バスバー１１０の全域に亘って向上させることができる。
　なお、上述した実施の形態では、バスバー１１０ａ，１１０ｂ同士を、ほぞ部１１８と溝部１１９と利用した組接ぎ構造により固定したが、密着度を上げるために、バスバー１１０ａとバスバー１１０ｂとをねじで締結する構造をさらに追加しても良い。もちろん、組接ぎ構造を省略して、ねじ締結のみでバスバー１１０ａ，１１０ｂ同士を固定するようにしても良い。さらに、組接ぎ構造やねじ締結に加えて、貫通孔１１６を介してエミッタ端子１０８とバスバー１１０ａ，１１０ｂとを溶接しても良い。
　また、バスバー１１０とエミッタ端子１０８との接触分に、酸化などの経年劣化を防ぐためのメッキ処理を行うようにしても良い。さらに、凹部１２０をバスバー１１０ａ側に設けても良い。
　なお、上述した実施の形態では、バスバー１１０ａに対してバスバー１１０ｂをスライド移動させることで、エミッタ端子１０８を折り曲げて屈曲部１０８ａを形成するようにしたが、図１７に記載のように、予め屈曲部１０８ａを形成しておき、その屈曲部１０８ａをバスバー１１０ａ，１１０ｂで上下に挟み込むようにしても良い。
　図１７（ａ）に示すように、バスバー１１０ａには、図６に示した貫通孔１１５よりも大きな貫通孔１１５ａを形成しておく。そして、予め屈曲部１０８ａが形成されたエミッタ端子１０８を、破線矢印のように貫通孔１１５ａに挿入し、屈曲部１０８ａをバスバー１１０ａの上に載置する。
　次いで、図１７（ｂ）に示すように凹部１２０が形成されたバスバー１１０ｂをバスバー１１０ａ上に載置して、バスバー１１０ａ，１１０ｂにより屈曲部１０８ａを挟み込む。この構成の場合も、バスバー１１０ａ，１１０ｂの固定方法として、ほぞ部１１８と溝部１１９とを用いた組接ぎ構造を用いても良いし、ねじ締結構造を用いても良い。なお、このような組立構造を採用した場合、凹部１２０は必ずしも必要としない。すなわち、バスバー１１０ｂの形状は、単なる平板であっても良い。しかしながら、バスバー１１０ａとバスバー１１０ｂとは密着しているのが好ましいので、凹部１２０を設けるのが好ましい。また、屈曲部１０８ａが凹部１２０内に填り込む構成の場合には、振動等が加わっても、屈曲部１０８ａが凹部１２０から抜け出ることが無いので、エミッタ端子１０８がバスバー１１０から外れてしまうのを確実に防止することができる。
－第２の実施の形態－
　図１２～１４は、本発明に係る半導体モジュールの第２の実施形態を示す図である。図１２は半導体モジュールの外観斜視図である。なお、図１２では、バスバー１０９，１１０に関しては、半導体セル１０３の接続端子との接続部分のみを示し、その他の部分は図示を省略した。また、３番目と４番目の半導体セル１０３、および、それらに関する放熱板１０２、バスバー１０９，１１０についても図示を省略した。図１３は図１２のＧ－Ｇ断面を示す図であり、コレクタ端子１０７とバスバー１０９との接続部分の断面を拡大して示したものである。
　第２の実施の形態では、第１の実施の形態で説明したエミッタ端子１０８とバスバー１１０との接続構造と同様の構造を、コレクタ端子１０７とバスバー１０９との接続構造にも採用した。図１２に示すように、バスバー１０９は、層状に積層されたバスバー１０９ａとバスバー１０９ｂとから構成される。バスバー１０９ａとバスバー１０９ｂとを一体に固定する構造は、第１の実施の形態と同様の構造が採用される。
　図１３に示すように、コレクタ端子１０７は、バスバー１１０ａの貫通孔１１５およびバスバー１１０ｂの貫通孔１０６ｂを貫通した後に、下側のバスバー１０９ａの貫通孔１２３を貫通している。コレクタ端子１０７は、貫通孔１２３を貫通後、バスバー１０９ａの面に沿ってほぼ直角に折れ曲がっている。この折れ曲がっている部分を屈曲部１０７ａと呼ぶ。屈曲部１０７ａは、バスバー１０９ａとバスバー１０９ｂとで挟まれ、バスバー１０９ｂの下面側に形成された凹部１２１内に填り込んでいる。その結果、屈曲部１０７ａがバスバー１０９ａおよびバスバー１０９ｂと接触すると共に、凹部１２１以外の領域においてバスバー１０９ａ，１０９ｂ同士が密着する。凹部１２１の寸法は、屈曲部１０７ａの寸法に応じて凹部１２０の場合と同様に設定される。コレクタ端子１０７にも位置決め用の肉厚部１２２が形成されており、肉厚部１２２を設けたことにより屈曲部１０７ａの長さを正確に設定することができる。
　図１４はコレクタ端子１０７の部分の断面図であり、図１４（ａ）はバスバー１０９ｂをスライド移動する前の状態を示し、図１４（ｂ）はスライド移動が完了した後の状態を示す図である。先ず、図１４（ａ）に示すようにコレクタ端子１０７をバスバー１０９ａの貫通孔１２３に貫通させて、バスバー１０９ａを肉厚部１２２上に位置決めする。次いで、バスバー１０９ｂの貫通孔１２４にコレクタ端子１０７を貫通させ、バスバー１０９ｂをバスバー１０９ａ上に載置する。
　次に、図１４（ａ）の矢印で示すように、バスバー１０９ｂを図示左方向にスライド移動させる。スライド移動により、貫通孔１２３から図示上方に突出しているコレクタ端子１０７は、左側に折り曲げられ凹部１２１内に徐々に填り込み、図１４（ｂ）の状態までスライド移動させると、コレクタ端子１０７の先端が貫通孔１２４から抜けて、折り曲げられた部分が凹部１２１にぴったりと填り込み、屈曲部１０７ａが形成される。その結果、図１４（ｂ）に示すように屈曲部１０７ａはバスバー１０９ａ，１０９ｂの両方と密着し、バスバー１０９ａ，１０９ｂ同士も密着する。
　図示は省略したが、バスバー１０９ａ，１０９ｂの場合も、バスバー１１０ａ，１１０ｂの場合と同様にほぞ部と溝部とによる組接ぎ構造を有しており、ほぞ部と溝部とが係合すことによりバスバー１０９ａとバスバー１０９ｂとが一体に固定される。さらに、組接ぎ構造に加えてねじ締結によりバスバー１０９ａ，１０９ｂ同士を密着させるようにしても良いし、ねじ締結構造のみによりバスバー１０９ａ，１０９ｂを一体化しても良い。
　また、コレクタ端子１０７の屈曲部１０７ａとバスバー１０９ａとの接触部分をさらに溶接してもよい。さらに、バスバー１０９ａ，１０９ｂとコレクタ端子１０７との接触部に、酸化などの経年劣化を防ぐためのメッキ処理を施しても良い。また、凹部１２１は、バスバー１０９ａ，１０９ｂの対向面のいずれに形成しても良い。
　本実施の形態では、コレクタ端子１０７およびエミッタ端子１０８の両方に関して、層状を成す一対のバスバーにより屈曲部を挟み込む構成としたので、コレクタ端子１０７とバスバー１０９との接触面積、および、エミッタ端子１０８とバスバー１１０との接触面積を容易に大きくすることができる。上述したエミッタ端子１０８の接続構造の場合と同様の効果を奏する。
－第３の実施の形態－
　図１５，１６は本発明の第３の実施の形態を説明する図である。図１５は、３レベルインバータ回路８００による電力変換装置を示す。図１６は、３レベルインバータ回路８００の回路図である。３レベルインバータ回路８００は、並列接続された複数のスイッチ群８０１，８０２，８０３，８０４と、複数のダイオードを並列接続したダイオードモジュール８０５，８０６とを備えている。
　図１５においては、複数の半導体セル９０１は図１６のスイッチ群８０１に対応し、各半導体セル９０１の接続端子は、正極バスバー９１１（Ｐ）とバスバー９１２とに接続されている。複数の半導体セル９０２は図１６のスイッチ群８０２に対応し、各半導体セル９０２の接続端子は、バスバー９１２とバスバー９１３とに接続されている。複数の半導体セル９０３は図１６のスイッチ群８０３に対応し、各半導体セル９０３の接続端子は、バスバー９１３とバスバー９１４とに接続されている。複数の半導体セル９０４は図１６のスイッチ群８０４に対応し、各半導体セル９０４の接続端子は、バスバー９１４と負極バスバー９１５（Ｎ）とに接続されている。
　複数の半導体セル９０５は図１６のダイオードモジュール８０５に対応し、各半導体セル９０５の接続端子は、バスバー９１２とバスバー９１６とに接続されている。複数の半導体セル９０６は図１６のダイオードモジュール８０６に対応し、バスバー９１６とバスバー９１４とに接続されている。
　各半導体セルの接続端子の各バスバーへの接続には、第１および第２の実施の形態で説明した接続構造を採用している。それにより、バスバーと接続端子との接続部での発熱を抑えることができる。また、各バスバーを図１５に示すように配置することで、インダクタンス成分の小さい３レベル回路電力変換装置を提供できる。以上の効果は、３レベル回路だけでなく、本発明の半導体モジュールを使用したスイッチング回路全般において奏することができる。
　以上説明したように、本発明による半導体モジュールは、図１に示すように、複数のバスバー１０９，１１０と、半導体素子を内蔵し、半導体素子と複数のバスバー１０９，１１０とを接続する複数の接続端子（コレクタ端子１０７，エミッタ端子１０８）を有する半導体セル１０３と、を備える。そして、図１～３に示すように、複数のバスバーの少なくとも一つ（バスバー１１０）は、層状に対向配置された第１および第２の板状導電部材であるバスバー１１０ａ，１１０ｂを有し、バスバー１１０ａ，１１０ｂを互いに固定する固定部としてほぞ部１１８および溝部１１９をさらに備え、バスバー１１０ａ，１１０ｂを有するバスバー１１０と接続されるエミッタ端子１０８は、バスバー１１０ａに形成された第１の貫通孔１１５を一方の面からバスバー１１０ｂに対向する面側に貫通するとともに、その対向する面側に貫通した端子部分がバスバー１１０ａに沿うように折れ曲がった屈曲部１０８ａを成し、屈曲部１０８ａがバスバー１１０ａ，１１０ｂによって挟まれていることを特徴とする。
　このように、エミッタ端子１０８を屈曲させてその屈曲部１０８ａを一対のバスバー１１０ａ，１１０ｂで挟む構造としたので、屈曲部１０８ａの表裏両面をバスバー１１０ａ，１１０ｂに接触させることができる。そのため、接続端子とバスバーとの接触面積を可能な限り大きくすることができ、接続部における発熱を抑えることができる。また、固定部（１１８，１１９）により一対のバスバー１１０ａ，１１０ｂを互いに固定しているので、接続端子がバスバーから外れてしまうのを防止することができる。
　さらに、図７に示すように、バスバー１１０ｂに、屈曲部１０８ａが填り込む凹部１２０を形成しているので、バスバー１１０ａ，１１０ｂ同士を密着させることができる。
　また、エミッタ端子１０８に肉厚部１１７を設けたことにより、肉厚部１１７が貫通孔１１５においてバスバー１１０ａにより係止され、エミッタ端子１０８を貫通孔１１５に挿入する際の位置決めを正確に行うことができる。また、バスバー１１０ｂをスライドさせて屈曲部１０８ａを形成する場合には、設定通りの長さを有する屈曲部１０８ａを形成することができ、所望の接触面積に確実に設定することができる。
　なお、位置決め部の構成としては、上述のような肉厚部１０８ａの他に、図１８に示すような構成でも良い。図１８に示す構成では、位置決め部２００ａを、半導体セル１０３のモールド材（絶縁樹脂等）２００により一体に形成するようにした。それにより、製造コストの低減を図ることができる。
　さらに、バスバー１１０ｂはエミッタ端子１０８が貫通可能な第２の貫通孔１０６ａを有し、図４に示すように、ほぞ部１１８および溝部１１９は、バスバー１１０ｂが、第２の貫通孔１０６ａと第１の貫通孔１１５とが対向する第１の位置にあるときに非係合状態となり、図５に示すように、バスバー１１０ｂが、凹部１２０に填り込んだ屈曲部１０８ａをバスバー１１０ａとで挟み込む第２の位置にある時に係合状態にあり、非係合状態と係合状態との間で互いにスライド移動可能に構成されている。このような構成とすることで、図６，７に示すように、エミッタ端子１０８を貫通孔１１５，１０６ａに貫通させた状態でバスバー１１０ｂをスライド移動させることにより、屈曲部１０８ａを形成することができる。さらに、屈曲作業とバスバー１１０ａ，１１０ｂの一体化作業を同時に行うことができる。
　また、図１０に示すように、屈曲部１０８ａの先端部分が貫通孔１０６ａに挿入され、バスバー１１０ｂと接触した状態としても良い。このような構成とすることで、バスバー１１０とエミッタ端子１０８との接触面積をさらに大きくすることができる。
　また、図１２～１４に示すように、半導体セル１０３が、バスバー１０９に接続されるコレクタ端子１０７と、バスバー１１０に接続されるエミッタ端子とを備える場合には、コレクタ端子１０７の屈曲部１０７ａをバスバー１０９ａ，１０９ｂの間に挟持させ、エミッタ端子１０８の屈曲部１０８ａをバスバー１１０ａ，１１０ｂの間に挟持させるのが好ましい。このような構成とすることで、いずれの接続部においても接触面積を大きくすることができ、接続部における発熱の低減を図ることができる。
　以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
　１０１：半導体モジュール、１０２：放熱板、１０３，９０１～９０６：半導体セル、１０５：ゲート端子、１０６：センス端子、１０７：コレクタ端子、１０７ａ，１０８ａ：屈曲部、１０８：エミッタ端子、１０９，１０９ａ，１０９ｂ，１１０，１１０ａ，１１０ｂ，９１１～９１５：バスバー、１１１，１１２：絶縁バー、１１３～１１５，１１６ａ，１１６ｂ，１２３，１２４：貫通孔、１１７，１２２：肉厚部、１１８：ほぞ部、１１９：溝部、１２０，１２１：凹部、２００ａ：位置決め部、８００：３レベルインバータ回路、８０１～８０４：スイッチ群、８０５，８０６：ダイオードモジュール
 

Claims (8)

  1. 　複数のバスバーと、
    　半導体素子を内蔵し、前記半導体素子と前記複数のバスバーとを接続する複数の接続端子を有するパワー半導体セルと、を備え、
    　前記複数のバスバーの少なくとも一つは、層状に対向配置された第１および第２の板状導電部材を有し、
    　前記第１および第２の板状導電部材を互いに固定する固定部をさらに備え、
    　前記第１および第２の板状導電部材を有するバスバーと接続される前記接続端子は、前記第１の板状導電部材に形成された第１の貫通孔を一方の面から前記第２の板状導電部材に対向する面側に貫通するとともに、前記対向する面側に貫通した端子部分が前記第１の板状導電部材に沿うように折れ曲がった屈曲部を成し、
    　前記屈曲部が前記第１および第２の板状導電部材によって挟まれている半導体モジュール。
  2. 　請求項１に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記第１および第２の板状導電部材の対向面のいずれか一方に、前記屈曲部が填り込む凹部が形成されている半導体モジュール。
  3. 　請求項２に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記接続端子には、前記第１の貫通孔において前記第１の板状導電部材に係止されて前記端子部分の長さを規定する位置決め部が形成されている半導体モジュール。
  4. 　請求項３に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記固定部は、
    　前記第１および第２の板状導電部材の一方に形成された溝部と、
    　前記第１および第２の板状導電部材の一方に形成されて前記溝部と係合するほぞ部とで構成されている半導体モジュール。
  5. 　請求項４に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記第２の板状導電部材は前記接続端子が貫通可能な第２の貫通孔を有し、
    　前記ほぞ部および溝部は、
    　前記第２の板状導電部材が、前記第２の貫通孔と前記第１の貫通孔とが対向する第１の位置にあるときに非係合状態となり、
    　前記第２の板状導電部材が、前記凹部に填り込んだ前記屈曲部を前記第１の板状導電部材とで挟み込む第２の位置にある時に係合状態にあり、
    　前記非係合状態と前記係合状態との間で互いにスライド移動可能である半導体モジュール。
  6. 　請求項５に記載の半導体モジュールにおいて、
    　前記屈曲部の先端部分は、前記第２の貫通孔に挿入されて前記第２の板状導電部材と接触している半導体モジュール。
  7. 　請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体モジュールにおいて、
    　第１のバスバーおよび第２のバスバーを備え、
    　前記第１のおよび第２のバスバーはそれぞれ前記第１および第２の板状導電部材を有し、
    　前記パワー半導体セルは、前記接続端子として、前記第１のバスバーの第１および第２の板状導電部材により挟まれる第１の屈曲部を有する第１の接続端子と、前記第２のバスバーの第１および第２の板状導電部材により挟まれる第２の屈曲部を有する第２の接続端子と、を備える半導体モジュール。
  8. 　請求項１に記載の半導体モジュールでインバータ回路を構成した電力変換装置。
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