JP2001286158A - 半導体装置及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体装置におけるスイッチング時の跳ね上が
り電圧の増大とそれに伴なう素子破壊と電力損失の増大
の原因となるインダクタンスの低減。 【解決手段】半導体装置において半導体スイッチをブリ
ッジ接続する配線の一部を積層化し、少なくとも２対の
前記配線と接続する正極負極直流端子対を半導体装置の
方形状ケース上面の１辺に直流端子を正極負極の交互に
並設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及び電
力変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置内配線構造について
は、特開平7−311552 号公報が、電力変換装置で電解コ
ンデンサと半導体装置を接続する配線構造については、
特開平8−140363号公報がある。これらの技術は、スイ
ッチング時の損失増加と素子耐圧を越える電圧発生の要
因となるインダクタンスを減少させるため、半導体装置
内配線と、電力変換装置における電解コンデンサと半導
体装置を接続する配線において、正極側配線と負極側配
線を流れる電流の向きが互いに逆になるように積層構造
化することを開示する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、スイ
ッチング時の損失増加と素子耐圧を越える電圧発生の要
因となるインダクタンスを、半導体装置内配線と、電力
変換装置における電解コンデンサと半導体装置を接続す
る配線において、個別に低減するものである。上記従来
技術では、電解コンデンサと半導体装置を接続する配線
と半導体装置直流端子の接続部で生じるインダクタンス
等を含めたインダクタンス全体の低減について、配慮さ
れていない。本発明の目的は、インダクタンスを低減で
きる半導体装置及び電力変換装置を提供するものであ
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの見方によ
れば、本発明の一つの特徴は、半導体装置内の半導体ス
イッチをブリッジ接続する正極側導体と負極側導体の少
なくとも一部を、絶縁体を挟むことで積層化し、前記正
極側導体と負極側導体に対となるように正極直流端子と
負極直流端子を少なくとも２つずつ設け、前記正極直流
端子と負極直流端子を半導体装置のケース上面の１辺に
設けたことを特徴とする半導体装置、又は前記半導体装
置を用いた電力変換装置である。

【０００５】本明細書において、半導体装置の筐体は、
少なくともケ−スと底板を有している。また、正極直流
端子と負極直流端子を単に直流端子と称することも有
る。また、２個の正極直流端子又は２個の負極直流端子
が一対となっている場合、それぞれ直流端子対と称する
ことも有る。

【０００６】本発明の上記特徴及びその他の特徴は、以
下の記載により、さらに明確とされる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例
を、図１から図９に基づいて説明する。図１から図９に
おいて、同じもの及び同じ機能を有するものは同じ符号
を付した。また、図を分かり易くするため、半導体スイ
ッチを駆動するドライブ回路は省略している。

【０００８】図８は、電力変換装置の回路構成の一例を
示している。図８において、３０ａ，３０ｂは半導体装
置、３１は三相交流電源、３２は入力電線、３３ａは主
回路配線、３３ｂは主回路配線、２７は電解コンデン
サ、３４は出力配線、３５は誘導電動機(負荷とも呼ば
れる)である。前記半導体装置３０ａ，３０ｂはＩＰ
Ｍ、又はパワーＭＯＳＦＥＴ(Metal Oxide Semiconduct
or Field Effect Transistor)やＩＧＢＴ(Insulated Ga
te Bipolar Transistor)等のパワー半導体スイッチ素子
で構成されている。

【０００９】半導体装置３０ｂは三相交流電源３１を直
流に変換しているため、半導体装置３０ｂは三相交流電
源３１を合わせて直流電源と見なすことができる。従っ
て、入力電源がバッテリー等の直流電源の場合、図８の
電力変換装置は半導体装置３０ｂと三相交流電源３１と
入力電線３２を直流電源に置き替えた装置構成になる。
本実施の形態において、半導体装置３０ｂと三相交流電
源３１と入力電線３２の組合わせも直流電源と称するこ
とがある。

【００１０】上記半導体装置３０ａは電解コンデンサ２
７で平滑化された直流電圧を入力とし、可変電圧、可変
周波数の交流をＵ相Ｖ相Ｗ相の３相交流を出力配線３４
へ出力する。誘導電動機３５は出力配線３４を通じて供
給される電流・電圧により駆動される。

【００１１】また、図８中には示してないが、電力変換
装置には、上記の構成物の他に、前記半導体装置３０ａ
や３０ｂのスイッチング動作を制御する制御回路となる
回路基板と、前記半導体装置３０ａや３０ｂを冷却する
ための冷却フィン，冷却ファン等を更に含んでも良い。

【００１２】図９は、直流を入力し、ＵＶＷ三相交流を
出力するための半導体装置３０ａの構成の一例を示した
図である。図９において、３０ａは半導体装置、１８
ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは半導体
スイッチ、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，
１９ｆはダイオード、２０ａ，２０ｂ,２０ｃ,２０ｄ，
２０ｅ，２０ｆは半導体スイッチ制御端子、３は正極端
子、２は負極端子、４はＷ相出力端子、５はＶ相出力端
子、６はＵ相出力端子であり、４，５，６で一組の三相
交流端子である。正極端子３と負極端子２間には直流電
圧が印加されている。また、図を分かり易くするため、
半導体スイッチのオンオフ信号を駆動するドライブ回路
は省略している。ドライブ回路からの制御信号は半導体
スイッチ制御端子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２
０ｅ，２０ｆを介して半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，
１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆのスイッチングを制御
する。

【００１３】半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，
１８ｄ，１８ｅ，１８ｆには、パワーＭＯＳＦＥＴ或い
はＩＧＢＴが用いられる。半導体スイッチにパワーMOSF
ETを用いる場合、前記パワーＭＯＳＦＥＴは素子構造的
にダイオードを含んでいるため、半導体スイッチ１８ａ
とダイオード１９ａを１チップで構成することができ
る。したがって、半導体スイッチにパワーＭＯＳＦＥＴ
を用いる場合にはダイオードを別部品として実装しなく
て良い。

【００１４】半導体スイッチ１８ａと半導体スイッチ１
８ｂが、半導体スイッチ１８ｃと半導体スイッチ１８ｄ
が、半導体スイッチ１８ｅと半導体スイッチ１８ｆはそ
れぞれブリッジ接続されている。半導体装置３０ａは半
導体スイッチ制御端子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０
ｄ，２０ｅ，２０ｆにＰＷＭ(PLUSE Width Modulation)
制御信号電圧を印加し、ブリッジ接続されたそれぞれの
半導体スイッチ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８
ｅ，１８ｆのオン（開），オフ（閉）の時間を制御する
ことで、可変周波数・可変電圧の三相交流を三相交流出
力端子４，５，６から負荷３５へ出力するものである。

【００１５】上記ＵＶＷ三相交流を出力する装置構成と
しては正極端子３，負極端子２，ブリッジ接続した半導
体スイッチ１８ａ，１８ｂ、出力端子６で構成した半導
体装置を３つ用いても実現できる。本発明は半導体スイ
ッチの個数、ブリッジ回路の個数に依存しない箇所の配
線構造に関するものなので、ブリッジ接続された少なく
とも２個の制御可能な半導体スイッチと、少なくとも１
つの出力端子と、正極・負極直流端子で構成された半導
体装置に適用することができる。

【００１６】半導体装置３０ａにおいて、半導体スイッ
チ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆの
それぞれがオンからオフへの切り替えする際に、そのオ
ンからオフへの切り替わる半導体スイッチをブリッジ接
続する配線と、主回路配線３３ａおよび主回路配線３３
ｂと電解コンデンサ２７で構成する経路で電流値が大き
く変化する。その時、オンからオフへの切り替わる半導
体スイッチには、電解コンデンサに印加されている直流
電圧を越えた電圧が瞬時的に印加される。上記の直流電
圧を越えた電圧分（以下、この電圧を跳ね上り電圧と呼
ぶ）は前記経路と電解コンデンサ２７の合計インダクタ
ンスと前記経路における電流の時間微分値の積によって
決定される。従って、上記インダクタンスの増加する
と、スイッチング時の半導体スイッチへの印加電圧が増
加することになる。そして、前記印加電圧が素子耐圧を
越えたとき、素子破壊が起ることになる。

【００１７】また、跳ね上り電圧の増大に伴なって半導
体スイッチのスイッチング損失が増大し、前記スイッチ
ング損失増大は半導体スイッチの寿命短縮または冷却た
めのコスト増加の一因となる。

【００１８】また、図８に示した３相交流を直流に変換
する半導体装置３０ｂは、基本構成を図９で述べた半導
体装置３０ａと同様にしても良い。

【００１９】図１は、本発明の半導体装置の直流端子配
置を示す半導体モジュールの概観図である。

【００２０】図１において、１はケース、２ａ，２ｂは
負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６
は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、２４は制御補
助端子、３０は半導体装置である。２ａ，２ｂ，３ａ，
３ｂの各端子には配線取付け用のネジ穴が設けられてい
る。また、４，５，６の出力端子には配線取付け用の穴
が設けられている。ネジ穴８は冷却フィンと金属底板７
を面固定する時に使用する。

【００２１】図１は半導体装置において、正極直流端子
３ａと負極直流端子２ａが、正極直流端子３ｂと負極直
流端子２ｂがそれぞれ対となり、直方体形状のケース１
の一辺に並設されている構造を示している。以下では、
上記の３ａと２ａのような端子組み合わせを正極負極直
流端子対と呼ぶ。

【００２２】以下では、図１の半導体装置３０の電力変
換装置における実装形態及び半導体装置３０の内部配線
構造を示し、本発明が解決する課題であるスイッチング
時の損失増加と素子耐圧を越える電圧発生による半導体
スイッチ破壊の要因となるインダクタンスを低減するこ
とについて説明する。

【００２３】図４は、電力変換装置において電解コンデ
ンサ２７と半導体装置３０の接続例である。

【００２４】図４において、１はケース、２ａ，２ｂは
負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６
は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、２４は制御補
助端子、３０は半導体装置、２１は正極側導体板、２２
は負極側導体板、２３は絶縁シート、２４は制御補助端
子、２５，２６はコンデンサ端子、２７は電解コンデン
サ、３６は正極側端子、３７は負極側端子である。図４
において、正極側導体板２１と正極直流端子３ａ，３ｂ
は、負極側導体板２２と負極直流端子２ａ，２ｂはネジ
で面接続されている。また、電解コンデンサ２７はコン
デンサ端子２５，２６で負極側導体板２２と正極側導体
板２１にそれぞれ接続している。３６及び３７は直流電
源に接続されている。また、出力端子４，５，６は負荷
に接続されている。

【００２５】図２は図１の半導体装置内で半導体スイッ
チとブリッジ回路を構成する配線構造を示す斜視図であ
る。図１の半導体装置３０は６つの半導体スイッチをブ
リッジ接続した半導体装置である。

【００２６】図２において２ａ，２ｂは負極直流端子、
３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６は出力端子、９
は負極側板状導体、１０は正極側板状導体、１１は絶縁
シート、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１
２ｆは基板、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３
ｅ，１３ｆはダイオード及び半導体スイッチ、１４ａ，
１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１
４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌはワイヤ配線、
１７は金属底板である。

【００２７】図２において、基板１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆは導体配線と絶縁板の層構
造になっており、基板上での電流経路と、金属底板１７
との絶縁を確保している。

【００２８】図２において、半導体スイッチにパワーＭ
ＯＳＦＥＴを使用した場合に想定して、半導体スイッチ
とダイオードを合わせて１部品として記載した。

【００２９】図２においてワイヤ配線１４ａ，１４ｂ，
１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４ｈ，１
４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍは４本ずつ図示
されているが、半導体装置の仕様とワイヤ配線径によっ
てワイヤ配線本数は異なり、４本に限定するものではな
い。

【００３０】図２において負極直流端子２ａ，２ｂが負
極側板状導体９の一部分、正極直流端子３ａ，３ｂが正
極側板状導体１０の一部分であり、前記負極側板状導体
９と正極側板状導体１０は絶縁シート１１を挟んだ積層
構造になっている。負極側板状導体９と正極側板状導体
１０において流れる電流の向きが互いに逆になっている
ことと導体間距離が絶縁シート厚さ分の極近接してい
る。そのため、これらの配線は低インダクタンス構造に
なっている。

【００３１】図２と図４を用いて、跳ね上り電圧に関す
る電流経路を説明する。半導体装置３０の内部には３つ
のブリッジ回路があるが、全て類似な経路となるので、
ここではダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，１３ｂ
で構成されたブリッジ回路を通る電流経路について示
す。前記電流経路はコンデンサ端子２６を始まりとする
と、正極側導体板２１より正極直流端子３ａと３ｂを通
り、正極直流端子３ａと３ｂから正極側板状導体１０，
ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半導体
スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，ダイ
オード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４ｃ，
負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導体９
から負極直流端子２ａ，２ｂを通って、負極直流端子２
ａ，２ｂから負極側導体板２１を通ってコンデンサ端子
２５に到る経路である。

【００３２】上記の電流経路において、半導体装置３０
では以下の１）２）３）の順に示す考えによって、低イ
ンダクタンス化を実現している。

【００３３】１）半導体装置３０に２つ以上の正極負極
直流端子対を設ける。上記電流経路では正極直流端子３
ａと３ｂと負極直流端子２ａ，２ｂで電流経路を並列化
することにより、インダクタンスを低減することが可能
である。

【００３４】２）半導体装置と正極側導体板２０及び負
極側導体板２１を同方向から接続することで、正極側導
体板２０と負極側導体板２１を曲げの少ない形状でか
つ、正極側導体板２０と負極側導体板２１で生じる電解
コンデンサ２７から各々の正極負極直流端子対までのイ
ンダクタンス差を小さくした配線構造を実現可能にする
ため、１）に記載した２つ以上の正極負極直流端子対を
半導体装置３０における直方体状のケース１の上面一辺
に並設する。

【００３５】３）図３に図２のブリッジ等価回路を示
す。図３において、２ａ，２ｂは負極直流端子、３ａ，
３ｂは正極直流端子、４，５，６は出力端子、１８ａ，
１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆは半導体スイ
ッチ、１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ，１９ｅ，１９
ｆはダイオード、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２
０ｅ，２０ｆは半導体スイッチング制御端子である。ま
た、９′と１０′は等価回路上で、図２における負極側
板状導体９と正極側板状導体１０を積層化による低イン
ダクタンス構造にした部分に該当する。図３の等価回路
において、半導体スイッチ１８ａ，１８ｂで構成するブ
リッジ回路を通る上記電流経路を例にすると、２ａと３
ａで構成される正極負極直流端子対から半導体スイッチ
１８ａ，１８ｂに到る経路と２ｂと３ｂで構成される正
極負極直流端子対から半導体スイッチ１８ａ，１８ｂに
到る経路では９′と１０′の経路分のインダクタンス差
が生じる。前記インダクタンス差が大きいほど、電流は
インダクタンスの小さい経路へ流れ、１）に記載したよ
うに２つ以上の正極負極直流端子対を半導体装置に設け
た電流経路並列化の効果は小さい。そのため、９′と１
０′の経路を図２の示すように負極側板状導体９と正極
側板状導体１０を積層化による低インダクタンス構造と
する。

【００３６】上記の１）２）３）に従い、半導体装置３
０及びそれを用いた電力変換装置では電解コンデンサ２
７から正極負極直流端子対である２ａと３ａ，２ｂと３
ｂまでの電流経路と半導体装置内部のブリッジ配線の電
流経路が並列化できる。加えて、電流経路並列化による
効果を高めるために、半導体装置内部のブリッジ配線の
一部積層構造化と正極負極直流端子対である２ａと３
ａ，２ｂと３ｂをケース１の上面１辺に設けることで、
電流経路並列化によるインダクタンス低減効果を高めて
いる。よって、半導体装置３０及びそれを用いた電力変
換装置では跳ね上り電圧の大きさを決定するインダクタ
ンス全体を低減することが可能である。その結果、スイ
ッチング時の跳ね上がり電圧の増大とそれに伴なう素子
破壊が防止され、且つ跳ね上り電圧増大に伴なう電力損
失が低減される。

【００３７】また、本実施の形態において、半導体装置
３０では半導体装置内部において、図３における９′と
１０′の部分が低インダクタンス化されているため、３
つのブリッジ回路において跳ね上り電圧の大きさを決定
するインダクタンスの差を小さくすることを実現してい
る。これにより、３つのブリッジ回路における跳ね上り
電圧の差が減少し、電流・電圧出力のバランスが良い半
導体装置を提供できる効果もある。

【００３８】ここで、図４の構造を例に本発明の実施例
の効果を具体的な数値を用いて説明する。以下では半導
体装置の寸法を縦１２００mm，横１４０mm，高さ３０mm
とし、素子耐圧１００Ｖ，立ち下り時間３００nsecの半
導体スイッチを直流電圧４０Ｖ，遮断電流２５０Ａで使
用する電力変換装置を想定する。

【００３９】上記のモジュール寸法に図２の配線構造を
実装した場合、正極直流端子３ａから正極側板状導体１
０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半
導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，
ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４
ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導
体９から負極直流端子２ａを通る経路のインダクタンス
は約３５ｎＨである。その内訳は、正極直流端子３ａと
負極直流端子２ａの非積層構造部で生じているインダク
タンスは約１５ｎＨ、積層配線９，１０で生じているイ
ンダクタンス約５ｎＨ、ボンディングワイヤ１４及び基
板１２ａ，１２ｂと半導体素子１３ａ，１３ｂで構成さ
れる電流経路のインダクタンスは約１５ｎＨである。

【００４０】また、正極直流端子３ｂから正極側板状導
体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及
び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２
ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線
１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板
状導体９から負極直流端子２ｂを通る経路のインダクタ
ンスは約３０ｎＨである。本実施例の配線構造では上記
２経路におけるインダクタンスの差は差を生じる配線
９，１０を積層化することで小さくなっている。上記の
インダクタンスはボンディングワイヤ１４の本数及びル
ーフトップ高さによって変化するが、実現可能な数値と
して示した。この半導体装置３０を図４に示すように電
解コンデンサ２７と正極側導体板２１と負極側導体板２
２を用いて接続する。本検討では電解コンデンサの内部
インダクタンス値を２０ｎＨと仮定する。コンデンサ端
子２５，２６端子の距離を約３０mmとするとコンデンサ
端子から見た端子２ａ，３ａを短絡した場合のインダク
タンスは約３０ｎＨである。その内訳は、コンデンサ端
子２５，２６で電流が対向して流れないことによるイン
ダクタンスが約１０ｎＨ，半導体装置３０の直流端子付
近の正極側導体板２１と負極側導体板２２が非積層構造
になっている部分でのインダクタンスが約１５ｎＨ，正
極側導体板２１と負極側導体板２２の積層構造部のイン
ダクタンスが約５ｎＨである。

【００４１】上記と同様にコンデンサ端子２５，２６端
子から見た端子２ｂ，３ｂを短絡した場合のインダクタ
ンスも同様に約３０ｎＨである。上記の各部位のインダ
クタンス内訳と電解コンデンサの内部インダクタンスか
ら、跳ね上り電圧値に大きな影響を与える電解コンデン
サから半導体装置内のブリッジ配線を通る電流経路のイ
ンダクタンスを概算すると、本実施例では電流経路が並
列化した効果により、約５０ｎＨとなる。上記の電流経
路のインダクタンスに電解コンデンサの内部インダクタ
ンスを加え、半導体スイッチに印加されるピーク電圧を
概算すると、｛（直流電圧）＋（インダクタンス）×
（遮断電流）÷（立ち下り時間）｝より、約８２Ｖとな
り、素子耐圧に対して設計余裕度のある値になってい
る。

【００４２】一方、従来方式の端子構造を正極直流端子
３ｂと負極直流端子２ｂが無い場合と同等と見なしてイ
ンダクタンスを算出すると、約７５ｎＨとなる。この場
合、半導体スイッチに印加されるピーク電圧を概算する
と、約１０３Ｖとなる。従って、ピーク電圧が素子耐圧
を越えることになるため、このままでは本仕様の半導体
装置および電力変換装置は実現できないことになる。

【００４３】次に、半導体装置の正極負極直流端子対に
コンデンサ２８ａ，２８ｂを実装した半導体装置及び電
力変換装置について説明する。図５は半導体装置の正極
負極直流端子対にコンデンサ２８ａ，２８ｂを実装した
電力変換装置の概観図である。

【００４４】図５において、１はケース、２ａ，２ｂは
負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６
は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、２１は正極側
導体板、２２は負極側導体板、２３は絶縁シート、２４
は制御補助端子、２５，２６はコンデンサ端子、２７は
電解コンデンサ、２８ａ，２８ｂはコンデンサ、３６は
正極側端子、３７は負極側端子である。コンデンサ２８
ａ，２８ｂはスイッチング時に流れる高周波電流のみを
充放電するため、その容量は電解コンデンサに比較して
非常に小さくてよい。そのため、コンデンサには容量が
１μＦ〜１０μＦ程度の高周波特性の良い、即ちインダ
クタンスが小さいフィルムコンデンサが使用可能であ
り、コンパクトな実装が可能である。

【００４５】図５の半導体装置及び電力変換装置におけ
る跳ね上り電圧に関する電流経路を図２と図を用いて以
下に説明する。ここではダイオード及び半導体スイッチ
14ａ，１４ｂで構成されたブリッジ回路を通る電流経路
について示す。本構造において、前記電流経路はコンデ
ンサ２８ａを始まりとして、正極直流端子３ａから正極
側板状導体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイ
オード及び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，
基板１２ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワ
イヤ配線１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに
負極側板状導体９から負極直流端子２ａを通ってコンデ
ンサ２８ａへ戻る経路と、コンデンサ２８ｂを始まりと
して、正極直流端子３ｂから正極側板状導体１０，ワイ
ヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半導体スイ
ッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，ダイオー
ド及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４ｃ，負極
側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導体９から
負極直流端子２ｂを通ってコンデンサ２８ｂへ戻る経路
の２経路である。上記の２経路でワイヤ配線14ａからワ
イヤ配線１４ｃまでは共通である。

【００４６】跳ね上り電圧に関するインダクタンスに関
して、図５の構造は、正極側導体板２１と負極側導体板
２２で生じるインダクタンスが含まれないことと、電解
コンデンサ２７の内部インダクタンスに比べ、コンデン
サ２８ａ，２８ｂのインダクタンスが小さいこと、さら
にコンデンサ２８ａ，２８ｂの２つのコンデンサを並列
化していることにより、図４の構造に比べ、低インダク
タンス化が実現できる。

【００４７】従って、図５の構造により、正極側導体板
２０と負極側導体板２１及び電解コンデンサ２７の配線
構造に依存しない半導体装置を提供することができる。

【００４８】図６に図５の２つの正極負極直流端子対に
コンデンサ２８ａ，２８ｂを接続する構造の応用例を示
す。

【００４９】図６において、１はケース、２ａ，２ｂは
負極直流端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６
は出力端子、７は金属底板、８はネジ穴、２１は正極側
導体板、２２は負極側導体板、２３は絶縁シート、２４
は制御補助端子、２５，２６はコンデンサ端子、２７は
電解コンデンサ、２８ａ，２８ｂはコンデンサ、３６は
正極側端子、３７は負極側端子である。

【００５０】図６は図５の構造に対して、正極側導体板
２１と負極側導体板２２をそれぞれ正極直流端子３ａ，
負極直流端子２ａにのみ接続した構造である。図６の構
造は、跳ね上り電圧を決めるインダクタンスに関して、
図５とほぼ同じ低インダクタンス化が実現できる。

【００５１】図６の例は、電力変換器の配線構造を設計
する際に、インダクタンス低減という課題に対して、半
導体装置３０が正極側導体板２１と負極側導体板２２の
形状依存しない柔軟な設計が可能な構造であることを示
している。

【００５２】ここで、図５，図６の構造を例に本実施例
の効果を具体的な数値を用いて説明する。以下では半導
体装置の寸法を縦１２００mm，横１４０mm、高さ３０mm
とし、素子耐圧１００Ｖ、立ち下り時間３００nsecの半
導体スイッチを直流電圧４０Ｖ，遮断電流４００Ａで使
用する電力変換装置を想定する。

【００５３】正極直流端子３ａから正極側板状導体１
０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半
導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，
ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４
ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導
体９から負極直流端子２ａを通る経路のインダクタンス
は約３５ｎＨである。その内訳は、正極直流端子３ａと
負極直流端子２ａの非積層構造部で生じているインダク
タンスは約１５ｎＨ，積層配線９，１０で生じているイ
ンダクタンス約５ｎＨ，ボンディングワイヤ１４及び基
板１２ａ，１２ｂと半導体素子１３ａ，１３ｂで構成さ
れるの電流経路のインダクタンスは約１５ｎＨである。

【００５４】また、正極直流端子３ｂから正極側板状導
体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及
び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２
ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線
１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板
状導体９から負極直流端子２ｂを通る経路のインダクタ
ンスは約３０ｎＨである。

【００５５】図５，図６の構造では跳ね上り電圧値に大
きな影響を与える電流経路はコンデンサ２８ａ，２８ｂ
のインダクタンスと半導体装置内のブリッジ配線のみに
なる。ここでコンデンサ２８ａ，２８ｂのインダクタン
スを約１０ｎＨと仮定する。この時と跳ね上り電圧値に
大きな影響を与えるインダクタンスは、電流経路を並列
化したことにより、約２５ｎＨとなる。この時、半導体
スイッチに印加されるピーク電圧は約７３Ｖとなり、素
子耐圧に対して設計余裕度のある値になっている。

【００５６】一方、従来方式の端子構造を正極直流端子
３ｂと負極直流端子２ｂが無い場合と同等と見なして算
出すると、インダクタンスは約４５ｎＨとなる。この場
合、半導体スイッチに印加されるピーク電圧は約１００
Ｖとなり、耐圧に対して余裕が無く、このままでは仕様
の半導体装置および電力変換装置が実現できないことに
なる。本検討において、跳ね上り電圧抑制の目的のため
に必要なコンデンサ２８ａ，２８ｂの容量は５μＦ〜１
０μＦ程度である。

【００５７】図７に正極直流端子３ａと負極直流端子２
ａ間のコンデンサ２９ａと正極直流端子３ｂと負極直流
端子２ｂ間のコンデンサ２９ｂをケース１の内部で接続
した構造を示す。図７において、２ａ，２ｂは負極直流
端子、３ａ，３ｂは正極直流端子、４，５，６は出力端
子、９は負極側板状導体、１０は正極側板状導体、１１
は絶縁シート、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２
ｅ，１２ｆは基板、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，
１３ｅ，１３ｆはダイオード及び半導体スイッチ、１４
ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４
ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ，１４ｍ
はワイヤ配線、１７は金属底板、29ａ，２９ｂはコンデ
ンサである。

【００５８】図７では、半導体スイッチにパワーＭＯＳ
ＦＥＴを使用した場合に想定して、半導体スイッチとダ
イオードを合わせて１部品として記載した。

【００５９】図７の構造はインダクタンス低減の観点か
ら図５，図６の構造と同じ効果である。しかし、半導体
装置としての概観は図１と同じになり、図５，図６の構
造と比較して、コンデンサ２９ａ，２９ｂをケース１の
内部に実装することによるコンパクト化の利点がある。

【００６０】図１から図７では半導体装置３０の正極直
流端子３ａ，３ｂ，負極直流端子２ａ，２ｂはケース１
の上面の一辺に２ａ，３ａ，２ｂ，３ｂの順に配置して
あるが、本実施の形態では３ａと２ａが、３ｂと２ｂが
対になっていれば、上記の１）２）３）で述べたインダ
クタンス低減が実現できる。従って、半導体装置３０に
おいてケース１の上面の直流端子は２ａ，３ａ，３ｂ，
２ｂの順、或いは３ａ，２ａ，２ｂ、３ｂの順に配置し
てあっても良い。

【００６１】図１から図７では６つの半導体スイッチを
ブリッジ接続した半導体装置を用い、インダクタンス低
減という課題を解決する半導体装置構造および電力変換
装置を示した。しかし、本実施の形態は、半導体装置の
正極直流端子と負極直流端子及び負極側板状導体９，正
極側板状導体１０の構造に関するものであり、その効果
はダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，１３ｂ，１３
ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，前記ダイオード及び半導
体スイッチと直接接続されるワイヤ配線１４ａ，１４
ｂ、１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４ｇ，１４
ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ、１４ｌ、基板１２ａ，１
２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆが種々の構造に
適用できる。例えば、２つの半導体スイッチをブリッジ
接続した半導体装置において、半導体装置３０と同様に
半導体スイッチをブリッジ接続する導体の少なくとも一
部を積層化し、２つ以上の正極負極直流端子対をケース
上面の１辺に並設することにより、適用できる。従っ
て、ブリッジ接続された少なくとも２つの半導体スイッ
チを有する半導体装置であっても適用することが可能で
ある。

【００６２】図１から図７では、２つの正極負極直流端
子対を持つ半導体装置３０を例に説明したが、正極負極
直流端子対の並列化によるインダクタンス低減メカニズ
ムより、３つ以上の直流端子対をケース上面の一辺に並
列化しても同様の効果を得ることができる。

【００６３】また、半導体装置３０の正極負極直流端子
対についても、正極負極直流端子対の並列化によるイン
ダクタンス低減メカニズムより、２つの正極直流端子と
１つの負極直流端子を、或いは１つの正極直流端子と２
つの負極直流端子を１対の正極負極直流端子対と見なし
て半導体装置のケース上面の一辺に並列化しても同様の
効果を得ることができる。

【００６４】以上に述べた配線及び端子構造を有する半
導体装置或いは前記半導体装置の端子にコンデンサを接
続した半導体装置と、それらの半導体装置を用いた電力
変換装置の配線構造は、スイッチング時に半導体スイッ
チの耐圧を越えた電圧が印加されることによる半導体素
子破壊の防止と、スイッチング時の半導体素子損失を低
減する効果がある。上記の効果により、より大きな電流
を出力する半導体装置及び電力変換装置を半導体装置及
び電力変換装置の配線構造の変更と言う安価な方法によ
って提供することができる。即ち、半導体装置における
スイッチング時の跳ね上がり電圧の増大とそれに伴なう
素子破壊と電力損失の増大の原因となるインダクタンス
の低減できる半導体装置の構造とそれを用いた電力変換
装置が開示される。

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば、インダクタンスを低減
できる半導体装置及び電力変換装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における半導体装置のモジュ
ール外観の概略を示す斜視図。

【図２】図１の半導体装置内の配線構造を示す斜視図。

【図３】本発明の一実施例の半導体スイッチを有するブ
リッジ等価回路を示す図。

【図４】図１の半導体装置を用いた電力変換器の一例を
示す斜視図。

【図５】図１の半導体装置を用いた電力変換器の他の一
例を示す斜視図。

【図６】図１の半導体装置を用いた電力変換器のその他
の一例を示す斜視図。

【図７】本発明の一実施例の配線構造を示す概略斜視
図。

【図８】電力変換装置の回路構成の一例を示す図。

【図９】ＵＶＷ三相交流を出力するための半導体装置の
回路構成の一例を示した図である。

【符号の説明】

１…ケース、２ａ，２ｂ…負極直流端子、３ａ，３ｂ…
正極直流端子、４，５，６…出力端子、７…金属底板、
８…ネジ穴、９，２２…負極側板状導体、９′，１０′
…電流経路、１０，２１…正極側板状導体、１１，２３
…絶縁シート、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２
ｅ，１２ｆ…基板、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，
１３ｅ，１３ｆ…ダイオード及びパワー半導体素子、１
４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１４
ｇ，１４ｈ，１４ｉ，１４ｊ，１４ｋ，１４ｌ…ワイヤ
ー配線、１７…金属底板、１８…半導体スイッチング、
１９…ダイオード、２０…半導体スイッチング制御端
子、２４…制御補助端子、２５，２６…コンデンサ端
子、２７…電解コンデンサ、２８ａ，２８ｂ，２９ａ，
２９ｂ…コンデンサ、３０，３０ａ，３０ｂ…半導体装
置、３１…三相交流電源、３２…入力電線、３３ａ，３
３ｂ…主回路配線、３４…出力配線、３５…誘導電動機
（負荷）、３６…正極側端子、３７…負極側端子。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年１月１８日（２００１．１．１
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３８】ここで、図４の構造を例に本発明の実施例
の効果を具体的な数値を用いて説明する。以下では半導
体装置の寸法を縦１２０mm，横１４０mm，高さ３０mmと
し、素子耐圧１００Ｖ，立ち下り時間３００nsecの半導
体スイッチを直流電圧４０Ｖ，遮断電流２５０Ａで使用
する電力変換装置を想定する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４５】図５の半導体装置及び電力変換装置におけ
る跳ね上り電圧に関する電流経路を図２と図５を用いて
以下に説明する。ここではダイオード及び半導体スイッ
チ１４ａ，１４ｂで構成されたブリッジ回路を通る電流
経路について示す。本構造において、前記電流経路はコ
ンデンサ２８ａを始まりとして、正極直流端子３ａから
正極側板状導体１０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，
ダイオード及び半導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４
ｂ，基板１２ａ，ダイオード及び半導体スイッチ１３
ｂ，ワイヤ配線１４ｃ，負極側板状導体９の順に通り、
さらに負極側板状導体９から負極直流端子２ａを通って
コンデンサ２８ａへ戻る経路と、コンデンサ２８ｂを始
まりとして、正極直流端子３ｂから正極側板状導体１
０，ワイヤ配線１４ａ，基板１２ｂ，ダイオード及び半
導体スイッチ１３ａ，ワイヤ配線１４ｂ，基板１２ａ，
ダイオード及び半導体スイッチ１３ｂ，ワイヤ配線１４
ｃ，負極側板状導体９の順に通り、さらに負極側板状導
体９から負極直流端子２ｂを通ってコンデンサ２８ｂへ
戻る経路の２経路である。上記の２経路でワイヤ配線１
４ａからワイヤ配線１４ｃまでは共通である。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５２】ここで、図５，図６の構造を例に本実施例
の効果を具体的な数値を用いて説明する。以下では半導
体装置の寸法を縦１２０mm，横１４０mm、高さ３０mmと
し、素子耐圧１００Ｖ、立ち下り時間３００nsecの半導
体スイッチを直流電圧４０Ｖ，遮断電流４００Ａで使用
する電力変換装置を想定する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三島 彰 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 増野 敬一 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者 印南 敏之 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器グループ内 Ｆターム(参考） 5H007 CA02 CB05 CC23 EA02 HA03 5H740 BA12 BB05 BB09 BB10 BC06 JA23 MM10 PP02 PP03 PP04

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ブリッジ接続された少なくとも２個の半導
   体スイッチと、少なくとも１つの出力端子と、少なくと
   も２つの直流端子対と、前記出力端子と前記半導体スイ
   ッチとを接続する第１の導体と、前記直流端子対と前記
   半導体スイッチとを接続する第２の導体と、前記半導体
   スイッチを含む筐体とを有し、前記第２の導体の少なく
   とも一部は導体間に絶縁体を挟む積層構造を有し、前記
   少なくとも２つの直流端子対を前記筐体の一面の１辺に
   設けたことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】ブリッジ接続された６個の半導体スイッチ
   と、１組の３相交流端子と、少なくとも２つの直流端子
   対と、前記３相交流端子と半導体スイッチとを接続する
   第１の導体と、前記直流端子対と半導体スイッチとを接
   続する第２の導体と、前記半導体スイッチを含むケース
   及び底板とを有し、前記第２の導体の少なくとも一部は
   導体間に絶縁体を挟む積層構造を有し、前記少なくとも
   ２つの直流端子対を前記ケース上面の１辺に設けたこと
   を特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】半導体装置内の半導体スイッチをブリッジ
   接続する正極側導体と負極側導体の少なくとも一部とに
   より絶縁体を挟み、前記正極側導体と前記負極側導体に
   対となるように正極直流端子と負極直流端子を少なくと
   も２つずつ設け、前記正極直流端子と前記負極直流端子
   を半導体装置のケース上面の１辺に設けたことを特徴と
   する半導体装置。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかにおいて、 対となる直流端子間のそれぞれに少なくとも１つのコン
   デンサを接続したことを特徴とする半導体装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかにおいて、 前記導体の少なくとも一部は、底板上に、絶縁体を介し
   て設けられていることを特徴とする半導体装置。
6. 【請求項６】請求項１乃至５のいずれか記載の半導体装
   置と前記半導体装置の直流端子に接続された電解コンデ
   ンサとを有する電力変換装置。
7. 【請求項７】請求項６において、前記電解コンデンサの
   一方の端子が前記半導体装置の正極側の直流端子に接続
   され、前記電解コンデンサの他方の端子が前記半導体装
   置の負極側の直流端子に接続され、 これらの接続は、複数の導体間に絶縁体を積層した導体
   板で実現されたことを特徴とする電力変換装置。
8. 【請求項８】請求項７において、 前記電解コンデンサの一方の端子が前記半導体装置の正
   極側の直流端子の一方に接続され、前記電解コンデンサ
   の他方の端子が前記半導体装置の負極側の直流端子の一
   方に接続されたことを特徴とする電力変換装置。
9. 【請求項９】請求項８において、 前記半導体装置は、直流を可変電圧かつ可変周波数の交
   流に変換し、前記電解コンデンサは、直流の変動抑制す
   ることを特徴とする電力変換装置。
10. 【請求項１０】交流が入力される３相交流端子を有する
    請求項２記載の半導体装置と、該半導体装置の直流端子
    に接続された電解コンデンサと、電解コンデンサに直流
    端子が接続される請求項２記載の半導体装置とを有する
    ことを特徴とする電力変換装置。