JP2008278718A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の半導体モジュールを円形領域内に効率よく配置する。
【解決手段】電源１の高電位側とモータ１２０との間にに接続されるスイッチング素子１０１を実装した略矩形状の第１の基板２と、低電位側とモータ１２０との間に接続されるスイッチング素子１０４を実装した略矩形状の第２の基板３とを、少なくとも同一モジュール１内に含んでインバータ回路を構成する。第１の基板２と第２の基板３は、各基板２，３の隣り合う一の辺２ａ，３ａが互いに対向するように配置されるとともに、この一の辺２ａ，３ａに沿って各基板同士がシフトして配置される。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体素子により電気自動車の電力変換回路等を構成する半導体装置に関する。

従来より、直流電源の高電位側とモータとの間に接続されるスイッチング素子と、低電位側とモータとの間に接続されるスイッチング素子を互いに異なるベース板に実装し、これら２つのベース板を同一のモジュール内に含んでインバータ回路を構成するようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載の装置では、一のモジュール内に一対のベース板を並設するため、モジュール全体が略矩形状に構成される。

特許第３６４１８０７号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置のようにモジュールを略矩形状に構成したのでは、例えば円筒形のモータ形状に合わせて複数のモジュールを円形領域内に配置する場合、無駄なスペースが多くなり、装置全体が大型化する。

本発明による半導体装置は、電源の高電位側とモータとの間に接続される高電位側スイッチング素子と、低電位側とモータとの間に接続される低電位側スイッチング素子とを有し、高電位側スイッチング素子を実装した略矩形状の第１の基板と、低電位側スイッチング素子を実装した略矩形状の第２の基板とを、少なくとも同一モジュール内に含んでインバータ回路を構成し、第１の基板と第２の基板は、各基板の隣り合う一の辺が互いに対向するように配置されるとともに、この一の辺に沿って各基板同士がシフトして配置されることを特徴とする。
また、本発明による半導体装置は、第１の基板と第２の基板のいずれか一方の基板の一の辺に他方の基板の一の角部が接するように、一方の基板に対し他方の基板が傾斜して配置されることを特徴とする。

本発明によれば、複数の半導体モジュールを周方向に配置する際の無駄なスペースが少なくなり、半導体モジュールを円形領域内に効率よく配置できる。

−第１の実施の形態−
以下、図１〜図５を参照して本発明による半導体装置をモータ駆動の電力変換装置として構成した場合の第１の実施の形態について説明する。
図１は、第１の実施の形態に係る半導体装置を示す図であり、とくに電気自動車に搭載される三相インバータの回路図の一部を示している。図中、Ｐ，Ｎは直流入力配線、Ｕ，Ｖ，Ｗは交流出力配線である。図１では、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子１０１〜１０６とダイオード２０１〜２０６を用いて直流電源１１０からの直流を交流に変換し、三相交流モータ１２０に出力する。なお、スイッチング素子１０１〜１０６はＩＧＢＴに限定されず、トランジスタやＭＯＳＦＥＴ等によっても構成できる。直流配線Ｐ，Ｎの間には、平滑用コンデンサ１１１、放電抵抗１１２、ラインバイパスコンデンサ１１３等が接続される。

電源１１０の高電位側（ハイサイド）は、配線１５１、スイッチング素子１０１〜１０３および配線１５３を介してモータ１２０に接続されている。電源１１０の低電位側（ローサイド）は、配線１５２、スイッチング素子１０４〜１０６および配線１５３を介してモータ１２０に接続されている。

すなわち、ハイサイドスイッチング素子１０１〜１０３のコレクタ（ドレイン）は配線１５１に接続され、ローサイドスイッチング素子１０４〜１０６のエミッタ（ソース）は配線１５２に接続されている。スイッチング素子１０１のエミッタおよびスイッチング素子１０４のコレクタはそれぞれインバータ出力用（Ｕ相）の配線１５３に接続され、スイッチング素子１０２のエミッタおよびスイッチング素子１０５のコレクタはそれぞれＶ相用の配線１５３に接続され、スイッチング素子１０３のエミッタおよびスイッチング素子１０６のコレクタはそれぞれＷ相用の配線１５３に接続されている。なお、スイッチング素子１０１〜１０６のゲートは、信号入出力用の端子１４（図２参照）に接続されている。各スイッチング素子１０１〜１０６のコレクタ−エミッタ間にはそれぞれダイオード２０１〜２０６が逆並列に接続されている。

本実施の形態では、交流出力の各相毎に、一対のハイサイドおよびローサイドスイッチング素子（例えば１０１，１０４）と一対のダイオード（例えば２０１，２０４）を一体モジュール化して半導体モジュールを構成する。図２は、Ｕ相の回路に対応した半導体モジュール１（Ｕ相用モジュール）の平面図である。半導体モジュール１は平面視菱形の筐体として構成される。なお、Ｖ相用モジュールおよびＷ相用モジュールの構成も図２と同様である。

半導体モジュール１内において、スイッチング素子１０１とダイオード２０１はそれぞれ導電性のハイサイド基板２に実装され、スイッチング素子１０４とダイオード２０４はそれぞれ導電性のローサイド基板３に実装されている。すなわち基板２の上面には、半田等の導電性接合材を介してスイッチング素子１０１とダイオード２０１の裏面の電極がそれぞれ面接合され、基板３の上面には、スイッチング素子１０４とダイオード２０４の裏面の電極がそれぞれ面接合されている。基板２，３の下方には不図示のヒートシンクが設けられ、基板２，３は絶縁体を挟んでヒートシンクに固定されている。

半導体モジュール１の各側縁からは、配線１５１に接続されるＰ極用端子１１、配線１５２に接続されるＮ極用端子１２、配線１５３に接続される出力用端子１３、および信号入出力用端子１４がそれぞれ突設されている。これら端子１１〜１４と、基板２，３と、スイッチング素子１０１，１０４と、ダイオード２０１，２０４は、半導体モジュール１内にて互いにボンディングワイヤ等によって接続され、図１の回路が構成されている。

半導体モジュール１内には、半導体チップのコレクタ，エミッタ間の短絡防止やボンディングワイヤの保護等を目的として、エポキシ樹脂等の封止材が充填されている。半導体モジュール１の中央にはモジュール取付用の貫通孔１５が開口され、貫通孔１５を介したボルト等により半導体モジュール１を取付可能である。なお、端子１１〜１３はいわゆるブスバーであり、基板２，３と一体に構成することもできる。端子１１〜１４の取付位置は図示した位置に限らない。

本実施の形態の特徴的構成について説明する。図２に示すように本実施の形態では、同一形状である略矩形状の基板２，３の隣り合う長手方向の辺２ａ，３ａを互いに対向させるとともに、この辺２ａ，３ａに沿って基板２，３を互いにオフセットして配置している。このようにして構成された半導体モジュール１は、例えば略円筒形状のモータ１２０のケーシングの側面に取り付けられる。半導体モジュール１の取付例を図３に示す。図３では、Ｕ相用モジュール１Ｕ、Ｖ相用モジュール１Ｖ、Ｗ相用モジュール１Ｗを周方向に放射状に配置している。各モジュール１は円形領域を相数３で分割した中心角１２０°の扇形の内側に収められている。

このように基板２，３をオフセットした各半導体モジュール１を周方向に配置すると、モジュール全体を図の点線で示す円４の内側に収めることができ、電力変換装置全体を小型化することができる。これに対し、図４に示すように単に基板２，３を並設して半導体モジュール１００を構成した場合には、半導体モジュール１００を周方向に配置すると無駄なスペースが多くなり、全体の外径が大きくなるため、装置全体を小型化することが困難である。

図５は、図３に示した半導体モジュール１の詳細を示す図である。各基板２，３の長手方向の長さをａ，短手方向の長さをｂ，オフセット長をｃとし、基板２，３の角部をそれぞれｄ２１〜ｄ２４，ｄ３１〜ｄ３４とする。基板２の角部ｄ２１をモータ１２０の中心Ｏに併せて配置する。このとき、中心Ｏから半導体モジュール１の端部ｄ２３，ｄ３３，ｄ３４までの長さＬ１〜Ｌ３は、それぞれ次式(I)〜(III)のようになる。
Ｌ１＝√（ａ^２＋ｂ^２） ・・・(I)
Ｌ２＝√（（ａ−ｃ）^２＋（２ｂ）^２） ・・・(II)
Ｌ３＝√（ｃ^２＋（２ｂ）^２） ・・・(III)

上式において、Ｌ１は基板２，３のサイズのみで定まるのに対し、Ｌ２、Ｌ３はオフセット長ｃをパラメータとして定まる。そこで、Ｌ２，Ｌ３がＬ１よりも短くなるようにオフセット長ｃを決定することで、装置全体の外径を小さくすることができ、小型化が可能になる。この場合、ｃ＜ａ／２のときＬ２＞Ｌ３、ｃ＝ａ／２のときＬ２＝Ｌ３、ｃ＞ａ／２のときＬ２＜Ｌ３となる。

ここで、半導体モジュール１を１２０°の扇形の内側に収めるためには、ｃ／ｂ＝ｔａｎ３０°よりｃ＝ｂ／√３とする必要がある。この関係を用いて基板２，３のアスペクト比を決定できる。例えばＬ１＝Ｌ２とするためのアスペクト比はａ：ｂ＝５：√３となる。これにより装置を小型化する基板２，３のアスペクト比を求めることができる。

このように第１の実施の形態では、基板２，３を互いにオフセットして半導体モジュール１の外形、輪郭を構成したので、複数の半導体モジュール１を円形領域内に効率よく配置することができ、装置全体を小型化することができる。各モジュール１が中心角１２０°の扇形の範囲内に収まるように基板２，３のサイズａ，ｂおよびオフセット長ｃを設定するので、半導体モジュール１の形状を容易に最適化できる。周方向に３個のモジュール１を配置する場合には、ｃ＝ｂ／√３を満たすように基板２，３のオフセット長ｃを定めればよいので、設計が容易である。

−第２の実施の形態−
図６，７を参照して本発明による半導体装置の第２の実施の形態について説明する。
第１の実施の形態では、基板２，３を互いにオフセットして半導体モジュール１を構成したが、第２の実施の形態では、一方の基板２に対し他方の基板３を傾けて配置して半導体モジュール１を構成する。なお、以下では第１の実施の形態との相違点を主に説明する。

図６は、第２の実施の形態に係る半導体モジュール１の取付例を示す図であり、図７は、この半導体モジュール１の詳細を示す図である。なお、半導体モジュール１の平面図は図６に示したのと同様であるため、図示を省略する。図７に示すように第２の実施の形態では、基板２の長手方向の辺に基板３の角部ｄ３２を接して設け、基板２に対して基板３を傾ける。この際、基板２の短手側の辺の両端部ｄ２２，ｄ２３と基板３の長手側の辺の両端部ｄ３３，ｄ３４を、Ｏを中心とした同一の円４上に位置させる。なお、基板２と基板３の配置を反対にしてもよい。

この場合、図７の点ｄ２４，ｄ３２，ｄ３１を結んだ三角形は頂角が１２０°の二等辺三角形であり、基板２に対する基板３の傾斜角は３０°となる。この二等辺三角形を小さくすることで、装置の小型化が可能となる。ここで、点ｄ２４〜ｄ２３の長さＬ４はａであり、基板２，３のサイズによって定まる。一方、点ｄ２４〜ｄ３３の長さＬ５は、次式(IV)で表される。
Ｌ２＝√（（ａ／２√３＋ｂ）^２＋（ａ／２）^２） ・・・(IV)
したがって、Ｌ５≦Ｌ４となるように基板２，３を配置すればよく、例えばＬ４＝Ｌ５とすると、ａ：ｂ＝√３：１となり、これにより装置を小型化できる基板２，３のアスペクト比を求めることができる。

このように第２の実施の形態では、基板３を基板２に対して傾斜して配置したので、複数の半導体モジュール１を円形領域内に効率よく配置することができ、装置全体を小型化することができる。基板２の短手側両端部ｄ２２，ｄ２３と基板３の長手側両端部ｄ３３，ｄ３４が同一円上に位置するように半導体モジュール１を構成し、円４の内側に装置全体を収めるようにしたので、モジュール１の形状を容易に最適化できる。周方向に３個のモジュール１を配置する場合には、基板２に対する基板３のなす角が３０°となるように基板２，３を配置すればよいので、設計が容易である。

以上では、３相インバータのモジュール１を円筒形状のモータ１２０の側面に配置する例について説明したが、３相以外とすることもできる。その一例を図８，９に示す。図８，９は９相インバータの例であり、９個の半導体モジュール１をモータ１２０の側面において周方向に配置している。なお、図８は基板２，３をオフセットさせたものであり、図３に対応する。図９は基板２に対して基板３を傾斜させたものであり、図６に対応する。本実施の形態では、基板２，３をオフセットまたは傾斜してモジュール１を構成しているので、インバータを多相化した場合にも、各モジュール１を円形領域内に効率よく配置することができる。

この場合、図９に示す例では、単一の半導体モジュール１の全部を含む扇形の最小領域内に、周方向に隣り合う他のモジュール１の端部１ｃ、１ｄが配置されるので、隣接するモジュール１との干渉を避けつつ、高密度にモジュール１を配置できる。図７では、周方向に３個のモジュール１を配置しており、周方向の分割数が３であるので、基板２に対して基板３を３０°だけ傾斜させるようにしたが、任意の分割数Ｎに対しては、θ＝（１８０−３６０／Ｎ）／２あるいはθ＝（３６０／Ｎ）／２を満たす傾斜角θで基板３を傾斜させればよい。

なお、上記実施の形態（図３，５）では、基板２，３をオフセットして半導体モジュール１を構成し、各モジュール１を中心角１２０°の扇形の領域内に配置するようにしたが、インバータ回路の相数以上で周方向に分割した扇形の領域内にモジュール１を収容するのであれば、扇形の中心角は１２０°以外であってもよい。この場合、周方向の分割数をＮとするとき、ｃ＝ｂ・｜ｔａｎ（（３６０／Ｎ）−９０）｜を満たすようにオフセット長ｃを設定することが好ましい。

上記実施の形態では、高電位側スイッチング素子１０１を実装する基板２と低電位側スイッチング素子１０４を実装する基板３を同一形状としたが、同一形状でなくてもよく、モータ１２０の側面以外にモジュール１を配置してもよい。したがって、図７では、基板３，４の端部ｄ２２，ｄ２３，ｄ３３，ｄ３４を同一円上に配置するようにしたが、必ずしも同一円上になくてもよい。モジュール１内のダイオード２０１〜２０６をフライホイールダイオードとしないで寄生ダイオードとしてもよく、半導体装置の回路構成は図１のものに限らない。すなわち、本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の半導体装置に限定されない。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置の回路図。 第１の実施の形態に係る半導体モジュールの平面図。 図２の半導体モジュールの取付例を示す図。 図３と比較した他の半導体モジュールの取付例を示す図。 図３の詳細を示す図。 第２の実施の形態に係る半導体モジュールの取付例を示す図。 図６の詳細を示す図。 図３の変形例を示す図。 図６の変形例を示す図。

符号の説明

１ 半導体モジュール
２，３ 基板
１０１〜１０６ スイッチング素子
２０１〜２０６ ダイオード
ｃ オフセット長
θ 傾斜角

Claims (8)

1. 電源の高電位側とモータとの間に接続される高電位側スイッチング素子と、低電位側とモータとの間に接続される低電位側スイッチング素子とを有し、前記高電位側スイッチング素子を実装した略矩形状の第１の基板と、前記低電位側スイッチング素子を実装した略矩形状の第２の基板とを、少なくとも同一モジュール内に含んでインバータ回路を構成する半導体装置において、
   前記第１の基板と前記第２の基板は、各基板の隣り合う一の辺が互いに対向するように配置されるとともに、この一の辺に沿って各基板同士がシフトして配置されることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１に記載の半導体装置において、
   前記モジュールは、少なくともインバータ回路の相数に対応した数だけ設けられ、
   各モジュールは、円形領域をインバータ回路の相数以上で周方向に分割した略扇形の領域内にそれぞれ全部が収容されることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２に記載の半導体装置において、
   前記第１の基板と前記第２の基板は同一寸法であって、前記一の辺は各基板の長手方向の辺であり、
   前記基板のシフト量をＣ、円形領域の周方向の分割数をＮ、各基板の短手方向の辺の長さをＸとするとき、
   Ｃ＝Ｘ・｜ｔａｎ（（３６０／Ｎ）−９０）｜
   を満たすように各基板が設けられることを特徴とする半導体装置。
4. 電源の高電位側とモータとの間に接続される高電位側スイッチング素子と、低電位側とモータとの間に接続される低電位側スイッチング素子とを有し、前記高電位側スイッチング素子を実装した略矩形状の第１の基板と、前記低電位側スイッチング素子を実装した略矩形状の第２の基板とを、少なくとも同一モジュール内に含んでインバータ回路を構成する半導体装置において、
   前記第１の基板と前記第２の基板のいずれか一方の基板の一の辺に他方の基板の一の角部が接するように、一方の基板に対し他方の基板が傾斜して配置されることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項４に記載の半導体装置において、
   前記モジュールは、少なくともインバータ回路の相数以上に対応した数だけ設けられ、
   各モジュールは、円形領域を周方向に分割した略扇形の領域内にそれぞれ収容されるとともに、
   一のモジュールの全部を収容する最小の扇形の領域内に、周方向に隣り合う他のモジュールの端部が配置されることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項５に記載の半導体装置において、
   前記一方の基板に対する前記他方の基板の傾斜角をθ、円形領域の周方向の分割数をＮとするとき、
   θ＝（１８０−３６０／Ｎ）／２
   を満たすように各基板が配置されることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項５に記載の半導体装置において、
   前記一方の基板に対する前記他方の基板の傾斜角をθ、円形領域の周方向の分割数をＮとするとき、
   θ＝（３６０／Ｎ）／２
   を満たすように各基板が配置されることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の半導体装置において、
   前記第１の基板と前記第２の基板は同一寸法であって、前記一の辺は前記一方の基板の長手方向の辺であり、
   前記各モジュールにおける前記一方の基板の短手方向の辺の両端部と、前記他方の基板の前記一の端部を含まない長手方向の辺の両端部とが、同一円上に位置するように各基板が設けられることを特徴とする半導体装置。

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