JP2009089491A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュール内におけるインダクタンスの低減を図ることができる電力変換装置及びこれに用いる半導体モジュールを提供すること。
【解決手段】複数の半導体素子２を内蔵する半導体モジュール３を有する電力変換装置。半導体モジュール３は、互いに直列接続された少なくとも一対の半導体素子２を有し、ハイサイド側の半導体素子２Ｈと、ローサイド側の半導体素子２Ｌとを、互いに厚み方向に並ぶように配設してなる。一対の半導体素子２の間にはミドルサイド板３１Ｍが配設され、一対の半導体素子２におけるミドルサイド板３１Ｍと反対側の面には、それぞれ、ハイサイド板３１Ｈとローサイド板３１Ｌとが配設されている。ハイサイド板３１Ｈ、ローサイド板３１Ｌ、及びミドルサイド板３１Ｍは、それぞれ厚み方向に直交する方向に突出した突出端子部３２を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の半導体素子を内蔵する半導体モジュールを有し、電源から供給される電力を負荷に供給する交流電力へ変換する電力変換装置、及びこれに用いる半導体モジュールに関する。

インバータやコンバータ等の電力変換装置は、複数の半導体素子のスイッチング動作によって電力の変換を行っている。かかる電力変換装置において、複数の半導体素子をモジュール化した半導体モジュールを用いたものがある（特許文献１参照）。たとえば、スイッチング用の半導体素子としてのＩＧＢＴ（Insurated Gate Bipolar Transistor）と、このＩＧＢＴに逆向きに並列接続したフライホイールダイオードとを、それぞれ二個ずつ内蔵した半導体モジュールが用いられることがある（特許文献１の図５等参照）。

かかる半導体モジュールは、電源の正極に接続されるハイサイド側のＩＧＢＴ及びフライホイールダイオードと、電源の負極に接続されるローサイド側のＩＧＢＴ及びフライホイールダイオードとが、直列接続されている。そして、これら４つの半導体素子は、平面的に並ぶように配置され、厚み方向に並ぶ構成となっていない。

ここで、電力変換装置において、半導体素子のスイッチング動作により、上記半導体モジュールに流れる電流変化が生じるとき、ハイサイド側のＩＧＢＴとローサイド側のフライホイールダイオードとからなる回路、或いは、ハイサイド側のフライホイールダイオードとローサイド側のＩＧＢＴとからなる回路に流れる電流が変化することとなる。このとき、ハイサイド側のＩＧＢＴとローサイド側のフライホイールダイオード、或いは、ハイサイド側のフライホイールダイオードとローサイド側のＩＧＢＴとの間の電流経路に形成されるインダクタンスによって、サージ電圧が生じるおそれがある。すなわち、インダクタンスＬの回路において電流変化率ｄｉ／ｄｔの電流変化があったとき、Ｖ＝−Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）のサージ電圧Ｖが生じるため、インダクタンスＬが大きいとサージ電圧Ｖが大きく生じる。

また、このサージ電圧Ｖを抑制すべく、スイッチング時の電流変化率ｄｉ／ｄｔを小さくすると、スイッチング損失が大きくなる。これにより、スイッチング素子が発熱によって破損するおそれが生じる。
また、発熱によるスイッチング素子の破損を防ぐためには、出力電流を制限するか、スイッチング素子の放熱面を大型化する必要が生じてしまう。
それ故、半導体モジュール内におけるインダクタンスの低減が望まれる。

特開２００１−３０８２６３号公報

本発明は、かかる従来の問題に鑑みてなされたもので、半導体モジュール内におけるインダクタンスの低減を図ることができる電力変換装置及びこれに用いる半導体モジュールを提供しようとするものである。

第１の発明は、複数の半導体素子を内蔵する半導体モジュールを有し、電源から供給される電力を負荷に供給する交流電力へ変換する電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、互いに直列接続された少なくとも一対の上記半導体素子を有しており、該一対の半導体素子のうち、上記電源のＰ極に接続されるハイサイド側の半導体素子と、上記電源のＮ極に接続されるローサイド側の半導体素子とを、互いに厚み方向に並ぶように配設してなり、
上記一対の半導体素子の間には、上記負荷に接続されるミドルサイド板が配設され、
上記一対の半導体素子における上記ミドルサイド板と反対側の面には、それぞれ、上記電源のＰ極に接続されるハイサイド板と、上記電源のＮ極に接続されるローサイド板とが配設されており、
上記ハイサイド板、上記ローサイド板、及び上記ミドルサイド板は、それぞれ厚み方向に直交する方向に突出した突出端子部を有していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記半導体モジュールは、ハイサイド側の半導体素子とローサイド側の半導体素子とを、互いに厚み方向に並ぶように配設してなる。そのため、半導体モジュール内におけるハイサイド側の半導体素子とローサイド側の半導体素子との間の電流経路を短くすることができる。すなわち、ハイサイド側の半導体素子とローサイド側の半導体素子とを、平面的に並べて配置した場合に比べて、両者を厚み方向に並ぶように配置することにより、両者間の距離を大幅に縮めることができる。これにより、両者間の電流経路を小さくすることができ、その電流経路に生じ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、上記の電流経路における電流変化が生じても、大きなサージ電圧の発生を抑制することができる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュール内におけるインダクタンスの低減を図ることができる電力変換装置を提供することができる。

第２の発明は、互いに直列接続された少なくとも一対の半導体素子を有する半導体モジュールであって、
上記一対の半導体素子のうち、電源のＰ極に接続されるハイサイド側の半導体素子と、上記電源のＮ極に接続されるローサイド側の半導体素子とを、互いに厚み方向に並ぶように配設してなり、
上記一対の半導体素子の間には、負荷に接続されるミドルサイド板が配設され、
上記一対の半導体素子における上記ミドルサイド板と反対側の面には、それぞれ、上記電源のＰ極に接続されるハイサイド板と、上記電源のＮ極に接続されるローサイド板とが配設されており、
上記ハイサイド板、上記ローサイド板、及び上記ミドルサイド板は、それぞれ厚み方向に直交する方向に突出した突出端子部を有していることを特徴とする半導体モジュールにある（請求項１０）。

本発明によれば、上記第１の発明（請求項１）と同様の原理によって、半導体モジュール内におけるインダクタンスの低減を図ることができる半導体モジュールを提供することができる。

上記第１の発明（請求項１）及び上記第２の発明（請求項１０）において、上記負荷としては、例えば、三相交流モータ等の回転電気等がある。

また、上記ハイサイド板の突出端子部と上記ローサイド板の突出端子部とは、少なくともその一部が互いに厚み方向に重なるように配置していることが好ましい（請求項２、請求項１１）。
この場合には、突出端子部におけるインダクタンスを抑制することができる。

また、上記半導体モジュールは、上記ハイサイド側の半導体素子と上記ローサイド側の半導体素子とを、それぞれ複数個内蔵してなり、上記ミドルサイド板は、互いに厚み方向に異なる位置に形成されると共に互いに平行な複数の平坦部からなる階段形状を有することが好ましい（請求項３、請求項１２）。
この場合には、複数種類の厚みの異なる半導体素子を適宜、ハイサイド板及びローサイド板と、ミドルサイド板との間に挟持させる際に、各半導体素子の厚みに応じてハイサイド板とミドルサイド板との間の距離、或いはローサイド板とミドルサイド板との間の距離を設定することができる。そのため、半導体モジュールにおいて、厚み方向の無駄なスペースの形成を抑制し、半導体モジュールの厚みを小さくすることができる。

また、上記ハイサイド板の突出端子部と上記ローサイド板の突出端子部とは、上記半導体モジュールにおける共通の辺から突出しており、互いに厚み方向に並んだ上記ハイサイド側の半導体素子と上記ローサイド側の半導体素子とは、それぞれの幾何学的重心が互いに上記突出端子部の突出方向にずれて配置されていることが好ましい（請求項４、請求項１３）。
この場合には、ハイサイド側の半導体素子とローサイド側の半導体素子とのいずれか一方における端部への電流集中を抑制することができる。これにより、インダクタンスを一層抑制することができると共に、半導体素子の耐久性を向上させることができる。たとえば、一方の半導体素子を他方の半導体素子よりも、突出端子部側へずらすことにより、上記一方の半導体素子を流れる電流は、端部のみならず、その中央付近にも流れるようにすることができ、局部的な電流集中を防ぐことができる。

また、上記ハイサイド側の半導体素子と上記ローサイド側の半導体素子とは、互いの一部が厚み方向に重ならない領域ができる状態で、互いに上記突出端子部の突出方向にずれて配置されていることが好ましい（請求項５、請求項１４）。
この場合には、ハイサイド側の半導体素子とローサイド側の半導体素子とのいずれか一方における端部への電流集中をより効果的に抑制することができる。
また、ハイサイド側の半導体素子とローサイド側の半導体素子との間の熱干渉を抑制することができる。そのため、上記半導体素子の温度上昇を抑制し、動作不良を一層抑制することができる。

また、上記半導体モジュールは、ハイサイド側の上記半導体素子としてのＩＧＢＴ及びダイオードを並列接続するとともに、ローサイド側の上記半導体素子としてのＩＧＢＴ及びダイオードを並列接続し、かつ、ハイサイド側の上記半導体素子の並列回路とローサイド側の上記半導体素子の並列回路とを、直列接続したものとすることができる（請求項６、請求項１５）。
この場合にも、ハイサイド側の半導体素子とローサイド側の半導体素子との間の電流経路におけるインピーダンスを低減することができる。

また、上記ハイサイド側のＩＧＢＴと上記ローサイド側のダイオードとが厚み方向に並び、上記ハイサイド側のダイオードと上記ローサイド側のＩＧＢＴとが厚み方向に並んでいることが好ましい（請求項７、請求項１６）。
この場合には、ハイサイド側のＩＧＢＴとローサイド側のダイオードとの間の距離、及びローサイド側のＩＧＢＴとハイサイド側のダイオードとの間の距離を小さくすることができる。その結果、半導体モジュール内におけるインピーダンスを一層小さくすることができる。

また、上記ハイサイド側のＩＧＢＴと上記ローサイド側のＩＧＢＴとが厚み方向に並び、上記ハイサイド側のダイオードと上記ローサイド側のダイオードとが厚み方向に並んでいてもよい（請求項８、請求項１７）。
この場合には、同時に電流が流れることの少ないＩＧＢＴ同士を厚み方向に並べることにより、熱干渉を抑制し、動作不良を抑制することができる。

また、上記半導体モジュールは、上記半導体素子として逆方向導通性を有する半導体素子を内蔵していることが好ましい（請求項９、請求項１８）。
この場合には、半導体素子の数を少なくすることができるため、半導体モジュールの小型化、ひいては電力変換装置の小型化を図ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置及びこれに用いる半導体モジュールにつき、図１〜図９を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図４に示すごとく、複数の半導体素子２を内蔵する半導体モジュール３を有し、電源１１から供給される電力を負荷１２に供給する交流電力へ変換する装置である。

図１〜図４に示すごとく、半導体モジュール３は、互いに直列接続された少なくとも一対の半導体素子２を有している。そして、半導体モジュール３は、一対の半導体素子２のうち、電源１１のＰ極１１ｐに接続されるハイサイド側の半導体素子２Ｈと、電源１１のＮ極１１ｎに接続されるローサイド側の半導体素子２Ｌとを、互いに厚み方向に並ぶように配設してなる。

図１、図３に示すごとく、一対の半導体素子２の間には、負荷１２に接続されるミドルサイド板３１Ｍが配設されている。また、一対の半導体素子２におけるミドルサイド板３１Ｍと反対側の面には、それぞれ、電源１１のＰ極１１ｐに接続されるハイサイド板３１Ｈと、電源１１のＮ極１１ｎに接続されるローサイド板３１Ｌとが配設されている。
ハイサイド板３１Ｈ、ローサイド板３１Ｌ、及びミドルサイド板３１Ｍは、それぞれ厚み方向に直交する方向に突出した突出端子部３２（３２Ｈ、３２Ｌ、３２Ｍ）を有している。

半導体モジュール３は、図４に示すごとく、ハイサイド側の半導体素子２ＨとしてのＩＧＢＴ２１及びダイオード２２を並列接続するとともに、ローサイド側の半導体素子２ＬとしてのＩＧＢＴ２１及びダイオード２２を並列接続してなる。そして、ハイサイド側の半導体素子２Ｈの並列回路とローサイド側の半導体素子２Ｌの並列回路とを、直列接続してなる。ダイオード２２は、フライホイールダイオードである。

また、図１に示すごとく、半導体モジュール３において、ハイサイド側のＩＧＢＴ２１とローサイド側のダイオード２２とが厚み方向に並び、ハイサイド側のダイオード２２とローサイド側のＩＧＢＴ２１とが厚み方向に並んでいる。
各半導体素子２の一方の面は、ミドルサイド板３１Ｍ或いはローサイド板３１Ｌとの間にスペーサ３３を介設している。これにより、図３に示すごとく、ＩＧＢＴ２１の表面に形成された電極と制御電極端子３４とのワイヤーボンディングのためのスペースを確保している。

また、半導体素子２、スペーサ３３、ハイサイド板３１Ｈ、ローサイド板３１Ｌ、ミドルサイド板３１Ｍは、封止樹脂部３５によってモールドされている。
ハイサイド板３１Ｈ，ローサイド板３１Ｌ、ミドルサイド板３１Ｍは、それぞれ、厚み方向に直交する方向に突出する突出端子部３２を有し、これら３個の突出端子部３２は、封止樹脂部３５の一つの辺から、同じ方向へ突出している。また、制御電極端子３４は、突出端子部３２と反対側における封止樹脂部３５の一辺から、突出端子部３２と反対方向へ突出している。

制御端子部３４は、電力変換装置１のスイッチング制御を行うための図示しない制御回路基板に接続される。
ミドルサイド板３１Ｍの突出端子部３２Ｍは、負荷１２に接続されるバスバーに接続される。ハイサイド板３１Ｈの突出端子部３２Ｈは、電源１１のＰ極（正極）に接続されるバスバーに接続される。ローサイド板３１Ｌの突出端子部３２Ｌは、電源１１のＮ極（負極）に接続されるバスバーに接続される。

また、電力変換装置１は、図４に示すごとく、３個の半導体モジュール３を有し、直流の電源１１と負荷１２との間に配設される。負荷１２は、三相交流モータージェネレータである。
電源１１のＰ極１１ｐには、Ｐ極バスバー１３ｐが接続され、該Ｐ極バスバー１３ｐに各半導体モジュール３のハイサイド板３１Ｈの突出端子部３２Ｈが接続されている。また、電極１１のＮ極１１ｎには、Ｎ極バスバー１３ｎが接続され、該Ｎ極バスバー１３ｎに各半導体モジュール１１のローサイド板３１Ｌの突出端子部３２Ｌが接続されている。

また、負荷１２には３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に対応する３本のバスバー１４が接続されており、これら３本のバスバー１４に対して、それぞれ、３個の半導体モジュール３におけるミドルサイド板３１Ｍの突出端子部３２Ｍが接続されている。
また、電力変換装置１と電源１２との間には、Ｐ極バスバー１３ｐとＮ極バスバー１３ｎとを繋ぐように配されたコンデンサ１５が接続されている。

次に、本例の作用効果につき説明するのに先立ち、まず、上記電力変換装置１において問題となるインダクタンス、及びこれに起因するサージ電圧の発生につき説明する。
電力変換装置１における三相交流モータジェネレータ（負荷１２）の一相分に対応する回路を抜き出した回路は、図５のように表せる。そして、半導体モジュール３における２つのＩＧＢＴ２１のうち、ハイサイド側のＩＧＢＴ２１をオフとした状態で、ローサイド側のＩＧＢＴ２１をオンからオフに切り替えるときに生じる電流変化を考える。
ローサイド側のＩＧＢＴ２１がオンのときには、図５（Ａ）に示すごとく、電流経路は、コンデンサ１５の正極側からインダクタ１２１を通り、ローサイド側のＩＧＢＴ２１を通り、コンデンサ１５の負極側へ戻る経路となる。

次に、図５（Ｂ）に示すごとく、ローサイド側のＩＧＢＴ２１をオンからオフに切り替える過渡状態においては、上記と同様の電流経路と、インダクタ１２１を通過した電流がハイサイド側のダイオード２２を通って半導体モジュール３のハイサイド板３１Ｈの突出端子部３２Ｈ側へ戻る電流経路との両方が形成される。
更に、図５（Ｃ）に示すごとく、ローサイド側のＩＧＢＴ２１が完全にオフとなった状態では、ハイサイド側のダイオード２２とインダクタ１２１とを繋ぐ閉回路に電流が流れることとなる。
このような電流の変化が順次生じることにより、回路に高周波電流が流れることとなる。

ここで、３つの状態のうち、ローサイドのＩＧＢＴ２１がオンの状態（図５（Ａ））とオフの状態（図５（Ｃ））とにそれぞれ流れる電流を平均した電流が、常に変化せずに回路に流れている直流成分Ｉ_DCであると考えると、これに対する上記２つのそれぞれの状態（図５（Ａ）、（Ｃ））の電流の差分を、スイッチングによって逐次変化する交流成分Ｉ_ACと考えることができる。このように、各状態における電流を直流成分Ｉ_DCと交流成分Ｉ_ACとに分離することができる。

即ち、図６に示すごとく、交流成分Ｉ_ACは、コンデンサ１５とハイサイド側のダイオード２２とローサイド側のＩＧＢＴ２１とを繋ぐ閉回路に流れ、ローサイド側のＩＧＢＴ２１がオンの状態（図６（Ａ））とオフの状態（図６（Ｃ））とでは逆向きとなる。即ち、ローサイド側のＩＧＢＴ２１をオンからオフに切り替えることにより、交流成分Ｉ_ACの方向が逆転することとなる。
そして、図７に示すごとく、交流成分Ｉ_ACの変化、即ち電流変化率ｄｉ／ｄｔの発生により、インダクタンスの大きい回路にはサージ電圧Ｖが生じる。

そして、インダクタンスの大きい回路に、高周波電流が流れると、即ち電流の大きさや向きに変化が生じると、大きなサージ電圧が生じる。
即ち、サージ電圧をＶ、インダクタンスをＬ、電流変化率をｄｉ／ｄｔとしたとき、サージ電圧は、Ｖ＝−Ｌ（ｄｉ／ｄｔ）によって得られるため、インダクタンスＬが大きくなるとサージ電圧Ｖは大きくなる。したがって、インダクタンスＬを低減する必要がある。

そこで、本発明においては、各半導体モジュール３内におけるインダクタンスを低減すべく、ハイサイド側の半導体素子２Ｈと、ローサイド側の半導体素子２Ｌとの間の電流経路Ｊ（図９参照）が短くなるように、半導体素子２を上述のごとく配置した。
すなわち、上記の例で説明すると、ハイサイド側のダイオード２２とローサイド側のＩＧＢＴ２１との間における電流経路が長いと、インダクタンスが大きくなりやすく、サージ電圧が大きくなりやすい。

それ故、図８に示すごとく、半導体モジュール９３内の半導体素子９２を平面的に並べて配置した場合、ハイサイド側のダイオード９２２とローサイド側のＩＧＢＴ９２１との間の電流経路Ｊが長くなる。これにより、この電流経路Ｊにおいてインダクタンスが大きくなり、大きなサージ電圧が発生するおそれがある。
なお、図８において、符号９３１Ｈ、９３１Ｍ、９３１Ｌは、それぞれハイサイド板、ミドルサイド板、ローサイド板を表し、符合９３２Ｈ、９３２Ｍ、９３２Ｌは、それぞれハイサイド板９３１Ｈ、ミドルサイド板９３１Ｍ、ローサイド板９３１Ｌの突出端子部を表す。また、符号９２Ｈ、９２Ｌは、それぞれハイサイド側の半導体素子、ローサイド側の半導体素子を表す。また、符号ｉは、半導体モジュール９２における、突出端子部９３２Ｈから突出端子部９３２Ｌまでの間の高周波電流の経路を示す。この符号ｉについては、他の図においても同様である。

上記のごとく半導体素子９２を平面的に並べて配置した場合（図８）に対し、図９に示すごとく、本発明の半導体モジュール３においては、ＩＧＢＴ２１とダイオード２２とを厚み方向に並べているため、ハイサイド側のダイオード２２とローサイド側のＩＧＢＴ２１との間の電流経路Ｊを大幅に短縮することができる。
これにより、上記の電流経路Ｊにおける電流変化が生じても（高周波電流が流れても）、大きなサージ電圧の発生を抑制することができる。

特に、本例においては、ハイサイド側のＩＧＢＴ２１とローサイド側のダイオード２２とが厚み方向に並び、ハイサイド側のダイオード２２とローサイド側のＩＧＢＴ２１とが厚み方向に並んでいるため、ハイサイド側のＩＧＢＴ２１とローサイド側のダイオード２２との間の距離、及びローサイド側のＩＧＢＴ２１とハイサイド側のダイオード２２との間の距離を小さくすることができる。その結果、半導体モジュール３内におけるインピーダンスを一層小さくすることができ、サージ電圧を一層抑制することができる。

以上のごとく、本例によれば、半導体モジュール内におけるインダクタンスの低減を図ることができる電力変換装置及びこれに用いる半導体モジュールを提供することができる。

（実施例２）
本例は、図１０〜図１２に示すごとく、ハイサイド板３１Ｈの突出端子部３２Ｈとローサイド板３１Ｌの突出端子部３２Ｌとが、互いに厚み方向に重なるように配置されている半導体モジュール３の例である。
図１０に示す半導体モジュール３は、制御電極端子３４と反対側の辺から、ハイサイド板３１Ｈの突出端子部３２Ｈとローサイド板３１Ｌの突出端子部３２Ｌとを、厚み方向に互いに重ねる状態で突出させている。そして、ミドルサイド板３１Ｍの突出端子部３２Ｍは、突出端子部３２Ｈ及び突出端子部３２Ｌに直交する方向に突出している。

図１１に示す半導体モジュール３は、制御電極端子３４に直交する方向の辺から、ハイサイド板３１Ｈの突出端子部３２Ｈとローサイド板３１Ｌの突出端子部３２Ｌとを、厚み方向に互いに重ねる状態で突出させている。そして、ミドルサイド板３１Ｍの突出端子部３２Ｍは、突出端子部３２Ｈ及び突出端子部３２Ｌと反対側に突出している。

図１２に示す半導体モジュール３は、制御電極端子３４に直交する方向の辺から、ハイサイド板３１Ｈの突出端子部３２Ｈとローサイド板３１Ｌの突出端子部３２Ｌとを、厚み方向に互いに重ねる状態で突出させている。そして、ミドルサイド板３１Ｍの突出端子部３２Ｍは、上記制御電極端子３４と反対側に突出している。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、突出端子部３２におけるインダクタンスを抑制することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図１３に示すごとく、ミドルサイド板３１Ｍが、互いに厚み方向に異なる位置に形成されると共に互いに平行な二個の平坦部３１１からなる階段形状を有する、半導体モジュール３の例である。
本例においては、図１３（Ａ）に示すごとく、ＩＧＢＴ２１の一方の面には、スペーサ３３を積層してあるが、ダイオード２２は、何れの面にもスペーサ３３を介在させることなく、ハイサイド板３１Ｈとミドルサイド板３１Ｍ、或いは、ミドルサイド板３１Ｍとローサイド板３１Ｌとの間に挟持された状態となっている。

また、ローサイド板３１Ｌは、上述のごとく、厚み方向に互いに異なる位置に形成された二個の平坦部３１１を有する。この二個の平坦部３１１の間には、段部３１２が形成されいている。そして、一方の平坦部３１１とハイサイド板３１Ｈとの間に、ハイサイド側のダイオード２２が挟持されており、上記一方の平坦部３１１とローサイド板３１Ｌとの間にローサイド側のＩＧＢＴ２１及びスペーサ３３が挟持されている。また、他方の平坦部３１１とハイサイド板３１Ｈとの間に、ハイサイド側のＩＧＢＴ２１及びスペーサ３３が挟持されており、上記他方の平坦部３１１とローサイド板３１Ｌとの間にローサイド側のＩＧＢＴ２１及びスペーサ３３が挟持されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、複数種類の厚みの異なる半導体素子２を適宜、ハイサイド板３１Ｈ及びローサイド板３１Ｌと、ミドルサイド板３１Ｍとの間に挟持させる際に、各半導体素子２の厚みに応じてハイサイド板３１Ｈとミドルサイド板３１Ｍとの間の距離、或いはローサイド板３１Ｌとミドルサイド板３１Ｍとの間の距離を設定することができる。そのため、半導体モジュール３において、厚み方向の無駄なスペースの形成を抑制し、半導体モジュール３の厚みを小さくすることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図１４に示すごとく、互いに厚み方向に並んだハイサイド側の半導体素子２Ｈとローサイド側の半導体素子２Ｌとが、それぞれの幾何学的重心を互いに突出端子部３２の突出方向にずらして配置した半導体モジュール３の例である。
本例においては、図１４に示すごとく、ＩＧＢＴ２１の幾何学的重心を、ダイオード２２の幾何学的重心よりも、突出端子部３２側へずらしている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、ＩＧＢＴ２１における端部への電流集中を抑制することができる。これにより、インダクタンスを一層抑制することができると共に、半導体素子２（ＩＧＢＴ２１）の耐久性を向上させることができる。すなわち、ＩＧＢＴ２１をダイオード２２よりも、突出端子部３２側へずらすことにより、ＩＧＢＴ２１を流れる電流は、端部のみならず、その中央付近にも流れるようにすることができ、局部的な電流集中を防ぐことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図１５に示すごとく、ハイサイド側の半導体素子２Ｈとローサイド側の半導体素子２Ｌとが、互いの一部が厚み方向に重ならない領域ができる状態で、互いに突出端子部３２の突出方向にずれて配置されている半導体モジュール３の例である。
本例においては、図１５（Ｂ）に示すごとく、ダイオード２２をＩＧＢＴ２１よりも突出端子部３２側へずらしている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、ダイオード２２における端部への電流集中をより効果的に抑制することができる。
また、ＩＧＢＴ２１とダイオード２２との間の熱干渉を抑制することができる。そのため、半導体素子２の温度上昇を抑制し、動作不良を一層抑制することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図１６に示すごとく、ＩＧＢＴ２１を分割して小型化した状態で内蔵した半導体モジュール３の例である。すなわち、図１６（Ａ）に示すごとく、ハイサイド側のＩＧＢＴ２１を二個、ハイサイド板３１Ｈとミドルサイド板３１Ｍとの間に並列配置し、ローサイド側のＩＧＢＴ２１を二個、ローサイド板３１Ｌとミドルサイド板３１Ｍとの間に並列配置してある。
また、ハイサイド側及びローサイド側のダイオード２２は、それぞれ並列配置したＩＧＢＴ２１の間に配され、これらと共に並列配置されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、ＩＧＢＴ２１の大きさを小さくすることにより、その実装面積を小さくし、半導体モジュール３の小型化を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例７）
本例は、図１７に示すごとく、ハイサイド側のＩＧＢＴ２１とローサイド側のＩＧＢＴ２１とが厚み方向に並び、ハイサイド側のダイオード２２とローサイド側のダイオード２２とが厚み方向に並んでいる、半導体モジュール３の例である。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、同時に電流が流れることの少ないＩＧＢＴ２１同士を厚み方向に並べることにより、熱干渉を抑制し、動作不良を抑制することができる。
また、この場合、高周波電流ｉは、たとえば、図１７に示すように、ハイサイド側のダイオード２２から、ローサイド側のＩＧＢＴ２１を通過するように流れるが、このときの半導体素子２間の電流経路Ｊは、実施例１の場合に比べて多少長くなるものの、半導体素子を平面的に並べた場合（図８参照）に比べて、大きく短縮することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例８）
本例は、図１８に示すごとく、６個のＩＧＢＴ２１と６個のダイオード２２とを内蔵した半導体モジュール３の例である。
該半導体モジュール３は、並列配置された３枚のミドルサイド板３１Ｍを有し、各ミドルサイド板３１Ｍの突出端子部３２Ｍは、それぞれ負荷１２（三相交流モータージェネレータ）のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電極に電気的に接続される。

そして、各ミドルサイド板３１Ｍとハイサイド板３１Ｈとの間、及び各ミドルサイド板３１Ｍとローサイド板３１Ｌとの間に、それぞれ、ＩＧＢＴ２１とダイオード２２とが並列配置されている。
また、本例においては、ハイサイド板３１Ｈの突出端子部３２Ｈと、ローサイド板３１Ｌの突出端子部３２Ｌとは、互いに厚み方向に並ぶように配設されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、６個のＩＧＢＴ２１と６個のダイオード２２とをモジュール化して一つの半導体モジュール３としているため、電力変換装置１の小型化を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
なお、図１８、図１９においては、ＩＧＢＴ２１等に積層されるスペーサの記載は省略してある。

（実施例９）
本例は、図１９に示すごとく、逆方向導通性を有する半導体素子２を内蔵している半導体モジュール３の例である。
上記逆方向導通性を有する半導体素子２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）からなり、実施例１において示したＩＧＢＴ２１の機能とダイオード２２の機能とを併せ持つ素子である。それ故、半導体モジュール３には、ハイサイド側とローサイド側にそれぞれ一つずつの半導体素子２を搭載すればよい。

そこで、本例の半導体モジュール３は、図１９（Ａ）に示すごとく、ハイサイド板３１Ｈとミドルサイド板３１Ｍとの間に一つのハイサイド側の半導体素子２を挟持させ、ローサイド板３１Ｌとミドルサイド板３１Ｍとの間に、他の一つのローサイド側の半導体素子２を挟持させている。
また、半導体モジュール３には、半導体素子２を駆動制御するための制御回路チップ３６が搭載されている。該制御回路チップ３６は、ハイサイド板３１Ｈとローサイド板３１Ｌとのそれぞれに搭載されている。そして、各制御回路チップ３６は、制御電極端子３３及び半導体素子２にワイヤーボンディング（図示略）によって接続されている。

また、ハイサイド板３１Ｈの突出端子部３２Ｈとローサイド板３１Ｌの突出端子部３２Ｌとは、互いに厚み方向に並ぶように、制御電極端子３３と反対側に突出している。また、図１９（Ｂ）に示すごとく、ミドルサイド板３１Ｍの突出端子部３２Ｍは、制御電極端子３３、突出端子部３２Ｈ及び突出端子部３２Ｌに直交する方向に突出している。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、半導体素子２の数を少なくすることができるため、半導体モジュール３の小型化、ひいては電力変換装置１の小型化を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
なお、上記逆方向導通性を有する半導体素子２としては、上記ＭＯＳＦＥＴ以外にも、ＩＧＢＴ素子にフライホイールダイオード機能を取り込んだ複合素子を用いることもできる。

実施例１における、半導体モジュールの断面説明図。 実施例１における、半導体モジュールの正面説明図。 実施例１における、図２のＡ−Ａ線矢視断面相当の半導体モジュールの説明図。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 ローサイド側の半導体素子をオフにする前後の電流経路を説明する説明図。 図５に示した電流を直流成分と交流成分とに分けた説明図。 高周波電流の交流成分と、電流変化率と、サージ電圧との関係を示す線図。 半導体素子を平面的に並べて構成した半導体モジュールにおける、電流経路の説明図。 実施例１における、半導体モジュール内の電流経路の説明図。 実施例２における、半導体モジュールの説明図。 実施例２における、突出端子部の位置を変更した他の半導体モジュールの説明図。 実施例２における、突出端子部の位置を変更した、更に他の半導体モジュールの説明図。 実施例３における、半導体モジュールの説明図。 実施例４における、半導体モジュールの説明図。 実施例５における、半導体モジュールの説明図。 実施例６における、半導体モジュールの説明図。 実施例７における、半導体モジュールの説明図。 実施例８における、半導体モジュールの説明図。 実施例９における、半導体モジュールの説明図。

符号の説明

１ 電力変換装置
１１ 電源
１２ 負荷
２、２Ｈ、２Ｌ 半導体素子
３ 半導体モジュール
３１Ｈ ハイサイド板
３１Ｍ ミドルサイド板
３１Ｌ ローサイド板
３２、３２Ｈ、３２Ｍ、３２Ｌ 突出端子部

Claims (18)

1. 複数の半導体素子を内蔵する半導体モジュールを有し、電源から供給される電力を負荷に供給する交流電力へ変換する電力変換装置であって、
   上記半導体モジュールは、互いに直列接続された少なくとも一対の上記半導体素子を有しており、該一対の半導体素子のうち、上記電源のＰ極に接続されるハイサイド側の半導体素子と、上記電源のＮ極に接続されるローサイド側の半導体素子とを、互いに厚み方向に並ぶように配設してなり、
   上記一対の半導体素子の間には、上記負荷に接続されるミドルサイド板が配設され、
   上記一対の半導体素子における上記ミドルサイド板と反対側の面には、それぞれ、上記電源のＰ極に接続されるハイサイド板と、上記電源のＮ極に接続されるローサイド板とが配設されており、
   上記ハイサイド板、上記ローサイド板、及び上記ミドルサイド板は、それぞれ厚み方向に直交する方向に突出した突出端子部を有していることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記ハイサイド板の突出端子部と上記ローサイド板の突出端子部とは、少なくともその一部が互いに厚み方向に重なるように配置していることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２において、上記半導体モジュールは、上記ハイサイド側の半導体素子と上記ローサイド側の半導体素子とを、それぞれ複数個内蔵してなり、上記ミドルサイド板は、互いに厚み方向に異なる位置に形成されると共に互いに平行な複数の平坦部からなる階段形状を有することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記ハイサイド板の突出端子部と上記ローサイド板の突出端子部とは、上記半導体モジュールにおける共通の辺から突出しており、互いに厚み方向に並んだ上記ハイサイド側の半導体素子と上記ローサイド側の半導体素子とは、それぞれの幾何学的重心が互いに上記突出端子部の突出方向にずれて配置されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４において、上記ハイサイド側の半導体素子と上記ローサイド側の半導体素子とは、互いの一部が厚み方向に重ならない領域ができる状態で、互いに上記突出端子部の突出方向にずれて配置されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、上記半導体モジュールは、ハイサイド側の上記半導体素子としてのＩＧＢＴ及びダイオードを並列接続するとともに、ローサイド側の上記半導体素子としてのＩＧＢＴ及びダイオードを並列接続し、かつ、ハイサイド側の上記半導体素子の並列回路とローサイド側の上記半導体素子の並列回路とを、直列接続してなることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６において、上記ハイサイド側のＩＧＢＴと上記ローサイド側のダイオードとが厚み方向に並び、上記ハイサイド側のダイオードと上記ローサイド側のＩＧＢＴとが厚み方向に並んでいることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項６において、上記ハイサイド側のＩＧＢＴと上記ローサイド側のＩＧＢＴとが厚み方向に並び、上記ハイサイド側のダイオードと上記ローサイド側のダイオードとが厚み方向に並んでいることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１〜５のいずれか一項において、上記半導体モジュールは、上記半導体素子として逆方向導通性を有する半導体素子を内蔵していることを特徴とする電力変換装置。
10. 互いに直列接続された少なくとも一対の半導体素子を有する半導体モジュールであって、
    上記一対の半導体素子のうち、電源のＰ極に接続されるハイサイド側の半導体素子と、上記電源のＮ極に接続されるローサイド側の半導体素子とを、互いに厚み方向に並ぶように配設してなり、
    上記一対の半導体素子の間には、負荷に接続されるミドルサイド板が配設され、
    上記一対の半導体素子における上記ミドルサイド板と反対側の面には、それぞれ、上記電源のＰ極に接続されるハイサイド板と、上記電源のＮ極に接続されるローサイド板とが配設されており、
    上記ハイサイド板、上記ローサイド板、及び上記ミドルサイド板は、それぞれ厚み方向に直交する方向に突出した突出端子部を有していることを特徴とする半導体モジュール。
11. 請求項１０において、上記ハイサイド板の突出端子部と上記ローサイド板の突出端子部とは、少なくともその一部が互いに厚み方向に重なるように配置していることを特徴とする半導体モジュール。
12. 請求項１０又は１１において、上記ハイサイド側の半導体素子と上記ローサイド側の半導体素子とを、それぞれ複数個内蔵してなり、上記ミドルサイド板は、互いに厚み方向に異なる位置に形成されると共に互いに平行な複数の平坦部からなる階段形状を有することを特徴とする半導体モジュール。
13. 請求項１０〜１２のいずれか一項において、上記ハイサイド板の突出端子部と上記ローサイド板の突出端子部とは、上記半導体モジュールにおける共通の辺から突出しており、互いに厚み方向に並んだ上記ハイサイド側の半導体素子と上記ローサイド側の半導体素子とは、それぞれの幾何学的重心が互いに上記突出端子部の突出方向にずれて配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
14. 請求項１３において、上記ハイサイド側の半導体素子と上記ローサイド側の半導体素子とは、互いの一部が厚み方向に重ならない領域ができる状態で、互いに上記突出端子部の突出方向にずれて配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
15. 請求項１０〜１４のいずれか一項において、ハイサイド側の上記半導体素子としてのＩＧＢＴ及びダイオードを並列接続するとともに、ローサイド側の上記半導体素子としてのＩＧＢＴ及びダイオードを並列接続し、かつ、ハイサイド側の上記半導体素子の並列回路とローサイド側の上記半導体素子の並列回路とを、直列接続してなることを特徴とする半導体モジュール。
16. 請求項１５において、上記ハイサイド側のＩＧＢＴと上記ローサイド側のダイオードとが厚み方向に並び、上記ハイサイド側のダイオードと上記ローサイド側のＩＧＢＴとが厚み方向に並んでいることを特徴とする半導体モジュール。
17. 請求項１５において、上記ハイサイド側のＩＧＢＴと上記ローサイド側のＩＧＢＴとが厚み方向に並び、上記ハイサイド側のダイオードと上記ローサイド側のダイオードとが厚み方向に並んでいることを特徴とする半導体モジュール。
18. 請求項１０〜１４のいずれか一項において、上記半導体素子として、逆方向導通性を有する半導体素子を内蔵していることを特徴とする半導体モジュール。

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