JP2001332688A - 電力配線構造及び半導体装置 - Google Patents

電力配線構造及び半導体装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】低インダクタンス化を可能にした電力配線構造
を提供する。 【解決手段】相補的に開閉するスイッチング素子４、５
が２個直列に接続された回路で、その両端に電源からの
電力線が接続され、前記２個のスイッチング素子の接続
点から負荷への出力線を引出した回路であって、前記両
端の電力線を高電位側のＰと低電位側のＮとし、前記出
力線をＵとし、前記Ｐ、ＮおよびＵをそれぞれ厚さより
も幅が大きい幅広電極で形成し、かつ、相互に絶縁体を
介してＰＵＮの順に厚さ方向に積層して３層幅広電極構
造とした電力配線構造。出力線Ｕに流れるのと同じ電流
がＰ電力線またはＮ電力線のどちらかを出力線Ｕと反対
方向に流れるため、電流によって発生する磁界を相殺す
ることが出来、それによって配線のインダクタンスを効
果的に低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は半導体スイッチン
グ素子を用いた電力変換装置における低インダクタンス
配線構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】絶縁物を挟むなどして、幅広電極を狭い
間隔で対向させて配置し、これらに逆方向の電流を流す
と、発生する磁界が相殺されて減少するので、電極のイ
ンダクタンスを低減できることが一般的に知られてお
り、高電位側のＰ電力母線と低電位側のＮ電力母線と
を、上記のような２層の対向電極構造としてインダクタ
ンスを低減する従来技術としては特開平６−３８５０７
号公報に記載されたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】インバータ回路を集積
化したインバータモジュール内部でも前記と同様の効果
を期待してＰＮ電力母線を２層の対向電極構造にする場
合があるが、実際の電流の流れ方を観ると、ＰまたはＮ
母線に流れる電流は出力線Ｕを流れて負荷に供給される
ため、必ずしも対向した電極に逆方向の同じ値の電流が
流れるわけではなく、ループを描いて電流が流れること
が判る。例えば図９に示すごときＵ−Ｖ２相のインバー
タモジュール１において、Ｕ相とＶ相のそれぞれの回路
でＰ母線とＮ母線とを対向電極として配置した場合、黒
太線で示した経路と大きな矢印で示すようなループの経
路とを介して電流が流れるので、丸で囲んだＡとＢの部
分（インバータモジュールの外部）では相互に逆方向の
電流が流れて磁界が相殺されるが、インバータモジュー
ル１の内部では発生する磁界が相殺されず、したがって
配線のインダクタンスを低減する効果が十分に得られな
いという問題があった。なお、インバータの素子がスイ
ッチングをするとインダクタンスＬの大きさに比例した
サージ電圧Ｖ＝−Ｌ・ｄｉ／ｄｔを発生するため、配線
のインダクタンスが大きいと、大きなサージ電圧が発生
してスイッチング素子を破損してしまうおそれがある。
このため、スイッチング素子の破損を防止する目的でス
ナバ回路を設けることがあるが、これによれば部品点数
が増加するので、装置の大型化とコストが高くなるとい
う問題が新たに発生する。また、スナバ回路を使用しな
い方法として、スイッチングの速度を遅くすることによ
りサージ電圧の低減が可能であるが、この方法ではスイ
ッチングの高周波化を阻害し、かつ、スイッチング時間
が長くなることにより、スイッチング損失が増加して素
子が発熱し、放熱器が大型化すると共に効率も低下する
という問題が新たに発生する。
【０００４】本発明は上記のごとき従来技術の問題を解
決するためになされたものであり、低インダクタンス化
を可能にした電力配線構造を提供することを目的とす
る。また、本発明においては上記の電力配線構造を用い
た半導体装置を提供することも目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明においては、相補
的に開閉するスイッチング素子が２個直列に接続された
回路で、その両端に電源からの電力線が接続され、前記
２個のスイッチング素子の接続点から負荷への出力線を
引出した回路であって、前記両端の電力線を高電位側の
Ｐと低電位側のＮとし、前記出力線をＵとし、前記Ｐ、
ＮおよびＵをそれぞれ厚さよりも幅が大きい幅広電極で
形成し、かつ、相互に絶縁体を介してＰＵＮの順に厚さ
方向に積層して３層幅広電極構造としている。なお、上
記の相補的に開閉するスイッチング素子が２個直列に接
続された回路とは、例えばインバータ回路、インバータ
回路が２個並列に組み合わされたＨブリッジ回路、或い
はインバータ回路が３個並列に組み合わされた３相イン
バータ回路などに相当する。
【０００６】上記の構成においては、漏れ電流が無いと
考えると、出力線Ｕに流れるのと同じ電流がＰ電力線ま
たはＮ電力線のどちらかを出力線Ｕと反対方向に流れる
ため、電流によって発生する磁界を相殺することが出来
るので、配線のインダクタンスを効果的に低減できる。
【０００７】また、請求項３以下に記載した半導体装置
においては、上記の３層幅広電極構造を利用し、インバ
ータモジュール内部の配線（ボンディングワイヤ等によ
る配線）も磁界が相殺されるように配置することによ
り、インバータ内部の配線におけるインダクタンスも有
効に低減することが出来るように構成している。
【０００８】
【発明の効果】本発明によれば、実際の電力配線におけ
るインダクタンスを効果的に低減できる。そのため、高
速でスイッチングを行っても大きなサージ電圧によって
スイッチング素子を破損してしまうおそれがなくなる。
このためスナバ回路を設ける必要がなく、装置の小型化
と低コスト化が可能である。また、スイッチングの速度
を速くすることが可能なので、スイッチング損失が低減
でき、素子発熱の低減および効率の向上という効果が得
られる。また、インバータモジュール内部の配線におけ
るインダクタンスも有効に低減することが出来る。
【０００９】
【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例を示す図
であり、（ａ）は回路図、（ｂ）は電力配線構造の基本
的構成を示す斜視図、（ｃ）は接続部分の構造を示す図
である。
【００１０】図１の実施例は、２個のスイッチング素子
を直列に接続した単相のインバータ回路に本発明を適用
した場合の例である。図１において、１はインバータモ
ジュール、２は負荷、３は電源である。また、４と５は
スイッチング素子であり、６と７は平滑用コンデンサで
ある。なお、ここではスイッチング素子をトランジスタ
で示しているが、トランジスタ以外にサイリスタ等の他
のスイッチング素子を用いてもよい。また、スイッチン
グ素子には還流ダイオードが並列に接続されている。
【００１１】また、図１（ａ）の回路における各素子を
接続する配線（インダクタンスの記号で示す）は、図１
（ｂ）に示すように、高電位側のＰ母線と低電位側のＮ
母線とが、出力線Ｕを挟んでＰＵＮの順に積層された３
層構造を有する。なお、上記Ｐ、ＮおよびＵの各線は、
それぞれ厚さよりも幅が大きい幅広電極で形成されてお
り、かつ、相互に絶縁体（図示省略）を介して厚さ方向
に積層されている。また、接続線の端部は図１（ｃ）に
示すように、出来るだけ端まで３層構造を保ち、末端部
で別れるようになっている。
【００１２】図１の回路においては、スイッチング素子
４と５は逆位相でオン、オフする。例えばスイッチング
素子４がオンの時はスイッチング素子５はオフであり、
このとき図１（ａ）に黒太線で示す経路（電源３の＋端
子→スイッチング素子４→平滑用コンデンサ７→負荷２
→電源３の−端子）を通って電流が流れる。したがって
上記の経路を構成する配線（前記の３層幅広電極）にお
いては、丸で囲んだＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各部分で相互
に逆方向の電流が流れて磁界が相殺される。逆に、スイ
ッチング素子４がオフの時はスイッチング素子５はオン
であり、「電源３の＋端子→平滑用コンデンサ６→負荷
２→スイッチング素子５→電源３の−端子」の経路で電
流が流れる。したがってこの場合にも電流経路となる配
線の各部において相互に逆方向の電流が流れて磁界が相
殺される。したがってインダクタンスを大幅に低減する
ことが出来ると共に、電磁波の放射も低減出来る。
【００１３】図２は、本発明をＵ−Ｖ２相のインバータ
モジュールに適用した例を示す図であり、（ａ）は回路
図、（ｂ）は接続部分の構造を示す図である。図２にお
いて、インバータモジュール１は、トランジスタとダイ
オードの並列回路からなるスイッチング素子２個が１組
となったスイッチングブロック１４と、同じ構成のスイ
ッチングブロック１５とからなる。また、配線を構成す
る３層幅広電極は、Ｐ母線とＮ母線との間に、Ｕ相とＶ
相の２相の電極がそれぞれの部分に挟まれた構造となっ
ている。このようにＵ−Ｖ２相のインバータモジュール
においても前記図１と同様に、配線の各部分において相
互に逆方向の電流が流れて磁界が相殺されるので、イン
ダクタンスを大幅に低減することが出来る。なお、３相
以上のインバータモジュールにおいても同様である。
【００１４】また、上記の例においては、３層幅広電極
により単相インバータを複数個並列接続して多相インバ
ータモジュールを構成する場合について説明をしたが、
スイッチング素子を直接に電気的接続する内部電極にお
いても、各相を接続する電極を前記図１（ｂ）に示すご
とき３層広幅電極構造とすることにより、同様にインダ
クタンスを低減することができると共に、電磁波の放射
も低減出来る。
【００１５】次に、図３は、出力線の引き出し構造の一
実施例を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面
図、（ｄ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図３ではＵ
−Ｖ−Ｗ３相インバータの場合における出力線の引き出
し構造を示す。ＰＮ電力母線に挟まれた各出力線をＶ相
を中心に一点に集結し、各出力線をＰＮ母線の間から引
き出した部分からすぐに重ねる構造とする。Ａ−Ａ断面
ではＵＶＷの３相が平面上の並んでいるが、Ｂ−Ｂ断面
ではＵ相とＷ相が屈曲してＶ相を挟む形となり、Ｃ−Ｃ
断面ではＵＶＷの３相が重なっている。このような３層
幅広電極の厚さは全体的にほぼ電極板３枚分（正確には
これに薄い絶縁層分が加わる）であり、構造が簡単で、
製造も容易である。なお、ＵＶＷの３相が重なる部分は
相互に絶縁されることは当然である。
【００１６】ただし、図３の例では出力線をＰＮ母線か
ら引き出すところで各出力線が単独となるため、出力線
のインダクタンスを低減できない部分が生じる。また、
電流が配線電極の中心を流れると近似して考えると、引
き出し部の出力線のＵＶＷ電極の中心は間隔を開けて並
んでいるため、この部分ではＰＮ母線の電流と対向して
流れる電流が存在しないことになり、ＰＮ母線のインダ
クタンスも部分的に低減できていない。
【００１７】上記の問題を解決した構造を図４に示す。
図４（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、
（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図４の構造で
は、Ａ−Ａ断面に示すように、ＰＮ母線に挟まれた位置
で、ＵＶＷの各出力線をＶ相を中心にして一点に集結
し、３枚の出力線を重ねた後にＰＮ母線から引き出す構
造としている。このような構造にすることにより、出力
線が単独になることがないため、出力線のインダクタン
スを確実に低減できる。また、ＰＮ母線の間で出力線を
重ねるため、ＰＮ母線の電流と出力線の電流が対向して
流れることになり、引き出し部でのＰＮ母線のインダク
タンスも効果的に低減できる。
【００１８】次に、インバータモジュールの内部構成に
ついて本発明を適用した場合を説明する。図５はインバ
ータモジュールの一実施例図であり、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は回路図である。この半導体装置は前記図１に示
した単相のインバータ回路に相当する。図５において、
２０は絶縁基板、２１はスイッチング用のトランジス
タ、２２は還流ダイオード、２３はトランジスタ２１の
ゲートへの信号線を接続するための導電箔であり、これ
らは上アームのスイッチング素子（図１のスイッチング
素子４に相当）を構成している。同様に絶縁基板２４、
トランジスタ２５、還流ダイオード２６は下アームのス
イッチング素子（図１のスイッチング素子５に相当）を
構成している。上記の上アームと下アームのスイッチン
グ素子は、３層幅広電極２９の両側に分かれて設置され
る。上記のトランジスタ２１、２５と還流ダイオード２
２、２６は、それぞれ導電箔２８等上に設置され、それ
ぞれの下面電極は導電箔に接続されている。そして上記
トランジスタ等の上面電極はボンディングワイヤ３０を
介して３層幅広電極２９に接続され、また、上記導電箔
もボンディングワイヤ３０を介して３層幅広電極２９に
接続される。図５においては、上アームの高電位側（上
面電極）がワイヤボンディングを介してＰ電極に接続さ
れ、上アームの低電位側（下面電極）がＵ電極に接続さ
れ、下アームの高電位側がＵ電極に接続され、下アーム
の低電位側がＮ電極に接続されている。また、図５に示
すように、トランジスタと還流ダイオードとが３層幅広
電極２９に沿って平行に並ぶ場合には、絶縁基板上の金
属箔はトランジスタ用と還流ダイオード用とが分離さ
れ、それぞれがワイヤボンディングによって３層幅広電
極２９に接続される。また、上アームのトランジスタ２
１と還流ダイオード２２は３層幅広電極２９を挟んで下
アームの還流ダイオード２６とトランジスタ２５に対向
している。
【００１９】上記のように構成すれば、トランジスタお
よび還流ダイオードに流れる電流は入力電流と出力電流
が対向して逆方向に流れるため、インダクタンスが低減
される。また、上下アームのトランジスタと還流ダイオ
ードが対向して配置されるため、トランジスタがオフす
ると直ちに対向している還流ダイオードに電流が還流す
る。そして配線長が短いためインダクタンスが小さい。
【００２０】図６は、図５に示した半導体装置における
動作時の電流の流れを説明するための図であり、左半分
は回路図、右半分は断面図である。図６において、
（ａ）は上アームのトランジスタ２１がオンの状態、
（ｂ）は上アームのトランジスタ２１がオフになって下
アームの還流ダイオード２６に電流が還流した状態、
（ｃ）は下アームのトランジスタ２５がオンの状態、
（ｄ）は下アームのトランジスタ２５がオフになって上
アームの還流ダイオード２２に電流が還流した状態を示
す図である。図６に示すように、３層幅広電極２９およ
びボンディングワイヤ３０を介して流れる電流は、図６
に矢印で示したように、入力方向と出力方向とが全て対
向して流れるので、発生する磁界を有効に相殺すること
ができ、したがってインダクタンスを大幅に低減出来る
と共に電磁波の放射も低減出来る。
【００２１】次に、図７はトランジスタと還流ダイオー
ドの他の配置を示す断面図である。まず、図７（ａ）に
示す配置においては、上下アームのそれぞれにおいて、
３層幅広電極２９の近傍に還流ダイオード２２、２６を
配置し、その外側にトランジスタ２１、２５を配置して
いる。このように還流ダイオードとトランジスタとが３
層幅広電極２９の両側に縦方向（３層幅広電極２９に対
して直角方向）に並ぶ場合には、絶縁基板３１上の金属
箔３２、３３はトランジスタと還流ダイオードに供用で
きるため、３層幅広電極２９に接続するワイヤボンディ
ングが共通となり、製造が簡易になる。この場合にも上
下アームのトランジスタと還流ダイオードが対向して配
置されるため、図５の場合と同様にインダクタンスが小
さい。
【００２２】また、図７（ｂ）においては、３層幅広電
極２９を傾けて設置することにより、上アームと下アー
ムの接続位置の高さを同じにしたものである。このよう
に構成することにより、上下アームの配線長を均一にし
てインダクタンスを均一にすることができる。そのた
め、上下アームの間でのサージ電圧が均一になり、電気
特性のバランスが良くなる。なお、図７（ｂ）において
は、トランジスタと還流ダイオードの部分は省略して表
示しているが、この部分は図７（ａ）のような配置でも
図５のような配置でもよい。
【００２３】次に、図８は、上下アームの他の配置を示
す斜視図であり、３層幅広電極２９の片側に並べて配置
した例を示す。図８（ａ）は前記図５のようにトランジ
スタと還流ダイオードを３層幅広電極２９に平行に配置
した例、図８（ｂ）は前記図７（ａ）のように還流ダイ
オードとトランジスタを３層幅広電極２９に対して縦方
向に配置した例を示す。図８に示す構造では、半導体素
子を集約出来るため、製造が容易になる。また、図８
（ａ）においては図５と同様に、トランジスタの配線が
短いため、インダクタンスが小さくなる。また、図８
（ｂ）においては、図７（ａ）と同様に基板上の金属箔
やワイヤボンディングが共通となり、製造が簡易にな
る。なお、これまでの実施例において、絶縁基板を上ア
ームと下アームとで別けて表示した場合もあるが、共通
の絶縁基板を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す図であり、（ａ）は回
路図、（ｂ）は電力配線構造の基本的構成を示す斜視
図、（ｃ）は接続部分の構造を示す図。
【図２】本発明をＵ−Ｖ２相のインバータモジュールに
適用した例を示す図であり、（ａ）は回路図、（ｂ）は
接続部分の構造を示す図。
【図３】出力線の引き出し構造の一実施例を示す図であ
り、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、
（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｄ）は（ａ）のＣ−
Ｃ断面図。
【図４】出力線の引き出し構造の他の実施例を示す図で
あり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面
図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図。
【図５】インバータモジュールに本発明を適用した場合
の一実施例図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は回路
図。
【図６】図５に示した半導体装置における動作時の電流
の流れを説明するための図であり、（ａ）は上アームの
トランジスタ２１がオンの状態、（ｂ）は上アームのト
ランジスタ２１がオフになって下アームの還流ダイオー
ド２６に電流が還流した状態、（ｃ）は下アームのトラ
ンジスタ２５がオンの状態、（ｄ）は下アームのトラン
ジスタ２５がオフになって上アームの還流ダイオード２
２に電流が還流した状態を示す図。
【図７】トランジスタと還流ダイオードの他の配置を示
す断面図。
【図８】上下アームの他の配置を示す斜視図。
【図９】従来例の回路図。
【符号の説明】
１…インバータモジュール ２…負荷 ３…電源 ４、５…スイッ
チング素子 ６、７…平滑用コンデンサ １４、１５…スイ
ッチングブロック ２０…絶縁基板 ２１…スイッチ
ング用のトランジスタ ２２…還流ダイオード ２３…導電箔 ２４…絶縁基板 ２５…トランジ
スタ ２６…還流ダイオード ２７、２８…導
電箔 ２９…３層幅広電極 ３０…ボンディ
ングワイヤ ３１…絶縁基板 ３２、３３…金
属箔

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】相補的に開閉するスイッチング素子が２個
    直列に接続された回路で、その両端に電源からの電力線
    が接続され、前記２個のスイッチング素子の接続点から
    負荷への出力線を引出した回路であって、 前記両端の電力線を高電位側のＰと低電位側のＮとし、
    前記出力線をＵとし、前記Ｐ、ＮおよびＵをそれぞれ厚
    さよりも幅が大きい幅広電極で形成し、かつ、相互に絶
    縁体を介してＰＵＮの順に厚さ方向に積層して３層幅広
    電極構造としたことを特徴とする電力配線構造。
  2. 【請求項２】前記負荷に接続される出力線Ｕが多相の場
    合に、それら多相の出力線が前記Ｐ電極と前記Ｎ電極に
    挟まれた位置で１個所に重ね合わされて引出されること
    を特徴とする請求項１に記載の電力配線構造。
  3. 【請求項３】電力線を高電位側のＰと低電位側のＮと
    し、出力線をＵとし、前記Ｐ、ＮおよびＵをそれぞれ厚
    さよりも幅が大きい幅広電極で形成し、かつ、相互に絶
    縁体を介してＰＵＮの順に厚さ方向に積層した３層幅広
    電極と、 第１の絶縁基板上に選択的に設けられた第１の導電層
    と、 前記第１の導電層上に配置され、前記第１の導電層に下
    面電極が電気接続された第１の半導体チップと、 第２の絶縁基板上に選択的に設けられた第２の導電層
    と、 前記第２の導電層の上に配置され、前記第２の導電層に
    下面電極が電気接続された第２の半導体チップと、 前記３層幅広電極のＰ電極に前記第１の導電層を電気接
    続する手段と、 前記３層幅広電極のＵ電極に前記第１の半導体チップの
    上面電極を電気接続する手段と、 前記３層幅広電極のＮ電極に前記第２の半導体チップの
    上面電極を電気接続する手段と、 前記３層幅広電極のＵ電極に前記第２の導電層を電気接
    続する手段と、を備えた半導体装置。
  4. 【請求項４】前記３層幅広電極を挟んで、前記第１の絶
    縁基板と前記第２の絶縁基板とを配置したことを特徴と
    する請求項３に記載の半導体装置。
  5. 【請求項５】前記３層幅広電極を挟んで、前記第１の絶
    縁基板と前記第２の絶縁基板とを配置し、かつ、前記第
    １の絶縁基板側への配線と前記第２の絶縁基板側への配
    線との接続位置の高さが同じになるように、前記３層幅
    広電極を傾けて配置したことを特徴とする請求項３に記
    載の半導体装置。
  6. 【請求項６】前記３層幅広電極の片側に前記第１の絶縁
    基板と前記第２の絶縁基板とを前記３層幅広電極と平行
    に並べて配置したことを特徴とする請求項３に記載の半
    導体装置。
  7. 【請求項７】前記半導体チップはスイッチング素子と還
    流ダイオードからなり、該スイッチング素子と還流ダイ
    オードを前記３層幅広電極に対して平行に配置し、か
    つ、前記スイッチング素子と還流ダイオードの下面電極
    が接続される導電層を別個に分離して設けたことを特徴
    とする請求項３乃至請求項６の何れかに記載の半導体装
    置。
  8. 【請求項８】前記半導体チップはスイッチング素子と還
    流ダイオードからなり、該スイッチング素子と還流ダイ
    オードを前記３層幅広電極に対して縦方向に配置したこ
    とを特徴とする請求項３乃至請求項６の何れかに記載の
    半導体装置。
  9. 【請求項９】前記電気接続する手段はボンディングワイ
    ヤであることを特徴とする請求項３乃至請求項８の何れ
    かに記載の半導体装置。
  10. 【請求項１０】下面電極に接続するボンディングワイヤ
    の引出し方向と、半導体チップの上面に接続するボンデ
    ィングワイヤの引出し方向とが、同じであることを特徴
    とする請求項９に記載の半導体装置。
  11. 【請求項１１】前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基
    板が共通の一つの基板からなることを特徴とする請求項
    ３乃至請求項１０の何れかに記載の半導体装置。
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