JP2007049810A - 電力変換装置用半導体装置及び同半導体装置を有する温度保護機能付き電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力用半導体素子の実行面積の低下を防ぎ且つ当該半導体素子の温度を高精度に検出可能とする。
【解決手段】ＩＧＢＴ（電力用半導体素子）１７Ａは冷却器２２の冷却面上に電気絶縁体２３を介して配置される。幅広導体３３Ａは第１及び第２の面を有する。幅広導体３３Ａの第１の面（下面）の一部は、ＩＧＢＴ１７Ａの主電流出力側と電気的に接続される。幅広導体３３Ａは、ＩＧＢＴ１７Ａの電流経路と当該ＩＧＢＴ１７Ａの熱損失の放熱経路とを形成する。温度センサ１６Ａは、上記幅広導体３３Ａの上記第１の面の上記一部に対応する上記第２の面（上面）側に配置される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電力用半導体素子及び温度センサを搭載した電力変換装置用半導体装置に係り、特に当該電力用半導体素子の温度を高精度に検出するのに好適な電力変換装置用半導体装置及び同半導体装置を有する温度保護機能付き電力変換装置に関する。

インバータ装置は、電力変換装置として多方面で利用されている。近年、このようなインバータ装置、特に車載用などのインバータ装置には、小型、高出力及び高信頼性が要求されている。インバータ装置の高出力化及び高信頼化を図るためには、インバータ装置に搭載される半導体装置の出力向上と高性能な保護が必要となる。

半導体装置の高出力化を達成するには、できるだけ大きな電流及び電圧を半導体装置に供給（印加）する必要がある。しかし、電流及び電圧の増加は半導体装置の電力損の増加を招く。電力損失が増加すると半導体装置や半導体装置に搭載される電力用半導体素子の温度が上昇する。電力用半導体素子には使用温度制限があり、通常１５０℃を超えて使用することが禁止されている。電力用半導体素子を制限温度以上の高温で使用すると、信頼性が低下し、時には当該半導体素子の破壊に至る場合もある。

したがって、半導体装置を高信頼、高出力で使用するためには、電力用半導体素子が制限温度以上に上がらないように使用するとともに、当該半導体素子の冷却を良くし、当該半導体素子の温度が上がりにくいようにしなければならない。

もし、電力用半導体素子の温度が検出できるならば、当該半導体素子の温度上昇や熱抵抗の増加を検出して当該半導体素子の通電量を速やかに減らしたり、当該半導体素子のゲートを停止することで、当該半導体素子の加熱による破壊を未然に防ぐことが可能になる。

例えば特許文献１及び２は、電力用半導体素子が配置された絶縁基板上に温度検出素子（温度検出体、サーミスタ）を配置して当該半導体素子の熱抵抗の増加や当該半導体素子の温度上昇を検出する半導体装置を開示している。また、例えば特許文献３は、電力用半導体素子が形成されたシリコン基板上に絶縁膜を形成し、当該絶縁膜上に多結晶シリコンダイオード（ＰＮ接合素子）を複数個直列接続することにより温度検出素子（感熱素子）を形成し、当該ダイオードの順方向電圧の変化を温度変化と捉えることで、電力用半導体素子の温度を精度良く検出する半導体装置を開示している。

そこで、インバータ装置に搭載される半導体装置に特許文献１乃至３のいずれかに記載の温度検出素子を設けて、この当該半導体装置内の電力用半導体素子の温度を検出し、その温度検出結果に応じて当該半導体素子の例えば通電量を制御することにより、当該半導体素子の加熱による破壊を防ぐことが可能になる。
特開平９−１４８５２３号公報（段落００２２乃至００２６、図２及び図４） 特開２００２−７６２３６号公報（段落００１５及び００１８、図２） 特開平１０−１１６９８７号公報（段落０００７及び０００８、図２及び図３）

しかしながら、上記特許文献１または２に記載された電力用半導体素子の温度を検出する手法では、次のような問題がある。まず、電力用半導体素子の発熱による熱の大部分は、当該半導体素子が配置（接合）されている絶縁基板を介して冷却フィンに伝わる。このため、電力用半導体素子が配置されたのと同一の絶縁基板上に温度検出素子が配置されていても、当該温度検出素子は電力用半導体素子から冷却フィンに熱が伝わる経路（熱流路）上に存在しないことから、温度検出素子の温度と電力用半導体素子の温度には差が生じ、当該半導体素子の温度を正確に測定できない。また、電力用半導体素子が配置されているのと同一平面の絶縁基板上に温度検出素子を配置するために、当該絶縁基板が大きくなる。したがって半導体装置の大型化を招く。

また、上記特許文献３に記載された電力用半導体素子の温度を検出する手法では、次のような問題がある。まず、主電流を流す電力用半導体素子が形成されたのと同一のシリコン基板上に温度検出用のＰＮ接合素子（ダイオード）が形成されるため、微弱信号である当該ＰＮ接合素子の出力にノイズが混入し、電力用半導体素子の温度を正確に検出することができない。同様の理由で、主電流を流す電力用半導体素子の実効面積が低下し、当該半導体素子の出力が低減してしまう。したがって、必要な電力用半導体素子の数が増えて、半導体装置の大型化を招く。

更に、特許文献３に記載された電力用半導体素子の温度を検出する手法では、複数のＰＮ接合素子を直列接続して温度センサを形成して、この温度センサの出力する温度情報をマイクロコンピュータなどで構成される制御回路で使用するには、電力用半導体素子の一部に制御回路との接続を行うためのパッドを形成する必要ある。このため、電力用半導体素子に必要なチップサイズが大きくなり。インバータ装置の大型化を招く。また、チップサイズを大きくしないならば、電力用半導体素子において主電流を通電する領域（アクティブエリア）が減少するため、インバータ装置の容量の低下を招く。

本発明は上記事情を考慮してなされたものでその目的は、電力用半導体素子の実行面積の低下を防ぎ且つ当該半導体素子の温度を高精度に検出可能な小型・高信頼性・高出力の電力変換装置用半導体装置及び同半導体装置を有する温度保護機能付き電力変換装置を提供することにある。

本発明の１つの観点によれば、電力用半導体素子及び温度センサを搭載した電力変換装置用半導体装置が提供される。上記電力用半導体素子は冷却器の冷却面上に絶縁体を介して配置され、制御回路によって駆動制御される。上記電力変換装置用半導体装置は、第１及び第２の面を有する導体（幅広導体）を含む。この導体は、上記第１の面の一部が上記電力用半導体素子の主電流出力側と電気的に接続され、且つ上記冷却器の冷却面上に上記絶縁体を介して配置されることで、上記電力用半導体素子の電流経路と当該電力用半導体素子の熱損失の放熱経路とを形成する。上記温度センサは、上記導体の上記第１の面の上記一部に対応する上記第２の面側に配置される。つまり上記温度センサは上記導体の放熱系路に接した位置で且つ上記電力用半導体素子からは上記導体を挟んで離間した位置に配置される。上記温度センサの出力は、上記電力用半導体素子を破壊から保護するための上記制御回路による制御に用いられる。

本発明の電力変換装置用半導体装置によれば、温度センサは電力用半導体素子とは独立に設けられ、しかも当該温度センサは電力用半導体素子と同一平面上に配置されるのではなくて、上記電力用半導体素子の電流経路と当該電力用半導体素子の熱損失の放熱経路とを形成する導体を挟んで、当該導体の上記電力用半導体素子とは反対側の対応する面に配置される。このため本発明は、電力用半導体素子の実効面積の低下を防いで、当該電力用半導体素子を含む電力変換装置用半導体装置の小型化を可能とすると共に、温度センサが当該電力用半導体素子の温度を高精度に検出することを可能とする。したがって、このような電力変換装置用半導体装置を含む電力変換装置の小型化、高信頼性化及び高出力化を図ることができる。

以下、本発明を電気自動車またはハイブリッド自動車の走行モータを駆動制御するインバータ装置に適用した実施形態につき図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係るインバータ装置１の回路構成を示す図である。インバータ装置１は電力変換装置であり、例えば車載用三相インバータ装置である。インバータ装置１は、直流電源としてのバッテリ２及びモータ３と接続されている。モータ３は、インバータ装置１の負荷となる３相交流モータである。バッテリ２は、例えば、インバータ装置が搭載される自動車の走行に必要な電力を供給する高電圧の車載バッテリである。

インバータ装置１は、平滑コンデンサ１１と、半導体装置１２と、インバータ制御部１３とから構成される。半導体装置１２とインバータ制御部１３とは、信号配線１４Ａ〜１４Ｆによって接続されている。
平滑コンデンサ１１は、バッテリ２によりインバータ装置１に印加される直流電源電圧を安定化するのに用いられる。

半導体装置１２は、主として、素子制御部１５Ａ〜１５Ｆと、温度センサ１６Ａ〜１６Ｆと、電力用半導体素子１７Ａ〜１７Ｆと、ダイオ−ド１８Ａ〜１８Ｆとから構成される。素子制御部１５Ａ〜１５Ｆは、インバータ制御部１３からの指示に従って、それぞれ電力用半導体素子１７Ａ〜１７Ｆを駆動する。素子制御部１５Ａ〜１５Ｆはまた、電力用半導体素子１７Ａ〜１７Ｆを破壊から保護する機能も有する。温度センサ１６Ａ〜１６Ｆは、それぞれ電力用半導体素子１７Ａ〜１７Ｆの温度を検出するのに用いられる。このため温度センサ１６Ａ〜１６Ｆは、電力用半導体素子１７Ａ〜１７Ｆに近接して配置される。この温度センサ１６Ａ〜１６Ｆの配置の詳細については後述する。

電力用半導体素子１７Ａ〜１７Ｆは例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor: ＩＧＢＴ）である。そこで以降の説明では、電力用半導体素子１７Ａ〜１７Ｆを、それぞれＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆと称する。ダイオ−ド１８Ａ〜１８Ｆは、それぞれＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆのコレクタ及びエミッタ間に介挿される。本実施形態において、ＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆ及びダイオ−ド１８Ａ〜１８Ｆの各々は、独立の半導体チップにより実現されている。

ダイオ−ド１８Ａ〜１８Ｆのアノードは、それぞれＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆのエミッタと接続され、当該ダイオ−ド１８Ａ〜１８Ｆのカソードは、それぞれＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆのコレクタと接続されている。また、ＩＧＢＴ１７ＡのエミッタとＩＧＢＴ１７Ｄのコレクタとは互いに接続され、更に３相交流電圧が印加されるモータ３の３つの端子の１つと接続されている。同様に、ＩＧＢＴ１７ＢのエミッタとＩＧＢＴ１７Ｅのコレクタとは互いに接続され、更にモータ３の３つの端子の別の１つと接続されている。同様に、ＩＧＢＴ１７ＣのエミッタとＩＧＢＴ１７Ｆのコレクタとは互いに接続され、更にモータ３の３つの端子の残りの１つと接続されている。

図１のインバータ装置１に搭載される半導体装置１２の例では、ＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆ及びダイオ−ド１８Ａ〜１８ＦのうちのＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄを含む組が、モータ３を駆動するための１相分の回路を構成する。同様に、ＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆ及びダイオ−ド１８Ａ〜１８ＦのうちのＩＧＢＴ１７Ｂ及び１７Ｅ並びにダイオ−ド１８Ｂ及び１８Ｅを含む組が、モータ３を駆動するための別の１相分の回路を構成する。同様に、ＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆ及びダイオ−ド１８Ａ〜１８ＦのうちのＩＧＢＴ１７Ｃ及び１７Ｆ並びにダイオ−ド１８Ｃ及び１８Ｆを含む組が、モータ３を駆動するための更に別の１相分の回路を構成する。

インバータ制御部１３は、素子制御部１５Ａ〜１５Ｆ及びＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆを介してモータ３を制御する。インバータ制御部１３は、モータ３を制御するためにＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆに供給されるべきゲート制御信号を生成するための制御信号形成回路と、ＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆを破壊から保護するための保護回路を含む。

次に図１のインバータ装置１の動作の概要について説明する。インバータ制御部１３は、モータ３を制御する場合、ＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆに供給されるべきゲート制御信号をそれぞれ生成して、当該制御信号を素子制御部１５Ａ〜１５Ｆに送出する。素子制御部１５Ａ〜１５Ｆは、インバータ制御部１３から送出されたゲート制御信号を電力増幅してＩＧＢＴ７Ａ〜１７Ｆのゲ−ト電極に印加する。ここではインバータ制御部１３は、素子制御部１５Ａ〜１５Ｆを介してＩＧＢＴ１７Ａ〜７Ｆを断続制御することにより、疑似三相交流電圧を生成させる。疑似三相交流電圧はモータ３に印加される。これによりモータ３は駆動される。

素子制御部１５Ａ〜１５Ｆはまた、ＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆの各々の電圧、電流及び温度をモニタする。ここで、ＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆの温度は、それぞれ温度センサ１６Ａ〜１６Ｆによって検出される。具体的には、素子制御部１５Ａ〜１５Ｆは、温度センサ１６Ａ〜１６Ｆの出力電圧の示す温度をＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆの温度としてモニタする。もし、ＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆの各々の電圧、電流及び温度のいずれかに異常があった場合、素子制御部１５Ａ〜１５Ｆは、その異常を通知するための異常信号をインバータ制御部１３に出力すると共に、自己が制御するＩＧＢＴへの通電を一定期間インバータ制御部１３から独立に遮断する。この素子制御部１５Ａ〜１５ＦによりＩＧＢＴへの通電をインバータ制御部１３から独立に遮断する動作を自己遮断と呼ぶ。

なお、素子制御部１５Ａ〜１５Ｆがインバータ制御部１３からのゲート制御信号を電力増幅してＩＧＢＴ７Ａ〜７Ｆのゲ−ト電極に印加するための回路構成及び動作、並びにＩＧＢＴを自己遮断するための回路及び動作は周知であるので説明を省略する。また、インバータ制御部１３は、素子制御部１５Ａ〜１５Ｆ及びＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆを介してモータ３の速度、トルク及び電流を制御するが、その回路構成及び動作については、本発明に直接関係しないため説明を省略する。

次に、図１に示したインバータ装置１に内蔵される半導体装置１２の詳細について、図２を参照して説明する。図２は半導体装置１２の１相分の実装構造を示す正面図及び平面図である。

図２の例では、半導体装置１２における１相分の回路として、図１中のＩＧＢＴ１７Ａ〜１７Ｆ及びダイオ−ド１８Ａ〜１８ＦのうちのＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄを含む組から構成される回路が示されている。この回路は、図１に表れている温度センサ１６Ａ〜１６Ｆのうちの温度センサ１６Ａ及び１６Ｄも含む。

図２において、支持基板２１は冷却器２２上に配置されている。支持基板２１と冷却器２２とが接触する面には熱伝導グリースが塗布されている。この状態で、支持基板２１と冷却器２２とは、ねじ（図示せず）により固定されている。これにより、支持基板２１から冷却器２２に効率良く熱が伝導される。

支持基板２１の上面には電気絶縁体２３が配置されている。電気絶縁体２３の上面には、上アーム導体２４及び下アーム導体２５が離間して配置されている。また電気絶縁体２３の上面には、上アーム導体２４寄りに、当該上アーム導体２４との間に一定の距離を保って３相出力導体２６が配置されている。本実施形態において、下アーム導体２５及び３相出力導体２６は同一の導体で一体に形成されている。また電気絶縁体２３の上面には、下アーム導体２５及び３相出力導体２６に対して上アーム導体２４とは反対側に、当該下アーム導体２５との間に一定の距離を保って負極導体２７が配置されている。

つまり、上アーム導体２４、下アーム導体２５、３相出力導体２６及び負極導体２７の各導体は、冷却器２２上に支持基板２１及び電気絶縁体２３を介して配置されている。本実施形態において、電気絶縁体２３には、絶縁樹脂に窒化ホウ素などのセラミックフィラ−を充填した絶縁樹脂シートが用いられる。この電気絶縁層（絶縁樹脂シート）２３の熱伝導率は２〜４Ｗ／ｍＫ、厚みは０．０５〜０．１５ｍｍ程度である。また、電気絶縁体２３に例えば窒化アルミニウムを用い、上アーム導体２４、下アーム導体２５、３相出力導体２６及び負極導体２７の各導体と当該電気絶縁体２３を一体化した銅直接接合基板、いわゆるＤＢＣ（Direct Bonding Cupper）基板を用いることも可能である。

上アーム導体２４上には、正極端子３０が形成されている。上アーム導体２４上にはまた、ＩＧＢＴ１７Ａ及びダイオ−ド１８Ａが配置されている。一方、下アーム導体２５上には、ＩＧＢＴ１７Ｄ及びダイオ−ド１８Ｄが配置されている。負極導体２７上には負極端子３１が形成されている。また３相出力導体２６上には、３相出力端子３２が形成されている。

ＩＧＢＴ１７Ａの上部及び下部は、それぞれ当該ＩＧＢＴ１７Ａのエミッタ及びコレクタを構成する。ダイオ−ド１８Ａの上部及び下部は、それぞれ当該ダイオ−ド１８Ａのアノード及びカソードを構成する。ＩＧＢＴ１７Ａのコレクタ側（主電流入力側）及びダイオ−ド１８Ａのカソード側の各々と上アーム導体２４とは、接合剤、例えばＳｎ／Ｐｂ合金（スズ／鉛合金）などの低融点ろう材またはＳｎ／Ａｇ／Ｃｕ合金（スズ／銀／銅合金）などの高融点ろう材で接合されている。これにより、ＩＧＢＴ１７Ａのコレクタ及びダイオ−ド１８Ａのカソードは、上アーム導体２４を介して正極端子３０と電気的に接続される。つまり上アーム導体２４は、ＩＧＢＴ１７Ａ及びダイオ−ド１８Ａの電流経路を形成する。また、上アーム導体２４は冷却器２２上に支持基板２１及び電気絶縁体２３を介して配置されていることから、ＩＧＢＴ１７Ａ及びダイオ−ド１８Ａの熱損失の放熱経路も形成する。正極端子３０は図１中のバッテリ２の正極に電気的に接続される。ＩＧＢＴ１７Ａ、ダイオ−ド１８Ａ及び上アーム導体２４は、インバータ装置１の上アームを構成する。

同様に、ＩＧＢＴ１７Ｄの上部及び下部は、それぞれ当該ＩＧＢＴ１７Ｄのエミッタ及びコレクタを構成する。ダイオ−ド１８Ｄの上部及び下部は、それぞれ当該ダイオ−ド１８Ｄのアノード及びカソードを構成する。ＩＧＢＴ１７Ｄのコレクタ側及びダイオ−ド１８Ｄのカソード側の各々と下アーム導体２５とは、上述のろう材で接合されている。これにより、ＩＧＢＴ１７Ｄのコレクタ及びダイオ−ド１８Ｄのカソードは、下アーム導体２５及び３相出力導体２６を介して３相出力端子３２と電気的に接続される。つまり下アーム導体２５及び３相出力導体２６は、ＩＧＢＴ１７Ｄ及びダイオ−ド１８Ｄの電流経路を形成する。また、下アーム導体２５及び３相出力導体２６は冷却器２２上に支持基板２１及び電気絶縁体２３を介して配置されていることから、ＩＧＢＴ１７Ｄ及びダイオ−ド１８Ｄの熱損失の放熱経路も形成する。３相出力端子３２は図１中のモータ３の３相巻線の１つと接続される。ＩＧＢＴ１７Ｄ、ダイオ−ド１８Ｄ及び下アーム導体２５は、インバータ装置１の下アームを構成する。

ＩＧＢＴ１７Ａの上面（つまりＩＧＢＴ１７Ａの主電流出力側としてのエミッタ側）と３相出力導体２６の上面とには、当該ＩＧＢＴ１７Ａ及び３相出力導体２６の間をまたぐように幅広導体３３Ａが配置されている。つまり幅広導体３３Ａは、冷却器２２上に支持基板２１及び電気絶縁体２３を介して配置されている。ＩＧＢＴ１７Ａのエミッタ側及び３相出力導体２６の各々と幅広導体３３Ａとは、上述のろう材で接合されている。同様に、ダイオ−ド１８Ａの上面（つまりダイオ−ド１８Ａのアノード側）と３相出力導体２６の上面とには、当該ダイオ−ド１８Ａ及び３相出力導体２６の間をまたぐように幅広導体３４Ａが配置されている。つまり幅広導体３４は、冷却器２２上に支持基板２１及び電気絶縁体２３を介して配置されている。ダイオ−ド１８Ａのアノード側及び３相出力導体２６の各々と幅広導体３４Ａとは、上述のろう材で接合されている。

これにより、ＩＧＢＴ１７Ａのエミッタ及びダイオ−ド１８Ａのアノードは、それぞれ幅広導体３３Ａ及び３４Ａを介し、更に３相出力導体２６を介して３相出力端子３２と電気的に接続される。つまり幅広導体３３Ａ及び３４Ａは、ＩＧＢＴ１７Ａ及びダイオ−ド１８Ａの電流経路を形成する。また、幅広導体３３Ａ及び３４Ａは冷却器２２上に支持基板２１及び電気絶縁体２３を介して配置されていることから、ＩＧＢＴ１７Ａ及びダイオ−ド１８Ａの熱損失の放熱経路も形成する。３相出力端子３２には、上述したように、ＩＧＢＴ１７Ｄのコレクタ及びダイオ−ド１８Ｄのカソードも、下アーム導体２５及び３相出力導体２６を介して電気的に接続される。

一方、ＩＧＢＴ１７Ｄの上面（つまりＩＧＢＴ１７Ａのエミッタ側）と負極導体２７の上面とには、当該ＩＧＢＴ１７Ｄ及び負極導体２７の間をまたぐように幅広導体３３Ｄが配置されている。ＩＧＢＴ１７Ｄのエミッタ側及び負極導体２７並びに幅広導体３３Ｄは、上述のろう材で接合されている。同様に、ダイオ−ド１８Ｄの上面（つまりダイオ−ド１８Ｄのアノード側）と負極導体２７の上面とには、当該ダイオ−ド１８Ｄ及び負極導体２７の間をまたぐように幅広導体３４Ｄが配置されている。ダイオ−ド１８Ｄのアノード側及び負極導体２７並びに幅広導体３４Ｄは、上述のろう材で接合されている。

これにより、ＩＧＢＴ１７Ｄのエミッタ及びダイオ−ド１８Ｄのアノードは、それぞれ幅広導体３３Ｄ及び幅広導体３４Ｄを介し、更に負極導体２７を介して負極端子３１と電気的に接続される。負極端子３１は図１中のバッテリ２の負極に電気的に接続される。つまり幅広導体３３Ｄ及び３４Ｄは、ＩＧＢＴ１７Ｄのエミッタ及びダイオ−ド１８Ｄの電流経路を形成する。また、幅広導体３３Ｄ及び３４Ｄは冷却器２２上に支持基板２１及び電気絶縁体２３を介して配置されていることから、ＩＧＢＴ１７Ｄ及びダイオ−ド１８Ｄの熱損失の放熱経路も形成する。

本実施形態において、幅広導体３３Ａ及び３３Ｄの幅は、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄの放熱と半導体装置１２の小型化とを考慮して、当該ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄにおいて主電流が流れるエミッタの領域、つまり当該ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄのアクティブエリア（通電エリア）の幅（一辺のサイズ）とほぼ等しく設定されている。

更に詳細に述べるならば、本実施形態で適用されるＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄの幅は８ｍｍ、当該ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄのアクティブエリアの幅は６．６ｍｍであり、幅広導体３３Ａ及び及び３３Ｄの幅は６．５ｍｍに設定される。また本実施形態において、上アーム導体２４、下アーム導体２５、３相出力導体２６及び負極導体２７の各導体の厚みは３ｍｍである。ＩＧＢＴ１７Ａ及びダイオ−ド１８Ａは、上記各導体の厚みの２倍以上の距離を保って配置される。同様にＩＧＢＴ１７Ｄ及びダイオ−ド１８Ｄも、上記各導体の厚みの２倍以上の距離を保って配置される。また、幅広導体３４Ａ及び３４Ｄの幅は、ダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄの放熱と半導体装置１２の小型化とを考慮して、当該ダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄにおいて主電流が流れるアクティブエリア（通電エリアの）の幅（一辺のサイズ）とほぼ等しく設定されている。

幅広導体３３Ａ及び３３Ｄの各々の上面には、それぞれ温度センサ１６Ａ及び１６Ｄが配置されている。ここでは、温度センサ１６Ａ及び１６Ｄは、それぞれＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄの位置に対応する幅広導体３３Ａ及び３３Ｄの上面の位置に配置されている。更に具体的に述べるならば、温度センサ１６Ａ及び１６Ｄは、当該温度センサ１６Ａ及び１６Ｄの平面の中心部を通る垂線が、それぞれＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄの平面の中心部を通る垂線とほぼ一致する位置に配置されている。つまり温度センサ１６Ａ及び１６Ｄは、各々の中心軸がそれぞれＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄの中心軸とほぼ一致する位置に配置されている。このような配置は、温度センサ１６Ａ及び１６Ｄが熱の発生源であるＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄの中心（発熱部の中心）に近づくほど、当該温度センサ１６Ａ及び１６Ｄのセンサ感度が高まることを考慮してなされたものである。つまりセンサ感度の点から、温度センサ１６Ａ及び１６Ｄは、幅広導体３３Ａ及び３３Ｄ上では、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄの平面の中心部を通る垂線付近に配置されていることが望ましい。このように半導体素子と温度センサの各々の中心軸をほぼ一致させることで、当該温度センサの温度検出精度を増すことができる。

温度センサ１６Ａ及び１６Ｄは、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄの温度を高精度に検出するために、幅広導体３３Ａ及び３３Ｄと、それぞれ高熱伝導率で且つ高導電率の接着剤（例えば銀ペースト）によって接合されている。温度センサ１６Ａ及び１６Ｄには、例えば温度により抵抗値が変化するサーミスタ、または温度により順方向電圧が変化するＰＮ接合素子を用いることができる。本実施形態では、温度センサ１６Ａ及び１６Ｄには、後述する温度センサ１６Ａの構成例のように、直列接続された複数のＰＮ接合素子が用いられる。

温度センサ１６Ａの構造により、当該温度センサ１６Ａと幅広導体３３Ａとの間の電気的な絶縁が必要な場合には、当該温度センサ１６Ａと幅広導体３３Ａとの間に絶縁基板を配置し、この絶縁基板と温度センサ１６Ａ及び幅広導体３３Ａの各々とを高熱伝導率の接着剤（例えば銀ペースト）により接合すれば良い。温度センサ１６Ｄと幅広導体３３Ｄとの間の電気的な絶縁も、温度センサ１６Ａと幅広導体３３Ａとの間と同様な構造を適用すれば良い。

上述したように、ＩＧＢＴ１７Ａと、当該ＩＧＢＴ１７Ａの上面側及び下面側にそれぞれ配置される導体（つまり幅広導体３３Ａ及び上アーム導体２４）とは、ろう材にて接合される。また、ＩＧＢＴ１７Ｄと、当該ＩＧＢＴ１７Ｄの上面側及び下面側にそれぞれ配置される導体（つまり幅広導体３３Ｄ及び下アーム導体２５）とは、ろう材にて接合される。このため、幅広導体３３Ａ及び３３Ｄと温度センサ１６Ａ及び１６Ｄとをそれぞれ同様なろう材で接合するならば、ろう材が再溶融してＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ、幅広導体３３Ａ及び３３Ｄ、並びに温度センサ１６Ａ及び１７Ｄの位置がずれたりするなど、接合の不具合が発生する可能性がある。そこで本実施形態では、幅広導体３３Ａ及び３３Ｄと温度センサ１６Ａ及び１６Ｄとは、高熱伝導率で且つ高導電率だけでなく、上記ろう材よりも融点の高い接着剤で接合される。この接着剤による接合の後に、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄの各々の上面及び下面に導体がろう材で接合される。このようにすると、ろう材が再溶融するという上記製造上の問題の発生を防止できる。

さて、図１に示すインバータ装置１が動作すると、図２に示す構造の半導体装置１２では、バッテリ２から正極端子３０及び負極端子３１の間に印加される直流電源電圧と、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄのゲートに供給されるゲート制御信号とにより、正極端子３０、上アーム導体２４、ＩＧＢＴ１７Ａ及びダイオ−ド１８Ａ、幅広導体３３Ａ及び３４Ａ、３相出力導体２６、３相出力端子３２、下アーム導体２５、ＩＧＢＴ１７Ｄ及びダイオ−ド１８Ｄ、幅広導体３３Ｄ及び３４Ｄ、負極導体２７及び負極端子３１を通じて、当該ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオード１８Ａ及び１８Ｄに電流が流れる。これにより、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオード１８Ａ及び１８Ｄには熱損失が発生する。

前記特許文献１または２に記載されている半導体装置では、半導体素子と導体とを電気的に接続する金属ワイヤが細く熱抵抗が非常に大きい。このため、半導体素子で発生した熱損失は、殆ど全てが当該半導体素子の下部の導体に熱伝導し、冷却器に放熱される。

これに対し、図２の構造の半導体装置１２における熱損失の放熱は、特許文献１または２に記載されている半導体装置とは異なる。この図２の構造の半導体装置１２における熱損失の放熱について図３を参照して説明する。

図３は図１のインバータ装置１の通電時において図２の構造の半導体装置１２より発生する熱損失の放熱経路を表す熱流束の解析結果を示す。図３に示すように、図２の構造の半導体装置１２では、例えばＩＧＢＴ１７Ａで発生した熱損失は、一部が幅広導体３３Ａに熱伝導し、更に３相出力導体２６に熱伝導する一方、別の一部が上アーム導体２４に熱伝導し、それぞれ支持基板２１を介して冷却器２２に熱伝導して冷却される。このことは、幅広導体３３Ａが電流経路と半導体素子の熱損失の放熱経路を兼ねていることを示す。

図２の例では、幅広導体３３Ａの厚みは３ｍｍである。この幅広導体３３Ａからの熱伝導を促進するためには、当該幅広導体３３Ａが一定の厚みを有することが望ましい。また、幅広導体３３Ａを銅製とすることで、ＩＧＢＴ１７Ａで発生した熱損失の幅広導体３３Ａへの伝わりを更に良くすることができる。

上述したように、図２の構造の半導体装置１２では、ＩＧＢＴ１７Ａが幅広導体３３Ａ及び上アーム導体２４により両面冷却される。このため、１０〜２０ｓｅｃの過渡熱抵抗が、幅広導体３３Ａに相当する導体に金属ワイヤを使用した特許文献２の図１に記載されているような電力用半導体素子に比べ、約２５％低減される。更に、インバータ起動時に問題となる０．１〜０．３ｓｅｃの過渡熱抵抗も、幅広導体３３Ａの両面冷却及び熱容量の効果により、特許文献２に記載されているような電力用半導体素子に比べ、約５０％低減する。

図４は半導体装置１２の過渡熱抵抗の解析結果を示す。図４において、Rj-fは図２の構造の半導体装置１２におけるＩＧＢＴ１７Ａのジャンクション−冷却器２２間の過渡熱抵抗を表す。また、RL-fは温度センサ１６Ａが幅広導体３３Ａに接合されている（取り付けられている）箇所における幅広導体３３Ａ−冷却器２２間の過渡熱抵抗を表す。図４中の（ ）内の記述で、ｔ＝１．５及びｔ＝３．０は、幅広導体３３Ａの厚みがそれぞれ１．５ｍｍ及び３ｍｍの場合を示す。過渡熱抵抗Rj-fは、その値が小さいほど半導体素子の冷却性能が良いことを示す。また、過渡熱抵抗RL-fは、その値が過渡熱抵抗Rj-fに相似形で且つ等しいほど、幅広導体３３Ａに接続された温度センサ１６ＡでＩＧＢＴ１７Ａの温度を精度良く検出できることを示す。

幅広導体３３Ａの厚みがそれぞれ１．５ｍｍ及び３ｍｍのいずれの場合も、１０ｓｅｃ〜２０ｓｅｃの過渡熱抵抗RL-fは、Rj-fの80%程度となっている。このことから、ＩＧＢＴ１７Ａで発生した熱損失の幅広導体３３Ａへの伝わりが良いことが確認できる。また、定常状態の温度ばかりでなく０．１〜０．３ｓｅｃの過渡時にも、過渡熱抵抗RL-fはRj-fに相似形となっている。このことは、温度センサ１６Ａが取り付けられた幅広導体３３Ａの温度はＩＧＢＴ１７Ａの発熱に応じて素早く温度上昇し、当該温度センサ１６ＡによってＩＧＢＴ１７Ａの温度を精度良く検出できることを示す。

図５は図２の構造の半導体装置１２における定常過渡熱抵抗及び熱時定数比の解析結果を示す。図５において、実線は半導体装置１２における過渡熱抵抗Rj-fの２０秒での定常値（定常熱抵抗）を表し、波線はRL-fの熱時定数とRj-fの熱時定数との比（熱時定数比）を表す。熱時定数は、定常熱抵抗の６３．２％に達する時間である。熱時定数比は、その値が１に近いほど、幅広導体３３Ａに取り付けられた温度センサ１６ＡでＩＧＢＴ１７Ａの温度を素早く且つ精度良く検出できることを示す。

図５に示すように、幅広導体３３Ａの厚みを厚くすると定常熱抵抗は改善するが、逆に熱時定数比は悪化する。定常熱抵抗は、幅広導体の厚みを１．５ｍｍ以下にすると急激に悪化する。一方、熱時定数は、幅広導体３３Ａの厚みを５ｍｍ以上にすると急激に悪化する。したがって、幅広導体３３Ａの厚みは１．５ｍｍから５ｍｍの間とすることが良い。ここで、幅広導体３３Ａの厚みを増していくと重量も重くなることを考慮すると、幅広導体３３Ａの厚みを４ｍｍ程度までにとどめることがより望ましい。

図３乃至図５では、図２の構造の半導体装置１２における温度センサ１６Ａ、幅広導体３３Ａ及びＩＧＢＴ１７Ａを中心に説明したが、温度センサ１６Ｄ、幅広導体３３Ｄ及びＩＧＢＴ１７Ｄでも、その動作及び特性は同様である。

前記特許文献３の図１に記載されている半導体装置では、主電流を流すための電力用半導体素子が形成された多結晶シリコン上に温度検出用のＰＮ接合素子（温度センサ）が形成される。つまり温度センサは、電力用半導体素子に内蔵される。このため、電力用半導体素子の実効面積が低下し、当該半導体素子の通電容量低減を招く。また、電力用半導体素子を、通電容量の低減を防止するのに十分なサイズに設定すると、インバータ装置の大型化を招く。

また特許文献３に記載された半導体装置では、温度センサの出力を素子制御部またはインバータ制御部へ伝えることで電力用半導体素子の温度制御や温度保護を実現するには、温度センサと素子制御部またはインバータ制御部とを電気的につなぐパッドを電力用半導体素子上に形成する必要がある。このパッドによる電力用半導体素子の実効面積の低下も、同様に当該半導体素子の通電容量低減やインバータ装置の大型化を招く。

これに対して本実施形態では、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ上の幅広導体３３Ａ及び３３Ｄにそれぞれ温度センサ１６Ａ及び１６Ｄが取り付けられ、当該温度センサ１６Ａ及び１６ＤによってそれぞれＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄの温度が検出される。つまり温度センサは電力用半導体素子から独立のチップとして設けられる。このように本実施形態においては、温度センサが形成された電力用半導体素子を使用することなく、電力用半導体素子の温度を検出することができる。このため本実施形態では、電力用半導体素子の実効面積の低下を防止できる。よって、同一サイズで通電容量の大きな電力用半導体素子が使用でき、インバータ装置を小型化、高出力化できる。

また、温度センサの出力信号は微弱である。このため、高圧・大電流をスイッチングする電力用半導体素子に温度センサを形成すると、温度センサの出力にノイズが重畳して、正確な温度の検出が困難である。これに対して本実施形態では、電力用半導体素子から離れた位置に温度センサを配置することができるため、ノイズによる温度検出誤差が低減され、電力用半導体素子の温度を精度良く検出できる。

本実施形態では、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ上の幅広導体３３Ａ及び３３Ｄにのみそれぞれ温度センサ（１６Ａ及び１６Ｄ）が取り付けられている。しかし、ダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄ上の幅広導体３４Ａ及び３４Ｄにもそれぞれ温度センサが取り付けられた構成としても良い。この構成では、ダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄの温度モニタも可能となる。つまり、半導体装置内の電力用半導体素子上の幅広導体だけでなく、当該半導体装置内の他の種類の半導体素子上の幅広導体にも温度センサが取り付けられた構成としても良い。このような構成では、半導体装置内の電力用半導体素子だけでなく、他の種類の半導体素子の温度モニタも可能となるため、インバータ装置の信頼性が一層向上する。

次に、温度センサ１６Ａ〜１６Ｆ及び素子制御部１５Ａ〜１５Ｆの構成について、温度センサ１６Ａ及び素子制御部１５Ａを例に図６を参照して説明する。
図６は、温度センサ１６Ａ及び素子制御部１５Ａの回路構成を示す。図６において、温度センサ１６Ａは複数のＰＮ接合素子４０を直列に接続することによって構成される。本実施形態において、この直列接続された複数のＰＮ接合素子４０は、同一半導体基板、例えば同一シリコン基板上に形成されている。温度センサ１６Ａは、信号配線４１によって素子制御部１５Ａと接続されている。

素子制御部１５Ａは、温度センサ１６Ａに関連する回路要素として、センサ電源４２と、限流素子４３と、リアクトル４４Ａ及び４４Ｂと、温度保護回路４５とを含む。図６の温度センサ１６Ａには、温度センサ１６Ａに関連する回路要素を除く部分が省略されている。

センサ電源４２は、温度センサ１６Ａに直流電流を通電するのに用いられる。限流素子４３は、温度センサ１６Ａに流れる電流を制限するための電流制限素子であり、例えば抵抗器である。リアクトル４４Ａ及び４４Ｂの一端は、温度センサ１６Ａを構成するＰＮ接合素子４０の列のそれぞれ一端（アノード）側及び他端（カソード）側と接続されている。リアクトル４４Ａの他端は、限流素子４３を介してセンサ電源４２と接続されると共に、温度保護回路４５と接続されている。一方、リアクトル４４Ｂの他端は接地されている。

温度保護回路４５は、温度センサ１６Ａの出力電圧（センサ電圧）を温度として捉え、当該温度（出力電圧）が予め定められた基準温度（基準電圧）を超える異常温度時に図１のＩＧＢＴ１７Ａを自己遮断する。

ＰＮ接合素子４０の順方向電圧は約−２ｍＶ／℃の温度依存性を持っている。このため、ＰＮ接合素子４０の順方向電圧の変化を温度として捉えることが可能となる。ところが、ＰＮ接合素子４０の温度変化による順方向電圧の変化は微小である。このため、１個のＰＮ接合素子４０の順方向電圧を精度良く温度に換算することが難しい。しかし、本実施形態のように、複数個（Ｎ個）のＰＮ接合素子４０を直列接続して構成される温度センサ１６Ａの両端電圧（センサ電圧）は、Ｎ×（−２）ｍＶ／℃の温度依存性を持つことになるため、温度保護回路４６にて精度良く温度を検出することができる。

また、温度センサ１６Ａはインバータ装置１の中で大きな電流を通電するインバータ装置１２内の導体付近に配置されるために、当該温度センサ１６Ａと導体間の寄生容量を通じて当該温度センサ１６Ａにノイズ電流が進入する。ノイズ電流は、半導体素子（例えばＩＧＢＴ１７Ａ）のスイッチング時の電位変動時に極めて多く流れ、その期間は数十ｎｓｅｃ〜数百ｎｓｅｃである。このノイズ電流により温度センサ１６Ａの出力電圧が大きく変動し、インバータ装置１が誤動作を起こすことがあり得る。

しかし本実施形態のインバータ装置１では、温度センサ１６Ａから温度保護回路４６へのノイズ電流の進入を防ぎ、精度良く温度を検出できる。その理由は、素子制御部１５Ａに設けられたリアクトル４４Ａ及び４４Ｂ、即ち温度センサ１６Ａの一端（ＰＮ接合素子４０の列のアノード側）及び他端（ＰＮ接合素子４０の列のカソード側）とそれぞれ直列に接続されるリアクトル４４Ａ及び４４Ｂが、高周波での大きなインピーダンスとなるためである。

ここで、リアクトル４４Ａ及び４４Ｂのリアクタンスには制約がある。その理由は２つある。第１は、リアクタンスが小さすぎるとノイズ電流の進入防止の効果が得られないためである。第２は、リアクタンスが大きすぎるとリアクトル４４Ａ及び４４Ｂのサイズも大きくなるためである。そこで、ノイズ電流の発生期間が数十ｎｓｅｃ〜数百ｎｓｅｃであることを考慮すると、リアクトル４４Ａ及び４４Ｂのリアクタンスは０．1μＨ〜１００μＨ程度であることが好ましい。

図７は温度センサ１６Ａを構成するＰＮ接合素子４０の個数を変化させた場合の、当該温度センサ１６Ａの出力電圧（センサ電圧）特性を示す。ここで、温度センサ１６Ａを構成するＰＮ接合素子４０の個数、つまり直列接続されるＰＮ接合素子４０の段数を直列数と定義する。また、温度センサ１６Ａを構成するＰＮ接合素子４０の個数がＮの場合の直列数をＮ直列と表現する。図７の例では、センサ電源４２の電圧が５Ｖの場合の、温度に対する温度センサ１６Ａの出力電圧（センサ電圧）の特性が、６通りの直列数について示されている。

図７に示すように、温度センサ１６Ａを構成するＰＮ接合素子４０の直列数を増やしていくと、温度センサ１６Ａの温度に対する出力電圧、つまりセンサ電圧の傾きが増す。センサ電圧の傾きが大きいことは、温度に対して感度が高いことを示す。しかし、ＰＮ接合素子４０の直列数を増やしすぎると（図７の例では、１０直列の場合）、センサ電源４２の電圧にセンサ電圧が近くなり、逆にセンサの感度が低下する。

図８は温度センサ１６Ａを構成するＰＮ接合素子４０の個数Ｎ（Ｎ直列）を変化させた場合の当該温度センサ１６Ａの感度（温度センサ感度）を示す。ここでは、温度センサ１６Ａを構成するＰＮ接合素子４０の個数Ｎ（Ｎ直列）とセンサ電源４２の電圧Ｖとの比（この単位を直列／Ｖと表現する）をセンサ直列係数ｎと定義する。また、センサ電圧の温度に対する変化率の絶対値を温度センサ感度Ａｒと定義する。図８には、センサ直列係数ｎを横軸にとり、縦軸に温度センサ感度Ａｒをとった場合の、センサ直列係数ｎと温度センサ感度Ａｒとの関係（つまりセンサ直列係数ｎに対する温度センサ感度Ａｒの特性）が示されている。ここでは、温度センサ感度Ａｒの値が大きいほど温度センサ１６Ａの感度が高いことを示す。

また、図８には２つの特性がそれぞれ実線と点線とで示されている。点線で示されるＡｒ（−２５℃〜５０℃）は−２５℃から５０℃までの間（低温区間）の温度センサ感度を、実線で示されるＡｒ（５０℃〜１２５℃）は５０℃から１２５℃までの間（高温区間）の温度センサ感度を示す。

図８に示すように、低温区間ではセンサ直列係数ｎが１．４直列／Ｖ付近で最も温度センサ感度が高くなり、高温区間ではセンサ直列係数ｎが１．６直列／Ｖ付近で最も温度センサ感度が高くなる。温度センサ感度が高く、且つ、センサ直列係数ｎに対して温度センサ感度Ａｒの変化が少ない領域が望ましい。また、低温または高温での温度センサ感度Ａｒの最大値の３０％程度の範囲にセンサ直列係数ｎを定めることが望ましい。したがって図８に示される特性から、温度センサ１６Ａを構成するＰＮ接合素子４０を、センサ電源４２の電圧１Ｖ当たり０．８直列〜１．８直列（つまりセンサ直列数＝０．８直列／Ｖ〜１．８直列／Ｖ）程度とすることが良いことが分かる。よって、センサ電源４２の電圧が例えば５Ｖである場合、温度センサ１６Ａを構成するＰＮ接合素子４０は、４直列〜９直列とすることが好ましい。

このように、温度センサ１６Ａを構成するＰＮ接合素子４０の個数（直列数）を適切に設定することにより、ＩＧＢＴ１７Ａ（電力用半導素子）の温度を精度良く検出することが可能となり、当該ＩＧＢＴ１７Ａまたはダイオ−ド１８Ａの加熱による破壊を未然に防ぐことが可能になる。

以上、温度センサ１６Ａ〜１６Ｄの構成及び効果について、温度センサ１６Ａを例に説明した。この構成及び効果は、温度センサ１６Ａ以外の温度センサについても同様である。

さて、上述の説明では、温度センサ１６Ａと幅広導体３３Ａとの間の電気的な絶縁が必要な場合に、温度センサ１６Ａと幅広導体３３Ａとの間に絶縁基板を配置し、この絶縁基板と温度センサ１６Ａ及び幅広導体３３Ａの各々とを高熱伝導率の接着剤により接合すると良いことを示している。ここで、この絶縁基板として、柔軟性のあるフレキシブル（flexible）基板（フレキシブル印刷配線板）を用いることが可能である。この場合、フレキシブル基板上に、温度センサ１６Ａと素子制御部１５Ａとを接続する図６に示す信号配線４１を形成し、更に当該フレキシブル基板を素子制御部１５Ａが配置されるリジット（rigid）基板（リジット印刷配線板）と一体化とした、いわゆるリジット・フレキシブル基板を用いると良い。

このような構造のリジット・フレキシブル基板の適用により、基板間の配線を接続するために従来必要となるコネクタ類が必要なくなり、部品を簡素化できる。これにより、インバータ装置の小型化が可能となる。また、振動や経年劣化によるコネクタの接触不良を避けることができるため、インバータ装置の信頼性を高めることができる。

［第２の実施形態］
次に本発明の第２の実施形態に係るインバータ装置の特に複数の電力用半導体素子（ＩＧＢＴ）を含む半導体装置について説明する。

上記第１の実施形態でインバータ装置１に適用される図２の構造の半導体装置１２の例では、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄの材質はシリコンであり、各導体の材質が銅である。この場合、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄと導体との間の線膨張係数の違いにより、温度サイクルが付加されたときに、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄと導体とを接合するろう材にせん断応力が発生し、非線型ひずみが発生する。非線型ひずみの値が大きくなると、温度サイクルが付加されたときにろう材にクラックなどが発生する。非線型ひずみの値は、小さいほど信頼性・耐久性が向上する。

ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄのチップサイズが大きくなると、ろう材の非線型ひずみが増大する。インバータ装置１の信頼性・耐久性を確保するためには、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄをおおよそ１０ｍｍ□以下とすることが必要になる。ところが、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄのチップサイズを１０ｍｍ□以下とすると、1チップ当りの通電容量が小さくなる。このため、電気自動車用の数１０ｋＷ程度のインバータ装置を構成するためには、同種のチップの並列接続が必要となる。

第２の実施形態の特徴は、ＩＧＢＴ１７Ａ及び１７Ｄ並びにダイオ−ド１８Ａ及び１８Ｄにそれぞれ相当する複数のＩＧＢＴ（電力用半導体素子）及び複数のダイオ−ドを、それぞれ並列接続することにより、当該ＩＧＢＴ及びダイオ−ドのチップサイズを１０ｍｍ□以下としながら、全体として十分な通電容量（電流容量）を確保するようにしたことにある。

図９は本発明の第２の実施形態に係るインバータ装置に適用される半導体装置（第１の実施形態の半導体装置１２に相当）の１相分の実装構造を示す斜視図である。なお，図２と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図９において、４つのＩＧＢＴ７１Ａ〜７１Ｄは図２のＩＧＢＴ１７Ａに相当し、並列接続されている。同様に、４つのＩＧＢＴ７１Ｅ〜７１Ｈは図２のＩＧＢＴ１７Ｄに相当し、並列接続されている。また、２つのダイオ−ド８１Ａ及び８１Ｂは図２のダイオ−ド１８Ａに相当し、並列に接続されている。同様に、２つのダイオ−ド８１Ｃ及び８１Ｄは図２のダイオ−ド１８Ｄに相当し、並列に接続されている。このように、図９は、インバータ装置に適用される半導体装置において、ＩＧＢＴを４並列、ダイオードを２並列した場合の構成例を示している。なお、図９では、図２の電気絶縁体２３は省略されている。

ＩＧＢＴ７１Ａ〜７１Ｄの上面（エミッタ側）には、図２の例と同様に、図２の幅広導体３３Ａに相当する幅広導体７３Ａ〜７３Ｄがろう材で接合される。一方、ダイオ−ド８１Ａ及び８１Ｂの上面（アノード側）には、図２の例と同様に、図２の幅広導体３４Ａに相当する幅広導体７４Ａ及び７４Ｂがろう材で接合される。また、ＩＧＢＴ７１Ａ〜７１Ｄの下面（コレクタ側）並びにダイオ−ド８１Ａ及び８１Ｂの下面（カソード側）は、上アーム導体２４とろう材で接合される。

これにより、ＩＧＢＴ７１Ａ〜７１Ｄのエミッタ並びにダイオ−ド８１Ａ及び８１Ｂのアノードは、それぞれ幅広導体７３Ａ〜７３Ｄ並びに幅広導体７４Ａ及び７４Ｂを介し、更に３相出力導体２６を介して３相出力端子３２と電気的に接続される。また、ＩＧＢＴ７１Ａ〜７１Ｄのコレクタ並びにダイオ−ド８１Ａ及び８１Ｂのカソードは、上アーム導体２４を介して正極端子３０と電気的に接続される。ＩＧＢＴ７１Ａ〜７１Ｄ、ダイオ−ド８１Ａ及び８１Ｂ並びに上アーム導体２４は、インバータ装置の上アームを構成する。

同様に、ＩＧＢＴ７１Ｅ〜７１Ｈの上面（エミッタ側）には、図２の例と同様に、図２の幅広導体３３Ｄに相当する幅広導体７３Ｅ〜７３Ｈがろう材で接合される。一方、ダイオ−ド８１Ｃ及び８１Ｄの上面（アノード側）には、図２の例と同様に、図２の幅広導体３４Ｄに相当する幅広導体７４Ｃ及び７４Ｄがろう材で接合される。また、ＩＧＢＴ７１Ｅ〜７１Ｈの下面（コレクタ側）並びにダイオ−ド８１Ｃ及び８１Ｄの下面（カソード側）は、下アーム導体２５とろう材で接合される。

これにより、ＩＧＢＴ７１Ｅ〜７１Ｈのエミッタ及びダイオ−ド８１Ｃ及び８１Ｄのアノードは、それぞれ幅広導体７３Ｅ〜７３Ｈ並びに幅広導体７４Ｃ及び７４Ｄを介し、更に負極導体２７を介して負極端子３１と電気的に接続される。また、ＩＧＢＴ７１Ｅ〜７１Ｈのコレクタ並びにダイオ−ド８１Ｃ及び８１Ｄのカソードは、下アーム導体２５及び３相出力導体２６を介して（ＩＧＢＴ７１Ａ〜７１Ｄのエミッタ並びにダイオ−ド８１Ａ及び８１Ｂのアノードと同様に）３相出力端子３２と電気的に接続される。ＩＧＢＴ７１Ｅ〜７１Ｈ、ダイオ−ド８１Ｃ及び８１Ｄ並びに下アーム導体２５は、インバータ装置の下アームを構成する。

このように、インバータ装置に適用される半導体装置において、複数の同種の半導体素子（ＩＧＢＴ７１Ａ〜７１Ｄ、ＩＧＢＴ７１Ｅ〜７１Ｈ、ダイオ−ド８１Ａ及び８１Ｂ、ダイオ−ド８１Ｃ及び８１Ｄ）を並列接続することで、例えば電気自動車用の数１０ｋＷのインバータ装置を構成することが可能となる。

ここで、インバータ起動時の温度上昇を低減し、上記各半導体素子の熱拡散の効果により定常熱抵抗を低減するためには、上記第１の実施形態（における幅広導体３３Ａ，３３Ｄ，３４Ａ，３４Ｄ）と同様に、上アーム導体２４、下アーム導体２５、３相出力導体２６及び負極導体２７の各導体の厚みは１．５〜５ｍｍの範囲内が望ましい。また、ＩＧＢＴまたはダイオードを複数個並列接続する場合にも、それぞれの半導体素子間の距離を上記導体の厚みの２倍以上保って配置することが、定常熱抵抗を低減するために有効である。

上アームおよび下アームに複数個の半導体素子が並列接続される場合には、各アームで最も温度の高い半導体素子に対応するように温度センサを取付け、その温度センサの検出温度を使って半導体装置の温度保護を実施することが望ましい。図９の例では、中央付近のＩＧＢＴ７１Ｃ及び７１Ｇの温度が高くなる。このため、ＩＧＢＴ７１Ｃ及び７１Ｇにそれぞれ対応する幅広導体３４Ｃ及び３４Ｇに温度センサ１６Ａ及び１６Ｄを取り付けている。

これにより、アームを構成する半導体素子の最高温度を検出することになり、少ない温度センサで半導体装置を保護できる。また、半導体素子数に比較して温度センサ数を少なくできることから、当該温度センサの出力を処理して半導体装置を保護するための素子制御部またはインバータ制御部の回路が少なくて済む。よって、回路を構成するための実装スペースが低減し、インバータ装置を小型化できる。

上記の実施形態では、本発明を電気自動車またはハイブリッド自動車の走行モータを駆動制御するインバータ装置に適用した場合について説明した。しかし、本発明は、他のインバータ装置にも同様に適用可能である。また本発明は、チョッパ装置など、インバータ装置以外の電力変換装置にも同様に適用可能である。

また本発明は、上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、温度センサに使われるＰＮ接合素子を樹脂などのモールド材でモールドした構成も、本発明の要旨を逸脱するものではない。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せても良い。

本発明の第１の実施形態に係るインバータ装置１の回路構成を示す図。 図１中の半導体装置１２の１相分の実装構造を示す正面図及び平面図。 図１のインバータ装置１の通電時において図２の構造の半導体装置１２より発生する熱損失の放熱経路を表す熱流束の解析結果を示す図。 図２の構造の半導体装置１２の過渡熱抵抗の解析結果を示す図。 図２の構造の半導体装置１２における定常過渡熱抵抗及び熱時定数比の解析結果を示す図。 図１中の温度センサ１６Ａ及び素子制御部１５Ａの回路構成を示す図。 温度センサ１６Ａを構成する図６中のＰＮ接合素子４０の個数を変化させた場合の、当該温度センサ１６Ａの出力電圧（センサ電圧）特性を示す図。 上記ＰＮ接合素子４０の個数を変化させた場合の温度センサ１６Ａの感度を示す図。 本発明の第２の実施形態に係るインバータ装置に適用される半導体装置の１相分の実装構造を示す斜視図。

符号の説明

１…インバータ装置、２…バッテリ（直流電源）、３…モータ、１２…半導体装置、１３…インバータ制御部、１４Ａ〜１４Ｆ，４１…信号配線、１５Ａ〜１５Ｆ…素子制御部、１６Ａ〜１６Ｆ…温度センサ、１７Ａ〜１７Ｆ，７１Ａ〜７１Ｈ…ＩＧＢＴ（電力用半導体素子）、１８Ａ〜１８Ｆ，８１Ａ〜８１Ｄ…ダイオ−ド、２１…支持基板、２２…冷却器、２３…電気絶縁体、２４…上アーム導体、２５…下アーム導体、２６…３相出力導体、２７…負極導体、３０…正極端子、３１…負極端子、３２…３相出力端子、３３Ａ，３３Ｄ，３４Ａ，３４Ｄ，７３Ａ〜７３Ｈ，７４Ａ〜７４Ｈ…幅広導体、４０…ＰＮ接合素子、４２…センサ電源、４３…限流素子、４４Ａ，４４Ｂ…リアクトル、４５…温度保護回路。

Claims (8)

1. 冷却器の冷却面上に絶縁体を介して配置される電力用半導体素子と、
   第１及び第２の面を有し、前記第１の面の一部が前記電力用半導体素子の主電流出力側と電気的に接続される導体であって、前記冷却器の冷却面上に前記絶縁体を介して配置され、前記電力用半導体素子の電流経路と当該電力用半導体素子の熱損失の放熱経路とを形成する導体と、
   前記導体の前記第１の面の前記一部に対応する前記第２の面側に配置された温度センサと
   を具備することを特徴とする電力変換装置用半導体装置。
2. 前記電力用半導体素子の主電流入力側と電気的に接続される導体であって、前記冷却器の冷却面上に絶縁体を介して配置され、前記電力用半導体素子の電流経路と当該電力用半導体素子の熱損失の放熱経路とを形成する別の導体を具備することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置用半導体装置。
3. 前記温度センサは、その中心軸が前記電力用半導体素子の中心軸にほぼ一致する位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置用半導体装置。
4. 前記温度センサは直列接続された複数のＰＮ接合素子から構成され、当該直列接続された複数のＰＮ接合素子は同一半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置用半導体装置。
5. 前記温度センサは、前記電力用半導体素子の前記主電流出力側と前記導体とを接合する接合剤、及び前記電力用半導体素子の前記主電流入力側と前記別の導体とを接合する接合剤よりも融点の高い接着剤によって前記導体と接合されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置用半導体装置。
6. 電力用半導体素子と、第１及び第２の面を有し、前記第１の面の一部が前記電力用半導体素子の主電流出力側と電気的に接続される導体であって、前記冷却器の冷却面上に絶縁体を介して配置され、前記電力用半導体素子の電流経路と当該電力用半導体素子の熱損失の放熱経路とを形成する導体と、前記導体の前記第１の面の前記一部に対応する前記第２の面側に配置された温度センサとを含む電力変換装置用半導体装置と、
   前記電力用半導体素子を駆動制御する制御回路であって、前記温度センサの出力に基づいて異常温度を検出することにより前記電力用半導体素子への通電を遮断する温度保護回路を含む制御回路と
   を具備することを特徴とする温度保護機能付き電力変換装置。
7. 前記温度センサと前記保護回路との間に接続されたリアクトルを具備し、
   前記温度センサは直列接続された複数のＰＮ接合素子から構成され、当該直列接続された複数のＰＮ接合素子は同一半導体基板上に形成されている
   ことを特徴とする請求項６記載の温度保護機能付き電力変換装置。
8. 前記温度保護回路はリジット基板に実装されており、
   前記温度センサと前記温度保護回路とはフレキシブルプリント基板によって接続されており、
   前記フレキシブルプリント基板と前記リジット基板とが一体化されている
   ことを特徴とする請求項６記載の温度保護機能付き電力変換装置。

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