JP4050160B2 - 半導体モジュール、半導体モジュール組体、主回路構成部品及び電力変換回路 - Google Patents
半導体モジュール、半導体モジュール組体、主回路構成部品及び電力変換回路 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体モジュール、半導体モジュール組体、主回路構成部品及び電力変換回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業用あるいは電力用として小型、高出力を図ったドライブ装置が多分野で採用されている。
【０００３】
ドライブ装置の主回路素子には、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタ等のスイッチング素子が使われている。例えば、特開平７−１３０９２７号公報（特許文献２）の「モータドライバモジュール」に記載されているように、これらは一般的に容量毎に専用に製品化されたパッケージにフリーホイールダイオードと一緒にマウントされて組み込まれ、いわゆるモジュール素子化された構造となっている。このモジュール素子化の技術は、特開平９−２９８２６２号公報（特許文献３）の「半導体装置およびその製造方法」にも記載されている。
【０００４】
さらに従来、例えば、実開平６−２６２６９号公報（特許文献１）に記載されているように、スイッチング素子とフリーホイールダイオードとの組を２セット、４セットあるいは６セット分一つのパッケージにした２ｉｎ１パッケージ、４ｉｎ１パッケージ、６ｉｎ１パッケージも出現しており、単相回路や３相回路を駆動するドライブ装置回路を構成するのに都合の良い構造となっているものもある。
【０００５】
この他、構成部品としては運転時に発熱するモジュール素子用の冷却機器、主回路素子を駆動するプリドライブ回路、平滑コンデンサ等が有り、これら全てが組み合わさってドライブ装置を構成している。
【０００６】
【特許文献１】
実開平６−２６２６９号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平７−１３０９２７号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開平９−２９８２６２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような容量毎にモジュール構造化された主回路素子を用いて、ドライブ装置を小形に構成しようとする場合、主回路素子はドライブ装置の容量に合わせた専用品を必要となる。そのために、容量が変更された場合には再度開発する必要があった。
【００１０】
ところが、従来の構造では、再設計をする場合には主回路素子自体の容量からパッケージ構造まで容量に合わせた新設計が必要となるため、開発工数が多く、低コスト化を図ることに難点があった。
【００１１】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、必要な容量に合わせたドライブ装置を低コストで実現できる半導体モジュール、半導体モジュール組体、主回路構成部品及び電力変換回路を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、電力変換回路用の主回路素子としての第１の主回路端子、第２の主回路端子及び制御信号端子を有するスイッチング素子とフリーホイールダイオードとを共通の基板にマウントし樹脂モールドして直方体状の樹脂モールド部を形成し、前記スイッチング素子の第１の主回路端子及び第２の主回路端子を前記樹脂モールド部の一側面において当該側面に垂直な方向に突出させて成る半導体モジュールであって、前記第１の主回路端子と第２の主回路端子との突出位置は前記一側面においてそのいずれの辺に対しても平行に並ばない互い違いにずらした位置とし、かつ、前記第１の主回路端子を前記第２の主回路端子よりも長い突出長にし、前記制御信号端子を前記樹脂モールド部の前記一側面とは反対の側面から当該反対の側面に垂直な方向に突出させたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１の発明の半導体モジュールでは、これを２個用い、互いに突出長が短い第２の主回路素子が内側に来るように向かい合わせ、それらの間に素子冷却器を挟んで１組の半導体モジュール組体を構成し、この半導体モジュール組体を構成単位にし、容量に見合う組数だけ並列に配置し、また必要な相数分だけ平行に配置することによって設計上要求される容量、相数の電力変換回路を簡単に構成できる。
【００１６】
請求項２の発明の半導体モジュール組体は、請求項１に記載の半導体モジュールを複数体、同じ姿勢で並列させ、前記複数体の半導体モジュール各々の樹脂モールド部の前記端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面に対して、共に密着するように素子冷却器を取付け、前記複数体の半導体モジュール各々の第１の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる電源側共通端子に接続し、第２の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる負荷側共通端子に接続したものである。
【００１７】
請求項２の発明の半導体モジュール組体では、請求項１の半導体モジュールを必要個数並列させ、素子冷却器と共に組むことによって構成されるもので、共通の半導体モジュールを適数個用いることで設計上必要とされる容量の半導体モジュール組体を自在に構成することができる。
【００１８】
請求項３の発明の主回路構成部品は、請求項１に記載の半導体モジュールの４個以上の偶数体を２列に、前記樹脂モールド部の端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面が向い合うようにして互いに向い合わせに並列させ、前記２列に並んだ半導体モジュールの列間に素子冷却器を配置し、全半導体モジュールの樹脂モールド部の内側側面を密着させ、各列の半導体モジュール各々の前記第１の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる第１の共通端子に接続し、前記２列に並んだ半導体モジュール全部の前記第２の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる第２の共通端子に接続したものである。
【００１９】
請求項３の発明の主回路構成部品では、請求項１の半導体モジュールを必要個数を２列に並列させ、列間に素子冷却器を配置した構成で電力変換回路の１相分を組むことができ、共通の半導体モジュールを適数個用いることで設計上必要とされる相数、容量の電力変換回路を自在に構成することができる。
【００２０】
請求項４の発明の電力変換回路は、請求項１に記載の半導体モジュールの２体を、前記樹脂モールド部の端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面が向い合うようにして互いに向い合わせ、当該２体の半導体モジュール間に素子冷却器を配置して両半導体モジュールの樹脂モールド部の内側側面を密着させて１相分の主回路構成部品を構成し、前記主回路構成部品の複数組を、各組の半導体モジュールが背中合わせになるように配置し、前記複数組の主回路構成部品の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を負側共通端子に接続し、前記複数組の主回路構成部品の他の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を正側共通端子に接続し、前記複数組の主回路構成部品それぞれにおいて、前記第２の主回路端子間を負荷側共通端子に接続したものである。
【００２１】
請求項５の発明の電力変換回路は、請求項１に記載の半導体モジュールの２体を、前記樹脂モールド部の端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面が向い合うようにして互いに間隔をあけて向い合わせて１相分の主回路構成部品を構成し、前記主回路構成部品の複数組を間隔をあけて前記半導体モジュールそれぞれの並ぶ方向に配置し、前記半導体モジュールの並びの両端に位置する半導体モジュールそれぞれの外側の側面に素子冷却器を密着して取付け、隣り合う主回路構成部品間の間隙に素子冷却器を配置し、その両側面に当該隣り合う主回路構成部品それぞれの半導体モジュールの側面を共に密着させ、前記複数組の主回路構成部品の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を負側共通端子に接続し、前記複数組の主回路構成部品の他の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を正側共通端子に接続し、前記複数組の主回路構成部品それぞれにおいて、前記第２の主回路端子間を負荷側共通端子に接続したものである。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項４又は５の電力変換回路において、前記複数組の主回路構成部品それぞれにおいて、前記負荷側共通端子とは干渉しない位置において、前記負側共通端子と正側共通端子との間に平滑コンデンサを配置したことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項４〜６の発明の電力変換回路では、これを単位回路として複数組並設することによって必要とされる容量の電力変換回路を自在に構成することができる。
【００２４】
また、半導体モジュールの並びの端位置の両端に位置する半導体モジュールそれぞれに外側にも素子冷却器を取付けることによって各半導体モジュールの冷却を均等に行える。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００３１】
（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態の半導体モジュール１００を示している。本実施の形態の半導体モジュール１００では、樹脂モールド部１０に主回路素子としてバイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタ等のスイッチング素子とフリーホイールダイオードが一緒にマウントされ樹脂モールドされて組み込まれている。
【００３２】
なお、以下の各実施の形態の説明では端子をバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴに適用してエミッタ端子、コレクタ端子が第１の主回路端子、第２の主回路端子をなし、ゲート端子が制御信号端子をなすものとしているが、ＦＥＴ、ＧＴＯサイリスタなどでは端子の呼び名が異なることがある。そのような半導体スイッチング素子についても、バイポーラトランジスタのエミッタ端子、コレクタ端子、ゲート端子と対応する端子がこれら第１の主回路端子、第２の主回路端子、制御信号端子をなすものとする。
【００３３】
半導体モジュール１００の各端子の内で電圧の高い第１、第２の主回路端子であるエミッタ端子３、コレクタ端子４と、電圧の低い信号端子であるゲート端子１、また樹脂モールド部１０内に埋め込まれた温度センサからの温度検出信号を出力する保護信号端子２とに分け、それらが樹脂モールド部１０の互いに反対側面から突出する構成にしている。さらに、エミッタ端子３、コレクタ端子４の主回路端子側は端子構造が構成しやすいように互い違いに取付位置をずらしており、また第２の主回路端子をなすコレクタ端子４の突出長を第１の主回路端子をなすエミッタ端子３の突出長よりも短くしている。
【００３４】
これにより、後述するようにドライブ装置回路の組立てにおいて設計上必要とされる容量に応じて採用する半導体モジュール１００の並列個数を増加させ、また単相、３相、多相の交流出力に応じてアーム数を増加させるだけで自在に対応できることになる。
【００３５】
また、本実施の形態の半導体モジュール１００では、高圧側の主回路素子側の端子３，４と低圧側の制御信号端子１，２とを樹脂モールド部１０に対して反対側面に設けることによって、高い電圧の主回路側の影響により低い電圧の信号回路側にノイズ等の影響を与えにくい利点がある。さらに主回路側端子３，４を同じ側面において互い違いに取付位置をずらすことにより、ドライブ装置回路を構成するために都合の良い位置となり、周辺構造物の小形化、低コスト化が実現できる。
【００３６】
（第２の実施の形態）次に、本発明の第２の実施の形態の半導体モジュール組体について、図２を用いて説明する。この半導体モジュール組体２００は、図１に示した第１の実施の形態の半導体モジュール１００を４個並列に用いて構成した４倍容量の半導体モジュール組体であり、半導体モジュール１００の４体を同じ姿勢で並列させ、半導体モジュール１００各々の樹脂モールド部１０の端子群の突出していない側面に対して、共に密着するように１つの素子冷却器２０を取付け、半導体モジュール１００各々の第１の主回路端子をなすエミッタ端子３同士をこれらに対して垂直に延びるエミッタ共通端子１１に接続し、第２の主回路端子をなすコレクタ端子４同士をこれらに対して垂直に延びるコレクタ共通端子１２に接続している。
【００３７】
これにより、第２の実施の形態の半導体モジュール組体２００では、これを例えば、後述する図３のように電力変換回路の主回路の各相の回路要素として利用することができ、半導体モジュール１００の１体に対して４倍容量にすることができる。
【００３８】
なお、半導体モジュール１００を２体、３体等、設計上必要とされる容量に見合った個数だけ並列に組むことにより、自在に必要な容量に対応することができる。
【００３９】
（第３の実施の形態）次に、本発明の第３の実施の形態の主回路構成部品３００について、図３を用いて説明する。第３の実施の形態の主回路構成部品３００は、図１に示した第１の実施の形態の半導体モジュール１００を８体用いて構成した、インバータのような電力変換回路の主回路の１相分の回路部品である。
【００４０】
すなわち、図１に示した第１の実施の形態の半導体モジュール１００の４体を同じ姿勢で並列させて４倍容量の半導体モジュール組体２０１を構成し、この半導体モジュール組体２０１を２組用い、各半導体モジュール１００の短い突出長の第２の主回路端子であるコレクタ端子４が向い合う列の内側に来る姿勢にして互いに向い合わせに配置し、向い合っている２組の半導体モジュール組体２０１の間に１つの素子冷却器２０を配置し、全半導体モジュール１００の樹脂モールド部１０の内側側面を密着させている。そして、全半導体モジュール１００の内側に位置するコレクタ端子４のすべてをこれらに対して垂直に延びる巾広の負荷側共通端子板２１の両側縁部に接続している。さらに、両側の半導体モジュール組体２０１それぞれにおいて、第１の主回路端子をなすエミッタ端子３の列にこれに対して垂直に延びる電源側共通端子２２，２３を接続している。
【００４１】
これにより、第３の実施の形態の主回路構成部品３００では、第１の実施の形態の半導体モジュール１００を８体用いて４倍容量の主回路１相分の回路部品を構成することができ、図５に示すようにこれを２体、３体等の複数体用いることによって単相、３相等の電力変換回路の主回路を簡単に構成できる。また、例えば、半導体モジュール１００を２体用いれば単容量、４体用いれば２倍容量、１０体用いれば５倍容量というように、設計上必要とされる容量に見合った数の半導体モジュールを用いて組立てることにより、必要な容量に自在に対応した主回路構成部品を構成することができる。
【００４２】
（第４の実施の形態）次に、本発明の第４の実施の形態の電力変換回路について、図４を用いて説明する。本実施の形態の電力変換回路４００は、図１に示した半導体モジュール１００の６体を用いて、３相インバータの主回路を構成したことを特徴とする。すなわち、図１に示した半導体モジュール１００の２体を、樹脂モールド部１０の端子群の突出していない側面が向い合うようにして互いに向い合わせ、当該２体の半導体モジュール１００間に素子冷却器２０を配置して両半導体モジュール１００の樹脂モールド部１０の内側側面を密着させて１相分の主回路構成部品３０１を構成し、これをＵ，Ｖ，Ｗ３相分だけ並置している。そして、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品３０１において、第２の主回路端子をなすコレクタ端子４間をＵ，Ｖ，Ｗ各相の負荷側共通端子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに接続している。また、３相分の主回路構成部品３０１の片側に列をなす一群の第１の主回路端子をなすエミッタ端子３を正（Ｐ）側共通端子３２に接続し、他の片側に列をなす一群のエミッタ端子３を負（Ｎ）側共通端子３３に接続している。そして、３相分の主回路構成部品３０１それぞれの半導体モジュール１００の低圧信号端子群なるゲート端子１、保護信号端子２については、プリドライブ回路３１０に接続するようにしている。
【００４３】
この第４の実施の形態の電力変換回路４００では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分用いて主回路を構成することができる。また、この電力変換回路４００を１組とし、これを図５に示す第５の実施の形態のように複数組並列に接続することによって設計上必要とされる容量の電力変換回路を自在に構成できる。
【００４４】
（第５の実施の形態）次に、本発明の第５の実施の形態の電力変換回路４０１について、図５を用いて説明する。第５の実施の形態の電力変換回路４０１は、図４に示した第４の実施の形態の電力変換回路４００を４組並列に組立てることによって４倍容量の電力変換回路としたことを特徴とする。すなわち、図４に示した電力変換回路４００を４組並設し、各組のＰ側共通端子３２、Ｎ側共通端子３３については、Ｐ側バス３４、Ｎ側バス３５に対して並列に接続した構成である。なお、プリドライブ回路３１０についても、４倍容量に対応させている。
【００４５】
これにより、第５の実施の形態の電力変換回路４０１では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分×必要容量分用いて主回路を構成することができる。
【００４６】
（第６の実施の形態）次に、本発明の第６の実施の形態の電力変換回路４０２について、図６を用いて説明する。第６の実施の形態の電力変換回路４０２の特徴は、図４に示した第４の実施の形態の電力変換回路に対して、さらにＵ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品３０１において、コレクタ端子４間に設けた負荷側共通端子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと対向するように、Ｐ側共通端子３２、Ｎ側共通端子３３の裏面側の各位置に平滑コンデンサ２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗを設けた点にある。なお、その他の構成は、図４と共通である。
【００４７】
これにより、第６の実施の形態の電力変換回路４０２では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分用いて、各相ごとに平滑コンデンサを備えた主回路を構成することができる。
【００４８】
またモジュール毎にコンデンサを設ける構成にすることにより、コンデンサに容量が比較的小さくて安価なもの、例えばフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを採用することができる。このため、大容量の電解コンデンサを採用する場合よりもコストを低くすることができる。またモジュール毎に平滑コンデンサを設けることによって全部のコンデンサをほぼ均等に有効に活用することができ、ひいては回路としての信頼性の向上と長寿命化が図れる。加えて、多数の平滑コンデンサを均等に活用できることから、個々のコンデンサの容量の余裕度を小さくすることができ、この結果としても採用するコンデンサのコストを低下させることができる。
【００４９】
（第７の実施の形態）次に、本発明の第７の実施の形態の電力変換回路４０３について、図７を用いて説明する。第７の実施の形態の電力変換回路４０３は、図６に示した第６の実施の形態の電力変換回路４０２を４組並列に組立てることによって３相・４倍容量の電力変換回路としたことを特徴とする。すなわち、３相・単容量の電力変換回路４０２を４組並設し、各組のＰ側共通端子３２、Ｎ側共通端子３３については、Ｐ側バス３４、Ｎ側バス３５に対して並列に接続した構成である。なお、プリドライブ回路３１０についても、３相・４倍容量に対応させている。
【００５０】
これにより、第７の実施の形態の電力変換回路４０３では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分×必要容量分用いて主回路を構成することができる。またモジュール毎にコンデンサを設ける構成にすることにより、第６の実施の形態と同様に、コンデンサに容量が比較的小さくて安価なもの、例えばフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを採用することができ、コストを低くすることができ、また信頼性の向上と長寿命化が図れる。
【００５１】
（第８の実施の形態）次に、本発明の第８の実施の形態の電力変換回路４０５について、図８を用いて説明する。第８の実施の形態の電力変換回路４０５の特徴は、図６に示した第６の実施の形態の電力変換回路４０２に対して、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品３０１のエミッタ端子３間に設ける平滑コンデンサ２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗの各位置を、各相の負荷側共通端子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗよりも上側にした点にある。なお、その他の構成は、図４、図６と共通である。ただし、図８において、Ｐ側共通端子３２とＮ側共通端子３３は構成の理解を容易にするために高さを違えて示してあるが、実際には図４、図６に示したように同一の高さ位置である。
【００５２】
これにより、第８の実施の形態の電力変換回路４０５では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分用いて、各相ごとに平滑コンデンサを備えた主回路を構成することができる。またモジュール毎にコンデンサを設ける構成にすることにより、第６の実施の形態と同様に、コンデンサに容量が比較的小さくて安価なもの、例えばフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを採用することができ、コストを低くすることができ、また信頼性の向上と長寿命化が図れる。
【００５３】
なお、この第８の実施の形態の電力変換回路４０５についても、図７に示すように必要容量分だけ並列に設けることによって設計上必要とされる容量の電力変換回路を自在に組立てることができる。
【００５４】
（第９の実施の形態）次に、本発明の第９の実施の形態の電力変換回路４０６について、図９を用いて説明する。本実施の形態の電力変換回路４０６は、図１に示した半導体モジュール１００を用い、この半導体モジュール１００の２体を、樹脂モールド部１０の端子群の突出していない側面が向い合うようにして互いに間隔をあけて向い合わせて１相分の主回路構成部品３０２を構成し、Ｕ，Ｖ，Ｗ３相分の主回路構成部品３０２を間隔をあけて半導体モジュール１００それぞれの並ぶ方向に配置する。そして、半導体モジュール１００の並びの両端に位置する半導体モジュールそれぞれの外側の側面に素子冷却器２０を密着して取付け、また、隣り合う主回路構成部品３０２間の間隙にも素子冷却器２０を配置し、その両側に隣り合う主回路構成部品３０２それぞれの半導体モジュール１００の側面を共に密着させている。
【００５５】
Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品３０２において、第２の主回路端子をなすコレクタ端子４間を負荷側共通端子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに接続している。また、３相分の主回路構成部品３０２の片側に列をなす第１の主回路端子をなすエミッタ端子３の列を正（Ｐ）側共通端子３２に接続し、反対の片側に列をなすエミッタ端子３の列を負（Ｎ）側共通端子３３に接続している。さらに、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品３０２において、コレクタ端子４間に設けた負荷側共通端子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと対向するように、Ｐ側共通端子３２、Ｎ側共通端子３３の裏面側の各位置に平滑コンデンサ２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗを設けている。そして、３相分の主回路構成部品３０２それぞれの半導体モジュール１００の低圧信号端子群なるゲート端子１、保護信号端子２については、プリドライブ回路３１０に接続するようにしている。
【００５６】
この第９の実施の形態の電力変換回路４０６では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分だけ用いて主回路を構成することができる。また、この電力変換回路４０６を１組とし、これを図７に示す第７の実施の形態のように複数組並列に接続することによって設計上必要とされる容量の電力変換回路を自在に構成できる。加えて、本実施の形態では、個々の半導体モジュール１００から見て冷却機器及び他の半導体モジュール１００との配置構造の非対称性を低減させて温度分布のバラツキを低減させることができる。
【００５７】
（第１０の実施の形態）次に、本発明の第１０の実施の形態の半導体モジュール１０１について、図１０を用いて説明する。本実施の形態の半導体モジュール１０１は、図１に示した第１の実施の形態の半導体モジュール１００に対して、スイッチング素子とフリーホイールダイオードとをモールドした樹脂モールド部１０の構造は同じであるが、端子の配置が異なっており、一つの側面から主回路端子群３，４は短く、信号端子群１，２は長く突出させている。この端子群の配列について説明すると、１はゲート端子、２は保護信号端子である。そして、３は第１の主回路端子をなすエミッタ端子、４は第２の主回路端子をなすコレクタ端子である。エミッタ端子３は平滑コンデンサとの接続のために、コレクタ端子４よりも長めの突出長にしてある。
【００５８】
この第１０の実施の形態の半導体モジュール１０１は、後述するように図１１に示すように２対１組にして、必要な容量Ｍと相ＮのＭ×Ｎだけマトリクスに配列し、プレート状のバスバーを利用して接続を行い、電力変換回路４１０を構成するために用いることができる。
【００５９】
（第１１の実施の形態）次に、本発明の第１１の実施の形態の電力変換回路４１０について、図１１を用いて説明する。本実施の形態の電力変換回路４１０は、図１０に示した半導体モジュール１０１の２体を向い合わせにして１組の半導体モジュール組体とし、４組を並列に配列し、各組の半導体モジュール１０１の間に長尺の素子冷却器２０を密着するように介在させたものを１相分の主回路構成部品２１０とし、これをＵ，Ｖ，Ｗ３相分平行に配置している。
【００６０】
そして、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品２１０には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相バスバー４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗそれぞれが配設され、各半導体モジュール１０１から短めに突出している第２の主回路端子であるコレクタ端子４を両側からそれぞれの側縁部に接続している。
【００６１】
また、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の片方の半導体モジュール１０１の列のエミッタ端子３のすべてをプレート状の正（Ｐ）側バスバー４２にて接続し、各相の他の片方の半導体モジュール１０１の列のエミッタ端子３のすべてをプレート状の負（Ｎ）側バスバー４３にて接続している。ただし、図１１においてＰ側バスバー４２がＮ側バスバー４３よりも上側（外側）に位置するため、所定位置のエミッタ端子３それぞれがＮ側バスバー４３に接触せずにそれを貫通し、Ｐ側バスバー４２にだけ接触するように、Ｎ側バスバー４３の該当箇所それぞれには穴があけてある。また、Ｐ側バスバー４２、Ｎ側バスバー４３それぞれには、低圧の制御信号端子群１，２が貫通するように該当箇所に同様に穴があけてある。なお、実施の形態では、これらは共通の穴４５としている。この穴４５各々から長く突出する信号端子群１，２に対しては、プリドライブ回路を接続することになる。
【００６２】
このような構成の第１１の実施の形態の電力変換回路４１０では、第１０の実施の形態の半導体モジュール１０１を必要とされる容量に対応した組数Ｍだけ並列に並べ、また主回路の相分Ｎだけ平行に並べる配列によって設計上必要とされる容量、相数に対応した電力変換回路を自在に構成することができる。
【００６３】
（第１２の実施の形態）次に、本発明の第１２の実施の形態の半導体モジュール組体２１１について、図１２を用いて説明する。本実施の形態の半導体モジュール組体２１１は、図１０に示した第１０の実施の形態の半導体モジュール１０１の２体を向い合わせにし、その間に素子冷却器２０を介在させ、これらの全体をＣ形バネ２７で挟み込んで一体的に固定した構造を特徴とする。
【００６４】
この構成の第１２の実施の形態の半導体モジュール組体２１１では、容量を大きくするために並列回路数を増やすほど複雑になり製作が難しくなる電力変換回路の製作を、この組体２１１を単位として必要個数だけ配列し、例えば図１３に示したような電力変換回路４１１を製作する作業が容易となる。
【００６５】
この図１３に示す電力変換回路４１１は、図１２に示した半導体モジュール組体２１１を８組を並列に配列したものを１相分の主回路構成部品３１１とし、これをＵ，Ｖ，Ｗ３相分平行に配置して構成してある。図１３において、２６は平滑コンデンサであり、４２はプレート状のＰ側バスバー、４３はプレート状のＮ側バスバー、４１は各相の負荷側共通端子板、３１０はプリドライブ回路を示している。
【００６６】
なお、本発明は上記の各実施の形態に限定されることはなく、特に、樹脂モールド部１０から突出させる端子としては、基本的にスイッチング素子の入出力端子数の３本だけでよいが、樹脂モールド部にさらに保護回路を埋め込む構造の場合にはその保護回路用の端子も増設されることになる。また、端子の突出長については、半導体モジュールの製造時には同じ長さにして、用途に応じて各端子を適切な長さに切断したり屈曲させたりする後加工を行うようにしてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明の半導体モジュールによれば、スイッチング素子の信号端子をドライブ装置を構成するために都合の良い位置に、また必要な個数だけ配置することができ、設計上要求される容量のドライブ装置の構成が簡単にできる。
【００６８】
請求項２の発明の半導体モジュール組体によれば、請求項１の半導体モジュールを必要個数並列させ、素子冷却器と共に組むことによって構成されるもので、共通の半導体モジュールを適数個用いることで設計上必要とされる相数、容量の主回路構成部品や電力変換回路を自在に構成することができる。
【００６９】
請求項３の発明の主回路構成部品によれば、請求項１の半導体モジュールの必要個数を２列に並列させ、列間に素子冷却器を配置した構成で電力変換回路の１相分を組むことができ、共通の半導体モジュールを適数個用いることで設計上必要とされる相数、容量の主回路構成部品や電力変換回路を自在に構成することができる。
【００７０】
請求項４〜６の発明の電力変換回路によれば、これを単位回路として複数組並設することによって必要とされる容量の電力変換回路を自在に構成することができる。また、半導体モジュールの並びの端位置の両端に位置する半導体モジュールそれぞれに外側にも素子冷却器を取付けることによって各半導体モジュールの冷却を均等に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体モジュールの正面図及び側面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の半導体モジュール組体の斜視図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の主回路構成部品の斜視図。
【図４】本発明の第４の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図５】本発明の第５の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図６】本発明の第６の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図７】本発明の第７の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図８】本発明の第８の実施の形態の電力変換回路の正面図。
【図９】本発明の第９の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図１０】本発明の第１０の実施の形態の半導体モジュールの斜視図。
【図１１】本発明の第１１の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図１２】本発明の第１２の実施の形態の半導体モジュール組体の斜視図。
【図１３】本発明の第１２の実施の形態の半導体モジュール組体を用いて構成した電力変換回路の分解斜視図。
【符号の説明】
１ ゲート端子
２ 保護信号端子
３ エミッタ端子
４ コレクタ端子
１０ 樹脂モールド部
１１ 電源側共通端子
１２ 負荷側共通端子
２０ 素子冷却器
２１ 負荷側共通端子
２２ 電源側共通端子
２３ 電源側共通端子
２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗ 平滑コンデンサ
２７ Ｃ形バネ
３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ 負荷側共通端子
３２ 正（Ｐ）側共通端子
３３ 負（Ｎ）側共通端子
３４ 正（Ｐ）側バス
３５ 負（Ｎ）側バス
４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ 負荷側共通端子板
４２ 正（Ｐ）側バスバー
４３ 負（Ｎ）側バスバー
４５ 穴
１００ 半導体モジュール
１０１ 半導体モジュール
２０１ 半導体モジュール組体
２１１ 半導体モジュール組体
３００ 主回路構成部品
３０２ 主回路構成部品
３０１ 主回路構成部品
３１０ ブリッジドライブ回路
３１１ 主回路構成部品
４００ 電力変換回路
４０１ 電力変換回路
４０２ 電力変換回路
４０３ 電力変換回路
４０５ 電力変換回路
４０６ 電力変換回路
４１０ 電力変換回路
４１１ 電力変換回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体モジュール、半導体モジュール組体、主回路構成部品及び電力変換回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業用あるいは電力用として小型、高出力を図ったドライブ装置が多分野で採用されている。
【０００３】
ドライブ装置の主回路素子には、バイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタ等のスイッチング素子が使われている。例えば、特開平７−１３０９２７号公報（特許文献２）の「モータドライバモジュール」に記載されているように、これらは一般的に容量毎に専用に製品化されたパッケージにフリーホイールダイオードと一緒にマウントされて組み込まれ、いわゆるモジュール素子化された構造となっている。このモジュール素子化の技術は、特開平９−２９８２６２号公報（特許文献３）の「半導体装置およびその製造方法」にも記載されている。
【０００４】
さらに従来、例えば、実開平６−２６２６９号公報（特許文献１）に記載されているように、スイッチング素子とフリーホイールダイオードとの組を２セット、４セットあるいは６セット分一つのパッケージにした２ｉｎ１パッケージ、４ｉｎ１パッケージ、６ｉｎ１パッケージも出現しており、単相回路や３相回路を駆動するドライブ装置回路を構成するのに都合の良い構造となっているものもある。
【０００５】
この他、構成部品としては運転時に発熱するモジュール素子用の冷却機器、主回路素子を駆動するプリドライブ回路、平滑コンデンサ等が有り、これら全てが組み合わさってドライブ装置を構成している。
【０００６】
【特許文献１】
実開平６−２６２６９号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平７−１３０９２７号公報
【０００８】
【特許文献３】
特開平９−２９８２６２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような容量毎にモジュール構造化された主回路素子を用いて、ドライブ装置を小形に構成しようとする場合、主回路素子はドライブ装置の容量に合わせた専用品を必要となる。そのために、容量が変更された場合には再度開発する必要があった。
【００１０】
ところが、従来の構造では、再設計をする場合には主回路素子自体の容量からパッケージ構造まで容量に合わせた新設計が必要となるため、開発工数が多く、低コスト化を図ることに難点があった。
【００１１】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、必要な容量に合わせたドライブ装置を低コストで実現できる半導体モジュール、半導体モジュール組体、主回路構成部品及び電力変換回路を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、電力変換回路用の主回路素子としての第１の主回路端子、第２の主回路端子及び制御信号端子を有するスイッチング素子とフリーホイールダイオードとを共通の基板にマウントし樹脂モールドして直方体状の樹脂モールド部を形成し、前記スイッチング素子の第１の主回路端子及び第２の主回路端子を前記樹脂モールド部の一側面において当該側面に垂直な方向に突出させて成る半導体モジュールであって、前記第１の主回路端子と第２の主回路端子との突出位置は前記一側面においてそのいずれの辺に対しても平行に並ばない互い違いにずらした位置とし、かつ、前記第１の主回路端子を前記第２の主回路端子よりも長い突出長にし、前記制御信号端子を前記樹脂モールド部の前記一側面とは反対の側面から当該反対の側面に垂直な方向に突出させたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項１の発明の半導体モジュールでは、これを２個用い、互いに突出長が短い第２の主回路素子が内側に来るように向かい合わせ、それらの間に素子冷却器を挟んで１組の半導体モジュール組体を構成し、この半導体モジュール組体を構成単位にし、容量に見合う組数だけ並列に配置し、また必要な相数分だけ平行に配置することによって設計上要求される容量、相数の電力変換回路を簡単に構成できる。
【００１６】
請求項２の発明の半導体モジュール組体は、請求項１に記載の半導体モジュールを複数体、同じ姿勢で並列させ、前記複数体の半導体モジュール各々の樹脂モールド部の前記端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面に対して、共に密着するように素子冷却器を取付け、前記複数体の半導体モジュール各々の第１の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる電源側共通端子に接続し、第２の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる負荷側共通端子に接続したものである。
【００１７】
請求項２の発明の半導体モジュール組体では、請求項１の半導体モジュールを必要個数並列させ、素子冷却器と共に組むことによって構成されるもので、共通の半導体モジュールを適数個用いることで設計上必要とされる容量の半導体モジュール組体を自在に構成することができる。
【００１８】
請求項３の発明の主回路構成部品は、請求項１に記載の半導体モジュールの４個以上の偶数体を２列に、前記樹脂モールド部の端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面が向い合うようにして互いに向い合わせに並列させ、前記２列に並んだ半導体モジュールの列間に素子冷却器を配置し、全半導体モジュールの樹脂モールド部の内側側面を密着させ、各列の半導体モジュール各々の前記第１の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる第１の共通端子に接続し、前記２列に並んだ半導体モジュール全部の前記第２の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる第２の共通端子に接続したものである。
【００１９】
請求項３の発明の主回路構成部品では、請求項１の半導体モジュールを必要個数を２列に並列させ、列間に素子冷却器を配置した構成で電力変換回路の１相分を組むことができ、共通の半導体モジュールを適数個用いることで設計上必要とされる相数、容量の電力変換回路を自在に構成することができる。
【００２０】
請求項４の発明の電力変換回路は、請求項１に記載の半導体モジュールの２体を、前記樹脂モールド部の端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面が向い合うようにして互いに向い合わせ、当該２体の半導体モジュール間に素子冷却器を配置して両半導体モジュールの樹脂モールド部の内側側面を密着させて１相分の主回路構成部品を構成し、前記主回路構成部品の複数組を、各組の半導体モジュールが背中合わせになるように配置し、前記複数組の主回路構成部品の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を負側共通端子に接続し、前記複数組の主回路構成部品の他の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を正側共通端子に接続し、前記複数組の主回路構成部品それぞれにおいて、前記第２の主回路端子間を負荷側共通端子に接続したものである。
【００２１】
請求項５の発明の電力変換回路は、請求項１に記載の半導体モジュールの２体を、前記樹脂モールド部の端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面が向い合うようにして互いに間隔をあけて向い合わせて１相分の主回路構成部品を構成し、前記主回路構成部品の複数組を間隔をあけて前記半導体モジュールそれぞれの並ぶ方向に配置し、前記半導体モジュールの並びの両端に位置する半導体モジュールそれぞれの外側の側面に素子冷却器を密着して取付け、隣り合う主回路構成部品間の間隙に素子冷却器を配置し、その両側面に当該隣り合う主回路構成部品それぞれの半導体モジュールの側面を共に密着させ、前記複数組の主回路構成部品の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を負側共通端子に接続し、前記複数組の主回路構成部品の他の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を正側共通端子に接続し、前記複数組の主回路構成部品それぞれにおいて、前記第２の主回路端子間を負荷側共通端子に接続したものである。
【００２２】
請求項６の発明は、請求項４又は５の電力変換回路において、前記複数組の主回路構成部品それぞれにおいて、前記負荷側共通端子とは干渉しない位置において、前記負側共通端子と正側共通端子との間に平滑コンデンサを配置したことを特徴とするものである。
【００２３】
請求項４〜６の発明の電力変換回路では、これを単位回路として複数組並設することによって必要とされる容量の電力変換回路を自在に構成することができる。
【００２４】
また、半導体モジュールの並びの端位置の両端に位置する半導体モジュールそれぞれに外側にも素子冷却器を取付けることによって各半導体モジュールの冷却を均等に行える。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。
【００３１】
（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態の半導体モジュール１００を示している。本実施の形態の半導体モジュール１００では、樹脂モールド部１０に主回路素子としてバイポーラトランジスタ、ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯサイリスタ等のスイッチング素子とフリーホイールダイオードが一緒にマウントされ樹脂モールドされて組み込まれている。
【００３２】
なお、以下の各実施の形態の説明では端子をバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴに適用してエミッタ端子、コレクタ端子が第１の主回路端子、第２の主回路端子をなし、ゲート端子が制御信号端子をなすものとしているが、ＦＥＴ、ＧＴＯサイリスタなどでは端子の呼び名が異なることがある。そのような半導体スイッチング素子についても、バイポーラトランジスタのエミッタ端子、コレクタ端子、ゲート端子と対応する端子がこれら第１の主回路端子、第２の主回路端子、制御信号端子をなすものとする。
【００３３】
半導体モジュール１００の各端子の内で電圧の高い第１、第２の主回路端子であるエミッタ端子３、コレクタ端子４と、電圧の低い信号端子であるゲート端子１、また樹脂モールド部１０内に埋め込まれた温度センサからの温度検出信号を出力する保護信号端子２とに分け、それらが樹脂モールド部１０の互いに反対側面から突出する構成にしている。さらに、エミッタ端子３、コレクタ端子４の主回路端子側は端子構造が構成しやすいように互い違いに取付位置をずらしており、また第２の主回路端子をなすコレクタ端子４の突出長を第１の主回路端子をなすエミッタ端子３の突出長よりも短くしている。
【００３４】
これにより、後述するようにドライブ装置回路の組立てにおいて設計上必要とされる容量に応じて採用する半導体モジュール１００の並列個数を増加させ、また単相、３相、多相の交流出力に応じてアーム数を増加させるだけで自在に対応できることになる。
【００３５】
また、本実施の形態の半導体モジュール１００では、高圧側の主回路素子側の端子３，４と低圧側の制御信号端子１，２とを樹脂モールド部１０に対して反対側面に設けることによって、高い電圧の主回路側の影響により低い電圧の信号回路側にノイズ等の影響を与えにくい利点がある。さらに主回路側端子３，４を同じ側面において互い違いに取付位置をずらすことにより、ドライブ装置回路を構成するために都合の良い位置となり、周辺構造物の小形化、低コスト化が実現できる。
【００３６】
（第２の実施の形態）次に、本発明の第２の実施の形態の半導体モジュール組体について、図２を用いて説明する。この半導体モジュール組体２００は、図１に示した第１の実施の形態の半導体モジュール１００を４個並列に用いて構成した４倍容量の半導体モジュール組体であり、半導体モジュール１００の４体を同じ姿勢で並列させ、半導体モジュール１００各々の樹脂モールド部１０の端子群の突出していない側面に対して、共に密着するように１つの素子冷却器２０を取付け、半導体モジュール１００各々の第１の主回路端子をなすエミッタ端子３同士をこれらに対して垂直に延びるエミッタ共通端子１１に接続し、第２の主回路端子をなすコレクタ端子４同士をこれらに対して垂直に延びるコレクタ共通端子１２に接続している。
【００３７】
これにより、第２の実施の形態の半導体モジュール組体２００では、これを例えば、後述する図３のように電力変換回路の主回路の各相の回路要素として利用することができ、半導体モジュール１００の１体に対して４倍容量にすることができる。
【００３８】
なお、半導体モジュール１００を２体、３体等、設計上必要とされる容量に見合った個数だけ並列に組むことにより、自在に必要な容量に対応することができる。
【００３９】
（第３の実施の形態）次に、本発明の第３の実施の形態の主回路構成部品３００について、図３を用いて説明する。第３の実施の形態の主回路構成部品３００は、図１に示した第１の実施の形態の半導体モジュール１００を８体用いて構成した、インバータのような電力変換回路の主回路の１相分の回路部品である。
【００４０】
すなわち、図１に示した第１の実施の形態の半導体モジュール１００の４体を同じ姿勢で並列させて４倍容量の半導体モジュール組体２０１を構成し、この半導体モジュール組体２０１を２組用い、各半導体モジュール１００の短い突出長の第２の主回路端子であるコレクタ端子４が向い合う列の内側に来る姿勢にして互いに向い合わせに配置し、向い合っている２組の半導体モジュール組体２０１の間に１つの素子冷却器２０を配置し、全半導体モジュール１００の樹脂モールド部１０の内側側面を密着させている。そして、全半導体モジュール１００の内側に位置するコレクタ端子４のすべてをこれらに対して垂直に延びる巾広の負荷側共通端子板２１の両側縁部に接続している。さらに、両側の半導体モジュール組体２０１それぞれにおいて、第１の主回路端子をなすエミッタ端子３の列にこれに対して垂直に延びる電源側共通端子２２，２３を接続している。
【００４１】
これにより、第３の実施の形態の主回路構成部品３００では、第１の実施の形態の半導体モジュール１００を８体用いて４倍容量の主回路１相分の回路部品を構成することができ、図５に示すようにこれを２体、３体等の複数体用いることによって単相、３相等の電力変換回路の主回路を簡単に構成できる。また、例えば、半導体モジュール１００を２体用いれば単容量、４体用いれば２倍容量、１０体用いれば５倍容量というように、設計上必要とされる容量に見合った数の半導体モジュールを用いて組立てることにより、必要な容量に自在に対応した主回路構成部品を構成することができる。
【００４２】
（第４の実施の形態）次に、本発明の第４の実施の形態の電力変換回路について、図４を用いて説明する。本実施の形態の電力変換回路４００は、図１に示した半導体モジュール１００の６体を用いて、３相インバータの主回路を構成したことを特徴とする。すなわち、図１に示した半導体モジュール１００の２体を、樹脂モールド部１０の端子群の突出していない側面が向い合うようにして互いに向い合わせ、当該２体の半導体モジュール１００間に素子冷却器２０を配置して両半導体モジュール１００の樹脂モールド部１０の内側側面を密着させて１相分の主回路構成部品３０１を構成し、これをＵ，Ｖ，Ｗ３相分だけ並置している。そして、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品３０１において、第２の主回路端子をなすコレクタ端子４間をＵ，Ｖ，Ｗ各相の負荷側共通端子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに接続している。また、３相分の主回路構成部品３０１の片側に列をなす一群の第１の主回路端子をなすエミッタ端子３を正（Ｐ）側共通端子３２に接続し、他の片側に列をなす一群のエミッタ端子３を負（Ｎ）側共通端子３３に接続している。そして、３相分の主回路構成部品３０１それぞれの半導体モジュール１００の低圧信号端子群なるゲート端子１、保護信号端子２については、プリドライブ回路３１０に接続するようにしている。
【００４３】
この第４の実施の形態の電力変換回路４００では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分用いて主回路を構成することができる。また、この電力変換回路４００を１組とし、これを図５に示す第５の実施の形態のように複数組並列に接続することによって設計上必要とされる容量の電力変換回路を自在に構成できる。
【００４４】
（第５の実施の形態）次に、本発明の第５の実施の形態の電力変換回路４０１について、図５を用いて説明する。第５の実施の形態の電力変換回路４０１は、図４に示した第４の実施の形態の電力変換回路４００を４組並列に組立てることによって４倍容量の電力変換回路としたことを特徴とする。すなわち、図４に示した電力変換回路４００を４組並設し、各組のＰ側共通端子３２、Ｎ側共通端子３３については、Ｐ側バス３４、Ｎ側バス３５に対して並列に接続した構成である。なお、プリドライブ回路３１０についても、４倍容量に対応させている。
【００４５】
これにより、第５の実施の形態の電力変換回路４０１では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分×必要容量分用いて主回路を構成することができる。
【００４６】
（第６の実施の形態）次に、本発明の第６の実施の形態の電力変換回路４０２について、図６を用いて説明する。第６の実施の形態の電力変換回路４０２の特徴は、図４に示した第４の実施の形態の電力変換回路に対して、さらにＵ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品３０１において、コレクタ端子４間に設けた負荷側共通端子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと対向するように、Ｐ側共通端子３２、Ｎ側共通端子３３の裏面側の各位置に平滑コンデンサ２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗを設けた点にある。なお、その他の構成は、図４と共通である。
【００４７】
これにより、第６の実施の形態の電力変換回路４０２では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分用いて、各相ごとに平滑コンデンサを備えた主回路を構成することができる。
【００４８】
またモジュール毎にコンデンサを設ける構成にすることにより、コンデンサに容量が比較的小さくて安価なもの、例えばフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを採用することができる。このため、大容量の電解コンデンサを採用する場合よりもコストを低くすることができる。またモジュール毎に平滑コンデンサを設けることによって全部のコンデンサをほぼ均等に有効に活用することができ、ひいては回路としての信頼性の向上と長寿命化が図れる。加えて、多数の平滑コンデンサを均等に活用できることから、個々のコンデンサの容量の余裕度を小さくすることができ、この結果としても採用するコンデンサのコストを低下させることができる。
【００４９】
（第７の実施の形態）次に、本発明の第７の実施の形態の電力変換回路４０３について、図７を用いて説明する。第７の実施の形態の電力変換回路４０３は、図６に示した第６の実施の形態の電力変換回路４０２を４組並列に組立てることによって３相・４倍容量の電力変換回路としたことを特徴とする。すなわち、３相・単容量の電力変換回路４０２を４組並設し、各組のＰ側共通端子３２、Ｎ側共通端子３３については、Ｐ側バス３４、Ｎ側バス３５に対して並列に接続した構成である。なお、プリドライブ回路３１０についても、３相・４倍容量に対応させている。
【００５０】
これにより、第７の実施の形態の電力変換回路４０３では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分×必要容量分用いて主回路を構成することができる。またモジュール毎にコンデンサを設ける構成にすることにより、第６の実施の形態と同様に、コンデンサに容量が比較的小さくて安価なもの、例えばフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを採用することができ、コストを低くすることができ、また信頼性の向上と長寿命化が図れる。
【００５１】
（第８の実施の形態）次に、本発明の第８の実施の形態の電力変換回路４０５について、図８を用いて説明する。第８の実施の形態の電力変換回路４０５の特徴は、図６に示した第６の実施の形態の電力変換回路４０２に対して、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品３０１のエミッタ端子３間に設ける平滑コンデンサ２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗの各位置を、各相の負荷側共通端子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗよりも上側にした点にある。なお、その他の構成は、図４、図６と共通である。ただし、図８において、Ｐ側共通端子３２とＮ側共通端子３３は構成の理解を容易にするために高さを違えて示してあるが、実際には図４、図６に示したように同一の高さ位置である。
【００５２】
これにより、第８の実施の形態の電力変換回路４０５では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分用いて、各相ごとに平滑コンデンサを備えた主回路を構成することができる。またモジュール毎にコンデンサを設ける構成にすることにより、第６の実施の形態と同様に、コンデンサに容量が比較的小さくて安価なもの、例えばフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを採用することができ、コストを低くすることができ、また信頼性の向上と長寿命化が図れる。
【００５３】
なお、この第８の実施の形態の電力変換回路４０５についても、図７に示すように必要容量分だけ並列に設けることによって設計上必要とされる容量の電力変換回路を自在に組立てることができる。
【００５４】
（第９の実施の形態）次に、本発明の第９の実施の形態の電力変換回路４０６について、図９を用いて説明する。本実施の形態の電力変換回路４０６は、図１に示した半導体モジュール１００を用い、この半導体モジュール１００の２体を、樹脂モールド部１０の端子群の突出していない側面が向い合うようにして互いに間隔をあけて向い合わせて１相分の主回路構成部品３０２を構成し、Ｕ，Ｖ，Ｗ３相分の主回路構成部品３０２を間隔をあけて半導体モジュール１００それぞれの並ぶ方向に配置する。そして、半導体モジュール１００の並びの両端に位置する半導体モジュールそれぞれの外側の側面に素子冷却器２０を密着して取付け、また、隣り合う主回路構成部品３０２間の間隙にも素子冷却器２０を配置し、その両側に隣り合う主回路構成部品３０２それぞれの半導体モジュール１００の側面を共に密着させている。
【００５５】
Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品３０２において、第２の主回路端子をなすコレクタ端子４間を負荷側共通端子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗに接続している。また、３相分の主回路構成部品３０２の片側に列をなす第１の主回路端子をなすエミッタ端子３の列を正（Ｐ）側共通端子３２に接続し、反対の片側に列をなすエミッタ端子３の列を負（Ｎ）側共通端子３３に接続している。さらに、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品３０２において、コレクタ端子４間に設けた負荷側共通端子３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗと対向するように、Ｐ側共通端子３２、Ｎ側共通端子３３の裏面側の各位置に平滑コンデンサ２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗを設けている。そして、３相分の主回路構成部品３０２それぞれの半導体モジュール１００の低圧信号端子群なるゲート端子１、保護信号端子２については、プリドライブ回路３１０に接続するようにしている。
【００５６】
この第９の実施の形態の電力変換回路４０６では、同じ構成の半導体モジュール１００を必要な相数分だけ用いて主回路を構成することができる。また、この電力変換回路４０６を１組とし、これを図７に示す第７の実施の形態のように複数組並列に接続することによって設計上必要とされる容量の電力変換回路を自在に構成できる。加えて、本実施の形態では、個々の半導体モジュール１００から見て冷却機器及び他の半導体モジュール１００との配置構造の非対称性を低減させて温度分布のバラツキを低減させることができる。
【００５７】
（第１０の実施の形態）次に、本発明の第１０の実施の形態の半導体モジュール１０１について、図１０を用いて説明する。本実施の形態の半導体モジュール１０１は、図１に示した第１の実施の形態の半導体モジュール１００に対して、スイッチング素子とフリーホイールダイオードとをモールドした樹脂モールド部１０の構造は同じであるが、端子の配置が異なっており、一つの側面から主回路端子群３，４は短く、信号端子群１，２は長く突出させている。この端子群の配列について説明すると、１はゲート端子、２は保護信号端子である。そして、３は第１の主回路端子をなすエミッタ端子、４は第２の主回路端子をなすコレクタ端子である。エミッタ端子３は平滑コンデンサとの接続のために、コレクタ端子４よりも長めの突出長にしてある。
【００５８】
この第１０の実施の形態の半導体モジュール１０１は、後述するように図１１に示すように２対１組にして、必要な容量Ｍと相ＮのＭ×Ｎだけマトリクスに配列し、プレート状のバスバーを利用して接続を行い、電力変換回路４１０を構成するために用いることができる。
【００５９】
（第１１の実施の形態）次に、本発明の第１１の実施の形態の電力変換回路４１０について、図１１を用いて説明する。本実施の形態の電力変換回路４１０は、図１０に示した半導体モジュール１０１の２体を向い合わせにして１組の半導体モジュール組体とし、４組を並列に配列し、各組の半導体モジュール１０１の間に長尺の素子冷却器２０を密着するように介在させたものを１相分の主回路構成部品２１０とし、これをＵ，Ｖ，Ｗ３相分平行に配置している。
【００６０】
そして、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の主回路構成部品２１０には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相バスバー４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗそれぞれが配設され、各半導体モジュール１０１から短めに突出している第２の主回路端子であるコレクタ端子４を両側からそれぞれの側縁部に接続している。
【００６１】
また、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の片方の半導体モジュール１０１の列のエミッタ端子３のすべてをプレート状の正（Ｐ）側バスバー４２にて接続し、各相の他の片方の半導体モジュール１０１の列のエミッタ端子３のすべてをプレート状の負（Ｎ）側バスバー４３にて接続している。ただし、図１１においてＰ側バスバー４２がＮ側バスバー４３よりも上側（外側）に位置するため、所定位置のエミッタ端子３それぞれがＮ側バスバー４３に接触せずにそれを貫通し、Ｐ側バスバー４２にだけ接触するように、Ｎ側バスバー４３の該当箇所それぞれには穴があけてある。また、Ｐ側バスバー４２、Ｎ側バスバー４３それぞれには、低圧の制御信号端子群１，２が貫通するように該当箇所に同様に穴があけてある。なお、実施の形態では、これらは共通の穴４５としている。この穴４５各々から長く突出する信号端子群１，２に対しては、プリドライブ回路を接続することになる。
【００６２】
このような構成の第１１の実施の形態の電力変換回路４１０では、第１０の実施の形態の半導体モジュール１０１を必要とされる容量に対応した組数Ｍだけ並列に並べ、また主回路の相分Ｎだけ平行に並べる配列によって設計上必要とされる容量、相数に対応した電力変換回路を自在に構成することができる。
【００６３】
（第１２の実施の形態）次に、本発明の第１２の実施の形態の半導体モジュール組体２１１について、図１２を用いて説明する。本実施の形態の半導体モジュール組体２１１は、図１０に示した第１０の実施の形態の半導体モジュール１０１の２体を向い合わせにし、その間に素子冷却器２０を介在させ、これらの全体をＣ形バネ２７で挟み込んで一体的に固定した構造を特徴とする。
【００６４】
この構成の第１２の実施の形態の半導体モジュール組体２１１では、容量を大きくするために並列回路数を増やすほど複雑になり製作が難しくなる電力変換回路の製作を、この組体２１１を単位として必要個数だけ配列し、例えば図１３に示したような電力変換回路４１１を製作する作業が容易となる。
【００６５】
この図１３に示す電力変換回路４１１は、図１２に示した半導体モジュール組体２１１を８組を並列に配列したものを１相分の主回路構成部品３１１とし、これをＵ，Ｖ，Ｗ３相分平行に配置して構成してある。図１３において、２６は平滑コンデンサであり、４２はプレート状のＰ側バスバー、４３はプレート状のＮ側バスバー、４１は各相の負荷側共通端子板、３１０はプリドライブ回路を示している。
【００６６】
なお、本発明は上記の各実施の形態に限定されることはなく、特に、樹脂モールド部１０から突出させる端子としては、基本的にスイッチング素子の入出力端子数の３本だけでよいが、樹脂モールド部にさらに保護回路を埋め込む構造の場合にはその保護回路用の端子も増設されることになる。また、端子の突出長については、半導体モジュールの製造時には同じ長さにして、用途に応じて各端子を適切な長さに切断したり屈曲させたりする後加工を行うようにしてもよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明の半導体モジュールによれば、スイッチング素子の信号端子をドライブ装置を構成するために都合の良い位置に、また必要な個数だけ配置することができ、設計上要求される容量のドライブ装置の構成が簡単にできる。
【００６８】
請求項２の発明の半導体モジュール組体によれば、請求項１の半導体モジュールを必要個数並列させ、素子冷却器と共に組むことによって構成されるもので、共通の半導体モジュールを適数個用いることで設計上必要とされる相数、容量の主回路構成部品や電力変換回路を自在に構成することができる。
【００６９】
請求項３の発明の主回路構成部品によれば、請求項１の半導体モジュールの必要個数を２列に並列させ、列間に素子冷却器を配置した構成で電力変換回路の１相分を組むことができ、共通の半導体モジュールを適数個用いることで設計上必要とされる相数、容量の主回路構成部品や電力変換回路を自在に構成することができる。
【００７０】
請求項４〜６の発明の電力変換回路によれば、これを単位回路として複数組並設することによって必要とされる容量の電力変換回路を自在に構成することができる。また、半導体モジュールの並びの端位置の両端に位置する半導体モジュールそれぞれに外側にも素子冷却器を取付けることによって各半導体モジュールの冷却を均等に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体モジュールの正面図及び側面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態の半導体モジュール組体の斜視図。
【図３】本発明の第３の実施の形態の主回路構成部品の斜視図。
【図４】本発明の第４の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図５】本発明の第５の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図６】本発明の第６の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図７】本発明の第７の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図８】本発明の第８の実施の形態の電力変換回路の正面図。
【図９】本発明の第９の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図１０】本発明の第１０の実施の形態の半導体モジュールの斜視図。
【図１１】本発明の第１１の実施の形態の電力変換回路の斜視図。
【図１２】本発明の第１２の実施の形態の半導体モジュール組体の斜視図。
【図１３】本発明の第１２の実施の形態の半導体モジュール組体を用いて構成した電力変換回路の分解斜視図。
【符号の説明】
１ ゲート端子
２ 保護信号端子
３ エミッタ端子
４ コレクタ端子
１０ 樹脂モールド部
１１ 電源側共通端子
１２ 負荷側共通端子
２０ 素子冷却器
２１ 負荷側共通端子
２２ 電源側共通端子
２３ 電源側共通端子
２６Ｕ，２６Ｖ，２６Ｗ 平滑コンデンサ
２７ Ｃ形バネ
３１Ｕ，３１Ｖ，３１Ｗ 負荷側共通端子
３２ 正（Ｐ）側共通端子
３３ 負（Ｎ）側共通端子
３４ 正（Ｐ）側バス
３５ 負（Ｎ）側バス
４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗ 負荷側共通端子板
４２ 正（Ｐ）側バスバー
４３ 負（Ｎ）側バスバー
４５ 穴
１００ 半導体モジュール
１０１ 半導体モジュール
２０１ 半導体モジュール組体
２１１ 半導体モジュール組体
３００ 主回路構成部品
３０２ 主回路構成部品
３０１ 主回路構成部品
３１０ ブリッジドライブ回路
３１１ 主回路構成部品
４００ 電力変換回路
４０１ 電力変換回路
４０２ 電力変換回路
４０３ 電力変換回路
４０５ 電力変換回路
４０６ 電力変換回路
４１０ 電力変換回路
４１１ 電力変換回路
Claims (6)
- 電力変換回路用の主回路素子としての第１の主回路端子、第２の主回路端子及び制御信号端子を有するスイッチング素子とフリーホイールダイオードとを共通の基板にマウントし樹脂モールドして直方体状の樹脂モールド部を形成し、前記スイッチング素子の第１の主回路端子及び第２の主回路端子を前記樹脂モールド部の一側面において当該側面に垂直な方向に突出させて成る半導体モジュールであって、
前記第１の主回路端子と第２の主回路端子との突出位置は前記一側面においてそのいずれの辺に対しても平行に並ばない互い違いにずらした位置とし、かつ、前記第１の主回路端子を前記第２の主回路端子よりも長い突出長にし、
前記制御信号端子を前記樹脂モールド部の前記一側面とは反対の側面から当該反対の側面に垂直な方向に突出させたことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項１に記載の半導体モジュールを複数体、同じ姿勢で並列させ、
前記複数体の半導体モジュール各々の樹脂モールド部の前記端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面に対して、共に密着するように素子冷却器を取付け、
前記複数体の半導体モジュール各々の第１の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる電源側共通端子に接続し、第２の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる負荷側共通端子に接続して成る半導体モジュール組体。 - 請求項１に記載の半導体モジュールの４個以上の偶数体を２列に、前記樹脂モールド部の端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面が向い合うようにして互いに向い合わせに並列させ、
前記２列に並んだ半導体モジュールの列間に素子冷却器を配置し、全半導体モジュールの樹脂モールド部の内側側面を密着させ、
各列の半導体モジュール各々の前記第１の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる第１の共通端子に接続し、
前記２列に並んだ半導体モジュール全部の前記第２の主回路端子同士をこれらに対して垂直に延びる第２の共通端子に接続して成る主回路構成部品。 - 請求項１に記載の半導体モジュールの２体を、前記樹脂モールド部の端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面が向い合うようにして互いに向い合わせ、当該２体の半導体モジュール間に素子冷却器を配置して両半導体モジュールの樹脂モールド部の内側側面を密着させて１相分の主回路構成部品を構成し、
前記主回路構成部品の複数組を、各組の半導体モジュールが背中合わせになるように配置し、
前記複数組の主回路構成部品の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を負側共通端子に接続し、
前記複数組の主回路構成部品の他の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を正側共通端子に接続し、
前記複数組の主回路構成部品それぞれにおいて、前記第２の主回路端子間を負荷側共通端子に接続して成る電力変換回路。 - 請求項１に記載の半導体モジュールの２体を、前記樹脂モールド部の端子群の突出している一側面に隣接する他の側面であって、当該他の側面に対する前記第１の主回路端子からの直線距離よりも前記第２の主回路端子からの直線距離の方が短い側の側面が向い合うようにして互いに間隔をあけて向い合わせて１相分の主回路構成部品を構成し、
前記主回路構成部品の複数組を間隔をあけて前記半導体モジュールそれぞれの並ぶ方向に配置し、
前記半導体モジュールの並びの両端に位置する半導体モジュールそれぞれの外側の側面に素子冷却器を密着して取付け、
隣り合う主回路構成部品間の間隙に素子冷却器を配置し、その両側面に当該隣り合う主回路構成部品それぞれの半導体モジュールの側面を共に密着させ、
前記複数組の主回路構成部品の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を負側共通端子に接続し、
前記複数組の主回路構成部品の他の片側に列をなす一群の第１の主回路端子を正側共通端子に接続し、
前記複数組の主回路構成部品それぞれにおいて、前記第２の主回路端子間を負荷側共通端子に接続して成る電力変換回路。 - 前記複数組の主回路構成部品それぞれにおいて、前記負荷側共通端子とは干渉しない位置において、前記負側共通端子と正側共通端子との間に平滑コンデンサを配置したことを特徴とする請求項４又は５に記載の電力変換回路。
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