JP4506848B2 - 半導体モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、互いに並列接続された複数のスイッチング用半導体素子と、該複数のスイッチング用半導体素子に逆並列接続された少なくとも１個の還流用半導体素子とを一体化してなる半導体モジュールに関する。
例えば、内燃機関と電気モータとを駆動源として有するハイブリッド自動車や、電気モータを駆動源として有する電気自動車等においては、直流電力と交流電力との間において双方向に電力変換を行うために、大容量の電力変換装置が搭載されている。
かかる電力変換装置９４は、例えば、図７に示すごとく、直流電源４０１と三相交流の回転電機４０２との間に配線された昇圧コンバータ４１とインバータ４２とからなる。そして、直流電源４０１の直流電力を、昇圧コンバータ４１において昇圧した後、インバータ４２によって交流電力に変換して回転電機４０２に供給する。逆に、回転電機４０２において発電された交流電力を、インバータ４２において直流電力に変換し、その直流電力を昇圧コンバータ４１において降圧し、直流電源４０１に回生する。
インバータ４２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング用半導体素子９２を含むアームを６個設けてなる。これらのアームのうちの２個ずつが互いに直列接続されており、直列接続されたアームの一方（上アーム４２１）が直流電源４０１の正極側、他方（下アーム４２２）が負極側に接続されている。このように直列接続された上アーム４２１と下アーム４２２とからなる直列回路が３個形成されており、各直列回路における上アーム４２１と下アーム４２２との間の接点が、回転電機４０２のＵ相電極、Ｖ相電極、W相電極のそれぞれに接続されている。
また、昇圧コンバータ４１は、互いに直列接続された上アーム４１１及び下アーム４１２と、これらの接続点と直流電源４０１の正極との間に接続されたリアクトル４１３とを有する。
インバータ４２及び昇圧コンバータ４１における各アームは、スイッチング用半導体素子９２と、これに逆並列接続された還流用半導体素子９３とからなる。そして、図８に示すような、一つのスイッチング用半導体素子９２と一つの還流用半導体素子９３とをモジュール化した、一つの半導体モジュール９によって、各アームを構成することができる（特許文献１）。
ところが、自動車等に用いる電力変換装置９４においては、各アームを構成する各半導体モジュール９に大電流が流れる。そのため、これに対応して、図９に示すごとく、各アームを、互いに並列接続された複数の半導体モジュール９によって構成し、大電流を分散させている。
しかしながら、各アームを、並列接続された複数の半導体モジュール９によって構成すると、図１０に示すごとく、半導体モジュール９の配設個数が増加し、電力変換装置９４の体格が大きくなるという問題がある。すなわち、例えば、各アームを２個の半導体モジュール９によって構成すれば、半導体モジュール９の数は二倍となり、これらを冷却管５と共に積層配置してなる電力変換装置９４の体格も、積層方向に二倍近く拡大してしまう。
そこで、二つの半導体モジュール９を一体化して、一つの半導体モジュールとすることが考えられる。すなわち、互いに並列接続された複数のスイッチング用半導体素子９２と、互いに並列接続された複数の還流用半導体素子９３とを、一つの半導体モジュールに内蔵することが考えられる。
しかし、複数のスイッチング用半導体素子９２が半導体モジュール９内において隣接配置されると、電流が同時に流れ、同時に発熱することとなる複数のスイッチング用半導体素子９２が互いに隣接することとなり、互いの温度上昇が増大してしまうという問題がある。
そこで、特許文献２においては、スイッチング用半導体素子９２と還流用半導体素子９３とを交互に配置して、スイッチング用半導体素子９２同士が互いに隣接しない配置としている。
特開２００１−３０８２３７号公報 特開平１１−１０３０１２号公報
しかしながら、電力変換装置９４においては、力行時には主にスイッチング用半導体素子９２に電流が流れ、回生時には主に還流用半導体素子９３に電流が流れるが、一般に力行時におけるスイッチング用半導体素子９２の発熱量が、回生時における還流用半導体素子９３の発熱量よりも大きくなりやすい。また、回生時においても、スイッチング用半導体素子９２にはある程度の電流が流れ、その発熱量は、力行時における還流用半導体素子９３の発熱量よりも大きくなりやすい。
それゆえ、力行時及び回生時を全体的にみて、還流用半導体素子９３よりもスイッチング用半導体素子９２の方が発熱量が大きくなりやすい。
かかる観点から、半導体モジュール９においては、スイッチング用半導体素子９２が両端部に配置されていること、すなわち、スイッチング用半導体素子９２が両側から還流用半導体素子９３に挟まれない配置とすることが、熱的に有利である。これに対して、上記特許文献２の発明においては、スイッチング用半導体素子９２と還流用半導体素子９３との配列における一方の端部には、還流用半導体素子９３が配置されている。そして、上記配列の他方の端部に配されたもの以外のスイッチング用半導体素子９２は、還流用半導体素子９３によって挟まれた配置となっている。それゆえ、半導体モジュール９の放熱性が充分であるとは言えない。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュールを用いた装置の小型化を可能とし、放熱性に優れた半導体モジュールを提供しようとするものである。
本発明は、互いに並列接続された２個のスイッチング用半導体素子と、該２個のスイッチング用半導体素子に逆並列接続された１個の還流用半導体素子とを一体化してなる半導体モジュールであって、
上記還流用半導体素子は、上記２個のスイッチング用半導体素子の間に配置され、これら２種類の半導体素子の配列方向の両端部に、上記スイッチング用半導体素子が配置され、
上記半導体モジュールは、上記２個のスイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子を内蔵した正面視長方形状の本体部を有し、上記スイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子は、これらの長手方向を上記本体部の短辺と平行な方向に配置してあり、
上記２個のスイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子は、一対の放熱板によって挟持され、
上記２個のスイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子における一方の主面には、上記放熱板との間に介在した熱伝導性及び導電性を有するスペーサが積層されており、
上記２個のスイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子と、上記スペーサと、上記一対の放熱板との積層体は、樹脂によってモールドされることにより、上記本体部を構成しており、
該本体部の上記長方形状の一方の長辺を構成する一方の端面から、上記一対の放熱板にそれぞれ電気的に接続された一対の電極端子が突出し、
上記本体部の上記長方形状の他方の長辺を構成する他方の端面から、上記スイッチング用半導体素子を制御する制御回路基板に接続するための信号端子が突出し、
上記２個のスイッチング用半導体素子と上記還流用半導体素子との配列方向は、これらの主面の法線方向と上記電極端子の突出方向及び上記信号端子の突出方向とに直交する方向であることを特徴とする半導体モジュールにある（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、互いに並列接続された複数のスイッチング用半導体素子を内蔵している。それゆえ、複数のスイッチング用半導体素子を並列接続した回路を有する電力変換装置等の装置において、部品点数を少なくすることができ、小型化を実現することが容易となる。
また、上記還流用半導体素子が、上記複数のスイッチング用半導体素子の間に配置されている。すなわち、並列接続された複数のスイッチング用半導体素子は、互いに隣接することなく配置されている。そのため、同時に電流が流れて発熱する複数のスイッチング用半導体素子が、互いに影響し合って温度上昇することを抑制することができる。
また、これら２種類の半導体素子の配列方向の両端部に上記スイッチング用半導体素子が配置されている。すなわち、スイッチング用半導体素子は、還流用半導体素子によって両側から挟まれない配置となっている。そのため、温度上昇しやすいスイッチング用半導体素子からの放熱を効率的に行うことができる。その結果、半導体モジュール全体として、温度上昇を抑制することができる。
以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュールを用いた装置の小型化を可能とし、放熱性に優れた半導体モジュールを提供することができる。
本発明（請求項１）において、上記スイッチング用半導体素子としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等を用いることができる。また、上記還流用半導体素子としては、例えばＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等を用いることができる。
また、上記半導体モジュールは、上記スイッチング用半導体素子を２個内蔵している。
これにより、この２個のスイッチング用半導体素子が、２種類の半導体素子の配列方向の両端部に配置されることとなり、半導体モジュールの放熱性をより向上させることができる。
また、上記半導体モジュールは、上記還流用半導体素子を１個内蔵している。
これにより、半導体モジュールの小型化を図ることができる。
また、上記半導体モジュールは、上記複数のスイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子を内蔵した正面視長方形状の本体部を有し、上記スイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子は、これらの長手方向を上記本体部の短辺と平行な方向に配置してある。
これにより、半導体モジュールの長手方向の長さを抑制することができ、半導体モジュール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半導体モジュールにつき、図１〜図４を用いて説明する。
本例の半導体モジュール１は、図１に示すごとく、互いに並列接続された２個のスイッチング用半導体素子２と、該２個のスイッチング用半導体素子２に逆並列接続された少なくとも１個の還流用半導体素子３とを一体化してなる。
還流用半導体素子３は、２個のスイッチング用半導体素子２の間に配置されている。これら２種類の半導体素子の配列方向の両端部に、スイッチング用半導体素子２が配置されている。
半導体モジュール１は、２個のスイッチング用半導体素子２及び還流用半導体素子３を内蔵した正面視長方形状の本体部１１を有する。スイッチング用半導体素子２及び還流用半導体素子３は、これらの長手方向を本体部１１の短辺１１１と平行な方向に配置してある。
なお、本例において、スイッチング用半導体素子２としてはＩＧＢＴを用い、還流用半導体素子３としてはＦＷＤ（フリーホイールダイオード）を用いる。
図２に示すごとく、半導体モジュール１は、２個のスイッチング用半導体素子２および１個の還流用半導体素子３を、一対の放熱板１２によって挟持した構成を有する。一方の放熱板１２は、スイッチング用半導体素子２及び還流用半導体素子３の一方の主面において半田１３によって接合されている。また、他方の放熱板１２は、半導体素子との間に熱伝導性及び導電性に優れたスペーサ１４を介在させている。スペーサ１４と放熱板１２との間、スペーサ１４と半導体素子との間は、半田１３によって接合されている。
そして、スイッチング用半導体素子２及び還流用半導体素子３と、スペーサ１４と、放熱板１２との積層体を樹脂によってモールドして、半導体モジュール１の本体部１１が形成されている。
一対の放熱板１２は、一対の電極端子１５にそれぞれ電気的に接続されていると共に、半導体モジュール１の両主面に露出している。電極端子１５は、半導体モジュール１の本体部１１における、半導体素子の配列方向に直交する方向の一方の端面から突出している。そして、その反対側の端面からは、スイッチング用半導体素子２を制御する制御回路に接続するための信号端子１６が突出している。
本例の半導体モジュール１は、図３に回路図を示す電力変換装置４におけるスイッチング用部品として用いられる。
電力変換装置４は、直流電源４０１と三相交流の回転電機４０２との間に配線された昇圧コンバータ４１とインバータ４２とからなる。そして、直流電源４０１の直流電力を、昇圧コンバータ４１において昇圧した後、インバータ４２によって交流電力に変換して回転電機４０２に供給する。逆に、回転電機４０２において発電された交流電力を、インバータ４２において直流電力に変換し、その直流電力を昇圧コンバータ４１において降圧し、直流電源４０１に回生する。
インバータ４２は、スイッチング用半導体素子２を含むアーム（上アーム４２１及び下アーム４２２）を６個設けてなる。これらのアームのうちの２個ずつが互いに直列接続されており、直列接続されたアームの一方（上アーム４２１）が直流電源４０１の正極側、他方（下アーム４２２）が負極側に接続されている。このように直列接続された下アーム４２２と上アーム４２１とからなる直列回路が３個形成されており、各直列回路における上アーム４２１と下アーム４２２との間の接点が、回転電機４０２のＵ相電極、Ｖ相電極、W相電極のそれぞれに接続されている。
また、昇圧コンバータ４１は、互いに直列接続された上アーム４１１及び下アーム４１２と、これらの接続点と直流電源４１の正極との間に接続されたリアクトル４１３とを有する。
昇圧コンバータ４１及びインバータ４２における各アーム（上アーム４１１、４２１、及び下アーム４１２、４２２）は、互いに並列接続された２個のスイッチング用半導体素子２と、これらに逆並列接続された還流用半導体素子３とからなる。すなわち、二つのスイッチング用半導体素子と一つの還流用半導体素子とをモジュール化した、一つの半導体モジュール１によって、各アームを構成している。
各アーム（各半導体モジュール１）においては、２個のスイッチング用半導体素子２が、そのコレクタ端子同士、エミッタ端子同士を接続してなる。そして、還流用半導体素子３のアノード端子が、スイッチング用半導体素子２のエミッタ端子に接続され、カソード端子が、コレクタ端子に接続されている。
また、２個のスイッチング用半導体素子２におけるベース端子には、それぞれ信号端子１６（図１）が接続されている。
昇圧コンバータ４１は、昇圧動作時においては、上アーム４１１の一対のスイッチング用半導体素子２をオフとし、下アーム４１２の一対のスイッチング用半導体素子２をオンオフ制御する。これにより、電流は、上アーム４１１の還流用半導体素子３と下アーム４１２のスイッチング用半導体素子２とを流れ、これらの半導体素子が発熱する。
一方、降圧動作時においては、上アーム４１１の一対のスイッチング用半導体素子２をオンオフ制御し、下アーム４１２の一対のスイッチング用半導体素子２をオフとする。これにより、電流は、上アーム４１１のスイッチング用半導体素子２と下アーム４１２の還流用半導体素子３とを流れ、これらの半導体素子が発熱する。
また、インバータ４２は、力行時には、各アームにおけるスイッチング用半導体素子２をオンオフ制御して、スイッチング用半導体素子２に電流が主に流れる。それゆえ、スイッチング用半導体素子２が主に発熱することとなる。
一方、回生時にも、各アームにおけるスイッチング用半導体素子２をオンオフ制御するが、還流用半導体素子３に主に電流が流れる。それゆえ、還流用半導体素子３が主に発熱することとなる。
このように、昇圧動作時、降圧動作時、力行時、回生時において、所定のスイッチング用半導体素子２あるいは還流用半導体素子３が発熱するが、いずれにおいても、同一アームにおいて並列接続された２個のスイッチング用半導体素子２は同時に発熱する。
しかし、昇圧動作時は下アーム４１２の半導体モジュール１の還流用半導体素子３は発熱しない。そして、降圧動作時は上アーム４１１の半導体モジュール１の還流用半導体素子３は発熱しない。
また、力行時は、スイッチング用半導体素子２と還流用半導体素子３との双方が発熱するものの、一般に、還流用半導体素子３の発熱量がスイッチング用半導体素子２の発熱量に較べて充分に小さくなる。これに対し、回生時は、スイッチング用半導体素子２と還流用半導体素子３との双方が発熱し、一般に、スイッチング用半導体素子２の発熱量は、還流用半導体素子３の発熱量に較べて若干少ないか、あるいは同等となる。
したがって、全体的に見て、スイッチング用半導体素子２の方が、還流用半導体素子３よりも発熱量が大きくなりやすい。
また、図４に示すごとく、半導体モジュール１の両主面には、内部に冷却媒体を流通させる冷却管５が密着配置され、これにより、半導体モジュール１の冷却を行っている。図示は省略したが、半導体モジュール１と冷却管５との間には、熱伝導性を有する絶縁材を介在させている。
一対の冷却管５の間には、互いに直列接続された上下アームを構成する一対の半導体モジュール１が挟持されている。
冷却管５は、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属からなり、その長手方向の両端に、冷却媒体を導入する冷媒入口５４１と、冷却媒体を排出する冷媒出口５４２とが形成されている。
冷却管５は、図４に示すごとく、複数本、互いの間に間隔を設けながら積層配置されており、隣り合う冷却管５同士は、冷媒入口５４１および冷媒出口５４２において、それぞれ連結管５０１によって連結されている。そして、隣り合う冷却管５の間に、半導体モジュール１が挟持されており、半導体モジュール１の両主面を、冷却管５に密着させている。
また、積層方向の一端に配置される冷却管５には、複数の冷却管５の積層体の内部に冷却媒体を導入するための冷媒導入管５０２と、冷却媒体を排出する冷媒排出管５０３が設けられている。
これにより、冷媒導入管５０２から導入された冷却媒体は、適宜連結管５０１を通じて各冷却管５の冷媒流路に分配され、流通する。この間に、冷却媒体は、半導体モジュール１との間で熱交換を行う。そして、半導体モジュール１との熱交換によって温度上昇した後の冷却媒体は、適宜連結管５０１を通じて冷媒排出管５０３から排出される。
次に、本例の作用効果につき説明する。
上記半導体モジュール１は、互いに並列接続された複数のスイッチング用半導体素子２を内蔵している。それゆえ、複数のスイッチング用半導体素子２を並列接続した回路を有する電力変換装置４において、部品点数を少なくすることができ、小型化を実現することが容易となる。
また、上記還流用半導体素子３が、複数のスイッチング用半導体素子２の間に配置されている。すなわち、並列接続された複数のスイッチング用半導体素子２は、互いに隣接することなく配置されている。そのため、同時に電流が流れて発熱する複数のスイッチング用半導体素子２が、互いに影響し合って温度上昇することを抑制することができる。
また、これら２種類の半導体素子の配列方向の両端部に、スイッチング用半導体素子２が配置されている。すなわち、スイッチング用半導体素子２は、還流用半導体素子３によって両側から挟まれない配置となっている。そのため、温度上昇しやすいスイッチング用半導体素子２からの放熱を効率的に行うことができる。その結果、半導体モジュール１全体として、温度上昇を抑制することができる。
また、各半導体モジュール１には、還流用半導体素子３が１個内蔵されているのみである。したがって、図３に示すごとく、各アームにおいて、還流用半導体素子３を１個としている。これにより、半導体モジュール１の小型化を図ることができる。
また、図１に示すごとく、半導体モジュール１の本体部１１において、スイッチング用半導体素子２及び還流用半導体素子３は、これらの長手方向を本体部１１の短辺１１１と平行な方向に配置している。そのため、半導体モジュール１の長手方向の長さを抑制することができ、半導体モジュール１の小型化を図ることができる。
以上のごとく、本例によれば、半導体モジュールを用いた装置の小型化を可能とし、放熱性に優れた半導体モジュールを提供することができる。
（参考例）
本例は、図５に示すごとく、還流用半導体素子３を複数個内蔵している半導体モジュール１の参考例である。
スイッチング用半導体素子２は、本体部１１の長手方向の両端部に一対形成されている。この一対のスイッチング用半導体素子２の間に、２個の還流用半導体素子３が、本体部１１の短手方向に配列している。
そして、スイッチング用半導体素子２は、その長手方向を本体部１１の短辺１１１と平行な方向に配置している。また、２個の還流用半導体素子３は、本体部１１の短辺１１１と平行な方向に配列している。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合には、半導体モジュール１は、還流用半導体素子３を複数個内蔵しているため、還流用半導体素子２の温度上昇を抑制して、半導体モジュール１の放熱性を向上させることができる。
また、スイッチング用半導体素子２は、その長手方向を本体部１１の短辺１１１と平行な方向に配置し、複数の還流用半導体素子３は、本体部１１の短辺１１１と平行な方向に配列してあるため、半導体モジュール１の長手方向の長さを抑制することができ、半導体モジュール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。
（比較例）
本例は、図６に示すごとく、スイッチング用半導体素子８２と還流用半導体素子８３との大きさをそれぞれ拡大した半導体モジュール８の例である。
すなわち、電力変換装置によって制御する電流の大電流化に対応して、各アームを構成するスイッチング用半導体素子８２および還流用半導体素子８３を大容量化することが考えられる。
しかしながら、スイッチング用半導体素子８２および還流用半導体素子８３を大容量化するということは、その大きさを大きくすることとなり、これらの素子を製造する際の歩留まりが大幅に低下することとなる。その結果、半導体モジュール８のコストアップ、ひいては電力変換装置のコストアップにつながる。
また、スイッチング用半導体素子８２および還流用半導体素子８３における発熱が、それぞれ一箇所に集中することとなる。そのため、特に力行時におけるスイッチング用半導体素子８２の温度上昇を抑制することが困難となる。
これに対し、本発明（実施例１）の半導体モジュール１は、素子の大きさを大きくすることなく、複数のスイッチング用半導体素子２を一つの半導体モジュール１に内蔵すると共に、素子の配列の両端部にスイッチング用半導体素子２を配置したものであるため、放熱性の向上と小型化との両立を図ることができる。
実施例１における、半導体モジュールの斜視図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 実施例１における、電力変換装置の平面図。 参考例における、半導体モジュールの斜視図。 比較例における、半導体モジュールの斜視図。 従来例における、電力変換装置の回路図。 従来例における、半導体モジュールの斜視図。 従来例における、電力変換装置の回路図。 従来例における、電力変換装置の平面図。
符号の説明
１ 電力変換装置
２ スイッチング用半導体素子
３ 還流用半導体素子

Claims (1)

  1. 互いに並列接続された２個のスイッチング用半導体素子と、該２個のスイッチング用半導体素子に逆並列接続された１個の還流用半導体素子とを一体化してなる半導体モジュールであって、
    上記還流用半導体素子は、上記２個のスイッチング用半導体素子の間に配置され、これら２種類の半導体素子の配列方向の両端部に、上記スイッチング用半導体素子が配置され、
    上記半導体モジュールは、上記２個のスイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子を内蔵した正面視長方形状の本体部を有し、上記スイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子は、これらの長手方向を上記本体部の短辺と平行な方向に配置してあり、
    上記２個のスイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子は、一対の放熱板によって挟持され、
    上記２個のスイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子における一方の主面には、上記放熱板との間に介在した熱伝導性及び導電性を有するスペーサが積層されており、
    上記２個のスイッチング用半導体素子及び上記還流用半導体素子と、上記スペーサと、上記一対の放熱板との積層体は、樹脂によってモールドされることにより、上記本体部を構成しており、
    該本体部の上記長方形状の一方の長辺を構成する一方の端面から、上記一対の放熱板にそれぞれ電気的に接続された一対の電極端子が突出し、
    上記本体部の上記長方形状の他方の長辺を構成する他方の端面から、上記スイッチング用半導体素子を制御する制御回路基板に接続するための信号端子が突出し、
    上記２個のスイッチング用半導体素子と上記還流用半導体素子との配列方向は、これらの主面の法線方向と上記電極端子の突出方向及び上記信号端子の突出方向とに直交する方向であることを特徴とする半導体モジュール。
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