JP6266544B2

JP6266544B2 - インバータモジュール

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Publication number: JP6266544B2
Application number: JP2015011321A
Authority: JP
Inventors: 伊東　弘晃; 弘晃伊東; 田多　伸光; 伸光田多; 大部　利春; 利春大部; 関谷　洋紀; 洋紀関谷
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2015-01-23
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: JP2016136583A

Description

本発明の実施形態は、インバータモジュールに関する。

例えば電気自動車等の分野において、インバータ装置（インバータモジュール）の小型化及び信頼性向上が要求されている。インバータジュールの小型化、信頼性向上のためには、半導体チップおよび電力変換器について、冷却効率を高めることが必要となる。

インバータ装置において、例えば、半導体チップであるＩＧＢＴ（Insulated gate bipolar transistor）及びダイオードと、半導体チップの両面の電極に接合される接合面を有する第１導体、第２導体、及び第３導体と、これらの導体に接合される伝熱面を有する冷却器と、を備える構造が知られている。

たとえば、第１導体には１相の上アームを構成するＩＧＢＴおよびダイオードの正極側が接合される。第２導体には１相の下アームを構成するＩＧＢＴおよびダイオードの負極側が接合される。第３導体は、第１導体と第２導体の間に配される。第３導体には、上アームを構成するＩＧＢＴおよびダイオードの負極側と、下アームを構成するＩＧＢＴおよびダイオードの正極側が接合される。導体と半導体素子との接合面は、冷却器と導体との接合面である伝熱面に対して垂直に配置されている。また、冷却部との接合面積のさらなる向上を図るために、例えば各導体の上下両面に冷却器を配置する構成のインバータモジュールも提案されている。

各導体はブロック状の金属で構成され、大きな熱容量を有するため、半導体チップの短時間発熱時における温度上昇を抑制することが可能となる。

インバータモジュールにおいて、冷却効率向上のために冷却面積を拡大すると、体積増加に直結することになる。また、冷却面積を拡大するために導体の半導体チップとの接合面に垂直な辺の長さ（導体幅）を長くすると、冷却器に至るまでの伝熱経路が長くなる。

特開２００７−６８３０２号公報特開２００７−６７２２０号公報

本発明が解決しようとする課題は、過渡温度特性を低く抑えながら体積を削減することができるインバータモジュールを提供することである。

実施形態にかかるインバータモジュールは、一対の冷却部と、一対の冷却部の間に配置される第１及び第２の導体と、第１及び第２の導体の間に配置される半導体チップと、を備える。前記第１及び第２の導体の前記第２方向における長さが４ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。前記第１の導体及び前記第２の導体は、一対の前記伝熱面を通る最小の断面の面積が２４０ｍｍ^２以下に構成される。前記第１及び第２の導体は、一対の前記伝熱面の間の長さが、前記半導体チップの長さよりも長い。一対の前記伝熱面の間の長さと、前記半導体チップの長さとの差が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲である。

第１実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す斜視図。同インバータモジュールの構成を示す分解斜視図。同インバータモジュールの構成を示す正面図。同インバータモジュールの半導体チップの上昇温度の変化を示すグラフ。同インバータモジュールと比較例１にかかるインバータモジュールの導体幅と定常上昇温度の関係を示すグラフ。同インバータモジュールの導体高さ差と定常上昇温度の関係を示すグラフ。同インバータモジュールの導体高さ差と過渡上昇温度の関係を示すグラフ。同インバータモジュールの導体高さ差と過渡温度特性指標の関係を示すグラフ。同インバータモジュールの導体高さ差と過渡温度特性指標／導体高さ比の関係を示すグラフ。同インバータモジュールの導体高さ差と過渡温度特性指標／導体高さ比の関係を示すグラフ。同インバータモジュールの導体高さ差と導体幅の設計範囲を示すグラフ。比較例１における導体高さ差と過渡温度特性指標／導体高さ比の関係を示すグラフ。第２実施形態に係るインバータモジュールの構成を示す分解斜視図。同インバータモジュールの構成を示す正面図。同インバータモジュールの一部構成を示す平面図。第３実施形態に係るインバータモジュールの一部構成を示す平面図。

[第１実施形態]
以下、本発明の第１実施形態に係るインバータモジュール１の構成について、図１乃至図１２を参照して説明する。また、各図において説明の便宜上、適宜構成を拡大、縮小または省略して示している。図中矢印Ｙ，Ｚ，Ｘは互いに直交する３方向をそれぞれ示している。ここで、半導体チップ群１２と導体１５，１６との接合面に垂直なＹ方向を幅方向、冷却部１７，１８と導体１５，１６との接合面である伝熱面に垂直なＺ方向を高さ方向、とし、導体のＹ方向の長さを導体幅Ｗ、Ｚ方向の長さを導体高さＨ１と定義する。

図１はインバータモジュール１の構造を示す斜視図であり、図２は分解斜視図、図３は正面図である。

インバータモジュール１は、少なくとも１つの半導体チップを有する半導体チップ群１２と、半導体チップ群１２の両側に配される第１及び第２の導体１５，１６と、第１及び第２の導体１５，１６の上下に配される第１及び第２の冷却部１７，１８と、を備える。

半導体チップ群１２は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ１３およびダイオード１４を備える。ダイオード１４は、ＩＧＢＴ１３に対して逆並列接続されている。ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４の外形状は、例えば４辺の長さが約１０ｍｍ程度、厚さ0.1ｍｍ〜0.2ｍｍ程度の矩形の板状に構成されている。ＩＧＢＴ１３およびダイオード１４は厚さ方向がインバータモジュール１の幅方向に沿う縦型配置であり、両主面に電極を有している。Ｙ方向一方の主面は第１の導体１５にはんだによって接合され、他方の主面は第２の導体１６にはんだによって接合されている。

第１の導体１５および第２の導体１６は、導電性金属である銅もしくは銅合金から直方体の形成されたバスバーである。第１の導体１５及び第２の導体１６は、同形状に構成される。

第１の導体１５及び第２の導体１６は、半導体チップ群１２を挟んで対向配置され、半導体チップ群１２の両面に接合され、少なくとも伝熱可能に接続されている。第１の導体１５には、半導体チップ群１２の正極側が電気的かつ機械的に接合されている。第２の導体１６には、半導体チップ群１２の負極側が電気的かつ機械的に接合されている。したがって、第１の導体１５は正側導体として正電極を形成し、第２の導体１６は負側導体として負電極を形成する。

第１の導体１５と第２の導体１６の上下面に、第１の冷却部１７及び第２の冷却部１８がそれぞれ当接し、熱的に接続されている。

第１の冷却部１７と、第２の冷却部は上下に対向配置され、対向する伝熱面を有している。第１の冷却部１７及び第２の冷却部１８の両伝熱面の間に、第１の導体１５及び第２の導体１６が設けられている。

第１の冷却部１７及び第２の冷却部１８は、放熱器２０と、電気的な絶縁を確保するための絶縁部２１と、ベース部２２と、を備えて構成される。

放熱器２０は、たとえばアルミ合金により形成され、複数の放熱フィンを有する。

絶縁部２１は、エポキシ系樹脂等の絶縁材料により、第１及び第２の導体１５，１６のＺ方向端面に対応する矩形の板状に構成されている。ベース部２２は例えば銅合金若しくはアルミ合金等の材料から絶縁部２１と同様に第１及び第２の導体１５，１６のＺ方向端面に対応する矩形の板状に構成されている。

第１の導体１５及び第２の導体１６のＺ方向両端面にそれぞれ絶縁部２１が接合される。図中上側の絶縁部２１の上面及び下側の絶縁部２１の下面にベース部２２がそれぞれ接合される。上側のベース部２２の上面及び下側のベース部２２の下面に放熱器２０がそれぞれ接合される。

半導体チップ群１２により生じた熱は、両主面に接合された第１の導体１５および第２の導体１６を介して、それぞれ各導体１５，１６のＺ方向両側の２面に接合された絶縁部２１、ベース部２２、を介して、放熱器２０に伝達され、半導体チップ群１２が冷却される。

図４乃至図１１を参照して、本実施形態にかかるインバータモジュール１の特性及び寸法設定について、説明する。

図３に示すように、導体高さ差Ｈ３は導体高さＨ１から半導体チップ群１２の同方向の長さＨ２を引いた差としている。導体高さＨ１は、一対の伝熱面１７ａ，１８ａの間の長さである。導体高さ差Ｈ３は、半導体チップ群１２と伝熱面１７ａとの間の間隙Ｈ４と、半導体チップ群１２と伝熱面１８ａとの間の間隙Ｈ５の合計である。また、導体の断面積とは、奥行き方向（Ｘ）に直交する面、すなわち、上下の伝熱面を通り断面積が最小になる導体１５，１６の断面（ＹＺ平面）の、面積を示す。

図４は、第１の導体１５及び第２の導体１６の両側に冷却部１７，１８をそれぞれ配置した構成のインバータモジュール１と、一対の導体の１面（下面）にのみ冷却部を配置した比較例１に係るインバータモジュール１Ａと、冷却部を２面に配するとともに比較例１と同等の定常上昇温度にするために導体幅を短くした比較例２にかかるインバータモジュール１Ｂの、半導体チップ群１２の発熱時の上昇温度における時間応答を示すグラフである。

図４は、半導体チップ群１２が一定熱量で発熱した際の、時間と半導体チップ群１２の上昇温度の関係を示しており、発熱後数秒時点での上昇温度である過渡上昇温度、及び発熱後一定時間経過後の最終的な上昇温度である定常上昇温度を表している。

ここで、例えば対象を電気自動車等のモータ駆動に用いるインバータにインバータモジュール１を適用した場合を考えると、アクセルペダルを踏んでから数秒程度の短時間での温度上昇が低い方が加速を大きくすることができる。また、モータの加速および高トルク出力時間として３秒程度が必要となることから、半導体チップ群１２の発熱から３秒時点での上昇温度である過渡上昇温度を低く抑えることが望ましい。したがって、過渡上昇温度と定常上昇温度との比を指標とする。

図４に示すように、インバータモジュール１，比較例１及び比較例２のいずれにおいても、発熱後数秒（ここでは約３秒）まで緩やかに温度上昇し、その後急激に温度上昇し、一定時間経過後に温度が安定する特性を示している。

一定時間経過後の最終的な上昇温度である定常上昇温度については、比較例１では３０Ｋ程度上昇しているのに対し、インバータモジュール１では１５Ｋ程度と約半分に抑えられている。

すなわち、インバータモジュール１では導体１５，１６のＺ方向における両側の表面に冷却部１７，１８を配置する構成とすることで、冷却面積を大きく確保することができ、かつ、半導体チップ群１２からそれぞれの冷却部までの伝熱経路を短くすることで、上昇温度を半分程度にまで抑えることができ、冷却効率を向上させることができることがわかる。

なお、冷却部を２面に配するとともに比較例１と同等の定常上昇温度にすべく導体幅を半分程度に短くした比較例２の場合、図４の一点鎖線のような特性となる。比較例２では、半導体チップ群１２の発熱後数秒時点における上昇温度である過渡上昇温度が高くなるという傾向が見られる。これは、導体の体積削減によって熱容量が十分ではなくなり過渡的な発熱を吸収できなくなるためである。

本実施形態では、電気自動車等のモータ駆動に用いるインバータにインバータモジュール１を適用した場合を考え、モータの加速および高トルク出力時間として３秒程度が必要となることから、半導体チップ群１２の発熱から３秒時点での上昇温度と定常上昇温度との比を指標とする。

本実施形態では、温度特性の指標を次の式（１）で規定する。この値が大きいほど定常上昇温度と過渡上昇温度の差が大きく、過渡的に温度上昇がしにくいインバータモジュール１ということができる。

過渡温度特性指標＝１−（過渡上昇温度／定常上昇温度） …（１）
なお、ここで３秒時点での上昇温度を過渡上昇温度と規定したが、この時間は限定されるものではなく、定常上昇温度に達する前の時点であれば任意の時間をとってもよい。

図５に、本実施形態にかかるインバータモジュール１と、比較例１に係るインバータモジュールにおいて、第１の導体１５および第２の導体１６の導体幅と半導体チップ群１２の定常上昇温度を示したグラフを示す。ここでは、各導体の他辺の長さが異なる複数の例の平均を代表として相関関数を導出することにより、導体幅の必要長さについての指針を得る。図５に示すように、全体として導体幅と定常上昇温度には、負の相関があることがわかる。

一般に、インバータモジュールを電気自動車等のインバータに適用する場合には、半導体チップの上昇温度は２０Ｋ〜４０Ｋの範囲で設計することが望ましい。その条件に照らし合わせると、図５より、比較例１の構成のインバータモジュール１Ａにおいては、導体幅は８ｍｍ〜１８ｍｍ程度以上の範囲で設計することが望ましいことがわかる。

本実施形態にかかるインバータモジュール１の構成では、２０Ｋ〜４０Ｋの範囲で設計する場合、冷却効率が向上することから、定常上昇温度のみを考慮すると、導体幅は４ｍｍ〜９ｍｍ程度以上の範囲で設計することが可能となり、比較例１の約半分の幅で構成することができる。

図６に、本実施形態にかかるインバータモジュール１において、導体高さと定常上昇温度の関係を示す。図７は、インバータモジュール１の導体高さ差Ｈ３と過渡上昇温度の関係を示すグラフである。図８はインバータモジュール１の導体高さ差Ｈ３と過渡温度特性指標の関係を示すグラフである。図６において、導体幅Ｗをそれぞれ４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、とした場合の他辺の長さが異なる複数の例の平均値を破線で示す。図７は導体幅をそれぞれ４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ、とした場合の平均値である。図８は導体幅の長さが異なる複数の例の平均値である。

図６より、各導体幅Ｗにおいて、導体高さ差Ｈ３と定常上昇温度はほぼ一定の値を示すこととなり、導体高さ差Ｈ３と定常上昇温度の値には、強い相関はないことがわかる。

図７に示すように、一方で、導体高さ差Ｈ３と過渡上昇温度の関係に関しては負の相関があり、導体高さ差Ｈ３を長くすることによって、過渡上昇温度を抑制することができることがわかる。

図８に示すように、これらの結果から、導体高さ差Ｈ３と、半導体チップ群１２の定常上昇温度と過渡上昇温度の比である過渡温度特性指標の関係においては、導体高さ差Ｈ３が大きくなるにつれて過渡温度特性指標が大きくなる傾向はある一方で、導体高さ差Ｈ３がある程度より大きくなるとその増加割合は低下することがわかる。また、導体高さ差Ｈ３はインバータモジュール１の体積と直接関係があり、ある範囲を超えるとインバータモジュール１の体積の増加に対して、過渡温度特性指標の増加割合が小さくなるため、導体高さ差Ｈ３の値には、適正な設計範囲があることがわかる。

図９に、導体高さ差Ｈ３を横軸として、過渡温度特性指標と導体高さの比を実線で、各導体幅Ｗにおける導体１５，１６の断面積について破線で示す。図９では、導体幅Ｗがそれぞれ４ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍのときの特性を示している。図９から、導体高さ差Ｈ３が３ｍｍ〜５ｍｍの範囲において、過渡温度特性指標と導体高さの比が最も大きな値を示しており、この範囲で導体１５，１６を構成することによって、インバータモジュール１の断面積に比較して最も効率的に定常上昇温度と過渡上昇温度の比を大きくとることができることがわかる。ただし、導体幅Ｗが１２ｍｍの条件においては、導体高さ差Ｈ３が１０ｍｍ以上において、比較例１による導体断面積を超える範囲となることから、インバータモジュール１の小型化という観点から効果が見出せなくなる。

図１０は、インバータモジュール１における過渡温度特性指標と導体高さの比を示す。図１０に示すように、導体高さ差Ｈ３を１５ｍｍ以上に大きくしたところで、過渡温度特性指標と導体高さの比が最大値に対して９０％程度以下となる。このことから、導体高さ差Ｈ３を１５ｍｍ以上に大きくすると、インバータモジュール１の体積と過渡温度特性指標の比が良好な領域から外れ、定常上昇温度と過渡上昇温度の比が十分に確保できない範囲となる。

図１０に示すように、導体高さ差Ｈ３が１５ｍｍ以内で特性最大値の９０％範囲となり、１５ｍｍ以上の導体高さで設計すると、改善効果よりも体積の増加の割合が増加することがわかる。

図１１に、第１の導体１５及び第２の導体１６の導体高さＨ１と、半導体チップ群１２のチップ高さＨ２との差である高さ差Ｈ３が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下とする範囲をＡ３として示す。

図１０に示されるように、導体高さ差Ｈ３が０ｍｍ（チップ長さと同じ）ところが理論上の最小高さとなるため、その値と同等の特性を示す範囲については、導体高さＨ１をチップよりも高くすることにより、改善効果が得られている範囲とみなすことができる。したがって、好ましい条件として、導体高さ差Ｈ３が０ｍｍと同等の特性を示す、高さ差Ｈ３が９ｍｍ以下の範囲を、Ａ２として図１１に示す。

図１０より、導体高さ差Ｈ３が４ｍｍのところで、「過渡温度特性指標／導体高さ比」が最大値を示している。このことから、より好ましい条件として、高さ差Ｈ３が４ｍｍ以下の範囲をＡ１として図１１に示す。

ここで、例えば従来のインバータモジュールを、導体幅は２０ｍｍ、導体高さはチップ高さ（１０ｍｍと仮定）より２ｍｍ高い導体で設計されるものとすれば、断面積は２０ｍｍ×１２ｍｍで２４０ｍｍ^２となる。したがって、従来構成よりも小型化することを条件とすると、導体幅と導体高さの積を２４０ｍｍ^２以下とする必要があり、寸法の条件は次の式（２）で表せる。

導体幅［ｍｍ］＝２４０［ｍｍ^２］／（導体高さ差［ｍｍ］＋１０［ｍｍ］）…式（２）
図１１に示す式２の曲線は導体幅Ｗと導体高さ差Ｈ３から、冷却部を片面にのみ配置する比較例１の構成よりもＹＺ平面の導体断面積を小さくすることができる範囲を示している。

また、従来構成の導体幅Ｗについて２０ｍｍを基準とすれば、第１の導体１５や第２の導体１６の導体幅Ｗはそれぞれ２０ｍｍ以下とすることが望ましく、この範囲を図１１に示す。

さらに、図第１の導体１５及び第２の導体１６の導体幅Ｗは、図５で説明した定常上昇温度の条件を考慮すると４mｍ以上が望ましい。このため、導体幅Ｗが４ｍｍ以上の範囲を図１１に示す。

また、チップを冷却部１７の伝熱面に対して垂直に配置する構造では、半導体チップ群１２に導体１５，１６を接合し、かつ半導体チップ群１２が他の部品と干渉しないように、間隙を設ける必要がある。したがって、導体高さＨ１は、半導体チップ群１２のチップ高さＨ２、すなわちＺ方向の長さよりも長く構成される。また、設計上、各部品との干渉を回避するため半導体チップと他の部品との間隔は０．５ｍｍ以上設けることが望ましいため、導体高さ差の下限値は１ｍｍとして図１１に示す。

以上の結果から、インバータモジュール１の体積と過渡温度特性指標の比を高く得られる範囲は、図１１の導体高さ差Ｈ３と導体幅Ｗを軸に取ったそれぞれの線に囲まれた斜線の範囲と言うことができ、この範囲において導体を設計することにより、定常上昇温度と過渡上昇温度の比を高く保ちながら、インバータモジュール１の小型化を図ることが可能となる。

導体高さ差Ｈ３が１５ｍｍの線で囲まれるＡ３は、過渡温度特性指標が高い範囲すなわち、特性最大値の９０％を確保できる範囲であって、体積の増加よりも改善効果の高い一定の範囲を示している。

導体高さ差Ｈ３が９ｍｍの線で囲まれるＡ２は、導体高さを半導体チップ群１２の長さと同じとする場合と同等の特性を確保できる範囲であって、導体高さを半導体チップ群１２の長さよりも長くすることにより、改善効果が得られている範囲を示している。

導体高さ差Ｈ３が４ｍｍの線で囲まれるＡ1は、「過渡温度特性指標／導体高さ比」が最大値を示している範囲を示している。

図１２は、比較例１の構成における導体高さ差に対する過渡温度特性指標と導体高さの比を示す。この図１２に示すように、導体１５，１６の一方側にのみ冷却部を有する比較例１の構成では、導体高さ差に対する過渡温度特性指標と導体高さの比の最大値は、導体高さ差が負となる領域でしか取り得ないことがわかる。これは、導体高さが半導体チップ群１２の同方向の長さよりも短い領域において最適値となるということを示しており、インバータモジュール１の体積と、定常・過渡上昇温度比の関係において、最適な範囲で設計することができないことを示している。

本実施形態にかかるインバータモジュール１は、導体１５，１６の両面に冷却部１７，１８を設けることによって、片面のみの構成よりも高い冷却性能を確保することができるとともに、図１１に示す一定の範囲で寸法を設計することにより、定常上昇温度と過渡上昇温度の比を高く保ちながら、インバータモジュール１の小型化を図ることが可能となる。

すなわち、一般的に過渡温度特性を向上させるためには、導体の体積を増加させて熱容量を大きくする必要があるが、導体幅を長くしても、あるいは冷却部の接合面に垂直な辺の長さ（導体高さ）を長くしても、半導体チップから冷却部までの伝熱経路が長くなり、体積の増加に比べて冷却効率が向上しにくいという傾向があり、全体として冷却効率を高めることが難しい。このため、冷却性能と小型化を両立することが困難であるが、本実施形態では、導体幅Ｗを４ｍｍ以上とすることで、定常上昇温度を一定以下に抑え、また、導体幅Ｗを２０ｍｍ以下とし、断面積を２４０ｍｍ^２以下としたことで、従来構造よりも小型とすることができる。さらに、導体高さ差Ｈ３は１ｍｍ以上１５ｍ以下とすることにより、過渡温度特性指標が高く、特性最大値の９０％を確保できる。例えば電気自動車のインバータ装置に適用した場合には、アクセルペダルを踏んでから数秒程度の短時間での温度上昇が低く、加速を大きくすることができる。また、導体高さ差Ｈ３を９ｍｍ以下とした場合、導体高さＨ１を半導体チップ群１２と同じとする場合と同等の特性を確保できる。さらに、導体高さ差Ｈ３を４ｍｍ以下とした場合、より高い「過渡温度特性指標／導体高さ比」を得られる。
[第２実施形態]
図１３乃至図１５に従って、第２実施形態に係るインバータモジュール２について、説明する。なお、第２実施形態にかかるインバータモジュール２は、複数の半導体チップ群１２を幅方向に並列に配置するとともに、複数の半導体チップ群１２間に第３の導体１９を設けた点が、上記第１実施形態と異なる。この他は第１実施形態にかかるインバータモジュール１と同様であるため、第２実施形態にかかるインバータモジュール２において、インバータモジュール１と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１３は、第２実施形態のインバータモジュール２の実装構造を示す斜視図であり、図１４は正面図、図１５は上側の冷却部を省略して上から見た平面図である。

図１３乃至図１５に示すように、第２実施形態に係るインバータモジュール２は、冷却部１７，１８間に幅方向に並ぶ第１、第２、及び第３の導体１５，１６，１９を備え、インバータモジュール２の幅方向に並列に半導体チップ群１２を２つ有している。

一方の半導体チップ群１２を構成するＩＧＢＴ１３及びダイオード１４は、それぞれ一方の主面が第１の導体１５に接合され、他方の主面は第２の導体１６に接合される。他方の半導体チップ群１２を構成するＩＧＢＴ１３及びダイオード１４は、それぞれ一方の主面が第２の導体１６に接合され、他方の主面は第３の導体１９に接合される。第３の導体１９は第１及び第２の導体１５，１６と同様に構成されている。

第１の導体１５には、一方の半導体チップ群１２の正極側が電気的かつ機械的に接合されており、第２の導体１６には一方の面に一方の半導体チップ群１２の負極側、他方の面に他方の半導体チップ群１２の正極側が電気的かつ機械的に接合されている。さらに第３の導体１９には、他方の半導体チップ群１２の負極側が電気的かつ機械的に接合されている。したがって、第１の導体１５は、正側導体として正電極を形成し、第３の導体１９は負側導体として負電極を形成し、第２の導体１６は、出力となる交流側電極を形成する。

また、第１の導体１５、第２の導体１６、第３の導体１９は、それぞれ半導体チップ群１２との接合面に垂直な両端面に、電気的な絶縁を確保するための絶縁部２１が接合され、さらに絶縁部２１はベース部２２を介して放熱器２０に接続されている。すなわち、半導体チップ群１２との接合面に垂直な両端面が冷却部１７，１８との接合面である伝熱面を構成する。

図１５に示すように、第１の導体１５に接合された一方のＩＧＢＴ１３は、第２の導体１６に接合された他方のＩＧＢＴ１３に対して、インバータモジュール１の長手方向（Ｘ方向）にずれた位置に配設されている。すなわち、図１５に示すように、第１及び第２のＩＧＢＴ１３はそれぞれ向かい合うことなく、インバータモジュール２の幅方向において互いに重ならないように、配置されている。一方のＩＧＢＴ１３と他方のダイオード１４とが第２の導体１６を介して向かい合って配置され、一方のダイオード１４と他方のＩＧＢＴ１３とが第２の導体１６を介して向い合って配置されている。

一般に、電力半導体モジュールにおいて、ダイオード１４に比較してＩＧＢＴ１３の方が、発熱量が大きいため、一対のＩＧＢＴ１３は、互いに向かい合うことなく、第３の導体の長手方向に対して互いにずれた位置に配設することによって、ＩＧＢＴ１３によって生じた熱に起因する、第２の導体１６における伝熱の干渉が低減され、全体として熱をこもりにくくすることが可能となる。

インバータモジュール２において、第１の導体１５、第２の導体１６、第３の導体１９を第１の実施形態に係る導体１５，１６と同様の寸法設定として構成する。すなわち、各導体１５，１６，１９は、導体幅４ｍｍ以上、２０ｍｍ以下とする。また、各導体１５，１６，１９の導体高さＨ１は、チップ部の高さＨ２よりも大きく、導体高さ差Ｈ３は１ｍｍ以上１５ｍｍ以下とする。また、好ましくは、導体高さ差Ｈ３は９ｍｍ以下に構成する。より好ましくは、導体高さ差Ｈ３は４ｍｍ以下とする。

また、導体１５，１６，１９の断面積は２４０ｍｍ^２以下に構成される。

本実施形態にかかるインバータモジュール２においても、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、両面に冷却部１７，１８を設けることによって、片面のみの構成よりも高い冷却性能を確保することができるとともに、図１１に示す一定の範囲で寸法を設計することにより、定常上昇温度と過渡上昇温度の比を高く保ちながら、インバータモジュール１の小型化を図ることが可能となる。

さらに、本実施形態にかかるインバータモジュール２は、ＩＧＢＴ１３とダイオード１４とが第２の導体1６を挟んで対向するように配置し、特に発熱の多いＩＧＢＴ１３，１３の位置をずらして配置する。このため、発熱部位が分散することで、第２の導体１６を第１及び第３の導体１５，１９と同様に構成しても、所望の冷却性能を確保できる。また、第２の導体１６を挟んで２つの半導体チップ群１２、１２を配置し、１つのインバータモジュール２によって正側電極、負側電極、交流電極を備えることができ、かつ熱による干渉が少ないために、第１の導体１５、第２の導体１６、第３の導体１９の導体幅を第１形態で示した設計範囲において任意に設定することができる。したがって、全体として小型で、かつ定常上昇温度と過渡上昇温度の比が大きく過渡温度特性の良好なインバータモジュール２を構成することができる。
[第３実施形態]
図１６に従って、第３実施形態に係るインバータモジュール５について説明する。

図１６に示すように、インバータモジュール３はＩＧＢＴ１３、１３およびダイオード１４、１４を、第２実施形態のようにずらして配置せずに、それぞれ互いのＩＧＢＴ１３同士、及びダイオード１４同士が、第２の導体１６を挟んで対向する位置に配設している。また、第２の導体１６の幅寸法は第１及び第３の導体１５，１９の２倍とした。この他は第２実施形態にかかるインバータモジュール１、２と同様であるため、インバータモジュール４において、第１実施形態や第２実施形態に係るインバータモジュール１，２と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

このような構成においては、ＩＧＢＴ１３の運用条件によっては第２の導体１６に熱が集中するため上述のインバータモジュール２に比べて冷却特性が確保し難いが、このようにＩＧＢＴ１３同士を対向する位置に配設する場合には、両半導体チップ群１２が接合される第２の導体１６の導体幅の最小値を第１実施形態で示される設計範囲の２倍に設定し、８ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で設計する。すなわち、第２の導体１６の導体幅は、第１の導体１５の導体幅または第３の導体１９の導体幅より大きく設定される。また、本実施形態においては、第２の導体１６の導体幅は、第１の導体１５の導体幅と第３の導体１９の導体幅の合計以下に設定される。

本実施形態によれば、上記のように導体１５，１６、１９を設計することで、第１の実施形態と同様にインバータモジュールの体積増加を抑えつつ、定常上昇温度と過渡上昇温度の比を大きくする構成とすることができる。

また、他の実施形態として、出力を確保するために、半導体チップ群１２を奥行き方向に複数並列に配置してもよい。さらに、例えば幅方向及び奥行き方向にそれぞれ複数のチップ組１２Ａ，１２Ｂを並列してもよい。例えば、幅方向に並列するチップ組１２Ａ，１２Ｂの間に第３の導体１９を挟む場合、第３の導体１９を挟んでＩＧＢＴが対向する配置とした場合でも、インバータモジュール５と同様に、第２の導体１６の導体幅の最小値を、第１及び第３導体の導体幅の設計範囲の合計に設定し、８ｍｍ〜２０ｍｍの範囲で設計することで、上記第２実施形態と同じ効果を得ることができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、２，３，…インバータモジュール、１２…半導体チップ群、１３…ＩＧＢＴ、１４…ダイオード、１５…第１の導体、１６…第２の導体、１７…冷却部、１８…冷却部、１９…第３の導体、２０…放熱器、２１…絶縁部、２２…ベース部。

Claims

第１方向において互いに対向する面を有する一対の冷却部と、
一対の前記冷却部の間において、前記第１方向と交差する第２方向に並んで配置され、一対の前記冷却部に熱伝達可能に接続される一対の伝熱面をそれぞれ有する第１及び第２の導体と、
前記第１及び第２の導体の間に配置され、前記第１及び第２の導体に少なくとも熱伝達可能に接続される面を有する半導体チップと、を備え、
前記第１及び第２の導体の前記第２方向における長さが４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、前記第１の導体及び前記第２の導体は、一対の前記伝熱面を通る最小の断面の面積が２４０ｍｍ^２以下に構成され、
前記第１及び第２の導体は、一対の前記伝熱面の間の長さが、前記半導体チップの長さよりも長く、
一対の前記伝熱面の間の長さと、前記半導体チップの長さとの差が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲である、ことを特徴とするインバータモジュール。
一対の前記伝熱面の間の長さと、前記半導体チップの長さとの差が９ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のインバータモジュール。
一対の前記伝熱面の間の長さと、前記半導体チップの長さとの差が４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のインバータモジュール。
前記半導体チップは、スイッチング素子を有し、
前記第２の導体の、前記半導体チップとの接合面とは反対側の面に、その一方の面が伝熱可能に接続されたスイッチング素子を有する第２の半導体チップと、
一対の前記冷却部の間において、一対の前記冷却部に熱伝達可能に接続される一対の伝熱面をそれぞれ有し、前記第２の半導体チップの他方の面に伝熱可能に接続された第３の導体と、をさらに備え、
前記第１の導体と前記第２の導体との間に配される前記半導体チップのスイッチング素子と、前記第２の導体と前記第３の導体との間の配される前記第２の半導体チップのスイッチング素子とは、前記第２方向において、互いに重ならない位置に配され、
前記第３の導体の前記第２方向における長さが４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、前記第３の導体は、一対の前記伝熱面を通る最小の断面の面積が２４０ｍｍ^２以下に構成され、
前記第３の導体は、一対の前記伝熱面の間の長さが、前記半導体チップの長さよりも長く、
一対の前記伝熱面の間の長さと、前記半導体チップの長さとの差が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲である、ことを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載のインバータモジュール。
第１方向において互いに対向する面を有する一対の冷却部と、
一対の前記冷却部の間において、前記第１方向と交差する第２方向に並んで配置され、前記一対の冷却部に伝熱可能に接続される一対の伝熱面をそれぞれ有する第１、第２、及び第３の導体と、
前記第１及び第２の導体の間に配置され、前記第１及び第２の導体に少なくとも伝熱可能に接続される面を有するスイッチング素子を備える第１の半導体チップと、
前記第２及び第３の導体の間に配置され、前記第２及び第３の導体に少なくとも伝熱可能に接続される面を有するスイッチング素子を備える第２の半導体チップと、を備え、
前記第１及び第３の導体の前記第２方向における長さが４ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、
前記第１の導体及び前記第３の導体は、一対の前記伝熱面を通る最小の断面積が２４０ｍｍ^２以下に構成され、
前記第２の導体の前記第２方向における長さが８ｍｍ以上４０ｍｍ以下であり、前記第２の導体は、一対の前記伝熱面を通る最小の断面の面積が４８０ｍｍ^２以下に構成され、
前記第１、第２、及び第３の導体は、一対の前記伝熱面の間の長さが、前記半導体チップの長さよりも長く、一対の前記伝熱面の間の長さと前記半導体チップの長さとの差が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲であり、
複数の前記スイッチング素子が、前記第２方向において、前記第２の導体を挟んで並んで配置され、前記２の導体は、前記第２方向における長さが、前記第１の導体の長さまたは前記第３の導体の長さより大きく、前記第１の導体及び前記第３の導体の長さの合計以下である、ことを特徴とする請求項４に記載のインバータモジュール。
前記断面に直交する方向において複数の前記半導体チップを備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のインバータモジュール。