JPH1117084A - パワー半導体装置、及びこれを使用したパワー制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】パワー半導体装置、及びこれを使用するパワー
制御装置においてパワー半導体装置が制御基板に与える
熱的、電磁的影響を低減することができるものとする。 【解決手段】パワー半導体素子１０を、パワー半導体素
子２が一表面１ａに配置された熱伝導性の基板１と、パ
ワー半導体素子２を覆って上記基板１の表面１ａに取り
付けられた金属製筐体３とを備え、上記基板１の上記筐
体３の取り付けられた一表面１ａのうち上記筐体３が取
り付られていない領域にヒートシンク７を形成した。ま
た、パワー制御装置２０の制御箱２１と間隙２４を開け
て放熱部材２３を設けたパワー半導体装置１０を配置
し、放熱部材２３に間隙２４を臨んで冷却用フィン２２
を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パワー半導体装
置、及びこのパワー半導体装置を使用したパワー制御装
置に係り、特に大出力電源からの電力を制御するパワー
半導体装置、及びパワー制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】大電力電源からの電力を制御するパワー
制御装置としてモータ駆動用のインバータがある。この
インバータの一例として、図４及び図５に示すものがあ
る。このインバータ５０は、図５に示すように、筐体５
１中に、ＣＰＵ等を含み装置の制御を行う制御基板６０
と、この制御基板６０の制御に従い電力のスイッチング
を行うパワー半導体装置７０とが設けられたものであ
る。また、このインバータ５０には、平滑回路（図示し
ていない）、整流回路（図示していない）が設けられ
る。

【０００３】そして、このインバータ５０は、制御基板
６０やパワー半導体装置７０が発生する熱を放散するた
め、その筐体５１の下部に複数の板状部材５３を並設し
たヒートシンク５２が設けられている。

【０００４】パワー半導体装置７０は、図４に示すよう
に、絶縁層をその表面に形成したアルミニウム製のベー
ス板７１と、このベース板７１の上側を覆うエポキシ樹
脂製のケース７２とでその外装が形成されている。

【０００５】そして、本例では、ベース板７１の上側面
にはＣｕブロックからなる基板７３が取り付けられ、該
基板７３上には電流のスイッチングを行うパワー半導体
素子（例えばＩＧＢＴ素子、ＦｗＤｉ素子）７４が載置
されている。また、このベース板７１には、これらのパ
ワー半導体素子７４の他にＩＣ７５、抵抗７６、コンデ
ンサ７７等が配置されている。上記パワー半導体素子７
４、ＩＣ７５、抵抗７６、およびコンデンサ７７はボン
ディングワイヤー（アルミワイヤー）７８やバスバー
（図示していない）で配線され、所定の回路が構成され
ている。また、このパワー半導体装置７０のケース７２
の上面には、制御端子、駆動電源端子、出力端子からな
る端子群７９が設けられている。

【０００６】なお、このパワー半導体装置７０のケース
内は、シリコン樹脂ゲル８０、及びエポキシ樹脂８１が
充填されて密封されており、装置内の素子や配線を外部
環境、衝撃、振動から保護している。

【０００７】そして、図５に示すように、このパワー半
導体装置７０のベース板７１は、インバータ５０の筐体
５１下部のヒートシンク５２に直接取り付けられ、パワ
ー半導体装置７０が発生する熱は、ヒートシンク５２か
ら放熱される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のパワー制御装置５０には、以下のような問題があっ
た。即ち、パワー装置５０をヒートシンク５２で冷却し
ているものの、パワー半導体装置７０の発熱により筐体
５１内の温度が上昇する。このため、制御基板６０を構
成する素子として高い温度領域でも安定して作動するも
のを使用する必要があり、コストが嵩む。

【０００９】また、同一筐体５１内に制御基板６０とパ
ワー半導体装置７０とを配置するため、制御基板６０と
パワー半導体装置７０とは比較的近接させて配置せざる
を得ず、制御基板６０にパワー半導体装置７０のスイッ
チングノイズが影響を与えるおそれがある。このため、
制御基板６０のシールドを厳重なものとしなければなら
ない。

【００１０】そこで、本発明は、パワー半導体装置が制
御基板に与える熱的、電磁的影響を低減することができ
るパワー半導体装置、及びこのパワー半導体装置を用い
たパワー制御装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明において、上記の
課題を解決するための手段は、以下の通りである。

【００１２】本願の請求項１に記載の手段は、パワー半
導体素子２と、該パワー半導体素子２が一表面１ａに配
置された熱伝導性の基板１と、パワー半導体素子２を覆
って上記基板１の上記筐体３の取り付けられた表面１ａ
に取り付けられた上記筐体３とを備え、上記基板１の上
記筐体３が取り付けられた一表面１ａのうち上記筐体３
が取り付られていない領域にヒートシンク７を形成した
パワー半導体装置１０である。

【００１３】請求項２に記載の手段は、請求項１の手段
の筐体３を金属製としたパワー半導体装置である。

【００１４】請求項３に記載の手段は、請求項１または
２の手段のパワー半導体装置１０を制御する信号が供給
される制御端子４、パワー半導体装置１０の駆動電力が
供給される駆動電源端子５、およびパワー半導体装置１
０の出力信号を送出する出力端子６を備え、制御端子４
と駆動電源端子５とを上記基板１の他表面１ｂから突設
すると共に、出力端子６を筐体３の表面に配置したパワ
ー半導体装置である。

【００１５】請求項４に記載の手段は、請求項１、請求
項２または請求項３に記載のパワー半導体装置１０と、
該パワー半導体装置１０への制御信号を出力する制御装
置３０を格納した制御箱２１とを備え、上記パワー半導
体装置１０の基板１の上記一表面１ａを制御箱２１側に
向けると共にパワー半導体装置１０と制御箱２１との間
に間隙２４を設けるようにスペーサ２７を介してパワー
半導体装置１０と制御箱２１とを結合したパワー制御装
置２０である。

【００１６】請求項５に記載の手段は、上記請求項４に
記載の手段のパワー半導体装置１０の基板１には放熱部
材２３を取り付け、この放熱部材２３が上記パワ−半導
体装置１０の基板１に取り付けられたベース２５と、パ
ワー半導体装置１０が取り付けられていない領域に設け
られた放熱手段とから構成したものである。放熱手段は
板状部材２６で構成できる。

【００１７】請求項６の手段は、上記請求項４または請
求項５の手段の放熱部材２３の前記間隙２４に臨むベー
ス２５に冷却用フィン２２を備えたものである。

【００１８】請求項７の手段は、上記請求項４、請求項
５、または請求項６記載の手段において請求項３に記載
のパワー半導体装置１０を使用し、制御端子４と駆動電
源端子５とを上記制御箱２１内に挿入し、上記制御装置
３０と接続したものである。

【００１９】（作用）請求項１に記載のパワー半導体装
置１０によれば、パワー半導体素子２が取り付けられた
基板１に直接ヒートシンク７を設けているので、パワー
半導体２が発生した熱は、基板１からヒートシンク７に
伝わり、ヒートシンク７から放熱される。

【００２０】請求項２に記載のパワー半導体装置１０に
よれば、筐体３を金属製とし、基板１に取り付けている
ので、パワー半導体素子２が発生した熱は、基板１から
金属製の筐体３に伝わり、筐体３から放熱される。ま
た、筐体３内で発生するスイッチングノイズは、金属製
の筐体３でシールドされる。

【００２１】請求項３に記載のパワー半導体装置１０に
よれば、制御端子４と駆動電源端子５とを上記基板１の
他表面１ｂから突設すると共に、出力端子６を筐体３の
表面に配置しているので、制御端子４と駆動電源端子５
への電気接続を基板１の下側で行なうことができ、ま
た、出力端子６へのケーブルの接続を基板１の上側で行
なうことができる。

【００２２】請求項４に記載のパワー制御装置２０によ
れば、パワー半導体装置１０と制御装置３０を格納した
制御箱体２１とをスペーサ２７を用いて間隙２４を設け
て結合しているので、パワー半導体装置１０の熱が制御
箱２１に伝わりにくくなる。さらに、パワー半導体装置
１０と、制御装置３０とを離して配置することができる
ので、パワー半導体装置１０のスイッチングノイズが制
御装置３０に伝わりにくくなる。

【００２３】請求項５に記載のパワー制御装置２０によ
れば、パワー半導体装置１０の基板１には、放熱部材２
３を取り付けているので、パワー半導体装置１０の熱
は、基板１から、放熱部材２３に伝わり、放熱部材２３
で放射される。また、パワー半導体装置１０のスイッチ
ングノイズは放熱部材２３で遮蔽される。

【００２４】請求項６に記載のパワー制御装置２０によ
れば、放熱部材２３には制御箱２１との間隙２４に臨む
冷却用フィン２２を設けているので、放熱部材２３の表
面積が増す。

【００２５】請求項７に記載のパワー制御装置２０によ
れば、制御端子４と駆動電源端子５とを上記制御箱２１
内に挿入し、上記制御装置３０と接続しているので、制
御端子４と駆動電源端子５と制御装置３０との接続を制
御箱２１内で行なうことができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るパワー半導体
装置、及びパワー制御装置の実施の形態を図面に基づい
て説明する。第１図及び第２図は、本実施の形態に係る
パワー半導体装置１０を示し、図３は本実施の形態に係
るパワー制御装置２０を示すものである。

【００２７】〔パワー半導体装置の説明〕 （構成）図１及び図２は実施の形態に係るパワー半導体
装置１０を示すものである。本例に係るパワー半導体装
置１０は、図１及び図２に示すように、従来と同様のパ
ワー半導体素子２を備えている。

【００２８】基板１は、アルミニウムで構成されてお
り、熱伝導性を有するものである。この基板１の一表面
１ａ上には、電気絶縁体を介してシリコンチップで構成
されたパワー半導体素子２が取り付けられており、パワ
ー半導体素子２からの熱は直接基板１ 伝えられる。

【００２９】このパワー半導体素子２は、基板１の一方
の表面１ａに取り付けられ、アルミニウム製の筐体３で
覆われている。上記基板１は、筐体３の取り付けに必要
な大きさより大きい長方形の板状部材とされている。即
ち、図２に示すように、基板１は、筐体３の長さ寸法ｌ
と同一の長さ寸法Ｌとされ、筐体３の幅寸法ｗより大き
な幅寸法Ｗとされている。筐体３は、基板１の一辺に沿
って配置されている。従って、基板１の一部が筐体３下
部から側方に向け突出している。

【００３０】そして、本例において上記基板１の一表面
１ａのうち、筐体３の取り付けられない領域、即ち筐体
３から突出した部分の表面には、ヒートシンク７が形成
されている。このヒートシンク７は、複数のアルミニウ
ム製の長方形板状部材８が間隔を明け平行に立設されて
構成されたものである。

【００３１】そして、パワー半導体装置１０を制御する
信号が入力される制御端子４と、パワー半導体素子２へ
の駆動電源が供給される駆動電源端子５とが基板１の他
表面１ｂ、即ち、半導体素子２が取り付けられた面の裏
面から突出している。また、パワー半導体素子２からの
電力が送出される出力端子６が筐体３の表面である上方
に設けられている。また、基板１の他面１ｂから突出し
た、制御端子４と駆動電源端子５の基板１側がエポキシ
樹脂で覆われて端子基部１４，１５部が形成されてい
る。

【００３２】（作用、効果）本例に係るパワー半導体装
置１０によれば、基板１の筐体３からの突出部分の表面
にヒートシンク７を形成するようにしたから、パワー半
導体素子２が発生する熱を基板１を介してヒートシンク
７から放熱することができ、パワー半導体装置１０を良
好に冷却することができる。

【００３３】また、本例に係るパワー半導体装置１０に
よれば、筐体３をアルミニウムで形成するようにしたか
ら、筐体３からの放熱によりパワー半導体装置１０の冷
却効率を向上させることができる。さらに、パワー半導
体素子２の発生するスイッチングノイズは、アルミニウ
ム製の筐体３で遮蔽され、パワー半導体装置１０から発
生する雑音は減少する。

【００３４】このパワー半導体装置１０によれば、制御
端子４と駆動電源端子５とを基板１の下側に突出するよ
うにしたから、他装置、例えば制御装置を内蔵する制御
箱と接続してパワー制御装置等を構成するにあたって、
パワー半導体装置１０を制御装置を格納した制御箱に取
り付けたとき、制御箱に制御端子４及び駆動電源端子５
を挿入することができ、両端子４，５を制御箱内の装置
と制御箱内で接続することができ、外部に接続ラインが
露出しない。また、パワー半導体装置１０と制御装置を
格納した制御箱に組付けた場合、出力端子６が他部材の
内部に隠されず、筐体３の上面に設けた出力端子６に直
接電力ケーブルを接続でき、部品点数と組み立て工数を
低減できる。

【００３５】なお、上記実施の形態おいて、ヒートシン
クは、板状部材が並設されたものとして説明したが、こ
れに限定されず、必要に応じて適宜変更できる。また、
筐体の基板への取り付け位置も、基板の中央部にする等
適宜変更することができる。また、アルミニウム製の基
板に限らず、熱伝導性のよい基板であれば適宜変更でき
る。

【００３６】〔パワー制御装置〕 （構成）図３は、本実施の形態に係るパワー制御装置の
実施の形態を示すものである。本例に係るパワー制御装
置２０は、従来例と示した例と同様にモータ制御用のイ
ンバータである。

【００３７】そして、本例のインバータ２０は、上述し
たパワー半導体装置１０と、制御装置３０、平滑回路
（図示していない）及び整流回路（図示していない）を
格納した制御箱２１とから構成されている。

【００３８】制御箱２１は、直方体状の箱体で、パワー
半導体装置１０が取り付けられる取付面にパワー半導体
装置１０の制御端子４と駆動電源端子５が挿入される挿
入孔（図示していない）が開設されている。

【００３９】パワー半導体装置１０は、その基板１の上
記他表面１ｂが制御箱２１に向けられて制御箱２１に取
り付けられている。本例では、パワー半導体装置１０に
は、図２に示すように、基板１に放熱部材２３が取り付
けられ、パワー半導体装置１０は、この放熱部材２３を
介して制御箱２１に取り付けられている。

【００４０】放熱部材２３は、アルミニウム製で、図２
及び図３に示すように、パワー半導体装置１０が取り付
けられるベース２５を備えている。このベース２５は、
パワー半導体装置１０の基板１より大きく、かつ、上記
制御箱２１の上記取付面と略同一の形状の長方形となっ
ている。そして、ベース２５には、パワー半導体装置１
０がとりつけらている。なお、ベース２５のパワー半導
体装置１０の取り付けられた個所には制御端子４と駆動
電源端子５の挿入孔が形成され、制御端子４と駆動電源
端子５とはベース２５から突出している。

【００４１】放熱部材２３は、このベース２５のパワー
半導体装置１０の取付側表面２５ａのうちパワー半導体
装置１０が取り付けらない領域に放熱手段である板状部
材２６が設けられている。

【００４２】そして、放熱部材２３と制御箱２１との間
には相対する２辺に沿ってスペーサ２７が設けられ、パ
ワー半導体装置１０が取り付けられた放熱部材２３と、
制御箱２１とは、それらの間に間隙２４を設けて結合さ
れている。なお、このスペーサ２７は断熱材であること
が望ましい。

【００４３】パワー半導体装置１０の制御端子４と駆動
電源端子５は制御箱２１の挿入孔から制御箱２１内に挿
入され、制御装置３０との電気的接続が行なわれてい
る。

【００４４】本例では、上記ベース２５の上記隙間２４
に臨む他表面２５ｂからは、冷却用フィン２２が複数平
行にそれぞれ間が開けられて設けられている。

【００４５】（作用、効果）本例に係るパワー制御装置
２０によれば、制御装置３０等を格納した制御箱２１と
パワー半導体装置１０との間に間隙を設けているので、
パワー半導体装置１０の熱が直接制御箱２１に伝わら
ず、制御箱２１内の制御装置の温度が上昇しにくくな
る。

【００４６】さらに、本例によれば、パワー半導体装置
１０に放熱部材２３を取り付け、さらに放熱部材２３に
間隙２４に臨んで冷却用フィン２２を設けているので、
パワー半導体装置１０を良好に冷却でき、制御箱２１内
の制御装置への熱的影響を減少できる。

【００４７】また、制御箱２１とパワー半導体装置１０
との間に間隙を設けているので、パワー半導体装置１０
と、制御装置３０との設置間隔寸法を大きいものとする
ことができ、パワー半導体装置１０のスイッチングノイ
ズを制御装置に伝わりにくいものとできる。

【００４８】さらに、パワー半導体装置１０の基板１、
筐体３をアルミニウム製としているので、スイッチング
ノイズが基板１及び筐体３で遮断され、スイッチングノ
イズが制御装置に伝わるのを防止する。そして、パワー
半導体装置１０に放熱部材２３を設けているので、スイ
ッチングノイズが放熱部材２３で遮蔽されシールド性が
さらに良好となる。

【００４９】なお、上記実施の形態では、パワー半導体
装置を放熱部材に取り付けるようにしていたが、必ずし
も放熱部材を使用せず、パワー制御装置の上部に間隙を
設けて取り付けるように構成してもよい。また、放熱手
段として板状部材を使用したが、これは、冷却が行えれ
ばどのような構成のものであってもよい。さらに、放熱
部材の冷却フィンの形状も適宜変更することができる
し、冷却フィンを設けなくともよい。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板に設けたヒートシンクと金属製の筐体の放熱によ
り、パワー半導体装置の効率的な冷却ができるため、パ
ワー半導体装置の温度上昇が抑制される他、パワー半導
体装置とパワー制御装置の制御箱との間に間隙を形成し
ているため、パワー半導体装置の熱が直接パワー制御装
置の制御箱に熱が伝わりにくいものとできる。このた
め、パワー制御装置の制御装置制御箱内の温度が上昇せ
ず、制御装置等の半導体素子の使用温度範囲が低いもの
も使用でき、コストを低減できるという効果を奏する。

【００５１】また、本発明によれば、金属製の筐体によ
りパワー半導体装置からのノイズ漏れが少なくできる。
さらに、パワー半導体装置とパワー半導体装置の制御装
置の間の距離を大きくできるので、パワー半導体装置の
スイッチングノイズが上記制御装置に伝わりにくくな
り、制御装置が受ける電磁的影響が少なくなり制御装置
の作動が確実となるという効果を奏する。

【００５２】そして、パワー半導体装置に放熱部材を設
けるようにしたものにあっては、パワー半導体装置はさ
らに良好に冷却され、また、スイッチングノイズが放熱
部材で遮蔽されスイッチングノイズが制御装置に伝わり
にくくなるという効果を奏する。また、放熱部材に冷却
フィンを設けたものにあっては、さらに冷却効果が向上
する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るパワー半導体装置を
示す下方からの斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態に係るパワー半導体装置を
冷却手段と共に示す上方からの斜視図である。

【図３】本発明の実施の形態に係るパワー制御装置を示
す斜視図である。

【図４】従来のパワー半導体装置を示す断面図である。

【図５】従来のパワー制御装置を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ パワー半導体素子 ３ 筐体 ４ 制御端子 ５ 駆動電源端子 ６ 出力端子 ７ ヒートシンク １０ パワー半導体装置 ２０ パワー制御装置 ２１ 制御箱 ２２ 冷却フィン ２３ 放熱部材 ２４ 間隙 ２５ ベース ２６ 板状部材

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パワー半導体素子と、 該パワー半導体素子が一表面に配置された熱伝導性の基
   板と、 パワー半導体素子を覆って上記基板の一表面に取り付け
   られた筐体とを備え、 上記基板の上記筐体の取り付けられた一表面のうち上記
   筐体が取り付られていない領域にヒートシンクを形成し
   たパワー半導体装置。
2. 【請求項２】 筐体を金属製とした請求項１記載のパワ
   ー半導体装置。
3. 【請求項３】パワー半導体装置を制御する信号が供給さ
   れる制御端子、パワー半導体装置の駆動電力が供給され
   る駆動電源端子およびパワー半導体装置の出力信号を送
   出する出力端子を備え、制御端子と駆動電源端子とを上
   記基板の他表面から突設すると共に、 出力端子を筐体の表面に配置した請求項１または請求項
   ２記載のパワー半導体装置。
4. 【請求項４】 請求項１、請求項２または請求項３に記
   載のパワー半導体装置と、該パワー半導体装置への制御
   信号を出力する制御装置を格納した制御箱とを備え、 上記パワー半導体装置の基板の上記一表面を制御箱側に
   向けると共にパワー半導体素子と制御箱との間に間隙を
   設けるようにスペーサを介してパワー半導体素子と制御
   箱と結合したパワー制御装置。
5. 【請求項５】 上記パワー半導体装置の基板には放熱部
   材を取り付け、 この放熱部材が上記パワー半導体装置の基板に取り付け
   られたベースと上記パワー半導体装置が取り付けられな
   い領域に設けられた放熱手段とからなる請求項４記載の
   パワー制御装置。
6. 【請求項６】 上記放熱部材のベースの前記間隙に臨む
   他表面に冷却用フィンを備えた求項５記載のパワー制御
   装置。
7. 【請求項７】 請求項３に記載のパワー半導体装置を使
   用し、 、制御端子と駆動電源端子とを上記制御箱内に挿入し、
   上記制御装置と接続した請求項４、請求項５、または請
   求項６記載のパワー制御装置。