特許 6382097 半導体パワーモジュールおよびそれを用いた電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6382097

(24)【登録日】2018年8月10日

(45)【発行日】2018年8月29日

(54)【発明の名称】半導体パワーモジュールおよびそれを用いた電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 25/07 20060101AFI20180820BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20180820BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20180820BHJP

【ＦＩ】

   H01L25/04 C

   H02M7/48 Z

【請求項の数】13

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-259670(P2014-259670)

(22)【出願日】2014年12月24日

(65)【公開番号】特開2016-119430(P2016-119430A)

(43)【公開日】2016年6月30日

【審査請求日】2017年8月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000233273

【氏名又は名称】株式会社 日立パワーデバイス

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】堀内 敬介

(72)【発明者】

【氏名】川瀬 大助

(72)【発明者】

【氏名】稲葉 政光

(72)【発明者】

【氏名】齊藤 克明

【審査官】 井上 和俊

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０２１１０７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

正極端子と、負極端子と、交流端子と、エミッタ信号端子と、ゲート信号端子とを備えた半導体パワーモジュールであって、
前記正極端子、前記負極端子、および前記交流端子の少なくともいずれか１つは、共通の方向に延伸する２つの部分を含んで構成され、
前記エミッタ信号端子および前記ゲート信号端子は、その各々の一部が互いに積層されて成る積層部分を有し、
前記積層部分は、前記正極端子、前記負極端子、および前記交流端子の少なくともいずれか１つの前記２つの部分の一方と他方とに挟まれるように配置される
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記２つの部分は、互いに別々の２つの部品によって構成される
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項3】

請求項２に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記正極端子および前記負極端子が配置される面とは反対側の面に前記交流端子が配置される
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項4】

請求項３に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記正極端子および前記負極端子が配置される部位と前記交流端子が配置される部位との間に制御端子が配置される
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項5】

請求項３に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記正極端子と、前記負極端子と、前記交流端子と、前記エミッタ信号端子と、前記ゲート信号端子とが共通に搭載されるベースを更に備え、
互いに積層された前記ゲート信号端子と前記エミッタ信号端子とが向かい合う面が前記ベースの面と直交するように、前記ベース、前記ゲート信号端子、および前記エミッタ信号端子が配置される
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項6】

請求項３に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
互いに積層された前記正極端子と前記負極端子との間、および前記エミッタ信号端子と前記ゲート信号端子との間の少なくともいずれか一方に絶縁物が介在する
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項7】

請求項１に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記２つの部分は、前記半導体パワーモジュールの外部から内部に向かって二又に分かれた形状を有する単一の部品の、前記二又の一方と他方とによって構成される
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項8】

請求項７に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記正極端子および前記負極端子が配置される面とは反対側の面に前記交流端子が配置される
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項9】

請求項８に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記正極端子および前記負極端子が配置される部位と前記交流端子が配置される部位との間に制御端子が配置される
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項10】

請求項８に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
前記半導体パワーモジュールは、ベースを搭載可能に構成され、
前記ベースを搭載した場合に、互いに積層された前記ゲート信号端子と前記エミッタ信号端子とが向かい合う面が前記ベースの面と直交するように、前記ゲート信号端子および前記エミッタ信号端子が配置される
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項11】

請求項８に記載の半導体パワーモジュールにおいて、
互いに積層された前記正極端子と前記負極端子との間、および前記エミッタ信号端子と前記ゲート信号端子との間の少なくともいずれか一方に絶縁物が介在する
ことを特徴とする半導体パワーモジュール。

【請求項12】

略長方形の形状を有する半導体パワーモジュールを前記長方形の短辺方向に並列に配置して構成される電力変換装置であって、
前記半導体パワーモジュールは、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の半導体パワーモジュールである
ことを特徴とする電力変換装置。

【請求項13】

請求項１２に記載の電力変換装置において、
前記半導体パワーモジュールの前記正極端子側または前記負極端子側にコンデンサモジュールが配置され、
前記半導体パワーモジュールの直上にゲート配線回路基板が設けられる
ことを特徴とする電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：以下、ＩＧＢＴという）などの電力用半導体素子が搭載された半導体パワーモジュール及びそれが搭載される電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境配慮の観点から電鉄車両および電気自動車などが注目を浴びている。これらの電気駆動による移動体には電力変換装置（インバータ、コンバータ、チョッパー）やモータが搭載されており、電力変換装置には半導体パワーモジュールが一般的に用いられる。このパワーモジュールはＩＧＢＴ等のパワー半導体素子をスイッチングすることにより、直流電力を交流電力に変換あるいは交流を直流に変換するものである。

【0003】

パワーモジュールでは、スイッチング素子とダイオードを並列接続して（この一組をアームと称する）使用することが一般的である。上記の一組の半導体を正極端子と交流端子の間に接続したものを上アーム、交流端子と負極端子の間に接続したものを下アームと称する。上アームと下アームを組み合わせることによって一相の交流電力を出力することができる。したがって三相交流を発生させるためには３組の上下アーム（合計６アーム）が必要となる。

【0004】

特許文献１〜５には、一つのケースの内部に２アームのパワー半導体を搭載したパワーモジュール（以下これを２ｉｎ１モジュールと呼ぶ）や、一つのケースの内部に６アームのパワー半導体を搭載したパワーモジュール（以下これを６ｉｎ１モジュールと呼ぶ）が開示されている。

【0005】

特許文献１記載のパワーモジュールは、２ｉｎ１モジュールの一例であり、ＩＧＢＴとフリーホイールダイオードとを２個ずつ搭載し、さらに外部導出端子と補助端子（ゲート補助端子およびエミッタ補助端子)とを備えた半導体モジュールである。同文献の半導体モジュールにおいては、補助端子周辺の構造に特徴を持たせることにより、組立て容易性の確保と組立ての際の応力伝達防止とを図っている。

【0006】

特許文献２記載のパワーモジュールは、２ｉｎ１モジュールの典型的な例であり、正極端子と負極端子とを隣接させることにより、低インダクタンス化を図っている。

【0007】

特許文献３記載のパワーモジュールは、パワーモジュールのケースに突起を設けることで絶縁距離を確保しており、以て小型化を図っている。

【0008】

特許文献４記載のパワーモジュールは、補助端子にピンヘッダーを採用することにより耐振性のあるモジュールの実現を図っている。

【0009】

特許文献５記載のパワーモジュールは、モジュール内部のシリコーンゲルから応力緩和することを目的として、プリント基板を変形容易にする特徴を持っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１４−１２０７３４号公報

【特許文献2】国際公開第２０１０／１３１６７９号

【特許文献3】特開２００３−３０３９３９号公報

【特許文献4】特開２００４−２２１３６６号公報

【特許文献5】特許第４３６５３８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

上述のように、特許文献１記載のパワーモジュールは、２ｉｎ１モジュールの一例であり、ＩＧＢＴとフリーホイールダイオードとを２個ずつ搭載し、さらに外部導出端子と補助端子（ゲート補助端子およびエミッタ補助端子)とを備え、その補助端子周辺の構造に特徴を有することにより、組立て容易性の確保と組立ての際の応力伝達防止とが図られている。しかしながら、同文献のパワーモジュールは、モジュールの小型化については何ら考慮されていない。そのため、小型化されることによって主端子と補助端子とがより接近した構造となり、以て主端子の大電流の変化によって発生する磁束が補助端子へノイズ的な影響をより顕著に与えやすくなることについては何ら考慮されていない。実際、同文献の図３〜５には、補助端子２５が外部導出端子２４から最も離れたモジュール周縁部の位置に設けられた構成しか示されていない。このことからも、同文献のパワーモジュールがモジュール小型化を意図して構成されたものではなく、よって、同文献には外部導出端子２４と補助端子２５とが接近することによるノイズの影響を抑制しようとする動機が無いことが理解されよう。

【0012】

また、上述のように、特許文献２記載のパワーモジュールは、２ｉｎ１モジュールの典型的な例であり、正極端子と負極端子とを隣接させることにより、低インダクタンス化を図っている。しかしながら、小型化を追求した結果、主端子（正極端子、負極端子、交流端子）と制御端子が直交するレイアウトであるため、主端子の大電流の変化によって発生する磁束による制御端子へのノイズの影響までは考慮されていない。

【0013】

また、上述のように、特許文献３記載のパワーモジュールは、パワーモジュールのケースに突起を設けることで絶縁距離を確保しており、以て小型化を図っている。しかしながら、この突起はモジュール外部の配線経路を阻害しているため、インダクタンス低減が困難となる。また、小型化を追求した結果、主端子の大電流の変化によって誘起する磁束による制御端子へのノイズの影響までは考慮されておらず、制御端子の配置によっては誤動作する問題を持っていた。

【0014】

また、上述のように、特許文献４記載のパワーモジュールは、補助端子にピンヘッダーを採用することにより耐振性のあるモジュールの実現を図っている。しかしながら、同文献においては、モジュールの小型化までは考慮されていなかった。

【0015】

また、上述のように、特許文献５記載のパワーモジュールは、モジュール内部のシリコーンゲルから応力緩和することを目的として、プリント基板を変形容易にする特徴を持っている。この発明もモジュール小型化については考慮されていなかった。

【0016】

電鉄車両では旅客床下の限られた空間に、電気自動車ではボンネット内の限られた空間に、他の機器と一緒に電力変換装置を搭載しなければならないため、モジュール小型化は重要な課題である。一方で、小型化を追求した結果として無視できなくなることが想定される、主端子の大電流の変化によって発生する磁束による制御端子へのノイズの影響も、十分に考慮される必要がある。すなわち、制御端子の配置如何によっては誤動作する可能性があることも想定しなければならない。例えば、主端子のターンオフ時の電流の変化により、ゲート信号端子からＩＧＢＴを介してエミッタ信号端子へ流れる電流のループを横切っていた磁束が消失する際、レンツの法則に従い磁束を維持する方向に対して信号線ループ内に渦電流が発生する。これが、意図しないゲート信号オンやエミッタ信号誤検知などの問題を引き起こすことも想定する必要がある。しかるに、これまでは、上述の通り、モジュールの小型化については特に考慮されてこなかったため、主端子から制御端子へのノイズの影響を抑制しつつモジュール小型化を実現することが可能なモジュール構造は提供されていない。

【0017】

したがって、半導体パワーモジュールにおいては、主端子から制御端子へ与えられるノイズの影響を抑制しつつモジュール小型化を実現できるモジュール構造を提供することが課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0018】

上記の課題を解決するために、本発明の半導体パワーモジュールは、例えば、正極端子と、負極端子と、交流端子と、エミッタ信号端子と、ゲート信号端子とを備えた半導体パワーモジュールであって、前記正極端子、前記負極端子、および前記交流端子の少なくともいずれか１つは、共通の方向に延伸する２つの部分を含んで構成され、前記エミッタ信号端子および前記ゲート信号端子は、その各々の一部が互いに積層されて成る積層部分を有し、前記積層部分は、前記正極端子、前記負極端子、および前記交流端子の少なくともいずれか１つの前記２つの部分の一方と他方とに挟まれるように配置されることを特徴とする。

【0019】

また、本発明の電力変換装置は、例えば、略長方形の形状を有する半導体パワーモジュールを前記長方形の短辺方向に並列に配置して構成される電力変換装置であって、前記半導体パワーモジュールが、本発明の半導体パワーモジュールであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、半導体パワーモジュールにおいて、主端子から制御端子へ与えられるノイズの影響を抑制しつつモジュール小型化を実現できるモジュール構造を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の第１の実施形態である実施例１に係る半導体パワーモジュールを示す外観斜視図である。

【図2】図１の半導体パワーモジュールのケース内部構造を示す斜視図である。

【図3】本発明の第１の実施形態である実施例１に係る半導体パワーモジュールの等価回路図である。

【図4】図２のＡ−Ａ’断面の主端子および制御端子の様子を示す斜視図である。

【図5】図２のＢ−Ｂ’断面の主端子および制御端子の様子を示す斜視図である。

【図6】図２のケース内部構造を上方正面から見た上面図である。

【図7】本発明の半導体パワーモジュールにコンデンサバスバとゲート駆動回路基板と出力バスバとを搭載して構成される電力変換装置を示す斜視図である。

【図8】本発明の第２の実施形態である実施例２に係る半導体パワーモジュールのケース内部構造を示す斜視図である。

【図9】図８のＣ−Ｃ’断面の主端子および制御端子の様子を示す斜視図である。

【図10】図８のケース内部構造を上方正面から見た上面図である。

【図11】本発明の第３の実施形態である実施例３に係る半導体パワーモジュールのケース内部構造を示す斜視図（主端子が複数に分かれた場合のレイアウト）である。

【図12】図１１のＤ−Ｄ’断面の主端子および制御端子の様子を示す斜視図である。

【図13】図１１のＥ−Ｅ’断面の主端子および制御端子の様子を示す斜視図である。

【図14】図１１のケース内部構造を上方正面から見た上面図である。

【図15】図１１の端子およびベースの様子を示す上面図である。

【図16】本発明の実施例４に係り、本発明の半導体パワーモジュールを搭載して成る電力変換装置の回路ブロック構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の半導体パワーモジュールは、例えば、主端子（正極端子、負極端子、交流端子）の少なくともいずれか１つが、共通の方向に延伸する２つの部分を含むように構成され、その２つの部分の一方と他方とに制御端子（ゲート信号端子およびエミッタ信号端子）の積層部分が挟まれるように制御端子が配置されることを特徴とする。

【0023】

上記「２つの部分」は、例えば、半導体パワーモジュールの外部から内部に向かって二又に分かれた形状を有する単一部品によって、あるいは、互いに別々の２つの部品によって、構成されるのが好適であるが、いずれの場合も、当該「２つの部分」の一方と他方とが共通の方向に延伸する構造とする。

【0024】

例えば前者の場合、本発明の半導体パワーモジュールは、主端子（正極端子、負極端子、交流端子）を、それぞれ半導体パワーモジュールの外部から内部に向かって二又に分け、二又に分かれた一方と他方とが共通の方向に延伸する構造を有し、制御端子（エミッタ信号端子およびゲート信号端子）が二又に分かれた主端子に挟まれるように配置されることになる。

【0025】

ここで、上記の構成において、正極端子および負極端子が配置される面とは反対側の面に交流端子が配置されるように半導体パワーモジュールを構成してもよい。

【0026】

また、上記の構成において、正極端子および負極端子が配置される部位と交流端子が配置される部位との間に制御端子が配置されるように半導体パワーモジュールを構成してもよい。

【0027】

また、上記の構成において、正極端子と、負極端子と、交流端子と、エミッタ信号端子と、ゲート信号端子とが共通に搭載されるベース（モジュールベース）を更に備え、そのベースの平面方向と、互いに積層されたゲート信号配線およびエミッタ信号配線のループとが互いに直交するように、ベース、ゲート信号配線、およびエミッタ信号配線が配置されるように半導体パワーモジュールを構成してもよい。

【0028】

また、上記の構成において、互いに積層された正極端子と負極端子との間、およびエミッタ信号配線とゲート信号配線との間の少なくともいずれか一方に絶縁物が介在するように半導体パワーモジュールを構成してもよい。

【0029】

また、制御端子は、エミッタ信号端子とゲート信号端子とが積層されて成る積層構造を有し、主端子と制御端子とが隣接する領域（制御端子が主端子に挟まれる部位）は、ベース（モジュールベース）に対して垂直な方向に、エミッタ信号端子とゲート信号端子が積層されるよう構成するのが好適である。

【0030】

本発明の半導体パワーモジュールは、制御端子（エミッタ信号端子およびゲート信号端子）が、例えば二又に分かれた主端子の一方と他方とに挟まれるように配置されることで、高密度実装が容易となり、モジュール小型化を実現できる。その場合、二又に分かれた主端子の各々が発生する磁束は、二又の一方と他方とのほぼ中間点で相殺され最小となるため、主端子から制御端子へのノイズを抑制しつつ高密度実装を実現することができる。さらに、モジュールベースに対して垂直な方向にエミッタ信号端子とゲート信号端子を積層することで、垂直に二又に分かれた主端子により発生する磁束の向きと、信号線ループ内を貫通する磁束の向きを直交にさせることができ、ノイズの影響が最小限となる。その結果、ターンオンやターンオフ時に誤動作する不具合が抑制される。

【0031】

本発明の電力変換装置は、例えば、略長方形の形状を有する半導体パワーモジュールを長方形の短辺方向に並列に配置して構成される電力変換装置であって、その半導体パワーモジュールが上記の本発明の半導体パワーモジュールのいずれかであることを特徴とする。

【0032】

ここで、上記の構成において、半導体パワーモジュールの正極端子側または負極端子側にコンデンサモジュールが配置され、半導体パワーモジュールの直上にゲート配線回路基板が設けられるように電力変換装置を構成してもよい。

【0033】

以下、本発明の実施形態について、各実施例として、図面を参照して詳細に説明する。

【実施例1】

【0034】

図１は、本発明の第１の実施形態である実施例１に係る半導体パワーモジュール１０の外観斜視図の例を示した図である。本実施例の半導体パワーモジュール１０は、例えば、主端子（正極端子１１ａ、負極端子１１ｂ、交流端子１１ｃ）の少なくともいずれか１つが、共通の方向に延伸する２つの部分を含むように構成され、その２つの部分の一方と他方とに制御端子（ゲート信号端子３ａ（３ｃ）およびエミッタ信号端子３ｂ（３ｄ））の積層部分が挟まれるように制御端子が配置され、特に、上記「２つの部分」が、半導体パワーモジュール１０の外部から内部に向かって二又に分かれた形状を有する単一部品によって構成され、当該「２つの部分」の一方と他方とが共通の方向に延伸する構造とされていることを特徴とする。

【0035】

図１に示すように、大電流が流れる主端子（正極端子１１ａ、負極端子１１ｂ、および交流端子１１ｃ）と弱電系の信号端子（上アームゲート信号線３ａ、下アームゲート信号線３ｃ、温度検知信号線４，上アームエミッタ信号線３ｂ、下アームエミッタ信号線３ｄ、上アームコレクタ信号線３e、下アームコレクタ信号線３ｆ、および負極信号端子３ｇ）とはモジュールケース１２に設けられた溝１３によって互いの間に所定の絶縁距離（空間距離と沿面距離）が確保されている。モジュールケース１２はベース１４に接着されており、モジュール内部には半導体素子２ａ、２ｂ、２ｃ、および２ｄが搭載されている。

【0036】

本実施例では、正極端子１１ａおよび負極端子１１ｂが配置される面１５ａとは反対側の面１５ｂに交流端子１１ｃが配置されている。これにより、制御端子３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、および３ｇを全て纏めてモジュール中央に配置することが可能となり、ドライバ回路１３０が搭載されたドライバ回路基板１３１をモジュールに直付けすることが可能となる。この際、制御端子３ａ〜３ｇは図示するようなネジ止め方式でも良いが、ファストン端子やプレスフィット端子など差し込む方式でも良い。

【0037】

ドライバ回路基板１３１は、例えば図７のように半導体パワーモジュール１０が並列に複数配置される場合であっても、その複数の半導体パワーモジュールの上面を跨るように配置することが可能である。これにより、ドライバ回路基板１３１と半導体パワーモジュール１０との間の配線長を短くすることができ、かつドライバ回路基板を１枚に集約することが可能となり、ゲート−エミッタ間のループインダクタンスを低減することが可能となる。図１に示すように、半導体パワーモジュール１０は略長方形であり、正極端子１１ａと負極端子１１ｂと交流端子１１ｃとが短辺側に設けられている。また、隣り合うモジュール間の隙間が小さくても絶縁距離が確保されるよう溝１３を設けている。結果、複数の半導体パワーモジュール１０を互いに隣接して配置することが可能となり、複数のパワーモジュール１０を組み合わせた状態でも小型化が可能となる。

【0038】

図１では直流端子（正極端子１１ａおよび負極端子１１ｂ）が配置されている面１５ａの側にコンデンサモジュール１２０が配置されているため、コンデンサモジュール１２０と半導体パワーモジュール１０との間の配線長を短くすることができる。そのため、正極端子１１ａと負極端子１１ｂとの間のインダクタンスを低減することが可能となる。

【0039】

図２は図１の半導体パワーモジュールのケース内部構造を示す図、図３は図１の半導体パワーモジュールの等価回路図、図４は図２のＡ−Ａ’断面の主端子および制御端子の様子を示す斜視図、図５は図２のＢ−Ｂ’断面の主端子および制御端子の様子を示す斜視図、図６は図２のケース内部構造を上方正面から見た上面図である。

【0040】

まず、図２のケース内部構造の構成について、図２および図６を用いて説明する。

【0041】

ここで、上述した図２のケース内部構造の構成に対応する等価回路について説明する。図３は図１の半導体モジュールの等価回路図である。前述のように図１の半導体パワーモジュール１０は２ｉｎ１パワーモジュールと呼ばれる形式に属し、その等価回路である図３の回路は、後述する図１６の電力変換装置の上下アーム直列回路１ａ、１ｂ、１ｃの各々に相当する。

【0042】

次に、図２のケース内部構造がもたらす回路動作的な作用について、図４を用いて説明する。まず、上アームＩＧＢＴ２ａのターンオン時における正極端子１１ａに流れる正極左側端子および正極右側端子それぞれの電流の向き２１ａおよび２１ｂを考える。すると、アンペールの法則により、電流の向き２１ａおよび２１ｂを中心軸とした右ねじの方向に磁束が誘起される。磁束の向きとしては、二又に分かれた正極左側端子周辺の磁束の向き２２ａと正極右側端子周辺の磁束の向き２２ｂとが存在し、二又の中央付近で互いに相殺される。同様に、負極端子１１ｂに流れる負極左側端子および負極右側端子それぞれの電流の向き２１ｃおよび２１ｄを考えると、負極端子１１ｂについても電流の向き２１ｃおよび２１ｄを中心軸とした右ねじの方向に磁束が誘起される。磁束の向きとしては、二又に分かれた負極左側端子周辺の磁束の向き２２ｃと負極右側端子周辺の磁束の向き２２ｄとが存在し、これもまた二又の中央付近で互いに相殺される。さらに、正極端子１１ａの左側端子の電流の向き２１ａと負極端子１１ｂの左側端子の電流の向き２１ｃとが互いに逆向きであるため、正極左側端子が誘起する磁束の向き２２ａと負極左側端子が誘起する磁束の向き２２ｃとは互いに逆向きとなり、また、正極端子１１ａの右側端子の電流の向き２１ｂと負極端子１１ｂの右側端子の電流の向き２１ｄとが互いに逆向きであるため、正極右側端子が誘起する磁束の向き２２ｂと負極右側端子が誘起する磁束の向き２２ｄとは互いに逆向きとなる。そのため、正極端子と負極端子とが互いに隣接することで互いの磁束を相殺する。ターンオフ時はレンツの法則により、元々存在していた磁束を維持しようと流れる渦電流の向きに電流が流れやすくなるが、二又に分かれた主端子の一方（左側端子）と他方（右側端子）との間（二又の中央付近）に制御端子を設けることで、ノイズ源である磁束が制御端子に与える影響を低減することができる。さらに、モジュールベース１４に対して垂直な方向にゲート信号端子３ａ（層ａ）とエミッタ信号端子３ｂ(層ｂ)を、つまり層ａの横に層ｂを積層することで、垂直に二又に分かれた主端子により発生する磁束の向きと、信号線ループ（２２ｈ）内を貫通する磁束の向き（２２ｇ）を直交にさせることができ、ノイズの影響が最小限となる。上アームゲート信号端子（３ａ）と上アームエミッタ信号端子（３ｂ）がつくる信号線ループを貫通する磁束（２２ｇ）がノイズを引き起こす磁束となる。隣接されたゲート信号端子とエミッタ信号端子が向かい合う面（２３）がベース面（２４）と直交するように配置することで、垂直成分の磁束が少ない主端子の磁束の影響を更に小さくすることが可能となる。その結果、上アームターンオン時に誤動作する不具合が抑制される。上アームターンオフ時についても、上述した電流や磁束の向きを逆向きにして考えればよいことから、上アームターンオン時と同様の効果を持つことが理解されよう。

【0043】

この説明は下アームについても同様に当てはまる。そのことを、図５を用いて説明する。まず、下アームＩＧＢＴ２ｃのターンオン時における交流端子１１ｃの左側端子に流れる電流の向き２１ｅおよび交流端子１１ｃの右側端子に流れる電流の向き２１ｆとを考える。すると、アンペールの法則により、電流の向き２１ｅを中心軸とした右ねじの方向に磁束２２ｅが、また、電流２１ｆを中心軸とした右ねじの方向に磁束２２ｆが、それぞれ誘起される。中央に位置する下アームのゲート−エミッタ間のループ内を貫通する磁束の向きはベース面に対して垂直方向であるが、二又に別れた交流端子１１ｃの磁束２２ｅと磁束２２ｆとが互いに相殺し合い、結果的に、磁束が制御端子に与える影響を低減することとなる。

【0044】

なお、互いに積層された正極端子１１ａと負極端子１１ｂとの間や、エミッタ信号端子３ｂ（３ｄ）とゲート信号端子３ａ（３ｃ）との間に、図示しない絶縁物（樹脂や紙等）を挟み込んで端子間相互の配置を構成するとより好適である。そうすることにより、積層された電流ループを小さくすることができ、以て磁束の貫通の発生がより効果的に抑えられる。

【0045】

図７は、図３の等価回路で示した半導体パワーモジュール１０に対して、図１６に示すように正極端子１１ａと負極端子１１ｂとの間にコンデンサモジュール１２０を接続するための直流バスバ１１１ａおよび１１１ｂ、交流端子１１ｃに誘導電動機５００を接続するための交流バスバ１１２、およびモジュール上部にドライバ回路基板１３１を取り付けたときの様子を示す実装図である。半導体パワーモジュール１０は放熱を目的としてヒートシンク１５０に実装されている。本発明の特徴である負極信号端子３ｇが直流バスバ１１１から離れた配置となっており、これによりバスバに流れる大電流による磁束の影響を信号線ループ（２２ｈ）が受けにくくすることである。この図では半導体モジュール１０を２個並列に配置している。これにより出力電流を倍にすることが可能となる。また、２つのモジュールを跨るように１つのドライバ回路基板を搭載することで、ドライバ基板１３１は、単に制御基板１４１に、制御端子３を介して信号情報をやりとりするだけでなく、過電圧保護を目的としたアバランシェダイオードなど別の付加機能を搭載するスペースが生まれる。ドライバ回路基板１３１は、図８のようにパワーモジュール１０が並列に複数配置されても、複数モジュール上面を跨るように配置することが可能である。これによりドライバ回路基板１３１とパワーモジュール１０の間の配線長を短くすることができ、かつドライバ回路基板を１枚に集約することが可能となり、ゲートとエミッタ間のループインダクタンスを低減することが可能となる。

【実施例2】

【0046】

図８は本発明の第２の実施形態である実施例２に係る半導体パワーモジュールのケース内部構造を示す斜視図である。本実施例は実施例１の変形例であり、本実施例においては主端子および制御端子のレイアウトが実施例１のレイアウトと異なるが、それ以外の点においては実施例１と同様である。つまり、図８は図１〜６で示した実施例１における交流端子側から配線されている制御端子（下アームエミッタ信号端子３ｄ、上アームコレクタ信号端子３ｅ、温度検知信号端子４）がモジュール中央でなく４つ股に別れた他の交流端子の間から配線された場合の実施形態を示す図である。

【0047】

図９は図８のＣ−Ｃ’断面の主端子と制御端子、図１０は図８の端子とベースの上面図を示す。このように配置しても図５で示した電流や磁束の向きの関係は変わらず、主端子上の大電流によって発生するノイズの影響を最小限にするという同じ効果を得る。制御端子３の板取やワイヤ配線が容易な場合は、この実施例に示すレイアウトを用いても良い。

【実施例3】

【0048】

図１１は本発明の第３の実施形態である実施例３に係る半導体パワーモジュールのケース内部構造を示す斜視図である。本実施例は実施例１の変形例であり、本実施例においては主端子が複数に分かれており、それに伴って主端子および制御端子のレイアウトが実施例１のレイアウトと異なるが、それ以外の点においては実施例１と同様である。つまり、図１１は図１〜６で示した実施例１における主端子が二又でなく分離して複数に分かれた場合の実施形態を示す図である。

【0049】

すなわち、本実施例の半導体パワーモジュール１０は、主端子（正極端子１１ａ、負極端子１１ｂ、交流端子１１ｃ）の少なくともいずれか１つが、共通の方向に延伸する２つの部分を含むように構成され、その２つの部分の一方と他方とに制御端子（ゲート信号端子３ａ（３ｃ）およびエミッタ信号端子３ｂ（３ｄ））の積層部分が挟まれるように制御端子が配置され、特に、上記「２つの部分」が互いに別々の２つの部品によって構成され、当該「２つの部分」の一方と他方とが共通の方向に延伸する構造とされていることを特徴とする。

【0050】

図１２は図１１のＤ−Ｄ’断面の主端子と制御端子、図１３は図１１のＥ−Ｅ’断面の主端子と制御端子、図１４は図１１の端子とベースの上面図を示す。このように配置しても図５で示した電流や磁束の向きの関係は変わらず、主端子上の大電流によって発生するノイズの影響を最小限にするという同じ効果を得る。主端子を複数に分離した本実施例は板取が容易となる効果を持っており、他形状のパワーモジュールを設計する場合でも、主端子を共通化できる効果がある。

【実施例4】

【0051】

図１６は、本発明の実施例４に係る電力変換装置の回路ブロック構成の一例を示した図であって、電鉄車両への適用例を示した図である。本実施例の電力変換装置には、例えば本発明の実施例１〜３のいずれかに係る半導体パワーモジュールが搭載される。図１６に示すように、電力変換装置１００はインバータ回路を構成しており、架線３００とレールや車体などの接地部４００との間に変圧器２００を介して接続される。この電力変換装置１００から誘導電動機５００に交流電力が供給される。電動機５００は、例えば車両毎に４つずつ配設された車軸（左右２つの車輪とそれらを互いに固定する１つの車軸とから成る組の４組分）の各々に１つずつ接続される。ここで架線３００の電力が交流の場合は、変圧器２００と共に交流電流を直流に変換するコンバータモジュールが、電力変換装置１００に接続される。一方で、架線３００の電力が直流の場合は、変圧器２００はチョッパー回路として振舞い、必要に応じて電圧レベルを調整する。

【0052】

電力変換装置１００内には、直流電流から所定の周波数の交流電流を生成するためのインバータモジュール１１０と、供給される直流電流を安定化し平滑化するためのコンデンサモジュール１２０と、前記インバータモジュール１１０を駆動制御するドライバ回路１３０と、前記ドライバ回路１３０へ制御信号を供給する制御回路１４０と、を含んで構成される。

【0053】

インバータモジュール１１０において、上下アーム直列回路１ａ、１ｂ、および１ｃのそれぞれは、ＩＧＢＴ２ａとダイオード２ｂとの並列接続回路からなる２つの電流スイッチ回路が直列に配置されて構成される。上下アーム直列回路１の上下端は、それぞれ、コンデンサモジュール１２０の正極および負極に接続される。そして、その上側（正極端子１１ａ）に配置されたＩＧＢＴ２ａとダイオード２ｂとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる上アームとして動作し、下側（負極端子１１ｂ）に配置されたＩＧＢＴ２ｃとダイオード２ｄとからなる電流スイッチ回路は、いわゆる下アームとして動作する。インバータモジュール１１０は、このような上下アーム直列回路１が３組設けられた、いわゆる、３相ブリッジ回路によって構成される。そして、それぞれの上下アーム直列回路１の中点位置、すなわち、上下の電流スイッチ回路の接続部分（交流端子１１ｃ）からは、３相の交流電流（Ｕ,Ｖ,Ｗ）が出力され、その出力された３相の交流電流（Ｕ,Ｖ,Ｗ）は、電動機５００へ供給される。

【0054】

ここで、ドライバ回路１３０から出力される上アームゲート信号３ａは、各相の上アームＩＧＢＴ２ａに供給され、下アームゲート信号３ｃは、各相の上アームＩＧＢＴ２ｃに供給され、交流電流（Ｕ,Ｖ,Ｗ）の振幅や位相などを制御する。またドライバ回路１３０へ供給される上アームエミッタ信号３ｂは、各相の上アームＩＧＢＴ２ａエミッタ側から、下アームエミッタ信号３ｄは、各相の下アームＩＧＢＴ２ｃエミッタ側から送られてくる。

【0055】

制御回路１４０は、各ＩＧＢＴ２ａのスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータを備えている。前述のとおり、各アームＩＧＢＴ（２ａ、２ｃ）のエミッタ電極は、ドライバ回路１３０に接続され、ドライバ回路１３０は、それぞれのＩＧＢＴ毎にエミッタ電極における過電流検知を行い、過電流が検知されたＩＧＢＴ（２ａ、２ｃ）については、そのスイッチング動作を停止させ、過電流から保護する。さらに、制御回路１４０には、上下アーム直列回路１に設けられた図示しない温度センサや、上下アーム直列回路１の両端に印加される直流電圧を検出する検出回路などからの信号が入力され、それらの信号に基づき、過温度、過電圧などの異常を検知する。そして、過温度，過電圧などの異常を検知した場合には、全てのＩＧＢＴスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路１を過電流，過電圧，過温度などの異常から保護する。

【0056】

なお、以上に示した電力変換装置１００において、ＩＧＢＴ（２ａ、２ｃ）およびダイオード（２ｂ、２ｄ）からなる電流スイッチ回路は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いて構成してもよい。図１に示したインバータモジュール１１０は、上下アーム直列回路１を構成うる２ｉｎ１モジュールを３個並列に組み合わせたものであるが、６ｉｎ１モジュール１個で代用しても良い。さらに、要求出力電流が♪モジュールあたりの許容出力電流よりも大きい場合は、モジュールの個数を増やして並列接続しても良い。さらに、電力変換装置１００は、図１の回路構成に加え、電池に充電する機能が入った装置であってもよい。

【0057】

以上、本発明の上記各実施例によれば、制御端子（エミッタ信号端子およびゲート信号端子）が二又に分かれた主端子に挟まれるように配置されることで、高密度実装が容易となり、モジュール小型化を実現できる。二又に分かれた主端子が発生する磁束は、二又の中央で相殺され最小となるため、主端子から制御端子へのノイズ除去も高密度実装と同時に実現できる。さらに、モジュールベースに対して垂直な方向にエミッタ信号端子とゲート信号端子を積層することで、垂直に二又に分かれた主端子により発生する磁束の向きと、信号線ループ内を貫通する磁束の向きを直交にさせることができ、ノイズの影響が最小限となる。その結果、ターンオンやターンオフ時に誤動作する不具合が抑制される。

【符号の説明】

【0058】

１ａ 上下アーム直列回路（Ｕ相）
１ｂ 上下アーム直列回路（Ｖ相）
１ｃ 上下アーム直列回路（Ｗ相）
２ａ 半導体素子（上アームＩＧＢＴ）
２ｂ 半導体素子（上アームダイオード）
２ｃ 半導体素子（下アームＩＧＢＴ）
２ｄ 半導体素子（下アームダイオード）
３ａ 制御端子（上アームゲート信号端子）
３ｂ 制御端子（上アームエミッタ信号端子）
３ｃ 制御端子（下アームゲート信号端子）
３ｄ 制御端子（下アームエミッタ信号端子）
３ｅ 制御端子（上アームコレクタ信号端子）
３ｆ 制御端子（下アームコレクタ信号端子）
３ｇ 制御端子（負極信号端子）
４ 温度検知信号端子
１０ 半導体パワーモジュール
１１ａ 主端子（正極端子）
１１ｂ 主端子（負極端子）
１１ｃ 主端子（交流端子）
１２ モジュールケース
１３ 溝
１４ ベース
１５ａ 正極端子１１ａおよび負極端子１１ｂが配置される面
１５ｂ 交流端子１１ｃが配置される面
２１ａ 正極左側端子に流れる電流の向き（上アームターンオン時）
２１ｂ 正極右側端子に流れる電流の向き（上アームターンオン時）
２１ｃ 負極左側端子に流れる電流の向き（下アームターンオン時）
２１ｄ 負極右側端子に流れる電流の向き（下アームターンオン時）
２１ｅ 交流左側端子に流れる電流の向き（下アームターンオン時）
２１ｆ 交流右側端子に流れる電流の向き（下アームターンオン時）
２１ｇ 上アームゲート信号線に流れる電流の向き（上アームターンオン時）
２１ｈ 上アームエミッタ信号線に流れる電流の向き（上アームターンオン時）
２１ｉ 下アームゲート信号線に流れる電流の向き（下アームターンオン時）
２１ｊ 下アームエミッタ信号線に流れる電流の向き（下アームターンオン時）
２２ａ 正極左側端子周辺の磁束の向き（上アームターンオン時）
２２ｂ 正極右側端子周辺の磁束の向き（上アームターンオン時）
２２ｃ 負極左側端子周辺の磁束の向き（下アームターンオン時）
２２ｄ 負極右側端子周辺の磁束の向き（下アームターンオン時）
２２ｅ 交流左側端子周辺の磁束の向き（下アームターンオン時）
２２ｆ 交流右側端子周辺の磁束の向き（下アームターンオン時）
２２ｇ 信号線がつくるループを貫通する磁束
２２ｈ 信号線ループ
３１ａ 上アーム側の絶縁基板
３１ｂ 下アーム側の絶縁基板
１００ 電力変換装置
１１０ インバータモジュール
１１１ａ 直流バスバ（正極バスバ）
１１１ｂ 直流バスバ（負極バスバ）
１１２ 交流バスバ
１２０ コンデンサモジュール
１３０ ドライバ回路
１３１ ドライバ回路基板
１４０ 制御回路
１４１ 制御回路基板
１５０ ヒートシンク
２００ 変圧器（＋コンバータモジュール）もしくはチョッパー回路
３００ 架線
４００ 接地部
５００ 誘導電動機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】