特許 6539998 半導体電力変換装置

(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】6539998

(24)【登録日】2019年6月21日

(45)【発行日】2019年7月10日

(54)【発明の名称】半導体電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20190628BHJP

   H01L 25/07 20060101ALI20190628BHJP

   H01L 25/18 20060101ALI20190628BHJP

   H01L 23/40 20060101ALI20190628BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 Z

   H01L25/04 C

   H01L23/40 B

【請求項の数】6

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-238968(P2014-238968)

(22)【出願日】2014年11月26日

(65)【公開番号】特開2016-101065(P2016-101065A)

(43)【公開日】2016年5月30日

【審査請求日】2017年10月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(72)【発明者】

【氏名】田畑 壮章

【審査官】 栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−３２８７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２３８９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０１２７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５５−０３２０６６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開昭５９−１１１０４７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５８−１８００４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５７−１２１１９０（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０１Ｌ ２５／０７

Ｈ０１Ｌ ２５／１８

Ｈ０１Ｌ ２３／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ディスクリートタイプの複数の半導体素子を基板に固定して構成される半導体電力変換装置であって、
前記半導体素子は、一方の面に形成された放熱面と、該放熱面と交差する側面から突出され前記基板に保持される複数の端子とを備え、
前記複数の端子のうち他の端子に対して高電位となる高電位端子を、少なくとも前記放熱面を含む面に向かって折り曲げ、
前記半導体素子は、前記放熱面を金属導体で構成し、前記半導体素子を、放熱部品に前記金属導体を接触させた状態で固定して半導体装置を構成し、前記放熱部品が、前記高電位端子と同電位となるように設定されており、
前記半導体素子は、前記高電位端子より低電位に設定され、当該高電位端子を挟んで整列された２つの低電位端子を備え、前記放熱部品は、前記低電位端子に対して沿面距離分離れた位置に前記基板への固定部が突出して形成されており、
前記半導体素子は、半導体スイッチング素子と当該半導体スイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードとを含んで構成され、前記半導体装置の複数を前記基板に前記高電位端子及び前記放熱部品の沿面距離を保って整列配置するとともに、隣接する半導体装置の一方の半導体素子の出力端子となる低電位端子と、他方の半導体素子の入力端子となる高電位端子とを電気的に接続し、前記一方の半導体素子の制御端子を駆動する駆動回路の一部を隣接する他方の半導体装置における前記放熱部品の沿面距離範囲内に配置したことを特徴とする半導体電力変換装置。

【請求項2】

前記高電位端子は、前記放熱部品及び前記基板間を通る第１折り曲げ部と、該第１折り曲げ部から前記基板側に折り曲げられた第２折り曲げ部とを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体電力変換装置。

【請求項3】

前記第２折り曲げ部は前記低電位端子に対して沿面距離分離れた位置で折り曲げられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体電力変換装置。

【請求項4】

前記基板は、前記半導体素子の前記低電位端子を挿通する挿通孔と前記高電位端子を挿通する挿通孔との間に１つのスリットが形成されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体電力変換装置。

【請求項5】

前記半導体素子は、半導体スイッチング素子と当該半導体スイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードとを含んで構成され、前記半導体装置の複数を前記基板に前記高電位端子及び放熱部品の沿面距離を保って配置したことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の半導体電力変換装置。

【請求項6】

前記半導体素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウムもしくはダイヤモンドのいずれかを主材料とするワイドバンドギャップ半導体素子であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の半導体電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ディスクリートタイプの複数の半導体素子を基板に固定して構成される半導体電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体電力変換装置として代表的なインバータ装置は、図９に示すように、交流電源１００から供給される交流電力をダイオード整流器２００で直流電圧に変換し、この直流電圧をコンデンサ３００で平滑化し、インバータ回路４００で交流電力に変換されて交流負荷５００に供給される。ここで、インバータ回路４００は、上下３組の上スイッチングアームＳｕ、Ｓｖ、Ｓｗと下スイッチングアームＳｘ、Ｓｙ、Ｓｚとが個別に直列に接続された３組のハーフブリッジ回路がコンデンサ３００と並列に接続された構成を有する。そして、各ハーフブリッジ回路のスイッチングアーム間の接続点から出力される三相交流が交流負荷５００に供給される。各スイッチングアームＳｕ〜Ｓｚのそれぞれは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳ電界効果トランジスタ等を代表とする電圧制御型半導体素子４０１とこれに逆並列に接続されたフリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）４０２とで構成されている。

【0003】

ところで、上述した各アームＳｕ〜Ｓｚは、通常、図１０（ａ）に示すＴＯ−２２０，２４７，３Ｐなどと呼ばれるディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅや図１０（ｂ）に示すモジュールタイプの半導体素子Ｓｍなどの形状を有する電子部品として構成されている。電流容量が比較的小さい電力変換装置には図１０（ａ）に示すディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅが使用され、反対に電流容量が比較的大きい電力変換装置には図１０（ｂ）に示すモジュールタイプの半導体素子Ｓｍが用いられる。

【0004】

図１０（ａ）に示すディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅを使用して電流容量の大きい装置を構成する場合には、図１１に示すように、複数のディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅを並列に配置して接続するようにしている（特許文献１参照）。
ここで、ディスクリートタイプの半導体素子ＳｅがＩＧＢＴの場合は、等価回路で表すと、図１２（ａ）に示すように、コレクタ及びエミッタ間にフリーホイーリングダイオードが逆方向接続された構成を有する。外見は、図１２（ｂ）に示すように、正面から見て長方形で、下端部には、左側からゲート端子Ｇ、コレクタ端子Ｃ及びエミッタ端子Ｅが順に突出形成されている。また、厚みは、図１２（ｃ）に示すように比較的薄く、非絶縁パッケージの場合、背面側にコレクタ端子Ｃと同電位となる背面金属板部Ｃ２が露出して形成されている。

【0005】

また、ディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅは、電圧が印加されたり、電流が流れたりすると発熱するため、何らかの冷却手段が必要となる。そこで、ディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅでは、背面側に露出形成された背面金属板部Ｃ２を放熱面としてこの背面金属板部Ｃ２を冷却フィン上などに接触させ、冷却する必要がある。
複数のディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅを並列接続する場合には、図１３に示すように横長の共通冷却フィンＦに背面金属板部Ｃ２を接触させて並列配置するようにしている。また、ヒートシンク上に絶縁伝熱シートを介して半導体ディスクリート部品を並列配置することも知られている（例えば、特許文献２参照）。

【0006】

さらには、ディスクリート半導体素子の背面金属板部をケース本体に取り付けばねを用いて密着させて固定し、ディスクリートタイプの半導体素子の中央部のコレクタ端子を背面金属板部から離れる方向に折り曲げてその延長端を再度折り曲げるようにし、先端の折り曲げ部をプリント基板に挿通することにより、ディスクリート半導体素子の傾斜を抑制して金属板部とケース本体との密着性を高める構成とすることも知られている（例えば、特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第３８３７０６４号公報

【特許文献2】特開２００５−７２２４９号公報

【特許文献3】特開２００３−１５２３６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

このようなディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅは、図１４（ａ）に示すようにプリント基板に配置される場合が多いが、コレクタ端子Ｃ−エミッタ端子Ｅ間の電圧Ｖ_ＣＥの高い、高耐圧のＩＧＢＴを適用すると、プリント基板６００上で、高電位となるコレクタ端子Ｃと、低電位となるゲート端子Ｇ及びエミッタ端子Ｅとの間に絶縁沿面距離が確保できなくなる。

【0009】

このため、図１４（ｂ）に示すように、プリント基板６００にゲート端子Ｇの挿通孔及びコレクタ端子Ｃの挿通孔間とコレクタ端子Ｃの挿通孔及びエミッタ端子Ｅの挿通孔との間に、ゲート端子Ｇ、コレクタ端子Ｃ及びエミッタ端子Ｅの配列方向と直交する方向に延長する２つのスリット７０１，７０２を形成して絶縁沿面距離を確保することが考えられる。

【0010】

しかしながら、この場合には、１つのディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅに対して２つのスリット７０１，７０２を形成する必要があることからプリント基板６００の強度が低下してしまうという未解決の課題が生じる。
また、前述した特許文献３に記載されているように、中央のコレクタ端子Ｃを背面金属板部とは反対側の前方に折り曲げ、その折り曲げ端をさらに下方に折り曲げてプリント基板の挿通孔に挿通することも考えられる。この場合には、図１５に示すように、複数のディスクリートタイプの半導体素子を直列に接続する場合、コレクタ端子Ｃが前方に折り曲げられて突出する関係で、ディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅの前方側の絶縁沿面距離がコレクタ端子の絶縁沿面距離分だけ前方に膨出することになり、プリント基板上でのディスクリートタイプの半導体素子Ｓｅの配列長さが長くなり、結果としてプリント基板サイズの大型化に繋がってしまい、コストアップとなるという未解決の課題がある。

【0011】

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、ディスクリートタイプの半導体素子の絶縁沿面距離を確保しながら装置サイズを小型化することができる半導体電力変換装置を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の一態様によれば、ディスクリートタイプの複数の半導体素子を基板に固定して構成される半導体電力変換装置であって、半導体素子は、一方の面に形成された放熱面と、該放熱面と交差する側面から突出され基板に保持される複数の端子とを備え、複数の端子のうち他の端子に対して高電位となる高電位端子を、少なくとも放熱面を含む面に向かって折り曲げ、半導体素子は、放熱面を金属導体で構成し、半導体素子を、放熱部品に金属導体を接触させた状態で固定して半導体装置を構成し、放熱部品が、高電位端子と同電位となるように設定されており、半導体素子は、高電位端子より低電位に設定され、高電位端子を挟んで整列された２つの低電位端子を備え、放熱部品は、低電位端子に対して沿面距離分離れた位置に基板への固定部が突出して形成されており、半導体素子は、半導体スイッチング素子と半導体スイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードとを含んで構成され、半導体装置の複数を基板に高電位端子及び放熱部品の沿面距離を保って整列配置するとともに、隣接する半導体装置の一方の半導体素子の出力端子となる低電位端子と、他方の半導体素子の入力端子となる高電位端子とを電気的に接続し、一方の半導体素子の制御端子を駆動する駆動回路の一部を隣接する他方の半導体装置における放熱部品の沿面距離範囲内に配置した半導体電力変換装置を提供する。

【発明の効果】

【0013】

本発明の一態様によれば、ディスクリートタイプの半導体素子の高電位端子を、放熱面を含む面に向かって折り曲げることにより、プリント基板上で、他の低電位端子との間の絶縁沿面距離を確保することができ、ディスクリートタイプの半導体素子を直列配置する際に、高電位端子の絶縁沿面距離が膨出することを防止して、半導体電力変換装置の小型化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一態様に適用するディスクリート半導体素子及びプリント基板を示す図である。

【図2】ディスクリート半導体素子を冷却フィンに装着した状態を示す側面図及びその等価回路図である。

【図3】本発明の一態様を示す第１の実施形態に係る電力変換装置の一相分を示す回路図である。

【図4】図３の上スイッチングアーム及び下スイッチングアームをディスクリート半導体素子で構成した場合の等価回路と、プリント基板上の半導体素子毎の絶縁沿面距離を示す底面図である。

【図5】図４の変形例を示す底面図である。

【図6】絶縁沿面距離を確保する１つのスリットを形成したプリント基板を示す底面図である。

【図7】本発明の一形態である第２の実施形態を示す等価回路図及びプリント基板を示す底面図である。

【図8】本発明の一形態である電力変換装置の変形例を示す等価回路及びプリント基板を示す底面図である。

【図9】２レベル電力変換装置を示す回路図である。

【図10】ディスクリートタイプの半導体素子及びモジュールタイプの半導体素子を示す図である。

【図11】ディスクリートタイプの半導体素子を並列配置する場合を示す図である。

【図12】ディスクリートタイプの半導体素子を示す等価回路図、正面図及び側面図である。

【図13】ディスクリートタイプの半導体素子を冷却フィンに並列配置した場合を示す斜視図である。

【図14】従来のディスクリートタイプの半導体素子とプリント基板の装着位置との関係を示す図である。

【図15】従来のディスクリートタイプの半導体素子を直列接続した場合の等価回路と、プリント基板上の半導体素子毎の絶縁沿面距離を示す底面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の一態様を示す半導体電力変換装置について図面を伴って説明する。
〔第１の実施形態〕
本発明の一態様を示す第１の実施形態では、図１（ａ）に示すディスクリートタイプのディスクリート半導体素子Ｓｅが図１（ｂ）に示すように基板としてのプリント基板１１に装着されている。

【0016】

ここで、ディスクリート半導体素子Ｓｅは、図２（ｂ）に示す絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳＦＥＴで構成される例えば電圧制御型の半導体スイッチング素子Ｑとこの半導体スイッチング素子Ｑに逆並列に接続されたフリーホイーリングダイオードＤとで構成される１つのスイッチング用アームが内蔵された扁平な直方体状のパッケージ１２を備えている。

【0017】

このパッケージ１２には、図２（ａ）に示すように、背面側に放熱面１２ａが形成され、この放熱面１２ａと交差する扁平な側面のうちの底面に、下方に突出延長し、正面から見て左側から所定間隔を保って順に整列されたゲート端子Ｇ、コレクタ端子Ｃ及びエミッタ端子Ｅを備えている。また、放熱面１２ａには、コレクタ端子Ｃと同電位となり且つ放熱面となる金属導体製の背面金属導体板部Ｃ２が露出して形成されている。

【0018】

これらゲート端子Ｇ、コレクタ端子Ｃ及びエミッタ端子Ｅの内、中央位置のコレクタ端子Ｃが高電位端子となり、この高電位端子を挟むゲート端子Ｇ及びエミッタ端子Ｅがコレクタ端子Ｃより電位が低い低電位端子となる。
そして、中央位置のコレクタ端子Ｃが、図１（ａ）に示すように、パッケージ１２の底面から下方に突出する突出部１３ａと、この突出部１３ａの下端から背面金属導体板部Ｃ２を含む平面に向かって底面と平行に折り曲げられた第１折曲部１３ｂと、この第１折曲部１３ｂの背面金属導体板部Ｃ２を含む平面より後方側の先端位置で下方に折り曲げられた第２折曲部１３ｃとを有する折曲部１３とで構成されている。

【0019】

ここで、第２折曲部１３ｃとゲート端子Ｇ及びエミッタ端子Ｅとの間隔が、プリント基板１１に装着した際に、図１（ｂ）に示すように、プリント基板１１上で、必要な絶縁沿面距離ＣＤを確保できるように折曲位置が設定されている。
なお、上記実施形態では、第１折曲部１３ｂと第２折曲部１３ｃにより２段階で折り曲げた場合を示しているが、必要な絶縁沿面距離ＣＤを確保できるようにすれば折曲位置や折曲位置の個数を任意に設定することも可能である。例えば、折曲位置を第１折曲部１３ｂのみとしてコレクタ端子が挿通孔１４ｃ（図１（ａ）参照）に対して斜めに挿通するようにしてもよく、また、折曲位置を３個以上設けるようにしてもよい。

【0020】

このディスクリート半導体素子Ｓｅは、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、プリント基板１１に装着される。このプリント基板１１には、ディスクリート半導体素子Ｓｅのゲート端子Ｇ、コレクタ端子Ｃの第２折曲部１３ｃ及びエミッタ端子Ｅを挿通する貫通した挿通孔１４ｇ、１４ｃ及び１４ｅがゲート端子Ｇ及びエミッタ端子Ｅとコレクタ端子Ｃの第２折曲部１３ｃとの間の沿面距離ＣＤ及びゲート端子Ｇ及びコレクタ端子Ｃと放熱フィン１６の固定治具１６ｃとの沿面距離ＣＤを確保するように形成されている。

【0021】

また、ディスクリート半導体素子Ｓｅは、電圧印加時や電流通電時に発生する発熱量を放熱するために、図２（ａ）に示すように、放熱部品としての放熱フィン１６に固定され、ディスクリート半導体素子Ｓｅと放熱フィン１６とで半導体装置ＳＤが構成されている。
放熱フィン１６は、例えばアルミニウムやアルミニウム合金、銅等の高熱伝導率の金属材料で例えば引き抜き加工によって形成され、平坦面を有する板状部１６ａと、この板状部１６ａの背面側からプリント基板１１と平行に上下方向に所定間隔を保って後方に延長する複数のフィン部１６ｂとで構成されている。

【0022】

そして、放熱フィン１６は、前後方向の両端側底面に突出形成された固定部としての固定治具１６ｃによって、プリント基板１１に固定保持されている。ここで、放熱フィン１６の底面とプリント基板１１の表面との間にコレクタ端子Ｃの第１折曲部１３ｂを挿通する隙間が形成されている。また、板状部１６ａの表面側にディスクリート半導体素子Ｓｅがその背面金属導体板部Ｃ２を板状部１６ａに直接接触させるようにねじ止め等によって固定されている。

【0023】

この状態では、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、ディスクリート半導体素子Ｓｅのコレクタ端子Ｃの第１折曲部１３ｂが放熱フィン１６の下面に沿って後方に延長し、この放熱フィン１６の下側で第２折曲部１３ｃが挿通孔１４ｃに挿通されている。
そして、ディスクリート半導体素子Ｓｅと放熱フィン１６とで構成される半導体装置ＳＤを等価回路で表すと、図２（ｂ）に示すように、ディスクリート半導体素子Ｓｅが電圧制御型半導体スイッチング素子としての絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑと、この絶縁ゲートバイポーラトランジスタＱに逆接続されたフリーホイーリングダイオードＤとで構成され、コレクタ端子Ｃと放熱フィン１６とが電気的に接続されて同電位となっている。また、図２（ａ）に示すように、プリント基板１１の配線パターン１１ａによってディスクリート半導体素子Ｓｅのコレクタ端子Ｃの第２折曲部１３ｃと放熱フィン１６の固定治具１６ｃとが同電位とされている。

【0024】

以上の構成を有する半導体装置ＳＤを複数使用してマルチレベルの半導体電力変換装置２０が構成される。
この半導体電力変換装置２０の一例は、例えば５レベル半導体電力変換装置を例にとり、その三相中の一相分を表すと、図３に示す構成を有する。
すなわち、正極ラインＰ１と負極ラインＮ１との間に、直列に接続された４個の充放電用コンデンサ３０１〜３０４と、直列に接続された例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で構成される４個の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が直列に接続された上スイッチングアームＳＡ１ｕ及び直列に接続された例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で構成される４個の半導体スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８が直列に接続された下スイッチングアームＳＡ１ｄの直列回路とが、並列に接続されている。

【0025】

各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８には、夫々逆並列にフリーホイーリングダイオードＤ１〜Ｄ８が個別に接続されて個別のアームを形成している。そして、半導体スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５間の中点に交流電圧を出力する交流端子ＡＣａが設けられている。
また、充放電用コンデンサ３０１，３０２間の中点に正極ラインＰ２が接続され、充放電用コンデンサ３０２，３０３間の中点に中性点ラインＭが接続され、充放電用コンデンサ３０３，３０４間の中点に負極ラインＮ２が接続されている。

【0026】

さらに、半導体スイッチング素子Ｑ２〜Ｑ５の直列回路には、直列に接続されたダイオードＤ９，Ｄ１０が逆並列に接続され、そのダイオードＤ９，Ｄ１０間の中点が充放電用コンデンサ３０１，３０２間の中点を介して正極ラインＰ２に接続されている。
また、半導体スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ６の直列回路には、直列に接続されたダイオードＤ１１，Ｄ１２が逆並列に接続され、そのダイオードＤ１１，Ｄ１２間の中点が充放電用コンデンサ３０２，３０３間の中点を介して中性点ラインＭに接続されている。

【0027】

さらに、半導体スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ７の直列回路には、直列に接続されたダイオードＤ１３，Ｄ１４が逆並列に接続され、そのダイオードＤ１３，Ｄ１４間の中点が充放電用コンデンサ３０３，３０４間の中点を介して負極ラインＮ２に接続されている。
そして、上述した上スイッチングアームＳＡ１ｕ及び下スイッチングアームＳＡ１ｄを構成する各半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８及びフリーホイーリングダイオードＤ１〜Ｄ８は、図３及び図４（ａ）に示すように、ディスクリート半導体素子Ｓｅ１〜Ｓｅ８で構成され、これらディスクリート半導体素子Ｓｅ１〜Ｓｅ８を、図４（ｂ）に示すように、個別に放熱フィン１６に固定保持して半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８が構成されている。

【0028】

これら半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８は、プリント基板１１上に、所定の絶縁沿面距離を保って配置するが、図４（ｂ）に示すように、直線状に整列させて並列配置してもよいし、千鳥状に配置することもできる。ここで、隣接する２つのディスクリート半導体素子Ｓｅｉ（ｉ＝１〜７）及びＳｅｉ＋１は、前段側のディスクリート半導体素子Ｓｅｉの放熱フィン１６の背面に、後段側のディスクリート半導体素子Ｓｅｉ＋１が対向するように配置されている。そして、各ディスクリート半導体素子Ｓｅｉのエミッタ端子Ｅと隣接する後段側のディスクリート半導体素子Ｓｅｉのコレクタ端子Ｃとをプリント基板１１の裏面側に形成した配線パターンＰ１０で接続して、図４（ａ）に示すように、各ディスクリート半導体素子Ｓｅ１〜Ｓｅ８が直列に接続されている。なお、配線パターンＰ１０は、電位の異なる端子に対して必要な沿面距離を確保できるように配線する。

【0029】

この場合、半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８のプリント基板１１上で必要とする絶縁沿面距離は、高電位端子となるコレクタ端子Ｃと、このコレクタ端子Ｃと同電位となる背面金属導体部Ｃ２に接触されて同電位となる放熱フィン１６と、低電位端子となるゲート端子Ｇ及びエミッタ端子Ｅとによって図４（ｂ）の線Ｌ１で囲まれた範囲となる。したがって、個々のディスクリート半導体素子Ｓｅｉ（ｉ＝１〜８）では、プリント基板１１上で、ディスクリート半導体素子Ｓｅｉ（ｉ＝１〜８）のコレクタ端子Ｃの第２折曲部１３ｃと放熱フィン１６の固定治具１６ｃのゲート端子Ｇ及びエミッタ端子Ｅ側端部と、ゲート端子Ｇ及びエミッタ端子Ｅとの間の沿面距離を確保すれば良い。

【0030】

したがって、複数の半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８を、図４（ｂ）に示すように、並列に配置する場合には、隣接する半導体装置ＳＤｉ及びＳＤｉ＋１との間で沿面距離を確保する必要がある。このとき、各半導体装置ＳＤｉでは、ディスクリート半導体素子Ｓｅｉの高電位端子となるコレクタ端子Ｃの第２折曲部１３ｃが放熱フィン１６の下面側に配置されることになる。したがって、ディスクリート半導体素子Ｓｅｉの第２折曲部１３ｃで必要とする沿面距離を、前述した従来例のディスクリート半導体素子のコレクタ端子Ｃのように、ゲート端子Ｇ及びエミッタ端子Ｅより前方に膨出するように設ける必要がなくなる。

【0031】

このため、プリント基板１１上に半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８を並列に配置した場合に、隣接する半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８の間隔を狭くすることが可能となる。したがって、半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８を使用した半導体電力変換装置２０の全体構成を従来例に比較して十分に小型化することができる。
また、放熱フィン１６をプリント基板１１に形成した配線パターン１１ａによって高電位端子となるコレクタ端子Ｃ及び背面金属導体部Ｃ２と同電位となるようにしている。このため、コレクタ端子Ｃの第１折曲部１３ｂを放熱フィン１６の下面に近づけても放電などが発生することはなくなる。しかも、ディスクリート半導体素子Ｓｅを放熱フィン１６に固定する際には、電気的な面から考慮する接触抵抗と、冷却的な面から考慮する接触熱抵抗との双方を考慮する必要がある。しかしながら、本実施形態では、放熱フィン１６とコレクタ端子Ｃ及び背面金属端子Ｃ２とが同電位であるので、ディスクリート半導体素子Ｓｅを放熱フィン１６に固定する際に、特に電気的な面から考慮する接触抵抗は不要であり、例えば絶縁特性を有する熱伝導部材などを使用しても問題ない。

【0032】

なお、上記第１の実施形態では、図４に示すように、前段の半導体装置ＳＤｉの放熱フィン１６の後方側に、後段の半導体装置ＳＤｉ＋１のディスクリート半導体素子Ｓｅｉが対向する場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、図５に示すように、前段の半導体装置ＳＤｉを構成するディスクリート半導体素子Ｓｅｉ及び放熱フィン１６を図４の状態から平面から見て１８０度回転させて、前段の半導体装置ＳＤｉのディスクリート半導体素子Ｓｅｉに、後段の半導体装置ＳＤｉ＋１の放熱フィン１６が対向するように配置した場合には、前段のディスクリート半導体素子Ｓｅｉのエミッタ端子Ｅとこれに続く後段のディスクリート半導体素子Ｓｅｉ＋１のコレクタ端子Ｃとを接続するプリント基板１１の配線パターンＰ１２をプリント基板１１の表面側に形成することができる。ここでも配線パターンＰ１２は、電位の異なる端子に対して必要な沿面距離を確保できるように配線する。

【0033】

また、個々のディスクリート半導体素子Ｓｅのプリント基板１１上での高電位端子となるコレクタ端子Ｃと低電位端子となるゲート端子Ｇ及びエミッタ端子Ｅとの間の距離をより短くするには、図６に示すように、プリント基板１１のゲート端子の挿通孔１４ｇ及びエミッタ端子の挿通孔１４ｅと、コレクタ端子Ｃの第２折曲部１３ｃの挿通孔１４ｃとの間に１つのスリット３０を形成して、このスリット３０によって沿面距離を確保するようにしてもよい。

【0034】

この場合には、従来例の図１３（ｂ）に示すように２つのスリットを設ける場合に比較してプリント基板１１の強度の低下を抑制することができる。
次に、本発明の第２の実施形態について図７を伴って説明する。
この第２の実施形態は、各ディスクリート半導体素子Ｓｅのゲートを駆動するゲート駆動回路を絶縁沿面距離の範囲上に配置するようにしたものである。

【0035】

この第２の実施形態では、図７に示すように、前述した第１の実施形態とは半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８の配置を平面から見て１８０度回転させて並列配置している。すなわち、前段の半導体装置ＳＤ１のディスクリート半導体素子Ｓｅと後続の半導体装置ＳＤ２の放熱フィン１６とを対向させるようにしている。
そして、隣接するディスクリート半導体素子Ｓｅｉ（ｉ＝１〜７）及びＳｅｉ＋１間で、ディスクリート半導体素子Ｓｅｉのエミッタ端子Ｅｉとディスクリート半導体素子Ｓｅｉ＋１のコレクタ端子Ｃｉ＋１とをプリント基板１１の表面上に形成した配線パターンＰ２１で接続する。

【0036】

また、各ディスクリート半導体素子Ｓｅｉに含まれる半導体スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動回路ＧＤｉは、エミッタ端子Ｅｉのエミッタ電位を基準として動作する。一方で、ディスクリート半導体素子Ｓｅｉ＋１のコレクタ端子Ｃｉ＋１のコレクタ電位とその前段のディスクリート半導体素子Ｓｅｉのエミッタ端子Ｅｉのエミッタ電位とは同じである。ディスクリート半導体素子Ｓｅｉ＋１に含まれる半導体スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動回路ＧＤｉ＋１についても、エミッタ端子Ｅｉ＋１のエミッタ電位を基準として動作する。

【0037】

そこで、ゲート駆動回路ＧＤｉを、図７（ｂ）に示すように、その一部が後段側のディスクリート半導体素子Ｓｅｉ＋１のコレクタ端子Ｃｉ＋１の絶縁沿面距離範囲内となるように配置する。そして、エミッタ端子接続側を、ディスクリート半導体素子Ｓｅｉ＋１のコレクタ端子Ｃｉ＋１の絶縁沿面距離の範囲内で配線パターンＰ２１に接続し、ゲート信号出力側をディスクリート半導体素子Ｓｅｉのゲート端子Ｇに接続する。

【0038】

このように、第２の実施形態によると、ディスクリート半導体素子Ｓｅｉのエミッタ電位を基準として動作し、ゲート端子Ｇｉにゲート信号を供給するゲート駆動回路ＧＤｉを、後段のディスクリート半導体素子Ｓｅｉ＋１のコレクタ端子Ｃｉ＋１の絶縁沿面距離範囲内に配置するので、ゲート駆動回路ＧＤｉを含めた半導体装置ＳＤｉの省スペース化を図ることができる。

【0039】

なお、上記各実施形態では、複数の半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８を直列に接続する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図８（ｂ）に示すように、半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８の配列はそのままで、各半導体装置ＳＤ１〜ＳＤ８の各ディスクリート半導体素子Ｓｅ１〜Ｓｅ８のコレクタ同士を互いに配線パターンＰ１２で接続するとともに、エミッタ同士を互いに配線パターンＰ１３で接続することにより、図８（ａ）に示すように、複数のディスクリート半導体素子Ｓｅ１〜Ｓｅ８を並列に接続することができる。

【0040】

この場合、並列接続するディスクリート半導体素子の数は、電力変換装置で許容する電流量に応じて設定する。
また、上記各実施形態では、５レベル電力変換装置に本発明を適用した場合について説明したが、図９に示す２レベル電力変換装置や３レベル、４レベルあるいは６レベル以上のマルチレベル電力変換装置にも本発明を適用することができる。

【0041】

また、ディスクリート半導体素子Ｓｅに内蔵する半導体スイッチング素子としては、絶縁ゲートバイポーラトランジスタやパワーＭＯＳＦＥＴ等の電圧制御型半導体スイッチング素子に限らずバイポーラトランジスタのような電流制御型半導体スイッチング素子を適用することもできる。さらに、ディスクリート半導体素子ＳｅにフリーホイーリングダイオードＤを省略して半導体スイッチング素子Ｑのみを内蔵する場合もあり、この場合でも本発明を適用し得るものである。
また、上記半導体スイッチング素子は、炭化ケイ素、窒化ガリウムもしくはダイヤモンドのいずれかを主材料とするワイドバンドギャップ半導体材料で構成したワイドバンドギャップ半導体素子とすることもできる。

【符号の説明】

【0042】

Ｓｅ，Ｓｅ１〜Ｓｅ８…ディスクリート半導体素子
Ｇ…ゲート端子
Ｃ…コレクタ端子
Ｅ…エミッタ端子
１１…プリント基板
１２…パッケージ
１３…折曲部
１３ａ…突出部
１３ｂ…第１折曲部
１３ｃ…第２折曲部
１４ｇ，１４ｃ及び１４ｅ…挿通孔
１６…放熱フィン
ＳＤ，ＳＤ１〜ＳＤ８…半導体装置
２０…半導体電力変換装置
ＳＡ１ｕ…上スイッチングアーム
ＳＡ１ｄ…下スイッチングアーム
Ｑ１〜Ｑ８…半導体スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ８…フリーホイーリングダイオード
３０…スリット
ＧＤ１〜ＧＤ８…ゲート駆動回路

【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】