半導体モジュール
【課題】簡素な構成の半導体モジュールを提供すること。
【解決手段】半導体モジュール１０は、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂを備えている。第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂが共通形態である。第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１と第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐが共通形態であり、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎと第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２が共通形態である。
【解決手段】半導体モジュール１０は、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂを備えている。第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂが共通形態である。第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１と第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐが共通形態であり、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎと第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２が共通形態である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源の低圧側端子と高圧側端子の間に接続して用いられる半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電圧を変圧して出力するコンバータ、直流電圧と交流電圧の間で変換して出力するインバータを構成するために半導体モジュールが利用されており、その一例が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４０９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の半導体モジュールでは、部品点数が少ない簡素な構成が望まれている。本明細書では、簡素な構成の半導体モジュール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】
【０００５】
本明細書で開示される半導体モジュールは、直流電源の低圧側端子と高圧側端子の間に接続して用いられる。半導体モジュールは、第１構造体と第２構造体を備えている。第１構造体は、第１基板と第１出力バスバーと低圧側バスバーと第１スイッチング素子を有している。第１出力バスバーは、第１基板上に設けられているとともに出力が提供される。低圧側バスバーは、第１基板上に設けられているとともに低圧側端子に電気的に接続される。第１スイッチング素子は、第１出力バスバーと低圧側バスバーの間に設けられている。第２構造体は、第２基板と第２出力バスバーと高圧側バスバーと第２スイッチング素子を有している。第２出力バスバーは、第２基板上に設けられているとともに出力が提供される。高圧側バスバーは、第２基板上に設けられているとともに高圧側端子に電気的に接続される。第２スイッチング素子は、第２出力バスバーと高圧側バスバーの間に設けられている。第１出力バスバーと第２出力バスバーが電気的に接続される。本明細書で開示される半導体モジュールでは、第１構造体と第２構造体が共通形態であることを特徴としている。ここで、第１出力バスバーと高圧側バスバーが共通形態であり、低圧側バスバーと第２出力バスバーが共通形態である。換言すれば、上記態様の半導体モジュールでは、第１出力バスバーと高圧側バスバーを共通形態とし、低圧側バスバーと第２出力バスバーを共通形態とすることで、第１構造体と第２構造体を共通形態とすることができる。上記態様の半導体モジュールは、１種類の構造体を用意することで構築することができる。上記態様の半導体モジュールは、部品点数が少ない簡素な構成である。
【０００６】
第１構造体では、第１出力バスバーの少なくとも一部が第１基板に接触しており、低圧側バスバーの少なくとも一部が第１基板に接触していてもよい。第２構造体では、第２出力バスバーの少なくとも一部が第２基板に接触しており、高圧側バスバーの少なくとも一部が第２基板に接触していてもよい。上記態様の半導体モジュールでは、第１スイッチング素子で発生した熱が、第１出力バスバーと低圧側バスバーの双方を介して第１基板に放熱される。また、第２スイッチング素子で発生した熱は、第２出力バスバーと高圧側バスバーの双方を介して第２基板に放熱される。上記態様の半導体モジュールでは、第１構造体と第２構造体のそれぞれにおいて、スイッチング素子で発生した熱を基板にまで伝熱させる経路が２つ設けられており、スイッチング素子で発生した熱を効率良く基板に伝熱させることができる。
【０００７】
第１構造体と第２構造体は、低圧側バスバーと高圧側バスバーが対向するとともに、第１出力バスバーと第２出力バスバーが対向するように積層されていてもよい。この態様の半導体モジュールでは、低圧側バスバーと高圧側バスバーが対向しているので、低圧側バスバーを流れる電流と高圧側バスバーを流れる電流が逆向きとなり、寄生インダクタンスが減少する。
【０００８】
第１構造体では、第１出力バスバーの一部、第１スイッチング素子、低圧側バスバーの一部が第１基板の表面からこの順で積層してもよい。また、第２構造体では、高圧側バスバーの一部、第２スイッチング素子、第２出力バスバーの一部が第２基板の表面からこの順で積層していてもよい。この態様の半導体モジュールでは、第１スイッチング素子のアノードが第１基板側に配置され、第２スイッチング素子のアノードが第２基板側に配置されている。ここで、スイッチング素子のアノードには、スイッチング素子がＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合のコレクタ、スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の場合のドレインも含む。
【０００９】
スイッチング素子のアノードが基板側に配置される態様の半導体モジュールは、低圧側バスバーと高圧側バスバーとの間に設けられているコンデンサをさらに備えていてもよい。この場合、低圧側バスバーは、第１スイッチング素子と接触する部位とコンデンサと接触する部位の間に屈曲部を有し、その屈曲部の存在する部位が第１基板に接触しているのが望ましい。また、高圧側バスバーは、第２スイッチング素子と接触する部位とコンデンサと接触する部位の間に突出部を有し、その突出部の存在する部位が第２基板に接触しているのが望ましい。低圧側バスバーの屈曲部の存在する部位が第１基板に接触していると、第１スイッチング素子からコンデンサに向けて低圧側バスバーを介して伝熱される熱のうちの一部が、屈曲部の存在する部位で第１基板に放熱される。また、高圧側バスバーの突出部の存在する部位が第２基板に接触していると、第２スイッチング素子からコンデンサに向けて高圧側バスバーを介して伝熱される熱のうちの一部が、突出部の存在する部位で第２基板に放熱される。この態様の半導体モジュールは、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子で発生した熱がコンデンサにまで伝熱されるのを抑えることができる。
【００１０】
第１構造体では、低圧側バスバーの一部、第１スイッチング素子、第１出力バスバーの一部が第１基板の表面からこの順で積層してもよい。また、第２構造体では、第２出力バスバーの一部、第２スイッチング素子、高圧側バスバーの一部が第２基板の表面からこの順で積層してもよい。この態様の半導体モジュールでは、第１スイッチング素子のカソードが第１基板側に配置され、第２スイッチング素子のカソードが第２基板側に配置される。ここで、スイッチング素子のカソードには、スイッチング素子がＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合のエミッタ、スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の場合のソースも含む。
【００１１】
スイッチング素子のカソードが基板側に配置される態様の半導体モジュールは、低圧側バスバーと高圧側バスバーとの間に設けられているコンデンサをさらに備えていてもよい。この場合、低圧側バスバーは、第１スイッチング素子と接触する部位とコンデンサと接触する部位の間に突出部を有し、その突出部の存在する部位が第１基板に接触しているのが望ましい。また、高圧側バスバーは、第２スイッチング素子と接触する部位とコンデンサと接触する部位の間に屈曲部を有し、その屈曲部の存在する部位が第２基板に接触しているのが望ましい。低圧側バスバーの突出部の存在する部位が第１基板に接触していると、第１スイッチング素子からコンデンサに向けて低圧側バスバーを介して伝熱される熱のうちの一部が、突出部の存在する部位を介して第１基板に放熱される。また、高圧側バスバーの屈曲部の存在する部位が第２基板に接触していると、第２スイッチング素子からコンデンサに向けて高圧側バスバーを介して伝熱される熱のうちの一部が、屈曲部の存在する部位を介して第２基板に放熱される。この態様の半導体モジュールは、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子で発生した熱がコンデンサにまで伝熱されるのを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本明細書で開示される半導体モジュールは、部品点数が少ない簡素な構成である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、電力変換装置の回路の概要を示す。
【図２】図２は、半導体モジュールのうちのＵ相アームの斜視図を示す。
【図３】図３は、半導体モジュールのうちのＵ相アームの分解斜視図を示す。
【図４】図４は、半導体モジュールのうちのＵ相アームの断面図を示す。
【図５】図５は、半導体モジュールのうちのＵ相アームの第１変形例の断面図を示す。
【図６】図６は、半導体モジュールのうちのＵ相アームの第２変形例の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。
（第１特徴）本明細書で開示される半導体モジュールは、直流電源の低圧側端子と高圧側端子の間に接続して用いられ、直流電圧をスイッチングして出力を提供する。典型的には、本明細書で開示される半導体モジュールは、直流電圧を変圧して出力するコンバータ、直流電圧と交流電圧の間で変換して出力するインバータを構成するために用いられる。
（第２特徴）本明細書で開示される半導体モジュールは、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を備えている。第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の半導体材料は特に限定されないが、一例では、シリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）が含まれる。第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の種類は特に限定されないが、一例では、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が含まれる。また、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子は、還流ダイオードを含むモノリシックＩＣとして構成されていてもよい。
（第３特徴）本明細書で開示される半導体モジュールの基板は、放熱機能を有するのが望ましい。典型的には、基板は、ヒートスプレッダ、ヒートシンクを有する冷却器であるのが望ましい。
【実施例】
【００１５】
図１に示されるように、半導体モジュール１０は、直流電源１１と交流モータ１３の間に接続されたインバータ回路を構成している。半導体モジュール１０は、直流電源１１から供給される直流電圧をスイッチングすることにより、その直流電圧を交流電圧に変換して交流モータ１３に供給する。
【００１６】
半導体モジュール１０は、直流電源の低圧側端子１１Ｎに接続可能に構成される低圧側配線１４Ｎと、直流電源１１の高圧側端子１１Ｐに接続可能に構成される高圧側配線１４Ｐと、一端が低圧側配線１４Ｎに接続されるとともに他端が高圧側配線１４Ｐに接続される整流用の平滑コンデンサ１２と、低圧側配線１４Ｎと高圧側配線１４Ｐの間で並列に接続されている３つの相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗを備えている。
【００１７】
Ｕ相アーム１０Ｕは、低圧側配線１４Ｎと高圧側配線１４Ｐの間で直列に接続された第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２を有しており、第１スイッチング素子ＳＷ１には第１還流ダイオードＤ１が並列に接続されており、第２スイッチング素子ＳＷ２には第２還流ダイオードＤ２が並列に接続されている。Ｕ相出力配線Ｕoutの一端が第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２の接続点に接続されており、Ｕ相出力配線Ｕoutの他端が交流モータ１３に接続されている。Ｖ相アーム１０Ｖは、低圧側配線１４Ｎと高圧側配線１４Ｐの間で直列に接続された第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４を有しており、第３スイッチング素子ＳＷ３には第３還流ダイオードＤ３が並列に接続されており、第４スイッチング素子ＳＷ４には第４還流ダイオードＤ４が並列に接続されている。Ｖ相出力配線Ｖoutの一端が第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４の接続点に接続されており、Ｖ相出力配線Ｖoutの他端が交流モータ１３に接続されている。Ｗ相アーム１０Ｗは、低圧側配線１４Ｎと高圧側配線１４Ｐの間で直列に接続された第５スイッチング素子ＳＷ５と第６スイッチング素子ＳＷ６を有しており、第５スイッチング素子ＳＷ５には第５還流ダイオードＤ５が並列に接続されており、第６スイッチング素子ＳＷ６には第６還流ダイオードＤ６が並列に接続されている。Ｗ相出力配線Ｗoutの一端が第５スイッチング素子ＳＷ５と第６スイッチング素子ＳＷ６の接続点に接続されており、Ｗ相出力配線Ｗoutの他端が交流モータ１３に接続されている。一例として、本実施例では、スイッチング素子ＳＷ１〜６にはＩＧＢＴが用いられており、還流ダイオードＤ１〜６にはショットキーダイオードが用いられている。
【００１８】
以下、Ｕ相アーム１０Ｕの形態を詳細に説明するが、他のＶ相アーム１０ＶとＷ相アーム１０Ｗも同様の形態を備えている。例えば、半導体モジュール１０は、以下で説明するＵ相アーム１０Ｕと同様のものを３つ用意し、それらを縦方向に積層して構成してもよく、それらを面方向に並べて構成してもよい。半導体モジュール１０は、以下で説明する基本ユニットを利用して様々な形態に構築することができる。なお、第１スイッチング素子ＳＷ１と第１還流ダイオードＤ１はモノリシックＩＣとして構成されており、第２スイッチング素子ＳＷ２と第２還流ダイオードＤ２もモノリシックＩＣとして構成されている。以下では、第１スイッチング素子ＳＷ１と第１還流ダイオードＤ１を含むモノリシックＩＣを第１スイッチング素子ＳＷ１として記載し、第２スイッチング素子ＳＷ２と第２還流ダイオードＤ２を含むモノリシックＩＣを第２スイッチング素子ＳＷ２として記載する。
【００１９】
図２及び図３に示されるように、Ｕ相アーム１０Ｕは、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂを備えている。第１構造体１０Ｕａは、Ｕ相アーム１０Ｕのうちの低圧側（下側）に対応している。第２構造体１０Ｕｂは、Ｕ相アーム１０Ｕのうちの高圧側（上側）に対応している。
【００２０】
図３に示されるように、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂは、ｚ軸回りに１８０度回転して示されているものの、共通の形態を備えていることを特徴としている。第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂはいずれも、基板２０（以下、便宜の上で、第１構造体１０Ｕａの基板２０を「第１基板」といい、第２構造体１０Ｕｂの基板２０を第２基板ということがある）を備えている。基板２０は、放熱部２２と絶縁部２４を有している。放熱部２２は、例えば、熱伝導率の高い金属で構成されたヒートスプレッダー、又はヒートシンクを含む冷却器である。絶縁部２４は、例えば、アルミニウムの金属層２４ａと窒化アルミニウムの絶縁層２４ｂとアルミニウムの回路層２４ｃが放熱部２２の表面からこの順で積層された絶縁基板である。絶縁部２４は、放熱部２２の表面にロウ付けにより固定されている。
【００２１】
図３に示されるように、第１構造体１０Ｕａは、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎと第１スイッチング素子ＳＷ１を有している。第１出力バスバーＵout１は、第１基板２０上に設けられており、ｘ軸に長手方向を有する概ね平板形状である。第１出力バスバーＵout１は、Ｕ相出力配線Ｕout（図１参照）に電気的に接続される。低圧側バスバー１０Ｎは、第１基板２０上に設けられており、ｘ軸に長手方向を有する概ね平板形状である。低圧側バスバー１０Ｎは、低圧側配線１４Ｎ（図１参照）に電気的に接続される。第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎは、ｘ軸方向において、第１基板２０から反対向きに延出している。第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎの材料には、一例として銅（Ｃｕ）が用いられてもよい。第１スイッチング素子ＳＷ１は、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎに間に設けられている。なお、第１スイッチング素子ＳＷ１のゲート電極用のバスバーの図示は省略されているが、他のバスバーとの干渉を避けるために、他のバスバーとは異なる方向（この例では、ｙ軸方向）に沿って第１基板２０から延出するように設けられるのが望ましい。
【００２２】
図３に示されるように、第２構造体１０Ｕｂは、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐと第２スイッチング素子ＳＷ２を有している。第２出力バスバーＵout２は、第２基板２０上に設けられており、ｘ軸に長手方向を有する概ね平板形状である。第２出力バスバーＵout２は、Ｕ相出力配線Ｕout（図１参照）に電気的に接続される。高圧側バスバー１０Ｐは、第２基板２０上に設けられており、ｘ軸に長手方向を有する概ね平板形状である。高圧側バスバー１０Ｐは、高圧側配線１４Ｐ（図１参照）に電気的に接続される。第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐは、ｘ軸方向において、第２基板２０から反対向きに延出している。第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐの材料には、一例として銅（Ｃｕ）が用いられてもよい。第２スイッチング素子ＳＷ２は、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐに間に設けられている。なお、第２スイッチング素子ＳＷ２のゲート電極用のバスバーの図示は省略されているが、他のバスバーとの干渉を避けるために、他のバスバーとは異なる方向（この例では、ｙ軸方向）に沿って第２基板２０から延出するように設けられるのが望ましい。
【００２３】
図３に示されるように、第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１と第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐが共通形態である。第１出力バスバーＵout１と高圧側バスバー１０Ｐはそれぞれ、ｚ軸に突出する突出部３２を有しており、その突出部３２がｘ軸に長手方向を有する平板部から突出するように構成されている。第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎと第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２が共通形態である。低圧側バスバー１０Ｎと第２出力バスバーＵout２はそれぞれ、屈曲部３４を有しており、その屈曲部３４によってｘ軸に長手方向を有する２枚の平板部がｚ軸方向にオフセットされるように構成されている。図２及び図３に示されるように、Ｕ相アーム１０Ｕは、図３の状態から第２構造体１０Ｕｂをｘ軸回りに１８０度回転させて第１構造体１０Ｕａ上に積層して構築される。これにより、第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１と第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２がｚ軸方向に対向する。さらに、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎと第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐがｚ軸方向に対向する。
【００２４】
図４を参照し、Ｕ相アーム１０Ｕをさらに詳細する。第１構造体１０Ｕａでは、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎが、絶縁部２４の回路層２４ｃの表面にロウ付けによって固定されている。第１出力バスバーＵout１の一部、第１スイッチング素子ＳＷ１、低圧側バスバー１０Ｎの一部が第１基板２０の表面からこの順で積層している。第１スイッチング素子ＳＷ１では、コレクタが第１出力バスバーＵout１に接触しており、エミッタが低圧側バスバー１０Ｎに接触している。第１スイッチング素子ＳＷ１は、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎのそれぞれに、はんだを介して接合されている。
【００２５】
第２構造体１０Ｕｂでは、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐが、絶縁部２４の回路層２４ｃの表面にロウ付けによって固定されている。高圧側バスバー１０Ｐの一部、第２スイッチング素子ＳＷ２、第２出力バスバーＵout２の一部が第２基板２０の表面からこの順で積層している。第２スイッチング素子ＳＷ２では、コレクタが高圧側バスバー１０Ｐに接触しており、エミッタが第２出力バスバーＵout２に接触している。第２スイッチング素子ＳＷ２は、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐのそれぞれに、はんだを介して接合されている。
【００２６】
Ｕ相アーム１０Ｕはさらに、絶縁層４２と導電体部４４を備えている。絶縁層４２は、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂの間に設けられており、各バスバーを電気的に絶縁している。絶縁層４２は、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂの間で挟持されている。すなわち、絶縁層４２は、バスバーとの間でロウ付け又ははんだ等を用いて固定されていない。なお、絶縁層４２を挟持するための力は、例えば、第１構造体１０Ｕａの第１基板２０と第２構造体１０Ｕｂの第２基板２０に形成されたボルト貫通孔（図示省略）を貫通するボルトをナットを用いて螺合することによって生成してもよい。絶縁層４２の材料には、一例として酸化シリコンが用いられてもよい。導電体部４４は、第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１と第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２の間に設けられており、第１出力バスバーＵout１と第２出力バスバーＵout２を電気的に接続している。一例では、導電体部４４には、発砲金属が用いられている。
【００２７】
図４に示されるように、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎと第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐの間に平滑コンデンサ１２（図１参照）が設けられている。
【００２８】
次に、Ｕ相アーム１０Ｕの特徴を列記する。
（１）上記したように、Ｕ相アーム１０Ｕでは、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂが共通形態であることを特徴としている。このため、１種類の基本ユニットである構造体１０Ｕａ，１０Ｕｂを用意しておけば、Ｕ相アーム１０Ｕを構築することができ、さらに、Ｖ相アーム１０Ｖ及びＷ相アーム１０Ｗも同様に構築することができる。すなわち、本実施例の技術によると、１種類の基本ユニットである構造体１０Ｕａ，１０Ｕｂを用意しておけば、半導体モジュール１０を構築することができる。本実施例で開示される半導体モジュール１０は、部品点数が少ない簡素な構成であると評価できる。
【００２９】
（２）Ｕ相アーム１０Ｕでは、平滑コンデンサ１２とスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が近接して配置されていることを特徴としている。これにより、平滑コンデンサ１２とスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の間の配線（バスバー）に起因する寄生インダクタンスが抑えられる。
【００３０】
（３）Ｕ相アーム１０Ｕでは、第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１の一部と低圧側バスバー１０Ｎの一部の双方が第１基板２０に接触している。このため、第１スイッチング素子ＳＷ１で発生した熱が、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎの双方を介して第１基板２０に放熱される。すなわち、Ｕ相アーム１０Ｕの第１構造体１０Ｕａでは、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎの２つの伝熱経路が設けられている。また、Ｕ相アーム１０Ｕでも、第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２の一部と高圧側バスバー１０Ｐの一部の双方が第２基板２０に接触している。このため、第２スイッチング素子ＳＷ２で発生した熱が、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐの双方を介して第２基板２０に放熱される。すなわち、Ｕ相アーム１０Ｕの第２構造体１０Ｕｂでは、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐの２つの伝熱経路が設けられている。このように、Ｕ相アーム１０Ｕは、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２で発生した熱を効率良く基板２０に伝熱させることができる。例えば、平滑コンデンサ１２とスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が近接して配置されている例では、平滑コンデンサ１２の熱破壊が問題となり得るが、本実施例のＵ相アーム１０Ｕでは、このような熱破壊にも対策が施されている。
【００３１】
（４）Ｕ相アーム１０Ｕでは、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎが、第１スイッチング素子ＳＷ１と接触する部位と平滑コンデンサ１２と接触する部位の間に屈曲部３４を有している。さらに、Ｕ相アーム１０Ｕでは、第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐが、第２スイッチング素子ＳＷ２と接触する部位と平滑コンデンサ１２と接触する部位の間に突出部３２を有している。これら屈曲部３４が存在する部位と突出部３２が存在する部位はいずれも、基板２０の表面に接触している。第１スイッチング素子ＳＷ１で発生した熱は、屈曲部３４を介して第１基板２０に放熱され、平滑コンデンサ１２にまで伝熱されることが抑制されている。第２スイッチング素子ＳＷ２で発生した熱は、突出部３２がバッファとして機能し、平滑コンデンサ１２にまで伝熱されることが抑制されている。このように、平滑コンデンサ１２とスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が近接して配置されていると、平滑コンデンサ１２の熱破壊が問題となり得るが、本実施例のＵ相アーム１０Ｕでは、このような熱破壊にも対策が施されている。
【００３２】
（５）Ｕ相アーム１０Ｕでは、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎと第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐがｚ軸方向に対向することを特徴としている。これにより、低圧側バスバー１０Ｎを流れる電流と高圧側バスバー１０Ｐを流れる電流が逆向きとなり、寄生インダクタンスが減少する。
【００３３】
（６）Ｕ相アーム１０Ｕでは、絶縁層４２が第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂの間で挟持されていることを特徴としている。この構成によると、絶縁層４２とバスバーをロウ付け又ははんだを用いて固定する必要がないので、製造時の熱ストレスを抑えることができ、Ｕ相アーム１０Ｕの歩留まりを向上させることができる。また、Ｕ相アーム１０Ｕでは、バスバーに形成された突出部３２及び屈曲部３４によって絶縁層４２を支持する構成となっている。絶縁層４２は、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂの間で安定的に挟持されている。
【００３４】
（７）Ｕ相アーム１０Ｕは、図５に示す変形例としてもよい。前述の実施例とこの変形例の相違点は、第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎが逆の関係となっており、第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐが逆の関係となっていることである。また、この例では、第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２が、ｚ軸方向に反対向きに配置されている点でも前述の実施例と相違する。このため、第１スイッチング素子ＳＷ１のエミッタが第１基板２０側に配置され、第２スイッチング素子ＳＷ２のエミッタも第２基板２０側に配置される。この変形例のＵ相アーム１０Ｕでは、熱の発生源であるエミッタを基板２０側に配置することができるので、冷却効果が高い。
【００３５】
（８）Ｕ相アーム１０Ｕは、図６に示す変形例としてもよい。前述の実施例とこの変形例の相違点は、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎの一部にグラフェン層４５が埋設されており、第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２の一部にもグラフェン層４５が埋設されていることである。このようにグラフェン層４５が埋設されていると、効率良く熱を伝熱させることができるので、冷却効果が高い。
【００３６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００３７】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０：半導体モジュール
１０Ｎ：低圧側バスバー
１０Ｐ：高圧側バスバー
１０Ｕａ：第１構造体
１０Ｕｂ：第２構造体
１１：直流電源
１１Ｎ：低圧側端子
１１Ｐ：高圧側端子
１２：平滑コンデンサ
２０：基板
３２：突出部
３４：屈曲部
４５：グラフェン層
Ｕout１：第１出力バスバー
Ｕout２：第２出力バスバー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源の低圧側端子と高圧側端子の間に接続して用いられる半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電圧を変圧して出力するコンバータ、直流電圧と交流電圧の間で変換して出力するインバータを構成するために半導体モジュールが利用されており、その一例が特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４０９２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の半導体モジュールでは、部品点数が少ない簡素な構成が望まれている。本明細書では、簡素な構成の半導体モジュール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】
【０００５】
本明細書で開示される半導体モジュールは、直流電源の低圧側端子と高圧側端子の間に接続して用いられる。半導体モジュールは、第１構造体と第２構造体を備えている。第１構造体は、第１基板と第１出力バスバーと低圧側バスバーと第１スイッチング素子を有している。第１出力バスバーは、第１基板上に設けられているとともに出力が提供される。低圧側バスバーは、第１基板上に設けられているとともに低圧側端子に電気的に接続される。第１スイッチング素子は、第１出力バスバーと低圧側バスバーの間に設けられている。第２構造体は、第２基板と第２出力バスバーと高圧側バスバーと第２スイッチング素子を有している。第２出力バスバーは、第２基板上に設けられているとともに出力が提供される。高圧側バスバーは、第２基板上に設けられているとともに高圧側端子に電気的に接続される。第２スイッチング素子は、第２出力バスバーと高圧側バスバーの間に設けられている。第１出力バスバーと第２出力バスバーが電気的に接続される。本明細書で開示される半導体モジュールでは、第１構造体と第２構造体が共通形態であることを特徴としている。ここで、第１出力バスバーと高圧側バスバーが共通形態であり、低圧側バスバーと第２出力バスバーが共通形態である。換言すれば、上記態様の半導体モジュールでは、第１出力バスバーと高圧側バスバーを共通形態とし、低圧側バスバーと第２出力バスバーを共通形態とすることで、第１構造体と第２構造体を共通形態とすることができる。上記態様の半導体モジュールは、１種類の構造体を用意することで構築することができる。上記態様の半導体モジュールは、部品点数が少ない簡素な構成である。
【０００６】
第１構造体では、第１出力バスバーの少なくとも一部が第１基板に接触しており、低圧側バスバーの少なくとも一部が第１基板に接触していてもよい。第２構造体では、第２出力バスバーの少なくとも一部が第２基板に接触しており、高圧側バスバーの少なくとも一部が第２基板に接触していてもよい。上記態様の半導体モジュールでは、第１スイッチング素子で発生した熱が、第１出力バスバーと低圧側バスバーの双方を介して第１基板に放熱される。また、第２スイッチング素子で発生した熱は、第２出力バスバーと高圧側バスバーの双方を介して第２基板に放熱される。上記態様の半導体モジュールでは、第１構造体と第２構造体のそれぞれにおいて、スイッチング素子で発生した熱を基板にまで伝熱させる経路が２つ設けられており、スイッチング素子で発生した熱を効率良く基板に伝熱させることができる。
【０００７】
第１構造体と第２構造体は、低圧側バスバーと高圧側バスバーが対向するとともに、第１出力バスバーと第２出力バスバーが対向するように積層されていてもよい。この態様の半導体モジュールでは、低圧側バスバーと高圧側バスバーが対向しているので、低圧側バスバーを流れる電流と高圧側バスバーを流れる電流が逆向きとなり、寄生インダクタンスが減少する。
【０００８】
第１構造体では、第１出力バスバーの一部、第１スイッチング素子、低圧側バスバーの一部が第１基板の表面からこの順で積層してもよい。また、第２構造体では、高圧側バスバーの一部、第２スイッチング素子、第２出力バスバーの一部が第２基板の表面からこの順で積層していてもよい。この態様の半導体モジュールでは、第１スイッチング素子のアノードが第１基板側に配置され、第２スイッチング素子のアノードが第２基板側に配置されている。ここで、スイッチング素子のアノードには、スイッチング素子がＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合のコレクタ、スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の場合のドレインも含む。
【０００９】
スイッチング素子のアノードが基板側に配置される態様の半導体モジュールは、低圧側バスバーと高圧側バスバーとの間に設けられているコンデンサをさらに備えていてもよい。この場合、低圧側バスバーは、第１スイッチング素子と接触する部位とコンデンサと接触する部位の間に屈曲部を有し、その屈曲部の存在する部位が第１基板に接触しているのが望ましい。また、高圧側バスバーは、第２スイッチング素子と接触する部位とコンデンサと接触する部位の間に突出部を有し、その突出部の存在する部位が第２基板に接触しているのが望ましい。低圧側バスバーの屈曲部の存在する部位が第１基板に接触していると、第１スイッチング素子からコンデンサに向けて低圧側バスバーを介して伝熱される熱のうちの一部が、屈曲部の存在する部位で第１基板に放熱される。また、高圧側バスバーの突出部の存在する部位が第２基板に接触していると、第２スイッチング素子からコンデンサに向けて高圧側バスバーを介して伝熱される熱のうちの一部が、突出部の存在する部位で第２基板に放熱される。この態様の半導体モジュールは、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子で発生した熱がコンデンサにまで伝熱されるのを抑えることができる。
【００１０】
第１構造体では、低圧側バスバーの一部、第１スイッチング素子、第１出力バスバーの一部が第１基板の表面からこの順で積層してもよい。また、第２構造体では、第２出力バスバーの一部、第２スイッチング素子、高圧側バスバーの一部が第２基板の表面からこの順で積層してもよい。この態様の半導体モジュールでは、第１スイッチング素子のカソードが第１基板側に配置され、第２スイッチング素子のカソードが第２基板側に配置される。ここで、スイッチング素子のカソードには、スイッチング素子がＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の場合のエミッタ、スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）の場合のソースも含む。
【００１１】
スイッチング素子のカソードが基板側に配置される態様の半導体モジュールは、低圧側バスバーと高圧側バスバーとの間に設けられているコンデンサをさらに備えていてもよい。この場合、低圧側バスバーは、第１スイッチング素子と接触する部位とコンデンサと接触する部位の間に突出部を有し、その突出部の存在する部位が第１基板に接触しているのが望ましい。また、高圧側バスバーは、第２スイッチング素子と接触する部位とコンデンサと接触する部位の間に屈曲部を有し、その屈曲部の存在する部位が第２基板に接触しているのが望ましい。低圧側バスバーの突出部の存在する部位が第１基板に接触していると、第１スイッチング素子からコンデンサに向けて低圧側バスバーを介して伝熱される熱のうちの一部が、突出部の存在する部位を介して第１基板に放熱される。また、高圧側バスバーの屈曲部の存在する部位が第２基板に接触していると、第２スイッチング素子からコンデンサに向けて高圧側バスバーを介して伝熱される熱のうちの一部が、屈曲部の存在する部位を介して第２基板に放熱される。この態様の半導体モジュールは、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子で発生した熱がコンデンサにまで伝熱されるのを抑えることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本明細書で開示される半導体モジュールは、部品点数が少ない簡素な構成である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、電力変換装置の回路の概要を示す。
【図２】図２は、半導体モジュールのうちのＵ相アームの斜視図を示す。
【図３】図３は、半導体モジュールのうちのＵ相アームの分解斜視図を示す。
【図４】図４は、半導体モジュールのうちのＵ相アームの断面図を示す。
【図５】図５は、半導体モジュールのうちのＵ相アームの第１変形例の断面図を示す。
【図６】図６は、半導体モジュールのうちのＵ相アームの第２変形例の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。
（第１特徴）本明細書で開示される半導体モジュールは、直流電源の低圧側端子と高圧側端子の間に接続して用いられ、直流電圧をスイッチングして出力を提供する。典型的には、本明細書で開示される半導体モジュールは、直流電圧を変圧して出力するコンバータ、直流電圧と交流電圧の間で変換して出力するインバータを構成するために用いられる。
（第２特徴）本明細書で開示される半導体モジュールは、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を備えている。第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の半導体材料は特に限定されないが、一例では、シリコン（Ｓｉ）、炭化珪素（ＳｉＣ）又は窒化ガリウム（ＧａＮ）が含まれる。第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の種類は特に限定されないが、一例では、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が含まれる。また、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子は、還流ダイオードを含むモノリシックＩＣとして構成されていてもよい。
（第３特徴）本明細書で開示される半導体モジュールの基板は、放熱機能を有するのが望ましい。典型的には、基板は、ヒートスプレッダ、ヒートシンクを有する冷却器であるのが望ましい。
【実施例】
【００１５】
図１に示されるように、半導体モジュール１０は、直流電源１１と交流モータ１３の間に接続されたインバータ回路を構成している。半導体モジュール１０は、直流電源１１から供給される直流電圧をスイッチングすることにより、その直流電圧を交流電圧に変換して交流モータ１３に供給する。
【００１６】
半導体モジュール１０は、直流電源の低圧側端子１１Ｎに接続可能に構成される低圧側配線１４Ｎと、直流電源１１の高圧側端子１１Ｐに接続可能に構成される高圧側配線１４Ｐと、一端が低圧側配線１４Ｎに接続されるとともに他端が高圧側配線１４Ｐに接続される整流用の平滑コンデンサ１２と、低圧側配線１４Ｎと高圧側配線１４Ｐの間で並列に接続されている３つの相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗを備えている。
【００１７】
Ｕ相アーム１０Ｕは、低圧側配線１４Ｎと高圧側配線１４Ｐの間で直列に接続された第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２を有しており、第１スイッチング素子ＳＷ１には第１還流ダイオードＤ１が並列に接続されており、第２スイッチング素子ＳＷ２には第２還流ダイオードＤ２が並列に接続されている。Ｕ相出力配線Ｕoutの一端が第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２の接続点に接続されており、Ｕ相出力配線Ｕoutの他端が交流モータ１３に接続されている。Ｖ相アーム１０Ｖは、低圧側配線１４Ｎと高圧側配線１４Ｐの間で直列に接続された第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４を有しており、第３スイッチング素子ＳＷ３には第３還流ダイオードＤ３が並列に接続されており、第４スイッチング素子ＳＷ４には第４還流ダイオードＤ４が並列に接続されている。Ｖ相出力配線Ｖoutの一端が第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４の接続点に接続されており、Ｖ相出力配線Ｖoutの他端が交流モータ１３に接続されている。Ｗ相アーム１０Ｗは、低圧側配線１４Ｎと高圧側配線１４Ｐの間で直列に接続された第５スイッチング素子ＳＷ５と第６スイッチング素子ＳＷ６を有しており、第５スイッチング素子ＳＷ５には第５還流ダイオードＤ５が並列に接続されており、第６スイッチング素子ＳＷ６には第６還流ダイオードＤ６が並列に接続されている。Ｗ相出力配線Ｗoutの一端が第５スイッチング素子ＳＷ５と第６スイッチング素子ＳＷ６の接続点に接続されており、Ｗ相出力配線Ｗoutの他端が交流モータ１３に接続されている。一例として、本実施例では、スイッチング素子ＳＷ１〜６にはＩＧＢＴが用いられており、還流ダイオードＤ１〜６にはショットキーダイオードが用いられている。
【００１８】
以下、Ｕ相アーム１０Ｕの形態を詳細に説明するが、他のＶ相アーム１０ＶとＷ相アーム１０Ｗも同様の形態を備えている。例えば、半導体モジュール１０は、以下で説明するＵ相アーム１０Ｕと同様のものを３つ用意し、それらを縦方向に積層して構成してもよく、それらを面方向に並べて構成してもよい。半導体モジュール１０は、以下で説明する基本ユニットを利用して様々な形態に構築することができる。なお、第１スイッチング素子ＳＷ１と第１還流ダイオードＤ１はモノリシックＩＣとして構成されており、第２スイッチング素子ＳＷ２と第２還流ダイオードＤ２もモノリシックＩＣとして構成されている。以下では、第１スイッチング素子ＳＷ１と第１還流ダイオードＤ１を含むモノリシックＩＣを第１スイッチング素子ＳＷ１として記載し、第２スイッチング素子ＳＷ２と第２還流ダイオードＤ２を含むモノリシックＩＣを第２スイッチング素子ＳＷ２として記載する。
【００１９】
図２及び図３に示されるように、Ｕ相アーム１０Ｕは、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂを備えている。第１構造体１０Ｕａは、Ｕ相アーム１０Ｕのうちの低圧側（下側）に対応している。第２構造体１０Ｕｂは、Ｕ相アーム１０Ｕのうちの高圧側（上側）に対応している。
【００２０】
図３に示されるように、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂは、ｚ軸回りに１８０度回転して示されているものの、共通の形態を備えていることを特徴としている。第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂはいずれも、基板２０（以下、便宜の上で、第１構造体１０Ｕａの基板２０を「第１基板」といい、第２構造体１０Ｕｂの基板２０を第２基板ということがある）を備えている。基板２０は、放熱部２２と絶縁部２４を有している。放熱部２２は、例えば、熱伝導率の高い金属で構成されたヒートスプレッダー、又はヒートシンクを含む冷却器である。絶縁部２４は、例えば、アルミニウムの金属層２４ａと窒化アルミニウムの絶縁層２４ｂとアルミニウムの回路層２４ｃが放熱部２２の表面からこの順で積層された絶縁基板である。絶縁部２４は、放熱部２２の表面にロウ付けにより固定されている。
【００２１】
図３に示されるように、第１構造体１０Ｕａは、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎと第１スイッチング素子ＳＷ１を有している。第１出力バスバーＵout１は、第１基板２０上に設けられており、ｘ軸に長手方向を有する概ね平板形状である。第１出力バスバーＵout１は、Ｕ相出力配線Ｕout（図１参照）に電気的に接続される。低圧側バスバー１０Ｎは、第１基板２０上に設けられており、ｘ軸に長手方向を有する概ね平板形状である。低圧側バスバー１０Ｎは、低圧側配線１４Ｎ（図１参照）に電気的に接続される。第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎは、ｘ軸方向において、第１基板２０から反対向きに延出している。第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎの材料には、一例として銅（Ｃｕ）が用いられてもよい。第１スイッチング素子ＳＷ１は、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎに間に設けられている。なお、第１スイッチング素子ＳＷ１のゲート電極用のバスバーの図示は省略されているが、他のバスバーとの干渉を避けるために、他のバスバーとは異なる方向（この例では、ｙ軸方向）に沿って第１基板２０から延出するように設けられるのが望ましい。
【００２２】
図３に示されるように、第２構造体１０Ｕｂは、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐと第２スイッチング素子ＳＷ２を有している。第２出力バスバーＵout２は、第２基板２０上に設けられており、ｘ軸に長手方向を有する概ね平板形状である。第２出力バスバーＵout２は、Ｕ相出力配線Ｕout（図１参照）に電気的に接続される。高圧側バスバー１０Ｐは、第２基板２０上に設けられており、ｘ軸に長手方向を有する概ね平板形状である。高圧側バスバー１０Ｐは、高圧側配線１４Ｐ（図１参照）に電気的に接続される。第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐは、ｘ軸方向において、第２基板２０から反対向きに延出している。第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐの材料には、一例として銅（Ｃｕ）が用いられてもよい。第２スイッチング素子ＳＷ２は、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐに間に設けられている。なお、第２スイッチング素子ＳＷ２のゲート電極用のバスバーの図示は省略されているが、他のバスバーとの干渉を避けるために、他のバスバーとは異なる方向（この例では、ｙ軸方向）に沿って第２基板２０から延出するように設けられるのが望ましい。
【００２３】
図３に示されるように、第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１と第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐが共通形態である。第１出力バスバーＵout１と高圧側バスバー１０Ｐはそれぞれ、ｚ軸に突出する突出部３２を有しており、その突出部３２がｘ軸に長手方向を有する平板部から突出するように構成されている。第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎと第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２が共通形態である。低圧側バスバー１０Ｎと第２出力バスバーＵout２はそれぞれ、屈曲部３４を有しており、その屈曲部３４によってｘ軸に長手方向を有する２枚の平板部がｚ軸方向にオフセットされるように構成されている。図２及び図３に示されるように、Ｕ相アーム１０Ｕは、図３の状態から第２構造体１０Ｕｂをｘ軸回りに１８０度回転させて第１構造体１０Ｕａ上に積層して構築される。これにより、第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１と第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２がｚ軸方向に対向する。さらに、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎと第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐがｚ軸方向に対向する。
【００２４】
図４を参照し、Ｕ相アーム１０Ｕをさらに詳細する。第１構造体１０Ｕａでは、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎが、絶縁部２４の回路層２４ｃの表面にロウ付けによって固定されている。第１出力バスバーＵout１の一部、第１スイッチング素子ＳＷ１、低圧側バスバー１０Ｎの一部が第１基板２０の表面からこの順で積層している。第１スイッチング素子ＳＷ１では、コレクタが第１出力バスバーＵout１に接触しており、エミッタが低圧側バスバー１０Ｎに接触している。第１スイッチング素子ＳＷ１は、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎのそれぞれに、はんだを介して接合されている。
【００２５】
第２構造体１０Ｕｂでは、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐが、絶縁部２４の回路層２４ｃの表面にロウ付けによって固定されている。高圧側バスバー１０Ｐの一部、第２スイッチング素子ＳＷ２、第２出力バスバーＵout２の一部が第２基板２０の表面からこの順で積層している。第２スイッチング素子ＳＷ２では、コレクタが高圧側バスバー１０Ｐに接触しており、エミッタが第２出力バスバーＵout２に接触している。第２スイッチング素子ＳＷ２は、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐのそれぞれに、はんだを介して接合されている。
【００２６】
Ｕ相アーム１０Ｕはさらに、絶縁層４２と導電体部４４を備えている。絶縁層４２は、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂの間に設けられており、各バスバーを電気的に絶縁している。絶縁層４２は、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂの間で挟持されている。すなわち、絶縁層４２は、バスバーとの間でロウ付け又ははんだ等を用いて固定されていない。なお、絶縁層４２を挟持するための力は、例えば、第１構造体１０Ｕａの第１基板２０と第２構造体１０Ｕｂの第２基板２０に形成されたボルト貫通孔（図示省略）を貫通するボルトをナットを用いて螺合することによって生成してもよい。絶縁層４２の材料には、一例として酸化シリコンが用いられてもよい。導電体部４４は、第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１と第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２の間に設けられており、第１出力バスバーＵout１と第２出力バスバーＵout２を電気的に接続している。一例では、導電体部４４には、発砲金属が用いられている。
【００２７】
図４に示されるように、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎと第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐの間に平滑コンデンサ１２（図１参照）が設けられている。
【００２８】
次に、Ｕ相アーム１０Ｕの特徴を列記する。
（１）上記したように、Ｕ相アーム１０Ｕでは、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂが共通形態であることを特徴としている。このため、１種類の基本ユニットである構造体１０Ｕａ，１０Ｕｂを用意しておけば、Ｕ相アーム１０Ｕを構築することができ、さらに、Ｖ相アーム１０Ｖ及びＷ相アーム１０Ｗも同様に構築することができる。すなわち、本実施例の技術によると、１種類の基本ユニットである構造体１０Ｕａ，１０Ｕｂを用意しておけば、半導体モジュール１０を構築することができる。本実施例で開示される半導体モジュール１０は、部品点数が少ない簡素な構成であると評価できる。
【００２９】
（２）Ｕ相アーム１０Ｕでは、平滑コンデンサ１２とスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が近接して配置されていることを特徴としている。これにより、平滑コンデンサ１２とスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の間の配線（バスバー）に起因する寄生インダクタンスが抑えられる。
【００３０】
（３）Ｕ相アーム１０Ｕでは、第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１の一部と低圧側バスバー１０Ｎの一部の双方が第１基板２０に接触している。このため、第１スイッチング素子ＳＷ１で発生した熱が、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎの双方を介して第１基板２０に放熱される。すなわち、Ｕ相アーム１０Ｕの第１構造体１０Ｕａでは、第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎの２つの伝熱経路が設けられている。また、Ｕ相アーム１０Ｕでも、第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２の一部と高圧側バスバー１０Ｐの一部の双方が第２基板２０に接触している。このため、第２スイッチング素子ＳＷ２で発生した熱が、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐの双方を介して第２基板２０に放熱される。すなわち、Ｕ相アーム１０Ｕの第２構造体１０Ｕｂでは、第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐの２つの伝熱経路が設けられている。このように、Ｕ相アーム１０Ｕは、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２で発生した熱を効率良く基板２０に伝熱させることができる。例えば、平滑コンデンサ１２とスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が近接して配置されている例では、平滑コンデンサ１２の熱破壊が問題となり得るが、本実施例のＵ相アーム１０Ｕでは、このような熱破壊にも対策が施されている。
【００３１】
（４）Ｕ相アーム１０Ｕでは、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎが、第１スイッチング素子ＳＷ１と接触する部位と平滑コンデンサ１２と接触する部位の間に屈曲部３４を有している。さらに、Ｕ相アーム１０Ｕでは、第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐが、第２スイッチング素子ＳＷ２と接触する部位と平滑コンデンサ１２と接触する部位の間に突出部３２を有している。これら屈曲部３４が存在する部位と突出部３２が存在する部位はいずれも、基板２０の表面に接触している。第１スイッチング素子ＳＷ１で発生した熱は、屈曲部３４を介して第１基板２０に放熱され、平滑コンデンサ１２にまで伝熱されることが抑制されている。第２スイッチング素子ＳＷ２で発生した熱は、突出部３２がバッファとして機能し、平滑コンデンサ１２にまで伝熱されることが抑制されている。このように、平滑コンデンサ１２とスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２が近接して配置されていると、平滑コンデンサ１２の熱破壊が問題となり得るが、本実施例のＵ相アーム１０Ｕでは、このような熱破壊にも対策が施されている。
【００３２】
（５）Ｕ相アーム１０Ｕでは、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎと第２構造体１０Ｕｂの高圧側バスバー１０Ｐがｚ軸方向に対向することを特徴としている。これにより、低圧側バスバー１０Ｎを流れる電流と高圧側バスバー１０Ｐを流れる電流が逆向きとなり、寄生インダクタンスが減少する。
【００３３】
（６）Ｕ相アーム１０Ｕでは、絶縁層４２が第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂの間で挟持されていることを特徴としている。この構成によると、絶縁層４２とバスバーをロウ付け又ははんだを用いて固定する必要がないので、製造時の熱ストレスを抑えることができ、Ｕ相アーム１０Ｕの歩留まりを向上させることができる。また、Ｕ相アーム１０Ｕでは、バスバーに形成された突出部３２及び屈曲部３４によって絶縁層４２を支持する構成となっている。絶縁層４２は、第１構造体１０Ｕａと第２構造体１０Ｕｂの間で安定的に挟持されている。
【００３４】
（７）Ｕ相アーム１０Ｕは、図５に示す変形例としてもよい。前述の実施例とこの変形例の相違点は、第１構造体１０Ｕａの第１出力バスバーＵout１と低圧側バスバー１０Ｎが逆の関係となっており、第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２と高圧側バスバー１０Ｐが逆の関係となっていることである。また、この例では、第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２が、ｚ軸方向に反対向きに配置されている点でも前述の実施例と相違する。このため、第１スイッチング素子ＳＷ１のエミッタが第１基板２０側に配置され、第２スイッチング素子ＳＷ２のエミッタも第２基板２０側に配置される。この変形例のＵ相アーム１０Ｕでは、熱の発生源であるエミッタを基板２０側に配置することができるので、冷却効果が高い。
【００３５】
（８）Ｕ相アーム１０Ｕは、図６に示す変形例としてもよい。前述の実施例とこの変形例の相違点は、第１構造体１０Ｕａの低圧側バスバー１０Ｎの一部にグラフェン層４５が埋設されており、第２構造体１０Ｕｂの第２出力バスバーＵout２の一部にもグラフェン層４５が埋設されていることである。このようにグラフェン層４５が埋設されていると、効率良く熱を伝熱させることができるので、冷却効果が高い。
【００３６】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【００３７】
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３８】
１０：半導体モジュール
１０Ｎ：低圧側バスバー
１０Ｐ：高圧側バスバー
１０Ｕａ：第１構造体
１０Ｕｂ：第２構造体
１１：直流電源
１１Ｎ：低圧側端子
１１Ｐ：高圧側端子
１２：平滑コンデンサ
２０：基板
３２：突出部
３４：屈曲部
４５：グラフェン層
Ｕout１：第１出力バスバー
Ｕout２：第２出力バスバー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の低圧側端子と高圧側端子の間に接続して用いられる半導体モジュールであって、
第１構造体と第２構造体を備えており、
前記第１構造体は、第１基板と、前記第１基板上に設けられているとともに出力が提供される第１出力バスバーと、前記第１基板上に設けられているとともに前記低圧側端子に電気的に接続される低圧側バスバーと、前記第１出力バスバーと前記低圧側バスバーの間に設けられている第１スイッチング素子と、を有しており、
前記第２構造体は、第２基板と、前記第２基板上に設けられているとともに出力が提供される第２出力バスバーと、前記第２基板上に設けられているとともに前記高圧側端子に電気的に接続される高圧側バスバーと、前記第２出力バスバーと前記高圧側バスバーの間に設けられている第２スイッチング素子と、を有しており、
前記第１出力バスバーと前記第２出力バスバーが電気的に接続されており、
前記第１構造体と前記第２構造体が共通形態であり、前記第１出力バスバーと前記高圧側バスバーが共通形態であり、前記低圧側バスバーと前記第２出力バスバーが共通形態である半導体モジュール。
【請求項２】
前記第１構造体では、前記第１出力バスバーの少なくとも一部が前記第１基板に接触しており、前記低圧側バスバーの少なくとも一部が前記第１基板に接触しており、
前記第２構造体では、前記第２出力バスバーの少なくとも一部が前記第２基板に接触しており、前記高圧側バスバーの少なくとも一部が前記第２基板に接触している請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記第１構造体と前記第２構造体は、前記低圧側バスバーと前記高圧側バスバーが対向するとともに、前記第１出力バスバーと前記第２出力バスバーが対向するように積層される請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記第１構造体では、前記第１出力バスバーの一部、前記第１スイッチング素子、前記低圧側バスバーの一部が前記第１基板の表面からこの順で積層しており、
前記第２構造体では、前記高圧側バスバーの一部、前記第２スイッチング素子、前記第２出力バスバーの一部が前記第２基板の表面からこの順で積層している請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記低圧側バスバーと前記高圧側バスバーとの間に設けられているコンデンサをさらに備えており、
前記低圧側バスバーは、前記第１スイッチング素子と接触する部位と前記コンデンサと接触する部位の間に屈曲部を有し、その屈曲部の存在する部位が前記第１基板に接触しており、
前記高圧側バスバーは、前記第２スイッチング素子と接触する部位と前記コンデンサと接触する部位の間に突出部を有し、その突出部の存在する部位が前記第２基板に接触している請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記第１構造体では、前記低圧側バスバーの一部、前記第１スイッチング素子、前記第１出力バスバーの一部が前記第１基板の表面からこの順で積層しており、
前記第２構造体では、前記第２出力バスバーの一部、前記第２スイッチング素子、前記高圧側バスバーの一部が前記第２基板の表面からこの順で積層している請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記低圧側バスバーと前記高圧側バスバーとの間に設けられているコンデンサをさらに備えており、
前記低圧側バスバーは、前記第１スイッチング素子と接触する部位と前記コンデンサと接触する部位の間に突出部を有し、その突出部の存在する部位が前記第１基板に接触しており、
前記高圧側バスバーは、前記第２スイッチング素子と接触する部位と前記コンデンサと接触する部位の間に屈曲部を有し、その屈曲部の存在する部位が前記第２基板に接触している請求項６に記載の半導体モジュール。
【請求項１】
直流電源の低圧側端子と高圧側端子の間に接続して用いられる半導体モジュールであって、
第１構造体と第２構造体を備えており、
前記第１構造体は、第１基板と、前記第１基板上に設けられているとともに出力が提供される第１出力バスバーと、前記第１基板上に設けられているとともに前記低圧側端子に電気的に接続される低圧側バスバーと、前記第１出力バスバーと前記低圧側バスバーの間に設けられている第１スイッチング素子と、を有しており、
前記第２構造体は、第２基板と、前記第２基板上に設けられているとともに出力が提供される第２出力バスバーと、前記第２基板上に設けられているとともに前記高圧側端子に電気的に接続される高圧側バスバーと、前記第２出力バスバーと前記高圧側バスバーの間に設けられている第２スイッチング素子と、を有しており、
前記第１出力バスバーと前記第２出力バスバーが電気的に接続されており、
前記第１構造体と前記第２構造体が共通形態であり、前記第１出力バスバーと前記高圧側バスバーが共通形態であり、前記低圧側バスバーと前記第２出力バスバーが共通形態である半導体モジュール。
【請求項２】
前記第１構造体では、前記第１出力バスバーの少なくとも一部が前記第１基板に接触しており、前記低圧側バスバーの少なくとも一部が前記第１基板に接触しており、
前記第２構造体では、前記第２出力バスバーの少なくとも一部が前記第２基板に接触しており、前記高圧側バスバーの少なくとも一部が前記第２基板に接触している請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記第１構造体と前記第２構造体は、前記低圧側バスバーと前記高圧側バスバーが対向するとともに、前記第１出力バスバーと前記第２出力バスバーが対向するように積層される請求項１又は２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記第１構造体では、前記第１出力バスバーの一部、前記第１スイッチング素子、前記低圧側バスバーの一部が前記第１基板の表面からこの順で積層しており、
前記第２構造体では、前記高圧側バスバーの一部、前記第２スイッチング素子、前記第２出力バスバーの一部が前記第２基板の表面からこの順で積層している請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記低圧側バスバーと前記高圧側バスバーとの間に設けられているコンデンサをさらに備えており、
前記低圧側バスバーは、前記第１スイッチング素子と接触する部位と前記コンデンサと接触する部位の間に屈曲部を有し、その屈曲部の存在する部位が前記第１基板に接触しており、
前記高圧側バスバーは、前記第２スイッチング素子と接触する部位と前記コンデンサと接触する部位の間に突出部を有し、その突出部の存在する部位が前記第２基板に接触している請求項４に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記第１構造体では、前記低圧側バスバーの一部、前記第１スイッチング素子、前記第１出力バスバーの一部が前記第１基板の表面からこの順で積層しており、
前記第２構造体では、前記第２出力バスバーの一部、前記第２スイッチング素子、前記高圧側バスバーの一部が前記第２基板の表面からこの順で積層している請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記低圧側バスバーと前記高圧側バスバーとの間に設けられているコンデンサをさらに備えており、
前記低圧側バスバーは、前記第１スイッチング素子と接触する部位と前記コンデンサと接触する部位の間に突出部を有し、その突出部の存在する部位が前記第１基板に接触しており、
前記高圧側バスバーは、前記第２スイッチング素子と接触する部位と前記コンデンサと接触する部位の間に屈曲部を有し、その屈曲部の存在する部位が前記第２基板に接触している請求項６に記載の半導体モジュール。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１】
【公開番号】特開２０１３−８９８２８（Ｐ２０１３−８９８２８Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３０３９５（Ｐ２０１１−２３０３９５）
【出願日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
[ Back to top ]