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JP2003298009A - パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

パワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置

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JP2003298009A
JP2003298009A JP2002093669A JP2002093669A JP2003298009A JP 2003298009 A JP2003298009 A JP 2003298009A JP 2002093669 A JP2002093669 A JP 2002093669A JP 2002093669 A JP2002093669 A JP 2002093669A JP 2003298009 A JP2003298009 A JP 2003298009A
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heat
semiconductor element
power
power semiconductor
power module
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Application number
JP2002093669A
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Inventor
Atsuhiko Kuzumaki
淳彦 葛巻
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、制御回路の温度上昇を抑制し、小
型化及び信頼性の向上を図ったパワーモジュールを提供
することを目的とする。 【解決手段】 絶縁基板１１上に配置した電力用半導体
素子１の一側面上方部に制御回路２を配置し、前記絶縁
基板１１の他側面に放熱板１２を接合配置し、この放熱
板１２には前記電力用半導体素子１及び制御回路２を包
囲するゲル状充填物１５で充填されたケース７を設け
る。そして、前記電力用半導体素子１と制御回路２間に
面方向の熱抵抗が厚み方向のそれより低い特性を持つ熱
遮蔽シート材１４を介在させ、この熱遮蔽シート材１４
を介して電力用半導体素子１からの熱をケース７の外部
へ伝達させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はパワーモジュール及
び電力変換装置に係り、特に制御回路の冷却効果を改良
したパワーモジュール及びそれを用いた電力変換装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電力用半導体素子はインテリジェ
ントパワーモジュール（以下ＩＰＭと記す。）化が行わ
れている。ＩＰＭは電力半導体素子とその制御回路を一
体化して同一パッケージに収納したもので、これを用い
ると、電力変換装置の設計を容易に行える特徴がある。
【０００３】図７は一般的なＩＰＭの内部接続を示すブ
ロック図である。ＩＰＭ５は電力用半導体素子１と制御
回路２を１つのパッケージに収納する構造となってい
る。電力用半導体素子１は、制御回路２から、ゲート電
極配線３及びエミッタ電極配線４を経由して得られる信
号により制御されている。ＩＰＭ５の電流定格を上げる
ため、電力用半導体素子１は複数個のチップから構成さ
れているのが普通である。
【０００４】上記構成のＩＰＭ５は、通常片面のみをヒ
ートシンクを介して冷却する構造となっているため、冷
却されていない面では熱がこもり、高温となる。ＩＰＭ
５は、モジュール内に駆動回路や保護回路等の制御回路
が内蔵されるが、発熱体である電力用半導体素子１の発
熱損失はパッケージ内に充填されているゲル状充填物を
伝導して制御回路２を温度上昇させる。制御回路２には
ダイオード、ツエナーダイオード、ケミカルコンデンサ
など、熱によって誤動作を引き起こし易いものが含まれ
ている。特にケミカルコンデンサは耐熱性が低いため注
意が必要である。このため、従来のＩＰＭ５の制御回路
２は、熱による寿命短縮や誤動作を引き起こす恐れがあ
った。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来のＩＰＭ５の制御回路２は、電力用半導体素子１の
発熱損失の影響を直接受けて温度上昇するため、熱によ
る寿命短縮、誤動作などが懸念される。モジュール内上
部の熱のこもりをなくし制御回路２の温度上昇を防ぐた
めに、ＩＰＭ５の冷却器を大型化することが考えられる
が、この場合にはＩＰＭ５が大型となり、ＩＰＭ５及び
これを用いて構成される電力変換装置のコスト上昇にも
つながる。
【０００６】従って、本発明は、制御回路の温度上昇を
抑制でき、小型で、且つ信頼性の高いパワーモジュール
及びそれを用いた電力変換装置を提供することを目的と
する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のパワーモジュールは、絶縁基板と、この絶
縁基板の一側面に配置した電力用半導体素子と、前記絶
縁基板と前記電力用半導体素子を介して対向して配置し
た制御部と、前記絶縁基板の他側面にその一側面を接合
配置した放熱板と、前記電力用半導体素子と前記制御部
を包囲するように前記放熱板に設けられ、内部を充填物
で充填したケースと、このケース内の前記電力用半導体
素子と前記制御部との間に配置され、前記電力用半導体
素子の発熱を前記ケース外部に伝達する面方向の熱抵抗
が厚み方向のそれより低い熱遮蔽部材と、から成る。
【０００８】本発明によれば、電力用半導体素子の発熱
を、厚み方向より面方向が低熱抵抗の熱遮蔽部材により
拡散し、制御回路の温度上昇を抑えることが可能とな
り、パワーモジュールの小型化及び信頼性の向上を図る
ことができる。
【０００９】上記目的を達成するために、本発明のパワ
ーモジュールは、絶縁基板と、この絶縁基板の一側面に
配置した電力用半導体素子と、前記絶縁基板と前記電力
用半導体素子を介して対向して配置した制御部と、前記
絶縁基板の他側面にその一側面を接合配置した第2のヒ
ートシンクと、前記電力用半導体素子と前記制御部を包
囲するように前記第2のヒートシンクに設けられ、内部
を充填物で充填したケースとこのケース内の前記電力用
半導体素子と前記制御部との間に配置され、前記電力用
半導体素子の発熱を前記ケース外部に伝達する面方向の
熱抵抗が厚み方向のそれより低い熱遮蔽部材と、から成
る。
【００１０】本発明によれば、電力用半導体素子の発熱
を、厚み方向より面方向が低熱抵抗の熱遮蔽部材により
拡散し、制御回路の温度上昇を抑えることが可能とな
り、パワーモジュールの小型化及び信頼性の向上を図る
ことができる。
【００１１】上記目的を達成するために、本発明の電力
変換装置は、前記構成の本発明のパワーモジュールを組
み込んだことを特徴とする。
【００１２】本発明によれば、制御回路の温度上昇を抑
制でき、小型で、且つ信頼性の高いパワーモジュールを
組み込んでいるので、小型で信頼性の高い電力変換装置
を実現できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】（第1の実施の形態）以下に本発
明によるパワーモジュールの第1の実施の形態を、図面
に基づいて説明する。図１、図２はそれぞれ本発明のパ
ワーモジュールの断面図及び一部欠載の平面図である。
【００１４】発熱源となる複数個の電力用半導体素子１
は、互いに離間して絶縁基板１１上に配置され、絶縁基
板１１の下部には放熱板１２が設けられている。前記電
力用半導体素子１の上方部には、この電力用半導体素子
１を配置した絶縁基板１１を覆うように設けた熱遮蔽シ
ート材１４を介して制御回路２が配置される。制御回路
２は通常絶縁基板１１から立てた支柱で支えられている
ので、熱遮蔽シート材１４には支柱貫通用の開口部が設
けられている。また、熱遮蔽シート材１４の端部は放熱
板１２の面上に接続されている。
【００１５】更に、前記放熱板１２の上面に、電力用半
導体素子１を配置した絶縁基板１１及び制御回路２を包
囲するように樹脂性のケース７が取り付けられ、パワー
モジュール６を形成している。前記熱遮蔽シート材１４
は厚み方向より面方向が低熱抵抗の材料、例えばグラフ
ァイト系の材料を使用する。グラファイト系の材料は、
熱伝達の異方性があり、面方向の熱抵抗が厚み方向のそ
れに比べて１桁以上小さい材料が実用化されている。
（例えば、大塚電機株式会社から商品名ｅＧａｆ TMとし
て販売されている。）更に、この熱遮蔽シート材は、面
方向の導電性が高いことが知られている。シート材の厚
さは通常１ｍｍ以下がであるが、ブロック材と呼ばれる
ものを使用すればこれを数ｍｍ以上とすることもでき
る。
【００１６】またパワーモジュール６のケース７の内部
空間は、例えばシリコン樹脂のような絶縁用のゲル状充
填物１５で充填されている。
【００１７】図２に示すように、パワーモジュール６
は、放熱板１２を介してヒートシンク１３とネジ１６に
よって固定されている。また図２には、電力用半導体素
子１からの主回路配線となるボンディングワイヤ１７を
示してある。
【００１８】電力用半導体素子１の損失に起因する発熱
は、電力用半導体素子１の下部方向に対しては、絶縁基
板１１、放熱板１２を経由してヒートシンク１３に伝わ
り、ヒートシンク１３から外部に放熱されて冷却され
る。
【００１９】一方、電力用半導体素子１の発熱は、電力
用半導体素子１の上部方向に対しても作用し、パワーモ
ジュール６のケース７に充填されているゲル状充填物１
５を介して電力用半導体素子１の上方部に配置された制
御回路２を温度上昇させるように作用する。電力用半導
体素子１と制御回路２の間には熱遮蔽シート材１４が配
置してあるので、ゲル状充填物１５を伝導してきた電力
用半導体素子１の発熱損失が熱遮蔽シート材１４の厚さ
方向に配置された制御回路２を温度上昇させる前に、そ
の熱を面方向へ輸送することができる。
【００２０】これにより、電力用半導体素子１の発熱が
面方向に拡散することになり、電力用半導体素子１の上
部がスポット的に高温になることもなくなり、更に、図
示するように、熱遮蔽シート材１４の端部を放熱板１２
の面上へ接続した構造にしてあるので、熱遮蔽シート材
１４の面方向へ輸送された熱を、放熱板１２を介してヒ
ートシンク１３へ容易に伝達できるので、熱遮蔽の効果
が十分発揮できる。
【００２１】このように本発明によれば、電力用半導体
素子１の上方部に配置されている制御回路２の温度上昇
を抑制することができるので、小型で信頼性の高いパワ
ーモジュール６を実現できる。 （第２の実施の形態）図３は、本発明の第２の実施の形
態に係るパワーモジュールの断面図である。この第2の
実施の形態の各部について、図１の第1の実施の形態に
係るパワーモジュールの各部と同一部分は同一符号で示
し、その説明は省略する。図３に示す第２の実施の形態
では、熱遮蔽シート材１４の側面部をケース７の内側面
部に当接させるとともに、端部を直接ヒートシンク１３
に接続するようにしている。このような構成によるパワ
ーモジュールによれば、熱遮蔽シート材１４の面方向へ
輸送された熱は、放熱板１２を介さずにヒートシンク１
３へ直接放熱できるので、制御回路２に対する熱遮蔽の
効果が更に発揮できる。尚、熱遮蔽シート材１４が放熱
板１２を横切り、ヒートシンク１３に接続する構造とし
て、放熱板１２に複数個のスリットを設け、このスリッ
トに熱遮蔽シート材１４に設けた凹凸部の凸部を貫通さ
せるような構造が採用可能である。 （第３の実施の形態）図４は、本発明の第３の実施の形
態に係るパワーモジュールの断面図である。この第３の
実施の形態の各部について、図１の第1の実施の形態に
係るパワーモジュールの各部と同一部分は同一符号で示
し、その説明は省略する。図４に示す第3の実施の形態
においては、熱遮蔽シート材１４をパワーモジュール６
のケース７外部へ延長して取り出し、そこへ熱遮蔽シー
ト用ヒートシンク１３a及び１３bを取り付けた構造とし
ている。この場合ケース７は、熱遮蔽シート材１４がケ
ース７の外部に出る部分で２分割できる構造とし、この
２分割接合部から熱遮蔽シート材１４をケース外部に導
出する。
【００２２】図４において熱遮蔽シート１４用ヒートシ
ンク１３a及び１３ｂはパワーモジュール６の側面に取
り付けられているが、熱遮蔽シート１４をケース７の上
面部まで延長し、ヒートシンク１３a及び１３ｂを取り
付けるようにしても良い。
【００２３】上記の発明の実施の形態によれば、熱遮蔽
シート材１４の熱は熱遮蔽シート用ヒートシンク１３a
及び１３ｂにより冷却されるため、制御回路２の温度上
昇を抑制できる。尚、第３の実施の形態では、熱遮蔽シ
ート用ヒートシンク１３ａ及び１３ｂを、個別に設計で
きるので設計の自由度が高い。 （第４の実施の形態）図５は、本発明の第４の実施の形
態に係るパワーモジュールの断面図である。この第４の
実施の形態の各部について、図１の第1の実施の形態に
係るパワーモジュールの各部と同一部分は同一符号で示
し、その説明は省略する。
【００２４】第４の実施の形態は、第１の実施の形態で
用いた図１の放熱板１２を無くし、電力用半導体素子１
を取り付けた絶縁基板１１を直接ヒートシンク１３上へ
取り付けた構成である。言い換えれば、図５では、パワ
ーモジュール６の放熱板１２を、ヒートシンク１３で置
き換えた構成である。
【００２５】この様に、放熱板１２を省き、パワーモジ
ュール６をヒートシンク１３と一体化したことにより、
更に冷却効果を向上させ、制御回路２の温度上昇を抑制
することができる。 （第５の実施の形態）図６は本発明に係るパワーモジュ
ールを使用した電力変換装置の一例を示すブロック図で
ある。商用三相入力をコンバータ２１で直流に変換し、
これをコンデンサ２２で平滑してインバータ２３に供給
する。インバータ２３は、複数個のパワーモジュール６
と、これと逆並列に接続されたフライホイールダイオー
ド８とから構成されるアームがブリッジ接続され、これ
により任意の周波数の三相出力を得ている。
【００２６】このようにインバータ２３の主変換デバイ
スとして本発明に係るパワーモジュール６を適用するこ
とにより、小型で、且つ信頼性の高い電力変換装置を提
供することができる。
【００２７】尚、上記熱遮蔽シート材１４は面方向の導
電性が高いことから、シールド材として作用するので、
本発明はノイズ対策に対しても付加的効果がある。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、制御回路の温度上昇を
抑制でき、小型で、且つ信頼性の高いパワーモジュール
及びそれを用いた電力変換装置を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るパワーモジ
ュールの断面図。
【図２】 本発明のパワーモジュールの平面図。
【図３】 本発明の第２の実施の形態に係るパワーモジ
ュールの断面図。
【図４】 本発明の第３の実施の形態に係るパワーモジ
ュールの断面図。
【図５】 本発明の第４の実施の形態に係るパワーモジ
ュールの断面図。
【図６】 本発明の第５の実施の形態に係る電力変換装
置のブロック図。
【図７】 ＩＰＭの内部接続を示すブロック図。
【符号の説明】
１・・・電力用半導体素子 ２・・・制御回路 ３・・・ゲート電極配線 ４・・・エミッタ電極配線 ５・・・インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ） ６・・・パワーモジュール ７・・・ケース ８・・・フライホイールダイオード １１・・・絶縁基板 １２・・・放熱板 １３、１３ａ、１３ｂ・・・ヒートシンク １４・・・熱遮蔽シート材 １５・・・ゲル状充填物 １６・・・ネジ １７・・・ボンディングワイヤ ２１・・・コンバータ ２２・・・コンデンサ ２３・・・インバータ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 絶縁基板と、この絶縁基板の一側面に配
    置した電力用半導体素子と、前記絶縁基板と前記電力用
    半導体素子を介して対向して配置した制御部と、前記絶
    縁基板の他側面にその一側面を接合配置した放熱板と、
    前記電力用半導体素子と前記制御部を包囲するように前
    記放熱板に設けられ、内部を充填物で充填したケース
    と、このケース内の前記電力用半導体素子と前記制御部
    との間に配置され、前記電力用半導体素子の発熱を前記
    ケース外部に伝達する面方向の熱抵抗が厚み方向のそれ
    より低い熱遮蔽部材と、から成るパワーモジュール。
  2. 【請求項２】 前記放熱板の他側面には第1のヒートシ
    ンクが接合配置されていることを特徴とする請求項１記
    載のパワーモジュール。
  3. 【請求項３】 熱遮蔽部材を前記第１のヒートシンクに
    接合したことを特徴とする請求項２記載のパワーモジュ
    ール。
  4. 【請求項４】 絶縁基板と、この絶縁基板の一側面に配
    置した電力用半導体素子と、前記絶縁基板と前記電力用
    半導体素子を介して対向して配置した制御部と、前記絶
    縁基板の他側面にその一側面を接合配置した第2のヒー
    トシンクと、前記電力用半導体素子と前記制御部を包囲
    するように前記第2のヒートシンクに設けられ、内部を
    充填物で充填したケースとこのケース内の前記電力用半
    導体素子と前記制御部との間に配置され、前記電力用半
    導体素子の発熱を前記ケース外部に伝達する面方向の熱
    抵抗が厚み方向のそれより低い熱遮蔽部材と、から成る
    パワーモジュール。
  5. 【請求項５】 熱遮蔽部材を前記第2のヒートシンクに
    接合したことを特徴とする請求項４に記載のパワーモジ
    ュール。
  6. 【請求項６】 熱遮蔽部材を前記ケースの外部へ導出さ
    せ、この導出部に第3のヒートシンクを取り付けたこと
    を特徴とする請求項1または請求項４に記載のパワーモ
    ジュール。
  7. 【請求項７】 請求項１または請求項４に記載のパワー
    モジュールを組み込んでなる電力変換装置。
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