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JP5867472B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電力変換装置に関する。
従来、電力変換装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１には、互いに対向するように配置された下側の金属基板および上側の誘電体基板と、下側の金属基板および上側の誘電体基板に挟まれるように配置されたＭＯＳＦＥＴ（横型スイッチ素子）およびスナバコンデンサとを備えたインバータ装置（電力変換装置）が開示されている。このインバータ装置では、下側の金属基板と上側の誘電体基板とを介してスナバコンデンサを含むスナバ回路に電流が流れるように構成されている。
特開２０１１−６７０４５号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示されたインバータ装置では、下側の金属基板と上側の誘電体基板とを介してスナバコンデンサを含むスナバ回路に電流が流れるように構成されているため、回路の電流経路が長くなる。その結果、スナバコンデンサを含むスナバ回路の配線インダクタンスが大きくなるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、スナバコンデンサを含むスナバ回路の配線インダクタンスを小さくすることが可能な電力変換装置を提供することである。
一の局面による電力変換装置は、表面および裏面を含み、表面側に第１電極および第２電極を有するとともに、第１電極と第２電極との間に第１電流経路を有する横型スイッチ素子と、横型スイッチ素子に電気的に接続されるスナバコンデンサと、スナバコンデンサが搭載されているとともに、横型スイッチ素子の表面側の第１電極および第２電極が接続されている第１基板とを備え、第１基板は、横型スイッチ素子の第１電極と第２電極との間で電流が流れる第１電流経路に対して略逆方向に電流が流れるとともに、第１電流経路に対向する位置に配置された第２電流経路を含む。
一の局面による電力変換装置では、第１基板にスナバコンデンサを搭載するとともに、第１基板に横型スイッチ素子の表面側の第１電極および第２電極を接続することによって、第１基板のみを介してスナバコンデンサを含むスナバ回路に電流が流れるので、たとえば、横型スイッチ素子の裏面側の第１基板とは異なる基板と第１基板とを介して電流が流れる場合に比べて、スナバコンデンサを含むスナバ回路の電流経路を短くすることができる。これにより、スナバコンデンサを含むスナバ回路の配線インダクタンスを小さくすることができる。また、第１基板を、横型スイッチ素子の第１電極と第２電極との間で電流が流れる第１電流経路に対して略逆方向に電流が流れるとともに、第１電流経路に対向する位置に配置された第２電流経路を含むように構成することによって、第１電流経路に発生する磁束の変化を、第２電流経路に発生する磁束の変化によって相殺することができる。これによっても、スナバコンデンサを含むスナバ回路の配線インダクタンスを小さくすることができる。
上記電力変換装置によれば、スナバコンデンサを含むスナバ回路の配線インダクタンスを小さくすることができる。
一実施形態によるインバータ装置の回路図である。 一実施形態によるインバータ装置の断面図（図３の１５０−１５０線に沿った断面図）である。 一実施形態によるインバータ装置の第１基板の上面を示した図である。 一実施形態によるインバータ装置の第１基板の中層を示した図である。 一実施形態によるインバータ装置の第１基板の下面を示した図である。 一実施形態によるインバータ装置の第２基板の上面を示した図である。 一実施形態によるインバータ装置の第２基板の下面を示した図である。 一実施形態による横型スイッチ素子を、表面側から見た平面図である。 一実施形態による横型スイッチ素子を、裏面側から見た平面図である。 一実施形態による制御用スイッチ素子を、表面側から見た平面図である。 一実施形態による制御用スイッチ素子を、裏面側から見た平面図である。 一実施形態によるインバータ装置の電流経路を説明するための断面図（図３の１５０−１５０線に沿った断面図）である。
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１を参照して、本実施形態によるインバータ装置１００の構成について説明する。なお、インバータ装置１００は、「電力変換装置」の一例である。
インバータ装置１００は、直流電源（図示せず）から入力端子Ｐ（Ｖ＋）およびＮ（Ｖ−）を介して入力される直流電力を交流電力に変換して出力端子から出力するように構成されている。
インバータ装置１００は、２個の横型スイッチ素子１１および１２と、２個の横型スイッチ素子の各々に接続された２個の制御用スイッチ素子１３および１４と、スナバコンデンサ１５および１６とを含む。なお、横型スイッチ素子１１および１２は、共に、ノーマリオン型のスイッチ素子（ゲート電極Ｇ１（Ｇ２）に印加される電圧が０Ｖのときにドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）とソース電極Ｓ１（Ｓ２）との間で電流が流れるように構成されたスイッチ素子）である。なお、横型スイッチ素子１１および１２は、それぞれ、「第１横型スイッチ素子」および「第２横型スイッチ素子」の一例である。
また、制御用スイッチ素子１３および１４は、共に、ノーマリオフ型のスイッチ素子（ゲート電極Ｇ３（Ｇ４）に印加される電圧が０Ｖのときにドレイン電極Ｄ３（Ｄ４）とソース電極Ｓ３（Ｓ４）との間で電流が流れないように構成されたスイッチ素子）である。また、制御用スイッチ素子１３および１４は、横型スイッチ素子１１および１２にカスコード接続される。これにより、制御用スイッチ素子１３（１４）がオン状態の時に横型スイッチ素子１１（１２）のドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）とソース電極Ｓ１（Ｓ２）の間で電流が流れるように構成されている。
具体的には、横型スイッチ素子１１（１２）のゲート電極Ｇ１（Ｇ２）は、制御用スイッチ素子１３（１４）のソース電極Ｓ３（Ｓ４）に接続されている。これにより、制御用スイッチ素子１３（１４）は、ゲート電極Ｇ３（Ｇ４）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１（１２）の駆動（スイッチング）の制御を行うように構成されている。その結果、ノーマリオン型の横型スイッチ素子１１（１２）と、ノーマリオフ型の制御用スイッチ素子１３（１４）とからなるスイッチ回路は、全体として、ノーマリオフ型として制御されるように構成されている。
次に、図２〜図１２を参照して、本実施形態によるインバータ装置１００の具体的な構成（構造）について説明する。
図２〜図７に示すように、インバータ装置１００は、第１基板２０と、第２基板３０と、２個の横型スイッチ素子１１および１２と、２個の制御用スイッチ素子１３および１４と、２個のスナバコンデンサ１５および１６と、ヒートシンク４０とを備える。
図２に示すように、第１基板２０と第２基板３０とは、互いに対向するように、上下方向（Ｚ方向）に所定の間隔を隔てて配置されている。具体的には、第１基板２０が上方（Ｚ１方向側）に配置されているとともに、第２基板３０が下方（Ｚ２方向側）に配置されている。また、横型スイッチ素子１１および１２は、第１基板２０の下面２０ｃ（Ｚ２方向側の面）と、第２基板３０の上面３０ａ（Ｚ１方向側の面）との間に配置されている。また、図３に示すように、制御用スイッチ素子１３および１４と、スナバコンデンサ１５および１６とは、第１基板２０の上面２０ａに配置されている。また、第１基板２０の下面２０ｃと第２基板３０の上面３０ａとの間の横型スイッチ素子１１および１２の周辺には、熱伝導性材料５０が充填されている。また、第１基板２０の下面２０ｃと第２基板３０の上面３０ａとの間の熱伝導性材料５０以外の空間には、封止樹脂（図示せず）が充填されている。
図３に示すように、第１基板２０の上面２０ａには、導電パターン２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９、２１０、２１１および２１２が設けられている。また、図４に示すように、第１基板２０の中層２０ｂには、導電パターン２２１、２２２、２２３、２２４、２２５、２２６、２２７、２２８、２２９、２３０、２３１および２３２が設けられている。また、図５に示すように、第１基板２０の下面２０ｃには、導電パターン２４１、２４２、２４３、２４４、２４５、２４６、２４７、２４８、２４９および２５０が設けられている。
図３〜図５に示すように、上面２０ａの導電パターン２０１、中層２０ｂの導電パターン２２１、および、下面２０ｃの導電パターン２４２は、貫通電極２０１ａにより接続されている。また、上面２０ａの導電パターン２０２、中層２０ｂの導電パターン２３０、および、下面２０ｃの導電パターン２４１は、貫通電極２０２ａにより接続されている。また、上面２０ａの導電パターン２０２、中層２０ｂの導電パターン２３２、および、下面２０ｃの導電パターン２４７は、貫通電極２０２ｂにより接続されている。また、上面２０ａの導電パターン２０２、中層２０ｂの導電パターン２２６、および、下面２０ｃの導電パターン２５０は、貫通電極２０２ｃにより接続されている。
図３および図４に示すように、上面２０ａの導電パターン２０３、および、中層２０ｂの導電パターン２２５は、貫通電極２０３ａにより接続されている。図３〜図５に示すように、上面２０ａの導電パターン２０４、中層２０ｂの導電パターン２２２、および、下面２０ｃの導電パターン２４６は、貫通電極２０４ａにより接続されている。また、上面２０ａの導電パターン２０５、中層２０ｂの導電パターン２２３、および、下面２０ｃの導電パターン２４４は、貫通電極２０５ａにより接続されている。また、上面２０ａの導電パターン２０５、中層２０ｂの導電パターン２２４、および、下面２０ｃの導電パターン２４５は、貫通電極２０５ｂにより接続されている。
図３および図４に示すように、上面２０ａの導電パターン２０５、および、中層２０ｂの導電パターン２２８は、２つの貫通電極２０５ｃにより接続されている。また、上面２０ａの導電パターン２０６、および、中層２０ｂの導電パターン２２７は、２つの貫通電極２０６ａにより接続されている。また、上面２０ａの導電パターン２０９、および、中層２０ｂの導電パターン２３１は、貫通電極２０９ａにより接続されている。また、上面２０ａの導電パターン２１２、および、中層２０ｂの導電パターン２２９は、２つの貫通電極２１２ａにより接続されている。
図４および図５に示すように、中層２０ｂの導電パターン２２５、および、下面２０ｃの導電パターン２４２は、貫通電極２２５ａにより接続されている。また、中層２０ｂの導電パターン２２７、および、下面２０ｃの導電パターン２４３は、２つの貫通電極２２７ａにより接続されている。また、中層２０ｂの導電パターン２２８、および、下面２０ｃの導電パターン２４６は、２つの貫通電極２２８ａにより接続されている。また、中層２０ｂの導電パターン２２９、および、下面２０ｃの導電パターン２４９は、２つの貫通電極２２９ａにより接続されている。また、中層２０ｂの導電パターン２３１、および、下面２０ｃの導電パターン２４２は、貫通電極２３１ａにより接続されている。
図６に示すように、第２基板３０の上面３０ａには、導電パターン３０１、３０２および３０３が設けられている。導電パターン３０１は、横型スイッチ素子１１の裏面１１ｂが接合される素子接合パターン部３０１ａと、素子接合パターン部３０１ａを第１基板２０に接続させるための接続パターン部３０１ｂとを含む。また、図７に示すように、第２基板３０の下面３０ｂには、グランドパターン３０４が設けられている。なお、導電パターン３０１は、「電位調整パターン」の一例である。
図３に示すように、第１基板２０の上面２０ａの導電パターン２０１は、入力端子Ｐ（Ｖ＋）に接続されている。また、導電パターン２０２は、入力端子Ｎ（Ｖ−）に接続されている。また、導電パターン２０４は、出力端子に接続されている。また、導電パターン２０８は、制御用スイッチ素子１３のゲート電極Ｇ３に制御信号を入力する入力端子１７ａに接続されている。また、導電パターン２１１は、制御用スイッチ素子１４のゲート電極Ｇ４に制御信号を入力する入力端子１７ｂに接続されている。
図５および図６に示すように、第１基板２０の下面２０ｃの導電パターン２４４と、第２基板３０の上面３０ａの導電パターン３０１（接続パターン部３０１ｂ）とは、柱状電極１８ａにより接続されている。また、第１基板２０の下面２０ｃの導電パターン２５０と、第２基板３０の上面３０ａの導電パターン３０３とは、柱状電極１８ｂにより接続されている。また、第１基板２０の下面２０ｃの導電パターン２４１と、第２基板３０の上面３０ａの導電パターン３０２とは、柱状電極１８ｃにより接続されている。また、第１基板２０の下面２０ｃの導電パターン２４８と、第２基板３０の上面３０ａの導電パターン３０２とは、柱状電極１８ｄにより接続されている。
図８および図９に示すように、横型スイッチ素子１１（１２）は、表面１１ａ（１２ａ）と、裏面１１ｂ（１２ｂ）とを含む。また、横型スイッチ素子１１（１２）の表面１１ａ（１２ａ）側には、ゲート電極Ｇ１（Ｇ２）と、ソース電極Ｓ１（Ｓ２）と、ドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）とが設けられている。つまり、横型スイッチ素子１１（１２）は、駆動する際に、各電極が設けられた片側の面側を主に電流が流れるため、各電極が設けられた側の面から主に発熱する。また、横型スイッチ素子１１（１２）の裏面１１ｂ側には、ボディ電極Ｂ１（Ｂ２）が設けられている。また、図１２に示すように、横型スイッチ素子１１（１２）は、ソース電極Ｓ１（Ｓ２）とドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）との間で表面１１ａ（１２ａ）および裏面１１ｂ（１２ｂ）と平行な方向の第１電流経路Ｃ１（Ｃ４）を有する。また、第１電流経路Ｃ１（Ｃ４）は、横型スイッチ素子１１（１２）の表面１１ａ（１２ａ）近傍に配置される。なお、ソース電極Ｓ１（Ｓ２）およびドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）は、「第１電極」および「第２電極」の一例である。
また、横型スイッチ素子１１（１２）は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む半導体材料により構成されている。また、横型スイッチ素子１１および１２は、インバータ回路を構成する。また、横型スイッチ素子１１および１２は、それぞれ、表面１１ａおよび１２ａ側が第１基板２０に対向するように配置されている。
具体的には、横型スイッチ素子１１（１２）は、図５に示すように、ドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）が、第１基板２０の下面２０ｃの導電パターン２４２（２４６）に接続されている。また、横型スイッチ素子１１（１２）は、ソース電極Ｓ１（Ｓ２）が、第１基板２０の下面２０ｃの導電パターン２４３（２４９）に接続されている。また、横型スイッチ素子１１（１２）は、ゲート電極Ｇ１（Ｇ２）が、第１基板２０の下面２０ｃの導電パターン２４５（２４７）に接続されている。また、図６に示すように、横型スイッチ素子１１（１２）は、ボディ電極Ｂ１（Ｂ２）が、第２基板３０の上面３０ａの導電パターン３０１（３０３）に接続されている。
具体的には、横型スイッチ素子１１（１２）は、上方（Ｚ１方向）に設けられたゲート電極Ｇ１（Ｇ２）、ソース電極Ｓ１（Ｓ２）およびドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）が、上方の第１基板２０の下面２０ｃの各導電パターンに半田などからなる接合層を介して接合されている。
また、横型スイッチ素子１１は、下方（Ｚ２方向）に設けられたボディ電極Ｂ１が、下方の第２基板３０の導電パターン３０１の素子接合パターン部３０１ａに半田などからなる接合層を介して接合されている。つまり、横型スイッチ素子１１は、裏面１１ｂのボディ電極Ｂ１が出力端子と同電位になるように接続されている。また、横型スイッチ素子１２は、下方（Ｚ２方向）に設けられたボディ電極Ｂ２が、下方の第２基板３０の導電パターン３０３に半田などからなる接合層を介して接合されている。つまり、横型スイッチ素子１２は、裏面１２ｂのボディ電極Ｂ２が入力端子Ｎ（Ｖ−）と同電位になるように接続されている。
図１０および図１１に示すように、制御用スイッチ素子１３（１４）は、ゲート電極Ｇ３（Ｇ４）と、ソース電極Ｓ３（Ｓ４）と、ドレイン電極Ｄ３（Ｄ４）とを有する縦型デバイスにより構成されている。具体的には、制御用スイッチ素子１３（１４）は、ゲート電極Ｇ３（Ｇ４）およびソース電極Ｓ３（Ｓ４）が上方（Ｚ１方向）側に配置され、ドレイン電極Ｄ３（Ｄ４）が下方（Ｚ２方向）側に配置されている。また、制御用スイッチ素子１３（１４）は、ケイ素（Ｓｉ）を含む半導体材料により構成されている。
ここで、本実施形態では、制御用スイッチ素子１３（１４）は、横型スイッチ素子１１（１２）の駆動を制御するように構成されている。また、制御用スイッチ素子１３（１４）は、第１基板２０の横型スイッチ素子１１（１２）が接続されている側（下面２０ｃ）と反対側の面（上面２０ａ）に搭載されている
また、図３に示すように、制御用スイッチ素子１３（１４）は、第１基板２０の上面２０ａ（Ｚ１方向側の面）に配置されている。具体的には、制御用スイッチ素子１３（１４）は、ドレイン電極Ｄ３（Ｄ４）が、第１基板２０の上面２０ａの導電パターン２０６（２１２）に半田などからなる接合層を介して接続されている。また、制御用スイッチ素子１３（１４）は、ソース電極Ｓ３（Ｓ４）が、第１基板２０の上面２０ａの導電パターン２０５および２０７（２０２および２１０）に、それぞれ、アルミニウムまたは銅などの金属からなるワイヤを介して接続されている。また、制御用スイッチ素子１３（１４）は、ゲート電極Ｇ３（Ｇ４）が、第１基板２０の上面２０ａの導電パターン２０８（２１１）に、アルミニウムまたは銅などの金属からなるワイヤを介して接続されている。
また、図３に示すように、制御用スイッチ素子１３（１４）は、平面視において（第１基板２０の平面と直交する方向から見て（Ｚ方向から見て））、横型スイッチ素子１１（１２）と重ならない位置に配置されている。また、制御用スイッチ素子１３（１４）は、平面視において（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１（１２）に対してスナバコンデンサ１５および１６と反対側に配置されている。つまり、制御用スイッチ素子１３（１４）は、平面視において、横型スイッチ素子１１（１２）より第１基板２０の外側に配置されている。
スナバコンデンサ１５および１６は、図１に示すように、それぞれ、入力端子Ｐ（Ｖ＋）およびＮ（Ｖ−）を接続するように並列に配置されている。また、スナバコンデンサ１５（１６）は、横型スイッチ素子１１、１２、制御用スイッチ素子１３および１４に電気的に接続されている。具体的には、図３に示すように、スナバコンデンサ１５は、第１基板２０の上面２０ａの導電パターン２０２と、導電パターン２０９とを接続するように配置されている。また、スナバコンデンサ１６は、第１基板２０の上面２０ａの導電パターン２０２と、導電パターン２０３とを接続するように配置されている。
また、本実施形態では、スナバコンデンサ１５および１６は、第１基板２０の横型スイッチ素子１１および１２が接続されている側（下面２０ｃ）と反対側の面（上面２０ａ）に搭載されている。また、スナバコンデンサ１５および１６は、平面視において（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１および１２と重ならない位置に配置されている。
図２に示すように、ヒートシンク４０は、横型スイッチ素子１１および１２が動作時に発生する熱を放熱するように設けられている。また、ヒートシンク４０は、第２基板３０のグランドパターン３０４側（下側（Ｚ２方向側））に配置されている。
熱伝導性材料５０（図２参照）は、たとえば、熱伝導性に優れたエポキシ樹脂により形成されている。
ここで、本実施形態では、図３に示すように、第１基板２０の上面２０ａには、スナバコンデンサ１５および１６が搭載されている。また、図５に示すように、第１基板２０の下面２０ｃには、横型スイッチ素子１１（１２）の表面１１ａ（１２ａ）側のドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）、ソース電極Ｓ１（Ｓ２）およびゲート電極Ｇ１（Ｇ２）が接続されている。
また、本実施形態では、図１２に示すように、第１基板２０は、横型スイッチ素子１１（１２）のドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）とソース電極Ｓ１（Ｓ２）との間で電流が流れる第１電流経路Ｃ１（Ｃ４）に対して略逆方向に電流が流れるとともに、第１電流経路Ｃ１（Ｃ４）に対向する位置に配置された第２電流経路Ｃ３（Ｃ６）を含む。具体的には、第１基板２０は、横型スイッチ素子１１（１２）のソース電極Ｓ１（Ｓ２）と、制御用スイッチ素子１３（１４）のドレイン電極Ｄ３（Ｄ４）との間で電流が流れる電流経路Ｃ２（Ｃ５）と、制御用スイッチ素子１３のソース電極Ｓ３と、横型スイッチ素子１２のドレイン電極Ｄ２との間で電流が流れる第２電流経路Ｃ３と、制御用スイッチ素子１４のソース電極Ｓ４と、入力端子Ｎ（Ｖ−）との間で電流が流れる第２電流経路Ｃ６とを含む。
電流経路Ｃ２は、第１基板２０の下面２０ｃの導電パターン２４３と、貫通電極２２７ａと、中層２０ｂの導電パターン２２７と、貫通電極２０６ａと、上面２０ａの導電パターン２０６とを含む。また、第２電流経路Ｃ３は、第１基板２０の上面２０ａの導電パターン２０５と、貫通電極２０５ｃと、中層２０ｂの導電パターン２２８と、貫通電極２２８ａと、下面２０ｃの導電パターン２４６とを含む。
電流経路Ｃ５は、第１基板２０の下面２０ｃの導電パターン２４９と、貫通電極２２９ａと、中層２０ｂの導電パターン２２９と、貫通電極２１２ａと、上面２０ａの導電パターン２１２とを含む。また、第２電流経路Ｃ６は、第１基板２０の上面２０ａの導電パターン２０２を含む。
また、横型スイッチ素子１１（１２）の第１電流経路Ｃ１（Ｃ４）と、第１基板２０の第２電流経路Ｃ３（Ｃ６）とは、これらの電流経路Ｃ１およびＣ３（Ｃ４およびＣ６）に電流が流れることに起因して発生する磁束の変化の打ち消しが可能な近接距離に配置されている。具体的には、第１電流経路Ｃ１（Ｃ４）と、第２電流経路Ｃ３（Ｃ６）とは、上下方向（Ｚ方向）に互いに対向するように配置されている。
また、第１基板２０の第２電流経路Ｃ３（Ｃ６）（第４電流経路としてのワイヤＷ１（Ｗ２）を含む）および第３電流経路Ｃ２（Ｃ５）は、これらの電流経路Ｃ３およびＣ２（Ｃ６およびＣ５）に電流が流れることに起因して発生する磁束の変化の打ち消しが可能な近接距離に配置されている。具体的には、第２電流経路Ｃ３（Ｃ６）と、第３電流経路Ｃ２（Ｃ５）とは、上下方向（Ｚ方向）に互いに対向するように配置されている。
また、本実施形態では、図２に示すように、第２基板３０は、横型スイッチ素子１１および１２に対して第１基板２０とは反対側（Ｚ２方向側）に配置されている。つまり、横型スイッチ素子１１および１２は、第１基板２０および第２基板３０に挟み込まれるように配置されている。また、図６に示すように、第２基板３０の上面３０ａの導電パターン３０１は、下面３０ｂのグランドパターン３０４の１／２よりも小さい面積を有するように形成されている。
また、導電パターン３０１の接続パターン部３０１ｂは、横型スイッチ素子１１の裏面１１ｂが接合される素子接合パターン部３０１ａよりも小さい面積を有するように形成されている。つまり、導電パターン３０１は、横型スイッチ素子１１が接合される素子接合パターン部３０１ａの面積と、素子接合パターン部３０１ａが第１基板２０に接続されるための必要最小限の接続パターン部３０１ｂの面積とを合わせた面積を有する。また、導電パターン３０１は、平面視において（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１の面積の２倍以下の面積を有するように形成されている。
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
本実施形態では、上記のように、第１基板２０にスナバコンデンサ１５および１６を搭載するとともに、第１基板２０に横型スイッチ素子１１（１２）の表面１１ａ（１２ａ）側のドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）およびソース電極Ｓ１（Ｓ２）を接続することによって、第１基板２０のみを介してスナバコンデンサ１５および１６を含むスナバ回路に電流が流れるので、横型スイッチ素子１１（１２）の裏面１１ｂ（１２ｂ）側の第２基板３０と第１基板２０とを介して電流が流れる場合に比べて、スナバコンデンサ１５および１６を含むスナバ回路の電流経路を短くすることができる。これにより、スナバコンデンサ１５および１６を含むスナバ回路の配線インダクタンスを小さくすることができる。また、第１基板２０を、横型スイッチ素子１１（１２）のドレイン電極Ｄ１（Ｄ２）とソース電極Ｓ１（Ｓ２）との間で電流が流れる第１電流経路Ｃ１（Ｃ４）に対して略逆方向に電流が流れるとともに、第１電流経路Ｃ１（Ｃ４）に対向する位置に配置された第２電流経路Ｃ３（Ｃ６）を含むように構成することによって、第１電流経路Ｃ１（Ｃ４）に発生する磁束の変化を、第２電流経路Ｃ３（Ｃ６）に発生する磁束の変化によって相殺することができる。これによっても、スナバコンデンサ１５および１６を含むスナバ回路の配線インダクタンスを小さくすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３（１４）を、第１基板２０の横型スイッチ素子１１（１２）が接続されている側と反対側の面（上面２０ａ）に搭載する。これにより、横型スイッチ素子１１（１２）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３（１４）に伝わるのを抑制することができるので、熱に起因して制御用スイッチ素子１３（１４）の電気的特性が低下するのを抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３（１４）を、平面視において（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１（１２）と重ならない位置に配置する。これにより、第１基板２０の下面２０ｃに配置された横型スイッチ素子１１（１２）から発生する熱が第１基板２０の上面２０ａに配置された制御用スイッチ素子１３（１４）に伝わるのを効果的に抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３（１４）を、平面視において（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１（１２）に対してスナバコンデンサ１５（１６）と反対側に配置する。これにより、平面視において、制御用スイッチ素子１３（１４）を２つの横型スイッチ素子１１および１２の外側に配置することができるので、平面視において２つの横型スイッチ素子１１および１２により制御用スイッチ素子１３（１４）を挟む場合に比べて、横型スイッチ素子１１（１２）から発生する熱が制御用スイッチ素子１３（１４）に伝わりにくくすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、スナバコンデンサ１５および１６を、第１基板２０の横型スイッチ素子１１（１２）が接続されている側と反対側の面（上面２０ａ）に搭載する。これにより、横型スイッチ素子１１（１２）から発生する熱がスナバコンデンサ１５および１６に伝わるのを抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、スナバコンデンサ１５および１６を、平面視において（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１（１２）と重ならない位置に配置する。これにより、第１基板２０の下面２０ｃに配置された横型スイッチ素子１１（１２）から発生する熱が第１基板２０の上面２０ａに配置されたスナバコンデンサ１５および１６に伝わるのを効果的に抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、第２基板３０に、横型スイッチ素子１１の裏面１１ｂが接続される電位調整パターン３０１と、横型スイッチ素子１１が接合されている側と反対側の面（下面３０ｂ）に設けられたグランドパターン３０４とを形成するとともに、電位調整パターン３０１を、グランドパターン３０４の１／２よりも小さい面積を有するように形成する。これにより、グランドパターン３０４と電位調整パターン３０１との間の浮遊容量（寄生容量）を小さくすることができるので、横型スイッチ素子１１が高周波数動作する際の漏れ電流を抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、電位調整パターン３０１は、横型スイッチ素子１１の裏面１１ｂが接合される素子接合パターン部３０１ａと、素子接合パターン部３０１ａを第１基板２０に接続させるための接続パターン部３０１ｂとを含み、接続パターン部３０１ｂを、素子接合パターン部３０１ａよりも小さい面積を有するように形成する。これにより、電位調整パターン３０１の面積を必要最小限にすることができるので、グランドパターン３０４と電位調整パターン３０１との間の浮遊容量（寄生容量）を容易に小さくすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、電位調整パターン３０１を、平面視において（Ｚ方向から見て）、横型スイッチ素子１１の面積の２倍以下の面積を有するように形成する。これにより、電位調整パターン３０１の面積が過度に大きくなるのを抑制することができるので、グランドパターン３０４と電位調整パターン３０１との間の浮遊容量（寄生容量）を容易に小さくすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、横型スイッチ素子１１（１２）が動作時に発生する熱を放熱するヒートシンク４０を設け、ヒートシンク４０を、第２基板３０のグランドパターン３０４側に配置する。これにより、横型スイッチ素子１１（１２）から発生する熱を制御用スイッチ素子１３（１４）と反対側に逃がすことができるので、制御用スイッチ素子１３（１４）に熱が伝わるのを容易に抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、第１基板２０および第２基板３０の間の横型スイッチ素子１１（１２）の周辺に、熱伝導性材料５０を充填する。これにより、横型スイッチ素子１１（１２）から発生する熱を制御用スイッチ素子１３（１４）の反対側に配置された第２基板３０側に、熱伝導性材料５０を介して伝達することができるので、制御用スイッチ素子１３（１４）に熱が伝わるのを容易に抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３（１４）を、横型スイッチ素子１１（１２）にカスコード接続することによって、制御用スイッチ素子１３（１４）のゲート電極Ｇ３（Ｇ４）に入力される制御信号に基づいてスイッチングを行うことにより、横型スイッチ素子１１（１２）のスイッチングの制御を容易に行うことができる。
また、本実施形態では、上記のように、制御用スイッチ素子１３（１４）は、縦型デバイスを含む。これにより、縦型デバイスの制御用スイッチ素子１３（１４）を用いたインバータ装置１００のスナバコンデンサ１５および１６と横型スイッチ素子１１（１２）との間の配線インダクタンスを小さくすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、インバータ回路を構成する横型スイッチ素子１１および横型スイッチ素子１２を、それぞれ、表面１１ａおよび１２ａ側が第１基板２０に対向するように配置する。これにより、第１基板２０を介してスナバコンデンサ１５および１６から横型スイッチ素子の表面１１ａおよび１２ａに電流が流れるので、スナバコンデンサ１５および１６と横型スイッチ素子１１および１２との間の電流経路を短くすることができる。その結果、スナバコンデンサ１５および１６と横型スイッチ素子１１および１２との間の配線インダクタンスを小さくすることができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、電力変換装置の一例として１相のインバータ装置を示したが、１相以外のインバータ装置（電力変換装置）であってもよい。たとえば、電力変換装置は、３相のインバータ装置でもよい。
また、上記実施形態では、ノーマリオン型の横型スイッチ素子を用いる例を示したが、ノーマリオフ型の横型スイッチ素子を用いてもよい。
また、上記実施形態では、横型スイッチ素子は、ＧａＮ（窒化ガリウム）を含む半導体材料により構成されている例を示したが、横型スイッチ素子は、ＧａＮ以外のＩＩＩ−Ｖ族の材料や、Ｃ（ダイヤモンド）などのＩＶ族の材料により構成されていてもよい。また、横型スイッチ素子は、その他の半導体材料により構成されていてもよい。
また、上記実施形態では、スナバコンデンサおよび横型スイッチ素子は、第１基板の互いに反対側に配置されている例を示したが、スナバコンデンサおよび横型スイッチ素子は、第１基板の同じ側に配置されていてもよい。
また、上記実施形態では、制御用スイッチ素子および横型スイッチ素子は、第１基板の互いに反対側に配置されている例を示したが、制御用スイッチ素子および横型スイッチ素子は、第１基板の同じ側に配置されていてもよい。
また、上記実施形態では、横型スイッチ素子の駆動を制御用スイッチ素子を用いて制御する構成の例を示したが、制御用スイッチ素子を用いずに横型スイッチ素子の駆動を制御してもよい。
また、上記実施形態では、制御用スイッチ素子を縦型デバイスにより構成する例を示したが、制御用スイッチ素子は、縦型デバイスでなくてもよい。
また、上記実施形態では、２つのスナバコンデンサを備える例を示したが、スナバコンデンサは、１つでもよいし、３つ以上であってもよい。
また、上記実施形態では、２つの横型スイッチ素子および２つの制御用スイッチ素子を備える例を示したが、横型スイッチ素子および制御用スイッチ素子は、それぞれ、１つでもよいし、３つ以上であってもよい。
１１ 横型スイッチ素子（第１横型スイッチ素子）
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１２ 横型スイッチ素子（第２横型スイッチ素子）
１２ａ 表面
１２ｂ 裏面
１３、１４ 制御用スイッチ素子
１５、１６ スナバコンデンサ
２０ 第１基板
３０ 第２基板
４０ ヒートシンク
５０ 熱伝導性材料
１００ インバータ装置（電力変換装置）
３０１ 導電パターン（電位調整パターン）
３０１ａ 素子接合パターン部
３０１ｂ 接続パターン部
３０４ グランドパターン
Ｃ１、Ｃ４ 第１電流経路
Ｃ３、Ｃ６ 第２電流経路
Ｄ１、Ｄ３ ドレイン電極（第１電極、第２電極）
Ｓ１、Ｓ３ ソース電極（第１電極、第２電極）

Claims (14)

  1. 表面および裏面を含み、前記表面側に第１電極および第２電極を有するとともに、前記第１電極と前記第２電極との間に第１電流経路を有する横型スイッチ素子と、
    前記横型スイッチ素子に電気的に接続されるスナバコンデンサと、
    前記スナバコンデンサが搭載されているとともに、前記横型スイッチ素子の前記表面側の前記第１電極および前記第２電極が接続されている第１基板とを備え、
    前記第１基板は、前記横型スイッチ素子の前記第１電極と前記第２電極との間で電流が流れる前記第１電流経路に対して略逆方向に電流が流れるとともに、前記第１電流経路に対向する位置に配置された第２電流経路を含む、電力変換装置。
  2. 前記横型スイッチ素子の駆動を制御する制御用スイッチ素子をさらに備え、
    前記制御用スイッチ素子は、前記第１基板の前記横型スイッチ素子が接続されている側と反対側の面に搭載されている、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記制御用スイッチ素子は、平面視において、前記横型スイッチ素子と重ならない位置に配置されている、請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記制御用スイッチ素子は、平面視において、前記横型スイッチ素子に対して前記スナバコンデンサと反対側に配置されている、請求項２または３に記載の電力変換装置。
  5. 前記制御用スイッチ素子は、前記横型スイッチ素子にカスコード接続されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  6. 前記制御用スイッチ素子は、縦型デバイスを含む、請求項２〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  7. 前記スナバコンデンサは、前記第１基板の前記横型スイッチ素子が接続されている側と反対側の面に搭載されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  8. 前記スナバコンデンサは、平面視において、前記横型スイッチ素子と重ならない位置に配置されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  9. 前記横型スイッチ素子に対して前記第１基板とは反対側に配置された第２基板をさらに備え、
    前記第２基板は、前記横型スイッチ素子の前記裏面が接続される電位調整パターンと、前記横型スイッチ素子が接合されている側と反対側の面に設けられたグランドパターンとを含み、
    前記電位調整パターンは、前記グランドパターンの１／２よりも小さい面積を有するように形成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  10. 前記電位調整パターンは、前記横型スイッチ素子の前記裏面が接合される素子接合パターン部と、前記素子接合パターン部を前記第１基板に接続させるための接続パターン部とを含み、
    前記接続パターン部は、前記素子接合パターン部よりも小さい面積を有するように形成されている、請求項９に記載の電力変換装置。
  11. 前記電位調整パターンは、平面視において、前記横型スイッチ素子の面積の２倍以下の面積を有するように形成されている、請求項９または１０に記載の電力変換装置。
  12. 前記横型スイッチ素子から発生する熱を放熱するヒートシンクをさらに備え、
    前記ヒートシンクは、前記第２基板の前記グランドパターン側に配置されている、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  13. 前記第１基板および前記第２基板の間の前記横型スイッチ素子周辺には、熱伝導性材料が充填されている、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  14. 前記横型スイッチ素子は、インバータ回路を構成する第１横型スイッチ素子および第２横型スイッチ素子を含み、
    前記第１横型スイッチ素子および前記第２横型スイッチ素子は、それぞれ、前記表面側が前記第１基板に対向するように配置されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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