JP5127929B2 - パワー半導体素子モジュール - Google Patents

Description

本発明は、制御可能なパワー半導体素子を有し、互いに接続される少なくとも２つのパワー半導体ユニットを備え、各パワー半導体ユニットに、制御可能なパワー半導体素子が熱伝導接続されている冷却板が付設されたパワー半導体素子モジュールに関する。

更に、本発明は、このようなパワー半導体素子モジュールの直列回路からなる電力変換器バルブアームと、このような電力変換器バルブアームからなる電力変換器に関する。

このようなパワー半導体ユニットは既に公知である（例えば特許文献１参照）。この公知のパワー半導体ユニットは、２つの電極の間で締め付けられて圧力接触させられたパワー半導体素子を持つ。電極の一方は冷却管のための接続部を有し、従って同時に冷却板として利用される。

市販されている普通のパワー半導体ユニットは、一般に既にハウジングおよび冷却板を装備している。このようなユニットの電気的な相互接続も公知である。１つの冷却板を備えた１つのハウジングを有するパワー半導体ユニットは公知である（例えば特許文献２参照）。このハウジングは、爆発時に爆発力を吸収するために発泡材を充填されている。冷却板上にはパワー半導体チップが配置されていて、パワー半導体チップの相互接続のためにボンディングワイヤが設けられている。この公知のパワー半導体ユニットには次の欠点がある。即ち、このパワー半導体ユニットと他のパワー半導体ユニットとを組み合わせ、結果として空間を占有する構造を有する１つのパワー半導体素子モジュールを構成することに費用がかかる点である。特に、高電圧大電流技術の分野での使用時に、ボンディングワイヤの溶断およびアーク発生が起こり、その際に爆発ガスが生じる。願わしくない危険源の故に、この公知のパワー半導体素子モジュールは、送電および配電の分野において実際には定着していない。

独国特許出願公開第３０３２１３３号明細書 欧州特許出願公開第０８４５８０９号明細書

本発明の課題は、構造がコンパクトでコスト効率が良く、同時に爆発時における保護が用意されている冒頭に述べた種類のパワー半導体素子モジュールを提供することにある。

本発明は、この課題を、パワー半導体ユニットを内部に配置したモジュールハウジングを設け、パワー半導体ユニットの冷却板でモジュールハウジングの少なくとも一部分を構成することによって解決する。

本発明は、少なくとも２つのパワー半導体ユニットを有するパワー半導体素子モジュールを提供する。各パワー半導体ユニットのパワー半導体素子は、従来技術から公知の如く１つの冷却板に熱伝導結合されている。本発明によれば、両パワー半導体ユニットが１つの共通なモジュールハウジング内に配置される。各パワー半導体ユニットの冷却板がパワー半導体素子モジュールのモジュールハウジングの境界壁を形成する。従って、本発明によるパワー半導体素子モジュールは、複数のパワー半導体ユニットから構成され、しかもこれらのパワー半導体ユニットは、例えば１つの専用のユニットハウジングを有し、この専用のユニットハウジング内には適切に互いに接続されたパワー半導体チップが配置される。本発明によるパワー半導体素子モジュールは、例えばエネルギー蓄積器に並列に接続される。その際にパワー半導体素子モジュールおよびエネルギー蓄積器が一緒に１つのアームモジュールを構成し、このアームモジュールが電力変換器バルブアームの形成のために互いに直列に接続される。このような電力変換器バルブアームは、例えば送電および配電の分野において使用可能なように、所謂マルチレベル電力変換器のための相モジュールとして用いられる。しかし、更に駆動技術の分野における適用も考えられる。

本発明によれば、パワー半導体ユニットの冷却板が同時にパワー半導体素子モジュールのためのハウジング壁でもあることに伴い、コンパクトな構造部分が提供される。更に、一般に機械的に強固な冷却板が爆発保護に役立つ。

制御可能なパワー半導体素子は、例えばＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＩＧＣＴ等のターンオフ制御可能なパワー半導体素子であるが、サイリスタのようなターンオフ制御が不可能なパワー半導体素子であってもよい。パワー半導体ユニットは、本発明の枠内において、制御不能なダイオード、フリーホイールダイオード等のパワー半導体素子を有してもよい。

モジュールハウジングがモジュール側壁を持つとよく、冷却板の間に広がり、かつ、例えばセラミックス、プラスチック等の非導電性の絶縁材料から作られたモジュール側壁を持つとよい。これと違って、モジュール側壁は本発明の枠内において導電性材料から構成されていてもよい。

パワー半導体ユニットの接続のための接続端子を備え、接続端子がモジュール側壁の少なくとも１つを貫通して延びているとよい。この方法でパワー半導体素子モジュールのための構造的に簡単な接続端子を用意できる。

パワー半導体ユニットを互いに向かい合わせにするとよい。これは爆発ガス又は熱ガスの拡散に関する利点も提供するので、爆発力が機械的に強固な冷却板により吸収される。更に接続端子を用いた簡単な導体バー配線も可能になる。

爆発時における更なる制動のため、モジュールハウジングに、例えば耐熱性の発泡材やプラスチック等の詰物を充填するとよい。

パワー半導体素子がボンディングワイヤにより互いに接続されているとよい。このようなパワー半導体ユニットは低コストにて多様に市場で入手可能である。

パワー半導体素子モジュールが１つの冷却板に固定接続されている少なくとも１つの保持枠を有し、この保持枠が冷却板からそびえ立つ側壁部分を有し、この側壁部分が１つのパワー半導体ユニットを少なくとも部分的に取り囲むとよい。機械的に強固な材料からなる、例えば金属又は鋼製の保持枠によって、付加的な爆発保護を提供できる。

既述の如く、このようなパワー半導体素子モジュールが、電力変換器バルブアームモジュールを構成すべく、例えばコンデンサのようなエネルギー蓄積器に並列接続されているとよい。複数の電力変換器バルブアームモジュールからなる直列回路が電力変換器バルブアームを構成するとよく、電力変換器バルブアームは、例えば交流電圧端子を介して交流電圧系統の１つの相に接続され、かつ直流電圧端子を介して直流電圧中間回路に接続される。その際、直列回路は、交流電圧端子と直流電圧端子との間に存在する。

図１は本発明によるパワー半導体素子モジュールの実施例の斜視図 図２は図１によるパワー半導体素子モジュールの切断側面図

以下、図面を参照しながら実施例に基づいて本発明の他の適切な構成および利点を説明する。図において同じ作用をする構成部分には同じ符号を付している。

図１は本発明によるパワー半導体素子モジュール１の実施例を斜視図で示す。図示したパワー半導体素子モジュール１はモジュールハウジング２を持ち、モジュールハウジング２は、上部のモジュールハウジング壁３、下部のモジュールハウジング壁４並びにモジュール側壁５からなる。モジュールハウジング壁３、４とモジュール側壁５との機械的接続のために、該当壁にネジ留め固定された外枠部材６が設けられている。パワー半導体素子モジュール１の電気接続のために、前方の接続端子７および８と、後方の接続端子９および１０とが設けられている。接続端子８と１０はアース電位にあるのに対し、接続端子７と９は比較的高い電位、例えば１ｋＶにある。

図２は、図１によるパワー半導体素子モジュール１を切断側面図で示し、この側面図では上部のモジュールハウジング壁３、下部のモジュールハウジング壁４並びにモジュール側壁５が良好に認識できる。特に、上部のモジュールハウジング壁３および下部のモジュールハウジング壁４が、各々１つのパワー半導体ユニット１１に接続されていることが明らかである。各パワー半導体ユニット１１は、その内部に概略的に示すパワー半導体素子を有し、これらパワー半導体素子はボンディングワイヤおよびその他の導体路を介して互いに接続されている。接続端子７、８、９、１０へのパワー半導体ユニット１１の接続のために端子１２が使用されている。端子１２と、概略的に図２に示すパワー半導体素子又はパワー半導体チップとの接続は、図２には見易さのため示していない。図示しない接続は、本発明の枠内において任意である。

パワー半導体ユニット１１が等しく構成され、互いに向かい合わせに配置されていることで、パワー半導体素子又はパワー半導体チップが上部のモジュールハウジング壁３並びに下部のモジュールハウジング壁４に熱伝導結合される。前述のモジュール壁３、４は、同時にパワー半導体ユニット１１のパワー半導体素子の冷却板３、４として使用される。換言すれば、パワー半導体ユニット１１の動作のためにいずれにせよ必要な冷却板３、４が、同時にパワー半導体素子モジュール１の上部並びに下部の境界壁を形成する。このようにしてコスト効率の良いモジュールハウジング２が作り出せる。この場合、コンパクトでコスト効率のよいハウジング２が同時に爆発保護を改善する。

パワー半導体ユニット１１は、市販の普通のパワー半導体ユニットであって、これらパワー半導体ユニットは、それ自身一般にユニットハウジングを持ち、ユニットハウジング内にパワー半導体素子としてパワー半導体チップが配置されている。本発明の図示の実施例では、パワー半導体ユニット１１のパワー半導体チップが、少なくとも部分的にボンディングワイヤを介して互いに接続されている。パワー半導体ユニット１１のパワー半導体チップのこの接続の故に、特に大きな短絡電流の際にボンディングワイヤが溶断することがあり、この結果としてアークが発生し得る。このアークが爆発ガスを放出する。パワー半導体ユニット１１の互いに向かい合わせにされた配置の故に、爆発ガスは、上部および下部のハウジング壁として強固に対向する冷却板３、４に殆ど向けられる。

各パワー半導体ユニット１１は保持枠１３により囲まれていて、保持枠１３のフランジ部分が各々冷却板３、４にネジ留め固定されている。各冷却板３、４からそびえ立つ保持枠１３の側壁部分が、各パワー半導体ユニット１１を取り囲み、付加的な爆発保護の役目を果たす。保持枠１３は、例えば鋼製である。

パワー半導体素子モジュールの爆発保護能力をなお一層高めるべく、これらパワー半導体ユニット１１の端子１２の間に充填空間１４が設けられ、この充填空間１４内に耐熱性の充填材が配置されている。充填材は、例えば非導電性で耐熱性のプラスチックである。爆発時にプラスチックが変形し、その際に放出された爆発エネルギーを吸収する。

モジュール側壁５は、図示の実施例においては、例えば非導電性の絶縁材料、例えばガラス繊維強化プラスチックからなっているが、モジュール側壁５のために金属材料、従って導電性材料も同様に考慮の対象になる。モジュール側壁５を接続端子７又は接続端子９および１０が貫通しているので、外側からのパワー半導体素子モジュール１の簡単な接続が可能である。モジュール側壁５が導電性である場合には、貫通されるモジュール側壁５の電位と異なる電位にある接続端子７は、適切な絶縁ユニットにより前述のモジュール側壁５に対して絶縁される。適切な発展形態では、市販の普通のブッシングがモジュール側壁５に固定され、これらのブッシングが、各モジュール側壁５を通した接続端子７の絶縁された貫通を可能にする。

パワー半導体素子モジュール１は、コンデンサ又は他のエネルギー蓄積器に並列に接続されているとよく、パワー半導体素子モジュール１およびエネルギー蓄積器からなる並列回路がアームモジュールを形成する。更にアームモジュールからなる直列回路が、マルチレベル電力変換器の一部である電力変換器アームを形成する。このようなマルチレベル電力変換器は、例えば高電圧直流送電において使用される。

１ パワー半導体素子モジュール、２ モジュールハウジング、３、４ モジュールハウジング壁、５ モジュール側壁、６ 外枠部材、７〜１０ 接続端子、１１ パワー半導体ユニット、１２ 端子、１３ 保持枠、１４ 充填空間

Claims (8)

1. 制御可能なパワー半導体素子を有すると共に当該パワー半導体素子を覆うユニットハウジングを有していて、互いに電気的に接続される、少なくとも２つのパワー半導体ユニット（１１）を備え、当該各パワー半導体ユニット（１１）には、前記制御可能なパワー半導体素子が熱伝導結合されている冷却板（３、４）が、各々付設されており、
   前記パワー半導体ユニット（１１）を内部に配置してなるモジュールハウジング（２）が設けられており、かつ
   前記冷却板（３、４）が、前記モジュールハウジング（２）の上面および下面を構成するモジュールハウジング壁（３、４）であると共に、前記モジュールハウジング（２）の爆発保護板として兼用されるものである
   ことを特徴とするパワー半導体素子モジュール。
2. 前記パワー半導体ユニット（１１）が、前記モジュールハウジング（２）の内部で互いに向かい合わせに配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載のパワー半導体素子モジュール。
3. 前記モジュールハウジング（２）が、前記冷却板（３、４）同士の間に広がって前記モジュールハウジング（２）の側壁を構成する、絶縁材料からなるモジュール側壁（５）を有する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のパワー半導体素子モジュール。
4. 前記パワー半導体ユニット（１１）の接続のための接続端子（７、８、９、１０）が設けられていて、当該接続端子（７、８、９、１０）が、前記モジュール側壁（５）を貫通してその外側に延びている
   ことを特徴とする請求項３記載のパワー半導体素子モジュール。
5. １つの前記ユニットハウジング内に配置されている少なくとも２つの前記パワー半導体素子同士が、ボンディングワイヤによって、互いに接続されている
   ことを特徴とする請求項１から４の１つに記載のパワー半導体素子モジュール。
6. １つの前記冷却板（３、４）に固定接続されている少なくとも１つの保持枠が設けられていて、当該保持枠は、前記モジュール側壁（５）とは別の、前記冷却板（３、４）からそびえ立つ側壁部分を有しており、かつ、当該側壁部分は、１つの前記パワー半導体ユニット（１１）を少なくとも部分的に取り囲んでいる
   ことを特徴とする請求項１から５の１つに記載のパワー半導体素子モジュール。
7. 請求項１から６の１つに記載のパワー半導体素子モジュール（１）からなる直列回路を備えた
   ことを特徴とする電力変換器バルブアーム。
8. 請求項７記載の電力変換器バルブアームからなるブリッジ回路を備えた
   ことを特徴とする電力変換器。

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