JP2005117860A - 電力変換用モジュールおよび電力変換装置並びに電気自動車用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スイッチング素子としての半導体装置における放熱性の向上を図ることにより大容量化を可能とした電力変換用モジュールを提供すると共に、その電力変換用モジュールを用いた電力変換装置を提供する。
【解決手段】 電力変換用モジュール１０は複数のＳｉＣ半導体装置１１が内蔵された熱伝導性材料から形成されたモジュールケース構造体１２からなる。各ＳｉＣ半導体装置１１の上面および下面は放熱板１５や金属配線板１６を介してモジュールケース構造体１２に接触される。この電力変換用モジュール１０を用いて電力変換装置を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等の電気自動車等に適した電力変換用モジュールおよび電力変換装置並びに電気自動車用電力変換装置に関するものである。

従来、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等の電気自動車においては、バッテリの直流電力と３相モータ等における交流電力との間の変換のために、電力変換装置としてのインバータが用いられている。

例えば、図４に示される如く、バッテリ１と３相モータ２との相互間にインバータ３が介在され、インバータ３はバッテリ１からの直流電流を交流に変換して３相モータ２に供給するように構成されている（例えば、非特許文献１参照。）。

また、インバータ３内には、スイッチング素子を構成する複数のＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｉｔｏｒ）等のパワーデバイスを搭載したパワーモジュール４や、パワーモジュール４を制御するコントロールユニット５が備えられ、コントロールユニット５からの制御信号に基づいてパワーモジュール４が動作し、３相モータ２の回転数やトルクを制御する構造とされていた。

ＣＩＶＩＣ Ｈｙｂｒｉｄ サービスマニュアル 構造編、本田技研工業株式会社、２００１年１２月２日

しかしながら、上記従来のインバータ３にあっては、パワーモジュール４とコントロールユニット５とを一体に備えた構造とすることを前提としているため、パワーデバイスが制御基板に搭載されたＳｉ（珪素）半導体の動作温度以上で動作することを考慮していなかった。

一方、近年、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等の電気自動車に搭載される電力変換装置に対して、大容量化が要求されている。

そこで、本発明の解決しようとする課題は、スイッチング素子としての半導体装置における放熱性の向上を図ることにより大容量化を可能とした電力変換用モジュールを提供すると共に、その電力変換用モジュールを用いた電力変換装置およびその電力変換装置を用いた電気自動車用電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するための電力変換用モジュールの手段は、熱伝導性材料によって形成されたモジュールケース構造体に半導体装置が内蔵され、その半導体装置の表面および裏面の両側がモジュールケース構造体に接触され、モジュールケース構造体を通じて放熱可能とされた点にある。

また、前記半導体装置がＳｉＣ（炭化珪素）半導体装置とされた構造としてもよい。

さらに、上記課題を解決するための電力変換装置の手段は、前記電力変換用モジュールを用いた点にある。

また、前記電力変換用モジュールの前記半導体装置を駆動する制御回路を備えたコントロールユニットと、電力変換用モジュールとが別体構造とされた構造としてもよい。

さらに、上記課題を解決するための電気自動車用電力変換装置の手段は、前記電力変換装置を用いた点にある。

請求項１に記載の電力変換用モジュールによれば、熱伝導性材料によって形成されたモジュールケース構造体に半導体装置が内蔵され、その半導体装置の表面および裏面の両側がモジュールケース構造体に接触され、モジュールケース構造体を通じて放熱可能とされているため、半導体装置の表面および裏面の両側からモジュールケース構造体に熱が伝導されてモジュールケース構造体の全方位に放熱可能となり、モジュール冷却方法の自由度が向上し、スイッチング素子としての半導体装置の放熱性向上が図れ、大容量化が可能となる。

また、請求項２に記載の電力変換用モジュールによれば、半導体装置がＳｉＣ半導体装置とされており、ＳｉＣ半導体装置はワイドバンドギャップ半導体であるため、高温動作が可能となり、大容量スイッチング素子として機能でき、この点からもモジュールの大容量化が図れる。

また、請求項３に記載の電力変換装置によれば、請求項１または請求項２に記載の電力変換用モジュールを用いているため、大容量化が図れる。

さらに、請求項４に記載の電力変換装置によれば、電力変換用モジュールの半導体装置を駆動する制御回路を備えたコントロールユニットと、電力変換用モジュールとが別体構造とされているため、大容量化によって高温環境となる電力変換用モジュールとは別の場所に、コントロールユニットを配置でき、コントロールユニットに対する温度の影響を有効に回避できる。

また、請求項５に記載の電気自動車用電力変換装置によれば、請求項３または請求項４に記載の電力変換装置を用いているため、大容量化が図れる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明すると、図１は電力変換用モジュール１０の断面図、図２はその分解図を示しており、電力変換用モジュール１０は、ＩＧＢＴ等のパワーデバイス、即ちワイドバンドギャップ半導体の一例としてのＳｉＣ半導体装置（ＳｉＣ製ＦＥＴ）１１がスイッチング素子として用いられ、熱伝導性材料、いわゆる熱伝導性が高い材料により形成されたモジュールケース構造体１２に内蔵された構造とされている。

前記モジュールケース構造体１２は、モジュール下部構造体１２ａとモジュール上部構造体１２ｂとからなり、モジュール下部構造体１２ａは熱伝導性の高い金属（例えば、銅やアルミニウム）、セラミックもしくは樹脂等によって矩形ブロック状に形成され、その上面には複数（例えば６個）のＳｉＣ半導体装置１１がそれぞれ収容状とされる収容凹部１４が形成されている。

そして、各収容凹部１４内に、それぞれセラミックや樹脂等の絶縁性を有する放熱板１５を介して、各ＳｉＣ半導体装置１１はその電極を上向きにして組み込まれた構造とされている。この際、放熱板１５やＳｉＣ半導体装置１１の組み込みは、接着剤による接着、ハンダ付けもしくはネジ止め構造等を適宜採用すればよい。

なお、この放熱板１５は、採用するＦＥＴによっては必要とされず、この場合、半導体装置１１を直接、モジュール下部構造体１２ａの収容凹部１４に組み付ける構造とすればよい。

また、モジュール上部構造体１２ｂは熱伝導性の高い絶縁性のセラミックもしくは樹脂等により形成されると共に、各収容凹部１４を覆ってモジュール下部構造体１２ａに重合状とされる矩形板状に形成されており、その下面には配線回路を構成すべく、所望にパターン処理された金属配線板１６が一体に成形されている。

そして、各ＳｉＣ半導体装置１１の各電極と金属配線板１６の対応する各回路とが、ハンダ１７やロウ付け等により電気的に接続された状態で、モジュール下部構造体１２ａとモジュール上部構造体１２ｂとが一体的に結合されている。

このような電力変換用モジュール１０の製造に際しては、例えば、各収容凹部１４内に、それぞれ絶縁性を有する放熱板１５を介して、各ＳｉＣ半導体装置１１はその電極を上向きに組み込まれたモジュール下部構造体１２ａと、パターン処理された金属配線板１６が一体に成形されたモジュール上部構造体１２ｂとを準備し、金属配線板１６の所定位置にハンダ１７やロウ等をプリントした状態で、モジュール下部構造体１２ａとモジュール上部構造体１２ｂとをはり合わせ、熱処理することによって各ＳｉＣ半導体装置１１と金属配線板１６との電気的接続状態を得る。

また、モジュール下部構造体１２ａとモジュール上部構造体１２ｂとの結合は、前記電気的接続を取る際に同時に行ってもよいし、レーザ溶接や接着剤等による別の方法を採用してもよい。

そして、この電力変換用モジュール１０に環流ダイオードを組み込み、図３に示されるように、電力変換用モジュール１０の各ＳｉＣ半導体装置１１を駆動する制御回路を備えた半導体制御装置としてのコントロールユニット１９を備えた構造とすれば、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車等の電気自動車において、バッテリ１の直流電力と３相モータ２における交流電力との間の変換のための電力変換装置としてのインバータ２０が構成される。なお、この図例では、電力変換用モジュール１０とコントロールユニット１９とが別体構造とされ、互いに配線２１で接続された構造とされている。

従って、コントロールユニット１９からの制御信号に基づいて電力変換用モジュール１０の各ＳｉＣ半導体装置１１が動作し、３相モータ２の回転数やトルクが制御される。

本実施形態の電力変換用モジュール１０は以上のように構成されており、内蔵されている各ＳｉＣ半導体装置１１はその上面である表面およびその下面である裏面が、それぞれ金属配線板１６や放熱板１５を介してモジュール下部構造体１２ａやモジュール上部構造体１２ｂに接触されているため、モジュール下部構造体１２ａやモジュール上部構造体１２ｂを通じて放熱可能とされ、ここに、モジュールケース構造体１２外周の全方位に放熱可能となり、電力変換用モジュール１０の冷却方法の自由度が向上するため、搭載場所に応じて最適な冷却方法が採用でき、スイッチング素子としての各ＳｉＣ半導体装置１１の放熱性向上が図れ、大容量化が可能となる。

特に、スイッチング素子としてワイドバンドギャップ半導体であるＳｉＣ半導体装置１１を使用しているため、高温動作可能な大容量スイッチング素子を提供でき、モジュール１０の動作温度を３００℃以上まで保証し得る利点がある。

また、各収容凹部１４内に放熱板１５を介してＳｉＣ半導体装置１１が組み込まれたモジュール下部構造体１２ａと、パターン処理された金属配線板１６が一体に形成されたモジュール上部構造体１２ｂとをはり合わせることにより電力変換用モジュール１０を製造する構造であり、モジュール１０の構造の簡素化が図れ、ワイヤボンディングや配線板へのスイッチング素子の組み付け等がなくなり、封止材も不要となる等、モジュール製造工数を削減できる利点もある。

従って、このような電力変換用モジュール１０を用いた電力変換装置としてのインバータ２０によれば、大容量化が図れ、特に、電力変換用モジュール１０とコントロールユニット１９とを別体構造とすることにより、ＳｉＣ半導体装置１１によって高温環境となる電力変換用モジュール１０とは、別の離れた場所にコントロールユニット１９を配置することができ、温度の影響を有効に回避できる。

また、従来のような一体構造の場合と比較して、それぞれをコンパクトに構成でき、自動車等に対する搭載時における設置スペースの融通性向上が図れる利点もある。

なお、モジュールケース構造体１２を形成する熱伝導性材料としては前記開示のものに限られず、熱伝導性の高い材料であればよく、窒化アルミニウム、タングステン合金（Ｃｕ−Ｗ）、炭化珪素等であってもよい。

本発明の実施形態にかかる電力変換用モジュールの断面図である。 同分解図である。 本発明の実施形態にかかる電力変換装置を電気自動車に搭載した状態のブロック図である。 従来における電気自動車に搭載した状態のブロック図である。

符号の説明

１ バッテリ
２ ３相モータ
１０ 電力変換用モジュール
１１ ＳｉＣ半導体装置
１２ モジュールケース構造体
１２ａ モジュール下部構造体
１２ｂ モジュール上部構造体
１９ コントロールユニット
２０ インバータ

Claims (5)

1. 熱伝導性材料によって形成されたモジュールケース構造体に半導体装置が内蔵され、その半導体装置の表面および裏面の両側がモジュールケース構造体に接触され、モジュールケース構造体を通じて放熱可能とされたことを特徴とする電力変換用モジュール。
2. 請求項１に記載の電力変換用モジュールにおいて、
   前記半導体装置がＳｉＣ半導体装置とされたことを特徴とする電力変換用モジュール。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換用モジュールを用いたことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記電力変換用モジュールの前記半導体装置を駆動する制御回路を備えたコントロールユニットと、電力変換用モジュールとが別体構造とされたことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の電力変換装置を用いたことを特徴とする電気自動車用電力変換装置。

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