JP2006066572A - 電力変換装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】低コスト化と小型化を両立できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、絶縁基板の主面に配置された複数の半導体素子と、駆動回路及び保護回路と有する回路基板と、を有し、該回路基板は、上記絶縁基板の主面に対して略垂直に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体素子を用いた電力変換装置に関し、特に、自動車用のインバータ又はDC／DCコンバータに使用して好適な電力変換装置に関する。
ハイブリッド自動車、電気自動車など、いわゆる環境に優しい自動車では、空調装置、パワーステアリングなどの電動化が進んでいる。従って自動車には、バッテリー電源から交流モータを制御するインバータやバッテリー電圧を昇降圧するDC／DCコンバータなどの電力変換装置が搭載される。
自動車に搭載される電力変換装置は、その搭載スペースの制約、自動車価格の上昇の抑制から、低コスト化、小型化の要求が高い。
電力変換装置は、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの電力用半導体素子を用いており、これらの電力用半導体素子をスイッチングする駆動回路や温度、電流などを検知して保護する保護回路を有する。駆動回路及び保護回路は、通常、電力用半導体素子を実装して主回路を構成する絶縁基板上に実装している。
しかしながら、高価な絶縁基板上に駆動回路や保護回路を実装するために、絶縁基板の面積が増大し、電力変換装置のコストを増大させる問題がある。
そこで、電力変換装置のコストの増大を抑制する目的で、駆動回路を絶縁基板と別の回路基板に実装する方法が提案されている。
特開平７−７４３０６号公報に記載された例では、高価な絶縁基板の面積が縮小できるので、電力変換装置の低コスト化が可能となるが、駆動回路を形成する回路基板が絶縁基板の主面方向に広がるため、電力変換装置を小型化するのは困難である。
特開平７−７４３０６号公報（特許第３１５７３６２号公報）
そこで、本発明の目的は、低コスト化と小型化を両立できる電力変換装置を提供することにある。
本発明の電力変換装置は、絶縁基板の主面に配置された複数の半導体素子と、駆動回路及び保護回路と有する回路基板と、を有し、該回路基板は、上記絶縁基板の主面に対して略垂直に配置されている。
本発明によると、低コスト化と小型化を両立できる電力変換装置を提供することができる。
図１、図２及び図３を参照して本発明の電力変換装置の第１の例の構造及び組立方法を説明する。本例の電力変換装置は、電力用半導体素子にＭＯＳＦＥＴを用いた、交流モータの制御を行うインバータである。
まず、図１に示すように、セラミックからなる絶縁基板２を用意し、その第１の主面に主回路パターン４Ａ、４Ｂを形成し、その各々の上に電力用半導体素子１Ａ、１Ｂ（ＭＯＳＦＥＴ）を高融点はんだ（図示せず）を介してはんだ付けする。図示のように、主回路パターン４Ａ、４Ｂ及び電力用半導体素子１Ａ、１Ｂは絶縁基板２上に対称的に配置される。一方の主回路パターン４Ａは高圧側の上アームを構成し、他方の主回路パターン４Ｂは低圧側の下アームを構成する。絶縁基板２の第２の主面に形成された銅箔６と放熱板７を低融点はんだ（図示せず）を介してはんだ付けする。
図２に示すように、主回路電極８と制御電極９とをインサート成形したケース１０を用意する。ケース１０と放熱板７をシリコーン接着剤（図示せず）を介して接着する。アルミワイヤー１１の超音波ボンディングによって、主回路電極８と主回路パターン４Ａ、４Ｂ及び電力用半導体素子１Ａ、１Ｂの間を接続して主回路を形成し、アルミワイヤー１１の超音波ボンディングによって、電力用半導体素子１Ａ、１Ｂのゲート端子１２と制御電極９とを接続する。
主回路パターン４Ａ、４Ｂ及び電力用半導体素子１Ａ、１Ｂは対称的に形成されており、制御電極９と電力用半導体素子１Ａ、１Ｂの間は略等距離である。制御電極９と電力用半導体素子１Ａ、１Ｂの間を接続するアルミワイヤー１１は全て、略平行且つ略等しい長さを有する。主回路電極８と電力用半導体素子１Ａ、１Ｂを接続するアルミワイヤー１１は全て、略平行且つ略等しい長さを有する。主回路電極８と主回路パターン４Ａ、４Ｂを接続するアルミワイヤー１１は全て、略平行且つ略等しい長さを有する。
ここで、図示していないが、温度検知用サーミスタを絶縁基板２の第２の主面に実装し、温度検知用サーミスタと制御電極９とアルミワイヤーを介して接続する。
次に、図３に示すように、駆動回路及び保護回路を実装した回路基板３をケース１０にネジ止め（図示せず）し、回路基板３と制御電極９とを共晶はんだ（図示せず）を介してはんだ付けして、パワーモジュール１３を製作する。図示のように、回路基板３は、絶縁基板２の中央に且つ絶縁基板２に略垂直に配置される。このようなパワーモジュール１３を３個製造する。
最後に、図４に示すように、３つのパワーモジュール１３を並べて、モータを制御する制御基板１４をネジ止め（図示せず）し、回路基板３と制御基板１４とをフラットケーブル（図示せず）で電気的に接続する。それにより電力変換装置１５が完成する。
なお、本例では、駆動回路及び保護回路を実装した回路基板３を、インサート成形したケース１０にネジ止めしたが、予め制御電極をインサート成形した端子台を製作し、端子台を絶縁基板や放熱板に接着して固定してもよい。
本発明は、絶縁基板の主面と、駆動回路及び保護回路を実装した回路基板の主面に略垂直に固定することを特徴としており、回路基板の固定方法を限定するものではない。
本発明による電力変換装置は、低コストでかつ小型化が要求される分野の製品、例えば、ロボット、電動アシスト付き自転車などの製品へ利用可能である。
図５は、本発明による電力変換装置の構成を模式的に示したものである。本例の電力変換装置では、回路基板３の両側にそれぞれ３つの半導体素子１Ａ及び１Ｂが設けられているが、基本的には、上述の例と同様である。回路基板３は、絶縁基板２に略垂直に且つ絶縁基板２の中央に配置されている。主回路パターン４Ａ、４Ｂの上にそれぞれ電力用半導体素子１Ａ、１Ｂが、回路基板３から略等距離に配置されている。従って、回路基板３に設けられた制御電極９と３つの半導体素子１Ａ及び１Ｂのゲート端子を接続するワイヤ１１の長さを互いに等しく且つ略平行に配置することができる。更に、３つの半導体素子１Ａ、１Ｂを、回路基板３に近接して配置し、回路基板３に設けた制御電極９の長さを小さくする。それにより、配線のインダクタンスが一定となり且つそれ小さくすることができる。それにより、各半導体素子のオンオフのタイミングのバラツキを抑制することができる。
本発明によると、駆動回路及び保護回路を絶縁基板とは別の回路基板に実装するため、高価な絶縁基板の面積を小さくできる。それによって、電力変換装置の低コスト化を達成することができる。
また、本発明によると、駆動回路及び保護回路を実装した回路基板を、絶縁基板の主面に対して略垂直に配置するために、回路及び回路間の接続手段を立体的にレイアウトすることができる。従って、絶縁基板の主面方向への広がりを抑制することができ、電力変換装置の小型化を達成できる。
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に理解されよう。
本発明による電力変換装置のパワーモジュール部を製作する過程を示す鳥瞰図である。 本発明による電力変換装置のパワーモジュール部を製作する過程を示す鳥瞰図である。 本発明による電力変換装置のパワーモジュール部の概略を示す鳥瞰図である。 本発明による電力変換装置を示す概略を示す鳥瞰図である。 本発明による電力変換装置の回路及び配線パターンを示す図である。
符号の説明
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…電力用半導体素子、２…絶縁基板、３…回路基板、４Ａ、４Ｂ…主回路パターン、６…銅箔、７…放熱板、８…主回路電極、９…制御電極、１０…ケース、１１…アルミワイヤー、１２…ゲート端子、１３…パワーモジュール、１４…制御基板、１５…電力変換装置

Claims (6)

  1. 絶縁基板の主面に配置された主回路を構成する複数の半導体素子と、該半導体素子を駆動するための駆動回路及び上記半導体素子を保護するための保護回路と有する回路基板と、を有し、該回路基板は、上記絶縁基板の主面に対して略垂直に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 上記半導体素子のうち高電圧側の半導体素子と低電圧側の半導体素子は、上記回路基板の両側に且つ対称的に位置に配置され、上記高電圧側の全ての半導体素子は上記回路基板から略等距離の位置に配置され、上記低電圧側の全ての半導体素子は上記回路基板から略等距離の位置に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  3. 上記高電圧側の半導体素子のゲート端子と上記回路基板の制御電極は互いに略同一長さのワイヤによって接続され、上記低電圧側の半導体素子のゲート端子と上記回路基板の制御電極は互いに略同一長さの且つ略平行に配置されたワイヤによって接続されていることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項１から３のいずれか１項記載の３個の電力変換装置と、モータを制御するためのモータ制御回路を備えた制御基板と、を有し、該制御基板の孔に上記回路基板の端部が係合するように上記制御基板は上記３個の電力変換装置に装着され、上記回路基板と上記制御基板はケーブルによって電気的に接続されていることを特徴とするモータ制御用電力変換装置。
  5. セラミックからなる絶縁基板の第１の主面に２つの主回路パターンを対称的に形成し、該主回路パターンの各々の上に半導体素子を対称的に実装することと、
    上記絶縁基板の第２の主面に形成された銅箔と放熱板をはんだ付けによって接続することと、
    主回路電極と制御電極とをインサート成形したケースと上記放熱板を接着し、上記主回路電極と上記主回路パターン及び上記半導体素子の間をワイヤによって接続して主回路を形成し、上記半導体素子のゲート端子と上記制御電極とをワイヤによって接続することと、
    駆動回路及び保護回路を実装した回路基板を上記絶縁基板上に且つ上記絶縁基板に略垂直に配置することと、
    上記回路基板と上記制御電極とを電気的に接続することと、
    を含む電力変換装置の製造方法。
  6. 請求項５に記載の電力変換装置の製造方法によって製造された電力変換装を３つ並べ、その上にモータを制御するためのモータ制御回路を備えた制御基板を配置することと、
    上記制御基板の孔に上記回路基板の端部を係合させ、上記回路基板と上記制御基板をケーブルによって電気的に接続することと、
    を含むモータ制御用電力変換装置の製造方法。
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