JP2006148098A - パワーモジュール、相脚パワーモジュール組立体および３相インバータ組立体 - Google Patents

パワーモジュール、相脚パワーモジュール組立体および３相インバータ組立体 Download PDF

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Abstract

【課題】高周波電力変換に対応できる低寄生インダクタンスパワーモジュールの提供。
【解決手段】パワーモジュール１０は、上部層１６、電気絶縁体及び熱結合層を備える基板１２を含む。上部層は、導電性パターン１７を含み且つパワーデバイス１４を受け入れるように構成される。電気絶縁体は、上部層と熱結合層との間に配置される。熱結合層は、ヒートシンクに対して熱結合するように構成される。パワーモジュールは更に、第１及び第２の導電層２０、２４と、第１及び第２の導電層の間に配置された絶縁層２２とを備える少なくとも１つの層状相互接続部１８を含む。層状相互接続部の第１の導電層は、基板の上部層に電気的に接続される。電気的接続部４２は、パワーデバイスの表側１９を層状相互接続部の第２の導電層に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は一般にパワーモジュールに関し、より詳細には、高出力パワーエレクトロニクス用途の低インダクタンスパワーモジュールに関する。
シリコン絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のような最新のパワー半導体スイッチは、初期の設計よりもはるかに高い周波数でスイッチングすることができる。スイッチング損失が低いことにより、高周波電力変換を必要とする新規の応用が可能となる。しかしながら、この高速スイッチングの変化には、従来の実装技術の高い寄生インダクタンスに関連する特有の問題がある。具体的には、パワーデバイスのオフ時に発生する電圧オーバーシュートは、寄生インダクタンスとスイッチング中のＩＧＢＴ電流の傾きとの積に比例する。新型ＩＧＢＴが高速のスイッチング遷移を有することにより、寄生インダクタンスの低減は、新世代のパワーデバイスにとってデバイスのオフ時の過大な電圧オーバーシュートを回避するためにより重要である。例えば、５０ｎＨの寄生インダクタンス及び比較的高速な５Ａ／ナノ秒（ｎＳ）のスイッチング遷移を有する５００ＶＤＣバスでのコンバータの動作は、５０％の電圧オーバーシュートを生じることになる。
ネジ式電力端子を備える従来のパワーモジュールを図１１に示す。従来のパワーモジュールの寄生インダクタンスは、およそ２０ｎＨであり、従来設計の相脚(phase-leg)インダクタンスは通常、５０ｎＨを超える。ネジ式電力端子のリード線は、寄生インダクタンスの大部分を占め、残りはワイヤボンドと基板レイアウトによるものである。これらの寄生インダクタンスが高いことに加え、非対称なレイアウトは、パワーデバイス間の電流共有が不十分になる。従って、新世代の高速ＩＧＢＴデバイスと共に従来のパワーモジュールを用いると、好ましくない有意に高い電気応力を生じることになる。
これまでにも低インダクタンスのパワーモジュールを設計しようとする試みがなされている。例えば、Ｍｏｕｒｉｃｋ他による「サブｎＨインダクタンスを有する７５０Ａ、７５Ｖ、ＭＯＳＦＥＴパワーモジュール」、２００２年９月２日、第１４回パワー半導体デバイス及びＩＣに関する国際シンポジュームＩＥＥＥ会報では、パワーデバイスを使用して３次元のインターリーブを可能にする幾つかの導電性ウエブを装備した低インダクタンスのマルチチップ相互接続について記載されている。各スイッチング遷移期間中、対向磁場がパワーデバイスを通過する電流と導電性ウエブ内の電流によって生成される。対向磁場は相殺され、結果として相互接続に対し２ｎＨの寄生インダクタンスを生じる。しかしながら、Ｍｏｕｒｉｃｋ他は、モジュール及びコンバータレベルで低寄生インダクタンス相互接続の設計に対処することができなかった。この設計の他の欠点には、導電性ウエブの付加並びにモジュール組立体全体の複雑さに起因するコストの上昇がある。
Ａｒａｉ他による名称「低浮遊インダクタンスを有する半導体デバイス」の米国特許第５，４２４，５７９号は、パワーモジュールのデバイス及び基板レイアウトに対処している。しかしながら、Ａｒａｉ他は、モジュールを高インピーダンスに保持する１ペアの従来型電力端子を特徴としている。加えて、そのレイアウトは非対称であり、並列のパワーデバイスダイ間で動的及び静的電流共有に関する問題を生じる可能性がある。
Ｂａｙｅｒｅｒ他による名称「低インピーダンスパワー半導体モジュール」の米国特許第５，５７４，３１２号は、液冷式ヒートシンクの両面上に構成された低インピーダンス２重パワーモジュールを曖昧に記載しているが、この設計には実施できない幾つかの態様が存在する。例えば、Ｂａｙｅｒｅｒ他の図２は、相脚の非対称なレイアウトを示し、ヒートシンクの一方の側面のデバイスが恐らくは下方にコレクタ／ドレイン／カソードを取り付けられ、他方の側面のデバイスが下方にエミッタ／ソース／アノードを反転取り付けされている。加えて、パワーデバイスの両面ヒートシンクへのはんだ付けは、実際的ではなく、異なる融点を有するマルチはんだ付けの使用を必要とする可能性がある。更に、モジュールは、デバイスをヒートシンクの一方側から他方の側に接続するために中間点電力端子を使用する。この接続は、常に高い寄生インダクタンスを生じ、相脚全インダクタンスを増大させることになる。
米国特許第５，４２４，５７９号 米国特許第５，４２４，５７９号 Mourick et al., "750 A, 75 V MOSFETPower Module with Sub-nH Inductance," September 2, 2002, IEEE, Proceedingsof the 14th International Symposium on Power Semiconductor Devicesand ICs "Hot Plug, High Current Dual Crown ClipSocket Connector" (Tyco Electronics) "Dynamic Behaviour and Ruggedness of AdvancedFast Switching IGBTs and Diodes" (0-7803-7883—0/03, IEEE)
従って、パワーデバイスの実装に使用する低インダクタンスのパワーモジュールを開発することが望ましい。更に、低インダクタンスの相脚モジュール及び低寄生インダクタンスのモジュール式３相インバータを開発することが望ましい。更に、電力端子リード線に付随する寄生インダクタンスに対する寄与度を低減し、及び並列パワーデバイス間で静的及び動的電流の共有を可能にすることが望ましい。
要約すると、本発明の１つの実施形態に従って、パワーモジュールが記載される。本パワーモジュールは、上部層、電気絶縁体、及び熱結合層を備える少なくとも１つの基板を有する。上部層は、少なくとも１つの導電性パターンを含み、少なくとも１つのパワーデバイスを受け入れるように構成される。電気絶縁体は、上部層と熱結合層との間に配置される。熱結合層は、ヒートシンクに熱を伝導するように構成される。本パワーモジュールは更に、第１の導電層、絶縁層、及び第２の導電層を備える、少なくとも１つの層状相互接続部を有する。絶縁層は、第１及び第２の導電層の間に配置され、層状相互接続部の第１の導電層は、基板の上部層に電気的に接続される。電気的接続部は、少なくとも１つのパワーデバイスの表側を層状相互接続部の第２の導電層に接続する。
本発明の別の実施形態に従って、パワーモジュール組立体が記載される。本パワーモジュール組立体は、幾つかのパワーモジュール、パワーモジュールのそれぞれの層状相互接続部を受け入れるように構成された幾つかのレセプタクル、及びバックプレーンを有する。バックプレーンは、正の直流（ＤＣ）電力バス層、出力層５０、及び負のＤＣ電力バス層を有する。レセプタクルは、バックプレーン上に取り付けられる。
本発明の別の実施形態に従って、モジュール式相脚組立体が記載される。本モジュール式相脚組立体は、２つのパワーモジュールを含み、該パワーモジュールの各々は、ヒートシンク、ヒートシンクに取り付けられた基板、及び、少なくとも１つのトランジスタと少なくとも１つの逆並列ダイオードとを含み且つ基板の上部層の導電性パターン上に取り付けられた少なくとも１つのスイッチを有する。パワーモジュールの各々は更に、基板及び少なくとも１つのスイッチを収納するハウジング、並びに層状相互接続部を有する。層状相互接続部の第１の導電層は、基板の上部層に電気的に接続される。電気的接続部は、少なくとも１つの逆並列ダイオードのアノードを薄層相互接の第２の導電層に接続する。
本発明の別の実施形態に従って、モジュール式３相インバータ組立体が記載される。本モジュール式３相インバータ組立体は、６つのパワーモジュール、パワーモジュールのそれぞれの層状相互接続部を受け入れるように構成された幾つかのレセプタクル、及びバックプレーンを有する。レセプタクルは、バックプレーン上に取り付けられる。パワーモジュールは、３つのペアで配置され、各ペアは１つの相脚に対応する。
本発明のこれら及び他の特徴、態様並びに利点は、図面全体を通じて同じ符号が同じ部分を表す添付図面と共に以下の詳細な説明を読むとよりよく理解されるであろう。
本発明の実施形態である単一スイッチパワーモジュール１０を図１と図３を参照して説明する。パワーモジュール１０は単一のスイッチ構成で説明するが、該パワーモジュール１０は、他の複数の構成にも等しく適用可能であることを当業者であれば理解するであろう。例えば図１に示すように、パワーモジュール１０は、少なくとも１つの導電性パターン１７を含み且つ少なくとも１つのパワーデバイス１４を受け入れるように構成された上部層１６を備える基板１２を有する。例示的な導電性パターン１７を図１に示す。図３に示すように、基板１２は更に、電気絶縁体２６と、熱結合層２８とを有する。電気絶縁体２６は、上部層１６と熱結合層２８との間に配置される。熱結合層２８は、ヒートシンク３０に熱結合するように構成される。パワーモジュール１０は更に、図１に例証として示すように、第１の導電層２０、絶縁層２２、及び第２の導電層２４を有する層状相互接続部１８を含む。絶縁層２２は、第１および第２の導電層２０、２４の間に配置される。層状相互接続部１８の第１の導電層２０は、基板１２の上部層１６に電気的に接続される。図１に例証として示されるように、電気的接続部４２は、パワーデバイス１４の表側１９を層状相互接続部１８の第２の導電層２４に接続する。図１の例示的な実施形態では、電気的接続部は、ワイヤボンド４２である。有益なことには、層状相互接続部を利用して基板と該層状相互接続部とをこのような方法で接続することにより、全寄生インダクタンスへの相互接続の寄与が低減される。
本明細書で使用される語句「上部層１６」は、導電性パターン１７を形成し且つ同一平面内に配置された幾つかの接続及び／又は非接続の導電性領域を含む。上部層１６は導電性である。
本明細書で使用される語句「電気的に接続される」は、配線、はんだ、パワーオーバレイ、接合、又は他の電気的接続手段によって２つの要素を接続することを含む。特定の実施形態によれば、基板１２の上部層１６は、層状相互接続部１８の第１の導電層２０にはんだ付けされる。上部層１６を導電層２０に接続することによって、ＩＧＢＴのコレクタ（又はＭＯＳＦＥＴのドレイン）及びダイオードのカソードなどの全てのパワーデバイスの裏側（図示せず）が相互接続される。
より詳細な実施形態によれば、基板１２は、銅直接接合（ＤＢＣ）又は活性金属銅接合（ＡＭＢ）構造で形成される。ＤＢＣ及びＡＭＢの両方は、銅層をセラミック基板に直接結合させるプロセスを云う。例示的なＤＢＣ又はＡＭＢ基板は、銅−セラミック−銅層で形成される。ＤＢＣ及びＡＭＢは、基板１２に対して好都合な構造を与え、且つ電気絶縁体２６の両側上に同一の導電性材料（この場合は、銅）を使用することにより、熱的及び機械的安定性が得られる。
更に特定の実施形態によれば、電気絶縁体２６は熱的導体である。例示的な電気絶縁体は、熱的導体である、酸化アルミニュウム（ＡＬ２Ｏ３）、窒化アルミニュウム（ＡＬＮ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、及び窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）を含む。
例示的な絶縁層２２は、ＦＲ４、Ｋａｐｔｏｎ、他の絶縁ポリマー、及び他の絶縁材料を含む。特定の実施形態によれば（図示せず）、絶縁層２２は、第１及び第２の導電層２０、２４を超えて沿面距離だけ延び、層状相互接続部１８の縁部における電気的絶縁破壊を回避する。当業者には公知のように、沿面距離を決定する一般則は、キロボルト当たり１００ミルであり、ここで１ミルは１／１０００インチである。例示的な導体層は銅で形成される。金接合銅はまた、酸化を還元するのに使用される。
冷却は、パワーエレクトロニクスの設計条件である。平面冷却技術を含む多数の冷却技術をパワーモジュール１０に用いることができ、この実施例には、液体冷却、マイクロチャンネル冷却、及び従来のヒートシンクがある。図３の例示的な実施形態では、熱結合層２８は、ベースプレート３０に結合するように構成される。例えば、熱結合層２８は、ベースプレート３０にはんだ付けされ、又は、他の方法で結合可能である。具体的には、ＤＢＣ又はＡＭＢ基板１２は、ろう付け、接合、拡散接合、はんだ付け、又はクランピングの様な圧接を含む、幾つかの技術のうちのいずれかを使用してベースプレート３０に接合することができる。これは、単純な組立プロセスを提供する。図３の例示的な実施形態では、パワーモジュール１０は、ベースプレート３０を備えるヒートシンク３０を含む。図示のように、基板１２は、ベースプレート３０に取り付けられる。マイクロチャンネル冷却の実施形態として、同時係属の特許出願「マイクロチャンネル冷却を備えるパワーデバイス用ヒートシンク」において検討及び例証されているように、ヒートシンク３０は、多数のマイクロチャンネル（本出願では図示せず）を含む。１つの実施形態では、マイクロチャンネルは、絶縁体２６とベースプレート３０との間に配置された導電（例えば、銅）層２８内に形成される。他の実施形態では、マイクロチャンネルは、上部層１６と、任意選択の導電層又はベースプレート３０のいずれかとの間に配置されたセラミック絶縁体２６内に形成される。好都合なことには、ヒートシンク３０は、高出力密度に対応するためパワーデバイス１４から熱を伝達して取り去る。
図１の例示的な実施形態では、パワーモジュール１０は更に、基板１２上に取り付けられた幾つかのパワーデバイス１４を含み、該パワーデバイスは、基板１２の上部層１６に電気的に接続される。例示的なパワーデバイスは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）、及び高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などのトランジスタ、及びダイオードを含む。これらはパワーデバイスの実施例であり、本発明がこれらの実施例に限定されるものではない点を当業者であれば理解するであろう。上述のように、電気的接続部４２、４３は、パワーデバイス１４の表側１９を層状相互接続部１８の第２の導電層２４に接続する。例えば、パワーデバイス１４は、図３に示すように、はんだ層１５を介して基板１２上に取り付けることができる。パワーデバイス１４の表側を層状相互接続部１８の第２の導電層２４に接続することによって、ＩＧＢＴのエミッタ（又はＭＯＳＦＥＴのソース）及びダイオードのアノードが相互接続される。加えて、パワーデバイス１４の表側を層状相互接続部１８の第２の導電層２４に接続することによって、寄生インダクタンスが低減される。図１の例示的な実施形態では、電気的接続部はワイヤボンド４２である。例示的なワイヤボンドは、１０−１５ミルのアルミニウムワイヤボンドを含む。リボンボンドは、別の種類の電気的接続である。図２は、電気的接続部がパワーデバイス１４の表側（図２に図示せず）を覆う少なくとも１つのパワーオーバレイ４３を含む、他の実施形態を示す。パワーオーバレイは、発明の譲受人に譲渡されたＯｚｍａｔ他による名称が「パワーエレクトロニクスモジュールの実装」の米国特許第６，３７７，４６１号に記載され、該特許はその全体が引用により本明細書に組み込まれる。パワーオーバレイは通常、少なくとも１つの導電及び絶縁層と、幾つかのバイア（金属プラグ）とを含む。例示的な絶縁層は、Ｋａｐｔｏｎで形成される。好都合なことには、パワーオーバレイは、ワイヤボンドよりも堅牢であり、ワイヤボンドに対して寄生抵抗及びインダクタンスが低い。
１つの特定の実施形態によれば、電気的接続部１７及び４２又は４３は、静的（定常状態）及び動的（過渡状態）電流共有に対して対称である。対称とは、パワーデバイス１４と、第１及び第２の導電層２０、２４との間のそれぞれの電気的接続部の全長がほぼ等しいことを意味する。これとは対照的に、従来のパワーモジュール設計は、パワーデバイスと電力端子との間の長さが変化する電流経路を与える。従って、より短い電流経路を有するデバイスは、より長い電流経路を有するパワーデバイスよりも大きな応力を受ける。しかしながら、図１及び図２の対称的配置は、並列のパワーデバイス１４間で優れた静的及び動的電流共有を可能にする。
図６に示す相脚の実施形態では、パワーデバイス１４は、少なくとも１つのトランジスタ３６及び／又は少なくとも１つの逆並列ダイオード３８を含み、少なくとも１つのスイッチ３４を形成する。１つの特定の実施形態によれば、スイッチ３４は、４００アンペアスイッチであり、４つのトランジスタ及び４つの逆並列ダイオードを含む。この構成は単に例証に過ぎず、スイッチ３４は、該スイッチ３４の所望の用途に応じて別の電流定格及びこれに対応して別のトランジスタ／逆並列ダイオード構成を有することができる。スイッチ３４は、図６に示すように、導電性パターン１７上に取り付けられる。電気的接続部は、図６でワイヤボンド４２として示されており、ダイオード３８のアノードを層状相互接続部１８の第２の導電層２４に接続する。電気的接続部はまた、図２に関して上記で説明したように、リボンボンド又は１つ又はそれ以上のパワーオーバレイ４３の形態を取ることもできる。
例示的なトランジスタには、エミッタ及びコレクタを有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と、ソース及びドレインを有するＭＯＳＦＥＴとがある。ＩＧＢＴでは、図６にワイヤボンド４２として示された電気的接続部は、ＩＧＢＴのエミッタをそれぞれの逆並列ダイオード３８のアノードに接続する。内部逆並列ダイオードを備えたＭＯＳＦＥＴでは、電気的接続部は、ＭＯＳＦＥＴのソースを第２の導電層２４に接続する。幾つかの設計においては、例えば、ショットキーダイオードのような外部の高性能ダイオードと共にＭＯＳＦＥＴを使用することが望ましい。このような設計では、電気的接続部は、ＭＯＳＦＥＴのソースをそれぞれの逆並列ダイオードのアノードに接続する。ＩＧＢＴの利点には、これらの伝導損失特性が低いことがあげられ、一方、ＭＯＳＦＥＴは、より高速のスイッチング速度を特徴として備えている。１つの特定の実施例によれば、パワーモジュール１０は幾つかのトランジスタ３６を含み、これらのトランジスタの少なくとも１つはＭＯＳＦＥＴであり、該トランジスタの少なくとも別の１つはＩＧＢＴである。より一般的には、パワーモジュール１０は、少なくとも２つの異なるタイプのトランジスタ３６を含む。同様に、別の実施形態では、パワーモジュール１０は、少なくとも２つのタイプのダイオード３８を含む。例えば、パワーモジュール１０は幾つかの逆並列ダイオードを含み、これらのダイオードの少なくとも１つがバイポーラダイオードであり、該ダイオードの少なくとも別の１つがショットキーダイオードである。
特定の実施形態によれば、スイッチ３４は、少なくとも２つのトランジスタ３６と少なくとも２つのダイオード３８とを含む。図６の相脚の実施形態では、スイッチ３４は、４つのトランジスタ３６と４つの逆並列ダイオード３８とを含み、例えば４００アンペアスイッチとして構成される。図１に関連して上記で検討したように、基板１２の上部層１６は導電性パターン１７を含み、スイッチ３４はパターン１７上に配置される。スイッチ３４は更に、パターン１７上に形成されたゲート及び戻りリード線６３を含む。図６にゲートワイヤボンド６４として示された電気的接続部は、トランジスタ３６の各々をゲートリード線６３に対称的に接続し、この接続により、パワーデバイス１４間の静的及び動的電流共有が更に改善される。
図１及び図２の実施形態では、層状相互接続部１８は、バックプレーン４６上に取り付けられたレセプタクル４４に接続するように構成されたエッジカードコネクタ１８である。例示的なレセプタクルを図４に示し、図５は、バックプレーン４６上に取り付けられた２つのレセプタクル４４を示している。レセプタクル４４は、エッジカードコネクタ１８と接触させる内部接触面５４と、バックプレーン４６と接触させる外部接触面５６とを有する。これらの接触面は、平滑であっても又は傷付いたものであってよく、例示的な接触面は、銅又は金メッキ銅を使用して形成される。図５に示すように、バックプレーン４６は、正の直流ＤＣバス層４８、出力層５０、及び負のＤＣバス層５２を含む。好都合には、エッジカードコネクタ１８及びレセプタクル４４を利用することによって、相互接続インダクタンスは、従来のパワーモジュールに対して低減される。
１つの特定の実施形態によれば、パワーデバイス１４を保護するために、パワーモジュール１０は基板１２を収納するハウジング３２を更に含む。図７は例示的なハウジング３２を示す。
例示的な単一スイッチパワーモジュールをシミュレートすると、図１２は、単一スイッチパワーモジュールの等価回路図である。例示的なパワーモジュールの寄生インダクタンスは以下のように計算される。
（数１）
ＬＩＧＢＴ＝ＬＣＯＮＮ＋ＬｓＤ＋ＬｓＱ
及び、
（数２）
ＬＤｉｏｄｅ＝ＬＣＯＮＮ＋ＬｓＤ
本明細書で使用される、ＬＩＧＢＴは、ＩＧＢＴが導通している時のパッケージインダクタンスであり、ＬＤｉｏｄｅは、逆並列ダイオードが導通している時のパッケージインダクタンスである。ＬＣＯＮＮは、ＩＧＢＴと逆並列ダイオードとの間で共有される層状相互接続部のパッケージインダクタンスに対する寄与度である。ＬｓＱは、少なくとも１つのワイヤボンド４２と、ＩＧＢＴダイと逆並列ダイオードダイとの間の導電性パターン１７の部分とに付随するパッケージインダクタンスに対する寄与度である。ＬｓＤは、少なくとも１つのワイヤボンド４２と、ダイオードダイと層状相互接続部との間の導電性パターン１７の部分とに付随するパッケージインダクタンスに対する寄与度である。この実施例では、以下のパラメータ値が使用された。モジュール上の導体幅は５１ｍｍに設定され、コネクタ上の導体幅は８６ｍｍに選定された。導電性パターン１７上の導体間隔は２．５ｍｍが使用され、コネクタ上の２つの導電層１６、２８の間隔は０．６３５ｍｍが選定された。ヒートシンクの幅及び厚さは、それぞれ５１ｍｍと５ｍｍに設定された。ワイヤボンドの直径は、０．５０８ｍｍが使用され、シミュレーションは、２つの周波数ｆＳ＝直流と１ＭＨｚとで実施された。これは、単なる例証の目的としてシミュレーションを行うために使用される例示に過ぎず、これらの値は、どのようにも本発明を制限するものとして見做されるべきではない。この実施例では、シミュレーション結果には、スイッチモジュールの全インダクタンスが０．９３ｎＨであり、ゲートインダクタンスは１ＭＨｚにおいて９．２ｎＨであり、スイッチモジュールの静電容量が４０６．４ｐＦであり、ヒートシンクとコレクタプレート間の静電容量が２０７．５ｐＦであることが含まれていた。
図４−図６に関してパワーモジュール組立体８０を説明する。パワーモジュール組立体８０は相脚構成に関して説明されるが、パワーモジュール組立体８０は他の構成にも等しく適用可能であることは当業者であれば理解するであろう。例えば図５に示すように、パワーモジュール組立体８０は、幾つかのパワーモジュール１０を含む。上述のように、例示的なパワーモジュール１０は、基板１２、エッジカードコネクタ１８、及び電気的接続部４２、４３を含む。パワーモジュール１０用の例示的なパワーデバイス１４は、上記で説明された。パワーモジュール組立体８０は更に、エッジカードコネクタ１８のそれぞれを受け入れるように構成された幾つかのレセプタクル４４を含む。例示的なレセプタクルを図４に示す。特定の実施形態によれば、レセプタクル４４は、少なくとも１００アンペア（１００Ａ）の電流定格を有し、より詳細には少なくとも４００アンペア（４００Ａ）の電流定格を有する。パワーモジュール組立体８０は更に、例えば図５に示すように、正の直流ＤＣバス層４８、出力層５０、及び負の直流ＤＣバス層５２を有するバックプレーン４６を含む。レセプタクル４４は、図５に示すようにバックプレーン４６上に取り付けられる。
図５及び図８の例示的な実施形態では、パワーモジュール組立体８０は、２つのパワーモジュール１０と２つのレセプタクル４４とを含む。図５及び図８に示すように、パワーモジュール１０は、これらのそれぞれのベースプレート３０が互いに向い合うように配置される。有益なことには、この構成によって、低い寄生インダクタンスがもたらされる。或いは、寄生インダクタンスの制御があまり重要ではなく、実装上の制約が図５に示す構成を妨げる用途では、パワーモジュール１０及びレセプタクル４４は、バックプレーン４６上に隣接構成で配置することができる。例えば図９は、単一スイッチパワーモジュール１０が並んで配置されたフルブリッジ構成を示している。図９の構成では、単一スイッチパワーモジュール１０は、１つのヒートシンク３０を共有する。代替的に、単一スイッチパワーモジュール１０の各々はまた、別個のヒートシンクを有しても良い。
１つの特定の実施形態によれば、パワーモジュール組立体８０は更に、それぞれのパワーモジュール１０内に取り付けられたパワーデバイス１４を冷却するための少なくとも１つのヒートシンク３０を含む。ヒートシンク３０は、図３に関して上記で説明された。更に特定の実施形態によれば、電気絶縁体２６は熱導体である。
特定の実施形態によれば、基板１２は、銅直接接合（ＤＢＣ）又は活性金属銅回路（ＡＭＢ）法で形成される。図６の例示的な実施形態では、パワーモジュール組立体８０は更に、基板１２の導電性パターン１７上に取り付けられた幾つかのパワーデバイス１４を含む。例示的な電気的接続部は、ワイヤ又はリボンボンド４２、及びパワーオーバレイ４３を含む。図６の例示的な実施形態では、電気的接続部はワイヤボンド４２の形態を取る。上述のように本発明の１つの利点は、電気的接続部が静的及び動的電流共有化に対して対称的とすることができることである。
上述のように、パワーモジュール組立体の寄生インダクタンスを低減することが望ましい。図８に示す相脚の実施形態では、パワーモジュール組立体８０は更に、少なくとも１つの低インダクタンスコンデンサ８２を含む。例示的な低インダクタンスコンデンサ８２は、多層セラミックコンデンサ及びフィルムコンデンサを含む。図示のように、１つの低インダクタンスコンデンサ８２は、バックプレーン４６の裏面８４に取り付けられる。有益なことには、低インダクタンスコンデンサ８２の使用は更に、直流バスリンクからの寄生インダクタンスに対する寄与度を低減させる。
パワーモジュール組立体８０の利点には、低寄生インダクタンス、モジュール構造、及び大電流に対する拡張性（ｓｃａｌｅａｂｌｉｌｉｔｙ）が含まれる。
別の実施形態では、パワーモジュール組立体８０は、スイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）ドライブとして構成される。２相脚組立体ＳＲＭドライブパワー回路に関する図１５の実施例で示すように、パワーモジュール組立体８０は少なくとも４つのパワーモジュール１０を含み、該パワーモジュールのうちの少なくとも２つがスイッチモジュール１０であり、少なくとも２つがダイオードモジュール１０である。この例示的な４つのパワーモジュール１０構成では、本ＳＲＭドライブは、ＳＲＭの１つの巻線を駆動するように構成されることになる。本ＳＲＭドライブは、少なくとも２つの相脚を有し、該相脚の各々は、スイッチモジュールの少なくとも１つとダイオードモジュールの少なくとも１つを含む。図示のように、スイッチモジュールは、少なくとも１つのトランジスタ、例えばＩＧＢＴを含み、ダイオードモジュールは少なくとも１つのダイオードを含む。パワーモジュール１０は、２つのパワーモジュールの場合の図８に示すように、バックプレーン４６に沿ってペアで配置される。しかしながら、図１５に示すＳＲＭの実施形態では、４つのパワーモジュール１０が２つのペアを成して配置され、各ペアは、同じ相脚からのスイッチ及びダイオードモジュールから成る。図９は、図１５のＳＲＭの実施形態の１つの可能な物理的構成を示す。或いは、ＳＲＭドライブは、図１０に示すように構成することができる。ＳＲＭの実施形態は、別の数の相脚を使用するＳＲＭドライブパワー回路に一般化することができる。より一般的には、ＳＲＭはＮ個（Ｎは整数）の巻線を含み、その対応するＳＲＭドライブは、巻線の各々を駆動するために２相脚として配置された４つのパワーモジュール１０（２つのスイッチモジュール１０、２つのダイオードモジュール１０）を含む。例えば、３巻線ＳＲＭでは、ＳＲＭドライブは、６相脚として配置される１２個のパワーモジュール（６つのスイッチモジュール及び６つのダイオードモジュール）を含み、３つのペアの相脚がそれぞれ３つの巻線を駆動する。３相ＳＲＭインバータは、図１０に描かれている標準的な３相インバータと同様のものとなるが、スイッチモジュールとダイオードモジュールとから構成されるモジュールの交互のペアが追加されている点が異なり、その結果、図１５のトポロジーがＳＲＭインバータの各位相について繰り返されるようになる。
有利には、パワーモジュール１０は、より一般的なパワーモジュール組立体８０の具体的な実施形態であるモジュール式相脚組立体８０を形成するように組み合わすことができる。モジュール式相脚組立体８０は、図５−図８を参照しながら検討され、上述の２つのパワーモジュール１０を含む。特定の実施形態に従い、並びに図６及び図７において例証として示されたように、パワーモジュール１０は、該パワーモジュール１０のうちの１つに属するベースプレート３０が、他のパワーモジュール１０のベースプレート３０と向い合うように一体的に積み重ねられる。有利には、図６及び図７に示すようにパワーモジュールを背中合わせに配置することによって、バックプレーンに起因する寄生インダクタンスが低減される。図９は、単一のスイッチモジュール１０がフルブリッジを形成する、パワーモジュール１０の別の配置を示している。図９の配置では、モジュール１０は、単一のヒートシンク３０を共有する。或いは、単一スイッチパワーモジュール１０の各々はまた、別個のヒートシンクを有しても良い。
例示的なモジュール式相脚組立体をシミュレートすると、図１３は例示的な相脚組立体に関する回路図である。相脚組立体の寄生インダクタンスは以下のように計算される。
（数３）
ＬｓｗＬ＋＝Ｌｃｏｎｎ＋ＬＢｕｓ／２＋ＬｓＤ１＋ＬｓＱ１
（数４）
ＬｄＬ＋＝Ｌｃｏｎｎ＋ＬＢｕｓ／２＋ＬｓＤ２
（数５）
ＬｓｗＬ−＝Ｌｃｏｎｎ＋ＬＢｕｓ／２＋ＬｓＤ２＋ＬｓＱ２
（数６）
ＬｄＬ−＝Ｌｃｏｎｎ＋ＬＢｕｓ／２＋ＬｓＤ１
本明細書で使用される、ＬｓｗＬ＋は出力端子と正極端子との間の上部スイッチ経路の寄生インダクタンス、ＬｄＬ＋は出力端子と正極端子との間の上部ダイオード経路の寄生インダクタンス、ＬｓｗＬ−は出力端子と負極端子との間の下部スイッチ経路の寄生インダクタンス、及びＬｄＬ−は出力端子と負極端子との間の下部ダイオード経路に対する寄生インダクタンスである。ＬＢｕｓはバックプレーンの寄生インダクタンス、Ｌｃｏｎｎは層状相互接続部の寄生インダクタンスである。ＬｓＱ１（ＬｓＱ２）は、スイッチＱ１（Ｑ２）ダイと逆並列ダイオードＤ１（Ｄ２）ダイとの間のワイヤボンド相互接続に付随するパッケージインダクタンスに対する寄与度である。ＬｓＤ１（ＬｓＤ２）は、少なくとも１つのワイヤボンド４２、及びダイオードＤ１（Ｄ２）ダイと層状相互接続部との間の導電性パターン１７の部分とに付随するパッケージインダクタンスに対する寄与度である。この実施例では、以下のパラメータ値が使用された。モジュール上の導体幅が５１ｍｍに設定され、コネクタ上の導体幅が５６ｍｍに選定された。導電性パターン１７上の導体間隔は２．５ｍｍが使用され、コネクタ上の２つの導電層の間隔は０．６３５ｍｍが選定された。ヒートシンクの幅は４０ｍｍが使用された。このシミュレーションは、単なる例証の目的としてシミュレーションを行うために使用される例示に過ぎず、これらの値は、どのようにも本発明を制限するものとして見做されるべきではない。この実施例では、シミュレーションにより、低インダクタンス直流バスコンデンサの正極端子から負極端子までの全ループインダクタンスである相脚ループインダクタンスは、図８の背中合わせの構成に対して２．７８ｎＨである結果が得られた。比較すると、並べて配置された２つの同一のパワーモジュール１０では、これらのパラメータ値に対して３６．６６ｎＨのはるかに大きな寄生インダクタンスがもたらされた。このことは、図５、図６、図７、及び図８において例証として示されたように、パワーモジュール１０のうちの1つに属するベースプレート３０が他のパワーモジュール１０のベースプレート３０と向い合うようにパワーモジュールを積み層ねることが重要であることを明確に示している。
図５及び図８に例証として示されるように、モジュール式相脚組立体８０はまた、層状相互接続部１８のそれぞれを受け入れるように構成された少なくとも２つのレセプタクル４４とバックプレーン４６とを含む。レセプタクル４４は、バックプレーン４６上に取り付けられる。少なくとも１つの低インピーダンスコンデンサ８２は、バックプレーン４６の裏面８４上に取り付けられる。例示的な低インピーダンスコンデンサ８２には、多層セラミックコンデンサ及びフィルムコンデンサがある。
図１４は、３レベル相脚組立体の等価回路図であり、該回路図は寄生素子を含まない。図示のように、パワーモジュール組立体８０は、６つのパワーモジュール１０を含み、このパワーモジュール１０のうちの４つはスイッチモジュールであり、パワーモジュール１０のうちの２つはダイオードモジュールである。この実施形態では、パワーモジュール１０は３レベル相脚として配置されている。更なる特定の実施形態によれば、パワーモジュール組立体８０は更に、バックプレーン４６上に垂直に（図８に示すようにｙ方向に沿って）配置された６つのレセプタクル４４を含み、パワーモジュール１０はｙ方向に積み層ねられている。
パワーモジュール１０は、有利には、上記に説明した６つのパワーモジュール１０を含むモジュール式３相インバータ組立体９０を形成するよう組み合すことができる。例示的なモジュール式３相インバータ組立体９０を図１０に示す。図１０に示すように、パワーモジュール１０は３つのペアで配置されており、ペアの各々が相脚９１に対応する。相脚９１は、図１０で例示的にＡ、Ｂ、及びＣでラベル付けされている。相脚ループのインダクタンスを低減するために、ペアを形成するパワーモジュール１０は、図６、図７及び図１０に例示的に示すように、パワーモジュール１０のうちの1つに属するベースプレート３０が他のパワーモジュール１０のベースプレート３０と向い合うように一体的に積み重ねられる。図１０に示すように、モジュール式３相インバータ組立体９０はまた、それぞれの層状相互接続部１８を受け入れるように構成された少なくとも６つのレセプタクル４４と、バックプレーン４６とを含む。レセプタクル４４は、バックプレーン４６上に取り付けられる。
図１０に示す例示的な３相インバータ組立体９０は、ＤＣバスに接続された電界コンデンサ９３を含むが、寄生インダクタンスに対するＤＣバスの寄与度を低減させるために、低インダクタンスコンデンサ８２を用いることができる。図１０には示されていないが、低インダクタンスコンデンサ８２は、図８に関連して上記で検討された。特定の実施形態によれば、モジュール式３相インバータ組立体９０は更に、多層セラミックコンデンサ又はフィルムコンデンサなどの少なくとも１つの低インダクタンスコンデンサ８２を含む。低インダクタンスコンデンサは、図８に例証として示されるように、バックプレーン４６の裏面８４上に取り付けられる。
本発明の特定の機能のみを本明細書において図示し説明してきたが、当業者であれば多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、添付の請求項は、本発明の真の精神に含まれるこうした全ての修正及び変更を保護するものである点を理解されたい。
ワイヤボンド使用する本発明の単一のスイッチパワーモジュールの実施形態。 パワーオーバレイを使用する本発明の別の単一のスイッチパワーモジュールの実施形態。 パワーモジュール用の例示的なヒートシンクを概略的に示す図１又は図２の単一のスイッチパワーモジュールの側面図。 ２種類のエッジカードコネクタ及びレセプタクル構成。 バックプレーン上に取り付けられたそれぞれのレセプタクルに接続された２つの例示的なエッジカードコネクタを含む相脚組立体の断面図。 明瞭化ためにハウジングが取り除かれた、基板上に取り付けられるパワーデバイスの数を明らかにした本発明の相脚の実施形態。 ハウジングが所定位置にある図６の相脚を示す図。 ２つの単一のスイッチパワーモジュールと、バックプレーンの裏面に取り付けられた低インダクタンスコンデンサとを備える図５の相脚組立体の斜視図。 幾つかのパワーモジュールが１つのヒートシンクを共有する本発明のフルブリッジの実施形態。 図５に示す相脚の３つを使用して形成されたモジュール式３相パワーインバータ組立体。 従来のパワーモジュール。 例示的なパワーモジュールと望ましくない寄生インダクタンスの位置示す等価回路図。 例示的な相脚組立体と望ましくない寄生インダクタンスの位置示す等価回路図。 寄生素子を除外した３レベル相脚組立体の等価回路図。 本発明のスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）の実施形態の等価回路図。
符号の説明
１０ パワーモジュール
１２ 基板
１４ パワーデバイス
１６ 上部層
１７ 導電性パターン
１８ 層状相互接続部
１９ パワーデバイスの表側
２０ 第１の導電層
２２ 絶縁層
２４ 第２の導電層
２６ 電気絶縁体
２８ 熱結合層
３０ ベースプレート
３２ ハウジング
３４ スイッチ
３６ トランジスタ
３８ 逆並列ダイオード
４２ 電気的接続部
４３ パワーオーバレイ
４４ レセプタクル
４６ バックプレーン
４８ 正の直流（ＤＣ）バス層
５０ 出力層
５２ 負のＤＣバス層
８０ パワーモジュール組立体
８２ 低インダクタンスコンデンサ
８４ バックプレーンの裏面
９０ モジュール式３相インバータ組立体
ＤＣ 直流
ＳＲＭ スイッチトリラクタンスモータ

Claims (10)

  1. パワーモジュール（１０）であって、
    上部層（１６）、電気絶縁体（２６）及び熱結合層（２８）を備え、前記上部層が少なくとも１つの導電性パターン（１７）を含み且つ少なくとも１つのパワーデバイス（１４）を受け入れるように構成され、前記電気絶縁体が前記上部層と前記熱結合層との間に配置され、前記熱結合層がベースプレート（３０）に熱結合するように構成された、少なくとも１つの基板（１２）と、
    第１の導電層（２０）、絶縁層（２２）、及び第２の導電層（２４）を備え、前記絶縁層が前記第１及び第２の導電層の間に配置され、前記第１の導電層が前記基板の上部層に電気的に接続された、少なくとも１つの層状相互接続部（１８）と、
    前記少なくとも１つのパワーデバイスの表側（１９）を前記層状相互接続部の第２の導電層に接続する複数の電気的接続部（４２）と、
    を具備するパワーモジュール（１０）。
  2. 前記基板（１２）上に取り付けられた複数のパワーデバイス（１４）を更に含み、前記パワーデバイスが前記基板の上部層（１６）に電気的に接続され、前記パワーデバイスが少なくとも１つのトランジスタ（３６）と少なくとも１つの逆並列ダイオード（３８）とを含んで少なくとも１つのスイッチ（３４）を形成し、前記少なくとも１つのスイッチが前記導電性パターン（１７）上に取り付けられ、前記電気的接続部（４２）が前記ダイオードのアノードを前記層状相互接続部の第２の導電層に接続する、請求項１に記載のパワーモジュール（１０）。
  3. 前記基板（１２）上に取り付けられた複数のパワーデバイス（１４）を更に含み、前記パワーデバイスが前記基板の上部層（１６）に電気的に接続され、前記パワーデバイスが複数のトランジスタ（３６）を含み、前記トランジスタの少なくとも１つがＩＧＢＴであり、前記トランジスタの少なくとも１つがＭＯＳＦＥＴである、請求項１に記載のパワーモジュール（１０）。
  4. 前記基板（１２）上に取り付けられた複数のパワーデバイス（１４）を更に含み、前記パワーデバイスが前記基板の上部層（１６）に電気的に接続され、前記パワーデバイスが複数の逆並列ダイオード（３８）を含み、前記逆並列ダイオードの少なくとも１つがバイポーラダイオードであり、且つ前記逆並列ダイオードの少なくとも１つがユニポーラダイオードである、請求項１に記載のパワーモジュール（１０）。
  5. 前記電気的接続部が、ワイヤボンド（４２）、少なくとも１つのパワーオーバレイ（４３）、リボンボンド（４２）、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択される、請求項１に記載のパワーモジュール（１０）。
  6. 前記層状相互接続部（１８）が、バックプレーン（４６）上に取り付けられたレセプタクル（４４）に接続するように構成されたエッジカードコネクタ（１８）を含み、前記バックプレーンが正の直流（ＤＣ）バス層（４８）、出力層（５０）、及び負のＤＣバス層（５２）を含み、前記パワーモジュールが前記基板（１２）を収納する少なくとも１つのハウジング（３２）を更に含む、請求項１に記載のパワーモジュール（１０）。
  7. 複数のパワーモジュール（１０）を有するパワーモジュール組立体（８０）であって、前記パワーモジュールの各々が、
    上部層（１６）、電気絶縁体（２６）及び熱結合層（２８）を備え、前記上部層が少なくとも１つの導電性パターン（１７）を含み且つ少なくとも１つのパワーデバイス（１４）を受け入れるように構成され、前記電気絶縁体が前記上部層と前記熱結合層との間に配置され、前記熱結合層がベースプレート（３０）に熱結合するように構成された、基板（１２）と、
    第１の導電層（２０）、絶縁層（２２）、及び第２の導電層（２４）を備え、前記絶縁層が前記第１及び第２の導電層の間に配置され、前記第１の導電層が前記基板の上部層に電気的に接続された、エッジカードコネクタ（１８）と、
    前記少なくとも１つのパワーデバイスの表側（１９）を前記エッジカードコネクタの第２の導電層に接続する複数の電気的接続部（４２）と、
    を備え、
    前記パワーモジュール組立体は更に、
    前記エッジカードコネクタのそれぞれを受け入れるように構成された複数のレセプタクル（４４）と、
    正の直流（ＤＣ）バス層（４８）、出力層（５０）、及び負のＤＣバス層（５２）を備え、前記レセプタクルが取り付けられるバックプレーン（４６）と、
    多層セラミックコンデンサ及びフィルムコンデンサからなるグループから選択され、前記バックプレーンの裏面（８４）上に取り付けられた少なくとも１つの低インダクタンスコンデンサ（８２）と、
    を具備するパワーモジュール組立体（８０）。
  8. 前記パワーモジュール組立体（８０）がスイッチトリラクタンスモータ（ＳＲＭ）ドライブとして構成され且つ少なくとも４つのパワーモジュール（１０）を含み、
    前記パワーモジュールの少なくとも２つがスイッチモジュール（１０）であり、前記パワーモジュールの少なくとも２つがダイオードモジュール（１０）であり、前記ＳＲＭドライブが少なくとも２つの相脚を含み、該相脚の各々が前記スイッチモジュールの少なくとも１つと前記ダイオードモジュールの少なくとも１つを含み、
    前記ＳＲＭがＮ個（Ｎは整数）の巻線を含み、ＳＲＭドライブとして構成された前記パワーモジュール組立体が、それぞれのＮ個の巻線の各々に対して２つのスイッチモジュールと２つのダイオードモジュールとを含み、前記ＳＲＭドライブが、２Ｎの相脚を含み、該相脚の各々が前記スイッチモジュールの少なくとも１つと前記ダイオードモジュールの少なくとも１つを含み、前記相脚の２つが前記ＳＲＭ巻線のそれぞれ１つを駆動することを特徴とする請求項７に記載のパワーモジュール組立体（８０）。
  9. ２つのパワーモジュール（１０）を具備するモジュール式相脚組立体（８０）であって、前記パワーモジュールの各々が、
    ヒートシンク（３０）と、
    上部層（１６）、電気絶縁体（２６）及び熱結合層（２８）を備え、前記ヒートシンクに取り付けられる基板であって、前記上部層が少なくとも１つの導電性パターン（１７）を含み、前記電気絶縁体が前記上部層と前記熱結合層との間に配置され、前記熱結合層（２８）が前記ヒートシンクに熱的結合するように構成された基板（１２）と、
    少なくとも１つのトランジスタ（３６）と少なくとも１つの逆並列ダイオード（３８）とを備え、前記導電性パターン上に取り付けられる少なくとも１つのスイッチ（３４）と、
    前記基板及び前記少なくとも１つのスイッチを収納するハウジング（３２）と、
    第１の導電層（２０）、絶縁層（２２）、及び第２の導電層（２４）を備え、前記絶縁層が前記第１及び第２の導電層の間に配置され、前記第１の導電層が前記基板の上部層に電気的に接続された、層状相互接続部（１８）と、
    前記少なくとも１つの逆並列ダイオードのアノードを前記層状相互接続部の第２の導電層に接続する複数の電気的接続部（４２）と、
    を具備するモジュール式相脚組立体（８０）。
  10. ６つのパワーモジュール（１０）を有するモジュール式３相インバータ組立体（９０）であって、前記パワーモジュールの各々が、
    ヒートシンク（３０）と、
    上部層（１６）、電気絶縁体（２６）及び熱結合層（２８）を備え、前記上部層が導電性パターン（１７）を含み、前記電気絶縁体が前記上部層と前記熱結合層との間に配置され、前記熱結合層（２８）が前記ヒートシンクに熱的結合するように構成され、前記ヒートシンクに取り付けられる基板（１２）と、
    少なくとも１つのトランジスタ（３６）と少なくとも１つの逆並列ダイオード（３８）とを備え、前記導電性パターン上に取り付けられる少なくとも１つのスイッチ（３４）と、
    前記基板及び前記少なくとも１つのスイッチを収納するハウジング（３２）と、
    第１の導電層（２０）、絶縁層（２２）、及び第２の導電層（２４）を備え、前記絶縁層が前記第１の及び第２の導電層の間に配置され、前記第１の導電層が前記基板の上部層に電気的に接続された、層状相互接続部（１８）と、
    前記逆並列ダイオードのアノードを前記層状相互接続部の第２の導電層に接続する複数の電気的接続部（４２）と、
    を備え、前記モジュール式３相インバータ組立体が更に、
    前記層状相互接続部のそれぞれを受け入れるように構成された複数のレセプタクル（４４）と、
    正の直流（ＤＣ）バス層（４８）、出力層（５０）、及び負のＤＣバス層（５２）を備える、前記レセプタクルが取り付けられるバックプレーン（４６）と、を含み、
    前記パワーモジュールが３つのペアで配置され、該ペアの各々が１つの相脚に対応することを特徴とするモジュール式３相インバータ組立体（９０）。
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