JP2006340569A - パワーユニット - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 発熱体であるパワー半導体素子20(1〜4)を導電性素子固着層21を介して金属ブロック22上に配置し、パワー半導体素子20の上面電極、底面電極にそれぞれ接続されるリード24、26を突き出させて、金属ブロック22およびパワー半導体素子20を覆って封止樹脂27にて樹脂封止してパワーモジュール6を構成し、2台の回転機11、12の各相の駆動制御毎にそれぞれパワーモジュール6を備える。
【選択図】 図1
Description
従来のハイブリッド車は、発電機あるいはモータとなる2台の回転機を備え、各回転機には、それぞれ駆動回路としての半導体式インバータが接続されており、このインバータの各スイッチング素子のオンオフを制御することにより、発電機による発電量やモータが出力する動力などは制御され、両インバータの電源ラインは互いに結合されている(例えば、特許文献1参照)。
また、6単位のパワー半導体ユニットを一つにパッケージングするモジュールのケースは寸法が大きくなり、電力を伝導する金属(導電体)と樹脂との異種材料による線膨張係数の違いから、ケースに変形やクラックが生じることがあった。さらに、複雑な形状の導電体を所定の位置に固定してケースにインサート成型する作業を、短時間で行うのは困難であるという問題点があった。
また、複数のパワーモジュールが各回転機の各相の駆動制御毎に備えられているため、パワー半導体素子に欠陥が生じた場合に廃棄する高価な部材や部品点数を低減でき、経済性を高めることができる。
さらに、パワーモジュールの主端子を一方向に揃えて少なくとも3台のパワーモジュールを並べ、内部に導電体が埋設された端子台を備え、各主端子を端子台の導電体に接続するため、パワーユニットの加工、組立が容易となる。また独立した端子台を設けるため、機械的な耐久性の優れた構造となる。
以下、この発明の実施の形態1によるパワーユニットとして、ハイブリッド車に搭載されたパワーユニットを図について説明する。
ところで、ハイブリッド車は、電力変換器を搭載し、車両に搭載された電源電池の直流電力を交流電力に変換してインバータとして電動機を駆動するとともに、制動時には発電機の運動エネルギを電気エネルギに変換して得る交流電力を直流電力に変換してコンバータとして電源電池に充電を行う機能を有する。この実施の形態では、電動機あるいは発電機となる回転機を2台有し、一方の回転機は電動機として、他方の回転機は発電機として同時に機能させ、あるいは双方同時に電動機としてあるいは発電機として機能させる。このような回転機の駆動制御を行う電力変換器は、パワー半導体素子で構成され、パワー半導体素子を内包するパワーモジュールは、冷却ヒートシンクに搭載されてパワーユニットを構成する。
図1に示すように、IGBT1およびフライホイールダイオード2は、力行時に機能する一対のパワー半導体素子であり、IGBT3およびフライホイールダイオード4は、回生時に機能する一対のパワー半導体素子である。これらのパワー半導体素子1〜4が、力行と回生の機能の最小単位であるパワー半導体ユニット5を構成し、このパワー半導体ユニット5のパワー半導体素子1〜4が、一つのパッケージに樹脂封止により収納されて一体化され、パワーモジュール6を構成する。
また、コイルやトランスなどから成るインダクタ13と、IGBTなどから成る高周波スイッチ14aおよび転流ダイオード14bが一つのパッケージで形成されたパワーモジュール14とで構成されるDCDCコンバータを備え、2個の端子台10により結合される6台のパワーモジュール6と共に、冷却ヒートシンク17に搭載される。
なお、15は平滑コンデンサ、16は電源電池である。また、図中の配線上の黒丸部は、配線と成る導電体と要素の電極とを結線し接合する部位を表している。ここではボルトとナットのネジ締結により接合している。
上述したように、パワーモジュール6の主端子(N極端子7、P極端子8、回転機側端子9)はパワーモジュール6の一辺より外部に突出し、この主端子7、8、9を一方向に揃えて3台のパワーモジュール6を並べ、6台のパワーモジュール6は3台ごとに端子台10により結合される。2つの端子台10には、それぞれP極側導電体10a、N極側導電体10bおよび各回転機11、12のU相、V相、W相の界磁コイルにそれぞれ接続される回転機側各相導電体10cu、10cv、10cwが埋設されており、N極端子7、P極端子8は、端子台10のN極側導電体10b、P極側導電体10aに接続され、各パワーモジュール6の回転機側端子9は、それぞれ対応する回転機側各相導電体10cu、10cv、10cwに接続される。
また、DCDCコンバータを構成するインダクタ13およびパワーモジュール14も、主端子を一方向に揃えて並べ、端子台18に埋設された導電体18a〜18dに接続される。
電源電池16と接続されるDCDCコンバータ13、14では、高周波スイッチ14aをオンとしてインダクタ13に電流を流しエネルギを蓄える。この高周波スイッチ14aのゲート駆動は図示しない制御回路によりオン/オフを制御される。また高周波スイッチ14aをオフとし、インダクタ13に蓄えられたエネルギを転流ダイオード14bを通して所望の電圧まで昇圧させる。同じ電力であれば、電圧を昇圧すれば電流を抑制できて発熱ロスを低減することが可能で、電力供給系統の効率を向上させることができる。
2台の回転機11、12を駆動する6台のパワーモジュール6に内蔵されるIGBT1、3を図示しないIGBTゲート制御回路によりゲート駆動し、上記昇圧された電圧はPWM制御が行われ、回転機11、12に必要な正負のトルクあるいは正逆の回転数を発生させる。
図3は、パワーモジュール6の平面図、図4(a)は図3のA−A断面図、図4(b)は図3のB−B断面図である。
図に示すように、IGBT1、3およびフライホイールダイオード2、4のパワー半導体素子20は、底面と上面とにそれぞれ電極を有し、導電性素子固着層21を介して金属ブロック22に固着される。導電性素子固着層21を構成する材料としては、半田付などのろう材や銀ペーストなどの導電性接着剤が挙げられるが、特に限定するものではない。パワー半導体素子20の上面電極は金属細線などを介して上面電極側リード24に接続され、底面電極側リード26は導電性リード固着層25を介して金属ブロック22に固着される。金属ブロック22は、パワー半導体素子20の底面電極とも、また底面電極側リード26とも導通が確保されているため、パワー半導体素子20の底面電極と底面電極側リード26との導通も確保される。
そして、金属ブロック22およびパワー半導体素子20を覆って上面電極側リード24および底面電極側リード26を突き出させて封止樹脂27にて樹脂封止されている。
また各回転機11、12の各相の駆動制御毎にパワーモジュール6を備えるため、パワーモジュール6の組立工程中などに、いずれかのパワー半導体素子1〜4に欠陥が生じた場合でも、他のパワーモジュール6を交換する必要はなく、交換により廃棄する部材や部品点数が低減でき、経済性を高めることができる。
また、6単位のパワー半導体ユニットを一つにパッケージングしていた従来のものに比して、モジュールのケースは小さくなり、金属(導電体)と樹脂との異種材料による線膨張係数の違いから生じるケースの変形やクラックが低減できる。さらに各パワーモジュール6が小型で内部の導電体の形状も比較的単純なものとなるため、樹脂封止時に、導電体を所定の位置に固定してケースにインサート成型する作業も容易で、パワーモジュール6形成における加工が簡便になる。
また端子台10の絶縁体と導電体10a〜10cとの線膨張係数の差異による変形が生じた場合でも、双方の界面で変位が逃がされるため、互いの部材に応力が発生せず、変形やクラックを抑制でき、機械的な耐久性に優れた端子台10が得られ、パワーユニットの機械的耐久性が向上する。
上記実施の形態1では、DCDCコンバータを構成するインダクタ13およびパワーモジュール14は、パワーモジュール6を接続した端子台10とは別に端子台18を設けて接続したが、この実施の形態2によるパワーユニットでは、インダクタ13およびパワーモジュール14を、図5に示すように配置して接続する。
ここでは、3台のパワーモジュール6が接続される一方の端子台10を延伸し、DCDCコンバータを構成するインダクタ13とパワーモジュール14とを共に接続する。この場合、端子台10には、P極側導電体10a、N極側導電体10b、回転機側各相導電体10c(10cu、10cv、10cw)、および導電体10d、10eが埋設され、インダクタ13およびパワーモジュール14の主端子を、パワーモジュール6と同様に一方向に揃えて並べ、端子台10に埋設された導電体10a、10b、10d、10eに接続する。
この実施の形態においても、上記実施の形態1と同様の効果が得られると共に、DCDCコンバータを接続する端子台を別に設ける必要が無く、パワーユニットの構造が簡便となる。
図6は、この発明の実施の形態3によるパワーユニット内部の回路構成を示す。また、図7に、実際の構成要素の配置を平面図で示す。図中の符号は、上記実施の形態1で示した同等の要素を示している。
上記実施の形態1では、端子台10を回転機11、12毎に備え、即ち、2つの端子台10のそれぞれにパワーモジュール6を3台ずつ接続したものであったが、ここでは端子台を1つにして、6台のパワーモジュール6を全て接続する。図に示すように、端子台10の一組の対辺の両側に3台ずつパワーモジュール6を、各パワーモジュール6の主端子7、8、9を端子台10の辺に対向するように揃えて並べる。
この実施の形態においても、上記実施の形態1と同様の効果が得られると共に、パワーモジュール6を接続する端子台10が1つですみ、パワーユニットの構造が簡便となる。
3 IGBT(パワー半導体素子)、4 ダイオード(パワー半導体素子)、
5 パワー半導体ユニット、6 パワーモジュール、7 主端子(N極端子)、
8 主端子(P極端子)、9 主端子(回転機側端子)、10 端子台、
10a P極側導電体、10b N極側導電体、
10cu,10cv,10cw 回転機側各相導電体、11,12 回転機、
17 ヒートシンク、20 パワー半導体素子、21 導電性素子固着層、
22 金属ブロック、24 上面電極側リード、25 導電性リード固着層、
26 底面電極側リード、27 封止樹脂。
Claims (4)
- 複数台の回転機をそれぞれ電動機あるいは発電機として機能させて駆動制御する電力変換器を構成するパワー半導体素子を内包するパワーモジュールと、該パワーモジュールを搭載する冷却ヒートシンクとを備えたパワーユニットにおいて、
上記各回転機の各相の駆動制御毎にそれぞれ上記パワーモジュールを備えて、該複数のパワーモジュールを上記冷却ヒートシンクに搭載し、
該各パワーモジュールは、底面と上面のそれぞれに電極を有する上記パワー半導体素子と、該パワー半導体素子の底面側に位置する金属ブロックと、該パワー半導体素子の底面電極と上記金属ブロックとの間に接して配置された導電性素子固着層と、上記パワー半導体素子の底面電極と導通する底面電極側リードと、上記パワー半導体素子の上面電極と導通する上面電極側リードと、上記金属ブロックおよび上記パワー半導体素子を覆って上記底面電極側リードおよび上面電極側リードを突き出させて封止する封止樹脂とを備えたことを特徴とするパワーユニット。 - 複数台の回転機をそれぞれ電動機あるいは発電機として機能させて駆動制御する電力変換器を構成するパワー半導体素子を内包するパワーモジュールと、該パワーモジュールを搭載する冷却ヒートシンクとを備えたパワーユニットにおいて、
上記各回転機の各相の駆動制御毎にそれぞれ上記パワーモジュールを備えて、該複数のパワーモジュールを上記冷却ヒートシンクに搭載し、
上記パワーモジュールの3個の主端子を、該パワーモジュール本体の一辺に並べて配置し、これらの主端子を一方向に揃えて少なくとも3台の上記パワーモジュールを並べ、内部に導電体が埋設された端子台を備え、上記並べたパワーモジュールの各主端子を上記端子台の導電体に接続することを特徴とするパワーユニット。 - 上記端子台の導電体は、正極側導電体、負極側導電体、および上記各回転機の各相に接続される回転機側各相導電体を有してこれらを互いに電気的に絶縁して配設することを特徴とする請求項2記載のパワーユニット。
- 上記冷却ヒートシンクに少なくとも6台の上記パワーモジュールが搭載されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のパワーユニット。
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