JP2007049823A - パワーモジュール及び基板 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を小型化してＨＥＶへの搭載を容易化し得るパワーモジュールを得る。
【解決手段】バスバー１１が収納された筐体１０に基板１９が固定されている。そして、基板１９には、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃが実装されており、制御回路７は、基板１９に実装されるのではなく、コネクタ１４を介して基板１９に接続される。つまり、インバータ回路８及び電機モータ４が一体化して構成され、制御回路７は別体として構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワーモジュール及び基板に関し、特に、電機モータと、当該電機モータを駆動するためのインバータ回路とを備えるパワーモジュールに関する。

近年、環境意識の高まりから、ガソリンエンジンと電機モータとの双方を動力源として用いるハイブリッド自動車（ＨＥＶ）が注目されている。ＨＥＶにおいては、複数のパワースイッチング素子を備えるインバータ回路を用いて直流電源をスイッチングすることによって、電機モータが交流駆動されている。スイッチング素子のオン／オフは、制御回路によって制御される。

従来のパワーモジュールの構成例として、インバータ回路と、制御回路と、電機モータとが一体化して構成されたパワーモジュールが、例えば下記特許文献１に開示されている。かかる従来のパワーモジュールでは、モータハウジングの周壁外周面にプリント基板が固定され、プリント基板上にインバータ回路と制御回路とが実装されている。

なお、リング状のバスバーを備える車両用ブラシレスモータに関する技術が、例えば下記特許文献２に開示されている。

特開２００３−３２４９０３号公報 特開２００３−１３４７２８号公報

上記した従来のパワーモジュールによると、インバータ回路、制御回路、及び電機モータの全てが一体化して構成されているため、装置が大型化する。しかも、熱源が集中しており、複雑な放熱構造が必要となるため、さらに装置が大型化する。従って、かかるパワーモジュールをＨＥＶに搭載することを考えると、大型のパワーモジュールを搭載するための大きなスペースを車両内に確保する必要があるため、ＨＥＶへの搭載が困難であるという問題がある。

本発明はかかる問題を解決するために成されたものであり、装置を小型化してＨＥＶへの搭載を容易化し得るパワーモジュール及び基板を得ることを目的とする。

第１の発明に係るパワーモジュールは、複数のパワー素子を有し、モータを駆動するためのインバータ回路と、複数のパワー素子を制御するための制御回路と、モータの外周に沿って配設された環状導体と、環状導体が収納された筐体と、筐体に固定された基板とを備え、複数のパワー素子の各々の半導体チップと、制御回路とのうちの、半導体チップのみが、基板の主面上に実装されていることを特徴とする。

第２の発明に係るパワーモジュールは、第１の発明に係るパワーモジュールにおいて特に、基板と環状導体とを接続するための金属の接続電極をさらに備え、接続電極の一端は、半田付け、ロウ付け、又は溶接によって環状導体に接続されており、接続電極の他端は、半田付け又はロウ付けによって基板に接続されていることを特徴とする。

第３の発明に係るパワーモジュールは、第１又は第２の発明に係るパワーモジュールにおいて特に、基板の裏面に接着された放熱部材をさらに備えることを特徴とする。

第４の発明に係るパワーモジュールは、第１〜第３の発明のいずれか一つに係るパワーモジュールにおいて特に、基板の主面上には厚膜の配線パターンが形成されていることを特徴とする。

第５の発明に係るパワーモジュールは、第４の発明に係るパワーモジュールにおいて特に、半導体チップと配線パターンとは、ボンディングワイヤによって接続されていることを特徴とする。

第６の発明に係るパワーモジュールは、第１〜第５の発明のいずれか一つに係るパワーモジュールにおいて特に、筐体の内部は、絶縁性の封止材によって封止されていることを特徴とする。

第７の発明に係る基板は、モータを駆動するためのインバータ回路と、インバータ回路が有する複数のパワー素子を制御するための制御回路と、モータの外周に沿って配設された環状導体と、環状導体が収納された筐体と備えるパワーモジュールにおいて、筐体に固定される基板であって、複数のパワー素子の各々の半導体チップと、制御回路とのうちの、半導体チップのみが実装されている。

第１〜第６の発明に係るパワーモジュールによれば、環状導体が収納された筐体に基板が固定されている。そして、複数のパワー素子の各々の半導体チップと、制御回路とのうちの、半導体チップのみが、基板の主面上に実装されている。つまり、インバータ回路とモータとが一体化して構成されている。従って、インバータ回路、制御回路、及びモータの全てが一体化して構成されているパワーモジュールと比較すると、全体として装置の小型化を図ることができる。

また、インバータ回路とモータとが一体化して構成されていることにより、インバータ回路とモータとを互いに接続するための大電流量の配線ケーブルが不要となるため、配線の簡素化を図ることもできる。

特に第２の発明に係るパワーモジュールによれば、接続電極の一端は、半田付け、ロウ付け、又は溶接によって環状導体に接続されており、接続電極の他端は、半田付け又はロウ付けによって基板に接続されている。従って、接続電極と環状導体及び基板とを、信頼性高くかつ簡便に接続することができる。

特に第３の発明に係るパワーモジュールによれば、放熱部材は基板の裏面に接着されている。従って、インバータ回路と放熱部材との接続が簡易になるとともに、放熱効率を高めることもできる。

特に第４の発明に係るパワーモジュールによれば、基板上には厚膜の配線パターンが形成されている。従って、大電流に対応可能であるため、ハイブリッド自動車の駆動用モータに適用することが可能となる。

特に第５の発明に係るパワーモジュールによれば、半導体チップと配線パターンとは、ボンディングワイヤによって接続されている。従って、半導体チップと配線パターンとを、信頼性高くかつ簡便に接続することができる。

特に第６の発明に係るパワーモジュールによれば、環状導体が収納された筐体の内部は、絶縁性の封止材によって封止されている。従って、信頼性高く放電防止を行うことができるとともに、絶縁のために必要な離間距離を短くできるため、筐体の薄型化を図ることもできる。

第７の発明に係る基板によれば、複数のパワー素子の各々の半導体チップと、制御回路とのうちの、半導体チップのみが、基板に実装されている。従って、半導体チップ及び制御回路の双方が実装されている基板と比較すると、基板の小型化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、異なる図面において同一又は相応する符号を付した要素は、同一又は相応する要素を示すものとする。

図１は、本実施の形態に係るパワーモジュールの構成を示す回路図である。図１には、パワースイッチング素子として、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃが用いられた例が示されている。本実施の形態に係るパワーモジュールは、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電機モータ４と、電機モータ４を駆動するためのインバータ回路８と、インバータ回路８が有するパワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃを制御するための制御回路７とを備えている。なお、本発明の本質に影響しないので図示していないが、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃのそれぞれのデバイス内には、ドレイン−ソース間に寄生ダイオードがあり、転流時の電流がこの寄生ダイオードに流れる。横構造のように寄生ダイオードがないデバイスでは、パワースイッチング素子に逆並列に、転流用ダイオードを接続する必要がある。

パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ，２ａは、正の直流電源電圧ＶＨと負の直流電源電圧ＶＬとの間で、ノード６ｕを介して直列に接続されている。具体的に、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａのドレイン電極は電源電圧ＶＨに接続され、ソース電極はノード６ｕに接続されている。また、パワーＭＯＳＦＥＴ２ａのドレイン電極はノード６ｕに接続され、ソース電極は電源電圧ＶＬに接続されている。同様に、パワーＭＯＳＦＥＴ１ｂ，２ｂは、電源電圧ＶＨと電源電圧ＶＬとの間でノード６ｖを介して直列に接続されており、パワーＭＯＳＦＥＴ１ｃ，２ｃは、電源電圧ＶＨと電源電圧ＶＬとの間でノード６ｗを介して直列に接続されている。

パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各ゲート電極は、制御回路７に接続されている。制御回路７は、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各ゲート電極に電圧パルスを印加することにより、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃをそれぞれ駆動する。

ノード６ｕ，６ｖ，６ｗは、電機モータ４の各相の電極５ｕ，５ｖ，５ｗにそれぞれ接続されている。制御回路７によってパワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ及びパワーＭＯＳＦＥＴ２ａ〜２ｃのいずれを駆動するかによって、電機モータ４が備える電磁コイル３に流れる電流の向きを制御することができる。また、制御回路７からパワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各ゲート電極に印加される電圧パルスのパルス幅によって、電磁コイル３に流れる電流の大きさを制御することができる。

なお、図１には、パワースイッチング素子としてパワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃが用いられた例が示されているが、パワーＭＯＳＦＥＴの代わりにＩＧＢＴ等の他のパワースイッチング素子を用いてもよい。なお、ＩＧＢＴでは寄生ダイオードがないので、転流ダイオードを逆並列に接続しておく必要がある。あるいは、ＳｉＣ，ＧａＮ，Ｃ等のワイドバンドギャップ半導体を用いた、大電力制御可能かつ高温動作可能なトランジスタを使用してもよい。ワイドバンドギャップデバイスを用いた場合には、電機モータ４と同様に高温環境で動作可能なインバータ回路を実現することができる。

また、図１には、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のハイサイド及びローサイドに各１個のパワーＭＯＳＦＥＴのみが用いられた例が示されているが、電流容量に応じて、それぞれ複数個のパワーＭＯＳＦＥＴを用いて構成してもよい。

図２は、図１に示したインバータ回路８の構造を示す平面図である。電機モータ４の外周に沿って、リング状のバスバー１１が配設されている。バスバー１１は、電機モータ４のＵ相に対応するバスバー１１ｕと、Ｖ相に対応するバスバー１１ｖと、Ｗ相に対応するバスバー１１ｗとに分割されている。バスバー１１ｕ〜１１ｗは、打ち抜き加工された銅板の表面にスズメッキが施されることによって構成されている。バスバー１１ｕ〜１１ｗは、筐体１０内に収納されており、電機モータ４のモータステータの各相の電極５ｕ，５ｖ，５ｗ（図２には示さない）に接続されている。

筐体１０は、ＰＰＳ等の耐熱性樹脂によって構成されている。但し、筐体１０は、強度を高めるために、金属部材によって強化されていてもよい。筐体１０の内部には溝が形成されており、その溝部分に、バスバー１１ｕ〜１１ｗが填め込まれている（後述の図６参照）。

筐体１０の外周側壁には、筐体１０と同様の材質から成る筐体１３が、填め込み又はネジ止め等によって固定されている。筐体１３内には、基板１９が収納されている。基板１９の主面上には、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃの各半導体チップが実装されている。また、基板１９の主面上には、コネクタ１４が、ネジ止め等によって固定されている。コネクタ１４の端子は、半田付け又はロウ付けによって、基板１９に接続されている。コネクタ１４内には、コネクタ１５を差し込むことが可能である。コネクタ１５には接続線１６の一端が接続されており、接続線１６の他端は、図１に示した制御回路７に接続されている。

基板１９とバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗとは、それぞれ接続電極１２ｕ，１２ｖ，１２ｗによって互いに接続されている。接続電極１２ｕ〜１２ｗの材質は、バスバー１１ｕ〜１１ｗの材質と同様である。接続電極１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの各一端は、半田付け、ロウ付け、又は溶接によって、それぞれバスバー１１ｕ，１１ｖ，１１ｗに接続されており、接続電極１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの各他端は、半田付け又はロウ付けによって、基板１９に接続されている。これにより、接続電極１２ｕ〜１２ｗとバスバー１１ｕ〜１１ｗ及び基板１９とを、信頼性高くかつ簡便に接続することができる。

接続電極１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ間での放電を防止すべく、平面視上で互いに隣接する接続電極１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ同士の間隔が、所定の距離以上に保たれている。

また、基板１９には、電源電圧ＶＨを供給するための高圧接続端子１７の一端と、電源電圧ＶＬを供給するための高圧接続端子１８の一端とが、半田付け又はロウ付けによって接続されている。高圧接続端子１７，１８の材質は、バスバー１１ｕ〜１１ｗの材質と同様である。高圧接続端子１７，１８の各他端は、電力供給用の高圧ケーブルによって、バッテリ又は昇圧コンバータに接続される。高圧接続端子１７，１８の各他端と、電力供給用の高圧ケーブルとは、ボルト等によって互いに固定される。

図３は、図２に示した基板１９の構造を具体的に示す平面図である。基板１９の主面上には、配線パターン２０，２１，２２ａ〜２２ｃ，２４₁〜２４₆が形成されているとともに、金属のパッド２３ａ〜２３ｃが貼り付けられている。配線パターン２４₁〜２４₆は、金属によって形成されており、コネクタ１４の各端子に接続されている。配線パターン２０，２１，２２ａ〜２２ｃは厚膜の金属によって形成されており、これにより、大電流に対応可能となるため、ハイブリッド自動車の駆動用モータに適用することが可能となる。

配線パターン２０上には、縦型パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃがボンディングされている。また、配線パターン２０には、高圧接続端子１７の一端が接続されている。配線パターン２１には、高圧接続端子１８の一端が接続されている。配線パターン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ上には、それぞれ縦型パワーＭＯＳＦＥＴ２ａ，２ｂ，２ｃがボンディングされている。パッド２３ａ，２３ｂ，２３ｃには、それぞれ接続電極１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの各他端が接続されている。

基板１９の四隅にはネジ孔２５が形成されており、ネジ孔２５内に螺挿されるネジによって、基板１９と図２に示した筐体１３とが互いに固定される。また、高圧接続端子１７，１８の各他端には、ボルトによって電力供給用の高圧ケーブルを圧着するためのボルト孔２６，２７が形成されている。

図４は、図３に示した縦型パワーＭＯＳＦＥＴ１ａの構造を示す平面図であり、図５は、図４に示したラインV−Vに沿った位置に関する断面構造を示す断面図である。図４，５を参照して、縦型パワーＭＯＳＦＥＴ１ａの半導体チップの上面にはゲート電極Ｇとソース電極Ｓとが形成されており、底面にはドレイン電極Ｄが形成されている。他のパワーＭＯＳＦＥＴ１ｂ，１ｃ，２ａ〜２ｃの構造も、図４，５に示したパワーＭＯＳＦＥＴ１ａの構造と同様である。従って、図３を参照して、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃの各ドレイン電極Ｄは、配線パターン２０に接続され、パワーＭＯＳＦＥＴ２ａ，２ｂ，２ｃの各ドレイン電極Ｄは、それぞれ配線パターン２２ａ，２２ｂ，２２ｃに接続される。

図３を参照して、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ，１ｂ，１ｃ，２ａ，２ｂ，２ｃの各ゲート電極Ｇは、それぞれボンディングワイヤ３０₁，３０₂，３０₃，３０₄，３０₅，３０₆によって、配線パターン２４₁，２４₂，２４₃，２４₆，２４₅，２４₄に接続されている。パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ，１ｂ，１ｃの各ソース電極Ｓは、それぞれボンディングワイヤ３１₁，３１₂，３１₃によって、配線パターン２２ａ，２２ｂ，２２ｃに接続されている。パワーＭＯＳＦＥＴ２ａ，２ｂ，２ｃの各ソース電極Ｓは、それぞれボンディングワイヤ３３₁，３３₂，３３₃によって、配線パターン２１に接続されている。配線パターン２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、それぞれボンディングワイヤ３２₁，３２₂，３２₃によって、パッド２３ａ，２３ｂ，２３ｃに接続されている。このように、ボンディングワイヤ３０₁〜３０₆，３１₁〜３１₃，３２₁〜３２₃，３３₁〜３３₃を用いて接続することにより、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃと各配線パターンとを、信頼性高くかつ簡便に接続することができる。

なお、図３には、縦型パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃが用いられた場合の例を示したが、基板１９の主面上に形成される配線パターンを変更することにより、横型パワーＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。

また、図３には、ボンディングワイヤ３０₁〜３０₆，３１₁〜３１₃，３２₁〜３２₃，３３₁〜３３₃がそれぞれ１本のワイヤを用いて構成されている場合の例を示したが、電流容量に応じて、それぞれ複数本のワイヤを用いて構成してもよい。

図６は、図２に示したラインVI−VIに沿った位置に関する断面構造を示す断面図である。バスバー１１ｖとパッド２３ｂとを接続するための接続電極１２ｖは、複数箇所で折り曲げられることにより、バスバー１１ｗの上方を通過している。バスバー１１ｕ〜１１ｗが収納されている筐体１０の内部は、樹脂等の絶縁性の封止材４１によって封止されている。従って、接続電極１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ間での放電を、信頼性高く防止することができる。また、互いに隣接する接続電極１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ同士の離間距離を短くできるため、筐体１０の小型化を図ることもできる。

基板１９が収納されている筐体１３の内部は、シリコーンゲル等の絶縁性の封止材４０によって封止されている。これにより、ボンディングワイヤ間や配線パターン間の電気的絶縁性が確保されて放電が防止されるとともに、外部からの影響（水、油、埃等）に起因する基板１９の劣化を防止することができる。さらに、外部からの影響を遮断する効果を高めるべく、筐体１３の開口上面には、填め込み、接着、又はネジ止め等によって、カバー５０が固定されている。

筐体１３の底面は部分的に開口しており、露出している基板１９の裏面に接触して、放熱部材５１が配設されている。基板１９の裏面と放熱部材５１の上面とは、接着剤によって互いに接着されている。放熱部材５１としては、パワーモジュール全体の放熱量や、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃ等の構成素子の耐熱温度を考慮して、自然空冷、強制空冷、又は水冷が選択される。空冷式の放熱部材５１には放熱フィンが形成され、水冷式の放熱部材５１には冷却水の流路が形成される。

放熱部材５１が基板１９の裏面に接着されているため、インバータ回路と放熱部材５１との接続が簡易になるとともに、放熱効率を高めることもできる。

このように本実施の形態に係るパワーモジュールによれば、バスバー１１が収納された筐体１０に基板１９が固定されている。そして、基板１９には、パワーＭＯＳＦＥＴ１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃが実装されており、図１に示した制御回路７は、基板１９に実装されるのではなく、コネクタ１４を介して基板１９に接続される。つまり、本実施の形態に係るパワーモジュールにおいては、インバータ回路８及び電機モータ４が一体化して構成され、制御回路７は別体として構成されている。従って、インバータ回路８、制御回路７、及び電機モータ４の全てが一体化して構成されているパワーモジュールと比較すると、全体として装置の小型化を図ることができる。

また、インバータ回路８と電機モータ４とが一体化して構成されていることにより、インバータ回路８と電機モータ４とを互いに接続するための大電流量の配線ケーブルが不要となるため、配線の簡素化を図ることもできる。

本発明の実施の形態に係るパワーモジュールの構成を示す回路図である。 図１に示したインバータ回路の構造を示す平面図である。 図２に示した基板の構造を具体的に示す平面図である。 図３に示した縦型パワーＭＯＳＦＥＴの構造を示す平面図である。 図４に示したラインV−Vに沿った位置に関する断面構造を示す断面図である。 図２に示したラインVI−VIに沿った位置に関する断面構造を示す断面図である。

符号の説明

１ａ〜１ｃ，２ａ〜２ｃ パワーＭＯＳＦＥＴ
３ 電磁コイル
４ 電機モータ
６ｕ〜６ｗ ノード
７ 制御回路
８ インバータ回路
１０ 筐体
１１ｕ〜１１ｗ バスバー
１２ｕ〜１２ｗ 接続電極
２０，２１，２２ａ〜２２ｃ 配線パターン
３０₁〜３０₆，３１₁〜３１₃，３２₁〜３２₃，３３₁〜３３₃ ボンディングワイヤ
４１ 封止材
５１ 放熱部材

Claims (7)

1. 複数のパワー素子を有し、モータを駆動するためのインバータ回路と、
   前記複数のパワー素子を制御するための制御回路と、
   前記モータの外周に沿って配設された環状導体と、
   前記環状導体が収納された筐体と、
   前記筐体に固定された基板と
   を備え、
   前記複数のパワー素子の各々の半導体チップと、前記制御回路とのうちの、前記半導体チップのみが、前記基板の主面上に実装されている、パワーモジュール。
2. 前記基板と前記環状導体とを接続するための金属の接続電極をさらに備え、
   前記接続電極の一端は、半田付け、ロウ付け、又は溶接によって前記環状導体に接続されており、
   前記接続電極の他端は、半田付け又はロウ付けによって前記基板に接続されている、請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記基板の裏面に接着された放熱部材をさらに備える、請求項１又は２に記載のパワーモジュール。
4. 前記基板の主面上には厚膜の配線パターンが形成されている、請求項１〜３のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
5. 前記半導体チップと前記配線パターンとは、ボンディングワイヤによって接続されている、請求項４に記載のパワーモジュール。
6. 前記筐体の内部は、絶縁性の封止材によって封止されている、請求項１〜５のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
7. モータを駆動するためのインバータ回路と、前記インバータ回路が有する複数のパワー素子を制御するための制御回路と、前記モータの外周に沿って配設された環状導体と、前記環状導体が収納された筐体とを備えるパワーモジュールにおいて、前記筐体に固定される基板であって、
   前記複数のパワー素子の各々の半導体チップと、前記制御回路とのうちの、前記半導体チップのみが実装されている、基板。
   

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