JP2007143222A - パワーモジュールおよびその組み立て方法 - Google Patents
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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】半導体チップ1a〜1cは、端子板40Hの表面上の所定の箇所に実装されている。半導体チップ2a〜2cは、バスバー11u〜11wの表面上の所定の箇所に実装されている。半導体チップ1a〜1cの各ソース電極Sは、半田付け又はロウ付けによってバスバー11u〜11wの各裏面にそれぞれ接合される。半導体チップ2a〜2cの各ソース電極Sは、半田付け又はロウ付けによって端子板40Lの裏面に接合される。半導体チップ1a〜1c,2a〜2cを実装するためのプリント基板が不要となるため、全体として装置の小型化を図ることができる。
【選択図】図11
【解決手段】半導体チップ1a〜1cは、端子板40Hの表面上の所定の箇所に実装されている。半導体チップ2a〜2cは、バスバー11u〜11wの表面上の所定の箇所に実装されている。半導体チップ1a〜1cの各ソース電極Sは、半田付け又はロウ付けによってバスバー11u〜11wの各裏面にそれぞれ接合される。半導体チップ2a〜2cの各ソース電極Sは、半田付け又はロウ付けによって端子板40Lの裏面に接合される。半導体チップ1a〜1c,2a〜2cを実装するためのプリント基板が不要となるため、全体として装置の小型化を図ることができる。
【選択図】図11
Description
本発明は、パワーモジュールに関し、特に、電機モータを駆動するためのインバータ回路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。
上記特許文献1に開示され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。
本発明はかかる事情に鑑みて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、第1の電源電圧と第2の電源電圧との間で直列に接続された第1及び第2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、前記第1のパワー素子と前記第2のパワー素子との接続点と、前記モータの電極とを接続する環状導体とを備え、前記第1のパワー素子が作り込まれた第1の縦型半導体チップが、前記第1の電源電圧を供給する第1の端子板と前記環状導体とによって挟み込まれることにより、前記第1の端子板と前記環状導体とが前記第1の半導体チップを介して接続され、前記第2のパワー素子が作り込まれた第2の縦型半導体チップが、前記環状導体と前記第2の電源電圧を供給する第2の端子板とによって挟み込まれることにより、前記環状導体と前記第2の端子板とが前記第2の半導体チップを介して接続され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、前記第1及び第2の縦型半導体チップは、電流流入電極が形成された裏面と、電流流出電極が形成された表面とをそれぞれ有し、前記第1の縦型半導体チップの前記裏面と前記第1の端子板の表面とが互いに接触するように、前記第1の縦型半導体チップが前記第1の端子板上に実装されており、前記第2の縦型半導体チップの前記裏面と前記環状導体の表面とが互いに接触するように、前記第2の縦型半導体チップが前記環状導体上に実装されており、前記第1の縦型半導体チップの前記電流流出電極は、前記環状導体の裏面に接合され、前記第2の縦型半導体チップの前記電流流出電極は、前記第2の端子板の裏面に接合され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2の発明に係るパワーモジュールにおいて特に、所定の位置決め構造が形成された筐体をさらに備え、前記第1の端子板、前記環状導体、及び前記第2の端子板が、前記筐体の所定の位置に嵌め込まれることにより、前記第1の端子板、前記環状導体、及び前記第2の端子板の相互の位置関係が規定され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3の発明に係るパワーモジュールにおいて特に、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ことを特徴とする。
第1の発明に係るパワーモジュールによれば、第1の縦型半導体チップが第1の端子板と環状導体とによって挟み込まれることにより、第1の端子板と環状導体とが第1の半導体チップを介して接続される。また、第2の縦型半導体チップが環状導体と第2の端子板とによって挟み込まれることにより、環状導体と第2の端子板とが第2の半導体チップを介して接続される。つまり、第1の縦型半導体チップは第1の端子板と環状導体との間に直接実装され、第2の縦型半導体チップは環状導体と第2の端子板との間に直接実装される。従って、第1及び第2の縦型半導体チップを実装するための基板が不要となるため、全体として装置の小型化を図ることができる。
第2の発明に係るパワーモジュールによれば、第1の縦型半導体チップは第1の端子板上に直接実装されており、第2の縦型半導体チップは環状導体上に直接実装されている。従って、第1及び第2の縦型半導体チップを実装するための基板が不要となるため、全体として装置の小型化を図ることができる。
第3の発明に係るパワーモジュールによれば、第1の端子板、環状導体、及び第2の端子板が、筐体の所定の位置に嵌め込まれることにより、相互の位置関係が規定される。従って、第1の端子板、環状導体、及び第2の端子板の位置決め作業の容易化を図ることができる。
第4の発明に係るパワーモジュールによれば、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、第1及び第2の端子板間の放電や各相の環状導体間の放電を効果的に防止できるとともに、防塵効果や防水効果等の耐環境性を高めることができる。
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は省略しているが、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。
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、本実施の形態に係るパワーモジュールが備えるバスバー11の構造の一部を示す上面図である。電機モータ4(図2には示さない)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は図1に示したノード6uと電極5uとの間を接続し、バスバー11vはノード6vと電極5vとの間を接続し、バスバー11wはノード6wと電極5wとの間を接続する。バスバー11u〜11wは、打ち抜き加工された銅板の表面にスズ又はニッケル等のメッキ処理が施されることによって形成されている。
バスバー11u〜11wは、筐体10内に収納されている。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、内壁10a,10bによって規定される溝が形成されており、その溝部分にバスバー11u〜11wが嵌め込まれている。また、筐体10が形成されていない領域50が部分的に設けられており、この領域50においてはバスバー11u〜11wが露出している。
図3は、領域50におけるバスバー11u〜11wの構造を具体的に示す斜視図である。図3では、リング状のバスバー11u〜11wを直線状に近似して図示している。バスバー11uの表面上には、図1に示したパワーMOSFET2aの半導体チップ(以下、パワーMOSFETと同一の符号を用いる)2aが実装されている。バスバー11uの表面上の所定の箇所に、チップを実装すべき位置を示すマーキングを刻印しておくことにより、その所定の箇所に半導体チップ2aを実装することができる。同様に、バスバー11v,11wの表面上の所定の箇所には、パワーMOSFET2b,2cの半導体チップ2b,2cがそれぞれ実装されている。また、バスバー11u,11v,11wには、それぞれ所定の箇所に切り欠き20u,20v,20wが形成されている。
図4は、図3に示した半導体チップ2aの構造を示す上面図であり、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、半導体チップ2aは、いわゆる縦型パワーMOSチップであり、半導体チップ2aの表面にはゲート電極(制御電極)G及びソース電極(電流流出電極)Sが形成されており、裏面にはドレイン電極(電流流入電極)Dが形成されている。
図3を参照して、半導体チップ2b,2cは、半導体チップ2aと同様の構造を有している。つまり、半導体チップ2b,2cの各表面にはゲート電極G及びソース電極Sがそれぞれ形成されており、各裏面にはドレイン電極Dがそれぞれ形成されている。半導体チップ2a〜2cの各ドレイン電極Dは、半田付け又はロウ付けによって、バスバー11u〜11wの各表面にそれぞれ直接的に接合されている。
図6は、本実施の形態に係るパワーモジュールが備える筐体30の構造を示す斜視図である。筐体30は、PPS等の耐熱性樹脂によって構成されている。筐体30の側壁には、位置決め構造として複数の溝31u,31v,31w,32H,32Lが形成されている。溝32Hは溝31u〜31wよりも深く形成されており、溝32Lは溝31u〜31wよりも浅く形成されている。また、溝32Hと溝32Lとの間には開口部33が形成されている。
図3,6を参照して、互いに隣接する溝31u〜31w同士の間隔は、切り欠き20u〜20wが形成されている箇所における、互いに隣接するバスバー11u〜11w同士の間隔に等しい。また、溝31u〜31wが形成されている側壁同士の間隔は、バスバー11u〜11wが延在する方向において互いに隣接する切り欠き20u同士の間隔に等しい。
図7〜12は、本実施の形態に係るパワーモジュールの組立工程を順に示す斜視図である。まず、図7を参照して、図6に示した筐体30の溝32H内に、端子板40Hを嵌め込む。端子板40Hは、図1に示した電源電圧VHを供給するためのものであり、銅板の表面にスズ又はニッケル等のメッキ処理が施されることによって形成されている。端子板40Hには所定の箇所に切り欠き20Hが形成されており、この切り欠き20Hを溝32Hの側壁に嵌合させることによって、筐体30と端子板40Hとの位置決めがなされる。
端子板40Hの表面上の所定の箇所には、図1に示したパワーMOSFET1a〜1cの半導体チップ1a〜1cが予め実装されている。端子板40Hの表面上の所定の箇所に、チップを実装すべき位置を示すマーキングを刻印しておくことにより、その所定の箇所に半導体チップ1a〜1cを実装することができる。
半導体チップ1a〜1cは、図3に示した半導体チップ2a〜2cと同様の構造を有している。つまり、半導体チップ1a〜1cの各表面にはゲート電極G及びソース電極Sがそれぞれ形成されており、各裏面にはドレイン電極Dがそれぞれ形成されている。また、半導体チップ1a〜1cの各ドレイン電極Dは、半田付け又はロウ付けによって、端子板40Hの表面にそれぞれ直接的に接合されている。
筐体30から外部に突出している端子板40Hの端部には、電力供給用の高圧ケーブルの一端が接続される。高圧ケーブルの他端は、バッテリ又は昇圧コンバータに接続される。
次に、図8を参照して、筐体30の溝31u〜31w内に、バスバー11u〜11wをそれぞれ嵌め込む。具体的には、図7に示した構造を図3に示したバスバー11u,11v,11wの下方に位置させた後、溝31u〜31wと切り欠き20u〜20wとをそれぞれ嵌合させながら、図7に示した構造を上方に持ち上げる。これにより、図8に示すように、半導体チップ1a〜1cの各ソース電極Sが、バスバー11u〜11wの各裏面にそれぞれ接触する。その際、半田付け又はロウ付けによって、半導体チップ1a〜1cの各ソース電極Sを、バスバー11u〜11wの各裏面にそれぞれ接合する。
次に、図9を参照して、筐体30の溝32L内に、端子板40Lを嵌め込む。端子板40Lは、図1に示した電源電圧VLを供給するためのものであり、銅板の表面にスズ又はニッケル等のメッキ処理が施されることによって形成されている。端子板40Lには所定の箇所に切り欠き20Lが形成されており、この切り欠き20Lを溝32Lの側壁に嵌合させることによって、筐体30と端子板40Lとの位置決めがなされる。
これにより、図9に示すように、半導体チップ2a〜2cの各ソース電極Sが、端子板40Lの裏面に接触する。その際、半田付け又はロウ付けによって、半導体チップ2a〜2cの各ソース電極Sを端子板40Lの裏面に接合する。
筐体30から外部に突出している端子板40Lの端部には、電力供給用の高圧ケーブルの一端が接続される。高圧ケーブルの他端は、バッテリ又は昇圧コンバータに接続される。
次に、図10を参照して、筐体30の開口部33にコネクタ60を嵌め込み、ネジ止め等によって固定する。コネクタ60は複数の端子62を有しており、端子62は筐体30内に突出している。コネクタ60には、端子62に電気的に接続された信号線61の一端が接続されている。信号線61の他端は、図1に示した制御回路7に接続される。
次に、図11を参照して、コネクタ60の端子62と、半導体チップ1a〜1c,2a〜2cの各ゲート電極Gとを、ボンディングワイヤ70によってそれぞれ接続する。これにより、図1に示した制御回路7と、半導体チップ1a〜1c,2a〜2cの各ゲート電極Gとが、信号線61、端子62、及びボンディングワイヤ70を介して、それぞれ電気的に接続される。
なお、筐体30内に所望のセンサ等を配設してもよく、この場合は、上記のゲート電極Gと同様に、センサの出力端子とコネクタ60の端子62とをボンディングワイヤ70によって接続することにより、センサの出力信号をコネクタ60から筐体30の外部に取り出すことができる。
次に、図12を参照して、図11に示した筐体30の内部を樹脂等の絶縁性の封止材によって封止した後、カバー80を筐体30の上面に固定する。カバー80の材質は、例えば筐体30の材質と同一である。以上の工程により、本実施の形態に係るパワーモジュールの組立が完了する。
なお、以上の説明では、筐体10と筐体30とが別個の部材として構成されている例について述べたが、筐体30は筐体10と同一部材として一体的に形成されていても良い。筐体10,30を一体的に形成することにより、両筐体の隙間から水等が侵入してバスバーを劣化させるという事態を回避することができる。
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、筐体30内にはパワーMOSFET1a〜1c,2a〜2cが実装されており、図1に示した制御回路7は、筐体30内に実装されるのではなく、筐体30の外部に配設されている。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。
さらに、本実施の形態に係るパワーモジュールによれば、図11に示したように、半導体チップ1a〜1cは端子板40Hとバスバー11u〜11wとの間に直接実装され、半導体チップ2a〜2cはバスバー11u〜11wと端子板40Lとの間に直接実装される。従って、半導体チップ1a〜1c,2a〜2cを実装するためのプリント基板が不要となるため、全体として装置の小型化を図ることができる。
また、半導体チップ1a〜1cの各ソース電極Sは、半田付け又はロウ付けによってバスバー11u〜11wの各裏面にそれぞれ接合され、半導体チップ2a〜2cの各ソース電極Sは、半田付け又はロウ付けによって端子板40Lの裏面に接合される。従って、半導体チップ1a〜1cとバスバー11u〜11wとを、及び、半導体チップ2a〜2cと端子板40Lとを、信頼性高くかつ簡便に接続することができる。
さらに、端子板40H、バスバー11u〜11w、及び端子板40Lが、筐体30の溝32H,31u〜31w,32Lにそれぞれ嵌め込まれることにより、相互の位置関係が規定される。従って、端子板40H、バスバー11u〜11w、及び端子板40Lの位置決め作業の容易化を図ることができる。
しかも、筐体30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、端子板40H,40L間やバスバー11u〜11w間の放電を効果的に防止できるとともに、防塵効果や防水効果等の耐環境性を高めることができる。
1a〜1c,2a〜2c パワーMOSFET(半導体チップ)
4 電機モータ
5u〜5w 電極
8 インバータ回路
11u〜11w バスバー
30 筐体
31u〜31w,32H,32L 溝
40H,40L 端子板
4 電機モータ
5u〜5w 電極
8 インバータ回路
11u〜11w バスバー
30 筐体
31u〜31w,32H,32L 溝
40H,40L 端子板
Claims (4)
- 第1の電源電圧と第2の電源電圧との間で直列に接続された第1及び第2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、
前記第1のパワー素子と前記第2のパワー素子との接続点と、前記モータの電極とを接続する環状導体と
を備え、
前記第1のパワー素子が作り込まれた第1の縦型半導体チップが、前記第1の電源電圧を供給する第1の端子板と前記環状導体とによって挟み込まれることにより、前記第1の端子板と前記環状導体とが前記第1の半導体チップを介して接続され、
前記第2のパワー素子が作り込まれた第2の縦型半導体チップが、前記環状導体と前記第2の電源電圧を供給する第2の端子板とによって挟み込まれることにより、前記環状導体と前記第2の端子板とが前記第2の半導体チップを介して接続される、パワーモジュール。 - 前記第1及び第2の縦型半導体チップは、電流流入電極が形成された裏面と、電流流出電極が形成された表面とをそれぞれ有し、
前記第1の縦型半導体チップの前記裏面と前記第1の端子板の表面とが互いに接触するように、前記第1の縦型半導体チップが前記第1の端子板上に実装されており、
前記第2の縦型半導体チップの前記裏面と前記環状導体の表面とが互いに接触するように、前記第2の縦型半導体チップが前記環状導体上に実装されており、
前記第1の縦型半導体チップの前記電流流出電極は、前記環状導体の裏面に接合され、
前記第2の縦型半導体チップの前記電流流出電極は、前記第2の端子板の裏面に接合される、請求項1に記載のパワーモジュール。 - 所定の位置決め構造が形成された筐体をさらに備え、
前記第1の端子板、前記環状導体、及び前記第2の端子板が、前記筐体の所定の位置に嵌め込まれることにより、前記第1の端子板、前記環状導体、及び前記第2の端子板の相互の位置関係が規定される、請求項2に記載のパワーモジュール。 - 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3に記載のパワーモジュール。
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