JP2007250689A - Ｉｐｍ搭載の太陽光インバータとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造の工程と工程の間に品質チェックが出来る工程区切りが可能である製品構造で，パワー半導体素子が放熱良好に接続されたＩＰＭ搭載の太陽光インバータの構造と製造方法。
【解決手段】隔壁で区切られ端子接続手段および太陽電池モジュールの出力リード線用端子手段を具備しパワー半導体素子が直付け搭載の放熱板が，絶縁枠体に絶縁間隔を空けて固着され、該絶縁枠体に絶縁物を充填してＩＰＭが形成され、太陽電池モジュールの出力リード線を端子手段に接続した後に該接続部を絶縁物で充填して完成する太陽光インバータ。
【選択図】 図１

Description

本発明は，太陽光インバータの構造に関し，取り付け配線工事が容易な構造で高信頼性を確保して提供できる太陽光インバータとその製造方法に関する。

従来，太陽電池セルを直列に接続した太陽電池モジュールを，所望の電圧を得るために直列接続し、さらにこの直流を交流に変換する太陽光インバータ設置工事現場において，工数を減らして工事時間が短縮でき，しかも信頼性が確保できる簡易な太陽光発電システムの具現化が望まれていた。
特許文献１の（段落０００３）には次の記述がある。「従来の太陽光発電システムには構成機器が多く、設置に手間がかかり、小容量システムの場合にはコストも高くなる問題がある。太陽電池モジュールを増設する場合、インバータを出力の大きいものに交換する必要がある。このために、増設が容易に出来ない問題がある。」

このため、軽量小型のインバータが渇望されていた。小型のインバータを実現する根本技術となるＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）技術に関して、従来の「インテリジェントパワーモジュール」についての技術を開示した特許文献２がある。
特許文献２の図１を各部の記号も替えず其のままに図８としてこの明細書に示して説明すると、（段落０００６）に、「まず金属板にセラミック板を設けた従来例の場合、前記セラミック板上に設けた金属膜厚みが約３００〜５００μｍと非常に厚く、金属膜で制御部の回路配線を形成する場合、配線の微細化が困難であった」と記述されていて、同一金属板にインバータ部のパワーデバイスチップと制御部を搭載していた。

特許文献２の（段落００１３）に発明の内容として次の記載がある。「本実施例のインテリジェントパワーモジュールは、裏面に配線用の銅材よりなる金属膜３を３００〜５００μｍ厚で形成したセラミック板４が、銅板よりなる金属板１上の目的とする領域に、共晶半田などの低温半田２で固着され、前記セラミック板４上の目的とする領域に部分的に銅材よりなる金属膜５が３００〜５００μｍ厚で形成されている。金属膜３，５は微細配線を目的とせず、大電流対応を目的としているので、厚膜で形成されている。」さらに続けて「また、セラミック板４は６００μｍ厚で形成されている。そして、金属膜５上にパワーデバイスチップ７ａ，７ｂが高温半田６で接合されている。パワーデバイスチップ７ａ，７ｂと他の金属膜５とがアルミニウムよりなる金属細線９で接続されている。セラミック板４上に搭載されたパワーデバイスチップ７ａ，７ｂにより、インバータ部１０が形成されている。」の記載がある。
（段落００１７）には、「なお、本実施例では、セラミック板４を形成している領域は、半分の領域としているが、領域はパワーデバイスチップ７ａ，７ｂの大きさ、数等により調整することが可能である。また、配線用の銅材よりなる金属膜３，５はセラミック板４に対してエポキシ系接着剤により接合されている。そして、金属細線９はアルミニウム線に限定するものではなく、金線でも適用できる。」と記述されている。
（段落００１９）には、「本実施例のインテリジェントパワーモジュールのインバータ部１０領域はセラミック板４を用いて厚膜の金属膜３，５を形成しているので、１００Ａ以上の大電流で動作しても対応でき、制御部１１領域は樹脂基板１４に金属膜を微細配線させているので、実装面積の縮小が図れる。」と記述されている。
以上の記載があるが、インバータ部１０は、このセラミック板４が、金属板１上の目的とする領域に固着され、セラミック板４上の領域に金属膜５が３００〜５００μｍ厚で形成されてこの上にパワーデバイスチップが搭載されていて、インバータ部の電流が１０アンペア級の場合はパワーデバイスチップの発熱量が大であるから，制御部１１のデバイス８に悪影響を及ぼすので信頼性に欠ける危惧があった。セラミック板４は厚さ６００μｍと非常に厚く熱抵抗を引き下げる事が望まれていた。

「特開平９−２０１０６１」公報。「発明の名称：太陽光発電システム」 「特開平７−８６４９７」公報。「発明の名称：インテリジェントパワー モジュール」

特開平９−２０１０６１号の公報に記載されている従来の太陽光発電システムは構成機器が多く、設置に手間がかり、小容量システムの場合にはコストも高くなる問題がある。また、太陽電池モジュールを増設する場合、太陽電池モジュールの出力合計がインバータ出力よりも大きくなるとインバータを増設又は出力の大きなものに交換する必要がある。このため従来の構成のものでは太陽電池モジュール増設が容易にできない問題もあった。

信頼性の不安要素を払拭し，品質が保証できるプロセスで製造できることが重要である。この為，製造の工程と工程の間に品質チェックができる「工程の区切り」が設定できるような製品構造で実現でき，コンパクトな製品であり，取り付け結線工事が容易な構造のインバータを安価に提供できる構造とすることが課題であった。

請求項１に関しては，上記課題を解決するために，製造の工程と工程との間に品質チェックができる「工程の区切り」が設定できるような製品構造を実現して，リード線用端子ゾーン，パワーモジュール（ＩＰＭ）ゾーンが隔壁で区切られた絶縁性のボックス枠体を形成，製造工程の区切り毎に特性試験で完成度をチェックできる製造方法とした。

放熱板に入出力接続手段を設ける工程，放熱板にパワー半導体素子を固着する工程，電気絶縁性のボックス枠体に対して，端子接続手段が形成された放熱板が絶縁間隔を保って固着またはインサート成型で取り付けられて放熱板を有する枠体を形成する工程，半導体素子素子間を接続する工程，放熱板のゾーンに絶縁物を充填して製品中間体Ａを完成させる工程，該製品中間体Ａの特性試験をする工程，太陽電池モジュールパネルに該製品中間体Ａを固着する工程，太陽電池モジュール出力リード線を該放熱板のモジュールリード線用端子ゾーン内の端子接続手段に接続して，この製品中間体Ｂの段階で性能試験した後に，該接続部位を覆うように絶縁物を充填する工程を具備することを特徴とした，入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータの製造方法とした。

請求項２に関しては、入出力端子接続手段を具備し，パワー半導体素子が固着された放熱板が，絶縁間隔を保って絶縁性ボックス枠体に固着され，放熱板および導電板に金属導帯で接続され，絶縁物が充填された絶縁性ボックス枠体と該放熱板とでパワーモジュールＩＰＭを形成し、太陽電池モジュールパネルに固着され，太陽電池モジュールリード線が端子接続手段に接続され、該接続部位を覆う部位に絶縁物を充填されることを特徴とした、入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータとした。

請求項３に関しては、パワーモジュール（ＩＰＭ）が、パワー半導体素子が固着され且つ、多層印刷配線板または制御ＩＣで形成された制御部を設けた放熱板と，絶縁性ボックス枠体とによって構成されたパワーモジュール（ＩＰＭ）であり、前記パワー素子が絶縁物を介しないで直に放熱板に固着された構造を有するパワーモジュール（ＩＰＭ）ゾーンの放熱板は、絶縁間隔を保って固着またはインサート成型で絶縁性ボックス枠体に取り付けられていて、放熱板にセラミック絶縁板を介せずにパワー半導体素子を直接に固着して熱抵抗を改善したことを特徴とする請求項２記載の入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータとした。

請求項４に関しては、太陽電池モジュールパネルの略中央部に熱伝導性の電気絶縁薄板を介して固着された構造である請求項２乃至３記載の入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータとした。

請求項５に関しては，リード線が半田付け可能なように端子接続手段が金属片で形成されたリセプタクル端子である，請求項２乃至４記載の入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータとした。

請求項６に関しては，放熱板の端部近傍に形成される端子接続手段が，挿入接続できる端子構造を有するリセプタクル端子である請求項２乃至４記載の入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータとした。

太陽電池モジュールパネルにこのＩＰＭ搭載インバータが固着され，太陽電池モジュールパネルがパワー半導体素子の放熱フィンとして作用するのでパワー半導体素子の温度上昇値を抑える効果がありＩＰＭの信頼性が向上する。製作の中間製品段階で，品質チェックされやすい構造になっている。設置の際の外部接続端子へのケーブル接続工事が容易な構造になったので、工事完成度が向上し総合的な製品完成度が高まる，しかも据付工事費が格段に安くなる。

本発明による実施の形態を図１に構造図で示して説明する。図１は一実施形態の回路と構造関連づけ説明図、図２は一実施形態の構造説明の平面図である。図１，図２によって説明する。絶縁性ボックス枠体１７は例えばエポキシ系樹脂など絶縁体で形成され，太陽電池モジュールリード線用端子ゾーンＤＣ１は，パワー半導体素子Ｑ１,Ｑ２をコレクタ電極Ｃ１，Ｃ２側で固着した第３放熱板ゾーン２９と同一場所に位置している。太陽電池出力ケーブル用の正極端子ゾーン２９と各ゾーンとが隔壁１２で区切られて，端子接続手段Ｔ３が形成された，例えば厚み３ミリメートル銅板である放熱板ＡＣ１,ＡＣ２および放熱板ＤＣ１がインサート成形又は接着剤で該隔壁１２に固着される。これら放熱板と導電板ＤＣ２が，約２ｍｍの絶縁間隔２０を保って取り付けられて，第１放熱板ＡＣ１の略中央部にパワー半導体素子Ｑ３のコレクタ電極Ｃ３が半田付けされてパワー半導体素子Ｑ１がＱ３と電気的に直列に接続され、この接続点がインバータ出力端子Ｔ１につながる。パワー半導体素子の放熱板ゾーン２７，２８，２９と負側導電板ゾーン３０にシリコンゴムやエポキシ樹脂などの絶縁物を充填した製品中間体が，電気特性試験や温度・湿度環境試験で品質・信頼性が確認される。製品中間体となって製造工程の区切りとなる。

図３は本発明による一実施形態，図２のＣ−Ｃ断面図であり放熱板ＤＣ１にパワー半導体素子Ｑ１、Ｑ２のコレクタ電極Ｃ１、Ｃ２が高温半田で固着されＱ１とＱ２が電気的に接続されている。ここで放熱板ＤＣ１に形成される端子接続手段Ｔ３は５アンペア以下の小電流用では，端子が挿入接続できるリセプタブル端子であり，これは電流が例えば６アンペアより大きい場合や接続箇所の接触抵抗を極端に小さくしたい場合は，入力・出力ケーブルの圧着端子がネジ止め可能なネジ穴構造を有するネジ端子台（図３のＴ３，Ｔ４）とすることが有効である。量産する場合には半田付け用の板金端子とすることが好適である。第２放熱板ＡＣ２の略中央部にパワー半導体素子Ｑ４のコレクタ電極Ｃ４が半田付けされてパワー半導体素子Ｑ２，Ｑ４が電気的に直列に接続され、この接続点がインバータ出力端子Ｔ２につながる。

パワー半導体スイッチング素子は通電中に発熱するが，信頼性向上の為その温度上昇値を低く抑えるように放熱板ゾーン２７，２８，２９の底部２１（Ｃ−Ｃ断面図）は，（少なくとも放熱板ＤＣ１が接する部位だけは）熱抵抗が小さくなるように厚さを薄く，例えば１ｍｍ以下に薄板部位を形成するか，または放熱板ＤＣ１，ＡＣ１が接する底部２１の部位をくり貫いた形状に形成して，熱伝導性に優れた熱伝導性絶縁シート（サーマルシート）を放熱板ＤＣ１，ＡＣ１，負側導電板ＤＣ２に接着して水の浸入を防ぎつつ太陽電池モジュールのパネル裏の略中央部に固着する，このように大きい熱伝導手段を確保しているので，セラミックを介してパワー半導体を固着した従来の場合よりも安価であり熱抵抗が小さくなった。

本発明による実施例の製造方法を図７に示した工程図よって説明する。第１放熱板ＡＣ１（交流リード線端子ゾーン）、第２放熱板ＡＣ２（交流リード線端子ゾーン）、第３放熱板ＤＣ１（直流リード線正端子ゾーン放熱板）、導電板ＤＣ２にそれぞれ端子接続手段Ｔ３、Ｔ４、Ｔ１,Ｔ２を設ける工程Ｓｔｅｐ１，次にパワー半導体素子のコレクタ電極が各放熱板に高温半田によって固着される工程Ｓｔｅｐ２，パワー半導体素子のエミッタ電極が各放熱板（または導電板ＤＣ２）に半田によって接続される工程Ｓｔｅｐ３、各放熱板および導電板ＤＣ２を接着材などによって固着された絶縁性ボックス枠体１７を形成する工程Ｓｔｅｐ４，前記枠体１７の半導体素子が半田付けされた放熱板ゾーン２７、２８、２９と導電板ゾーン３０にエポキシ樹脂などの絶縁物を充填する工程Ｓｔｅｐ５，以上の工程を経て製品中間体Ａが完成する。

以上のような製品中間体Ａは，耐湿度・耐振動など信頼性試験が出来る状態にあるので，ここで「工程に区切り」が設定できる。製品中間体の特性試験工程Ｓｔｅｐ６を経て長期の耐温度変化・耐湿環境に耐えることを保証することが出来る。

次に太陽電池パネルの裏面または側面に上記の製品中間体を接着やネジ止めなどの方法で固着して後，端子ゾーン２２、２３の端子接続手段Ｔ３,Ｔ４，に太陽電池モジュールリード線を接続して（製品中間体Ｂの）特性試験を経て接続部位に防湿の絶縁物を充填する。

交流端子ゾーン２７，２８の端子接続手段Ｔ１、Ｔ２に，インバータ出力ケーブルを接続して（製品中間体Ｂの）特性試験を経て接続部位に防湿の絶縁物を充填する。

このようにして製品中間体を得る毎に工程の区切りが設けられて試験工程で品質の確認が出来るから，最終工程によって試験結果が不良になっていた従来に比べて工程のロスがなくなるから総合コストが安価になる。

図４は本発明による一実施形態の端子の引き出し方法と放熱板，ＤＣ１，ＡＣ１，ＡＣ２の絶縁配置の説明図であり，図１の回路図を実体配線図にしたもので図１のパワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を，それぞれ接続された側の電極がコレクタ側であるＣ１，Ｃ２とエミッタ側であるＥ３，Ｅ４に区別して図示してある。放熱板ＡＣ１，ＡＣ２，ＤＣ１や導電板ＤＣ２の先端部近傍にリセプタクル端子を固着したり該先端部近傍を穴加工して端子接続手段Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４を形成するのも有効である。

第二の実施形態の構造図である図５，図６の場合は，端子Ｔ１乃至Ｔ４の端子形状として図のように放熱板を曲げた先端近傍をネジ穴式の端子とした，この方式は端子部分の投影下方に空間が出来るから，ここに制御部１１を設ける空間が確保出来る利点がある。制御部１１からパワー半導体素子の制御極Ｇ１，Ｇ３に金属細線９で接続する場合に配線が短く出来て輻射妨害が軽減できる効果がある。制御ＩＣなどの制御部１１を配置するには好適な空間が端子部分の投影下方空間である。

図５，図６は本発明による第二の実施形態の説明の為の構造図である。絶縁性ボックス枠体１７は例えばエポキシ系樹脂など絶縁体で形成され，太陽電池モジュールリード線の正極用端子接続手段Ｔ３は第３放熱板を上方に屈曲して伸ばし更に略直角に屈曲し水平面に伸ばしてこの部位に正極側端子Ｔ３を設ける。正極側端子Ｔ３の下部投影面はパワー半導体素子Ｑ１,Ｑ２を固着した第３放熱板であるが空間ができるので、この部分に制御部１１が多層基板で占有面積を小さくして形成される，例えば厚み３ミリメートル銅板である放熱板ＤＣ１およびＡＣ１、ＡＣ２の略中央部にパワー半導体素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のコレクタ電極が半田付けされてパワー半導が搭載された近傍には４０ｍｍ×３０ｍｍ程度の多層印刷配線板の層内に微細部品が配置されて形成される制御部１１が絶縁層を介して搭載され半導体素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の制御極（ゲート電極）と制御部１１の駆動パルス出力端子とが金属細線９で接続される。底面積４０ｍｍ×３０ｍｍ程度の多層の印刷配線板には駆動パルス出力信号を制御する回路やインバータ異常検出制御回路も搭載できる。制御部１１を内蔵したパワー半導体素子のブリッジ回路を放熱板ＤＣ１およびＡＣ１、ＡＣ２に搭載してインバータＩＰＭとし，この端子手段Ｔ１，Ｔ２からインバータ出力電流１０Ａ程度の交流が太陽電池モジュールから取り出せる。太陽電池モジュールのパネル下面の有効な空間がインバータ設置場所として利用できるので、従来の据付型インバータの筐体設置の空間が確保困難の場合に設備費・工事費総合のコストが削減できて小規模設備の場合に有効である。制御ＩＣを上記制御部１１とすることも有効である。

図６は本発明による第二の実施形態の説明の為の構造図である。絶縁性ボックス枠体１７は絶縁体で形成され，太陽電池モジュールリード線の正極用端子接続手段Ｔ３は第３放熱板を上方に屈曲して伸ばし更に略直角に屈曲し水平面に伸ばしてこの部位に正極側端子Ｔ３を設ける。負極側端子Ｔ４は，金属導帯１３ａでエミッタ側から接続された負側導電板ＤＣ２を上方に屈曲し更に略直角に屈曲した水平面に設けたネジ穴端子とした構成の端子Ｔ４を形成した。負側導電板ＤＣ２の上面に制御部１１を搭載しパワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４の制御極Ｇ３，Ｇ４に制御部を金属細線）で配線した。パワー半導体素子Ｑ１，Ｑ２のエミッタ側と，パワー半導体素子Ｑ３，Ｑ４をコレクタ側で固着した放熱板ＡＣ１，ＡＣ２を夫々金属導帯１３b，１３ｃで接続しインバータ部１０を形成した。隔壁１２で放熱板ＤＣ１とＡＣ１及びＡＣ２とが絶縁された構造としたので，各放熱板にはパワー半導体素子が直付け可能となって熱抵抗が激減する効果が出た。図８の厚さ６００μｍのセラミック板の両面に金属膜を付ける高価な部材と工程が不要となった。

図２のインバータＩＰＭの放熱板ゾーン２７，２８，２９，３０にシリコンゴムやエポキシ樹脂などの絶縁物を充填した製品中間体が，電気特性試験や温度・湿度環境試験で品質・信頼性が確認される。図７の工程図ステップ５の製品中間体Ａとなって製造工程の区切りとなる。図３の端子ゾーン２２の底部２１には太陽電池モジュールのリード線や外部配線のケーブルが導入できる寸法の貫通孔を設けることも有効である。

製造の工程と工程との間に品質チェックができる「工程の区切り」が設定できるような製品構造で実現し，取り付け配線工事が容易な構造で高信頼性を確保して安価に提供することが出来、太陽電池モジュールの増設が容易になったので，産業上の貢献度が高い。

本発明による一実施形態の回路と構造関連づけ説明図 本発明による一実施形態の構造図 本発明による一実施形態の断面図 本発明による一実施形態の端子引き出し説明図 本発明による第二の実施形態の構造図 本発明による第二の実施形態の構造図 本発明による一実施形態の工程図 従来のインバータ用ＩＰＭの構造図

符号の説明

１ 金属板
２ 低温半田
３ 金属膜
４ セラミック板
５ 金属膜
６ 高温半田
７a,７b パワー半導体（スイッチング）素子
８a,８b 制御用デバイス
９ 金属細線
１０ インバータ部
１１ 制御部
１２ 隔壁
１３，１３ａ ,１３ｂ １３ｃ ,１３ｄ 金属導帯
１４ 樹脂基板
１６ 外部接続端子
１７ 絶縁性ボックス枠体
１８ 第１の充填用絶縁物
１９ 第２の充填用絶縁物
２０ 絶縁間隔
２１ 底部
２２，２３ 端子ゾーン
２７ 第１放熱板ゾーン（交流端子ゾーン）
２８ 第２放熱板ゾーン（交流端子ゾーン）
２９ 第３放熱板ゾーン（正極端子ゾーン）
３０ 負側導電板ゾーン（負端子ゾーン）
ＡＣ１ 第１放熱板
ＡＣ２ 第２放熱板
ＤＣ１ 第３放熱板
ＤＣ２ 負側導電板
Ｔ１ 端子接続手段（インバータ出力、交流側）
Ｔ２ 端子接続手段（インバータ出力、交流側）
Ｔ３ 端子接続手段（太陽光パネル出力、直流正極側）
Ｔ４ 端子接続手段（太陽光パネル出力、直流負極側）
Ｃ１〜Ｃ４ パワー半導体（スイッチング）素子のコレクタ
Ｇ１〜Ｇ４ 信号端子（制御リード線用端子）
Ｐ 制御用デバイス
Ｑ１〜Ｑ４ パワー半導体（スイッチング）素子

Claims (6)

1. 放熱板に入出力端子を設ける工程，パワーモジュール（ＩＰＭ）を構成するパワー半導体素子を放熱板に固定する工程，半田付け接続する工程、隔壁で区切られたゾーンを有する絶縁性ボックス枠体に，端子接続手段が形成された放熱板または導電板が放熱板と絶縁間隔を保って固着されてパワー半導体素子間を接続する工程，各ゾーンに絶縁物を充填して製品中間体を完成させる工程、該製品中間体の特性試験をする工程，太陽電池モジュールパネルに該製品中間体を固着する工程、太陽電池モジュールリード線を端子接続手段に接続して試験する工程，該接続部位を覆う絶縁物を充填する工程を有することを特徴とした、入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータの製造方法。
2. 入出力端子接続手段を具備し、パワー半導体素子が固着された放熱板が、絶縁間隔を保って絶縁物に固着された放熱板及び導電板に金属導電帯で接続され、絶縁物が充填された絶縁性ボックス枠体とによってパワーモジュール（ＩＰＭ）が構成され、太陽電池モジュールパネルに固着され，太陽電池モジュール出力線が端子接続手段に接続され、該接続部位を覆う部位に絶縁物が充填されることを特徴とした、入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータ。
3. パワーモジュール（ＩＰＭ）が、パワー素半導体子が固着され且つ、制御部が形成された放熱板及び絶縁物が充填された絶縁性ボックス枠体とによって構成されたパワーモジュール（ＩＰＭ）であり、前記パワー半導体素子が絶縁物を介しないで直に放熱板に固着され熱抵抗が改善された構造を有することを特徴とした、請求項２記載の入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータ。
4. 太陽電池モジュールパネルの略中央部に熱伝導性の電気絶縁薄板を介して固着された構造である請求項２乃至３記載の入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータ。
5. 放熱板に形成される端子接続手段が，半田付け可能な金属片で形成されたリセプタクル端子である請求項２乃至４記載の入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータ。
6. 放熱板に形成される端子接続手段が，挿入接続できる端子構造を有するリセプタクル端子である請求項２乃至４記載の入出力端子付きＩＰＭ搭載の太陽光インバータ。

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