JP2008048503A

JP2008048503A - インバータモジュール

Info

Publication number: JP2008048503A
Application number: JP2006220107A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Endo; 隆久遠藤
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】スイッチング素子に対する良好な放熱作用を得ることができ、これにより効率的な駆動が可能なインバータモジュールを提供する。
【解決手段】ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗが搭載されるリードフレーム３２，３３，３４の面積を、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗが搭載されるリードフレーム３１の面積よりも大きくしている。
【選択図】図２

Description

この発明は、負荷たとえばモータへの駆動電力を出力するインバータモジュールに関する。

負荷たとえばブラシレスＤＣモータへの駆動電力を出力するインバータモジュールは、スイッチング回路を備えている。このスイッチング回路は、２つのスイッチング素子の直列回路を複数有する。これら直列回路における各スイッチング素子の相互接続点がブラシレスＤＣモータの各相巻線に接続される。

このようなインバータモジュールに使用するスイッチング素子として、ＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴを採用したものがある（例えば、まだ非公開の特許文献１）。

ＩＧＢＴは、オン時の両端間電圧が一定となるため、高電圧出力時のロスが小さく、一方、ＭＯＳＦＥＴは、オン，オフ速度が速いため高周波スイッチングが可能で、低抵抗特性により、高出力時にはＩＧＢＴよりも効率が悪くなるが、低電流出力時の効率が高いという利点がある。さらに、ＭＯＳＦＥＴとしてより低抵抗となるスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴのような低損失ＭＯＳＦＥＴを用いれば、さらに高効率が得られる。そこで、それぞれの利点が適切に得られるよう上側スイッチング素子にＩＧＢＴを、下側スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを用いることが考えられている。

また、インバータ装置を構成するスイッチング素子を１つのモールドパッケージに収納し、小型化を図ったインバータモジュールがある。
特願２００５−２６０９０２

上側スイッチング素子にＩＧＢＴを、下側スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを用いたインバータ装置のさらなる効率的な駆動のためには、スイッチング素子の放熱に対する十分な配慮が必要である。

この発明は、上記の事情を考慮したもので、スイッチング素子に対する良好な放熱作用を得ることができ、これにより効率的な駆動が可能なインバータモジュールを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明のインバータモジュールは、上側スイッチング素子にＩＧＢＴおよび下側スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを用いた直列回路を複数有し、これら直列回路におけるＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴの相互接続点が負荷に接続されるスイッチング回路を備えたもので、ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴが１つのモジュール内に収納され、かつこのモジュール内で各ＭＯＳＦＥＴの放熱面積が、ＩＧＢＴの放熱面積よりも大きいことを特徴とする。

この発明のインバータモジュールによれば、ＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴを組み合わせたスイッチング素子に対する良好な放熱作用を得ることができる。これにより、効率的な駆動が可能となる。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１において、Ｍは空気調和機のコンプレッサモータとして使用されるブラシレスＤＣモータ（負荷）で、中性点Ｃを中心に星形結線された３つの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有する固定子、および永久磁石を有する回転子により構成されている。相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに電流が流れることにより生じる磁界と永久磁石が作る磁界との相互作用により、回転子が回転する。このブラシレスＤＣモータＭに、本発明のインバータ装置１が接続されている。

インバータ装置１は、直流電圧Ｖｄが印加される入力端子Ｐ，Ｎ、この入力端子Ｐ，Ｎ間の直流電圧Ｖｄを受けて上記相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに対する通電およびその通電切換を行うスイッチング回路２、このスイッチング回路２を駆動制御する制御部１０を備えている。

上記スイッチング回路２は、直流電圧Ｖｄの印加方向に沿って上流側となるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）および下流側となるスーパージャンクションＭＯＳＦＥＴ等の低損失パワーＭＯＳＦＥＴの直列回路をＵ，Ｖ，Ｗの三相分有するもので、Ｕ相の上流側（Ｐ側ともいう）にＩＧＢＴ３ｕ、下流側（Ｎ側ともいう）にＭＯＳＦＥＴ４ｕを備え、Ｖ相の上流側にＩＧＢＴ３ｖ、下流側にＭＯＳＦＥＴ４ｖを備え、Ｗ相の上流側にＩＧＢＴ３ｗ、下流側にＭＯＳＦＥＴ４ｗを備えている。そして、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗに対し還流ダイオードＤｕ＋，Ｄｖ＋，Ｄｗ＋がそれぞれ逆並列接続され、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗに対し還流（寄生）ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−がそれぞれ逆並列接続されている。なお、還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−は、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの素子製造時点で一体に作られるものである。

ＩＧＢＴ３ｕとＭＯＳＦＥＴ４ｕの相互接続点が出力端子Ｑｕとなり、ＩＧＢＴ３ｖとＭＯＳＦＥＴ４ｖの相互接続点が出力端子Ｑｖとなり、ＩＧＢＴ３ｗとＭＯＳＦＥＴ４ｗの相互接続点が出力端子Ｑｗとなる。そして、出力端子Ｑｕに上記相巻線Ｌｕの非結線端が接続され、出力端子Ｑｖに上記相巻線Ｌｖの非結線端が接続され、出力端子Ｑｗに上記相巻線Ｌｗの非結線端が接続されている。

また、スイッチング回路２は、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに蓄えられたエネルギによって還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−に順方向電流が流れた場合に、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのそれぞれのオンに伴って還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−に逆方向電流が流れないよう、還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−に逆電圧を印加する逆電圧印加回路（リカバリーアシスト回路ともいう）５ｕ，５ｖ，５ｗを備えている。

このようなインバータ装置１を構成する各部品は、図２に示すように、金属のフレーム部材２０上に載置される。各素子間には所定のリード線が接続され、フレーム部材２０の背面側にアルミ板からなる放熱板取り付け部が取り付けられた上で図２の二点鎖線部分全体がモールドされる。そして、このモールドから外部に出ているフレームの端子部分でフレーム部材２０が切断され、インバータモジュール３０に形成される。

インバータモジュール３０となった状態では、フレーム部材２０は互いに独立した形状のリードフレーム３１，３２，３３，３４，３５となる。このうち、１つのリードフレーム３１に、上記ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗおよび還流ダイオードＤｕ−，Ｄｖ−，Ｄｗ−が搭載される。そして、リードフレーム３２に上記ＭＯＳＦＥＴ４ｕが搭載され、リードフレーム３３に上記ＭＯＳＦＥＴ４ｖが搭載され、リードフレーム３４に上記ＭＯＳＦＥＴ４ｗが搭載される。さらに、リードフレーム３５に、Ｕ相のＩＧＢＴ３ｕおよびＭＯＳＦＥＴ４ｕを駆動するドライバＩＣ３６ｕ、Ｖ相のＩＧＢＴ３ｖおよびＭＯＳＦＥＴ４ｖを駆動するドライバＩＣ３６ｖ、Ｗ相のＩＧＢＴ３ｗおよびＭＯＳＦＥＴ４ｗを駆動するドライバＩＣ３６ｗが搭載される。なお、前述の逆電圧印加回路５ｕ，５ｖ，５ｗへのＯＮ／ＯＦＦ出力も制御部１０から出力されているが、図示を省略している。

ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗが搭載されるリードフレーム３２，３３，３４の面積は、その合計が、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗが搭載されるリードフレーム３１の面積よりも大きい。具体的には、リードフレーム３１におけるＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗの個々の占有面積に比べ、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗが搭載されるリードフレーム３２，３３，３４の個々の面積の方がはるかに大きい構成となっている。

ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの温度・オン抵抗特性を図３に示し、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗの温度・飽和電圧特性を図４に示している。すなわち、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗの損失は自身のケース温度の上昇に伴って緩やかに増えるのに対し、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの損失は自身のケース温度の上昇に伴って急激に増大する傾向にある。

このような特性を考慮し、上記のように、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗが搭載されるリードフレーム３２，３３，３４の面積を、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗが搭載されるリードフレーム３１の面積よりも大きくしている。基本的にインバータモジュール３０の大きさは装置の小型化等の制約上、大きさが決められてしまう。そこで、全体の面積の制限がある範囲で、リードフレーム３２，３３，３４の面積をリードフレーム３１の面積よりも大きく分配することで、温度上昇に対する効率低下の大きいＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗに対する放熱面積を大きくすることで、放熱作用を改善している。この結果、ＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗの温度上昇を抑制し、損失を小さく抑えることができる。したがって、インバータ装置１として効率的な駆動が可能となる。

なお、ＩＧＢＴおよびＭＯＳＦＥＴはそのスイッチングスピードが互いに異なる。このことを考慮し、ＩＧＢＴ３ｕ，３ｖ，３ｗのゲート駆動抵抗の定数およびＭＯＳＦＥＴ４ｕ，４ｖ，４ｗのゲート駆動抵抗の定数がそれぞれに最適な値に設定される。この設定により、インバータ装置１の駆動時のノイズを低減することができる。

また、以上の実施形態では、金属フレームを用いた構造のインバータモジュールで説明したが、１枚の金属基板上に導電パターンを形成してその上に各素子を載置するインバータモジュールでもよい。この場合、各ＭＯＳＦＥＴの素子間の距離をＩＧＢＴの素子間の距離よりも大きく設定することで、各素子が載置される金属基板におけるＭＯＳＦＥＴの放熱面積をＩＧＢＴの放熱面積よりも大きくすることで同様の効果が得られる。

その他、この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を変えない範囲で種々変形実施可能である。

一実施形態の構成を示すブロック図。一実施形態のインバータモジュールの製造過程における構成を示す図。一実施形態における各ＭＯＳＦＥＴの温度・オン抵抗特性を示す図。一実施形態における各ＩＧＢＴの温度・飽和電圧特性を示す図。

符号の説明

１…インバータモジュール、２…スイッチング回路、３ｕ，３ｖ，３ｗ…ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、４ｕ，４ｖ，４ｗ…ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）、５ｕ，５ｖ，５ｗ…逆電圧印加回路、Ｄｕ，Ｄｖ，Ｄｗ…還流ダイオード、Ｐ，Ｎ…入力端子、Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ…出力端子、１０…制御部、Ｍ…ブラシレスＤＣモータ、Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ…相巻線、２０…フレーム部材、３０…インバータモジュール、３１，３２，３３，３４，３５…リードフレーム

Claims

上側スイッチング素子にＩＧＢＴおよび下側スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを用いた直列回路を複数有し、これら直列回路におけるＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴの相互接続点が負荷に接続されるスイッチング回路を備え、
前記ＩＧＢＴおよび前記ＭＯＳＦＥＴが１つのモジュール内に収納され、かつこのモジュール内で前記各ＭＯＳＦＥＴの放熱面積が、前記ＩＧＢＴの放熱面積よりも大きいことを特徴とするインバータモジュール。
前記各ＭＯＳＦＥＴと前記各ＭＯＳＦＥＴはリードフレーム上に載置され、前記各ＭＯＳＦＥＴが搭載されるリードフレームの面積が、前記各ＩＧＢＴが搭載されるリードフレームの面積より大きい構成であることを特徴とする請求項１に記載のインバータモジュール。
前記各ＩＧＢＴは単一のリードフレーム上に搭載され、前記各ＭＯＳＦＥＴはそれぞれが独立したリードフレーム上に搭載されることを特徴とする請求項２に記載のインバータモジュール。