JP2008270293A

JP2008270293A - パワーモジュール

Info

Publication number: JP2008270293A
Application number: JP2007107602A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Futai; 和彦二井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-11-06

Abstract

【課題】制御信号用の導電経路の空間占有率を減らすことにより小型化することができるパワーモジュールを提供する。
【解決手段】並列する第１系統および第２系統ともに高圧側スイッチング素子と低圧側スイッチング素子との間と１つの交流相Ｕとを接続して、直流電力と交流電力との電力変換を行い、高圧側の２個のスイッチング素子３１の制御のために、スイッチング素子一個の制御端子数と同じ数のターミナルを有する１つの高圧側制御コネクタ２９と、低圧側の２個のスイッチング素子３１の制御のために、上記と同様の数のターミナルを有する１つの低圧側制御コネクタ２９とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車用モータへの電力供給に用いられるパワーモジュールに関するものである。

モータは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する機能を有し、化石燃料から機械エネルギーを取り出すエンジンとともに、各種の交通手段に用いられている。交通手段のうち、自動車にはエンジン車が圧倒的に多く用いられてきたが、化石燃料の高騰や、地球温暖化防止のためのＣＯ₂排出量の抑制運動の高まりなどを背景に、電気自動車やハイブリッド自動車の使用台数が増大し、とくにハイブリッド自動車はその単位燃料当りの走行距離が高いために飛躍的にその台数を増やしている。

交通手段に用いられるモータに限らず、モータに供給される電力は、各種電力変換装置によって電力の形態を変換される場合が多い。このとき、モータには大きな電力が供給されるので、電力変換装置も大きな電力を扱うことになり、電力変換装置自体の電力損失を減らし、効率のよい電力変換を行うことが求められる。電力変換装置には、オンオフを繰り返すスイッチとして動作する半導体デバイス、すなわちスイッチング素子が用いられる。理想的なスイッチング素子は、オン状態で電圧ゼロ、またオフ状態で電流ゼロであり、かつオンオフの状態が瞬時に切り替わるため、消費電力はゼロである。しかし、実際のスイッチング素子においては、オン状態における電圧降下による損失と、ターンオン・ターンオフ時における電圧・電流の遷移時間に伴う損失が発熱の原因となる。

スイッチング素子は電力変換装置の重要な部分を占めるが、電力変換装置にはスイッチング素子のほかに、そのスイッチング素子の動作を制御する、マイコンやマイコンにモータの回転状態の情報を知らせるセンサなどを含む制御部が備えられる。一般に機械装置に用いられるモータには小型化、高性能化が求められるが、とくに交通手段では上記電力変換装置またはモータなどに対する小型化、大容量化（大電流化）の要求が厳しい。このため、スイッチング素子を対象に、従来のシリコン素子の小型化とともに、ＳｉＣやＧａＮを用いて大電流化、高耐熱性化をはかる研究開発が推進されている。

現状、スイッチング素子を配してモータに３相交流電力を供給するパワーモジュールにおいて、スイッチング素子と、給電側端子および配電側端子とは、ワイヤで接続するのが普通であり、大電流化に応じて本数を増やして対応している。このため１つのスイッチング素子に数本から十数本のワイヤが並列に接続されることが、普通に行われている。現状、スイッチング素子の表面で、上記ワイヤとの接続に利用できる箇所はほとんど使い尽くされているといってもよい段階にある。

パワーモジュールの小型化および大電流化は、従来より精力的に行われているが、現在、ハイブリッド車等で直面している問題は、小型化のレベルなど質的に新しい段階に入っており、旧来の技術の組み合わせでは対応できないのが実情である。旧来の小型化技術のなかで一般的なものをあげると、パワーモジュール全体をコンパクトにしながら回路インダクタンスおよび配線抵抗の低減をはかるのに、スイッチング素子と給配電用バスバーとの接続を、長ねじにより加圧体を上からバスバーおよび半導体チップに押し付けるようにして実現する方法が提案されている（特許文献１）。この方法によれば、全体をコンパクトなものにしながら回路インダクタンスおよび配線抵抗を低くすることができる。

大電流が流れる導電経路（バスバー、ワイヤ、コレクタ電極、エミッタ電極など）の他に、スイッチング素子の制御を行うための制御用コネクタがパワーモジュールには設けられ、その制御用コネクタの各ターミナルを各スイッチング素子の制御端子に個別に接続している（たとえば特許文献２）。これにより負荷に応じてゲート電圧を制御して、負荷に適切な電力を配電することができる。
特開２００２−９５２６８号公報特開平９―２３３８１８号公報

しかしながら、上記特許文献１におけるバスバーは長ねじを用いて加圧体を上からバスバーおよび半導体チップに押し付けるようにしており、自動車のように振動が常に加わる装置に搭載する場合、長ねじの緩みなどが生じるおそれがある。またバスバーは、ワイヤボンディングに比べて、接続相手同士の位置精度の厳密性を要し、ワイヤボンディングほど位置精度の融通性が高いものではない。また、寸法精度を向上させる通常の製造方法を用いたのでは、その製造コスト等が上昇するという問題がある。また特許文献２における制御用コネクタおよび各ターミナルでは、これら経路に大電流が流れないにも拘わらず、パワーモジュールにおいて大きな空間（面積）を占有する。パワーモジュールでは、大電流が流れる導電経路の空間占有を、制御用コネクタからスイッチング素子の制御端子に至る制御信号経路の空間占有に比べて優先するほうが、より容易に小型化を推進することができると考えられる。

本発明は、特別の加圧体等を用いず、制御信号用の導電経路の空間占有率を減らすことにより小型化を実現できるパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明のパワーモジュールは、第１系統の直列接続された高電圧側の第１高圧側スイッチング素子と低電圧側の第１低圧側スイッチング素子、および第２系統の直列接続された高電圧側の第２高圧側スイッチング素子と低電圧側の第２低圧側スッチング素子を備え、第１高圧側スイッチング素子、第２高圧側スイッチング素子、第１低圧側スイッチング素子および第２低圧側スイッチング素子は、いずれも同じ所定数の制御端子を有し、第１系統および第２系統ともに高圧側スイッチング素子と低圧側スイッチング素子との間に交流の１つの相を接続して、直流電力と交流電力との電力変換を行うパワーモジュールである。このパワーモジュールでは、第１高圧側スイッチング素子および第２高圧側スイッチング素子の制御のために、所定数と同じ数のターミナル（制御回路接続用端子）を有する共通の１つの高圧側制御コネクタと、第１低圧側スイッチング素子および第２低圧側スイッチング素子の制御のために、所定数と同じ数のターミナル（制御回路接続用端子）を有する共通の１つの低圧側制御コネクタとを備えることを特徴とする。

上記の構成により、制御コネクタの数を半減することができ、パワーモジュールの小型化に寄与することができる。一方、スイッチング素子の数は同じであるのに対して制御ターミナルの数は半減するため、制御の精細さは失われるが、実用上問題ない制御を行うことができる。なお、ターミナル（制御回路接続用端子）は、制御回路側と接続するための端子であり、通常、スイッチング素子の面とは交差する方向に突き出る形状を持ち、スイッチング素子の制御端子とワイヤによって接続される素子用端子（制御コネクタに属する）とは異なる。ターミナルと素子用端子とは、制御コネクタ内部において相互に個別に接続されている。

また、上記の高圧側制御コネクタは、第１高圧側スイッチング素子および第２高圧側スイッチング素子の制御電極端子と接続する共通の１つの高圧側駆動電圧ターミナルを有し、低圧側制御コネクタは、第１低圧側スイッチング素子および第２低圧側スイッチング素子の制御電極端子と接続する共通の１つの低圧側駆動電圧ターミナルを有することができる。ここで、高圧側および低圧側は、高電圧側または高電位側および低電圧側および低電位側と同じ意味である。

上記のように、並列する第１系統および第２系統の制御電極端子、たとえばＩＧＢＴ( Insulated Gate Bipolar Transistor )におけるゲート電極に同じ駆動電圧を印加することにより、第１系統および第２系統を同じように駆動することができる。この場合、第１系統と第２系統とで相違するその系統に特有の事情（状態）に応じて制御することはないが、たとえばどちらかの系統に、どちらか特定できずに、温度が上昇したという信号が発生した場合、どちらの系統にもそれに対応した駆動電圧を印加することができる。制御回路におけるプログラムを見直すことで、上記のように、スイッチング素子にとって安全サイドの運転をとることができる。そして、たとえば共通の１つの冷却機構に組み込まれた共通の冷却板上に、すべてのスイッチング素子が配置されるという構成をとることにより、いずれか一個のスイッチング素子のみが過熱されるという状態は防止されるので、上記安全性はさらに補強される。

また、上記のスイッチング素子は各々、制御電極端子のほかに、２つの温度検出端子（２つの端子を持つ温度検出素子）、電流検出端子（電流検出素子）、および主電極のうちの低電位の電極端子（たとえばエミッタ電極端子）を有することができる。そして、高圧側制御コネクタは、第１高圧側スイッチング素子および第２高圧側スイッチング素子の、２つの温度検出端子、電流検出端子、および主電極のうちの低電位の電極端子と、それぞれ接続する、第１高圧側スイッチング素子および第２高圧側スイッチング素子に共通の、２つの温度検出ターミナル、電流検出ターミナルおよび電位検出ターミナルを有することができる。また、低圧側制御コネクタは、前記第１低圧側スイッチング素子および第２低圧側スイッチング素子の、２つの温度検出端子、電流検出端子、および主電極のうちの低電位の電極端子と、それぞれ接続する、前記第１低圧側スイッチング素子および第２低圧側スイッチング素子に共通の、２つの温度検出ターミナル、電流検出ターミナルおよび電位検出ターミナルを有することができる。

この構成によれば、制御電極端子のほかに、温度検出用端子、電流検出端子、および低電位の主電極（たとえばＩＧＢＴのエミッタ電極）の電位検出端子が、高圧側および低圧側制御コネクタにおいて、第１系統と第２系統との別なく共通化される。この共通化によれば、第１系統と第２系統とで、スイッチング素子温度は両者の最大値が、スイッチング素子を流れる電流は両者の和が、スイッチング素子主電極の電位は最大値が、それぞれ、高圧側および低圧側制御コネクタにおいて、検出される。上記データは、制御回路接続用端子であるターミナルを経由して制御回路に送信され、その制御回路において、これらデータに基づき、共通の駆動電圧（ゲート電圧）が決められ、制御電極端子に印加される。

上述のように、制御コネクタにおいて、制御回路接続用端子であるターミナルは基板等に交差する方向に突き出る形状を有し、制御回路の端子と接続される。一方、制御コネクタの素子用端子は、スイッチング素子上の制御端子と、直接、ワイヤにより接続される。制御コネクタの内部において、ターミナルと素子用端子とは電気的に接続されている。導電性金具で一体的に形成される場合もあるし、導線で接続される場合もある。スイッチング素子上の制御端子と、ターミナルとが個別に接続されるというとき、上記素子用端子を介在させて接続されていることを前提とする。

上記の方式は、第１系統と第２系統とを統合して駆動するものであり、必ずしも第１系統と第２系統とが同じ状態をいつでも維持するという前提に立つものではない。たとえば、共通の同じ駆動電圧を制御電極端子に印加された第１系統および第２系統のスイッチング素子は、同じように作動するのではなく、状態の良い方のスイッチング素子は、一時的に状態の悪いスイッチング素子の性能をカバーするように作動する場合もある。

また、上記のスイッチング素子は、制御電極端子を含むすべての制御端子を、該スイッチング素子の矩形状の辺に沿って配列するように有し、第１高圧側スイッチング素子および第２高圧側スイッチング素子は、高圧側制御コネクタを挟むように、制御端子を高圧側制御コネクタに近いようにして配置され、第１低圧側スイッチング素子および第２低圧側スイッチング素子は、低圧側制御コネクタを挟むように、制御端子を低圧側制御コネクタに近いようにして配置することができる。この構成により、とくに加圧部材等を用いることなく、パワーモジュール内での制御コネクタの占有空間を減らし、パワーモジュールを小型化することができる。

また、高圧制御コネクタおよび低圧制御コネクタは、それぞれ、第１の系統のスイッチング素子に面する側および第２の系統のスイッチング素子に面する側の両側ともに、ターミナルと制御端子とを個別に接続する素子用端子を有し、第１の系統のスイッチング素子に面する側の個別の素子用端子と、第２の系統のスイッチング素子に面する側の個別の素子用端子とが、平面的に見て、同じ配列で並行している構成にしてもよい。この構造によれば、パワーモジュールにおける制御信号経路の空間占有率を小型化し、ひいてはパワーモジュールを小型化することができる。ただし、スイッチング素子の制御端子の配列が互いに面対称の関係にある、２種類のスイッチング素子を準備する必要があり、スイッチング素子の購入費用が増大する。

また、高圧制御コネクタおよび低圧制御コネクタのそれぞれにおいて、第１の系統のスイッチング素子から見た個別の素子用端子の右端から左端への配列と、第２の系統のスイッチング素子に面する側において第２の系統のスイッチング素子から見た個別の素子用端子の右端から左端への配列とが、同じであるように構成することができる。この構造によれば、スイッチング素子における制御端子の配列が、互いに面対称の関係にある２種類のスイッチング素子を持たなくてよく、スイッチング素子の購入コストを増加させずに済む。すなわち、制御端子の右から左への配列が１種類のスイッチング素子を２個、制御コネクタを挟むように配置しても、たとえばワイヤをクロスさせずに、制御コネクタの各素子用端子とスイッチング素子上の制御端子とを接続することができる。このためには、第１系統のスイッチング素子に面する素子用端子と、第２系統のスイッチング素子に面する素子用端子とを、互いに点対称的になるように配置しなければならない。

また、上記の高圧制御コネクタおよび低圧制御コネクタのそれぞれにおいて、第１の系統のスイッチング素子に面する側の素子用端子および第２の系統のスイッチング素子に面する側の素子用端子のいずれか一方の素子用端子と、ターミナルの同じ種類とを接続する接続線を有し、それらの接続線は互いに接触しないように、立体交差するようにできる。この構成によれば、裸線であっても、立体交差の配置をとることにより短絡を避けることができる。裸線なので、上記の射出成形における耐熱性の問題はなく、ターミナルや素子用端子などの導電金具と配線とを金型に予め配置して樹脂の射出成形加工により、制御コネクタを製造し、その際、配線同士の短絡がなければ、樹脂が配線間に入り込んで、絶縁性を確保できる。これにより第１系統のスイッチング素子に面する素子用端子と、第２系統のスイッチング素子に面する素子用端子とを、互いに点対称的になるように配置することができる。このような制御コネクタを用いることにより、互いに面対称の関係にある２種類のスイッチング素子を持たなくてよく、スイッチング素子の購入コストを増加させずに済む。

また、上記の高圧制御コネクタおよび低圧制御コネクタのそれぞれにおいて、第１の系統のスイッチング素子に面する側の素子用端子および第２の系統のスイッチング素子に面する側の素子用端子のいずれか一方の素子用端子と、ターミナルの同じ種類とを接続する絶縁被覆配線を有してもよい。上記の制御コネクタにおけるターミナルの配列を実現するためには、第１系統のスイッチング素子に面するターミナルと、第２系統のスイッチング素子に面するターミナルとを、互いに点対称的になるように配置しなければならないが、両者を裸の配線で結ぶと短絡のおそれがある。上記の構成では、裸配線でなく絶縁被覆配線で結ぶので、短絡の問題はなく、スイッチング素子も１種類で済む。ただし、制御コネクタを、ターミナル用接点金具を予め型内に配置しておいて樹脂の射出成形で製作する場合、絶縁被覆配線の耐熱性等が問題となるかもしれない。しかし、絶縁被覆を、耐熱性樹脂、セラミックまたは耐熱性樹脂とセラミックスの複合材とすることにより、上記問題を解決することができる。制御コネクタは、使用中に変形することもないので、絶縁被膜をセラミックスとした絶縁被覆配線を端子となる金具などに接続した状態で制御コネクタの型内に配置して射出成形するのがよい。また、制御コネクタを、上記絶縁被覆配線によるターミナル間の接続を前提とした形状として、射出成形後に絶縁被覆配線の接続をすることもできる。

本発明によれば、２つの系統で、高圧側および低圧側のスイッチング素子を配置するパワーモジュールにおいて、その２系統の高圧側スイッチング素子の制御コネクタの共通化、および２系統の低圧側スイッチング素子の制御コネクタの共通化をはかることにより、制御信号用の導電経路の空間占有率を減らし、パワーモジュールの小型化を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態におけるパワーモジュール１０を説明するための図である。このパワーモジュール１０は、ハイブリッド自動車のモータ配電用の端子である、Ｕ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子の３相交流端子を有する。また発電機用の端子である、＋端子および−端子と、Ｕｇ相端子、Ｖｇ相端子およびＷｇ相端子とを有する。スイッチング素子としては、モータ用のスイッチング素子の３１，３２と、発電機用のスイッチング素子３３とが配置される。モータ用スイッチング素子のＩＧＢＴ３１は、フリーホイールダイオード（ Free Wheel Diode : FWD )３２を伴っている。本説明では、ＩＧＢＴなどのトランジスタを半導体スイッチング素子と呼ぶこととする。ＦＷＤは、スイッチング素子がターンオフした際に、負荷の誘導成分に蓄積されたエネルギーを環流させる役割と、減速、制動時の余剰エネルギーを回生するための電流経路としての役割を持つものである。

図１のＡ_１の領域およびＡ_２の領域の半導体スイッチング素子３１の間に、制御コネクタ２９が立壁状に配置される点が、本発明の実施の形態における大きな特徴である。制御コネクタ２９において、スイッチング素子の面に交差する方向に突き出るターミナルが、別に設けられた制御回路からの配線と、パワーモジュール１０の蓋（図示せず）に設けられた接続部材を介して接続される。半導体スイッチング素子３１，３３は、図示を省略した下層に絶縁基板を配置した実装基板上に実装され、その絶縁基板の下に放熱板６１が配置される。上記の半導体スイッチング素子３１，３３および実装基板等は、筐体６５に収納される。上記筐体６５内には、スイッチング素子３１の上には、上記スイッチング素子のゲート信号を制御する半導体素子等が実装された、図示しない制御回路部が配置される。上記放熱板６１の下にその放熱板６１に接するように、冷却媒体が流れる冷却媒体路６７が設けられる。冷却媒体には、不凍液であるエチレングリコール水溶液などを用いることができる。

図１において、３相交流モータへの配電端子Ｕ相、Ｖ相またはＷ相端子が設けられ、これら配電端子から交流電力が配電される。スイッチング素子３１は、給電端子のプラス側とマイナス側との間に、２つ直列に接続され、その２つのスイッチング素子の間に配電端子Ｕ，Ｖ，Ｗが接続される（回路については図７によりあとで説明する）。図２は、図１におけるＡ_１の領域（第１の系統に対応）およびＡ_２の領域（第２の系統に対応）を拡大した図である。領域Ａ_１に、高電位側の素子および低電位側の素子が配置される。すなわち、高電位側のＩＧＢＴ３１、ＦＷＤ３２、および低電位側のＩＧＢＴ３１、ＦＷＤ３２が配置される。領域Ａ_２の半導体スイッチング素子グループは、領域Ａ_１の半導体スイッチング素子グループとは、回路上、並列の関係にある。これは、大電流の給電および配電を行うのに、１系列だけでは容量的に対応できないために、並列に２系列設けている。

図２において、配線基板（金属板）１の上にＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２が位置している。そして高電位側および低電位側のそれぞれに、領域Ａ１と領域Ａ２の半導体スイッチング素子３１の間に制御コネクタ２９を有している。制御コネクタ２９は、中央部のターミナル（制御回路接続用端子）配列Ｓがピン状に上方に突き出し、その隣の素子用端子の配列Ｒ，Ｔは半導体スイッチング素子３１より少し高い位置の端子として配置されている。ＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２は、裏面に図示しないコレクタ電極（裏面電極）を有し、このコレクタ電極が配線基板（金属板）２に接続されている。すなわちＩＧＢＴ３１およびＦＷＤ３２の裏面電極と配線基板（金属板）２とは、導通状態にある。ＩＧＢＴ３１の表面にはエミッタ電極３１ａが露出し、またＦＷＤ３２の表面には表面電極３２ａが露出している。ＩＧＢＴ３１の表面電極３１ａおよび裏面電極と、ＦＷＤ３２の表面電極３２ａおよび裏面電極とは並列接続されている。すなわちＩＧＢＴ３１の表面電極３１ａとＦＷＤ３２の表面電極３２ａは回路配線上同電位であり、ＩＧＢＴ３１の裏面電極とＦＷＤ３２の裏面電極は回路配線上同電位である。また、ＩＧＢＴ３１には、エミッタ電極３１ａのほかにゲート電極（制御電極端子）など制御端子が配置されているが、図２では、図示を省略している。

図３は、本発明の実施の形態のパワーモジュールにおいて並列接続された２つの系列のＩＧＢＴ（スイッチング素子）３１およびその２つのＩＧＢＴに挟まれるように位置する制御コネクタ２９を示す図である。領域Ａ_１およびＡ_２のＩＧＢＴ３１は、高電位側でもよいし低電位側でもよい。すなわち図２における高電位側または低電位側とみることができる。図３においては、制御端子ａ_１〜ａ_５と、素子用端子Ｒ_１〜Ｒ_５，Ｔ_１〜Ｔ_５とを個別に接続するワイヤ以外のワイヤは省略している。ＩＧＢＴ３１は、温度検出端子（素子）ａ_１，ａ_２と、ゲート電極端子ａ_３と、電流検出端子（素子）ａ_４と、エミッタ電極端子ａ_５と、の５つの制御端子ａ_１〜ａ_５を有している。そして、制御コネクタ２９は、次のように接続する素子用端子およびターミナル（制御回路接続用端子）の配列を持つ。
１.温度検出端子（素子）ａ_１，ａ_２／素子用端子Ｒ_１，Ｒ_２／ターミナルＳ_１，Ｓ_２／素子用端子Ｔ_１，Ｔ_２
２.ゲート電極端子ａ_３／素子用端子Ｒ_３／ターミナルＳ_３／素子用端子Ｔ_３
３.電流検出端子（素子）ａ_４／素子用端子Ｒ_４／ターミナルＳ_４／素子用端子Ｔ_４
４.エミッタ電極ａ_５／素子用端子Ｒ_５／ターミナルＳ_５／素子用端子Ｔ_５
上記の制御コネクタ２９を用いることにより、制御コネクタ２９は、ほぼ半分の空間占有ですみ、その分、大電流の接続用に提供することができる。

ここで注意すべき点は、領域Ａ_１のＩＧＢＴ３１と領域Ａ_２のＩＧＢＴ３１とは、制御端子ａ_１〜ａ_５の配列が、逆になっていることである。制御コネクタ２９の、端子配列等を図３のようにして、素子用端子Ｒ_１と、ターミナルＳ_１と、素子用端子Ｔ_１とが連結される構成をとる場合、２個のＩＧＢＴ３１の制御端子の配列は、互いに逆にならざるをえないからである。この結果、ＩＧＢＴ３１の種類は１種類では済まず、２種類必要となる。

図４は、制御コネクタ２９の内部構造を変えて、１種類のＩＧＢＴ３１で済むようにした場合の２個ＩＧＢＴ３１および制御コネクタ２９を示す図である。図４に示す制御コネクタ２９では、ターミナル配列Ｓ_１〜Ｓ_５と素子用端子配列Ｔ_１〜Ｔ_５とは、最も近い端子同士接続されるが、ターミナル配列Ｓ_１〜Ｓ_５と素子用端子配列Ｒ_１〜Ｒ_５とは、たとえばターミナルＳ_１と素子用端子Ｒ_１とが接続するように、すなわち添字の番号が同じ端子同士が接続するようにする。このような接続を実現するとき、短絡が生じないように短絡防止の工夫をする必要がある。短絡防止のためには、図５に示すように、絶縁被覆配線１６を用いて、ターミナル配列Ｓ_１〜Ｓ_５と素子用端子配列Ｒ_１〜Ｒ_５とを、添字番号が同じ端子同士を接続するのがよい。図５では、ターミナルＳ_４，Ｓ_５と素子用端子Ｒ_４、Ｒ_５との接続は、複雑になるのを避けるため省略されている。絶縁被覆の絶縁材としては、セラミックスや耐熱性樹脂を用いることができる。セラミックスや耐熱性樹脂を用いることにより、予め配線をした導電経路を型に装入した状態で射出成形をすることができる。

図６は、裸配線１７または絶縁被覆配線１６を用いて、配線同士互いに接触することなく立体交差させて、ターミナル配列Ｓ_１〜Ｓ_５と素子用端子配列Ｒ_１〜Ｒ_５とを、添字番号が同じ端子同士を接続する構造を示す図である。このような配線によっても、図４に示すように、ＩＧＢＴ３１の制御端子の配列を１種類として、ＩＧＢＴ３１の購入コストを高めることなく、制御コネクタの占有面積を半減することが可能になる。

図７は、図１に示すパワーモジュール１０の回路図である。領域Ａ_１領域および領域Ａ２は、２つに区別せずに統合した構造を示している。２つの並列系統を明示せずに１つの系統として図示している。また図７には、図３の制御コネクタの素子用端子Ｒ_３，Ｔ_３およびターミナルＳ_３の符号を図６に記入してある。端子Ｒ_３，Ｔ_３およびターミナルＳ_３以外の端子は、図７には記入していない。図７から分かるように、２つの並列系統の制御を共通化して行い、２つの並列系統をそれぞれ個別に扱って制御しないと言っても、高電位側と低電位側とは、区別して別々に制御し、かつＵ相、Ｖ相およびＷ相の制御は別々に区別して行う。このため、上述のように、制御回路におけるプログラムを見直すことにより、安全サイドの運転となるように駆動電圧を設定することができる。すなわち、第１系統と第２系統とで、たとえばどちらかの系統に、どちらか特定できずに、温度が上昇したという信号が発生した場合、どちらの系統にもそれに対応した安全サイドの駆動電圧を印加することができる。このような駆動電圧は、上記のように高電位側、低電位側およびＵ相、Ｖ相、Ｗ相に分けて、それぞれ各別に制御されることになる。

また、図１に示すように、共通の１つの冷却機構に組み込まれた共通の冷却板上に、すべてのスイッチング素子が配置されるという構成をとることにより、いずれか一個のスイッチング素子のみが過熱されるという状態は防止されるので、上記安全性はさらに補強される。

上記の構成によれば、制御電極端子のほかに、温度検出端子、電流検出端子、および低電位の主電極（たとえばＩＧＢＴのエミッタ電極）の端子が、高圧側および低圧側制御コネクタにおいて、第１系統と第２系統との別なく共通化される。この共通化によれば、第１系統と第２系統とで、スイッチング素子温度は両者の最大値が、スイッチング素子を流れる電流は両者の和が、またスイッチング素子の低電位のほうの主電極の電位は最大値が、それぞれ、高圧側および低圧側制御コネクタにおいて、検出される。上記データは制御回路に送信され、その制御回路において、これらデータに基づき、共通の駆動電圧（ゲート電圧）が決められ、制御電極端子に印加される。

上述のように、上記の方式は、第１系統と第２系統とを統合して駆動するものであり、必ずしも両者が同じ状態をいつでも維持するという前提に立つものではない。共通の同じ駆動電圧を制御電極端子に印加された第１系統および第２系統のスイッチング素子は、同じように作動するのではない。状態の良い方のスイッチング素子は、一時的に状態の悪いスイッチング素子の性能をカバーするようにより多くの電流を流すように作動する場合もある。そして、第１系統および第２系統の制御端子の共通化は、両者を区別して制御していた従来の方式において、結果的に両者の制御にそれほど差がなかったこと、たとえば両者の駆動電圧に差を生じていなかったことを考慮すれば、より実用的であるといえる。

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

本発明のパワーモジュールでは、１つの制御コネクタを２つの並列するスイッチング素子の制御端子用に共通化するので、大電流が流れない制御端子の導電路の占有面積を半減でき、その減少した面積を大電流導電経路に利用したり、またパワーモジュールの小型化に利用することができる。また制御コネクタの内部配線により片側の素子用端子のみ逆配列とすることにより、１種類のスイッチング素子により、スイッチング素子の購入コストを増大させることなく、制御コネクタの共通化を実現することが可能となる。

本発明の実施の形態におけるパワーモジュールを示す図である。図１のパワーモジュールの部分を示す図である。本発明の実施の形態における１つの制御コネクタを共通とする２個のスイッチング素子を示す図である。本発明の別の実施の形態における１つの制御コネクタを共通とする２個のスイッチング素子を示す図である。図４の構成を可能にする制御コネクタを説明するための図である。図４の構成を可能にする別の視点に立つ制御コネクタを説明するための図である。図１のパワーモジュールの配線図である。

符号の説明

１金属板、１０パワーモジュール、１６絶縁被覆配線、１７裸配線（ワイヤ）、２９制御コネクタ、３１，３３ＩＧＢＴ、３１ａＩＧＢＴの表面電極、３２ＦＷＤ、３２ａＦＷＤの表面電極、６１ヒートシンク（冷却板）、６４絶縁層、６５筐体、６７冷却路、Ｒ，Ｔ制御コネクタの素子用端子、Ｓ制御コネクタのターミナル（制御回路接続用端子）、Ｒ_１，Ｔ_１，Ｒ_２，Ｔ_２温度検出端子と接続する素子用端子、Ｓ_１，Ｓ_２，温度検出端子と接続するターミナル、Ｒ_３，Ｔ_３ゲート電極端子と接続する素子用端子、Ｓ_３ゲート電極端子と接続するターミナル、Ｒ_４，Ｔ_４電流検出端子と接続する素子用端子、Ｓ_４電流検出端子と接続するターミナル、Ｒ_５，Ｔ_５エミッタ電極端子と接続する素子用端子、Ｓ_５エミッタ電極端子と接続するターミナル、ａ_１，ａ_２温度検出端子（素子）、ａ_３ゲート電極端子、ａ_４電流検出端子（素子）、ａ_５エミッタ電極端子。

Claims

第１系統の直列接続された高電圧側の第１高圧側スイッチング素子と低電圧側の第１低圧側スイッチング素子、および第２系統の直列接続された高電圧側の第２高圧側スイッチング素子と低電圧側の第２低圧側スイッチング素子を備え、前記第１高圧側スイッチング素子、前記第２高圧側スイッチング素子、前記第１低圧側スイッチング素子および前記第２低圧側スイッチング素子は、いずれも同じ所定数の制御端子を有し、直流電力と交流電力との電力変換を行うパワーモジュールにおいて、
前記第１高圧側スイッチング素子および前記第２高圧側スイッチング素子の制御のために、前記所定数と同じ数のターミナル（制御回路接続用端子）を有する共通の１つの高圧側制御コネクタと、
前記第１低圧側スイッチング素子および前記第２低圧側スイッチング素子の制御のために、前記所定数と同じ数のターミナル（制御回路接続用端子）を有する共通の１つの低圧側制御コネクタとを備えることを特徴とする、パワーモジュール。
前記高圧側制御コネクタは、前記第１高圧側スイッチング素子および第２高圧側スイッチング素子の制御電極端子と接続する共通の１つの高圧側駆動電圧ターミナルを有し、前記低圧側制御コネクタは、前記第１低圧側スイッチング素子および第２低圧側スイッチング素子の制御電極端子と接続する共通の１つの低圧側駆動電圧ターミナルを有することを特徴とする、請求項１に記載のパワーモジュール。