JP2008294338A - Power module, and transport machine equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーモジュールに関し、特に、輸送機器の駆動源として用いられるモータに電力を供給するためのパワーモジュールに関する。また、本発明は、そのようなパワーモジュールを備えた輸送機器にも関する。 The present invention relates to a power module, and more particularly to a power module for supplying electric power to a motor used as a drive source for transportation equipment. The present invention also relates to a transportation device provided with such a power module.
近年、環境問題やエネルギー問題の観点から電動機(以下では単に「モータ」)を駆動源とする輸送機器が注目されている。また、モータは、内燃機関に比べ、駆動時に発生する動作音が小さいという利点や、外形の設計自由度が大きく、駆動源が必要となる場所に近接して配置することが可能であるという利点を備えている。このため、従来の内燃機関を用いた輸送機器にはない特徴を備えた新しい輸送機器を実現することも可能であり、こうした観点からもモータを用いた輸送機器の開発が進められている。 In recent years, transportation equipment using an electric motor (hereinafter simply referred to as “motor”) as a drive source has attracted attention from the viewpoint of environmental problems and energy problems. In addition, the motor has an advantage that the operation sound generated at the time of driving is smaller than that of the internal combustion engine and an advantage that the degree of freedom of design of the outer shape is large and it can be arranged close to a place where a driving source is required. It has. For this reason, it is also possible to realize a new transportation device having characteristics not found in a transportation device using a conventional internal combustion engine. From this viewpoint, the development of a transportation device using a motor is underway.
モータを備えた輸送機器は、モータに電力を供給し、回転数を制御するためのパワーモジュール(「電力用半導体装置」とも呼ばれる。)を備えている。図16は、従来のパワーモジュール500を含む駆動系を模式的に示す回路図である。図16に示すように、パワーモジュール500は、複数の電力用半導体素子(トランジスタ)513と、トランジスタ513を制御する制御回路551とを含んでいる。各トランジスタ513のゲート電極には、制御回路551に含まれるゲート駆動回路552によって生成された制御信号が印加される。バッテリ501から供給される電力は、パワーモジュール500によって適切な駆動電力に変換され、モータ502へ供給される。バッテリ501は、電圧変動を平滑化するためのコンデンサ540と並列に接続されている。
Transportation equipment including a motor includes a power module (also referred to as a “power semiconductor device”) for supplying electric power to the motor and controlling the number of rotations. FIG. 16 is a circuit diagram schematically showing a drive system including a
図17に、特許文献1に開示されているパワーモジュール600の具体的な構造を示す。パワーモジュール600は、図17に示すように、枠体(ケース)620と、枠体620の内部に収容された基板610とを備えている。
FIG. 17 shows a specific structure of the
枠体620は、熱可塑性樹脂を用いて射出成形により形成されている。枠体620は、筒状の形状を有しており、基板610は、枠体620の下側を塞ぐように配置されている。
The
基板610は、金属ベース板611aと、金属ベース板611aに支持された絶縁層611bと、絶縁層611bの表面に形成された回路パターン上に実装された電力用半導体素子613とを有する。回路パターン上には、他に、回路構成に必要なダイオードや抵抗器等の電子部材615が実装されている。
The
パワーモジュール600は、さらに、電力用半導体素子613や電子部材615と外部回路とを接続するための端子630を備えている。端子630は、図17に示すように、枠体620にインサートされている。つまり、枠体620と端子630とがインサート成形によって一体化されている。インサート成形とは、金型内にインサート品を装填した後、樹脂を注入してインサート品を溶融樹脂で包んで固化させ、一体化した複合部品を作る手法である。端子630は、一端部が枠体620内部の空間に露出し、他端部が外部に露出している。電力用半導体素子613や電子部材615と端子630とはボンディングワイヤ614によって電気的に接続されている。枠体620内には、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂601が充填されている。また、電力用半導体素子613については、枠体620内の全体に充填された樹脂601よりも柔軟性、弾力性に優れた樹脂602で覆われている。
上述したように、特許文献1に開示されているパワーモジュール600では、枠体620と端子630とをインサート成形によって一体化させることによって、端子630が枠体620に固定されている。
As described above, in the
しかしながら、インサート成形を行うための金型は複雑で高精度の仕様であるので、非常に高価である。そのため、製造個数がさほど多くない(例えば10万個以下)場合には、金型償却費が高額となり、製品単価を引き上げる要因となる。また、開発段階では設計変更の度に金型の変更が必要となるので、金型が高価であると金型費が嵩んでしまう。このように、インサート成形によって端子が枠体に固定された構成を採用すると、パワーモジュールの製造コストが増加し、生産性が低下してしまう。 However, the mold for performing insert molding is complicated and highly accurate, and is very expensive. Therefore, when the number of manufactured products is not so large (for example, 100,000 or less), the mold amortization cost becomes high, which increases the unit price of the product. In addition, since the mold needs to be changed every time the design is changed in the development stage, the mold cost increases if the mold is expensive. Thus, when the structure which the terminal was fixed to the frame by insert molding is employ | adopted, the manufacturing cost of a power module will increase and productivity will fall.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、低コストで製造できる生産性の高いパワーモジュールおよびそれを備えた輸送機器を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a highly productive power module that can be manufactured at low cost and a transport device including the power module.
本発明によるパワーモジュールは、複数の電力用半導体素子を含む基板と、前記基板を収容する枠体と、前記枠体とは別体に形成され、前記複数の電力用半導体素子のいずれかに電気的に接続された端子と、前記端子を前記枠体に固定する固定手段と、を備える。 A power module according to the present invention is formed separately from a substrate including a plurality of power semiconductor elements, a frame body that accommodates the substrate, and the frame body, and is electrically connected to any of the plurality of power semiconductor elements. Connected terminals, and fixing means for fixing the terminals to the frame.
ある好適な実施形態において、前記端子は板状である。 In a preferred embodiment, the terminal has a plate shape.
ある好適な実施形態において、本発明によるパワーモジュールは、電源から供給される電圧を平滑化するコンデンサをさらに備える。 In a preferred embodiment, the power module according to the present invention further includes a capacitor for smoothing a voltage supplied from a power source.
ある好適な実施形態において、前記端子は、その一端部と他端部との間に、前記コンデンサとの電気的な接続を行うための接続部を有する。 In a preferred embodiment, the terminal has a connection portion for making an electrical connection with the capacitor between one end portion and the other end portion thereof.
ある好適な実施形態において、前記枠体は、前記基板を収容する第1の空間と、前記コンデンサを収容する第2の空間とを含んでいる。 In a preferred embodiment, the frame includes a first space that houses the substrate and a second space that houses the capacitor.
ある好適な実施形態において、前記枠体は、前記基板および前記コンデンサを共通に収容する空間を含んでいる。 In a preferred embodiment, the frame includes a space for commonly housing the substrate and the capacitor.
ある好適な実施形態において、本発明によるパワーモジュールは、前記複数の電力用半導体素子を制御する回路を含む制御基板をさらに備え、前記制御基板は前記枠体の内部に収容されている。 In a preferred embodiment, the power module according to the present invention further includes a control board including a circuit for controlling the plurality of power semiconductor elements, and the control board is accommodated in the frame.
ある好適な実施形態において、前記固定手段は、前記枠体自体に形成された構造および前記端子自体に形成された構造の少なくとも一方を含む。 In a preferred embodiment, the fixing means includes at least one of a structure formed on the frame body and a structure formed on the terminal itself.
ある好適な実施形態において、前記固定手段は、前記枠体の表面に形成された溝を含む。 In a preferred embodiment, the fixing means includes a groove formed on the surface of the frame.
ある好適な実施形態において、前記溝を規定する複数の面は、逆テーパ状の側面を含む。 In a preferred embodiment, the plurality of surfaces defining the groove include reverse tapered side surfaces.
ある好適な実施形態において、前記固定手段は、前記溝内に形成された突起を含む。 In a preferred embodiment, the fixing means includes a protrusion formed in the groove.
ある好適な実施形態において、前記固定手段は、前記端子の端部に形成された板ばねを含む。 In a preferred embodiment, the fixing means includes a leaf spring formed at an end portion of the terminal.
ある好適な実施形態において、前記固定手段は、前記枠体の表面に形成された突起と、前記端子に形成され前記突起に嵌合する開口部とを含む。 In a preferred embodiment, the fixing means includes a protrusion formed on the surface of the frame body and an opening formed on the terminal and fitted into the protrusion.
ある好適な実施形態において、前記固定手段は、前記枠体および前記端子とは別個に設けられた部材を含む。 In a preferred embodiment, the fixing means includes a member provided separately from the frame and the terminal.
ある好適な実施形態において、前記固定手段は、前記枠体と前記端子とを互いに接着する接着部材を含む。 In a preferred embodiment, the fixing means includes an adhesive member that adheres the frame and the terminal to each other.
ある好適な実施形態において、前記固定手段は、前記枠体と前記端子とを互いに機械的に結合する機械的結合部材を含む。 In a preferred embodiment, the fixing means includes a mechanical coupling member that mechanically couples the frame and the terminal to each other.
ある好適な実施形態において、本発明による輸送機器は、上記構成を有するパワーモジュールを備える。 In a preferred embodiment, a transportation device according to the present invention includes a power module having the above-described configuration.
本発明によるパワーモジュールでは、端子が枠体とは別体に形成されており、固定手段によって枠体に固定されている。従って、枠体を成形するための金型は、インサート成形に用いられるような複雑な仕様で非常に高価なものである必要はなく、単純な仕様で比較的安価なものであってよい。そのため、製造個数がさほど多くない場合であっても金型償却費を低額にでき、金型償却費に起因した製品単価の上昇を抑制することができる。また、開発段階で設計変更の度に金型の変更が必要となっても、金型費を低廉にできる。このように、本発明によると、パワーモジュールの製造コストを削減し、生産性を向上させることができる。つまり、本発明によるパワーモジュールは、低コストで製造でき、生産性が高い。 In the power module according to the present invention, the terminal is formed separately from the frame, and is fixed to the frame by a fixing means. Therefore, the mold for forming the frame body does not need to be very expensive with a complicated specification used for insert molding, and may be a simple specification and relatively inexpensive. Therefore, even when the number of manufactured products is not so large, the mold amortization cost can be reduced, and an increase in the product unit price due to the mold amortization cost can be suppressed. Moreover, even if it is necessary to change the mold every time the design is changed at the development stage, the mold cost can be reduced. Thus, according to the present invention, the manufacturing cost of the power module can be reduced and the productivity can be improved. That is, the power module according to the present invention can be manufactured at low cost and has high productivity.
端子は板状であることが好ましい。板状の端子は、大電力の供給に適し、成形も容易である。また、端子の端部を基板に接合する(例えば基板に半田付けする)場合には、接合面積をかせぎやすい。 The terminal is preferably plate-shaped. The plate-like terminal is suitable for supplying high power and can be easily molded. Further, when the end portion of the terminal is bonded to the substrate (for example, soldered to the substrate), the bonding area is easily increased.
本発明によるパワーモジュールは、電源から供給される電圧を平滑化するコンデンサをさらに備えることが好ましい。コンデンサがパワーモジュールに内蔵されていることにより、コンデンサまで含めた装置サイズを小さくすることができる。また、電力用半導体素子とコンデンサ取付点との間の配線長を短くできるので、コンデンサの一方の端子から他方の端子に至る回路のインダクタンスを小さくでき、電力用半導体素子がスイッチングする際に発生するノイズ(サージ電圧)を低減できる。そのため、電力用半導体素子の定格電圧に比べ印加電圧が十分に小さくなって電力用半導体素子の故障率が低下するので、信頼性が向上する。また、印加電圧が小さくなるので、より低い定格電圧の電力用半導体素子の使用が可能となる。定格電圧の低い電力用半導体素子は一般的に電力損失が小さく、低コストであるため、パワーモジュール全体での電力損失も低減でき、コストも低減できる。 The power module according to the present invention preferably further includes a capacitor for smoothing the voltage supplied from the power source. Since the capacitor is built in the power module, the size of the device including the capacitor can be reduced. In addition, since the wiring length between the power semiconductor element and the capacitor attachment point can be shortened, the inductance of the circuit from one terminal of the capacitor to the other terminal can be reduced, which occurs when the power semiconductor element is switched. Noise (surge voltage) can be reduced. Therefore, the applied voltage is sufficiently smaller than the rated voltage of the power semiconductor element and the failure rate of the power semiconductor element is reduced, so that the reliability is improved. In addition, since the applied voltage is reduced, it is possible to use a power semiconductor element having a lower rated voltage. A power semiconductor element having a low rated voltage generally has low power loss and low cost. Therefore, the power loss of the entire power module can be reduced, and the cost can be reduced.
パワーモジュールがコンデンサを内蔵する場合には、例えば、端子がその一端部と他端部との間に、コンデンサとの電気的な接続を行うための接続部を有することにより、電力用半導体素子とコンデンサ取付点との間の配線長を短くできる。 When the power module has a built-in capacitor, for example, the terminal has a connecting portion for making an electrical connection with the capacitor between one end and the other end of the power module. The wiring length between the capacitor mounting points can be shortened.
枠体が、基板を収容する第1の空間とコンデンサを収容する第2の空間とを含んでいる構成を採用すると、パワーモジュールの鉛直方向(基板の主面に直交する方向)のサイズ(つまり高さ)を小さくできる。 When adopting a configuration in which the frame includes a first space that accommodates the substrate and a second space that accommodates the capacitor, the size of the power module in the vertical direction (the direction perpendicular to the main surface of the substrate) (that is, the direction) (Height) can be reduced.
また、枠体が、基板およびコンデンサを共通に収容する空間を含んでいる構成を採用すると、パワーモジュールの水平方向(基板の主面が広がる方向)のサイズを小さくできる。 Further, when the frame body adopts a configuration including a space that commonly accommodates the substrate and the capacitor, the size of the power module in the horizontal direction (direction in which the main surface of the substrate expands) can be reduced.
本発明によるパワーモジュールは、複数の電力用半導体素子を制御する回路を含む制御基板をさらに備えてもよい。典型的には、制御基板も枠体の内部に収容される。 The power module according to the present invention may further include a control board including a circuit for controlling a plurality of power semiconductor elements. Typically, the control board is also housed inside the frame.
端子を枠体に固定する固定手段は、例えば、枠体自体に形成された構造および端子自体に形成された構造の少なくとも一方を含んでいる。 The fixing means for fixing the terminal to the frame includes, for example, at least one of a structure formed on the frame itself and a structure formed on the terminal itself.
枠体自体に形成された構造は、例えば、枠体の表面に形成された溝である。このような溝に端子を嵌合させることにより、端子を枠体に固定することができる。溝を規定する複数の面が逆テーパ状の側面を含んでいたり、溝内に突起が形成されていたりすると、端子をより強固に固定することができる。 The structure formed in the frame itself is, for example, a groove formed on the surface of the frame. By fitting the terminal in such a groove, the terminal can be fixed to the frame. If the plurality of surfaces defining the groove include reverse tapered side surfaces or protrusions are formed in the groove, the terminal can be more firmly fixed.
端子自体に形成された構造は、例えば、端子の端部に形成された板ばねである。板ばねを含む端子が、枠体を板ばねの弾性力を利用して挟持することにより、端子を枠体に固定することができる。 The structure formed in the terminal itself is, for example, a leaf spring formed at the end of the terminal. The terminal including the leaf spring clamps the frame body using the elastic force of the leaf spring, whereby the terminal can be fixed to the frame body.
また、枠体の表面に形成された突起(枠体自体に形成された構造である)と、端子に形成され突起に嵌合する開口部(端子自体に形成された構造である)とを組み合わせて用いてもよい。枠体の突起と端子の開口部とを互いに嵌合させることにより、端子を枠体に固定することができる。 Also, the projections formed on the surface of the frame (the structure formed on the frame itself) are combined with the openings formed on the terminals and fitted into the projections (the structure formed on the terminals themselves). May be used. The terminal can be fixed to the frame by fitting the projection of the frame and the opening of the terminal.
固定手段は、あるいは、枠体および端子とは別個に設けられた部材を含んでもよい。 Alternatively, the fixing means may include a member provided separately from the frame and the terminal.
枠体および端子とは別個に設けられた部材は、例えば、枠体と端子とを互いに接着する接着部材である。接着剤層や接着テープなどの接着部材を用いて枠体と端子とを接着することにより、端子を枠体に固定することができる。 The member provided separately from the frame and the terminal is, for example, an adhesive member that bonds the frame and the terminal to each other. The terminal can be fixed to the frame by bonding the frame and the terminal using an adhesive member such as an adhesive layer or an adhesive tape.
枠体および端子とは別個に設けられた部材は、あるいは、枠体と端子とを互いに機械的に結合する機械的結合部材である。ビスやリベットなどの機械的結合部材を用いて枠体と端子とを機械的に結合させることにより、端子を枠体に固定することができる。 The member provided separately from the frame and the terminal is a mechanical coupling member that mechanically couples the frame and the terminal to each other. By mechanically coupling the frame and the terminal using a mechanical coupling member such as a screw or a rivet, the terminal can be fixed to the frame.
本発明によるパワーモジュールは、低コストで製造でき、生産性が高いので、各種の輸送機器に好適に用いられる。 Since the power module according to the present invention can be manufactured at low cost and has high productivity, it is suitably used for various types of transportation equipment.
本発明によると、低コストで製造できる生産性の高いパワーモジュールおよびそれを備えた輸送機器が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power module with high productivity which can be manufactured at low cost, and a transport apparatus provided with the same are provided.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
まず、図1を参照しながら、本実施形態におけるパワーモジュール(電力用半導体装置)100が用いられる輸送機器の駆動系の概略を説明する。図1は、パワーモジュール100を含む駆動系を模式的に示す回路図である。
First, an outline of a drive system of a transportation device in which the power module (power semiconductor device) 100 according to the present embodiment is used will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a circuit diagram schematically showing a drive system including the
図1に示す駆動系は、パワーモジュール100と、パワーモジュール100に電力を供給するバッテリ101と、パワーモジュール100によって駆動されるモータ102とを含んでいる。
The drive system shown in FIG. 1 includes a
バッテリ101は、パワーモジュール100に電気的に接続されており、電圧を平滑化するためのコンデンサ40と並列に接続されている。後に詳しく説明するように、コンデンサ40は、パワーモジュール100に搭載されている。
The
本実施形態におけるモータ102は、ブラシレスDCモータである。モータ102の3つの端子に位相が120度ずつ異なる3相交流電流を印加することにより、モータ102が回転駆動される。
The
パワーモジュール100は、バッテリ101から電力を受け取り、モータ102を回転させるのに適した駆動電力を生成する。上述したようにモータ102は3相交流電流により駆動されるので、パワーモジュール100は、バッテリ101から供給される直流電流から3相交流電流を生成する。このために、パワーモジュール100には、それぞれが直列接続された2つの電界効果型トランジスタ(FET)13からなる3つの電流経路が形成されている。すなわち、パワーモジュール100は、電力用半導体素子(電流の供給を制御するためのスイッチング動作を行う半導体素子)として6つの電界効果型トランジスタ13を含んでいる。
The
本実施形態では、MOS型の電界効果型トランジスタ(以下では単に「トランジスタ」と称する。)を電力用半導体素子(スイッチング素子)として用いるが、バイポーラトランジスタなどの他のトランジスタを用いてもよい。また、トランジスタ以外にダイオードやサイリスタなど大電流を印加することができる他の電力用半導体素子を用いてもよい。電力用半導体素子は、狭義には、モータ駆動用半導体スイッチング素子である。 In the present embodiment, a MOS field effect transistor (hereinafter simply referred to as “transistor”) is used as a power semiconductor element (switching element), but other transistors such as a bipolar transistor may be used. In addition to transistors, other power semiconductor elements that can apply a large current, such as diodes and thyristors, may be used. The power semiconductor element is a semiconductor switching element for driving a motor in a narrow sense.
各トランジスタ13のゲート電極には、制御回路51に含まれるゲート駆動回路52によって生成された制御信号が印加され、制御信号に基づき各FETがスイッチング動作を行う。例えば、パルス幅変調(PWM)による周波数で高速にスイッチングされ、これにより、3相交流電流が生成され、モータ102に供給される。
A control signal generated by the gate drive circuit 52 included in the
次に、図2(a)および(b)を参照しながら、パワーモジュール100の具体的な構成を説明する。図2(a)および(b)は、パワーモジュール100を模式的に示す断面図および上面図である。
Next, a specific configuration of the
パワーモジュール100は、図2(a)および(b)に示すように、複数のトランジスタ(電力用半導体素子)13を含む基板(電力回路基板)10と、基板10を内部に収容する枠体(ケース)20と、それぞれが複数のトランジスタ13のいずれかに電気的に接続された複数の端子30とを備えている。パワーモジュール100は、さらに、電源であるバッテリ101から供給される電圧を平滑化するコンデンサ40と、トランジスタ13を制御する回路(制御回路)51を含む制御基板50とを備えている。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
基板10は、絶縁性の表面を有する板状部材11を含んでいる。本実施形態では、この板状部材11は、ベース基板11aと、ベース基板11aの表面上に設けられた絶縁層11bとを有する。ベース基板11aは、例えばアルミニウムから形成されており、絶縁層11bは、例えばエポキシ樹脂から形成されている。
The
パワーモジュール100では、トランジスタ13や配線に大電流が流れることによって大きな熱が生じるので、生じた熱を板状部材11を介してパワーモジュール100の外部へ放散できるよう、板状部材11は熱伝導性に優れていることが好ましい。絶縁層11bは一般に熱伝導性が低いため、絶縁層11bを絶縁性を確保できる程度に薄くし、ベース基板11aを基板10の強度を確保できる十分な厚さにすることが好ましい。熱伝導性および構造材としての強度の観点からは、金属基板をベース基板11aとして用いることが好ましい。あるいは、絶縁性および熱伝導性の両方に優れた材料を用いて板状部材11を形成してもよい。
In the
絶縁層11b上(つまり板状部材11の絶縁性表面上)には導電性パターン12が形成されている。導電性パターン12は、例えば銅箔である。導電性パターン12上に、トランジスタ13が設けられている。トランジスタ13は、そのドレイン電極が導電性パターン12に接触するよう導電性パターン12に半田付けされている。
A
枠体20は、樹脂(例えばPBT、PPS等の熱可塑性樹脂)から形成されている。枠体20は、基板10を収容する第1の空間21と、コンデンサ40を収容する第2の空間22とを含んでいる。第1の空間21は、枠体20の側壁部20aによって筒状に包囲された空間であり、上側および下側が開放されている。基板10は、第1の空間21の下側を塞ぐように収容されている。一方、第2の空間22は、枠体20の側壁部20aおよび底部20bによって袋状に包囲された空間であり、コンデンサ40は枠体20の底部20b上に載置されている。
The
端子30は、枠体20とは別体に形成されている。つまり、本実施形態では、端子30は枠体20にインサートされておらず、端子30と枠体20とをインサート成形により一体化する構成は採用されていない。端子30は、りん青銅や黄銅などの金属材料から形成されている。
The terminal 30 is formed separately from the
本実施形態における端子30は、板状であり、基板10や枠体20の表面に沿うように屈曲している。端子30とトランジスタ13とは、ワイヤ14および/または導電性パターン12によって電気的に接続されている。ワイヤ14は、例えばアルミニウムから形成されている。複数の端子30は、バッテリ101に電気的に接続される電力用端子30Aと、制御基板50の制御回路51に電気的に接続される信号用端子30Bとを含んでいる。枠体20の上部には、電力用端子30Aと外部配線との電気的な接続を行うための孔20cが設けられており、この孔20c内にはめ込まれたナット23を用いたねじ止めにより、電力用端子30Aとバッテリ101との電気的な接続が行われる。勿論、電力用端子30Aとバッテリ101との電気的な接続を確保する手法はこれに限定されるものではない。
The
コンデンサ40は、例えば電解コンデンサである。図2(a)および(b)には、円柱状のコンデンサ40を例示している。既に述べたように、電力用端子30Aと外部配線とは、枠体20の上部において(つまり電力用端子30Aの一端部において)接続されている。これに対し、コンデンサ40は、図2(a)に示すように、より基板10に近い位置で電力用端子30Aと接続されている。すなわち、電力用端子30Aは、その一端部と他端部との間(枠体20の側壁部20aに沿った部分)に、コンデンサ40との電気的な接続を行うための接続部31を有する。
The
接続部31は、コンデンサ40の底面から突出した端子(「コンデンサ端子」と呼ぶ。)41と接続されている。コンデンサ端子41は、枠体20の側壁部(より具体的には第1の空間21と第2の空間22とを隔てる側壁部)20aを貫通するように設けられており、電力用端子30Aの接続部31とは溶接や半田付けにより接合されている。本実施形態における2つの電力用端子30Aは、ほぼ同じ高さに接続部31を有している。
The connecting
制御基板50上には、トランジスタ13を制御するための制御回路51が形成されている。制御基板50は、枠体20の内部に収容されており、より具体的には、上方から見たときに基板10と重なるように、第1の空間21内に収容されている。制御基板50は、枠体20に設けられた突起などによって支持されている。
A
基板10および制御基板50を収容する第1の空間21には、防水および振動対策を目的として樹脂(例えばウレタン樹脂)1が充填されている。また、トランジスタ13に接続されたワイヤ14を振動等から保護するために、トランジスタ13およびトランジスタ13に接続されたワイヤ14は、異なる樹脂(例えばエポキシ樹脂)2で局所的に封止されている。
The
本実施形態におけるパワーモジュール100の端子30は、既に述べたように枠体20とは別体に形成されており、パワーモジュール100は、端子30を枠体20に固定する固定手段を備えている。以下、固定手段の具体例を説明する。
The terminal 30 of the
固定手段は、例えば、図3(a)および(b)に示すような、枠体20の表面に形成された溝24である。図3(a)は、電力用端子30Aを固定するための溝24を示し、図3(b)は、信号用端子30Bを固定するための溝24を示している。溝24は、枠体20の側壁部20aの内側表面に、上下方向に延びるように形成されている。各溝24は、底面24aと2つの側面24bおよび24cとによって規定されており、各溝24を規定する複数の面は、逆テーパ状に形成された側面24cを含んでいる。そのため、溝24の幅は、溝24の底部から上部に向かうにつれてわずかに狭くなっている。なお、ここでは、2つの側面24bおよび24cの一方のみが逆テーパ状に形成されている例を図示しているが、両方の側面を逆テーパ状に形成してもよい。これらの溝24に、図4(a)および(b)に示すように電力用端子30Aおよび信号用端子30Bを嵌合させることにより、枠体20に端子30が固定される。
The fixing means is, for example, a
上述したように、本実施形態におけるパワーモジュール100では、端子30が枠体20とは別体に形成されており、固定手段(例えば上述した溝24)によって枠体20に固定されている。従って、枠体20を成形するための金型は、インサート成形に用いられるような複雑な仕様で非常に高価なものである必要はなく、単純な仕様で比較的安価なものであってよい。そのため、製造個数がさほど多くない場合であっても金型償却費を低額にでき、金型償却費に起因した製品単価の上昇を抑制することができる。また、開発段階で設計変更の度に金型の変更が必要となっても、金型費を低廉にできる。このように、本実施形態のパワーモジュール100のような構成を採用することにより、製造コストを削減し、生産性を向上させることができる。つまり、本実施形態のパワーモジュール100は、低コストで製造でき、生産性が高い。
As described above, in the
図3(a)および(b)に示した溝24を規定する複数の面は、逆テーパ状に形成された側面24cを含んでおり、溝24の幅は、溝24の底部から上部に向かうにつれて狭くなっている。そのため、端子30をより強固に固定することができる。
A plurality of surfaces defining the
また、図5(a)および(b)に示すように、溝24内に突起25を形成してもよい。突起25は、2つの側面24bから溝24の幅方向中央に向かって突出している。このような溝24に図6(a)および(b)に示すように端子30を嵌合させることによっても、強固な固定を行うことができる。
Further, as shown in FIGS. 5A and 5B, a
端子30は、板状であることが好ましい。板状の端子30は、大電力の供給に適し、成形も容易である。また、端子30の端部を基板10に接合する(例えば基板10に半田付けする)場合には、接合面積をかせぎやすい。
The terminal 30 is preferably plate-shaped. The plate-
続いて、固定手段の他の具体例を説明する。 Subsequently, another specific example of the fixing means will be described.
固定手段として、図7(a)および(b)に示すような、端子30の端部に形成された板ばね32を用いてもよい。板ばね32を含む端子30が、枠体20を板ばね32の弾性力を利用して挟持することにより、端子30の枠体20への固定が行われる。板ばね32は、例えば端子30の他の部分と一体に形成されており、高弾性の金属材料を用いて端子30を形成することにより、板ばね32を端部に含む端子30が得られる。
As the fixing means, a
また、固定手段として、図8(a)および(b)に示すような、枠体20の表面に形成された突起26と、この突起26に嵌合するように端子30に形成され開口部33とを用いてもよい。枠体20の突起26と端子30の開口部33とが互いに嵌合することにより、端子30が枠体20に固定される。ここでは、1つの端子30につき2つの突起26および2つの開口部33を設けているが、突起26および開口部33の個数はこれに限定されるものではない。
Further, as a fixing means, as shown in FIGS. 8A and 8B, a
図7に示した板ばね32や図8に示した突起26および開口部33は、枠体20の表面に形成された溝(端子30を収容し得る溝)とともに用いてもよいし、そのような溝と組み合わせることなく用いてもよいが、端子30をより強固に固定して位置ずれを防止する観点からは、図7(b)および図8(b)に示しているように、溝とともに用いることが好ましい。
The
上述した固定手段は、枠体20自体に形成された構造(溝24や突起25、26)および端子30自体に形成された構造(板ばね32や開口部33)の少なくとも一方を含んでいるが、固定手段として、枠体20および端子30とは別個に設けられた部材を用いてもよい。
The fixing means described above includes at least one of a structure (groove 24 and
そのような部材として、例えば、図9に示すような、枠体20と端子30とを互いに接着する接着部材60を用いることができる。接着部材60は、例えば、枠体20の表面または端子30の表面に接着剤を塗布することによって形成された接着剤層や、基材の両面に粘着剤を塗布することによって形成された接着テープ(接着シート)である。
As such a member, for example, an
あるいは、枠体20と端子30とを互いに機械的に結合する機械的結合部材を用いることもできる。機械的結合部材は、例えば、図10(a)および(b)に示すようなビス62や、図11(a)および(b)に示すようなリベット64である。ここでは、1つの端子30につき2つのビス62や2つのリベット64を設けているが、ビス62およびリベット64の個数はこれに限定されるものではない。また、機械的結合部材として、ボルトとナットとを組み合わせて用いてもよい。
Alternatively, a mechanical coupling member that mechanically couples the
図9に示した接着部材60や図10および図11に示した機械的結合部材は、枠体20の表面に形成された溝(端子30を収容し得る溝)とともに用いてもよいし、そのような溝と組み合わせることなく用いてもよいが、端子30をより強固に固定して位置ずれを防止する観点からは、図9、図10(b)および図11(b)に示しているように、溝とともに用いることが好ましい。
The
上述したように、固定手段としては、種々の構造や部材を用いることができるので、それぞれの構造や部材の利点を考慮して適宜選択すればよい。図3や図5に示したような枠体20の表面に形成された溝24を用いると、端子30は単純な形状であってよく、端子30に特別な加工を行う必要がない。図7に示したような端子30の端部に形成された板ばね32を用いると、枠体20が単純な形状であってよい。図8に示したような枠体20の表面に形成された突起26と突起26に嵌合するように端子30に形成された開口部33とを用いる場合には、端子30が比較的単純な形状(開口部33を形成するだけなので)であってよい。
As described above, since various structures and members can be used as the fixing means, the fixing means may be appropriately selected in consideration of the advantages of the respective structures and members. When the
また、図9に示すような枠体20と端子30とを互いに接着する接着部材60を用いる場合には、枠体20および端子30には固定のための構造を形成する必要がないので、枠体20および端子30の両方を単純な形状とすることができる。図10および図11に示したような機械的結合部材を用いる場合には、枠体20および端子30を単純な形状とできるし、また、結合力が強く、信頼性が高いという利点も得られる。
Further, when the
本実施形態におけるパワーモジュール100は、図1および図2に示したように、コンデンサ40を備えている。つまり、コンデンサ40がパワーモジュール100に内蔵されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
これに対し、図16や図17に示した従来のパワーモジュールでは、コンデンサはパワーモジュールの外部に配置される。そのため、コンデンサまで含めた装置サイズが大きくなってしまう。また、電力用半導体素子とコンデンサ取付点との間の配線長が長くなるので、回路のインダクタンスが大きくなり、電力用半導体素子がスイッチングする際に発生するノイズが大きくなるという不具合も発生する。 On the other hand, in the conventional power module shown in FIGS. 16 and 17, the capacitor is arranged outside the power module. This increases the size of the device including the capacitor. Further, since the wiring length between the power semiconductor element and the capacitor attachment point becomes long, the inductance of the circuit becomes large, and there is a problem that noise generated when the power semiconductor element is switched increases.
本実施形態では、電源から供給される電圧を平滑化するコンデンサ40がパワーモジュール100に内蔵されているので、コンデンサ40まで含めた装置サイズを小さくすることができる。また、トランジスタ(電力用半導体素子)13とコンデンサ40取付点との間の配線長を短くできる(例えば端子30の一端部と他端部との間に設けた接続部31において接続が行われる)ので、コンデンサ40の一方の端子41から他方の端子41に至るまでの回路のインダクタンスを小さくでき、トランジスタ13がスイッチングする際に発生するノイズ(サージ電圧)を低減できる。そのため、トランジスタ13の定格電圧に比べ印加電圧が十分に小さくなってトランジスタ13の故障率が低下するので、信頼性が向上する。また、印加電圧が小さくなるので、より低い定格電圧の電力用半導体素子の使用が可能となる。定格電圧の低い電力用半導体素子は一般的に電力損失が小さく、低コストであるため、パワーモジュール100全体の電力損失も低減でき、コストをいっそう低減できる。
In the present embodiment, since the
なお、第2の空間22へのコンデンサ40の収容の仕方は、図2に示した構成に限定されるものではない。コンデンサ40を収容する他の構成の一例を図12(a)および(b)に示す。図2(a)および(b)に示した構成では、比較的小径で長いコンデンサ40が横向きに(つまり底面および頂面が側壁部20aに対向し、側面が底部20bに対向するように)収容されている。これに対し、図12(a)および(b)に示す構成では、比較的大径で短い(つまりより扁平な)コンデンサ40が縦向きに(つまり側面が側壁部20aに対向し、底面が底部20bに対向するように)収容されている。第2の空間22を規定する側壁部20aは、コンデンサ40の側面形状に沿うように湾曲している。また、下方に突出するコンデンサ端子41は、側壁部20aを貫通するように設けられた導電性部材42を介して電力用端子30Aの接続部31に電気的に接続されている。
Note that the method of accommodating the
また、枠体20は、基板10を収容する第1の空間21とコンデンサ40を収容する第2の空間22とを必ずしも含んでいる必要はなく、図13(a)および(b)に示すように、基板10およびコンデンサ40を共通に収容する空間27を含んでいてもよい。図13(a)および(b)に示す構成では、枠体20は、図2に示した第2の空間22を含んでおらず、基板10とコンデンサ40とを同じ(単一の)空間27に収容している。コンデンサ40は、具体的には、電力回路基板10と制御基板50との間に配置されている。
Further, the
図13(a)および(b)に示したように、枠体20が基板10およびコンデンサ40を共通に収容する空間27を含んでいる構成は、パワーモジュール100の水平方向(基板10や制御基板50の主面が広がる方向)のサイズを小さくできるという利点がある。
As shown in FIGS. 13A and 13B, the configuration in which the
一方、図2(a)および(b)に示したように、枠体20が基板10を収容する第1の空間21とコンデンサ40を収容する第2の空間22とを含んでいる構成は、パワーモジュール100の鉛直方向(基板10や制御基板50の主面に直交する方向)のサイズ(つまり高さ)を小さくできるという利点がある。
On the other hand, as shown in FIGS. 2A and 2B, the configuration in which the
また、パワーモジュール100は、図14(a)、(b)および(c)に示すように、複数のコンデンサ40を備えてもよい。ここでは、2つのコンデンサ40が第2の空間22内に収容されている構成を例示している。パワーモジュール100が複数のコンデンサ40を内蔵することにより、静電容量が増大し、出力電流が大きい場合でも電圧変動を好適に抑制することができる。各コンデンサ40の2つのコンデンサ端子41は、図14(a)に示すように鉛直方向に沿って並んでおり、電力用端子30Aの水平方向に延びるように分岐した部分34に接続されている。
Further, the
本実施形態におけるパワーモジュール100は、モータを駆動源として備える種々の輸送機器に好適に用いられる。図15に、本実施形態におけるパワーモジュール100を備えた電動車両430を示す。
The
電動車両430は、ゴルフ場においてゴルフバッグなどの荷物や人員を搬送するために用いられるカートである。電動車両430は、走行駆動用モータ431と、これによって駆動される2個の後輪432と、手動または自動で操舵される前輪434とを備えている。走行駆動用モータ431の駆動力は、図示しないトランスミッションを介して後輪432に伝達される。前輪434は、ハンドル435の手動操作または自動操作により操舵される。
The
前側シート436および後側シート437が前後に設けられている。前側シート436の下方には充電用コントローラ438およびブレーキモータ439が設けられている。後側シート437の下方には走行駆動用モータ431の電源となる走行駆動用バッテリ装置440が設けられている。走行駆動用バッテリ装置440は、直列に接続された計6個(片側の3個のみを図示している)のバッテリ441を有している。これらのバッテリ441は隙間が設けられた状態で受座442上に載置されている。
A
走行駆動用モータ431の上側には走行制御用コントローラ443が設けられている。走行制御用コントローラ443は、走行駆動用バッテリ装置440、走行駆動用モータ431、ブレーキモータ439および操舵モータ444に接続されており、これらを制御する。走行制御用コントローラ443および走行駆動用モータ431は2個の後輪432の間に配置されている。
A
上述したパワーモジュール100は、走行制御用コントローラ443内部に設置され、バッテリ441から直流電流の供給を受け、これを交流電流に変換する。パワーモジュール100からの交流電流は走行駆動用モータ431、ブレーキモータ439および操舵モータ444に供給される。
The
なお、ここでは4輪電動車両を例示したが、電動バイクなどの2輪電動車両であってもよい。また、電動車両以外に、モータを駆動源として荷物や人員を移動させる他の輸送機器であってもよい。 Although a four-wheel electric vehicle is illustrated here, a two-wheel electric vehicle such as an electric motorcycle may be used. In addition to an electric vehicle, other transportation equipment that moves a load or personnel using a motor as a drive source may be used.
本発明によると、低コストで製造できる生産性の高いパワーモジュールが提供される。本発明によるパワーモジュールは、モータを駆動源とする種々の輸送機器に好適に用いられる。 According to the present invention, a highly productive power module that can be manufactured at low cost is provided. The power module according to the present invention is suitably used for various transportation equipment using a motor as a drive source.
1、2 樹脂
10 基板(電力回路基板)
11 板状部材
11a ベース基板
11b 絶縁層
12 導電性パターン
13 トランジスタ(電力用半導体素子)
14 ワイヤ
20 枠体(ケース)
20a 側壁部
20b 底部
20c 孔
21 基板を収容する空間(第1の空間)
22 コンデンサを収容する空間(第2の空間)
23 ナット
24 溝
24a 底面
24b、24c 側面
25 突起
26 突起
27 基板およびコンデンサを収容する空間
30 端子
30A 電力用端子
30B 信号用端子
31 接続部
32 板ばね
33 開口部
40 コンデンサ
50 制御基板
51 制御回路
52 ゲート駆動回路
60 接着部材
62 ビス
64 リベット
100 パワーモジュール(電力用半導体装置)
101 バッテリ
102 モータ
430 電動車両
1, 2
DESCRIPTION OF
14
20a
22 Space for storing capacitors (second space)
23
101
Claims (17)
前記基板を収容する枠体と、
前記枠体とは別体に形成され、前記複数の電力用半導体素子のいずれかに電気的に接続された端子と、
前記端子を前記枠体に固定する固定手段と、
を備えたパワーモジュール。 A substrate including a plurality of power semiconductor elements;
A frame for housing the substrate;
A terminal formed separately from the frame and electrically connected to any of the plurality of power semiconductor elements;
Fixing means for fixing the terminal to the frame;
Power module with
前記制御基板は前記枠体の内部に収容されている、請求項1から6のいずれかに記載のパワーモジュール。 A control board including a circuit for controlling the plurality of power semiconductor elements;
The power module according to claim 1, wherein the control board is accommodated inside the frame.
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