JP2009049049A - Power module and power drive unit - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power module which can be integrated with a constituent member of a current sensor and easily manufactured. <P>SOLUTION: The power module has a heat sink 1, wiring 3 fixed to the heat sink 1 with an adhesive 2, and a switching element connected to the wiring 3. The power module includes a magnetic core 7 which is fixed to the heat sink 1 with the adhesive 2 while fitted outside the wiring 3. The magnetic core 7 is the core of the current sensor detecting a current of the wiring 3. The magnetic core 7 of the current sensor is fixed to the heat sink 1 with the adhesive 2 together with the switching element, thereby mounting the constituent member of the current sensor in a step of manufacturing the power module. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、パワーモジュール及びパワードライブユニットに関する。特に、電流センサと一体化した状態で小型化できるパワーモジュールに関するものである。   The present invention relates to a power module and a power drive unit. In particular, the present invention relates to a power module that can be miniaturized in an integrated state with a current sensor.

電気自動車やハイブリッドカーなどの走行用モータの電力制御には、インバータが利用されている。インバータは、直流電源からの直流を所定の交流に変換し、モータへと供給する。このインバータは、一対のスイッチング素子と一対のダイオードとを接続し、これらスイッチング素子とダイオードの組み合わせを３つ並列に接続して３相のブリッジ回路を構成している。   An inverter is used for power control of a driving motor such as an electric car or a hybrid car. The inverter converts a direct current from a direct current power source into a predetermined alternating current and supplies it to the motor. In this inverter, a pair of switching elements and a pair of diodes are connected, and three combinations of these switching elements and diodes are connected in parallel to form a three-phase bridge circuit.

このインバータを構成するパワーモジュールとして、特許文献1に示すものが知られている。このパワーモジュールは、ヒートシンクの上に、順次、絶縁性接着剤、配線、半田、スイッチング素子が積層して実装されている。   As a power module constituting this inverter, one shown in Patent Document 1 is known. In this power module, an insulating adhesive, wiring, solder, and switching elements are sequentially stacked on the heat sink.

このようなパワーモジュールには、配線に流れる電流を検出する電流センサが取り付けられる（特許文献２）。電流センサは、配線の電流による磁界を誘起させるＣ字状の磁性コアと、このコアの間隙に配されるホール素子と、ホール素子からの信号を増幅するアンプなどを含むセンサ用回路とを備える。通常、電流センサは、パワーモジュールとは別に構成され、磁性コア、ホール素子、センサ用回路が絶縁カバーで一体に覆われている。そして、パワーモジュールから引き出された配線の外側に磁性コアが嵌め込まれるように、電流センサがパワーモジュールに取り付けられる。   Such a power module is provided with a current sensor for detecting a current flowing in the wiring (Patent Document 2). The current sensor includes a C-shaped magnetic core that induces a magnetic field due to the current of the wiring, a Hall element disposed in a gap between the cores, and a sensor circuit including an amplifier that amplifies a signal from the Hall element. . Usually, the current sensor is configured separately from the power module, and the magnetic core, the Hall element, and the sensor circuit are integrally covered with an insulating cover. Then, the current sensor is attached to the power module so that the magnetic core is fitted to the outside of the wiring drawn from the power module.

特開2005-159048号公報JP 2005-159048 A 特開2006-81308号公報JP 2006-81308 A

しかし、従来のパワーモジュールでは、個別に構成した電流センサを取り付けており、パワーモジュールを作製してから、別途パワーモジュールと電流センサとを組み立てなければならない。そのため、パワーモジュールの作製過程で併せて電流センサも作製することができない。また、電流センサを装着した状態のパワーモジュールのサイズが大型化しがちである。さらに、電流センサは、その構成部材を絶縁カバーで覆った一体構成となっているため、構成部材ごとに配置の自由度を選択することができない。   However, in the conventional power module, an individually configured current sensor is attached. After the power module is manufactured, the power module and the current sensor must be assembled separately. Therefore, a current sensor cannot be manufactured together with the power module manufacturing process. In addition, the size of the power module with the current sensor attached tends to increase. Furthermore, since the current sensor has an integral configuration in which its constituent members are covered with an insulating cover, the degree of freedom in arrangement cannot be selected for each constituent member.

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、電流センサの構成部材と一体化でき、容易に製作できるパワーモジュールを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to provide a power module that can be integrated with a component of a current sensor and can be easily manufactured.

また、本発明の他の目的は、上記のパワーモジュールを用いたパワードライブユニットを提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a power drive unit using the above power module.

本発明は、ヒートシンクと、このヒートシンクに接着剤で固定された配線と、この配線に接続されるスイッチング素子とを有するパワーモジュールである。このモジュールにおいて、この配線の外側に嵌めた状態でヒートシンクに接着剤で固定される磁性コアを備え、その磁性コアが配線の電流を検知する電流センサのコアであることを特徴とする。   The present invention is a power module having a heat sink, a wiring fixed to the heat sink with an adhesive, and a switching element connected to the wiring. This module includes a magnetic core that is fixed to the heat sink with an adhesive while being fitted on the outside of the wiring, and the magnetic core is a core of a current sensor that detects a current of the wiring.

この構成によれば、パワーモジュールを作製する過程で、スイッチング素子と共に電流センサの磁性コアを接着剤で固定することができる。   According to this configuration, the magnetic core of the current sensor can be fixed with the adhesive together with the switching element in the process of manufacturing the power module.

本発明のパワーモジュールの一形態として、前記接着剤が絶縁性であることが挙げられる。   One form of the power module of the present invention is that the adhesive is insulative.

この構成によれば、配線とヒートシンクとの電気的絶縁を、絶縁板を用いることなく、確保することができる。   According to this configuration, electrical insulation between the wiring and the heat sink can be ensured without using an insulating plate.

本発明のパワーモジュールの一形態として、スイッチング素子が配線上に配されて、配線と導電接続されていることが挙げられる。   As one form of the power module of the present invention, a switching element is arranged on a wiring and is conductively connected to the wiring.

この構成によれば、スイッチング素子と配線とをボンディングワイヤで接続する必要がなく、配線とスイッチング素子とを並列して両者をボンディングワイヤで接続する場合に比べて素子と配線の配置面積を小さくすることができる。   According to this configuration, it is not necessary to connect the switching element and the wiring with a bonding wire, and the arrangement area of the element and the wiring is reduced as compared with the case where the wiring and the switching element are connected in parallel with the bonding wire. be able to.

本発明のパワーモジュールの一形態として、配線の一部をヒートシンクから離隔し、その離隔箇所の外側に磁性コアを嵌めた状態とすることが挙げられる。   As one form of the power module of the present invention, a part of the wiring is separated from the heat sink, and the magnetic core is fitted on the outer side of the separated part.

この構成によれば、配線に電流が流れた際、配線の外周に発生する磁場を磁性コアに誘起させやすく、磁性コアを電流センサのコアとして好適に利用することができる。   According to this configuration, when a current flows through the wiring, a magnetic field generated at the outer periphery of the wiring can be easily induced in the magnetic core, and the magnetic core can be suitably used as the core of the current sensor.

本発明のパワーモジュールの一形態として、前記配線の離隔箇所を、配線を屈曲することで形成することが挙げられる。   As one form of the power module of the present invention, it is possible to form the separated portion of the wiring by bending the wiring.

この構成によれば、配線の屈曲により、配線の一部をヒートシンクから離隔した箇所を容易に構成できる。   According to this configuration, a portion where a part of the wiring is separated from the heat sink can be easily configured by bending the wiring.

本発明のパワーモジュールの一形態として、前記配線の離隔箇所を、ヒートシンクの表面のうち、配線が固定されている箇所の一部に凹部を設け、その凹部上に配線を張り出させることで形成することが挙げられる。   As one form of the power module of the present invention, the wiring separation part is formed by providing a recess in a part of the surface of the heat sink where the wiring is fixed and projecting the wiring over the recess. To do.

この構成によれば、配線を屈曲させなくても、配線の一部にヒートシンクから離隔した箇所を容易に構成できる。   According to this configuration, a portion separated from the heat sink can be easily configured in a part of the wiring without bending the wiring.

一方、本発明のパワードライブユニットは、上記のパワーモジュールと、スイッチング素子が搭載されたヒートシンクに対向されるパワーモジュールの制御回路基板とを備える。そして、この制御回路基板には、電流センサのセンサ用回路と半導体電流検出素子とが実装されており、この検出素子が磁性コアの間隙の間に配されていることを特徴とする。   On the other hand, a power drive unit of the present invention includes the power module described above and a control circuit board of the power module facing a heat sink on which a switching element is mounted. A sensor circuit for a current sensor and a semiconductor current detection element are mounted on the control circuit board, and the detection element is arranged between the gaps of the magnetic core.

この構成によれば、パワーモジュール、電流センサおよび制御回路基板が一体化されたパワードライブユニットのサイズを小型化することができる。   According to this configuration, the size of the power drive unit in which the power module, the current sensor, and the control circuit board are integrated can be reduced.

本発明のパワーモジュールによれば、ヒートシンクに接着剤でスイッチング素子と共に電流センサの磁性コアを固定することにより、パワーモジュールを作製する過程で、電流センサの構成部材の実装も行うことができる。   According to the power module of the present invention, by fixing the magnetic core of the current sensor together with the switching element to the heat sink with an adhesive, the components of the current sensor can be mounted in the process of manufacturing the power module.

本発明のパワードライブユニットによれば、パワーモジュールの制御回路基板に電流センサのセンサ用回路と半導体電流検出素子とを実装し、ヒートシンク側に電流センサの磁性コアを実装することで、パワードライブユニットを小型化することができる。   According to the power drive unit of the present invention, the power sensor unit and the semiconductor current detection element are mounted on the control circuit board of the power module, and the magnetic core of the current sensor is mounted on the heat sink, thereby reducing the size of the power drive unit. Can be

以下、本発明をより詳しく説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

［パワーモジュール］
＜ヒートシンク＞
ヒートシンクは、スイッチング素子からの熱を放散させるためのもので、熱伝導性の高い材料で構成することが望ましい。高熱伝導性の材料は導電性でも絶縁性でも構わない。 [Power module]
<Heatsink>
The heat sink is for dissipating heat from the switching element, and is preferably composed of a material having high thermal conductivity. The high thermal conductivity material may be conductive or insulating.

導電性材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金や銅、銅合金が挙げられる。ヒートシンクに導電性材料を用いた場合、絶縁性接着剤で配線をヒートシンクに接着する。その他、ヒートシンクにおける配線との界面に無機絶縁層を設けてもよい。この絶縁性接着剤と無機絶縁層の一方または双方により、配線とヒートシンクとの絶縁を確保する。   Examples of the conductive material include aluminum, an aluminum alloy, copper, and a copper alloy. When a conductive material is used for the heat sink, the wiring is bonded to the heat sink with an insulating adhesive. In addition, you may provide an inorganic insulating layer in the interface with the wiring in a heat sink. The insulation between the wiring and the heat sink is ensured by one or both of the insulating adhesive and the inorganic insulating layer.

無機絶縁層としては、例えば、Al2O3、SiO2、SnO2、SOG（スピンオングラス）およびIn2O3よりなる群から選択される１種以上からなる単層または複層が挙げられる。その他、AlN、SiN、SiC、AlSiCなどでもよい。これらの無機絶縁層は、例えば真空蒸着、スパッタリングなどのPVD法や、プラズマCVDなどのCVD法あるいはスプレー法により形成することができる。 Examples of the inorganic insulating layer include a single layer or a multilayer composed of one or more selected from the group consisting of Al 2 O 3 , SiO 2 , SnO 2 , SOG (spin on glass), and In 2 O 3 . In addition, AlN, SiN, SiC, AlSiC, etc. may be used. These inorganic insulating layers can be formed by, for example, a PVD method such as vacuum deposition or sputtering, a CVD method such as plasma CVD, or a spray method.

中でも、アルマイト処理により形成されるAl2O3が無機絶縁層として好適である。Al2O3は公知のアルマイト処理により容易に形成することができる。一般に、このアルマイト皮膜は多数の空孔を有する多孔質の酸化皮膜である。この空孔に絶縁充填材を充填することが好ましい。空孔を顔料などの絶縁充填材で埋めることにより、無機絶縁層の絶縁性能を向上させることができる。 Among these, Al 2 O 3 formed by alumite treatment is suitable as the inorganic insulating layer. Al 2 O 3 can be easily formed by a known alumite treatment. Generally, this alumite film is a porous oxide film having a large number of pores. It is preferable to fill this hole with an insulating filler. By filling the pores with an insulating filler such as a pigment, the insulating performance of the inorganic insulating layer can be improved.

一方、ヒートシンクを構成する高熱伝導性の絶縁性材料としては、AlN、SiN、SiC、AlSiCなどが挙げられる。絶縁性材料を用いた場合、ヒートシンクに直接配線を接合することができる。その接合には、絶縁性接着剤や導電性接着剤が利用できる。   On the other hand, examples of the highly thermally conductive insulating material constituting the heat sink include AlN, SiN, SiC, and AlSiC. When an insulating material is used, the wiring can be directly bonded to the heat sink. For the bonding, an insulating adhesive or a conductive adhesive can be used.

ヒートシンクの形状は、効率的に放熱を行うために、表面積の大きい形状とすることが望ましい。例えば、多数のフィンを有する形状が挙げられる。   The shape of the heat sink is preferably a shape having a large surface area in order to efficiently dissipate heat. For example, the shape which has many fins is mentioned.

また、ヒートシンクは、水冷などの液体冷媒を用いる水冷タイプと、空気などの気体冷媒を用いる空冷タイプの両方が利用できる。液体冷媒を用いる場合、ブロック状のヒートシンク内に冷媒流路を形成すればよい。冷媒流路は、ヒートシンクを均一に冷却できるよう、例えば蛇行状に構成する。一方、空冷タイプの場合、ヒートシンクに多数のフィンを設け、各フィンの間にファンなどで風を送り込み強制空冷すれば、効果的な冷却を行うことができる。   The heat sink can be either a water cooling type using a liquid refrigerant such as water cooling or an air cooling type using a gas refrigerant such as air. When a liquid refrigerant is used, a refrigerant flow path may be formed in a block heat sink. The refrigerant flow path is configured to meander, for example, so that the heat sink can be uniformly cooled. On the other hand, in the case of the air cooling type, if a large number of fins are provided on the heat sink and air is sent between the fins by a fan or the like and forced air cooling is performed, effective cooling can be performed.

＜配線＞
配線は、ヒートシンク上に配されて電流が流される箇所であり、代表的にはインバータへの入力電力または出力電力を通電するための導電部材である。通常、この配線には銅板（例えば厚み1〜3mm）が利用される。銅板の上にNiなどのメッキ層を形成したものでも良い。 <Wiring>
The wiring is a portion that is arranged on the heat sink and through which a current flows, and is typically a conductive member for energizing input power or output power to the inverter. Usually, a copper plate (for example, a thickness of 1 to 3 mm) is used for this wiring. A copper plate with a plated layer of Ni or the like may be used.

この配線は、スイッチング素子が接着される装着部を有する。装着部は配線のうち、スイッチング素子が実装可能なようにスイッチング素子面積以上の面積を有する箇所である。通常、装着部は多角形あるいは円形に構成されることが多い。特に、スイッチング素子からの熱伝導が均等に行われるように、スイッチング素子を中心として外周側に均等に広がる形状が好適である。   This wiring has a mounting portion to which the switching element is bonded. The mounting portion is a portion of the wiring having an area larger than the switching element area so that the switching element can be mounted. Usually, the mounting portion is often configured in a polygonal shape or a circular shape. In particular, a shape that spreads uniformly on the outer peripheral side with the switching element as the center is suitable so that heat conduction from the switching element is performed uniformly.

この装着部の面積は、スイッチング素子の面積の2倍以上であることが好ましい。装着部の面積を大型化することで、スイッチング素子の熱をヒートシンクに伝導するための面積を広げ、スイッチング素子からヒートシンクまでの熱抵抗を小さくして効率的な放熱を行なうことができる。   The area of the mounting part is preferably at least twice the area of the switching element. By enlarging the area of the mounting portion, it is possible to increase the area for conducting the heat of the switching element to the heat sink, and to reduce the thermal resistance from the switching element to the heat sink to perform efficient heat dissipation.

＜スイッチング素子＞
このスイッチング素子には、主としてインバータの入出力電力の制御を行うためにスイッチングを行う素子が含まれる。スイッチング素子の具体例としては、FET、GTO、IGBTなどが挙げられる。 <Switching element>
This switching element mainly includes an element that performs switching in order to control the input / output power of the inverter. Specific examples of the switching element include FET, GTO, and IGBT.

このスイッチング素子は配線上に導電接続する。この接続には、導電性接着剤を用いる。スイッチング素子を配線上に接着剤を介して導電接続することで、スイッチング素子と配線とをボンディングワイヤで接続する必要がなく、配線とスイッチング素子とを並列して両者をボンディングワイヤで接続する場合に比べて素子と配線の配置面積を小さくすることができる。   The switching element is conductively connected on the wiring. A conductive adhesive is used for this connection. When the switching element is conductively connected to the wiring via an adhesive, it is not necessary to connect the switching element and the wiring with a bonding wire, and when the wiring and the switching element are connected in parallel with the bonding wire. Compared to the arrangement area of the element and the wiring, the area can be reduced.

＜還流ダイオード＞
その他、一般に、インダクタを持つ負荷に対して電力供給を行うパワーモジュールには、還流ダイオード（Free wheel diode）が設けられる。このダイオードは、通常、個々のスイッチング素子と逆極性にて並列に接続される。還流ダイオードを設けることで、インダクタ（ハイブリッドカーの駆動電力を制御する場合はモータ）側からの逆起電力を逃がし、スイッチング素子を高電圧から保護する。この還流ダイオードも、配線上に導電接続することが好適である。その場合も導電性接着剤を用いればよい。 <Reflux diode>
In addition, in general, a power module that supplies power to a load having an inductor is provided with a free wheel diode. This diode is normally connected in parallel with the individual switching elements in reverse polarity. By providing the freewheeling diode, the back electromotive force from the inductor (motor when controlling the driving power of the hybrid car) is released, and the switching element is protected from a high voltage. The reflux diode is also preferably conductively connected on the wiring. In that case, a conductive adhesive may be used.

＜接着剤＞
接着剤は、ヒートシンクの材質に応じて、絶縁性、導電性のいずれも用いることができるが、配線とヒートシンクとの電気的絶縁が確保できる絶縁耐力を有する材料を選択することが好ましい。絶縁性接着剤にはエポキシ系接着剤やセラミック系接着剤などがある。なお、本例における導電性接着剤には、半田も含むものとする。 <Adhesive>
The adhesive may be either insulative or conductive depending on the material of the heat sink, but it is preferable to select a material having a dielectric strength that can ensure electrical insulation between the wiring and the heat sink. Insulating adhesives include epoxy adhesives and ceramic adhesives. Note that the conductive adhesive in this example includes solder.

＜絶縁樹脂＞
ヒートシンク上に実装される配線やスイッチング素子などの実装部品は絶縁樹脂により覆って保護することが好ましい。この絶縁樹脂により、スイッチング素子やパワーモジュールに設けられるボンディングワイヤなどを異物から保護することができる。絶縁樹脂は、ICやLSIなどの分野でパッケージングに用いられている樹脂、例えばエポキシ樹脂などを利用することができる。その他、Siゲルなども利用できる。 <Insulating resin>
Mounting parts such as wirings and switching elements mounted on the heat sink are preferably covered and protected with an insulating resin. This insulating resin can protect the bonding wires and the like provided in the switching element and the power module from foreign matters. As the insulating resin, a resin used for packaging in the field of IC and LSI, for example, an epoxy resin can be used. In addition, Si gel can be used.

この絶縁樹脂で、ヒートシンク上の配線と共に、後述する磁性コアも一体化すれば、磁性コアに従来のように絶縁カバーを設けなくても、配線と磁性コアとの絶縁を確保することができる。併せて、絶縁樹脂により、磁性コアの間隙に配される半導体電流検出素子の配置状態も保持することができる。   If this insulating resin is integrated with a magnetic core, which will be described later, together with the wiring on the heat sink, the insulation between the wiring and the magnetic core can be ensured without providing an insulating cover on the magnetic core as in the prior art. In addition, the arrangement state of the semiconductor current detection element arranged in the gap between the magnetic cores can be maintained by the insulating resin.

〔電流センサ〕
＜磁性コア＞
磁性コアは、配線の電流により磁界を誘起させるもので、配線の外側に嵌め込むように装着される。通常、この磁性コアは間隙を有するＣ字状に構成される。この磁性コアは、配線と共に接着剤によりヒートシンクに固定される。 [Current sensor]
<Magnetic core>
The magnetic core induces a magnetic field by the current of the wiring, and is mounted so as to be fitted to the outside of the wiring. Usually, the magnetic core is formed in a C shape having a gap. The magnetic core is fixed to the heat sink by an adhesive together with the wiring.

ヒートシンクが絶縁材料で構成される場合、導電性・絶縁性のいずれの接着剤も用いることができる。逆に、ヒートシンクが導電材料で構成される場合、絶縁性の接着剤を用いることが好ましい。絶縁性の接着剤であれば、配線とヒートシンクとの絶縁および配線と磁性コアとの絶縁を確保することができる。磁性コアと配線の絶縁は、磁性コアと配線の少なくとも一方に適宜な絶縁コーティングを形成することで確保しても良い。   When the heat sink is made of an insulating material, any conductive or insulating adhesive can be used. Conversely, when the heat sink is made of a conductive material, it is preferable to use an insulating adhesive. With an insulating adhesive, insulation between the wiring and the heat sink and insulation between the wiring and the magnetic core can be ensured. Insulation between the magnetic core and the wiring may be ensured by forming an appropriate insulating coating on at least one of the magnetic core and the wiring.

磁性コアを配線の外側に配置するには、配線の一部をヒートシンクから離隔し、その離隔箇所の外側にコアを嵌めた状態とする。より具体的な配線の離隔箇所の形成手法としては、（１）配線を屈曲することで形成する場合と、（２）ヒートシンクの表面のうち、配線が固定されている箇所の一部に凹部を設け、その凹部上に配線を張り出させることで形成する場合とがある。例えば、前者であれば、ヒートシンク上に接して水平方向に延びる配線を所定角度屈曲して非水平方向に伸延し、さらに所定角度屈曲してヒートシンクから離れた状態で水平方向に伸延するようにする。このヒートシンクから離れた状態で水平方向に伸延する箇所に磁性コアを嵌めればよい。一方、後者であれば、ヒートシンクの配線が配置された箇所の一部に凹部を形成する。これにより、凹部が形成された箇所では配線が浮いた状態となるため、その箇所の配線に磁性コアを嵌めればよい。   In order to dispose the magnetic core outside the wiring, a part of the wiring is separated from the heat sink, and the core is fitted on the outside of the separated portion. As a more specific method of forming the wiring separation part, (1) when the wiring is formed by bending, and (2) a recess is formed in a part of the surface of the heat sink where the wiring is fixed. In some cases, the wiring is formed by extending the wiring over the recess. For example, in the former case, the wiring extending in the horizontal direction in contact with the heat sink is bent at a predetermined angle and extended in a non-horizontal direction, and further bent at a predetermined angle and extended in the horizontal direction away from the heat sink. . What is necessary is just to fit a magnetic core in the location extended in a horizontal direction in the state away from this heat sink. On the other hand, if it is the latter, a recessed part is formed in a part of location where the wiring of a heat sink is arrange | positioned. Thereby, since the wiring is in a floating state at the location where the recess is formed, the magnetic core may be fitted to the wiring at that location.

＜半導体電流検出素子とセンサ用回路＞
電流センサは、さらに半導体電流検出素子とセンサ用回路とを備える。検出素子は、磁性コアに誘起された磁界から配線に流れる電流を検知する。具体的にはホール素子が好適に利用できる。センサ用回路は、検出素子からの信号を増幅するアンプを含む。従来、磁性コア、半導体電流検出素子およびセンサ用回路は、絶縁カバーで一体に覆われて構成されているが、本例では、磁性コアをヒートシンク上に接着剤で直接固定している。そして、パワーモジュールは、制御回路基板からの信号により、主としてスイッチング素子のスイッチング動作が制御される。この制御回路基板に半導体電流検出素子およびセンサ用回路を実装し、同基板をパワーモジュールと対向して、磁性コアの間隙に半導体電流検出素子を位置させれば、パワーモジュール、電流センサおよび制御回路基板が一体化されたパワードライブユニットのサイズを小型化することができる。 <Semiconductor current detection element and sensor circuit>
The current sensor further includes a semiconductor current detection element and a sensor circuit. The detection element detects a current flowing in the wiring from the magnetic field induced in the magnetic core. Specifically, a Hall element can be preferably used. The sensor circuit includes an amplifier that amplifies a signal from the detection element. Conventionally, the magnetic core, the semiconductor current detection element, and the sensor circuit are integrally covered with an insulating cover, but in this example, the magnetic core is directly fixed on the heat sink with an adhesive. In the power module, the switching operation of the switching element is mainly controlled by a signal from the control circuit board. If the semiconductor current detection element and the sensor circuit are mounted on this control circuit board, the board is opposed to the power module, and the semiconductor current detection element is positioned in the gap of the magnetic core, the power module, current sensor and control circuit The size of the power drive unit in which the substrate is integrated can be reduced.

まず、インバータに用いる本発明モジュールを図１に基づいて説明する。   First, the module of the present invention used for an inverter will be described with reference to FIG.

このモジュールは、アルミニウム合金製のヒートシンク1上に絶縁性接着剤2を介して配線3を所定のパターンに装着し、その配線3上にスイッチング素子4と還流ダイオード20を実装している。ここでは、合計６つのスイッチング素子4を配線3上に実装し、各スイッチング素子4と配線3とをAlやCuのボンディングワイヤ5にて接続している。還流ダイオード20は、各スイッチング素子4と逆極性にて並列に接続されている。図の下方に引き出される２本の配線3が入力電力用の配線で、上方に引き出される３本の配線3が出力電力用の配線である。   In this module, the wiring 3 is mounted in a predetermined pattern on the heat sink 1 made of aluminum alloy via the insulating adhesive 2, and the switching element 4 and the reflux diode 20 are mounted on the wiring 3. Here, a total of six switching elements 4 are mounted on the wiring 3, and each switching element 4 and the wiring 3 are connected by bonding wires 5 of Al or Cu. The free-wheeling diode 20 is connected in parallel with each switching element 4 with a reverse polarity. Two wirings 3 drawn out in the lower part of the figure are wirings for input power, and three wirings 3 drawn out upward are wirings for output power.

ここで、スイッチング素子4の配置箇所における断面を図２に示す。このパワーモジュールでは、下から順に、ヒートシンク1、絶縁性接着剤2、配線3、半田6、スイッチング素子4が積層して実装されている。   Here, the cross section in the arrangement | positioning location of the switching element 4 is shown in FIG. In this power module, the heat sink 1, the insulating adhesive 2, the wiring 3, the solder 6, and the switching element 4 are stacked in order from the bottom.

ヒートシンク1はアルミニウム合金製で、下面側に多数のフィン1Aが形成されている。各フィン1Aの間に形成される空間が空冷時の空気の流路となる。   The heat sink 1 is made of an aluminum alloy, and a large number of fins 1A are formed on the lower surface side. A space formed between the fins 1A serves as an air flow path during air cooling.

このヒートシンク1上面に絶縁性接着剤2で配線3を装着する。絶縁性接着剤2には、コトロニクス社製Duralco4460、同4700（商品名）を用いた。配線3は銅製の基材31上にNiメッキ層32を形成したものである。配線のNiメッキ層32の上に半田6によりスイッチング素子4が実装される。ここでは、IGBTをスイッチング素子4とした。   A wiring 3 is attached to the upper surface of the heat sink 1 with an insulating adhesive 2. As the insulating adhesive 2, Duralco 4460 and 4700 (trade name) manufactured by Cotronics were used. The wiring 3 is obtained by forming a Ni plating layer 32 on a copper base 31. Switching element 4 is mounted by solder 6 on Ni plating layer 32 of the wiring. Here, IGBT is the switching element 4.

一方、この配線3の一部は出力電力用の配線側で屈曲され、ヒートシンク1から離隔した箇所が形成されている。このヒートシンク1から離隔した配線3に電流センサの磁性コア7が嵌め込まれる。そのコア7の実装状態を図３に示す。ここでは、パワーモジュールにおけるコア7の周辺部のみを示し、他の部分の記載は省略している。また、図３の正面側に向いた矢印方向にスイッチング素子が配されることになる。   On the other hand, a part of the wiring 3 is bent on the wiring side for output power, and a portion separated from the heat sink 1 is formed. A magnetic core 7 of the current sensor is fitted into the wiring 3 separated from the heat sink 1. The mounting state of the core 7 is shown in FIG. Here, only the peripheral part of the core 7 in the power module is shown, and the description of the other parts is omitted. Further, the switching element is arranged in the direction of the arrow facing the front side of FIG.

磁性コア7は、磁性材料で構成され、環状体の一部に間隙7Aが形成されたＣ字状の部材である。このコア7は、間隙7Aを上方に向け、間隙7Aのない側をヒートシンク1側に向けて、絶縁性接着剤2を介してヒートシンク1の表面に固定されている。   The magnetic core 7 is a C-shaped member made of a magnetic material and having a gap 7A formed in a part of an annular body. The core 7 is fixed to the surface of the heat sink 1 via the insulating adhesive 2 with the gap 7A facing upward and the side without the gap 7A facing the heat sink 1 side.

このコア7の中間には、配線3が貫通される。つまり、ヒートシンク1上に接着剤2を介して水平方向に延びる配線3を90°屈曲して垂直方向に伸延し、さらに90°屈曲してヒートシンク1から離れた状態で水平方向に伸延するようにしている。この略Ｚ型の屈曲により、配線は端部側がヒートシンク1から離れた状態となる。そして、このヒートシンク1から離れた箇所に磁性コア7を嵌めればよい。その際、配線3とコア7とは非接触状態を保持するようにする。   In the middle of the core 7, the wiring 3 is penetrated. That is, the wiring 3 extending in the horizontal direction on the heat sink 1 via the adhesive 2 is bent 90 ° and extended in the vertical direction, and further bent 90 ° and extended in the horizontal direction away from the heat sink 1. ing. Due to this substantially Z-shaped bend, the end of the wiring is separated from the heat sink 1. Then, the magnetic core 7 may be fitted at a location away from the heat sink 1. At that time, the wiring 3 and the core 7 are kept in a non-contact state.

配線3の電流を検知するには、このコア7に誘起される磁界を電圧として出力するホール素子8を用いる。電流センサは、コア7、ホール素子8およびホール素子8の出力を増幅するアンプを含むセンサ用回路（図示略）で構成される。そのうちコア7はヒートシンク1上に固定されるが、ホール素子8およびセンサ用回路は、別途インバータの制御回路基板9に装着される。インバータの制御回路は、主としてスイッチング素子4（図１）のスイッチングの制御を指令するための回路である。この回路の形成された基板9（図３ではホール素子8のみ示し、他の素子は省略）に、センサ用回路も併せて形成すると共に、ホール素子8も実装する。そして、この基板9をヒートシンク1に対向させ、ホール素子8がコアの間隙7Aに位置されるようにパワーモジュールと一体化させる。これにより、パワーモジュール、制御回路基板9および電流センサが一体となったパワードライブユニットが構成される。   In order to detect the current of the wiring 3, a Hall element 8 that outputs the magnetic field induced in the core 7 as a voltage is used. The current sensor includes a core 7, a Hall element 8, and a sensor circuit (not shown) including an amplifier that amplifies the output of the Hall element 8. Among them, the core 7 is fixed on the heat sink 1, but the Hall element 8 and the sensor circuit are separately mounted on the control circuit board 9 of the inverter. The control circuit of the inverter is a circuit mainly for commanding switching control of the switching element 4 (FIG. 1). A sensor circuit is also formed on the substrate 9 on which this circuit is formed (FIG. 3 shows only the Hall element 8 and other elements are omitted), and the Hall element 8 is also mounted. The substrate 9 is opposed to the heat sink 1 and integrated with the power module so that the Hall element 8 is positioned in the core gap 7A. Thus, a power drive unit in which the power module, the control circuit board 9, and the current sensor are integrated is configured.

そして、ヒートシンク1の上面を配線3やスイッチング素子4を覆うように樹脂10（図２参照）でモールドする。このモールド樹脂10にはシリコーンゲルを用いた。このモールド樹脂10は、スイッチング素子4はもちろん、コアの間隙7Aおよびコア7と配線3の間にも充填され、ホール素子8の位置を保持することに加え、コア7と配線3の絶縁を保つことにも寄与する。   Then, the upper surface of the heat sink 1 is molded with a resin 10 (see FIG. 2) so as to cover the wiring 3 and the switching element 4. Silicone gel was used for the mold resin 10. This mold resin 10 is filled not only in the switching element 4 but also in the gap 7A between the core and between the core 7 and the wiring 3, and in addition to maintaining the position of the Hall element 8, the insulation between the core 7 and the wiring 3 is maintained. It also contributes.

このように、本実施例では、配線3とコア7の双方が、ヒートシンク1上に塗布された絶縁性接着剤2を介して固定されているため、ヒートシンク1上に配線3を形成する際、併せてコア7の固定も行うことができる。   Thus, in this example, both the wiring 3 and the core 7 are fixed via the insulating adhesive 2 applied on the heat sink 1, so when forming the wiring 3 on the heat sink 1, At the same time, the core 7 can be fixed.

また、本例で用いる電流センサは、コア7、ホール素子8およびセンサ用回路を絶縁カバーで一体化した電流センサではないため、絶縁カバーが不要であると共に、コア7をパワーモジュールに、ホール素子8とセンサ用回路を制御回路基板9に設けることができる。それに伴って、各構成部材の配置の自由度が高められる。特に、本例では、ヒートシンク1に対向される制御回路基板9にセンサ用回路を形成したため、インバータ全体のサイズをコンパクトにすることができる。   In addition, the current sensor used in this example is not a current sensor in which the core 7, the hall element 8, and the sensor circuit are integrated with an insulating cover. Therefore, an insulating cover is unnecessary and the core 7 is used as a power module. 8 and a sensor circuit can be provided on the control circuit board 9. Along with this, the degree of freedom of arrangement of the constituent members is increased. In particular, in this example, since the sensor circuit is formed on the control circuit board 9 facing the heat sink 1, the size of the entire inverter can be made compact.

なお、上記のNiメッキ層32を省略し、銅製の基材31上に直接半田6でスイッチング素子4を実装しても良い。   The Ni plating layer 32 may be omitted, and the switching element 4 may be mounted directly on the copper base 31 with the solder 6.

次に、実施例１とは異なる構成で配線をヒートシンクから離隔させて、その離隔された配線に磁性コアを嵌め込んだ実施例を図４に基づいて説明する。本例は、磁性コアの装着構成が実施例１と異なり、他の構成は実施例１と同様であるため、相違点を中心に以下の説明を行なう。   Next, an embodiment in which the wiring is separated from the heat sink with a configuration different from that of the first embodiment, and a magnetic core is fitted into the separated wiring will be described with reference to FIG. In this example, the mounting configuration of the magnetic core is different from that of the first embodiment, and the other configuration is the same as that of the first embodiment. Therefore, the following description will be made focusing on the differences.

本例では、配線3を屈曲してヒートシンク1と離れた箇所を形成するのではなく、配線3の形成されたヒートシンク1の一部に凹部1Bを形成し、その凹部1Bに磁性コア7を配置している。具体的には、ヒートシンク1の表面から背面に及ぶ角部に直方体の凹部1Bを形成する。この凹部1Bの内面にも絶縁性接着剤2が塗布されている。この凹部1Bは、配線3の進路上に形成されるため、凹部1Bのある箇所では、配線3が浮いたようになる。そのため、背面側からＣ字状のコア7を配線の外側に嵌め込み、凹部1Bの底面にコア7を絶縁性接着剤2を介して固定すれば良い。そして、実施例１と同様に、コアの間隙7Aにホール素子8が位置するように制御回路基板9をヒートシンク1と対向して固定する。   In this example, the wiring 3 is not bent to form a part away from the heat sink 1, but a recess 1B is formed in a part of the heat sink 1 where the wiring 3 is formed, and the magnetic core 7 is disposed in the recess 1B. is doing. Specifically, a rectangular parallelepiped recess 1B is formed at a corner extending from the surface of the heat sink 1 to the back. An insulating adhesive 2 is also applied to the inner surface of the recess 1B. Since the recess 1B is formed on the path of the wiring 3, the wiring 3 appears to float at a place where the recess 1B is present. Therefore, the C-shaped core 7 may be fitted to the outside of the wiring from the back side, and the core 7 may be fixed to the bottom surface of the recess 1B via the insulating adhesive 2. Then, as in the first embodiment, the control circuit board 9 is fixed facing the heat sink 1 so that the Hall element 8 is positioned in the core gap 7A.

この構成によっても、ヒートシンク1上に配線3とコア7とを絶縁性接着剤2を介して固定するため、配線3の形成過程でコア7の実装も行うことができる。特に、ヒートシンク1に凹部1Bを形成することは、ヒートシンク1の表面積を広げることにもなるため、より効率的な放熱が期待できる。また、凹部1B内にコア7の一部が収納される構成となるため、コア7がヒートシンク1の表面側に突出する高さを低くでき、結果的にパワーモジュールの厚みを実施例１に比べて小さくすることができる。さらに、配線3に屈曲箇所を形成する必要がないため、屈曲箇所で配線3が破断しやすくなることを回避できる。   Also with this configuration, since the wiring 3 and the core 7 are fixed on the heat sink 1 via the insulating adhesive 2, the core 7 can be mounted in the process of forming the wiring 3. In particular, the formation of the recess 1B in the heat sink 1 also increases the surface area of the heat sink 1, so that more efficient heat dissipation can be expected. In addition, since a part of the core 7 is accommodated in the recess 1B, the height at which the core 7 protrudes to the surface side of the heat sink 1 can be reduced, and as a result, the thickness of the power module is compared with that of the first embodiment. Can be made smaller. Furthermore, since it is not necessary to form a bent portion in the wiring 3, it is possible to avoid the wiring 3 from being easily broken at the bent portion.

なお、本発明は、その要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した実施例に限定されるものではない。例えば、実施例２ではヒートシンクの角部に凹部を形成したが、角部ではなく、配線の進路上であってヒートシンクの表面（表面以外の面に凹部がかからない箇所）に凹部を形成しても良い。実施例１や２では、コアを嵌め込んだ配線の一端がヒートシンクから浮いた自由端となっていたが、角部以外のヒートシンクの表面に凹部を形成すれば、コアの嵌め込まれた配線の両端がヒートシンクの表面で支持されることになり、コア周辺の配線をより安定した支持構造とすることができる。その場合でも、Ｃ字状のコアには間隙が形成されているため、この間隙を通して配線の側方からコアを嵌め込むことが可能である。さらに、この構成によれば、コアの配置箇所がヒートシンクの周縁部近傍に限定されることもなく、配置の自由度が高められる。   The present invention can be modified as appropriate without departing from the gist thereof, and is not limited to the above-described embodiments. For example, in the second embodiment, the concave portion is formed at the corner of the heat sink. However, the concave portion may be formed not on the corner but on the wiring path and on the surface of the heat sink (where the concave portion is not formed on the surface other than the surface). good. In the first and second embodiments, one end of the wiring into which the core is fitted is a free end floating from the heat sink. Is supported by the surface of the heat sink, and the wiring around the core can have a more stable support structure. Even in that case, since the gap is formed in the C-shaped core, the core can be fitted from the side of the wiring through the gap. Furthermore, according to this structure, the arrangement | positioning location of a core is not limited to the peripheral part vicinity of a heat sink, but the freedom degree of arrangement | positioning is raised.

本発明のパワーモジュールとパワードライブユニットは、ハイブリッドカーや電気自動車などのインバータに好適に利用できる。   The power module and power drive unit of the present invention can be suitably used for inverters such as hybrid cars and electric cars.

実施例１に係るパワーモジュールの模式平面図である。1 is a schematic plan view of a power module according to Embodiment 1. FIG. 実施例1に係るパワーモジュールのスイッチング素子周辺の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view around the switching element of the power module according to the first embodiment. 実施例１に係るモジュールの磁性コア周辺を示す模式斜視図である。FIG. 3 is a schematic perspective view illustrating the periphery of a magnetic core of the module according to the first embodiment. 実施例２に係るモジュールの磁性コア周辺を示す模式斜視図である。FIG. 6 is a schematic perspective view showing the periphery of a magnetic core of a module according to Example 2.

符号の説明Explanation of symbols

1 ヒートシンク 1A フィン 1B 凹部
2 絶縁性接着剤 3 配線 31 基材 32 Niメッキ層
4 スイッチング素子 5 ボンディングワイヤ 6 半田
7 磁性コア 7A 間隙 8 ホール素子 9 制御回路基板
10 モールド樹脂 20 還流ダイオード 1 Heat sink 1A Fin 1B Recess
2 Insulating adhesive 3 Wiring 31 Base material 32 Ni plating layer
4 Switching element 5 Bonding wire 6 Solder
7 Magnetic core 7A Gap 8 Hall element 9 Control circuit board
10 Mold resin 20 Reflux diode

Claims (8)

ヒートシンクと、このヒートシンクに接着剤で固定された配線と、この配線に接続されるスイッチング素子とを有するパワーモジュールであって、
この配線の外側に嵌めた状態でヒートシンクに接着剤で固定される磁性コアを備え、その磁性コアが配線の電流を検知する電流センサのコアであることを特徴とするパワーモジュール。 A power module having a heat sink, a wiring fixed to the heat sink with an adhesive, and a switching element connected to the wiring,
A power module comprising a magnetic core that is fixed to the heat sink with an adhesive while being fitted on the outside of the wiring, and the magnetic core is a core of a current sensor that detects a current of the wiring. 前記接着剤が絶縁性であ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。   The power module according to claim 1, wherein the adhesive is insulative. スイッチング素子が配線上に配されて、配線と導電接続されていることを特徴とする請求項1または２に記載のパワーモジュール。   3. The power module according to claim 1, wherein the switching element is disposed on the wiring and is conductively connected to the wiring. 配線の一部をヒートシンクから離隔し、その離隔箇所の外側に磁性コアを嵌めた状態としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。   The power module according to any one of claims 1 to 3, wherein a part of the wiring is separated from the heat sink, and a magnetic core is fitted outside the separated portion. 前記配線の離隔箇所は、配線を屈曲することで形成していることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 4, wherein the separation portion of the wiring is formed by bending the wiring. 前記配線の離隔箇所は、ヒートシンクの表面のうち、配線が固定されている箇所の一部に凹部を設け、その凹部上に配線を張り出させることで形成していることを特徴とする請求項４に記載のパワーモジュール。   The distance between the wirings is formed by providing a recess in a part of the surface of the heat sink where the wiring is fixed and projecting the wiring over the recess. 4. The power module according to 4. ヒートシンク上の磁性コアがスイッチング素子と共に絶縁樹脂で埋設されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワーモジュール。   The power module according to claim 1, wherein the magnetic core on the heat sink is embedded with an insulating resin together with the switching element. 請求項1〜７のいずれか１項に記載のパワーモジュールと、
スイッチング素子が搭載されたヒートシンクに対向されるパワーモジュールの制御回路基板とを備え、
この制御回路基板には、電流センサのセンサ用回路と半導体電流検出素子とが実装されており、この検出素子が磁性コアの間隙の間に配されていることを特徴とするパワードライブユニット。 The power module according to any one of claims 1 to 7,
A power module control circuit board facing the heat sink on which the switching element is mounted,
A power drive unit characterized in that a sensor circuit of a current sensor and a semiconductor current detection element are mounted on the control circuit board, and the detection element is arranged between the gaps of the magnetic core.
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