JP2012249457A - 半導体モジュール、及び、それを用いた駆動装置 - Google Patents

半導体モジュール、及び、それを用いた駆動装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 高周波電流による放射磁界の発生を抑制する半導体モジュール、及び、それを用いた駆動装置を提供する。
【解決手段】 三相(U相、V相、W相)インバータ回路を構成するMOS81〜86を備えるパワーモジュール60Aにおいて、U相用の半導体ユニットを例に取ると、電源側導体552は、上MOS81が搭載される第1幅広部56と、第1幅広部56から電源電圧端子652まで延びる第1幅狭部57とを有する。第1幅狭部57は、第1幅広部56のグランド側導体553寄りに、グランド側導体553と隣接して設けられる。これにより、電源電圧端子652からグランド端子653へ至る電流経路Riを可及的に短くし、高周波電流のループ面積を可及的に小さくすることができる。よって、MOS81、84のスイッチング動作に起因して流れる高周波電流による放射磁界の発生を抑制することができる。
【選択図】 図5

Description

本発明は、半導体モジュール、及び、それを用いた駆動装置に関する。
従来、トランジスタ等の半導体素子のオンおよびオフを切り替えることにより直流電力から交流電力を作出するインバータ装置が知られている。例えば特許文献1には、三相交流電力を作出する半導体素子、正極直流端子、負極直流端子、出力端子等を一体化した半導体装置が開示されている。
特許第3633432号公報
特許文献1の半導体装置では、正極直流端子と負極直流端子とで電流経路を並列化する(図2参照)ことによりインダクタンスを低減している。しかしながら、半導体スイッチのスイッチング動作に起因して流れる高周波電流から発生する放射磁界に対しての配慮は何らなされていない。すなわち、正極直流端子および負極直流端子は、端子部の幅と半導体スイッチが搭載される搭載部の幅とが略同等である。このような構成では、大電流に対応する場合、端子部および搭載部の幅を同程度に拡張することとなる。そのため、正極直流端子から負極直流端子に至る電流経路が長くなり、周波数によっては、発生する放射磁界が増加する場合がある。
放射磁界が発生すると、例えば半導体モジュールが接続される基板に他に接続されるコネクタ、導電部材(バスバー等)、コイルやコンデンサ等の電子部品等との間で磁気結合が生じ、機器の誤動作や他機器へのノイズ流出を引き起こすおそれがある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチング素子のスイッチング動作に起因して流れる高周波電流による放射磁界の発生を抑制する半導体モジュール、及び、それを用いた駆動装置を提供することにある。
請求項1に記載の半導体モジュールは、直流電流を交流電流に変換するインバータを構成する複数のスイッチング素子を備える半導体モジュールである。
この半導体モジュールは、高電位側に設けられる高電位側スイッチング素子、低電位側に設けられる低電位側スイッチング素子、高電位側導体、負荷側導体、低電位側導体、第1接続導体、第2接続導体およびモールド部を備える。
高電位側導体は、高電位源に接続する高電位端子を有し、高電位側スイッチング素子が搭載され、電位側スイッチング素子のドレインまたはドレイン相当電極と接続する。
負荷側導体は、負荷に接続する負荷端子を有し、低電位側スイッチング素子が搭載され、低電位側スイッチング素子のドレインまたはドレイン相当電極と接続する。
低電位側導体は、高電位端子と同方向に延び低電位源に接続する低電位端子を有する。
第1接続導体は、高電位側導体上の高電位側スイッチング素子のソースまたはソース相当電極と負荷側導体とを接続する。
第2接続導体は、負荷側導体上の低電位側スイッチング素子のソースまたはソース相当電極と低電位側導体とを接続する。
モールド部は、高電位側スイッチング素子、低電位側スイッチング素子、高電位側導体、負荷側導体、低電位側導体、第1接続導体および第2接続導体を一体にモールドする。
そして、高電位側導体は、高電位側スイッチング素子が搭載される第1幅広部と、当該第1幅広部から高電位端子まで延びる第1幅狭部とを有し、第1幅狭部は、第1幅広部の低電位側導体寄りに設けられる。
ここで、「ドレインまたはドレイン相当電極」および「ソースまたはソース相当電極」については、例えば、スイッチング素子がMOSFET等の場合には「ドレイン」および「ソース」に該当し、スイッチング素子がIGBT等の場合には「エミッタ」が「ドレイン相当電極」に、「コレクタ」が「ソース相当電極」に相当する。
この構成により、高電位端子は第1幅広部の低電位側導体寄りに設けられるため、高電位側端子から低電位側端子へ至る電流経路を可及的に短くし、高周波電流のループ面積を可及的に小さくすることができる。よって、スイッチング素子のスイッチング動作に起因して流れる高周波電流による放射磁界の発生を抑制することができる。その結果、半導体モジュールが接続される基板に他に接続されるコネクタ、導電部材、電子部品等との間の磁気結合を抑制し、機器の誤動作や他機器へのノイズ流出を回避することができる。
請求項2に記載の発明では、高電位側導体の第1幅狭部は、低電位側導体と隣接して設けられる。
これにより、高電位側端子から低電位側端子へ至る電流経路を一層短くし、高周波電流のループ面積を一層小さくすることができる。よって、放射磁界の発生をさらに抑制することができる。
さらに請求項3に記載の発明では、負荷側導体は、低電位側導体に対して高電位側導体と同じ側に低電位側導体と隣接して設けられ、低電位側スイッチング素子が搭載される第2幅広部と、当該第2幅広部から負荷端子まで延びる第2幅狭部とを有する。
仮に、負荷側導体を低電位側導体に対して高電位側導体と反対側に設けると、第2接続導体は負荷側導体をジャンプするように配線する必要がある。そこで、請求項3に記載の構成とすることで、第2接続導体をジャンプ配線とすることを回避することができる。
請求項4に記載の発明では、負荷端子は、高電位端子および低電位端子と同方向に延びる。ここで、請求項4が請求項3を引用する場合には、負荷側導体の第2幅広部は、高電位側導体の第1幅広部よりも幅広に形成され、第2幅狭部は、高電位側導体の第1幅狭部に対し低電位側導体の反対側に設けられることとなる。したがって、低電位端子、高電位端子、負荷端子がこの順に配列される。
低電位端子、高電位端子、負荷端子を同一方向にまとめることにより、例えば、これらの端子を1枚のパワー基板に接続し、スペースを集約したり作業性を向上したりすることができる。或いは、負荷端子を負荷に接続する導電部材に溶接することとしてもよい。
請求項5〜7に記載の発明では、第1接続導体および第2接続導体の具体的な構成を特定する。第1接続導体および第2接続導体の少なくともいずれか一方は、請求項5に記載の発明ではボンディングワイヤであり、請求項6に記載の発明では銅クリップであり、請求項7に記載の発明ではシャント抵抗である。
銅クリップは、ボンディングワイヤに比べて断面積が大きく、電流の抵抗を小さくすることができる。シャント抵抗は、負荷に供給される電流を検出することができる。
請求項8に記載の発明では、高電位側スイッチング素子、低電位側スイッチング素子、高電位側導体、負荷側導体、低電位側導体、第1接続導体および第2接続導体から構成される半導体ユニットを複数備える。
例えば、三相ブラシレスモータを駆動するためのインバータを構成する半導体モジュールは、3組の半導体ユニットを備えればよい。
請求項9に記載の発明では、高電位側スイッチング素子および低電位側スイッチング素子の制御信号が入力される制御端子が、高電位端子および低電位端子の設けられる側と反対側に設けられる。
これにより、半導体モジュールの一方の側に、高電位端子および低電位端子が接続されるパワー基板を配置し、半導体モジュールの他方の側に、制御端子が接続される制御基板を配置するレイアウトに好適である。
請求項10に記載の発明は、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体モジュールを用いた駆動装置に係る発明である。駆動装置は、モータとコントロールユニットとを備える。コントロールユニットは、請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体モジュール、半導体モジュールが搭載され発熱を受容可能なヒートシンク、及び、半導体モジュールと電気的に接続される基板を有し、モータの軸方向の一側に設けられる。ここで、半導体モジュールの「負荷」はモータ巻線である。
これにより、本発明の半導体モジュールを用いた駆動装置において、放射磁界の発生を抑制することができる。
本発明の第1実施形態のパワーステアリング装置の構成を説明する概略構成図である。 本発明の第1実施形態による駆動装置の斜視図である。 本発明の第1実施形態によるパワーモジュールの模式的な側面図である。 図3のIV方向矢視図である。 本発明の第1実施形態によるパワーモジュールの内部構造および電流経路を示す模式図である。 本発明の第2実施形態によるパワーモジュールの内部構造および電流経路を示す模式図である。 比較例によるパワーモジュールの内部構造および電流経路を示す模式図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による半導体モジュールが適用される駆動装置について、図1、図2を参照して説明する。駆動装置1は、車両のステアリング操作をアシストするための電動パワーステアリング装置(以下、「EPS」という。)に適用される。駆動装置1は、モータ2およびコントロールユニット3を備える。
まず、EPSの電気的構成を図1に基づいて説明する。
図1に示すように、駆動装置1は、車両のステアリング5の回転軸たるコラム軸6に取り付けられたギア7を介しコラム軸6に回転トルクを発生させ、ステアリング5による操舵をアシストする。具体的には、ステアリング5が運転者によって操作されると、当該操作によってコラム軸6に生じる操舵トルクをトルクセンサ8によって検出し、また、車速情報を図示しないCAN(Controller Area Network)から取得して、運転者のステアリング5による操舵をアシストする。もちろん、このような機構を利用すれば、制御手法によっては、操舵のアシストのみでなく、高速道路における車線キープ、駐車場における駐車スペースへの誘導など、ステアリング5の操作を自動制御することも可能である。
モータ2は、ギア7を正逆回転させる三相ブラシレスモータである。モータ2は、コントロールユニット3により電流の供給および駆動が制御される。コントロールユニット3は、モータ2を駆動する駆動電流が通電されるパワー部100、および、モータ2の駆動を制御する制御部90から構成される。
パワー部100は、電源75から電源ラインに介在するチョークコイル76、コンデンサ77、および、二組のインバータ80、89を有している。インバータ80とインバータ89とは、同様の構成であるので、ここではインバータ80について説明する。
一方のインバータ80は、電界効果トランジスタの一種であるMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor、以下、「MOS」という。)81〜86を有している。MOS81〜86は、ゲート電位により、ソース−ドレイン間がオン(導通)またはオフ(遮断)される。
MOS81は、ドレインが電源ライン側に接続され、ソースがMOS84のドレインに接続されている。MOS84のソースは、シャント抵抗991を介して接地されている。MOS81とMOS84との接続点は、モータ2のU相巻線に接続されている。
MOS82は、ドレインが電源ライン側に接続され、ソースがMOS85のドレインに接続されている。MOS85のソースは、シャント抵抗992を介して接地されている。MOS82とMOS85との接続点は、モータ2のV相巻線に接続されている。
MOS83は、ドレインが電源ライン側に接続され、ソースがMOS86のドレインに接続されている。MOS86のソースは、シャント抵抗993を介して接地されている。MOS83とMOS86との接続点は、モータ2のW相巻線に接続されている。
また、高電位側に接続されるMOS81〜83を「上MOS」、低電位側に接続されるMOS84〜86を「下MOS」という。上MOS81〜83および下MOS84〜86は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の「高電位側スイッチング素子」および「低電位側スイッチング素子」に相当する。
また、インバータ80は、電源リレー87、88を有している。電源リレー87、88は、MOS81〜86と同様のMOSFETにより構成される。電源リレー87、88は、上MOS81〜83と電源75との間に設けられ、異常時に電流が流れるのを遮断可能である。なお、電源リレー87は、断線故障やショート故障等が生じた場合にモータ2側へ電流が流れるのを遮断するために設けられる。また、電源リレー88は、コンデンサ78等の電子部品が誤って逆向きに接続された場合に逆向きの電流が流れないように、逆接保護のために設けられる。
シャント抵抗991〜993は、下MOS84〜86とグランドとの間に電気的に接続される。シャント抵抗991〜993に印加される電圧または電流を検出することにより、U相巻線、V相巻線、W相巻線に通電される電流を検出する。
チョークコイル76およびコンデンサ77は、電源75と電源リレー87との間に電気的に接続されている。チョークコイル76およびコンデンサ77は、フィルタ回路を構成し、電源75を共有する他の装置から伝わるノイズを低減する。また、駆動装置1から電源75を共有する他の装置へ伝わるノイズを低減する。
コンデンサ78は、上下MOS及びシャント抵抗と並列に、電源側とグランド側との間に電気的に接続されている。コンデンサ78は、電荷を蓄えることで、MOS81〜86への電力供給を補助したり、サージ電圧などのノイズ成分を抑制したりする。
本実施形態のコンデンサ77、78は、アルミ電解コンデンサであり、コンデンサ78は、コンデンサ77よりも電気的な容量が大きいものが用いられる。なお、コンデンサ77、78は、アルミ電解コンデンサに限らず、容量等に応じて適宜選択可能である。
制御部90は、プリドライバ91、カスタムIC92、回転角センサ93、および、マイコン94を備えている。カスタムIC92は、機能ブロックとして、レギュレータ部95、回転角センサ信号増幅部96、および、検出電圧増幅部97を含む。
レギュレータ部95は、電源を安定化する安定化回路である。レギュレータ部95は、各部へ供給される電源の安定化を行う。例えばマイコン94は、このレギュレータ部95により、安定した所定電圧(例えば5V)で動作することになる。
回転角センサ信号増幅部96には、回転角センサ93からの信号が入力される。回転角センサ93は、モータ2の回転位置信号を検出し、検出された回転位置信号は、回転角センサ信号増幅部96に送られる。回転角センサ信号増幅部96は、回転位置信号を増幅してマイコン94へ出力する。
検出電圧増幅部97は、シャント抵抗991〜993の両端電圧を検出し、当該両端電圧を増幅してマイコン94へ出力する。
マイコン94には、モータ2の回転位置信号、および、シャント抵抗991〜993の両端電圧が入力される。また、マイコン94には、コラム軸6に取り付けられたトルクセンサ8から操舵トルク信号が入力される。さらにまた、マイコン94には、CANを経由して車速情報が入力される。マイコン94は、操舵トルク信号および車速情報が入力されると、ステアリング5による操舵を車速に応じてアシストするように、回転位置信号に合わせてプリドライバ91を介してインバータ80を制御する。具体的には、マイコン94は、プリドライバ91を介してMOS81〜86のゲート電圧を変化させ、オン/オフを切り替えることにより、インバータ80を制御する。
また、マイコン94は、検出電圧増幅部97から入力されるシャント抵抗991〜993の両端電圧に基づき、モータ2へ供給する電流を正弦波に近づけるべくインバータ80を制御する。なお、制御部90は、インバータ89についてもインバータ80と同様に制御する。
次に、駆動装置1の構造について、図2に基づいて説明する。図2に示すように、駆動装置1は、モータ2およびコントロールユニット3を備える。本実施形態の駆動装置1では、モータ2の軸方向の一側にコントロールユニット3が設けられており、モータ2とコントロールユニット3とが積層構造になっている。なお、図2は、コントロールユニット3の外郭を形成するカバーを外した状態を示している。
モータ2は、三相ブラシレスモータであって、その外郭はモータケース10により形成される。モータケース10は、鉄等により筒状に形成される。モータケース10の内部には、図示しないステータ、ロータ、シャフト等が収容され、ステータに巻回された巻線に通電される回転磁界を受けて、ロータおよびシャフトが一体となって回転する。ステータに巻回される巻線は、U相巻線、V相巻線、W相巻線からなる三相巻線を構成している。
取出線23は、巻線の6箇所から取り出される。取出線23は、モータケース10の2箇所から3本ずつコントロールユニット3側へ引き出され、後述する制御基板40およびパワーモジュール60Aの径方向外側の領域を通ってパワー基板70側まで延びて形成される。図2の手前側に示されるモータケース10の一方の穴から引き出される3本の取出線23は、それぞれU相巻線、V相巻線、W相巻線に対応する。また、図2の奥側に示される3本の取出線23は、それぞれU相巻線、V相巻線、W相巻線に対応する。
シャフトのコントロールユニット3の反対側の端部には、出力端29が設けられる。また、シャフトのコントロールユニット3の反対側には、内部にギア7(図1参照)を有する図示しないギアボックスが設けられる。ギア7は、出力端29と連結され、モータ2の駆動力によって回転駆動される。
コントロールユニット3は、「半導体モジュール」としてのパワーモジュール60A、ヒートシンク50、並びに「基板」としての制御基板40およびパワー基板70等を備える。
コントロールユニット3は、外部の電子部品との接続に係るコネクタ45、79等の部品以外のほとんどの構成がモータケース10を軸方向に投影した領域であるモータケース領域に収まるように設けられている。コントロールユニット3は、軸方向において、モータ2側から、制御基板40、ヒートシンク50およびパワーモジュール60A、パワー基板70がこの順で配列されている。すなわち、軸方向において、モータケース10、制御基板40、ヒートシンク50およびパワーモジュール60A、パワー基板70が、この順で配列されている。
制御基板40は、例えばガラスエポキシ基板により形成される4層基板であって、モータケース領域内に収まる板状に形成される。制御基板40は、ヒートシンク50に螺着される。
制御基板40には、制御部90を構成する各種電子部品が実装されている。制御基板40のモータ2側と反対側の面には、プリドライバ91、カスタムIC92、マイコン94(図1参照)が実装されている。また、制御基板40のモータ2側の面には、回転角センサ93が実装されている。
制御基板40には、外縁に沿って、パワーモジュール60Aの制御端子64と接続するためのスルーホールが形成されている。また、制御基板40には、制御コネクタ45が接続されている。制御コネクタ45は、モータ2の径方向外側から配線を接続可能に設けられ、トルクセンサやCANなどの信号が入力される。
ヒートシンク50は、例えばアルミ等の熱伝導性のよい材料で形成される。ヒートシンク50には、パワーモジュール60Aが螺着される幅広面を有する受熱部52が形成される。受熱部52は、モータケース10から略垂直に立ち上がる方向に形成される。互いに平行に形成される2つの受熱部52に沿って、2つのパワーモジュール60Aがそれぞれ配置され、ねじ68、69により螺着される。
パワーモジュール60Aは、略長方形状のモールド部61から図2の上方向にパワー端子65が突出し、図2の下方向に制御端子64が突出する。パワーモジュール60Aは、軸方向において制御基板40とパワー基板70との間であって、モータ2の径方向においてヒートシンク50の外側に縦配置される。2つのパワーモジュール60Aは、モータ2の回転中心線を延長した線を挟んで反対側に配置される。
ここでパワーモジュール60Aと図1に示す回路構成との関係に言及すると、一方のパワーモジュール60Aがインバータ80に対応し、図1に示すMOS81〜86、電源リレー用MOS87、88、およびシャント抵抗991〜993を有している。すなわち本実施形態では、MOS81〜86、電源リレー用MOS87、88、およびシャント抵抗991〜993が1つのパワーモジュールとして一体に樹脂モールドされている。
また、他方のパワーモジュール60Aがインバータ89に対応し、インバータ89を構成するMOS、電源リレー用MOS、およびシャント抵抗を有し、1つのパワーモジュールとして一体に樹脂モールドされている。また、1つの受熱部52に対して、1つの駆動系統を構成する1つのパワーモジュール60Aが配置されている。
パワーモジュール60Aの詳細については後述する。
パワー基板70は、例えばガラスエポキシ基板で形成されるパターン銅箔が厚い4層基板であって、モータケース領域内に収まる板状に形成され、ヒートシンク50に螺着されている。パワー基板70には、巻線に供給される巻線電流が通電されるパワー配線が形成される。
パワー基板70には、パワーモジュール60Aのパワー端子65と接続するためのスルーホールが形成される。また、パワー基板70のパワー端子65が挿通されるスルーホールの外側には、取出線23と接続するためのスルーホールが形成される。スルーホールに挿通されるパワー端子65および取出線23は、はんだ等により、パワー基板70と電気的に接続される。これにより、取出線23は、パワー基板70を介してパワーモジュール60Aと接続される。
パワー基板70のモータ2側の面には、チョークコイル76、および、コンデンサ77、78が実装されている(図1参照)。チョークコイル76、および、コンデンサ77、78は、ヒートシンク50の内側に形成される空間に配置される。また、軸方向において、チョークコイル76、コンデンサ77、78、および、パワーコネクタ79は、パワー基板70と制御基板40との間に設けられる。
パワー基板70には、パワーコネクタ79が接続されている。パワーコネクタ79は、制御基板40と接続される制御コネクタ45と隣り合って設けられる。パワーコネクタ79は、モータ2の径方向外側から配線を接続可能に設けられ、バッテリ等の電源75と接続される。これにより、パワー基板70には、パワーコネクタ79内のターミナル791を経由して電源75から電力が供給される。また、電源75からの電力は、パワーコネクタ79、パワー基板70、パワーモジュール60A、および取出線23を経由して、モータ2のステータに巻回された巻線へ供給される。
次に、駆動装置1の作動を説明する。
制御基板40上のマイコン94は、回転角センサ93、トルクセンサ8、シャント抵抗99等からの信号に基づき、車速に応じてステアリング5の操舵をアシストするように、プリドライバ91を介してPWM制御により作出されたパルス信号を生成する。このパルス信号は、制御端子64を経由して、パワーモジュール60Aにより構成される2系統のインバータ80、89に出力され、MOS81〜86のオン/オフの切り替え動作を制御する。これにより、モータ2の巻線の各相には、位相のずれた正弦波電流が通電され、回転磁界が生じる。この回転磁界を受けてロータおよびシャフトが一体となって回転する。そして、シャフトの回転により、出力端29からコラム軸6のギア7に駆動力が出力され、運転者のステアリング5による操舵をアシストする。
次に、パワーモジュール60Aの詳細について、図3〜図5を参照して説明する。なお、図3〜図5では、インバータ80に対応するパワーモジュール60Aについて示しているが、インバータ89に対応するパワーモジュール60Aについても同様の構成である。
図3に示すように、パワーモジュール60Aとヒートシンク50との間には、放熱シート67が設けられる。パワーモジュール60Aは、放熱シート67を挟んで、ねじ68、69によりヒートシンク50に螺着され、ヒートシンク50に保持される。これにより、パワーモジュール60Aへの通電により発生する熱が放熱シート67を介してヒートシンク50に放熱される。
また、放熱シート67は、絶縁材料で形成され、パワーモジュール60Aとヒートシンク50との絶縁を確保する。さらに、放熱シート67をパワーモジュール60Aとヒートシンク50との間に設けることにより、パワーモジュール60Aとヒートシンク50との密着性を高めている。
図3〜図5に示すように、パワー端子65および制御端子64は、モールド部61の上下の面から突出して設けられる。パワー端子65および制御端子64は、パワーコネクタ79側から順に、電源リレー用、U相巻線用、V相巻線用、W相巻線用の各端子群に大別される。
パワー端子65は、パワー基板70側の第1面62に設けられる。パワー端子65は、パワー基板70に形成されるスルーホールに挿通され、はんだ等によりパワー基板70と電気的に接続される。パワー端子65には、パワー基板70および取出線23を経由してモータ2の巻線に供給される巻線電流が通電される。パワーモジュール60A内のMOS81〜88のオン/オフを切り替えることにより、巻線電流が制御される。
本実施形態のパワー端子65は、電源リレー用としてリレー前端子649およびリレー後端子650、U相巻線用としてモータ端子651、電源電圧端子652、グランド端子653、V相巻線用としてモータ端子654、電源電圧端子655、グランド端子656、W相巻線用としてモータ端子657、電源電圧端子658、グランド端子659の計11本から構成される。
制御端子64は、制御基板40側の第2面63に設けられる。制御端子64は、制御基板40のスルーホールに挿通され、はんだ等により制御基板40と電気的に接続される。この制御端子64を介して、制御基板40からの制御信号がパワーモジュール60Aへ出力される。
本実施形態では、制御基板40側には、モータ2の駆動制御に係る程度の小さい電流(例えば200mA)しか通電されない。一方、パワー基板70側には、モータ2を駆動するための大電流(例えば80A)が通電される。そのため、パワー端子65は、制御端子64よりも太く形成されている。
本実施形態の制御端子64は、電源リレー用として端子450、487、488、U相巻線用として端子451、453、481、484、491、494、V相巻線用として端子454、456、482、485、492、495、W相巻線用として端子457、459、483、486、493、496の計21本から構成される。
次に、パワーモジュール60Aの内部構造を図5に基づいて説明する。
図5に示すように、パワーモジュール60Aは、<1>MOS81〜88、<2>リレー前端子649、リレー後端子650を有する導体649、650、<3)モータ端子651、654、657を有するモータ側導体551、554、557、<4>電源電圧端子652、655、658を有する電源側導体552、555、558、<5>グランド端子653、656、659を有するグランド側導体553、556、559、<6>銅クリップ900、903、904、905、<7>シャント抵抗991、992、993、及び、<8>モールド部61を備える。
モータ端子651等、電源電圧端子652等、グランド端子653等、モータ側導体551等、電源側導体552等、グランド側導体553等は、それぞれ、特許請求の範囲に記載の「負荷端子」、「高電位端子」、「低電位端子」、「負荷側導体」、「高電位側導体」、「低電位側導体」、に相当する。
また、上MOS81、82、83のソースとモータ側導体551、554、557とを接続する銅クリップ903、904、905は、特許請求の範囲に記載の「第1接続導体」に相当する。下MOS84、85、86のソースとグランド側導体553、556、559とを接続するシャント抵抗991、992、993は、特許請求の範囲に記載の「第2接続導体」に相当する。
モールド部61は、MOS81〜88および各導体等を一体に樹脂モールドする。
パワーモジュール60Aのヒートシンク50側の面には、各導体549〜559の一部が金属放熱部としてパワーモジュール60Aのモールド部61から露出している(図示しない)。すなわち、本実施形態のパワーモジュール60Aは、所謂ハーフモールド型のモジュールである。本実施形態では、金属放熱部が放熱シート67を介してヒートシンク50の受熱部52に接触することにより、効率よく放熱することができる。
MOS81〜88を構成する半導体チップは、図5にMOS83を例として示すように、831がゲートであり、832がソースである。MOS83のドレインは、半導体チップの裏面に形成され、導体549〜559に搭載される。
他のMOS81、82、84〜88についても同様である。
導体549〜559は、銅もしくは銅合金の板材により配線パターンが形成される。
導体549〜559、導体に搭載されるMOS81〜88、並びに、MOS同士またはMOSと導体とを接続する銅クリップ900、903、904、905およびシャント抵抗991、992、993は、上述の「電源リレー用、U相巻線用、V相巻線用、W相巻線用の各端子群」に対応し、「電源リレー用、U相巻線用、V相巻線用、W相巻線用の各半導体ユニット」として大別される。
電源リレー用半導体ユニットは、導体549、550、MOS87、88、銅クリップ900等から構成される。
導体549は、チョークコイル76を介して電源75に接続するリレー前端子649を第1面62側に有する。導体549には、電源リレー用MOS87が搭載される。
導体550は、リレー後端子650を第1面62側に有し、リレー後電圧モニタ用の制御端子450を第2面63側に有する。リレー後端子650は、パワー基板70の配線を経由して、U、V、W相の各電源電圧端子652、655、658に接続する。導体550には、逆接防止用の電源リレー用MOS88が搭載される。MOS87のソースとMOS88のソースとは、銅クリップ900により接続される。
以上の構成により、電源75から供給される直流電流は、リレー前端子649、導体649、MOS87、銅クリップ900、MOS88、導体650、リレー後端子650およびパワー基板70を経由して、U、V、W相の各電源電圧端子652、655、658に供給される。
その他、第2面63側に設けられる制御端子について、制御端子487は、ボンディングワイヤ(以下、「ワイヤ」という。)により電源リレー用MOS87のゲートと接続され、制御端子488は、ワイヤにより電源リレー用MOS88のゲートと接続される。
制御部90は、モータ2またはコントロールユニット3の異常時等に制御端子487、488を経由してMOS87、88のゲート電圧を切り替え、MOS87、88をオフすることで、インバータ回路80への電力供給を遮断する。
U相巻線用半導体ユニットは、電源側導体552、モータ側導体551、グランド側導体553、上MOS81、下MOS84、銅クリップ903およびシャント抵抗991等から構成される。
V相巻線用半導体ユニットは、電源側導体555、モータ側導体554、グランド側導体556、上MOS82、下MOS85、銅クリップ904およびシャント抵抗992等から構成される。
W相巻線用半導体ユニットは、電源側導体558、モータ側導体557、グランド側導体559、上MOS83、下MOS86、銅クリップ905およびシャント抵抗993等から構成される。
上記三相の半導体ユニットの構成は同様であるため、以下、U相巻線用半導体ユニットを代表として詳細な構成を説明する。
電源側導体552は、リレー後端子650に接続する電源電圧端子652を第1面62側に有する。電源側導体552は、上MOS81が搭載される第1幅広部56と、第1幅広部56から電源電圧端子652まで延びる第1幅狭部57とを有する。第1幅広部56は、パワーモジュール60Aの第1面62寄りに設けられる。第1幅狭部57は、第1幅広部56のグランド側導体553寄りに、グランド側導体553と隣接して設けられる。
上MOS81のソースは、銅クリップ903によりモータ側導体551と接続される。
モータ側導体551は、モータ2のU相巻線に接続するモータ端子651を第1面62側に有し、電圧モニタ用の制御端子451を第2面63側に有する。モータ側導体551は、下MOS84が搭載される第2幅広部58と、第2幅広部58からモータ端子651まで延びる第2幅狭部59とを有する。第2幅広部58は、電源側導体552の第1幅広部56に対し第2面63側に設けられ、第2幅広部58の幅は、第1幅広部56の幅よりも広い。また、第2幅狭部59は、第2幅広部58のグランド側導体553と反対側に設けられる。
下MOS84のソースは、シャント抵抗991によりグランド側導体553と接続される。
グランド側導体553は略直線状であり、グランドに接続するグランド端子653を第1面62側に有し、電圧モニタ用の制御端子453を第2面63側に有する。
以上の構成により、MOS81、84のスイッチング動作に起因する高周波電流は、電源電圧端子652、電源側導体552、上MOS81、銅クリップ903、モータ側導体551、下MOS84、シャント抵抗991、グランド側導体553およびグランド端子653を経由する電流経路Riを流れる。
その他、第2面63側に設けられる制御端子について、制御端子481は、ワイヤにより上MOS81のゲートと接続され、制御端子484は、ワイヤにより下MOS84のゲートと接続される。制御端子481、484を経由して上MOS81、下MOS84のゲート電圧を切り替えることでスイッチングが制御される。
制御端子491、494は、シャント抵抗991の両端に接続され、電圧信号を出力する。この電圧信号に基づいて、U相巻線に供給される電流の大きさが検出される。
ここで、比較例のパワーモジュール60Cについて図7を参照して説明する。図7において、上MOS81〜83、下MOS84〜86、銅クリップ901〜903、シャント抵抗991〜993等、本発明の第1実施形態に係る構成と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、電源リレー用MOS87、88に対応する導体等の構成に関しては比較ポイントではないため、説明を省略する。
図7に示すように、比較例のパワーモジュール60Cは、U相用の電源電圧端子122、モータ端子123、グランド端子124、V相用の電源電圧端子126、モータ端子125、グランド端子124、W相用の電源電圧端子126、モータ端子127、グランド端子128を有している。また、各端子122〜128は、対応する導体162〜168に設けられている。
パワーモジュール60Cは、グランド端子124およびグランド側導体164をU相用とV相用とで共用し、電源電圧端子126および電源側導体166をV相用とW相用とで共用することを特徴とする。そのため、必然的に、電源電圧端子とグランド端子との間にモータ端子が配置されることとなる。
しかも、電源電圧端子122は、電源側導体162の幅広部56のグランド側導体124寄りではなく、幅広部56の略中央に設けられている。また、電源電圧端子126は、電源側導体166の幅広部56のグランド側導体124寄り(若しくはグランド側導体128寄り)ではなく、幅広部56の略中央に設けられている。
続いて、本実施形態のパワーモジュール60Aの効果について、U相用半導体ユニットを代表として、比較例と対比しつつ説明する。なお、V相用、W相用の半導体ユニットについても同様である。
(1)比較例では、電源電圧端子122からグランド端子124に至る電流経路Riが長くなり、高周波電流のループ面積が大きくなる。したがって、放射磁界が発生し、図7に太いブロック矢印M0で示すようにパワー基板70に接続されたパワーコネクタ79等との間で磁気結合が生じる。その結果、機器の誤動作や他機器へのノイズ流出を引き起こすおそれがある。
それに対し、本実施形態では、電源電圧端子652は、電源側導体552の第1幅広部56のグランド側導体553寄りに、グランド端子653に隣接して設けられるため、電源電圧端子652からグランド端子653へ至る電流経路Riを可及的に短くし、高周波電流のループ面積を可及的に小さくすることができる。よって、MOS81、84のスイッチング動作に起因して流れる高周波電流による放射磁界の発生を抑制することができる。その結果、図4に細いブロック矢印M1で示すように、パワーコネクタ79等との間の磁気結合を抑制し、機器の誤動作や他機器へのノイズ流出を回避することができる。
(2)本実施形態では、モータ側導体551は、グランド側導体553に対して電源側導体552と同じ側に設けられる。これにより、シャント抵抗992をジャンプ配線とすることを回避することができる。
(3)モータ側導体551の第2幅狭部59は、第2幅広部58のグランド側導体553と反対側に設けられる。そのため、モータ端子651は、電源電圧端子652およびグランド端子653と同方向である第1面62側へ延び、1枚のパワー基板70に接続される。これにより、スペースを集約し、作業性を向上することができる。
(4)上MOS81のソースとモータ側導体551とを接続する「第1接続導体」として銅クリップ901が用いられるため、ボンディングワイヤに比べて断面積が大きく、電流の抵抗を小さくすることができる。
(5)下MOS84のソースとグランド側導体553とを接続する「第2接続導体」としてシャント抵抗991が用いられるため、モータ2の巻線に供給される電流を検出することができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について図6を参照して説明する。第2実施形態のパワーモジュール60Bは、第1実施形態に対し、主に電源側導体とモータ側導体との配置が異なる。その他、第1実施形態に係る構成と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、電源リレー用MOS87、88に対応する導体等の構成に関しては説明を省略する。
図6に示すように、第2実施形態のパワーモジュール60Bは、U相用の電源電圧端子603、モータ端子604、グランド端子605、V相用の電源電圧端子608、モータ端子607、グランド端子606、W相用の電源電圧端子609、モータ端子610、グランド端子611を有している。また、各端子603〜609は、対応する導体504〜512に設けられている。
各導体、MOS、銅クリップおよびシャント抵抗は、第1実施形態と同様、相毎に半導体ユニットを構成する。上記三相の半導体ユニットの構成は同様であるため、代表としてU相巻線用半導体ユニットについて詳細な構成を説明する。
導体は、パワーコネクタ79側から順に、電源側導体504、モータ側導体505、グランド側導体506の順に配置される。
電源側導体504は、上MOS81が搭載される第1幅広部56のグランド側導体506寄りに、電源電圧端子603が延びる第1幅狭部57が設けられる。グランド側導体506は、第1実施形態のグランド側導体553と類似する略直線状であり、第1面62側にグランド端子605が設けられる。モータ側導体505から第1面62側に延びるモータ端子604は、電源電圧端子603とグランド端子605との間に設けられる。
この構成では、電源電圧端子603からグランド端子605に至る電流経路Riは、間にモータ端子604を挟む分、第1実施形態に比べて長くなる。しかし、上述の比較例のパワーモジュール60Cと比べると、「電源電圧端子603が電源側導体504の第1幅広部56のグランド側導体506寄りに設けられている」点が異なる。そのため、間にモータ端子604を挟みながらも、電源電圧端子603とグランド端子605との距離を可及的に短くすることができる。したがって、第1実施形態に準ずる程度に電流経路Riを可及的に短くし、高周波電流のループ面積を可及的に小さくすることができる。よって、MOSのスイッチング動作に起因して流れる高周波電流による放射磁界の発生を抑制することができる。
(他の実施形態)
(ア)上記実施形態のパワーモジュール60A等では、電源リレー用のMOS87、88、及び、三相巻線に対応するMOS81〜86の計8つのMOSが、パワーコネクタ79側から、電源リレー用MOS87、88、U相MOS81、84、V相MOS82、85、W相MOS83、86の順に設けられている。他の実施形態では、この順に限らず、電源リレーおよび各相MOSをどのような順番で配置してもよい。
また、パワーモジュールは、電源リレー用を含まなくてもよい。
(イ)上記実施形態のパワーモジュール60A等は、上MOSおよび下MOSを各1個含む半導体ユニットを3組備え、三相ブラシレスモータに適用される。他の実施形態では、半導体ユニットの数は3組に限らず何組であってもよい。例えば、ブラシ付きモータを駆動するためのブリッジ回路に適用されるパワーモジュールは、2組の半導体ユニットを備えるようにしてもよい。
(ウ)上記実施形態では、スイッチング素子としてMOSFETを用いているが、スイッチング素子としてMOSFET以外の電界効果トランジスタ、或いは絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等を用いてもよい。
IGBT等を用いる場合は、「エミッタ」が「ドレイン相当電極」に該当し、「コレクタ」が「ソース相当電極」に該当する。
(エ)上記実施形態では、上MOSのソースとモータ側導体とを銅クリップにより接続しているが、他の実施形態では、銅クリップに代えて、例えば電気抵抗を同等とするように複数のボンディングワイヤ等で接続してもよい。
また、上記実施形態では、下MOSのソースとグランド側導体とをシャント抵抗により接続しているが、他の実施形態では、シャント抵抗に代えて、ボンディングワイヤまたは銅クリップ等で接続してもよい。
(オ)上記実施形態では、「高電位端子」としての電源電圧端子は電源75の電圧が供給され、「低電位端子」としてのグランド端子は接地される。その他の実施形態では、「高電位端子」および「低電位端子」は、電源およびグランド以外に設定される高電位源および低電位源に、それぞれ接続されてもよい。
(カ)モータ端子(負荷端子)は、電源電圧端子(高電位端子)およびグランド端子(低電位側端子)に対して、パワーモジュールの反対側に設けられてもよい。
(キ)上記実施形態の駆動装置1は、制御基板40およびパワー基板70の2枚の基板を備えているが、他の実施形態では、基板を1枚としてもよい。また、モータ2への取出線23とパワーモジュールとをパワー基板を介さずに溶接等により接続してもよい。
(ク)上記実施形態の駆動装置1では、パワーモジュール60A等は、ヒートシンク50に当接する側の面に、モールド部61から露出する金属放熱部を有している。他の実施形態では、パワーモジュールは、モールド部から露出する金属放熱部を有しない所謂フルモールド型のモジュールとしてもよい。なお、この場合、放熱シート67は、絶縁性を有するものでなくてもよい。
(ケ)本発明の半導体モジュールは、車両の電動パワーステアリング装置用の三相交流モータの駆動装置に限らず、他の駆動装置等に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
1 ・・・駆動装置
2 ・・・モータ
3 ・・・コントロールユニット
40 ・・・制御基板(基板)
50 ・・・ヒートシンク
551、554、557・・・モータ側導体(負荷側導体)
552、555、558・・・電源側導体(高電位側導体)
553、556、559・・・グランド側導体(低電位側導体)
56 ・・・第1幅広部
57 ・・・第1幅狭部
58 ・・・第2幅広部
59 ・・・第2幅狭部
60 ・・・パワーモジュール(半導体モジュール)
61 ・・・モールド部
62 ・・・第1面
63 ・・・第2面
64 ・・・制御端子
65 ・・・パワー端子
651、654、657・・・モータ端子(負荷端子)
652、655、658・・・電源電圧端子(高電位端子)
653、656、659・・・グランド端子(低電位端子)
70 ・・・パワー基板(基板)
79 ・・・パワーコネクタ
81、82、83・・・上MOS(高電位側スイッチング素子)
84、85、86・・・下MOS(低高電位側スイッチング素子)
87、88・・・電源リレー、電源リレー用MOS
903〜905・・・銅クリップ(第1接続導体)
991〜993・・・シャント抵抗(第2接続導体)
Ri ・・・電流経路

Claims (10)

  1. 直流電流を交流電流に変換するインバータを構成する複数のスイッチング素子を備える半導体モジュールであって、
    高電位側に設けられる高電位側スイッチング素子と、
    低電位側に設けられる低電位側スイッチング素子と、
    高電位源に接続する高電位端子を有し、前記高電位側スイッチング素子が搭載され、前記高電位側スイッチング素子のドレインまたはドレイン相当電極と接続する高電位側導体と、
    負荷に接続する負荷端子を有し、前記低電位側スイッチング素子が搭載され、前記低電位側スイッチング素子のドレインまたはドレイン相当電極と接続する負荷側導体と、
    前記高電位端子と同方向に延び低電位源に接続する低電位端子を有する低電位側導体と、
    前記高電位側導体上の前記高電位側スイッチング素子のソースまたはソース相当電極と前記負荷側導体とを接続する第1接続導体と、
    前記負荷側導体上の前記低電位側スイッチング素子のソースまたはソース相当電極と前記低電位側導体とを接続する第2接続導体と、
    前記高電位側スイッチング素子、前記低電位側スイッチング素子、前記高電位側導体、前記負荷側導体、前記低電位側導体、前記第1接続導体および前記第2接続導体を一体にモールドするモールド部と、
    を備え、
    前記高電位側導体は、前記高電位側スイッチング素子が搭載される第1幅広部と、当該第1幅広部から前記高電位端子まで延びる第1幅狭部とを有し、
    前記第1幅狭部は、前記第1幅広部の前記低電位側導体寄りに設けられることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 前記高電位側導体の前記第1幅狭部は、前記低電位側導体と隣接して設けられることを特徴とする請求項1に記載の半導体モジュール。
  3. 前記負荷側導体は、前記低電位側導体に対して前記高電位側導体と同じ側に前記低電位側導体と隣接して設けられ、前記低電位側スイッチング素子が搭載される第2幅広部と、当該第2幅広部から前記負荷端子まで延びる第2幅狭部とを有することを特徴とする請求項2に記載の半導体モジュール。
  4. 前記負荷端子は、前記高電位端子および前記低電位端子と同方向に延びることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  5. 前記第1接続導体および前記第2接続導体の少なくともいずれか一方は、ボンディングワイヤであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  6. 前記第1接続導体および前記第2接続導体の少なくともいずれか一方は、銅クリップであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  7. 前記第1接続導体および前記第2接続導体の少なくともいずれか一方は、シャント抵抗であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  8. 前記高電位側スイッチング素子、前記低電位側スイッチング素子、前記高電位側導体、前記負荷側導体、前記低電位側導体、前記第1接続導体および前記第2接続導体から構成される半導体ユニットを複数備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  9. 前記高電位側スイッチング素子および前記低電位側スイッチング素子の制御信号が入力される制御端子が、前記高電位端子および前記低電位端子の設けられる側と反対側に設けられることを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
  10. モータと、
    前記モータの巻線と電気的に接続される請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体モジュール、前記半導体モジュールが搭載され発熱を受容可能なヒートシンク、及び前記半導体モジュールと電気的に接続される基板を有し、前記モータの軸方向の一側に設けられるコントロールユニットと、
    を備え、
    前記負荷はモータ巻線であることを特徴とする駆動装置。
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