JP2014093421A - パワーモジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】インダクタンスを低減する効果を向上させることができるパワーモジュールを提供する。
【解決手段】P端子板Pと上相出力端子板Uとに接合された第1トランジスタTr1と、N端子板Nと下相出力端子板Uとに接合された第2トランジスタTr2とを備えたパワーモジュール10で、P端子板PとN端子板Nとの電流が平行な反対方向となるようにP端子板PとN端子板Nとが並列配置され、P端子板Pと上相出力端子板Uとの電流が平行な反対方向となるようにP端子板Pの上に上相出力端子板Uが配置され、N端子板Nと下相出力端子板Uとの電流が互いに平行な反対方向となるようにN端子板Nの下に下相出力端子板Uが配置されている。P端子板P及びN端子板P、P端子板及び上相出力端子板U、N端子板N及び下相出力端子板Uの電流により互いに磁界が相殺され、インダクタンスがより低減する。
【選択図】図2

Description

本発明は、パワーモジュールに関し、特に一対のスイッチング素子を備えたパワーモジュールに関する。
一対のスイッチング素子を備えた電力制御用のパワーモジュールにおいては、大電流が断続的に流れるため、スイッチング時のサージ電圧を抑制する観点から、回路のインダクタンスの低減が要求されている。例えば、特許文献1には、一方のスイッチング素子のP端子板(Pバスバ)と、他方のスイッチング素子のN端子板(Nバスバ)とが、それらを流れる電流の方向が反対となるように絶縁基板を挟んで配置されたパワーモジュールが開示されている。また、特許文献2には、P端子板とN端子板とが、双方のスイッチング素子の出力端子板を挟んで上下に配置されたパワーモジュールが開示されている。
特開2009−295633号公報 特開2001−332688号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載されているようなパワーモジュールでは、P端子板及びN端子板だけが電流の方向が反対となるように配置されているため、インダクタンスを低減する効果が不十分である。
また、上記特許文献2に記載されているようなパワーモジュールでは、図21に示すように、第1トランジスタTr1のP端子板P、第2トランジスタTr2のN端子板N、及び第1トランジスタTr1と第2トランジスタTr2とに共通の出力端子板Uを備えている。特許文献2のようなパワーモジュールでは、図22に示すように、出力端子板Uを挟んで上下に配置されたP端子板PとN端子板Nとが離れているため、P端子板PとN端子板Nとの間でインダクタンスを低減する効果が乏しい。特許文献2のようなパワーモジュールでは、領域z1及び領域z2においてのみインダクタンスを低減する効果が得られるため、インダクタンスを低減する効果が不十分である。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、インダクタンスを低減する効果を向上させることができるパワーモジュールを提供することを目的とする。
本発明は、高電位側のP端子とP端子よりも低電位側の第1出力端子とを有する第1スイッチング素子と、低電位側のN端子とN端子よりも高電位側の第2出力端子とを有する第2スイッチング素子とを備え、P端子を流れる電流の方向とN端子を流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、P端子とN端子とが並列に配置され、P端子を流れる電流の方向と第1出力端子を流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、第1出力端子が、N端子と第1出力端子との間にP端子を挟むように配置され、N端子を流れる電流の方向と第2出力端子を流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、第2出力端子が、P端子と第2出力端子との間にN端子を挟むように配置されているパワーモジュールである。
この構成によれば、高電位側のP端子と低電位側の第1出力端子とを有する第1スイッチング素子と、低電位側のN端子と高電位側の第2出力端子とを有する第2スイッチング素子とを備えたパワーモジュールにおいて、P端子を流れる電流の方向とN端子を流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、P端子とN端子とが並列に配置され、P端子を流れる電流の方向と第1出力端子を流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、第1出力端子が、N端子と第1出力端子との間にP端子を挟むように配置され、N端子を流れる電流の方向と第2出力端子を流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、第2出力端子がP端子と第2出力端子との間にN端子を挟むように配置されている。このため、P端子とN端子とを流れる電流、P端子と第1出力端子とを流れる電流、及びN端子と第2出力端子とを流れる電流により互いに三箇所で磁界が相殺され、インダクタンスを低減する効果を向上させることができる。
この場合、第1面及び第2面を有する絶縁基板をさらに備え、P端子及びN端子はそれぞれ厚さよりも幅が大きい板状をなし、P端子は絶縁基板の第1面に配置され、N端子は絶縁基板の第2面に配置され、P端子及びN端子は絶縁基板を間に挟むように積層配置されていることが好適である。
この構成によれば、第1面及び第2面を有する絶縁基板をさらに備え、P端子及びN端子はそれぞれ厚さよりも幅が大きい板状をなし、P端子は絶縁基板の第1面に配置され、N端子は絶縁基板の第2面に配置され、P端子及びN端子は絶縁基板を間に挟むように積層配置されている。このため、絶縁基板を挟んで積層配置された幅の広い板状のP端子及びN端子に反対方向に電流が流れることになり、インダクタンスを低減する効果をさらに向上させることができる。
この場合、第1スイッチング素子は絶縁基板の第1面に配置され、第2スイッチング素子は絶縁基板の第2面に配置されていることが好適である。
この構成によれば、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子それぞれの相が絶縁基板を挟んで積層配置されているため、絶縁基板への投影面積が小さくなり、パワーモジュールを小型化することができる。
この場合、絶縁基板の第1面に配置されたU相用の第1スイッチング素子、絶縁基板の第1面に配置されたV相用の第1スイッチング素子及び絶縁基板の第1面に配置されたW相用の第1スイッチング素子と、絶縁基板の第2面に配置されたU相用の第2スイッチング素子、絶縁基板の第2面に配置されたV相用の第2スイッチング素子及び絶縁基板の第2面に配置されたW相用の第2スイッチング素子とを備え、U相用の第1スイッチング素子、V相用の第1スイッチング素子及びW相用の第1スイッチング素子は、U相用の第1出力端子、V相用の第1出力端子及びW相用の第1出力端子と、共通するP端子とをそれぞれ有し、U相用の第2スイッチング素子、V相用の第2スイッチング素子及びW相用の第2スイッチング素子は、U相用の第2出力端子、V相用の第2出力端子及びW相用の第2出力端子と、共通するN端子とをそれぞれ有することが好適である。
この構成によれば、絶縁基板の第1面にU相用、V相用及びW相用の三相分の第1スイッチング素子が配置され、絶縁基板の第2面にU相用、V相用及びW相用の三相分の第2スイッチング素子が配置され、U相用、V相用及びW相用の三相分の第1スイッチング素子はそれぞれU相用、V相用及びW相用の三相分の第1出力端子と共通するP端子とを有し、U相用、V相用及びW相用の三相分の第2スイッチング素子はそれぞれU相用、V相用及びW相用の三相分の第2出力端子と共通するN端子とを有する。したがって、三相分のP端子とN端子とのPN配線において、単純な回路配線パターンで互いの電流の方向が正反対になるように並列に配置することができ(PN並走)、三相分のPN配線のインダクタンスを効率良く低減することができる。
本発明のパワーモジュールによれば、インダクタンスを低減する効果を向上させることができる。
実施形態に係るパワーモジュールを示す平面図である。 図1に記載のパワーモジュールのA−A線における断面図である。 図1に記載のパワーモジュールのB−B線における断面図である。 P放熱板を示す平面図である。 P端子板を示す平面図である。 上相出力端子板を示す平面図である。 実施形態に係るパワーモジュールの1相分の回路図である。 実施形態に係るパワーモジュールの上相側を製造する工程を示すフローチャートである。 図1に記載のパワーモジュールの上相側の製造工程において第1リフロー処理が施される時点でのA−A線における断面図である。 図1に記載のパワーモジュールの上相側の製造工程において第1リフロー処理が施される時点でのB−B線における断面図である。 図1に記載のパワーモジュールの上相側の製造工程においてスイッチング素子と制御端子とがワイヤボンディングされた時点でのA−A線における断面図である。 図1に記載のパワーモジュールの上相側の製造工程において第2リフロー処理が施される時点でのA−A線における断面図である。 図1に記載のパワーモジュールの上相側の製造工程において第2リフロー処理が施される時点でのB−B線における断面図である。 図1に記載のパワーモジュールの上相側の製造工程においてモールド成型がなされた時点でのA−A線における断面図である。 図1に記載のパワーモジュールの上相側の製造工程においてモールド成型がなされた時点でのB−B線における断面図である。 図1に記載のパワーモジュールの上相側の製造工程においてモールド成型がなされた時点での平面図である。 図16に記載のパワーモジュールにP端子板が接合された時点での平面図である。 図17に記載のパワーモジュールのA−A線における断面図である。 図17に記載のパワーモジュールのB−B線における断面図である。 本実施形態のパワーモジュールにおける上相出力端子板、P端子板、N端子板及び下相出力端子板を流れる電流とその作用とを示す図である。 従来のパワーモジュールの1相分の回路図である。 従来のパワーモジュールにおけるP端子板、出力端子板及びN端子板を流れる電流とその作用とを示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るパワーモジュールについて説明する。図1の平面図に示すように、本実施形態のパワーモジュール10は、封止樹脂20に封止されたU相モジュール30U、V相モジュール30V及びW相モジュール30Wを備えている。本実施形態のパワーモジュール10は、各相が2個のスイッチング素子を用いたU相、V相及びW相の三相インバータとして構成されている。
図1の平面図、図2のA−A線による断面図及び図3のB−B線による断面図に示すように、パワーモジュール10は、絶縁基板40の絶縁基板上面40tに、図4の平面図に示すようなU相モジュール30U、V相モジュール30V及びW相モジュール30Wの三相に共通のP放熱板Rが配置されている。P放熱板RはP端子板接合用端子JTを有する。同様に、絶縁基板40の絶縁基板下面40bに、U相モジュール30U、V相モジュール30V及びW相モジュール30Wの三相に共通のN放熱板Rが配置されている。N放熱板RはN端子板接合用端子JTを有する。絶縁基板40は、インダクタンスを低減する効果を向上させるため、0.5mm以下の厚さであることが好ましい。
図1及び図3に示すように、P放熱板RにはP端子板接合用端子JTを介して、図5の平面図に示すようなU相モジュール30U、V相モジュール30V及びW相モジュール30Wの三相に共通のP端子板Pが接合されている。P端子板Pは、厚さよりも幅が広い板状のバスバとなっている。同様に、N放熱板RにはN端子板接合用端子JTを介して、U相モジュール30U、V相モジュール30V及びW相モジュール30Wの三相に共通の厚さよりも幅が広い板状のN端子板Nが接合されている。N端子板Nは、厚さよりも幅が広い板状のバスバとなっている。
P放熱板Rの絶縁基板40の反対側の面には、U相モジュール30U、V相モジュール30V及びW相モジュール30Wの三相ごとに、ハンダ80を介して第1トランジスタTr1及び第1ダイオードD1が接合されている。第1トランジスタTr1は、たとえばパワーMOSトランジスタやIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等であり、第1ダイオードD1は、還流ダイオードとして機能する。第1トランジスタTr1及び第1ダイオードD1のP放熱板Rと反対側の面には、それぞれハンダ80を介してスペーサ60が接合されている。
スペーサ60の第1トランジスタTr1又は第1ダイオードD1と反対側の面には、それぞれハンダ80を介してU相モジュール30U、V相モジュール30V及びW相モジュール30Wの三相ごとに図6に示すような上相出力端子板Uが接合されている。上相出力端子板Uは、スペーサ60に接合された位置から先端が屈曲して、P放熱板Rと絶縁基板上面40tからの距離が同じ位置で封止樹脂20から突出している。第1トランジスタTr1には、ボンディングワイヤ70を介して制御端子50が接合されている。このようにして、絶縁基板上面40tには、U相、V相及びW相の上相UPが形成される。
同様にして、N放熱板Rの絶縁基板40の反対側の面には、ハンダ80、第2トランジスタTr2、第2ダイオードD2、スペーサ60、下相出力端子板UNが順次接合されている。このようにして、絶縁基板下面40bには、U相、V相及びW相の下相BPが形成される。U相、V相及びW相の各相には、図7に示すような上相UPに第1トランジスタTr1及び第1ダイオードD1を用い、下相に第2トランジスタTr2及び第2ダイオード2を用いたインバータ回路が形成される。
図2及び図7に示すように、パワーモジュール10では、領域Z1において、絶縁基板40を間に挟んでP端子板PとN端子板Nとがその電流の向きが互いに正反対の平行な方向になるように配置されている。領域Z2において、P端子板Pと上相出力端子板Uとがその電流の向きが互いに正反対の平行な方向になるように配置されている。領域Z3において、N端子板Nと下相出力端子板Uとがその電流の向きが互いに正反対の平行な方向になるように配置されている。図3に示すように、領域Z4において、絶縁基板40を間に挟んでP放熱板RとN放熱板Rとがその電流の向きが互いに正反対の平行な方向になるように配置されている。P端子板P,N端子板Nと、上相出力端子板U,下相出力端子板Uとの間は、絶縁紙や上相出力端子板U,下相出力端子板Uにラミネート等による絶縁体を配置することで絶縁されている。
以下、本実施形態のパワーモジュール10の製造工程について説明する。以下の説明では、絶縁基板上面40t上に上相UPを形成する工程について説明する。図8のフローチャート、図9のA−A線による断面図及び図10のB−B線による断面図に示すように、リードフレームとなるP放熱板Rに、ハンダ80、第1トランジスタTr1、第1ダイオードD1、スペーサ60が順次接合され、第1リフロー処理が施される(S11)。図8及び図11のA−A線による断面図に示すように、第1トランジスタTr1と制御端子50とがボンディングワイヤ70によりワイヤボンディングされる(S12)。
図8、図12のA−A線による断面図及び図13のB−B線による断面図に示すように、U相モジュール30U、V相モジュール30V及びW相モジュール30Wの三相ごとに、出力側のリードフレームである上相出力端子板Uが接合され、第2リフロー処理がなされる(S13)。この工程後には、後のモールド成型による封止樹脂20の終端において、上相出力端子板UとP放熱板Rとが、絶縁基板上面40tからの距離が同じ位置で封止樹脂20から突出するように配置される。図8に示すように、封止樹脂20と各部品との密着性を高めるためにプライマーコーティング処理がなされる(S14)。
図8、図14のA−A線による断面図、図15のB−B線による断面図及び図16の平面図に示すように、モールド成型がなされた封止樹脂20による封止が行われる(S15)。本実施形態では、封止樹脂20の終端において、上相出力端子板UとP放熱板Rとが、絶縁基板上面40tからの距離が同じ位置で封止樹脂20から突出するように配置されている。したがって、絶縁基板上面40tから当該距離だけ離れた線をモールド成型のパーティングラインとすることにより、上相出力端子板UとP放熱板Rとのパーティングラインを一致させて、容易にモールド成型を行うことができる。
図8、図17の平面図、図18のA−A線による断面図及び図19のB−B線による断面図に示すように、領域Z5の部分でP端子板PとP端子板接合用端子JTとが接合される(S16)。絶縁基板下面40b上に下相BPを形成する工程も上記と同様に行うことができる。
本実施形態によれば、高電位側のP端子板Pと低電位側の上相出力端子板Uとに接合された第1トランジスタTr1と、低電位側のN端子板Nと高電位側の下相出力端子板Uとに接合された第2トランジスタTr2とを備えたパワーモジュール10において、P端子板Pを流れる電流の方向とN端子板Nを流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるようにP端子板PとN端子板Nとが並列に配置され、P端子板Pを流れる電流の方向と上相出力端子板Uを流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、上相出力端子板Uが、N端子板Nと上相出力端子板Uとの間にP端子板Pを挟むように配置され、N端子板Nを流れる電流の方向と下相出力端子板Uを流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、下相出力端子板UがP端子板Pと下相出力端子板Uとの間にN端子板Nを挟むように配置されている。
このため、図2、図7及び図20に示すように、領域Z1においてP端子板PとN端子板Pとを流れる電流、領域Z2においてP端子板と上相出力端子板Uとを流れる電流、及び領域Z3においてN端子板Nと下相出力端子板Uとを流れる電流により互いに三箇所で磁界が相殺され、インダクタンスを低減する効果を向上させることができる。さらに、本実施形態では、領域Z4において、絶縁基板40を間に挟んでP放熱板RとN放熱板Rとがその電流の向きが互いに正反対の平行な方向になるように配置されているため、領域Z4においても、インダクタンスを低減する効果を向上させることができる。領域Z1〜Z4において、インダクタンスを低減することで、スイッチング時のサージ電圧をさらに抑制することができ、より高周波での動作を行うことが可能となり、周辺部品であるコンデンサ、リアクトルの小型化及び低コスト化への効果が期待できる。
また、本実施形態では、絶縁基板上面40t及び絶縁基板40bを有する絶縁基板40をさらに備え、P端子板P及びN端子板Pはそれぞれ厚さよりも幅が大きい板状をなし、P端子板Nは絶縁基板上面40tに配置され、N端子板Nは絶縁基板下面40bに配置され、P端子板P及びN端子板Nは絶縁基板40を間に挟むように積層配置されている。このため、絶縁基板40を挟んで積層配置された幅の広い板状のP端子板P及びN端子板Nに反対方向に電流が流れることになり、インダクタンスを低減する効果をさらに向上させることができる。
また、本実施形態では、第1トランジスタTr1の上相UP及び第2トランジスタTr2の下相BPそれぞれが絶縁基板40を挟んで積層配置されているため、絶縁基板40への投影面積が小さくなり、パワーモジュールを小型化することができる。
また、本実施形態では、絶縁基板上面40tにU相モジュール30U、V相モジュール30V及びW相モジュール30Wの三相分の第1トランジスタTr1が配置され、絶縁基板下面40bにU相モジュール30U、V相モジュール30V及びW相モジュール30Wの三相分の第2トランジスタTr2が配置され、U相用、V相用及びW相用の三相分の第1トランジスタTr1はそれぞれU相用、V相用及びW相用の三相分の上相出力端子板Uと共通するP端子板Pとに接合され、U相用、V相用及びW相用の三相分の第2スイッチング素子はそれぞれU相用、V相用及びW相用の三相分の下相出力端子板Uと共通するN端子板Nとに接合されている。したがって、三相分のP端子板PとN端子板NとのPN配線において、単純な回路配線パターンで互いの電流の方向が正反対になるように並列に配置することができ(PN並走)、三相分のPN配線のインダクタンスを効率良く低減することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されず、様々な変形態様が可能である。
10…パワーモジュール、20…封止樹脂、30U…U相モジュール、30V…V相モジュール、30W…W相モジュール、40…絶縁基板、40t…絶縁基板上面、40b…絶縁基板下面、50…制御端子、60…スペーサ、70…ボンディングワイヤ、80…ハンダ、R…P放熱板、R…N放熱板、JT…P端子板接合用端子、JT…N端子板接合用端子、P…P端子板、N…N端子板、U…上相出力端子板、U…下相出力端子板、U…出力端子板、Tr1…第1トランジスタ、Tr2…第2トランジスタ、D1…第1ダイオード、D2…第2ダイオード、UP…上相、BP…下相、Z1〜Z5,z1〜z2…領域。

Claims (4)

  1. 高電位側のP端子と前記P端子よりも低電位側の第1出力端子とを有する第1スイッチング素子と、
    低電位側のN端子と前記N端子よりも高電位側の第2出力端子とを有する第2スイッチング素子と、
    を備え、
    前記P端子を流れる電流の方向と前記N端子を流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、前記P端子と前記N端子とが並列に配置され、
    前記P端子を流れる電流の方向と前記第1出力端子を流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、前記第1出力端子が、前記N端子と前記第1出力端子との間に前記P端子を挟むように配置され、
    前記N端子を流れる電流の方向と前記第2出力端子を流れる電流の方向が互いに正反対の平行な方向となるように、前記第2出力端子が、前記P端子と前記第2出力端子との間に前記N端子を挟むように配置されている、パワーモジュール。
  2. 第1面及び第2面を有する絶縁基板をさらに備え、
    前記P端子及び前記N端子はそれぞれ厚さよりも幅が大きい板状をなし、
    前記P端子は前記絶縁基板の前記第1面に配置され、
    前記N端子は前記絶縁基板の前記第2面に配置され、
    前記P端子及び前記N端子は前記絶縁基板を間に挟むように積層配置されている、請求項1に記載のパワーモジュール。
  3. 前記第1スイッチング素子は前記絶縁基板の前記第1面に配置され、
    前記第2スイッチング素子は前記絶縁基板の前記第2面に配置されている、請求項2に記載のパワーモジュール。
  4. 前記絶縁基板の前記第1面に配置されたU相用の前記第1スイッチング素子、前記絶縁基板の前記第1面に配置されたV相用の前記第1スイッチング素子及び前記絶縁基板の前記第1面に配置されたW相用の前記第1スイッチング素子と、
    前記絶縁基板の前記第2面に配置されたU相用の前記第2スイッチング素子、前記絶縁基板の前記第2面に配置されたV相用の前記第2スイッチング素子及び前記絶縁基板の前記第2面に配置されたW相用の前記第2スイッチング素子と、
    を備え、
    前記U相用の前記第1スイッチング素子、前記V相用の前記第1スイッチング素子及び前記W相用の前記第1スイッチング素子は、前記U相用の前記第1出力端子、前記V相用の前記第1出力端子及び前記W相用の前記第1出力端子と、共通する前記P端子とをそれぞれ有し、
    前記U相用の前記第2スイッチング素子、前記V相用の前記第2スイッチング素子及び前記W相用の前記第2スイッチング素子は、前記U相用の前記第2出力端子、前記V相用の前記第2出力端子及び前記W相用の前記第2出力端子と、共通する前記N端子とをそれぞれ有する、請求項3に記載のパワーモジュール。
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