JP2018007414A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ用半導体モジュール及びパワーコントロールユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する複数の部品をモジュール化して、全体の小型化、冷却構造の簡単化を図る。【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する一次側トランジスタ３０、二次側トランジスタ３２、メイントランス３１、チョークコイル３３は、４層の厚銅多層基板からなる多層配線基板３７に一体的に組付けられ、半導体用放熱板５１、巻線用放熱板５２、ノイズ防止用のコンデンサ３５等が設けられた後、モールド樹脂で樹脂封止され、薄板状の半導体モジュール４１とされる。本体４１ａの一辺部に、複数本のリード端子３９を設ける。メイントランス３１の一次側巻線４６及び二次側巻線４７は、並びに、チョークコイル３３の巻線４９を、多層配線基板３７の導体パターンによって実現する。【選択図】図２

Description

本発明は、例えばハイブリッド自動車の駆動装置に用いられるＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール及びパワーコントロールユニットに関する。

例えば、駆動源として内燃機関と電気モータとの両方を有するハイブリッド自動車や、駆動源として電気モータを備えた自動車等では、電気モータを駆動制御する大容量のインバータ装置を有するパワーコントロールユニット（以下、場合により「ＰＣＵ」と略す）と称される駆動装置が搭載される。この種のＰＣＵにあっては、インバータ装置とは別に、直流電流を電圧の異なる直流電流に変換するための補機用のＤＣ−ＤＣコンバータを、隣接して設けることが行われている。この場合、ＰＣＵを小型化して車両への搭載性を高めるため、インバータ装置に、補機用のＤＣ−ＤＣコンバータを一体ユニット化することが求められる。

特許文献１には、ユニット化されたインバータ装置の上部に、ＤＣ−ＤＣコンバータを、冷却器を挟んで積み重ねるように配置して構成されたＰＣＵが示されている。ところが、このものでは、ＤＣ−ＤＣコンバータ用の冷却器を、インバータ装置内の冷却器とは別に付加する構成のため、全体が大型化してしまう問題があった。そこで、更なる小型化を図るものとして、特許文献２には、図１０に要部を示すような構成を備えるＰＣＵが開示されている。

図１０に示すように、ＰＣＵは、積層型冷却器１を備えている。周知のように、積層型冷却器１は、相互間に部品が配置される冷却スペースを確保した状態で左右方向に並んで並列配置される複数個の冷却管２、それらを連結する入口側及び出口側のヘッダ部３及び４、外部から各冷却管２に冷却流体（水等の冷媒）を供給及び排出するための流入管３ａ及び流出管４ａ等を備えて構成される。そして、隣り合う冷却管２同士間に形成された各冷却スペースに、インバータ回路を構成する６個の半導体モジュール５、昇圧コンバータを構成する２個の半導体モジュール６、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する主部品である、一次側の半導体モジュール７、メイントランス８、二次側の半導体モジュール９、チョークコイル１０が夫々配設されている。これにより、各冷却スペースに配置された各部品５〜１０が、冷却管２の側面に密着し、左右両面から冷却されるようになる。

特開２００９−２６１１２５号公報（図８） 特開２０１５−２２０８３９号公報

しかしながら、図１０に示した構成のＰＣＵにあっても、次の点で改善の余地がある。即ち、積層型冷却器１において、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する主部品である４つの部品７〜１０を、夫々冷却スペースに配置する構成のため、その分冷却管２の数（冷却スペースの数）が多くなって、積層型冷却器１を用いたことによる小型化の効果を十分にることができないものとなってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その一の目的は、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する複数の部品をモジュール化して、全体の小型化、冷却構造の簡単化を図ることができるＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュールを提供するにある。また、本発明の他の目的は、ケース内に少なくともインバータ装置とＤＣ−ＤＣコンバータとを備えるものにあって、良好な冷却性能を備えながらも、全体の小型化を図ることができるパワーコントロールユニットを提供するにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール（４１）は、別体のインバータ装置（１２）と組合せて用いられるＤＣ−ＤＣコンバータ（１３）を構成するためのものであって、本体（４１ａ）内に、少なくとも１つ以上の半導体部品（３０、３２）と、磁気部品（３１、３３）と、前記半導体部品（３０、３２）と磁気部品（３１、３３）とを接続する接続部材（３７）とを組込んで構成されると共に、前記本体（４１ａ）の一辺部に、外部回路基板（１５）との接続用のリード端子（３９）を備えるところに特徴を有する。

上記構成によれば、本体（４１ａ）内に、少なくとも１つ以上の半導体部品（３０、３２）と、磁気部品（３１、３３）と、接続部材（３７）とが組込まれてモジュールとされるので、冷却を必要とする複数の部品を集約的に配置することができる。そのため、全体の小型化や、冷却構造の簡単化を図ることができる。また、本体（４１ａ）の一辺部に、外部回路基板（１５）との接続用のリード端子（３９）を備えるので、外部との接続が容易となり、別体のインバータ装置（１２）と組合せられる際の、外部回路基板（１５）との全体的な接続構造も簡単にすることが可能となる。

本発明の請求項１８のパワーコントロールユニット（１１）は、ケース内に、少なくともモータ駆動用のインバータ装置（１２）とＤＣ−ＤＣコンバータ（１３）とを組込んで構成されるものであって、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１３）は、請求項１から１７のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール（４１）を有し、前記ケース内に、偏平形状の複数枚の冷却管（５４）を、対向配置しながら並列に配置すると共に、それら複数の冷却管（５４）に対し冷却流体を流すように構成され、前記冷却管（５４）同士間に形成される冷却スペース（１４ａ）に配置される部品を両面から冷却するようにした積層型冷却器（１４）を備えると共に、前記積層型冷却器（１４）の各冷却スペース（１４ａ）に、前記インバータ装置（１２）を構成するインバータ用半導体モジュール（２５、２６）、及び、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール（４１）が配置されるところに特徴を有する。

これによれば、積層型冷却器（１４）を備えることにより、冷却スペース（１４ａ）に配置される部品を効果的に冷却することができる。このとき、各冷却スペース（１４ａ）には、インバータ装置（１２）を構成するインバータ用半導体モジュール（２５、２６）、及び、上記したＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール（４１）が配置されるので、冷却すべき部品点数ひいては冷却管（５４）の数を少なくして全体のコンパクト化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態を示すもので、ＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュールの外観を示す斜視図 半導体モジュールの内部構成を一部分解状態で概略的に示す斜視図 半導体モジュールの内部構成を示す上面図（ａ）及び下面図（ｂ） 図２のＡ−Ａ線に沿う縦断側面図 多層配線基板の各層の導体パターンを示す平面図 ＤＣ−ＤＣコンバータの主回路の構成を示す図 パワーコントロールユニットの全体的な回路構成を概略的に示す図 パワーコントロールユニットの積層型冷却器への部品の組付け構成を概略的に示す分解斜視図 第２の実施形態を示すもので、ＤＣ−ＤＣコンバータの主回路構成を概略的に示す図 従来例を示すもので、パワーコントロールユニットの積層型冷却器部分の構成を概略的に示す分解斜視図

以下、本発明を具体化した第１の実施形態について、図１〜図８を参照しながら説明する。尚、以下に述べる実施形態は、本発明を、パワーコントロールユニットと称される、ハイブリッド車用のモータの駆動装置に適用したものである。図７は、本実施形態に係るパワーコントロールユニット１１の全体的な回路構成を概略的に示しており、図８は、本実施形態のパワーコントロールユニット１１の要部の構成を示している。

ここで、図８に概略的に示すように、本実施形態のパワーコントロールユニット１１は、図示しないケース内に、モータ・ジェネレータ駆動用のインバータ装置１２、及び、補機（ヘッドランプ等の車載電装品）駆動用のＤＣ−ＤＣコンバータ１３、それらの各部品を冷却する積層型冷却器１４．外部回路基板１５等を組込んで構成される。また、図７に一部示すように、ハイブリッド車には、動力源用のＨＶバッテリ１６、ランプ、オーディオ等の車載機器用の補機用バッテリ１７、２個のモータ・ジェネレータ（走行用モータ、発電用モータ）等が設けられている。前記ＨＶバッテリ１６の電圧は、例えば２０１．６Ｖとされ、前記補機用バッテリ１７の電圧は、例えば１２Ｖとされている。

図７に示すように、前記インバータ装置１２は、前記ＨＶバッテリ１６の電圧を、例えば最大６５０Ｖに昇圧する昇圧コンバータ１８、昇圧された直流電圧を三相交流に変換して前記各モータ・ジェネレータを駆動する三相のインバータ回路１９、１９、それらを駆動・制御する図示しないインバータ制御回路２７を備えている。そのうち、昇圧コンバータ１８は、入力コンデンサ２０、リアクトル２１、２個のＩＧＢＴ等のスイッチング素子２２，２２、それらスイッチング素子２２，２２に逆並列接続されたダイオード２３，２３、出力コンデンサ２４を備えている。詳しく図示はしないが、前記スイッチング素子２２及びダイオード２３は、薄型パッケージ内にモールドされた半導体モジュール２５（図８参照）として構成されている。

前記各インバータ回路１９は、周知のように、６個のＩＧＢＴ等のスイッチング素子と、それら各スイッチング素子に夫々逆並列接続されたダイオードとを有して構成されている。このとき、詳しい図示は省略するが、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相のスイッチング素子とダイオードとの並列接続回路が、半導体モジュール２６（図８参照）として供され、インバータ回路１９は、６個の半導体モジュール２６を備えている。詳しく図示はしないが、この半導体モジュール２６は、スイッチング素子とダイオードとの２個の半導体チップを、薄型のパッケージ内にモールドして構成されると共に、パッケージの両面に金属製の冷却プレートを配して構成されている。

前記ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、前記ＨＶバッテリ１６の直流高電圧を、低電圧（例えば１４Ｖ）に変換し、各種車載機器に供給したり、前記補機用バッテリ１７に充電したりするものである。詳しく図示はしないが、このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、入力フィルタ回路、例えば図６に示すようなフルブリッジ型の主回路２８、出力フィルタ回路を備えており、コンバータ駆動制御回路２９（図７参照）により駆動・制御される。図示はしないが、コンバータ駆動制御回路２９は、前記主回路２８の各半導体部品を制御（ゲート駆動）するパルストランス、パルストランスを駆動する駆動ＩＣ、駆動ＩＣを制御するマイコン等を備えて構成されている。

図６に示すように、前記主回路２８は、直流高電圧を高周波の交流に変換する一次側の半導体部品としての４個の一次側トランジスタ３０、交流を降圧する磁気部品としてのメイントランス３１、低圧となった交流電圧を整流する二次側の半導体部品としての４個（２並列）の二次側トランジスタ３２、整流後の直流電圧を平滑にする磁気部品としてのチョークコイル３３及び平滑コンデンサ３４を備えている。更にノイズ抑制用の複数個のコンデンサ３５を備えている。

このとき、一次側トランジスタ３０及び二次側トランジスタ３２には、例えば高速動作が可能な横型構造のＧａＮ系半導体が採用されている。各トランジスタ３０、３２は、ゲート、ソース用の制御信号用端子を夫々備えている。尚、各トランジスタ３０，３２は、Ｑ１〜Ｑ６の部品番号が付されており、以下、それらを区別する場合には、符号の後に（Ｑ１）といったように括弧書きで部品番号を付すこととする。図６では、二次側トランジスタ３２（Ｑ５）、３２（Ｑ６）について、一部図示を省略（１個のみを図示）しているが、それぞれ２個が並列に設けられている。図３に示すように、並列の２個の二次側トランジスタ３２は、（Ｑ５＿１）、（Ｑ５＿２）、（Ｑ６＿１）、（Ｑ６＿２）の部品番号で区別される。

また、前記各コンデンサ３４，３５は、例えば積層セラミックコンデンサから構成されている。これら各コンデンサ３４、３５にも、Ｃ１１１等の部品番号が付されており、必要に応じて括弧書きで部品番号を付す。尚、一次側トランジスタ３０のうち、トランジスタ３０（Ｑ２）、３０（Ｑ４）については、夫々、スナバコンデンサ３６（Ｃ１２４）、３６（Ｃ１４４）が並列接続されている。これらスナバコンデンサ３６については、必要に応じて設ければ良い。

さて、本実施形態では、前記主回路２８を構成する各構成部品３０〜３６は、図１、図２等に示すように、接続部材としての多層配線基板３７に一体的に組付けられて組立体とされ、更に後述する放熱板５１、５２やリード端子３９、４０等が設けられた後、モールド樹脂で樹脂封止され、ＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール４１として構成される。以下、本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール４１（以下、単に「半導体モジュール４１」という）について、図１から図５を参照して詳述する。

図１は、半導体モジュール４１の外観構成を示し、半導体モジュール４１の本体４１ａ（パッケージ）は、やや横長な薄型矩形板状をなしている。このとき、前記放熱板５１、５２の外面や、後述する磁気部品（メイントランス３１及びチョークコイル３３）のコアの外面が、本体４１ａの外面（上下両面）においてモールド樹脂から露出している。また、本体４１ａの一辺部、この場合後辺部に、後方に延びる複数本のリード端子３９が設けられている。更に、本体４１ａの別の（反対側の）辺である前辺部に、後述するメイントランス３１の二次巻線のセンタタップに接続された端子であるＧＮＤ２の端子４０が、前方に延びて設けられている。

尚、図３には、図６の部品番号に対応した各リード端子３９の端子番号が付されており、各リード端子３９を区別する必要がある場合には、リード端子３９の後に括弧書きでその端子番号を付すこととする。この場合、図３に示すように、リード端子３９には、前記入力フィルタ回路を通して直流電圧が印加されるＰ、Ｎのリード端子３９（Ｐ）、３９（Ｎ）が、本体４１ａの表面側及び裏面側に夫々設けられている。また、一次側のＧＮＤ１のリード端子３９（ＧＮＤ１）、二次側のＧＮＤ３のリード端子３９（ＧＮＤ３）が離間して左右に配置されている。各トランジスタ３０、３２のゲート（Ｇ）、ソース（Ｓ）用の制御信号用のリード端子３９（「Ｑ１＿Ｓ」、「Ｑ６＿１＿Ｓ」等）が、上アーム側が本体４１ａの表面側に、下アーム側が本体４１ａの下面側に夫々設けられている。

図２は、主回路２８の各構成部品３０〜３６を多層配線基板３７に組付けた組立体の、半導体用放熱板５１等を除いた内部構成を示す。また、図３（ａ）は、組立体の上面図を示し、図３（ｂ）は、組立体の底面図を示している。前記多層配線基板３７は、全体としてやや横長のほぼ矩形板状をなし、図４、図５にも示すように、この場合４層の導体層（３層の絶縁層）及び層間を接続するビアなど有する厚銅多層基板から構成されている。以下、多層配線基板３７の各層を、上から順に、第１層４２、第２層４３、第３層４４、第４層４５と称する。

図３（ａ），(ｂ）等に示すように、半導体部品のうち、上アームを構成する一次側トランジスタ３０（Ｑ１、Ｑ２）及び二次側トランジスタ３２（Ｑ５）は、多層配線基板３７の上面側（第１層４２）に実装されている。下アームを構成する一次側トランジスタ３０（Ｑ３、Ｑ４）及び二次側トランジスタ３２（Ｑ６）は、多層配線基板３７の下面側（第４層４５）に実装されている。このとき、各一次側トランジスタ３０及び二次側トランジスタ３２は、多層配線基板３７の後辺寄り、つまりリード端子３９側の位置に設けられている。

磁気部品である前記メイントランス３１は、図６に示すように、一次側巻線４６、二次側巻線４７、コア４８を有して構成される。図１〜図３に示すように、このメイントランス３１は、前記多層配線基板３７の右側部分に配設される。また、磁気部品である前記チョークコイル３３は、巻線４９及びコア５０（図２参照）を備えて構成される。このチョークコイル３３は、多層配線基板３７の左辺部分に配設される。本実施形態では、メイントランス３１の一次側巻線４６及び二次側巻線４７は、並びに、チョークコイル３３の巻線４９は、導体パターンによって構成（実現）されるようになっている。このとき、二次側巻線４７が上下の表面層この場合第１層４２及び第４層４５に設けられ、一次側巻線４６が複数の内層この場合第２層４３及び第３層４４に設けられる。

即ち、図５に示すように、メイントランス３１の二次側巻線４７は、第１層４２に形成された二次巻線用導体パターン４７ａと、第４層４５に形成された二次巻線用導体パターン４７ｂとから構成されている。これら二次巻線用導体パターン４７ａ、４７ｂは、共に、太幅で１ターンとなるように設けられている。二次巻線用導体パターン４７ａの一端側と、二次巻線用導体パターン４７ｂの一端側とは、ビアにより接続されてセンタタップ配線４２ｂ、４５ｂとされている。図３（ａ）に示すように、センタタップ配線４２ｂ、４５ｂに、前記ＧＮＤ２の端子４０が接続されている。尚、図５に示すように、第２層４３及び第３層４４には、二次側巻線４７と、トランジスタ３２（Ｑ５、Ｑ６）とを接続するための第１配線４３ａ及び４４ａが夫々形成されている。

図５に示すように、メイントランス３１の一次側巻線４６は、第２層４３に形成された一次巻線用導体パターン４６ａと、第３層４４に形成された一次巻線用導体パターン４６ｂとから構成されている。これら一次巻線用導体パターン４６ａ、４６ｂは、共に、細幅で、４ターン程度の渦巻き状に形成されている。これら一次巻線用導体パターン４６ａ、４６ｂの内周側の端部同士がビア４６ｃにより接続されている。また、図２にも示すように、多層配線基板３７には、両巻線４６、４７の中心部に位置して、円形の開口部３１ａ（導体パターン及び絶縁層の双方が抜けた状態）が形成されている。

前記コア４８は、図２に示すように、多層配線基板３７の上面側に二次側巻線４７を覆うように配置される上部分割コア４８ａと、下面側に配置される下部分割コア４８ｂとからなる。これら分割コア４８ａ、４８ｂは、正面コ字状をなすように側辺部が立下がった（立上がった）矩形薄板状をなしている。また、分割コア４８ｂには、その上面中央部から上方に突出するように、前記開口部３１ａ内に配置される円柱部４８ｃが一体に設けられている。このコア４８の材質としては、高周波特性に優れるＮｉ−Ｚｎ系フェライトが採用されている。また、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト製のコア４８は、比抵抗が高く、絶縁性に優れるものとなっている。

前記チョークコイル３３の巻線４９は、図５に示すように、第１層４２、第２層４３、第３層４４、第４層４５の左辺部に、夫々、幅広で前後方向に延びるストレート（直線）形状のチョークコイル用導体パターン４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄを、隙間を持って上下に重なるように形成すると共に、それら各チョークコイル用導体パターン４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄを、前後の両端部においてビアにより一括して接続することにより構成されている。

前記コア５０は、図２等に示すように、多層配線基板３７の上面側に巻線４９を覆うように配置される上部分割コア５０ａと、下面側に配置される下部分割コア５０ｂとからなる。これら分割コア５０ａ、５０ｂは、正面（断面）Ｕ字状をなすように側辺部が立下がった（立上がった）矩形薄板状をなしている。また、下部分割コア５０ｂの立上り壁の上端部には、上下の分割コア５０ａ、５０ｂが組合せられた際に、突合せ部分にギャップを形成するための絶縁部材５０ｃが配置されている。このコア５０の材質としても、例えばＮｉ−Ｚｎ系フェライトが採用されている。

また、図５に示すように、多層配線基板３７の第１〜第４の各層４２〜４５には、部品実装用のランドや、部品同士間の配線、部品とリード端子との間の配線を構成する導体パターン、層間を上下に接続するビア（便宜上、符号を省略）が設けられている。図３（ａ）に示すように、多層配線基板３７の上面（第１層４２）には、上アームを構成する一次側のトランジスタ３０（Ｑ１、Ｑ２）が、メイントランス３１の後側に実装され、二次側のトランジスタ３２（Ｑ５＿１、Ｑ５＿２）が、メイントランス３１とチョークコイル３３との間に位置して実装されている。

図３（ｂ）に示すように、多層配線基板３７の下面（第４層４５）には、上記上アームと対称的に、下アームを構成する一次側のトランジスタ３０（Ｑ３、Ｑ４）が、メイントランス３１の後側に実装され、二次側のトランジスタ３２（Ｑ６＿１、Ｑ６＿２）がメイントランス３１とチョークコイル３３との間に位置して実装されている。これと共に、上下アームで対応する半導体部品が、対称的に（上下方向に見て同じ位置に）配置されている。

このとき、図４に例示するように、例えば、トランジスタ３０（Ｑ１）と、トランジスタ３０（Ｑ３）とを接続する配線は、多層配線基板３７の上面（第１層４２）を図で右に延び、ビアによって４層を上下に貫通し、多層配線基板３７の下面（第４層４５）を図で左に延びるといったように、上下にループを描くように設けられる。これにより、例えば電流の流れる方向を矢印Ｌで例示するように、多層配線基板３７の上下面において、上アームを構成するトランジスタ３０（Ｑ１、Ｑ２）と、下アームを構成するトランジスタ３０（Ｑ３、Ｑ４）との間の配線は、電流の向きが逆向きになるように設けられている。

そして、トランジスタ３０の配線と、リード端子３９（ＧＮＤ１）に繋がる配線との間には、ノイズ抑制用のコンデンサ３５が、次のように設けられている。図３（ａ）に示すように、トランジスタ３０（Ｑ１）とリード端子３９（ＧＮＤ１）との間には、並列に３個のコンデンサ３５（Ｃ１１１、Ｃ１１２、Ｃ１１３）が接続されている。トランジスタ３０（Ｑ２）とリード端子３９（ＧＮＤ１）との間には、並列に３個のコンデンサ３５（Ｃ１２１、Ｃ１２２、Ｃ１２３）が接続されている。図３（ｂ）に示すように、トランジスタ３０（Ｑ３）とリード端子３９（ＧＮＤ１）との間には、並列に３個のコンデンサ３５（Ｃ１３１、Ｃ１３２、Ｃ１３３）が接続されている。トランジスタ３０（Ｑ４）とリード端子３９（ＧＮＤ１）との間には、並列に３個のコンデンサ３５（Ｃ１４１、Ｃ１４２、Ｃ１４３）が接続されている。

一方、二次側においては、図６に示すように、トランジスタ３２（Ｑ５）及びトランジスタ３２（Ｑ６）の接続配線とチョークコイル３３の入力端子との接続点と、ＧＮＤ２の端子４０との間に、ノイズ抑制用のコンデンサ３５が設けられている。この場合、図３（ａ）に示すように、多層配線基板３７の上面側（第１層４２）においては、トランジスタ３２（Ｑ５）とチョークコイル３３とをつなぐ第２配線４２ａと、センタタップとＧＮＤ２の端子４０とを接続するセンタタップ配線４２ｂとの間に、並列に２個のコンデンサ３５（Ｃ２０１、Ｃ２０２）が接続されている。

図３（ｂ）に示すように、多層配線基板３７の下面側（第４層４５）においては、トランジスタ３２（Ｑ６）とチョークコイル３３とをつなぐ第２配線４５ａと、センタタップとＧＮＤ２の端子４０とを接続するセンタタップ配線４５ｂとの間に、並列に２個のコンデンサ３５（Ｃ２０３、Ｃ２０４）が接続されている。尚、図５に示すように前記第２配線４２ａ及び４５ａと、上記した第１配線４３ａ、４４ａとは、上下に重なるように位置されている。

また、前記平滑コンデンサ３４に関しては、図３（ａ）に示すように、多層配線基板３７の上面側（第１層４２）の、チョークコイル３３の出力側のリード端子３９（ＡＭＤ）が接続される導体パターンと、リード端子３９（ＧＮＤ３）が接続される導体パターンとの間に、並列に２個の平滑コンデンサ３４（Ｃ２１３、Ｃ２１４）が接続されている。また、図３（ｂ）に示すように、多層配線基板３７の下面側（第４層４５）の、チョークコイル３３の出力側のリード端子３９（ＡＭＤ）が接続される導体パターンと、リード端子３９（ＧＮＤ３）が接続される導体パターンとの間に、並列に２個の平滑コンデンサ３４（Ｃ２１１、Ｃ２１２）が接続されている。

さらに、本実施形態では、図１、図３に示すように、半導体モジュール４１の本体４１ａの外面この場合両面には、前記各トランジスタ３０、３２からの放熱を行うための半導体用放熱板５１、及び、前記メイントランス３１及びチョークコイル３３からの放熱を行うための巻線用放熱板５２が設けられている。このとき、図４に示すように、半導体用放熱板５１は、例えば銅板からなる２枚の金属板５１ａ、５１ａ間に、例えばＡｌＮ等のセラミック板からなる絶縁板５１ｂを挟むように積層して構成され、トランジスタ３０、３２の表面に熱的接続状態に配置されている。また、詳しく図示はしないが、巻線用放熱板５２も、同様に、金属板と絶縁板とを積層して構成される。

図１、図３（ａ）に示すように、半導体用放熱板５１は、多層配線基板３７（組立体）の上面側においては、トランジスタ３０（Ｑ１）、３０（Ｑ２）の表面に夫々設けられていると共に、２個のトランジスタ３２（Ｑ５＿１、Ｑ５＿２）の双方に跨るように１個が設けられ、合計３個が設けられている。半導体用放熱板５１は、多層配線基板３７（組立体）の下面側においても、図３（ａ）に示すように、トランジスタ３０（Ｑ３）、３０（Ｑ４）の表面に夫々設けられていると共に、２個のトランジスタ３２（Ｑ６＿１、Ｑ６＿２）の双方に跨るように１個が設けられ、合計３個が設けられている。

前記巻線用放熱板５２は、多層配線基板３７（組立体）の上面側においては、図１、図３（ａ）に示すように、第２配線４２ａの上面の一部（トランジスタ３２の手前側）を覆うように熱的接続状態に設けられると共に、センタタップ配線４２ｂの一部（メイントランス３１のコア４８の手前側）を覆うように熱的接続状態に設けられる。多層配線基板３７（組立体）の下面側においては、図３（ａ）に示すように、第２配線４５ａの一部部分、及び、センタタップ配線４５ｂの一部部分に設けられている。

以上のように構成された組立体は、リード端子３９及び端子４１が接続され、更に半導体用放熱板５１及び巻線用放熱板５２を取付けた状態で、樹脂モールドされて矩形薄板状の本体４１ａ（パッケージ）が構成される。このとき、図１に示すように、半導体用放熱板５１及び巻線用放熱板５２は、本体４１の上下両面から露出した形態とされる。また、メイントランス３１のコア４８の外面、チョークコイル３３のコア５０の外面も、本体４１の上下両面から露出した形態とされる。この場合、コア４８、５０の外面を覆うように樹脂モールドし、そののち切削などにより露出させるようにしても良い。さらにこの場合、コア４８、５０を樹脂モールドしたまま、放熱板５１、５２のみを露出させるようにしても良い。

さて、上記のように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ１３を構成する半導体モジュール４１は、図８に示すように、インバータ装置１２を構成する２個の半導体モジュール２５、及び、６個の半導体モジュール２６、リアクトル２１（図８では図示省略）等と共に、積層型冷却器１４に組込まれてパワーコントロールユニット１１を構成する。ここで、図８を参照して、前記積層型冷却器１４の構成について簡単に述べる。

この積層型冷却器１４は、図で左右方向に並んで並列配置される複数個の冷却管５４、全体として図で左右方向に延びそれら冷却管５４に連結される入口側及び出口側のヘッダ部５５及び５６等を備える。冷却管５４は、アルミニウム等の金属から、図で前後方向に長く、左右方向に薄型（偏平）の中空薄板状に構成されており、複数枚が、相互間に部品が配置される冷却スペース１４ａを確保した状態で、図で左右方向に対向配置しながら並列に配置される。入口側ヘッダ部５５は、図で左端部に流入管５５ａを有し、複数の冷却管５４の後端部側に接続して、各冷却管５４に冷却流体を供給する。

出口側ヘッダ部５６は、図で左端部に流出管５６ａを有し、複数の冷却管５４の前端部側に接続して、各冷却管５４から出た冷却流体が流入する。これにより、外部から流入管５５ａに冷却流体が供給され、その冷却流体が入口側ヘッダ部５５を通して各冷却管５４内を流れ、出口側ヘッダ部５６に流入した後、流出管５６ａを通して外部に排出される。詳しく図示はしないが、入口側ヘッダ部５５及び出口側ヘッダ部５６は、柔軟性を有して（左右方向への若干の伸縮が可能に）構成され、前記各冷却スペース１４ａに半導体モジュール等の部品が配置された状態で、図示しない板ばねにより、図で右方から全体が左右方向に圧縮される。これにて、各冷却スペース１４ａに配置された各部品が、冷却管５４の側面に密着し、左右両面から冷却されるのである。

本実施形態では、上記した積層型冷却器１４に対し、各部品が、次のように配置されている。即ち、積層型冷却器１４の右端部の冷却スペース１４ａには、リアクトル２１が配置される。その左側の２箇所の冷却スペース１４ａには、半導体モジュール２５が夫々配置されている。その左側の６箇所の冷却スペース１４ａには、インバータ回路１９を構成する６個の半導体モジュール２６が夫々配置されている。左端部の冷却スペース１４ａには、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール４１が配置されている。尚、半導体モジュール４１の放熱板５１、５２の表面には、放熱グリースなどが塗布されて、冷却管５４に密着される。

このとき、半導体モジュール２５及び半導体モジュール２６においては、制御端子等のリード端子５７が、積層型冷却器１４の両面の内の一方である上面側に導出されている。但し、一部のパワー端子５８については、パッケージの図で下辺部から下方に突出している。前記半導体モジュール４１についても、複数本のリード端子３９が本体４１ａの上辺部から上方に導出されている。そして、積層型冷却器１４の上面側に、１枚の外部回路基板１５が配置されている。この外部回路基板１５には、インバータ装置１２用のインバータ制御回路２７やＤＣ−ＤＣコンバータ１３用のコンバータ駆動制御回路２９が設けられており、前記各リード端子５７及びリード端子３９がこの外部回路基板１５に接続されている。

尚、詳しく図示はしないが、半導体モジュール４１のリード端子３９とは反対側に導出されるＧＮＤ２の端子４０は、例えばケースのＧＮＤと直接的に接続されるようになっている。半導体モジュール２５及び半導体モジュール２６のパワー端子５８は、積層型冷却器１４の下面側に導出され、例えばインバータ用バスバーに溶接等により接続される。また、ケース内には、更に入力コンデンサ２０や出力コンデンサ２４なども配設される。前記積層型冷却器１４の流入管５５ａ及び流出管５６ａは、ケースの外壁を貫通して、外部の冷却流体循環装置に接続される。

次に、上記のように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール４１、及び、パワーコントロールユニット１１の作用、効果について述べる。まず、本実施形態のパワーコントロールユニット１１にあっては、１つの積層型冷却器１４に、インバータ装置１２を構成する半導体モジュール２６、２５、及び、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を構成する半導体モジュール４１を組込んで構成した。

この場合、図１０に示した従来のものと異なり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の主回路２８を１個の半導体モジュール４１に集約することができたので、積層型冷却器１４に組込まれる冷却すべき部品点数ひいては冷却管５４の数を少なくして全体のコンパクト化を図ることができる。また、これに伴い、部品数の削減による構成の簡単化やコストダウン、組付け工数の低減による製造工程の簡略化も図ることができる。積層型冷却器１４を採用したことにより、優れた冷却効果が得られることは勿論である。

特に本実施形態では、前記インバータ用半導体モジュール２５、２５のリード端子５７と、ＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール４１のリード端子３９とを、同方向に導出させ、インバータ制御回路２７及びコンバータ駆動制御回路２９を構成した１枚の外部回路基板１５に接続する構成としたので、外部回路基板１５との接続構造が簡単になり、基板を配置する回数が１回で済んで接続作業も容易となる。

そして、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール４１にあっては、本体４１ａ内に、複数の半導体部品である一次側トランジスタ３０及び二次側トランジスタ３２、並びに複数の磁気部品であるメイントランス３１及びチョークコイル３３、それらを接続する接続部材としての多層配線基板３７が組込まれてモジュールとされるので、冷却を必要とする複数の部品を集約的に配置することができる。このとき、一次側トランジスタ３０及び二次側トランジスタ３２、並びに、メイントランス３１及びチョークコイル３３の全てをコンパクトに配置することができた。

そのため、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール４１によれば、全体の小型化や、冷却構造の簡単化を図ることができる。本体４１ａの一辺部に、外部回路基板１５との接続用のリード端子３９を備えるので、外部との接続が容易となり、別体のインバータ装置１２と組合せられる際の、外部回路基板１５との全体的な接続構造も簡単にすることが可能となる。

また、前記多層配線基板３７の各層４２〜４５の導体パターンによって、一次側トランジスタ３０及び二次側トランジスタ３２の配線、及び、メイントランス３１及びチョークコイル３３の巻線４６、４７及び４９が実現される構成とした。これにより、巻線４６，４７及び４９の薄型化を図ることができ、モジュール全体としての、小型化、薄型化を図ることができる。

本実施形態では、本体４１ａに、トランジスタ３０、３２からの放熱を行うための半導体用放熱板５１を設けるようにしたので、本体４１ａ内のトランジスタ３０、３２からの放熱を良好に行うことができ、冷却性能を高めることができる。メイントランス３１及びチョークコイル３３の巻線４６、４７及び４９からの放熱を行うための巻線放熱板５２を設けるようにしたので、巻線４６、４７及び４９（多層配線基板３７の各層４２〜４５）からの放熱を良好に行うことができ、冷却性能を高めることができる。

このとき、トランジスタ３０、３２を、多層配線基板３７を挟んで本体４１ａの両面に配置すると共に、メイントランス３１及びチョークコイル３３のコア４８及び５０についても多層配線基板３７を挟んで本体４１ａの両面に配置したので、本体４１の両面側から効果的な冷却を行うことができ、冷却効果をより高めることができる。しかも、それら放熱板５１、５２を、金属板５１ａと絶縁板５１ｂとを積層して構成したので、本体４１ａの絶縁性を確保することができ、組付け時における別途の絶縁対策が不要となり、構成の簡単化を図ることができる。

特に本実施形態においては、磁気部品としてのメイントランス３１について、二次側巻線４７を、多層配線基板３７の表面層つまり第１層４２及び第４層４５に設け、一次側巻線４６を、多層配線基板３７の内層である第２層４３及び第３層４４に設ける構成とした。これにより、ターン数が少なく巻線幅が広い二次側巻線４７を多層配線基板３７の表層側、巻線幅を細くしてターン数を必要とする一次側巻線４６を内層側に配置することにより、メイントランス３１巻線４６，４７の放熱性を高めることができる。

磁気部品としてのチョークコイル３３について、巻線４９を、多層配線基板３７の各層４２〜４５にストレート形状に形成された導体パターン４９ａ〜４９ｄから構成し、コア５０を断面Ｕ字状のストレート形状に構成したので、チョークコイル３３全体を小さいスペースに配設可能となり、全体の小型化を図ることができる。このとき、チョークコイル３３の巻線４９（導体パターン４９ａ〜４９ｄ）を、多層配線基板３７の複数層４２〜４５に重なるように形成し、それら導体パターン４９ａ〜４９ｄをビアにより電気的に接続して構成したので、巻線４９の断面積を確保して、大電流に対応することができる。

また、前記メイントランス３１及びチョークコイル３３のコア４８及び５０を、比抵抗が高く、絶縁性を有する磁性材料であるＮｉ−Ｚｎフェライトから構成するようにしたので、組付け時における、コアコア４８及び５０と外部（冷却管５４）との間の絶縁対策が不要になり、構成の簡単化や、組付け性の向上を図ることができる。

本実施形態では、一次側トランジスタ３０は、多層配線基板３７上のリード端子３９側の辺部に配置されると共に、一次側トランジスタ３０の上下アーム間の配線が多層配線基板３７の両面に渡ってＵ字状に引き回されるようなループ状配線とされているので、表裏両面で電流の流れる方向を逆向きとして一次側トランジスタ３０の主配線の寄生インダクタンスを小さくすることができる。これと共に、一次側トランジスタ３０の配線と、リード端子３９（ＧＮＤ１）に繋がる配線との間に、ノイズ抑制用のコンデンサ３５を設けたので、寄生インダクタンスを小さくして、サージ電圧を抑えることができる。

本実施形態では、メイントランス３１の二次側巻線４７のセンタタップの端子４０を、本体４１ａのリード端子３９とは別の辺に設けるようにした。大電流が流れるＧＮＤ２センタタップの端子４０（ＧＮＤ２）を、外部回路基板１５でなくボディＧＮＤと接続することができるので、リード端子３９とは別の辺にもってくることで、その分だけリード端子側３９（一辺側）のスペース（幅寸法）を小さく済ませることができ、結果的に小型化を図ることが可能となる。また、一次側トランジスタ３０のグランド端子となるリード端子３９（ＧＮＤ１）と、二次側トランジスタ３０のグランド端子となるリード端子３９（ＧＮＤ２）とを離間して配置するようにしたので、スイッチングによる悪影響を防止して、耐ノイズ性を高めることができる。

更に本実施形態では、前記メイントランス３１の二次側巻線４７のセンタタップ配線４２ｂ、４５ｂを、多層配線基板３７の第１層４２及び第４層４５に設け、二次側巻線４７から二次側トランジスタ３２までの第１配線４３ａ及び４４ａを、多層配線基板３７の第２層４３及び第３層４４に設け、二次側トランジスタ３２からチョークコイル３３までの第２配線４２ａ、４５ａを、多層配線基板３７の第１層４２及び第４層４５に前記第１配線４３ａ、４４ａと上下に重なるように設け、該第２配線４２ａ、４５ａとセンタタップ配線４２ｂ、４５ｂとの間を夫々コンデンサ３５を介して接続するようにした。これにより、メイントランス３１及びチョークコイル３３を、４層の多層配線基板３７に効率的に配置できると共に、二次側トランジスタ３２からチョークコイル３３までの第２配線４２ａ、４５ａの寄生インダクタンスを小さくして、サージ電圧を抑えることができる。

図９は、本発明の第２の実施形態を示すもので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のうち、本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール６１に組込まれる主回路部分の回路構成を示している。この第２の実施形態の半導体モジュール６１が、上記第１の実施形態の半導体モジュール４１と異なるところは、本体内に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の主回路２８に加えて、各トランジスタ３０、３２の駆動用の複数個のパルストランス６２を組込むようにした点にある。これによれば、上記第１の実施形態と同様の効果が得られることに加えて、コンバータ駆動制御回路側に設けられていたパルストランス６２を、半導体モジュール６１に含めることにより、構成をより一層簡単にすることができる。

尚、上記実施形態では、本発明をハイブリッド車用のパワーコントロールユニットに適用するようにしたが、パワーコントロールユニットとして、他にも電気自動車、燃料電池車等のモータを駆動源として備える車両はもとより、インバータ装置とＤＣ−ＤＣコンバータとを組合せて構成される機器全般に適用することができる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュールの構成としても、例えば二次側の半導体部品として、トランジスタ３２に変えてダイオードを採用しても良い等、回路構成や各部品の配置、多層配線基板の導体パターンの構造、各部の材質、形状、大きさ等の詳細な構成については、上記した以外にも様々な変形が可能である。その他、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。

図面中、１１はパワーコントロールユニット、１２はインバータ装置、１３はＤＣ−ＤＣコンバータ、１４は積層型冷却器、１４ａは冷却スペース、１５は外部回路基板、２５、２６は半導体モジュール、２７はインバータ制御回路、２８は主回路、２９はコンバータ駆動制御回路、３０は一次側トランジスタ（半導体部品）、３１はメイントランス（磁気部品）、３２は二次側トランジスタ（半導体部品）、３３はチョークコイル（磁気部品）、３５はコンデンサ、３７は多層配線基板（接続部材）、３９はリード端子、４０は端子、４１、６１はＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール、４２は第１層、４２ａ、４５ａは第２配線、４２ｂ、４５ｂはセンタタップ配線、４３は第２層、４３ａ，４４ａは第１配線、４４は第３層、４６は第４層、４６は一次側巻線、４７は二次側巻線、４８はコア、４９は巻線、５０はコア、５１は半導体用放熱板、５２は巻線用放熱板、５４は冷却管、６２はパルストランスを示す。

Claims (19)

1. 別体のインバータ装置（１２）と組合せて用いられるＤＣ−ＤＣコンバータ（１３）を構成するための半導体モジュール（４１）であって、
   本体（４１ａ）内に、少なくとも１つ以上の半導体部品（３０、３２）と、磁気部品（３１、３３）と、前記半導体部品（３０、３２）と磁気部品（３１、３３）とを接続する接続部材（３７）とを組込んで構成されると共に、
   前記本体（４１ａ）の一辺部に、外部回路基板（１５）との接続用のリード端子（３９）を備えることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
2. 前記接続部材は、多層配線基板から構成され、該多層配線基板の導体パターンによって、前記半導体部品の配線、及び、前記磁気部品の巻線が実現されることを特徴とする請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
3. 前記本体に、前記半導体部品からの放熱を行うための放熱板が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
4. 前記本体に、前記磁気部品からの放熱を行うための放熱板が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
5. 前記放熱板は、絶縁板と金属板とを積層して構成されていることを特徴とする請求項３又は４記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
6. 前記半導体部品は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの一次側半導体及び二次側半導体であって、前記磁気部品は、メイントランスであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
7. 前記磁気部品は、メイントランス及びチョークコイルを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
8. 前記半導体部品は、上下アームの一次側半導体及び二次側半導体を含み、且つ、前記磁気部品は、メイントランス及び／又はチョークコイルを含み、
   前記一次側半導体及び二次側半導体並びに、前記メイントランス及び／又はチョークコイルのコアは、多層配線基板を挟んで前記本体の両面に配置され、該本体の両面側から冷却が可能とされることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
9. 前記一次側半導体は、前記多層配線基板上の前記リード端子側に配置されると共に、該一次側半導体の上下アーム間の配線が、前記多層配線基板の上下面において電流の向きが逆向きになるように設けられ、
   該一次側半導体の配線とグランド端子との間に、ノイズ抑制用のコンデンサが設けられていること特徴とする請求項８記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
10. 前記磁気部品はメイントランスを含み、前記メイントランスの二次側巻線が、前記多層配線基板の表面層に設けられ、一次側巻線が、前記多層配線基板の複数の内層に設けられることを特徴とする請求項７又は８記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
11. 前記磁気部品はメイントランスを含み、前記メイントランスの二次側巻線のセンタタップの端子は、前記本体の前記リード端子とは別の辺に設けられていることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
12. 前記メイントランス及び／又はチョークコイルのコアは、比抵抗が高く、絶縁性を有する磁性材料から構成されていることを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
13. 前記一次側半導体のグランド端子と、前記二次側半導体のグランド端子とは離間して配置されていることを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
14. 前記磁気部品はチョークコイルを含み、前記チョークコイルの巻線は、前記多層配線基板にストレート形状に形成されていると共に、コアは断面Ｕ字型に形成されていることを特徴とする請求項８から１３のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
15. 前記チョークコイルの巻線は、前記多層配線基板の複数層に重なるように形成され、それら各層の巻線がビアにより電気的に接続されていることを特徴とする請求項１４記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
16. 前記多層配線基板は４層に構成され、前記磁気部品はメイントランス及びチョークコイルを含み、
    前記メイントランスの二次側巻線のセンタタップ配線は、前記多層配線基板の第１層及び第４層に設けられ、
    前記二次側巻線から前記二次側半導体までの第１配線が、前記多層配線基板の第２層及び第３層に設けられ、
    前記二次側半導体から前記チョークコイルまでの第２配線が、前記多層配線基板の第１層及び第４層に前記第１配線と上下に重なるように設けられ、
    該第２配線と前記センタタップ配線との間がコンデンサを介して接続されていることを特徴とする請求項８から１５のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
17. 前記本体内には、前記半導体部品の駆動用のパルストランスが組込まれていることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール。
18. ケース内に、少なくともモータ駆動用のインバータ装置（１２）とＤＣ−ＤＣコンバータ（１３）とを組込んで構成されるパワーコントロールユニット（１１）であって、
    前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（１３）は、請求項１から１７のいずれか一項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュール（４１）を有し、
    前記ケース内に、偏平形状の複数枚の冷却管（５４）を、対向配置しながら並列に配置すると共に、それら複数の冷却管（５４）に対し冷却流体を流すように構成され、前記冷却管（５４）同士間に形成される冷却スペース（１４ａ）に配置される部品を両面から冷却するようにした積層型冷却器（１４）を備えると共に、
    前記積層型冷却器（１４）の各冷却スペース（１４ａ）に、前記インバータ装置（１２）を構成するインバータ用半導体モジュール（２５、２６）、及び、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュー（４１）が配置されることを特徴とするパワーコントロールユニット。
19. 前記インバータ用半導体モジュールのリード端子と、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ用半導体モジュールのリード端子とは、同方向に導出されており、
    それらリード端子が、前記インバータ装置の制御回路及び前記ＤＣ−ＤＣコンバータの制御回路を構成した１枚の外部回路基板に接続されることを特徴とする請求項１８記載のパワーコントロールユニット。

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