JP2020053622A - パワーモジュール及びパワーモジュールを有する電気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング動作時における正極、負極間の配線のインダクタンスを低減する。【解決手段】パワーモジュール１は、回路基板１０と、回路基板に実装されたパワー半導体スイッチング素子２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂとを備え直流電力と交流電力との変換に用いられる。回路基板の一端部１０Ａに、絶縁基板１１上の導体パターンによる直流電力の入出力電極（２１ｅ，２４，２１ｆ，２５，２１ｇ）が設けられる。直流電力の入出力電極は、一端部１０Ａの端縁に沿ったＸ方向に複数の正極（２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ）と複数の負極（２４，２５）とが並べて設けられた構成である。さらに、２つの負極の間に配置される正極（２１ｆ）と、２つの正極の間に配置される負極（２４，２５）とを有する。【選択図】図１

Description

本開示は、パワーモジュール及びパワーモジュールを有する電気装置に関する。

直流電力から交流電力又は交流電力から直流電力に変換するために用いられるパワーモジュールは、交流の１相に対応して１つの交流端子と、１つの正極端子、１つの負極端子とが設けられる。パワーモジュールは、正極端子と交流端子と半導体スイッチング素子で繋いだ上アームと、負極端子と交流端子と半導体スイッチング素子で繋いだ下アームとからなるインバーター回路を構成する。上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子は、交互にスイッチング動作する。
スイッチング動作時には、オン時は正極から負極へ、オフ時は負極から正極へ、過渡的な電流が流れ、寄生インダクタンスによるスパイク電圧が発生し、配線回路の寄生インダクタンスを低減することが求められる。

特開２０１０−０４１８３８号公報

大電力用途の拡大に伴いますます寄生インダクタンスの低減化が求められている。

本開示はスイッチング動作に影響する、正極、負極間の配線のインダクタンスを低減する。

本開示の１つの態様のパワーモジュールは、回路基板と、前記回路基板に実装されたパワー半導体スイッチング素子とを備え直流電力と交流電力との変換に用いられるパワーモジュールであって、前記回路基板の一端部に、絶縁基板上の導体パターンによる直流電力の入出力電極が設けられ、前記直流電力の入出力電極は、前記一端部の端縁に沿って複数の正極と複数の負極とが並べて設けられ、２つの負極の間に配置される正極と、２つの正極の間に配置される負極とを有する。

本開示のスイッチング動作時に影響する、正極、負極間の配線のインダクタンスを低減することができる。

本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの平面模式図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの断面模式図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの分解模式図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの回路図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの平面模式図であり、スイッチング動作時の電流経路を示したものである。 比較例に係るパワーモジュールの平面模式図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの斜視図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの分解斜視図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの平面図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールの回路基板の上面の図である。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールであってケース、カバー及びベースを備えた構成の外観の斜視図を示す。 本開示の一実施形態に係るパワーモジュールであってケース、カバー及びベースを備えた構成の分解斜視図である。

以下に本開示の一実施形態につき図面を参照して説明する。

図１から図４に示すように本実施形態に係るパワーモジュール１は、パワー半導体スイッチング素子（以下「スイッチング素子」）２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂと、矩形状の回路基板１０と、正極端子Ｐ１０と、負極端子Ｎ１０と、交流端子ＡＣ１０とを備える。
回路基板１０の一端部１０Ａからその反対端部１０Ｂへの方向をＹ１方向とし、反対端部１０Ｂから一端部１０Ａへの方向をＹ２方向とし、一端部１０Ａの端縁に沿った方向をＸ方向とする。
回路基板１０は、絶縁基板１１と、絶縁基板１１の上面に形成された導体パターン２１〜２６と、絶縁基板１１の下面に形成された導体パターン２７とを備える。
導体パターン２７がはんだ等の熱伝導性の接合材３１を介して金属ベース３２に接合される。

スイッチング素子２Ａ，２Ｂは、導体パターン２１のダイボンディング領域２１ａに、はんだ等の電導性の接合材３３を介してダイボンディングされて、電気的及び機械的に接続されている。
スイッチング素子３Ａは、はんだ等の電導性の接合材３３を介して導体パターン２２にダイボンディングされて、電気的及び機械的に接続されている。
スイッチング素子３Ｂは、はんだ等の電導性の接合材３３を介して導体パターン２３にダイボンディングされて、電気的及び機械的に接続されている。

交流端子ＡＣ１０が接続された導体パターン２６と、スイッチング素子２Ａ，２Ｂの上面電極と、導体パターン２２、２３のワイヤボンディング領域（スイッチング素子３Ａ，３ＢよりＹ１側の領域）とがボンディングワイヤ３４により接続されている。
スイッチング素子３Ａの上面電極と導体パターン２４とがボンディングワイヤ３５により接続されている。
スイッチング素子３Ｂの上面電極と導体パターン２５とがボンディングワイヤ３６により接続されている。

導体パターン２６が反対端部１０Ｂに配置されている。導体パターン２６のＹ２側に導体パターン２１のダイボンディング領域２１ａが配置されている。ダイボンディング領域２１ａのＹ２側に導体パターン２２と導体パターン２３とが互いに離間してＸ方向に並んで配置されている。
導体パターン２１は、導体パターン２２，２３の外側を通る配線部２１ｂ，２１ｄと、導体パターン２２と導体パターン２３の間を通る配線部２１ｃとを、ダイボンディング領域２１ａからＹ２方向に延出させており、それぞれのＹ２方向の端部に端子接続部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇを連続させている。
導体パターン２４は、導体パターン２２のＹ２側において端子接続部２１ｅと端子接続部２１ｆとの間に配置されている。導体パターン２５は、導体パターン２３のＹ２側において端子接続部２１ｆと端子接続部２１ｇとの間に配置されている。

正極端子Ｐ１０及び負極端子Ｎ１０は、板状金属をプレス成形したものである。正極端子Ｐ１０には、３本の接続端部Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３が形成されている。負極端子Ｎ１０には、２本の接続端部Ｎ１１，Ｎ１２が形成されている。
正極端子Ｐ１０の接続端部Ｐ１１が端子接続部２１ｅに接続されている。正極端子Ｐ１０の接続端部Ｐ１２が端子接続部２１ｆに接続されている。正極端子Ｐ１０の接続端部Ｐ１３が端子接続部２１ｇに接続されている。したがって、これらの端子接続部２１ｅ，２１ｆ，２１ｇは、絶縁基板１１上の導体パターンによる直流電力の入出力電極のうち正極を構成する。
負極端子Ｎ１０の接続端部Ｎ１１が導体パターン２４に接続されている。負極端子Ｎ１０の接続端部Ｎ１２が導体パターン２５に接続されている。したがって、これらの導体パターン２４，２５は、絶縁基板１１上の導体パターンによる直流電力の入出力電極のうち負極を構成する。
導体パターン２４上においてボンディングワイヤ３５は接続端部Ｎ１１よりＹ１側の領域に接続されている。導体パターン２５上においてボンディングワイヤ３６は接続端部Ｎ１２よりＹ１側の領域に接続されている。

図４に示すようにスイッチング素子２Ａ，２Ｂは、交流電極ＡＣと正極Ｐとの間に接続されたスイッチング素子である。また、スイッチング素子３Ａ，３Ｂは、交流電極ＡＣと負極Ｎとの間に接続されたスイッチング素子である。本パワーモジュール１は、正極Ｐ、負極Ｎ間にスイッチング素子３Ａ，３Ｂとスイッチング素子２Ａ，２Ｂとを直列接続したブリッジ回路を構成しており、直流電力と交流電力との変換に用いられる。
スイッチング素子としては、例えば図４に示すようにＩＧＢＴである（並列ダイオードが付属する）。
スイッチング素子３Ａ，３Ｂは、図面上では２チップで記載しているが、チップ数は任意である。

以上の説明からわかるように、回路基板１０の一端部１０Ａに、絶縁基板１１上の導体パターンによる直流電力の入出力電極（２１ｅ，２４，２１ｆ，２５，２１ｇ）が設けられている。
この直流電力の入出力電極は、一端部１０Ａの端縁に沿ったＸ方向に複数の正極（２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ）と複数の負極（２４，２５）とが並べて設けられた構成である。
さらに、２つの負極（２４，２５）の間に配置される一つの正極（２１ｆ）と、２つの正極（２１ｅ，２１ｆ）の間に配置される一つの負極（２４）と、２つの正極（２１ｆ，２１ｇ）の間に配置される一つの負極（２５）とを有する。
本パワーモジュール１の電力変換動作においては、スイッチング素子２Ａ，２Ｂと、スイッチング素子３Ａ，３Ｂのうち一方がオン、他方がオフとされる。
交流電極ＡＣから正の電流を出力する間は、スイッチング素子２Ａ，２Ｂの上アームはオン、オフを繰り返し、交流電極ＡＣから正極Ｐの電位、負極Ｎの電位をパルス幅を変えて出力し、所望の電流を作る。その間、対の下アームの素子は、スイッチング素子としては、オフ状態だが、逆方向の受動素子のダイオードが動作し、上アームのスイッチングに合わせてオン、オフする。
交流電極ＡＣから負の電流を出力（交流電極ＡＣから電流を入力）する間は、スイッチング素子３Ａ，３Ｂがオン、オフし、交流電極ＡＣから正極Ｐの電位、負極Ｎの電位をパルス幅を変えて出力し、所望の電流を作る。その間、対の上アームの素子は、スイッチング素子としては、オフ状態だが、逆方向の受動素子のダイオードが動作し、上アームのスイッチングに合わせて受動素子としてオン、オフする。
オフからオンに切り替わるスイッチング動作時には、正極Ｐから負極Ｎへ過渡的な電流が流れる。オンからオフに切り替わるスイッチング動作時には、負極Ｎから正極Ｐへ過渡的な電流が流れる。
スイッチング動作時の過渡的な電流は、オフとなるスイッチング素子、もしくは、受動素子に、配線の寄生インダクタンスにスパイク電圧を発生させる。
スイッチング動作時のスパイク電圧に影響するインダクタンスを低減するために、直流電力の入出力電極（２１ｅ，２４，２１ｆ，２５，２１ｇ）は、交互に正極と負極とがＸ方向に並んでおり、電流の流れる方向が相互に逆となって逆方向平行電流の相殺効果により配線インダクタンスを低減することができる。

配線インダクタンスの低減を図るためには、スイッチング動作時に逆方向に流れる電流の配線経路に対向、近接させる区間を設けることが好ましい。そのため、回路基板１０上の直流電力の入出力電極からの配線は、一端部１０Ａから同方向に延設され、その延設方向に沿った縁を、隣接する配線同士で対向、近接させている部位を有する。図１に示すように端子接続部２１ｅと導体パターン２４、導体パターン２４と端子接続部２１ｆ、端子接続部２１ｆと導体パターン２５、導体パターン２５と端子接続部２１ｇ、配線部２１ｂと導体パターン２２、導体パターン２２と配線部２１ｃと、配線部２１ｃと導体パターン２３、導体パターン２３と配線部２１ｄの各ペアにおいて、対向、近接する部位を設けている。

さらに正極端子Ｐ１０と負極端子Ｎ１０においてもスイッチング動作時に逆方向電流が流れる組合せで対向、近接する部位を設けている。
すなわち、正極端子Ｐ１０及び負極端子Ｎ１０は、回路基板１０上の直流電力の入出力電極に接続する接続端部Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３，Ｎ１１，Ｎ１２を有し、当該各接続端部は同方向Ｙ２に延設される。その延設方向に沿った縁を、隣接する反対電極端子同士で対向かつ近接させている部位を有する。

スイッチングのオン動作時の過渡的な電流経路を示すと図５に矢印で示す通りである。接続端部Ｐ１１から接続端部Ｎ１１へのループ状の電流経路、接続端部Ｐ１２から接続端部Ｎ１１へのループ状の電流経路、接続端部Ｐ１２から接続端部Ｎ１２へのループ状の電流経路、接続端部Ｐ１３から接続端部Ｎ１２へのループ状の電流経路で電流が流れる。
このとき、上述した対向、近接した導通部に逆方向に流れる電流が集中し（電流が流れやすくなり）、配線インダクタンスを低減することができる。これによりスイッチング動作時のスパイク電圧を低減し、スイッチング損失を低減することができる。

図５に示すように上記のループ状の電流経路は偶数（ペアをつくれる数）で構成することで効率的にインダクタンスの低減効果が得られる。
したがって、２つの負極の間に配置される正極の数と、２つの正極の間に配置される負極の数は、差が１の偶数と奇数であることとする。図１、図５の場合、２つの正極の間に配置される負極の数が２で、２つの負極の間に配置される正極の数は、それより１少ない奇数＝１であり、Ｘ方向にＰＮＰＮＰの電極配列である。これに拘わらず、２つの負極の間に配置される正極の数が２で、２つの正極の間に配置される負極の数は、それより１少ない奇数＝１とし、ＮＰＮＰＮの電極配列で実施してもよい。
本実施形態においては、一端部１０ＡにおいてＸ方向に並ぶ直流電力の入出力電極の数が５であるが、これを増設できる。
例えば、直流電力の入出力電極の数を７とし、２つの負極の間に配置される正極の数と、２つの正極の間に配置される負極の数は、一方が偶数２で、他方が一方より１多い奇数３として、ＰＮＰＮＰＮＰ又はＮＰＮＰＮＰＮの電極配列で実施可能である。

本実施形態のように、反対端部１０Ｂに交流電極（ＡＣ、導体パターン２６）が設けられ、上アーム側のスイッチング素子２Ａ，２Ｂ及び下アーム側のスイッチング素子３Ａ，３Ｂのうち一方が一端部１０Ａ側に、他方が反対端部１０Ｂ側に配置されている。これにより、上記のループ状の電流経路において逆方向に隣接して電流が流れる区間をとることができ、大きなインダクタンス低減効果が得られる。
そして、反対端部１０Ｂ側に配置されたスイッチング素子（２Ａ，２Ｂ）は、回路基板１０上の同一の第１導体パターン２１上にボンディングされ、一端部１０Ａ側に配置されたスイッチング素子（３Ａ，３Ｂ）は、第１導体パターン２１の一部である配線部２１ｃに分断される態様で複数に分かれた第２導体パターン２２，２３上にそれぞれボンディングされている。これにより、上述したように導体パターン２２と配線部２１ｃと、配線部２１ｃと導体パターン２３において、対向かつ近接する部位を設けることができ、スイッチング動作時のスパイク電圧に影響するインダクタンスの低減効果を向上することができる。

図６は比較例に係るパワーモジュール１００であり、回路基板１１０の一端部１１０Ａにおいて、Ｘ方向に並ぶ直流電力の出入力電極が、正極（導体パターン１２１ｅ、Ｐ１１端子接続部分）、負極（導体パターン１２４、Ｎ１１端子接続部分）、正極（導体パターン１２１ｇ、Ｐ１２端子接続部分）の順で３つである。２つの負極の間に配置される正極は存在せず（数としてはゼロで）、２つの正極の間に配置される負極の数が１である。
このようなパワーモジュール１００にあっては、上述したループ状の電流経路が２経路となる。
これに対し本実施形態のパワーモジュール１では、２つの正極の間に配置される負極のみならず、２つの負極の間に配置される正極を設けることで、比較例に対してスイッチング動作時のループ状の電流経路を増加させることができ、インダクタンスの低減効果を向上することができる。

図７に、本実施形態のパワーモジュール１の具体的構成における斜視図を示す。図１と対応する要素には同符号を付す。図１では省略したが、図４の回路図に示した制御電極Ｃ１，Ｇ１，Ｅ１，Ｃ２，Ｇ２，Ｅ２の端子を図７に共通符号で示す。半導体チップはＩＧＢＴ（大きい方）と、ダイオード（小さい方）の構成である。
図７に示す構造においても、上述したことと同様に、正極端子Ｐ１０の接続端部Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３と、負極端子Ｎ１０の接続端部Ｎ１１，Ｎ１２との対向、近接する配置が確認でき、回路基板１０上のスイッチング動作時に逆方向電流が流れる導体同士の対向、近接する部位が確認できる。
なお、回路基板１０上の同一の電極に接続する接続端部（図６でＮ１１，図７でＮ１１、Ｎ１２）は、機械的強度や電流面積増加等のために複数本としてもよい。
図８に、図７に示したパワーモジュール１の具体的構成における分解斜視図を示す。制御電極（Ｃ１，Ｇ１，Ｅ１，Ｃ２，Ｇ２，Ｅ２）は、制御端子台座４１と、制御端子ピン４２から構成されてもよい。なお、図８にＩＧＢＴ４３及びダイオード４４、それらを導体パターンに接合する接合材４５を示す。
図９に、図７に示した本実施形態のパワーモジュール１の具体的構成における平面図を示す。
図１０に、図７に示した本実施形態のパワーモジュール１の具体的構成における回路基板の上面を示す。
図１１に、本実施形態のパワーモジュール１がさらにケース、カバー及びベースを備えた構成の外観を示す。
図１２に、本実施形態のパワーモジュール１がさらにケース、カバー及びベースを備えた構成の分解斜視図を示す。なお、図８等にはＩＧＢＴ４３のゲート電極を制御端子（Ｇ１，Ｇ２）に引き出すボンディングワイヤ３７、図１０等にはボンディングワイヤ３７の一端が接合され、制御端子（Ｇ１，Ｇ２）が設けられる回路基板１０上の導体パターン３７Ｇも示される。
回路基板１０は、種々の接合材５２により、金属ベース３２に取り付けられる。接合材５２は、例えばはんだであってもよい。
ケース５３は、ベース３２の上において、回路基板１０を包囲するように取り付けられる。ケース５３は、絶縁性材料により枠状に形成された絶縁性構成部を有し、当該絶縁性構成部に回路基板１０上の各電極と、外部とを電気的に接続する端子の中間部（外部接続部と内部接続部を繋ぐ部分）を埋入させて保持する。同端子は、正極端子Ｐ１０、負極端子Ｎ１０及び交流端子ＡＣ１０等であってもよい。このようなケース５３は、端子インサートケースともいう。
ケース５３の上端には、カバー５４が取り付けられる。カバー５４は、部品実装済みの回路基板１０が収容された空間を塞ぐように取り付けられる。カバー５４は複数の開口を有し、同開口にはケース５３の絶縁性構成部の突起部および制御端子等が挿通されてもよい。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施してよいことは勿論である。
例えばパワーモジュール１は、電気自動車等の種々の電気装置に用いられてもよい。
例えば、上記実施形態では、パワー半導体スイッチング素子をＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）としたが、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、サイリスタなどの他の種類の半導体デバイスを適用してもよい。

２１-２６ 導体パターン
１ パワーモジュール
２Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ パワー半導体スイッチング素子
１０ 回路基板
１０Ａ 一端部
１０Ｂ 反対端部
１１ 絶縁基板
２１ａ ダイボンディング領域
２１ｂ 配線部
２１ｃ 配線部
２１ｄ 配線部
２１ｅ，２１ｆ，２１ｇ 端子接続部
ＡＣ１０ 交流端子
Ｎ１０ 負極端子
Ｎ１１，Ｎ１２ 接続端部
Ｐ１０ 正極端子
Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１３ 接続端部

Claims (7)

1. 回路基板と、前記回路基板に実装されたパワー半導体スイッチング素子とを備え直流電力と交流電力との変換に用いられるパワーモジュールであって、
   前記回路基板の一端部に、絶縁基板上の導体パターンによる直流電力の入出力電極が設けられ、
   前記直流電力の入出力電極は、前記一端部の端縁に沿って複数の正極と複数の負極とが並べて設けられ、２つの負極の間に配置される正極と、２つの正極の間に配置される負極とを有するパワーモジュール。
2. 前記回路基板上の前記直流電力の入出力電極からの各配線は、前記一端部から同方向に延設され、その延設方向に沿った縁を、隣接する配線同士で対向、近接させている部位を有する請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記直流電力の入出力電極のうち正極に接続する板状金属の正極端子と、前記直流電力の入出力電極のうち負極に接続する板状金属の負極端子と、を備え、
   前記正極端子及び前記負極端子は、前記回路基板上の前記直流電力の入出力電極に接続する接続端部を有し、当該各接続端部は同方向に延設され、その延設方向に沿った縁を、隣接する反対電極端子同士で対向、近接させている部位を有する請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。
4. ２つの負極の間に配置される正極の数と、２つの正極の間に配置される負極の数は、差が１の偶数と奇数である請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
5. 前記回路基板は、前記一端部の反対端部に交流電極を有し、交流電極と正極との間に接続されたパワー半導体スイッチング素子と、交流電極と負極との間に接続されたパワー半導体スイッチング素子とが実装された請求項１から請求項４のうちいずれか一に記載のパワーモジュール。
6. 前記交流電極と正極との間に接続されたパワー半導体スイッチング素子及び交流電極と負極との間に接続されたパワー半導体スイッチング素子のうち一方が前記一端部側に、他方が前記反対端部側に配置され、
   前記反対端部側に配置されたパワー半導体スイッチング素子は、前記回路基板上の同一の第１導体パターン上にボンディングされ、
   前記一端部側に配置されたパワー半導体スイッチング素子は、第１導体パターンの一部である配線部に分断される態様で複数に分かれた第２導体パターン上にそれぞれボンディングされている請求項５に記載のパワーモジュール。
7. 請求項１から請求項６のうち、いずれか一に記載のパワーモジュールを有する、
   電気装置。

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