JP2021103754A - パワー半導体モジュール、および電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】配線インダクタンスの低減と生産性低下の抑制との両立をさせる。【解決手段】本発明によるパワー半導体モジュールは、基板に設置されるパワー半導体モジュールであって、前記基板に並列に配置される第１パワーモジュール及び第２パワーモジュールと、を備え、前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールは、半導体素子を間に挟む第１導体板および第２導体板をそれぞれ有し、前記第１導体板および前記第２導体板は、前記半導体素子の主電極を間に挟む第１領域と、前記第１導体板および前記第２導体板が重ならず、前記半導体素子の制御電極を持つ第２領域と、前記第１導体板および前記第２導体板が重ならず、前記半導体素子の制御電極を持たない第３領域と、を有し、前記第３領域は、前記基板と接続する。【選択図】図２
Description
本発明は、パワー半導体モジュールおよび電力変換装置に関する。
近年、電力変換装置の設計において、生産性の向上を図ることが求められている一方で、出力の増大も要求されている。そのため、生産性低下の抑制と配線インダクタンスの低減との両立を図る技術が提案されている。
本願発明の背景技術として、下記の特許文献１が知られている。特許文献１には、インバータの上下アームのモジュールを標準化することで同一の製造工程での生産を可能とし、モジュールを対向して並列に配置することで磁界の打ち消し効果を得る技術が記載されている。
特許文献１に記載の技術では、制御信号配線と主回路配線を隣接して配置して上アームと下アームとを組み合わせると、電流経路が長くなることで素子駆動性が低下する上に、未使用端子の切断工程が追加されるため、配線インダクタンスの増加と生産性の低下が課題であった。
本発明によるパワー半導体モジュールは、基板に設置されるパワー半導体モジュールであって、前記基板に並列に配置される第１パワーモジュール及び第２パワーモジュールと、を備え、前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールは、半導体素子を間に挟む第１導体板および第２導体板をそれぞれ有し、前記第１導体板および前記第２導体板は、前記半導体素子の主電極を間に挟む第１領域と、前記第１導体板および前記第２導体板が重ならず、前記半導体素子の制御電極を持つ第２領域と、前記第１導体板および前記第２導体板が重ならず、前記半導体素子の制御電極を持たない第３領域と、を有し、前記第３領域は、前記基板と接続する。
本発明によれば、配線インダクタンスの低減と生産性低下の抑制との両立ができる。
（パワー半導体モジュールの構造、および第１の実施形態）
図１は、本発明に係るパワー半導体モジュール２０および周辺構成を含む電力変換装置６０の平面図である。なお、図１の電力変換装置６０は、１相分の上アーム回路及び下アーム回路の構成を表している。
図１は、本発明に係るパワー半導体モジュール２０および周辺構成を含む電力変換装置６０の平面図である。なお、図１の電力変換装置６０は、１相分の上アーム回路及び下アーム回路の構成を表している。
電力変換装置６０は、第１パワーモジュール２０１および第２パワーモジュール２０２、基板３０、正極電源端子導体３１、負極電源端子導体３２、交流出力端子導体３３、コンデンサ４０、制御回路５０、制御信号配線５１、貫通孔３０３、を備える。
第１パワーモジュール２０１および第２パワーモジュール２０２は、本発明に係るパワー半導体モジュール２０を構成しており、基板に並列に配置される。なお、詳細は後述する。
基板３０はプリント回路基板であり、第１パワーモジュール２０１および第２パワーモジュール２０２、正極電源端子導体３１、負極電源端子導体３２、交流出力端子導体３３、コンデンサ４０、制御回路５０、をすべて同一基板３０に搭載する。これにより、複雑な形状のバスバーが不要となり、生産性が向上する。
また、基板３０は、正極電源端子導体３１、負極電源端子導体３２、交流出力端子導体３３のような銅材などによる複数の導体層を備える。たとえば図１では、平面図手前側の第１面に第１導体層を有し、第１導体層とは反対側の第２面に第２導体層を有する構造になっている。また、基板３０は、貫通孔３０３を有しており、ここにパワー半導体モジュール２０が組み込まれる構造になっている。
上述のように導体層を２層構造で構成する場合、負極電源端子導体３２は第１導体層を、正極電源端子導体３１が第２導体層を主な電流経路とする。正極電源端子導体の一部３１Ａは、第１パワーモジュール２０１との接続部付近で図示していないビアを介して、第１導体層側に露出している。このような構成により、正極電源端子導体３１と負極電源端子導体３２を基板３０上で対向させる位置に配置させることができ、磁束打ち消し効果が得られるため、インダクタンスを低減できる。
交流出力端子導体３３は、図示していないビアを介して第１導体層および第２導体層に形成され、電動機に交流電力を出力する交流出力端子３３１を有する。これにより、導体の断面積が従来よりも拡大され、インダクタンスを低減できる。
コンデンサ４０は、第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２と、正極電源端子３１１及び負極電源端子３２１と、の間に設置される。また、コンデンサ４０は、端子間隔の狭いセラミックコンデンサなどが複数設けられる形状で、電力変換装置６０に印加される電圧を平滑化する。なお、正極電源端子導体３１の一部は、コンデンサ４０に囲まれた領域で露出している。この構成により、電流経路を複数確保でき、正極電源端子導体３１及び負極電源端子導体３２間の磁束打ち消し効果により、インダクタンスを低減できる。
制御回路５０は、制御信号配線５１を介して後述の制御電極１０２と接続され、これにより後述する第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２の第２領域に隣接して配置される形になる。なお、制御信号配線５１は、ワイヤボンディングなどで構成されている。この構成により、制御信号配線５１の長さを短くすることができるため、インダクタンスを低減し素子駆動性能の低下を防ぐことで、損失増加を防止する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る、パワー半導体モジュール２０と接続導体の平面図である。なお、点線ｒは後述する断面図の図５および図６で用いる。
パワー半導体モジュール２０は、前述のように、第１パワーモジュール２０１と第２パワーモジュール２０２とで構成されている。第１パワーモジュール２０１および第２パワーモジュール２０２は同一の構造をしており、それぞれＩＧＢＴ１０およびダイオード１１をはさんでいるコレクタ導体板２１とエミッタ導体板２２とによって構成されている。なお、コレクタ導体板２１とエミッタ導体板２２は銅材で構成されている。
ＩＧＢＴ１０は板形状であり、主電極１０１と主電極１０１に流れる主電流を制御する制御電極１０２と、を有する。主電極１０１は図示されていないコレクタ電極とエミッタ電極が設けられている。また、ダイオード１１は板形状で、図示されていないアノード電極とカソード電極が設けられている。
コレクタ導体板２１とエミッタ導体板２２は、ＩＧＢＴ１０を立面上下で挟み、コレクタ導体板２１とエミッタ導体板２２の一部の領域が重なるように配置される。この重なる領域を第１領域１とする。このとき、ＩＧＢＴ１０の主電極１０１とダイオード１１は、第１領域１の中に収まるように配置される。
ＩＧＢＴ１０の制御電極１０２は、コレクタ導体板２１とエミッタ導体板２２が重ならない領域に配置される。この重ならない領域を第２領域２とする。このとき、それぞれのパワーモジュールの第２領域２は、平面で見たときに主電極１０１とダイオード１１とを含む第１領域１を間にして、第２領域２同士が対向する位置に配置される。これにより、第１パワーモジュール２０１および第２パワーモジュール２０２のそれぞれの制御電極１０２が、同一面に設けられるため、制御信号配線５１との接続性が高くなり、生産性が向上する。
コレクタ導体板２１はコレクタ端子２１１を有し、エミッタ導体板２２はエミッタ端子２２１を有する。また、制御電極１０２を含まない領域であり、コレクタ端子２１１とエミッタ端子２２１との部分である領域を、第３領域３とする。
第３領域３は、基板３０と接続される。また、それぞれのパワーモジュールにおいてのコレクタ端子２１１とエミッタ端子２２１の位置は、平面で見たときに第１領域１を挟んで、それぞれ互いに対向する位置になる。
第１パワーモジュール２０１および第２パワーモジュール２０２は、モジュール内を通る電流の入出力方向がそれぞれ互いに逆向きになるように、かつ、一方のパワーモジュールのコレクタ端子２１１と他方のパワーモジュールのエミッタ端子２２１がそれぞれ横並びになるように、配置される。たとえば、図２に示すように、正極電源端子導体３１に第１パワーモジュール２０１のコレクタ端子２１１が接続され、また、交流出力端子導体３３に第１パワーモジュール２０１のエミッタ端子２２１が接続される。同様に、交流出力端子導体３３に第２パワーモジュール２０２のコレクタ端子２１１が接続され、また、負極電源端子導体３２に第２パワーモジュール２０２のエミッタ端子２２１が接続される。これにより、第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２に流れる電流が互いに対向し、磁束の打ち消し効果によってインダクタンスが低減する。
また、第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２において、それぞれの第２領域２の対極に位置する第１領域１の端面、すなわちエミッタ導体板２２の端面と、コレクタ導体板２１の端面とが、立面で垂直に並んで形成されている。これにより、第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２に流れる電流の対向面を安定的に近接させることができるため、磁束の打ち消し効果が強くなりインダクタンスが低減する。
また、第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２は、前述のように互いの第２領域２が双方の第１領域１を挟んで対向する位置に配置されている。これにより、第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２に流れる主電流に対して、それぞれの制御電極１０２が平面で見たときに垂直方向に突出する形となり、主回路の電流経路と制御信号配線の相互インダクタンスが低減される。この結果、主回路電流に起因した素子駆動性能の低下を防げるため、損失増加や保護機能不全を防止する。
さらに、第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２において、互いの第３領域３が、平面で見たときに第１領域１を挟んで異なる方向から突出するように配置されている。これにより、外部導体と接続される端子数を最小限にでき、コレクタ端子２１１及びエミッタ端子２２１における主回路電流の導通部を拡大するため、インダクタンスを低減する。また、外部導体との接続部が従来技術よりも少ないため、はんだ接続点が減少する。これにより、パワー半導体モジュール２０の生産性の向上が可能となる。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る、パワーモジュール２００の図である。パワーモジュール２００は、上述したパワー半導体モジュール２０を構成する第１パワーモジュール２０１および第２パワーモジュール２０２の代表例である。
コレクタ端子２１１及びエミッタ端子２２１に対して、ＩＧＢＴ１０及びダイオード１１が並列に搭載されている。これにより、電流経路を短縮できインダクタンスが低減する。
また、第１領域１から第２領域２を見た場合、第３領域３が第２領域２に対して直角方向に形成される。これにより、主回路の電流経路と制御信号配線の相互インダクタンスが低減でき、主回路電流に起因した素子駆動性能の低下を防げるため、損失増加や保護機能不全を防止する。
図４は、本発明の第１の実施形態に係る、パワーモジュール２００の斜視図である。コレクタ端子２１１とエミッタ端子２２１は、それぞれ基板３０に設置するために、段差を有する構造になっている。詳細は後述する。
図５は、本発明の第１の実施形態に係る、パワーモジュール２０２の立面図である。なお、図５の立面図は、図２の点線rの断面図である。
前述のとおり、コレクタ端子２１１とエミッタ端子２２１は、それぞれ段差を有する構造になっている。コレクタ端子２１１は、コレクタ導体板２１の一部が内部側に段差を有する形状の端部にあたる。エミッタ端子２２１は、エミッタ導体板２２の一部が外部側に段差を有する形状の端部にあたる。また、コレクタ端子２１１とエミッタ端子２２１の先端部は、点線Ｒの線上に乗るように、立面での高さを同一平面状に並ぶようにする。これにより、基板３０に設置する際のパワー半導体モジュール２０の設置のずれが解消され、外部導体との接続が容易になり生産性が向上する。
金属接合材１２は、はんだなどの合金素材であり、ＩＧＢＴ１０のコレクタ電極およびダイオード１１のカソード電極とコレクタ導体板２１およびエミッタ導体板２２とを、立面で上下に接合して固着させる。
図６は、本発明の第１の実施形態に係る、パワーモジュール２０２と関連基板の立面図である。なお、パワーモジュール２０２は図５と同様の構成である。
基板３０は立面で上下に導体層を有しており、この図では、上側の第１面に第１導体層としての負極電源端子導体３２または交流出力端子導体３３を有し、第１導体層とは反対側の下側の第２面に第２導体層としての正極電源端子導体３１または交流出力端子導体３３を有する構造の例である。第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２は、第３領域３が基板３０に接続される。この接続で、バッテリからの電動機の駆動に必要な電気エネルギーは第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２に供給され、交流出力端子導体３３に設けられた交流出力端子３３１（図１参照）から出力される交流電力を制御している。この構造により、第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２の上下面に構成される冷却面が、基板３０を介することなく水（クーラント）や油などの冷媒により冷却されるため、熱抵抗の増加を抑制し電力変換装置６０の出力増大を図ることが可能となる。
以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）基板３０に設置されるパワー半導体モジュール２０は、基板３０に並列に配置される第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２と、を備え、第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２は、半導体素子１０を間に挟む第１導体板２１および第２導体板２２をそれぞれ有し、第１導体板２１および第２導体板２２は、半導体素子１０の主電極を間に挟む第１領域１と、第１導体板２１および第２導体板２２が重ならず、半導体素子１０の制御電極１０２を持つ第２領域２と、第１導体板２１および第２導体板２２が重ならず半導体素子１０の制御電極１０２を持たない第３領域３と、を有し、第３領域３は、基板３０と接続する。このようにしたので、配線インダクタンスの低減と生産性低下の抑制との両立ができる。
（２）パワー半導体モジュール２０の第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２は、同一の構造である。このようにしたので、パワー半導体モジュール２０の生産性を向上させるとともに、組立を簡素化できる。
（３）パワー半導体モジュール２０は、第１領域１から第２領域２を見た場合、第３領域３が第２領域２に対して直角方向に形成される。このようにしたので、主回路の電流経路と制御信号配線５１の相互インダクタンスが低減でき、主回路電流に起因した素子駆動性能の低下を防げるため、損失増加や保護機能不全を防止することができる。
（４）パワー半導体モジュール２０は、半導体素子１０が並列に配置される。このようにしたので、電流経路を短縮できインダクタンスが低減する。
（５）パワー半導体モジュール２０の第１導体板２１および第２導体板２２は、第１領域１を挟んで対向する位置にそれぞれ端子を配置する。このようにしたので、外部導体と接続される端子数を最小限にでき、端子の主回路電流の導通部を拡大するため、インダクタンスを低減する。また、はんだ接続点が減少するため、パワー半導体モジュール２０の生産性が向上する。
（６）パワー半導体モジュール２０の端子２１１，２２１は基板３０の上で同一平面状に並ぶ。このようにしたので、基板３０に設置する際のずれが解消され、外部導体との接続が容易になり生産性が向上する。
（７）パワー半導体モジュール２０の第１パワーモジュール２０１は、第２パワーモジュール２０２に対して、モジュール内を通る電流の入出力方向が互いに逆向きになるように配置される。このようにしたので、磁束の打ち消し効果によってインダクタンスが低減する。
（８）パワー半導体モジュール２０の第１導体板２１および第２導体板２２は、第２領域２の対極に位置する端面が、垂直に並んで形成される。このようにしたので、電流の対向面を安定的に近接させることができで、磁束の打ち消し効果が強くなりインダクタンスが低減する。
（９）パワー半導体モジュール２０を備える電力変換装置６０は、第１パワーモジュール２０１と、第２パワーモジュール２０２と、コンデンサ４０と、制御回路５０と、が同一基板３０に搭載される。このようにしたので、複雑な形状のバスバーが不要となり、生産性が向上する。
（１０）電力変換装置６０の第１パワーモジュール２０１及び第２パワーモジュール２０２は、基板３０に設けられた貫通孔３０３に組み込まれる。このようにしたので、電力変換装置６０の製造工程を簡素化できる。
（１１）電力変換装置６０の制御回路５０は、制御電極１０２と接続され、第２領域２に隣接して配置される。このようにしたので、インダクタンスを低減し素子駆動性能の低下を防いで、損失増加を防止する。
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係る、パワーモジュール２０２Ａと関連基板の図である。
図７は、本発明の第２の実施形態に係る、パワーモジュール２０２Ａと関連基板の図である。
コレクタ導体板２１Ａが基板３０の下面に位置する第２導体層３０２に接続され、エミッタ導体板２２Ａが基板３０の上面に位置する第１導体層３０１に接続される。これにより、ビアを介した他方の導体層への接続が不要となり、電流経路を短縮することでインダクタンスを低減できる。
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係る、パワーモジュール２０２Ｂの図である。
図８は、本発明の第３の実施形態に係る、パワーモジュール２０２Ｂの図である。
コレクタ端子２１１Ｂ及びエミッタ端子２２１Ｂは、平面状の銅材で構成されるコレクタ導体板２１Ｂ及びエミッタ導体板２２Ｂを曲げて形成される。これにより、パワーモジュール２０２Ｂの生産時に銅板の切削工程が不要となり、生産性が向上する。
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係る、パワーモジュール２０２Ｃの図である。
図９は、本発明の第４の実施形態に係る、パワーモジュール２０２Ｃの図である。
ＩＧＢＴ１０を挟むコレクタ導体板２１Ｃ及びエミッタ導体板２２Ｃが平面状の銅材で構成され、平面状のままコレクタ端子２１１Ｃとエミッタ端子２２１Ｃは基板と接続される。これにより、コレクタ導体板２１Ｃ及びエミッタ導体板２２Ｃの生産時に、銅板の加工工程が不要となり、パワーモジュール２０２Ｃの生産性が向上する。
以上説明した各実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り上記の実施形態に限定解釈されるものではなく、公知の他の構成要素を組み合わせて本発明の技術思想を実現してもよい。また、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
１ 第１領域
２ 第２領域
３ 第３領域
１０ ＩＧＢＴ
１０１ 主電極
１０２ 制御電極
１１ ダイオード
１２ 金属接合材
２０ パワー半導体モジュール
２００ パワーモジュール
２０１ 第１パワーモジュール
２０２，２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ 第２パワーモジュール
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ コレクタ導体板
２１１，２１１Ｂ，２１１Ｃ コレクタ端子
２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ エミッタ導体板
２２１，２２１Ｂ，２２１Ｃ エミッタ端子
３０ 基板
３０１ 第１導体層
３０２ 第２導体層
３０３ 貫通孔
３１，３１Ａ 正極電源端子導体
３１１ 正極電源端子
３２ 負極電源端子導体
３２１ 負極電源端子
３３ 交流出力端子導体
３３１ 交流出力端子
４０ コンデンサ
５０ 制御回路
５１ 制御信号配線
６０ 電力変換装置
２ 第２領域
３ 第３領域
１０ ＩＧＢＴ
１０１ 主電極
１０２ 制御電極
１１ ダイオード
１２ 金属接合材
２０ パワー半導体モジュール
２００ パワーモジュール
２０１ 第１パワーモジュール
２０２，２０２Ａ，２０２Ｂ，２０２Ｃ 第２パワーモジュール
２１，２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ コレクタ導体板
２１１，２１１Ｂ，２１１Ｃ コレクタ端子
２２，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ エミッタ導体板
２２１，２２１Ｂ，２２１Ｃ エミッタ端子
３０ 基板
３０１ 第１導体層
３０２ 第２導体層
３０３ 貫通孔
３１，３１Ａ 正極電源端子導体
３１１ 正極電源端子
３２ 負極電源端子導体
３２１ 負極電源端子
３３ 交流出力端子導体
３３１ 交流出力端子
４０ コンデンサ
５０ 制御回路
５１ 制御信号配線
６０ 電力変換装置
Claims (11)
- 基板に設置されるパワー半導体モジュールであって、
前記基板に並列に配置される第１パワーモジュール及び第２パワーモジュールを備え、
前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールは、半導体素子を間に挟む第１導体板及び第２導体板をそれぞれ有し、
前記第１導体板及び前記第２導体板は、
前記半導体素子の主電極を間に挟んで前記第１導体板及び前記第２導体板が重なる第１領域と、
前記第１導体板及び前記第２導体板が重ならず、前記半導体素子の制御電極が配置される第２領域と、
前記第１導体板及び前記第２導体板が重ならず、前記半導体素子の制御電極が配置されない第３領域と、をそれぞれ有し、
前記第３領域は、前記基板と接続するパワー半導体モジュール。 - 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールは、同一の構造であるパワー半導体モジュール。
- 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記第１領域から前記第２領域を見た場合、前記第３領域が前記第２領域に対して直角方向に形成されるパワー半導体モジュール。
- 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記半導体素子が並列に配置されるパワー半導体モジュール。
- 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記第１導体板及び前記第２導体板は、前記第１領域を挟んで対向する位置にそれぞれ配置される端子を有するパワー半導体モジュール。
- 請求項５に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記端子は前記基板の上で同一平面状に並ぶパワー半導体モジュール。
- 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記第１パワーモジュールは、前記第２パワーモジュールに対して、モジュール内を通る電流の入出力方向が互いに逆向きになるように配置されるパワー半導体モジュール。
- 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、前記第１導体板及び前記第２導体板は、前記第２領域の対極に位置する端面が、垂直に並んで形成されるパワー半導体モジュール。
- 請求項１に記載のパワー半導体モジュールを備える電力変換装置において、前記第１パワーモジュールと、前記第２パワーモジュールと、コンデンサと、制御回路と、が同一基板に搭載される電力変換装置。
- 請求項９に記載の電力変換装置において、前記第１パワーモジュール及び前記第２パワーモジュールは、前記基板に設けられた貫通孔に組み込まれる電力変換装置。
- 請求項９に記載の電力変換装置において、前記制御回路は、前記制御電極と接続され、前記第２領域に隣接して配置される電力変換装置。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP2019235335A JP7308139B2 (ja) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | パワー半導体モジュール、および電力変換装置 |
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP2019235335A JP7308139B2 (ja) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | パワー半導体モジュール、および電力変換装置 |
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ID=76575511
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| WO2011016360A1 (ja) * | 2009-08-03 | 2011-02-10 | 株式会社安川電機 | 電力変換装置 |
| JP2013009501A (ja) * | 2011-06-24 | 2013-01-10 | Hitachi Automotive Systems Ltd | パワー半導体モジュール及びそれを用いた電力変換装置 |
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-
2019
- 2019-12-25 JP JP2019235335A patent/JP7308139B2/ja active Active
-
2020
- 2020-12-16 WO PCT/JP2020/046889 patent/WO2021131943A1/ja active Application Filing
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