JP3845899B2 - 半導体モジュールを用いたパワー回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば電気自動車等の電源部に採用される半導体モジュールを用いたパワー回路に関し、特に主電池電圧検出回路や平滑コンデンサの放電回路等の補助回路が併せ設けられるパワー回路に採用されて好適なモジュール構造の具現に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９に、電気自動車システムの駆動系並びに制御系の各回路を示す。
この電気自動車システムにおいて、バッテリ１０は、主電池として４００Ｖ（ボルト）程度の高電圧を出力する直流電源である。その直流出力電圧は、インバータパワー回路２１によって３相交流に逆変換され、該変換されたＵ相、Ｖ相、及びＷ相の３相交流電流によって、交流モータからなる走行モータ３０が回転駆動されるようになる。
【０００３】
一方、走行モータ３０にはその出力軸に適宜の回転数センサ（図示せず）が設けられ、その検出されるモータ回転数情報Ｎｍが、マイクロコンピュータ等からなる電子制御装置４０に取り込まれるようになる。またこの電子制御装置４０には、アクセルペダル５０に設けられたこれも図示しないアクセルセンサによって検出されるアクセル位置情報ＡＣＬも併せ取り込まれ、電子制御装置４０では、この取り込まれるアクセル位置情報ＡＣＬに対応したモータ出力が得られるよう、上記モータ回転数情報Ｎｍを監視しつつ、上記インバータパワー回路２１による直流−交流変換動作を制御する。
【０００４】
電子制御装置４０による同制御は、インバータ制御回路２２を介して行われ、電子制御装置４０からその制御信号として上記生成すべき３相交流電流の各相に対応したパルス幅変調信号ＰＷＭＵ、ＰＷＭＶ、及びＰＷＭＷがインバータ制御回路２２に送られる。これによりインバータ制御回路２２では、その駆動回路２２１を通じて上記インバータパワー回路２１を構成する各半導体モジュール２１１、２１２、及び２１３のスイッチング素子を同信号ＰＷＭＵ、ＰＷＭＶ、ＰＷＭＷの内容に対応してオン／オフせしめ、もって、電流供給線３１ａ、３１ｂ、及び３１ｃの各々に、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相からなる３相交流電流を発生せしめる。
【０００５】
ここで、上記半導体モジュール２１１、２１２、及び２１３に採用されるスイッチング素子としては通常、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等のトランジスタやその他のパワートランジスタ、或いはサイリスタ等が用いられる。
【０００６】
また、インバータパワー回路２１には、上記半導体モジュール２１１、２１２、２１３の他、そのスイッチング素子のスイッチング動作に際して直流入力に生じる電流及び電圧リプルを平滑化するための平滑コンデンサ２１４が併せ設けられる。
【０００７】
基本的にはこうした構成を有する電気自動車システムにあって、通常は、上記半導体モジュール２１１、２１２、２１３にある各スイッチング素子をその破壊等から保護するために、上記バッテリ１０の出力電圧をインバータ制御回路２２に設けた電圧検出回路２２２によって検出し、過電圧が検出される場合には、同電圧検出回路２２２から上記駆動回路２２１に対し遮断指令を発してそれらスイッチング素子の駆動を停止させるようにしている。
【０００８】
また、インバータパワー回路２１の動作時に上記平滑コンデンサ２１４に充電された電荷は、同パワー回路２１が停止し且つ、バッテリ１０から電気的に遮断されるシステム停止時には放電されることが望ましいため、通常は、抵抗器からなる放電回路２３を設けてその充電された電荷を放電するようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、電圧検出回路２２２や放電回路２３を設けることで、上記パワー回路としての信頼性は大幅に高められるようになる。
【００１０】
ただし従来、それら電圧検出回路２２２や放電回路２３は、上記パワー回路にリード線によって接続されているために、生産コストの低減を困難にするとともに、信頼性の面でも不安を残すこととなっていた。図１０に、同電気自動車システムに採用されている従来のインバータパワー回路部分について、その組み付け構造を模式的に示す。
【００１１】
すなわち同図１０に示されるように、該パワー回路において、平滑コンデンサ２１４は、直流電源端子板２４を通じて半導体モジュール２１１〜２１３の給電電極１１及び１２に直付けされるが、インバータ制御回路２２に設けられている上記電圧検出回路２２２は、リード線１３及び１４によって該給電電極１１及び１２に電気的に接続され、上記放電回路２３も、リード線１５及び１６によって同給電電極１１及び１２に電気的に接続されるようになっている。
【００１２】
このため、同パワー回路組み付け時における上記リード線１３、１４、或いは１５、１６の噛み込みによってその被覆の劣化や断線を招く懸念があり、また、電気自動車の走行時における振動等によっても、それらリード線の断線を招く懸念がある。
【００１３】
また、同リード線１３、１４、或いは１５、１６としては通常、高耐圧電線を使用する必要があることから、配線作業にかかるコストに加え、それらリード線自体のコストも無視できないものとなっている。
【００１４】
一方、上記電圧検出回路２２２が配設されるインバータ制御回路２２にあっては、こうした高電位の信号を処理するために、それら信号間の絶縁距離を大きくとる必要がある。このため、同制御回路２２も自ずと大型化されることとなっていた。
【００１５】
また更に、上記放電回路２３に用いられる抵抗器はその発熱も大きい。したがって同図１０に示されるように、これを半導体モジュール２１１〜２１３と共通の冷却プレート２５に取り付けるとなると、該冷却プレート２５そのものも大型化せざるを得ず、ひいては同パワー回路自身の小型化も大きく阻害されることとなっていた。
【００１６】
なお、上述した電気自動車システムに限らず、上記形態の半導体モジュールを用いてパワー回路を構成するに、電圧検出回路や放電回路等の補助回路を設けてその信頼性の向上を図ろうとするものにあっては、こうした実情も概ね共通したものとなっている。
【００１７】
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、上述したリード線の配線を不要として電圧検出回路や放電回路等の補助回路を配設することのできる構造を有する半導体モジュールを用いることで、より信頼性が高く、しかもコスト的にも有利で且つ小型化にも適した構造を有するパワー回路を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
こうした目的を達成するため、この発明では、（Ａ）内蔵する半導体スイッチング素子への各給電電極が表面に露呈して配設された非導体外囲器と、この外囲器の内部若しくは上部に前記半導体スイッチング素子への各給電電極と各々接合される電極を有して組み付けられる基板と、この基板に形成されて前記電極間に電気的に接続された抵抗器を通じて前記半導体スイッチング素子への各給電電極と並列接続される平滑コンデンサの充電電荷を放電する放電回路とを有する第１の半導体モジュール。
（Ｂ）内蔵する半導体スイッチング素子への各給電電極が表面に露呈して配設された非導体外囲器と、この外囲器の内部若しくは上部に前記半導体スイッチング素子への各給電電極と各々接合される電極を有して組み付けられる基板と、この基板に形成されて前記電極間に印加される給電電圧の電圧レベルが適正か否かを検出する電圧検出回路とを有する第２の半導体モジュール。
を具えるとともに、これら第１及び第２の半導体モジュールの各１乃至複数を電源に並列接続してなる構造によれば、同第１及び第２の半導体モジュール自身による上述した構造を通じて、上記放電回路や電圧検出回路をリード線なしで電源に接続することができるようになり、これら放電回路や電圧検出回路が併せ配設されることとも相まって、その信頼性は大幅に高められるようになる。
【００２７】
また、こうしてリード線の配線が不要になることで、その生産コストが好適に低減されるようになるとともに、上記第１の半導体モジュールにあって放電回路を構成する抵抗器が放熱面積の広い基板に直接形成されることで、同パワー回路としての小型化も併せ図られるようになる。
【００２８】
また因みに、上記第１の半導体モジュール２個と上記第２の半導体モジュール１個とが並列接続されることで前述した３相交流インバータのパワー回路が形成される。そしてその際、電圧検出回路からの検出信号は上述のように、低電位の信号として適宜の線材若しくはコネクタを介してインバータ制御回路に入力されるようになることから、該制御回路においてそれら信号間の絶縁距離を大きくとる必要もなくなり、同制御回路も併せてその小型化が図られるようになる。
【００２９】
また、上記電圧検出回路についてはこれを更に、請求項２記載の発明によるように、
・前記電極間に印加される給電電圧を所定に分圧する分圧回路。
・この分圧された電圧を前記給電電圧の電圧レベルが過電圧である旨を判定するための過電圧判定用基準値と比較する比較回路。
・この比較回路による比較出力をアイソレートするアイソレータ。
・このアイソレートされた比較出力を外部出力する出力回路。
といった各回路を有する構成とすることで、感電や漏電が懸念される比較的電圧の高い部分を上記第２の半導体モジュール内に封じ込めることができるようにもなり、ひいては同パワー回路としての信頼性や安全性を更に高めることができるようにもなる。
【００３０】
また、請求項３記載の発明によるように、上記パワー回路において、
・前記第１及び第２の半導体モジュールの各外囲器には、前記各半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路が併せ組み込まれる。
といった構造を採用することとすれば、いわゆるＩＰＭにより構成されるパワー回路にあっても、上記放電回路や電圧検出回路をリード線なしで電源に接続することができるようになり、やはりその信頼性を大きく高めることができるようになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１に、この発明にかかる半導体モジュールを用いたパワー回路についてその一実施形態を示す。
【００３２】
この実施形態は、同パワー回路を、前述した電気自動車システムに採用されている３相交流インバータに適用したものであり、以下、図１を参照して、同実施形態にかかるパワー回路の構造について説明する。
【００３３】
この３相交流インバータ１にあって、冷却プレート８上に配設されている半導体モジュール２ａ、２ｂ、及び３はそれぞれ、前述のＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等からなる半導体スイッチング素子を２素子ずつ内蔵しており、それら各モジュールが平滑コンデンサ４ａ〜４ｃとともに直流電源端子板５ａ及び５ｂにより電気的に並列接続されて、等価的には先の図９に示されるインバータパワー回路２１が構成されるようになる。なお、上記電源端子板５ａ及び５ｂは、図示しない層間絶縁材によってその正極端子板（５ａ）と負極端子板（５ｂ）とが分離される積層型端子板となっている。
【００３４】
また、同インバータ１にあって、上記平滑コンデンサ４ａ〜４ｃの背面には、図示しない電子制御装置（図９に示される電子制御装置４０に相当）から付与されるパルス幅変調信号に基づいて上記半導体モジュール２ａ、２ｂ、３に内蔵されている各スイッチング素子の駆動を制御するインバータ制御回路（基板）６が設けられている。この制御回路（基板）６は、絶縁性材料からなる制御回路固定ホルダ７によって、上記電源端子板５ａ及び５ｂに固定される。
【００３５】
一方、上記半導体モジュール２ａ、２ｂ、及び３にあって、半導体モジュール２ａ及び２ｂには各々、その給電電極２０６及び２０７間に接続された抵抗器を通じて上記平滑コンデンサ４ａ〜４ｃの充電電荷を放電する放電回路６１が併せ搭載され、半導体モジュール３には、その給電電極３０６及び３０７間に印加される給電電圧の電圧レベルが適正か否かを検出する電圧検出回路６２が併せ搭載されている。
【００３６】
図２及び図３は、上記半導体モジュール２ａ、２ｂの具体構造並びにその等価回路を、また図４及び図５は、上記半導体モジュール３の具体構造並びにその等価回路をそれぞれ示したものであり、次に、これら図２〜図５を併せ参照して、上記半導体モジュール２ａ、２ｂ、及び３の構造について更に詳述する。
【００３７】
まず、図２に示す半導体モジュール２ａ、２ｂにおいて、その外囲器２０１には、上記ＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子が１組（２素子）内蔵されており、その蓋２０２には、それらスイッチング素子への各給電電極２０６及び２０７が露呈して配設されている。
【００３８】
また、蓋２０２の上部には回路アッセンブリ収納室２０８が設けられており、該収納室２０８に上記放電回路６１が基板上に形成された放電回路アッセンブリ（放電回路基板）２０３が収納される。
【００３９】
この放電回路アッセンブリ２０３は、上記内蔵されるスイッチング素子への各給電電極２０６及び２０７と各々機械的且つ電気的に接合される電極２０４及び２０５を有して上記収納室２０８に組み付けられるものであり、同電極２０４及び２０５が上記給電電極２０６及び２０７と上記電源端子板５ａ及び５ｂ（図１）との間に挟まれ、それら電極と共締めされるかたちで先の図１の態様での組み付けが行われることにより、上記放電回路６１は、前述したリード線による配線を不要として、主電池（図示せず）による電源供給ラインに接続されるようになる。
【００４０】
なお、同回路アッセンブリ２０３は、回路アッセンブリ保持突起２０９によりその上下位置が規制された状態でその収納室２０８内に接着剤若しくはネジ等により固定された後、その上面に、ウレタン等の絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等が充填される。こうして絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等が充填されることにより、同回路アッセンブリ２０３内への異物混入等が防止されるとともに、上記放電回路６１を構成する抵抗器の温度上昇も同回路アッセンブリ（基板）２０３全域に伝熱されて平均化されるようになる。すなわち、先の図１０に示した従来のパワー回路のように、冷却プレートの拡大を図らずとも、放電回路６１としての十分な放熱面積が確保されるようになる。また、こうした放電回路６１を有する半導体モジュール２ａ及び２ｂが電気的に並列接続されることで、それら各回路に必要とされる抵抗器としても従来のものに比べてより小型のものを用いることができるようになる。
【００４１】
その他、同半導体モジュール２ａ、２ｂにおいて、電極２１０は、図示しない走行モータ（図９に示される走行モータ３０に相当）の電流供給端子に接続される当該半導体モジュールの出力電極であり、電極ピンＰ21〜Ｐ24は、上述したインバータ制御回路６（図１）に接続される当該半導体モジュールの制御電極ピンである。上記内蔵されるスイッチング素子並びにその給電電極２０６（２０４）及び２０７（２０５）も含め、上記放電回路６１やこれら各電極の電気的な接続関係を等価回路として図３に参考までに示す。
【００４２】
他方、図４に示す半導体モジュール３においても、その外囲器３０１には、上記ＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子が１組（２素子）内蔵されており、その蓋３０２には、それらスイッチング素子への各給電電極３０６及び３０７が露呈して配設されている。
【００４３】
また、蓋３０２の上部にも回路アッセンブリ収納室３０８が設けられており、該収納室３０８に上記電圧検出回路６２が基板上に形成された電圧検出回路アッセンブリ（電圧検出回路基板）３０３が収納される。
【００４４】
この電圧検出回路アッセンブリ３０３は、上記内蔵されるスイッチング素子への各給電電極３０６及び３０７と各々機械的且つ電気的に接合される電極３０４及び３０５を有して上記収納室３０８に組み付けられるものであり、ここでも同電極３０４及び３０５が上記給電電極３０６及び３０７と上記電源端子板５ａ及び５ｂ（図１）との間に挟まれ、それら電極と共締めされるかたちで先の図１の態様での組み付けが行われることにより、上記電圧検出回路６２は、前述したリード線による配線を不要として、主電池（図示せず）による電源供給ラインに接続されるようになる。
【００４５】
そして、同回路アッセンブリ３０３も、回路アッセンブリ保持突起３０９によりその上下位置が規制された状態でその収納室３０８内に接着剤若しくはネジ等により固定された後、その上面に、ウレタン等の絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等が充填される。こうして絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等が充填されることにより、同回路アッセンブリ３０３にあっても、その回路内への異物混入等は好適に防止されるようになる。
【００４６】
その他、同半導体モジュール３においても、電極３１０は、図示しない走行モータ（図９に示される走行モータ３０に相当）の電流供給端子に接続される当該半導体モジュールの出力電極であり、電極ピンＰ31〜Ｐ34は、上述したインバータ制御回路６（図１）に接続される当該半導体モジュールの制御電極ピンである。また、信号ハーネス３１１は、上記電圧検出回路６２に対する電源の供給や同回路６２による検出信号を出力するために同じく上述したインバータ制御回路６（図１）に接続されるハーネスである。上記内蔵されるスイッチング素子並びにその給電電極３０６（３０４）及び３０７（３０５）も含め、上記電圧検出回路６２やこれら各電極の電気的な接続関係を、ここでも等価回路として図５に参考までに示す。
【００４７】
図６は、半導体モジュール３に搭載されている上記電圧検出回路６２についてその具体構成を示したものであり、次に、この図６を参照して、同電圧検出回路６２の構成、並びに機能を更に詳述する。
【００４８】
同図６に示される電圧検出回路６２において、分圧回路６２１は、主電池であるバッテリ１０から当該半導体モジュール３の上記給電電極３０６（３０４）及び３０７（３０５）に対して印加される約４００Ｖほどの電圧を数Ｖの電圧に分圧する回路である。この分圧された電圧は比較回路６２２に入力される。
【００４９】
比較回路６２２は、上記分圧回路６２１から入力される電圧を過電圧判定用基準値設定回路６２３を通じて設定される基準値Ｖｒｅｆと比較し、同入力される電圧がこの過電圧判定用基準値Ｖｒｅｆを超えているとき、上記バッテリ１０の出力電圧が異常（過電圧）であるとして、その旨示す過電圧検出信号を出力する回路である。この出力された過電圧検出信号は、例えばフォトカプラ等の光結合素子からなるアイソレータ６２４によりアイソレート（信号絶縁）されて、出力バッファ６２５に加えられるようになる。
【００５０】
ここで、過電圧検出信号がこうしてアイソレートされることにより、同電圧検出回路６２は、高電圧が印加される回路エリア６２Ａと制御系の低い電圧で駆動する回路エリア６２Ｂとが電気的に絶縁され、感電や漏電等が懸念される高電圧部分は当該半導体モジュール３内に封じ込められるようになる。そしてこれにより、同パワー回路としての信頼性や安全性も更に高まることとなる。
【００５１】
一方、こうしてアイソレートされ、上記出力バッファ６２５を介してインバータ制御回路６（図１）に出力された過電圧検出信号は、同制御回路６内にある図示しない駆動回路（図９に示される駆動回路２２１に相当）に加えられ、同駆動回路によるスイッチング素子の駆動動作を停止せしめるよう作用する。
【００５２】
なお、上記過電圧検出信号は、上記信号ハーネス３１１を通じてインバータ制御回路６に出力されることとはなるが、同信号電圧は上述のように、上記バッテリ１０の出力電圧に比べれば極めて低い。したがって、上記信号ハーネス３１１としては耐圧の低い安価なハーネスやコネクタを使用することができるとともに、同過電圧検出信号が入力されるインバータ制御回路６においても、従来のようにそれら信号間の絶縁距離を大きくとる必要がなくなり、同制御回路６も併せてその小型化が図られるようになる。
【００５３】
以上説明したように、同実施形態にかかる半導体モジュール、及び同半導体モジュールを用いたパワー回路によれば、
（イ）前述したリード線の配線を全く不要として、半導体スイッチング素子の給電電極（電源ライン）に放電回路６１や電圧検出回路６２等の補助回路を電気的に接続することができるようになる。そしてこのため、同半導体モジュールを用いたパワー回路としても、これら補助回路が併せ配設されることとも相まって、その信頼性は大幅に高められるようになる。
【００５４】
（ロ）また特に、上記放電回路６１については、その表面に絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等を充填したことで、異物混入等が防止されるとともに、該放電回路６１を構成する抵抗器の温度上昇も同回路基板全域に伝熱されて平均化されるようになる。すなわち、冷却プレートの拡大等を図らずとも、同放電回路６１としての十分な放熱面積が確保され、同半導体モジュールを用いたパワー回路としても、その小型化が図られるようになる。また、こうした放電回路６１を有する半導体モジュールが電気的に並列接続されることで、それら各回路に必要とされる抵抗器としても従来のものに比べてより小型のものを用いることができるようになる。
【００５５】
（ハ）他方、上記電圧検出回路６２の場合、その検出信号は、適宜の線材若しくはコネクタを介してインバータ制御回路に出力されることとなるが、同信号電圧は、上記電源ラインに印加される電圧に比べて極めて低いため、その線材若しくはコネクタとしても耐圧の低い安価な線材若しくはコネクタを使用することができる。また、こうした検出信号が入力されるインバータ制御回路においても、従来のようにそれら信号間の絶縁距離を大きくとる必要がなくなり、同制御回路も併せてその小型化が図られるようになる。
【００５６】
（ニ）更に、上記電圧検出回路６２にあっては、高電位部分と低電位部分とをアイソレートしたことで、感電や漏電が懸念される比較的電圧の高い部分を当該モジュール内に封じ込めることができるようになり、ひいてはその信頼性や安全性を更に高めることができるようになる。
等々、多くの優れた効果が奏せられるようになる。
【００５７】
なお、上記実施形態にあっては、半導体モジュールに内蔵されたスイッチング素子を外部から駆動する場合について示したが、それら駆動回路をモジュールに内蔵するいわゆるＩＰＭ（インテグレーテッド・パワー・モジュール）についても、この発明は同様に適用することができる。図７に、この発明にかかる半導体モジュールをＩＰＭに適用した場合の組み付け構造を、また図８に、その等価回路をそれぞれ示す。
【００５８】
すなわち、この図７に示す半導体モジュール７０においても、その外囲器７０１には、上記ＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子が１組（２素子）内蔵され、またその上面には、それらスイッチング素子への各給電電極７０５及び７０６が露呈して配設されている。
【００５９】
そして同半導体モジュール７０の場合、上記各スイッチング素子の駆動回路が形成される回路アッセンブリ（基板）７０３に、上述した放電回路６１や電圧検出回路６２等の補助回路を併せ形成したものが、上記外囲器７０１の内部に実装される。すなわち同半導体モジュール７０にあって、この回路アッセンブリ７０３は、駆動回路及び補助回路アッセンブリ（駆動回路及び補助回路基板）として構成されている。
【００６０】
なお、この駆動回路及び補助回路アッセンブリ（駆動回路及び補助回路基板）７０３にあって、その補助回路部分は、図８の等価回路に示されるように、上記外囲器７０１の上面に露呈して配設される各給電電極７０５及び７０６に対して、電気的に内部接続されている。同半導体モジュール７０としてのこうした構造によっても、上記放電回路６１や電圧検出回路６２は、前述したリード線による配線を不要として、主電池（図示せず）による電源供給ラインに接続されるようになる。
【００６１】
また、同駆動回路及び補助回路アッセンブリ（駆動回路及び補助回路基板）７０３にあって、上記併せ形成する補助回路は、上記放電回路６１及び電圧検出回路６２の少なくとも一方であればよく、場合によっては、それら両回路を併せ形成する構成とすることもできる。
【００６２】
因みに、同補助回路として、これら放電回路６１及び電圧検出回路６２の両方の回路を併せ設ける場合には、同半導体モジュール７０として只１種類のモジュールを製造し、これを電気的に並列接続することで、図１、或いは図９に示されるような３相交流インバータを実現することができるようになる。もっともこれは、同半導体モジュール７０に限らず、先の図２、或いは図４に例示した半導体モジュール２ａ、２ｂ、及び３についてもいえることであり、必要であれば、それら放電回路６１、或いは電圧検出回路６２としての機能を適宜に選択する自動或いは手動の切り換えスイッチ等を併せ設ける構成とすることもできる。
【００６３】
そして、このように構成される半導体モジュール７０も、その外囲器７０１の上面に蓋７０２が施されることで、これに内蔵される上記スイッチング素子や駆動回路及び補助回路アッセンブリ７０３が埃等の混入から保護され、その信頼性が確保されるようになる。
【００６４】
その他、同半導体モジュール７０においても、電極７０７は、図示しない走行モータ（図９に示される走行モータ３０に相当）の電流供給端子に接続される当該半導体モジュールの出力電極であり、電極ピン群７０４は、前記インバータ制御回路に接続される当該半導体モジュールの制御電極ピンである。
【００６５】
このように、図７及び図８に示した半導体モジュールによれば、上記（イ）〜（ニ）として示した効果に加え、
（ホ）特にＩＰＭとして構成することで、これに本来内蔵される駆動回路基板（駆動回路アッセンブリ）に上記放電回路６１や電圧検出回路６２としての機能を追加するだけで済む。
といった利便性も併せ備わることとなる。
【００６６】
なお、特に該ＩＰＭとして構成する半導体モジュールにあっては、その補助回路として内蔵される電圧検出回路の上記過電圧検出信号に基づき、同モジュール内部で、上記各半導体スイッチング素子の駆動を停止せしめる構成とすることもできる。
【００６７】
また、上記何れの半導体モジュールであれ、その採用されるスイッチング素子は、上述したＩＧＢＴには限られない。同ＩＧＢＴ以外のパワートランジスタやサイリスタ等も適宜採用することができる。
【００６８】
また、特に図２及び図４に例示した半導体モジュールにあっては、それら搭載される補助回路（放電回路６１、電圧検出回路６２）の上面にウレタン等の絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等を充填することとしたが、異物の混入、堆積、更には実装素子の温度上昇が許容される範囲では、それら絶縁樹脂やシリコンゲル等の充填を割愛する構造とすることもできる。
【００６９】
また、特に放電回路６１が搭載される半導体モジュールにあっては、同回路を構成する抵抗器を、冷却効率の高い半導体スイッチング素子実装面に対し実装する構造とすることで、その放熱効率を更に高めることができるようにもなる。
【００７０】
また更に、上記実施形態では、同放電回路６１を抵抗器のみによって構成する場合について示したが、他に例えば、半導体スイッチ等を同抵抗器に直列に接続し、システムの停止時にのみ該スイッチをオンとして放電を実行する構成なども適宜採用することができる。
【００７１】
そして、この発明にかかる半導体モジュール、及び同半導体モジュールを用いたパワー回路は、上述した電気自動車システムへの適用に限られるものでもない。半導体モジュールを用いてパワー回路を構成するに、電圧検出回路や放電回路等の補助回路を設けてその信頼性の向上を図ろうとするシステムの全てに対し、上記実施形態に準じたかたちで適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の半導体モジュールを用いたパワー回路の一実施形態を示す斜視図。
【図２】この発明の半導体モジュールの一実施形態を示す斜視図。
【図３】同実施形態の半導体モジュールの等価回路を示す回路図。
【図４】この発明の半導体モジュールの他の実施形態を示す斜視図。
【図５】同実施形態の半導体モジュールの等価回路を示す回路図。
【図６】同実施形態に採用される電圧検出回路の構成を示すブロック図。
【図７】この発明の半導体モジュールの更に他の実施形態を示す斜視図。
【図８】同実施形態の半導体モジュールの等価回路を示す回路図。
【図９】電気自動車システムの主にパワー回路の概要を示すブロック図。
【図１０】同電気自動車システムの従来のパワー回路部分の組み付け構造を模式的に示す略図。
【符号の説明】
１…パワー回路（インバータパワー回路）、２ａ、２ｂ…半導体モジュール、２０１…外囲器、２０２…蓋、２０３…放電回路アッセンブリ（放電回路基板）、２０４、２０５…放電回路電極、２０６、２０７…半導体モジュール給電電極、２０８…回路アッセンブリ収納室、２０９…回路アッセンブリ保持突起、２１０…半導体モジュール出力電極、Ｐ21〜Ｐ24…半導体モジュール制御電極ピン、３…半導体モジュール、３０１…外囲器、３０２…蓋、３０３…電圧検出回路アッセンブリ（電圧検出回路基板）、３０４、３０５…電圧検出回路電極、３０６、２０７…半導体モジュール給電電極、３０８…回路アッセンブリ収納室、３０９…回路アッセンブリ保持突起、３１０…半導体モジュール出力電極、３１１…信号ハーネス、Ｐ31〜Ｐ34…半導体モジュール制御電極ピン、４ａ〜４ｃ…平滑コンデンサ、５ａ、５ｂ…直流電源端子板、６…インバータ制御回路（基板）、７…制御回路固定ホルダ、８…冷却プレート、１０…バッテリ（主電池）、１１、１２…給電電極、１３、１４、１５、１６…リード線、２１…インバータパワー回路、２１１〜２１３…半導体モジュール、２１４…平滑コンデンサ、２２…インバータ制御回路、２２１…駆動回路、２２２…電圧検出回路、２３…放電回路（抵抗器）、２４…直流電源端子板、２５…冷却プレート、３０…走行モータ、３１ａ〜３１ｃ…電流供給線、４０…電子制御装置、５０…アクセルペダル、６１…放電回路、６２…電圧検出回路、６２１…分圧回路、６２２…比較回路、６２３…過電圧判定用基準値設定回路、６２４…アイソレータ、６２５…出力バッファ、７０…半導体モジュール（ＩＰＭ）、７０１…外囲器、７０２…蓋、７０３…駆動回路及び補助回路アッセンブリ（駆動回路及び補助回路基板）、７０４…半導体モジュール制御電極ピン、７０５、７０６…半導体モジュール給電電極、７０７…半導体モジュール出力電極。
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば電気自動車等の電源部に採用される半導体モジュールを用いたパワー回路に関し、特に主電池電圧検出回路や平滑コンデンサの放電回路等の補助回路が併せ設けられるパワー回路に採用されて好適なモジュール構造の具現に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９に、電気自動車システムの駆動系並びに制御系の各回路を示す。
この電気自動車システムにおいて、バッテリ１０は、主電池として４００Ｖ（ボルト）程度の高電圧を出力する直流電源である。その直流出力電圧は、インバータパワー回路２１によって３相交流に逆変換され、該変換されたＵ相、Ｖ相、及びＷ相の３相交流電流によって、交流モータからなる走行モータ３０が回転駆動されるようになる。
【０００３】
一方、走行モータ３０にはその出力軸に適宜の回転数センサ（図示せず）が設けられ、その検出されるモータ回転数情報Ｎｍが、マイクロコンピュータ等からなる電子制御装置４０に取り込まれるようになる。またこの電子制御装置４０には、アクセルペダル５０に設けられたこれも図示しないアクセルセンサによって検出されるアクセル位置情報ＡＣＬも併せ取り込まれ、電子制御装置４０では、この取り込まれるアクセル位置情報ＡＣＬに対応したモータ出力が得られるよう、上記モータ回転数情報Ｎｍを監視しつつ、上記インバータパワー回路２１による直流−交流変換動作を制御する。
【０００４】
電子制御装置４０による同制御は、インバータ制御回路２２を介して行われ、電子制御装置４０からその制御信号として上記生成すべき３相交流電流の各相に対応したパルス幅変調信号ＰＷＭＵ、ＰＷＭＶ、及びＰＷＭＷがインバータ制御回路２２に送られる。これによりインバータ制御回路２２では、その駆動回路２２１を通じて上記インバータパワー回路２１を構成する各半導体モジュール２１１、２１２、及び２１３のスイッチング素子を同信号ＰＷＭＵ、ＰＷＭＶ、ＰＷＭＷの内容に対応してオン／オフせしめ、もって、電流供給線３１ａ、３１ｂ、及び３１ｃの各々に、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相からなる３相交流電流を発生せしめる。
【０００５】
ここで、上記半導体モジュール２１１、２１２、及び２１３に採用されるスイッチング素子としては通常、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等のトランジスタやその他のパワートランジスタ、或いはサイリスタ等が用いられる。
【０００６】
また、インバータパワー回路２１には、上記半導体モジュール２１１、２１２、２１３の他、そのスイッチング素子のスイッチング動作に際して直流入力に生じる電流及び電圧リプルを平滑化するための平滑コンデンサ２１４が併せ設けられる。
【０００７】
基本的にはこうした構成を有する電気自動車システムにあって、通常は、上記半導体モジュール２１１、２１２、２１３にある各スイッチング素子をその破壊等から保護するために、上記バッテリ１０の出力電圧をインバータ制御回路２２に設けた電圧検出回路２２２によって検出し、過電圧が検出される場合には、同電圧検出回路２２２から上記駆動回路２２１に対し遮断指令を発してそれらスイッチング素子の駆動を停止させるようにしている。
【０００８】
また、インバータパワー回路２１の動作時に上記平滑コンデンサ２１４に充電された電荷は、同パワー回路２１が停止し且つ、バッテリ１０から電気的に遮断されるシステム停止時には放電されることが望ましいため、通常は、抵抗器からなる放電回路２３を設けてその充電された電荷を放電するようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、電圧検出回路２２２や放電回路２３を設けることで、上記パワー回路としての信頼性は大幅に高められるようになる。
【００１０】
ただし従来、それら電圧検出回路２２２や放電回路２３は、上記パワー回路にリード線によって接続されているために、生産コストの低減を困難にするとともに、信頼性の面でも不安を残すこととなっていた。図１０に、同電気自動車システムに採用されている従来のインバータパワー回路部分について、その組み付け構造を模式的に示す。
【００１１】
すなわち同図１０に示されるように、該パワー回路において、平滑コンデンサ２１４は、直流電源端子板２４を通じて半導体モジュール２１１〜２１３の給電電極１１及び１２に直付けされるが、インバータ制御回路２２に設けられている上記電圧検出回路２２２は、リード線１３及び１４によって該給電電極１１及び１２に電気的に接続され、上記放電回路２３も、リード線１５及び１６によって同給電電極１１及び１２に電気的に接続されるようになっている。
【００１２】
このため、同パワー回路組み付け時における上記リード線１３、１４、或いは１５、１６の噛み込みによってその被覆の劣化や断線を招く懸念があり、また、電気自動車の走行時における振動等によっても、それらリード線の断線を招く懸念がある。
【００１３】
また、同リード線１３、１４、或いは１５、１６としては通常、高耐圧電線を使用する必要があることから、配線作業にかかるコストに加え、それらリード線自体のコストも無視できないものとなっている。
【００１４】
一方、上記電圧検出回路２２２が配設されるインバータ制御回路２２にあっては、こうした高電位の信号を処理するために、それら信号間の絶縁距離を大きくとる必要がある。このため、同制御回路２２も自ずと大型化されることとなっていた。
【００１５】
また更に、上記放電回路２３に用いられる抵抗器はその発熱も大きい。したがって同図１０に示されるように、これを半導体モジュール２１１〜２１３と共通の冷却プレート２５に取り付けるとなると、該冷却プレート２５そのものも大型化せざるを得ず、ひいては同パワー回路自身の小型化も大きく阻害されることとなっていた。
【００１６】
なお、上述した電気自動車システムに限らず、上記形態の半導体モジュールを用いてパワー回路を構成するに、電圧検出回路や放電回路等の補助回路を設けてその信頼性の向上を図ろうとするものにあっては、こうした実情も概ね共通したものとなっている。
【００１７】
この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、上述したリード線の配線を不要として電圧検出回路や放電回路等の補助回路を配設することのできる構造を有する半導体モジュールを用いることで、より信頼性が高く、しかもコスト的にも有利で且つ小型化にも適した構造を有するパワー回路を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
こうした目的を達成するため、この発明では、（Ａ）内蔵する半導体スイッチング素子への各給電電極が表面に露呈して配設された非導体外囲器と、この外囲器の内部若しくは上部に前記半導体スイッチング素子への各給電電極と各々接合される電極を有して組み付けられる基板と、この基板に形成されて前記電極間に電気的に接続された抵抗器を通じて前記半導体スイッチング素子への各給電電極と並列接続される平滑コンデンサの充電電荷を放電する放電回路とを有する第１の半導体モジュール。
（Ｂ）内蔵する半導体スイッチング素子への各給電電極が表面に露呈して配設された非導体外囲器と、この外囲器の内部若しくは上部に前記半導体スイッチング素子への各給電電極と各々接合される電極を有して組み付けられる基板と、この基板に形成されて前記電極間に印加される給電電圧の電圧レベルが適正か否かを検出する電圧検出回路とを有する第２の半導体モジュール。
を具えるとともに、これら第１及び第２の半導体モジュールの各１乃至複数を電源に並列接続してなる構造によれば、同第１及び第２の半導体モジュール自身による上述した構造を通じて、上記放電回路や電圧検出回路をリード線なしで電源に接続することができるようになり、これら放電回路や電圧検出回路が併せ配設されることとも相まって、その信頼性は大幅に高められるようになる。
【００２７】
また、こうしてリード線の配線が不要になることで、その生産コストが好適に低減されるようになるとともに、上記第１の半導体モジュールにあって放電回路を構成する抵抗器が放熱面積の広い基板に直接形成されることで、同パワー回路としての小型化も併せ図られるようになる。
【００２８】
また因みに、上記第１の半導体モジュール２個と上記第２の半導体モジュール１個とが並列接続されることで前述した３相交流インバータのパワー回路が形成される。そしてその際、電圧検出回路からの検出信号は上述のように、低電位の信号として適宜の線材若しくはコネクタを介してインバータ制御回路に入力されるようになることから、該制御回路においてそれら信号間の絶縁距離を大きくとる必要もなくなり、同制御回路も併せてその小型化が図られるようになる。
【００２９】
また、上記電圧検出回路についてはこれを更に、請求項２記載の発明によるように、
・前記電極間に印加される給電電圧を所定に分圧する分圧回路。
・この分圧された電圧を前記給電電圧の電圧レベルが過電圧である旨を判定するための過電圧判定用基準値と比較する比較回路。
・この比較回路による比較出力をアイソレートするアイソレータ。
・このアイソレートされた比較出力を外部出力する出力回路。
といった各回路を有する構成とすることで、感電や漏電が懸念される比較的電圧の高い部分を上記第２の半導体モジュール内に封じ込めることができるようにもなり、ひいては同パワー回路としての信頼性や安全性を更に高めることができるようにもなる。
【００３０】
また、請求項３記載の発明によるように、上記パワー回路において、
・前記第１及び第２の半導体モジュールの各外囲器には、前記各半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路が併せ組み込まれる。
といった構造を採用することとすれば、いわゆるＩＰＭにより構成されるパワー回路にあっても、上記放電回路や電圧検出回路をリード線なしで電源に接続することができるようになり、やはりその信頼性を大きく高めることができるようになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１に、この発明にかかる半導体モジュールを用いたパワー回路についてその一実施形態を示す。
【００３２】
この実施形態は、同パワー回路を、前述した電気自動車システムに採用されている３相交流インバータに適用したものであり、以下、図１を参照して、同実施形態にかかるパワー回路の構造について説明する。
【００３３】
この３相交流インバータ１にあって、冷却プレート８上に配設されている半導体モジュール２ａ、２ｂ、及び３はそれぞれ、前述のＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等からなる半導体スイッチング素子を２素子ずつ内蔵しており、それら各モジュールが平滑コンデンサ４ａ〜４ｃとともに直流電源端子板５ａ及び５ｂにより電気的に並列接続されて、等価的には先の図９に示されるインバータパワー回路２１が構成されるようになる。なお、上記電源端子板５ａ及び５ｂは、図示しない層間絶縁材によってその正極端子板（５ａ）と負極端子板（５ｂ）とが分離される積層型端子板となっている。
【００３４】
また、同インバータ１にあって、上記平滑コンデンサ４ａ〜４ｃの背面には、図示しない電子制御装置（図９に示される電子制御装置４０に相当）から付与されるパルス幅変調信号に基づいて上記半導体モジュール２ａ、２ｂ、３に内蔵されている各スイッチング素子の駆動を制御するインバータ制御回路（基板）６が設けられている。この制御回路（基板）６は、絶縁性材料からなる制御回路固定ホルダ７によって、上記電源端子板５ａ及び５ｂに固定される。
【００３５】
一方、上記半導体モジュール２ａ、２ｂ、及び３にあって、半導体モジュール２ａ及び２ｂには各々、その給電電極２０６及び２０７間に接続された抵抗器を通じて上記平滑コンデンサ４ａ〜４ｃの充電電荷を放電する放電回路６１が併せ搭載され、半導体モジュール３には、その給電電極３０６及び３０７間に印加される給電電圧の電圧レベルが適正か否かを検出する電圧検出回路６２が併せ搭載されている。
【００３６】
図２及び図３は、上記半導体モジュール２ａ、２ｂの具体構造並びにその等価回路を、また図４及び図５は、上記半導体モジュール３の具体構造並びにその等価回路をそれぞれ示したものであり、次に、これら図２〜図５を併せ参照して、上記半導体モジュール２ａ、２ｂ、及び３の構造について更に詳述する。
【００３７】
まず、図２に示す半導体モジュール２ａ、２ｂにおいて、その外囲器２０１には、上記ＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子が１組（２素子）内蔵されており、その蓋２０２には、それらスイッチング素子への各給電電極２０６及び２０７が露呈して配設されている。
【００３８】
また、蓋２０２の上部には回路アッセンブリ収納室２０８が設けられており、該収納室２０８に上記放電回路６１が基板上に形成された放電回路アッセンブリ（放電回路基板）２０３が収納される。
【００３９】
この放電回路アッセンブリ２０３は、上記内蔵されるスイッチング素子への各給電電極２０６及び２０７と各々機械的且つ電気的に接合される電極２０４及び２０５を有して上記収納室２０８に組み付けられるものであり、同電極２０４及び２０５が上記給電電極２０６及び２０７と上記電源端子板５ａ及び５ｂ（図１）との間に挟まれ、それら電極と共締めされるかたちで先の図１の態様での組み付けが行われることにより、上記放電回路６１は、前述したリード線による配線を不要として、主電池（図示せず）による電源供給ラインに接続されるようになる。
【００４０】
なお、同回路アッセンブリ２０３は、回路アッセンブリ保持突起２０９によりその上下位置が規制された状態でその収納室２０８内に接着剤若しくはネジ等により固定された後、その上面に、ウレタン等の絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等が充填される。こうして絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等が充填されることにより、同回路アッセンブリ２０３内への異物混入等が防止されるとともに、上記放電回路６１を構成する抵抗器の温度上昇も同回路アッセンブリ（基板）２０３全域に伝熱されて平均化されるようになる。すなわち、先の図１０に示した従来のパワー回路のように、冷却プレートの拡大を図らずとも、放電回路６１としての十分な放熱面積が確保されるようになる。また、こうした放電回路６１を有する半導体モジュール２ａ及び２ｂが電気的に並列接続されることで、それら各回路に必要とされる抵抗器としても従来のものに比べてより小型のものを用いることができるようになる。
【００４１】
その他、同半導体モジュール２ａ、２ｂにおいて、電極２１０は、図示しない走行モータ（図９に示される走行モータ３０に相当）の電流供給端子に接続される当該半導体モジュールの出力電極であり、電極ピンＰ21〜Ｐ24は、上述したインバータ制御回路６（図１）に接続される当該半導体モジュールの制御電極ピンである。上記内蔵されるスイッチング素子並びにその給電電極２０６（２０４）及び２０７（２０５）も含め、上記放電回路６１やこれら各電極の電気的な接続関係を等価回路として図３に参考までに示す。
【００４２】
他方、図４に示す半導体モジュール３においても、その外囲器３０１には、上記ＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子が１組（２素子）内蔵されており、その蓋３０２には、それらスイッチング素子への各給電電極３０６及び３０７が露呈して配設されている。
【００４３】
また、蓋３０２の上部にも回路アッセンブリ収納室３０８が設けられており、該収納室３０８に上記電圧検出回路６２が基板上に形成された電圧検出回路アッセンブリ（電圧検出回路基板）３０３が収納される。
【００４４】
この電圧検出回路アッセンブリ３０３は、上記内蔵されるスイッチング素子への各給電電極３０６及び３０７と各々機械的且つ電気的に接合される電極３０４及び３０５を有して上記収納室３０８に組み付けられるものであり、ここでも同電極３０４及び３０５が上記給電電極３０６及び３０７と上記電源端子板５ａ及び５ｂ（図１）との間に挟まれ、それら電極と共締めされるかたちで先の図１の態様での組み付けが行われることにより、上記電圧検出回路６２は、前述したリード線による配線を不要として、主電池（図示せず）による電源供給ラインに接続されるようになる。
【００４５】
そして、同回路アッセンブリ３０３も、回路アッセンブリ保持突起３０９によりその上下位置が規制された状態でその収納室３０８内に接着剤若しくはネジ等により固定された後、その上面に、ウレタン等の絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等が充填される。こうして絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等が充填されることにより、同回路アッセンブリ３０３にあっても、その回路内への異物混入等は好適に防止されるようになる。
【００４６】
その他、同半導体モジュール３においても、電極３１０は、図示しない走行モータ（図９に示される走行モータ３０に相当）の電流供給端子に接続される当該半導体モジュールの出力電極であり、電極ピンＰ31〜Ｐ34は、上述したインバータ制御回路６（図１）に接続される当該半導体モジュールの制御電極ピンである。また、信号ハーネス３１１は、上記電圧検出回路６２に対する電源の供給や同回路６２による検出信号を出力するために同じく上述したインバータ制御回路６（図１）に接続されるハーネスである。上記内蔵されるスイッチング素子並びにその給電電極３０６（３０４）及び３０７（３０５）も含め、上記電圧検出回路６２やこれら各電極の電気的な接続関係を、ここでも等価回路として図５に参考までに示す。
【００４７】
図６は、半導体モジュール３に搭載されている上記電圧検出回路６２についてその具体構成を示したものであり、次に、この図６を参照して、同電圧検出回路６２の構成、並びに機能を更に詳述する。
【００４８】
同図６に示される電圧検出回路６２において、分圧回路６２１は、主電池であるバッテリ１０から当該半導体モジュール３の上記給電電極３０６（３０４）及び３０７（３０５）に対して印加される約４００Ｖほどの電圧を数Ｖの電圧に分圧する回路である。この分圧された電圧は比較回路６２２に入力される。
【００４９】
比較回路６２２は、上記分圧回路６２１から入力される電圧を過電圧判定用基準値設定回路６２３を通じて設定される基準値Ｖｒｅｆと比較し、同入力される電圧がこの過電圧判定用基準値Ｖｒｅｆを超えているとき、上記バッテリ１０の出力電圧が異常（過電圧）であるとして、その旨示す過電圧検出信号を出力する回路である。この出力された過電圧検出信号は、例えばフォトカプラ等の光結合素子からなるアイソレータ６２４によりアイソレート（信号絶縁）されて、出力バッファ６２５に加えられるようになる。
【００５０】
ここで、過電圧検出信号がこうしてアイソレートされることにより、同電圧検出回路６２は、高電圧が印加される回路エリア６２Ａと制御系の低い電圧で駆動する回路エリア６２Ｂとが電気的に絶縁され、感電や漏電等が懸念される高電圧部分は当該半導体モジュール３内に封じ込められるようになる。そしてこれにより、同パワー回路としての信頼性や安全性も更に高まることとなる。
【００５１】
一方、こうしてアイソレートされ、上記出力バッファ６２５を介してインバータ制御回路６（図１）に出力された過電圧検出信号は、同制御回路６内にある図示しない駆動回路（図９に示される駆動回路２２１に相当）に加えられ、同駆動回路によるスイッチング素子の駆動動作を停止せしめるよう作用する。
【００５２】
なお、上記過電圧検出信号は、上記信号ハーネス３１１を通じてインバータ制御回路６に出力されることとはなるが、同信号電圧は上述のように、上記バッテリ１０の出力電圧に比べれば極めて低い。したがって、上記信号ハーネス３１１としては耐圧の低い安価なハーネスやコネクタを使用することができるとともに、同過電圧検出信号が入力されるインバータ制御回路６においても、従来のようにそれら信号間の絶縁距離を大きくとる必要がなくなり、同制御回路６も併せてその小型化が図られるようになる。
【００５３】
以上説明したように、同実施形態にかかる半導体モジュール、及び同半導体モジュールを用いたパワー回路によれば、
（イ）前述したリード線の配線を全く不要として、半導体スイッチング素子の給電電極（電源ライン）に放電回路６１や電圧検出回路６２等の補助回路を電気的に接続することができるようになる。そしてこのため、同半導体モジュールを用いたパワー回路としても、これら補助回路が併せ配設されることとも相まって、その信頼性は大幅に高められるようになる。
【００５４】
（ロ）また特に、上記放電回路６１については、その表面に絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等を充填したことで、異物混入等が防止されるとともに、該放電回路６１を構成する抵抗器の温度上昇も同回路基板全域に伝熱されて平均化されるようになる。すなわち、冷却プレートの拡大等を図らずとも、同放電回路６１としての十分な放熱面積が確保され、同半導体モジュールを用いたパワー回路としても、その小型化が図られるようになる。また、こうした放電回路６１を有する半導体モジュールが電気的に並列接続されることで、それら各回路に必要とされる抵抗器としても従来のものに比べてより小型のものを用いることができるようになる。
【００５５】
（ハ）他方、上記電圧検出回路６２の場合、その検出信号は、適宜の線材若しくはコネクタを介してインバータ制御回路に出力されることとなるが、同信号電圧は、上記電源ラインに印加される電圧に比べて極めて低いため、その線材若しくはコネクタとしても耐圧の低い安価な線材若しくはコネクタを使用することができる。また、こうした検出信号が入力されるインバータ制御回路においても、従来のようにそれら信号間の絶縁距離を大きくとる必要がなくなり、同制御回路も併せてその小型化が図られるようになる。
【００５６】
（ニ）更に、上記電圧検出回路６２にあっては、高電位部分と低電位部分とをアイソレートしたことで、感電や漏電が懸念される比較的電圧の高い部分を当該モジュール内に封じ込めることができるようになり、ひいてはその信頼性や安全性を更に高めることができるようになる。
等々、多くの優れた効果が奏せられるようになる。
【００５７】
なお、上記実施形態にあっては、半導体モジュールに内蔵されたスイッチング素子を外部から駆動する場合について示したが、それら駆動回路をモジュールに内蔵するいわゆるＩＰＭ（インテグレーテッド・パワー・モジュール）についても、この発明は同様に適用することができる。図７に、この発明にかかる半導体モジュールをＩＰＭに適用した場合の組み付け構造を、また図８に、その等価回路をそれぞれ示す。
【００５８】
すなわち、この図７に示す半導体モジュール７０においても、その外囲器７０１には、上記ＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子が１組（２素子）内蔵され、またその上面には、それらスイッチング素子への各給電電極７０５及び７０６が露呈して配設されている。
【００５９】
そして同半導体モジュール７０の場合、上記各スイッチング素子の駆動回路が形成される回路アッセンブリ（基板）７０３に、上述した放電回路６１や電圧検出回路６２等の補助回路を併せ形成したものが、上記外囲器７０１の内部に実装される。すなわち同半導体モジュール７０にあって、この回路アッセンブリ７０３は、駆動回路及び補助回路アッセンブリ（駆動回路及び補助回路基板）として構成されている。
【００６０】
なお、この駆動回路及び補助回路アッセンブリ（駆動回路及び補助回路基板）７０３にあって、その補助回路部分は、図８の等価回路に示されるように、上記外囲器７０１の上面に露呈して配設される各給電電極７０５及び７０６に対して、電気的に内部接続されている。同半導体モジュール７０としてのこうした構造によっても、上記放電回路６１や電圧検出回路６２は、前述したリード線による配線を不要として、主電池（図示せず）による電源供給ラインに接続されるようになる。
【００６１】
また、同駆動回路及び補助回路アッセンブリ（駆動回路及び補助回路基板）７０３にあって、上記併せ形成する補助回路は、上記放電回路６１及び電圧検出回路６２の少なくとも一方であればよく、場合によっては、それら両回路を併せ形成する構成とすることもできる。
【００６２】
因みに、同補助回路として、これら放電回路６１及び電圧検出回路６２の両方の回路を併せ設ける場合には、同半導体モジュール７０として只１種類のモジュールを製造し、これを電気的に並列接続することで、図１、或いは図９に示されるような３相交流インバータを実現することができるようになる。もっともこれは、同半導体モジュール７０に限らず、先の図２、或いは図４に例示した半導体モジュール２ａ、２ｂ、及び３についてもいえることであり、必要であれば、それら放電回路６１、或いは電圧検出回路６２としての機能を適宜に選択する自動或いは手動の切り換えスイッチ等を併せ設ける構成とすることもできる。
【００６３】
そして、このように構成される半導体モジュール７０も、その外囲器７０１の上面に蓋７０２が施されることで、これに内蔵される上記スイッチング素子や駆動回路及び補助回路アッセンブリ７０３が埃等の混入から保護され、その信頼性が確保されるようになる。
【００６４】
その他、同半導体モジュール７０においても、電極７０７は、図示しない走行モータ（図９に示される走行モータ３０に相当）の電流供給端子に接続される当該半導体モジュールの出力電極であり、電極ピン群７０４は、前記インバータ制御回路に接続される当該半導体モジュールの制御電極ピンである。
【００６５】
このように、図７及び図８に示した半導体モジュールによれば、上記（イ）〜（ニ）として示した効果に加え、
（ホ）特にＩＰＭとして構成することで、これに本来内蔵される駆動回路基板（駆動回路アッセンブリ）に上記放電回路６１や電圧検出回路６２としての機能を追加するだけで済む。
といった利便性も併せ備わることとなる。
【００６６】
なお、特に該ＩＰＭとして構成する半導体モジュールにあっては、その補助回路として内蔵される電圧検出回路の上記過電圧検出信号に基づき、同モジュール内部で、上記各半導体スイッチング素子の駆動を停止せしめる構成とすることもできる。
【００６７】
また、上記何れの半導体モジュールであれ、その採用されるスイッチング素子は、上述したＩＧＢＴには限られない。同ＩＧＢＴ以外のパワートランジスタやサイリスタ等も適宜採用することができる。
【００６８】
また、特に図２及び図４に例示した半導体モジュールにあっては、それら搭載される補助回路（放電回路６１、電圧検出回路６２）の上面にウレタン等の絶縁樹脂、或いはシリコンゲル等を充填することとしたが、異物の混入、堆積、更には実装素子の温度上昇が許容される範囲では、それら絶縁樹脂やシリコンゲル等の充填を割愛する構造とすることもできる。
【００６９】
また、特に放電回路６１が搭載される半導体モジュールにあっては、同回路を構成する抵抗器を、冷却効率の高い半導体スイッチング素子実装面に対し実装する構造とすることで、その放熱効率を更に高めることができるようにもなる。
【００７０】
また更に、上記実施形態では、同放電回路６１を抵抗器のみによって構成する場合について示したが、他に例えば、半導体スイッチ等を同抵抗器に直列に接続し、システムの停止時にのみ該スイッチをオンとして放電を実行する構成なども適宜採用することができる。
【００７１】
そして、この発明にかかる半導体モジュール、及び同半導体モジュールを用いたパワー回路は、上述した電気自動車システムへの適用に限られるものでもない。半導体モジュールを用いてパワー回路を構成するに、電圧検出回路や放電回路等の補助回路を設けてその信頼性の向上を図ろうとするシステムの全てに対し、上記実施形態に準じたかたちで適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の半導体モジュールを用いたパワー回路の一実施形態を示す斜視図。
【図２】この発明の半導体モジュールの一実施形態を示す斜視図。
【図３】同実施形態の半導体モジュールの等価回路を示す回路図。
【図４】この発明の半導体モジュールの他の実施形態を示す斜視図。
【図５】同実施形態の半導体モジュールの等価回路を示す回路図。
【図６】同実施形態に採用される電圧検出回路の構成を示すブロック図。
【図７】この発明の半導体モジュールの更に他の実施形態を示す斜視図。
【図８】同実施形態の半導体モジュールの等価回路を示す回路図。
【図９】電気自動車システムの主にパワー回路の概要を示すブロック図。
【図１０】同電気自動車システムの従来のパワー回路部分の組み付け構造を模式的に示す略図。
【符号の説明】
１…パワー回路（インバータパワー回路）、２ａ、２ｂ…半導体モジュール、２０１…外囲器、２０２…蓋、２０３…放電回路アッセンブリ（放電回路基板）、２０４、２０５…放電回路電極、２０６、２０７…半導体モジュール給電電極、２０８…回路アッセンブリ収納室、２０９…回路アッセンブリ保持突起、２１０…半導体モジュール出力電極、Ｐ21〜Ｐ24…半導体モジュール制御電極ピン、３…半導体モジュール、３０１…外囲器、３０２…蓋、３０３…電圧検出回路アッセンブリ（電圧検出回路基板）、３０４、３０５…電圧検出回路電極、３０６、２０７…半導体モジュール給電電極、３０８…回路アッセンブリ収納室、３０９…回路アッセンブリ保持突起、３１０…半導体モジュール出力電極、３１１…信号ハーネス、Ｐ31〜Ｐ34…半導体モジュール制御電極ピン、４ａ〜４ｃ…平滑コンデンサ、５ａ、５ｂ…直流電源端子板、６…インバータ制御回路（基板）、７…制御回路固定ホルダ、８…冷却プレート、１０…バッテリ（主電池）、１１、１２…給電電極、１３、１４、１５、１６…リード線、２１…インバータパワー回路、２１１〜２１３…半導体モジュール、２１４…平滑コンデンサ、２２…インバータ制御回路、２２１…駆動回路、２２２…電圧検出回路、２３…放電回路（抵抗器）、２４…直流電源端子板、２５…冷却プレート、３０…走行モータ、３１ａ〜３１ｃ…電流供給線、４０…電子制御装置、５０…アクセルペダル、６１…放電回路、６２…電圧検出回路、６２１…分圧回路、６２２…比較回路、６２３…過電圧判定用基準値設定回路、６２４…アイソレータ、６２５…出力バッファ、７０…半導体モジュール（ＩＰＭ）、７０１…外囲器、７０２…蓋、７０３…駆動回路及び補助回路アッセンブリ（駆動回路及び補助回路基板）、７０４…半導体モジュール制御電極ピン、７０５、７０６…半導体モジュール給電電極、７０７…半導体モジュール出力電極。
Claims (3)
- 内蔵する半導体スイッチング素子への各給電電極が表面に露呈して配設された非導体外囲器と、この外囲器の内部若しくは上部に前記半導体スイッチング素子への各給電電極と各々接合される電極を有して組み付けられる基板と、この基板に形成されて前記電極間に電気的に接続された抵抗器を通じて前記半導体スイッチング素子への各給電電極と並列接続される平滑コンデンサの充電電荷を放電する放電回路とを有する第１の半導体モジュールと、
内蔵する半導体スイッチング素子への各給電電極が表面に露呈して配設された非導体外囲器と、この外囲器の内部若しくは上部に前記半導体スイッチング素子への各給電電極と各々接合される電極を有して組み付けられる基板と、この基板に形成されて前記電極間に印加される給電電圧の電圧レベルが適正か否かを検出する電圧検出回路とを有する第２の半導体モジュールと、
を具え、これら第１及び第２の半導体モジュールの各１乃至複数を電源に並列接続してなる
ことを特徴とするパワー回路。 - 前記第２の半導体モジュールを構成する前記電圧検出回路は、
前記電極間に印加される給電電圧を所定に分圧する分圧回路と、
この分圧された電圧を前記給電電圧の電圧レベルが過電圧である旨を判定するための過電圧判定用基準値と比較する比較回路と、
この比較回路による比較出力をアイソレートするアイソレータと、
このアイソレートされた比較出力を外部出力する出力回路と、
を具えて構成される
請求項１記載のパワー回路。 - 請求項１または２記載のパワー回路において、
前記第１及び第２の半導体モジュールの各外囲器には、前記各半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路が併せ組み込まれる
ことを特徴とするパワー回路。
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