JP3891559B2

JP3891559B2 - 多相インバータモジュール

Info

Publication number: JP3891559B2
Application number: JP2002192429A
Authority: JP
Inventors: 孝史鳥井; 誠志中村
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2022-07-01
Also published as: JP2004040877A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相インバータモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多相インバータ回路を内蔵する多相インバータモジュール及びこの多相インバータモジュールを用いたインバータ一体型回転電機が提案されている。
【０００３】
この種の多相インバータモジュールは、大きな発熱量をもつパワー半導体素子チップの冷却のための熱伝達放熱及びヒートシンクをなす素子冷却用金属部材、絶縁シート、多相インバータ回路の各アームを構成するパワー半導体素子、パワー半導体素子チップの電極端子に接続されるバスバーを必須構成要素としている。
【０００４】
たとえば、特開２０００−２４５１７０号公報は、ヒートシンク兼冷却部材としての金属ベース上に絶縁シートを介していわゆるリードフレームを設け、このリードフレームのアイランドにパワー半導体素子チップを搭載し、更に、金属ベースの側面を角枠状の樹脂モールドケースで囲み、この樹脂モールドケース内に樹脂をモールドすることにより、パワー半導体素子チップをモールドし、リードフレームのリード端子を上方に屈曲してパワー半導体素子チップの電極端子とする構造のパワー半導体モジュールを開示している。
【０００５】
また、特開２００２−３３４４７３号公報は、銅板上に絶縁シートを設け、この絶縁シート上にいわゆる複数のバスバーを設け、一つのバスバー上にパワー半導体素子チップを搭載し、更に、金属ベースの側面を角枠状の樹脂モールドケースで囲み、この樹脂モールドケース内に樹脂をモールドすることにより、パワー半導体素子チップをモールドし、上記バスバーを樹脂モールドケースを貫通して横方向に突出させてパワー半導体素子チップの電極端子とする構造のパワー半導体モジュール（多相インバータモジュール）を開示している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した公報のパワー半導体チップはいずれもワイヤボンディングにより接続されているため、多数のボンディングワイヤを並列に設ける必要があり、その結果、各パワー半導体素子チップの側方のバスバー又はリード端子に大きなボンディングワイヤ接合領域を確保する必要があった。また、パワー半導体素子チップをその上面すなわちボンディングワイヤ側から冷却することが困難であるという問題があった。
【０００７】
この問題を解決するために、パワー半導体素子チップの上面に、バスバーのような金属電極片をはんだ等で接合することにより、ボンディングワイヤを省略することも考えられるが、バスバー構造や取り付け作業が複雑化するという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、配線抵抗の低減とパワー半導体素子の冷却性の向上とが可能な多相インバータモジュールを提供することをその目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項２記載の多相インバータモジュールは、素子実装面を有する素子冷却用金属部材と、前記素子実装面の基底面に絶縁シートを介して固定される電源バスバーと、高位直流電極をなす底面が前記電源バスバー上に固定され、上面に交流出力電極を有する複数の上アーム側半導体素子と、前記素子実装面の段差面に絶縁シートを介して固定される主部と、前記主部から延設されて前記各上アーム側半導体素子の前記交流出力電極に個別に接合される舌状部とを有する複数の交流出力バスバーと、交流出力電極をなす底面が前記各交流出力バスバーの前記主部上に固定され、上面に低位直流電極を有する複数の下アーム側半導体素子と、前記素子実装面に固定されて前記各下アーム側半導体素子の前記低位直流電極に接合される接地バスバーとを備え、前記基底面及び前記段差面は、段差を有して平行に形成され、前記交流出力バスバーの前記舌状部は、前記基底面及び前記段差面に対して略平行に突出し、前記交流出力バスバーの厚さは、前記上アーム側半導体素子の上面と前記下アーム側半導体素子の底面との間の高さの差に略等しいことを特徴としている。
【００１７】
このようにすれば、半導体素子の熱をその両主面からバスバーを通じて素子冷却用金属部材に伝達することができるので、半導体素子を良好に冷却することができる。また、ワイヤボンディングを必要とせず、交流出力バスバーを小型化し、配線長短縮を実現することができ、取り付けも簡単となる。また、バスバーを屈曲する必要がないので、製造が容易となる。
半導体素子は、パワー半導体素子チップ（ベアチップ）でもよく、パワー半導体素子チップの両主面に電極板を設け、チップ側面を樹脂被覆したパワー半導体素子カードとしてもよい。パワー半導体素子は、たとえばＩＧＢＴやＭＯＳトランジスタやフライホイルダイオードを内蔵することができるほか、上記トランジスタとフライホイルダイオードとを一緒に内蔵してもよい。
バスバーは、いわゆるリードフレーム製造技術により形成、配置することができる他、それぞれ個別のバスバーを別々に製造、配置することも可能である。
製造方法としてはたとえば次に示すように種々の方法が可能である。
まず、あらかじめベアチップを接合したバスバーを絶縁シートを通じて素子冷却用金属部材に固定し、樹脂モールドする方法がある。ベアチップをバスバーに接合した後、予備樹脂モールドして、ベアチップの汚染保護を行うとともにバスバーとベアチップとを一体化してもよい。
更に、パワー半導体素子のベアチップの両主面に電極板を接合し、ベースの側面を樹脂モールドにより被覆してカード状のパワー半導体素子（パワー半導体素子カード）を構成し、このカードの両端にそれぞれバスバーを固定し、このバスバーを絶縁シートを介して素子冷却用金属部材に固定してもよい。
【００１８】
好適な態様において、前記各半導体素子は、前記低位直流電極に隣接して前記上面に形成された制御電極を有する。すなわち、本構成では、エミッタホロワ又はソースホロワ構成の多相インバータ回路を構成することができるとともに、制御電極を半導体素子の上面側とすることにより配線を容易化することができる。
【００１９】
好適な態様において、前記接地バスバーは、前記素子冷却用金属部材に接続されるので、下アーム側半導体素子をその両面から良好に冷却することができる。なお、この接地バスバーも、交流出力バスバーと同様に段差を設けることができる他、接地バスバーを平坦化するために素子実装面に段差を設けてもよい。
【００２０】
好適な態様において、前記各半導体素子は、モータのエンドプレートを兼ねるか又は前記エンドプレートに固定される前記素子冷却用金属部材に前記モータの軸心を中心として略回転対称に固定され、同相の前記上アーム側半導体素子と下アーム側半導体素子とは、略径方向に近接して配置され、前記電源バスバーは、前記モータの軸心を略中心とする輪板状に形成される。このようにすれば、モータのエンドプレートと半導体素子のヒートシンクとの共用化によりインバータ一体型モータを小型軽量化できるとともに、互いに異なる角度位置を有してモータから軸方向にステータコイルの引き出し線に最短距離で交流出力バスバーを接続することができ、交流出力バスバーや引き出し線の配線インピーダンスを低減することができる。また、各相の半導体素子の冷却条件を略等しくすることができ、冷却上、都合がよい。
【００２１】
好適な態様において、前記素子実装面に固定されて前記電源バスバー及び前記接地バスバーに接続される一対の端子を有する平滑コンデンサを有し、前記平滑コンデンサは、互いに周方向に一定ピッチで配置されて互いに異なる相を構成する複数の前記半導体素子のうち、真ん中の前記半導体素子と径方向に略一直線上に配置されるので、平滑コンデンサをモータ端面に良好に取り付けることができ、コンパクトに構成することができる。
【００２２】
好適な態様において、前記交流出力バスバーの前記舌状部は、前記交流出力バスバーの前記主部から径方向外側に延設されるとともに舌状に形成されている。これにより、交流出力バスバーなどの厚さ方向の寸法ばらつきの接合端部の変形により容易に吸収することができる。
【００２３】
好適な態様において、前記接地バスバーは、前記モータの軸心を略中心とする輪板状に形成される主部と、前記主部から径方向に延設されて前記下アーム側半導体素子の上面に接合される舌状部とを有する。これにより、交流出力バスバーなどの厚さ方向の寸法ばらつきの接合端部の変形により容易に吸収することができる。
【００２４】
【発明を実施するための態様】
本発明の多相インバータモジュールの好適な態様を図面を参照して以下に説明する。
まず参考例を説明する。後述する本発明の実施例は、この参考例と同様の用途に使用される。
（全体構造）
図１は、この多相インバータモジュールを採用するインバータ一体型モータの部分軸方向断面図である。
【００２５】
１は円筒状のハウジング、２はパワー半導体モジュールである。ハウジング１の内部には、図示しないもののステータコア、ステータコイル、ロータ、回転軸などからなる磁石ロータ型多相同期モータが内蔵されている。
【００２６】
パワー半導体モジュール２は、略円盤状のベースプレート（本発明でいう素子冷却用金属部材）３、絶縁シート４、電源バスバー５、交流出力バスバー６、接地バスバー７、上アーム側のＩＧＢＴ素子８、下アーム側のＩＧＢＴ素子９を有している。１０は蓋板である。
【００２７】
ハウジング１、ベースプレート３は、アルミダイキャストにより製造され、蓋板１０はアルミ薄板をプレス成形して形成されている。ベースプレート３は、図示しない螺子によりハウジング１の径方向に延設された軸受け板部後１１の後端面に締結されている。ハウジング１の軸受け板部１１から更に後方に突出する周壁後部１２の後端面には蓋板１０が締結され、蓋板１０と軸受け板部１１と周壁後部１２とによりモジュール収容室Ｓが区画形成され、モジュール収容室Ｓにはパワー半導体モジュール２が収容されている。
【００２８】
パワー半導体モジュール２について以下に詳細に説明する。
【００２９】
ベースプレート３の内部には、冷却ブラインが略螺旋状に流れる冷却媒体通路３１が形成され、ベースプレート３の前端面は周壁後部１２に密着されている。ベースプレート３の後端面には、絶縁シート４を介して電源バスバー５及び交流出力バスバー６がたとえば接着などにより固定されている。
電源バスバー５、交流出力バスバー６を絶縁シート４を介してベースプレート３上に固定するにはベースプレート３と電源バスバー５及び交流出力バスバー６との電気絶縁が可能な公知のあらゆる固定方法を採用することができる。たとえば、電気接続面を除く表面に電気絶縁樹脂層を設けた電源バスバー５、交流出力バスバー６を樹脂ねじによりベースプレート３に締結してもよい。又は、ベースプレート３に締結された押さえ板により電源バスバー５や交流出力バスバー６を絶縁シート４に押さえつけてもよい。
【００３０】
接地バスバー７を締結するための柱部３２がベースプレート３の所定位置から後方に突出しており、柱部３２の頂面には接地バスバー７が締結されている。電源バスバー５及び接地バスバー７は、モータ軸心を中心とする同心円配置とされ、交流出力バスバー６は略長方形に形成されて、電源バスバー５と接地バスバー７との間に位置して絶縁シート４上に配設されている。
【００３１】
上アーム側のＩＧＢＴ素子８及び下アーム側のＩＧＢＴ素子９は、ＮチャンネルＩＧＢＴを内蔵するカード状モジュールからなる。すなわち、このカード状モジュールは、ＩＧＢＴチップの底面すなわちコレクタ電極領域をコレクタ電極端子をなす電極導体片に接合し、ＩＧＢＴチップの表面のエミッタ電極領域をエミッタ電極端子をなす電極導体片に接合し、ＩＧＢＴチップの表面のゲート電極領域をゲート電極端子をなす電極導体に接合し、ＩＧＢＴチップの側面を樹脂モールドしてなる。ゲート電極端子をなす電極導体は、カード状モジュールの上面にエミッタ電極端子をなす電極導体片と並べて設けてもよく、あるいは、カード状モジュールの側面から導出してもよい。この種のカード状モジュール自体は公知であるので、さらなる詳細説明は省略する。ただし、この実施態様では、パワー半導体素子としてＩＧＢＴを採用したが、ＭＯＳトランジスタなどの他の半導体スイッチング素子を採用してもよいことはもちろんである。また、後述するが、上アーム側のＩＧＢＴ素子８、下アーム側のＩＧＢＴ素子９にはそれぞれ同様にカード状モジュール構造のフライホイルダイオードが逆並列接続されている。また、このフライホイルダイオードを収容する半導体チップと上記ＩＧＢＴチップとを一つのカード状モジュールに実装してもよく、一つの半導体チップ内にフライホイルとスイッチング素子とを集積してもよい。また、バスバー上に配置可能であれば、パワー半導体素子をカード状モジュール以外のモジュール構造に形成してもよい。図１では、一つの上アーム側のＩＧＢＴ素子８と一つの下アーム側のＩＧＢＴ素子９とからなる多相インバータ回路の一相分のアームを図示したが、ベースプレート３上には実際には同様に多相インバータ回路の残る二相のアームも配置されている（図２）。
【００３２】
図１に示すように、上アーム側のＩＧＢＴ素子８の底面側主電極端子（ここではコレクタ電極端子）は電源バスバー５上にはんだなどにより接合され、下アーム側のＩＧＢＴ素子９の底面側主電極端子（ここではコレクタ電極端子）は交流出力バスバー６上にはんだなどにより接合されている。
【００３３】
交流出力バスバー６は、下アーム側のＩＧＢＴ素子９も底面すなわちコレクタ電極端子が固定される主部６１と、主部６１から略径方向外側に延設される舌状部６２とからなる。舌状部６２は、主部６１の径方向外縁部から基板１０側へ立設された後、屈曲されて径方向外側へ延設され、その後、ＩＧＢＴ素子８側へ屈曲されて、上アーム側のＩＧＢＴ素子８の表面のエミッタ電極端子にはんだ付けされている。
【００３４】
接地バスバー７は、柱部３２に固定される輪板状の主部７１と、主部７１から略径方向外側に延設され、屈曲されて、下アーム側のＩＧＢＴ素子９の表面のエミッタ電極端子にはんだ付けされる舌状部６２とからなる。
【００３５】
上アーム側のＩＧＢＴ素子８、下アーム側のＩＧＢＴ素子９のゲート電極端子は図示しない制御配線を通じてコントローラに接続されているが、この制御配線及びコントローラの図示、説明については周知であるので、説明を省略する。
【００３６】
多相インバータ回路を構成するすべてのバスバー及び半導体素子の径方向及び周方向のおける配置を図２に示す。
【００３７】
この参考例では、上述したように、多相インバータ回路は、上アーム側のＩＧＢＴ素子８と下アーム側のＩＧＢＴ素子９とを直列接続し、各ＩＧＢＴごとにフライホイルダイオードとを逆並列接続してなり、異なる相電圧を出力する３つの相インバータＵ、Ｖ、Ｗからなる。上アーム側のＩＧＢＴ素子８はコレクタホロワ接続、下アーム側のＩＧＢＴ素子９はエミッタホロワ接続されている。
【００３８】
この参考例では特に、各相インバータＵ、Ｖ、Ｗは互いに９０度離れて配置されている。図２において、１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗは、ベースプレート３及び軸受け板部１１を貫通してモータの各相のステータコイルからモジュール収容室Ｓに突出する樹脂被覆引き出し線であり、それらは交流出力バスバー６の主部６１の周方向に隣接してモジュール収容室Ｓに突出している。各相の樹脂被覆引き出し線１３Ｕ、１３Ｖ、１３Ｗは、各相の交流出力バスバー６の主部６１にはんだ付けされている。各交流出力バスバー６の主部６１には、各相の下アーム側のＩＧＢＴ素子９とフライホイルダイオード１４とが互いに周方向に近接して接合され、接地バスバー７の主部７１とフライホイルダイオード１４の上面電極すなわちアノード電極端子とは接地バスバー７の主部７１から延設される舌状部７３に接続されている。同様に、各電源バスバー５には、各相の上アーム側のＩＧＢＴ素子８とフライホイルダイオード１５とが互いに周方向に近接して接合され、交流出力バスバー６の主部６１とフライホイルダイオード１５の上面電極すなわちアノード電極端子とは交流出力バスバー６の舌状部６３とにより接続されている。
【００３９】
略輪板状の電源バスバー５は広い面積にわたって絶縁シート４を挟んで接地バスバー７と同じ電位のベースプレート３に対向しており、平滑コンデンサの必要容量の低減が可能となっている。
（変形態様）
変形態様を図３を参照して以下に説明する。
【００４０】
この変形態様では、扁平円筒型の平滑コンデンサ１６が、周方向真ん中の相インバータＶと同一直線上において軸心から径方向空きスペース側に配設されている。この平滑コンデンサ１６は多相インバータ回路の電源バスバー５に接続される正極端子（図示せず）と、接地バスバー７に接続される負極端子（図示せず）とを有している。平滑コンデンサ１６の平坦な外周面は、接地バスバー７に密着しており、平滑コンデンサ７は接地バスバー７を通じて良好に冷却され、かつ、多相インバータモジュールをコンパクト化することができる。
（実施例）
実施例を図４に示す。
【００４１】
この実施例では、段差付きのベースプレート３０を採用することにより、交流出力バスバー６、接地バスバー７の平坦化を実現している。ただし、図４では、絶縁シート４の図示は省略している。ベースプレート３０は、基底面３３から所定高さだけ高位置にて基底面３３と平行に形成される段差面３４と、段差面３４から所定高さだけ高位置にて段差面３４と平行に形成される段差面３５とを有し、基底面３３には電源バスバー５を介して各上アーム側のＩＧＢＴ素子９及びフライホイルダイオードが搭載され、段差面３４には各交流出力バスバー６の主部６１を介して各下アーム側のＩＧＢＴ素子９及びフライホイルダイオードが搭載されている。
【００４２】
この実施例では、交流出力バスバー６は、輪板状の主部６１と、この主部６１から略径方向外側に突出する舌状部６２とを有し、接地バスバー７は、輪板状の主部７１と主部７１から略径方向外側に突出する舌状部７２とを有し、舌状部６２、７２は、その変形により各部寸法ばらつきを吸収可能となっている。また、この変形態様によれば、ベースプレート３０に所定の段差を与えたので、各交流出力バスバー６の舌状部６２及び接地バスバー７の舌状部７２の軸方向の屈曲を必要としない。このため、それらの製造が容易となり、かつバスバー抵抗を短縮でき、冷却も有利となる。
（実施例効果）
この実施例のインバータ一体型モータによれば、次の効果を奏することができる。
【００４３】
まず、半導体素子の熱をその両主面からバスバーを通じて素子冷却用金属部材に伝達することができるので、半導体素子を良好に冷却することができる。また、ワイヤボンディングを必要とせず、交流出力バスバーを小型化し、配線長短縮を実現することができ、取り付けも簡単となる。
【００４４】
また、ベースプレート３は、モータのエンドプレート１１と一体化してその剛性を強化することができるので、エンドプレート１１を薄肉化することができるとともに、エンドプレート１１を通じてモータを良好に冷却することもできる。更に、変形容易な舌状部６２、７２を設けているので、各部寸法ばらつきを細幅で変形容易な舌状部６２、７２の変形により容易に吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】参考例のインバータ一体型モータの部分軸方向断面図、かつ、図２のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図２】図１のバスバー配置を示す軸方向にみた側面図である。
【図３】変形態様を示す側面図である。
【図４】実施例を示すインバータ一体型モータの部分軸方向断面図である。
【符号の説明】
１モータのハウジング
２パワー半導体モジュール
３ベースプレート（本発明でいう素子冷却用金属部材）
４絶縁シート
５電源バスバー
６交流出力バスバー
７接地バスバー
８上アーム側のＩＧＢＴ素子（上アーム側半導体素子）
９下アーム側のＩＧＢＴ素子（下アーム側半導体素子）
１６平滑コンデンサ
Ｓモジュール収容室
３０段差付きのベースプレート（本発明でいう素子冷却用金属部材）
６１交流出力バスバー６の主部
６２交流出力バスバー６の舌状部
７１接地バスバー７の主部
７２接地バスバー７の舌状部

Claims

素子実装面を有する素子冷却用金属部材と、
前記素子実装面の基底面に絶縁シートを介して固定される電源バスバーと、
高位直流電極をなす底面が前記電源バスバー上に固定され、上面に交流出力電極を有する複数の上アーム側半導体素子と、
前記素子実装面の段差面に絶縁シートを介して固定される主部と、前記主部から延設されて前記各上アーム側半導体素子の前記交流出力電極に個別に接合される舌状部とを有する複数の交流出力バスバーと、
交流出力電極をなす底面が前記各交流出力バスバーの前記主部上に固定され、上面に低位直流電極を有する複数の下アーム側半導体素子と、
前記素子実装面に固定されて前記各下アーム側半導体素子の前記低位直流電極に接合される接地バスバーと、
を備え、
前記基底面及び前記段差面は、段差を有して平行に形成され、
前記交流出力バスバーの前記舌状部は、前記基底面及び前記段差面に対して略平行に突出し、
前記交流出力バスバーの厚さは、前記上アーム側半導体素子の上面と前記下アーム側半導体素子の底面との間の高さの差に略等しいことを特徴とする多相インバータモジュール。
請求項１記載の多相インバータモジュールにおいて、
前記各半導体素子は、
前記低位直流電極に隣接して前記上面に形成された制御電極を有することを特徴とする多相インバータモジュール。
請求項１記載の多相インバータモジュールにおいて、
前記接地バスバーは、
前記素子冷却用金属部材に接続されることを特徴とする多相インバータモジュール。
請求項１記載の多相インバータモジュールにおいて、
前記各半導体素子は、モータのエンドプレートを兼ねるか又は前記エンドプレートに固定される前記素子冷却用金属部材に前記モータの軸心を中心として略回転対称に固定され、
同相の前記上アーム側半導体素子と下アーム側半導体素子とは、略径方向に近接して配置され、
前記電源バスバーは、前記モータの軸心を略中心とする輪板状に形成されることを特徴とする多相インバータモジュール。
請求項４記載の多相インバータモジュールにおいて、
前記素子実装面に固定されて前記電源バスバー及び前記接地バスバーに接続される一対の端子を有する平滑コンデンサを有し、
前記平滑コンデンサは、互いに周方向に一定ピッチで配置されて互いに異なる相を構成する複数の前記半導体素子のうち、真ん中の前記半導体素子と径方向に略一直線上に配置されることを特徴とする多相インバータモジュール。
請求項４記載の多相インバータモジュールにおいて、
前記交流出力バスバーの前記舌状部は、前記交流出力バスバーの前記主部から径方向外側に延設されるとともに舌状に形成されていることを特徴とする多相インバータモジュール。
請求項４記載の多相インバータモジュールにおいて、
前記接地バスバーは、前記モータの軸心を略中心とする輪板状に形成される主部と、前記主部から径方向に延設されて前記下アーム側半導体素子の上面に接合される舌状部とを有することを特徴とする多相インバータモジュール。