JP3972855B2 - インバータモジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッドシステム自動車や電気自動車等に具備される電動機に内蔵して用いられるためのインバータモジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】
ハイブリッドシステム自動車や電気自動車等においては、航続距離の向上のため効率の良い駆動システムが要求されており、誘導電動機に代わって小型化・高効率を図るために永久磁石を用いた同期電動機が多用されており、さらに、同期電動機にインバータを内蔵することによって更なる小型化が進められている。
【0003】
しかしながら、インバータに具備される半導体モジュールやコンデンサモジュールは作動時に発熱するが、その冷却構造のために小型化・低容量化が阻まれている。この冷却構造では、素子からの発熱が、素子を実装した基板を通して放熱板に伝えられ、放熱板を冷却水で冷却することにより放熱される。従って、素子の冷却効率を向上させるため、放熱板の平面上に基板が密着した状態に配置されることが好ましく、この平面を確保した放熱板を固定するインバータにも放熱板固定のための平面が必要となる。
一方、回転電機構成部品は、回転運動をするための形状になっているため、大型立方形状を持つインバータを取り付けると、ユニット形状としてアンバランスになるとともに、電気的動作としても配線インダクタンスや抵抗値の違いによるアンバランスが生じる。また、インバータ動作時の電源電圧安定化のために備えられているコンデンサモジュールは、比較的大容量且つ高耐圧が要求されることから、大型になることと、耐湿性要求から封止されることから、通常インバータモジュールとは別体配置されている。
【0004】
上述の問題を解決するインバータモジュールの構造として、特許文献1に記載の技術では、コンデンサモジュールを組み込んだインバータモジュールを環状に形成して、回転電機の構成部材であるロータの断面形状に合わせたものとし、回転電機内にインバータをコンパクトに内蔵することのできるようにしたものが提案されている。
この構造では、インバータモジュールの外形を形成する放熱板を環状に形成することによって、放熱板の平面面積を確保しながらも、回転電機にコンパクトに組み込むことを実現している。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−206183号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のインバータモジュール構造には、更なる冷却効率の向上のための改良の余地が残されている。
本発明では、前記従来技術に鑑み、車載用電動機に内蔵するインバータモジュールの構造の改良によって、特に、電動機への組み込み・配置を容易とするとともに、インバータモジュールの冷却性能向上による小型化・低容量化の実現を図る。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【0008】
即ち、請求項1においては、パワー素子及びダイオード素子を具備する二組の半導体モジュールを積層配置し、二組の半導体モジュールの間に出力端子とゲート信号入力端子を備えた端子板を介装し、二組の半導体モジュールを、正極側入力端子を備えた円弧状の正極板と負極側入力端子を備えた円弧状の負極板とで、積層方向の両側から挟み込んでユニットを構成し、三組のユニットを環状に連結し、各正極板と負極板との間にコンデンサモジュールを配置し、正極板と負極板との間を樹脂にて封止して構成したものである。
【0009】
請求項2においては、前記パワー素子をIGBT素子とするものである。
【0010】
請求項3においては、前記インバータモジュールに具備される素子をベアチップ状とするものである。
【0011】
請求項4においては、前記インバータモジュールにおいて、積層される二組の半導体モジュールに具備されるパワー素子とダイオード素子を、それぞれ端子板を介して交差配置するものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図1は本発明の実施例に係るインバータモジュールの構成を示す回路図、図2はインバータモジュールを示す図、図3は半導体モジュールを示す図2におけるX方向矢視図、図4はインバータモジュールを示す図2におけるX方向矢視図である。
図5はインバータモジュールを一体的に組み込んだ電動機の一例を示す断面図、図6はインバータモジュールを一体的に組み込んだ電動機の一例を示す断面図である。
【0013】
電気自動車やハイブリッドシステム自動車等では、高電圧バッテリから電力供給を受け、インバータ回路等によりバッテリ出力を交流電力に変換し、駆動用電動機に電力を供給する。
図1の回路図に示す如く、インバータ回路では、高電圧バッテリ25の出力が、インバータモジュール11に設けられたP端子18とN端子17よりインバータモジュール11へ入力され、該インバータモジュール11に設けられたU端子15u・V端子15v・W端子15wの各出力端子よりU相・V相・W相から成る三相交流電流が、電動機27に出力される。このインバータ回路によって、電動機27のトルクや回転数の制御が行われる。
なお、インバータ回路にはコンデンサモジュール26が具備されて、インバータモジュール11動作における過渡的な電圧変動を抑制する一時的なバッテリとして機能させている。
【0014】
インバータモジュール11は、三相ブリッジ型の回路であり、U端子15u・V端子15v・W端子15wの各出力端子15・15・15に電流を流す出力回路が各相に対して備えられている。各出力回路は、パワー素子22と、該パワー素子22に印加されるフライバック電圧からの素子耐圧保護と回生動作時の電流経路生成のためダイオード素子23とを並列に配置したものを、二組直列に配置して構成されている。
インバータモジュール11では、パワー素子22をスイッチング動作させることによって、U端子15u・V端子15v・W端子15wからU相・V相・W相の各単相電流が位相差をもって出力され、三相交流電流に変換される。パワー素子22のスイッチング動作のタイミングは、外部コントロールユニット(ECU)により演算算出され、ゲート端子16よりパワー素子22のゲート入力信号として入力・指示される。
【0015】
ここで、インバータモジュール11の構造について説明する。
図2及び図3に示す如く、インバータモジュール11はU相・V相・W相の各相出力ユニット10(10u)・10(10v)・10(10w)が環状に連結されて構成されている。U相・V相・W相の各相出力ユニット10・10・10は、いずれも略同様の構成であり、環を三等分割した形状とされている。
このように、インバータモジュール11を分割形状とすることで、ハンドリングを容易にし、量産性を高めるとともに、それぞれの構成ユニットを略同様の形状とすることで部品種を低減し、また組付作業を簡易にしている。
【0016】
U相・V相・W相の各相出力ユニット10は、負極板13、半導体モジュール19、端子板14、半導体モジュール19、正極板12の順に積層し、これらをはんだ付け若しくは高熱伝導接着剤にて電気的接続を行うことによって形成されている。
そして、U相・V相・W相の各相出力ユニット10・10・10を連結することによって、環状のインバータモジュール11が形成される。インバータモジュール11における、前記半導体モジュール19及び端子板14の配置されていない空間には、コンデンサモジュール26・26・26が配設されている。
【0017】
前記負極板13は、環を三等分割した形状であって、U相・V相・W相の各相出力ユニット10・10・10の負極板13・13・13を抵抗接合等により電気的接続を行って連結することによって、一つの環状の負極バスバー13'を形成することができる。そして、U相・V相・W相の各相出力ユニット10・10・10の負極板13・13・13のうちいずれか一つに入力部13aが一体的に形成されて、該入力部13aにN端子17が設けられている。
また、前記正極板12は、負極板13と略同様の形状であって、U相・V相・W相の各相出力ユニット10・10・10の正極板12・12・12を抵抗接合等により電気的接続を行って連結することによって、一つの環状の正極バスバー12'を形成することができる。そして、U相・V相・W相の各相出力ユニット10・10・10の正極板12・12・12のうちいずれか一つに、入力部12aが一体的に形成されて、該入力部12aにP端子18が設けられている。
【0018】
上述の如く、正極板12・12・12より環状の正極バスバー12'が、同じく、負極板13・13・13より環状の負極バスバー12'が形成され、これら負極バスバー13'と正極バスバー12'とがインバータモジュール11の外形を形成している。
そして、インバータモジュール11では、正極バスバー12'に設けられたP端子18と、負極バスバー13'に設けられたN端子17の、各入力端子より、外部にあるバッテリ25からインバータモジュール11へ高電圧を入力する。入力される高電圧は、正極バスバー12'及び負極バスバー13'を通じて均一に供給されることとなる。
【0019】
また、前記正極板12及び負極板13は、放熱板としての機能も有しており、正極板12及び負極板13は熱伝導性の高い材料で構成される。これにより、インバータモジュール11において、半導体モジュール19に具備される素子からの発熱は、正極板12又は負極板13に伝導され、放熱される。なお、インバータモジュール11を電動機27に組み込んだときには、正極板12及び負極板13はいずれも該電動機27の冷却システムによって冷却される位置に配置され、電動機27の冷却システムを利用したインバータモジュール11の冷却が行われる。
【0020】
前記端子板14には、ゲート信号入力するためのゲート端子16と、出力端子15(U端子15u・V端子15v・W端子15wのうちいずれか一つ)とが備えられており、U相・V相・W相の各相出力ユニット10・10・10を連結して環状のインバータモジュール11としたときに、ゲート端子16が環の内周側、出力端子15が環の外周側に配置されるように、各端子の位置が決定されている。
なお、正極板12、負極板13及び端子板14は、その材料としてシリコンと極力性質の近いアルミ・Cu−Mo等の金属が選定されて、後述する半導体モジュール19に具備される基板21と良好に接合可能であるとともに、半導体モジュール19から発される熱を伝導することができるものとされている。
【0021】
前記半導体モジュール19は、高熱伝導性セラミックス等の材料から成る基板21上にパワー素子22及びダイオード素子23を配置し、さらに、その上に基板21を配置し、すなわち、二枚の基板21・21間にパワー素子22及びダイオード素子23を介装し、はんだ若しくは高熱伝導接着剤にて電気的接続を行うことにより形成されている。
前記パワー素子22として、本実施例ではベアチップ状のIGBT素子を採用している。また、ダイオード素子23もベアチップ状のものを採用している。
前記基板21は、スルーホールが設けられて表裏導通可能であり、その表裏面のうち少なくとも一面に、半導体素子スイッチング信号であるゲート信号を、端子板14に設けられたゲート端子16からワイヤボンディング等により引き出すことのできるパターンが引かれている。
【0022】
前記半導体モジュール19は、各相出力ユニット10・10・10においてそれぞれ二組ずつ設けられているが、各半導体モジュール19・19のパワー素子22・22同士が積層方向で重ならないように、パワー素子22とダイオード素子23はいずれも端子板を介して交差配置されている。すなわち、一方の半導体モジュール19のパワー素子22と、他方の半導体モジュール19のダイオード素子23とが重なった状態に配置されている。
インバータの動作において、パワー素子22とダイオード素子23の発熱状態は、いずれか片方の発熱が大きくなるように偏る性質がある。この発熱の偏りを回避するために、パワー素子22とダイオード素子23を交差配置しているのである。これにより、局部的な温度上昇や、温度上昇による素子特性変化を抑制することが可能となる。
【0023】
さらに、図2及び図4に示す如く、前記各相出力ユニット10・10・10を環状に連結したうえで、正極板12・12・12が連結されて形成された環状の正極バスバー12'と、負極板13・13・13が連結されて形成された環状の負極バスバー13'との間の空間にコンデンサモジュール26・26・26が介設され、はんだ付け等により電気的接続が為されている。このようにして、コンデンサモジュール26・26・26がインバータモジュール11に内蔵されている。
前記コンデンサモジュール26は、半導体モジュール19の近傍に配置することによって、コンデンサモジュール26と半導体モジュール19との間の配線を極力短縮できるようにして、配線インダクタンスや抵抗値の低減が図られている。これにより、リップル電流値低減による自己発熱量減少が期待でき、端子の耐圧スペックダウンや、インバータモジュール11自体の小型化・低容量化が可能となる。
【0024】
そして、前記各相出力ユニット10が環状に連結され、コンデンサモジュール26が配置されたうえで、正極バスバー12'と負極バスバー13'間が、保護樹脂30(エポキシ樹脂等)により封止されている。この保護樹脂30により、インバータモジュール11に具備される素子(コンデンサモジュール26を含める)の耐湿性の確保が図られている。
このように、正極バスバー12'と負極バスバー13'との間の空間を樹脂30で埋め、パワー素子22及びダイオード素子23の周囲を樹脂30で包囲することで、素子としてベアチップを採用することが可能となり、インバータモジュール11の小型化を図ることができる。また、ベアチップを採用しているため、放熱効率が高く、パワー素子22及びダイオード素子23で発生された熱は、速やかに基板21・21を介して正極板12又は負極板13に伝導され、放熱される。
これに加え、前述の如く、正極バスバー12'と負極バスバー13'の両側から冷却されることで、素子の冷却効率の大幅な向上が期待される。
【0025】
また、インバータモジュール11では、正極板12、半導体モジュール19、端子板14、半導体モジュール19、負極板13の順に積層されて構成されることによって、配線長が最小限に抑えられている。従って、インバータ動作のスイッチング損失、フライバック電圧、リップル電流値、自己発熱量等の低減を期待することができ、使用する端子の耐圧スペックの低減や、サイズダウンによるインバータモジュール11自体の小型化・低容量化が可能となる。
【0026】
上述の如く構成されたインバータモジュール11を具備するインバータ内蔵形回転電機について、回転電機の一種類としてのハイブリッドシステム自動車や電気自動車に用いられる永久磁石形同期電動機27を示す。
図5に示す如く、電動機27には、インバータモジュール11と、ロータコア46や永久磁石45などを具備するロータ47と、該ロータ47の回転軸48と、ステータコア43や該ステータコア43に巻かれたステータコイル42などを具備するステータ44と、これらを内装する筐体41とで、構成されている。そして、ステータコイル42に印加する三相電圧・電流を制御することにより、同期電動機27からハイブリッドシステム自動車や電気自動車の駆動力(トルクや回転速度)を得ている。
電動機27の冷却システムとして、筐体41には、内部水路が形成されており、該内部水路を流れる冷却水により筐体41に内装されているステータ44が冷却されている。
【0027】
インバータモジュール11は、電動機27の筐体41内部において比較的空いているスペースであって、かつ、インバータモジュール11とステータコイル42との直結構造によって電気接続の簡素化することが可能な場所に配設されている。すなわち、インバータモジュール11とステータコイル42とが近接して配置されている。
【0028】
そして、インバータモジュール11のU端子15u・V端子15v・W端子15wの各出力端子を具備する端子板14が直接筐体41に締結されるとともに、U端子15u・V端子15v・W端子15wの各出力端子は、電動機27のステータコイル42のU端子15u・V端子15v・W端子15wの各入力端子に直接接続される。
これにより、インバータモジュール11側の出力端子と電動機27側の入力端子の接続において、ワイヤ等の接続部品を不要として、配線インダクタンス・抵抗値の低減が図られている。
また、前述の如く、電動機27では筐体41が内部水路の冷却水によって冷却されているため、インバータモジュール11の発熱を、端子板14から筐体41へ放熱することが可能となる。
【0029】
前記条件を満たすインバータモジュール11の配置として、例えば、図5に示す如く、ステータコイル42の外周部や、図6に示す如く、ステータコイル42の端部等とすることができる。
このように、インバータモジュール11の形状を電動機27のステータ44の形状に合わせた環状とすることで、回転軸48が支承されている筐体41内部において配置場所を得ることができ、また、インバータモジュール11側の出力端子15と電動機27側の入力端子28とを連結する配線長を最小限とすることができる。よって、電動機27とインバータモジュール11との一体化が容易となり、しかも、良好なバランスを実現できる。
【0030】
また、環状のインバータモジュール11は、電動機27に備えられた冷却システムを利用して冷却され、筐体41に形成された内部水路を流れる冷却水により冷却されている部分と、インバータの構成部材である正極バスバー12'及び負極バスバー13'とを接するように配置し、正極バスバー12'及び負極バスバー13'の両外側を筐体の冷却水により冷却されている部分で包囲させる。
これにより、インバータモジュール11に具備される素子での発熱は、正極バスバー12'、負極バスバー13'及び端子板14に伝導され、該正極バスバー12'、負極バスバー13'及び端子板14が電動機27に備えられた冷却システムを利用して冷却されることによって、放熱される。従って、インバータモジュール11に具備される各半導体モジュール19・19・・・はその表裏両面から放熱する構成とされて、放熱性能が大幅に向上されている。これにより、インバータモジュール11の小型化・低容量化が可能となる。
【0031】
なお、インバータモジュール11の正極板12及び負極板13と、電動機27の筐体41との絶縁性を確保するために、正極板12及び負極板13の材質がアルミの場合は、アルミニウム陽極酸化処理による正極板12及び負極板13の絶縁処理が施され、また、正極板12及び負極板13の材質がその他の金属の場合は、フッ素樹脂処理による正極板12及び負極板13の絶縁処理が施される。これにより、正極板12及び負極板13の熱伝導率が殆ど低下することなく絶縁性が確保されている。
さらに、前記絶縁処理を施した正極板12及び負極板13の表面層上や、モータ組付面に、高熱伝導性グリースが塗布されたうえで、組み付けられることによって、正極板12及び負極板13と、電動機27の筐体41との熱的密着度が確保されている。
【0032】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。
【0033】
即ち、請求項1に示す如く、パワー素子及びダイオード素子を具備する二組の半導体モジュールを積層配置し、二組の半導体モジュールの間に出力端子とゲート信号入力端子を備えた端子板を介装し、二組の半導体モジュールを、正極側入力端子を備えた円弧状の正極板と負極側入力端子を備えた円弧状の負極板とで、積層方向の両側から挟み込んでユニットを構成し、三組のユニットを環状に連結し、各正極板と負極板との間にコンデンサモジュールを配置し、正極板と負極板との間を樹脂にて封止して構成したので、電動機等の円形部品との一体化を容易化でき、また、電動機とインバータモジュール間及びンバータモジュールの構成部材間の配線長の短縮化によって性能変動要因を低減することができる。
【0034】
請求項2に示す如く、前記パワー素子をIGBT素子とするので、インバータモジュールをコンパクトに構成することができる。
【0035】
請求項3に示す如く、前記インバータモジュールに具備される素子をベアチップ状とするので、インバータモジュールの小型化・軽量化に寄与することができる。また、放熱性が向上され、インバータモジュールの更なる小型化に寄与することができる。
【0036】
請求項4に示す如く、前記インバータモジュールにおいて、積層される二組の半導体モジュールに具備されるパワー素子とダイオード素子を、それぞれ端子板を介して交差配置するので、インバータモジュールにおける発熱の偏りを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例に係るインバータモジュールの構成を示す回路図。
【図2】 インバータモジュールを示す図。
【図3】 半導体モジュールを示す図2におけるX方向矢視図。
【図4】 インバータモジュールを示す図2におけるX方向矢視図。
【図5】 インバータモジュールを一体的に組み込んだ電動機の一例を示す断面図。
【図6】 インバータモジュールを一体的に組み込んだ電動機の一例を示す断面図。
【符号の説明】
10 相出力ユニット
11 インバータモジュール
12 正極板
12' 正極バスバー
13 負極板
13' 負極バスバー
14 端子板
15 出力端子
16 ゲート端子
17 N端子
18 P端子
19 半導体モジュール
22 パワー素子
23 ダイオード素子
26 コンデンサモジュール
Claims (4)
- パワー素子及びダイオード素子を具備する二組の半導体モジュールを積層配置し、二組の半導体モジュールの間に出力端子とゲート信号入力端子を備えた端子板を介装し、二組の半導体モジュールを、正極側入力端子を備えた円弧状の正極板と負極側入力端子を備えた円弧状の負極板とで、積層方向の両側から挟み込んでユニットを構成し、
三組のユニットを環状に連結し、
各正極板と負極板との間にコンデンサモジュールを配置し、
正極板と負極板との間を樹脂にて封止して構成したことを特徴とするインバータモジュール。 - 前記パワー素子をIGBT素子とする、請求項1に記載のインバータモジュール。
- 前記インバータモジュールに具備される素子をベアチップ状とする、請求項1又は請求項2に記載のインバータモジュール。
- 前記インバータモジュールにおいて、積層される二組の半導体モジュールに具備されるパワー素子とダイオード素子を、それぞれ端子板を介して交差配置する、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のインバータモジュール。
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