JP3972855B2

JP3972855B2 - インバータモジュール

Info

Publication number: JP3972855B2
Application number: JP2003107484A
Authority: JP
Inventors: 公孝宇都野; 恭介大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: JP2004319562A

Description

【０００１】
【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
１７Ｎ端子
１８Ｐ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

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。