JP4155165B2

JP4155165B2 - パワーモジュール構造

Info

Publication number: JP4155165B2
Application number: JP2003374734A
Authority: JP
Inventors: 恭介大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-11-04
Also published as: JP2005142228A

Description

本発明は、パワー半導体モジュールに関するものである。より詳しくは、ハイブリッド車や燃料電池車などのインバータ用パワーモジュールに関するものである。

インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）は絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（以下ＩＧＢＴ）等の半導体スイッチング（パワー半導体）素子を高速スイッチングすることにより、バッテリから供給される高圧直流電流を交流電流に変換しモーターを駆動するものである。この際、ＩＧＢＴ素子の発熱量は非常に大きいため、素子の放熱が非常に重要な課題となる。
そこで、従来、ＩＰＭの放熱性を確保するため、放熱板と冷却ユニットの間には高熱伝動率の材料（シリコーン系グリス等）を介在させる手法が一般的に用いられている。しかし、介在させたグリスの一部にエアの巻き込み等が発生すると、そこがヒートスポットとなり過熱等異常の原因となることが知られている。このため、放熱板と冷却ユニットとの密着性を確保することが重要視されている。

ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を絶縁容器に封入したパワーモジュールにおいての、冷却対策としてモジュールと放熱板との固定個所を多くするものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
これは、放熱を兼ねたベースと絶縁基板とを接合して樹脂ケースで覆ったパワーモジュールにおいて、モジュール周辺部以外にモジュールに放熱板を固定するための１つ以上の孔を設け、ボルトにより、直接ベースを固定するものである。

また、電子部品をマウントした導電板を封止したモジュールを放熱部材に取付けた電子部品モジュールにおいて、モジュールの樹脂封止部に溝またはスリットを形成して、反りと放熱性を向上させる構成も知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２０００−２２８４９０号公報特開２００１−３２０１８５号公報

特許文献１に示されるような技術においては、配線構成が複雑となる。回路への配線取付けが複雑となるとともに、高い取付け精度を要求されるものである。特許文献１に記載された配線は、素子の上方を通って配線がなされており、基板に接続した配線が上部カバーより上方に突出した構成となっている。また、モジュール内におけるリードが長くなりサージが大きくなる可能性が高い。

特許文献２に示されるような技術においては、ＩＰＭ放熱板の裏面を凸形状にするものであり、スクリーン印刷により放熱板全面に均一にグリスを塗布するなど製造上の工夫を施し、製造能力の確保によりグリスの密着性を保証していた。しかし、熱膨張などにより基板に発生する応力は基板の肉薄部に集中し、基板の耐久性を低下させる可能性があり、締め付けは放熱板両端のみで行われるため中央部における密着性の確保が困難である。

そして、ハイブリッド車や燃料電池車では、走行用と充電用に６インチのインバータモジュールを２つ以上搭載されることが多い。
この２つのモジュールを１つのモジュール内に収納してコンパクトかつ低コストに構成することが試みられている。２つのインバータモジュールを１のパッケージ内にまとめる上で、モジュールの放熱対策は１つのインバータを１つのパッケージ内に収納するものとは配線および放熱対策の上で大きく異なるものである。

２つのモジュールを一つにまとめる場合、大きさが１つのものよりも大きくなる。そして、１つの部材により２つのモジュールの熱的変化に対応する必要があるために、放熱板の面積を大きくする必要がある。しかし、モジュールをコンパクトに構成することも要求される。
このため、限られた面積のなかでインバータモジュールを２つ配設する必要があり、パワーモジュールにおける熱勾配が大きくなる。さらに、パワーモジュールのサイズが１つのインバータモジュールを収納する場合と比べると大きくなるのでモジュールおよび放熱板の反り量が大きくなり、モジュールと放熱板とのグリス密着性確保が困難になる。
すなわち、限られた面積内において、複雑な配線構成を考慮するとともに、放熱性を確保する必要がある。

本発明は、インバータ用パワーモジュール構造において、走行用と充電用の２つのモジュール間にＰＮバスバーを配置し、このＰＮバスバーの両側にＵ、Ｖ、Ｗ出力端子を、ＰＮそれぞれの入力端子を２箇所に配置させてモジュール中央部にバスバーの無い領域を形成し、前記モジュールの周辺部と前記領域とにボルト孔を形成し、ボルト固定したモジュール構造をとるものである。
これにより、モジュール底部における反りを防止して密着性を確保でき、放熱性を維持できるものである。

本発明の概要について、図１および図２を用いて説明する。
図１はベース部の密着性の変化を示す図であり、図１（ａ）は放熱板の周部と中央部を係止した場合の変化を示す図であり、図１（ｂ）は放熱板の周部を係止した場合の変化を示す図である。そして、図２はベース部の構成を示す図である。
ＩＰＭのモジュール底部であるベース部２２には放熱板を取付けるものであり、従来のベース部２２への放熱板３の取付け方法は、図１（ｂ）に示すものである。
ベース部２２と放熱板３とは、周部において互いに係止されている。ベース部２２の周部には、放熱板３の周部がボルトなどにより固定される。
しかし、この場合には、モジュールが２つの３相交流用インバータモジュールを含む構成となっているので、モジュール自体が大きくなりベース部２２が大きくなる。ＩＧＢＴ素子の発熱によりベース部２２に反りが発生した場合には、ベース部２２が大きいために反りによるベース部２２と放熱板３との隙間量が大きくなる。

そこで、図１（ａ）に示すごとく、ベース部２２と放熱板３とを周部において互いに係止するとともに、放熱板３の中央部をベース部２２に固定するものである。これにより、ベース部２２の中央部の変形を抑制して、ベース２２の反りを抑制してベース部２２と放熱板３との接触を十分に確保できるものである。ベース部２２の中央と放熱板３の中央部とを固定することにより、放熱板３の反りを規制して放熱板３との接触面積を確保して冷却性を維持するものである。これにより、モジュールに２つの３相交流用モジュールを含め、モジュール自体が大きくなっても安定かつ信頼性の高いＩＰＭを構成できる。

本発明においては、図２に示すごとく、ＩＰＭのモジュール底部を構成するベース部２２の中央に放熱板３の係止部を確保すべく、２つ素子モジュール１１・１１を１つのモジュール底部に統合するとともに、素子モジュール１１・１１の間に放熱板係止用のスペースを設けるものである。素子モジュール１１は３相交流用インバータモジュールであり、ＩＧＢＴ素子が配設されているものである。なお、後述するＩＧＢＴモジュール７は素子モジュール１１・１１を一体化したものである。
これらの素子モジュール１１・１１を１つのベース部２２に配設するものであり、素子モジュール１１・１１の間に間隔を持たせて配置するものである。素子モジュール１１・１１間は放熱板３係止用の空間となるものである。そして、素子モジュール１１・１１間において、ベース部２２に放熱板３を係止するための孔１２を設け、ボルト１０により放熱板３をベース部２２に固定する。

２つの素子モジュール１１・１１の間にはＰＮ配線を行い、素子モジュール１１・１１を接続する。ＰＮ配線の端子はベース部２２の周部に設けるものである。ＰＮ配線の端子はベース部２２において２箇所配設され、ベース部２２の対辺部に位置する。そして、Ｕ、Ｖ、Ｗの端子はＰＮ配線を挟んで両側に配置するものであり、ＵＶＷ配線は素子モジュール１１に接続し、素子モジュール１１より外側に向けて配設される。Ｕ、Ｖ、Ｗの端子がベース部２２の周部に配設され、モジュール１１に接続する端子がそれぞれベース部２２の対辺部に位置する構成となる。
これにより、ベース部２２の周部にはＰＮ配線の端子およびＵ、Ｖ、Ｗの端子が配設されるものである。

すなわち、本発明は請求項１に記載のごとく、モジュールベース部上にインバータモジュールを配設し、カバーケースを装着して、インバータモジュールを封止し、モジュールベース下面に放熱板を装着するパワーモジュール構造であって、前記モジュールベース部上には３相交流用インバータモジュールが２つ構成され、前記各３相交流用インバータモジュールにはＵＶＷ配線が接続され、前記２つの３相交流用インバータモジュールは、プレート上に一方の３相交流用インバータモジュールを構成する１つの素子セットと他方の３相交流用インバータモジュールを構成する１つの素子セットとを間隔をおいて配設するとともに、前記プレートを前記モジュールベース部上に３つ並設することにより構成され、前記３相交流用インバータジュールのＰ配線およびＮ配線がそれぞれ独立して２本ずつ設けられて、前記一方のＰ配線およびＮ配線は、中央に配置されるプレートの、プレート並設方向における一側端部より一側外方へ配置され、前記他方のＰ配線およびＮ配線は、中央に配置されるプレートの、プレート並設方向における他側端部より他側外方へ配置され、前記中央に配置されるプレートの一方の素子セットと他方の素子セットとの間に、モジュールベース部下面に接触する放熱板を係止する係止具配設部を設ける。

また、請求項２に記載のごとく、前記各３相交流用インバータモジュールのＵＶＷの配線は、各３相交流用インバータモジュールを構成する各素子セットよりも、プレート並設方向と直交する方向における外側に向けて配設される。

本発明は、請求項１に記載のごとく構成するので、中央部にバスバーのないエリアを確保でき、インバータモジュールに影響を与えることなく、放熱板をボルト固定することが可能となる。また、モジュール中央部に発熱体がないので反り発生を軽減できる。
そして、パワーモジュールのベースの反りを規制して、パワーモジュールベースからグリス層を介して確実な放熱経路を得ることが出来る。これにより、複数のインバータモジュールを収納したパワーモジュールの熱対策を簡便な構成により採ることが可能である。

請求項２に記載のごとく構成するので、配線経路を短くし、サージを抑制できる。そして、２つのインバータモジュールにおいて放熱板の共通化が可能となり、パワーモジュールをコンパクトかつ低コストで製作することができる。

ＩＰＭなどのパワーモジュールをコンパクトに構成するとともに冷却性を維持するという目的を、複数のインバータモジュールを１つのパッケージ内に配設し、インバータモジュールの配置およびインバータモジュールを接続する配線パターンにより放熱板取付け部を設けることを実現した。

まず始めに、パワーモジュールの構成について、図を用いて説明する。
図３はパワーモジュールの組立て構成を示す図であり、図４はパワーモジュールの平面図である。
パワーモジュールはモジュール底部２、シールド板４、制御基板５、カバー６と放熱板３とにより構成される。モジュール底部２にはＩＧＢＴモジュール７が配設されるものである。モジュール底部２はパワーモジュールのベースとなるものであり、カバー６はパワーモジュールのカバーケースとなるものである。

モジュール底部２上には制御基板５が取付けられ、制御基板５とモジュール底部２との間にはシールド板４が配設される。そして、モジュール底部２上にカバー６が配設されて、制御基板５が被装される。モジュール底部２上面にはＩＧＢＴモジュール７が配設されており、シールド板４によりＩＧＢＴモジュール７と制御基板５とが仕切られるものである。
モジュール底部２の下面には放熱板３が取付けられ、ＩＧＢＴモジュールの冷却を行うものである。

モジュール底部２には、図４に示すごとく、上面にＩＧＢＴモジュール７を配設するものである。モジュール底部２上にＩＧＢＴモジュール７を配設してモジュール底部２に固定する。
ＩＧＢＴモジュール７は、素子セットを配設したプレート１８・１８・１８により構成されるものである。ＩＧＢＴモジュール７には三相交流用の配線３１・３１・・が設けられており、三相交流用の配線端子はＩＧＢＴモジュール７の対向する側部に設けられている。ＩＧＢＴモジュール７において、素子セットは共通のものを用いることができ、ＩＧＢＴモジュール７を３つのプレート１８・１８・１８により構成することにより、部品の共通化を図り、ＩＧＢＴモジュール７の製造コストを低減できるものである。

ＩＧＢＴモジュール７には、Ｎ配線１６およびＰ配線１５が接続されている。Ｎ配線１６およびＰ配線１５はＩＧＢＴモジュール７の下面において接続しており、ＩＧＢＴモジ
ュール７の外側に向けて配設されている。
配線３１・・・およびＮ配線１６、Ｐ配線１５はモジュール底部２に埋設されるものであり、ＩＧＢＴモジュール７とＩＧＢＴモジュール７の下面において接続するものである。
配線３１・・・の接続端子となる部分は、モジュール底部２の周部において、ＩＧＢＴモジュール７を介して接続可能に構成されている。そして、Ｎ配線１６、Ｐ配線１５の接続端子となる部分は、モジュール底部２の周部において、それぞれ２箇所設けられており、モジュール底部２の上面に露出している。

そして、ＩＧＢＴモジュール７の周部およびモジュール底部２の周部には孔が設けられており、この孔にボルトなどの締結部材を装着してモジュール底部２の下面に放熱板３を固定するものである。さらに、ＩＧＢＴモジュール７の中央にも孔が設けられており、モジュール底部２に設けられた孔１２に連通している。
この孔１２を介してモジュール底部２の中央部において、放熱板３の中央部を固定できるものである。すなわち、モジュール底部２と放熱板３とは、中央部および周部においてボルトなどにより接続されるものであり、互いに中央部および周部を固定するので反り量を抑えるとともに、反りによりモジュール底部２と放熱板３間に隙間ができるのを抑制するものである。これにより、モジュール底部２と放熱板３間に塗布した放熱グリスを介しての熱の排出を維持できるものである。

図５はＩＧＢＴモジュールの平面図である。
ＩＧＢＴモジュール７はプレート１８および２つの素子セット１９・１９とにより構成される。素子セット１９・１９はプレート１８上に配設されるものであり、プレート１８において締結部材を配設するのに十分な間隔をあけて配設されている。
素子セット１９にはＵＶＷ配線の内の１つが接続されるものである。素子セット１９とＵＶＷ出力との接続は配線３１により行われるものである。配線３１は、平面視において素子セット１９の中央であってプレート１８の長手方向に向けて配設されている。そして、配線３１の端部は素子セット１９よりモジュール底部２の外側に位置するものである。

素子セット１９にはＮ配線１６およびＰ配線１５が接続されるものである。素子セット１９とＮ配線１６およびＰ配線１５の接続は、平面視において、プレート１８の側部において素子セット１９と接続するものであり、Ｎ配線１６およびＰ配線１５はプレート１８に配設された２つの素子セット１９・１９をプレート１８の長手方向に沿った配線により接続するものである。

プレート１８上に配設される１つの素子セット１９は、３相交流用インバータモジュールを構成するものであり、３つの素子セット１９を隣り合わせて配設して接続することにより、３相交流用インバータモジュールが構成されるものである。プレート１８には、パワーモジュール内に収納される２つの３相交流用インバータモジュールをそれぞれ３つに分割し、一方の３相交流用インバータモジュールを構成する素子セット１９と他方の３相交流用インバータモジュールを構成する素子セット１９とが配設されるものである。

素子セット１９・１９はプレート１８上において、間隔をおいて配設されている。一方の素子セット１９がプレート１８の一端側に、他方の素子セット１９がプレート１８の他端側に配設されている。すなわち、一方の３相交流用インバータモジュールの構成要素と他方の構成要素とが１つのプレート１８上において間隔をおいて配設されるものである。
このようなプレート１８を３つ並べることにより、３相交流に対応したパワーモジュールを構成できるものであり、素子セット１９・１９間に放熱板３を取付けるための空間を確保することができる。

次に、ＩＧＢＴモジュール７の配線の状態について説明する。
図６はパワーモジュールモジュール底部のＡ−Ａ線断面図であり、図７はパワーモジュールモジュール底部のＢ−Ｂ線断面図であり、図８はモジュール底部における配線構成を示す図である。
ＩＧＢＴモジュール７の下面には、Ｐ配線１５、Ｎ配線１６、三相交流のＵＶＷ端子にそれぞれ接続する配線３１・・が配設されている。
そして、パワーモジュールにおいて、Ｐ配線１５は２つ設けられている。
一方のＰ配線１５は、図８に示すごとく、平面視においてＴ字を時計回りに９０度回転させた形状となっている。そして、ＩＧＢＴモジュール７の３つ並んだプレート１８・・において、中央に配置されたプレート１８左側辺と左側プレート１８の右側辺に重なるように配設され、それぞれのプレート１８に配設された素子セット１９・１９に接続している。Ｐ配線１５の残りの端部はＩＧＢＴモジュール７の左側端より突出した構成となっている。
他方のＰ配線１５はＩＧＢＴモジュール７の右端に沿って配設され、右側のプレート１８の素子セット１９・１９に接続し、一端部をＩＧＢＴモジュール７の右側端より突出させた構成としている。

パワーモジュールにおいて、Ｎ配線１６も２つ設けられている。
一方のＮ配線１６は、図８に示すごとく、平面視においてＴ字を反時計回りに９０度回転させた形状となっている。そして、ＩＧＢＴモジュール７の３つ並んだプレート１８の中央に位置するプレート１８右側辺と右側のプレート１８の左側辺とに重なるように配設され、それぞれのプレート１８に配設された素子セット１９・１９に接続している。Ｎ配線１６の残りの端部はＩＧＢＴモジュール７の右側端より突出した構成となっている。
Ｎ配線１６の他方はＩＧＢＴモジュール７の左端に沿って配設され、左側のプレート１８の左側辺において素子セット１９・１９に接続し、一端部をＩＧＢＴモジュール７の左側端より突出させた構成としている。

そして、三相交流のＵＶＷ端子にそれぞれ接続する配線３１・・は、素子セット１９において素子間に配設されるものであり、ＩＧＢＴモジュール７において外側に向けて配設されるものである。図８の紙面において、ＩＧＢＴモジュール７の上側に配設された配線３１・・・は、ＩＧＢＴモジュール７の上側辺より上方に突出した構成となっており、下側に配設された配線３１・・・は下側辺より下方に突出した構成となっている。

モジュール底部２の中央には孔１２が設けられており、孔１２においてモジュール底部２の中央部と放熱板３の中央部とが接続される。孔１２にはボルト１０が挿嵌され、放熱板３の中央部に設けた孔にボルト１０が螺装される。ボルト１０はカラー１４を装着した状態で、放熱板３の固定を行うものであり、モジュール底部２に放熱板３の装着による局所的な荷重がかかるのを防ぎ、モジュール底部２、放熱板３およびＩＧＢＴモジュール７にボルト１０の装着による影響を与えない構成となっている。

このように配線することにより、ＩＧＢＴモジュール７の中央部に配線や素子が配設されない部位を設けることができるものである。この部位を放熱板３とモジュール底部２とを接続するための係止部材もしくは締結部材を配設するための部位とすることにより、モジュール底部２の中央部と放熱板３の中央部とを接続して、モジュール底部２と放熱板３との接触性を確保して冷却性能を維持できる。
さらに、ＩＧＢＴモジュール７の中央部をあけて、配線を外側に向けて配設するので配線距離を短く構成できる。とくにＰＮ配線においては、配線を短く構成することにより、サージ対策を行うことができる。
また、パワーモジュール底部の平面視中央部に発熱体が配設されておらず、配線が外側に向けて設けられているので、パワーモジュール底部において発生した熱が外側へと伝達されやすく、パワーモジュール底部の中央部に供給される熱量が減少してパワーモジュール底部に発生する反りを軽減できる。

ベース部の密着性の変化を示す図。ベース部の構成を示す図。パワーモジュールの組立て構成を示す図。パワーモジュールの平面図。ＩＧＢＴモジュールの平面図。パワーモジュールモジュール底部のＡ−Ａ線断面図。パワーモジュールモジュール底部のＢ−Ｂ線断面図。モジュール底部における配線構成を示す図。

符号の説明

３放熱板
４シールド板
５制御基板
６カバー
７ＩＧＢＴモジュール
１０ボルト
１２孔
１４カラー
１５Ｐ配線
１６Ｎ配線
１８プレート
１９素子セット
２２ベース部
３１配線

Claims

モジュールベース部上にインバータモジュールを配設し、カバーケースを装着して、インバータモジュールを封止し、モジュールベース下面に放熱板を装着するパワーモジュール構造であって、
前記モジュールベース部上には３相交流用インバータモジュールが２つ構成され、
前記各３相交流用インバータモジュールにはＵＶＷ配線が接続され、
前記２つの３相交流用インバータモジュールは、プレート上に一方の３相交流用インバータモジュールを構成する１つの素子セットと他方の３相交流用インバータモジュールを構成する１つの素子セットとを間隔をおいて配設するとともに、前記プレートを前記モジュールベース部上に３つ並設することにより構成され、
前記３相交流用インバータジュールのＰ配線およびＮ配線がそれぞれ独立して２本ずつ設けられて、
前記一方のＰ配線およびＮ配線は、中央に配置されるプレートの、プレート並設方向における一側端部より一側外方へ配置され、前記他方のＰ配線およびＮ配線は、中央に配置されるプレートの、プレート並設方向における他側端部より他側外方へ配置され、
前記中央に配置されるプレートの一方の素子セットと他方の素子セットとの間に、モジュールベース部下面に接触する放熱板を係止する係止具配設部を設けることを特徴とするパワーモジュール構造。
前記各３相交流用インバータモジュールのＵＶＷの配線は、
各３相交流用インバータモジュールを構成する各素子セットよりも、プレート並設方向と直交する方向における外側に向けて配設されることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール構造。