JP4270864B2 - パワーモジュール - Google Patents
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Description
【技術分野】
本発明は、一般的に、スイッチング半導体素子(以下、「スイッチング素子」と呼ぶ)と平滑コンデンサを内蔵すると共に、スイッチング素子と平滑コンデンサで発生する熱を放散し得る金属ベース板を備えるパワーモジュールに関し、より詳しくは、小型軽量化されたこの型式のパワーモジュールに関する。本発明のパワーモジュールは、特に、車両等輸送手段に使用するのに適する。
【0002】
【背景技術】
図7は、従来のパワーモジュール16のシステムを示す。スイッチング素子等が収納されたパワーモジュール16と平滑コンデンサ8が平行導体17で接続されて、平滑コンデンサ8の温度変化を抑制している。しかしながら、この従来のパワーモジュール16のシステムでは、電解コンデンサを平滑コンデンサ8として用いているので、システム全体が大型化する。又、平滑コンデンサ8とパワーモジュール16の間のインダクタンスが大きいので、スイッチングに起因して生じるサージ電圧によるスイッチング素子の破壊を防止するために、スイッチング素子は大きな耐圧性能を必要とするから、システムが大型化したり、システムの効率が悪い。
【0003】
又、図8(A)と図8(B)は、夫々、特開平10−304680号公報に開示された半導体電力変換装置の回路構成と実装状態を示す。この従来の半導体電力変換装置では、電解コンデンサに比べてその内部抵抗が小さいセラミックコンデンサを平滑コンデンサCとして用いることによって、平滑コンデンサCを小型化しているので、平滑コンデンサCとスイッチング素子Q1〜Q6が共通の冷却部材28で冷却されるように、平滑コンデンサCがスイッチング素子Q1〜Q6と共にスイッチング素子基板36に搭載されるから、平滑コンデンサCとスイッチング素子Q1〜Q6の間のインダクタンスを低減できる。しかしながら、例えば、水冷を冷却部材28として用いる場合、冷却水温度は、周囲環境条件により変動し、特に、スイッチング素子Q1〜Q6の発熱による周囲の温度変化により大きく変動する。又、平滑コンデンサCとして働くセラミックコンデンサは、静電容量に温度依存性があり、特に、高温時に静電容量が減少する特性を有するので、高温時に備えて大きな静電容量をセラミックコンデンサのために確保する必要があるから、セラミックコンデンサ、従って、半導体電力変換装置全体が大型化する。更に、セラミックコンデンサは静電容量あたりの製造費が非常に高いので、大きな静電容量を有するセラミックコンデンサの製造費は極めて高くなる。更に、セラミックコンデンサは、材質によっては特定温度以上で相変態により急激な特性の変化を起こすことがある。
【0004】
一方、特開平11−289036号公報には、発熱素子と電子部品用基板がベース板に搭載されると共に、発熱素子と電子部品用基板の間でベース板に溝を形成することにより、ベース板を発熱素子側の領域と電子部品側の領域とに熱的に分離した電子装置が開示されている。又、特開平4−273150号公報には、ベース板を発熱素子用ベース板と電子部品用ベース板とに別個に分離すると共に、発熱素子用ベース板と電子部品用ベース板を互いに当接するように配置した半導体装置が開示されている。しかしながら、これらの2個の公知の装置は、発熱素子から電子部品への熱伝達の低減を図るものであるから、スイッチング素子として働く発熱素子から平滑コンデンサへ熱が伝達される図7と図8(A)及び図8(B)に示す従来の構成の問題点を解決するものではない。
【0005】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、スイッチング素子と平滑コンデンサの間のインダクタンスを小さくすると共に、平滑コンデンサの温度変化を抑制することにより平滑コンデンサの特性変化を低減して、小型軽量化したパワーモジュールを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のパワーモジュールは、スイッチング素子と平滑コンデンサを内蔵すると共に、スイッチング素子と平滑コンデンサで発生する熱を放散し得る金属ベース板を備え、更に、金属ベース板を、スイッチング半導体素子が装着される第1領域と平滑コンデンサが装着される第2領域とに分離することにより、第1領域から第2領域への熱伝導を妨げるように、金属ベース板に形成した貫通開口と、スイッチング半導体素子と平滑コンデンサの間に配置した中継絶縁基板とを備えて、スイッチング半導体素子と平滑コンデンサが中継絶縁基板を介して接続される。
【0007】
又、本発明においては、貫通開口が、金属ベース板を、互いに離隔された第1領域側の第1金属ベース板と第2領域側の第2金属ベース板とに別個に分離する。
【0008】
【発明を実施するための最良の形態】
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。
【0009】
(第1実施形態)
図1と図2は、本発明の第1実施形態にかかるパワーモジュールの一部を示し、このパワーモジュールは半導体電力変換装置として働く。図3はこのパワーモジュールの回路を示し、図1と図2に示すパワーモジュールの一部は、図3の回路の点線内の部分を占める。
【0010】
図1に示すように、このパワーモジュールは、スイッチング素子1と平滑コンデンサ8を内蔵すると共に、スイッチング素子1と平滑コンデンサ8で発生する熱を、冷却手段であるヒートシンク3を介して放散し得る。ヒートシンク3にスリット11が形成され、スリット11は、ヒートシンク3をスイッチング素子1側の第1領域3aと平滑コンデンサ8側の第2領域3bとに熱的に分離する。図2に示すように、ヒートシンク3の第1領域3aと第2領域3bはスリット11の両端の外方で互いに接続されている。スイッチング素子1は、例えば、はんだ5で絶縁メタライズ基板2の上方表面電極4に固着される一方、絶縁メタライズ基板2の下方表面電極4は、例えば、はんだ5でヒートシンク3の第1領域3aに固着される。
【0011】
スイッチング素子1と絶縁メタライズ基板2の上方表面電極4が、ケース14に一部内蔵された導体7にアルミワイヤ6によって接続されている。平滑コンデンサ8がヒートシンク3の第2領域3bに近接して配置され、平滑コンデンサ8の接続導体9が平滑コンデンサ8と導体7を接続する。例えば、熱伝導性が高く且つ絶縁性の充填材10が、平滑コンデンサ8の熱をヒートシンク3の第2領域3bに導く熱伝導路を形成する。
【0012】
負荷変動に応じてスイッチング素子1からの発熱量が増大すると、ヒートシンク3のスイッチング素子1側の第1領域3aの温度が上昇する。しかしながら、上記したように、ヒートシンク3のスイッチング素子1側の第1領域3aと平滑コンデンサ8側の第2領域3bはスリット11によって互いに熱的に分離されている。従って、ヒートシンク3のスイッチング素子1側の第1領域3aの温度が上昇しても、ヒートシンク3の平滑コンデンサ8側の第2領域3bの温度上昇は小さいので、平滑コンデンサ8の温度上昇が抑制される。
【0013】
このように、パワーモジュールの負荷状況にかかわらず平滑コンデンサ8の温度上昇を抑制できるので、平滑コンデンサ8の温度特性に起因する問題点である平滑コンデンサ8の静電容量の減少を緩和できると共に、平滑コンデンサ8の温度依存性による不具合である平滑コンデンサ8の相変態を解消できる。従って、平滑コンデンサ8は、半導体電力変換装置として必要な平滑コンデンサ8の静電容量に対して、より少ない静電容量で安定動作を継続し得る。又、平滑コンデンサ8とスイッチング素子1の間の距離が小さく抑えられているので、平滑コンデンサ8とスイッチング素子1の間のインダクタンスが小さい。よって、スイッチング素子1のために過大な耐圧距離を確保する必要がないため、スイッチング素子1の絶縁用ガードリングの幅を過度に大きくする必要がないと共に、絶縁メタライズ基板2の沿面絶縁距離を過度に大きくする必要がないから、パワーモジュールを全体として小型化できる。
その結果として、本発明の第1実施形態によれば、パワーモジュールを全体として小型軽量化できる。
【0014】
なお、本実施形態では、ヒートシンク3を冷却手段として用いているが、スイッチング素子1や平滑コンデンサ8を熱伝導により冷却する他のどんな部材、例えば、水冷フィンを冷却手段として用いてもよい。
【0015】
又、本実施形態では、ヒートシンク3にスリット11を形成しているが、例えば、熱伝導率の小さい部材をヒートシンク3のスイッチング素子部と平滑コンデンサ部の間に埋め込むことにより、ヒートシンク3のスイッチング素子部と平滑コンデンサ部を熱的に分離することでスリット11と同等の効果が得られる。その場合、ヒートシンク3のスイッチング素子部と平滑コンデンサ部の間の熱抵抗が0.05K/Wであるとすれば、例えば、ヒートシンク3のスイッチング素子部で3KWの発熱があっても、ヒートシンク3のスイッチング素子部と平滑コンデンサ部の間の温度差は150℃と大きい。一方、スイッチング素子1は、通常、150℃を超えないような熱設計で用いられるから、ヒートシンク3のスイッチング素子部と平滑コンデンサ部は熱的に十分に分離されていると言える。
【0016】
(第2実施形態)
図4と図5は、本発明の第2実施形態にかかるパワーモジュールの一部を示し、このパワーモジュールは半導体電力変換装置として働く。本実施形態では、図5に示すように、ヒートシンクが、スイッチング素子1側の第1ヒートシンク12と平滑コンデンサ8側の第2ヒートシンク13とに別個に分離されていると共に、第1ヒートシンク12と第2ヒートシンク13が互いに離隔して配置されている。スイッチング素子1が固着された絶縁メタライズ基板2の下方表面電極4は、例えば、はんだ5で第1ヒートシンク12に固着される一方、平滑コンデンサ8が第2ヒートシンク13に近接して配置される。充填材10が、平滑コンデンサ8の熱を第2ヒートシンク13に導く熱伝導路を形成する。本発明の第2実施形態のパワーモジュールの他の構造は本発明の第1実施形態のパワーモジュールと同様であるので、その説明を省略する。
【0017】
負荷変動に応じてスイッチング素子1からの発熱量が増大すると、スイッチング素子1側の第1ヒートシンク12の温度が上昇する。しかしながら、上記したように、ヒートシンクがスイッチング素子1側の第1ヒートシンク12と平滑コンデンサ8側の第2ヒートシンク13とに別個に分離されていると共に、第1ヒートシンク12と第2ヒートシンク13が互いに離隔して配置されているから、第1ヒートシンク12と第2ヒートシンク13は互いに熱的に確実に分離されている。従って、スイッチング素子1側の第1ヒートシンク12の温度が上昇しても、平滑コンデンサ8側の第2ヒートシンク13の温度上昇は極めて小さいので、平滑コンデンサ8の温度上昇が第1実施形態よりも大きく抑制される。
その結果として、本発明の第2実施形態によれば、第1実施形態よりも、パワーモジュールを全体として小型軽量化できる。
【0018】
(第3実施形態)
図6は、本発明の第3実施形態にかかるパワーモジュールの一部を示し、このパワーモジュールは半導体電力変換装置として働く。本実施形態では、平滑コンデンサ8が支持板15に固定され、支持板15は第2ヒートシンク13に近接して配置されている。支持板15は、平滑コンデンサ8で発生する熱を、不図示の熱伝導路を介して第2ヒートシンク13に伝導して、平滑コンデンサ8の温度上昇を抑制する。本発明の第3実施形態のパワーモジュールの他の構造は本発明の第2実施形態のパワーモジュールと同様であるので、その説明を省略する。
【0019】
このように、平滑コンデンサ8を支持板15に固定することで、ヒートシンクと熱膨張率が大きく異なる材質の平滑コンデンサ8を用いる場合に、平滑コンデンサ8の長期信頼性をより向上させることができる。又、ヒートシンクと接続導体9の絶縁耐圧距離を大きく取ることができるため、本実施形態のパワーモジュールは高電圧用途に適している。
【0020】
上記第3実施形態は、ヒートシンクが第1ヒートシンク12と第2ヒートシンク13とに別個に分離された第2実施形態に適用されているが、ヒートシンク3がスリット11によって第1領域3aと第2領域3bとに熱的に分離された第1実施形態に適用し得ることは言うまでもない。
【0021】
以上の説明から明らかなように、本発明では、スイッチング素子と平滑コンデンサ間のインダクタンスを小さくし、且つ、スイッチング素子と平滑コンデンサを、夫々、ヒートシンクの2個の熱的に分離された部分に熱伝導するように配置したので、スイッチング素子が、スイッチング動作に起因するサージ電圧に耐えるための過大な耐圧性能を必要としないと共に、平滑コンデンサの温度変化に起因する平滑コンデンサの特性変化が抑制されるから、パワーモジュールを小型軽量化できるという顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体電力変換装置として働く本発明の第1実施形態にかかるパワーモジュールの部分断面図である。
【図2】図1のパワーモジュールの部分底面図である。
【図3】図1のパワーモジュールの回路図である。
【図4】半導体電力変換装置として働く本発明の第2実施形態にかかるパワーモジュールの部分断面図である。
【図5】図4のパワーモジュールの部分底面図である。
【図6】半導体電力変換装置として働く本発明の第3実施形態にかかるパワーモジュールの部分断面図である。
【図7】従来のパワーモジュールのシステムの平面図である。
【図8】(A)と(B)は、夫々、従来の半導体電力変換装置の回路構成と実装状態を示す図である。
【符号の説明】
1 スイッチング素子
3 ヒートシンク
7 導体
8 平滑コンデンサ
11 スリット
12 第1ヒートシンク
13 第2ヒートシンク
14 ケース
Claims (2)
- スイッチング半導体素子と平滑コンデンサを内蔵すると共に、スイッチング半導体素子と平滑コンデンサで発生する熱を放散し得る金属ベース板を備えるパワーモジュールにおいて、
金属ベース板を、スイッチング半導体素子が装着される第1領域と平滑コンデンサが装着される第2領域とに分離することにより、第1領域から第2領域への熱伝導を妨げるように、金属ベース板に形成した貫通開口と、スイッチング半導体素子と平滑コンデンサの間に配置した中継絶縁基板とを備えて、スイッチング半導体素子と平滑コンデンサが中継絶縁基板を介して接続されることを特徴とするパワーモジュール。 - 貫通開口が、金属ベース板を、互いに離隔された第1領域側の第1金属ベース板と第2領域側の第2金属ベース板とに別個に分離する請求項1に記載のパワーモジュール。
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