JP4729909B2

JP4729909B2 - モータ制御装置

Info

Publication number: JP4729909B2
Application number: JP2004341654A
Authority: JP
Inventors: 茂勝永友
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: JP2006158020A

Description

本発明は、主に高圧電源で動作するインバータ装置やサーボアンプなどのモータ制御装置に関するものであり、更にいえばモータ制御装置の絶縁を確保するための絶縁構造に関するものある。

一般にモータ制御装置は複数の電子部品から構成されているが、これらの電子部品を採用する場合にはモータ制御装置の仕様条件、例えば絶縁仕様を満足できる部品を採用しなければならない（たとえば特許文献１参照）。
従来のモータ制御装置、例えばインバータ装置においては、図８および図９に示す構成がとられてきた。図８および図９において、ヒートシンク１１に対し、例えば四隅にスタッド１２を取り付け、前記スタッド１２上に基板１５が載置され、ネジ１６で基板１５は取り付けされている。基板１５の下面にあるヒートシンク１１の上にはインバータ部ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor ）素子等を備えたパワー半導体モジュール１３、および温度センサとしてのサーミスタ１４が実装されている。なお、パワー半導体モジュール１３はネジ１７でヒートシンク１１の上面に密着して取り付けられており、サーミスタ１４はネジ１８でヒートシンク１１に密着し、かつ前記パワー半導体モジュール１３の近傍に取り付けられており、電線２１にて基板１５に接続されている。
この構成においては、パワー半導体モジュール１３の基板１５への位置決めと取付けは次のようにして行う。まずヒートシンク１１の上面に、パワー半導体モジュール１３をネジ１７にて仮固定する。次にパワー半導体モジュール１３の外部電極端子を基板１５の前記外部電極端子用のスルーホール（図示せず）に合わせつつ、基板１５のネジ通し穴２２とスタッド１２の位置が合致するかどうかを確認する。合致していなければパワー半導体モジュール１３の位置をずらせて位置修正をする。合致していれば、あるいはパワー半導体モジュール１３の位置修正をして基板１５の取り付け穴とスタッド１２の位置が合致すれば、基板１５を、ネジ１６を用いてスタッド１２に締め付け固定する。その後、基板１５に設けたネジ１７締め用の穴２３にドライバー等を通してネジ１７を本締めし、ヒートシンク１１の上面にパワー半導体モジュール１３を確実に固定する。その上でパワー半導体モジュール１３の各外部電極端子を基板１５に半田付けする。

特開平１０−２２５１３８号公報（第２図）

ところが前記従来のパワー半導体モジュール１３においては次のような課題があった。例えばモータ制御装置用のパワー半導体モジュールとしてＤＩＰ構造のパワー半導体モジュール（図２のパワー半導体モジュール３を参照）を使用しようとした場合、ＤＩＰ構造のパワー半導体モジュールはモジュールサイズが小さく外部電極端子間の絶縁距離も必然的に小さくなるので、外部電極端子相互間の絶縁距離や外部電極端子とヒートシンク１１との間の絶縁距離を確保することが極めて困難となり、高圧電源に基づいて動作するモータ制御装置に必要な絶縁距離を十分に確保することができないという課題が生じる。また、このようなパワー半導体モジュールを使用しようとする場合、絶縁確保のために外部電極端子間にシリコーンやワニス等の塗布加工を施す必要があり、作業工数が増大してしまうという課題もある。

さらに、パワー半導体モジュールの外部電極端子を基板に半田接続した場合、基板上での外部電極端子間距離を規定の絶縁距離以上にするためには、外部電極端子間の距離を大きく広げ、更には基板上の外部電極端子間部分にルータ加工（貫通穴溝加工）等を施して、モータ制御装置に要求される絶縁距離を確保する必要がある。このためには、外部電極端子に曲げ加工を施して外部電極端子間距離を広げるための加工工数の増加や、これに伴って基板サイズを大きくする必要が生じ、モータ制御装置を小形、低価格化するのに限界が生じるという課題もある。

上記の方法に従って基板上での絶縁距離を確保するため、基板の該当部をルータ加工（貫通穴溝加工）して所定値以上の溝穴幅を設け、これによって絶縁沿面距離を絶縁空間距離（絶縁空間距離は絶縁沿面距離よりも短くて済む）に転換する手段をとることも考えられる。しかし外部電極端子を基板に半田接続するためには図１０に示すように、基板上に外部電極端子用のスルーホールを設け、そのスルーホール周囲に半田部分を設けるので、基板上での絶縁空間距離は実際の外部電極端子間距離より更に短くなる。このため、サイズの小さなＤＩＰ構造のパワー半導体モジュールにおいては、所定の溝穴幅を確保するためのルータ加工そのものが困難となる、あるいはルータ加工で絶縁空間距離に転換したとしても絶縁空間距離そのものが不足している等の問題があり、ＤＩＰ構造のパワー半導体モジュールをモータ制御装置に使用することの想定すらできないという課題もある。

また、ＤＩＰ構造のパワー半導体モジュール外部電極端子の付け根部分ですでに絶縁距離が不足している場合には、外部電極端子にいかなる曲げ加工を施しても、必要な絶縁距離の確保ができないという課題もある。
そこで本発明は、絶縁距離の確保が極めて困難なＤＩＰ構造のパワー半導体モジュール等の部品をモータ制御装置に使用した場合に生じるこれらの課題を解決し、このような部品をも極めて容易に使用することができ、これによって小形、低価格化、省製造工数化を実現できるモータ制御装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、外部電極端子が側面から横に突出し、かつ途中から上方に向かって伸びるＤＩＰ構造を備えたパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの上方に位置する基板であって、前記複数の外部電極端子のうち、少なくとも２個以上の外部電極端子が貫通接続された基板を備えるモータ制御装置において、前記基板は、該基板に貫通接続された外部電極端子どおしが構成する各外部電極端子間のうち少なくとも一つ以上の外部電極端子間に貫通溝穴を有し、前記貫通溝穴に挿入設置されかつ前記パワー半導体モジュールとは別体である絶縁体を有し、前記パワー半導体モジュールは前記絶縁体を挟む前記外部電極端子の付け根部分間に切欠き状の凹部を有し、前記絶縁体は前記パワー半導体モジュールの側面部上下方向に沿って前記切欠き状の凹部内にまで入り込むことを特徴としている。
これにより、絶縁距離の必要な基板面上の外部電極端子間部分が絶縁体により完全遮断されるので、外部電極端子間の距離がない場合でも確実に絶縁を確保することが可能となる。
なお、貫通溝穴は穴状のものに限られるわけではなく、基板外縁の一部をも構成しているいわゆる切欠き形状のものや、本発明の作用効果を奏するその他の類似形状をも含むものであるのはもとよりである。

また、これにより外部電極端子のパワー半導体モジュール側面突出部分において絶縁距離が不足する場合でも、絶縁体により外部電極端子間を完全に遮断することができるので、確実な絶縁を確保することができる。

本発明によれば、パワー半導体モジュール等の外部電極端子間距離やコネクタ端子間距離、基板上の回路パターン間距離等において絶縁距離が不足する場合にも、外部電極端子等の曲げ加工やシリコーン、ワニス等の塗布加工を施すことなく、外部電極端子間距離そのままでも絶縁を確保することが可能となり、これによって高電圧部分にも小形電子部品を使用することが可能となり、モータ制御装置の小形、低価格、省製造工数を実現するという効果を奏することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。

図１は、本発明のモータ制御装置を示す斜視図である。図２は、図１におけるモータ制御装置の分解斜視図である。図３は、図１における絶縁体としてのバリア９を示した図であり、図３（ａ）はバリア９の平面図、図３（ｂ）はバリア９の正面図、図３（ｃ）はバリア９の右側面図である。
図１から図３において、１は冷却用のヒートシンク、３はインバータ部ＩＧＢＴ素子等を含むパワー半導体モジュールであり、複数本の外部電極端子が側面から真横に突出し、かつ途中から上方に向かって伸びたＤＩＰ構造になっている。２は熱伝導率の悪い樹脂で一体形成されたスペーサであり、パワー半導体モジュール３の取り付け位置決めやパワー半導体モジュール３の外部電極端子とヒートシンク１との間の絶縁確保の用等に供するものである。なお、本実施例ではスペーサ２の材料を熱伝導性の低い樹脂としたが、目的に応じて熱伝導性の良好な樹脂としても差し支えはない。４はパワー半導体モジュール３の外部電極端子が接続される第１の基板、５は第1の基板上に位置する第２の基板、９は絶縁材料の樹脂で一体形成された絶縁バリアである。

モータ制御装置はＡＣ２００ＶまたはＡＣ４００Ｖ等の高圧交流電源を入力とし、これらを整流したＤＣ３００ＶまたはＤＣ６００Ｖ等の直流電源電圧に基づいて動作し、高圧の交流電圧を出力するものである。このため、整流部またはインバータ部を備えたパワー半導体モジュール３の各外部電極端子間には高電位差が発生しており、これらの電位差に対応して、前記各外部電極端子間の距離、各外部電極端子とヒートシンク１との間の距離、各外部電極端子と第２の基板４との間の距離を絶縁のため十分に確保する必要がある。
図２に示すパワー半導体モジュール３は民生機器等に使用されるＤＩＰ構造の小形パワー半導体モジュールであるが、民生機器用ゆえにモータ制御装置に要求される絶縁距離の規格には対応できていない、絶縁距離の不足した構造を有している。

具体的には、インバータ部上段側の各相ＩＧＢＴの駆動部に対応する外部電極端子に関し、隣接する出力相どおしの外部電極端子相互間の絶縁距離が不足し（例えば図４に示す端子６１，７１と端子６２、７２との間、端子６２，７２と端子６３，７３との間、または端子６３，７３と端子６１，７１との間）、あるいはインバータ部下段側の各ＩＧＢＴの駆動部との絶縁距離が不足し（例えば図４に示す端子６１，６２，６３，７１，７２，７３と端子６４，６５，６６，７４との間）、前記外部電極端子を第１の基板に接続した場合には、基板上における前記各外部電極端子間の絶縁距離が著しく不足している。
外部電極端子に曲げ加工を施すことで外部電極端子相互間の距離を確保しようとしても、外部電極端子数が多すぎて現実的ではなく、また曲げ加工するには外部電極端子長さの不足のため曲げ加工そのものができず、あるいはパワー半導体モジュールの外部電極端子付け根部分において絶縁距離がすでに不足しているため曲げ加工すること自体が無意味となる等の問題もある。

第１の基板４上の外部電極端子間にルータ加工を施して空間距離に転換することも考えられるが、外部電極端子用のスルーホールやそのまわりの半田部分の存在により空間距離そのものが短すぎる、あるいはルータ加工自体が困難となってしまうのが通常である。
また、ＤＩＰ構造のパワー半導体モジュールに限られるわけではないが、第１の基板４を貫通した外部電極端子の先端と第２の基板上の各回路部分との間の絶縁距離の確保も当然のことながら必要となる。

前記第１の基板４には、バリア９の突起部９ａに対応する位置に前記突起部９ａの通し穴として４ｈを設けており、この４ｈに挿入された前記突起部９ａが外部電極端子間を遮断するので絶縁を確保することができる。前記バリア９の突起部９ａは、図５に示すようにパワー半導体モジュール３の外部電極端子出口付け根部分より下まであり、外部電極端子先端より上まであるが、もしこれら外部電極端子間の絶縁空間距離が十分であれば、必ずしも前記下まであるいは前記上まである必要はない。
また基板４には、前記バリア９の突起部９ｂに対応する位置に突起部９ｂの通し穴４ｇが設けられている。突起部９ｂとその土台となる支柱部９ｄとにより、前記第１の基板との取り付け位置決めを確保している。

更に図５では、前記パワー半導体モジュール３の外部電極端子出口付け根部分には切欠き状の凹部があり、その切欠き状の凹部の中にまで前記バリア突起部９ａが入り込んでいる。このような構成をとることで突起部９ａが外部電極端子の付け根部分を含む幅広い領域で絶縁バリアの役割を果たすので、パワー半導体モジュール３の外部電極端子間距離が規定の絶縁距離以下であっても十分な絶縁を確保することができ、パワー半導体モジュール３の外部電極端子間距離が短いことでの制約を受けることはなくなる。従って当然ながら、外部電極端子間にシリコーンやワニス等の塗布加工を施す必要はなく、作業工数の短縮化も図られる。
外部電極端子間の絶縁が外部電極端子の付け根から先端までの全域に渡って確保され、第１の基板４上においても前記基板を貫通する突起部９ａが絶縁バリアとなるので基板沿面上においても十分な絶縁が確保される。第１の基板４のルータ加工による穴溝幅は突起部９ａの必要厚さ分のみを確保するだけでよく、少ない穴溝幅で済むので、外部電極端子間距離が短い場合にも十分に対応できる。

前記第１の基板４の上方には、前記バリア９が配置される。前記バリア９は、前記第一の基板４の面積と同等かあるいは小さい、例えば直方体で構成されている（本実施例では第１の基板４よりも小さく構成されている）。前記バリア９には、前記第１の基板４上の通し穴４ｈに対応する位置に突起部９ａが設けられており、前記第１の基板４上の通し穴４ｇに対応する位置に突起部９ｂが設けられており、前記バリア９の突起部９ｂの下に前記バリア９の支持部９ｄが形成されている。また前記第２の基板５上の通し穴５ｂに対応する位置には突起部９ｃが形成され、突起部９ｃの下に支持部９ｅが形成されている。前記バリア９の上方には、前記第２の基板５が配置される。前記第２の基板５は、前記バリア９の突起部９ｃに対応する位置に、突起部通し穴５ｂが設けられている。

前記バリア９には、前記第２の基板５を支持するための、支持部９ｆと支持部９ｇも形成されている。またバリア９には、前記第２の基板５の第１の基板面側に実装された高さのある部品に対応する位置部分に凹部９ｈが形成されており、この凹部に前記高さのある部品を収納することで、前記第１の基板と第２の基板との取り付け間隔を短縮することが可能となる。
なお、本実施例でのバリア９は第２の基板面側に凹部を設けているが、この凹部を第１の基板面側に設け、前記第１の基板４の第２の基板面側に実装された高さのある部品をこの凹部に収納することにしても差し支えはなく、本発明と同様の効果を奏するのはもとよりである。

前記バリア９は樹脂材料で形成された絶縁物であり、前記第１の基板４と前記第２の基板５の間に介在させることにより、前記第１の基板４と前記第２の基板５との間において絶縁上必要な距離を規定の距離以下にすることができ、モータ制御装置を小形化することができる。また前記凹部に前記高さの高い部品を収納することで、バリア９を全体的に前記第２の基板側に寄せて、前記第１の基板と第２の基板とを近接させ、モータ制御装置を更に小形化することも可能となる。また前記バリア９の材料として熱伝導性の低い樹脂を用いれば、パワー半導体モジュール３や第１の基板４側から伝わってくる熱の影響を遮断することができるので、第２の基板５の周囲温度の上昇を防止することも可能となる。
また、前記第１の基板４を貫通した外部電極端子先端の真上部分を前記バリア９で覆うので、前記第２の基板５との絶縁も十分に確保される。
なお本実施例では突起部９ａをバリア９と一体形成としたが、これに限る必要はなく、突起部９ａとバリア９とを各々準備し、これを互いに結合する構成としても、本発明の効果を奏することができるのはもとよりである。

第１の実施例におけるバリア９は、前記第１の基板４と同等かあるいは小さな、直方体で構成されているが、前記第１の基板４と前記第２の基板５との間に規定の絶縁距離が確保できている場合には、前記第１の基板４と前記第２の基板５との間にバリア９を挿入する必要はないので、必要な部分に必要なサイズのバリアのみを配置する構成であっても差し支えはない。このようなバリアによる構成を示したものが図６である。
図６は第１の基板４とパワー半導体モジュール３の外部電極端子間部分にバリア１０を挿入する構成としたものであり、このような場合でも前記第１の実施例と同様にパワー半導体モジュール３の外部電極端子間の絶縁空間距離や前記第１の基板４上の絶縁沿面距離を規定の距離以下にすることができ、モータ制御装置を小形化することができる。

本発明のモータ制御装置は、絶縁用のバリアが第1の基板を貫通してパワー半導体モジュールの各外部電極端子間に挿入されることにより、前記電極端子間に要求される絶縁距離を規定の距離以下にすることができるので、外部電極端子間の絶縁距離を満たすために施すシリコーンやワニス等の塗布加工が必要なくなり、作業時間の短縮化を図ることができる。

また、前記外部電極端子間の絶縁を確保するために外部電極端子間の距離を大きくする部品仕様や基板のルータ加工等が必要なくなり、低価格化を実現しつつモータ制御装置の小形化をも図ることが可能となる。更には第1の基板と第２の基板との間に絶縁バリアを挿入するとにより、第1の基板と第２の基板との絶縁距離を規定の絶縁距離以下にすることができ、第１の基板と第２の基板との間隔を短くして、モータ制御装置の小形化を図ることができる。
なお、前記実施例はパワー半導体モジュールの外部電極端子間の絶縁距離を取り上げて説明してきたが、本発明はこのような部位に限られるものではなく、電源用トランジスタやパルストランス、コネクタ端子、その他の高い電位差のある回路部位間の絶縁距離確保の手段としても有用であり、そのまま適用できるのはもとよりである。

本発明のモータ制御装置を示す斜視図である。第１の実施例におけるモータ制御装置の分解斜視図である。第１の実施例におけるバリア９を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。モータ制御装置のインバータ部回路構成図である。ＤＩＰ構造のパワー半導体モジュール３の外部電極端子付け根部分の切欠き状の凹部および凹部の中に入り込んだ絶縁バリアを示した図である。第２の実施例におけるモータ制御装置の分解斜視図である。第２の実施例におけるバリア１０を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図である。（ｄ）は斜視図である。従来技術におけるモータ制御装置を示す斜視図である。図８におけるモータ制御装置の分解斜視図である。基板上で半田接続された外部電極端子間の絶縁距離の様子を示したものである。

符号の説明

１ヒ−トシンク
２スペ−サ
３パワー半導体モジュール
４第１の基板
４ａネジ通し穴
４ｇ突起部通し穴
４ｈ突起部通し穴
４ｊ端子通し穴（スルーホール）
５第２の基板
５ａネジ通し穴
５ｂ突起部通し穴
９絶縁バリア
９ａ突起部
９ｂ突起部
９ｃ突起部
９ｄ支持部
９ｅ支持部
９ｆ支持部
９ｇ支持部
９ｈ凹部
１０絶縁バリア
１０ａ突起部
１１ヒートシンク
１２スタッド
１３パワー半導体モジュール
１４サーミスタ
１５基板
２１電線
２２ネジ通し穴
２３ネジ締め用穴
１６基板固定用のネジ
１７パワー半導体モジュール固定用のネジ
１８サーミスタ固定用のネジ
４１〜４６ＩＧＢＴトランジスタ
４７〜５２ダイオード
６１〜６６ＩＧＢＴ駆動用のゲート入力端子
７１〜７４ＩＧＢＴ駆動用のゲート入力基準電位端子
６７〜６９各相の出力端子
８０正側の直流電源入力端子
８１負側の直流電源入力端子
８５外部電極端子
８６基板のスルーホール
８７スルーホール周囲に設けられた半田部

Claims

外部電極端子が側面から横に突出し、かつ途中から上方に向かって伸びるＤＩＰ構造を備えたパワー半導体モジュールと、
前記パワー半導体モジュールの上方に位置する基板であって、前記複数の外部電極端子のうち、少なくとも２個以上の外部電極端子が貫通接続された基板を備えるモータ制御装置において、
前記基板は、該基板に貫通接続された外部電極端子どおしが構成する各外部電極端子間のうち少なくとも一つ以上の外部電極端子間に貫通溝穴を有し、
前記貫通溝穴に挿入設置されかつ前記パワー半導体モジュールとは別体である絶縁体を有し、
前記パワー半導体モジュールは前記絶縁体を挟む前記外部電極端子の付け根部分間に切欠き状の凹部を有し、
前記絶縁体は前記パワー半導体モジュールの側面部上下方向に沿って前記切欠き状の凹部内にまで入り込むことを特徴とするモータ制御装置。