JP5081951B2 - インバータ装置 - Google Patents

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哲 重田
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Description

本発明はインバータ装置に関する。
従来、モータのみによって駆動される電気自動車や、エンジンとモータの両方によって駆動されるハイブリッド型の電気自動車では、インバータ装置を用いて直流電源から供給される直流を車両駆動用のモータに供給する交流に変換している。インバータ装置は、例えば、特開2001−258267号公報や特開2002−369550号公報に記載のように、パワーモジュールあるいはインバータブリッジ回路と呼ばれる半導体装置と、コンデンサ,ドライブ回路,インターフェース回路,センサ回路,計算機,制御電源等の電子部品を搭載した制御基板等とから構成されている。
パワーモジュールは、絶縁基板上に取り付けられたIGBTやMOSFETからなるスイッチング素子を備えている。スイッチング素子の表面電極と、パワーモジュールを収納する外装ケースに固定された配線の端子との間は、ボンディング用アルミワイヤによって接続された構成となっている。
特開2001−258267号公報 特開2002−369550号公報
上記スイッチング素子を接続するためのボンディング用ワイヤは、スイッチング素子で制御する電流量が増加すると電流による発熱によってワイヤの溶断が起こらないように、接続に使用するワイヤの本数を増加させたり、あるいは各ワイヤ径を大きくしたりすることが必要となる。
具体的に例示すると、例えば、インバータ装置で制御する電流を150Aとし、ボンディングワイヤとしてアルミ線を用いる場合、アルミ線の線径300μmのボンディングワイヤの許容電流を10Aとすると、少なくとも15本のボンディング用ワイヤを使用することが必要がある。ここに例示したワイヤは通常使用されているワイヤより太く、各ワイヤのボンディングに要する時間が長くなる問題が生じる。また使用するワイヤの数が増えることによりその作業時間が長くなる。今時間を例として説明したが、時間の面だけでなく、必要とする機械や技術的な面など、作業性に大きな問題が生じている。
また使用するボンディング用ワイヤ太くなったり、ボンディングに要する時間が長くなるとボンディング時にスイッチング素子に与えるダメージが大きくなり、信頼性が低下するという問題が生じてくる。
本発明の目的の一つはインバータ装置の組立性の向上を図ることである。
本発明では上記目的を達成するために、銅配線には、スイッチング素子の一方の面に形成されたコレクタ電極及びダイオードの一方の面に形成されたカソード電極がハンダを介して接続され、スイッチング素子の他方の面には、エミッタ電極及びゲート電極が形成され、スイッチング素子のゲート電極は、当該スイッチング素子の中央部よりも一方の端辺側に近づけて配置され、かつボンディングワイヤを介してゲート端子と接続され、スイッチング素子のエミッタ電極は、当該スイッチング素子の他方の端辺の近傍からゲート電極の側部まで形成され、板状導体は、スイッチング素子のエミッタ電極を覆って形成される第1導体部と、ダイオードの他方の面に形成されたアノード電極を覆って形成される第2導体部とを有し、板状導体の第1導体部は、ハンダを介してエミッタ電極と接続され、板状導体の第2導体部は、ハンダを介してアノード電極と接続され、板状導体は、第1導体部と第2導体部を一体に形成しており、絶縁性基材は、第1導体部を挟んでスイッチング素子に対向するように形成され、かつ第2導体部を挟んでダイオードに対向するように形成される構成としたことである。
かかる構成により、大電流を流すことのできる板状導体上記半導体素子の電極に接続することにより電気的接続が達成でき、ワイヤボンディングを使用するのに比べ組立性が向上し、合わせてインバータ装置の信頼性が向上する。
本発明によれば、大電流化が可能であるとともに、組立性を向上することができる。
本発明の第1の実施形態によるパワーモジュールを用いた車両の駆動装置を含む駆動システムの概略構成を示すシステムブロック図である。 本発明の第1の実施形態によるパワーモジュールを含むインバータ装置の回路図である。 本発明の第1の実施形態によるパワーモジュールを含むインバータ装置の詳細な回路図である。 本発明の第1の実施形態によるパワーモジュールの外観構成を示す斜視図である。 本発明の第1の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を示す拡大斜視図である。 本発明の第1の実施形態によるパワーモジュールの配線状態図である。 本発明の第1の実施形態によるパワーモジュールを含むインバータ装置の他の構成の回路図である。 本発明の第1の実施形態によるパワーモジュールを含むインバータ装置の他の構成の詳細な回路図である。 本発明の第1の実施形態によるパワーモジュールにおけるスイッチング素子SWUHの上面のエミッタ電極と導体186との間のリード状導体LCによる接続構造を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態によるパワーモジュールにおけるダイオードDUHの上面のエミッタ電極と導体186との間のリード状導体LCによる接続構造を示す断面図である。 本発明の第2の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を示す拡大斜視図である。 本発明の第3の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を示す拡大斜視図である。 本発明の第4の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの断面図である。 本発明の第5の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を示す拡大斜視図である。 図10のA−A断面図である。
図1は車両の駆動装置を含む駆動システムで、具体的には電気自動車の駆動システムを示す。この実施形態は燃料電池を使用した電気自動車であるが、以下に説明するインバータ装置はエンジンとモータの両出力で車輪が駆動されるいわゆるハイブリッドタイプの電気自動車にも使用できる。なお、図1で使用している符号と他の図に示す符号とが同一の場合は同一のものを示す。
インバータ装置100はDC/DCコンバータ330やバッテリー310から供給される直流を交流に変換して回転機であるモータ300に交流を供給する。モータ300は車載用の回転機の一例として示したもので例えば同期モータ300である。モータ300はこの実施例ではロータ内部に永久磁石を有し、供給された交流により回転磁界を発生して上記ロータを回転させ、車両走行のためのトルクを発生する。モータ300の出力トルクは、動力分配機構であるデファレンシャルギアDEFを介して、左右の車輪WH1とWH2に伝えられる。インバータ装置に供給される電力は燃料電池システム(FCS)320で作られる。なお上記ハイブリッドタイプの電気自動車では燃料電池システム(FCS)に代わり、エンジンにより駆動される発電機から供給された電力を蓄える二次電池から供給される。このハイブリッドタイプの電気自動車では上記エンジンとモータ300の両方の出力で車両の走行が行われる。
燃料電池システム(FCS)320は、燃料セル(FC)322と、水素等の燃料を蓄えるタンク324と空気を取り込む機構326と反応で作られた水を蓄える排水タンク328とから構成されている。燃料タンク324には加圧された気体の水素が蓄えられており、制御装置350によりの制御信号で燃料タンク324から燃料セル322に供給される燃料量が制御される。また燃料と反応するための酸素を含む空気が空気取り込み機構326から取り込まれ、燃料セル(FC)322に供給される。
燃料セル322は反応幕と燃料極と空気極とを備えており、燃料タンク324からの水素と空気取り込み機構326から供給された酸素とに基づき直流電圧を発生し、水素と酸素との反応の結果水が生成される。水素分子は燃料セル322でイオン化し、これにより燃料セルの燃料極はマイナス電位となり、正に帯電した水素イオンが燃料セル322の空気極に集まることにより、空気極は正電位となる。燃料電池システム320から電流が外部の電気負荷に供給されることで、燃料セルから空気極に上記負荷などの外部回路を介して電流が流れることによる電子が供給される。空気極は酸素が供給されており、空気極に電子が外部回路から供給されると空気極では水素イオンと酸素が反応して水ができる。この水は上記排水タンク328に蓄えられる。上記燃料としては水素の他にメタノール、ガソリン、ナチュラルガス(Natural Gas)が使用できる。
燃料電池システム320が発生する電力量は燃料セル322に供給される燃料量、すなわち水素量に基づいておおむね決まる。コントロールユニット350は燃料電池システム320の負荷状態を図示しないアクセル踏込み量を検出するセンサなどにより検知し、負荷状態に基づき燃料セル322に供給する燃料供給量を制御する。上記負荷状態は例えば燃料電池システム320の出力端子電圧を検知することでも検出でき、例えば前記出力端子電圧が目標電圧になるように前記燃料供給量をフィードバック制御してもよい。
燃料電池システム320から電力を直接バッテリー310へ供給しても良いし、直流電圧変換装置であるDC/DCコンバータ330を介して電圧を適切な値に変換して、バッテリー310に供給しても良い。この実施の形態はDC/DCコンバータ330により適切な電圧に変換してバッテリーに蓄える方式を示している。
バッテリー310は直流電源ラインにスイッチ312を介して接続されている。バッテリー310の端子電圧は例えば300ボルト(V)で、インバータ装置200には直流電圧300Vが供給され、三相交流に変換されて供給ラインUVWを介してモータ300に供給される。
バッテリー310の定格電圧は、例えば300Vであり、燃料電池320の定格電圧は、24V〜96V、例えば48Vである。この場合、燃料電池320の出力電圧は、昇圧型のDC/DCコンバータ330によって昇圧され、バッテリー310に供給され充電される。しかし、定格電圧は色々設定可能であり、例えばインバータ装置200とバッテリー310の定格電圧を600ボルト、燃料電池システム320の出力電圧300ボルトとしても良い。また他の例として燃料電池で約400ボルトの電圧を発生し、DC/DCコンバータ330で電圧を下げ、定格300ボルトの電圧をインバータ装置200およびバッテリー310に供給するものであっても良い。
モータ300には、バッテリー310からインバータ装置200を介して電力が供給される。インバータ装置200は、モータ制御ユニットMCU212と、以下で説明するパワーモジュール100と、このパワーモジュール100を構成する半導体スイッチング素子を駆動するゲート信号を発生するドライブ回路ユニット210とから構成されている。制御ユニット350は、図示しないアクセル操作量を検出するセンサが発生する車両のアクセル操作量を入力情報として受け、アクセル操作量に基づくモータ300の発生目標トルクを算出し、モータ制御ユニット212へモータトルク指令として送信する。モータ制御ユニット212はモータが発生すべきトルク指令に基づきドライブ回路ユニット210が発生するゲート信号の発生を制御する。
インバータ装置はパワーモジュール100に複数のアームを有しており、上記アームの導通や非道通が前記ゲート信号により制御され、インバータ装置は前記ゲート信号に基づいて発生した三相交流電流を上記モータ300に供給する。詳細にはモータ制御ユニット212は、モータのロータ位置やモータに流れている電流値、モータの温度を入力情報として受け、モータの安全性の維持を考慮した制御を行なう。
さらに上記モータの温度や電流値は上位の制御装置であるコントロールユニット350に送られる。車両がハイブリット車である場合には、コントロールユニット350は車両の走行に必要なトルクをアクセルの操作量などの情報から算出し、算出した必要トルクをエンジンとモータでどのように分担するかの演算を行い、モータの分担トルクを求める。このモータの分担トルクをトルク指令値としてモータ制御ユニット212へ送る。上述の如く、モータ制御ユニット212はドライブ回路ユニット210を制御してパワーモジュール100の半導体スイッチング素子のゲート信号の発生を制御し、モータは上記モータの分担トルクを発生する。
DC/DCコンバータ330は、入力の直流電圧を昇圧または降圧する働きをなし、電流を周期的に遮断する半導体スイッチング素子を有するコンバータ回路332と前記コンバータ回路332のスイッチング素子を制御するために、上記スイッチング素子のゲートに供給する制御信号を発生するドライブ回路ユニット334とから構成される。
コントロールユニット350はさらに、バッテリーの充放電状態やモータの負荷状態を検知し、検出結果に基づきDC/DCコンバータ330を制御し、バッテリー310の充電を制御したり、モータへの供給電圧を制御したりする。モータ300へ供給すべき電流が多い時はバッテリー310からの電流に加え燃料電池システム320からDC/DCコンバータ330を介して電流を供給する。また車両が低速走行の状態、すなわちモータ300の回転速度が低い状態では、モータ300の内部誘起電圧が低いので大電流を供給できる。この場合、DC/DCコンバータ330はバッテリー310の定格電圧に対応する電圧を出力する。車両速度が速い状態はモータ300の回転速度が速い状態であり、モータ内部の誘起電圧は高くなる。誘起電圧が高くなるのを押えるために一般的には弱め界磁制御が行なわれるが、それでも誘起電圧の上昇は押えきれず、必要な電流をモータに供給することが困難となる。内部誘起電圧の上昇に対応するにはモータへ供給している電源電圧を上げることが望ましい。モータ300の高速回転状態では、DC/DCコンバータ330の出力電圧を上げるようにコントロールユニット350はDC/DCコンバータ330を制御すると共に、バッテリー310の端子とインバータ300の入力端子との間のスイッチ312を開き、バッテリー310をインバータの直流電力供給ラインから切り離す制御を行う。これによりモータに供給される入力電圧を高くでき、モータの内部誘起電圧が上昇しても、それより高い電圧で電力を供給することで、モータへの電流供給量の低下現象を押えることができる。
図2は、図1に示すインバータ装置200の回路図である。インバータ装置200のパワーモジュール100は6つのアームから構成され、車載用直流電源であるバッテリー310から供給される直流を交流に変換して回転機であるモータ300に電力を供給する。なおこの実施の形態では、モータ300は回転子に永久磁石を有する同期モータである。パワーモジュールの上記6つのアームは、U相の上アーム100UH、U相の下アーム100UL、V相の上アーム100VH、V相の下アーム100VL、W相の上アーム100WH、W相の下アーム100WLである。なお図2に示す実施の形態では上記各相の各アームは半導体のスイッチング素子としてIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を使用している。半導体のスイッチング素子としてはIGBT以外に電力用MOS‐FET(Metal Oxide Semiconductor ‐ Field Effect Transistor)を使用することができる。
IGBTは動作速度が速いメリットがある。昔は、電力用MOS‐FETが使用できる電圧が低かったので、高電圧用のインバータはIGBTで作られていた。しかし最近は電力用MOS‐FETの使用できる電圧が高くなり、車両用インバータではどちらも半導体スイッチング素子として使用可能である。電力用MOS‐FETの場合は半導体の構造がIGBTに比べてシンプルであり、半導体の製造工程がIGBTに比べ少なくなるメリットがある。
図2において相UVWの各相の上アームと下アームとはそれぞれ直列に接続されている。U相とV相とW相の各上アーム100UH、100VH、100WHのそれぞれのコレクタ端子(電力用MOS‐FET使用の場合はドレーン端子)は直流電源の正極側の配線LHに接続される。一方U相とV相とW相の各下アーム100UL、100VL、100WLのそれぞれのエミッタ端子(電力用MOS‐FETの場合はソース端子)は、直流電源の負極側の配線LLに接続される。配線LHと配線LLの間には、図1で説明の如く、車載に搭載されたバッテリー310あるいは電圧変換機であるDC/DCコンバータ330のごとき直流電源が接続され、直流電圧がインバータ装置のパワーモジュール100に供給される。
U相上アーム100UHのエミッタ端子(電力用MOS‐FETの場合はソース端子)とU相下アーム100ULのコレクタ端子(電力用MOS‐FETの場合はドレーン端子)の接続点は、モータのU相端子に接続され、U相電流が流れる。電機子巻線(永久磁石型同期モータの固定子巻線)がY結線の場合はU相巻線の電流が流れる。V相上アーム100VHのエミッタ端子(電力用MOS‐FETの場合はソース端子)とV相下アーム100VLのコレクタ端子(電力用MOS‐FETの場合はドレーン端子)の接続点は、モータのV相の電機子巻線(固定子巻線)のV相端子に接続され、V相電流が流れる。固定子巻線がY結線の場合はV相巻線の電流が流れる。W相上アーム100WHのエミッタ端子(電力用MOS‐FETの場合はソース端子)と、W相下アーム100WLのコレクタ端子(電力用MOS‐FETの場合はドレーン端子)の接続点はモータのW相端子に接続される。固定子巻線がY結線の場合はW相巻線の電流が流れる。
図2でパワーモジュール100には上述のとおりバッテリー310などの直流電源から直流電圧が正極側配線LHと負極側配線LLを介して印加される。正極側配線LHと負極側配線LLには実装回路においてそれぞれインダクタンス114が存在する。たま正極側配線LHと負極側配線LL間にコンデンサ112が設けられており、このコンデンサ112およびインダクタンス114により、パワーモジュール100が発生するノイズ除去や電圧変動が電源ラインを介して他の機器に影響を与えるのを防止する。
モータ制御ユニット212によりゲート信号を発生するドライバユニット210が制御され、各相のドライバユニットUDU、VDU、WDUからゲート信号が各層の半導体スイッチング素子にゲート信号が供給される。このケーと信号により各アームの導通、非導通(遮断)が制御される。その結果供給された直流は三相交流に変換される。三相交流の発生は既に知られているので詳細な動作説明を省略する。
インバータの各アーム100UH、100UL、100VH、100VL、100WH、100WLを構成する半導体のスイッチング素子はそれぞれ複数のスイッチング素子の並列接続で構成される。この様子を図3に示す。図3はアーム100UHとアーム100ULの詳細を示す。それぞれのアームは、アーム100UHで代表して示すように、IGBTの如きスイッチング素子SWUH1とこれに並列接続されたダイオードDUH1とから構成された回路が複数個、この実施の形態では4組並列に接続されている。すなわちスイッチング素子SWUH1とダイオードDUH1からなるスイッチング回路、スイッチング素子SWUH2とダイオードDUH2からなるスイッチング回路、スイッチング素子SWUH3とダイオードDUH3からなるスイッチング回路、スイッチング素子SWUH4とダイオードDUH4からなるスイッチング回路で示される4組のスイッチング回路がさらに並列接続されている。IGBTの代わりに電力用MOS‐FETを使用した場合は、各電力用MOS‐FETは既にダイオードの機能を備えているので、ダイオードDUH1〜DUH4は不要である。
図3は4組のスイッチング回路の並列であるが、何組並列にするかはモータに供給する最大供給電流値で決まる。上述の如くインバータを構成する各アームはこの実施例ではそれぞれ4組のスイッチング回路で構成されている。これらのスイッチング回路の各ゲートにはドライバユニット210のUDUから並列にゲート制御信号が供給される。ドライバユニット210のUDUと同様の回路がVDUやWDUにも設けられており、各スイッチング回路を構成する各スイッチング素子に並列的にゲート信号が供給される。
各スイッチング素子を並列接続する理由はモータの最大電流に対応するためだけでなく、自動車の安全性向上の課題に基づいている。IGBTや電力用MOS‐FETを実装する場合、熱サイクルに対する損傷防止がたいへん重要な課題である。インバータ回路の損傷の大きな原因は、インバータ回路を動作させる度に実装しているスイッチング素子のチップに熱膨張による応力が発生し、この繰り返しにより破損が生じることである。破損した結果として素子の電気的な導通が損なわれる。本実施例では複数個の素子を並列接続しているので、その内の1個に電気的な導通の障害が生じても、モータの最大トルクを下げるなどの非常時の対応で、修理場や近くの町までの走行を維持できる。また高速走行時に突然モータトルクの発生が停止するといった危険性を回避できる。大電流を流すことができる1個のスイッチング素子に変えて複数のスイッチング素子の並列回路を使用すると、部品数の増加やそれに伴う製造上の作業量の増加が生じるが、異常時の危険性の低減につながる。
図2や図3に示すパワーモジュール100の実装構造を図4と図5に示す。図4はパワーモジュール100の外観を示す斜視図、図5はアーム部の拡大図である。図4と図5で、樹脂製の枠体190の内部にはインバータのパワーモジュール100を構成する各アームが配置されており、、U相,V相,W相の各相の上アームのコレクタ端子TUHC、TVHC、TWHCと、各相の下アームコレクタ端子TULC、TVLC、TWLCと、各相の上アームのエミッタ端子TUHE、TVHE、TWHEと、各相の下アームエミッタ端子TULE、TVLE、TWLEと、各相の上アームゲート端子TUHG、TVHG、TWHGと、各相の下アームゲート端子TULG、TVLG、TWLGとが、枠体190の側壁に設けられている。なお、この例では、各アーム100UH、100UL、100VH、100VL、100WH、100WLは、並列接続された4個のIGBTである半導体スイッチング素子SWと、これらの各半導体スイッチング素子にそれぞれ並列接続されるダイオードから構成されている。前記各相の上アームゲート端子TUHG、TVHG、TWHGと、前記各相の下アームゲート端子TULG、TVLG、TWLGとは、上記並列接続された4個の各半導体スイッチング素子に対応する4個のゲート端子を有している。上アーム100UHを6個のアームの代表例として説明する。
図4で、U相の上アームゲート端子TUHGは、上アーム100UHを構成する各半導体スイッチング素子SWに対応する4個のゲート端子TUHG1、TUHG2、TUHG2、TUHG2から構成されている。他のアームのゲートTVHG、TWHG、TULG、TVLG、TWLGもそれぞれ同様に、4個の半導体スイッチング素子にそれぞれに対応して4個のゲート端子が設けられている。詳細構造は図5を用いて後述する。なお各アームのスイッチング素子は電気的に並列接続されているので、4個のゲート端子を枠体190の内部で接続する構造にすればインバータ装置全体の構造が簡単となる。しかし、各素子毎に異常がないかどうかの診断を行うには各素子毎に独立してゲート信号を加え、素子の動作を診断することが望ましい。この場合はモータ制御ユニット212およびドライバユニット210を取り付けた回路基盤までそれぞれのゲートの配線を別々に行うようにし、この回路基盤で上記並列接続された素子のゲート信号を同時に加えるか、別々に加えるかを制御する。この実施の形態は各素子のゲートが上記回路基盤から別々に独立して設けられている。この点に対し図3は説明を省略し、回路も概念的にゲート回路が分離されていないように書いてあるがこれは説明を簡略化したものである。実際はドライブユニットの出力はさらに各ゲートごとに設けられたスイッチ回路をそれぞれ介してつながっており、モータの動作モードではこれらスイッチが導通しており、テストモードではテスト対象のスイッチのみが導通し他は遮断している。
各アーム100UH、100VH、100WH、100UL、100VL、100WLはそれぞれ並列接続された4個の半導体のスイッチング素子を有しており、上記4個のスイッチング素子SWの上側電極(この例では、IGBTのエミッタ電極)は、リード状導体LCによって接続される。リード状導体LCとしては、例えば、銅やアルミニウムの薄板状コア材の表面にニッケルめっきおよび金めっきを施したもの、あるいは同様なコア材の表面にニッケルめっきおよびスズめっきを施したもの、あるいは「銅」と「鉄−ニッケル合金」を複合化したコア材としこれにニッケルめっきおよび金あるいはスズめっきを施したものが使用可能である。
また、リード状導体LCは、例えば、窒化アルミニウムや窒化珪素などのセラミクスに銅やアルミニウムあるいは「銅」と「鉄−ニッケル合金」の複合材を接続し、ニッケルめっきおよび金あるいはスズめっきを施したものを用いることも可能である。
図4および図5は、パワーモジュール100の上蓋を取り外した状態を示しており、後述する図6の配線盤が樹脂190の蓋として上に設けられる。パワーモジュール100において、運転時のワイヤ振動や、外部から混入する恐れの有る水分や異物の影響を防ぐ目的で、枠体190の内部に、シリコーン等のゲルが注入されている。
図3に示すように、例えば、U相上アーム100UHは、4個のIGBTからなるU相上アーム半導体スイッチング素子SWUH1,SWUH2,SWUH3,SWUH4と、これらの半導体スイッチング素子に並列接続されるダイオードDUH1,DUH2,DUH3,DUH4とから構成される。
次に、図5を用いて、本実施形態によるパワーモジュール100の各アームの実装構造を説明する。図5は、6個のアームの代表としてアーム100UHの選び、その構造を説明するための斜視図である。U相上アーム100UHを代表例として説明するが、他のアームの実装構造も同様である。
上アーム100UHは、4個の半導体スイッチング素子SWUH1,SWUH2,SWUH3,SWUH4を有している。スイッチング素子SWUHはそれぞれ例えば、12mm×12mm、厚さ550μmのIGBT素子のチップである。絶縁基板180は窒化アルミニウムからなり、その下面は水あるいは空気により冷却される構造である。絶縁基板180の上には、厚さ0.3mmの銅配線182が層として形成されている。銅配線182の表面(図示の上側の面)には、ニッケルめっき膜が形成されている。スイッチング素子SWUHの一方の電極は、スズおよび鉛からなる融点約330℃のハンダ184によって、銅配線182に固定されている。この動配線は端子TUHCに電気的につながっている。この実施の形態では、スイッチング素子SWUH1〜SWUH4のチップの下面側はコレクタ電極、上面側がエミッタ電極である。しかし上記チップを逆に取り付け、下側をエミッタ、上側をコレクタとしても良い。
図4と図5の例ではスイッチング素子のシリコンチップの下側にコレクタを配置しているため、4個のスイッチング素子のコレクタ電極が共通に使用される銅配線182である配線層に並列に配置、接続されている。前記銅配線182は、U相上アームコレクタ端子TUHCに樹脂製の枠体190の内部で電気的につながっている。また、前記銅配線182には、上アーム100UHを構成する4個のダイオードDUH1,DUH2,DUH3,DUH4が並列に配置され,接続されている。ここでダイオードDUH1,DUH2,DUH3,DUHはそれぞれ、5mm×5mm×0.4mmtの大きさのチップで、ダイオードのカソード極(陰極)が銅配線182側となるように設けられている。スイッチング素子のシリコンチップを逆向き配線層に固定した場合、すなわちエミッタを前記銅配線182の側にして接続した場合は、上記ダイオードはアノード極(陽極)が前記銅配線182の側となるようにそれぞれ配置し、接続される。
本構造では、共通の配線板である銅配線182に並列接続の半導体スイッチング素子がそれぞれ固定されており、この構造により配線作業がやり易くなる。また共通の配線板である銅配線182は並列接続の半導体スイッチング素子を設けるので、配線層は自然と大きくなり、インダクタンスや電機抵抗を小さくできる、あるいは各素子に関して極端な電流の偏りを抑えられその結果として熱の局部集中を押さえることが出来、すなわち絶縁基板180を介して放熱する放熱面積が増え、温度を均一化する効果がある。配線層が大きくなるので機械的にも強くなる。この配線板に並列接続のダイオードを設けているので、構造がシンプルでダイオードチップの取り付けも容易である。本実施の形態では各スイッチング素子にそれぞれ対応してダイオードが設けられているが、スイッチング素子2個に対して1個のダイオードを設けるなど、ダイオードを少なくとも1個以上設ければよい。安全性を確保することを考えると1個以上を起こしても少なくとも2個以上設けることで対応でき、2個以上設ければ、安全がさらに向上する。
絶縁基板180の上には、板状(層であれば良い)の導体186が固定されている。この板状導体186は、U相上アームエミッタ端子TUHEと樹脂製の枠体190の内部で電気的に接続されている。並列接続されたスイッチング素子SWUH1〜SWUH4の上面にそれぞれ設けられたエミッタ電極EE及びダイオードDUH1〜DUH4のアノード極(陽極)と、導体186とは、リード状導体LCによって接続されている。リード状導体LCは、図示の如く板状導体であり、スイッチング素子SWUH1〜SWUH4およびダイオードDUH1〜DUH4、その他接続用端子の位置および高さに合わせて予め切断され、プレスにより折り曲げられており、その途中に曲げ部LC-Cを有している。この実施の形態では、リード状導体LCは、導体186との接続部側は一体的に形成され、4個のスイッチング素子SWUHとの接続部側は、スイッチング素子SWUHのそれぞれに対応して先端が分割され、分割された先端部毎に個別にスイッチング素子SWUH1、SWUH2、SWUH3、SWUH4と接続されている。後述するように、リード状導体LCの端子170の下面側には、予め多数の突起が形成されている。端子170の突起は、スズ,銀および銅からなる融点約230℃のハンダからなる。ハンダの溶融により、スイッチング素子SWUHの上面に設けられたエミッタ電極及びダイオードDUHの上側電極と、導体186とは、板形状のリード状導体LCによって接続される。
図4のアーム100UHの上記説明は他のアーム100UL、100VH、100VL、100WH、100WLも同様である。アーム100VHの共通電極182(図示せず)には4個の半導体スイッチング素子のコレクタ側が固定されており、この共通電極182(図示せず)は端子TVHCと電気的に接続されている。またアーム100VHの共通電極186(図示せず)は、板状導体であるリード状導体LCによりアーム100VHの半導体スイッチング素子のエミッタ側に電気的に接続されるとともに、端子TVHEに接続されている。同様にアーム100WHの共通電極182(図示せず)には4個の半導体スイッチング素子のコレクタ側が固定されており、この共通電極182(図示せず)は端子TWHCと電気的に接続されている。またアーム100WHの共通電極186(図示せず)は、板状導体であるリード状導体LCによりアーム100WHの半導体スイッチング素子のエミッタ側に電気的に接続されるとともに、端子TWHEに接続されている。なお上記板状胴体は、絶縁基盤に設けられた導体の層であれば良い。
アーム100ULの共通電極182(図示せず)には4個の半導体スイッチング素子のコレクタ側が固定されており、この共通電極182(図示せず)は2個の端子TULC1とTULC2とにそれぞれ電気的に接続されている。またアームモジュール100ULの共通電極186は、板状導体であるリード状導体LCによりアームモジュール100ULの半導体スイッチング素子のエミッタ側に電気的に接続されるとともに、端子TULEに接続されている。
アーム100VLの共通電極182(図示せず)には4個の半導体スイッチング素子のコレクタ側が固定されており、この共通電極182(図示せず)は2個の端子TVLC1とTVLC2とにそれぞれ電気的に接続されている。またアームモジュール100VLの共通電極186(図示せず)は、板状導体であるリード状導体LCによりアーム100VLの半導体スイッチング素子のエミッタ側に電気的に接続されるとともに、端子TVLEに接続されている。
さらにアーム100WLの共通電極182(図示せず)には4個の半導体スイッチング素子のコレクタ側が固定されており、この共通電極182(図示せず)は2個の端子TWLC1とTWLC2とにそれぞれ電気的に接続されている。またアーム100WLの共通電極186(図示せず)は、板状導体であるリード状導体LCによりアーム100WLの半導体スイッチング素子のエミッタ側に電気的に接続されるとともに、端子TWLEに接続されている。
図4と図5の実施の形態では、板状導体182に並列接続の半導体チップを取り付け、上記並列の半導体チップの反対方向の端子は共通の板状導体で接続しているので、振動に強い構造であり、振動の激しい自動車に搭載するのに優れている。さらにワイヤボンディングが不要であり、製造が容易である。またワイヤボンディングに比べ電流の集中化を防げるので、大電流に対し熱応力の集中を改善できる。
スイッチング素子SWUHの上面に設けられたゲート電極EGと、絶縁基板180に設けられたゲート端子電極TGは、ボンディングワイヤBWによって接続される。4個のゲート端子電極TGは、それぞれ、図4に示したU相上アームゲート端子TUHG1,TUHG2,TUHG3,TUHG4と接続される。
絶縁基板180の下には、銅等の熱伝導性の良い部材からなる放熱板が固定される。放熱板は、冷却水等の冷媒と接触して、スイッチング素子SWUHからの発熱を放熱することができる。
図6を用いてパワーモジュール100の配線状態を説明する。図6は配線盤であり、図4および図5に示す枠体の上面を覆うように配置することにより、図4と5に示すアームの端子TUHC、TVHC、TWHCはそれぞれ銅板からなる配線LHに設けられた穴を突き抜ける構造となり、配線LHと上記各端子は溶接により接続される。また図5や図6に示す回路部品の保護のため、枠体190の内部に防湿用のゲルを入れ、枠体190の上面を図6の配線盤で塞ぐ構造となる。
前記配線HLはコネクタである正端子につながっている。また銅版からなる配線LLに上記配線LHと同様、穴があけられている。図6の配線盤を図4のモジュールの上に配置することにより、前記穴から3個の端子TULE、TVLE、TWLEの先端がそれぞれ突き出るようになる。前記突き出した端子と前記配線LLとを溶接で接続することで電気的に接続される。前記配線LLは負端子につながる。前記正端子および前記負端子は直流電源の正端子および負端子につながる。
図6に示す配線盤には銅板からなる配線612U、612V、612Wが設けられており、前記板状の配線612Uは2つの穴から端子TUHEとTULC1との先端がそれぞれ突き出し、これら先端と上記配線612Uとが溶接により固定される。同様に配線612Vや配線612Wの穴から端子TVHEやTVLC1の先端、あるいは端子TWHETWLC1の先端がそれぞれ突き出し、溶接により固定される。図6において、端子TULC1とTULC2、TVLC1とTVLC2、TWLC1とTWLC2とはそれぞれ図5で説明した共通電極182で電気的に互いに接続されており、TULC2とTVLC2とTWLC2が端子TU、TV、TWに電気的につながっている。端子TU、TV、TWは配線盤に固定されており、これら端子からインバータの出力である三相交流電力がモータ300に供給される。
図7は図2の代案であり、図2はパワーモジュール100を構成するスイッチング素子としてIGBTを使用しているが、図7は電力用MOS‐FET(Metal Oxide Semiconductor ‐ Field Effect Transistor)を使用したものである。図2と同じ番号は同じ機能を持ち、同じ作用をする。パワーモジュール100は図2のアーム100UH、100UL、100VH、100VL、100WH、100WLと同じ動作をするアーム700UH、700UL、700VH、700VL、700WH、700WLで構成されている。これら各アームは図8に示す如く複数の電力用MOS‐FETであるSWUH1〜SWUH2からなる並列回路で構成されている。並列接続されたこれらのスイッチング素子は先の説明のIGBTと同じと考えてよく、これらのチップも図4や5で説明の構造と同様の構造で枠体に固定され、配線される。IGBTと相違する点は、IGBTを使用した場合にはダイオードが必要であるが、電力用MOS‐FETは不要である。その理由は、前記ダイオードが果す機能を電力用MOS‐FETのチップ自身は既に備えているからである。
図9を用いて、パワーモジュールに使用されているスイッチング素子SWUHの上面電極であるエミッタ電極と導体186との間のリード状導体LCによる接続構造について説明する。図9は、図5に示すパワーモジュールを構成するスイッチング素子SWUHの上面のエミッタ電極と導体186との間のリード状導体LCによる接続構造を示す、図5のA−A断面図である。なお、他図と同一符号は、同一物を示している。
セラミックスからなる絶縁基板180の上に銅配線182の層が形成されている。銅配線182の表面(図示の上側の面)にはニッケルめっき膜が形成されている。スイッチング素子SWUHの下面側に形成されたコレクタ電極EDは、スズおよび鉛からなる融点約330℃のハンダ184によって銅配線182に固定されている。さらに、セラミックスで作られた絶縁基板180Aの上には、導体186が層状に形成されている。導体186の表面には、金めっき膜188が形成されている。なお、この図では絶縁基板180とは別に厚さの異なる絶縁基板180Aを設け、この絶縁基板180Aに導体186を層として形成しているが、これは導体186とスイッチング素子SWUHのチップの上側の電極との高さ関係をほぼ同じにしようとした構造である。他の方法として絶縁基板180Aを特別に設けることなく、絶縁基板180の延長上に導体186を形成してもよい。この場合は導体LCの端子174と端子176とは異なる高さ関係となり、接続がやや複雑となる。しかしスイッチング素子の発熱が導体LCと導体186とを介して伝導する熱抵抗が小さくなり、素子の温度上昇を押さえる効果がある。
リード状導体LCは、厚さ0.3〜0.6mmの銅板の表面にニッケルめっきを施したものである。リード状導体LCは、スイッチング素子SWUHの上に位置する部分において、そのリード状導体LCの幅はスイッチング素子SWUHの幅とほぼ等しい約15mmである。スイッチング素子SWUHと導体186との間のリード状導体LCには、応力を吸収する目的から曲げ部LC−Cが形成されている。曲げ部LC−Cの高さH1は、3〜7mmになっている。曲げ部LC−Cは、各部の線膨張係数の違いにより、スイッチング素子SWの上面の接続部に応力が集中し、接続部の剥離や接続部に亀裂(クラック)が生じることを防止するための応力低減部(応力緩和部)としての機能を有している。線膨張係数の相違により応力が発生すると、曲げ部LC−Cが変形して、応力を緩和できる。
リード状導体LCの両端には接続のための端子170と172が形成されている。この端子170,172はその下面に接続面を有している。それら接続面にはそれぞれ多数の突起が設けられている。これら突起は次のようにして形成される。状導体LCの端子部の接続面である下面に、エポキシ樹脂を主成分とするソルダレジスト層174,176が約30〜100μmの厚さで形成される。ソルダレジスト層174,176に対して、フォトレジストにより、端子170,174の接続面の突起に対応して直径500μmの開口部を形成する。この開口部から導体LCの接続面に金めっき膜を形成する。さらに、これら金めっき膜に、スズ,銀および銅からなる融点約230℃のハンダを、直径500μmのハンダボールとして、取り付ける。スイッチング素子SWUHの上面に形成されたエミッタ電極ESの寸法を、12mm×8mmとすると、端子の接続面の突起は、7行×7列で、49個形成される。端子170の突起の個数は端子172の突起の個数とほぼ同じとする。
導体186及びスイッチング素子SWUHの上面のエミッタ電極ESに対して、リード状導体LCを位置決めし、カーボン製の押さえ治具によりリード状導体LCを保持した後で、端子170,172に使用されているハンダ材の融点より高い雰囲気の加熱炉に、これらを導入する。これにより、導体186及びスイッチング素子SWUHの上面のエミッタ電極ESに対して、リード状導体LCを固着することができる。
なお上記突起に加え、直径500μmのハンダボールを用いることにより、リード状導体LCの端子部の下面と、スイッチング素子SWUHの上面とのギャップH2は、500μm以上とすることができる。スイッチング素子SWUHは、その端面のアース電位(このケースではコレクタ電位)の位置と、上面のエミッタ電極ESとの間に、所定の電圧V1(スイッチング素子SWUHの常用最大電圧600Vとすると、電圧V1は、2倍の1200V)が印加されても絶縁破壊しないような絶縁耐圧を有する構造となっている。この構造で、リード状導体LCの下面と、スイッチング素子SWUHの上面とのギャップH2を500μm以上とすることにより、リード状導体LCの下面と、スイッチング素子SWUHの上面間の絶縁耐圧が低下するのを防止できる。
なお、端子170、172の材料としては、スズあるいはスズに銅,銀,亜鉛,ニッケル等の金属を配合した合金を用いることも可能である。さらに、これらの接続用材料で突起部を形成する場合、リード状導体に接続用材料のぬれ広がり量を一定に保ち、接続材料がリード状導体全体に広がらないようにするため、エポキシ系樹脂あるいはポリイミド系樹脂からなる層をリード状導体の素子接続側に形成し、高さがほぼ一定となる接合材料による突起部が形成させる。さらに、素子の電極材質が金の場合、突起状接続部に形成した接続材料としてはスズを用いることができる。その他、インジウム,ビスマス,亜鉛,アンチモン,銀,スズ,銅を単独あるいは2種類以上配合した合金を接続材料として使用することができる。
上述のように導体LCと素子のチップとの絶縁耐圧を維持することが必要である。上述のごとく、インバータに供給される直流電圧が600ボルトとするとその2倍の耐圧が必要である。図9では、導体LCの素子側端子の接続面に設けられた突起によりチップ側面との距離を保つことができる。さらに上記突起だけでなく半田ボールなどの使用により、さらに距離をかせぐことで耐圧を高めている。またさらに導体LCの接続面は素子の電極に合わせ電極面と平行に設けられるように作られているが、接続面が終わると素子から離れる方向に曲げられている。この曲げは応力を吸収する効果のみならず絶縁耐圧を維持するために重要な作用をなす。従ってこの曲げはチップの端部からあるいは端部の内側から始まることが望ましい。
上記導体LCは素子側が素子に対応して分割され、導体186側は分割されていないが、素子毎に分割されていてもよい。素子毎に分割されていると素子毎に位置合わせが可能である。ただし部品数が増えるので作業工数が増える。素子2個毎に分けることにより位置ずれを調整しやすくまた部品数もあまり増えないようにすることも可能である。
図9はスイッチングモジュール100に使用されているスイッチング素子とリード状導体LCとの接続部の構造を、素子SWUH1を代表例として説明した。アーム100UHを構成する他の素子も同様であり、さらに他のアームの素子も同様の構造である。
次に、図10を用いて、パワーモジュール100におけるダイオードDUHの上面電極と導体186との間のリード状導体LCによる接続構造について説明する。図10は、パワーモジュール100に使用されるダイオードDUHの上面のエミッタ電極と導体186との間のリード状導体LCによる接続構造を示す断面図である。図10は、図5のB−B断面を示している。なお、他図と同一符号は同一物を示している。
図10の基本的な構成および作用は、図9に示したものと同様である。セラミックスからなる絶縁基板180の上には銅配線182が形成されている。銅配線182の表面(図示の上側の面)にはニッケルめっき膜が形成されている。ダイオードDUHの下面側に形成された電極ED1は、スズおよび鉛からなる融点約330℃のハンダ184によって、銅配線182に固定されている。さらにダイオードのアノード電極と電気的に接続される導体186はセラミックスからなる絶縁体180Aの上に設けられている。
導体LCの端子170と173の接続面である下面には、上で説明した端子170,172と同様に、予め突起が形成されている。導体186及びダイオードDUHの上面の電極(カソード極)ED2に対してリード状導体LCを位置決めし、カーボン製の押さえ治具によりリード状導体LCを保持した後に、端子170や173をに使用されているハンダ材の融点より高い雰囲気の加熱炉に、これらを導入する。これにより、導体186及びダイオードDUHの上面の電極ED2に対して、リード状導体LCを固着することができる。
以上説明したようにリード状導体LCを使用すると、一つのアームモジュールで考えると、4対のスイッチング素子とダイオードのペアを、一度に接続することができ、作業性を向上することができる。また、半導体スイッチング素子SWのゲート端子に入力する制御信号以外の接続部の断面積をボンディングワイヤを用いた場合に比べて広くすることにより、自動車用のインバータの如く、大電流量を流すインバータに適している。また熱を流すことができ、この点でも自動車のごとく過酷な使用条件に優れた効果がある。
なお、以上の説明は、半導体スイッチング素子としてIGBTを用いた場合について説明したが、半導体スイッチング素子としてMOS−FETを用いた場合には、ダイオードは不要である。この場合にも、単一のMOS−FETの上面電極と導体とをリード状導体により接続したり、一つのアームモジュールが複数のMOS−FETで更正される場合に、これらの上面電極を一つのリード状導体により一度に接続することができる。
なお上記説明では、突起端子170,172に融点230℃のハンダを用い、ハンダ184として融点330℃の物を用いているが、両者をほぼ同一の融点の材料を用いることにより、スイッチング素子SW1の上下面の接続を同時に行え、さらに、作業性を向上できる。このとき、ハンダ184としては、シート状ハンダを用いる。なお、ハンダ材としては、他にも、融点180℃の低融点ハンダを用いることもできる。
以上説明したように、本実施形態によれば、リード状導体を用いることにより、大電流化が可能であるとともに、組立性を向上することができ、自動車の搭載した電源によりモータ駆動用の電力を発生するインバータの構造として適している。すなわち、単一のスイッチング素子の電流容量が大きくなった場合でも、また、スイッチング素子とダイオードのペア数が増加した場合でも、組立性を損なわず、さらに接合部分の断面積を増大することにより大電流時の溶断を防止し、信頼性が向上できる。スイッチング素子の並列構造で信頼性の高いアームを構成しても、作業性の低下を防止できる。
また、リード状導電材と、スイッチング素子,ダイオード,導体等の各素子等の接合部分に一括接続可能な突起状電極を用いることにより、従来のボンディングワイヤを用いた場合に比べ接続部の断面積を大きくすることが可能となり、電流量の増加に対応可能であり、また、組立性が向上する。スイッチング素子の電極と配線との接触面積をワイヤーボンディングより大きくできるので接触部の電圧降下を少なくでき、車載機器のように比較的低い電源電圧で、一方回転機の回転速度の高い動作状態が存在する回転機に使用するインバータにおいて、高回転速度による回転機の誘起電発上昇に伴う回転機の端子電圧の不足とそれに伴う供給電流の不足という問題を改善する効果がある。
さらに、電流量が増加し、単一のアームに複数のスイッチング素子とダイオードのペアを用いる場合、リード状導電材を連結させることにより、スイッチング素子とダイオードのペアに対し個別に接続すること無しに、一括して接続が可能となるため、装置の大電流化への対応と組立の簡略化を同時に図ることが可能となる。
以上のように、リード状導体を用いることにより、ボンディングワイヤを使用した場合に比べて接続断面積を大幅に広げることが可能となり、各素子間や端子間で制御する電流量の大幅な増大が可能となる。さらに、複数のスイッチング素子とダイオードのペアを用いる場合リード状の導電材を連結させることにより、スイッチング素子とダイオードおよびケースに設けた各端子との接続を同時に行うことが可能になり、電流量が増加しスイッチング素子とダイオードのペアが増加しても一括組立可能なことから、組立性も向上する。
また、導体186と、スイッチング素子SW及びダイオードDの間を一体化されたリード状導体により接続することにより、接続部材のインダクタンスを小さくすることができる。また、半導体スイッチング素子SWからの熱伝導をより均一にすることができるため、並列接続された各半導体スイッチング素子SWの間に温度差を生じ難くすることができ信頼性が向上する。また、リード状導体により半導体スイッチング素子SWを一体的に接続するため、各半導体スイッチング素子SWに印加される電位を均等にできる。電位を均等にでき、また、熱伝導も均一化できることから、経時変化に対するバラツキを低減することができる。
また、一体化されたリード状導体を用いることにより、共振を押さえて、耐振動性を向上できる。
次に、図11を用いて、本発明の第2の実施形態によるパワーモジュールの構成について説明する。この例では、パワーモジュール装置は、3相交流モータ駆動装置のインバータ装置に用いられるものである。本実施形態によるパワーモジュールの外観構成は、図4に示したものと同様である。また、本実施形態によるパワーモジュールの回路図は、図2や図3と同様である。
図11は、本実施形態によるパワーモジュールの中のアーム構成を拡大して図示したものである。ここでは、U相上アームモジュール100UHを例にして説明するが、他のアームモジュールの構成も同様である。なお、他図と同一符号は同一物を示している。
アーム100UH−Aにおいて、スイッチング素子SWUH’は、図5に示した配置とは、上下逆に配置されている。したがって、上面側にコレクタ電極が位置し、下面側にエミッタ電極とゲート電極が位置している。
スイッチング素子SWUH’の下面側のエミッタ電極は、ハンダバンプ172Aにより絶縁基板180上に設けた配線182に接続される。さらに、スイッチング素子SWUH’のゲート端子は、絶縁基板180上に設けた配線160にハンダバンプ172Bを介して接続される。配線は、図2に示したゲート用端子TUHGに接続される。スイッチング素子の上面側のコレクタ電極は、同様に突起を有する端子と接合材兼用のハンダバンプ172Cでリード状導体LC−Aに接続される。リード状導体,端子の突起と接合材との兼用ハンダバンプ等は図5に示したものを用いることができる。
本実施形態では、スイッチング素子の制御に用いるゲート電極の接続にも突起を有する端子やハンダバンプを用いたものが使用されている。4対のスイッチング素子とダイオードのペアが一度に接続されると共に、制御信号以外の接続部の断面積が広くでき、電流量の増加により対応可能となる。
次に、図12を用いて、本発明の第3の実施形態によるパワーモジュールの構成について説明する。この例では、パワーモジュール装置は、3相交流モータ駆動装置のインバータ装置に用いられるものである。本実施形態によるパワーモジュールの外観構成は、図4に示したものと同様である。また、本実施形態によるパワーモジュールの回路図は、図2と同様である。図12は、本実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を拡大して図示したものである。ここでは、U相上アームモジュール100UHを例にして説明するが、他のアームモジュールの構成も同様である。他図と同一の符号は同一ぶつを示している。
アームモジュール100UH−Bにおいて、スイッチング素子SWUH’の絶縁基板180への搭載方法、リード状導体LC−Aの形状、各電極とのハンダバンプ172A,172B,172Cによる接続方法は、図7と同様である。
本実施形態では、リード状導体LC−Aの上面にセラミックス製の絶縁基材150を接続してある。リード状導体LC−Aと基材150の合成熱膨張係数は、両者の中間の値となるため、リード状導体LC−A単体の場合に比べて小さくでき、スイッチング素子SWUH’との熱膨張係数の差を小さくでき、スイッチング素子SWUH’との接合部分に発生する熱歪を低減し、接合部のさらなる信頼性向上が可能となる。
なお、基材150の材料としては、セラミックス以外に、鉄とニッケルからなるインバーや、鉄とニッケルおよびコバルトからなるコバール等の低熱膨張の合金も使用可能である。
次に、図13を用いて、本発明の第4の実施形態によるパワーモジュールの構成について説明する。この例では、パワーモジュール装置は、3相交流モータ駆動装置のインバータ装置に用いられるものである。本実施形態によるパワーモジュールの外観構成は、図4に示したものと同様である。また、本実施形態によるパワーモジュールの回路図は、図2と同様である。
図13は、本発明の第4の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの断面図である。図5のA−A断面に相当する断面構造を示している。なお、他図と同一の符号は同一物を示している。
リード状導体LCーBは銅をコアとしたもので、スイッチング素子SWUH’およびケース内端子186との接合部には、リード状導体LCーBの端子部と一体的に形成された突起172D,170Aが形成されている。突起172D,170Aは、プレス加工により予めリード状導体の端子部の接続面に突起加工により形成されたものである。なお、エッチングにより不要部分を除去して突起を形成したり、めっきにより必要部分に突起を形成するようにすることで突起を形成してもよい。さらに、突起172D,170Aの表面には、スズめっき膜172F,170Bが形成されている。
スイッチング素子SWUH’およびケース内端子186の表面には、それぞれ金めっきによるバンプ172E及び金めっき膜189が形成されている。リード状導体LC−Bに設けたスズめっき膜172F,174Bと、金メッキ膜189あるいは金バンプ182Eがそれぞれ対応する位置に置かれ、適当な荷重を加えながら280℃以上に加熱することによりリード状導体に設けたスズと金めっきあるいは金バンプ部が反応し、金/スズの合金を形成しリード状導電体LC−Bとスイッチング素子SWUH’およびケース内端子186との接合が完了する。なお、ダイオードとリード状導体との接続も同様に行われる。
突起と各素子との接続部に形成する接続材料は、各素子の接続部の電極材質により種々異なるが、電極材料がニッケル層あるいはその表面に金めっき処理を行ったものの場合、スズあるいはスズに銅,銀,亜鉛,ニッケル等の金属を配合した合金を接合材料として用いることが可能である。
次に、図14及び図15を用いて、本発明の第5の実施形態によるパワーモジュールの構成について説明する。この例では、パワーモジュール装置は、3相交流モータ駆動装置のインバータ装置に用いられるものである。本実施形態によるパワーモジュールの外観構成は、図4に示したものと同様である。また、本実施形態によるパワーモジュールの回路図は、図2と同様である。
図14は、本実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を拡大して図示したものである。ここでは、U相上アームモジュール100UHを例にして説明するが、他のアームモジュールの構成も同様である。図14は、本発明の第5の実施形態によるパワーモジュールの中のアームモジュールの構成を示す拡大斜視図である。図15は図14のA−A断面図である。なお、他図と同一の符号は同一物を示している。
本例のアームモジュール100UH−Dにおいて、基本的な構成は、図9に示したものと同様である。本例では、リード状導体LC−D’とスイッチング素子SWUH’との接合部分において、リード状導体LC−D’の突起状端子172Dの周囲の部分にスリットSLを設け、リード状導体のうち、素子との接合部分を分離している。スリットSLは平面形状がコ字状であり、図15に示すように、スリットSLはリード状導体LC−D’を貫通している。したがって、突起状端子172Dは、一辺でのみリード状導体LC−D’と接続されているため、容易に変形しやすい形状となっている。その結果、素子の動作や使用環境温度の変化により素子やリード状導体の寸法や接続部位置が変化しても、スリット部でリード状導体が容易に変形して、リード電極全体にひずみを与えないようにすることにより、接続部位に生じるひずみを低減しパワーモジュールの信頼性をさらに向上することが可能となる。
図13や15に示す導体LCの接続部は、突起によりチップ側面との距離が保持され、絶縁耐圧を確保できる。さらにチップ端部であるいは端部から内側で導体LCがチップ側面から遠ざかる方向に曲がった形状である。これにより絶縁耐圧が維持できる。
なお、分割部(スリット部)には、素子接続時に大きく変形しないようにするため、素子との接続部裏面にポリイミド製のフィルムを接着することができ、さらにデバイス動作時の温度変化で分割したリード部が変位し易いように、分割したリード状導電材とポリイミド製フィルムの間に弾性率が0.1MPa以上100MPa以下の樹脂からなる緩和層を設けてもよいものである。
また、リード状導体において各素子との接合部以外の部分を網目状にして素子接合部と素子等との間に生じるひずみを緩和し、且つ電流量増加による接続部の溶断を防止することができる。
上記実施の形態で導体LCは素子側のみ分割され他の側は一体であるが、これは部品数を減らすためである。しかし素子側の反対側である他方を一体にするのではなく素子2個ごとに完全に分割した構成でもよい。素子との位置合わせが容易である。さらに素子ごとに完全に分けてもよい。
応力を吸収するために、導体LCの上記形状に加え、LC−CやLC−Bの部分に絶縁体180から離れる方向の山形状を形成して応力を吸収してもよい。またこの部分の厚さを薄くして応力を吸収しやすくしてもよい。ワイヤによる接続に比べ導体LCの幅が十分確保できるので、一部を薄くしても電流を流す上で問題ない。
BW…ボンディングワイヤ
SWUH…スイッチング素子
DUH…ダイオード
LC…リード状導体
170,172…突起端子

Claims (5)

  1. 車両に搭載されて直流電源から供給された直流電流を、車両に搭載された回転機を駆動するための交流電流に変換するインバータ装置であって、
    四角形状のスイッチング素子と、当該スイッチング素子と電気的に並列に接続されたダイオードと、銅配線と、金属製の板状導体と、を有するパワーモジュールと、
    セラミックス製の絶縁性基材と、を備え、
    前記銅配線には、記スイッチング素子の一方の面に形成されたコレクタ電極及び前記ダイオードの一方の面に形成されたカソード電極がハンダを介して接続され、
    前記スイッチング素子の他方の面には、エミッタ電極及びゲート電極が形成され、
    前記スイッチング素子の前記ゲート電極は、当該スイッチング素子の中央部よりも一方の端辺側に近づけて配置され、かつボンディングワイヤを介してゲート端子と接続され、
    前記スイッチング素子の前記エミッタ電極は、当該スイッチング素子の他方の端辺の近傍から前記ゲート電極の側部まで形成され、
    前記板状導体は、前記スイッチング素子の前記エミッタ電極を覆って形成される第1導体部と、前記ダイオードの他方の面に形成されたアノード電極を覆って形成される第2導体部とを有し、
    前記板状導体の前記第1導体部は、ハンダを介して前記エミッタ電極と接続され、
    前記板状導体の前記第2導体部は、ハンダを介して前記アノード電極と接続され、
    前記板状導体は、前記第1導体部と前記第2導体部を一体に形成しており、
    前記絶縁性基材は、前記第1導体部を挟んで前記スイッチング素子に対向するように形成され、かつ前記第2導体部を挟んで前記ダイオードに対向するように形成されるインバータ装置。
  2. 請求項1に記載されたインバータ装置であって、
    前記板状導体の前記第1導体部は、前記スイッチング素子の他方の端辺の近傍から前記ゲート電極の側部まで形成されるインバータ装置。
  3. 請求項1または2のいずれかに記載されたインバータ装置であって、
    前記パワーモジュールは、複数のスイッチング素子を含んで構成され、
    前記板状導体の前記第1導体部は、ハンダを介して前記複数のスイッチング素子のそれぞれのエミッタ電極と接続されるインバータ装置
  4. 請求項3に記載されたインバータ装置であって、
    前記板状導体の前記第1導体部は、前記複数のスイッチング素子毎に分割するためのスリットを形成するインバータ装置。
  5. 請求項1ないし4のいずれかに記載されたインバータ装置であって、
    前記板状導体の前記第1導体部は、前記スイッチング素子の前記エミッタ電極と対向する部分に、前記エミッタ電極の面とは垂直方向に形成された貫通部を形成するインバータ装置。
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