JP5258721B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

この発明は、大電流用のインバータ回路を備えたインバータ装置に関するものである。

従来から、例えば特許文献１開示されているように、自動車の低燃費を目的として、エンジン（内燃機関）の出力を増加させるために、吸気通路上に電動機で駆動する過給機を設ける技術が知られている。

この特許文献１に開示されている電動機には数ｋＷの電動機出力が必要であるため、電動機を駆動するインバータ装置においては数十Ａ以上の大電流が扱われる。また、上記電動機の回転数は数万ｒｐｍとなるため、上記インバータ装置における半導体モジュールは高速なスイッチングが求められる。

図６は、従来のインバータ装置における回路図である。インバータ装置１は交流電源２からの交流を直流に変換するダイオード回路等からなる整流回路３と、その直流電流をほぼ一定に平滑化する平滑コンデンサ４と、その直流を任意の交流に変換し電動機５を駆動する半導体モジュール６と、半導体モジュール６やインバータ装置１を制御する制御回路７とを備えている。

半導体モジュール６は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー半導体装置で構成されるが、図６においてはＭＯＳＦＥＴ８を有するものを図示している。

インバータ装置１は、半導体モジュール６に並列に接続されたスナバコンデンサ９をさらに備える。スナバコンデンサ９は、ＭＯＳＦＥＴ８をオフにしたときに、ＭＯＳＦＥＴ８のドレイン−ソース間において急激に上昇する電圧を緩和する。以下、この急激に上昇するドレイン−ソース間電圧をサージ電圧という。

上記サージ電圧ΔＶは、電流変化率をｄｉ／ｄｔ、インバータ回路の主回路インダクタンスをＬとすると、ΔＶ＝−Ｌ・（ｄｉ／ｄｔ）によって求められる。上記インバータ回路の主回路インダクタンスＬにはスナバコンデンサ９と半導体モジュール６を接続する配線インダクタンス１０も含む。よって、配線インダクタンス１０が小さいほど、スナバコンデンサ９の電気容量は小さくできる。

例えば特許文献２では、インバータ装置１におけるスナバコンデンサ９と半導体モジュール６の配線インダクタンスを、また、特許文献３では平滑コンデンサ４と半導体モジュール６の配線インダクタンスを小さすることにより、サージ電圧の発生を抑制し、スナバコンデンサ９の電気容量を小さくして、装置全体を小形化する技術が開示されている。

上記従来の大電流を扱うインバータ装置は、一般に、図７の概略断面図に示すように構成されている。尚、図７の概略断面図では、図６の回路図における構成要素と同じ構成要素に、図６における符号と同一符号を付している。

図７において、インバータ装置１は、半導体モジュール６やインバータ回路の制御を行う制御モジュール１１と、大電流を扱うパワーモジュール１２を備えている。パワーモジュール１２は、搭載する半導体モジュール６や配線パターン１３からの発熱を効率良く放熱して、高温化によるスナバコンデンサ９や半導体モジュール６を保護するために、樹脂基板よりも熱伝導性が良好な金属基板１４が用いられる。

金属基板１４は、アルミニウムなどの金属のベース基板１５に絶縁層１６が設けられ、絶縁層１６の上に銅配線パターン１３が形成された回路基板であり、金属基板１４には表面にスナバコンデンサ９とＭＯＳＦＥＴ８が搭載されている。

半導体モジュール６のスイッチングオフ時のサージ電圧を低減するためには、電流変化率ｄｉ／ｄｔを小さくする、つまり半導体モジュール６のスイッチング速度を遅くする対策が考えられるが、数万ｒｐｍの回転数が求められる電動機５のインバータ装置１においては、高速スイッチングが要求されるため、電流変化率ｄｉ／ｄｔを小さくすることが難しく、スナバコンデンサ９の電気容量は比較的大きいものが使用される。

一方、制御モジュール１１は絶縁層１７の上下を配線パターン１８ａ、１８ｂで挟んだ誘電体基板１９で構成されており、配線パターン１８ａ、１８ｂに例えばＩＣなどの部品（図７には明示せず）が搭載されている。

さらに、インバータ装置１は、制御モジュール１１とパワーモジュール１２との間の電気信号を伝送する電気配線２０を備えている。

特表平１１−５１４０６４号公報 特開平１１−２７９５９号公報 特開２００３−２１９６６１号公報

ところで、上記インバータ装置１において、大電流用のスナバコンデンサ９は電気容量が比較的大きいものに加えて、コンデンサの発熱による破壊を防止するために、等価直列抵抗の小さいものが使用される。

電解コンデンサは、大きな電気容量が得られるが等価直列抵抗が大きい。また、表面実装型のフィルムコンデンサは、等価直列抵抗は小さいが、大きな電気容量が得られないため、電気容量を大きくするために物理的な形状を大きくするか複数個を並列接続して使用されることになり、インバータ回路全体が大形化してしまうという課題がある。

一方、セラミックコンデンサは、等価直列抵抗も小さく比較的大きな電気容量が得られるため、スナバコンデンサへ９の適用が好ましい。

しかしながら、金属基板１４は誘電体基板１９のような樹脂基板と比較し熱膨張係数が大きいため、セラミックコンデンサから成るスナバコンデンサ９を金属基板１４に搭載すると、熱サイクルが加わった場合に、熱膨張係数の小さいセラミックコンデンサと金属基板１４との間に、樹脂基板に搭載した場合に生じる熱膨張差よりも大きな熱膨張差が生じる。この熱膨張差により応力が発生し、セラミックコンデンサと金属基板１４との間の実装部分に応力が加わって、セラミックコンデンサが破損するという課題がある。

また、スナバコンデンサ９と半導体モジュール６を接続する配線（配線インダクタンス）１０は、インダクタンスを小さくするため、理想的には半導体モジュール６のごく近傍に設けることが望ましいが、金属基板１４はその構造上、片面にしか部品の搭載ができず、大電流を流すために配線パターン１３が太くなるため、スナバコンデンサ９と半導体モジュール６を接続する配線（配線インダクタンス）１０には構造上の制約が生じ、配線（配線インダクタンス）１０を理想的に半導体モジュール６の近傍に設けることが難しいという課題がある。

この発明は、上記課題を解決することを目的とするもので、パワーモジュールの大きさやスナバコンデンサの容量を小さくし、全体として小形化できるインバータ装置を提供するものである。

この発明に係るインバータ装置は、金属板に絶縁層を介して回路が設けられる第１の回路基板と、上記第１の回路基板より熱膨張係数が小さく、両面に部品の搭載が可能な第２の回路基板を備え、上記第２の回路基板を上記第１の回路基板と対向して配置したインバータ装置において、上記第１の回路基板の上記第２の回路基板との対向面に半導体モジュールを備えると共に、上記第２の回路基板の上記第１の回路基板との対向面にセラミック
コンデンサから成るスナバコンデンサを備え、さらに、上記半導体モジュールと上記スナバコンデンサとを電気的に接続する配線を備えたものである。

この発明によれば、セラミックコンデンサから成るスナバコンデンサを樹脂基板で構成された制御モジュールに備えることにより、セラミックコンデンサの破損を防ぎ、かつ、スナバコンデンサと半導体モジュールとの間の配線インダクタンスを小さくできる効果がある。

この発明の実施の形態１に係るインバータ装置を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態１に係るインバータ装置を示す部分斜視図である。 この発明の実施の形態２に係るインバータ装置を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態３に係るインバータ装置を示す概略断面図である。 この発明の実施の形態４に係るインバータ装置を示す概略断面図である。 従来のインバータ装置における回路図である。 従来のインバータ装置を示す概略断面図である。

以下、添付の図面を参照して、この発明に係るインバータ装置について好適な実施の形態を説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るインバータ装置の構成を示す概略断面図で、図２は、その部分斜視図を示している。この実施の形態では、パワー半導体装置はＭＯＳＦＥＴを備えているが、ＩＧＢＴなどのパワー半導体装置にも適用することが可能である。

実施の形態１に係るインバータ装置１は、半導体モジュール６やインバータ装置１の制御を行う制御モジュール１１と、大電流を扱うパワーモジュール１２を備えている。パワーモジュール１２は、半導体モジュール６や配線パターン１３からの発熱を効率良く放熱し、高温化による半導体モジュール６を保護するために、樹脂基板よりも熱伝導性が良好な第１の基板、例えば金属基板１４で構成されている。

金属基板１４は、アルミニウムなどの金属のベース基板１５に絶縁層１６が設けられ、絶縁層１６の上に銅配線パターン１３が形成された回路基板であり、金属基板１４にはブリッジ接続したＭＯＳＦＥＴ８が搭載されている。

また、制御モジュール１１は、絶縁層１７の上下を配線パターン１８ａ、１８ｂで挟んだ第２の基板、例えばガラスエポキシ基板などの誘電体基板１９を備えており、誘電体基板１９のＭＯＳＦＥＴ８と対向する配線パターン１８ｂには、セラミックコンデンサから成るスナバコンデンサ９が設けられている。

また、ブリッジ接続された各相のＭＯＳＦＥＴ８の近傍には、スナバコンデンサ９と半導体モジュール６を接続する配線（配線インダクタンス）１０が接続される。

さらに、インバータ装置１は、制御モジュール１１とパワーモジュール１２との間の電気信号を伝送する電気配線２０を備えている。

実施の形態１に係るインバータ装置１は上記のように構成されており、次に、上記構成に基づく作用について図１と図２により説明する。インバータ装置１はパワーモジュール１２に与えられた直流電力を制御モジュール１１から電気配線２０を介してＭＯＳＦＥＴ８に与えられるゲート信号により、スイッチングをおこなって交流電力に変換し、その交流出力により図示しない電動機を駆動するものである。

ここで、ＭＯＳＦＥＴ８のスイッチング動作時において、スイッチングオフ時のサージ電圧の発生を抑制するためにセラミックコンデンサから成るスナバコンデンサ９が設けられている。このスナバコンデンサ９は、金属基板１４よりも熱膨張係数の小さい誘電体基板１９に設けられているため、熱サイクルが加わった場合に、セラミックコンデンサから成るスナバコンデンサ９と誘電体基板１９との間の熱膨張差が金属基板１４に設けられる場合と比較して小さくできる。

すなわち、金属基板１４にセラミックコンデンサから成るスナバコンデンサ９を設けた場合よりも熱膨張差による応力が減少し、セラミックコンデンサの破損を抑制することができる。

また、従来、平面で構成していたスナバコンデンサ９とＭＯＳＦＥＴ８の配置を立体的に構成できるので、図２に示すように、スナバコンデンサ９と半導体モジュール６を接続する配線（配線インダクタンス）１０をＭＯＳＦＥＴ８の近傍に設けることが可能となる。従って、配線によるインダクタンスが小さくなり、スナバコンデンサ９の電気容量を従来よりも小さくすることができる。つまり、スナバコンデンサ９の電気容量を小さくできることに伴って、スナバコンデンサ９の物理的な形状を小さくできる。

さらに、誘電体基板１９は両面実装が可能なため、同等の基板寸法における部品の搭載面積が金属基板１４と比較して大きく取れる。この誘電体基板１９側にスナバコンデンサ９を設けることにより、従来の金属基板１４に設けられていたスナバコンデンサ９の領域を削減することができ、インバータ装置全体の小形化を図ることができる。

なお、金属基板１４と誘電体基板１９の間隔は小さいほど配線（配線インダクタンス）１０は低減できるので、両者の間隔は１０ｍｍ以下が好ましい。

以上のように、実施の形態１に係るインバータ装置１によれば、セラミックコンデンサから成るスナバコンデンサ９を誘電体基板で構成される制御モジュール１１に設けることで、熱サイクルが加わったときの基板とセラミックコンデンサとの熱膨張差を金属基板１４に設ける場合よりも小さくし、セラミックコンデンサの破損を抑制でき、かつ、半導体モジュール６とスナバコンデンサ９を接続する配線１０を半導体モジュール６の近傍に設けることで、配線１０のインダクタンスを小さくでき、スナバコンデンサ９の容量を小さくできることに伴って、インバータ装置全体の小形化を図ることが可能である。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係るインバータ装置について説明する。図３は、実施の形態２に係るインバータ装置の構成を示す概略断面図である。なお、実施の形態１における構成要素と同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。

実施の形態２は、スナバコンデンサ９と半導体モジュール６を接続する配線インダクタンス１０にヒューズ３０を備える点で実施の形態１と異なり、その他の構成については実施の形態１と同様である。

何らかの理由によってセラミックコンデンサから成るスナバコンデンサ９が故障した場合、セラミックコンデンサは短絡故障となり、インバータ回路に短絡電流が流れるが、実施の形態２に係るインバータ装置によれば、配線（配線インダクタンス）１０にヒューズ３０を接続しているので、短絡時の過電流でヒューズが溶解して、短絡電流を遮断でき、実施の形態１と同様の効果を有しながら、過電流時におけるインバータ装置１の保護が可能となる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係るインバータ装置について説明する。図４は、実施の形態３に係るインバータ装置の構成を示す概略断面図である。なお、実施の形態１における構成要素と同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。

実施の形態３は、制御モジュール１１とパワーモジュール１２との間に金属板４０を備える点で実施の形態１と異なり、その他の構成については実施の形態１と同様である。

実施の形態３に係るインバータ装置によれば、例えば金属板４０をＭＯＳＦＥＴ８に接することで、ＭＯＳＦＥＴ８の熱を金属基板１４と金属板４０の両側から放熱することが可能となり、実施の形態１と同様の効果を有しながら、より効果的な放熱が可能となる。

また、本実施の形態では、金属板４０を放熱作用に用いたが、さらに、制御モジュール１１とパワーモジュール１２間のノイズシールドとして用いることで、実施の形態１と同様の効果を有しながら、ノイズシールド作用が可能となる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４に係るインバータ装置について説明する。図５は、実施の形態４に係るインバータ装置の構成を示す概略断面図である。なお、実施の形態１における構成要素と同一部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。

実施の形態４は、制御モジュール１１とパワーモジュール１２との間にゲル状シリコーン樹脂５０を備える点で実施の形態１と異なり、その他の構成については実施の形態１と同様である。

ゲル状シリコーン樹脂５０を制御モジュール１１とパワーモジュール１２との間に備えることにより、両者の絶縁破壊強度を向上させ、実施の形態１と同様の効果を有しながら、より効果的な絶縁効果が可能となる。

なお、上記実施の形態１から実施の形態４では、パワー半導体装置としてブリッジ接続された２つのＭＯＳＦＥＴ８を用いたが、ブリッジ接続された２つのＭＯＳＦＥＴ８を並列に複数備えた構成でも同様の効果が得られ、その個数に制限されるものではない。

また、上記実施の形態１から実施の形態４では、３層で構成された誘電体基板１９を用いているが、その層数に制限はなく、誘電体基板１９の配線パターン１８ａ側にスナバコンデンサ９を備えることでも同等の効果を得ることが可能となる。

また、上記実施の形態１から実施の形態４では、セラミックコンデンサから成るスナバコンデンサ９をブリッジ接続されたＭＯＳＦＥＴ８にそれぞれ一つ備えているが、並列接続した複数のセラミックコンデンサでスナバコンデンサ９を構成しても同様の効果が得られ、その個数に制限されるものではない。

以上、この発明はこれらの実施の形態のみに限られるものではなく、この発明の範囲内においてほかに種々の実施の形態が可能であることは当業者にとって明らかである。

１ インバータ装置
２ 交流電源
３ 整流ダイオード
４ 平滑コンデンサ
５ 電動機
６ 半導体モジュール
７ 制御回路
８ ＭＯＳＦＥＴ
９ スナバコンデンサ
１０ 配線（配線インダクタンス）
１１ 制御モジュール
１２ パワーモジュール
１３ 配線パターン
１４ 金属基板
１５ ベース基板
１６ 絶縁層
１７ 絶縁層
１８ａ、１８ｂ 配線パターン
１９ 誘電体基板
２０ 電気配線
３０ ヒューズ
４０ 金属板
５０ ゲル状シリコーン樹脂

Claims (5)

1. 金属板に絶縁層を介して回路が設けられる第１の回路基板と、上記第１の回路基板より熱膨張係数が小さく、両面に部品の搭載が可能な第２の回路基板を備え、上記第２の回路基板を上記第１の回路基板と対向して配置したインバータ装置において、
   上記第１の回路基板の上記第２の回路基板との対向面に半導体モジュールを備えると共に、上記第２の回路基板の上記第１の回路基板との対向面にセラミックコンデンサから成るスナバコンデンサを備え、さらに、上記半導体モジュールと上記スナバコンデンサとを電気的に接続する配線を備えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 上記配線にヒューズを備えたことを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 上記第１の回路基板と上記第２の回路基板の間に放熱板を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
4. 上記第１の回路基板と上記第２の回路基板の間にノイズシールド板を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のインバータ装置。
5. 上記第１の回路基板と上記第２の回路基板の間にゲル状シリコーン樹脂を備えたことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載のインバータ装置。

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