JP5490775B2

JP5490775B2 - パワーモジュール

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Publication number: JP5490775B2
Application number: JP2011275145A
Authority: JP
Inventors: 隆熊谷; 浩二中島; 則幸松原; 建一林; 明彦岩田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2012069997A

Description

本発明は、複数のパワー半導体素子および複数の駆動回路を一体化したパワーモジュールに関する。

従来のパワーモジュール（例えば、特許文献１）では、複数のパワー半導体素子を駆動制御するための複数の制御回路の電源回路において、単一コアと複数の巻線回路からなる単一の電源トランスを採用して、各巻線回路から各制御回路への電力を分配している。

特開２００１−１５６２５２号公報（図１、図３）特許第３６２０４１５号公報（図４）

このようなパワーモジュールでは、正ラインと負ラインとの間に、２個以上のパワー半導体素子を含む直列回路が並列的に接続されている。各パワー半導体素子の駆動タイミングおよび駆動基準電圧は一般に異なるため、各パワー半導体素子に対応した複数の駆動回路を設ける必要がある。従って、パワー半導体素子の個数が増加すると、それに応じて駆動回路の個数も増加することから、電源トランスの巻線回路数も増やす必要がある。その結果、相互絶縁された多数の出力を生成するために多数の出力端子が必要となり、使用するボビンも大型のものが必要となり、電源トランスが大型化するという問題がある。

大型の巻線トランスを内蔵したパワーモジュールは、巻線トランスの高さに起因してモジュール自体の高さが増加してしまう。また、外部回路と接続するためのパワーモジュール端子をモジュール上部に配置した場合、パワーモジュール端子への接続線が長くなってしまい、電気的特性の悪化を招くことがある。

また、一般の巻線トランスは、コア、ボビン、絶縁銅線による巻線等で構成されるが、コアや絶縁導線は重量が大きいため、車載用などに用いられるパワーモジュールでは振動によって巻線トランスが破損する可能性がある。

巻線トランスを複数の小型巻線トランスに分散して、各巻線トランスの質量や大きさを抑制する方法も考えられるが、巻線トランスの数が増加すると、最終的には巻線トランスのコストは大幅に増加し、信頼性も低下する傾向にある。

また、巻線トランスの各端子とプリント基板の配線パターンとを半田付け等で接続した場合、半田クラックなどの問題が懸念され、巻線回路数が増えるほど、信頼性が低下することになる。

さらに、パワーモジュールは、一般に、広い温度範囲で高ヒートサイクル環境で使用されることが多く、巻線トランスの小型化のために細い巻線を使用すると、ヒートサイクルによる巻線の断線故障が生じやすくなる。また、小型巻線トランスは、サイズが小さいため、巻線間の絶縁耐圧を十分に取ることが難しく、高耐圧のパワーモジュールに不向きである。

一方、パワー半導体素子と駆動回路の間で高い絶縁耐圧を確保するために、一般にアイソレーション回路、例えば、ゲート駆動用フォトカプラやゲート駆動用巻線トランスなどを採用している。こうした絶縁トランスを用いた場合についても、上述のような問題が懸念される。

本発明の目的は、上記のような問題点を解決するため、薄型かつ小型軽量で、信頼性が高く、高性能で低コストのパワーモジュールを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るパワーモジュールは、複数のパワー半導体素子と、
各パワー半導体素子を個別に駆動するための複数の駆動回路と、
各駆動回路に対して個別に電力を供給するための複数の駆動用電源回路と、
各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載されたプリント基板とを備え、
各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載された前記プリント基板は、少なくとも２層の内層を有する多層基板で構成され、
各駆動用電源回路は、電力を伝送するためのシートトランスを含み、
該シートトランスは、各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載された前記プリント基板の一部の領域に構成され、各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載された前記プリント基板の内層にそれぞれ配置された１次側および２次側コイルパターンと、
各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載された前記プリント基板に設けられた貫通孔に装着され、１次側および２次側コイルパターンと電磁結合するコア部材とで構成され、
コア部材は、磁性かつ導電性を有する材料で形成され、
各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載された前記プリント基板は、各パワー半導体素子を覆うように配置されたことを特徴とする。

また本発明に係るパワーモジュールは、複数のパワー半導体素子と、
各パワー半導体素子を個別に駆動するための複数の駆動回路と、
各駆動回路が搭載されたプリント基板とを備え、
各駆動回路は、パワー半導体素子の駆動信号を伝送するための絶縁トランスを含み、
該絶縁トランスは、プリント基板に配置された１次側および２次側コイルパターンと、プリント基板に装着され、１次側および２次側コイルパターンと電磁結合するコア部材とで構成され、
各パワー半導体素子および、各パワー半導体素子に対応する各絶縁トランスは、それぞれ最短の距離に対応して配置されたことを特徴とする。

本発明によれば、電源トランスや絶縁トランスの巻線回路をプリント基板のコイルパターンで構成することによって、トランスの薄型化、小型軽量化が図られるとともに、半田付け箇所を削減できるため、耐振動性、耐ヒートサイクル性能、トランス耐圧を改善できる。さらに、パワーモジュールのコストを低減し、電気的特性の劣化を抑え、信頼性を大幅に改善できる。

また、コア部材は、磁性かつ導電性を有する材料で形成され、プリント基板は、各パワー半導体素子を覆うように配置することによって、輻射ノイズのシールド効果が得られる。また、１次側および２次側コイルパターンをプリント基板の内層に配置することによって、コイル間の絶縁耐圧およびコア−コイル間の絶縁耐圧を高く確保できる。

また、各パワー半導体素子および、各パワー半導体素子に対応する各絶縁トランスは、それぞれ最短の距離に対応して配置することによって、耐ノイズ性に優れ、安定した動作が得られる。

本発明に係るパワーモジュールの概略構造を示す分解斜視図である。ベース基板における回路図の一例を示す。プリント基板における回路図の一例を示す。シートトランス７０の構造の一例を示し、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は断面図である。本発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの駆動回路の一例を示す回路図である。シートトランス７０の他の例を示し、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は断面図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係るパワーモジュールの概略構造を示す分解斜視図である。パワーモジュールは、ベース基板１と、プリント基板３０と、ケース部材２０などを備える。

ベース基板１は、放熱性能の優れた電気絶縁層の上に配線パターンが形成され、例えば、アルミニウム基板、セラミック基板などで構成される。ベース基板１には、複数のパワー半導体素子、例えば、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)３と、複数のダイオード４と、複数の接続端子１３などが搭載される。ベース基板１は、通常、外部のヒートシンク（不図示）に搭載される。

ケース部材２０は、ベース基板１およびプリント基板３０を所定の間隔で保持するために、ベース基板１の周囲を取り囲むように設けられる。

プリント基板３０には、ＩＧＢＴ３を個別に駆動するための複数の駆動回路と、各駆動回路に対して個別に電力を供給するための複数の駆動用電源回路などが搭載され、図１に示すように、例えば、発振回路３７、ＭＯＳＦＥＴ３８、バイパスコンデンサ３９、整流回路４１、駆動回路４２、電源トランス５０など各種回路素子が搭載される。

ベース基板１には、多数の接続端子１３が立設しており、プリント基板３０をケース部材２０に収納した状態でベース基板１の配線パターンとプリント基板３０の配線パターンとを電気接続するために用いられる。

ケース部材２０には、多数のモジュール端子２１が配置され、外部回路と電気接続するために用いられる。

なお、図１では、内部構造を説明するためにプリント基板３０を上方に取り外した様子を示しているが、実際のプリント基板３０は、ケース部材２０の内部に収納されるとともに、ベース基板１とプリント基板３０との間の内部空間およびプリント基板３０の上面側には樹脂封止材２５が注入されて、モジュール全体がモールド封止される。

図２は、ベース基板１における回路図の一例を示す。ここでは、三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電力入力Ｐｉｎを三相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）の電力出力Ｐｏｕｔへ変換するコンバータを例示するが、その他の各種コンバータや各種インバータにも本発明は適用可能である。

正ラインＬｐと負ラインＬｎとの間には、Ｕ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ａ，３ｇからなる直列回路、Ｖ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ｂ，３ｈからなる直列回路、Ｗ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ｃ，３ｉからなる直列回路、さらに、Ｒ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ｄ，３ｊからなる直列回路、Ｓ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ｅ，３ｋからなる直列回路、Ｔ相をスイッチングするＩＧＢＴ３ｆ，３ｍからなる直列回路が接続されている。各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍには、ダイオード４ａ〜４ｍがそれぞれ逆並列接続されている。

電力入力Ｐｉｎおよび電力出力Ｐｏｕｔは、図１に示すモジュール端子２１を経由して、外部回路と送受される。

各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍのゲートおよびエミッタは、図１に示す接続端子１３に個別に接続されており、プリント基板３０に搭載された複数の駆動回路から個々の接続端子１３を経由して、駆動信号Ｓａ〜Ｓｍが個別に供給される。

図３は、プリント基板３０における回路図の一例を示す。プリント基板３０には、各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍの駆動信号Ｓａ〜Ｓｍを出力するための複数の駆動回路４２と、各駆動回路４２に対して個別に電力を供給するための複数の駆動用電源回路が搭載される。図３では、駆動信号Ｓａ〜Ｓｆの６系統についての回路図を示し、残りの駆動信号Ｓｇ〜Ｓｍについては同様な回路構成であるため省略している。

各駆動用電源回路は、電源トランス５０と、整流回路４１とを備える。各電源トランス５０の１次側コイル５０ａは共通接続され、２次側コイル５０ｂには個別の整流回路４１が接続される。各整流回路４１は、整流ダイオード４１ａと、平滑コンデンサ４１ｂとを備える。各整流回路４１からの直流電圧は、各駆動回路４２に個別に供給される。

外部電源の正極Ｖｉｎ＋に接続される正ラインと外部電源の負極Ｖｉｎ−に接続される負ラインとの間には、バイパスコンデンサ３９と、発振回路３７と、各電源トランス５０の１次側コイル５０ａおよびＭＯＳＦＥＴ３８からなる直列回路が接続される。

発振回路３７は、所定の周期および所定のデューティ比を持つパルスを発生する。ＭＯＳＦＥＴ３８は、発振回路３７からのパルスに応じて、各電源トランス５０の１次側コイル５０ａに流れる電流をパルス状にスイッチングする。各電源トランス５０は、１次側コイル５０ａと２次側コイル５０ｂの巻線比に応じた電圧に変換し、各整流回路４１に供給する。なお、バイパスコンデンサ３９は、パルス状の電流がノイズとなって外部へ漏出するのを防止している。

各駆動回路４２は、光絶縁用のフォトカプラ４２ａを備え、マイクロプロセッサ等の外部制御回路からの制御信号を受信して、個々の駆動信号Ｓａ〜Ｓｍを出力し、接続端子１３を経由して各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍのゲートおよびエミッタに供給する。。

図４は、電源トランス５０として使用可能なシートトランス７０の構造の一例を示し、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は断面図である。シートトランス７０は、プリント基板３０の第１面（例えば、表側面）に配置された１次側コイルパターン７０ａと、プリント基板３０の第２面（例えば、裏側面）に配置された２次側コイルパターン７０ｂと、両方のコイルパターン７０ａ，７０ｂと電磁結合するコア７１とで構成される。

プリント基板３０には、両方のコイルパターン７０ａ，７０ｂに近接するように、３つの貫通孔３１が形成されている。コア７１は、例えば、Ｅ字状の分割コアに予め二分されており、プリント基板３０の両面側から各分割コアを貫通孔３１に装着すると、分割コアを一体化したコア７１が得られる。

こうしたシートトランス７０を電源トランス５０として使用することによって、トランスの薄型化、小型軽量化が図られるため、従来のような大型トランスを使用したパワーモジュールと比べて、モジュール全体の薄型化、小型軽量化が図られる。

また、プリント基板３０にコイルパターン７０ａ，７０ｂを形成することによって、半田付け箇所を削減できるとともに、極細の電線をボビンに巻回して製作した従来のトランスと比べて、耐振動性、耐ヒートサイクル性能、トランス耐圧を大幅に改善することができる。

また、従来の巻線トランスでは、１次巻線と２次巻線の間の耐電圧を高くすることはボビンの形状的制約等から難しかったが、本発明に係る電源トランス５０では、シートトランス７０において各コイルパターン７０ａ，７０ｂがプリント基板３０の電気絶縁層を介して配置されるため、１次巻線と２次巻線の間の絶縁耐圧を高くできる。

また、ボビンにコアを嵌合して構成した従来の巻線トランスを小型化する場合には、安価なアウトサートボビンが使えず、やむなく高価なインサートボビンを使う必要があったが、本発明ではボビンも必要とせず、巻線用の線材も必要としないので安価なパワーモジュールを実現できる。

また、従来の巻線トランスを複数用いた場合、駆動回路を搭載したプリント基板のパターン面積の割合を大きくすると、プリント基板のリフローはんだ付け時の熱容量が大きくなり、巻線トランスのボビン端子部とボビンに巻かれた巻線のはんだ付け部が再溶融して、はんだ付け品質に悪影響が生じることがあり、そのためプリント基板のパターン面積の割合を大きくとることが困難であった。

これに対して本発明では、トランスの半田付け箇所がなく、プリント基板のパターン面積の割合を容易に大きくとることができ、大きな面積のグランドパターンを確保することが容易になる。その結果、パワーモジュール内での輻射ノイズを、大きなグランドパターンによって効果的にシールドすることが可能となり、輻射ノイズの抑制が図られる。

なお、コイルパターンが配置されるエリアはグランドパターン面積の割合が低下するが、コイルパターン近傍に装着するコアを磁性かつ導電性を有する材料で形成することにより、シールド効果が得られるため、輻射ノイズのシールド効果を維持できる。

さらに、本実施形態では、図１に示すように、多数の接続端子１３を４か所に分けてベース基板１上に配置している。例えば、図２に示すように、駆動信号Ｓａ〜Ｓｃを伝送する接続端子１３と、駆動信号Ｓｄ〜Ｓｆを伝送する接続端子１３と、駆動信号Ｓｇ〜Ｓｉを伝送する接続端子１３と、駆動信号Ｓｊ〜Ｓｍを伝送する接続端子１３を４か所に分散させている。

そして、プリント基板３０では、駆動信号Ｓａ〜Ｓｃを供給する駆動回路４２およびこれに関連した駆動用電源回路と、駆動信号Ｓｄ〜Ｓｆを供給する駆動回路４２およびこれに関連した駆動用電源回路と、駆動信号Ｓｇ〜Ｓｉを供給する駆動回路４２およびこれに関連した駆動用電源回路と、駆動信号Ｓｊ〜Ｓｍを供給する駆動回路４２およびこれに関連した駆動用電源回路を、それぞれ対応する接続端子１３の近傍に配置する。

こうした配置によって、電源トランス５０の２次側コイル５０ｂから各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍのゲートおよびエミッタに至るまでの配線距離を可及的に短縮できる。その結果、ノイズが混入しやすい駆動回路４２への電源ライン、あるいはゲート発振などの問題が生じやすいゲート駆動ラインが短くなるため、耐ノイズ性に優れ、安定して動作するパワーモジュールを実現できる。

以上の説明では、各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍを駆動する計１２個の駆動回路４２ごとに、計１２個の電源トランス５０を配置した例を示したが、負ラインＬｎ側に配置されたＩＧＢＴ３ｇ〜３ｍのエミッタは共通接続されており、これらのＩＧＢＴ３ｇ〜３ｍの駆動基準電圧は共通になる。従って、ＩＧＢＴ３ｇ〜３ｍを駆動する計６個の駆動回路４２に関する電源トランス５０および整流回路４１は共用することが可能である。例えば、１個の電源トランス５０および１個の整流回路４１が２〜６個の駆動回路４２へ電力を供給することによって、部品点数の削減が図られる。

このとき電源容量が不足する場合は、２個以上の電源トランス５０を並列接続することも可能である。また、１つの電源トランス５０に２つ以上の２次側コイル５０ｂを設けて、２つ以上の駆動回路４２へ個別に電力供給することも可能である。なお、２次側コイル５０ｂとして、シートトランス７０に複数のコイルパターン７０ｂを設ける場合、プリント基板３０の層数を増加させないためにも、２〜３回路の２次側コイルパターン７０ｂが好ましい。

また本実施形態では、パワー半導体素子として、ＩＧＢＴを使用した例を示したが、代わりにトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等、他のパワー半導体素子を用いた場合も本発明と同様な効果が得られる、

実施の形態２．
図５は、本発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの駆動回路の一例を示す回路図である。本実施形態に係るパワーモジュールの全体構造は、図１に示したものと同様であるため、重複説明を省く。また、ベース基板１における回路図についても、図２に示したものと同様であるため、重複説明を省く。

図５を参照して、プリント基板３０には、各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍの駆動信号Ｓａ〜Ｓｍを出力するための複数のゲートトランス６０と、各ゲートトランス６０を駆動するための複数のゲートトランス駆動回路４３とが搭載される。なお、図５では、駆動信号Ｓａ〜Ｓｆの６系統についての回路図を示し、残りの駆動信号Ｓｇ〜Ｓｍについては同様な回路構成であるため省略している。

各ゲートトランス６０は、駆動回路側とパワー半導体素子側とを電気絶縁する絶縁トランスとして構成され、１次側コイル６０ａにはゲートトランス駆動回路４３が配置され、２次側コイル６０ｂは各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍのゲートおよびエミッタに接続される。

ゲートトランス駆動回路４３は、バッファ回路として構成され、マイクロプロセッサ等の外部制御回路からの差動制御信号Ｖｄ＋，Ｖｄ−を増幅し波形整形した後、パルス状電流としてゲートトランス６０に供給する。

本実施形態に係るゲートトランス６０についても、図４に示したシートトランス７０が使用できる。こうしたシートトランス７０をゲートトランス６０として使用することによって、トランスの薄型化、小型軽量化が図られるため、従来のような大型トランスを使用したパワーモジュールと比べて、モジュール全体の薄型化、小型軽量化が図られる。

また、実施の形態１と同様に、各ゲートトランス６０を、各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍに対応した垂直方向近傍に配置することにより、各ゲートトランス６０の２次側コイル６０ｂから各ＩＧＢＴ３ａ〜３ｍのゲートおよびエミッタに至るまでの配線距離を可及的に短縮できる。その結果、ノイズ混入やゲート発振などの問題が生じやすいゲート駆動ラインが短くなるため、耐ノイズ性に優れ、安定して動作するパワーモジュールを実現できる。

実施の形態３．
図６は、シートトランス７０の他の例を示し、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は断面図である。本実施形態において、プリント基板３０は、電気絶縁層、第１導体層、電気絶縁層、第２導体層、電気絶縁層という順に積層された多層基板で構成される。

シートトランス７０は、プリント基板３０の第２導体層に配置された１次側コイルパターン７０ａと、プリント基板３０の第１導体層に配置された２次側コイルパターン７０ｂと、両方のコイルパターン７０ａ，７０ｂと電磁結合するコア７１とで構成される。

こうしたシートトランス７０を、図３に示す電源トランス５０または図５に示すゲートトランス６０として使用することによって、トランスの薄型化、小型軽量化が図られるため、従来のような大型トランスを使用したパワーモジュールと比べて、モジュール全体の薄型化、小型軽量化が図られる。

特に、本実施形態では、コイルパターン７０ａ，７０ｂの両方を多層プリント基板の内層側に配置することによって、コイルパターン７０ａ，７０ｂ間だけでなく、コア７１とコイルパターン７０ａ，７０ｂとの間にも電気絶縁層が介在するため、コイル間の絶縁耐圧だけでなく、コア−コイル間の絶縁耐圧も高く確保できる。そのため、コア７１の近傍に電子部品を配置する際、コア−部品間の沿面距離の確保など特別な絶縁設計を施す必要がなくなり、電子部品の高密度実装、モジュール全体の薄型化、小型軽量化が図られる。

なお図６では、シートトランス７０の１次側コイルパターン７０ａと２次側コイルパターン７０ｂの両方を内層シートコイルとして、プリント基板内層に設けた例を示したが、１次側コイルパターン７０ａおよび２次側コイルパターン７０ｂの何れか一方を内層シートコイルとして形成し、他方のコイルパターンを基板表面に設けると共に、他方のコイルパターンとコア７１との間に電気絶縁用の空隙を設けた構成としても、同様の効果が得られる。

１ベース基板、３，３ａ〜３ｍＩＧＢＴ、４，４ａ〜４ｍダイオード、
１３接続端子、２０ケース部材、２１モジュール端子、
２５樹脂封止材、３０プリント基板、３１貫通孔、３７発振回路、
３８ＭＯＳＦＥＴ、３９バイパスコンデンサ、４１整流回路、
４２駆動回路、４３ゲートトランス駆動回路、５０電源トランス、
６０ゲートトランス、７０シートトランス、
７０ａ，７０ｂコイルパターン、７１コア。

Claims

複数のパワー半導体素子と、
各パワー半導体素子を個別に駆動するための複数の駆動回路と、
各駆動回路に対して個別に電力を供給するための複数の駆動用電源回路と、
各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載されたプリント基板とを備え、
各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載された前記プリント基板は、少なくとも２層の内層を有する多層基板で構成され、
各駆動用電源回路は、電力を伝送するためのシートトランスを含み、
該シートトランスは、各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載された前記プリント基板の一部の領域に構成され、各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載された前記プリント基板の内層にそれぞれ配置された１次側および２次側コイルパターンと、
各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載された前記プリント基板に設けられた貫通孔に装着され、１次側および２次側コイルパターンと電磁結合するコア部材とで構成され、
コア部材は、磁性かつ導電性を有する材料で形成され、
各駆動回路および各駆動用電源回路が搭載された前記プリント基板は、各パワー半導体素子を覆うように配置されたことを特徴とするパワーモジュール。
複数のパワー半導体素子と、
各パワー半導体素子を個別に駆動するための複数の駆動回路と、
各駆動回路が搭載されたプリント基板とを備え、
各駆動回路は、パワー半導体素子の駆動信号を伝送するための絶縁トランスを含み、
該絶縁トランスは、プリント基板に配置された１次側および２次側コイルパターンと、プリント基板に装着され、１次側および２次側コイルパターンと電磁結合するコア部材とで構成され、
各パワー半導体素子および、各パワー半導体素子に対応する各絶縁トランスは、それぞれ最短の距離に対応して配置されたことを特徴とするパワーモジュール。
プリント基板は、多層プリント基板で構成され、
１次側および２次側コイルパターンの両方が、多層プリント基板の内層側に配置されることを特徴とする請求項２記載のパワーモジュール。