JP5846929B2 - パワー半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電気モータを駆動制御するパワー半導体モジュールであって、電気モータで発生するコモン・モード・ノイズを減少させることが可能なパワー半導体モジュールに関する。

従来、パワー半導体モジュールにおいてコモン・モード・ノイズを低減する技術として、特許文献１に記載のものが知られている。
この特許文献１に記載のパワー半導体モジュールは、電気自動車やハイブリッド車の電気モータを制御するインバータのケースの周壁と、このケース内に収容されたパワー半導体モジュールの上部に載置された平滑コンデンサとのとの間で、直流バス・ラインを構成し対をなすバス・バーが平滑コンデンサに沿って平行に延伸されている。また、対をなすコンデンサがバス・バーの外側でこれらバス・バーの板面に沿うように配置される。コンデンサは、バス・バーに対する対称位置で、その一端側のリードがバス・バーから外側へ突出した接続部に、またその他端側のリードがバス・バーの下方を横切って配置された板状のアース端子に、それぞれ接続される。

特開２００５−１２９０８号公報

しかしながら、上記従来のパワー半導体モジュールには、以下に説明するような問題がある。
すなわち、上記特許文献１に記載のものは、電池 (電源)とパワー半導体モジュールとの間にコンデンサを配置するため、コモン・モード電流のループがその分大きくなって放射ノイズが大きくなる上、バス・バー自体にコンデンサのリードを接続するので、構造が複雑となり、大きなスペースが必要となるといった問題がある。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、その目的とするところは、簡単かつコンパクトな構造で、コモン・モード・ノイズを低減することができるようにしたパワー半導体モジュールを提供することにある。

この目的のため、請求項１に記載の本発明によるパワー半導体モジュールは、
互いに離間された第１冷却板および第２冷却板と、
第１冷却板の内側に設けた第１絶縁基板および第２冷却板の内側に設けた第２絶縁基板と、
第１絶縁基板の内側に設けた第１金属パターンおよび第２絶縁基板の内側に設けた第２金属パターンと、
第１金属パターンおよび第２金属パターンの間に配置され、第１金属パターンおよび第２金属パターンに電気的に接続されるパワー素子と、
アース端子と、
を有し、モータと同一の筐体に収容されてモータを駆動するパワー半導体モジュールにおいて、
モータ及びアース端子は、筐体にアースされており、
第１金属パターンおよび第２金属パターンと、アース端子またはアース端子に接続した
第１冷却板および第２冷却板と、で、ライン・バイパス・コンデンサを構成し、ライン・バイパス・コンデンサを介してモータとパワー半導体モジュールとの間で、モータで発生したコモン・モード電流を流すようにした、
ことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明によるパワー半導体モジュールは、
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
ライン・バイパス・コンデンサを、第１金属パターンおよび第２金属パターンと、アース端子を接続した第１冷却板および第２冷却板と、第１金属パターンおよび第１冷却板の間に配置した第１絶縁基板と、第２金属パターンおよび第２冷却板の間に配置した第２絶縁基板と、で構成した、
ことを特徴とする。

請求項３に記載の本発明によるパワー半導体モジュールは、
請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
ライン・バイパス・コンデンサを、第１金属パターンおよび第２金属パターンと、アース端子と、第１金属パターンおよびアース端子の間に配置した第１絶縁体と、第２金属パターンおよびアース端子の間に配置した第２絶縁体と、で構成した、
ことを特徴とする。

請求項１に記載の本発明のパワー半導体モジュールにあっては、簡単かつコンパクトな構造で、モータの巻き線と筐体との対地容量によって発生するコモン・モード・ノイズを低減することができる。

請求項２に記載の本発明のパワー半導体モジュールにあっては、簡単な構成で大きな容量のライン・バイパス・コンデンサを得ることができる。

請求項３に記載の本発明のパワー半導体モジュールにあっては、簡単な構成で、かつ端子数を少なくすることができる。

本発明の実施例１のパワー半導体モジュールを有するインバータ、およびその関係部品の接続関係およびコモン・モード電流の流れを示す図である。 図１の部品関係図におけるインバータの構成を示すブロック図である。 実施例１のパワー半導体モジュールの外観を示す斜視図である。 図３においてS4−S4線に沿って切断し、その矢印方向にみた実施例１のパワー半導体モジュールの断面図である。 実施例１のパワー半導体モジュールの構造を示す図で、(a)はパワー半導体モジュールを上方からみた図、（ｂ）は下側の絶縁基板に形成した金属パターンを上からみた図、（ｃ）は上側の絶縁板に形成した金属パターンを上からみた図ある。 本発明の実施例２のパワー半導体モジュールの斜視図である。 図６おいてS7−S7線に沿って切断し、その矢印方向にみた図である。 実施例２のパワー半導体モジュールを、この上方側の絶縁基板を開いた状態で斜め上方からみた斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。

実施例１のパワー半導体モジュールは、たとえば電気自動車に搭載するインバータに用いられる。
図１および図２に示すように、電源としての電池Bには、直流パワー・ラインを介してインバータINVが接続され、このインバータINVには三相交流パワー・ラインを介して交流モータMが接続される。

インバータINVは、図２に示すように、低周波成分を除去する平滑コンデンサN１と、交流モータMを制御するモータ・コントロール基板N２と、交流モータMを駆動する駆動基板N３と、交流モータMへ供給する三相交流電流を作り出すパワー半導体モジュールN４と、インバータINVの発熱を冷却するための冷却器N５と、を有る。
このインバータINVは、交流モータMのすぐ隣に配置され、これと共通の筐体D（図１に示す）に入れられている。

上記回路においては、図１に示すように、電池Bや交流モータMは、アースGNDに対し浮遊容量C1、C4を有する。このため電源ラインの往路、帰路に対して同方向にコモン・モード電流が発生する。
すなわち、このコモン・モード電流Icは、特にノイズが大きいモータMでは、モータの巻き線と筐体Dとの間の対地容量によってIc＝Cdv/dtの大きさとなる。ここで、Cは浮遊容量C４のキャパシタンス、vはその電位、tは時間である。このコモン・モード電流は放射ノイズとなって他部品等へ悪影響を与えるため、コモン・モード電流が外部へ流出しないように、電池BとインバータINVの間の往路およびアースGNDの間と、その帰路およびアースGNDの間とにそれぞれライン・バイパス・コンデンサCy（いわゆるＹコンデンサであり、コンデンサC2、C3からなる）を設けるようにする。このように、ＹコンデンサCyを設けることで、図１の細線の矢印で示す電流経路を、太線の矢印で示す電流経路へと短くすることができる。

本実施例では、放射ノイズの原因となる、上記太線の矢印で示す電流経路が最も短くなるようにＹコンデンサCyの接続方法をとるようにする。すなわち、本実施例では、インバータINVと交流モータMとを一体化して共通の筐体Dに入れ、これら間の電気的接続距離を短くする。このような構造（図２の破線で囲んだ部分）にＹコンデンサCyを配置することになるが、この場合、ＹコンデンサCyは一般的な方法のようにバス・バーなどの電源ラインへ接続設置しようとすると、インバータ内部の各ユニット間はバス・バーで最適に連結する構造となっているため、ＹコンデンサCyとの接続が難しく、また大型化したり複雑化したりする。

そこで、本実施例では、他の部品のレイアウトに左右されないように、ＹコンデンサCyをインバータINVのパワー半導体モジュールN4内に配置するとともに、そのＹコンデンサCyを上記共通の筐体Dにアースするようにして、コモン・モード電流の経路（ループ）が最小の長さとなるようにしている。

そのパワー半導体モジュールN4を、図３〜図５に示す。
パワー半導体モジュールN４は、２枚の冷却板（第１冷却板1および第２冷却板2）と、第１絶基板10および第２絶縁基板11と、第１金属パターン12および第２金属パターン13と、フリー・ホイーリング・ダイオード(FWD: Free Wheeling Diode)8および絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ(IGBT： Insulated Gate Bipolar Transistor)９と、マイナス端子3と、プラス端子4と、アウトプット端子5と、２つのアース端子6、7と、樹脂モールド14と、を有する。

第１冷却板1および第２冷却板2は、熱伝導率が高く放熱性が優れ、かつ電気伝導性の良い金属製の四角形状の板を用い、パワー半導体モジュールN4の上下方向のそれぞれ最外側に離間した状態で配置される。
図３に示すように、第１冷却板1の一端側の中央位置部分には、第１アース端子6が接続されて外側へ突出される。
同様に、第２冷却板2の一端側の中央位置部分には、第２アース端子7が接続されて外側へ突出される。なお、第１アース端子6および冷却板1、また第２アース端子7および冷却板2は、いずれも電気的に接続されていればよく、一体であっても別体であってもよい。

第１絶縁基板10は、第１冷却板1よりわずかに大きく形成されてこの第１冷却板1の内側に配置される。
同様に、第２絶縁基板11は、第２冷却板2よりわずかに大きく形成されてこの第２冷却板2の内側に配置される。
第１絶縁基板10および第２絶縁基板11は、本実施例では、セラミック製とする。

第１金属パターン12は、導電性の金属（たとえばアルミニウム）で形成され、第１絶縁基板10の内側に、これよりわずかに小さい範囲内に設けられる。この 第１金属パターン12は、図５（ａ）に示すようにパワー半導体モジュールN4を上からみた（第１冷却板1側からみた）場合に、図５（ｃ）に示すように、同図中、左下に小さな四角形状のマイナス側部分12nと、左上の大きなＬ字状のアウトプット側部分12oと、右側の大きなＬ字状のプラス側部分12pと、を有する。これらの部分12n、12o、12pはそれぞれ分離されて形成され、電気的に非接続にされる。

第２金属パターン13は、導電性の金属（たとえばアルミニウム）で形成され、第２絶縁基板12の内側に、これよりわずかに小さい範囲内に設けられる。この第２金属パターン13は、図５（ａ）に示すようにパワー半導体モジュールN4を上からみた場合に、図５（ｂ）に示すように、同図中、左側に大きなＬ字状のマイナス側部分13nと、右下に小さな四角形状のプラス側部分13pと、右上の大きなＬ字状のアウトプット側部分13oと、を有する。これらの部分13p、13o、13nはそれぞれ分離されて形成され、電気的に非接続にされる。

マイナス端子3は、この一端側がパワー半導体モジュールN４のアース端子6、7側、かつ幅方向の左側位置で、第１冷却板1と第２冷却板2との間から外側へ突出し、その他端側がパワー半導体モジュールN4の内部へ入って下方に曲げられ、第２金属パターン13の広い面積であるマイナス側部分13nに接触されるようにしてある。
一方、プラス端子4は、この一端側がパワー半導体モジュールN4のアース端子6、7側、かつ幅方向の右側位置で、第１冷却板1と第２冷却板2との間から外側へ突出し、その他端側がパワー半導体モジュールN4の内部に入って上方へ曲げられ、第１金属パターン12の広い面積であるプラス側部分12pに接触されるようにしてある。

パワー素子であるFWD8とIGBT9とは並列回路にされて可逆チョッパを構成するようにされ、これら並列回路、２組で交流モータＭの１相分に相当する上アームと下アームを構成する。
すなわち、上側のIGBTと下側FWDとで降圧チョッパを、また下側のIGBTと上側のFWDとで昇圧チョッパを構成している。

これらのFWD8とIGBT9とは、この２組の並列回路がアース端子6、7とアウトプット端子5を結ぶ線の左右にそれぞれ１組ずつ分けられて配置された状態で、それらの上下から第１金属パターン12と第２金属パターン13とで、これらの間に挟まれる。そして、FWD8とIGBT9の金属リードが、それぞれ対応する第１金属パターン12と第２金属パターン13のプラス側部分12p、13p、マイナス側部分12n、13n、アウトプット側部分12o、13oに接続される。

したがって、上記パワー半導体モジュールN4にあっては、第１冷却板1がアース端子6を介して筐体Dにアースされ、第１金属パターン12の広い面積のプラス側部分12pが第１冷却板1との間に第１絶縁基板10を挟む構造となるので、これら各ユニットでプラス側線と筐体DのアースGNDとの間に設けたＹコンデンサを構成することになる。
同様に、第２冷却板2がアース端子7を介して筐体Dにアースされ、第２金属パターン13の広い面積のマイナス側部分13nが第２冷却板2との間に第２絶縁基板11を挟む構造となるので、これらでマイナス側線と筐体DのアースGNDとの間に設けたＹコンデンサを構成することになる。

なお、このように積層配置した各ユニットはそれら間の間隙や外側が樹脂モールド１４で固められて密封される。

上記のように構成されたパワー半導体モジュールN4では、電池Bからの電流がプラス端子4を介して第１金属パターン12のプラス側部分12pに流れ込み、IGBT9およびFWD8でのオン・オフのスイッチング動作により得た出力電流が第１金属パターン12のアウトプット側部分12oへ出力され、アウトプット端子5を介して交流モータMの３本の巻き線のうちの１本へ流れ込む。同様に他の２個のパワー半導体モジュールN4でも、交流モータMの他の２本の巻き線に流れ込む。したがって、これらは三相交流電流となって、交流モータMを駆動制御する。

一方、下側のIGBT9のエミッタおよびFWD8のアノードは第２金属パターン13のマイナス側部分13nに接続されており、このマイナス側部分13nおよびマイナス端子3を介して電流が電池Bに戻っていく。

この場合、アース端子6に接続した第１冷却板1と、第１絶縁基板10と、第１金属パターン12の広い面積のプラス側部分12pと、で構成したＹコンデンサを介してプラス側線が、アース端子7を介して筐体Dにアースされている。
また、アース端子７に接続した第２冷却板2と、第２絶縁基板11と、第２金属パターン13の広い面積のマイナス側部分13nと、で構成されたＹコンデンサを介してマイナス側線が、アース端子7を介して筐体Dにアースされている。
この結果、筐体DがインバータINVとこのすぐ近くに設置した交流モータMとを内蔵して共通のアースGNDとなって、図１、図２に示したように、コモン・モード電流が流れる最も短いループを形成することになる。これにより外部への放射ノイズを低減することになる。

以上の説明から分かるように、実施例１のパワー半導体モジュールN4にあっては、交流モータMの巻き線と筐体Dとの対地容量で発生したコモン・モード電流が流れる経路が、インバータINVのパワー半導体モジュールN4内にＹコンデンサを設け、パワー半導体モジュールN4とこのすぐ近くに配置した交流モータMとを結ぶ経路となるようにしたので、この経路を最小にでき、外部への放射ノイズを大きく低減することが可能となる。

また、実施例１のパワー半導体モジュールN4にあっては、もともとパワー半導体モジュールN4の構成に必要な、第１、第２の冷却板1、2と第１、第２絶縁基板10、11と、第１、第２金属パターン12、13とで、Ｙコンデンサを構成し、最外側の第１、第２の冷却板1、2にアース端子7、8を接続して、インバータINVと交流モータMの共通の筐体Dにアースするようししている。
したがって、パワー半導体モジュールN4のバス・バーにＹコンデンサを接続する場合に比べ、接続が簡単で、構成部品も減り、コンパクトにすることが可能となる。

次に、他の実施例について説明する。この他の実施例の説明にあたっては、前記実施例１と同様の構成部分については図示を省略し、もしくは同一の符号を付けてその説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

実施例２のパワー半導体モジュールでは、第１、第２冷却板1、2に接続した実施例１のアース端子6、7を廃止し、図６〜図８に示すように、１個のアース端子15が第１、第２金属パターン12、13の間に配置される。アース端子15は、この一端側が第１、第２絶縁基板10、11および樹脂モールド１４から突出され、他端側が第１、第２金属パターン12、13の間まで延ばされ、その上方に第１金属パターン12のプラス側部分12pが、また下方に第２金属パターン13のマイナス側部分13nが相対するように配置される。

また、アース端子15と第１金属パターン12のプラス側部分12pとの間には第１絶縁体16aが、またアース端子15と第２金属パターン13のマイナス側部分13nとの間には第２絶縁体16bがそれぞれ介在させられる。
他の構成は実施例１と同様である。
なお、図８では、FWD8は第１FWD8aと第２FWD8bとして、またIGBT9は第１IGBT9a、第２IGBT9bとして表れている。

この結果、実施例２のパワー半導体モジュールでは、第１金属パターン12のプラス側部分12pと、第１絶縁体16aと、アース端子１５とでプラス側線のＹコンデンサを構成する。
また、第２金属パターン13と、第２絶縁体16bと、アース端子１５とでマイナス側線のＹコンデンサを構成する。

したがって、この場合にも、交流モータMと筐体Dとの間の対地容量により発生したコモン・モード電流が流れる経路は、交流モータMとパワー半導体モジュールの一部およびこの内部のＹコンデンサで形成される短い経路となる。

以上の説明から分かるように、実施例２のパワー半導体モジュールも実施例１と同様の効果を得ることができる。また、Ｙコンデンサの容量は実施例１より小さくはなるものの、その端子数を減らすことが可能となる。

以上、本発明を上記各実施例に基づき説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計変更等があった場合でも、本発明に含まれる。

パワー半導体モジュールの材質や形状は、使用目的や使用環境等に応じて、適宜変更することができる。

本実施例では、パワー半導体モジュールを電気自動車に適用したが、これに限られず、ハイブリッド車あるいは車両以外のものにも適用することができる。

Ｂ 電池
D 筐体
INV インバータ
M 交流モータ(モータ)
N1 平滑コンデンサ
N2 モータ・コントロール基板
N3 駆動基板
N4 パワー半導体モジュール
N5 冷却器
1 第１冷却板
2 第２冷却板
3 マイナス端子
4 プラス端子
5 アウトプット端子
6、7、15 アース端子
8、8a、8b FWD（パワー素子）
9、9a、9b IGBT（パワー素子）
10 第１絶縁基板
11 第２絶縁基板
12 第１金属パターン
12p プラス側部分
12n マイナス側部分
12o アウトプット側部分
13 第２金属パターン
13p プラス側部分
13n マイナス部分
13o アウトプット側部分
14 樹脂モールド
16a 第１絶縁体
16b 第２絶縁体

Claims (3)

1. 互いに離間された第１冷却板および第２冷却板と、
   前記第１冷却板の内側に設けた第１絶縁基板および前記第２冷却板の内側に設けた第２絶縁基板と、
   前記第１絶縁基板の内側に設けた第１金属パターンおよび前記第２絶縁基板の内側に設けた第２金属パターンと、
   前記第１金属パターンおよび前記第２金属パターンの間に配置され、前記第１金属パターンおよび前記第２金属パターンに電気的に接続されるパワー素子と、
   アース端子と、
   を有し、モータと同一の筐体に収容されて前記モータを駆動するパワー半導体モジュールにおいて、
   前記モータ及び前記アース端子は、前記筐体にアースされており、
   前記第１金属パターンおよび前記第２金属パターンと、前記アース端子または該アース端子に接続した前記第１冷却板および前記第２冷却板と、で、ライン・バイパス・コンデンサを構成し、該ライン・バイパス・コンデンサを介して前記モータと前記パワー半導体モジュールとの間で、前記モータで発生したコモン・モード電流を流すようにした、
   ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
   
2. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
   前記ライン・バイパス・コンデンサは、前記第１金属パターンおよび前記第２金属パターンと、前記アース端子に接続した前記第１冷却板および前記第２冷却板と、前記第１金属パターンおよび前記第１冷却板の間に配置した前記第１絶縁基板と、前記第２金属パターンおよび前記第２冷却板の間に配置した前記第２絶縁基板と、で構成した、
   ことを特徴とするパワー半導体モジュール。
3. 請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
   前記ライン・バイパス・コンデンサは、前記第１金属パターンおよび前記第２金属パターンと、前記アース端子と、前記第１金属パターンおよび前記アース端子の間に配置した第１絶縁体と、前記第２金属パターンおよび前記アース端子の間に配置した第２絶縁体と、で構成した、
   ことを特徴とするパワー半導体モジュール。

Images