JP5965912B2 - パワー半導体モジュール、電力変換装置および電動車両 - Google Patents

パワー半導体モジュール、電力変換装置および電動車両 Download PDF

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Description

本発明は、電力変換用のパワー半導体モジュール、そのパワー半導体モジュールを備えた電力変換装置、およびその電力変換装置を搭載する電動車両に関する。
近年、パワー半導体モジュールを備える電力変換装置に対して、高出力・高密度化や小型化の要求が高まっている。パワー半導体モジュールでは、一般的に電力スイッチング用素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や電流還流用のダイオード、そのＩＧＢＴを駆動するためのドライバＩＣなどの制御素子を備えている。
例えば、特許文献１に記載されている電力変換装置は、リード端子が外部へ引き出された状態でパワー半導体を搭載したパワー回路基板を絶縁樹脂で封止したパワー回路モジュールと、パワー半導体を駆動・制御する制御回路基板を絶縁樹脂で封埋した制御回路モジュールとを備えている。そして、パワー回路モジュールのリード端子が制御回路モジュールの接続部に接続された状態で機械的に一体化され、パワー回路モジュールと制御回路モジュールとをワイヤで接続している。
電力変換装置の小型化を図るためには、ドライブ回路などの制御回路をモジュールと一体化し、内蔵集積化のキー技術が必須となっている。そのため、特許文献２に記載の発明では、電力用素子（パワー半導体）の信号部と制御用素子の信号部とをフリップチップ接続して積層化したパワーモジュールが記載されている。このように、制御回路基板の制御素子をパワーモジュールに一体配置することで、電力変換装置の小型化を図るようにしている。
日本国特開２００６−１２１８６１号公報 日本国特開２０１１−２３６５４号公報
しかしながら、特許文献２に記載の制御用素子が一体化されたパワー半導体モジュールでは、制御用素子と電力用素子とが直接接触しているため、電力用素子の発熱がそのまま制御用素子に伝わり、制御用素子の信頼性低下を招くという問題があった。
本発明の第１の態様によると、パワー半導体モジュールは、電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、制御素子が実装され、制御信号を出力するための第１の制御信号端子が形成された第１の回路基板と、離間して配置されたスイッチング素子と第１の回路基板との間に設けられ、スイッチング素子に形成された第２の制御信号端子と第１の制御信号端子とを接続する接続部材と、スイッチング素子、制御素子、第１の回路基板および接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、第１の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、制御信号の生成に必要な情報が、アンテナおよび無線通信用半導体素子を介して制御素子により取得されるように構成され、第１の回路基板は、制御素子、無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられている第１基板領域と、第１の制御信号端子が設けられている第２基板領域との間に、少なくとも一つの貫通穴を備えている。
本発明の第２の態様によると、パワー半導体モジュールは、電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、前記制御素子が実装され、前記制御信号を出力するための第１の制御信号端子が形成された第１の回路基板と、離間して配置された前記スイッチング素子と前記第１の回路基板との間に設けられ、前記スイッチング素子に形成された前記第２の制御信号端子と前記第１の制御信号端子とを接続する接続部材と、前記スイッチング素子、前記制御素子、前記第１の回路基板および前記接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、前記第１の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、前記制御信号の生成に必要な情報が、前記アンテナおよび前記無線通信用半導体素子を介して前記制御素子により取得されるように構成され、前記接続部材が、前記スイッチング素子に形成された第２の制御信号端子と前記第１の制御信号端子とを接続する配線が形成された第２の回路基板で構成されている。
本発明の第３の態様によると、パワー半導体モジュールは、電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、制御素子が実装され、制御信号を出力するための第１の制御信号端子が形成された第１の回路基板と、離間して配置されたスイッチング素子と第１の回路基板との間に設けられ、スイッチング素子に形成された第２の制御信号端子と第１の制御信号端子とを接続する接続部材と、スイッチング素子、制御素子、第１の回路基板および接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、第１の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、制御信号の生成に必要な情報が、アンテナおよび無線通信用半導体素子を介して制御素子により取得されるように構成され、接続部材は、第２の制御信号端子に接続される配線が形成された第２の回路基板と、配線に接続されるように第２の回路基板に固定されたコネクタとで構成され、第１の回路基板がコネクタに着脱可能に接続されている。
本発明の第４の態様によると、第１乃至３のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールにおいて、前記スイッチング素子と接続されたパワー端子を備え、制御素子は、前記パワー端子の端子面と対向せず、該パワー端子と上下に重ならない位置に配置されている。
本発明の第５の態様によると、第２または３の態様のパワー半導体モジュールにおいて、第１および第２の回路基板がノイズ低減用シールドパターンを備えている。
本発明の第６の態様によると、第１乃至５のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールにおいて、電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子、第１の回路基板および接続部材が収納され、外周に放熱フィンが形成された金属ケースを備える。
本発明の第７の態様によると、電力変換装置は、第１乃至６のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールと、無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられた第１の回路基板との間で無線信号を送受信する送受信装置を有し、第１の回路基板に対して制御信号の生成に必要な情報を送信するコントローラと、を備える。
本発明の第８の態様によると、第７の態様の電力変換装置において、無線通信用半導体素子は、パワー半導体モジュールに直流電源の電圧が印加されると起動信号をコントローラへ送信し、コントローラは、起動信号を受信すると制御信号の生成に必要な情報を送信する。
本発明の第９の態様によると、第７または８の態様の電力変換装置において、パワー半導体モジュールは、スイッチング素子の温度を検出する第１の検出部およびスイッチング素子の動作状態を検出する第２の検出部を備え、第１および第２の検出部で検出された温度および動作状態が、無線通信用半導体素子によりコントローラに送信される。
本発明の第１０の態様によると、電動車両は、直流電源と、車両走行用回転電機と、直流電源と車両走行用回転電機との間の電力変換を行う請求項７乃至９のいずれか一項に記載の電力変換装置と、を備える。
本発明によれば、パワー半導体モジュールに設けられた制御素子への熱影響が低減され、制御素子の信頼性向上を図ることができる。
本発明の第１の実施の形態を説明する図であり、本実施の形態の電力変換装置を搭載するハイブリット自動車システムの概略構成を示すブロック図である。 電力変換装置３１の概略構成を示す図である。 パワー半導体モジュール１４の回路構成を示す回路図である。 本実施の形態のパワー半導体モジュール１４の外観図である。 図４のＡ−Ａ断面を示す図である。 パワー半導体モジュール構造体１４Ａの分解斜視図である。 パワー半導体モジュール構造体１４Ａの回路図である。 図５のＢ−Ｂ断面図である。 図８のＣ−Ｃ断面図である。 本実施の形態の第１の変形例を示す図である。 図１０のＤ−Ｄ断面図である。 第１の変形例の他の例を示す図である。 第２の変形例を示す図である。 アンテナ２の変形例を示す図である。 アンテナ２の他の変形例を示す図である。 金属ピンを用いたアンテナ２を説明する図である。 本実施の形態のパワー半導体モジュール１４を用いた電力変換装置２００の一例を示す図である。 従来の電力変換装置２００を説明する図である。 長穴形状の貫通穴１９を設けた場合にの回路基板１を示す図である。 放熱器１５０を備えたパワー半導体モジュール１４を示す図である。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、本実施の形態の電力変換装置をエンジンとモータの両方を使用して走行するハイブリット自動車(以下ＨＥＶと称す)システムに適用した場合の一例を示す図であり、ＨＥＶシステムの概略構成を示すブロック図である。なお、本発明に係る電力変換装置はハイブリッド自動車のみならず、モータのみで走行する電気自動車（以下ＥＶと称す）にも適用可能であり、また一般産業機械に使用されているモータを駆動するための電力変換装置としても使用可能である。
図１に示したＨＥＶシステムでは、エンジン（ＥＮＧ）３５及びモータジェネレータ（ＭＧ）３０は車両の走行用トルクを発生する。またモータジェネレータ３０は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータ３０に外部から加えられる機械エネルギを電力に変換する機能を有する。
モータジェネレータ３０は、例えば同期機あるいは誘導機であり、上述の通り、運転方法によりモータとしても発電機としても動作する。モータジェネレータ３０を自動車に搭載する場合に、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジム(Nd)などの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また永久磁石型の同期電動機は、誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として好適である。
エンジン３５の出力側の出力トルクは、動力分配機構（ＴＳＭ）３４を介してモータジェネレータ３０に伝達される。動力分配機構３４からの回転トルクあるいはモータジェネレータ３０が発生する回転トルクは、トランスミッション３３およびディファレンシャルギア３７を介して車輪３２に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータ３０に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は電力変換装置３１により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリシステム３６を充電し、充電された電力は再び走行エネルギとして使用される。
図２は、電力変換装置３１の概略構成を示す図である。図１のバッテリシステム３６には高圧電源であるバッテリ１３６が設けられており、電力変換装置３１は、バッテリ１３６からの直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ３０を駆動する。バッテリ１３６の正極ラインＰと負極ラインＮとの間には、モータジェネレータ３０のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応して３つのパワー半導体モジュール１４（１４(U)、１４(V)、１４(W)）が設けられている。各パワー半導体モジュール１４(U)、１４(V)、１４(W)は同一構成となっている。また、パワー半導体モジュール１４とバッテリ１３６との間には平滑化コンデンサ２６が並列接続されている。
パワー半導体モジュール１４は、２つのパワー半導体であるＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂを直列接続したものであり、ＩＧＢＴ２１Ａにはダイオード２２Ａが並列接続され、ＩＧＢＴ２１Ｂにはダイオード２２Ｂが並列接続されている。これらのダイオード２２Ａ，２２Ｂにより電流の還流を行う。ＩＧＢＴ２１ＡとＩＧＢＴ２１Ｂとの接続点には交流端子１７が接続されている。パワー半導体モジュール１４(U)の交流端子１７はモータジェネレータ３０のＵ相に接続され、パワー半導体モジュール１４(V) の交流端子１７はモータジェネレータ３０のＶ相に接続され、パワー半導体モジュール１４(W)の交流端子１７はモータジェネレータ３０のＷ相に接続される。
なお、スイッチング用のパワー半導体素子としては、ＩＧＢＴの他に金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いても良い。ＭＯＳＦＥＴを用いる場合にはダイオード２２Ａ，２２Ｂは不要となる。ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。
パワー半導体モジュール１４には、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂの各ゲート端子へ駆動信号を出力する駆動回路３が設けられている。駆動回路３は、コントローラ２９からの指令に基づく駆動パルスをＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂの各ゲート端子に入力し、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのオンオフ動作を行わせる。駆動回路３は、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのエミッタ電流を計測し、過電流検知も行っている。過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのスイッチング動作を停止させるようにする。また、図示していないが、パワー半導体モジュール１４には過温度を検知するための温度センサも設けられている。なお、駆動回路３は、バッテリ１３６を電源として動作する。
コントローラ２９と各パワー半導体モジュール１４(U)、１４(V)、１４(W)に設けられている駆動回路３との信号の授受は、無線通信によって行われている。すなわち、コントローラ２９および各駆動回路３は無線通信機能を備えており、駆動回路３のアンテナ２とコントローラ２９のアンテナ２７との間で信号の送受が行われる。例えば、上述したセンシング情報（エミッタ電流情報、温度情報）は、無線通信により各駆動回路３からコントローラ２９へ送信される。コントローラ２９には、低圧電源２８から電力が供給される。
コントローラ２９には、目標トルク値や回転指令などのモータジェネレータ３０を駆動するための指令が上位コントローラ３７から入力される。また、コントローラ２９には、電流センサ２４で検出されたモータジェネレータ３０に供給される電流値や、モータジェネレータ３０に設けられた不図示の回転検出器（例えば、レゾルバ）からの回転位置信号などが入力される。
図３は、パワー半導体モジュール１４の回路構成を示す回路図である。図２に示した駆動回路３には、ＩＧＢＴ２１のＯＮ、ＯＦＦを行うドライバＩＣ２５と、無線通信ＩＣ２４と、補助電源回路２３とが設けられている。駆動回路３は、無線通信ＩＣ２４およびアンテナ２によりコントローラ２９と無線で信号のやり取りを行う。補助電源回路２３は、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５の電源は補助電源回路２３により高電圧から低電圧へ変換している。
直流負極端子１５および直流正極端子１６の間に一定値以上の高電圧が掛かると補助電源回路２３が起動する。その結果、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５の電源が確保され、無線通信ＩＣ２４がアンテナ２によりコントローラ２９に起動信号を発する。コントローラ２９からはＰＷＭ信号が無線で送られ、そのＰＷＭ信号によりドライバＩＣ２５が駆動される。
次に、図４〜９を用いて、パワー半導体モジュール１４の詳細構造を説明する。図４は、本実施の形態のパワー半導体モジュール１４の外観図である。図５は、図４のＡ−Ａ断面図である。図３に示した各電子部品は、図４に示すような形状のＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース１４０内に収納されている。
ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、図５に示すように、一面に挿入口１４０ａと他面に底を有する筒形状をした冷却器である。モジュールケース１４０は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから形成されている。また、溶接など防水性の高い接合法で、あるいは鍛造、鋳造法などにより、つなぎ目の無い状態でケース状に一体成形されている。
モジュールケース１４０は、挿入口１４０ａ以外に開口を設けない扁平状のケースであり、扁平状ケースの挿入口１４０ａにはフランジ１４１が設けられている。扁平状ケースの面積の広い対向する２つの面の一方には放熱部１４２Ａが設けられ、他方の面には放熱部１４２Ｂが設けられている。放熱部１４２Ａ、１４２Ｂはモジュールケース１４０の放熱壁として機能するものであり、それらの外周面には複数の放熱フィン１４３が形成されている。放熱部１４２Ａ、１４２Ｂを囲む周囲の面は、厚さが極端に薄く容易に塑性変形可能な薄肉部１４４となっている。
図５に示すように、図３に示した各電子部品は樹脂部材６ａによりトランスファーモールドされて一体となったパワー半導体モジュール構造体１４Ａとされ、そのパワー半導体モジュール構造体１４Ａがモジュールケース１４０内に収納されている。
まず、図６，７を用いてパワー半導体モジュール構造体１４Ａの構成を説明する。図６はパワー半導体モジュール構造体１４Ａの分解斜視図であり、図７はパワー半導体モジュール構造体１４Ａの回路図である。図６，７に示すように、パワー半導体モジュール構造体１４Ａには、パワー半導体モジュール１４を構成する電子部品であるＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂ、ダイオード２２Ａ，２２Ｂと、それらを接続するためのリードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９が設けられている。なお、図６では、トランスファーモールドの図示を省略した。
直流正極端子１６が形成されたリードフレーム３１５と交流端子１７が形成されたリードフレーム３１６と、は略同一平面状に配置される。ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂは、半導体チップの一方の面にコレクタ電極が形成され、他方の面にエミッタ電極とゲート電極が配置されている。２１１はゲート電極の端子である。また、ダイオード２２Ａ，２２Ｂに関しても、半導体チップの一方の面にカソード電極が形成され、他方の面にアノード電極が形成されている。
リードフレーム３１５には、ＩＧＢＴ２１Ａのコレクタ電極とダイオード２２Ａのカソード電極とが金属接合体であるハンダ１６０により固着される。一方、リードフレーム３１６には、ＩＧＢＴ２１Ｂのコレクタ電極とダイオード２２Ｂのカソード電極とが、金属接合体であるハンダ１６０により固着される。金属接合体は、錫を主成分としたハンダを用いる事が望ましいが、金、銀、銅のいずれかを主成分としたものやロウ材やペーストを用いることもできる。
ＩＧＢＴ２１Ａ，ダイオード２２Ａを挟んでリードフレーム３１５と反対側に配置されたリードフレーム３１８には、ＩＧＢＴ２１Ａのエミッタ電極とダイオード２２Ａのアノード電極とがハンダ１６０により固着される。一方、リードフレーム３１９には、ＩＧＢＴ２１Ｂのエミッタ電極とダイオード２２Ｂのアノード電極とがハンダ１６０により固着される。リードフレーム３１８，３１９は略同一平面状に配置される。リードフレーム３１６とリードフレーム３１８とは、中間電極３２９により接続されている。なお、図７の２１２はエミッタ電流検出用の端子である。
図５に示す断面（図４のＡ−Ａ断面）は、図６のリードフレーム３１５，３１８の部分を断面したものである。図５に示すように、リードフレーム３１５，３１８の間の隙間は樹脂部材６ａによってトランスファーモールドされ、一体のパワー半導体モジュール構造体１４Ａが形成されている。リードフレーム３１５，３１８の外側の面は樹脂部材６ａから露出しており、リードフレーム３１５，３１８と放熱部１４２Ａ、１４２Ｂとの隙間には絶縁シート１１が配設されている。モジュールケース１４０内に収納されたパワー半導体モジュール構造体１４Ａとモジュールケース１４０との隙間には樹脂部材６ｂが充填されている。
なお、パワー半導体モジュール構造体１４Ａをモジュールケース１４０内に収納する際には、パワー半導体モジュール構造体１４Ａの両面に絶縁シート１１を予め貼り付けた状態で挿入する。そして、モジュールケース１４０の放熱部１４２Ａ、１４２Ｂをケース内側方向に加圧して、放熱部１４２Ａ、１４２Ｂの内周面を絶縁シート１１を介してリードフレーム３１５，３１８に密着させる。そのため、薄肉部１４４を極端に薄くすることで、加圧時に容易に変形することができる。
駆動回路３に設けられている補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５は回路基板１上に実装されている、回路基板１上のドライバＩＣ２５は、中継基板４を介してＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのゲート電極の端子２１１に接続されている。パワー端子である前記端子１５〜１７は板状の金属部材であり、電流が流れることにより発熱する。補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５は、スイッチング素子と接続されているこれらパワー端子とは、図８に示すように上下に重ならない位置に配置されている。このように、補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５を端子１５〜１７の幅広の面である端子面と対向しない位置に配置することにより、端子１５〜１７から受ける熱の影響を低減することができる。回路基板１内には上述したアンテナ２が形成されている。アンテナ２は、例えば銅パターンで形成され、無線通信ＩＣ２４に接続されている。なお、アンテナ２を回路基板１の表面に形成するようにしても良い。
端子１５〜１７および回路基板１の一部は、モジュールケース１４０のフランジ１４１から図示上方に突出している。この突出している部分は、熱可塑性樹脂で形成された端子ブロック６００により一体に固定され、各端子間の絶縁が確保されている。この端子ブロック６００に用いる樹脂材料としては、トランスファーモールドの金型温度以上（例えば、１８０℃以上）の耐熱性と絶縁性とを有する熱可塑性樹脂が適しており、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）等が用いられる。
図８、９は回路基板１および中継基板４の構造を説明する図である。図８は、図５のＢ−Ｂ断面を示す図である。図９は、図８のＣ−Ｃ断面図である。なお、図８では樹脂部材６ａ，６ｂの図示を省略し、図９では樹脂部材６ａ，６ｂおよびモジュールケース１４０の図示を省略した。
図８に示す例では、アンテナ２はダイポールアンテナを構成している。アンテナ２は、モジュール端部から一部露出するようにしても良いし、全部露出するようにしても良い。回路基板１には貫通穴１９が複数形成されている。これらの貫通穴１９は、発熱の大きなＩＧＢＴ２１Ａ、２１Ｂから回路基板１への熱流入を低減するために設けられたものであり、補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５が設けられている領域と、中継基板４が接続されている領域との間に配置されている。
本実施の形態では、貫通穴１９も樹脂部材６ａで封止されるような構成としているため、貫通穴１９内に樹脂部材６ａが充填されることになる。なお、貫通穴１９を配線パターンを接続するためのいわゆるスルーホールとして使用する場合には、貫通穴１９に金属メッキを施すようにする。もちろん、すべての貫通穴１９に金属メッキを施すようにしても良い。
パワー半導体モジュール１４においては、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのスイッチング動作に伴ってスイッチングノイズが発生する。そのため、回路基板１の表裏面には、配線パターン１０１やアンテナ２へのノイズ混入を抑えるためのシールド材１８が設けられている。同様に、中継基板４の場合も、配線パターン４３へのノイズ混入を抑えるためのシールド材４２が基板両面に形成されている。本実施の形態では、シールド材１８，４２は金属パターンで形成されている。
図９に示すように、ドライバＩＣ２５は、回路基板１側の配線パターン１０１、端子１０２およびハンダバンプ７を介して中継基板４の図示右側のスルーホール４１に接続される。このスルーホール４１は、配線パターン４３、図示左側のスルーホール４１およびハンダバンプ７を介してＩＧＢＴ２１Ａのゲート電極用端子２１１に接続されている。
（１）上述のように、本実施の形態では、リードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９に実装されたスイッチング素子であるＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂと、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂを駆動するための制御信号を生成するドライバＩＣ２５と、ドライバＩＣ２５が実装され、制御信号を出力するための端子１０２が形成された回路基板１と、離間して配置されたＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂと回路基板１との間に設けられ、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂに形成された端子２１１と端子１０２とを接続する接続部材である中継基板４と、を備えている。このような構成としたことにより、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂで発生した熱は、中継基板４および回路基板１を介して回路基板上の半導体素子（ドライバＩＣ２５等）に伝達されることのなる。その結果、中継基板４および回路基板１の熱抵抗により、ドライバＩＣ２５への熱流入量を抑えることができ、熱の影響によるドライバＩＣ２５の劣化が抑えられ、ドライバＩＣ２５およびパワー半導体モジュール１４の信頼性向上を図ることができる。
中継基板４には配線パターン４３が形成されており、この配線パターン４３により、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂの端子２１１と回路基板１の端子１０２とが接続される。なお、回路基板１および中継基板４には、シールド用の金属パターンで形成されたシールド材１８、４２が設けられている。その結果、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂで発生するスイッチングノイズはシールド材１８、４２によって遮蔽され、配線パターン１０１、４３へのノイズ影響が低減される。
（２）また、回路基板１には、無線通信を行うための無線通信ＩＣ２４およびアンテナ２が設けられ、ＩＧＢＴ駆動用ＰＷＭ信号は、無線通信によりコントローラ２９からパワー半導体モジュール１４へ送信される。そのため、コントローラ２９には無線通信用ＩＣ２４と同様のＩＣおよびアンテナ２７が設けられている。このような構成としたことにより、電力変換装置の小型化が図れる。
図１７は、本実施の形態のパワー半導体モジュール１４を用いた電力変換装置２００の一例を示す図である。電力変換装置２００のケース２０１には、冷却液が流れる流路２０４が形成されている。図２に示したパワー半導体モジュール１４(U)、１４(V)、１４（W）は、流路２０４内に配置され、冷却液によって冷却される。なお、図１７ではパワー半導体モジュール１４(V)の図示が省略されている。また、流路２０４によって囲まれた空間には、平滑化コンデンサ２６が配置されている。ケース２０１の上部空間にはコントローラ２９が実装されている制御回路基板２０３が配置されている。ケース２０１の上部開口は蓋２０２によって密閉されている。
一方、駆動回路３がパワー半導体モジュール１４側に設けられていない従来のパワー半導体モジュール１４００を用いる場合、電力変換装置２００は図１８に示すような構造となっている。すなわち、パワー半導体モジュール１４００の上方には、図２の駆動回路３を構成する回路部品が実装される駆動回路基板２０５が配置され、その駆動回路基板２０５の上方にコントローラ２９を実装した制御回路基板２０３が配置される。
従来のパワー半導体モジュール１４００の場合、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂの端子２１１に接続されたゲート端子Ｇがモジュールケースの上方に延在するように設けられている。そして、ゲート端子Ｇは駆動回路基板２０５のスルーホールにハンダ接続され、駆動回路基板２０５に実装されているドライバＩＣ２５に接続される。駆動回路基板２０５には、各パワー半導体モジュール１４００に対応したドライバＩＣ２５がそれぞれ設けられている。
図１７に示すように、本実施の形態の電力変換装置２００では、駆動回路３がパワー半導体モジュール１４に組み込まれているため従来のような駆動回路基板２０５を必要とせず、電力変換装置２００の小型化を図ることができる。また、無線通信装置（無線通信ＩＣ、アンテナ）を各パワー半導体モジュール１４およびコントローラ２９にそれぞれ設け、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂの駆動に必要なＰＷＭ信号を無線通信によりコントローラ２９から各パワー半導体モジュール１４へ送信するようにしているので、ゲート端子Ｇを駆動回路基板２０５に接続する従来の構成に比べて、パワー半導体モジュール１４の配置の自由度が向上し、パワー半導体モジュール１４の配置を最適化することで電力変換装置２００のさらなる小型化を図ることができる。
また、前述したように、パワー半導体モジュール１４には過温度を検知するための温度センサが設けられるとともに、駆動回路３によりエミッタ電流も計測される。それらのセンシング情報（エミッタ電流情報、温度情報）は、無線通信により各駆動回路３からコントローラ２９へ送信される。このように、コントローラ２９は、無線通信によりパワー半導体モジュール１４の状態を監視することができる。例えば、温度センサの温度が規定値以上になった場合には、コントローラ２９からパワー半導体モジュール１４へのＰＷＭ信号の送信を停止し、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのスイッチング動作を停止させる。また、エミッタ電流の計測値から異常な電流がが流れたと判断した場合にも、同様にＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのスイッチング動作を停止させる。
さらに、パワー半導体モジュール１４の端子１５，１６にバッテリ１３６からの電圧が印加されると、補助電源回路２３が起動し、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５の駆動電源が確保される。無線通信ＩＣ２４は電源が投入されると自動的に起動信号をアンテナ２を介して送信する。コントローラ２９は、この起動信号を受信することにより駆動回路３が起動したことを確認したならば、制御信号生成に必要なＰＷＭ信号をパワー半導体モジュール１４へ送信する。このように、コントローラ２９はパワー半導体モジュール１４が起動したことを確認してからＰＷＭ信号を送信するようにしているので、パワー半導体モジュール１４の非起動時にＰＷＭ信号を発生することによる無駄な電力消費を防止することができる。
（３）さらに、回路基板１には、無線通信ＩＣ２４、ドライバＩＣ２５およびアンテナ２が設けられている基板領域と端子１０２が設けられている基板領域との間に、少なくとも一つの貫通穴１９が設けられている。貫通穴１９の部分の熱抵抗は基板材料の部分の熱抵抗よりも大きいので、貫通穴１９を設けたことにより、端子１０２に接続されたＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂから無線通信ＩＣ２４、ドライバＩＣ２５およびアンテナ２が設けられている基板領域への熱流入量を、低減することができる。
（４）パワー半導体モジュールは、スイッチング素子（ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂ）と接続されたパワー端子である端子１５〜１７を備え、制御素子である補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５は、端子１５〜１７の端子面と対向せず、端子１５〜１７と上下に重ならない位置に配置されている。このように、補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５を端子１５〜１７の幅広の面である端子面と対向しない位置に配置することにより、端子１５〜１７から受ける熱の影響を低減することができる。
上述したようにＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂは樹脂部材６ａによりトランスファーモールドされて一体のパワー半導体モジュール構造体１４Ａとされる。そして、パワー半導体モジュール構造体１４Ａはモジュールケース１４０に収納された後、モジュールケース１４０との隙間に樹脂部材６ｂが充填される。
（５）また、図９に示すように、回路基板１および中継基板４に金属パターンのシールド材１８，４２を設けたことにより、配線パターン１０１、４３やアンテナ２へのノイズの影響を低減することができる。
以下では、上述した実施形態の変形例について説明する。
（第１の変形例）
図１０、１１は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。図１０，１１は、パワー半導体モジュール１４の回路基板１および中継基板４が設けられている部分を示す図である。図１０は一部を破断面とした平面図、図１１は図１０のＤ−Ｄ断面図である。
上述した実施の形態では、中継基板４を介して回路基板１をＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂと接続したが、第１の変形例では、中継基板４と回路基板１との間にコネクタ２０を設けた点が異なる。コネクタ２０は、端子ブロック６００により端子１５〜１７と固定されている。コネクタ２０は、基板保持具２０ａが設けられている端部が端子ブロック６００からケース外に突出している。中継基板４は、コネクタ２０のケース内側の端部に接続される。回路基板１は、基板保持具２０ａに装着することによりコネクタ２０に接続される。回路基板１は、基板保持具２０ａに対して着脱可能に装着される。
図１０，１１に示す例では、端子１５〜１７に対して基板面が平行となるように、回路基板１をコネクタ２０の端面に装着するようにした。図１２に示す他の例では、基板保持具２０ａをコネクタ２０の側面に設け、回路基板１を端子１５〜１７に対して直交するように配置している。なお、図１０〜１２に示す例では、回路基板１の高さが高くなりすぎないように、半導体素子を基板の表裏両面に実装している。
このように、第１の変形例では、回路基板１は、配線パターン４３が形成された中継基板４と中継基板４に固定されたコネクタ２０とを介して、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂに接続されている。そのため、中継基板４を介して回路基板１をＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂと接続する構成と比べた場合、回路基板１への熱流入をより低減することができる。また、回路基板１は、コネクタ２０の基板保持具２０ａに対して着脱可能に装着されているので、回路基板１の交換が容易となる。そのため、例えば、回路定数を変えたい場合やドライバＩＣ２５の性能を変更したい場合に便利である。
（第２の変形例）
図１３は、第２の変形例を示す図である。第２の変形例では、中継基板４を省略して、回路基板をＩＧＢＴ２１Ａに接続した点が上述した実施の形態（図５参照）と異なる。中継基板４を省略したので、実装プロセスがより簡略化される。
この場合、中継基板４を省略した分だけＩＧＢＴ２１Ａからの熱流入が増えるが、特許文献２に記載のように半導体素子そのものをＩＧＢＴ２１Ａに接続する構成と比べた場合、以下の点で熱流入量を抑えることができる。第２の変形例では、ドライバＩＣ２５等の素子は、回路基板１を介してＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂに固定されているので、回路基板１の熱抵抗により素子への熱流入量が低減される。また、ＩＧＢＴ２１Ａとの接続部と、素子実装部との間に複数の貫通穴１９を設けているので、基板の熱抵抗をさらに増加させることができる。
上述した実施の形態では、回路基板１に設けられたアンテナ２をダイポールアンテナとしたが、種々の形式が可能であり、例えば、図１４、１５に示すような形式のアンテナであっても構わない。図１４（ａ）はループアンテナであり、図１４（ｂ）はミアンダー状のダイポールアンテナであり、図１５（ａ）はバッチアンテナである。また、図１５（ｂ）に示すアンテナ２はダイポールアンテナであるが、アンテナパターンがモジュールケース１４０の内部に入っている点が、図４に示すアンテナ２と異なっている。そのため、図４の場合に比べてアンテナ２の通信範囲は限定されるが、指向性を持った通信が可能である。
なお、図１６に示す例のように、回路基板１の内部または表面にアンテナ２を設ける代わりに、金属ピンを用いてアンテナ２を構成する。そのアンテナ２は、モジュールケース１４０のの端部から外部に露出している点である。この場合、アンテナ２が回路基板１の基板材によって覆われていなくても、アンテナとしての役割を充分果たすことが可能である。図１６に示す例では、端子ブロック６００は省略され、回路基板１を支持するためのスペーサ３９を設けている。これは、樹脂部材６ａでモールドするまでの間に、回路基板１とＩＧＢＴ２１Ａとの接続部に不用意な力が掛かるのを防止するためである。
また、図８に示した例では、円形の貫通穴１９を複数形成したが、図１９に示すように長穴形状の貫通穴１９を形成するようにしても良い。
上述した実施形態では、パワー半導体モジュール構造体１４Ａを放熱用のモジュールケース１４０に収納する構成としたが、図２０に示すように放熱器１５０を設ける構成としても良い。
上述した各実施形態や変形例はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

Claims (10)

  1. 電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、
    前記制御素子が実装され、前記制御信号を出力するための第１の制御信号端子が形成された第１の回路基板と、
    離間して配置された前記スイッチング素子と前記第１の回路基板との間に設けられ、前記スイッチング素子に形成された第２の制御信号端子と前記第１の制御信号端子とを接続する接続部材と、
    前記スイッチング素子、前記制御素子、前記第１の回路基板および前記接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、
    前記第１の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、
    前記制御信号の生成に必要な情報が、前記アンテナおよび前記無線通信用半導体素子を介して前記制御素子により取得されるように構成され、
    前記第１の回路基板は、前記制御素子、前記無線通信用半導体素子および前記アンテナが設けられている第１基板領域と、前記第１の制御信号端子が設けられている第２基板領域との間に、少なくとも一つの貫通穴を備えているパワー半導体モジュール。
  2. 電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、
    前記制御素子が実装され、前記制御信号を出力するための第１の制御信号端子が形成された第１の回路基板と、
    離間して配置された前記スイッチング素子と前記第１の回路基板との間に設けられ、前記スイッチング素子に形成された第２の制御信号端子と前記第１の制御信号端子とを接続する接続部材と、
    前記スイッチング素子、前記制御素子、前記第１の回路基板および前記接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、
    前記第１の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、
    前記制御信号の生成に必要な情報が、前記アンテナおよび前記無線通信用半導体素子を介して前記制御素子により取得されるように構成され、
    前記接続部材が、前記スイッチング素子に形成された前記第２の制御信号端子と前記第１の制御信号端子とを接続する配線が形成された第２の回路基板で構成されているパワー半導体モジュール。
  3. 電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、
    前記スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、
    前記制御素子が実装され、前記制御信号を出力するための第１の制御信号端子が形成された第１の回路基板と、
    離間して配置された前記スイッチング素子と前記第１の回路基板との間に設けられ、前記スイッチング素子に形成された第２の制御信号端子と前記第１の制御信号端子とを接続する接続部材と、
    前記スイッチング素子、前記制御素子、前記第１の回路基板および前記接続部材をまとめて一体に封止する樹脂部材と、を備え、
    前記第１の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、
    前記制御信号の生成に必要な情報が、前記アンテナおよび前記無線通信用半導体素子を介して前記制御素子により取得されるように構成され、
    前記接続部材は、前記第２の制御信号端子に接続される配線が形成された第２の回路基板と、前記配線に接続されるように前記第２の回路基板に固定されたコネクタとで構成され、
    前記第１の回路基板が前記コネクタに着脱可能に接続されているパワー半導体モジュール。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記スイッチング素子と接続されたパワー端子を備え、
    前記制御素子は、前記パワー端子の端子面と対向せず、該パワー端子と上下に重ならない位置に配置されているパワー半導体モジュール。
  5. 請求項２または３に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記第１および第２の回路基板がノイズ低減用シールドパターンを備えているパワー半導体モジュール。
  6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    前記電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子、前記第１の回路基板および前記接続部材が収納され、外周に放熱フィンが形成された金属ケースを備えたパワー半導体モジュール。
  7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールと、
    前記無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられた前記第１の回路基板との間で無線信号を送受信する送受信装置を有し、前記第１の回路基板に対して前記制御信号の生成に必要な情報を送信するコントローラと、を備える電力変換装置。
  8. 請求項７に記載の電力変換装置において、
    前記無線通信用半導体素子は、前記パワー半導体モジュールに直流電源の電圧が印加されると起動信号を前記コントローラへ送信し、
    前記コントローラは、前記起動信号を受信すると前記制御信号の生成に必要な情報を送信する電力変換装置。
  9. 請求項７または８に記載の電力変換装置において、
    前記パワー半導体モジュールは、前記スイッチング素子の温度を検出する第１の検出部および前記スイッチング素子の動作状態を検出する第２の検出部を備え、
    前記第１および第２の検出部で検出された温度および動作状態が、前記無線通信用半導体素子により前記コントローラに送信される電力変換装置。
  10. 直流電源と、
    車両走行用回転電機と、
    前記直流電源と前記車両走行用回転電機との間の電力変換を行う請求項７乃至９のいずれか一項に記載の電力変換装置と、を備えた電動車両。
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