JP6203232B2 - パワーモジュール - Google Patents

Description

この発明は、電気自動車あるいはハイブリッド車など、モータを駆動源の一つとする電動自動車に搭載される電力変換装置に使用される、パワーモジュールに関する。

電動自動車に搭載される電力変換装置には、モータを駆動するためのインバータ、高圧バッテリ電圧から１２Ｖ系バッテリ電圧に降圧するＤＣ/ＤＣコンバータ、１２Ｖ系バッテリ電圧から高圧バッテリ電圧に昇圧するＤＣ/ＤＣコンバータ、商用電源から高圧バッテリに充電するための充電器、高圧バッテリからＡＣ１００Ｖを生成するインバータなどの、種々の電力変換装置が搭載されている。
その電力変換装置の部品としてモジュールが搭載されるが、モジュールはＳｉあるいはダイオード等の半導体素子が搭載された絶縁基板が用いられ、絶縁基板の表面に銅あるいはアルミニウム等の金属板、金属回路板が接合されパワーモジュールとなる。電子部品は、金属板、金属回路に接合され、ワイヤボンディングによって電気的に接続される。

昨今の電動自動車を取り巻く環境においては、そのコンポーネントの小型、低コスト化の要求が非常に強く、電動車両に搭載される各種電力変換装置も例外ではない。
これらの電力変換装置の小型、低コスト化を実現する手段の有力は手法の一つにＳｉＣを用いたモジュールが用いられることが挙げられる。
ＳｉＣを用いた電力変換装置では、高温となっても安定に動作するため、大電流を流すことができるが、従来の構成では金属回路の接続に使用されていたワイヤボンディングでは、高温で動作した場合の温度サイクルにおける信頼性が課題となり、バスバーを採用されている。

例えば、絶縁基板と、絶縁基板の上面に接合された金属回路板と、高圧バッテリと接続する入力端子あるいはモータと接続する出力端子とを接続するためにねじ止めあるいは溶接で接続されている。
ねじ止めの場合は、ねじを締めつける作業スペースとねじのフランジ径のスペースが必要であり、大型となる。また、ねじの緩み等で金属回路板と入力端子あるいは出力端子間の接触抵抗増加のため、発熱による溶融あるいは焼損等の懸念がある。
溶接の場合は、溶接機の稼働範囲あるいは溶接可能な形状を検討しなければならない。
また、溶接不良で金属回路板と入力端子あるいは出力端子間の接触抵抗増加し、発熱による溶融あるいは焼損等の懸念があった。

上記の金属回路板と入力端子あるいは出力端子間の接触抵抗増加の課題を解決するため、この接触抵抗を増加させないための手法が提案されている。
例えば、パワーモジュールは、外部からパワーモジュールの高電位回路部に電気的な接続をする導体と、外部からパワーモジュールの低電位回路部に電気的な接続をする導体と、金属ベースの上に２つの導体を支持し絶縁する樹脂ケースとを備え、２つの導体は、平板状の導体で、かつ、絶縁シートで絶縁されて積層され、絶縁シートは、積層部で、２つの導体に挟まれた積層部より露出し、２つの導体の絶縁沿面距離を確保する構造をとり、積層して収納する凹部が形成されていることから金属回路板と入力端子あるいは出力端子間の接続がなく接触抵抗による発熱による溶融あるいは焼損等の懸念が解消されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１５４６０号公報

上述の特許文献１に記載されたものについては、金属回路板と入力端子あるいは出力端子が一体化されているため、接続部分がなく接触抵抗による発熱が原因となる溶融あるいは焼損等の懸念が解消されているが、２つの導体と絶縁シートを積層するため、組み立てる際の工程が多く、また、絶縁シートを積層する際には、導体との接触、作業者の取扱いによる絶縁シートの破損、あるいは取付け忘れが発生するといった課題がある。

この発明は、これらの課題を解決するためになされたもので、接触抵抗による課題を解消し、小型で低インダクタンスであるパワーモジュールを提供することを目的とする。

この発明に係るパワーモジュールは、
絶縁基板を２つの導体層でサンドイッチ状に挟んで積層されている多層基板、
当該多層基板の一方の面に設けられている一の導体層に電気的に接続されている第１の半導体素子、
当該第１の半導体素子の電極と電気的に接続されている第１の入力端子、
前記多層基板の一方の面に設けられている他の導体層に電気的に接続されている第２の半導体素子、
当該第２の半導体素子の電極と電気的に接続されている第２の入力端子、
前記２つの半導体素子が電気的に接続された位置とは離れた位置に設置され、前記多層基板に設けられている、前記他の導体層に電気的に接続されている出力端子、
電子部品である制御基板を保持する絶縁性の樹脂部材、
前記樹脂部材の内部に設けられている金属板、
を備え、
前記第１の入力端子、前記第２の入力端子および前記出力端子は、前記樹脂部材で覆われており、それぞれ一体化された部材で構成されるとともに、
前記制御基板と前記第１の入力端子、前記第２の入力端子および前記出力端子との間に前記金属板が設けられていることを特徴とするものである。

この発明に係るパワーモジュールによれば、金属回路板と入力端子あるいは出力端子が一体化されているため、接続点がなく接触抵抗による発熱による溶融あるいは焼損等の懸念が解消されている。また、半導体素子の電極に接続される金属回路板と入力端子あるいは出力端子が一体化された構成となっているため、ねじ止めあるいは溶接の作業スペース等が不要となり、小型化が可能となる。
また、入力端子と出力端子は絶縁性の樹脂部材で覆われているため、絶縁シートの破損あるいは取付け忘れが発生する課題も解決される。
さらに、半導体素子のスイッチングによる入力端子および出力端子内の電流による発生ノイズの放射を遮断し、制御基板の動作の保護を行うことができる。

本発明の実施の形態１のパワーモジュールの斜視図である。 図１のパワーモジュールの分解図である。 図１のパワーモジュールを示すＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施の形態２のパワーモジュールの分解図である。 図４のパワーモジュールの断面図である。 本発明の実施の形態３のパワーモジュールの分解図である。 図６のパワーモジュールの一部拡大図である。 本発明の実施の形態４のパワーモジュールの分解図である。 図８のパワーモジュールの断面図である。 本発明の実施の形態５のパワーモジュールの分解図である。 本発明の実施の形態６のパワーモジュールの斜視図である。 図１１のパワーモジュールの側面図である。 本発明の実施の形態７のパワーモジュールの断面図である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係るパワーモジュールについて図１から図３を用いて以下説明する。図１は、本実施の形態１のパワーモジュールを示す斜視図である。図２は、図１のパワーモジュールの分解図である。図３は、図１のパワーモジュールのＡ−Ａ断面図である。

パワーモジュール１は、絶縁基板８を導体層９、１０でサンドイッチ状に挟んで積層した複数の多層基板、および、各多層基板の導体層９、１０のうち、一の導体層９に電気的に接続された半導体素子７を有し、この半導体素子７の電極と電気的に接続された第１の入力端子２と、これとは別の導体層９に電気的に接続された、上記半導体素子７とは異なる半導体素子７の電極と電気的に接続された第２の入力端子３とを１組として、複数組備えている。また、これら２つの半導体素子７が電気的に接続された位置とは離れた位置に、上記別の導体層９に電気的に接続された出力端子４が複数設けられている。ここで、第１の入力端子２は高圧バッテリのＰ端子、第２の入力端子３は高圧バッテリのＮ端子であり、複数の出力端子４は、それぞれ、モータと接続するＵ、Ｖ、Ｗ端子を構成し、第１の入力端子２と第２の入力端子３と出力端子４は、絶縁性の樹脂部材５に一体としてインサートされている。また、絶縁性の樹脂部材５は、冷却部材６に搭載されている。図示しないが、樹脂部材５と冷却部材６は位置決めピン等で位置を決めてねじで固定されている。また、実施の形態１では半導体素子７をＳｉＣで構成する。なお、多層基板は複数ある場合を説明したが１枚であってもよい。

このような構成にすることによって、半導体素子７の電極に接続される金属回路板と入力端子あるいは出力端子が一体化された構成となっているため、ねじ止めあるいは溶接の作業スペース等が不要となり、小型化が可能となる。
また、接続点が削減できるため、発熱による溶融あるいは焼損等の懸念が解消される。また、入力端子と出力端子は絶縁性の樹脂部材で覆われているため、絶縁シートが不要となり、絶縁シートの破損あるいは取付け忘れが発生する課題も解決され、絶縁性能も向上する。さらに、入力端子および出力端子を樹脂部材で一体化するため、組立部品の点数が削減し、組立工程数も削減可能となる。
なお、実施の形態１では半導体素子７をＳｉＣとしたが、ＳｉＣをＳｉなどの他の構成部材で置き換えても同様な効果が得られる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係るパワーモジュールについて図４、図５を用いて説明する。図４は、本実施の形態２のパワーモジュールの分解図である。図５は、図４のパワーモジュールの（短辺方向の）断面図である。

このパワーモジュール１では、第１の入力端子２と第２の入力端子３は、それぞれの入力端子が電気的に接続されている各半導体素子７との電気的接続部Ｂ１（具体的には、ステップ状に形成された第１の入力端子および第２の入力端子が、それぞれ、第１の半導体素子あるいは第２の半導体素子と電気的に接続されている面構成部。以下同様）に繋がる構成部分に曲げ形状部Ｂ３をそれぞれ有している。また、出力端子４は、多層基板との電気的接続部Ｂ２（具体的には、ステップ状に形成された出力端子が前記別の導体層と電気的に接続されている面構成部。以下同様）に繋がる構成部分に曲げ形状部Ｂ３を有している（図５中の点線で囲んだ部分Ｂ参照）。その他の構成は実施の形態１と同様である。そのため、樹脂部材５は図示を省略している。

このような構成にすることによって、実施の形態１と同様な効果が得られる。
また、複数の半導体素子を有するパワーモジュールにおいて、入力端子と出力端子とを一体化した樹脂部材で組み立てる際には、個々の半導体素子の厚みばらつき、実装した際のはんだ厚みのばらつき、入力端子あるいは出力端子の寸法ばらつきによる、入力端子と半導体素子との接続部、出力端子と多層基板との接続部の接続不良の懸念があるが、３各ばらつきを考慮した曲げ形状部の寸法にすることによって、ばらつきを吸収し、接続点の信頼性が向上する。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係るパワーモジュールについて図６、図７を用いて説明する。図６は、本実施の形態３のパワーモジュールの分解図である。図７は、図６のパワーモジュールの点線で囲んだＣ１部分の拡大図である。

このパワーモジュール１は、第１の入力端子２と第２の入力端子３の半導体素子７との接続部近傍と、出力端子４の多層基板との接続部近傍に複数の曲げ形状部と２カ所の切欠き形状部Ｃ２を設けている。
その他の構成は実施の形態２と同様である。そのため、樹脂部材５は図示を省略している。

このような構成にすることによって、実施の形態２と同様な効果が得られる。
また、実施の形態２の効果は半導体素子の垂直方向に対してのみの効果であったが、半導体素子と入力端子および出力端子の傾きについて吸収し、さらなる接続点の信頼性向上が可能となる。
実施の形態３では傾きのばらつき吸収形状として２カ所の切欠き形状としたが、１カ所の切欠き形状であっても、穴であっても、入力端子の半導体素子との接続部近傍と出力端子の多層基板との接続部近傍に剛性を下げる構造を設ければ同様な効果が得られる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係るパワーモジュールについて図８、図９を用いて説明する。図８は、本実施の形態４のパワーモジュールの分解図である。図９は、図８のパワーモジュールの断面図である。

このパワーモジュール１は、第１の入力端子２と第２の入力端子３の半導体素子７の接続部と反対側の端子端部Ｅを平行平板としている。
その他の構成は実施の形態１と同様である。そのため、樹脂部材５は図示を省略している。

このような構成にすることによって、実施の形態１と同様な効果が得られる。
そして、第１の入力端子２と第２の入力端子３では、それぞれの入力端子が電気的に接続されている各半導体素子７との電気的接続部Ｂ１に繋がる構成部分に、また、出力端子４では、多層基板との電気的接続部Ｂ２に繋がる構成部分に、複数の曲げ形状部と２カ所の切欠き形状部を設けることにより実施の形態３と同様な効果が得られる。
なお、以上においては、曲げ形状部と切欠き形状部の双方を備えたもので説明したが、切欠き形状部のみを備えたものでも同様の効果を奏することは言うまでもない。
さらに、これらの入力端子の一部を互いに平行平板の構成とすることによりインダクタンスの低減が可能となる。
インダクタンスを低減することにより、発熱による損失が少なくなり、半導体素子の冷却構造が簡素化でき、小型で低コストとなるパワーモジュール及び電力変換装置の実現が可能となる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係るパワーモジュールの分解図を図１０に示す。

このパワーモジュール１は、実施の形態４で各３枚あった第１の入力端子２と第２の入力端子３を各１枚の入力端子とし、２枚の入力端子全体を平行平板としている。その他の構成は実施の形態４と同様である。そのため、樹脂部材５は図示を省略している。

このような構成にすることによって、実施の形態４と同様な効果が得られる。
また、第１の入力端子と第２の入力端子全体を平行平板としていることにより、実施の形態４よりもインダクタンスの低減が可能となる。
また、電流が流れる面積が拡大するため、入力端子の熱容量が拡大し、発熱が拡散でき、局所的な電流経路の発熱による溶融あるいは焼損等の懸念が解消されている。
さらに、入力電流が半導体素子に流れる経路が上述の実施の形態１〜４と比較して最短となり、さらなるインダクタンスの低減が可能となるため、発熱による損失が少なくなり、半導体素子の冷却構造が簡素化でき、小型で低コストとなるパワーモジュール及び電力変換装置の実現が可能となる。

実施の形態６．
本発明の実施の形態６に係るパワーモジュールを図１１、図１２を用いて説明する。図１１は、本実施の形態６のパワーモジュールの斜視図である。図１２は、図１１のパワーモジュールの側面図である。

このパワーモジュール１は、入力端子と出力端子を覆った樹脂部材５において、電子部品である制御基板１１を保持する。制御基板１１の保持は、樹脂部材５と制御基板１１の間に設けた基板保持部１２によって行っている。その他の構成は実施の形態１〜５と同様である。上記電子部品には制御基板１１の他、コンデンサが挙げられる。

このような構成にすることによって、基板保持部を別部品で構成する必要がなく、小型化が可能となる。
また、入力端子および出力端子を樹脂部材で覆っているため、制御基板と入力端子および出力端子間の絶縁が保たれ、信頼性が向上する。
なお、実施の形態６では基板保持部を４箇所の円柱形状としたが、基板保持部の数の増加、もしくはリブ形状の設置、または制御基板と接着剤等で接着をするなどの対策により、制御基板の剛性を向上させ、車載時の振動対策として有効となる。

実施の形態７．
本発明の実施の形態７に係るパワーモジュールの断面図を図１３に示す。

このパワーモジュール１は、入力端子と出力端子を覆った樹脂部材５内部の、制御基板１１と入力端子および出力端子の間に鉄板１３を設けている。図示はしていないが、鉄板１３の一部は筐体等のＧＮＤ電位部と電気的に接続されている。その他の構成は実施の形態１〜６と同様である。

このような構成にすることによって、半導体素子７のスイッチングによる入力端子および出力端子内の電流による発生ノイズの放射を遮断し、制御基板１１の動作の保護を行う。
また、実施の形態７では、発生ノイズ放射遮断の部材を鉄板としたが、メッシュ状の鉄網あるいは金属系の繊維が織り込まれた導電性のシート等でも同様な効果が得られる。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。例えば上記において鉄板をアルミ板など他の金属板に変更して使用しても同様の効果を生ずる。

１ パワーモジュール、２ 第１の入力端子、３ 第２の入力端子、４ 出力端子、５ 樹脂部材、６ 冷却部材、７ 半導体素子、８ 絶縁基板、９、１０ 導体層、１１ 制御基板、１２ 基板保持部、１３ 鉄板、Ｂ１ 半導体素子との電気的接続部、Ｂ２ 多層基板との電気的接続部、Ｂ３ 曲げ形状部、Ｃ２ 切欠き形状部、Ｅ 端子端部

Claims (6)

1. 絶縁基板を２つの導体層でサンドイッチ状に挟んで積層されている多層基板、
   当該多層基板の一方の面に設けられている一の導体層に電気的に接続されている第１の半導体素子、
   当該第１の半導体素子の電極と電気的に接続されている第１の入力端子、
   前記多層基板の一方の面に設けられている他の導体層に電気的に接続されている第２の半導体素子、
   当該第２の半導体素子の電極と電気的に接続されている第２の入力端子、
   前記２つの半導体素子が電気的に接続された位置とは離れた位置に設置され、前記多層基板に設けられている、前記他の導体層に電気的に接続されている出力端子、
   電子部品である制御基板を保持する絶縁性の樹脂部材、
   前記樹脂部材の内部に設けられている金属板、
   を備え、
   前記第１の入力端子、前記第２の入力端子および前記出力端子は、前記樹脂部材で覆われており、それぞれ一体化された部材で構成されるとともに、
   前記制御基板と前記第１の入力端子、前記第２の入力端子および前記出力端子との間に前記金属板が設けられていることを特徴とするパワーモジュール。
2. 前記第１の入力端子は、当該第１の入力端子が電気的に接続されている前記第１の半導体素子との電気的接続部に繋がる構成部分に、
   前記第２の入力端子は、当該第２の入力端子が電気的に接続されている前記第２の半導体素子との電気的接続部に繋がる構成部分に、
   前記出力端子は、前記多層基板との電気的接続部に繋がる構成部分に、
   それぞれ曲げ形状部を有していることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記第１の入力端子は、当該第１の入力端子が電気的に接続されている前記第１の半導体素子との電気的接続部に繋がる構成部分に、
   前記第２の入力端子は、当該第２の入力端子が電気的に接続されている前記第２の半導体素子との電気的接続部に繋がる構成部分に、
   前記出力端子は、前記多層基板との電気的接続部に繋がる構成部分に、
   それぞれ切欠き形状部を有していることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
4. 前記第１の入力端子は、当該第１の入力端子が電気的に接続されている前記第１の半導体素子との電気的接続部に繋がる構成部分に、前記第２の入力端子は、当該第２の入力端子が電気的に接続されている前記第２の半導体素子との電気的接続部に繋がる構成部分に、
   前記出力端子は、前記多層基板との電気的接続部に繋がる構成部分に、
   それぞれ曲げ形状部と切欠き形状部を両方、有していることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
5. 前記第１の入力端子と前記第２の入力端子は、互いに平行平板で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
6. 前記第１の入力端子と前記第２の入力端子は、一定の電位で保持され、かつ複数個が一体化されていることを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュール。

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