JP6417947B2 - 三相インバータ回路の実装構造 - Google Patents

Description

本発明は、三相のブラシレスモータなどの駆動に用いられる三相インバータ回路が回路基板に実装されることによって構成された三相インバータ回路の実装構造に関するものである。

従来、特許文献１において、回路基板を構成するプリント基板にモータ駆動回路が実装された電子制御ユニットにおける放熱構造が提案されている。具体的には、プリント基板のうち電子部品と対応する位置にスルーホールを設け、このスルーホールを通じてプリント基板のうち電子部品の反対側となる裏面側に配置されるヒートシンクに熱を伝え、ヒートシンクより放熱されるようにしている。電子部品のうちプリント基板側の一面には金属プレートにて構成されたメタルベースが配置され、はんだなどを通じてメタルベースがスルーホールに接続されている。そして、放熱グリスなどを介してプリント基板の裏面側にヒートシンクが貼り付けられている。

特開２０１０−２４５１７４号公報

しかしながら、上記従来の構造では、ヒートシンクを配置した箇所に電子部品を実装できなくなるし、ヒートシンクが配置されることから複雑な構造設計が必要になるという問題がある。また、三相インバータ回路においては、上アームと下アームの各ＭＯＳＦＥＴの接続点の電位が電源電位とＧＮＤ（接地）電位とが入れ替わり、ＧＮＤ固定できない。このため、ＧＮＤパターンのように広面積の放熱パターンに接続できず、回路パターンを用いた放熱を行うことも困難である。

一方、三相インバータ回路においては、特に負荷（例えば三相のブラシレスモータ）の起動初期時の突入電流に起因する発熱が問題になり、そのときに発した熱を適切に放出させることが求められる。その反面、負荷の起動が安定した後の発熱量はあまり大きくないため、比較的簡易な放熱構造によって放熱を果たすことも可能である。

本発明は上記点に鑑みて、三相インバータの駆動パターンに基づく放熱構造を備えた三相インバータ回路の実装構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、直流電源（２）から供給される直流電流を三相交流に変換する三相インバータ回路の実装構造であって、三相インバータ回路におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに備えられる上アーム（４１、４３、４５）を構成する半導体スイッチング素子（４１ａ、４３ａ、４５ａ）が形成された半導体チップ（１１）を有し、該半導体チップがモールド樹脂（１３）にて封止されてなる第１電子部品（１０）と、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに備えられる下アーム（４２、４４、４６）を構成する半導体スイッチング素子（４２ａ、４４ａ、４６ａ）が形成された半導体チップ（３１）を有し、該半導体チップがモールド樹脂（３３）にて封止されてなる第２電子部品（３０）と、第１電子部品が一面側に配置されると共に、第２電子部品が第１電子部品と反対側の面となる裏面側に配置され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相それぞれの第１電子部品と第２電子部品とが対面配置され、かつ、第１電子部品と第２電子部品との間にスルーホールが形成されてなる回路基板（２０）と、を備え、第１電子部品および第２電子部品は、半導体チップが金属プレート（１２、３２）に搭載された状態でモールド樹脂にて封止されつつ、金属プレートが半導体チップが搭載された面と反対側の面においてモールド樹脂から露出させられており、金属プレート側が回路基板に向けられた状態で該回路基板に実装されていると共に、第１電子部品と第２電子部品ぞれぞれの金属プレートがスルーホールを介して接続されていることを特徴としている。

このように、回路基板を挟んで上アームを構成する第１電子部品の反対側に同相の下アームを構成する第２電子部品を配置した実装構造としている。また、スルーホールを介して第１電子部品および第２電子部品が熱的に連結された構成とされている。

このため、第１電子部品で発した熱は第２電子部品側に伝えられ、逆に、第２電子部品で発した熱は第１電子部品側に伝えられる。そして、これら回路基板を挟んで対向配置された第１電子部品と第２電子部品が同相の上下アームを構成するものとしていることから、互いに、半導体スイッチング素子のＯＮタイミングが重ならない。

したがって、回路基板を挟んで対面配置された第１電子部品および第２電子部品は互いに一方が発熱したときに他方がヒートシンクとしての役割を果たすようにできる。そして、第１電子部品および第２電子部品は、負荷の起動初期時に生じる突入電流に起因する発熱は比較的短時間（秒未満）であり、負荷の起動が安定した後の発熱量はあまり大きくない。このため、比較的簡易な放熱構造によって、放熱効率を向上させられ、発熱による第１電子部品および第２電子部品の破損を抑制することが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

三相インバータ回路１の回路構成を示した図である。 本発明の第１実施形態にかかる三相インバータ回路１の実装構造を示した断面図である。 三相インバータ回路１の駆動時の電流経路を示した図である。 三相インバータ回路１の各半導体スイッチング素子４１ａ〜４６ａ（Ｔｒ１〜Ｔｒ６）のオンオフ状態とＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの極性状態を示している。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる三相インバータ回路の実装構造について説明する。例えば、三相インバータ回路は、ブレーキ装置におけるブレーキ液圧制御用のアクチュエータに備えられるポンプ駆動用モータの制御に用いられ、ブレーキ用の電子制御装置（以下、ブレーキＥＣＵという）に組み込まれる。このブレーキＥＣＵにおける三相インバータ回路の実装構造に対して本実施形態にかかる三相インバータ回路の実装構造を適用できる。

図１に示すように、三相インバータ回路１は、直流電源（外部電源）２から供給される直流電流を交流電流に変換し、三相交流回転機、例えば三相ブラシレスモータなどの負荷３を駆動するためのものである。なお、図示していないが、三相インバータ回路１には平滑コンデンサが並列接続されるなど、他の素子も接続されているが、図１では省略してある。

三相インバータ回路１は、直列接続した上下アーム４１〜４６が三相分並列接続された構成とされる。そして、三相インバータ回路１は、上アーム４１、４３、４５と下アーム４２、４４、４６との各中間電位を例えば負荷３となる三相ブラシレスモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に順番に入れ替えながら印加する。具体的には、上下アーム４１〜４６は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子４１ａ〜４６ａを備えた構成とされている。ここでは図示していないが、各半導体スイッチング素子４１ａ〜４６ａには、フリーホイールダイオード（ＦＷＤ）などの還流を目的とした整流素子（片側導通素子）が並列接続されている。

このように構成される各相の上下アーム４１〜４６の半導体スイッチング素子４１ａ〜４６ａが所定のタイミングでオンオフ制御されることで、負荷３に対して周期の異なる三相の交流電流を供給する。これにより、負荷３の駆動を可能としている。

本実施形態では、三相インバータ回路１を構成する６つの上下アーム４１〜４６それぞれを構成する半導体スイッチング素子４１ａ〜４１ｆが形成された半導体チップを樹脂モールドして構成された電子部品を１枚の回路基板に実装して一体化している。

図２に示すように、三相インバータ回路１の実装構造は、第１電子部品１０、回路基板２０、第２電子部品３０などによって構成とされている。

第１電子部品１０は、発熱素子となる上アーム４１、４３、４５の半導体スイッチング素子４１ａ、４３ａ、４５ａのいずれかが形成された半導体チップ１１を金属プレート１２に搭載した状態でモールド樹脂１３によって封止したものである。半導体チップ１１に設けられた図示しない各種パッドに対してボンディングワイヤ１４を介して電気的に接続された端子１５がモールド樹脂１３の外部に引き出されている。金属プレート１２は、例えば銅などの熱伝導率が高い金属材料で構成されており、半導体チップ１１で発した熱が金属プレート１２に良好に伝えられるようになっている。また、金属プレート１２のうち半導体チップ１１が搭載された面と反対側の面がモールド樹脂１３の裏面側から露出させられている。この金属プレート１２側が回路基板２０側に向けられて第１電子部品１０が回路基板２０に対して実装されている。

第１電子部品１０は、負荷３の駆動のために半導体スイッチング素子４１ａ、４３ａ、４５ａをオンオフ駆動させると発熱する。特に、負荷３の起動初期時には突入電流の影響で第１電子部品１０の発熱量が多くなる。

回路基板２０は、三相インバータ回路１の配線部を構成する配線パターンなどが形成されたものであり、プリント配線基板などによって構成されている。この回路基板２０に対して第１電子部品１０などが実装されることにより、第１電子部品１０などを含む三相インバータ回路１が構成されている。なお、回路基板２０には、三相インバータ回路１に加えて、他の回路などが備えられる場合もある。例えば、本実施形態にかかる電子装置がブレーキＥＣＵとして適用される場合には、ブレーキ液圧制御用の各種電磁弁の制御用の電気回路がポンプ駆動用の三相ブラシレスモータの制御を行うための三相インバータ回路１と共に回路基板２０に備えられる。

具体的には、回路基板２０の表面側において、接合部材を構成するはんだ２１、２２を介して第１電子部品１０の裏面側および端子１５が接合されている。端子１５は、はんだ２１を介して回路基板２０に形成された配線パターンと電気的に接続されている。これにより、配線パターンに対して半導体チップ１１に形成された素子が電気的に接続された状態となっている。一方、第１電子部品１０の裏面側では、金属プレート１２と回路基板２０に配線パターンの一部として備えられたマウント部との間がはんだ２２を介して接合されている。これにより、第１電子部品１０の裏面が回路基板２０の表面に対して物理的に固定された状態とされている。

なお、第１電子部品１０の裏面側と回路基板２０との接続は単なる物理的な接合であっても良いし、物理的な接合に加えて電気的な接続が行われていても良い。例えば、半導体チップ１１に形成された素子が半導体チップ１１の裏面側にも電極が形成されるような構造とされる場合がある。その場合には、はんだ２２を介して半導体チップ１１の裏面側と配線パターンとが電気的に接続されることになる。

また、回路基板２０のうち第１電子部品１０と対応する位置にはスルーホール２３が形成されている。スルーホール２３は、複数個形成されており、孔の内壁面を金属薄膜でコーティングすること、もしくは、孔の内部を金属によって埋め込むことによって構成されている。スルーホール２３は、第１電子部品１０の裏面と対応する位置においてはんだ２１に接続されており、第１電子部品１０で発した熱がはんだ２１を通じて回路基板２０の裏面側に伝えられる放熱経路を構成している。スルーホール２３の上面形状は任意であり、例えば円形、四角形などの多角形などとされている。

第２電子部品３０は、発熱素子となる下アーム４２、４４、４６の半導体スイッチング素子４２ａ、４４ａ、４６ａのいずれかが形成された半導体チップ３１を金属プレート３２に搭載した状態でモールド樹脂３３によって封止したものである。半導体チップ３１に設けられた図示しない各種パッドに対してボンディングワイヤ３４を介して電気的に接続された端子３５がモールド樹脂３３の外部に引き出されている。金属プレート３２は、例えば銅などの熱伝導率が高い金属材料で構成されており、半導体チップ３１で発した熱が金属プレート３２に良好に伝えられるようになっている。また、金属プレート３２のうち半導体チップ３１が搭載された面と反対側の面がモールド樹脂３３の裏面側から露出させられている。この金属プレート３２側が回路基板２０側に向けられて第２電子部品３０が回路基板２０に対して実装されている。

第２電子部品３０も、負荷３の駆動のために半導体スイッチング素子４２ａ、４４ａ、４６ａをオンオフ駆動させると発熱する。特に、負荷３の起動初期時には突入電流の影響で第２電子部品３０の発熱量が多くなる。

このように構成される第２電子部品３０も、回路基板２０の表面側と反対側となる裏面側において、第１電子部品１０と同様、接合部材を構成するはんだ２４、２５を介して第２電子部品３０の裏面側および端子３５が回路基板２０に接合されている。

なお、図２では、三相のうちの一相の断面を示してあるが。各相それぞれ同じ断面図となる。回路基板２０を挟んだ両側に対向配置されている第１電子部品１０と第２電子部品３０は、共に、同相の上下アーム４１〜４６を構成するものであり、他の相の上下アーム４１〜４６を組み合わせたものではない。

なお、第１電子部品１０や第２電子部品３０が半導体チップ１１、３１の裏面側において配線パターンと電気的に接続される形態とされても良い。例えば、第１電子部品１０とされる上アーム４１、４３、４５に備えられるＭＯＳＦＥＴのソース電極と第２電子部品３０とされる下アーム４２、４４、４６に備えられるＭＯＳＦＥＴのドレイン電極とが同電位とされる。このため、同電位とされる部位が金属プレート１２、３２側を向くようにして第１電子部品１０や第２電子部品３０を構成し、同電位となる部位同士がスルーホール２３を通じて電気的に接続されるようにすると好ましい。

逆に、第１電子部品１０や第２電子部品３０がスルーホール２３を通じて回路基板２０の裏面側への電気的な接続が行われると好ましくない場合も有る。その場合には、半導体チップ１１の裏面側に配置される金属プレート１２を複数に分割し、配線パターンに接続される部分についてはスルーホール２３には接続しないようにし、配線パターンに接続されていない部分についてスルーホール２３に接続すれば良い。

以上のようにして、本実施形態にかかる電子装置１が構成されている。このように構成された電子装置１は、回路基板２０を挟んで上アーム４１、４３、４５を構成する第１電子部品１０の反対側に同相の下アーム４２、４４、４６を構成する第２電子部品３０を配置している。また、スルーホール２３を介して第１電子部品１０および第２電子部品３０が熱的に連結された構成とされている。すなわち、第１電子部品１０で発した熱は第２電子部品３０側に伝えられ、逆に、第２電子部品３０で発した熱は第１電子部品１０側に伝えられるようになっている。そして、これら回路基板２０を挟んで対向配置された第１電子部品１０と第２電子部品３０が同相の上下アーム４１〜４６を構成するものとしていることから、互いに、一方の電子部品が発した熱を放出する放熱部品を構成し、お互いが高温になることを抑制している。図３および図４を参照して、この理由について説明する。

図３は、三相インバータ回路１によって負荷３に相当する三相ブラシレスモータを駆動する場合の電流経路を示しており、図中のＴｒ１〜Ｔｒ６は半導体スイッチング素子４１ａ〜４６ａとそれぞれ対応している。また、図４は、三相インバータ回路１の各半導体スイッチング素子４１ａ〜４６ａ（Ｔｒ１〜Ｔｒ６）のオンオフ状態とＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの極性状態を示している。

図４中の状態（１）のように、Ｔｒ１、Ｔｒ６をＯＮ、Ｔｒ２〜Ｔｒ４をＯＦＦとしているときには、図３中の状態（１）に示す電流経路で三相ブラシレスモータへの電流供給が為される。続く、状態（２）のように、Ｔｒ２、Ｔｒ６をＯＮ、Ｔｒ１、Ｔｒ３〜Ｔｒ５をＯＦＦとしているときには、図３中の状態（２）に示す電流経路で三相ブラシレスモータへの電流供給が為される。この後も、図４中の状態（３）〜（６）に移行することによって、図３中の状態（３）〜（６）に示す電流経路で三相ブラシレスモータへの電流供給が変化していく。そして、状態（７）〜（１２）では、再び状態（１）〜（６）と同様に電流経路が変化していき、以降も状態（１）〜（６）と同様の動作が繰り返し行われる。

そして、状態が１つずつ移行する毎に３０度ずつモータが回転し、状態（１）〜（１２）に移行することで、モータが１回転させられる。したがって、状態（１）〜（１２）を繰り返し行うことにより、三相ブラシレスモータが起動され、所望の回転数となるように制御される。

ここで、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ層それぞれにおいて、上下アーム４１〜４６の動作を見てみると、同相において、上アーム４１、４３、４５と下アーム４２、４４、４６が同時にＯＮされることはなく、一方がＯＮされているときには必ず他方はＯＦＦされている。つまり、一方が発熱しているときには他方は発熱していない状態となっている。そして、三相インバータ回路１においては、半導体スイッチング素子４１ａ〜４６ａは、ＯＮさせられる期間に対してＯＦＦさせられる期間の方が短く、ＯＮさせられる期間中に発した熱をＯＦＦさせられる期間中に放出させられる。

このため、上アーム４１、４３、４５側の半導体スイッチング素子４１ａ、４３ａ、４５ａがＯＮ時に発熱させられたとしても、その熱が回路基板２０を挟んで配置された同相の下アーム４２、４４、４６側に伝えられ、放出させられる。逆に、下アーム４２、４４、４６側の半導体スイッチング素子４２ａ、４４ａ、４６ａがＯＮ時に発熱させられたとしても、その熱が回路基板２０を挟んで配置された同相の上アーム４１、４３、４５側に伝えられ、放出させられる。

以上説明したように、本実施形態の三相インバータ回路１では、回路基板２０を挟んで上アーム４１、４３、４５を構成する第１電子部品１０の反対側に同相の下アーム４２、４４、４６を構成する第２電子部品３０を配置した実装構造としている。また、スルーホール２３を介して第１電子部品１０および第２電子部品３０が熱的に連結された構成とされている。

このため、第１電子部品１０で発した熱は第２電子部品３０側に伝えられ、逆に、第２電子部品３０で発した熱は第１電子部品１０側に伝えられる。そして、これら回路基板２０を挟んで対向配置された第１電子部品１０と第２電子部品３０が同相の上下アーム４１〜４６を構成するものとしていることから、互いに、半導体スイッチング素子４１ａ〜４６ａのＯＮタイミングが重ならない。

したがって、回路基板２０を挟んで対面配置された第１電子部品１０および第２電子部品３０は互いに一方が発熱したときに他方がヒートシンクとしての役割を果たすようにできる。そして、第１電子部品１０および第２電子部品３０は、負荷３の起動初期時に生じる突入電流に起因する発熱は比較的短時間（秒未満）であり、負荷３の起動が安定した後の発熱量はあまり大きくない。このため、本実施形態のような比較的簡易な放熱構造によって、放熱効率を向上させられ、発熱による第１電子部品１０および第２電子部品３０の破損を抑制することが可能となる。また、第１電子部品１０および第２電子部品３０を対面配置させていることから、装置の小型化を図ることも可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、電子装置１の一例として、ブレーキＥＣＵを例に挙げたが、三相インバータ回路１において、各相の上下アーム４１〜４６を構成する第１電子部品１０と第２電子部品３０とが回路基板２０の表裏面それぞれに配置されるものであれば、他のものでも良い。

また、第１電子部品１０や第２電子部品３０の半導体スイッチング素子４１ａ〜４６ａの一例としてＭＯＳＦＥＴを挙げたが、他のもの、例えばバイポーラトランジスタやＩＧＢＴであっても良い。また、三相インバータ回路１によって駆動される負荷３として、三相ブラシレスモータのような三相交流回転機を例に挙げたが三相交流によって駆動されるものであれば他のものあっても良い。

１…電子装置、２…直流電源、３…負荷、１０、３０…第１、第２電子部品、１１、３１…半導体チップ、１２、３２…金属プレート、１３、３３…モールド樹脂、１４、３４…ボンディングワイヤ、１５、３５…端子、２０…回路基板、２１、２２…はんだ、２３…スルーホール、４１〜４６…上下アーム、４１ａ〜４６ａ…半導体スイッチング素子

Claims (2)

1. 直流電源（２）から供給される直流電流を三相交流に変換する三相インバータ回路の実装構造であって、
   前記三相インバータ回路におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに備えられる上アーム（４１、４３、４５）を構成する半導体スイッチング素子（４１ａ、４３ａ、４５ａ）が形成された半導体チップ（１１）を有し、該半導体チップがモールド樹脂（１３）にて封止されてなる第１電子部品（１０）と、
   前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに備えられる下アーム（４２、４４、４６）を構成する半導体スイッチング素子（４２ａ、４４ａ、４６ａ）が形成された半導体チップ（３１）を有し、該半導体チップがモールド樹脂（３３）にて封止されてなる第２電子部品（３０）と、
   前記第１電子部品が一面側に配置されると共に、前記第２電子部品が前記第１電子部品と反対側の面となる裏面側に配置され、前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相それぞれの前記第１電子部品と前記第２電子部品とが対面配置され、かつ、前記第１電子部品と前記第２電子部品との間にスルーホール（２３）が形成されてなる回路基板（２０）と、を備え、
   前記第１電子部品および前記第２電子部品は、前記半導体チップが金属プレート（１２、３２）に搭載された状態で前記モールド樹脂にて封止されつつ、前記金属プレートが前記半導体チップが搭載された面と反対側の面において前記モールド樹脂から露出させられており、前記金属プレート側が前記回路基板に向けられた状態で該回路基板に実装されていると共に、前記第１電子部品と前記第２電子部品ぞれぞれの前記金属プレートが前記スルーホールを介して接続されていることを特徴とする三相インバータ回路の実装構造。
2. 前記Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれにおいて、前記上アームを構成する前記半導体スイッチング素子と前記下アームを構成する前記半導体スイッチング素子とが電気的に接続されており、
   前記第１電子部品と前記第２電子部品のうちの同電位とされる部位同士が前記スルーホールを通じて電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の三相インバータ回路の実装構造。

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