JP6469604B2 - 絶縁基板及び絶縁基板を備える電力変換装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体素子と冷却器の間に設けられる絶縁基板に関する。本明細書が開示する技術はさらに、そのような絶縁基板を備える電力変換装置に関する。

例えば電気自動車は、直流電源の直流電力を走行用のモータを駆動するための交流電力に変換する電力変換装置を備える。このような電力変換装置は、冷却器及び半導体モジュールを備えており、半導体モジュール内の半導体素子で発生する熱を冷却器に効率的に伝熱するように構成されている。これにより、電力変換装置は、半導体モジュール内の半導体素子が高温になることを抑制し、半導体素子の安定動作を実現する。

電力変換装置は、半導体モジュール内の半導体素子と冷却器を電気的に絶縁するために、半導体モジュールと冷却器の間に設けられる絶縁基板を有する。絶縁基板は、高周波ノイズに対してコンデンサとして機能することから、半導体素子と冷却器の間に浮遊容量を提供する。

半導体素子は、電力変換するときに高速でスイッチングする。このため、半導体素子は、高周波ノイズの発生源となる。これにより、半導体素子がスイッチングするときに発生する高周波ノイズは、半導体素子から絶縁基板を介して冷却器に流れるコモンモード電流を生成する。

特許文献１は、このようなコモンモード電流を低下させるために、絶縁基板と冷却器の間に高インピーダンスのシート部材を介在させる技術を開示する。

特開２００８−３５６５７号公報

しかしながら、このような高インピーダンスのシート部材が絶縁基板と冷却器の間に介在すると、シート部材が熱抵抗となり、半導体素子で発生した熱が冷却器に伝熱するときの伝熱性能を悪化させる。本明細書が開示する技術は、半導体素子と冷却器の間に設けられる絶縁基板の伝熱性能の悪化を抑制しながら、その絶縁基板を介して流れるコモンモード電流を低下させる技術を提供する。

本明細書は、半導体素子と冷却器の間に設けられる絶縁基板を開示する。この絶縁基板は、絶縁層及び磁性体枠を備える。磁性体枠は、絶縁層を取り囲むように構成されている。磁性体枠が設けられている絶縁基板は、絶縁層を介して流れる高周波のコモンモード電流に対して高いインピーダンスを有することができる。このため、絶縁層を介して流れるコモンモード電流が低下する。また、磁性体枠は、絶縁層を取り囲むように構成されているので、半導体素子で発生した熱が冷却器に伝熱するときの伝熱経路を遮らない。このため、絶縁基板の伝熱性能の悪化が抑制される。上記態様の絶縁基板は、伝熱性能の悪化を抑制しながら、コモンモード電流を低下させることができる。

本明細書は、電力変換装置も開示する。電力変換装置は、冷却器、半導体素子を有する半導体モジュール及び絶縁基板を備える。絶縁基板は、半導体モジュール内の半導体素子と冷却器の間に設けられる。この絶縁基板は、絶縁層及び磁性体枠を有する。磁性体枠は、絶縁層を取り囲むように構成されている。磁性体枠が設けられている絶縁基板は、絶縁層を介して流れる高周波のコモンモード電流に対して高いインピーダンスを有することができる。このため、絶縁層を介して流れるコモンモード電流が低下する。また、磁性体枠は、絶縁層を取り囲むように構成されているので、半導体モジュール内の半導体素子で発生した熱が冷却器に伝熱するときの伝熱経路を遮らない。このため、絶縁基板の伝熱性能の悪化が抑制される。上記態様の電力変換装置の絶縁基板は、伝熱性能の悪化を抑制しながら、コモンモード電流を低下させることができる。

本明細書はさらに、積層ユニットを備える電力変換装置も開示する。積層ユニットは、複数の冷却器、各々が半導体素子を有する複数の半導体モジュール及び複数の絶縁基板を有する。冷却器と半導体モジュールが交互に積層されている。複数の絶縁基板の各々は、冷却器と半導体モジュールの間の各々に配置されているとともに、半導体モジュール内の半導体素子と冷却器の間に設けられている。複数の絶縁基板の各々は、絶縁層及び磁性体枠を有する。磁性体枠は、絶縁層を取り囲むように構成されている。磁性体枠が設けられている絶縁基板は、絶縁層を介して流れる高周波のコモンモード電流に対して高いインピーダンスを有することができる。このため、絶縁層を介して流れるコモンモード電流が低下する。また、磁性体枠は、絶縁層を取り囲むように構成されているので、半導体モジュール内の半導体素子で発生した熱が冷却器に伝熱するときの伝熱経路を遮らない。このため、絶縁基板の伝熱性能の悪化が抑制される。上記態様の電力変換装置の絶縁基板は、伝熱性能の悪化を抑制しながら、コモンモード電流を低下させることができる。

電力変換装置の回路構成の概略を示す。 電力変換装置の斜視図を模式的に示す。 半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。 絶縁基板の斜視図を模式的に示す。

図１に示されるように、電力変換装置１は、例えば電気自動車に搭載して用いられており、バッテリＶｄｃの直流電力を走行用の２つのモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動するための交流電力に変換する。２つのモータＭＧ１，ＭＧ２の出力は、動力分配機構（図示省略）で合成／分配されて車軸（図示省略）へと伝達される。

電力変換装置１は、コンバータ回路２及び２つのインバータ回路４，６を備える。コンバータ回路２は、バッテリＶｄｃの電圧を昇圧して出力する。２つのインバータ回路４，６は、昇圧後の直流電力を交流電力に変換して出力する。第１インバータ回路４は第１モータＭＧ１に交流電力を供給し、第２インバータ回路６は第２モータＭＧ２に交流電力を供給する。

コンバータ回路２は、フィルタコンデンサＣ１、リアクトルＬ１、２つのトランジスタＴｒ７，Ｔｒ８及び２つのダイオードＤｉ７，Ｄｉ８を有する。フィルタコンデンサＣ１は、入力側の高電位端子と低電位端子の間に接続されている。リアクトルＬ１は、一端が入力側の高電位端子に接続されており、他端が２つのトランジスタＴｒ７，Ｔｒ８の直列回路の中点に接続されている。トランジスタＴｒ７にはダイオードＤｉ７が逆並列に接続されており、トランジスタＴｒ８にはダイオードＤｉ８が逆並列に接続されている。コンバータ回路２は、バッテリＶｄｃの電圧を昇圧してインバータ回路４，６へ供給する動作（昇圧動作）と、インバータ回路４，６から入力される直流電力（回生電力）を降圧してバッテリＶｄｃへ供給する動作（降圧動作）の双方を行うことができる。

インバータ回路４，６の各々は、共通した回路構成を有する。このため、第１インバータ回路４と第２インバータ回路６の間で共通した回路要素には共通の符号を付す。

インバータ回路４，６の各々は、並列に接続されている３つの直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３を有する。直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の各々は、直列に接続された２つのトランジスタを有する。直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の各々の高電位側のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３がコンバータ回路２の高電位側の出力端に接続されており、直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の各々の低電位側のトランジスタＴｒ４，Ｔｒ５，Ｔｒ６がコンバータ回路２の低電位側の出力端に接続されている。トランジスタＴｒ１−Ｔｒ６の各々には、ダイオードＤｉ１−Ｄｉ６が逆並列に接続されている。直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３の各々の中点から交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。

コンバータ回路２及びインバータ回路４，６を構成するトランジスタＴｒ１−Ｔｒ８は、この例ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。これに代えて、トランジスタＴｒ１−Ｔｒ８には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等が用いられてもよい。

図２に、電力変換装置１の斜視図を模式的に示す。電力変換装置１は、積層ユニット１００を有する。積層ユニット１００は、複数の冷却器１０と複数の半導体モジュール２０（パワーカードともいう）が交互に積層されたユニットである。なお、図２では、図示明瞭化のために、１つの冷却器１０のみに符号を付し、他の冷却器の符号を省略している。同様に、１つの半導体モジュール２０のみに符号を付し、他の半導体モジュールの符号を省略している。また、図２では、コンバータ回路２を構成するフィルタコンデンサＣ１及びリアクトルＬ１を省略して図示している。

複数の半導体モジュール２０の各々は、２つのトランジスタと２つのダイオードが樹脂製のパッケージ２１に封止されて構成されており、２ｉｎ１とも称される。半導体モジュール２０のパッケージ２１は、平板型の形態を有する。複数の半導体モジュール２０のうちの１つは、コンバータ回路２の２つのトランジスタＴｒ７，Ｔｒ８及び２つのダイオードＤｉ７，Ｄｉ８を含む（図１参照）。また、その他の半導体モジュール２０の各々は、インバータ回路４，６の直列回路ＰＭ１，ＰＭ２，ＰＭ３のうちの１つを含む（図１参照）。

半導体モジュール２０の一方の主面には、２つの放熱板２４ａ，２４ｂが露出する。半導体モジュール２０の他方の主面には、１つの放熱板２４ｃが露出する。放熱板２４ａは、パッケージ２１の内部で一方のトランジスタのエミッタ電極に接続されている。放熱板２４ｂは、パッケージ２１の内部で他方のトランジスタのコレクタ電極に接続されている。放熱板２４ｃは、パッケージ２１の内部で一方のトランジスタのコレクタ電極と他方のトランジスタのエミッタ電極に接続されている。即ち、３つの放熱板２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、それぞれ、２つのトランジスタの直列接続の低電位側の電極、中点の電極及び高電位側の電極に接続されている。

積層ユニット１００は、冷却器１０と半導体モジュール２０が交互に積層して構成されており、ケース１８に収容されている。このため、１つの半導体モジュール２０は、２つの冷却器１０に挟まれており、両面から冷却される。積層ユニット１００は、一対の絶縁基板２２ａ，２２ｂを有する。第１絶縁基板２２ａは、半導体モジュール２０の一方の主面と一方の冷却器１０の間に挟まれており、半導体モジュール２０内のトランジスタと冷却器１０の間及び半導体モジュール２０内のダイオードと冷却器１０の間を電気的に絶縁するために設けられている。第２絶縁基板２２ｂは、半導体モジュール２０の他方の主面と他方の冷却器１０の間に挟まれており、半導体モジュール２０内のトランジスタと冷却器１０の間及び半導体モジュール２０内のダイオードと冷却器１０の間を電気的に絶縁するために設けられている。

積層ユニット１００は、冷媒供給管１２ａ、冷媒排出管１２ｂ及び一対の連結パイプ１４ａ，１４ｂを有する。複数の冷却器１０は、連結パイプ１４ａ，１４ｂで連結されている。積層ユニット１００の積層方向の一端に位置する冷却器１０には、冷媒供給管１２ａと冷媒排出管１２ｂが連結されている。冷媒供給管１２ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ１４ａを通じて全ての冷却器１０に分配される。冷媒は、各冷却器１０を通る間に隣接する半導体モジュール２０から熱を吸収する。各冷却器１０を通った冷媒は、連結パイプ１４ｂを通り、冷媒排出管１２ｂから排出される。冷媒は、液体であり、典型的にはＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

積層ユニット１００は、ケース１８に収容される際、積層方向の他端側に板バネ１６が挿入される。その板バネ１６により、半導体モジュール２０と絶縁基板２２ａ、２２ｂと冷却器１０に対して、積層方向の両側から所定の荷重が加えられる。これにより、半導体モジュール２０と絶縁基板２２ａ、２２ｂと冷却器１０が密着し、半導体モジュール２０から冷却器１０への伝熱効率が向上する。

図３に、冷却器１０に収容された状態の半導体モジュール２０の要部断面図を模式的に示す。図３は、半導体モジュール２０を構成する１つのトランジスタＴｒと１つのダイオードＤｉの組を横切る断面図である。トランジスタＴｒは、図１に示す下側のトランジスタＴｒ４，Ｔｒ５，Ｔｒ６，Ｔｒ８のいずれかに対応し、ダイオードＤｉはそのトランジスタＴｒ４，Ｔｒ５，Ｔｒ６，Ｔｒ８に逆並列に接続されるダイオードＤｉ４，Ｄｉ５，Ｄｉ６，Ｄｉ８に対応する。なお、図１に示す上側のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ７とダイオードＤｉ１，Ｄｉ２，Ｄｉ３，Ｄｉ４のいずれかの組を横切る断面も、同様の形態を有する。

半導体モジュール２０は、複数の導電性スペーサ２３及び一対の放熱板２４ａ，２４ｃを有する。複数の導電性スペーサ２３の各々は、トランジスタＴｒとダイオードＤｉの各々に対応して設けられている。トランジスタＴｒのエミッタ電極がはんだによって放熱板２４ａに固定されており、トランジスタＴｒのコレクタ電極がはんだによって導電性スペーサ２３に固定されており、その導電性スペーサ２３がはんだによって放熱板２４ｃに固定されている。ダイオードＤｉのアノード電極がはんだによって放熱板２４ａに固定されており、ダイオードＤｉのカソード電極がはんだによって導電性スペーサ２３に固定されており、その導電性スペーサ２３がはんだによって放熱板２４ｃに固定されている。導電性スペーサ２３は、トランジスタＴｒのゲート電極に接続するボンディングワイヤ（図示省略）を配線するための空間を確保するために必要とされている。また、導電性スペーサ２３は、トランジスタＴｒとダイオードＤｉの厚みの差を調整するためにも必要とされている。

第１放熱板２４ａは、リードフレームの一部でもあり、半導体モジュール２０のパッケージ２１の一方の主面（冷却器１０に対向する面）に露出する（図２参照）。第１放熱板２４ａから伸びるリードフレームの一部は、半導体モジュール２０のパッケージ２１の側面（積層ユニット１００の積層方向に直交する面）から突出しており、リード端子を構成する（図２参照）。第２放熱板２４ｃも、リードフレームの一部でもあり、半導体モジュール２０のパッケージ２１の他方の主面（冷却器１０に対向する面）に露出する（図２参照）。第２放熱板２４ｂから伸びるリードフレームの一部は、半導体モジュール２０のパッケージ２１の側面（積層ユニット１００の積層方向に直交する面）から突出しており、リード端子を構成する（図２参照）。

半導体モジュール２０は、一対の絶縁基板２２ａ，２２ｂによって冷却器１０から電気的に絶縁されるように冷却器１０に収容されている。一対の絶縁基板２２ａ，２２ｂの各々は、半導体モジュール２０と冷却器１０の間に介在し、半導体モジュール２０と冷却器１０を隔てる。

一対の絶縁基板２２ａ，２２ｂは共通の形態を有しており、これらを以下では絶縁基板２２という。図４に、絶縁基板２２の斜視図を模式的に示す。絶縁基板２２は、絶縁層１２２及び磁性体枠２２２を有する。絶縁層１２２は、平板状の形態を有する。絶縁層１２２は、絶縁体の単一層で構成されていてもよく、少なくとも一層の絶縁体の層を含む複数の層の積層で構成されていてもよい。絶縁層１２２に用いられる絶縁体の材料としては、窒化シリコン（ＳｉＮ）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が例示される。磁性体枠２２２は、絶縁層１２２の側面に沿って一巡しており、絶縁層１２２を取り囲むように構成されている。磁性体枠２２２の材料は、高透磁率の磁性体である。例えば、磁性体枠２２２の材料は、ナノ結晶軟磁性材料又はフェライト系材料であり、一例ではファインメット（登録商標）が用いられる。このような絶縁基板２２は、磁性体枠２２２を予め形成した後に、絶縁層１２２をその磁性体枠２２２に嵌め込むようにして製造することができる。

絶縁基板２２の絶縁層１２２は、半導体モジュール２０の主面に露出する放熱板２４ａ，２４ｂ，２４ｃを被覆する大きさを有する。換言すると、絶縁基板２２の磁性体枠２２２は、半導体モジュール２０の主面に露出する放熱板２４ａ，２４ｂ，２４ｃよりも外側で絶縁層１２２を一巡する。

上記したように、半導体モジュール２０は、２つのトランジスタと２つのダイオードが樹脂製のパッケージ２１に封止されている２ｉｎ１タイプである。このため、図２に示されるように、パッケージ２１の一方の主面には、低電位側と高電位側の各々に対応した放熱板２３ａ，２３ｂが露出する。絶縁基板２２の磁性体枠２２２は、半導体モジュール２０の主面に露出する２つの放熱板２４ａ，２４ｂよりも外側で絶縁層１２２を一巡するように構成されている。この例に代えて、絶縁基板２２の磁性体枠２２２は、半導体モジュール２０の主面に露出する２つの放熱板２４ａ，２４ｂの各々の外側で絶縁層１２２を一巡するように、即ち、絶縁層１２２が２つの放熱板２４ａ，２４ｃの各々に対応して分けられており、それら２つの絶縁層１２２の各々を一巡するように設けられていてもよい。

上記したように、絶縁基板２２は、半導体モジュール２０と冷却器１０の間に設けられている。絶縁基板２２の絶縁層１２２は、高周波ノイズに対してコンデンサとして機能することから、図１に示されるように、半導体モジュール２０と冷却器１０の間に浮遊容量２２Ｃを提供する。より具体的には、絶縁基板２２の絶縁層１２２は、半導体モジュール２０の主面に露出する放熱板２４ａ，２４ｂ，２４ｃと冷却器１０の間に浮遊容量２２Ｃを提供する。半導体モジュール２０内のトランジスタＴｒは、電力変換するときに高速でスイッチングする。このため、トランジスタＴｒは、高周波ノイズの発生源となる。これにより、トランジスタＴｒがスイッチングするときに発生する高周波ノイズは、トランジスタＴｒから絶縁基板２２の絶縁層１２２を介して冷却器１０に流れるコモンモード電流（図１の矢印参照）を生成することが心配される。

しかしながら、図４に示されるように、絶縁基板２２は、絶縁層１２２が磁性体枠２２２で囲まれた形態を有する。このため、絶縁基板２２は、絶縁層１２２を介して流れる高周波のコモンモード電流に対して高いインピーダンスを有することができる。このことは、図１に示されるように、浮遊容量２２Ｃに対してインピーダンス成分２２Ｚが直列に挿入されることと等価である。したがって、絶縁基板２２の絶縁層１２２を介して流れるコモンモード電流が低下する。また、磁性体枠２２２は、絶縁層１２２を取り囲むように構成されているので、半導体モジュール２０内のトランジスタＴｒ及びダイオードＤｉで発生した熱が冷却器１０に伝熱するときの伝熱経路を遮らない。このように、絶縁基板２２は、低いコモンモード電流と高い伝熱性能を両立させることができる。

上記実施形態では、２つのトランジスタと２つのダイオードが樹脂製のパッケージ２１に封止されている２ｉｎ１タイプの半導体モジュール２０を例示した。この例に代えて、本明細書で開示される技術は、他のタイプの半導体モジュール、例えば１つのトランジスタと１つのダイオードが樹脂製のパッケージに封止されている１ｉｎ１タイプの半導体モジュールにも適用できる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：電力変換装置
２：コンバータ回路
４：第１インバータ回路
６：第２インバータ回路
８：冷却器
２０：半導体モジュール
２１：パッケージ
２２，２２ａ，２２ｂ：絶縁基板
２３：導電性スペーサ
２４ａ，２４ｂ：放熱板
１００：積層ユニット
１２２：絶縁層
２２２：磁性体枠
トランジスタ：Ｔｒ，Ｔｒ１−Ｔｒ８
ダイオード：Ｄｉ，Ｄｉ１−Ｄｉ８

Claims (3)

1. 半導体素子と冷却器の間に設けられる絶縁基板であって、
   絶縁層と、
   前記絶縁層を取り囲むように構成されている磁性体枠と、を備える絶縁基板。
2. 電力変換装置であって
   冷却器と、
   半導体素子を有する半導体モジュールと、
   前記半導体モジュール内の前記半導体素子と前記冷却器の間に設けられる絶縁基板と、を備えており、
   前記絶縁基板は、
   絶縁層と、
   前記絶縁層を取り囲むように構成されている磁性体枠と、を有する、電力変換装置。
3. 積層ユニットを備える電力変換装置であって、
   前記積層ユニットは、
   複数の冷却器と、
   各々が半導体素子を有する複数の半導体モジュールと、
   複数の絶縁基板と、を有しており、
   前記冷却器と前記半導体モジュールが交互に積層されており、
   前記複数の絶縁基板の各々は、前記冷却器と前記半導体モジュールの間の各々に配置されているとともに、前記半導体モジュール内の前記半導体素子と前記冷却器の間に設けられており、
   前記複数の絶縁基板の各々は、
   絶縁層と、
   前記絶縁層を取り囲むように構成されている磁性体枠と、を有する、電力変換装置。

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