JP6870531B2 - パワーモジュールおよび電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、パワーモジュールの構造およびこれを備えた電力変換装置に関するものである。
パワーモジュールの故障時には、パワーモジュール本体や周辺部品の取り換え作業が発生するため、パワーモジュールの交換作業性の向上や、交換に伴うコスト低減が必要とされてきた。特許文献１では、半導体素子が搭載された絶縁基板から制御基板を容易に取り外すため、半導体素子が搭載された絶縁基板を覆うケースと制御基板とが弾性力を有する部材により接続されている。
特開平６−４５５１５公報
特許文献１のパワーモジュールでは、半導体素子が搭載された絶縁基板（パワー部）とケースとが封止樹脂により一体的に形成されているため、取り外しが容易ではなく、半導体素子が故障した際には、正常なケースも共に交換する必要があった。特に、発熱源である半導体素子と半導体素子の周辺とは、ケースとケースの周辺と比べて部品交換が発生しやすいため、半導体素子が搭載された絶縁基板とケースとが容易に取り外せないと、交換作業に伴うコストが余計にかかってしまうという問題点があった。
本発明は上記した問題点を解決するためになされたものであり、半導体素子が搭載された絶縁基板とケースとを容易に取り外せるパワーモジュールを得ることを目的とするものである。
本発明に係るパワーモジュールは、絶縁基板と、絶縁基板上に設けられる半導体素子と
、絶縁基板上に設けられて、半導体素子と電気的に接続される内部端子と、内部端子の端
部が露出するように、内部端子と半導体素子と絶縁基板とを封止する封止材と、封止材と
分離され、封止材を覆うケースと、ケースと内部端子の端部とを接続する弾性部材と、弾性部材を介して内部端子に一端が電気的に接続され、ケースから他端が露出する外部端子を備え、封止材の側面と対向するケースの内側面には孔の一端が設けられ、孔の他端がケースの上面に連通して設けられ、内部端子の端部が、封止材の側面から露出して孔に挿入され、弾性部材が、内部端子の端部とケースの内部で接続され、孔に沿って弾性可能に設けられることを特徴とする。
本発明に係るパワーモジュールによれば、半導体素子が搭載された絶縁基板は、ケースに対して、分離して封止され、封止された絶縁基板とケースとが弾性部材を介して接続するため、基板とケースとを容易に取り外すことができる。
実施の形態１のパワーモジュールを示す断面図である。 ヒートシンクに取り付けられた実施の形態１のパワーモジュールを示す断面図。 実施の形態２のパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態３のパワーモジュールを示す断面図である。 板ばねを使用した実施の形態３のパワーモジュールを示す断面図である。 実施の形態４のパワーモジュールを示す断面図である。 クランプを有する実施の形態４のパワーモジュールを示す断面図である。 クランプを示す断面図である。 電力変換システムの構成を示すブロック図
実施の形態１
実施の形態１におけるパワーモジュール５０について説明する。図１は、実施の形態１のパワーモジュール５０を示す断面図である。なお、図１以外の他図において、同一符号は同一又は相当部分を示す。図１に示すパワーモジュール５０において、パワー部は、半導体素子１、絶縁基板２、内部端子３、及び導電性ワイヤー５により構成される。パワーモジュール５０は、半導体素子１が導電性部材を介して絶縁基板２に接合され、封止材４によって樹脂封止されたパワー部と、ケース１０とを備え、内部端子３の端部が封止材４から露出して弾性部材１２と接続する構成である。なお、半導体素子１は、スイッチング素子やダイオードであればよく、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＰＮダイオードでもあってもよい。さらに、半導体素子の個数は、当然ながら一つに限定されるものではなく、二つ以上であってもよい。
絶縁基板２は、ベース板２ａ、絶縁層２ｂ、回路パターン２ｃによって構成されている。絶縁層２ｂは、ベース板２ａの上に設けられている。回路パターン２ｃは、絶縁層２ｂの上に設けられている。ベース板２ａと回路パターン２ｃとは例えば、銅によって形成されている。絶縁層２ｂは、パワーモジュール５０の外部との電気的絶縁を確保し、例えば、無機セラミック材料で形成してもよいし、セラミック粉末をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の中に分散した材料で形成してもよい。
内部端子３は、一端が回路パターン２ｃと電気的に接続されており、他端がパワー部の外部との電気信号のやり取りに使用される。内部端子３は、回路パターン２ｃを介して半導体素子１の裏面電極へ電気的に接続している。半導体素子１の表面電極は、導電性ワイヤー５を介して回路パターン２ｃと電気的に接続している。なお、内部端子３は、導電性であればよく、例えば、銅ブロック等であってもよい。
絶縁基板２、内部端子３、導電性ワイヤー５及び半導体素子１は、封止材４によって覆われている。内部端子３は封止材４に覆われているが、外部と信号のやり取りをするため、封止材４の表面に内部端子３の端部が露出している。絶縁基板２の裏面は、ヒートシンク等により冷却されるため、封止材４から露出してもよい。封止材４は、絶縁性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂である。
パワー部と封止材４は、ケース１０により囲まれている。ケース１０は、封止材４と分離している。なお、ケース１０と封止材４は一体形成されていなければよく、ケース１０と封止材４とが接触してもよい。ケース１０と封止材４が接触されることによって、ケース１０と封止材４の間に隙間がなくなるため、パワーモジュール５０を小型化することができる。なお、ケース１０と封止材４の間に隙間がある場合には、ケース１０と封止材４の寸法公差を吸収することができるため、製品設計の自由度が向上する。ケース１０は可塑性樹脂等で形成されており、外部端子１１（１１ａ、１１ｂ）がケース１０にインサート形成されている。外部端子１１は、ケース１０の外部との電気信号のやり取りに使用する。なお、外部端子１１は、ケース１０にアウトサート形成されてもよい。
弾性部材１２は、一端が半導体素子１を搭載した絶縁基板２上の内部端子３と弾性的に接続し、他端がケース１０と弾性的に接続される。実施の形態１では、弾性部材１２がコイルばねであり、ケース１０に一体的に形成されてもよい。なお、弾性部材１２は、ケース内部にインサート成型されることで、外部端子１１と一体形成されてもよい。さらに、弾性部材１２は、弾性力と導電性を有してあればよく、電流容量に応じて複数のコイルばねであってもよい。
図２では、パワーモジュール５０がヒートシンク７に圧接された図を示す。パワーモジュール５０は、ケースの一部に取付用の孔を有し、ネジ８を通してヒートシンク７に取り付けられる。さらに、パワーモジュール５０は、ベース板２ａの裏面にグリースもしくは放熱シートを介してヒートシンク７に取り付けられている。なお、放熱シートは、グリースに比べてふき取り作業が不要であり、放熱シートの厚みが０．１ｍｍ以下で熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ以上の特性であることが好ましい。
図１において、半導体素子１がＩＧＢＴであり、図１に図示していないが、紙面垂直方向で回路パターン２ｃ上にダイオードが位置し、各々１つを使用して並列接続した場合の回路構成について説明する。外部端子１１ａは、パワーモジュール５０のＰ端子であり、弾性部材１２と内部端子３及び回路パターン２ｃを介して半導体素子１の裏面電極であるコレクタ電極と電気的に接続している。半導体素子１の表面電極であるエミッタ電極は、導電性ワイヤー５を介して回路パターン２ｃと電気的に接続している。外部端子１１ｂは、パワーモジュール５０のＮ端子であり、内部端子３と弾性部材１２とを介して回路パターン２ｃと電気的に接続している。また、半導体素子１のコレクタ電極とダイオードのカソード電極とが電気的に接続し、半導体素子１のエミッタ電極とダイオードのアノード電極とが電気的に接続して、１ｉｎ１モジュールの並列回路を形成する。当然ながら上述した回路構成とは異なる回路を構成してもよく、例えば、２ｉｎ１モジュールのハーフブリッジ回路や、６ｉｎ１モジュールの３相インバーター回路を形成してもよい。なお、外部端子１１は回路構成によって出力端子となることがあってもよい。
この実施の形態１のパワーモジュール５０によれば、半導体素子１が搭載された絶縁基板２上の内部端子３とケース１０との接続を、弾性部材１２により行うことで、半導体素子１が故障した場合に、絶縁基板２とケース１０とを容易に取り外し、半導体素子１が搭載された絶縁基板２を取り換えることができるため、取り換えにかかる作業コストや部材コストを抑制し、部材交換作業の効率性を向上させるという効果を奏する。また、パワーモジュール５０をヒートシンク７に取り付ける際には、絶縁基板２上の内部端子３とケース１０とが弾性部材１２により接続されるため、弾性部材１２と接続される各部材に寸法ばらつきがあったとしても、弾性部材１２がばらつきを吸収するため、パワーモジュール５０とヒートシンク７との接触圧を確保できるという効果を奏する。
実施の形態２
実施の形態２のパワーモジュール５１について説明する。図３は、実施の形態２のパワーモジュール５１を示す断面図である。実施の形態２のパワーモジュール５１は、封止材４から露出している内部端子３の端部に凹部６が形成されている。
この実施の形態２のパワーモジュール５１によれば、封止材４から露出している内部端子３の端部に凹部６が形成されている。弾性部材１２は、凹部６に挿入されることで、凹部６の底面だけでなく側面からも通電可能となり通電面積を向上させ、パワーモジュール５１の電流容量を増やすことができる。また、パワーモジュール５１をヒートシンク７へ取り付ける際には、凹部６により弾性部材１２が支持されるため、ヒートシンク７への取り付けを容易に行うことができる。
実施の形態３
実施の形態３のパワーモジュール５２について説明する。図４は、実施の形態３のパワーモジュール５２を示す断面図である。実施の形態３のパワーモジュール５２は、弾性部材が多接点ばね１４であることを特徴とする。なお、多接点ばね１４は複数の接点を有してあればよく、例えば、螺旋状態の巻きばねに波形状を加えたコイルドウェーブスプリングや、図５に示すような板ばね１３であってもよい。
この実施の形態３のパワーモジュール５２によれば、弾性部材が多接点ばね１４であることから、コイルばねに対して接触面積が増えるため、通電面積を向上させることができ、パワーモジュール５２の電流容量を増やすことができる。また、多接点ばね１４は、短いストロークでコイルばねより大きな弾性力を発生させることができるため、ヒートシンク７へのパワーモジュール５２の取付作業を容易に行うことができる。さらに、接触面積を増やすためにコイルばねは複数使う必要があるのに対して、多接点ばね１４は、部品点数を一つにすることができるため、部材の軽量化を図ることができる。
実施の形態４
実施の形態４のパワーモジュール５３について説明する。図６は、実施の形態４のパワーモジュール５３を示す断面図である。実施の形態４のパワーモジュール５３は、ケース１０に孔１５を備えており、封止材４の側面から露出した内部端子３の端部は、孔１５に挿入されて、ケース１０の内部で弾性部材１２が外部端子１１と内部端子３の端部を電気的に接続することを特徴とする。
孔１５は、封止材４の側面と対向するケース１０の内側面に一端が設けられ、他端がケース１０の上面に設けられている。なお、弾性部材１２は、孔１５に沿ってヒートシンク７の取付方向に弾性可能に設けられる。封止されたパワー部をケース１０に取り付ける際には、内部端子３を紙面に垂直な方向に向かってスライドさせて孔１５に挿入する。
また、図７に示す様に、ケース１０にはクランプ１６を一体的に形成してもよい。図８に示す様に、クランプ１６は、操作部２１と支点部２２と押圧部２３とにより構成されている。支点部２２は、操作部２１と押圧部２３とが支点部２２を中心に回転できるようにシャフト２４が挿通される。シャフト２４はケース１０によって支持される。クランプ動作は、パワーモジュール５３がヒートシンク７に固定されている状態で行う。操作部２１がシャフト２４を中心に回転することで、押圧部２３も回転してヒートシンク７を押圧する方向に力が働く。
この実施の形態４のパワーモジュール５３によれば、内部端子３が封止材４の側面から露出してケース１０の内部で弾性部材１２を介して外部端子１１と接続することから、半導体素子１が故障した場合に、半導体素子１が搭載された絶縁基板２とケース部１０とを容易に取り外し、半導体素子１が搭載された絶縁基板２を取り換えることができるため、取り換えにかかる作業コストや部材コストを抑制し、部材交換作業の効率性を向上させるという効果を奏する。また、ケース１０にクランプ１６を一体的に形成することで、パワーモジュール５３をヒートシンク７に取り付ける際には、ヒートシンク７とパワーモジュール５３との圧接作業を容易に行うことができるため、部材交換作業の効率性を向上させるという効果を奏する。
実施の形態５
本実施の形態は、上述した実施の形態１から４にかかるパワーモジュールを電力変換装置に適用したものである。本発明は特定の電力変換装置に限定されるものではないが、以下、実施の形態５として、三相のインバータに本発明を適用した場合について説明する。
図９は、本実施の形態にかかる電力変換装置を適用した電力変換システムの構成を示すブロック図である。
図９に示す電力変換システムは、電源１００、電力変換装置２００、負荷３００から構成される。電源１００は、直流電源であり、電力変換装置２００に直流電力を供給する。電源１００は種々のもので構成することが可能であり、例えば、直流系統、太陽電池、蓄電池で構成することができるし、交流系統に接続された整流回路やＡＣ／ＤＣコンバータで構成することとしてもよい。また、電源１００を、直流系統から出力される直流電力を所定の電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータによって構成することとしてもよい。
電力変換装置２００は、電源１００と負荷３００の間に接続された三相のインバータであり、電源１００から供給された直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に交流電力を供給する。電力変換装置２００は、図９に示すように、直流電力を交流電力に変換して出力する主変換回路２０１と、主変換回路２０１を制御する制御信号を主変換回路２０１に出力する制御回路２０３とを備えている。
負荷３００は、電力変換装置２００から供給された交流電力によって駆動される三相の電動機である。なお、負荷３００は特定の用途に限られるものではなく、各種電気機器に搭載された電動機であり、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車、鉄道車両、エレベーター、もしくは、空調機器向けの電動機として用いられる。
以下、電力変換装置２００の詳細を説明する。主変換回路２０１は、スイッチング素子と還流ダイオードを備えており（図示せず）、スイッチング素子がスイッチングすることによって、電源１００から供給される直流電力を交流電力に変換し、負荷３００に供給する。主変換回路２０１の具体的な回路構成は種々のものがあるが、本実施の形態にかかる主変換回路２０１は２レベルの三相フルブリッジ回路であり、６つのスイッチング素子とそれぞれのスイッチング素子に逆並列された６つの還流ダイオードから構成することができる。主変換回路２０１の各スイッチング素子と各還流ダイオードの少なくともいずれかに、上述した実施の形態１〜４のいずれかにかかるパワーモジュールを適用する。６つのスイッチング素子は２つのスイッチング素子ごとに直列接続され上下アームを構成し、各上下アームはフルブリッジ回路の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を構成する。そして、各上下アームの出力端子、すなわち主変換回路２０１の３つの出力端子は、負荷３００に接続される。
また、主変換回路２０１は、各スイッチング素子を駆動する駆動回路（図示なし）を備えているが、駆動回路はパワーモジュール２０２に内蔵されていてもよいし、パワーモジュール２０２とは別に駆動回路を備える構成であってもよい。駆動回路は、主変換回路２０１のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、主変換回路２０１のスイッチング素子の制御電極に供給する。具体的には、後述する制御回路２０３からの制御信号に従い、スイッチング素子をオン状態にする駆動信号とスイッチング素子をオフ状態にする駆動信号とを各スイッチング素子の制御電極に出力する。スイッチング素子をオン状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以上の電圧信号（オン信号）であり、スイッチング素子をオフ状態に維持する場合、駆動信号はスイッチング素子の閾値電圧以下の電圧信号（オフ信号）となる。
制御回路２０３は、負荷３００に所望の電力が供給されるよう主変換回路２０１のスイッチング素子を制御する。具体的には、負荷３００に供給すべき電力に基づいて主変換回路２０１の各スイッチング素子がオン状態となるべき時間（オン時間）を算出する。例えば、出力すべき電圧に応じてスイッチング素子のオン時間を変調するＰＷＭ制御によって主変換回路２０１を制御することができる。そして、各時点においてオン状態となるべきスイッチング素子にはオン信号を、オフ状態となるべきスイッチング素子にはオフ信号が出力されるよう、主変換回路２０１が備える駆動回路に制御指令（制御信号）を出力する。駆動回路は、この制御信号に従い、各スイッチング素子の制御電極にオン信号又はオフ信号を駆動信号として出力する。
本実施の形態に係る電力変換装置では、主変換回路２０１のスイッチング素子と還流ダイオードとして実施の形態１〜４にかかるパワーモジュールを適用するため、半導体素子が搭載された絶縁基板上の端子とケースとの接続を、弾性部材により行うことで、半導体素子が故障した場合に、絶縁基板とケースとを容易に取り外し、半導体素子が搭載された絶縁基板を取り換えることができるため、取り換えにかかる作業コストや部材コストを抑制し、部材交換作業の効率性を向上させるという効果を奏する。
本実施の形態では、２レベルの三相インバータに本発明を適用する例を説明したが、本発明は、これに限られるものではなく、種々の電力変換装置に適用することができる。本実施の形態では、２レベルの電力変換装置としたが３レベルやマルチレベルの電力変換装置であっても構わないし、単相負荷に電力を供給する場合には単相のインバータに本発明を適用しても構わない。また、直流負荷等に電力を供給する場合にはＤＣ／ＤＣコンバータやＡＣ／ＤＣコンバータに本発明を適用することも可能である。
また、本発明を適用した電力変換装置は、上述した負荷が電動機の場合に限定されるものではなく、例えば、放電加工機やレーザー加工機、又は誘導加熱調理器や非接触器給電システムの電源装置として用いることもでき、さらには太陽光発電システムや蓄電システム等のパワーコンディショナーとして用いることも可能である。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態及び変形例を自由に組み合わせ、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
また、部品と部品とを接合する導電性部材は、はんだ、金属フィラーを用いた金属ペースト、又は熱により金属化する焼成金属などの電気抵抗の低い金属を用いることが好ましい。
１ 半導体素子、２ 絶縁基板、２ａ ベース板、２ｂ 絶縁層、２ｃ 回路パターン、３ 内部端子、４ 封止材、５ 導電性ワイヤー、６ 凹部、７ ヒートシンク、８ ネジ、１０ ケース、１１ 外部端子、１１ａ 外部端子、１１ｂ 外部端子、１２ 弾性部材、１３ 板ばね、１４ 多接点ばね、１５ 孔、１６ クランプ、５０ パワーモジュール、５１ パワーモジュール、５２ パワーモジュール、５３ パワーモジュール。 １００ 電源、２００ 電力変換装置、２０１ 主変換回路、２０２ パワーモジュール、２０３ 制御回路、３００ 負荷

Claims (7)

  1. 絶縁基板と、
    前記絶縁基板上に設けられる半導体素子と、
    前記絶縁基板上に設けられて、前記半導体素子と電気的に接続される内部端子と、
    前記内部端子の端部が露出するように、前記内部端子と前記半導体素子と前記絶縁基板
    とを封止する封止材と、
    前記封止材と分離され、前記封止材を覆うケースと、
    前記ケースと前記内部端子の端部とを接続する弾性部材と、
    前記弾性部材を介して前記内部端子に一端が電気的に接続され、前記ケースから他端が
    露出する外部端子を備え、
    前記封止材の側面と対向する前記ケースの内側面には孔の一端が設けられ、前記孔の他
    端が前記ケースの上面に連通して設けられ、前記内部端子の端部が、前記封止材の側面か
    ら露出して前記孔に挿入され、
    前記弾性部材が、前記内部端子の端部と前記ケースの内部で接続され、前記孔に沿って
    弾性可能に設けられることを特徴とするパワーモジュール。
  2. 前記封止材は前記ケースと接触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. 前記内部端子の端部には、前記弾性部材が挿入される凹部が備えられていることを特徴
    とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
  4. 前記弾性部材は、複数の接点をもつ多接点ばねであることを特徴とする請求項１から３
    のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
  5. 前記ケースと前記封止材とから前記絶縁基板の裏面を露出し、前記絶縁基板の裏面と前
    記ケースと圧接されるヒートシンクが備えられ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. 前記ケースは、シャフトを支持し、シャフトを中心に回転する操作部と押圧部とを有す
    るクランプが備えられることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のパワー
    モジュール。
  7. 請求項１から６のいずれか１項に記載のパワーモジュールを有し、入力される電力を変
    換して出力する主変換回路と、
    前記主変換回路を制御する制御信号を前記主変換回路に出力する制御回路と、
    を備えた電力変換装置。
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