JPH10178151A - 電動機を制御する電力モジユール - Google Patents

電動機を制御する電力モジユール

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JPH10178151A
JPH10178151A JP9337574A JP33757497A JPH10178151A JP H10178151 A JPH10178151 A JP H10178151A JP 9337574 A JP9337574 A JP 9337574A JP 33757497 A JP33757497 A JP 33757497A JP H10178151 A JPH10178151 A JP H10178151A
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ヘルマン・ボイメル
Kurt Geiger
クルト・ガイゲル
Hermann Kilian
ヘルマン・キリアン
Guenter Leicht
ギユンテル・ライヒト
Bernhard Schuch
ベルンハルト・シユーフ
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Temic Telefunken Microelectronic GmbH
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 電力ユニット冷却部材との間の良好な熱伝導
及びコンパクトな構成を有する、電動機を制御する電力
モジュールを提供する。 【解決手段】 基板１３の上側１３２に配置されかつ電
力半導体構成素子１１を有する回路装置を備えた電力ユ
ニット１、冷却媒体２３が流通している冷却ユニット
２、電力ユニット１の基板１３に対して平行に配置され
た半導体構成素子３２に電力ユニット１の回路装置を接
続させるために電力ユニット１の基板１３と制御ユニッ
ト３の支持体部材３１との間にある接点ピン５１、電力
ユニット１及び制御ユニット３を囲むハウジング部材６
１、電力ユニット１の回路装置に給電するために電力ユ
ニット１の基板１３に対し電力モジュールの出力信号
Ｒ，Ｓ，Ｔを取出すためにハウジング部材６１から外へ
案内され半導体構成素子３２に接続された接続ストリッ
プ５２，５３，５４が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電動機を制御する
電力モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】電動機を制御する電力モジュールは、多
様に使用され、例えば電動機の回転速度及び出力調整の
ために使用される。これら電力モジュールは、通常、電
力ユニットを有し、この電力ユニットは、半導体構成素
子を含む回路装置、とくに電力スイッチとしての集積回
路（ＩＣ）、自身のハウジング部分及び電圧供給、出力
（出力電圧）及び入力（制御）のための端子を有し、か
つこれら電力モジュールは、冷却部材を有し、この冷却
部材上に、とくに電力スイッチの熱を放出するために電
力ユニットが取付けられており、かつこれら電力モジュ
ールは、電力ユニットを制御する分離した制御ユニット
を有する。電力モジュールの出力電圧の評価は、通常、
同様に分離した処理ユニットによって行なわれる。
【０００３】電力モジュールの製造の際に、回路装置の
半導体構成素子を基板上に取付け、基板を支持体板には
んだ付けし、かつハウジング部分と端子を取付けること
によって、まず電力ユニットが、標準構成群として製造
される。標準構成群としてのこの電力ユニットは、その
支持体板によって分離した冷却部材上に取付けられ（通
常中間層を介して、例えば熱伝導ペーストによって）、
かつこれにねじ止めされ；電力ユニットから切離して適
当な基板（例えばプリント板）上に取付けられた制御ユ
ニットの回路装置は、電力ユニットに接続される（通常
これにねじ止めされる）。電力ユニットと電圧供給部と
の間及び電力ユニットと制御ユニットとの間の構造の条
件となる丈夫な供給線に基づいて、ＥＭＶの理由によ
り、多数の半導体構成素子（コイル、コンデンサ）を含
む追加的な補償ユニットが必要である。しばしば冷却部
材も、損失電力を放出するために別の冷却ユニット（液
体冷却）になお接続しなければならない。
【０００４】電力モジュールのこのような構成は、次の
ような欠点を生じる： ・熱抵抗が、電力ユニットの内部構成（基板、支持体
板）、電力ユニットと冷却部材との間の中間層、及び分
離して取付けられた冷却部材によって規定されるので、
とくに電力ユニットの半導体構成素子（電力スイッチ）
と冷却部材との間の粗悪な熱伝導が生じる。 ・電力モジュールの個々の分離して製造された構成要素
又は機能ユニットの切離した構成により、かつ機能ユニ
ットの間の必要な導電接続により、大きな面積／容積及
び重量需要が生じ、これに多くのコストも結付いてい
る。 ・補償ユニットのために、多くの回路費用（多数の半導
体構成素子、面積需要、コスト）が必要である。 ・冷却部材と別の冷却ユニットとの間の結合は、高価で
あり、かつしばしば粗悪な熱接触によってしか実現する
ことができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、これ
らの欠点を回避する、電動機を制御する電力モジュール
を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、この課
題は、次のようにして解決される。すなわち基板の上側
に配置されかつ電力半導体構成素子を有する回路装置を
備えた電力ユニットが設けられており、冷却媒体が流通
する冷却ユニットが設けられており、この冷却ユニット
が、組織化された表面を備えかつ接合部分として構成さ
れた冷却部材を有し、この冷却部材上に基板の下側が、
直接取付けられており、支持体部材上に配置された半導
体構成素子を備えた制御ユニットが設けられており、こ
の支持体部材が、電力ユニットの基板に対して平行にか
つ間隔を置いて配置されており、制御ユニットの半導体
構成素子に電力ユニットの回路装置を接続しかつ接触さ
せるために、電力ユニットの基板と制御ユニットの支持
体部材との間に接点ピンが設けられており、ハウジング
部材が設けられており、このハウジング部材が、電力ユ
ニット及び制御ユニットを囲んでおり、電力ユニットの
回路装置に給電するために、電力ユニットの基板に対し
かつ制御ユニットの支持体部材に対して平行に外方へハ
ウジング部材を通り抜けて案内された２つの電流ストリ
ップが設けられており、電力モジュールを制御する制御
信号を加えかつ／又は電力モジュールの出力信号を取出
すために、電力ユニットの基板に対しかつ制御ユニット
の支持体部材に対して垂直にハウジング部材から外へ案
内されかつ電力ユニットの回路装置及び／又は制御ユニ
ットの半導体構成素子に接続された接続ストリップが設
けられている。
【０００７】有利な変形は、特許請求の範囲従属請求項
から明らかである。
【０００８】個々の機能ユニットは、紹介された電力モ
ジュールにおいて、次のようにしてコンパクトにまとめ
て配置され、なるべく共通のハウジング部材内に統合さ
れる： −電力ユニットの回路装置の半導体構成素子は、適当な
基板上に取付けられ、かつこの基板は、良好に熱伝導可
能な材料からなる最適化された表面を有する冷却部材上
に直接取付けられ、かつこれにはんだ付けにより（例え
ば軟質はんだにより）結合される。 −冷却部材は、接合部分として構成され、かつ電力モジ
ュールの（全）冷却ユニット内に直接統合することがで
きる。 −制御ユニットは、電力ユニットの回路装置を有する基
板に対して平行にかつ間隔を置いて分離した平面内にお
いて、支持体部材に取付けられ、その際、制御ユニット
の半導体構成素子は、支持体部材において片側に又は両
側に配置することができ、かつ垂直に配置された接点ピ
ンによって電力ユニットの回路装置に接触させされ；選
択的に支持体部材の上側に制御ユニットの半導体構成素
子を片側に取付けた際に、ＥＭＶ遮へいのため及び機械
的負荷能力を高めるために基板の方に向いた支持体部材
の下側に、追加的な支持体として金属板が設けられる。 −制御ユニットの支持体部材に対して（支持体部材の上
に）平行にかつ間隔を置いて別の平面内に、又は制御ユ
ニットの平面上に、選択的に追加的な機能（例えば電流
測定、信号処理）を実現する別の機能ユニットが設けら
れる。
【０００９】電力モジュールは、それ自体に複数の利点
をまとめる： ・小さな面積／容積需要を有するコンパクトな構造、及
びわずかなコスト。 ・半導体構成素子の直接の冷却及び冷却ユニット内の冷
却部材の統合による電力ユニットの半導体構成素子と冷
却部材との間の熱伝導の改善。 ・電力ユニットの半導体構成素子の、したがって電力モ
ジュールの信頼性及び寿命の増加。 ・接続線の対称かつ最小の線長さに基づいて補償ユニッ
トのために、漏れインダクタンスを修正するための最小
の回路費用しか必要ない。
【００１０】
【発明の実施の形態】次に三相交流駆動される電動機の
トランスバータの実施例について、紹介された電力モジ
ュールを図１及び２を含む図面によって説明する。
【００１１】図１及び２によれば、電力ユニット１の回
路装置の半導体構成素子は、それぞれ半ブリッジＨＢ
（分岐対）ごとに切離して、はんだ付けによりＤＣＢ基
板１３（“ダイレクト・カッパ・ボンディング”：２つ
の銅層１３２、１３３の間のセラミック支持体１３１）
に取付けられ、かつボンディング線材１２によって接触
され：例えば半ブリッジＨＢの半導体構成素子として、
電動機を制御する電力回路としてそれぞれ２つのＩＧＢ
Ｔトランジスタ１１及び４つのダイオードが設けられて
いる。トランスバータ機能は、（図２から明らかなよう
に）半ブリッジＨＢ１、ＨＢ２又はＨＢ３、ＨＢ４又は
ＨＢ５、ＨＢ６の並列回路によって実現され（それぞれ
の位相ごとにそれぞれ２つの半ブリッジ）；それにより
分岐対の誘導の少ないかつ対称の構成が与えられてお
り、その際、電力モジュールの必要な電流負荷容量は、
２つの（場合によってはそれ以上の）ＤＣＢ基板１３の
並列回路によって達成される。
【００１２】ＤＣＢ基板１３は、接合部分として構成さ
れた冷却部材２１（例えば銅からなる）上に直接取付け
られ、この冷却部材は、冷却ユニット２内に挿入され、
かつ冷却ユニット２の上側部分をなし；銅冷却部材の表
面は、フィン２１１によって拡大される。冷却ユニット
２の下側部分は、半シェル２２（例えばアルミニウムか
らなる）によって形成され、この半シェル内に冷却媒体
２３（例えば水）が、入口開口２２１を通って流入し、
かつ出口開口２２２を通って流出する。したがって電力
ユニット１の半導体構成素子の取付け面は、冷却ユニッ
ト２の冷却媒体２３に直接接触しているので、電力ユニ
ット１の半導体構成素子は、ＤＣＢ基板１３の銅取付け
面１３３を介して直接冷却される。それにより電力ユニ
ット１の半導体構成素子、とくに電力スイッチ（ＩＧＢ
Ｔトランジスタ１１）の良好な熱伝導、及び良好な冷却
が生じる。
【００１３】電力ユニット１のＤＣＢ基板１３の上に最
小の垂直間隔を置いて、支持体部材３１上に配置された
制御ユニット３が設けられており；電力ユニット１を制
御する制御ユニット３の半導体構成素子３２は、例えば
支持体部材３１としてのプリント板上の両側に配置され
る。（支持体部材３１の上側３３における半導体構成素
子３２の片側の配置の際、支持体部材３１の下側３４に
金属板を設けることができ、この金属板は、電力ユニッ
ト１に対する良好な遮へい、及び良好な機械的固定を引
起こす。）
【００１４】制御ユニット３の接触は、接続ストリップ
として構成された接触ピン５１によって行なわれ、これ
ら接触ピンは、例えば電力ユニット１のＤＣＢ基板１３
上にはんだ付けされる。電力ユニット１と制御ユニット
３との間の直接の接続は、漏れインダクタンス、及び補
償ユニットの半導体構成素子の数を最小にし；接点ピン
５１の垂直配置により有利な電気的特性を有する平行及
び対称の接触が実現可能である。
【００１５】電力ユニット１及び制御ユニット３の半導
体構成素子１１、３２の電圧供給のため、絶縁中間層及
び交換可能な極性（＋／−）を有する２つの全面的な電
圧供給ストリップ５５、５６が設けられており、これら
電圧供給ストリップは、中間回路コンデンサ７１（補償
構成素子）に接続されており；これら電圧供給ストリッ
プ５５、５６と半導体構成素子１１、３２の端子の接触
は、例えばはんだ付けによって行なわれる。
【００１６】制御ユニット３の支持体部材３１上に、別
の機能ユニット４を実現する追加的な半導体構成素子が
配置されており；例えば電力ユニット１の出力信号の信
号処理も含めて電流変換器素子を介して電流測定を実現
するものが配置されている。さらに別の信号処理のため
に分離した評価ユニット７２を設けてもよい。
【００１７】異なった平面内に配置された機能ユニッ
ト、電力ユニット１、制御ユニット３及び別の機能ユニ
ット４の（対称的な）集合は、垂直な接続ストリップ５
２、５３、５４によって行なわれ、これら接続ストリッ
プは、電力モジュールの出力端子Ｒ、Ｓ、Ｔを形成して
いる。
【００１８】電力モジュールの電力ユニット１、制御ユ
ニット及び別の機能ユニット４は、共通のハウジング６
１内に統合され、このハウジングから、出力端子Ｒ、
Ｓ、Ｔとしての接続ストリップ５２、５３、５４及び電
流ストリップ５５、５６が、外に案内される。追加的に
ハウジングフレーム６２を設けることができ（例えば合
成物質ハウジングフレーム）、このハウジングフレーム
は、電流ストリップ５５、５６を保持するため、及び機
能ユニット、電力ユニット１、制御ユニット３及び別の
機能ユニット４を非活動的にするための（例えばシリコ
ンゲルにより）の区画として使われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電力モジュールの断面図である。
【図２】電力モジュールの平面図である。
【符号の説明】
１ 電力ユニット ２ 冷却ユニット ３ 制御ユニット ４ その他の機能ユニット １１ 電力半導体構成素子 １３ 基板 ２３ 冷却媒体 ３１ 支持体部材 ３２ 半導体構成素子 ３３ 表面側 ３４ 表面側 ４１ 半導体構成素子 ５１ 接点ピン ５２ 接続ストリップ ５３ 接続ストリップ ５４ 接続ストリップ ５５ 電流ストリップ ５６ 電流ストリップ ６１ ハウジング部材 １３２ 上側 １３３ 下側
フロントページの続き (72)発明者 クルト・ガイゲル ドイツ連邦共和国ニユルンベルク・フイリ ツプ−キツトレル−シユトラーセ２ (72)発明者 ヘルマン・キリアン ドイツ連邦共和国デイースペツク・アン・ デル・シユトウルート３ (72)発明者 ギユンテル・ライヒト ドイツ連邦共和国バンベルク・オツトーシ ユトラーセ18アー (72)発明者 ベルンハルト・シユーフ ドイツ連邦共和国ノイジツツ・シユロスベ ルクシユトラーセ15

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 −基板（１３）の上側（１３２）に配置
    されかつ電力半導体構成素子（１１）を有する回路装置
    を備えた電力ユニット（１）が設けられており、 −冷却媒体（２３）が流通する冷却ユニット（２）が設
    けられており、この冷却ユニットが、組織化された表面
    を備えかつ接合部分として構成された冷却部材（２１）
    を有し、この冷却部材上に基板（１３）の下側（１３
    ３）が、直接取付けられており、 −支持体部材（３１）上に配置された半導体構成素子
    （３２）を備えた制御ユニット（３）が設けられてお
    り、この支持体部材が、電力ユニット（１）の基板（１
    ３）に対して平行にかつ間隔を置いて配置されており、 −制御ユニット（３）の半導体構成素子（３２）に電力
    ユニット（１）の回路装置を接続しかつ接触させるため
    に、電力ユニット（１）の基板（１３）と制御ユニット
    （３）の支持体部材（３１）との間に接点ピン（５１）
    が設けられており、 −ハウジング部材（６１）が設けられており、このハウ
    ジング部材が、電力ユニット（１）及び制御ユニット
    （３）を囲んでおり、 −電力ユニット（１）の回路装置に給電するために、電
    力ユニット（１）の基板（１３）に対しかつ制御ユニッ
    ト（３）の支持体部材（３１）に対して平行に外方へハ
    ウジング部材（６１）を通り抜けて案内された２つの電
    流ストリップ（５５，５６）が設けられており、 −電力モジュールを制御する制御信号を加えかつ／又は
    電力モジュールの出力信号（Ｒ，Ｓ，Ｔ）を取出すため
    に、電力ユニット（１）の基板（１３）に対しかつ制御
    ユニット（３）の支持体部材（３１）に対して垂直にハ
    ウジング部材（６１）から外へ案内されかつ電力ユニッ
    ト（１）の回路装置及び／又は制御ユニット（３）の半
    導体構成素子（３２）に接続された接続ストリップ（５
    ２，５３，５４）が設けられていることを特徴とする、
    電動機を制御する電力モジュール。
  2. 【請求項２】 ハウジング部材（６１）内に別の機能ユ
    ニット（４）が配置されていることを特徴とする、請求
    項１記載の電力モジュール。
  3. 【請求項３】 別の機能ユニット（４）として、電流測
    定ユニット及び／又は評価ユニットが設けられているこ
    とを特徴とする、請求項２記載の電力モジュール。
  4. 【請求項４】 別の機能ユニット（４）が、少なくとも
    １つの別の支持体部材上に配置されており、この（これ
    ら）支持体部材が、制御ユニット（３）の支持体部材
    （３１）に対して平行にかつ間隔を置いて配置されてい
    ることを特徴とする、請求項２又は３の１つに記載の電
    力モジュール。
  5. 【請求項５】 別の機能ユニット（４）が、制御ユニッ
    ト（３）の支持体部材（３１）上に配置されていること
    を特徴とする、請求項２又は３の１つに記載の電力モジ
    ュール。
  6. 【請求項６】 支持体部材（３１）の両方の表面側（３
    ３，３４）に、半導体構成素子（３２，４１）が配置さ
    れていることを特徴とする、請求項１ないし５の１つに
    記載の電力モジュール。
  7. 【請求項７】 電力ユニット（１）の基板（１３）から
    離れた方の支持体部材（３１）の表面側（３３）だけ
    に、半導体構成素子が配置されていることを特徴とす
    る、請求項１ないし５の１つに記載の電力モジュール。
  8. 【請求項８】 電力ユニット（１）の基板（１３）の方
    に向いた支持体部材（３１）の表面側（３４）上に、金
    属板が配置されていることを特徴とする、請求項７記載
    の電力モジュール。
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