KR101748639B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

모터측 금속 하우징(201)의 개구부측에 인버터(300)를 설치하며, 당해 금속 하우징(201)에 접촉하는 금속 커버(207) 상에, 반도체 소자 및 그것에 접속되는 금속 단자와, 그들을 봉지하는 수지를 구비한 파워 모듈(301)을 배설하고, 파워 모듈(301)의 금속 커버(207)와 반대측의 면에 금속판(306)을 설치한다. 파워 모듈(301)에서 발생한 열은 금속 커버(207)와 금속판(306)의 양쪽에서 방열된다. 이에 따라, 전력 변환 장치의 방열성을 높여, 파워 모듈을 소형화할 수 있다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION APPARATUS}
본 발명은, 전력을 직류에서 교류 또는 교류에서 직류로 변환하는 전력 변환 장치에 관한 것이며, 특히 모터 및 인버터의 하우징이 직접 접속되는, 또는 동일 하우징 내에 쌍방이 배치되는 기전(機電) 일체 방식에 있어서의, 파워 모듈의 실장(實裝) 방법에 관한 것이다.
본 기술분야의 배경기술로서 특허문헌 1, 2가 존재한다. 특허문헌 1에는, 「배선을 형성하는 복수의 터미널과 상기 각각의 터미널에 실장된 복수의 전자 부품을 몰드 수지에 의해 몰딩해서 이루어지는 몰드 모듈로서, 상기 복수의 터미널은 그 적어도 일부분이 상기 몰드 수지의 이면에 노출되어 있고, 몰드 모듈을 고착하고 있는 전동기의 케이스는 감속 기구에 고정되는 감속 기구측의 케이스이다.」라고 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 「제1 주면(主面) 및 당해 제1 주면과는 반대측의 제2 주면을 갖는 방열층과, 상기 방열층의 상기 제1 주면 상에 배치된 절연층과, 상기 절연층에 설치된 전류 회로용 배선부와, 상기 절연층 상에 배치되며, 상기 전류 회로용 배선부에 전기적으로 접속된 복수의 스위칭 소자와, 상기 전류 회로용 배선부에 전기적으로 접속된 복수의 외부 단자와, 상기 절연층, 상기 전류 회로용 배선부, 상기 스위칭 소자, 상기 방열층의 상기 제1 주면의 전체, 및 당해 방열층의 상기 제2 주면의 일부를 봉지(封止)한 수지를 구비한 것을 특징으로 하는 파워 모듈로서, 상기 파워 모듈은 모터의 상기 파워 모듈 부착부에 접속되어 있는 것을 특징으로 함」이라고 기재되어 있다.
WO2012-137333호 공보 일본국 특개2008-118067호 공보
종래의 모터와 인버터의 하우징을 직접 접속하는, 또는 1개의 하우징을 공용하는 기전 일체 구조에 있어서, 예를 들면 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같은 전동 파워 스티어링 장치에서는, 모듈의 금속 배선의 하면이 노출되어 있기 때문에, 모듈을 금속 하우징에 접속할 때에 높은 열전도의 절연재를 준비할 필요가 있다. 또한, 접착력을 갖는 절연재를 이용하기 위해서는, 절연재를 경화시키는 프로세스를 필요로 하기 때문에 제조 시간이 장기화된다. 또한, 특허문헌 1 및 2에 기재된 전동 파워 스티어링 장치에 있어서, 모듈의 냉각면은 1개소이며, 모듈 내부에 구비된 반도체 소자에서 발생한 열을 금속 하우징측에 양호하게 전도시키기 위해서는, 모듈측에 큰 방열 면적을 필요로 하기 때문에 모듈의 소형화가 어렵다.
이상과 같이, 종래기술에서는 방열을 위하여 파워 모듈의 금속 배선을 노출시키고, 그 면에는 절연 부재를 필요로 한다. 또한, 냉각면이 하나밖에 없기 때문에, 모듈의 방열 면적을 감소시키면 열 저항이 증가하여, 반도체 소자의 온도 상승량이 허용 이상으로 되어버리기 때문에, 모듈의 소형화가 어렵다는 과제가 있었다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 예를 들면 특허청구범위에 기재된 구성을 채용한다.
본원은 상기 과제를 해결하는 수단을 복수 포함하고 있지만, 그 일례를 들면, 「모터와 인버터를 구비하는 전력 변환 장치에 있어서, 상기 모터의 금속 하우징 상에 상기 인버터의 파워 모듈이 적어도 1개 이상 배치되며, 상기 파워 모듈의 상기 금속 하우징과의 접촉면과는 반대의 면에, 방열용의 금속판이 각각 설치되어 있는」 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 인버터에 구비된 파워 모듈의 한쪽의 면은 모터의 금속 하우징에, 다른 쪽의 면은 방열용의 금속판에 접해 있어, 파워 모듈에서 발생한 열을 양면으로부터 내보낼 수 있기 때문에, 방열성이 높은 전력 변환 장치를 실현할 수 있다. 그 결과, 파워 모듈의 대폭적인 소형화를 가능하게 한다.
상기한 이외의 구성 및 효과는 이하의 실시형태의 설명에 의해 명백해진다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 전력 변환 장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 전력 변환 장치에 구비된 파워 모듈 내부의 회로도.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 전력 변환 장치에 구비된 파워 모듈의 평면도.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 전력 변환 장치에 구비된 파워 모듈의 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 파워 모듈의 실장예를 나타내는 요부 평면도.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 방열용의 금속판의 다른 형태를 나타내는 요부 단면 구성도.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 전력 변환 장치의 단면도.
도 8은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 전력 변환 장치의 단면도.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 있어서의 전력 변환 장치에 구비된 파워 모듈의 평면도.
도 10은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 전력 변환 장치에 구비된 터미널 버스 바의 선단을 나타내는 평면도.
도 11은 본 발명의 실시예 4에 있어서의 전력 변환 장치의 단면도.
도 12는 본 발명의 실시예 5에 있어서의 전동 파워 스티어링 장치의 단면도.
도 13은 본 발명의 실시예 6에 있어서의 인버터 장치의 단면도.
도 14는 본 발명의 실시예 7에 있어서의 기전 일체형 구동 장치의 단면도.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태에 대하여 설명하지만, 본 발명은 하기의 실시형태예로 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
본 실시예에서는, 전력을 변환하는 인버터 및 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 모터를 구비한 전력 변환 장치의 예를 설명한다.
도 1은, 본 실시예의 전력 변환 장치(100)의 구성을 나타내며, 모터(200)의 축 방향 단면(斷面)으로 나타낸 것이다. 전력 변환 장치(100)는, 고정자(202)와 회전자(204)를 갖는 모터(200)와, 모터 구동 회로를 포함하는 인버터(300)를 구비한다.
모터(200)의 고정자(202)는, 전자(電磁) 강판에 고정자 권선이 부착된 구조이며, 원통 형상의 모터측 금속 하우징(201)의 내면측에 원형 형상으로 배치되어 있고, 압입이나 수축 끼워 맞춤(shrinkage fit) 등에 의해 고정되어 있다. 또한, 모터측 금속 하우징(201)의 축 방향 일단측 개구부를 폐색하는 폐색부(201s)의 중심부에는, 베어링(203)을 고정하기 위한 공간이 설치되어 있으며, 압입에 의해 베어링(203)이 고정되어 있다.
모터측 금속 하우징(201)의 축 방향 타단측 개구부에는, 다른 한쪽의 베어링(208)을 고정하기 위한 금속 커버(207)와, 금속 커버(207)를 접속하기 위한 인로(in-low) 구조(209)가 설치되어 있다. 베어링(208)은 금속 커버(207)에 압입에 의해 고정되어 있고, 또한 금속 커버(207)는 나사 고정이나 압입 등에 의해 모터측 금속 하우징(201)에 고정되어 있다.
또, 도시하고 있지 않지만, 모터(200)측의 금속 하우징(201)의 축 방향 타단에는, 인버터(300)측의 덮개(312)를 접속하기 위한 나사 고정부가 구비되어 있으며, 예를 들면 금속 커버(207)를 배치하는 인로 구조(209)의 외측(외주부)에 설치되어 있다. 또한, 금속 하우징(201)의 인버터(300)측(250)은 금속 하우징(201)과 다른 부재여도 된다.
금속 커버(207)로부터 모터측 금속 하우징(201)의 축 방향 타단측에는 인버터(300)가 배설(配設)되어 있다. 금속 커버(207)로부터 소정 거리 모터측 금속 하우징(201)의 축 방향 타단측으로 떨어진 부위에는 프린트 기판(308)이 배설되고, 프린트 기판(308) 및 샤프트(205)의 축 방향 타단부와 덮개(312) 사이에는 프린트 기판(311)이 배설되어 있다.
상기 고정자(202)의 고정자 권선은, U, V, W상(相)의 3상 권선으로 구성되며, 절연성의 수지에 의해 몰드된 터미널 버스 바(210)에 의하여, 각 고정자 권선의 배선이 전기적으로 결선(結線)되어 있다. 또한, 고정자 권선의 결선 방법으로서는, Y결선 또는 Δ결선을 들 수 있다. 또한, 터미널 버스 바(210)로부터는 U, V, W상 각각의 금속 배선(213)이 축 방향으로 연장되어 있으며, 금속 커버(207)에 설치된 구멍(211)을 관통해 있다.
회전자(204)는, 샤프트(205)와 그 외주에 고정된 영구 자석으로 구성되며, 고정자 권선에 전류를 흘려보냄으로써 발생하는 회전 자장 및 베어링(203, 208)에 의해 회전할 수 있다. 또, 영구 자석의 재료로서는 네오디뮴이나 페라이트 등을 들 수 있다.
금속 커버(207)에는 인버터(300)의 파워 모듈(301)이 배치되어 있다. 도 2에 파워 모듈(301)의 회로도를 나타낸다. 파워 모듈에는 전력을 변환하기 위한 반도체 소자(302a 및 302b(도 2의 (a)), 또는 302a∼302c(도 2의 (b)))가 내장되어 있다. 반도체 소자(302a∼302c)로서는 IGBT나 MOSFET를 들 수 있다.
또한, 예를 들면 도 2의 (a)의 반도체 소자(302a, 302b)와 그들에 전기적으로 접속된 금속 배선(303)(도시 생략)은 도 3과 같이 절연성의 수지(304)로 덮이며, 당해 금속 배선에 연결되는 각 단자가 수지(304)의 외부로 노출되어 있다.
도 3은 파워 모듈(301)의 평면도이며, 반도체 소자(302a)의 드레인 전극과 같은 전위로 되는 양극 배선 단자(331), 반도체 소자(302b)의 소스 전극과 같은 전위로 되는 음극 배선 단자(332), 모터 권선과 접속하기 위한 상(相)출력 단자(333), 상부 암의 반도체 소자(302a)의 게이트 전극과 전기적으로 접속하는 게이트 단자(334), 하부 암의 반도체 소자(302b)의 게이트 전극과 전기적으로 접속하는 게이트 단자(335)가 수지(304)의 외부로 빠져나와 있다.
또, 도면 중에서는 게이트 단자(334, 335)는 상출력 단자(333)와 같은 변으로부터 빠져나와 있지만, 양·음극 단자(331, 332)와 같은 변으로부터 빠져나와 있어도 되고, 또한 90도 각도가 다른 측면측으로부터 빠져나와 있어도 된다. 또한, 각 출력 단자를 절곡(折曲)하는 위치 및 길이는 같을 필요는 없으며, 터미널 버스 바(210) 및 프린트 기판(308, 311)과 접속하기 쉽도록 임의로 설정해도 상관없다.
도 2의 (b)는 상부 암, 하부 암의 각 반도체 소자(302a, 302b)와, 그들의 공통 접속점 및 상출력 단자(333)의 사이에 접속된 모터 출력측 반도체 소자(302c)를 구비한 파워 모듈의 예를 나타내고 있다.
도 2의 (b)의 파워 모듈의 경우도, 도 3과 마찬가지로 3개의 반도체 소자(302a∼302c) 및 금속 배선이 절연성의 수지(304)에 의하여 봉지되며, 상기 각 단자(331∼335)가 수지(304)의 외부로 노출되도록 구성된다.
도 4는 도 2의 (a)의 2개의 반도체 소자(302a, 302b)를 수지(304)로 덮은 파워 모듈의 단면 구성을 나타내고 있다. 도 4에 있어서, 상부 암의 반도체 소자(302a)의 드레인 전극에는 금속제의 양극 배선 단자(331)가, 소스 전극에는 상출력 단자(333)가 솔더링 등에 의해 접속되어 있다. 또한, 반도체 소자(302b)의 드레인 전극에는 상출력 단자(333)가, 소스 전극에는 금속제의 음극 배선 단자(332)가 솔더링 등에 의해 접속되어 있다.
또, 반도체 소자(302a)에 접속하는 상출력 단자와, 반도체 소자(302b)에 접속하는 상출력 단자는 1매의 금속판일 필요는 없으며, 2개 이상의 금속판으로 구성되어 있어도 된다.
상기 금속제 단자의 재료로서는, 전기 저항이 작은 구리나 비중이 작은 알루미늄 등을 들 수 있다. 또, 도시하고 있지 않지만, 반도체 소자(302a 및 302b)의 게이트 전극에도 금속 배선이 전기적으로 접속되어 있으며, 접속 방법으로서는 직접 솔더링하는 방법이나, 알루미늄 등을 이용한 와이어 본딩을 통하여 반도체 소자의 전극과 금속 단자를 전기적으로 접속하는 방법을 들 수 있다.
상기 절연성의 수지(304)로 덮는 방법으로서는 트랜스퍼 몰드 등을 들 수 있다. 수지(304)의 재료로서는 에폭시계의 수지 등을 들 수 있으며, 열전도율은 3(W/(m·K)) 이상이 바람직하다. 또한, 상기 금속제의 단자(331∼335)를 덮는 수지의 두께(305)는 300(㎛) 이하가 바람직하다. 또, 반도체 소자(302a, 302b)를 수지(304)로 덮음으로써, 반도체 소자와 금속제 단자의 선팽창 계수의 차에 의해 발생하는 솔더 등의 접합 부재에의 응력을 경감하는 것이 가능하다.
도 5에 금속 커버(207)에 실장된 도 3의 파워 모듈의 평면도를 나타낸다. 파워 모듈은 U, V, W상 각각에 대응하는 파워 모듈(301a, 301b, 301c)의 합계 3개가 구비되어 있다. 금속 커버(207)의 각 파워 모듈의 상출력 단자(333)와 대향하는 위치에는, 모터 배선이 관통하기 위한 금속 커버용 구멍부(211)가 각각 구비되어 있다.
상기 상출력 단자(333)와 터미널 버스 바(210)의 출력 배선(213)은 용접 등에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 또, 금속 커버(207)와 파워 모듈(301)의 사이에는 그리스와 같은 접촉 열 저항을 저감하는 부재가 개재해 있어도 된다. 또한, 금속 커버(207)의 중앙부에는 모터 샤프트(205)가 관통하기 위한 구멍(214)이 구비되어 있다. 또, 파워 모듈 내부에서 발생한 열의 간섭을 없애는 것, 및 출력 단자의 접속을 고려하여, 파워 모듈(301a∼301c)의 배치는 동심원 상에 또한 대칭적으로 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 금속 커버(207)에는 상기 파워 모듈을 위치 결정하기 위한 홈 등이 구비되어 있어도 된다. 또한, 상기 파워 모듈의 금속 배선(상기 금속제의 단자(331∼335))과 충분한 절연 거리를 확보하기 위한 홈이 금속 커버(207)에 구비되어 있어도 된다.
다음으로, 도 1을 이용해서 인버터(300)의 구성을 설명한다. 파워 모듈(301)의 금속 커버(207)와 접하는 반대측의 면에는 방열을 위한 직사각형의 금속판(306)이 배치되어 있다. 금속판(306)은 금속 커버(207)에 나사 등에 의해 고정되어 있다. 또는, 접착제 등에 의해 파워 모듈(301)에 고착되어 있어도 된다. 금속판(306)의 재료로서는 비열이 큰 알루미늄 등을 들 수 있다. 또, 금속판(306)과 파워 모듈(301) 사이에는 그리스와 같은 접촉 열 저항을 저감하는 부재가 개재해 있어도 된다. 또한, 금속판(306)의 파워 모듈(301)과 접촉하는 면과는 반대인 면에는 방열 핀이 구비되어 있어도 된다.
또한, 파워 모듈(301a∼301c)에 구비되는 금속판(306)은, 각 파워 모듈에 개별적으로 구비되어 있어도, 3개의 파워 모듈에 대하여 1개의 금속판으로 되어 있어도 된다. 또한 금속판(306)의 형상은 직사각형 형상에 한하는 것은 아니다.
금속판(306)의 파워 모듈(301)과는 반대측에는, 파워 모듈(301a∼301c)의 양·음극 배선 단자(331, 332)에 전력을 공급하기 위한 프린트 기판(308)이 배치되어 있다. 상기 배선 단자(331, 332)와 프린트 기판(308)은 솔더링이나 프레스 피팅 등에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 프린트 기판(308)의 금속 커버(207)측의 면에는, 파워 모듈의 양·음극 단자간의 전압을 평활화하기 위한 콘덴서(309)나 노이즈를 억제하기 위한 인덕터(310) 등이 솔더링되어 있다.
콘덴서(309)로서는 전해 콘덴서나 도전성 고분자 콘덴서 등을 들 수 있다. 또, 금속 커버(207)의 콘덴서(309)와 대향하는 부위에는, 콘덴서(309)의 방폭(防爆) 밸브와의 거리를 확보하기 위한 홈이나, 콘덴서(309)의 하우징이 삽입되기 위한 구멍이 설치되어 있어도 된다.
여기에서, 프린트 기판(308)의 배선층은 복수 층(주로 짝수)으로 이루어지며, 프린트 기판(308)의 파워 모듈(301)로 연장되어 있는 양전위 배선은 제n층에, 음전위 배선은 제(n+1)층으로 번갈아 배치되며, 또한 양전위 배선 및 음전위 배선이 대향하도록 레이아웃함으로써, 콘덴서(309)로부터 파워 모듈(301)간의 배선 인덕턴스의 저감을 도모하고 있다. 또한, 파워 모듈(301a, 301b, 301c)과 콘덴서간의 배선 인덕턴스의 밸런스도 균등하게 함으로써, 각 파워 모듈에서 발생하는 열을 균일하게 하는 것을 도모하고 있다. 또, 도시하고 있지는 않지만, 프린트 기판(308)에는 전류 검출을 위한 션트 저항이나, 노이즈 억제를 위한 칩 콘덴서 등이 실장되어 있어도 된다. 또한, 본 실시예에서는 전력을 공급하기 위한 전기적 배선으로서 프린트 기판(308)을 도시하고 있지만, 몰드 수지에 덮인 버스 바나 금속 배선 기판, 또한 세라믹 기판 등을 이용해도 된다.
프린트 기판(308)의 금속 커버(207)와는 반대측에는, 파워 모듈(301) 내부의 반도체 소자(302a, 302b)를 제어하기 위한 드라이버 IC나 마이크로컴퓨터, 션트 저항에 의해 검출한 전류값을 증폭하기 위한 오피 앰프 등이 솔더링된 프린트 기판(311)이 배치되어 있다. 파워 모듈(301)의 게이트 배선(334, 335)과 프린트 기판(311)은 솔더링이나 프레스 피팅 등에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 모터(200)의 샤프트(205)의 선단에는, 위치 검출용의 자석(212)이 수지를 개재해서 샤프트(205)에 압입되어 있으며, 위치 검출용 자석(212)과 대향하는 프린트 기판(311)의 면에는, 모터 회전축의 위치를 검출하기 위한 IC가 1개 이상 구비되어 있다.
프린트 기판(308, 311)에는 각각 커넥터(307)가 구비되어 있어, 프린트 기판간의 신호의 주고받기를 가능하게 하고 있다. 또한, 커넥터(307)의 위치에 구멍을 뚫은 덮개(312)를 구비함으로써, 전력 변환 장치(100)는 외부에 있는 배터리나 토크 센서 등의 부품과 전기적으로 접속할 수 있다.
상기한 구성에 있어서 인버터(300)의 파워 모듈(301)(301a∼301c)에서 발생한 열은, 모터측의 금속 커버(207)로부터 모터측 금속 하우징(201)에의 방열 경로와, 금속판(306)으로부터의 방열 경로의 양쪽에서 방열된다.
이상과 같이 실시예 1에 따르면 다음과 같은 효과가 얻어진다.
(1) 파워 모듈(301)의 양면에 금속(금속 커버(207)와 금속판(306))을 배치함으로써 방열 면적 및 열용량을 크게 하여, 파워 모듈에서 발생한 열을 효과적으로 내보낼 수 있기 때문에 파워 모듈의 소형화를 실현할 수 있다.
(2) 파워 모듈의 금속제의 각 단자(331∼335)를 모두 수지로 덮는 구조이기 때문에 절연·방열을 위한 추가 부재가 삭감된다. 또한, 수지의 열전도율을 3(W/(m·K)), 수지 두께를 300(㎛)로 함으로써 수지의 열 저항을 저감할 수 있어, 파워 모듈의 방열성이 더 개선된다.
(3) 인버터(300)를 위한 금속 하우징이 불필요해지기 때문에 구조가 간략화된다.
<실시예 1의 다른 형태>
상기 금속판(306)은 파워 모듈(301)에만 접촉되어 있던 것에 반하여, 실시예 1의 다른 형태에서는, 파워 모듈(301)의 주변부를 추출한 단면 구조를 나타내는 도 6에 나타내는 바와 같이, 금속판(306')은 금속 커버(207)와도 면접촉하는 구조로 되어 있다. 실시예 1에서는, 파워 모듈(301)에서 발생한 열 중 금속판(306)에 전도된 열은, 인버터(300) 내부의 공기 중으로 열전달에 의해서만 방열되고 있었다. 이에 반하여, 본 실시형태는 금속판(306')에 전도된 열을 금속 커버(207)를 경유시켜, 모터측 금속 하우징(201)에 전달하기 때문에, 보다 큰 방열 면적을 활용하는 것이 가능해진다.
이상과 같은 실시형태로 함으로써, 파워 모듈(301)에서 발생한 열을 보다 효과적으로 내보낼 수 있어, 한층 더 파워 모듈의 소형화를 실현할 수 있다. 또한, 금속판(306')이 파워 모듈(301)의 위치 결정을 할 수 있다. 또, 금속판(306')과 금속 커버(207)가 접촉하는 면에는 접촉 열 저항을 저감하는 부재로서 그리스 등이 개재해 있어도 된다. 또한, 금속판(306')의 프린트 기판(308)측에는 방열 핀이 구비되어 있어도 된다.
[실시예 2]
이하의 실시예 2∼7의 설명에서는, 도 1∼도 5에 나타낸 전력 변환 장치(100) 중, 이미 설명한 도면에 있어서의 동일한 부호를 부여한 구성과 동일한 기능을 갖는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
도 7은 본 실시예 2의 전력 변환 장치의 구성도의 예이며, 모터(200)의 축 방향 단면으로 나타낸 것이다. 모터(200)의 구성은 실시예 1과 마찬가지이다. 모터측 금속 하우징(201)의 축 방향 타단측의 개구부는, 실시예 1(도 1)의 경우보다 대경(大徑)으로 구성되며, 그 개구부에는 도 1의 덮개(312) 대신에 인버터의 금속 하우징(313)이 배설되어 있다.
이 금속 하우징(313)의 파워 모듈(301)에 대향하는 부위에는 금속제의 대좌(臺座)(314)가 도 1의 금속판(306) 대신에 설치되어 있다. 따라서, 파워 모듈(301)의 한쪽의 면은 금속 커버(207)에 접해 있고, 다른 쪽의 면은 전술한 대좌(314)에 접하는 실장 방식으로 되어 있다. 여기에서, 대좌(314)에는 파워 모듈(301)을 위치 결정하기 위한 홈이 설치되어 있어도 되고, 또한 파워 모듈(301)과 금속 커버(207) 및 대좌(314)의 사이에는 그리스 등의 부재가 개재해 있어도 된다. 또한, 대좌(314)는 금속 커버(207)측에 구비되어 있어도 된다.
이 실시예 2에 있어서의 파워 모듈(301)은 게이트 단자(334, 335)의 위치가 실시예 1과 다르게 되어 있으며, 게이트 단자(334, 335)는 양·음극 배선 단자(331, 332)측에 있다.
파워 모듈(301)의 양·음극 배선 단자(331, 332) 및 게이트 단자(334, 335)와 대향하는 위치에는 프린트 기판(308)이 구비되어 있으며, 금속 하우징(313) 또는 금속 하우징(201) 및 금속 커버(207)에 나사 고정 등에 의해 고정되어 있다. 프린트 기판(308)에는, 외부 전원에서부터 파워 모듈(301)까지를 전기적으로 접속하는 배선 및, 전압 평활화를 위한 콘덴서(309)나 인덕터 등이 실장되어 있다.
또한, 프린트 기판(308)에는, 파워 모듈(301)의 반도체 소자(302a, 302b)를 제어하기 위한 IC나, 위치 검출용 자석(212)과 대향하는 위치에 배치된 위치 검출용 IC 등이 솔더링 등에 의해 실장되어 있다. 또한, 예를 들면 반도체 소자(302a, 302b)를 제어하기 위한 IC의 실장 면이나 콘덴서(309)의 실장 면에는 서멀 비어가 구비되어 있으며, 절연성의 방열 시트 등을 통하여 금속 하우징(313)에 구비된 대좌(314)에 열을 방열하는 실장 구조로 되어 있어도 된다.
금속 하우징(313)은 덮개의 역할도 맡고 있으며, 모터(200)의 금속 하우징(201)과 나사 고정 등에 의해 고정된다.
상기한 구성에 있어서, 인버터(300)의 파워 모듈(301)에서 발생한 열은, 모터측의 금속 커버(207)로부터 모터측 금속 하우징(201)에의 방열 경로와, 인버터측의 대좌(314)로부터 인버터측 금속 하우징(313) 및 모터측 금속 하우징(201)에의 방열 경로의 양쪽에서 방열된다.
이상과 같이 실시예 2에 따르면 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 파워 모듈(301)에서 발생한 열을 내보내기 위한 금속판(306)을 추가로 준비하지 않고, 종래부터 있는 인버터의 금속 하우징(313)을 이용함으로써, 부품 수의 증가가 억제된다.
(2) 파워 모듈에서 발생한 열을 인버터의 금속 하우징(313) 및 모터의 금속 하우징(201)의 쌍방에 전도시킴으로써, 방열 면적을 보다 크게 할 수 있어, 파워 모듈의 소형화가 실현된다.
(3) 콘덴서 등이 실장된 프린트 기판(308)에서 발생한 열도 인버터의 금속 하우징(313)에 전도함으로써 외부로 내보낼 수 있어, 프린트 기판 및 콘덴서의 소형화가 실현된다.
[실시예 3]
다음으로 실시예 3을 도 8∼도 10과 함께 설명한다. 도 8은 실시예 3의 전력 변환 장치의 단면도, 도 9는 파워 모듈의 상면도, 도 10은 터미널 버스 바 선단의 평면도이다. 상기 실시예 1, 2에서는, 파워 모듈(301)의 단자(331∼335)는, 파워 모듈의 측면으로부터 외부로 빠져나와서 모터(200)의 고정자 권선이나 프린트 기판의 전기 배선과 접속되어 있었다.
이에 반하여, 본 실시예 3은 도 9에 나타내는 바와 같이, 파워 모듈(301)의 상출력 단자(333) 상의 수지(304)를 관통해서 창(窓)(350)을 1개소 이상 형성했다. 또한, 터미널 버스 바(210)의 출력 배선(353)의 선단은, 도 10에 나타내는 바와 같이 양 갈래 구조로 되어 있으며, 파워 모듈(301)의 창(350)과 일치하는 구조로 되어 있다.
이렇게 구성함으로써, 출력 배선(353)을 창(350)에 삽입했을 때에, 파워 모듈(301)의 상출력 단자(333)와 출력 배선(353)은 압접 상태에서 전기적으로 양호하게 접속하는 것이 가능해진다. 또, 본 실시형태에서는 파워 모듈(301)의 상출력 단자(333)에만 창(350)을 설치한 구성으로 되어 있지만, 양·음극 배선 단자(331, 332)나 게이트 단자(334, 335)에도 마찬가지인 창부가 설치되어 있어도 되며, 각 단자에 전기적으로 접속하는 배선은 압접 접합 가능한 형상으로 한다. 또한, 양·음극 배선 단자(331, 332)와 전기적으로 접속하는 인버터(300)의 배선은 몰드 버스 바에 의해 성형되어 있는 것이어도 된다.
이상과 같이 실시예 3에 따르면 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 모터측의 배선 및 인버터측의 배선과 파워 모듈의 각 단자의 전기적 접속을, 각 부품을 조립할 때에 동시에 실시할 수 있어, 용접 등의 공정을 삭감할 수 있다.
(2) 파워 모듈의 금속 배선 길이를 짧게 할 수 있어, 금속 배선의 전기 저항의 저감과 비용 저감의 양립을 실현할 수 있다.
(3) 파워 모듈의 각 단자를 측면으로부터 노출시키지 않는 구조로 할 수 있으며, 이에 따라 한층 더 파워 모듈 실장 면적의 소형화가 실현된다.
[실시예 4]
도 11에 실시예 4에 있어서의 전력 변환 장치의 단면 구조를 나타낸다. 지금까지의 실시예에서는 인버터(300)는 모터(200)의 축 방향으로 배치되어 있었던 것에 반하여, 본 실시예 4에서는 인버터(300)를 모터(200)의 둘레 방향으로 배치했다. 모터(200)의 구성은 실시예 1과 마찬가지이지만, 금속 커버(207)를 경계로 한 모터측 금속 하우징(201)의 축 방향 타단측의 개구부는 제거되어 있다.
본 실시예 4에 있어서, 파워 모듈(301)은 인버터(300)의 인버터측 금속 하우징(313) 내에 설치되어 있다. 즉 인버터측 금속 하우징을 구성하는 한쪽의 판(313a)의 두께가 두꺼운 부분(313aa)의 하우징 내측 표면에 파워 모듈(301)이 배설되고, 파워 모듈(301)의 상기 두께가 두꺼운 부분(313aa)과 반대측의 면은 상기 한쪽의 판(313a)에 대향하는 덮개(312)(다른 쪽의 판)에 설치된 대좌(314)에 접해 있다. 상기 인버터측 금속 하우징(313)의 한쪽의 판(313a)은 모터측 금속 하우징(201)의 외주판(201a)과 접촉 고정되어 있다.
모터(200)측의 터미널 버스 바(210)로부터의 금속 배선(213)은, 금속 커버(207) 및 모터측 금속 하우징(201)의 외주판(201a)에 각각 설치한 구멍(도시 생략)을 통하여 인버터(300)측으로 도출되며, 그 단부는 인버터측 금속 하우징(313a)의 한쪽의 판(313a)의 두께가 두꺼운 부분(313aa)의 외표면에 설치한 터미널부(390)에 전기적으로 접속되어 있다.
이 터미널부(390)에는, 파워 모듈(301)로부터 상기 금속 하우징(313) 밖으로 노출된 상출력 단자(333)의 선단도 접속되며, 터미널부(390)를 구성하는 예를 들면 금속 나사에 의하여 상기 금속 배선(213)과 함께 체결된다.
파워 모듈(301)의 그 밖의 각 단자(331, 332, 334, 335)는 상기 금속 하우징(313) 내에 배설된 프린트 기판(308)에 접속되어 있다.
상기한 구성에 있어서, 파워 모듈(301)에서 발생한 열은, 인버터측 금속 하우징(313)의 대좌(314) 및 덮개(312)를 지나는 방열 경로와, 두께가 두꺼운 부분(313aa) 및 모터측 금속 하우징(201)의 외주판(201a)을 지나는 방열 경로의 양쪽에서 방열된다.
이상과 같이 실시예 4에 따르면 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 모터의 금속 하우징과 인버터의 금속 하우징 쌍방을 방열을 위하여 활용할 수 있어, 파워 모듈에서 발생한 열을 보다 외부로 내보냄으로써, 파워 모듈의 소형화를 실현할 수 있다.
(2) 모터 및 인버터를 개별적으로 준비하여 접속하는 것이 가능해져, 부품의 선정 자유도 및 실장의 자유도가 대폭적으로 개선된다.
[실시예 5]
도 12에 본 발명을 전동 파워 스티어링 장치에 적용한 실시예 5의 단면 구조를 나타낸다. 도 12는 전동 파워 스티어링 장치의 일부이다. 도 12의 (a)에 있어서, 상기 실시예 1(도 1)에서 나타낸 전력 변환 장치(100)의 금속 하우징(201)에는 감속 기구(400)가 나사 고정 등에 의해 접속되어 있다. 감속 기구(400)는 스티어링축(401), 웜휠(402), 웜기어축(403), 웜기어(404), 감속 기구 금속 하우징(405)으로 구성되어 있다. 감속 기구 금속 하우징(405)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 성형되어 있다.
전동 파워 스티어링 장치는, 운전자가 핸들을 조작시켰을 때에, 감속 기구(400)를 통하여 스티어링축(401)에 어시스트 토크를 가하여, 운전자의 핸들 조작력을 저감시킨다.
이상과 같은 구성으로 함으로써, 파워 모듈(301)에서 발생한 열은, 금속 커버(207) 및 모터측 금속 하우징(201)을 통하여 감속 기구(400)의 금속 하우징(405)까지 전도할 수 있다.
또한, 감속 기구(400), 모터(200), 인버터(300)의 나열은 도 12의 (a)에 개시되는 이외의 형태여도 되며, 예를 들면 도 12의 (b)에 나타내는 바와 같이, 감속 기구(400)와 모터(200)의 사이에 인버터(300)를 배치해도 된다.
도 12의 (b)에 있어서 도 12의 (a)와 다른 점은, 샤프트(205)의 축 방향 타단측을 폐색부(201ss)에 의하여 밀폐하고, 축 방향 일단측에 모터측 금속 하우징(201)의 개구부를 설치하며, 그 개구부 내에 도 12의 (a)와 마찬가지의 인버터(300)를 설치하고, 커넥터(307)는 상기 하우징(201)의 개구부 외주에 배설하며, 커넥터(307)와 프린트 기판(308, 311)을 배선에 의해 각각 연결한 점에 있다. 또, 220은 리졸버이다.
이 경우에는, 파워 모듈(301)의 한쪽의 면은 모터의 금속 커버(207)에, 다른 쪽의 면은 금속판(306)에 각각 접하여 발생한 열을 방열한다. 또한, 다른 형태로서, 파워 모듈(301)의 실장 위치는 감속 기구(400)의 금속 하우징(405)이어도 되며, 이 경우에는 파워 모듈(301)에서 발생한 열은 감속 기구의 금속 하우징(405)과 금속판(306)에 방열되게 된다.
이상과 같이 실시예 5에 따르면 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 파워 모듈에서 발생한 열은 금속 하우징(201)으로부터 감속 기구(400)에 전열하는 것이 가능해져, 방열 면적을 더 확대할 수 있어, 파워 모듈의 소형화를 실현한다.
(2) 모터·인버터·감속 기구의 설계 자유도를 대폭적으로 개선할 수 있어, 다양한 제품에의 전개를 가능하게 한다.
[실시예 6]
도 13에 실시예 6의 단면 구조를 나타낸다. 도 13은 인버터 장치(300)의 일부를 나타내고 있다. 도 13에 있어서, 파워 모듈(301)에는 당해 파워 모듈(301)과 대략 동등한 두께를 갖는 스페이서(503)가 인접 배치되며, 그들 스페이서(503) 및 파워 모듈(301)의 양면에 방열용의 냉각핀(501)이 설치되어 있다.
상기 스페이서(503)를 개재해서 냉각핀(501)을 나사 고정 등에 의해 고정함으로써, 파워 모듈(301)에 가해지는 압력이 설계값 이상으로 되는 것을 억제하고 있다. 또, 파워 모듈(301)과 냉각핀(501)의 사이에는 그리스 등의 접촉 열 저항을 저감하는 부재가 개재해 있어도 된다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 파워 모듈(301)은 복수 구비되어 있으며, 냉각핀(501)은 파워 모듈(301) 개개에 구비되어 있어도 되고, 모든 파워 모듈에 공통하는 2개(양면의 2개)로 구성되어 있어도 된다.
파워 모듈(301)은, 예를 들면 도 2의 (a)와 같이 2개의 반도체 소자와, 그것에 접속된 각 단자와, 그들을 봉지하는 수지(304)를 구비하고 있지만, 각 단자는 모두 1변에 집약되어 있으며, 스페이서(503)와 반대측에 냉각핀(501)과 인접해서 배설된 수지 케이스(500) 내로 도출되어 있다.
이 수지 케이스(500)에는 필름 커패시터(504), 반도체 소자를 제어하기 위한 IC 등이 실장된 프린트 기판(308), 단자대(505) 등이 설치되어 있다. 또한, 필름 커패시터(504)의 주변에는 수지(506)가 함침되어 있다.
필름 커패시터(504)와 파워 모듈(301)의 출력 단자는 용접 등에 의해 접속되며, 프린트 기판(308)과 파워 모듈(301)의 게이트 단자는 솔더링 등에 의해 접속된다.
이상과 같이 실시예 6에 따르면 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 풀 몰드 파워 모듈(301)의 양면으로부터 열을 내보냄으로써, 파워 모듈의 소형화, 즉 인버터 장치의 소형화가 실현된다.
(2) 풀 몰드 파워 모듈 및 냉각핀을 활용함으로써, 발열 부품인 파워 모듈과 전자 부품을 분리할 수 있어, 전자 부품의 내열성 향상을 실현한다.
(3) 냉각핀과 파워 모듈을 분리하는 구조로 함으로써, 냉각핀 및 파워 모듈의 사이즈를 임의로 변경할 수 있다.
[실시예 7]
도 14에 본 발명을 오일 펌프 시스템에 있어서의 기전 일체형 구동 장치에 적용한 실시예 7의 단면 구조를 나타낸다. 도 14에 있어서, 기전 일체형 구동 장치(600)는 모터(200) 및 인버터(300)로 구성된다. 인버터(300)를 이용해서 모터(200)를 구동시킴으로써, 흡입부(604)로부터 토출부(605)로 흐르는 오일량을 제어하고 있다.
인버터(300)는 평판 형상의 히트 싱크(601) 및 케이스(602)에 의하여 금속 하우징이 형성되며, 그 금속 하우징 내에는 히트 싱크(601)와 평행하게 프린트 기판(311)이 배설되어 있다. 프린트 기판(311)의 대략 중앙에는 구멍(603)이 설치되며, 당해 구멍(603)을 통해서 전력 변환용의 파워 모듈(301)이 1개 이상 배설되어 있다.
파워 모듈(301)의 한쪽의 면은 히트 싱크(601)에 접하고, 다른 쪽의 면에는 금속판(306)이 배설되어 있다. 이 금속판(306)의 한쪽의 면은 파워 모듈(301)에 접하고, 다른 쪽의 면은 금속제의 케이스(602)에 접해 있다. 상기 케이스(602)에는 모터(200)가 배치되며, 모터측 금속 하우징(201)이 접해 있다.
파워 모듈(301)은, 예를 들면 도 2의 (a)의 반도체 소자 및 각 단자와 그들을 봉지하는 수지를 구비하며, 금속제의 각 단자는 외부에 직선 형상으로 노출되어 프린트 기판(311)과 접속되어 있다.
따라서, 파워 모듈(301)의 각 단자와 프린트 기판(311)의 전기적 접속면이 동일면이기 때문에, 상기 각 단자의 굽힘 가공 등은 불필요하다.
프린트 기판(311)에는 콘덴서(610), 인덕터(611), 커넥터(612)나 제어용의 IC 등이 실장되어 있어, 모터(200)를 세밀하게 제어하는 것이 가능하게 되어 있다. 히트 싱크(601)는 열전도 및 열용량이 큰 알루미늄 등의 금속으로 구성되어 있다. 케이스(602)는 가공성이 좋고 저가인 철 등의 금속으로 구성되어 있다.
상기 구성에 따르면, 프린트 기판(311)을 개재하지 않고 파워 모듈(301)의 한쪽의 면이 직접 히트 싱크(601)에 접해 있으므로, 파워 모듈 내의 반도체 소자에서 발생한 열을 효과적으로 내보낼 수 있다. 또한, 다른 쪽의 면으로부터 케이스(602)에의 전열 경로를 설치하고 있는 것에 의해, 보다 고방열(高放熱)인 실장을 실현하는 것이 가능해진다.
또, 금속판(306)은 케이스(602)의 일부여도 상관없다. 또한, 파워 모듈(301)과 히트 싱크(601) 사이에는 그리스 등이 구비되어 있어도 된다. 또한, 케이스(602)의 역할을 모터(200)의 금속 하우징(201)이 맡고 있어도 된다.
이상과 같이 실시예 7에 따르면 이하의 효과를 얻을 수 있다.
(1) 풀 몰드 파워 모듈(301)의 양면으로부터 프린트 기판(311)을 개재하지 않고 열을 내보냄으로써, 파워 모듈의 소형화, 즉 인버터 장치의 소형화가 실현된다.
(2) 파워 모듈의 금속 단자와 프린트 기판의 전기적 접속면이 동일면에 있는 것에 의해, 금속 단자에 굽힘 등의 가공이 불필요해져, 비용·공정수를 삭감할 수 있다.
100 : 전력 변환 장치 200 : 모터
201 : 모터측 금속 하우징 201s, 201ss : 폐색부
202 : 고정자 203, 208 : 베어링
204 : 회전자 205 : 샤프트
206 : 고정자 권선 출력부 207 : 금속 커버
209 : 인로 구조 210 : 터미널 버스 바
11 : 금속 커버 구멍부 212 : 위치 검출용 자석
213 : 금속 배선 14 : 구멍
300 : 인버터 301 : 파워 모듈
302a∼302c : 반도체 소자 304 : 수지
305 : 수지 두께 306, 306' : 금속판
307, 612 : 커넥터 308, 311 : 프린트 기판
309, 610 : 콘덴서 310, 611 : 인덕터
312 : 덮개 313 : 인버터측 금속 하우징
313a : 한쪽의 판 313aa : 두께가 두꺼운 부분
314 : 대좌 331 : 정극 배선 단자
332 : 음극 배선 단자 333 : 상출력 단자
334, 335 : 게이트 단자 350 : 파워 모듈 창부
353 : 출력 배선 390 : 터미널부
400 : 감속 기구 401 : 스티어링축
402 : 웜휠 403 : 웜기어축
404 : 웜기어 405 : 감속 기구의 금속 하우징
500 : 수지 케이스 501 : 냉각핀
503 : 스페이서 504 : 필름 커패시터
505 : 단자대 506 : 수지
600 : 기전 일체형 구동 장치 601 : 히트 싱크
602 : 케이스 603 : 구멍
604 : 흡입부 605 : 토출부

Claims (13)

  1. 모터와 인버터를 구비하는 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 모터의 금속 하우징 상에 상기 인버터의 파워 모듈이 적어도 1개 이상 배치되며, 상기 파워 모듈의 상기 금속 하우징과의 접촉면과는 반대의 면에, 방열용의 금속판이 각각 설치되어 있고,
    상기 파워 모듈은, 반도체 소자와, 상기 반도체 소자의 전극에 접속되는 금속 배선과, 상기 반도체 소자 및 금속 배선을 봉지(封止)하는 절연성의 수지를 갖고,
    상기 모터의 금속 하우징과 접하는 면 및 상기 금속판과 접하는 면은, 상기 절연성의 수지로 덮여 있고,
    상기 파워 모듈의 수지에는, 당해 수지로 봉지된 금속 배선을 노출시키는 창부(窓部)가 형성되며,
    상기 모터의 권선에 접속된 배선은, 상기 창부에 삽입되어 상기 금속 배선과 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속판은, 상기 파워 모듈의 상기 금속 하우징과의 접촉면과 동일면에 면접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열용의 금속판은 상기 인버터의 금속 하우징인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환 장치는, 감속 기구와, 상기 감속 기구에 연결된 모터와, 상기 모터에 전력을 공급하는 인버터를 구비한 전동 파워 스티어링 장치인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 삭제
  7. 모터와 인버터를 구비하는 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 인버터의 금속 하우징 상에 상기 인버터의 파워 모듈이 적어도 1개 이상 배치되며, 상기 파워 모듈의 상기 금속 하우징과의 접촉면과는 반대의 면에, 방열용의 금속판이 각각 설치되어 있고,
    상기 인버터는 상기 모터의 축과 평행하게 배치되고,
    상기 파워 모듈은 상기 인버터의 금속 하우징을 구성하는 한쪽의 판의 하우징 내측의 면에 배설(配設)되고,
    상기 방열용의 금속판은, 상기 인버터의 금속 하우징의 한쪽의 판에 대향하는 다른 쪽의 판으로 구성되며,
    상기 인버터의 금속 하우징의 한쪽의 판은, 상기 모터의 금속 하우징의, 모터축에 평행하는 외주판에 접해 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 모터와 인버터를 구비하는 전력 변환 장치에 있어서,
    상기 인버터의 금속 하우징 상에 상기 인버터의 파워 모듈이 적어도 1개 이상 배치되며, 상기 파워 모듈의 상기 금속 하우징과의 접촉면과는 반대의 면에, 방열용의 금속판이 각각 설치되어 있고,
    상기 방열용의 금속판은 상기 모터의 금속 하우징에 접해 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 파워 모듈의 반도체 소자는, 상부 암(arm)측 반도체 소자와, 하부 암측 반도체 소자와, 상기 상부 암측 반도체 소자 및 하부 암측 반도체 소자의 공통 접속점과 상출력(相出力) 단자 사이에 접속된 모터 출력측 반도체 소자를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  11. 반도체 소자와, 일단이 상기 반도체 소자의 전극에 접속되는 금속 배선과, 상기 반도체 소자 및 금속 배선을 봉지하는 절연성의 수지를 가진 파워 모듈과, 상기 파워 모듈의 양면에 배설된 방열 핀을 구비하고,
    상기 파워 모듈 및 방열 핀은 상기 수지를 개재해서 접촉되어 있고,
    상기 금속 배선의 타단은 상기 파워 모듈로부터 외부로 도출되어 있고,
    상기 금속 배선 중, 상기 반도체 소자의 드레인 전극, 소스 전극으로부터 도출된 금속 배선은 커패시터에 접속되며, 상기 반도체 소자의 게이트 전극으로부터 도출된 금속 배선은 상기 반도체 소자를 제어하기 위한 부품이 실장(實裝)된 기판에 접속되며, 상기 커패시터 및 기판은 수지제의 케이스에 일체로 수납되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 파워 모듈의 양면에 배설된 방열 핀의 사이에는 스페이서가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  13. 삭제
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