WO2013054413A1 - パワー半導体モジュール、電力変換装置および電動車両 - Google Patents

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彬 三間
中津　欣也
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Definitions

  • the present invention relates to a power semiconductor module for power conversion, a power conversion device including the power semiconductor module, and an electric vehicle equipped with the power conversion device.
  • power semiconductor modules include control elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), current return diodes, and driver ICs for driving the IGBTs as power switching elements.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • driver ICs for driving the IGBTs as power switching elements.
  • the power conversion device described in Patent Document 1 drives a power circuit module in which a power circuit board on which a power semiconductor is mounted is sealed with an insulating resin in a state where lead terminals are drawn to the outside, And a control circuit module in which a control circuit board to be controlled is embedded with an insulating resin.
  • the lead terminals of the power circuit module are mechanically integrated in a state where they are connected to the connection portion of the control circuit module, and the power circuit module and the control circuit module are connected by wires.
  • Patent Document 2 describes a power module in which a signal part of a power element (power semiconductor) and a signal part of a control element are stacked by flip-chip connection.
  • the control element of the control circuit board is integrally arranged in the power module, so that the power converter is downsized.
  • a power semiconductor module includes a switching element for power conversion mounted on an electrode lead frame, a control element that generates a control signal for driving the switching element, and the control element. And provided between the first circuit board on which the first control signal terminal for outputting the control signal is formed and the switching element and the first circuit board that are spaced apart from each other. And a connecting member that connects the formed second control signal terminal and the first control signal terminal.
  • the first circuit board is provided with a semiconductor element for wireless communication and an antenna for performing wireless communication, and generates a control signal. Necessary information is configured to be acquired by the control element via the antenna and the semiconductor element for wireless communication.
  • the first circuit board includes a first substrate region in which a control element, a wireless communication semiconductor element, and an antenna are provided; At least one through hole is provided between the second substrate region in which the control signal terminal is provided.
  • the power semiconductor module in the power semiconductor module of the second or third aspect, includes a power terminal connected to the switching element, and the control element does not face the terminal surface of the power terminal, It is placed in a position that does not overlap the terminal.
  • the connection member includes a second control signal terminal and a first control signal terminal formed on the switching element.
  • the second circuit board is formed with a wiring for connecting the two.
  • the connection member is the second circuit board on which the wiring connected to the second control signal terminal is formed. And a connector fixed to the second circuit board so as to be connected to the wiring, and the first circuit board is detachably connected to the connector.
  • the first and second circuit boards are provided with a noise reduction shield pattern.
  • the switching element for power conversion mounted on the electrode lead frame, the first circuit board, and the connection member are accommodated.
  • a ninth aspect of the present invention there is provided a power conversion device between the power semiconductor module according to any one of the second to eighth aspects and a first circuit board provided with a wireless communication semiconductor element and an antenna. And a controller for transmitting / receiving a radio signal to / from the first circuit board and transmitting information necessary for generating a control signal to the first circuit board.
  • the semiconductor element for wireless communication transmits a start signal to the controller when the voltage of the DC power supply is applied to the power semiconductor module. When the activation signal is received, information necessary for generating the control signal is transmitted.
  • the power semiconductor module includes a first detection unit that detects the temperature of the switching element and a second that detects the operating state of the switching element.
  • the temperature and the operating state detected by the first and second detection units are transmitted to the controller by the wireless communication semiconductor element.
  • the electric vehicle performs a power conversion between the DC power source, the vehicle running rotating electrical machine, and the DC power source and the vehicle traveling rotating electrical machine. The power conversion device described in the paragraph.
  • the thermal effect on the control element provided in the power semiconductor module is reduced, and the reliability of the control element can be improved.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of a power conversion device 31.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a circuit configuration of a power semiconductor module 14.
  • FIG. 5 is a view showing an AA cross section of FIG. 4. It is a disassembled perspective view of 14 A of power semiconductor module structures. It is a circuit diagram of power semiconductor module structure 14A.
  • FIG. 6 is a sectional view taken along line BB in FIG. 5.
  • FIG. It is CC sectional drawing of FIG. It is a figure which shows the 1st modification of this Embodiment. It is DD sectional drawing of FIG. It is a figure which shows the other example of a 1st modification. It is a figure which shows the 2nd modification. It is a figure which shows the modification of the antenna. It is a figure which shows the other modification of the antenna. It is a figure explaining the antenna 2 using a metal pin. It is a figure which shows an example of the power converter device 200 using the power semiconductor module 14 of this Embodiment. It is a figure explaining the conventional power converter device 200. FIG. It is a figure which shows the circuit board 1 when the long hole-shaped through-hole 19 is provided. It is a figure which shows the power semiconductor module 14 provided with the heat radiator 150. FIG.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a case where the power conversion device of the present embodiment is applied to a hybrid vehicle (hereinafter referred to as HEV) system that travels using both an engine and a motor, and a schematic configuration of the HEV system FIG.
  • HEV hybrid vehicle
  • the power conversion device according to the present invention can be applied not only to a hybrid vehicle but also to an electric vehicle (hereinafter referred to as EV) that runs only by a motor, and drives a motor used in general industrial machines. It can also be used as a power converter.
  • the engine (ENG) 35 and the motor generator (MG) 30 generate vehicle running torque.
  • the motor generator 30 has a function of not only generating rotational torque but also converting mechanical energy applied to the motor generator 30 from the outside into electric power.
  • the motor generator 30 is, for example, a synchronous machine or an induction machine, and operates as a motor or a generator depending on the operation method as described above.
  • a permanent magnet type synchronous motor using a magnet such as neodymium (Nd) is suitable.
  • the permanent magnet type synchronous motor generates less heat from the rotor than the induction motor, and is also suitable for automobiles from this viewpoint.
  • the output torque on the output side of the engine 35 is transmitted to the motor generator 30 via a power distribution mechanism (TSM) 34.
  • TSM power distribution mechanism
  • the rotational torque from the power distribution mechanism 34 or the rotational torque generated by the motor generator 30 is transmitted to the wheels 32 via the transmission 33 and the differential gear 37.
  • rotational torque is transmitted from the wheels to motor generator 30, and AC power is generated based on the supplied rotational torque.
  • the generated AC power is converted into DC power by the power conversion device 31 to charge the battery system 36 for high voltage, and the charged power is used again as travel energy.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of the power conversion device 31.
  • the battery system 36 of FIG. 1 is provided with a battery 136 that is a high-voltage power supply, and the power converter 31 drives the motor generator 30 by converting DC power from the battery 136 into AC power.
  • the power converter 31 drives the motor generator 30 by converting DC power from the battery 136 into AC power.
  • three power semiconductor modules 14 (14 (U), 14 (V), 14) corresponding to the U phase, V phase and W phase of the motor generator 30 are provided. (W)) is provided.
  • Each power semiconductor module 14 (U), 14 (V), 14 (W) has the same configuration.
  • a smoothing capacitor 26 is connected in parallel between the power semiconductor module 14 and the battery 136.
  • the power semiconductor module 14 includes two power semiconductors IGBTs 21A and 21B connected in series.
  • a diode 22A is connected in parallel to the IGBT 21A, and a diode 22B is connected in parallel to the IGBT 21B. These diodes 22A and 22B circulate current.
  • An AC terminal 17 is connected to a connection point between the IGBT 21A and the IGBT 21B.
  • the AC terminal 17 of the power semiconductor module 14 (U) is connected to the U phase of the motor generator 30, and the AC terminal 17 of the power semiconductor module 14 (V) is connected to the V phase of the motor generator 30, so that the power semiconductor module 14 (W
  • the AC terminal 17 is connected to the W phase of the motor generator 30.
  • a metal oxide semiconductor field effect transistor may be used in addition to the IGBT.
  • MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
  • the diodes 22A and 22B are not necessary.
  • the IGBT is suitable when the DC voltage is relatively high, and the MOSFET is suitable when the DC voltage is relatively low.
  • the power semiconductor module 14 is provided with a drive circuit 3 that outputs drive signals to the gate terminals of the IGBTs 21A and 21B.
  • the drive circuit 3 inputs a drive pulse based on a command from the controller 29 to each gate terminal of the IGBTs 21A and 21B, and causes the IGBTs 21A and 21B to be turned on / off.
  • the drive circuit 3 measures the emitter currents of the IGBTs 21A and 21B and also performs overcurrent detection. When an overcurrent is detected, the switching operation of the corresponding IGBTs 21A and 21B is stopped.
  • the power semiconductor module 14 is also provided with a temperature sensor for detecting overtemperature.
  • the drive circuit 3 operates using the battery 136 as a power source.
  • the exchange of signals between the controller 29 and the drive circuit 3 provided in each power semiconductor module 14 (U), 14 (V), 14 (W) is performed by wireless communication. That is, the controller 29 and each drive circuit 3 have a wireless communication function, and signals are transmitted and received between the antenna 2 of the drive circuit 3 and the antenna 27 of the controller 29.
  • the above-described sensing information is transmitted from each drive circuit 3 to the controller 29 by wireless communication.
  • the controller 29 is supplied with power from the low voltage power supply 28.
  • a command for driving the motor generator 30 such as a target torque value and a rotation command is input to the controller 29 from the host controller 37.
  • the controller 29 also receives a current value supplied to the motor generator 30 detected by the current sensor 24, a rotational position signal from a rotation detector (not shown) provided in the motor generator 30 (for example, a resolver), and the like. Entered.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing a circuit configuration of the power semiconductor module 14.
  • the drive circuit 3 shown in FIG. 2 is provided with a driver IC 25 that turns on and off the IGBT 21, a wireless communication IC 24, and an auxiliary power circuit 23.
  • the drive circuit 3 exchanges signals with the controller 29 wirelessly by the wireless communication IC 24 and the antenna 2.
  • the power of the wireless communication IC 24 and the driver IC 25 is converted from a high voltage to a low voltage by the auxiliary power circuit 23.
  • the auxiliary power supply circuit 23 is activated when a high voltage of a certain value or more is applied between the DC negative terminal 15 and the DC positive terminal 16. As a result, the power supply of the wireless communication IC 24 and the driver IC 25 is secured, and the wireless communication IC 24 issues an activation signal to the controller 29 by the antenna 2.
  • a PWM signal is transmitted wirelessly from the controller 29, and the driver IC 25 is driven by the PWM signal.
  • FIG. 4 is an external view of the power semiconductor module 14 of the present embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • Each electronic component shown in FIG. 3 is housed in a module case 140 which is a CAN type cooler having a shape as shown in FIG.
  • the CAN-type cooler is a cylindrical cooler having an insertion port 140a on one surface and a bottom on the other surface.
  • the module case 140 is formed of a member having electrical conductivity, for example, a composite material such as Cu, Cu alloy, Cu—C, or Cu—CuO, or a composite material such as Al, Al alloy, AlSiC, or Al—C. Yes. Further, it is integrally formed in a case shape without a joint by a highly waterproof joining method such as welding or by forging or casting.
  • the module case 140 is a flat case having no opening other than the insertion port 140a, and a flange 141 is provided in the insertion port 140a of the flat case.
  • a heat radiating portion 142A is provided on one of the two opposing surfaces having a large area of the flat case, and a heat radiating portion 142B is provided on the other surface.
  • the heat radiating portions 142A and 142B function as heat radiating walls of the module case 140, and a plurality of heat radiating fins 143 are formed on the outer peripheral surfaces thereof.
  • the surrounding surface surrounding the heat radiating portions 142A and 142B is a thin portion 144 that is extremely thin and can be easily plastically deformed.
  • each electronic component shown in FIG. 3 is a power semiconductor module structure 14 ⁇ / b> A integrated by transfer molding with a resin member 6 a, and the power semiconductor module structure 14 ⁇ / b> A is contained in the module case 140. It is stored.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view of the power semiconductor module structure 14A
  • FIG. 7 is a circuit diagram of the power semiconductor module structure 14A.
  • the power semiconductor module structure 14 ⁇ / b> A includes IGBTs 21 ⁇ / b> A and 21 ⁇ / b> B and diodes 22 ⁇ / b> A and 22 ⁇ / b> B that are electronic components constituting the power semiconductor module 14, and lead frames 315 and 316 for connecting them. , 318, 319 are provided.
  • the transfer mold is not shown.
  • the lead frame 315 in which the DC positive terminal 16 is formed and the lead frame 316 in which the AC terminal 17 is formed are arranged in substantially the same plane.
  • a collector electrode is formed on one surface of a semiconductor chip, and an emitter electrode and a gate electrode are disposed on the other surface.
  • 211 is a terminal of the gate electrode.
  • a cathode electrode is formed on one surface of the semiconductor chip, and an anode electrode is formed on the other surface.
  • the collector electrode of the IGBT 21A and the cathode electrode of the diode 22A are fixed to the lead frame 315 by solder 160 that is a metal joined body.
  • the collector electrode of the IGBT 21B and the cathode electrode of the diode 22B are fixed to the lead frame 316 by solder 160 that is a metal joined body.
  • solder 160 As the metal joined body, it is desirable to use solder whose main component is tin, but it is also possible to use a solder whose main component is gold, silver or copper, or a brazing material or paste.
  • the emitter electrode of the IGBT 21A and the anode electrode of the diode 22A are fixed by solder 160 to the lead frame 318 disposed on the opposite side of the lead frame 315 with the IGBT 21A and the diode 22A interposed therebetween.
  • the emitter electrode of the IGBT 21 ⁇ / b> B and the anode electrode of the diode 22 ⁇ / b> B are fixed to the lead frame 319 by solder 160.
  • the lead frames 318 and 319 are arranged on substantially the same plane.
  • the lead frame 316 and the lead frame 318 are connected by an intermediate electrode 329.
  • reference numeral 212 in FIG. 7 denotes an emitter current detection terminal.
  • the cross section shown in FIG. 5 is a cross section of the lead frames 315 and 318 in FIG.
  • the gap between the lead frames 315 and 318 is transfer molded by the resin member 6a to form an integral power semiconductor module structure 14A.
  • the outer surfaces of the lead frames 315 and 318 are exposed from the resin member 6a, and the insulating sheet 11 is disposed in the gap between the lead frames 315 and 318 and the heat radiating portions 142A and 142B.
  • the gap between the power semiconductor module structure 14A housed in the module case 140 and the module case 140 is filled with a resin member 6b.
  • the insulating sheet 11 is inserted in advance on both surfaces of the power semiconductor module structure 14A. Then, the heat radiating portions 142A and 142B of the module case 140 are pressurized toward the inside of the case, and the inner peripheral surfaces of the heat radiating portions 142A and 142B are brought into close contact with the lead frames 315 and 318 via the insulating sheet 11. Therefore, by making the thin portion 144 extremely thin, it can be easily deformed during pressurization.
  • the auxiliary power supply circuit 23, the wireless communication IC 24 and the driver IC 25 provided in the drive circuit 3 are mounted on the circuit board 1.
  • the driver IC 25 on the circuit board 1 is connected to the gates of the IGBTs 21A and 21B via the relay board 4. It is connected to the electrode terminal 211.
  • the terminals 15 to 17 which are power terminals are plate-like metal members and generate heat when a current flows.
  • the auxiliary power supply circuit 23, the wireless communication IC 24, and the driver IC 25 are arranged at positions that do not overlap with each other as shown in FIG.
  • the above-described antenna 2 is formed in the circuit board 1.
  • the antenna 2 is formed of, for example, a copper pattern and is connected to the wireless communication IC 24.
  • the antenna 2 may be formed on the surface of the circuit board 1.
  • the terminals 15 to 17 and a part of the circuit board 1 protrude upward from the flange 141 of the module case 140 in the figure.
  • the protruding portion is fixed integrally by a terminal block 600 formed of a thermoplastic resin, and insulation between the terminals is ensured.
  • a thermoplastic resin having heat resistance and insulating properties at or above the mold temperature of the transfer mold (for example, 180 ° C. or higher) is suitable.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • LCP liquid crystal polymer
  • FIG. 8 and 9 are diagrams for explaining the structures of the circuit board 1 and the relay board 4.
  • FIG. 8 is a view showing a BB cross section of FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.
  • the resin members 6a and 6b are not shown, and in FIG. 9, the resin members 6a and 6b and the module case 140 are not shown.
  • the antenna 2 forms a dipole antenna.
  • the antenna 2 may be partially exposed from the module end, or may be entirely exposed.
  • a plurality of through holes 19 are formed in the circuit board 1. These through holes 19 are provided to reduce heat inflow from the IGBTs 21 ⁇ / b> A and 21 ⁇ / b> B that generate large amounts of heat to the circuit board 1, and are regions in which the auxiliary power supply circuit 23, the wireless communication IC 24, and the driver IC 25 are provided. And the area to which the relay substrate 4 is connected.
  • the through hole 19 is also sealed with the resin member 6a, the through hole 19 is filled with the resin member 6a.
  • the through hole 19 is used as a so-called through hole for connecting the wiring pattern, the through hole 19 is subjected to metal plating.
  • all the through holes 19 may be plated with metal.
  • a shield material 18 is provided on the front and back surfaces of the circuit board 1 for suppressing noise from entering the wiring pattern 101 and the antenna 2.
  • shield materials 42 for suppressing noise mixing into the wiring pattern 43 are formed on both surfaces of the substrate.
  • the shield materials 18 and 42 are formed of a metal pattern.
  • the driver IC 25 is connected to the through hole 41 on the right side of the relay board 4 through the wiring pattern 101 on the circuit board 1 side, the terminal 102 and the solder bump 7.
  • the through hole 41 is connected to the gate electrode terminal 211 of the IGBT 21A through the wiring pattern 43, the left through hole 41 and the solder bump 7 in the drawing.
  • the IGBTs 21A and 21B which are switching elements mounted on the lead frames 315, 316, 318, and 319, and the driver that generates the control signals for driving the IGBTs 21A and 21B
  • the IC 25 and the driver IC 25 are mounted and provided between the circuit board 1 on which the terminal 102 for outputting the control signal is formed and the IGBTs 21A and 21B and the circuit board 1 that are spaced apart from each other.
  • the IGBTs 21A and 21B And the relay substrate 4 as a connecting member for connecting the terminal 211 and the terminal 102 to each other.
  • the heat generated in the IGBTs 21A and 21B is transmitted to the semiconductor elements (driver IC 25 and the like) on the circuit board via the relay board 4 and the circuit board 1.
  • the amount of heat flowing into the driver IC 25 can be suppressed by the thermal resistance of the relay board 4 and the circuit board 1, deterioration of the driver IC 25 due to the influence of heat can be suppressed, and the reliability of the driver IC 25 and the power semiconductor module 14 can be suppressed. Improvements can be made.
  • a wiring pattern 43 is formed on the relay board 4, and the terminals 211 of the IGBTs 21 ⁇ / b> A and 21 ⁇ / b> B and the terminals 102 of the circuit board 1 are connected by the wiring pattern 43.
  • the circuit board 1 and the relay board 4 are provided with shield materials 18 and 42 formed of a shielding metal pattern. As a result, the switching noise generated in the IGBTs 21A and 21B is shielded by the shield materials 18 and 42, and the noise influence on the wiring patterns 101 and 43 is reduced.
  • the circuit board 1 is provided with a wireless communication IC 24 and an antenna 2 for performing wireless communication, and the IGBT drive PWM signal is transmitted from the controller 29 to the power semiconductor module 14 by wireless communication.
  • the controller 29 is provided with the same IC and antenna 27 as the wireless communication IC 24.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating an example of a power conversion device 200 using the power semiconductor module 14 of the present embodiment.
  • a flow path 204 through which the coolant flows is formed in the case 201 of the power conversion device 200.
  • the power semiconductor modules 14 (U), 14 (V), and 14 (W) illustrated in FIG. 2 are disposed in the flow path 204 and cooled by the coolant. In FIG. 17, the power semiconductor module 14 (V) is not shown.
  • the smoothing capacitor 26 is disposed in the space surrounded by the flow path 204.
  • a control circuit board 203 on which a controller 29 is mounted is disposed in the upper space of the case 201. The upper opening of the case 201 is sealed with a lid 202.
  • the power conversion device 200 has a structure as shown in FIG. That is, a drive circuit board 205 on which circuit components constituting the drive circuit 3 of FIG. 2 are mounted is arranged above the power semiconductor module 1400, and a control circuit board on which the controller 29 is mounted above the drive circuit board 205. 203 is arranged.
  • the gate terminal G connected to the terminal 211 of the IGBTs 21A and 21B is provided so as to extend above the module case.
  • the gate terminal G is solder-connected to the through hole of the drive circuit board 205 and is connected to the driver IC 25 mounted on the drive circuit board 205.
  • Driver ICs 25 corresponding to the respective power semiconductor modules 1400 are provided on the drive circuit board 205.
  • the drive circuit 3 is incorporated in the power semiconductor module 14, so that the drive circuit board 205 as in the related art is not necessary, and Miniaturization can be achieved.
  • a wireless communication device wireless communication IC, antenna
  • a PWM signal necessary for driving the IGBTs 21A and 21B is transmitted from the controller 29 to each power semiconductor module 14 by wireless communication. Therefore, the degree of freedom in the arrangement of the power semiconductor module 14 is improved as compared with the conventional configuration in which the gate terminal G is connected to the drive circuit board 205, and the power semiconductor module 14 is optimized by optimizing the arrangement of the power semiconductor module 14. Further downsizing of the conversion device 200 can be achieved.
  • the power semiconductor module 14 is provided with a temperature sensor for detecting an overtemperature, and the drive circuit 3 also measures the emitter current.
  • Such sensing information (emitter current information, temperature information) is transmitted from each drive circuit 3 to the controller 29 by wireless communication.
  • the controller 29 can monitor the state of the power semiconductor module 14 by wireless communication. For example, when the temperature of the temperature sensor becomes equal to or higher than a specified value, transmission of the PWM signal from the controller 29 to the power semiconductor module 14 is stopped, and the switching operation of the IGBTs 21A and 21B is stopped. Further, when it is determined from the measured value of the emitter current that an abnormal current flows, the switching operation of the IGBTs 21A and 21B is similarly stopped.
  • the auxiliary power circuit 23 is activated, and the drive power for the wireless communication IC 24 and the driver IC 25 is secured.
  • the wireless communication IC 24 automatically transmits an activation signal via the antenna 2 when the power is turned on.
  • the controller 29 confirms that the drive circuit 3 is activated by receiving this activation signal, the controller 29 transmits a PWM signal necessary for generating the control signal to the power semiconductor module 14.
  • the controller 29 transmits the PWM signal after confirming that the power semiconductor module 14 is activated, wasteful power consumption due to generation of the PWM signal when the power semiconductor module 14 is not activated. Can be prevented.
  • the circuit board 1 is provided with at least one through hole 19 between the board area where the wireless communication IC 24, the driver IC 25 and the antenna 2 are provided and the board area where the terminal 102 is provided. It has been. Since the thermal resistance of the portion of the through hole 19 is larger than the thermal resistance of the portion of the substrate material, the wireless communication IC 24, the driver IC 25, and the antenna 2 are connected from the IGBTs 21A and 21B connected to the terminal 102 by providing the through hole 19. The amount of heat flowing into the provided substrate region can be reduced.
  • the power semiconductor module includes terminals 15 to 17 which are power terminals connected to the switching elements (IGBTs 21A and 21B), and the auxiliary power supply circuit 23, the wireless communication IC 24 and the driver IC 25 which are control elements are connected to the terminals 15 to 15
  • the terminal is not opposed to the terminal surface of 17 and is arranged at a position not overlapping the terminals 15 to 17 in the vertical direction.
  • the auxiliary power supply circuit 23, the wireless communication IC 24, and the driver IC 25 at positions that do not face the terminal surfaces that are the wide surfaces of the terminals 15 to 17, the influence of heat received from the terminals 15 to 17 is reduced. be able to.
  • the IGBTs 21A and 21B are transfer molded by the resin member 6a to form an integrated power semiconductor module structure 14A. Then, after the power semiconductor module structure 14 ⁇ / b> A is housed in the module case 140, the resin member 6 b is filled in the gap with the module case 140.
  • the shield material 18, 42 of the metal pattern is provided on the circuit board 1 and the relay board 4, thereby reducing the influence of noise on the wiring patterns 101, 43 and the antenna 2. be able to.
  • FIG. 10 and 11 are diagrams showing a first modification of the present embodiment.
  • 10 and 11 are diagrams showing a portion of the power semiconductor module 14 where the circuit board 1 and the relay board 4 are provided.
  • 10 is a plan view with a part broken
  • FIG. 11 is a DD cross-sectional view of FIG.
  • the circuit board 1 is connected to the IGBTs 21 ⁇ / b> A and 21 ⁇ / b> B via the relay board 4.
  • the connector 20 is provided between the relay board 4 and the circuit board 1.
  • the connector 20 is fixed to the terminals 15 to 17 by the terminal block 600.
  • the connector 20 has an end portion on which the substrate holder 20a is provided protruding from the terminal block 600 to the outside of the case.
  • the relay substrate 4 is connected to an end portion of the connector 20 on the inner side of the case.
  • the circuit board 1 is connected to the connector 20 by being mounted on the board holder 20a.
  • the circuit board 1 is detachably attached to the board holder 20a.
  • the circuit board 1 is mounted on the end face of the connector 20 so that the board surface is parallel to the terminals 15 to 17.
  • the board holder 20a is provided on the side surface of the connector 20, and the circuit board 1 is arranged so as to be orthogonal to the terminals 15-17.
  • the semiconductor elements are mounted on both the front and back sides of the substrate so that the height of the circuit substrate 1 does not become too high.
  • the circuit board 1 is connected to the IGBTs 21A and 21B via the relay board 4 on which the wiring pattern 43 is formed and the connector 20 fixed to the relay board 4. Therefore, when compared with a configuration in which the circuit board 1 is connected to the IGBTs 21 ⁇ / b> A and 21 ⁇ / b> B via the relay board 4, heat inflow to the circuit board 1 can be further reduced. Moreover, since the circuit board 1 is detachably attached to the board holder 20a of the connector 20, the circuit board 1 can be easily replaced. Therefore, for example, it is convenient when it is desired to change the circuit constants or to change the performance of the driver IC 25.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a second modification.
  • the second modification is different from the above-described embodiment (see FIG. 5) in that the relay board 4 is omitted and the circuit board is connected to the IGBT 21A. Since the relay substrate 4 is omitted, the mounting process is further simplified.
  • the heat inflow from the IGBT 21A is increased by the amount of omitting the relay substrate 4, but when compared with the configuration in which the semiconductor element itself is connected to the IGBT 21A as described in Patent Document 2, the heat inflow amount is reduced in the following points. Can be suppressed.
  • the elements such as the driver IC 25 are fixed to the IGBTs 21 ⁇ / b> A and 21 ⁇ / b> B via the circuit board 1, so that the amount of heat flowing into the elements is reduced by the thermal resistance of the circuit board 1.
  • substrate can further be increased.
  • the antenna 2 provided on the circuit board 1 is a dipole antenna.
  • various forms are possible, for example, an antenna having a form as shown in FIGS. . 14A shows a loop antenna, FIG. 14B shows a meander-shaped dipole antenna, and FIG. 15A shows a batch antenna.
  • the antenna 2 shown in FIG. 15B is a dipole antenna, but differs from the antenna 2 shown in FIG. 4 in that the antenna pattern is inside the module case 140. Therefore, the communication range of the antenna 2 is limited as compared with the case of FIG. 4, but communication with directivity is possible.
  • the antenna 2 is configured using metal pins.
  • the antenna 2 is exposed from the end of the module case 140 to the outside. In this case, even if the antenna 2 is not covered with the substrate material of the circuit board 1, it can sufficiently serve as an antenna.
  • the terminal block 600 is omitted, and a spacer 39 for supporting the circuit board 1 is provided. This is to prevent an inadvertent force from being applied to the connection portion between the circuit board 1 and the IGBT 21A before molding with the resin member 6a.
  • a plurality of circular through holes 19 are formed.
  • a long through hole 19 may be formed.
  • the power semiconductor module structure 14A is housed in the module case 140 for heat dissipation.
  • a heat sink 150 may be provided as shown in FIG.

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Abstract

　パワー半導体モジュールは、リードフレーム３１５に実装された電力変換用のＩＧＢＴ２１Ａと、ＩＧＢＴ２１Ａを駆動するための制御信号を生成するドライバＩＣ２５と、ドライバＩＣ２５が実装され、制御信号を出力するための端子１０２が形成された回路基板１と、離間して配置されたＩＧＢＴ２１Ａと回路基板１との間に設けられ、ＩＧＢＴ２１Ａに形成された端子２１１と端子１０２とを接続する中継基板４と、を備える。

Description

パワー半導体モジュール、電力変換装置および電動車両
　本発明は、電力変換用のパワー半導体モジュール、そのパワー半導体モジュールを備えた電力変換装置、およびその電力変換装置を搭載する電動車両に関する。
　近年、パワー半導体モジュールを備える電力変換装置に対して、高出力・高密度化や小型化の要求が高まっている。パワー半導体モジュールでは、一般的に電力スイッチング用素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や電流還流用のダイオード、そのＩＧＢＴを駆動するためのドライバＩＣなどの制御素子を備えている。
　例えば、特許文献１に記載されている電力変換装置は、リード端子が外部へ引き出された状態でパワー半導体を搭載したパワー回路基板を絶縁樹脂で封止したパワー回路モジュールと、パワー半導体を駆動・制御する制御回路基板を絶縁樹脂で封埋した制御回路モジュールとを備えている。そして、パワー回路モジュールのリード端子が制御回路モジュールの接続部に接続された状態で機械的に一体化され、パワー回路モジュールと制御回路モジュールとをワイヤで接続している。
　電力変換装置の小型化を図るためには、ドライブ回路などの制御回路をモジュールと一体化し、内蔵集積化のキー技術が必須となっている。そのため、特許文献２に記載の発明では、電力用素子（パワー半導体）の信号部と制御用素子の信号部とをフリップチップ接続して積層化したパワーモジュールが記載されている。このように、制御回路基板の制御素子をパワーモジュールに一体配置することで、電力変換装置の小型化を図るようにしている。
日本国特開２００６－１２１８６１号公報 日本国特開２０１１－２３６５４号公報
　しかしながら、特許文献２に記載の制御用素子が一体化されたパワー半導体モジュールでは、制御用素子と電力用素子とが直接接触しているため、電力用素子の発熱がそのまま制御用素子に伝わり、制御用素子の信頼性低下を招くという問題があった。
　本発明の第１の態様によると、パワー半導体モジュールは、電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、制御素子が実装され、制御信号を出力するための第１の制御信号端子が形成された第１の回路基板と、離間して配置されたスイッチング素子と第１の回路基板との間に設けられ、スイッチング素子に形成された第２の制御信号端子と第１の制御信号端子とを接続する接続部材と、を備える。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様のパワー半導体モジュールにおいて、第１の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、制御信号の生成に必要な情報が、アンテナおよび無線通信用半導体素子を介して制御素子により取得されるように構成されている。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様のパワー半導体モジュールにおいて、第１の回路基板は、制御素子、無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられている第１基板領域と、第１の制御信号端子が設けられている第２基板領域との間に、少なくとも一つの貫通穴を備えている。
　本発明の第４の態様によると、第２または第３の態様のパワー半導体モジュールにおいて、スイッチング素子と接続されたパワー端子を備え、制御素子は、パワー端子の端子面と対向せず、該パワー端子と上下に重ならない位置に配置されている。
　本発明の第５の態様によると、第２乃至４のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールにおいて、接続部材が、スイッチング素子に形成された第２の制御信号端子と第１の制御信号端子とを接続する配線が形成された第２の回路基板で構成されている。
　本発明の第６の態様によると、第２乃至４のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールにおいて、接続部材は、第２の制御信号端子に接続される配線が形成された第２の回路基板と、配線に接続されるように第２の回路基板に固定されたコネクタとで構成され、第１の回路基板がコネクタに着脱可能に接続されている。
　本発明の第７の態様によると、第２乃至６のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールにおいて、第１および第２の回路基板がノイズ低減用シールドパターンを備えている。
　本発明の第８の態様によると、第２乃至７のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールにおいて、電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子、第１の回路基板および接続部材が収納され、外周に放熱フィンが形成された金属ケースを備える。
　本発明の第９の態様によると、電力変換装置は、第２乃至８のいずれか一の態様のパワー半導体モジュールと、無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられた第１の回路基板との間で無線信号を送受信する送受信装置を有し、第１の回路基板に対して制御信号生成に必要な情報を送信するコントローラと、を備える。
　本発明の第１０の態様によると、第９の態様の電力変換装置において、無線通信用半導体素子は、パワー半導体モジュールに直流電源の電圧が印加されると起動信号をコントローラへ送信し、コントローラは、起動信号を受信すると制御信号生成に必要な情報を送信する。
　本発明の第１１の態様によると、第９または１０の態様の電力変換装置において、パワー半導体モジュールは、スイッチング素子の温度を検出する第１の検出部およびスイッチング素子の動作状態を検出する第２の検出部を備え、第１および第２の検出部で検出された温度および動作状態が、無線通信用半導体素子によりコントローラに送信される。
　本発明の第１２の態様によると、電動車両は、直流電源と、車両走行用回転電機と、直流電源と車両走行用回転電機との間の電力変換を行う請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の電力変換装置と、を備える。
　本発明によれば、パワー半導体モジュールに設けられた制御素子への熱影響が低減され、制御素子の信頼性向上を図ることができる。
本発明の第１の実施の形態を説明する図であり、本実施の形態の電力変換装置を搭載するハイブリット自動車システムの概略構成を示すブロック図である。 電力変換装置３１の概略構成を示す図である。 パワー半導体モジュール１４の回路構成を示す回路図である。 本実施の形態のパワー半導体モジュール１４の外観図である。 図４のＡ－Ａ断面を示す図である。 パワー半導体モジュール構造体１４Ａの分解斜視図である。 パワー半導体モジュール構造体１４Ａの回路図である。 図５のＢ－Ｂ断面図である。 図８のＣ－Ｃ断面図である。 本実施の形態の第１の変形例を示す図である。 図１０のＤ－Ｄ断面図である。 第１の変形例の他の例を示す図である。 第２の変形例を示す図である。 アンテナ２の変形例を示す図である。 アンテナ２の他の変形例を示す図である。 金属ピンを用いたアンテナ２を説明する図である。 本実施の形態のパワー半導体モジュール１４を用いた電力変換装置２００の一例を示す図である。 従来の電力変換装置２００を説明する図である。 長穴形状の貫通穴１９を設けた場合にの回路基板１を示す図である。 放熱器１５０を備えたパワー半導体モジュール１４を示す図である。
　以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
－第１の実施の形態－
　図１は、本実施の形態の電力変換装置をエンジンとモータの両方を使用して走行するハイブリット自動車(以下ＨＥＶと称す)システムに適用した場合の一例を示す図であり、ＨＥＶシステムの概略構成を示すブロック図である。なお、本発明に係る電力変換装置はハイブリッド自動車のみならず、モータのみで走行する電気自動車（以下ＥＶと称す）にも適用可能であり、また一般産業機械に使用されているモータを駆動するための電力変換装置としても使用可能である。
　図１に示したＨＥＶシステムでは、エンジン（ＥＮＧ）３５及びモータジェネレータ（ＭＧ）３０は車両の走行用トルクを発生する。またモータジェネレータ３０は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータ３０に外部から加えられる機械エネルギを電力に変換する機能を有する。
　モータジェネレータ３０は、例えば同期機あるいは誘導機であり、上述の通り、運転方法によりモータとしても発電機としても動作する。モータジェネレータ３０を自動車に搭載する場合に、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジム(Nd)などの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また永久磁石型の同期電動機は、誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として好適である。
　エンジン３５の出力側の出力トルクは、動力分配機構（ＴＳＭ）３４を介してモータジェネレータ３０に伝達される。動力分配機構３４からの回転トルクあるいはモータジェネレータ３０が発生する回転トルクは、トランスミッション３３およびディファレンシャルギア３７を介して車輪３２に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータ３０に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は電力変換装置３１により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリシステム３６を充電し、充電された電力は再び走行エネルギとして使用される。
　図２は、電力変換装置３１の概略構成を示す図である。図１のバッテリシステム３６には高圧電源であるバッテリ１３６が設けられており、電力変換装置３１は、バッテリ１３６からの直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ３０を駆動する。バッテリ１３６の正極ラインＰと負極ラインＮとの間には、モータジェネレータ３０のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応して３つのパワー半導体モジュール１４（１４(U)、１４(V)、１４(W)）が設けられている。各パワー半導体モジュール１４(U)、１４(V)、１４(W)は同一構成となっている。また、パワー半導体モジュール１４とバッテリ１３６との間には平滑化コンデンサ２６が並列接続されている。
　パワー半導体モジュール１４は、２つのパワー半導体であるＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂを直列接続したものであり、ＩＧＢＴ２１Ａにはダイオード２２Ａが並列接続され、ＩＧＢＴ２１Ｂにはダイオード２２Ｂが並列接続されている。これらのダイオード２２Ａ，２２Ｂにより電流の還流を行う。ＩＧＢＴ２１ＡとＩＧＢＴ２１Ｂとの接続点には交流端子１７が接続されている。パワー半導体モジュール１４(U)の交流端子１７はモータジェネレータ３０のＵ相に接続され、パワー半導体モジュール１４(V) の交流端子１７はモータジェネレータ３０のＶ相に接続され、パワー半導体モジュール１４(W)の交流端子１７はモータジェネレータ３０のＷ相に接続される。
　なお、スイッチング用のパワー半導体素子としては、ＩＧＢＴの他に金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を用いても良い。ＭＯＳＦＥＴを用いる場合にはダイオード２２Ａ，２２Ｂは不要となる。ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。
　パワー半導体モジュール１４には、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂの各ゲート端子へ駆動信号を出力する駆動回路３が設けられている。駆動回路３は、コントローラ２９からの指令に基づく駆動パルスをＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂの各ゲート端子に入力し、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのオンオフ動作を行わせる。駆動回路３は、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのエミッタ電流を計測し、過電流検知も行っている。過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのスイッチング動作を停止させるようにする。また、図示していないが、パワー半導体モジュール１４には過温度を検知するための温度センサも設けられている。なお、駆動回路３は、バッテリ１３６を電源として動作する。
　コントローラ２９と各パワー半導体モジュール１４(U)、１４(V)、１４(W)に設けられている駆動回路３との信号の授受は、無線通信によって行われている。すなわち、コントローラ２９および各駆動回路３は無線通信機能を備えており、駆動回路３のアンテナ２とコントローラ２９のアンテナ２７との間で信号の送受が行われる。例えば、上述したセンシング情報（エミッタ電流情報、温度情報）は、無線通信により各駆動回路３からコントローラ２９へ送信される。コントローラ２９には、低圧電源２８から電力が供給される。
　コントローラ２９には、目標トルク値や回転指令などのモータジェネレータ３０を駆動するための指令が上位コントローラ３７から入力される。また、コントローラ２９には、電流センサ２４で検出されたモータジェネレータ３０に供給される電流値や、モータジェネレータ３０に設けられた不図示の回転検出器（例えば、レゾルバ）からの回転位置信号などが入力される。
　図３は、パワー半導体モジュール１４の回路構成を示す回路図である。図２に示した駆動回路３には、ＩＧＢＴ２１のＯＮ、ＯＦＦを行うドライバＩＣ２５と、無線通信ＩＣ２４と、補助電源回路２３とが設けられている。駆動回路３は、無線通信ＩＣ２４およびアンテナ２によりコントローラ２９と無線で信号のやり取りを行う。補助電源回路２３は、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５の電源は補助電源回路２３により高電圧から低電圧へ変換している。
　直流負極端子１５および直流正極端子１６の間に一定値以上の高電圧が掛かると補助電源回路２３が起動する。その結果、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５の電源が確保され、無線通信ＩＣ２４がアンテナ２によりコントローラ２９に起動信号を発する。コントローラ２９からはＰＷＭ信号が無線で送られ、そのＰＷＭ信号によりドライバＩＣ２５が駆動される。
　次に、図４～９を用いて、パワー半導体モジュール１４の詳細構造を説明する。図４は、本実施の形態のパワー半導体モジュール１４の外観図である。図５は、図４のＡ－Ａ断面図である。図３に示した各電子部品は、図４に示すような形状のＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース１４０内に収納されている。
　ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、図５に示すように、一面に挿入口１４０ａと他面に底を有する筒形状をした冷却器である。モジュールケース１４０は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ－Ｃ、Ｃｕ－ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ－Ｃなどの複合材などから形成されている。また、溶接など防水性の高い接合法で、あるいは鍛造、鋳造法などにより、つなぎ目の無い状態でケース状に一体成形されている。
　モジュールケース１４０は、挿入口１４０ａ以外に開口を設けない扁平状のケースであり、扁平状ケースの挿入口１４０ａにはフランジ１４１が設けられている。扁平状ケースの面積の広い対向する２つの面の一方には放熱部１４２Ａが設けられ、他方の面には放熱部１４２Ｂが設けられている。放熱部１４２Ａ、１４２Ｂはモジュールケース１４０の放熱壁として機能するものであり、それらの外周面には複数の放熱フィン１４３が形成されている。放熱部１４２Ａ、１４２Ｂを囲む周囲の面は、厚さが極端に薄く容易に塑性変形可能な薄肉部１４４となっている。
　図５に示すように、図３に示した各電子部品は樹脂部材６ａによりトランスファーモールドされて一体となったパワー半導体モジュール構造体１４Ａとされ、そのパワー半導体モジュール構造体１４Ａがモジュールケース１４０内に収納されている。
　まず、図６，７を用いてパワー半導体モジュール構造体１４Ａの構成を説明する。図６はパワー半導体モジュール構造体１４Ａの分解斜視図であり、図７はパワー半導体モジュール構造体１４Ａの回路図である。図６，７に示すように、パワー半導体モジュール構造体１４Ａには、パワー半導体モジュール１４を構成する電子部品であるＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂ、ダイオード２２Ａ，２２Ｂと、それらを接続するためのリードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９が設けられている。なお、図６では、トランスファーモールドの図示を省略した。
　直流正極端子１６が形成されたリードフレーム３１５と交流端子１７が形成されたリードフレーム３１６と、は略同一平面状に配置される。ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂは、半導体チップの一方の面にコレクタ電極が形成され、他方の面にエミッタ電極とゲート電極が配置されている。２１１はゲート電極の端子である。また、ダイオード２２Ａ，２２Ｂに関しても、半導体チップの一方の面にカソード電極が形成され、他方の面にアノード電極が形成されている。
　リードフレーム３１５には、ＩＧＢＴ２１Ａのコレクタ電極とダイオード２２Ａのカソード電極とが金属接合体であるハンダ１６０により固着される。一方、リードフレーム３１６には、ＩＧＢＴ２１Ｂのコレクタ電極とダイオード２２Ｂのカソード電極とが、金属接合体であるハンダ１６０により固着される。金属接合体は、錫を主成分としたハンダを用いる事が望ましいが、金、銀、銅のいずれかを主成分としたものやロウ材やペーストを用いることもできる。
　ＩＧＢＴ２１Ａ，ダイオード２２Ａを挟んでリードフレーム３１５と反対側に配置されたリードフレーム３１８には、ＩＧＢＴ２１Ａのエミッタ電極とダイオード２２Ａのアノード電極とがハンダ１６０により固着される。一方、リードフレーム３１９には、ＩＧＢＴ２１Ｂのエミッタ電極とダイオード２２Ｂのアノード電極とがハンダ１６０により固着される。リードフレーム３１８，３１９は略同一平面状に配置される。リードフレーム３１６とリードフレーム３１８とは、中間電極３２９により接続されている。なお、図７の２１２はエミッタ電流検出用の端子である。
　図５に示す断面（図４のＡ－Ａ断面）は、図６のリードフレーム３１５，３１８の部分を断面したものである。図５に示すように、リードフレーム３１５，３１８の間の隙間は樹脂部材６ａによってトランスファーモールドされ、一体のパワー半導体モジュール構造体１４Ａが形成されている。リードフレーム３１５，３１８の外側の面は樹脂部材６ａから露出しており、リードフレーム３１５，３１８と放熱部１４２Ａ、１４２Ｂとの隙間には絶縁シート１１が配設されている。モジュールケース１４０内に収納されたパワー半導体モジュール構造体１４Ａとモジュールケース１４０との隙間には樹脂部材６ｂが充填されている。
　なお、パワー半導体モジュール構造体１４Ａをモジュールケース１４０内に収納する際には、パワー半導体モジュール構造体１４Ａの両面に絶縁シート１１を予め貼り付けた状態で挿入する。そして、モジュールケース１４０の放熱部１４２Ａ、１４２Ｂをケース内側方向に加圧して、放熱部１４２Ａ、１４２Ｂの内周面を絶縁シート１１を介してリードフレーム３１５，３１８に密着させる。そのため、薄肉部１４４を極端に薄くすることで、加圧時に容易に変形することができる。
　駆動回路３に設けられている補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５は回路基板１上に実装されている、回路基板１上のドライバＩＣ２５は、中継基板４を介してＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのゲート電極の端子２１１に接続されている。パワー端子である前記端子１５～１７は板状の金属部材であり、電流が流れることにより発熱する。補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５は、スイッチング素子と接続されているこれらパワー端子とは、図８に示すように上下に重ならない位置に配置されている。このように、補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５を端子１５～１７の幅広の面である端子面と対向しない位置に配置することにより、端子１５～１７から受ける熱の影響を低減することができる。回路基板１内には上述したアンテナ２が形成されている。アンテナ２は、例えば銅パターンで形成され、無線通信ＩＣ２４に接続されている。なお、アンテナ２を回路基板１の表面に形成するようにしても良い。
　端子１５～１７および回路基板１の一部は、モジュールケース１４０のフランジ１４１から図示上方に突出している。この突出している部分は、熱可塑性樹脂で形成された端子ブロック６００により一体に固定され、各端子間の絶縁が確保されている。この端子ブロック６００に用いる樹脂材料としては、トランスファーモールドの金型温度以上（例えば、１８０℃以上）の耐熱性と絶縁性とを有する熱可塑性樹脂が適しており、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）や液晶ポリマー（ＬＣＰ）等が用いられる。
　図８、９は回路基板１および中継基板４の構造を説明する図である。図８は、図５のＢ－Ｂ断面を示す図である。図９は、図８のＣ－Ｃ断面図である。なお、図８では樹脂部材６ａ，６ｂの図示を省略し、図９では樹脂部材６ａ，６ｂおよびモジュールケース１４０の図示を省略した。
　図８に示す例では、アンテナ２はダイポールアンテナを構成している。アンテナ２は、モジュール端部から一部露出するようにしても良いし、全部露出するようにしても良い。回路基板１には貫通穴１９が複数形成されている。これらの貫通穴１９は、発熱の大きなＩＧＢＴ２１Ａ、２１Ｂから回路基板１への熱流入を低減するために設けられたものであり、補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５が設けられている領域と、中継基板４が接続されている領域との間に配置されている。
　本実施の形態では、貫通穴１９も樹脂部材６ａで封止されるような構成としているため、貫通穴１９内に樹脂部材６ａが充填されることになる。なお、貫通穴１９を配線パターンを接続するためのいわゆるスルーホールとして使用する場合には、貫通穴１９に金属メッキを施すようにする。もちろん、すべての貫通穴１９に金属メッキを施すようにしても良い。
　パワー半導体モジュール１４においては、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのスイッチング動作に伴ってスイッチングノイズが発生する。そのため、回路基板１の表裏面には、配線パターン１０１やアンテナ２へのノイズ混入を抑えるためのシールド材１８が設けられている。同様に、中継基板４の場合も、配線パターン４３へのノイズ混入を抑えるためのシールド材４２が基板両面に形成されている。本実施の形態では、シールド材１８，４２は金属パターンで形成されている。
　図９に示すように、ドライバＩＣ２５は、回路基板１側の配線パターン１０１、端子１０２およびハンダバンプ７を介して中継基板４の図示右側のスルーホール４１に接続される。このスルーホール４１は、配線パターン４３、図示左側のスルーホール４１およびハンダバンプ７を介してＩＧＢＴ２１Ａのゲート電極用端子２１１に接続されている。
（１）上述のように、本実施の形態では、リードフレーム３１５，３１６，３１８，３１９に実装されたスイッチング素子であるＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂと、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂを駆動するための制御信号を生成するドライバＩＣ２５と、ドライバＩＣ２５が実装され、制御信号を出力するための端子１０２が形成された回路基板１と、離間して配置されたＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂと回路基板１との間に設けられ、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂに形成された端子２１１と端子１０２とを接続する接続部材である中継基板４と、を備えている。このような構成としたことにより、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂで発生した熱は、中継基板４および回路基板１を介して回路基板上の半導体素子（ドライバＩＣ２５等）に伝達されることのなる。その結果、中継基板４および回路基板１の熱抵抗により、ドライバＩＣ２５への熱流入量を抑えることができ、熱の影響によるドライバＩＣ２５の劣化が抑えられ、ドライバＩＣ２５およびパワー半導体モジュール１４の信頼性向上を図ることができる。
　中継基板４には配線パターン４３が形成されており、この配線パターン４３により、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂの端子２１１と回路基板１の端子１０２とが接続される。なお、回路基板１および中継基板４には、シールド用の金属パターンで形成されたシールド材１８、４２が設けられている。その結果、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂで発生するスイッチングノイズはシールド材１８、４２によって遮蔽され、配線パターン１０１、４３へのノイズ影響が低減される。
（２）また、回路基板１には、無線通信を行うための無線通信ＩＣ２４およびアンテナ２が設けられ、ＩＧＢＴ駆動用ＰＷＭ信号は、無線通信によりコントローラ２９からパワー半導体モジュール１４へ送信される。そのため、コントローラ２９には無線通信用ＩＣ２４と同様のＩＣおよびアンテナ２７が設けられている。このような構成としたことにより、電力変換装置の小型化が図れる。
　図１７は、本実施の形態のパワー半導体モジュール１４を用いた電力変換装置２００の一例を示す図である。電力変換装置２００のケース２０１には、冷却液が流れる流路２０４が形成されている。図２に示したパワー半導体モジュール１４(U)、１４(V)、１４（W）は、流路２０４内に配置され、冷却液によって冷却される。なお、図１７ではパワー半導体モジュール１４(V)の図示が省略されている。また、流路２０４によって囲まれた空間には、平滑化コンデンサ２６が配置されている。ケース２０１の上部空間にはコントローラ２９が実装されている制御回路基板２０３が配置されている。ケース２０１の上部開口は蓋２０２によって密閉されている。
　一方、駆動回路３がパワー半導体モジュール１４側に設けられていない従来のパワー半導体モジュール１４００を用いる場合、電力変換装置２００は図１８に示すような構造となっている。すなわち、パワー半導体モジュール１４００の上方には、図２の駆動回路３を構成する回路部品が実装される駆動回路基板２０５が配置され、その駆動回路基板２０５の上方にコントローラ２９を実装した制御回路基板２０３が配置される。
　従来のパワー半導体モジュール１４００の場合、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂの端子２１１に接続されたゲート端子Ｇがモジュールケースの上方に延在するように設けられている。そして、ゲート端子Ｇは駆動回路基板２０５のスルーホールにハンダ接続され、駆動回路基板２０５に実装されているドライバＩＣ２５に接続される。駆動回路基板２０５には、各パワー半導体モジュール１４００に対応したドライバＩＣ２５がそれぞれ設けられている。
　図１７に示すように、本実施の形態の電力変換装置２００では、駆動回路３がパワー半導体モジュール１４に組み込まれているため従来のような駆動回路基板２０５を必要とせず、電力変換装置２００の小型化を図ることができる。また、無線通信装置（無線通信ＩＣ、アンテナ）を各パワー半導体モジュール１４およびコントローラ２９にそれぞれ設け、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂの駆動に必要なＰＷＭ信号を無線通信によりコントローラ２９から各パワー半導体モジュール１４へ送信するようにしているので、ゲート端子Ｇを駆動回路基板２０５に接続する従来の構成に比べて、パワー半導体モジュール１４の配置の自由度が向上し、パワー半導体モジュール１４の配置を最適化することで電力変換装置２００のさらなる小型化を図ることができる。
　また、前述したように、パワー半導体モジュール１４には過温度を検知するための温度センサが設けられるとともに、駆動回路３によりエミッタ電流も計測される。それらのセンシング情報（エミッタ電流情報、温度情報）は、無線通信により各駆動回路３からコントローラ２９へ送信される。このように、コントローラ２９は、無線通信によりパワー半導体モジュール１４の状態を監視することができる。例えば、温度センサの温度が規定値以上になった場合には、コントローラ２９からパワー半導体モジュール１４へのＰＷＭ信号の送信を停止し、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのスイッチング動作を停止させる。また、エミッタ電流の計測値から異常な電流がが流れたと判断した場合にも、同様にＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂのスイッチング動作を停止させる。
　さらに、パワー半導体モジュール１４の端子１５，１６にバッテリ１３６からの電圧が印加されると、補助電源回路２３が起動し、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５の駆動電源が確保される。無線通信ＩＣ２４は電源が投入されると自動的に起動信号をアンテナ２を介して送信する。コントローラ２９は、この起動信号を受信することにより駆動回路３が起動したことを確認したならば、制御信号生成に必要なＰＷＭ信号をパワー半導体モジュール１４へ送信する。このように、コントローラ２９はパワー半導体モジュール１４が起動したことを確認してからＰＷＭ信号を送信するようにしているので、パワー半導体モジュール１４の非起動時にＰＷＭ信号を発生することによる無駄な電力消費を防止することができる。
（３）さらに、回路基板１には、無線通信ＩＣ２４、ドライバＩＣ２５およびアンテナ２が設けられている基板領域と端子１０２が設けられている基板領域との間に、少なくとも一つの貫通穴１９が設けられている。貫通穴１９の部分の熱抵抗は基板材料の部分の熱抵抗よりも大きいので、貫通穴１９を設けたことにより、端子１０２に接続されたＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂから無線通信ＩＣ２４、ドライバＩＣ２５およびアンテナ２が設けられている基板領域への熱流入量を、低減することができる。
（４）パワー半導体モジュールは、スイッチング素子（ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂ）と接続されたパワー端子である端子１５～１７を備え、制御素子である補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５は、端子１５～１７の端子面と対向せず、端子１５～１７と上下に重ならない位置に配置されている。このように、補助電源回路２３、無線通信ＩＣ２４およびドライバＩＣ２５を端子１５～１７の幅広の面である端子面と対向しない位置に配置することにより、端子１５～１７から受ける熱の影響を低減することができる。
　上述したようにＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂは樹脂部材６ａによりトランスファーモールドされて一体のパワー半導体モジュール構造体１４Ａとされる。そして、パワー半導体モジュール構造体１４Ａはモジュールケース１４０に収納された後、モジュールケース１４０との隙間に樹脂部材６ｂが充填される。
（５）また、図９に示すように、回路基板１および中継基板４に金属パターンのシールド材１８，４２を設けたことにより、配線パターン１０１、４３やアンテナ２へのノイズの影響を低減することができる。
　以下では、上述した実施形態の変形例について説明する。
（第１の変形例）
　図１０、１１は、本実施の形態の第１の変形例を示す図である。図１０，１１は、パワー半導体モジュール１４の回路基板１および中継基板４が設けられている部分を示す図である。図１０は一部を破断面とした平面図、図１１は図１０のＤ－Ｄ断面図である。
　上述した実施の形態では、中継基板４を介して回路基板１をＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂと接続したが、第１の変形例では、中継基板４と回路基板１との間にコネクタ２０を設けた点が異なる。コネクタ２０は、端子ブロック６００により端子１５～１７と固定されている。コネクタ２０は、基板保持具２０ａが設けられている端部が端子ブロック６００からケース外に突出している。中継基板４は、コネクタ２０のケース内側の端部に接続される。回路基板１は、基板保持具２０ａに装着することによりコネクタ２０に接続される。回路基板１は、基板保持具２０ａに対して着脱可能に装着される。
　図１０，１１に示す例では、端子１５～１７に対して基板面が平行となるように、回路基板１をコネクタ２０の端面に装着するようにした。図１２に示す他の例では、基板保持具２０ａをコネクタ２０の側面に設け、回路基板１を端子１５～１７に対して直交するように配置している。なお、図１０～１２に示す例では、回路基板１の高さが高くなりすぎないように、半導体素子を基板の表裏両面に実装している。
　このように、第１の変形例では、回路基板１は、配線パターン４３が形成された中継基板４と中継基板４に固定されたコネクタ２０とを介して、ＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂに接続されている。そのため、中継基板４を介して回路基板１をＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂと接続する構成と比べた場合、回路基板１への熱流入をより低減することができる。また、回路基板１は、コネクタ２０の基板保持具２０ａに対して着脱可能に装着されているので、回路基板１の交換が容易となる。そのため、例えば、回路定数を変えたい場合やドライバＩＣ２５の性能を変更したい場合に便利である。
（第２の変形例）
　図１３は、第２の変形例を示す図である。第２の変形例では、中継基板４を省略して、回路基板をＩＧＢＴ２１Ａに接続した点が上述した実施の形態（図５参照）と異なる。中継基板４を省略したので、実装プロセスがより簡略化される。
　この場合、中継基板４を省略した分だけＩＧＢＴ２１Ａからの熱流入が増えるが、特許文献２に記載のように半導体素子そのものをＩＧＢＴ２１Ａに接続する構成と比べた場合、以下の点で熱流入量を抑えることができる。第２の変形例では、ドライバＩＣ２５等の素子は、回路基板１を介してＩＧＢＴ２１Ａ，２１Ｂに固定されているので、回路基板１の熱抵抗により素子への熱流入量が低減される。また、ＩＧＢＴ２１Ａとの接続部と、素子実装部との間に複数の貫通穴１９を設けているので、基板の熱抵抗をさらに増加させることができる。
　上述した実施の形態では、回路基板１に設けられたアンテナ２をダイポールアンテナとしたが、種々の形式が可能であり、例えば、図１４、１５に示すような形式のアンテナであっても構わない。図１４（ａ）はループアンテナであり、図１４（ｂ）はミアンダー状のダイポールアンテナであり、図１５（ａ）はバッチアンテナである。また、図１５（ｂ）に示すアンテナ２はダイポールアンテナであるが、アンテナパターンがモジュールケース１４０の内部に入っている点が、図４に示すアンテナ２と異なっている。そのため、図４の場合に比べてアンテナ２の通信範囲は限定されるが、指向性を持った通信が可能である。
　なお、図１６に示す例のように、回路基板１の内部または表面にアンテナ２を設ける代わりに、金属ピンを用いてアンテナ２を構成する。そのアンテナ２は、モジュールケース１４０のの端部から外部に露出している点である。この場合、アンテナ２が回路基板１の基板材によって覆われていなくても、アンテナとしての役割を充分果たすことが可能である。図１６に示す例では、端子ブロック６００は省略され、回路基板１を支持するためのスペーサ３９を設けている。これは、樹脂部材６ａでモールドするまでの間に、回路基板１とＩＧＢＴ２１Ａとの接続部に不用意な力が掛かるのを防止するためである。
　また、図８に示した例では、円形の貫通穴１９を複数形成したが、図１９に示すように長穴形状の貫通穴１９を形成するようにしても良い。
　上述した実施形態では、パワー半導体モジュール構造体１４Ａを放熱用のモジュールケース１４０に収納する構成としたが、図２０に示すように放熱器１５０を設ける構成としても良い。
　上述した各実施形態や変形例はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

Claims (12)

  1. 　電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子と、
    　前記スイッチング素子を駆動するための制御信号を生成する制御素子と、
    　前記制御素子が実装され、前記制御信号を出力するための第１の制御信号端子が形成された第１の回路基板と、
    　離間して配置された前記スイッチング素子と前記第１の回路基板との間に設けられ、前記スイッチング素子に形成された第２の制御信号端子と前記第１の制御信号端子とを接続する接続部材と、を備えたパワー半導体モジュール。
  2. 　請求項１に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    　前記第１の回路基板には、無線通信を行うための無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられ、
    　前記制御信号の生成に必要な情報が、前記アンテナおよび前記無線通信用半導体素子を介して前記制御素子により取得されるように構成されているパワー半導体モジュール。
  3. 　請求項２に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    　前記第１の回路基板は、前記制御素子、前記無線通信用半導体素子および前記アンテナが設けられている第１基板領域と、前記第１の制御信号端子が設けられている第２基板領域との間に、少なくとも一つの貫通穴を備えているパワー半導体モジュール。
  4. 　請求項２または３に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    　前記スイッチング素子と接続されたパワー端子を備え、
    　前記制御素子は、前記パワー端子の端子面と対向せず、該パワー端子と上下に重ならない位置に配置されているパワー半導体モジュール。
  5. 　請求項２乃至４のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    　前記接続部材が、前記スイッチング素子に形成された第２の制御信号端子と前記第１の制御信号端子とを接続する配線が形成された第２の回路基板で構成されているパワー半導体モジュール。
  6. 　請求項２乃至４のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    　前記接続部材は、前記第２の制御信号端子に接続される配線が形成された第２の回路基板と、前記配線に接続されるように前記第２の回路基板に固定されたコネクタとで構成され、
    　前記第１の回路基板が前記コネクタに着脱可能に接続されているパワー半導体モジュール。
  7. 　請求項２乃至６のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    　前記第１および第２の回路基板がノイズ低減用シールドパターンを備えているパワー半導体モジュール。
  8. 　請求項２乃至７のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールにおいて、
    　前記電極リードフレームに実装された電力変換用のスイッチング素子、前記第１の回路基板および前記接続部材が収納され、外周に放熱フィンが形成された金属ケースを備えたパワー半導体モジュール。
  9. 　請求項２乃至８のいずれか一項に記載のパワー半導体モジュールと、
    　前記無線通信用半導体素子およびアンテナが設けられた前記第１の回路基板との間で無線信号を送受信する送受信装置を有し、前記第１の回路基板に対して前記制御信号生成に必要な情報を送信するコントローラと、を備える電力変換装置。
  10. 　請求項９に記載の電力変換装置において、
    　前記無線通信用半導体素子は、前記パワー半導体モジュールに前記直流電源の電圧が印加されると起動信号を前記コントローラへ送信し、
    　前記コントローラは、前記起動信号を受信すると前記制御信号生成に必要な情報を送信する電力変換装置。
  11. 　請求項９または１０に記載の電力変換装置と、
    　前記パワー半導体モジュールは、前記スイッチング素子の温度を検出する第１の検出部および前記スイッチング素子の動作状態を検出する第２の検出部を備え、
    　前記第１および第２の検出部で検出された温度および動作状態が、前記無線通信用半導体素子により前記コントローラに送信される電力変換装置。
  12. 　直流電源と、
    　車両走行用回転電機と、
    　前記直流電源と前記車両走行用回転電機との間の電力変換を行う請求項９乃至１１のいずれか一項に記載の電力変換装置と、を備えた電動車両。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106575643A (zh) * 2014-10-29 2017-04-19 新电元工业株式会社 散热结构
JP2017215830A (ja) * 2016-06-01 2017-12-07 株式会社デンソー 電力変換装置、及び、これを用いた電動パワーステアリング装置
JP2018164351A (ja) * 2017-03-24 2018-10-18 株式会社豊田中央研究所 スイッチ回路
WO2021065234A1 (ja) * 2019-10-03 2021-04-08 株式会社デンソー 電力変換装置
JP7436415B2 (ja) 2021-03-29 2024-02-21 株式会社日立製作所 電力変換ユニットおよび電力変換装置
WO2024069433A1 (en) * 2022-09-28 2024-04-04 Delphi Technologies Ip Limited Systems and methods for integrated gate driver for inverter for electric vehicle
WO2024069365A1 (en) * 2022-09-28 2024-04-04 Delphi Technologies Ip Limited Systems and methods for sensing temperature of inverter for electric vehicle
US12103406B2 (en) 2022-09-28 2024-10-01 Delphi Technologies Ip Limited Systems and methods for integrated gate driver for inverter for electric vehicle

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024069451A1 (en) * 2022-09-28 2024-04-04 Delphi Technologies Ip Limited Systems and methods for integrated gate driver for inverter for electric vehicle

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000091499A (ja) * 1998-09-11 2000-03-31 Hitachi Ltd パワー半導体モジュール並びにそれを用いた電動機駆動システム
JP2005261104A (ja) * 2004-03-12 2005-09-22 Hitachi Ltd インバータ装置
JP2006230064A (ja) * 2005-02-16 2006-08-31 Toyota Motor Corp 電力変換ユニット
JP2007053295A (ja) * 2005-08-19 2007-03-01 Hitachi Ltd 半導体装置，それを用いた電力変換装置及び車載用電機システム
JP2011172483A (ja) * 2011-05-23 2011-09-01 Hitachi Ltd インバータ

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3547333B2 (ja) * 1999-02-22 2004-07-28 株式会社日立産機システム 電力変換装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000091499A (ja) * 1998-09-11 2000-03-31 Hitachi Ltd パワー半導体モジュール並びにそれを用いた電動機駆動システム
JP2005261104A (ja) * 2004-03-12 2005-09-22 Hitachi Ltd インバータ装置
JP2006230064A (ja) * 2005-02-16 2006-08-31 Toyota Motor Corp 電力変換ユニット
JP2007053295A (ja) * 2005-08-19 2007-03-01 Hitachi Ltd 半導体装置，それを用いた電力変換装置及び車載用電機システム
JP2011172483A (ja) * 2011-05-23 2011-09-01 Hitachi Ltd インバータ

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3214647A4 (en) * 2014-10-29 2018-05-30 Shindengen Electric Manufacturing Co., Ltd. Heat-dissipating structure
CN106575643A (zh) * 2014-10-29 2017-04-19 新电元工业株式会社 散热结构
US10159166B2 (en) 2014-10-29 2018-12-18 Shindengen Electric Manufacturing Co., Ltd. Heat dissipating structure
CN109074109A (zh) * 2016-06-01 2018-12-21 株式会社电装 电力转换装置、以及使用该电力转换装置的电动助力转向装置
WO2017208599A1 (ja) * 2016-06-01 2017-12-07 株式会社デンソー 電力変換装置、及び、これを用いた電動パワーステアリング装置
JP2017215830A (ja) * 2016-06-01 2017-12-07 株式会社デンソー 電力変換装置、及び、これを用いた電動パワーステアリング装置
JP2018164351A (ja) * 2017-03-24 2018-10-18 株式会社豊田中央研究所 スイッチ回路
WO2021065234A1 (ja) * 2019-10-03 2021-04-08 株式会社デンソー 電力変換装置
JP2021061648A (ja) * 2019-10-03 2021-04-15 株式会社デンソー 電力変換装置
US20220231617A1 (en) * 2019-10-03 2022-07-21 Denso Corporation Electric power conversion apparatus
JP7196808B2 (ja) 2019-10-03 2022-12-27 株式会社デンソー 電力変換装置
JP7436415B2 (ja) 2021-03-29 2024-02-21 株式会社日立製作所 電力変換ユニットおよび電力変換装置
WO2024069433A1 (en) * 2022-09-28 2024-04-04 Delphi Technologies Ip Limited Systems and methods for integrated gate driver for inverter for electric vehicle
WO2024069365A1 (en) * 2022-09-28 2024-04-04 Delphi Technologies Ip Limited Systems and methods for sensing temperature of inverter for electric vehicle
US12103406B2 (en) 2022-09-28 2024-10-01 Delphi Technologies Ip Limited Systems and methods for integrated gate driver for inverter for electric vehicle

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