WO2014188803A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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WO2014188803A1
WO2014188803A1 PCT/JP2014/060056 JP2014060056W WO2014188803A1 WO 2014188803 A1 WO2014188803 A1 WO 2014188803A1 JP 2014060056 W JP2014060056 W JP 2014060056W WO 2014188803 A1 WO2014188803 A1 WO 2014188803A1
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power module
power
motor
semiconductor element
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PCT/JP2014/060056
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拓朗 金澤
中津　欣也
元田　晴晃
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日立オートモティブシステムズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device that converts electric power from direct current to alternating current or from alternating current to direct current, and in particular, a power module in an electromechanical integrated system in which a housing of a motor and an inverter is directly connected or both are arranged in the same housing.
  • a power conversion device that converts electric power from direct current to alternating current or from alternating current to direct current
  • a power module in an electromechanical integrated system in which a housing of a motor and an inverter is directly connected or both are arranged in the same housing.
  • Patent Documents 1 and 2 exist as background technologies in this technical field.
  • Patent Document 1 describes a mold module formed by molding a plurality of terminals forming wiring and a plurality of electronic components mounted on each of the terminals with a mold resin, and the plurality of terminals include at least the terminals.
  • the motor case in which a part is exposed on the back surface of the mold resin and the mold module is fixed is a case on the speed reduction mechanism side that is fixed to the speed reduction mechanism.
  • Patent Document 2 states that “a heat dissipation layer having a first main surface and a second main surface opposite to the first main surface, and an insulation disposed on the first main surface of the heat dissipation layer.
  • a current circuit wiring portion provided in the insulating layer, a plurality of switching elements disposed on the insulating layer and electrically connected to the current circuit wiring portion, and the current circuit wiring
  • a plurality of external terminals electrically connected to a part, the insulating layer, the current circuit wiring part, the switching element, all of the first main surface of the heat dissipation layer, and the second of the heat dissipation layer.
  • a resin having a part of the main surface sealed, wherein the power module is connected to the power module mounting portion of the motor. '' Has been.
  • the metal wiring of the power module is exposed for heat dissipation, and an insulating member is required on the surface. Furthermore, since there is only one cooling surface, reducing the heat dissipation area of the module increases the thermal resistance, and the temperature rise of the semiconductor element becomes unacceptable, making it difficult to reduce the size of the module. It was.
  • the present application includes a plurality of means for solving the above-described problems.
  • a power conversion device including a motor and an inverter
  • at least one or more power modules of the inverter are mounted on the metal housing of the motor.
  • the metal plate for heat dissipation is provided on the surface opposite to the contact surface with the metal casing of the power module.
  • one surface of the power module provided in the inverter is in contact with the metal housing of the motor, and the other surface is in contact with the metal plate for heat dissipation, so that the heat generated in the power module can be released from both surfaces. Therefore, a power converter with high heat dissipation can be realized. As a result, the power module can be significantly reduced in size.
  • FIG. 1 shows a configuration of the power conversion apparatus 100 of the present embodiment, and shows an axial cross section of the motor 200.
  • the power conversion apparatus 100 includes a motor 200 having a stator 202 and a rotor 204, and an inverter 300 including a motor drive circuit.
  • the stator 202 of the motor 200 has a structure in which a stator winding is attached to an electromagnetic steel plate, and is arranged in a circular shape on the inner surface side of the cylindrical motor-side metal casing 201, and is fixed by press-fitting or shrinking. ing.
  • a space for fixing the bearing 203 is provided at the center of the closing portion 201s that closes the opening on the one end side in the axial direction of the motor-side metal housing 201, and the bearing 203 is fixed by press-fitting.
  • a metal cover 207 for fixing the other bearing 208 and an inlay structure 209 for connecting the metal cover 207 are provided.
  • the bearing 208 is fixed to the metal cover 207 by press fitting, and the metal cover 207 is fixed to the motor side metal casing 201 by screwing or press fitting.
  • the other end in the axial direction of the metal housing 201 on the motor 200 side is provided with a screwing portion for connecting the lid 312 on the inverter 300 side, for example, a metal cover 207 is disposed. It is provided on the outside (outer periphery) of the inlay structure 209. Further, the metal casing 201 on the inverter 300 side (250) may be a member separate from the metal casing 201.
  • An inverter 300 is disposed on the other end side in the axial direction of the motor side metal casing 201 from the metal cover 207.
  • a printed circuit board 308 is disposed at a portion separated from the metal cover 207 by a predetermined distance on the other end side in the axial direction of the motor-side metal housing 201. Is provided with a printed circuit board 311.
  • the stator winding of the stator 202 is composed of three-phase windings of U, V, and W phases, and the wiring of each stator winding is electrically connected by a terminal bus bar 210 molded with an insulating resin. Connected. Further, as a method for connecting the stator windings, Y connection or ⁇ connection may be mentioned. Further, from the terminal bus bar 210, metal wirings 213 for U, V, and W phases respectively extend in the axial direction and pass through holes 211 provided in the metal cover 207.
  • the rotor 204 is composed of a shaft 205 and a permanent magnet fixed to the outer periphery thereof, and can be rotated by a rotating magnetic field generated by passing a current through the stator windings and bearings 203 and 208.
  • Examples of the material for the permanent magnet include neodymium and ferrite.
  • the power module 301 of the inverter 300 is disposed on the metal cover 207.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of the power module 301.
  • the power module incorporates semiconductor elements 302a and 302b (FIG. 2A) or 302a to 302c (FIG. 2B) for converting electric power. Examples of the semiconductor elements 302a to 302c include IGBTs and MOSFETs.
  • the semiconductor elements 302a and 302b in FIG. 2A and the metal wiring 303 (not shown) electrically connected to them are covered with an insulating resin 304 as shown in FIG. 3 and connected to the metal wiring. Each terminal is exposed to the outside of the resin 304.
  • FIG. 3 is a plan view of the power module 301, which is connected to a positive electrode wiring terminal 331 having the same potential as the drain electrode of the semiconductor element 302a, a negative electrode wiring terminal 332 having the same potential as the source electrode of the semiconductor element 302b, and a motor winding.
  • a phase output terminal 333, a gate terminal 334 electrically connected to the gate electrode of the upper arm semiconductor element 302a, and a gate terminal 335 electrically connected to the gate electrode of the lower arm semiconductor element 302b are external to the resin 304. I'm out.
  • the gate terminals 334 and 335 protrude from the same side as the phase output terminal 333.
  • the gate terminals 334 and 335 may protrude from the same side as the positive and negative terminals 331 and 332. You may be out of.
  • the position and length for bending each output terminal do not need to be the same, and may be arbitrarily set so as to be easily connected to the terminal bus bar 210 and the printed circuit boards 308 and 311.
  • FIG. 2B shows an example of a power module provided with the semiconductor elements 302a and 302b of the upper arm and the lower arm, and the motor output side semiconductor element 302c connected between the common connection point and the phase output terminal 333. Is shown.
  • the three semiconductor elements 302 a to 302 c and the metal wiring are sealed with an insulating resin 304, and the terminals 331 to 335 are external to the resin 304. Configured to be exposed.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional configuration of a power module in which the two semiconductor elements 302a and 302b in FIG.
  • a metal positive electrode wiring terminal 331 is connected to the drain electrode of the semiconductor element 302a of the upper arm, and a phase output terminal 333 is connected to the source electrode by soldering or the like.
  • a phase output terminal 333 is connected to the drain electrode of the semiconductor element 302b, and a metal negative electrode wiring terminal 332 is connected to the source electrode by soldering or the like.
  • phase output terminal connected to the semiconductor element 302a and the phase output terminal connected to the semiconductor element 302b do not need to be a single metal plate, and may be configured by two or more metal plates.
  • the material of the metal terminal includes copper having a small electrical resistance and aluminum having a small specific gravity.
  • metal wiring is also electrically connected to the gate electrodes of the semiconductor elements 302a and 302b.
  • a connection method a direct soldering method or wire bonding using aluminum or the like is used. There is a method of electrically connecting the electrode of the semiconductor element and the metal terminal.
  • the material of the resin 304 include an epoxy resin, and the thermal conductivity is desirably 3 (W / (m ⁇ K)) or more.
  • the thickness 305 of the resin covering the metal terminals 331 to 335 is preferably 300 (um) or less. Note that by covering the semiconductor elements 302 a and 302 b with the resin 304, it is possible to reduce stress on the joining member such as solder generated due to the difference in linear expansion coefficient between the semiconductor element and the metal terminal.
  • FIG. 5 shows a plan view of the power module of FIG. 3 mounted on the metal cover 207.
  • the power module is provided with a total of three power modules 301a, 301b, and 301c corresponding to the U, V, and W phases, respectively.
  • Metal cover holes 211 are provided in the metal cover 207 at positions facing the phase output terminals 333 of the respective power modules, through which the motor wiring passes.
  • the phase output terminal 333 and the output wiring 213 of the terminal bus bar 210 are electrically connected by welding or the like.
  • a member that reduces contact thermal resistance such as grease may be interposed between the metal cover 207 and the power module 301.
  • a hole 214 through which the motor shaft 205 passes is provided at the center of the metal cover 207. It is desirable to dispose the power modules 301a to 301c concentrically and symmetrically in consideration of eliminating heat interference generated inside the power module and connecting the output terminals.
  • the metal cover 207 may be provided with a groove for positioning the power module. Further, the metal cover 207 may be provided with grooves for ensuring a sufficient insulation distance from the metal wiring (the metal terminals 331 to 335) of the power module.
  • a rectangular metal plate 306 for heat dissipation is disposed on the opposite surface of the power module 301 that contacts the metal cover 207.
  • the metal plate 306 is fixed to the metal cover 207 with screws or the like. Alternatively, it may be fixed to the power module 301 with an adhesive or the like.
  • Examples of the material of the metal plate 306 include aluminum having a large specific heat.
  • a member that reduces contact thermal resistance such as grease may be interposed between the metal plate 306 and the power module 301.
  • a heat radiating fin may be provided on the surface of the metal plate 306 opposite to the surface in contact with the power module 301.
  • the metal plates 306 provided in the power modules 301a to 301c may be provided individually for each power module or may be one metal plate for three power modules.
  • the shape of the metal plate 306 is not limited to a rectangular shape.
  • a printed circuit board 308 for supplying power to the positive and negative wiring terminals 331 and 332 of the power modules 301a to 301c is disposed.
  • the wiring terminals 331 and 332 and the printed circuit board 308 are electrically connected by soldering, press fitting, or the like.
  • a capacitor 309 for smoothing the voltage between the positive and negative terminals of the power module, an inductor 310 for suppressing noise, and the like are soldered to the surface of the printed board 308 on the metal cover 207 side.
  • Examples of the capacitor 309 include an electrolytic capacitor and a conductive polymer capacitor.
  • a portion of the metal cover 207 facing the capacitor 309 may be provided with a groove for securing a distance from the explosion-proof valve of the capacitor 309 and a hole for inserting the housing of the capacitor 309.
  • the wiring layer of the printed circuit board 308 includes a plurality of layers (mainly even numbers), the positive potential wiring extending to the power module 301 of the printed circuit board 308 is the nth layer, and the negative potential wiring is the (n + 1) th layer.
  • the wiring inductance between the capacitor 309 and the power module 301 is reduced by arranging them alternately so that the positive potential wiring and the negative potential wiring face each other.
  • the balance of the wiring inductance between the power modules 301a, 301b, and 301c and the capacitor is made uniform, so that the heat generated in each power module is made uniform.
  • the printed circuit board 308 may be mounted with a shunt resistor for current detection, a chip capacitor for noise suppression, or the like.
  • the printed circuit board 308 is shown as an electrical wiring for supplying electric power, but a bus bar covered with a mold resin, a metal wiring board, or a ceramic substrate may be used.
  • a driver IC and a microcomputer for controlling the semiconductor elements 302a and 302b in the power module 301, an operational amplifier for amplifying the current value detected by the shunt resistor, and the like are soldered.
  • An attached printed circuit board 311 is arranged.
  • the gate wirings 334 and 335 of the power module 301 and the printed board 311 are electrically connected by soldering, press fitting, or the like.
  • a position detection magnet 212 is press-fitted into the shaft 205 via a resin at the tip of the shaft 205 of the motor 200, and the motor rotating shaft is disposed on the surface of the printed circuit board 311 facing the position detection magnet 212.
  • One or more ICs are provided for detecting the position.
  • Each of the printed circuit boards 308 and 311 is provided with a connector 307, and signals can be exchanged between the printed circuit boards.
  • the power conversion device 100 can be electrically connected to external components such as a battery and a torque sensor.
  • the heat generated in the power module 301 (301a to 301c) of the inverter 300 is radiated from both the heat radiation path from the motor side metal cover 207 to the motor side metal casing 201 and the heat radiation path from the metal plate 306. Is done.
  • the heat radiation area and heat capacity can be increased, and the heat generated in the power module can be effectively released.
  • the power module can be downsized.
  • the thermal resistance of the resin can be reduced by setting the thermal conductivity of the resin to 3 (W / (m ⁇ K)) and the resin thickness to 300 (um), further improving the heat dissipation of the power module. Is done.
  • the metal plate 306 is in contact only with the power module 301
  • the metal plate 306 ′ Is in surface contact with the metal cover 207.
  • the heat conducted to the metal plate 306 out of the heat generated in the power module 301 is dissipated only by heat transfer into the air inside the inverter 300.
  • the heat conducted to the metal plate 306 ′ is transmitted to the motor side metal housing 201 via the metal cover 207, a larger heat radiation area can be utilized.
  • produced in the power module 301 can be escaped more effectively, and the further size reduction of a power module is realizable.
  • the metal plate 306 ′ can position the power module 301.
  • grease or the like may be interposed as a member for reducing contact thermal resistance on the surface where the metal plate 306 ′ and the metal cover 207 are in contact.
  • a heat radiating fin may be provided on the printed board 308 side of the metal plate 306 ′.
  • FIG. 7 is an example of a configuration diagram of the power conversion device according to the second embodiment, and shows a cross section in the axial direction of the motor 200.
  • the configuration of the motor 200 is the same as that of the first embodiment.
  • the opening on the other end side in the axial direction of the motor-side metal casing 201 is configured to have a larger diameter than that in the case of the first embodiment (FIG. 1), and the opening has a metal casing instead of the lid 312 in FIG. 313 is arranged.
  • a metal pedestal 314 is provided in place of the metal housing 313 facing the power module 301 in place of the metal plate 306 in FIG. Accordingly, one surface of the power module 301 is in contact with the metal cover 207, and the other surface is in contact with the pedestal 314 described above.
  • the pedestal 314 may be provided with a groove for positioning the power module 301, and a member such as grease is interposed between the power module 301, the metal cover 207, and the pedestal 314. Also good. Further, the pedestal 314 may be provided on the metal cover 207 side.
  • the positions of the gate terminals 334 and 335 are different from those in the first embodiment, and the gate terminals 334 and 335 are on the positive and negative wiring terminals 331 and 332 side.
  • a printed circuit board 308 is provided at a position facing the positive / negative wiring terminals 331 and 332 and the gate terminals 334 and 335 of the power module 301, and is fixed to the metal casing 313 or the metal casing 201 and the metal cover 207 with screws or the like. Has been. On the printed board 308, wiring for electrically connecting the external power supply to the power module 301, a capacitor 309 for smoothing voltage, an inductor, and the like are mounted.
  • an IC for controlling the semiconductor elements 302a and 302b of the power module 301 and a position detection IC arranged at a position facing the position detection magnet 212 are mounted on the printed circuit board 308 by soldering or the like.
  • the mounting surface of the IC for controlling the semiconductor elements 302a and 302b and the mounting surface of the capacitor 309 are provided with thermal vias, and are provided in the metal casing 313 via an insulating heat dissipation sheet or the like.
  • a mounting structure for radiating heat to the pedestal 314 may be employed.
  • the metal housing 313 also serves as a lid, and is fixed to the metal housing 201 of the motor 200 by screws or the like.
  • the heat generated in the power module 301 of the inverter 300 is radiated from the motor-side metal cover 207 to the motor-side metal housing 201 and from the inverter-side base 314 to the inverter-side metal housing 313 and the motor-side metal. Heat is radiated from both of the heat radiation paths to the housing 201.
  • the heat generated in the printed circuit board (308) on which a capacitor or the like is mounted can be transferred to the outside by being conducted to the metal casing (313) of the inverter, and the printed circuit board and the capacitor can be downsized. .
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the power conversion device of Example 3
  • FIG. 9 is a top view of the power module
  • FIG. 10 is a plan view of the terminal bus bar tip.
  • the terminals 331 to 335 of the power module 301 are connected to the stator winding of the motor 200 and the electric wiring of the printed circuit board through the side of the power module.
  • Example 3 as shown in FIG. 9, one or more windows 350 are formed through the resin 304 on the phase output terminal 333 of the power module 301. Further, the tip of the output wiring 353 of the terminal bus bar 210 has a bifurcated structure as shown in FIG. 10 and a structure that coincides with the window 350 of the power module 301.
  • the window 350 is provided only for the phase output terminal 333 of the power module 301.
  • similar windows are provided for the positive / negative wiring terminals 331, 332 and the gate terminals 334, 335.
  • the wiring that is electrically connected to each terminal may have a shape that can be press-welded.
  • the wiring of the inverter 300 that is electrically connected to the positive / negative wiring terminals 331 and 332 may be formed by a molded bus bar.
  • the motor side wiring and the inverter side wiring can be electrically connected to each terminal of the power module at the same time when assembling each part, and the steps such as welding can be reduced.
  • the metal wiring length of the power module can be shortened, and both reduction in electrical resistance and cost reduction of the metal wiring can be realized.
  • Each terminal of the power module can be structured so as not to be exposed from the side surface, thereby further reducing the power module mounting area.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional structure of the power conversion device according to the fourth embodiment.
  • the inverter 300 is arranged in the axial direction of the motor 200, whereas in the present embodiment 4, the inverter 300 is arranged in the circumferential direction of the motor 200.
  • the configuration of the motor 200 is the same as that of the first embodiment, but the opening on the other end side in the axial direction of the motor side metal casing 201 with the metal cover 207 as a boundary is removed.
  • the power module 301 is provided in the inverter side metal casing 313 of the inverter 300. That is, the power module 301 is disposed on the inner surface of the thick portion 313aa of the one plate 313a constituting the inverter side metal case, and the surface of the power module 301 opposite to the thick portion 313aa is the one plate. It is in contact with a pedestal 314 provided on the lid 312 (the other plate) facing 313a. One plate 313 a of the inverter side metal casing 313 is fixed in contact with the outer peripheral plate 201 a of the motor side metal casing 201.
  • the metal wiring 213 from the terminal bus bar 210 on the motor 200 side is led out to the inverter 300 side through a hole (not shown) provided in the metal cover 207 and the outer peripheral plate 201a of the motor side metal casing 201, and the end thereof Is electrically connected to a terminal part 390 provided on the outer surface of the thick part 313aa of one plate 313a of the inverter side metal casing 313a.
  • the tip of the phase output terminal 333 exposed from the power module 301 to the outside of the metal housing 313 is also connected to the terminal part 390 and fastened together with the metal wiring 213 by, for example, metal screws constituting the terminal part 390.
  • the other terminals 331, 332, 334, and 335 of the power module 301 are connected to a printed circuit board 308 disposed in the metal housing 313.
  • the heat generated in the power module 301 is generated in the heat dissipation path that passes through the base 314 and the lid 312 of the inverter side metal casing 313 and the heat dissipation path that passes through the thick portion 313aa and the outer peripheral plate 201a of the motor side metal casing 201. Heat is dissipated from both.
  • Both the metal housing of the motor and the metal housing of the inverter can be used for heat dissipation, and the heat generated in the power module can be released to the outside, thereby reducing the size of the power module.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional structure of Example 5 in which the present invention is applied to an electric power steering apparatus.
  • FIG. 12 shows a part of the electric power steering apparatus.
  • a speed reduction mechanism 400 is connected to the metal casing 201 of the power conversion device 100 shown in the first embodiment (FIG. 1) by screwing or the like.
  • the speed reduction mechanism 400 includes a steering shaft 401, a worm wheel 402, a worm gear shaft 403, a worm gear 404, and a speed reduction mechanism metal housing 405.
  • the reduction mechanism metal housing 405 is formed of aluminum or an aluminum alloy.
  • the electric power steering device applies an assist torque to the steering shaft 401 via the speed reduction mechanism 400 when the driver operates the steering wheel to reduce the steering wheel operation force of the driver.
  • the heat generated in the power module 301 can be conducted to the metal casing 405 of the speed reduction mechanism 400 through the metal cover 207 and the motor-side metal casing 201.
  • the arrangement of the speed reduction mechanism 400, the motor 200, and the inverter 300 may be other than that shown in FIG. 12A.
  • the inverter 300 is interposed between the speed reduction mechanism 400 and the motor 200. May be arranged.
  • FIG. 12 (b) is different from FIG. 12 (a) in that the other end in the axial direction of the shaft 205 is sealed by a closing portion 201ss, and an opening of the motor side metal casing 201 is provided on one end in the axial direction.
  • An inverter 300 similar to that shown in FIG. 12A is provided inside the connector, and the connector 307 is disposed on the outer periphery of the opening of the housing 201, and the connector 307 and the printed boards 308 and 311 are connected by wiring.
  • Reference numeral 220 denotes a resolver.
  • one surface of the power module 301 is in contact with the metal cover 207 of the motor, and the other surface is in contact with the metal plate 306, and the generated heat is radiated.
  • the mounting position of the power module 301 may be the metal housing 405 of the speed reduction mechanism 400. In this case, the heat generated in the power module 301 is radiated to the metal housing 405 and the metal plate 306 of the speed reduction mechanism. It will be.
  • the heat generated in the power module can be transferred from the metal housing 201 to the speed reducer 400, the heat dissipation area can be further expanded, and the power module can be downsized.
  • the design freedom of motors, inverters, and speed reduction mechanisms can be greatly improved, enabling deployment to various products.
  • FIG. 13 shows a cross-sectional structure of Example 6.
  • FIG. 13 shows a part of the inverter device (300).
  • a spacer 503 having a thickness substantially equal to that of the power module 301 is disposed adjacent to the power module 301, and cooling fins 501 for heat radiation are provided on both surfaces of the spacer 503 and the power module 301. .
  • the pressure applied to the power module 301 is suppressed from becoming a design value or more.
  • a member that reduces contact thermal resistance such as grease may be interposed between the power module 301 and the cooling fin 501.
  • a plurality of power modules 301 may be provided, and the cooling fins 501 may be provided individually for each power module 301.
  • the cooling fins 501 are configured by two common to all power modules (two on both sides). May be.
  • the power module 301 includes, for example, two semiconductor elements as shown in FIG. 2A, terminals connected to the semiconductor element, and a resin 304 that seals them. It is led out into a resin case 500 disposed adjacent to the cooling fin 501 on the side opposite to the spacer 503.
  • the resin case 500 is provided with a film capacitor 504, a printed board 308 on which an IC for controlling a semiconductor element and the like are mounted, a terminal block 505, and the like. Further, the periphery of the film capacitor 504 is impregnated with a resin 506.
  • the output terminals of the film capacitor 504 and the power module 301 are connected by welding or the like, and the printed circuit board 308 and the gate terminal of the power module 301 are connected by soldering or the like.
  • the power module By releasing heat from both sides of the full mold power module (301), the power module can be downsized, that is, the inverter device can be downsized.
  • the power module of the heat generating component and the electronic component can be separated, and the heat resistance of the electronic component is improved.
  • FIG. 14 shows a cross-sectional structure of Example 7 in which the present invention is applied to an electromechanical integrated drive device in an oil pump system.
  • the electromechanical integrated drive device 600 includes a motor 200 and an inverter 300. By driving the motor 200 using the inverter 300, the amount of oil flowing from the suction portion 604 to the discharge portion 605 is controlled.
  • a metal housing is formed by a flat heat sink 601 and a case 602, and a printed circuit board 311 is disposed in parallel to the heat sink 601 in the metal housing.
  • a hole 603 is provided in the approximate center of the printed circuit board 311, and one or more power modules 301 for power conversion are disposed through the hole 603.
  • One surface of the power module 301 is in contact with the heat sink 601 and a metal plate 306 is disposed on the other surface.
  • One surface of the metal plate 306 is in contact with the power module 301, and the other surface is in contact with the metal case 602.
  • the case 602 is provided with the motor 200 and is in contact with the motor-side metal housing 201.
  • the power module 301 includes, for example, the semiconductor element of FIG. 2A and each terminal and a resin that seals them, and each metal terminal is exposed to the outside in a straight line and connected to the printed circuit board 311.
  • each terminal of the power module 301 and the electrical connection surface of the printed board 311 are the same surface, bending of each terminal is unnecessary.
  • a capacitor 610, an inductor 611, a connector 612, a control IC, and the like are mounted on the printed circuit board 311, and the motor 200 can be finely controlled.
  • the heat sink 601 is made of a metal such as aluminum having high heat conduction and heat capacity.
  • the case 602 is made of a metal such as iron that has good workability and is inexpensive.
  • the metal plate 306 may be a part of the case 602. Further, grease or the like may be provided between the power module 301 and the heat sink 601. Furthermore, the metal housing 201 of the motor 200 may play the role of the case 602.
  • the power module By releasing heat from both sides of the full mold power module 301 without passing through the printed circuit board 311, the power module can be downsized, that is, the inverter device can be downsized.
  • Metal housing of reduction mechanism 500 ... Resin case, 501 ... Cooling fin, 503 ... Spacer, 504 ... Film capacitor, 505 ... Terminal block, 506: Resin, 600 ... Mechanical and electrical integrated drive device, 601 ... Heat sink, 602 ... Case, 603 ... Hole, 604 ... Suction part, 605 ... Discharge part.

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Abstract

　モータ側金属筺体(201)の開口部側にインバータ(300)を設け、該金属筺体(201)に接触する金属カバー(207)上に、半導体素子およびそれに接続される金属端子と、それらを封止する樹脂とを備えたパワーモジュール(301)を配設し、パワーモジュール(301)の金属カバー(207)と反対側の面に金属板(306)を設ける。パワーモジュール(301)で発生した熱は金属カバー(207)と金属板(306)の両方から放熱される。これにより、電力変換装置の放熱性を高め、パワーモジュールを小型化することができる。

Description

電力変換装置
　本発明は、電力を直流から交流または交流から直流に変換する電力変換装置に関し、特にモータおよびインバータの筺体が直接接続される、または同一筺体内に双方が配置される機電一体方式における、パワーモジュールの実装方法に関する。
　本技術分野の背景技術として特許文献１、２が存在する。特許文献１には、「配線を形成する複数のターミナルと前記夫々のターミナルに実装された複数の電子部品とをモールド樹脂によりモールディングしてなるモールドモジュールであって、前記複数のターミナルは、その少なくとも一部分が前記モールド樹脂の裏面に露出しており、モールドモジュールを固着している電動機のケースは、減速機構に固定される減速機構側のケースである。」と記載されている。
　また、特許文献２には、「第１主面及び該第１主面とは反対側の第２主面を有する放熱層と、前記放熱層の前記第１主面の上に配置された絶縁層と、前記絶縁層に設けられた電流回路用配線部と、前記絶縁層の上に配置され、前記電流回路用配線部に電気的に接続された複数のスイッチング素子と、前記電流回路用配線部に電気的に接続された複数の外部端子と、前記絶縁層、前記電流回路用配線部、前記スイッチング素子、前記放熱層の前記第１主面の全て、及び、該放熱層の前記第２主面の一部を封止した樹脂と、を備えたことを特徴とするパワーモジュールであって、前記パワーモジュールはモータの前記パワーモジュール取り付け部に接続されていることを特徴とする」と記載されている。
ＷＯ２０１２－１３７３３３号公報 特開２００８－１１８０６７号公報
　従来のモータとインバータの筺体を直接接続する、または１つの筺体を共用する機電一体構造において、例えば特許文献１に示されているような電動パワーステアリング装置では、モジュールの金属配線の下面が露出しているため、モジュールを金属筺体に接続するときに高熱伝導の絶縁材を用意する必要がある。さらに、接着力を有する絶縁材を用いるためには、絶縁材を硬化させるプロセスを必要とするため、製造時間が長期化する。また、特許文献１および２に記載の電動パワーステアリング装置において、モジュールの冷却面は１か所であり、モジュール内部に備えられた半導体素子で発生した熱を金属筺体側へ良好に伝導させるためには、モジュール側に大きな放熱面積を必要とするため、モジュールの小型化が難しい。
　以上のように、従来技術では放熱のためにパワーモジュールの金属配線を露出させ、その面には絶縁部材を必要とする。さらに、冷却面が一つしかないため、モジュールの放熱面積を減少させると熱抵抗が増加し、半導体素子の温度上昇量が許容以上となってしまうため、モジュールの小型化が難しいという課題があった。
　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、「モータとインバータを備える電力変換装置において、前記モータの金属筺体上に前記インバータのパワーモジュールが少なくとも１つ以上配置され、前記パワーモジュールの前記金属筺体との接触面とは逆の面に、放熱用の金属板がそれぞれ設けられている」ことを特徴とする。
　本発明によれば、インバータに備えられたパワーモジュールの一方の面はモータの金属筺体に、他方の面は放熱用の金属板に接しており、パワーモジュールで発生した熱を両面から逃がすことができるため、放熱性の高い電力変換装置を実現できる。その結果、パワーモジュールの大幅な小型化を可能とする。
　上記した以外の構成及び効果は以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の実施例１における電力変換装置の断面図である。 本発明の実施例１における電力変換装置に備えられたパワーモジュール内部の回路図である。 本発明の実施例１における電力変換装置に備えられたパワーモジュールの平面図である。 本発明の実施例１における電力変換装置に備えられたパワーモジュールの断面図である。 本発明の実施例１におけるパワーモジュールの実装例を示す要部平面図である。 本発明の実施例１における放熱用の金属板の別形態を示す要部断面構成図である。 本発明の実施例２における電力変換装置の断面図である。 本発明の実施例３における電力変換装置の断面図である。 本発明の実施例３における電力変換装置に備えられたパワーモジュールの平面図である。 本発明の実施例３における電力変換装置に備えられたターミナルバスバの先端を示す平面図である。 本発明の実施例４における電力変換装置の断面図である。 本発明の実施例５における電動パワーステアリング装置の断面図である。 本発明の実施例６におけるインバータ装置の断面図である。 本発明の実施７における機電一体型駆動装置の断面図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。
　本実施例では、電力を変換するインバータおよび電気エネルギーを機械エネルギーへ変換するモータを備えた電力変換装置の例を説明する。
　図１は、本実施例の電力変換装置１００の構成を表し、モータ２００の軸方向断面で示したものである。電力変換装置１００は、固定子２０２と回転子２０４を有したモータ２００と、モータ駆動回路を含むインバータ３００を備える。
　モータ２００の固定子２０２は、電磁鋼板に固定子巻き線が取り付けられた構造で、円筒状のモータ側金属筺体２０１の内面側に円形状に配置されており、圧入や焼きバメ等で固定されている。また、モータ側金属筺体２０１の軸方向一端側開口部を塞ぐ閉塞部２０１ｓの中心部には、ベアリング２０３を固定するための空間が設けられており、圧入によりベアリング２０３が固定されている。
　モータ側金属筺体２０１の軸方向他端側開口部には、もう一方のベアリング２０８を固定する為の金属カバー２０７と、金属カバー２０７を接続する為のインロー構造２０９が設けられている。ベアリング２０８は、金属カバー２０７に圧入で固定されており、また金属カバー２０７はねじ止めや圧入等でモータ側金属筺体２０１に固定されている。
　なお、図示していないが、モータ２００側の金属筺体２０１の軸方向他端には、インバータ３００側の蓋３１２を接続する為のねじ止め部が備えられており、例えば金属カバー２０７を配置するインロー構造２０９の外側（外周部）に設けられている。また、金属筐体２０１のインバータ３００側（２５０）は、金属筐体２０１と別部材でも良い。
　金属カバー２０７から、モータ側金属筺体２０１の軸方向他端側にはインバータ３００が配設されている。金属カバー２０７から、所定距離モータ側金属筺体２０１の軸方向他端側に隔てた部位にはプリント基板３０８が配設され、プリント基板３０８およびシャフト２０５の軸方向他端部と蓋３１２との間にはプリント基板３１１が配設されている。
　前記固定子２０２の固定子巻線は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相の三相巻線で構成され、絶縁性の樹脂によりモールドされたターミナルバスバ２１０によって、各固定子巻線の配線が電気的に結線されている。また、固定子巻線の結線方法としては、Ｙ結線またはΔ結線が挙げられる。さらに、ターミナルバスバ２１０からはＵ，Ｖ，Ｗ相それぞれの金属配線２１３が軸方向に延長しており、金属カバー２０７に設けられた穴２１１を貫通している。
　回転子２０４は、シャフト２０５とその外周に固定された永久磁石で構成され、固定子巻線に電流を流すことで発生する回転磁場およびベアリング２０３、２０８により回転することができる。なお、永久磁石の材料としてはネオジウムやフェライトなどが挙げられる。
　金属カバー２０７には、インバータ３００のパワーモジュール３０１が配置されている。図２に、パワーモジュール３０１の回路図を示す。パワーモジュールには、電力を変換するための半導体素子３０２ａおよび３０２ｂ（図２（ａ））、又は３０２ａ～３０２ｃ（図２（ｂ））が内蔵されている。半導体素子３０２ａ～３０２ｃとしては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴが挙げられる。
　また、例えば図２（ａ）の半導体素子３０２ａ，３０２ｂとそれらに電気的に接続された金属配線３０３（図示省略）は図３のように絶縁性の樹脂３０４で覆われ、該金属配線につながる各端子が樹脂３０４の外部へ露出している。
　図３はパワーモジュール３０１の平面図であり、半導体素子３０２ａのドレイン電極と同電位となる正極配線端子３３１、半導体素子３０２ｂのソース電極と同電位となる負極配線端子３３２、モータ巻線と接続するための相出力端子３３３、上アームの半導体素子３０２ａのゲート電極と電気的に接続するゲート端子３３４、下アームの半導体素子３０２ｂのゲート電極と電気的に接続するゲート端子３３５が、樹脂３０４の外部へ出ている。
　なお、図中ではゲート端子３３４，３３５は相出力端子３３３と同じ辺から出ているが、正・負極端子３３１，３３２と同じ辺から出ていても良く、さらには９０度角度が異なる側面側から出ていても良い。また、各出力端子を折り曲げる位置および長さは同じである必要はなく、ターミナルバスバ２１０およびプリント基板３０８，３１１と接続しやすいよう任意に設定して構わない。
　図２（ｂ）は上アーム、下アームの各半導体素子３０２ａ，３０２ｂと、それらの共通接続点および相出力端子３３３の間に接続されたモータ出力側半導体素子３０２ｃとを備えたパワーモジュールの例を示している。
　図２（ｂ）のパワーモジュールの場合も、図３と同様に、３つの半導体素子３０２ａ～３０２ｃおよび金属配線が絶縁性の樹脂３０４によって封止され、前記各端子３３１～３３５が樹脂３０４の外部へ露出するように構成される。
　図４は図２（ａ）の２つの半導体素子３０２ａ，３０２ｂを樹脂３０４で覆ったパワーモジュールの断面構成を示している。図４において、上アームの半導体素子３０２ａのドレイン電極には金属製の正極配線端子３３１が、ソース電極には相出力端子３３３がはんだ付け等で接続されている。また、半導体素子３０２ｂのドレイン電極には相出力端子３３３が、ソース電極には金属製の負極配線端子３３２がはんだ付け等で接続されている。
　なお、半導体素子３０２ａに接続する相出力端子と、半導体素子３０２ｂに接続する相出力端子は１枚の金属板である必要はなく、２つ以上の金属板で構成されていても良い。
　前記金属製の端子の材料としては、電気抵抗の小さな銅や比重の小さなアルミニウムなどが挙げられる。なお、図示していないが、半導体素子３０２ａおよび３０２ｂのゲート電極にも金属配線が電気的に接続されており、接続方法としては直接はんだ付けする手法や、アルミニウムなどを用いたワイヤーボンディングを介して半導体素子の電極と金属端子を電気的に接続する手法が挙げられる。
　前記絶縁性の樹脂３０４で覆う方法としてはトランスファーモールドなどが挙げられる。樹脂３０４の材料としてはエポキシ系の樹脂等が挙げられ、熱伝導率は３（Ｗ／（ｍ・Ｋ））以上が望ましい。また、前記金属製の端子３３１～３３５を覆う樹脂の厚さ３０５は３００（ｕｍ）以下が望ましい。なお、半導体素子３０２ａ，３０２ｂを樹脂３０４で覆うことで、半導体素子と金属製の端子の線膨張係数の差により発生するはんだ等の接合部材への応力を軽減することが可能である。
　図５に、金属カバー２０７に実装された、図３のパワーモジュールの平面図を示す。パワーモジュールは、Ｕ、Ｖ、Ｗ相それぞれに対応するパワーモジュール３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃの計３つが備えられている。金属カバー２０７の各パワーモジュールの相出力端子３３３と対向する位置には、モータ配線が貫通するための金属カバー用穴部２１１がそれぞれ備えられている。
　前記相出力端子３３３と、ターミナルバスバ２１０の出力配線２１３は、溶接等で電気的に接続している。なお、金属カバー２０７とパワーモジュール３０１の間には、グリスのような接触熱抵抗を低減する部材が介在していても良い。また、金属カバー２０７の中央部には、モータシャフト２０５が貫通する為の穴２１４が備えられている。なお、パワーモジュール内部で発生した熱の干渉をなくすこと、および出力端子の接続を考慮し、パワーモジュール３０１ａ～３０１ｃの配置は同心円上に且つ対称的に配置することが望ましい。また、金属カバー２０７には、前記パワーモジュールを位置決めするための溝等が備わっていても良い。さらに、前記パワーモジュールの金属配線（前記金属製の端子３３１～３３５）と十分な絶縁距離を確保する為の溝が金属カバー２０７に備わっていても良い。
　次に、図１を用いてインバータ３００の構成を説明する。パワーモジュール３０１の金属カバー２０７と接する逆側の面には、放熱のための矩形の金属板３０６が配置されている。金属板３０６は、金属カバー２０７にねじ等で固定されている。または、接着剤等でパワーモジュール３０１に固着されていても良い。金属板３０６の材料としては、比熱の大きなアルミニウムなどが挙げられる。なお、金属板３０６とパワーモジュール３０１の間には、グリスのような接触熱抵抗を低減する部材が介在していても良い。さらに、金属板３０６のパワーモジュール３０１と接触する面とは逆の面には、放熱フィンが備えられていても良い。
　また、パワーモジュール３０１ａ～３０１ｃに備えられる金属板３０６は、各パワーモジュールに個別に備わっていても、３つのパワーモジュールに対し１つの金属板となっていても良い。また金属板３０６の形状は矩形状に限るものではない。
　金属板３０６のパワーモジュール３０１とは反対側には、パワーモジュール３０１ａ～３０１ｃの正・負極配線端子３３１，３３２に電力を供給する為のプリント基板３０８が配置されている。前記配線端子３３１，３３２とプリント基板３０８は、はんだ付けやプレスフィット等で電気的に接続されている。プリント基板３０８の金属カバー２０７側の面には、パワーモジュールの正・負極端子間の電圧を平滑化する為のコンデンサ３０９やノイズを抑制する為のインダクタ３１０などがはんだ付けされている。
　コンデンサ３０９としては、電解コンデンサや導電性高分子コンデンサなどが挙げられる。なお、金属カバー２０７のコンデンサ３０９と対向する部位には、コンデンサ３０９の防爆弁との距離を確保する為の溝や、コンデンサ３０９の筺体が挿入される為の穴が設けられていても良い。
　ここで、プリント基板３０８の配線層は複数層（主に偶数）からなり、プリント基板３０８のパワーモジュール３０１へ延びている正電位配線は第ｎ層に、負電位配線は第（ｎ＋１）層と交互に配置され、さらに正電位配線および負電位配線が対向するようにレイアウトすることで、コンデンサ３０９からパワーモジュール３０１間の配線インダクタンスの低減を図っている。また、パワーモジュール３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃとコンデンサ間の配線インダクタンスのバランスも均等にすることで、各パワーモジュールで発生する熱を均一にすることを図っている。なお、図示してはいないが、プリント基板３０８には電流検出のためのシャント抵抗や、ノイズ抑制のためのチップコンデンサ等が実装されていても良い。また、本実施例では電力を供給するための電気的配線としてプリント基板３０８を図示しているが、モールド樹脂に覆われたバスバや金属配線基板、更にはセラミック基板などを用いても良い。
　プリント基板３０８の金属カバー２０７とは反対側には、パワーモジュール３０１内部の半導体素子３０２ａ、３０２ｂを制御する為のドライバＩＣやマイコン、シャント抵抗で検出した電流値を増幅する為のオペアンプ等がはんだ付けされたプリント基板３１１が配置されている。パワーモジュール３０１のゲート配線３３４，３３５とプリント基板３１１は、はんだ付けやプレスフィット等で電気的に接続されている。また、モータ２００のシャフト２０５の先端には、位置検出用の磁石２１２が樹脂を介してシャフト２０５に圧入されており、位置検出用磁石２１２と対向するプリント基板３１１の面には、モータ回転軸の位置を検出するためのＩＣが１つ以上備えられている。
　プリント基板３０８，３１１にはそれぞれコネクタ３０７が備えられており、プリント基板間の信号のやり取りを可能としている。また、コネクタ３０７の位置に穴をあけた蓋３１２を備えることで、電力変換装置１００は外部にあるバッテリやトルクセンサ等の部品と電気的に接続できる。
　上記の構成においてインバータ３００のパワーモジュール３０１（３０１ａ～３０１ｃ）で発生した熱は、モータ側の金属カバー２０７からモータ側金属筺体２０１への放熱経路と、金属板３０６からの放熱経路の両方から放熱される。
　以上のように実施例１によれば次のような効果が得られる。
　（１）パワーモジュール（３０１）の両面に金属（金属カバー２０７と金属板３０６）を配置することで放熱面積および熱容量を大きくし、パワーモジュールで発生した熱を効果的に逃がすことができるため、パワーモジュールの小型化を実現できる。
　（２）パワーモジュールの金属製の各端子（３３１～３３５）を全て樹脂で覆う構造であるため、絶縁・放熱のための追加部材が削減される。また、樹脂の熱伝導率を３（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、樹脂厚さを３００（ｕｍ）とすることで樹脂の熱抵抗を低減することができ、パワーモジュールの放熱性がさらに改善される。
　（３）インバータ３００のための金属筺体が不要となるため、構造が簡略化される。
　＜実施例１の別形態＞
　前記金属板３０６はパワーモジュール３０１のみに接触していたのに対し、実施例１の別形態では、パワーモジュール３０１の周辺部を抜き出した断面構造を示す図６に示すように、金属板３０６’は金属カバー２０７とも面接触する構造となっている。実施例１では、パワーモジュール３０１で発生した熱のうち金属板３０６に伝導した熱は、インバータ３００内部の空気中に熱伝達でのみ放熱していた。これに対し、本実施形態は金属板３０６’に伝導した熱を金属カバー２０７を経由させ、モータ側金属筺体２０１へ伝えるため、より大きな放熱面積を活用することが可能となる。
　以上のような実施形態とすることで、パワーモジュール３０１で発生した熱をより効果的に逃がすことができ、パワーモジュールの更なる小型化を実現出来る。また、金属板３０６’がパワーモジュール３０１の位置決めをすることができる。なお、金属板３０６’と金属カバー２０７が接触する面には、接触熱抵抗を低減する部材として、グリス等が介在していても良い。また、金属板３０６’のプリント基板３０８側には、放熱フィンが備わっていても良い。
　以下の実施例２～７の説明では、図１～図５に示した電力変換装置１００のうち、既に説明した図における同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。
　図７は、本実施例２の電力変換装置の構成図の例で、モータ２００の軸方向断面で示したものである。モータ２００の構成は、実施例１と同様である。モータ側金属筺体２０１の軸方向他端側の開口部は、実施例１（図１）の場合よりも大径に構成され、その開口部には図１の蓋３１２の代わりにインバータの金属筺体３１３が配設されている。
　この金属筺体３１３のパワーモジュール３０１に対向する部位には金属製の台座３１４が、図１の金属板３０６の代わりに設けられている。したがって、パワーモジュール３０１の一方の面は、金属カバー２０７に接しており、他方の面は前述した台座３１４に接する実装方式となっている。ここで、台座３１４には、パワーモジュール３０１を位置決めする為の溝が設けられていても良く、またパワーモジュール３０１と金属カバー２０７及び台座３１４の間には、グリス等の部材が介在していても良い。また、台座３１４は金属カバー２０７側に備わっていても良い。
　この実施例２におけるパワーモジュール３０１は、ゲート端子３３４，３３５の位置が実施例１と変わっており、ゲート端子３３４，３３５は正・負極配線端子３３１，３３２側にある。
　パワーモジュール３０１の正・負極配線端子３３１，３３２およびゲート端子３３４、３３５と対向する位置にはプリント基板３０８が備えられており、金属筺体３１３または金属筺体２０１および金属カバー２０７にねじ止め等で固定されている。プリント基板３０８には、外部電源からパワーモジュール３０１までを電気的に接続する配線および、電圧平滑化のためのコンデンサ３０９やインダクタ等が実装されている。
　さらに、プリント基板３０８には、パワーモジュール３０１の半導体素子３０２ａ，３０２ｂを制御するためのＩＣや、位置検出用磁石２１２と対向する位置に配置された位置検出用ＩＣなどが、はんだ付け等で実装されている。また、例えば半導体素子３０２ａ，３０２ｂを制御するためのＩＣの実装面や、コンデンサ３０９の実装面にはサーマルビアが備えられており、絶縁性の放熱シート等を介して金属筺体３１３に備えられた台座３１４へ熱を放熱する実装構造となっていても良い。
　金属筺体３１３は蓋の役割も担っており、モータ２００の金属筺体２０１とねじ止め等で固定される。
　上記の構成において、インバータ３００のパワーモジュール３０１で発生した熱は、モータ側の金属カバー２０７からモータ側金属筺体２０１への放熱経路と、インバータ側の台座３１４からインバータ側金属筺体３１３およびモータ側金属筺体２０１への放熱経路の両方から放熱される。
　以上のように実施例２によれば以下の効果を得ることができる。
　（１）パワーモジュール（３０１）で発生した熱を逃がすための金属板（３０６）を追加で用意することなく、従来からあるインバータの金属筺体（３１３）を用いることで、
部品点数の増加が抑制される。
　（２）パワーモジュールで発生した熱を、インバータの金属筺体（３１３）およびモータの金属筺体（２０１）の双方に伝導させることで、放熱面積をより大きくすることができ、パワーモジュールの小型化が実現される。
　（３）コンデンサ等が実装されたプリント基板（３０８）で発生した熱も、インバータの金属筺体（３１３）に伝導することで外部へ逃がすことができ、プリント基板およびコンデンサの小型化が実現される。
　次に実施例３を図８～図１０とともに説明する。図８は、実施例３の電力変換装置の断面図、図９はパワーモジュールの上面図、図１０はターミナルバスバ先端の平面図である。前記実施例１、２では、パワーモジュール３０１の端子３３１～３３５は、パワーモジュールの側面から外部に出してモータ２００の固定子巻線やプリント基板の電気配線と接続していた。
　これに対し、本実施例３は図９に示すように、パワーモジュール３０１の相出力端子３３３上の樹脂３０４を貫通して窓３５０を１か所以上形成した。また、ターミナルバスバ２１０の出力配線３５３の先端は、図１０に示すように二股構造となっており、パワーモジュール３０１の窓３５０と一致する構造となっている。
　このように構成することで、出力配線３５３を窓３５０に挿入した際に、パワーモジュール３０１の相出力端子３３３と出力配線３５３は圧接状態で電気的に良好に接続することが可能となる。なお、本実施形態ではパワーモジュール３０１の相出力端子３３３だけに窓３５０を設けた構成となっているが、正・負極配線端子３３１，３３２やゲート端子３３４，３３５にも同様な窓部が設けられていても良く、各端子に電気的に接続する配線は圧接接合可能な形状とする。また、正・負極配線端子３３１，３３２と電気的に接続するインバータ３００の配線は、モールドバスバにより成型されているものでも良い。
　以上のように実施例３によれば以下の効果を得ることができる。
　（１）モータ側の配線およびインバータ側の配線と、パワーモジュールの各端子との電気的接続を、各部品を組み立てる際に同時に実施することができ、溶接等の工程を削減することができる。
　（２）パワーモジュールの金属配線長を短くすることができ、金属配線の電気抵抗の低減とコスト低減の両立を実現できる。
　（３）パワーモジュールの各端子を側面から露出させない構造とすることができ、これによってパワーモジュール実装面積の更なる小型化が実現される。
　図１１に、実施例４における電力変換装置の断面構造を示す。これまでの実施例では、インバータ３００はモータ２００の軸方向に配置されていたのに対し、本実施例４では、インバータ３００をモータ２００の周方向に配置した。モータ２００の構成は、実施例１と同様であるが、金属カバー２０７を境としたモータ側金属筺体２０１の軸方向他端側の開口部は除去している。
　本実施例４において、パワーモジュール３０１はインバータ３００のインバータ側金属筺体３１３内に設けられている。すなわちインバータ側金属筺体を構成する一方の板３１３ａの肉厚部３１３ａａの筺体内側表面にパワーモジュール３０１が配設され、パワーモジュール３０１の前記肉厚部３１３ａａと反対側の面は、前記一方の板３１３ａに対向する蓋３１２（他方の板）に設けられた台座３１４に接している。前記インバータ側金属筺体３１３の一方の板３１３ａはモータ側金属筺体２０１の外周板２０１ａと接触固定されている。
　モータ２００側のターミナルバスバ２１０からの金属配線２１３は、金属カバー２０７およびモータ側金属筺体２０１の外周板２０１ａに各々設けた穴（図示省略）を介して、インバータ３００側に導出され、その端部は、インバータ側金属筺体３１３ａの一方の板３１３ａの肉厚部３１３ａａの外表面に設けたターミナル部３９０に電気的に接続されている。
　このターミナル部３９０には、パワーモジュール３０１から前記金属筺体３１３外に露出した相出力端子３３３の先端も接続され、ターミナル部３９０を構成する例えば金属ネジによって前記金属配線２１３とともに締結される。
　パワーモジュール３０１のその他の各端子３３１，３３２、３３４、３３５は前記金属筺体３１３内に配設されたプリント基板３０８に接続されている。
　上記の構成において、パワーモジュール３０１で発生した熱は、インバータ側金属筺体３１３の台座３１４および蓋３１２を通る放熱経路と、肉厚部３１３ａａおよびモータ側金属筺体２０１の外周板２０１ａを通る放熱経路の両方から放熱される。
　以上のように実施例４によれば以下の効果を得ることができる。
　（１）モータの金属筺体とインバータの金属筺体双方を放熱のために活用することができ、パワーモジュールで発生した熱をより外部へ逃がすことで、パワーモジュールの小型化を実現できる。
　（２）モータおよびインバータを別々に用意し接続することが可能となり、部品の選定自由度および実装の自由度が大幅に改善される。
　図１２に、本発明を電動パワーステアリング装置に適用した実施例５の断面構造を示す。図１２は、電動パワーステアリング装置の一部である。図１２（ａ）において、前記実施例１（図１）で示した電力変換装置１００の金属筺体２０１には、減速機構４００がねじ止め等で接続されている。減速機構４００は、ステアリング軸４０１、ウォームホイール４０２、ウォームギア軸４０３、ウォームギア４０４、減速機構金属筺体４０５で構成されている。減速機構金属筺体４０５は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で成型されている。
　電動パワーステアリング装置は、運転者がハンドルを操作させた際に、減速機構４００を介してステアリング軸４０１にアシストトルクを加え、運転者のハンドル操作力を低減する。
　以上のような構成とすることで、パワーモジュール３０１で発生した熱は、金属カバー２０７およびモータ側金属筺体２０１を介して減速機構４００の金属筺体４０５まで伝導することができる。
　また、減速機構４００、モータ２００、インバータ３００の並びは図１２（ａ）に示される以外の形態でもよく、例えば図１２（ｂ）に示すように、減速機構４００とモータ２００の間にインバータ３００を配置してもよい。
　図１２（ｂ）において図１２（ａ）と異なる点は、シャフト２０５の軸方向他端側を閉塞部２０１ｓｓによって密閉し、軸方向一端側にモータ側金属筺体２０１の開口部を設け、その開口部内に図１２（ａ）と同様のインバータ３００を設け、コネクタ３０７は前記筺体２０１の開口部外周に配設し、コネクタ３０７とプリント基板３０８、３１１を配線により各々結んだ点にある。尚、２２０はレゾルバである。
　この場合には、パワーモジュール３０１の一方の面はモータの金属カバー２０７に、他方の面は金属板３０６に各々接し、発生した熱を放熱する。また、別の形態として、パワーモジュール３０１の実装位置は、減速機構４００の金属筺体４０５でも良く、この場合にはパワーモジュール３０１で発生した熱は減速機構の金属筺体４０５と金属板３０６へ放熱することとなる。
　以上のように実施例５によれば以下の効果を得ることができる。
（１）パワーモジュールで発生した熱は、金属筺体２０１から減速機４００へ伝熱することが可能となり、放熱面積をさらに拡大することができ、パワーモジュールの小型化を実現する。
（２）モータ・インバータ・減速機構の設計自由度を大幅に改善することができ、様々な製品への展開を可能とする。
　図１３に、実施例６の断面構造を示す。図１３は、インバータ装置（３００）の一部を示している。図１３において、パワーモジュール３０１には、該パワーモジュール３０１と略同等の厚みを有したスペーサー５０３が隣接配置され、それらスペーサー５０３およびパワーモジュール３０１の両面に放熱用の冷却フィン５０１が設けられている。
　前記スペーサ５０３を介して冷却フィン５０１をねじ止め等で固定することで、パワーモジュール３０１にかかる圧力が設計値以上になることを抑制している。なお、パワーモジュール３０１と冷却フィン５０１の間には、グリス等の接触熱抵抗を低減する部材が介在していても良い。また、図示していないが、パワーモジュール３０１は複数備わっており、冷却フィン５０１はパワーモジュール３０１個々に備わっていても良く、全てのパワーモジュールに共通する２個（両面の２個）で構成されていても良い。
　パワーモジュール３０１は、例えば図２（ａ）のように２個の半導体素子と、それに接続された各端子と、それらを封止する樹脂３０４とを備えているが、各端子は全て一辺に集約されており、スペーサー５０３と反対側に冷却フィン５０１と隣接して配設された樹脂ケース５００内に導出されている。
　この樹脂ケース５００にはフィルムキャパシタ５０４、半導体素子を制御するためのＩＣなどが実装されたプリント基板３０８、端子台５０５などが設けられている。また、フィルムキャパシタ５０４の周辺には樹脂５０６が含浸されている。
　フィルムキャパシタ５０４とパワーモジュール３０１の出力端子は溶接等で接続され、プリント基板３０８とパワーモジュール３０１のゲート端子ははんだ付け等で接続される。
　以上のように実施例６によれば以下の効果を得ることができる。
　（１）フルモールドパワーモジュール（３０１）の両面から熱を逃がすことで、パワーモジュールの小型化、即ちインバータ装置の小型化が実現される。
　（２）フルモールドパワーモジュールおよび冷却フィンを活用することで、発熱部品のパワーモジュールと電子部品を分離することができ、電子部品の耐熱性向上を実現する。
　（３）冷却フィンとパワーモジュールを分離する構造とすることで、冷却フィンおよびパワーモジュールのサイズを任意に変更することができる。
　図１４に、本発明をオイルポンプシステムにおける機電一体型駆動装置に適用した実施例７の断面構造を示す。図１４において、機電一体型駆動装置６００は、モータ２００およびインバータ３００で構成される。インバータ３００を用いてモータ２００を駆動することで、吸入部６０４から吐出部６０５へ流れるオイル量を制御している。
　インバータ３００は、平板状のヒートシンク６０１およびケース６０２によって金属筺体が形成され、その金属筺体内にはヒートシンク６０１と平行してプリント基板３１１が配設されている。プリント基板３１１の略中央には穴６０３が設けられ、該穴６０３を通して電力変換用のパワーモジュール３０１が１つ以上配設されている。
　パワーモジュール３０１の一方の面はヒートシンク６０１に接し、他方の面には金属板３０６が配設されている。この金属板３０６の一方の面はパワーモジュール３０１に接し、他方の面は金属製のケース６０２に接している。前記ケース６０２にはモータ２００が配置され、モータ側金属筺体２０１が接している。
　パワーモジュール３０１は、例えば図２（ａ）の半導体素子および各端子とそれらを封止する樹脂とを備え、金属製の各端子は外部に直線状に露出されプリント基板３１１と接続されている。
　したがって、パワーモジュール３０１の各端子とプリント基板３１１の電気的接続面が同一面であるため、前記各端子の曲げ加工等は不要である。
　プリント基板３１１には、コンデンサ６１０、インダクタ６１１、コネクタ６１２や制御用のＩＣなどが実装されており、モータ２００をきめ細やかに制御することが可能となっている。ヒートシンク６０１は熱伝導および熱容量の大きなアルミニウム等の金属で構成されている。ケース６０２は、加工性が良く安価な鉄などの金属で構成されている。
　上記構成によれば、プリント基板３１１を介さずパワーモジュール３０１の一方の面が直接ヒートシンク６０１に接しているので、パワーモジュール内の半導体素子で発生した熱を効果的に逃がすことができる。さらに、他方の面からケース６０２への伝熱経路を設けていることで、より高放熱な実装を実現することが可能となる。
　なお、金属板３０６はケース６０２の一部であっても構わない。また、パワーモジュール３０１とヒートシンク６０１の間にはグリス等が備わっていても良い。さらに、ケース６０２の役割をモータ２００の金属筺体２０１が担っていても良い。
　以上のように実施例７によれば以下の効果を得ることができる。
　（１）フルモールドパワーモジュール３０１の両面から、プリント基板３１１を介さずに熱を逃がすことで、パワーモジュールの小型化、即ちインバータ装置の小型化が実現される。
　（２）パワーモジュールの金属端子とプリント基板の電気的接続面が同一面にくることで、金属端子に曲げ等の加工が不要となり、コスト・工数を削減することができる。
１００…電力変換装置，２００…モータ，２０１…モータ側金属筺体，２０１ｓ，２０１ｓｓ…閉塞部，２０２…固定子，２０３、２０８…ベアリング，２０４…回転子，２０５…シャフト，２０６…固定子巻線出力部，２０７…金属カバー，２０９…インロー構造，２１０…ターミナルバスバ，１１…金属カバー穴部，２１２…位置検出用磁石，２１３…金属配線，１４…穴，３００…インバータ，３０１…パワーモジュール，３０２ａ～３０２ｃ…半導体素子，３０４…樹脂，３０５…樹脂厚さ，３０６，３０６’…金属板，３０７，６１２…コネクタ，３０８，３１１…プリント基板，３０９，６１０…コンデンサ，３１０，６１１…インダクタ，３１２…蓋，３１３…インバータ側金属筺体，３１３ａ…一方の板，３１３ａａ…肉厚部，３１４…台座，３３１…正極配線端子，３３２…負極配線端子，３３３…相出力端子，３３４，３３５…ゲート端子，３５０…パワーモジュール窓部，３５３…出力配線，３９０…ターミナル部，４００…減速機構，４０１…ステアリング軸，４０２…ウォームホイール，４０３…ウォームギア軸，４０４…ウォームギア，４０５…減速機構の金属筺体，５００…樹脂ケース，５０１…冷却フィン，５０３…スペーサー，５０４…フィルムキャパシタ，５０５…端子台，５０６：樹脂，６００…機電一体型駆動装置，６０１…ヒートシンク，６０２…ケース，６０３…穴，６０４…吸入部，６０５…吐出部。

Claims (13)

  1. 　モータとインバータを備える電力変換装置において、
    　前記モータの金属筺体上に前記インバータのパワーモジュールが少なくとも１つ以上配置され、前記パワーモジュールの前記金属筺体との接触面とは逆の面に、放熱用の金属板がそれぞれ設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 　請求項１に記載の電力変換装置において、
    　前記パワーモジュールは、半導体素子と、前記半導体素子の電極に接続される金属配線と、前記半導体素子および金属配線を封止する絶縁性の樹脂とを有し、
    　前記モータの金属筺体と接する面および前記金属板と接する面は、前記絶縁性の樹脂で覆われていることを特徴とする電力変換装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の電力変換装置において、
    　前記金属板は、前記パワーモジュールの前記金属筺体との接触面と同一面に面接触していることを特徴とする電力変換装置。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
    　前記放熱用の金属板は前記インバータの金属筺体であることを特徴とする電力変換装置。
  5. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
    　前記電力変換装置は、減速機構と、前記減速機構に連結されたモータと、前記モータに電力を供給するインバータとを備えた電動パワーステアリング装置であることを特徴とする電力変換装置。
  6. 　モータとインバータを備える電力変換装置において、
    　前記インバータの金属筺体上に前記インバータのパワーモジュールが少なくとも１つ以上配置され、前記パワーモジュールの前記金属筺体との接触面とは逆の面に、放熱用の金属板がそれぞれ設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  7. 　請求項６に記載の電力変換装置において、
    　前記インバータは前記モータの軸と平行に配置され、
    　前記パワーモジュールは前記インバータの金属筺体を構成する一方の板の筺体内側の面に配設され、
    　前記放熱用の金属板は、前記インバータの金属筺体の一方の板に対向する他方の板で構成され、
    　前記インバータの金属筺体の一方の板は、前記モータの金属筺体の、モータ軸に平行する外周板に接していることを特徴とする電力変換装置。
  8. 　請求項６に記載の電力変換装置において、
    　前記放熱用の金属板は前記モータの金属筺体に接していることを特徴とする電力変換装置。
  9. 　請求項２ないし８のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
    　前記パワーモジュールの樹脂には、該樹脂で封止された金属配線を露出させる窓部が形成され、
    　前記モータの巻線に接続された配線は、前記窓部に挿入されて前記金属配線と接合されていることを特徴とする電力変換装置。
  10. 　請求項２ないし９のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
    　前記パワーモジュールの半導体素子は、上アーム側半導体素子と、下アーム側半導体素子と、前記上アーム側半導体素子および下アーム側半導体素子の共通接続点と相出力端子との間に接続されたモータ出力側半導体素子とを備えていることを特徴とする電力変換装置。
  11. 　半導体素子と、一端が前記半導体素子の電極に接続される金属配線と、前記半導体素子および金属配線を封止する絶縁性の樹脂とを有したパワーモジュールと、前記パワーモジュールの両面に配設された放熱フィンとを備え、
    　前記パワーモジュールおよび放熱フィンは前記樹脂を介して接触していることを特徴とする電力変換装置。
  12. 　請求項１１に記載の電力変換装置において、
    　前記パワーモジュールの両面に配設された放熱フィンの間にはスペーサーが介在されていることを特徴とする電力変換装置。
  13. 　請求項１１又は１２に記載の電力変換装置において、
    　前記金属配線の他端は前記パワーモジュールから外部へ導出されており
    　前記金属配線のうち、前記半導体素子のドレイン電極、ソース電極から導出された金属配線はキャパシタに接続され、前記半導体素子のゲート電極から導出された金属配線は前記半導体素子を制御するための部品が実装された基板に接続され、前記キャパシタおよび基板は樹脂製のケースに一体に収納されていることを特徴とする電力変換装置。
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