JP6537246B2 - パワーモジュール及びパワーユニット - Google Patents

Description

本発明は、パワーモジュール及びパワーユニットに関する。

従来、特許文献１にも記載されるように、Ｐ電極とＮ電極と間にＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの２組の半導体スイッチ素子が直列に接続され、同２組の半導体スイッチ素子同士の接続点をＡＣ電極としたブリッジ回路がＤＣ−ＡＣインバータ等に用いられている。よく知られるように、モータ制御系の多相出力インバータとして、このブリッジ回路を複数相分有した回路が構成される。
特許文献１に記載のパワーユニットにあっては、交流モータの端面に配置するために、複数のパワーモジュールを円環状の配置スペースに放射状に配置する。

特許第４７０８９５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のパワーモジュールにあっては、Ｐ電極端子及びＮ電極端子とＡＣ電極端子は反対側（対辺）に配置され、上アーム側の半導体スイッチング素子の信号端子と下アーム側の半導体スイッチング素子の信号端子も、反対側（対辺）に配置され、端子が配置される一組の対辺である辺々の長さが等しくなり、矩形状に構成されている。
図８に示すように、矩形状のパワーモジュール１００を、円環状の配置スペースに複数配置すると、無駄なスペース１０１が生じ、スペース効率が悪化するという問題がある。 無駄なスペース１０１が生じている分だけ、円環状の配置スペースの外径１０２が大きくならざるを得ず、徒にパワーユニットを大型化させてしまうという問題がある。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、円環状の配置スペースにスペース効率よく複数を配置することができるパワーモジュールを提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、Ｐ電極とＮ電極と間に２組の半導体スイッチ素子が直列に接続され、同２組の半導体スイッチ素子同士の接続点をＡＣ電極としたブリッジが一の回路基板上に１又は複数構成されたパワーモジュールであって、
前記半導体スイッチ素子のそれぞれに対し並列に接続するフリーホイールダイオードが前記回路基板上に搭載され、
前記回路基板は、幅が異なる相対する端部を有し、そのうち比較的幅広の端部にＰ電極端子、Ｎ電極端子及びＡＣ電極端子が配設され、比較的幅狭の端部に前記２組の半導体スイッチ素子に接続するための信号端子が配設され、
前記回路基板の外形は、前記比較的幅狭の端部で幅方向に延在する直線状の辺を形成し、
前記複数の信号端子が前記辺に沿って配設されてなるパワーモジュールである。

請求項２記載の発明は、前記Ｐ電極と前記信号端子との間に、カソード電極が前記Ｐ電極と等電位になるように接続するダイオードが前記回路基板上に搭載された請求項１に記載のパワーモジュールである。

請求項３記載の発明は、前記ＡＣ電極端子は、前記Ｐ電極端子と前記Ｎ電極端子の間に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュールである。

請求項４記載の発明は、前記回路基板を平面視して、前記ＡＣ電極端子の中心位置は、前記Ｐ電極端子の中心位置と前記Ｎ電極端子の中心位置とを結ぶ直線より、外側に配置されている請求項３に記載のパワーモジュールである。

請求項５記載の発明は、前記回路基板を平面視して、前記ＡＣ電極端子の長手方向、前記Ｐ電極端子の長手方向、及び前記Ｎ電極端子の長手方向が同一方向である請求項４に記載のパワーモジュールである。

請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュールが、前記比較的幅広の端部を外周側とし前記比較的幅狭の端部を内周側として円環状の配置スペースに複数配置されてなるパワーユニットである。

本発明のパワーモジュールによれば、比較的大電流を流すために比較的太くなるＰ電極端子、Ｎ電極端子及びＡＣ電極端子が比較的幅広の端部に配設され、比較的小さな電流を流すために比較的細くなる信号端子が比較的幅狭の端部に配設され、比較的幅広の端部を外周側とし比較的幅狭の端部を内周側として円環状の配置スペースに複数配置することができるから、円環状の配置スペースにおいて無駄なスペースを削減してスペース効率よく複数を配置することができる。

本発明の実施形態に係るパワーモジュールに構成される１ブリッジ分の回路図である。 本発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの平面図である。 本発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの平面図であって、図２のものとは異なる外形のものを示したものである。 本発明の第１実施形態に係るパワーユニットにおけるパワーモジュールの配置を示した平面図である。 本発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの平面図である。 本発明の第２実施形態に係るパワーモジュールの模式的斜視図である。 本発明の第２実施形態に係るパワーユニットの斜視図である。 従来の一例に係るパワーユニットにおけるパワーモジュールの配置を示した平面図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

〔パワーモジュールの回路基本構成〕
まず、パワーモジュールの回路の基本構成につき説明する。図１は、パワーモジュールに構成される１ブリッジ分の回路図を示す。
図１に示すように本回路は、Ｐ電極（図上「Ｐ」）とＮ電極（図上「Ｎ」）と間に２組の半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２が直列に接続され、同２組の半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２同士の接続点をＡＣ電極（図上「ＡＣ」）としたブリッジＢＲを構成する。半導体スイッチ素子Ｔ１はＰ電極とＡＣ電極とに接続され、半導体スイッチ素子Ｔ２はＡＣ電極とＮ電極とに接続される。
本例では、半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、半導体スイッチ素子Ｔ１にフリーホイールダイオードＤ１が並列に接続され、半導体スイッチ素子Ｔ２にフリーホイールダイオードＤ２が並列に接続される。
本実施形態のパワーモジュールは、このようなブリッジＢＲが一の回路基板上に１又は複数構成されたものである。
また、ダイオードＤ３がＰ電極と制御信号端子６（１８）との間にカソード電極がＰ電極と等電位になるように接続する。なお、制御信号端子６（１８）の内わけは、１つのブリッジにつき、素子Ｔ１のゲート電極及びエミッタ電極、ダイオードＤ３のアノード電極、素子Ｔ２のゲート電極及びエミッタ電極である（図２，３，５参照）。

〔第１実施形態〕
図２から図４を参照して第１実施形態のパワーユニットにつき説明する。第１実施形態に係るパワーモジュール１Ａの平面図を図２に、第１実施形態に係るパワーモジュール１Ｂを図３に示す。図４に示すようにパワーモジュールが円環状に配置されてパワーユニットが構成される。パワーモジュール１Ａはその外形を五角形としたものであり、パワーモジュール１Ｂはその外形を六角形としたものであり、その他は互いに同様である。
図２、図３に示すように、本実施形態に適用されるパワーモジュール１Ａ，１Ｂは、金属製のベースプレート（不図示）に接合された回路基板２に上述したブリッジＢＲが１つ構成されたものである。１つのブリッジ分の半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２、フリーホイールダイオードＤ１，Ｄ２及び制御用のダイオードＤ３を図２及び図３に示す。回路基板２は、絶縁基板の一表面（上面とする）に電極パターンが形成されたもので、絶縁基板の下面はベースプレートに接合されている。

図２及び図３により示すようにパワーモジュール１Ａ，１Ｂには、Ｐ電極端子３、Ｎ電極端子４、ＡＣ電極端子５、制御信号端子６が設けられている。制御信号端子６に駆動回路（不図示）からの制御信号が印加されて半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２をスイッチング動作させる。
図において回路基板２の上側の端部の幅をＷ１とし、下側の端部の幅をＷ２とする。幅Ｗ１は幅Ｗ２より広い。幅Ｗ１を有する端部と、幅Ｗ２を有する端部とは相対する端部である。すなわち、回路基板２は、幅が異なる相対する端部を有する。そのうち比較的幅広の端部は、幅Ｗ１を有する端部であり、幅Ｗ１を有する端部にＰ電極端子３、Ｎ電極端子４及びＡＣ電極端子５が配設されている。比較的幅狭の端部は、幅Ｗ２を有する端部であり、幅Ｗ２を有する端部に２組の半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２に接続するための制御信号端子６が配設されている。ＡＣ電極端子５は、Ｐ電極端子３とＮ電極端子４の間に配置されている。

図２に示すようにパワーモジュール１Ａにおいて、幅Ｗ１を有する端部の縁７Ａは２辺で構成され、幅Ｗ１を有する端部の縁は一辺８で構成される。回路基板２は、縁７Ａと、辺８と、これらを繋ぐ側辺９，９とにより、五角形状の外形に形成されている。相対する側辺９と側辺９は等しい長さである。
これに対し図３に示すようにパワーモジュール１Ｂは、縁７Ｂを３辺で構成し、六角形状の外形に構成したものである。
また、パワーモジュール１Ａ，１Ｂの外形は、円環状に複数を配置するための外形である。そのため、図２及び図３に示すように、点Ｏを中心とする外円弧ＧＴと内円弧ＧＩに挟まれる領域を点Ｏから伸ばした半径方向の直線により切り取った形状にほぼ一致する。側辺９，９は、この「点Ｏから伸ばした半径方向の直線」に重なる。
縁７Ａ、７Ｂの辺々は、外円弧ＧＴに沿ったものである。すなわち、縁７Ａ、７Ｂは、外円弧ＧＴを複数の線分（弦）の連結により近似的に置き換えたものである。縁７Ａ、７Ｂを構成する各線分の両端点が外円弧ＧＴ上にある。
また、辺８は内円弧ＧＩに沿ったものである。すなわち、辺８は内円弧ＧＩを一つ線分（弦）により近似的に置き換えたものである。辺８の両端点が内円弧ＧＩ上にある。
なお、縁７Ａ、７Ｂを直線状に構成せず、外円弧ＧＴに重なる円弧（外円弧ＧＴを側辺９，９と交わる点で切り取った円弧）としてもよいし、辺８を直線状に構成せず、内円弧ＧＩに重なる円弧（内円弧ＧＩを側辺９，９と交わる点で切り取った円弧）としてもよい。
Ｐ電極端子３、Ｎ電極端子４及びＡＣ電極端子５は点Ｏを中心とした半径方向に見て、互いに重ならないように配置され、制御信号端子６を構成する個々の端子も点Ｏを中心とした半径方向に見て、互いに重ならないように配置される。パワーモジュール１Ａ，１Ｂの点Ｏを中心とした半径方向の寸法を抑えるためである。
以上のようにパワーモジュール１Ａ，１Ｂの外形が構成されるため、図４に示すようにパワーモジュール１Ａ，１Ｂをスペース効率良く円環状に配置し、パワーユニットを構成することができる。図４では代表してパワーモジュール１Ｂを示す。
図４に示すように複数のパワーモジュール（１Ｂ）が周方向に並べられる。

図２及び図３に示すように回路基板２を平面視して、真ん中のＡＣ電極端子５の中心位置は、Ｐ電極端子３の中心位置とＮ電極端子４の中心位置とを結ぶ直線より、外側に配置されている。この配置によって、Ｐ電極端子３、Ｎ電極端子４及びＡＣ電極端子５を外円弧ＧＴに沿ってスペース効率よく配置することができる。

図８に示した矩形状のパワーモジュール１００を円環状に配置した場合の外径１０２を図４にも示す。
図８に示したように矩形状のパワーモジュール１００を円環状に配置した場合にあっては、パワーモジュール１００，１００間に無駄なスペース１０１が生じ、その分外径１０２が大きくなる。
パワーモジュールの形状的特徴に注目すると、パワーモジュール１００の内周側に配置される端部の幅は、外周側に配置される端部の幅に等しい。円環状に配置されたパワーモジュール１００の径方向の両端にＰ電極端子、Ｎ電極端子及びＡＣ電極端子のうちのいずれかが配置されるから、径方向の寸法が長くなる。これらが外径１０２を大きくする要因となっている。
これに対し、図４に示すように本発明の実施形態では、パワーモジュール（１Ｂ，１Ｂ）間の無駄なスペースが削減され、その分外径を小さくすることができる。
パワーモジュールの形状的特徴に注目すると、パワーモジュール（１Ｂ）の内周側に配置される端部の幅Ｗ２が狭いために、複数のパワーモジュール（１Ｂ）をより中心寄りに集合するように配置することができる。円環状に配置されたパワーモジュール（１Ｂ）の外周側の端部のみにＰ電極端子、Ｎ電極端子及びＡＣ電極端子が配置されるから、径方向の寸法が短くなる。これらが外径を小さくする要因となっている。
また、従来、制御信号端子６に接続される制御回路に搭載されていたダイオードＤ３が本パワーモジュールの回路基板２上に搭載される。そのため、制御回路を小型化することが可能となる。

〔第２実施形態〕
次に、図５から図７を参照して第２実施形態のパワーユニットにつき説明する。第２実施形態に係るパワーモジュール１０を図５及び図７に示す。
図５に示すように、本実施形態に適用されるパワーモジュール１０は、金属製のベースプレート１１に接合された回路基板１２に上述したブリッジＢＲが２つ構成されたものである。２つのブリッジ分の半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２、フリーホイールダイオードＤ１，Ｄ２及び制御用のダイオードＤ３を図５に示す。回路基板１２は、絶縁基板の一表面（上面とする）に電極パターンが形成されたもので、絶縁基板の下面はベースプレート１１に接合されている。

図５及び図６により示すように回路基板１２には、Ｐ電極端子１３、Ｎ電極端子１４，１５、ＡＣ電極端子１６，１７、制御信号端子１８が立設されている。Ｐ電極端子１３は、回路基板１２に構成された２つのブリッジで共通に用いられている。回路基板１２に構成された２つのブリッジのうち一方のブリッジは、Ｎ電極端子１４及びＡＣ電極端子１６にその他の電極が引き出され、他方のブリッジは、Ｎ電極端子１５及びＡＣ電極端子１７にその他の電極が引き出されている。

パワーモジュール１０のベースプレート１１の側縁に側方に突出した突起１１ａ，１１ｂが設けられている。
図７に示すように、本パワーユニット１は、円盤状のヒートシンク２０と、ヒートシンク２０に接合される上記パワーモジュール１０と、パワーモジュール１０に電気的に接続される他のモジュールとして駆動回路基板３０とを備える。
複数のパワーモジュール１０，１０，・・・がヒートシンク２０上に円環状に配置されている。図ではパワーモジュール１０の数が５の場合を示す。
ベースプレート１１の突起１１ａ、及び回路基板１２に設けられたＰ電極端子１３、Ｎ電極端子１４，１５、ＡＣ電極端子１６，１７は、当該円環状の配置の外周側に配置されている。ベースプレート１１の突起１１ｂ、及び回路基板１２に設けられた制御信号端子１８は、当該円環状の配置の内周側に配置されている。
駆動回路基板３０は、パワーモジュール１０を動作させる駆動回路が構成されたものであり、ヒートシンク２０の逆側でパワーモジュール１０に隣接して配置され、制御信号端子１８を介してパワーモジュール１０と電気的に接続される。
なお、駆動回路基板３０には、平滑コンデンサ３１も搭載されており、Ｐ電極端子１３、Ｎ電極端子１４，１５も駆動回路基板３０に接続され、平滑コンデンサ３１の一端がＰ極に、他端がＮ極に接続される。

一方、ヒートシンク２０には、パワーモジュール１０の搭載面に対して垂直に突出する棒状の位置決め部材２１が設けられている。
突起１１ａ，１１ｂは、位置決め部材２１を保持するように切り欠き形状に形成されている。位置決め部材２１は、パワーモジュール１０の突起１１ａ，１１ｂの位置、数に対応した位置、数で設けられる。図５に示すパワーモジュール１０にあっては、外周側に１つ、内周側に１つである。パワーモジュール１０は、その突起１１ａ，１１ｂが位置決め部材２１，２１に当接することでヒートシンク２０に対して位置決められている。

さらに位置決め部材２１に対し駆動回路基板３０が接続され、駆動回路基板３０は位置決め部材２１によってヒートシンク２０に対して位置決められている。例えば、図７に示すように、駆動回路基板３０に接続孔３２を設け、接続孔３２に位置決め部材２１を嵌め入れることで位置決めされる。また、接続孔３２でなく、駆動回路基板３０に切欠きを設けてこの切欠きで位置決め部材２１を保持する形としてもよい。
駆動回路基板３０は、円環状に形成された基板をベースとして一体に構成されている。駆動回路基板３０に接続される位置決め部材２１を、少なくとも２箇所好ましくは３か所以上とすることで安定的に位置決めすることができる。本実施形態では、突起１１ａが当接する外周側の位置決め部材２１が駆動回路基板３０と接続し、突起１１ｂが当接する内周側の位置決め部材２１は駆動回路基板３０と接続しない。

以上の第２実施形態に係るパワーモジュール１０おいては、回路基板１２は、幅が異なる相対する端部を有し、そのうち比較的幅広の端部にＰ電極端子１３、Ｎ電極端子１４，１５及びＡＣ電極端子１６，１７が配設され、比較的幅狭の端部に２組の半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２に接続するための制御信号端子１８が配設されてなる。
また、ＡＣ電極端子１６は、Ｐ電極端子１３とＮ電極端子１４の間に配置されている。ＡＣ電極端子１７は、Ｐ電極端子１３とＮ電極端子１５の間に配置されている。
さらに、回路基板１２を平面視して、ＡＣ電極端子１６の中心位置は、Ｐ電極端子１３の中心位置とＮ電極端子１４の中心位置とを結ぶ直線より、外側に配置されている。回路基板１２を平面視して、ＡＣ電極端子１７の中心位置は、Ｐ電極端子１３の中心位置とＮ電極端子１５の中心位置とを結ぶ直線より、外側に配置されている。
以上の構成により、図７に示すように比較的幅広の端部を外周側とし比較的幅狭の端部を内周側として円環状の配置スペースにパワーモジュール１０を複数配置することができる。したがって、上記第１実施形態と同様に円環状の配置スペースにおいて無駄なスペースを削減してスペース効率よく複数のパワーモジュール１０を配置することができ、パワーユニット１の小型化を図ることができる。
また、従来、制御信号端子１８に接続される制御回路に搭載されていたダイオードＤ３が本パワーモジュールの回路基板１２上に搭載される。そのため、制御回路を小型化することが可能となる。

また、第２実施形態にあっては、回路基板１２を平面視して、ＡＣ電極端子１６，１７の長手方向、Ｐ電極端子１３の長手方向、及びＮ電極端子１４，１５の長手方向が同一方向）である構成とした。ここで、Ｐ，Ｎ，ＡＣの各電極端子の長手方向は、図６において突出した部分（接続部分）を図５に示すように平面視した場合の長手方向であり、よって、図５において左右方向である。
かかる構成により、端子の位置決めが容易である。

１ パワーユニット
１Ａ，１Ｂ パワーモジュール
２ 回路基板
３ Ｐ電極端子
４ Ｎ電極端子
５ ＡＣ電極端子
６ 制御信号端子
１０ パワーモジュール
１２ 回路基板
１３ Ｐ電極端子
１４，１５ Ｎ電極端子
１６，１７ ＡＣ電極端子
１８ 制御信号端子
Ｄ１，Ｄ２ フリーホイールダイオード
Ｄ３ ダイオード
Ｔ１，Ｔ２ 半導体スイッチ素子

Claims (6)

1. Ｐ電極とＮ電極と間に２組の半導体スイッチ素子が直列に接続され、同２組の半導体スイッチ素子同士の接続点をＡＣ電極としたブリッジが一の回路基板上に１又は複数構成されたパワーモジュールであって、
   前記半導体スイッチ素子のそれぞれに対し並列に接続するフリーホイールダイオードが前記回路基板上に搭載され、
   前記回路基板は、幅が異なる相対する端部を有し、そのうち比較的幅広の端部にＰ電極端子、Ｎ電極端子及びＡＣ電極端子が配設され、比較的幅狭の端部に前記２組の半導体スイッチ素子に接続するための複数の信号端子が配設され、
   前記回路基板の外形は、前記比較的幅狭の端部で幅方向に延在する直線状の辺を形成し、
   前記複数の信号端子が前記辺に沿って配設されてなるパワーモジュール。
2. 前記Ｐ電極と前記信号端子との間に、カソード電極が前記Ｐ電極と等電位になるように接続するダイオードが前記回路基板上に搭載された請求項１に記載のパワーモジュール。
3. 前記ＡＣ電極端子は、前記Ｐ電極端子と前記Ｎ電極端子の間に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパワーモジュール。
4. 前記回路基板を平面視して、前記ＡＣ電極端子の中心位置は、前記Ｐ電極端子の中心位置と前記Ｎ電極端子の中心位置とを結ぶ直線より、外側に配置されている請求項３に記載のパワーモジュール。
5. 前記回路基板を平面視して、前記ＡＣ電極端子の長手方向、前記Ｐ電極端子の長手方向、及び前記Ｎ電極端子の長手方向が同一方向である請求項４に記載のパワーモジュール。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のパワーモジュールが、前記比較的幅広の端部を外周側とし前記比較的幅狭の端部を内周側として円環状の配置スペースに複数配置されてなるパワーユニット。

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