JP2006049542A - Power module - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a miniature power module having high output and being excellent in productivity. <P>SOLUTION: In the power module 100 composed of a pair of switching elements for performing electric conversion, an IGBT element T1 and a diode element D1 are electrically connected with a high side electrode 1 and a middle side electrode 3 to constitute an upper arm unit. An IGBT element T2 and a diode element D2 are electrically connected with a middle side electrode 3 and a low side electrode 2 to constitute a lower arm unit. In the power module 100, the upper arm unit and the lower arm unit are integrated and modularized, and further arranged in series in a lamination direction. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、パワーモジュールに関し、特に、モータ駆動装置に搭載されるインバータやコンバータを構成するパワーモジュールに関する。   The present invention relates to a power module, and more particularly, to a power module that constitutes an inverter or a converter mounted on a motor drive device.

最近、環境に配慮した自動車として、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）および電気自動車（Electric Vehicle）が注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。   Recently, hybrid vehicles and electric vehicles have attracted attention as environmentally friendly vehicles. A hybrid vehicle is a vehicle that uses a DC power source, an inverter, and a motor driven by the inverter as a power source in addition to a conventional engine. In other words, a power source is obtained by driving the engine, a DC voltage from a DC power source is converted into an AC voltage by an inverter, and a motor is rotated by the converted AC voltage to obtain a power source.

また、電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。   An electric vehicle is a vehicle that uses a DC power source, an inverter, and a motor driven by the inverter as a power source.

このようなハイブリッド自動車または電気自動車においては、インバータに加えて、直流電源からの直流電圧を昇圧してインバータに供給し、または、インバータからの直流電圧を降圧して直流電源に供給する昇降圧コンバータが一般に備えられる。   In such a hybrid vehicle or electric vehicle, in addition to the inverter, a step-up / down converter that boosts a DC voltage from a DC power source and supplies the boosted DC voltage to the inverter, or steps down a DC voltage from the inverter and supplies the DC power source. Is generally provided.

このようなインバータおよび昇降圧コンバータとしては、上アームおよび下アームの各々に半導体スイッチング素子を接続して構成したパワーモジュールを複数個組み込んだ構成が知られている（たとえば特許文献１〜３参照）。これらの特許文献によれば、個々のパワーモジュールについて、パッケージ内で上、下アームの各半導体スイッチング素子を接続して一体化することによって、外部に敷設される配線数の低減が図られている。   As such an inverter and a step-up / down converter, a configuration in which a plurality of power modules configured by connecting a semiconductor switching element to each of an upper arm and a lower arm is incorporated is known (see, for example, Patent Documents 1 to 3). . According to these patent documents, for each power module, the number of wirings laid outside is reduced by connecting and integrating the semiconductor switching elements of the upper and lower arms in the package. .

図６は、従来のパワーモジュールの一構成例の厚さ方向断面図である。   FIG. 6 is a cross-sectional view in the thickness direction of a configuration example of a conventional power module.

図６を参照して、パワーモジュールは、半導体スイッチング素子４５，４６と、スペーサ４７と、電極板４０，４２，４３ａ〜４３ｃと、はんだ層４４と、モールド樹脂５０とを備える。   Referring to FIG. 6, the power module includes semiconductor switching elements 45, 46, a spacer 47, electrode plates 40, 42, 43 a to 43 c, a solder layer 44, and a mold resin 50.

半導体スイッチング素子４５，４６は、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；ＩＧＢＴ）である。   The semiconductor switching elements 45 and 46 are, for example, insulated gate bipolar transistors (IGBT).

電極板４０は、図示しない電源ラインに接続されるハイサイド電極を構成する。電極板４２は、図示しない接地ラインに接続されるローサイド電極を構成する。電極板４３ａ〜４３ｃは、互いに接続されて、図示しない出力ラインに接続される出力電極（ミドルサイド電極とも称する）を構成する。以下において、電極板４０，４２，４３ａ〜４３ｃをそれぞれハイサイド板４０、ローサイド板４２およびミドルサイド板４３ａ〜４３ｃとも称する。   The electrode plate 40 constitutes a high side electrode connected to a power supply line (not shown). The electrode plate 42 constitutes a low side electrode connected to a ground line (not shown). The electrode plates 43a to 43c are connected to each other to form an output electrode (also referred to as a middle side electrode) connected to an output line (not shown). Hereinafter, the electrode plates 40, 42, and 43a to 43c are also referred to as a high-side plate 40, a low-side plate 42, and middle-side plates 43a to 43c, respectively.

半導体スイッチング素子４５は、ハイサイド板４０に固設され、ハイサイド板４０と電気的に接続される。半導体スイッチング素子４５とハイサイド板４０との接合は、はんだ層４４により成される。   The semiconductor switching element 45 is fixed to the high side plate 40 and is electrically connected to the high side plate 40. The semiconductor switching element 45 and the high side plate 40 are joined by a solder layer 44.

スペーサ４７は、導電体からなり、半導体スイッチング素子４５およびミドルサイド板４３ａに固設される。スペーサ４７と半導体スイッチング素子４５との接合は、はんだ層４４により成される。したがって、半導体スイッチング素子４５は、ミドルサイド板４３ａとも電気的に接続される。   The spacer 47 is made of a conductor and is fixed to the semiconductor switching element 45 and the middle side plate 43a. The spacer 47 and the semiconductor switching element 45 are joined by a solder layer 44. Therefore, the semiconductor switching element 45 is also electrically connected to the middle side plate 43a.

ハイサイド板４０とミドルサイド板４３ａとの間には、さらに、半導体スイッチング素子４５と並列に図示しないダイオード素子が固設される。半導体スイッチング素子４５とダイオード素子（図示せず）とは、インバータの上アームユニットを構成する。   A diode element (not shown) is further fixed in parallel with the semiconductor switching element 45 between the high side plate 40 and the middle side plate 43a. The semiconductor switching element 45 and the diode element (not shown) constitute an upper arm unit of the inverter.

半導体スイッチング素子４６は、ミドルサイド板４３ｃに固設され、はんだ層４４を介してミドルサイド板４３ｃと電気的に接続される。   The semiconductor switching element 46 is fixed to the middle side plate 43 c and is electrically connected to the middle side plate 43 c through the solder layer 44.

スペーサ４７は、半導体スイッチング素子４６およびローサイド板４２に固設される。これにより、半導体スイッチング素子４６は、ローサイド板４２とも電気的に接続される。   The spacer 47 is fixed to the semiconductor switching element 46 and the low side plate 42. As a result, the semiconductor switching element 46 is also electrically connected to the low side plate 42.

ローサイド板４２とミドルサイド板４３ｃとの間には、さらに、半導体スイッチング素子４６と並列に図示しないダイオード素子が固設される。半導体スイッチング素子４６とダイオード素子（図示せず）とは、インバータの下アームユニットを構成する。   A diode element (not shown) is further fixed in parallel with the semiconductor switching element 46 between the low side plate 42 and the middle side plate 43c. The semiconductor switching element 46 and the diode element (not shown) constitute a lower arm unit of the inverter.

さらに、上アームユニットに接続されるミドルサイド板４３ａと、下アームユニットに接続されるミドルサイド板４３ｃとは、ミドルサイド板４３ｂによって接続される。   Furthermore, the middle side plate 43a connected to the upper arm unit and the middle side plate 43c connected to the lower arm unit are connected by the middle side plate 43b.

モールド樹脂５０は、封止部材であり、半導体スイッチング素子４５，４６を封止する。   The mold resin 50 is a sealing member and seals the semiconductor switching elements 45 and 46.

以上の構成において、上、下アームユニットを構成する半導体スイッチング素子４５と半導体スイッチング素子４６とは、ミドルサイド電極４３ａ〜４３ｃによってモジュール内部において直列接続され、単一モジュール化された単相インバータを構成する。これにより、各素子を高密度に配置することができ、実装面積の小型化とともに、配線損失の低減を図ることができる。   In the above configuration, the semiconductor switching element 45 and the semiconductor switching element 46 constituting the upper and lower arm units are connected in series inside the module by the middle side electrodes 43a to 43c, thereby forming a single-phase inverter formed into a single module. To do. Thereby, each element can be arrange | positioned with high density, and reduction of wiring loss can be aimed at while reducing the mounting area.

さらに、パワーモジュールの小型化を実現する構成としては、図７に示すように、パワーモジュールの両面から冷却を行なう両面冷却型のものが開示されている。   Furthermore, as shown in FIG. 7, a double-sided cooling type cooling system that cools from both sides of the power module is disclosed as a configuration that realizes miniaturization of the power module.

図７は、たとえば特許文献１に記載される従来のパワーモジュールの他の構成例の厚さ方向断面図である。   FIG. 7 is a cross-sectional view in the thickness direction of another configuration example of the conventional power module described in Patent Document 1, for example.

図７を参照して、パワーモジュールは、電極板（ハイサイド板）４０と、電極板（ローサイド板）４２と、電極板（ミドルサイド板）４３と、スペーサ４７と、ハイサイド側の半導体スイッチング素子４５と、ローサイド側の半導体スイッチング素子４６と、はんだ層４４と、制御電極端子４８ａ，４８ｂと、ボンディングワイヤ４９ａ，４９ｂと、モールド樹脂５０とを備える。   Referring to FIG. 7, the power module includes an electrode plate (high side plate) 40, an electrode plate (low side plate) 42, an electrode plate (middle side plate) 43, a spacer 47, and semiconductor switching on the high side. An element 45, a low-side semiconductor switching element 46, a solder layer 44, control electrode terminals 48a and 48b, bonding wires 49a and 49b, and a mold resin 50 are provided.

半導体スイッチング素子４５は、ハイサイド板４０の内主面とスペーサ４７の一対の主面の一方との間に配される。半導体スイッチング素子４５とハイサイド板４０との接合面および半導体チップ４６とスペーサ４７と接合面は、それぞれはんだ層４４が介在する。   The semiconductor switching element 45 is disposed between the inner main surface of the high side plate 40 and one of the pair of main surfaces of the spacer 47. A solder layer 44 is interposed between the bonding surface of the semiconductor switching element 45 and the high side plate 40 and the bonding surface of the semiconductor chip 46 and the spacer 47.

半導体スイッチング素子４６は、ミドルサイド板４３の内主面とスペーサ４７の一対の主面の一方との間に配され、はんだ層４４により接合されている。   The semiconductor switching element 46 is disposed between the inner main surface of the middle side plate 43 and one of the pair of main surfaces of the spacer 47, and is joined by a solder layer 44.

スペーサ４７は、互いに厚さが異なる半導体スイッチング素子４５，４６の厚さの差を吸収するだけの厚さの差を有し、これにより、ハイサイド板４０の外主面と、ローサイド板４２の外主面とは同一高さとされている。   The spacer 47 has a thickness difference sufficient to absorb the difference in thickness between the semiconductor switching elements 45 and 46 having different thicknesses, whereby the outer main surface of the high side plate 40 and the low side plate 42 The outer main surface has the same height.

制御電極端子４８ａ，４８ｂは、ボンディングワイヤ４９ａ，４９ｂによって、半導体スイッチング素子４５，４６の制御電極をなすボンディングパッド（図示せず）に接続される。   The control electrode terminals 48a and 48b are connected to bonding pads (not shown) that form control electrodes of the semiconductor switching elements 45 and 46 by bonding wires 49a and 49b.

モールド樹脂５０は、たとえばエポキシ樹脂であって、半導体スイッチング素子４５，４６をミドルサイド板４３、ハイサイド板４０およびローサイド板４２の外主面を露出させてモールドする。   The mold resin 50 is, for example, an epoxy resin, and the semiconductor switching elements 45 and 46 are molded with the outer main surfaces of the middle side plate 43, the high side plate 40, and the low side plate 42 exposed.

本構成によれば、ミドルサイド板４３が両半導体スイッチング素子４５，４６の共通基板を兼ねるため、両半導体スイッチング素子の高密度配置が図られる。また、ハイサイド板４０およびローサイド板４２と、ミドルサイド板４３とをそれぞれ冷却部材に密着させる両面冷却構造によって放熱性を高め、パワーモジュールの小型大出力化を実現することができる。
特開２００１−３０８２６３号公報 特開平１０−２８５９５０号公報 特開平６−７８５４９号公報 According to this configuration, since the middle side plate 43 also serves as a common substrate for both semiconductor switching elements 45 and 46, a high-density arrangement of both semiconductor switching elements can be achieved. Further, the heat radiation performance can be enhanced by the double-sided cooling structure in which the high-side plate 40, the low-side plate 42, and the middle-side plate 43 are in close contact with the cooling member, and the power module can be reduced in size and output.
JP 2001-308263 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-285950 JP-A-6-78549

上記のように、図６および図７に示す従来のパワーモジュールは、上下アームを構成する一対の半導体スイッチング素子をモジュール内で直列接続する構成とすることで、小型化を図るものである。   As described above, the conventional power module shown in FIGS. 6 and 7 is designed to be miniaturized by adopting a configuration in which a pair of semiconductor switching elements constituting upper and lower arms are connected in series within the module.

一方、いずれの構成においても、両半導体スイッチング素子は平面上に配置されることから、パワーモジュールを複数個搭載してなる車載用のインバータにおいては、その実装面積が搭載する個数に比例して大きくなってしまう。   On the other hand, in any configuration, since both semiconductor switching elements are arranged on a plane, in a vehicle-mounted inverter in which a plurality of power modules are mounted, the mounting area increases in proportion to the number mounted. turn into.

車載用のインバータにおいては、ハイブリッド自動車等の高出力化の要求に伴なって、出力特性の高いことが求められている。インバータの高出力化には、半導体スイッチング素子数を増やすことが有効である。しかしながら、半導体スイッチング素子を平面上に配置する従来のパワーモジュールにおいては、車両搭載スペース上の制約を受けて、増加できる素子数に限界が生じていた。   In-vehicle inverters are required to have high output characteristics in accordance with the demand for higher output of hybrid vehicles and the like. To increase the output of the inverter, it is effective to increase the number of semiconductor switching elements. However, in the conventional power module in which the semiconductor switching elements are arranged on a plane, the number of elements that can be increased is limited due to restrictions on the vehicle mounting space.

さらに、パワーモジュールにおいては、上記の小型高出力化に加えて、生産性の高いことが要求される。すなわち、できる限り簡素な構造であって、かつ組付が容易であることが要求される。   Further, the power module is required to have high productivity in addition to the above-described miniaturization and high output. That is, it is required to have a structure as simple as possible and easy to assemble.

この点について、従来のパワーモジュールでは、隣り合う２つの電極板の外主面が同一平面をなすように組み付ける必要があり、高い組付精度が要求される。   In this regard, in the conventional power module, it is necessary to assemble so that the outer main surfaces of two adjacent electrode plates are in the same plane, and high assembling accuracy is required.

特に、図７に示すパワーモジュールにおいては、隣り合うハイサイド板４０とローサイド板４２との平面性を確保して冷却部材に良好に密着させるために、上下の冷却部材をボルト締結してパワーモジュールを挟圧する構成が採られるが、部品点数および製造工程数の増加を招き、必ずしも生産性が高いとはいえない。   In particular, in the power module shown in FIG. 7, in order to ensure the flatness of the adjacent high-side plate 40 and the low-side plate 42 and to make good contact with the cooling member, the upper and lower cooling members are fastened with bolts. However, the number of parts and the number of manufacturing processes are increased, and the productivity is not necessarily high.

それゆえ、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型高出力でかつ生産性に優れたパワーモジュールを提供することである。   Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a power module that is small and has high output and excellent productivity.

この発明によれば、直流電圧の電圧変換または電力変換を行なうためのパワーモジュールであって、直流電圧の高位側および低位側をそれぞれ受ける第１電極板および第２電極板と、第１電極板と第２電極板との間に直列接続される第１および第２のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との中間点に接続される出力電極板とを備え、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とは、出力電極板を挟んで積層されて配設される。   According to the present invention, a power module for performing voltage conversion or power conversion of a DC voltage, the first electrode plate and the second electrode plate receiving the high-order side and the low-order side of the DC voltage, respectively, and the first electrode plate First and second switching elements connected in series between the first switching element and the second electrode plate, and an output electrode plate connected to an intermediate point between the first switching element and the second switching element, The first switching element and the second switching element are stacked and disposed with the output electrode plate interposed therebetween.

好ましくは、ｎ個（ｎは自然数）の第１のスイッチング素子は、第１電極板と出力電極板との間において、第１電極板の面内方向に沿って並列に接続され、ｎ個の第２のスイッチング素子は、出力電極板と第２電極板との間において、第２電極板の面内方向に沿って並列に接続される。   Preferably, n (n is a natural number) first switching elements are connected in parallel along the in-plane direction of the first electrode plate between the first electrode plate and the output electrode plate. The second switching element is connected in parallel along the in-plane direction of the second electrode plate between the output electrode plate and the second electrode plate.

好ましくは、パワーモジュールは、第１電極板の内側主面と第２電極板の内側主面との間に充填され、第１および第２のスイッチング素子を封止する封止部材と、第１電極板の外側主面および第２電極板の外側主面の各々に密着された第１および第２の冷却部材とをさらに備える。   Preferably, the power module is filled between the inner main surface of the first electrode plate and the inner main surface of the second electrode plate and seals the first and second switching elements; First and second cooling members that are in close contact with each of the outer main surface of the electrode plate and the outer main surface of the second electrode plate are further provided.

好ましくは、パワーモジュールは、第１および第２のスイッチング素子の各々と電気的に接続されて、第１および第２のスイッチング素子を駆動するための制御信号を伝達する第１および第２の信号線をさらに備える。第１電極板、第２電極板および出力電極板は、封止部材の一方側面から面方向外方に突出され、第１および第２の信号線は、封止部材の一方側面と対向する他方側面から面方向外方に突出される。   Preferably, the power module is electrically connected to each of the first and second switching elements to transmit a control signal for driving the first and second switching elements. It further comprises a line. The first electrode plate, the second electrode plate, and the output electrode plate protrude outward in the surface direction from one side surface of the sealing member, and the first and second signal lines are the other facing the one side surface of the sealing member It protrudes outward in the surface direction from the side surface.

好ましくは、ｎ個の第１のスイッチング素子と第１の信号線とは、略同一配線長のｎ個の接続導体によって電気的に接続され、ｎ個の第２のスイッチング素子と第２の信号線とは、略同一配線長のｎ個の接続導体によって電気的に接続される。   Preferably, the n first switching elements and the first signal line are electrically connected by n connection conductors having substantially the same wiring length, and the n second switching elements and the second signal are connected. The lines are electrically connected by n connection conductors having substantially the same wiring length.

好ましくは、第１電極板、第２電極板、出力電極板、第１および第２のスイッチング素子および封止部材は、第１電極板および第２電極板の外側主面をそれぞれ上面および下面とするカード形状体を構成し、第１および第２の冷却部材は、カード形状体の上面および下面にそれぞれ積層して配設される。   Preferably, the first electrode plate, the second electrode plate, the output electrode plate, the first and second switching elements, and the sealing member have an outer main surface of the first electrode plate and the second electrode plate as an upper surface and a lower surface, respectively. The first and second cooling members are stacked on the upper and lower surfaces of the card-shaped body, respectively.

この発明によれば、小型高出力でかつ生産性に優れたパワーモジュールを実現することができる。   According to this invention, it is possible to realize a power module that is small and has high output and excellent productivity.

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

図１は、この発明の実施の形態に従うパワーモジュールの厚さ方向断面図である。   FIG. 1 is a sectional view in the thickness direction of a power module according to an embodiment of the present invention.

図１を参照して、パワーモジュール１００は、上下アームの半導体スイッチング素子からなる単相インバータ回路である。パワーモジュール１００は、半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ素子Ｔ１，Ｔ２と、スペーサ７と、電極板１〜３と、はんだ層６と、モールド樹脂９と、ボンディングワイヤ８と、信号線４ａ，４ｂとを備える。なお、本実施の形態では、半導体スイッチング素子をバイポーラ構造を持つＩＧＢＴ素子で構成したが、ユニポーラ構造のＭＯＳトランジスタで構成してもよい。   Referring to FIG. 1, power module 100 is a single-phase inverter circuit composed of upper and lower arm semiconductor switching elements. The power module 100 includes IGBT elements T1 and T2, which are semiconductor switching elements, a spacer 7, electrode plates 1 to 3, a solder layer 6, a mold resin 9, a bonding wire 8, and signal lines 4a and 4b. Prepare. In the present embodiment, the semiconductor switching element is composed of an IGBT element having a bipolar structure, but may be composed of a unipolar MOS transistor.

電極板１〜３において、電極板１は、図示しない電源ラインに接続されるハイサイド電極を構成する。電極板２は、図示しない接地ラインに接続されるローサイド電極を構成する。電極板３は、図示しない出力ラインに接続される出力電極（ミドルサイド電極とも称する）を構成する。以下において、電極板１〜３をそれぞれハイサイド電極１、ローサイド電極２およびミドルサイド電極３とも称する。   In the electrode plates 1 to 3, the electrode plate 1 constitutes a high side electrode connected to a power supply line (not shown). The electrode plate 2 constitutes a low side electrode connected to a ground line (not shown). The electrode plate 3 constitutes an output electrode (also referred to as a middle side electrode) connected to an output line (not shown). Hereinafter, the electrode plates 1 to 3 are also referred to as a high-side electrode 1, a low-side electrode 2, and a middle-side electrode 3, respectively.

ＩＧＢＴ素子Ｔ１は、ハイサイド電極１に固設され、ハイサイド電極１と電気的に接続される。ＩＧＢＴ素子１とハイサイド電極１との接合は、はんだ層６により成される。   The IGBT element T1 is fixed to the high side electrode 1 and is electrically connected to the high side electrode 1. The junction between the IGBT element 1 and the high side electrode 1 is formed by a solder layer 6.

スペーサ７は、導電体からなり、ＩＧＢＴ素子Ｔ１およびミドルサイド電極３に固設される。スペーサ７とＩＧＢＴ素子Ｔ１との接合は、はんだ層６により成される。したがって、ＩＧＢＴ素子Ｔ１は、ミドルサイド電極３とも電気的に接続される。ハイサイド電極１とミドルサイド電極３とは、ＩＧＢＴ素子Ｔ１およびスペーサ７を挟み込むように平行に設けられる。   The spacer 7 is made of a conductor and is fixed to the IGBT element T1 and the middle side electrode 3. Joining of the spacer 7 and the IGBT element T <b> 1 is made by the solder layer 6. Therefore, the IGBT element T1 is also electrically connected to the middle side electrode 3. The high side electrode 1 and the middle side electrode 3 are provided in parallel so as to sandwich the IGBT element T1 and the spacer 7.

ハイサイド電極１とミドルサイド電極３との間には、さらに、ＩＧＢＴ素子Ｔ１と並列にダイオード素子Ｄ１が固設される。ダイオード素子Ｄ１は、ＩＧＢＴ素子Ｔ１と同様に、はんだ層６によってハイサイド電極１およびスペーサ７に接合される。これにより、ダイオード素子Ｄ１は、ハイサイド電極１とミドルサイド電極３とに電気的に接続され、かつＩＧＢＴ素子Ｔ１と並列接続される。ＩＧＢＴ素子Ｔ１とダイオード素子Ｄ１とは、インバータの上アームユニットを構成する。   Between the high side electrode 1 and the middle side electrode 3, a diode element D1 is further provided in parallel with the IGBT element T1. The diode element D1 is joined to the high-side electrode 1 and the spacer 7 by the solder layer 6 similarly to the IGBT element T1. Thereby, the diode element D1 is electrically connected to the high side electrode 1 and the middle side electrode 3, and is connected in parallel to the IGBT element T1. IGBT element T1 and diode element D1 constitute an upper arm unit of the inverter.

ＩＧＢＴ素子Ｔ２は、ミドルサイド電極３に固設され、ミドルサイド電極３と電気的に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｔ２とミドルサイド電極３との接合は、はんだ層６により成される。   The IGBT element T2 is fixed to the middle side electrode 3 and is electrically connected to the middle side electrode 3. The IGBT element T2 and the middle side electrode 3 are joined by a solder layer 6.

スペーサ７は、ＩＧＢＴ素子Ｔ２およびローサイド電極２に固設される。スペーサ７とＩＧＢＴ素子Ｔ２との接合は、はんだ層６により成される。したがって、ＩＧＢＴ素子Ｔ２は、ローサイド電極２とも電気的に接続される。ローサイド電極２とミドルサイド電極３とは、ＩＧＢＴ素子Ｔ２とスペーサ７とを挟み込むように平行に設けられる。   The spacer 7 is fixed to the IGBT element T2 and the low side electrode 2. The joint between the spacer 7 and the IGBT element T2 is formed by the solder layer 6. Therefore, the IGBT element T2 is also electrically connected to the low side electrode 2. The low side electrode 2 and the middle side electrode 3 are provided in parallel so as to sandwich the IGBT element T2 and the spacer 7.

ローサイド電極２とミドルサイド電極３との間には、さらに、ＩＧＢＴ素子Ｔ２と並列にダイオード素子Ｄ２が固設される。ダイオード素子Ｄ２は、ＩＧＢＴ素子Ｔ２と同様に、はんだ層６によってローサイド電極２とミドルサイド電極３とに接合される。これにより、ダイオード素子Ｄ２は、ローサイド電極２とミドルサイド電極３とに電気的に接続され、かつＩＧＢＴ素子Ｔ２と並列接続される。ＩＧＢＴ素子Ｔ２とダイオード素子Ｄ２とは、インバータの下アームユニットを構成する。   Between the low side electrode 2 and the middle side electrode 3, a diode element D2 is further fixed in parallel with the IGBT element T2. The diode element D2 is joined to the low-side electrode 2 and the middle-side electrode 3 by the solder layer 6 similarly to the IGBT element T2. Thereby, the diode element D2 is electrically connected to the low-side electrode 2 and the middle-side electrode 3, and is connected in parallel to the IGBT element T2. IGBT element T2 and diode element D2 constitute a lower arm unit of the inverter.

信号線４ａ，４ｂは、それぞれボンディングワイヤ８を介してＩＧＢＴ素子Ｔ１，Ｔ２と電気的に接続される。信号線４ａ，４ｂは、図示しない制御装置で生成されたＩＧＢＴ素子Ｔ１，Ｔ２をオン／オフするための制御信号をボンディングワイヤ８を介して、ＩＧＢＴ素子Ｔ１，Ｔ２へ伝達する。   The signal lines 4a and 4b are electrically connected to the IGBT elements T1 and T2 through the bonding wires 8, respectively. The signal lines 4a and 4b transmit a control signal for turning on / off the IGBT elements T1 and T2 generated by a control device (not shown) to the IGBT elements T1 and T2 via the bonding wires 8.

モールド樹脂９は、封止部材であり、ＩＧＢＴ素子Ｔ１，Ｔ２、ダイオード素子Ｄ１，Ｄ２、スペーサ７、電極板１〜３および信号線４ａ，４ｂを封止する。このとき、電極板１〜３は、いずれもモールド樹脂９から同一方向に突出している。また、信号線４ａ，４ｂは、いずれもモールド樹脂９から、電極板１〜３とは反対方向に突出している。なお、電極板１および２の外主面（厚さ方向の最上面と最下面に相当）は、モールド樹脂９に覆われず、露出されている。   The mold resin 9 is a sealing member and seals the IGBT elements T1 and T2, the diode elements D1 and D2, the spacer 7, the electrode plates 1 to 3 and the signal lines 4a and 4b. At this time, all of the electrode plates 1 to 3 protrude from the mold resin 9 in the same direction. The signal lines 4 a and 4 b both protrude from the mold resin 9 in the direction opposite to the electrode plates 1 to 3. The outer main surfaces (corresponding to the uppermost surface and the lowermost surface in the thickness direction) of the electrode plates 1 and 2 are not covered with the mold resin 9 and are exposed.

以上の構成において、本実施の形態に係るパワーモジュール１００は、上アームユニットと下アームユニットとが積層方向に直列配置されることを特徴とする。これにより、上アームユニットと下アームユニットとを同一平面上に配置する従来のパワーモジュールと比較して、実装面積を飛躍的に小さくすることができる。   In the above configuration, the power module 100 according to the present embodiment is characterized in that the upper arm unit and the lower arm unit are arranged in series in the stacking direction. Thereby, compared with the conventional power module which arrange | positions an upper arm unit and a lower arm unit on the same plane, a mounting area can be made remarkably small.

また、従来のパワーモジュールにおいて求められていた、隣り合う電極板間の平面性が不要となることから、組付けが容易となり、生産性を改善することができる。   In addition, since the planarity between adjacent electrode plates, which is required in the conventional power module, is not necessary, assembly is facilitated and productivity can be improved.

また、電極板１〜３は、同一方向に突出していることから、配線長を短くでき、配線損失を低減することができる。信号線４ａ，４ｂにおいても同様に、同一方向に突出しており、配線損失の低減が図られる。さらに、電極板１〜３と信号線４ａ，４ｂとの突出方向は互いに逆向きであることから、両者間の電気的絶縁が容易となる。   In addition, since the electrode plates 1 to 3 protrude in the same direction, the wiring length can be shortened and the wiring loss can be reduced. Similarly, the signal lines 4a and 4b protrude in the same direction, and wiring loss can be reduced. Furthermore, since the protruding directions of the electrode plates 1 to 3 and the signal lines 4a and 4b are opposite to each other, electrical insulation between the two becomes easy.

図２は、図１に示すパワーモジュール１００の外観図である。   FIG. 2 is an external view of the power module 100 shown in FIG.

図２を参照して、パワーモジュール１００は、薄いカード形状からなり、側面の一方面から電極板１〜３が互いに平行に突出している。また、側面の当該一方面と対向する他方面からは、複数の信号線４が突出している。なお、図２では、複数の信号線４が示されるが、この内訳は、ＩＧＢＴ素子Ｔ１，Ｔ２のゲートに制御信号を伝達する信号線４ａ，４ｂ以外に、各素子と図示しないセンサ類とを結ぶ信号線などが含まれる。   Referring to FIG. 2, power module 100 has a thin card shape, and electrode plates 1 to 3 protrude in parallel from one side surface. A plurality of signal lines 4 protrude from the other surface of the side surface facing the one surface. In FIG. 2, a plurality of signal lines 4 are shown, but this breakdown includes each element and sensors (not shown) in addition to the signal lines 4a and 4b for transmitting control signals to the gates of the IGBT elements T1 and T2. Includes signal lines to connect.

このように、パワーモジュール１００をカード形状とすることで、上面および下面から冷却する両面冷却が可能となり、高い冷却効率を得ることができる。   Thus, by making the power module 100 into a card shape, it is possible to perform double-sided cooling that cools from the upper surface and the lower surface, and high cooling efficiency can be obtained.

また、電極板１〜３の突出方向と信号線４の突出方向とが互いに逆向きとなっていることから、配線の引き回しをなくして配線長を短くできるとともに、良好な電気的絶縁を得ることができる。   Further, since the protruding direction of the electrode plates 1 to 3 and the protruding direction of the signal line 4 are opposite to each other, it is possible to shorten the wiring length by eliminating the routing of the wiring and to obtain a good electrical insulation. Can do.

図３は、本実施の形態に従うパワーモジュール１００が搭載されるモータ駆動装置の概略ブロック図である。   FIG. 3 is a schematic block diagram of a motor drive device on which power module 100 according to the present embodiment is mounted.

図３を参照して、モータ駆動装置は、直流電源Ｂと、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、昇圧コンバータ１１と、コンデンサ１２と、インバータ２０と、電圧センサ１０，１６と、電流センサ２４と、制御装置３０とを備える。図３のモータ駆動装置において、本実施の形態に係るパワーモジュールは、昇圧コンバータ１１とインバータ２０とに適用される。   Referring to FIG. 3, the motor drive device includes DC power supply B, system relays SR 1 and SR 2, boost converter 11, capacitor 12, inverter 20, voltage sensors 10 and 16, current sensor 24, and control. Device 30. In the motor drive device of FIG. 3, the power module according to the present embodiment is applied to boost converter 11 and inverter 20.

交流モータＭ１は、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータである。また、交流モータＭ１は、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作し、たとえばエンジンを始動し得るようなモータである。   AC motor M1 is a drive motor for generating torque for driving drive wheels of a hybrid vehicle or an electric vehicle. The AC motor M1 is a motor that has a function of a generator driven by an engine and operates as an electric motor for the engine, and can start the engine, for example.

昇圧コンバータ１１は、リアクトルＬ１と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオード素子Ｄ１，Ｄ２とを含む。   Boost converter 11 includes a reactor L1, IGBT elements Q1, Q2, and diode elements D1, D2.

リアクトルＬ１の一方端は直流電源Ｂの電源ラインに接続され、他方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１とＩＧＢＴ素子Ｑ２との中間点、すなわち、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタとＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタとの間に接続される。   Reactor L1 has one end connected to the power supply line of DC power supply B and the other end connected to an intermediate point between IGBT element Q1 and IGBT element Q2, that is, between the emitter of IGBT element Q1 and the collector of IGBT element Q2. The

ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２は、電源ラインと接地ラインとの間に直列に接続される。ＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタは電源ラインに接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタは接地ラインに接続される。また、各ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオード素子Ｄ１，Ｄ２がそれぞれ配されている。ＩＧＢＴ素子Ｑ１とダイオード素子Ｄ１とは、上アームユニットを構成し、ＩＧＢＴ素子Ｑ２とダイオード素子Ｄ２とは、下アームユニットを構成する。   IGBT elements Q1, Q2 are connected in series between the power supply line and the ground line. The collector of IGBT element Q1 is connected to the power supply line, and the emitter of IGBT element Q2 is connected to the ground line. In addition, diode elements D1 and D2 that allow current to flow from the emitter side to the collector side are arranged between the collectors and emitters of the IGBT elements Q1 and Q2, respectively. IGBT element Q1 and diode element D1 constitute an upper arm unit, and IGBT element Q2 and diode element D2 constitute a lower arm unit.

インバータ２０は、三相インバータであって、Ｕ相アーム２１と、Ｖ相アーム２２と、Ｗ相アーム２３とからなる。Ｕ相アーム２１、Ｖ相アーム２２およびＷ相アーム２３は、電源ラインと接地ラインとの間に並列に設けられる。   Inverter 20 is a three-phase inverter and includes a U-phase arm 21, a V-phase arm 22, and a W-phase arm 23. U-phase arm 21, V-phase arm 22 and W-phase arm 23 are provided in parallel between the power supply line and the ground line.

Ｕ相アーム２１は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４からなる。Ｖ相アーム２２は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６からなる。Ｗ相アーム２３は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８からなる。また、各ＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオード素子Ｄ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。   U-phase arm 21 includes IGBT elements Q3 and Q4 connected in series. V-phase arm 22 includes IGBT elements Q5 and Q6 connected in series. W-phase arm 23 includes IGBT elements Q7 and Q8 connected in series. Further, diode elements D3 to D8 for passing a current from the emitter side to the collector side are connected between the collector and emitter of each of the IGBT elements Q3 to Q8.

各相アームは、図１および２に示すカード形状のパワーモジュール１００からなり、このパワーモジュール１００を３個並列に配設してインバータ２０が構成される。   Each phase arm includes a card-shaped power module 100 shown in FIGS. 1 and 2, and three inverters 20 are configured by arranging three power modules 100 in parallel.

各相アームの中間点は、交流モータＭの各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、交流モータＭは、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通に接続されて構成される。Ｕ相コイルの他端がＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の中間点に、Ｗ相コイルの他端がＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の中間点にそれぞれ接続されている。   An intermediate point of each phase arm is connected to each phase end of each phase coil of AC motor M. That is, the AC motor M is a three-phase permanent magnet motor, and is configured by connecting one end of three coils of U, V, and W phases in common to the middle point. The other end of the U-phase coil is at the intermediate point between the IGBT elements Q3 and Q4, the other end of the V-phase coil is at the intermediate point between the IGBT elements Q5 and Q6, and the other end of the W-phase coil is at the intermediate point between the IGBT elements Q7 and Q8. Each is connected.

直流電源Ｂは、ニッケル水素またはリチウムイオンなどの二次電池からなる。電圧センサ１０は、直流電源Ｂから出力される電圧Ｖｂを検出し、検出した電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。   The DC power source B is composed of a secondary battery such as nickel metal hydride or lithium ion. Voltage sensor 10 detects voltage Vb output from DC power supply B and outputs detected voltage Vb to control device 30.

昇圧コンバータ１１は、直流電源Ｂから供給された直流電圧を昇圧してコンデンサ１２に供給する。より具体的には、昇圧コンバータ１１は、制御装置３０から信号ＰＷＣを受けると、信号ＰＷＣによってＩＧＢＴ素子Ｑ２がオンされた期間に応じて直流電圧を昇圧してコンデンサ１２に供給する。   Boost converter 11 boosts the DC voltage supplied from DC power supply B and supplies it to capacitor 12. More specifically, when boost converter 11 receives signal PWC from control device 30, boost converter 11 boosts the DC voltage according to the period during which IGBT element Q2 is turned on by signal PWC and supplies the boosted voltage to capacitor 12.

また、昇圧コンバータ１１は、制御装置３０から信号ＰＷＣを受けると、コンデンサ１２を介してインバータ２０から供給された直流電圧を降圧して直流電源Ｂへ供給する。   Further, when boost converter 11 receives signal PWC from control device 30, boost converter 11 steps down the DC voltage supplied from inverter 20 via capacitor 12 and supplies it to DC power supply B.

コンデンサ１２は、昇圧コンバータ１１から出力された直流電圧を平滑化し、平滑化した直流電圧をインバータ２０へ供給する。   Capacitor 12 smoothes the DC voltage output from boost converter 11 and supplies the smoothed DC voltage to inverter 20.

電圧センサ１６は、コンデンサ１２の両端の電圧Ｖｍを検出し、その検出した電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。   The voltage sensor 16 detects the voltage Vm across the capacitor 12 and outputs the detected voltage Vm to the control device 30.

インバータ２０は、コンデンサ１２から直流電圧が供給されると、制御装置３０からの信号ＰＷＭに基づいて直流電圧を交流電圧に変換して交流モータＭを駆動する。これにより、交流モータＭは、トルク指令値ＴＲによって指定されたトルクを発生するように駆動される。   When a DC voltage is supplied from the capacitor 12, the inverter 20 converts the DC voltage into an AC voltage based on the signal PWM from the control device 30 and drives the AC motor M. As a result, AC motor M is driven so as to generate torque specified by torque command value TR.

また、インバータ２０は、モータ駆動装置が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、交流モータＭ１が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭに基づいて直流電圧に変換し、変換した直流電圧をコンデンサ１２を介して昇圧コンバータ１１へ供給する。   Further, the inverter 20 converts the AC voltage generated by the AC motor M1 into a DC voltage based on the signal PWM from the control device 30 during the regenerative braking of the hybrid vehicle or the electric vehicle on which the motor driving device is mounted. A DC voltage is supplied to the boost converter 11 via the capacitor 12.

なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合との回生発電を伴なう制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車速を減速（または加速を中止）させることを含む。   Note that regenerative braking here refers to braking with regenerative power generation when the driver operating the hybrid vehicle or electric vehicle performs footbrake operation, or while not operating the footbrake, Including decelerating (or stopping acceleration) the vehicle while regenerating power.

電流センサ２４は、交流モータＭに流れるモータ電流ＭＣＲＴを検出し、検出したモータ電流ＭＣＲＴを制御装置３０へ出力する。   Current sensor 24 detects motor current MCRT flowing through AC motor M, and outputs detected motor current MCRT to control device 30.

制御装置３０は、外部に設けられたＥＣＵ（Electrical Control Unit）からトルク指令値ＴＲおよびモータ回転数ＭＲＮを受け、電圧センサ１６から電圧Ｖｍを受け、図示しない電流センサからリアクトルＬ１を流れるリアクトル電流ＩＬを受け、電流センサ２４からモータ電流ＭＣＲＴを受ける。制御装置３０は、電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲおよびモータ電流ＭＣＲＴに基づいて、インバータ２０が交流モータＭを駆動するときにインバータ２０のＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８をスイッチング制御するための信号ＰＷＭを生成し、生成した信号ＰＷＭをインバータ２０へ出力する。出力された信号ＰＷＭは、図１に示す信号線４ａ，４ｂを介して、各ＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８のゲートに与えられる。   Control device 30 receives a torque command value TR and a motor rotational speed MRN from an externally provided ECU (Electrical Control Unit), receives a voltage Vm from voltage sensor 16, and a reactor current IL that flows through reactor L1 from a current sensor (not shown). The motor current MCRT is received from the current sensor 24. Based on voltage Vm, torque command value TR, and motor current MCRT, control device 30 generates a signal PWM for switching control of IGBT elements Q3 to Q8 of inverter 20 when inverter 20 drives AC motor M. The generated signal PWM is output to the inverter 20. The output signal PWM is given to the gates of the IGBT elements Q3 to Q8 via the signal lines 4a and 4b shown in FIG.

また、制御装置３０は、インバータ２０が交流モータＭ１を駆動するとき、電圧Ｖｂ、Ｖｍ、トルク指令値ＴＲおよびモータ回転数ＭＲＮに基づいて、後述する方法により昇圧コンバータ１１のＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチング制御するための信号ＰＷＣを生成し、生成した信号ＰＷＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。出力された信号ＰＷＣは、図１に示す信号線４ａ，４ｂを介して、各ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２のゲートに与えられる。   Further, when inverter 20 drives AC motor M1, control device 30 controls IGBT elements Q1, Q2 of boost converter 11 by a method to be described later based on voltages Vb, Vm, torque command value TR, and motor rotation speed MRN. A signal PWC for switching control is generated, and the generated signal PWC is output to boost converter 12. Output signal PWC is applied to the gates of IGBT elements Q1 and Q2 via signal lines 4a and 4b shown in FIG.

さらに、制御装置３０は、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲおよびモータ電流ＭＣＲＴに基づいて、交流モータＭ１が発電した交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭを生成し、生成した信号ＰＷＭをインバータ２０へ出力する。この場合、インバータ２０のＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８は、信号ＰＷＭによってスイッチング制御される。これにより、インバータ２０は、交流モータＭが発電した交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１１へ供給する。   Further, the control device 30 converts the AC voltage generated by the AC motor M1 to DC based on the voltage Vm, the torque command value TR, and the motor current MCRT during regenerative braking of the hybrid vehicle or electric vehicle on which the motor driving device 100 is mounted. A signal PWM for converting to voltage is generated, and the generated signal PWM is output to the inverter 20. In this case, the IGBT elements Q3 to Q8 of the inverter 20 are switching-controlled by the signal PWM. Thereby, the inverter 20 converts the AC voltage generated by the AC motor M into a DC voltage and supplies the DC voltage to the boost converter 11.

さらに、制御装置３０は、回生制動時、電圧Ｖｂ，Ｖｍ、トルク指令値ＴＲおよびモータ回転数ＭＲＮに基づいて、インバータ１４から供給された直流電圧を降圧するための信号ＰＷＣを生成し、生成した信号ＰＷＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。これにより、交流モータＭが発電した交流電圧は、直流電圧に変換され、降圧されて直流電源Ｂに供給される。   Further, during regenerative braking, control device 30 generates and generates signal PWC for stepping down the DC voltage supplied from inverter 14 based on voltages Vb, Vm, torque command value TR, and motor rotation speed MRN. Signal PWC is output to boost converter 12. As a result, the AC voltage generated by AC motor M is converted into a DC voltage, stepped down, and supplied to DC power supply B.

以上の構成において、昇圧コンバータ１１およびインバータ２０に図１および図２に示す積層型のパワーモジュール１００を適用することにより、各々の占有面積が抑えられ、モータ駆動装置全体の実装面積を縮小することができる。   In the above configuration, by applying the stacked power module 100 shown in FIG. 1 and FIG. 2 to the boost converter 11 and the inverter 20, each occupied area can be suppressed and the mounting area of the entire motor driving device can be reduced. Can do.

さらに、昇圧コンバータ１１およびインバータ２０は、両面冷却可能な構成であることから、図４に示す冷却構造を用いることによって高い放熱性が実現される。   Furthermore, since boost converter 11 and inverter 20 are configured to be cooled on both sides, high heat dissipation is realized by using the cooling structure shown in FIG.

図４は、本実施の形態に従うパワーモジュール１００の冷却構造を示す概略図である。本図では、パワーモジュール１００は、３個が並列に配列され、図３に示す３相インバータ２０を構成する。   FIG. 4 is a schematic diagram showing a cooling structure of power module 100 according to the present embodiment. In this figure, three power modules 100 are arranged in parallel to constitute the three-phase inverter 20 shown in FIG.

図４を参照して、パワーモジュール１００の上面と下面とには、冷却器１１０，１１２が設置される。冷却器１１０，１１２は、長手方向に冷却媒体を流通させるための流路を有する。したがって、３個のパワーモジュール１００は、いずれにおいても、上面および下面が冷却媒体の流路に接するように、長手方向に並列に配列される。   Referring to FIG. 4, coolers 110 and 112 are installed on the upper and lower surfaces of power module 100. The coolers 110 and 112 have flow paths for circulating a cooling medium in the longitudinal direction. Accordingly, in any case, the three power modules 100 are arranged in parallel in the longitudinal direction so that the upper surface and the lower surface are in contact with the flow path of the cooling medium.

ここで、本実施の形態に係るパワーモジュール１００は、上面および下面の平面性が良い（平坦である）ことから、冷却器１１０，１１２との接触面において、互いに密着させることができる。このため、パワーモジュール１００と冷却器１１０，１１２との接触熱抵抗を小さくでき、高い熱伝導性が得られる。   Here, since the power module 100 according to the present embodiment has good flatness on the upper surface and the lower surface (flat), the power module 100 can be brought into close contact with each other on the contact surfaces with the coolers 110 and 112. For this reason, the contact thermal resistance between the power module 100 and the coolers 110 and 112 can be reduced, and high thermal conductivity can be obtained.

一方、図６および図７に示す従来のパワーモジュールでは、上面および下面の平面性を得難いため、冷却器１１０，１１２との良好な密着性を保つことが困難である。この点について、図７に示すパワーモジュールでは、パワーモジュールの上下面に配した冷却部材の左右両端部に貫通孔を設け、パワーモジュールを貫通孔を介してボルト締結する構成が採られている。本構成によれば、パワーモジュールを冷却部材で挟圧して良好に密着させることができるものの、部品点数および製造工程数の増加、および冷却構造の大規模化といった不具合が生じてしまう。   On the other hand, in the conventional power modules shown in FIGS. 6 and 7, it is difficult to obtain the flatness of the upper surface and the lower surface, and it is difficult to maintain good adhesion to the coolers 110 and 112. With respect to this point, the power module shown in FIG. 7 employs a configuration in which through holes are provided in the left and right ends of the cooling member disposed on the upper and lower surfaces of the power module, and the power module is bolted through the through holes. According to this configuration, although the power module can be pinched by the cooling member and can be satisfactorily adhered, problems such as an increase in the number of parts and the number of manufacturing processes and an increase in the size of the cooling structure occur.

なお、本実施の形態によれば、図３のモータ駆動装置において、昇圧コンバータ１１およびインバータ２０を冷却器１１０，１１２とともに積層する構成とすることによって、さらに実装性を高めることができる。   According to the present embodiment, in the motor drive device of FIG. 3, the mountability can be further enhanced by stacking boost converter 11 and inverter 20 together with coolers 110 and 112.

図５は、本実施の形態に係るパワーモジュール１００の変更例を示す図である。詳細には、図５（Ａ）に、本実施の形態に係るパワーモジュール１００の配置図を示し、図５（Ｂ）に、変更例に係るパワーモジュール１１０の配置図を示す。   FIG. 5 is a diagram illustrating a modified example of the power module 100 according to the present embodiment. Specifically, FIG. 5A shows a layout of power module 100 according to the present embodiment, and FIG. 5B shows a layout of power module 110 according to the modification.

図５（Ａ）を参照して、パワーモジュール１００の電極板（たとえば１とする）には、図１で示したように、上アームユニットとして、１個のＩＧＢＴ素子Ｔ１と１個のダイオード素子Ｄ１とが並列に配置される。ＩＧＢＴ素子Ｔ１の各部は、ボンディングワイヤ８によって、複数の信号線４のうちの所望の信号線４とそれぞれ接続される。   Referring to FIG. 5A, an electrode plate (for example, 1) of power module 100 has one IGBT element T1 and one diode element as an upper arm unit as shown in FIG. D1 is arranged in parallel. Each part of the IGBT element T <b> 1 is connected to a desired signal line 4 among the plurality of signal lines 4 by bonding wires 8.

この構成において、パワーモジュール１００の電流レベルを倍増して高電力化を図るためには、図５（Ｂ）に示すように、上アームユニットを２個のＩＧＢＴ素子Ｔ１ａ，Ｔ１ｂと２個のダイオード素子Ｄ１ａ，Ｄ１ｂとで構成する手段が採られる。   In this configuration, in order to double the current level of the power module 100 and achieve high power, the upper arm unit is composed of two IGBT elements T1a and T1b and two diodes as shown in FIG. A means composed of the elements D1a and D1b is adopted.

そこで、本変更例では、パワーモジュール１１０を、２個のＩＧＢＴ素子Ｔ１ａ，Ｔ１ｂを並列に配置し、信号線４とＩＧＢＴ素子Ｔ１ａ，Ｔ１ｂとをボンディングワイヤ８で並列に接続する構成とする。   Therefore, in this modified example, the power module 110 is configured such that the two IGBT elements T1a and T1b are arranged in parallel and the signal line 4 and the IGBT elements T1a and T1b are connected in parallel by the bonding wires 8.

これによれば、素子数が増加した場合であっても、素子間で信号線４が共有されることから、信号線４の増設が不要となり、実装規模の増大を抑えることができる。また、信号線４を素子数に関係なく一ヶ所に集約できることから、配線の引き回しや増長による配線損失を伴なわず、高電力化を図ることができる。   According to this, even if the number of elements is increased, the signal line 4 is shared between the elements, so that it is not necessary to add the signal line 4, and an increase in the mounting scale can be suppressed. Further, since the signal lines 4 can be concentrated in one place regardless of the number of elements, high power can be achieved without causing wiring loss due to wiring routing or lengthening.

さらに、各アームユニットにおいて並列する複数のＩＧＢＴ素子に対する配線長さが略同一となることから、ＩＧＢＴ素子間でのスイッチング特性を均一にすることができる。   Further, since the wiring lengths for the plurality of IGBT elements arranged in parallel in each arm unit are substantially the same, the switching characteristics between the IGBT elements can be made uniform.

以上のように、この発明の実施の形態によれば、上下アームの半導体スイッチング素子を積層方向に直列に配置する構成とすることにより、小型高出力で、かつ生産性に優れたパワーモジュールを実現することができる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, a small and high output power module with excellent productivity can be realized by arranging the semiconductor switching elements of the upper and lower arms in series in the stacking direction. can do.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

この発明は、モータ駆動装置に搭載されるパワーモジュールに適用することができる。   The present invention can be applied to a power module mounted on a motor drive device.

この発明の実施の形態に従うパワーモジュールの厚さ方向断面図である。It is thickness direction sectional drawing of the power module according to embodiment of this invention. 図１に示すパワーモジュールの外観図である。It is an external view of the power module shown in FIG. 本実施の形態に従うパワーモジュールが搭載されるモータ駆動装置の概略ブロック図である。It is a schematic block diagram of the motor drive device with which the power module according to this Embodiment is mounted. 本実施の形態に従うパワーモジュールの冷却構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the cooling structure of the power module according to this Embodiment. 本実施の形態に係るパワーモジュールの変更例を示す図である。It is a figure which shows the example of a change of the power module which concerns on this Embodiment. 従来のパワーモジュールの一構成例の厚さ方向断面図である。It is thickness direction sectional drawing of the example of 1 structure of the conventional power module. たとえば特許文献１に記載される従来のパワーモジュールの他の構成例の厚さ方向断面図である。For example, it is thickness direction sectional drawing of the other structural example of the conventional power module described in patent document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１〜３，４０〜４３，４３ａ〜４３ｃ 電極板、４，４ａ，４ｂ 信号線、６，４４ はんだ層、７，４７ スペーサ、８ ボンディングワイヤ、９，５０ モールド樹脂、１０，１６ 電圧センサ、１１ 昇圧コンバータ、１２ コンデンサ、２０ インバータ、２１ Ｕ相アーム、２２ Ｖ相アーム、２３ Ｗ相アーム、２４ 電流センサ、３０ 制御装置、４５，４６ 半導体スイッチング素子、１００ パワーモジュール、１１０，１１２ 冷却器、Ｂ 直流電源、ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー、Ｑ１〜Ｑ８，Ｔ１，Ｔ１ａ，Ｔ１ｂ，Ｔ２ ＩＧＢＴ素子、Ｄ１〜Ｄ８，Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ ダイオード素子、Ｌ１ リアクトル、Ｃ２ コンデンサ、Ｍ 交流モータ。   1-3, 40-43, 43a-43c Electrode plate, 4, 4a, 4b Signal line, 6, 44 Solder layer, 7, 47 Spacer, 8 Bonding wire, 9, 50 Mold resin, 10, 16 Voltage sensor, 11 Boost converter, 12 capacitor, 20 inverter, 21 U-phase arm, 22 V-phase arm, 23 W-phase arm, 24 current sensor, 30 control device, 45, 46 semiconductor switching element, 100 power module, 110, 112 cooler, B DC power supply, SR1, SR2 system relay, Q1-Q8, T1, T1a, T1b, T2 IGBT element, D1-D8, D1a, D1b diode element, L1 reactor, C2 capacitor, M AC motor.

Claims (6)

直流電圧の電圧変換または電力変換を行なうためのパワーモジュールであって、
前記直流電圧の高位側および低位側をそれぞれ受ける第１電極板および第２電極板と、
前記第１電極板と前記第２電極板との間に直列接続される第１および第２のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との中間点に接続される出力電極板とを備え、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とは、前記出力電極板を挟んで積層されて配設される、パワーモジュール。 A power module for performing voltage conversion or power conversion of a DC voltage,
A first electrode plate and a second electrode plate that respectively receive a high-order side and a low-order side of the DC voltage;
First and second switching elements connected in series between the first electrode plate and the second electrode plate;
An output electrode plate connected to an intermediate point between the first switching element and the second switching element;
The power module, wherein the first switching element and the second switching element are stacked and disposed with the output electrode plate interposed therebetween. ｎ個（ｎは自然数）の前記第１のスイッチング素子は、前記第１電極板と前記出力電極板との間において、前記第１電極板の面内方向に沿って並列に接続され、
ｎ個の前記第２のスイッチング素子は、前記出力電極板と前記第２電極板との間において、前記第２電極板の面内方向に沿って並列に接続される、請求項１に記載のパワーモジュール。 n (n is a natural number) of the first switching elements are connected in parallel along the in-plane direction of the first electrode plate between the first electrode plate and the output electrode plate,
2. The n second switching elements are connected in parallel along an in-plane direction of the second electrode plate between the output electrode plate and the second electrode plate. Power module. 前記第１電極板の内側主面と前記第２電極板の内側主面との間に充填され、前記第１および第２のスイッチング素子を封止する封止部材と、
前記第１電極板の外側主面および前記第２電極板の外側主面の各々に密着された第１および第２の冷却部材とをさらに備える、請求項２に記載のパワーモジュール。 A sealing member that is filled between the inner main surface of the first electrode plate and the inner main surface of the second electrode plate and seals the first and second switching elements;
The power module according to claim 2, further comprising first and second cooling members in close contact with each of an outer main surface of the first electrode plate and an outer main surface of the second electrode plate. 前記第１および第２のスイッチング素子の各々と電気的に接続されて、前記第１および第２のスイッチング素子を駆動するための制御信号を伝達する第１および第２の信号線をさらに備え、
前記第１電極板、前記第２電極板および前記出力電極板は、前記封止部材の一方側面から面方向外方に突出され、
前記第１および第２の信号線は、前記封止部材の前記一方側面と対向する他方側面から面方向外方に突出される、請求項３に記載のパワーモジュール。 First and second signal lines that are electrically connected to each of the first and second switching elements and transmit a control signal for driving the first and second switching elements;
The first electrode plate, the second electrode plate, and the output electrode plate are projected outward in the surface direction from one side surface of the sealing member,
4. The power module according to claim 3, wherein the first and second signal lines protrude outward in the surface direction from the other side surface facing the one side surface of the sealing member. 前記ｎ個の第１のスイッチング素子と前記第１の信号線とは、略同一配線長のｎ個の接続導体によって電気的に接続され、
前記ｎ個の第２のスイッチング素子と前記第２の信号線とは、略同一配線長のｎ個の接続導体によって電気的に接続される、請求項４に記載のパワーモジュール。 The n first switching elements and the first signal line are electrically connected by n connection conductors having substantially the same wiring length,
The power module according to claim 4, wherein the n second switching elements and the second signal line are electrically connected by n connection conductors having substantially the same wiring length. 前記第１電極板、前記第２電極板、前記出力電極板、前記第１および第２のスイッチング素子および前記封止部材は、前記第１電極板および前記第２電極板の外側主面をそれぞれ上面および下面とするカード形状体を構成し、
前記第１および第２の冷却部材は、前記カード形状体の前記上面および下面にそれぞれ積層して配設される、請求項５に記載のパワーモジュール。 The first electrode plate, the second electrode plate, the output electrode plate, the first and second switching elements, and the sealing member have outer main surfaces of the first electrode plate and the second electrode plate, respectively. Construct a card-shaped body with upper and lower surfaces,
The power module according to claim 5, wherein the first and second cooling members are disposed to be stacked on the upper surface and the lower surface of the card-shaped body, respectively.
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