JP4054137B2 - パワー半導体素子の給電及び放熱装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のパワー半導体素子を用いた電気回路において、当該パワー半導体素子の給電構造を簡易化し、同時に放熱作用も備えたパワー半導体素子の給電及び放熱装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、比較的大電力が給電される制御装置は、複数のパワー半導体素子を具備した電気回路を備えている。一例として近時注目されている電気自動車を上げると、車両の駆動源としての電動モータ並びにそのモータ駆動回路、すなわち複数のパワー半導体素子を具備した装置は、金属製のケーシング内に収納されて、モータ並びに回路の保護が図られつつ車両に搭載されている。また、このケーシングは、アルミニウム等を用いた金属製の筒状ケース及びカバーから構成され、モータの構成部分をケースに収納した後、カバーを被せ、ケースとカバーとをボルト止めをして組み立てられている。
【0003】
モータ駆動回路は、モータ・コイルへの通電を、高速で切り替え制御するスイッチング素子たるパワー半導体素子を主体として作られているので、パワー半導体素子が発熱し、定格温度まで上昇すると、回路を保護するために、モータの出力を抑制又は停止しなければならなかった。そこで、このような事態を回避して、大きな出力を得るためには、パワー半導体素子から生じた熱を、モータケース外に放熱することが不可欠である。
【0004】
そのため、従来においては、放熱用金属板は放熱作用を営むヒートシンクに取り付けられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
この種従来の電気回路において、例えばFETを例に挙げると、パワー半導体素子のドレイン電極と放熱用金属板は電気的に接続されており、異なる回路部分に用いられているパワー半導体素子を同一のヒートシンクに取り付ける際には、各パワー半導体素子とヒートシンクとの間に電気的絶縁を必要としていた。また、このようにして電気的絶縁を確保すると、電気的絶縁体は電気抵抗が大きいと同時に熱抵抗も大きいので、パワー半導体素子の放熱性を低下させてしまっていた。
【0006】
また、パワー半導体素子を回路基板に半田付けして回路構成を設ける場合、一般に当該回路と、電源、モータ等の外部回路に接続するための端子との接続が回路基板上でなされるが、パワー半導体素子はおしなべて大電流を取り扱うため、例えば回路基板上に厚みの大きな銅箔でパターンを形成したり、回路基板を多層構造に形成してその内層を利用したり、或いは回路基板上にハトメ状の端子を形成する等の構造乃至工程を必要としている。従って、この従来の回路基板は、構造が複雑になって小型化が困難となり、また、部品点数と工数を要して、コスト高に繋がっていた。
【0007】
そこで本発明は、このような問題に鑑み、回路基板に装着されたパワー半導体素子の給電構造を簡易化し、同時に放熱作用も備えたパワー半導体素子の給電及び放熱装置を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本願第1請求項に記載した発明は、複数のパワー半導体素子1,1を用いた電気回路において、前記パワー半導体素子は、その素子中の電極が当該半導体のパッケージの内部で電気的に接続された放熱用金属板5を備え、放熱用金属板の電位が同電位となる複数のパワー半導体素子1,1の当該放熱用金属板5,5を、導電性のある第1の放熱体6に電気的に接続させて固着するとともに、前記第1の放熱体6における放熱用金属板の電位とは異なる電位であって且つ、当該電位が同電位となる複数のパワー半導体素子1,1の当該放熱用金属板5,5を、導電性のある第2の放熱体6に電気的に接続させて固着し、更に前記第1の放熱体6と、前記第2の放熱体6を夫々一つの接続端子として用いるとともに、これら第1及び第2の放熱体6を別々に回路基板に実装したパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【0009】
このように、本発明の装置によると、複数の放熱用金属板が一つの放熱体に電気的に接続され、この一つの放熱体を一つの接続端子として用いるので、当該複数の放熱用金属板に係る電極から各々別に配線することを不要にできて、給電構造を簡易化することができる。
【0010】
更に本発明は、複数の放熱用金属板が電気的絶縁体を介さずに放熱体に接続されるので、各パワー半導体素子と放熱体間の熱抵抗を小さくすることができ、パワー半導体素子の放熱性を高めることができる。
【0011】
本願第2請求項に記載した発明は、請求項1の発明において、前記第1又は第2の放熱体6を複数、導電性のある一つの放熱板7に電気的に接続させて固着するとともに、前記放熱板7を一つの接続端子として用いる構成のパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【0012】
このように、放熱体を複数、放熱板に電気的に接続させてこれを一つの接続端子として用いるので、上述した給電構造をより一層簡易化することができる。また、複数の放熱体が更に放熱板に接続されるので、パワー半導体素子の放熱性をより一層高めることができる。
【0013】
本願第3請求項に記載した発明は、請求項2の発明において、前記放熱板を他の放熱器に電気的に絶縁して固着した構成のパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【0014】
放熱板の熱は他の放熱器により放熱されるので、パワー半導体素子の放熱性をより一層高めることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の具体例を図面に基づいて詳細に説明する。
【0016】
本例は、パワー半導体素子として例えばFETを例に挙げるとともに、その給電及び放熱装置が、電動モータに組み込まれている場合のものである。便宜上、まず始めに電動モータについて説明する。
【0017】
図1に示すように、電動モータMは、基本的に、モータの機械的要素を収納したモータモジュールAと、電気制御的要素を収納した回路モジュールBとから構成され、この例では電気自動車の走行駆動源として用いられている。
【0018】
このモータモジュールAは、略円筒形状のハンガーケース21内に、3相コイルを備えたモータ本体22と、モータ本体22を樹脂封入した樹脂ブロック23とから構成されている。このモータ本体22は、ハンガーケース21に対して回転可能に軸支されたモータ軸24と、該モータ軸24に固着されたロータ25と、ハンガーケース21側に固定されたステータ26とから構成されている。
【0019】
一方、回路モジュールBは、ヒートシンクケース11内に、モータ本体22を通電制御する回路基板12、及び該回路基板12に装着されるパワー半導体素子1、後述する放熱体たるサブヒートシンク6、三叉状の放熱板7、コンデンサ等の関連部品から構成されている。更に、図示は省略しているが、パワー半導体素子をスイッチング制御するCPUや関連部品も、ヒートシンクケース内に配置されている。
【0020】
尚、前記モータ本体22のコイルは、コアの所定箇所に巻き線を施して3相(U相、V相及びW相)に形成され、これらの各相のコイルは、それぞれモータ駆動回路を搭載した回路基板12に電気的に接続されている。
【0021】
図2は、パワー半導体素子1を用いたインバータ回路を示すもので、接続端子のプラス及びマイナスが電源へ接続され、接続端子のU、V、Wがモータへ接続される。
【0022】
一方、図3に示すパワー半導体素子1は、ゲート、ドレイン、及びソースの各電極2,3,4と、前記ドレイン電極3と電気的に接続する放熱用金属板5とを備えている。
【0023】
そして、図2において、図中の上部に示される三つのパワー半導体素子1は、各ドレイン電極3が回路的に同じ電位であるから、一つの放熱器に直接取り付けることができる。
【0024】
本例では、図4に示すように、三つのパワー半導体素子1を、一つのブロック状のサブヒートシンク6に固着している。サブヒートシンク6は、導電性のある金属部材であり、三つのパワー半導体素子1をサブヒートシンク6に直接固着することにより、パワー半導体素子1とサブヒートシンク6は電気的に接続される。
【0025】
更に、サブヒートシンク6を一つの接続端子として用いている。本例では、サブヒートシンク6の背面に螺着部を設けており、この螺着部にリード線8の端子8aをねじ9で接続している。
【0026】
このように、本例の装置によると、複数のパワー半導体素子1の放熱用金属板5が一つのサブヒートシンク6に電気的に接続され、この一つのサブヒートシンク6を一つの接続端子として用いるので、当該複数の放熱用金属板に係るドレイン電極から各々別に配線することを不要にできて、給電構造を簡易化することができる。
【0027】
更に本例では、複数の放熱用金属板5が電気的絶縁体を介さずにサブヒートシンク6に接続されるので、各パワー半導体素子1とサブヒートシンク6間の熱抵抗を小さくすることができ、パワー半導体素子1の放熱性を高めることができる。
【0028】
前記回路基板12は、図5に示すように、所定径を備えた円形状薄板に形成され、この回路基板12の上面側にはパワー半導体素子1を密着固定したサブヒートシンク6が、反対の背面側には大容量のコンデンサ10が、それぞれ実装されている。
【0029】
また、図6及び図7に示すように、サブヒートシンク6が複数、三叉状の放熱板7の各突片7aに固着されている。この放熱板7に電気的に接続されて固着されるサブヒートシンク6は、各サブヒートシンク6が回路的に同じ電位のものである。
【0030】
尚、サブヒートシンク6は、上面にねじ孔6aを設けており、このねじ孔6aに図示を省略したねじを介して、放熱板7を固着している。
【0031】
このように、サブヒートシンク6を複数、放熱板7に電気的に接続させてこれを一つの接続端子として用いるので、複数ある給電構造を一体化できて、より一層簡易化することができる。また、複数の放熱体(サブヒートシンク6)が更に放熱板7に接続されるので、パワー半導体素子の放熱性をより一層高めることができる。
【0032】
前記放熱板7は、図1及び図7に示すように、絶縁シート13を間に挟んで、ヒートシンクケース11に圧接されている。尚、放熱板7が装着されないサブヒートシンク6の上面にも絶縁シート13が配設されて、ヒートシンクケース11に圧接されている。
【0033】
このように、放熱板7はヒートシンクケース11に圧接されるので、放熱板7の熱はヒートシンクケース11により外部へ放熱されることとなり、その結果、パワー半導体素子1の放熱性をより一層高めることができる。尚、放熱板7が装着されないサブヒートシンク6もヒートシンクケース11に圧接されるので、サブヒートシンク6の熱はヒートシンクケース11により外部へ放熱され、パワー半導体素子1の放熱性が高められるものとなる。
【0034】
尚、放熱板7及びサブヒートシンク6はヒートシンクケース11に電気的に絶縁して固着されるので、ヒートシンクケース11から外部へパワー半導体素子1の大電流が散逸されることがなく、これにより安全性を確保することができる。
【0035】
また、前述した各サブヒートシンク6が回路的に同じ電位である当該サブヒートシンクは、例えば図8に示すように、片側に並べるとともに、これに対応させて放熱板7を半円形に形成して用いてもよい。もっともこれらの配置態様に限定されることなく、サブヒートシンク6を四角に配置する等、適宜の態様を採ることができる。
【0036】
以上の具体例において、電動モータに組み込まれている場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られることなく、パワー半導体素子の給電及び放熱装置が用いられるもの一般に適用することができるものである。また、パワー半導体素子としてはFETを例に挙げて説明したが、これに限られることなく、例えばトランジスタ、ダイオード、サイリスタ、IGBT、SIT等の適宜のものや、これらを組み合わせて一つのパッケージに入れたものを用いることができる。
【0037】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第1請求項に記載した発明は、複数のパワー半導体素子1,1を用いた電気回路において、前記パワー半導体素子は、その素子中の電極が当該半導体のパッケージの内部で電気的に接続された放熱用金属板5を備え、放熱用金属板の電位が同電位となる複数のパワー半導体素子1,1の当該放熱用金属板5,5を、導電性のある第1の放熱体6に電気的に接続させて固着するとともに、前記第1の放熱体6における放熱用金属板の電位とは異なる電位であって且つ、当該電位が同電位となる複数のパワー半導体素子1,1の当該放熱用金属板5,5を、導電性のある第2の放熱体6に電気的に接続させて固着し、更に前記第1の放熱体6と、前記第2の放熱体6を夫々一つの接続端子として用いるとともに、これら第1及び第2の放熱体6を別々に回路基板に実装したパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【0038】
このように、本発明の装置によると、複数の放熱用金属板が一つの放熱体に電気的に接続され、この一つの放熱体を一つの接続端子として用いるので、当該複数の放熱用金属板に係る電極から各々別に配線することを不要にできて、給電構造を簡易化することができる。
【0039】
更に本発明は、複数の放熱用金属板が電気的絶縁体を介さずに放熱体に接続されるので、各パワー半導体素子と放熱体間の熱抵抗を小さくすることができ、パワー半導体素子の放熱性を高めることができる。
【0040】
本願第2請求項に記載した発明は、請求項1の発明において、前記第1又は第2の放熱体6を複数、導電性のある一つの放熱板7に電気的に接続させて固着するとともに、前記放熱板7を一つの接続端子として用いる構成のパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【0041】
このように、放熱体を複数、放熱板に電気的に接続させてこれを一つの接続端子として用いるので、上述した給電構造をより一層簡易化することができる。また、複数の放熱体が更に放熱板に接続されるので、パワー半導体素子の放熱性をより一層高めることができる。
【0042】
本願第3請求項に記載した発明は、請求項2の発明において、前記放熱板を他の放熱器に電気的に絶縁して固着した構成のパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【0043】
放熱板の熱は他の放熱器により放熱されるので、パワー半導体素子の放熱性をより一層高めることができる。
【0044】
以上のように、本発明によれば、回路基板に装着されたパワー半導体素子の給電構造を簡易化し、同時に放熱作用も備えたパワー半導体素子の給電及び放熱装置を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の具体例に係り、パワー半導体素子の給電及び放熱装置を電動モータに組み込んだものを示す縦断面図である。
【図2】本発明の具体例に係り、パワー半導体素子を用いたインバータ回路図である。
【図3】本発明の具体例に係り、(1)はパワー半導体素子の外観斜視図、(2)は同回路記号である。
【図4】本発明の具体例に係り、複数のパワー半導体素子をサブヒートシンクに取り付けた状態を示す外観斜視図である。
【図5】本発明の具体例に係り、複数のパワー半導体素子取り付けた複数のサブヒートシンクを回路基板に配置した状態を示す外観斜視図である。
【図6】本発明の具体例に係り、複数のサブヒートシンクを回路基板に配置した状態を示すものであって、サブヒートシンクに放熱板を取り付けた状態を示す一部破断した外観斜視図である。
【図7】本発明の具体例に係り、回路モジュール部分を示す外観斜視図である。
【図8】本発明の具体例に係り、複数のサブヒートシンクを回路基板に配置した状態を示すものであって、サブヒートシンクに放熱板を取り付けた状態を示す外観斜視図である。
【符号の説明】
1 パワー半導体素子
2 電極
3 電極
4 電極
5 放熱用金属板
6 サブヒートシンク
6a ねじ孔
7 放熱板
7a 突片
8 リード線
8a 端子
9 ねじ
10 コンデンサ
11 ヒートシンクケース
12 回路基板
13 絶縁シート
A モータモジュール
B 回路モジュール
M 電動モータ
Claims (3)
- 複数のパワー半導体素子1,1を用いた電気回路において、
前記パワー半導体素子は、その素子中の電極が当該半導体のパッケージの内部で電気的に接続された放熱用金属板5を備え、
放熱用金属板の電位が同電位となる複数のパワー半導体素子1,1の当該放熱用金属板5,5を、導電性のある第1の放熱体6に電気的に接続させて固着するとともに、
前記第1の放熱体6における放熱用金属板の電位とは異なる電位であって且つ、当該電位が同電位となる複数のパワー半導体素子1,1の当該放熱用金属板5,5を、導電性のある第2の放熱体6に電気的に接続させて固着し、
更に前記第1の放熱体6と、前記第2の放熱体6を夫々一つの接続端子として用いるとともに、これら第1及び第2の放熱体6を別々に回路基板に実装したことを特徴とするパワー半導体素子の給電及び放熱装置。 - 前記第1又は第2の放熱体6を複数、導電性のある一つの放熱板7に電気的に接続させて固着するとともに、前記放熱板7を一つの接続端子として用いることを特徴とする請求項1記載のパワー半導体素子の給電及び放熱装置。
- 前記放熱板7を他の放熱器11に電気的に絶縁して固着したことを特徴とする請求項2記載のパワー半導体素子の給電及び放熱装置。
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