JP5017332B2 - インバータ - Google Patents
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Description
セラミック基板の一方の面の電極にはんだ付けされた1以上の能動素子が樹脂で封止されたパワーモジュールにおいて、セラミック基板の他方の面に導体膜を形成し、この導体膜が形成された基板面の周縁部が、能動素子の封止樹脂で覆われるようにした。
コレクタ端子3、外部エミッタ端子4、外部ゲート端子5)、(5)コレクタ電極8にはんだ12で接合されたIGBT13およびフリーホイールダイオード14、(6)フリーホイ
ールダイオード14がIGBT13に並列接続されるように(図2参照)、各パワー素子13,14をエミッタ電極9またはゲート電極10に電気的に接続したボンディングワイヤ16、(7)セラミック基板7の表面側を外部環境から保護するための封止樹脂2、を有している。さらに、トランスファー成形中に金型にセラミック基板7を均一に押し付けるために利用した、外部端子3,4,5と反対向きの補助端子15を備えることもある。
防止につながる。したがって、パワーモジュール1の変形が防止される。
図1に示した構成においては、セラミック基板7の表面上の各電極8,9,10に外部端子3,4,5をそれぞれはんだ付けしているが、必ずしも、このようにする必要はない。例えば、図5(a)に示すように、セラミック基板7の表面上の各電極8,9,10の端部を延長し、セラミック基板7から突き出した部分8a,9a,10aを外部端子3,4,5として利用してもよい。このことは、補助端子15についても同様である。
このため、パワーモジュール1の信頼性が向上する。また、はんだ付け工程を減らすことができるため、製造工程の簡略化が図られる。
外部エミッタ端子4および外部ゲート端子5は、発熱体であるパワー素子13,14と直接接触していないため、パワー素子13,14からの熱を外部に放出するためのセラミック基板7に接触している必要性は少ない。したがって、外部エミッタ端子4および外部ゲート端子5のうち、少なくとも一方を、セラミック基板7の表面から離れた位置に配置しても、パワーモジュール1の飽和熱抵抗はほとんど変化しない。具体例として、図6(b)に、セラミック基板7の表面から離れた位置に外部エミッタ端子4および外部ゲート端子5を配置した構成を示す。この場合、セラミック基板7の表面に接触しているのは外部コレクタ端子(またはコレクタ電極)だけである。このような立体的な配置を採用すれば、図6(a)に示すように、エミッタ電極およびゲート電極が不要となるため、すべての外部端子をセラミック基板上の電極に接触させる場合(図1、図5等参照)よりも、セラミック基板7の表面の面積が小さくて足りる。このため、高価なセラミック基板7のサイズを小さくすることができ、生産コストを抑制することができる。ただし、図6(c)に示すように、セラミック基板7のサイズが小さい分、導体膜11の露出領域11aも狭くなる。
このようなことは、外部エミッタ端子4および外部ゲート端子5の一方をセラミック基板7の表面から離れた位置に配置した場合についても同様である。
一般に、外部エミッタ端子4と外部ゲート端子5との間には、急激に変化する大電流が流れる。このため、外部ゲート端子5および外部エミッタ端子4の抵抗またはインダクタンスによって、IGBT13のエミッタ−ゲート間の電圧が変動する。このような現象を防止するには、図8(a)に示すように、外部コレクタ端子5の幅を実用上問題の生じない程度に細くした上で、外部エミッタ端子4の根元付近(すなわち、できるだけIGB13に近い位置)から、本体部側より細い補助エミッタ電極4'を分岐させればよい。または、外部エミッタ端子4より細い端子をエミッタ電極9に別途はんだ付けすることによって補助エミッタ端子を作成してもよい。
3つの外部端子が、外部コレクタ端子3、外部エミッタ端子4、外部ゲート端子5の順番で一列に並んでいる場合には、外部コレクタ端子3と外部エミッタ端子4との間に、パワーモジュール1の最大電圧がかかる。このため、外部コレクタ端子3と外部エミッタ端子4との間には、空間放電等が生じない十分な間隔が設けられている必要があり、このことが、パワーモジュール1の小型化の妨げになっていた。3つの外部端子が、外部コレクタ端子3、外部エミッタ端子4、外部ゲート端子5の順番で一列に並んでいる場合に、外部コレクタ端子3と外部エミッタ端子4との間の空間放電等を防止しつつ、パワーモジュール1の小型化を図るには、図34(a)(b)(c)に示すように、外部コレクタ端子3と外部エミッタ端子4との間を仕切る凸部30を封止樹脂2と一体成形することが有効である。この凸部30が遮蔽板として機能するからである。同様な凸部は、外部エミッタ端子4と外部ゲート端子5との間に介在させておいてもよい。しかし、外部エミッタ端子4と外部ゲート端子5との間に印加される電圧(IGBT13への入力信号)は、通常、15V以下であるため、外部エミッタ端子4と外部ゲート端子5との間の間隔がパワーモジュール1の小型化の妨げになるとは考えにくい。したがって、外部エミッタ端子4と外部ゲート端子5との間に遮蔽板を介在させる必要性は乏しい。
以上においては、いずれも、3つの外部端子3,4,5の接続端部を、セラミック基板7の一辺側から突出させているが、必ずしも、このようにする必要はない。3つの外部端子3,4,5の接続端部の向きは、システム実装時における接続構造に応じて適宜に定めばよい。したがって、例えば、図20(a)(b)に示すように、外部コレクタ端子3の接続端部とは逆向きに外部エミッタ端子4の接続端部を突き出させてもよい。この場合、外部エミッタ端子4が補助端子15としての役割も果たすため、補助端子15を別途設ける必要はない。
インバータ等にパワーモジュールを実装する際等には、複数のパワーモジュールが一組として使用される。このような使用形態に対応するため、図10(a)に示すように、一列に並べた複数のセラミック基板7を1つの封止樹脂2で封止するようにしてもよい。このようにするには、図10(c)に示すように、外部端子3,4,5(ここでは、さらに補助エミッタ端子4'も含めている)となるリードを複数組有するリードフレーム19に必要数のセラミック基板7をはんだ付けし、それらのセラミック基板7をインサート成形すればよい。この場合には、もちろん、図10(b)に示すように、複数のセラミック基板7の裏面側の導体膜11の、周縁部を除く領域11aが封止樹脂2から露出することになる。
以上述べたいずれの構成も、パワーモジュール1の片面側に外部冷却体を装着させるものであったが、パワーモジュール1の両面側に外部冷却体を装着させるようにすることもできる。ここでは、図29に示す等価回路を実現するパワーモジュールを例に挙げて説明する。
Claims (11)
- スイッチング動作により直流電流を交流電流に変換する第1パワー素子を有する第1パワーモジュールと、
スイッチング動作により直流電流を交流電流に変換する第2パワー素子を有する第2パワーモジュールと、
冷却冷媒を流す流路を形成した冷却体と、を備え、
前記第1パワーモジュールは、前記第1パワー素子の一方の電極と接続される第1配線と、前記第1パワー素子の他方の電極と接続される第2配線と、前記第1パワー素子を封止する第1樹脂封止材と、を有し、
前記第2パワーモジュールは、前記第2パワー素子の一方の電極と接続されるとともに前記第1配線及び前記第2配線とは分離して設けられる第3配線と、前記第2パワー素子の他方の電極と接続されるとともに前記第1配線及び前記第2配線とは分離して設けられる第4配線と、前記第2パワー素子を封止するとともに前記第1樹脂封止材と分離して設けられる第2樹脂封止材と、を有し、
前記第1配線は、前記第1パワー素子が配置された側の面とは反対側に前記第1樹脂封止材から露出する第1露出面を有し、
前記第2配線は、前記第1パワー素子が配置された側の面とは反対側に前記第1樹脂封止材から露出する第2露出面を有し、
前記第3配線は、前記第2パワー素子が配置された側の面とは反対側に前記第2樹脂封止材から露出する第3露出面を有し、
前記第4配線は、前記第2パワー素子が配置された側の面とは反対側に前記第2樹脂封止材から露出する第4露出面を有し、
前記冷却体は、前記第1露出面と対向する領域と前記第3露出面と対向する領域をそれぞれ有する第1冷却体と、前記第1パワーモジュール及び前記第2パワーモジュールを挟んで前記第1冷却体と対向するとともに前記第2露出面と対向する領域と前記第4露出面と対向する領域をそれぞれ有する第2冷却体と、
前記第1配線の側部は、前記第1露出面の面積が当該第1配線の外縁部を含む前記第1露出面に平行な面方向における断面積よりも小さくなるように形成され、
前記第2配線の側部は、前記第2露出面の面積が当該第2配線の外縁部を含む前記第2露出面に平行な面方向における断面積よりも小さくなるように形成され、
前記第3配線の側部は、前記第3露出面の面積が当該第3配線の外縁部を含む前記第3露出面に平行な面方向における断面積よりも小さくなるように形成され、
前記第4配線の側部は、前記第4露出面の面積が前記第4配線の外縁部を含む前記第4露出面に平行な面方向における断面積よりも小さくなるように形成され、
前記第1樹脂封止材は、前記第1配線の側部及び前記第2配線の側部を覆って形成され、
前記第2樹脂封止材は、前記第3配線の側部及び前記第4配線の側部を覆って形成されるインバータ。 - スイッチング動作により直流電流を交流電流に変換する第1パワー素子を有する第1パワーモジュールと、
スイッチング動作により直流電流を交流電流に変換する第2パワー素子を有する第2パワーモジュールと、
冷却冷媒を流す流路を形成した冷却体と、を備え、
前記第1パワーモジュールは、前記第1パワー素子の一方の電極と接続される第1配線と、前記第1パワー素子の他方の電極と接続される第2配線と、前記第1パワー素子を封止する第1樹脂封止材と、を有し、
前記第2パワーモジュールは、前記第2パワー素子の一方の電極と接続されるとともに前記第1配線及び前記第2配線とは分離して設けられる第3配線と、前記第2パワー素子の他方の電極と接続されるとともに前記第1配線及び前記第2配線とは分離して設けられる第4配線と、前記第2パワー素子を封止するとともに前記第1樹脂封止材と分離して設けられる第2樹脂封止材と、を有し、
前記冷却体は、前記第1配線と対向する領域と前記第3配線と対向する領域をそれぞれ有する第1冷却体と、前記第1パワーモジュール及び前記第2パワーモジュールを挟んで前記第1冷却体と対向するとともに前記第2配線と対向する領域と前記第4配線と対向する領域をそれぞれ有する第2冷却体と、
前記第1配線の側部は、前記第1パワー素子が配置された側の面とは反対側の面の面積が当該第1配線の外縁部を含む前記反対側の面の最表面に平行な面方向における断面積よりも小さくなるように形成され、
前記第2配線の側部は、前記第1パワー素子が配置された側の面とは反対側の面の面積が当該第2配線の外縁部を含む前記反対側の面の最表面に平行な面方向における断面積よりも小さくなるように形成され、
前記第3配線の側部は、前記第2パワー素子が配置された側の面とは反対側の面の面積が当該第3配線の外縁部を含む前記反対側の面の最表面に平行な面方向における断面積よりも小さくなるように形成され、
前記第4配線の側部は、前記第2パワー素子が配置された側の面とは反対側の面の面積が前記第4配線の外縁部を含む前記反対側の面の最表面に平行な面方向における断面積よりも小さくなるように形成され、
前記第1樹脂封止材は、前記第1配線の側部及び前記第2配線の側部を覆って形成され、
前記第2樹脂封止材は、前記第3配線の側部及び前記第4配線の側部を覆って形成されるインバータ。 - 請求項1又は2に記載されたいずれかのインバータであって、
前記複数のパワーモジュールは、前記直流電流を伝達する端子をそれぞれ有し、
前記樹脂封止材は、前記第1配線と前記第2配線に挟まれた空間よりも外部に突出して形成された突出部を形成し、
前記端子は、前記樹脂封止材の前記突出部を介して当該樹脂封止材の外部へ突出するインバータ。 - 請求項1ないし3に記載されたいずれかのインバータであって、
前記第1配線は、前記パワー素子を実装する第1導体膜と、前記第1導体膜を保持するセラミック製の第1基板と、前記第1基板を挟んで前記第1導体膜とは反対側に形成される第2導体膜とを有し、
前記第2配線は、前記パワー素子を実装する第3導体膜と、前記第3導体膜を保持するセラミック製の第2基板と、前記第1基板を挟んで前記第3導体膜とは反対側に形成される第4導体膜とを有するインバータ。 - 請求項4に記載されたインバータであって、
前記第1配線の第2導体膜は、はんだを介して前記第1冷却体と接続され、
前記第2配線の第4導体膜は、はんだを介して前記第2冷却体と接続されるインバータ。 - 請求項1ないし5に記載されたいずれかのインバータであって、
前記直流電流を平滑化する平滑コンデンサを備え、
前記平滑コンデンサと前記パワーモジュールとを電気的に接続する電源端子と、
前記冷却体は、前記平滑コンデンサの側部に配置され、
前記電源端子は、前記平滑コンデンサ側から前記冷却体の上部まで延ばされ、かつ板状の正極側電源端子及び板状の負極側電源端子により構成され、さらに当該正極側電源端子と当該負極側電源端子との間に挟まれる絶縁部材を有するインバータ。 - 請求項6に記載されたインバータであって、
前記電源端子は、前記平滑コンデンサと直接接続されるインバータ。 - 請求項6又は7に記載されたいずれかのインバータであって、
前記パワーモジュールを駆動するためのプリント配線板を備え、
前記プリント配線板は、前記冷却体及び前記パワーモジュールと対向する位置に配置されるインバータ。 - 請求項8に記載されたインバータであって、
前記冷却体及び前記パワーモジュールを収納するケースと、
前記プリント配線板を前記ケースに支持するための補強部材と、を有するインバータ。 - 請求項1ないし9に記載されたいずれかのインバータであって、
前記第1パワーモジュールは、前記第1パワー素子に前記直流電流を伝達する第1コレクタ端子と、前記第1パワー素子にゲート信号を伝達する第1ゲート端子と、を有し、
前記第1コレクタ端子は、前記第1冷却体と前記第2冷却体に挟まれた空間から突出し、
前記第1ゲート端子は、前記第1冷却体と前記第2冷却体に挟まれた空間から突出するとともに前記第1コレクタ端子の突出方向とは反対方向に突出するインバータ。 - 請求項10に記載されたインバータであって、
前記第2パワーモジュールは、前記第2パワー素子に前記直流電流を伝達する第2コレクタ端子と、前記第2パワー素子にゲート信号を伝達する第2ゲート端子と、を有し、
前記第2コレクタ端子は、前記第1冷却体と前記第2冷却体に挟まれた空間から突出するとともに前記第1コレクタ端子の突出方向と平行に突出し、
前記第2ゲート端子は、前記第1冷却体と前記第2冷却体に挟まれた空間から突出するとともに前記第2コレクタ端子の突出方向とは反対方向に突出するインバータ。
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