JP5541362B2 - パワーモジュール、電力変換装置および電動車両 - Google Patents

パワーモジュール、電力変換装置および電動車両 Download PDF

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Description

本発明は、パワーモジュール、電力変換装置および電動車両に関する。
電動車両の電力変換装置には、入出力電圧を平滑化するための平滑コンデンサが設けられている。平滑コンデンサを設ける場合、電動車両の電気系統が停止したときに、平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する必要がある。電荷を放電するための方策の一つとして、放電抵抗を設けることがある。放電抵抗を設けると、電動車両の電気系統が正常に動作している間も、放電抵抗にはわずかではあるが電流が流れ、放電抵抗は発熱する。放電抵抗の発熱によって平滑コンデンサが加熱されてしまうと、平滑コンデンサの特性が劣化してしまう。そこで、放電抵抗の発熱から平滑コンデンサを保護する技術が従来から開発されている。
特許文献１には、平滑コンデンサと放電抵抗が設けられた電力変換装置において、放電抵抗が発熱しても平滑コンデンサが加熱されにくい構造が開示されている。
特開２００８−２１１１２９号公報
従来技術では、平滑コンデンサの耐熱性は確保されているものの、放電抵抗そのものは発熱して高温となるため、放電抵抗としてセメント抵抗等の耐熱性の高い抵抗器を使用しなければならず、製造コストの上昇を招いている。放電抵抗の温度上昇を抑制することができれば、放電抵抗として従来よりも耐熱性の低い抵抗器を使用することが可能となり、製造コストを軽減することが可能となる。
本明細書は、パワーモジュールを開示する。そのパワーモジュールは、第１リードフレームと、第２リードフレームと、第１リードフレームと第２リードフレームの間に直列に接続された、第１半導体スイッチおよび第２半導体スイッチと、第１リードフレームと第２リードフレームの間に接続された抵抗器と、第１リードフレーム、第２リードフレーム、第１半導体スイッチ、第２半導体スイッチおよび抵抗器を封入した樹脂製のパッケージを備えている。そのパワーモジュールでは、パッケージの少なくとも一部に、第１リードフレームおよび／または第２リードフレームからの熱を放熱する放熱部が形成されている。
ここでいう「リードフレーム」とは、導電性および熱伝導性を有する部材であって、第１半導体スイッチおよび／または第２半導体スイッチへの電力の供給と、第１半導体スイッチおよび／または第２半導体スイッチからの伝熱が可能な部材をいう。典型的には、リードフレームは、金属細長板である。ここでいう「半導体スイッチ」とは、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子の動作により回路の導通／非導通を切替え可能な半導体装置をいう。なお、リードフレームの一部はパッケージに封入されるが、他部はパッケージから露出している。
上記のパワーモジュールは、例えば昇圧回路や三相インバータ回路等で用いられる第１半導体スイッチと第２半導体スイッチの組を備えている。このパワーモジュールでは、第１半導体スイッチおよび第２半導体スイッチで発生した熱は、第１リードフレームおよび／または第２リードフレームを介して、放熱部から外部に放出される。このパワーモジュールでは、スイッチング動作に伴い発熱する第１半導体スイッチおよび第２半導体スイッチを、放熱部からの放熱によって冷却することができる。
上記のパワーモジュールを、平滑コンデンサとともに使用される昇圧回路や三相インバータ回路の構成部品として使用する場合、パッケージに封入された抵抗器を平滑コンデンサの放電抵抗として機能させることができる。このパワーモジュールにおいて、抵抗器で発生した熱は、第１リードフレームおよび／または第２リードフレームを介して伝導し、放熱部から外部に放出される。これにより、平滑コンデンサの放電抵抗として機能する抵抗器の温度上昇を抑制することができる。放電抵抗として耐熱性の低い材料を用いることが可能となり、製造コストを軽減することができる。
また、上記のパワーモジュールでは、平滑コンデンサに対して放電抵抗を並列に取り付けるために従来必要とされていた、ボルトやワイヤ、ケーブル、端子等の部品が不要となる。部品点数を削減し、組付け作業の労力を軽減することができる。
上記のパワーモジュールは、抵抗器が面実装抵抗器であり、抵抗器が第１リードフレームと第２リードフレームにはんだ付けされていることが好ましい。
上記のパワーモジュールでは、第１リードフレームおよび第２リードフレームへの取付けを、リフローはんだ付けにより行うことができる。第１リードフレームおよび第２リードフレームへの第１半導体スイッチおよび第２半導体スイッチの取付けも、通常はリフローはんだ付けにより行われる。上記のパワーモジュールによれば、同じリフローはんだ付けの作業工程において、第１半導体スイッチおよび第２半導体スイッチの取付けと、抵抗器の取付けの双方を行うことができる。組付け作業に必要とされる冶具を簡素化し、かつ組付け作業の労力を軽減することができる。
上記のパワーモジュールは、第１リードフレームと第２リードフレームに抵抗器を取り付けるための窪みが形成されていることが好ましい。
上記のパワーモジュールによれば、抵抗器を取り付けることによるパワーモジュールの大型化を防ぐことができる。パワーモジュールを小型化することができる。
上記のパワーモジュールは、パッケージが扁平な直方体形状に形成されており、パッケージの両側面に放熱部が形成されていることが好ましい。
上記のパワーモジュールによれば、パワーモジュールを両側面から冷却することが可能であり、冷却効率を高めることができる。
上記のパワーモジュールは、第１半導体スイッチと第２半導体スイッチの間に接続された第３リードフレームをさらに備えており、第３リードフレームも、パッケージに封入されており、第１リードフレームの外側表面および第２リードフレームの外側表面が、パワーモジュールの一方の側面で露出しており、第３リードフレームの外側表面が、パワーモジュールの他方の側面で露出しており、抵抗器の一端が第１リードフレームの内側表面に接続しており、抵抗器の他端が第２リードフレームの内側表面に接続していることが好ましい。
上記のパワーモジュールによれば、パワーモジュールのサイズを大型化することなく、両面からの冷却が可能な構造を実現することができる。
あるいは、上記のパワーモジュールは、第１半導体スイッチと第２半導体スイッチの間に直列に接続された第３リードフレームおよび第４リードフレームと、第３リードフレームと第４リードフレームの間に接続された導電性ブリッジをさらに備えており、第３リードフレーム、第４リードフレームおよび導電性ブリッジも、パッケージに封入されており、第１リードフレームの外側表面および第４リードフレームの外側表面が、パワーモジュールの一方の側面で露出しており、第２リードフレームの外側表面および第３リードフレームの外側表面が、パワーモジュールの他方の側面で露出しており、抵抗器の一端が第１リードフレームの内側表面に接続しており、抵抗器の他端が第２リードフレームの内側表面に接続しており、導電性ブリッジの一端が第３リードフレームの内側表面に接続しており、導電性ブリッジの他端が第４リードフレームの内側表面に接続していることが好ましい。
上記のパワーモジュールによっても、パワーモジュールのサイズを大型化することなく、両面からの冷却が可能な構造を実現することができる。
本明細書は電力変換装置も開示する。その電力変換装置は、上記のパワーモジュールと、平滑コンデンサを備えている。
本明細書は電動車両も開示する。その電動車両は、上記の電力変換装置とモータを備えている。
本明細書が開示する技術の詳細は、以下の発明の実施の形態で説明する。
第１実施例および第２実施例の電動車両１０の電気系統を模式的に示す図である。 第１実施例および第２実施例の放電抵抗２８と三相インバータ回路２４の回路構成を示す図である。 第１実施例のパワーカード４６の外観を示す斜視図である。 第１実施例のパワーカード４６を一方の側面から見た図である。 第１実施例のパワーカード４６を図４のV-V断面で見た断面図である。 第２実施例のパワーカード１００の外観を示す斜視図である。 第２実施例のパワーカード１００を一方の側面から見た図である。 第２実施例のパワーカード１００を図７のVIII-VIII断面で見た断面図である。 第２実施例のパワーカード１００を図７のIX-IX断面で見た断面図である。
（第１実施例）
図１に、電動車両１０の電気系統を示す。電動車両１０は、バッテリ１２と、電力変換装置１４と、モータ１６を備えている。電動車両１０は、バッテリ１２に蓄えられた電力を、電力変換装置１４を介してモータ１６に供給し、車輪の駆動軸を回転させる。また、バッテリ１２が二次電池である場合には、電動車両１０の減速時に、モータ１６での回生発電により発生した電力を、電力変換装置１４を介してバッテリ１２に供給し、バッテリ１２に充電することもできる。電動車両１０は、電池式電気自動車であってもよいし、ハイブリッド自動車であってもよい。バッテリ１２は、リチウムイオン電池等の二次電池であってもよいし、燃料電池等の一次電池であってもよい。モータ１６は車輪の駆動軸を回転させる三相交流モータである。
電力変換装置１４は、昇圧回路２０と、第１平滑コンデンサ２２と、三相インバータ回路２４と、第２平滑コンデンサ２６と、放電抵抗２８を備えている。
昇圧回路２０は、バッテリ１２から供給される電圧を、モータ１６の駆動に適した電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータである。本実施例では、バッテリ１２から供給される電圧は３００Ｖであり、モータ１６の駆動に適した電圧は６００Ｖである。また、昇圧回路２０は、電動車両１０の減速時にモータ１６が回生発電した電圧を、バッテリ１２と同じ電圧に降圧することもできる。昇圧回路２０は、リアクトル２５と、上アームスイッチ２７および下アームスイッチ２９を備えている。上アームスイッチ２７はスイッチング素子であるＩＧＢＴ２７ａと、還流ダイオード２７ｂを備えている。上アームスイッチ２７を構成するＩＧＢＴ２７ａと還流ダイオード２７ｂは、１つの半導体チップ上に隣接して形成されている。下アームスイッチ２９はスイッチング素子であるＩＧＢＴ２９ａと、還流ダイオード２９ｂを備えている。下アームスイッチ２９を構成するＩＧＢＴ２９ａと還流ダイオード２９ｂは、１つの半導体チップ上に隣接して形成されている。
第１平滑コンデンサ２２は、バッテリ１２と昇圧回路２０の間に設けられており、バッテリ１２と昇圧回路２０の間の入出力電圧を平滑化する。第１平滑コンデンサ２２を設けることで、昇圧回路２０におけるスイッチング動作の影響がバッテリ１２へ及ぶことが抑制される。
三相インバータ回路２４は、昇圧回路２０から供給される直流電力を、モータ１６の駆動のための三相交流電力に変換する。また、三相インバータ回路２４は、電動車両１０の減速時にモータ１６が回生発電した三相交流電力を、昇圧回路２０へ供給するための直流電力に変換することもできる。三相インバータ回路２４は、Ｕ相出力を生成する上アームスイッチ３２および下アームスイッチ３４と、Ｖ相出力を生成する上アームスイッチ３６および下アームスイッチ３８と、Ｗ相出力を生成する上アームスイッチ４０および下アームスイッチ４２を備えている。上アームスイッチ３２はスイッチング素子であるＩＧＢＴ３２ａと、還流ダイオード３２ｂを備えている。上アームスイッチ３２を構成するＩＧＢＴ３２ａと還流ダイオード３２ｂは、１つの半導体チップ３２ｃ（図２参照）上に隣接して形成されている。下アームスイッチ３４はスイッチング素子であるＩＧＢＴ３４ａと、還流ダイオード３４ｂを備えている。下アームスイッチ３４を構成するＩＧＢＴ３４ａと還流ダイオード３４ｂは、１つの半導体チップ３４ｃ（図２参照）上に隣接して形成されている。上アームスイッチ３６はスイッチング素子であるＩＧＢＴ３６ａと、還流ダイオード３６ｂを備えている。上アームスイッチ３６を構成するＩＧＢＴ３６ａと還流ダイオード３６ｂは、１つの半導体チップ３６ｃ（図２参照）上に隣接して形成されている。下アームスイッチ３８はスイッチング素子であるＩＧＢＴ３８ａと、還流ダイオード３８ｂを備えている。下アームスイッチ３８を構成するＩＧＢＴ３８ａと還流ダイオード３８ｂは、１つの半導体チップ３８ｃ（図２参照）上に隣接して形成されている。上アームスイッチ４０はスイッチング素子であるＩＧＢＴ４０ａと、還流ダイオード４０ｂを備えている。上アームスイッチ４０を構成するＩＧＢＴ４０ａと還流ダイオード４０ｂは、１つの半導体チップ４０ｃ（図２参照）上に隣接して形成されている。下アームスイッチ４２はスイッチング素子であるＩＧＢＴ４２ａと、還流ダイオード４２ｂを備えている。下アームスイッチ４２を構成するＩＧＢＴ４２ａと還流ダイオード４２ｂは、１つの半導体チップ４２ｃ（図２参照）上に隣接して形成されている。
第２平滑コンデンサ２６は、昇圧回路２０と三相インバータ回路２４の間に設けられており、昇圧回路２０と三相インバータ回路２４の間の入出力電圧を平滑化する。第２平滑コンデンサ２６を設けることで、昇圧回路２０におけるスイッチング動作の影響が三相インバータ回路２４へ及んだり、三相インバータ回路２４におけるスイッチング動作の影響が昇圧回路２０へ及ぶことが抑制される。
放電抵抗２８は、第２平滑コンデンサ２６と並列に接続されている。放電抵抗２８は、電動車両１０の電気系統が停止し、昇圧回路２０や三相インバータ回路２４が動作しなくなったときに、第２平滑コンデンサ２６に蓄積された電荷を放電するために設けられている。本実施例の電動車両１０では、放電抵抗の抵抗値は５０ｋΩ〜５００ｋΩである。放電抵抗２８には、電動車両１０の電気系統が正常に動作し、昇圧回路２０や三相インバータ回路２４が動作している間も、わずかではあるが電流が流れる。放電抵抗２８では、電気エネルギーを熱エネルギーとして外部に放出するため、放電抵抗２８は発熱する。
本実施例の電動車両１０では、電力変換装置１４のうち、第１平滑コンデンサ２２と第２平滑コンデンサ２６は、同一のコンデンサケース内に収容されている。また、昇圧回路２０の上アームスイッチ２７と下アームスイッチ２９は、１つのパワーカードに収容されている。図２に示すように、三相インバータ回路２４において、Ｕ相出力を生成する上アームスイッチ３２と下アームスイッチ３４は、１つのパワーカード４６に収容されている。Ｖ相出力を生成する上アームスイッチ３６と下アームスイッチ３８は、１つのパワーカード４８に収容されている。Ｗ相出力を生成する上アームスイッチ４０と下アームスイッチ４２は、１つのパワーカード５０に収容されている。それぞれのパワーカード４６，４８，５０は、冷却機構により冷却される。これらのパワーカードは、パワーモジュールの一態様である。
本実施例の電動車両１０では、放電抵抗２８が、第１平滑コンデンサ２２および第２平滑コンデンサ２６を収容するコンデンサケースではなく、三相インバータ回路２４のパワーカード４６，４８，５０の内部に収容される。図２に示すように、上アームスイッチ３２および下アームスイッチ３４に対して並列に接続された抵抗器５２がパワーカード４６に収容され、上アームスイッチ３６および下アームスイッチ３８に対して並列に接続された抵抗器５４がパワーカード４８に収容され、上アームスイッチ４０および下アームスイッチ４２に対して並列に接続された抵抗器５６がパワーカード５０に収容され、これらの３つの抵抗器５２，５４，５６によって放電抵抗２８が構成される。
本実施例の電動車両１０では、パワーカード４６，４８，５０は同じ構造を有しているので、以下ではパワーカード４６を例として詳細な説明を行う。
図３および図４は、パワーカード４６の外観を示している。パワーカード４６は、扁平な直方体形状のパッケージ６０と、パッケージ６０の上端面から突出する第１電極６２ａ、第２電極６４ａおよび第３電極６６ａと、パッケージ６０の下端面から突出する第１制御端子６８および第２制御端子７０を備えている。パッケージ６０は、例えばエポキシモールド樹脂である。パッケージ６０の一方の側面（図３の左手前側の側面）には、第１放熱板６２ｂおよび第２放熱板６４ｂが露出している。パッケージ６０の他方の側面（図３の右奥側の側面）には、第３放熱板６６ｂが露出している。第１電極６２ａと第１放熱板６２ｂは、単一の金属板から成形されており、両者により第１リードフレーム６２が構成される。第２電極６４ａと第２放熱板６４ｂは、単一の金属板から成形されており、両者により第２リードフレーム６４が構成される。第３電極６６ａと第３放熱板６６ｂは、単一の金属板から成形されており、両者により第３リードフレーム６６が構成される。第１リードフレーム６２、第２リードフレーム６４および第３リードフレーム６６は、銅、アルミ合金、タングステン、モリブデン等の熱伝導性が良好な耐熱性の高い導体であれば、どのような材料を用いてもよい。第１制御端子６８は、パッケージ６０の内部に封入された上アームスイッチ３２の半導体チップ３２ｃのゲート端子、ドレイン端子、カレントミラーセンス端子、および２つの温度検出端子を備えている。第２制御端子７０は、パッケージ６０の内部に封入された下アームスイッチ３４の半導体チップ３４ｃのゲート端子、ドレイン端子、カレントミラーセンス端子、および２つの温度検出端子を備えている。第１電極６２ａは昇圧回路２０の出力の正極に接続され、第２電極６４ａは昇圧回路２０の出力の負極に接続され、第３電極６６ａはモータ１６のＵ相入力に接続される。
図５に示すように、上アームスイッチ３２が形成された半導体チップ３２ｃは、第１放熱板６２ｂと第３放熱板６６ｂの間に配置されている。半導体チップ３２ｃは、一方の面にカソード電極が形成されており、他方の面にアノード電極が形成されている。半導体チップ３２ｃのカソード電極が形成された面は、はんだ層７２ａを介して第３放熱板６６ｂに接合している。アノード電極が形成された面は、はんだ層７２ｂを介して導電性スペーサ７４に接合している。本実施例では、導電性スペーサ７４は、金属製の部材である。導電性スペーサ７４は、はんだ層７２ｃを介して第１放熱板６２ｂに接合している。半導体チップ３２ｃは、図示しないワイヤボンディングにより、第１制御端子６８と接続している。導電性スペーサ７４によって、ワイヤボンディングが第１放熱板６２ｂと短絡することが抑制されている。
下アームスイッチ３４が形成された半導体チップ３４ｃは、第２放熱板６４ｂと第３放熱板６６ｂの間に配置されている。半導体チップ３４ｃは、一方の面にカソード電極が形成されており、他方の面にアノード電極が形成されている。カソード電極が形成された面は、はんだ層７２ｄを介して第２放熱板６４ｂに接合している。アノード電極が形成された面は、はんだ層７２ｅを介して導電性スペーサ７６に接合している。本実施例では、導電性スペーサ７６は、金属製の部材である。導電性スペーサ７６は、はんだ層７２ｆを介して第３放熱板６６ｂに接合している。半導体チップ３４ｃは、図示しないワイヤボンディングにより、第２制御端子７０と接続している。導電性スペーサ７６によって、ワイヤボンディングが第３放熱板６６ｂと短絡することが抑制されている。
抵抗器５２は第１放熱板６２ｂと第２放熱板６４ｂを接続している。本実施例では、抵抗器５２は、面実装型の抵抗器である。第１放熱板６２ｂの内側表面には、抵抗器５２を取り付けるための窪み６２ｃが形成されている。第２放熱板６４ｂの内側表面には、抵抗器５２を取り付けるための窪み６４ｃが形成されている。抵抗器５２の一方の端部は、はんだ層７２ｇを介して、第１放熱板６２ｂの窪み６２ｃに接合している。抵抗器５２の他方の端部は、はんだ層７２ｈを介して、第２放熱板６４ｂの窪み６４ｃに接合している。
パワーカード４６の一方の側面（図５の上側の側面）には第１放熱板６２ｂの外側表面と第２放熱板６４ｂの外側表面が露出して放熱部を形成している。パワーカード４６の他方の側面（図５の下方の側面）には第３放熱板６６ｂの外側表面が露出して放熱部を形成している。パワーカード４６の両方の側面にそれぞれ冷却機構を設けることで、パワーカード４６を両面から冷却することができる。
パワーカード４６を製造する際には、まず半導体チップ３２ｃと第１制御端子６８の間のワイヤボンディングおよび半導体チップ３４ｃと第２制御端子７０の間のワイヤボンディングの結線と、第１リードフレーム６２、第２リードフレーム６４、第３リードフレーム６６、半導体チップ３２ｃ、３４ｃ、導電性スペーサ７４，７６、抵抗器５２のリフローはんだ付けを行う。その後、トランスファモールド法などの樹脂モールド法によって、パッケージ６０を成形する。これにより、パッケージ６０の内部に、第１リードフレーム６２、第２リードフレーム６４、第３リードフレーム６６、半導体チップ３２ｃ、３４ｃ、導電性スペーサ７４，７６、抵抗器５２、ワイヤボンディング、第１制御端子６８、第２制御端子７０が封入される。なお、図示されているように、第１リードフレーム６２、第２リードフレーム６４、第３リードフレーム６６、第１制御端子６８、第２制御端子７０は、それらの一部がパッケージ６０に埋め込まれ、他部は露出する。
本実施例のパワーカード４６，４８，５０によれば、三相インバータ回路２４の上アームスイッチ３２，３６，４０および下アームスイッチ３４，３８，４２を冷却するための冷却機構を用いて、放電抵抗２８についても冷却することができる。放電抵抗２８を低温に維持することができるので、耐熱性の低い材料を放電抵抗２８として用いることができる。
本実施例のパワーカード４６，４８，５０によれば、電力変換装置１４の第１平滑コンデンサ２２および第２平滑コンデンサ２６が収容されるコンデンサケースに近接して放電抵抗２８を設ける必要がない。従って、放電抵抗２８の発熱によって第１平滑コンデンサ２２および第２平滑コンデンサ２６が加熱されてしまう事態を防ぐことができる。また、放電抵抗２８をコンデンサケースに取り付ける必要がないので、放電抵抗２８を取り付けるためのボルトやワイヤ、ケーブル、端子等の部品が不要となり、電力変換装置１４の部品点数を削減することができる。
本実施例のパワーカード４６，４８，５０によれば、抵抗器５２，５４，５６の取り付けを、半導体チップ３２ｃ，３４ｃや導電性スペーサ７４，７６の取り付けと同様に、リフローはんだ付けで行うことができる。組付け作業に必要とされる冶具を簡素化し、かつ組付け作業の労力を軽減することができる。
本実施例のパワーカード４６，４８，５０では、第１放熱板６２ｂの内側表面と第２放熱板６４ｂの内側表面に、それぞれ窪み６２ｃ，６４ｃが形成されている。これにより、パワーカード４６，４８，５０の内部に抵抗器５２，５４，５６を取り付けた場合でも、パワーカード４６，４８，５０の厚みを増してしまうことがない。パワーカード４６，４８，５０を小型化することができる。
なお、上記の実施例では、三相インバータ回路２４のパワーカード４６，４８，５０のそれぞれに抵抗器５２，５４，５６を取り付ける場合について説明したが、パワーカード４６，４８，５０のうちの１つまたは２つのみに抵抗器を取り付けて、その抵抗器によって放電抵抗２８を構成してもよい。あるいは、昇圧回路２０のパワーカードに抵抗器を取り付けて、その抵抗器によって放電抵抗２８を構成してもよい。
また、上記の実施例では、放電抵抗２８と三相インバータ回路２４を、３つのパワーカード４６，４８，５０で構成する場合について説明したが、これらを単一のパワーカードとして具現化することも可能である。
また、上記の実施例では、第１放熱板６２ｂ、第２放熱板６４ｂおよび第３放熱板６６ｂがパッケージ６０の表面に露出し、それぞれが放熱部を形成する構成について説明したが、第１放熱板６２ｂ、第２放熱板６４ｂおよび第３放熱板６６ｂのうちの１つまたは２つのみがパッケージ６０の表面に露出して放熱部を形成する構成としてもよい。
（第２実施例）
図６および図７は、本実施例のパワーカード１００の外観を示している。パワーカード１００は、実施例１のパワーカード４６と置き換えて使用することが可能である。パワーカード１００は、扁平な直方体形状のパッケージ１０２と、パッケージ１０２の上端面から突出する第１電極１０４ａ、第２電極１１０ａ、第３電極１０８ａおよび第４電極１０６ａと、パッケージ１０２の下端面から突出する第１制御端子１１２および第２制御端子１１４を備えている。パッケージ１０２は、例えばエポキシモールド樹脂である。パッケージ１０２の一方の側面（図６の左手前側の側面）には、第１放熱板１０４ｂおよび第４放熱板１０６ｂが露出している。パッケージ１０２の他方の側面（図６の右奥側の側面）には、第２放熱板１１０ｂおよび第３放熱板１０８ｂが露出している。第１電極１０４ａと第１放熱板１０４ｂは、単一の金属板から成形されており、両者により第１リードフレーム１０４が構成される。第２電極１１０ａと第２放熱板１１０ｂは、単一の金属板から成形されており、両者により第２リードフレーム１１０が構成される。第３電極１０８ａと第３放熱板１０８ｂは、単一の金属板から成形されており、両者により第３リードフレーム１０８が構成される。第４電極１０６ａと第４放熱板１０６ｂは、単一の金属板から成形されており、両者により第４リードフレーム１０６が構成される。第１リードフレーム１０４、第２リードフレーム１１０、第３リードフレーム１０８および第４リードフレーム１０６は、銅、アルミ合金、タングステン、モリブデン等の熱伝導性が良好な耐熱性の高い導体であれば、どのような材料を用いてもよい。第１制御端子１１２は、パッケージ１０２の内部に封入された上アームスイッチ３２の半導体チップ３２ｃのゲート端子、ドレイン端子、カレントミラーセンス端子、および２つの温度検出端子を備えている。第２制御端子１１４は、パッケージ１０２の内部に封入された下アームスイッチ３４の半導体チップ３４ｃのゲート端子、ドレイン端子、カレントミラーセンス端子、および２つの温度検出端子を備えている。第１電極１０４ａは昇圧回路２０の出力の正極に接続され、第２電極１１０ａは昇圧回路２０の出力の負極に接続され、第３電極１０８ａおよび／または第４電極１０６ａはモータ１６のＵ相入力に接続される。
図８および図９に示すように、上アームスイッチ３２が形成された半導体チップ３２ｃは、第１放熱板１０４ｂと第３放熱板１０８ｂの間に配置されている。半導体チップ３２ｃは、一方の面にカソード電極が形成されており、他方の面にアノード電極が形成されている。半導体チップ３２ｃのカソード電極が形成された面は、はんだ層１１６ａを介して第３放熱板１０８ｂに接合している。アノード電極が形成された面は、はんだ層１１６ｂを介して導電性スペーサ１１８に接合している。導電性スペーサ１１８は、はんだ層１１６ｃを介して第１放熱板１０４ｂに接合している。半導体チップ３２ｃは、図示しないワイヤボンディングにより、第１制御端子１１２と接続している。導電性スペーサ１１８によって、ワイヤボンディングが第１放熱板１０４ｂと短絡することが抑制されている。
下アームスイッチ３４が形成された半導体チップ３４ｃは、第２放熱板１１０ｂと第４放熱板１０６ｂの間に配置されている。半導体チップ３４ｃは、一方の面にカソード電極が形成されており、他方の面にアノード電極が形成されている。カソード電極が形成された面は、はんだ層１１６ｄを介して第２放熱板１１０ｂに接合している。アノード電極が形成された面は、はんだ層１１６ｅを介して導電性スペーサ１２０に接合している。導電性スペーサ１２０は、はんだ層１１６ｆを介して第４放熱板１０６ｂに接合している。半導体チップ３４ｃは、図示しないワイヤボンディングにより、第２制御端子１１４と接続している。導電性スペーサ１２０によって、ワイヤボンディングが第４放熱板１０６ｂと短絡することが抑制されている。
図８に示すように、抵抗器１２２は第１放熱板１０４ｂと第２放熱板１１０ｂを接続している。本実施例では、抵抗器１２２は、面実装型の抵抗器である。抵抗器１２２の一方の端部は、はんだ層１１６ｇを介して、第１放熱板１０４ｂの内側表面に接合している。抵抗器１２２の他方の端部は、はんだ層１１６ｈを介して、第２放熱板１１０ｂの内側表面に接合している。
図９に示すように、導電性ブリッジ１２４は第３放熱板１０８ｂと第４放熱板１０６ｂを接続している。本実施例では、導電性ブリッジ１２４は、金属製の部材である。導電性ブリッジ１２４の一方の端部は、はんだ層１１６ｉを介して、第４放熱板１０６ｂの内側表面に接合している。導電性ブリッジ１２４の他方の端部は、はんだ層１１６ｊを介して、第３放熱板１０８ｂの内側表面に接合している。導電性ブリッジ１２４を設けることで、第３放熱板１０８ｂと第４放熱板１０６ｂは同電位に保たれる。
パワーカード１００の一方の側面（図８および図９の上方の側面）には第１放熱板１０４ｂの外側表面と第４放熱板１０６ｂの外側表面が露出して放熱部を形成している。パワーカード１００の他方の側面（図８および図９の下方の側面）には第２放熱板１０６ｂの外側表面と第３放熱板１０８ｂの外側表面が露出して放熱部を形成している。パワーカード１００の両方の側面にそれぞれ冷却機構を設けることで、パワーカード１００を両面から冷却することができる。
パワーカード１００を製造する際には、まず半導体チップ３２ｃと第１制御端子１１２の間のワイヤボンディングおよび半導体チップ３４ｃと第２制御端子１１４の間のワイヤボンディングの結線と、第１リードフレーム１０４、第２リードフレーム１１０、第３リードフレーム１０８、第４リードフレーム１０６、半導体チップ３２ｃ、３４ｃ、導電性スペーサ１１８，１２０、抵抗器１２２、導電性ブリッジ１２４のリフローはんだ付けを行う。その後、トランスファモールド法などの樹脂モールド法によって、パッケージ１０２を成形する。これにより、パッケージ１０２の内部に、第１リードフレーム１０４、第２リードフレーム１１０、第３リードフレーム１０８、第４リードフレーム１０６、半導体チップ３２ｃ、３４ｃ、導電性スペーサ１１８，１２０、抵抗器１２２、導電性ブリッジ１２４、ワイヤボンディング、第１制御端子１１２、第２制御端子１１４が封入される。なお、図示されているように、第１リードフレーム１０４、第２リードフレーム１１０、第３リードフレーム１０８、第４リードフレーム１０６、第１制御端子１１２、第２制御端子１１４は、それらの一部がパッケージ１０２に埋め込まれ、他部は露出する。
上記のパワーカード１００は、第３電極１０８ａと第４電極１０６ａの双方がパッケージ１０２の外部に突出する構造を有しているが、第３リードフレーム１０８と第４リードフレーム１０６は導電性ブリッジ１２４によって同電位に保たれているため、第３電極１０８ａおよび第４電極１０６ａの何れか一方のみがパッケージ１０２の外部に突出する構造とすることもできる。
本実施例のパワーカード１００によれば、抵抗器１２２と導電性ブリッジ１２４の取付けを、半導体チップ３２ｃ，３４ｃや導電性スペーサ１１８，１２０の取り付けと同様に、リフローはんだ付けで行うことができる。製造に係る作業の負担を軽減することができる。また、製造時の冶具を簡素化することができる。
本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して詳細に説明した。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、開示された追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善されたパワーモジュール、電力変換装置および電動車両を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。
また、上記の詳細な説明で開示された特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属クレームに記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。
本明細書及び／又はクレームに記載された全ての特徴は、実施例及び／又はクレームに記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (8)

  1. 第１リードフレームと、
    第２リードフレームと、
    第１リードフレームと第２リードフレームの間に直列に接続された、第１半導体スイッチおよび第２半導体スイッチと、
    第１リードフレームと第２リードフレームの間に接続された抵抗器と、
    第１リードフレーム、第２リードフレーム、第１半導体スイッチ、第２半導体スイッチおよび抵抗器を封入した樹脂製のパッケージを備えており、
    パッケージの少なくとも一部に、第１リードフレームおよび／または第２リードフレームからの熱を放熱する放熱部が形成されているパワーモジュール。
  2. 抵抗器が面実装抵抗器であり、
    抵抗器が第１リードフレームと第２リードフレームにはんだ付けされている請求項１のパワーモジュール。
  3. 第１リードフレームと第２リードフレームに抵抗器を取り付けるための窪みが形成されている請求項２のパワーモジュール。
  4. パッケージが扁平な直方体形状に形成されており、
    パッケージの両側面に放熱部が形成されている請求項１から３の何れか一項のパワーモジュール。
  5. 第１半導体スイッチと第２半導体スイッチの間に接続された第３リードフレームをさらに備えており、
    第３リードフレームも、パッケージに封入されており、
    第１リードフレームの外側表面および第２リードフレームの外側表面が、パワーモジュールの一方の側面で露出しており、
    第３リードフレームの外側表面が、パワーモジュールの他方の側面で露出しており、
    抵抗器の一端が第１リードフレームの内側表面に接続しており、
    抵抗器の他端が第２リードフレームの内側表面に接続している請求項４のパワーモジュール。
  6. 第１半導体スイッチと第２半導体スイッチの間に直列に接続された第３リードフレームおよび第４リードフレームと、
    第３リードフレームと第４リードフレームの間に接続された導電性ブリッジをさらに備えており、
    第３リードフレーム、第４リードフレームおよび導電性ブリッジも、パッケージに封入されており、
    第１リードフレームの外側表面および第４リードフレームの外側表面が、パワーモジュールの一方の側面で露出しており、
    第２リードフレームの外側表面および第３リードフレームの外側表面が、パワーモジュールの他方の側面で露出しており、
    抵抗器の一端が第１リードフレームの内側表面に接続しており、
    抵抗器の他端が第２リードフレームの内側表面に接続しており、
    導電性ブリッジの一端が第３リードフレームの内側表面に接続しており、
    導電性ブリッジの他端が第４リードフレームの内側表面に接続している請求項４のパワーモジュール。
  7. 請求項１から６の何れか一項のパワーモジュールと平滑コンデンサを備える電力変換装置。
  8. 請求項７の電力変換装置とモータを備える電動車両。
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