WO2017022414A1 - パワーモジュール - Google Patents
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- H01L2224/32227—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation the layer connector connecting to a bond pad of the item
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- H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
- H01L2224/401—Disposition
- H01L2224/40151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/40225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
- H01L2224/4023—Connecting the strap to a pin of the item
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- H01L2224/34—Strap connectors, e.g. copper straps for grounding power devices; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/39—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process
- H01L2224/40—Structure, shape, material or disposition of the strap connectors after the connecting process of an individual strap connector
- H01L2224/401—Disposition
- H01L2224/40151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/40221—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/40225—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
- H01L2224/40237—Connecting the strap to a die pad of the item
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
- H01L2224/4805—Shape
- H01L2224/4809—Loop shape
- H01L2224/48091—Arched
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- H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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- H01L2224/48105—Connecting bonding areas at different heights
- H01L2224/48106—Connecting bonding areas at different heights the connector being orthogonal to a side surface of the semiconductor or solid-state body, e.g. parallel layout
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- H01L2224/48135—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip
- H01L2224/48137—Connecting between different semiconductor or solid-state bodies, i.e. chip-to-chip the bodies being arranged next to each other, e.g. on a common substrate
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- H01L2224/48229—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item the bond pad protruding from the surface of the item
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Definitions
- the present invention relates to a power module obtained by modularizing a power semiconductor element, and particularly to a power module for mounting on a vehicle.
- Power converters based on power semiconductor element switching have high conversion efficiency, and are therefore widely used in consumer, in-vehicle, railway, and substation facilities. Since this power semiconductor element generates heat when energized, high heat dissipation is required. Normally, a metal heat dissipation structure having fins is used for heat dissipation, and grounded to ground (GND) for the purpose of stabilizing the potential and preventing electric shock. For this reason, the insulating material arrange
- Patent Document 1 As a technique for improving heat dissipation, for example, a technique of sandwiching a conductor, which is a highly thermally conductive material, between an insulating layer and an insulating layer as shown in Patent Document 1 is known.
- the power module described in Patent Document 1 can improve heat dissipation by providing a metal plate between the first insulating material and the second insulating material.
- the total thickness of the insulating material combined with the second insulating material cannot be reduced.
- An object of the present invention is to provide a power module that is excellent in heat dissipation while satisfying high insulation properties.
- the power module according to the present invention includes a conductor plate to which a switching element is connected, a heat sink disposed to face the conductor plate, an insulating member disposed between the conductor plate and the heat sink, A conductive intermediate conductor disposed in the insulating member in a state of being electrically insulated from the conductor plate and the heat radiating plate, and the intermediate conductor is on the conductor plate side with respect to the intermediate conductor It has a communicating field which connects between the insulating member arranged in the above and the insulating member arranged in the heat sink side to the intermediate conductor.
- the power converter can be downsized.
- Circuit diagram of power module of Example 1 The top view of the power module of Example 1 Sectional view of the power module of FIG. 2 cut along section AB A model of voltage sharing when there is an air layer between the insulating layer and the electrode. Relationship between partial discharge generation voltage according to Paschen's law, atmospheric pressure p, and distance d between electrodes Relationship between minimum partial discharge voltage and insulation layer thickness Relationship between minimum partial discharge voltage and insulation layer thickness considering changes in atmospheric pressure due to altitude Relationship between minimum partial discharge voltage and insulation layer thickness considering changes in particle density with temperature Relationship between minimum partial discharge voltage and insulation layer thickness Schematic diagram of an experimental system consisting of an insulating layer to which an AC voltage of a power module is applied Relationship between voltage share and frequency Method for producing an insulating layer having an intermediate conductor having a through region Relationship between thermal resistance reduction effect and partial discharge start voltage for communication hole diameter
- the top view of the power module of Example 2 14 is a cross-sectional view of the power module of FIG.
- the perspective view of the power module of Example 3 16 is a cross-sectional view of the power module shown in FIG.
- FIG. 16A is a schematic diagram of a cross section taken along the line GH in FIG. Exploded view showing the arrangement of the intermediate conductor in the power module of Example 3 Power module and its peripheral circuit diagram Circuit diagram showing an explanatory diagram of low inductance Development view of the power module showing an illustration of low inductance Sectional drawing of the power module of Example 4 Circuit diagram of power converter
- FIG. 1 is a circuit configuration diagram of the power module 300 of the present embodiment.
- the power module 300 includes an IGBT 328 and a diode 156 that constitute an upper arm circuit, and an IGBT 330 and a diode 166 that constitute a lower arm circuit.
- IGBT is an abbreviation for an insulated gate bipolar transistor.
- the circuit that creates an AC waveform by switching the power semiconductor element by connecting to the positive side of the battery is the upper arm circuit, and the circuit that creates an AC waveform by connecting to the negative side or the GND side of the battery is the lower arm circuit.
- the lower arm circuit is connected to the negative electrode side of the capacitor instead of GND.
- the power module 300 includes conductor plates 315, 318, 320, and 319.
- the conductor plate 315 is connected to the collector side of the IGBT 328 on the upper arm side.
- the conductor plate 318 is connected to the emitter side of the IGBT 328 on the upper arm side.
- the conductor plate 320 is connected to the collector side of the IGBT 330 on the lower arm side.
- the conductor plate 319 is connected to the emitter side of the IGBT 330 on the lower arm side.
- the power module 300 includes terminals 315B, 319B, 320B, 325U, and 325L.
- the terminal 315B is connected to the conductor plate 315.
- Terminal 315B is connected to the positive electrode side of a DC battery or a smoothing capacitor.
- the terminal 319B is connected to the conductor plate 319.
- the terminal 319B is connected to the negative electrode side of the DC battery or the smoothing capacitor or to the ground (GND).
- the terminal 320B is connected to the conductor plate 320.
- Terminal 320B is connected to the motor.
- the terminal 325U is a control terminal of the IGBT 328 on the upper arm side.
- the terminal 325L is a control terminal of the IGBT 325 on the lower arm side.
- the conductor plate 315 connected to the terminal 315B transmits a direct current.
- the conductor plate 319 connected to the terminal 319B transmits a direct current.
- the conductor plate 320 connected to the terminal 320B transmits an alternating current.
- FIG. 2 is a plan view showing the structure of the power module 300 of this embodiment.
- the IBGT 328 and the IGBT 330 are arranged so that the respective emitter surfaces face the same direction.
- FIG. 3 is a cross-sectional view of the power module 300 of FIG. 2 taken along the line AB.
- the power module 300 has a heat dissipation surface 307 on which fins for heat dissipation are formed.
- the heat radiation surface 307 is disposed on the opposite side of the IGBTs 328 and 330 and the diodes 156 and 166 with the conductor plate 320 and the conductor plate 315 interposed therebetween.
- the heat radiation surface 307 is formed of a conductive member, and is grounded to GND for voltage stabilization.
- the power module 300 includes an intermediate conductor 910 and an intermediate conductor 911.
- the intermediate conductor 910 is disposed between the conductor plate 320 and the heat dissipation surface 307.
- the intermediate conductor 911 is disposed between the conductor plate 315 and the heat dissipation surface 307.
- An insulating layer 900 is formed between the intermediate conductor 910 and the conductor plate 320, between the intermediate conductor 910 and the heat dissipation surface 307, between the intermediate conductor 911 and the conductor plate 315, and between the intermediate conductor 911 and the heat dissipation surface 307.
- One of the characteristic parts in the present embodiment is that a communication region 1101 is formed for one or both of the intermediate conductors 910 and 911 as shown in the partial enlarged view of FIG. The configuration of the communication area will be described later.
- the intermediate conductor 910 when projected along the arrangement direction of the conductor plate 320 and the intermediate conductor 910, the intermediate conductor 910 is such that the projected portion of the conductor plate 320 includes the projected portion of the intermediate conductor 910. ,It is formed. Further, when projected along the arrangement direction of the conductor plate 315 and the intermediate conductor 911, the intermediate conductor 911 is formed such that the projected portion of the conductor plate 319 includes the projected portion of the intermediate conductor 911.
- a structure in which the two arm circuits of the upper arm circuit and the lower arm circuit are integrated into a module like the power module of this embodiment is called a 2-in-1 structure.
- the 2-in-1 structure can reduce the number of output terminals compared to the 1-in-1 structure in which each arm circuit is modularized.
- an example of a 2 in 1 structure is shown, but the number of terminals can be further reduced by using a 3 in 1 structure, a 4 in 1 structure, a 6 in 1 structure, or the like.
- the upper arm circuit and the lower arm circuit are arranged side by side and arranged opposite to the metal flat plate with an insulating layer interposed therebetween, whereby the circuit inductance can be reduced due to the magnetic field canceling effect.
- the power module of this embodiment by providing the intermediate conductor 910, the voltage between the conductor plate 320 and the heat radiating surface 307 is changed between the conductor plate 320 and the intermediate conductor 910, and between the intermediate conductor 910 and the heat radiating surface 307. Let them share.
- the power module of a present Example can reduce insulation layer thickness, satisfying insulation. The principle will be described below with reference to FIGS.
- FIG. 4 is a diagram showing a model of voltage sharing when there is an air layer between the insulating layer and the electrode.
- An air layer 850 and an insulating layer 851 are formed between the electrodes.
- the voltage V is expressed by the following equation.
- C e is the capacitance of the air layer
- the capacitance of C f is the insulating layer
- epsilon 0 is the permittivity of vacuum
- epsilon is the dielectric constant of the insulating layer
- S is the electrode area
- d e is an air layer the thickness of
- d f is a thickness of the insulating layer, respectively represent.
- partial discharge occurs when a high voltage is applied to the electrode.
- the insulating layer is exposed to an environment in which partial discharge is always performed, the insulating layer is eroded by sparks caused by discharge, and the durability time is significantly reduced.
- a resin insulator has a lower heat resistance than ceramics, and its influence becomes remarkable. In order to improve the insulation, it is effective to use it under conditions where partial discharge is not performed.
- the discharge phenomenon differs between DC voltage and AC voltage.
- the discharge stops after the single discharge, because the insulating layer is charged and the electric field in the space is lowered. Therefore, since the voltage is discharged only once, the influence on the deterioration of the insulating layer due to the discharge is small.
- the voltage applied to the insulating layer is reversed over time, and thus the discharge is repeated. Therefore, the influence on the deterioration of the insulating layer due to discharge is large.
- an AC waveform is created by switching the power semiconductor element, a surge voltage is superimposed on the AC waveform, so that a voltage higher than the rated voltage is applied to the insulating layer.
- the insulating layer to which an AC voltage is applied is not exposed to an environment where partial discharge occurs.
- it is manufactured so that there is no air layer between the electrodes so that it is completely filled with an insulator, and the state can be maintained even in a usage environment where temperature change is applied.
- either method of providing an insulating layer thickness that does not cause partial discharge even when an air layer is generated due to peeling or the like can be considered.
- the power module of the present embodiment takes the latter approach.
- FIG. 5 is a graph showing the voltage at which partial discharge occurs when a voltage is applied to an electrode having an interelectrode distance d at the atmospheric pressure p, as a relationship between the product of the atmospheric pressure p and the interelectrode distance d.
- FIG. 5 is measured at 20 ° C.
- the partial discharge generation voltage has a minimum value when the product p ⁇ d of the atmospheric pressure and the inter-electrode distance is a certain value. That is, when a voltage exceeding the minimum value of the partial discharge generation voltage is applied to the gap between the electrodes, a partial discharge occurs depending on the value of the p ⁇ d product.
- the partial discharge start voltage at an arbitrary temperature and pressure can be obtained using the gas equation of state.
- the minimum value of the inter-electrode voltage V discharge occurs Can be calculated. The so was the value of the minimum partial discharge voltage was calculated graph plotting the thickness d f of the insulating layer from 6 shown in FIG.
- the minimum partial discharge voltage relationship of the insulating layer thickness d f at 1 atm When the insulating layer thickness d f is increased, the voltage of the insulating layer 851 is shared with respect to the voltage V becomes higher, the voltages V 1 to the air layer 850 takes charge decreases. Thus, the greater the insulating layer thickness d f is higher minimum partial discharge inception voltage.
- the relationship between the minimum partial discharge voltage for the insulating layer thickness d f is a point not proportional. That is, the slope of the graph in the region insulating layer thickness d f is small, larger than the inclination of the graph in the region insulating layer thickness d f is large. By utilizing this feature, as will be described later, it is possible to reduce the thickness of the insulating layer while ensuring insulation. Further, from FIG. 6, in the same minimum partial discharge voltage, the lower the dielectric constant of the insulating layer 851, it is understood that it is possible to reduce the thickness d f.
- the minimum partial discharge voltage when the insulating layer thickness d f is 330 [mu] m is 1.6KVp, even voids caused by peeling, the insulating layer be formed thicker than 330 [mu] m, the partial discharge Does not occur.
- FIG. 10 is a schematic diagram of an experimental system in which an AC voltage is applied to an insulating layer portion having an intermediate conductor. As described above, in the power module of FIG. 3, a direct current flows through the conductor plate 319, but an alternating current flows through the conductor plate 320.
- FIG. 10 shows a voltage sharing model in an insulating layer of a power module to which an AC voltage is applied.
- the electrode 800 in FIG. 10 is on the conductor plate 320 in FIG. 3
- the intermediate conductor 801 in FIG. 10 is on the intermediate conductor 910 in FIG. 3
- the electrode 802 in FIG. 10 is on the heat radiation surface 307 in FIG.
- Reference numeral 811 corresponds to the insulating layer 900 of FIG.
- Electrodes 800 and 801 are connected to the transmitter 1001.
- the intermediate conductor 801 is disposed between the electrode 800 and the electrode 801.
- the insulating layer 810 is disposed between the electrode 800 and the intermediate conductor 801.
- the insulating layer 811 is disposed between the electrode 802 and the intermediate conductor 801.
- the electrode 802 is grounded to GND.
- C a is the capacitance between the electrode 800 and the intermediate conductor 801
- C b is the capacitance between the intermediate conductor 801 and the electrode 802
- ⁇ 0 is the dielectric constant of vacuum
- ⁇ a is the dielectric constant of the insulating layer 810
- the rate, epsilon b is the dielectric constant of the insulating layer 811
- S a is the area of the projection plane in the arrangement direction of the electrode 800 and the intermediate conductor 801 overlap
- S b is a projection surface in the arrangement direction of the intermediate conductor 801 and the electrode 802 the area of overlap
- d b is the thickness of the insulating layer 811, representing, respectively.
- the voltage sharing ratio obtained by dividing V 2 by V 3 is 50%.
- FIG. 11 is a graph showing the voltage sharing ratio V 2 / V 3 when the frequency of the transmitter 1001 of FIG. 10 is changed.
- the voltage sharing ratio was obtained by measuring the voltage V 1 between the intermediate conductor 801 and the electrode 802 and the voltage V 2 between the electrode 800 and the electrode 802 with the curve tracer 1000.
- FIG. 11 shows that the voltage sharing ratio tends to approach 50% as the frequency of the voltage applied between the electrode 800 and the electrode 802 increases.
- the voltage sharing ratio is approximately 50% when the frequency exceeds 100 Hz. Such a tendency was the same for the sine wave and the rectangular wave.
- the intermediate conductor 801 can be embedded in the insulating layer.
- the end face of the intermediate conductor can be prevented from approaching the electrode, and discharge from the end face can be prevented.
- the power module includes intermediate conductors 910 and 911 that are slightly larger in area than the conductor plates 320 and 315.
- the DC-side intermediate conductor 910 is not limited by the size of the conductor plate 315 and may be made larger or smaller than the conductor plate for the reason described later. It can also be omitted.
- FIG. 12 is a diagram showing a procedure for producing an insulating layer having an intermediate conductor.
- FIG. 12 shows an example, and the manufacturing procedure may not be the following method.
- (1) Prepare an insulating sheet.
- (2) Aluminum film having a thickness of 0.1 ⁇ m by aluminum deposition through masking in which a conductor pattern having a mesh-shaped communication hole pattern of 10 ⁇ m in hole diameter (diameter of holes constituting the mesh) is formed in the intermediate conductor forming portion
- a conductor pattern is formed on the insulating sheet.
- a non-patterned insulating sheet is pressed so that the aluminum film formed by vapor deposition is inside.
- an example of an aluminum film is shown, but there is no particular limitation as long as it is a conductive material.
- vapor deposition it should just be the formation method which can be formed by masking, and methods, such as transcription
- By using an insulating sheet having a thin intermediate conductor layer it is possible to reduce the occurrence of non-uniform pressure bonding pressure due to the steps of the intermediate conductor when the insulating sheet is crimped, and to form a uniform crimp surface.
- the power module according to the present embodiment is characterized in that the intermediate conductor has a mesh-shaped communication hole pattern. This characteristic part will be described in detail below.
- the power module is formed by crimping a resin insulating member, a conductor plate, and a heat sink. Adhesion between the resinous insulating member, the conductor plate and the heat radiating plate is formed by the insulating member used as the insulating member flowing on the irregularities on the surface of the conductor plate and the heat radiating plate by the heat and pressure at the time of pressure bonding and curing. At this time, the larger the amount of resin used for forming the insulating member, the better the followability to the unevenness of the surface of the conductor plate and the heat radiating plate, and the better the adhesiveness. For example, when using a resin sheet for the insulating member, the thicker the resin sheet, the better the adhesion.
- the resin material or resin / The filler composite material is prevented from flowing by the intermediate conductor.
- the fluidity of the resin or resin / filler in the insulation member is the same as the fluidity of the resin or resin / filler of the insulation member having a film thickness of 1/2. It will drop to the extent. Therefore, the adhesiveness between the insulating member, the conductor plate, and the heat radiating plate is lowered, and the thermal resistance is increased.
- the resin or resin / filler can flow through the communication region, which is an insulating member as compared to an intermediate conductor having no communication region.
- the adhesiveness between the conductor plate and the heat radiating plate is improved, and the thermal resistance is reduced.
- the intermediate conductor since the intermediate conductor has a communication region, the continuous structure of the filler is formed without being interrupted. Thereby, compared with the case where the intermediate conductor without a communication area
- the regular structure is generally easily formed on the filler surface, and is formed between the fillers or designed to be formed, and the surface of the metal foil
- the filler and the resin have a continuous structure through the communication region, so that the disorder of the regular structure on the metal foil surface can be suppressed, and the heat conduction of the resin Can be reduced.
- a slight difference in thermal conductivity of the resin as the matrix greatly affects the thermal conductivity of the filler-containing resin sheet as the composite.
- the change in the thermal conductivity of the resin that is the matrix greatly affects the thermal conductivity of the composite material. Therefore, when a resin sheet composed of a resin having a regular structure and a filler is used, using an intermediate conductor having a communication hole is effective in reducing a decrease in the thermal conductivity of the resin sheet due to the intermediate conductor.
- the shape of the communication hole of the intermediate conductor formed to form the communication region is not particularly limited. As an example, FIGS. 12A and 12B are shown, but the shape of the communication hole viewed from the plan view of the intermediate conductor may be a circle, a rectangle, an ellipse, a rectangle, a mesh, or the like. Further, communication holes having different shapes may be included. It is desirable to have a plurality of these communication holes and be uniformly arranged in the intermediate conductor. Moreover, you may arrange
- a layer having a continuous structure of the conductor is formed, and a layer having a continuous structure of the conductor is provided to provide an intermediate hole. It can also be a conductor.
- the communication hole formed in the intermediate conductor may be a connection hole that allows resin and filler to flow through the hole, and the hole may be straight or bent inside the intermediate conductor.
- the size of the communication hole is preferably such that the diameter of the communication hole is 300 ⁇ m or less.
- the hole diameter is a hole shape that forms a communication hole, and refers to the length of the farthest part. If the size of the communication hole is 300 ⁇ m or more, the fluidity of the resin and the filler can be improved and the thermal resistance can be reduced, but the effect of voltage sharing by the intermediate conductor is small or eliminated, so partial discharge is not possible. It becomes easy to happen. Therefore, the hole diameter of the communication hole is desirably 300 ⁇ m or less, but more desirably 100 ⁇ m or less is preferable because the effect of voltage sharing by the intermediate conductor is not lost.
- the hole diameter of the communication hole may be at least a hole diameter that allows the resin to flow, and desirably has a hole diameter that allows the resin and the filler to flow.
- the hole diameter of the communication hole is 0.1 ⁇ m or less, the fluidity of the resin is lowered and the thermal resistance is increased.
- liquidity of resin and a filler falls that the hole diameter of a communicating hole is below a filler particle diameter, thermal resistance becomes large.
- the particle size of the filler here means that the resin sheet includes one or more filler groups having a certain particle size distribution, but the filler group having the smallest particle size among the filler groups having a certain particle size distribution.
- the average particle size in the distribution (number distribution).
- the material forming the intermediate conductor may be an electrical conductor, and for example, copper, aluminum, or the like can be used.
- a method for forming the intermediate conductor having the connection hole a method of forming a metal thin film having a communication hole on an insulating sheet made of a resin and a filler by a method such as transfer, vapor deposition, printing, plating, etc., and then crimping the insulating sheet, Alternatively, conductor layers having shapes such as flakes, scales, thin pieces, flat plates, etc., and conductor layers having communication holes by spraying, spreading, or the like so that communication holes are formed on the resin sheet. After forming, there is a method of crimping an insulating sheet.
- FIG. 13 is a graph showing experimental results for explaining the effect of thermal resistance reduction and insulation performance when an intermediate conductor having a communication hole is used. In order to confirm the effect of lowering the thermal resistance when using an intermediate conductor having a communication hole, the following sample was prepared.
- the horizontal axis in FIG. 13 is the hole diameter of the communication hole, and the vertical axis is the normalized thermal resistance and the normalized partial discharge start voltage when the thermal resistance of the sample is 1 when an intermediate conductor having no communication hole is used.
- the thermal resistance can be reduced by forming the communication hole in the intermediate conductor as compared with the intermediate conductor having no communication hole.
- the thermal resistance gradually decreases even at a hole diameter of 2 ⁇ m or less by increasing the hole diameter of the communication hole.
- the partial discharge start voltage starts to show a large decrease at 100 ⁇ m or more. From this, it can be seen that controlling the hole diameter of the communication hole can reduce the thermal resistance without lowering the partial discharge start voltage.
- a pattern of communication holes having a circular shape of communication holes viewed from a plan view of an intermediate conductor having a hole diameter (diameter of holes constituting a mesh) of 10 ⁇ m on the resin insulating sheet has a space between the connection holes of 30 ⁇ m.
- An aluminum film conductor pattern having a thickness of 0.1 ⁇ m was formed on the insulating sheet by aluminum vapor deposition through masking on which the conductor pattern was formed. Put a resin insulation sheet containing a 150 mm square filler that is not patterned and an Al plate with a thickness of 2 mm and a 100 mm square so that the aluminum film formed by vapor deposition is inside. Then, the thermal resistance and the partial discharge start voltage were measured. In this case, the normalized thermal resistance was 0.83, and the normalized partial discharge start voltage was 1.0. Thus, the same effect can be obtained even when an intermediate conductor having a circular communication hole is used.
- FIGS. 14 and 15 A power module according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 14 and 15.
- the power module of the second embodiment is a modification of the power module of the first embodiment.
- 14 is a plan view
- FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line CD in FIG.
- the electrodes on the emitter side of the power semiconductor element are connected by wires.
- the conductor plate 320 connected to the collector side of the lower arm side IGBT 330 and the emitter surface of the upper arm side IGBT 328 are connected via an intermediate electrode 390.
- the intermediate electrode 390 is disposed so as to face the heat dissipation surface 307 with the insulating layer 900 interposed therebetween.
- An intermediate conductor 912 is disposed between the intermediate electrode 390 and the heat dissipation surface 307.
- the intermediate conductor 912 is embedded in the insulating layer 900 similarly to the intermediate conductors 910 and 911.
- the intermediate electrode 390 can share the voltage with the intermediate conductor 912 because an AC voltage is applied, similarly to the conductor plate 320.
- a power module according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.
- FIG. 16 (a) is a perspective view of the power module of the present embodiment
- FIG. 16 (b) is a cross-sectional view taken along the line EF in FIG. 16 (a).
- the power module 300 of this embodiment has a double-sided cooling structure in which power semiconductor elements are housed in a cooling body 304 that is a CAN-type cooler.
- the cooling body 304 includes a first heat radiating surface 307A and a second heat radiating surface 307B on which the heat radiating fins 305 are formed, a thin portion 304A that connects the heat radiating surface and the frame, and a flange portion 304B.
- a power module 300 is formed by inserting a circuit body made of a power semiconductor element or a conductor plate from an insertion port 306 of a cooling body 304 formed in a bottomed cylindrical shape and sealing with a sealing material 351.
- the power module of the present embodiment is excellent in heat dissipation because the power semiconductor element is cooled from both the first heat dissipation surface 307A and the second heat dissipation surface 307B.
- FIG. 17 is a schematic diagram of a cross section taken along the line GH in FIG.
- the power module 300 of this embodiment includes intermediate conductors 910 and 911 in an insulating layer disposed on one side of the power semiconductor element.
- the power module 300 includes intermediate conductors 913 and 914 in an insulating layer disposed on the other side opposite to the one side of the power semiconductor element.
- the intermediate conductor 910 is disposed between the conductor plate 320 to which an AC voltage is applied and the heat dissipation surface 307A.
- the intermediate conductor 911 is disposed between the conductor plate 315 to which a DC voltage is applied and the heat dissipation surface 307A.
- the intermediate conductor 913 is disposed between the conductor plate 318 to which an AC voltage is applied and the heat dissipation surface 307B.
- the intermediate conductor 914 is disposed between the conductor plate 319 to which a DC voltage is applied and the heat dissipation surface 307B.
- each intermediate conductor forms a capacitive circuit C1 to C8.
- the capacitor C1 is a capacitor between the conductor plate 315 and the intermediate conductor 911.
- the capacity C2 is a capacity between the intermediate conductor 911 and the heat dissipation surface 307A.
- the capacitance C3 is a capacitance between the conductor plate 318 and the intermediate conductor 913.
- the capacitance C4 is a capacitance between the intermediate conductor 913 and the heat dissipation surface 307B.
- the capacitance C5 is a capacitance between the conductor plate 320 and the intermediate conductor 910.
- the capacitance C6 is a capacitance between the intermediate conductor 910 and the heat dissipation surface 307A.
- a capacitor C7 is a capacitor between the conductor plate 319 and the intermediate conductor 914.
- the capacitor C8 is a capacitor between the intermediate conductor 914 and the heat dissipation surface 307B.
- the capacitors C1 and C2 between the conductor plate 315 to which the DC voltage is applied and the heat dissipation surface 307A and the capacitors C8 and C9 between the conductor plate 319 and the heat dissipation surface 307B form a capacitance circuit only when the DC voltage changes.
- FIG. 18 is a development view for explaining the arrangement of the intermediate conductors in the power module of the present embodiment. For the sake of explanation, only a part of the configuration is shown in the figure.
- FIG. 19 is a circuit diagram showing the capacitors C1 to C8 in the power module.
- Capacitors C1, C2, C8 and C7 are portions to which a DC voltage is applied. Therefore, the intermediate conductors 911 and 914 of the part can be omitted.
- Capacitors C3, C4, C5 and C6 are portions to which an alternating voltage is applied. Therefore, the intermediate conductors 910 and 913 in the portion can share the voltage applied to the insulating layer.
- the power module of the present embodiment is a power module with a double-sided cooling structure excellent in cooling performance.
- the insulating layer can be thinned, and a high withstand voltage power module with excellent heat dissipation. Can be obtained.
- FIG. 20A is a circuit diagram of the power module 300 of the present embodiment.
- FIG. 20B is a development view of the power module 300.
- a recovery current 360 shown in FIG. 20B flows through each of the conductor plates 315, 3318, 320, and 319.
- the recovery current 360 flows through a direct current positive electrode terminal 315B arranged to face the direct current negative electrode terminal 319B. Subsequently, it flows through a loop-shaped path formed by the conductor plates 315, 318, 320, and 319. Then, it flows through the DC negative terminal 319B.
- an eddy current 361 flows through the first heat radiating surface 307A and the second heat radiating surface 307B of the cooler 304. Due to the magnetic field canceling effect generated by the equivalent circuit 362 in the current path of the eddy current 361, the wiring inductance 363 in the loop-shaped path is reduced. Note that the closer the current path of the recovery current 360 is to the loop shape, the greater the inductance reduction action. In this way, by using a 2-in-1 structure in which the upper arm circuit and the lower arm circuit are modularized as a set, the inductance can be reduced by the magnetic field canceling effect. Even if this is increased to 4 in 1 and 6 in 1, the same effect can be obtained.
- a power module according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
- FIG. 21 is a cross-sectional view of the power module of the present embodiment. This corresponds to FIG. 17 for the power module of the third embodiment.
- a change from Example 3 is that the number of intermediate conductors is increased.
- Intermediate conductors 910a and 910b are disposed between conductor plate 320 to which an AC voltage is applied and heat dissipation surface 307A.
- the intermediate conductors 911a and 911b are disposed between the conductor plate 315 to which a DC voltage is applied and the heat dissipation surface 307A.
- the intermediate conductors 913a and 913b are disposed between the conductor plate 318 to which an AC voltage is applied and the heat dissipation surface 307B.
- the intermediate conductors 914a and 914b are disposed between the conductor plate 319 to which a DC voltage is applied and the heat dissipation surface 307B.
- each intermediate conductor forms a capacitive circuit C1 to C12.
- the capacitance C1 is a capacitance between the conductor plate 315 and the intermediate conductor 911a.
- the capacitance C2 is a capacitance between the intermediate conductor 911a and the intermediate conductor 911b.
- the capacitor C3 is a capacitor between the intermediate conductor 911b and the heat dissipation surface 307A.
- the capacitor C4 is a capacitor between the conductor plate 318 and the intermediate conductor 913a.
- the capacitance C5 is a capacitance between the intermediate conductor 913a and the intermediate conductor 913b.
- the capacitor C6 is a capacitor between the intermediate conductor 913b and the heat dissipation surface 307B.
- the capacitor C7 is a capacitor between the conductor plate 320 and the intermediate conductor 910a.
- the capacitance C8 is a capacitance between the intermediate conductor 910a and the intermediate conductor 910b.
- the capacitor C9 is a capacitor between the intermediate conductor 910b and the heat dissipation surface 307A.
- the capacitor C10 is a capacitor between the conductor plate 319 and the intermediate conductor 914a.
- the capacitance C11 is a capacitance between the intermediate conductor 914a and the intermediate conductor 914b.
- the capacitor C12 is a capacitor between the intermediate conductor 914b and the heat dissipation surface 307B.
- the capacitances C1, C2, and C3 between the conductor plate 315 and the heat dissipation surface 307A to which the DC voltage is applied and the capacitances C10, C11, and C12 between the conductor plate 319 and the heat dissipation surface 307B are changed when the DC voltage changes. It is formed.
- the voltage applied to the insulating layer can be divided into three, so that the total thickness of the insulating layer can be further reduced.
- FIG. 22 shows a circuit diagram of the power converter.
- the power conversion device 200 includes inverter circuit units 140 and 142, an auxiliary inverter circuit unit 43, and a capacitor module 500.
- the inverter circuit units 140 and 142 include a plurality of power modules 300, and constitute a three-phase bridge circuit by connecting them. When the current capacity is large, the power modules 300 are further connected in parallel, and these parallel connections are made corresponding to the respective phases of the three-phase inverter circuit, so that an increase in the current capacity can be accommodated. Further, it is possible to cope with an increase in current capacity by connecting power semiconductor elements built in the power module 300 in parallel.
- the inverter circuit unit 140 and the inverter circuit unit 142 have the same basic circuit configuration and basically the same control method and operation.
- the inverter circuit unit 140 will be described as an example.
- the inverter circuit unit 140 includes a three-phase bridge circuit as a basic configuration. Specifically, each of the arm circuits operating as a U phase (indicated by a reference symbol U1), a V phase (indicated by a reference symbol V1), or a W phase (indicated by a reference symbol W1) transmits a DC power to a positive electrode side and a negative electrode side. Are connected in parallel with each other.
- the arm circuits operating as the U-phase, V-phase, and W-phase of the inverter circuit unit 142 are denoted by reference numerals U2, V2, and W2, as in the case of the inverter circuit unit 140.
- the arm circuit of each phase is composed of an upper and lower arm series circuit in which an upper arm circuit and a lower arm circuit are connected in series.
- the upper arm circuit of each phase is connected to the positive conductor, and the lower arm circuit of each phase is connected to the negative conductor.
- AC power is generated at the connection between the upper arm circuit and the lower arm circuit.
- a connection portion between the upper arm circuit and the lower arm circuit of each upper and lower arm series circuit is connected to an AC terminal 320 ⁇ / b> B of each power module 300.
- the AC terminal 320B of each power module 300 is connected to the AC output terminal of the power converter 200, and the generated AC power is supplied to the stator winding of the motor generator 192 or 194. Since each power module 300 of each phase has basically the same structure and basically the same operation, the U phase (U1) of the power module 300 will be described as a representative.
- the upper arm circuit includes an upper arm IGBT 328 and an upper arm diode 156 as power semiconductor elements for switching.
- the lower arm circuit includes a lower arm IGBT 330 and a lower arm diode 166 as power semiconductor elements for switching.
- the DC positive terminal 315B and the DC negative terminal 319B of each upper and lower arm series circuit are connected to the capacitor connecting DC terminal of the capacitor module 500, respectively.
- the AC power output from AC terminal 320B is supplied to motor generators 192 and 194.
- the IGBTs 328 and 330 perform a switching operation in response to a drive signal output from one or the other of the two driver circuits constituting the driver circuit 174, and convert the DC power supplied from the battery 136 into three-phase AC power.
- the converted electric power is supplied to the stator winding of the motor generator 192. Since the V phase and the W phase have substantially the same circuit configuration as the U phase, the reference numerals 328, 330, 156, and 166 are omitted.
- the power module 300 of the inverter circuit unit 142 has the same configuration as that of the inverter circuit unit 140, and the inverter circuit unit 43 for auxiliary machines has the same configuration as the inverter circuit unit 142. Here, Description is omitted.
- the power semiconductor element for switching will be described using the upper arm IGBT 328 and the lower arm IGBT 330.
- the upper arm IGBT 328 and the lower arm IGBT 330 include a collector electrode, an emitter electrode (signal emitter electrode terminal), and a gate electrode (gate electrode terminal).
- An upper arm diode 156 and a lower arm diode 166 are electrically connected between the collector electrode and the emitter electrode of the upper arm IGBT 328 and the lower arm IGBT 330 as shown in the figure.
- the upper arm diode 156 and the lower arm diode 166 include two electrodes, a cathode electrode and an anode electrode.
- the cathode electrodes of the diodes 156 and 166 are the collector electrodes of the IGBTs 328 and 330 and the anode electrode is the emitter of the IGBTs 328 and 330 so that the direction from the emitter electrode of the upper arm IGBT 328 and the lower arm IGBT 330 to the collector electrode is the forward direction.
- Each is electrically connected to the electrode.
- a MOSFET metal oxide semiconductor field effect transistor
- the upper arm diode 156 and the lower arm diode 166 are not necessary.
- Temperature information of the upper and lower arm series circuit is input to the microcomputer from a temperature sensor (not shown) provided in the upper and lower arm series circuit. Further, voltage information on the DC positive side of the upper and lower arm series circuit is input to the microcomputer. The microcomputer performs over-temperature detection and over-voltage detection based on the information, and when an over-temperature or over-voltage is detected, it stops the switching operation of all the upper arm IGBT 328 and the lower arm IGBT 330, and connects the upper and lower arms in series. Protect the circuit from over temperature or over voltage.
- FIG. 23 is a perspective view showing the external appearance of the power conversion device 200.
- the external appearance of the power change device 200 according to the present embodiment is as follows.
- the housing 12 has a substantially rectangular top or bottom surface, the upper case 10 provided on one of the outer circumferences on the short side of the housing 12, and the housing 12.
- the lower case 16 for closing the lower opening is fixed and formed.
- FIG. 24 is a control block diagram of a hybrid vehicle equipped with a power conversion device.
- the hybrid vehicle (HEV) 110 includes two vehicle drive systems. One is an engine drive system using the engine 120 as a power source, and the other is a rotating electrical machine drive system using motor generators 192 and 194 as a power source.
- the power conversion device 200 of the present invention performs direct current and alternating current power conversion between the battery 136, the motor generators 192 and 194, and the auxiliary motor 195, and supplies driving power to the motor according to the running state of the vehicle. It contributes to improving fuel efficiency by optimally controlling the regeneration of electric power from the motor.
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Abstract
本発明の目的は、高い絶縁性を満足しつつ、放熱性にすぐれたパワーモジュールを提供することである。 本発明のパワーモジュールは、スイッチング素子が接続される導体板(320)と、導体板(320)と対向して配置される放熱板(307)と、導体板(320)と放熱板(307)との間に配置される絶縁部材(900)と、導体板(320)及び放熱板(307)とは電気的に絶縁された状態で絶縁部材(900)中に配置される導電性の中間導体(910)と、を備え、中間導体(910)は、中間導体(910)に対して導体板(320)側に配置される絶縁部材(900)と中間導体(910)に対して放熱板(307)側に配置される絶縁部材(900)との間で連通する連通領域(1101)を有する。
Description
本発明はパワー半導体素子をモジュール化したパワーモジュールに関し、特に車両搭載用のパワーモジュールに関する。
パワー半導体素子のスイッチングによる電力変換装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備等に幅広く利用されている。このパワー半導体素子は通電により発熱するため、高い放熱性が求められる。通常、放熱には、フィンを有する金属製の放熱構造を用い、電位の安定化や、感電防止を目的としてグラウンド(GND)に接地する。このため、パワー半導体素子と放熱構造との間に配置される絶縁材は、優れた熱伝導性が必要とされる。しかしながら、変換する電圧が高い場合、絶縁性を向上するため絶縁材を厚く構成する必要が生じ、放熱性が悪化してしまう。
放熱性を向上する手法としては、例えば特許文献1に示されるような、絶縁層と絶縁層の間に高熱伝導性材料である導体を挟む手法が知られている。
特許文献1に記載されたパワーモジュールは、第1の絶縁材と第2の絶縁材の間に金属製のプレートを設ける事で、放熱性を向上させることはできるが、第1の絶縁材と第2の絶縁材とを合わせた絶縁材の総厚を低減できるものではない。
本発明の課題は、高い絶縁性を満足しつつ、放熱性にすぐれたパワーモジュールを提供する点である。
本発明に係るパワーモジュールは、スイッチング素子が接続される導体板と、前記導体板と対向して配置される放熱板と、前記導体板と前記放熱板との間に配置される絶縁部材と、前記導体板及び前記放熱板とは電気的に絶縁された状態で前記絶縁部材中に配置される導電性の中間導体と、を備え、前記中間導体は、前記中間導体に対して前記導体板側に配置される前記絶縁部材と前記中間導体に対して前記放熱板側に配置される前記絶縁部材との間で連通する連通領域を有することを特徴とする。
本発明によれば、絶縁層の総厚を低減でき、パワーモジュールを高放熱化できるため、電力変換装置を小型化することができる。
以下、図面を参照して、本発明に係るパワーモジュールの実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
まず、図1から図3を用いて、第1の実施形態に係るパワーモジュールの構成について説明する。
図1は、本実施例のパワーモジュール300の回路構成図である。パワーモジュール300は、上アーム回路を構成するIGBT328及びダイオード156と、下アーム回路を構成するIGBT330及びダイオード166と、から構成される。ここでIGBTとは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの略称である。バッテリーの正極側に接続し、パワー半導体素子のスイッチングで交流波形を作成する回路が上アーム回路であり、バッテリーの負極側又はGND側に接続し、交流波形を作成する回路が下アーム回路である。中性点接地をする場合は、下アーム回路は、GNDでなくコンデンサの負極側に接続する。
パワーモジュール300は、導体板315、318、320及び319を備える。導体板315は、上アーム側のIGBT328のコレクタ側に接続される。導体板318は、上アーム側のIGBT328のエミッタ側に接続される。導体板320は、下アーム側のIGBT330のコレクタ側に接続される。導体板導体板319は、下アーム側のIGBT330のエミッタ側に接続される。
パワーモジュール300は、端子315B、319B、320B、325U及び325Lを備える。端子315Bは、導体板315に接続される。端子315Bは、直流バッテリー又は平滑コンデンサの正極側に接続される。端子319Bは、導体板319に接続される。端子319Bは、直流バッテリー若しくは平滑コンデンサの負極側又はグラウンド(GND)に接続される。端子320Bは、導体板320に接続される。端子320Bは、モータに接続される。端子325Uは、上アーム側のIGBT328の制御端子である。端子325Lは、下アーム側のIGBT325の制御端子である。
端子315Bに接続される導体板315は、直流電流を伝達する。端子319Bに接続される導体板319は、直流電流を伝達する。端子320Bに接続される導体板320は、交流電流を伝達する。
図2は、本実施例のパワーモジュール300の構造を示す平面図である。IBGT328及びIGBT330は、各々のエミッタ面が同じ方向を向くように配置されている。
図3は、図2のパワーモジュール300を、A-B断面で切断したときの断面図である。パワーモジュール300は、放熱のためのフィンが形成された放熱面307を有する。放熱面307は、導体板320及び導体板315を挟んで、IGBT328、330、ダイオード156、166とは反対側に配置される。放熱面307は、導電性の部材より形成され、電圧の安定化のためGNDに接地される。
また、パワーモジュール300は、中間導体910及び中間導体911を有する。中間導体910は、導体板320と放熱面307との間に配置される。中間導体911は、導体板315と放熱面307との間に配置される。中間導体910と導体板320の間、中間導体910と放熱面307の間、中間導体911と導体板315の間、及び中間導体911と放熱面307の間には、絶縁層900が形成される。本実施形態における特徴部分の一つとしては、図3の部分拡大図に示されるように、中間導体910及び911のいずれか一方または両方について、連通領域1101が形成されている点である。連通領域の構成等については、後述する。
本実施例のパワーモジュールにおいては、導体板320と中間導体910の配列方向に沿って投影した場合、中間導体910は、導体板320の射影部が当該中間導体910の射影部を包含するように、形成される。また、導体板315と中間導体911の配列方向に沿って投影した場合、中間導体911は、導体板319の射影部が当該中間導体911の射影部を包含するように、形成される。
本実施例のパワーモジュールのように、上アーム回路と下アーム回路の2つのアーム回路を一体にモジュール化した構造を2in1構造という。2in1構造は、1つのアーム回路ごとにモジュール化する1in1構造に比べ、出力端子の数を低減することができる。本実施例では、2in1構造の例を示したが、3in1構造、4in1構造又は6in1構造等にすることにより、さらに端子数を低減することができる。2in1構造のパワーモジュールでは、上アーム回路と下アーム回路を並べ、絶縁層を介して金属平板と対向して配置することにより、磁界相殺効果で回路のインダクタンスを低減することができる。
本実施例のパワーモジュールは、中間導体910を設けることにより、導体板320と放熱面307の間の電圧を、導体板320と中間導体910の間と中間導体910と放熱面307の間とに分担させる。これにより、本実施例のパワーモジュールは、絶縁性を満足しつつ、絶縁層厚を低減させることができる。その原理について、以下、図4から図13を用いて説明をする。
図4は、絶縁層と電極間に空気層がある場合の電圧分担のモデルを示す図である。電極間には、空気層850と、絶縁層851とが形成されている。電極間の全体に印加する交流電圧をVとし、そのうち空気層に加わる電圧をV1とすると、電圧Vは、次式で表される。ただし、Ceは空気層の容量を、Cfは絶縁層の容量を、ε0は真空の誘電率を、εは絶縁層の比誘電率を、Sは電極面積を、deは空気層の厚さを、dfは絶縁層の厚さを、それぞれ表す。
(数1) V=V1・(Ce+Cf)/Cf=V1・(df/(ε・de)+1)
(数2) Ce=ε0・S/de(数3) Cf=ε0・ε・S/df
(数1) V=V1・(Ce+Cf)/Cf=V1・(df/(ε・de)+1)
(数2) Ce=ε0・S/de(数3) Cf=ε0・ε・S/df
電極と絶縁層の間や、絶縁層内部において、ボイドや剥離による空気層が発生すると、電極に高電圧が印加されたときに部分放電が発生する。絶縁層は、常時部分放電する環境に晒されると、放電による火花で侵食され、耐久時間が著しく低下する。特に、樹脂製の絶縁体では、セラミックスに比べ耐熱性が低く、その影響が顕著となる。絶縁性を向上させるには、部分放電しない条件で使用をすることが有効である。
また、放電現象は、直流電圧と交流電圧とで異なる。直流電圧下で、電極間に絶縁層がある場合、部分放電が発生する条件でも、1回放電した後は、絶縁層が帯電して空間の電界が低くなるため、放電は停止する。したがって、電圧を1回だけ放電するだけであるので、放電による絶縁層の劣化への影響は少ない。一方、交流電圧下では、絶縁層に加わる電圧は時間の経過で反転するため、放電が繰り返される。そのため、放電による絶縁層の劣化への影響が大きい。さらに、パワー半導体素子のスイッチングで交流波形を作る場合、サージ電圧が交流波形に重畳されるため、定格電圧よりも高い電圧が絶縁層に加わる。
そのため、交流電圧が加わる絶縁層は、特に、部分放電が発生する環境に晒さないようにすることが重要である。部分放電を抑えるためには、電極間に空気層が存在しないよう絶縁体で完全に満たされるように製造し、かつ温度変化が加わる使用環境であってもその状態を維持できるようにするか、または、剥離等によって空気層が発生しても部分放電しないような絶縁層の厚さを設けるか、いずれかの手法が考えられる。本実施形態のパワーモジュールは、後者のアプローチを採るものである。
図5を用いて、部分放電が発生する電圧について説明する。電極間に空隙がある場合、部分放電が開始する電圧は、気圧と電極間の空隙長の関数で示される事が、パッシェンによって示され、その後多くの研究者によって理論的、実験的に確認されている。図5は、気圧pにおいて、電極間距離dの電極に電圧を印加した際に、部分放電が発生する電圧を、気圧pと電極間距離dの積との関係で示したグラフである。図5は、20℃において測定したものである。部分放電発生電圧は、図5に示されるように、気圧と電極間距離の積p・dがある値のときに最小値を持つ。つまり、部分放電発生電圧の最小値であるその電圧を超える電圧が電極間の空隙に印加されたとき、p・d積の値によっては部分放電が発生することになる。
パッシェンの法則による圧力は気体の粒子密度に換算できるため、気体の状態方程式を用いて、任意の温度、圧力での部分放電開始電圧を求めることができる。このようにして求めた部分放電開始電圧を式(1)中のV1に代入すると、気圧pと空気層の厚さdeとの関係で、放電が発生する電極間電圧Vの最小値を算出することができる。そのようにして算出した最小部分放電電圧の値を絶縁層の厚さdfに対してプロットしたグラフを図6から図8に示す。
図6は、25℃、1atmでの最小部分放電電圧と絶縁層厚さdfの関係を示す。絶縁層厚さdfが厚くなると、電圧Vに対して絶縁層851が分担する電圧が高くなるため、空気層850が分担する電圧V1が小さくなる。よって、絶縁層厚さdfが大きくなるほど、最小部分放電開始電圧が高くなる。
ここで注目すべき点は、絶縁層厚さdfに対する最小部分放電電圧の関係が、比例ではない点である。すなわち、絶縁層厚さdfが小さい領域におけるグラフの傾きが、絶縁層厚さdfが大きい領域におけるグラフの傾きに比べて大きい。この特徴を利用することで、後述するように、絶縁性を確保しつつ、絶縁層厚の低減を実現することができる。また、図6からは、同じ最小部分放電電圧においては、絶縁層851の誘電率が低いほど、その厚さdfを小さくすることができることがわかる。
図7は、25℃、絶縁層の比誘電率6での最小部分放電電圧と絶縁層厚さdfの関係を示す。図7からは、同じ最小部分放電電圧にするには、標高が高いほど、すなわち気圧が低いほど、絶縁層厚さを厚くする必要がある事がわかる。特に4000mを越えたあたりからこの影響が顕著となった。
図8は、1atm、絶縁層の比誘電率6での最小部分放電電圧と絶縁層厚さdfの関係を示す。図8より、同じ最小部分放電電圧にするには、温度が高いほど、絶縁層厚さdfを厚くする必要がある事がわかる。特に50℃を越えたあたりからこの影響が顕著となった。
図9は、25℃、1atm、比誘電率6での最小部分放電電圧と絶縁層厚さdfの関係を示す。図9を用いて、部分放電を抑制しつつ、絶縁層851の総厚dfを低減する原理について説明する。
例えば、電極間に最大1.6kVpの電圧が加わる場合を考える。図9より、絶縁層厚さdfが330μmのときの最小部分放電電圧が1.6kVpであるため、剥離等により空隙が生じても、絶縁層が330μmより厚く形成されていれば、部分放電は発生しない。
一方、電極間に加わる電圧が0.8kVpであるときは、絶縁層は80μmより厚ければ、部分放電は発生しない。これは、前述のように、最小部分放電電圧と絶縁層厚さdfの関係は、比例関係ではなく、絶縁層厚dfが小さい領域での傾きが大きく、絶縁層厚さdfが大きくなるにつれて傾きが小さくなっていることによる。
そこで、1.6kVpの電圧であっても、その電圧を0.8kVpと0.8kVpに2分割することで、それぞれ80μmより厚い絶縁層を設ければ放電を抑制することができる。これにより、1層だけだと330μm必要な絶縁層の総厚を、160μmに低減することができる。ここでは、2層の例を示したが、3層以上にする事でより薄肉化できる事は明らかである。絶縁層を薄肉化できれば、その分だけ熱抵抗が低減するため放熱性が向上する。さらに絶縁層が薄肉化する分、材料コストが低減できる効果がある。そこで続いて、パワーモジュールの絶縁層に加わる電圧を分割するための構造についてのモデルを、図10から図13を用いて説明をする。
図10は、中間導体を有する絶縁層部分に交流電圧を加える実験系の模式図である。上述したように、図3のパワーモジュールにおいて、導体板319には直流電流が流れるが、導体板320には交流電流が流れる。図10は、交流電圧が加わるパワーモジュールの絶縁層における電圧分担モデルを表している。図10の電極800は図3の導体板320に、図10の中間導体801は図3の中間導体910に、図10の電極802は図3の放熱面307に、図10の絶縁層810及び811は図3の絶縁層900に、それぞれ対応する。
発信器1001には、電極800及び801が接続される。中間導体801は、電極800と電極801の間に配置される。絶縁層810は、電極800と中間導体801の間に配置される。絶縁層811は、電極802と中間導体801の間に配置される。電極802は、GNDに接地される。中間導体801と電極802の間の電圧をV2とし、電極800と電極802の間の電圧をV3とすると、交流電圧を印加した場合の容量回路の電圧分担は以下の式で算出することができる。
(数4) V2=V3・Ca/(Ca+Cb)
(数5) Ca=ε0・εa・Sa/da(数6) Cb=ε0・εb・Sb/db
(数4) V2=V3・Ca/(Ca+Cb)
(数5) Ca=ε0・εa・Sa/da(数6) Cb=ε0・εb・Sb/db
ただし、Caは電極800と中間導体801の間の容量を、Cbは中間導体801と電極802の間の容量を、ε0は真空の誘電率を、εaは絶縁層810の比誘電率を、εbは絶縁層811の比誘電率を、Saは電極800と中間導体801の配置方向における投影面が重なり合う面積を、Sbは中間導体801と電極802の配置方向における投影面が重なり合う面積を、daは絶縁層810の厚さを、dbは絶縁層811の厚さを、それぞれ表す。
ここで、電圧分担モデルの構造と絶縁層の材質を調整し、εa=εb、da=db、Sa=Sbとすることで、Ca=Cbとなる。このとき、式(4)より、V2をV3で除した電圧分担率は、50%となる。本モデルでは、Ca=Cbとなるようにした。
(数7) V2/V3=50%
(数7) V2/V3=50%
図11は、図10の発信器1001の周波数を変化させたときの電圧分担率V2/V3を示すグラフである。電圧分担率は、中間導体801及び電極802間の電圧V1と、電極800及び電極802間の電圧V2とを、カーブトレーサ1000により測定することで、求めた。
図11より、電極800及び電極802間に加わる電圧の周波数が高くなるにつれ、電圧分担率が50%に近づく傾向が見られる。電圧分担率は、周波数が100Hzを超えると、ほぼ50%となる。このような傾向は、正弦波及び矩形波でも同様であった。
本モデルの結果からは、100Hz以上の交流電圧が加わる電極間の絶縁層中に、中間導体を設けることで、容量に応じて絶縁層に加わる電圧を分担することができることが分かる。
なお、ここではモデル評価のため、中間導体801から電流を出力したが、実際のパワーモジュールにおいては、中間導体から電流を取り出す必要がない。そのため、中間導体を絶縁層内に埋設することができる。中間導体を絶縁層に埋設すると、中間導体の端面が電極と近接するのを防止でき、端面からの放電を防止することができる。
中間導体を絶縁層に埋設する場合、中間導体の上下層に同じ材質の絶縁層を用い、中間導体の外形寸法を対向するいずれかの電極にサイズを合わせると、他方の電極とはサイズが異なっても、中間導体の両側の容量を同等することができる。この場合、完全に同等に合わせる事は実質困難なので、位置合わせや寸法交差を考慮して、中間導体の方が、面積が小さい側の電極より若干大きい事が望ましい。これは、中間導体の方が小さいと、電圧が分担されない部分が生じ、剥離により部分放電する場合があるためである。本実施形態のパワーモジュールでは、導体板320及び315の面積よりわずかに面積が大きい中間導体910及び911を有する。
なお、直流側の中間導体910は、後述する理由で、導体板315のサイズに制約されず、導体板より大きくしても、小さくしても良い。また、省略する事もできる。
図12は、中間導体を有する絶縁層の作製する手順を示す図である。ただし、図12で示すのは一例であり、作製の手順は以下の方法でなくてもよい。(1)絶縁シートを用意する。(2)中間導体形成部に孔径(メッシュを構成する孔の対角線の長さ)10μmのメッシュ状の連通孔のパターンを有する導体パターンを形成したマスキングを通してアルミ蒸着で厚さ0.1μmのアルミ皮膜導体パターンを絶縁シートに形成する。蒸着で形成したアルミ皮膜が内部になるように、パターン形成していない絶縁シートをプレスする。ここでは、アルミ皮膜の例を示したが、導電性材料であれば特に限定されない。また、蒸着の例を示したが、マスキングして形成できる形成方法であれば良く、転写、蒸着、印刷、メッキ等の等の方法でもよい。(3)金型で打ち抜く位置を設定する。(4)金型で中間導体を内部に有する絶縁シートを打ち抜く。このように作製する事で、薄い中間導体を形成する事ができる。薄い中間導体層を有する絶縁シートとする事で、絶縁シートを圧着する時に中間導体の段差による圧着圧力の不均一が生じるのを低減し、均一な圧着面を形成できる効果がある。
以上のように、本実施形態に係るパワーモジュールは、中間導体がメッシュ状の連通孔のパターンを有する点に特徴を有する。この特徴部分について、以下に詳細に説明をする。
パワーモジュールは、樹脂製の絶縁部材と、導体板及び放熱板とが圧着されることにより、形成される。樹脂性の絶縁部材と導体板及び放熱板との接着は導体板及び放熱板表面の凹凸に絶縁部材に使用する絶縁部材が圧着時の熱と圧力により流動し、硬化することにより形成される。この際、絶縁部材の形成に使用する樹脂の量が多い方が導体板及び放熱板表面の凸凹への追従性が良く、接着性が良い。例えば、絶縁部材に樹脂シートを使用する場合、樹脂シートの膜厚が厚いほど接着性は良好となる。このことは、樹脂にフィラーを含有させた樹脂シートを用いてモジュールを形成する場合に顕著となる。すなわち、フィラーを含有する分樹脂シートに含まれる樹脂量が少なくなること及び、フィラーが含まれることによる粘度増加により圧着時の流動性が低くなる。よって、より膜厚の厚いシートを使用することにより流動する樹脂量を多くすることが有効である。
しかしながら、絶縁部材内に中間導体を備え、絶縁層にかかる電圧を分担させる場合、連通領域を有さない中間導体(例えば金属箔等)を使用した場合、絶縁部材に使用する樹脂材料または樹脂/フィラー複合材料が中間導体により流動を妨げられてしまう。例えば、絶部材内の中心に中間導体層を一層設けた場合、絶縁部材における樹脂または樹脂/フィラーの流動性は1/2の膜厚を有する絶縁部材の樹脂または樹脂/フィラーの流動性と同程度に低下してしまう。そのため、絶縁部材と導体板及び放熱板との接着性が低下し、熱抵抗が大きくなる。
これに対し、本実施形態のように、連通領域を有する中間導体を使用した場合、樹脂または樹脂/フィラーは連通領域を介して流動することが可能となり、連通領域がない中間導体に比べ絶縁部材と導体板及び放熱板との接着性が向上し、熱抵抗が小さくなる。
また、フィラー含有樹脂シートと連通領域のない中間導体を用いた場合、樹脂及びフィラーが中間導体を連通することができない。このため、フィラーは中間導体である金属表面に接触し、樹脂により金属表面に接着する。樹脂シートの熱伝導率を高くするためにはフィラーが樹脂シート内で連続構造を形成していることが有効であり、このフィラーの連側構造が中間導体により妨げられてしまうと樹脂シートの熱伝導率が低くなる原因ともなる。
これに対し、本実施形態では、中間導体が連通領域を有するため、フィラーの連続構造が遮断されることなく形成される。これにより、連通領域がない中間導体を用いた場合に比べて、樹脂シートの熱伝導率を小さくすることができる。
また、樹脂に規則構造を有する液晶性樹脂等を用いた場合、一般に規則構造はフィラー表面で形成され易く、フィラー間に形成されている、もしくは、形成されるよう設計されており、金属箔表面では規則構造を形成しにくい場合や、規則構造が形成されても規則構造の方向が異なる場合がる。このような場合、金属箔表面において樹脂の規則構造が乱れ、フィラー間の樹脂よりも金属箔表面の樹脂の熱伝導率が低下してしまう。
これに対し、本実施形態では連通領域を有する中間導体を用いているため、フィラー及び樹脂が連通領域を介して連続構造を有するため金属箔表面での規則構造乱れを抑制でき、樹脂の熱伝導の低下を少なくすることができる。マトリックスである樹脂の僅かな熱伝導率の差はコンポジットであるフィラー含有樹脂シートの熱伝導率に大きく影響を与える。また、フィラーが高充填されている複合材の場合、マトリックスである樹脂の熱伝導率の変化は複合材の熱伝導率に大きく影響する。よって、規則構造を有する樹脂とフィラーから成る樹脂シートを用いた場合、連通孔有する中間導体を用いることは中間導体による樹脂シートの熱伝導率の低下を少なくすることに有効である。
連通領域を形成するために形成される中間導体の連通孔の形状は特に問わない。例として、図12の(a)や(b)を示しているが、中間導体の平面図から見た連通孔の形状が円形、四角形、楕円形、長方形、メッシュ状、等でも構わない。また、形状の異なる連通孔が含まれていてもかまわない。これらの連通孔を複数有し、中間導体内に均一に配置されていることが望ましい。また、熱伝導の低下が大きい箇所に集中的に連通孔を配置してもかまわない。
また、粒子、鱗片状、薄片、平板等の形状を有する導体を多数連結させることにより、導体の連続構造を有する層を形成し、この導体の連続構造を有する層に連通孔を設けることで中間導体とすることもできる。中間導体に形成された連通孔は孔路内を樹脂とフィラーが流動できる連結孔であればよく、中間導体内部で孔路が直進していてもよく、屈曲していてもよい。
連通孔の大きさは連通孔の孔径が300μm以下なものが好ましい。ここで、孔径とは連通孔を形成する孔形状で、最も離れた箇所の長さをさす。連通孔の大きさは300μm以上であると樹脂及びフィラーの流動性が向上し、熱抵抗を低下させることができるが、中間導体による電圧分担の効果が小さくあるいは、なくなってしまうため、部分放電がおこりやすくなる。よって、連通孔の孔径は300μm以下であることが望ましいが、より望ましくは、100μm以下である方が中間導体による電圧分担の効果がなくならず、好ましい。
中間導体が有する連通孔内を樹脂あるいは樹脂とフィラーが流動することにより、連通孔を有しない中間導体に比べ熱抵抗を低減できる。よって、連通孔の孔径は少なくとも、樹脂が流動できる孔径であればよく、望ましくは、樹脂及びフィラーが流動できる孔径を有していることが好ましい。連通孔の孔径が0.1μm以下であると樹脂の流動性が低下するため熱抵抗が大きくなる。また、連通孔の孔径がフィラー粒子径以下であると樹脂及びフィラーの流動性が低下するため熱抵抗が大きくなる。また、ここで、フィラーの粒子径とは樹脂シートには一定の粒度分布をもつ単数または複数のフィラー群が含まれるが一定の粒度分布をもつフィラー群のうち最も粒子径の小さいフィラー群の粒度分布(個数分布)における平均粒子径をさす。
中間導体を形成する材料は電気伝導体であれば良く、例えば銅やアルミニウム等を用いることができる。連結孔を有する中間導体の形成方法としては樹脂とフィラーから成る絶縁シート上に連通孔を有する金属の薄膜を転写、蒸着、印刷、メッキ等の方法により形成した後、絶縁シートを圧着させる方法、あるいは、フレーク状、鱗片状、薄片、平板等の形状を有する導体片、導体粉や導体粒子を樹脂シート上に連通孔が形成される様に噴霧、散布等することにより連通孔を有する導体層を形成した後、絶縁シートを圧着させる方法等がある。
図13は、連通孔を有する中間導体を用いた場合における熱抵抗低下の効果と絶縁性能について説明するための実験結果を示すグラフである。連通孔を有する中間導体を用いた場合における熱抵抗低下の効果を確認するため、以下に示す試料を作成した。厚さ2mmの150mm角のAl板の上に150mm角のフィラーを含有する樹脂絶縁シートを置き、樹脂絶縁シートの上に孔径(メッシュを構成する孔の対角線の長さ)2μm~500μmで連結孔間の間隔が50μmのメッシュ状の連通孔のパターンを有する導体パターンを形成したマスキングを通してアルミ蒸着で厚さ0.1μmのアルミ皮膜導体パターンを絶縁シートに形成した。蒸着で形成したアルミ皮膜が内部になるように、パターン形成していない150mm角のフィラーを含有する樹脂絶縁シート、さらに、厚さ2mm,100mm角のAl板をのせた後、加熱、圧着して試料を形成し、熱抵抗及び部分放電開始電圧を測定した。
図13の横軸は連通孔の孔径であり、縦軸は連通孔がない中間導体を用いた場合における試料の熱抵抗を1とした規格化熱抵抗及び規格化部分放電開始電圧である。図13に示すように、連通孔がない中間導体に比べ、中間導体に連通孔を形成することにより熱抵抗を低下させることができる。熱抵抗は連通孔の孔径を大きくすることにより、2μm以下の孔径においても徐々に低下する。これに対し、部分放電開始電圧は連通孔の大きさを大きくすると、100μm以上で大きな低下がみられはじめる。このことから、連通孔の孔径を制御すれば部分放電開始電圧を下げずに、熱抵抗を低減できることが解る。
同様に、樹脂絶縁シートの上に孔径(メッシュを構成する孔の直径)10μmの中間導体の平面図から見た連通孔の形状が円形の連通孔のパターンが連結孔間の間隔が30μmを有する導体パターンを形成したマスキングを通してアルミ蒸着で厚さ0.1μmのアルミ皮膜導体パターンを絶縁シートに形成した。蒸着で形成したアルミ皮膜が内部になるように、パターン形成していない150mm角のフィラーを含有する樹脂絶縁シート、さらに、厚さ2mm,100mm角のAl板をのせた後、圧着して試料を形成し、熱抵抗及び部分放電開始電圧を測定した。この場合における規格化熱抵抗は0.83であり、規格化部分放電開始電圧は1.0であった。このように、円形の連通孔を有する中間導体を用いても同様の効果を得ることができる。
図14及び図15を用いて、第2の実施形態に係るパワーモジュールについて説明する。実施例2のパワーモジュールは、実施例1のパワーモジュールの変形例を示す。図14は平面図であり、図15は、図14のC-D断面で切断した断面図である。
本実施形態では、パワー半導体素子のエミッタ側の電極をワイヤで接続している。そして、下アーム側IGBT330のコレクタ側に接続される導体板320と、上アーム側IGBT328のエミッタ面とは、中間電極390を介して接続される。中間電極390は、導体板320及び315と同様に、絶縁層900を介して放熱面307と対向するように、配置される。中間電極390と放熱面307の間には、中間導体912が配置される。中間導体912は、中間導体910及び911と同様に、絶縁層900中に埋設される。
中間電極390は、導体板320と同様に、交流電圧が加わるため、中間導体912により電圧分担することができる。
図16ないし図20を用いて、第3の実施形態に係るパワーモジュールについて説明する。
図16(a)は、本実施形態のパワーモジュールの斜視図であり、図16(b)は、図16(a)におけるE-F断面で切断したときの断面図である。本実施形態のパワーモジュール300は、CAN型冷却器である冷却体304にパワー半導体素子を収納した両面冷却構造である。冷却体304は、放熱フィン305が形成される第一放熱面307A及び第二放熱面307B、放熱面と枠体を接続する薄肉部304A、フランジ部304Bを有する。有底筒型形状に形成される冷却体304の挿入口306からパワー半導体素子や導体板からなる回路体を挿入し、封止材351で封止してパワーモジュール300を形成する。本実施形態のパワーモジュールは、パワー半導体素子が第一放熱面307A及び第二放熱面307Bの両面から冷却されるため、放熱性に優れる。
図17は、図16(a)のG-H断面で切断したときの断面の模式図である。本実施形態のパワーモジュール300は、パワー半導体素子の一方側に配置される絶縁層において中間導体910及び911を有する。そして、パワーモジュール300は、パワー半導体素子の前記一方側とは反対側の他方側に配置される絶縁層において中間導体913及び914を有する。中間導体910は、交流電圧が加わる導体板320と放熱面307Aの間に配置される。中間導体911は、直流電圧が加わる導体板315と放熱面307Aの間に配置される。中間導体913は、交流電圧が加わる導体板318と放熱面307Bの間に配置される。中間導体914は、直流電圧が加わる導体板319と放熱面307Bの間に配置される。
そして、各中間導体は、容量回路C1ないしC8を形成する。容量C1は、導体板315と中間導体911の間の容量である。容量C2は、中間導体911と放熱面307Aの間の容量である。容量C3は、導体板318と中間導体913の間の容量である。容量C4は、中間導体913と放熱面307Bの間の容量である。容量C5は、導体板320と中間導体910の間の容量である。容量C6は、中間導体910と放熱面307Aの間の容量である。容量C7は、導体板319と中間導体914の間の容量である。容量C8は、中間導体914と放熱面307Bの間の容量である。ただし、直流電圧が加わる導体板315と放熱面307Aの間の容量C1、C2及び導体板319と放熱面307Bの間のC8、C9は、直流電圧が変化したときのみ容量回路が形成される。
図18は、本実施形態のパワーモジュールにおける中間導体の配置を説明するための展開図である。説明のため、一部の構成のみを図中に示している。
図19は、容量C1ないしC8をパワーモジュールの回路図に示した図である。容量C1、C2、C8及びC7は直流電圧が加わる部分である。よって、当該部分の中間導体911及び914は、省略する事ができる。容量C3、C4、C5及びC6は交流電圧が加わる部分である。よって、当該部分の中間導体910及び913は、絶縁層に加わる電圧を分担することができる。
本実施形態のパワーモジュールは、冷却性に優れた両面冷却構造のパワーモジュールにおいて、絶縁層に中間導体構造を設けることで、絶縁層が薄肉化でき、より放熱性に優れた高耐圧のパワーモジュールを得る事ができる。
図20(a)及び図20(b)を用いて、本実施形態のパワーモジュールにおけるインダクタンス低減について説明する。図20(a)は、本実施形態のパワーモジュール300の回路図である。図20(b)は、パワーモジュール300の展開図である。
下アーム側のダイオード166が順方向バイアス状態で導通している状態とする。この状態で、上アーム側のIGBT328がON状態になると、下アーム側のダイオード166が逆方向バイアスとなりキャリア移動に起因するリカバリ電流が上下アームを貫通する。このとき、各導体板315、3318、320及び319には、図20(b)に示されるリカバリ電流360が流れる。リカバリ電流360は、直流負極端子319Bと対向して配置された直流正極端子315Bを流れる。続いて、各導体板315、318、320、319により形成されるループ形状の経路を流れる。そして、直流負極端子319Bを流れる。
ループ形状経路を電流が流れることによって、冷却器304の第1放熱面307A及び第2放熱面307Bに渦電流361が流れる。この渦電流361の電流経路に等価回路362が発生する磁界相殺効果によって、ループ形状経路における配線インダクタンス363が低減する。なお、リカバリ電流360の電流経路がループ形状に近いほど、インダクタンス低減作用が増大する。このように上アーム回路と下アーム回路を1セットでモジュール化した2in1構造とする事で磁界相殺効果によってインダクタンスを低減することができる。これは、4in1、6in1と増やしても同じ効果を持たせることができる。
図21を用いて、第4の実施形態に係るパワーモジュールについて説明する。
図21は、本実施形態のパワーモジュールの断面図である。実施例3のパワーモジュールについての図17に相当する。実施例3からの変更点は、中間導体の数を増やした点である。
中間導体910aおよび910bは、交流電圧が加わる導体板320と放熱面307Aの間に配置される。中間導体911a及び911bは、直流電圧が加わる導体板315と放熱面307Aの間に配置される。中間導体913a及び913bは、交流電圧が加わる導体板318と放熱面307Bの間に配置される。中間導体914a及び914bは、直流電圧が加わる導体板319と放熱面307Bの間に配置される。
そして、各中間導体は、容量回路C1ないしC12を形成する。容量C1は、導体板315と中間導体911aの間の容量である。容量C2は、中間導体911aと中間導体911bの間の容量である。容量C3は、中間導体911bと放熱面307Aの間の容量である。容量C4は、導体板318と中間導体913aの間の容量である。容量C5は、中間導体913aと中間導体913bの間の容量である。容量C6は、中間導体913bと放熱面307Bの間の容量である。容量C7は、導体板320と中間導体910aの間の容量である。容量C8は、中間導体910aと中間導体910bの間の容量である。容量C9は、中間導体910bと放熱面307Aの間の容量である。容量C10は、導体板319と中間導体914aの間の容量である。容量C11は、中間導体914aと中間導体914bの間の容量である。容量C12は、中間導体914bと放熱面307Bの間の容量である。ただし、直流電圧が加わる導体板315と放熱面307Aの間の容量C1、C2、C3及び導体板319と放熱面307Bの間のC10、C11、C12は、直流電圧が変化したときのみ容量回路が形成される。
本実施例のパワーモジュールでは、絶縁層に加わる電圧を3つに分担することができるため、より絶縁層の総厚を薄くすることができる。
図22ないし図24を用いて、本発明のパワーモジュールを組み込んだ電力変換装置及び車両システムの構成例を説明する。図22は、電力変換装置の回路図を示す。
電力変換装置200は、インバータ回路部140、142と、補機用のインバータ回路部43と、コンデンサモジュール500と、を備えている。インバータ回路部140及び142は、パワーモジュール300を複数備えており、それらを接続することにより3相ブリッジ回路を構成している。電流容量が大きい場合には、更にパワーモジュール300を並列接続し、これら並列接続を3相インバータ回路の各相に対応して行うことにより、電流容量の増大に対応できる。また、パワーモジュール300に内蔵しているパワー半導体素子を並列接続することでも電流容量の増大に対応できる。
インバータ回路部140とインバータ回路部142とは、基本的な回路構成は同じであり、制御方法や動作も基本的には同じである。ここでは代表してインバータ回路部140を例に説明する。インバータ回路部140は、3相ブリッジ回路を基本構成として備えている。具体的には、U相(符号U1で示す)やV相(符号V1で示す)やW相(符号W1で示す)として動作するそれぞれのアーム回路が、直流電力を送電する正極側および負極側の導体にそれぞれ並列に接続されている。なお、インバータ回路部142のU相、V相およびW相として動作するそれぞれのアーム回路を、インバータ回路部140の場合と同様に、符号U2、V2およびW2で示す。
各相のアーム回路は、上アーム回路と下アーム回路とが直列に接続した上下アーム直列回路で構成されている。各相の上アーム回路は正極側の導体にそれぞれ接続され、各相の下アーム回路は負極側の導体にそれぞれ接続されている。上アーム回路と下アーム回路の接続部には、それぞれ交流電力が発生する。各上下アーム直列回路の上アーム回路と下アーム回路の接続部は、各パワーモジュール300の交流端子320Bに接続されている。各パワーモジュール300の交流端子320Bはそれぞれ電力変換装置200の交流出力端子に接続され、発生した交流電力はモータジェネレータ192あるいは194の固定子巻線に供給される。各相の各パワーモジュール300は基本的に同じ構造であり、動作も基本的に同じであるので、代表してパワーモジュール300のU相(U1)について説明する。
上アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として上アーム用IGBT328と上アーム用ダイオード156とを備えている。また、下アーム回路は、スイッチング用のパワー半導体素子として下アーム用IGBT330と下アーム用ダイオード166とを備えている。各上下アーム直列回路の直流正極端子315Bおよび直流負極端子319Bは、コンデンサモジュール500のコンデンサ接続用直流端子にそれぞれ接続される。交流端子320Bから出力される交流電力は、モータジェネレータ192、194に供給される。
IGBT328、330は、ドライバ回路174を構成する2つのドライバ回路の一方あるいは他方から出力された駆動信号を受けてスイッチング動作し、バッテリー136から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。変換された電力は、モータジェネレータ192の固定子巻線に供給される。なお、V相およびW相については、U相と略同じ回路構成となるので、符号328、330、156、166の表示を省略している。インバータ回路部142のパワーモジュール300は、インバータ回路部140の場合と同様の構成であり、また、補機用のインバータ回路部43はインバータ回路部142と同様の構成を有しており、ここでは説明を省略する。
スイッチング用のパワー半導体素子について、上アーム用IGBT328および下アーム用IGBT330を用いて説明する。上アーム用IGBT328や下アーム用IGBT330は、コレクタ電極、エミッタ電極(信号用エミッタ電極端子)、ゲート電極(ゲート電極端子)を備えている。上アーム用IGBT328や下アーム用IGBT330のコレクタ電極とエミッタ電極との間には、上アーム用ダイオード156や下アーム用ダイオード166が図示のように電気的に接続されている。
上アーム用ダイオード156や下アーム用ダイオード166は、カソード電極およびアノード電極の2つの電極を備えている。上アーム用IGBT328や下アーム用IGBT330のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、ダイオード156、166のカソード電極がIGBT328、330のコレクタ電極に、アノード電極がIGBT328、330のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。なお、パワー半導体素子としてはMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いても良く、この場合は上アーム用ダイオード156、下アーム用ダイオード166は不要となる。
上下アーム直列回路に設けられた温度センサ(不図示)からは、上下アーム直列回路の温度情報がマイコンに入力される。また、マイコンには上下アーム直列回路の直流正極側の電圧情報が入力される。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知および過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全ての上アーム用IGBT328、下アーム用IGBT330のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路を過温度或いは過電圧から保護する。
図23は電力変換装置200の外観を示す斜視図である。本実施の形態に係る電力変化装置200の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体12と、筐体12の短辺側の外周の一つに設けられた上部ケース10と、筐体12の下部開口を塞ぐための下部ケース16とを固定して形成されたものである。筐体12の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、車両への取付けが容易となり、また生産しやすい。
図24は、電力変換装置を搭載したハイブリッド自動車の制御ブロック図を示す。ハイブリッド自動車(HEV)110は2つの車両駆動用システムを備えている。1つはエンジン120を動力源としたエンジン駆動システムで、もう1つはモータジェネレータ192、194を動力源とする回転電機駆動システムである。本発明の電力変換装置200は、バッテリー136、モータジェネレータ192、194、補機用モータ195間で、直流、交流の電力変換を行い車両の走行状態に応じて、モータへの駆動電力の供給や、モータからの電力回生を最適に制御し燃費の向上に貢献している。
10 上部ケース
12 筺体
16 下部ケース
18 交流ターミナル
22 駆動回路基板
43 インバータ回路
110 ハイブリッド自動車
112 前輪
114 前輪車軸
116 デファレンシャルギア
118 変速機
120 エンジン
122 動力配分機構
136 バッテリ
138 直流コネクタ
140 インバータ回路
142 インバータ回路
156 ダイオード
166 ダイオード
172 制御回路
174 ドライバ回路
180 電流センサ
192 モータジェネレータ
194 モータジェネレータ
195 モータ
200 電力変換装置
230 入力積層配線板
300 パワーモジュール
304 冷却体
304A 冷却体の薄肉部
304B フランジ
305 放熱フィン
306 挿入口
307 放熱面
307A 第一放熱面
307B 第二放熱面
315 直流正極導体板
315B 直流正極端子
319 直流負極導体板
319B 直流負極端子
318 導体板
320B 交流端子
328 IGBT
330 IGBT
333 絶縁シート
348 第一封止材
350 冷却体の厚肉部
351 第二封止材
370 接続部
500 コンデンサモジュール
800 電極
801 中間導体
802 電極
803 電極
804 電極
810 絶縁層
811 絶縁層
850 空気層
851 絶縁層
900 絶縁層
910 交流側中間導体
911 直流側中間導体
912 交流側中間導体
913 交流側中間導体
914 直流側中間導体
1000 カーブトレーサ
1001 発信器
1002 直流電源
1100 導体
1101 連通領域(連通孔)
12 筺体
16 下部ケース
18 交流ターミナル
22 駆動回路基板
43 インバータ回路
110 ハイブリッド自動車
112 前輪
114 前輪車軸
116 デファレンシャルギア
118 変速機
120 エンジン
122 動力配分機構
136 バッテリ
138 直流コネクタ
140 インバータ回路
142 インバータ回路
156 ダイオード
166 ダイオード
172 制御回路
174 ドライバ回路
180 電流センサ
192 モータジェネレータ
194 モータジェネレータ
195 モータ
200 電力変換装置
230 入力積層配線板
300 パワーモジュール
304 冷却体
304A 冷却体の薄肉部
304B フランジ
305 放熱フィン
306 挿入口
307 放熱面
307A 第一放熱面
307B 第二放熱面
315 直流正極導体板
315B 直流正極端子
319 直流負極導体板
319B 直流負極端子
318 導体板
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328 IGBT
330 IGBT
333 絶縁シート
348 第一封止材
350 冷却体の厚肉部
351 第二封止材
370 接続部
500 コンデンサモジュール
800 電極
801 中間導体
802 電極
803 電極
804 電極
810 絶縁層
811 絶縁層
850 空気層
851 絶縁層
900 絶縁層
910 交流側中間導体
911 直流側中間導体
912 交流側中間導体
913 交流側中間導体
914 直流側中間導体
1000 カーブトレーサ
1001 発信器
1002 直流電源
1100 導体
1101 連通領域(連通孔)
Claims (7)
- スイッチング素子が接続される導体板と、
前記導体板と対向して配置される放熱板と、
前記導体板と前記放熱板との間に配置される絶縁部材と、
前記導体板及び前記放熱板とは電気的に絶縁された状態で前記絶縁部材中に配置される導電性の中間導体と、を備え、
前記中間導体は、前記中間導体に対して前記導体板側に配置される前記絶縁部材と前記中間導体に対して前記放熱板側に配置される前記絶縁部材との間で連通する連通領域を有するパワーモジュール。 - 請求項1に記載のパワーモジュールであって、
前記絶縁部材は、規則構造を有する樹脂により形成されるパワーモジュール。 - 請求項1又は2のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記絶縁部材は、フィラーを含有する樹脂により形成されるパワーモジュール。 - 請求項3に記載のパワーモジュールであって、
前記貫通領域は、前記フィラーの粒径よりも大きく形成されるパワーモジュール。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記中間導体は、複数の前記貫通領域が形成される格子状の導体であるパワーモジュール。 - 請求項1乃至5のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記導体板は、交流電流を伝達するパワーモジュール。 - 請求項1乃至6のいずれかに記載のパワーモジュールであって、
前記中間導体は、前記導体板と前記放熱板との配列方向に垂直な方向における当該中間導体の幅が同方向における前記導体板の幅よりも大きくなるように、形成されるパワーモジュール。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20180218963A1 (en) * | 2015-07-31 | 2018-08-02 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | Power Module |
WO2021014979A1 (ja) * | 2019-07-24 | 2021-01-28 | 株式会社日立製作所 | パワー半導体装置 |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3813154A4 (en) * | 2018-06-19 | 2022-03-02 | Vehicle Energy Japan Inc. | LITHIUM-ION SECONDARY BATTERY AND METHOD OF MANUFACTURE THEREOF |
JP6813728B2 (ja) * | 2018-06-25 | 2021-01-13 | 無錫利普思半導体有限公司 | パワー半導体モジュール用パッケージの製造方法およびパワー半導体モジュール用パッケージ |
DE102020133622A1 (de) * | 2020-12-15 | 2022-06-15 | Danfoss Power Electronics A/S | Kühlkörperanordnung für einen Stromrichter |
WO2023112224A1 (ja) * | 2021-12-15 | 2023-06-22 | 日立Astemo株式会社 | 半導体装置および絶縁部材 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006210597A (ja) * | 2005-01-27 | 2006-08-10 | Mitsubishi Electric Corp | 絶縁シートおよびその製造方法、並びに上記絶縁シートを用いたパワーモジュール |
JP2009158919A (ja) * | 2007-12-04 | 2009-07-16 | Nissan Motor Co Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
JP2015005570A (ja) * | 2013-06-19 | 2015-01-08 | 関西電力株式会社 | 半導体装置 |
WO2016038955A1 (ja) * | 2014-09-09 | 2016-03-17 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | パワーモジュール |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7220365B2 (en) * | 2001-08-13 | 2007-05-22 | New Qu Energy Ltd. | Devices using a medium having a high heat transfer rate |
EP1926142A1 (en) * | 2005-09-15 | 2008-05-28 | Mitsubishi Materials Corporation | Insulating circuit board and insulating circuit board provided with cooling sink section |
JP2007081200A (ja) * | 2005-09-15 | 2007-03-29 | Mitsubishi Materials Corp | 冷却シンク部付き絶縁回路基板 |
JP5825843B2 (ja) | 2011-05-19 | 2015-12-02 | 株式会社日立製作所 | 半導体ユニット及び電力変換装置 |
CN104303297B (zh) * | 2012-05-16 | 2017-05-17 | 松下知识产权经营株式会社 | 电力用半导体模块 |
JP6097557B2 (ja) * | 2012-12-26 | 2017-03-15 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | 電力変換装置 |
JP6438225B2 (ja) * | 2014-07-24 | 2018-12-12 | 株式会社ジェイデバイス | 半導体パッケージ |
JP6557540B2 (ja) * | 2015-07-31 | 2019-08-07 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | パワーモジュール |
-
2015
- 2015-07-31 JP JP2015151455A patent/JP6557540B2/ja active Active
-
2016
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Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006210597A (ja) * | 2005-01-27 | 2006-08-10 | Mitsubishi Electric Corp | 絶縁シートおよびその製造方法、並びに上記絶縁シートを用いたパワーモジュール |
JP2009158919A (ja) * | 2007-12-04 | 2009-07-16 | Nissan Motor Co Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
JP2015005570A (ja) * | 2013-06-19 | 2015-01-08 | 関西電力株式会社 | 半導体装置 |
WO2016038955A1 (ja) * | 2014-09-09 | 2016-03-17 | 日立オートモティブシステムズ株式会社 | パワーモジュール |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
See also references of EP3331009A4 * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20180218963A1 (en) * | 2015-07-31 | 2018-08-02 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | Power Module |
US10186473B2 (en) * | 2015-07-31 | 2019-01-22 | Hitachi Automotive Systems, Ltd. | Power module |
WO2021014979A1 (ja) * | 2019-07-24 | 2021-01-28 | 株式会社日立製作所 | パワー半導体装置 |
JP2021022599A (ja) * | 2019-07-24 | 2021-02-18 | 株式会社日立製作所 | パワー半導体装置 |
JP7105214B2 (ja) | 2019-07-24 | 2022-07-22 | 株式会社日立製作所 | パワー半導体装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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