(57)【要約】【課題】  ハイブリッド車両などに搭載され、２台の回転機を駆動制御する電力変換器を構成するパワー半導体素子を内包するパワーモジュールとヒートシンクとを備えたパワーユニットにおいて、高い放熱性で経済性を向上させる。【解決手段】  発熱体であるパワー半導体素子２０（１〜４）を導電性素子固着層２１を介して金属ブロック２２上に配置し、パワー半導体素子２０の上面電極、底面電極にそれぞれ接続されるリード２４、２６を突き出させて、金属ブロック２２およびパワー半導体素子２０を覆って封止樹脂２７にて樹脂封止してパワーモジュール６を構成し、２台の回転機１１、１２の各相の駆動制御毎にそれぞれパワーモジュール６を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数台の回転機をそれぞれ電動機あるいは発電機として機能させて駆動制御する電力変換器を構成するパワー半導体素子を内包するパワーモジュールと、該パワーモジュールを搭載する冷却ヒートシンクとを備えたパワーユニットにおいて、
上記各回転機の各相の駆動制御毎にそれぞれ上記パワーモジュールを備えて、該複数のパワーモジュールを上記冷却ヒートシンクに搭載し、
該各パワーモジュールは、底面と上面のそれぞれに電極を有する上記パワー半導体素子と、該パワー半導体素子の底面側に位置する金属ブロックと、該パワー半導体素子の底面電極と上記金属ブロックとの間に接して配置された導電性素子固着層と、上記パワー半導体素子の底面電極と導通する底面電極側リードと、上記パワー半導体素子の上面電極と導通する上面電極側リードと、上記金属ブロックおよび上記パワー半導体素子を覆って上記底面電極側リードおよび上面電極側リードを突き出させて封止する封止樹脂とを備えたことを特徴とするパワーユニット。
【請求項２】
複数台の回転機をそれぞれ電動機あるいは発電機として機能させて駆動制御する電力変換器を構成するパワー半導体素子を内包するパワーモジュールと、該パワーモジュールを搭載する冷却ヒートシンクとを備えたパワーユニットにおいて、
上記各回転機の各相の駆動制御毎にそれぞれ上記パワーモジュールを備えて、該複数のパワーモジュールを上記冷却ヒートシンクに搭載し、
上記パワーモジュールの３個の主端子を、該パワーモジュール本体の一辺に並べて配置し、これらの主端子を一方向に揃えて少なくとも３台の上記パワーモジュールを並べ、内部に導電体が埋設された端子台を備え、上記並べたパワーモジュールの各主端子を上記端子台の導電体に接続することを特徴とするパワーユニット。
【請求項３】
上記端子台の導電体は、正極側導電体、負極側導電体、および上記各回転機の各相に接続される回転機側各相導電体を有してこれらを互いに電気的に絶縁して配設することを特徴とする請求項２記載のパワーユニット。
【請求項４】
上記冷却ヒートシンクに少なくとも６台の上記パワーモジュールが搭載されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のパワーユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車等の移動体に搭載される電動機あるいは発電機の駆動制御の為の電力変換器に適用されるパワーユニットに関し、特に、パワー半導体素子を内包するパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車にはインバータとコンバータを搭載し、車両に搭載された電源電池の直流電力を交流電力に変換してインバータとして電動機を駆動するとともに、制動時には発電機として運動エネルギを電気エネルギに変換して得る交流電力を直流電力に変換してコンバータとして電源電池に充電を行う機能を有するハイブリッド車が実用化されている。
従来のハイブリッド車は、発電機あるいはモータとなる２台の回転機を備え、各回転機には、それぞれ駆動回路としての半導体式インバータが接続されており、このインバータの各スイッチング素子のオンオフを制御することにより、発電機による発電量やモータが出力する動力などは制御され、両インバータの電源ラインは互いに結合されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２０４６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電動機あるいは発電機となる２台の回転機の異なる力行と回生を制御する各電力変換器は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とフライホイールダイオードの二つのパワー半導体素子を対として、これらのパワー半導体素子を２対備えて各々力行時と回生時に分離独立させて電流を導通するような回路構成を、機能上の最小単位とするものである。そして、３相の電動機あるいは発電機の２台の回転機を駆動制御するために、上記最小単位であるパワー半導体ユニットを６単位備え、これらを結合して樹脂成型からなるモジュールのケースにインサート成型して１つにパッケージングされたパワーモジュールを形成し、該パワーモジュールを冷却用ヒートシンクに搭載してパワーユニットを構成していた。
【０００５】
このように、２台の回転機を駆動制御する電力変換器の６単位のパワー半導体ユニットが一つにパッケージングされたパワーモジュールを備えた従来のパワーユニットでは、構成されるパワー半導体素子が一つでも欠陥が生じた場合には、正常に実装されたパワー半導体素子とともにパワーモジュール全体を交換するしかなく、経済性の悪いものであった。
また、６単位のパワー半導体ユニットを一つにパッケージングするモジュールのケースは寸法が大きくなり、電力を伝導する金属（導電体）と樹脂との異種材料による線膨張係数の違いから、ケースに変形やクラックが生じることがあった。さらに、複雑な形状の導電体を所定の位置に固定してケースにインサート成型する作業を、短時間で行うのは困難であるという問題点があった。
【０００６】
この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、パワー半導体素子に欠陥が生じた場合に交換により廃棄する部品点数を低減し、経済性を高めることを目的とする。また、パワーモジュールのケースの変形やクラックの発生を抑制でき、簡便な加工で機械的な耐久性の優れたパワーユニットを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明の請求項１に係るパワーユニットは、複数台の回転機をそれぞれ電動機あるいは発電機として機能させて駆動制御する電力変換器を構成するパワー半導体素子を内包するパワーモジュールと、該パワーモジュールを搭載する冷却ヒートシンクとを備える。また、上記各回転機の各相の駆動制御毎にそれぞれ上記パワーモジュールを備えて、該複数のパワーモジュールを上記冷却ヒートシンクに搭載する。そして該各パワーモジュールは、底面と上面のそれぞれに電極を有する上記パワー半導体素子と、該パワー半導体素子の底面側に位置する金属ブロックと、該パワー半導体素子の底面電極と上記金属ブロックとの間に接して配置された導電性素子固着層と、上記パワー半導体素子の底面電極と導通する底面電極側リードと、上記パワー半導体素子の上面電極と導通する上面電極側リードと、上記金属ブロックおよび上記パワー半導体素子を覆って上記底面電極側リードおよび上面電極側リードを突き出させて封止する封止樹脂とを備えるものである。
【０００８】
またこの発明の請求項２に係るパワーユニットは、複数台の回転機をそれぞれ電動機あるいは発電機として機能させて駆動制御する電力変換器を構成するパワー半導体素子を内包するパワーモジュールと、該パワーモジュールを搭載する冷却ヒートシンクとを備える。また、上記各回転機の各相の駆動制御毎にそれぞれ上記パワーモジュールを備えて、該複数のパワーモジュールを上記冷却ヒートシンクに搭載する。そして、上記パワーモジュールの３個の主端子を、該パワーモジュール本体の一辺に並べて配置し、これらの主端子を一方向に揃えて少なくとも３台の上記パワーモジュールを並べ、内部に導電体が埋設された端子台を備え、上記並べたパワーモジュールの各主端子を上記端子台の導電体に接続するものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明の請求項１に係るパワーユニットは、パワー半導体素子を導電性素子固着層を介して金属ブロック上に配置し、金属ブロックおよびパワー半導体素子を覆って底面電極側リードおよび上面電極側リードを突き出させて樹脂封止してパワーモジュールを構成したため、放熱特性を向上でき、小型で大容量のパワーモジュールを構成できる。このような放熱特性に優れ小型化に適したパワーモジュールを適用することで、各回転機の各相の駆動制御毎にそれぞれ小型のパワーモジュールを備えて、該複数のパワーモジュールを冷却ヒートシンクに搭載するパワーユニットを信頼性よく形成できる。また小型化によりパワーモジュールのケースの変形やクラックの発生を抑制できる。
また、複数のパワーモジュールが各回転機の各相の駆動制御毎に備えられているため、パワー半導体素子に欠陥が生じた場合に廃棄する高価な部材や部品点数を低減でき、経済性を高めることができる。
【００１０】
またこの発明の請求項２に係るパワーユニットは、複数のパワーモジュールが各回転機の各相の駆動制御毎に備えられているため、パワー半導体素子に欠陥が生じた場合に廃棄する高価な部材や部品点数を低減でき、経済性を高めることができる。また小型化によりパワーモジュールのケースの変形やクラックの発生を抑制できる。また１つのパワーモジュールの形成が容易で短時間で実施できると共に、複数のパワーモジュールを同時形成でき製造が容易となる。
さらに、パワーモジュールの主端子を一方向に揃えて少なくとも３台のパワーモジュールを並べ、内部に導電体が埋設された端子台を備え、各主端子を端子台の導電体に接続するため、パワーユニットの加工、組立が容易となる。また独立した端子台を設けるため、機械的な耐久性の優れた構造となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１によるパワーユニットとして、ハイブリッド車に搭載されたパワーユニットを図について説明する。
ところで、ハイブリッド車は、電力変換器を搭載し、車両に搭載された電源電池の直流電力を交流電力に変換してインバータとして電動機を駆動するとともに、制動時には発電機の運動エネルギを電気エネルギに変換して得る交流電力を直流電力に変換してコンバータとして電源電池に充電を行う機能を有する。この実施の形態では、電動機あるいは発電機となる回転機を２台有し、一方の回転機は電動機として、他方の回転機は発電機として同時に機能させ、あるいは双方同時に電動機としてあるいは発電機として機能させる。このような回転機の駆動制御を行う電力変換器は、パワー半導体素子で構成され、パワー半導体素子を内包するパワーモジュールは、冷却ヒートシンクに搭載されてパワーユニットを構成する。
【００１２】
図１は、この発明の実施の形態１によるパワーユニット内部の回路構成を示したもので、電動機あるいは発電機となる２台の回転機における力行及び回生の駆動制御を行う回路構成となっている。
図１に示すように、ＩＧＢＴ１およびフライホイールダイオード２は、力行時に機能する一対のパワー半導体素子であり、ＩＧＢＴ３およびフライホイールダイオード４は、回生時に機能する一対のパワー半導体素子である。これらのパワー半導体素子１〜４が、力行と回生の機能の最小単位であるパワー半導体ユニット５を構成し、このパワー半導体ユニット５のパワー半導体素子１〜４が、一つのパッケージに樹脂封止により収納されて一体化され、パワーモジュール６を構成する。
【００１３】
また、パワーモジュール６から電力系統を伝導する主端子７、８、９が、パワーモジュール６の一辺より外部に突出している。この主端子７、８、９を一方向に揃えて３台のパワーモジュール６を並べ、６台のパワーモジュール６は３台ごとに端子台１０により結合される。７はＮ極端子、８はＰ極端子、９は回転機側端子であり、端子台１０は内部に導電体が形成され、回転機側端子９は端子台内部の導電体を介して回転機１１、１２の３相の界磁コイルの末端と接続結合される。
また、コイルやトランスなどから成るインダクタ１３と、ＩＧＢＴなどから成る高周波スイッチ１４ａおよび転流ダイオード１４ｂが一つのパッケージで形成されたパワーモジュール１４とで構成されるＤＣＤＣコンバータを備え、２個の端子台１０により結合される６台のパワーモジュール６と共に、冷却ヒートシンク１７に搭載される。
なお、１５は平滑コンデンサ、１６は電源電池である。また、図中の配線上の黒丸部は、配線と成る導電体と要素の電極とを結線し接合する部位を表している。ここではボルトとナットのネジ締結により接合している。
【００１４】
図２は、図１で回路構成を示したパワーユニットにおいて、実際の構成要素の配置を示した平面図である。なお、ここでは平滑コンデンサ１５および電源電池１６は図示を省略する。
上述したように、パワーモジュール６の主端子（Ｎ極端子７、Ｐ極端子８、回転機側端子９）はパワーモジュール６の一辺より外部に突出し、この主端子７、８、９を一方向に揃えて３台のパワーモジュール６を並べ、６台のパワーモジュール６は３台ごとに端子台１０により結合される。２つの端子台１０には、それぞれＰ極側導電体１０ａ、Ｎ極側導電体１０ｂおよび各回転機１１、１２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の界磁コイルにそれぞれ接続される回転機側各相導電体１０ｃｕ、１０ｃｖ、１０ｃｗが埋設されており、Ｎ極端子７、Ｐ極端子８は、端子台１０のＮ極側導電体１０ｂ、Ｐ極側導電体１０ａに接続され、各パワーモジュール６の回転機側端子９は、それぞれ対応する回転機側各相導電体１０ｃｕ、１０ｃｖ、１０ｃｗに接続される。
また、ＤＣＤＣコンバータを構成するインダクタ１３およびパワーモジュール１４も、主端子を一方向に揃えて並べ、端子台１８に埋設された導電体１８ａ〜１８ｄに接続される。
【００１５】
なお、パワーモジュール６を６台搭載するものを示したが、パワーモジュール６を構成するパワー半導体素子１〜４の耐電圧や電流容量が不足するような大きな電力を必要とする場合は、各回転機１１、１２の各相毎に複数のパワーモジュール６を並列に設けて耐圧と電流容量を拡大する。即ち、３相の各相で複数のモジュールを用いるために、３の倍数のパワーモジュール数を搭載することとなる。
【００１６】
次に動作について説明する。
電源電池１６と接続されるＤＣＤＣコンバータ１３、１４では、高周波スイッチ１４ａをオンとしてインダクタ１３に電流を流しエネルギを蓄える。この高周波スイッチ１４ａのゲート駆動は図示しない制御回路によりオン／オフを制御される。また高周波スイッチ１４ａをオフとし、インダクタ１３に蓄えられたエネルギを転流ダイオード１４ｂを通して所望の電圧まで昇圧させる。同じ電力であれば、電圧を昇圧すれば電流を抑制できて発熱ロスを低減することが可能で、電力供給系統の効率を向上させることができる。
２台の回転機１１、１２を駆動する６台のパワーモジュール６に内蔵されるＩＧＢＴ１、３を図示しないＩＧＢＴゲート制御回路によりゲート駆動し、上記昇圧された電圧はＰＷＭ制御が行われ、回転機１１、１２に必要な正負のトルクあるいは正逆の回転数を発生させる。
【００１７】
このＰＷＭ制御により各相のスイッチング素子のＩＧＢＴ１、３がオン／オフを繰り返す際に、電源電池１６側の電力伝導系統に電流の偏流が生じるものであるが、電源電池１６の両極の間に平滑コンデンサ１５を並列に接続しているため、この偏流成分を抑制することができて電源電池１６の寿命の延伸が図れる。
【００１８】
このようなパワーユニット内のパワーモジュール６の構造について、以下に示す。
図３は、パワーモジュール６の平面図、図４（ａ）は図３のＡ−Ａ断面図、図４（ｂ）は図３のＢ−Ｂ断面図である。
図に示すように、ＩＧＢＴ１、３およびフライホイールダイオード２、４のパワー半導体素子２０は、底面と上面とにそれぞれ電極を有し、導電性素子固着層２１を介して金属ブロック２２に固着される。導電性素子固着層２１を構成する材料としては、半田付などのろう材や銀ペーストなどの導電性接着剤が挙げられるが、特に限定するものではない。パワー半導体素子２０の上面電極は金属細線などを介して上面電極側リード２４に接続され、底面電極側リード２６は導電性リード固着層２５を介して金属ブロック２２に固着される。金属ブロック２２は、パワー半導体素子２０の底面電極とも、また底面電極側リード２６とも導通が確保されているため、パワー半導体素子２０の底面電極と底面電極側リード２６との導通も確保される。
【００１９】
上面電極側リード２４および底面電極側リード２６は、薄金属板で構成され、この場合、図４（ａ）に示す底面電極側リード２６はパワーモジュール６のＮ極端子７に相当し、図４（ｂ）に示すパワー半導体素子２０（フライホイールダイオード２）の上面電極に接続される上面電極側リード２４はパワーモジュール６の回転機側端子９に相当する。
そして、金属ブロック２２およびパワー半導体素子２０を覆って上面電極側リード２４および底面電極側リード２６を突き出させて封止樹脂２７にて樹脂封止されている。
【００２０】
この実施の形態で用いたパワーモジュール６では、発熱体であるパワー半導体素子２０（１〜４）は、導電性素子固着層２１を介して金属ブロック２２上に配置されているため、パワー半導体素子２０から熱伝導率の高い導電性素子固着層２１を経て金属ブロック２２へ熱が伝導する。このように熱伝導率の低い封止樹脂２７の層を通ることなく、パワー半導体素子２０から金属ブロック２２へ熱伝導することで、単位時間当たりにより多くの熱量が金属ブロック２２に流入し、かつ金属ブロック２２で熱流が広がって熱流束の断面積が拡大され、パワーモジュール６の底部に熱伝導される。このため、熱伝導率の高い高価な封止樹脂材料を用いることなく、優れた経済性を維持した上で、放熱性に優れた小型で大容量のパワーモジュール６が得られる。
【００２１】
このような放熱性に優れ小型に適したパワーモジュールの構造を用いることにより、各回転機１１、１２の各相の駆動制御毎に、それぞれ小型のパワーモジュール６を信頼性よく構成することができる。
また各回転機１１、１２の各相の駆動制御毎にパワーモジュール６を備えるため、パワーモジュール６の組立工程中などに、いずれかのパワー半導体素子１〜４に欠陥が生じた場合でも、他のパワーモジュール６を交換する必要はなく、交換により廃棄する部材や部品点数が低減でき、経済性を高めることができる。
また、６単位のパワー半導体ユニットを一つにパッケージングしていた従来のものに比して、モジュールのケースは小さくなり、金属（導電体）と樹脂との異種材料による線膨張係数の違いから生じるケースの変形やクラックが低減できる。さらに各パワーモジュール６が小型で内部の導電体の形状も比較的単純なものとなるため、樹脂封止時に、導電体を所定の位置に固定してケースにインサート成型する作業も容易で、パワーモジュール６形成における加工が簡便になる。
【００２２】
また、この実施の形態では、パワーモジュール６の３個の主端子７、８、９を一方向に突出させ、これらの主端子７、８、９を一方向に揃えて３台以上のパワーモジュール６を並べ、各主端子７、８、９を端子台１０の導電体１０ａ、１０ｂ、１０ｃｕ、１０ｃｖ、１０ｃｗに接続した。このように独立した端子台１０を設けて電力系統の入出力の結線を行ったため、機械的な耐久性に優れたパワーユニットの構造となる。
【００２３】
また、絶縁体に溝を形成し導電体を嵌め込む構成、あるいはインサート成型等により、端子台１０に５つの導電体１０ａ、１０ｂ、１０ｃｕ、１０ｃｖ、１０ｃｗを電気的に絶縁して埋設した。これによりＰ極側導電体１０ａ、Ｎ極側導電体１０ｂおよび各回転機１１、１２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の界磁コイルにそれぞれ接続されるに回転機側各相導電体１０ｃ（１０ｃｕ、１０ｃｖ、１０ｃｗ）が１つの端子台１０に形成される。また、各導電体１０ａ〜１０ｃは比較的直線形状とでき、インサート成型においても導電体１０ａ〜１０ｃを所定の位置に固定することが容易となり、加工の簡便化が図れる。
また端子台１０の絶縁体と導電体１０ａ〜１０ｃとの線膨張係数の差異による変形が生じた場合でも、双方の界面で変位が逃がされるため、互いの部材に応力が発生せず、変形やクラックを抑制でき、機械的な耐久性に優れた端子台１０が得られ、パワーユニットの機械的耐久性が向上する。
【００２４】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、ＤＣＤＣコンバータを構成するインダクタ１３およびパワーモジュール１４は、パワーモジュール６を接続した端子台１０とは別に端子台１８を設けて接続したが、この実施の形態２によるパワーユニットでは、インダクタ１３およびパワーモジュール１４を、図５に示すように配置して接続する。
ここでは、３台のパワーモジュール６が接続される一方の端子台１０を延伸し、ＤＣＤＣコンバータを構成するインダクタ１３とパワーモジュール１４とを共に接続する。この場合、端子台１０には、Ｐ極側導電体１０ａ、Ｎ極側導電体１０ｂ、回転機側各相導電体１０ｃ（１０ｃｕ、１０ｃｖ、１０ｃｗ）、および導電体１０ｄ、１０ｅが埋設され、インダクタ１３およびパワーモジュール１４の主端子を、パワーモジュール６と同様に一方向に揃えて並べ、端子台１０に埋設された導電体１０ａ、１０ｂ、１０ｄ、１０ｅに接続する。
この実施の形態においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、ＤＣＤＣコンバータを接続する端子台を別に設ける必要が無く、パワーユニットの構造が簡便となる。
【００２５】
実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３によるパワーユニット内部の回路構成を示す。また、図７に、実際の構成要素の配置を平面図で示す。図中の符号は、上記実施の形態１で示した同等の要素を示している。
上記実施の形態１では、端子台１０を回転機１１、１２毎に備え、即ち、２つの端子台１０のそれぞれにパワーモジュール６を３台ずつ接続したものであったが、ここでは端子台を１つにして、６台のパワーモジュール６を全て接続する。図に示すように、端子台１０の一組の対辺の両側に３台ずつパワーモジュール６を、各パワーモジュール６の主端子７、８、９を端子台１０の辺に対向するように揃えて並べる。
【００２６】
端子台１０には、Ｐ極側導電体１０ａ、Ｎ極側導電体１０ｂおよび各回転機１１、１２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の界磁コイルにそれぞれ接続されるに計６つの回転機側各相導電体１０ｃｕ、１０ｃｖ、１０ｃｗが埋設されており、Ｎ極端子７、Ｐ極端子８は、端子台１０のＮ極側導電体１０ｂ、Ｐ極側導電体１０ａに接続され、各パワーモジュール６の回転機側端子９は、それぞれ対応する回転機側各相導電体１０ｃｕ、１０ｃｖ、１０ｃｗに接続される。
この実施の形態においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、パワーモジュール６を接続する端子台１０が１つですみ、パワーユニットの構造が簡便となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態１によるパワーユニット内部の回路構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１によるパワーユニット内部の構成要素の配置を示す平面図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの平面図である。
【図４】この発明の実施の形態１によるパワーモジュールの構造を示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態２によるパワーユニット内部の構成要素の配置を示す平面図である。
【図６】この発明の実施の形態３によるパワーユニット内部の回路構成を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態３によるパワーユニット内部の構成要素の配置を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  ＩＧＢＴ（パワー半導体素子）、２  ダイオード（パワー半導体素子）、
３  ＩＧＢＴ（パワー半導体素子）、４  ダイオード（パワー半導体素子）、
５  パワー半導体ユニット、６  パワーモジュール、７  主端子（Ｎ極端子）、
８  主端子（Ｐ極端子）、９  主端子（回転機側端子）、１０  端子台、
１０ａ  Ｐ極側導電体、１０ｂ  Ｎ極側導電体、
１０ｃｕ，１０ｃｖ，１０ｃｗ  回転機側各相導電体、１１，１２  回転機、
１７  ヒートシンク、２０  パワー半導体素子、２１  導電性素子固着層、
２２  金属ブロック、２４  上面電極側リード、２５  導電性リード固着層、
２６  底面電極側リード、２７  封止樹脂。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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