(57)【要約】【課題】バスバーの熱を効率良く吸収しつつ、小型化を図ることができるパワーユニットを提供する。【解決手段】  パワーユニット１は、パワー半導体素子２と、パワー半導体素子２が実装される絶縁基板３と、パワー半導体素子２に電気的に接続されるバスバー４とを備える。バスバー４は、それぞれ平板状に形成された導電部材９と絶縁冷却部材１０とを積層して構成されている。絶縁冷却部材１０の内部には、冷媒を流通させるための溝１３が形成されている。絶縁冷却部材１０及び冷媒は、バスバー４の熱を吸収してバスバー４を冷却する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子と、その周囲に配置されたバスバーとを有するパワーユニットにおいて、
前記バスバーは、前記パワー半導体素子に電気的に接続される導電部材と、周囲から熱を吸収する絶縁冷却部材とを積層してなることを特徴とするパワーユニット。
【請求項２】
前記バスバーは、前記導電部材と前記絶縁冷却部材とをこれらの厚さ方向に積層してなることを特徴とする請求項１に記載のパワーユニット。
【請求項３】
前記絶縁冷却部材には、冷媒を流通させる冷媒流路が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のパワーユニット。
【請求項４】
前記冷媒は、ジェット噴流を形成することを特徴とする請求項３に記載のパワーユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーユニットに関し、特に電気自動車やハイブリッド車等の車両に用いられるパワーユニットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に用いられるパワーユニットとして、特開２００９−１３５２７８号公報に記載されるように、パワー半導体素子が実装された絶縁基板と、パワー半導体素子にボンディングワイヤによって電気的に接続されるバスバーと、絶縁基板を搭載する冷却器とを有するものが知られている。そして、パワー半導体素子と冷却器とを一体に構成することにより、パワー半導体素子からの熱を効率良く冷却器に伝達し、ユニット全体を冷却することが図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３５２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、高直流電圧を車両のモータに印加して出力効率を高める場合、パワー半導体素子の発熱量が大きくなり、ボンディングワイヤからバスバーに伝達する熱量が増加してバスバーの温度が上昇するので、上述のパワーユニットの冷却構造では対応し難い。バスバーの温度上昇を抑制するためには、バスバーの断面積を大きくする方法が考えられるが、バスバーの断面積を大きくすると、パワーユニットの小型化を図り難くなる問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、バスバーの熱を効率良く吸収しつつ、小型化を図ることができるパワーユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るパワーユニットは、パワー半導体素子と、その周囲に配置されたバスバーとを有するパワーユニットにおいて、バスバーは、パワー半導体素子に電気的に接続される導電部材と、周囲から熱を吸収する絶縁冷却部材とを積層してなることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るパワーユニットでは、バスバーが導電部材と絶縁冷却部材とを積層してなるので、パワー半導体素子から伝熱される熱量とバスバーが発生する熱量とが絶縁冷却部材により効率良く吸収されて、パワー半導体素子及びバスバーが冷却される。従って、バスバーの薄型化が可能となり、パワーユニットの小型化を図ることができる。
【０００８】
本発明に係るパワーユニットにおいて、バスバーは、導電部材と絶縁冷却部材とをこれらの厚さ方向に積層してなることが好適である。このようにすれば、絶縁冷却部材がバスバーの熱を効率良く吸収して冷却することができる。しかも、パワー半導体素子との接続を行い易くなる。
【０００９】
本発明に係るパワーユニットにおいて、絶縁冷却部材には、冷媒を流通させる冷媒流路が設けられていることが好適である。この場合にあっては、冷媒を用いることにより更にバスバーの熱を効率良く吸収することができる。
【００１０】
本発明に係るパワーユニットにおいて、冷媒は、ジェット噴流を形成することが好適である。このようにすれば、バスバー間の狭い領域においてもバスバーの熱を効率良く吸収することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、バスバーの熱を効率良く吸収しつつ、小型化を図ることができるパワーユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態に係るパワーユニットの断面図である。
【図２】３相インバータを示す電気回路図である。
【図３】第２実施形態に係るパワーユニットの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係るパワーユニットの断面図である。図１に示すように、パワーユニット１は、パワー半導体素子２と、パワー半導体素子２が実装される絶縁基板３と、パワー半導体素子２に電気的に接続されるバスバー４とを備えている。パワー半導体素子２及び絶縁基板３は、パワー半導体モジュールを構成する。パワー半導体素子２は、例えばインバータ回路を構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子やダイオード等である。
【００１５】
図２は、３相インバータを示す電気回路図である。図２に示すように、インバータの回路は、三相インバータブリッジによって構成されている。すなわち、このインバータの回路は、直列に接続された２つのＩＧＢＴ素子Ｑ１１，Ｑ１２からなる組（ブリッジ）が３組並列に接続されて成り、ＩＧＢＴ素子Ｑ１１のコレクタが正電圧側の直流電源ラインＰと接続され、ＩＧＢＴ素子Ｑ１２のエミッタが負電圧側の直流電源ラインＮと接続されている。ＩＧＢＴ素子Ｑ１１のエミッタとＩＧＢＴ素子Ｑ１２のコレクタとの接続点は、モータ（図示せず）の電源入力端子と接続されている。また、各ＩＧＢＴ素子Ｑ１１，Ｑ１２と並列に、ダイオードＤ１１，Ｄ１２が逆方向接続されている。
【００１６】
図１に示すように、パワー半導体素子２の表面側に位置するエミッタ２ａはボンディングワイヤ６によってバスバー４に接続されており、その裏面側に位置するコレクタ２ｂが半田層５によって絶縁基板３に固定されている。絶縁基板３は、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板であり、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる上部金属層３ａと、絶縁体である窒化アルミニウム層３ｂと、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる下部金属層３ｃとを積層した構造を有している。上部金属層３ａは、半田層５を介してパワー半導体素子２のコレクタ２ｂに電気的に接続されている。下部金属層３ｃは、ロウ付けで絶縁冷却器８と接合されている。
【００１７】
絶縁冷却器８は、略平板状に形成され、パワー半導体素子２及び絶縁基板３を搭載する絶縁基板搭載部８ａと、バスバー４を搭載するバスバー搭載部８ｂとを有している。絶縁基板３は、ロウ付けによって絶縁基板搭載部８ａに固定されている。絶縁冷却器８は、主にセラミックス等の絶縁材料により構成されている。
【００１８】
バスバー４は、それぞれ平板状に形成された導電部材９と絶縁冷却部材１０とを積層して構成されている。図１に示すように、バスバー４は、平板状の導電部材９及び平板状の絶縁冷却部材１０を横方向（導電部材９と絶縁冷却部材１０との厚さ方向）に沿って交互に配置されて積層されている。導電部材９として、アルミニウムや銅等の電気伝導性の高い材料が挙げられる。絶縁冷却部材１０は、絶縁冷却器８と同様にセラミックス等の絶縁材料により形成されている。
【００１９】
絶縁冷却部材１０は、絶縁冷却器８と一体的に形成されている。すなわち、絶縁冷却部材１０は、絶縁冷却器８のバスバー搭載部８ｂから立設され、バスバー搭載部８ｂと一体化されている。このようにすれば、バスバー４からの発熱が絶縁冷却部材１０を経由して直接絶縁冷却器８に伝熱される。なお、バスバー４の断面積は、溶断電流によって決まるため発熱温度が上昇するほど大きくなる。
【００２０】
導電部材９と絶縁冷却部材１０とを積層してなる積層体は、その外周に配置されたハウジング１１によって囲まれている。ハウジング１１は、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の樹脂材料から形成されている。
【００２１】
バスバー４のＰ極バスバー４ａは、ボンディングワイヤ７により接続された絶縁基板３の上部金属層３ａと半田層５とを介して、パワー半導体素子２のコレクタ２ｂに電気的に接続されている。Ｎ極バスバー４ｂは、ボンディングワイヤ６によってパワー半導体素子２のエミッタ２ａと電気的に接続されている。Ｐ極バスバー４ａ及びＮ極バスバー４ｂは、それぞれ導電部材９から構成されており、その間に配置された絶縁冷却部材１０によって電気的に絶縁されている。
【００２２】
このように構成されたパワーユニット１では、パワー半導体素子２が発生する熱量が、半田層５と絶縁基板３とを経由して絶縁冷却器８に伝わる。絶縁冷却器８は、その伝熱を吸収してパワー半導体素子２及び絶縁基板３を冷却する。また、パワー半導体素子２が発生する熱量の一部が、ボンディングワイヤ６，７を経由してバスバー４に伝わり、バスバー４が発生する熱量と共に絶縁冷却部材１０によって効率良く吸収される。これによって、パワー半導体素子２及びバスバー４は絶縁冷却部材１０に効率良く冷却される。
【００２３】
本実施形態に係るパワーユニット１では、バスバー４が導電部材９と絶縁冷却部材１０とを積層してなるので、パワー半導体素子２から伝熱される熱量とバスバー４が発生する熱量とが絶縁冷却部材１０により効率良く吸収されて、パワー半導体素子２及びバスバー４が冷却される。従って、バスバー４の薄型化が可能となり、パワーユニット１の小型化を図ることができる。
【００２４】
また、バスバー４が導電部材９と絶縁冷却部材１０とをこれらの厚さ方向に積層してなるので、絶縁冷却部材１０がバスバー４の熱を効率良く吸収して冷却することができる。このため、素子高温化に対応することが可能となる。すなわち、例えばパワー半導体素子２をＳｉ素子（ジャンクション温度１５０℃）からＳｉＣ素子（ジャンクション温度２５０℃）に切り替えた場合、ボンディングワイヤ６を経由してバスバー４に伝熱される熱量によってバスバー４の温度上昇が高くなるが、絶縁冷却部材１０がその伝熱を効率良く吸収してバスバー４を冷却することができるため、バスバー４の温度上昇を抑制することができる。
【００２５】
また、Ｐ極バスバー４ａとＮ極バスバー４ｂとが、その間に配置された絶縁冷却部材１０によって電気的に絶縁されるので、従来よりも絶縁距離を短くすることができる。しかも、パワー半導体素子との接続を行い易くなる。更に、図１に示すようにバスバー４を縦方向に配置することにより、平面方向に薄型化を図ることが可能となる。
【００２６】
また、従来ではハウジング樹脂（例えばＰＰＳの場合）の耐熱温度が２００℃を超えた場合、その下面に配置された絶縁冷却器を利用して冷却が必要であるが、本実施形態に係るパワーユニット１では、ハウジング１１の下面に配置される絶縁冷却器８のみならず、絶縁冷却部材１０によって内部から熱を吸収することができるので、ハウジング１１を効率良く冷却することができる。
【００２７】
更に、ボンディングワイヤ６及び７を含む配線の接合寿命は、パワー半導体素子２のパワーサイクルに起因している。本実施形態に係るパワーユニット１では、絶縁冷却部材１０がパワー半導体素子２及びバスバー４の熱を効率良く吸収するので、配線とバスバー４の温度上昇を抑制することができ、接合寿命を延ばすことが可能となる。また、バスバー４の温度上昇を抑制することで、ハウジング１１の樹脂界面の剥離の発生を防止することができる。その結果、パワーユニット１の信頼性を高めることができる。
【００２８】
（第２実施形態）
図３は第２実施形態に係るパワーユニットの断面図である。第２実施形態に係るパワーユニット１２と第１実施形態との相違点は、バスバー４の絶縁冷却部材１０及び絶縁冷却器８に冷媒を流通させる冷媒流路が設けられることである。本実施形態に係るパワーユニット１２のその他の構成は、第１実施形態に係るパワーユニット１と同様であるため、同一符号を付して重複説明を省略する。
【００２９】
図３に示すように、各絶縁冷却部材１０の内部には、冷媒を流通させるための溝１３がそれぞれ形成されている。これらの溝１３は、下方に向けて開口するように、Ｗ／Ｂ（ワイヤーボンド）またはＴ／Ｂ（テープボンド）等の接合に近い箇所に形成されている。また、絶縁冷却器８の絶縁基板搭載部８ａにおいて、絶縁基板３が搭載される場所に対応する領域には、冷媒を流通させるための溝１４が複数形成されている。これらの溝１４は、下方に向けて開口している。これらの溝１３，１４には、冷媒が流入し、絶縁冷却器８及び絶縁冷却部材１０の熱を吸収する。なお、冷媒はジェット噴流を形成することが好ましい。
【００３０】
このような構成により、パワーユニット１２は、第１実施形態に係るパワーユニット１と同様な効果を得られるほか、絶縁冷却部材１０に冷媒を流通させる溝１３を設けることにより、冷媒を用いて更にバスバー４の熱を効率良く吸収することができる。しかも、冷媒がジェット噴流を形成するので、Ｐ極バスバー４ａとＮ極バスバー４ｂとの間の狭い領域においてもバスバー４の熱を効率良く吸収することができる。
【００３１】
本発明に係るパワーユニットは、上記の実施形態に記載したものに限定されるものではない。本発明にパワーユニットは、各請求項に記載した要旨を変更しないように実施形態に係るパワーユニットを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。例えば、上記の実施形態において、配線の接合方法として、ワイヤーボンドを用いたが、テープボンドやダイレクトリードボンドを用いてもよい。また、冷媒を流通させる冷媒流路として、溝のほか、穴などの流路を設けてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１，１２…パワーユニット、２…パワー半導体素子、４…バスバー、４ａ…Ｐ極バスバー、４ｂ…Ｎ極バスバー、９…導電部材、１０…絶縁冷却部材、１１…ハウジング、Ｑ１１，Ｑ１２…ＩＧＢＴ素子、Ｄ１１，Ｄ１２…ダイオード、１３，１４…溝。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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