(57)【要約】【課題】半導体素子の熱拡散性能を向上することができる電力変換器を提供する。【解決手段】円環状のＰバスバー１に上アームの半導体素子１１を固定し、上アームの半導体素子１１のコレクタ面およびダイオード１２のカソード面とをＰバスバー１に電気的に接合する。円環状のＮバスバー２上に下アームの半導体素子１３を固定し、下アームの半導体素子１３のエミッタ面およびダイオード１４のアノード面をＮバスバー２に電気的に接合する。上アームの半導体素子１１のエミッタ面およびダイオード１２のアノード面および下アームの半導体素子１３のコレクタ面およびダイオード１４のカソード面は、交流バスバー３と電気的に接続される。【選択図】図１
2015073345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円環状の電源バスバーと、
前記電源バスバー上に固定された上アームの半導体素子と、
前記上アームの半導体素子のコレクタ面およびダイオードのカソード面とを前記電源バスバーに電気的に接合する上アームの導電性接合部材と、
前記電源バスバーと同心円上で且つ前記電源バスバーとは電気的に絶縁された円環状の接地バスバーと、
前記接地バスバー上に固定された下アームの半導体素子と、
前記下アームの半導体素子のエミッタ面およびダイオードのアノード面を前記接地バスバーに電気的に接合する下アームの導電性接合部材と、
前記電源バスバーおよび前記接地バスバーと電気的に絶縁されている交流バスバーとを備え、
前記上アームの半導体素子のエミッタ面およびダイオードのアノード面および前記下アーム半導体素子のコレクタ面およびダイオードのカソード面は、前記交流バスバーと電気的に接続されていることを特徴とする電力変換器。
【請求項２】
前記電源バスバーおよび前記接地バスバーの一方が外周に配置され、前記電源バスバーおよび前記接地バスバーの他方が内周に配置され、各バスバーは、略同一面積を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
前記各バスバーは、バスバーの径方向に対して凹凸状に対向配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。
【請求項４】
前記上アームの半導体素子および前記下アームの半導体素子上には前記交流バスバーが接合部により接合され、この接合部には前記交流バスバーが剥き出されるように開口部が設けられ、この開口部は、前記上アームの半導体素子および前記下アームの半導体素子が接合される前記電源バスバーの面および前記接地バスバーの面とは逆側端部に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を備えた電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特許文献１に記載された多相インバータモジュールが知られている。この多相インバータモジュールにおいては、電源バスバー（Ｐバスバー）に上アーム側の半導体素子が接合され、交流バスバー（ＡＣバスバー）に下アーム側の半導体素子が接合されている。
【０００３】
電源バスバー上の半導体素子の上面と交流バスバー上の半導体素子の上面と接地バスバー（Ｎバスバー）とが舌状部材により接合され、バスバーを通じて半導体素子の両面から冷却することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−４０８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された従来の多相インバータモジュールにおいては、ＡＣバスバー上に半導体素子が接合され、ＡＣバスバーを各相毎に分離する必要があった。このため、各ＡＣバスバーは、小面積となる。従って、各ＡＣバスバー上の半導体素子は、広い面積で熱拡散することができなかった。
【０００６】
即ち、熱拡散性能を効率的に向上できないため、半導体素子の冷却効果が小さい。また、舌状部材では熱拡散性能を効率的に向上できないため、空冷による冷却効果が小さい。
【０００７】
本発明は、半導体素子の熱拡散性能を向上することができる電力変換器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明において、円環状の電源バスバーに上アームの半導体素子を固定し、上アームの半導体素子のコレクタ面およびダイオードのカソード面とを電源バスバーに電気的に接合する。円環状の接地バスバー上に下アームの半導体素子を固定し、下アームの半導体素子のエミッタ面およびダイオードのアノード面を接地バスバーに電気的に接合する。上アームの半導体素子のエミッタ面およびダイオードのアノード面および下アーム半導体素子のコレクタ面およびダイオードのカソード面は、交流バスバーと電気的に接続される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、下アームの半導体素子が一枚の接地バスバー上に配置されているので、一枚の接地バスバーを通して半導体素子が冷却されるから、半導体素子の熱拡散性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態の電力変換器の平面図、Ａ−Ａ´断面図及びＢ断面図である。
【図２】第１の実施形態の電力変換器の平面図、Ｃ−Ｃ´断面図及び半導体素子とＡＣバスバーとの接続部の詳細図である。
【図３】第１の実施形態の電力変換器の平面図、Ｄ−Ｄ´断面図である。
【図４】第２の実施形態の電力変換器の平面図、Ｅ−Ｅ´断面図及びＥ−Ｆ断面図である。
【図５】第２の実施形態の電力変換器の平面図、Ｇ−Ｇ´断面図及び半導体素子とＡＣバスバーとの接続部の詳細図である。
【図６】第３の実施形態の電力変換器の平面図、Ｈ−Ｈ´断面図及びＨ−Ｉ断面図である。
【図７】本発明の熱拡散効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態の電力変換器について図面を参照して説明する。実施の形態の電力変換器は、多相インバータパワーモジュールに適用される。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１（ａ）に第１の実施形態の電力変換器の平面図、図１（ｂ）に電力変換器のＡ−Ａ´断面図、図１（ｃ）に電力変換器のＢ断面図を示す。図１（ａ）に示す電力変換器は、１０相のインバータパワーモジュールに適用したものである。
【００１３】
電力変換器には、図１（ａ）に示すように、円環状のＰバスバー（電源バスバー）１が外周に配置され、円環状のＮバスバー（接地バスバー）２が内周に配置されている。Ｐバスバー１とＮバスバー２とは同心円上で且つ同一面上に対向配置され、互いに電気的に絶縁されている。Ｐバスバー１とＮバスバー２とは、それぞれ略同一面積を有している。
【００１４】
図１（ｂ）に示すように、Ｐバスバー１上には上アームの半導体素子１１が固定され、上アームの半導体素子１１のコレクタ面およびダイオード１２のカソード面とは、半田などの導電性接合部材１５によりＰバスバー１に接合されている。
【００１５】
図１（ｂ）に示すように、Ｎバスバー２上には下アームの半導体素子１３が固定され、下アームの半導体素子１３のエミッタ面およびダイオード１４のアノード面とは、半田などの導電性接合部材１５によりＮバスバー２に接合されている。半導体素子１１，１３は、スイッチ素子であり、例えば、ＩＧＢＴ素子である。
【００１６】
ＡＣバスバー（交流バスバー）３は、図１（ａ）に示すように、Ｐバスバー１およびＮバスバー２上に周方向に沿って等間隔に配置されている。Ｐバスバー１、Ｎバスバー２、およびＡＣバスバー３とは、図１（ｂ）に示すように、絶縁部材４により覆われており、各バスバー１，２，３は互いに電気的に絶縁されている。
【００１７】
絶縁部材４は、各バスバー１〜３の一部が剥き出しになるように開口部５を有している。Ｐバスバー１の開口部５には、上アームの半導体素子１１および上アームのダイオード１２が実装されている。Ｎバスバー２の開口部５には、下アームの半導体素子１３および下アームのダイオード１４が実装されている。
【００１８】
図２（ａ）に、第１の実施形態の電力変換器の平面図、図２（ｂ）に電力変換器のＣ−Ｃ´断面図、図２（ｃ）に半導体素子１１，１３とＡＣバスバー３との接続部を示す。図２（ｃ）に示すように、上アームの半導体素子１１のエミッタ面およびダイオード１２のアノード面は、ワイヤーボンディング６によりＡＣバスバー３の開口部５ａを介してＡＣバスバー３に電気的に接合されている。開口部５ａは、図２（ｃ）、図２（ｂ）に示すように、Ｐバスバー１およびＮバスバー２の開口部５とは周方向逆側端部に位置するように設けられている。
【００１９】
図２（ｃ）に示すように、下アームの半導体素子１３のコレクタ面およびダイオード１４のカソード面は、ワイヤーボンディング６によりＡＣバスバー３の開口部５ａを介してＡＣバスバー３に電気的に接合されている。図１（ｃ）に示すように、Ｐバスバー１とＮバスバー２とを跨るようにコンデンサ７が半田などの導電性接合部材により電気的に接合されている。
【００２０】
図１（ｂ）に示すように、ＡＣバスバー３の上面には、絶縁部材４を介して電流センサ８が配置されている。電流センサ８の下部に配置されたＡＣバスバー３は、図２（ｄ）に示すように、Ｕ字状に湾曲している。電流センサ８は、ＡＣバスバー３に流れる電流を検出する。
【００２１】
このように構成されるパワーモジュール、バスバー１〜３、コンデンサ７は、図１（ｂ）に示すように、接着部材９を介して冷却素子１０に接合されている。また、少なくとも電極露出部（Ｐバスバー１、Ｎバスバー２、およびＡＣバスバー３の露出部、半導体素子１１，１３、ワイヤーボンディング６に、ポッティングやトランスファーモールド等により絶縁部材を配置することで絶縁を確保している。
【００２２】
図３（ａ）に第１の実施形態の電力変換器の平面図、図３（ｂ）に電力変換器のＤ−Ｄ´断面図を示す。図３（ｂ）に示すように、Ｎバスバー２の一端は電線Ｌ１を介して図示しないバッテリに接続される。ＡＣバスバー３の一端は電線Ｌ２を介して図示しないモータコイルに接続される。図３（ａ）に示されるＰバスバー１の一端（外周突出部）は電線Ｌ３を介して図示しないバッテリに接続される。
【００２３】
また、各バスバー１，２，３を覆う絶縁部材上に、パターン回路を設け、このパターン回路に、駆動回路やモータコントローラに必要な電子部品、例えば、ＤＲＶ−ＩＣ、マイクロコンピュータ、抵抗やコンデンサ等を実装する。
【００２４】
あるいは、各バスバー１，２，３を覆う絶縁部材上とは別基板に、図３（ｂ）に示す制御回路２１を設けても良い。制御回路には、駆動回路やモータコントローラを設け、これらをコネクタ等により電気的に接続するように構成しても良い。
【００２５】
このように、第１の実施形態の電力変換器によれば、下アームの半導体素子１３が一枚の円環状のＮバスバー２上に配置されているので、放熱面積を大きく取れるため、熱抵抗が小さくなり、熱拡散性能を向上することができる。また、バスバーにより熱拡散効果も得られるため、インバータを小型化することができる。
【００２６】
また、Ｐバスバー１が外周に配置され、Ｎバスバー２が内周に配置され、各バスバー１，２は、略同一面積を有するので、Ｐバスバー１およびＮバスバー２の熱拡散性能を同等とすることができる。このため、上アームの半導体素子１１と下アームの半導体素子１３との放熱性能バラツキを抑制することができる。
【００２７】
（第２の実施形態）
図４（ａ）に第２の実施形態の電力変換器の平面図、図４（ｂ）に電力変換器のＥ−Ｅ´断面図、図４（ｃ）にＥ−Ｆ断面図を示す。図４に示す第２の実施形態の電力変換器は、図１乃至図３に示す第１の実施形態の電力変換器に対して、以下の構成が異なるので、異なる構成のみを説明する。
【００２８】
Ｐバスバー１ａは、図４（ａ）に示すように、円環状で且つ外周側が凹凸状になっている。Ｎバスバー２ａは、図４（ａ）に示すように、円環状で且つ内周側が凹凸状になっており、内外周各凹凸形状が噛み合わさるようにＰバスバー１ａと対向して同一面上に配置されている。ＡＣバスバー３は、Ｐバスバー１ａおよびＮバスバー２ａ上に凹凸噛み合い部に周方向に等間隔に配置されている。
【００２９】
Ｐバスバー１ａとＮバスバー２ａとは、互いに電気的に絶縁されている。Ｐバスバー１ａとＮバスバー２ａとは、それぞれ略同一面積を有している。
【００３０】
図５（ａ）に、第２の実施形態の電力変換器の平面図、図５（ｂ）に電力変換器のＧ−Ｇ´断面図、図５（ｃ）に半導体素子１１，１３とＡＣバスバー３との接続部を示す。図５（ｃ）に示すように、上アームの半導体素子１１のエミッタ面およびダイオード１２のアノード面は、ワイヤーボンディング６によりＡＣバスバー３の開口部５ａを介してＡＣバスバー３に電気的に接合されている。開口部５ａは、Ｐバスバー１およびＮバスバー２の開口部５とは周方向逆側端部に位置するように設けられている。
【００３１】
図５（ｃ）に示すように、下アームの半導体素子１３のコレクタ面およびダイオード１４のカソード面は、ワイヤーボンディング６によりＡＣバスバー３の開口部５ａを介してＡＣバスバー３に電気的に接合されている。
【００３２】
このように第２の実施形態の電力変換器によれば、Ｐバスバー１ａおよびＮバスバー２ａが、バスバーの径方向に対して凹凸状に対向配置されているので、コンデンサ７の配置性を向上することができる。
【００３３】
（第３の実施形態）
図６（ａ）に第３の実施形態の電力変換器の平面図、図６（ｂ）にＨ−Ｈ´断面図、図６（ｃ）にＨ−Ｉ断面図を示す。図６に示す第３の実施形態の電力変換器は、図１乃至図３に示す第１の実施形態の電力変換器に対して、以下の構成が異なるので、異なる構成のみを説明する。
【００３４】
図６（ａ）に示す円環状のＰバスバー１は外周に配置され、Ｎバスバー２は、内周に配置され、Ｐバスバー１およびＮバスバー２は、同一平面上に配置されている。
【００３５】
ＡＣバスバー３の下側に、同相の上アームの半導体素子１１、ダイオード１２、下アームの半導体素子１３およびダイオード１４が配置されているので、図６（ａ）では、それらが見えないようになっている。
【００３６】
図６（ｂ）に示すように同相の上アームの半導体素子１１のエミッタ面およびダイオード１２のアノード面、下アームの半導体素子１３のコレクタ面およびダイオード１４のカソード面の上には、導電性接合部材を介してＡＣバスバー３が接合されている。
【００３７】
上アームの半導体素子１１および下アームの半導体素子１３上にはＡＣバスバー３が接合部により接合され、この接合部にはＡＣバスバー３が剥き出されるように開口部５ｂが設けられている。この開口部５ｂは、上アームの半導体素子１１および下アームの半導体素子１３が接合されるＰバスバー１の面およびＮバスバー２の面とは逆側端部に配置されている。
【００３８】
なお、接合部以外は絶縁部材に覆われており、Ｐバスバー１およびＮバスバー２も半導体素子の接合面以外は絶縁部材に覆われている。
【００３９】
このように第３の実施形態の電力変換器によれば、上アームの半導体素子１１および下アームの半導体素子１３を挟んで、Ｐバスバー１およびＮバスバー２と、ＡＣバスバー３とが対向配置される。このため、Ｐバスバー１およびＮバスバー２と、ＡＣバスバー３との距離を極力離すことができるので、絶縁距離を確保することができる。
【００４０】
図７に本発明の熱拡散効果を説明するための図を示す。本発明によれば、図７に示すように、下アームの半導体素子１３が一枚のＮバスバー２上に配置されているので、一枚のＮバスバー２を通して半導体素子１３が冷却される。このため、半導体素子１３の熱拡散性能を向上することができる。
【００４１】
なお、本発明は、第１の実施の形態乃至第３の実施形態の電力変換器に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。第１の実施の形態の電力変換器乃至第３の実施の形態の電力変換器では、Ｐバスバー１が外周に配置され、Ｎバスバー２が内周に配置され、各バスバーは、略同一面積を有した。
【００４２】
例えば、Ｎバスバー２が外周に配置され、Ｐバスバー１が内周に配置され、各バスバーは、略同一面積を有するように構成することができる。また、ＡＣバスバー数、半導体素子数は、第１の実施の形態乃至第３の実施形態の電力変換器で説明したＡＣバスバー数、半導体素子数に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４３】
１，１ａ  Ｐバスバー
２，２ａ  Ｎバスバー
３  ＡＣバスバー
４  絶縁部材
５，５ａ，５ｂ  開口部
６  ワイヤーボンディング
７  コンデンサ
８  電流センサ
９  接着部材
１０  冷却素子
１１  上アームの半導体素子
１２，１４  ダイオード
１３  下アームの半導体素子
１５  導電性接合部材
２１  制御回路
【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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