(57)【要約】【課題】耐熱寿命を向上したパワーモジュールを提供する。【解決手段】ステータ４に巻かれたコイル５の近傍に配置され、コイル５と電気的に接続するパワーモジュール６において、第１の半導体素子１６ａと、第１の半導体素子１６ａに積層された第１の通電部材１１と、第２の半導体素子１６ｂと、第２の半導体素子１６ｂに積層された第２の通電部材１２と、第１の半導体素子１６ａおよび第２の半導体素子１６ｂを挟んで、第１の通電部材１１および第２の通電部材１２の反対側に積層された第３の通電部材１３とを備え、第３の通電部材１３は、積層方向から見た場合に第１の通電部材１１と第２の通電部材１２との間となる位置に第３の通電部材１３よりも電気抵抗値が高い高電気抵抗部２２を備える。【選択図】図１
2012028605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータに巻かれたコイルの近傍に配置され、前記コイルと電気的に接続するパワーモジュールにおいて、
第１の半導体素子と、
前記第１の半導体素子に積層された第１の通電部材と、
第２の半導体素子と、
前記第２の半導体素子に積層された第２の通電部材と、
前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子を挟んで、前記第１の通電部材および前記第２の通電部材の反対側に積層された第３の通電部材とを備え、
前記第３の通電部材は、積層方向から見た場合に前記第１の通電部材と前記第２の通電部材との間となる位置に、前記第３の通電部材よりも電気抵抗値が高い高電気抵抗部を備えることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記第３の通電部材は、
前記第１の半導体素子と電気的に接続する上アーム電極と、
前記第２の半導体素子と電気的に接続する下アーム電極と、
前記上アーム電極と前記下アーム電極とを連結する連結電極とを備え、
前記連結電極における連結方向と直交する方向の前記連結電極の幅は、前記上アーム電極および前記下アーム電極における電流の主電流方向と直交する方向の前記上アーム電極の幅および前記下アーム電極の幅以上であることを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記第１の半導体素子と前記第２の半導体素子とは、トランジスタとダイオードとを前記ステータの径方向または軸方向に配列して構成され、
前記高電気抵抗部は、少なくとも前記トランジスタに積層される前記上アーム電極と前記下アーム電極との間に形成されることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記高電気抵抗部は、前記第１の半導体素子および前記第２の半導体素子の実装面裏側から実装面に向けて前記高電気抵抗部が広がるように形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記高電気抵抗部は、空気層であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチング素子など有するインバータモジュールをモータの近傍に配置したものが、特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１では、スイッチング素子の端子と回路パターンなどをワイヤボンディングによって電気的に接続している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１１６８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記発明では、ワイヤボンディングによる接続では、ワイヤボンディングのループ高さにより、インバータモジュールが厚くなる。これに対して、ワイヤボンディングによる接続の代わりに、１枚の導体板によって、例えばスイッチング素子の端子と回路パターンとを電気的に接続することができる。
【０００６】
しかし、この場合には、ステータからの漏れ磁束によって導体板に渦電流が発生し、渦電流に起因して熱が発生し、例えばスイッチング素子と回路パターンとの接合材の耐熱寿命が低下し、パワーモジュールの耐熱寿命が低下する、といった問題点がある。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するために発明されたもので、パワーモジュールの耐熱寿命を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様に係るパワーモジュールは、ステータに巻かれたコイルの近傍に配置され、コイルと電気的に接続するパワーモジュールであって、第１の半導体素子と、第１の半導体素子に積層された第１の通電部材と、第２の半導体素子と、第２の半導体素子に積層された第２の通電部材と、第１の半導体素子および第２の半導体素子を挟んで、第１の通電部材および第２の通電部材の反対側に積層された第３の通電部材とを備え、第３の通電部材は、積層方向から見た場合に第１の通電部材と第２の通電部材との間となる位置に、第３の通電部材よりも電気抵抗値が高い高電気抵抗部を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、渦電流に起因して発生するパワーモジュールの発熱量を抑制することによって、パワーモジュールの耐熱寿命を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態における機電一体型の回転電機の断面図である。
【図２】第１実施形態におけるパワーモジュールを軸方向から見た図である。
【図３】図２のＡ矢視図である。
【図４】本実施形態を用いない場合のパワーモジュールにおける発熱状況を説明するための図である。
【図５】本実施形態を用いない場合のパワーモジュールにおける発熱状況を説明するための図である。
【図６】本発明の第２実施形態におけるパワーモジュールを軸方向から見た図である。
【図７】図６のＡ矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の第１実施形態の構成を図１を用いて説明する。図１は、本実施形態のパワーモジュールを回転電機のコイル近傍に設けた機電一体型の回転電機の断面図である。図１においては、説明のため詳しくは後述するパワーモジュールの一部を省略している。なお、本実施形態では、回転電機のコイル近傍に設けたパワーモジュールについて説明するが、これに限られることはなく、コイル近傍に設けられ、渦電流が発生するパワーモジュールに適用することができる。
【００１２】
機電一体型の回転電機（以下、モータという）１は、シャフト２と、シャフト２と同軸に設けたロータ３と、シャフト２と同軸であり、シャフト２の径方向においてロータ３よりも外側に設けたステータ４と、ステータ４に取り付けた複数のコイル５と、コイル５に流れる電流を制御する複数のパワーモジュール６と、ステータ４などを固定して保持するケース７とを備える。
【００１３】
ロータ３は、シャフト２に連結しており、シャフト２と一体となって回転する。また、ロータ３には図示しないが永久磁石が埋め込まれている。
【００１４】
ステータ４は、複数のステータコア８を円環状に配置して形成される。ステータコア８は、ヨーク部９と、ヨーク部９からロータ３側に突出するティース部１０とを備える。
【００１５】
コイル５は、ティース部１０に例えば銅線などの電線を巻回して形成される。
【００１６】
パワーモジュール６について、図２、図３を用いて説明する。図２はパワーモジュールを軸方向から見た図である。図３は図２のＡ矢視図である。図３においては説明のためにコイル５とティース部１０を図示している。パワーモジュール６は、コイル５の近傍に配置され、コイル５と電気的に接続している。パワーモジュール６は、シャフト２の軸方向におけるステータ４の端面と向かい合うように設けられる。つまり、パワーモジュール６は、シャフト２の径方向に延びるように設けられる。コイル５、パワーモジュール６は各ステータコア８に対応してそれぞれ設けられる。
【００１７】
パワーモジュール６は、上アームＰ電極（第１の通電部材）１１と、下アームＮ電極（第２の通電部材）１２と、ＡＣ電極（第３の通電部材）１３とを備える。
【００１８】
上アームＰ電極１１は、平板状の基板１５ａにスイッチング素子（第１の半導体素子）１６ａを設けることで構成される。スイッチング素子１６ａは、トランジスタ１７ａとダイオード１８ａである。トランジスタ１７ａとダイオード１８ａとは、基板１５ａの長手方向に沿って上アームＰ電極１１上に配置される。上アームＰ電極１１では、トランジスタ１７ａとダイオード１８ａとの配置方向、つまり基板の長手方向に沿って主電流が流れる。
【００１９】
下アームＮ電極１２も上アームＰ電極１１と同様に平板状の基板１５ｂにスイッチング素子（第２の半導体素子）１６ｂを設けることで構成される。スイッチング素子１６ｂは、トランジスタ１７ｂとダイオード１８ｂである。
【００２０】
上アームＰ電極１１におけるスイッチング素子１６ａの配置と、下アームＮ電極１２におけるスイッチング素子１６ｂの配置とは等しく、本実施形態においては径方向外側にトランジスタ１７ａ、１７ｂが配置され、径方向内側にダイオード１８ａ、１８ｂが配置される。上アームＰ電極１１と下アームＮ電極１２とは、直流電源である外部電源と電気的に接続している。
【００２１】
ＡＣ電極１３は、並列する上アーム電極２０ａおよび下アーム電極２０ｂと、上アーム電極２０ａの端部側と下アーム電極２０ｂの端部側とを連結する連結電極２１とから形成される略コの字型の電極であり、例えば銅板などの導体板である。上アーム電極２０ａと下アーム電極２０ｂとの間には空気層２２が形成される。空気層２２は、上アーム電極２０ａ、下アーム電極２０ｂおよび連結電極２１と比較して電気抵抗が大きく、高電気抵抗部として機能する。
【００２２】
ＡＣ電極１３は、シャフト２の軸方向に沿って上アームＰ電極１１および下アームＮ電極１２に積層される。また、ＡＣ電極１３は、スイッチング素子１６ａ、１６ｂを挟んで、上アームＰ電極１１の基板１５ａ、下アームＮ電極１２の基板１５ｂとは反対側に積層される。ＡＣ電極１３は、シャフト２の軸方向から見た場合に、上アーム電極２０ａが上アームＰ電極１１に、また下アーム電極２０ｂが下アームＮ電極１２に重なるように配置される。つまり、パワーモジュール６をシャフト２の軸方向から見た場合に、上アームＰ電極１１と下アームＮ電極との間となる位置に空気層２２が形成される。なお、ＡＣ電極１３は、空気層２２の位置がシャフト２の軸方向および径方向においてそれぞれ所定の位置ずれ範囲内に収まるように配置される。
【００２３】
上アーム電極２０ａは、ハンダとろう材とのペースト材料によって上アームＰ電極１１のスイッチング素子１６ａと接合する。また、上アーム電極２０ａは、超音波などによってスイッチング素子１６ａと直接接合してもよい。下アーム電極２０ｂについても同様である。連結電極２１は、コイル５と電気的に接続しており、スイッチング素子１６ａ、１６ｂによって変換された交流電流をコイル５に給電する。
【００２４】
ＡＣ電極１３は、連結電極２１側とは反対側の上アーム電極２０ａの端部側でトランジスタ１７ａと接合し、連結電極２１側でダイオード１８ａと接合するように設けられる。また、ＡＣ電極１３は、連結電極２１側とは反対側の下アーム電極２０ｂの端部側でトランジスタ１７ｂと接合し、連結電極２１側でダイオード１８ｂと接合するように設けられる。つまり、ＡＣ電極１３は、パワーモジュール６として組まれた場合に、ＡＣ電極１３の空気層２２の開口部がトランジスタ１７ａ、１７ｂ側となるように配置される。トランジスタ１７ａ、１７ｂはダイオード１８ａ、１８ｂと比較すると発熱量が大きい。そのため、ジュール損が大きいトランジスタ１７ａ、１７ｂと接合する上アーム電極２０ａと下アーム電極２０ｂとの間に空気層２２を設けることで、トランジスタ１７ａ、１７ｂにおけるジュール損を低減することができる。また、空気層２２が断熱部として作用し、熱干渉を低減することができる。
【００２５】
なお、図２に示すように連結電極２１における連結方向に直交する連結電極２１の幅Ｘ２が、上アーム電極２０ａおよび下アーム電極２０ｂを流れる電流の主電流方向に直交する上アーム電極２０ａおよび下アーム電極２０ｂの幅Ｘ１以上となるように上アーム電極２０ａ、下アーム電極２０ｂおよび連結電極２１は形成されている。つまり、上アーム電極２０ａおよび下アーム電極２０ｂの長手方向における連結電極２１の幅Ｘ２が、上アーム電極２０ａおよび下アーム電極２０ｂの長手方向に直交する上アーム電極２０ａおよび下アーム電極２０ｂの幅Ｘ１以上となるように、上アーム電極２０ａおよび下アーム電極２０ｂおよび連結電極２１は形成されている。これにより、ＡＣ電極１３において、上アーム電極２０ａおよび下アーム電極２０ｂから連結電極２１へ電流が流れなくなることを防止することができる。
【００２６】
なお、パワーモジュール６は、詳しくは図示しないが、冷媒が流れる冷却装置によって冷却される。
【００２７】
以上の構成によって、外部電源からパワーモジュール６に電流が流れると、スイッチング素子１６ａ、１６ｂによって交流電流が作り出されて、ＡＣ電極１３を介して交流電流がコイル５に供給される。
【００２８】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００２９】
本実施形態の空気層２２を有さないパワーモジュール３０を用いた機電一体型のモータにおいては、図４に示すようにコイル５に電流が流れると、ステータコア８では漏れ磁束が発生する。そして、図５に示すように、漏れ磁束によってＡＣ電極３１に大きい渦電流が発生する。そのため、本実施形態のパワーモジュール６を用いないモータでは、渦電流によって発生する熱が大きくなる。
【００３０】
また、パワーモジュールなどで発生した熱を放出する材料の経年劣化の主因は温度であり、材料の寿命は温度環境に応じてアレニウスの法則により推定することができる。これによると、温度が高くなるほど材料の寿命は短くなる。そのため、モータの冷却能力が一定であれば、渦電流によって発生した熱によってパワーモジュールで発生した熱を放熱する材料の耐熱寿命が低下する。
【００３１】
本実施形態では、モータ１のコイル５近傍に配置されるパワーモジュール６のＡＣ電極１３は、積層方向から見た場合に上アームＰ電極１１と下アームＮ電極１２との間となる位置に空気層２２が形成される。これによって、ＡＣ電極１３の面積を低減しつつ、長方形状平面にでき、コイル５に電流を流した場合に、ＡＣ電極１３における渦電流の発生を抑制し、パワーモジュール６の発熱量を抑制することができる。これにより、パワーモジュール６の耐熱寿命を向上することができる。また、パワーモジュール６の発熱量が抑制されることで、パワーモジュール６を冷却する冷媒の寿命を向上することもできる。
【００３２】
また、図２に示すように連結電極２１の幅Ｘ２を、上アーム電極２０ａおよび下アーム電極２０ｂの幅Ｘ１以上とすることで、ＡＣ電極１３において電流が流れなくなることを防止することができる。
【００３３】
ＡＣ電極１３において、トランジスタ１７ａまたは１７ｂと接合する上アーム電極２０ａと下アーム電極２０ｂとの間に空気層２２を設けることで、発熱量が比較的大きいトランジスタ１７ａ、１７ｂの周辺で発生するジュール損及び発熱集中を低減することができ、パワーモジュール６の耐熱寿命を向上することができる。
【００３４】
また、空気層２２を形成することで空気層２２は断熱部として作用し、上アーム電極２０ａと下アーム電極２０ｂとの間、および上アームＰ電極１１と下アームＮ電極１２との間における熱抵抗を高くすることができ、熱干渉を低減することができる。
【００３５】
次に本発明の第２実施形態について図６、７を用いて説明する。図６は、本実施形態におけるパワーモジュール４０を軸方向から見た図である。図７は、図６のＡ矢視図である。なお、図７においては説明のためにコイル５およびステータコア８を図示している。
【００３６】
第２実施形態については第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３７】
本実施形態では、スイッチング素子１６ａ、１６ｂの実装面裏側から実装面にかけて上アーム電極４１ａと下アーム電極４１ｂとの間の距離が大きくなるように空気層４２が形成される。つまり、空気層４２を形成する上アーム電極４１ａの壁面４４ａと下アーム電極４１ｂの壁面４４ｂとは、スイッチング素子１６ａ、１６ｂの実装面裏側から実装面にかけて壁面４４ａと壁面４４ｂとの距離が大きくなるテーパ形状となっている。これにより、ＡＣ電極４３の熱拡散面積が広くなる。
【００３８】
なお、本実施形態では、上アーム電極４１ａの壁面４４ａと下アーム電極４１ｂの壁面４４ｂとをテーパ形状としているが、これに限られることはなく、熱拡散面積が広くなる形状であればよい。
【００３９】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００４０】
空気層４２を形成する上アーム電極４１ａの壁面４４ａ、下アーム電極４１ｂの壁面４４ｂにおいて、スイッチング素子１６ａ、１６ｂの実装面裏側から実装面にかけて上アーム電極４１ａと下アーム電極４１ｂとの間の距離が大きくなるように空気層４２を形成することで、ＡＣ電極４３の熱拡散面積を大きくすることができ、パワーモジュール４０の耐熱寿命を向上することができる。
【００４１】
また、空気層となる空気層２２の代わりに、高電気抵抗部として上アーム電極２０ａ、４１ａ、下アーム電極２０ｂ、４１ｂおよび連結電極２１よりも電気抵抗が大きい部材、例えばアルミニウムなど設けることもできる。
【００４２】
また、上記実施形態は、パワーモジュール６、４０を、シャフト２の径方向に延びるように配置し、スイッチング素子１６ａ、１６ｂを径方向に沿って配置したが、シャフト２の軸方向に配置してもよい。この場合には、パワーモジュール６、４０は、インナーロータ型のモータではステータ外周側面に、アウターロータ型のモータではステータ内周側面に配置される。
【００４３】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４４】
１      機電一体型の回転電機（モータ）
４      ステータ
５      コイル
６、４０      パワーモジュール
１１    上アームＰ電極（第１の通電部材）
１２    下アームＮ電極（第２の通電部材）
１３、４３    ＡＣ電極（第３の通電部材）
１６ａ、１６ｂ    スイッチング素子（第１の半導体素子、第２の半導体素子）
１７ａ、１７ｂ    トランジスタ
１８ａ、１８ｂ    ダイオード
２０ａ、４１ａ    上アーム電極
２０ｂ、４１ｂ    下アーム電極
２１    連結電極
２２、４２    空気層（高電気抵抗部）
【図２】
2012028605.tif 000003
【図３】
2012028605.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012028605.tif 000008
【図１】
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