(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のパワー半導体素子１，１を用いた電気回路において、
前記パワー半導体素子は、その素子中の電極が当該半導体のパッケージの内部で電気的に接続された放熱用金属板５を備え、
放熱用金属板の電位が同電位となる複数のパワー半導体素子１，１の当該放熱用金属板５，５を、導電性のある第１の放熱体６に電気的に接続させて固着するとともに、
前記第１の放熱体６における放熱用金属板の電位とは異なる電位であって且つ、当該電位が同電位となる複数のパワー半導体素子１，１の当該放熱用金属板５，５を、導電性のある第２の放熱体６に電気的に接続させて固着し、
更に前記第１の放熱体６と、前記第２の放熱体６を夫々一つの接続端子として用いるとともに、これら第１及び第２の放熱体６を別々に回路基板に実装したことを特徴とするパワー半導体素子の給電及び放熱装置。
【請求項２】
前記第１又は第２の放熱体６を複数、導電性のある一つの放熱板７に電気的に接続させて固着するとともに、前記放熱板７を一つの接続端子として用いることを特徴とする請求項１記載のパワー半導体素子の給電及び放熱装置。
【請求項３】
前記放熱板７を他の放熱器１１に電気的に絶縁して固着したことを特徴とする請求項２記載のパワー半導体素子の給電及び放熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のパワー半導体素子を用いた電気回路において、当該パワー半導体素子の給電構造を簡易化し、同時に放熱作用も備えたパワー半導体素子の給電及び放熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、比較的大電力が給電される制御装置は、複数のパワー半導体素子を具備した電気回路を備えている。一例として近時注目されている電気自動車を上げると、車両の駆動源としての電動モータ並びにそのモータ駆動回路、すなわち複数のパワー半導体素子を具備した装置は、金属製のケーシング内に収納されて、モータ並びに回路の保護が図られつつ車両に搭載されている。また、このケーシングは、アルミニウム等を用いた金属製の筒状ケース及びカバーから構成され、モータの構成部分をケースに収納した後、カバーを被せ、ケースとカバーとをボルト止めをして組み立てられている。
【０００３】
モータ駆動回路は、モータ・コイルへの通電を、高速で切り替え制御するスイッチング素子たるパワー半導体素子を主体として作られているので、パワー半導体素子が発熱し、定格温度まで上昇すると、回路を保護するために、モータの出力を抑制又は停止しなければならなかった。そこで、このような事態を回避して、大きな出力を得るためには、パワー半導体素子から生じた熱を、モータケース外に放熱することが不可欠である。
【０００４】
そのため、従来においては、放熱用金属板は放熱作用を営むヒートシンクに取り付けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この種従来の電気回路において、例えばＦＥＴを例に挙げると、パワー半導体素子のドレイン電極と放熱用金属板は電気的に接続されており、異なる回路部分に用いられているパワー半導体素子を同一のヒートシンクに取り付ける際には、各パワー半導体素子とヒートシンクとの間に電気的絶縁を必要としていた。また、このようにして電気的絶縁を確保すると、電気的絶縁体は電気抵抗が大きいと同時に熱抵抗も大きいので、パワー半導体素子の放熱性を低下させてしまっていた。
【０００６】
また、パワー半導体素子を回路基板に半田付けして回路構成を設ける場合、一般に当該回路と、電源、モータ等の外部回路に接続するための端子との接続が回路基板上でなされるが、パワー半導体素子はおしなべて大電流を取り扱うため、例えば回路基板上に厚みの大きな銅箔でパターンを形成したり、回路基板を多層構造に形成してその内層を利用したり、或いは回路基板上にハトメ状の端子を形成する等の構造乃至工程を必要としている。従って、この従来の回路基板は、構造が複雑になって小型化が困難となり、また、部品点数と工数を要して、コスト高に繋がっていた。
【０００７】
そこで本発明は、このような問題に鑑み、回路基板に装着されたパワー半導体素子の給電構造を簡易化し、同時に放熱作用も備えたパワー半導体素子の給電及び放熱装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願第１請求項に記載した発明は、複数のパワー半導体素子１，１を用いた電気回路において、前記パワー半導体素子は、その素子中の電極が当該半導体のパッケージの内部で電気的に接続された放熱用金属板５を備え、放熱用金属板の電位が同電位となる複数のパワー半導体素子１，１の当該放熱用金属板５，５を、導電性のある第１の放熱体６に電気的に接続させて固着するとともに、前記第１の放熱体６における放熱用金属板の電位とは異なる電位であって且つ、当該電位が同電位となる複数のパワー半導体素子１，１の当該放熱用金属板５，５を、導電性のある第２の放熱体６に電気的に接続させて固着し、更に前記第１の放熱体６と、前記第２の放熱体６を夫々一つの接続端子として用いるとともに、これら第１及び第２の放熱体６を別々に回路基板に実装したパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【０００９】
このように、本発明の装置によると、複数の放熱用金属板が一つの放熱体に電気的に接続され、この一つの放熱体を一つの接続端子として用いるので、当該複数の放熱用金属板に係る電極から各々別に配線することを不要にできて、給電構造を簡易化することができる。
【００１０】
更に本発明は、複数の放熱用金属板が電気的絶縁体を介さずに放熱体に接続されるので、各パワー半導体素子と放熱体間の熱抵抗を小さくすることができ、パワー半導体素子の放熱性を高めることができる。
【００１１】
本願第２請求項に記載した発明は、請求項１の発明において、前記第１又は第２の放熱体６を複数、導電性のある一つの放熱板７に電気的に接続させて固着するとともに、前記放熱板７を一つの接続端子として用いる構成のパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【００１２】
このように、放熱体を複数、放熱板に電気的に接続させてこれを一つの接続端子として用いるので、上述した給電構造をより一層簡易化することができる。また、複数の放熱体が更に放熱板に接続されるので、パワー半導体素子の放熱性をより一層高めることができる。
【００１３】
本願第３請求項に記載した発明は、請求項２の発明において、前記放熱板を他の放熱器に電気的に絶縁して固着した構成のパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【００１４】
放熱板の熱は他の放熱器により放熱されるので、パワー半導体素子の放熱性をより一層高めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の具体例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
本例は、パワー半導体素子として例えばＦＥＴを例に挙げるとともに、その給電及び放熱装置が、電動モータに組み込まれている場合のものである。便宜上、まず始めに電動モータについて説明する。
【００１７】
図１に示すように、電動モータＭは、基本的に、モータの機械的要素を収納したモータモジュールＡと、電気制御的要素を収納した回路モジュールＢとから構成され、この例では電気自動車の走行駆動源として用いられている。
【００１８】
このモータモジュールＡは、略円筒形状のハンガーケース２１内に、３相コイルを備えたモータ本体２２と、モータ本体２２を樹脂封入した樹脂ブロック２３とから構成されている。このモータ本体２２は、ハンガーケース２１に対して回転可能に軸支されたモータ軸２４と、該モータ軸２４に固着されたロータ２５と、ハンガーケース２１側に固定されたステータ２６とから構成されている。
【００１９】
一方、回路モジュールＢは、ヒートシンクケース１１内に、モータ本体２２を通電制御する回路基板１２、及び該回路基板１２に装着されるパワー半導体素子１、後述する放熱体たるサブヒートシンク６、三叉状の放熱板７、コンデンサ等の関連部品から構成されている。更に、図示は省略しているが、パワー半導体素子をスイッチング制御するＣＰＵや関連部品も、ヒートシンクケース内に配置されている。
【００２０】
尚、前記モータ本体２２のコイルは、コアの所定箇所に巻き線を施して３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）に形成され、これらの各相のコイルは、それぞれモータ駆動回路を搭載した回路基板１２に電気的に接続されている。
【００２１】
図２は、パワー半導体素子１を用いたインバータ回路を示すもので、接続端子のプラス及びマイナスが電源へ接続され、接続端子のＵ、Ｖ、Ｗがモータへ接続される。
【００２２】
一方、図３に示すパワー半導体素子１は、ゲート、ドレイン、及びソースの各電極２，３，４と、前記ドレイン電極３と電気的に接続する放熱用金属板５とを備えている。
【００２３】
そして、図２において、図中の上部に示される三つのパワー半導体素子１は、各ドレイン電極３が回路的に同じ電位であるから、一つの放熱器に直接取り付けることができる。
【００２４】
本例では、図４に示すように、三つのパワー半導体素子１を、一つのブロック状のサブヒートシンク６に固着している。サブヒートシンク６は、導電性のある金属部材であり、三つのパワー半導体素子１をサブヒートシンク６に直接固着することにより、パワー半導体素子１とサブヒートシンク６は電気的に接続される。
【００２５】
更に、サブヒートシンク６を一つの接続端子として用いている。本例では、サブヒートシンク６の背面に螺着部を設けており、この螺着部にリード線８の端子８ａをねじ９で接続している。
【００２６】
このように、本例の装置によると、複数のパワー半導体素子１の放熱用金属板５が一つのサブヒートシンク６に電気的に接続され、この一つのサブヒートシンク６を一つの接続端子として用いるので、当該複数の放熱用金属板に係るドレイン電極から各々別に配線することを不要にできて、給電構造を簡易化することができる。
【００２７】
更に本例では、複数の放熱用金属板５が電気的絶縁体を介さずにサブヒートシンク６に接続されるので、各パワー半導体素子１とサブヒートシンク６間の熱抵抗を小さくすることができ、パワー半導体素子１の放熱性を高めることができる。
【００２８】
前記回路基板１２は、図５に示すように、所定径を備えた円形状薄板に形成され、この回路基板１２の上面側にはパワー半導体素子１を密着固定したサブヒートシンク６が、反対の背面側には大容量のコンデンサ１０が、それぞれ実装されている。
【００２９】
また、図６及び図７に示すように、サブヒートシンク６が複数、三叉状の放熱板７の各突片７ａに固着されている。この放熱板７に電気的に接続されて固着されるサブヒートシンク６は、各サブヒートシンク６が回路的に同じ電位のものである。
【００３０】
尚、サブヒートシンク６は、上面にねじ孔６ａを設けており、このねじ孔６ａに図示を省略したねじを介して、放熱板７を固着している。
【００３１】
このように、サブヒートシンク６を複数、放熱板７に電気的に接続させてこれを一つの接続端子として用いるので、複数ある給電構造を一体化できて、より一層簡易化することができる。また、複数の放熱体（サブヒートシンク６）が更に放熱板７に接続されるので、パワー半導体素子の放熱性をより一層高めることができる。
【００３２】
前記放熱板７は、図１及び図７に示すように、絶縁シート１３を間に挟んで、ヒートシンクケース１１に圧接されている。尚、放熱板７が装着されないサブヒートシンク６の上面にも絶縁シート１３が配設されて、ヒートシンクケース１１に圧接されている。
【００３３】
このように、放熱板７はヒートシンクケース１１に圧接されるので、放熱板７の熱はヒートシンクケース１１により外部へ放熱されることとなり、その結果、パワー半導体素子１の放熱性をより一層高めることができる。尚、放熱板７が装着されないサブヒートシンク６もヒートシンクケース１１に圧接されるので、サブヒートシンク６の熱はヒートシンクケース１１により外部へ放熱され、パワー半導体素子１の放熱性が高められるものとなる。
【００３４】
尚、放熱板７及びサブヒートシンク６はヒートシンクケース１１に電気的に絶縁して固着されるので、ヒートシンクケース１１から外部へパワー半導体素子１の大電流が散逸されることがなく、これにより安全性を確保することができる。
【００３５】
また、前述した各サブヒートシンク６が回路的に同じ電位である当該サブヒートシンクは、例えば図８に示すように、片側に並べるとともに、これに対応させて放熱板７を半円形に形成して用いてもよい。もっともこれらの配置態様に限定されることなく、サブヒートシンク６を四角に配置する等、適宜の態様を採ることができる。
【００３６】
以上の具体例において、電動モータに組み込まれている場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限られることなく、パワー半導体素子の給電及び放熱装置が用いられるもの一般に適用することができるものである。また、パワー半導体素子としてはＦＥＴを例に挙げて説明したが、これに限られることなく、例えばトランジスタ、ダイオード、サイリスタ、ＩＧＢＴ、ＳＩＴ等の適宜のものや、これらを組み合わせて一つのパッケージに入れたものを用いることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本願第１請求項に記載した発明は、複数のパワー半導体素子１，１を用いた電気回路において、前記パワー半導体素子は、その素子中の電極が当該半導体のパッケージの内部で電気的に接続された放熱用金属板５を備え、放熱用金属板の電位が同電位となる複数のパワー半導体素子１，１の当該放熱用金属板５，５を、導電性のある第１の放熱体６に電気的に接続させて固着するとともに、前記第１の放熱体６における放熱用金属板の電位とは異なる電位であって且つ、当該電位が同電位となる複数のパワー半導体素子１，１の当該放熱用金属板５，５を、導電性のある第２の放熱体６に電気的に接続させて固着し、更に前記第１の放熱体６と、前記第２の放熱体６を夫々一つの接続端子として用いるとともに、これら第１及び第２の放熱体６を別々に回路基板に実装したパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【００３８】
このように、本発明の装置によると、複数の放熱用金属板が一つの放熱体に電気的に接続され、この一つの放熱体を一つの接続端子として用いるので、当該複数の放熱用金属板に係る電極から各々別に配線することを不要にできて、給電構造を簡易化することができる。
【００３９】
更に本発明は、複数の放熱用金属板が電気的絶縁体を介さずに放熱体に接続されるので、各パワー半導体素子と放熱体間の熱抵抗を小さくすることができ、パワー半導体素子の放熱性を高めることができる。
【００４０】
本願第２請求項に記載した発明は、請求項１の発明において、前記第１又は第２の放熱体６を複数、導電性のある一つの放熱板７に電気的に接続させて固着するとともに、前記放熱板７を一つの接続端子として用いる構成のパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【００４１】
このように、放熱体を複数、放熱板に電気的に接続させてこれを一つの接続端子として用いるので、上述した給電構造をより一層簡易化することができる。また、複数の放熱体が更に放熱板に接続されるので、パワー半導体素子の放熱性をより一層高めることができる。
【００４２】
本願第３請求項に記載した発明は、請求項２の発明において、前記放熱板を他の放熱器に電気的に絶縁して固着した構成のパワー半導体素子の給電及び放熱装置である。
【００４３】
放熱板の熱は他の放熱器により放熱されるので、パワー半導体素子の放熱性をより一層高めることができる。
【００４４】
以上のように、本発明によれば、回路基板に装着されたパワー半導体素子の給電構造を簡易化し、同時に放熱作用も備えたパワー半導体素子の給電及び放熱装置を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の具体例に係り、パワー半導体素子の給電及び放熱装置を電動モータに組み込んだものを示す縦断面図である。
【図２】本発明の具体例に係り、パワー半導体素子を用いたインバータ回路図である。
【図３】本発明の具体例に係り、（１）はパワー半導体素子の外観斜視図、（２）は同回路記号である。
【図４】本発明の具体例に係り、複数のパワー半導体素子をサブヒートシンクに取り付けた状態を示す外観斜視図である。
【図５】本発明の具体例に係り、複数のパワー半導体素子取り付けた複数のサブヒートシンクを回路基板に配置した状態を示す外観斜視図である。
【図６】本発明の具体例に係り、複数のサブヒートシンクを回路基板に配置した状態を示すものであって、サブヒートシンクに放熱板を取り付けた状態を示す一部破断した外観斜視図である。
【図７】本発明の具体例に係り、回路モジュール部分を示す外観斜視図である。
【図８】本発明の具体例に係り、複数のサブヒートシンクを回路基板に配置した状態を示すものであって、サブヒートシンクに放熱板を取り付けた状態を示す外観斜視図である。
【符号の説明】
１      パワー半導体素子
２      電極
３      電極
４      電極
５      放熱用金属板
６      サブヒートシンク
６ａ      ねじ孔
７      放熱板
７ａ      突片
８      リード線
８ａ      端子
９      ねじ
１０      コンデンサ
１１      ヒートシンクケース
１２      回路基板
１３      絶縁シート
Ａ      モータモジュール
Ｂ      回路モジュール
Ｍ      電動モータ
【図１】
0004054137.tif 000002
【図２】
0004054137.tif 000003
【図３】
0004054137.tif 000004
【図４】
0004054137.tif 000005
【図５】
0004054137.tif 000006
【図６】
0004054137.tif 000007
【図７】
0004054137.tif 000008
【図８】
0004054137.tif 000009