(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクと、このヒートシンクに接着剤で固定された配線と、この配線に接続されるスイッチング素子とを有するパワーモジュールであって、
この配線の一部をヒートシンクから離隔し、その離隔箇所の外側に嵌めた状態でヒートシンクに接着剤で固定される磁性コアを備え、その磁性コアが配線の電流を検知する電流センサのコアであることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項２】
前記接着剤が絶縁性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】
スイッチング素子が配線上に配されて、配線と導電接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記配線の離隔箇所は、配線を屈曲することで形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記配線の離隔箇所は、ヒートシンクの表面のうち、配線が固定されている箇所の一部に凹部を設け、その凹部上に配線を張り出させることで形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項６】
ヒートシンク上の磁性コアがスイッチング素子と共に絶縁樹脂で埋設されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のパワーモジュール。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のパワーモジュールと、
スイッチング素子が搭載されたヒートシンクに対向されるパワーモジュールの制御回路基板とを備え、
この制御回路基板には、電流センサのセンサ用回路と半導体電流検出素子とが実装されており、この検出素子が磁性コアの間隙の間に配されていることを特徴とするパワードライブユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール及びパワードライブユニットに関する。特に、電流センサと一体化した状態で小型化できるパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッドカーなどの走行用モータの電力制御には、インバータが利用されている。インバータは、直流電源からの直流を所定の交流に変換し、モータへと供給する。このインバータは、一対のスイッチング素子と一対のダイオードとを接続し、これらスイッチング素子とダイオードの組み合わせを３つ並列に接続して３相のブリッジ回路を構成している。
【０００３】
このインバータを構成するパワーモジュールとして、特許文献1に示すものが知られている。このパワーモジュールは、ヒートシンクの上に、順次、絶縁性接着剤、配線、半田、スイッチング素子が積層して実装されている。
【０００４】
このようなパワーモジュールには、配線に流れる電流を検出する電流センサが取り付けられる（特許文献２）。電流センサは、配線の電流による磁界を誘起させるＣ字状の磁性コアと、このコアの間隙に配されるホール素子と、ホール素子からの信号を増幅するアンプなどを含むセンサ用回路とを備える。通常、電流センサは、パワーモジュールとは別に構成され、磁性コア、ホール素子、センサ用回路が絶縁カバーで一体に覆われている。そして、パワーモジュールから引き出された配線の外側に磁性コアが嵌め込まれるように、電流センサがパワーモジュールに取り付けられる。
【０００５】
【特許文献１】特開2005-159048号公報
【特許文献２】特開2006-81308号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のパワーモジュールでは、個別に構成した電流センサを取り付けており、パワーモジュールを作製してから、別途パワーモジュールと電流センサとを組み立てなければならない。そのため、パワーモジュールの作製過程で併せて電流センサも作製することができない。また、電流センサを装着した状態のパワーモジュールのサイズが大型化しがちである。さらに、電流センサは、その構成部材を絶縁カバーで覆った一体構成となっているため、構成部材ごとに配置の自由度を選択することができない。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、電流センサの構成部材と一体化でき、容易に製作できるパワーモジュールを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、上記のパワーモジュールを用いたパワードライブユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ヒートシンクと、このヒートシンクに接着剤で固定された配線と、この配線に接続されるスイッチング素子とを有するパワーモジュールである。このモジュールにおいて、この配線の外側に嵌めた状態でヒートシンクに接着剤で固定される磁性コアを備え、その磁性コアが配線の電流を検知する電流センサのコアであることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、パワーモジュールを作製する過程で、スイッチング素子と共に電流センサの磁性コアを接着剤で固定することができる。
【００１１】
本発明のパワーモジュールの一形態として、前記接着剤が絶縁性であることが挙げられる。
【００１２】
この構成によれば、配線とヒートシンクとの電気的絶縁を、絶縁板を用いることなく、確保することができる。
【００１３】
本発明のパワーモジュールの一形態として、スイッチング素子が配線上に配されて、配線と導電接続されていることが挙げられる。
【００１４】
この構成によれば、スイッチング素子と配線とをボンディングワイヤで接続する必要がなく、配線とスイッチング素子とを並列して両者をボンディングワイヤで接続する場合に比べて素子と配線の配置面積を小さくすることができる。
【００１５】
本発明のパワーモジュールの一形態として、配線の一部をヒートシンクから離隔し、その離隔箇所の外側に磁性コアを嵌めた状態とすることが挙げられる。
【００１６】
この構成によれば、配線に電流が流れた際、配線の外周に発生する磁場を磁性コアに誘起させやすく、磁性コアを電流センサのコアとして好適に利用することができる。
【００１７】
本発明のパワーモジュールの一形態として、前記配線の離隔箇所を、配線を屈曲することで形成することが挙げられる。
【００１８】
この構成によれば、配線の屈曲により、配線の一部をヒートシンクから離隔した箇所を容易に構成できる。
【００１９】
本発明のパワーモジュールの一形態として、前記配線の離隔箇所を、ヒートシンクの表面のうち、配線が固定されている箇所の一部に凹部を設け、その凹部上に配線を張り出させることで形成することが挙げられる。
【００２０】
この構成によれば、配線を屈曲させなくても、配線の一部にヒートシンクから離隔した箇所を容易に構成できる。
【００２１】
一方、本発明のパワードライブユニットは、上記のパワーモジュールと、スイッチング素子が搭載されたヒートシンクに対向されるパワーモジュールの制御回路基板とを備える。そして、この制御回路基板には、電流センサのセンサ用回路と半導体電流検出素子とが実装されており、この検出素子が磁性コアの間隙の間に配されていることを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、パワーモジュール、電流センサおよび制御回路基板が一体化されたパワードライブユニットのサイズを小型化することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のパワーモジュールによれば、ヒートシンクに接着剤でスイッチング素子と共に電流センサの磁性コアを固定することにより、パワーモジュールを作製する過程で、電流センサの構成部材の実装も行うことができる。
【００２４】
本発明のパワードライブユニットによれば、パワーモジュールの制御回路基板に電流センサのセンサ用回路と半導体電流検出素子とを実装し、ヒートシンク側に電流センサの磁性コアを実装することで、パワードライブユニットを小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明をより詳しく説明する。
【００２６】
［パワーモジュール］
＜ヒートシンク＞
ヒートシンクは、スイッチング素子からの熱を放散させるためのもので、熱伝導性の高い材料で構成することが望ましい。高熱伝導性の材料は導電性でも絶縁性でも構わない。
【００２７】
導電性材料としては、アルミニウム、アルミニウム合金や銅、銅合金が挙げられる。ヒートシンクに導電性材料を用いた場合、絶縁性接着剤で配線をヒートシンクに接着する。その他、ヒートシンクにおける配線との界面に無機絶縁層を設けてもよい。この絶縁性接着剤と無機絶縁層の一方または双方により、配線とヒートシンクとの絶縁を確保する。
【００２８】
無機絶縁層としては、例えば、Al2O3、SiO2、SnO2、SOG（スピンオングラス）およびIn2O3よりなる群から選択される１種以上からなる単層または複層が挙げられる。その他、AlN、SiN、SiC、AlSiCなどでもよい。これらの無機絶縁層は、例えば真空蒸着、スパッタリングなどのPVD法や、プラズマCVDなどのCVD法あるいはスプレー法により形成することができる。
【００２９】
中でも、アルマイト処理により形成されるAl2O3が無機絶縁層として好適である。Al2O3は公知のアルマイト処理により容易に形成することができる。一般に、このアルマイト皮膜は多数の空孔を有する多孔質の酸化皮膜である。この空孔に絶縁充填材を充填することが好ましい。空孔を顔料などの絶縁充填材で埋めることにより、無機絶縁層の絶縁性能を向上させることができる。
【００３０】
一方、ヒートシンクを構成する高熱伝導性の絶縁性材料としては、AlN、SiN、SiC、AlSiCなどが挙げられる。絶縁性材料を用いた場合、ヒートシンクに直接配線を接合することができる。その接合には、絶縁性接着剤や導電性接着剤が利用できる。
【００３１】
ヒートシンクの形状は、効率的に放熱を行うために、表面積の大きい形状とすることが望ましい。例えば、多数のフィンを有する形状が挙げられる。
【００３２】
また、ヒートシンクは、水冷などの液体冷媒を用いる水冷タイプと、空気などの気体冷媒を用いる空冷タイプの両方が利用できる。液体冷媒を用いる場合、ブロック状のヒートシンク内に冷媒流路を形成すればよい。冷媒流路は、ヒートシンクを均一に冷却できるよう、例えば蛇行状に構成する。一方、空冷タイプの場合、ヒートシンクに多数のフィンを設け、各フィンの間にファンなどで風を送り込み強制空冷すれば、効果的な冷却を行うことができる。
【００３３】
＜配線＞
配線は、ヒートシンク上に配されて電流が流される箇所であり、代表的にはインバータへの入力電力または出力電力を通電するための導電部材である。通常、この配線には銅板（例えば厚み1〜3mm）が利用される。銅板の上にNiなどのメッキ層を形成したものでも良い。
【００３４】
この配線は、スイッチング素子が接着される装着部を有する。装着部は配線のうち、スイッチング素子が実装可能なようにスイッチング素子面積以上の面積を有する箇所である。通常、装着部は多角形あるいは円形に構成されることが多い。特に、スイッチング素子からの熱伝導が均等に行われるように、スイッチング素子を中心として外周側に均等に広がる形状が好適である。
【００３５】
この装着部の面積は、スイッチング素子の面積の2倍以上であることが好ましい。装着部の面積を大型化することで、スイッチング素子の熱をヒートシンクに伝導するための面積を広げ、スイッチング素子からヒートシンクまでの熱抵抗を小さくして効率的な放熱を行なうことができる。
【００３６】
＜スイッチング素子＞
このスイッチング素子には、主としてインバータの入出力電力の制御を行うためにスイッチングを行う素子が含まれる。スイッチング素子の具体例としては、FET、GTO、IGBTなどが挙げられる。
【００３７】
このスイッチング素子は配線上に導電接続する。この接続には、導電性接着剤を用いる。スイッチング素子を配線上に接着剤を介して導電接続することで、スイッチング素子と配線とをボンディングワイヤで接続する必要がなく、配線とスイッチング素子とを並列して両者をボンディングワイヤで接続する場合に比べて素子と配線の配置面積を小さくすることができる。
【００３８】
＜還流ダイオード＞
その他、一般に、インダクタを持つ負荷に対して電力供給を行うパワーモジュールには、還流ダイオード（Free wheel diode）が設けられる。このダイオードは、通常、個々のスイッチング素子と逆極性にて並列に接続される。還流ダイオードを設けることで、インダクタ（ハイブリッドカーの駆動電力を制御する場合はモータ）側からの逆起電力を逃がし、スイッチング素子を高電圧から保護する。この還流ダイオードも、配線上に導電接続することが好適である。その場合も導電性接着剤を用いればよい。
【００３９】
＜接着剤＞
接着剤は、ヒートシンクの材質に応じて、絶縁性、導電性のいずれも用いることができるが、配線とヒートシンクとの電気的絶縁が確保できる絶縁耐力を有する材料を選択することが好ましい。絶縁性接着剤にはエポキシ系接着剤やセラミック系接着剤などがある。なお、本例における導電性接着剤には、半田も含むものとする。
【００４０】
＜絶縁樹脂＞
ヒートシンク上に実装される配線やスイッチング素子などの実装部品は絶縁樹脂により覆って保護することが好ましい。この絶縁樹脂により、スイッチング素子やパワーモジュールに設けられるボンディングワイヤなどを異物から保護することができる。絶縁樹脂は、ICやLSIなどの分野でパッケージングに用いられている樹脂、例えばエポキシ樹脂などを利用することができる。その他、Siゲルなども利用できる。
【００４１】
この絶縁樹脂で、ヒートシンク上の配線と共に、後述する磁性コアも一体化すれば、磁性コアに従来のように絶縁カバーを設けなくても、配線と磁性コアとの絶縁を確保することができる。併せて、絶縁樹脂により、磁性コアの間隙に配される半導体電流検出素子の配置状態も保持することができる。
【００４２】
〔電流センサ〕
＜磁性コア＞
磁性コアは、配線の電流により磁界を誘起させるもので、配線の外側に嵌め込むように装着される。通常、この磁性コアは間隙を有するＣ字状に構成される。この磁性コアは、配線と共に接着剤によりヒートシンクに固定される。
【００４３】
ヒートシンクが絶縁材料で構成される場合、導電性・絶縁性のいずれの接着剤も用いることができる。逆に、ヒートシンクが導電材料で構成される場合、絶縁性の接着剤を用いることが好ましい。絶縁性の接着剤であれば、配線とヒートシンクとの絶縁および配線と磁性コアとの絶縁を確保することができる。磁性コアと配線の絶縁は、磁性コアと配線の少なくとも一方に適宜な絶縁コーティングを形成することで確保しても良い。
【００４４】
磁性コアを配線の外側に配置するには、配線の一部をヒートシンクから離隔し、その離隔箇所の外側にコアを嵌めた状態とする。より具体的な配線の離隔箇所の形成手法としては、（１）配線を屈曲することで形成する場合と、（２）ヒートシンクの表面のうち、配線が固定されている箇所の一部に凹部を設け、その凹部上に配線を張り出させることで形成する場合とがある。例えば、前者であれば、ヒートシンク上に接して水平方向に延びる配線を所定角度屈曲して非水平方向に伸延し、さらに所定角度屈曲してヒートシンクから離れた状態で水平方向に伸延するようにする。このヒートシンクから離れた状態で水平方向に伸延する箇所に磁性コアを嵌めればよい。一方、後者であれば、ヒートシンクの配線が配置された箇所の一部に凹部を形成する。これにより、凹部が形成された箇所では配線が浮いた状態となるため、その箇所の配線に磁性コアを嵌めればよい。
【００４５】
＜半導体電流検出素子とセンサ用回路＞
電流センサは、さらに半導体電流検出素子とセンサ用回路とを備える。検出素子は、磁性コアに誘起された磁界から配線に流れる電流を検知する。具体的にはホール素子が好適に利用できる。センサ用回路は、検出素子からの信号を増幅するアンプを含む。従来、磁性コア、半導体電流検出素子およびセンサ用回路は、絶縁カバーで一体に覆われて構成されているが、本例では、磁性コアをヒートシンク上に接着剤で直接固定している。そして、パワーモジュールは、制御回路基板からの信号により、主としてスイッチング素子のスイッチング動作が制御される。この制御回路基板に半導体電流検出素子およびセンサ用回路を実装し、同基板をパワーモジュールと対向して、磁性コアの間隙に半導体電流検出素子を位置させれば、パワーモジュール、電流センサおよび制御回路基板が一体化されたパワードライブユニットのサイズを小型化することができる。
【実施例１】
【００４６】
まず、インバータに用いる本発明モジュールを図１に基づいて説明する。
【００４７】
このモジュールは、アルミニウム合金製のヒートシンク1上に絶縁性接着剤2を介して配線3を所定のパターンに装着し、その配線3上にスイッチング素子4と還流ダイオード20を実装している。ここでは、合計６つのスイッチング素子4を配線3上に実装し、各スイッチング素子4と配線3とをAlやCuのボンディングワイヤ5にて接続している。還流ダイオード20は、各スイッチング素子4と逆極性にて並列に接続されている。図の下方に引き出される２本の配線3が入力電力用の配線で、上方に引き出される３本の配線3が出力電力用の配線である。
【００４８】
ここで、スイッチング素子4の配置箇所における断面を図２に示す。このパワーモジュールでは、下から順に、ヒートシンク1、絶縁性接着剤2、配線3、半田6、スイッチング素子4が積層して実装されている。
【００４９】
ヒートシンク1はアルミニウム合金製で、下面側に多数のフィン1Aが形成されている。各フィン1Aの間に形成される空間が空冷時の空気の流路となる。
【００５０】
このヒートシンク1上面に絶縁性接着剤2で配線3を装着する。絶縁性接着剤2には、コトロニクス社製Duralco4460、同4700（商品名）を用いた。配線3は銅製の基材31上にNiメッキ層32を形成したものである。配線のNiメッキ層32の上に半田6によりスイッチング素子4が実装される。ここでは、IGBTをスイッチング素子4とした。
【００５１】
一方、この配線3の一部は出力電力用の配線側で屈曲され、ヒートシンク1から離隔した箇所が形成されている。このヒートシンク1から離隔した配線3に電流センサの磁性コア7が嵌め込まれる。そのコア7の実装状態を図３に示す。ここでは、パワーモジュールにおけるコア7の周辺部のみを示し、他の部分の記載は省略している。また、図３の正面側に向いた矢印方向にスイッチング素子が配されることになる。
【００５２】
磁性コア7は、磁性材料で構成され、環状体の一部に間隙7Aが形成されたＣ字状の部材である。このコア7は、間隙7Aを上方に向け、間隙7Aのない側をヒートシンク1側に向けて、絶縁性接着剤2を介してヒートシンク1の表面に固定されている。
【００５３】
このコア7の中間には、配線3が貫通される。つまり、ヒートシンク1上に接着剤2を介して水平方向に延びる配線3を90°屈曲して垂直方向に伸延し、さらに90°屈曲してヒートシンク1から離れた状態で水平方向に伸延するようにしている。この略Ｚ型の屈曲により、配線は端部側がヒートシンク1から離れた状態となる。そして、このヒートシンク1から離れた箇所に磁性コア7を嵌めればよい。その際、配線3とコア7とは非接触状態を保持するようにする。
【００５４】
配線3の電流を検知するには、このコア7に誘起される磁界を電圧として出力するホール素子8を用いる。電流センサは、コア7、ホール素子8およびホール素子8の出力を増幅するアンプを含むセンサ用回路（図示略）で構成される。そのうちコア7はヒートシンク1上に固定されるが、ホール素子8およびセンサ用回路は、別途インバータの制御回路基板9に装着される。インバータの制御回路は、主としてスイッチング素子4（図１）のスイッチングの制御を指令するための回路である。この回路の形成された基板9（図３ではホール素子8のみ示し、他の素子は省略）に、センサ用回路も併せて形成すると共に、ホール素子8も実装する。そして、この基板9をヒートシンク1に対向させ、ホール素子8がコアの間隙7Aに位置されるようにパワーモジュールと一体化させる。これにより、パワーモジュール、制御回路基板9および電流センサが一体となったパワードライブユニットが構成される。
【００５５】
そして、ヒートシンク1の上面を配線3やスイッチング素子4を覆うように樹脂10（図２参照）でモールドする。このモールド樹脂10にはシリコーンゲルを用いた。このモールド樹脂10は、スイッチング素子4はもちろん、コアの間隙7Aおよびコア7と配線3の間にも充填され、ホール素子8の位置を保持することに加え、コア7と配線3の絶縁を保つことにも寄与する。
【００５６】
このように、本実施例では、配線3とコア7の双方が、ヒートシンク1上に塗布された絶縁性接着剤2を介して固定されているため、ヒートシンク1上に配線3を形成する際、併せてコア7の固定も行うことができる。
【００５７】
また、本例で用いる電流センサは、コア7、ホール素子8およびセンサ用回路を絶縁カバーで一体化した電流センサではないため、絶縁カバーが不要であると共に、コア7をパワーモジュールに、ホール素子8とセンサ用回路を制御回路基板9に設けることができる。それに伴って、各構成部材の配置の自由度が高められる。特に、本例では、ヒートシンク1に対向される制御回路基板9にセンサ用回路を形成したため、インバータ全体のサイズをコンパクトにすることができる。
【００５８】
なお、上記のNiメッキ層32を省略し、銅製の基材31上に直接半田6でスイッチング素子4を実装しても良い。
【実施例２】
【００５９】
次に、実施例１とは異なる構成で配線をヒートシンクから離隔させて、その離隔された配線に磁性コアを嵌め込んだ実施例を図４に基づいて説明する。本例は、磁性コアの装着構成が実施例１と異なり、他の構成は実施例１と同様であるため、相違点を中心に以下の説明を行なう。
【００６０】
本例では、配線3を屈曲してヒートシンク1と離れた箇所を形成するのではなく、配線3の形成されたヒートシンク1の一部に凹部1Bを形成し、その凹部1Bに磁性コア7を配置している。具体的には、ヒートシンク1の表面から背面に及ぶ角部に直方体の凹部1Bを形成する。この凹部1Bの内面にも絶縁性接着剤2が塗布されている。この凹部1Bは、配線3の進路上に形成されるため、凹部1Bのある箇所では、配線3が浮いたようになる。そのため、背面側からＣ字状のコア7を配線の外側に嵌め込み、凹部1Bの底面にコア7を絶縁性接着剤2を介して固定すれば良い。そして、実施例１と同様に、コアの間隙7Aにホール素子8が位置するように制御回路基板9をヒートシンク1と対向して固定する。
【００６１】
この構成によっても、ヒートシンク1上に配線3とコア7とを絶縁性接着剤2を介して固定するため、配線3の形成過程でコア7の実装も行うことができる。特に、ヒートシンク1に凹部1Bを形成することは、ヒートシンク1の表面積を広げることにもなるため、より効率的な放熱が期待できる。また、凹部1B内にコア7の一部が収納される構成となるため、コア7がヒートシンク1の表面側に突出する高さを低くでき、結果的にパワーモジュールの厚みを実施例１に比べて小さくすることができる。さらに、配線3に屈曲箇所を形成する必要がないため、屈曲箇所で配線3が破断しやすくなることを回避できる。
【００６２】
なお、本発明は、その要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した実施例に限定されるものではない。例えば、実施例２ではヒートシンクの角部に凹部を形成したが、角部ではなく、配線の進路上であってヒートシンクの表面（表面以外の面に凹部がかからない箇所）に凹部を形成しても良い。実施例１や２では、コアを嵌め込んだ配線の一端がヒートシンクから浮いた自由端となっていたが、角部以外のヒートシンクの表面に凹部を形成すれば、コアの嵌め込まれた配線の両端がヒートシンクの表面で支持されることになり、コア周辺の配線をより安定した支持構造とすることができる。その場合でも、Ｃ字状のコアには間隙が形成されているため、この間隙を通して配線の側方からコアを嵌め込むことが可能である。さらに、この構成によれば、コアの配置箇所がヒートシンクの周縁部近傍に限定されることもなく、配置の自由度が高められる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明のパワーモジュールとパワードライブユニットは、ハイブリッドカーや電気自動車などのインバータに好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施例１に係るパワーモジュールの模式平面図である。
【図２】実施例1に係るパワーモジュールのスイッチング素子周辺の断面図である。
【図３】実施例１に係るモジュールの磁性コア周辺を示す模式斜視図である。
【図４】実施例２に係るモジュールの磁性コア周辺を示す模式斜視図である。
【符号の説明】
【００６５】
1  ヒートシンク  1A  フィン  1B  凹部
2  絶縁性接着剤  3  配線  31  基材  32  Niメッキ層
4  スイッチング素子  5  ボンディングワイヤ  6  半田
7  磁性コア  7A  間隙  8  ホール素子  9  制御回路基板
10  モールド樹脂  20  還流ダイオード
【図１】
0005051441.tif 000002
【図２】
0005051441.tif 000003
【図３】
0005051441.tif 000004
【図４】
0005051441.tif 000005