JP5244522B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明はパワー半導体モジュール有する電力変換装置について、特にそのパワー半導体モジュールの構造に関する。

電力変換装置であるインバータは、受電電源の交流波形を一旦直流波形に整流を行うダイオードを搭載する順変換器部とこの直流波形を任意の周波数数に変換して交流波形出力を行うIGBT等を搭載する逆変換器部を有する構成となっている。これらのデバイスは各々個別のモジュールとして、または、これらを全て内蔵している複合モジュールとして基板に搭載され、従来大容量インバータでは前者、小容量では後者のモジュールが一般的であった。

その後、小容量のインバータに関しては汎用モジュールでは小型化に対する制約が大きい為、搭載するインバータの寸法や構造に最適な複合モジュールのカスタム化が進んでいたが、近年ではコスト低減を重視し、上記したようなモジュールではなく、民生品用に大量に生産されているトランスファ構造の汎用SIPまたは汎用DIPデバイスをインバータに採用することが行われている。なお、複合モジュールとは順変換器や逆変換器を構成するパワー半導体のベアチップを実装した絶縁基板が絶縁樹脂で構成されているモジュールケースに設置され、充填材により封止されて構成されるものをいう。また、トランスファ構造のデバイスとは加熱加圧した樹脂を閉鎖された加熱金型の中に注入する加圧成型方法であるトランスファモールド技術により成型されたデバイスのことをいう。

そしてこれらの汎用デバイスを一般的な産業用途のインバータに搭載する場合、通常空冷ではデバイスの温度上昇が大きすぎる為冷却フィンへの取付けが必須となることが多い。従ってこの場合、基板実装と冷却フィンへの取付けを小型化及び品質を損なわずに実現させることが最重要課題となる。

この問題に取り組んだ従来例として特許文献１が有る。ここでは個別のIGBTトランスファSIPが搭載スペースを損なわずに放熱フィンに均一な力で取付ける構造となっている。

特開2005−183644号

特許文献1の実施例として順変換器も同様なトランスファSIPで搭載する例を図12、この場合の回路形態を図13に示す。IGBT、FWDは１パッケージのSIPが一般的でありこの場合は逆変換器を構成する部品として6つのSIPを必要としている。

また、順変換器部を構成するデバイスは低コストの民生品では単相受電向けが多く、図12は産業用途に多い3相受電の場合に2パッケージのSIPにより順変換器部を構成する例を示している。すると、これに位置決めを兼ねた固定治具40と脱落防止治具41が加わり、冷却フィン及び搭載基板以外の総部品点数は10点となるため、部品点数が多いことから組立上の工数が掛かる構成であるうえに製品の大型化の原因となる。さらに、複数の汎用SIPを併用する場合、各々のリード長が同レベルであるとは限らないので異なる場合は調整も必要となる。

また、順変換器部及び逆変換器部が基板20に実装されており、IGBTの制御回路と端子台への入出力回路が同一基板に混載する形となっている。通常入出力部は制御回路部に比べて電流値も大きく、搭載部品のサイズも大きいので大きな基板配線面積が必要となる。したがって、このような大電流の流れる基盤と高密度配線が必要となる制御基板とは別々の基盤にすることが小型化を実現する為には望ましい。

更にトランスファSIPには電流検出用の部品は通常搭載されていない為、基板20上へ搭載する必要が有る。電流検出用の抵抗等はインバータ容量の上昇に伴い発熱も大きく、部品サイズ・実装スペースが大きくなり前記制御回路スペースの制約条件を更に厳しいものとする。これらは電力変換器の容量が大きくなるに従い顕著となる。

以上のことから本発明は、組立コストの低減を図りつつ、電力変換装置の小型化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために本実施例においては、放熱フィンと、この放熱フィンに設置されるモジュールケースとを備えた電力変換装置において、逆変換器を構成するパワー半導体のベアチップを実装した絶縁基板がモジュールケースに形成された第1の開口部に設置され、この第１の開口部に絶縁材が充填されて逆変換器モジュールが構成されている。このように逆変換器においては半導体モジュールを用い順変換器においてはディスクリート部品を採用することにより低コスト化が図れる。
また、逆変換モジュールにおけるこの絶縁基板はモジュールケースが放熱フィンに設置された状態においては前記第1の開口部を介して前記放熱フィンに接するように配置されている。そして、前記モジュールケースが放熱フィンに設置された状態において順変換器を構成するトランスファモールド構造のパワー半導体デバイスを前記放熱フィンに取り付けるための第2の開口部が備えられ、これにより固定治具などは不要でモジュールケースがその役割も果たすため部品点数の低下となり、さらには電力変換装置の小型化が図れる。

さらに上記態様において、逆変換器モジュールの入出力端子であるリード端子及びパワー半導体デバイスの入出力端子であるリード端子が接続される主回路基板を備え、この主回路基板はモジュールケースに対して放熱フィンと反対側に備えられていることが望ましい。このようにそれぞれの入出力端子を同一基板に接続するようにすることで大電流配線を一つの基板にまとめ、その他の高密度配線が必要となる制御基板と別にすることで制御基板の薄型化が図れ小型化のみならず信頼性向上が図れる。

さらに上記態様において、逆変換器を構成するパワー半導体を駆動するためのドライブ回路を有する基板を備え、この基板はモジュールケースに対して放熱フィンと反対側に備えられていることが望ましい。

さらに上記態様において、逆変換器モジュールの入出力端子であるリード端子の長さとパワー半導体デバイスの入出力端子の長さとが略同一であることが望ましい。

本発明によれば、電力変換装置の小型化及びパワー半導体モジュールの低コスト化が可能となる。更に逆変換器モジュール部はカスタム化により任意の機能追加及び変更が可能であり、付加価値に優れたモジュールの実現も容易となる。

以下、本発明の具体的な実施例を図1〜図13により説明する。

以下、本発明の実施形態について説明するが、本実施形態は、本発明を実施するための一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。最初に、本発明による電力変換装置の実施例１について図を用いて説明する。

図2は本実施例における電力変換装置の回路構成の概要図である。
1は交流電力を直流電力に変換する順変換器、2は直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する逆変換器、3は直流中間回路にある平滑用コンデンサ、4は交流電動機である。
5はパワー半導体素子から構成された順変換器１及び逆変換器2を冷却するための冷却フィン、6は逆変換器をはじめとする各スイッチング素子を制御すると共に、電力変換装置全体の制御を司る働きをするもので、マイコン（制御演算装置）が搭載された制御回路である。制御回路6は各種の制御データに基づいて逆変換器2のスイッチング素子を制御する他、装置全体に必要な制御処理を行う。

7は逆変換器をはじめとする各スイッチング素子を駆動するドライバ回路である。ドライバ回路7は、制御回路6からの指令に基づいて逆変換器をはじめとする各スイッチング素子を駆動する。8は電流検出用の抵抗、9は温度保護用のサーミスタである。30はこれらの順変換器及び逆変換器などから構成された電力変換装置全体を示す。逆変換器2内には、代表的なスイッチング素子としてIGBTが搭載されているが、必ずしもIGBTに限定されるものではなく、スイッチング素子としての形態を有するものであれば良い。
なお、図３は順変換器１及び逆変換器２の詳細な回路形態を示しているが、電力変換装置であるインバータは公知の技術であるため、詳細な説明は割愛する。

図1は、逆変換器2及び周辺回路をモジュール化した例である。このように本実施例におけるパワー半導体モジュールにおいて、モジュール化されているのはＩＧＢＴ等から構成される逆変換器部である。つまり、逆変換器を構成するパワー半導体のベアチップを実装した絶縁基板が絶縁樹脂で構成されているモジュールケースに設置され、充填材により封止されてパワー半導体モジュールが構成されている。そして、本実施例の特徴として順変換器部を構成するダイオードにはいわゆるディスクリート部品であるトランスファモールドSIPを採用している。これにより、逆変換器部においては小型化を図ると共に、順変換器部においては民生品のデバイスを採用することで低コスト化の実現を可能となっている。

ここで本実施例においては位置決めを兼ねた固定治具を設けるのではなく、上記した逆変換器部を構成する逆変換器モジュール１０のモジュールケース１１の大きさを冷却フィンに合わせており、そして、このモジュールケース１１に順変換器部のトランスファモールドＳＩＰのための開口部１２を設けることを特徴とする。

図６に示すように、逆変換器モジュール１０のモジュールケース１１は冷却フィン５に搭載され放熱が行われるが、順変換器部も発熱するため冷却フィン５に装着する必要がある。そこで、本実施例においては逆変換器モジュールのモジュールケース１１に開口部１２を設け、この開口部１２に上記した準変換器部を構成するＳＩＰをはめ込むことができるようにしている。これにより、順変換器部及び逆変換器部の双方の放熱を行うことが可能となる。なお、２１は主回路基板、２２は逆変換器制御基板であり、図６に示すように冷却フィン５に設置されたモジュールケース１１を覆うように配置されている。

図４、５に上記した逆変換器モジュール１０のモジュールケース１１に設けられた開口スペース12を介して順変換器部を構成するＳＩＰが冷却フィン5に固定される前後の状態を示す。逆変換器モジュール10を構成するモジュールケース11が先ず冷却フィン5に取付けられた後、モジュールケース11の対向面より概開口スペース12を通してモジュールケース11に内包される形で順変換器1のトランスファSIP1Aが冷却フィン5に取付けられる。

開口スペース12の形状は任意であるが、概トランスファSIPの寸法に合わせた形状にしておくと同部の冷却フィンへ5の位置決め作用を有することができる。また、本図の様に開口スペース12を２つ設けておくと、単相受電の場合は１つ、三相受電の場合は２つのトランスファSIPという具合に各々の開口スペースを使い分けることが可能である。

この場合、冷却フィン以外の部品としてはモジュールケース１１と２つのトランスファＳＩＰの１２が必要となるため計3点となるため、前述した10点の部品が必要となる場合に比べ大幅に組立工数の低減が可能となる。

図７はこのように構成された冷却フィン５及びモジュールケース１１についてその長辺側から見た断面図を示している。ここで、逆変換器モジュール１０の構成としては、IGBTを中心としたパワー半導体素子はベアチップ14として絶縁基板15に実装され、且つワイヤボンディング16でリード端子24、25へ接続されている。更に電流検出抵抗8、温度保護サーミスタ9等の制御素子を同基板に内蔵し、内部の絶縁及び保護のために充填材17を封止した状態で逆変換器モジュール10を構成している。この場合、電流検出抵抗を回路的に追加したり、ドライバ回路7機能の一部を内蔵する等任意の機能追加も可能である。

なお、充填材(封止材)の目的は主として内部配線や部品電極間に対する絶縁、また異物混入防止、さらに素子によっては光などによって特性が変化する虞があるためこのような光、紫外線の防止にある。
そのため、充填材は以下のような性質を有することが必要となる。
（１）モジュール内部を完全に密閉可能で且つ自身が高い絶縁性を有すること（充填時には高流動性必要）
（２）耐熱性を有すること
（３）上記特性を長期間保持可能であること
上記したように本実施例においては、電力変換装置を構成する順変換器部と逆変換器部のうち、逆変換器部のみをモジュール化した逆変換器モジュール１０を採用することにより小型化を図ると共に、順変換器部においてディスクリート部品であるトランスファモールドSIPを採用することで低コスト化を図っている。そしてさらにこのトランスファモールドＳＩＰを冷却フィンに固定するために、逆変換器モジュール１０の大きさを冷却フィンに合わせ開口スペース１２を形成しており、この開口スペース１２にはめ込むこととしている。これによりトランスファモールドＳＩＰの位置決めのための固定治具を不要とし、部品点数及び組立工数の低減を図ることが可能としている。

本実施例における電力変換装置は図６に示すように、主回路基板２１、逆変換器制御基板２２が冷却フィン５に設置されたモジュールケース１１を覆うように配置されている。そして、図7に示すように逆変換器の入出力端子であるリード24の先端の高さL2は順変換器１の入出力端子であるリード23の高さL1と概略同一として、逆変換器2の制御端子であるリード25の高さL3と十分異なる寸法としている。これによりリード23、24は同一の主回路基板21に実装され、リード25は制御回路基板22に実装することとしている。

このように本実施例においては、入出力端子のリード２３及び２４の長さを揃え制御端子のリード２５と異なる長さとすることにより、大電流が流れる入出力端子であるリード２３及び２４を同一の基板に接続する。つまり本実施例においては、主回路基板２１を含む各種基板を冷却フィン５と略並列になるように配置することで電力変換装置内部の空間を無駄にせず小型化を図ることにしている。すると、上記したようにそれぞれの入出力端子の長さを揃えることにより大電流が流れる入出力端子であるリード２３及び２４を冷却フィン５と略並列に配置された主回路基板２１に接続することが可能となり、かつ、電力変換装置の小型化が図れる。

また、主回路基板は大電流の通電可能な厚銅箔基板として、要求仕様が異なり弱電高密度配線が必要となる制御基盤とは別の基板とすることができ、制御基板については薄銅箔基板を用いることができる。なお、1ｋＷ以下程度の比較的小容量機種であれば両配線の互いの接点を見出すことも可能であるが容量が大きくなると基板サイズを大きくしたり、層数ＵＰが必要となるため結局は電力変換装置自体が大きくなってしまう。またコスト高となるという問題もある。

そこで本実施例では主回路基板２１に接続されるリード２３及び２４と、逆変換器制御基板２２に接続されるリード２５を異なる高さとすることで。このため主回路基板21は大電流を通電可能な厚銅箔基板とし、制御基板22は高密度実装可能な銅箔厚の薄い基板とすることで各々基板寸法の最小化が図れる。
さらに本実施例においては逆変換器の制御配線にはノイズがより重畳し易いことを考慮して、L1、L2＞L3とし制御回路基板22を逆変換器モジュール１０の近傍に設置するようにしている。

なお本実施例においては、制御基板22を逆変換器モジュール１０とは別に設けているが、この制御基板２２の機能が逆変換器モジュール10に全て内蔵される場合であってもリード23、24を同一の主回路基板21に実装することで基板枚数は最小にできる。また、L1とL2は同一であることが望ましいが、同一基板へのはんだ付けに支障が出ない範囲であれば若干の差異は問題では無い。

そして、本実施例においては、モジュールケース11が前記主回路基板21及び制御回路基板22の固定用の台座の役割も果たすようにしている。これにより同基板の支持部品も必要無くなるため部品点数を抑えることができる。
また本実施例においては、主回路基板２１と制御基板２２とが別々の基板であることが望ましい例について説明したが、電力変換装置の容量が非常に小さい場合などでは主回路基板21及び制御基板22を共通基板とすることが寸法的にも十分可能なケースもある。このような場合には、L1＝L2＝L3とすれば対応が容易であり、必ずしも上記のように基板を分離しなければならないわけではない。この様に主回路基板や制御回路基板への接続端子長は電力変換装置の容量等に応じて任意に設定可能である。

本発明による電力変換装置の実施例２について図を用いて説明する。図８は図７と同様に冷却フィン５及びモジュールケース１１についてその長辺側から見た断面図を示しているが、図７と異なり順変換器１の入出力端子であるリード23の高さL1が逆変換器の入出力端子であるリード２４よりも短い場合を示している。順変換器１に汎用デバイスとしてトランスファモールドＳＩＰを採用した場合等には、このようにそれぞれの入出力端子の長さを揃えることができないことが生じ得る。

また、本実施例においても主回路基板２１を含む各種基板を冷却フィン５と略並列になるように配置することで電力変換装置内部の空間を無駄にせず小型化を図ることにしている。すると、このような入出力端子の長さが揃っていない場合に、冷却フィン５と略並列に配置された基板と接続するためにはそれぞれ別々の基板に接続されることになるため、大電流配線と高密度配線とが混在することになるため小型化の面からも信頼性の面からも好ましくない。

そこで、本実施例においては、冷却フィン上に台座5Aを設けることでリード23とリード24の先端位置を基板21に対し同等の位置とすることにより、上記したように冷却フィン５と略並列に配置された主回路基板２１にリード２３及び２４の双方の入出力端子を接続することが可能となるようにしている。

本発明による電力変換装置の実施例３について図を用いて説明する。本実施例は図９、図１０に示すように開口スペース12のサイズを異なる数のデバイスから構成される順変換器1に対応することができるようにしたものである。つまり、逆変換器モジュール１０のモジュールケース１１に順変換器を構成するトランスファＳＩＰを冷却フィンに装着するための開口スペースを設けることは実施例１と同様であるが、この開口スペース１２の外形を対象とする２種のトラスファSIPの外形を結んだ共用形状にすることを特徴としている。ここで、図９は三相受電に対し単相受電用のトランスファSIPを２つ搭載して順変換器を構成する場合の例であり、図10は三相回路を内蔵するトランスファSIP１つ搭載して順変換器を構成する場合の例である。

このように開口スペース12を両タイプの順変換器を搭載可能な形状にしておくことで受電環境に応じて必要となるトランスファSIPの選択肢を拡大することができる。

本発明による電力変換装置の実施例４について図を用いて説明する。本実施例においては、図１１に示すようにリード端子形状に合ったリブによるリード挿入用の非円筒リブ構造のガイド26をモジュールケース11に形成している。このガイド26を設けることにより、モジュールケース11の対向面から順変換器１のトランスファSIPを冷却フィン5に取付ける場合に、片側からリード23を嵌め込みながら冷却フィン5に設置していくことでリード23の曲がりや歪み等の基板21に対する位置修正を行い搭載誤差を補正していくことが可能である。

また、位置決め及びネジ締め時の回転防止用として開口スペース12の周辺にトランスファSIP本体に適した形状のガイド27を形成しておくことも組立性向上には有効である。本実施例を適用すると位置固定用の治具を新たに設けることが不要となる。なお、本ガイド形状は一例であり、モジュールケース11の開口スペース12周辺部はリード形状やトランスファSIP構造に対し最適な形状に変更することが可能である。

上記実施例１から実施例４、トランスファSIP構造に限定するものではなく、トランスファDIP構造であっても、本発明の目的とする効果を阻害するものではない。

本実施例における逆変換器及び周辺回路をモジュール化した状態を示した図。 本実施例における電力変換装置の回路構成の概要図。 本実施例における順変換器及び逆変換器の詳細な回路形態を説明するための図。 本実施例におけるモジュールケースの開口スペースを介してＳＩＰが冷却フィンに固定される状態を説明するための図。 本実施例におけるモジュールケースの開口スペースを介してＳＩＰが冷却フィンに固定される状態を説明するための図。 本実施例における逆変換器モジュールのモジュールケースが冷却フィンに搭載された状態を説明するための図。 本実施例における冷却フィン及びモジュールケースについてその長辺側から見た断面図。 本実施例における冷却フィン及びモジュールケースについてその長辺側から見た断面図。 本実施例におけるサイズを異なる数のデバイスから構成される順変換器に対応する開口スペースについて説明するための図。 本実施例におけるサイズを異なる数のデバイスから構成される順変換器に対応する開口スペースについて説明するための図。 本実施例におけるモジュールケースに形成されたリード挿入用のガイドについて説明するための図。 本実施例におけるトランスファSIPパワー素子を用いた電力変換装置の従来構造図。 本実施例におけるトランスファSIPパワー素子を用いた電力変換装置の従来回路図。

符号の説明

1…順変換器、2…逆変換器、3…平滑用コンデンサ、4…交流電動機、5…冷却フィン、6…制御回路、7…ドライバ回路、8…シャント抵抗、9…サーミスタ、1A…順変換器トランスファモールドSIP、2A…逆変換器トランスファモールドSIP、10…逆変換器モジュール、11…モジュールケース、12…開口スペース、13…端子台、14…ベアチップ、15…絶縁基板、16…ボンディングワイヤ、17…充填材、20…主回路/制御回路混載基板、21…主回路基板、22…制御回路基板、23…順変換器リード端子、24…逆変換器リード端子、25…逆変換器制御回路リード端子、26…リード挿入ガイド、27…トランスファSIP位置決めガイド、30…電力変換装置、40…固定治具、41…脱落防止治具41、SIP…Single in Line Package、DIP…Dual in Line Package。

Claims (8)

1. 放熱フィンと、
   この放熱フィンに設置されるモジュールケースとを備えた電力変換装置において、
   逆変換器を構成するパワー半導体のベアチップを実装した絶縁基板が前記モジュールケースに形成された第1の開口部に設置され、この第１の開口部に絶縁材が充填されて構成される逆変換器モジュールを備え、
   前記絶縁基板は前記モジュールケースが前記放熱フィンに設置された状態において前記第1の開口部を介して前記放熱フィンに接するように配置され、
   前記モジュールケースには順変換器を構成するトランスファモールド構造のパワー半導体デバイスを前記放熱フィンに取り付けるための第2の開口部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、前記逆変換器モジュールの入出力端子であるリード端子及び前記パワー半導体デバイスの入出力端子であるリード端子が接続される主回路基板を備え、この主回路基板は前記モジュールケースに対して前記放熱フィンと反対側に備えられていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２において、前記逆変換器を構成するパワー半導体を駆動するためのドライブ回路を有する基板を備え、この基板は前記モジュールケースに対して前記放熱フィンと反対側に備えられていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１又は２において、前記逆変換器モジュールの入出力端子であるリード端子の長さと前記パワー半導体デバイスの入出力端子の長さとが略同一であることを特徴とする電力変換装置。
5. 電力変換装置において
   逆変換器を構成するパワー半導体のベアチップを実装した絶縁基板を内蔵し、この絶縁基板上に絶縁材が充填されて構成されるパワー半導体モジュールと、
   このパワー半導体モジュールが設置され放熱を行う放熱フィンとを備え、
   前記パワー半導体モジュールには順変換器を構成するトランスファモールド構造のパワー半導体デバイスを前記放熱フィンに取り付けるための開口部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５において、前記パワー半導体モジュールの入出力端子であるリード端子及び前記パワー半導体デバイスの入出力端子であるリード端子が接続される主回路基板を備え、
   この主回路基板は前記パワー半導体モジュールに対して前記放熱フィンと反対側に、かつ、前記放熱フィンと略並行に備えられていることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項５又は６において、前記逆変換器を構成するパワー半導体を駆動するためのドライブ回路を有する基板を備え、この基板は前記パワー半導体モジュールに対して前記放熱フィンと反対側に、かつ、前記放熱フィンと略並行に備えられていることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項６又は７において、前記パワー半導体モジュールの入出力端子であるリード端子の長さと前記パワー半導体デバイスの入出力端子の長さとが略同一であることを特徴とする電力変換装置。

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