JP7801871B2

JP7801871B2 - パワーモジュール

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Publication number: JP7801871B2
Application number: JP2021162989A
Authority: JP
Inventors: 高志増澤; 匡彦江積; 憲史柳田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-10-01
Filing date: 2021-10-01
Publication date: 2026-01-19
Anticipated expiration: 2041-10-01
Also published as: CN118176656A; WO2023053873A1; EP4395152A1; EP4395152A4; JP2023053756A; US20250167674A1

Description

本開示は、パワーモジュールに関する。

特許文献１には、ハイブリッド自動車や電気自動車等の電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュール（以下、パワーモジュールと称する）が開示されている。パワーモジュールの分野では、電力変換装置の大電流化と高速スイッチングとを両立させるために、パワー半導体素子に繋がる配線導体で生じる寄生インダクタンスの低減が求められている。

例えば、特許文献１に記載されているパワーモジュールにおける絶縁基板上の電力回路では、正極端子から負極端子及び負極端子から正極端子に流れるリカバリー電流の時計回り及び反時計回りの二つのループが形成されている。これにより、相互の発生磁束を打ち消すことで、パワーモジュールの電力回路で生じる寄生インダクタンスを低減させている。

特開２０１３－９８４２５号公報

ところで、上記特許文献１では、電力回路に電力を供給するための正極端子及び負極端子が相互に離間している。このため、電力回路に電力を供給する入力側の導体で寄生インダクタンスが増加してしまうという課題が有る。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、入力側の導体に生じる寄生インダクタンスを低減することができるパワーモジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係るパワーモジュールは、入力された電圧を変換して出力するパワーモジュールであって、Ｐ型端子を含む第一入力導体、及び、前記Ｐ型端子とともに直流電源に接続されるＮ型端子を含み前記第一入力導体とギャップを介して並設された第二入力導体を有する入力部と、前記入力部からの直流電圧を交流電圧に変換するパワー半導体素子を有する回路基板と、前記パワー半導体素子からの交流電圧を出力する出力導体と、前記第一入力導体及び前記第二入力導体に跨って前記ギャップを覆うように、前記入力部に対して絶縁状態で対向配置された磁束低減導体と、合成樹脂で形成されており、前記入力部および前記出力導体を機械的に補強する部材である補強部と、を備え、前記磁束低減導体は、前記入力部を挟み込むように配置された第一磁束低減導体及び第二磁束低減導体を含み、前記第一磁束低減導体は、前記補強部の内部に埋め込まれており、前記補強部は、前記第一磁束低減導体と前記入力部との間に介在している。

本開示によれば、入力側の導体に生じる寄生インダクタンスを低減することができるパワーモジュールを提供することができる。

本開示の実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す斜視図である。本開示の第一実施形態に係るパワーモジュールの斜視図である。図２の要部を拡大した図であり、補強部を除いた状態を示している。図２及び図３に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線方向の部分断面図であり、磁束低減導体と入力部との位置関係を示す図である。本開示の第二実施形態に係るパワーモジュールの部分断面図であり、磁束低減導体と入力部との位置関係を示す図である。本開示のその他の実施形態に係るパワーモジュールの部分断面図であり、磁束低減導体と接続部との位置関係を示す図である。

［第一実施形態］
（電力変換装置）
以下、本実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照して説明する。
本実施形態の電力変換装置は、直流電力を三相交流電力等に変換する装置である。本実施形態の電力変換装置には、例えば、発電所等の系統で用いられるインバータや、電気自動車等の電動機駆動用に用いられるインバータ等が挙げられる。本実施形態では、電力変換装置として電動機を制御するためのインバータを一例にして説明する。
図１に示すように、電力変換装置１は、ケーシング１０と、外部入力導体１１と、コンデンサ１２と、接続導体１４と、電力変換部１３と、冷却装置１５と、を備えている。

（ケーシング）
ケーシング１０は、電力変換装置１の外殻を成すものである。本実施形態で例示するケーシング１０は、アルミ等の金属または合成樹脂等により形成されており、直方体状を成している。ケーシング１０は、互いに背合わせとなるように配置されている二つの側面（以下、入力側側面１０ａ、出力側側面１０ｂと称する）を有している。入力側側面１０ａからは、直流電力を入力するための外部入力導体１１が引き出されている。

（外部入力導体）
外部入力導体１１は、電力変換装置１の外部に設けられている直流電源から供給される直流電力をコンデンサ１２に供給する電気導体である。本実施形態における外部入力導体１１は、銅等を含む金属により形成された電気導体（バスバー）である。外部入力導体１１の一端は、コンデンサ１２に接続されており、他端は、ケーシング１０の入力側側面１０ａと交差する方向に延びている。

（コンデンサ）
コンデンサ１２は、外部入力導体１１から入力された電荷を蓄えるとともに、電力変換に伴う電圧変動を抑えるための平滑コンデンサである。コンデンサ１２を経由してリプルが抑えられて平滑化された直流電圧は、電力変換部１３へ供給される。

（電力変換部）
電力変換部１３は、コンデンサ１２から入力された電圧を変換する。本実施形態における電力変換部１３は、三相交流電力を出力するために、三つのパワーモジュール２０を含んでいる。本実施形態におけるパワーモジュール２０の構成は後に詳述する。

（接続導体）
接続導体１４は、電力をコンデンサ１２から電力変換部１３に伝えるための電気導体（バスバー）である。接続導体１４の一端は、コンデンサ１２に接続されている（接続導体１４とコンデンサ１２の接続状態の詳細な図示は省略する）。接続導体１４の他端は、パワーモジュール２０に接続されている。本実施形態における接続導体１４の他端には、ボルト締結用の締結孔１０３が形成されている。

接続導体は、第一接続導体１４ａと、第二接続導体１４ｂと、を含んでいる。
第一接続導体１４ａは、コンデンサ１２の正極（図示省略）とパワーモジュール２０の正極とを接続する電流経路である。第二接続導体１４ｂは、コンデンサ１２の負極（図示省略）とパワーモジュール２０の負極とを接続する電流経路である。これら第一接続導体１４ａ及び第二接続導体１４ｂは、並んで配置されている。

以下、第一接続導体１４ａ及び第二接続導体１４ｂが並んで配置されることによって両者の間に生じる間隔をギャップＧ１と称する。言い換えれば、第二接続導体１４ｂは、第一接続導体１４ａとギャップＧ１を介して並設されている。第一接続導体１４ａを流れる電流が第二接続導体１４ｂに、又は、第二接続導体１４ｂを流れる電流が第一接続導体１４ａに流れてしまわないように、ギャップＧ１には絶縁距離が確保されている。本実施形態における絶縁距離は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。

（冷却装置）
冷却装置１５は、主として電力変換部１３のパワーモジュール２０を冷却する装置である。冷却装置１５は、ケーシング１０に積層されるように設けられており、ケーシング１０に固定され一体化されている。冷却装置１５には、外部から水等の液冷媒が導入される。

（パワーモジュール）
パワーモジュール２０は、入力された電力を変換して出力する装置である。本実施形態におけるパワーモジュール２０は、電力変換部１３の一部を構成している。
図２、図３、及び図４に示すように、パワーモジュール２０は、ベースプレート３０と、回路基板４０と、入力部５０と、外部出力導体７０（出力導体）と、補強部８０と、磁束低減導体９０と、を備えている。

（ベースプレート）
ベースプレート３０は、平板状を成す部材である。ベースプレート３０は、第一面３０ａ及びこの第一面３０ａの裏側に位置する第二面３０ｂを有している。即ち、ベースプレート３０の第一面３０ａと第二面３０ｂとは互いに平行をなした状態で背合わせになっている。ベースプレート３０の第二面３０ｂは、接合材等（図示省略）を介して、例えば冷却装置１５に固定されている。本実施形態におけるベースプレート３０には、例えば銅が採用される。なお、ベースプレート３０には、銅以外の金属が採用されてもよい。

（回路基板）
回路基板４０は、回路基板本体４１と、銅パターン４３と、回路パターン４２と、パワー半導体素子６０と、を有している。
回路基板本体４１は、平板状を成している。この回路基板本体４１は、表面４１ａと、この表面４１ａの裏側に位置する裏面４１ｂと、を有している。即ち、回路基板本体４１の表面４１ａと裏面４１ｂとは互いに平行をなした状態で背合わせになっている。回路基板本体４１の裏面４１ｂには、銅箔等のパターンである銅パターン４３が形成されている。当該銅パターン４３は、接合材Ｓ等を介してベースプレート３０の第一面３０ａの中央に固定されている。

回路基板本体４１は、例えばセラミック等の絶縁材料により形成されている。なお、回路基板本体４１を形成する絶縁材料としては、セラミック以外にも、紙フェノール、紙エポキシ、ガラスコンポジット、ガラスエポキシ、ガラスポリイミド、フッ素樹脂等を用いることができる。

回路パターン４２は、回路基板本体４１の表面４１ａに形成された銅箔等のパターンである。本実施形態における回路パターン４２は、例えば、回路基板本体４１の表面４１ａに接着等で固定された後、エッチング等がなされることにより形成される。本実施形態の回路パターン４２には、入力回路（図示省略）と、出力回路（図示省略）と、制御回路（図示省略）と、が形成されている。

入力回路は、外部から入力された電力をパワー半導体素子６０に入力するための回路パターンである。出力回路は、パワー半導体素子６０が変換した電力を出力するための回路パターンである。制御回路は、パワー半導体素子６０の挙動を制御するための制御信号を生成する制御部（図示省略）が接続される回路パターンである。

パワー半導体素子６０は、電圧や電流をオンオフするスイッチング動作により電力を変換する回路素子である。パワー半導体素子は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子である。本実施形態では、六つのパワー半導体素子６０が回路基板４０の回路パターン４２に実装されている。

パワー半導体素子６０がＩＧＢＴの場合、パワー半導体素子６０は、コレクタに相当する入力面（図示省略）と、エミッタに相当する出力面（図示省略）と、パワー半導体素子６０のスイッチングを制御するための制御信号入力用端子に相当するゲート（図示省略）と、を備えている。
パワー半導体素子６０の入力面は、回路基板本体４１の表面４１ａに形成されている回路パターン４２の入力回路に、接合材等を介して電気的に接続されている。

パワー半導体素子６０の出力面には、例えば、導線としてのリードフレーム（図示省略）の一端が電気的に接続されている。このリードフレームの他端は、回路パターン４２の出力回路に電気的に接続されている。

つまり、入力用端子（図示省略）には、回路パターン４２を介して直流電流が入力され、直流電圧がパワー半導体素子６０によって交流電圧に変換されて、出力用端子（図示省略）から交流電力が出力される。パワー半導体素子６０には、制御部(図示省略)によって生成された制御信号が入力される。パワー半導体素子６０は、この制御信号に従ってスイッチングを行う。

なお、パワー半導体素子６０がＭＯＳＦＥＴの場合、パワー半導体素子６０は、ドレインに相当する入力面と、ソースに相当する出力面と、制御信号入力用端子に相当するゲートと、を備えている。

ベースプレート３０と回路基板本体４１の裏面４１ｂに形成された銅パターン４３との接合、パワー半導体素子６０と回路パターン４２との接合、及び、ベースプレート３０と冷却装置１５との接合に用いられる接合材には、例えば、半田や焼結材（金属等の粉末）等が採用できる。

（入力部）
入力部５０は、コンデンサ１２から入力される電流を受け入れて、回路基板４０の回路パターン４２へ直流電流を流すための電流経路である。
入力部５０は、ＰＮ端子を成す二つの端子として、第一入力導体５１と、第二入力導体５４と、を有している。第一入力導体５１及び第二入力導体５４は、ベースプレート３０に沿う方向に互いに間隔をあけて並設されている。より詳しくは、第一入力導体５１及び第二入力導体５４は、同一形状かつ同じ大きさであり、基準面Ｘを中心にして対称に並設されている。

図２及び図３に示すように、本実施形態における基準面Ｘは、ベースプレート３０の広がる方向とは垂直の方向に広がるとともに、このベースプレート３０を二等分に分割する仮想面である。以下、基準面Ｘとベースプレート３０の第一面３０ａとが交わる仮想線を基準線Оと称する。本実施形態では、ベースプレート３０の第一面３０ａ上における回路基板４０よりも入力部５０へ向かう方向を基準線О方向一方側、その反対の方向を基準線О方向他方側と称する。

第一入力導体５１は、回路基板４０のパワー半導体素子６０に電力を伝達する正極としての電気導体である。第一入力導体５１は、銅等の金属により形成される。第一入力導体５１は、Ｐ型端子５２と、第一入力接続部５３と、を含んでいる。

Ｐ型端子５２は、直方体状を成しており、入力電流の電流経路の一部を担っている。Ｐ型端子５２は、第一基端面５２ａ、第一先端面５２ｂ、及び、これら第一基端面５２ａと第一先端面５２ｂとをつなぐ第一側面５２ｃを有している。

第一基端面５２ａは、ベースプレート３０の第一面３０ａから間隔をあけてこの第一面３０ａに対向している面である。
第一先端面５２ｂは、第一基端面５２ａとは反対側に位置して、ベースプレート３０から離間する方向を向く面である。即ち、第一先端面５２ｂと第一基端面５２ａとは、互いに互いに平行をなした状態で背合わせの関係になっている。この第一先端面５２ｂには、コンデンサ１２に電気的に接続されている第一接続導体１４ａを固定することが可能になっている。つまり、Ｐ型端子５２は、直流電源としてのコンデンサ１２にこの第一接続導体１４ａを介して接続されている。

本実施形態の第一先端面５２ｂには、ボルト締結用のネジ穴１０１が形成されている。このネジ穴１０１が形成されていることで、電流入力用の外部導体である第一接続導体１４ａが、ボルト１００によって第一先端面５２ｂに締結可能となっている。

第一側面５２ｃは、ベースプレート３０の第一面３０ａから離間する方向に延びて第一基端面５２ａと第一先端面５２ｂとを接続している面である。本実施形態における第一側面５２ｃは、第一基端面５２ａからベースプレート３０の第一面３０ａと垂直な方向に延びて、第一先端面５２ｂに到っている。Ｐ型端子５２の第一先端面５２ｂから流入する電流は、この第一先端面５２ｂから第一基端面５２ａに向かって流れる。なお、本実施形態では、第一側面５２ｃの延びる方向と垂直な断面におけるＰ型端子５２の輪郭は、矩形状（具体的には、正方形状）を成している。

第一入力接続部５３は、Ｐ型端子５２と回路基板４０とを接続する電気導体であり、入力電流の電流経路の一部を担っている。本実施形態における第一入力接続部５３は、Ｐ型端子５２における第一側面５２ｃの第一基端面５２ａ側の端部から真っ直ぐに延びるとともに、回路基板４０における回路パターン４２の入力回路に接続されている。
したがって、Ｐ型端子５２を流れる電流は、第一入力接続部５３に流入した後、この第一入力接続部５３を介して回路基板４０における回路パターン４２の入力回路に流入する。

第二入力導体５４は、回路基板４０のパワー半導体素子６０に電力を伝達する負極としての電気導体である。第二入力導体５４は、銅等の金属により形成される。第二入力導体５４は、Ｎ型端子５５と、第二入力接続部５６と、を含んでいる。

Ｎ型端子５５は、Ｐ型端子５２と同様に直方体状を成しており、入力電流の電流経路の一部を担っている。Ｎ型端子５５は、第二基端面５５ａ、第二先端面５５ｂ、及び、これら第二基端面５５ａと第二先端面５５ｂとをつなぐ第二側面５５ｃを有している。

第二基端面５５ａは、ベースプレート３０の第一面３０ａから間隔をあけてこの第一面３０ａに対向している面である。
第二先端面５５ｂは、第二基端面５５ａとは反対側に位置して、ベースプレート３０から離間する方向を向く面である。即ち、第二先端面５５ｂと第二基端面５５ａとは、互いに平行をなした状態で背合わせの関係になっている。

この第二先端面５５ｂには、コンデンサ１２に電気的に接続されている第二接続導体１４ｂを固定することが可能になっている。つまり、Ｎ型端子５５は、Ｐ型端子５２とともに直流電源としてのコンデンサ１２にこの第二接続導体１４ｂを介して接続されている。本実施形態の第二先端面５５ｂには、ボルト締結用のネジ穴１０１が形成されている。このネジ穴１０１が形成されていることで、電流入力用の外部導体である第二接続導体１４ｂが、ボルト１００によって第二先端面５５ｂに締結可能となっている。

第二側面５５ｃは、ベースプレート３０の第一面３０ａから離間する方向に延びて第二基端面５５ａと第二先端面５５ｂとを接続している面である。本実施形態における第二側面５５ｃは、第二基端面５５ａからベースプレート３０の表面４１ａと垂直な方向に延びて、第二先端面５５ｂに到っている。

Ｎ型端子５５の第二先端面５５ｂから流入する電流は、この第二先端面５５ｂから第二基端面５５ａに向かって流れる。なお、本実施形態では、第二側面５５ｃの延びる方向と垂直な断面におけるＮ型端子５５の輪郭は、矩形状（具体的には、正方形状）を成している。

第二入力接続部５６は、Ｎ型端子５５と回路基板４０とを接続する電気導体であり、入力電流の電流経路の一部を担っている。第二入力接続部５６は、Ｎ型端子５５における第二側面５５ｃの第二基端面５５ａ側の端部から真っ直ぐに延びるとともに、回路基板４０における回路パターン４２の入力回路に接続されている。
したがって、Ｎ型端子５５を流れる電流は、第二入力接続部５６に流入し、この第二入力接続部５６を介して回路基板４０の回路パターン４２に流入する。

Ｐ型端子５２及びＮ型端子５５、並びに、第一入力接続部５３及び第二入力接続部５６は、基準面Ｘを中心にして対称に配置されている。以下、Ｐ型端子５２及びＮ型端子５５、並びに、第一入力接続部５３及び第二入力接続部５６が並んで配置されることによって両者の間に生じる間隔をギャップＧ２と称する。

言い換えれば、第二入力導体５４は、第一入力導体５１とギャップＧ２を介して並設されている。第一入力導体５１を流れる電流が第二入力導体５４に、又は、第二入力導体５４を流れる電流が第一入力導体５１に流れてしまわないように、ギャップＧ２には絶縁距離が確保されている。本実施形態における絶縁距離は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが望ましい。

（外部出力導体）
図２に示すように、外部出力導体７０は、パワー半導体素子６０から出力される電流を受け入れて、電力変換装置１の外部へ電流を出力するための出力バスバーである。外部出力導体７０の一端は、回路基板４０における回路パターン４２の出力回路に接続されている。図１に示すように外部出力導体７０の他端は、ケーシング１０の出力側側面１０ｂを貫通して、外側に延びている。外部出力導体７０の他端には電流出力用の出力配線等（図示省略）が接続される。これによって、電力変換装置１の外部へ交流電力を出力することが可能となる。

（補強部）
補強部８０は、ベースプレート３０の第一面３０ａに固定されて入力部５０及び外部出力導体７０を機械的に補強する部材である。補強部８０は、合成樹脂材料により形成されている。補強部８０は、Ｐ型端子５２の第一側面５２ｃ及び第一入力接続部５３、並びに、Ｎ型端子５５の第二側面５５ｃ及び第二入力接続部５６を外側から覆うとともに、回路基板４０を少なくとも外側から囲っている。即ち、図２に示すように、補強部８０は、回路基板４０に沿う方向で、回路基板４０の周囲を囲むケースを成している。

補強部８０は、ベースプレート３０の第一面３０ａに接着剤等を介して固定されている。本実施形態における補強部８０には、例えば、合成樹脂材料としてＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の絶縁材料を採用できる。なお、ＰＰＳ以外の絶縁材料を、補強部８０に採用してもよい。

補強部８０は、回路基板４０とともに空間を画成している。以下、本実施形態では、これら補強部８０及び回路基板４０により画成された空間をポッティング空間Ｐと称する。ポッティング空間Ｐには、外部から液状のポッティング材が流し込まれ（ポッティング）、少なくとも回路基板本体４１の回路パターン４２、パワー半導体素子６０、ポッティング空間Ｐ内に露出している一部の第一入力接続部５３及び第二入力接続部５６が封止される。

ポッティング空間Ｐに流し込まれたポッティング材は、所定の時間がかけられることで硬化し、回路基板４０の回路パターン４２及びパワー半導体素子６０と、パワーモジュール２０外部の空間と、を電気的に絶縁する。本実施形態におけるポッティング材には、例えばシリコンゲルやエポキシ樹脂を用いることができる。なお、シリコンゲルやエポキシ樹脂以外の合成樹脂を、ポッティング材としてもよい。

（磁束低減導体）
磁束低減導体９０は、入力部５０に生じる寄生インダクタンスを低減するために設けられる金属導体である。
図４に示すように、磁束低減導体９０は、第一磁束低減導体９１と、第二磁束低減導体９２と、を含んでいる。

第一磁束低減導体９１は、入力部５０のベースプレート３０とは反対側に配置されている。第一磁束低減導体９１は、インサート成型等によって、補強部８０の内部に埋め込まれている。第一磁束低減導体９１の断面形状は、基準面Ｘから見た時にＬ字状を成しており、当該Ｌ字状を維持したまま、第一入力導体５１と第二入力導体５４（図４では図示省略）とが隣接する方向に延びている。

第一磁束低減導体９１は、Ｐ型端子５２及びＮ型端子５５（図４では図示省略）が画成するギャップＧ２と、第一入力接続部５３及び第二入力接続部５６（図４では図示省略）が画成するギャップＧ２とをそれぞれ覆っている。即ち、第一磁束低減導体９１は、第一入力導体５１及び第二入力導体５４に跨ってギャップＧ２を覆うように、入力部５０に対して電気的に絶縁された状態で、対向配置されている。第一磁束低減導体９１と入力部５０との間には補強部８０が介在しており、この補強部８０によって第一磁束低減導体９１と入力部５０との間には絶縁距離が確保されている。

第二磁束低減導体９２は、ベースプレート３０の一部を構成している。より詳しくは、第二磁束低減導体９２は、回路基板４０よりも基準線О方向一方側のベースプレート３０における、第一入力導体５１及び第二入力導体５４に対向している部分である。

第二磁束低減導体９２は、Ｐ型端子５２とＮ型端子５５との間のギャップＧ２と、第一入力接続部５３と第二入力接続部５６との間のギャップＧ２をそれぞれ覆っている。即ち、第二磁束低減導体９２は、第一入力導体５１及び第二入力導体５４に跨ってギャップＧ２を覆うように、入力部５０に対して電気的に絶縁された状態で対向配置されている。第二磁束低減導体９２と入力部５０との間には補強部８０が介在しており、この補強部８０によって第二磁束低減導体９２と入力部５０との間には絶縁距離が確保されている。

（作用効果）
コンデンサ１２から接続導体１４を介して入力部５０に供給された電流は、この入力部５０を流れた後、回路基板４０のパワー半導体素子６０へと流れる。この際、電流の流れに伴って第一入力導体５１及び第二入力導体５４でそれぞれ発生する磁場は相互に影響し合い、これら磁場を形成する磁束は相互に打ち消し合う。その一方で、第一入力導体５１と第二入力導体５４との間のギャップＧ２からは磁束が漏れ出る。

上記実施形態に係るパワーモジュール２０では、磁束低減導体９０が第一入力導体５１及び第二入力導体５４に跨って、ギャップＧ２を覆うように、入力部５０に対して絶縁状態で対向配置されている。これにより、磁束低減導体９０はこのギャップＧ２から漏れ出る磁束の影響を受けて、磁束低減導体９０には誘導電流としての渦電流が流れる。そして、この渦電流は、入力部５０に生じる磁束を相殺させる磁束を発生させる。したがって、磁束低減導体９０は、入力部５０に流れる電流の大きさ、即ち磁界の大きさに応じた磁場を形成することができ、入力側の導体に生じる寄生インダクタンスを低減することができる。

また、上記実施形態に係るパワーモジュール２０では、磁束低減導体９０は、入力部５０を挟み込むように配置された第一磁束低減導体９１及び第二磁束低減導体９２を含んでいる。これにより、磁束低減導体９０は、ギャップＧ２から漏れ出る磁束をより効果的に打ち消すことができる。したがって、より効率的に入力側の導体に生じる寄生インダクタンスを低減することができる。

また、上記実施形態に係るパワーモジュール２０では、第一磁束低減導体９１は、入力部５０のベースプレート３０とは反対側に配置され、第二磁束低減導体９２は、ベースプレート３０の一部である。これにより、回路基板４０が固定されるベースプレート３０を磁束低減導体９０として利用することができる。したがって、大きな設計変更や新たな部材の追設等を必要とすることなく、入力部５０から漏れ出る磁束を効果的に打ち消すことができる。

［第二実施形態］
以下、本開示の第二実施形態に係るパワーモジュール２０について図５を参照して説明する。第二実施形態で説明する入力部５００及び磁束低減導体９００の構成は、第一実施形態で説明した入力部５０及び磁束低減導体９０の構成に対して一部異なる。第一実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

（入力部）
入力部５００は、コンデンサ１２から入力される電流を回路基板４０の回路パターン４２へ流すための電流経路である。入力部５００は、ＰＮ端子を成す二つの端子として、第一入力導体５１０と、第二入力導体５４０（図５では図示省略）と、を有している。第一入力導体５１０は、Ｐ型端子５２０と、第一入力接続部５３０と、を含んでおり、第二入力導体５４０は、Ｎ型端子５５０と、第二入力接続部５６０と、を含んでいる。

Ｐ型端子５２０は、平板状を成しており、入力電流の電流経路の一部を担っている。Ｐ型端子５２０は、第一基端面５２０ａ及び第一先端面５２０ｂを有している。
第一基端面５２０ａは、ベースプレート３０の第一面３０ａと対向している面である。
第一先端面５２０ｂは、第一基端面５２０ａとは反対側に位置する面である。即ち、第一先端面５２０ｂと第一基端面５２０ａとは、互いに平行をなした状態で背合わせの関係になっている。

Ｐ型端子５２０には、第一先端面５２０ｂから第一基端面５２０ａに向かって貫通する締結孔１０２が形成されている。この締結孔１０２がＰ型端子５２０に形成されていることで、電流入力用の外部導体である第一接続導体１４ａが、ボルト１００によってＰ型端子５２０に締結可能となっている。

第一入力接続部５３０は、Ｐ型端子５２０と回路基板４０とを接続する電気導体であり、入力電流の電流経路の一部を担っている。第一入力接続部５３０は、Ｐ型端子５２０における第一基端面５２０ａから延びるとともに、回路基板４０における回路パターン４２の入力回路に接続されている。

Ｎ型端子５５０（図５では図示省略）は、Ｐ型端子５２０と同様に平板状を成しており、入力電流の電流経路の一部を担っている。Ｎ型端子５５０は、第二基端面５５０ａ及び第二先端面５５０ｂを有している。

第二基端面５５０ａは、ベースプレート３０の第一面３０ａと対向している面である。
第二先端面５５０ｂは、第二基端面５５０ａとは反対側に位置する面である。即ち、第二先端面５５０ｂと第二基端面５５０ａとは、互いに平行をなした状態で背合わせの関係になっている。

Ｎ型端子５５０には、第二先端面５５０ｂから第二基端面５５０ａに向かって貫通する締結孔１０２が形成されている。この締結孔１０２がＰ型端子５２０に形成されていることで、電流入力用の外部導体である第二接続導体１４ｂが、ボルト１００によってＮ型端子５５０に締結可能となっている。

第二入力接続部５６０（図５では図示省略）は、Ｎ型端子５５０と回路基板４０とを接続する電気導体であり、入力電流の電流経路の一部を担っている。第二入力接続部５６０は、Ｎ型端子５５０における第二基端面５５０ａから延びるとともに、回路基板４０における回路パターン４２の入力回路に接続されている。

（磁束低減導体）
磁束低減導体９００は、補強部８０の内部に設けられている導体の部材である。磁束低減導体９００は、インサート成型等によって、補強部８０の内部に埋め込まれる。
磁束低減導体９００は、第一磁束低減導体９１０と、第二磁束低減導体９２０と、を含んでいる。

第一磁束低減導体９１０は、入力部５００のベースプレート３０とは反対側に配置されている。第一磁束低減導体９１０は、第一入力導体５１０と第二入力導体５４０とが隣接する方向の断面視で、第一入力接続部５３０及び第二入力接続部５６０に沿うように延びる形状を成している。第一磁束低減導体９１０は、当該形状を維持したまま、第一入力導体５１０と第二入力導体５４０とが隣接する方向に延びている。

第一磁束低減導体９１０は、第一入力接続部５３０と第二入力接続部５６０との間のギャップＧ２を覆っている。即ち、第一磁束低減導体９１０は、第一入力導体５１０及び第二入力導体５４０に跨ってギャップＧ２を覆うように、入力部５００に対して電気的に絶縁された状態で、対向配置されている。第一磁束低減導体９１０と入力部５００との間には補強部８０が介在しており、この補強部８０によって第一磁束低減導体９１０と入力部５００との間には絶縁距離が確保されている。

第二磁束低減導体９２０は、入力部５００とベースプレート３０の間に配置されている。第二磁束低減導体９２０は、第一入力導体５１０と第二入力導体５４０とが隣接する方向の断面視で、第一入力接続部５３０及び第二入力接続部５６０に沿うように延びる形状を成している。第二磁束低減導体９２０は、当該形状を維持したまま、第一入力導体５１０と第二入力導体５４０とが隣接する方向に延びている。

第二磁束低減導体９２０は、第一入力接続部５３０と第二入力接続部５６０との間のギャップＧ２を覆っている。即ち、第二磁束低減導体９２０は、第一入力導体５１０及び第二入力導体５４０に跨ってギャップＧ２を覆うように、入力部５００に対して電気的に絶縁された状態で、対向配置されている。第二磁束低減導体９２０と入力部５００との間には補強部８０が介在しており、この補強部８０によって第二磁束低減導体９２０と入力部５００との間には絶縁距離が確保されている。

（作用効果）
上記実施形態に係るパワーモジュール２０では、第一磁束低減導体９１０は、入力部５００の前記ベースプレート３０とは反対側に配置され、第二磁束低減導体９２０は、入力部５００とベースプレート３０との間に配置されている。これにより、回路基板４０が固定されるベースプレート３０の一部を第二磁束低減導体９２０として利用する必要がない。したがって、第二磁束低減導体９２０が回路基板４０からベースプレート３０に伝わる熱の影響等を受けることがない。また、第二磁束低減導体９２０の設計の自由度を高めることができる。

［その他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本開示は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

上記実施形態では、ベースプレート３０の第一面３０ａ及び第二面３０ｂ、回路基板本体４１の表面４１ａ及び裏面４１ｂ、Ｐ型端子５２，５２０の第一先端面５２ｂ，５２０ｂ及び第一基端面５２ａ，５２０ａ、Ｎ型端子５５，５５０の第二先端面５５ｂ，５５０ｂ及び第二基端面５５ａ，５５０ａは、互いに平行をなした状態で背合わせの関係になっている構成に限定されることはなく、多少傾斜していてもよい。

上記実施形態では、電力変換装置１としてインバータを一例にして説明したが、電力変換装置１はインバータに限定されることはない。電力変換装置１は、例えば、コンバータや、インバータとコンバータとを組み合わせたもの等、パワー半導体素子６０により電力変換を行う装置であってもよい。電力変換装置１がコンバータの場合は、外部の入力電源（図示省略）から外部出力導体７０に交流電圧が入力されてパワー半導体素子６０がこの交流電圧を直流電圧に変換し、パワー半導体素子６０からの直流電圧が入力部５０から出力される構成であってもよい。

また、図６に示すように、電力変換装置１は、二つの第一接続導体１４ａ及び第二接続導体１４ｂ（図６では図示省略）の間に存在するギャップＧ１に対向配置されている第三磁束低減導体９３をさらに備えていてもよい。第三磁束低減導体９３は、第一接続導体１４ａ及び第二接続導体１４ｂに跨ってギャップＧ１を覆うように、第一接続導体１４ａ及び第二接続導体１４ｂに対して絶縁状態で対向配置されている。より詳しくは、一対の第三磁束低減導体９３は、これら第一接続導体１４ａ及び第二接続導体１４ｂを挟み込むように配置されており、これら第三磁束低減導体９３と接続導体１４との間には絶縁距離が確保されている。これにより、コンデンサ１２とパワーモジュール２０とを接続する入力側の接続導体１４の電流経路における寄生インダクタンスをより低減することができる。したがって、電力変換装置１内で生じる電力損失を抑制することができる。

また、上記第一実施形態では、第二磁束低減導体９２がベースプレート３０の一部を構成しているが、この構成に限定されることはない。例えば、ベースプレート３０と、第一入力導体５１及び第二入力導体５４との間に第二磁束低減導体９２を介在させる構成であってもよい。

［付記］
実施形態に記載のパワーモジュールは、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係るパワーモジュール２０は、入力された電圧を変換して出力するパワーモジュール２０であって、Ｐ型端子５２を含む第一入力導体５１、及び、前記Ｐ型端子５２とともに直流電源に接続されるＮ型端子５５を含み前記第一入力導体５１とギャップＧ２を介して並設された第二入力導体５４を有する入力部５０と、前記入力部５０からの直流電圧を交流電圧に変換するパワー半導体素子６０を有する回路基板４０と、前記パワー半導体素子６０からの交流電圧を出力する出力導体と、前記第一入力導体５１及び前記第二入力導体５４に跨って前記ギャップＧ２を覆うように、前記入力部５０に対して絶縁状態で対向配置された磁束低減導体９０，９００と、を備える。

上記構成によれば、磁束低減導体９０，９００はこのギャップＧ２から漏れた磁束の影響を受けて、磁束低減導体９０，９００には誘導電流としての渦電流が流れる。そして、この渦電流は、入力部５０，５００に生じる磁束を相殺させる磁束を発生させる。したがって、磁束低減導体９０，９００は、入力部５０，５００に流れる電流の大きさ、即ち磁界の大きさに応じた磁場を形成することができる。

（２）第２の態様に係るパワーモジュール２０は、（１）のパワーモジュール２０であって、前記磁束低減導体９０，９００は、前記入力部５０，５００を挟み込むように配置された第一磁束低減導体９１，９１０及び第二磁束低減導体９２，９２０を含んでもよい。

上記構成によれば、磁束低減導体９０，９００は、ギャップＧ２から漏れ出る磁束をより効果的に打ち消すことができる。

（３）第３の態様に係るパワーモジュール２０は、（２）のパワーモジュール２０であって、前記回路基板４０が固定される導体のベースプレート３０をさらに備え、前記第一磁束低減導体９１は、前記入力部５０の前記ベースプレート３０とは反対側に配置され、前記第二磁束低減導体９２は、前記ベースプレート３０の一部であってもよい。

上記構成によれば、回路基板４０が固定されるベースプレート３０を磁束低減導体９０として利用することができる。したがって、大幅な設計変更や新たな部材の追設等を必要とすることがない。

（４）第４の態様に係るパワーモジュール２０は、（２）のパワーモジュール２０であって、前記回路基板４０が固定される導体のベースプレート３０をさらに備え、前記第一磁束低減導体９１，９１０は、前記入力部５０，５００の前記ベースプレート３０とは反対側に配置され、前記第二磁束低減導体９２，９２０は、前記入力部５０，５００と前記ベースプレート３０との間に配置されていてもよい。

上記構成によれば、回路基板４０が固定されるベースプレート３０の一部を第二磁束低減導体９２，９２０として利用する必要がない。したがって、第二磁束低減導体９２，９２０が回路基板４０からベースプレート３０に伝わる熱の影響等を受けることがない。

１…電力変換装置１０…ケーシング１０ａ…入力側側面１０ｂ…出力側側面１１…外部入力導体１２…コンデンサ１３…電力変換部１４…接続導体１４ａ…第一接続導体１４ｂ…第二接続導体１５…冷却装置２０…パワーモジュール３０…ベースプレート３０ａ…第一面３０ｂ…第二面４０…回路基板４１…回路基板本体４１ａ…表面４１ｂ…裏面４２…回路パターン４３…銅パターン５０，５００…入力部５１，５１０…第一入力導体５２，５２０…Ｐ型端子５２ａ，５２０ａ…第一基端面５２ｂ，５２０ｂ…第一先端面５２ｃ…第一側面５３，５３０…第一入力接続部５４，５４０…第二入力導体５５，５５０…Ｎ型端子５５ａ，５５０ａ…第二基端面５５ｂ，５５０ｂ…第二先端面５５ｃ…第二側面５６，５６０…第二入力接続部６０…パワー半導体素子７０…外部出力導体（出力導体）８０…補強部９０，９００…磁束低減導体９１，９１０…第一磁束低減導体９２，９２０…第二磁束低減導体９３…第三磁束低減導体１００…ボルト１０１…ネジ穴１０２，１０３…締結孔Ｇ１，Ｇ２…ギャップ О…基準線Ｐ…ポッティング空間Ｓ…接合材Ｘ…基準面

Claims

入力された電圧を変換して出力するパワーモジュールであって、
Ｐ型端子を含む第一入力導体、及び、前記Ｐ型端子とともに直流電源に接続されるＮ型端子を含み前記第一入力導体とギャップを介して並設された第二入力導体を有する入力部と、
前記入力部からの直流電圧を交流電圧に変換するパワー半導体素子を有する回路基板と、
前記パワー半導体素子からの交流電圧を出力する出力導体と、
前記第一入力導体及び前記第二入力導体に跨って前記ギャップを覆うように、前記入力部に対して絶縁状態で対向配置された磁束低減導体と、
合成樹脂で形成されており、前記入力部および前記出力導体を機械的に補強する部材である補強部と、
を備え、
前記磁束低減導体は、前記入力部を挟み込むように配置された第一磁束低減導体及び第二磁束低減導体を含み、
前記第一磁束低減導体は、前記補強部の内部に埋め込まれており、
前記補強部は、前記第一磁束低減導体と前記入力部との間に介在しているパワーモジュール。
前記回路基板が固定される導体のベースプレートをさらに備え、
前記第一磁束低減導体は、前記入力部の前記ベースプレートとは反対側に配置され、
前記第二磁束低減導体は、前記ベースプレートの一部である請求項１に記載のパワーモジュール。
前記回路基板が固定される導体のベースプレートをさらに備え、
前記第一磁束低減導体は、前記入力部の前記ベースプレートとは反対側に配置され、
前記第二磁束低減導体は、前記入力部と前記ベースプレートとの間に配置されている請求項１に記載のパワーモジュール。