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公開番号2024177699
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-12-24
出願番号2023095979
出願日2023-06-12
発明の名称電力変換装置および電力変換装置の製造方法
出願人三菱電機株式会社
代理人弁理士法人ぱるも特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20241217BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】3相インバータ回路の電流経路のインダクタンスを低減しつつ、複数のパワー半導体チップの温度を均等化することが可能な電力変換装置を得ること。
【解決手段】3相インバータ回路を構成した電力変換装置であって、パワー半導体モジュールは、前記3相インバータ回路の上アームと下アームとに分けて配置されたパワー半導体チップと、前記パワー半導体チップの下面電極に接合され、前記パワー半導体チップごとに個別に設けられたヒートスプレッダと、前記上アームの端に配置された前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダと接続され、電源の正極側と接続されたPリードと、前記上アームに複数配置された前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダの間を接続している相間リードと、前記下アームに複数配置された前記パワー半導体チップの上面電極に接合され、電源の負極側と接続されたNリードと、を備えた。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
パワー半導体モジュールとヒートシンクと制御基板を搭載して３相インバータ回路を構成した電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールは、
前記３相インバータ回路の上アームと下アームとに分けて配置されたパワー半導体チップと、
前記パワー半導体チップの下面電極に接合され、前記パワー半導体チップごとに個別に設けられたヒートスプレッダと、
前記上アームの端に配置された前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダと接続され、電源の正極側と接続されたＰリードと、
前記上アームに複数配置された前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダの間を接続している相間リードと、
前記下アームに複数配置された前記パワー半導体チップの上面電極に接合され、電源の負極側と接続されたＮリードと、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
前記パワー半導体チップはすべて同じ型式の同じ形状のものであり、前記パワー半導体チップと前記ヒートスプレッダは、共通の形状に組合されて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記パワー半導体チップは、前記パワー半導体モジュールの配置平面において、上下左右対称に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記パワー半導体モジュールは、前記パワー半導体チップまたは前記ヒートスプレッダに接続されたリードとして、前記Ｐリード、前記相間リードおよび前記Ｎリードに加え、各相において、前記下アームの前記パワー半導体チップの前記ヒートスプレッダから交流電力を出力するＡＣリードと、前記上アームの前記パワー半導体チップの上面電極に接合し同じ相の前記下アームの前記ヒートスプレッダと接続しているインナーリードとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記パワー半導体モジュールは、モールド樹脂によって封止されていること特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記Ｐリード、前記Ｎリードおよび前記ＡＣリードが前記モールド樹脂の外に端部を露出させていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記Ｐリードおよび前記Ｎリードは、前記パワー半導体モジュールの両側からモールド樹脂の外に端部を露出させ、どちら側でも電源と接続できる構造を有することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
上アームを構成する前記パワー半導体チップに接合された前記ヒートスプレッダは、両側に前記相間リードまたは前記Ｐリードを有することを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記パワー半導体モジュールは、相ごとに分割された３つのパワー半導体モジュールで構成され、各相のパワー半導体モジュールの両側から露出した前記Ｐリードが他の相の前記Ｐリードと接合されて前記相間リードを成し、各相のパワー半導体モジュールの両側から露出した前記Ｎリードが他の相の前記Ｎリードと接合されて連結された前記Ｎリードを成すことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記パワー半導体モジュールの前記ヒートスプレッダは、セラミック基板上に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本願は、電力変換装置および電力変換装置の製造方法に関するものである。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
車載用のモーターを駆動する電力変換装置は、スイッチング可能なパワー半導体チップを組み合わせて構成される電力変換回路となるパワー半導体モジュール、電力変換回路を制御する制御回路、放熱用のヒートシンクなどから構成される。
電力変換装置は、バッテリー等の直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換して、回転電機に供給することで、回転電機を駆動している。制御回路は、電力変換回路へパワー半導体チップをスイッチングするための制御信号を送出し、パワー半導体チップをオン・オフさせて回転電機を駆動する電力を制御する。パワー半導体チップは、パワー半導体モジュール内部にリードに接合された状態で実装され、絶縁性の部材を介して放熱用のヒートシンクなどに接続される。
【０００３】
自動車に搭載される電力変換装置は、自動車の環境規制などを背景とした燃費効率の向上の要求が厳しく高出力化と小型、軽量化が求められる。その中でも、パワー半導体モジュールは、そのサイズによって金属を多量に使用するヒートシンクおよびバスバー配線などのサイズが決まるため、電力変換装置全体のサイズおよび重量に大きく影響する。そのため、パワー半導体モジュールには常に小型化が求められる。
【０００４】
一方、パワー半導体チップに電力が印加されて動作する際に、パワー半導体チップの表面近くのジャンクション部で発熱が生じ、パワー半導体チップの温度が上昇する。パワー半導体チップで生じた熱は、パワー半導体モジュールの配線部材および絶縁層などを通して、ヒートシンクに放出される。パワー半導体チップの温度が過度に上昇すると、パワー半導体チップの故障、およびパワー半導体チップに電力を伝達する配線部材との接合部の劣化等の原因となるため、パワー半導体チップは設計段階で決められた許容温度以下で動作させる必要がある。
【０００５】
また、パワー半導体モジュールの面積を小さくしつつ温度を抑える方法としては、パワー半導体チップで生じる発熱量を小さくすることが考えられる。パワー半導体チップの発熱は、導通損失とスイッチング損失に分けられる。導通損失はパワー半導体チップの性能と通電する電流の大きさによって主に決定される。一方、スイッチング損失はパワー半導体チップをオン・オフさせるときの電流と電圧の変化のさせ方で主に決まる損失であり、この損失にはパワー半導体チップのスイッチング速度が大きく影響する。スイッチング速度を早くするためには、パワー半導体チップをオン・オフさせるときに生じるサージ電圧を小さくする必要がある。また、このサージ電圧は、パワー半導体チップによって構成される電流の配線経路のインダクタンスが小さいほど小さくできる。結果として、パワー半導体モジュールの温度を抑えるためには、パワー半導体チップおよび接続される配線経路のインダクタンスを小さくすることが重要となる。
【０００６】
これらの理由から、小型、軽量、高出力の電力変換装置を得るためには、パワー半導体チップに発生する発熱量を小さくするように電流経路のインダクタンスを低減する必要がある。また、高い温度を示すパワー半導体チップが一部に集中しないように、電力変換回路を構成する複数のパワー半導体チップの温度を均等化する必要がある。
電力変換装置の小型、軽量化に向けて３相インバータ回路を搭載する構造について様々な検討がされている。３相インバータ回路を一つのパワー半導体モジュールに搭載することで、配線基板上に３相インバータ回路を実装して構成する場合に比べて、小型化が容易となる（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
この特許文献１に記載のパワー半導体モジュールは、一つのパワー半導体モジュールの中に６個のスイッチング可能なパワー半導体チップが搭載され、パワー半導体チップはパワー半導体モジュールの内部に設けられた４個のヒートスプレッダの上面に搭載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
特開２０１２－８９７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に示されるパワー半導体モジュールは、電気回路上の制約等によって、放熱部材として使用されるヒートスプレッダの形状が決定されており、３相インバータ回路の上アーム側の３個のパワー半導体チップが連結された１個のヒートスプレッダに搭載され、下アーム側の３個のパワー半導体チップが３個のヒートスプレッダにそれぞれ搭載されている。ヒートスプレッダの伝熱面積が異なるため、上アームと下アームでパワー半導体チップの温度がばらつく原因となっている。また、外部出力用のリードの配置などの制約で、パワー半導体モジュール内部のパワー半導体チップの配置は、上下左右に非対称であり、搭載位置に偏りがある構成となっている。この結果、温度がばらついた中で最も高い温度を示すパワー半導体チップを保護するために、電力変換装置の出力を制限することになり、所定の出力に対応しようとすると、パワー半導体チップおよびパワー半導体モジュールが大型化する原因になっている。
【００１０】
本願は、上記のような従来の課題を解消するためになされたものであり、パワー半導体モジュールにおける３相インバータ回路の電流経路のインダクタンスを低減してパワー半導体チップで生じる発熱を低減し、かつ、パワー半導体モジュールをパワー半導体チップの温度を均等化するように構成することより、小型軽量でありながら高出力化を実現する電力変換装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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