ブロック型電力モジュール及び電力変換装置
【課題】回路及び負荷の安定動作を実現させ得るブロック型電力モジュール及び電力変換装置を提供する。
【効果】窒化アルミ又はアルミナ等の金属セラミック基板をパワー素子用基板とすることにより、当該パワー素子用基板の板厚を厚くしても熱抵抗を抑えることができるので、本実施の形態に係るパワー素子用基板では、絶縁層とされる金属セラミック基板の板厚を適宜に厚くし、結合容量を低下させることが可能となる。即ち、かかる構成とされたパワー素子用基板では、結合容量の低下に応じて絶縁区間のインピーダンスが高くなるので、プリント配線とモータ側ブラケットとの間の絶縁が保障され、これにより、パワー素子用基板に実装された電気的素子の安定動作が実現される。
【効果】窒化アルミ又はアルミナ等の金属セラミック基板をパワー素子用基板とすることにより、当該パワー素子用基板の板厚を厚くしても熱抵抗を抑えることができるので、本実施の形態に係るパワー素子用基板では、絶縁層とされる金属セラミック基板の板厚を適宜に厚くし、結合容量を低下させることが可能となる。即ち、かかる構成とされたパワー素子用基板では、結合容量の低下に応じて絶縁区間のインピーダンスが高くなるので、プリント配線とモータ側ブラケットとの間の絶縁が保障され、これにより、パワー素子用基板に実装された電気的素子の安定動作が実現される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載用のブロック型電力モジュール及び電力変換装置に関し、特に、回路又は負荷の動作を安定化させる際に用いて好適のものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に係る種々の技術的要請を受け、プラグインハイブリッド自動車または電気自動車（以下、電気自動車等と呼ぶ）の技術開発が急速に進められている。かかる電気自動車等は、駆動輪の制御を行う動力用モータ、この他、燃料ポンプ又はパワーステアリング等の搭載装置に設けられる車載装置用モータ等を複数搭載させている。このうち、動力用モータには、大規模なバッテリユニット及びプラグイン充電装置が設けられる。そして、当該バッテリユニットは、プラグイン充電装置によって商用電力が充電電力に変換され、当該充電電力によって各々のユニットが蓄電される。尚、プラグイン充電装置は、車両にプラグインソケットが設けられ、当該プラグインソケットに家庭用コンセントが接続されることにより商用電力が入力される。一方、車載装置用モータ（パワーステアリング用モータ、パワーウィンドウ用モータ、フューエルモータ等）は、サブバッテリ及び降圧充電装置が設けられ、当該サブバッテリは、バッテリユニットの電力が降圧充電装置を介して蓄電される。これらの充電装置（特許請求の範囲における電力変換装置）は、入力された電力を変換させるパワースイッチング素子、パワースイッチング素子を駆動させるドライブ回路、入力電路を絶縁させるトランス回路を備え、当該トランス回路は、プラグイン充電装置の場合、家庭用コンセントと当該装置内の回路との絶縁が行われ、降圧用充電装置の場合、バッテリユニットと当該降圧用充電装置内の回路との絶縁が行われる。かかる充電装置は、人体に影響が出ないよう安全の確保のため確実な絶縁が要求される。また、プラグイン充電装置にあっては、近年、諸外国の安全規格などを準拠する為、絶縁規格に応じた回路構成が要求されている。
【０００３】
また、かかるＤＣ−ＤＣコンバータ充電装置は、上述の如く、ドライブ回路とパワースイッチング素子との間にスイッチングトランスを備え、当該スイッチングトランスを介して双方の絶縁が確保されている。パワースイッチング素子は、樹脂モールドでパッケージされたパワー素子パッケージが広く用いられ、当該パワー素子パッケージは、パッケージ内外において絶縁距離が確保されている。かかるパワー素子パッケージは、図２（ａ）に示す如く、各リードによって内蔵されるパワースイッチング素子との導通を取り、リードを介して所定のプリント基板と接続される。パワースイッチは、スイッチング時に於ける導通又は遷移損失により発熱を伴う為、電源装置を構成するケース側ヒートシンクに固定され、発生した熱量をケース側ヒートシンクへ放熱させる。当該ケース側ヒートシンクは、放熱効果の高いアルミの鋳造加工で製作され、更に放熱効果を高める為、冷却流体との接触面積を拡大するフィン構造等の工夫が施されている。
【０００４】
車載用の充電装置には、更に、ＰＦＣ回路が構成され、当該ＰＦＣ回路は、商用電源から供給される交流電力を直流電力へとへと変換させる。かかる回路は、交流電力をダイオードブリッジで全波整流し、フライバックコンバータにより電流入射角を拡大させ力率を改善し、これにより、直流変換を行なう。かかるＰＦＣ回路も先に述べたように、ケース側ヒートシンクに設置された回路であり、全波整流ダイオード、フライバックコンバータのパワースイッチング素子も同様に絶縁処理が必要となっている為、当該パワースイッチング素子の制御回路は、パワースイッチング素子から絶縁された回路構成が採用される。
【０００５】
車載用の充電装置は、パワースイッチング素子の入力端子（ドレイン端子）には入力電源とほぼ同電位の電圧（例えばＤＣ３００Ｖ〜１００Ｖ程度）が加わり、ソース端子には入力電源のマイナス側と同電位となっている。このため、プラグイン端子との接続端子における感電事故を防ぐため、適宜な絶縁処理が必要とされる。また、製品組立工程中または完成後に安全性の確認として耐圧試験が設けられている。併せて、交流電源は各国での安全規格（例えば北米であればＵＬ）に準拠した絶縁距離や安全回路の設置などが各々要求される。
【０００６】
例えば、特願２００９−１６８７１６号公報（特許文献１）では、パワー半導体素子を実装させたパワー素子用基板と、フレームの内部にパワー素子用基板を収容させたフレーム構造体と、パワー半導体素子に駆動信号を出力させるドライブ回路又は電路を経由してパワー半導体素子に電力を供給させる電力供給回路を実装させた電力系統プリント基板と、ドライブ回路を駆動させる制御基板とから構成されるブロック型電力モジュールであって、当該ブロック型電力モジュールは、パワー素子用基板と電力系統プリント基板と制御基板とが各々積層されることにより、占有面積の縮小化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願２００９−１６８７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、かかる技術のパワー素子用基板１１３は、図１０に示す如く、アルミ板などの導電性材料を基材１１３ｘとし、基材１１３ｘにエポキシ樹脂等の絶縁層１１３ｙを積層させ、当該絶縁層にプリント配線を積層させている。ここで、絶縁層１１３ｙでは、一方がプリント配線の電流によって所定の電位が与えられ、他方がグランドに接続されるので、両端に電荷が帯電することとなり、これにより、所定の結合容量が発生する。従って、結合容量が絶縁層の厚さに比例する性質を有する反面、かかる構造のパワー素子用基板では、パワー半導体ＰＷＴの熱量をヒートシンク３００へ放熱させるため、絶縁層１１３ｙを薄く積層させて熱抵抗を小さくしているので、当該絶縁層は、結合容量が上昇して絶縁機能が低下し、パワー素子用基板でのノイズの原因を招いている。また、かかる現象は、パワー半導体素子の駆動周波数が高い場合に顕著となる。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑み、回路及び負荷の安定動作を実現させ得るブロック型電力モジュール及び電力変換装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明では次のようなブロック型電力モジュールの構成とする。即ち、パワー半導体素子を実装させたパワー素子用基板と、外周壁を形成するフレームの内部に前記パワー素子用基板を収容させ前記フレームのうち少なくとも一辺の基板積層方向へ前記パワー半導体素子に導通された複数の端子を配列させたフレーム構造体と、前記パワー半導体素子に駆動信号を出力させるドライブ回路及び／又は電路を経由して前記パワー半導体素子に電力を供給させる電力供給回路を実装させた電力系統プリント基板とを備え、前記パワー素子用基板は、絶縁性を有する金属セラミック基板と前記金属セラミック基板に積層されたプリント配線とを含んでいることとする。
【００１１】
好ましくは、前記金属セラミック基板は、材質が窒化アルミ又はアルミナとされることとする。
【００１２】
また、本発明では次のような電力変換装置の構成としても良い。即ち、上述した発明の何れかに記載のブロック型電力モジュールが、複数組み込まれて構成されることとする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るブロック型電力モジュールによると、窒化アルミ又はアルミナ等の金属セラミック基板をパワー素子用基板とすることにより、当該パワー素子用基板の板厚を厚くしても熱抵抗を抑えることができるので、本実施の形態に係るパワー素子用基板では、絶縁層とされる金属セラミック基板の板厚を適宜に厚くし、結合容量を低下させることが可能となる。即ち、かかる構成とされたパワー素子用基板では、結合容量の低下に応じて絶縁区間のインピーダンスが高くなるので、プリント配線とモータ側ブラケットとの間の絶縁が保障され、これにより、パワー素子用基板に実装された電気的素子の安定動作が実現される。
【００１４】
また、かかるパワー素子用基板では、熱抵抗についても低値に設定されるため、これによっても、パワー半導体素子の安定動作が実現される。
【００１５】
更に、本発明に係る電力変換装置によると、各々のブロック型電力モジュールの動作が安定するので、当該装置によって駆動される装置の制御性能が改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係るフレーム構造体の構成を示す図。
【図２】ＰＦＣユニットの電力系統プリント基板の構成を示す図。
【図３】ＰＦＣユニットのブロック型電力モジュールの構成を示す図。
【図４】実施の形態に係るフレーム構造体の構成を示す図。
【図５】ＤＣ−ＤＣ変換ユニットの電力系統プリント基板の構成を示す図。
【図６】ＤＣ−ＤＣ変換ユニットのブロック型電力モジュールの構成を示す図。
【図７】実施の形態に係るブロック型電力モジュールの断面構造を示す図。
【図８】結合容量と周波数との関係を示す図。
【図９】本実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図。
【図１０】従来例に係るブロック型電力モジュールの断面構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して説明する。図１に示す如く、ＰＦＣ回路に係るフレーム構造体１１０は、複数のフレーム１１１によって構成され、当該フレーム１１１には、複数の端子１１２が配列されている。かかるフレーム構造体１１０は、図示の如く、複数のフレームによって空間１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃが形成され、空間１１１ａの内部には、パワー素子用基板１１３が収容されている。
【００１８】
図示の如く、フレーム１１１は、当該フレーム１１１を構成する面のうち基板積層方向へ対向する面（以下、基板当接面と呼ぶ）に複数の端子１１２ｂが配列される。複数の端子１１２ｂは、基板積層面に固定端を有し、当該固定端から基板積層方向へ直線的に延在支持されている。
【００１９】
複数の端子１１２ｂは、フレームのうち所定の第１のフレームに沿って直線状に１列配列されることとしても良い。これにより、図２で説明される電力系統プリント基板１２０を組付ける際、複数の端子１１２ｂが一列のみしか配列されてないので、当該電力系統プリント基板１２０を容易に組付けることが可能となる。また、かかる第１のフレームに沿って直線状に１列、且つ、当該第１のフレームに平行な第２のフレームへ沿って直線状に１列、配列されることとしても良い。かかる場合、１列目の端子１１１ｂを電力系統プリント基板へ挿入させた後、当該端子に曲げモーメントを与えることで２列目の端子１１１ｂが電力系統プリント基板１２０へ挿入され、当該組付け作業は容易に行なわれる。
【００２０】
この他、複数の端子１１２ｂは、図１に示す如く、フレームのうち所定の第１のフレームに沿って直線状に１列配列され、且つ、第１のフレームに平行な第２のフレームへ沿って直線状に１列配列され、且つ、第１のフレームに対して略直角に配置される第３フレームに沿って直線状に１列配列されることとしても良い。かかる場合にあっても、電力系統プリント基板１２０との組付け作業は容易に行なわれる。更に、パワー素子用基板１１３の全周（４辺）に複数の端子１１２ｂを配列させても良い。これによっても、平行な端子の列が２列以内とされるので、電力系統プリント基板１２０との組付け作業は容易に行なわれる。
【００２１】
これらの複数の端子１１２ｂは、フレーム長の範囲で配置位置が自由に選択されるので、積層される電力系統プリント基板１２０との関係において、適宜なポジションにレイアウトすることが可能となり、また、互いの端子間の沿面距離を確保することが容易となる。また、沿面距離またはプリント配線の都合上、フレーム長の範囲内に配置できる端子数が飽和してしまうと、図１に示す如く、リード端子を延長させ、他のフレーム１１１に端子１１２ｂをレイアウトさせることも可能である。
【００２２】
更に、図１を参照すると、フレーム構造体１１０には、固定部１１１ｄが複数形成されている。かかる固定部１１１ｄは、本実施の形態の場合、ボルト穴とされ、図示されないボルト及び被固定体の雌ネジによって、フレーム構造体１１０が図示されない被固定体に固定されることとなる。即ち、当該フレーム構造体１１０は、被固定体と着脱自在に固定されることとなり、これにより、フレーム構造体１１０を構成要素とするブロック型電力モジュールも、被固定体と着脱自在に固定されることとなる。
【００２３】
パワー素子用基板１１３は、図１に示す如く、金属セラミック基板（アルミナ、窒化アルミ等）上に絶縁層を形成させ、当該絶縁層の上層に銅箔等のプリント配線が積層されている。また、パワー素子用基板１１３は、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子１１３ｂ、ダイオードブリッジを構成する半導体ダイオード１１３ａ、この他の整流素子１１３ｃを実装させている。これらの半導体素子は、通過電流に応じて発熱し、これによって発生した熱量が金属セラミック基板を介して被固定体へと放熱される。尚、パワー半導体素子１１３ｂをはじめとする電気的素子１１３ａ〜１１３ｃは、図示の如く、端子１１２の露出面１１２ａと適宜にワイヤーボンディングされている。
【００２４】
パワー素子パッケージでは、パッケージに所定数の端子が設けられているのに対し、かかるパワー素子用基板では、パッケージの端子のような不要な端子が省略されるので、これに応じて、当該パワー素子用基板の実装密度が向上し、装置の小型化が図られる。
【００２５】
図２には、ＰＦＣ回路に係る電力系統プリント基板の構成が示されている。かかる電力系統プリント基板１２０は、電路を経由してパワー半導体素子１１３ｂに電力を供給させる電力供給回路を実装させている。具体的に説明すると、電力系統プリント基板１２０は、プリント配線を適宜に積層させた回路基板１２１と、コイル１２２〜１２４と、リレー装置１２５と、各部に電気的に接続される端子１２６ａ〜１２６ｅと、過電流発生時に回路を遮断させるヒューズ１２７と、適宜なコンデンサ１２８ａ〜１２８ｅと、サーミスタ１２９とから構成されている。そして、当該電力系統プリント基板１２０は、プリント配線によって電路を形成させ、パワー素子用基板１１３に実装されるパワー半導体素子１１３ｂ等と協働して、ＰＦＣ回路を構成させている。
【００２６】
電力系統プリント基板１２０は、複数の端子１１２に対応する端子用ホールＨｐが形成され、当該端子用ホールＨｐには、複数の端子１１２と導通される半田ランドが形成されている。そして、電力系統プリント基板１２０は、図３に示す如く、複数の端子１１２を端子用ホールＨｐに挿通させつつフレーム構造体１１０へ積層され、回路基板１２１にあってはビス止めされ、端子用ホールＨｐは複数の端子１１２と半田接続され、これにより、上述した構成の電力供給回路が複数の端子１１２を介してパワー半導体素子１１３ｂに導通されている。以下、フレーム構造体１１０と電力系統プリント基板１２０とから成る構成を、ＰＦＣ回路のブロック型電力モジュール１００と呼ぶ。
【００２７】
図４には、ＤＣ−ＤＣコンバ−タ回路に係るフレーム構造体２１０の構成が示されている。図示の如く、当該フレーム構造体２１０は、複数のフレーム２１１によって構成され、フレーム２１１には、複数の端子２１２が配列されている。かかるフレーム構造体２１０は、複数のフレームによって空間２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃが形成されている。このうち、空間２１１ａの内部には、Ｈブリッジ回路（パワー半導体素子によって構成される回路）を実装させたパワー素子用基板２１３が収容され、空間２１１ｂの内部には、パワー半導体素子２１４ａ及び整流素子２１４ｂ及びスナバ回路を構成するパワー素子用基板１１４が収容されている。尚、かかるフレーム構造体２１０の要素は、ＰＦＣコンバータのフレーム構造体１１０の要素と略同様であり、その説明を省略することとする。
【００２８】
図５には、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路に係る電力系統プリント基板の構成が示されている。かかる電力系統プリント基板２２０は、パワー半導体素子に駆動信号を出力させるドライブ回路（以下、スイッチングトランスと呼ぶ）と、電路を経由してパワー半導体素子２１３ａ，２１４ａに電力を供給させる電力供給回路を実装させている。具体的に説明すると、電力系統プリント基板２２０は、プリント配線を適宜に積層させた回路基板２２１と、コイル２２３〜２２４と、各部に電気的に接続される端子２２６ａ〜２２６ｉと、適宜なコンデンサ２２８ａ〜２２８ｃと、スイッチングトランス２２５ａ〜２２５ｃとから構成されている。そして、当該電力系統プリント基板２２０は、プリント配線によって電路を形成させ、パワー素子用基板１１３に実装されるパワー半導体素子１１３ｂ等と協働して、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を構成させている。また、スイッチングトランス２２５ａ〜２２５ｃを実装させ、当該スイッチングトランス２２５ａ〜２２５ｃから駆動信号が出力されることにより、Ｈブリッジ回路を適宜に駆動させる。尚、かかる電力系統プリント基板２２０の要素は、ＰＦＣのフレーム構造体２１０の要素と略同様であり、その説明を省略することとする。
【００２９】
電力系統プリント基板２２０は、複数の端子２１２に対応する端子用ホールＨｐが形成され、当該端子用ホールＨｐには、複数の端子２１２と導通される半田ランドが形成されている。そして、電力系統プリント基板２２０は、図６に示す如く、複数の端子２１２を端子用ホールＨｐに挿通させつつフレーム構造体２１０へ積層され、回路基板２２１にあってはビス止めされ、端子用ホールＨｐは複数の端子２１２と半田接続され、これにより、上述した構成の電力供給回路が複数の端子２１２を介してパワー半導体素子２１３ａ，２１４ａに各々導通されている。以下、フレーム構造体２１０と電力系統プリント基板２２０とから成る構成を、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路のブロック型電力モジュール２００と呼ぶ。
【００３０】
図７は、本実施の形態に係るパワー素子用基板の積層構造が示されている。尚、同図ではＰＦＣ用のモジュールの拡大図が示されているが、ＤＣ−ＤＣコンバータのモジュールにあっても同様の積層構造を呈している。パワー素子用基板１１３は、図示の如く、金属セラミック基板１１３ｂとプリント配線ＰＲＬとから構成され、更に、金属セラミック基板１１３ｂの下層に銅のメッキ層１１３ａが積層されている。このうち、金属セラミック基板１１３ｂは、アルミナ又は窒化アルミ等が用いられ、この他、熱伝導率の高いセラミック製の基板が用いられる。金属セラミック基板１１３ｂは、絶縁層を形成させる材質であるが、熱伝導率が高いため、エポキシ層の板厚と比較すると厚い板厚ｔ２（＞ｔ１）に設定することが可能である。尚、プリント配線ＰＲＬは、適宜な配線パターンに形成され、金属セラミック基板１１３ｂに積層される。
【００３１】
プリント配線ＰＲＬには、半田層ｓを介してパワー半導体素子ＰＷＬが積層され、当該パワー半導体素子ＰＷＬには、ボンディングワイヤが適宜に接続される。
【００３２】
更に、金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板１１３は、高伝熱性の接着剤ｇを介して筐体側ヒートシンク３００に積層される。かかる高伝熱性の接着剤ｇは、放熱性グリス、樹脂製接着剤等の熱伝導率の高い材質が用いられる。
【００３３】
金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板１１３にあっては、金属セラミック基板１１３ｂの熱伝導率が高いため、金属セラミック基板１１３の熱抵抗は、当該金属セラミック基板の板厚ｔ２を厚く設定しても、所定の範囲であれば当該熱抵抗を低値に抑えることが可能とされる。
【００３４】
尚、かかる絶縁層では、一方がプリント配線の電流によって所定の電位が与えられ、他方がグランドに接続されるので、両端に電荷が帯電することとなり、これにより、所定の結合容量が発生する。そして、かかる結合容量は、絶縁層の層間距離に反比例する値をとる。
【００３５】
図８は、絶縁層に生じるインピーダンスに係る周波数特性が示されている。尚、同図には、エポキシ層による絶縁層の周波数特性が曲線Ｃｒｖ１で示され、金属セラミック基板による絶縁層の周波数特性が曲線Ｃｒｖ２で示されている。また、周波数帯ｆ１は、本実施の形態にあっては１０００ｋＨｚを想定しており、パワー半導体素子ＰＷＴの駆動周波数が示されている。
【００３６】
エポキシ樹脂を積層させた従来のパワー素子用基板は、エポキシ樹脂の板厚ｔ１が薄く形成されるので（図１０参照）、絶縁層の層間距離が少なくなり、結合容量Ｃ１は大きくなる。そして、曲線Ｃｒｖ１では、結合容量Ｃ１が大きくなると、極小値が高周波数側へシフトするため、インピーダンスが減少し、エポキシ樹脂による絶縁機能が低下することを示している。従って、エポキシ樹脂を積層させたパワー素子用基板では、プリント配線ＰＲＬから筐体側ヒートシンク３００に電流が漏れ、パワー半導体素子ＰＷＴの動作が不安定となる。
【００３７】
これに対し、本実施の形態に係る金属セラミック基板１１３ｂの板厚ｔ２は、熱抵抗が低いので、エポキシ樹脂の板厚ｔ１よりも厚くすることが可能である。この場合、金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板は、金属セラミック基板１１３ｂの板厚ｔ２がエポキシ樹脂の板厚ｔ１よりも厚く形成させると、絶縁層の層間距離が長くなり、この場合の結合容量Ｃ２は小さくなる。そして、曲線Ｃｒｖ２を参照すると（図８参照）、結合容量がＣ２からＣ１へ小さくなるに応じて、極小値が低周波数側へシフトされ、これにより、周波数帯ｆ１でのインピーダンスが上昇し、金属セラミック基板による絶縁機能が向上することが理解できる。従って、金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板では、プリント配線ＰＲＬと筐体側ヒートシンク３００との絶縁が保障され、パワー半導体素子ＰＷＴの動作が安定する。
【００３８】
上述の如く、窒化アルミ又はアルミナ等の金属セラミック基板をパワー素子用基板として用いると、当該パワー素子用基板の板厚を厚くしても熱抵抗を抑えることができるので、本実施の形態に係るパワー素子用基板では、絶縁層とされる金属セラミック基板の板厚を適宜に厚くし、結合容量を低下させることが可能となる。即ち、かかる構成とされたパワー素子用基板では、結合容量の低下に応じて絶縁区間のインピーダンスが高くなるので、プリント配線とモータ側ブラケットとの間の絶縁が保障され、これにより、パワー素子用基板に実装された電気的素子の安定動作が実現される。
【００３９】
また、かかるパワー素子用基板では、熱抵抗についても低値に設定されるため、これによっても、パワー半導体素子の安定動作が実現される。
【００４０】
図９には、本実施の形態に係る電力変換装置の構成が示されている。かかる電力変換装置１０００は、図示の如く、ＰＦＣ回路のブロック型電力モジュール１００と、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路のブロック型電力モジュール２００と、筐体側ヒートシンク３００（特許請求の範囲における被固定体）と、制御基板４００と、トランス及び平滑コンデンサを具備する大型素子アセンブリ５００とから構成されている。尚、ＰＦＣ回路のブロック型電力モジュール１００及びＤＣ−ＤＣコンバータ回路のブロック型電力モジュール２００については、上述した構成とされる。
【００４１】
筐体側ヒートシンク３００は、アルミダイキャスト等の放熱性の高い材質から形成され、放熱面積を向上させるフィン３０１と、電力及び信号の入出力を行なう入出力端子３０２と、車体の所定箇所に固定させるブラケット３０３ａ〜３０３ｄと、図示されないケースを固定させるボルト穴３０４と、複数本の支柱３０５とが形成されている。このうち、入出力端子３０２は、信号及び電力を供給させる配線と接続され、ブロック型電力モジュール１００及びＤＣ−ＤＣコンバータ回路のブロック型電力モジュール２００の各々に、プラグイン端子を介して商用電力が供給させ、この他、ＥＣＵ等から適宜な信号を入力させる。また、筐体側ヒートシンク３００のうち、ブロック型電力モジュールを搭載させる面は、略水平面を呈しており、当該水平面に雌ネジが適宜に形成され、雄ネジ及びボルトを用いてケース構造体を固定させる。尚、かかる筐体側ヒートシンク３００は、グランドにアースされている。
【００４２】
シールド基板４０６は、複数の支柱３０５によって支持されている。かかるシール基板４０６は、筐体側ヒートシンク３００と供にグランドへアースされている。
【００４３】
制御基板４００は、電力系統プリント基板１２０の上層側に配置され、スイッチングトランス２２５ａ〜２２５ｄ又は上述した双方の基板１２１，２２１の電力供給回路を制御させる回路を実装させている。
【００４４】
ここで、入力電源から電力を変換するスイッチングトランス及びパワースイッチング素子は、出力が１ＫＷ以上の電源に関してはフルブリッジ回路が広く用いられる。フルブリッジ回路は、一般的にＰＷＭ制御でパワースイッチを駆動する為、スイッチングを行う専用ＩＣやＣＰＵで制御が行われる。このパワースイッチング素子を制御する制御基板４００は、商用電源よりも電圧値の低い車載バッテリから電力が供給される。そのため、パワースイッチング素子の信号入力端子（ゲート端子）は、スイッチングトランスによって制御基板と絶縁されている。そして、本実施の形態に係る制御基板４００にあっては、著しく発熱はせず、また、近年部品の小型化が進み、片面プリント基板または両面プリント基板に実装させることが可能とされる。即ち、かかる制御基板４００は、ブロック型電力モジュールの電力系統プリント基板から独立させた方が、より効果的に小型化を実現させることが可能となる。また、ブロック型電力モジュールの電力系統プリント基板にあっても、制御基板４００に実装される回路を排除させた方が、ＣＰＵ等を電気的に保護する対策（例えば、沿面距離の確保等）を施す必要が無くなるので、基板の小型化に寄与することとなる。
【００４５】
制御基板４００は、シールド基板４０６又は支柱３０５にビス止めされ、且つ、着脱可能なハーネスを介して電力系統プリント基板１１０，２１０に接続されているので、電力変換装置１０００からの着脱が可能とされる。かかるハーネスは、少なくとも一端が着脱可能な構造を有していれば足りる。
【００４６】
本実施の形態に係る電力変換装置１０００では、各々のブロック型電力モジュールの動作が安定するので、当該装置によって駆動される装置の制御性能が改善される。
【符号の説明】
【００４７】
１０００ 電力変換装置
１００ ＰＦＣ回路のブロック型電力モジュール
１１０ フレーム構造体
１１３ パワー素子用基板
１２０ 電力系プリント基板
２００ ＤＣ−ＤＣコンバータ回路のブロック型電力モジュール
２１０ フレーム構造体
２１３ パワー素子用基板
２２０ 電力系プリント基板
３００ 被固定体（筐体側ヒートシンク）
４００ 制御基板
５００ 大型素子アセンブリ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載用のブロック型電力モジュール及び電力変換装置に関し、特に、回路又は負荷の動作を安定化させる際に用いて好適のものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に係る種々の技術的要請を受け、プラグインハイブリッド自動車または電気自動車（以下、電気自動車等と呼ぶ）の技術開発が急速に進められている。かかる電気自動車等は、駆動輪の制御を行う動力用モータ、この他、燃料ポンプ又はパワーステアリング等の搭載装置に設けられる車載装置用モータ等を複数搭載させている。このうち、動力用モータには、大規模なバッテリユニット及びプラグイン充電装置が設けられる。そして、当該バッテリユニットは、プラグイン充電装置によって商用電力が充電電力に変換され、当該充電電力によって各々のユニットが蓄電される。尚、プラグイン充電装置は、車両にプラグインソケットが設けられ、当該プラグインソケットに家庭用コンセントが接続されることにより商用電力が入力される。一方、車載装置用モータ（パワーステアリング用モータ、パワーウィンドウ用モータ、フューエルモータ等）は、サブバッテリ及び降圧充電装置が設けられ、当該サブバッテリは、バッテリユニットの電力が降圧充電装置を介して蓄電される。これらの充電装置（特許請求の範囲における電力変換装置）は、入力された電力を変換させるパワースイッチング素子、パワースイッチング素子を駆動させるドライブ回路、入力電路を絶縁させるトランス回路を備え、当該トランス回路は、プラグイン充電装置の場合、家庭用コンセントと当該装置内の回路との絶縁が行われ、降圧用充電装置の場合、バッテリユニットと当該降圧用充電装置内の回路との絶縁が行われる。かかる充電装置は、人体に影響が出ないよう安全の確保のため確実な絶縁が要求される。また、プラグイン充電装置にあっては、近年、諸外国の安全規格などを準拠する為、絶縁規格に応じた回路構成が要求されている。
【０００３】
また、かかるＤＣ−ＤＣコンバータ充電装置は、上述の如く、ドライブ回路とパワースイッチング素子との間にスイッチングトランスを備え、当該スイッチングトランスを介して双方の絶縁が確保されている。パワースイッチング素子は、樹脂モールドでパッケージされたパワー素子パッケージが広く用いられ、当該パワー素子パッケージは、パッケージ内外において絶縁距離が確保されている。かかるパワー素子パッケージは、図２（ａ）に示す如く、各リードによって内蔵されるパワースイッチング素子との導通を取り、リードを介して所定のプリント基板と接続される。パワースイッチは、スイッチング時に於ける導通又は遷移損失により発熱を伴う為、電源装置を構成するケース側ヒートシンクに固定され、発生した熱量をケース側ヒートシンクへ放熱させる。当該ケース側ヒートシンクは、放熱効果の高いアルミの鋳造加工で製作され、更に放熱効果を高める為、冷却流体との接触面積を拡大するフィン構造等の工夫が施されている。
【０００４】
車載用の充電装置には、更に、ＰＦＣ回路が構成され、当該ＰＦＣ回路は、商用電源から供給される交流電力を直流電力へとへと変換させる。かかる回路は、交流電力をダイオードブリッジで全波整流し、フライバックコンバータにより電流入射角を拡大させ力率を改善し、これにより、直流変換を行なう。かかるＰＦＣ回路も先に述べたように、ケース側ヒートシンクに設置された回路であり、全波整流ダイオード、フライバックコンバータのパワースイッチング素子も同様に絶縁処理が必要となっている為、当該パワースイッチング素子の制御回路は、パワースイッチング素子から絶縁された回路構成が採用される。
【０００５】
車載用の充電装置は、パワースイッチング素子の入力端子（ドレイン端子）には入力電源とほぼ同電位の電圧（例えばＤＣ３００Ｖ〜１００Ｖ程度）が加わり、ソース端子には入力電源のマイナス側と同電位となっている。このため、プラグイン端子との接続端子における感電事故を防ぐため、適宜な絶縁処理が必要とされる。また、製品組立工程中または完成後に安全性の確認として耐圧試験が設けられている。併せて、交流電源は各国での安全規格（例えば北米であればＵＬ）に準拠した絶縁距離や安全回路の設置などが各々要求される。
【０００６】
例えば、特願２００９−１６８７１６号公報（特許文献１）では、パワー半導体素子を実装させたパワー素子用基板と、フレームの内部にパワー素子用基板を収容させたフレーム構造体と、パワー半導体素子に駆動信号を出力させるドライブ回路又は電路を経由してパワー半導体素子に電力を供給させる電力供給回路を実装させた電力系統プリント基板と、ドライブ回路を駆動させる制御基板とから構成されるブロック型電力モジュールであって、当該ブロック型電力モジュールは、パワー素子用基板と電力系統プリント基板と制御基板とが各々積層されることにより、占有面積の縮小化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願２００９−１６８７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般に、かかる技術のパワー素子用基板１１３は、図１０に示す如く、アルミ板などの導電性材料を基材１１３ｘとし、基材１１３ｘにエポキシ樹脂等の絶縁層１１３ｙを積層させ、当該絶縁層にプリント配線を積層させている。ここで、絶縁層１１３ｙでは、一方がプリント配線の電流によって所定の電位が与えられ、他方がグランドに接続されるので、両端に電荷が帯電することとなり、これにより、所定の結合容量が発生する。従って、結合容量が絶縁層の厚さに比例する性質を有する反面、かかる構造のパワー素子用基板では、パワー半導体ＰＷＴの熱量をヒートシンク３００へ放熱させるため、絶縁層１１３ｙを薄く積層させて熱抵抗を小さくしているので、当該絶縁層は、結合容量が上昇して絶縁機能が低下し、パワー素子用基板でのノイズの原因を招いている。また、かかる現象は、パワー半導体素子の駆動周波数が高い場合に顕著となる。
【０００９】
本発明は上記課題に鑑み、回路及び負荷の安定動作を実現させ得るブロック型電力モジュール及び電力変換装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明では次のようなブロック型電力モジュールの構成とする。即ち、パワー半導体素子を実装させたパワー素子用基板と、外周壁を形成するフレームの内部に前記パワー素子用基板を収容させ前記フレームのうち少なくとも一辺の基板積層方向へ前記パワー半導体素子に導通された複数の端子を配列させたフレーム構造体と、前記パワー半導体素子に駆動信号を出力させるドライブ回路及び／又は電路を経由して前記パワー半導体素子に電力を供給させる電力供給回路を実装させた電力系統プリント基板とを備え、前記パワー素子用基板は、絶縁性を有する金属セラミック基板と前記金属セラミック基板に積層されたプリント配線とを含んでいることとする。
【００１１】
好ましくは、前記金属セラミック基板は、材質が窒化アルミ又はアルミナとされることとする。
【００１２】
また、本発明では次のような電力変換装置の構成としても良い。即ち、上述した発明の何れかに記載のブロック型電力モジュールが、複数組み込まれて構成されることとする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るブロック型電力モジュールによると、窒化アルミ又はアルミナ等の金属セラミック基板をパワー素子用基板とすることにより、当該パワー素子用基板の板厚を厚くしても熱抵抗を抑えることができるので、本実施の形態に係るパワー素子用基板では、絶縁層とされる金属セラミック基板の板厚を適宜に厚くし、結合容量を低下させることが可能となる。即ち、かかる構成とされたパワー素子用基板では、結合容量の低下に応じて絶縁区間のインピーダンスが高くなるので、プリント配線とモータ側ブラケットとの間の絶縁が保障され、これにより、パワー素子用基板に実装された電気的素子の安定動作が実現される。
【００１４】
また、かかるパワー素子用基板では、熱抵抗についても低値に設定されるため、これによっても、パワー半導体素子の安定動作が実現される。
【００１５】
更に、本発明に係る電力変換装置によると、各々のブロック型電力モジュールの動作が安定するので、当該装置によって駆動される装置の制御性能が改善される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施の形態に係るフレーム構造体の構成を示す図。
【図２】ＰＦＣユニットの電力系統プリント基板の構成を示す図。
【図３】ＰＦＣユニットのブロック型電力モジュールの構成を示す図。
【図４】実施の形態に係るフレーム構造体の構成を示す図。
【図５】ＤＣ−ＤＣ変換ユニットの電力系統プリント基板の構成を示す図。
【図６】ＤＣ−ＤＣ変換ユニットのブロック型電力モジュールの構成を示す図。
【図７】実施の形態に係るブロック型電力モジュールの断面構造を示す図。
【図８】結合容量と周波数との関係を示す図。
【図９】本実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図。
【図１０】従来例に係るブロック型電力モジュールの断面構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る実施の形態につき図面を参照して説明する。図１に示す如く、ＰＦＣ回路に係るフレーム構造体１１０は、複数のフレーム１１１によって構成され、当該フレーム１１１には、複数の端子１１２が配列されている。かかるフレーム構造体１１０は、図示の如く、複数のフレームによって空間１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃが形成され、空間１１１ａの内部には、パワー素子用基板１１３が収容されている。
【００１８】
図示の如く、フレーム１１１は、当該フレーム１１１を構成する面のうち基板積層方向へ対向する面（以下、基板当接面と呼ぶ）に複数の端子１１２ｂが配列される。複数の端子１１２ｂは、基板積層面に固定端を有し、当該固定端から基板積層方向へ直線的に延在支持されている。
【００１９】
複数の端子１１２ｂは、フレームのうち所定の第１のフレームに沿って直線状に１列配列されることとしても良い。これにより、図２で説明される電力系統プリント基板１２０を組付ける際、複数の端子１１２ｂが一列のみしか配列されてないので、当該電力系統プリント基板１２０を容易に組付けることが可能となる。また、かかる第１のフレームに沿って直線状に１列、且つ、当該第１のフレームに平行な第２のフレームへ沿って直線状に１列、配列されることとしても良い。かかる場合、１列目の端子１１１ｂを電力系統プリント基板へ挿入させた後、当該端子に曲げモーメントを与えることで２列目の端子１１１ｂが電力系統プリント基板１２０へ挿入され、当該組付け作業は容易に行なわれる。
【００２０】
この他、複数の端子１１２ｂは、図１に示す如く、フレームのうち所定の第１のフレームに沿って直線状に１列配列され、且つ、第１のフレームに平行な第２のフレームへ沿って直線状に１列配列され、且つ、第１のフレームに対して略直角に配置される第３フレームに沿って直線状に１列配列されることとしても良い。かかる場合にあっても、電力系統プリント基板１２０との組付け作業は容易に行なわれる。更に、パワー素子用基板１１３の全周（４辺）に複数の端子１１２ｂを配列させても良い。これによっても、平行な端子の列が２列以内とされるので、電力系統プリント基板１２０との組付け作業は容易に行なわれる。
【００２１】
これらの複数の端子１１２ｂは、フレーム長の範囲で配置位置が自由に選択されるので、積層される電力系統プリント基板１２０との関係において、適宜なポジションにレイアウトすることが可能となり、また、互いの端子間の沿面距離を確保することが容易となる。また、沿面距離またはプリント配線の都合上、フレーム長の範囲内に配置できる端子数が飽和してしまうと、図１に示す如く、リード端子を延長させ、他のフレーム１１１に端子１１２ｂをレイアウトさせることも可能である。
【００２２】
更に、図１を参照すると、フレーム構造体１１０には、固定部１１１ｄが複数形成されている。かかる固定部１１１ｄは、本実施の形態の場合、ボルト穴とされ、図示されないボルト及び被固定体の雌ネジによって、フレーム構造体１１０が図示されない被固定体に固定されることとなる。即ち、当該フレーム構造体１１０は、被固定体と着脱自在に固定されることとなり、これにより、フレーム構造体１１０を構成要素とするブロック型電力モジュールも、被固定体と着脱自在に固定されることとなる。
【００２３】
パワー素子用基板１１３は、図１に示す如く、金属セラミック基板（アルミナ、窒化アルミ等）上に絶縁層を形成させ、当該絶縁層の上層に銅箔等のプリント配線が積層されている。また、パワー素子用基板１１３は、ＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子１１３ｂ、ダイオードブリッジを構成する半導体ダイオード１１３ａ、この他の整流素子１１３ｃを実装させている。これらの半導体素子は、通過電流に応じて発熱し、これによって発生した熱量が金属セラミック基板を介して被固定体へと放熱される。尚、パワー半導体素子１１３ｂをはじめとする電気的素子１１３ａ〜１１３ｃは、図示の如く、端子１１２の露出面１１２ａと適宜にワイヤーボンディングされている。
【００２４】
パワー素子パッケージでは、パッケージに所定数の端子が設けられているのに対し、かかるパワー素子用基板では、パッケージの端子のような不要な端子が省略されるので、これに応じて、当該パワー素子用基板の実装密度が向上し、装置の小型化が図られる。
【００２５】
図２には、ＰＦＣ回路に係る電力系統プリント基板の構成が示されている。かかる電力系統プリント基板１２０は、電路を経由してパワー半導体素子１１３ｂに電力を供給させる電力供給回路を実装させている。具体的に説明すると、電力系統プリント基板１２０は、プリント配線を適宜に積層させた回路基板１２１と、コイル１２２〜１２４と、リレー装置１２５と、各部に電気的に接続される端子１２６ａ〜１２６ｅと、過電流発生時に回路を遮断させるヒューズ１２７と、適宜なコンデンサ１２８ａ〜１２８ｅと、サーミスタ１２９とから構成されている。そして、当該電力系統プリント基板１２０は、プリント配線によって電路を形成させ、パワー素子用基板１１３に実装されるパワー半導体素子１１３ｂ等と協働して、ＰＦＣ回路を構成させている。
【００２６】
電力系統プリント基板１２０は、複数の端子１１２に対応する端子用ホールＨｐが形成され、当該端子用ホールＨｐには、複数の端子１１２と導通される半田ランドが形成されている。そして、電力系統プリント基板１２０は、図３に示す如く、複数の端子１１２を端子用ホールＨｐに挿通させつつフレーム構造体１１０へ積層され、回路基板１２１にあってはビス止めされ、端子用ホールＨｐは複数の端子１１２と半田接続され、これにより、上述した構成の電力供給回路が複数の端子１１２を介してパワー半導体素子１１３ｂに導通されている。以下、フレーム構造体１１０と電力系統プリント基板１２０とから成る構成を、ＰＦＣ回路のブロック型電力モジュール１００と呼ぶ。
【００２７】
図４には、ＤＣ−ＤＣコンバ−タ回路に係るフレーム構造体２１０の構成が示されている。図示の如く、当該フレーム構造体２１０は、複数のフレーム２１１によって構成され、フレーム２１１には、複数の端子２１２が配列されている。かかるフレーム構造体２１０は、複数のフレームによって空間２１１ａ，２１１ｂ，２１１ｃが形成されている。このうち、空間２１１ａの内部には、Ｈブリッジ回路（パワー半導体素子によって構成される回路）を実装させたパワー素子用基板２１３が収容され、空間２１１ｂの内部には、パワー半導体素子２１４ａ及び整流素子２１４ｂ及びスナバ回路を構成するパワー素子用基板１１４が収容されている。尚、かかるフレーム構造体２１０の要素は、ＰＦＣコンバータのフレーム構造体１１０の要素と略同様であり、その説明を省略することとする。
【００２８】
図５には、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路に係る電力系統プリント基板の構成が示されている。かかる電力系統プリント基板２２０は、パワー半導体素子に駆動信号を出力させるドライブ回路（以下、スイッチングトランスと呼ぶ）と、電路を経由してパワー半導体素子２１３ａ，２１４ａに電力を供給させる電力供給回路を実装させている。具体的に説明すると、電力系統プリント基板２２０は、プリント配線を適宜に積層させた回路基板２２１と、コイル２２３〜２２４と、各部に電気的に接続される端子２２６ａ〜２２６ｉと、適宜なコンデンサ２２８ａ〜２２８ｃと、スイッチングトランス２２５ａ〜２２５ｃとから構成されている。そして、当該電力系統プリント基板２２０は、プリント配線によって電路を形成させ、パワー素子用基板１１３に実装されるパワー半導体素子１１３ｂ等と協働して、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を構成させている。また、スイッチングトランス２２５ａ〜２２５ｃを実装させ、当該スイッチングトランス２２５ａ〜２２５ｃから駆動信号が出力されることにより、Ｈブリッジ回路を適宜に駆動させる。尚、かかる電力系統プリント基板２２０の要素は、ＰＦＣのフレーム構造体２１０の要素と略同様であり、その説明を省略することとする。
【００２９】
電力系統プリント基板２２０は、複数の端子２１２に対応する端子用ホールＨｐが形成され、当該端子用ホールＨｐには、複数の端子２１２と導通される半田ランドが形成されている。そして、電力系統プリント基板２２０は、図６に示す如く、複数の端子２１２を端子用ホールＨｐに挿通させつつフレーム構造体２１０へ積層され、回路基板２２１にあってはビス止めされ、端子用ホールＨｐは複数の端子２１２と半田接続され、これにより、上述した構成の電力供給回路が複数の端子２１２を介してパワー半導体素子２１３ａ，２１４ａに各々導通されている。以下、フレーム構造体２１０と電力系統プリント基板２２０とから成る構成を、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路のブロック型電力モジュール２００と呼ぶ。
【００３０】
図７は、本実施の形態に係るパワー素子用基板の積層構造が示されている。尚、同図ではＰＦＣ用のモジュールの拡大図が示されているが、ＤＣ−ＤＣコンバータのモジュールにあっても同様の積層構造を呈している。パワー素子用基板１１３は、図示の如く、金属セラミック基板１１３ｂとプリント配線ＰＲＬとから構成され、更に、金属セラミック基板１１３ｂの下層に銅のメッキ層１１３ａが積層されている。このうち、金属セラミック基板１１３ｂは、アルミナ又は窒化アルミ等が用いられ、この他、熱伝導率の高いセラミック製の基板が用いられる。金属セラミック基板１１３ｂは、絶縁層を形成させる材質であるが、熱伝導率が高いため、エポキシ層の板厚と比較すると厚い板厚ｔ２（＞ｔ１）に設定することが可能である。尚、プリント配線ＰＲＬは、適宜な配線パターンに形成され、金属セラミック基板１１３ｂに積層される。
【００３１】
プリント配線ＰＲＬには、半田層ｓを介してパワー半導体素子ＰＷＬが積層され、当該パワー半導体素子ＰＷＬには、ボンディングワイヤが適宜に接続される。
【００３２】
更に、金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板１１３は、高伝熱性の接着剤ｇを介して筐体側ヒートシンク３００に積層される。かかる高伝熱性の接着剤ｇは、放熱性グリス、樹脂製接着剤等の熱伝導率の高い材質が用いられる。
【００３３】
金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板１１３にあっては、金属セラミック基板１１３ｂの熱伝導率が高いため、金属セラミック基板１１３の熱抵抗は、当該金属セラミック基板の板厚ｔ２を厚く設定しても、所定の範囲であれば当該熱抵抗を低値に抑えることが可能とされる。
【００３４】
尚、かかる絶縁層では、一方がプリント配線の電流によって所定の電位が与えられ、他方がグランドに接続されるので、両端に電荷が帯電することとなり、これにより、所定の結合容量が発生する。そして、かかる結合容量は、絶縁層の層間距離に反比例する値をとる。
【００３５】
図８は、絶縁層に生じるインピーダンスに係る周波数特性が示されている。尚、同図には、エポキシ層による絶縁層の周波数特性が曲線Ｃｒｖ１で示され、金属セラミック基板による絶縁層の周波数特性が曲線Ｃｒｖ２で示されている。また、周波数帯ｆ１は、本実施の形態にあっては１０００ｋＨｚを想定しており、パワー半導体素子ＰＷＴの駆動周波数が示されている。
【００３６】
エポキシ樹脂を積層させた従来のパワー素子用基板は、エポキシ樹脂の板厚ｔ１が薄く形成されるので（図１０参照）、絶縁層の層間距離が少なくなり、結合容量Ｃ１は大きくなる。そして、曲線Ｃｒｖ１では、結合容量Ｃ１が大きくなると、極小値が高周波数側へシフトするため、インピーダンスが減少し、エポキシ樹脂による絶縁機能が低下することを示している。従って、エポキシ樹脂を積層させたパワー素子用基板では、プリント配線ＰＲＬから筐体側ヒートシンク３００に電流が漏れ、パワー半導体素子ＰＷＴの動作が不安定となる。
【００３７】
これに対し、本実施の形態に係る金属セラミック基板１１３ｂの板厚ｔ２は、熱抵抗が低いので、エポキシ樹脂の板厚ｔ１よりも厚くすることが可能である。この場合、金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板は、金属セラミック基板１１３ｂの板厚ｔ２がエポキシ樹脂の板厚ｔ１よりも厚く形成させると、絶縁層の層間距離が長くなり、この場合の結合容量Ｃ２は小さくなる。そして、曲線Ｃｒｖ２を参照すると（図８参照）、結合容量がＣ２からＣ１へ小さくなるに応じて、極小値が低周波数側へシフトされ、これにより、周波数帯ｆ１でのインピーダンスが上昇し、金属セラミック基板による絶縁機能が向上することが理解できる。従って、金属セラミック基板を用いたパワー素子用基板では、プリント配線ＰＲＬと筐体側ヒートシンク３００との絶縁が保障され、パワー半導体素子ＰＷＴの動作が安定する。
【００３８】
上述の如く、窒化アルミ又はアルミナ等の金属セラミック基板をパワー素子用基板として用いると、当該パワー素子用基板の板厚を厚くしても熱抵抗を抑えることができるので、本実施の形態に係るパワー素子用基板では、絶縁層とされる金属セラミック基板の板厚を適宜に厚くし、結合容量を低下させることが可能となる。即ち、かかる構成とされたパワー素子用基板では、結合容量の低下に応じて絶縁区間のインピーダンスが高くなるので、プリント配線とモータ側ブラケットとの間の絶縁が保障され、これにより、パワー素子用基板に実装された電気的素子の安定動作が実現される。
【００３９】
また、かかるパワー素子用基板では、熱抵抗についても低値に設定されるため、これによっても、パワー半導体素子の安定動作が実現される。
【００４０】
図９には、本実施の形態に係る電力変換装置の構成が示されている。かかる電力変換装置１０００は、図示の如く、ＰＦＣ回路のブロック型電力モジュール１００と、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路のブロック型電力モジュール２００と、筐体側ヒートシンク３００（特許請求の範囲における被固定体）と、制御基板４００と、トランス及び平滑コンデンサを具備する大型素子アセンブリ５００とから構成されている。尚、ＰＦＣ回路のブロック型電力モジュール１００及びＤＣ−ＤＣコンバータ回路のブロック型電力モジュール２００については、上述した構成とされる。
【００４１】
筐体側ヒートシンク３００は、アルミダイキャスト等の放熱性の高い材質から形成され、放熱面積を向上させるフィン３０１と、電力及び信号の入出力を行なう入出力端子３０２と、車体の所定箇所に固定させるブラケット３０３ａ〜３０３ｄと、図示されないケースを固定させるボルト穴３０４と、複数本の支柱３０５とが形成されている。このうち、入出力端子３０２は、信号及び電力を供給させる配線と接続され、ブロック型電力モジュール１００及びＤＣ−ＤＣコンバータ回路のブロック型電力モジュール２００の各々に、プラグイン端子を介して商用電力が供給させ、この他、ＥＣＵ等から適宜な信号を入力させる。また、筐体側ヒートシンク３００のうち、ブロック型電力モジュールを搭載させる面は、略水平面を呈しており、当該水平面に雌ネジが適宜に形成され、雄ネジ及びボルトを用いてケース構造体を固定させる。尚、かかる筐体側ヒートシンク３００は、グランドにアースされている。
【００４２】
シールド基板４０６は、複数の支柱３０５によって支持されている。かかるシール基板４０６は、筐体側ヒートシンク３００と供にグランドへアースされている。
【００４３】
制御基板４００は、電力系統プリント基板１２０の上層側に配置され、スイッチングトランス２２５ａ〜２２５ｄ又は上述した双方の基板１２１，２２１の電力供給回路を制御させる回路を実装させている。
【００４４】
ここで、入力電源から電力を変換するスイッチングトランス及びパワースイッチング素子は、出力が１ＫＷ以上の電源に関してはフルブリッジ回路が広く用いられる。フルブリッジ回路は、一般的にＰＷＭ制御でパワースイッチを駆動する為、スイッチングを行う専用ＩＣやＣＰＵで制御が行われる。このパワースイッチング素子を制御する制御基板４００は、商用電源よりも電圧値の低い車載バッテリから電力が供給される。そのため、パワースイッチング素子の信号入力端子（ゲート端子）は、スイッチングトランスによって制御基板と絶縁されている。そして、本実施の形態に係る制御基板４００にあっては、著しく発熱はせず、また、近年部品の小型化が進み、片面プリント基板または両面プリント基板に実装させることが可能とされる。即ち、かかる制御基板４００は、ブロック型電力モジュールの電力系統プリント基板から独立させた方が、より効果的に小型化を実現させることが可能となる。また、ブロック型電力モジュールの電力系統プリント基板にあっても、制御基板４００に実装される回路を排除させた方が、ＣＰＵ等を電気的に保護する対策（例えば、沿面距離の確保等）を施す必要が無くなるので、基板の小型化に寄与することとなる。
【００４５】
制御基板４００は、シールド基板４０６又は支柱３０５にビス止めされ、且つ、着脱可能なハーネスを介して電力系統プリント基板１１０，２１０に接続されているので、電力変換装置１０００からの着脱が可能とされる。かかるハーネスは、少なくとも一端が着脱可能な構造を有していれば足りる。
【００４６】
本実施の形態に係る電力変換装置１０００では、各々のブロック型電力モジュールの動作が安定するので、当該装置によって駆動される装置の制御性能が改善される。
【符号の説明】
【００４７】
１０００ 電力変換装置
１００ ＰＦＣ回路のブロック型電力モジュール
１１０ フレーム構造体
１１３ パワー素子用基板
１２０ 電力系プリント基板
２００ ＤＣ−ＤＣコンバータ回路のブロック型電力モジュール
２１０ フレーム構造体
２１３ パワー素子用基板
２２０ 電力系プリント基板
３００ 被固定体（筐体側ヒートシンク）
４００ 制御基板
５００ 大型素子アセンブリ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワー半導体素子を実装させたパワー素子用基板と、外周壁を形成するフレームの内部に前記パワー素子用基板を収容させ前記フレームのうち少なくとも一辺の基板積層方向へ前記パワー半導体素子に導通された複数の端子を配列させたフレーム構造体と、前記パワー半導体素子に駆動信号を出力させるドライブ回路及び／又は電路を経由して前記パワー半導体素子に電力を供給させる電力供給回路を実装させた電力系統プリント基板とを備え、
前記パワー素子用基板は、絶縁性を有する金属セラミック基板と前記金属セラミック基板に積層されたプリント配線とを含んでいることを特徴とするブロック型電力モジュール。
【請求項２】
前記金属セラミック基板は、材質が窒化アルミ又はアルミナとされることを特徴とする請求項１に記載のブロック型電力モジュール。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のブロック型電力モジュールが、複数組み込まれて構成されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１】
パワー半導体素子を実装させたパワー素子用基板と、外周壁を形成するフレームの内部に前記パワー素子用基板を収容させ前記フレームのうち少なくとも一辺の基板積層方向へ前記パワー半導体素子に導通された複数の端子を配列させたフレーム構造体と、前記パワー半導体素子に駆動信号を出力させるドライブ回路及び／又は電路を経由して前記パワー半導体素子に電力を供給させる電力供給回路を実装させた電力系統プリント基板とを備え、
前記パワー素子用基板は、絶縁性を有する金属セラミック基板と前記金属セラミック基板に積層されたプリント配線とを含んでいることを特徴とするブロック型電力モジュール。
【請求項２】
前記金属セラミック基板は、材質が窒化アルミ又はアルミナとされることを特徴とする請求項１に記載のブロック型電力モジュール。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のブロック型電力モジュールが、複数組み込まれて構成されることを特徴とする電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−６０７９７（Ｐ２０１１−６０７９７Ａ）
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０５４２６（Ｐ２００９−２０５４２６）
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００１０９０９３）ダイヤモンド電機株式会社 (387)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月２４日（２０１１．３．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月７日（２００９．９．７）
【出願人】（０００１０９０９３）ダイヤモンド電機株式会社 (387)
【Ｆターム（参考）】
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