JP2022056844A - Power module - Google Patents

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JP2022056844A
JP2022056844A JP2020164809A JP2020164809A JP2022056844A JP 2022056844 A JP2022056844 A JP 2022056844A JP 2020164809 A JP2020164809 A JP 2020164809A JP 2020164809 A JP2020164809 A JP 2020164809A JP 2022056844 A JP2022056844 A JP 2022056844A
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一行 藤吉
Kazuyuki Fujiyoshi
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Abstract

To improve the heat transfer characteristics of a power module that enables a power conversion device with a power density of 150 kW/L, to reduce the power module losses by improving the switching speed, and to reduce the size of a cooler volume.SOLUTION: The module incorporates a self-inductance reduction design that cancels out magnetic fields resulting from current, prevents a value of potential of a gate drive signal from changing to an unexpected value due to inductance, by making a mutual inductance between current loops close to zero in principle by making current loop planes orthogonal to each other present in an inverter or converter, so as to enable high-speed switching. In addition, a module design with good heat transfer characteristics is employed. Thereby, it becomes possible to reduce losses and miniaturize a cooler and passive components.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明はMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)構造のパワースイッチ素子を用いて構成された回路中の端子を外部に露出させつつ1つのパッケージにまとめるとともに、パワースイッチ素子から発せられる熱を効率よく伝達するための面とパワースイッチ素子を動作させるためのゲート信号端子やゲート信号基準電位端子を備えたパワー半導体機器であるパワーモジュールおよび、パワーモジュールを動作させるためのドライバー回路、またパワーモジュールを冷却するための冷却器や入力電圧の変動を抑制するコンデンサ等によって構成される、電力変換装置に関する。 In the present invention, the terminals in a circuit configured by using a power switch element having a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) structure are exposed to the outside and combined into one package for power. A power module, which is a power semiconductor device equipped with a surface for efficiently transferring heat generated from an element, a gate signal terminal for operating a power switch element, and a gate signal reference potential terminal, and a power module for operating the power module. The present invention relates to a power conversion device composed of a driver circuit, a cooler for cooling a power module, a capacitor for suppressing fluctuations in an input voltage, and the like.

パワースイッチ素子とダイオード等を並列に接続した1アームを直列に接続し、それぞれのアームの接続点から所望の電力を取り出す回路構成をハーフブリッジと呼び、このように2つのアームを備えたパワーモジュールを2 in 1モジュールと呼ぶ。また、同様にハーフブリッジを2つそなえ、それぞれのアームの接続点間に現れる交流を利用する回路構成をフルブリッジと呼ぶ。特に、ハーフブリッジを3つ備え、3相交流を取り出せるインバータ装置のことを3相インバータと呼び、合計6個のアームが含まれていることからこれを6 in 1モジュールと呼ぶ。 A circuit configuration in which one arm in which a power switch element and a diode are connected in parallel are connected in series and the desired power is taken out from the connection point of each arm is called a half bridge, and a power module equipped with two arms in this way. Is called a 2 in 1 module. Similarly, a circuit configuration having two half bridges and utilizing alternating current appearing between the connection points of the respective arms is called a full bridge. In particular, an inverter device equipped with three half bridges and capable of taking out three-phase alternating current is called a three-phase inverter, and since it includes a total of six arms, it is called a 6-in-one module.

これらのようなモジュールを用いた電力変換装置のパワー密度は非特許文献1に記載の電力変換装置のパワー密度発展の経験則をフィッティングしたグラフを参考に向上し続けてきた。非特許文献1には2020年までしか記載がないが、この対数グラフを2025年まで延長して描くと、2020年には60 kW/L、2025年には150 kW/L程度の電力変換装置が製品化されると期待される。 The power density of the power conversion device using such a module has been continuously improved with reference to the graph fitted with the empirical rule of power density development of the power conversion device described in Non-Patent Document 1. Non-Patent Document 1 only describes up to 2020, but if this log-log graph is extended to 2025, it will be a power conversion device of about 60 kW / L in 2020 and about 150 kW / L in 2025. Is expected to be commercialized.

このような、かねてより期待されている高出力密度の電力変換装置を実現するためには、パワースイッチ素子からモジュール外面までの熱伝達特性を向上させることと、パワースイッチ素子の低損失化が必要とされる。 In order to realize such a high output density power conversion device that has been expected for some time, it is necessary to improve the heat transfer characteristics from the power switch element to the outer surface of the module and to reduce the loss of the power switch element. It is said that.

近年ではパワーモジュールの小型化とチップ面積の低減が進んでいることから、熱伝達面積が狭くなることによってパワーモジュール内部の素子から伝達する熱が放熱機器に至るまでの熱伝達特性が悪化することを許容した製品も多く販売されている。 In recent years, as the power module has become smaller and the chip area has been reduced, the heat transfer area becomes narrower, and the heat transfer characteristics of the heat transferred from the elements inside the power module to the heat dissipation equipment deteriorate. Many products that allow this are also sold.

また、パワースイッチ素子の低損失化が望まれる一方で、スイッチング速度向上に限界があるがために損失の低減にも限界が生じ、冷却器の小型化が制限される。また、スイッチング速度の向上に限界があるがために動作周波数を向上させることができず、動作周波数に反比例する値を必要とする受動部品を小型化できないという問題が存在する。特に、現代の電力変換装置体積のうち、受動素子体積は大きな割合を占める。そのため、受動素子の小型化が困難であることは、電力変換装置全体の小型化とパワー密度向上の大きな障害となる。 Further, while it is desired to reduce the loss of the power switch element, there is a limit to the improvement of the switching speed, so that the reduction of the loss is also limited, and the miniaturization of the cooler is limited. Further, since there is a limit to the improvement of the switching speed, the operating frequency cannot be improved, and there is a problem that the passive component that requires a value inversely proportional to the operating frequency cannot be miniaturized. In particular, the volume of passive elements occupies a large proportion of the volume of modern power converters. Therefore, the difficulty in miniaturizing the passive element is a major obstacle to the miniaturization of the entire power conversion device and the improvement of the power density.

つまり、スイッチング速度向上を妨げる要因が、電力変換装置の小型化と高出力密度化の障害となっている。 That is, the factors that hinder the improvement of the switching speed are obstacles to the miniaturization and high output density of the power conversion device.

ここで、素子構造に由来するスイッチング速度の違いと素子損失について簡単に触れる。従来耐電圧1 kV以上、通流電流数100 A以上程度の電力域においては、単一のキャリアのみを用いるMOSFETに対して、正負双方のキャリアを用いることができることから、耐電圧を得るために素子厚みを増した素子構造としても、比較的オン時のV―I特性が良いIGBTが用いられてきた。しかし、このIGBT構造にはスイッチオフ時に通流していたキャリアの一部を消滅させきれないことから、電流を即時遮断できないテール電流と呼ばれる構造上の問題が存在している。 Here, the difference in switching speed due to the device structure and the device loss will be briefly touched upon. Conventionally, in the power range where the withstand voltage is 1 kV or more and the current flow current is about 100 A or more, both positive and negative carriers can be used for the MOSFET that uses only a single carrier, so that the withstand voltage can be obtained. Even as an element structure with an increased element thickness, an IGBT having a relatively good VI characteristic when turned on has been used. However, since a part of the carriers passing through when the switch is turned off cannot be completely eliminated in this IGBT structure, there is a structural problem called tail current in which the current cannot be cut off immediately.

つまり、従来耐電圧1 kV以上、通流電流数100 A以上程度の電力域においては素子構造に由来する原因によってスイッチング速度に限界が生じていた。そこで、Si(Silicon)半導体材料を用いたSi-IGBTにおいてはキャリアとなるドーパントの濃度を調整するといった手法により、素子面積当たりのV-I特性とスイッチング速度のトレードオフ関係を操作することで、スイッチング速度の向上を図ってきた。しかしながら、この手法ではIGBTにおける単位面積当たりの導通損失とスイッチング損失の双方を低減することが困難であった。また、スイッチング速度の向上もユニポーラデバイスと比べ原理的に難しい。 That is, in the conventional power range where the withstand voltage is 1 kV or more and the current flow current is about 100 A or more, the switching speed is limited due to the cause derived from the element structure. Therefore, in Si-IGBTs using Si (Silicon) semiconductor materials, the trade-off relationship between the VI characteristics per element area and the switching speed can be manipulated by adjusting the concentration of the dopant that becomes the carrier. We have been trying to improve the switching speed. However, it has been difficult to reduce both the conduction loss and the switching loss per unit area in the IGBT by this method. Also, improving the switching speed is difficult in principle compared to unipolar devices.

近年では、Si材料に代わり、SiC(Silicon Carbide)材料を用いることで、MOSFET構造であっても十分な耐電圧を得ながら素子厚みを低減できることから、数kV以上の電圧を取り扱う場合においてもオン抵抗を低減でき、またユニポーラデバイスであることからテール電流の問題が生じず、高速にスイッチできるSiC-MOSFETが実用化され、電車等を中心に普及しつつある。SiC-MOSFETであれば、低導通損失、低スイッチング損失を両立できる。 In recent years, by using a SiC (Silicon Carbide) material instead of a Si material, it is possible to reduce the element thickness while obtaining a sufficient withstand voltage even with a MOSFET structure, so it is turned on even when handling a voltage of several kV or more. Since it is a unipolar device that can reduce resistance and does not cause the problem of tail current, SiC- MOSFETs that can be switched at high speed have been put into practical use and are becoming widespread mainly in trains and the like. If it is a SiC- MOSFET, both low conduction loss and low switching loss can be achieved at the same time.

上述のようなパワースイッチ素子の性能向上が行われることによって、近年では電圧1 kV印加、通流電流100 Aのスイッチングを行う場合においてもパワースイッチ素子チップ上では数10 ns単位の高速スイッチングが可能となっている。 By improving the performance of the power switch element as described above, in recent years, even when a voltage of 1 kV is applied and a current of 100 A is switched, high-speed switching of several tens of ns is possible on the power switch element chip. It has become.

しかしながら、パワースイッチ素子チップを納めるパッケージやパワーモジュールと接続されるゲートドライバー回路と、パワースイッチ素子チップのゲート部との間にある配線中に生じる寄生インダクタンスや、パワースイッチ素子がオンオフを行う主電流ループとゲート信号電流ループとの相互インダクタンス結合を原因として、数10 ns単位の高速なスイッチングが困難となる問題が顕在化している。 However, the parasitic inductance generated in the wiring between the gate driver circuit connected to the package or power module that houses the power switch element chip and the gate part of the power switch element chip, and the main current that the power switch element turns on and off. Due to the mutual inductance coupling between the loop and the gate signal current loop, a problem that high-speed switching of several tens of ns units becomes difficult has become apparent.

すなわち、現代においては素子構造によってパワースイッチ素子のスイッチング速度が制限されているのではなく、素子チップ外の寄生インダクタンスや相互インダクタンスがパワースイッチ素子のスイッチング速度向上を制限しており、ボトルネックとなっている。 That is, in modern times, the switching speed of the power switch element is not limited by the element structure, but the parasitic inductance and mutual inductance outside the element chip limit the improvement of the switching speed of the power switch element, which becomes a bottleneck. ing.

本来電圧操作デバイスであるMOSFETやIGBTのゲート部には大量の電流を供給する必要がないはずであるが、MOSFETやIGBTは異種材料の接合を含むため、無視できないほどの寄生容量が生じてしまい、その容量を充放電するための電流を通流させる際に自己インダクタンスや相互インダクタンスが障害となる。 Originally, it should not be necessary to supply a large amount of current to the gates of MOSFETs and IGBTs, which are voltage-manipulating devices, but MOSFETs and IGBTs contain junctions of dissimilar materials, resulting in a non-negligible parasitic capacitance. , Self-inductance and mutual inductance become obstacles when passing a current for charging and discharging the capacitance.

MOSFETやIGBT構造のスイッチ素子のオンオフを決定するゲート電圧を、所望の値へ瞬時に操作するためには、上述の寄生容量を充放電するために十分なドライブ電流を供給することや、電流をゲート部から十分な速さで引き抜く必要がある。寄生容量に充電された電荷が十分に移動しない限り、ゲート部の寄生容量両端電位差は所望の値に到達することはない。つまり、MOSFETであればゲートソース間電圧、またIGBTであればゲートエミッタ間電圧は、ゲートドライバー電流が十分でない限り、例えば15 Vや18 Vといった設計上のゲートオン電圧や0 Vや-2 Vといった設計上のゲートオフ電圧へ仕様の時間内に変化できない。 In order to instantly operate the gate voltage that determines the on / off of the switch element of the MOSFET or IGBT structure to the desired value, supply sufficient drive current to charge and discharge the above-mentioned parasitic capacitance or apply current. It is necessary to pull out from the gate part at a sufficient speed. Unless the charge charged to the parasitic capacitance is sufficiently transferred, the potential difference between both ends of the parasitic capacitance at the gate portion does not reach the desired value. In other words, the gate-source voltage for MOSFETs and the gate-emitter voltage for IGBTs are designed gate-on voltages such as 15 V and 18 V, and 0 V and -2 V, unless the gate driver current is sufficient. Cannot change to the designed gate-off voltage within the specified time.

以下に、寄生インダクタンスや相互インダクタンスを原因として高速なスイッチングが困難となる現象の原理と、これに対処するため用いられてきた従来の技術について述べる。さらに、この従来の技術を用いた設計によっては電力変換装置の出力密度を向上させることが困難であることを述べる。 The principle of the phenomenon that high-speed switching becomes difficult due to parasitic inductance and mutual inductance, and the conventional technology used to deal with this are described below. Furthermore, it is stated that it is difficult to improve the output density of the power conversion device by the design using this conventional technique.

ゲートドライバー回路がパワースイッチ素子のオンオフ信号を入力する際には、ゲートドライバー回路からMOSFETやIGBTのゲートパッドに至るまでの経路に存在する寄生インダクタンスがゲート寄生容量を充電するために通流する電流の立ち上がりを阻む。 When the gate driver circuit inputs the on / off signal of the power switch element, the parasitic inductance existing in the path from the gate driver circuit to the gate pad of the MOSFET or IGBT passes through to charge the gate parasitic capacitance. Prevents the rise of.

しかし、寄生インダクタンスに阻まれながらもゲート電流は高速に立ち上がることから、その電流の時間微分値と寄生インダクタンスの積によりゲート電圧へ異常な電圧を生じさせる。 However, since the gate current rises at a high speed while being hindered by the parasitic inductance, an abnormal voltage is generated in the gate voltage by the product of the time derivative value of the current and the parasitic inductance.

さらに、ゲート信号電流ループと主電流ループとの間に生じる相互インダクタンス結合により、パワースイッチを通流する主電流のオンオフの電流変化、例えば数百Aといった値の電流微分値と相互インダクタンスとの積がゲート信号へフィードバックされることで、入力されるゲート信号が乱れる。この乱れたゲート電圧が、パワースイッチ素子の動作特性を乱すという悪循環を生じさせる。 Furthermore, due to the mutual inductance coupling that occurs between the gate signal current loop and the main current loop, the on / off current change of the main current flowing through the power switch, for example, the product of the current differential value of a value such as several hundred A and the mutual inductance. Is fed back to the gate signal, so that the input gate signal is disturbed. This disturbed gate voltage causes a vicious cycle of disturbing the operating characteristics of the power switch element.

相互インダクタンスは電流ループ面間角度のCosに比例する、つまり角度に応じてその影響は0から1倍に変化するにもかかわらず、パワースイッチ素子が実装された回路パターン上面にゲートドライバー回路を平行に備える電力変換装置が多く見られる。これらは、パワースイッチを通流する主電流の電流変化が及ぼすゲートドライバーへの影響が原理的にループ面間角度に関しては最大になる設計を有する電力変換装置と言える。 The mutual inductance is proportional to the Cos of the current loop surface-to-plane angle, that is, the gate driver circuit is parallel to the upper surface of the circuit pattern in which the power switch element is mounted, even though its influence changes from 0 to 1 times depending on the angle. There are many power converters to prepare for. It can be said that these are power conversion devices having a design in which the influence of the change in the main current flowing through the power switch on the gate driver is in principle maximized with respect to the loop surface angle.

これらのような、寄生インダクタンスや電流ループ間相互インダクタンスを原因とした異常な電圧や、ゲート信号と主電流との相互作用によって異常な電圧がフィードバックされる現象は、現実にはゲート電圧やMOSFETドレインソース間電圧、IGBTコレクタエミッタ間電圧のオーバーシュートやリンギングとして観測される。このような現象はパワースイッチ素子やゲートドライバー回路を破壊する原因となる。 Abnormal voltage caused by parasitic inductance and mutual inductance between current loops, and the phenomenon that abnormal voltage is fed back by the interaction between the gate signal and the main current, such as these, are actually gate voltage and MOSFET drain. Observed as overshoot or ringing of source-to-source voltage and IGBT-collector-emitter voltage. Such a phenomenon causes the power switch element and the gate driver circuit to be destroyed.

寄生インダクタンスや相互インダクタンスによるスイッチングへの悪影響を低減するべく、一般的にはゲート部に抵抗器を与えてゲートピンを通流する電流量を低減し、意図的にスイッチング速度を低下させる。これにより、ゲート信号ピンやソース信号ピン、エミッタ信号ピンの寄生インダクタンスを原因としたゲート信号のオーバーシュートやアンダーシュート、リンギングは低減され、またMOSFETのドレインソース間やIGBTのコレクタエミッタ間を通流する電流を立ち上げる時間や立ち下げる時間が増加することにより相互インダクタンスによって伝搬する異常なゲート電圧も低減される。 In order to reduce the adverse effect on switching due to parasitic inductance and mutual inductance, generally, a resistor is given to the gate portion to reduce the amount of current flowing through the gate pin, and the switching speed is intentionally lowered. As a result, overshoot, undershoot, and ringing of the gate signal caused by the parasitic inductance of the gate signal pin, source signal pin, and emitter signal pin are reduced, and the current flows between the drain source of the MOSFET and the collector-emitter of the IGBT. The anomalous gate voltage propagated by mutual inductance is also reduced by increasing the time to raise and lower the current.

しかし、このような意図的にスイッチング速度を低下させる設計を行っていてはスイッチング速度が遅いことから素子のスイッチング損失が増加するとともに、その損失の増加によって素子温度の上昇が高まるために、冷却器を大型化する必要が生じる。この際にパワースイッチ素子と冷却器との間の熱抵抗が大きい場合、冷却器が低温であっても、十分に素子を冷却できないことから、さらにパワースイッチ素子において許容される素子損失が低下する。このように、十分に素子を冷却できない熱伝達特性や冷却器である場合、単位時間あたりの繰り返しスイッチング損失を決定する動作周波数に上限が生じる。また、動作周波数に対して反比例する値を要求する受動素子を小型化できなくなる。加えて、この場合素子面積やモジュール放熱面積を拡大することによる熱伝達特性改善という設計手法を必要とすることから、素子コストの上昇やモジュール面積の拡大を招き、さらに電力変換装置の小型化を困難にする。 However, if such a design is intentionally made to reduce the switching speed, the switching loss of the element increases due to the slow switching speed, and the increase in the loss increases the increase in the element temperature. Therefore, the cooler Will need to be increased in size. At this time, if the thermal resistance between the power switch element and the cooler is large, the element cannot be sufficiently cooled even if the cooler is at a low temperature, so that the element loss allowed in the power switch element is further reduced. .. As described above, in the case of a heat transfer characteristic or a cooler that cannot sufficiently cool the element, there is an upper limit on the operating frequency that determines the repetitive switching loss per unit time. In addition, the passive element that requires a value inversely proportional to the operating frequency cannot be miniaturized. In addition, in this case, a design method of improving heat transfer characteristics by expanding the element area and module heat dissipation area is required, which leads to an increase in element cost and module area, and further miniaturization of the power conversion device. Make it difficult.

このような関係によって、パワーモジュールの伝熱特性や寄生インダクタンス、電流ループ間相互インダクタンス結合、さらにこれらの問題への従来技術による対処は、電力変換装置出力密度向上における障害となっている。 Due to such a relationship, the heat transfer characteristics and parasitic inductance of the power module, the mutual inductance coupling between current loops, and the conventional technique for dealing with these problems are obstacles in improving the output density of the power converter.

上述の電力変換装置における背景技術と課題のうち、電流ループの特性改善に関連する特許文献を以下に紹介する。 Among the background techniques and problems in the above-mentioned power conversion device, the patent documents related to the improvement of the characteristics of the current loop are introduced below.

特許文献1にはパワースイッチ素子のある一方の面から配線パターンへと接続されるワイヤボンディングの角度が記載されており、電流通流ループを設計する意図が含まれている。 Patent Document 1 describes the angle of wire bonding connected from one surface of the power switch element to the wiring pattern, and includes an intention of designing a current flow loop.

特許文献2にはパワーモジュール内部の電極構造を工夫することにより、主電流ループ面積を低減することで磁束の放射を低減するとともに、主電流ループ方向を正負電極においてそれぞれ対向させることにより生じる正負双方由来の磁場を相殺させることで実効的な寄生インダクタンスを低減することや、ゲートエミッタピンループ面を定義し、ゲートピン電流ループ面と他の電流ループ面との結合を防ぐことによって、主端子から及ぼされる制御端子ノイズの影響を抑制するする試みが記されている。 In Patent Document 2, the electrode structure inside the power module is devised to reduce the radiation of the magnetic flux by reducing the main current loop area, and both positive and negative generated by facing the main current loop directions at the positive and negative electrodes. It extends from the main terminal by reducing the effective parasitic inductance by offsetting the resulting magnetic field and by defining the gate emitter pin loop surface and preventing coupling between the gate pin current loop surface and other current loop surfaces. Attempts to suppress the effects of control terminal noise are described.

特許文献3には、絶縁物上に導体パターンとさらにその上にスイッチ素子を実装し、スイッチ素子を通過した主電流がスイッチ素子から見て絶縁物の裏側に備えられた伝導パターンを通過するよう構成されたパワーモジュールが記されており、このモジュールの電流ループは絶縁物一枚分の厚みとなることから主電流ループ面より生じる磁束が低減されることが期待される。 In Patent Document 3, a conductor pattern and a switch element are mounted on the insulation so that the main current passing through the switch element passes through the conduction pattern provided on the back side of the insulation when viewed from the switch element. The configured power module is described, and since the current loop of this module has the thickness of one piece of insulation, it is expected that the magnetic flux generated from the main current loop surface is reduced.

引用した特許文献はいずれも電流ループの回路パターンをより都合の良いものとする設計意図と請求を含んでいる。しかしながら、これらの特許文献に示される技術を用いたとしても、電力変換装置中におけるパワースイッチ素子を高速にスイッチした際に生じる主電流の変動がパワーモジュール中のゲート信号ピンやゲートドライバー回路へ伝搬し、ゲート信号を乱す現象を十分に抑制する設計と、パワースイッチ素子の発熱を十分に外部へ伝熱可能な設計とを両立できない。 All of the cited patent documents include design intent and claims that make the circuit pattern of the current loop more convenient. However, even if the techniques shown in these patent documents are used, the fluctuation of the main current generated when the power switch element in the power converter is switched at high speed propagates to the gate signal pin and the gate driver circuit in the power module. However, it is not possible to achieve both a design that sufficiently suppresses the phenomenon of disturbing the gate signal and a design that can sufficiently transfer the heat generated by the power switch element to the outside.

特許文献1にはパワースイッチ素子の一方を第1配線パターン上に配設し、その配設されたパワースイッチのもう一方から他の第2配線パターンへワイヤボンディングによって接続し、そのワイヤの角度は第2配線パターンと略直交すると記載されている。以上の通り、特許文献1には主電流ループを設計する意図が含まれており、またゲート外部端子と対ゲート基準電位外部端子とを隣接させる設計例も含まれている。すなわち、ゲートピンループ面積を低減し、またゲートピンを主電流ループ面に対して垂直にとることにより、ゲートピンループ面と主電流ループ面とを直交させる構成が示されている。しかしながら、特許文献1に記載の発明においてはゲートドライバー回路と主電流ループ面との相互インダクタンス結合について何ら考慮されていない。 In Patent Document 1, one of the power switch elements is arranged on the first wiring pattern, and the other of the arranged power switches is connected to the other second wiring pattern by wire bonding, and the angle of the wire is set. It is described that it is substantially orthogonal to the second wiring pattern. As described above, Patent Document 1 includes an intention of designing a main current loop, and also includes a design example in which a gate external terminal and a gate reference potential external terminal are adjacent to each other. That is, a configuration is shown in which the gate pin loop surface and the main current loop surface are orthogonal to each other by reducing the gate pin loop area and making the gate pin perpendicular to the main current loop surface. However, in the invention described in Patent Document 1, no consideration is given to the mutual inductance coupling between the gate driver circuit and the main current loop surface.

特許文献2にはゲートエミッタピンループ面を定義し、電流ループ面からのゲートピン電流ループ面へのノイズの伝搬を防ぐ試みが記されている。文献に記載のゲートエミッタピンループ面のうち、ある一面はパワースイッチ素子が実装されている主電流面と平行でありながら、その生じる磁束と交流出力端子から生じる磁束とを打ち消し合わせることによって、ゲートピンとエミッタピンとに生じるインダクタンス由来のノイズを低減することを企図している。しかしながら、特許文献2に記載の位置にゲートドライバー回路を備える場合においてはこのゲートドライバー回路の電流ループ面と上述のパワースイッチ素子実装面の主電流ループ面とが平行になることから相互インダクタンス結合に起因してゲートドライバー回路上の電位変動が生じる恐れがある。 Patent Document 2 defines a gate-emitter pin loop surface and describes an attempt to prevent noise from propagating from the current loop surface to the gate pin current loop surface. One of the gate-emitter pin loop surfaces described in the literature is parallel to the main current surface on which the power switch element is mounted, but the generated magnetic flux and the magnetic flux generated from the AC output terminal cancel each other out to form a gate. It is intended to reduce the noise derived from the inductance generated between the pin and the emitter pin. However, when the gate driver circuit is provided at the position described in Patent Document 2, the current loop surface of the gate driver circuit and the main current loop surface of the power switch element mounting surface described above are parallel to each other, resulting in mutual inductance coupling. As a result, potential fluctuations on the gate driver circuit may occur.

特許文献3に記載のパワーモジュールは、パワースイッチ素子を通流する電流ループが絶縁物一枚分の厚みとなることから主電流ループ面より生じる磁束が低減されることや、両面を電流が対向方向に通流することにより寄生インダクタンスの実効的な低減が期待される。この主電流ループ面は絶縁板側面方向に形成されることから、仮に特許文献3に記載のパワーモジュール板面方向に対して平行にゲートドライバー回路を備える構成をとったとしても、ゲートドライバー回路電流ループ面と主電流ループ面とが直交する構成となるため、両電流ループ面間の相互インダクタンス結合によるゲート信号やパワースイッチ素子の動作が乱れる可能性は小さい。しかしながら、特許文献3に記載のパワーモジュールでは絶縁基板を挟んで両面に導通パターンを備える必要があるため、これを必要としない設計と比べてパワースイッチ素子から外部冷却器への熱伝達特性に劣る。 In the power module described in Patent Document 3, since the current loop passing through the power switch element has the thickness of one insulator, the magnetic flux generated from the main current loop surface is reduced, and the currents face each other on both sides. Effective reduction of parasitic inductance is expected by passing in the direction. Since this main current loop surface is formed in the side surface direction of the insulating plate, even if the gate driver circuit is provided parallel to the power module plate surface direction described in Patent Document 3, the gate driver circuit current Since the loop surface and the main current loop surface are orthogonal to each other, there is little possibility that the gate signal or the operation of the power switch element will be disturbed due to the mutual inductance coupling between the two current loop surfaces. However, since the power module described in Patent Document 3 needs to have a conduction pattern on both sides of the insulating substrate, the heat transfer characteristic from the power switch element to the external cooler is inferior to the design that does not require this. ..

文献として引用していないが、一般的な箱型2 in 1パワーモジュール上にゲートドライバー回路を備える場合において相互インダクタンスによって変動するゲートドライバー電圧の計算値を記す。パワーモジュール中を通流する電流ループ面積Sは4.00×10-3、この電流ループ面を通流する電流は200 A、ゲートドライバー回路の絶縁後出力側ループ面積Sは1.44×10-4、ループ中心間距離dは3.40×10-2、Sを通流する電流を遮断する際の電流変化時間40 nsであるとき、相互インダクタンスは1.47 nHとなり、相互インダクタンス結合によってループ面積S上に生じる電圧は7.33 Vにも達する。通常、Si-MOSFETやSi-IGBTのゲート電圧は15 V、SiC-MOSFETのゲート電圧は18 V程度を仕様値に設計する。また、それぞれの素子のゲート耐電圧は上限20~25 V、下限-5 V程度となる。7 Vを超えるオーバーシュートやアンダーシュートはMOSFETやIGBTのゲート部破壊を引き起こす原因となる。 Although not cited in the literature, the calculated values of the gate driver voltage that fluctuates due to mutual inductance when a gate driver circuit is provided on a general box-type 2 in 1 power module are described. The current loop area S 1 flowing through the power module is 4.00 × 10 -3 m 2 , the current flowing through this current loop surface is 200 A, and the loop area S 2 on the output side after insulation of the gate driver circuit is 1. .44 × 10 -4 m 2 , the distance d between the loop centers is 3.40 × 10 − 2 m 2 , and the mutual inductance is 1 when the current change time when cutting off the current flowing through S 1 is 40 ns. It becomes .47 nH, and the voltage generated on the loop area S1 by the mutual inductance coupling reaches 7.33 V. Normally, the gate voltage of Si-PWM and Si-IGBT is designed to be 15 V, and the gate voltage of SiC- MOSFET is designed to be about 18 V. The gate withstand voltage of each element is about 20 to 25 V at the upper limit and -5 V at the lower limit. Overshoots and undershoots exceeding 7 V cause destruction of the gates of MOSFETs and IGBTs.

そのため、上述したとおり、意図的なスイッチング速度を低下させる設計を行う必要がある。例えばこのパワーモジュールとゲートドライバー回路のパターンレイアウトである場合、スイッチング速度を40 nsから300 ns程度まで低下させることによって、ゲート電流ループSに生じる電圧を0.98 V程度まで低下させることができる。 Therefore, as described above, it is necessary to design to reduce the intentional switching speed. For example, in the case of the pattern layout of this power module and the gate driver circuit, the voltage generated in the gate current loop S2 can be reduced to about 0.98 V by reducing the switching speed from about 40 ns to about 300 ns. ..

しかしながら、先に記載したとおりスイッチング速度を低下させると、電流と電圧が同時に印加される時間に生じる損失であるスイッチング損失が増加し、この損失を冷却するために必要となる冷却器は大型化する。また動作周波数を高めた際に単位時間あたりのスイッチング損失は、高速なスイッチングが可能な機器と比べより増加することからスイッチング損失の繰り返し周波数となる動作周波数を高めることができず、受動素子を小型化することが困難となる。 However, as described above, when the switching speed is reduced, the switching loss, which is a loss that occurs during the time when the current and the voltage are applied at the same time, increases, and the cooler required to cool this loss increases in size. .. In addition, when the operating frequency is increased, the switching loss per unit time increases more than that of equipment capable of high-speed switching, so it is not possible to increase the operating frequency, which is the repetition frequency of switching loss, and the passive element is made smaller. It becomes difficult to change.

これまで紹介してきた通り、背景技術に記載の手段をもってしてはパワースイッチ素子を十分な速さでスイッチすることができない。パワースイッチ素子単体でのスイッチング速度は数10 ns単位となっているにも関わらず、パワーモジュールやゲートドライバー回路の寄生インダクタンスや各電流ループ間の相互インダクタンスがパワースイッチ素子のスイッチング速度のボトルネックとなっている。 As introduced so far, the power switch element cannot be switched at a sufficient speed by the means described in the background technology. Although the switching speed of a single power switch element is in the unit of several tens of ns, the parasitic inductance of the power module and gate driver circuit and the mutual inductance between each current loop are the bottlenecks of the switching speed of the power switch element. It has become.

特開2002-153079号JP-A-2002-153079 特開2016-119430号JP 2016-119430 国際公開番号WO 2019/221242号International Publication No. WO 2019/221242

大橋弘通「最新のパワーデバイスの動向」電気学会誌, (2002)Hiromichi Ohashi "Trends in the latest power devices" Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan, (2002)

非特許文献1に記載の電力変換装置発展経験則に沿った電力変換装置の出力密度向上がかねてより期待されている。これを実現するために、パワーモジュールの熱伝達特性を高めるとともに、スイッチング速度を向上させることでパワーモジュールを低損失化し、冷却器体積を小型化したい。さらに、低損失化によって動作周波数の向上を可能とすることで、動作周波数に反比例する値を要する受動素子もまた小型化したい。特に、電力変換装置の総体積のうち、受動素子は他の部品に対して比較的大きな割合を占めていることから、受動素子の小型化は電力変換装置全体の体積小型化へ有効に作用する。このスイッチング速度向上のためには寄生インダクタンスや相互インダクタンスを低減することによって、これらインダクタンスが及ぼすスイッチングへの悪影響を低減することが求められる。これら熱伝達特性の課題とインダクタンスに由来するスイッチング特性の課題とが、本発明によって解決しようとする課題である。 Improvement of the output density of the power conversion device according to the rule of thumb for the development of the power conversion device described in Non-Patent Document 1 has been expected for some time. In order to achieve this, we would like to improve the heat transfer characteristics of the power module and improve the switching speed to reduce the loss of the power module and reduce the volume of the cooler. Furthermore, by making it possible to improve the operating frequency by reducing the loss, we also want to reduce the size of passive elements that require a value that is inversely proportional to the operating frequency. In particular, since the passive element occupies a relatively large proportion of the total volume of the power conversion device with respect to other parts, the miniaturization of the passive element effectively affects the volume reduction of the entire power conversion device. .. In order to improve the switching speed, it is required to reduce the adverse effect of these inductances on switching by reducing the parasitic inductance and the mutual inductance. These problems of heat transfer characteristics and switching characteristics derived from inductance are problems to be solved by the present invention.

パワーモジュール中のパワースイッチ素子を実装するDC正極バスプレートとDC負極バスプレートとを重ねることなく平行配置し、それぞれのバスプレート上に実装されているパワースイッチ素子間を接続する相出力バスプレートを、DC 正極バスプレートとDC負極バスプレート平面とは異なる平面上に備える。これらバスプレートから冷却器へ熱を伝達するパス中に備える絶縁面には、パワーモジュールとしてはバスプレート面と反対となる面になんら異物を備えない。さらに、DC正極バスプレートとDC負極バスプレートに通流する直流電流方向と直交する方向にゲート信号ピンを備え、そのゲート信号ピンと平行な位置にゲート信号基準電位ピンを備え、このゲート信号ピンとゲート信号基準電位ピンの間隔を絶縁可能な距離よりも離れた距離まで近づける。その上で、DC正極バスプレート平面やDC負極バスプレート平面を含む主電流ループ面と、ゲート信号電流ループ平面、またゲートドライバー回路電流ループ平面の3方それぞれが直交あるいは90 ±10 deg.の範囲内にゲートドライバー回路を備えるパワーモジュール内部構成とゲートドライバー回路、またそれぞれの実装配置とすること。 The DC positive electrode bus plate on which the power switch element in the power module is mounted and the DC negative electrode bus plate are arranged in parallel without overlapping, and a phase output bus plate that connects the power switch elements mounted on each bus plate is provided. , The DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate are provided on a different plane from the plane. As a power module, the insulating surface provided in the path for transferring heat from the bus plate to the cooler is not provided with any foreign matter on the surface opposite to the bus plate surface. Further, a gate signal pin is provided in a direction orthogonal to the direction of the direct current flowing through the DC positive bus plate and the DC negative negative bus plate, and a gate signal reference potential pin is provided at a position parallel to the gate signal pin, and the gate signal pin and the gate are provided. The distance between the signal reference potential pins should be closer than the distance that can be isolated. On top of that, the main current loop plane including the DC positive electrode bus plate plane and the DC negative electrode bus plate plane, the gate signal current loop plane, and the gate driver circuit current loop plane are orthogonal or 90 ± 10 deg. The internal configuration of the power module equipped with the gate driver circuit and the gate driver circuit within the range of, and the mounting arrangement of each.

パワーモジュール中に実装されるパワースイッチ素子の熱をパワースイッチ素子の両面から外部へ伝熱することができるため、一方から放熱するものと比べ放熱性が高い。加えて、絶縁面の背面に導通パターンや固定金具、また他の絶縁物等を備えないため、これを備えるものと比べて熱抵抗が小さい。さらに、ゲート信号ピンとゲート信号基準電位ピンとの距離が近く、かつ対向方向であるので、双方に通流する電流によって生み出される磁界が打ち消し合い、ピンの寄生インダクタンスが低減される。また、ゲート信号ピン電流ループ面積は低減される。さらに、主電流ループ面とゲート信号ピン電流ループ面とゲートドライバー回路電流ループ面とが直交しているため、それぞれのループ面間との相互インダクタンスはほぼ0となる。各面間の角度θが90 deg.ではなくθ=90 ±10 deg.の範囲内である場合、この相互インダクタンス値はCosθに比例する。これらの自己インダクタンスと相互インダクタンス低減の効果によって、ゲートドライブ信号の電流値を低減することや、これによるスイッチング速度の低減設計を行う必要がなくなり、パワースイッチ素子の高速なスイッチングが実現される。パワースイッチ素子を10 ~ 40 ns程度の時間内に安定してスイッチングできるようになるので、80 kWから150 kW程度の大きな電力を取り扱う電力変換装置においても十分に繰り返し周波数を高めることができる。例えばこの繰り返し周波数は100 kHzを超える。このような高周波動作によって受動素子を小型化するとともに、高速なスイッチングによって損失を低減することによって冷却器を小型化できるので、特に入力電圧600 V以上である電力変換回路の出力密度を大幅に向上できる。 Since the heat of the power switch element mounted in the power module can be transferred to the outside from both sides of the power switch element, the heat dissipation is higher than that of the one that dissipates heat from one side. In addition, since the back surface of the insulating surface is not provided with a conduction pattern, fixing brackets, or other insulating materials, the thermal resistance is smaller than that provided with these. Further, since the gate signal pin and the gate signal reference potential pin are close to each other and are in opposite directions, the magnetic fields generated by the currents flowing through both of them cancel each other out, and the parasitic inductance of the pin is reduced. Also, the gate signal pin current loop area is reduced. Further, since the main current loop surface, the gate signal pin current loop surface, and the gate driver circuit current loop surface are orthogonal to each other, the mutual inductance between the respective loop surfaces becomes almost zero. The angle θ between each surface is 90 deg. Not θ = 90 ± 10 deg. If it is within the range of, this mutual inductance value is proportional to Cos θ. Due to these effects of self-inductance and mutual inductance reduction, it is not necessary to reduce the current value of the gate drive signal and design to reduce the switching speed, and high-speed switching of the power switch element is realized. Since the power switch element can be stably switched within a time of about 10 to 40 ns, the frequency can be sufficiently repeatedly increased even in a power conversion device that handles a large amount of power of about 80 kW to 150 kW. For example, this repetition frequency exceeds 100 kHz. Since the passive element can be miniaturized by such high-frequency operation and the cooler can be miniaturized by reducing the loss by high-speed switching, the output density of the power conversion circuit having an input voltage of 600 V or more is significantly improved. can.

6 in 1モジュール図6 in 1 module diagram 6 in 1モジュール回路模式図6 in 1 module circuit schematic diagram 簡略化された6 in 1モジュールの変形例を示す回路図Schematic showing a modified example of a simplified 6-in-1 module 6 in 1モジュール実装図a6 in 1 module mounting diagram a 6 in 1モジュール実装図b6 in 1 module mounting diagram b 6 in 1モジュール実装正面図6 in 1 module mounting front view 3相インバータシステム実施例Example of three-phase inverter system 3相インバータシステム分解図Exploded view of 3-phase inverter system 3相インバータの回路模式図Circuit schematic diagram of three-phase inverter 3相インバータ中の電流ループ直交図Orthogonal diagram of current loop in a three-phase inverter

本発明はパワーモジュール中の主電流ループ面とゲート信号ピン電流ループ面とゲートドライバー回路の出力部電流ループ面とが直交することを特徴とする。 The present invention is characterized in that the main current loop surface in the power module, the gate signal pin current loop surface, and the output section current loop surface of the gate driver circuit are orthogonal to each other.

パワーモジュール中のDC正極バスプレートとDC負極バスプレートにはパワースイッチ素子とパワーダイオード素子が実装され、それら素子の面積や実装並列数に制限は設けないが、パワースイッチ素子とパワーダイオード素子の合計面積が必要パワーモジュール底面面積に近いほど好適であって、パワーモジュール全体の剛性や熱伝達特性、またモジュール体積あたりの取り扱い電力や熱伝達効率が高まる。 Power switch elements and power diode elements are mounted on the DC positive bus plate and DC negative negative bus plate in the power module, and the area of these elements and the number of parallel mounts are not limited, but the total of the power switch elements and power diode elements. The closer the area is to the required bottom area of the power module, the more suitable it is, and the rigidity and heat transfer characteristics of the entire power module, as well as the handling power and heat transfer efficiency per module volume are increased.

パワーモジュール中のDC正極バスプレートに実装されるパワースイッチ素子はIGBT構造であっても良いし、MOSFET構造であっても良いし、DMOSFET(Double Diffused MOSFET)、IE-IGBT(Injection Enhanced-IGBT)、SJ-MOSFET(Super Junction MOSFET)、UMOSFET(U-shaped trench gate MOSFET)、SJ-UMOSFETまたその他の構造を用いても良い。また、パワースイッチ素子に用いる材料はSiであっても良いし、SiCであってもよい。 The power switch element mounted on the DC positive bus plate in the power module may have an IGBT structure, a MOSFET structure, a D MOSFET (Double Diffused MOSFET), or an IE-IGBT (Injection Enhanced-IGBT). , SJ-PWM (Super Junction MOSFET), UPWM (U-happed training gate MOSFET), SJ-UPWM and other structures may be used. Further, the material used for the power switch element may be Si or SiC.

パワースイッチ素子外面に構成されるゲート端子パッドは、パワースイッチ素子中心ではなく素子外縁部に構成されるものである方がより好適である。パワースイッチ素子に対して逆並列に備えられるFWD(Free Wheeling Diode)としての機能を持つパワーダイオード素子はPIN(P型半導体とI型半導体、N型半導体を重ねた構造)ダイオード構造であっても良いし、SBD(Schottky Barrier Diode)構造であっても良いが、本発明が解決する課題と手段とを鑑み高速にスイッチできるダイオードがより好適である。 It is more preferable that the gate terminal pad formed on the outer surface of the power switch element is formed not at the center of the power switch element but at the outer edge of the element. A power diode element having a function as an FWD (Free Wheeling Diode) provided in antiparallel to a power switch element may have a PIN (structure in which a P-type semiconductor, an I-type semiconductor, and an N-type semiconductor are overlapped) and a diode structure. It may be good, or it may have an SBD (Shotky Barrier Diode) structure, but a diode that can be switched at high speed is more preferable in view of the problems and means solved by the present invention.

パワースイッチ素子間を接続する相出力バスプレートは、パワーモジュールの相数分設ける。DC正極バスプレートとDC負極バスプレートを通流する電流と相出力バスプレートに通流する電流とを合わせ、主電流ループ面を構成する。 The number of phase output bus plates connecting the power switch elements is provided for the number of phases of the power module. The current flowing through the DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate and the current flowing through the phase output bus plate are combined to form a main current loop surface.

この際に、パワースイッチ素子やパワーダイオード素子を通流する電流と相出力バスプレートを通流する電流とを合わせ、パワーモジュール厚み方向へコの字状の電流ループ面が構成される。このループ面面積は非常に小さなものであるが、このループ面も上述の3面のループ面と直交関係にあることが望ましい。 At this time, the current flowing through the power switch element or the power diode element and the current flowing through the phase output bus plate are combined to form a U-shaped current loop surface in the thickness direction of the power module. Although the area of this loop plane is very small, it is desirable that this loop plane is also orthogonal to the above-mentioned three loop planes.

相出力バスプレートの入出力端子はパワーモジュールのDC正極バスプレート通流方向に対して直交方向に配置され、コレと接続される相電流計測機器へ通流する電流方向は、ゲートドライバー回路出力部を通流する電流ループ面と直交する方向であることが望ましい。 The input / output terminals of the phase output bus plate are arranged in the direction orthogonal to the DC positive electrode bus plate flow direction of the power module, and the current direction flowing to the phase current measuring device connected to this is the gate driver circuit output unit. It is desirable that the direction is orthogonal to the current loop plane through which the current flows.

相入出力端子やDC入出力端子、ゲート信号ピン、ゲート信号基準電位ピンはそれぞれ、DC正極バスプレート、DC負極バスプレート、相出力バスプレートから突出した点より歪曲した形状をとっても良い。上述した4種のピンはそれぞれの絶縁距離を適切に確保し、かつピンを受けるメス端子を適切にレイアウトできるようピン先端部間に距離を確保することが望ましい。 The phase input / output terminal, the DC input / output terminal, the gate signal pin, and the gate signal reference potential pin may have a shape distorted from a point protruding from the DC positive electrode bus plate, the DC negative electrode bus plate, and the phase output bus plate, respectively. It is desirable that the above-mentioned four types of pins ensure an appropriate insulation distance and a distance between the pin tips so that the female terminals that receive the pins can be appropriately laid out.

さらに、パワーモジュール全体がパワースイッチ素子やバスの損失により発熱することから、各バスプレートや4種のピンが膨張、伸展することが見通される。4種のピンにはこのような膨張伸展の影響を緩和できるようなスロープを備えることが望ましい。さらに、このようなピンの膨張、伸展を阻害しないような空間的余裕を持ったメス端子によって上記4種のピンを接続する設計が高出力密度電力変換装置にはより好適である。 Further, since the entire power module generates heat due to the loss of the power switch element and the bus, it is expected that each bus plate and four types of pins will expand and expand. It is desirable that the four types of pins have a slope that can mitigate the effects of such expansion and extension. Further, a design in which the above four types of pins are connected by a female terminal having a spatial margin so as not to hinder the expansion and extension of the pins is more suitable for a high output density power conversion device.

ゲート信号ピンとゲート信号基準電位ピンとが接近する位置に備えられる両ピン間を電気的に絶縁するとともに応力に抗する剛性を与えるべく挿入される絶縁物は低誘電体であるものがより好適である。本発明の趣旨に照らし合わせて、ゲート信号ピンとゲート信号基準電位ピン間に生じる寄生容量はより小さい方が望ましい。ゲート信号ピン寄生容量はゲート信号の立ち上がり立ち下がりスピードを低下させる原因となる。 It is more preferable that the insulating material inserted to electrically insulate between the pins provided at the positions where the gate signal pin and the gate signal reference potential pin are close to each other and to provide rigidity against stress is a low dielectric material. .. In light of the gist of the present invention, it is desirable that the parasitic capacitance generated between the gate signal pin and the gate signal reference potential pin is smaller. The parasitic capacitance of the gate signal pin causes a decrease in the rising and falling speed of the gate signal.

ゲート信号ピンとパワースイッチ素子との接続はワイヤボンディングでも良いし、変形余地のある金属フィルムでも良いし、十分な剛性のあるゲート信号ピンを直接はんだ付けしても良い。これらの接続方法は上下アーム、複数相に配されるいずれのスイッチに対しても同様に適用して良い。 The connection between the gate signal pin and the power switch element may be wire bonding, a metal film having room for deformation, or a gate signal pin having sufficient rigidity may be directly soldered. These connection methods may be similarly applied to the upper and lower arms and any of the switches arranged in a plurality of phases.

ワイヤボンディングや金属フィルムを用いる場合は、熱によってDC正極バスプレートやDC負極バスプレート、また相出力バスプレートが変形することによって、接続対象のゲート信号ピンとパワースイッチ素子との距離が変動する場合においてもその変動量をワイヤやフィルムの変形によって吸収できる。 When wire bonding or a metal film is used, when the distance between the gate signal pin to be connected and the power switch element fluctuates due to deformation of the DC positive electrode bus plate, DC negative electrode bus plate, and phase output bus plate due to heat. The amount of fluctuation can be absorbed by the deformation of the wire or film.

金属製のゲート信号ピンを直接パワースイッチ素子のゲート端子にはんだ付けする場合、金属プレートや各バスプレート、パワー半導体素子の熱膨張係数差から各部位が破壊される可能性を低減するべく、各部位に近い熱膨張係数を持った樹脂を充填するとともに、パワースイッチ素子に直接はんだ付けしたゲート信号ピンをパワースイッチ素子のみによって支える構造ではなく、パワーモジュール面方向に備えられた伝熱部位とゲート信号ピンを支える支柱構造とでゲート信号ピンを挟むように固定する。 When soldering a metal gate signal pin directly to the gate terminal of a power switch element, each part is to be reduced from the possibility of damage to each part due to the difference in the coefficient of thermal expansion of the metal plate, each bus plate, and the power semiconductor element. Instead of a structure in which a resin with a coefficient of thermal expansion close to that of the part is filled and the gate signal pin soldered directly to the power switch element is supported only by the power switch element, the heat transfer part and gate provided in the direction of the power module surface are provided. Fix the gate signal pin so that it is sandwiched between the support column structure that supports the signal pin.

冷却器はDC正極バスプレート、DC負極バスプレート、相出力バスプレートの膨張伸展の影響によってパワーモジュールが変形することに抗する強度を持つものがより好適である。また、冷却器によってパワーモジュール面方向へ均一な応力を与える設計が望ましい。この際に、冷却器が与えるパワーモジュールへの圧力によって、パワーモジュール内部の部品、特に各バスプレートや各入出力ピンが長さ方向にどのように変形するのかを考慮した設計を行うことで、より損失や発熱、変形によっては破壊されにくいパワーモジュールとゲートドライバー回路とを構成することができる。 It is more preferable that the cooler has a strength against deformation of the power module due to the influence of expansion and extension of the DC positive electrode bus plate, the DC negative electrode bus plate, and the phase output bus plate. Further, it is desirable to design the cooler to apply a uniform stress in the direction of the power module surface. At this time, by designing considering how the parts inside the power module, especially each bus plate and each input / output pin, are deformed in the length direction due to the pressure applied to the power module by the cooler. It is possible to configure a power module and a gate driver circuit that are less likely to be destroyed by loss, heat generation, and deformation.

パワーモジュール主電流ループ面、またゲート信号ピン電流ループ面とも直交する面に配置されるゲートドライバー回路基板は、ゲート信号ピンやゲート信号基準電位ピンと接続される部位からゲートドライバーIC出力ピンまでの経路が短く、両ピンへと接続されるパターン同士の間隔が狭いパターン設計であるほうがより好適である。 The gate driver circuit board arranged on the surface orthogonal to the main current loop surface of the power module and the gate signal pin current loop surface is the path from the part connected to the gate signal pin and the gate signal reference potential pin to the gate driver IC output pin. It is more preferable that the pattern design is short and the distance between the patterns connected to both pins is narrow.

また、ゲートドライバー回路はゲートドライバーICの絶縁部とゲートドライバーIC出力側用電源の絶縁部とが同じ直線上に重なる構成、あるいはゲートドライバー回路基板の両面に分けてゲートドライバーICとゲートドライバーIC出力側用電源とを配置し、それぞれICと電源との絶縁部を基板両面のある直線上に重なる構成を取る。 In addition, the gate driver circuit has a configuration in which the insulation part of the gate driver IC and the insulation part of the power supply for the gate driver IC output side overlap on the same straight line, or the gate driver IC and the gate driver IC output are divided into both sides of the gate driver circuit board. A side power supply is arranged, and the insulation portion between the IC and the power supply is overlapped on a straight line having both sides of the board.

ゲートドライブ回路基板の冷却器厚み方向長をゲートドライバー回路基板長手方向と呼称する。このゲートドライバー回路基板長手方向の、ゲート信号ピンとは対向方向の端点が、冷却器の厚み方向の端点よりもパワーモジュール側に近くなるようゲートドライバー回路基板の寸法と冷却器の寸法とを設計すると、電力変換装置システム全体の突出部が減ることからより電力変換装置システムの小型化に有利な体積上の効率が良い設計となる。 The length in the thickness direction of the cooler of the gate drive circuit board is referred to as the longitudinal direction of the gate driver circuit board. When designing the dimensions of the gate driver circuit board and the dimensions of the cooler so that the end points in the longitudinal direction of the gate driver circuit board facing the gate signal pin are closer to the power module side than the end points in the thickness direction of the cooler. Since the protrusion of the entire power converter system is reduced, the design is more efficient in terms of volume, which is advantageous for miniaturization of the power converter system.

パワーモジュール内部にはDC正極バスプレートやDC負極バスプレート、相出力バスプレートと同程度の熱膨張係数を持った樹脂材料を充填する。これにより、パワーモジュールが発熱し、膨張した際に熱膨張係数の違いから接触面拡大量に差が生じ、その接合面の変形量の違いからパワーモジュール内部の各部位が破断する可能性を低減する。 The inside of the power module is filled with a resin material having a thermal expansion coefficient similar to that of the DC positive electrode bus plate, the DC negative electrode bus plate, and the phase output bus plate. As a result, when the power module generates heat and expands, there is a difference in the amount of expansion of the contact surface due to the difference in the coefficient of thermal expansion, and the difference in the amount of deformation of the joint surface reduces the possibility that each part inside the power module will break. do.

DC正極バスプレートとDC負極バスプレートを絶縁材料上に実装する際に、金属のろうづけを用いても良いし、絶縁材料やバスプレートに近い熱膨張係数を持ったハンダによる接合を行っても良い。また、他にクリープ性の高い熱伝導材料を用いても良い。これは、パワースイッチ素子やパワーダイオード素子を挟んでもう一方の側となる相出力端子と絶縁材料との接合部も同様である。 When mounting the DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate on the insulating material, metal brazing may be used, or soldering with a thermal expansion coefficient close to that of the insulating material or the bath plate may be performed. good. In addition, a heat conductive material having a high creep property may be used. This also applies to the joint portion between the phase output terminal on the other side of the power switch element or the power diode element and the insulating material.

この際にバスプレートや樹脂充填材料と同程度の熱膨張係数を持った絶縁材料を用いることで、発熱時低温時にパワーモジュールが破壊される可能性を低減できる。近年では、半導体材料であるSiに近い熱膨張係数を持ったSi材料を絶縁材料として用いる研究が進んでおり、これを用いることで絶縁材料の膨張面積と半導体の膨張面積の違いから材料が破壊される可能性を低減できる。 At this time, by using an insulating material having a thermal expansion coefficient similar to that of the bath plate or the resin filling material, it is possible to reduce the possibility that the power module is destroyed at the time of heat generation and low temperature. In recent years, research has been progressing on using a Si 3N 4 material having a thermal expansion coefficient close to that of Si, which is a semiconductor material, as an insulating material. The possibility of material destruction can be reduced.

パワーモジュール内部に樹脂材料を充填する際には、最外面にあたる両絶縁材料同士が平行となるよう一定の精度を保ったまま最外面間を内側へ向かって加圧する。この際、製造途中のパワーモジュール各部品温度をある温度まで予熱し、樹脂充填後にパワーモジュール全体の温度を保管温度まで冷却する。 When filling the inside of the power module with a resin material, pressure is applied inward between the outermost surfaces while maintaining a certain degree of accuracy so that the two insulating materials corresponding to the outermost surfaces are parallel to each other. At this time, the temperature of each component of the power module during manufacturing is preheated to a certain temperature, and the temperature of the entire power module is cooled to the storage temperature after filling with the resin.

(実施例1)
図1には実施例1、実施例2における6 in 1モジュールの片面絶縁面を剥いだ図を示す。6 in 1モジュールはDC正極端子111とDC正極バスプレート110、DC負極端子121とDC負極バスプレート120、DC側絶縁プレート102をDC側絶縁プレート上にハンダや熱伝導材料、またはろう材を介して実装している。この実装用ハンダはDC正極バスプレート110やDC負極バスプレート120と同質の材料を添加したものであればなお良い。
(Example 1)
FIG. 1 shows a diagram in which the single-sided insulating surface of the 6-in-1 module in the first and second embodiments is stripped. In the 6-in-1 module, the DC positive electrode terminal 111 and the DC positive electrode bus plate 110, the DC negative electrode terminal 121 and the DC negative electrode bus plate 120, and the DC side insulating plate 102 are placed on the DC side insulating plate via solder, a heat conductive material, or a brazing material. Is implemented. It is even more preferable that the solder for mounting is made by adding a material of the same quality as the DC positive electrode bath plate 110 and the DC negative electrode bath plate 120.

DC正極端子111とDC負極端子121に対して直交する方向に相出力端子が備えられ、それぞれU相出力端子131、V相出力端子141、W相出力端子151である。DC正極バスプレート110とDC負極バスプレート120との間には図5中161cに示すP型端子を介してコンデンサを備えている。U相にはコンデンサ161a, 161bを、V相にはコンデンサ171a, 171bを、W相にはコンデンサ181a, 181bをそれぞれ備えている。 A phase output terminal is provided in a direction orthogonal to the DC positive electrode terminal 111 and the DC negative electrode terminal 121, and the U phase output terminal 131, the V phase output terminal 141, and the W phase output terminal 151, respectively. A capacitor is provided between the DC positive electrode bus plate 110 and the DC negative electrode bus plate 120 via the P-type terminal shown in 161c in FIG. The U phase is provided with capacitors 161a and 161b, the V phase is provided with capacitors 171a and 171b, and the W phase is provided with capacitors 181a and 181b, respectively.

図2に実施例1、実施例2における6 in 1モジュールの回路模式図を示す。図中に記載のある符号は図1、図3、図4a、図4bと共通している。回路模式図中にはレイアウトに準じた位置にコンデンサが描写されており、例えばU相であればコンデンサ161a, 161bがMOSFETとFWDの隣に書き入れられている。 FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of the 6-in-1 module in the first and second embodiments. The reference numerals described in the drawings are common to FIGS. 1, 3, 4a, and 4b. Capacitors are drawn at positions according to the layout in the circuit schematic diagram. For example, in the case of U phase, capacitors 161a and 161b are written next to MOSFET and FWD.

実施例1中のMOSFETとFWDはそれぞれ2枚ずつであるため、図2中にもその素子数を記入してある。図3には図1とは異なる素子数にまとめた回路図を示す。このように簡略化された回路である図3の通り、1アームに対して1枚のMOSFET、1枚のFWDを用い、1相ごとにコンデンサを備えない変形例に本発明を適用してもよい。また、1アーム中に三枚を超える複数枚の素子を並列に導入しても良い。 Since there are two MOSFETs and two FWDs in the first embodiment, the number of elements is also shown in FIG. FIG. 3 shows a circuit diagram in which the number of elements is different from that in FIG. As shown in FIG. 3, which is a circuit simplified in this way, even if the present invention is applied to a modified example in which one MOSFET and one FWD are used for one arm and no capacitor is provided for each phase. good. Further, a plurality of elements having more than three elements may be introduced in parallel in one arm.

図4a、図4bには実施例1、実施例2における6 in 1モジュールの実装図を示す。DC側絶縁プレート101上に実装されたDC正極バスプレート110上に各相二枚ずつのハイサイドMOSFETがドレイン面を接するように実装されている。また、U相出力バスプレート130、V相出力バスプレート140、W相出力バスプレート150上にも同様に各相二枚ずつのローサイドMOSFETがドレイン面を接するように実装されている。このMOSFETはスイッチ素子であればIGBT構造でもよく、UMOSFET、SJ-MOSFET、IE-IGBT等どのような素子構造のものを用いても良い。また、半導体材料としてSiを用いても、SiCを用いても良い。 4a and 4b show mounting diagrams of the 6-in-1 module in the first and second embodiments. Two high-side MOSFETs for each phase are mounted on the DC positive electrode bus plate 110 mounted on the DC-side insulating plate 101 so as to contact the drain surface. Further, on the U-phase output bus plate 130, the V-phase output bus plate 140, and the W-phase output bus plate 150, two low-side MOSFETs for each phase are similarly mounted so as to be in contact with the drain surface. This MOSFET may have an IGBT structure as long as it is a switch element, and any element structure such as UPWM, SJ-PWM, IE-IGBT, etc. may be used. Further, Si may be used as the semiconductor material, or SiC may be used.

検討によれば、実装されるハイサイドスイッチ素子133a, 133b, 143a, 143b, 153a, 153b、ローサイドスイッチ素子135a, 135b, 145a, 145b, 155a, 155b、に素子面積0.42 cmのSiC-MOSFETを用いることにより、出力電圧650 V、出力150 kW、出力密度150 kW/Lの3相インバータを実現できる。それぞれのMOSFET近傍に、FWDが各相各アームに二枚ずつ実装されており、U相ハイサイドであれば132a, 132bがこれにあたる。このFWDはPIN構造でもSBD構造でも良い。 According to the study, the mounted high-side switch elements 133a, 133b, 143a, 143b, 153a, 153b, low-side switch elements 135a, 135b, 145a, 145b, 155a, 155b, and the element area of 0.42 cm 2 SiC- By using MOSFET, a three-phase inverter with an output voltage of 650 V, an output of 150 kW, and an output density of 150 kW / L can be realized. Two FWDs are mounted on each arm of each phase in the vicinity of each MOSFET, and 132a and 132b correspond to this in the case of the U-phase high side. This FWD may have a PIN structure or an SBD structure.

DC正極バスプレート110やDC負極バスプレート120、各相出力バスプレート130, 140, 150、各ゲート信号ピン136, 139, 146, 149, 156, 159、各ソース信号ピン137, 138, 147, 148, 157, 158、DC正極端子111、DC負極端子121には電蝕や錆を防止するためのメッキ処理を施す。また、DC正極バスプレート110、DC負極バスプレート120、各相出力バスプレート130, 140, 150中のうち、MOSFETを実装する位置にのみ溝を与え、金フラッシュ等のメッキ処理によってハンダ濡れ性を高めるとともに、不測の位置にハンダが漏出することを防ぐ。 DC positive electrode bus plate 110, DC negative electrode bus plate 120, each phase output bus plate 130, 140, 150, each gate signal pin 136, 139, 146, 149, 156, 159, each source signal pin 137, 138, 147, 148. , 157, 158, DC positive electrode terminal 111, and DC negative electrode terminal 121 are plated to prevent electrolytic corrosion and rust. Further, among the DC positive electrode bus plate 110, the DC negative electrode bus plate 120, and each phase output bus plate 130, 140, 150, a groove is provided only at the position where the MOSFET is mounted, and solder wettability is improved by plating with a gold flash or the like. As well as raising it, it prevents the solder from leaking to an unexpected position.

ハイサイドMOSFETのゲート端子はU相ハイサイドゲート信号ピン136、V相ハイサイドゲート信号ピン146、W相ハイサイドゲート信号ピン156へそれぞれ直接はんだ付けされており、各ハイサイドゲート信号ピンは絶縁物質を挟んでDC正極バスプレート136へはんだ付けされている。この絶縁物質は例えばAlやSiであってもよい。ここに用いる絶縁物質をSiパワースイッチ素子やSiCパワースイッチ素子に近い熱膨張係数である物質とすることで、発熱時に絶縁物とパワースイッチ素子の熱膨張係数の違いからゲート信号ピンやハンダとパワースイッチ素子との接合面に生じる応力によってパワースイッチ素子が破壊される可能性が低下する。 The gate terminals of the high-side MOSFET are directly soldered to the U-phase high-side gate signal pin 136, the V-phase high-side gate signal pin 146, and the W-phase high-side gate signal pin 156, and each high-side gate signal pin is isolated. It is soldered to the DC positive bus plate 136 with a substance sandwiched between them. This insulating material may be, for example, Al 2 O 3 or Si 3 N 4 . By using a material with a coefficient of thermal expansion close to that of a Si power switch element or SiC power switch element, the insulating material used here is a gate signal pin, solder, and power due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the insulator and the power switch element during heat generation. The possibility that the power switch element is destroyed by the stress generated on the joint surface with the switch element is reduced.

ローサイドMOSFETのゲート信号ピンは相出力側絶縁プレート101上に実装される相出力プレート130, 140, 150に平行となるよう絶縁距離を持って備えられる。U相ローサイドゲート信号ピン139と U相MOSFET135a, 135b間は金属フィルム162a, 162bを用いてそれぞれ接続する。同様にV相ローサイドゲート信号ピン149と V相MOSFET145a, 145b間は金属フィルム172a, 172bを用いてそれぞれ接続し、W相ローサイドゲート信号ピン159と W相MOSFET155a, 155b間は金属フィルム182a, 182bを用いてそれぞれ接続する。 The gate signal pin of the low-side MOSFET is provided with an insulating distance so as to be parallel to the phase output plates 130, 140, 150 mounted on the phase output side insulating plate 101. The U-phase low-side gate signal pin 139 and the U-phase MOSFETs 135a and 135b are connected by using metal films 162a and 162b, respectively. Similarly, the V-phase low-side gate signal pin 149 and the V-phase MOSFETs 145a and 145b are connected by using metal films 172a and 172b, respectively, and the W-phase low-side gate signal pin 159 and the W-phase MOSFETs 155a and 155b are connected by metal films 182a and 182b. Use to connect to each.

この際に、ゲート端子がDC負極バスプレートとショートしないよう、DC負極バスプレートには凹部163, 173, 183が設けられ、金属フィルムは各凹部を経由してパワースイッチ素子のゲートパッドとゲート端子との間を接続する。 At this time, recesses 163, 173, and 183 are provided in the DC negative electrode bus plate so that the gate terminal does not short-circuit with the DC negative electrode bus plate, and the metal film passes through each recess to the gate pad and gate terminal of the power switch element. Connect with.

0.3 mm厚のハイサイドゲート信号ピンと0.3 mm厚のハイサイドソース信号ピンとの間には0.2 mm厚の絶縁物を片面0.1 mm厚のはんだ付けによって挟んでおり、ハイサイドゲート信号ピンとDC正極バスプレート110との間の絶縁物は0.1 mm厚のものを片面0.1 mm厚のはんだ付けによって固定している。この絶縁物は耐電圧31 kV/mmのSiを用いても良いし、耐電圧2 kV以上が維持される絶縁物であれば他の材料でも構わない。 A 0.2 mm thick insulator is sandwiched between the 0.3 mm thick high side gate signal pin and the 0.3 mm thick high side source signal pin by soldering 0.1 mm thick on one side. The insulator between the side gate signal pin and the DC positive positive bath plate 110 is fixed with a thickness of 0.1 mm by soldering with a thickness of 0.1 mm on one side. As the insulating material, Si 3 N 4 having a withstand voltage of 31 kV / mm may be used, or any other material may be used as long as the withstand voltage of 2 kV or more is maintained.

各部品を実装した図4aに記載の相出力側絶縁プレート101と図4bに記載のDC側絶縁プレート102とがそれぞれ平行となるようにスイッチ素子とFWDとにハンダを塗り、圧接の後リフローにて接合する。 Solder the switch element and FWD so that the phase output side insulating plate 101 shown in FIG. 4a and the DC side insulating plate 102 shown in FIG. 4b on which each component is mounted are parallel to each other, and perform reflow after pressure welding. And join.

各ローサイドソース信号ピン138, 148, 158はDC負極バスプレート120より伸展した形状を有し、DC負極バスプレート120電流通流方向に対して直交方向に突出している。ローサイドゲート信号ピン139, 149, 159端部とローサイドソース信号ピン138, 148, 158端部との間にはメス端子を備えるための適切な間隔が開けられており、図中の実施例においては1.7 mmとなっている。 Each of the low-side source signal pins 138, 148, and 158 has a shape extended from the DC negative electrode bus plate 120, and protrudes in a direction orthogonal to the current flow direction of the DC negative electrode bus plate 120. There is an appropriate spacing between the low-side gate signal pins 139, 149, 159 ends and the low-side source signal pins 138, 148, 158 ends to provide a female terminal, and in the embodiments shown in the figure. It is 1.7 mm.

各ハイサイドソース信号ピン137, 147, 157はそれぞれ各相出力バスプレート130, 140, 150側面に接続された形状となっており、各相出力バスプレートを整形する際に一体的に整形してもよい。各ハイサイドゲート信号ピン136, 146, 156は正極バスプレート110側面を通過した点から変形しており、各ハイサイドソース信号ピン137, 147, 157端部と対応する各ハイサイドゲート信号ピン136, 146, 156端部との間にはメス端子を備えるための適切な間隔が空けられている。図中の実施例においては1.7 mmとなっている。 Each high-side source signal pin 137, 147, 157 has a shape connected to the side surface of each phase output bus plate 130, 140, 150, respectively, and is integrally shaped when shaping each phase output bus plate. May be good. Each high side gate signal pin 136, 146, 156 is deformed from the point of passing through the side surface of the positive electrode bus plate 110, and each high side gate signal pin 136 corresponding to each high side source signal pin 137, 147, 157 end. , 146, 156 There is an appropriate space between the ends and the female terminals. In the embodiment in the figure, it is 1.7 mm.

各相におけるローサイドゲート信号ピンとローサイドソース信号ピン、また各相におけるハイサイドゲート信号ピンとハイサイドソース信号ピンとはそれぞれ平行であり、そのある相におけるローサイドゲート信号ピン中心を流れる電流と、その相におけるローサイドソース信号ピン中心を流れる電流とが生成する電流平面はDC負極バスプレート120平面と直交状態、あるいは90 ±10 deg.の範囲内であることが望ましい。同様に、ある相におけるハイサイドゲート信号ピン中心を流れる電流と、その相におけるハイサイドソース信号ピン中心を流れる電流平面はDC正極バスプレート110平面と直交状態、あるいは90 ±10 deg.の範囲内であることが望ましい。これは、電流ループ間の相互インダクタンスは、面間角度θである際にCosθに比例することによる。 The low-side gate signal pin and low-side source signal pin in each phase, and the high-side gate signal pin and high-side source signal pin in each phase are parallel to each other, and the current flowing through the center of the low-side gate signal pin in that phase and the low side in that phase. The current plane generated by the current flowing through the center of the source signal pin is orthogonal to the DC negative electrode bus plate 120 plane, or 90 ± 10 deg. It is desirable that it is within the range of. Similarly, the current flowing through the center of the high-side gate signal pin in a certain phase and the current plane flowing through the center of the high-side source signal pin in that phase are orthogonal to the plane of the DC positive bus plate 110, or 90 ± 10 deg. It is desirable that it is within the range of. This is because the mutual inductance between the current loops is proportional to Cos θ when the face-to-face angle θ is.

実施例1の図1、図2におけるV相ハイサイドゲート信号ピン146とV相ハイサイドソース信号ピン147の電流ループ面と、V相出力バスプレートを200 Aの電流が通流する主電流ループ面との面間角度が仮に0 deg. の平行関係にある場合、そのハイサイドゲート電圧に生じる相互インダクタンス結合由来の電圧は3.79 Vに達する。同様にW相においては4.07 Vとなる。この面間角度が90 deg.である場合、V相のハイサイドゲート信号に生じる電圧は0 V、同様にW相のゲート信号に生じる電圧も0 Vとなる。 The current loop surface of the V-phase high-side gate signal pin 146 and the V-phase high-side source signal pin 147 in FIGS. 1 and 2 of Example 1 and the main current loop through which a current of 200 A flows through the V-phase output bus plate. The angle between the faces is tentatively 0 deg. In the case of the parallel relationship, the voltage derived from the mutual inductance coupling generated in the high side gate voltage reaches 3.79 V. Similarly, it is 4.07 V in the W phase. This face-to-face angle is 90 deg. If, the voltage generated in the V-phase high-side gate signal is 0 V, and the voltage generated in the W-phase gate signal is also 0 V.

この時、仮に面間角度が直交に対して±10 deg.の傾きを持つ場合、その傾きの符号と対応してV相ハイサイドゲート電圧に生じる相互インダクタンス結合由来の電圧は±0.14 V程度、同様にW相に生じる相互インダクタンス結合由来の電圧は±0.13 Vとなる。実施例1の図1、図2に示す6 in 1 モジュール100は、主電流ループ面を通流する電流の時間変化が、ゲート信号へ影響しないか、あるいはゲート信号へ及ぼす電位の変化量がゲートドライブ信号の品質上問題とならない範囲内であることを特徴としている。 At this time, if the angle between the faces is orthogonal to the orthogonal angle, ± 10 deg. When the slope is, the voltage derived from the mutual inductance coupling generated in the V-phase high-side gate voltage corresponding to the sign of the tilt is about ± 0.14 V, and the voltage derived from the mutual inductance coupling generated in the W phase is ± It will be 0.13 V. In the 6-in-1 module 100 shown in FIGS. 1 and 2 of the first embodiment, the time change of the current flowing through the main current loop surface does not affect the gate signal, or the amount of change in the potential on the gate signal is the gate. It is characterized by being within a range that does not pose a problem in terms of drive signal quality.

各相出力端子131, 141, 151は各ゲートドライバー回路400, 500や電流検出機器630, 640, 650との干渉を防ぐべく、ある一方へ変形している。この変形部位はパワーモジュールが発熱した際の膨張によって、モジュール側オス端子とメス端子と接点にかかる応力を緩和する効果を発揮し、パワーモジュールや周辺部品が破壊される可能性を緩和する。 Each phase output terminal 131, 141, 151 is deformed to one side in order to prevent interference with each gate driver circuit 400, 500 and current detection devices 630, 640, 650. This deformed part exerts the effect of relaxing the stress applied to the contact between the male terminal and the female terminal on the module side due to the expansion when the power module generates heat, and reduces the possibility that the power module and peripheral parts are destroyed.

図1に記載の6 in 1パワーモジュールはDC入力端子111から各スイッチまでの間に寄生インダクタンスが存在する。この寄生インダクタンスを通流する電流値が急激に変動する際に、寄生インダクタンスに応じた電圧が生じる。この電位変動を抑制するべく、パワーモジュール内部にP型端子によって接続されたコンデンサを備える。 The 6-in-1 power module shown in FIG. 1 has a parasitic inductance between the DC input terminal 111 and each switch. When the value of the current flowing through this parasitic inductance fluctuates abruptly, a voltage corresponding to the parasitic inductance is generated. In order to suppress this potential fluctuation, a capacitor connected by a P-type terminal is provided inside the power module.

この寄生インダクタンスによる電位変動は通流する電流が200 Aである場合、1相分のDC正極端子部のインダクタンスによっては20 mV程度、相出力端子のインダクタンスによっては100 mV程度と予測されている。このような電位変動は一回のスイッチングに対して1回観測されるような単調なオーバーシュートやアンダーシュートではなく、寄生素子によって構成されるLCR回路によって振動を生じ、スイッチング時のリンギングが生じる。このリンギングはスイッチ素子の損失となるとともに出力電力の品質を低下させるため、極力低減したい。 The potential fluctuation due to this parasitic inductance is predicted to be about 20 mV depending on the inductance of the DC positive electrode terminal portion for one phase and about 100 mV depending on the inductance of the phase output terminal when the flowing current is 200 A. Such potential fluctuation is not a monotonous overshoot or undershoot that is observed once for one switching, but vibration is generated by an LCR circuit composed of parasitic elements, and ringing at the time of switching occurs. This ringing causes a loss of the switch element and deteriorates the quality of the output power, so we want to reduce it as much as possible.

図示されているP型端子コンデンサ161a, 161b, 171a, 171b, 181a, 181bによってこのような電位変動を抑制することができる。また、これらのコンデンサは他の要因によって制御外に電位が変動する現象も同様に抑制できる。 Such potential fluctuations can be suppressed by the illustrated P-type terminal capacitors 161a, 161b, 171a, 171b, 181a, 181b. In addition, these capacitors can also suppress the phenomenon that the potential fluctuates out of control due to other factors.

図1に記載の6 in 1パワーモジュールはDC正極端子111からU相までの距離に対し、W相までの距離が、またDC負極端子121からU相までの距離に対し、W相までの距離がそれぞれ遠くなっている。この距離の差によって、各相がスイッチングした際に各相スイッチに供給される電流が受ける寄生インダクタンスや寄生容量、寄生抵抗の影響も変化する。 In the 6-in-1 power module shown in FIG. 1, the distance from the DC positive electrode terminal 111 to the U phase is the distance to the W phase, and the distance from the DC negative electrode terminal 121 to the U phase is the distance to the W phase. Are far from each other. Due to this difference in distance, the effects of parasitic inductance, parasitic capacitance, and parasitic resistance on the current supplied to each phase switch when each phase is switched also change.

これら寄生インダクタンスや寄生抵抗の影響はDC正極端子111とDC負極端子121の外部に備えられる不図示のDCリンクコンデンサによっては低減できない。図1中に示される各相に備えられるコンデンサ161a, 161b, 171a, 171b, 181a, 181bによって、上述のような相間寄生素子の影響を低減し、スイッチ直後の電荷不足を低減し、不測の電位変動を低減できる。 The effects of the parasitic inductance and the parasitic resistance cannot be reduced by the DC link capacitors (not shown) provided outside the DC positive electrode terminal 111 and the DC negative electrode terminal 121. Capacitors 161a, 161b, 171a, 171b, 181a, 181b provided in each phase shown in FIG. 1 reduce the influence of the interphase parasitic element as described above, reduce the charge shortage immediately after the switch, and unexpected potential. Fluctuations can be reduced.

(実施例2)
図1に記載の6 in 1モジュール100を用いたインバータシステムを図6に示す。インバータシステムは6 in 1モジュール100の両面を冷却器210と220とで挟む形になっており、DC入力コンデンサ300が6 in 1モジュール100に接続されている。
(Example 2)
FIG. 6 shows an inverter system using the 6-in-1 module 100 described in FIG. The inverter system has a form in which both sides of the 6 in 1 module 100 are sandwiched between the coolers 210 and 220, and the DC input capacitor 300 is connected to the 6 in 1 module 100.

6 in 1モジュール内部の発熱により、DC正極バスプレート110やDC負極バスプレート120がDC側絶縁プレート102を6 in 1モジュールを変形させる応力を生じた際に、冷却器220がその応力を相殺する力をDC側絶縁プレート102へ加えるよう設計される。同様に、各相出力プレート130, 140, 150が相出力側絶縁面101を変形させる応力を生じた際に冷却器210がその応力を相殺する力を相出力側絶縁面101へ加えるよう設計される。 When the DC positive bus plate 110 or the DC negative negative bath plate 120 generates a stress that deforms the DC side insulating plate 102 to the 6 in 1 module due to the heat generated inside the 6 in 1 module, the cooler 220 cancels the stress. It is designed to apply force to the DC side insulating plate 102. Similarly, when the phase output plates 130, 140, 150 generate stress that deforms the phase output side insulating surface 101, the cooler 210 is designed to apply a force that cancels the stress to the phase output side insulating surface 101. To.

3相ローサイドゲートドライバー集合体400と3相ハイサイドゲートドライバー集合体500はゲートドライバー固定具410と510によって、6 in 1モジュールのゲート信号ピン突出方向と同軸方向に取り外し、取り付けがなされる。 The 3-phase low-side gate driver assembly 400 and the 3-phase high-side gate driver assembly 500 are removed and mounted coaxially with the gate signal pin protrusion direction of the 6-in-1 module by the gate driver fixtures 410 and 510.

各相出力電流センサ630, 640, 650はそれぞれ、各相出力端子131, 141,151に対応して相出力端子突出方向と同軸に取り付け、取り外しがなされる。各相出力電流センサ630, 640, 650はそれぞれ回路基板と接着された金属部を有し、この金属部を冷却器220の側面に接触させる形で冷却を行う。 The phase output current sensors 630, 640, and 650 are attached and detached coaxially with the phase output terminal protrusion direction corresponding to the phase output terminals 131, 141, and 151, respectively. Each phase output current sensor 630, 640, and 650 each has a metal portion bonded to a circuit board, and the metal portion is brought into contact with the side surface of the cooler 220 for cooling.

図6に記載のインバータシステム分解図を図7に示す。DC入力コンデンサ300のDC正極入力端子312とDC正極出力端子311とは同一のバスプレートによって結ばれ、同様にDC負極入力端子322とDC負極出力端子321とは同一のバスプレートによって結ばれる。それぞれの電極はコンデンサ300を図中上面から捉えた際に、左右に別れるように構成される。 An exploded view of the inverter system shown in FIG. 6 is shown in FIG. The DC positive electrode input terminal 312 and the DC positive electrode output terminal 311 of the DC input capacitor 300 are connected by the same bus plate, and similarly, the DC negative electrode input terminal 322 and the DC negative electrode output terminal 321 are connected by the same bus plate. Each electrode is configured to be separated into left and right when the capacitor 300 is grasped from the upper surface in the figure.

U相ローサイドゲートドライバー回路430とV相ローサイドゲートドライバー回路440、W相ローサイドゲートドライバー回路450はそれぞれ絶縁され、ローサイドゲートドライバー回路固定具410へ固定される。同様に、U相ハイサイドゲートドライバー回路530とV相ハイサイドゲートドライバー回路540、W相ハイサイドゲートドライバー回路550もまたそれぞれ絶縁され、ハイサイドゲートドライバー回路固定具510へ固定される。 The U-phase low-side gate driver circuit 430, the V-phase low-side gate driver circuit 440, and the W-phase low-side gate driver circuit 450 are each insulated and fixed to the low-side gate driver circuit fixture 410. Similarly, the U-phase high-side gate driver circuit 530, the V-phase high-side gate driver circuit 540, and the W-phase high-side gate driver circuit 550 are also insulated and fixed to the high-side gate driver circuit fixture 510.

これら3相ローサイドゲートドライバー集合体400と3相ハイサイドゲートドライバー集合体500の冷却器厚み方向長さは、パワーモジュール100厚みと冷却器210厚みとの合計値に近いほど体積効率が高まる。また、6 in 1パワーモジュール100内部に実装する素子と、DC正極バスプレート中を占める1相の幅に近い幅を持つゲートドライバー回路であれば、同様に体積効率が高まり、より高出力密度なインバータを設計できる。 The closer the length of the three-phase low-side gate driver assembly 400 and the three-phase high-side gate driver assembly 500 in the cooler thickness direction to the total value of the power module 100 thickness and the cooler 210 thickness, the higher the volumetric efficiency. Further, if the element mounted inside the 6-in-1 power module 100 and the gate driver circuit having a width close to the width of one phase occupying the DC positive electrode bus plate, the volumetric efficiency is similarly increased and the output density is higher. You can design an inverter.

これらゲートドライバー回路に用いるフローティング電源の小型化には限界があるため、ドライブするパワースイッチ素子の寄生容量等特性と電力変換装置システムの仕様に応じて自ずとゲートドライバー回路面積や体積の限界値が定まる。一方で、冷却器が効率的に機能するフィン間隔や流速は冷媒やフィン長、フィン高等によって制限される。 Since there is a limit to the miniaturization of the floating power supply used in these gate driver circuits, the limit values of the gate driver circuit area and volume are naturally determined according to the characteristics such as the parasitic capacitance of the power switch element to be driven and the specifications of the power conversion device system. .. On the other hand, the fin spacing and flow velocity at which the cooler functions efficiently are limited by the refrigerant, fin length, fin height, and the like.

つまり、図6中に示すような6 in 1モジュール100中に生じる損失と、これを伝熱する面積をもって十分に冷却可能かつ効率的に機能する冷却器を設計した際のフィン高と上述のゲートドライバー回路面積中におけるフィン高さ方向の長さが近くなるような種々の設計値にはあまり多くの選択肢はない。図6中に示すインバータシステムの設計例は他の設計と比べ上述の関係を考慮されたものであり、出力密度150 kW/Lを実現可能な設計となっている。 That is, the fin height and the above-mentioned gate when designing a cooler that can sufficiently cool and functions efficiently with the loss generated in the 6-in-1 module 100 as shown in FIG. 6 and the area for transferring heat thereof. There are not many options for various design values such that the lengths in the fin height direction in the driver circuit area are close to each other. The design example of the inverter system shown in FIG. 6 takes the above-mentioned relationship into consideration as compared with other designs, and is designed to realize an output density of 150 kW / L.

図6に記載のインバータシステム回路模式図を図8に示す。回路模式図には相別にハイサイドゲートドライバーとローサイドゲートドライバーのブロックが描かれている。また、相出力端子131, 141, 151に対して電流センサが接続されている様子を表している。この電流センサは磁気式であってもシャント抵抗式であってもよい。 A schematic diagram of the inverter system circuit shown in FIG. 6 is shown in FIG. The high side gate driver and low side gate driver blocks are drawn separately in the circuit schematic diagram. It also shows that the current sensor is connected to the phase output terminals 131, 141, and 151. This current sensor may be a magnetic type or a shunt resistance type.

図9に実施例2におけるインバータシステム中を通流する電流ループの直交関係を示す。DC正極バスプレート110を通流した電流はW相ハイサイドMOSFET153a, 153bがオンすることにより図中に示されないW相出力バスプレート150を経由し、W相出力端子151から電流が出力される。同様に、V相ローサイドMOSFET145a, 145bをオンすることにより、V相出力端子から帰還した電流がDC負極バスプレート120中を通流し、DC入力コンデンサ300へ電流が帰還する。 FIG. 9 shows the orthogonal relationship of the current loops flowing through the inverter system in the second embodiment. The current passed through the DC positive electrode bus plate 110 is output from the W phase output terminal 151 via the W phase output bus plate 150 (not shown in the figure) when the W phase high side MOSFETs 153a and 153b are turned on. Similarly, by turning on the V-phase low-side MOSFETs 145a and 145b, the current returned from the V-phase output terminal passes through the DC negative electrode bus plate 120, and the current returns to the DC input capacitor 300.

電流に対して電子の流れは逆であるので、本来移動する電子は上述の通流過程に対して逆向きに通流する。この時間において、電流のループ面はDC入力コンデンサ300、DC正極バスプレート110、V相出力バスプレート140、DC負極バスプレート120を通流する電流によって構成され、磁束はこのループ面中心より放射状に生じ、各バスプレートの外周を通過したのち、ループ面裏側へ戻る経路を持った閉路となる。 Since the flow of electrons is opposite to the current, the originally moving electrons flow in the opposite direction to the above-mentioned flow process. At this time, the loop surface of the current is composed of the current passing through the DC input capacitor 300, the DC positive electrode bus plate 110, the V phase output bus plate 140, and the DC negative electrode bus plate 120, and the magnetic flux radiates from the center of this loop surface. It occurs, passes through the outer circumference of each bus plate, and then becomes a closed path with a path back to the back side of the loop surface.

ただし、本実施例においては6 in 1モジュール100の両面に対して冷却器210と冷却器220を備えるため、上述の磁束のうちいくらかはそれぞれの冷却器底面の金属部において電流に変化する。この近接効果は6 in 1モジュール中の各バスプレートからは各バスプレートを通流する電流に対する交流抵抗として観測される。 However, in this embodiment, since the cooler 210 and the cooler 220 are provided on both sides of the 6-in-1 module 100, some of the above-mentioned magnetic flux changes to a current in the metal portion on the bottom surface of each cooler. This proximity effect is observed from each bus plate in the 6 in 1 module as AC resistance to the current flowing through each bus plate.

図9中にはこのような6 in 1モジュール中を通流する主電流の電流ループ面931, 941, 951と、U相ハイサイドゲート信号ピン136とU相ハイサイドソース信号ピン137を通流するゲート信号ピン電流ループ面932とU相ハイサイドゲートドライバー回路530中を通流するドライブ電流のループ面933とがすべて直交状態にあることを示している。 In FIG. 9, the current loop surface 931, 941, 951 of the main current flowing through such a 6-in-1 module, the U-phase high-side gate signal pin 136, and the U-phase high-side source signal pin 137 pass through. It is shown that the gate signal pin current loop surface 932 and the loop surface 933 of the drive current flowing through the U-phase high side gate driver circuit 530 are all orthogonal to each other.

図中には6 in 1モジュール中を通流する電流ループ面に対して、U相ハイサイドゲートドライバー回路中を通流する電流ループ面933と、U相ゲートドライバー信号ピンを通流する電流ループ面932との関係のみを記載しているが、上述のループ面直交関係は、図7中に記載のあるゲートドライバー回路や図4a、図4b中に記載のあるゲート信号ピンやソース信号ピン中を通流する電流ループ面との間のすべてで成立する。 In the figure, the current loop surface passing through the 6-in-1 module, the current loop surface 933 flowing through the U-phase high-side gate driver circuit, and the current loop passing through the U-phase gate driver signal pin are shown. Although only the relationship with the surface 932 is described, the above-mentioned loop surface orthogonal relationship is described in the gate driver circuit described in FIG. 7 and the gate signal pin and source signal pin described in FIGS. 4a and 4b. It holds for everything between the current loop surface and the flowing current loop surface.

これら電流ループ面の直交関係を図9中下部の3軸図に6 in 1モジュール内部の主電流ループ面を破線で、ゲート信号ピンとソース信号ピンとの電流ループであるゲート信号ピン電流ループ面を一点鎖線で、ゲートドライバー中の電流ループ面を点線でそれぞれ示している。 The orthogonal relationship between these current loop planes is shown in the three-axis diagram at the bottom center of Fig. 9. The main current loop plane inside the 6-in-1 module is shown by a broken line, and the gate signal pin current loop plane, which is the current loop between the gate signal pin and the source signal pin, is shown at one point. The chain line shows the current loop surface in the gate driver with a dotted line.

図9中に示す3軸図に示す通り、本発明はこのようなインバータシステム中におけるインバータ主電流ループ面とゲート信号ピン電流ループ面とゲートドライバー回路基板中の電流ループ面の3方がすべて直交状態にあることを特徴とする。この特徴は、図9に示す実施例のように3相インバータ構成とは限らず、ハーフブリッジ構成、フルブリッジ構成、3相インバータ+ハーフブリッジの4相構成においても成立する。 As shown in the three-axis diagram shown in FIG. 9, in the present invention, the inverter main current loop surface, the gate signal pin current loop surface, and the current loop surface in the gate driver circuit board are all orthogonal to each other in such an inverter system. It is characterized by being in a state. This feature is not limited to the three-phase inverter configuration as shown in the embodiment shown in FIG. 9, but is also satisfied in the half-bridge configuration, the full-bridge configuration, and the four-phase configuration of the three-phase inverter + half bridge.

このハーフブリッジ構成やフルブリッジ構成を用いて昇圧器を構成しても良いし、降圧器を構成してもよいし、双方向チョッパー回路を構成しても良い。本発明の特徴によって、これら回路は従来の回路よりもより高速にスイッチできることから高周波動作が可能となり、チョークコイルや出力部平滑コンデンサといった受動部品の回路定数を従来と比べ小さな値とすることができ、回路全体の小型化を行うことができる。 A booster may be configured using this half-bridge configuration or a full-bridge configuration, a step-down transformer may be configured, or a bidirectional chopper circuit may be configured. Due to the features of the present invention, these circuits can be switched at a higher speed than conventional circuits, enabling high-frequency operation, and the circuit constants of passive components such as choke coils and output smoothing capacitors can be made smaller than those of conventional circuits. , The entire circuit can be miniaturized.

また、実施例1と実施例2に示したパワーモジュールの動作はインバータ動作であっても良いし、PFC動作であってもよい。EVやHV向けトラクションモータを動作させるためのインバータとして機能しても良いし、このトラクションモータから得られる逆起電圧を蓄電池等へ回収する際の整流器やPFCとしても動作する。 Further, the operation of the power module shown in the first and second embodiments may be an inverter operation or a PFC operation. It may function as an inverter for operating a traction motor for EVs and HVs, and also operates as a rectifier or PFC when recovering the counter electromotive voltage obtained from this traction motor to a storage battery or the like.

従来、電力変換装置のパワー密度向上は以下の2点の面から制限されていた。1点目はパワースイッチ素子の損失が高くモジュール中を伝熱する際の面積当たりの熱抵抗の問題も相まって、冷却器の小型化に限度があること。2点目は動作周波数を増加させると損失もまた増加することから、その損失より動作周波数に上限が生じ、受動部品の小型化に限度があることである。 Conventionally, the improvement of the power density of the power conversion device has been limited from the following two points. The first point is that there is a limit to the miniaturization of the cooler due to the high loss of the power switch element and the problem of thermal resistance per area when transferring heat in the module. The second point is that as the operating frequency is increased, the loss also increases, so that the operating frequency has an upper limit due to the loss, and there is a limit to the miniaturization of passive components.

本発明によって、各部の寄生インダクタンスが低減された。また、ゲートドライバー回路電流ループ面とゲート信号ピン電流ループ面、主電流ループ面の3方間における相互インダクタンスはほぼ0となる。このインダクタンス低減によって、パワースイッチ素子は高速にスイッチングが可能となったことから、実施例1と実施例2に記載のパワーモジュールは低損失化された。さらに、実施例1と実施例2に記載のパワーモジュールは両面から冷却が可能であるとともに、モジュールの冷却面面積に対する実装素子面積の比率が近く、また面積的体積的無駄が少ないことからパワーモジュール体積を小型化できる。上述のように本発明を適用した電力変換装置は従来のものと比べ低損失かつ熱伝達特性が良く、冷却器を小型化可能であるとともに、動作周波数を高めることができるため受動部品の小型化が可能である。これらの特性を兼ね備えることにより、電力変換装置の大幅な高出力密度化が可能となった。 According to the present invention, the parasitic inductance of each part is reduced. Further, the mutual inductance between the gate driver circuit current loop surface, the gate signal pin current loop surface, and the main current loop surface becomes almost zero. Since the power switch element can be switched at high speed by this inductance reduction, the power modules according to the first and second embodiments have a low loss. Further, the power modules according to the first and second embodiments can be cooled from both sides, the ratio of the mounted element area to the cooling surface area of the module is close, and the area and volume are not wasted. The volume can be reduced. As described above, the power conversion device to which the present invention is applied has lower loss and better heat transfer characteristics than the conventional one, and the cooler can be miniaturized and the operating frequency can be increased, so that the passive components can be miniaturized. Is possible. By combining these characteristics, it has become possible to significantly increase the output density of the power conversion device.

現行の60 kW/L前後が最大である電力変換装置の出力密度に対して、本発明を適用した実施例2に示すインバータシステムは、検討によれば60 kW/Lを大きく超える出力密度を発揮できるものであり、かねてより実現が期待されていた出力密度を達成可能とするものである。 The inverter system shown in Example 2 to which the present invention is applied exhibits an output density significantly exceeding 60 kW / L with respect to the output density of the current power conversion device having the maximum output density of around 60 kW / L. It is possible, and it makes it possible to achieve the output density that has been expected to be realized for some time.

100: 6 in 1 モジュール
101: 相出力側絶縁面
102: DC側絶縁面
110: DC正極バスプレート
111: DC正極端子
120: DC負極バスプレート
121: DC負極端子
130: U相出力バスプレート
131: U相出力端子
132a: U相ハイサイドFWD1
132b: U相ハイサイドFWD2
133a: U相ハイサイドMOSFET1
133b: U相ハイサイドMOSFET2
134a: U相ローサイドFWD1
134b: U相ローサイドFWD2
135a: U相ローサイドMOSFET1
135b: U相ローサイドMOSFET2
136: U相ハイサイドゲート信号ピン
137: U相ハイサイドソース信号ピン
138: U相ローサイドソース信号ピン
139: U相ローサイドゲート信号ピン
140: V相出力バスプレート
141: V相出力端子
142a: V相ハイサイドFWD1
142b: V相ハイサイドFWD2
143a: V相ハイサイドMOSFET1
143b: V相ハイサイドMOSFET2
144a: V相ローサイドFWD1
144b: V相ローサイドFWD2
145a: V相ローサイドMOSFET1
145b: V相ローサイドMOSFET2
146: V相ハイサイドゲート信号ピン
147: V相ハイサイドソース信号ピン
148: V相ローサイドソース信号ピン
149: V相ローサイドゲート信号ピン
150: W相出力バスプレート
151: W相出力端子
152a: W相ハイサイドFWD1
152b: W相ハイサイドFWD2
153a: W相ハイサイドMOSFET1
153b: W相ハイサイドMOSFET2
154a: W相ローサイドFWD1
154b: W相ローサイドFWD2
155a: W相ローサイドMOSFET1
155b: W相ローサイドMOSFET2
156: W相ハイサイドゲート信号ピン
157: W相ハイサイドソース信号ピン
158: W相ローサイドソース信号ピン
159: W相ローサイドゲート信号ピン
161a: U相コンデンサa
161b: U相コンデンサb
161c: U相コンデンサaのP型状端子
162a: U相ゲートフィルムa
162b: U相ゲートフィルムb
163: U相ローサイド凹部
171a: V相コンデンサa
171b: V相コンデンサb
172a: V相ゲートフィルムa
172b: V相ゲートフィルムb
173: V相ローサイド凹部
181a: W相コンデンサa
181b: W相コンデンサb
182a: W相ゲートフィルムa
182b: W相ゲートフィルムb
183: W相ローサイド凹部
210: 冷却器1
220: 冷却器2
300: DC入力コンデンサ
311: DC正極出力端子
312: DC正極入力端子
321: DC負極出力端子
322: DC負極入力端子
400: 3相ローサイドゲートドライバー集合体
410: ローサイドゲートドライバー固定具
430: U相ローサイドゲートドライバー回路
440: V相ローサイドゲートドライバー回路
450: W相ローサイドゲートドライバー回路
500: 3相ハイサイドゲートドライバー集合体
510: ハイサイドゲートドライバー固定具
530: U相ハイサイドゲートドライバー回路
540: V相ハイサイドゲートドライバー回路
550: W相ハイサイドゲートドライバー回路
630: U相出力部電流センサ
640: V相出力部電流センサ
650: W相出力部電流センサ
931: U相主電流ループ面
932: U相ゲート信号ピン電流ループ面
933: U相ドライバー回路内ドライブ電流ループ面
941: V相主電流ループ面
951: W相主電流ループ面
100: 6 in 1 module 101: Phase output side insulating surface 102: DC side insulating surface 110: DC positive electrode bus plate 111: DC positive electrode terminal 120: DC negative electrode bus plate 121: DC negative electrode terminal 130: U phase output bus plate 131: U-phase output terminal 132a: U-phase high side FWD1
132b: U-phase high side FWD2
133a: U-phase high-side MOSFET1
133b: U-phase high-side MOSFET2
134a: U-phase low side FWD1
134b: U-phase low side FWD2
135a: U-phase low-side MOSFET1
135b: U-phase low-side MOSFET2
136: U-phase high-side gate signal pin 137: U-phase high-side source signal pin 138: U-phase low-side source signal pin 139: U-phase low-side gate signal pin 140: V-phase output bus plate 141: V-phase output terminal 142a: V Phase high side FWD1
142b: V-phase high side FWD2
143a: V-phase high-side MOSFET1
143b: V-phase high-side MOSFET2
144a: V-phase low side FWD1
144b: V-phase low side FWD2
145a: V-phase low-side MOSFET1
145b: V-phase low-side MOSFET2
146: V-phase high-side gate signal pin 147: V-phase high-side source signal pin 148: V-phase low-side source signal pin 149: V-phase low-side gate signal pin 150: W-phase output bus plate 1511: W-phase output terminal 152a: W Phase high side FWD1
152b: W phase high side FWD2
153a: W-phase high-side MOSFET1
153b: W-phase high-side MOSFET2
154a: W phase low side FWD1
154b: W phase low side FWD2
155a: W phase low side MOSFET1
155b: W phase low side MOSFET2
156: W-phase high-side gate signal pin 157: W-phase high-side source signal pin 158: W-phase low-side source signal pin 159: W-phase low-side gate signal pin 161a: U-phase capacitor a
161b: U-phase capacitor b
161c: P-shaped terminal 162a of U-phase capacitor a: U-phase gate film a
162b: U-phase gate film b
163: U-phase low-side recess 171a: V-phase capacitor a
171b: V-phase capacitor b
172a: V-phase gate film a
172b: V-phase gate film b
173: V-phase low-side recess 181a: W-phase capacitor a
181b: W-phase capacitor b
182a: W-phase gate film a
182b: W-phase gate film b
183: W phase low side recess 210: Cooler 1
220: Cooler 2
300: DC Input Capacitor 311: DC Positive Output Terminal 312: DC Positive Input Terminal 321: DC Negative Output Terminal 322: DC Negative Input Terminal 400: 3-Phase Low Side Gate Driver Aggregate 410: Low Side Gate Driver Fixture 430: U Phase Low Side Gate driver circuit 440: V-phase low-side gate driver circuit 450: W-phase low-side gate driver circuit 500: 3-phase high-side gate driver assembly 510: High-side gate driver fixture 530: U-phase high-side gate driver circuit 540: V-phase High side gate driver circuit 550: W phase high side gate driver circuit 630: U phase output section current sensor 640: V phase output section current sensor 650: W phase output section current sensor 931: U phase main current loop surface 932: U phase Gate signal Pin current loop surface 933: Drive current loop surface in U-phase driver circuit 941: V-phase main current loop surface 951: W-phase main current loop surface

Claims (18)

一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子を実装したDC正極バスプレートと、一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子を実装したDC負極バスプレートとを備え、
前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子の各素子間を接続する相出力バスプレートとを備えるとともに、前記相出力バスプレートに相出力端子を備える、ハーフブリッジ構成であって、
前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレートは、前記各素子を実装する各々の平面が平行であって、各々の延びる方向が平行であって、
前記DC正極バスプレートの延びる方向と直交する方向にハイサイドゲート信号が入力されるハイサイドゲート信号伝達ピンを備え、前記DC負極バスプレートの延びる方向と直交する方向にローサイドゲート信号が入力されるローサイドゲート信号伝達ピンを備え、
前記ハイサイドゲート信号の基準電位が接続されるハイサイド基準電位信号伝達ピンを、前記ハイサイドゲート信号伝達ピンの延びる方向に平行となるよう備え、
前記ローサイドゲート信号の基準電位が接続されるローサイド基準電位信号伝達ピンを、前記ローサイドゲート信号伝達ピンの延びる方向に平行となるよう備える、パワーモジュール。
A DC positive electrode bus plate on which one or a plurality of positive electrode side power switch elements and one or a plurality of positive electrode side power diode elements are mounted, and one or a plurality of negative electrode side power switch elements and one or a plurality. It is equipped with a DC negative electrode bus plate on which a power diode element on the negative electrode side is mounted.
The one or more positive electrode side power switch elements, the one or more positive electrode side power switch elements, the one or more negative electrode side power switch elements, and the one or more negative electrode side power switches. A half-bridge configuration including a phase output bus plate for connecting each element of the element and a phase output terminal on the phase output bus plate.
In the DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate, the planes on which the elements are mounted are parallel, and the extending directions thereof are parallel.
A high-side gate signal transmission pin for inputting a high-side gate signal in a direction orthogonal to the extending direction of the DC positive bus plate is provided, and a low-side gate signal is input in a direction orthogonal to the extending direction of the DC negative-negative bus plate. Equipped with a low side gate signal transmission pin
The high-side reference potential signal transmission pin to which the reference potential of the high-side gate signal is connected is provided so as to be parallel to the extending direction of the high-side gate signal transmission pin.
A power module including a low-side reference potential signal transmission pin to which a reference potential of the low-side gate signal is connected so as to be parallel to the extending direction of the low-side gate signal transmission pin.
前記ハーフブリッジ構成中の前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレート間に熱膨張による変形を吸収可能なP型端子を備えるコンデンサを実装し、
P型形状中中心の横棒部がそれぞれのバスプレート上に実装された形態をもつ、請求項1に記載のパワーモジュール。
A capacitor having a P-type terminal capable of absorbing deformation due to thermal expansion is mounted between the DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate in the half bridge configuration.
The power module according to claim 1, wherein the horizontal bar portion at the center of the P-shape is mounted on each bus plate.
前記ハーフブリッジ構成の一部である前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレートを延長し、
前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子と前記ハイサイドゲート信号伝達ピンと前記ハイサイド基準電位信号伝達ピンと前記ローサイドゲート信号伝達ピンと前記ローサイドゲート基準電位信号伝達ピンと前記相出力バスプレートを、相数分だけ複製した設計によりフルブリッジ構成とした、請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール。
The DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate that are part of the half bridge configuration are extended.
The one or more positive electrode side power switch elements, the one or more positive electrode side power diode elements, the one or more negative electrode side power switch elements, and the one or more negative electrode side power diodes. A full bridge with a design in which the element, the high-side gate signal transmission pin, the high-side reference potential signal transmission pin, the low-side gate signal transmission pin, the low-side gate reference potential signal transmission pin, and the phase output bus plate are duplicated by the number of phases. The power module according to claim 1 or 2, which is configured.
前記ハーフブリッジ構成の一部である前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレートを延長し、
前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子と前記ハイサイドゲート信号伝達ピンと前記ハイサイド基準電位信号伝達ピンと前記ローサイドゲート信号伝達ピンと前記ローサイド基準電位信号伝達ピンと前記相出力バスプレートを、相数分だけ複製した設計により3相インバータ構成とした、請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール。
The DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate that are part of the half bridge configuration are extended.
The one or more positive electrode side power switch elements, the one or more positive electrode side power diode elements, the one or more negative electrode side power switch elements, and the one or more negative electrode side power diodes. A three-phase inverter configuration in which the element, the high-side gate signal transmission pin, the high-side reference potential signal transmission pin, the low-side gate signal transmission pin, the low-side reference potential signal transmission pin, and the phase output bus plate are duplicated by the number of phases. The power module according to claim 1 or 2.
前記ハーフブリッジ構成の一部である前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレートを延長し、
前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子と前記ハイサイドゲート信号伝達ピンと前記ハイサイド基準電位信号伝達ピンと前記ローサイドゲート信号伝達ピンと前記ローサイド基準電位信号伝達ピンと前記相出力バスプレートを、4相インバータ構成とした、請求項1または請求項2に記載のパワーモジュール。
The DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate that are part of the half bridge configuration are extended.
The one or more positive electrode side power switch elements, the one or more positive electrode side power diode elements, the one or more negative electrode side power switch elements, and the one or more negative electrode side power diodes. 1. Item 2. The power module according to Item 2.
前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレート間を前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子とを通して前記相出力バスプレートによって接続することによって生じる主電流ループ面に対して、
前記ハイサイドゲート信号伝達ピンと前記ハイサイド基準電位信号伝達ピンとの間に生じるハイサイドゲート信号電流ループ面との間のハイサイド電流ループ面間角度と、前記主電流ループ面に対して、前記ローサイドゲート信号伝達ピンと前記ローサイド基準電位信号伝達ピンとの間に生じるローサイドゲート信号電流ループ面との間のローサイド電流ループ面間角度の双方の角度が80 deg.から100 deg.の間にある、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
Between the DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate, the one or a plurality of positive electrode side power switch elements, the one or a plurality of positive electrode side power diode elements, and the one or a plurality of negative electrode side power switches. With respect to the main current loop surface generated by connecting the element with the phase output bus plate through the one or more negative electrode side power diode elements.
The high-side current loop surface angle between the high-side gate signal current loop surface generated between the high-side gate signal transmission pin and the high-side reference potential signal transmission pin, and the low side with respect to the main current loop surface. Both angles of the low-side current loop surface-to-plane angle between the low-side gate signal current loop surface generated between the gate signal transmission pin and the low-side reference potential signal transmission pin are 80 deg. From 100 deg. The power module according to any one of claims 1 to 5, which is located between the two.
前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレート間を前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子とを通して前記相数分だけ複製された各相出力バスプレートによって接続することにより生じる、各相主電流ループ面に対して、
各相数分だけ複製された前記ハイサイドゲート信号伝達ピンと前記ハイサイド基準電位信号伝達ピンとの間に生じる各相ハイサイドゲート信号電流ループ面との間の各相ハイサイド電流ループ面間角度と、前記各相主電流ループ面に対して、各相数分だけ複製された前記ローサイドゲート信号伝達ピンと前記ローサイド基準電位信号伝達ピンとの間に生じる各相ローサイドゲート信号電流ループ面との間の各相ローサイド電流ループ面間角度との双方の角度が80 deg.から100 deg.の間にある、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
Between the DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate, the one or a plurality of positive electrode side power switch elements, the one or a plurality of positive electrode side power diode elements, and the one or a plurality of negative electrode side power switches. For each phase main current loop surface generated by connecting the element with each phase output bus plate duplicated by the number of phases through the one or a plurality of negative electrode side power diode elements.
With each phase high-side current loop surface-to-plane angle between each phase high-side gate signal current loop surface generated between the high-side gate signal transmission pin and the high-side reference potential signal transmission pin duplicated by the number of each phase. , Each phase between each phase low-side gate signal current loop surface generated between the low-side gate signal transmission pin and the low-side reference potential signal transmission pin duplicated by the number of each phase for each phase main current loop surface. Both angles with the phase low-side current loop face-to-face angle are 80 deg. From 100 deg. The power module according to any one of claims 1 to 5, which is located between the two.
一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子を実装したDC正極バスプレートと、一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子を実装したDC負極バスプレートとを備え、
前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子の各素子間を接続する相出力バスプレートを備えるとともに、前記相出力バスプレートに相出力端子を備える、ハーフブリッジ構成であって、
前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレートは、各々の前記各素子を実装する平面同士および各々の延びる方向が各々平行であって、
前記DC正極バスプレートの延びる方向と直交する方向にハイサイドゲート信号が入力されるハイサイドゲート信号伝達ピンを備え、前記DC負極バスプレートの延びる方向と直交する方向にローサイドゲート信号が入力されるローサイドゲート信号伝達ピンを備え、
前記ハイサイドゲート信号の基準電位が接続されるハイサイド基準電位信号伝達ピンを、前記ハイサイドゲート信号伝達ピンの延びる方向に平行となるよう備え、
前記ローサイドゲート信号の基準電位が接続されるローサイド基準電位信号伝達ピンを、前記ローサイドゲート信号伝達ピンの延びる方向に平行となるよう備えるパワーモジュールであって、
前記パワーモジュール外縁から突出している前記ハイサイドゲート信号伝達ピン突出部中心軸線と直交する面かつ前記DC正極バスプレート面とも前記DC負極バスプレート面方向とも直交する面である平面にハイサイドゲートドライバー回路を備え、前記DC負極バスプレート側面に対して平行かつパワーモジュール外縁から突出しているローサイドゲート信号伝達ピン突出部中心軸線と直交する面かつ前記DC正極バスプレートとも前記DC負極バスプレート面方向とも直交する面である平面にローサイドゲートドライバー回路を備えるパワーモジュール。
A DC positive electrode bus plate on which one or a plurality of positive electrode side power switch elements and one or a plurality of positive electrode side power diode elements are mounted, and one or a plurality of negative electrode side power switch elements and one or a plurality. It is equipped with a DC negative electrode bus plate on which a power diode element on the negative electrode side is mounted.
The one or more positive electrode side power switch elements, the one or more positive electrode side power switch elements, the one or more negative electrode side power switch elements, and the one or more negative electrode side power switches. It is a half-bridge configuration in which a phase output bus plate for connecting each element of the element is provided and the phase output bus plate is provided with a phase output terminal.
The DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate are parallel to each other and their extending directions are parallel to each other on the planes on which the respective elements are mounted.
A high-side gate signal transmission pin for inputting a high-side gate signal in a direction orthogonal to the extending direction of the DC positive bus plate is provided, and a low-side gate signal is input in a direction orthogonal to the extending direction of the DC negative-negative bus plate. Equipped with a low side gate signal transmission pin
The high-side reference potential signal transmission pin to which the reference potential of the high-side gate signal is connected is provided so as to be parallel to the extending direction of the high-side gate signal transmission pin.
A power module including a low-side reference potential signal transmission pin to which a reference potential of the low-side gate signal is connected so as to be parallel to the extending direction of the low-side gate signal transmission pin.
The high side gate driver is on a plane that is orthogonal to the central axis of the high side gate signal transmission pin projecting portion protruding from the outer edge of the power module and is orthogonal to the DC positive electrode bus plate surface and the DC negative electrode bus plate surface direction. A plane provided with a circuit, parallel to the side surface of the DC negative electrode bus plate and orthogonal to the central axis of the low side gate signal transmission pin projecting portion protruding from the outer edge of the power module, and both in the direction of the DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate surface. A power module equipped with a low-side gate driver circuit on a plane that is an orthogonal plane.
前記ハーフブリッジ構成中の前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレート間に熱膨張による変形を吸収可能なP型端子を備えるコンデンサを実装し、P型形状中中心の横棒部がそれぞれのバスプレート上に実装された形態をもつ請求項8に記載のパワーモジュール。 A capacitor having a P-type terminal capable of absorbing deformation due to thermal expansion is mounted between the DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate in the half-bridge configuration, and the horizontal bar portion at the center of the P-shaped shape is each bus. The power module according to claim 8, which has a form mounted on a plate. 前記ハーフブリッジ構成の一部である前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレートを延長し、前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子と前記ハイサイドゲート信号伝達ピンと前記ハイサイド基準電位信号伝達ピンと前記ローサイドゲート信号伝達ピンと前記ローサイド基準電位信号伝達ピンと前記相出力バスプレートを、相数分だけ複製した設計によりフルブリッジ構成とした請求項8または請求項9に記載のパワーモジュール。 The DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate that are part of the half bridge configuration are extended to include the one or more positive electrode side power switch elements and the one or more positive electrode side power diode elements. The one or more negative electrode side power switch elements, the one or more negative electrode side power diode elements, the high side gate signal transmission pin, the high side reference potential signal transmission pin, the low side gate signal transmission pin, and the low side reference. The power module according to claim 8 or 9, wherein the potential signal transmission pin and the phase output bus plate are duplicated by the number of phases to form a full bridge configuration. 前記ハーフブリッジ構成の一部である前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレートを延長し、前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子と前記ハイサイドゲート信号伝達ピンと前記ハイサイド基準電位信号伝達ピンと前記ローサイドゲート信号伝達ピンと前記ローサイド基準電位信号伝達ピンと前記相出力バスプレートを、相数分だけ複製した設計により3相インバータ構成とした請求項8または請求項9に記載のパワーモジュール。 The DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate that are part of the half bridge configuration are extended to include the one or more positive electrode side power switch elements and the one or more positive electrode side power diode elements. The one or more negative electrode side power switch elements, the one or more negative electrode side power diode elements, the high side gate signal transmission pin, the high side reference potential signal transmission pin, the low side gate signal transmission pin, and the low side reference. The power module according to claim 8 or 9, wherein the potential signal transmission pin and the phase output bus plate are duplicated by the number of phases to form a three-phase inverter configuration. 前記ハーフブリッジ構成の一部である前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレートを延長し、前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子と前記ハイサイドゲート信号伝達ピンと前記ハイサイド基準電位信号伝達ピンと前記ローサイドゲート信号伝達ピンと前記ローサイド基準電位信号伝達ピンと前記相出力バスプレートを、相数分だけ複製した設計により4相インバータ構成とした請求項8または請求項9に記載のパワーモジュール。 The DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate that are part of the half bridge configuration are extended to include the one or more positive electrode side power switch elements and the one or more positive electrode side power diode elements. The one or more negative electrode side power switch elements, the one or more negative electrode side power diode elements, the high side gate signal transmission pin, the high side reference potential signal transmission pin, the low side gate signal transmission pin, and the low side reference. The power module according to claim 8 or 9, wherein the potential signal transmission pin and the phase output bus plate are duplicated by the number of phases to form a 4-phase inverter configuration. 前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレート間を前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子とを通して前記相数分だけ複製された各相出力バスプレートによって接続することにより生じる、各相主電流ループ面に対して、
各相数分だけ複製された前記ハイサイドゲート信号伝達ピンと前記ハイサイド基準電位信号伝達ピンとの間に生じる各相ハイサイドゲート信号電流ループ面との間の各相ハイサイド電流ループ面間角度が80 deg.から100 deg.の間にあり、
前記各相主電流ループ面に対して、各相数分だけ複製された前記ローサイドゲート信号伝達ピンと前記ローサイド基準電位信号伝達ピンとの間に生じる各相ローサイドゲート信号電流ループ面との間の各相ローサイド電流ループ面間角度が80 deg.から100 deg.の間にある、
請求項8から請求項12のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
Between the DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate, the one or a plurality of positive electrode side power switch elements, the one or a plurality of positive electrode side power diode elements, and the one or a plurality of negative electrode side power switches. For each phase main current loop surface generated by connecting the element with each phase output bus plate duplicated by the number of phases through the one or a plurality of negative electrode side power diode elements.
The angle between each phase high-side current loop surface between each phase high-side gate signal current loop surface generated between the high-side gate signal transmission pin and the high-side reference potential signal transmission pin duplicated by the number of each phase is 80 deg. From 100 deg. Between
Each phase between each phase low-side gate signal current loop surface generated between the low-side gate signal transmission pin and the low-side reference potential signal transmission pin duplicated by the number of each phase for each phase main current loop surface. The angle between the low-side current loop faces is 80 deg. From 100 deg. Between
The power module according to any one of claims 8 to 12.
前記ハイサイドゲートドライバー回路の相間絶縁距離と、前記ハイサイドゲートドライバー回路の1相分の基板幅との合計値を更に相数分合計した値であるハイサイドゲートドライバー基板合計幅、
または前記ローサイドゲートドライバー回路の相間絶縁距離と、前記ローサイドゲートドライバー回路の1相分の基板幅との合計値を更に相数分合計した値であるローサイドゲートドライバー基板合計幅が、
前記ハーフブリッジ構成が占める正極負極電流通流方向幅の相数分合計値と±10 mm以内で一致する、請求項8から請求項13のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
The total width of the high-side gate driver board, which is the sum of the total value of the phase-to-phase insulation distance of the high-side gate driver circuit and the board width of one phase of the high-side gate driver circuit for the number of phases.
Alternatively, the total width of the low-side gate driver board, which is the total value of the phase-to-phase insulation distance of the low-side gate driver circuit and the board width of one phase of the low-side gate driver circuit, is further summed by the number of phases.
The power module according to any one of claims 8 to 13, which matches the total value of the number of phases of the positive electrode / negative electrode current flow direction width occupied by the half bridge configuration within ± 10 mm.
前記ハイサイドゲートドライバー回路が絶縁距離を隔て、パワーモジュールの相数分各相にレイアウトされているハイサイドゲートドライバー回路集合体および、前記ローサイドゲートドライバー回路が絶縁距離を隔て、パワーモジュールの相数分各相にレイアウトされているローサイドゲートドライバー回路集合体の幅が、直流入出力端子部を含まないパワーモジュールの正極電流負極電流通流方向における前記DC正極バスプレート幅あるいは前記DC負極バスプレート幅と±30 mmの範囲内で一致する、請求項8から請求項14のいずれか1項に記載のパワーモジュール。 The high-side gate driver circuit aggregate laid out in each phase by the number of phases of the power module with the high-side gate driver circuit separated by the insulation distance, and the number of phases of the power module with the low-side gate driver circuit separated by the insulation distance. The width of the low-side gate driver circuit assembly laid out in each phase is the width of the DC positive electrode bus plate or the width of the DC negative electrode bus plate in the positive electrode current negative electrode current flow direction of the power module that does not include the DC input / output terminal portion. The power module according to any one of claims 8 to 14, which matches within ± 30 mm. 各相前記ハイサイドゲートドライバー回路の前記パワーモジュール厚み方向幅、あるいは、各相前記ローサイドゲートドライバー回路の前記パワーモジュール厚み方向幅と、前記パワーモジュールを冷却する冷却器の厚み方向幅とパワーモジュールの厚み方向幅との合計値が、±30 mmの範囲内で一致する、請求項8から請求項14のいずれか1項に記載のパワーモジュール。 The power module thickness direction width of each phase of the high side gate driver circuit, or the power module thickness direction width of each phase of the low side gate driver circuit, and the thickness direction width of the cooler for cooling the power module and the power module. The power module according to any one of claims 8 to 14, wherein the total value with the width in the thickness direction matches within a range of ± 30 mm. 前記DC正極バスプレートと前記DC負極バスプレート間を前記一つあるいは複数個の正極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の正極側パワーダイオード素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワースイッチ素子と前記一つあるいは複数個の負極側パワーダイオード素子とを通して前記相出力バスプレートによって接続することによって生じる主電流ループ面と、
前記ハイサイドゲート信号伝達ピンと前記ハイサイド基準電位信号伝達ピンとの間に生じるハイサイドゲート信号電流ループ面との間のハイサイド電流ループ面間角度と、
前記ハイサイドゲートドライバー回路と前記ハイサイドゲート信号伝達ピンやハイサイド基準電位信号伝達ピンとの接続部を通流するハイサイドゲートドライバー回路中電流ループ面との間に生じる各3種類のハイサイド電流ループ面間の角度がそれぞれ80 deg.から100deg.の範囲内にあり、
前記主電流ループ面と、
前記ローサイドゲート信号伝達ピンと前記ローサイド基準電位信号伝達ピンとの間に生じるローサイドゲート信号電流ループ面との間のローサイド電流ループ面間角度と、
前記ローサイドゲートドライバー回路と前記ローサイドゲート信号伝達ピンやローサイド基準電位信号伝達ピンとの接続部を通流するローサイドゲートドライバー回路中電流ループ面との間に生じる各3種類のローサイド電流ループ面間の角度がそれぞれ80 deg.から100deg.の範囲内にある、
請求項8から請求項16のいずれか1項に記載のパワーモジュール。
Between the DC positive electrode bus plate and the DC negative electrode bus plate, the one or a plurality of positive electrode side power switch elements, the one or a plurality of positive electrode side power diode elements, and the one or a plurality of negative electrode side power switches. The main current loop surface generated by connecting the element and the one or more negative electrode side power diode elements by the phase output bus plate,
The high-side current loop surface-to-plane angle between the high-side gate signal current loop surface generated between the high-side gate signal transmission pin and the high-side reference potential signal transmission pin.
Each of the three types of high-side current generated between the high-side gate driver circuit and the current loop surface in the high-side gate driver circuit passing through the connection portion between the high-side gate signal transmission pin and the high-side reference potential signal transmission pin. The angle between the loop surfaces is 80 deg. From 100 deg. Is within the range of
The main current loop surface and
The angle between the low-side current loop surface and the low-side gate signal current loop surface generated between the low-side gate signal transmission pin and the low-side reference potential signal transmission pin.
The angle between each of the three types of low-side current loop surfaces generated between the low-side gate driver circuit and the current loop surface in the low-side gate driver circuit that passes through the connection portion between the low-side gate signal transmission pin and the low-side reference potential signal transmission pin. Are 80 deg. From 100 deg. Within the range of
The power module according to any one of claims 8 to 16.
前記DC正極バスプレートや前記DC負極バスプレート、前記相出力バスプレートが発熱によって膨張することにより生じる、前記パワーモジュール外面方向への応力が前記パワーモジュールの絶縁面を変形させる現象を十分に抑制し、前記パワーモジュールの絶縁面平面度を仕様値内に保つ効果を及ぼすために必要となる十分な強度を持った冷却器構造物中の冷却器底面が、前記DC正極バスプレート、あるいは前記DC負極バスプレート、あるいは前記相バスプレートと平行となる位置に配されるパワーモジュール。
The phenomenon that the stress toward the outer surface of the power module, which is caused by the expansion of the DC positive electrode bus plate, the DC negative electrode bus plate, and the phase output bus plate due to heat generation, deforms the insulating surface of the power module is sufficiently suppressed. The bottom surface of the cooler in the cooler structure having sufficient strength required to exert the effect of keeping the insulating surface flatness of the power module within the specified value is the DC positive electrode bus plate or the DC negative electrode. A power module arranged in a position parallel to the bus plate or the phase bus plate.
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