功率模块制造技术

本发明专利技术的功率模块(10)具备逆变器电路(20)和夹着逆变器电路的一对导体(31、32)。逆变器电路具有正极母线(21)、负极母线(22)、多个输出母线(23u、23v、23w)以及多个元件对(24、25、26)。元件对具有将与正极母线连接的半导体元件和与负极母线连接的半导体元件经由输出母线而连接的结构。各半导体元件包括开关元件以及与开关元件反向并联连接的二极管。进而，由正极母线、元件对以及负极母线界定的导电路径具有在上述区域的内侧面对导体的环状的形状。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具备逆变器电路和夹着逆变器电路的一对导体的功率模块。
技术介绍
以往，作为用于对搭载于混合动力车辆的驱动用电动机等供给电力的功率模块，提出了具备逆变器电路的功率模块，该逆变器电路具有多个半导体元件(例如包括IGBT等功率半导体在内的元件)。逆变器电路是将所输入的直流电力变换为交流电力而输出的电子电路。具体而言，作为一个例子，逆变器电路具备连接于高电压侧的输入母线的半导体元件(上支路)及连接于低电压侧的输入母线的半导体元件(下支路)以及从连接这些元件的导电路径分支而延伸的输出母线(中点端子)。半导体元件一般具有开关元件以及与开关元件反向并联连接的二极管。逆变器电路通过使各开关元件在特定的定时(例如依照PWM控制)进行开闭，从而实现上述电力变换。以往的功率模块之一(以下称为“以往模块”)具有的逆变器电路具有如下构造：在同一平面上排列配置有多个半导体元件(IGBT)，并且不经由母线而直接连接邻接的半导体元件的各端子(上支路的集电极端子、下支路的发射极端子)。通过该构造，以往模块不使用母线就能构成逆变器电路，所以能够减小模块的大小(例如所谓PCU的投影面积)(参照例如专利文献1)。以下，为方便起见，将高电压侧的输入母线称为“正极母线”，将低电压侧的输入母线称为“负极母线”，将连接于正极母线的半导体元件(上支路)和连接于负极母线的半导体元件(下支路)的组合称为“元件对”。现有专利文献专利文献1：日本特开2012-190833号公报
技术实现思路
电子电路一般具有电路所包含的各种电子部件以及电路自身的构造等所引起的寄生电感(浮地电感)。寄生电感使电路产生伴随电流的变化的浪涌电压(在阻止电流的变化的方向上产生的感应电动势)，所以成为电路中的能量损失的一个原因。特别是在功率模块具备的逆变器电路中，在开闭半导体元件时，伴随半导体元件中的二极管的恢复过程(反向恢复过程)所引起的恢复电流的增减，有时在电路中产生大的浪涌电压(详细后述)。另一方面，根据提高应用有功率模块的系统整体的能量效率(例如混合动力车辆的燃油效率)的观点，最好是逆变器电路的动作频率高。但是，一般而言，逆变器电路的动作频率越高，开闭半导体元件时的恢复电流的时间变化率越高，在电路中产生的浪涌电压增大。也就是说，逆变器电路中的寄生电感可成为妨碍功率模块的高速化的一个原因。因此，最好是尽可能地减少逆变器电路(甚至功率模块整体)中的寄生电感。在以往模块中，未特别考虑逆变器电路的寄生电感，而直接连接了从各半导体元件延伸出的端子。因此，可以认为即使通过母线的排除而使以往模块小型化了，以往模块的寄生电感也未必减少。鉴于上述课题，本专利技术的目的在于提供一种具备能够减少寄生电感的结构的功率模块。用于解决上述课题的本专利技术的功率模块具备逆变器电路和夹着所述逆变器电路的“一对导体”。该逆变器电路具有：“正极母线、负极母线及多个输出母线”，从由所述一对导体夹着的区域的外侧向内侧延伸；以及“多个元件对”，设置于所述区域的内侧，该元件对的各个具有将与所述正极母线连接的半导体元件和与所述负极母线连接的半导体元件经由所述输出母线的各个而连接的结构，所述半导体元件的各个包括开关元件及与所述开关元件反向并联连接的二极管。进而，在该逆变器电路中，“由所述正极母线、所述元件对以及所述负极母线界定的导电路径”的各个具有在所述区域的内侧面对所述一对导体的环状的形状。根据上述结构，在电流(恢复电流)以通过具有“环状的形状”的“导电路径”的方式流动时，在面对该导电路径的“一对导体”的双方中产生朝与该电流相反方向流动的涡电流。而且，起因于这些涡电流而产生的磁通抵消起因于通过导电路径的电流而产生的磁通。即，抑制了导电路径的周边的磁通变化。进而，“导电路径”与“多个元件对”的各个对应地(即以与元件对相同的数量)存在，产生对这多个“导电路径”的全部(即在逆变器电路的整体中)抑制磁通变化的现象。其结果是，逆变器电路中的表观上的寄生电感减少，并且在将功率模块整体视为一个系统的情况下的该系统的寄生电感减少。以下，更详细地说明上述寄生电感的减少效果。功率模块在将输入端子(正极母线以及负极母线)连接到外部电源并且将输出端子(输出母线)连接到电动机等外部负载的基础上，使逆变器电路动作。在进行该动作时，起因于外部负载等具有的电感分量，有时在输出端子(输出母线)中的电压与外部负载中的电压之间产生相位差。在该情况下，通过输出端子(输出母线)的电流的流向由该相位差所引起的电位差决定(电流从高电位侧向低电位侧流动)。因此，元件对的开关状态(两个半导体元件中哪一个是ON哪一个是OFF)和实际通过输出端子(输出母线)的电流的流向(是向逆变器电路流入的流向还是从逆变器电路流出的流向)未必一对一对应。例如，在“与正极母线连接的半导体元件”是ON(上支路是导通状态)并且“与负极母线连接的半导体元件”是OFF(下支路是切断状态)的情况下，在电流向输出母线“流入”时，该电流通过与正极母线连接的半导体元件(上支路)中的“二极管”而流向电源。此时，对二极管施加有正向偏置，所以二极管的耗尽层缩小。之后，在切换元件对的开关状态(在上支路成为OFF，下支路成为ON)后，对上述二极管施加反向偏置。尽管二极管具有在反向偏置时切断电流的性质，但在直至正向偏置时缩小了的耗尽层再次充分扩大的期间(反向恢复过程)中，反向偏置方向的电流通过二极管。该电流一般被称为恢复(Recovery)电流，以使“由所述正极母线、所述元件对以及所述负极母线界定的导电路径”短路的方式流动。进而，该导电路径在“被一对导体夹着的区域”的“内侧”具有“面对一对导体的环状的形状”。因此，在恢复电流在该导电路径中流动时，由于电磁感应效应，在双方的导体内产生朝与恢复电流“反向”流动的涡电流。这些涡电流沿着导电路径产生，具有与导电路径的形状(环状的形状)对应的形状。进而，这些涡电流产生的磁通的方向与恢复电流产生的磁通的方向是“反向”的。因此，恢复电流所引起的磁通被这些涡电流所引起的磁通抵消。另外，这些涡电流以夹着导电路径的方式产生在导电路径的两侧，所以相比于仅在导电路径的单侧产生涡电流的情况，能够更可靠地抵消由恢复电流所引起的磁通。因此，即使在恢复电流在“导电路径”中流动的情况下，由于该电流所引起的磁通被涡电流抵消，所以也会抑制与导电路径交链的磁通数的变化。其结果，相比于不产生该抑制现象的情况，在“导电路径”中产生的浪涌电压减少。换言之，“导电路径”的表观上的寄生电感减小了浪涌电压减少的量。在本专利技术的功率模块中，以与“多个元件对”的各个对应的方式，针对每个“元件对”存在上述的能够流过短路电流的“导电路径”。而且，在这多个导电路径的各个导电路径中(即在逆变器电路的整体中)，如上所述，表观上的寄生电感减小。换言之，在将“包括逆变器电路以及一对导体的功率模块整体”视为一个系统的情况下的、该系统的寄生电感减小。因此，本专利技术的功率模块具备能够减少寄生电感的结构。不过，上述“与开关元件反向并联连接的二极管”表示所谓的环流二极管，既可以作为与开关元件(例如IGBT)独立的元件设置于半导体元件中，也可以是开关元件(例如MOSEFT)结构上内置的寄生二极管。上述“正极母线”以及“负极母线”分别表示与外本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功率模块，具备逆变器电路和夹着所述逆变器电路的一对导体，其中，所述逆变器电路具有：正极母线、负极母线及多个输出母线，从由所述一对导体夹着的区域的外侧向内侧延伸；以及多个元件对，设置于所述区域的内侧，该元件对的各个具有将与所述正极母线连接的半导体元件和与所述负极母线连接的半导体元件经由所述输出母线的各个而连接的结构，所述半导体元件的各个包括开关元件及与所述开关元件反向并联连接的二极管，并且，由所述正极母线、所述元件对以及所述负极母线界定的导电路径的各个具有在所述区域的内侧面对所述一对导体的环状的形状。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.05 JP 2014-1809051.一种功率模块，具备逆变器电路和夹着所述逆变器电路的一对导体，其中，所述逆变器电路具有：正极母线、负极母线及多个输出母线，从由所述一对导体夹着的区域的外侧向内侧延伸；以及多个元件对，设置于所述区域的内侧，该元件对的各个具有将与所述正极母线连接的半导体元件和与所述负极母线连接的半导体元件经由所述输出母线的各个而连接的结构，所述半导体元件的各个包括开关元件及与所述开关元件反向并联连接的二极管，并且，由所述正极母线、所述元件对以及所述负极母线界定的导电路径的各个具有在所述区域的内侧面对所述一对导体的环状的形状。2.根据权利要求1所述的功率模块，其特征在于，所述一对导体具有相互平行的平板状的形状，所述导电路径存在于与所述一对导体平行...

【专利技术属性】
技术研发人员：木村隆，井手勇辉，中岛清文，川岛崇功，土持真悟，
申请(专利权)人：丰田自动车株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP