JP3635020B2

JP3635020B2 - Inverter control module

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Publication number: JP3635020B2
Application number: JP2000297232A
Authority: JP
Inventors: 広一朗菅井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: JP2002112559A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３相モータ等を制御するためのインバータ制御モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、３相モータ等を制御するためのインバータ制御モジュールは、一般に、セラミック基板の一主面に直流電源が供給される２本のパワーライン及び３相交流電源を出力する３本の出力ラインを被着形成したセラミック回路基板と、前記一方のパワーラインと各出力ライン上に搭載されている複数のスイッチング素子と、前記一方のパワーライン上に搭載された各スイッチング素子と各出力ラインとを電気的接続する金属細線よりなる第１の接続手段と、各出力ライン上に搭載された各スイッチング素子と他方のパワーラインとを電気的接続する金属細線よりなる第２の接続手段とにより構成されている。
【０００３】
かかるインバータ制御モジュールは、前記２本のパワーラインを外部電源に、出力ラインを３相モータ等に接続し、外部電源より２本のパワーライン間に２０Ａ以上の直流電源を供給するとともに各スイッチング素子のオン・オフを少しずつずらせながら繰り返し行なわせることによって出力ラインを介し３相モータ等に３相交流電源が供給されることとなる。
【０００４】
なお、前記スイッチング素子としてはＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌｏｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が一般に用いられている。
【０００５】
また前記インバータ制御モジュールに使用されるセラミック回路基板は、一般に酸化アルミニウム質セラミック体から成るセラミック基板の表面にメタライズ金属層を所定パターンに被着させるとともに該メタライズ金属層にパワーラインや出力ラインとなる銅等の金属回路板を銀ロウ等のロウ材を介しロウ付けすることによって形成されており、具体的には、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤等を添加混合して泥漿状と成すとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテープ成形技術を採用して複数のセラミックグリーンシートを得、次に前記セラミックグリーンシート上にタングステンやモリブデン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤を添加混合して得た金属ペーストをスクリーン印刷法等の印刷技術を採用することによって所定パターンに印刷塗布し、次に前記金属ペーストが所定パターンに印刷塗布されたセラミックグリーンシートを必要に応じて上下に積層するとともに還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートと金属ペーストを焼結一体化させて表面にメタライズ金属層を有する酸化アルミニウム質セラミック体から成るセラミック基板を形成し、最後に前記セラミック基板に被着されているメタライズ金属層上にパワーラインや出力ラインとなる銅等の金属回路板を間に銀ロウ等のロウ材を挟んで載置させるとともにこれを還元雰囲気中、約９００℃の温度に加熱してロウ材を溶融させ、該溶融したロウ材でメタライズ金属層と金属回路板とを接合することによって製作されている。
【０００６】
しかしながら、この従来のインバータ制御モジュールにおいては、２本のパワーラインがインダクタンスを有しており、２本のパワーライン間に２０Ａ以上の直流電源を供給するとともに各スイッチング素子のオン・オフを少しずつずらせて出力ラインを介して３相モータ等に３相交流電源を供給する際、前記パワーラインのインダクタンスによってスイッチング素子のオン・オフ時に定格電圧より高いサージ電圧が発生してしまい、その結果、前記サージ電圧によってスイッチング素子に過電圧がかかり、スイッチング素子を破壊してインバータ制御モジュールを安定して信頼性よく作動させることができないという欠点を有していた。
【０００７】
そこで２本のパワーラインを近接配置させるとともに各々のパワーラインに流れる電流の方向を逆とし、２本のパワーライン間に相互インダクタンスを発生させるとともに該相互インダクタンスによって２本のパワーラインが有するインダクタンスを低減することが提案されている。
【０００８】
しかしながら、２本のパワーラインを近接配置させた場合、パワーラインには２０Ａ以上という非常に大きな電流が流れ６００Ｖ以上の電圧がかかることから、パワーライン間に放電が発生し、セラミック回路基板にショートが発生してインバータ制御モジュールの作動信頼性を損なうという欠点が誘発されてしまう。
【０００９】
また上記欠点を解消するためにインバータ制御モジュールを図３、図４に示すようにセラミック基板３２と、該セラミック基板３２の両主面に対向配置され、流れる電流の方向が逆である２本のパワーライン３３ａ、３３ｂと、前記セラミック基板３２の一方主面に配置された３本の出力ライン３４ａ、３４ｂ、３４ｃと、前記セラミック基板３２の一方主面に形成されているパワーライン３３ａ及び各出力ライン３４ａ、３４ｂ、３４ｃに搭載されている複数個のスイッチング素子３５と、前記パワーライン３２ａ上のスイッチング素子３５を各出力ライン３４ａ、３４ｂ、３４ｃに接続する第１の接続手段３６と、各出力ライン３４ａ、３４ｂ、３４ｃ上に搭載されているスイッチング素子３５をセラミック基板３２の他方主面に形成されているパワーライン３３ｂに接続する第２の接続手段３７とで形成することが考えられる。
【００１０】
かかるインバータ制御モジュールによれば、２本のパワーライン３３ａ、３３ｂを間にセラミック基板３２を挟んで対向配置させるとともに各々のパワーライン３３ａ、３３ｂに流れる電流の方向を逆としたことから２本のパワーライン３３ａ、３３ｂ間に相互インダクタンスを効率良く発生させるとともに該相互インダクタンスによって２本のパワーライン３３ａ、３３ｂが有するインダクタンスを大きく低減させることができ、これによって２本のパワーライン３３ａ、３３ｂ間に２０Ａ以上の直流電源を供給するとともに各スイッチング素子３５のオン・オフを少しずつずらせて出力ライン３４ａ、３４ｂ、３４ｃより３相モータ等に３相交流電源を供給する際、スイッチング素子３５のオン・オフ時に前記２本のパワーライン３３ａ、３３ｂが有するインダクタンスに起因して定格電圧より高いサージ電圧が発生することはなく、その結果、スイッチング素子３５に過電圧がかかり、スイッチング素子３５が破壊するのを有効に防止してインバータ制御モジュールを安定、かつ信頼性よく作動させることが可能となる。
【００１１】
また同時に２本のパワーライン３３ａ、３３ｂはその間に絶縁性に優れたセラミック基板３２が介在していることからパワーライン３３ａ、３３ｂに２０Ａ以上という非常に大きな電流を流し６００Ｖ以上の電圧がかかったとしてもパワーライン３３ａ、３３ｂ間には放電が発生し、パワーライン３３ａ、３３ｂ間にショートを発生させることはなく、これによってインバータ制御モジュールの作動を高信頼性となすことが可能となる。
【００１２】
なお、上述のインバータ制御モジュールにおいてはセラミック基板３２の他方主面に配置されたパワーライン３３ｂの一部がセラミック基板３２の端部より外側に延出しており、該延出部にスイッチング素子３５がボンディングワイヤ等の第２の接続手段３７を介して接続されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のインバータ制御モジュールは、セラミック基板の他方主面に配置されたパワーラインの一部をセラミック基板の端部より外側に延出させるとともに該延出部にスイッチング素子をボンディングワイヤ等の第２の接続手段を介して接続するようになっており、パワーラインの延出部はセラミック基板に支持されておらず、機械的強度は弱い。そのためパワーラインの延出部にボンディングワイヤ等の第２の接続手段を接合させる際、パワーラインの延出部に力が作用するとパワーラインの延出部が容易に変形して第２の接続手段を強固に接合させることができず、その結果、インバータ制御モジュールを長期間にわたり安定して作動させることができないという課題を有していた。
【００１４】
また上述のインバータ制御モジュールは、セラミック基板が酸化アルミニウム質セラミック体からなり、その熱伝導率が約２０Ｗ／ｍ・Ｋと低いためインバータ制御モジュールを作動させた際にスイッチング素子が多量の熱を発生した場合、その熱をセラミック基板を介して大気中に効率良く放散させることができず、その結果、スイッチング素子が該スイッチング素子自身の発する熱によって高温となり、スイッチング素子に熱破壊が発生したり、特性に熱劣化が招来したりしてインバータ制御モジュールを正常に作動させることができないという解決すべき課題も有していた。
【００１５】
本発明は上記課題に鑑み案出されたもので、その目的はサージ電圧印加によるスイッチング素子の破壊、２本のパワーライン間での放電及びセラミック基板の割れ、スイッチング素子の熱破壊等を有効に防止するとともに、第２の接続手段とパワーラインとの接続を確実にし、直流電源を３相交流電源に確実、かつ長期間にわたって変換することができるインバータ制御モジュールを提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のインバータ制御モジュールは、セラミック基板と、該セラミック基板の両主面に対向配置される２本のパワーラインと、前記セラミック基板の一方主面に配置された３本の出力ラインと、前記セラミック基板の一方主面に形成されているパワーライン及び各出力ラインに搭載されている複数個のスイッチング素子と、前記パワーライン上のスイッチング素子を各出力ラインに接続する第１の接続手段と、各出力ライン上に搭載されているスイッチング素子をセラミック基板の他方主面に形成されているパワーラインに接続する第２の接続手段と、前記セラミック基板の他方主面のパワーラインに絶縁層を介して接合された金属体とから成り、前記セラミック基板の他方主面に配置されたパワーライン、前記絶縁層及び前記金属体は各々の一端が前記セラミック基板の端部より外側に延出されており、かつ前記パワーライン及び前記金属体の延出部の体積が実質的に同一であることを特徴とするものである。
また本発明のインバータ制御モジュールは、前記セラミック基板及び絶縁層が窒化珪素質セラミック体で形成されていることを特徴とするものである。
さらに本発明のインバータ制御モジュールは、前記２本のパワーライン流れる電流の方向が逆であることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明のインバータ制御モジュールによれば、２本のパワーラインを間にセラミック基板を挟んで対向配置させるとともに各々のパワーラインに流れる電流の方向を逆としたことから２本のパワーライン間に相互インダクタンスを効率良く発生させるとともに該相互インダクタンスによって２本のパワーラインが有するインダクタンスを大きく低減させることができ、これによって２本のパワーライン間に２０Ａ以上の直流電源を供給するとともに各スイッチング素子のオン・オフを少しずつずらせて出力ラインより３相モータ等に３相交流電源を供給する際、スイッチング素子のオン・オフ時に前記２本のパワーラインが有するインダクタンスに起因して定格電圧より高いサージ電圧が発生することはなく、その結果、スイッチング素子に過電圧がかかり、スイッチング素子が破壊するのを有効に防止してインバータ制御モジュールを安定、かつ信頼性よく作動させることが可能となる。
【００１８】
同時に２本のパワーラインはその間に絶縁性に優れたセラミック基板が介在していることからパワーラインに２０Ａ以上という非常に大きな電流を流し６００Ｖ以上の電圧がかかったとしてもパワーライン間に放電が発生し、セラミック回路基板にショートを発生させることはなく、これによってインバータ制御モジュールの作動を高信頼性となすことが可能となる。
【００１９】
また本発明のインバータ制御モジュールによれば、セラミック基板の他方主面に配置された一端がセラミック基板の端部より外側に延出しているパワーラインに絶縁層を介して金属体を接合させたことからパワーラインの延出部の機械的強度が絶縁層及び金属体によって強いものとなり、その結果、パワーラインの延出部にボンディングワイヤ等の第２の接続手段を接合させる際、パワーラインの延出部に力が作用してもパワーラインの延出部が容易に変形することはなく、これによってパワーラインの延出部に第２の接続手段を強固に接合させることができ、インバータ制御モジュールを長期間にわたり安定して作動させることが可能となる。
【００２０】
更に本発明のインバータ制御モジュールによれば、セラミック基板の端部より外側に延出するパワーラインと金属体の体積を実質的に同一としたことからパワーライン、絶縁体、金属体等にスイッチング素子の作動時に発する熱が作用し、パワーラインと絶縁層との間、金属体と絶縁層との間に熱応力が発生したとしてもその熱応力は互いに逆方向で同一の大きさとなって相殺され、その結果、パワーラインに熱応力によって変形等が発生するのが有効に防止され、パワーラインに対する第２の接続手段の接続信頼性を高いものとして、インバータ制御モジュールを長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００２１】
また更にセラミック基板の他方主面のパワーラインに間に絶縁層を介して金属体を接合させたことからインバータ制御モジュールを作動させた際にスイッチング素子が多量の熱を発生したとしてもその熱は金属体を介して大気中に効率良く放散されることとなり、その結果、スイッチング素子は異常に高温となるのが有効に防止されて常に適温となり、スイッチング素子を正常に作動させることを可能とするとともにインバータ制御モジュールを長期間にわたり正常に作動させることが可能となる。
【００２２】
更にまた本発明のインバータ制御モジュールによれば、セラミック基板及び絶縁層を熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高く、高温機械的強度に優れる窒化珪素質セラミック体で形成しておくとインバータ制御モジュールの機械的強度を高いものに維持しつつ、スイッチング素子が作動に発する多量の熱を金属体に良好に伝達させるとともに金属体を介して大気中により一層効率良く放散させることができ、これによってインバータ制御モジュールをより一層長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図１および図２は、本発明のインバータ制御モジュールの一実施例を示し、セラミック基板２の両主面に２本のパワーライン３ａ、３ｂを対向配置させるとともに一方主面に３本の出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃを配置したセラミック回路基板１とスイッチング素子５とから構成されており、セラミック基板２の一方主面に形成されているパワーライン３ａ及び各出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃ上にスイッチング素子５を搭載し、パワーライン３ａ上のスイッチング素子５を各出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃに第１の接続手段６を介して接続するとともに各出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃ上に搭載されているスイッチング素子５をセラミック基板２の他方主面に形成されているパワーライン３ｂに第２の接続手段７を介して接続することによって形成されている。
【００２４】
なお、前記パワーライン３ｂはその一部がセラミック基板２の端部より外側に延出する延出部を有しており、該延出部に第２の接続手段７を介して各出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃ上に搭載されているスイッチング素子５が接続されるようになっている。
【００２５】
前記セラミック回路基板１のセラミック基板２はパワーライン３ａ、３ｂ及び出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃ及びパワーライン３ａ、出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃ上に搭載されるスイッチング素子５を支持する支持部材として作用し、酸化アルミニウム質セラミック体や窒化珪素質セラミック体等のセラミック絶縁体で形成されている。
【００２６】
前記セラミック基板２は、例えば、窒化珪素質セラミック体から成る場合、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに該泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成し、次に前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、所定形状となすとともに必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中、１６００乃至２０００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００２７】
また前記セラミック基板２は、その一方主面に１本のパワーライン３ａと３本の出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃが、他方主面に１本のパワーライン３ｂが活性金属ロウ材等の接着材を介してロウ付け取着されている。
【００２８】
前記パワーライン３ａは外部電源から供給される直流電源をスイッチング素子５に供給する作用をなし、また出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃはスイッチング素子５のオン・オフにより変換された３相交流電源を外部の３相モータ等に供給する作用をなす。
【００２９】
前記２本のパワーライン３ａ、３ｂ及び３本の出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃは銅やアルミニウム等の金属材料から成り、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば、厚さが５００μｍで、所定パターン形状に製作される。
【００３０】
更に前記２本のパワーライン３ａ、３ｂ及び３本の出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃのセラミック基板２への接着は、例えば、銀ロウ材（銀：７２重量％、銅：２８重量％）やアルミニウムロウ材（アルミニウム：８８重量％、シリコン：１２重量％）等にチタンやタングステン、ハフニウム及び／またはその水素化物の少なくとも１種を２乃至５重量％添加した活性ロウ材を使用することによって行なわれ，具体的にはセラミック基板２の表面に間に活性金属ロウ材を挟んでパワーライン３ａ、３ｂ及び出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃを載置させ、次にこれを真空中もしくは中性、還元雰囲気中、所定温度（銀ロウ材の場合は約９００℃、アルミニウムロウ材の場合は約６００℃）で加熱処理し、活性金属ロウ材を溶融せしめるとともにセラミック基板２の表面とパワーライン３ａ、３ｂ及び出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃの下面とを接合させることによって行われる。
【００３１】
なお、前記パワーライン３ａ、３ｂ及び出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃはこれを無酸素銅で形成しておくと、該無酸素銅はロウ付けの際に銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなく活性金属ロウ材との濡れ性が良好となり、セラミック基板２への活性金属ロウ材を介しての接合が強固となる。従って、前記パワーライン３ａ、３ｂ及び出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃはこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００３２】
また前記パワーライン３ａ、３ｂ及び出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃはその表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性及びロウ材に対する濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくと、パワーライン３ａ、３ｂ及び出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃの酸化腐蝕を有効に防止しつつパワーライン３ａ、３ｂ及び出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃにスイッチング素子５や外部電源、外部の３相モータ等を半田等のロウ材を介して極めて強固に接続させることができる。従って、前記パワーライン３ａ、３ｂ及び出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃはその表面にニッケル等から成る良導電性で、かつ耐蝕性及びロウ材に対する濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくことが好ましい。
【００３３】
更に前記セラミック回路基板１はまたセラミック基板２の一方主面に配置されたパワーライン３ａ及び各出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃ上に複数のスイッチング素子５が搭載されており、かつパワーライン３ａ上に搭載されたスイッチング素子５はワイヤ等からなる第１の接続手段６を介して各出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃに、また出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃ上に搭載されたスイッチング素子５はワイヤ等からなる第２の接続手段７を介してセラミック基板２の他方主面に配置されたパワーライン３ｂに電気的に接続されている。
【００３４】
前記スイッチング素子５はＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌｏｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の素子が用いられており、電流のオン、オフを制御し、各スイッチング素子５のオン・オフを少しずつずらせることによってパワーライン３ａ、３ｂより供給された直流電源を３相の交流電源に変換し出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃに供給する作用をなす。
【００３５】
前記第１の接続手段６及び第２の接続手段７は、アルミニウムやアルミニウム−珪素合金からなる、例えば直径が３００μｍの金属細線（ワイヤ）からなり、従来周知のワイヤーボンディング法等の接合技術を用いることによって、パワーライン３ａ上に搭載されたスイッチング素子５と各出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃに、また出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃ上に搭載されたスイッチング素子５とセラミック基板２の他方主面に配置されたパワーライン３ｂに接続される。
【００３６】
本発明のインバータ制御モジュールにおいては、２本のパワーライン３ａ、３ｂを間にセラミック基板２を挟んで対向配置させるとともにパワーライン３ａ、３ｂに流れる電流の方向を逆としておくことが重要である。
【００３７】
前記２本のパワーライン３ａ、３ｂを間にセラミック基板２を挟んで対向配置させるとともにパワーライン３ａ、３ｂに流れる電流の方向を逆としておくと２本のパワーライン３ａ、３ｂ間に相互インダクタンスが効率良く発生し、この発生した相互インダクタンスによって２本のパワーライン３ａ、３ｂの各々が有するインダクタンスを大きく低減させ、その結果、２本のパワーライン３ａ、３ｂ間に２０Ａ以上の直流電源を供給するとともに各スイッチング素子５のオン・オフを少しずつずらせて出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃより３相モータ等に３相交流電源を供給する際、スイッチング素子５のオン・オフ時に前記２本のパワーライン３ａ、３ｂが有するインダクタンスに起因して定格電圧より高いサージ電圧が発生することはなく、これによってスイッチング素子５に過電圧がかかり、スイッチング素子５が破壊するのを有効に防止してインバータ制御モジュールを安定、かつ信頼性よく作動させることが可能となる。
【００３８】
また同時に２本のパワーライン３ａ、３ｂはその間に絶縁性に優れたセラミック基板２が介在していることからパワーライン３ａ、３ｂに２０Ａ以上という非常に大きな電流を流し６００Ｖ以上の電圧がかかったとしてもパワーライン３ａ、３ｂ間に放電が発生し、セラミック回路基板１にショートを発生させることはなく、これによってインバータ制御モジュールの作動を高信頼性となすことが可能となる。
【００３９】
なお、前記セラミック基板２はその厚みが２ｍｍを超えると２本のパワーライン３ａ、３ｂ間に相互インダクタンスを効率良く発生させるのが困難となり、また０．２ｍｍ未満となるとセラミック基板２の機械的強度が劣化してインバータ制御モジュールとしての信頼性が低下してしまう危険性がある。従って、前記セラミック基板２はその厚みを０．２ｍｍ乃至２ｍｍの範囲としておくことが好ましい。
【００４０】
また前記セラミック基板２はその絶縁耐圧が１０ｋＶ／ｍｍ未満となるとセラミック基板２の厚みが、例えば、０．２ｍｍの薄いものとなったときにパワーライン３ａ、３ｂ間に放電が生じ、セラミック回路基板１にショートが発生してしまう危険性がある。従って、前記セラミック基板２はその耐電圧を１０ｋＶ／ｍｍ以上としておくことが好ましい。
【００４１】
更に本発明のインバータ制御モジュールにおいては、前記セラミック基板２の他方主面のパワーライン３ｂに絶縁層８を介して金属体９を接合させておくことが重要であり、セラミック基板２及び絶縁層８を窒化珪素質セラミック体で形成しておくことが好ましい。
【００４２】
前記セラミック基板２の他方主面のパワーライン３ｂに絶縁層８を介して金属体９を接合させておくと、パワーライン３ｂのセラミック基板２の端部より外側に延出している延出部の機械的強度が絶縁層８及び金属体９によって強いものとなり、その結果、パワーライン３ｂの延出部にボンディングワイヤ等の第２の接続手段７を接合させる際、パワーライン３ｂの延出部に力が作用してもパワーライン３ｂの延出部が容易に変形することはなく、これによってパワーライン３ｂの延出部に第２の接続手段７を強固に接合させることができ、インバータ制御モジュールを長期間にわたり安定して作動させることが可能となる。
【００４３】
また前記セラミック基板２の他方主面のパワーライン３ｂに絶縁層８を介して金属体９を接合させておくと、インバータ制御モジュールを作動させた際にスイッチング素子５が多量の熱を発生したとしてもその熱は金属体９を介して大気中に効率良く放散されることとなり、その結果、スイッチング素子５は異常に高温となるのが有効に防止されて常に適温となり、スイッチング素子５を正常に作動させることを可能とするとともにインバータ制御モジュールを長期間にわたり正常に作動させることが可能となる。
【００４４】
前記金属体９は例えば、銅やアルミニウム等の金属材よりなり、窒化珪素質セラミック体や酸化アルミニウム質セラミック体等からなる絶縁層８を間に挟んでセラミック基板２の他方主面に接合されている。
【００４５】
前記金属体９は板状であったり、多数のフィンを有する櫛歯状であったりし、銅やアルミニウムのインゴット（塊）に圧延加工法や研削加工を施すことによって製作される。
【００４６】
また前記窒化珪素質セラミック体や酸化アルミニウム質セラミック体等からなる絶縁層８はセラミック基板２の他方主面に配されているパワーライン３ｂと金属体９との電気的絶縁を図る作用をなし、セラミック基板２の他方主面に溶射法やスパッタリング法等を採用することによって所定厚みに形成される。
【００４７】
前記セラミック基板２の他方主面のパワーライン３ｂへの金属体９の接合は、まずセラミック基板２の他方主面のパワーライン３ｂに絶縁層８を溶射法やスパッタリング法等によって所定厚みに形成し、次にこの絶縁層８の表面にＮｉＣｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｄ／Ａｕ等からなる下地金属層８ａを蒸着法やスパッタリング法により被着させ、最後にこの下地金属層８ａに銅やアルミニウム等の金属材からなる金属体９を銀ロウ材（銀：７２重量％、銅：２８重量％）やアルミニウムロウ材（アルミニウム：８８重量％、シリコン：１２重量％）等を使用し、ロウ付けすることによって行なわれる。
【００４８】
なお、前記セラミック基板２及び絶縁層８を窒化珪素質セラミック体で形成しておくと窒化珪素質セラミック体は高温機械的強度に優れ、かつ熱伝導率が６０Ｗ／ｍｋ以上と高いことインバータ制御モジュールの機械的強度を高いものに維持しつつ、スイッチング素子５が作動に発する多量の熱を金属体９に良好に伝達させるとともに金属体９を介して大気中により一層効率良く放散させることができる。従って、前記セラミック基板２及び絶縁層８はこれを窒化珪素で形成しておくことが好ましい。
【００４９】
また更に本発明のインバータ制御モジュールにおいては、前記セラミック基板２の端部より外側に延出するパワーライン３ｂと金属体９の体積を実質的に同一としておくことが重要である。
【００５０】
前記セラミック基板２の端部より外側に延出するパワーライン３ｂと金属体９の体積を実質的に同一としておくとパワーライン３ｂ、絶縁体８、金属体９等にスイッチング素子５の作動時に発する熱が作用し、パワーライン３ｂと絶縁層８との間、金属体９と絶縁層８との間に熱応力が発生したとしてもその熱応力は互いに逆方向で同一の大きさとなって相殺され、その結果、パワーライン３ｂに熱応力による変形等が発生するのが有効に防止されて、パワーライン３ｂに対する第２の接続手段７の接続信頼性が極めて高いものとなり、インバータ制御モジュールを長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００５１】
かくして上述のインバータ制御モジュールによれば、２本のパワーライン３ａ、３ｂを外部電源に、出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃを３相モータ等に接続し、外部電源より２本のパワーライン３ａ、３ｂ間に２０Ａ以上の直流電源を供給するとともに各スイッチング素子５のオン・オフを少しずつずらせながら繰り返し行なわせることによって出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃから３相の交流電源が導出され、これによってインバータ制御モジュールとして機能する。
【００５２】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のインバータ制御モジュールによれば、２本のパワーラインを間にセラミック基板を挟んで対向配置させるとともに各々のパワーラインに流れる電流の方向を逆としたことから２本のパワーライン間に相互インダクタンスを効率良く発生させるとともに該相互インダクタンスによって２本のパワーラインが有するインダクタンスを大きく低減させることができ、これによって２本のパワーライン間に２０Ａ以上の直流電源を供給するとともに各スイッチング素子のオン・オフを少しずつずらせて出力ラインより３相モータ等に３相交流電源を供給する際、スイッチング素子のオン・オフ時に前記２本のパワーラインが有するインダクタンスに起因して定格電圧より高いサージ電圧が発生することはなく、その結果、スイッチング素子に過電圧がかかり、スイッチング素子が破壊するのを有効に防止してインバータ制御モジュールを安定、かつ信頼性よく作動させることが可能となる。
【００５４】
同時に２本のパワーラインはその間に絶縁性に優れたセラミック基板が介在していることからパワーラインに２０Ａ以上という非常に大きな電流を流し６００Ｖ以上の電圧がかかったとしてもパワーライン間に放電が発生し、セラミック回路基板にショートを発生させることはなく、これによってインバータ制御モジュールの作動を高信頼性となすことが可能となる。
【００５５】
また本発明のインバータ制御モジュールによれば、セラミック基板の他方主面に配置された一端がセラミック基板の端部より外側に延出しているパワーラインに絶縁層を介して金属体を接合させたことからパワーラインの延出部の機械的強度が絶縁層及び金属体によって強いものとなり、その結果、パワーラインの延出部にボンディングワイヤ等の第２の接続手段を接合させる際、パワーラインの延出部に力が作用してもパワーラインの延出部が容易に変形することはなく、これによってパワーラインの延出部に第２の接続手段を強固に接合させることができ、インバータ制御モジュールを長期間にわたり安定して作動させることが可能となる。
【００５６】
更に本発明のインバータ制御モジュールによれば、セラミック基板の端部より外側に延出するパワーラインと金属体の体積を実質的に同一としたことからパワーライン、絶縁体、金属体等にスイッチング素子の作動時に発する熱が作用し、パワーラインと絶縁層との間、金属体と絶縁層との間に熱応力が発生したとしてもその熱応力は互いに逆方向で同一の大きさとなって相殺され、その結果、パワーラインに熱応力によって変形等が発生するのが有効に防止され、パワーラインに対する第２の接続手段の接続信頼性を高いものとして、インバータ制御モジュールを長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００５７】
また更にセラミック基板の他方主面のパワーラインに間に絶縁層を介して金属体を接合させたことからインバータ制御モジュールを作動させた際にスイッチング素子が多量の熱を発生したとしてもその熱は金属体を介して大気中に効率良く放散されることとなり、その結果、スイッチング素子は異常に高温となるのが有効に防止されて常に適温となり、スイッチング素子を正常に作動させることを可能とするとともにインバータ制御モジュールを長期間にわたり正常に作動させることが可能となる。
【００５８】
更にまた本発明のインバータ制御モジュールによれば、セラミック基板及び絶縁層を熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と高く、高温機械的強度に優れる窒化珪素質セラミック体で形成しておくとインバータ制御モジュールの機械的強度を高いものに維持しつつ、スイッチング素子が作動に発する多量の熱を放熱体に良好に伝達させるとともに放熱体を介して大気中により一層効率良く放散させることができ、これによってインバータ制御モジュールをより一層長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインバータ制御モジュールの一実施例を示す平面図である。
【図２】図１に示すインバータ制御モジュールの断面図である。
【図３】従来のインバータ制御モジュールを示す平面図である。
【図４】図３に示すインバータ制御モジュールの断面図である。
【符号の説明】
２・・・・・・・・・セラミック基板
３ａ、３ｂ・・・・・パワーライン
４ａ、４ｂ、４ｃ・・出力ライン
５・・・・・・・・・スイッチング素子
６・・・・・・・・・第１の接続手段
７・・・・・・・・・第２の接続手段
８・・・・・・・・・絶縁層
８ａ・・・・・・・・下地金属層
９・・・・・・・・・金属体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inverter control module for controlling a three-phase motor or the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an inverter control module for controlling a three-phase motor or the like generally includes two power lines for supplying DC power to one main surface of a ceramic substrate and three output lines for outputting three-phase AC power. The formed ceramic circuit board, the plurality of switching elements mounted on the one power line and each output line, and each switching element and each output line mounted on the one power line are electrically connected. A first connecting means made of a fine metal wire to be electrically connected, and a second connecting means made of a fine metal wire to electrically connect each switching element mounted on each output line and the other power line. Yes.
[0003]
In this inverter control module, the two power lines are connected to an external power source, the output line is connected to a three-phase motor or the like, and a DC power source of 20 A or more is supplied between the two power lines from the external power source and each switching element. The three-phase alternating current power is supplied to the three-phase motor or the like through the output line by repeatedly turning on / off of the two.
[0004]
As the switching element, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like is generally used.
[0005]
The ceramic circuit board used in the inverter control module generally has a metallized metal layer deposited on a surface of a ceramic substrate made of an aluminum oxide ceramic body in a predetermined pattern, and becomes a power line or an output line on the metallized metal layer. It is formed by brazing a metal circuit board such as copper via a brazing material such as silver brazing, and specifically, an organic binder suitable for raw material powders such as aluminum oxide, silicon oxide, magnesium oxide, calcium oxide Then, a plasticizer, a solvent, etc. are added and mixed to form a slurry, and this is applied to a tape forming technique such as a doctor blade method or a calender roll method to obtain a plurality of ceramic green sheets. Refractory metal powder such as tungsten or molybdenum on the sheet A ceramic paste in which a metal paste obtained by adding and mixing an appropriate organic binder and solvent is applied in a predetermined pattern by adopting a printing technique such as a screen printing method, and then the metal paste is applied in a predetermined pattern. From the aluminum oxide ceramic body having a metallized metal layer on its surface by laminating sheets as needed and firing at a temperature of about 1600 ° C. in a reducing atmosphere and sintering and integrating the ceramic green sheet and metal paste Finally, a metal circuit board such as copper serving as a power line or an output line is placed on a metallized metal layer deposited on the ceramic substrate with a brazing material such as silver solder interposed therebetween. And is heated to a temperature of about 900 ° C. in a reducing atmosphere to melt the brazing material. In it is fabricated by bonding the metallized metal layer and the metal circuit plate.
[0006]
However, in this conventional inverter control module, two power lines have inductance, and a DC power source of 20 A or more is supplied between the two power lines, and each switching element is turned on and off little by little. When a three-phase AC power is supplied to a three-phase motor or the like via an output line, a surge voltage higher than the rated voltage is generated when the switching element is turned on / off due to the inductance of the power line. The overvoltage is applied to the switching element due to the surge voltage, and the inverter control module cannot be stably and reliably operated by destroying the switching element.
[0007]
Therefore, the two power lines are arranged close to each other, the directions of the currents flowing through the respective power lines are reversed, and a mutual inductance is generated between the two power lines, and the inductance of the two power lines is generated by the mutual inductance. It has been proposed to reduce.
[0008]
However, when two power lines are arranged close to each other, a very large current of 20 A or more flows through the power line and a voltage of 600 V or more is applied. Therefore, a discharge occurs between the power lines, and the ceramic circuit board is short-circuited. This causes a disadvantage that the operation reliability of the inverter control module is impaired.
[0009]
In order to eliminate the above-mentioned drawbacks, the inverter control module is arranged so as to face the ceramic substrate 32 and both main surfaces of the ceramic substrate 32 as shown in FIGS. Power lines 33a, 33b, three output lines 34a, 34b, 34c arranged on one main surface of the ceramic substrate 32, a power line 33a formed on one main surface of the ceramic substrate 32, and each output A plurality of switching elements 35 mounted on the lines 34a, 34b, 34c, a first connecting means 36 for connecting the switching elements 35 on the power line 32a to the output lines 34a, 34b, 34c, and outputs; The switching element 35 mounted on the lines 34a, 34b, 34c is formed on the other main surface of the ceramic substrate 32. It is conceivable to form at the second connecting means 37 for connecting to the power line 33b and are.
[0010]
According to such an inverter control module, the two power lines 33a and 33b are arranged opposite to each other with the ceramic substrate 32 therebetween, and the direction of the current flowing through each of the power lines 33a and 33b is reversed. The mutual inductance can be efficiently generated between the power lines 33a and 33b, and the inductance of the two power lines 33a and 33b can be greatly reduced by the mutual inductance, and thereby, between the two power lines 33a and 33b. When supplying a DC power of 20 A or more and shifting the ON / OFF of each switching element 35 little by little to supply the three-phase AC power to the three-phase motor or the like from the output lines 34a, 34b, 34c, the switching element 35 is turned ON / OFF. The two power lines 33a when off A surge voltage higher than the rated voltage is not generated due to the inductance of 33b, and as a result, an overvoltage is applied to the switching element 35 and the switching element 35 is effectively prevented from being destroyed to stabilize the inverter control module. And can be operated with high reliability.
[0011]
At the same time, since the ceramic substrate 32 having excellent insulating properties is interposed between the two power lines 33a and 33b, a very large current of 20 A or more was applied to the power lines 33a and 33b, and a voltage of 600 V or more was applied. However, a discharge is generated between the power lines 33a and 33b, and no short circuit is generated between the power lines 33a and 33b. This makes it possible to make the operation of the inverter control module highly reliable.
[0012]
In the inverter control module described above, a part of the power line 33b arranged on the other main surface of the ceramic substrate 32 extends outward from the end of the ceramic substrate 32, and the switching element 35 is provided in the extended portion. They are connected via second connection means 37 such as a bonding wire.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described inverter control module extends a part of the power line arranged on the other main surface of the ceramic substrate to the outside of the end portion of the ceramic substrate, and connects the switching element to the extended portion such as a bonding wire. The connecting portion is connected via the connecting means 2, and the extended portion of the power line is not supported by the ceramic substrate, and the mechanical strength is weak. Therefore, when the second connecting means such as a bonding wire is joined to the extending portion of the power line, if the force acts on the extending portion of the power line, the extending portion of the power line is easily deformed and the second connecting means. As a result, the inverter control module cannot be stably operated over a long period of time.
[0014]
In the inverter control module described above, the ceramic substrate is made of an aluminum oxide ceramic body, and its thermal conductivity is as low as about 20 W / m · K, so the switching element generates a large amount of heat when the inverter control module is operated. In that case, the heat cannot be efficiently dissipated into the atmosphere through the ceramic substrate, and as a result, the switching element becomes high temperature due to the heat generated by the switching element itself, and thermal destruction occurs in the switching element, There is also a problem to be solved that the inverter control module cannot be normally operated due to thermal degradation in characteristics.
[0015]
The present invention has been devised in view of the above problems, and its purpose is to effectively destroy the switching element by applying a surge voltage, discharge between two power lines, cracking of the ceramic substrate, thermal destruction of the switching element, etc. Another object of the present invention is to provide an inverter control module capable of preventing and ensuring the connection between the second connecting means and the power line and converting the DC power source into a three-phase AC power source for a long period of time.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
The inverter control module of the present invention includes a ceramic substrate, two power lines arranged opposite to both main surfaces of the ceramic substrate, three output lines arranged on one main surface of the ceramic substrate, A power line formed on one main surface of the ceramic substrate and a plurality of switching elements mounted on each output line; and a first connecting means for connecting the switching elements on the power line to each output line; A second connecting means for connecting a switching element mounted on each output line to a power line formed on the other main surface of the ceramic substrate; and an insulating layer on the power line on the other main surface of the ceramic substrate. A power line disposed on the other main surface of the ceramic substrate, the insulating layer, and the metal body, The one end, extending outwardly from an end portion of the ceramic substrate, and the extending portion of the volume of the power lines and the metal body is characterized in that it is substantially the same.
The inverter control module according to the present invention is characterized in that the ceramic substrate and the insulating layer are formed of a silicon nitride ceramic body.
Furthermore, the inverter control module of the present invention is characterized in that the directions of the currents flowing through the two power lines are opposite.
[0017]
According to the inverter control module of the present invention, the two power lines are disposed opposite to each other with the ceramic substrate interposed therebetween, and the direction of the current flowing through each power line is reversed. Inductance can be generated efficiently and the inductance of the two power lines can be greatly reduced by the mutual inductance, so that a DC power supply of 20 A or more can be supplied between the two power lines and each switching element can be turned on.・ When supplying three-phase AC power to the three-phase motor, etc. from the output line by gradually turning off, surge voltage higher than the rated voltage due to the inductance of the two power lines when the switching element is turned on / off As a result, the switching element A voltage is applied, a stable and it is possible to reliably operate the inverter control module to effectively prevent the switching element is broken.
[0018]
At the same time, since a ceramic substrate with excellent insulation is interposed between the two power lines, even if a very large current of 20 A or more is applied to the power line and a voltage of 600 V or more is applied, a discharge occurs between the power lines. This does not cause a short circuit in the ceramic circuit board, which makes it possible to make the operation of the inverter control module highly reliable.
[0019]
Further, according to the inverter control module of the present invention, the metal body is bonded via the insulating layer to the power line in which one end arranged on the other main surface of the ceramic substrate extends outside the end of the ceramic substrate. The mechanical strength of the extended portion of the power line is increased by the insulating layer and the metal body. As a result, when the second connecting means such as a bonding wire is joined to the extended portion of the power line, the extension of the power line is increased. Even if force acts on the projecting part, the extending part of the power line is not easily deformed, whereby the second connecting means can be firmly joined to the extending part of the power line, and the inverter control module Can be stably operated over a long period of time.
[0020]
Furthermore, according to the inverter control module of the present invention, since the volume of the power line extending outward from the end of the ceramic substrate is substantially the same as the volume of the metal body, the switching element can be applied to the power line, insulator, metal body, etc. Even if the heat generated during the operation of the material acts and thermal stress is generated between the power line and the insulating layer, or between the metal body and the insulating layer, the thermal stress is canceled out in the same direction in the opposite direction. As a result, it is possible to effectively prevent the power line from being deformed due to thermal stress, and to improve the connection reliability of the second connection means to the power line, so that the inverter control module is normal and stable over a long period of time. Can be activated.
[0021]
Furthermore, since a metal body is bonded to the power line on the other main surface of the ceramic substrate via an insulating layer, even if the switching element generates a large amount of heat when the inverter control module is operated, the heat is As a result, the switching element is effectively prevented from becoming abnormally high temperature and is always at an appropriate temperature, enabling the switching element to operate normally. At the same time, the inverter control module can be normally operated over a long period of time.
[0022]
Furthermore, according to the inverter control module of the present invention, if the ceramic substrate and the insulating layer are formed of a silicon nitride ceramic body having a high thermal conductivity of 60 W / m · K or more and excellent in high-temperature mechanical strength, inverter control is performed. While maintaining the high mechanical strength of the module, the large amount of heat generated by the switching element can be transferred well to the metal body and can be dissipated more efficiently in the atmosphere through the metal body. The inverter control module can be operated normally and stably for a longer period of time.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
1 and 2 show an embodiment of an inverter control module according to the present invention, in which two power lines 3a and 3b are arranged opposite to each other on both main surfaces of a ceramic substrate 2, and three output lines are provided on one main surface. 4a, 4b, and 4c are arranged on the ceramic circuit board 1 and the switching element 5, and switching is performed on the power line 3a and the output lines 4a, 4b, and 4c formed on one main surface of the ceramic board 2. The element 5 is mounted, and the switching element 5 on the power line 3a is connected to each output line 4a, 4b, 4c via the first connection means 6 and mounted on each output line 4a, 4b, 4c. Formed by connecting the switching element 5 to the power line 3b formed on the other main surface of the ceramic substrate 2 through the second connection means 7. It has been.
[0024]
Note that a part of the power line 3b has an extending portion extending outward from the end portion of the ceramic substrate 2, and each output line 4a is connected to the extending portion via the second connecting means 7. The switching elements 5 mounted on 4b and 4c are connected.
[0025]
The ceramic substrate 2 of the ceramic circuit board 1 acts as a support member for supporting the switching elements 5 mounted on the power lines 3a, 3b and the output lines 4a, 4b, 4c and the power lines 3a, the output lines 4a, 4b, 4c. However, it is formed of a ceramic insulator such as an aluminum oxide ceramic body or a silicon nitride ceramic body.
[0026]
When the ceramic substrate 2 is made of, for example, a silicon nitride ceramic body, a suitable organic binder, a plasticizer, and a solvent are added to and mixed with raw material powders such as silicon nitride, aluminum oxide, magnesium oxide, and yttrium oxide to form a slurry. And forming the ceramic green sheet (ceramic green sheet) by employing a conventionally known doctor blade method or calender roll method, and then subjecting the ceramic green sheet to an appropriate punching process. At the same time, if necessary, a plurality of sheets are laminated to form a molded body, which is then manufactured by firing at a high temperature of 1600 to 2000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as a nitrogen atmosphere.
[0027]
The ceramic substrate 2 has one power line 3a and three output lines 4a, 4b and 4c on one main surface, and one power line 3b on the other main surface and an adhesive such as an active metal brazing material. It is attached by brazing.
[0028]
The power line 3a serves to supply a DC power source supplied from an external power source to the switching element 5, and the output lines 4a, 4b, 4c externally supply a three-phase AC power source converted by turning on / off the switching element 5. To supply the three-phase motor.
[0029]
The two power lines 3a, 3b and the three output lines 4a, 4b, 4c are made of a metal material such as copper or aluminum, and a rolling process, a punching process, etc. By applying a conventionally known metal processing method, for example, the thickness is 500 μm, and a predetermined pattern shape is produced.
[0030]
Further, the two power lines 3a, 3b and the three output lines 4a, 4b, 4c are bonded to the ceramic substrate 2 by, for example, silver brazing material (silver: 72% by weight, copper: 28% by weight) or aluminum. This is performed by using an active brazing material in which at least one of titanium, tungsten, hafnium and / or a hydride thereof is added to a brazing material (aluminum: 88 wt%, silicon: 12 wt%) or the like. Specifically, the power lines 3a, 3b and the output lines 4a, 4b, 4c are placed on the surface of the ceramic substrate 2 with the active metal brazing material sandwiched between them, and then placed in a vacuum or in a neutral, reducing atmosphere. Heat treatment at a predetermined temperature (about 900 ° C. for silver brazing material, about 600 ° C. for aluminum brazing material) to melt the active metal brazing material and Surface power line 3a of the substrate 2, 3b and output lines 4a, 4b, is performed by bonding the lower surface of 4c.
[0031]
The power lines 3a, 3b and the output lines 4a, 4b, 4c are made of oxygen-free copper. When the oxygen-free copper is brazed, the copper surface is caused by oxygen present in the copper. The wettability with the active metal brazing material is improved without being oxidized, and the bonding to the ceramic substrate 2 through the active metal brazing material is strengthened. Therefore, the power lines 3a and 3b and the output lines 4a, 4b and 4c are preferably formed of oxygen-free copper.
[0032]
The power lines 3a and 3b and the output lines 4a, 4b and 4c are coated with a metal having good conductivity made of nickel and having good corrosion resistance and wettability to the brazing material. , While effectively preventing oxidative corrosion of the power lines 3a, 3b and the output lines 4a, 4b, 4c, the power lines 3a, 3b and the output lines 4a, 4b, 4c have a switching element 5, an external power supply, an external three-phase motor, etc. Can be connected very firmly through a brazing material such as solder. Therefore, the power lines 3a and 3b and the output lines 4a, 4b and 4c are coated with a metal having good conductivity made of nickel or the like and having good corrosion resistance and wettability to the brazing material. It is preferable to keep.
[0033]
Furthermore, the ceramic circuit board 1 is also provided with a plurality of switching elements 5 mounted on the power line 3a and the output lines 4a, 4b, 4c arranged on one main surface of the ceramic board 2, and on the power line 3a. The mounted switching element 5 is connected to each output line 4a, 4b, 4c via the first connecting means 6 made of a wire or the like, and the switching element 5 mounted on the output lines 4a, 4b, 4c is made of a wire or the like. The second connection means 7 is electrically connected to the power line 3b disposed on the other main surface of the ceramic substrate 2.
[0034]
The switching element 5 is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like, and controls the on / off of the current, and the power lines 3a, 3b are shifted by turning each switching element 5 on and off little by little. The supplied DC power is converted into a three-phase AC power and supplied to the output lines 4a, 4b and 4c.
[0035]
The first connecting means 6 and the second connecting means 7 are made of a thin metal wire (wire) made of aluminum or an aluminum-silicon alloy, for example, having a diameter of 300 μm, and use a joining technique such as a well-known wire bonding method. As a result, the switching element 5 mounted on the power line 3a and the output lines 4a, 4b, and 4c, and the switching element 5 mounted on the output lines 4a, 4b, and 4c and the other main surface of the ceramic substrate 2 It is connected to the arranged power line 3b.
[0036]
In the inverter control module of the present invention, it is important that the two power lines 3a and 3b are arranged opposite to each other with the ceramic substrate 2 therebetween, and the direction of the current flowing through the power lines 3a and 3b is reversed.
[0037]
If the two power lines 3a and 3b are arranged opposite to each other with the ceramic substrate 2 therebetween, and the direction of the current flowing through the power lines 3a and 3b is reversed, a mutual inductance is generated between the two power lines 3a and 3b. The generated mutual inductance greatly reduces the inductance of each of the two power lines 3a and 3b. As a result, a DC power supply of 20 A or more is supplied between the two power lines 3a and 3b. In addition, when the three-phase AC power is supplied to the three-phase motor or the like from the output lines 4a, 4b, and 4c by slightly shifting the on / off of each switching element 5, the two power lines are turned on when the switching element 5 is turned on / off. A surge voltage higher than the rated voltage does not occur due to the inductance of 3a and 3b, It takes overvoltage to the switching element 5 by Les, stabilizing the inverter control module to effectively prevent the switching element 5 is broken, and it is possible to reliably operate.
[0038]
At the same time, since the ceramic substrate 2 having excellent insulating properties is interposed between the two power lines 3a and 3b, a very large current of 20 A or more was applied to the power lines 3a and 3b, and a voltage of 600 V or more was applied. However, a discharge is generated between the power lines 3a and 3b, and a short circuit is not generated in the ceramic circuit board 1, thereby making the operation of the inverter control module highly reliable.
[0039]
When the thickness of the ceramic substrate 2 exceeds 2 mm, it is difficult to efficiently generate a mutual inductance between the two power lines 3a and 3b. When the thickness is less than 0.2 mm, the mechanical strength of the ceramic substrate 2 is reduced. There is a risk that the reliability of the inverter control module will deteriorate due to deterioration. Therefore, it is preferable that the thickness of the ceramic substrate 2 be in the range of 0.2 mm to 2 mm.
[0040]
When the dielectric breakdown voltage of the ceramic substrate 2 is less than 10 kV / mm, discharge occurs between the power lines 3a and 3b when the thickness of the ceramic substrate 2 is as thin as 0.2 mm, for example. There is a risk of short circuit in 1. Therefore, the ceramic substrate 2 preferably has a withstand voltage of 10 kV / mm or more.
[0041]
Furthermore, in the inverter control module of the present invention, it is important that the metal body 9 is bonded to the power line 3b on the other main surface of the ceramic substrate 2 via the insulating layer 8, and the ceramic substrate 2 and the insulating layer 8 are connected. Is preferably formed of a silicon nitride ceramic body.
[0042]
When the metal body 9 is bonded to the power line 3b on the other main surface of the ceramic substrate 2 via the insulating layer 8, an extension portion extending outward from the end portion of the ceramic substrate 2 of the power line 3b. The mechanical strength is increased by the insulating layer 8 and the metal body 9, and as a result, when the second connecting means 7 such as a bonding wire is joined to the extending portion of the power line 3b, the extending portion of the power line 3b Even if a force is applied, the extending portion of the power line 3b is not easily deformed, whereby the second connecting means 7 can be firmly joined to the extending portion of the power line 3b. Can be stably operated over a long period of time.
[0043]
If the metal body 9 is bonded to the power line 3b on the other main surface of the ceramic substrate 2 via the insulating layer 8, the switching element 5 generates a large amount of heat when the inverter control module is operated. However, the heat is efficiently dissipated into the atmosphere through the metal body 9, and as a result, the switching element 5 is effectively prevented from becoming abnormally high in temperature, and is always at an appropriate temperature. The inverter control module can be operated normally over a long period of time.
[0044]
The metal body 9 is made of, for example, a metal material such as copper or aluminum, and is joined to the other main surface of the ceramic substrate 2 with an insulating layer 8 made of a silicon nitride ceramic body or an aluminum oxide ceramic body interposed therebetween. Yes.
[0045]
The metal body 9 has a plate shape or a comb-like shape having a large number of fins, and is manufactured by subjecting a copper or aluminum ingot (lumb) to rolling or grinding.
[0046]
The insulating layer 8 made of the silicon nitride ceramic body, the aluminum oxide ceramic body or the like serves to electrically insulate the power line 3b disposed on the other main surface of the ceramic substrate 2 from the metal body 9, The other main surface of the ceramic substrate 2 is formed with a predetermined thickness by employing a spraying method, a sputtering method, or the like.
[0047]
In joining the metal body 9 to the power line 3b on the other main surface of the ceramic substrate 2, first, the insulating layer 8 is formed on the power line 3b on the other main surface of the ceramic substrate 2 to a predetermined thickness by a spraying method or a sputtering method. Next, a base metal layer 8a made of NiCr / Au, Ti / Pt / Au, Ti / Pd / Au or the like is deposited on the surface of the insulating layer 8 by vapor deposition or sputtering, and finally the base metal layer 8a. A silver brazing material (silver: 72% by weight, copper: 28% by weight), an aluminum brazing material (aluminum: 88% by weight, silicon: 12% by weight) or the like is used for the metal body 9 made of a metal material such as copper or aluminum. This is done by brazing.
[0048]
If the ceramic substrate 2 and the insulating layer 8 are formed of a silicon nitride ceramic body, the silicon nitride ceramic body is excellent in high-temperature mechanical strength and has a high thermal conductivity of 60 W / mk or more. Inverter control module While maintaining a high mechanical strength, a large amount of heat generated by the switching element 5 can be transferred to the metal body 9 and can be dissipated more efficiently in the atmosphere via the metal body 9. Therefore, the ceramic substrate 2 and the insulating layer 8 are preferably formed of silicon nitride.
[0049]
Furthermore, in the inverter control module of the present invention, it is important that the volume of the power line 3b extending outward from the end of the ceramic substrate 2 and the volume of the metal body 9 are substantially the same.
[0050]
When the volume of the power line 3b extending outward from the end of the ceramic substrate 2 and the metal body 9 is substantially the same, the power line 3b, the insulator 8, the metal body 9 and the like are emitted when the switching element 5 is operated. Even if heat acts and thermal stress is generated between the power line 3b and the insulating layer 8 and between the metal body 9 and the insulating layer 8, the thermal stress is canceled out with the same magnitude in opposite directions. As a result, it is possible to effectively prevent the power line 3b from being deformed by thermal stress, and the connection reliability of the second connecting means 7 to the power line 3b becomes extremely high, and the inverter control module can be used for a long time. It is possible to operate normally and stably.
[0051]
Thus, according to the inverter control module described above, the two power lines 3a, 3b are connected to an external power source, the output lines 4a, 4b, 4c are connected to a three-phase motor or the like, and the two power lines 3a, 3b are connected from the external power source. A three-phase AC power source is derived from the output lines 4a, 4b, and 4c by supplying a DC power source of 20A or more in between and repeatedly turning each switching element 5 on and off, and thereby controlling the inverter. Functions as a module.
[0052]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned Example, A various change is possible if it is a range which does not deviate from the summary of this invention.
[0053]
【The invention's effect】
According to the inverter control module of the present invention, the two power lines are disposed opposite to each other with the ceramic substrate interposed therebetween, and the direction of the current flowing through each power line is reversed. Inductance can be generated efficiently and the inductance of the two power lines can be greatly reduced by the mutual inductance, so that a DC power supply of 20 A or more can be supplied between the two power lines and each switching element can be turned on.・ When supplying three-phase AC power to the three-phase motor, etc. from the output line by gradually turning off, surge voltage higher than the rated voltage due to the inductance of the two power lines when the switching element is turned on / off Does not occur, and as a result, the switching element A voltage is applied, a stable and it is possible to reliably operate the inverter control module to effectively prevent the switching element is broken.
[0054]
At the same time, since a ceramic substrate with excellent insulation is interposed between the two power lines, even if a very large current of 20 A or more is applied to the power line and a voltage of 600 V or more is applied, a discharge occurs between the power lines. This does not cause a short circuit in the ceramic circuit board, which makes it possible to make the operation of the inverter control module highly reliable.
[0055]
Further, according to the inverter control module of the present invention, the metal body is bonded via the insulating layer to the power line in which one end arranged on the other main surface of the ceramic substrate extends outside the end of the ceramic substrate. The mechanical strength of the extended portion of the power line is increased by the insulating layer and the metal body. As a result, when the second connecting means such as a bonding wire is joined to the extended portion of the power line, the extension of the power line is increased. Even if a force acts on the projecting portion, the extending portion of the power line does not easily deform, whereby the second connecting means can be firmly joined to the extending portion of the power line, and the inverter control module Can be stably operated over a long period of time.
[0056]
Furthermore, according to the inverter control module of the present invention, since the volume of the metal body and the power line extending outward from the end of the ceramic substrate is substantially the same, the switching element can be used in the power line, insulator, metal body, etc. Even if the heat generated during the operation of the material acts and thermal stress is generated between the power line and the insulating layer, or between the metal body and the insulating layer, the thermal stress is canceled out in the same direction in the opposite direction. As a result, it is possible to effectively prevent the power line from being deformed due to thermal stress, and to improve the connection reliability of the second connection means to the power line, so that the inverter control module is normal and stable over a long period of time. Can be activated.
[0057]
Furthermore, since a metal body is bonded to the power line on the other main surface of the ceramic substrate via an insulating layer, even if the switching element generates a large amount of heat when the inverter control module is operated, the heat is As a result, the switching element is effectively prevented from becoming abnormally high temperature and is always at an appropriate temperature, enabling the switching element to operate normally. At the same time, the inverter control module can be normally operated over a long period of time.
[0058]
Furthermore, according to the inverter control module of the present invention, if the ceramic substrate and the insulating layer are formed of a silicon nitride ceramic body having a high thermal conductivity of 60 W / m · K or more and excellent in high-temperature mechanical strength, inverter control is performed. While maintaining the high mechanical strength of the module, the large amount of heat generated by the switching element can be transferred well to the radiator and dissipated more efficiently in the atmosphere through the radiator. The inverter control module can be operated normally and stably for a longer period of time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of an inverter control module of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the inverter control module shown in FIG.
FIG. 3 is a plan view showing a conventional inverter control module.
4 is a cross-sectional view of the inverter control module shown in FIG.
[Explanation of symbols]
2 .... Ceramic substrate
3a, 3b ... Power line
4a, 4b, 4c ... Output line
5 ... Switching element
6 ..... First connection means
7... Second connection means
8 ..... Insulating layer
8a ... Base metal layer
9 .... Metal body

Claims

A ceramic substrate, two and a power line to be opposed to both main surfaces of the ceramic substrate, three output lines arranged on one main surface of the ceramic substrate, formed on one main surface of the ceramic substrate A plurality of switching elements mounted on each power line and each output line, first connection means for connecting the switching elements on the power line to each output line, and mounted on each output line Second switching means for connecting the switching element to the power line formed on the other principal surface of the ceramic substrate, and a metal body joined to the power line on the other principal surface of the ceramic substrate via an insulating layer made, power lines arranged on the other main surface of the ceramic substrate, the insulating layer and the metal body end of one end of each said ceramic substrate Inverter control module outside are extending, and the extending portion of the volume of the power lines and the metal body is characterized in that substantially the same.

The inverter control module according to claim 1, wherein the ceramic substrate and the insulating layer are formed of a silicon nitride ceramic body.

The inverter control module according to claim 1 or 2, wherein directions of currents flowing through the two power lines are opposite to each other.