JP3635027B2

JP3635027B2 - Inverter control module

Info

Publication number: JP3635027B2
Application number: JP2000355860A
Authority: JP
Inventors: 広一朗菅井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2020-11-22
Also published as: JP2002165465A

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３５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焼結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焼結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３３ａ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よ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である。
【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】
【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によれば、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と一方主面に配置された各出力ライン３４ａ、３４ｂ、３４ｃ上のスイッチング素子３５とを第２の接続手段３７を介して電気的接続するため、前記セラミック基板３２の他方主面に配置されたパワーライン３３ｂはセラミック基板３２の外周より大きく形成する必要があり、その結果、インバータ制御モジュールを小型化することが困難となり、同時にワイヤー等の金属細線からなる第２の接続手段が長いものとなり、ワイヤーの倒れに起因する接触短絡事故や短絡に伴うスイッチング素子３５の破壊等が発生するという解決すべき欠点を有していた。
【００１３】
本発明は上記欠点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及び２本のパワーライン間での放電を有効に防止し、小型で安定して直流電源を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。
【００１４】
【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の接続手段及び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の接続手段とから成り、前記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はその一端が一方主面側に延出した上、該延出部で前記第２の接続手段と接続されており、前記パワーライン上のスイッチング素子、前記出力ライン上のスイッチング素子及び前記第１，第２の接続手段の対応するもの同士が各々群をなして三列状に配置されてい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。
【００１５】
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。
【００１６】
また同時に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。
【００１７】
更に本発明のインバータ制御モジュールによれば、セラミック基板の他方主面に形成されたパワーラインの一端を一方主面側に延出させたことから、パワーラインの延出部と各出力ライン上に搭載されたスイッチング素子のいずれもがセラミック基板の一方主面側に位置するとともに両者間の距離が短いものとなっている。そのためこのパワーラインの延出部と各出力ライン上に搭載されたスイッチング素子とを超音波接続法等の接続法を用いてワイヤー等の金属細線からなる第２の接続手段を介して電気的に接続した場合、接続が強固で高信頼性のものになるとともに第２の接続手段の長さが短いものとなって第２の接続手段の倒れに起因する接触短絡事故や短絡に伴うスイッチング素子の破壊等を有効に防止することができる。
【００１８】
【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。
【００１９】
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、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、アルミニウム質焼結体等のセラミック絶縁体で形成されている。
【００２０】
前記セラミック基板２は、例えば、窒化珪素質焼結体から成る場合、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
なお、前記セラミック回路基板１はセラミック基板２を窒化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体等の熱伝達率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミック絶縁体で形成しておくとスイッチング素子５が作動時に多量の熱を発生した際、その熱をセラミック基板２が効率良く吸収するとともに大気中に良好に放出してスイッチング素子５を常に適温となし、スイッチング素子５を常に安定、かつ正常に作動させることが可能となる。従って、前記セラミック基板２は窒化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体等の熱伝達率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のセラミック絶縁体で形成しておくことが好ましい。
【００２６】
また前記パワーライン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。
【００２７】
更に前記パワーライン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ことが好ましい。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
また前記第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、従来周知の超音波接続法等の接続法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の他方主面に形成されたパワーライン３ｂに接続される。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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と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。
【００３６】
更に本発明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２の他方主面に形成されているパワーライン３ｂの一端をセラミック基板２の一方主面側に延出させておくことが重要である。
【００３７】
前記セラミック基板２の他方主面に形成されているパワーライン３ｂの一端をセラミック基板２の一方主面側に延出させておくとパワーラインの延出部３ｂと各出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃ上にに搭載されているスイッチング素子５のいずれもがセラミック基板２の一方主面側に位置するとともに両者間の距離が短いものとなり、その結果パワーライン３ｂの延出部と各出力ライン４ａ、４ｂ、４ｃ上にに搭載されているスイッチング素子５とを超音波接続手段等の接続法を用いてワイヤー等の金属細線からなる第２の接続手段７を介して電気的に接続する際、その接続が確実、強固で高信頼性のものになるとともに第２の接続手段７の長さが短いものとなって第２の接続手段７の倒れに起因する接触短絡事故や短絡に伴うスイッチング素子の破壊等を有効に防止することができる。
【００３８】
前記セラミック基板２の他方主面に形成されているパワーライン３ｂの延出部は銅やアルミニウム等の金属材料に圧延加工法や打ち抜き加工法等を施してパワーライン３ｂを形成する際に同時にパワーライン３ｂの一端に形成され、その幅、厚みは２０Ａ以上の大きな電流が流れることを許容する値となっている。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
【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。
【００４２】
また同時に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。
【００４３】
更に本発明のインバータ制御モジュールによれば、セラミック基板の他方主面に形成されたパワーラインの一端を一方主面側に延出させたことから、パワーラインの延出部と各出力ライン上に搭載されたスイッチング素子のいずれもがセラミック基板の一方主面側に位置するとともに両者間の距離が短いものとなっている。そのためこのパワーラインの延出部と各出力ライン上に搭載されたスイッチング素子とを超音波接続法等の接続法を用いてワイヤー等の金属細線からなる第２の接続手段を介して電気的に接続した場合、接続が強固で高信頼性のものになるとともに第２の接続手段の長さが短いものとなって第２の接続手段の倒れに起因する接触短絡事故や短絡に伴うスイッチング素子の破壊等を有効に防止することができる。
【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の平面図である。
【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】
１・・・・・・・・・セラミック回路基板
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[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 35, 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 in a predetermined pattern on the surface of a ceramic substrate made of an aluminum oxide sintered body, and a power line and an output line on the metallized metal layer. It is formed by brazing a metal circuit board such as copper through a brazing material such as silver brazing. Specifically, it is suitable for raw material powders such as aluminum oxide, silicon oxide, magnesium oxide, calcium oxide and the like. A binder, a plasticizer, a solvent, and the like 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, so that a plurality of ceramic green sheets are obtained. Suitable for refractory metal powders such as tungsten and molybdenum on green sheets A ceramic paste obtained by printing and applying a metal paste obtained by adding and mixing a machine binder and a solvent in a predetermined pattern by adopting a printing technique such as a screen printing method, and then applying the metal paste to the predetermined pattern. It consists of an aluminum oxide sintered body that is laminated as needed and fired in a reducing atmosphere at a temperature of about 1600 ° C., and a ceramic green sheet and a metal paste are sintered and integrated to have a metallized metal layer on the surface. A ceramic substrate is formed, and finally, a metal circuit board such as copper serving as a power line or an output line is placed on a metallized metal layer attached to the ceramic substrate with a brazing material such as silver solder interposed therebetween. At the same time, this is heated to a temperature of about 900 ° C. in a reducing atmosphere to melt the brazing material, and the molten brazing material is used for metallization. It is fabricated by bonding a metal layer and a 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 33a 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 reliable operation.
[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]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the above-described inverter control module, the power line 33b disposed on the other main surface of the ceramic substrate 32 and the switching element 35 on each output line 34a, 34b, 34c disposed on the one main surface are connected to the second main surface. Therefore, the power line 33b disposed on the other main surface of the ceramic substrate 32 needs to be formed larger than the outer periphery of the ceramic substrate 32. As a result, the inverter control module can be reduced in size. That the second connecting means made of a thin metal wire such as a wire becomes long at the same time, and a contact short circuit accident due to the wire falling or a destruction of the switching element 35 due to the short circuit occurs. Had the disadvantages.
[0013]
The present invention has been devised in view of the above drawbacks, and its purpose is to effectively prevent the destruction of the switching element and the discharge between the two power lines due to the application of a surge voltage, and to reduce the size and stability of the DC power source 3. An object of the present invention is to provide an inverter control module that can be reliably converted into a phase AC power source over a long period of time.
[0014]
[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, a first connection means for connecting the switching elements on the power line to each output line, and each A power line formed on the other main surface of the ceramic substrate, the second connecting means connecting a switching element mounted on the output line to a power line formed on the other main surface of the ceramic substrate; One end of the extension extends to one main surface side, and is connected to the second connection means at the extension portion. Switching element, the switching element and the first on the output line, in which between a corresponding one of the second connecting means is characterized in that it is arranged in three rows shape without each group.
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.
[0015]
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.
[0016]
At the same time, since the two power lines have a ceramic substrate with excellent insulation between them, 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, the power line is discharged. 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.
[0017]
Furthermore, according to the inverter control module of the present invention, since one end of the power line formed on the other main surface of the ceramic substrate is extended to the one main surface side, the extension portion of the power line and each output line are provided. All of the mounted switching elements are located on one main surface side of the ceramic substrate, and the distance between them is short. Therefore, the extension part of the power line and the switching element mounted on each output line are electrically connected to each other via the second connection means made of a thin metal wire such as a wire using a connection method such as an ultrasonic connection method. When connected, the connection is strong and reliable, and the length of the second connecting means is short, so that the contact short circuit caused by the fall of the second connecting means or the switching element accompanying the short circuit Destruction can be effectively prevented.
[0018]
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.
[0019]
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. Further, it is formed of a ceramic insulator such as a silicon nitride sintered body, an aluminum nitride sintered body, a silicon carbide sintered body, or an aluminum sintered body.
[0020]
For example, when the ceramic substrate 2 is made of a silicon nitride-based sintered 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, yttrium oxide, etc. The ceramic green sheet (ceramic green sheet) is formed by adopting a conventionally well-known doctor blade method or calendar roll method, and then, the ceramic green sheet is subjected to an appropriate punching process to obtain a predetermined shape. At the same time, if necessary, a plurality of sheets are laminated to form a molded body, which is then fired at a high temperature of 1600 to 2000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as a nitrogen atmosphere.
[0021]
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.
[0022]
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.
[0023]
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.
[0024]
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 interposed therebetween, and then this is 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.
[0025]
In the ceramic circuit board 1, the ceramic substrate 2 is formed of a ceramic insulator having a heat transfer coefficient of 60 W / m · K or more, such as a silicon nitride sintered body, an aluminum nitride sintered body, or a silicon carbide sintered body. In other words, when the switching element 5 generates a large amount of heat during operation, the ceramic substrate 2 efficiently absorbs the heat and releases it well into the atmosphere so that the switching element 5 is always kept at an appropriate temperature. Can be operated stably and normally. Therefore, the ceramic substrate 2 may be formed of a ceramic insulator having a heat transfer coefficient of 60 W / m · K or more, such as a silicon nitride sintered body, an aluminum nitride sintered body, or a silicon carbide sintered body. preferable.
[0026]
The power lines 3a and 3b and the output lines 4a, 4b and 4c are made of oxygen-free copper. When the oxygen-free copper is brazed, the copper surface is oxidized by oxygen present in the copper. The wettability with the active metal brazing material is improved 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.
[0027]
Further, 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. Accordingly, the power lines 3a, 3b and the output lines 4a, 4b, 4c are coated with a metal having good conductivity made of nickel and having good corrosion resistance and wettability to the brazing material. It is preferable to keep it.
[0028]
The ceramic circuit board 1 has a power line 3a disposed on one main surface of the ceramic board 2 and a plurality of switching elements 5 on the output lines 4a, 4b, 4c, and is mounted on the power line 3a. The switching element 5 is connected to each output line 4a, 4b, 4c via the first connecting means 6 made of wire or the like, and the switching element 5 mounted on the output line 4a, 4b, 4c is made of wire or the like. It is electrically connected to the power line 3b disposed on the other main surface of the ceramic substrate 2 via the second connecting means 7.
[0029]
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.
[0030]
The first connecting means 6 and the second connecting means 7 are made of a thin metal wire (wire) having a diameter of 300 μm, for example, made of aluminum or an aluminum-silicon alloy. , The switching element 5 mounted on the power line 3a and each output line 4a, 4b, 4c, and the switching element 5 mounted on the output line 4a, 4b, 4c and the other main of the ceramic substrate 2 are used. It is connected to a power line 3b formed on the surface.
[0031]
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.
[0032]
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.
[0033]
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.
[0034]
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.
[0035]
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 that a short circuit occurs in the substrate 1. Therefore, the ceramic substrate 2 preferably has a withstand voltage of 10 kV / mm or more.
[0036]
Furthermore, in the inverter control module of the present invention, it is important that one end of the power line 3b formed on the other main surface of the ceramic substrate 2 is extended to the one main surface side of the ceramic substrate 2.
[0037]
If one end of the power line 3b formed on the other main surface of the ceramic substrate 2 is extended to the one main surface side of the ceramic substrate 2, the power line extending portion 3b and the output lines 4a, 4b, 4c are provided. Any of the switching elements 5 mounted thereon are located on the one main surface side of the ceramic substrate 2 and the distance between them is short. As a result, the extension portion of the power line 3b and each output line 4a, When electrically connecting the switching element 5 mounted on 4b and 4c via the second connection means 7 made of a thin metal wire such as a wire using a connection method such as an ultrasonic connection means, A switching element associated with a contact short circuit accident or a short circuit caused by a fall of the second connection means 7 because the connection is reliable, strong and highly reliable, and the length of the second connection means 7 is short. It is possible to effectively prevent the destruction.
[0038]
The extension portion of the power line 3b formed on the other main surface of the ceramic substrate 2 is simultaneously powered when the power line 3b is formed by subjecting a metal material such as copper or aluminum to a rolling method or a punching method. It is formed at one end of the line 3b, and its width and thickness are values that allow a large current of 20A or more to flow.
[0039]
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.
[0040]
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.
[0041]
【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 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.
[0042]
At the same time, since the two power lines have a ceramic substrate with excellent insulation between them, 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, the power line is discharged. 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.
[0043]
Furthermore, according to the inverter control module of the present invention, since one end of the power line formed on the other main surface of the ceramic substrate is extended to the one main surface side, the extension portion of the power line and each output line are provided. All of the mounted switching elements are located on one main surface side of the ceramic substrate, and the distance between them is short. Therefore, the extension part of the power line and the switching element mounted on each output line are electrically connected to each other via the second connection means made of a thin metal wire such as a wire using a connection method such as an ultrasonic connection method. When connected, the connection is strong and reliable, and the length of the second connecting means is short, so that the contact short circuit caused by the fall of the second connecting means or the switching element accompanying the short circuit Destruction can be effectively prevented.
[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 of a conventional inverter control module.
4 is a cross-sectional view of the inverter control module shown in FIG.
[Explanation of symbols]
1 ... Ceramic circuit board 2 ... Ceramic boards 3a, 3b ... Power lines 4a, 4b, 4c ... Output line 5 ... .... Switching element 6 ... 1st connection means 7 ... 2nd connection means

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, a first connecting means for connecting the switching elements on the power line to each output line, and each switching line mounted on each output line And a second connecting means for connecting the switching element to a power line formed on the other main surface of the ceramic substrate. One end of the power line formed on the other main surface of the ceramic substrate is on the one main surface side. on extending the, is connected to the second connecting means in the extending portion, the switching element on the power line, the scan on the output line Switching element and the first inverter control module between corresponding ones of the second connecting means is characterized in that it is arranged in three rows shape without each group.

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