JP2004201467A - Inverter mounted in polyphase alternating-current rotating electric machine - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inverter mounted in multiphase alternating-current rotating electric machine wherein excellent cooling collecting structure is maintained and further the construction is simplified, and downsizing can be implemented. <P>SOLUTION: A cooling fin 100 is a common electrode plate which also functions as a heat radiating member forming the ground line of the inverter 5. A control signal line is connected with a control electrode formed on the principal surface on the front face side of a semiconductor chip which forms the lower arm elements 54 of the inverter 5. The cooling fin 100 is provided with a window for taking out the control electrode wiring on the rear face side. The window is for taking out the control signal line to the back side of the cooling fin 100. Thus, the inverter 5 is constituted in compact size. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相交流回転電機搭載インバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、直流電源と多相交流回転電機の電機子巻線との間に電力授受可能に介設されて、この電機子巻線に多相交流電圧を印加するインバータを交流回転電機に一体化することにより、小型軽量化や配線損失の低減を図った多相交流回転電機搭載インバータが提案されている。
【０００３】
このインバータは、通常では、それぞれトランジスタからなる相数分又はその整数倍の上アーム素子（ハイサイド素子）と、それぞれトランジスタからなる相数分又はその整数倍の下アーム素子（ローサイド素子）を有し、同一相の上アーム素子と下アーム素子の交流側主電極は直列接続されて電機子巻線の各端子に接続され、上アーム素子の直流側主電極は正側ライン（高位直流ラインをいう）を通じて直流電源の正側電極端子（以下、正側端子ともいう）に接続され、下アーム素子の直流側主電極は負側ライン（低位直流ラインをいう）を通じて直流電源の低位電極端子（以下、負側端子ともいう）に接続されている。インバータの各トランジスタは、コントローラからの制御信号によりスイッチングされて多相交流電圧を発生させ、多相交流回転電機を駆動したり（以下、電動駆動ともいう）、あるいは多相交流回転電機が発生する多相交流電圧を同期整流したり（以下、同期整流駆動ともいう）する。
【０００４】
上アーム素子及び下アーム素子は、MOSトランジスタ、バイポーラトランジスタ、IGBTなどにより構成されるが、逆並列接続ダイオードを持たないバイポーラトランジスタ、IGBTを採用する場合には、接合ダイオードをそれらと逆並列接続するのが通常である。
【０００５】
これら上アーム素子及び下アーム素子を構成するこれらのトランジスタとしては、多数キャリヤ電荷が電子であるタイプのものが、抵抗損失低減及び素子コスト低減の点で採用される。すなわち、MOSトランジスタにおいてはｎチャンネルMOSトランジスタを、バイポーラトランジスタにおいてはｎｐｎトランジスタを、IGBTにおいては絶縁ゲート付きのｎｐｎトランジスタを採用する以外の選択は現状ではありえない。
【０００６】
上記した多相交流回転電機搭載インバータに関連する技術として、従来の車両用交流発電機に搭載される三相全波整流回路（レクチファイア）がある。このレクチファイアは、三相交流回転電機の後端面に位置して互いに軸方向に所定間隔を隔てて配置され、それぞれ径方向かつ周方向に延在する略円弧状の正側プレート及び負側プレートを有し、各相の上アーム側のダイオードは、正側ラインをなす放熱部材兼用共通電極板である正側プレートに共通固定され、各相の下アーム側のダイオードは、負側ラインをなす放熱部材兼用共通電極板である負側プレートに共通固定されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した多相交流回転電機搭載インバータにおいて、上記車両用交流発電機のレクチファイアと同様に、冷却機能及び集電機能（配線機能）を兼ねる円弧状の放熱部材兼用共通電極板（以下、冷却フィンともいう）により正側プレートと負側プレート（直流電源の低位電極端子に接続されるならば実際に接地されていなくてもよい）を構成し、これら二枚の冷却フィンをを軸方向にずらせて多相交流回転電機のハウジング端面近傍に配置すれば、多相交流回転電機搭載インバータの冷却機能及び集電機能を従来の車両用交流発電機と同様に良好に確保しつつ、その装置体格を従来の車両用交流発電機と同程度にコンパクト化できることが期待される。
【０００８】
しかしながら、多相交流回転電機のインバータの上アーム素子を正側プレートに共通搭載し、その下アーム素子を負側プレートに共通搭載することは、現状では以下の理由により困難である。
【０００９】
つまり、下アーム素子を構成するトランジスタは内部に耐圧層（いわゆるコレクタ耐圧層又はドレイン耐圧層）を有する半導体チップにより構成され、この耐圧層は半導体チップの基板の直上に形成される。したがって、トランジスタの多数キャリヤを電子とする場合、言い換えれば、ｎチャンネルMOSトランジスタ、ｎｐｎトランジスタ、ｎ型のエミッタ、コレクタを有するIGBT（ｎ型のIGBT)を採用する場合、半導体チップの基板側の電極は下アーム素子の交流側主電極を構成するので、半導体チップの表面側の主電極が直流側主電極として負側プレートに接続されることになる。トランジスタの制御電極（ゲート電極又はベース電極）は半導体製造プロセス上、半導体チップの表面に形成する他はないので、結局、各相の下アーム素子を構成するトランジスタの直流側主電極を負側プレートに密着接合すると、この直流側主電極に隣接して半導体チップの表面に形成される制御電極も負側プレートに密着接合されてしまい、外部に取り出すことが困難になってしまうため、各相の下アーム素子をなすトランジスタを良好な放熱を確保しつつ負側プレートに共通固定することが困難となる。つまり、多相交流回転電機搭載インバータでは、車両用交流発電機のレクチファイアのように２枚の冷却フィンの一方に各相の上アーム素子を、他方に各相の下アーム素子を固定するという冷却集電構造を採用することができない。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、優れた冷却集電構造を確保しつつ簡素な構造を有してコンパクト化が可能な多相交流回転電機搭載インバータを提供することをその目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の多相交流回転電機搭載インバータは、相数の整数倍の上アーム素子と、相数の整数倍の下アーム素子とを有し、同一相の前記上アーム素子と前記下アーム素子の交流側主電極は、直列接続されて多相交流回転電機の電機子巻線の相端子に接続され、前記上アーム素子の直流側主電極は、正側ラインを通じて直流電源の正側端子に接続され、前記下アーム素子の直流側主電極は、負側ラインを通じて前記直流電源の負側端子に接続され、前記上アーム素子及び下アーム素子はそれぞれ、電子を主要なキャリア電荷とするトランジスタをなす半導体チップ又は半導体モジュールを含む多相交流回転電機搭載インバータにおいて、
前記正側ラインは、前記多相交流回転電機のハウジングの端壁近傍に位置して略径方向及び略周方向に延在して放熱部材兼用共通電極板を構成する平板状の＋冷却フィンからなり、前記負側ラインは、前記＋冷却フィンから軸方向に所定間隔離れるとともに略径方向及び略周方向に延在して放熱部材兼用共通電極板を構成する平板状の−冷却フィンからなり、前記各相の上アーム素子の直流側主電極は、上アーム素子用の前記半導体チップ又は半導体モジュールの半導体基板側の主面に設けられて、前記＋冷却フィンの表面に互いに周方向へ所定間隔を隔てて共通固定され、前記各相の下アーム素子の直流側主電極は、下アーム素子用の前記半導体チップ又は半導体モジュールの表面側の主面に設けられて、前記−冷却フィンの表面に互いに周方向へ所定間隔を隔てて共通固定され、前記−冷却フィンは、前記半導体チップ又は前記半導体モジュールの前記表面側の主面に前記直流側主電極に隣接して設けられた前記各相の下アーム素子の制御電極を露出させる複数の制御電極配線背面側取り出し用窓を有することを特徴としている。
【００１２】
なお、ここでいう半導体モジュールとは、半導体チップの両側に少なくとも主電極をなす導体板を有し、側面を樹脂封止された構造を意味する。半導体モジュールでは、通常、半導体モジュールの表面側の導体板に隣接して制御電極をなす導体板が配置され、この制御電極用の導体板と主電極用の導体板との間も樹脂封止される。
【００１３】
すなわち、この発明によれば、各相の下アーム素子の直流側主電極（ｎチャンネルMOSトランジスタでは半導体チップの表面側の主電極）が、−冷却フィンの表面にそれぞれ固定される。このため、ハウジングの端壁面に沿って延在する−冷却フィンは、負側ラインを構成すると共に各相の下アーム素子を良好に冷却することができる。
【００１４】
更に、この発明の−冷却フィンは、各下アーム素子をなす半導体チップ又は半導体モジュールの表面側電極すなわち直流側主電極に隣接して半導体チップの表面側主面の制御電極を露出させる制御電極配線背面側取り出し用窓を下アーム素子数分有している。
【００１５】
これにより、各下アーム素子の表面側の主電極を−冷却フィンの表面に密着させた場合でも、各下アーム素子の制御電極は、これらの窓から個別に露出することができるため、これらの窓を貫通する制御信号線の先端をなんら支障無く、各下アーム素子の制御電極に接続することができるうえ、接続作業も簡単となる。その結果、優れた冷却集電構造を確保しつつ、冷却用の＋冷却フィンと−冷却フィンがインバータの正側ラインと負側ラインとを兼ねることができるので、簡素な配線構造と小さい抵抗損失を有してコンパクト化が可能な多相交流回転電機搭載インバータを実現することができる。
【００１６】
好適な態様において、前記制御電極配線背面側取り出し用窓は、前記−冷却フィンの辺の途中を切り欠いて形成された溝部からなることを特徴とする。すなわち、この態様では、半導体チップ又は半導体モジュールを−冷却フィンの周辺部に配置することにより、窓を溝部により構成することができる。溝部は一辺が開口しているので、制御信号線の接続作業が容易となる。
【００１７】
好適な態様において、前記制御電極配線背面側取り出し用窓は、前記−冷却フィンを打ち抜いて形成された孔部からなることを特徴とする。このようにすれば、半導体チップ又は半導体モジュールを−冷却フィンの幅方向中央部に配置することができるので、その冷却性を向上することができる。
【００１８】
好適な態様において、前記−冷却フィン及び＋冷却フィンは、円弧状に形成されて、界磁コイル型の前記多相交流回転電機のブラシと軸方向に重なり、周方向に重ならない位置に配置されていることを特徴とする。このようにすれば、界磁コイル型の多相交流回転電機の軸長を短縮することができる。
【００１９】
好適な態様において、前記下アーム素子の前記制御電極は、前記窓を貫通して軸方向に延在する制御信号線の先端に接続されている。これにより、制御信号線を−冷却フィンの裏側に沿いつつ延設することができ、配線を簡素化することができる。また、各相の下アーム素子を−冷却フィンに共通固定できると共に、簡単にコントローラと下アーム素子の制御電極とを簡単、確実に接続することが可能となる。
【００２０】
なお、この窓を貫通した制御信号線の先端を下アーム素子の制御電極に接合してもよく、あるいは、下アーム素子の制御電極に基端部が接合されてこの窓を貫通して−冷却フィンの裏側に突出する制御端子を予め下アーム素子に取り付けておき、制御信号線をこの制御端子の先端部に接続しても良い。この場合には、制御信号線（又は通信線）を窓に突っ込んだ後、その先端を半導体チップの表面側主面に形成された制御電極（通信電極）に接合する作業を省略でき、配線作業を簡素化することができる。
【００２１】
好適な態様において、前記下アーム素子は、前記制御信号線貫通用の窓に露出して通信線が接続される通信用電極を有することを特徴とする。これにより、構造を複雑化することなく、各相の下アーム素子の温度や電流などを簡単、確実に検出することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の多相交流回転電機搭載インバータの好適な態様を図面を参照して以下に説明する。
（車両用交流発電機１）
図１において、車両用発電電動機１は、三相界磁コイル型同期機であって、ロータ２、ステータ３、ハウジング４、電源端子６、回転軸７、ブラシ８、スリップリング９、コネクタと一体のレギュレータ１１を有し、インバータ５を搭載している。レギュレータ１１は界磁電流を断続制御するが周知のため説明は省略する。
【００２３】
ステータ３は、ステータコイル３１と、ハウジング４の周壁内周面に固定されたステータコア３２とを有し、ステータコイル３１はステータコア３２の各スロットに巻装されている。この種の同期機自体は周知である。なお、本発明は、その他の種類の同期機に採用されることができることはもちろんである。
【００２４】
ロータ３は、ハウジング４に回転自在に支持された回転軸７に固定されたロータコア７１と、ロータコア７１に巻装された界磁コイル７２とを有し、ステータ３の径内側に配置されている。ステータコイル３１は三相電機子巻線であって、その三つの交流端子は、インバータ５の各交流端子に接続されている。界磁コイル７２は、ブラシ８およびスリップリング９を通じて給電された界磁電流により磁化されて界磁磁界を発生する。界磁電流は、図示しないレギュレータにより調整される。
（インバータ５）
インバータ５は、図２に示すように、バッテリ１０から給電されて、車両用発電電動機１のステータコイル３１の各交流端子に三相交流電圧を印加する。
【００２５】
５１はＵ相上アーム素子、５２はＶ相上アーム素子、５３はＷ相上アーム素子、５４はＵ相下アーム素子、５５はＶ相下アーム素子、５６はＷ相下アーム素子であり、それぞれＭＯＳトランジスタにより構成されているが、ダイオード付きのバイポーラトランジスタ又はＩＧＢＴによっても構成できることはもちろんである。各トランジスタ５１〜５６は、直流側主電極と交流側主電極と制御電極（ゲート電極）とを有している。上アーム素子５１〜５３は、交流側主電極の電位Ｖ１〜Ｖ３を出力する端子（通信用電極）を有し、下アーム素子５４〜５６は、直流側主電極の電位Ｖ４〜Ｖ６を出力する端子（通信用電極）を有している。その他、ミラー電流検出、温度検出のための端子を追加してもよい。
【００２６】
５７は、ゲートコントローラであり、回転角センサ５８からの信号や上記通信端子からの信号に基づいて各トランジスタのゲート電圧Ｇ１〜Ｇ６を作成して各トランジスタ５１〜５６のゲート電極すなわち制御電極に送る。なお、各相の交流電流を検出する電流センサを追加してもよい。５９は平滑コンデンサである。この種のインバータ５自体はよく知られているため、これ以上の説明は省略する。
（インバータ５の構造）
インバータ５、特にそのトランジスタ５１〜５６の構造について以下に説明する。
【００２７】
図１において、１００は−冷却フィン、１０１は＋冷却フィン、１０２はＵ相冷却フィン、１０６はステータコイル３１から突出するその相端子（実際には３本であるが１本のみ図示）である。＋冷却フィン１０１の一端には、電源端子６が固定され、−冷却フィン１００の一端はモータハウジング４を通じて接地されている。
【００２８】
−冷却フィン１００は、モータハウジング４の後端壁に近接して径方向及び周方向に延設される円弧状の銅輪板からなり、＋冷却フィン１０１は、−冷却フィン１００から軸方向に所定間隔離れて径方向及び周方向に延設される円弧状の銅輪板からなり、Ｕ相冷却フィン１０２は、−冷却フィン１００と＋冷却フィン１０１との間に配置されて径方向及び周方向に延設される円弧状の銅輪板からなる。Ｕ相冷却フィン１０２の周方向長は、−冷却フィン１００、＋冷却フィン１０１の周方向長の１／３以下とされている。その他、Ｕ相冷却フィン１０２と略同一形状をもつＶ相冷却フィン、Ｗ相冷却フィンが、Ｕ相冷却フィン１０２と軸方向同位置にて、互いに周方向異なる位置に順番に配置されている。Ｕ相冷却フィン１０２は、図１に示すように、Ｕ相端子１０６に接合され、同様に、Ｖ相冷却フィン、Ｗ相冷却フィンも、ステータコイル３１から軸方向に突出する図示しないＶ相端子、Ｗ相端子に接合されている。
【００２９】
−冷却フィン１００及び＋冷却フィン１０１は、ブラシ８と軸方向に重なる位置に設けられているが、円弧状に形成された冷却フィン１００、１０１及び各相の冷却フィンは、ブラシ８及びその径方向外側に配置されたレギュレータ１１と干渉しない周方向位置に配置されている。
【００３０】
図１に示すように、ＭＯＳトランジスタチップからなるＵ相の上アーム素子５１は、＋冷却フィン１０１とＵ相冷却フィン１０２との間に配置されている。上アーム素子５１の直流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の基板側の主面に形成されて＋冷却フィン１０１に接合されている。上アーム素子５１の交流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の表面側の主面に形成されてＵ相冷却フィン１０２に接合されている。後述するように、Ｕ相冷却フィン１０２には上アーム素子５１を構成するＭＯＳトランジスタチップの表面側の主面に形成されるその制御電極（ゲート電極Ｇ１）に制御信号線を接続するために、孔（図１では図示省略）が設けられている。
【００３１】
同様に、ＭＯＳトランジスタチップからなるＶ相の上アーム素子５２も、＋冷却フィン１０１とＶ相冷却フィン（図１では図示せず）との間に配置されている。上アーム素子５２の直流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の基板側の主面に形成されて＋冷却フィン１０１に接合されている。上アーム素子５２の交流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の表面側の主面に形成されてＶ相冷却フィン（図１では図示せず）に接合されている。後述するように、Ｖ相冷却フィン（図１では図示せず）には上アーム素子５２を構成するＭＯＳトランジスタチップの表面側の主面に形成されるその制御電極（ゲート電極Ｇ２）に制御信号線を接続するために、孔（図１では図示省略）が設けられている。
【００３２】
同様に、ＭＯＳトランジスタチップからなるＷ相の上アーム素子５３も、＋冷却フィン１０１とＷ相冷却フィン（図１では図示せず）との間に配置されている。上アーム素子５３の直流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の基板側の主面に形成されて＋冷却フィン１０１に接合されている。上アーム素子５３の交流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の表面側の主面に形成されてＷ相冷却フィン（図１では図示せず）に接合されている。後述するように、Ｗ相冷却フィン（図１では図示せず）には上アーム素子５３を構成するＭＯＳトランジスタチップの表面側の主面に形成されるその制御電極（ゲート電極Ｇ３）に制御信号線を接続するために、孔（図１では図示省略）が設けられている。
【００３３】
図１に示すように、ＭＯＳトランジスタチップからなるＵ相の下アーム素子５４は、−冷却フィン１００とＵ相冷却フィン１０２との間に配置されている。下アーム素子５４の直流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の表面側の主面に形成されて−冷却フィン１００に接合されている。下アーム素子５４の交流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の基板側の主面に形成されてＵ相冷却フィン１０２に接合されている。後述するように、−冷却フィン１００には下アーム素子５４を構成するＭＯＳトランジスタチップの表面側の主面に形成されるその制御電極（ゲート電極Ｇ４）に制御信号線を接続するために、孔（図１では図示省略）が設けられている。
【００３４】
同様に、ＭＯＳトランジスタチップからなるＶ相の下アーム素子５５は、−冷却フィン１００とＶ相冷却フィン（図１では図示せず）との間に配置されている。下アーム素子５５の直流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の表面側の主面に形成されて−冷却フィン１００に接合されている。下アーム素子５５の交流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の基板側の主面に形成されてＶ相冷却フィン（図１では図示せず）に接合されている。後述するように、−冷却フィン１００には下アーム素子５５を構成するＭＯＳトランジスタチップの表面側の主面に形成されるその制御電極（ゲート電極Ｇ５）に制御信号線を接続するために、孔（図１では図示省略）が設けられている。
【００３５】
同様に、ＭＯＳトランジスタチップからなるＷ相の下アーム素子５６は、−冷却フィン１００とＷ相冷却フィン（図１では図示せず）との間に配置されている。下アーム素子５６の直流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の表面側の主面に形成されて−冷却フィン１００に接合されている。下アーム素子５６の交流側主電極はＭＯＳトランジスタチップ（半導体チップ）の基板側の主面に形成されてＷ相冷却フィン（図１では図示せず）に接合されている。後述するように、−冷却フィン１００には下アーム素子５６を構成するＭＯＳトランジスタチップの表面側の主面に形成されるその制御電極（ゲート電極Ｇ６）に制御信号線を接続するために、孔（図１では図示省略）が設けられている。
【００３６】
上記各ＭＯＳトランジスタチップ５１〜５６はＮチャンネルＭＯＳトランジスタが形成された半導体チップである。
【００３７】
−冷却フィン１００は直接又はスペーサ（図１では図示せず）を介してモータハウジング４の後端壁に固定されている。各交流端子としてのＵ相冷却フィン１０２、Ｖ相冷却フィン、Ｗ相冷却フィン、＋冷却フィン１０１は、電気絶縁性のスペーサ（図１では図示せず）を介して−冷却フィン１００に固定されている。各ＭＯＳトランジスタチップ５１〜５６は、上記接合の後、エポキシ樹脂などにより封止されている。
【００３８】
結局、この実施例では、インバータ５の正側ラインを＋冷却フィン１０１により構成している。すなわち、＋冷却フィン１０１は、放熱部材兼用共通電極板となっている。また、インバータ５の負側ラインを−冷却フィン１００により構成している。すなわち、−冷却フィン１００は、放熱部材兼用共通電極板となっている。更に、インバータ５のＵ相配線の一部をＵ相冷却フィン１０２により構成し、同様に、Ｖ相配線、Ｗ相配線の各一部をＶ相冷却フィン、Ｗ相冷却フィンにより構成している。すなわち、各相の冷却フィンは放熱部材兼用共通電極板となっている。更に、これらの冷却フィンを、軸方向に互いに離れて３カ所に分置して、それぞれ径方向及び周方向に延設している。このような冷却フィン群の配置により、カバー１２に設けた外気吸入孔（図示省略）からカバー１２内に軸方向又は径内方向へ導入された外気は良好に各冷却フィンを冷却することができ、各冷却フィンを通じて各ＭＯＳトランジスタチップを冷却することができる。各冷却フィンを冷却した外気はモータハウジング４の後壁面に設けた外気流入孔からモータハウジング４内に導入される。この外気の流れはロータ２に設けたファン１３により形成され、モータハウジング４の周壁に設けた排気孔から外部に排出される。
【００３９】
このような開放冷却モータ構造の代わりにモータ及びインバータ５を密閉型とすることも可能である。この場合には、インバータ５の各冷却フィンは、水冷されるモータハウジング４に密着することができる。もちろん、この場合、−冷却フィン１００を除く他の冷却フィンは絶縁フィルムを介してモータハウジング４に密着される。その他、水冷パイプやヒートパイプなどをこれら冷却フィンに直接密着することもできる。
【００４０】
また、磁石式の同期機においては、レギュレータ１１やブラシ８を省略することができるので、インバータ５の−冷却フィン１００や＋冷却フィン１０１は輪板状に形成することができる。
【００４１】
（ＭＯＳトランジスタチップの配置）
上アーム素子５１の配置を図３に示す。２０１は、上アーム素子５１をなすＭＯＳトランジスタチップの表面側の主面に形成される交流側主電極の領域であり、Ｕ相冷却フィン１０２に半田付けされている。２０２は、上アーム素子５１をなすＭＯＳトランジスタチップの基板側の主面に形成される直流側主電極の領域であり、＋冷却フィン１０１に半田付けされている。２０３は、上アーム素子５１をなすＭＯＳトランジスタチップの表面側の主面に形成される制御電極の領域であり、ボンディングワイヤ２０４に接続されている。ボンディングワイヤ２０４は、Ｕ相冷却フィン１０２の溝部１０２１を貫通してＵ相冷却フィン１０２の裏側に取り出され、図示しないフレキシブルテープなどの配線によりコントローラ５７に達している。この溝部１０２１には通信線をなすボンディングワイヤ（図３では図示せず）も貫通しており、この通信線をなすボンディングワイヤは、ＭＯＳトランジスタチップ５１の制御電極の領域に隣接する電位Ｖ１検出領域に接合されている。ボンディングワイヤ以外にたとえば図４に示す窓貫通端子を用いてもよい。
【００４２】
下アーム素子５４の配置を図４に示す。２０１は、下アーム素子５４をなすＭＯＳトランジスタチップの表面側の主面に形成される直流側主電極の領域であり、−冷却フィン１００に半田付けされている。２０２は、下アーム素子５４をなすＭＯＳトランジスタチップの基板側の主面に形成される交流側主電極の領域であり、Ｕ相冷却フィン１０２にに半田付けされている。２０３は、上アーム素子５１をなすＭＯＳトランジスタチップの表面側の主面に形成される制御電極の領域であり、窓貫通端子２０５に半田付けされている。窓貫通端子２０５は、−冷却フィン１００の孔部１０２２を貫通して−冷却フィン１００の裏側に取り出され、図示しないバスバーなどの配線によりコントローラ５７に達している。この孔部１０２２には通信線をなす窓貫通端子（図４では図示せず）も貫通しており、この通信線をなす窓貫通端子は、ＭＯＳトランジスタチップ５１の制御電極の領域に隣接する電位Ｖ４を検出領域に接合されている。
【００４３】
Ｕ相の上アーム素子５１と下アーム素子５４との配置を図５に示す。ただし、図５では、下アーム素子５４の制御電極に接続される制御信号線２０５はボンディングワイヤとされている。各冷却フィン１００〜１０２は同軸配置された円弧状の銅板により形成されている。
【００４４】
図６に、下アーム素子をなすＭＯＳトランジスタチップ５４と−冷却フィン１００との接合状態の一例を示す。窓部１０２２から、制御信号線をなすボンディングワイヤ２０５と、通信線をなすボンディングワイヤ２０６とが取り出されている。ボンディングワイヤ２０６は電位Ｖ４を伝送する。
【００４５】
図７に、上アーム素子をなすＭＯＳトランジスタチップ５１とＵ相冷却フィン１０２との接合状態の一例を示す。溝部１０２１から、制御信号線をなすボンディングワイヤ２０４と、通信線をなすボンディングワイヤ２０７とが取り出されている。ボンディングワイヤ２０７は電位Ｖ１を伝送する。
（変形態様）
なお、上記実施例の変形態様として、Ｕ相冷却フィン１０２やＶ相冷却フィンやＷ相冷却フィンをバスバーや配線に変更しても良い。
【００４６】
また、上記実施例では、上アーム素子５１〜５３と下アーム素子５４〜５６を半導体チップで構成したが、半導体チップの両主面に形成された一対の主電極にそれぞれ導体板を接合し、半導体チップの側面を樹脂モールドしてなる半導体モジュールとしてもよいことは当然であり、更に、半導体チップの表面側の主面に、上記導体板に隣接して制御電極用の導体板を接合してもよいことは当然である。
【００４７】
コントローラ５７やレギュレータ１１をなす回路部品は−冷却フィン１００上に実装することができ、レギュレータ１１をこれら冷却フィンとインサート整形などにより一体形成することも可能である。更に、平滑コンデンサ５９を扁平に形成し、その側面をモータハウジング４に固定するとともに、−冷却フィン１００に固定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインバータを搭載する多相交流回転電機の一例を示す軸方向断面図である。
【図２】図１のインバータの回路図である。
【図３】図１の上アーム素子を示す径方向部分断面図である。
【図４】図１の下アーム素子を示す径方向部分断面図である。
【図５】図１の上アーム素子及び下アーム素子を示す径方向部分断面図である。
【図６】図１の下アーム素子を示す部分径方向部分正面図である。
【図７】図１の上アーム素子を示す部分径方向部分正面図である。
【符号の説明】
５１〜５３ 上アーム素子
５４〜５６ 下アーム素子
１ 車両用発電電動機（多相交流回転電機）
１００ −冷却フィン
１０１ ＋冷却フィン
１０２ Ｕ相冷却フィン
１０２１ 溝部（制御電極配線背面側取り出し用窓）
１０２２ 孔部（制御電極配線背面側取り出し用窓）
２０４ ボンディングワイヤ（制御信号線）
２０５ 端子（制御信号線）
２０６ ボンディングワイヤ（通信線）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an inverter mounted with a polyphase AC rotating electric machine.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, an inverter that is interposed between a DC power supply and an armature winding of a multi-phase AC rotating electric machine so as to be able to transfer power and applies a multi-phase AC voltage to the armature winding is integrated with the AC rotating electric machine. As a result, an inverter equipped with a polyphase AC rotating electric machine has been proposed which is reduced in size and weight and wiring loss is reduced.
[0003]
This inverter usually has upper arm elements (high-side elements) corresponding to the number of phases composed of transistors or an integral multiple thereof, and lower arm elements (low-side elements) equivalent to the number of phases composed of transistors or an integral multiple thereof. The AC main electrodes of the upper arm element and the lower arm element of the same phase are connected in series and connected to each terminal of the armature winding, and the DC main electrode of the upper arm element is connected to the positive line (higher DC line). ) Is connected to the positive electrode terminal of the DC power supply (hereinafter also referred to as the positive terminal), and the DC main electrode of the lower arm element is connected to the lower electrode terminal of the DC power supply through the negative line (referred to as the lower DC line). (Hereinafter, also referred to as a negative terminal). Each transistor of the inverter is switched by a control signal from the controller to generate a multi-phase AC voltage to drive the multi-phase AC rotating electric machine (hereinafter, also referred to as electric drive) or to generate the multi-phase AC rotating electric machine. The multi-phase AC voltage is synchronously rectified (hereinafter, also referred to as synchronous rectification drive).
[0004]
The upper arm element and the lower arm element are composed of a MOS transistor, a bipolar transistor, an IGBT, etc., but when a bipolar transistor without an anti-parallel connection diode or an IGBT is employed, a junction diode is anti-parallel connected to them. Is usually the case.
[0005]
As these transistors constituting the upper arm element and the lower arm element, transistors in which a majority carrier charge is an electron are employed in view of reduction of resistance loss and element cost. That is, at present, there is no choice other than adopting an n-channel MOS transistor in a MOS transistor, an npn transistor in a bipolar transistor, and an npn transistor with an insulated gate in an IGBT.
[0006]
As a technique related to the above-described inverter equipped with a polyphase AC rotating electric machine, there is a three-phase full-wave rectifier circuit (rectifier) mounted on a conventional vehicle AC generator. The rectifier is located on the rear end face of the three-phase AC rotating electric machine, is disposed at a predetermined interval in the axial direction, and has a substantially arc-shaped positive side plate and negative side plate extending in the radial direction and the circumferential direction, respectively. The upper arm diode of each phase is commonly fixed to a positive plate, which is a common electrode plate also serving as a heat radiating member, forming a positive line, and the lower arm diode of each phase forms a negative line. It is commonly fixed to a negative plate which is a common electrode plate also used as a heat radiating member.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described inverter equipped with a polyphase AC rotating electric machine, like the rectifier of the vehicle AC generator, a common electrode plate (hereinafter referred to as a cooling fin) having an arc-shaped heat radiation member which also has a cooling function and a current collecting function (wiring function). ) To form a positive plate and a negative plate (they need not be grounded if they are connected to the lower electrode terminal of the DC power supply), and displace these two cooling fins in the axial direction. If it is placed near the end face of the housing of the multi-phase AC rotating electric machine, the cooling and current collecting functions of the inverter equipped with the multi-phase AC rotating electric machine can be secured as well as the conventional vehicle AC generator, and the device size can be improved. It is expected that it can be made as compact as a conventional vehicle alternator.
[0008]
However, it is difficult at present to mount the upper arm element of the inverter of the polyphase AC rotating electric machine on the positive plate and mount the lower arm element of the inverter on the negative plate for the following reasons.
[0009]
That is, the transistor constituting the lower arm element is constituted by a semiconductor chip having a breakdown voltage layer (a so-called collector breakdown voltage layer or drain breakdown voltage layer) inside, and this breakdown voltage layer is formed immediately above the substrate of the semiconductor chip. Therefore, when a majority carrier of a transistor is an electron, in other words, when an IGBT having an n-channel MOS transistor, an npn transistor, an n-type emitter and a collector (n-type IGBT) is employed, an electrode on the substrate side of the semiconductor chip is used. Constitutes the AC main electrode of the lower arm element, so that the main electrode on the front surface side of the semiconductor chip is connected to the negative plate as the DC main electrode. Since the control electrode (gate electrode or base electrode) of the transistor cannot be formed on the surface of the semiconductor chip in the semiconductor manufacturing process, the DC main electrode of the transistor constituting the lower arm element of each phase is eventually connected to the negative plate. If it is tightly joined, the control electrode formed on the surface of the semiconductor chip adjacent to the DC-side main electrode will also be tightly joined to the negative plate, making it difficult to take out to the outside. It is difficult to commonly fix the transistor forming the lower arm element to the negative plate while ensuring good heat dissipation. In other words, in an inverter equipped with a polyphase AC rotating electric machine, the upper arm element of each phase is fixed to one of two cooling fins and the lower arm element of each phase is fixed to the other, like a rectifier of a vehicle AC generator. The cooling current collecting structure cannot be adopted.
[0010]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an inverter mounted with a polyphase AC rotating electric machine that has a simple structure and can be made compact while securing an excellent cooling current collecting structure. And
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The multi-phase AC rotating electric machine mounted inverter of the present invention includes an upper arm element having an integral multiple of the number of phases and a lower arm element having an integral multiple of the number of phases, wherein the upper arm element and the lower arm element having the same phase. The AC-side main electrode is connected in series and connected to the phase terminal of the armature winding of the polyphase AC rotating electric machine, and the DC-side main electrode of the upper arm element is connected to the positive terminal of the DC power supply through a positive line. The DC main electrode of the lower arm element is connected to a negative terminal of the DC power supply through a negative line, and the upper arm element and the lower arm element each constitute a transistor having electrons as main carrier charges. In an inverter equipped with a polyphase AC rotating electric machine including a semiconductor chip or a semiconductor module,
The positive side line is located near the end wall of the housing of the multi-phase AC rotating electric machine and extends substantially radially and substantially circumferentially from a flat + cooling fin constituting a heat-radiating member / common electrode plate. The negative line comprises a flat cooling fin which is separated from the + cooling fin by a predetermined distance in the axial direction and extends substantially in the radial direction and the substantially circumferential direction to form a common electrode plate also serving as a heat radiating member. The DC main electrode of the upper arm element of each phase is provided on the main surface of the semiconductor chip or the semiconductor module side of the semiconductor chip or the semiconductor module for the upper arm element, and is spaced apart from the surface of the + cooling fin by a predetermined distance in the circumferential direction. The DC main electrode of the lower arm element of each phase is provided on the main surface on the front side of the semiconductor chip or semiconductor module for the lower arm element, and is provided on the surface of the cooling fin. Each other The cooling fins are provided on the main surface on the front side of the semiconductor chip or the semiconductor module, and the lower arm of each phase is provided adjacent to the DC main electrode. It is characterized in that it has a plurality of control electrode wiring rear side extraction windows for exposing the control electrodes of the element.
[0012]
Here, the semiconductor module means a structure having a conductor plate serving as at least a main electrode on both sides of a semiconductor chip and sealing the side surfaces with a resin. In a semiconductor module, usually, a conductor plate serving as a control electrode is arranged adjacent to a conductor plate on the front surface side of the semiconductor module, and the space between the conductor plate for the control electrode and the conductor plate for the main electrode is also resin-sealed. You.
[0013]
That is, according to the present invention, the DC main electrode of the lower arm element of each phase (the main electrode on the front surface side of the semiconductor chip in the case of the n-channel MOS transistor) is fixed to the surface of the cooling fin. For this reason, the -cooling fins extending along the end wall surface of the housing constitute a negative line and can cool the lower arm element of each phase well.
[0014]
Further, the -cooling fin of the present invention is provided with a control electrode wiring for exposing a control electrode on a front side main surface of the semiconductor chip adjacent to a front side electrode of a semiconductor chip or a semiconductor module constituting each lower arm element, that is, a DC side main electrode. The rear-side takeout windows are provided for the number of lower arm elements.
[0015]
Thereby, even when the main electrode on the surface side of each lower arm element is brought into close contact with the surface of the cooling fin, the control electrodes of each lower arm element can be individually exposed from these windows. The tip of the control signal line penetrating the window can be connected to the control electrode of each lower arm element without any trouble, and the connection work is simplified. As a result, the + cooling fin and-cooling fin for cooling can serve as the positive line and the negative line of the inverter while securing an excellent cooling current collecting structure, so that a simple wiring structure and a small resistance loss are provided. Thus, it is possible to realize an inverter equipped with a multi-phase AC rotating electric machine which can be made compact by having the above.
[0016]
In a preferred aspect, the control electrode wiring rear surface side take-out window is formed of a groove formed by cutting out a part of a side of the-cooling fin. That is, in this embodiment, the window can be formed by the groove by arranging the semiconductor chip or the semiconductor module in the periphery of the cooling fin. Since one side of the groove is open, the work of connecting the control signal line becomes easy.
[0017]
In a preferred aspect, the control electrode wiring rear surface take-out window includes a hole formed by punching out the-cooling fin. With this configuration, the semiconductor chip or the semiconductor module can be arranged at the center in the width direction of the cooling fin, so that the cooling performance can be improved.
[0018]
In a preferred aspect, the − cooling fins and the + cooling fins are formed in an arc shape, and are arranged at positions overlapping the brushes of the field coil type multi-phase AC rotating electric machine in the axial direction but not in the circumferential direction. It is characterized by having. By doing so, the axial length of the field coil type polyphase AC rotating electric machine can be shortened.
[0019]
In a preferred aspect, the control electrode of the lower arm element is connected to a tip of a control signal line that extends through the window and extends in the axial direction. Thereby, the control signal line can be extended along the back side of the cooling fin, and the wiring can be simplified. In addition, the lower arm element of each phase can be commonly fixed to the cooling fin, and the controller and the control electrode of the lower arm element can be easily and reliably connected.
[0020]
The tip of the control signal line penetrating this window may be joined to the control electrode of the lower arm element, or the base end is joined to the control electrode of the lower arm element so that A control terminal projecting from the back side of the fin may be attached to the lower arm element in advance, and a control signal line may be connected to the tip of the control terminal. In this case, after inserting the control signal line (or communication line) into the window, the operation of joining the tip to the control electrode (communication electrode) formed on the main surface on the front side of the semiconductor chip can be omitted, and the wiring work can be omitted. Can be simplified.
[0021]
In a preferred aspect, the lower arm element has a communication electrode exposed to the control signal line penetrating window and connected to a communication line. This makes it possible to easily and reliably detect the temperature and current of the lower arm element of each phase without complicating the structure.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Preferred embodiments of the inverter mounted on a polyphase AC rotating electric machine according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(Vehicle alternator 1)
1, a generator motor 1 for a vehicle is a three-phase field coil type synchronous machine, and is integrated with arotor 2, a stator 3, a housing 4, apower terminal 6, arotating shaft 7, a brush 8, a slip ring 9, and a connector. And theinverter 5 is mounted. Theregulator 11 intermittently controls the field current, but its description is omitted because it is well known.
[0023]
The stator 3 has astator coil 31 and astator core 32 fixed to the inner peripheral surface of the peripheral wall of the housing 4. Thestator coil 31 is wound around each slot of thestator core 32. Synchronous machines of this kind are well known. It should be noted that the present invention can of course be applied to other types of synchronous machines.
[0024]
The rotor 3 has arotor core 71 fixed to therotating shaft 7 rotatably supported by the housing 4, and afield coil 72 wound around therotor core 71, and is disposed radially inside the stator 3. . Thestator coil 31 is a three-phase armature winding, and its three AC terminals are connected to each AC terminal of theinverter 5. Thefield coil 72 is magnetized by a field current supplied through the brush 8 and the slip ring 9 to generate a field magnetic field. The field current is adjusted by a regulator (not shown).
(Inverter 5)
As shown in FIG. 2, theinverter 5 is supplied with power from thebattery 10 and applies a three-phase AC voltage to each AC terminal of thestator coil 31 of the vehicle generator motor 1.
[0025]
51 is a U-phase upper arm element, 52 is a V-phase upper arm element, 53 is a W-phase upper arm element, 54 is a U-phase lower arm element, 55 is a V-phase lower arm element, 56 is a W-phase lower arm element, Although each is constituted by a MOS transistor, it is needless to say that it can be constituted by a bipolar transistor with a diode or an IGBT. Each of thetransistors 51 to 56 has a DC-side main electrode, an AC-side main electrode, and a control electrode (gate electrode). Theupper arm elements 51 to 53 have terminals (communication electrodes) for outputting potentials V1 to V3 of the AC-side main electrode, and thelower arm elements 54 to 56 output potentials V4 to V6 of the DC-side main electrode. It has a terminal (communication electrode). In addition, terminals for mirror current detection and temperature detection may be added.
[0026]
Agate controller 57 generates gate voltages G1 to G6 of each transistor based on a signal from therotation angle sensor 58 and a signal from the communication terminal, and sends the gate voltages G1 to G6 to the gate electrodes of thetransistors 51 to 56, that is, control electrodes. . Note that a current sensor for detecting the alternating current of each phase may be added. 59 is a smoothing capacitor. Since this kind ofinverter 5 itself is well known, further description is omitted.
(Structure of inverter 5)
The structure of theinverter 5, particularly thetransistors 51 to 56 will be described below.
[0027]
In FIG. 1,reference numeral 100 denotes a − cooling fin, 101 denotes a + cooling fin, 102 denotes a U-phase cooling fin, and 106 denotes a phase terminal protruding from the stator coil 31 (actually, three but one are shown). . Thepower supply terminal 6 is fixed to one end of the + coolingfin 101, and one end of the − coolingfin 100 is grounded through the motor housing 4.
[0028]
The coolingfin 100 is formed of an arc-shaped copper plate extending in the radial direction and the circumferential direction in the vicinity of the rear end wall of the motor housing 4. AU-phase cooling fin 102 is disposed between the − coolingfin 100 and the + coolingfin 101, and is formed of an arc-shaped copper plate extending in a radial direction and a circumferential direction at a predetermined interval. It consists of an arc-shaped copper plate extending in the direction. The circumferential length of theU-phase cooling fin 102 is equal to or less than １ ／ of the circumferential length of the − coolingfin 100 and the + coolingfin 101. In addition, V-phase cooling fins and W-phase cooling fins having substantially the same shape as theU-phase cooling fins 102 are arranged at the same axial position as theU-phase cooling fins 102 and at positions different from each other in the circumferential direction. TheU-phase cooling fin 102 is joined to theU-phase terminal 106 as shown in FIG. 1. Similarly, the V-phase cooling fin and the W-phase cooling fin also have V-phase terminals (not shown) projecting from thestator coil 31 in the axial direction. , W-phase terminals.
[0029]
The coolingfins 100 and the + coolingfins 101 are provided at positions overlapping the brush 8 in the axial direction, but the coolingfins 100 and 101 formed in an arc shape and the cooling fins of each phase are the brush 8 and its diameter. It is arranged at a circumferential position that does not interfere with theregulator 11 arranged outside in the direction.
[0030]
As shown in FIG. 1, a U-phaseupper arm element 51 composed of a MOS transistor chip is arranged between a + coolingfin 101 and aU-phase cooling fin 102. The DC main electrode of theupper arm element 51 is formed on the main surface of the MOS transistor chip (semiconductor chip) on the substrate side, and is joined to the + coolingfin 101. The AC-side main electrode of theupper arm element 51 is formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip (semiconductor chip) and is joined to theU-phase cooling fin 102. As described later, in order to connect a control signal line to theU-phase cooling fin 102 to a control electrode (gate electrode G1) formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip constituting theupper arm element 51, A hole (not shown in FIG. 1) is provided.
[0031]
Similarly, the V-phaseupper arm element 52 composed of a MOS transistor chip is also arranged between the + coolingfin 101 and the V-phase cooling fin (not shown in FIG. 1). The DC main electrode of theupper arm element 52 is formed on the main surface of the MOS transistor chip (semiconductor chip) on the substrate side, and is joined to the + coolingfin 101. The AC-side main electrode of theupper arm element 52 is formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip (semiconductor chip) and is joined to a V-phase cooling fin (not shown in FIG. 1). As will be described later, a V-phase cooling fin (not shown in FIG. 1) has a control signal (gate electrode G2) formed on its main surface on the front side of the MOS transistor chip constituting theupper arm element 52. Holes (not shown in FIG. 1) are provided for connecting the wires.
[0032]
Similarly, the W-phaseupper arm element 53 composed of a MOS transistor chip is also arranged between the + coolingfin 101 and the W-phase cooling fin (not shown in FIG. 1). The DC main electrode of theupper arm element 53 is formed on the main surface of the MOS transistor chip (semiconductor chip) on the substrate side, and is joined to the + coolingfin 101. The AC-side main electrode of theupper arm element 53 is formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip (semiconductor chip) and is joined to a W-phase cooling fin (not shown in FIG. 1). As will be described later, the W-phase cooling fin (not shown in FIG. 1) has a control signal (gate electrode G3) formed on its main surface on the front side of the MOS transistor chip constituting theupper arm element 53. Holes (not shown in FIG. 1) are provided for connecting the wires.
[0033]
As shown in FIG. 1, the U-phaselower arm element 54 composed of a MOS transistor chip is disposed between the − coolingfin 100 and theU-phase cooling fin 102. The DC main electrode of thelower arm element 54 is formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip (semiconductor chip) and is joined to thecooling fin 100. The AC main electrode of thelower arm element 54 is formed on the main surface of the MOS transistor chip (semiconductor chip) on the substrate side, and is joined to theU-phase cooling fin 102. As will be described later, the coolingfin 100 has a hole for connecting a control signal line to its control electrode (gate electrode G4) formed on the front main surface of the MOS transistor chip constituting thelower arm element 54. (Not shown in FIG. 1).
[0034]
Similarly, the V-phaselower arm element 55 composed of a MOS transistor chip is disposed between the − coolingfin 100 and the V-phase cooling fin (not shown in FIG. 1). The DC main electrode of thelower arm element 55 is formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip (semiconductor chip) and is joined to thecooling fin 100. The AC-side main electrode of thelower arm element 55 is formed on the main surface of the MOS transistor chip (semiconductor chip) on the substrate side and is joined to a V-phase cooling fin (not shown in FIG. 1). As will be described later, the coolingfin 100 has a hole for connecting a control signal line to its control electrode (gate electrode G5) formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip constituting thelower arm element 55. (Not shown in FIG. 1).
[0035]
Similarly, the W-phaselower arm element 56 formed of a MOS transistor chip is disposed between the − coolingfin 100 and the W-phase cooling fin (not shown in FIG. 1). The DC main electrode of thelower arm element 56 is formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip (semiconductor chip) and is joined to thecooling fin 100. The AC-side main electrode of thelower arm element 56 is formed on the main surface of the MOS transistor chip (semiconductor chip) on the substrate side, and is joined to a W-phase cooling fin (not shown in FIG. 1). As will be described later, the coolingfin 100 has a hole for connecting a control signal line to its control electrode (gate electrode G6) formed on the front main surface of the MOS transistor chip constituting thelower arm element 56. (Not shown in FIG. 1).
[0036]
Each of the MOS transistor chips 51 to 56 is a semiconductor chip on which an N-channel MOS transistor is formed.
[0037]
The coolingfins 100 are fixed to the rear end wall of the motor housing 4 directly or via spacers (not shown in FIG. 1).U-phase cooling fins 102, V-phase cooling fins, W-phase cooling fins, and + coolingfins 101 serving as AC terminals are fixed to -coolingfins 100 via electrically insulating spacers (not shown in FIG. 1). ing. After the above-described bonding, the MOS transistor chips 51 to 56 are sealed with an epoxy resin or the like.
[0038]
After all, in this embodiment, the positive line of theinverter 5 is constituted by the + coolingfin 101. That is, the + coolingfin 101 is a common electrode plate that also serves as a heat radiating member. Further, the negative line of theinverter 5 is constituted by the coolingfins 100. That is, the coolingfin 100 is a common electrode plate that also serves as a heat radiating member. Further, a part of the U-phase wiring of theinverter 5 is configured by theU-phase cooling fins 102, and similarly, a part of each of the V-phase wiring and the W-phase wiring is configured by the V-phase cooling fin and the W-phase cooling fin. . That is, the cooling fin of each phase is a common electrode plate that also serves as a heat radiating member. Further, these cooling fins are arranged at three places apart from each other in the axial direction, and extend in the radial direction and the circumferential direction, respectively. With such arrangement of the cooling fins, the outside air introduced into thecover 12 in the axial direction or the radially inward direction from the outside air suction hole (not shown) provided in thecover 12 can cool the respective cooling fins well. Each MOS transistor chip can be cooled through each cooling fin. The outside air that has cooled each cooling fin is introduced into the motor housing 4 from an outside air inlet hole provided in the rear wall surface of the motor housing 4. The flow of the outside air is formed by afan 13 provided in therotor 2 and is discharged to the outside through an exhaust hole provided in a peripheral wall of the motor housing 4.
[0039]
Instead of such an open cooling motor structure, the motor and theinverter 5 can be of a closed type. In this case, each cooling fin of theinverter 5 can be in close contact with the motor housing 4 to be water-cooled. Of course, in this case, the other cooling fins except for the coolingfin 100 are in close contact with the motor housing 4 via the insulating film. In addition, a water cooling pipe, a heat pipe, or the like can be directly adhered to these cooling fins.
[0040]
Further, in the magnet type synchronous machine, since theregulator 11 and the brush 8 can be omitted, the − coolingfins 100 and the + coolingfins 101 of theinverter 5 can be formed in a ring shape.
[0041]
(Arrangement of MOS transistor chips)
The arrangement of theupper arm element 51 is shown in FIG.Reference numeral 201 denotes an AC main electrode region formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip constituting theupper arm element 51, and is soldered to theU-phase cooling fin 102.Reference numeral 202 denotes a DC main electrode region formed on the main surface of the MOS transistor chip constituting theupper arm element 51 on the substrate side, which is soldered to the + coolingfin 101.Reference numeral 203 denotes a control electrode region formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip constituting theupper arm element 51, and is connected to thebonding wire 204. Thebonding wire 204 passes through thegroove 1021 of theU-phase cooling fin 102, is taken out on the back side of theU-phase cooling fin 102, and reaches thecontroller 57 by wiring such as a flexible tape (not shown). A bonding wire (not shown in FIG. 3) forming a communication line also penetrates through thegroove 1021. The bonding wire forming the communication line is connected to a potential V1 detection region adjacent to the region of the control electrode of theMOS transistor chip 51. Is joined to. For example, a window penetrating terminal shown in FIG. 4 may be used instead of the bonding wire.
[0042]
FIG. 4 shows the arrangement of thelower arm element 54.Reference numeral 201 denotes a DC-side main electrode region formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip constituting thelower arm element 54, and is soldered to thecooling fin 100.Reference numeral 202 denotes an AC-side main electrode region formed on the main surface of the MOS transistor chip constituting thelower arm element 54 on the substrate side, and is soldered to theU-phase cooling fin 102.Reference numeral 203 denotes a control electrode region formed on the main surface on the front side of the MOS transistor chip constituting theupper arm element 51, and is soldered to the window throughterminal 205. The window penetrating terminal 205 passes through thehole 1022 of the coolingfin 100, is taken out on the back side of the coolingfin 100, and reaches thecontroller 57 by wiring such as a bus bar (not shown). A through-hole terminal (not shown in FIG. 4) that forms a communication line also penetrates through thehole 1022, and the through-hole terminal that forms the communication line has a potential adjacent to the control electrode region of theMOS transistor chip 51. V4 is joined to the detection area.
[0043]
FIG. 5 shows an arrangement of theupper arm element 51 and thelower arm element 54 of the U phase. However, in FIG. 5, thecontrol signal line 205 connected to the control electrode of thelower arm element 54 is a bonding wire. Each of the coolingfins 100 to 102 is formed of an arc-shaped copper plate coaxially arranged.
[0044]
FIG. 6 shows an example of a joint state between theMOS transistor chip 54 forming the lower arm element and the coolingfin 100. Abonding wire 205 forming a control signal line and abonding wire 206 forming a communication line are taken out of thewindow 1022. Thebonding wire 206 transmits the potential V4.
[0045]
FIG. 7 shows an example of a joint state between theMOS transistor chip 51 forming the upper arm element and theU-phase cooling fin 102. Abonding wire 204 forming a control signal line and abonding wire 207 forming a communication line are extracted from thegroove 1021. Thebonding wire 207 transmits the potential V1.
(Modification)
As a modification of the above-described embodiment, theU-phase cooling fins 102, the V-phase cooling fins, and the W-phase cooling fins may be changed to bus bars or wiring.
[0046]
Further, in the above embodiment, theupper arm elements 51 to 53 and thelower arm elements 54 to 56 are constituted by semiconductor chips, but the conductor plates are joined to a pair of main electrodes formed on both main surfaces of the semiconductor chip, respectively. Naturally, a semiconductor module formed by resin-molding the side surface of the semiconductor chip may be used. Further, a conductor plate for a control electrode is joined to the main surface on the front surface side of the semiconductor chip adjacent to the conductor plate. Of course, it is good.
[0047]
The circuit components forming thecontroller 57 and theregulator 11 can be mounted on thecooling fin 100, and theregulator 11 can be formed integrally with the cooling fin by insert shaping or the like. Further, it is also possible to form the smoothingcapacitor 59 in a flat shape and fix its side surface to the motor housing 4 and to fix thecooling fin 100.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an axial cross-sectional view showing an example of a polyphase AC rotating electric machine equipped with an inverter of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram of the inverter of FIG. 1;
FIG. 3 is a partial radial sectional view showing the upper arm element of FIG. 1;
FIG. 4 is a partial radial sectional view showing the lower arm element of FIG. 1;
FIG. 5 is a partial radial sectional view showing an upper arm element and a lower arm element of FIG. 1;
FIG. 6 is a partial radial front view showing the lower arm element of FIG. 1;
FIG. 7 is a partial radial front view showing the upper arm element of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
51-53 Upper arm element
54-56 Lower arm element
1 generator motors for vehicles (polyphase AC rotating electrical machines)
100-cooling fin
101 + cooling fin
102 U-phase cooling fin
1021 groove (window for taking out back side of control electrode wiring)
1022 hole (window for taking out back side of control electrode wiring)
204 Bonding wire (control signal line)
205 terminal (control signal line)
206 Bonding wire (communication line)

Claims (6)

Translated fromJapanese

相数の整数倍の上アーム素子と、相数の整数倍の下アーム素子とを有し、
同一相の前記上アーム素子と前記下アーム素子の交流側主電極は、直列接続されて多相交流回転電機の電機子巻線の相端子に接続され、
前記上アーム素子の直流側主電極は、正側ラインを通じて直流電源の正側端子に接続され、
前記下アーム素子の直流側主電極は、負側ラインを通じて前記直流電源の負側端子に接続され、
前記上アーム素子及び下アーム素子はそれぞれ、電子を主要なキャリア電荷とするトランジスタをなす半導体チップ又は半導体モジュールを含む多相交流回転電機搭載インバータにおいて、
前記正側ラインは、前記多相交流回転電機のハウジングの端壁近傍に位置して略径方向及び略周方向に延在して放熱部材兼用共通電極板を構成する平板状の＋冷却フィンからなり、
前記負側ラインは、前記＋冷却フィンから軸方向に所定間隔離れるとともに略径方向及び略周方向に延在して放熱部材兼用共通電極板を構成する平板状の−冷却フィンからなり、
前記各相の上アーム素子の直流側主電極は、上アーム素子用の前記半導体チップ又は半導体モジュールの半導体基板側の主面に設けられて、前記＋冷却フィンの表面に互いに周方向へ所定間隔を隔てて共通固定され、
前記各相の下アーム素子の直流側主電極は、下アーム素子用の前記半導体チップ又は半導体モジュールの表面側の主面に設けられて、前記−冷却フィンの表面に互いに周方向へ所定間隔を隔てて共通固定され、
前記−冷却フィンは、前記半導体チップ又は前記半導体モジュールの前記表面側の主面に前記直流側主電極に隣接して設けられた前記各相の下アーム素子の制御電極を露出させる複数の制御電極配線背面側取り出し用窓を有することを特徴とする多相交流回転電機搭載インバータ。An upper arm element having an integral multiple of the number of phases and a lower arm element having an integral multiple of the number of phases,
The AC main electrodes of the upper arm element and the lower arm element of the same phase are connected in series and connected to the phase terminal of the armature winding of the multi-phase AC rotating electric machine,
The DC main electrode of the upper arm element is connected to a positive terminal of a DC power supply through a positive line,
The DC main electrode of the lower arm element is connected to a negative terminal of the DC power supply through a negative line,
The upper arm element and the lower arm element are each a multi-phase AC rotating electric machine-equipped inverter including a semiconductor chip or a semiconductor module that forms a transistor having electrons as main carrier charges.
The positive side line is located in the vicinity of the end wall of the housing of the polyphase AC rotating electric machine, extends substantially in the radial direction and the substantially circumferential direction, and is formed from a flat + cooling fin constituting a heat dissipation member / common electrode plate. Become
The negative side line is formed of a flat cooling fin that is separated from the + cooling fin by a predetermined distance in the axial direction and extends substantially in the radial direction and the substantially circumferential direction to form a common electrode plate also serving as a heat radiating member.
The DC main electrode of the upper arm element of each phase is provided on a main surface of the semiconductor chip or semiconductor module side of the semiconductor chip or the semiconductor module for the upper arm element, and is spaced from the surface of the + cooling fin by a predetermined distance in a circumferential direction. Are fixed in common across,
The DC-side main electrode of the lower arm element of each phase is provided on the main surface on the front side of the semiconductor chip or the semiconductor module for the lower arm element, and is spaced apart from the surface of the cooling fin by a predetermined distance in the circumferential direction. Fixed in common apart,
A plurality of control electrodes for exposing control electrodes of the lower arm element of each phase provided adjacent to the DC-side main electrode on the main surface on the front surface side of the semiconductor chip or the semiconductor module; An inverter equipped with a polyphase AC rotating electric machine, characterized by having a window for taking out the wiring rear side.請求項１記載の多相交流回転電機搭載インバータにおいて、前記制御電極配線背面側取り出し用窓は、前記−冷却フィンの辺の途中を切り欠いて形成された溝部からなることを特徴とする多相交流回転電機搭載インバータ。2. The multi-phase AC rotary electric machine mounted inverter according to claim 1, wherein the control electrode wiring rear side take-out window comprises a groove formed by cutting out a middle of a side of the − cooling fin. 3. Inverter with AC rotating electric machine.請求項１記載の多相交流回転電機搭載インバータにおいて、
前記制御電極配線背面側取り出し用窓は、前記−冷却フィンを打ち抜いて形成された孔部からなることを特徴とする多相交流回転電機搭載インバータ。The multi-phase AC rotating electric machine mounted inverter according to claim 1,
The inverter for mounting on a polyphase AC rotating electric machine, wherein the window for taking out the back side of the control electrode wiring comprises a hole formed by punching out the-cooling fin.請求項１記載の多相交流回転電機搭載インバータにおいて、
前記−冷却フィン及び＋冷却フィンは、円弧状に形成されて、界磁コイル型の前記多相交流回転電機のブラシと軸方向に重なり、周方向に重ならない位置に配置されていることを特徴とする多相交流回転電機搭載インバータ。The multi-phase AC rotating electric machine mounted inverter according to claim 1,
The-cooling fins and the + cooling fins are formed in an arc shape, and are arranged at positions overlapping the brushes of the field coil type multi-phase AC rotary electric machine in the axial direction but not in the circumferential direction. Inverter with multi-phase AC rotating electric machine.請求項１記載の多相交流回転電機搭載インバータにおいて、
前記下アーム素子の前記制御電極は、前記窓を貫通して軸方向に延在する制御信号線の先端に接続されていることを特徴とする多相交流回転電機搭載インバータ。The multi-phase AC rotating electric machine mounted inverter according to claim 1,
The control electrode of the lower arm element is connected to a distal end of a control signal line that extends through the window and extends in the axial direction.請求項５記載の多相交流回転電機搭載インバータにおいて、
前記下アーム素子は、前記制御信号線貫通用の窓に露出して通信線が接続される通信用電極を有することを特徴とする多相交流回転電機搭載インバータ。The multi-phase AC rotating electric machine mounted inverter according to claim 5,
The lower arm element has a communication electrode exposed to the control signal line penetrating window and connected to a communication line, wherein the inverter is mounted on a polyphase AC rotating electric machine.

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