エンジン発電機用複合モジュールの開発

Vol.27 No.1
エンジン発電機用複合モジュールの開発
根本康志
伊澤朋大
１．はじめに
で締付けることが可能となり，ＰＩＭ本体に容易に取り
付けられるというメリットがあります。
２００３年のＮＹ大停電以来，ポータブル型エンジン
また，制御基板の外部電極取り出し導体パターンとモ
発電機の需要が大幅に伸びました。
ジュールの各端子の接続を容易にするため，従来のネジ
その結果，発電機電装メーカー各社（Ｓ社，Ｈ社，Ｙ
締めタイプの端子から，全ての端子をピン形状の半田付
社等）の競争が激化し，より小型化・低価格化・高信頼
けタイプとすることにより，各ユーザーでの組立工数の
性タイプの発電機の開発が行われています。 削減化を図った構造となっております。
従来は，各電装メーカーではディスクリート部品の組
17
立で対処しておりましたが，装置の小型化 ，組立に関
的に実装したいといった，モジュール化に対する強い市
場ニーズがあり，当社にその新規発電機用ＰＩＭ（Power
20
18
21
19
45.00
わる部品点数の大幅な削減，回路配線を簡素でかつ効率
Integrated Module）の開発依頼がありました。
このポータブルエンジン発電機の市場は他に屋外工事，
アウトドアレジャー，トラック等のアイドリングストッ
107.00
らに増加するものと予想され，当社でもその開発に取り
組んでまいりました。
21.00
プ時の電力供給等にも見込まれるため，今後も需要はさ
今回開発した４タイプのポータブル型エンジン発電機
用ＰＩＭ（ＰＶＤ３０―８，３０―８Ａ２，４０−８，
図１ 外形寸法
４３−８）の製品について紹介します。
３．内部回路
２．製品の外観
ＰＩＭ本体の代表的な回路図を図２に示します。
コンバーター部
これらの４タイプ共にパッケージは共通で，その外観
インバーター部
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および外形寸法を，写真１，図１に示します。
4
3
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1
図２ 回路構成例
図１ ＰＶＤ４０−８外観
駆動回路，制御回路等を組み込んだ制御基板の実装用
回路構成は，インバータ部をＩＧＢＴの単相ブリッジ
としてのスタンドをＰＩＭの上面に４箇所設けておりま
とし，コンバータ部はＨｉｇｈアーム側サイリスタとＬ
す。このスタンドによって制御基板をタッピングスクリュー
ｏｗアーム側ダイオードとを組み合わせた三相整流回路
―17―
Vol.27 No.1
と，温度検出用サーミスタ回路とを内蔵し，構成されて
従来から採用されている銅ベース構造を廃止し，新規
おります。
なアルミベース構造の採用により軽量化を実現させてお
なお，ＰＶＤ３０−８，ＰＶＤ４０−８，ＰＶＤ４３
ります。
（重量比：同一パッケージ品で約４５％減）
−８の３製品はインバータ部とコンバータ部のコモン端
アルミナＤＢＣ基板を廃止し，アルミ絶縁基板を採用
子が各々独立した回路構成となっております。
することにより，ベーシング工程を不要とすることが可
一方，ＰＶＤ３０−８Ａ２は，インバータ部とコンバー
能となりました。それにより，半田層が従来の２層構造
タ部のコモン端子が共通の回路構成となっています。
から１層構造になり，工数削減，低コスト化が実現され
ております。基板構造図を図４に示します。
４．構造上の特徴
ベアチップ
半田層
内部構造図を図３に示します。
銅箔
従来構造
アルミナDBC基盤
アルミ
ワイヤー
端子
銅箔
カバー
半田層
エポキシ樹脂
銅ベース
アルミナDBC基盤
ケース
ベアチップ
半田層
銅メッキ（10μm）
銅ベース
新構造
基盤
チップ
導体パターン
シリコーンコム
絶縁層
カバー
アルミワイヤー
アルミベース
シリコーンコム
アルミ絶縁基板
端子一体型
ケース
図４ 基盤構造
チップ
アルミ絶縁基板
従来のアルミ絶縁基板は，アルミナＤＢＣ基板と比較
導体パターン
して，熱伝導率が低く，放熱上の観点から，大電流を流
すことに不向きであるという欠点がありました。しかし，
図３ 内部構造
熱伝導率のグレードアップ品を採用することで低熱抵抗
外部端子一体モールド型ケース（インサートケース）
化を達成しております。 を使用することにより，端子及びカバーを固定するため
また，大電力タイプの新基板をいち早く採用して，導
に充填材として使用していたエポキシ樹脂を廃止するこ
体パターンをより厚くすることにより，大電流化の市場
とが可能となり，高信頼性，耐環境性を図っております。
ニーズにも対応可能となりました。
さらにエポキシ樹脂厚相当分がなくなることにより，
低背構造となっております。ワイヤーボンド接合方式を
採用することにより，従来行われていた端子を内部基板
に半田付けする必要がなくなりました。チップと端子間
を直接ボンディングワイヤーで接続することが可能とな
従来の
アルミ絶縁基板
導体パターン厚
（μｍ）
105
熱伝導率
（Ｗ/ｍｋ）
2.0
アルミベース厚
（ｍｍ）
3.0
新規開発品の
アルミ絶縁基板
400
4.0
3.0
表１ 基盤仕様
り，端子を半田付けする導体パターン面積が不要となる
分，小型化されました。
下表にアルミ絶縁基板仕様を示します。
また，従来構造では半田接合方式を採用しており，外
以上の結果，銅ベースと基板間，端子と基板間の半田
部及び内部応力を緩和の目的で端子部にストリング構造
付けによる熱応力が解消され，熱応力に対する信頼性が
を採用しておりましたが，ワイヤーボンド接合方式を採
向上しました。
用することにより，この部分も不要となり，さらなる小
アルミ導体パターンを採用することにより，Ａｌ−Ａ
型化を実現させております。
ｌの同素材間でのボンディングとなるため，ボンディン
―18―
Vol.27 No.1
グの条件設定幅が広がり，ボンディング強度もより向上
耐久性試験 Endurance Tests
しております。
試験項目
Tests
また，環境問題の観点から，共晶半田を廃止し，Ｐｂ
フリー半田を使用しての製品化を実現しております。
高温保存
High Temperature
Storage
耐湿性
Humidity
Temperature
表２ 信頼性試験結果
環境試験 Environmental Stress Tests
試験項目
Tests
+３
1）低温側 ： −40 −５℃
Lowest Temperature
+5
2）高温側 ： +125 −
℃
3
Highest Temperature
3）回 数 ： 100サイクル
Number of Cycles
温度サイクル
Temperature
Cycling
Max
Max
断続通電
Intermittence
Operating
Life
準拠規格
Reference
JIS C-7021
試験条件概要
Conditions
Ａ−４
30
60 30min
1 Cycle
1）Ta： +125±2℃
2）時間： 1,000h
Duration
Ｂ−１０
Ｂ−１１
条 件 Ｂ
1）Ta： +60±3℃
+5
2）相対湿度： 90 −10 %RH
Relative Humidity
3）時間： 1,000h
Duration
1）ΔTj≧80℃
2）回数： 5,000回
Number of Cycles
3）締め付けトルク： 2.0Ｎ･ｍ
Mounting Torque
接
合 Tj
温
度
Ｂ１７
Δ Tj
On
Off
1Cycle
高温側
High
Temp
室温
Room
Temp
60
準拠規格
Reference
JIS C-7021
試験条件概要
Conditions
高温電圧印加
High
Temperature
Bias
低温側
Low
Temp
1） 印加電圧
Test Bias
ＶCE=ＶCES＝600 V（IGBT）
ＶDM=ＶRM＝800 V（Thyristor）
ＶRM＝800 V（Diode）
2） 140℃≦Tj≦150℃（IGBT,Diode）
115℃≦Tj≦125℃（Thyristor）
3） 時間： 1,000ｈ
Duration
4） 締め付けトルク： 2.0Ｎ･ｍ
Mounting Torque
Ｂ１９
表３ 特性値
Inverter
Converter
項目
Parameter
VCES
Ic（Rated）
条件
Condition
VGE=0V
VCE（sat）
（V） IC=Rated,VGE=15V
VGE（th）
（V） IC=Rated × 10-6
VCE=10V,f=1MHz
Cies（pF）
VCC=300V
tr（μ s）
IC=Rated
ton（μ s）
RG=Rated
tf（μ s）
VGE= ± 15V
toff（μ s）
Test Condition
RG（Ω）
IF=Rated
VF（V）
IF=Rated
trr（μ s）
IGBT
熱抵抗
Per 1Arm
FWD
Rth（j-c）
VDRM（V）
VDSM（V）
VRRM（V）
VRSM（V）
IO（AV）
（A）
IFSM（A）
I2t（A2S）
di/dt（A/ μ s） Tj=125℃VD=2/3V
PGM（W）
PG（AV）
（W）
IGM（A）
VGM（V）
VRGM（V）
VDM=VDRM,T=125℃
IDM（mA）
VRM=VRRM,T=150℃
IR（mA）
ITM=Rated
VTM（V）
IFM=Rated
VF（V）
Tj=-40℃
"VD=6V
IGT（mA）
Tj=25℃
IT=1A"
Tj=125℃
"VD=6V
VGT（V）
Tj=-40℃
IT=1A"
Tj=25℃
Tj=125℃
Tj=125℃VD=2/3V
VGD（V）
dv/dt（V/ μ s） Tj=125℃VD=2/3V
T ｊ =125℃VD=2/3V
tq（Ms）
Tj=25℃VD=2/3V
tgt（Ms）
td（Ms）
tr（Ms）
Tj=25℃
IL（mA）
Tj=25℃
IH（mA）
Tyrristor
熱抵抗
Per 1Arm
Diode
Rth（j-c）
PVD30-8
600
50
typ
min
2.0
4.0
5000
0.15
0.25
0.2
0.45
10
1.9
0.15
800
900
800
900
30
200
200
100
5
0.5
2
10
5
0.25
100
80
6
2
4
70
50
-
max
2.5
8.0
0.3
0.4
0.35
0.7
2.4
0.25
1.22
2.5
10
10
1.4
1.4
100
50
25
4
2.5
2
2.7
2.55
―19―
PVD30-8A2
600
50
max
typ
min
2.5
2.0
8.0
4.0
5000
0.3
0.15
0.4
0.25
0.35
0.2
0.7
0.45
10
2.4
1.9
0.25
0.15
1.22
2.5
800
900
800
900
30
200
200
100
5
0.5
2
10
5
10
10
1.4
1.4
100
50
25
4
2.5
2
0.25
100
80
6
2
4
70
50
2.7
2.55
-
PVD40-8
600
75
typ
min
2.1
4.0
7500
0.15
0.25
0.2
0.45
10
1.9
0.15
800
900
800
900
30
300
450
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5
0.5
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-
max
2.6
8.0
0.3
0.4
0.35
0.7
2.4
0.25
1.1
1.5
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1.4
100
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2.5
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2.55
PVD43-8
600
75
typ
min
2.1
4.0
7500
0.15
0.25
0.2
0.45
10
1.9
0.15
800
900
800
900
50
400
800
100
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0.5
2
10
5
0.25
500
100
6
2
4
100
50
-
max
2.6
8.0
0.3
0.4
0.35
0.7
2.4
0.25
1.1
1.5
10
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1.35
1.25
200
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4
2.5
2
2.1
2.1
Vol.27 No.1
５．Ｐｂフリー半田導入と高信頼性の実現
図５―２ オン電圧特性
前述していますように，本製品は環境問題（ＲｏＨＳ
指令）に対応するため，弊社製品群の中でもいち早くＰ
ｂフリー半田を導入しました。同時に信頼性試験におき
ましても，既存のワイヤーボンディング製品と同等以上
の高信頼性を実現しています。
信頼性試験結果を表２に示します。
図５−１∼５にＰＶＤ３０−８の仕様カーブし示します。
６．定格・特性
４タイプの定格・特性は表３に示します。ＰＶＤ３０
図５―３ 平均順電力損失特性
−８，ＰＶＤ３０−８Ａ２は３ＫＷ定格対応で，ＰＶＤ
４０−８，ＰＶＤ４３−８は４ＫＷ定格対応
７．まとめ
以上がポータブル型エンジン発電機用ＰＩＭの概要説
明となります。
汎用型ＩＧＢＴＰＩＭモジュールは他にも５．５ＫＷ
用，７．５ＫＷ用，１１ＫＷ用，１５ＫＷ用のＰＶＤシ
リーズ（ＳＰ｣外形品） がラインナップされております。
また，本製品と同一パッケージでのカスタム化にも対
図５―４ サージ順電流定格
応できる準備は整えられており，今後も多種多様なニー
ズに応えていきたいものと考えております。
図５―５ 過渡熱抵抗
図５―1 順電圧特性
―20―