CN101527524A - 电力变换器设备 - Google Patents

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CN101527524A CNA2009101181304A CN200910118130A CN101527524A CN 101527524 A CN101527524 A CN 101527524A CN A2009101181304 A CNA2009101181304 A CN A2009101181304A CN 200910118130 A CN200910118130 A CN 200910118130A CN 101527524 A CN101527524 A CN 101527524A
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大西宏幸
长濑俊昭
石川纯
绀谷一善
深津利成
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Toyoda Automatic Loom Works Ltd
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Abstract

公开了一种电力变换器设备，该电力变换器设备包括衬底、板状正和负互连构件以及电容器。成对的多组开关元件安装在衬底上。正互连构件和负互连构件都具有端子部分。该端子部分具有与衬底上的电路图案电接合的接合部分。开关元件以相同数量布置在正和负互连构件二者中至少正互连构件的接合部分的两侧。

Description

电力变换器设备
技术领域
本发明涉及一种电力变换器设备。
背景技术
在具有将交流电流变换成直流电流的半导体电路的半导体装置(功率半导体模块)中，或者在具有电容器模块的电力变换器设备(逆变器设备)中(其中该电容器模块构成该功率半导体模块中的直流平滑电路)，需要减小它的互连电感。
日本特开2005-347561号公报公开了一种结构和一种配置，该结构和配置减小了功率半导体模块的内部线路中的电感、电容器模块的内部线路中的电感、以及从该电容器模块到该半导体模块的外部线路中的电感。具体而言，如图14A和14B所示，在基板71上设置多个绝缘衬底72。在每个绝缘衬底72上设置开关芯片73和二极管芯片74。P型导体(正导体)75和N型导体(负导体)76层叠(同时彼此绝缘)在开关芯片73和二极管芯片74二者的顶表面上。在基板71的上方布置绝缘箱(未示出)以盖住绝缘衬底72、开关芯片73、二极管芯片74、P型导体(正导体)75和N型导体(负导体)76。P型导体75和N型导体76分别包括平板状主导体75a、76a和形成于主导体75a、76a的端的带状副导体75b、76b。P型导体75的副导体75b与N型导体76的副导体76b彼此相邻同时彼此绝缘，并且分别构成外部端子P2、N2。上述公报还公开了一种逆变器设备，其中电容器模块位于该功率半导体模块的绝缘箱上。该公报还公开了一种逆变器设备，该逆变器设备具有分别设置在P型导体75和N型导体76的主导体75a和76a之一上的多个分支导体。分支导体将主导体75a、76a连接至电容器模块的电容器元件。
该公报公开了这样的配置：功率半导体模块的P型导体75和N型导体76层叠同时彼此绝缘；且电容器模块的P型导体和N型导体层叠同时彼此绝缘，从而使功率半导体模块的内部线路的电感和电容器模块的内部线路的电感减小。该公报还公开了这样的配置：外部端子P2、N2形成于带状副导体75b、76b的端，且副导体75b、76b位于彼此靠近且平行的位置，从而使电感减小。
在功率半导体模块中，当通过开关元件的电流的量大时，在某些情形下使用并联连接的多个开关元件，而不是使用单个开关元件。在这种情形下，为了减小功率半导体模块的整体内部线路的电感，重要的是考虑连接导体75u、75v、75w、76u、76v、76w与绝缘衬底72上的电路图案之间的连接点与开关芯片73之间的关系，其中连接导体75u、75v、75w、76u、76v、76w通过主导体75a、76a向所述电路图案供给电流。然而，上述公报并未公开用于减小使用并联连接的多个开关元件而不是使用单个开关元件的功率半导体模块的整体内部线路的电感的配置。
发明内容
本发明的第一目的是减小电力变换器设备整体的互连电感，并且平衡其中多个开关元件合起来担当单个开关元件的电力变换器设备中的互连构件与开关元件之间的互连电感。本发明的第二目的是提供一种电力变换器设备，该电力变换器设备减小了与电容器电连接的互连构件的电路图案的接合部分与开关元件之间的互连电感。
为了实现上述目的并根据本发明的第一方面，提供了一种电力变换器设备，该电力变换器设备包括衬底、板状正互连构件、板状负互连构件和电容器。多组开关元件安装在衬底上。每组中的开关元件合起来担当单个开关元件。正互连构件与负互连构件布置成彼此靠近且平行，同时彼此电绝缘。电容器具有电连接至正互连构件的正端子和电连接至负互连构件的负端子。正互连构件和负互连构件都具有端子部分。该端子部分具有与衬底上的电路图案电接合的接合部分。开关元件以相同数量布置在正和负互连构件二者中至少正互连构件的接合部分的两侧。
从下面结合附图进行的、通过例子说明本发明诸原理的描述中，本发明的其它方面和优点将变得显而易见。
附图说明
参照下面对目前优选的实施例的说明以及附图，可最好地理解本发明及其目的和优点，在附图中：
图1A是示出了作为根据本发明的一个实施例的电力变换器设备的逆变器设备的电路图；
图1B是示出了图1A所示的逆变器设备的臂的一种修改的电路图；
图2是示出了省略了盖子的图1A的逆变器设备的示意性透视图；
图3是示出了图2的逆变器设备的平面图；
图4A是沿着图3中的线4A-4A所取的横截面图；
图4B是省略了一部分的图4A的部分放大图；
图5是示出了图1A的逆变器设备的衬底上的连接状态的部分平面图；
图6A是沿着图3中的线6A-6A所取的横截面图；
图6B是图6A的部分放大图；
图7A是示出了上面安装有图1A的逆变器设备中的芯片部分的陶瓷衬底的示意性透视图；
图7B是示出了上面安装有图7A的陶瓷衬底的金属基板的示意性透视图；
图8A是示出了支撑框架附着到图7B的金属基板这一状态的示意性透视图；
图8B是示出了输出电极构件附着到图7A的金属基板这一状态的示意性透视图；
图9是示出了图1A的逆变器设备中的电容器组件、金属基板、支撑框架和输出电极构件之间的关系的示意性透视图；
图10是示出了作为根据一种修改的电力变换器设备的逆变器设备的横截面图；
图11是示出了作为根据一种修改的电力变换器设备的逆变器设备的横截面图；
图12是示出了根据一种修改的电力变换器设备中的接合部分和半导体芯片的布置的示意图；
图13是示出了根据一种修改的电力变换器设备的陶瓷衬底上的电路图案的示意图；
图14A是示出了现有技术的电力变换器设备的透视图；以及
图14B是示出了图14A的电力变换器设备的分解透视图。
具体实施方式
下面参照图1A～9说明根据本发明的第一实施例的三相逆变器设备11。
首先，说明逆变器设备11的电路配置。如图1A所示，逆变器设备11具有包括六个开关元件Q1～Q6的逆变器电路12。使用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)作为开关元件Q1～Q6。在第一和第二开关元件Q1、Q2组成的对、第三和第四开关元件Q3、Q4组成的对以及第五和第六开关元件Q5、Q6组成的对中的每一对中，开关元件串联连接。二极管D1～D6分别与开关元件Q1～Q6的漏极与源极之间的部分反向并联连接。开关元件Q1、Q3、Q5中的每个开关元件和与其连接的二极管D1、D3、D5中对应的一个二极管构成被称作上臂的结构。而且，第二、第四和第六开关元件Q2、Q4、Q6中的每个开关元件和与其连接的二极管D2、D4、D6中对应的一个二极管构成被称作下臂的结构。
开关元件Q1、Q3、Q5的漏极连接至用于通过线13输电的正输入端子14，而开关元件Q2、Q4、Q6的源极连接至用于通过线15输电的负输入端子16。多个电容器17并联连接在线13与线15之间。在本实施例中，使用电解电容器作为电容器17。电容器17的正端子和负端子分别连接至线13和线15。
开关元件Q1、Q2之间的节点连接至U相端子U，开关元件Q3、Q4之间的节点连接至V相端子V，开关元件Q5、Q6之间的节点连接至W相端子W。开关元件Q1～Q6的栅极分别连接至驱动信号输入端子G1～G6。开关元件Q1～Q6的源极分别连接至信号端子S1～S6。
在图1A中，每个上臂和下臂都包括一个开关元件和一个二极管。然而，在通过每个臂的电流的量大的情形下，每个臂可配置有多个并联连接的由开关元件Q和二极管D组成的对，如图1B中所示。在本实施例中，每个臂由四个由开关元件Q和二极管D组成的对构成。即，每个臂包括多个开关元件，它们合起来具有与单个开关元件的功能相同的功能。
下面说明逆变器设备11的结构。
如图2和3所示，逆变器设备11包括由铜制金属基板20和作为绝缘衬底的多个陶瓷衬底21构成的衬底22。半导体芯片23安装在衬底22上。每个半导体芯片23合并了构成单个器件的一个开关元件(MOSFET)和一个二极管。即，每个半导体芯片23对应于设有图1B所示的单个开关元件Q和单个二极管D的器件之一。
每个陶瓷衬底21具有由例如氮化铝、氧化铝或氮化硅形成的陶瓷板26。如图5所示，在陶瓷板26的上表面上形成电路图案24a、24b、24c、24d。如图4B所示，金属板25设置在陶瓷板26的下表面上。电路图案24a、24b、24c、24d和金属板25由例如铝或铜制成。金属板25担当将陶瓷衬底21与金属基板20彼此接合的接合层。使用钎料(未示出)将陶瓷衬底21与金属基板20在其间有金属板25的情况下相接合。在下文中，金属基板20是指逆变器设备11的底部(下部)。
如图5所示，电路图案24a、24b、24c、24d分别是栅极信号、漏极、源极和源极信号的电路图案。电路图案24a～24d中的每个电路图案以带状形成。漏极电路图案24b与源极电路图案24c彼此相邻且平行。栅极信号电路图案24a和源极信号电路图案24d位于与电路图案24c相对并且与电路图案24b平行的位置。使用钎料将半导体芯片23接合至漏极电路图案24b。即，衬底22包括上面安装有开关元件的电路图案24b、24c。每个电路图案24b充当与对应开关元件的漏极连接的第一区域。每个电路图案24c充当与对应开关元件的源极连接的第二区域。栅极信号电路图案24a与半导体芯片23的栅极通过线键合而彼此电连接。半导体芯片23的源极通过线键合而电连接至源极电路图案24c和源极信号电路图案24d。
如图7B所示，金属基板20基本上是矩形的。12个陶瓷衬底21设置在金属基板20上，并且布置成6行×2列，以使得陶瓷衬底21的长度方向垂直于金属基板20的长度方向。每行中的两个陶瓷衬底21上的半导体芯片23构成逆变器电路12的一个臂。在本实施例中，在每个陶瓷衬底21上安装两个半导体芯片23，每行中的两个陶瓷衬底21上的四个半导体芯片23构成一个臂。即，多组开关元件安装在衬底22上，每组对应于一套开关元件(半导体芯片23)，它们合起来具有与单个开关元件的功能相同的功能。如图5所示，每个陶瓷衬底21上的两个半导体芯片23布置于电路图案24b的长度方向上的端，以使得半导体芯片23之间存在空间。
如图3、4A和4B所示，板状正互连构件27和板状负互连构件28位于衬底22上，同时堆叠并彼此靠近。具体而言，正互连构件27和负互连构件28与衬底22平行并彼此绝缘。在本实施例中，负互连构件28位于正互连构件27的上方。正互连构件27构成线13，而负互连构件28构成线15。正互连构件27具有多个(在本实施例中是三对，即六个)端子部分27a，端子部分27a从正互连构件27的端向衬底22延伸。在远端，每个端子部分27a通过超声键合而接合至具有构成上臂的半导体芯片23的陶瓷衬底21上的漏极电路图案24b的中央。即，开关元件(半导体芯片23)以相同数量设置在正互连构件27的每个接合部分27b的两侧。负互连构件28具有多个(在本实施例中是三对，即六个)端子部分28a，端子部分28a从负互连构件28的端向衬底22延伸。每个端子部分28a通过超声键合而接合至具有构成下臂的半导体芯片23的陶瓷衬底21上的源极电路图案24c的中央。
即，每个臂具有正互连构件27的两个接合部分27b和负互连构件28的两个接合部分28b。在每个电路图案24b上安装两个半导体芯片(开关元件)23并且设置正互连构件27的接合部分27b之一。
更具体而言，如图4B所示，端子部分27a、28a位于正互连构件27和负互连构件28在宽度方向上的两端，以便关于沿着宽度方向上的中央延伸的线基本上对称。“基本上对称”状态不限于完全对称状态，而是可包括这样的状态：存在因制造公差导致的移位和因对正互连构件27和负互连构件28的布置的限制导致的移位。例如，“基本上对称”状态允许1毫米或更小的移位。即，正互连构件27和负互连构件28关于宽度方向上的中线基本上对称。端子部分27a、28a从正互连构件27和负互连构件28的宽度方向上的端向衬底22弯曲，并且与衬底22平行地延伸并接合至衬底22。端子部分27a、28a通过超声键合与衬底22接合于接合部分27b、28b。处于互连构件27、28在宽度方向上的同一侧的接合部分(即，通过超声键合而接合的端子部分27a、28a与电路图案24b、24c之间的接合部分)位于单个直线上。即，每个臂具有四个开关元件(半导体芯片23)。每个臂还具有正互连构件27和负互连构件28的接合部分27b、28b中的两个。
如图6A和6B所示，正互连构件27和负互连构件28分别在宽度端具有向下延伸部27c、28c。向下延伸部27c、28c位于端子部分27a、28a的接合部分27b、28b的上方，并且与端子部分27a、28a的接合部分27b、28b连续地形成。向下延伸部27c、28c布置成彼此交叠。向下延伸部27c、28c并非遍及正互连构件27和负互连构件28的整个长度而延伸，而是分别具有多个凹口27d、28d。正互连构件27的凹口27d与负互连构件28的凹口28d布置成彼此面对。如图4B所示，绝缘构件29位于正互连构件27与负互连构件28之间。绝缘构件29使正互连构件27与负互连构件28彼此电绝缘。正互连构件27、负互连构件28和绝缘构件29具有可插入电容器17的正端子17a和负端子17b的细长的孔。
由电绝缘材料制成的支撑框架30固定至金属基板20，以沿着金属基板20的边缘延伸。所有陶瓷衬底21都容纳于支撑框架30中。用于接收外部电力的正输入端子14形成于正互连构件27的长度端。正输入端子14延伸至支撑框架30之外。负输入端子16形成于负互连构件28的长度端，具体而言，与正输入端子14相对的端。负输入端子16延伸至支撑框架30之外。
电容器17布置在正互连构件27和负互连构件28二者中距衬底22较远的一个上，即，布置在负互连构件28上。在本实施例中，四个电容器17布置在负互连构件28上(其间有电绝缘构件(未示出))，以使得正端子17a和负端子17b面对衬底22。每个电容器17的正端子17a和负端子17b位于电容器主体的一侧。正端子17a连接至正互连构件27，而负端子17b连接至负互连构件28。
如图2和3所示，逆变器设备11的三个输出电极构件32U、32V、32W都具有向上延伸的部分和横向延伸的部分，以致于从侧面看时形状呈L形。向上延伸部分位于靠近支撑框架30的位置，而横向延伸部分在正互连构件27的下方、垂直于正互连构件27的长度方向而延伸。硅凝胶36(在图4A中示出)确保了正互连构件27与输出电极构件32U、32V、32W之间的绝缘。
输出电极构件32U、32V、32W都是通过对铜板施压而形成的，铜板的宽度基本上等于陶瓷衬底21的宽度。例如图8B中所示，输出电极构件32U、32V、32W都具有四个接合部分35。两个接合部分35接合至具有构成上臂的半导体芯片23的两个陶瓷衬底21的电路图案24c的大致中央。另两个接合部分35接合至具有构成下臂的半导体芯片23的两个陶瓷衬底21的电路图案24b的大致中央。更具体而言，输出电极构件32U通过超声键合而接合至由第一开关元件Q1和二极管D1构成的上臂的源极电路图案24c，并且接合至由第二开关元件Q2和二极管D2构成的下臂的漏极电路图案24b。输出电极构件32V通过超声键合而接合至由第三开关元件Q3和二极管D3构成的上臂的源极电路图案24c，并且接合至由第四开关元件Q4和二极管D4构成的下臂的漏极电路图案24b。输出电极构件32W通过超声键合而接合至由第五开关元件Q5和二极管D5构成的上臂的源极电路图案24c，并且接合至由第六开关元件Q6和二极管D6构成的下臂的漏极电路图案24b。
如图8B所示，基本上呈L形的输出电极构件32U、32V、32W都具有水平部分，该水平部分在近端(较靠近弯曲部分的一部分)具有一对接合部分35，并在远端具有另一对接合部分35。接合部分35从该水平部分向衬底22延伸。在处于近侧的接合部分35之间和在处于远侧的接合部分35之间限定了能够容纳负互连构件28的端子部分28a和接合部分28b的空间。如图3所示，正和负互连构件27、28的每个宽度侧的成对接合部分35和接合部分27b、28b布置在单条线上。
参照图5说明正互连构件27的接合部分27b、负互连构件28的接合部分28b、例如输出电极构件32的接合部分35、以及与一对上臂和下臂对应的半导体芯片23之间的关系。图5示出了与输出电极构件32V接合的一对上臂和下臂。即，在构成上臂的两个陶瓷衬底21上的两个电路图案24b中的每个电路图案中，正互连构件27的接合部分27b接合至电路图案24b的中央，并且夹在布置在电路图案24b上的两个半导体芯片23之间。而且，在具有电路图案24b的陶瓷衬底21上的电路图案24c中，输出电极构件32V的接合部分35接合至电路图案24c的中央。另一方面，在构成下臂的两个陶瓷衬底21上的两个电路图案24b中的每个电路图案中，输出电极构件32V的接合部分35接合至电路图案24b的中央，并且夹在布置在电路图案24b上的两个半导体芯片23之间。而且，在具有电路图案24b的陶瓷衬底21上的电路图案24c中，负互连构件28的接合部分28b接合至电路图案24c的中央。
在每个臂所对应的两个陶瓷衬底21中，位于输出电极构件32U、32V、32W的水平部分的远端的陶瓷衬底21的栅极信号电路图案24a和源极信号电路图案24d分别连接至驱动信号输入端子G1～G6和信号端子S1～S6。端子G1～G6和S1～S6与支撑框架30整合地模制，以便贯穿支撑框架30，从而使第二端从支撑框架30突出。在每个臂的两个陶瓷衬底21上形成的电路图案24a通过线键合而彼此电连接。而且，在每个臂的两个陶瓷衬底21上形成的电路图案24d通过线键合而彼此电连接。
支撑框架30填充以硅凝胶36，硅凝胶36然后固化以绝缘和保护半导体芯片23。可将盖子37用螺栓固定至金属基板20，以盖住正互连构件27、负互连构件28、电容器17、输出电极构件32U、32V、32W、支撑框架30、上面安装有半导体芯片23或开关元件Q1～Q6的衬底22的表面。
下面说明制造上面构造的逆变器设备11的方法。
首先，说明在陶瓷衬底21上安装半导体芯片23的步骤。在该步骤中，如图7A所示，两个半导体芯片23通过钎焊而接合至陶瓷衬底21上的漏极电路图案24b，以使得长度方向上的中央存在空间。每个半导体芯片23的栅极与栅极信号电路图案24a通过线键合而彼此连接，每个半导体芯片23的源极与源极电路图案24c通过线键合而彼此连接，每个半导体芯片23的源极与源极信号电路图案24d通过线键合而彼此连接。
接下来，说明将陶瓷衬底21接合至金属基板20的步骤。在该步骤中，如图7B所示，上面安装有半导体芯片23的陶瓷衬底21以6行×2列通过钎焊而接合至金属基板20。具有臂的每个陶瓷衬底21的电路图案24a和电路图案24d通过线键合而分别电连接至具有臂的另一陶瓷衬底21的电路图案24a和电路图案24d。
接下来，说明将输出电极构件32U、32V、32W接合至陶瓷衬底21的步骤。在该步骤中，如图8A所示，具有驱动信号输入端子G1～G6和信号端子S1～S6的支撑框架30固定至金属基板20以包围陶瓷衬底21。借助粘合剂或螺丝来固定支撑框架30。然后，如图8B所示，输出电极构件32U、32V、32W布置成使得每个接合部分35与漏极电路图案24b和源极电路图案24c二者之一的大致中央相接触。随后，各接合部分35依次通过超声键合而接合至电路图案24b和电路图案24c。而且，驱动信号输入端子G1～G6的第一端通过超声键合而接合至电路图案24a，而信号端子S1～S6的第一端通过超声键合而接合至电路图案24d。
然后，进行组装电容器组件38的步骤。在该步骤中，使用夹具沿着单条线以预定间隔固定四个电容器17，以使得正端子17a和负端子17b面朝上。然后，将负互连构件28与电容器17的负端子17b在其间有绝缘材料的情况下相固定。随后，将正互连构件27固定至电容器17的正端子17a，同时在正互连构件27与负互连构件28之间放置绝缘构件29。这样，电容器组件38被组装成使得正互连构件27与负互连构件28彼此绝缘，并且使得正互连构件27和负互连构件28分别电连接至电容器17的正端子17a和负端子17b。
接下来，说明通过超声键合将电容器组件38接合至陶瓷衬底21的步骤。在该步骤中，首先将电容器组件38放置在陶瓷衬底21上。如图9所示，电容器组件38布置于从陶瓷衬底21的上方看去支撑框架30中的预定位置。此时，如图3所示，处于互连构件27、28在宽度方向上的同一侧的接合部分27b、28b位于单条线上。
此后，通过超声键合依次将端子部分27a、28a与电路图案24b、24c接合于接合部分27b、28b。接合部分27b、28b靠近电容器17。因此，如果使用未特别考虑热阻的普通电容器作为电容器17，并使用钎焊来接合端子部分27a、28a，则伴随钎焊的热可能负面影响电容器17。然而，由于接合部分27b、28b与电路图案24b、24c通过超声键合而接合，因此施加于电容器17的热量小于进行钎焊的情形。因此，不需要具有增强的热阻的特殊电容器。
为了电绝缘和保护应远离湿气和氧化的部分(例如半导体芯片23和接合部分)，支撑框架30填充以硅凝胶36，硅凝胶36然后固化。正互连构件27和负互连构件28的向下延伸部27c、28c分别具有凹口27d、28d。与未设置凹口27d、28d的情形相比，硅凝胶36容易流入正互连构件27与负互连构件28之间的空间。而后，用螺栓将盖子37固定至金属基板20，从而完成了逆变器设备11。
现在说明具有上述构造的逆变器设备11的功能。
逆变器设备11例如是车辆的供电单元的一部分。在逆变器设备11中，正输入端子14和负输入端子16连接至直流电源(未示出)，而U相端子U、V相端子V和W相端子W连接至电动机(未示出)。驱动信号输入端子G1～G6和信号端子S1～S6连接至控制单元(未示出)。
上臂的开关元件Q1、Q3、Q5和下臂的开关元件Q2、Q4、Q6都以预定间隔受到通-断控制，从而使电动机被交流地驱动。
在开关元件Q1～Q6进行开关时，突然上升的电流或突然下降的电流流过正互连构件27和负互连构件28。正互连构件27和负互连构件28中的电流的流向彼此相反。由于正互连构件27与负互连构件28彼此平行且靠近，因此线路的电感由于互感效应而减小。而且，向下延伸部27c、28c布置成彼此平行且靠近。这进一步减小了互连电感。
在本实施例的每个臂中，与半导体芯片23(开关元件)的漏极电连接的电路图案24b以及与半导体芯片23(开关元件)的源极连接的电路图案24c布置成彼此相邻且平行。
电路图案24b连接至输出电极构件32U、32V、32W的接合部分35或正互连构件27的接合部分27b，而电路图案24c连接至负互连构件28的接合部分28b或输出电极构件32U、32V、32W的接合部分35。
因此，当逆变器设备11工作时，即，当开关元件工作时，通过电路图案24b的电流的方向与通过电路图案24c的电流的方向彼此相反，而互连电感由于互感效应而减小。
以上说明的实施例具有下列优点。
(1)逆变器设备11具有上面安装有多组开关元件的衬底22，且每组对应于一套开关元件(半导体芯片23)，它们合起来具有与单个开关元件的功能相同的功能。在衬底22上形成彼此电绝缘、平行且靠近地布置的板状正互连构件27和板状负互连构件28。正互连构件27电连接至电容器17的正端子17a，而负互连构件28电连接至电容器17的负端子17b。正互连构件27和负互连构件28的端子部分27a、28a的接合部分27b、28b电连接至衬底22上的电路图案24b、24c，且半导体芯片23以相同数量设置在每个电路图案24b上的接合部分27b的每一侧。因此，在电路图案24b、24c中的每个电路图案中，与多个半导体芯片23设置在接合部分27b的一侧的情形相比，从接合部分27b到相应芯片23的距离之和变小，并且接合部分27b与相应半导体芯片23之间的距离得以平衡。因此，逆变器设备11整体的互连电感得以减小。而且，半导体芯片23与正互连构件27之间的互连电感以及半导体芯片23与负互连构件28之间的互连电感得以平衡。
(2)输出电极构件32U、32V、32W都与电路图案24b、24c电接合于接合部分35，且半导体芯片23以相同数量布置在每个电路图案24上的接合部分35的两侧。因此，在电路图案24b、24c中的每个电路图案中，与多个半导体芯片23设置在接合部分35的一侧的情形相比，从接合部分35到相应芯片23的距离之和变小，并且接合部分35与相应半导体芯片23之间的距离得以平衡。这进一步减小了逆变器设备整体的互连电感。
(3)正互连构件27和负互连构件28布置成堆叠状态。正互连构件27和负互连构件28包括从正互连构件27和负互连构件28的宽度端向衬底22延伸的端子部分27a、28a。端子部分27a、28a在远端具有被弯曲以平行于衬底22而延伸的接合部分27b、28b。因此，与正互连构件27和负互连构件28被布置成垂直于衬底22的情形相比，整个逆变器设备11的高度降低。由于端子部分27a、28a位于正互连构件27和负互连构件28在宽度方向上的两侧，因此，当半导体芯片23(开关元件)的数量增加时，逆变器设备11整体的互连电感容易减小，并且半导体芯片23与正互连构件27之间的互连电感以及半导体芯片23与负互连构件28之间的互连电感容易平衡。
(4)正互连构件27和负互连构件28的端子部分27a、28a的位置被确定为使得正互连构件27和负互连构件28可以直立状态安装在衬底22上。因此，当将正互连构件27和负互连构件28电接合至形成在陶瓷衬底21上的电路图案24b、24c时，无需用于保持正互连构件27和负互连构件28使之抵着衬底22或陶瓷衬底21的夹具。
(5)正互连构件27和负互连构件28关于穿过宽度方向上的中央的线基本上对称。因此，当半导体芯片23(开关元件)的数量增加时，逆变器设备11整体的互连电感可容易减小。而且，半导体芯片23与正互连构件27之间的互连电感以及半导体芯片23与负互连构件28之间的互连电感容易进一步平衡。
(6)电容器17布置在正互连构件27和负互连构件28二者中距衬底22较远的一个上，即，布置在负互连构件28上。即，每个电容器17的正端子17a和负端子17b设置在负互连构件28上以便面对衬底22。因此，与相对于电容器17更远离衬底22地布置正端子17a和负端子17b的情形相比，安装在衬底22上的开关元件(半导体芯片23)与每个电容器17的正和负端子17a、17b之间的距离变小。因此，逆变器设备11整体的互连电感得以进一步减小。
(7)逆变器设备11的每个臂具有其数量用4N(其中N是自然数，在第一实施例中N是1)表示的开关元件(半导体芯片23)，且每个臂具有正和负互连构件27、28的两个接合部分27b和两个接合部分28b。因此，有可能进一步减小其中每个臂具有其数量用4N表示的半导体芯片23的逆变器设备11整体的互连电感。而且，半导体芯片23与正互连构件27之间的互连电感以及半导体芯片23与负互连构件28之间的互连电感容易进一步平衡。另外，由于每个臂具有输出电极构件32U、32V、32W的两个接合部分，因此逆变器设备11整体的互连电感得以减小。
(8)正互连构件27和负互连构件28通过超声键合而接合至衬底22的电路图案24b、24c。当制造逆变器设备11时，正互连构件27和负互连构件28接合至电容器17，此后，正互连构件27和负互连构件28的端子部分27a、28a的接合部分27b、28b通过超声键合而电接合至电路图案24b、24c。因此，与接合部分27b、28b通过钎焊而接合的情形不同，无需具有增强的热阻的特殊电容器。
(9)各输出电极构件32U、32V、32W的四个接合部分35位于假想矩形的四个角。因此，当通过超声键合将输出电极构件32U、32V、32W接合至陶瓷衬底21时，输出电极构件32U、32V、32W以直立状态稳定地设置在陶瓷衬底21上。因此，可以不使用夹具保持输出电极构件32U、32V、32W而进行超声键合。
(10)在每个电路图案24b上，至少与正互连构件27的接合部分27b接合的区域或者与例如输出电极构件32U的接合部分35接合的区域(第一部分)位于与至少与例如输出电极构件32U的接合部分35接合的电路图案24c上的区域或者与负互连构件28的接合部分28b接合的区域(第二部分)平行且相邻的位置。因此，当逆变器设备11工作时，即，当开关元件工作时，通过电路图案24b的电流的方向与通过相邻电路图案24c的电流的方向彼此相反，而互连电感由于互感效应而减小。
(11)每个电路图案24b和每个电路图案24c以带状形成，并且在每个电路图案24b上安装多个半导体芯片23。半导体芯片23的源极通过线键合而连接至电路图案24c。因此，与电路图案24b、24c的形状呈块状而不是带状的情形相比，电路图案24b、24c的彼此相邻的部分的长度变长。这增强了互感效应，并因此减小了互连电感。
(12)电力变换器设备是其中每个臂具有四个开关元件的逆变器设备。每个臂还包括正互连构件27的接合部分27b、负互连构件28的接合部分28b以及例如输出电极构件32U的两个接合部分35。在每个臂中，两个半导体芯片23与一个接合部分27b相邻。因此，即使半导体芯片23(开关元件)的数量增加，半导体芯片23与接合部分27b之间的互连电感也得以平衡，而且互连电感得以减小。
(13)正互连构件27和负互连构件28布置成与衬底22平行且交叠，并且具有从宽度方向上的端侧向衬底22突出的端子部分27a、28a。端子部分27a、28a的远部分(即，接合部分27b、28b)被弯曲以平行于衬底22而延伸。电容器17布置在正互连构件27和负互连构件28二者中距衬底22较远的一个上(布置在正互连构件27上)。每个电容器17的正端子17a和负端子17b面对互连构件。因此，在面朝下使用衬底22的情形下，整个电力变换器设备的高度降低。而且，端子部分27a、28a设置在正互连构件27和负互连构件28的宽度方向上的两侧。因此，当半导体芯片23(开关元件)的数量大时，容易减小电力变换器设备整体的互连电感并且平衡半导体芯片23与互连构件之间的互连电感。
本发明不限于上述各实施例，而是也可以例如如下所述那样实施。
配置可进行更改，只要电容器17的正端子17a和负端子17b电连接至布置成彼此平行且靠近同时彼此电绝缘的正互连构件27和负互连构件28即可。即，正互连构件27和负互连构件28无需位于电容器17与衬底22之间。例如，可采用图10中所示的配置，其中，将绝缘板40布置在输出电极构件32U、32V、32W上，同时使绝缘板40垂直于输出电极构件32U、32V、32W的长度方向，并且将正端子17a和负端子17b安装在电容器主体的距衬底22较远的表面上。用螺丝将正互连构件27和负互连构件28固定至正端子17a和负端子17b。在这种情形下，如图10所示，与正互连构件27和负互连构件28位于电容器17与衬底22之间的情形相比，正互连构件27和负互连构件28的端子部分27a、28a的向下延伸部27c、28c的长度变长。然而，与电容器17位于盖子之外的配置相比，互连电感得以减小。
电容器17无需位于金属基板20的顶表面上。例如，如图11所示，电容器17可位于金属基板20之侧。负互连构件28布置成与正互连构件27平行，以便比正互连构件27更靠近电容器17或者处于较低侧。而且，正互连构件27的接合部分27b接合至陶瓷衬底21上的漏极电路图案24b。此外，正互连构件27和负互连构件28的远端朝着金属基板20向下弯曲，以使得负互连构件28的接合部分28b接合至陶瓷衬底21上的源极电路图案24c。在图11所示的实施例中，正端子17a与正互连构件27之间的接合以及负端子17b与负互连构件28之间的接合通过用螺丝紧固来实现，但也可通过其中电容器17比在钎焊中较少受到热的影响的接合方法来实现。例如，采用精密电阻焊或激光束焊。而且，每个臂具有安装在一个陶瓷衬底21上的两个半导体芯片23，且沿着垂直于图11的平面的方向布置六行陶瓷衬底21。在图11中，未示出除了电路图案24b或输出电极构件32U以外的电路衬底。由于开关元件(半导体芯片23)布置在正互连构件27的每个接合部分27b的两侧，因此电力变换器设备整体的互连电感得以减小，并且开关元件与互连构件之间的互连电感得以平衡。在图11所示的实施例中，由于电容器17与正互连构件27和负互连构件28的接合部分27b、28b与电路图案24b、24c之间的接合点间隔开，因此接合部分27b、28b与电路图案24b、24c之间的接合无需通过超声键合来实现，而是可以例如通过钎焊来实现。在图11中，示出了用于将陶瓷衬底21接合至金属基板20的钎料H和用于将半导体芯片23接合至电路图案24b的钎料H。
在电容器17布置在衬底22的上表面上的情形下，配置可进行更改，只要正互连构件27和负互连构件28平行于衬底22并彼此靠近同时彼此绝缘即可。即，负互连构件28无需布置在正互连构件27的上方或者距衬底22更远的位置。正互连构件27可布置在负互连构件28的上方。然而，当使用电解电容器作为电容器17时，优选地将负互连构件28布置在正互连构件27的上方，因为外侧接地。
在电容器17布置在衬底22的上侧的配置中，每个臂可由一个陶瓷衬底21构成。在这种情形下，由于仅使用一个栅极电路图案24a，因此不需要线键合来将多个电路图案24a彼此电连接。而且，每个漏极电路图案24b与正互连构件27的对应接合部分27b之间的接合点的数量、以及每个源极电路图案24c与负互连构件28的对应接合部分28b之间的接合点的数量都可从两个减少到一个。此外，每个漏极电路图案24b与输出电极构件32U、32V、32W的对应接合部分35之间的接合点的数量、以及每个源极电路图案24c与输出电极构件32U、32V、32W的对应接合部分35之间的接合点的数量都可从两个减少到一个。然而，如果每种接合点的数量是一个，则当进行超声键合时，需要用于保持电容器组件38的夹具和用于保持输出电极构件32U、32V、32W的夹具。
开关元件(半导体芯片23)位于电路图案24b上、并且以相同数量设置在正互连构件27的接合部分27b的两侧或者输出电极构件32U、32V、32W的接合部分35的两侧的配置不限于一个半导体芯片23布置在接合部分27b、35的任一侧的配置。例如，如图12所示，可将两个或更多(在图12中是两个)半导体芯片23布置在接合部分27b、35的每一侧。
不必须形成薄的且彼此平行的电路图案24a、24b、24c、24d。然而，在电路图案24b、24c的形状呈块状的情形下，在每个陶瓷衬底21上需要大的面积来确保用于将半导体芯片23以相同数量安装在接合部分27b、35的两侧、以及用于接合正和负互连构件27、28的接合部分27b、28b以及输出电极构件32U、32V、32W的接合部分35的足够空间。如果电路图案24b、24c之间的空间狭小，则难以在将输出电极构件32U、32V、32W维持于直立状态的同时通过超声键合来接合接合部分35。
代替将构成每个臂的陶瓷衬底21的数量减少到一来减少陶瓷衬底21的数量，可在每个陶瓷衬底21上形成两个或更多臂。例如，可在具有大的面积的陶瓷衬底21的表面上形成对应于两个或更多臂的电路图案24a、24b、24c、24d。在这种情形下，在每个陶瓷衬底21上安装半导体芯片23，正互连构件27、负互连构件28和输出电极构件32U、32V、32W的接合部分27b、28b、35接合至电路图案24b、24c。
正互连构件27和负互连构件28无需关于宽度方向上的中线对称。
金属基板20可由铝基金属形成，而陶瓷衬底21可以是在每一侧都有铝层的DBA(直接钎焊铝)衬底。在这种情形下，可在DBA衬底的正面上形成电路图案24a、24b、24c、24d，并且可利用铝基钎焊填充金属将DBA衬底的背面钎焊至金属基板20。
代替陶瓷衬底21，可使用表面上有绝缘层的金属衬底作为绝缘衬底。在这种情形下，可在绝缘层上形成电路图案24a、24b、24c、24d。代替通过钎焊将绝缘衬底接合至金属基板20，可在金属基板20上形成绝缘层，并可在绝缘层上形成电路图案24a、24b、24c、24d。在这种情形下，减少了部件的数量，并且不需要将绝缘衬底接合至金属基板20的步骤。
电容器17的数量不限于四个，而是可依据逆变器设备11的相关电流值和电容器的电容而改为少于或多于四个。
电容器17不限于电解电容器，而是可以是例如双电层电容器。
开关元件Q、Q1～Q6不限于MOSFET，而是可以是其它类型的功率晶体管，如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或晶闸管。
每个臂中由开关元件Q和二极管D组成的对的数量不限于四个，而是可以是任何值，只要每个臂具有偶数个、优选地为4N(N是自然数)个开关元件即可。在偶数个开关元件的情形下，开关元件可以相同数量设置在接合部分27b、35的两侧。在4N个开关元件的情形下，接合部分27b、35设置在两个位置，以使得正互连构件27和例如输出电极构件32U当通过接合部分27b、35接合至陶瓷衬底21时容易布置成直立状态。
由开关元件和二极管组成的单个对无需封装为一个半导体芯片23，而是可以独立地安装在电路上。
代替三相交流电，逆变器设备11可输出单相交流电。在这种情形下，设置两对上臂和下臂。
制造逆变器设备11的步骤无需按在上述实施例中说明的顺序来进行。例如，可独立地执行在陶瓷衬底21上安装半导体芯片23的步骤和组装电容器组件38的步骤，从而制造出上面安装有半导体芯片23的一些陶瓷衬底21以及一些电容器组件38。使用这些部件，制造出逆变器设备11。
可以将通过超声键合将输出电极构件32U、32V、32W接合至陶瓷衬底21的步骤和通过超声键合将电容器组件38接合至陶瓷衬底21的步骤相整合。例如，支撑框架30具有在确定输出电极构件32U、32V、32W的位置之后保持它们的保持部分。金属基板20与由保持部分保持的输出电极构件32U、32V、32W固定。超声键合并非此后立即进行，而是当电容器组件38与陶瓷衬底21通过超声键合而彼此接合时进行。由于输出电极构件32U、32V、32W的接合部分35与正互连构件27和负互连构件28的接合部分27b、28b位于同一条线上，因此，通过沿着互连构件27、28移动用于超声键合的工具，使该工具依次面对各接合部分27b、28b、35。由此，超声键合得以高效地进行。
在将电容器组件38超声键合至陶瓷衬底21之前先将输出电极构件32U、32V、32W超声键合至陶瓷衬底21的情形下，输出电极构件32U、32V、32W的接合部分35与正互连构件27和负互连构件28的接合部分27b、28b无需布置在单条线上。
超声键合无需一次在一点(接合点)进行，而是可以一次在两个或更多点进行。在这种情形下，与一次在一点进行超声键合相比，缩短了完成所有待接合点的超声键合所需的时间。特别而言，在一次接合两个点的情形下，可不显著增大超声键合工具的尺寸而进行超声键合。而且，由于待接合点的数量是偶数，因此超声键合得以高效地进行。
电力变换器设备无需是逆变器设备11，而也可以是直流-直流变换器。
驱动信号输入端子G1～G6的第一端接合至电路图案24a以及信号端子S1～S6的第一端接合至电路图案24d的时间不限于在电容器组件38通过超声键合而接合至陶瓷衬底21之前的时间，而是可以进行更改，只要其在支撑框架30固定至金属基板20之后并且在支撑框架30填充以硅凝胶之前即可。
构成上臂的两个陶瓷衬底21上的电路图案24a、24b、24c、24d无需关于在两个陶瓷衬底21之间延伸的线对称地布置，而是可以按与图13所示方式相同的方式来布置。同样地，构成下臂的两个陶瓷衬底21上的电路图案24a、24b、24c、24d无需关于在两个陶瓷衬底21之间延伸的线对称地布置。
代替由两个陶瓷衬底21构成每个臂，可由一个陶瓷衬底21构成每个臂。其中每个臂由一个陶瓷衬底21构成的结构使得不需要线键合来将栅极信号电路图案24a彼此电连接和将源极信号电路图案24d彼此电连接。而且，每个漏极电路图案24b与正互连构件27的对应接合部分27b之间的接合点的数量、以及每个源极电路图案24c与负互连构件28的对应接合部分28b之间的接合点的数量都可从两个减少到一个。此外，每个漏极电路图案24b与输出电极构件32U、32V、32W的对应接合部分35之间的接合点的数量、以及每个源极电路图案24c与输出电极构件32U、32V、32W的对应接合部分35之间的接合点的数量都可从两个减少到一个。然而，如果每种接合点的数量是一个，则当进行超声键合时，需要用于保持电容器组件38的夹具和用于保持输出电极构件32U、32V、32W的夹具。
为了维持于直立状态，输出电极构件32U、32V、32W都需要至少三个接合部分35。
不必须形成薄的且彼此平行的电路图案24a、24b、24c、24d。然而，在电路图案24b、24c的形状呈块状的情形下，在每个陶瓷衬底21上需要大的面积来确保用于安装多个半导体芯片23、以及用于接合正和负互连构件27、28的接合部分27b、28b以及输出电极构件32U、32V、32W的接合部分35的足够空间。如果电路图案24b、24c之间的空间狭小，则难以在将输出电极构件32U、32V、32W维持于直立位置的同时通过超声键合来接合输出电极构件32U、32V、32W。
由开关元件和二极管组成的单个对无需封装为一个半导体芯片23，而是可以独立地安装在电路上。
电容器17的正端子17a与正互连构件27之间的接合以及负端子17b与负互连构件28之间的接合不限于用螺丝紧固，而是也可通过其中电容器17比在钎焊中较少受到热的影响的接合方法来实现。例如，可采用精密电阻焊或激光束焊。

Claims (12)

1.一种电力变换器设备，包括：
衬底，所述衬底上安装有多组开关元件，每组中的所述开关元件合起来担当单个开关元件；
板状正互连构件和板状负互连构件，所述板状正互连构件和板状负互连构件布置成彼此靠近且平行，同时彼此电绝缘；以及
电容器，所述电容器具有电连接至所述正互连构件的正端子和电连接至所述负互连构件的负端子，
其中所述正互连构件和所述负互连构件都具有端子部分，所述端子部分具有与所述衬底上的电路图案电接合的接合部分，并且
其中所述开关元件以相同数量布置在所述正和负互连构件二者中至少所述正互连构件的接合部分的两侧。
2.根据权利要求1所述的电力变换器设备，其中所述正和负互连构件布置成与所述衬底平行且交叠，
其中所述端子部分从每个互连构件在宽度方向上的端向所述衬底延伸，并且所述端子部分的远端被弯曲以平行于所述衬底而延伸，从而形成所述接合部分，并且
其中所述端子部分的位置被确定为使得所述正和负互连构件可以直立状态安装在所述衬底上。
3.根据权利要求2所述的电力变换器设备，其中所述每个互连构件关于穿过宽度方向上的中央的线基本上对称。
4.根据权利要求3所述的电力变换器设备，其中所述电容器布置在所述正和负互连构件二者中不直接面对所述衬底的一个上，以使得所述正和负端子面对那一个所述互连构件。
5.根据权利要求4所述的电力变换器设备，其中所述电力变换器设备是具有多个臂的逆变器设备，每个臂具有其数量用4N(其中N是自然数)表示的开关元件，并且其中每个臂与所述正和负互连构件之一的两个接合部分接合。
6.根据权利要求1所述的电力变换器设备，其中所述衬底包括金属基板和接合至所述金属基板上的多个绝缘衬底，并且其中每个绝缘衬底包括面对所述金属基板的绝缘层和在所述绝缘层上形成的所述电路图案。
7.根据权利要求1所述的电力变换器设备，还包括具有与所述电路图案电接合的接合部分的输出电极构件，
其中所述开关元件以相同数量布置在所述输出电极构件的接合部分的两侧。
8.根据权利要求1所述的电力变换器设备，还包括具有与所述电路图案电接合的接合部分的输出电极构件，
其中所述衬底的所述电路图案包括与所述开关元件之一的漏极或集电极电连接的第一区域以及与所述开关元件之一的源极或发射极电连接的第二区域，
其中所述第一区域包括与所述正互连构件的所述接合部分和所述输出电极构件的所述接合部分二者中的至少一个连接的第一部分，
其中所述第二区域包括与所述负互连构件的所述接合部分和所述输出电极构件的所述接合部分二者中的至少一个连接的第二部分，并且
其中所述第一部分和所述第二部分布置成彼此平行且相邻。
9.根据权利要求8所述的电力变换器设备，其中所述第一区域和所述第二区域都以带状形成，多个所述开关元件安装在所述第一区域上，并且其中所述开关元件之一的源极或发射极通过线键合而连接至所述第二区域。
10.根据权利要求9所述的电力变换器设备，其中所述电力变换器设备是具有多个臂的逆变器设备，每个臂具有其数量用4N(其中N是自然数)表示的开关元件，
其中每个臂与所述正和负互连构件之一的两个接合部分以及所述输出电极构件的两个接合部分接合，并且
其中2N个所述开关元件安装在与所述正互连构件的所述接合部分接合的所述第一区域。
11.根据权利要求9所述的电力变换器设备，其中所述正和负互连构件布置成与所述衬底平行且交叠，
其中所述端子部分从每个互连构件在宽度方向上的端向所述衬底延伸，并且所述端子部分的远端被弯曲以平行于所述衬底而延伸，从而形成所述接合部分，并且
其中所述电容器布置在所述正和负互连构件二者中不直接面对所述衬底的一个上，以使得所述正和负端子面对那一个所述互连构件。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的电力变换器设备，其中每个接合部分通过超声键合而接合至所述衬底的所述电路图案之一。
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