CN102986026B - 功率模块和使用它的电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

功率模块包括搭载有多个功率半导体元件的功率单元、散热部件和外壳，功率单元具有功率半导体元件、引线框和密封树脂，功率半导体元件的两面与引线框连接，上侧和下侧引线框的外表面的一部分从密封树脂露出，外壳由外壳基座和外壳盖构成，按照外壳基座、散热部件、功率单元、散热部件、外壳盖的顺序叠层，设外壳基座的外形尺寸为S1、外壳盖的外形尺寸为S2、功率单元的引线框露出部尺寸为S3时，S1>S2>S3的关系成立，外壳盖被按压到外壳基座的支承部而被固定。

Description

功率模块和使用它的电力变换装置
技术领域
本发明涉及搭载于汽车等车辆的电力变换装置，特别涉及搭载有伴随发热的电子部件的功率模块和使用它的电力变换装置。
背景技术
例如，以下的文献公开了伴随发热的电子部件的两面散热结构。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-57212号公报
专利文献1中，构成为在对搭载有功率模块的外壳的开口面用盖体封口，使功率半导体元件的发热向外壳和盖体的两面散热的结构中，将盖体压紧、固定于外壳上搭载的功率模块。
如专利文献1所示用盖体压紧固定功率模块的情况下，为了确保散热性能需要使盖体和功率模块精度良好地密合，必须以最佳的压紧力密合。压紧力过强时担心功率模块损伤，过弱时担心功率模块与盖体的接触面积减少、散热性能降低。因而不容易进行适当的压紧力的设定。
发明内容
发明要解决的课题
本发明的课题是实现搭载有发热量大的功率半导体元件的功率模块的高散热化。
此外，本发明的其他课题是提高功率半导体元件的连接可靠性。
此外，本发明的其他课题是吸收功率模块的构成部件的高度差。
此外，本发明的其他课题是抑制组装时功率模块上产生的应力。
用于解决课题的方案
根据本发明的第一方式，功率模块包括搭载有多个功率半导体元件的功率单元、散热部件和外壳，功率单元具有功率半导体元件、引线框和密封树脂，引线框连接到功率半导体元件的两面，上侧和下侧引线框的外表面的一部分从所述密封树脂露出，外壳由外壳基座和外壳盖构成，按照外壳基座、述散热部件、功率单元、散热部件、外壳盖的顺序叠层，设外壳基座的外形尺寸为S1、外壳盖的外形尺寸为S2、功率单元的引线框露出部尺寸为S3时，S1>S2>S3的关系成立，外壳盖被按压到外壳基座的支承部而被固定。
根据本发明的第二方式，在第一方式的功率模块中，优选散热部件比密封树脂软。
根据本发明的第三方式，优选功率模块包括密封体，其具有半导体元件、经由金属接合部件与半导体元件的一个电极面连接的第一引线框、经由金属接合部件与半导体元件的另一个电极面连接的第二引线框、和用于将半导体元件与第一引线框以及第二引线框密封的密封部件；壳体，其收纳密封体，并形成有开口部；盖，其形成为比壳体的开口部的开口面积大；第一绝缘部件，其配置在密封体与壳体的内壁之间；和第二绝缘部件，其配置在密封体与盖之间，第一引线框从密封部件露出，且该第一引线框的露出面与第一绝缘部件接触，第二引线框从密封部件露出，且该第二引线框的露出面与第二绝缘部件接触，壳体形成有盖支承部，该盖支承部形成在该壳体的开口部的周围，盖形成有与第二绝缘部件的相对部分朝向密封体一侧突出的突出部，且该盖被固定于盖支承部，第一绝缘部件和第二绝缘部件的至少一方构成为其厚度响应规定以上的按压力变化，且该第一绝缘部件和该第二绝缘部件的至少一方在其厚度因来自盖的突出部的按压力而变化的状态下被按压到密封体。
根据本发明的第四方式，在第三方式的功率模块中，优选将从壳体的内壁到盖支承部的与盖的相对面的高度定义为h1，将突出部的高度定义为h2，将从第一引线框的露出面到第二引线框的露出面的高度定义为h3，将第一绝缘部件的厚度与第二绝缘部件的厚度的和定义为T时，T>h1－h2－h3的关系成立。
根据本发明的第五方式，在第三或第四方式的功率模块中，优选第一绝缘部件和所述第二绝缘部件的至少一方的压缩率为10%以上～60%以下。
根据本发明的第六方式，在第三～五方式的功率模块中，优选第二引线框在与半导体元件的另一个电极面的相对部分形成有凸部，且半导体元件配置于该凸部，第二引线框的露出面形成为比凸部的面积大。
根据本发明的第七方式，在第三～六方式的功率模块中，优选密封体的从第一引线框的露出面的垂直方向投影的投影部呈大致四边形，且形成有从该大致四边形的相邻两边分别突出的突起，壳体在该壳体内壁形成有用于与突起嵌合的凹部。
根据本发明的第八方式，在电池与电动发电机之间进行从直流电力向交流电力的转换和从交流电力向直流电力的转换的电力变换装置，包括第一方式至第六方式中任一个所述的功率模块。
发明效果
根据本发明，能够实现搭载有发热量大的功率半导体元件的功率模块的高散热化。
此外，本发明的其他效果是提高功率半导体元件的连接可靠性。
此外，本发明的其他效果是能够吸收功率模块的构成部件的高度差。
此外，本发明的其他效果是能够抑制组装时功率模块上产生的应力。
附图说明
图1是表示混合动力车的系统的系统图。
图2是表示图1所示的电路的结构的电路图。
图3是用于说明电力变换装置的结构的分解立体图。
图4是为了说明电力变换装置的整体结构而分解为构成部件的立体图。
图5是为了说明流路形成体12，对图4所示的流路形成体12从底侧看的图。
图6是本实施方式的功率模块300a的（a）立体图和（b）截面图。
图7（a）是为了帮助理解，除去模块外壳304、散热部件333和密封树脂348的内部截面图。（b）是内部立体图。
图8是表示外壳密封后的功率模块的搭载方法的平面图。
图9是表示外壳密封后的功率模块的主要部分尺寸的截面图。
图10是用于说明电容器模块500的内部结构的分解立体图。
图11是表示外壳的固定方法的截面图。
图12是表示外壳的固定方法的截面图。
图13是表示外壳的固定方法的截面图。
具体实施方式
使用附图说明本发明的实施方式。图1是将本发明的电力变换装置应用于使用发动机和电机两者行驶的所谓混合动力车的系统。本发明的电力变换装置不仅能够应用于混合动力车辆，也能够应用于仅用电机行驶的电动车，此外还可以用作驱动一般工业机械使用的电机的电力变换装置。但是，如以上或以下说明，本发明的电力变换装置特别在应用于上述混合动力车和上述电动车时，在小型化的观点或可靠性的观点、以及其他许多观点上可以获得优良的效果。应用于混合动力车的电力变换装置与应用于电动车的电力变换装置是大致相同的结构，作为代表例说明应用于混合动力车的电力变换装置。
图1是表示混合动力车（以下记载为“HEV”）的控制模块的图。发动机EGN和电动发电机MG1、电动发电机MG2产生车辆的行驶用转矩。此外，电动发电机MG1和电动发电机MG2不仅产生转矩，还具有将从外部对电动发电机MG1或电动发电机MG2施加的机械能转换为电力的功能。
电动发电机MG1或MG2例如是同步电机或感应电机，如上所述，根据运转方法既作为电动机工作，也作为发电机工作。在汽车上搭载电动发电机MG1或MG2的情况下，优选小型且获得高输出，使用钕等磁铁的永磁铁型的同步电动机是合适的。此外，永磁铁型的同步电动机与感应电动机相比，转子的发热少，出于该观点也适合用于汽车。
发动机EGN的输出侧和电动发电机MG2的输出转矩经由动力分配机构TSM被传递至电动发电机MG1，来自动力分配机构TSM的转矩或电动发电机MG1产生的转矩，经由变速器TM和差动齿轮DIF被传递至车轮。另一方面，再生制动运转时，转矩从车轮被传递至电动发电机MG1，基于供给的转矩产生交流电力。产生的交流电力如后所述通过电力变换装置200被转换为直流电力，对高电压用的电池136充电，充电的电力被重新用作行驶能量。此外，高电压用的电池136蓄积的电力变少的情况下，能够用电动发电机MG2将发动机EGN产生的转动能转换为交流电力，接着，用电力变换装置200将交流电力转换为直流电力，对电池136充电。从发动机EGN向电动发电机MG2的机械能的传递由动力分配机构TSM进行。
接着对电力变换装置200进行说明。逆变器电路140和142与电池136经由直流连接器138电连接，在电池136与逆变器电路140或142相互之间进行电力的传递。使电动发电机MG1作为电机工作的情况下，逆变器电路140基于经由直流连接器138从电池136供给的直流电力产生交流电力，经由交流端子188对电动发电机MG1供给。电动发电机MG1和逆变器电路140构成的结构作为第一电动发电单元工作。同样地使电动发电机MG2作为电机工作的情况下，逆变器电路142基于经由直流连接器138从电池136供给的直流电力产生交流电力，经由交流端子159对电动发电机MG2供给。电动发电机MG2和逆变器电路142构成的结构作为第二电动发电单元工作。存在第一电动发电单元和第二电动发电单元根据运转状态使双方作为电机或发电机运转的情况下，或对其分别使用进行运转的情况。此外也能够使一方不运转而是停止。其中，本实施方式中，通过电池136的电力使第一电动发电单元作为电动单元工作，能够仅通过电动发电机MG1的动力进行车辆驱动。进而，本实施方式中，使第一电动发电单元或第二电动发电单元作为发电单元通过发动机120的动力或来自车轮的动力而工作发电，能够进行电池136的充电。
电池136还用作用于驱动辅助设备用电机195的电源。辅助设备用电机例如有驱动空调的压缩机的电机、或驱动控制用的油压泵的电机。从电池136对辅助设备用功率模块350供给直流电力，辅助设备用功率模块350产生交流电力，经由交流端子120对辅助设备用电机195供给。辅助设备用功率模块350具有与逆变器电路140和142基本同样的电路结构和功能，控制对辅助设备用电机195供给的交流的相位和频率、电力。辅助设备用电机195的容量比电动发电机MG1和194的容量小，因此辅助设备用功率模块350的最大转换电力比逆变器电路140和142小，而如上所述辅助电机用功率模块350的基本结构和基本动作与逆变器电路140和142大致相同。此外，电力变换装置200具备用于使对逆变器电路140和逆变器电路142、逆变器电路350B供给的直流电力平滑化的电容器模块500。
电力变换装置200具备用于从上级的控制装置接收指令或对上级的控制装置发送表示状态的数据的用于通信的连接器21。根据来自连接器21的指令在控制电路172中计算电动发电机MG1和电动发电机MG2、辅助设备用电机195的控制量，进而对作为电机运转还是作为发电机运转进行运算，根据运算结果产生控制脉冲，向驱动器电路174和辅助设备用功率模块350的驱动器电路350B供给上述控制脉冲。辅助设备用功率模块350也可以具有专用的控制电路，该情况下上述专用的控制电路根据来自连接器21的指令产生控制脉冲，对辅助设备用功率模块350的驱动器电路350B供给。驱动器电路174根据上述控制脉冲产生用于控制逆变器电路140和逆变器电路142的驱动脉冲。此外，驱动器电路350A产生用于驱动辅助设备用功率模块350的逆变器电路350B的控制脉冲。
接着，用图2说明逆变器电路140和逆变器电路142的电路的结构。图1所示的辅助设备用功率模块350的逆变器350B的电路结构也基本与逆变器电路140的电路结构类似，因此在图2中省略逆变器350B的具体的电路结构的说明，以逆变器电路140为代表例说明。但是，由于辅助设备用功率模块350输出电力小，使以下说明的构成各相的上臂和下臂的半导体芯片和连接该芯片的电路集中配置在辅助设备用功率模块350中。
而且，由于逆变器电路140和逆变器电路142的电路结构和动作非常类似，用逆变器电路140代表说明。
其中，以下使用绝缘栅型双极晶体管作为半导体元件，以下简称为IGBT。逆变器电路140与要输出的交流电力的U相、V相、W相构成的三个相对应地具备由作为上臂工作的IGBT328和二极管156、作为下臂工作的IGBT330和二极管166构成的上下臂的串联电路150。这三相在该实施方式中，与电动发电机MG1的电枢线圈的三相的各相线圈对应。三相的各自的上下臂的串联电路150，从作为上述串联电路的中点部分的中间电极169输出交流电流，该交流电流通过交流端子159和交流连接器188与作为朝向电动发电机MG1的交流电力线的以下说明的交流汇流条802和804连接。
上臂的IGBT328的集电极153经由正极端子157与电容器模块500的正极一侧的电容器端子506电连接，下臂的IGBT330的发射极经由负极端子158与电容器模块500的负极一侧的电容器端子504电连接。
如上所述，控制电路172从上级的控制装置经由连接器21接收控制指令，根据该控制指令产生用于控制由IGBT328和IGBT330构成的、构成逆变器电路140的各相的串联电路150的上臂或下臂的控制信号即控制脉冲，对驱动器电路174供给。驱动器电路174根据上述控制脉冲，将用于控制构成各相的串联电路150的上臂或下臂的IGBT328和IGBT330的驱动脉冲对各相的IGBT328和IGBT330供给。IGBT328和IGBT330根据来自驱动器电路174的驱动脉冲，进行导通或屏蔽动作，将从电池136供给的直流电力转换为三相交流电力，该转换后的电力对电动发电机MG1供给。
IGBT328具备集电极153、信号用发射极155和栅极154。此外，IGBT330具备集电极163、信号用集电极165和栅极164。二极管156在集电极153与发射极之间电连接。此外，二极管166在集电极163与发射极之间电连接。也可以使用金属氧化物半导体型场效应晶体管（以下简称为MOSFET）作为开关用功率半导体元件。该情况下不需要二极管156和二极管166。作为开关用功率半导体元件，IGBT适合直流电压相对较高的情况，MOSFET适合直流电压相对较低的情况。
电容器模块500具备多个正极一侧的电容器端子506、多个负极一侧的电容器端子504、电池正极侧端子509和电池负极侧端子508。来自电池136的高电压的直流电力，经由直流连接器138对电池正极侧端子509和电池负极侧端子508供给，从电容器模块500的多个正极一侧的电容器端子506和多个负极一侧的电容器端子504，对逆变器电路140和逆变器电路142、辅助设备用功率模块350供给。另一方面，从交流电力通过逆变器电路140和逆变器电路142转换的直流电力，从正极一侧的电容器端子506和负极一侧的电容器端子504对电容器模块500供给，从电池正极侧端子509和电池负极侧端子508经由直流连接器138对电池136供给，在电池136中蓄积。
控制电路172具备用于对IGBT328和IGBT330的开关时刻进行运算处理的微型计算机（以下记载为“微机”）。作为对于微机的输入信息，有对电动发电机MG1要求的目标转矩值、从上下臂的串联电路150对电动发电机MG1供给的电流值、和电动发电机MG1的转子的磁极位置。目标转矩值基于从未图示的上级控制装置输出的指令信号。电流值根据电流传感器180的检测信号进行检测。磁极位置根据从电动发电机MG1中设置的旋转变压器（Resolver）等旋转磁极传感器（未图示）输出的检测信号进行检测。本实施方式中，列举了电流传感器180检测三相的电流值的情况为例，但也可以检测两个相的电流值，通过运算求出三个相的电流。
控制电路172内的微机，根据目标转矩值计算电动发电机MG1的d轴、q轴的电流指令值，基于该计算的d轴、q轴的电流指令值与检测出的d轴、q轴的电流值的差量计算d轴、q轴的电压指令值，将该计算的d轴、q轴的电压指令值，基于检测出的磁极位置变换为U相、V相、W相的电压指令值。然后，微机根据基于U相、V相、W相的电压指令值的基本波（正弦波）和载波（三角波）的比较生成脉冲状的调制波，将该生成的调制波作为PWM（脉冲宽度调制）信号输出至驱动器电路174。驱动器电路174驱动下臂的情况下，将对PWM信号放大后的驱动信号，输出至对应的下臂的IGBT330的栅极。此外，驱动器电路174驱动上臂的情况下，使PWM信号的基准电位的电平偏移至上臂的基准电位的电平后将PWM信号放大，将其作为驱动信号，分别输出至对应的上臂的IGBT328的栅极。
此外，控制电路172进行异常检测（过电流、过电压、过热等），保护上下臂的串联电路150。因此，对控制电路172输入传感信息。例如，从各臂的信号用发射极155和信号用发射极165向对应的驱动部（IC）输入各IGBT328和IGBT330的发射极中流过的电流的信息。由此，各驱动部（IC）进行过电流检测，检测出过电流的情况下使对应的IGBT328、IGBT330的开关动作停止，保护对应的IGBT328、IGBT330不受过电流影响。从上下臂的串联电路150中设置的温度传感器（未图示）对微机输入上下臂的串联电路150的温度的信息。此外，对微机输入上下臂的串联电路150的直流正极侧的电压的信息。微机根据这些信息进行过热检测和过电压检测，检测出过热（过温度）或过电压的情况下使所有IGBT328、IGBT330的开关动作停止。
图3表示作为本发明的实施方式的电力变换装置200的分解立体图。电力变换装置200具备固定在变速器TM上的用于收纳电力变换装置200的电路部件的具有铝制的底的外壳10和盖8。电力变换装置200通过使底面和上表面的形状为大致长方形，具有容易安装到车辆，且易于生产的效果。流路形成体12保持后述的功率模块300和电容器模块500，并且用制冷剂将它们冷却。此外，流路形成体12固定于外壳10，并且在外壳10的底部设置有入口配管13和出口配管14。作为制冷剂的水从入口配管13流入流路形成体12，用于冷却后从出口配管14流出。
盖8收纳构成电力变换装置200的电路部件，被固定于外壳10。在盖8的内侧的上部配置有安装了控制电路172的控制电路基板20。在盖8上设置有与外部连接的第一开口202和第二开口204，上述连接器21经由第一开口202与外部的控制装置连接，在控制电路基板20上设置的控制电路172与上级的控制装置等外部的控制装置之间进行信号传输。从上述连接器21供给使电力变换装置200内的控制电路工作的低电压的直流电力。在第二开口204中设置有用于与电池136之间发送接收直流电力的直流连接器138，用于对电力变换装置200内部供给高电压直流电力的负极侧电力线510和正极侧电力线512，同与电池136进行直流电力的传递的直流连接器138和电容器模块500等电连接。
连接器21和负极侧电力线510、正极侧电力线512向盖8的底面延伸，连接器21从第一开口202突出，此外，负极侧电力线510和正极侧电力线512的前端部从第二开口204突出构成直流连接器138的端子。盖8上，在其内壁的第一开口202和第二开口204的周围设置有密封部件（未图示）。连接器21等的端子的嵌合面的方向根据车的种类为各种方向，特别搭载在小型车辆的情况下，出于发动机室内的大小的限制和组装性的观点，优选使嵌合面朝向上方。特别是如本实施方式所示，使电力变换装置200配置在变速器TM的上方的情况下，通过向与配置变速器TM一侧相反的一侧突出，提高作业性。此外，连接器21需要对外部的气氛密封，通过构成为使盖8相对连接器21从上方组装，将盖8组装到外壳10时，与盖8接触的密封部件能够压紧连接器21，提高了气密性。
图4是为了有助于理解电力变换装置200被收纳在外壳10的内部的结构而分解的立体图。流路形成体12上，图5所示的流路19（19a～19e）沿着两侧形成。在该流路19的一侧的上表面，开口部400a～400c沿着制冷剂的流动方向418形成，此外，在该流路19的另一侧的上表面，开口部402a～402c沿着制冷剂的流动方向422形成。开口部400a～400c被插入的功率模块300a～300c堵塞，此外，开口部402a～402c被插入的功率模块301a～301c堵塞。
在流路形成体12形成的一方与另一方的流路之间，形成有用于收纳电容器模块500的收纳空间405，通过将电容器模块500收纳在收纳空间405中，用流路19内流过的制冷剂将电容器500冷却。电容器模块500被用于形成制冷剂的流动方向418的流路19、和用于形成制冷剂的流动方向422的流路19夹着，因此能够高效率地冷却。此外，由于沿着电容器模块500的外侧面形成有流过制冷剂的流路，提高了冷却效率，且制冷剂流路、电容器模块500和功率模块300、301的配置整齐，整体更加小型化。此外，流路19沿着电容器模块500的长边配置，流路19与插入固定到流路19的功率模块300和301的距离大致一定，因此平滑电容器与功率模块电路的电路常数在三相的各相易于变得均衡，成为易于降低峰值电压的电路结构。本实施方式中，水最适合作为制冷剂，但是，也可以使用水以外的制冷剂，因此以下记载为制冷剂。
在流路形成体12上，在入口配管13与出口配管14相对的位置设置有内部具备改变制冷剂的流动的空间的冷却部407。冷却部407与流路形成体12一体地形成，该实施方式中，用于将辅助设备用功率模块350冷却。辅助设备用功率模块350被固定在作为冷却部407的外周面的冷却面上，在上述冷却面的内侧形成的空间中蓄积制冷剂，通过该制冷剂使冷却部407冷却，抑制辅助设备用功率模块350的温度上升。上述制冷剂是流过上述流路19内的制冷剂，使辅助设备用功率模块350与功率模块300、301和电容器模块500一同被冷却。在辅助设备用功率模块350的两侧部，配置有后述的汇流条组件800。汇流条组件800具备交流汇流条186和保持部件，保持固定电流传感器180。详情在之后叙述。
像这样在流路形成体12的中央部设置电容器模块500的收纳空间405，以夹着该收纳空间405的方式设置流路19，在各流路19上配置用于车辆驱动的功率模块300a～300c和功率模块301a～301c，进而在流路形成体12的上表面配置辅助设备用功率模块350，能够用较少的空间高效率地冷却，实现电力变换装置整体的小型化。
此外，通过使流路形成体12的流路19的主结构与流路形成体12一体地通过铝材料的铸造制作，流路19除了冷却效果以外还具有使机械强度增强的效果。此外通过用铸铝制作，流路形成体12与流路19成为一体结构，导热有所改进，冷却效率提高。其中，通过将功率模块300a～300c和功率模块301a～301c固定到流路19完成流路19，进行水路的漏水试验。漏水试验合格的情况下，接着，能够进行安装电容器模块500、辅助设备用功率模块350和基板的作业。这样，构成为在电力变换装置200的底部配置流路形成体12，接着从上方起依次进行固定电容器模块500、辅助设备用功率模块350、汇流条组件800、基板等必要的部件的作业，提高了生产性和可靠性。
驱动器电路基板22配置在辅助设备用功率模块350和汇流条组件800的上方、即盖一侧。此外，在驱动器电路基板22与控制电路基板20之间配置有金属底板11，金属底板11实现驱动器电路基板22和控制电路基板20上搭载的电路组的电磁屏蔽的功能，且具有使驱动器电路基板22和控制电路基板20产生的热发散、冷却的作用。进而起到提高控制电路基板20的机械的共振频率的作用。即，能够在金属底板11上以短间隔配置用于固定控制电路基板20的螺合部，缩短发生机械的振动的情况下的支承点之间的距离，提高共振频率。由于能够使控制电路基板20的共振频率相对于从变速器传递的振动频率更高，所以难以受到振动的影响，提高了可靠性。
图5是用于说明流路形成体12的说明图，是对图4所示的流路形成体12从下方看的图。流路形成体12与在该流路形成体12的内部沿着电容器模块500的收纳空间405（参照图4）形成的流路19一体地铸造。在流路形成体12的下表面形成有连成一个的开口部404，该开口部404被中央部具有开口的下盖420堵塞。在下盖420与流路形成体12之间设置有密封部件409a和密封部件409b，保持气密性。
在下盖420上，在一方的端边的附近并沿着该端边形成有用于插入入口配管13（参照图4）的入口孔401、用于插入出口配管14（参照图4）的出口孔403。此外，在下盖420上，形成有向变速器TM的配置方向突出的凸部406。凸部406与功率模块300a～300c和功率模块301a～301c对应地设置。制冷剂在虚线所示的流动方向417的方向上，通过入口孔401，向沿着流路形成体12的较短方向的边形成的第一流路部19a流动。第一流路部19a形成有改变制冷剂的流动的空间，在该空间中与冷却部407的内面冲突，改变流动的方向。该冲突时起到吸收冷却部407的热的作用。然后，制冷剂如流动方向418所示，流过沿着流路形成体12的较长方向的边形成的第二流路部19b。此外，制冷剂如流动方向421所示，流过沿着流路形成体12的较短方向的边形成的第三流路部19c。第三流路部19c形成折返流路。此外，制冷剂如流动方向422所示，流过沿着流路形成体12的较长方向的边形成的第四流路部19d。第四流路部19d设置在夹着电容器模块500与第二流路部19b相对的位置。进而，制冷剂如流动方向423所示，通过沿着流路形成体12的较短方向的边形成的第五流路部19e和出口孔403向出口配管14流出。
第一流路部19a、第二流路部19b、第三流路部19c、第四流路部19d和第五流路部19e均为深度方向比宽度方向更大地形成。功率模块300a～300c从流路形成体12的上表面一侧形成的开口部400a～400c插入（参照图4），被收纳在第二流路部19b内的收纳空间中。此外，在功率模块300a的收纳空间与功率模块300b的收纳空间之间，形成有用于使制冷剂的流动不停滞的中间部件408a。同样地，在功率模块300b的收纳空间与功率模块300c的收纳空间之间，形成有用于使制冷剂的流动不停滞的中间部件408b。中间部件408a和中间部件408b，其主面沿着制冷剂的流动方向形成。第四流路部19d也与第二流路部19b同样地形成功率模块301a～301c的收纳空间和中间部件。此外，由于流路形成体12使开口部404与开口部400a～400c和402a～402c相对地形成，因此成为易于用铸铝制造的结构。
在下盖420上，设置有与外壳10抵接的用于支承电力变换装置200的支承部410a和支承部410b。支承部410a接近下盖420的一方的端边设置，支承部410b接近下盖420的另一方的端边设置。由此，能够将电力变换装置200的流路形成体12牢固地固定在与变速器TM和电动发电机MG1的圆柱形相应地形成的外壳10的内壁上。
此外，支承部410b以支承电阻器450的方式构成。该电阻器450考虑到保护乘员和维护时的安全性，用于使电容器单元带有的电荷放电。电阻器450构成为能够使高电压的电持续地放电，但是需要构成为考虑到万一电阻器或放电机构出现任何异常的情况下，使对于车辆的损害为最小限度。即，电阻器450配置在功率模块、电容器模块、驱动器电路基板等的周边的情况下，考虑万一电阻器450产生发热、起火等不良的情况下在主要部件附近蔓延燃烧的可能性。
于是，本实施方式中，功率模块300a～300c、功率模块301a～301c和电容器模块500夹着流路形成体12，配置在与收纳变速器TM的外壳10相反的一侧，且电阻器450配置在流路形成体12与外壳10之间的空间中。由此，电阻器450配置在被金属形成的流路形成体12和外壳10包围的密闭空间中。此外，电容器模块500内的电容器单元中蓄积的电荷，通过图4所示的驱动器电路基板22上搭载的开关单元的开关动作，通过经过流路形成体12的侧部的配线由电阻器450进行放电控制。本实施方式中，控制为通过开关单元高速放电。由于在控制放电的驱动器电路基板22与电阻器450之间设置有流路形成体12，所以能够保护驱动器电路基板22不受电阻器450影响。此外，由于电阻器450固定在下盖420上，在热方面设置在与流路19非常接近的位置，因此能够抑制电阻器450的异常的发热。
使用图6～图13说明逆变器电路140和逆变器电路142中使用的功率模块300a～300c和功率模块（功率半导体模块）301a～301c的详细结构。上述功率模块300a～300c和功率模块301a～301c均为相同结构，说明功率模块300a的结构作为代表。其中，图6～图13中信号端子325U对应图2公开的栅极154和信号用发射极155，信号端子325L对应图2公开的栅极164和发射极165。此外，直流正极端子315B与图2公开的正极端子157相同，直流负极端子319B与图2公开的负极端子158相同。此外，交流端子321与图2公开的交流端子159相同。
图6（a）是本实施方式的功率模块300a的立体图。图6（b）是本实施方式的功率模块300a的截面图。
构成上下臂的串联电路150的功率半导体元件（IGBT328、IGBT330、二极管156、二极管166）如图7所示，被引线框315和引线框318、或被引线框316和引线框319从两面夹住固定。在这些导体板上，组装有使作为信号端子325U和信号端子325L的信号配线一体成型而成的辅助成型体600。引线框315等在其散热面露出的状态下被密封树脂348密封，在该散热面上对散热部件333进行热压接。被密封树脂348密封的模块密封体302，插入模块外壳304中，夹着散热部件333，在作为CAN型冷却器的模块外壳304的内面热压接。此处，CAN型冷却器指的是一面具有插入口而另一面具有底的呈筒形的冷却器。由于模块密封体302具有功率半导体元件（IGBT328、IGBT330、二极管156、二极管166）和引线框（315、316、318、319）等，因此也可以称为功率单元。
通过使用这样的形状的金属性的外壳，即使将模块外壳304插入流过水或油等制冷剂的流路19内，也能够用凸缘304B确保对于制冷剂的密封，所以能够通过简易的结构防止制冷剂进入模块外壳304的内部。
如图8和图9所示，形成有与电容器模块500电连接的直流正极端子315B（157）和直流负极端子319B（158）。形成有用于对电动发电机MG1或194供给交流电力的交流端子321（159）。本实施方式中，直流正极端子315B与引线框315一体成型，直流负极端子319B与引线框319一体成型，交流端子321与引线框316一体成型。
通过如上所述使引线框315等隔着散热部件333在模块外壳304的内壁热压接，能够减少导体板与模块外壳304的内壁之间的空隙，使功率半导体元件的发热高效率地传递到肋片305。进而，由于散热部件333具有一定程度的厚度和柔软性，能够用散热部件333吸收热应力的产生，用于温度变化剧烈的车辆用电力变换装置较好。
图7（a）是为了帮助理解，除去模块外壳304、散热部件333和密封树脂348的内部截面图。图7（b）是内部立体图。
如图7（b）所示，直流正极一侧的引线框315和交流输出一侧的引线框316大致同一平面状地配置。在引线框315上，固定有上臂一侧的IGBT328的集电极和上臂一侧的二极管156的阴电极。在引线框316上，固定有下臂一侧的IGBT330的集电极和下臂一侧的二极管166的阴电极。同样地，交流引线框318和引线框319大致同一平面状地配置。在交流引线框318上，固定有上臂一侧的IGBT328的发射极和上臂一侧的二极管156的阳电极。在引线框319上，固定有下臂一侧的IGBT330的发射极和下臂一侧的二极管166的阳电极。各功率半导体元件，在各导体板上设置的元件固定部322，经由金属接合材料160分别固定。金属接合材料160例如是焊锡材料或含有银膜和金属微粒的低温烧结接合材料等。
各功率半导体元件是板状的扁平结构，该功率半导体元件的各电极在正反面形成。如图7（a）所示，功率半导体元件的各电极被引线框315和引线框318、或引线框316和引线框319夹住。即，引线框315和引线框318成为隔着IGBT328和二极管156大致平行地相对的叠层配置。同样地，引线框316和引线框319成为隔着IGBT330和二极管166大致平行地相对的叠层配置。此外，引线框316与引线框318经由中间电极329连接。通过该连接使上臂电路和下臂电路电连接，形成上下臂串联电路。
此外，也可以使用MOSFET（Metal-OxideSemiconductorField-EffectTransistor：金属氧化膜半导体场效应晶体管）代替IGBT328、330。此外，金属接合部160使用导热率较高且环保型优良的无铅焊锡等，例如Sn-Cu焊锡、Sn-Ag-Cu焊锡、Sn-Ag-Cu-Bi焊锡等。
本实施方式的引线框315等是大电流电路用配线，由纯铜或铜合金等导热性高且电阻较低的材料构成，优选厚度为0.5mm以上。引线框315等也具有散热器的功能，发热元件搭载部朝向发热元件呈凸形，优选凸部5外形尺寸为发热元件外形尺寸以上。由此，能够确保导热通路，期待提高散热性。但是引线框凸部381A需要避开功率半导体元件1的栅极6。此外，将上下的引线框315等一起连接的情况下，优选元件上侧的引线框凸部381B外形尺寸为元件尺寸以下。这是因为元件上侧的引线框凸部381B的外形尺寸为元件尺寸以上时，存在元件上侧的焊锡向元件外侧扩散时滴下，与元件下侧的焊锡或引线框315等短路的可能性。
接着，搭载用于与控制基板连接的信号电极。对功率半导体元件的栅极和信号端子325U之间用引线接合327、带接合等连接。线、带可以使用铝。此外，也可以使用焊锡等金属接合部160将信号端子325U与栅极连接。信号端子325U可以使用纯铜或铜合金。本实施方式中，使信号端子325U与大电流电路用引线框315等分别成型，但也可以为了简化工序而一体成型。
连接信号电极的引线框组合，为了提高可靠性、保持引线框而进行树脂密封。密封树脂348使用环氧树脂，通过传递成型而成型。这时，发热元件两面上搭载的引线框的外侧面323成为向模块外壳304的散热面，因而从密封树脂348露出。
其中，设外壳基座371的外形尺寸为S1，外壳盖370的外形尺寸为S2，引线框315等从密封树脂348露出的部分的尺寸为S3时，如图6所示，S1>S2>S3的关系成立。
优选使引线框315等从密封树脂348露出的面积大于凸部面积。由此能够确保导热通路，期待散热性的提高。此外，如图8所示在成型外围侧面的相邻的两边设置突起373A和373B。即，形成从由引线框的露出面的垂直方向投影的投影部成大致四边形的密封体302的相邻两边分别凸出的突起373A和373B。此外，外壳基座（外壳）371，在外壳基座371内壁形成有用于与突起373A和373B嵌合的凹部。由此，将进行树脂密封后的模块密封体302搭载到外壳基座371时的定位变得容易。其中，突起373A和373B可以与密封树脂348一体形成，也可以由不同部件构成。
将模块密封体302搭载到外壳基座371时，使其向箭头方向滑动，通过将突起373A和373B与外壳基座内面374对齐，进行模块密封体302与外壳基座371的定位。由此，能够将模块密封体302的信号端子325U等外部引线容易地搭载到控制基板等的规定位置。
接着，为了使模块密封体302的发热向模块外壳304散热，将模块密封体302隔着散热部件333搭载到模块外壳304。散热部件333由于配置在导体间因此需要具有电绝缘性。
本实施例的散热部件333为是柔性片且硬度是1～60（AskerC）、导热率是0.5～10.0（W/mK）、片厚度是2mm以下的高导热性的绝缘树脂材料。通过使用柔性片，能够在搭载外壳盖370时压缩柔性片，吸收构成部件高度差。用于吸收构成部件高度差的散热片厚度t，成为如图9所示，设外壳基座371高度为h1，外壳盖370高度为h2，模块密封体302高度为h3，考虑各构成部件的高度差时，满足t>(h1max.－h2min.－h3min.)/2的关系式的散热片厚度t即可。即，将从外壳基座（外壳）371的内壁到外壳盖支承部372的与外壳盖370的相对面的高度定义为h1，将外壳盖370的突出部的高度定义为h2，将从一方的引线框的露出面到另一方的引线框的露出面的高度定义为h3，将上下两片散热部件333的厚度的和定义为T时，T>h1－h2－h3的关系成立。外壳盖370的突出部指的是，如图9所示，在外壳盖370的与散热部件333相对的部分，朝向密封体302一侧凸出的部分。
进而，作为压缩的效果，能够期待通过减小热阻提高散热性。此外，由于是片状，制作模块密封体302时的操作较为容易，因而提高了生产效率。本实施例是对于构成部件的高度差大的情况有效的方案，由于使上下的散热片均等地被压缩，保证了上下的散热性均衡。优选散热片压缩率为10～60%。压缩率过小时，因热劣化等使散热片从被附着体剥离，散热性降低。另一方面，压缩率过大时，搭载外壳盖370时的压紧负重增大，担心散热片、模块密封体302的内部部件损伤。本实施例中使用硅酮树脂作为密封部件，也可以使用在导热性优于树脂的氧化铝、氮化硅、氮化铝等陶瓷片的两面上涂布有散热油的片。为了提高散热片的密合可靠性和制作时的操作性，也可以预先在散热片表面设置接合层。本实施例中使用片，此外也能够使用油（Grease）、复合物（Compound）等。
此外，作为其他实施方式，构成部件的高度差小的情况下，可以减小上下的散热片中某一方的片厚度。由此，虽然上下散热片的硬度不变，但较薄的片表现为较硬，优先将另一方较厚的片压缩。这时，使发热元件两面的热阻等价的情况下，能够减少较薄的片的导热率，能够期待用廉价的散热片满足散热性。
接着，将如上所述地制作的模块密封体302搭载到外壳基座371上，使外壳基座371的开口部被外壳盖370关闭。搭载外壳盖370时，压紧固定至外壳基座371的支承部372。由于存在支承部372，能够抑制对模块密封体302的过大的负重。在外壳基座371和外壳盖370的外表面配置肋片305，能够非常高效率地向外部散热。优选外壳基座371和外壳盖370为与其他金属材料相比具有较高的导热性的金属材料，出于提高批量生产性、轻量化、散热性的观点，为纯铝或铝合金材料，例如通过冷锻、压铸而制造。此外，也可以通过切削加工制造。
表1表示外壳基座371与外壳盖370之间的固定方法和密封方法。该表1的固定方法表示用于将外壳盖370机械地固定到外壳基座371的方法。另一方面，表1的密封方法表示用于使外壳基座371的内部气密的方法。
[表1]
通过表1中A所示的焊接，如图11所示，接合工具375配置在跨越外壳基座371和外壳盖370的位置，形成接合部376。用焊接将外壳基座371与外壳盖370接合的情况下，能够在固定双方的同时，实现外壳基座371的密封。
同样，通过表1中B所示的摩擦搅拌接合，如图11所示，接合工具375配置在跨越外壳基座371和外壳盖370的位置，形成接合部376。用摩擦搅拌接合使外壳基座371与外壳盖370接合的情况下，能够在固定双方的同时实现外壳基座371的密封。
用表1中的C和图13所示的弹簧夹380将外壳基座371与外壳盖370固定的情况下，优选如图13所示，用液状垫片379将外壳基座371密封。
用表1中D所示的铆接377将外壳基座371与外壳盖370固定的情况下，优选如图12所示，用O形环378将外壳基座371密封。
被模块外壳304密封的模块密封体302，将信号端子325U与控制基板连接，将大电流用引线框315等与电力供给汇流条连接。
图10是用于说明电容器模块500的内部结构的分解立体图。叠层导体板501由板状的较宽的导体形成的负极导体板505和正极导体板507、以及被负极导体板505和正极导体板507夹着的绝缘片517构成。叠层导体板501如以下所说明，对于流过各相的上下臂的串联电路150的电流使磁通相互抵消，因此对于流过上下臂的串联电路150的电流能够实现低电感化。叠层导体板501呈大致长方形。电池负极侧端子508和电池正极侧端子509，以从叠层导体板501的较短方向的一方的边竖起的状态形成，分别与正极导体板507和负极导体板505连接。对电池正极侧端子509和电池负极侧端子508，如图2所说明，经由直流连接器138供给直流电力。
电容器端子503a～503c在从叠层导体板501的较长方向的一侧的边竖起的状态下，与各功率模块300的正极端子157（315B）和负极端子158（319B）对应地形成。此外，电容器端子503d～503f在从叠层导体板501的较长方向的另一侧的边竖起的状态下，与各功率模块301的正极端子157（315B）和负极端子158（319B）对应地形成。其中，电容器端子503a～503f在横穿叠层导体板501的主面的方向上竖起。电容器端子503a～503c与功率模块300a～300c分别连接。电容器端子503d～503f与功率模块301a～301c分别连接。在构成电容器端子503a的负极侧电容器端子504a与正极侧电容器端子506a之间，设置有绝缘片517的一部分，确保绝缘。其他电容器端子503b～503f也是同样的。此外，本实施方式中，负极导体板505、正极导体板507、电池负极侧端子508、电池正极侧端子509、电容器端子503a～503f由一体成型的金属板构成，对于流过上下臂的串联电路150的电流具有降低电感的效果。
在叠层导体板501的下方即电容器模块500的内部一侧设置有多个电容器单元514。本实施方式中，8个电容器单元514沿着叠层导体板501的较长方向的一侧的边排成一列，另外8个电容器单元514沿着叠层导体板501的较长方向的另一侧的边排成一列，设置共计16个电容器单元。沿着叠层导体板501的长度方向的各边排列的电容器单元514，以图10所示的虚线AA为边界对称地排列。由此，将通过电容器单元514平滑化后的直流电流对功率模块300a～300c和功率模块301a～301c供给的情况下，能够使电容器端子503a～503c与电容器端子503d～503f之间的电流均衡均匀化，实现叠层导体板501的电感的降低。此外，由于能够防止电流在叠层导体板501上局部地流过，能够使热均衡均匀化，提高耐热性。
由于电容器单元514在沿着制冷剂流路的方向上配置有多个，所以存在对于沿着制冷剂流路配置的功率模块300和功率模块301的U相、V相、W相的上下臂的串联电路150易于均匀化的倾向。此外具有能够使各电容器单元514被制冷剂均匀地冷却的效果。此外，能够使电容器端子503a～503c与电容器端子503d～503f之间的电流均衡均匀化，实现叠层导体板501的电感的降低，并且使热均衡均匀化，提高耐热性。
电容器单元514是电容器模块500的蓄电部的单位结构体，使用将两片一面上蒸镀有铝等金属的膜叠层卷绕并且使两片金属分别为正极、负极的薄膜电容器。关于电容器单元514的电极，卷绕的轴面分别为正极、负极电极，喷镀锡等导电体制造。
电容器外壳502具备用于收纳电容器单元514的收纳部511，关于上述收纳部511，图中记载的上表面和下表面成大致长方形。在电容器外壳502上，设置有用于将电容器模块500固定于流路形成体12的固定单元例如螺栓贯通的孔520a～520h。通过在与功率模块之间设置孔520b、孔520c、孔520f、孔520g，提高功率模块与流路19的气密性。收纳部511的底面部513，为了配合圆筒形的电容器单元514的表面形状，成平滑的凹凸形状或波形。由此，易于将叠层导体板501和电容器单元504连接而成的模块定位到电容器外壳502。此外，将叠层导体板501和电容器单元514收纳到电容器外壳502后，除去电容器端子503a～503f、电池负极侧端子508和电池正极侧端子509，以覆盖叠层导体板501的方式对电容器外壳502内填充填充材料（未图示）。通过使底面部513配合电容器单元514的形状成为波形，能够防止对电容器外壳502内填充填充材料时，电容器单元514偏离规定位置。
此外，电容器单元514，因开关时的纹波电流，因内部的膜上蒸镀的金属薄膜、内部导体的电阻而发热。于是，为了使电容器单元514的热易于通过电容器外壳502发散，对电容器单元514用填充材料成型。进而通过使用树脂制造的填充材料，还能够提高电容器单元514的耐湿。本实施方式中，沿着电容器模块500的收纳部511的较长方向设置有制冷剂流路，提高了冷却效率。进而，本实施方式中，电容器模块500以形成收纳部511的较长方向的边的侧壁被流路19夹着的方式配置，所以能够使电容器模块500高效率地冷却。此外，电容器单元514使该电容器单元514的电极面的一侧与形成收纳部511的较长方向的边的内壁相对地配置。由此，易于向膜的卷绕轴的方向传递热，所以热易于通过电容器单元514的电极面向电容器外壳502发散。
以上详细叙述了本发明的控制装置的一个实施方式，而本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离权利要求的范围记载的本发明的精神的范围内，进行各种设计变更。
在本说明书中引用以下优先权基础申请的公开内容。
日本国专利申请2010年第148465号（2010年6月30日申请）。

Claims (8)

1.一种功率模块，包括：
搭载有多个功率半导体元件的功率单元；
散热部件；和
外壳，
该功率模块的特征在于：
所述功率单元具有功率半导体元件、引线框和密封树脂，
所述引线框连接到所述功率半导体元件的两面，上侧和下侧引线框的外表面的一部分从所述密封树脂露出，
所述外壳由外壳基座和外壳盖构成，按照所述外壳基座、所述散热部件、所述功率单元、所述散热部件、所述外壳盖的顺序叠层，
设所述外壳基座的外形尺寸为S1、所述外壳盖的外形尺寸为S2、所述功率单元的引线框露出部尺寸为S3时，S1>S2>S3的关系成立，
所述外壳盖被按压到所述外壳基座的支承部而被固定。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于：
所述散热部件比所述密封树脂软。
3.一种功率模块，其特征在于，包括：
密封体，其具有半导体元件、经由金属接合部件与所述半导体元件的一个电极面连接的第一引线框、经由金属接合部件与所述半导体元件的另一个电极面连接的第二引线框、和用于将所述半导体元件与所述第一引线框以及所述第二引线框密封的密封部件；
壳体，其收纳所述密封体，并形成有开口部；
盖，其形成为比所述壳体的开口部的开口面积大；
第一绝缘部件，其配置在所述密封体与所述壳体的内壁之间；和
第二绝缘部件，其配置在所述密封体与所述盖之间，
所述第一引线框从所述密封部件露出，且该第一引线框的露出面与所述第一绝缘部件接触，
所述第二引线框从所述密封部件露出，且该第二引线框的露出面与所述第二绝缘部件接触，
所述壳体形成有盖支承部，该盖支承部形成在该壳体的开口部的周围，
所述盖形成有与所述第二绝缘部件的相对部分朝向所述密封体一侧突出的突出部，且该盖被固定于所述盖支承部，
所述第一绝缘部件和所述第二绝缘部件的至少一方的厚度响应按压力而变化，且该第一绝缘部件和该第二绝缘部件的至少一方在其厚度因来自所述盖的突出部的按压力而变化的状态下被按压到所述密封体。
4.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于：
将从所述壳体的内壁到所述盖支承部的与所述盖的相对面的高度定义为h1，将所述突出部的高度定义为h2，将从所述第一引线框的露出面到所述第二引线框的露出面的高度定义为h3，将所述第一绝缘部件的厚度与所述第二绝缘部件的厚度的和定义为T时，T>h1－h2－h3的关系成立。
5.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于：
所述第一绝缘部件和所述第二绝缘部件的至少一方的压缩率为10％以上～60％以下。
6.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于：
所述第二引线框在与所述半导体元件的另一个电极面的相对部分形成有凸部，且所述半导体元件配置于该凸部，
所述第二引线框的露出面形成为比所述凸部的面积大。
7.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于：
所述密封体的从所述第一引线框的露出面的垂直方向投影的投影部呈四边形，且形成有从该四边形的相邻两边分别突出的突起，
所述壳体在该壳体内壁形成有用于与所述突起嵌合的凹部。
8.一种电力变换装置，其在电池与电动发电机之间进行从直流电力向交流电力的转换和从交流电力向直流电力的转换，该电力变换装置的特征在于：
包括权利要求1～6中任一项所述的功率模块。
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