CN106298762B

CN106298762B - 功率半导体模块及电动汽车驱动用电动机

Info

Publication number: CN106298762B
Application number: CN201510288221.8A
Authority: CN
Inventors: 李俊
Original assignee: Fuji Electric China Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric China Co Ltd
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: CN106298762A

Abstract

本发明提供一种能内置于电动机壳体从而使电动机与驱动装置实现一体化的、安全性和可靠性较高的功率半导体模块及电动汽车驱动用电动机。所述功率半导体模块包括：在俯视下呈圆形的金属底板；在俯视下呈圆环形、并且在俯视下配置于所述金属底板的中央区域的绝缘基板；在俯视下围绕所述金属底板的圆心呈放射状地均匀设置的多个功率半导体元件；在俯视下呈圆环形、并且在俯视下配置于所述金属底板的包围所述中央区域的周边区域的控制电路板；呈圆筒形且固定于所述金属底板的外周的壳体；以及在俯视下呈圆形、且与所述壳体及所述金属底板一起构成收纳有所述多个功率半导体元件和所述控制电路板的空间的盖板。

Description

功率半导体模块及电动汽车驱动用电动机

技术领域

本发明涉及搭载有如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅型双极晶体管)和续流二极管等功率半导体元件的功率半导体模块、以及内置有所述功率半导体模块的电动汽车驱动用电动机。

背景技术

近年来，随着电动汽车的普及，用于驱动电动汽车的(例如，三相交流电动机)正得以广泛应用。然而，作为电动汽车的电源多采用输出直流功率的大容量直流电池，因此，为了将大容量电池所输出的直流功率转换成可用于驱动电动汽车驱动用电动机的交流功率，需要采用例如三电平PWM逆变器等来作为功率转换模块。

图6示出了作为功率转换模块的现有的功率半导体模块的结构的一个示例。其中，图6(a)是功率半导体模块200的主视剖视图，图6(b)是功率半导体模块200的俯视图。如图6所示，在大致呈长方形的金属底板201上固定有绝缘基板202。通过焊料层将多个(此处为6个)IGBT 203和多个(此处为6个)续流二极管204分别焊接到绝缘基板202上所形成的布线图案(未图示)上。然后，利用粘接剂将形状与金属底板201相符的大致呈方筒形的壳体206固定于所述金属底板201的外周，从而与金属底板201一起构成收纳有所述多个IGBT 203和续流二极管204的空间208。在壳体206的端面上形成有多个(此处为4个)主端子209和多个(此处为7个)控制输入端子210。所述多个主端子209和所述多个控制输入端子210通过引线与上述布线图案相连接。最后，向空间208中填充密封材料，并安装盖板207，从而获得功率半导体模块200。

然而，在功率半导体模块200工作时，由于多个IGBT 203和续流二极管204及布线图案上有大电流流过，因此，需要将所产生的热从金属底板201经由导热糊料传导至冷却系统，以进行冷却。

图7示出了现有的电动汽车驱动系统的结构的一个示例。如图7所示，将功率半导体模块200安装于涂敷有导热糊料(未图示)的水冷散热器(冷却系统)L2上，所述水冷散热器L2固定于框体600。另外，在框体600上，还安装有电容器组件500、控制电路板300和驱动电路板400。上述半导体模块200、控制电路板300、驱动电路板400、电容器组件500、水冷散热器L2与框体600一起构成驱动器Q。所述驱动器Q与包括水冷散热器L1的电动汽车驱动用电动机M’分开设置，两者通过电缆相连接，由此，构成了现有的电动汽车驱动系统。

发明内容

发明所要解决的问题

然而，由于现有的功率半导体模块的形状多为长方形，而作为功率半导体模块的驱动对象的电动汽车驱动用电动机则多具有圆筒形的外壳，因此，如图7所示，无法将功率半导体模块内置于电动汽车驱动用电动机的壳体内，而必须将两者分开设置，并通过电缆进行连接。因而，难以进一步实现装置的轻量化、紧凑化。

并且，功率半导体模块工作时有大电流流过从而会产生大量的热量，该热量经由绝缘基板传导至金属底板以进行散热，因此，会在绝缘基板和金属底板上形成热应力。由于现有的功率半导体模块的形状多个长方形，热应力容易集中于长方形的四个角上，因此，功率半导体模块工作时的热循环会导致绝缘基板和金属底板等在四个角上发生开裂，从而降低装置的安全性和可靠性。

另外，由于现有的功率半导体模块和电动汽车驱动用电动机采用分开设置的结构，因此，如图7所示，需要用不同的冷却系统(L1和L2)来对两者分别进行冷却，从而增加了冷却系统中水泵的压力损失，并导致了系统结构的复杂化和制造成本的上升。

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于，提供一种能内置于电动机壳体从而使电动机与驱动装置实现一体化的、安全性和可靠性较高的功率半导体模块。另外，本发明的目的还在于，提供一种内置有上述功率半导体模块的电动汽车驱动用电动机。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述问题，本发明的一个方面所涉及的功率半导体模块的特征在于，包括：金属底板，该金属底板在俯视下呈圆形；绝缘基板，该绝缘基板在俯视下呈圆环形，其一个面固定于所述金属底板，并且在俯视下，所述绝缘基板配置于所述金属底板的中央区域；多个功率半导体元件，该多个功率半导体元件在俯视下围绕所述金属底板的圆心呈放射状地均匀设置于所述绝缘基板的与所述金属底板相反的另一个面上；控制电路板，该控制电路板在俯视下呈圆环形，设置于所述金属底板的固定有所述绝缘基板的面上，并且在俯视下，所述控制电路板配置于所述金属底板的包围所述中央区域的周边区域；壳体，该壳体呈圆筒形，固定于所述金属底板的外周；以及盖板，该盖板在俯视下呈圆形，与所述壳体及所述金属底板一起构成收纳有所述多个功率半导体元件和所述控制电路板的空间。

本发明的另一个方面所涉及的功率半导体模块的特征在于，包括：金属底板，该金属底板在俯视下呈圆形；控制电路板，该控制电路板在俯视下呈圆环形，其一个面固定于所述金属底板，并且在俯视下，所述控制电路板配置于所述金属底板的中央区域；绝缘基板，该绝缘基板在俯视下呈圆环形，设置于所述金属底板的固定有所述控制电路板的面上，并且在俯视下，所述绝缘基板配置于所述金属底板的包围所述中央区域的周边区域；多个功率半导体元件，该多个功率半导体元件在俯视下围绕所述金属底板的圆心呈放射状地均匀设置于所述绝缘基板的与所述金属底板相反的另一个面上；壳体，该壳体呈圆筒形，固定于所述金属底板的外周；以及盖板，该盖板在俯视下呈圆形，与所述壳体及所述金属底板一起构成收纳有所述多个功率半导体元件和所述控制电路板的空间。

另外，优选为所述多个功率半导体元件包括多个IGBT和多个续流二极管，在俯视下，所述多个续流二极管配置在比所述多个IGBT更靠近所述金属底板圆心的位置。

另外，优选为所述控制电路板上安装有多个构成控制电路的控制元件，所述控制元件通过布线图案与所述多个功率半导体元件进行电连接，从而与所述多个功率半导体元件一起构成逆变器装置。

本发明的又一方面所涉及的电动汽车驱动用电动机的特征在于，包括：电动机主体；以及如上所述的功率半导体模块，该功率半导体模块内置于所述电动机主体的壳体内，所述电动机主体与所述功率半导体模块共用同一冷却系统。

发明效果

根据本发明，采用在俯视下呈圆形的金属底板、以及呈圆筒形并固定于所述金属底板外周的壳体来构成收纳有所述多个功率半导体元件和控制电路板的空间，因此，能方便地将功率半导体模块内置于电动汽车驱动用电动机的壳体内，从而能进一步实现装置的轻量化、紧凑化。另外，由于能将功率半导体模块内置于电动汽车驱动用电动机，从而能利用同一冷却系统来对功率半导体模块和电动汽车驱动用电动机两者进行冷却，因此，能减少水泵的压力损失。

附图说明

图1是表示采用本发明的实施方式所涉及的功率半导体模块的逆变器装置的电路结构图。

图2是表示实施方式1所涉及的功率半导体模块的结构的示意图，其中图2(a)是主视剖视图，图2(b)是俯视图。

图3是表示本发明的实施方式1所涉及的功率半导体模块的主要部分的放大图。

图4是表示本发明的实施方式2所涉及的功率半导体模块的主要部分的放大图。

图5是表示本发明的实施方式3所涉及的内置有功率半导体模块的电动汽车驱动用电动机及其冷却系统的配置关系的结构简图。

图6是表示现有的功率半导体模块的结构的示意图，其中图6(a)是主视剖视图，图6(b)是俯视图。

图7是现有的电动汽车驱动系统的结构简图。

具体实施方式

实施方式1.

下面，参照图1～3对本发明的实施方式1所涉及的功率半导体模块进行说明。

图1是表示采用本发明所涉及的功率半导体模块的逆变器装置101的电路结构图。如图1所示，逆变器装置101由进行三相桥式连接的6个IGBT103A、103B、103C(上桥臂)、103D、103E、103F(下桥臂)等构成，各IGBT上反向并联连接有续流二极管104A、104B、104C、104D、104E、104F，从而形成主电路102。另外，逆变器装置101还包括控制电路105。该控制电路105经由DC电力变压器108对流经三相交流电动机107的电流进行检测，并根据所检测出的电流来对各IGBT进行通断控制。由此，将由大容量直流电池106提供至三相桥式电路的上下桥臂的直流功率转换成交流功率，并提供给连接于上下桥臂中点的三相交流电动机107。

图2是表示实施方式1所涉及的功率半导体模块100的结构的示意图，其中图2(a)是主视剖视图，图2(b)是俯视图。其中，图2(b)中的粗实线表示功率半导体模块100的外部结构，细实线表示盖板7下的主要部分的结构。如图2所示，功率半导体模块100包括金属底板1、绝缘基板2、多个功率半导体元件12、控制电路板5、壳体6、以及盖板7。

金属底板1由例如铜、铝等导热性和散热性优良的材料构成，其形成为盘片形状，并且在俯视下大致呈圆形。

绝缘基板2在俯视下呈圆环形，具有比金属底板1的直径要小的外径。其一个面2a通过导热性粘接层11固定于金属底板1的面1a。并且在俯视下，将绝缘基板2配置于金属底板1的中央区域，使得与金属底板1具有相同圆心。

多个功率半导体元件12在俯视下围绕所述金属底板的圆心呈放射状地均匀设置在绝缘基板2的与金属底板1相反的另一方面2b上。关于所述多个功率半导体元件12的组成和具体配置方式，将在下文中进行详细描述。

控制电路板5在俯视下呈圆环形，具有比绝缘基板2的外径要略大的内径。将控制电路板5固定于金属底板1的固定有绝缘基板2的面1a上。并且在俯视下，将控制电路板5配置于金属底板1的包围中央区域的周边区域。在控制电路板5上，安装有多个构成如图1所示的控制电路105的控制元件，所述控制元件通过布线图案(未图示)与多个功率半导体元件12进行电连接，从而与多个功率半导体元件12一起构成如图1所示的逆变器装置101。

壳体6例如由树脂等绝缘材料所构成，呈圆筒形，并具有形状与金属底板1相匹配的台阶部6a。通过粘接剂将壳体6固定于金属底板1的外周。

盖板7例如由与壳体6相同的材料所构成，在俯视下呈圆形。盖板7与金属底板1及壳体6一起，构成收纳有多个功率半导体元件12和控制电路板5的空间8。

另外，在壳体6的端面6a上还形成有多个(此处为5个)主端子9和多个(此处为6个)控制输入端子10。所述多个主端子9例如分别用于接收来自大容量电池的直流功率的输入和向电动汽车驱动用电动机输出交流功率。所述多个控制输入端子10例如分别用于输入驱动信号以及来自DC电力变压器108的电流检测信号。并且，所述多个主端子9和所述多个控制输入端子10通过引线与功率半导体模块100内的所述布线图案相连接。

另外，在上述由壳体6、金属底板1及盖板7所构成的空间8内，也可以填充例如硅胶等密封材料。

图3是图2中的功率半导体模块100的主要部分的放大图。如图3所示，多个功率半导体元件12包括多个(此处为12个)IGBT 3和多个(此外为12个)续流二极管4。在俯视下，多个续流二极管4和围绕金属底板1的圆心呈放射状地均匀配置。并且，多个IGBT 3以彼此均匀分隔的方式包围多个续流二极管4进行配置。即，多个续流二极管4配置在比多个IGBT 3更靠近金属底板1的圆心的位置。

根据本实施方式的结构，由于功率半导体模块100在俯视下呈大致圆形，能方便地内置于电动汽车驱动用电动机的圆筒形外壳中，因此，能实现装置的轻量化、紧凑化。

另外，在功率半导体模块100工作时因大电流流过而产生的大量的热量经由绝缘基板2传导至金属底板1来进行散热。由于在俯视下本实施方式的绝缘基板2呈圆环形且金属底板1也呈圆形，因此，由上述热量所产生的热应力不会发生集中，从而不会因功率半导体模块100工作时的热循环而导致绝缘基板和金属底板等发生开裂。因此，能提高装置整体的安全性和可靠性。

另外，由于将安装有多个控制元件的控制电路板也集成到功率半导体模块100中，因此，能进一步使装置实现小型化、轻量化。

另外，根据本实施方式的上述结构，由于在功率半导体模块100工作时，流过多个IGBT 3的电流所导致的发热量比流过多个续流二极管4的电流所导致的发热量要大，因此，通过将多个续流二极管4配置在比多个IGBT 3更靠近金属底板1的圆心的位置，能尽可能增大发热量较大的IGBT之间的间隔，从而能进一步提高功率半导体模块100整体的散热性。

实施方式2.

下面，参照图4对本发明的实施方式2所涉及的功率半导体模块进行说明。

图4是表示本发明的实施方式2所涉及的功率半导体模块的主要部分的放大图。如图4所示，本实施方式2与实施方式1的主要区别在于，将安装有控制元件的控制电路板5配置于金属底板1的中央区域，并将安装有多个功率半导体元件12的绝缘基板2配置于金属底板1的包围中央区域的周边区域。实施方式2的功率半导体模块的其它结构与实施方式1相同，因此省略说明。

根据上述结构，能进一步增大用于配置功率半导体元件的绝缘基板的面积。因此，在功率半导体元件的数量与实施方式1相同的情况下，能进一步增大发热量较大的IGBT和续流二极管之间的间隔，从而能进一步提高功率半导体模块的散热性。

实施方式3.

下面，参照图5对本发明的实施方式3所涉及的内置有功率半导体模块的电动汽车驱动用电动机的结构进行说明。

图5是表示本发明的实施方式3所涉及的内置有功率半导体模块的电动汽车驱动用电动机及其冷却系统的配置关系的结构简图。如图5所示，电动机M包括定子31、转子32、转子轴33、端盖34、以及其中形成有水道O的壳体35。定子31、转子32、转子轴33、端盖34与壳体35一起构成电动机主体，并且，所述其中形成有水道O的壳体35起到作为水冷散热器(冷却系统的一个示例)的作用。另外，如图5所示，壳体35的隔板部35a将电动机主体的壳体内部分割为定转子容纳空间Op1和控制电路容纳空间Op2。在控制电路容纳空间Op2中，在隔板部35a的与定转子容纳空间Op1相反一侧的壁面上，固定有功率半导体模块100的金属底板1。所述功率半导体模块100具有如上述实施方式1、2所述的结构，此处省略说明。在本实施方式的隔板部35a中，也形成有水道O，即，电动机主体与所述功率半导体模块100共用同一壳体35作为冷却系统。

根据上述结构，由于功率半导体模块与电动汽车驱动用电动机主体能使用同一冷却系统来进行冷却，因此，能减小冷却系统中水泵的压力，从而能简化系统结构，并能降低系统的制造成本。

此外，本发明并不限于上述各实施方式，在权利要求所示的范围内可以做种种变更，对不同实施方式中分别揭示的技术手段进行适当组合而获得的实施方式也包括在本发明的技术范围内。

标号说明

1、201 金属底板

2、202 绝缘基板

3、203 IGBT

4、204 续流二极管

5 控制电路板

6、206 壳体

7、207 盖板

8、208 空间

9、209 主端子

10、210 控制输入端子

11 导热性粘接层

12 功率半导体元件

M、M’ 电动机

31 定子

32 转子

33 转子轴

34 端盖

35 壳体

35a 隔板部

O 水道

Op1 定转子容纳空间

Op2 控制电路容纳空间

101 逆变器装置

102 主电路

103A～103F IGBT

104A～104F 续流二极管

105 控制电路

106 大容量直流电池

107 三相交流电动机

108 DC电力变压器

100、200 功率半导体模块

Q 驱动器

300 控制电路板

400 驱动电路板

500 电容器组件

600 壳体

L1、L2 水冷散热器(冷却系统)。

Claims

1.一种功率半导体模块，其特征在于，包括：

金属底板，该金属底板在俯视下呈圆形；

绝缘基板，该绝缘基板在俯视下呈圆环形，其一个面固定于所述金属底板，并且在俯视下，所述绝缘基板配置于所述金属底板的中央区域；

多个功率半导体元件，该多个功率半导体元件在俯视下围绕所述金属底板的圆心呈放射状地均匀设置于所述绝缘基板的与所述金属底板相反的另一个面上；

控制电路板，该控制电路板在俯视下呈圆环形，设置于所述金属底板的固定有所述绝缘基板的面上，并且在俯视下，所述控制电路板配置于所述金属底板的包围所述中央区域的周边区域；

壳体，该壳体呈圆筒形，固定于所述金属底板的外周；

以及盖板，该盖板在俯视下呈圆形，与所述壳体及所述金属底板一起构成收纳有所述多个功率半导体元件和所述控制电路板的空间。

2.一种功率半导体模块，其特征在于，包括：

金属底板，该金属底板在俯视下呈圆形；

控制电路板，该控制电路板在俯视下呈圆环形，其一个面固定于所述金属底板，并且在俯视下，所述控制电路板配置于所述金属底板的中央区域；

绝缘基板，该绝缘基板在俯视下呈圆环形，设置于所述金属底板的固定有所述控制电路板的面上，并且在俯视下，所述绝缘基板配置于所述金属底板的包围所述中央区域的周边区域；

壳体，该壳体呈圆筒形，固定于所述金属底板的外周；

3.如权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，

所述多个功率半导体元件包括多个IGBT和多个续流二极管，

在俯视下，所述多个续流二极管配置在比所述多个IGBT更靠近所述金属底板圆心的位置。

4.如权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于，

所述控制电路板上安装有多个构成控制电路的控制元件，

所述控制元件通过布线图案与所述多个功率半导体元件进行电连接，从而与所述多个功率半导体元件一起构成逆变器装置。

5.一种电动汽车驱动用电动机，其特征在于，包括：

电动机主体；以及

如权利要求1至4的任一项所述的功率半导体模块，该功率半导体模块内置于所述电动机主体的壳体内，

所述电动机主体与所述功率半导体模块共用同一冷却系统。