CN107078659A - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的为在不使生产效率变低的情况下抑制冷却介质绕到非冷却部。本发明的电力转换装置包括功率半导体组件、和形成有配置上述功率半导体组件的流路和与该流路相连的开口的流路形成体，上述功率半导体组件在一个面上形成第一散热片，在隔着上述半导体元件与上述一个面相对的另一个面上形成第二散热片，上述流路形成体具有以将上述第一散热片夹在中间的方式配置的第一冷却介质抑制部和第二冷却介质抑制部，上述第一冷却介质抑制部和上述第二冷却介质抑制部以与上述功率半导体组件的没有形成上述第一散热片的区域重叠的方式形成，设置有沿着上述第一冷却介质抑制部和上述第二冷却介质抑制部形成的第一流路。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及电力转换装置。
背景技术
近年来，随着混合动力汽车和电动汽车的普及，电力转换装置的散热管理的必要性增加。因此，将功率半导体组件浸渍在流动冷却介质的流路中，来实现冷却性能的提高。
但是，在将功率半导体组件放入流路的结构中，冷却介质绕过散热片地流动，使供给到散热片的冷却介质的流量减少，功率半导体组件的冷却性能降低。
专利文献(日本特开2011-114965号公报)中记载的技术中，在散热片与框体或散热片与流路形成体之间安装流路控制部件，抑制冷却介质绕过散热片。
然而，流路控制部件的安装难以自动化，存在生产效率上的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-114965号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明所要解决的问题是在不使生产效率变低的情况下抑制冷却介质绕到冷却部。
解决问题的技术手段
本发明的电力转换装置包括具有半导体元件的功率半导体组件；和形成有配置上述功率半导体组件的流路和与该流路连通的开口的流路形成体，
上述功率半导体组件在一个面上形成第一散热片，在隔着上述半导体元件与上述一个面相对的另一个面上形成第二散热片，
上述流路形成体具有以将上述第一散热片夹在中间的方式配置的第一冷却介质抑制部和第二冷却介质抑制部，
上述第一冷却介质抑制部和上述第二冷却介质抑制部形成为，从上述功率半导体组件的上述一个面的垂直方向观察时，与上述功率半导体组件的没有形成上述第一散热片的区域重叠，
上述流路形成体设置有：沿着上述第一冷却介质抑制部和上述第二冷却介质抑制部形成的第一流路；隔着上述功率半导体组件形成在与上述开口相反的一侧的折返流路；和在与上述第一流路的流动方向相反的方向上沿着上述功率半导体组件形成的第二流路。
发明效果
通过本发明能够提高生产效率和冷却性能。
附图说明
图1是图2的电力转换装置200沿平面X剖开的剖视图X。
图2是本实施方式的电力转换装置200的外观立体图。
图3是本实施方式的电力转换装置200的展开立体图。
图4是图2的电力转换装置200沿平面Y剖开的剖视图Y。
图5是能看见流路形成体400的入口部442的立体图。
图6是能看见流路形成体400的出口部490的立体图。
图7是功率半导体组件300的外观立体图。
图8是除去封装树脂331后的电路体330的分解立体图。
图9是功率半导体组件300与第一冷却介质抑制部471及第二冷却介质抑制部472的配置关系的概要图。
图10是从图9的平面A-A箭头方向观察的剖视图。
图11是图9的功率半导体组件300和流路形成体400的剖视图B-B。
具体实施方式
对用于实施本发明的方式利用附图进行说明。图2是本实施方式的电力转换装置200的外观立体图。
电力转换装置200与电动发电机输入输出由U相、V相、W相构成的三相交流电力。
功率半导体组件300分别对应U相、V相、W相这三相而设置，通过正极端子311和负极端子312输入输出直流电力。此外，功率半导体组件300从交流端子313输入输出交流电力。信号端子314、315接收来自驱动电路的控制信号。
功率半导体组件300还具有接收控制信号进行导通或切断动作，并将提供的直流电力转换成三相交流电力的半导体元件。
并且，功率半导体组件300利用从外部提供的冷却介质来冷却伴随半导体元件的动作的发热。
电力转换装置200具有收纳功率半导体组件300的流路形成体400。
流路形成体400具有作为冷却介质入口的第一管道411和作为冷却介质出口的第二管道412。第一管道411至第二管道412被压入到流路形成体400内。此外，流路形成体400由铝或树脂等成形。
图3为本实施方式的电力转换装置300的展开立体图。
流路形成体400形成分别用于插入三个功率半导体组件300的开口451。功率半导体组件300按照插入方向370的方向插入开口451。
此外，功率半导体组件300具有用于密封开口451的密封部件351。密封部件351设置于功率半导体组件300的密封部350。密封部350也可以利用粘合剂、钎焊或焊接来密封。
图1是图2的电力转换装置200沿平面X剖开的剖视图X。图4是图2的电力转换装置200沿平面Y剖开的剖视图Y。
流路形成体400具有流动有冷却介质的流路441。流路441以与开口451连通的方式形成。入口部442形成在靠近流路形成体400的密封部452的一侧，即靠近功率半导体组件300的密封部350的一侧。
第一流路443形成在功率半导体组件300的一个面354侧。第一流路443形成为使冷却介质向远离密封部452的方向流动。
第二流路444形成在功率半导体组件300的另一个面355侧。第二流路444形成为使冷却介质向接近密封部452的方向流动。
折返流路445形成在流路形成体400的与开口451相反一侧。折返流路445以连接第一流路443和第二流路444的方式配置。冷却介质经第一流路443、折返流路445、第二流路444流动，来冷却功率半导体组件300。第一流路443和第二流路444以冷却介质的流动方向与插入方向370平行的方式形成。
第一功率半导体组件300a、第二功率半导体组件300b、第三功率半导体组件300c分别对应U相、V相、W相的其中之一。第一功率半导体组件300a、第二功率半导体组件300b、第三功率半导体组件300c与图2和图3所示的功率半导体组件300为相同结构。
第一管道411配置在流路形成体400的侧面，具有向流路441供给冷却介质的流路导入部401。流路导入部401配置在流路形成体400的侧面的大致中央部，与入口部442连通，向箭头方向供应冷却介质。
第二管道412配置在流路形成体400的侧面，具有向流路441供给冷却介质的流路导出部402。流路导出部402配置在流路形成体400的侧面的大致中央部，与第二流路444连通，向箭头方向供给冷却介质。
图5是能看见流路形成体400的入口部442的立体图。图6是能看见流路形成体400的出口部490的立体图。
流路形成体400形成有收纳第一功率半导体组件300a的第一流路空间441a、收纳第二功率半导体组件300b的第二流路空间441b和收纳第三功率半导体组件300c的第三流路空间441c。
流路形成体400在第一流路空间441a、第二流路空间441b和第三流路空间441c各自之间形成流路壁。
如图5所示，流路形成体400具有连接流路导入部401和第一流路空间441a的第一连接部446。此外，流路形成体400具有连接第一流路空间441a和第二流路空间441b的第二连接部447。进一步地，流路形成体400具有连接第二流路空间441a与第三流路空间441b的第三连接部448。此外，如图6所示，流路形成体400具有连接第三流路空间441c与流路导出部402的第四连接部449。
图7是功率半导体组件300的外观立体图。
功率半导体组件300通过正极端子311和负极端子312输入直流电力。交流端子313输出交流电力。信号端子314和315接收来自驱动电路的控制信号。
封装树脂331对正极端子311的一部分、负极端子312的一部分、信号端子314和315的一部分以及半导体元件进行封装。壳体341收纳封装树脂331的一部分。
壳体341包括：形成有第一散热片343a的第一散热基部344a；与该第一散热基部344a相对配置，形成有第二散热片343b的第二散热基部344b；和连接第一散热基部344a与第二散热基部344b的框体342。
第一散热片343a形成在功率半导体组件300的一个面354上。第二散热片343b形成在功率半导体组件300的一个面355上。
框体342经由连接部305与第一散热基部344a连接。第二散热基部344b也同样地与框体342连接。
第一散热片343a、第二散热片343b、第一散热基部344a和第二散热基部344b优选为热传导良好的材料，由纯铝材、纯铜或铜合金等形成。框体342优选为易于生产性且具有刚性的材料，由铝合金压铸材料或硬铝等形成。
连接部305通过FSW(搅拌摩擦焊)或钎焊来接合，将框体342与第一散热基部344a、框体342与第二散热基部344b密封。此外，这里的密封也可利用O型圈或粘合剂。
图8是除去封装树脂331后的电路体330的分解立体图。
电路体330由逆变电路的上臂和下臂构成，具有上臂侧半导体元件323和下臂侧半导体元件324。
上臂侧半导体元件323由IGBT 321U和二极管322U构成。IGBT 321U与二极管322U通过正极侧导体板334、第一中间导体板335和焊料360进行连接。
IGBT 321U经由接合线363与信号端子314连接，经由信号端子314从驱动电路接收控制信号。
下臂侧半导体元件324由IGBT 321L和二极管322L构成。IGBT 321L与二极管322L经由第二中间导体板336、负极侧导体板337和焊料360进行连接。
IGBT 321L经由接合线363与信号端子315连接，经由信号端子314从驱动电路接收控制信号。
IGBT 321U和IGBT 321L也可使用金属氧化物半导体型场效应管(以下简记为MOSFET)。
第一中间导体板335通过焊料361与第二中间导体板336连接。负极侧导体板337具有中间直流负极端子316。中间直流负极端子316通过焊料362与负极端子312连接。
正极侧导体板334与正极端子311连接。第二中间导体板336与交流端子313连接。交流端子313也可形成在第一中间导体板335上。
正极侧导体板334、第一中间导体板335、第二中间导体板336和负极侧导体板337由铜等形成。
图9是功率半导体组件300与第一冷却介质抑制部471及第二冷却介质抑制部472的配置关系的概要图。图10是从图9的平面A-A箭头方向观察的剖视图。
如图10所示，功率半导体组件300中，在一个面354上形成第一散热片343a，在与一个面354相对的另一个面355上形成第二散热片343b。
如图9所示，功率半导体组件300沿插入方向370的方向插入到设于流路形成体400上的开口451中。流路形成体400以将第一散热片343a夹在中间的方式设置有第一冷却介质抑制部471和第二冷却介质抑制部472。第一冷却介质抑制部471和第二冷却介质抑制部472形成为，从功率半导体组件300的一个面354的垂直方向观察时，与功率半导体组件300的没有形成第一散热片343a的区域重叠。
流路形成体400设置有沿第一冷却介质抑制部471和第二冷却介质抑制部472形成的第一流路443。此外，流路形成体400设置有隔着功率半导体组件300形成在与开口451相反的一侧的折返流路445。进一步地，流路形成体400设置有位于第一流路443的流动方向的相反侧且沿功率半导体组件300形成的第二流路444。
第一冷却介质抑制部471和第二冷却介质抑制部472通过配置在没有形成第一散热片343a的一个面上，来抑制冷却介质绕到散热片侧面，抑制冷却性能的降低。
第一流路443和第二流路444通过沿着第一冷却介质抑制部471、第二冷却介质抑制部472和功率半导体组件300，能够与流路形成体400一体地形成流路441。
第一冷却介质抑制部471和第二冷却介质抑制部472，通过与流路形成体400一体地构成，而无需安装流路控制部件，因此能够实现组装工序减少和部件削减，能够提高生产效率。
如图10所示，流路形成体400以将第二散热片343b夹在中间的方式具有第三冷却介质抑制部473和第四冷却介质抑制部474。从功率半导体组件300的另一个面355的垂直方向观察时，第三冷却介质抑制部473和第四冷却介质抑制部474以与功率半导体组件300的没有形成第一散热片343b的区域重叠的方式形成。
第三冷却介质抑制部471和第四冷却介质抑制部472能够抑制流向没有形成第二散热片343a的另一个面345的冷却介质，能够获得与第一冷却介质抑制部471和第二冷却介质抑制部472相同的效果。
在第一冷却介质抑制部471和第二冷却介质抑制部472为与插入方向370不同的方向的情况下，需要与开口451不同的用于加工的开口。在本实施方式中，第一冷却介质抑制部471和第二冷却介质抑制部472沿着将功率半导体组件300从开口451插入到流路441中的插入方向370而形成。由此，能够容易地制造，获得生产效率的提高。
图11是图9的功率半导体组件300和流路形成体400的剖视图B-B。
电路体330，利用封装树脂331封装半导体元件或导体板，在利用作为绝缘部件起作用的绝缘片333进行绝缘的状态下，被收纳到壳体341中。半导体元件构成逆变电路的上臂侧半导体元件323和下臂侧半导体元件324。上臂侧半导体元件323为IGBT 321U、二极管322U。下臂侧半导体元件324为IGBT 321L、二极管322L。对于半导体元件，利用焊料360以夹住半导体元件的方式将其连接到导体板。
导体板由正极侧导体板334、第一中间点导体板335、第二中间点导体板336、负极侧导体板337构成。IGBT 321U经由接合线363与信号线314连接。IGBT 322L经由接合线363与信号线315连接。
壳体341由第一散热基部344a、第二散热基部344b和框体342构成。框体342经由连接部305与第一散热基部344a、第二散热基部344b连接。散热片由第一散热片343a和第二散热片343b构成。第一散热片343a形成在功率半导体组件300的一个面354上。第二散热片343b形成在隔着半导体元件与一个面354相对的另一个面355上。
功率半导体组件300被收纳于形成流路441的流路形成体400中。流路形成体400设置有与流路441相连的开口451。开口451通过设于壳体341上的密封部350和密封部件351被密封。
流路形成体400在与设于靠近密封部350的位置上的连接部305相对的位置具有入口部442。入口部442在沿功率半导体组件300远离密封部350的方向上与第一流路443相连。
第一流路443与设置在与开口451相反方向上的折返流路445相连。折返流路445与在第一流路的流动方向的相反方向上沿着功率半导体组件300形成的第二流路连接。
关于连接部305，与没有连接部305时的壳体341的结构相比，没有形成散热片的区域增大。这是因为，在第一散热基部344a与框体342的连接工序后，在连接部305上形成散热片对制造成本不利。
本实施方式的流路形成体400即使为具有连接部305的结构，也能够容易地形成图9所示的第一冷却介质抑制部471、第二冷却介质抑制部472、第三冷却介质抑制部473和第四冷却介质抑制部473，能够提高生产效率。
此外，如图8所示，上臂侧半导体元件343和下臂侧半导体元件344配置在与插入方向370大致垂直的方向上，在将第一流路443中流动的冷却介质的流动方向横穿的方向上排列。
由此，由于上臂侧半导体元件343和下臂侧半导体元件344相对于冷却介质流动方向不重叠，因此能够抑制上下臂之间的冷却状态的不均匀，能够提高冷却性能。
此外，半导体元件在一个面上形成第一电极面325和控制电极面326，在另一个面上形成第二电极面327。半导体元件以使第二电极面327相比第二流路444更接近第一流路443的方式配置。第一电极面325和第二电极面327通过焊料360连接到导体板。导体板通过散热基部344和第一散热片343a、第二散热片343b被冷却介质冷却。第一电极面例如为发射极电极面。控制电极面例如为栅极电极面。第二电极面例如为集电极电极面。
由此，第二电极面327以及具有控制电极面326的第一电极面325的面积大，对散热起到贡献的面积较大。第一流路443由于在入口部442附近，且散热基部附近的流速较大，因此能够提高冷却性能。
此外，相对于一个流路形成体400，功率半导体组件300并不限定于3个，例如也可为1个的结构或6个的结构。流路441可针对多个功率半导体组件300使冷却介质的流动分支地流动，在冷却介质的供应量确保充足的情况下，相比没有分支的情况，能够减少压损。
附图记号说明
200……电力转换装置，300……功率半导体组件，300a……第一功率半导体组件，300b……第二功率半导体组件，300c……第三功率半导体组件，305……连接部，311……正极端子，312……负极端子，313……交流端子，314……信号端子，315……信号端子，316……中间直流负极端子，321L……IGBT，321U……IGBT，322L……二极管，322U……二极管，323……上臂侧半导体元件，324……下臂侧半导体元件，330……电路体，331……封装树脂，333……绝缘片，334……正极侧导体板，335……第一中间导体板，336……第二中间导体板，337……负极侧导体板，341……壳体，342……框体，343a……第一散热片，343b……第二散热片，344a……第一散热基部，344b……第二散热基部，350……密封部，351……密封部件，354……一个面，355……另一个面，360……焊料，361……焊料，362……焊料，363……接合线，370……插入方向，401……流路导入部，402……流路导出部，440……流路形成体，411……第一管道，412……第二管道，441……流路，441a……第一流路空间，441b……第二流路空间，441c……第三流路空间，442……入口部，443……第一流路，444……第二流路，445……折返流路，446……第一连接部，447……第二连接部，448……第三连接部，449……第四连接部，451……开口，452……密封部，471……第一冷却介质抑制部，472……第二冷却介质抑制部，473……第三冷却介质抑制部，474……第四冷却介质抑制部。

Claims (5)

1.一种电力转换装置，其特征在于，包括：
具有半导体元件的功率半导体组件；和
形成有配置所述功率半导体组件的流路和与该流路连通的开口的流路形成体，
所述功率半导体组件在一个面上形成第一散热片，在隔着所述半导体元件与所述一个面相对的另一个面上形成第二散热片，
所述流路形成体具有以将所述第一散热片夹在中间的方式配置的第一冷却介质抑制部和第二冷却介质抑制部，
所述第一冷却介质抑制部和所述第二冷却介质抑制部形成为，从所述功率半导体组件的所述一个面的垂直方向观察时，与所述功率半导体组件的没有形成所述第一散热片的区域重叠，
所述流路形成体设置有：沿着所述第一冷却介质抑制部和所述第二冷却介质抑制部形成的第一流路；隔着所述功率半导体组件形成在与所述开口相反的一侧的折返流路；和在与所述第一流路的流动方向相反的方向上沿着所述功率半导体组件形成的第二流路。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
所述第一冷却介质抑制部和第二冷却介质抑制部沿着将所述功率半导体组件从所述开口插入到所述流路中的插入方向而形成。
3.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于：
所述功率半导体组件包括具有所述半导体元件的电路体和收纳所述电路体的壳体，
所述壳体包括：具有散热片的散热基部；经由连接部与该散热基部连接的框体；和密封所述流路形成体的开口的密封部，
所述流路形成体设置有与设置于靠近所述密封部的位置的所述连接部相对且与所述第一流路连通的入口部。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电力转换装置，其特征在于：所述功率半导体组件的所述半导体元件具有：构成逆变电路的上臂的多个上臂侧半导体元件；和构成所述逆变电路的下臂的多个下臂侧半导体元件，
所述多个上臂侧半导体元件和所述多个下臂侧半导体元件在将所述第一流路中流动的冷却介质的流动方向横穿的方向上排列。
5.如权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于：
所述半导体元件，在一个面形成第一电极面和控制电极面，在另一个面形成第二电极面，
并且，所述半导体元件以所述第二电极面比所述第二流路靠近所述第一流路的方式配置。
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