CN107408554A - 功率半导体组件和电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于同时实现双面冷却型电力转换装置的薄型化和小型化。本发明的功率半导体组件包括具有功率半导体元件和端子的电路体(302)和形成收纳电路体(302)的收纳空间(306)的壳体(304)，壳体(304)包括：隔着收纳空间(306)相对配置的第一散热部(305a)和第二散热部(305b)；配置在第一散热部(305a)的侧部并且供所述端子贯通的第一开口(311)；以包围第一开口(311)的方式形成的密封面(309)；和配置在第二散热部(305b)的侧部的基准面(308)，基准面(308)以从基准面(308)的垂直方向投影时基准面(308)的投影部与密封面(309)的投影部重叠的方式，形成在壳体(304)的与密封面(309)所配置的面相反的一侧的面。

Description

功率半导体组件和电力转换装置
技术领域
本发明涉及用于将直流电流转换成交流电流的功率半导体组件和电力转换装置，尤其涉及对混合动力车和电动汽车的驱动用电动机供给交流电流的电力转换装置。
背景技术
主要对于车载用的电力转换装置而言，不仅要求能够输出大电流，还要求实现小型化。当电力转换装置要输出大电流时，内置于功率半导体组件中的功率半导体元件所产生的热将会增大，若不提高功率半导体组件和电力转换装置的热容，将会达到功率半导体元件的耐热温度，阻碍小型化的实现。因此，开发了通过对功率半导体元件从两个面进行冷却来提高冷却效率的双面冷却型功率半导体组件和使用了这样的组件的双面冷却型电力转换装置。
作为这样的结构的电力转换装置的示例，专利文献1公开了一种功率组件结构，其中利用板状的引线框将构成逆变器电路的桥臂的功率半导体元件的两个主面夹住来构成功率组件，将其内置到密闭的散热壳体中再浸渍到水路箱体内，从两个面对功率半导体进行冷却。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-057212号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
近年来，由于电力转换装置在车辆上的搭载位置的影响，对电力转换装置的外形的要求也变得各种各样，其中薄型化的要求也增多起来。专利文献1的电力转换装置存在着密封部及其外围的安装部对薄型结构化、小型化造成妨碍的问题。为了同时实现电力转换装置的薄型化和小型化，需要一种使可提高功率半导体元件的冷却性能的双面冷却功率组件薄型化的结构。
本发明的目的在于，同时实现双面冷却型电力转换装置的薄型化和小型化。
解决问题的技术手段
本发明的功率半导体组件包括具有功率半导体元件和端子的电路体，和形成收纳上述电路体的收纳空间的壳体，上述壳体具有：与上述收纳空间相对配置的第一散热部；隔着上述收纳空间与上述第一散热部相对配置的第二散热部；配置在上述第一散热部的侧部并且供上述端子贯通的第一开口；以包围上述第一开口的方式形成的密封面；和配置在上述第二散热部的侧部的基准面，上述基准面，以在从上述基准面的垂直方向投影时该基准面的投影部与上述密封面的投影部重叠的方式，形成在上述壳体的与上述密封面所配置的面相反的一侧的面。
发明效果
能够同时实现双面冷却型电力转换装置的薄型化和小型化。
附图说明
图1是逆变器装置的电路图。
图2(a)是功率半导体组件的立体图。
图2(b)是功率半导体组件的剖视图。
图2(c)是表示功率半导体组件的组装工序的分解剖视图。
图2(d)是表示功率半导体组件的内置电路的等效电路图。
图3是表示将功率半导体组件组装到流路形成体的工序的分解剖视图。
图4是表示本实施例的结构的电力转换装置的剖视图。
图5(a)是第二实施例的功率半导体组件300的剖视图。
图5(b)是表示第二实施例中组装功率半导体组件300的工序的分解立体图。
图5(c)是表示第二实施例中将功率半导体组件300组装到水路箱体中的工序的分解剖视图。
具体实施方式
以下一边参照附图一边对本发明的电力转换装置详细进行说明。
实施例1
本实施方式的电力转换装置能够应用于混合动力汽车和纯电动汽车。车辆驱动用逆变器装置将从构成车载电源的车载电池或车载发电装置供给的直流电力转换成规定的交流电力，并将得到的交流电力供给到车辆驱动用电动机，对车辆驱动用电动机进行驱动。并且，车辆驱动用电动机还具有作为发电机的功能，因此车辆驱动用逆变器装置根据运转模式还具有将车辆驱动用电动机产生的交流电力转换成直流电力的功能。另外，本实施方式的结构最优适用于汽车、卡车等的车辆驱动用电力转换装置，但对于除此之外的电力转换装置，例如列车、船舶、航空器等的电力转换装置，以及作为对工场的设备进行驱动的电动机的控制装置所使用的工业用电力转换装置，或者家用太阳能发电系统、对家用电气产品进行驱动的电动机的控制装置中使用的家用电力转换装置，也均能够适用。
使用图1说明逆变器装置140的电气回路结构。
在逆变器电路144中，与电动发电机192的电枢绕组的各相绕组对应地设置有3个相(U相、V相、W相)的上下桥臂串联电路150，其中该上下桥臂串联电路150由作为上桥臂工作的IGBT328和二极管156以及作为下桥臂工作的IGBT330和二极管166构成。各上下桥臂串联电路150与从其中点部分(中间电极169)通过交流端子159和交流连接器188去往电动发电机192的交流电力线(交流汇流条)186连接。
上桥臂的IGBT328的集电极153经正极端子(P端子)157与电容器组件500的正极侧的电容器电极电连接，下桥臂的IGBT330的发射极经负极端子(N端子)158与电容器组件500的负极侧的电容器电极电连接。
IGBT328包括集电极153、栅极154和信号用发射极155。IGBT330包括集电极163、栅极164和信号用发射极165。二极管156与IGBT328电并联连接。二极管166与IGBT330电并联连接。作为开关用功率半导体元件也可以使用MOSFET(金属氧化物半导体型场效应晶体管)，但该情况下则不再需要二极管156和二极管166。电容器组件500经直流连接器138与正极侧电容器端子506和负极侧电容器端子504电连接。另外，逆变器装置140经直流正极端子314与正极侧电容器端子506连接，并且经直流负极端子316与负极侧电容器端子504连接。
此外，图1中的栅极154和信号用发射极155对应于后述图2的信号连接端子327U。图1中的栅极164和发射极165对应于图2的信号连接端子327L。图1中的正极端子157为图2的正极侧端子315D。图1中的负极端子158为图2的负极侧端子319D。图1中的交流端子159为图2的交流端子320D。
接着，使用图2至图4说明本实施方式的功率半导体组件300和使用了它的双面冷却型电力转换装置299的实施方式。
图2(a)是表示本实施方式的功率半导体组件300的概略结构的外观立体图。图2(b)是图2(a)的剖面2B处的剖视图。图2(c)是表示功率半导体组件300的组装工序的分解剖视图。图2(d)是与图2(c)对应的电路结构图。
功率半导体组件300包括内置了功率半导体元件的电路体302、壳体框304和散热底座307。壳体框304形成收纳电路体302的收纳空间306和与该收纳空间306相连的开口部306a。
壳体框304在与形成有开口部306a一侧的面相反的一侧的面上，具有形成有翅片的散热部305a。翅片散热部305a以与收纳空间306相对的方式配置。并且，壳体框304具有形成在散热部305a的侧部的端子贯通孔311。端子贯通孔311与收纳空间306相连，使配置在收纳空间306的电路体302的端子贯通其中。在端子贯通孔311的周围形成有O形环槽312。O形环槽312形成在以包围端子贯通孔311的方式形成的密封面309。
电路体302以在该电路体302与壳体框304之间夹着绝缘部件333的方式，收纳在壳体框304的收纳空间306中。在电路体302中，作为功率半导体元件具有IGBT328、330和二极管156、166。这些功率半导体元件设置在与散热部305a相对的位置上，通过在散热部305a的翅片间流动的冷却介质进行散热。
在功率半导体元件328、156的一个面侧配置有导体部315，而在另一个面侧配置有导体部318。在功率半导体元件330、166的一个面侧配置有导体部320，而在另一个面侧配置有导体部319。构成上桥臂电路的IGBT328和二极管156被导体部315和318以平行地夹着的方式金属接合。构成下桥臂电路的IGBT330和二极管166被导体部320和319以平行地夹着的方式金属接合。
功率半导体元件328、330、156、166和导体部315、318、319、320由树脂密封材料348密封。导体部315、320、319的一部分从树脂密封材料348伸出，分别形成正极侧端子315D、交流端子320D、负极侧端子319D。另外，信号连接端子327U、327L也从树脂密封材料348伸出。这些端子从树脂密封材料348伸出，进而大致直角地弯曲而形成。弯曲端子的前端穿过端子贯通孔311延伸到壳体框304的外部。
在电路体302收纳于收纳空间306中的状态下，利用散热底座307封闭壳体框304的开口部306a。散热底座307在与功率半导体元件相对的区域上形成有具有翅片的散热部305b。在散热底座307与电路体302之间配置有绝缘部件333。散热底座307通过金属接合等与壳体框304接合。由此，将收纳空间306的开口部306a一侧密闭。散热底座307作为将壳体框304的开口部306a封闭的盖子发挥作用，并且也作为将功率半导体元件的发热传递到冷却介质上的散热部发挥作用。
在散热底座307与壳体框304接合的状态下，在散热部305b的侧部形成基准面308。基准面308是在壳体框304的一侧的面形成的平坦的面。基准面308以与密封面309大致平行的方式设置。基准面308形成为，在从与该基准面308的面内方向垂直的方向投影时，基准面308的投影部与密封面309的投影部重叠。基准面308与密封面309为相对于壳体框304在两侧彼此相对配置的关系。像这样，通过使基准面308与密封面309在垂直方向上重叠，基准面308作为承受对配置在O形环槽312中的O形环进行挤压的负荷的面发挥作用。
另外，在本实施例中，散热底座307与壳体框304的接合部设置于在垂直方向上与密封面309重叠的基准面308内。因此，密封面309作为承受将散热底座307与壳体框304接合时的接合负荷的面发挥作用。为了利用后述的盖313等部件在其与O形环槽312之间保持密封部件，密封面309形成为较高的刚性。从而，密封面309能够对接合散热底座307时的负荷牢固地进行支承。
并且，在使用接合工具进行将散热底座307与壳体框304接合的工作时，由于连接部附近没有设置会与连接工具干涉的部分而是形成为平坦的基准面308，所以也能够使接合工作容易进行。另外，不需要为了避免与接合工具干涉而过量地设置空间，所以能够实现功率半导体组件整体的小型化、省面积化。
在散热底座307中，在形成有翅片305b的区域，和形成于其周围的与壳体框304接合的接合部附近的区域上，能够改变部件的厚度。例如，相比形成有翅片305b的区域上的散热底座的厚度，通过减小与壳体框304接合的接合部附近的区域上的散热底座的厚度，能够提高散热性能和制造组装性、可靠性。
翅片305a和305b由具有导电性的部件，例如Cu、Cu合金、Cu-C、Cu-CuO等复合材料，或者Al、Al合金、AlSiC、Al-C等复合材料等形成。
作为电路体302中使用的密封树脂材料348，例如能够使用以酚醛系、多官能系、联苯系的环氧树脂系为基体的树脂。通过使密封树脂材料348含有SiO2、Al2O3、AlN、BN等陶瓷和/或凝胶、橡胶等，能够使其热膨胀系数接近导体部。由此，能够减小部件间的热膨胀系数差，随使用环境下的温度上升而发生的热应力大幅减小，因此能够延长功率半导体组件的寿命。
将功率半导体元件与导体部接合的金属接合剂能够使用例如Sn合金系的软钎料(焊锡)，Al合金、Cu合金等硬钎料，或者使用了金属纳米颗粒、微米颗粒的金属烧结材料。
图3是表示将功率半导体组件300组装到流路形成体400上的工序的分解剖视图。流路形成体400具有流路空间405和与流路空间405相连的流路开口403。功率半导体组件300穿过流路开口403收纳在流路空间405内。
流路形成体400在流路空间405内形成有组件支承面406。组件支承面406与功率半导体组件300的基准面308抵接。并且，流路形成体400形成有相比组件支承面406向底部侧凹陷的供配置翅片305b的空间。由于组件支承面406形成至翅片305b的形成区域的附近，所以流路形成体400能够抑制在功率半导体组件300的翅片305b间流动的冷却介质的旁流。因此，流路形成体400的流路空间405的结构优选依照功率半导体组件300的尤其是翅片305b的形状设计。
在收纳了功率半导体组件300的状态下，流路开口403由盖413封闭。盖413利用在形成于流路形成体400上的O形环槽404中配置的O形环将流路空间405密闭。对于功率半导体组件300而言，盖413配置在形成有密封面309和散热部305a的一侧。在形成于散热部305a的翅片间和盖413所包围的空间，与散热部305b一侧同样地流通冷却介质。
盖413上形成有端子开口413A。功率半导体组件300的端子贯通端子开口413A。盖413夹着配置在O形环槽312中的O形环将功率半导体组件300向流路形成体400一侧按压。利用夹持在盖413与O形环槽312之间的O形环构成气密，因此在散热部305a的区域流动的冷却介质不会从端子贯通孔311泄漏到功率半导体组件300内部。
被盖413按压的功率半导体组件300由流路形成体406的组件支承面406支承。于是，功率半导体组件300以由流路形成体400和盖413夹着的形态被按压固定。根据本实施方式的功率半导体组件的结构，能够同时实现盖413一侧的密封结构，和在基准面308与组件支承面406的抵接面上的固定配置结构。从而，能够实现电力转换装置整体的外形小型化。
图4是表示应用了图3的流路结构的电力转换装置299的结构例的剖视图。电力转换装置299包括一体地形成有冷却流路的盒体即流路形成体400、成型汇流条700、功率半导体组件300、电容器组件500和控制基板200。在兼作盒体的流路形成体400上，具有用于插入功率半导体组件300的开口和用于插入电容器组件500的开口。
成型汇流条700是利用具有绝缘性的树脂材料将直流汇流条710和交流汇流条709封装而得的。直流汇流条710将电容器组件500与功率半导体组件300电连接。直流汇流条710具有由正极侧的汇流条和负极侧的汇流条层叠而得的结构。彼此极性相反的电流在正负极汇流条中流动，利用磁场抵销效应实现了低电感化。
成型汇流条700隔着盖413与功率半导体组件300相对配置。成型汇流条700对于电容器组件500和功率半导体组件300配置在相同侧。
本实施方式的电力转换装置利用兼作盒体的流路形成体400，能够同时冷却功率半导体组件300和电容器组件500。另外，通过成型汇流条700直接设置在流路形成体400上，也能够进行成型汇流条700的冷却。并且，由于功率半导体组件300与电容器组件500配置在同一层，所以能够实现电力转换装置的薄型化。
实施例2
使用图5(a)～图5(c)说明第二实施例的功率半导体组件300和电力转换装置299。对于通用的结构要素，采用与实施例1相同的标记，省略详细的说明。
图5(a)是功率半导体组件300的分解立体图。图5(b)是分解剖视图。图5(c)是表示在流路形成体400上的组装工序的剖视图。与实施例1所示的结构的不同点为，在壳体框304上设置2处端子贯通孔311，构成为组件端子隔着散热部305a从两侧伸出的结构。
如图5(a)所示，供直流电流流动的正极侧端子315D和负极侧端子319D从功率半导体组件300的一侧伸出，而供交流电流流动的交流端子320D从另一侧伸出。例如，对于功率半导体组件300通过将正极侧端子315D和负极侧端子319D配置在电容器组件500所配置的一侧，能够实现配线电感的降低。
另外，伴随着端子贯通孔311设置2处，O形环槽312也形成了2处。并且，盖413的端子开口413A也形成了2处。密封面309形成在散热部305a的两侧。
此外，在本实施例中使用的盖413上，与翅片305a伸出的长度对应地，在翅片305a一侧形成有凹部。通过配合翅片305a的形状设置凹部，能够抑制在翅片前端和翅片侧部流动的旁流。由此，能够提高冷却性能，实现功率半导体组件的小型化。
根据本实施例的功率半导体组件和使用该功率半导体组件的电力转换装置，由于采用了使功率组件端子从散热部的两侧输出的结构，所以能够提高端子贯通孔的尺寸和功率组件端子的配置自由度。由此能够实现电力转换装置整体的小型、薄型化，配线电感的降低，信号端子与直流端子间的磁耦合的抑制等效果。
附图标记说明
138 直流连接器
140 逆变器装置
144 逆变器电路
150 上下桥臂串联电路
153 集电极
154 栅极
155 信号用发射极
156 二极管(上桥臂)
157 正极端子(P端子)
158 负极端子(N端子)
159 交流端子
163 集电极
164 栅极
165 信号用发射极
166 二极管(下桥臂)
169 中间电极
186 交流电力线(交流汇流条)
188 交流连接器
192 电动发电机
200 控制基板
300 功率半导体组件
302 电路体
304 壳体框
305a 散热部(翅片)
305b 散热部(翅片)
306 收纳空间
307 散热底座
308 基准面
309 密封面
311 端子贯通孔(第一开口)
312 O形环槽
314 直流正极端子
315 导体部
315D 正极侧端子
316 直流负极端子
318 导体部
319 导体部
319D 负极侧端子
320 导体部
320D 交流端子
327L 信号连接端子
327U 信号连接端子
328 IGBT(上桥臂)
330 IGBT(下桥臂)
333 绝缘材料
348 树脂密封材料
400 流路形成体
403 流路开口
404 O形环槽
405 流路空间
406 组件支承面
413 盖
413A 端子开口
450 盒体盖
500 电容器组件
504 负极侧电容器端子
506 正极侧电容器端子
700 成型汇流条
709 交流汇流条
710 直流汇流条。

Claims (5)

1.一种功率半导体组件，其包括具有功率半导体元件和端子的电路体，和形成收纳所述电路体的收纳空间的壳体，该功率半导体组件的特征在于，
所述壳体具有：与所述收纳空间相对配置的第一散热部；隔着所述收纳空间与所述第一散热部相对配置的第二散热部；配置在所述第一散热部的侧部并且供所述端子贯通的第一开口；包围所述第一开口而形成的密封面；和配置在所述第二散热部的侧部的基准面，
所述基准面，以从所述基准面的垂直方向投影时该基准面的投影部与所述密封面的投影部重叠的方式，形成在所述壳体的与所述密封面所配置的面相反的一侧的面。
2.如权利要求1所述的功率半导体组件，其特征在于：
所述壳体包括：具有开口部的壳体框；和金属制的散热底座，
所述壳体框的开口部由所述散热底座封闭，
所述散热底座形成所述壳体的所述第二散热部，
所述壳体框与所述散热底座间的接合部形成于所述基准面。
3.一种电力转换装置，其特征在于，包括：
权利要求1或2所述的功率半导体组件；
形成有流动冷却介质的流路空间和与该流路空间相连的流路开口的流路形成体；和
将所述流路开口封闭的盖，
所述功率半导体组件配置在所述流路空间内，
所述盖以覆盖所述密封面和所述第一散热部的方式将所述流路开口封闭，
所述流路形成体具有与所述功率半导体组件的所述基准面抵接的抵接面。
4.如权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于：
所述端子包括传递直流的直流端子和传递交流的交流端子，
所述直流端子和所述交流端子贯通所述第一开口。
5.如权利要求4所述的功率半导体组件，其特征在于：
所述端子包括传递直流的直流端子和传递交流的交流端子，
所述壳体具有隔着所述第一散热部配置在与所述第一开口相反的一侧的第二开口，
所述直流端子贯通所述第一开口，
所述直流端子贯通所述第二开口。
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