CN109690762A - 半导体元件的保持装置及使用了该保持装置的功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明所要解决的问题是防止在例如功率电子领域中搭载于与电池相连接的功率转换装置内部的功率半导体元件的起烟、起火。本发明所涉及的半导体保持装置的特征在于，具有：收纳功率半导体元件(107b)且从第1面向冷却器释放热量的封装(201、301、401)；覆盖与该封装的第1面相对的第2面的板(204、302、402)；以及将该板按压于封装的按压部件(209、304、404)。

Description

半导体元件的保持装置及使用了该保持装置的功率转换装置
技术领域
本发明涉及在功率电子领域中搭载于与电池相连接的功率转换装置内部的半导体元件的保持装置及使用了该保持装置的功率转换装置。
背景技术
作为以往的半导体元件的保持结构，由片簧部和支承部构成的弹簧支承构件通过使片簧部与半导体元件的上表面相抵接，从而将半导体元件以规定的弹力固定于散热板侧(例如参照专利文献1)。设置于车载用功率转换装置内部的功率半导体元件一般以同样的方法进行固定居多。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5120245号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在专利文献1所公开的车载用功率转换装置中，由于车载用功率转换装置与车辆侧的铅电池相连接，因此具有如下缺点：在整流二极管发生了短路故障的情况下，大电流从铅电池流入，会导致起烟及起火。
本发明的目的在于，以简单的结构来应对因安装于功率转换装置内部的功率半导体元件的短路故障而产生的起烟及起火。
解决技术问题的技术方案
本发明所涉及的半导体元件的保持装置的特征在于，具有：收纳功率半导体元件且从第1面向冷却器释放热量的封装；覆盖与该封装的第1面相对的第2面的板；以及将该板按压于封装的按压部件。
发明效果
根据本发明，以板按压收纳有功率半导体元件的封装，从而在功率半导体元件发生短路故障时氧气不会从封装上所产生的龟裂处流入，因此能防止功率半导体元件的起烟、起火。
附图说明
图1是对本发明的实施方式1所涉及的DC-DC转换器进行说明的电路结构图。
图2是表示本发明的实施方式1的半导体元件的保持结构的组装立体图。
图3是表示本发明的实施方式2的半导体元件的保持结构的组装立体图。
图4是表示本发明的实施方式3的半导体元件的保持结构的组装立体图。
具体实施方式
实施方式1.
下面，参照附图对与本发明所涉及的半导体元件的保持结构相关的优选实施方式进行说明。另外，以下的说明中，对相同或相当的要素标注相同标号。
图1是对本发明的实施方式1的功率转换装置即DC-DC转换器进行说明的电路结构图。
该电路的变压器次级侧采用中心抽头型(center tap-type)二极管整流方式，能获得与全波整流电路同等的整流波形。图1中，对施加直流电压的输入端子101a、101b施加比输出端子111的输出电压要高的电压。输入至输入端子101a、101b的直流电压被逆变器电路102转换成交流电压。逆变器电路102通常由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等开关元件构成。
从逆变器电路102输出的交流电压被施加于变压器初级绕组103。施加的是接近矩形波的交流电压，该交流电压通过根据由未图示的驱动电路提供的驱动信号对设置于逆变器电路102的半导体元件进行开关而生成。
变压器次级侧包括变压器上侧次级绕组104和变压器下侧次级绕组105，它们被施加有根据变压器的匝数比而转换为不同的电压电平的交流电压。
利用磁性体芯106将变压器初级绕组103、变压器上侧次级绕组104及变压器下侧次级绕组105进行电磁耦合。构成变压器的各绕组配置在磁性体芯106所设置的中柱(middleleg)周围。
整流元件107a、107b由功率半导体元件构成，对从变压器上侧次级绕组104、变压器下侧次级绕组105输出的交流电压进行整流。由整流元件107a、107b整流得到的纹波电压波形由电抗器109、电容器110构成的滤波电路进行滤波，由该滤波电路获得的直流电压从输出端子111进行输出。另外，本实施方式中，次级侧电路的接地端子108设置成与金属壳体相同的电位，因此输出电压从输出端子111与金属壳体之间输出。
在如上结构的DC-DC转换器中，从输入端子101a、101b提供的直流输入电压由逆变器电路102进行开关并生成输入交流电压，被提供给变压器初级绕组103。然后，所生成的输入交流电压经变压，从变压器上侧次级绕组104、变压器下侧次级绕组105作为输出交流电压进行输出。该输出交流电压由整流元件107a、107b进行整流，并且由电抗器109和电容器110构成的滤波电路进行滤波，直流电压从输出端子111被提供给设置于车辆侧的铅电池112。
然而，在整流元件107b发生了短路故障的情况下，如箭头113所示那样，大电流从铅电池112流入整流元件107b，可能会导致整流元件107b起烟、起火。即，在整流元件107b内部以非常细的铝线进行接线的情况下，铝线比设置于车辆侧的快速熔断器更早熔断，因此铝线周边的环氧树脂发生碳化，从而形成来自铅电池112的通电路径。此外，环氧树脂因大电流而产生开裂，从该开裂处提供氧气，因此会引起起烟、起火。
图2示出防止上述的因环氧树脂的开裂而发生的氧气供应的半导体元件的保持结构。作为半导体元件，以图1所示的整流元件107a、107b为例进行说明，但并不限于整流元件，能用于会发生同样问题的功率半导体元件。
图2是示出收纳有图1所示的整流元件107a或107b的整流元件封装201的保持结构200的组装立体图。
整流元件封装201在整流元件的端子露出一侧的相反侧上部的两侧部形成有切成半圆状的凹部202a、202b，该凹部202a、202b之间设有用于使固定用螺钉209贯通的封装孔部203。
以与该整流元件封装201的上表面接触的方式配置有比上表面的面积要大一圈的板204。板204的材质由金属或树脂等构成，在与整流元件封装201的凹部202a、202b相对应的两侧部形成有从板上表面向整流元件封装201的方向垂直弯折的板凸部205a、205b。板凸部205a、205b与凹部202a、202b的圆弧状的侧面卡合，整流元件封装201和板204被定位。并且，在板204的与封装孔部203相同的位置也设有板孔部206。
以与整流元件封装201的下表面接触的方式配置有散热片207。散热片207也形成有供固定用螺钉209贯通的散热片孔部208。并且，在整流元件封装201的下表面配置有金属制的散热器(未图示)。
固定用螺钉209贯通板孔部206、封装孔部203、散热片孔部208，与设置于冷却器(未图示)的冷却器孔部210的螺丝槽螺合。由此，板204、整流元件封装201及散热片207彼此固定，并且机械性地固定于冷却器。
通过上述保持结构200，板204按压于整流元件封装201的上表面，因此在整流元件发生了短路故障的情况下，能阻断因整流元件封装204产生龟裂而流入的氧气。板204的面积构成得比整流元件封装201的面积要大，因此能可靠地用板204覆盖整流元件封装201的上表面。此外，通过凹部202a、202b与板凸部205a、205b的卡合，能防止组装时板205的位置偏移、旋转。另外，凹部202a、202b及板凸部205a、205b的形状并不限于图2所示的形状，只要能防止位置偏移、旋转即可，可采用任意形状。
此外，整流元件封装的下表面配置有散热器，成为氧气难以流入的结构。并且，利用固定用螺钉209对冷却器进行按压。因此，冷却器起到与板204同样的作用，防止了氧气的流入。
实施方式2.
利用图3对半导体元件的保持结构的其它实施方式进行说明。作为半导体元件，以图1所示的整流元件107a、107b为例进行说明，但与实施方式1相同，并不限于整流元件，能用于会发生同样问题的功率半导体元件。
图3是示出收纳有图1所示的整流元件107a或107b的整流元件封装301的保持结构300的组装立体图。
以与整流元件封装301的上表面接触的方式配置有比上表面的面积要大一圈的板302。板302的材质由金属或树脂等构成，在其外周部形成有从板上表面向整流元件封装301的方向垂直弯折的外周面302a、302b、302c，并分别与整流元件封装301的侧部卡合。以与整流元件封装301的下表面接触的方式配置有散热片303。板302的上表面与弹簧部件304的一个端部304a相接触，固定用螺钉306贯通形成于另一个端部304b的供固定螺钉贯通的弹簧部件孔部305，与设置于冷却器的冷却器孔部307的螺丝槽螺合。由此，弹簧部件304机械性地固定于冷却器，并且将板302、整流元件封装301及散热片303按压于冷却器。
通过上述保持结构300，板302按压于整流元件封装301的上表面，因此在整流元件发生了短路故障的情况下，能阻断因整流元件封装301产生龟裂而流入的氧气。板302的面积构成得比整流元件封装301的面积要大，因此能可靠地用板302覆盖整流元件封装301的上表面。此外，板302具有沿着板外周部垂直的外周面302a、302b、302c，组装时能以环抱整流元件封装301的方式进行安装。由此，能防止组装时板的位置偏移、旋转。另外，与实施方式1相同，整流元件封装301的下表面配置有散热器(未图示)，成为氧气难以流入的结构。并且，利用弹簧部件304对冷却器进行按压。因此，冷却器起到与板302同样的作用，防止了氧气的流入。
实施方式3.
利用图4对半导体元件的保持结构的其它实施方式进行说明。与实施方式1、2相同，作为半导体元件，以图1所示的整流元件107a、107b为例进行说明，但并不限于整流元件，能用于会发生同样问题的功率半导体元件。
图4是示出收纳有图1所示的整流元件107a或107b的多个整流元件封装401的保持结构400的组装立体图。
以与多个(该图中为4个)整流元件封装401的上表面接触的方式配置能用一片来覆盖多个整流元件封装401的板402。板402的材质由金属或树脂等构成，在其外周部形成有从板上表面向整流元件封装401的方向垂直弯折的外周面402a、402b、402c，外周面402b与多个整流元件封装401各自的侧部401b卡合，外周面402a、402c与位于多个整流元件封装401的端部的侧部401a、401c卡合。以与整流元件封装401的下表面接触的方式配置有散热片403。板402的上表面与多个(该图中为2个)弹簧部件404的一个端部404a相接触，固定用螺钉406贯通形成于另一个端部404b的供固定螺钉贯通的弹簧部件孔部405a、405b，与设置于冷却器的冷却器孔部407a、407b的螺丝槽螺合。由此，弹簧部件404机械性地固定于冷却器，并且将板402、整流元件封装401及散热片403按压于冷却器。
通过上述保持结构400，板402按压于多个整流元件封装401的上表面，因此在整流元件发生了短路故障的情况下，能阻断因整流元件封装401产生龟裂而流入的氧气。板402的面积构成得比整流元件封装401的多个面积的总和要大，因此能可靠地用板402覆盖多个整流元件封装401的上表面。此外，板402具有沿着板外周部垂直的外周面402a、402b、402c，组装时一片板402能以环抱多个整流元件封装401的方式进行安装。由此能防止组装时板的位置偏移，并且能削减零部件个数，也能削减组装工时。另外，与实施方式1及2相同，整流元件封装401的下表面配置有散热器(未图示)，成为氧气难以流入的结构。并且，利用弹簧部件404对冷却器进行按压。因此，冷却器起到与板402同样的作用，防止了氧气的流入。
另外，最近，除了Si半导体之外，将SiC、GaN等宽带隙半导体用于半导体元件而得到的整流元件、开关元件等正越来越多地使用于逆变器电路等。这些宽带隙半导体以比Si半导体要高的频率进行动作，因此通常故障概率被认为较高，引起起烟、起火的可能性也更高。然而，通过应用本发明，能防止起烟、起火，适用于利用了宽带隙半导体的功率半导体元件。
另外，本发明在其发明的范围内可以对各实施方式进行自由组合，也能对各实施方式适当地进行变形、省略。
标号说明
201、301、401 整流元件封装、
204、302、402 板、
209、306、406 螺钉、
304、404 弹簧部件、
207、303、403 散热片

Claims (10)

1.一种半导体元件的保持装置，其特征在于，具有：
收纳功率半导体元件且从第1面向冷却器释放热量的封装；覆盖与所述封装的所述第1面相对的第2面的板；以及将所述板按压于所述封装的按压部件。
2.如权利要求1所述的半导体元件的保持装置，其特征在于，
所述封装通过所述按压部件固定于所述冷却器。
3.如权利要求1或2所述的半导体元件的保持装置，其特征在于，
所述板的面积比所述第2面的面积要大。
4.如权利要求3所述的半导体元件的保持装置，其特征在于，
沿着所述板的外周部从所述板垂直竖立的面与所述封装的侧面卡合。
5.如权利要求3或4所述的半导体元件的保持装置，其特征在于，
多个封装的所述第2面被所述板覆盖。
6.如权利要求1或2所述的半导体元件的保持装置，其特征在于，
在所述板的外周部朝向所述第2面形成的凸部与形成于所述第2面的凹部卡合。
7.如权利要求1至6的任一项所述的半导体元件的保持装置，其特征在于，
所述按压部件是弹簧部件，一端固定于所述冷却器，另一端按压所述板。
8.如权利要求1至6的任一项所述的半导体元件的保持装置，其特征在于，
所述按压部件由螺钉构成，所述螺钉的一端与所述板卡合，所述螺钉的另一端贯通所述板和所述封装并与所述冷却器螺合。
9.如权利要求1至8的任一项所述的半导体元件的保持装置，其特征在于，
功率半导体元件是宽带隙半导体。
10.一种功率转换装置，其特征在于，
使用了权利要求1至9的任一项所述的半导体元件的保持装置。
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