CN112701931A - 功率转换装置及功率转换装置一体化旋转电机 - Google Patents

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CN112701931A CN202011108913.7A CN202011108913A CN112701931A CN 112701931 A CN112701931 A CN 112701931A CN 202011108913 A CN202011108913 A CN 202011108913A CN 112701931 A CN112701931 A CN 112701931A
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Abstract

本发明获得一种功率转换装置(100)，具有小型且低成本的熔断器部(200)，该熔断器部(200)能够在施加过电流时可靠地断开，并且能够保护半导体元件(102)免受短路事故等的影响。功率转换装置(100)包括：安装在电路基板(120)上的半导体元件(102)；缓冲电容器(103)；用于将缓冲电容器(103)与半导体元件(102)并联连接的缓冲电路用布线(113)；以及形成在缓冲电路用布线(113)的一部分中的熔断器部(200)。

Description

功率转换装置及功率转换装置一体化旋转电机
技术领域
本申请涉及功率转换装置和功率转换装置一体化旋转电机。
背景技术
许多以电动汽车和混合动力汽车为首的在车辆行驶中使用电动机的汽车已被开发出来。上述用于驱动电动机的功率转换装置使用电池作为电源向电动机的驱动电路提供高电压的驱动电力。
因此，用于驱动电动机的功率转换装置作为功率电子领域中的关键器件，其重要性日益增加。
在该功率转换装置中，为了保护功率用半导体元件不受由于布线之间的短路事故等引起的过电流的影响，将熔断器连接到布线，并且断开布线来应对过电流。对于这种熔断器，通常使用芯片型的过电流断开熔断器，但由于其价格昂贵，为了降低成本，例如提出了以下断开方法。
在与半导体元件的主电极连接的功率引线的一部分上形成窄宽度部分，作为熔断器部(专利文献1)。当过电流流过设置在该半导体元件的功率引线中的熔断器部时，熔丝被熔断以切断过电流。
示出了具备与半导体元件连接的主电路布线，在主电路布线上作用有弹簧力而连接汇流条的结构(专利文献2)。在该主电路布线中，当过电流流过时，保持弹簧力的密封树脂断裂，主电路布线分离。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2003-068967号公报
专利文献2：日本专利特开2008－153463号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在专利文献1中，通过在向半导体元件供给电力的功率引线上设置熔断器部，在半导体元件上施加过电流时，熔断器部被熔断，能够切断电流。然而，存在熔断部分的温度非常高，有时会在熔断器部再次发生接触、连接这样的问题。
此外，专利文献2的在利用弹簧力保持汇流条的连接的结构的情况下，需要用于配置具有强弹簧力的装置的大的安装面积，在接合部上施加力，在确保长期可靠性方面也存在问题。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的是获得一种功率转换装置，该功率转换装置具有能够可靠地切断过电流并保护半导体元件免受短路事故等影响的小型、低成本的熔断器部。
解决技术问题所采用的技术方案
本申请的功率转换装置的特征在于，包括：安装在电路基板上的半导体元件；缓冲电容器；缓冲电路用布线，所述缓冲电路用布线将缓冲电容器并联连接到半导体元件；以及形成于缓冲电路用布线的一部分的熔断器部。
发明效果
本申请的功率转换装置中，通过小型且低成本的熔断器部可靠地切断过电流，并且可以保护半导体元件不受短路故障等的影响。
附图说明
图1是实施方式1所涉及的功率转换装置的电路图。
图2是实施方式1所涉及的功率转换模块的立体图。
图3是实施方式1所涉及的取下盖板后的功率转换模块的立体图。
图4是实施方式1所涉及的功率转换模块的剖视图。
图5是实施方式1所涉及的功率转换模块的分解图。
图6是表示实施方式1所涉及的熔断器部的形状的图。
图7是表示实施方式1所涉及的熔断器部的具体示例的图。
图8是表示实施方式1所涉及的熔断器部的形状的图。
图9是表示实施方式1所涉及的熔断器部的具体示例的图。
图10是表示实施方式1所涉及的功率转换装置一体化旋转电机的简要结构的图。
图11是表示实施方式2所涉及的熔断器部的形状的图。
具体实施方式
在实施方式的说明和各图中，标有相同标号的部分表示相同或者相当的部分。
实施方式1.
使用图1至图9对实施方式1的功率转换装置进行说明。
图1中示出实施方式1的功率转换装置100的电路图。图2是构成功率转换装置100的功率转换模块101的立体图，图3是拆下功率转换模块101的盖板125而示出内部结构的立体图。图4是图2所示的功率转换模块101的在横穿树脂材料130的部分处被切割的剖视图，图5是将功率转换模块101分解成主要构成部件的分解图。图6至图9示出了熔断器部200的形状和具体示例。
<功率转换装置的结构>
首先，描述本实施方式1的功率转换装置100的结构。
图1示出了功率转换装置100和旋转电机104。实施方式1的功率转换装置100包括多个功率转换模块101。功率转换模块101具备通过来自控制电路的信号进行开关的半导体元件102，配置有与半导体元件102并联连接的缓冲电容器103，具备形成缓冲电路的缓冲电路用布线113。
虽然在图1的电路图中未示出，但是如后所述，在缓冲电路用布线113中形成通过形成切口等而使截面积变小的熔断器部200。
图2是实施方式1的功率转换模块101的立体图，图3是示出取下功率转换模块101的盖板125，形成有半导体元件102和各种布线的功率转换模块101的内部结构。
在功率转换模块101中，如图4的剖视图和图5的分解图所示，经由散热构件131将电路基板120配置在形成有散热用的翅片116的散热器115上。在电路基板120上形成导体图案105，并安装半导体元件102和缓冲电容器103。
半导体元件102等在工作时产生的发热能通过散热构件131和散热器115从翅片116释放到外部。
如图3等所示，布线包括正极用布线111和负极用布线112，该正极用布线111和负极用布线112接收从电池等提供给功率转换模块101的电力；以及输出用布线110，该输出用布线110利用功率转换模块101进行转换并输出。此外，具备缓冲电路用布线113，用于将缓冲电容器103与半导体元件102并联连接。另外，在图5中，缓冲电路用布线113位于盖板125内，并且未示出。
各种布线连接到安装在电路基板120上的半导体元件102和缓冲电容器103的端子部，用于引导到功率转换模块101的外部的布线的走线部分配置成与电路基板120的表面和半导体元件102的表面保持间隙地隔开。
树脂制的盖板125安装在电路基板120上。
布线能通过构成盖板125的树脂的嵌入成形、外插成形和层压方法等与盖板125一体地形成。此外，也能将卷绕绝缘胶带的布线和通过粉末涂覆在表面上形成有绝缘被膜的布线安装在盖板125上。
缓冲电路用布线113将缓冲电容器103与半导体元件102并联连接，并且在缓冲电路用布线113的一部分中形成熔断器部200。如图3中用虚线包围示出的一个示例那样，在熔断器部200的缓冲用电路布线113中形成有切口部202。
虽然在图6至图9中详细说明，但熔断器部200中，在缓冲电路用布线113的一部分中形成有开孔部201或切口部202，并且使截面积局部地变小。即，熔断器部200的截面积形成为小于缓冲电路用布线113的其它部分。
在这样的功率转换模块101中，当缓冲电容器103正常工作时，能防止由于半导体元件102的开关引起的急剧的过电压。当缓冲电容器103异常时，从电池施加过电流。此时，由于熔断器部200中的过电流而使温度升高，并且通过熔断而可靠地切断过电流，从而能防止半导体元件102和电池等的损坏。
熔断器部200被树脂材料130覆盖，并且熔断器部200能与盖板125一体地形成。如图2至图4等所记载的那样，在盖板125的与熔断器部200对应的部分中形成有开口，并且在开口中配置覆盖熔断器部200的树脂材料130。
在本实施方式1中使用的散热器115和翅片116需要是能够将半导体元件102的工作时的发热进行释放的材料，并且优选铝、铝合金等那样具有80W/m·K以上的热传导率。
在半导体元件102中，能使用功率用的场效应晶体管(MOSFET：Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)和绝缘栅型双极晶体管(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)等。它们用于电动机等设备的功率转换，控制从几安培到几百安培的额定电流。
半导体元件102的原材料除了使用硅(Si)之外，还可以使用碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。
在本实施方式1中，缓冲电容器103使用陶瓷电容器，但不限于此。如果能够吸收半导体元件102断开时的过电压，则能同样地用于其它种类的电容器。然而，若考虑到电容器的大小、耐热特性等，则可以说陶瓷电容器是最合适的。
用于电路基板120的基板能使用将普通的玻璃纤维用作为芯材的印刷基板、陶瓷基板、铝芯基板等，用于基板表面的绝缘材料能使用具有1W/m·K～几十W/m·K热传导率的聚氨酯、硅氧烷、环氧树脂等树脂材料。
能使用导电粘合剂、焊接、扩散接合、超声波焊接、激光焊接等能够在规定空间内确保电连接和热连接的连接方法，将半导体元件102等安装到电路基板120上。
正极用布线111、负极用布线112等布线材料能使用电阻率低的铜、铝等金属材料。
覆盖形成在缓冲电路用布线113上的熔断器部200的树脂材料130使用在熔断器部200熔断时有效地防止金属片等的飞散和具有灭弧效果的材料。
为了防止飞散，树脂材料130的杨氏模量优选为10MPa以上且小于100MPa。在低于10MPa的情况下，由于树脂材料130的强度不足而无法关住飞散物，并且在100MPa以上的情况下，由于树脂材料130在熔断时与熔断器部200同时破损，而无法防止金属片的飞散。
从灭弧效果的观点来看，例如硅橡胶或硅凝胶适合于树脂材料130。此外，在熔断器部200的周围不配置电子部件，而是以隔开规定距离的方式分隔来配置，从而能减小飞散的影响和电弧的影响。
<熔断器部的形状>
接着，说明熔断器部200的形状。
使用图6至图9来说明熔断器部200的形状和具体示例。这些是能用作熔断器部200的形状的一个示例，并且只要截面积形成为小于缓冲电路用布线113的其它部分，则即使是此处示出的形状以外的形状，也能获得与本实施方式1相同的效果。
图6示出了形成在缓冲电路用布线113上的熔断器部200的示例，图7示出了通过在缓冲电路用布线113上形成开孔部201或切口部202而形成熔断器部200的具体示例。图8示出了使缓冲电路用布线113的截面积以两个阶段变化的熔断器部200的示例，图9示出了使截面积以两个阶段变化的熔断器部200的具体示例。
虽然在图7和图9中分别示出了13种和7种具体示例，但是如上所述，截面积可以形成为小于缓冲电路用布线113的其它部分，并且不限于这些具体示例。
此处示出的熔断器部200中，在缓冲电路用布线113的一部分中形成有开孔部201和切口部202，各个截面积形成为作为一个示例像缓冲电路用布线113：熔断器部200＝9：1那样，缓冲电路用布线113的截面积与熔断器部200的截面积相比足够大。
通过在缓冲电路用布线113的一部分上形成开孔部201和切口部202，使截面积小于缓冲电路用布线113的其它部分，从而熔断器部200中的电流密度增大，并且如下式所示，由于截面积减小，热阻增大。由此，电流流动时的发热密度增加，散热性降低，因而熔断器部200中的温度局部升高，能进行熔断。
热阻＝长度÷(热传导率×截面积)···(1)
当缓冲电容器103由于某种原因发生短路故障等，并且从电池向缓冲电路用布线113施加过电流时，熔断器部200中截面积最小的部分在短时间内急剧升温，并且当温度升高到金属的熔化温度时熔断。
当缓冲电路用布线113的熔断器部200在熔断时被树脂材料130覆盖的情况下，在熔断时产生的电弧通过树脂材料130的灭弧效应能被灭弧，并能切断电流。此外，通过改变熔断器部200的宽度和长度，能调节直到熔断为止的电流和时间之间的关系，并能获得期望的熔断特性。
在本实施方式1中，在缓冲电路用布线113中形成开孔部201和切口部202，使截面积小于缓冲电路用布线113的其它部分，并且形成与过电流相对应地进行熔断的熔断器部200。然而，即使将电阻率比构成缓冲电路用布线113的其它部分的金属材料要高的金属材料或熔化温度比构成缓冲电路用布线113的其它部分的金属材料要低的金属材料接合到缓冲电路用布线113的一部分，也能获得同样的效果。能将使用高电阻率的金属材料和低熔化温度的金属材料的结构与使截面积小于缓冲电路用布线113的其它部分的结构组合使用。
如上所述，在本实施方式1中，在缓冲电路用布线113中设置有开孔部201和切口部202，并且在缓冲电路用布线113的一部分中形成截面积较小的熔断器部200。此外，用硅橡胶或硅凝胶等具有灭弧效果的树脂材料130覆盖熔断器部200，以熄灭在熔断时产生的电弧，从而可靠地切断电流。由此，能防止由于过电流引起的功率转换装置100的短路事故。
在本实施方式1中，由于不需要添加新的过电流切断熔断器，因此不需要增加部件的数量，并且也不需要增加安装部件，因此能实现高生产性。
由于通过在缓冲电路用布线113上设置熔断器部200而降低缓冲电路用布线113的刚性，因此伴随温度变化的热应力变小，能降低施加到电路基板120的接合部等的应力，并且能提高可靠性。
通过使用缓冲电容器103，电流几乎不流过缓冲电路用布线113，并且能减小半导体元件102的开关时的过电压的影响。由于电流在缓冲电容器103的故障时流动，因此在缓冲电容器103的故障时流动的电流与在缓冲电容器103的正常时流动的电流大不相同，可以说设计仅在故障时熔断的熔断器部200是容易的。
另一方面，将该熔断器部200形成在像正极用布线111和负极用布线112等那样以供电为目的、在正常时有规定的电流流过的布线上的情况下，由于在故障时流过的过电流和在正常时流过的电流之间的差较小，因此熔断器的设计变得困难。
因此，可以说，该熔断器部200不适合用于供电用的正极用布线111、负极用布线112等，而是适合形成在配置有缓冲电容器103的缓冲电路用布线113。
如图6至图9所示，熔断器部200的开孔部201和切口部202的形状可以是圆形、椭圆形、三角形、四边形、菱形、梯形等，或者可以是它们的组合。如图8和图9所示，当将截面积的变化设为两个阶段时，第一切口部211和第二切口部212的形状也能使用圆形、椭圆形、四边形等。
如上所述，在本实施方式1的功率转换装置100中，即使在缓冲电容器103发生短路故障时，也能保护功率用半导体元件102不受来自电池的过电流的影响。
本实施方式1的功率转换装置100能用于搭载在车辆上的用于发电和驱动发动机的旋转电机的控制用装置。
功率转换装置100连接到车辆用电池(直流电源)来进行功率转换，并且向旋转电机的定子绕组提供交流电流。
图10是将本实施方式1所示的功率转换装置100与旋转电机主体250一体构成的功率转换装置一体化旋转电机300的简要结构图。
在图10中，将滑轮257固定在延伸到旋转电机主体250的一端部的轴255上，将旋转电机主体250的滑轮侧称为前侧，将与滑轮侧相反的侧称为后侧。
将定子253固定在前侧壳体251和后侧壳体252上，转子(未图示)可旋转地支撑在两个壳体251、252的内部。如上所述，将滑轮257固定在从转子向前侧延伸的轴255上，通过安装在滑轮257上的转矩传动带(未图示)将动力传递给发动机。
将具有功率转换模块101等的功率转换装置100配置在后侧壳体252的后侧表面上，并且在功率转换装置100的中央部分形成用于使轴256通过的空间。
此处，为了简化说明，省略了布线等。此外，还省略了用于功率转换装置100的外周部的保护盖。
此处所示的功率转换装置一体化旋转电机300中，由于将具备了熔断器部200的功率转换装置100和旋转电机主体250一体地构成，因此不需要外部熔断器，能实现小型化。此外，由于不需要增加部件数量，因此能简化安装过程，并且能获得高生产性。
实施方式2.
图11示出了与本实施方式2所涉及的缓冲电路用布线113的熔断器部200的形状。图11的上图是缓冲电路用布线113的俯视图，图11的下图是侧视图。本实施方式2所涉及的使用缓冲电路用布线113的功率转换装置100和功率转换模块101等基本上与实施方式1所示的结构相同。
在本实施方式2中使用的熔断器部200不是形成在与缓冲电路用布线113相同的平面上，从图11的下图所示的侧视图中可知，熔断器部200向图的上方突出成凸状。在将该缓冲电路用布线113配置在构成功率转换模块101的电路基板120上时，熔断器部200配置成在远离安装在电路基板120上的半导体元件102等电子部件的方向上突出。由此，熔断时的飞散物难以飞到电路基板120侧，并能保护电子部件。
在用于在熔断器部200形成开孔部201和切口部202的工序中，熔断器部200能同时设为凸状。此外，在使用盖板125的树脂材料130，通过嵌入成形等将盖板125和各布线一体地形成的工序中，也能设为凸状。
如上所述，通过将熔断器部200形成为在远离电路基板120的方向上突出的凸状，能保护电子部件等不受熔断时的飞散物的影响，并且能提高可靠性。
本实施方式2的功率转换装置100也如图10示出的简要结构那样，能通过将旋转电机104和功率转换装置100一体地构成，得到功率转换装置一体化旋转电机300。
在功率转换装置一体化旋转电机300中，由于将具备了熔断器部200的功率转换装置100和旋转电机104一体地构成，因此不需要外部的熔断器，并且能实现小型化。此外，由于不需要增加部件数量，因此能简化安装工序，并且能获得高生产性。
虽然本申请记载了各种示例性实施方式和实施例，但是在一个或多个实施方式中记载的各种特征、方式和功能不限于特定实施方式的应用，而是能单独地或以各种组合地应用于实施方式。
由此，可以认为未示例的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，设为包括对至少一个构成要素进行变形的情况、添加的情况或省略的情况、以及提取至少一个构成要素并与其他实施方式的构成要素组合的情况。
标号说明
100 功率转换装置、
101 功率转换模块、
102 半导体元件、
103 缓冲电容器、
104 旋转电机、
105 导体图案、
110 输出用布线、
111 正极用布线、
112 负极用布线、
113 缓冲电路用布线、
115 散热器、
116 翅片、
120 电路基板、
125 盖板、
130 树脂材料、
131 散热构件、
200 熔断器部、
201 开孔部、
202 切口部、
211 第一切口部、
212 第二切口部、
250 旋转电机主体、
251 前侧壳体、
252 后侧壳体、
253 定子、
255 轴、
256 轴、
257 滑轮、
300 功率转换装置一体化旋转电机。

Claims (11)

1.一种功率转换装置(100)，其特征在于，包括：
安装在电路基板(120)上的半导体元件(102)；
缓冲电容器(103)；
将所述缓冲电容器(103)与所述半导体元件(102)并联连接的缓冲电路用布线(113)；以及
形成在所述缓冲电路用布线(113)的一部分中的熔断器部(200)。
2.如权利要求1所述的功率转换装置(100)，其特征在于，
所述熔断器部(200)的截面积小于所述缓冲电路用布线(113)的其它部分。
3.如权利要求1或2所述的功率转换装置(100)，其特征在于，
所述熔断器部(200)由熔化温度低于所述缓冲电路用布线(113)的其它部分的金属材料形成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的功率转换装置(100)，其特征在于，
所述熔断器部(200)由电阻高于所述缓冲电路用布线(113)的其它部分的金属材料形成。
5.如权利要求1至4中任一项所述的功率转换装置(100)，其特征在于，
所述缓冲电容器(103)是陶瓷电容器。
6.如权利要求1或5所述的功率转换装置(100)，其特征在于，
所述缓冲电路用布线(113)与所述电路基板(120)隔开间隔地进行配置。
7.如权利要求1至6中任一项所述的功率转换装置(100)，其特征在于，
所述熔断器部(200)与安装在所述电路基板(120)上的所述半导体元件(102)隔开间隔地进行配置。
8.如权利要求7所述的功率转换装置(100)，其特征在于，
所述熔断器部(200)从所述缓冲电路用布线(113)朝远离所述电路基板(120)的方向突出地进行配置。
9.如权利要求1至8中任一项所述的功率转换装置(100)，其特征在于，
用具有灭弧效果的树脂材料(130)覆盖所述熔断器部(200)。
10.如权利要求9所述的功率转换装置(100)，其特征在于，
所述树脂材料(130)的杨氏模量为10MPa以上且小于100MPa。
11.一种功率转换装置一体化旋转电机(300)，其特征在于，
与旋转电机(104)一体地具备有如权利要求1至10中任一项所述的功率转换装置(100)。
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