CN1226789C - 大功率半导体器件的供电及散热装置 - Google Patents

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Abstract

在采用多个大功率半导体器件(1)的电路中，所述大功率半导体器件具有该器件中的电极在该半导体的组件内部电气连接的散热用金属部件(5)，在所述多个大功率半导体器件中，与散热用金属部件连接的电极的电位为相同电位的该散热用金属部件，电气连接固定在具有导电性的1个散热体上，将散热体用作1个连接端子。另外，所述多个散热体电气连接固定在具有导电性的1个散热板(7)上，并且将所述散热板用作1个连接端子。或者，将所述散热体以电绝缘方式固定于另一散热器(11)上。

Description

大功率半导体器件的供电及散热装置
技术领域
本发明涉及在采用多个大功率半导体器件的电路中，将该大功率半导体器件的供电结构简化，同时还具有散热作用的大功率半导体器件的供电和散热装置。
背景技术
一般，供给较大电量的控制装置具有包括多个大功率半导体器件的电路。如果以近来受到注目的电动汽车为例，则作为车辆的驱动源的电动马达和该马达驱动电路，即具有多个大功率半导体器件的装置收装于金属制的壳体内，既可对马达和电路进行保护，又可将其装载于车辆上。另外，该壳体由铝等金属制的筒状外壳和盖形成，在将马达的组成部分收装于外壳内后，盖上盖，通过螺栓将外壳和盖紧固，将它们装配在一起。
马达驱动电路以作为对马达、线圈的通电进行高速切换控制的开关器件的大功率半导体器件为主体。于是，如果大功率半导体器件发热，上升到额定温度，则为了保护电路，必须抑制或停止马达的输出。所以，为了避免这样的情况，获得较大的输出，必须将大功率半导体器件产生的热量向马达外壳外部排放。
由此，目前，设置于大功率半导体器件上的散热用金属部件，被安装在起散热作用的散热片上。
在这种现有的电路中，如果以FET为例，则大功率半导体器件的漏极与散热用金属部件实现电气连接，在将不同的电路部分中所采用的大功率半导体器件安装于同一散热片上时，各大功率半导体器件与散热片之间必须实现电绝缘。另外，如果按照此方式确保电绝缘，则在电绝缘体的电阻较大的同时，热阻也较大，故使大功率半导体器件的散热性降低。
此外，在将大功率半导体器件焊接于电路基板上以构成电路的情况下，一般，该电路与用于和电源、马达等外部电路连接的端子之间在电路基板上实现连接，但是从总体上说，大功率半导体器件使用大电流，故必须在电路基板上以厚度较大的铜箔形成图形，或以多层结构形成电路基板，利用其内层，或者在电路基板上形成扣眼状的端子等结构或工艺。因此，现有电路基板的结构复杂，难于小型化，另外要求较多部件和步骤，成本较高。
因此，本发明是针对这样的问题而提出的，本发明的目的在于提供一种大功率半导体器件的供电和散热装置，该装置简化安装于电路基板上的大功率半导体器件的供电结构，同时还具有散热作用。
发明内容
按照本发明的一个方面，本发明涉及一种大功率半导体器件的供电和散热装置，其中在采用多个大功率半导体器件的电路中，上述大功率半导体器件具有与该器件中的电极在该半导体的组件(package)内部电气连接的散热用金属部件，在上述多个大功率半导体器件中，与电位相同的电极连接的该散热用金属部件，电气连接固定在具有导电性的1个散热体上，另外，将上述散热体用作1个连接端子。
如果按照上述方式采用本发明的装置，由于多个散热用金属部件与1个散热体电气连接，该1个散热体用作1个连接端子，故可无需从该多个散热用金属部件的电极分别进行布线，可简化供电结构。
此外，在本发明中，由于多个散热用金属部件不借助电绝缘体而与散热体连接，故可减小各大功率半导体器件与散热体之间的热电阻，可提高大功率半导体器件的散热性。
按照本发明的另一个方面，本发明为大功率半导体器件的供电和散热装置，其中上述多个散热体电气连接固定于具有导电性的1个散热板上，将上述散热板用作1个连接端子。
按照上述方式，由于使多个散热体与散热板实现电气连接，将其用作一个连接端子，故可进一步简化上述的供电结构。另外，由于多个散热体与散热板连接，故进一步提高大功率半导体器件的散热性。
按照本发明的另一个方面，本发明为大功率半导体器件的供电和散热装置，其中以电绝缘方式，将上述散热板固定于另一散热器上。
如果采用这样的构成，由于散热板的热量通过另一散热器排放，故可进一步提高大功率半导体器件的散热性。
按照本发明的另一个方面，本发明为大功率半导体器件的供电和散热装置，其中以电绝缘方式，将上述散热体固定于另一散热器上。
如果采用这样的构成，由于散热体的热量通过另一散热器排放，故可进一步提高大功率半导体器件的散热性。
按照本发明的另一个方面，本发明为大功率半导体器件的供电和散热装置，其中上述散热体与上述另一散热器之间的固定面积，大于上述散热体与上述散热用金属部件之间的固定面积。
如果采用这样的构成，则进一步提高大功率半导体器件的散热性。
即，如果散热体与另一散热器之间实现电绝缘，则虽然它们之间的热阻较大，但是按照本发明，由于散热体与另一散热器之间的固定面积，大于散热体和散热用金属部件之间的固定面积，故可确保从散热用金属部件传递给散热体的热量，以及从散热体传递给另一散热器的热量之间保持良好的平衡，其结果，大功率半导体器件的散热可有效地进行。
按照本发明的另一个方面，本发明为大功率半导体器件的供电和散热装置，其中上述散热体为板状部件，其通过螺纹紧固方式固定在上述另一散热器上。
如果采用这样的构成，则可效率良好地设置散热体。
特别是，由于本发明的散热体为板状的部件，故可通过冲切加工进行制造，可降低其制造成本。
附图说明
图1涉及本发明的具体实例，表示将大功率半导体器件的供电和散热装置装配于电动马达中的纵向截面图。
图2涉及本发明的具体实例，为采用半导体器件的逆变电路图。
图3涉及本发明的具体实例，图3(1)为大功率半导体器件的外观立体图，图3(2)为该电路符号。
图4涉及本发明的具体实例，表示在辅助散热片上安装多个大功率半导体器件的状态的外观立体图。
图5涉及本发明的具体实例，表示在电路基板上设置安装有多个大功率半导体器件的多个辅助散热片的状态的图。
图6涉及本发明的具体实例，表示多个辅助散热片设置于电路基板上的状态，为表示在辅助散热片上安装散热板的状态的局部剖开的外观立体图。
图7涉及本发明的具体实例，表示电路组件部分的外观立体图。
图8涉及本发明的具体实例，表示多个辅助散热片设置于电路基板上的状态，为表示在辅助散热片上安装散热板的状态的外观立体图。
图9涉及本发明的具体实例，表示大功率半导体器件的供电和散热装置的纵向截面图。
图10涉及本发明的具体实例，表示大功率半导体器件的供电和散热装置的分解立体图。
图11涉及本发明的具体实例，表示大功率半导体器件的外观立体图。
图12涉及本发明的具体实例，表示大功率半导体器件和辅助散热片的平面图。
图13涉及本发明的具体实例，表示大功率半导体器件和电路基板的平面图。
具体实施方式
下面根据附图，对本发明的具体实例进行具体说明。
本实例是将FET作为大功率半导体器件为例，并且其供电和散热装置装配于电动马达中的情况。为了方便，首先对电动马达进行说明。
如图1所示，电动马达M基本上由收装马达机械部件的马达组件A，以及收装电控部件的电路组件B形成，在本实例中，用作电动汽车的行走驱动源。
该马达组件A在大致为圆筒形状的悬垂外壳21内部，由具有3相线圈的马达主体22，以及将马达主体22封入树脂的树脂部件23形成。该马达主体22由马达轴24，转子25，以及定子26形成，该马达轴24以可旋转的方式通过轴承支承于悬垂外壳21上，该转子25固定于该马达轴24上，该定子26固定于悬垂外壳21侧。
电路组件B在金属制的散热片箱11内部，由对马达主体22进行通电控制的电路基板12，安装于电路基板12上的大功率半导体器件1，后述的作为散热体的辅助散热片6，三叉状的散热板7，电容器等的相关部件构成。另外，虽然在图中省略，但对大功率半导体器件进行开关控制的CPU或相关部件也设置于散热片箱内部。
此外，上述马达主体22的线圈按照在芯体的规定部位缠绕线而形成3相(U相，V相和W相)的方式构成，各相的线圈与分别搭载有马达驱动电路的电路基板12电气连接。
图2表示采用大功率半导体器件1的逆变电路，故连接端子的正极和负极与电源连接，连接端子中的U，V，W与马达连接。
图3所示的大功率半导体器件1包括栅极，漏极，和源极中的各电极2，3，4，以及与上述漏极3电气连接的散热用金属部件5。
另外，在图2中，由于在图中的顶部处所示的3个大功率半导体器件1中，各漏极3从电路上说是处于相同电位的，故可将其直接安装于一个散热器上。
在本实例中，如图4所示，以螺纹紧固方式将3个大功率半导体器件1固定于1个块状的辅助散热片6上。该辅助散热片6为具有导电性的金属部件，通过将3个大功率半导体器件1直接固定于辅助散热片6上，大功率半导体器件1与辅助散热片6实现电气连接。
此外，将辅助散热片6用作1个连接端子。在本实例中，在辅助散热片6的背面上，设置螺纹部，通过螺钉9将导线8的端子8a与该螺纹部连接。
如果按照此方式，采用本实例的装置，则多个大功率半导体器件1的散热用金属部件5与1个辅助散热片6电气连接，将该1个辅助散热片6用作1个连接端子，由此，可以无需从该多个散热用金属部件的漏极分别进行布线，可简化供电结构。
还有在本实例中，由于多个散热用金属部件5不借助电绝缘体地与辅助散热片6连接，故可减小各大功率半导体器件1与辅助散热片6之间的热阻，可提高大功率半导体器件1的散热性。
如图5所示，上述电路基板12由具有规定直径的圆形薄板形成，以紧靠方式固定有大功率半导体器件1的辅助散热片6安装于该电路基板12的顶面侧，大容量的电容器10安装于相反的背面侧。
另外，如图6和图7所示，多个辅助散热片6固定于作为其它的散热体的3叉状的散热板7上。与该散热板7电气连接而固定的辅助散热片6，从电路方面说，各辅助散热片6的电位是相同的。
此外，辅助散热片6的顶面开设有螺孔6a，通过图中省略的螺钉，将散热板7固定在该螺纹孔6a中。
按照上述方式，将多个辅助散热片6与散热板7电气连接，将其用作一个连接端子，由此，可使多个供电结构形成一体，可更进一步地简化该结构。此外，由于多个散热体(辅助散热片6)还与散热板7连接，故可进一步地提高大功率半导体器件的散热性。
如图1和图7所示，上述散热板7之间夹持绝缘层13，将其压接于散热片箱11上。另外，在未安装散热板7的辅助散热片6的顶面，也设置绝缘层13，将其压接于散热片箱11上。在散热片箱11的外面上，设置有散热用的散热片(fin)。
按照上述方式，散热板7压接于散热片箱11上，由此，散热板7的热量通过散热片箱11向外部排放，其结果是，可进一步地提高大功率半导体器件1的散热性。还有，由于未安装散热板7的辅助散热片6也压接于散热片箱11上，故辅助散热片6的热量通过散热片箱11向外部排放，使大功率半导体器件1的散热性提高。
还有，由于散热板7和辅助散热片6以电绝缘的方式固定于散热片箱11上，故大功率半导体器件1的大电流不会从散热片箱11朝向外部消散，由此可确保安全性。
此外，上述的各辅助散热片6从电路方面说处于相同电位的辅助散热片，比如象图8所示的那样，在一侧并排，并且还可对应此情况，使散热板7形成为半圆形而使用。不过，并不限于这些设置形式，还可采用将辅助散热片6设置于4个角部等适合的形式。
在以上的具体实例中，以装配于电动马达中的情况为实例进行了说明，但是，本发明不限于此实例，本发明一般可适合于采用大功率半导体器件的供电和散热装置。另外，作为大功率半导体器件，以FET为实例进行了说明，但是并不限于此，比如，可采用比如晶体管、二极管、半导体开关器件、IGBT、SIT等的适合形式，或采用将这些部件组合而放入一个外壳内的形式。
下面根据图9～图13，对本发明的其它具体实例进行说明。
如这些附图所示，在本实例的供电和散热装置中，辅助散热片6以电绝缘的方式固定在散热片箱11上。
再有，对于其它的基本构成，由于与前述的具体实例相同，故共同的部件采用相同的标号，其说明省略。
即，本实例的辅助散热片6为板状部件，在其一个面上以螺纹紧固的方式设置有大功率半导体器件1，该辅助散热片6将绝缘层13夹持于上述一个面与另一面之间，并通过螺纹方式紧固在散热片箱11。上述的大功率半导体器件1中的各电极2，3，4呈L型。
在这里，辅助散热片6与散热片箱11之间的固定面积，大于辅助散热片6与散热用金属部件5之间的固定面积。
此外，对于辅助散热片6相对散热片箱11的螺纹紧固，采用安装有绝缘体的螺钉14，或由绝缘体形成的螺钉，其应确保辅助散热片6与散热片箱11之间的绝缘性。
还有，在本实例中，散热用金属部件5相对辅助散热片6的螺纹紧固，以及辅助散热片6相对散热片箱11的螺纹紧固，均沿辅助散热片6的厚度方向进行。故，这些螺纹紧固可按照从同一方向插入工具的方式进行，上述装置的生产步骤可简化。
如果采用本实例的大功率半导体器件的供电和散热装置，辅助散热片6的热量通过散热片箱11排出，故大功率半导体器件1的散热性可进一步提高。
再有，如果辅助散热片6与散热片箱11实现电绝缘，虽然它们之间的热阻较大，但是在本实例中，辅助散热片6与散热片箱11之间的固定面积，大于辅助散热片6与散热用金属部件5之间的固定面积，由此确保从散热用金属部件5传递给辅助散热片6的热量，以及从辅助散热片6传递给散热片箱11的热量之间保持良好的平衡，其结果是，大功率半导体器件1的散热可有效地进行。
另外，由于辅助散热片6为板状的部件，故可通过冲切加工进行制造。可降低其制造成本。另外，通过螺纹紧固方式，将该辅助散热片6固定于散热片箱11上，由此可效率良好地设置。此外，考虑与散热片箱11的固定面积等因素，适当地设定辅助散热片6的平面形状。
产业上的使用可能性
本发明涉及大功率半导体器件的供电和散热装置，其中在采用多个大功率半导体器件的电路中，使大功率半导体器件的供电结构简化，同时还具有散热作用，例如可适合用作马达的驱动电路。

Claims (6)

1.一种大功率半导体器件的供电和散热装置，包括：
电路板；
安装在所述电路板上的多个大功率半导体器件，每个器件具有漏极电极和电气连接到所述大功率半导体器件组件内的所述漏极电极的散热用金属部件；和
至少一个用作连接端子的第一导电的散热体，其中在所述多个功率半导体器件中，只有包括具有相同电位的所述漏极电极的所述功率半导体器件通过其所述的散热用金属部件被电气连接并固定到第一导电的散热体。
2.根据权利要求1所述的大功率半导体器件的供电和散热装置，其特征在于，所述多个散热体电气连接固定于具有导电性的1个散热板上，所述散热板用作1个连接端子。
3.根据权利要求2所述的大功率半导体器件的供电和散热装置，其特征在于，以电绝缘方式，将所述散热板固定于另一散热器上。
4.根据权利要求1所述的大功率半导体器件的供电和散热装置，其特征在于，以电绝缘方式，将所述散热体固定于另一散热器上。
5.根据权利要求4所述的大功率半导体器件的供电和散热装置，其特征在于，所述散热体与所述另一散热器之间的固定面积，大于所述散热体与所述散热用金属部件之间的固定面积。
6.根据权利要求4或5所述的大功率半导体器件的供电和散热装置，其特征在于，所述散热体为板状部件，其通过螺纹紧固方式固定在所述另一散热器上。
CNB008081646A 1999-06-03 2000-06-01 大功率半导体器件的供电及散热装置 Expired - Fee Related CN1226789C (zh)

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