CN1595644A - 逆变器及其制造方法，以及装有这种逆变器的电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种逆变器及其制造方法，以及装有这种逆变器的电动汽车，其中逆变器包括多个半导体芯片，这些芯片并联且构成逆变器的一个臂；一个第一导体，在所述多个半导体芯片一侧上的表面与该导体相连；一个宽导体，在所述多个半导体芯片另一侧上的表面与该导体相连；一个与所述宽导体相连的第二导体；以及一个冷却器，所述第一导体和第二导体通过一个绝缘树脂层与该冷却器相连，由此，将在半导体芯片中产生的部分热损失热传递至第一导体，从而将这部分热损失热传递至冷却器，以此形成冷却，同时，将另一部分热损失热传递至宽导体，从而传递至第二导体，从而将其热传递至冷却器，以此形成冷却。

Description

逆变器及其制造方法，以及 装有这种逆变器的电动汽车
相关申请的参考
本申请要求以申请日为2003年9月12日的日本申请N0.JP2003-321462为优先权申请，该文献的全部内容可在本申请中参考使用。
技术领域
本发明涉及具有高可靠性的逆变器，这种逆变器尺寸较小且冷却效率优良，并且本发明还涉及制造逆变器的方法以及一种装有逆变器的电动汽车(有时将其称为电动车辆或电动小汽车)
背景技术
目前，要求缩小功率半导体元件及使用这些元件的逆变器的尺寸并提高它们的可靠性。当在电动汽车中使用半导体元件以及使用了这些元件的逆变器时，尺寸的减小以及可靠性的改善是特别重要的。
为了减小功率半导体元件及使用了这些元件的逆变器的尺寸并提高它们的可靠性，如日本公开专利文献2003-153554那样，要求功率半导体元件和逆变器具有优良的冷却效率。
下面，将参照附图1和2说明一种传统逆变器的结构。图1为局部轴向剖面图，其显示了半导体芯片在一个功率半导体元件内部的安装结构；图2为一种功率半导体元件的局部透视图。
在图2所示的逆变器中，通过并联连接由尺寸不大于10平方毫米的半导体芯片构成的多个IGBT(绝缘栅双极晶体管)171和二极管181，形成三相逆变器的单个臂；另外，使构成三相逆变器中单个臂的多个半导体芯片与一个厚度为1.5mm～5mm的导体20结合；通过含有陶瓷的绝缘树脂层23，将导体20粘结固定在一个冷却器22上。(“10平方毫米”或“□10毫米”表示正方形一边的长度为10mm)。
另外，在图2所示的逆变器中，构成三相逆变器中W相的一个上臂的四个并联IGBT171A～171D以及两个并联的二极管181A～181B呈一行排列在构成三相逆变器的一个上臂的一个上臂导体25上；同样，构成三相逆变器中W相的一个下臂的四个并联IGBT172A～172D以及两个并联二极管182A～182B呈一行排列在构成三相逆变器的一个下臂的一个下臂导体26上。另外，将一个使三相输出端子32与IGBT171A～171D和二极管181A～181B相连的三相输出导体27设置在位于上臂导体25和下臂导体26之间的上臂导体25上。
下面将对上臂和下臂的结构进行说明。图3所示，就将DC电流转换为三相AC电流的逆变器而言，所述臂如下所述。具体地，为了从DC电池电源产生三相AC电能，逆变器包括三相臂(U相，X相)，(V相，Y相)以及(W相，Z相)并且在其中能够实现向AC电流的转变。所述AC电流提供了用于驱动一个三相马达的三相AC电能。
上臂由U相，V相以及W相构成，而下臂则由X相，Y相以及Z相构成。
在图2中，下臂导体26以及三相输出导体27由相同的导体构成。另外，将一个使负极端子31与排列在下臂导体26上的IGBT 172A～172D以及二极管182A～182B相连的负极导体28设置在上臂导体25和下臂导体26之间。通过在相应的导体与IGBT和二极管之间的引线接合29实现电连接。
在图1～图2所示的逆变器中，利用绝缘树脂层23使与导体20和/或上臂导体25和下臂导体26焊接在一起的IGBT 171A～171D和二极管181A～181C直接与一个冷却器22相连，以便减小功率半导体元件内部的IGBT和二极管芯片的热阻。另外，由于IGBT 171A～171D和二极管181A～181C与厚度为1.5mm～5mm的导体20和/或上臂导体25和下臂导体26焊接在一起，所以，由于导体20和/或上臂导体25和下臂导体26的热容量的影响，因此，热时间常数变大，结果，瞬态热阻变小，并且逆变器启动期间的温度升高变小。因此，能够提高冷却效率，并且能够缩小逆变器。
但是，采用传统的逆变器，虽然减小了在功率半导体元件内部的IGBT和二极管芯片的热阻，但是会产生以下问题。
首先，由于需要大量的时间来提供通过引线接合在多个并联IGBT或二极管芯片上进行电布线时所需的多个引线接合位置，因此，会延长制造时间。
另外，在结构上会限制冷却效率可改善的程度。
因此，本发明的一个目的在于提供一种新型逆变器及其制造方法，以及一种带有这种逆变器的电动汽车，其中，使用了能够提供优良制造特性的功率半导体元件，以便提高电流容量，并减小逆变器的尺寸，而且能进一步提高功率半导体元件的冷却效率。
发明内容
为了实现上述目的，本发明的逆变器采用了以下结构。具体地，本发明的逆变器包括：多个并联且构成逆变器的一个臂的半导体芯片；
一个第一导体，所述多个半导体芯片的一个面与该导体相连；
一个宽导体，所述多个半导体芯片的另一面与该导体相连；
一个与所述宽导体相连的第二导体；以及
一个冷却器，所述第一导体和第二导体通过一个位于它们之间的绝缘树脂层粘着固定在该冷却器上。
根据本发明，能够提高逆变器的电流容量，并且还能够减小尺寸和提高可靠性。
附图说明
参照以下结合附图所作的详细说明，将易于更全面地理解本发明及其许多优点，并且还能够更好地理解本发明及其优点。
图1为局部竖直剖面图，其显示了在传统的功率半导体元件内部的半导体芯片的安装结构；
图2为传统的功率半导体元件的局部透视图；
图3为说明一个臂的结构的视图；
图4为局部透视图，其显示了本发明第一实施例的逆变器的安装结构；
图5为显示热通量分析结果的视图，所述热通量分析结果显示了在电流通过图4的逆变器期间，由半导体芯片产生的热量损失的放热路径；
图6为显示图4的逆变器中半导体芯片的瞬态热阻的分析结果的视图；
图7为局部透视图，其显示了本发明第2实施例中逆变器的安装结构；
图8A，图8B和图8C分别为局部透视图，它们显示了本发明第2实施例中逆变器的制造工序；
图9作为示意性透视图，其显示了在电动汽车中安装本发明的逆变器的情况；
图10作为示意性透视图，其显示了在带有内燃机的电动汽车中安装本发明的逆变器的情况。
具体实施方式
参见附图，其中，在所有的附图中，相同的参考标号表示相同或相应的部件，下面将具体参照附图4对本发明的一个实施例加以说明。
图4为局部透视图，其显示了本发明第一实施例的逆变器的安装结构。图5为显示热通量分析结果的视图，所述热通量分析结果显示了在电流通过图4的逆变器期间，由半导体芯片产生的热量损失的放热路径。图6显示了图4的逆变器中半导体芯片的瞬态热阻的分析结果。
在图4的逆变器中，三相逆变器的一个臂是通过并联连接IGBT171A～D和二极管181A～B以及IGBT172A～D和二极管182A～B构成的，所述IGBT和二极管为尺寸小于10平方毫米的半导体芯片(“10平方毫米”表示正方形一边的长度为10mm)。图4显示了并联连接四个IGBT和并联连接两个二极管的情况。
另外，构成三相逆变器的一个上臂的四个并联连接的IGBT171A～171D以及两个并联连接的二极管181A～181B呈一行排列在构成三相逆变器的上臂的一个上臂导体25上；同样，构成三相逆变器的一个下臂的四个并联连接的IGBT172A～172D以及两个并联连接的二极管182A～182B呈一行排列在构成三相逆变器下臂的一个下臂导体26上。
另外，使三相输出端子32与IGBT171A～171D和二极管181A～181B相连的三相输出导体27布置在位于上臂导体25和下臂导体26之间的上臂导体25上。在图4的实施例中，下臂导体26和三相输出导体27由相同的导体构成。
另外，在上臂导体25和下臂导体26之间，设有一个负极导体28，该负极导体连接了负极端子31和设置在下臂导体26上的IGBT172A～172D以及182A～182B。
上臂导体25、下臂导体26、三相输出导体27以及负极导体28的厚度大约为1.5mm～5mm。IGBT和二极管以至少两倍于上述导体厚度的距离分散布置，并且通过如Sn/Pb这样的低熔点焊料或如Sn/Ag/Cu这样的高熔点焊料与导体焊接在一起。本发明的发明人确信：考虑到环境工程状况，今后将经常使用后者，即高熔点焊料。
另外，通过含有陶瓷的绝缘树脂层23，将上臂导体25、下臂导体26、三相输出导体27以及负极导体28粘着固定在冷却器22上。绝缘树脂层23在绝缘树脂中填充有如氮化硼这样的陶瓷填充剂，并且具有2～4W/mK的导热率以及大约0.05～0.15mm的厚度。
另外，通过如Sn/Pb这样的低熔点焊料或如Sn/Ag/Cu这样的高熔点焊料，将一宽导体33与IGBT和二极管的上部焊接在一起，以便通过三相输出导体27、负极导体28以及宽导体33而电连接在一起。
上臂导体25和正电极端子30，三相输出导体27和三相输出端子32，以及负极导体28和负极端子31通过一个输入/输出导体34被电连接在一起。
由于IGBT171和IGBT172的材料以及二极管181和二极管182的材料均为硅(Si)，而各种导体的材料为铜(Cu)，因此，IGBT、二极管和导体的线性膨胀系数是不同的。结果，在通过温度循环加载时，在将IGBT和二极管与导体焊接在一起的焊料中会产生剪切应力，从而导致产生非线性应变。如果非线性应变的值变大，则在通过温度循环加载时，会在焊料中产生裂缝等。非线性应变的值的减小能够提高可靠性和耐久性。
因此，当IGBT和二极管的芯片尺寸较大时，会增大焊料的非线性应变。因此，必须将芯片的尺寸保持在大约10平方毫米左右，以便确保逆变器的可靠性和耐久性。
但是，如果芯片的尺寸小于10平方毫米，那么每一芯片的电流容量较小，因此为了构成用于电动汽车的具有几十kW的逆变器，必须并联连接芯片。
另外，为了减小特别是在逆变器启动时温度的升高，和为了通过导体的热扩散效果而减小稳态热阻，上臂导体25、下臂导体26、三相输出导体27和负极导体28的厚度最好为1.5～5mm。
仅通过提供三个这种具有三相输出端子32的逆变器(元件)，便可制造一个三相RST AC电源。
图5显示了在稳定条件下，热通量的分析结果，其表明当在电流通过逆变器期间，通过由一个半导体芯片构成的IGBT172A产生的热损失热传导至冷却器22上而实现冷却时，热损失的流动。箭头表示热通量的方向，箭头的尺寸表示热通量的大小。
图6显示了比较图1和2所示的现有的功率半导体元件的瞬态热阻与本发明的功率半导体元件中半导体芯片的瞬态热阻所得的分析结果。
在现有的功率半导体元件中，引线接合是非常细的，因此，热阻非常大。因此，如图5所示，实际上，在IGBT172A中产生的所有热损失均会热传递至下臂导体26并排放至冷却器22。
相反，如图5所示，就本发明的功率半导体元件而言，在IGBT172A中产生的部分热损失被传递至宽导体33，从而被热传递至负极导体28，同时另一部分热损失被热传递至下臂导体26，因此被热传递至冷却器22，借此实现冷却。
在这种分析中，假设宽导体33的厚度为3mm，并且下臂导体26和负极导体28的厚度为3mm。为了促进由宽导体33产生热传导，由于较大的横剖面面积意味着较小的热阻，因此，所述宽导体最好具有一定的厚度(大约几毫米)。虽然通过加大横剖面面积能够减小热阻，但是其也会产生重量增大的问题。
如上所述，根据本发明，通过宽导体33和下臂导体26能够冷却IGBT172A的两个面，因此，如图6所示，与常规功率半导体元件相比，可以使稳态热阻在10～20秒后降低大约25％。由于对宽导体33两个面的冷却以及热容量效果，与现有技术的功率半导体元件相比，以往存在问题的在逆变器启动时0.1～0.3秒的瞬态热阻也可以减小大约50％。
另外，如果在本发明的功率半导体元件中，通过利用焊料焊接IGBT，二极管，导体以及宽导体来完成电布线，那么，无需象在现有技术的功率半导体元件中那样，布设多个引线接合位置的步骤，从而减少了制造时间。
以此方式，在第一实施例的逆变器中，在逆变器的启动和在稳态条件下，均可进一步减小在功率半导体元件内部的IGBT和二极管的热阻，从而降低了IGBT和二极管芯片的温度升高并提高了冷却效率。以此方式，能够提高逆变器的可靠性并减小逆变器的尺寸，并且还能够提高功率半导体元件的产量。
下面，将对本发明的第2实施例进行说明。
图7为局部透视图，其显示了本发明第2实施例中逆变器的安装结构。图8A，图8B和图8C为局部透视图，它们显示了本发明第2实施例中逆变器的制造工序。
在图7中，通过如Sn/Pb这样的低熔点焊料或如Sn/Ag/Cu这样的高熔点焊料，将热缓冲板35与构成功率半导体元件中IGBT171A～D、二极管181A～B、IGBT172A～D以及二极管182A～B的半导体芯片的上部焊接在一起，并且通过导电性粘结剂将宽导体33粘结固定至热缓冲板35上。
热缓冲板35的材料例如为钼(Mo)或类似物，其线性膨胀系数接近半导体芯片的线性膨胀系数，且其厚度为大约0.5mm。导电胶具有大约15～60W/mK的导热率，并且例如可以采用这样的粘结剂，即，这种粘结剂的基质由绝缘树脂构成，但是在其中填充有一种如银填料这样的导电物质。涉及其结构的其它细节与第1实施例相同。
在上述结构中，使热缓冲板35和导电胶介于半导体芯片和宽导体33之间，但是，如果例如热缓冲板35由钼制成，同时导电胶的厚度为0.5mm并且具有大约15～60W/mK的导热率，那么，即使热阻比第一实施例的热阻大5％左右，与现有技术的半导体元件相比，仍能够将10～20秒后的稳态热阻降低大约20％。
另外，如图8B所示，首先，通过低熔点焊料或高熔点焊料将本发明中功率半导体元件的IGBT171A～D、二极管181A～B、IGBT172A～D、二极管182A～B以及热缓冲板35焊接在一起。
之后，通过以相同的温度、在相应的步骤中，利用绝缘树脂层23，通过加热导体和冷却器22实现粘着固定，另外，利用导电胶，通过加热热缓冲板35和宽导体33实现粘着固定。
另外，由于将宽导体33分隔用于各个半导体芯片，因此，通过在每一导体上，多个半导体芯片未焊接的位置处，对导体和冷却器22施加压力，利用绝缘树脂层23能够实现利用压力和加热的粘着固定。
采用如以上所述制成的功率半导体元件，逆变器的输出容量变大，同时并行排列的半导体芯片数量和导体长度增加，在上臂导体25、下臂导体26、三相输出导体27和负极导体28中，即使导体与冷却器粘着固定的表面的平面度或弯曲度发生了变化，由于在各导体未象第一实施例那样通过焊料焊接与宽导体形成一体的状态下，以与各导体分别独立的状态下相同的温度步骤，利用绝缘树脂层23使各导体通过加压和加热而与冷却器22粘着固定，所以可以变为冷却器22和各导体以完全一体的状态实现粘着固定。
因此，在该第二实施例中，即使增大逆变器的输出量，仍能够提高功率半导体元件的产量，并且在逆变器启动期间和在稳定状态下，实际上与第一实施例相同，IGBT和二极管芯片的温度升高较小，并且能够提高冷却效果。
图9作为示意性透视图，其显示了在电动汽车中装有上述逆变器的情况。将上述逆变器91安装在电动汽车的车体90前部的内部，并且将通过该逆变器提供电能的三相电动马达92设置在车体90内。通过三相电动马达92驱动驱动轮93，从而对电动汽车提供推进力。
图10作为示意性透视图，其显示了在电动汽车中装有上述逆变器的情况。将上述逆变器101安装在电动汽车的车体100前部的内部，并且将由该逆变器提供电能的三相电动马达102设置在车体100内。通过该三相电动马达102驱动驱动轮103，从而对电动汽车提供推进力。
这种车体100还装有一台内燃机104，并且通过该内燃机104也可驱动驱动轮103。这种电动汽车被称为混合式动力车，其中，通过三相电动马达102和/或内燃机104，根据需要来驱动驱动轮103。
虽然以上说明是根据在电动汽车中使用的逆变器作出的，但是，本发明不应局限于此，并且其显然可以适用于其它用途。本发明特别适用于升降机或电动火车。
另外，根据以上说明，IGBT可以用作半导体芯片，但是使用如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)这样的其它半导体芯片也可以获得相同的效果。作为半导体芯片的材料，不但可以使用Si，而且使用如SiC这样的宽缝隙半导体也获得同样的效果。

Claims (7)

1.一种逆变器，包括：
多个半导体芯片，这些芯片并联且构成逆变器的一个臂；
第一导体，在所述多个半导体芯片一侧上的一个表面与该导体相连；
一个宽导体，在所述多个半导体芯片另一侧上的一个表面与该导体相连；
与所述宽导体相连的第二导体；以及
冷却器，所述第一导体和第二导体通过一个绝缘树脂层与该冷却器相连。
2.一种逆变器，包括：
第一半导体芯片组，其中，构成逆变器的一个上臂的多个半导体芯片并联连接；
第一导体，在所述第一半导体芯片组的所述半导体芯片一侧上的多个表面与该导体相连；
第二半导体芯片组，其中，构成逆变器的一个下臂的多个半导体芯片并联连接；
第二导体，在所述第二半导体芯片组的所述半导体芯片一侧上的多个表面与该导体相连；
第一宽导体，在所述第一半导体芯片组的所述半导体芯片另一侧上的多个表面与该第一宽导体相连；
第二宽导体，在所述第二半导体芯片组的所述半导体芯片另一侧上的多个表面与该第二宽导体相连；
第三导体，其与连接至所述第一宽导体上的一个三相输出电极相连并设置在所述第一导体和第二导体之间；
第四导体，其与一个与所述第二宽导体相连的负电极相连并设置在所述第一导体和第二导体之间；以及
冷却器，所述第一至第四导体通过一个绝缘树脂层与该冷却器相连。
3.根据权利要求1或2所述的逆变器，还包括：热缓冲板，其在所述半导体芯片另一侧的表面，与所述宽导体相连。
4.一种制造逆变器的方法，包括：
利用一种低熔点或高熔点焊料，将多个半导体芯片和一个热缓冲板焊接在一起；
利用一种低熔点或高熔点焊料，将所述热缓冲板和一个导体焊接在一起；
将所述导体固定至一个冷却器上；以及
固定所述热缓冲板和一个宽导体。
5.根据权利要求4所述的制造逆变器的方法，其还包括：将所述宽导体分为多个芯片；以及
通过在多个半导体芯片未连接至所述导体的位置处施加压力，来固定所述导体和所述冷却器。
6.一种电动汽车，包括：
一个逆变器，包括：
多个半导体芯片，这些芯片并联且构成逆变器的一个臂；
第一导体，在所述多个半导体芯片一侧上的一个表面与该导体相连；
宽导体，在所述多个半导体芯片另一侧上的一个表面与该导体相连；
与所述宽导体相连的第二导体；以及
冷却器，所述第一导体和第二导体通过一个绝缘树脂层与该冷却器相连；以及
电动马达，其装有所述逆变器并利用由所述逆变器产生的AC电能来驱动一个驱动轮。
7.一种电动汽车，包括：
一个逆变器，包括：
多个半导体芯片，这些芯片并联且构成逆变器的一个臂；
第一导体，在所述多个半导体芯片一侧上的一个表面与该导体相连；
宽导体，在所述多个半导体芯片另一侧上的一个表面与该导体相连；
与所述宽导体相连的第二导体；以及
冷却器，所述第一导体和第二导体通过一个绝缘树脂层与该冷却器相连；
电动马达，其装有所述逆变器并利用由所述逆变器产生的AC电能来驱动一个驱动轮；以及
除所述电动马达外所提供的内燃机，其用于驱动所述驱动轮。
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