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BEZUGNAHME AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Patentanmeldung basiert auf und umfasst durch Bezugnahme die
japanische Patentanmeldung Nr. 2010-28326 , angemeldet am 11. Februar 2010.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung bestehend aus einem Halbleitermodul kombiniert mit Wärmesenken, welche die in dem Halbleitermodul erzeugte Wärme verteilen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Es sind verschiedene Arten von Halbleitervorrichtungen bekannt, die ein Halbleitermodul und eine Wärmesenke, die zum Kühlen des Halbleitermoduls thermisch mit dem Halbleitermodul verbunden ist, umfassen. Die Wärmesenke kann über ein Zwischenstück aus einer Folie thermisch leitfähigen Materials, und/oder einer Schicht thermisch leitfähigem Fett, oder Ähnlichem mit dem Halbleitermodul verbunden sein. Solch eine Halbleitervorrichtung ist beispielsweise in der
japanischen Patentanmeldung Nr. 2003-347783 gezeigt. In der Patentveröffentlichungsschrift gezeigten Halbleitervorrichtung ist eine Geräuschdämmplatte aus elastischen Material zwischen einem Halbleitermodul und einer Steuerplatine ausgebildet, die den Betrieb von Halbleiterelementen in dem Halbleitermodul steuert und ein Befestigungsabschnitt der Geräuschdämmplatte, ist an einer Wärmesenke befestigt. Ein Biegebereich der Geräuschdämmplatte ist an dem Halbleitermodul befestigt und die Wärmesenke wird dadurch mit einer vorbestimmten Kraft gegen das Halbleitermodul gepresst.
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Obwohl die Geräuschdämmplatte auch dazu dient, um effizient Wärme von dem Halbleitermodul zur Wärmesenke zu leiten und auch als Kontaktdruckerfassungselement dient, so dass die Gesamtgröße der Halbleitervorrichtung kompakt und die Herstellungskosten klein gehalten werden können, erlaubt so eine Vorrichtung keine ausreichende Fähigkeit um die Wärme der Halbleitervorrichtung effizient zu verteilen. Insbesondere im Fall des Kühlens der Wärmesenke mit Luft ist es notwendig, da der thermische Übertragungskoeffizient von Luft sehr gering ist, die Gesamtfläche der thermischen Strahlungsflächen der Wärmesenke möglichst groß zu machen.
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Dies wird durch eine möglichst große Anzahl thermischer Strahlungsrippen (im Folgenden vereinfacht als Rippen bezeichnet) an der Wärmesenke erreicht. Durch Verringern der Dicke der Rippen kann die Anzahl der Rippen erhöht werden. Werden die Rippen jedoch dünner gemacht, lassen sich diese auch leicht durch Kräfte während oder nach dem Herstellungsprozess verbiegen, z. B. aufgrund von physischem Kontakt mit anderen Teilen des Gerätes, in das die Halbleitervorrichtung eingebaut wird. Eine solche Verbiegung der Rippen kann den Abstand zwischen benachbarten Rippen verringern, und dadurch die Kühleffizienz (thermische Übertragungseffizienz) der Wärmesenke verringern. Es ist daher schwer ein geeignetes Gleichgewicht zwischen der Stabilität der Rippen und der thermischen Übertragungseffizienz bei solch einem Typ von Halbleitervorrichtung zu erreichen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung das obengenannte Problem durch eine Halbleitervorrichtung zu lösen, welche ein Halbleitermodul mit einer Wärmesenke zum Kühlen des Halbleitermoduls kombiniert, wobei die Wärmesenke derart ausgebildet ist, dass die Gefahr des Verbiegens der Rippen der Wärmesenke aufgrund von Kräften deutlich reduziert ist, während trotzdem eine ausreichend hohe thermische Übertragungseffizienz gewährleistet wird.
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Es ist außerdem eine Aufgabe der Erfindung eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, bei der die effektive thermische Masse der Wärmesenke verbessert wird, wodurch Temperaturschwankungen des Halbleitermoduls aufgrund von kurzen Schwankungen in der von dem Halbleitermodul erzeugten Wärme verringert werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt umfasst eine Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung ein Halbleitermodul mit Halbleiterelementen und mit gegenüberliegenden Seiten mit entsprechenden äußeren Hauptflächen und einem Paar Wärmesenken, welche die gegenüberliegenden Seiten der Halbleitervorrichtung umschließen. Jede der Wärmesenken umfasst ein Unterteil mit einer ersten Seite, die thermisch an die entsprechend Hauptfläche des Halbleitermoduls gekoppelt ist, und weist eine Vielzahl an Hauptrippen auf, welche von einer zweiten Seite des Unterteils hervorstehen, wobei die Hauptrippen entlang einer ersten Richtung (im Folgenden als Dickenrichtung bezeichnet) in regelmäßigem Abstand nacheinander angeordnet sind. Außerdem weist jede der Wärmesenken auch wenigstens ein Paar Nebenrippen auf, wobei jede der Nebenrippen wenigstens einen Teil aufweist mit einer Dicke, die in Dickenrichtung größer ist als die Dicke einer jeder der Hauptrippen. Die Nebenrippen eines jeden Paars an Nebenrippen sind entsprechend außen an dem äußersten Paar der Hauptrippen in Dickenrichtung angeordnet.
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Da die Hauptrippen dicker sind als die Nebenrippen, lässt sich das Volumen (und daher die Gesamtmasse) einer Nebenfinne deutlich größer als das einer Hauptfinne ausbilden. Das heißt, die thermische Masse einer jeden Wärmesenke kann durch das Anbringen der Nebenfinnen vergrößert werden (z. B. im Vergleich zu dem Fall, in dem der von den Nebenfinnen benötigte Platz durch Hauptfinnen genutzt würde). Die Wärmespeicherkapazität jeder Wärmesenke lässt sich dadurch erhöhen und da die von den Halbleiterelementen erzeugte Wärme effizient zu den Nebenrippen übertragen wird und dort vorübergehend gespeichert wird, bevor sie an die Umgebung abgegeben wird, lässt sich ein plötzlicher Temperaturanstieg der Halbleiterelemente vermeiden. Hierdurch lässt sich eine verbesserte Kühlleistung erreichen.
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Außerdem weisen die Nebenrippen aufgrund ihrer größeren Dicke eine wesentlich höhere Stabilität auf als jede der Hauptrippen. Solch eine Halbleitervorrichtung kann in einem Gehäuse angeordnet werden, z. B. kann eine Vielzahl solcher Halbleitervorrichtungen innerhalb des Gehäuses dicht gepackt angeordnet werden, um eine Bewegung relativ zueinander zu vermeiden, so dass die Rippen der Wärmesenken mit den Innenseiten des Gehäuses und mit anderen Wärmesenken in Kontakt stehen. Wären alle Rippen als dünne Platten ausgebildet (um eine maximale Wärmeausbreitungseffizienz zu erreichen), würde in diesem Fall leicht ein Verbiegen der Rippen auftreten. Dies wiederum würde, wegen der Verringerung des Abstands zwischen den verbogenen Rippen, die Kühlfähigkeit verringern. Durch das Anbringen von Nebenrippen mit größerer Stabilität gegen Verbiegung als die Hauptrippen an jeder Wärmesenke, lässt sich dieses Problem vermeiden.
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Gemäß einem anderen Aspekt wird von jedem Paar an Nebenrippen einer Wärmesenke wenigstens eine der Nebenrippen des Paars kürzer ausgebildet als jede der Hauptrippen gemessen in Bezug auf eine zweite Richtung (im Folgenden als Lateralrichtung bezeichnet), die senkrecht zur Dickenrichtung ist und parallel zu den Hauptflächen des Halbleitermoduls verläuft. Hierdurch wird wenigstens ein rippenfreies Gebiet auf jeder Wärmesenke bereitgestellt, z. B. auf der gegenüberliegenden Seite der Wärmesenke der Hauptflächen des Halbleitermoduls. Dies erlaubt es die Wärmesenken einer Halbleitervorrichtung mit dem dazwischen angeordneten Halbleitermodul einfach mit Hilfe von Federklemmen zusammenzuklemmen. Insbesondere erfasst jede Federklemme die entsprechenden rippenfreien Abschnitte der gegenüberliegenden Paare von Wärmesenken, um Kraft auszuüben, um die Wärmesenken gegen die entsprechenden Hauptflächen der Halbleitervorrichtung zu klemmen, und um dadurch die Wärmesenken an das Halbleitermodul thermisch zu koppeln. Da außer den Federklemmen keine weiteren Bauteile nötig sind, lässt sich die Herstellung der Halbleitervorrichtung vereinfachen und die Herstellungskosten minimieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt, wenn die Halbleitervorrichtung vorgesehen ist, um in einem Gehäuse angeordnet zu werden, ist eine der Nebenrippen von wenigstens einem der Paare der Wärmesenken der Halbleitervorrichtung mit einem Durchgangsloch oder einer Aussparung ausgebildet und die innere Fläche des Gehäuses wird mit einem entsprechenden Vorsprung ausgebildet, z. B. einem Vorsprung, der angeordnet ist, um mit dem Durchgangsloch oder der Aussparung der Nebenrippe in Eingriff zu kommen, wenn die Halbleitervorrichtung in dem Gehäuse installiert wird. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Halbleitervorrichtung an einer vorher festgelegten Position und Orientierung innerhalb des Gehäuses befestigt wird. In diesem Fall, erlaubt die vergrößerte Dicke der Nebenrippe, dass das Durchgangsloch oder die Aussparung ausreichend lang (tief) ausgebildet werden können, um die Position der Halbleitervorrichtung innerhalb des Gehäuses sicherzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist, wenn die Halbleitervorrichtung vorgesehen ist, um in einem Gehäuse angeordnet zu werden, ist eine der Nebenrippen an wenigstens einem Paar der Wärmesenken der Halbleitervorrichtung mit einem Gewindeloch ausgestattet, wobei das entsprechende Durchgangsloch in dem Gehäuse derart angeordnet ist, um dem Gewindeloch zu entsprechen, wenn die Halbleitervorrichtung in dem Gehäuse angeordnet wird. Die Halbleitervorrichtung kann dadurch mittels einer Schraube, oder einem Bolzen, der durch das Durchgangsloch in das Gewindeloch eingreift und festgezogen wird, in dem Gehäuse befestigt werden.
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In diesem Fall erlaubt die vergrößerte Dicke der Nebenrippen eine ausreichende Anzahl an Gewindegängen in dem Gewindeloch, um die Schraube oder den Bolzen sicher zu befestigen. Es wird daher möglich die Halbleitervorrichtung innerhalb des Gehäuses an einer vorher festgelegten Position und Orientierung mit einer Schraube oder einem Bolzen sicher zu befestigen, z. B. ohne weitere Bauteile, wie beispielsweise Mutter, nutzen zu müssen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung genutzt, um eine Dreiphasegleichrichtervorrichtung herzustellen mit drei Schaltkreisabschnitten entsprechend jeder der drei Phasen. Jede der Schaltkreisabschnitte wird aus miteinander verbundenen Schaltkreiselementen gebildet, die einen oberen Arm bilden und verbunden sind mit Schaltkreiselementen, die einen unteren Arm bilden. Der obere Arm und jeder untere Arm kann durch entsprechende Halbleitermodule aus einem Paar von Halbleitervorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet werden. Zum Beispiel kann die Dreiphasengleichrichtervorrichtung durch eine Gesamtzahl von sechs Halbleitervorrichtungen gebildet werden. Diese können entsprechend angeordnet sein, um die von den Halbleitermodulen erzeugte Wärme effizient an die Hauptrippen und Nebenrippen zu übertragen, um damit die Wärme an die Umgebung abzugeben.
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Aufgrund der erhöhten Stabilität durch die Nebenrippen kann diese Art Halbleitervorrichtung innerhalb eines Gehäuses dichter gepackt werden. Insbesondere können die Nebenrippen einer jeden Halbleitervorrichtung die Innenflächen des Gehäuses und benachbarte Halbleitervorrichtungen direkt berühren, ohne dass die Gefahr des Verbiegens der Hauptrippen besteht. Dadurch kann die Dreiphasengleichrichtervorrichtung sehr kompakt ausgeführt werden. Zusätzlich zur Vereinfachten Herstellung der Dreiphasengleichrichtervorrichtung kann auch die Anzahl der notwendigen Teile reduziert werden, z. B. durch Weglassen derjenigen Komponenten, die nötig wären, um die Halbleitervorrichtungen sicher innerhalb des Gehäuses zu befestigen, oder durch Reduzierung der Anzahl solcher notwendigen Befestigungsvorrichtungen. Auch die Herstellungskosten können dadurch reduziert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Dreiphasenwandlervorrichtung, die als Motorantriebsvorrichtung dient und eine erste Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung umfasst und in einem Fahrzeug eingebaut ist;
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2 zeigt einen Schaltplan der Dreiphasenwandlervorrichtung aus 1;
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3 zeigt eine Schrägansicht einer Explosionszeichnung der ersten Ausführungsform;
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4 zeigt eine schräge Außenansicht der ersten Ausführungsform;
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5 zeigt eine schräge Außenansicht von einem Satz von sechs Halbleitervorrichtungen gemäß der ersten Ausführungsform, die einen Teil einer Dreiphasenwandlervorrichtung aus 1 zeigen, wie sie in einem Gehäuse angeordnet ist;
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6 zeigt eine schräge Außenansicht einer Wandlerantriebsvorrichtung gemäß 1;
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7 zeigt eine erhöhte Querschnittsansicht von 5, welche die Ausrichtung der Halbleitervorrichtungen innerhalb des Gehäuses zeigt;
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8 zeigt eine erhöhte Querschnittsansicht, um eine zweite Ausführungsform der Halbleitervorrichtung zu beschreiben;
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9 zeigt eine erhöhte Querschnittsansicht, um eine dritte Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung zu zeigen; und
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10 zeigt eine schräge Außenansicht einer vierten Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter Bezugnahme auf die Figuren werden im Folgenden Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden entsprechende Bauteile jeder der verschiedenen Ausführungsformen durchgehend mit identischen Bezugszeichen bezeichnet. Werden andere als die erste Ausführungsform beschrieben, werden nur die Elemente, die von der vorher beschriebenen Ausführungsform verschieden sind, im Detail beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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Die erste Ausführungsform beschreibt eine Halbleitervorrichtung, die zur Verwendung als Wandlervorrichtung zum Betreiben eines Hochleistungselektromotors geeignet ist. Die Wandlervorrichtung dient dazu einen elektrischen DC-Strom in einen AC-Strom zu wandeln und wird typischerweise als Dreiphasen-(U-, V-, W-Phasen)-Wandlervorrichtung ausgebildet. Der Motor kann beispielsweise ein Antriebsmotor für ein Elektrofahrzeug sein, das durch Brennstoffzellen angetrieben wird, so wie es in dem Beispiel gemäß 1 dargestellt ist, oder für ein Hybrid-(Gas/Elektro)-Fahrzeug.
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Die schematische Darstellung von 1 zeigt eine Wandlervorrichtung von 1 in einem Fahrzeug umfassend eine Drei-Phasen-Wandlerschaltung, die den Motor 3 betreibt, um Bewegungsenergie für das Fahrzeug bereitzustellen. 2 zeigt einen Schaltplan einer Drei-Phasen-Wandlerschaltung, welche sechs Halbleitervorrichtungen gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung beinhaltet, wie es im Folgenden beschreiben wird.
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Wie in 1 gezeigt, wird die Wandlervorrichtung 1 am hinteren Ende des Fahrzeugs, benachbart zur Batterie 4 angeordnet und mittels Anschlussleitungen mit dem Motor 3 der am vorderen Ende des Fahrzeugs eingebaut ist, verbunden. Die Wandlervorrichtung 1 wird durch einen Luftstrom gekühlt (die Luft kommt von außen oder aus dem Inneren des Fahrzeugs), der von einem Ventilator 9 durch einen Luftkanal hindurch getrieben wird, wobei die Luft durch die Wandlervorrichtung 1 hindurch dringt, und dann zum Fahrzeugäußeren hin ausgestoßen wird. Im Folgenden wird beschrieben, wie der Luftstrom durch die Wandlervorrichtung 1 hindurch dringt, um eine effektive Kühlung zu gewährleisten.
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In 2 sind sechs Halbleitermodule innerhalb eines Leistungsmoduls 2 mit 22a, 22b, 22c, 22d, 22e und 22f (zusammen im Folgenden als Nr. 22 bezeichnet) bezeichnet. Der Schaltkreis der Wandlervorrichtung 1 umfasst außerdem Widerstände 7 und 8, einen Schaltkreis 100, und Kondensatoren 4 und 5. Wie gezeigt, ist die Batterie 4 mit dem Eingang der Wandlervorrichtung 1 verbunden, während der Ausgang der Wandlervorrichtung 1 mit dem Elektromotor 3 verbunden ist.
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Der Schaltkreis 100 steuert das Leistungsmodul 2, um das Leistungsmoduls 2 als Drei-Phasen-Wandlerschaltung zu betreiben, welche den Gleichstrom der Batterie 4 in Wechselstrom für den Elektromotor 3 wandelt. Die Halbleiterelemente, die das Leistungsmodul 2 bilden, sind IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistoren) 20a, 20b, 20c, 20d, 20e und 20f, und Freilaufdioden 21a, 21b, 21c, 21d, 21e und 21f. Jedes Halbleitermodul 22 enthält einen IGBT und eine Freilaufdiode.
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Die IGBTs 22a, 22b sind in Reihe geschaltet, wie auch die IGBTs 22c, 22d und die IGBTs 22e und 22f. Die Kollektorelektroden der IGBTs 20a, 20c und 20e (die IGBTs der oberen Arme der Drei-Phasen-Wandlerschaltung) sind jeweils mit dem positiven Anschluss der Batterie 4 verbunden, während die Emitterelektroden der IGBTs 20b, 20d und 20f (die IGBTs der unteren Arme der Drei-Phasen-Wandlerschaltung) jeweils mit dem negativen Anschluss von Batterie 4 verbunden sind. Die Emitterelektroden der IGBTs 20b und 20f sind entsprechend über Widerstände 7 und 8 mit dem negativen Anschluss der Batterie 4 verbunden. Die Emitterelektroden der IGBTs 20a, 20c und 20e sind jeweils mit der Steuerschaltung 100 verbunden. Außerdem ist der Knoten zwischen den IGBTs 20a und 20b, der Knoten zwischen den IGBTs 20c und 20d, und der Konten zwischen den IGBTs 20e und 20f jeweils mit dem Elektromotor 3 verbunden. Die Freilaufdioden 21a, 21b, 21c, 21d, 21e und 21f sind entsprechend zwischen dem Emitter und Kollektorelektroden der IGBTs 20a, 20b, 20c, 20d, 20e und 20f verbunden.
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Entsprechende Knoten zwischen dem IGBT 20b und dem Widerstand 7, und zwischen dem IGBT 20f und dem Widerstand 8 sind mit der Steuerschaltung 100 verbunden. Spannungen, die über den Widerständen 7 und 8 abfallen und ein Maß für die Höhe des Stroms sind, der an den Elektromotor 3 abgegeben wird, werden an die Steuerschaltung 100 angelegt.
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Die Kondensatoren 5 und 6 werden parallel zur Batterie 4 angeschlossen. Der Kondensator 5 dient dazu, die Ausgangsspannung der Batterie 4 zu glätten, während der Kondensator 6 dazu dient zu verhindern, dass elektrisches Rauschen zum Leistungsmodul 2 gelangt. Außerdem sind beide Anschlüsse der Batterie 6 mit der Steuerschaltung 100 verbunden, um zu gewährleisten, dass die Steuerschaltung 100 die Spannung detektieren kann, die von der Batterie 4 an das Leistungsmodul 2 angelegt wird.
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Die Steuerschaltung 100 steuert das Leistungsmodul 2 auf Grundlage der Werte des Stroms, der von dem Leistungsmodul 2 (wie von den detektierten Spannungen, die über den Widerständen 7 und 8 abfallen) und auf Grundlage der Spannung der Batterie 4, die zwischen den Anschlüssen des Kondensators 6 gemessen wird.
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Die Konfiguration einer ersten Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung, wie sie mit Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, wird in Bezug auf 3 und 4 beschrieben, die eine Explosionsansicht und eine schräge Außenansicht der Vorrichtung zeigt. Zum leichteren Verständnis zeigt die Ansicht von 4 die Halbleitervorrichtung 10 aus 3 genau umgedreht. Die Halbleitervorrichtung 10 umfasst ein Halbleitermodul 22 mit einem Paar an Halbleiterelementen, wie oben in Bezug auf 2 beschrieben, z. B. den IGBT 20a und die Freilaufdiode 21a. Das Halbleitermodul 22 hat die Form einer flachen Karte und besteht im Wesentlichen aus einem Modulkörper 226, der im Inneren die Halbleiterelemente umfasst und von dem ein Kollektor-Seitenanschluss 223, ein Emitter-Seitenanschluss 224 und ein Satz von Steueranschlüssen 225 hervorsteht. Auf gegenüberliegenden Seiten des Modulkörpers 226 ist ein Paar von Wärmesenken 11 von im Wesentlichen gleicher Konfiguration angeordnet. Diese gegenüberliegenden Seiten des Modulkörpers 226 sind beide mit flachen Hauptflächen 221 und 222 versehen. Die gegenüberliegenden Wärmesenken 11 sind angeordnet, um gegen die Hauptflächen 221 und 222 des Modulkörpers 226 aus gegenseitigen Richtungen angedrückt zu werden, um dadurch zu einen das Halbleitermodul 22 festzuhalten, aber auch um beide Seiten des Halbleitermoduls 22 effektiv zu kühlen.
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Auf jeder Seite des Modulkörpers 226 ist eine Isolationsplatte 12 (zur elektrischen Isolation) aus Keramik zwischen der Hauptfläche 221, 220 des Modulkörpers 226 und der entsprechenden Wärmesenke 11 angeordnet. Ein thermisch leitfähiges Fett vom Silikontyp beschichtet die Oberflächen der Hauptflächen 221 und 222 (bevor die Halbleitervorrichtung 10 zusammengesetzt wird) des Modulhauptkörpers 226, jede Isolationsplatte 12, und jede Wärmesenke 11, z. B. auf den Oberflächen, die sich gegenseitig berühren, wenn die Halbleitervorrichtung 10 zusammengesetzt wird. Die Isolationsplatte 12 könnte alternativ dazu aus einer Schicht Aluminiumnitrat oder einem Stück Silikongummi gebildet sein, oder es ist auch möglich eine elektrische Isolierung mit Hilfe eines thermisch leitfähigen Films anstelle der Isolationsplatte 12 herzustellen, ohne ein thermisch leitfähiges Fett aufzutragen.
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Einer der Verbindungen zwischen den Halbleiterelementen (IGBT und Freilaufdiode) des Halbleitermoduls 22 umfasst eine Lotschicht an der Innenseite der metallischen thermischen Leitfähigkeitsplatte 220, die auf einer rechteckigen Fläche innerhalb der Hauptfläche 221, dessen Modulkörper 226 angeordnet ist, und welche eine äußere (flache) Fläche aufweist, die im Wesentlichen koplanar ist mit der Hauptfläche 221. Die andere Verbindung zwischen dem IGBT und der Freilaufdiode wir über eine Lotschicht mit einer zweiten metallisch thermischen leitfähigen Platte 220 (in der Zeichnung nicht sichtbar) verbunden, die auf der gegenüberliegenden Fläche 222 des Modulkörpers 226 angeordnet ist. Der IGBT und die Freilaufdiode des Halbleitermoduls 22 sind daher elektrisch miteinander verbunden, wie in 2 gezeigt, z. B. ist der Emitter und Kollektor des IGBT und die Annode und Kathode der Freilaufdiode rückwärts parallel verbunden, während Strom von dem kollektorseitigen Anschluss 223 und dem emitterseitigen Anschluss 224 über entsprechende der beiden metallischen thermischen Leitfähigkeitsplatten 220 fließt. Solange die oben beschriebenen elektrischen Verbindungen gewährleistet sind, ist es auch möglich andere Materialien als Lot als Befestigungsmaterial zu verwenden.
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Wie in den 3 und 4 gezeigt, beziehen sich die drei gegenseitig senkrechten Richtungen X, Y und Z im Folgenden auf die laterale Richtung X (welche parallel zu den Hauptflächen 221, 222 ist) auf die Dickenrichtung Y (ebenfalls parallel zu den Hauptflächen 221, 222) und auf die Rippen Hervorstehrichtung Z.
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Gemäß dieser Ausführungsform hat der Modulkörper 226 eine rechteckige Form und ist aus eine synthetischen Harzmaterial gebildet, welches um die Halbleiterelemente (IGBT und Freilaufdiode) des Halbleitermoduls 22 herum gegossen ist, um diese konform einzuschließen. Das Eingießen wird derart durchgeführt, dass die äußeren Flächen der metallischen thermischen Leitfähigkeitsplatten auf den entsprechenden Hauptflächen 221 und 222 freiliegen. Der kollektorseitige Anschluss 223 und der emitterseitige Anschluss 224 steht von einer Fläche des Modulhauptkörpers 226 hervor und ist parallel zur X-Richtung. Die Steueranschlüsse 225, welche mit der Gate-Elektrode des IBGT verbunden sind, stehen von einer gegenüberliegenden Fläche des Modulhauptkörpers 226 vor, so dass der kollektorseitige Anschluss 223 und emitterseitige Anschluss 224 entsprechend in die entgegengesetzte Richtung zu den Steueranschlüssen 225 zeigen.
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Jede Wärmesenke 11 umfasst einen Untereil 110 mit einer Hauptfläche 111, welche thermisch mit einer entsprechenden Hauptfläche 221, 222 des Modulhauptkörpers 226 gekoppelt ist und somit parallel zur X-Y-Ebene orientiert ist. Der Unterteil 102 ist integral mit einer Vielzahl von Hauptrippen 112 ausgestattet, welche alle als flache dünne Platte ausgebildet sind, die entsprechend in Rippen-Vorstehrichtung Z hervorstehen, und welche in gleichmäßigem Abstand in Dickenrichtung Y angeordnet sind. Die Wärmesenke 11 ist vorzugsweise aus Aluminium oder aus Kupfer ausgebildet.
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Die Wärmesenke 11 umfasst außerdem zwei Nebenrippen 113, die integral mit dem Unterteil 110 auf derselben Seite des Unterteils 110 wie die Hauptrippen 112 ausgebildet sind, wobei jede der Nebenrippen 113 sich in die Rippen-Vorstehrichtung Z erstrecken. Die Nebenrippen 113 sind außen an den äußersten der Hauptrippen 112 angeordnet, in Y-Richtung gemessen, und sind parallel zu den Hauptrippen 112 ausgerichtet.
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Gemäß dieser Ausführungsform ist die Dicke jeder der Nebenrippen 113 (gemessen in Dickenrichtung Y) einheitlich und dicker als die Dicke jeder der Hauptrippen 112, z. B. ist jede Nebenrippe 113 als flache Platte ausgebildet. Es soll aber angemerkt sein, dass es ebenfalls möglich ist die Ziele der vorliegenden Erfindung zu erreichen indem nur ein Teil der Nebenrippen 113 der Wärmesenke 11 dicker ist als die Hauptrippen 112. Alternativ dazu könnte auch eine Konfiguration benutzt werden, bei der nur ein Teil einer der Nebenrippen 113 der Wärmesenke 11 dicker gemacht wurde als jede der Hauptrippen 112 und die andere der Nebenrippen 113 als flache Platte mit einer Dicke größer als die jeder der Hauptrippen 112 gebildet ist.
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Außerdem ist jede der Nebenrippen 113 der Wärmesenke 11 kürzer (gemessen in lateraler Richtung X) als jede der Hauptrippen 112, z. B. wie in 3 und 4 gezeigt, ist die Ausdehnung L2 kleiner als L1. Außerdem ist jede der Nebenrippen 113 mittig auf dem Unterteil 110 (in Bezug auf laterale Richtung X) angeordnet. Als Ergebnis werden zwei Paare von Abschnitten des Unterteils 110 gebildet, welche keinen Teil aufweisen, von dem eine Rippe hervorsteht, und jedes Paar ist an gegenüberliegenden Enden der entsprechenden Nebenfinnen 113 angeordnet. Diese Abschnitte des Unterteils 110, insgesamt als 110a bezeichnet in den 3 und 4, werden im Folgenden als rippenfreie Abschnitte bezeichnet, z. B. hat jede Wärmesenke 11 vier rippenfreie Abschnitte 110a, wobei sich jeder der rippenfreien Abschnitte entlang der lateralen Richtung X erstreckt. Die Positionen der Nebenrippen 113 (in Bezug auf die laterale Richtung X) entspricht dem Modulhauptkörper 226. Die Länge L2 jeder der Nebenrippen 113 ist länger als die Breite des Modulkörpers 226 gemessen in lateraler Richtung X, so dass die Nebenrippen 113 den Modulkörper 226 in Bezug auf die X-Richtung überlappen.
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Wie in 4 gezeigt umfasst die Halbleitervorrichtung 10 vier Federklemmen 13, welche im Querschnitt im Wesentlichen U-förmig sind, wobei jede der Federklemmen 13 zwei Wärmesenken 11 einklemmt, so dass eine Kraft ausgeübt wird, um den Modulkörper 226 zwischen den zwei gegenseitigen Wärmesenken 11 einzuklemmen. Jede der Federklemmen 13 weist einen flachen Abschnitt 13a auf, welcher über gebogene Abschnitte 13c mit gegenüberliegenden Beinabschnitten 13b verbunden ist. Die Beinabschnitte 13b wiederum berühren ein Paar gegenüberliegender (in Bezug auf die Rippenvorstehrichtung Z) rippenfreie Abschnitte 110a der entsprechenden Wärmesenke 11, so dass die Beinabschnitte 13b gegenüber einer nicht angebrachten Position nach außen gebogen sind.
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Gemäß dieser Ausführungsform werden vier Federklemmen 13 genutzt, die dementsprechend an den vier Ecken außen an dem Modulkörper 226 bei gleichem Abstand von diesen Ecken angeordnet sind, so dass die Kräfte durch die Federklemmen 13 auf dem Modulkörper 226 gleichmäßig verteilt werden.
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Die Kräfte, die hierbei von den beiden Hauptflächen 111 der beiden Wärmesenken 11 ausgeübt werden, klemmen den Modulkörper 226 des Halbleitermoduls 22, die beiden Isolationsplatten 12 zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Modulhauptkörpers 226 und die Beschichtungen mit thermisch leitfähigem Fett zwischen diesen Hauptflächen 111 sicher ein. Die Halbleitervorrichtung 10 wird somit gemäß der Konfiguration in 4 zusammengehalten.
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Gemäß dieser Ausführungsform ist die Länge jeder der Federklemmen 13 gemessen in lateraler X-Richtung derart, dass im Wesentlichen der gesamte Teil jeder der entsprechenden rippenfreien Abschnitte 110a von den Federklemmen 13 umgeben ist. Bevorzugterweise reicht jede der Federklemmen 13 bis zu einer Position, die, gemessen in lateraler Richtung X, dem äußeren Ende der entsprechenden rippenfreien Abschnitte 110 entspricht.
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Da jede Halbleitervorrichtung 10 ein einzelnes Halbleitermodul 22 umfasst, ist es notwenig eine Gesamtzahl von sechs Halbleitervorrichtungen 10 zu benutzen, um ein Leistungsmodul 2 gemäß 2 zu bilden. 5 zeigt eine schräge Außenansicht einer Wandlerschaltungseinheit 30, in welcher sechs Halbleitervorrichtungen 10 angeordnet sind, z. B. mit sechs Halbleitervorrichtungen 10, welche die Halbleitermodule 22a bis 22f aus 2 enthalten. Wie in 5 gezeigt, sind die Halbleitervorrichtungen 10 unmittelbar benachbart zueinander innerhalb des Gehäuses 31 angeordnet. Das Gehäuse 31 hat im Allgemeinen die Konfiguration eines oben offenen rechteckigen Behälters, mit Öffnungen an der Unterseite durch die die kollektorseitigen Anschlüsse 223 und die emitterseitigen Anschlüsse 224 in der Halbleitervorrichtung 10 hindurchtreten können. In Benutzung ist das Gehäuse 31 mit einem Deckel 37 abgedeckt, um die Halbleitervorrichtungen 10 im Inneren des Gehäuses 31 zu verschließen, wie es beispielsweise in der Querschnittsansicht von 7 gezeigt ist.
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Zwei entgegengesetzte Seiten des Gehäuses 31 werden durch entsprechende Belüftungspfadplatten 32 und 33, mit rechteckiger Form gebildet. Eine Vielzahl von Belüftungsöffnungen (gemeinsam als 32b bezeichnet und in dieser Ausführungsform vier Belüftungsöffnungen), sind in der Belüftungsplatte 32 ausgebildet, und parallel zueinander entlang der Rippenvorstehrichtung Z der Halbleitervorrichtungen 10 angeordnet. Eine entsprechende Anzahl von vier Belüftungsöffnungen 32b ist ebenfalls auf der Belüftungspfadplatte 33 ausgebildet, z. B. mit jeder der Belüftungsöffnungen 32b der Belüftungspfadplatte 33 an der gleichen Position in Z-Richtung und mit den gleichen Dimensionen, wie die entsprechende Belüftungsöffnung 32b der Belüftungspfadplatte 32. Während des Betriebes dienen die Belüftungsöffnungen 32b der Belüftungspfadplatte 32 als Belüftungseingangsöffnungen, durch welche ein Kühlluftstrom in die Wandlerschaltungseinheit 30 eintritt und durch das Gebläse 9 in 1 angesaugt wird. Die Belüftungsöffnungen 32b der Belüftungspfadplatte 33 dient als Belüftungsausgangsöffnung, von der die Kühlluft aus dem Gehäuse 31 austritt und danach in das Äußere des Fahrzeugs ausgestoßen wird.
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Die Belüftungspfadplatten 32 und 33 sind durch Schrauben 36 an gegenüberliegenden Seitenflächen des Gehäuses 31 an den vier Ecken der jeweiligen Belüftungspfadplatten 32 und 33 befestigt. Der Deckel 37 und die Belüftungspfadplatten 32 und 33 sind aus synthetischem Harzmaterial gebildet.
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Während der Herstellung werden die sechs Halbleitervorrichtungen 10 nach unten in das Gehäuse 31 an die entsprechenden Positionen eingesetzt. Wie dargestellt, sind die Halbleitervorrichtungen 10 als rechtwinklige Matrix aus drei Paaren von Einheiten ausgebildet, wobei jedes Paar entlang der X-Richtung ausgerichtet ist und die drei Paare nacheinander in Z-Richtung angeordnet sind.
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Von den drei Paaren Halbleitervorrichtungen 10 enthält ein Paar die Halbleitermodule 22a, 22b, welche entsprechend den oberen Arm und den unteren Arm von einem der drei (U-, V-, W-)Phasen bilden, das zweite Paar umfasst die Halbleitermodule 22c, 22d, welche entsprechend den oberen Arm und den unteren Arm der zweiten der Phasen, und das dritte Paar die Halbleitermodule 22c und 22d enthält, welche entsprechend den oberen Arm und den unteren Arm der verbleibenden Phase bilden.
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Die Maße des Gehäuses 31 sind derart bestimmt, dass die Halbleitervorrichtungen 10 nicht gegeneinander und gegen die Innenseiten des Gehäuses 31 gepackt sind. Wie es außerdem aus 7 zu erkennen ist, sind die Maße des Gehäuses 31 derart gewählt, dass, wenn der Deckel 37 angebracht wird, die oberen und unteren Flächen der Halbleitervorrichtungen 10 gegen die Innenseite des Deckels 37 gepresst werden. Auf die Art und Weise lässt sich eine Bewegung der Halbleitervorrichtungen 10 relativ zueinander oder relativ zum Gehäuse 31 oder zu dem Deckel 27 vermeiden. Somit können Beschädigungen der Halbleitervorrichtungen 10 durch Stöße oder Vibrationen des Fahrzeugs effektiv vermieden werden, ohne dass zusätzliche Teile zum sicheren Befestigen der Halbleitervorrichtungen 10 benötigt werden.
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Unter diesen Bedingungen erstrecken sich die Verbindungsanschlüsse 225 der Halbleitervorrichtungen 10 nach oben, und durch entsprechende Öffnungen (nicht gezeigt in den Figuren) in dem Deckel 37, während sich die kollektorseitigen Anschlüsse 223 und emitterseitigen Anschlüsse 223 durch entsprechende Öffnungen (nicht gezeigt in den Figuren) in der Unterseite des Gehäuses 31 nach unten erstrecken.
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Wie in 5 gezeigt, sind die benachbarten Belüftungsöffnungen 32b durch Trennabschnitte 32a voneinander getrennt. Die Trennabschnitte 32a (auf der Belüftungspfadplatte 32 angeordnet, und an gleichen Stellen auf der Belüftungspfadplatte 33 angeordnet) sind entsprechend an Positionen entlang der Z-Richtung angeordnet, welche nicht den Positionen der Hauptrippen 112 der Halbleitervorrichtungen 10 entsprechen, z. B. an Positionen in Z-Richtung entsprechend der von entsprechenden Modulhauptkörpern 226 der Halbleitervorrichtungen 10. Jeder der Sätze von Hauptrippen 112 der Halbleitervorrichtungen 10 ist daher an einer Z-Richtungsposition entsprechend einem Paar von Belüftungsöffnungen 32b in den Belüftungspfadplatten 32 und 33 angeordnet.
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Der Kühlluftstrom (angesaugt vom Gebläse 9) wird in die entsprechenden Belüftungsöffnungen 32b der Belüftungspfadplatte 32 aufgespalten und tritt in X-Richtung zwischen den Hauptrippen 112 der Halbleitervorrichtungen 10 hindurch, und tritt durch die entsprechenden Belüftungsöffnungen 32b der Belüftungspfadplatte 33 wieder aus. Es ist klar, dass solch eine Konfiguration eine effiziente Kühlung der Halbleitervorrichtungen 10 bewirkt, da die Positionen der Trennabschnitte 32a gewährleisten, dass sich nur ein minimales Hindernis in dem Luftstrom durch die Matrix an Hauptrippen 112 befindet, und da die Richtung des Luftstroms durch das Innere der Wandlerschaltungseinheit 30 parallel zu den Hauptflächen der Hauptrippen 112 und der Nebenrippen 113 der Wärmesenken 11 geht.
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Somit wird während des Betriebs der Wandlerschaltung 30 die Wärme, die durch jedes Halbleitermodul 22 erzeugt wird, durch die Isolationsplatten 12 auf jeder Seite (durch die Beschichtung mit thermisch leitfähigem Fett auf beiden Seiten jede der Isolationsplatten 12 hindurch) zu den Unterteilen 110 der Wärmesenken 11, die auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleitermoduls 22 angeordnet sind, übertragen, und wird damit auch auf die Hauptrippen 112 dieser Wärmesenken 11 übertragen. Die Wärme wird dann durch den Kühlluftstrom der durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Hauptrippen 112 tritt, verteilt. Hierdurch wird eine effektive Kühlung eines jeden der Halbleitermodule 22 erreicht.
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6 zeigt eine schräge Außenansicht einer Wandlervorrichtung 1, die einen Elektromotor 3 steuert. Wie gezeigt, ist die Wandlerschaltungseinheit 30 aufgebaut aus einer Kondensatoreinheit 50, einer Wandlerschaltungseinheit 30, und einer Steuerschaltungseinheit 40, die nacheinander übereinander gestapelt und miteinander verbunden sind, um eine einzelne Einheit zu bilden. Die Kondensatoreinheit 50 enthält die Kondensatoren 5 und 6, wie in 2 gezeigt, und ist in dem Gehäuse 51 integriert. Die Steuerschaltung 40 enthält eine Steuerplatine, auf der die Steuerschaltung 100 ausgebildet ist, und ist von einem Gehäuse 41 umgeben.
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An den Ecken der unteren Seite des Gehäuses 31 sind vier Befestigungsbeine 35 ausgebildet, die jeweils mit einem Gewindeloch ausgestattet sind, um das Gehäuse 51 der Kondensatoreinheit 50 an der Unterseite der Wandlerschaltungseinheit 30 durch Schrauben zu befestigen.
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Ebenso, wie schon in 5 gezeigt, sind an der Oberseite des Gehäuses 31 an den Ecken vier Befestigungsbeine 34 ausgebildet, die jeweils ein Gewindeloch aufweisen, um das Gehäuse 41 der Steuerschaltungseinheit 40 an der Oberseite der Wandlerschaltungseinheit 30 durch Schrauben 44 zu befestigen. Zum Zusammenbauen der Wandlerschaltungseinheit 30 wird zuerst die Steuerplatine, welche die Steuerschaltung 100 bildet, als erstes an dem Gehäuse 31 der Wandlerschaltung 30 befestigt, z. B. mittels Schrauben (nicht gezeigt in den Figuren). Das Gehäuse 41 wird dann auf das Gehäuse 31 der Wandlerschaltungseinheit 30 gesetzt, wodurch die Steuerplatine der Steuerschaltung 100 verschlossen wird, und das Gehäuse 41 wird dann durch Schrauben 44 in den Gewindelöchern der Befestigungsbeine 34 sicher befestigt.
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Wie in 6 gezeigt, zeigen nach dem Zusammenbauen der Wandlerschaltungseinheit 30 die entsprechenden Ausgangsanschlüsse 52 der drei (U-, V-, W-)Phasen aus dem Gehäuse 31 der Wandlerschaltungseinheit 30 heraus, um eine Verbindung zu den entsprechenden Versorgungsleitungen des Elektromotors 3 zu gewährleisten. Es ist außerdem noch ein weiterer nach außen gerichteter Anschluss (nicht gezeigt in den Figuren) bereitgestellt, um eine Spannungsversorgungsleitung von der Batterie 4 anschließen zu können. Außerdem ragt ein Satz an Verbindungsanschlüssen 43 von dem Gehäuse 41 der Steuerschaltungseinheit 40 nach außen, um eine Versorgungsspannungsleitung (für die Steuerschaltung 100) und um Signalleitungen (zum Übertragen von Signalen zwischen der Fahrzeug-ECU und der Steuerschaltung 100) anzuschließen. Das Gehäuse 41 weist außerdem einen Anschlussleitungsführungsabschnitt 42 auf, der die Verdrahtung zwischen der Steuerschaltungseinheit 40 und der Wandlerschaltungseinheit 30 und der Kondensatoreinheit 50 enthält. Jedes der Gehäuse 41 und 51 ist aus synthetischem Harzmaterial hergestellt.
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Die Funktion der Nebenrippen 113 wird im Folgenden in Bezug auf den in 7 gezeigten Querschnitt, welcher die Wärmesenken 11 in dem Gehäuse 31 der Inverterschaltung 30, mit dem durch Schrauben 44 an das Gehäuse 31 befestigten Deckel 37 zeigt, näher beschrieben. Die Abmessungen des Gehäuses 31 sind in dem Fall von 7 derart gewählt, dass die Unterseite jeder Wärmesenke 11 fest gegen die obere innere Hauptfläche des Gehäuses 31 drückt, und die Unterseite jeder Wärmesenke 11 fest gegen die untere innere Hauptfläche des Deckels 37 drückt, z. B. wirken entgegengesetzt (noch oben und nach unten) Kräfte in Dickenrichtung Y auf jede der Wärmesenken 11 durch das Gehäuse 31 und den Deckel 37.
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Würden die Nebenrippen 113 weggelassen werden, dann würden diese Kräfte auf die Ober- und Unterseiten jeder der Hauptrippen 112 wirken, welche notwendigerweise dünn sein müssen (um eine ausreichende Wärmeübertragungseffizienz für eine solch kompakte Vorrichtung, wie oben beschrieben, zu erreichen), wodurch eine Deformation dieser Hauptrippen 112 auftreten könnte. Durch das Anbringen der Nebenfinnen 113 in dieser Ausführungsform der Erfindung über und unter jedem Satz an Hauptrippen 112, wobei die Nebenrippen 113 wesentlich dicker sind, als jede der Hauptrippen 112 und damit eine größere Stabilität als die Hauptrippen 112 aufweisen, kann eine Deformation der Rippen verhindert werden. Die Gesamtzahl der Hauptrippen kann dadurch erhöht werden, wodurch die Halbleitervorrichtung 10 trotz einer ausreichenden thermischen Übertragungseffizienz für jede Wärmesenke 11 kompakt ausgeführt werden kann.
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Das Anbringen der Nebenrippen 113 in jeder Wärmesenke 11 sorgt daher für folgende Vorteile. Wenn die durch die Halbleiterbauelemente erzeugte Wärme über die Isolationsplatte 12, wie oben beschrieben, zu dem Unterteil 110 in der Wärmesenke 11 übertragen wird, dann fließt die Wärme sowohl zu den Hauptrippen 112 als auch zu den Nebenrippen 113, welche integral mit dem Unterteil 110 ausgebildet sind. Da jede Nebenrippe 113 dicker als jede Hauptrippe 112 ausgeführt ist, und somit ein größeres Volumen pro Einheitslänge (gemessen entlang der X-Richtung) als jede Hauptrippe 112 aufweist, hat jede Nebenrippe 113 eine größere thermische Kapazität als eine Hauptrippe 112, z. B. hat sie eine größere Kapazität, um vorübergehend Wärme zu speichern, als eine entsprechende Hauptfinne 112. Die thermische Masse jeder Wärmesenke 11 lässt sich dadurch vergrößern (im Vergleich zu dem Fall, in dem der von einer Nebenrippe genutzte Raum durch eine Vielzahl von Hauptrippen belegt würde).
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Wenn sich die durch die Halbleiterelemente der Halbleitervorrichtung 10 erzeugte Wärme ändert, ändert sich die Temperatur der Halbleiterelemente stufenweise bis eine stabile Temperatur erreicht wird. Durch die vergrößerte thermische Masse durch die Nebenrippen 113 jeder Wärmesenke 11 gemäß dieser Ausführungsform, wird die Rate der Temperaturänderung der Halbleiterbauelemente noch stufenförmiger als für den Fall, falls keine Nebenrippen 113 vorgesehen. Dies hilft thermische Spannungen der Halbleiterbauelemente zu reduzieren und dadurch deren Betriebsdauer zu vergrößern.
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Diese Ausführungsform der Halbleitervorrichtung 10 weist außerdem noch folgenden Vorteil auf, wenn sie in einer Wandlerschaltungseinheit 30 eingebaut wird. Wenn die Wärme von jedem Halbleiterelement einer Halbleitervorrichtung 10 über den Unterteil 110 zu den Nebenrippen 113 jeder Wärmesenke 11 übertragen wird, dann wird aufgrund der vergrößerten thermischen Übertragungskapazität dieser Rippen die Wärme schnell übertragen, da die Dicke dieser Rippen vergrößert ist. Die Wärme wird danach von den Wärmesenken 11 nach außen abgegeben. Ein plötzliches Ansteigen der Temperatur der Halbleitermodule 22 der Halbleitervorrichtungen 10 aufgrund des plötzlichen Anstiegs der von den Halbleiterelementen abgegebenen Leistung kann dadurch verhindert werden. Das heißt, wenn man die Wärmesenken 11 als thermisches Übertragungssystem betrachtet, weist das System eine schnelle Response-Zeit für plötzliche Leistungsanstiege auf, die durch Wärme der Halbleiterelemente erzeugt wurde.
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Die Halbleiterschaltungseinheit 30 betreffend, wird die Wärme effizient von jeder der Halbleitervorrichtungen 10 von dem Satz Hauptrippen 112, die an gegenüberliegenden Seiten des Modulhauptkörpers 226 eines jeden der Halbleitervorrichtungen 10 angeordnet sind, effizient übertragen, da der Kühlluftstrom von dem Gebläse 9 durch die Zwischenräume zwischen den Hauptrippen 112 hindurchgeblasen wird.
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Außerdem, falls die Nebenrippen 113 in Bezug auf die Wandlerschaltungseinheit 30 nicht vorgesehen sind, könnten die Hauptrippen 112 der Wärmesenken 11 deformiert werden, wenn die Halbleitervorrichtungen in das Gehäuse 31 eingebaut werden und andere Halbleitervorrichtungen oder innere Flächen des Gehäuses 31 und des Deckels 37 berühren (oder nahe benachbart dazu angeordnet werden). Ein solches Verbiegen der Hauptrippen 112 reduziert den Abstand zwischen benachbarten Rippen und behindert so den Kühlluftstrom durch diese Zwischenräume. Durch Vorsehen der Nebenfinnen 113 jedoch wird sichergestellt, dass eine solche Deformation der Hauptrippen 112 vermieden wird und dadurch kann sichergestellt werden, dass die Halbleitermodule 22 durch die Wärmesenken 11 effizient gekühlt werden.
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Zusätzlich zu den oben genannten Vorteilen ermöglicht die Halbleitervorrichtung 10 dieser Ausführungsform ein leichtes Zusammensetzen, da die Anzahl der Bauteile zum Zusammensetzen einer solchen Halbleitervorrichtung 10 klein ist und das Zusammensetzen dadurch vereinfacht wird. Insbesondere dadurch, dass die Nebenrippen 113 kürzer als die Hauptrippen 112 ausgeführt sind (entlang der X-Richtung gemessen), zwei Paare von rippenfreien Abschnitten 110a auf jeder Wärmesenke ausgebildet werden, jedes Paar entsprechend an den äußeren Enden der Nebenrippen 113 angeordnet sind (in Bezug auf die laterale Richtung X). Federklemmen 13 können dann an den entsprechenden rippenfreien Abschnitten der gegenüberliegenden Wärmesenken 11 der Halbleitervorrichtung 10 an jeder Ecke der Wärmesenken angebracht werden, um durch Federkräfte der Klemmen des Halbleitermoduls 20 zwischen den Wärmesenken 11 einzuklemmen, wie es z. B. in 4 dargestellt ist. Eine Halbleitervorrichtung 10 kann dadurch als integrale Einheit zusammengebaut werden, ohne dass Schrauben oder andere Befestigungsmittel für diesen Zweck benötigt werden. In diesem Fall werden die Hauptflächen 111 der entsprechenden Unterteile 110 der gegenüberliegenden Wärmesenken 11 sicher gegen die Hauptflächen 121 des Halbleitermoduls 22 gedrückt, so dass ein effizienter Wärmeübertrag von jedem Halbleitermodul 22 zu den Wärmesenken 11 gewährleistet ist. Da außerdem Wärme von beiden Seiten jedes Halbleitermoduls 22 an die entsprechenden Paare an Wärmesenken 11 übertragen wird, ist. eine effiziente Kühlung sichergestellt, was außerdem eine kompakte Größe jeder Halbleitervorrichtung 10 ermöglicht.
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Mit einer Wandlerschaltungseinheit 30, die einen Satz von sechs Halbleitervorrichtungen 10 gemäß der oben genannten Ausführungsform enthält, kann der obere und der untere Arm jeder Phase entsprechend durch ein Paar von Halbleitervorrichtungen 10 entsprechend der ersten Ausführungsform gebildet werden, wobei diese direkt benachbart zueinander (entlang der lateralen X-Richtung wie in 5 gezeigt) angeordnet sind, mit den Hauptrippen 112 jedes dieser Paare an Halbleitervorrichtungen 10 im Wesentlichen parallel zueinander und an entsprechenden identischen Positionen entlang der Dickenrichtung Y (wie in 7 gezeigt). Indem ein Kühlluftstrom entlang der lateralen Richtung X nacheinander durch die entsprechenden Sätze von Hauptrippen 112 solcher benachbarten Paare von Halbleitervorrichtungen 10 hindurchtritt, lässt sich auf diese Art und Weise eine effiziente Wärmeübertragung von den Wärmesenken an die Umgebung erzielen.
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Zusätzlich zu den oben genannten Vorteilen ist es möglich aufgrund der erhöhten Stabilität jeder Halbleitervorrichtung 10 durch das Anbringen der Nebenrippen 113 eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen 10 innerhalb eines Gehäuses dicht zu packen, z. B. dass die Halbleitervorrichtung 10 miteinander und mit den Innenflächen des Gehäuses in Kontakt stehen. Die Gesamtgröße der Wandlerschaltung 30 kann dadurch sehr kompakt ausgeführt werden. Außerdem kann die Gefahr einer Beschädigung der Halbleitervorrichtungen 10 aufgrund von Vibrationen durch die dichte Packung der Halbleitervorrichtungen 10 in solch einer Ausführungsform vermieden werden. Insbesondere, wenn eine Vorrichtung wie eine Wandlerschaltungseinheit 30 in einem Elektrofahrzeug angeordnet ist, muss sie einer großen Anzahl an Vibrationen widerstehen. Die Nutzung solcher Halbleitervorrichtungen 10 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform kann dadurch eine erhöhte Zuverlässigkeit solcher Vorrichtungen gewährleisten.
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Außerdem kann in dem Fall, einer Vorrichtung wie der Wandlerschaltungseinheit 30 die Anzahl der zur Herstellung notwendigen Bauteile für eine solche Vorrichtung reduziert und dadurch die Herstellungskosten reduziert werden, da die Vorrichtung sechs identische Halbleitervorrichtungseinheiten (z. B. sechs Halbleitervorrichtungen 10) enthält.
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Zweite Ausführungsform
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In Bezug auf 8 wird eine zweite Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung beschrieben, die eine Wandlerschaltungseinheit 30A mit identischer Funktion und identischem Betrieb, wie die oben beschriebene Wandlerschaltungseinheit 30 zeigt. In 8 unterscheiden sich die entsprechenden Halbleitervorrichtungen 10A von der Halbleitervorrichtung 10 in der ersten Ausführungsform nur dadurch, dass sich eine Öffnung (in dieser Ausführungsform ein Durchgangsloch 114) in die Dickenrichtung Y in eine der Nebenrippen 113 der Wärmesenken 11 der Halbleitervorrichtung 10A erstreckt. Für jede der Halbleitervorrichtungen 10A ist das Durchgangsloch 114 in einer der Nebenrippen 113 (z. B. in einem der Paare von Rippen, die die untere innere Fläche des Gehäuses 31A berühren). Die untere innere Fläche 31A des Gehäuses 31 enthält eine Matrix an Vorsprüngen 38 (die sich in Dickenrichtung Y erstrecken). Die entsprechenden Positionen der Vorsprünge 38, und die Maße jeder der Vorsprünge 38 sind so gewählt, dass wenn sechs Halbleitervorrichtungen 10A in dem Gehäuse 31A (durch Absenken) an den entsprechenden Stellen installiert werden, jeder der Vorsprünge 38 mit einem entsprechenden Durchgangsloch 114 in Eingriff kommt. Die entsprechenden Positionen der sechs Halbleitervorrichtungen 10A innerhalb des Gehäuses 31A können dadurch definiert ausgeführt werden, wobei die Dicke jeder der Nebenrippen 113 effektiv ausgenutzt wird, was Öffnungen mit ausreichender Länge ermöglicht, um die Vorsprünge von Gehäuse 31A sicher in Eingriff zu bringen.
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Die Positionierung der Halbleitervorrichtungen 10A der Wandlerschaltungseinheit 30A kann dadurch sehr einfach ausgeführt werden, ohne dass hierfür zusätzliche Komponenten benötigt werden.
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Dritte Ausführungsform
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Bezug nehmend auf 9 wird eine dritte Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung beschrieben, die eine Wandlerschaltungseinheit 30B mit identischen Funktionen und Betrieb wie die oben beschriebene Wandlerschaltung 30 zeigt. In 9 unterscheidet sich jede Halbleitervorrichtung 10B von der Halbleitervorrichtung 10 der ersten Ausführungsform nur dadurch, dass ein Gewindeloch 115 (erstreckt sich in Dickenrichtung Y) in einer der Nebenrippen 113 von einer der Wärmesenken 11 der Halbleitervorrichtung 1OB ausgebildet ist, mit Löchern, welche Gewinde entsprechend einem Satz von Schrauben 60 aufweisen. Insbesondere ist das Gewindeloch 115 für jede Halbleitervorrichtung 10B in einem Paar der Nebenrippen 113 der Halbleitervorrichtung 10B ausgebildet, welche den Deckel 37B berühren, wenn die Wandlerschaltungseinheit 30A zusammengesetzt wird. Sechs Durchgangslöcher (jedes erstreckt sich in Dickenrichtung Y) sind in dem Deckel 37B vorgesehen. Die entsprechenden Positionen dieser Durchgangslöcher sind festgelegt entsprechend der sechs Halbleitervorrichtungen 10B, die in dem Gehäuse 31 an entsprechend vorgesehenen Positionen eingebaut sind, und der Deckel 37B dann auf dem Gehäuse 31 befestigt wird, die Positionen der Durchgangslöcher in dem Deckel 37B entsprechend dann den Positionen der Gewindelöcher 115. In diesem Fall werden dann die Schrauben 60 durch die entsprechenden Durchgangslöcher hindurchgesteckt, mit den Gewindelöchern 115 in Eingriff gebracht und festgezogen.
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Die Halbleitervorichtungen 10A können dadurch sicher an den entsprechenden Positionen innerhalb der Wandlerschaltungseinheit 30B befestigt werden. Diese Ausführungsform nutzt die Dicke der Nebenrippen 113 effektiv, da die Dicke ermöglicht, dass die Gewindelöcher 115 ausreichend lang sind, um eine ausreichende Zahl an Gewindegängen bereitzustellen, um die Schrauben sicher zu befestigen. Es ist daher nicht nötig weitere Bauteile, wie z. B. Muttern zum Befestigen der Halbleitervorrichtung 10 durch Schrauben 60 bereitzustellen.
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Vierte Ausführungsform
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4 zeigt eine schräge Außenansicht einer vierten Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung, die mit 10C bezeichnet wird. Bauteile in 10 mit gleicher Funktion wie im ersten Ausführungsbeispiel sind mit identischen Bezugszeichen der ersten Ausführungsform bezeichnet. Diese Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen von der ersten Ausführungsform lediglich durch das Einbringen zweier Halbleitermodule 22 anstelle eines einzelnen Moduls und durch eine andere Anzahl und Positionen der Federklemmen 13.
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In der Halbleitervorrichtung 10C sind zwei Halbleitermodule 22 parallel entlang der X-Achse an identischen Positionen in Bezug auf die Dickenrichtung Z angeordnet. Die beiden Halbleitermodule 22 sind von zwei gegenüberliegenden Wärmesenken 11C eingeschlossen. Entsprechende Unterteile 110 der beiden Wärmesenken 11C sind thermisch an die Hauptflächen 221, 222 der beiden Halbleitermodule 22 gekoppelt. Jede der Wärmesenken 11C weist eine Vielzahl von Hauptrippen 112 und zwei Paare von Nebenrippen 113 auf, die entsprechend in Dickenrichtung Z sich von dem Unterteil 110 weg erstrecken. Jedes Paar von Nebenrippen 113 besteht aus einer unteren Rippe, die entsprechend auf der Außenseite (in Bezug auf Dickenrichtung Y) auf der äußersten der Hauptrippen 112 der Wärmesenke 11C angeordnet sind. Die Nebenrippen 113 haben die gleiche Länge (gemessen in lateraler X-Richtung), wobei jede Nebenrippe 113 kürzer als jede Hauptrippe 112 ist, und wobei die Nebenrippen so angeordnet sind, dass sechs rippenfreie Abschnitte 110a auf dem Unterteil 110 der Wärmesenke 11C entstehen. Wie es aus 10 klar wird, bestehen diese aus drei Paaren von rippenfreien Abschnitten 110a, wobei die rippenfreien Abschnitte 110a von jedem Paar entsprechend auf der Oberseite und der Unterseite der Wärmesenke 11C angeordnet sind und vier der rippenfreien Abschnitte 110a an entsprechenden Ecken des Unterteils 110 der Wärmesenke 11 angeordnet sind und ein Paar der rippenfreien Abschnitte 110A in der Mitte des Unterteils 110 angeordnet ist. Drei Paare Federklemmen 13 sind an den entsprechenden rippenfreien Abschnitten 110 der entgegengesetzt angeordneten Paare von Wärmesenken 11C angeordnet und klemmen die entsprechenden Unterteile 110 dieser Wärmesenken 11C zusammen und halten dadurch die Paare an Halbleitermodulen 22 zwischen den Wärmesenken 11C fest.
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Es ist klar, dass die Wandlerschaltungseinheit im Wesentlichen die gleiche Funktion und Konfiguration wie die oben beschriebene Wandlerschaltung 30 aufweist und mit drei Halbleitervorrichtungen 10C innerhalb eines Gehäuses an entsprechenden Positionen, z. B. entsprechend der drei Paare von benachbarten Halbleitervorrichtungen 10, wie in 5 gezeigt, angeordnet sein können. Das heißt, die drei Halbleitervorrichtungen 10C wären nacheinander benachbart entlang der Rippenvorstehrichtung Z angeordnet und hätten die Funktion der drei Halbleitervorrichtungen 10C entsprechend der drei Paare benachbarter Halbleitervorrichtungen 10 aus 5, das heißt, die Implementierung der Phasen U, V und W der Wandlerschaltungseinheit 30. Es ist daher klar, dass mit dieser Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung die gleiche Wirkung wie mit einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform erzielt werden kann.
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Andere Ausführungsformen
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Die vorliegende Erfindung, wie sie in den folgenden Patentansprüchen beansprucht wird, ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und weitere Ausführungsformen oder abgeänderte Formen der oben genannten Ausführungsformen lassen sich vorstellen, wie beispielhaft im Folgenden gezeigt.
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Entsprechend der oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Nebenrippen in einheitlicher Dicke ausgeführt. Es ist jedoch genauso möglich nur einen Teil (oder eine Vielzahl von Teilen) jeder Nebenrippe deutlich dicker als jede der Hauptrippen auszuführen.
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Obwohl jede der oben gezeigten Ausführungsformen IGBTs als Halbleiterbauelemente nutzt (welche als Schaltelemente funktionieren), die auf entsprechenden Halbleiterchips hergestellt sind, wäre es auch möglich andere Arten von Bauelementen zu benutzen, wie beispielsweise MOSFETs (Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren), JFETs (Junction-Gate-Feldeffekttransistoren), etc.
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Außerdem sind die Motoren, welche durch die oben genannten Beispiel von Wandlervorrichtungen betrieben werden, nicht beschränkt auf Antriebsmotoren (Antriebsleistungsmotoren) von Fahrzeugen, sondern könnte auch auf andere Anwendungen angewandt werden, wie beispielsweise zum Betreiben von elektrischen Generatoren, oder wie Anlassermotoren, Kompressorantriebsmotoren, etc.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2010-28326 [0001]
- JP 2003-347783 [0003]
