-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromwandlungsvorrichtung, die eine Kombination von Strommodulen beinhaltet, in jedem von denen schaltbare Stromhalbleiterchips eingebaut sind.
-
Beschreibung verwandten Stands der Technik
-
Stromwandlungsvorrichtungen, die für Drehelektromaschinen zu verwenden sind, sollen wünschenswerter Weise eine hohe Wärmeableitungs-Leistungsfähigkeit und niedrigen Erzeugungsverlust erzielen. Insbesondere, im Hinblick auf das Verkleinern der Stromumwandlungsvorrichtungen, ist ein Schlüssel, wie die gewünschte Leistungsfähigkeit zu erzielen ist, nämlich eine hohe Wärmeableitungs-Leistungsfähigkeit und niedriger Erzeugungsverlust.
-
Die Stromumwandlungsvorrichtung beinhaltet als ihre Basiskonfiguration eine Kombination einer Stromumwandlungsschaltung, einer Steuerplatine, die darauf eine Steuerung montiert aufweist, die konfiguriert ist, die Stromumwandlungsschaltung zu steuern, und einen Glättungskondensator zum Unterdrücken von Spannungsfluktuationen und Rauschen. Die Stromumwandlungsvorrichtung wandelt daran aus einer Stromversorgung zugeführten Gleichstrom in gewünschten Wechselstrom um und liefert den Wechselstrom an eine Drehelektromaschine, um dadurch die Drehelektromaschine zu steuern.
-
Die Stromumwandlungsschaltung beinhaltet eine Kombination einer Mehrzahl von Strommodulen, in denen jeweils schaltbare Stromhalbleiterchips montiert sind. Jedes Strommodul ist auf einem Kühlkörper montiert.
-
Die Steuerung auf der Steuerplatine sendet ein Steuersignal zum Umschalten der Stromhalbleiterchips an die Stromumwandlungsschaltung, um dadurch die Stromhalbleiterchips ein- und auszuschalten, um den elektrischen Strom zu steuern. Der Glättungskondensator spielt eine Rolle beim Absorbieren von Spannungsfluktuationen und Rauschen, die während der elektrischen Stromsteuerung erzeugt werden.
-
Die Komponenten, wie etwa die Stromversorgung, die Strommodule und der Glättungskondensator werden mit einer „Busschiene“ genannten Metallplatte verbunden. Wenn die Stromumwandlungsschaltung im Betrieb ist, wird elektrischer Strom zwischen den Komponenten über die Busschiene übertragen.
-
Die Stromumwandlungsschaltung zum Steuern der Drei-Phasen-Drehelektromaschine beinhaltet eine Drei-Phasen-Schaltung. In der Stromumwandlungsschaltung sind zwei Drei-Phasen-Schaltungen parallel unter Verwendung der Busschiene verbunden, so dass elektro-magnetisches Rauschen reduziert werden kann und eine Fluktuation beim Antriebsdrehmoment geglättet werden kann, wenn die Drehelektromaschine arbeitet.
-
Das Strommodul ist wie folgt aufgebaut: die Stromhalbleiterchips sind auf einem Anschlussrahmen montiert, der in einer Verdrahtungsmusterform gebildet ist, die oberen Oberflächen-Elektrodenkontakte der Stromhalbleiterchips sind durch Verdrahtungselemente verbunden und das Ergebnis wird mit einem Gusspolymer eingekapselt.
-
Der Stromhalbleiterchip, der auf dem Strommodul montiert ist, erzeugt Wärme, wenn ihm Strom zugeführt wird, so dass seine Temperatur steigt. Eine zusätzliche Temperatur wird am Stromhalbleiterchip eingestellt und es ist erforderlich, den Strom, der dem Stromhalbleiterchip zugeführt wird, angemessen zu steuern, so dass die Temperatur des Stromhalbleiterchips die zulässige Temperatur nicht übersteigt.
-
Wenn ihm Strom zugeführt wird, ist es erforderlich, dass der Stromhalbleiterchip so gesteuert wird, dass seine Temperatur die zulässige Temperatur nicht übersteigt, selbst wenn der Stromhalbleiterchip gesteuert wird, die maximale Abgabe zu liefern. Dies bedeutet, dass, wenn die maximale elektrische Leistung der Stromumwandlungsvorrichtung zu verbessern ist, es erforderlich ist, dass der Stromhalbleiterchip so gesteuert wird, dass seine Temperatur immer innerhalb des zulässigen Bereichs gehalten wird.
-
Um den Stromhalbleiterchip mit maximaler elektrischer Leistung einzusetzen, ist es erforderlich, beispielsweise eine Reduktion beim Wärmeerzeugungsverlust, eine Reduktion bei der Wärmemenge, welche der Stromhalbleiterchip von seiner Außenseite aufnimmt, und eine Erleichterung von Wärmeabstrahlung zu erzielen, in Bezug auf die Eingabe derselben elektrischen Leistung. Zusätzlich ist es auch erforderlich, die Temperatur des Stromhalbleiterchips zu überwachen und die Eingabe von elektrischem Strom zu gestatten, bis die Temperatur die Grenze der zulässigen Temperatur erreicht, um die maximale elektrische Leistung der Stromumwandlungsvorrichtung zu verbessern.
-
In der Stromumwandlungsvorrichtung, wie oben beschrieben, wird Strom über verschiedene Elemente wie etwa die Busschiene, den Anschlussrahmen und die Stromhalbleiterchips und Verbindungsbereiche, beispielsweise Schweißbereiche jener Elemente zugeführt. Um eine hocheffiziente Stromumwandlungsvorrichtung zu erzielen, ist es auch erforderlich, einen Verlust aufgrund solch eines Stromversorgungspfads soweit als möglich zu reduzieren.
-
Um die oben beschriebenen Anforderungen zu erfüllen, sind bislang verschiedene Stromumwandlungsvorrichtungen vorgeschlagen worden. Beispielsweise ist im Stand der Technik eine steuerungs-integrierte Drehelektromaschine bekannt gewesen, in der zwei Drei-Phasen-Schaltungen für elektrische Stromwandlung parallel montiert sind (siehe beispielsweise
Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-127097 ).
-
Ein in der
Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-127097 beschriebene Stromumwandlungsschaltung weist eine Konfiguration auf, in der drei Strommodule, in die alle eine Schaltung für zwei Phasen eingebaut ist, so angeordnet sind, dass sie die Drehwelle eines Motor umgeben und Montageoberflächen parallel zur Axialrichtung des Motors aufweisen. Zusätzlich weist die in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-127097 beschriebene Stromumwandlungsschaltung eine Konfiguration auf, in der Luft veranlasst wird, zu einem Kühlkörper zu fließen, der auf der Rückseite der Montageoberflächen angeordnet ist, so dass durch die Stromhalbleiterchips erzeugte Wärme effizient nach außerhalb der Strommodule abgegeben wird. Weiter dienen auch Verbindungsbereiche zwischen den Strommodulen als Strompfade. Als Ergebnis kann in der Stromumwandlungsschaltung, die in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-127097 beschrieben ist, die Anzahl von Komponenten im Vergleich zu einem Fall klein gemacht werden, in welchem individuelle Elemente angeordnet werden.
-
Der Stand der Technik hat jedoch die folgenden Probleme. In der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-127097 beschriebenen steuerungs-integrierten Drehelektromaschine, die oben beschrieben ist, innerhalb des Strommoduls, in welches die Schaltung für die Zwei-Phasen eingebaut ist, wird durch die Stromhalbleiterchips erzeugte Wärme zwischen den Stromhalbleiterchips transferiert. Die Stromhalbleiterchips werden konsequenter Weise, durch, durch angrenzende Chips erzeugte Wärme beeinträchtigt, zusätzlich zu Wärme, die durch sie selbst erzeugt wird, was zu einem Temperaturanstieg des Strommoduls führt.
-
Zusätzlich ist die Busschiene, die als ein Stromzufuhrpfad zum Zuführen von Strom zu einer Eingangsseite der Stromumwandlungsschaltung fungiert, für jedes Strommodul unterteilt. Als Ergebnis ist der Wärmeerzeugungsverlust an Verbindungsbereichen der Busschiene groß. Ein großer Wärmeerzeugungsverlust an den Verbindungsbereichen führt zu einer Verschlechterung der elektrischen Stromumwandlungseffizienz. Zusätzlich wird aufgrund von Wärmeerzeugungsverlust erzeugte Wärme zu den Stromhalbleiterchips transferiert, um einen großen Temperaturanstieg des Strommoduls zu verursachen.
-
Um zu verhindern, dass die Temperatur des Stromhalbleiterchips auf eine Temperatur ansteigt, die den zulässigen Bereich übersteigt, ist es wirksam, elektrische Stromeingabe an die Stromhalbleiterchips zu begrenzen. Die Ausgabe der steuerungs-integrierten Drehelektromaschine jedoch fällt als Ergebnis des Begrenzens der Eingangselektroleistung.
-
Weiter sind in der, in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2017-127097 beschriebenen steuerungs-integrierten Drehelektromaschine die Strommodule parallel zur Achsenrichtung angeordnet. Somit steigt auch die Größe der Maschine in axialer Richtung des Motors an.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und hat als Aufgabe die Bereitstellung einer kompakten und Hochabgabe-Stromumwandlungsvorrichtung, in der zwei Drei-Phasen-Schaltungen für elektrische Stromwandlung elektrisch parallel montiert sind, durch Erzielen hoher Wärmeabstrahlungsleistung und einer Reduktion bei der Wärmeerzeugung, und Ermöglichen einer effizienten Anordnung von Strommodulen der Drei-Phasen-Schaltungen.
-
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Stromumwandlungsvorrichtung bereitgestellt, die zwei Drei-Phasen-Schaltungen für elektrische Stromumwandlung parallel beinhaltet, wobei die zwei Drei-Phasen-Schaltungen eine Kombination von drei Strommodulen beinhalten, die alle beinhalten: vier schaltbare Stromhalbleiterchips und einen Anschlussrahmen, auf welchem die vier schaltbaren Stromhalbleiterchips montiert sind, wobei die vier schaltbaren Stromhalbleiterchips jedes der drei Strommodule so angeordnet sind, dass zwei Paare von Schaltungen für einen in Reihe verbundene Phase miteinander parallel verbunden sind, um eine Schaltung für zwei Phasen zu bilden, wobei der Anschlussrahmen zwei Positiv-Potentialanschlüsse, zwei Wechselstrom-Potentialanschlüsse und einen Negativ-Potentialanschluss, die voneinander getrennt sind, enthält, wobei die vier schaltbaren Stromhalbleiterchips individuell an vier Anschlüssen der zwei Positiv-Potentialanschlüsse und der zwei Wechselstrom-Potentialanschlüsse angeordnet sind, wobei die zwei Positiv-Potentialanschlüsse beide einen Endbereich aufweisen, der mit einer Busschiene über einen Schweißpunkt verbunden ist, der individuell für jede Phase vorgesehen ist, wobei die Busschiene gemeinsam zwischen den drei Strommodulen vorgesehen ist.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Stromumwandlungsvorrichtung, in welcher die zwei Drei-Phasen-Schaltungen für elektrische Stromwandlung elektrisch parallel montiert sind, die unten beschriebene Konfiguration auf, wenn ein Strommodul verwendet wird, dass darauf die vier Stromhalbleiterchips montiert aufweist, welche die Schaltung für die zwei Phasen bilden. Spezifisch werden die zwei Positiv-Potentialanschlüsse und die zwei Wechselstrompotentialanschlüsse getrennt für die jeweiligen Phasen vorgesehen, so dass die vier Stromhalbleiterchips individuell angeordnet sind und die zwei Positiv-Potentialanschlüsse mit der Busschiene über individuelle Schweißpunkte verbunden sind. Als Ergebnis werden eine hohe Wärmeabstrahlungs-Leistungsfähigkeit und eine Reduktion bei der Wärmeerzeugung erzielt und wird eine effiziente Anordnung der Strommodule der Drei-Phasen-Schaltungen ermöglicht. Eine kompakte und Hochabgabe-Stromumwandlungsvorrichtung kann dadurch erhalten werden.
-
Figurenliste
-
- 1 ist ein Diagramm zum Illustrieren einer Stromumwandlungsschaltung einer Stromumwandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 2 ist eine Ansicht zum Illustrieren einer Montagekonfiguration von Elementen eines Strommoduls der Stromumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 ist eine Ansicht zum Illustrieren eines Querschnitts, der längs der Linie A-A der Montagekonfiguration des Strommoduls der Stromumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genommen ist.
- 4 ist eine Ansicht zum Illustrieren eines Querschnitts, der längs der Linie A-A einer Montagekonfiguration eines Stromumwandlungsmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genommen ist, in welcher eine Steuerplatine zur Konfiguration von 3 hinzugefügt wird.
- 5 ist eine Ansicht zum Illustrieren einer Anordnung und Verbindung zwischen einer Busschiene und Strommodulen in der Stromumwandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Bezugnehmend auf die beigefügten Zeichnungen wird eine Stromumwandlungsvorrichtung gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unten beschrieben.
-
Erste Ausführungsform
-
1 ist ein Diagramm zum Illustrieren einer Stromumwandlungsschaltung einer Stromumwandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Stromumwandlungsschaltung für die erste Ausführungsform beinhaltet P-N-Kondensatoren 11 und Drei-Phasen-Schaltungen 12.
-
Der P-N-Kondensator 11 ist zwischen einem Paar von Eingangsanschlüssen (P) und (N) verbunden. Der P-N-Kondensator 11 ist elektrisch mit der Drei-Phasen-Schaltung 12 parallel verbunden, zwischen dem Paar von Eingangsanschlüssen (P) und (N). Weiter wird die Ausgabe aus der Drei-Phasen-Schaltung 12 an eine Drehelektromaschine 100 über Stromdetektionswiderstände 2 gesendet.
-
In der Stromumwandlungsschaltung von 1 sind die zwei Drei-Phasen-Schaltungen 12 parallel in Bezug auf eine Stromversorgung B1 verbunden und steuern individuell die jeweiligen Drehelektromaschinen 100. Ein Strommodul 10, welches konfiguriert ist, eine Wechselrichterschaltung zu betreiben, entspricht den zwei Phasen der Drei-Phasen-Schaltung 12. Das heißt, wie in 1 exemplifiziert, beinhaltet das Strommodul 10 zwei Paare von Stromhalbleiterchips 1, die in Reihe verbunden sind, nämlich vier Stromhalbleiterchips 1.
-
Der Stromhalbleiterchip 1 der zwei Stromhalbleiterchips 1, die in Reihe verbunden sind, der mit einem Positiv(P)-Anschluss der Stromversorgung B1 verbunden ist, welche zwischen dem Paar von Eingangsanschlüssen (P) und (N) verbunden ist, entspricht einem Hochpotential-Seitenschaltelement. Derweil entspricht der Stromhalbleiterchip 1 der in Reihe verbundenen zwei Stromhalbleiterchips 1, der mit einem Negativ(N)-Anschluss der Stromversorgung B1 verbunden ist, welche zwischen dem Paar von Eingangsanschlüssen P und N verbunden ist, einem Niedrigpotential-Seitenschaltelement.
-
2 ist eine Ansicht zum Illustrieren einer Montagekonfiguration von Elementen eines Strommoduls der Stromumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Weiter ist 3 eine Ansicht zum Illustrieren eines Querschnitts, der längs der Linie A-A der Montagekonfiguration des einen Strommoduls der Stromumwandlungsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genommen ist, welche in 2 illustriert ist.
-
Wie in 2 und 3 illustriert, beinhaltet das Strommodul 10 einen Metallanschlussrahmen, die Stromhalbleiterchips 1, die Stromdetektionswiderstände 2, Verdrahtungselemente 5, Kopplungselemente 40 und ein Gusspolymer 9. Zusätzlich ist das Strommodul 10 auf einem Kühlkörper 30 über ein isolierendes Element 41 angeordnet und ist mit einer Busschiene 20 an Schweißpunkten 8 verbunden. Eine Stromumwandlungsschaltung wird als Ergebnis konstruiert.
-
Der Metallanschlussrahmen wird vorab in eine Verdrahtungsmusterform geformt. Spezifisch beinhaltet der Anschlussrahmen Positiv-Potentialanschlüsse 3 und Wechselstrom-Potentialanschlüsse 6, auf welchen die Stromhalbleiterchips 1 montiert sind und ein Negativ-Potentialanschluss 4. Die Positiv-Potentialanschlüsse 3 und die Wechselstrom-Potentialanschlüsse 6 beinhalten alle eine Elektrode, die mit einer Chipoberoberflächenelektrode des Stromhalbleiterchips 1 über das Verdrahtungselement 5 verbunden ist, und eine Elektrode, die mit einer Chipunteroberflächenelektrode des Stromhalbleiterchips 1 über das leitfähige Kopplungselement 40 verbunden ist.
-
Wie in 3 illustriert, wenn die Stromdetektionswiderstände 2 in das Strommodul 10 eingebaut sind, ist der Wechselstrom-Potentialanschluss 6 in den Wechselstrom-Potentialanschluss 6 und ein Signalanschluss 7 unterteilt. Der Stromhalbleiterchip ist auf dem Signalanschluss 7 montiert und der Stromdetektionswiderstand 2 ist zwischen dem Wechselstrom-Potentialanschluss 6 und dem Signalanschluss 7 verbunden.
-
Wie in 2 illustriert, beinhaltet das Strommodul 10 die zwei Positiv-Potentialanschlüsse 3, die zwei Wechselstrom-Potentialanschlüsse 6 und zwei Signalanschlüsse 7, die getrennt für die jeweiligen Phasen vorgesehen sind und aus dem Gusspolymer 9 vorragen. Weiter kann der Positiv-Potentialanschluss jeder Phase unabhängig mit der Busschiene 20 verbunden werden.
-
Der Anschlussrahmen wird aus Metall hergestellt, beispielsweise einer Verbindung, die Kupfer oder Aluminium als Basismaterial enthält. Der Metallanschlussrahmen wird beispielsweise durch Unterwerfen eines plattenartigen Materials einer Ätz- oder Pressverarbeitung erhalten, um eine Verdrahtungsmusterform zu haben. Als der Anschlussrahmen kann irgendeines eines Bauteils, das eine Oberfläche aufweist, auf welcher Metall, das ein Basismaterial des Bauteils ist, exponiert ist, und eines Bauteils, das teilweise einer Plattierung unterworfen ist, verwendet werden.
-
Auf der Montagenoberflächenseite des Anschlussrahmens werden die Stromhalbleiterchips 1, die Stromdetektionswiderstände 2, die leitfähigen Kopplungselemente 40, die Verdrahtungselemente 5 und andere Komponenten montiert und wird der Anschlussrahmen mit dem Gusspolymer 9 eingekapselt. Vom Anschlussrahmen, nachdem er mit Gusspolymer 9 eingekapselt ist, werden Bereiche, welche für die elektrische Verdrahtung nicht notwendig sind, entfernt. Als Ergebnis die Stromumwandlungsschaltung, in der die Komponenten für die zwei Phasen modularisiert sind. Der Negativ-Potentialanschluss 4, der zusammen mit den zwei Phasen vorgesehen ist, und die Positiv-Potentialanschlüsse 3, die Wechselstrom-Potentialanschlüsse 6 und die Signalanschlüsse 7, die individuell für die jeweiligen zwei Phasen vorgesehen sind, des Anschlussrahmens ragen von den Seitenoberflächen des Gusspolymers 9 vor, um mit einem externen leitfähigen Draht verbunden zu werden. Als Ergebnis baut das Strommodul 10 die Stromumwandlungsschaltung für die zwei Phasen auf.
-
Der Stromhalbleiterchip 1 beinhaltet auf seiner oberen Chipoberfläche und der unteren Chipoberfläche die obere Oberflächenelektrode bzw. die untere Oberflächenelektrode. Die obere Oberflächenelektrode ist elektrisch und mechanisch mit dem Anschlussrahmen durch das Verdrahtungselement 5 verbunden. Weiter ist die untere Oberflächenelektrode elektrisch und mechanisch mit dem Führungsrahmen durch das leitfähige Kopplungselement 40 verbunden. Aufgrund einer solchen Verbindungskonfiguration, wenn der Stromhalbleiterchip 1 in Betrieb ist, fließt Strom durch den Stromhalbleiterchip 1 in einer Dicken-Richtung des Stromhalbleiterchips 1.
-
Im Schaltungsdiagramm von 1, auf das oben Bezug genommen ist, ist ein Fall illustriert, in welchem der Stromhalbleiterchip 1 ein MOSFET ist, aber ein schaltbares Element, beispielsweise ein IGBT, kann auf dem Stromhalbleiterchip 1 angewendet werden. Als Material des Stromhalbleiterchips 1 kann nicht nur Si, sondern auch ein Verbindungshalbleiter, beispielsweise SiC, GaN oder GaAs verwendet werden. Weiter kann eine Nickelplattierschicht auf der oberen Oberflächenelektrode des Stromhalbleiterchips 1 gebildet werden, um eine Lotkopplung zu ermöglichen, unter Berücksichtigung der Verwendung der Verdrahtungselemente 5, beispielsweise innerer Anschlüsse.
-
Das Gusspolymer 9 kapselt die Montageoberfläche des Anschlussrahmens ein, so dass der Metallanschlussrahmen, der Stromhalbleiterchip 1, die Stromdetektionswiderstände 2, die leitfähigen Kopplungselemente 40 und die Verdrahtungselemente 5 eingeschlossen sind. Kurz gesagt wird das Gusspolymer 9 gebildet, nachdem die oben erwähnten Komponenten auf dem Anschlussrahmen montiert sind.
-
Wie in 1 illustriert, wird die Drehelektromaschine 100 angetrieben, wenn eine Ausgangsspannung angelegt wird, die durch Schaltoperation der Stromhalbleiterchips 1 erzeugt wird, die in das Leistungsmodul 10 eingebaut sind. Gemäß dieser Konfiguration fließt ein großer Strom zu den Schweißpunkten 8 zwischen der Busschiene 20 auf der Positivanschlussseite und den Positiv-Potentialanschlüssen 3, die in 2 illustriert sind. Folglich besteht eine Tendenz, dass im Strommodul 10, in welchem die zwei Paare von Stromhalbleiterchips 1 montiert sind, Probleme aufgrund von Wärmeerzeugung auftreten.
-
Wie in 2 illustriert, sind im Strommodul 10 der ersten Ausführungsform die Positiv-Potentialanschlüsse 3, an welchen die Stromhalbleiterchips 1 montiert sind, für die entsprechenden Phasen getrennt vorgesehen, und jeder der zwei Positiv-Potentialanschlüsse 3 ist unabhängig mit der Busschiene 20 am Schweißpunkt 8 durch Schweißen verbunden. Gemäß dieser Konfiguration können die Schweißpunkte 8 zwischen dem Positiv-Potentialanschlüssen 3 und der Busschiene 20 auf zwei Orte in einem Strommodul verteilt werden.
-
Kurz gesagt werden der Positiv-Potentialanschluss 3 und die Busschiene 20 für jede Phase miteinander verschweißt. Somit ist ein Strom, der zu jedem der Schweißpunkte 8 fließt, nur ein Strom für eine aus der Busschiene 20 abgezweigte Phase. Als Ergebnis kann die Wärmeerzeugung an den Schweißpunkten 8 zwischen der Busschiene 20 und den Positiv-Potentialanschlüssen 3 und an den Positiv-Potentialanschlüssen 3 selbst unterdrückt werden.
-
Insbesondere weisen die Schweißpunkte 8 vorzugsweise eine große Querschnittsfläche auf, weil große Ströme zu den Schweißpunkten 8 fließen. Wenn die Schweißpunkte 8, die eine große Querschnittsfläche aufweisen, zu bilden sind, steigt jedoch die Zeit, die es braucht, oder für das Schweißen, oder die Energie, die für das Schmelzen des Metalls notwendig ist, für einen Schweißpunkt 8 an. Dies kann zu einem Problem führen, dass der Schweißpunkt 8 eine unstabile Form aufweist oder Bauteile um den Schweißpunkt 8 herum schmelzen.
-
Im Gegensatz dazu kann in der Konfiguration der ersten Ausführungsform, in der die zwei Schweißpunkte 8 individuell bereitgestellt sind, die Schweißzeit und notwendige Energie für einen Schweißpunkt 8 im Vergleich zu dem Fall, in welchem ein gemeinsamer Schweißpunkt verwendet wird, reduziert werden. Kurz gesagt, indem die zwei Schweißpunkte individuell bereitgestellt werden, kann ein großer Strom verursacht werden, zu fließen, wie in einem Fall, in welchem ein gemeinsamer Schweißpunkt eine große Querschnittsfläche aufweist.
-
Weiter kann der Schweißpunkt 8 für jede Phase an jedem Ort vorgesehen sein. Als Ergebnis kann eine Distanz zwischen den Schweißpunkten 8 auf jeglichen Wert eingestellt werden. Somit kann verhindert werden, dass die Temperatur der Schweißpunkte 8 ansteigt, durch angemessenes Einstellen der Distanz zwischen den zwei Schweißpunkten 8, so dass die an einem Schweißpunkt 8 erzeugte Wärme nicht mit der an einem anderen Schweißpunkt 8 erzeugten Wärme interferiert.
-
Zusätzlich kann eine Temperaturänderung an den Schweißpunkten 8 selbst reduziert werden, indem die Distanz zwischen den zwei Schweißpunkten 8 angemessen eingestellt wird. Somit kann der Fortschritt des Verschleißes der Schweißpunkte 8, der aufgrund beispielsweise von Miniaturisierung oder Metallkristallkörnern verursacht wird, verlangsamt werden. Das heißt, bei der Konfiguration der Schweißpunkte 8 der ersten Ausführungsform, dass der Fortgang des Verschleißphänomens, das oben beschrieben ist, verlangsamt werden kann und eine Langzeitzuverlässigkeit somit verbessert werden kann. Als Ergebnis wird in der Stromumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform die Notwendigkeit zusätzlicher Elemente zum Erzielen von Langzeitzuverlässigkeit eliminiert.
-
Zusätzlich werden die Anschlüsse, an welchen die Stromhalbleiterchips 1 montiert sind, für die jeweiligen Phasen getrennt vorgesehen. Dies bedeutet, dass durch die angetriebenen Stromhalbleiterchips 1 erzeugte Wärme nicht zwischen den Stromhalbleiterchips 1 über einen gemeinsamen Anschluss transferiert wird. Das heißt, dass die getrennt bereitgestellten Anschlüsse effektive Mittel zum Unterdrücken eines Temperaturanstiegs der Stromhalbleiterchips sind und als Ergebnis eine Umwandlungsvorrichtung mit hoher Ausgabeleistung erzielt werden kann. Weiter werden die zwei Drei-Phasen-Schaltungen parallel montiert und daher kann elektromagnetisches Rauschen und eine Fluktuation beim Antriebsdrehmoment reduziert werden, wenn die Drehelektromaschine 100 angetrieben wird, wie im Stand der Technik.
-
Wie in 3 illustriert, ist das Strommodul 10 der ersten Ausführungsform ein Gusseinkapselungs-Strommodul, in welchem jeder Anschluss und die montierten Komponenten mit dem Gusspolymer 9 eingekapselt sind. Somit sind in dem Strommodul 10 der ersten Ausführungsform auf einer Oberfläche des Strommoduls 10, das entgegengesetzt zum Kühlkörper 30 ist, die Positiv-Potentialanschlüsse 3, die Wechselstrom-Potentialanschlüsse 6 und die Negativ-Potentialanschlüsse 4 partiell exponiert. Weiter sind in dem Strommodul 10 die Seitenoberflächen der zwei Positiv-Potentialanschlüsse 3, die Seitenoberflächen der zwei Wechselstrom-Potentialanschlüsse 6 und die Seitenoberflächen des einen Negativ-Potentialschlusses 4, die zu entsprechenden Seitenoberflächen weisen, mit dem Gusspolymer 9 bedeckt.
-
Zusätzlich ist jeder Anschluss mechanisch mit dem Kühlkörper 30 durch ein Adhäsiv verbunden, das ein Isolationselement 41 ist, das einen isolierenden Füller enthält. Mit dieser Konfiguration kann verhindert werden, dass bei der Stromumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform durch die Stromhalbleiterchips während der Stromzufuhr erzeugte Wärme auf angrenzende Anschlüsse durch das Gusspolymer 9 übertragen wird.
-
Zusätzlich kann in der Stromumwandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform unter Verwendung des Adhäsivs, das ein isolierendes Element 41 ist, das den isolierenden Füller enthält, und eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die höher ist als die des Gusspolymers 9, durch die Stromhalbleiterchips 1 erzeugte Wärme effizient zur Seite des Kühlkörpers 30 übertragen werden.
-
Gemäß der oben beschriebenen Konfiguration kann das Strommodul 10 effizient durch jeden der Stromhalbleiterchips 1 erzeugte Wärme nach außerhalb des Moduls abgeben, während verhindert wird, dass die Wärme zwischen den Stromhalbleiterchips 1 innerhalb des Moduls übertragen wird. Als Ergebnis kann ein Temperaturanstieg der Vielzahl von Stromhalbleiterchips im Strommodul 10 unterdrückt werden.
-
In der ersten Ausführungsform wird ein Fall angenommen, in welchem innere Anschlüsse als die Verdrahtungselemente 5 auf den Stromhalbleiterchips 1 verwendet werden. Die Verbindung zwischen den oberen Oberflächenelektroden der Stromhalbleiterchips und den inneren Anschlüssen, die Verbindung zwischen den inneren Anschlüssen und dem Anschlussrahmen und die Verbindung zwischen den unteren Oberflächenelektroden der Stromhalbleiterchips 1 und dem Führungsrahmen kann aus Lot gemacht sein. Weiter wird in der ersten Ausführungsform ein Fall angenommen, in welchem die Stromdetektionswiderstände 2 innerhalb des Strommoduls 10 montiert sind. Dies bedeutet, dass gemäß der ersten Ausführungsform Effekte der vorliegenden Erfindung erhalten werden können, selbst wenn Komponenten wie etwa Stromdetektionswiderstände zusätzlich im Strommodul 10 angeordnet sind und die Wechselstrom-Potentialanschlüsse 6 in zwei unterteilt sind.
-
Wie oben beschrieben, ist in Hinsicht auf die Verbindung zwischen den Komponenten das leitfähige Kopplungselement 40 zwischen jedem Anschluss und der Komponente angeordnet, um jeden Anschluss und die Komponente miteinander elektrisch und mechanisch zu verbinden. Mit Lot, das für die Verbindung zwischen den Stromhalbleiterchips 1 verwendet wird, können die inneren Anschlüsse, die Stromdetektionswiderstände 2 und der Führungsrahmen, die Kupplung vorgenommen werden durch eine einmalige Wärmebehandlung unter Verwendung beispielsweise einer Reflow-Vorrichtung. Die Produktivität kann somit verbessert werden.
-
Wenn die Komponenten aufgrund einer Temperaturänderung oder andere Faktoren deformiert werden, während die Stromumwandlungsvorrichtung in Verwendung ist, variiert die Haltbarkeit zwischen Orten, auf welche Lotkopplung angewendet wird. In diesem Fall kann sich die Zusammensetzung von Lot abhängig von den Orten, auf welche Lotkopplung angewendet wird, ändern. Zusätzlich wird in der ersten Ausführungsform als ein Beispiel das Lot als das leitfähige Element beschrieben, aber eine leitfähige Polymerpaste oder eine Sinterungspaste kann statt des Lots verwendet werden.
-
Die Verdrahtungselemente verbinden die oberen Oberflächenelektroden der Stromhalbleiterchips 1 und den Anschlussrahmen. In der ersten Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in welchem die inneren Anschlüsse, die durch Verarbeiten individueller Metallplatten in die Form der Verdrahtungselemente erhalten werden, zum Verbinden der oberen Oberflächenelektroden der Stromhalbleiterchips 1 mit den entsprechenden Anschlüssen des Anschlussrahmens verwendet werden. Statt der inneren Anschlüsse, wie oben beschrieben, können jedoch die oberen Oberflächenelektroden der Stromhalbleiterchips 1 mit den entsprechenden Anschlüssen des Anschlussrahmens durch einen Drahtbond oder einen Flachbandbond verbunden werden, die aus Kupfer oder Aluminium gemacht sind, oder einem Beschichtungsmaterial, das aus Kupfer und Aluminium gemacht ist.
-
Im Falle der Verwendung der inneren Anschlüsse sind die inneren Anschlüsse so angeordnet, dass sie in Kontakt mit dem Gusspolymer 9 stehen, außer hinsichtlich Bereichen, die mit den Elektroden über die leitfähigen Elemente zu verbinden sind. Weiter sind die inneren Anschlüsse so angeordnet, dass sie in dem Gusspolymer 9 enthalten sind und weisen keine Bereiche zum Unterstützen der inneren Anschlüsse von außerhalb des Gusspolymers 9 während der Herstellung auf. Die Körperbereiche der die miteinander über die leitfähigen Elemente zu verbindenden Bereiche verbindenden inneren Anschlüsse werden in einer Richtung des Trennens mehr vom Führungsrahmen als Endposition der inneren Anschlüsse, die zu verbinden sind, deformiert. Auf diese Weise kann ein Kurzschluss zwischen dem Anschlussrahmen und den inneren Anschlüssen verhindert werden.
-
Die Querschnittsfläche des Körperbereichs des inneren Anschlusses wird basierend auf der Strommenge, die zuzuführen ist, festgelegt. Weiter, um die durch den Stromhalbleiterchip 1 erzeugte Wärmemenge, die über das Verdrahtungselement zu übertragen ist, zu reduzieren, beispielsweise kann der innere Anschluss, ein Durchgangsloch oder ein enger Bereich oder sowohl das Durchgangsloch als auch der enge Bereich im Körperbereich des inneren Anschlusses gebildet werden. Auf diese Weise kann der Wärmewiderstand des inneren Anschlusses in seiner Längsrichtung vergrößert werden. Somit kann die zwischen den Stromhalbleiterchips übertragene Wärmemenge reduziert werden. In der ersten Ausführungsform wird eine Stromumwandlungsvorrichtung angenommen, in der Strom von einigen wenigen Ampere bis etwa ein paar hundert Ampere, was einen Strom beinhaltet, der momentan angelegt wird, zugeführt wird.
-
Die Busschiene 20 wird so ausgebildet, dass sie eine Blattdicke aufweist, die das 1,4-fache oder mehr der Blattdicke des Positiv-Potentialanschlusses 3 aufweist. Wenn ein Strom von ein paar hundert Ampere über die Zeit von höchstens ein paar Sekunden zugeführt wird, wird Wärme am Schweißpunkt 8 am Endbereich des Positiv-Potentialanschlusses 3 erzeugt. Selbst in diesem Fall, wobei die Busschiene 20 eine Blattdicke aufweist, die das 1,4-fache oder größer als der Positiv-Potentialanschluss 3 ist, wird die Wärme am Schweißpunkt 8 zur Busschiene 20 diffundiert und kann die an den Positiv-Potentialanschluss 3 übertragene Wärmemenge reduziert werden.
-
Der Stromhalbleiterchip 1 ist auf dem Positiv-Potentialanschluss 3 montiert. Somit, wenn die an den Positiv-Potentialanschluss 3 übertragene Wärmemenge reduziert wird, kann auch die in den Stromhalbleiterchip 1 fließende Wärmemenge reduziert werden. Als Ergebnis kann ein Temperaturanstieg des Stromhalbleiterchips 1 reduziert werden. Mittels der oben beschriebenen Effekte kann eine kompakte und Hochabgabe-Stromumwandlungsvorrichtung erzielt werden, selbst wenn die zwei Drei-Phasen-Schaltungen innerhalb der Stromumwandlungsschaltung konstruiert sind.
-
Wie oben beschrieben, gemäß der Stromumwandlungsvorrichtung der ersten Ausführungsform, sind die Strommodule, welche die zwei Drei-Phasen-Schaltungen aufbauen, weisen alle die Konfiguration auf, in der die Positiv-Potentialanschlüsse, an welchen die Stromhalbleiterchips montiert sind, getrennt für die entsprechenden Phasen vorgesehen sind. Als Ergebnis können die zwei Positiv-Potentialanschlüsse mit einer Busschiene über die individuellen Knoten verbunden werden und kann eine hohe Wärmeabstrahlungsleistung und eine Reduktion bei der Wärmeerzeugung erzielt werden.
-
Weiter, mit Verwendung des Adhäsivs, welches das isolierende Element ist, das den isolierenden Füller enthält und eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die höher ist als diejenige des Gusspolymers kann eine Abgabe von Wärme aus den Stromhalbleiterchips an die Kühlkörperseite effizient durchgeführt werden.
-
Zusätzlich, mit Verwendung des Adhäsivs mit einer Wärmeleitfähigkeit, die höher ist als diejenige des Gusspolymers und der Verwendung der getrennt für jeweiligen Stromhalbleiterchips vorgesehenen Anschlüsse, kann verhindert werden, dass Wärme zwischen den Stromhalbleiterchips übertragen wird. Zusätzlich kann vermittels der Verwendung jener Komponenten durch die Stromhalbleiterchips erzeugte Wärme selbst Effizienz nach außerhalb des Strommoduls abgegeben werden. Folglich kann ein Temperaturanstieg der Stromhalbleiterchips reduziert wird und kann eine kompakte und Hochabgabe-Stromumwandlungsvorrichtung erzielt werden.
-
Zweite Ausführungsform
-
In der oben erwähnten ersten Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verbessern der Wärmedispersions-Leistungsfähigkeit durch Anordnen der Anschlüsse in einer getrennten Weise und Einsetzen des Gusspolymers und der isolierenden Elemente beschrieben. Derweil werden in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Verbesserung der Wärmedispersions-Leistungsfähigkeit und das Verkleinern, die durch Auslegen der Anordnung einer Steuerplatine und der Anordnung der Busschiene erzielt werden, beschrieben.
-
4 ist eine Ansicht zum Illustrieren eines Querschnitts einer Montagekonfiguration einer Stromumwandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform, in welcher die Steuerplatine zur Querschnittsansicht von 3 hinzugefügt ist. Eine Steuerplatine 50 ist über den drei Strommodulen 10 angeordnet, welche die zwei Drei-Phasen-Schaltungen aufbauen. Jedoch wird in 4 die über dem einen Steuermodul 10 angeordnete Steuerplatine 50 exemplifiziert.
-
Die äußeren Abmessungen des Strommoduls 10 auf der Montageebene steigen, wenn die Steuerplatine 50 auf derselben Ebene wie die Montageebene des Strommoduls 10 zu montieren ist. Die vorliegende Erfindung verwendet jedoch eine Konfiguration, in welcher die Steuerplatine 50 über dem Strommodul 10 angeordnet ist, über Signalanschlüsse 7a des Strommoduls 10. Als Ergebnis könnend die äußeren Abmessungen des Strommoduls 10 auf der Montageebene reduziert werden. In diesem Fall entspricht der Signalanschluss 7a dem Endbereich des Signalanschlusses 7, der aus dem Gusspolymer 9 exponiert und nach oben gebogen ist.
-
Wenn die Steuerplatine 50 über dem Strommodul 10 angeordnet ist, ist jedoch der Schweißpunkt 8 zwischen der Busschiene 20 und dem Positiv-Potentialanschluss 3 in der Nähe der Steuerplatine 50 angeordnet, wie in 4 illustriert. Somit besteht die Befürchtung, dass am Schweißpunkt 8 erzeugte Wärme zur Steuerplatine 50 übertragen werden mag. Die Stromumwandlungsvorrichtung der zweiten Ausführungsform ist so konfiguriert, dass, wie in der oben erwähnten ersten Ausführungsform beschrieben, die Busschiene 20 eine Dicke aufweist, die das 1,4-fache oder größer der Dicke des Positiv-Potentialanschlusses 3 ist. Wenn Wärme am mit der Busschiene 20 verbundenen Schweißpunkt 8 erzeugt wird, wird die Wärme zu Bereichen der Busschiene 20 diffundiert, an welchen die Busschiene 20 die Wärme nicht aufnimmt.
-
Selbst wenn Strom lange Zeit kontinuierlich zugeführt wird, wird am Schweißpunkt 8 erzeugte Wärme zur Busschiene 20 diffundiert gehalten. Somit ist es möglich, eine übermäßige Wärmeerzeugung am Schweißpunkt 8 zu verhindern. Das heißt, dass die über dem Strommodul 10 montierte Steuerplatine 50 einen Temperaturanstieg desselben aufgrund eines Einflusses von am Schweißpunkt 8 erzeugter Wärme unterdrücken kann. Als Ergebnis können Komponenten mit niedriger Wärmewiderstandstemperatur auch nahe dem Schweißpunkt 8 über der Steuerplatine 50 angeordnet werden und kann ein effektives Montagelayout erzielt werden. Eine kompakte Stromumwandlungsvorrichtung kann daher gebildet werden.
-
5 ist eine Ansicht zum Illustrieren einer Anordnung und einer Verbindungsbeziehung zwischen der Busschiene 20 und jedem der Strommodule 10 in der Stromumwandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. Die Busschiene 20 wird in einer rechtwinkligen Form gebildet und die Strommodule 10 sind mit den kontinuierlichen drei Seiten des äußeren Umfangs der Busschiene 20 so verbunden, dass ein Strommodul 10 mit einer Seite verbunden ist.
-
Weiter, obwohl nicht gezeigt, können Glättungskondensatoren, die zwischen den Positiv-Potentialanschlüssen 3 und dem Negativ-Potentialanschluss verbunden sind, zwischen den drei auf dem Kühlkörper 30 montierten Strommodulen 10 montiert sein. Auf diese Weise können die Glättungskondensatoren in einer gespreizten Weise in einem Raum zwischen den Strommodulen 10 angeordnet werden, welcher jedem Eckenbereich der rechteckigen Busschiene 20 entspricht. Als Ergebnis kann eine kompakte Stromumwandlungsvorrichtung erzielt werden.
-
In der Beschreibung oben werden die bevorzugten Ausführungsformen im Detail beschrieben, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Modifikationen und ein Austausch können an den oben erwähnten Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom in den anhängigen Ansprüchen beschriebenen Schutzumfang abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 2017127097 [0013, 0014]
