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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul, einen elektrischen Leistungswandler und ein Elektrofahrzeug.
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STAND DER TECHNIK
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Ein elektrischer Leistungswandler eines Elektrofahrzeugs ist mit einem Glättungskondensator zum Glätten einer Eingangs-/Ausgangsspannung versehen. In dem elektrischen Leistungswandler, der mit dem Glättungskondensator versehen ist, muss eine elektrische Ladung, die sich in dem Glättungskondensator angesammelt hat, entladen werden, wenn ein elektrisches System des Elektrofahrzeugs gestoppt wird. Ein Entladewiderstand wird häufig gemäß einem Verfahren zum Entladen der elektrischen Ladung in dem elektrischen Leistungswandler vorgesehen. Während eines normalen Betriebs des elektrischen Systems des Elektrofahrzeugs, das den elektrischen Leistungswandler aufweist, der mit dem Entladewiderstand versehen ist, fließt ein geringer Strom in dem Entladewiderstand, und demzufolge erzeugt der Entladewiderstand Wärme. Ein Aufheizen des Glättungskondensators durch die Wärme des Entladewiderstands verschlechtert die Eigenschaften des Glättungskondensators. Daher wurde eine bekannte Technologie zum Schützen des Glättungskondensators vor der Wärme des Entladewiderstands entwickelt.
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Die
JP 2008 -
211 129 A beschreibt eine Struktur eines elektrischen Leistungswandlers, der mit einem Glättungskondensator und einem Entladewiderstand versehen ist, wobei der Glättungskondensator durch die Wärme, die von dem Entladewiderstand erzeugt wird, nicht einfach aufgewärmt wird.
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Die
JP 2006 -
140 217 A offenbart ein Leistungsmodul, das aufweist: einen ersten Leitungsrahmen; einen zweiten Leitungsrahmen; einen ersten und einen zweiten Halbleiterschalter, die in Serie zwischen den ersten Leitungsrahmen und den zweiten Leitungsrahmen geschaltet sind; einen Widerstand, der zwischen den ersten Leitungsrahmen und den zweiten Leitungsrahmen geschaltet ist; und ein Harzgehäuse, das den ersten Leitungsrahmen, den zweiten Leitungsrahmen, den ersten Halbleiterschalter, den zweiten Halbleiterschalter und den Widerstand einkapselt, wobei ein Wärmeabstrahlungsabschnitt zum Abstrahlen von Wärme von dem ersten Leitungsrahmen und/ oder dem zweiten Leitungsrahmen in mindestens einem Teil des Gehäuses ausgebildet ist, und das Gehäuse in einer flachen rechteckigen Quadergestalt ausgebildet ist und der Wärmeabstrahlungsabschnitt auf jeder Seitenfläche des Gehäuses ausgebildet ist.
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Die
DE 11 2008 001 550 T5 beschreibt eine Leistungshalbleitervorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Hauptelektrode, die auf einer ersten bzw. einer zweiten Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet sind, einem Leistungshalbleiterelement, das im Halbleitersubstrat gebildet und elektrisch mit der ersten und der zweiten Hauptelektrode verbunden ist, und einem Widerstandselement, das im Halbleitersubstrat gebildet und elektrisch mit der ersten und der zweiten Hauptelektrode parallel zum Leistungshalbleiterelement geschaltet ist.
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Die US 2004 / 0 183 188 A1 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitermodul, das ein Halbleiterelement und einen Strahlungsabschnitt aufweist. Ein wärmeabsorbierendes Element weist einen wärmeabsorbierenden Abschnitt mit Wärmeleitfähigkeit auf. Ein Schmierelement ist zwischen dem Strahlungsabschnitt des Halbleitermoduls und dem wärmeabsorbierenden Abschnitt des wärmeabsorbierenden Elements angeordnet. Der Strahlungsabschnitt und der Absorptionsabschnitt liegen einander durch das Schmierelement in einer vorbestimmten Richtung gegenüber und sind nahe beieinander. Ein Schmiermittelextrusionspfad weist ein Ende und anderes Ende auf und ist in mindestens einem von dem Strahlungsabschnitt und dem wärmeabsorbierenden Abschnitt ausgebildet. Das eine Ende des Schmiermittelextrusionspfads berührt das Schmiermittelelement, und das andere Ende kommuniziert mit einer Außenseite des mindestens einen von dem Strahlungsabschnitt und dem Wärmeabsorptionsabschnitt.
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Die
JP 2009 - 71 935 A beschreibt einen Leistungswandler, der enthält: einen Leistungswandler, der zwischen einer Stromquelle und einer Last angeordnet ist, um Leistung zwischen ihnen umzuwandeln, und einen Glättungskondensator, der zwischen der Stromquelle und dem Leistungswandler angeordnet ist. Der Leistungswandler enthält mehrere Halbleitermodule, in die eine Halbleitervorrichtung eingebaut ist, und mehrere Kühlrohre, die die Halbleitermodule von beiden Hauptoberflächen kühlen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß dem Stand der Technik erzeugt der Entladewiderstand Wärme und wird heiß, auch wenn der Glättungskondensator hitzefest ist. Aus diesem Grund muss ein sehr hitzefester Widerstand wie beispielsweise ein Zementwiderstand als der Entladewiderstand verwendet werden, was zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt. Es kann ein Widerstand, der weniger hitzefest als der herkömmliche Widerstand ist, verwendet werden, um die Herstellungskosten zu verringern, solange eine Erhöhung der Temperatur des Entladewiderstands verhindert werden kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul. Das Leistungsmodul weist auf: einen ersten Leitungsrahmen, einen zweiten Leitungsrahmen, erste und zweite Halbleiterschalter, die in Serie zwischen den ersten Leitungsrahmen und den zweiten Leitungsrahmen geschaltet sind, einen Widerstand, der zwischen den ersten Leitungsrahmen und den zweiten Leitungsrahmen geschaltet ist, und ein Harzgehäuse, das den ersten Leitungsrahmen, den zweiten Leitungsrahmen, den ersten Halbleiterschalter, den zweiten Halbleiterschalter und den Widerstand einkapselt. In diesem Leistungsmodul ist ein Wärmeabstrahlungsabschnitt zum Abstrahlen von Wärme von dem Leitungsrahmen und/oder dem zweiten Leitungsrahmen in mindestens einem Teil des Gehäuses ausgebildet.
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Die „Leitungsrahmen“, die hier beschrieben werden, meinen elektrisch und thermisch leitende Elemente, die in der Lage sind, dem ersten Halbleiterschalter und/oder dem zweiten Halbleiterschalter elektrische Energie zuzuführen und Wärme von dem ersten Halbleiterschalter und/oder dem zweiten Halbleiterschalter zu übertragen. Die Leitungsrahmen sind typischerweise längliche Metallplatten. Die „Halbleiterschalter“, die hier beschrieben sind, meinen Halbleitervorrichtungen, die in der Lage sind, zwischen einem elektrisch leitenden Zustand und einem elektrisch nicht leitenden Zustand einer Schaltung entsprechend den Betrieben eines Schaltelements wie beispielsweise eines IGBT zu schalten. Ein Teil der Leitungsrahmen ist in das Gehäuse eingekapselt, und der andere Teil liegt von dem Gehäuse frei.
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Das Leistungsmodul, das oben beschrieben wurde, weist zwei der ersten und zweiten Halbleiterschalter auf, die beispielsweise in einer Verstärkungsschaltung, einer Drei-Phasen-Inverterschaltung und Ähnlichem verwendet werden. In diesem Leistungsmodul wird Wärme, die von dem ersten Halbleiterschalter und dem zweiten Halbleiterschalter erzeugt wird, von dem Wärmeabstrahlungsabschnitt durch den ersten Leitungsrahmen und/oder den zweiten Leitungsrahmen zur Außenseite abgestrahlt. In diesem Leistungsmodul können der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter, die durch einen Schaltbetrieb aufgeheizt werden, durch Abstrahlung der Wärme durch den Wärmeabstrahlungsabschnitt gekühlt werden.
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Wenn dieses Leistungsmodul als eine Komponente der Verstärkungsschaltung oder der Drei-Phasen-Inverterschaltung, die zusammen mit dem Glättungskondensator verwendet werden, verwendet wird, kann der Widerstand, der in das Gehäuse eingekapselt ist, als der Entladewiderstand des Glättungskondensators dienen. In diesem Leistungsmodul wird die Wärme, die in dem Widerstand erzeugt wird, von dem Wärmeabstrahlungsabschnitt über den ersten Leitungsrahmen und/oder den zweiten Leitungsrahmen zur Außenseite abgestrahlt. Dieses kann eine Erhöhung der Temperatur des Widerstands, der als der Entladewiderstand des Glättungskondensators dient, verhindern. Es kann ein Material, das einen niedrigen Wärmewiderstand aufweist, als der Entladewiderstand verwendet werden, so dass die Herstellungskosten verringert werden können.
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Das Leistungsmodul, das oben beschrieben ist, benötigt keine Bolzen, Drähte, Kabel, Anschlüsse und andere Teile, die gemäß dem Stand der Technik benötigt werden, um den Entladewiderstand parallel zu dem Glättungskondensator anzubringen.
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Daher kann die Anzahl der Teile in dem Leistungsmodul, das oben beschrieben ist, verringert werden, was die Anzahl der Stunden für die Anbringung verringert.
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In dem oben beschriebenen Leistungsmodul ist es vorteilhaft, wenn der Widerstand ein oberflächenmontierter Widerstand ist und an den ersten Leitungsrahmen und den zweiten Leitungsrahmen gelötet ist.
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In diesem Leistungsmodul kann der Widerstand mittels eines Wiederaufschmelz-Lötverfahrens an dem ersten Leitungsrahmen und dem zweiten Leitungsrahmen angebracht werden. Der erste Halbleiterschalter und der zweite Halbleiterschalter werden außerdem normalerweise mittels Wiederaufschmelzen an den ersten Leitungsrahmen und den zweiten Leitungsrahmen gelötet. Gemäß diesem Leistungsmodul kann die Anbringung der ersten und zweiten Halbleiterschalter und die Anbringung des Widerstands in demselben Wiederaufschmelz-Lötschritt durchgeführt werden. Daher können Vorrichtungen, die für die Befestigung benötigt werden, vereinfacht werden, was die Anzahl der Stunden für die Anbringung verringert.
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In diesem Leistungsmodul ist es vorteilhaft, wenn Nuten an dem ersten Leitungsrahmen und dem zweiten Leitungsrahmen ausgebildet sind, um den Widerstand daran zu befestigen.
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Gemäß dem Leistungsmodul kann eine Erhöhung der Größe durch Anbringung des Widerstands verhindert werden. Die Größe des Leistungsmoduls kann verringert werden.
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In diesem Leistungsmodul ist das Gehäuse in einem flachen rechteckigen Quader ausgebildet und der Wärmeabstrahlungsabschnitt ist auf jeder Seitenfläche des Gehäuses ausgebildet.
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Dieses Leistungsmodul kann von jeder Seitenfläche gekühlt werden, was die Kühleffizienz erhöht
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Das oben beschriebene Leistungsmodul weist außerdem einen dritten Leitungsrahmen auf, der zwischen den ersten Halbleiterschalter und den zweiten Halbleiterschalter geschaltet ist, der dritte Leitungsrahmen ist ebenfalls in das Gehäuse eingekapselt, äußere Flächen der ersten und zweiten Leitungsrahmen sind auf einer Seitenfläche des Leistungsmoduls freigelegt, eine Außenfläche des dritten Leitungsrahmens ist auf der anderen Seitenfläche des Leistungsmoduls freigelegt, ein Ende des Widerstands ist mit einer Innenfläche des ersten Leitungsrahmens verbunden und das andere Ende des Widerstands ist mit einer Innenfläche des zweiten Leitungsrahmens verbunden.
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Dieses Leistungsmodul kann eine Struktur realisieren, die in der Lage ist, das Leistungsmodul über dessen Seitenfläche zu kühlen, ohne dessen Größe zu erhöhen.
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Alternativ weist dieses Leistungsmodul außerdem den dritten Leitungsrahmen und einen vierten Leitungsrahmen auf, die in Serie zwischen den ersten Halbleiterschalter und den zweiten Halbleiterschalter geschaltet sind, und eine leitende Brücke ist zwischen den dritten Leitungsrahmen und den vierten Leitungsrahmen geschaltet, wobei der dritte Leitungsrahmen, der vierte Leitungsrahmen und die leitende Brücke ebenfalls in das Gehäuse eingekapselt sind, Außenflächen der ersten und vierten Leitungsrahmen sind auf einer der Seitenflächen des Leistungsmoduls freigelegt, Außenflächen der zweiten und dritten Leitungsrahmen sind auf der anderen Seitenfläche des Leistungsmoduls freigelegt, ein Ende des Widerstands ist mit der Innenfläche des ersten Leitungsrahmens verbunden, das andere Ende des Widerstands ist mit der Innenfläche des zweiten Leitungsrahmens verbunden, ein Ende der leitenden Brücke ist mit einer Innenfläche des dritten Leitungsrahmens verbunden und das andere Ende der leitenden Brücke ist mit einer Innenfläche des vierten Leitungsrahmens verbunden.
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Dieses Leistungsmodul kann eine Struktur realisieren, die in der Lage ist, das Leistungsmodul über dessen Seitenflächen zu kühlen, ohne dessen Größe zu erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung offenbart einen elektrischen Leistungswandler. Dieser elektrische Leistungswandler weist das oben beschriebene Leistungsmodul und einen Glättungskondensator auf.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein Elektrofahrzeug. Dieses Elektrofahrzeug weist den oben beschriebenen elektrischen Leistungswandler und einen Motor auf.
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Die Details der hier beschriebenen Technologie werden anhand der folgenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Diagramm, das schematisch ein elektrisches System eines Elektrofahrzeugs 10 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform zeigt;
- 2 ist ein Diagramm, das Schaltungskonfigurationen eines Entladewiderstands 28 und einer Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform zeigt;
- 3 ist ein perspektivisches Diagramm, das ein Äußeres einer Leistungskarte 46 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
- 4 ist eine Seitenansicht der Leistungskarte 46 gemäß der ersten Ausführungsform;
- 5 ist eine Querschnittsansicht der Leistungskarte 46 der ersten Ausführungsform entlang der Linie V-V der 4;
- 6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Äußeres einer Leistungskarte 100 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
- 7 ist eine Seitenansicht der Leistungskarte 100 gemäß der zweiten Ausführungsform;
- 8 ist eine Querschnittsansicht der Leistungskarte 100 der zweiten Ausführungsform entlang der Linie VIII-VIII der 7; und
- 9 ist eine Querschnittsansicht der Leistungskarte 100 der zweiten Ausführungsform entlang der Linie IX-IX der 7.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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(Erste Ausführungsform)
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1 zeigt ein elektrisches System eines Elektrofahrzeugs 10. Das Elektrofahrzeug 10 weist eine Batterie 12, einen elektrischen Leistungswandler 14 und einen Motor 16 auf. Das Elektrofahrzeug 10 führt elektrische Energie, die in der Batterie 12 gespeichert ist, dem Motor 16 über den elektrischen Leistungswandler 14 zu, um eine Antriebswelle von Rädern zu drehen. Wenn die Batterie 12 eine sekundäre Batterie ist, kann die elektrische Energie, die von dem Motor 16 während einer Verzögerung des Elektrofahrzeugs 10 regeneriert wird, der Batterie 12 über den elektrischen Leistungswandler 14 zugeführt werden, um die Batterie 12 zu laden. Das Elektrofahrzeug 10 kann ein Elektrofahrzeug mit Batterieantrieb oder ein Hybridfahrzeug sein. Die Batterie 12 kann eine sekundäre Batterie wie beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine primäre Batterie wie beispielsweise eine Brennstoffzelle sein. Der Motor 16 ist ein Drei-Phasen-AC-Motor, der die Antriebswelle der Räder dreht.
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Der elektrische Leistungswandler 14 weist eine Verstärkungsschaltung 20, einen ersten Glättungskondensator 22, eine Drei-Phasen-Inverterschaltung 24, einen zweiten Glättungskondensator 26 und einen Entladewiderstand 28 auf.
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Die Verstärkungsschaltung 20 ist ein DC/DC-Wandler, der eine Spannung, die von der Batterie 12 zugeführt wird, in eine Spannung, die zum Antreiben des Motors 16 geeignet ist, verstärkt. In dieser Ausführungsform wird eine Spannung von 300 V von der Batterie 12 zugeführt, und die Spannung, die zum Antreiben des Motors 16 geeignet ist, beträgt 600 V. Die Verstärkungsschaltung 20 kann außerdem eine Spannung einer elektrischen Energie, die von dem Motor 16 während einer Verzögerung des Elektrofahrzeugs 10 erzeugt wird, auf dieselbe Spannung wie diejenige der Batterie 12 verringern. Die Verstärkungsschaltung 20 weist eine Drossel 25, einen Oberarmschalter 27 und einen Unterarmschalter 29 auf. Der Oberarmschalter 27 weist einen IGBT 27a, der ein Schaltelement ist, und eine Freilaufdiode 27b auf. Der IGBT 27a und die Freilaufdiode 27b, die den Oberarmschalter 27 bilden, sind benachbart zueinander auf einem einzelnen Halbleiterchip ausgebildet. Der Unterarmschalter 29 weist einen IGBT 29a, der ein Schaltelement ist, und eine Freilaufdiode 29b auf. Der IGBT 29a und die Freilaufdiode 29b, die den Unterarmschalter 29 bilden, sind benachbart zueinander auf einem einzelnen Halbleiterchip ausgebildet.
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Der erste Glättungskondensator 22 ist zwischen der Batterie 12 und der Verstärkungsschaltung 20 vorgesehen und glättet eine Eingangs-/Ausgangsspannung zwischen der Batterie 12 und der Verstärkungsschaltung 20. Eine Bereitstellung dieses ersten Glättungskondensators 22 kann den Einfluss eines Schaltbetriebs der Verstärkungsschaltung 20 auf die Batterie 12 beschränken.
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Die Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 wandelt eine DC-Energie, die von der Verstärkungsschaltung 20 zugeführt wird, in eine Drei-Phasen-AC-Energie um, die zum Antreiben des Motors 16 verwendet wird. Die Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 kann außerdem eine Drei-Phasen-AC-Energie, die von dem Motor 16 während einer Verzögerung des Elektrofahrzeugs 10 regeneriert wird, in eine DC-Energie umwandeln, die der Verstärkungsschaltung 20 zugeführt wird. Die Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 weist Ober- und Unterarmschalter 32 und 34 zum Erzeugen eines U-Phasen-Ausgangs, Ober- und Unterarmschalter 36 und 38 zum Erzeugen eines V-Phasen-Ausgangs und Ober- und Unterarmschalter 40 und 42 zum Erzeugen eines W-Phasen-Ausgangs auf. Der Oberarmschalter 32 weist einen IGBT 32a, der ein Schaltelement ist, und eine Freilaufdiode 32b auf. Der IGBT 32a und die Freilaufdiode 32b, die den Oberarmschalter 32 bilden, sind benachbart zueinander auf einem einzelnen Halbleiterchip 32c ausgebildet (siehe 2). Der Unterarmschalter 34 weist einen IGBT 34a, der ein Schaltelement ist, und eine Freilaufdiode 34b auf. Der IGBT 34a und die Freilaufdiode 34b, die den Unterarmschalter 34 bilden, sind benachbart zueinander auf einem einzelnen Halbleiterchip 34c ausgebildet (siehe 2). Der Oberarmschalter 36 weist einen IGBT 36a, der ein Schaltelement ist, und eine Freilaufdiode 36b auf. Der IGBT 36a und die Freilaufdiode 36b, die den Oberarmschalter 36 bilden, sind benachbart zueinander auf einem einzelnen Halbleiterchip 36c ausgebildet (siehe 2). Der Unterarmschalter 38 weist einen IGBT 38a, der ein Schaltelement ist, und eine Freilaufdiode 38b auf. Der IGBT 38a und die Freilaufdiode 38b, die den Unterarmschalter 38 bilden, sind benachbart zueinander auf einem einzelnen Halbleiterchip 38c ausgebildet (siehe 2). Der Oberarmschalter 40 weist einen IGBT 40a, der ein Schaltelement ist, und eine Freilaufdiode 40b auf. Der IGBT 40a und die Freilaufdiode 40b, die den Oberarmschalter 40 bilden, sind benachbart zueinander auf einem einzelnen Halbleiterchip 40c ausgebildet (siehe 2). Der Unterarmschalter 42 weist einen IGBT 42a, der ein Schaltelement ist, und eine Freilaufdiode 42b auf. Der IGBT 42a und die Freilaufdiode 42b, die den Unterarmschalter 42 bilden, sind benachbart zueinander auf einem einzelnen Halbleiterchip 42c ausgebildet (siehe 2).
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Der zweite Glättungskondensator 26 ist zwischen der Verstärkungsschaltung 20 und der Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 vorgesehen und glättet eine Eingangs-/Ausgangsspannung zwischen der Verstärkungsschaltung 20 und der Drei-Phasen-Inverterschaltung 24. Eine Bereitstellung dieses zweiten Glättungskondensators 26 kann den Einfluss des Schaltbetriebs der Verstärkungsschaltung 20 auf die Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 und den Einfluss eines Schaltbetriebs der Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 auf die Verstärkungsschaltung 20 beschränken.
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Der Entladewiderstand 28 ist parallel zu dem zweiten Glättungskondensator 26 geschaltet. Der Entladewiderstand 28 ist vorgesehen, um eine elektrische Ladung, die sich in dem zweiten Glättungskondensator 26 angesammelt hat, zu entladen, wenn das elektrische System des Elektrofahrzeugs 10 gestoppt wird und anschließend die Verstärkungsschaltung 20 und die Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 ihren Betrieb stoppen. In dem Elektrofahrzeug 10 der vorliegenden Ausführungsform weist der Widerstandswert des Entladewiderstands 28 einem Wert von 50 kΩ bis 500 kΩ auf. Es fließt ein kleiner Strom zu dem Entladewiderstand 28 während eines normalen Betriebs des elektrischen Systems des Elektrofahrzeugs 10, der Verstärkungsschaltung 20 und der Drei-Phasen-Inverterschaltung 24. Der Entladewiderstand 28 erzeugt Wärme, sodass elektrische Energie als thermische Energie zur Außenseite abgestrahlt wird.
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In dem Elektrofahrzeug 10 der vorliegenden Ausführungsform sind die ersten und zweiten Glättungskondensatoren 22 und 26 des elektrischen Leistungswandlers 14 in demselben Kondensatorbehälter untergebracht. Die Ober- und Unterarmschalter 27 und 29 der Verstärkungsschaltung 20 sind in einer einzelnen Leistungskarte untergebracht. Wie es in 2 gezeigt ist, sind die Ober- und Unterarmschalter 32 und 34 in der Drei-Phasen-Inverterschaltung 24, die den U-Phasen-Ausgang erzeugen, in einer einzelnen Leistungskarte 46 untergebracht. Die Ober- und Unterarmschalter 36 und 38, die den V-Phasen-Ausgang erzeugen, sind in einer einzelnen Leistungskarte 48 untergebracht. Die Ober- und Unterarmschalter 40 und 42, die den W-Phasen-Ausgang erzeugen, sind in einer einzelnen Leistungskarte 50 untergebracht. Diese Leistungskarten 46, 48 und 50 werden durch einen Kühlmechanismus gekühlt. Diese Leistungskarten bilden einen Aspekt des Leistungsmoduls.
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In dem Elektrofahrzeug 10 der vorliegenden Ausführungsform ist der Entladewiderstand 28 nicht in dem Kondensatorbehälter, in dem der erste Glättungskondensator 22 und der zweite Glättungskondensator 26 untergebracht sind, untergebracht, sondern in jeder der Leistungskarten 46, 48 und 50 der Drei-Phasen-Inverterschaltung 24. Wie es in 2 gezeigt ist, ist ein Widerstand 52, der parallel zu den Ober- und Unterarmschaltern 32 und 34 geschaltet ist, in der Leistungskarte 46 untergebracht. Ein Widerstand 54, der parallel zu den Ober- und Unterarmschaltern 36 und 38 geschaltet ist, ist in der Leistungskarte 48 untergebracht. Ein Widerstand 56, der parallel zu den Ober- und Unterarmschaltern 40 und 42 geschaltet ist, ist in der Leistungskarte 50 untergebracht. Der Entladewiderstand 28 wird durch diese drei Widerstände 52, 54 und 56 ausgebildet.
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In dem Elektrofahrzeug 10 der vorliegenden Ausführungsform weisen die Leistungskarten 46, 48 und 50 dieselbe Struktur auf. Im Folgenden wird beispielhaft die Leistungskarte 46 genauer beschrieben.
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Die 3 und 4 zeigen das Äußere der Leistungskarte 46. Die Leistungskarte 46 weist ein flaches rechteckiges Quadergehäuse 60, erste, zweite und dritte Elektroden 62a, 64a und 66a, die von einer oberen Endfläche des Gehäuses 60 vorstehen, sowie erste und zweite Steueranschlüsse 68 und 70, die von einer unteren Endfläche des Gehäuses 60 vorstehen, auf. Das Gehäuse 60 besteht beispielsweise aus einem Epoxidgussharz. Erste und zweite Wärmeabstrahlungsplatten 62b und 64b sind auf einer der Seitenflächen des Gehäuses 60 (der linken Seitenfläche auf der nahen Seite in 3) freigelegt. Eine dritte Wärmeabstrahlungsplatte 66b ist auf der anderen Seitenfläche des Gehäuses 60 (der rechten Seitenfläche auf der entfernten Seite in 3) freigelegt. Die erste Elektrode 62a und die erste Wärmeabstrahlungsplatte 62b sind aus einem Stück einer Metallplatte ausgebildet. Ein erster Leitungsrahmen 62 wird durch die erste Elektrode 62a und die erste Wärmeabstrahlungsplatte 62b ausgebildet. Die zweite Elektrode 64a und die zweite Wärmeabstrahlungsplatte 64b sind aus einem Stück einer Metallplatte ausgebildet. Ein zweiter Leitungsrahmen 64 wird durch die zweite Elektrode 64a und die zweite Wärmeabstrahlungsplatte 64b ausgebildet. Die dritte Elektrode 66a und die dritte Wärmeabstrahlungsplatte 66b sind aus einem Stück einer Metallplatte ausgebildet. Ein dritter Leitungsrahmen 66 wird durch die dritte Elektrode 66a und die dritte Wärmeabstrahlungsplatte 66b ausgebildet. Es kann ein beliebiges Material für den ersten, zweiten und dritten Leitungsrahmen 62, 64 und 66 verwendet werden, solange das Material stark wärmeleitend ist und ein Wärmewiderstandsleiter wie beispielsweise Kupfer, eine Aluminiumlegierung, Wolfram oder Molybdän ist. Der erste Steueranschluss 68 weist einen Gateanschluss, einen Drainanschluss, einen Stromspiegelerfassungsanschluss und zwei Temperaturerfassungsanschlüsse des Halbleiterchips 32c des Oberarmschalters 32, der in das Gehäuse 60 eingekapselt ist, auf. Der zweite Steueranschluss 70 weist einen Gateanschluss, einen Drainanschluss, einen Stromspiegelerfassungsanschluss und zwei Temperaturerfassungsanschlüsse des Halbleiterchips 34c des Unterarmschalters 34, der in das Gehäuse 60 eingekapselt ist, auf. Die erste Elektrode 62a ist mit einer positiven Elektrode eines Ausgangs der Verstärkungsschaltung 20 verbunden. Die zweite Elektrode 64a ist mit einer negativen Elektrode des Ausgangs der Verstärkungsschaltung 20 verbunden. Die dritte Elektrode 66a ist mit einem U-Phasen-Eingang des Motors 16 verbunden.
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Wie es in 5 gezeigt ist, ist der Halbleiterchip 32c, in dem der Oberarmschalter 32 ausgebildet ist, zwischen der ersten Wärmeabstrahlungsplatte 62b und der dritten Wärmeabstrahlungsplatte 66b angeordnet. Der Halbleiterchip 32c weist eine Kathodenelektrode auf der einen Oberfläche und eine Anodenelektrode auf der anderen Oberfläche auf. Die Oberfläche des Halbleiterchips 32c, auf der die Kathodenelektrode ausgebildet ist, ist mit der dritten Wärmeabstrahlungsplatte 66b über eine Lötschicht 72a verbunden. Die Oberfläche, auf der die Anodenelektrode ausgebildet ist, ist mit einem leitenden Abstandshalter 74 über eine Lötschicht 72b verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform besteht der leitende Abstandshalter 74 aus einem metallischen Element. Der leitende Abstandshalter 74 ist mit der ersten Wärmeabstrahlungsplatte 62b über eine Lötschicht 72c verbunden. Der Halbleiterchip 32c ist mit dem ersten Steueranschluss 68 mittels Drahtbondierung, was nicht gezeigt ist, verbunden. Der leitende Abstandshalter 74 kann einen Kurzschluss des Bonddrahts mit der ersten Wärmeabstrahlungsplatte 62b verhindern.
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Der Halbleiterchip 34c, in dem der Unterarmschalter 34 ausgebildet ist, ist zwischen der zweiten Wärmeabstrahlungsplatte 64b und der dritten Wärmeabstrahlungsplatte 66b angeordnet. Der Halbleiterchip 34c weist eine Kathodenelektrode auf der einen Oberfläche und eine Anodenelektrode auf der anderen Oberfläche auf. Die Oberfläche, auf der die Kathodenelektrode ausgebildet ist, ist mit der zweiten Wärmeabstrahlungsplatte 64b über eine Lötschicht 72d verbunden. Die Oberfläche, auf der die Anodenelektrode ausgebildet ist, ist mit einem leitenden Abstandshalter 76 über eine Lötschicht 72e verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform besteht der leitende Abstandshalter 76 aus einem metallischen Element. Der leitende Abstandshalter 76 ist mit der dritten Wärmeabstrahlungsplatte 66b über eine Lötschicht 72f verbunden. Der Halbleiterchip 34c ist mit dem zweiten Steueranschluss 70 mittels Drahtbondierung, was nicht gezeigt ist, verbunden. Der leitende Abstandshalter 76 kann einen Kurzschluss zwischen dem Bonddraht und der dritten Wärmeabstrahlungsplatte 66b verhindern.
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Der Widerstand 52 verbindet die erste Wärmeabstrahlungsplatte 62b und die zweite Wärmeabstrahlungsplatte 64b miteinander. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Widerstand 52 ein oberflächenmontierter Widerstand. Eine Nut 62c ist auf einer Innenfläche der ersten Wärmeabstrahlungsplatte 62b ausgebildet, um den Widerstand 52 daran zu befestigen. Eine Nut 64c ist auf einer Innenfläche der zweiten Wärmeabstrahlungsplatte 64b ausgebildet, um den Widerstand 52 daran zu befestigen. Ein Ende des Widerstands 52 ist mit der Nut 62c der ersten Wärmeabstrahlungsplatte 62b über eine Lötschicht 72g verbunden. Das andere Ende des Widerstands 52 ist mit der Nut 64c der zweiten Wärmeabstrahlungsplatte 64b über eine Lötschicht 72h verbunden.
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Außenflächen der ersten und zweiten Wärmeabstrahlungsplatten 62b und 64b sind auf einer der Seitenflächen der Leistungskarte 46 (der oberen Seitenfläche in 5) freigelegt, wodurch ein Wärmeabstrahlungsabschnitt ausgebildet wird. Eine Außenfläche der dritten Wärmeabstrahlungsplatte 66b ist auf der anderen Seitenfläche der Leistungskarte 46 (der unteren Seitenfläche in 5) freigelegt, wodurch ein Wärmeabstrahlungsabschnitt ausgebildet wird. Ein Kühlmechanismus kann auf jeder der Seitenflächen der Leistungskarte 46 vorgesehen sein, um die Leistungskarte 46 zu kühlen.
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Wenn die Leistungskarte 46 hergestellt wird, werden zuerst der Bonddraht zwischen dem Halbleiterchip 32c und dem ersten Steueranschluss 68 und der Bonddraht zwischen dem Halbleiterchip 34c und dem zweiten Steueranschluss 70 verbunden, und die ersten, zweiten und dritten Leitungsrahmen 62, 64 und 66, die Halbleiterchips 32c und 34c, die leitenden Abstandshalter 74 und 76 und der Widerstand 52 werden mittels Wiederaufschmelzen gelötet. Anschließend wird das Gehäuse 60 mittels eines Harzgießverfahrens wie beispielsweise eines Spritzpressverfahrens ausgeformt. Als Ergebnis werden die ersten, zweiten und dritten Leitungsrahmen 62, 64 und 66, die Halbleiterchips 32c und 34c, die leitenden Abstandshalter 74 und 76, der Widerstand 52, die Bonddrähte und die ersten und zweiten Steueranschlüsse 68 und 70 in das Gehäuse 60 eingekapselt. Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, ist ein Teil der ersten, zweiten und dritten Leitungsrahmen 62, 64 und 66 und der ersten und zweiten Steueranschlüsse 68 und 70 in das Gehäuse 60 eingebettet, und der andere Teil ist freigelegt.
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Gemäß den Leistungskarten 46, 48 und 50 der vorliegenden Ausführungsform kann der Entladewiderstand 28 mittels des Kühlmechanismus zum Kühlen der Oberarmschalter 32, 36 und 40 und der Unterarmschalter 34, 38 und 42 der Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 gekühlt werden. Da die Temperatur des Entladewiderstands 28 niedrig gehalten werden kann, kann ein Material mit niedrigem Wärmewiderstand für den Entladewiderstand 28 verwendet werden.
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Gemäß den Leistungskarten 46, 48 und 50 der vorliegenden Ausführungsform muss der Entladewiderstand 28 nicht in der Nähe des Kondensatorbehälters, in dem die ersten und zweiten Glättungskondensatoren 22 und 26 des elektrischen Leistungswandlers 14 untergebracht sind, vorgesehen sein. Daher kann verhindert werden, dass die ersten und zweiten Glättungskondensatoren 22 und 26 durch die Wärme, die von dem Entladewiderstand 28 erzeugt wird, aufgeheizt werden. Da der Entladewiderstand 28 nicht an dem Kondensatorbehälter befestigt werden muss, werden außerdem keine Bolzen, Drähte, Kabel, Anschlüsse und andere Teile zum Anbringen des Entladewiderstands 28 benötigt, was die Anzahl der Teile des elektrischen Leistungswandlers verringert.
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Gemäß den Leistungskarten 46, 48 und 50 der vorliegenden Ausführungsform kann eine Befestigung der Widerstände 52, 54 und 56 und eine Befestigung der Halbleiterchips 32c und 34c und der leitenden Abstandshalter 74 und 76 in demselben Wiederaufschmelz-Lötschritt durchgeführt werden. Daher können Vorrichtungen, die zum Anbringen dieser Komponenten benötigt werden, vereinfacht werden, was die Anzahl der Stunden zur Anbringung dieser Komponenten verringert.
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In den Leistungskarten 46, 48 und 50 der vorliegenden Ausführungsform sind die Nuten 62c und 64c jeweils auf den Innenflächen der ersten und zweiten Wärmeabstrahlungsplatten 62b und 64b ausgebildet. Wenn daher die Widerstände 52, 54 und 56 in den Leistungskarten 46, 48 und 50 angebracht werden, werden die Leistungskarten 46, 48 und 50 nicht dick. Die Größe jeder Leistungskarte 46 48 und 50 kann verringert werden.
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Die Ausführungsform weist eine Konfiguration auf, bei der die Widerstände 52, 54 und 56 jeweils an den Leistungskarten 46, 48 und 50 der Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 angebracht werden. Die Widerstände können jedoch an nur einer oder zwei der Leistungskarten 46, 48 und 50 angebracht werden, und der Entladewiderstand 28 kann durch diese Widerstände aufgebaut sein. Alternativ können die Widerstände an den Leistungskarten der Verstärkungsschaltung 20 angebracht werden, und der Entladewiderstand 28 kann durch diese Widerstände aufgebaut sein.
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Bei der beispielhaften Ausführungsform sind der Entladewiderstand 28 und die Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 durch die drei Leistungskarten 46, 48 und 50 aufgebaut; der Entladewiderstand 28 und die Drei-Phasen-Inverterschaltung 24 können jedoch auch durch eine einzelne Leistungskarte realisiert werden.
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Die Ausführungsform weist eine Konfiguration auf, bei der die ersten, zweiten und dritten Wärmeabstrahlungsplatten 62b, 64b und 66b auf den Oberflächen des Gehäuses 60 freigelegt sind und den Wärmeabstrahlungsabschnitt bilden. Es kann jedoch nur eine oder zwei der ersten, zweiten und dritten Wärmeabstrahlungsplatten 62b, 64b und 66b auf den Oberflächen des Gehäuses 60 freigelegt sein und den Wärmeabstrahlungsabschnitt bilden.
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(Zweite Ausführungsform)
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Die 6 und 7 zeigen das Äußere einer Leistungskarte 100. Die Leistungskarte 100 kann anstelle der Leistungskarte 46 der ersten Ausführungsform verwendet werden. Die Leistungskarte 100 weist ein flaches rechteckiges Quadergehäuse 102, erste, zweite, dritte und vierte Elektroden 104a, 110a, 108a und 106a, die von einer oberen Endfläche des Gehäuses 102 vorstehen, und erste und zweite Steueranschlüsse 112 und 114 auf, die von einer unteren Endfläche des Gehäuses 102 vorstehen. Das Gehäuse 102 besteht beispielsweise aus Epoxidgussharz. Erste und vierte Wärmeabstrahlungsplatten 104b und 106b sind auf einer der Seitenflächen des Gehäuses 102 (der linken Seitenfläche auf der nahen Seite in 6) freigelegt. Zweite und dritte Wärmeabstrahlungsplatten 110b und 108b sind auf der anderen Seitenfläche des Gehäuses 102 (der rechten Seitenfläche auf der entfernten Seite in 6) freigelegt. Die erste Elektrode 104a und die erste Wärmeabstrahlungsplatte 104b sind aus einem Stück einer Metallplatte ausgebildet. Ein erster Leitungsrahmen 104 wird durch die erste Elektrode 104a und die erste Wärmeabstrahlungsplatte 104b ausgebildet. Die zweite Elektrode 110a und die zweite Wärmeabstrahlungsplatte 110b sind aus einem Stück einer Metallplatte ausgebildet. Ein zweiter Leitungsrahmen 110 wird durch die zweite Elektrode 110a und die zweite Wärmeabstrahlungsplatte 110b ausgebildet. Die dritte Elektrode 108a und die dritte Wärmeabstrahlungsplatte 108b sind aus einem Stück einer Metallplatte ausgebildet. Ein dritter Leitungsrahmen 108 wird durch die dritte Elektrode 108a und die dritte Wärmeabstrahlungsplatte 108b ausgebildet. Die vierte Elektrode 106a und die vierte Wärmeabstrahlungsplatte 106b sind aus einem Stück einer Metallplatte ausgebildet. Ein vierter Leitungsrahmen 106 wird durch die vierte Elektrode 106a und die vierte Wärmeabstrahlungsplatte 106b ausgebildet. Es kann ein beliebiges Material für den ersten, zweiten, dritten und vierten Leitungsrahmen 104, 110, 108 und 106 verwendet werden, solange das Material ein Leiter ist, der stark thermisch leitend ist und einen hohen Wärmewiderstand aufweist, beispielsweise Kupfer, eine Aluminiumlegierung, Wolfram oder Molybdän. Der erste Steueranschluss 112 weist einen Gateanschluss, einen Drainanschluss, einen Stromspiegelerfassungsanschluss und zwei Temperaturerfassungsanschlüsse des Halbleiterchips 32c des Oberarmschalters 32, der in das Gehäuse 102 eingekapselt ist, auf. Der zweite Steueranschluss 114 weist einen Gateanschluss, einen Drainanschluss, einen Stromspiegelerfassungsanschluss und zwei Temperaturerfassungsanschlüsse des Halbleiterchips 34c des Unterarmschalters 34, der in das Gehäuse 102 eingekapselt ist, auf. Die erste Elektrode 104a ist mit der positiven Elektrode des Ausgangs der Verstärkungsschaltung 20 verbunden. Die zweite Elektrode 110a ist mit der negativen Elektrode des Ausgangs der Verstärkungsschaltung 20 verbunden. Die dritte Elektrode 108a und/oder die vierte Elektrode 106a sind mit dem U-Phasen-Eingang des Motors 16 verbunden.
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Wie es in den 8 und 9 gezeigt ist, ist der Halbleiterchip 32c, in dem der Oberarmschalter 32 ausgebildet ist, zwischen der ersten Wärmeabstrahlungsplatte 104b und der dritten Wärmeabstrahlungsplatte 108b angeordnet. Der Halbleiterchip 32c weist eine Kathodenelektrode auf der einen Oberfläche und eine Anodenelektrode auf der anderen Oberfläche auf. Die Oberfläche des Halbleiterchips 32c, auf der die Kathodenelektrode ausgebildet ist, ist mit der dritten Wärmeabstrahlungsplatte 108b über eine Lötschicht 116a verbunden. Die Oberfläche, auf der die Anodenelektrode ausgebildet ist, ist mit einem leitenden Abstandshalter 118 über eine Lötschicht 116b verbunden. Der leitende Abstandshalter 118 ist mit der ersten Wärmeabstrahlungsplatte 104b über eine Lötschicht 116c verbunden. Der Halbleiterchip 32c ist mit dem ersten Steueranschluss 112 mittels Drahtbondierung, was nicht gezeigt ist, verbunden. Der leitende Abstandshalter 118 kann einen Kurzschluss zwischen dem Bonddraht und der ersten Wärmeabstrahlungsplatte 104b verhindern.
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Der Halbleiterchip 34c, in dem der Unterarmschalter 34 ausgebildet ist, ist zwischen der zweiten Wärmeabstrahlungsplatte 110b und der vierten Wärmeabstrahlungsplatte 106 angeordnet. Der Halbleiterchip 34c weist eine Kathodenelektrode auf der einen Oberfläche und eine Anodenelektrode auf der anderen Oberfläche auf. Die Oberfläche, auf der die Kathodenelektrode ausgebildet ist, ist mit der zweiten Wärmeabstrahlungsplatte 110b über eine Lötschicht 116d verbunden. Die Oberfläche, auf der die Anodenelektrode ausgebildet ist, ist mit einem leitenden Abstandshalter 120 über eine Lötschicht 116e verbunden. Der leitende Abstandshalter 120 ist mit der vierten Wärmeabstrahlungsplatte 106b über eine Lötschicht 116f verbunden. Der Halbleiterchip 34c ist mit dem zweiten Steueranschluss 114 mittels Drahtbondierung, was nicht gezeigt ist, verbunden. Der leitende Abstandshalter 120 kann einen Kurzschluss zwischen dem Bonddraht und der vierten Wärmeabstrahlungsplatte 106b verhindern.
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Wie es in 8 gezeigt ist, verbindet ein Widerstand 122 die erste Wärmeabstrahlungsplatte 104b und die zweite Wärmeabstrahlungsplatte 110b miteinander. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Widerstand 122 ein oberflächenmontierter Widerstand. Ein Ende des Widerstands 122 ist mit einer Innenfläche der ersten Wärmeabstrahlungsplatte 104b über eine Lötschicht 116g verbunden. Das andere Ende des Widerstands 122 ist mit einer Innenfläche der zweiten Wärmeabstrahlungsplatte 110b über eine Lötschicht 116h verbunden.
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Wie es in 9 gezeigt ist, verbindet eine leitende Brücke 124 die dritte Wärmeabstrahlungsplatte 108b und die vierte Wärmeabstrahlungsplatte 106b miteinander. In der vorliegenden Ausführungsform besteht die leitende Brücke 124 aus einem metallischen Element. Einer der Endteile der leitenden Brücke 124 ist mit einer Innenfläche der vierten Wärmeabstrahlungsplatte 106b über eine Lötschicht 116i verbunden. Der andere Endteil der leitenden Brücke 124 ist mit einer Innenfläche der dritten Wärmeabstrahlungsplatte 108b über eine Lötschicht 116j verbunden. Durch Anordnen der leitenden Brücke 124 werden die Potenziale der dritten Wärmeabstrahlungsplatte 108b und der vierten Wärmeabstrahlungsplatte 106b auf demselben Pegel gehalten.
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Außenflächen der ersten und vierten Wärmeabstrahlungsplatten 104b und 106b sind auf einer der Seitenflächen der Leistungskarte 100 (der oberen Seitenfläche der 8 und 9) freigelegt, wodurch ein Wärmeabstrahlungsabschnitt ausgebildet wird. Außenflächen der zweiten und dritten Wärmeabstrahlungsplatten 110b und 108b sind auf der anderen Seitenfläche der Leistungskarte 100 (der unteren Seitenfläche der 8 und 9) freigelegt, wodurch ein Wärmeabstrahlungsabschnitt ausgebildet wird. Ein Kühlmechanismus ist auf jeder der Seitenflächen der Leistungskarte 100 vorgesehen, wodurch die Leistungskarte 100 von ihren beiden Flächen gekühlt werden kann.
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Wenn die Leistungskarte 100 hergestellt wird, werden zuerst der Bonddraht zwischen dem Halbleiterchip 32c und dem ersten Steueranschluss 112 und der Bonddraht zwischen dem Halbleiterchip 34c und dem zweiten Steueranschluss 114 verbunden, und die ersten, zweiten, dritten und vierten Leitungsrahmen 104, 110, 108 und 106, die Halbleiterchips 32c und 34c, die leitenden Abstandshalter 118 und 120, der Widerstand 122 und die leitende Brücke 124 werden einem Wiederaufschmelzlötverfahren ausgesetzt. Anschließend wird das Gehäuse 102 mittels eines Harzgießverfahrens wie beispielsweise eines Spritzpressverfahrens ausgeformt. Als Ergebnis werden die ersten, zweiten, dritten und vierten Leitungsrahmen 104, 110, 108 und 106, die Halbleiterchips 32c und 34c, die leitenden Abstandshalter 118 und 120, der Widerstand 122, die leitende Brücke 124, die Bonddrähte und die ersten und zweiten Steueranschlüsse 112 und 114 in das Gehäuse 102 eingekapselt. Wie es in den Zeichnungen gezeigt ist, ist ein Teil der ersten, zweiten, dritten und vierten Leitungsrahmen 104, 110, 108 und 106 und der ersten und zweiten Steueranschlüsse 112 und 114 in das Gehäuse 102 eingebettet, und der andere Teil ist freigelegt.
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Die Leistungskarte 100 ist derart aufgebaut, dass die dritten und vierten Elektroden 108a und 106a jeweils zur Außenseite des Gehäuses 102 vorstehen. Da jedoch die Potenziale der dritten und vierten Leitungsrahmen 108 und 106 durch die leitende Brücke 124 auf demselben Pegel gehalten werden, braucht nur eine der dritten und vierten Elektroden 108a und 106a zur Außenseite des Gehäuses 102 vorzustehen.
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Gemäß der Leistungskarte 100 der vorliegenden Ausführungsform kann eine Anbringung des Widerstands 122 und der leitenden Brücke 124 und eine Anbringung der Halbleiterchips 32c und 34c und der leitenden Abstandshalter 118 und 120 in demselben Wiederaufschmelz-Lötschritt durchgeführt werden. Daher kann die Zahl der Stunden zum Herstellen der Leistungskarte 100 verringert werden. Außerdem können Vorrichtungen, die für die Herstellung benötigt werden, vereinfacht werden.
