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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsmodul und betrifft insbesondere ein Leistungsmodul, das für eine Leistungsumwandlungsvorrichtung verwendet wird, die einen Motor für einen Fahrzeugantrieb steuert.
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Stand der Technik
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Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung, die ein Leistungsmodul mit einem Leistungshalbleitermodul aufweist, das in einem Metallgehäuse mit einer Wärmeableiteinheit aufgenommen ist, ist bekannt. Zum Beispiel sind elektrische Fahrzeuge, wie beispielsweise Elektromotorfahrzeuge oder Hybridmotorfahrzeuge, mit diesem Typ Leistungsumwandlungsvorrichtung ausgestattet.
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Das Leistungshalbleitermodul ist mit Harz in einem Zustand vergossen, in dem sowohl Vorder- als auch Rückflächen eines Leistungshalbleiterelements auf leitende Platten gelötet und Elektrodenanschlüsse freigelegt wurden. Das Metallgehäuse weist Wärmeableiteinheiten auf, die an beiden Seiten davon mit einem isolierenden Klebstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit an den jeweiligen leitenden Platten anzubringen sind. Jede der Wärmeableiteinheiten weist eine Vielzahl von Lamellen zum Ableiten von Wärme auf, die darauf gebildet wird. Das Metallgehäuse weist eine mit Boden versehene Dosenform auf, die eine Öffnung auf der Seite eines Seitenendabschnitts mit einem Flanschabschnitt beinhaltet. Das Leistungshalbleitermodul ist in dem Metallgehäuse in einem Zustand aufgenommen, in dem die Elektrodenanschlüsse des Leistungshalbleiterelements durch die Öffnung des Metallgehäuses eingeführt wurden.
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Dieses Metallgehäuse weist eine Struktur auf, die einen Rahmen und zwei Lamellenplatten hat, die jeweils die Vielzahl von gebildeten Lamellen beinhalten, die miteinander verbunden sind. Der Rahmen beinhaltet Öffnungen, die Vorder- und Rückflächen eines Schaltungskörpers zugewandt sind, der die darauf gebildeten, mit dem Klebstoff abgedichteten Leistungshalbleiterelemente beinhaltet. Die Öffnungen umfassen das Paar Lamellenplatten, die jeweils die Vielzahl von Lamellen aufweisen, die darin angeordnet und verbunden sind (siehe zum Beispiel Patentliteratur 1).
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In diesem Typ Leistungshalbleitervorrichtung ist es notwendig, durch das Leistungshalbleiterelement während des Durchführens des Betriebs erzeugte Wärme durch ein Wärmeableitelement nach außen abzugeben. Deshalb gibt es, wenn in dem isolierenden Klebstoff unter Betriebsbedingungen, bei denen Temperaturzyklen geladen werden, eine Zugspannung auftritt, ein Risiko, dass an einer Verbindungsschnittstelle eine Abtrennung auftritt. Deshalb wurde eine Technik offenbart, die dazu führt, dass Druckspannung in dem isolierenden Klebstoff bleibt (siehe zum Beispiel Patentliteratur 2).
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Fundstellenliste
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: JP 2013-51363 A
- Patentliteratur 2: JP 2011-233606 A
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Um zu bewirken, dass Druckspannung in einem mit Harz vergossenen Schaltungskörper in einem Zustand bleibt, in dem sowohl Vorder- als auch Rückflächen eines Leistungshalbleiterelements auf leitende Platten gelötet und Elektrodenanschlüsse freigelegt wurden, beinhaltet ein in der Patentliteratur 2 beschriebenes Leistungshalbleitermodul einen Abstand zwischen Lamellenplatten eines Metallgehäuses, der kleiner als die Dicke des Schaltungskörpers ausgebildet ist. Wenn der Schaltungskörper in das Metallgehäuse eingeführt wird, ist es notwendig, das Gehäuse auf Dimensionen zu erweitern, in die der Schaltungskörper eingeschoben werden kann. Es ist möglich, dass die Druckkraft eines Lamellengrundabschnitts während dieses Prozesses schwankt (abnimmt). Somit ist es schwierig, eine gewünschte Druckspannung stabil zu erzeugen.
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Deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Leistungsmodul mit hoher Zuverlässigkeit zur Verfügung zu stellen, indem bewirkt wird, dass eine gewünschte Druckspannung stabil in einer isolierenden Schicht verbleibt, und indem verhindert wird, dass eine Wärmeableiteinheit von einem Leistungshalbleitermodul getrennt ist.
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Lösung des Problems
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Um das obige Problem zu lösen, beinhaltet ein Leistungsmodul gemäß der vorliegenden Erfindung: einen Schaltungskörper mit einem Leistungshalbleiterelement; und ein Gehäuse, das den Schaltungskörper aufnimmt. Das Gehäuse weist auf: ein erstes Gehäuseelement, das eine erste Grundplatte hat, die einer Oberfläche des Schaltungskörpers zugewandt ist; und ein zweites Gehäuseelement, das eine zweite Grundplatte beinhaltet, die einer anderen Oberfläche auf einer der einen Oberfläche gegenüberliegenden Seite des Schaltungskörpers zugewandt ist. Das erste Gehäuseelement weist einen ersten Seitenwandabschnitt auf, der in einer Anordnungsrichtung der ersten Grundplatte und der zweiten Grundplatte ausgebildet ist. Das zweite Gehäuseelement weist einen zweiten Seitenwandabschnitt auf, der in der Anordnungsrichtung ausgebildet ist, wobei der zweite Seitenwandabschnitt mit dem ersten Seitenwandabschnitt verbunden ist. Der erste Seitenwandabschnitt und der zweite Seitenwandabschnitt sind so ausgebildet, dass eine Summe der Längen des ersten Seitenwandabschnitts und des zweiten Seitenwandabschnitts in der Anordnungsrichtung kleiner als eine Dicke des Schaltungskörpers ist. Das erste Gehäuseelement weist einen Verformungsabschnitt auf, der eine geringere Steifigkeit als die erste Grundplatte und die zweite Grundplatte aufweist.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Eine Wärmeableitung, die in der Lage ist, eine Trennung von einer Leistungshalbleitereinheit zu unterbinden, wird verbessert, so dass die Zuverlässigkeit verbessert werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine äußere perspektivische Ansicht einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der in 1 veranschaulichten Leistungsumwandlungsvorrichtung.
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3 ist eine äußere Draufsicht auf ein in 2 veranschaulichtes Leistungsmodul.
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4 ist eine äußere Seitenansicht des in 2 veranschaulichten Leistungsmoduls.
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5 ist eine Längsschnittansicht des in 3 veranschaulichten Leistungsmoduls entlang der Linie A-A'.
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6 ist eine Querschnittansicht des in 3 veranschaulichten Leistungsmoduls entlang der Linie B-B'.
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7 ist eine Explosionsschnittansicht des in 6 veranschaulichten Leistungsmoduls.
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8 ist eine Ansicht, die einen Teil eines Herstellungsprozesses für das in 6 veranschaulichte Leistungsmodul veranschaulicht.
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9 ist eine Ansicht, die einen anderen Teil des Herstellungsprozesses für das in 6 veranschaulichte Leistungsmodul veranschaulicht.
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10 ist eine Ansicht, die einen anderen Teil des Herstellungsprozesses für das in 6 veranschaulichte Leistungsmodul veranschaulicht.
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11 ist eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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12 ist eine Schnittansicht eines Leistungsmoduls gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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13 ist eine äußere perspektivische Ansicht eines in einem Leistungsmodul aufzunehmenden Leistungshalbleitermoduls, und zwar von der Vorderflächenseite aus gesehen.
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14 ist eine äußere perspektivische Ansicht des in dem Leistungsmodul aufzunehmenden Leistungshalbleitermoduls, und zwar von einer Rückflächenseite aus gesehen.
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15 ist eine perspektivische Ansicht in einem Zustand, in dem das Vergussharz des in 14 veranschaulichten Leistungshalbleitermoduls entfernt wurde.
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16 ist eine perspektivische Ansicht, bevor ein Drahtbonden zwischen Elektrodenanschlüssen und Leistungshalbleiterelementen in dem in 16 veranschaulichten Leistungshalbleitermodul durchgeführt wird.
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17 ist eine Schnittansicht einer in 17 veranschaulichten Leistungshalbleitereinheit entlang der Linie IX-IX.
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18 ist ein Schaltplan, der in einem Leistungshalbleitermodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Erste Ausführungsform
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Leistungsumwandlungsvorrichtung
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Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine äußere perspektivische Ansicht der Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der in 1 veranschaulichten Leistungsumwandlungsvorrichtung.
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Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 wird für eine Stromversorgungsvorrichtung eines Elektromotorfahrzeugs oder eines Hybridmotorfahrzeugs verwendet. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 weist eine darin eingebaute, nicht veranschaulichte Wechselrichterschaltung auf, die mit einem Motorgenerator verbunden ist. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 beinhaltet auch eine mit einer externen Batterie verbundene Booster-Schaltung und eine Steuerschaltung, die das Ganze steuert.
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Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 umfasst einen Gehäusehauptkörper 201, der aus einem Metall auf Aluminium-Basis, wie beispielsweise Aluminium oder Aluminiumlegierung, gebildet ist, und eine untere Abdeckung 202, die mit Befestigungselementen (nicht veranschaulicht) an dem Gehäusehauptkörper 201 befestigt ist. Der Gehäusehauptkörper 201 und die untere Abdeckung 202 können durch Integralformen ausgebildet sein. Eine nicht veranschaulichte obere Abdeckung ist mit Befestigungselementen an einem oberen Abschnitt des Gehäusehauptkörpers 201 so befestigt, dass ein Gehäuse hermetisch ausgebildet ist.
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Umfangswände 211 zum Ausbilden eines Kühlkanals sind ausgebildet, und eine Kühlkammer 210 ist mit den Umfangswänden 211 und der unteren Abdeckung 202 im Inneren des Gehäusehauptkörpers 201 ausgebildet.
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Ein tragendes Element 220 mit einer Vielzahl von Seitenwänden 221 (vier in 2) und eine Vielzahl von Leistungsmodulen 100 (drei in 2), die zwischen den jeweiligen Seitenwänden 221 anzuordnen sind, sind in der Kühlkammer 210 aufgenommen. Einzelheiten der Leistungsmodule 100 werden später beschrieben.
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Ein Paar Durchgangslöcher wird an einem Seitenabschnitt des Gehäusehauptkörpers 201 vorgesehen. Ein Einlassrohr 203a wird an einem der Durchgangslöcher vorgesehen. Ein Auslassrohr 203b wird an dem anderen der Durchgangslöcher vorgesehen. Ein Kühlmittel wie zum Beispiel Kühlwasser, fließt durch das Einlassrohr 203a in die Kühlkammer 210, fließt durch Kühlkanäle zwischen den Seitenwänden 221 des tragenden Elements 220 und den jeweiligen Leistungsmodulen 100 und fließt aus dem Auslassrohr 203b heraus. Das Kühlmittel, das aus dem Auslassrohr 203b herausgeflossen ist, wird durch eine nicht veranschaulichte Kühlvorrichtung, wie zum Beispiel einen Kühler, abgekühlt und zirkuliert dann so, dass es durch das Einlassrohr 203a wieder in die Kühlkammer 210 fließt.
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Die Kühlkammer 210 ist durch ein Dichtungselement 231 mit einem Abdeckelement 240 abgedichtet. Das Abdeckelement 240 weist Öffnungen 241 auf, in die jeweils ein Gleichstrom-Pluselektroden-Anschluss 35a eines Leistungshalbleiterelements eingeführt ist, das in einem in jedem der Leistungsmodule 100 aufgenommenen Leistungshalbleitermodul eingebaut ist. Umfangsrandabschnitte des Abdeckelements 240 sind mit nicht veranschaulichten Befestigungselementen an oberen Abschnitten der die Kühlkammer 210 bildenden Umfangswände 211 befestigt.
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Ein Kondensatormodul 250, das eine Vielzahl von Kondensatorelementen 251 zum Glätten einer von der Wechselrichterschaltung zuzuführenden Gleichstromleistung beinhaltet, ist in einem außerhalb der Kühlkammer 210 liegenden Abschnitt des Gehäusehauptkörpers 201 aufgenommen.
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Eine gleichstromseitige Sammelschienenanordnung 261 ist auf oberen Abschnitten des Kondensatormoduls 250 und der Leistungsmodule 100 angeordnet. Die gleichstromseitige Sammelschienenanordnung 261 überträgt die Gleichstromleistung zwischen dem Kondensatormodul 250 und den Leistungsmodulen 100.
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Eine Steuerschaltungskartenanordnung 262, die eine die Wechselrichterschaltung steuernde Treiberschaltungseinheit beinhaltet, ist über der gleichstromseitigen Sammelschienenanordnung 261 und dem Abdeckelement 240 angeordnet.
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Eine wechselstromseitige Sammelschienenanordnung 263 ist so mit den Leistungsmodulen 100 verbunden, dass sie Wechselstromleistung übertragen kann. Die wechselstromseitige Sammelschienenanordnung 263 weist einen Stromsensor auf.
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Leistungsmodul 100
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Die Leistungsmodule 100 werden unter Bezugnahme auf die 3 bis 10 und die 14 bis 18 beschrieben.
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3 ist eine äußere Draufsicht auf eines der Leistungsmodule 100 gemäß der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 4 ist eine äußere Seitenansicht des Leistungsmoduls 100 gemäß der einen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 ist eine Längsschnittansicht des in 3 veranschaulichten Leistungsmoduls 100 entlang der Linie A-A'. 6 ist eine Querschnittansicht des in 3 veranschaulichten Leistungsmoduls 100 entlang der Linie B-B'. 7 ist eine Explosionsschnittansicht des in 6 veranschaulichten Leistungsmoduls 100. Des Weiteren sind 8 bis 10 Ansichten, die verschiedene Teile eines Herstellungsprozesses des in 6 veranschaulichten Leistungsmoduls 100 veranschaulichen.
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Darüber hinaus ist 13 eine äußere perspektivische Ansicht von in dem Leistungsmodul 100 aufzunehmenden Leistungshalbleitereinheiten, und zwar von der Vorderflächenseite aus gesehen. 14 ist eine äußere perspektivische Ansicht der Leistungshalbleitereinheiten, und zwar von einer Rückflächenseite aus gesehen. 15 ist eine perspektivische Ansicht in einem Zustand, in dem das Vergussharz der in 13 veranschaulichten Leistungshalbleitereinheiten entfernt wurde. 16 ist eine perspektivische Ansicht, bevor das Drahtbonden zwischen Elektrodenanschlüssen und einem Leistungshalbleiterelement in jedem der in 15 veranschaulichten Leistungshalbleitereinheiten durchgeführt wird. Des Weiteren ist 17 eine Schnittansicht einer in 16 veranschaulichten Leistungshalbleitereinheit 10A entlang der Linie IX-IX. Es ist zu beachten, dass Bezugszeichen für Elemente einer Leistungshalbleitereinheit 10B, die denjenigen der Leistungshalbleitereinheit 10A entsprechen, auch in 17 hinzugefügt sind.
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Wie in den 5 und 6 veranschaulicht ist, ist das Leistungsmodul 100, das ein Leistungshalbleitermodul 30 mit einem Schaltelement beinhaltet, auf das Transferformen angewendet wurde, in einem Metallgehäuse 40 aufgenommen, bei dem es sich um einen CAN-Kühler handelt. Hier ist der CAN-artige Kühler ein Kühler mit einer flachen und zylindrischen Form mit einer Einführöffnung 17 auf der einen Seite und einem Boden auf der anderen Seite. Das Metallgehäuse 40 ist aus einem Element mit einer elektrischen Leitfähigkeit gebildet, wie zum Beispiel einem Verbundwerkstoff aus Cu, einer Cu-Legierung, Cu-C oder Cu-CuO, oder einem Verbundwerkstoff aus Al, einer Al-Legierung, AlSiC oder Al-C.
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Das Leistungshalbleitermodul 30 fungiert als Schaltungskörper, der die später beschriebenen Leistungshalbleiterelemente und die leitenden Platten in modularisierter Form beinhaltet.
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Wie in den 3 und 4 veranschaulicht ist, beinhaltet das Metallgehäuse 40 ein Paar Wärmeableitelemente 41, die jeweils eine Vielzahl von Wärmeableitlamellen 42 aufweisen. Das Paar Wärmeableitelemente 41 fungiert als ein erster Gehäuseabschnitt und ein zweiter Gehäuseabschnitt, die einen Gehäuseraum für das Leistungshalbleitermodul 30 ausbilden.
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Hier ist jedes der Wärmeableitelemente 41 einstückig mit einem Dichtungsabschnitt 11 in einem Bereich auf der Seite ausgebildet, die nahe an der Öffnung des Metallgehäuses 40 liegt, das die Wärmeableitlamellen 42 auf einem Grundflächenabschnitt 41b aufweist. Es ist zu beachten, dass die Grundflächenabschnitte 41b auch als Grundflächenabschnitte dienen, die das Leistungshalbleitermodul 30 zwischen sich aufnehmen.
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Wie in den 5 und 6 veranschaulicht ist, ist ein Seitenwandabschnitt 43 zum Ausbilden einer Seitenwand des Metallgehäuses 40 einstückig in einem Bereich ausgebildet, in dem der Dichtungsabschnitt 11 jedes der Wärmeableitelemente 41 nicht ausgebildet ist.
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Ein Verformungsabschnitt 44 ist so an jedem der Wärmeableitelemente 41 ausgebildet, dass er den Umfang des Grundflächenabschnitts 41b umgibt. Der Verformungsabschnitt 44 verbindet auch den Grundflächenabschnitt 41b mit dem Seitenwandabschnitt 43.
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Der Verformungsabschnitt 44 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit geringer als die des Grundflächenabschnitts 41b ist. Wie in den 5 und 6 veranschaulicht ist, kann zum Beispiel eine Struktur hergestellt werden, bei der die Dicke des Verformungsabschnitts 44 dünner als die Dicke des Grundflächenabschnitts 41b ist. Zum Beispiel wird ein Aussparungsabschnitt 44b auf einer Oberfläche jedes der Wärmeableitelemente 41 auf der Seite bereitgestellt, die mit dem Leistungshalbleitermodul 30 in Kontakt sein soll. Somit kann der Verformungsabschnitt 44, der dünner als der Grundflächenabschnitt 41b ist, ausgebildet werden.
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Das Paar Wärmeableitelemente 41 ist an den jeweiligen Seitenwandabschnitten 43 zusammengefügt. Zu den Beispielen des Zusammenfügens, die angewendet werden können, gehören Reibrührschweißen (FSW, friction stir welding), Laserschweißen und Hartlöten. Mit dem Metallgehäuse, das diese Art von Form aufweist, kann, selbst wenn das Leistungsmodul 100 in einen Kanal eingeführt ist, durch den eine Kühlflüssigkeit wie zum Beispiel Wasser, Öl oder ein organisches Material fließt, die einfache Struktur verhindern, dass das Kühlmittel in das Innere des Leistungsmoduls 100 gelangt.
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Wie in den 5 und 6 veranschaulicht ist, ist eine wärmeleitende Isolierschicht 51 zwischen das Leistungshalbleitermodul 30, das in dem Metallgehäuse 40 aufgenommen ist, und jeden des Paars von Grundflächenabschnitten 41b eingeschoben. Die Isolierschichten 51 leiten von dem Leistungshalbleitermodul 30 erzeugte Wärme an die Wärmeableitelemente 41b. Die Isolierschichten 51 sind aus einem Material gebildet, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine große Durchschlagsfestigkeit aufweist. Zum Beispiel können eine dünne Schicht aus Aluminiumoxid (Tonerde) oder Aluminiumnitrid oder eine Isolierfolie oder ein Klebstoff, darunter auch äußerst feines Pulver daraus, verwendet werden. Wie später beschrieben wird, sind die leitenden Platten 33 bis 36 (siehe 13 und 14), auf die die Leistungshalbleiterelemente gelötet sind, sowohl auf Vorder- als auch auf Rückflächen des Leistungshalbleitermoduls 30 freigelegt. Die Isolierschichten 51 verbinden die leitenden Platten 33 bis 36 und die Wärmeableitelemente 41b so, dass eine Wärmeleitung durchgeführt werden kann.
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Lücken zwischen dem Metallgehäuse 40 und den Isolierschichten 51 in Bezug auf das Leistungshalbleitermodul 30 werden mit einem zweiten Vergussharz 49 gefüllt.
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Leistungshalbleitermodul 30
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Wie in den 16 und 17 veranschaulicht ist, sind die leitende Platte 33 auf der Seite eines Wechselstromausgangs und die leitende Platte 34 auf der Seite einer Gleichstrom-Minuselektrode in derselben Ebene auf der Seite der Vorderfläche des Leistungshalbleitermoduls 30 angeordnet.
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Wie in 13 veranschaulicht ist, legt das erste Vergussharz 6 eine Oberseite 33b der leitenden Platte 33 und eine Oberseite 34b der leitenden Platte 34 frei und bedeckt den gesamten Umfang der leitenden Platten 33 und 34 auf der Seite der Vorderfläche des Leistungshalbleitermoduls 30. Eine Oberfläche des ersten Vergussharzes 6 ist bündig mit der Oberseite 33b der leitenden Platte 33 und der Oberseite 34b der leitenden Platte 34.
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Wie in den 16 und 17 veranschaulicht ist, sind die leitende Platte 35 auf der Seite einer Gleichstromelektrode und die leitende Platte 36 auf der Seite des Wechselstromausgangs in derselben Ebene auf der Seite der Rückfläche des Leistungshalbleitermoduls 30 angeordnet.
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Wie in 14 veranschaulicht ist, legt das erste Vergussharz 6 eine Oberseite 35b der leitenden Platte 35 und eine Oberseite 36b der leitenden Platte 36 frei und bedeckt den gesamten Umfang der leitenden Platten 35 und 36 auf der Seite der Rückfläche des Leistungshalbleitermoduls 30. Eine andere Oberfläche des ersten Vergussharzes 6 ist bündig mit der Oberseite 35b der leitenden Platte 35 und der Oberseite 36b der leitenden Platte 36.
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Die leitenden Platten 33 bis 36 sind zum Beispiel aus Kupfer, einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet.
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Wie in 17 veranschaulicht ist, sind das Leistungshalbleiterelement 31U und eine Diode 32U jeweils zwischen der leitenden Platte 35 und der leitenden Platte 33 durch ein Lötmaterial 61 auf einer Seite und durch ein Lötmaterial 62 auf der anderen Seite befestigt. In ähnlicher Weise sind das Leistungshalbleiterelement 31L und eine Diode 32L jeweils zwischen der leitenden Platte 36 und der leitenden Platte 34 durch Lötmaterialien 61 und 62 auf einer Seite bzw. der anderen Seite befestigt.
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18 ist ein Schaltplan eines in dem Leistungshalbleitermodul 30 gemäß der einen Ausführungsform eingebauten Schaltkreises. Die folgenden Beschreibungen werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen gemeinsam mit dem Schaltplan gegeben. Das Leistungshalbleiterelement 31U, die Diode 32U, das Leistungshalbleiterelement 31L und die Diode 32L sind in einer Reihenschaltung 121 aus oberem und unterem Zweig enthalten.
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Wie in 15 veranschaulicht ist, ist der Gleichstrom-Pluselektroden-Anschluss 35a auf der leitenden Platte 35 auf der Seite der Gleichstromelektrode ausgebildet, und ein Wechselstrom-Ausgangsanschluss 36a ist auf der leitenden Platte 36 auf der Seite des Wechselstromausgangs ausgebildet. Das Bonden wird für das Leistungshalbleiterelement 31U und die Diode 32U in Bezug auf die leitende Platte 35 auf der Seite der Gleichstrom-Pluselektrode so durchgeführt, dass eine Schaltung des oberen Zweigs konfiguriert wird. Eingangs- und Ausgangsabschnitte des Leistungshalbleiterelements 31U sind über Drähte 26U mit einer Vielzahl von Signalanschlüssen 24U verbunden.
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Wie in 15 veranschaulicht ist, wird das Bonden für das Leistungshalbleiterelement 31L und die Diode 32L in Bezug auf die leitende Platte 36 auf der Seite des Wechselstromausgangs so durchgeführt, dass eine Schaltung des unteren Zweigs konfiguriert wird 26U. Eingangs- und Ausgangsabschnitte des Leistungshalbleiterelements 31L sind über Drähte 26L mit einer Vielzahl von Signalanschlüssen 24L verbunden.
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Wie in den 15 und 16 veranschaulicht ist, sind die leitende Platte 35, die leitende Platte 33, der Gleichstrom-Pluselektroden-Anschluss 35a, die Signalanschlüsse 24U, das Leistungshalbleiterelement 31U und die Diode 32U in der Leistungshalbleitereinheit 10A beinhaltet. Die leitende Platte 36, die leitende Platte 34, der Wechselstrom-Ausgangsanschluss 36a, die Signalanschlüsse 24L, das Leistungshalbleiterelement 31L und die Diode 32L sind in der Leistungshalbleitereinheit 10B umfasst.
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Wie in 15 veranschaulicht ist, ist ein Leiterstift 38 einstückig mit der leitenden Platte 33 ausgebildet. Ein vorderes Ende des Leiterstifts 38 ist mit der leitenden Platte 36 verbunden. Entsprechend sind die Leistungshalbleitereinheit 10A und die Leistungshalbleitereinheit 10B miteinander verbunden. Die Leistungshalbleitereinheit 10B beinhaltet einen Temperatursensor 8 (siehe 15) zum Erkennen der Temperatur der leitenden Platte 36, nämlich der Temperatur des Leistungshalbleiterelements 31L.
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Wie in den 13 und 14 veranschaulicht ist, umfasst das Leistungshalbleitermodul 30 eine Struktur, welche die Leistungshalbleitereinheit 10A und die Leistungshalbleitereinheit 10B, die mit dem ersten Vergussharz 6 vergossen wurden, und den Gleichstrom-Pluselektroden-Anschluss 35a, die Signalanschlüsse 24U, den Wechselstrom-Ausgangsanschluss 36a und die Signalanschlüsse 24L, die mit dem zweiten Vergussharz 15 so vergossen wurden, dass sie von dem Umfang des ersten Vergussharzes 6 freiliegen, beinhaltet.
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Verfahren zum Herstellen des Leistungsmoduls 100
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Wie in den 13 und 14 veranschaulicht ist, sind die Leistungshalbleitereinheit 10A und die Leistungshalbleitereinheit 10B so mit dem ersten Vergussharz 6 vergossen, dass das Leistungshalbleitermodul 30 ausgebildet wird.
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Wie in 7 veranschaulicht ist, sind die Isolierschichten 51 sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite des Leistungshalbleitermoduls 30 ausgebildet, nämlich auf einer Seite, auf der die Oberseite 33b der leitenden Platte 33 und die Oberseite 34b der leitenden Platte 34 freigelegt wurden, und auf der anderen Seite, auf der die Oberseite 35b der leitenden Platte 35 und die Oberseite 36b der leitenden Platte 36 freigelegt wurden. Zum Beispiel kann ein Verfahren zum Festkleben einer Isolierfolie oder ein Verfahren zum Anwenden eines Isolierklebstoffs für das Ausbilden der Isolierschichten 51 verwendet werden.
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Ein Herstellungsprozess bis das vorstehende Leistungshalbleitermodul 30 und die Isolierschichten 51 in dem Metallgehäuse 40 aufgenommen sind, wird mit den 7 bis 10 beschrieben.
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7 veranschaulicht einen Zustand, bevor das Leistungshalbleitermodul 30 und die Isolierschichten 51 zwischen das Paar Wärmeableitelemente 41 gelegt sind.
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Eine Oberfläche 41a ist eine vorher festgelegte Oberfläche eines der Wärmeableitelemente 41, die mit einer der Isolierschichten 51 in Kontakt zu bringen ist. Eine Oberfläche 43b ist eine vorher festgelegte Oberfläche, die mit dem Seitenwandabschnitt 43 des anderen Wärmeableitelements 41 zu verbinden ist. Ein Abstand zwischen der Oberfläche 41a und der Oberfläche 43b ist als t1 festgelegt.
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Auf ähnliche Weise ist eine Oberfläche 41c eine vorher festgelegte Oberfläche des anderen Wärmeableitelements 41, die mit der anderen Isolierschicht 51 in Kontakt zu bringen ist. Eine Oberfläche 43c ist eine vorher festgelegte Oberfläche, die mit dem Seitenwandabschnitt 43 des einen der Wärmeableitelemente 41 zu verbinden ist. Ein Abstand zwischen der Oberfläche 41c und der Oberfläche 43c ist als t2 festgelegt.
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Die Gesamtdicke des Leistungshalbleitermoduls 30 und der Isolierschichten 51 ist als t3 festgelegt.
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Die Seitenwandabschnitte 43 des Paars Wärmeableitelemente 41 sind so ausgebildet, dass die Summe der Länge des Abstands t1 und des Abstands t2 kürzer als die Gesamtdicke t3 des Leistungshalbleitermoduls 30 und der Isolierschichten 51 ist. Entsprechend können die Wärmeableitelemente 41 bewirken, dass eine Druckspannung in dem Leistungshalbleitermodul 30 und den Isolierschichten 51 bleibt. Die Verformungsabschnitte 44 mit einer geringeren Steifigkeit als die der Grundflächenabschnitte 41b werden zwischen den Seitenwandabschnitten 43 und den Grundflächenabschnitten 41b bereitgestellt. Somit kann eine Verformung der Verformungsabschnitte 44 eine Schwankung der Verarbeitungsdimensionen des Leistungshalbleitermoduls 30 absorbieren.
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Wie in 8 veranschaulicht ist, verursachen zum Beispiel Druckvorrichtungen 45 eine Druckbeaufschlagung P1 für die Grundflächenabschnitte 41b des Paars Wärmeableitelemente 41, um das Leistungshalbleitermodul 30 von außen zusammenzudrücken. Die Druckbeaufschlagung befestigt das Leistungshalbleitermodul 30 und die Grundflächenabschnitte 41b auf dessen Vorder- und Rückfläche durch die Isolierschichten 51. Die Druckbeaufschlagung kann das Paar Grundflächenabschnitte 41b auf einmal befestigen oder kann die Grundflächenabschnitte 41b nacheinander befestigen.
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Danach verursachen, wie in 9 veranschaulicht ist, zweite Druckvorrichtungen 46 eine Druckbeaufschlagung P2 von außerhalb der Seitenwandabschnitte 43 des Paars Wärmeableitelemente 41. Somit verformen sich die Verformungsabschnitte 44 so, dass die miteinander zu verbindenden Oberflächen 43b der Seitenwandabschnitte 43 des Paars Wärmeableitelemente 41 in Kontakt sind.
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Danach wird, wie in 10 veranschaulicht ist, an Verbindungsabschnitten 43e der jeweiligen Seitenwandabschnitte 43 des Paars Wärmeableitelemente 41 das Zusammenfügen durchgeführt. Zu den Beispielen des Zusammenfügens, die angewendet werden können, gehören Reibrührschweißen (FSW), Laserschweißen und Hartlöten. 10 veranschaulicht einen beispielhaften Zustand, in dem das Zusammenfügen durch Vorschieben eines Werkzeugs 47 des Reibrührschweißens (FSW) durchgeführt wird.
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Während des vorstehenden Herstellungsprozesses wird das in den 3 bis 6 veranschaulichte Leistungsmodul 100 ausgebildet.
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Wie in 6 veranschaulicht ist, hat das auf diese Weise ausgebildete Leistungsmodul 100 einen Abstand t5 zwischen einer Oberfläche, auf der die Lamellen eines der Grundflächenabschnitte 41b ausgebildet wurden, und einer Oberfläche, auf der die Lamellen des anderen Grundflächenabschnitts 41b ausgebildet wurden, der größer als ein Abstand t4 zwischen einer Oberseite 43d eines der Seitenwandabschnitte 43 und einer Oberseite 43d des anderen Seitenwandabschnitts 43 ist.
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Ein Abstand t7 zwischen Grundflächen der jeweiligen Verformungsabschnitte 44 des Paars Wärmeableitelemente 41 auf den Seiten der Grundflächenabschnitte 41b ist größer als ein Abstand t6 zwischen Grundflächen der jeweiligen Verformungsabschnitte 44 auf den Seiten der Seitenwandabschnitte 43.
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Wie in 9 veranschaulicht ist, wird zum Beispiel, wenn die zweiten Druckvorrichtungen 46 die Seitenwandabschnitte 43 von außen zusammendrücken und sich dann die Verformungsabschnitte 44 verformen, mit den die Grundflächenabschnitte 41b zusammendrückenden Druckvorrichtungen 45 eine plastische Verformung durchgeführt. Somit kann verhindert werden, dass die Grundflächenabschnitte 41b aufgrund der Verbiegungsverformung angehoben werden.
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Wie in 6 veranschaulicht ist, sind die Verformungsabschnitte 44 so mit Positionen verbunden, die sich entfernt von den Mittelpunkten der Grundflächenabschnitte 41b in einer Dickenrichtung befinden, dass die Biegesteifigkeit (das zweite Moment der Fläche) der Grundflächenabschnitte 41b zunimmt. Somit nimmt die Menge der Verbiegungsverformung so ab, dass ein Effekt des Unterbindens des Anhebens in der Nähe von Mittelabschnitten der Grundflächenabschnitte 41b erreicht wird.
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Insbesondere sind die Verformungsabschnitte 44 auf den Seiten der Lamellen der Grundflächenabschnitte 41b in der Dickenrichtung angeordnet, nämlich weg von dem Leistungshalbleitermodul 30, so dass eine beim Verbinden von Oberflächen zwischen den Grundflächenabschnitten 41b und den Isolierschichten 51 zu erzeugende Zugspannung verringert werden kann, selbst wenn sich das zweite Vergussharz 49 aufgrund einer Temperaturschwankung, wie zum Beispiel bei Temperaturzyklen, ausdehnt und an die Wärmeableitelemente 41 eine Kraft nach außen angelegt wird. Daher wird ein Effekt dahingehend erzielt, dass das Auftreten einer Abtrennung bei Schnittstellen zwischen den Isolierschichten 51, der leitenden Platte 33 und der leitenden Platte 34 unterbunden wird.
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Gemäß den vorstehenden Ergebnissen kann bewirkt werden, dass die Druckspannung stabil in den Isolierfolien des Leistungsmoduls bleibt, und es kann verhindert werden, dass sich die Isolierfolien abtrennen. Deshalb kann ein Leistungsmodul mit einer hohen Zuverlässigkeit erhalten werden.
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Zweite Ausführungsform
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11 veranschaulicht eine Abänderung des in 6 veranschaulichten Leistungsmoduls. Bezugszeichen, die gleich sind wie die in 6, geben dieselben Komponenten an. Somit werden doppelte ausführliche Beschreibungen weggelassen.
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In der in 11 veranschaulichten Abänderung werden Verformungsabschnitte 44 von Wärmeableitelementen 41b, die ein Metallgehäuse 40 bilden, in der Nähe der Mittelpunkte von Grundflächenabschnitten 41b in einer Dickenrichtung zur Verfügung gestellt.
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Entsprechend nimmt eine Biegesteifigkeit (das zweite Moment der Fläche) von Lamellensockeln ab. Somit wird während des Verwendens des Leistungsmoduls ein Effekt zum Unterbinden des Auftretens einer Zugspannung in den Verformungsabschnitten 44 erzielt, und es wird ein Effekt zum Unterbinden des Auftretens von Ermüdungsversagen in den Verformungsabschnitten 44 erzielt, selbst wenn in den Grundflächenabschnitten 41b eine Biegeverformung auftritt oder selbst wenn eine nach außen gerichtete Verformung hervorgerufen wurde.
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Dritte Ausführungsform
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12 veranschaulicht eine andere Abänderung des in 6 veranschaulichten Leistungsmoduls. Bezugszeichen, die gleich wie die in 6 sind, geben dieselben Komponenten an. Somit werden die doppelten ausführlichen Beschreibungen weggelassen.
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In der in 12 veranschaulichten Abänderung werden vorstehende Abschnitte 48 für Seitenwandabschnitte 43 von Wärmeableitelementen 41, die ein Metallgehäuse 40 bilden, zur Verfügung gestellt. Die vorstehenden Abschnitte 48 sind so ausgebildet, dass sie in einer Richtung vorstehen, die sich weg von dem Metallgehäuse 40 bewegt. Wenn die Seitenwandabschnitte 43 des Paars Wärmeableitelemente 41 zusammengefügt werden, wird ein Effekt dahingehend erzielt, dass eine Druckbeaufschlagung einfach durch zweite Druckvorrichtungen 46 durchgeführt wird. In einem Fall, in dem das Zusammenfügen durch FSW durchgeführt wird, wird die Steifigkeit von Verbindungsabschnitten sichergestellt, und das Verbinden wird leicht gemacht. Darüber hinaus wird ein Effekt zum Unterbinden des Übertragens von Wärme, die an einem vorderen Ende eines Werkzeugs erzeugt wird, auf Verbindungsschnittstellen zwischen Isolierschichten 51 und einem Leistungshalbleitermodul 30 erzielt.
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurde der Herstellungsprozess zum Durchführen des Einlegens zwischen die Wärmeableitabschnitte 41b nach dem Ausbilden der Isolierschichten 51 auf dem Leistungshalbleitermodul 30 beispielhaft dargestellt. Jedoch sind die Isolierschichten 51 nicht unbedingt auf der Seite des Leistungshalbleitermoduls 30 ausgebildet und können vorher auf der Seite der Wärmeableitelemente 41 bereitgestellt werden.
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In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird eine Stiftlamelle auf die Form jeder der Wärmeableitlamellen 42 der Wärmeableitelemente 41 angewendet. Jedoch können auch andere Formen wie zum Beispiel eine gerade Lamelle und eine gewellte Lamelle angewendet werden.
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In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurde die beispielhafte Fahrzeug-Leistungsumwandlungsvorrichtung beschrieben, mit der ein Elektromotorfahrzeug oder ein Hybridmotorfahrzeug ausgerüstet ist. Die vorliegende Erfindung kann auf ähnliche Weise auch auf eine Leistungsumwandlungsvorrichtung mit einer Kühlstruktur angewendet werden, die ein Leistungsmodul beinhaltet, das in ein Kühlmittel eingetaucht ist.
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Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Abänderungen können innerhalb des Umfangs des Gedankens der vorliegenden Erfindung vorgenommen und angewendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 6 ... erstes Vergussharz, 8 ... Temperatursensor, 10A ... Leistungshalbleitereinheit, 10B ... Leistungshalbleitereinheit, 11 ... Dichtungsabschnitt, 17 ... Einführungsöffnung, 30 ... Leistungshalbleitermodul, 31U ... Leistungshalbleiterelement, 31L ... Leistungshalbleiterelement, 32U ... Diode, 32L ... Diode, 33 ... leitende Platte, 33b ... Oberseite, 34 ... leitende Platte, 34b ... Oberseite, 35 ... leitende Platte, 35a ... Gleichstrom-Pluselektroden-Anschluss, 35b ... Oberseite, 36 ... leitende Platte, 36a ... Wechselstrom-Ausgangsanschluss, 36b ... Oberseite, 38 ... Leiterstift, 24L ... Signalanschluss, 24U ... Signalanschluss, 26L ... Draht, 26U ... Draht, 40 ... Metallgehäuse, 41 ... Wärmeableitelement, 41a ... Oberfläche, 41b ... Grundflächenabschnitt, 41c ... Oberfläche, 42 ... Wärmeableitlamelle, 43 ... Seitenwandabschnitt, 43b ... Oberfläche, 43c ... Oberfläche, 43d ... Oberseite, 43e ... Verbindungsabschnitt, 44 ... Verformungsabschnitt, 44b ... Aussparungsabschnitt, 45 ... Druckvorrichtung, 46 ... zweite Druckvorrichtung, 47 ... Werkzeug, 48 ... vorstehender Abschnitt, 49 ... zweites Vergussharz, 51 ... Isolierschicht, 61 ... Lötmaterial, 62 ... Lötmaterial, 100 ... Leistungsmodul, 121 ... Ober- und Unterarm-Reihenschaltung, 200 ... Leistungsumwandlungsvorrichtung, 201 ... Gehäusehauptteil, 202 ... untere Abdeckung, 203a ... Einlassrohr, 203b ... Austrittsrohr, 210 ... Kühlkammer, 211 ... Umfangswand, 221 ... Seitenwand, 220 ... tragendes Element, 231 ... Dichtungselement, 240 ... Abdeckelement, 250 ... Kondensatormodul, 251 ... Kondensatorelement, 261 ... gleichstromseitige Sammelschienenanordnung, 262 ... Steuerschaltungskartenanordnung, 263 ... wechselstromseitige Sammelschienenanordnung, t1 ... Abstand, t2 ... Abstand, t3 ... Dicke, t4 ... Abstand, t5 ... Abstand, t6 ... Abstand, t7 ... Abstand, P1 ... Druckbeaufschlagung, P2 ... Druckbeaufschlagung
