DE112016000703T5 - Leistungshalbleitermodul und Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung - Google Patents

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Abstract

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, sowohl eine geringe Höhe als auch eine Verkleinerung einer Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung eines Typs mit doppelseitiger Kühlung zu erreichen. Ein Leistungshalbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Schaltungskörper 302, der eine Leistungshalbleitervorrichtung und einen Anschluss enthält; und ein Gehäuse 304, das einen Aufnahmeraum 306 zum Aufnehmen des Schaltungskörpers 302 ausbildet, wobei das Gehäuse 304 umfasst: einen ersten Wärmeabführungsabschnitt 305a und einen zweiten Wärmeabführungsabschnitt 305b, die so angeordnet sind, dass sie einander zugewandt sind, wobei der Aufnahmeraum 306 sandwichartig umschlossen wird; eine erste Öffnung 311, die an einem Seitenabschnitt zu dem ersten Wärmeabführungsabschnitt 305a angeordnet ist und durch die der Anschluss verläuft; eine Dichtungsfläche 309, die so ausgebildet ist, dass sie die erste Öffnung 311 umgibt; und eine Referenzfläche 308, die an einem Seitenabschnitt zu dem zweiten Wärmeabführungsabschnitt 305b angeordnet ist, wobei die Referenzfläche 308 auf einer Oberfläche ausgebildet ist, die einer Oberfläche gegenüberliegt, auf der die Dichtungsfläche 309 des Gehäuses 304 angeordnet ist, so dass dann, wenn eine Projektion aus einer vertikalen Richtung der Referenzfläche 308 vorgenommen wird, eine Projektion der Referenzfläche 308 und eine Projektion der Dichtungsfläche 309 miteinander überlappen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleitermodul und eine Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung zum Umsetzen von Gleichstrom in Wechselstrom und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung zum Liefern von Wechselstrom an einen Antriebsmotor eines Hybridfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs.
  • Stand der Technik
  • Vor allem in einer in einem Fahrzeug montierten Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung gibt es neben dem Erfordernis der Fähigkeit, eine große Stromstärke auszugeben, auch einen Bedarf an Verkleinerung. Wenn die Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung eine große Stromstärke ausgibt, nimmt die Wärme, die in einer in dem Leistungshalbleitermodul eingebauten Leistungshalbleitervorrichtung erzeugt wird, zu, wobei dann, wenn eine Wärmekapazität des Leistungshalbleitermoduls und der Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung nicht erhöht wird, eine Hitzebeständigkeitstemperatur der Leistungshalbleitervorrichtung erreicht wird und eine Verkleinerung verhindert wird. Daher sind ein Leistungshalbleitermodul eines Typs mit doppelseitiger Kühlung, die die Leistungshalbleitervorrichtung von beiden Seiten kühlt, um die Kühleffizienz zu verbessern, und eine Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung eines Typs mit doppelseitiger Kühlung, die das Modul verwendet, entwickelt worden.
  • Als ein Beispiel der Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung mit einer solchen Struktur offenbart PTL1 eine Leistungsmodulstruktur, bei der beide Hauptflächen der Leistungshalbleitervorrichtung, die einen Zweig einer Wechselrichterschaltung ausbilden, sandwichartig zwischen plattenförmigen Leiterrahmen angeordnet sind, um das Leistungsmodul auszubilden, und das Modul in einem Wärmeabführungsgehäuse zum Abdichten eingebettet und in einer Wasserkanaleinhausung eingetaucht ist und von beiden Seiten gekühlt wird.
  • Entgegenhaltungsliste
  • Patentdokument(e)
    • PTL 1: JP 2005-057212 A
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • In den letzten Jahren ist eine physische Struktur, die für die Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung erforderlich ist, in Abhängigkeit von einer Montageposition der Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung in einem Fahrzeug diversifiziert worden und der Bedarf an einer geringen Höhe ist gestiegen. Die Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung gemäß PTL 1 hat das Problem, dass ein Dichtungsabschnitt und ein Montageabschnitt um diese herum eine Struktur mit geringer Höhe und eine Verkleinerung verhindern. Um sowohl eine geringe Höhe als auch eine Verkleinerung der Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung zu erreichen, wird eine Struktur benötigt, die die Höhe eines Leistungsmoduls mit doppelseitiger Kühlung, das dazu fähig ist, ein Kühlleistungsvermögen der Leistungshalbleitervorrichtung zu verbessern, verringert.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, sowohl eine geringe Höhe als auch eine Verkleinerung der Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung des Typs mit doppelseitiger Kühlung zu erreichen.
  • Lösung des Problems
  • Das Leistungshalbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Schaltungskörper, der eine Leistungshalbleitervorrichtung und einen Anschluss enthält; und ein Gehäuse, das einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen des Schaltungskörpers ausbildet, wobei das Gehäuse Folgendes umfasst: einen ersten Wärmeabführungsabschnitt, der so angeordnet ist, dass er dem Aufnahmeraum zugewandt ist; einen zweiten Wärmeabführungsabschnitt, der so angeordnet ist, dass er dem ersten Wärmeabführungsabschnitt zugewandt ist, wobei der Aufnahmeraum sandwichartig umschlossen wird; eine erste Öffnung, die an einem Seitenabschnitt zu dem ersten Wärmeabführungsabschnitt angeordnet ist und durch die der Anschluss verläuft; eine Dichtungsfläche, die so ausgebildet ist, dass sie die erste Öffnung umgibt; und eine Referenzfläche, die an einem Seitenabschnitt zu dem zweiten Wärmeabführungsabschnitt angeordnet ist, wobei die Referenzfläche auf einer Oberfläche ausgebildet ist, die einer Oberfläche gegenüberliegt, auf der die Dichtungsfläche des Gehäuses ausgebildet ist, so dass dann, wenn eine Projektion aus einer vertikalen Richtung der Referenzfläche vorgenommen wird, eine Projektion der Referenzfläche und eine Projektion der Dichtungsfläche miteinander überlappen.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Es können sowohl eine geringe Höhe als auch eine Verkleinerung der Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung des Typs mit doppelseitiger Kühlung erreicht werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Schaltdiagramm einer Wechselrichtervorrichtung.
  • 2(a) ist eine perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls.
  • 2(b) ist eine Querschnittsansicht des Leistungshalbleitermoduls.
  • 2(c) ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht, die einen Prozess eines Montierens des Leistungshalbleitermoduls zeigt.
  • 2(d) ist ein Ersatzschaltdiagramm, das eine Schaltung zeigt, die in das Leistungshalbleitermodul eingefügt ist.
  • 3 ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht, die einen Prozess eines Montierens des Leistungshalbleitermoduls an einem fließwegbildenden Körper zeigt.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, der eine Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung einer Struktur einer vorliegenden Ausführungsform zeigt.
  • 5(a) ist eine Querschnittsansicht eines Leistungshalbleitermoduls 300 von Beispiel 2.
  • 5(b) ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht, die einen Prozess eines Montierens des Leistungshalbleitermoduls 300 von Beispiel 2 zeigt.
  • 5(c) ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht, die einen Prozess eines Montierens des Leistungshalbleitermoduls 300 von Beispiel 2 an einer Wasserkanaleinhausung zeigt.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Eine Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen beschrieben.
  • Beispiel 1
  • Eine Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann auf ein Hybridfahrzeug oder ein reines Elektrofahrzeug angewendet werden. Eine Fahrzeugantriebs-Wechselrichtervorrichtung setzt Gleichstromleistung, die aus einer in einem Fahrzeug montierten Batterie oder einer in einem Fahrzeug montierten Erzeugungsvorrichtung, die eine in einem Fahrzeug montierte Leistungsversorgung ausbildet, in eine vorbestimmten Wechselstromleistung um und liefert die erhaltene Wechselstromleistung an einen Fahrzeugantriebsmotor, um einen Antrieb des Fahrzeugantriebsmotors zu steuern. Zusätzlich weist die Fahrzeugantriebs-Wechselrichtervorrichtung n Abhängigkeit von einer Betriebsart auch eine Funktion des Umsetzens von Wechselstromleistung, die durch den Fahrzeugantriebsmotor erzeugt wird, in Gleichstromleistung auf, da der Fahrzeugantriebsmotor auch eine Funktion als Generator aufweist. Im Übrigen ist die Anordnung der vorliegenden Ausführungsform als Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung für den Fahrzeugantrieb für ein Auto oder einen Lastkraftwagen optimal und kann auch auf andere Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistungen wie beispielsweise eine Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung für einen Zug, ein Schiff oder ein Flugzeug und ferner auf eine industrielle Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung, die als Steuervorrichtung für einen Motor zum Antreiben von Fabrikausrüstung verwendet wird, oder auf eine Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung für den Haushaltsgebrauch, die als Steuervorrichtung für einen Motor zum Antreiben eines Haushalts-Solarleistungserzeugungssystems oder eines Haushaltsgeräts verwendet wird, angewendet werden.
  • Eine elektrische Schaltungsanordnung einer Wechselrichtervorrichtung 140 wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
  • Eine Wechselrichterschaltung 144 ist mit drei Ober-und-Unterzweig-Reihenschaltungen 150 versehen, die jeweils einen IGBT 328 und eine Diode 156, die als Oberzweig betrieben werden, und ein IGBT 330 und eine Diode 166, die als Unterzweig betrieben werden, für drei Phasen (U-Phase, V-Phase, W-Phase), die jeweiligen Phasenwicklungsleitungen von Ankerwicklungsleitungen eines Motorgenerators 192 entsprechen, umfassen. Jede Ober-und-Unterzweig-Reihenschaltung 150 ist mit einer Wechselstromleistungsleitung (Wechselstromsammelschiene) 186 zu dem Motorgenerator 192 durch einen Wechselstromanschluss 159 und einen Wechselstromverbinder 188 aus einem Mittelpunktabschnitt (einer Zwischenelektrode 169) der Schaltung verbunden.
  • Eine Kollektorelektrode 153 des IGBT 328 des Oberzweigs ist mit einer Elektrode eines Kondensators in einer positiven Elektrodenseite eines Kondensatormoduls 500 über einen positiven Elektrodenanschluss (P-Anschluss) 157 elektrisch verbunden und eine Emitterelektrode des IGBT 330 des Unterzweigs ist mit einer Elektrode des Kondensators in einer negativen Elektrodenseite des Kondensatormoduls 500 über einen negativen Elektrodenanschluss (N-Anschluss) 158 elektrisch verbunden.
  • Der IGBT 328 umfasst die Kollektorelektrode 153, eine Gateelektrode 154 und eine Emitterelektrode für ein Signal 155. Zusätzlich umfasst der IGBT 330 eine Kollektorelektrode 163, eine Gateelektrode 164 und eine Emitterelektrode für ein Signal 165. Die Diode 156 ist mit dem IGBT 328 elektrisch parallel geschaltet. Zusätzlich ist die Diode 166 mit dem IGBT 330 elektrisch parallel geschaltet. Als eine Schaltleistungshalbleitervorrichtung kann ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) verwendet werden und in diesem Fall sind die Diode 156 und die Diode 166 nicht notwendig. Das Kondensatormodul 500 ist mit einem Kondensatoranschluss auf positiver Elektrodenseite 506 und einem Kondensatoranschluss auf negativer Elektrodenseite 504 über einen Gleichstromverbinder 138 elektrisch verbunden. Im Übrigen ist die Wechselrichtervorrichtung 140 mit dem Kondensatoranschluss auf positiver Elektrodenseite 506 über Gleichstromanschluss auf positiver Elektrodenseite 314 verbunden und mit dem Kondensatoranschluss auf negativer Elektrodenseite 504 über Gleichstromanschluss auf negativer Elektrodenseite 316 verbunden.
  • Im Übrigen entsprechen die Gateelektrode 154 und die Emitterelektrode für ein Signal 155 in 1 einem Signalverbindungsanschluss 327U in 2(a) bis 2(d), die später beschrieben sind. Die Gateelektrode 164 und die Emitterelektrode 165 in 1 entsprechen einem Signalverbindungsanschluss 327L in 2(a) bis 2(d). Der positive Elektrodenanschluss 157 in 1 entspricht einem Anschluss auf positiver Elektrodenseite 315D in 2(a) bis 2(d). Der negative Elektrodenanschluss 158 in 1 entspricht einem Anschluss auf negativer Elektrodenseite 319D in 2(a) bis 2(d). Der Wechselstromanschluss 159 in 1 entspricht einem Wechselstromanschluss 320D in 2(a) bis 2(d).
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform des Leistungshalbleitermoduls 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform und eine Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung eines Typs mit doppelseitiger Kühlung 299, die das Modul verwendet, unter Bezugnahme auf 2(a) bis 2(d), 3 und 4 beschrieben.
  • 2(a) ist eine perspektivische Außenansicht, die eine schematische Anordnung des Leistungshalbleitermoduls 300 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. 2(b) ist eine Querschnittsansicht in einem Querschnitt 2B von 2(a). 2(c) ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht, die einen Prozess eines Montierens des Leistungshalbleitermoduls 300 zeigt. 2(d) ist ein Schaltungsanordnungsdiagramm, das 2(c) entspricht.
  • Das Leistungshalbleitermodul 300 umfasst einen Schaltungskörper 302, der eine Leistungshalbleitervorrichtung beinhaltet, einen Gehäuserahmen 304 und eine Wärmeabführungsbasis 307. Der Gehäuserahmen 304 bildet einen Aufnahmeraum 306 zum Aufnehmen des Schaltungskörpers 302 und eine Öffnung 306a, die mit dem Aufnahmeraum 306 verbunden ist.
  • Der Gehäuserahmen 304 umfasst einen Wärmeabführungsabschnitt 305a, in dem eine Rippe an einer Oberfläche ausgebildet ist, die einer Oberfläche, an der die Öffnung 306a ausgebildet ist, gegenüberliegt. Der Rippenwärmeabführungsabschnitt 305a ist so ausgebildet, dass er dem Aufnahmeraum 306 zugewandt ist. Zusätzlich umfasst der Gehäuserahmen 304 ein Anschlussdurchgangsloch 311, das an einem Seitenabschnitt zu dem Wärmeabführungsabschnitt 305a ausgebildet ist. Das Anschlussdurchgangsloch 311 ist mit dem Aufnahmeraum 306 verbunden und ermöglicht es, einen Anschluss des Schaltungskörpers 302, der in dem Aufnahmeraum 306 angeordnet ist, hindurch zu verlegen. Eine O-Ring-Nut 312 ist um das Anschlussdurchgangsloch 311 herum ausgebildet. Die O-Ring-Nut 312 ist auf einer Dichtungsfläche 309 ausgebildet, die so ausgebildet ist, dass sie das Anschlussdurchgangsloch 311 umgibt.
  • Der Schaltungskörper 302 ist in dem Aufnahmeraum 306 des Gehäuserahmens 304 aufgenommen, wobei ein Isolierelement 333 zwischen dem Schaltungskörper 302 und dem Gehäuserahmen 304 sandwichartig umschlossen wird. Der Schaltungskörper 302 umfasst die IGBTs 328, 330 und die Dioden 156, 166 als Leistungshalbleitervorrichtungen. Diese Leistungshalbleitervorrichtungen sind an einer Position, die dem Wärmeabführungsabschnitt 305a zugewandt ist, vorgesehen und einer Wärmeabführung durch ein Kältemittel, das zwischen den Rippen des Wärmeabführungsabschnitt 305a fließt, ausgesetzt.
  • Ein Leiterabschnitt 315 ist auf einer Oberflächenseite der Leistungshalbleitervorrichtungen 328, 156 angeordnet und ein Leiterabschnitt 318 ist auf der anderen Oberflächenseite angeordnet. Ein Leiterabschnitt 320 ist auf einer Oberflächenseite der Leistungshalbleitervorrichtungen 330, 166 angeordnet und ein Leiterabschnitt 319 ist auf der anderen Oberflächenseite angeordnet. Der IGBT 328 und die Diode 156, die eine Oberzweigschaltung bilden, sind so metallisch verbunden, dass sie durch die Leiterabschnitte 315 und 318 parallel sandwichartig umschlossen sind. Der IGBT 330 und die Diode 166, die eine Unterzweigschaltung bilden, sind so metallisch verbunden, dass sie durch die Leiterabschnitte 320 und 319 parallel sandwichartig umschlossen sind.
  • Die Leistungshalbleitervorrichtungen 328, 330, 156, 166 und die Leiterabschnitte 315, 318, 319,320 sind mit Harzabdichtungsmaterial 348 abgedichtet. Abschnitte der Leiterabschnitte 315, 320, 319 ragen aus dem Harzabdichtungsmaterial 348 hervor und bilden jeweils den Anschluss auf positiver Elektrodenseite 315D, den Wechselstromanschluss 320D und den Anschluss auf negativer Elektrodenseite 319D aus. Zusätzlich stehen auch die Signalverbindungsanschlüsse 327U, 327L aus dem Harzabdichtungsmaterial 348 hervor. Diese Anschlüsse sind so ausgebildet, dass sie aus dem Harzabdichtungsmaterial 348 hervorstehen und ferner in einem im Wesentlichen rechten Winkel gebogen sind. Spitzen der gebogenen Anschlüsse verlaufen durch das Anschlussdurchgangsloch 311 und erstrecken sich zu der Außenseite des Gehäuserahmens 304.
  • In einem Zustand, in dem der Schaltungskörper 302 in dem Aufnahmeraum 306 aufgenommen ist, wird die Öffnung 306a in dem Gehäuserahmen 304 durch die Wärmeabführungsbasis 307 geschlossen. An der Wärmeabführungsbasis 307 ist in einem Bereich, der der Leistungsumsetzungsvorrichtung zugewandt ist, ein Wärmeabführungsabschnitt 305b, der eine Rippe umfasst, ausgebildet. Zwischen der Wärmeabführungsbasis 307 und dem Schaltungskörper 302 ist das Isolierelement 333 angeordnet. Die Wärmeabführungsbasis 307 ist mit dem Gehäuserahmen 304 mit Metallverbindungen oder dergleichen verbunden. Somit ist der Aufnahmeraum 306 auf einer Seite der Öffnung 306a abgedichtet. Die Wärmeabführungsbasis 307 fungiert als Deckel zum Schließen der Öffnung 306a des Gehäuserahmens 304 und fungiert auch als ein Wärmeabführungsabschnitt zum Übertragen der Wärmeerzeugung der Leistungshalbleitervorrichtung auf das Kältemittel.
  • In einem Zustand, in dem die Wärmeabführungsbasis 307 mit dem Gehäuserahmen 304 verbunden ist, ist eine Referenzfläche 308 an einem Seitenabschnitt zu dem Wärmeabführungsabschnitt 305b ausgebildet. Die Referenzfläche 308 ist eine flache Oberfläche, die auf einer Oberfläche auf einer Seite des Gehäuserahmens 304 ausgebildet ist. Die Referenzfläche 308 ist im Wesentlichen parallel zu der Dichtungsfläche 309 vorgesehen. Die Referenzfläche 308 ist so ausgebildet, dass dann, wenn eine Projektion aus einer Richtung, die vertikal zu der Ebenenrichtung der Referenzfläche 308 ist, vorgenommen wird, eine Projektion der Referenzebene 308 und eine Projektion der Dichtungsfläche 309 miteinander überlappen. Die Referenzfläche 308 und die Dichtungsfläche 309 sind angeordnet, dass sie sich gegenseitig an beiden Seiten in Bezug auf den Gehäuserahmen 304 gegenüberliegen. Auf diese Weise überlappen die Referenzfläche 308 und die Dichtungsfläche 309 in der vertikalen Richtung miteinander, wodurch die Referenzfläche 308 als eine Oberfläche fungiert, die eine Belastung zum Drücken eines O-Rings, der in der O-Ring-Nut 312 angeordnet ist, aufnimmt.
  • Zusätzlich ist in dem vorliegenden Beispiel ein Verbindungsabschnitt zwischen der Wärmeabführungsbasis 307 und dem Gehäuserahmen 304 in der Referenzfläche 308, die mit der Dichtungsfläche 309 in der vertikalen Richtung überlappt, vorgesehen. Aus diesem Grund fungiert die Dichtungsfläche 309 als eine Oberfläche, die eine Verbindungsbelastung aufnimmt, wenn die Wärmeabführungsbasis 307 mit dem Gehäuserahmen 304 verbunden wird. Die Dichtungsfläche 309 ist mit großer Steifheit ausgebildet, um ein Dichtungselement durch ein Element wie beispielsweise einen Deckel 313, der später beschrieben wird, mit der O-Ring-Nut 312 zu halten. Daher kann die Dichtungsfläche 309 die Belastung während des Verbindens der Wärmeabführungsbasis 307 stabil tragen.
  • Zusätzlich kann, da ein Abschnitt, der mit einem Verbindungswerkzeug eingreift, nicht nahe einem Verbindungsabschnitt vorgesehen ist und die Referenzfläche 308 flach ist, eine Verbindungsarbeit auch während der Arbeit des Verbindens der Wärmeabführungsbasis 307 und des Gehäuserahmens 304 miteinander durch Verwenden eines Verbindungswerkzeugs leicht durchgeführt werden. Zusätzlich kann ein Sparen von Platz und eine Verkleinerung des gesamten Leistungshalbleitermoduls erreicht werden, da keine Notwendigkeit besteht, übermäßigen Raum bereitzustellen, um eine Störung des Verbindungswerkzeugs zu verhindern.
  • In der Wärmeabführungsbasis 307 kann die Dicke des Elements zwischen einem Bereich, in dem die Rippe 305b ausgebildet ist, und einem Bereich nahe dem Verbindungsabschnitt zu dem Gehäuserahmen 304, der um den Bereich der Rippe 305b ausgebildet ist, geändert werden. Zum Beispiel ist die Dicke der Wärmeabführungsbasis in dem Bereich nahe dem Verbindungsabschnitt zu dem Gehäuserahmen 304 dünner gefertigt als die Dicke der Wärmeabführungsbasis in dem Bereich, in dem die Rippe 305b ausgebildet ist, wodurch die Wärmeabführung, die Herstellungsmontagefreundlichkeit und die Zuverlässigkeit verbessert werden können.
  • Die Rippen 305a und 305b sind jeweils aus einem Element mit elektrischer Leitfähigkeit wie beispielsweise Cu, einer Cu-Verbindung, einem zusammengesetzten Material wie Cu-C, Cu-CuO oder Al, einer Al-Verbindung oder einem zusammengesetzten Material wie AlSiC, Al-C ausgebildet.
  • Als ein Abdichtungsharzmaterial 348, das für den Schaltungskörper 302 verwendet wird, kann beispielsweise Harz, das auf einem Novolak-basierten, einem polyfunktional-basierten oder einem Biphenyl-basierten Epoxidharzsystem basiert, verwendet werden. Das Abdichtungsharzmaterial 348 kann Keramik wie beispielsweise SiO2, Al2O3, AlN, und BN, Gel und Kautschuk enthalten, so dass der Koeffizient der thermischen Ausdehnung dem des Leiterabschnitts angenähert werden kann. Somit kann eine Differenz in dem Koeffizienten der thermischen Ausdehnung zwischen Elementen verringert werden und thermische Belastungen, die durch einen Temperaturanstieg während des Gebrauchs erzeugt werden, werden deutlich verringert, so dass eine Lebensdauer des Leistungshalbleitermoduls verlängert werden kann.
  • Als Metallverbindungsmittel zum Verbinden der Leistungshalbleitervorrichtung und des Leiterabschnitts miteinander kann beispielsweise ein auf einer Sn-Legierung basierendes weiches Lötmaterial (Lot), ein hartes Lötmaterial wie beispielsweise eine Al-Legierung oder eine Cu-Legierung oder ein Sintermetallmaterial unter Verwendung von Metallnanopartikeln oder Metallmikropartikeln verwendet werden.
  • 3 ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht, die einen Prozess eines Montierens des Leistungshalbleitermoduls 300 an einem fließwegbildenden Körper 400 zeigt. Der fließwegbildende Körper 400 umfasst einen Fließwegraum 405 und eine Fließwegöffnung 403, die mit dem Fließwegraum 405 verbunden ist. Das Leistungshalbleitermodul 300 durchläuft die Fließwegöffnung 403 und wird in dem Fließwegraum 405 aufgenommen.
  • In dem fließwegbildenden Körper 400 ist eine Modulaufnahmefläche 406 in dem Fließwegraum 405 ausgebildet. Die Modulaufnahmefläche 406 steht mit der Referenzfläche 308 des Leistungshalbleitermoduls 300 in Kontakt. Zusätzlich bildet der fließwegbildende Körper 400 einen Raum aus, der zur Bodenseite hin aus der Modulaufnahmefläche 406 ausgespart ist und in dem die Rippe 305b angeordnet ist. Die Modulaufnahmefläche 406 ist bis zu der Umgebung des Bildungsbereichs der Rippe 305b ausgebildet, wodurch der fließwegbildende Körper 400 einen Umgehungsfluss des Kältemittels, das zwischen den Rippen 305b des Leistungshalbleitermoduls 300 fließt, unterdrücken kann. Aus diesem Grund ist die Struktur des Fließwegraums 405 des fließwegbildenden Körpers 400 bevorzugt entlang der Form insbesondere der Rippe 305b des Leistungshalbleitermoduls 300 konstruiert.
  • In einem Zustand, in dem das Leistungshalbleitermodul 300 aufgenommen ist, ist die Fließwegöffnung 403 durch einen Deckel 413 verschlossen. Der Deckel 413 dichtet den Fließwegraum 405 durch einen O-Ring, der in einer O-Ring-Nut 404 angeordnet ist, die an dem fließwegbildenden Körper 400 ausgebildet ist, ab. Der Deckel 413 ist in Bezug auf das Leistungshalbleitermodul 300 an einer Seite ausgebildet, auf der die Dichtungsfläche 309 und der Wärmeabführungsabschnitt 305a ausgebildet sind. Zwischen den Rippen, die in dem Wärmeabführungsabschnitt 305a ausgebildet sind, und in einem Raum, der durch den Deckel 413 umgeben ist, zirkuliert das Kältemittel ähnlich wie auf der, Seite des Wärmeabführungsabschnitts 305b.
  • In dem Deckel 413 ist eine Anschlussöffnung 413A ausgebildet. Der Anschluss des Leistungshalbleitermoduls 300 verläuft durch die Anschlussöffnung 413A. Der Deckel 413 drückt das Leistungshalbleitermodul 300 an die Seite des fließwegbildenden Körpers 400, wobei der O-Ring, der in der O-Ring-Nut 312 angeordnet ist, sandwichartig umschlossen wird. Da das Kältemittel, das in einem Bereich des Wärmeabführungsabschnitts 305a fließt, durch den O-Ring, der zwischen dem Deckel 413 und der O-Ring-Nut 312 sandwichartig angeordnet ist, abgedichtet wird, entwicht es nicht aus dem Anschlussdurchgangsloch 311 in das Leistungshalbleitermodul 300.
  • Das Leistungshalbleitermodul 300, auf das der Deckel 413 drückt, wird durch die Modulaufnahmefläche 406 des fließwegbildenden Köpers 406 getragen. Auf diese Weise wird das Leistungshalbleitermodul 300 in eine Form, in der es sandwichartig zwischen dem fließwegbildenden Körper 400 und dem Deckel 413 angeordnet ist, gedrückt und dort fixiert. Gemäß der Anordnung des Leistungshalbleitermoduls der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, gleichzeitig eine Abdichtungsstruktur auf der Seite des Deckels 413 und eine einer feste Anordnungsstruktur auf einer Kontaktfläche zwischen der Referenzfläche 308 und der Modulaufnahmefläche 406 zu verwirklichen. Daher kann eine Verkleinerung der physischen Struktur der gesamten Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung erreicht werden.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht, die ein Anordnungsbeispiel der Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung 299 zeigt, auf die eine Fließwegstruktur von 3 angewendet ist. Die Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung 299 umfasst den fließwegbildenden Körper 400, der eine Einhausung ist, die einstückig mit einem Kühlfließweg, einer Formsammelschiene 700, dem Leistungshalbleitermodul 300, dem Kondensatormodul 500 und einer Steuerplatine 200 ausgebildet ist. Der fließwegbildende Körper 400, der auch als die Einhausung dient, umfasst eine Öffnung, in die das Leistungshalbleitermodul 300 eingesetzt wird, und eine Öffnung, in die das Kondensatormodul 500 eingesetzt wird.
  • In der Formsammelschiene 700 sind eine Gleichstromsammelschiene 710 und eine Wechselstromsammelschiene 709 mit einem Harzmaterial, das isolierende Eigenschaften aufweist, abgedichtet. Die Gleichstromsammelschiene 710 verbindet das Kondensatormodul 500 und das Leistungshalbleitermodul 300 elektrisch miteinander. Die Gleichstromsammelschiene 710 hat eine Struktur, in der eine Sammelschiene auf positiver Elektrodenseite und eine Sammelschiene auf negativer Elektrodenseite geschichtet sind. Ströme, die jeweils zueinander entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, fließen durch die Sammelschienen auf positiver Elektrodenseite und auf negativer Elektrodenseite und eine niedrige Induktivität wird durch einen Magnetfeldaufhebungseffekt erreicht.
  • Die Formsammelschiene 700 ist so angeordnet, dass sie dem Leistungshalbleitermodul 300 zugewandt ist, wobei der Deckel 413 sandwichartig umschlossen wird. Die Formsammelschiene 700 ist auf derselben Seite in Bezug auf das Kondensatormodul 500 und das Leistungshalbleitermodul 300 angeordnet.
  • Die Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung der vorliegenden Ausführungsform ist dazu fähig, gleichzeitig das Leistungshalbleitermodul 300 und das Kondensatormodul 500 mit dem fließwegbildenden Körper 400, der auch als Einhausung dient, zu kühlen. Zusätzlich ist es durch Installieren der Formsammelschiene 700 direkt an dem fließwegbildenden Körper 400 auch möglich, die Formsammelschiene 700 zu kühlen. Zudem sind das Leistungshalbleitermodul 300 und das Kondensatormodul 500 auf derselben Schicht angeordnet, so dass eine geringe Höhe der Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung erreicht werden kann.
  • Beispiel 2
  • Ein Leistungshalbleitermodul 300 und eine Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung 299 in Beispiel 2 werden unter Bezugnahme auf 5(a) bis 5(c) beschrieben. Mit Beispiel 1 gemeinsame Komponenten werden durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet und genaue Beschreibungen davon entfallen.
  • 5(a) ist eine perspektivische Explosionsansicht des Leistungshalbleitermoduls 300. 5(b) ist eine auseinandergezogene Querschnittsansicht. 5(c) ist eine Querschnittsansicht, die einen Prozess eines Montierens eines fließwegbildenden Körpers 400 zeigt. Ein Unterschied zu der in Beispiel 1 beschriebenen Struktur ist, dass Beispiel 2 eine Struktur aufweist, in der zwei Anschlussdurchgangslöcher 311 in einem Gehäuserahmen 304 vorgesehen sind und Modulanschlüsse aus beiden Seiten hervorstehen, wobei ein Wärmeabführungsabschnitt 305a sandwichartig umschlossen wird.
  • Wie in 5(a) gezeigt stehen ein Anschluss auf positiver Elektrodenseite 315D und ein Anschluss auf negativer Elektrodenseite 319D, durch die Gleichstrom fließt, aus einer Seite des Leistungshalbleitermoduls 300 hervor und ein Wechselstromanschluss 320D, durch den Wechselstrom fließt, steht aus der anderen Seite hervor. Zum Beispiel sind der Anschluss auf positiver Elektrodenseite 315D und der Anschluss auf negativer Elektrodenseite 319D in Bezug auf das Leistungshalbleitermodul 300 auf einer Seite angeordnet, auf der ein Kondensatormodul 500 angeordnet ist, wodurch eine Reduktion der Verdrahtungsinduktivität erreicht werden kann.
  • Zusätzlich sind die zwei Anschlussdurchgangslöcher 311 bereitgestellt, so dass zwei O-Ring-Nuten 312 ausgebildet sind. Ferner sind zwei Anschlussöffnungen 413A eines Deckels 413 ausgebildet. Dichtungsflächen 309 sind jeweils an beiden Seiten zu dem Wärmeabführungsabschnitt 305a ausgebildet.
  • Zusätzlich ist in dem Deckel 413, der in dem vorliegenden Beispiel verwendet wird, entsprechend einer Vorstehlänge einer Rippe 305a ein Aussparungsabschnitt auf der Seite der Rippe 305a ausgebildet. Durch Entwurf des Aussparungsabschnitts so, dass er mit der Form der Rippe 305a zusammenpasst, kann ein Umgehungsfluss, der durch die Rippenspitze und einen Rippenseitenabschnitt fließt, unterdrückt werden. Somit wird das Kühlleistungsvermögen verbessert und eine Verkleinerung des Leistungshalbleitermoduls kann erreicht werden.
  • Gemäß dem Leistungshalbleitermodul des vorliegenden Beispiels und der Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung, die das Leistungshalbleitermodul verwendet, kann aufgrund einer Struktur zum Ausgeben des Leistungsmodulanschlusses aus beiden Seiten des Wärmeabführungsabschnitts ein Freiheitsgrad der Abmessungen des Anschlussdurchgangslochs und einer Anordnung des Leistungsmodulanschlusses verbessert werden. Somit können Effekte wie etwa eine Verkleinerung und eine geringe Höhe der gesamten Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung, eine Verringerung der Verdrahtungsinduktivität und eine Unterdrückung einer magnetischen Kopplung zwischen einem Signalanschluss und einem Wechselstromanschluss erzielt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 138
    Gleichstromverbinder
    140
    Wechselrichtervorrichtung
    144
    Wechselrichterschaltung
    150
    Ober-und-Unterzweig-Reihenschaltungen
    153
    Kollektorelektrode
    154
    Gateelektrode
    155
    Emitterelektrode für Signal
    156
    Diode (Oberzweig)
    157
    Positiver Elektrodenanschluss (P-Anschluss)
    158
    Negativer Elektrodenanschluss (N-Anschluss)
    159
    Wechselstromanschluss
    163
    Kollektorelektrode
    164
    Gateelektrode
    165
    Emitterelektrode für Signal
    166
    Diode (Unterzweig)
    169
    Zwischenelektrode
    186
    Wechselstromleistungsleitung (Wechselstromsammelschiene)
    188
    Wechselstromverbinder
    192
    Motorgenerator
    200
    Steuerplatine
    300
    Leistungshalbleitermodul
    302
    Schaltungskörper
    304
    Gehäuserahmen
    305a
    Wärmeabführungsabschnitt (Rippe)
    305b
    Wärmeabführungsabschnitt (Rippe)
    306
    Aufnahmeraum
    307
    Wärmeabführungsbasis
    308
    Referenzfläche
    309
    Dichtungsfläche
    311
    Anschlussdurchgangsloch (erste Öffnung)
    312
    O-Ring-Nut
    314
    Gleichstromanschluss auf positiver Elektrodenseite
    315
    Leiterabschnitt
    315D
    Anschluss auf positiver Elektrodenseite
    316
    Gleichstromanschluss auf negativer Elektrodenseite
    318
    Leiterabschnitt
    319
    Leiterabschnitt
    319D
    Anschluss auf negativer Elektrodenseite
    320
    Leiterabschnitt
    320D
    Wechselstromanschluss
    327L
    Signalverbindungsanschluss
    327U
    Signalverbindungsanschluss
    328
    IGBT (Oberzweig)
    330
    IGBT (Unterzweig)
    333
    Isolationsmaterial
    348
    Harzabdichtungsmaterial
    400
    Fließwegbildender Körper
    403
    Fließwegöffnung
    404
    Ring-Nut
    405
    Fließwegraum
    406
    Modulaufnahmefläche
    413
    Deckel
    413A
    Anschlussöffnung
    450
    Einhausungsdeckel
    500
    Kondensatormodul
    504
    Kondensatoranschluss auf negativer Elektrodenseite
    506
    Kondensatoranschluss auf positiver Elektrodenseite
    700
    Formsammelschiene
    709
    Wechselstromsammelschiene
    710
    Gleichstromsammelschiene

Claims (5)

  1. Leistungshalbleitermodul, das umfasst: einen Schaltungskörper, der eine Leistungshalbleitervorrichtung und einen Anschluss umfasst; und ein Gehäuse, das einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen des Schaltungskörpers ausbildet, wobei das Gehäuse umfasst: einen ersten Wärmeabführungsabschnitt, der so angeordnet ist, dass er dem Aufnahmeraum zugewandt ist; einen zweiten Wärmeabführungsabschnitt, der so angeordnet ist, dass er dem ersten Wärmeabführungsabschnitt zugewandt ist, wobei der Aufnahmeraum sandwichartig umschlossen ist; eine erste Öffnung, die an einem Seitenabschnitt zu dem ersten Wärmeabführungsabschnitt angeordnet ist und durch die der Anschluss verläuft; eine Dichtungsfläche, die so ausgebildet ist, dass sie die erste Öffnung umgibt; und eine Referenzfläche, die an einem Seitenabschnitt zu dem zweiten Wärmeabführungsabschnitt angeordnet ist, und die Referenzfläche auf einer Oberfläche ausgebildet ist, die einer Oberfläche gegenüberliegt, auf der die Dichtungsfläche des Gehäuses ausgebildet ist, so dass dann, wenn eine Projektion aus einer vertikalen Richtung der Referenzfläche vorgenommen wird, eine Projektion der Referenzfläche und eine Projektion der Dichtungsfläche miteinander überlappen.
  2. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse einen Gehäuserahmen, der eine Öffnung aufweist, und eine Wärmeabführungsbasis, die aus Metall hergestellt ist, umfasst, die Öffnung des Gehäuserahmens durch die Wärmeabführungsbasis geschlossen wird, die Wärmeabführungsbasis den zweiten Wärmeabführungsabschnitt des Gehäuses ausbildet und ein Verbindungsabschnitt zwischen dem Gehäuserahmen und der Wärmeabführungsbasis auf der Referenzfläche ausgebildet ist.
  3. Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung, die umfasst: das Leistungshalbleitermodul nach einem der Ansprüche 1 oder 2; einen fließwegbildenden Körper, der einen Fließwegraum, durch den ein Kältemittel fließt, und eine Fließwegöffnung, die mit dem Fließwegraum verbunden ist, ausbildet; und einen Deckel, der die Fließwegöffnung schließt, wobei das Leistungshalbleitermodul in dem Fließwegraum angeordnet ist, der Deckel die Fließwegöffnung schließt, um die Dichtungsfläche und den ersten Wärmeabführungsabschnitt abzudecken und der fließwegbildende Körper eine Aufnahmefläche, die mit der Referenzfläche des Leistungshalbleitermoduls in Kontakt steht, umfasst.
  4. Leistungshalbleitermodul, das die Vorrichtung zum Umsetzen elektrischer Leistung nach Anspruch 3 ist, wobei der Anschluss einen Gleichstromanschluss zum Übertragen von Gleichstrom und einen Wechselstromanschluss zum Übertragen von Wechselstrom umfasst und der Gleichstromanschluss und der Wechselstromanschluss durch die erste Öffnung verlaufen.
  5. Leistungshalbleitermodul nach Anspruch 4, wobei der Anschluss den Gleichstromanschluss zum Übertragen von Gleichstrom und den Wechselstromanschluss zum Übertragen von Wechselstrom umfasst, das Gehäuse eine zweite Öffnung aufweist, die an einer der ersten Öffnung gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, wobei der erste Wärmeabführungsabschnitt sandwichartig dazwischen angeordnet ist, der Gleichstromanschluss durch die erste Öffnung verläuft und der Gleichstromanschluss durch die zweite Öffnung verläuft.
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