-
Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleitermodul mit integriertem Kühler und eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung.
-
Hintergrund
-
Halbleitermodule werden für eine Fahrzeugmotorsteuerung und dergleichen verwendet, und es besteht ein anhaltender Bedarf an einer Größen- und Gewichtsreduzierung solcher Module. Um eine Größenreduzierung zu realisieren, ist eine Struktur zum effizienten Kühlen von Halbleitervorrichtungen unabdingbar. Daher wird die Entwicklung einer Struktur für eine direkte Kühlung, in der Halbleitervorrichtungen mit Kühlrippen direkt verbunden sind und direkt gekühlt werden, vorangetrieben.
-
Ein Halbleitermodul, in welchem Halbleitervorrichtungen mit Rippen direkt gekühlt werden, wurde vorgeschlagen (siehe zum Beispiel PTL 1). Da es insgesamt drei Verbindungsöffnungen, nämlich zwei Einströmöffnungen und eine Ausströmöffnung, gibt, kann jedoch der Montageprozess kompliziert sein. Ferner schreitet eine Kühlung der Rippen in einem die Einströmöffnung und die Ausströmöffnung verbindenden Weg voran; aber es ist für das Kühlwasser schwierig, außerhalb des Wegs zu strömen, und die Kühlleistung ist verringert. Als Ergebnis kann eine gleichmäßigere Kühlleistung nicht erhalten werden.
-
Ein Halbleitermodul mit integriertem Kühler wurde ebenfalls vorgeschlagen (siehe zum Beispiel PTL 2). Da Kühlwasser, ohne geteilt zu werden, auf Rippen prallt, wird jedoch ein langer Strömungsweg in einer Richtung realisiert, und zwischen einer Vorrichtung auf der stromaufwärtigen Seite und einer Vorrichtung auf der stromabwärtigen Seite tritt eine große Differenz in der Kühlleistung auf.
-
Außerdem wurde auch ein Modul mit integriertem Kühler vorgeschlagen, in welchem Kühlwasser aufgeteilt wird (siehe zum Beispiel PTL 3). Die Strahlen des Kühlwassers prallen jedoch direkt gegen die Rippen, ein dynamischer Druck wird erzeugt, und die Rippen sind einer großen Beanspruchung ausgesetzt. Aus diesem Grund ist für die Rippen eine hohe Festigkeit erforderlich. Eine Zunahme im Druckverlust aufgrund einer Erzeugung eines dynamischen Drucks ist ebenfalls ein Problem. Da ein Wasserstrom im Strömungsweg in hohem Maße gestört wird, wenn Wasser aus einer Vielzahl von Strahlöffnungen ausgestoßen wird, ist darüber hinaus der Prozess schwer zu steuern, und letztendlich tritt zwischen der Einströmseite und der Ausströmseite eine große Differenz in der Kühlleistung auf.
-
Zitatliste
-
Patentliteratur
-
- [PTL 1] japanische Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2016-6826
- [PTL 2] japanische Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. S64-71156
- [PTL 3] japanische Patentanmeldung Veröffentlichungs-Nr. 2014-82311
-
Zusammenfassung
-
Technisches Problem
-
In dem herkömmlichen Modul mit integriertem Kühler ist die Aufteilung eines Stroms zu der Zeit, zu der er zu und von den Rippen strömt, unzureichend, und es ist unmöglich, eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen gleichmäßig zu kühlen. Aus diesem Grund besteht zwischen der stromaufwärtigen Seite und der stromabwärtigen Seite eine Differenz in der Kühlleistung, und eine thermische Auslegung des Moduls ist durch die Temperatur der stromabwärts angeordneten Halbleitervorrichtung begrenzt. Da es schwierig ist, den Wasserstrom zu steuern, und der Druckverlust ebenfalls zunimmt, ist auch die zulässige Wärmeerzeugung pro Einheitsvolumen des Moduls klein. Außerdem ist die Struktur kompliziert, ist es schwierig, die Einströmöffnung und die Ausströmöffnung auf der Unterseite anzuordnen, und es ist schwierig, die Grundfläche zu reduzieren.
-
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die Probleme wie oben beschrieben zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Halbleitermodul und eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung vorzusehen, die eine einfache Struktur aufweisen und ermöglichen, eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen gleichmäßig zu kühlen, die zulässige Wärmeerzeugung pro Einheitsvolumen des Moduls zu verbessern und die Grundfläche zu reduzieren.
-
Lösung für das Problem
-
Ein Halbleitermodul gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: eine leitfähige Basisplatte; ein isolierendes Substrat, das auf einer oberen Oberfläche der leitfähigen Basisplatte vorgesehen ist; eine leitfähige Struktur bzw. ein Leiterbild, das auf dem isolierenden Substrat vorgesehen ist; eine Vielzahl von Halbleitervorrichtungen, die auf dem Leiterbild vorgesehen sind; eine Vielzahl von Rippen, die auf einer unteren Oberfläche der leitfähigen Basisplatte vorgesehen sind; eine wärmeableitende Basisplatte, die an Spitzen der Vielzahl von Rippen vorgesehen ist; einen Kühler, der so vorgesehen ist, dass er die Vielzahl von Rippen und die wärmeableitende Basisplatte umgibt, und eine Einströmöffnung und eine Ausströmöffnung aufweist, die auf einer Unterseite des Kühlers vorgesehen sind; und eine Trennwand, die einen von dem Kühler und der wärmeableitenden Basisplatte umgebenen Raum in einen einströmseitigen Raum, der mit der Einströmöffnung verbunden ist, und einen ausströmseitigen Raum trennt, der mit der Ausströmöffnung verbunden ist, wobei ein erster Schlitz in einem zentralen Teilbereich der wärmeableitenden Basisplatte vorgesehen ist, zweite und dritte Schlitze jeweils auf beiden Seiten der wärmeableitenden Basisplatte entlang einer Richtung von einer Einströmseite zu einer Ausströmseite vorgesehen sind und einer des ersten Schlitzes und der zweiten und dritten Schlitze ein einströmseitiger Schlitz ist, der mit dem einströmseitigen Raum verbunden ist, und der andere ein ausströmseitiger Schlitz ist, der mit dem ausströmseitigen Raum verbunden ist.
-
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
-
In der vorliegenden Erfindung wird die Einströmung oder Ausströmung des Kühlwassers zu der Vielzahl von Kühlrippen durch den ersten Schlitz und die zweiten und dritten Schlitze aufgeteilt. Daher ist es möglich, verglichen mit einer unidirektionalen Kühlung die Vielzahl von Halbleitervorrichtungen gleichmäßig zu kühlen. Überdies kann die zulässige Wärmerzeugung pro Einheitsvolumen des Moduls erhöht werden. Außerdem weist eine einfache Struktur nur eine Einströmöffnung und eine Ausströmöffnung auf, und die Verbindung mit einer Pumpe ist vereinfacht. Ferner können die Einströmöffnung und die Ausströmöffnung auf der Unterseite des Kühlers angeordnet werden, und die Grundfläche kann reduziert werden.
-
Figurenliste
-
- 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Halbleitermodul gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen zerlegten Zustand des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 3 ist eine Draufsicht der leitfähigen Basisplatte des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
- 4 ist eine Unteransicht der leitfähigen Basisplatte des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
- 5 ist eine Draufsicht der wärmeableitenden Basisplatte des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
- 6 ist eine Draufsicht des Kühlers des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
- 7 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang einer Linie I-II von 1.
- 8 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang einer Linie III-IV von 1.
- 9 ist ein Diagramm, das den Kühlwasserstrom im Halbleitermodul gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 10 ist ein Diagramm, das den Kühlwasserstrom im Halbleitermodul gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 11 ist ein Diagramm, das den Kühlwasserstrom im Halbleitermodul gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 12 ist ein Diagramm, das den Kühlwasserstrom im Halbleitermodul gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 13 ist ein Diagramm, das den Kühlwasserstrom im Halbleitermodul gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 14 ist eine Draufsicht, um den Unterschied im Strömungsweg des Kühlwassers zu erläutern.
- 15 ist eine Draufsicht, um den Unterschied im Strömungsweg des Kühlwassers zu erläutern.
- 16 ist eine Draufsicht, um den Unterschied im Strömungsweg des Kühlwassers zu erläutern.
- 17 ist eine Unteransicht der leitfähigen Basisplatte des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung.
- 18 ist eine Unteransicht der leitfähigen Basisplatte des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung.
- 19 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Halbleitermodul gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt.
- 20 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang einer Linie I-II von 19.
- 21 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang einer Linie III-IV von 19.
- 22 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines elektrischen Leistungsumwandlungssystems veranschaulicht, für das die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 verwendet wird.
-
Beschreibung von Ausführungsformen
-
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden ein Halbleitermodul und eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die gleichen Komponenten werden durch die gleichen Symbole bezeichnet, und deren wiederholte Beschreibung kann weggelassen werden.
-
Ausführungsform 1
-
1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Halbleitermodul gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die einen zerlegten Zustand des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. 3 ist eine Draufsicht der leitfähigen Basisplatte des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. 4 ist eine Unteransicht der leitfähigen Basisplatte des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. 5 ist eine Draufsicht der wärmeableitenden Basisplatte des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. 6 ist eine Draufsicht des Kühlers des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. 7 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang einer Linie I-II von 1. 8 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang einer Linie III-IV von 1. Dieses Halbleitermodul ist ein Modul mit integriertem Kühler.
-
Die leitfähige Basisplatte 1 besteht aus AI oder Cu und hat eine Größe von etwa 80 mm × 80 mm und eine Dicke von etwa 2 mm bis 4 mm. Ein isolierendes Substrat 2 mit einem aus Al oder Cu bestehenden Leiterbild, das auf beiden Seiten geklebt ist, ist mit der oberen Oberfläche der leitfähigen Basisplatte 1 durch ein Verbindungsmaterial wie etwa ein Lot oder eine Hartlötstelle verbunden. Das isolierende Substrat 2 besteht aus AIN oder Si3N4 und weist eine Dicke von etwa 0,32 mm bis 1 mm auf. Um den thermischen Widerstand zu reduzieren, ist es wünschenswert, die Dicke des isolierenden Substrats 2 zu minimieren.
-
Eine leitfähige Struktur bzw. Leiterbilder 3a bis 3d sind auf der oberen Oberfläche des isolierenden Substrats 2 vorgesehen, und Halbleitervorrichtungen 4a bis 4f, 5a bis 5f sind durch ein Verbindungsmaterial mit dessen oberer Oberfläche verbunden. Die Halbleitervorrichtungen 4a bis 4c, 5a bis 5c sind hier auf dem Leiterbild 3a vorgesehen, die Halbleitervorrichtungen 4d und 5d sind auf dem Leiterbild 3b vorgesehen, die Halbleitervorrichtungen 4e und 5e sind auf dem Leiterbild 3c vorgesehen, und die Halbleitervorrichtungen 4f und 5f sind auf dem Leiterbild 3d vorgesehen. Die Halbleitervorrichtungen 4a bis 4f sind beispielsweise Schaltvorrichtungen wie etwa IGBTs oder Leistungs-MOSFETs, und die Halbleitervorrichtungen 5a bis 5f sind Freilaufdioden. Um die Halbleitervorrichtungen 4a bis 4f, 5a bis 5f zu schützen, ist es wünschenswert, die obere Oberfläche der leitfähigen Basisplatte 1 mit einem Gehäuse oder einem Formharz zu bedecken.
-
Um die Kühlleistung zu verbessern, ist eine Vielzahl von Rippen 6 auf der unteren Oberfläche der leitfähigen Basisplatte 1 vorgesehen. Die Vielzahl von Rippen 6 sind Stiftrippen, gerade Rippen oder konische Rippen. Eine wärmeableitende Basisplatte 7 ist an die Spitzen der Vielzahl von Rippen 6 hartgelötet.
-
Ein Kühler 8 ist so vorgesehen, dass er die Vielzahl von Rippen 6 und die wärmeableitende Basisplatte 7 umgibt. In der Unterseite des Kühlers 8 sind eine Einströmöffnung 9a und eine Ausströmöffnung 9b vorgesehen. Eine Trennwand 10 trennt den Raum, der von dem Kühler 8 und der wärmeableitenden Basisplatte 7 umgeben ist, in einen einströmseitigen Raum 11a, der mit der Einströmöffnung 9a verbunden ist, und einen ausströmseitigen Raum 11b, der mit der Ausströmöffnung 9b verbunden ist.
-
Ein erster Schlitz 12a, der sich in der Richtung von der Einströmseite zur Ausströmseite erstreckt, ist im zentralen Teilbereich der wärmeableitenden Basisplatte 7 vorgesehen. Zweite und dritte Schlitze 12b, 12c sind jeweils an beiden Seiten der wärmeableitenden Basisplatte 7 entlang der Richtung von der Einströmseite zur Ausströmseite vorgesehen. Die zweiten und dritten Schlitze 12b, 12c sind einströmseitige Schlitze, die mit dem einströmseitigen Raum 11a verbunden sind, und der erste Schlitz 12a ist ein ausströmseitiger Schlitz, der mit dem ausströmseitigen Raum 11b verbunden ist.
-
9 bis 13 sind Diagramme, die den Kühlwasserstrom im Halbleitermodul gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigen. 9 und 13 entsprechen der Draufsicht von 6, 10 entspricht der Querschnittsansicht von 7, und 11 und 12 entsprechen der Querschnittsansicht von 8. Die Pfeile in der Figur stellen den Kühlwasserstrom dar.
-
Zuerst füllt, wie in 9 gezeigt ist, das von der Einströmöffnung 9a strömende Kühlwasser den einströmseitigen Raum 11a. Als nächstes strömt, wie in 10 gezeigt ist, das Kühlwasser 7 durch die zweiten und dritten Schlitze 12b, 12c zur oberen Seite der wärmeableitenden Basisplatte 7. Zu dieser Zeit werden die Wasserströme durch die beiden Schlitze in wechselseitig entgegengesetzte Richtungen aufgeteilt. Als Nächstes kühlen, wie in 11 dargestellt ist, die Wasserströme die Vielzahl von Rippen 6 in der Reihenfolge von außen zur Mitte. Als Nächstes strömt, wie in 12 gezeigt ist, das Kühlwasser durch den zentralen ersten Schlitz 12a in den ausströmseitigen Raum 11 b. Danach wird, wie in 13 gezeigt ist, das Kühlwasser durch die Ausströmöffnung 9b abgeleitet.
-
Wie oben beschrieben wurde, wird in der vorliegenden Ausführungsform der Strom des Kühlwassers zu der Vielzahl von Rippen 6 durch den ersten Schlitz 12a und die zweiten und dritten Schlitze 12b, 12c geteilt. Das von der Einströmöffnung 9a strömende Kühlwasser wird durch die zweiten und dritten Schlitze 12b, 12c geteilt, um die Vielzahl von Rippen 6 von beiden Seiten zu kühlen. Daher ist es möglich, verglichen mit einer unidirektionalen Kühlung die Vielzahl von Halbleitervorrichtungen 4a bis 4f, 5a bis 5f gleichmäßig zu kühlen. Darüber hinaus kann die zulässige Wärmeerzeugung pro Einheitsvolumen des Moduls erhöht werden. Außerdem weist eine einfache Struktur nur eine Einströmöffnung 9a und eine Ausströmöffnung 9b auf, und die Verbindung mit einer Pumpe ist vereinfacht. Ferner können die Einströmöffnung und die Ausströmöffnung auf der Unterseite des Kühlers 8 angeordnet sein, und die Grundfläche kann reduziert werden.
-
Außerdem wird die Vorrichtung auf dem einströmseitigen Schlitz, in den Kühlwasser strömt, bevorzugt gekühlt. Daher sind die Halbleitervorrichtungen 4a bis 4f mit einem größeren Wärmewert bzw. kalorischen Wert als die Halbleitervorrichtungen 5a bis 5f näher zum einströmseitigen Schlitz als die Halbleitervorrichtungen 5a bis 5f angeordnet. Das heißt, die Halbleitervorrichtungen 4a bis 4f sind über den zweiten und dritten Schlitzen 12b, 12c auf der äußeren Seite der wärmeableitenden Basisplatte 7 angeordnet. Als Folge kann, da die Halbleitervorrichtungen 4a bis 4f mit einem großen kalorischen Wert bevorzugt gekühlt werden, das gesamte Modul effizient gekühlt werden, und der Temperaturanstieg kann unterdrückt werden.
-
14 bis 16 sind Draufsichten, um den Unterschied im Strömungsweg des Kühlwassers zu erklären. Wenn man das Kühlwasser, wie in 14 dargestellt ist, in einer Richtung von einem Ende zum anderen Ende strömen lässt, wird die Gruppe der Halbleitervorrichtungen 4a bis 4c mit einem großen kalorischen Wert bevorzugt und gleichmäßig gekühlt; aber die Gruppe der Halbleitervorrichtungen 4d bis 4f mit einem großen kalorischen Wert wird nicht bevorzugt gekühlt. Wenn man das Kühlwasser wie in 15 dargestellt strömen lässt, werden beide Vorrichtungsgruppen weder bevorzugt noch gleichmäßig gekühlt. In der vorliegenden Ausführungsform werden, wie in 16 dargestellt ist, da das Kühlwasser von beiden Enden zur Mitte strömt, beide Vorrichtungsgruppen bevorzugt und gleichmäßig gekühlt.
-
Der erste Schlitz 12a kann der einströmseitige Schlitz sein, und die zweiten und dritten Schlitze 12b, 12c können die ausströmseitigen Schlitze sein. In diesem Fall wird das von der Einströmöffnung 9a des Kühlers 8 einströmende Kühlwasser durch einen ersten Schlitz 12a in die Vielzahl von Rippen 6 eingeleitet und von der Vielzahl von Rippen 6 durch die zweiten und dritten Schlitze 12b, 12c zum Kühler 8 abgeführt. Daher können, indem die Halbleitervorrichtungen 4a bis 4f mit einem großen kalorischen Wert über dem ersten Schlitz 12 bei der Mitte der wärmeableitenden Basisplatte 7 angeordnet werden, die Halbleitervorrichtungen 4a bis 4f bevozugt gekühlt werden.
-
Ausführungsform 2
-
17 ist eine Unteransicht der leitfähigen Basisplatte des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung. Von der Vielzahl von Rippen 6 weisen die einströmseitigen Rippen eine höhere Rippendichte als die ausströmseitigen Rippen auf. Daher macht diese Form es für das Kühlwasser schwieriger, durch die Rippen auf der Einströmseite, wo der Wasserstrom stark ist, zu gelangen als durch die Rippen auf der Ausströmseite, wo der Wasserstrom schwach ist. Als Folge ist es möglich, zu verhindern, dass sich das Kühlwasser auf den einströmseitigen Rippen konzentriert, die Einströmung zu den ausströmseitigen Rippen zu erhöhen und eine gleichmäßige Menge an Kühlwasser, die durch alle Rippen gelangt, sicherzustellen, wodurch eine gleichmäßige Kühlung ermöglicht wird.
-
Ausführungsform 3
-
18 ist eine Unteransicht der leitfähigen Basisplatte des Halbleitermoduls gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung. Die Form der Vielzahl von Rippen 6 ist ein radialer elliptischer Bogen mit einer Mitte auf der Einströmseite. Da diese Form es für das Kühlwasser ebenfalls schwieriger macht, durch die einströmseitigen Rippen zu gelangen als durch die ausströmseitigen Rippen, kann in diesem Fall der gleiche Effekt wie in Ausführungsform 2 erhalten werden.
-
Ausführungsform 4
-
19 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Halbleitermodul gemäß Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung zeigt. 20 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang einer Linie I-II von 19. 21 ist eine Querschnittsansicht, genommen entlang einer Linie III-IV von 19. Hier ist oberhalb der Einströmöffnung 9a und der Ausströmöffnung 9b eine Blow-by-Struktur (engl. blow-by structure) 13 vorgesehen, die die Vielzahl von Rippen 6 und die wärmeableitende Basisplatte 7 nicht aufweist. Das Raumvolumen um die Einströmöffnung 9a und die Ausströmöffnung 9b wird durch die Blow-by-Struktur 13 so vergrößert, dass es ein Teilbereich eines Wasserreservoirs wird, so dass der Druckverlust im Modul reduziert werden kann.
-
In den Ausführungsformen 1 bis 4 sind die Halbleitervorrichtungen 4a bis 4f, 5a bis 5f nicht auf aus Silizium gebildete Halbleitervorrichtungen beschränkt, sondern können stattdessen aus einem Halbleiter mit breiter Bandlücke geschaffen sein, der eine breitere Bandlücke als diejenige von Silizium aufweist. Der Halbleiter mit breiter Bandlücke ist zum Beispiel ein Siliziumcarbid, ein Material auf Galliumnitrid-Basis oder Diamant. Eine Halbleitervorrichtung, die aus solch einem Halbleiter mit breiter Bandlücke geschaffen ist, weist eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe zulässige Stromdichte auf und kann somit miniaturisiert werden. Die Verwendung solch einer miniaturisierten Halbleitervorrichtung ermöglicht die Miniaturisierung und hohe Integration des Halbleitermoduls, in welchem die Halbleitervorrichtung integriert ist. Da die Halbleitervorrichtung eine hohe Wärmebeständigkeit aufweist, kann ferner eine Abstrahlrippe eines Kühlkörpers miniaturisiert werden, und ein wassergekühlter Teil kann luftgekühlt werden, was zu einer weiteren Miniaturisierung des Halbleitermoduls führt. Da die Halbleitervorrichtung einen geringen Leistungsverlust und eine hohe Effizienz aufweist, kann ferner ein hocheffizientes Halbleitermodul erreicht werden.
-
Ausführungsform 5
-
In dieser Ausführungsform werden die Halbleitermodule gemäß den Ausführungsformen 1 bis 4, die oben beschrieben wurden, für auf eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung verwendet. Beispielsweise ist die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung eine Invertervorrichtung, eine Wandlervorrichtung, ein Servoverstärker oder ein Netzteil bzw. eine Stromversorgungseinheit. Obgleich die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung beschränkt ist, wird im Folgenden ein Fall beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung auf einen Dreiphasen-Inverter angewendet wird.
-
22 ist ein Blockdiagramm, das eine Konfiguration eines elektrischen Leistungsumwandlungssystems veranschaulicht, für das die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß Ausführungsform 5 verwendet wird. Dieses elektrische Leistungsumwandlungssystem umfasst eine Stromversorgung 100, eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 und eine Last 300. Die Stromversorgung 100 ist eine DC-Stromversorgung und stellt der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 DC-Leistung bereit. Die Stromversorgung 100 kann aus verschiedenen Komponenten bestehen. Beispielsweise kann die Stromversorgung 100 aus einem DC-System, einer Solarzelle oder einer Speicherbatterie bestehen oder kann aus einem Gleichrichter oder einem AC/DC-Wandler bestehen, der mit einem AC-System verbunden ist. Alternativ dazu kann die Stromversorgung 100 aus einem DC/DC-Wandler bestehen, der von einem DC-System abgegebene DC-Leistung in eine vorbestimmte Leistung umwandelt.
-
Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 ist ein Dreiphasen-Inverter, der mit einem Knoten zwischen der Stromversorgung 100 und der Last 300 verbunden ist, von der Stromversorgung 100 bereitgestellte DC-Leistung in AC-Leistung umwandelt und die AC-Leistung der Last 300 bereitstellt. Die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 enthält eine Hauptumwandlungsschaltung 201, die DC-Leistung in AC-Leistung umwandelt und die AC-Leistung abgibt, und eine Steuerschaltung 203, die ein Steuersignal zum Steuern der Hauptumwandlungsschaltung 201 an die Hauptumwandlungsschaltung 201 abgibt.
-
Die Last 300 ist ein Dreiphasen-Elektromotor, der durch von der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 bereitgestellte AC-Leistung angetrieben wird. Die Last 300 ist nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt. Die Last wird als ein an verschiedenen elektrischen Vorrichtungen montierter Elektromotor genutzt, wie etwa ein Elektromotor für beispielsweise ein Hybridfahrzeug, ein Elektrofahrzeug, ein Schienenfahrzeug, einen Lift oder eine Klimaanlage.
-
Im Folgenden wird die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung 200 im Detail beschrieben. Die Hauptumwandlungsschaltung 201 enthält eine Schaltvorrichtung und eine (nicht veranschaulichte) Reflux-Diode. Wenn die Schaltvorrichtung geschaltet wird, wandelt die Hauptumwandlungsschaltung 201 von der Stromversorgung 100 bereitgestellte DC-Leistung in AC-Leistung um und stellt der Last 300 die AC-Leistung bereit. Die Hauptumwandlungsschaltung 201 kann verschiedene Typen spezifischer Schaltungskonfigurationen aufweisen. Die Hauptumwandlungsschaltung 201 gemäß dieser Ausführungsform ist eine Dreiphasen-Vollbrückenschaltung mit zwei Niveaus, die aus sechs Schaltvorrichtungen und sechs Reflux-Dioden, die mit den jeweiligen Schaltvorrichtungen antiparallel verbunden sind, bestehen kann. Jede Schaltvorrichtung und jede Reflux-Diode der Hauptumwandlungsschaltung 201 bestehen aus einer einer der oben beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 4 entsprechenden Halbleitervorrichtung 202. Je zwei Schaltvorrichtungen der sechs Schaltvorrichtungen sind in Reihe geschaltet und bilden einen vertikalen Arm. Jeder vertikale Arm bildet je eine Phase (U-Phase, V-Phase, W-Phase) der Vollbrückenschaltung. Ausgangsanschlüsse jedes vertikalen Arms, d.h. drei Ausgangsanschlüsse der Hauptumwandlungsschaltung 201, sind mit der Last 300 verbunden.
-
Ferner enthält die Hauptumwandlungsschaltung 201 eine (nicht veranschaulichte) Ansteuerschaltung, die jede Schaltvorrichtung ansteuert. Die Ansteuerschaltung kann in der Halbleitervorrichtung 202 integriert sein. Eine weitere, von der Halbleitervorrichtung 202 verschiedene Ansteuerschaltung kann vorgesehen sein. Die Ansteuerschaltung erzeugt ein Ansteuersignal zum Ansteuern jeder Schaltvorrichtung der Hauptumwandlungsschaltung 201 und stellt das erzeugte Ansteuersignal einer Steuerelektrode jeder Schaltvorrichtung der Hauptumwandlungsschaltung 201 bereit. Konkret gibt die Ansteuerschaltung an die Steuerelektrode jeder Schaltvorrichtung ein Ansteuersignal zum Einschalten jeder Schaltvorrichtung und ein Ansteuersignal zum Ausschalten jeder Schaltvorrichtung gemäß dem Steuersignal ab, das von der Steuerschaltung 203 abgegeben wird, die später beschrieben wird. Wenn der Durchlass- bzw. EIN-Zustand jeder Schaltvorrichtung gehalten wird, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal (EIN-Signal) mit einer Spannung, die gleich der Schwellenspannung der Schaltvorrichtung oder höher als diese ist. Wenn der Sperr- bzw. AUS-Zustand jeder Schaltvorrichtung gehalten wird, ist das Ansteuersignal ein Spannungssignal (AUS-Signal) mit einer Spannung, die gleich der Schwellenspannung der Schaltvorrichtung oder niedriger ist.
-
Die Steuerschaltung 203 steuert jede Schaltvorrichtung der Hauptumwandlungsschaltung 201, um der Last 300 eine gewünschte Leistung bereitzustellen. Konkret berechnet die Steuerschaltung 203 eine Periode (EIN-Periode), in der jede Schaltvorrichtung der Hauptumwandlungsschaltung 201 in dem EIN-Zustand ist, basierend auf der der Last 300 bereitzustellenden Leistung. Beispielsweise kann die Hauptumwandlungsschaltung 201 durch eine PWM-Steuerung gesteuert werden, um die EIN-Periode jeder Schaltvorrichtung in Abhängigkeit von der abzugebenden Spannung zu modulieren. Weiter gibt die Steuerschaltung 203 an die in der Hauptumwandlungsschaltung 201 enthaltene Ansteuerschaltung einen Steuerbefehl (Steuersignal) aus, so dass zu jedem Zeitpunkt das EIN-Signal an jede einzuschaltende Schaltvorrichtung abgegeben wird und ein AUS-Signal an jede auszuschaltende Schaltvorrichtung abgegeben wird. Die Ansteuerschaltung gibt gemäß dem Steuersignal das EIN-Signal oder AUS-Signal als das Ansteuersignal an die Steuerelektrode jeder Schaltvorrichtung ab.
-
In der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform werden die Halbleitermodule gemäß den Ausführungsformen 1 bis 4 als die Schaltvorrichtungen und die Freilaufdioden der Hauptumwandlungsschaltung 201 verwendet. Daher kann eine Miniaturisierung realisiert werden.
-
Obgleich diese Ausführungsform ein Beispiel veranschaulicht, in welchem die vorliegende Erfindung auf einen Dreiphasen-Inverter mit zwei Niveaus angewendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen beschränkt und kann für verschiedene Leistungsumwandlungsvorrichtungen verwendet werden. Während diese Ausführungsform eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung mit zwei Niveaus veranschaulicht, kann die vorliegende Erfindung auch auf eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung mit drei Niveaus oder mehr Niveaus angewendet werden. Wenn einer einphasigen Last Leistung bereitgestellt wird, kann die vorliegende Erfindung für einen einphasigen Inverter verwendet werden. Die vorliegende Erfindung kann auch auf einen DC/DC-Wandler oder einen AC/DC-Wandler angewendet werden, wenn einer DC-Last oder dergleichen Leistung bereitgestellt wird.
-
In der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung, für die die vorliegende Erfindung verwendet wird, ist ferner die oben erwähnte Last nicht auf einen Elektromotor beschränkt. Beispielsweise kann die Last auch als eine Stromversorgungsvorrichtung für eine Elektroerosionsmaschine, eine Laserstrahlmaschine, eine Kocheinrichtung mit Induktionsheizung oder ein System zur kontaktlosen Einspeisung von Leistung einer Vorrichtung genutzt werden. Weiter kann alternativ dazu die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung als Leistungskonditionierer für ein photovoltaische Leistung erzeugendes System, ein Elektrizitätsspeichersystem oder dergleichen verwendet werden.
-
Bezugszeichenliste
-
1 leitfähige Basisplatte; 2 isolierendes Substrat; 3a bis 3d leitfähige Struktur bzw. Leiterbild; 4a bis 4f, 5a bis 5f Halbleitervorrichtung; 6 Rippe; 7 wärmeableitende Basisplatte; 8 Kühler; 9a Einströmöffnung; 9b Ausströmöffnung; 10 Trennwand; 11a einströmseitiger Raum; 11b ausströmseitiger Raum; 12a erster Schlitz; 12b zweiter Schlitz; 12c dritter Schlitz; 13 Blow-by-Struktur; 201 Hauptumwandlungsschaltung; 203 Steuerschaltung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 20166826 [0005]
- JP S6471156 [0005]
- JP 201482311 [0005]
