JP2004128099A - Water cooling inverter - Google Patents

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JP2004128099A
JP2004128099A JP2002288189A JP2002288189A JP2004128099A JP 2004128099 A JP2004128099 A JP 2004128099A JP 2002288189 A JP2002288189 A JP 2002288189A JP 2002288189 A JP2002288189 A JP 2002288189A JP 2004128099 A JP2004128099 A JP 2004128099A
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JP2002288189A
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Akihiro Tanba
丹波 昭浩
Takayoshi Nakamura
中村 卓義
Ryuichi Saito
斉藤 隆一
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Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927Liquid coolant without phase change

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

【課題】本発明の目的は、直接水冷であり、冷却水漏水時に高電圧部が被水する可能性をより低減することが出来るインバータ装置を提供することである。
【解決手段】冷却水の給排水管、給排水管に接続される水路カバー,インバータの周囲を覆う筐体,金属板に絶縁樹脂層を介して金属箔パタンを固着させたメタルコアプリント回路基板,パワー半導体チップが封止され、パワー半導体の反対面にパワー半導体の一電極が露出したパッケージを有する水冷インバータにおいて、パワー回路は、メタルコアプリント回路基板の金属箔パタンに、パワー半導体パッケージの裏面電極をはんだ接着した構造であり、筐体底面はメタルコアプリント回路基板で覆われ、実装メタルコアプリント回路基板の反対面は、水路カバーで覆われており、冷却水を直接メタルコアプリント回路基板裏面にあてる構造。
【選択図】 図1
An object of the present invention is to provide an inverter device that is directly water-cooled and that can further reduce the possibility that a high-voltage portion is exposed to water when a cooling water leaks.
A water supply / drain pipe for cooling water, a water channel cover connected to the water supply / drain pipe, a housing covering the periphery of the inverter, a metal core printed circuit board in which a metal foil pattern is fixed to a metal plate via an insulating resin layer, and a power semiconductor In a water-cooled inverter with a package in which the chip is sealed and one electrode of the power semiconductor is exposed on the opposite side of the power semiconductor, the power circuit solders the back electrode of the power semiconductor package to the metal foil pattern of the metal core printed circuit board The bottom surface of the housing is covered with a metal core printed circuit board, and the opposite surface of the mounted metal core printed circuit board is covered with a water channel cover, and cooling water is directly applied to the back of the metal core printed circuit board.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水冷インバータに関する。特に、nsulated ate ipolar ransistor(IGBT)等の高発熱パワー半導体素子を有し、パワー半導体素子の冷却を水冷とする水冷インバータに関する。
【0002】
【従来の技術】
特許文献1には、半導体チップの冷却に関し、流路ケーシングの冷媒室に突起を形成して、突起の後流に流れの乱れを生じ、モジュール基板と冷媒との間の熱交換を促進すること、及び、乱れの生じる位置とIGBT素子の位置が同じになるように、突起の設置位置をIGBT素子よりも流れの前方側にくるようにすることが記載されている。
【0003】
特許文献2には、インバータ装置におけるインバータ主回路をヒートシンク表面に接合して取付け、ヒートシンクの裏側に形成した冷却水路で水冷すること及び、ヒートシンクの背面に冷却水路を形成し、その内側の熱交換面には、熱交(放熱)換効率を高めるために、凹凸するフィンを形成することが記載されている。
【0004】
【特許文献1】
特開平10−22428号公報
【特許文献2】
特開平11−346480号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の水冷構造は、システム構成、及び、信頼性の面で以下の問題がある。
【0006】
IGBTチップジャンクション温度上昇を低減し、インバータの信頼性,寿命を向上するためには、IGBTチップジャンクションから冷却水への熱抵抗,
Rth(j−w)を低減しなければならない。この手段として、直接水冷は、間接水冷に比べて極めて有効な手法である。しかしながら、直接水冷構造には以下の課題があることを見出した。即ち、間接水冷の場合、冷却水のシールが破れても冷却水は水路カバーの周囲から外へ流れ出ることで、インバータケース中に浸入することはない。しかしながら、直接水冷の場合、防水用のOリング等の異常により、冷却水がインバータケース中へ浸入する可能性がある。インバータケース内への浸水はインバータの寿命を短くする惧れがある。
【0007】
本発明の目的は、直接水冷であり、冷却水漏水時に高電圧部が被水する可能性をより低減することが出来るインバータ装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明を説明する。図1は本発明の基本構成を示す断面構造摸式図である。直接水冷においても、図2に示す間接水冷構造のように、万が一、冷却水シールが破れても、インバータケース外に漏水が流れ出る構造にすれば良い。図1は、このことを達成した構造である。
【0009】
Al板に絶縁樹脂層を介して回路パタンとなる銅箔パタンを圧着した、いわゆるメタルコアプリント回路基板125に、主電流駆動素子であるIGBT,FWDを封止したFWD内蔵IGBTパッケージ(以下、PKGと呼ぶ)100を複数面実装している。本PKG(パッケージ)面実装基板が、インバータを構成するパワー回路となる。この基板125でインバータケース110底面全体を覆い、筐体の底板としている。さらに、メタルコアプリント回路基板125裏面を、水路カバー109で覆い、PKG100,冷却用水路101,フィルタコンデンサ126冷却用水路102を形成している。
【0010】
以上により、Oリング103のシールが破れて冷却水が漏れた場合でも、冷却水は外部に流れるのみで、インバータ筐体中に浸入しない。また、PKG100は、ベース板であるメタルコアプリント回路基板125が直接冷却されるので、高い冷却性能を達成することができる。また、メタルコアプリント回路基板125にPKG100を面実装する構造とすることにより、大面積のパワーモジュールを構成する際に問題となる、歩留り低下の問題も解決することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
今回、発明者らは、パワー半導体から構成された回路のベース板に直接冷却水を当てて水冷する構造(直冷構造)を採用したインバータおいて、漏水しても回路部品が被水しない構造と水冷インバータについて、種々検討した。
【0012】
ハイブリッド電気自動車用モータ等、大出力モータを制御するインバータは、水冷が多い。従来の水冷インバータ構造の摸式図を図2,図3に示す。IGBTモジュール205,300の冷却に関する部分のみを表している。図2は、Alダイカストインバータケース203の外側の一部に、フィン202を形成し、水路カバー204とで冷却水である不凍液が循環する水路207を形成した例である(間接水冷)。IGBTモジュール205は、インバータケース203中、水路207上に熱伝導グリース201で固着される。従って、IGBTモジュール205の熱は、金属ベース206,熱伝導グリース201,インバータケース203,フィン202を通して冷却水へ放熱される。水冷とする最大のメリットは、空冷と比べて大幅に高熱伝達を実現できることである。しかしながら、本構造の場合、フィン202は熱伝導率の低いアルミダイカスト材で形成されているためフィン効率は低い、金属部材と比べて熱伝導率の極めて低い熱伝導グリース201が介在する、等のため、IGBTチップジャンクションから冷却水までの熱抵抗は顕著に低減できない欠点がある。
【0013】
一方、図3に示す例は、本欠点を改善したものである。フィン304をIGBTモジュール300の金属ベース305に形成し、Alダイカストインバータケース301の開口部307よりケース301の外へ出し、直接冷却水を当てている(直接水冷)。すなわち、本実施例において、水路306は、IGBTモジュール300の金属ベース305と水路カバー308とで構成される。本構造で、図2の熱伝導グリース201は削除でき、かつ、フィン304は熱伝導率の高い銅等の金属で形成されるため、フィン効率は高く、大幅な低熱抵抗化が図れる。
【0014】
IGBTチップジャンクション温度上昇を低減し、インバータの信頼性,寿命を向上するためには、IGBTチップジャンクションから冷却水への熱抵抗,Rth(j−w)を低減しなければならない。この手段として、図3に示す直接水冷は、図2に示す間接水冷に比べて、前述の通り極めて有効な手法である。しかしながら、図3に示した直接水冷構造には課題があることが発明者らの検討で明らかになった。
【0015】
以下、実施例を、図面を使用して詳細に説明する。
【0016】
(実施例1)
図1,図4,図5,図6,図7及び図8を使用して第一の実施例について説明する。50kWクラスの水冷3相インバータの実施例である。いずれの図も、冷却水給排水管,インバータを制御するための制御端子,P,N,U,V,W端子等は省略している。図1は断面構造摸式図、図4〜図7は各組立過程の平面内観摸式図、図8は3相インバータ一相(U相)分の主回路の寄生インダクタンスモデル図である。
【0017】
まず、図1で構造概略を説明する。エポキシ樹脂でトランスファモールドされた、大きさ16mm×21mm,厚さ5mmのPKG100を1アーム当たり6PKG、メタルコアプリント回路基板125上の銅パタンに共晶はんだで面実装している。共晶はんだ厚さは約0.1mm である。PKGはIGBT,FWDを各1チップ内蔵した、いわゆる1 in 1PKGであり、6PKGが並列接続されている。PKG100の定格は600V/60Aであり、結果として、パワー回路全体の定格は600V/400A程度となる。メタルコアプリント回路基板125の厚さは2mmで、大きさは25cm×20cm(概略A4サイズ)である。銅箔パタンの厚さは70μmであり、表面一層のみのパタンである。メタルコアプリント回路基板125上には、さらに、主端子105,制御端子106が面実装されている。主端子の材質はタフピッチ銅、厚さは1.5mm である。主端子105には、
M5ボルト120でPバスバー121,Nバスバー123,U,V,W出力配線124が接続されている。各バスバーの材質はタフピッチ銅、厚さは1.5mm である。Pバスバー121,Nバスバー123は厚さ1mmの絶縁シート122で絶縁されると同時に近接配置されるため、低インダクタンス構造となっている。Pバスバー121,Nバスバー123間にはフィルタコンデンサ126が同じくM5ボルト120で取付けられる。フィルタコンデンサは電解コンデンサであり、直径3cm,高さ2cm,容量1000μFである。フィルタコンデンサ126は4個並列接続されている。制御端子106には、制御電源用トランス128,ゲートドライバー129,電解コンデンサ119,各種のチップ抵抗チップコンデンサ115,マイコン基板116とのインタフェース端子107等が搭載されたゲートドライブ・電源基板114が接続されている。前記U,V,W出力配線124は、本ゲートドライブ・電源基板114上に配置されている。インバータカバー113には、マイコン基板116が取付けボルト(M3)127で取付けられ、インタフェースケーブル108で接続される。マイコン基板116には、マイコン117,制御IC118,電解コンデンサ119,各種のチップ抵抗チップコンデンサ115等が面実装されている。マイコン基板116をインバータカバー113に取付けるメリットは、マイコン117等の熱をインバータカバー113に逃がして、温度上昇を抑えることである。インバータカバー113はM5ボルト112で取付けられている。
【0018】
メタルコアプリント回路基板125裏面はAlダイカスト製水路カバー109で覆われ、パワー回路(PKG100)冷却用水路101,フィルタコンデンサ冷却用水路102が形成される。水路101と水路102はシリーズに接続されている。水路101は、深さ2mm,幅12cm、水路102の深さは17mm,幅3.5cm である。水路カバー109はOリング103を使用して、M6ボルト111で取付けられ、冷却水はシールされる。Oリング103は1.9mmφ である。この際、インバータケース110,メタルコアプリント回路基板125,水路カバー109は、同じ取付け穴を使用して、とも締めされる。Oリング103のシールが破られた場合、漏水は前述のようにインバータケース110外へ流れ出る。しかし、ボルト穴のすきま130からケース110へしみ込む可能性は残っている。これを削除するため、本構造において、シールワッシャ104を使用している。以上の構成でインバータの高さは6cm、大きさはメタルコアプリント回路基板125と同じ大きさの25cm×20cmである。
【0019】
次に、図4〜図7を使用して、平面構造を説明する。図4は、メタルコアプリント回路基板125にPKG100,主端子105,制御端子106を面実装し、フィルタコンデンサ126を固着した後の内観摸式図である。PKG100の裏面は厚さ1.5mm の銅板であり、この銅板はコレクタ電極と放熱板を兼ねている。PKG100の端子403,404は各々エミッタ,ゲート端子である。この端子403,404は、各々メタルコアプリント回路基板125のゲートパタン406,エミッタパタンであるNパタン402及びU,V,Wパタン408にはんだ接着されている。なお、PKG100にはゲート抵抗が内蔵されており、並列接続固有の共振を防止している。また、銅箔パタン405はコレクタパタンであり、PKG100は本パタンに面実装される。U,V相のエミッタパタン、V,W相のコレクタパタンは共通化され、パワー回路の面積増大を防止している。フィルタコンデンサ126は、メタルコアプリント回路基板125の絶縁樹脂層に押し付ける構造となっており、放熱を考慮している。また、主端子105は、端子の樹脂層に突起を設け、メタルコアプリント回路基板125に突起用の窪みを設けはめ込むことにより、M5ボルトの締め付けトルクに耐えられる構造としている。この主端子105は、組立性の低下をもたらさなければ、削除して、P,N,U,V,Wバスバーを直接メタルコアプリント回路基板上銅パタンにはんだ接着することも可能である。また、アーム毎にサーミスタ407を面実装して温度検出することにより、加熱保護を行えるようにしている。さらに、各アームのコレクタパタン405には制御端子106を面実装し、コレクタ電圧を検出することにより、短絡保護等の保護を行えるようにしている。
【0020】
図5は、Pバスバー121を主端子105,フィルタコンデンサ126にボルト120で取付けた後の内観摸式図である。フィルタコンデンサ126のN端子周囲には絶縁距離確保用に20mmφの穴を設けている。図6は絶縁シート122,Nバスバー123を実装した後の摸式図である。図7はゲートドライブ114,U,V,W出力配線124を実装した後の摸式図である。ゲートドライブ・電源基板114は制御端子106にスルーホールはんだ接着されている。また、U,V,W出力配線124は、M5ボルト120で取付けられる。以上の構造に、インタフェースケーブル108で、カバー113に取付けられたマイコン基板116を接続して、水路カバー109以外の取付けは完了する。
【0021】
本構造の特徴は、上述の通り、直冷構造において、漏水による回路部品の被水を防止することである。しかしながら、性能的にも以下の特徴がある。まず熱的には以下の特徴がある。1アームは6並列で構成されている。従って、従来のように、1チップの電流容量が大きく2並列接続等と比べて、大幅に熱源は分散される。並列数を多くして実装面積を増大することは、この理由で、熱抵抗低減のためには有利である。しかしながら、グリースを使用した放熱構造では、基板面積増大により、反りが顕著になり、接触熱抵抗が増大してしまう。そのため、実現に至っていなかった。本構造の場合、直接冷却の為、この問題を削除できる。そのため、本構造のような多数の並列接続が実現できたのである。
【0022】
本構造の水路に、流量20L/min.の冷却水(エチレングリコール 50vol%)を通流して、冷却水からIGBTチップジャンクションまでの熱抵抗,Rth(j−w)を測定した。結果、Rth(j−w)=0.14K/Wとなり、十分小さくすることができた。また、従来このような大容量モジュールにメタルコアプリント回路基板125を適用することは、不可能と考えられてきた。銅パタンの厚さが70μm程度と薄い為、電流容量的に不可と考えられてきたからである。しかしながら、本構造のように、メタルコアプリント回路基板125上の銅パタン長さを最小限にするようにレイアウト的に工夫することにより実現できた。例えば、本構造において、PKG100が実装されていないため、銅パタンのみの抵抗が問題となる部分の最大長さは約4cmであり、幅は2cmである。この部分に3個のPKG100から電流が各々60A流れ込んだとすると、銅パタンの発熱量は10W程度である。この程度の発熱量であれば、熱的には全く問題ない。さらには、エレクトロマイグレーション的にも全く問題無い電流密度である。
【0023】
次に電気的性能の特徴を、図8を使用して説明する。並列接続数を多くした場合の問題は、電流分担のアンバランスにより、電流集中を起こすことである。これは、主として寄生インダクタンスの差によって起こる。図8にU相の寄生インダクタンスモデルを示す。Pバスバーインダクタンス800,N端子インダクタンス810,コレクタ銅パタンインダクタンス801,PKG100内インダクタンス802,803,804,805,エミッタ端子403インダクタンス806,U配線銅パタンインダクタンス807,U端子インダクタンス808,エミッタ銅パタンインダクタンス809から構成されている。以上の寄生インダクタンスの中で、電流アンバランスの原因となるのは、寄生インダクタンス801,807,809である。インダクタンスを算出すると、いずれも6nH程度である。従って、各配線パタン801,807,809において、PKG100間で寄生インダクタンスの差は最大でも4nHとなる。この程度の差であれば、スイッチング時の電流アンバランスへの影響は無視できる。6並列と並列数を多くしているにもかかわらず、このように小さいンバランスですんだのは、レイアウトの対照性に考慮したためと、渦電流効果によりインダクタンスが低減されるためである。
【0024】
排水管を封止し、水路に高い水圧を加えることにより、耐漏水性能を検証した。結果、300kPa程度まで漏水しないことを確認できた。例えば、電気自動車への適用を考慮すると、電動ポンプの最大吐出圧力は50kPa程度であり、十分な耐漏水製を確認できた。
【0025】
(実施例2)
図9を使用して第二の実施例について説明する。前記実施例1は、冷却水のシールをOリングで実施した場合であった。しかしながら、万が一シールが破れた場合、ボルト穴より、冷却水がケース中にしみ込む可能性があり、防止策として、シールワッシャ104が必要であった。従って、より理想的には、組立性の向上等のために、シールワッシャ等の手段はとらないことが望まれる。本実施例はこのことに対処した実施例である。
【0026】
より確実なシールとするために、メタルコアプリント回路基板904とAlダイカストインバータケース901を、溶接箇所903で溶接している。溶接法としては、摩擦攪拌による塑性流動を利用した溶接が望まれる。温度の上昇を可能な限り抑制する為である。なお、メタルコアプリント回路基板904の樹脂絶縁層は、溶接箇所903の内側2cm程度の領域は可能な限り削除している。温度上昇による樹脂の劣化を防ぐ為である。本構造で、万が一Oリングのシールが破れても、漏水はケース901中に侵入することは有り得ない構造とすることができた。インバータ形状,容量,熱的・電気的な性能等は実施例1と同じである。
【0027】
(実施例3)
第三の実施例を図12の断面構造摸式図で説明する。従来の水冷インバータ構造、及び上記実施例1,2の構造は、いずれもパワー回路をインバータ底面に配置して水冷する構造であった。従来、IGBTモジュールはシリコーンゲル等の軟質レジンで封止されていた。従って、モジュールをさかさまに実装することは、重力によって封止樹脂が変形する等の懸念があり、あえて行われてこなかった。しかしながら、本発明のように、硬質樹脂であるエポキシ樹脂で封止された
PKGによりパワー回路を構成する場合、パワー回路はインバータ底面に配置する必然性はない。そこで、パワー回路をインバータ上面に配置した場合の実施例である。実施例1の場合と同じ基板125をAlダイカストケース1202の上面にOリング103,シールワッシャ104を使用してM6ボルト111で取付けている。本構造に伴い、フィルタコンデンサ126は冷却水路上に配置せず、底蓋1203上に配置している。この変更により、P,Nバスバー1204,
1206の形状は平板にでき、インダクタンスを低減することができた。また、水路カバー1201は実施例1の場合から、フィルタコンデンサ126用水路を削除し、よりシンプルな構造とした。PKG100冷却用水路101の形状は全く同じである。本構造の利点は、上記P,Nバスバー1204,1206の低インダクタンス化と、マイコン119温度の低減である。マイコン基板116をパワー回路の下方に配置した為、パワー回路の発熱は下方へは伝わりにくい為である。
【0028】
(実施例4)
第四の実施例を図13の断面構造摸式図を使用して説明する。これまでの実施例において、パワー回路であるPKG100を冷却する水路の形状は幅12cm,深さ2mmであった。この水路に20L/min.の冷却水を流した場合、平均流速は1.4m/s である。冷却性能を向上させる場合、冷却水の流速を増大させることが知られている。しかしながら、冷却水の流速を増大させる為に、流量を増大させることは、冷却水を循環させるポンプの体格を増大させることになり、電気自動車等、インバータの設置スペースに厳しい制約がある場合、好ましくない。そこで、本実施例では、流速を増大させる為、流路の幅を狭くした。すなわち、上記実施例ではひとつの流路であったが、主端子領域にスペーサ1303を設け、往復2流路1302とした。流路1302は幅5cm,深さ2mmである。よって、本実施例において、20L/min.の冷却水を流した場合、平均流速は3.4m/sである。実施例と同じ、エチレングリコール50 vol%溶液,温度60℃の冷媒20L/min.通流し、Rth(j−w)を測定すると、0.1K/W と、実施例1に比べ、約0.7 倍となった。
【0029】
以下、二つの実施例は、パワー回路である、PKG100,主端子105,制御端子106の配置を変えた場合の実施例である。図10,図11とも、PKG100,主端子105,制御端子106を面実装したメタルコアプリント基板の平面摸式図を示している。
【0030】
(実施例5)
図10を使用して第五の実施例について説明する。図10において、制御端子106は、ゲート、及び、制御エミッタ端子のみを記載しており、その他の制御端子、及び、サーミスタは省略している。本実施例は、実施例1よりも、さらに低インダクタンスに配慮した実施例である。実施例1において、コレクタ端子105はPKG100と同列の並びに存在していた。本実施例では、コレクタ端子105はPKG100の並びから外し、コレクタパタン銅箔1003の長さを低減すると同時に、幅を4cmと増大している。この結果、図8の銅箔パタンインダクタンス801は、電流の流れかたが変化する効果も含めて、4nHと実施例1より低減することができた。従って、さらに電流アンバランスに対する耐量は向上できる。欠点は、実施例1と比べて、インバータの大きさが増大することである。長手方向は3cm増大し、28cmとなった。
【0031】
(実施例6)
図11を使用して第六の実施例について説明する。実施例5と同じく、サーミスタ,ゲート,制御エミッタ以外の制御端子は省略している。実施例1,5において、主端子は、PKG100レイアウトの対照性、及び、メタルコアプリント基板上の銅箔パタンの抵抗を考慮して、各3個のPKGの中央に配置している。このため、ゲートドライブ・電源基板の大きさは、インバータサイズの半分以下にしなければならない。そこで、本実施例では、上記利点を犠牲にして、P,N,U,V,W端子をPKG100群の両端に配置した。本構造で、ゲートドライブ・電源基板面積は上記実施例の倍にできた。この結果、上記実施例では別基板にしていたマイコン基板を、ゲートドライブ・電源基板と同一基板にできた。
【0032】
以上述べた実施例によれば、Al板表面に絶縁樹脂層を介して銅箔を圧着し、回路パタンを形成するメタルコアプリント回路基板に、IGBT,FWDを封止したPKGを面実装し、インバータのパワー回路を形成する。インバータケース底面全体を、このメタルコアプリント回路基板で封止する。さらに、メタルコアプリント回路基板裏面に、水路カバーをOリング等のシール手段で取付け、メタルコアプリント回路基板裏面を直接水冷する水路を形成する。本構造で、Oリングのシールが破れても、冷却水はインバータケース中に浸入する可能性をより低くすることが出来る。
【0033】
また、以上述べた各実施例によれば、パワー回路を構成するPKGが面実装されたメタルコアプリント回路基板でインバータケース底面全体を封止し、本メタルコアプリント回路基板裏面に直接冷却水を当ててパワー回路を冷却する。これにより、冷却水シールが破れても、漏水はインバータケース中に浸入する可能性をより低くすることが出来る。そのため、回路部品の被水を防止する効果がある。また、インバータを構成するパワー回路を、1アーム当たり複数のPKGで構成することは、熱源の分散により直接水冷をより有効にして低熱抵抗化できる。また、大面積化に伴う歩留り低下を防止することができる。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、直接水冷であり、冷却水漏水時に高電圧部が被水する可能性をより低減することが出来るインバータ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】基本構造を示す断面構造摸式図。
【図2】構造摸式図(間接水冷)。
【図3】構造摸式図(直接水冷)。
【図4】平面摸式図(制御基板、バスバー搭載前)。
【図5】平面摸式図(Pバスバー搭載後)。
【図6】平面摸式図(Nバスバー搭載後)。
【図7】平面摸式図(ゲートドライブ・電源基板、U,V,W配線搭載後)。
【図8】パワー回路(一相)の寄生インダクタンスを含んだ等価回路。
【図9】一実施例の断面構造摸式図。
【図10】一実施例の銅箔回路パタン摸式図。
【図11】一実施例の銅箔回路パタン摸式図。
【図12】一実施例の断面構造摸式図。
【図13】一実施例の断面構造摸式図。
【符号の説明】
100…FWD内蔵IGBTパッケージ(PKG)、101,1302…パワー回路冷却用水路、102…フィルタコンデンサ冷却用水路、103,302…Oリング、104…シールワッシャ、106…制御端子、107…コネクタ(インターフェイス端子)、108…制御基板間接続ケーブル(インターフェイスケーブル)、109,204,308,902,1201,1301…水路カバー、110,203,301,901,1202…インバータケース、112,210…筐体,カバー締結ボルト(M5ボルト)、113,209…インバータカバー、114…ゲートドライブ・電源基板、115…チップ抵抗,チップコンデンサ、116…マイコン基板、117…マイコン、118…制御IC、120…主端子・バスバー締結ボルト(M5)、121,1204…Pバスバー、122,1205…絶縁シート、123,1206…Nバスバー、124…出力配線、125,904,1001,1101…メタルコアプリント回路基板、126…フィルタコンデンサ、127…取付けボルト(M3)、128…トランス、129…ゲートドライバー、130…漏水懸念箇所(すきま)、201…グリース、202…フィン、205,300…IGBTモジュール、206…金属(銅)ベース、207,306…冷却水路、208…モジュール取付けボルト、211…水路カバー・筐体取付けボルト、304…銅フィン、305…フィン付銅ベース(金属ベース)、307…IGBTモジュール冷却用開口部、401…カバー取付けボルト穴、402…銅箔パタン(エミッタパタン,Nパタン)、403…エミッタ端子、404…ゲート端子、405,1003…銅箔パタン(コレクタパタン)、406…銅箔パタン(ゲートパタン)、407…サーミスタ、408…銅箔パタン(U,V,Wパタン)、800…Pバスバーインダクタンス、801…銅箔パタン(P配線)インダクタンス、802,803,804,805…PKG100内インダクタンス、806…エミッタ端子インダクタンス、807…U配線銅パタンインダクタンス、808…U端子インダクタンス、809…Nバスバーインダクタンス、810…N端子インダクタンス、903…溶接箇所、1203…インバータ底蓋、1303…冷却水路スペーサ。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a water-cooled inverter. In particular, I nsulated G ate B ipolar T The present invention relates to a water-cooled inverter having a high heat-generating power semiconductor element such as a transcriptor (IGBT) and cooling the power semiconductor element with water.
[0002]
[Prior art]
Patent Literature 1 relates to cooling of a semiconductor chip, in which a protrusion is formed in a coolant chamber of a flow path casing to cause turbulence in a flow downstream of the protrusion, thereby promoting heat exchange between the module substrate and the coolant. It is described that the installation position of the projection is located on the forward side of the flow from the IGBT element so that the position where the disturbance occurs and the position of the IGBT element are the same.
[0003]
Patent Literature 2 discloses that an inverter main circuit in an inverter device is joined and mounted on a surface of a heat sink and water-cooled by a cooling water channel formed on the back side of the heat sink, and a cooling water channel is formed on the back surface of the heat sink and heat exchange inside the cooling water channel is performed. On the surface, it is described that uneven fins are formed in order to increase the efficiency of heat exchange (radiation).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-10-22428
[Patent Document 2]
JP-A-11-346480
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional water cooling structure has the following problems in terms of system configuration and reliability.
[0006]
In order to reduce the temperature rise of the IGBT chip junction and to improve the reliability and life of the inverter, the heat resistance from the IGBT chip junction to the cooling water must be reduced.
Rth (jw) must be reduced. As this means, direct water cooling is an extremely effective method as compared with indirect water cooling. However, it has been found that the direct water cooling structure has the following problems. That is, in the case of the indirect water cooling, even if the seal of the cooling water is broken, the cooling water flows out from the periphery of the water channel cover and does not enter the inverter case. However, in the case of direct water cooling, there is a possibility that cooling water may enter the inverter case due to an abnormality of a waterproof O-ring or the like. Water immersion in the inverter case may shorten the life of the inverter.
[0007]
An object of the present invention is to provide an inverter device that is directly water-cooled and that can further reduce the possibility that a high-voltage part is flooded when cooling water leaks.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for achieving the above object will be described. FIG. 1 is a schematic sectional view showing the basic structure of the present invention. Even in direct water cooling, a structure in which water leaks out of the inverter case even if the cooling water seal is broken should be used, as in the indirect water cooling structure shown in FIG. FIG. 1 shows a structure that achieves this.
[0009]
An IGBT package with a built-in FWD (hereinafter referred to as PKG) in which IGBTs and FWDs as main current driving elements are sealed on a so-called metal core printed circuit board 125 in which a copper foil pattern serving as a circuit pattern is pressure-bonded to an Al plate via an insulating resin layer. 100) are mounted on a plurality of surfaces. The PKG (package) surface mounting board becomes a power circuit constituting the inverter. The entire bottom surface of the inverter case 110 is covered with the substrate 125 to form a bottom plate of the housing. Further, the back surface of the metal core printed circuit board 125 is covered with a water channel cover 109 to form a PKG 100, a cooling water channel 101, and a filter capacitor 126 a cooling water channel 102.
[0010]
As described above, even when the seal of the O-ring 103 is broken and the cooling water leaks, the cooling water only flows to the outside and does not enter the inverter housing. Further, the PKG 100 can achieve high cooling performance because the metal core printed circuit board 125 as the base plate is directly cooled. Further, by adopting a structure in which the PKG 100 is surface-mounted on the metal core printed circuit board 125, it is possible to solve the problem of a decrease in yield, which is a problem when configuring a large-area power module.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
This time, the inventors have applied a structure in which cooling water is directly applied to the base plate of a circuit composed of power semiconductors to cool the circuit board (direct cooling structure). And the water-cooled inverter were studied in various ways.
[0012]
Inverters that control high-output motors, such as motors for hybrid electric vehicles, often use water cooling. FIGS. 2 and 3 are schematic diagrams of a conventional water-cooled inverter structure. Only a portion related to cooling of the IGBT modules 205 and 300 is shown. FIG. 2 shows an example in which a fin 202 is formed on a part of the outside of an Al die-casting inverter case 203, and a water channel 207 in which an antifreeze as cooling water circulates is formed with a water channel cover 204 (indirect water cooling). The IGBT module 205 is fixed on the water channel 207 in the inverter case 203 with the heat conductive grease 201. Therefore, the heat of the IGBT module 205 is radiated to the cooling water through the metal base 206, the heat conductive grease 201, the inverter case 203, and the fins 202. The greatest advantage of using water cooling is that it can achieve significantly higher heat transfer than air cooling. However, in the case of the present structure, the fin 202 is formed of an aluminum die-cast material having a low thermal conductivity, so that the fin efficiency is low, and the thermal conductive grease 201 having a very low thermal conductivity as compared with a metal member is interposed. Therefore, there is a disadvantage that the thermal resistance from the IGBT chip junction to the cooling water cannot be remarkably reduced.
[0013]
On the other hand, the example shown in FIG. 3 improves this drawback. The fins 304 are formed on the metal base 305 of the IGBT module 300, and are taken out of the case 301 through the opening 307 of the Al die-cast inverter case 301, and are directly cooled with water (direct water cooling). That is, in the present embodiment, the water channel 306 includes the metal base 305 of the IGBT module 300 and the water channel cover 308. With this structure, the thermal conductive grease 201 of FIG. 2 can be omitted, and the fin 304 is formed of a metal such as copper having high thermal conductivity, so that the fin efficiency is high and the thermal resistance can be significantly reduced.
[0014]
In order to reduce the temperature rise of the IGBT chip junction and improve the reliability and life of the inverter, it is necessary to reduce the thermal resistance from the IGBT chip junction to the cooling water, Rth (j−w). As this means, the direct water cooling shown in FIG. 3 is an extremely effective method as described above, as compared with the indirect water cooling shown in FIG. However, the inventors have found that the direct water cooling structure shown in FIG. 3 has a problem.
[0015]
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
(Example 1)
The first embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 4, 5, 6, 7, and 8. FIG. This is an embodiment of a 50 kW class water-cooled three-phase inverter. In each of the figures, a cooling water supply / drain pipe, control terminals for controlling an inverter, P, N, U, V, W terminals and the like are omitted. FIG. 1 is a schematic diagram of a cross-sectional structure, FIGS. 4 to 7 are schematic diagrams in plan view of each assembling process, and FIG. 8 is a parasitic inductance model diagram of a main circuit for one phase (U phase) of a three-phase inverter.
[0017]
First, a schematic structure will be described with reference to FIG. A PKG 100 having a size of 16 mm × 21 mm and a thickness of 5 mm, which is transfer-molded with an epoxy resin, is surface-mounted on a copper pattern on a metal core printed circuit board 125 with 6 PKG per arm by eutectic solder. The eutectic solder thickness is about 0.1 mm. The PKG is a so-called 1 in 1 PKG in which each IGBT and FWD is built in one chip, and 6 PKGs are connected in parallel. The rating of the PKG 100 is 600 V / 60 A, and as a result, the rating of the entire power circuit is about 600 V / 400 A. The thickness of the metal core printed circuit board 125 is 2 mm, and the size is 25 cm × 20 cm (approximately A4 size). The thickness of the copper foil pattern is 70 μm, and it is a pattern having only one surface. The main terminal 105 and the control terminal 106 are further surface-mounted on the metal core printed circuit board 125. The material of the main terminal is tough pitch copper and the thickness is 1.5 mm. The main terminal 105
The P bus bar 121, the N bus bar 123, the U, V, and W output wirings 124 are connected by M5 volts 120. The material of each bus bar is tough pitch copper and the thickness is 1.5 mm. Since the P bus bar 121 and the N bus bar 123 are insulated by the insulating sheet 122 having a thickness of 1 mm and are arranged close to each other, they have a low inductance structure. A filter capacitor 126 is similarly mounted between the P bus bar 121 and the N bus bar 123 with an M5 bolt 120. The filter capacitor is an electrolytic capacitor having a diameter of 3 cm, a height of 2 cm, and a capacity of 1000 μF. Four filter capacitors 126 are connected in parallel. The control terminal 106 is connected to a control power transformer 128, a gate driver 129, an electrolytic capacitor 119, various chip resistor chip capacitors 115, and a gate drive / power supply board 114 on which an interface terminal 107 with the microcomputer board 116 is mounted. ing. The U, V, W output wirings 124 are arranged on the present gate drive / power supply board 114. A microcomputer board 116 is attached to the inverter cover 113 with attachment bolts (M3) 127 and connected with the interface cable 108. On the microcomputer board 116, a microcomputer 117, a control IC 118, an electrolytic capacitor 119, various chip resistor chip capacitors 115 and the like are surface-mounted. The merit of attaching the microcomputer board 116 to the inverter cover 113 is that heat of the microcomputer 117 and the like is released to the inverter cover 113 to suppress a rise in temperature. The inverter cover 113 is attached with M5 bolts 112.
[0018]
The back surface of the metal core printed circuit board 125 is covered with a water channel cover 109 made of Al die casting, and a water channel 101 for cooling the power circuit (PKG 100) and a water channel 102 for cooling the filter capacitor are formed. The water channel 101 and the water channel 102 are connected in series. The channel 101 has a depth of 2 mm and a width of 12 cm, and the channel 102 has a depth of 17 mm and a width of 3.5 cm. The water channel cover 109 is attached with M6 bolts 111 using the O-ring 103, and the cooling water is sealed. The O-ring 103 is 1.9 mmφ. At this time, the inverter case 110, the metal core printed circuit board 125, and the water channel cover 109 are fastened together using the same mounting holes. If the seal of the O-ring 103 is broken, the water leaks out of the inverter case 110 as described above. However, there is a possibility that the bolt 110 may seep into the case 110 from the clearance 130 of the bolt hole. In order to eliminate this, the seal washer 104 is used in the present structure. With the above configuration, the height of the inverter is 6 cm, and the size is 25 cm × 20 cm, which is the same size as the metal core printed circuit board 125.
[0019]
Next, a planar structure will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a schematic view of the inside after the PKG 100, the main terminal 105, and the control terminal 106 are surface-mounted on the metal core printed circuit board 125 and the filter capacitor 126 is fixed. The back surface of the PKG 100 is a 1.5 mm thick copper plate, and this copper plate also serves as a collector electrode and a heat sink. Terminals 403 and 404 of the PKG 100 are an emitter and a gate terminal, respectively. The terminals 403 and 404 are soldered to the gate pattern 406, the N pattern 402 and the U, V, and W patterns 408 of the metal core printed circuit board 125, respectively. Note that the PKG 100 has a built-in gate resistor to prevent resonance inherent in parallel connection. The copper foil pattern 405 is a collector pattern, and the PKG 100 is surface-mounted on this pattern. The U and V phase emitter patterns and the V and W phase collector patterns are shared to prevent an increase in the area of the power circuit. The filter capacitor 126 has a structure in which the filter capacitor 126 is pressed against the insulating resin layer of the metal core printed circuit board 125, and heat dissipation is taken into consideration. Further, the main terminal 105 has a structure in which a protrusion is provided on the resin layer of the terminal and a recess for the protrusion is provided on the metal core printed circuit board 125 so as to be fitted therein, so that the main terminal 105 can withstand the tightening torque of the M5 bolt. This main terminal 105 can be removed and the P, N, U, V, and W busbars can be directly solder-bonded to the copper pattern on the metal core printed circuit board if the assembling property is not reduced. Thermistor 407 is surface-mounted for each arm to detect the temperature, so that the protection against heating can be performed. Further, the control terminal 106 is surface-mounted on the collector pattern 405 of each arm, and protection such as short-circuit protection can be performed by detecting the collector voltage.
[0020]
FIG. 5 is a schematic view of the inside after the P bus bar 121 is attached to the main terminal 105 and the filter capacitor 126 with bolts 120. A hole of 20 mmφ is provided around the N terminal of the filter capacitor 126 to secure an insulation distance. FIG. 6 is a schematic diagram after the insulating sheet 122 and the N bus bar 123 are mounted. FIG. 7 is a schematic diagram after the gate drive 114, U, V, W output wiring 124 is mounted. The gate drive / power supply board 114 is bonded to the control terminal 106 through-hole solder. The U, V, and W output wirings 124 are attached with M5 bolts 120. The microcomputer board 116 attached to the cover 113 is connected to the above structure by the interface cable 108, and the attachment other than the waterway cover 109 is completed.
[0021]
The feature of this structure is that, as described above, the direct cooling structure prevents the circuit components from being wet by water leakage. However, there are the following characteristics in terms of performance. First, it has the following characteristics thermally. One arm is configured in six parallels. Therefore, as compared with the conventional case where the current capacity of one chip is large and the two-parallel connection is used, the heat source is greatly dispersed. Increasing the mounting area by increasing the number of parallel circuits is advantageous for reducing the thermal resistance for this reason. However, in the heat dissipation structure using grease, the warpage becomes remarkable due to the increase in the substrate area, and the contact thermal resistance increases. Therefore, it has not been realized. In the case of this structure, this problem can be eliminated because of direct cooling. Therefore, a large number of parallel connections as in the present structure were realized.
[0022]
A flow rate of 20 L / min. Was passed through the cooling water (ethylene glycol 50 vol%), and the thermal resistance from the cooling water to the IGBT chip junction, Rth (j−w), was measured. As a result, Rth (j−w) = 0.14 K / W, which was sufficiently small. Conventionally, it has been considered impossible to apply the metal core printed circuit board 125 to such a large capacity module. This is because the thickness of the copper pattern is as thin as about 70 μm, so that it has been considered impossible in terms of current capacity. However, as in the present structure, it was realized by devising the layout so as to minimize the length of the copper pattern on the metal core printed circuit board 125. For example, in this structure, since the PKG 100 is not mounted, the maximum length of the portion where the resistance of only the copper pattern is a problem is about 4 cm, and the width is 2 cm. Assuming that a current of 60 A flows from each of the three PKGs 100 into this portion, the calorific value of the copper pattern is about 10 W. With such a calorific value, there is no problem thermally. Furthermore, the current density has no problem in terms of electromigration.
[0023]
Next, characteristics of the electrical performance will be described with reference to FIG. The problem when the number of parallel connections is increased is that current concentration occurs due to imbalance in current sharing. This is mainly caused by the difference in parasitic inductance. FIG. 8 shows a U-phase parasitic inductance model. P bus bar inductance 800, N terminal inductance 810, collector copper pattern inductance 801, inductance 802, 803, 804, 805 in PKG 100, emitter terminal 403 inductance 806, U wiring copper pattern inductance 807, U terminal inductance 808, emitter copper pattern inductance 809 It is composed of Among the above parasitic inductances, those that cause the current imbalance are the parasitic inductances 801, 807 and 809. The calculated inductance is about 6 nH in all cases. Therefore, in each of the wiring patterns 801, 807, and 809, the difference in the parasitic inductance among the PKGs 100 is at most 4 nH. With such a difference, the effect on the current imbalance at the time of switching can be ignored. The reason why such an imbalance is small despite the fact that the number of parallel circuits is 6 and the number of parallel circuits is large is that the inductance is reduced due to the eddy current effect in consideration of layout compatibility.
[0024]
The drainage pipe was sealed, and high water pressure was applied to the water channel to verify the leakage resistance. As a result, it was confirmed that water did not leak up to about 300 kPa. For example, in consideration of application to an electric vehicle, the maximum discharge pressure of the electric pump is about 50 kPa, and it was confirmed that the electric pump was sufficiently leak-proof.
[0025]
(Example 2)
A second embodiment will be described with reference to FIG. In the first embodiment, the cooling water was sealed with an O-ring. However, if the seal is broken, the cooling water may penetrate into the case from the bolt hole, and the seal washer 104 is required as a preventive measure. Therefore, more ideally, it is desired that no means such as a seal washer be used for improving the assemblability. The present embodiment is an embodiment that addresses this.
[0026]
The metal core printed circuit board 904 and the Al die-casting inverter case 901 are welded at a welding location 903 to ensure a more reliable seal. As a welding method, welding utilizing plastic flow by friction stirring is desired. This is to suppress the rise in temperature as much as possible. In the resin insulating layer of the metal core printed circuit board 904, a region about 2 cm inside the welded portion 903 is deleted as much as possible. This is to prevent the deterioration of the resin due to the temperature rise. With this structure, even if the seal of the O-ring is broken, water leakage could not enter the case 901. The inverter shape, capacity, thermal and electrical performance, and the like are the same as in the first embodiment.
[0027]
(Example 3)
A third embodiment will be described with reference to a schematic sectional view of FIG. Both the conventional water-cooled inverter structure and the structures of the first and second embodiments have a structure in which a power circuit is disposed on the bottom of the inverter to perform water cooling. Conventionally, an IGBT module has been sealed with a soft resin such as silicone gel. Therefore, mounting the module upside down has been feared that the sealing resin may be deformed by gravity, and has not been intentionally performed. However, as in the present invention, it is sealed with an epoxy resin which is a hard resin.
When a power circuit is configured by PKG, it is not necessary to arrange the power circuit on the bottom of the inverter. Therefore, this is an embodiment in which the power circuit is arranged on the upper surface of the inverter. The same substrate 125 as in the first embodiment is mounted on the upper surface of the Al die-casting case 1202 with the M6 bolt 111 using the O-ring 103 and the seal washer 104. According to this structure, the filter condenser 126 is not disposed on the cooling water passage, but is disposed on the bottom lid 1203. With this change, P, N bus bar 1204,
The shape of 1206 can be flat, and the inductance can be reduced. The water channel cover 1201 has a simpler structure by removing the water channel for the filter condenser 126 from the case of the first embodiment. The shape of the PKG 100 cooling water channel 101 is exactly the same. The advantages of this structure are lower inductance of the P and N bus bars 1204 and 1206 and a lower temperature of the microcomputer 119. This is because the microcomputer board 116 is disposed below the power circuit, so that heat generated by the power circuit is not easily transmitted downward.
[0028]
(Example 4)
The fourth embodiment will be described with reference to the schematic diagram of the sectional structure of FIG. In the embodiments described above, the shape of the water channel for cooling the PKG 100 as the power circuit was 12 cm in width and 2 mm in depth. 20 L / min. , The average flow velocity is 1.4 m / s. When improving the cooling performance, it is known to increase the flow rate of the cooling water. However, increasing the flow rate in order to increase the flow rate of the cooling water increases the size of the pump that circulates the cooling water, and is preferably used when the installation space for the inverter is severely restricted, such as in an electric vehicle. Absent. Therefore, in the present embodiment, the width of the flow path is reduced to increase the flow velocity. That is, although one channel is used in the above-described embodiment, a spacer 1303 is provided in the main terminal area, and two reciprocating channels 1302 are provided. The channel 1302 has a width of 5 cm and a depth of 2 mm. Therefore, in this embodiment, 20 L / min. , The average flow velocity is 3.4 m / s. As in the example, a 50 vol% solution of ethylene glycol, a refrigerant at a temperature of 60 ° C., 20 L / min. When flowing through and measuring Rth (j−w), it was 0.1 K / W, which was about 0.7 times that in Example 1.
[0029]
Hereinafter, two embodiments are embodiments in which the arrangement of the PKG 100, the main terminal 105, and the control terminal 106, which are power circuits, is changed. 10 and 11 are schematic plan views of a metal core printed circuit board on which the PKG 100, the main terminal 105, and the control terminal 106 are surface-mounted.
[0030]
(Example 5)
A fifth embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 10, the control terminal 106 shows only a gate and a control emitter terminal, and omits other control terminals and the thermistor. This embodiment is an embodiment in which lower inductance is taken into consideration than in the first embodiment. In the first embodiment, the collector terminals 105 exist in the same row as the PKG 100. In the present embodiment, the collector terminal 105 is removed from the arrangement of the PKGs 100, and the length of the collector pattern copper foil 1003 is reduced and the width is increased to 4 cm. As a result, the copper foil pattern inductance 801 in FIG. 8 could be reduced to 4 nH as compared with the first embodiment, including the effect of changing the way of current flow. Therefore, the resistance to the current imbalance can be further improved. The disadvantage is that the size of the inverter is increased as compared with the first embodiment. The longitudinal direction increased by 3 cm to 28 cm.
[0031]
(Example 6)
A sixth embodiment will be described with reference to FIG. As in the fifth embodiment, control terminals other than the thermistor, gate, and control emitter are omitted. In Examples 1 and 5, the main terminals are arranged at the center of each of the three PKGs in consideration of the layout of the PKG 100 and the resistance of the copper foil pattern on the metal core printed circuit board. For this reason, the size of the gate drive / power supply substrate must be less than half the size of the inverter. Therefore, in this embodiment, the P, N, U, V, and W terminals are arranged at both ends of the PKG 100 group at the expense of the above advantages. With this structure, the area of the gate drive / power supply substrate could be doubled as compared with the above embodiment. As a result, the microcomputer board, which was a separate board in the above embodiment, could be made the same board as the gate drive / power supply board.
[0032]
According to the embodiment described above, a PKG in which IGBTs and FWDs are sealed is surface-mounted on a metal core printed circuit board which forms a circuit pattern by pressing a copper foil on an Al plate surface via an insulating resin layer, and Is formed. The entire bottom surface of the inverter case is sealed with this metal core printed circuit board. Further, a water channel cover is attached to the back surface of the metal core printed circuit board with a sealing means such as an O-ring to form a water channel for directly cooling the back surface of the metal core printed circuit board with water. With this structure, even if the seal of the O-ring is broken, the possibility that the cooling water enters the inverter case can be further reduced.
[0033]
Further, according to each of the embodiments described above, the entire bottom surface of the inverter case is sealed with the metal core printed circuit board on which the PKG constituting the power circuit is surface-mounted, and cooling water is directly applied to the back surface of the metal core printed circuit board. Cool the power circuit. Thereby, even if the cooling water seal is broken, it is possible to further reduce the possibility that the water leak enters the inverter case. Therefore, there is an effect of preventing the circuit components from being wet. In addition, when the power circuit constituting the inverter is constituted by a plurality of PKGs per arm, direct water cooling can be made more effective by dispersing the heat source, and the thermal resistance can be reduced. In addition, it is possible to prevent a decrease in yield due to an increase in area.
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide an inverter device that is directly water-cooled and that can further reduce the possibility that a high-voltage portion is flooded when cooling water leaks.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a basic structure.
FIG. 2 is a schematic structural diagram (indirect water cooling).
FIG. 3 is a schematic structural diagram (direct water cooling).
FIG. 4 is a schematic plan view (before mounting a control board and a bus bar).
FIG. 5 is a schematic plan view (after mounting a P bus bar).
FIG. 6 is a schematic plan view (after the N bus bar is mounted).
FIG. 7 is a schematic plan view (after mounting a gate drive / power supply board, U, V, and W wirings).
FIG. 8 is an equivalent circuit including a parasitic inductance of a power circuit (one phase).
FIG. 9 is a schematic diagram of a cross-sectional structure of one embodiment.
FIG. 10 is a schematic diagram of a copper foil circuit pattern according to one embodiment.
FIG. 11 is a schematic diagram of a copper foil circuit pattern according to one embodiment.
FIG. 12 is a schematic diagram of a cross-sectional structure of one embodiment.
FIG. 13 is a schematic diagram of a cross-sectional structure of one embodiment.
[Explanation of symbols]
100: IGBT package with built-in FWD (PKG), 101, 1302: Water channel for cooling power circuit, 102: Water channel for cooling filter capacitor, 103, 302: O-ring, 104: Seal washer, 106: Control terminal, 107: Connector (interface terminal) 108, control board connection cable (interface cable), 109, 204, 308, 902, 1201, 1301 water channel cover, 110, 203, 301, 901, 1202 inverter case, 112, 210 ... housing, cover fastening Bolts (M5 volts), 113, 209 inverter cover, 114 gate drive / power supply board, 115 chip resistor, chip capacitor, 116 microcomputer board, 117 microcomputer, 118 control IC, 120 main terminal / bus bar fastening (M5), 121, 1204: P bus bar, 122, 1205: Insulating sheet, 123, 1206: N bus bar, 124: Output wiring, 125, 904, 1001, 1101: Metal core printed circuit board, 126: Filter capacitor, 127 ... Mounting bolt (M3), 128 ... Transformer, 129 ... Gate driver, 130 ... Water leakage concern (gap), 201 ... Grease, 202 ... Fin, 205,300 ... IGBT module, 206 ... Metal (copper) base, 207, 306: cooling water channel, 208: module mounting bolt, 211: water channel cover / housing mounting bolt, 304: copper fin, 305: finned copper base (metal base), 307: IGBT module cooling opening, 401: cover mounting Bolt hole, 402 ... Copper foil pattern (Emi 403: Emitter terminal, 404: Gate terminal, 405, 1003: Copper foil pattern (collector pattern), 406: Copper foil pattern (gate pattern), 407: Thermistor, 408: Copper foil pattern (U, V, W pattern), 800: P bus bar inductance, 801: Copper foil pattern (P wiring) inductance, 802, 803, 804, 805: PKG100 inductance, 806: Emitter terminal inductance, 807: U wiring copper pattern inductance, 808 ... U terminal inductance, 809 ... N bus bar inductance, 810 ... N terminal inductance, 903 ... Welding point, 1203 ... Inverter bottom cover, 1303 ... Cooling channel spacer.

Claims (11)

冷却水の入口と出口を有する給排水管と、
前記給排水管に接続される水路カバーと、
壁面の一部が開口されておりインバータの周囲を覆う筐体と、
金属板に絶縁樹脂層を介して金属箔パタンを固着させたメタルコアプリント回路基板と、
パワー半導体チップが封止され、該パワー半導体の反対面に該パワー半導体の一電極が露出したパッケージとを有する水冷インバータにおいて、
インバータを構成するパワー回路は、前記メタルコアプリント回路基板の金属箔パタンに、前記パワー半導体パッケージの裏面電極をはんだ接着した構造であり、
前記筐体底面は、前記パワー半導体パッケージが実装されたメタルコアプリント回路基板で覆われており、
前記パワー半導体パッケージが実装された実装メタルコアプリント回路基板の該パワー半導体が実装されている面の反対面は、前記水路カバーで覆われており、
冷却水を直接該パワー半導体パッケージ実装メタルコアプリント回路基板裏面にあてる構造であることを特徴とした水冷インバータの構造。
A plumbing pipe having a cooling water inlet and an outlet,
A water channel cover connected to the plumbing pipe,
A housing having a partly open wall and covering the periphery of the inverter;
A metal core printed circuit board in which a metal foil pattern is fixed to a metal plate via an insulating resin layer,
A power-cooled inverter having a package in which a power semiconductor chip is sealed and one electrode of the power semiconductor is exposed on the opposite surface of the power semiconductor;
The power circuit constituting the inverter has a structure in which a back electrode of the power semiconductor package is solder-bonded to a metal foil pattern of the metal core printed circuit board,
The bottom surface of the housing is covered with a metal core printed circuit board on which the power semiconductor package is mounted,
The opposite surface of the mounting metal core printed circuit board on which the power semiconductor package is mounted is opposite to the surface on which the power semiconductor is mounted, is covered with the waterway cover,
A structure of a water-cooled inverter, wherein cooling water is directly applied to a back surface of the metal core printed circuit board mounted with the power semiconductor package.
請求項1において、
前記筐体,前記メタルコアプリント回路基板,前記水路カバーの平面寸法は概略同一、かつ、取付けボルト穴の位置,個数等の仕様も同一であり、前記メタルコアプリント回路基板と前記水路カバーのシールは、Oリングを前記メタルコアプリント回路基板裏面と前記水路カバー間に配置し、前記メタルコアプリント回路基板,筐体,水路カバーを、前記取付けボルト穴をボルトで締め付けて行うことを特徴とした水冷インバータ。
In claim 1,
The housing, the metal core printed circuit board, and the waterway cover have substantially the same plane dimensions, and the same specifications such as the position and number of mounting bolt holes. The seal between the metal core printed circuit board and the waterway cover is A water-cooled inverter, wherein an O-ring is disposed between the rear surface of the metal core printed circuit board and the waterway cover, and the metal core printed circuit board, the housing, and the waterway cover are tightened with the mounting bolt holes.
請求項2において、
前記Oリングは、前記筐体の内周よりも外側で、かつ、取付けボルトの内側に配置されることを特徴とした水冷インバータ。
In claim 2,
A water-cooled inverter, wherein the O-ring is disposed outside the inner periphery of the housing and inside a mounting bolt.
請求項2において、
前記メタルコアプリント回路基板の基板材質はAl、金属箔パタンの材質はCuであり、前記パワー半導体PKGは、nsulated ate ipolar ransistor(IGBT),ree heeling iode(FWD)が各1チップ以上内蔵された構造であることを特徴とした水冷インバータ。
In claim 2,
Substrate material of the metal core printed circuit board is Al, the material of the metal foil pattern Cu, the power semiconductor PKG is, I nsulated G ate B ipolar T ransistor (IGBT), F ree W heeling D iode (FWD) each A water-cooled inverter characterized by having at least one chip built-in.
請求項4において、
前記パワー半導体PKGはIGBT,FWDが各1チップ内蔵されたPKGであり、インバータの1アームは該PKGの2個以上の並列接続で構成された構造であることを特徴とした水冷インバータ。
In claim 4,
The power semiconductor PKG is a PKG in which IGBT and FWD are built in one chip each, and one arm of the inverter has a structure in which two or more PKGs are connected in parallel.
請求項1において、
前記筐体はAlダイカスト、前記メタルコアプリント回路基板の基板材質はAlであり、該メタルコアプリント回路基板のAl材と前記筐体とは摩擦攪拌等の手段で溶接された構造であることを特徴とした水冷インバータ。
In claim 1,
The casing is Al die-cast, the substrate material of the metal core printed circuit board is Al, and the aluminum material of the metal core printed circuit board and the casing are welded by means such as friction stirring. Water-cooled inverter.
少なくとも、冷却水が給排水される給排水管と、該給排水管に接続される水路カバーと、上面が開口され、インバータの周囲を覆う筐体と、金属板に絶縁樹脂層を介して金属箔パタンを固着させた、いわゆるメタルコアプリント回路基板と、パワー半導体チップが封止され、裏面に該パワー半導体の一電極が露出したパッケージ(PKG)、とから構成される水冷インバータの構造において、
インバータを構成するパワー回路は、前記メタルコアプリント回路基板の金属箔パタンに、前記パワー半導体PKGの裏面電極をはんだ接着した構造であり、該パワー半導体PKG実装メタルコアプリント回路基板で前記筐体上面全体を覆い、さらに、前記水路カバーで該パワー半導体PKG実装メタルコアプリント回路基板裏面全体を覆い、冷却水を直接該パワー半導体PKG実装メタルコアプリント回路基板裏面に当てることを特徴とした水冷インバータの構造。
At least, a water supply / drain pipe through which cooling water is supplied / drained, a water channel cover connected to the water supply / drainage pipe, a housing having an upper surface opened to cover the periphery of the inverter, and a metal foil pattern formed on a metal plate via an insulating resin layer. In a structure of a water-cooled inverter composed of a fixed so-called metal core printed circuit board and a package (PKG) in which a power semiconductor chip is sealed and one electrode of the power semiconductor is exposed on the back surface,
The power circuit constituting the inverter has a structure in which a back electrode of the power semiconductor PKG is solder-bonded to a metal foil pattern of the metal core printed circuit board, and the entire upper surface of the housing is covered with the power semiconductor PKG-mounted metal core printed circuit board. A structure of a water-cooled inverter, wherein the water channel cover further covers the entire back surface of the power semiconductor PKG-mounted metal core printed circuit board, and cooling water is directly applied to the back surface of the power semiconductor PKG-mounted metal core printed circuit board.
冷却水が給排水される給排水管と、該給排水管に接続される水路カバーと、底面が開口され、インバータの周囲を覆う筐体と、該筐体底面全体を封止する金属板と、パワー半導体チップから構成されるパワー回路、とから構成される水冷インバータの構造において、
前記筐体はAlダイカスト材、前記金属板はAl材で構成され、前記パワー回路の発熱は、前記Al板裏面に直接当てられる冷却水で冷却されることを特徴とした水冷インバータの構造。
A water supply / drain pipe through which cooling water is supplied / drained, a water channel cover connected to the water supply / drain pipe, a housing having an open bottom surface and surrounding the inverter, a metal plate sealing the entire bottom surface of the housing, and a power semiconductor. In the structure of a water-cooled inverter composed of a power circuit composed of a chip and
The structure of the water-cooled inverter, wherein the casing is made of an Al die-cast material and the metal plate is made of an Al material, and heat generated by the power circuit is cooled by cooling water directly applied to a back surface of the Al plate.
請求項5において、
前記パワー回路の電流を通電する主端子は、各アームを構成する複数の前記PKG群の概略中央に配置され、該主端子に接続される前記メタルコアプリント回路基板の前記銅箔長は、各アーム毎に、概略等しいこと特徴とした水冷インバータ。
In claim 5,
A main terminal for supplying a current of the power circuit is arranged at a substantially center of the plurality of PKG groups constituting each arm, and the copper foil length of the metal core printed circuit board connected to the main terminal is determined by each arm. A water-cooled inverter characterized by being substantially equal in each case.
請求項9において、
前記水路カバーには、前記主端子の概略下方の位置に水路を2分割するスペーサが存在し、該スペーサにより、前記PKG群を冷却する水路は2分割されること特徴とした水冷インバータ。
In claim 9,
A water-cooled inverter, wherein a spacer for dividing the water channel into two is provided at a position substantially below the main terminal in the water channel cover, and the water channel for cooling the PKG group is divided into two by the spacer.
請求項4において、
前記水路カバーには、少なくとも深さ5mm以下の窪みと、深さ5mm以上の窪みの大小2種類の窪みが存在し、該浅い窪みで前記PKG群冷却用水路を、該深い窪みでPKG以外の回路部品冷却用水路を形成することを特徴とした水冷インバータ。
In claim 4,
The channel cover has at least two types of depressions, a depression having a depth of 5 mm or less, and a depression having a depth of 5 mm or more. The shallow depression is used for the PKG group cooling water passage, and the deep depression is used for circuits other than PKG. A water-cooled inverter characterized by forming a water channel for cooling components.
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