JP2011114307A - Power semiconductor unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワー半導体ユニットに関し、特に電気自動車やハイブリッド車等の車両に用いられるパワー半導体ユニットに関するものである。 The present invention relates to a power semiconductor unit, and more particularly to a power semiconductor unit used in a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle.
従来、車両に用いられるパワー半導体ユニットとして、特開2009−135278号公報に記載されるように、パワー半導体素子が実装された絶縁基板と、パワー半導体素子にボンディングワイヤによって電気的に接続されるバスバーと、絶縁基板を搭載する冷却器とを有するものが知られている。そして、パワー半導体素子と冷却器とを一体に構成することにより、パワー半導体素子からの熱を効率良く冷却器に伝達し、ユニット全体を冷却することが図られている。 Conventionally, as described in JP 2009-135278 A, as a power semiconductor unit used in a vehicle, an insulating substrate on which a power semiconductor element is mounted, and a bus bar electrically connected to the power semiconductor element by a bonding wire And a cooler on which an insulating substrate is mounted is known. Then, by integrally configuring the power semiconductor element and the cooler, heat from the power semiconductor element is efficiently transmitted to the cooler to cool the entire unit.
しかしながら、高直流電圧を車両のモータに印加して出力効率を高める場合、パワー半導体素子の発熱量が大きくなり、ボンディングワイヤからバスバーに伝達する熱量が増加してバスバーの温度が上昇するので、上述のパワー半導体ユニットの冷却構造では対応し難く、ユニットの冷却性能を高める必要がある。 However, when increasing the output efficiency by applying a high DC voltage to the motor of the vehicle, the amount of heat generated by the power semiconductor element increases, the amount of heat transmitted from the bonding wire to the bus bar increases, and the temperature of the bus bar rises. The cooling structure of the power semiconductor unit is difficult to cope with, and it is necessary to improve the cooling performance of the unit.
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、バスバーの熱を効率良く吸収して、ユニット全体の温度上昇を抑制することができるパワー半導体ユニットを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a technical problem, and provides a power semiconductor unit that can efficiently absorb the heat of the bus bar and suppress the temperature rise of the entire unit. Objective.
本発明に係るパワー半導体ユニットは、パワー半導体素子と、パワー半導体素子に給電するバスバーとを備えたパワー半導体ユニットにおいて、バスバーは、パワー半導体素子への給電のための導電部と導電部を支持する基台とを有し、基台には、冷媒を流通させる冷媒流路が設けられていることを特徴とする。 The power semiconductor unit according to the present invention is a power semiconductor unit including a power semiconductor element and a bus bar for supplying power to the power semiconductor element. The bus bar supports a conductive part and a conductive part for supplying power to the power semiconductor element. It has a base, and the base is provided with a refrigerant channel which distributes a refrigerant.
本発明に係るパワー半導体ユニットでは、バスバーの導電部を支持する基台に冷媒を流通させる冷媒流路が設けられているので、冷媒を利用しバスバーの熱を吸収してバスバーを直接冷却することができる。従って、パワー半導体ユニット全体の温度上昇を抑制することができる。 In the power semiconductor unit according to the present invention, the refrigerant flow path for circulating the refrigerant is provided in the base supporting the conductive portion of the bus bar, so that the bus bar is directly cooled by absorbing the heat of the bus bar using the refrigerant. Can do. Therefore, the temperature rise of the entire power semiconductor unit can be suppressed.
本発明に係るパワー半導体ユニットにおいて、冷媒は、ジェット噴流を形成することが好適である。この場合にあっては、ジェット噴流冷媒を用いることによりバスバーの熱を効率良く吸収することができ、バスバーの温度上昇を抑えることができる。 In the power semiconductor unit according to the present invention, it is preferable that the refrigerant forms a jet jet. In this case, the heat of the bus bar can be efficiently absorbed by using the jet jet refrigerant, and the temperature rise of the bus bar can be suppressed.
本発明によれば、バスバーの熱を効率良く吸収して、ユニット全体の温度上昇を抑制することができるパワー半導体ユニットを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the power semiconductor unit which can absorb the heat | fever of a bus bar efficiently and can suppress the temperature rise of the whole unit can be provided.
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は実施形態に係るパワー半導体ユニットの断面図である。図1に示すように、パワー半導体ユニット1は、パワー半導体素子2と、パワー半導体素子2が実装される絶縁基板3と、パワー半導体素子2に給電するバスバー4と、パワー半導体素子2、絶縁基板3及びバスバー4を冷却する冷却器8とを備えている。パワー半導体素子2は、例えばインバータ回路を構成するIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子やダイオード等である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a power semiconductor unit according to an embodiment. As shown in FIG. 1, a
図2は、3相インバータを示す電気回路図である。図2に示すように、インバータの回路は、三相インバータブリッジによって構成されている。すなわち、このインバータの回路は、直列に接続された2つのIGBT素子Q11,Q12からなる組(ブリッジ)が3組並列に接続されて成り、IGBT素子Q11のコレクタが正電圧側の直流電源ラインPと接続され、IGBT素子Q12のエミッタが負電圧側の直流電源ラインNと接続されている。IGBT素子Q11のエミッタとIGBT素子Q12のコレクタとの接続点は、モータ(図示せず)の電源入力端子と接続されている。また、各IGBT素子Q11,Q12と並列に、ダイオードD11,D12が逆方向接続されている。 FIG. 2 is an electric circuit diagram showing a three-phase inverter. As shown in FIG. 2, the inverter circuit is configured by a three-phase inverter bridge. That is, this inverter circuit is formed by connecting three sets of two IGBT elements Q11 and Q12 connected in series (bridge) in parallel, and the collector of the IGBT element Q11 is a DC power supply line P on the positive voltage side. And the emitter of IGBT element Q12 is connected to DC power supply line N on the negative voltage side. A connection point between the emitter of IGBT element Q11 and the collector of IGBT element Q12 is connected to a power input terminal of a motor (not shown). In addition, diodes D11 and D12 are connected in reverse direction in parallel with the IGBT elements Q11 and Q12.
図1に示すように、パワー半導体素子2の表面側に位置するエミッタ2aはボンディングワイヤ6によってバスバー4に電気的に接続されており、その裏面側に位置するコレクタ2bが半田層5によって絶縁基板3に固定されている。絶縁基板3は、DBA(Direct Brazed Aluminum)基板であり、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる上部金属層3aと、絶縁体である窒化アルミニウム層3bと、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる下部金属層3cとを積層した構造を有している。上部金属層3aは、半田層5を介してパワー半導体素子2のコレクタ2bに電気的に接続されている。下部金属層3cは、ロウ付けで冷却器8と接合されている。
As shown in FIG. 1, the
冷却器8は、略平板状に形成された冷却天板9を有している。冷却天板9の上面9aには、絶縁基板3とバスバー4とがそれぞれ搭載されている。冷却器8は、熱伝導性の高いアルミニウムや銅などの材料により構成されている。冷却器8の内部には、冷媒が充填されており、その冷媒は矢印方向に沿って流れている。
The
バスバー4は、パワー半導体素子2への給電のための導電部10と、導電部10を支持する基台11とを備えている。基台11は、バスバー4のハウジングを構成しており、ポリフェニレンサルファイド(PPS)やポリブチレンテレフタレート(PBT)等の樹脂材料から形成されている。導電部10は、電気伝導性の高いアルミニウムや銅等の材料により形成され、基台11と共にインサート成型されている。なお、導電部10は、ボンディングワイヤ6,7を介してパワー半導体素子2のエミッタ2aとコレクタ2bとそれぞれ電気的に接続されている。
The bus bar 4 includes a
基台11の内部には、冷媒を流通させる冷媒流路13が設けられている。具体的には、バスバー4の冷却天板9には、その上面9aから立設した複数の突起部12が設けられている。突起部12は、冷却天板9と一体的に形成され、内部に冷媒を流通させるために中空状に加工されている。これらの突起部12は、基台11の内部に入り込み、導電部10の直下位置まで延在している。なお、突起部12は、導電部10におけるボンディングワイヤ6,7との接合箇所の直下位置まで延びるのが好適である。このようにすれば、接合箇所を直接冷却することができる。
Inside the
突起部12の上端は、導電部10と接触せず、導電部10から所定の絶縁距離をもって離れている。突起部12の内部が中空状であるため、冷媒が流れる冷媒流路13が形成される。各冷媒流路13には、冷媒が流入し、導電部10の熱を吸収する。なお、冷媒はジェット噴流を形成することが好ましい。
The upper end of the
このように構成されたパワー半導体ユニット1では、パワー半導体素子2が発生する熱量が、半田層5と絶縁基板3とを経由して冷却器8に伝わる。冷却器8は、その伝熱を吸収してパワー半導体素子2及び絶縁基板3を冷却する。また、パワー半導体素子2が発生する熱量の一部が、ボンディングワイヤ6,7を経由してバスバー4に伝わり、バスバー4が発生する熱量と共に、冷媒流路13を流れる冷媒によって効率良く吸収される。これによって、パワー半導体素子2及びバスバー4は効率良く冷却される。なお、バスバー4の断面積は、溶断電流によって決まるため発熱温度が上昇するほど大きくなる。
In the
本実施形態に係るパワー半導体ユニット1では、基台11の内部に冷媒を流通させる冷媒流路13が設けられているので、冷媒を利用しバスバー4の熱を吸収してバスバー4を直接冷却することができる。従って、パワー半導体ユニット1全体の温度上昇を抑制することができる。このため、バスバー4の薄型化が可能となり、パワー半導体ユニット1の小型化を図ることができる。また、冷媒がジェット噴流を形成するので、バスバー4の熱を効率良く吸収することができる。
In the
また、このように冷媒を利用してバスバー4を直接冷却しユニット全体の温度上昇を抑制することで、素子高温化に対応することが可能となる。すなわち、例えばパワー半導体素子2をSi素子(ジャンクション温度150℃)からSiC素子(ジャンクション温度250℃)に切り替えた場合、ボンディングワイヤ6,7を経由してバスバー4に伝熱される熱量によってバスバー4の温度上昇が高くなるが、冷媒を利用してその伝熱を効率良く吸収してバスバー4を冷却することができるため、パワー半導体ユニット1全体の温度上昇を防止することが可能となる。
Moreover, it becomes possible to cope with the high temperature of the element by directly cooling the bus bar 4 using the refrigerant and suppressing the temperature rise of the entire unit. That is, for example, when the power semiconductor element 2 is switched from the Si element (junction temperature 150 ° C.) to the SiC element (junction temperature 250 ° C.), the amount of heat transferred to the bus bar 4 via the
また、従来ではハウジング樹脂(例えばPPSの場合)の耐熱温度が200℃を超えた場合、その下に配置された冷却器を利用して冷却が必要であるが、本実施形態に係るパワー半導体ユニット1では、ハウジングを構成した基台11の下に配置されている冷却器8のみならず、バスバー4の内部を流れる冷媒を利用してバスバー4の内部から熱を吸収することができるので、基台11を効率良く冷却し、ハウジング樹脂の信頼性の低下を防止することが可能となる。
Further, conventionally, when the heat-resistant temperature of the housing resin (for example, PPS) exceeds 200 ° C., cooling is required using a cooler disposed thereunder, but the power semiconductor unit according to the
更に、ボンディングワイヤ6及び7を含む配線の接合寿命は、パワー半導体素子2のパワーサイクルに起因している。本実施形態に係るパワー半導体ユニット1では、冷媒を利用しバスバー4の熱を吸収してバスバー4を直接冷却するので、配線とバスバー4の温度上昇を抑制することができ、接合寿命を延ばすことが可能となる。また、バスバー4の温度上昇を抑制することで、基台11の樹脂界面の剥離の発生を防止することができる。その結果、パワー半導体ユニット1の信頼性を高めることができる。
Further, the bonding life of the wiring including the
以下、図3及び図4を参照してバスバーの変形例を説明する。 Hereinafter, modified examples of the bus bar will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
図3に示す変形例では、冷媒を流通させるための冷媒流路15が、突起部12によって形成されておらず、基台11の内部に直接形成されている。具体的には、バスバー14がそれぞれ平板状に形成された導電部10と基台11とを有する。導電部10及び基台11は、冷却天板9の上面9aに搭載されている。そして、冷却天板9と基台11には、複数の溝(冷媒流路)15が所定の間隔をもって配置されている。
In the modification shown in FIG. 3, the
これらの溝15は、断面円形状に形成され、冷却天板9及び基台11の厚さ方向に沿って延在している。これらの溝15は、冷却天板9を貫通し、更に基台11の内部に入り込み、基台11を貫通せずに基台11の上面11aよりも下方の位置まで延びている。そして、これらの溝15には、冷媒が流入し、バスバー4の熱を吸収してバスバー4を冷却する。なお、冷媒はジェット噴流を形成することが好ましい。
These
図4に示す変形例では、冷媒を流通させるための冷媒流路17が、突起部12によって形成されておらず、基台11の内部に直接形成されている。具体的には、バスバー16がそれぞれ平板状に形成された導電部10と基台11とを有する。導電部10及び基台11は、冷却天板9の上面9aに搭載されている。そして、冷却天板9、基台11及び導電部10には、複数の溝(冷媒流路)17が所定の間隔をもって配置されている。
In the modification shown in FIG. 4, the
これらの溝17は、断面円形状に形成され、冷却天板9及び基台11の厚さ方向に沿って延在している。これらの溝17は、冷却天板9及び基台11を貫通し、更に導電部10の内部に入り込み、導電部10を貫通せずに導電部10の上面10aよりも下方の位置まで延びている。そして、これらの溝17には、冷媒が流入し、バスバー4の熱を吸収してバスバー4を冷却する。なお、冷媒はジェット噴流を形成することが好ましい。
These
本発明に係るパワー半導体ユニットは、上記の実施形態に記載したものに限定されるものではない。本発明にパワー半導体ユニットは、各請求項に記載した要旨を変更しないように実施形態に係るパワー半導体ユニットを変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。例えば、上記の実施形態において、配線の接合方法として、ワイヤーボンドを用いたが、テープボンドやダイレクトリードボンドを用いてもよい。また、冷媒を流通させる冷媒流路として、溝のほか、穴などの流路を設けてもよい。 The power semiconductor unit according to the present invention is not limited to the one described in the above embodiment. The power semiconductor unit according to the present invention may be obtained by modifying the power semiconductor unit according to the embodiment so as not to change the gist described in each claim or applying the power semiconductor unit to another. For example, in the above embodiment, wire bonding is used as a wiring bonding method, but tape bonding or direct lead bonding may be used. In addition to the groove, a channel such as a hole may be provided as the coolant channel for circulating the coolant.
1…パワー半導体ユニット、2…パワー半導体素子、4,14,16…バスバー、10…導電部、11…基台、13…冷媒流路、15,17…溝。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記バスバーは、前記パワー半導体素子への給電のための導電部と前記導電部を支持する基台とを有し、
前記基台には、冷媒を流通させる冷媒流路が設けられていることを特徴とするパワー半導体ユニット。 In a power semiconductor unit comprising a power semiconductor element and a bus bar for supplying power to the power semiconductor element,
The bus bar has a conductive part for supplying power to the power semiconductor element and a base supporting the conductive part,
The power semiconductor unit, wherein the base is provided with a refrigerant flow path for circulating the refrigerant.
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JP2014011086A (en) * | 2012-06-29 | 2014-01-20 | Mitsubishi Motors Corp | Bus bar and electric circuit |
WO2014131829A1 (en) * | 2013-03-01 | 2014-09-04 | Magna Powertrain Ag & Co Kg | Component cooling system |
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2009
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