JP2013211946A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の大出力化にともなう高電流化によって生じるバスバーの発熱を抑制する。
【解決手段】本発明に係る電力変換装置は、パワー半導体素子と、第１導体板と、前記第１導体板と接続される第１バスバーと、前記第１バスバーと接続される第２バスバーと、前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第１バスバーを収納するケースと、却冷媒を流す流路を形成する流路形成体と、を備え、前記ケースは、前記第１バスバーと対向する領域に形成される第１放熱部と、当該第１放熱部の放熱面の略垂直方向に形成されたフランジ部と、当該フランジ部に形成された開口部と、を形成し、前記フランジ部は、前記第１放熱部が前記流路形成体の流路内に収納されるように当該流路形成体に固定され、前記第１バスバーは、前記第１放熱部の前記放熱面と略平行に前記第１導体板から突出し、さらに前記第１バスバーは、前記フランジ部の内壁に沿うように屈曲する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特にハイブリット自動車又は電気自動車の電力変換装置に関する。

ハイブリット自動車、及び、電気自動車の電力変換装置の半導体装置は、近年のシステムの大出力化にともない、入力電流が増加する傾向にある。入力電流の増加は、半導体チップおよび半導体装置と接続するバスバーの温度を上昇させる。従来は、半導体チップの発熱低減及び放熱性向上させ温度上昇を抑制している。

特許２００７−１４３２７２号公報

電力変換装置の大出力化にともなう高電流化によって生じるバスバーの発熱を抑制する。

本発明に係る電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子に前記電流を伝達する第１導体板と、前記第１導体板と接続される第１バスバーと、前記第１バスバーと接続される第２バスバーと、前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第１バスバーを収納するケースと、却冷媒を流す流路を形成する流路形成体と、を備え、前記ケースは、前記第１バスバーと対向する領域に形成される第１放熱部と、当該第１放熱部の放熱面の略垂直方向に形成されたフランジ部と、当該フランジ部に形成された開口部と、を形成し、前記フランジ部は、前記第１放熱部が前記流路形成体の流路内に収納されるように当該流路形成体に固定され、前記第１バスバーは、前記第１放熱部の前記放熱面と略平行に前記第１導体板から突出し、さらに前記第１バスバーは、前記フランジ部の内壁に沿うように屈曲する。

本発明によれば、バスバーの冷却が可能となり、バスバーの発熱が半導体チップに伝わらない。その結果、半導体チップの小型化が可能であり、電力変換装置が低コスト化される。

本発明による半導体装置の実施形態の一例を示す。 図１の半導体装置の一部詳細図を示す。 図１の半導体装置の一部図詳細図を示す。 図１の半導体装置の等価回路図を示す。 図３の断面図を示す。 本発明による電力変換装置の一例を示す。 図６の電力変換装置の一部詳細図を示す。 図６の電力変換装置の他断面図を示す。

本発明の実施の形態について、図１ないし図８を参照して、以下説明する。

図１は、本発明による半導体装置の実施形態の一例を示す。図１において、ＩＧＢＴチップ１ａは、放熱性を有する第２導体板３ａの一方の面上にはんだ５で接合される。ＩＧＢＴチップ１ａの他面は、放熱性を有する第１導体板４ａの一方の面上にはんだ６で接合される。

ダイオードチップ２ａは、第２導体板３ａのＩＧＢＴチップ１ａが接合された面上にはんだ７で接合される。ダイオードチップ２ａの他面は、第１導体板４ａのＩＧＢＴチップ１ａが接合された面上にはんだ８で接合される。

第１導体板４ａと第２導体板３ａのＩＧＢＴチップ１ａとダイオードチップ２ａが接続された面側は、絶縁性有機材料のモールド２０によりモールド成形される。モールド２０は、第１導体板４ａと第２導体板３ａの外周を覆い、且つ、第１導体板４ａと第２導体板３ａのＩＧＢＴチップ１ａとダイオードチップ２ａの接続面の反対面と同一面を有する。

第１導体板４ａと第２導体板３ａ及びモールド２０のＩＧＢＴチップ１ａとダイオードチップ２ａの接続面の反対面は、放熱性と絶縁性を有する絶縁部材２３によって、ケース２４に接合される。絶縁部材２３は、例えば粘着性のシート等が用いられ、ケース２４の内壁と第１導体板４ａ又は第２導体板３ａとを接着させる。

ケース２４は、モールド２０によってモールド成形されたＩＧＢＴチップ１ａとダイオードチップ２ａ、第１導体板４ａ及び第２導体板３ａを囲む缶状構造で、絶縁部材２３の貼付け面の反対面側にフィン２５を有する。

ケース２４は、第１導体板４ａと対向する領域に第１放熱部２０４を形成する。またケース２４は、第２導体板３ａと対向する領域に第２放熱部２０５を形成する。フランジ２０２は、第１放熱部２０４の放熱面２０６の略垂直方向に形成される。開口部２０１はフランジ部に形成され、この開口部２０１の開口面積はバスバー１１ａが貫通する開口部２０７の開口面積よりも大きく形成される。

フランジ部は、図６に示されるように、第１放熱部２０４及び第２放熱部２０５が流路形成体２５０の流路Ｙ内に収納されるように流路形成体２５０に固定される。

第１放熱部２０４及び第２放熱部２０５は、クーラント液などによって直接的に冷却され、ＩＧＢＴチップ１ａとダイオードチップ２ａを第１導体板４ａと第２導体板３ａ及び絶縁部材２３を介して冷却する。

フランジ２０２は、フィン２５側にシール面２０３と、シール面２０３の反対面に開口部２０１を有する。ケース２４の絶縁部材２３の貼付け面から開口部２０１に向かうフランジ２０２の内側縁線、及び、フィン２５からシール面２０３を通って開口部２０１に向かうフランジ２０２の外側縁線は、ほぼ平行に形成されている。ケース２４は、一体又は複数の部材で構成されており、例えば、アルミ鍛造成形による一体成形品や、第１放熱部２０４及び第２放熱部２０５をアルミ鍛造品とし、フランジ２０２及び他の部分をアルミダイカスト形成した部材に溶接などで接合した構造体である。

第１導体板４ａには、外部との電気接続のためのバスバー１１ａが接続されている。なお第１導体板４ａとバスバー１１ａを一体で形成してもよい。

バスバー１１ａは、ケース２４の絶縁部材２３の貼付け面から開口部２０１に向かうフランジ２０２の内側縁線に平行に配置される。つまり、バスバー１１ａは、第１放熱部２０４の放熱面２０６と略平行に第１導体板４ａから突出する。さらにバスバー１１ａは、フランジ２０２の内壁に沿うように屈曲する。

バスバー１１ａは、同様に外部との電気接続のための中間バスバー２２と接合端部１１０で接続される。バスバー２２とバスバー１１ａは溶接などにより接合されている。ケース２４の内側には、例えば絶縁性を有するエポキシ系樹脂のポッティング２６が、バスバー２２とバスバー１１ａの接合部まで覆うように充填されている。

図２は、図１におけるＩＧＢＴチップ１ａよりも右側の部材及びケース２４やモールド２０を取り除いき、図１の矢印Ｂ方向から見た図である。

図２において、ＩＧＢＴチップ１ａとダイオードチップ２ａは下面放熱板４ａに図１に示すはんだ６及びはんだ８で接続される。同様に、ＩＧＢＴチップ１ｂとダイオードチップ２ｂは第３導体板４ｂにはんだ６及びはんだ８で接続される。ＩＧＢＴチップ１ａとＩＧＢＴチップ１ｂのゲート端子などの制御端子はアルミワイヤー１０でゲートピン９に接続される。

第１導体板４ａにバスバー１１ａ、第３導体板４ｂにバスバー１１ｂがそれぞれ一体で形成されている。バスバー１１ａの隣には、バスバー１１同様に外部との電気接続のためのバスバー１２が配置されており、バスバー１２は、図１のバスバー１１と同様にケース２４の絶縁部材２３の貼付け面から開口部２０１に向かうフランジ２０２の内側縁線に平行に配置され、中間バスバー２２に接続される。

ゲートピン９、バスバー１１ａ、バスバー１１ｂ及びバスバー１２は同一平面上に配置され、第１導体板４ａ、第３導体板４ｂと、引抜き成形などで一体の一枚板に形成された後に、プレスの打抜き成形などで分割され構成されている。

図３は、図１の第２導体板３及び下面放熱板４と各チップの構成を示す。図３において、第２導体板３ａ及び第４導体板３ｂは、図１で示したはんだ５とはんだ７で各チップに接合される。

第２導体板３ａは第４導体板３ｂと電気的に接合され、第４導体板３ｂはバスバー１２に伸びた凸部を有し、はんだなどによりバスバー１２と電気的に接続される。

バスバー１１ａ、バスバー１１ｂ及びバスバー１２のそれぞれの幅寸法Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３は、流れる電流値に応じた値となっており、バスバー１１ａとバスバー１２は、流れる電流が等しく、幅寸法Ｘ１とＸ２は等しい。バスバー１１ｂは、流れ電流がバスバー１１ａとバスバー１２に比べ大きく、幅寸法Ｘ３は、幅寸法Ｘ１とＸ２より大きい。

図４は、図３の等価回路図である。図４において、ＩＧＢＴチップ１ａ、ダイオードチップ２ａとＩＧＢＴチップ１ｂ、ダイオードチップ２ｂは、ＩＧＢＴチップとダイオードチップとが並列に接続され、接続された各々が直列に接続されアームを構成している。ＩＧＢＴチップ１ａとダイオードチップ２ａの上電位側にバスバー１１ａ、ＩＧＢＴチップ１ｂとダイオードチップ２ｂの下電位側にバスバー１２、ＩＧＢＴチップ１ａ及びダイオードチップ２ａと、ＩＧＢＴチップ１ｂ及びダイオードチップ２ｂの中間電位にバスバー１１ｂが配置されている。上述したアームにおいて、例えば正弦波電流を発生させたとき、中間電位であるバスバー１１ｂに流れる電流は、バスバー１１ａ、バスバー１２に流れる電流の１／２となる。これは、ＩＧＢＴチップ１ａ、１ｂのＯＮ／ＯＦＦによってバスバー１１ｂに流れる電流が、バスバー１１ａ、又は、バスバー１２に切り替わるためである。即ち、バスバー１１ｂには連続的な正弦波電流が流れ、バスバー１１ａ、バスバー１２には正弦波を矩形波に分割した電流が流れるためである。

図５は、図３のＡ―Ａ断面の矢印方向から見た断面図である。図５において、第２導体板３ａは下面放熱板４ｂに伸びる接合部３０を有する。接合部３０は、はんだ１３を介して下面放熱板４ｂに接合される。

以上説明した半導体装置において、ＩＧＢＴチップ１ａ、ＩＧＢＴチップ１ｂダイオードチップ２ａ及びダイオードチップ２ｂに流れる電流は、バスバー１１ａ、バスバー１１ｂ及びバスバー１２と中間バスバー２２を通り外部に流れる。この電流によって、バスバー１１ａ、バスバー１１ｂ及びバスバー１２さらに中間バスバー２２は発熱する。

そこで本実施形態は、バスバー１１ａ、バスバー１１ｂ及びバスバー１２は、ケース２４の絶縁部材２３の貼付け面から開口部２０１に向かうフランジ２０２の内側縁線に平行に配置された面でポッティング２６を介して、ケース２４への放熱性を有している。

また、ケース２４の絶縁部材２３の貼付け面から開口部２０１に向かうフランジ２０２の内側縁線は、フィン２５からシール面２０３を通って開口部２０１に向かうフランジ２０２の外側縁線と平行に構成されており、内側縁線から外側縁線間の熱抵抗は低く、且つ、外側縁線の一部はシール面２０３の内側にあることで、冷却液等により冷却される。以上から、バスバー１１ａ、バスバー１１ｂ及びバスバー１２は高い放熱性を有しており、バスバー２２の発熱もバスバー１１ａ、バスバー１１ｂ及びバスバー１２との接合端部１１０を介して放熱することが可能である。このとき、バスバー２２は、図１に示すように、バスバー１１との接合端部１１０から伸びたバスバー１１と接する面を設けて、接する面での放熱性を得ることでバスバー２２の放熱性が高まる。

また、高放熱性の材料をポッティング２６に用い、且つ、バスバー１１ａ、バスバー１１ｂ及びバスバー１２とケース２４の絶縁部材２３の貼付け面から開口部２０１に向かうフランジ２０２の内側縁線との距離をポッティング樹脂２６で絶縁可能な距離まで狭くすることで、バスバー１１ａ、１１ｂ、１２の放熱性が高まる。

図６は、本実施形態に係る電力変換装置の断面図である。図６において、半導体装置１００は上述した半導体装置を示す。半導体装置１００は、筐体１０１に固定され、シール面２０３とケース１００との間には、ゴムなどの気密性を有する材料で作られたパッキン２７が設けられる。

流路Ｙは、筐体１０１に固定された流路形成体とケース１００の外壁によって形成される。流路Ｙには、例えばクーラント液などが流れ、半導体装置１００を冷却する。流路Ｙには、クーラントの流れを整流するスペーサー２８及びスペーサー２９が、筐体１０１又はケース１００に固定されている。スペーサー２８及びスペーサー２９により、クーラントはフィン２５側の流路に流れ、フィン２５の冷却性を向上させる。また、スペーサー２８は、ケース１００との間又は半導体装置との間のどちらか、又は、両側に隙間が設けられており、流路Ｙを流れるクーラント液が流れる。これより、半導体装置のフィン２５からシール面２０３に向かう外側縁線は、クーラントにより冷やされ、上述した半導体装置と同様にバスバー１１や中間バスバー２２の冷却が可能である。

筐体１０１には、コンデンサ１０２が固定される。コンデンサバスバー１０３は、中間バスバー２２と、溶接などで接合されている。これより、コンデンサバスバー１０３も中間バスバー２２及びバスバー１１を介して冷却される。

図７は、図６に示した半導体装置１００のバスバー１１と中間バスバー２２との接合部周辺を示す図である。バスバー１１ａ、１１ｂ、１２と中間バスバー２２は溶接などで接合されており、同様にゲートピン９と中間ゲートピン２１も溶接などで接合されている。この時、各々の接合端部１１０は、直線上に配置されている。

図８は、図６に示した電力変換装置の別断面を示す。半導体装置１００とコンデンサ１０２は、筐体１０１に固定されており、図７で示したゲートピン９と接合された中間ゲートピン２１は、制御基板１０４に、はんだなどで接続される。制御基板１０４は、ねじ１０５で筐体１０１に固定される。

以上説明した電力変換装置において、中間バスバー２２と中間ゲートピン２１は、接合端部１１０で、半導体装置１００との電気接続を持ち、その接合端部と反対側でコンデンサバスバー１０３と制御基板１０４との電気接続を持っている。これより、異なるコンデンサ１０２とコンデンサバスバー１０３、及び、制御基板１０４を有する電力変換装置においては、中間バスバー２２と中間ゲートピン２１の長さや形状を変えることで、接合端部１１０の位置を変更せずに、コンデンサ１０２とコンデンサバスバー１０３、及び、制御基板１０４との接続が可能である。この結果、異なるコンデンサ１０２とコンデンサバスバー１０３、及び、制御基板１０４を設ける電力変換装置においても、半導体装置１００はバスバーの放熱性を有し、中間バスバー２２と中間ゲートピン２１を除き、同一部品で半導体装置１００は構成可能である。

１ａ、１ｂ ＩＧＢＴチップ
２ａ、２ｂ ダイオードチップ
３ａ 第２導体板
３ｂ 第４導体板
４ａ 第１導体板
４ｂ 第３導体板
５、６、７、８、１３ はんだ
９ ゲートピン
１０ アルミワイヤー
１１ａ、１１ｂ、１２ バスバー
２０ モールド
２１ 中間ゲートピン
２２ 中間バスバー
２３ 絶縁部材
２４、１０１ ケース
２５ フィン
２６ ポッティング
３０ 接合部
１００ 半導体装置
１１０ 接続端部
２０１、２０７ 開口部
２０２ フランジ
２０３ シール面
２０４ 第１放熱部
２０５ 第２放熱部
２０６ 放熱面
２５０ 流路形成体
１０２ コンデンサ
１０３ コンデンサバスバー
１０４ 制御基板
１０５ ねじ
２０３ パッキン
２９ スペーサー
Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３ 幅寸法
Ｙ 水路

Claims (6)

1. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子と、
   前記パワー半導体素子に前記電流を伝達する第１導体板と、
   前記第１導体板と接続される第１バスバーと、
   前記第１バスバーと接続される第２バスバーと、
   前記パワー半導体素子と前記第１導体板と前記第１バスバーを収納するケースと、
   冷却冷媒を流す流路を形成する流路形成体と、を備え、
   前記ケースは、前記第１バスバーと対向する領域に形成される第１放熱部と、当該第１放熱部の放熱面の略垂直方向に形成されたフランジ部と、当該フランジ部に形成された開口部と、を形成し、
   前記フランジ部は、前記第１放熱部が前記流路形成体の流路内に収納されるように当該流路形成体に固定され、
   前記第１バスバーは、前記第１放熱部の前記放熱面と略平行に前記第１導体板から突出し、
   さらに前記第１バスバーは、前記フランジ部の内壁に沿うように屈曲する電力変換装置。
2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記ケースの収納空間に充填される封止材を備え、
   前記封止材は、前記第１バスバーの外周全てを覆うように前記ケースの収納空間に充填される電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記交流電流を伝達する第３バスバーを備え、
   前記パワー半導体素子は、複数設けられ、
   前記複数のパワー半導体素子は、前記交流電流を出力するインバータ回路を構成する上アーム回路と、前記インバータ回路を構成する下アーム回路と、を構成し、
   前記第３バスバーの幅方向の長さは、前記第１バスバーの幅方向の長さよりも大きく形成される電力変換装置。
4. 請求項１ないし３に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記第２バスバーは、前記第１バスバーの屈曲部から当該第１バスバーの先端部を形成する面と接合するための面を有する電力変換装置。
5. 請求項１ないし４に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記ケースの外壁と前記流路の内壁と前記フランジ部の外壁とにより形成される空間に収納されるスペーサーを備える電力変換装置。
6. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記交流電流を伝達する第３バスバーと、
   前記第３バスバーと接続される第４バスバーと、を備え、
   前記第３バスバーは、前記第１放熱部の前記放熱面と略平行に形成され、
   さらに前記第３バスバーは、前記フランジ部の内壁に沿うように屈曲し、
   前記第１バスバーと前記第２バスバーとの接続面は、前記第３バスバーと前記第４バスバーとの接続面と同一面上に形成される電力変換装置。