JP2015053775A - Semiconductor power conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor power conversion device, with which it is possible to achieve miniaturization and an improvement in cooling efficiency.SOLUTION: According to an embodiment, a semiconductor power conversion device includes: a first conductor 61; a second conductor 63; a first semiconductor element that contains SiC and is formed like a plate, one of whose electrodes is joined to a first joint surface of the first conductor, and the other of whose electrodes is joined to a second joint surface of the second conductor; a second semiconductor element 51a one of whose electrodes is joined to the first joint surface of the first conductor and the other of whose electrodes is joined to the second joint surface of the second conductor; a heat radiation metal plate 67 that includes a flat heat reception surface 67a, on which a first and second bottom surfaces of the first and second conductors are mounted through a sheet-like insulator 66, and a flat heat radiation surface 67b that opposes the heat reception surface; and a cooler 80 that includes a cooling block 82 joined to the heat radiation surface of the heat radiation metal plate. The cooling block includes: a flat joint surface 82a that is in surface contact with the heat radiation surface; a rectangular recessed part 86 that includes a rectangular opening opened in the joint surface and forms a coolant passage through which a coolant flows while contacting the heat radiation surface; and a sealing material 92 provided to surround a periphery of the recessed part.

Description

この発明の実施形態は、半導体電力変換装置に関する。   Embodiments described herein relate generally to a semiconductor power conversion device.

近年、自動車の燃費向上を目的とし、内燃機関とモータを併用したハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。また一方で、モータだけで走行可能な電気自動車の製品化も進んでいる。一般に、これら自動車は、直流を交流に変換してモータに供給する半導体電力変換装置として、インバータ装置を備えている。例えば、3相のインバータ装置の場合、U相、V相、W相に対応する3つの電力半導体素子を有している。このような車載用の半導体電力変換装置は、小型化、低コスト化、冷却効率の向上が必須であり、この目的を達成するためには、半導体電力変換装置の主要部品である電力半導体素子の小型化、抵コスト化、冷却効率の向上が重要となる。   In recent years, for the purpose of improving the fuel consumption of automobiles, the spread of hybrid cars using both an internal combustion engine and a motor is rapidly progressing. On the other hand, commercialization of electric vehicles that can run only with motors is also progressing. Generally, these automobiles include an inverter device as a semiconductor power conversion device that converts direct current into alternating current and supplies the motor to a motor. For example, a three-phase inverter device has three power semiconductor elements corresponding to the U phase, the V phase, and the W phase. Such an in-vehicle semiconductor power conversion device must be downsized, reduced in cost, and improved in cooling efficiency. In order to achieve this object, the power semiconductor element that is a main component of the semiconductor power conversion device is used. Miniaturization, cost reduction, and improvement in cooling efficiency are important.

例えば、特許文献1に開示された半導体電力変換装置によれば、電力半導体素子は、それぞれ導電性金属で形成された第1導体、第2導体、第3導体と、これらの導体に接合された接合面を有する放熱用金属板と、を備えている。第1導体には、1相の上アームを構成する半導体素子(チップ)であるIGBT(insulated gate bipolar transistor)及びダイオードの正極側が接合されている。第2導体には、1相の下アームを構成するIGBT及びダイオードの負極側が接合されている。そして、第3導体は、第1導体と第2導体の間に配設され、上アームを構成するIGBT及びダイオードの負極側、および下アームを構成するIGBT及びダイオードの正極側に接合されている。第1導体および第2導体は、正極電極および負極電極として機能し、第3導体は、交流出力電極として機能する。   For example, according to the semiconductor power conversion device disclosed in Patent Document 1, the power semiconductor element is joined to the first conductor, the second conductor, and the third conductor, which are each formed of a conductive metal, and these conductors. And a heat dissipating metal plate having a joint surface. An IGBT (insulated gate bipolar transistor), which is a semiconductor element (chip) constituting the upper arm of one phase, and the positive electrode side of the diode are joined to the first conductor. The second conductor is joined to the IGBT constituting the lower arm of one phase and the negative electrode side of the diode. The third conductor is disposed between the first conductor and the second conductor, and is joined to the negative electrode side of the IGBT and the diode constituting the upper arm, and the positive electrode side of the IGBT and the diode constituting the lower arm. . The first conductor and the second conductor function as a positive electrode and a negative electrode, and the third conductor functions as an AC output electrode.

そして、第1、第2、第3導体は、半導体素子との接合面が、放熱用金属板と導体との間の接合面と非平行になるように、冷却器に配置されている。更に、放熱用金属板の裏面には、熱伝導グリースが塗布され、放熱用金属板は、熱伝導グリースを介して冷却器の受熱板にネジ止め等により固定される。このような構成により、冷却効率および製造性を高めた電力半導体素子および半導体電力変換装置が提供される。   And the 1st, 2nd, 3rd conductor is arrange | positioned at a cooler so that the joint surface with a semiconductor element may become non-parallel with the joint surface between the metal plate for heat dissipation, and a conductor. Furthermore, heat conduction grease is applied to the back surface of the heat radiating metal plate, and the heat radiating metal plate is fixed to the heat receiving plate of the cooler with screws or the like via the heat conduction grease. With such a configuration, a power semiconductor element and a semiconductor power conversion device with improved cooling efficiency and manufacturability are provided.

また、近年、電力用変換装置は、小型、低コスト化の市場要求に伴い、電力用変換装置を構成する電力用半導体素子も大容量化、高速化、小型化が加速している。電力用半導体素子は、その外形が小型化になる一方で容量が増大することから、単位面積あたりの熱量である熱流束が増大する傾向にある。一方、電力用半導体素子は、その特性上、半導体チップの許容温度を高くすることが困難であり、そのため或る温度内に保つ必要がある。そのため、熱流束の増大に応じて、冷却効率に優れた半導体素子用冷却器への要求が強くなっている。特に、電気自動車やハイブリッド自動車用の電力変換器用冷却器は、純水又は不凍液の冷媒が流路上に設けられた冷却用フィンを流れることにより、接合された電力変換器を冷却する。   Further, in recent years, power conversion devices are increasing in capacity, speed, and size as power semiconductor elements constituting power conversion devices are accelerating in response to market demands for reduction in size and cost. Power semiconductor elements tend to increase in heat flux, which is the amount of heat per unit area, because their external dimensions are reduced while capacity increases. On the other hand, it is difficult for the power semiconductor element to increase the allowable temperature of the semiconductor chip due to its characteristics, and therefore it is necessary to keep it within a certain temperature. For this reason, as the heat flux increases, there is an increasing demand for a cooler for semiconductor elements having excellent cooling efficiency. In particular, a cooler for a power converter for an electric vehicle or a hybrid car cools the joined power converter by flowing a coolant of pure water or antifreeze liquid through cooling fins provided on the flow path.

特開2007−68302号公報JP 2007-68302 A 特開2007−214281号公報JP 2007-214281 A

上記のように構成された半導体電力変換装置では、電力用半導体素子と冷却器との間に熱伝導グリースが塗布されているため、その熱伝導グリースの厚み分の熱抵抗があり冷却効率向上の障害となっている。また、冷却器内部には、冷却器の熱抵抗を下げる、すなわち冷却効率を上げるために、拡大伝熱面であるフィンが配置されている。そのフィンの高さ分、冷却器が大型化し、更にそのフィンを形成するための材料費、製造コスト等もかかり、半導体電力変換装置の小型化、低コスト化の障害となっている。   In the semiconductor power conversion device configured as described above, since the thermal conductive grease is applied between the power semiconductor element and the cooler, there is a thermal resistance corresponding to the thickness of the thermal conductive grease, thereby improving the cooling efficiency. It is an obstacle. In addition, fins that are enlarged heat transfer surfaces are arranged inside the cooler in order to lower the thermal resistance of the cooler, that is, to increase the cooling efficiency. The size of the cooler is increased by the height of the fin, and the material cost and manufacturing cost for forming the fin are also increased, which is an obstacle to miniaturization and cost reduction of the semiconductor power conversion device.

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、一層の小型化、冷却効率の向上が可能な半導体電力変換装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a semiconductor power conversion device that can be further reduced in size and improved in cooling efficiency.

実施形態によれば、半導体電力変換装置は、第1接合面および第1接合面と直交する第1底面を有する直方体形状の第1導電体と、前記第1接合面と平行に対向する第2接合面および第2接合面と直交し前記第1底面と同一平面に位置する第2底面を有する直方体形状の第2導電体と、SiCを含み板状に形成された第1半導体素子であって、一方の電極が前記第1導電体の第1接合面に接合され、他方の電極が前記第2導電体の第2接合面に接合され、前記第1および第2接合面と平行に配置された第1半導体素子と、板状に形成された第2半導体素子であって、一方の電極が前記第1導電体の第1接合面に接合され、他方の電極が前記第2導電体の第2接合面に接合され、前記第1および第2接合面と平行に配置された第2半導体素子と、前記第1および第2導電体の第1および第2底面がシート状絶縁体を介して載置された平坦な受熱面、およびこの受熱面に対向する平坦な放熱面を有する放熱用金属板と、前記放熱用金属板の放熱面に接合された冷却ブロックを有する冷却器と、を備えている。前記冷却ブロックは、前記放熱用金属板の放熱面に面接した平坦な接合面と、前記第1および第2導電体に対向する位置で前記接合面に開口し、前記放熱面に接して冷媒を流す冷媒流路を形成した矩形状の凹所と、前記凹所の周囲を囲んで前記接合面に設けられ前記用熱用金属板に密着するシール材と、を有する。   According to the embodiment, the semiconductor power conversion device includes a first rectangular parallelepiped first conductor having a first joint surface and a first bottom surface orthogonal to the first joint surface, and a second facing the first joint surface in parallel. A rectangular parallelepiped second conductor having a second bottom surface orthogonal to the bonding surface and the second bonding surface and located in the same plane as the first bottom surface; and a first semiconductor element formed in a plate shape containing SiC. One electrode is bonded to the first bonding surface of the first conductor, and the other electrode is bonded to the second bonding surface of the second conductor, and is arranged in parallel with the first and second bonding surfaces. A first semiconductor element and a second semiconductor element formed in a plate shape, wherein one electrode is joined to the first joint surface of the first conductor and the other electrode is a second conductor of the second conductor. A second semiconductor element bonded to two bonding surfaces and disposed in parallel with the first and second bonding surfaces; A flat heat receiving surface on which the first and second bottom surfaces of the first and second conductors are placed via a sheet-like insulator, and a heat radiating metal plate having a flat heat radiating surface facing the heat receiving surface; And a cooler having a cooling block joined to the heat radiation surface of the metal plate for heat radiation. The cooling block has a flat joint surface that is in contact with the heat radiating surface of the heat radiating metal plate, and opens to the joint surface at a position facing the first and second conductors. A rectangular recess in which a flow path for flowing refrigerant is formed, and a sealing material that surrounds the periphery of the recess and is provided on the joint surface and is in close contact with the metal plate for heat.

図1は、第1の実施形態に係る半導体電力変換装置の等価回路を示す図。FIG. 1 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the semiconductor power conversion device according to the first embodiment. 図2は、前記半導体電力変換装置の1相分の半導体モジュールの平面図。FIG. 2 is a plan view of a semiconductor module for one phase of the semiconductor power converter. 図3は、前記半導体モジュールの分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view of the semiconductor module. 図4は、図2の線A−Aに沿った前記半導体モジュールの横断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view of the semiconductor module taken along line AA in FIG. 図5は、図2の線B−Bに沿った前記半導体モジュールの縦断面図。FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the semiconductor module taken along line BB in FIG. 2.

以下に、図面を参照しながら、実施形態に係る半導体電力変換装置ついて詳細に説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。   Hereinafter, a semiconductor power conversion device according to an embodiment will be described in detail with reference to the drawings. Each figure is a schematic diagram for promoting an understanding of the embodiment and its shape, dimensions, ratio, etc. are different from the actual apparatus, but these are considered in consideration of the following description and known techniques. The design can be changed as appropriate.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る半導体電力変換装置の等価回路図である。図1に示すように、半導体電力変換装置10は、例えば、U相、V相、W相の3相インバータとして構成され、負荷対象として、モータ12に電力を供給するように構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor power conversion device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the semiconductor power conversion device 10 is configured as, for example, a U-phase, V-phase, and W-phase three-phase inverter, and is configured to supply power to the motor 12 as a load target.

半導体電力変換装置10は、それぞれU相、V相、W相に対応する3つの電力半導体モジュール16、18、20と、直流電源、例えば、バッテリ22から電力半導体モジュールに供給される直流電圧を平滑する平滑コンデンサ24と、3相出力用接続導体26を介してモータ12へ流れる電流を検出する電流検出器28a、28b、28cと、電流検出器により検出された電流情報や平滑コンデンサ24に印加される電圧等に基づき、電力半導体モジュール16、18、20を制御する制御ユニット35と、制御ユニット35の制御信号に基づき、後述する電力半導体モジュールの半導体素子(IGBT)のゲートを駆動するための駆動回路を有した駆動基板34と、を備えている。駆動基板34には、半導体素子を駆動する駆動用IC36が半導体素子に対して1対1の対応で設けられている。即ち、この回路では、駆動用IC36が6個設けられている。また、各電力半導体モジュール16、18、20には、これらを冷却する後述の冷却器が設けられている。   The semiconductor power converter 10 smoothes the DC power supplied to the power semiconductor module from the three power semiconductor modules 16, 18, and 20 corresponding to the U phase, V phase, and W phase, respectively, and the DC power source, for example, the battery 22. Applied to the smoothing capacitor 24, the current detectors 28a, 28b, 28c for detecting the current flowing to the motor 12 via the three-phase output connection conductor 26, and the current information detected by the current detector and the smoothing capacitor 24. The control unit 35 that controls the power semiconductor modules 16, 18, and 20 based on the voltage to be driven, and the drive for driving the gate of the semiconductor element (IGBT) of the power semiconductor module to be described later based on the control signal of the control unit 35 And a drive substrate 34 having a circuit. The driving substrate 34 is provided with driving ICs 36 for driving the semiconductor elements in a one-to-one correspondence with the semiconductor elements. That is, in this circuit, six driving ICs 36 are provided. Each power semiconductor module 16, 18, 20 is provided with a cooler described later for cooling them.

以下、電力半導体モジュール16、18、20について詳細に説明する。電力半導体モジュール16、18、20は、それぞれ同一の構成を有していることから、1つの電力半導体モジュール16を代表して説明する。
図2は、電力半導体モジュール16の平面図、図3は、電力半導体モジュール16を示す分解斜視図、図4は、図2の線A−Aに沿った電力半導体モジュールの断面図、図5は、図2の線B−Bに沿った電力半導体モジュールの断面図である。
Hereinafter, the power semiconductor modules 16, 18, and 20 will be described in detail. Since the power semiconductor modules 16, 18, and 20 have the same configuration, one power semiconductor module 16 will be described as a representative.
2 is a plan view of the power semiconductor module 16, FIG. 3 is an exploded perspective view showing the power semiconductor module 16, FIG. 4 is a cross-sectional view of the power semiconductor module along line AA in FIG. 2, and FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the power semiconductor module along the line BB in FIG. 2.

図1ないし図4に示すように、本実施形態において、各電力半導体モジュールは、IGBT素子とFWD(Free Wheeling Diode)素子を並列接続した2回路を1つのパッケージとする、いわゆる、2in1構造の半導体モジュールとして構成されている。また、各電力半導体モジュールは、いわゆる両面放熱型および垂直実装型(バーティカル・チップ・マウント(VCM))の半導体モジュールとして構成されている。   As shown in FIGS. 1 to 4, in this embodiment, each power semiconductor module is a semiconductor having a so-called 2-in-1 structure in which two circuits in which IGBT elements and FWD (Free Wheeling Diode) elements are connected in parallel are combined into one package. Configured as a module. Each power semiconductor module is configured as a so-called double-sided heat dissipation type and vertical mounting type (vertical chip mount (VCM)) semiconductor module.

詳細に述べると、電力半導体モジュール16は、インバータ回路におけるU相の上側アームを構成する第1半導体素子、ここでは、第1スイッチング素子であるIGBT41aおよび第2半導体素子としてのダイオード(FWD(Free Wheeling Diode))51a、インバータ回路におけるU相の下側アームを構成する第3半導体素子、ここでは、第2スイッチング素子として機能するIGBT41b、および第4半導体素子としてのダイオード(FWD)51b、第1導電体61、第2導電体62、第3導電体63、シート状絶縁体としての絶縁樹脂シート66、ベースとして機能する放熱用金属板67、およびこれらを覆うカバー70、を備えている。   More specifically, the power semiconductor module 16 includes a first semiconductor element constituting an upper arm of the U phase in the inverter circuit, here, an IGBT 41a as a first switching element and a diode (FWD (Free Wheeling) as a second semiconductor element. Diode)) 51a, the third semiconductor element constituting the lower arm of the U phase in the inverter circuit, here, the IGBT 41b functioning as the second switching element, the diode (FWD) 51b as the fourth semiconductor element, the first conductivity A body 61, a second conductor 62, a third conductor 63, an insulating resin sheet 66 as a sheet-like insulator, a heat radiating metal plate 67 functioning as a base, and a cover 70 covering these.

IGBT41a、41b、およびダイオード51a、51bは、例えば、サイズがほぼ10mm角程度の板状の半導体チップであり、それぞれ両面に電極を有している。ダイオード51a、51bの各々は、IGBT41a、41bの各々に逆並列接続されている。IGBT41a、41bの各々には、ゲート端子等の複数の入出力端子76a、76bが接続されている。   The IGBTs 41a and 41b and the diodes 51a and 51b are, for example, plate-shaped semiconductor chips having a size of about 10 mm square, and each has electrodes on both sides. Each of the diodes 51a and 51b is connected in antiparallel to each of the IGBTs 41a and 41b. A plurality of input / output terminals 76a and 76b such as gate terminals are connected to each of the IGBTs 41a and 41b.

第1、第2、第3導電体61、62、63は、それぞれ導電性金属、例えば、銅、アルミニウムにより、軸方向両端部を有する細長い棒状、例えば、角柱形状に形成されている。第1導電体61、第2導電体62、および第3導電体63は、同一の長さを有し、また、ほぼ同一の径に形成されている。   The first, second, and third conductors 61, 62, and 63 are each formed of a conductive metal, for example, copper or aluminum, in the shape of an elongated rod having both ends in the axial direction, for example, a prismatic shape. The first conductor 61, the second conductor 62, and the third conductor 63 have the same length and are formed to have substantially the same diameter.

第1導電体61の一側面は第1接合面61aを形成し、この一側面と直交する他の一側面は第1底面61bを形成している。第1導電体61の第1接合面61aは、上側アームを構成するIGBT41aおよびダイオード51aの正極側(それぞれコレクタ、カソード)に熱衝撃板30を介して電気的かつ機械的に接合されている。第1導電体61は、第1および第2半導体素子に共通の直流正極導体を構成している。第1接合面61a上において、IGBT41aおよびダイオード51aは、第1導電体61の長手方向(中心軸線方向)に沿って並んで配置されている。   One side surface of the first conductor 61 forms a first bonding surface 61a, and the other side surface orthogonal to the one side surface forms a first bottom surface 61b. The first joint surface 61a of the first conductor 61 is electrically and mechanically joined to the IGBT 41a and the positive electrode side (collector and cathode, respectively) constituting the upper arm via the thermal shock plate 30. The first conductor 61 constitutes a DC positive conductor common to the first and second semiconductor elements. On the first bonding surface 61 a, the IGBT 41 a and the diode 51 a are arranged side by side along the longitudinal direction (center axis direction) of the first conductor 61.

第2導電体62の一側面は第2接合面62aを形成し、この一側面と直交する他の一側面は第2底面62bを形成している。第2導電体62の第2接合面62aは、下側アームを構成するIGBT41bおよびダイオード51bの負極側(それぞれエミッタ、アノード)の電極に熱衝撃板31を介して接合されている。これにより、第2導電体62は、IGBT41bおよびダイオード51bの負極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。第2導電体62は、第3および第4半導体素子に共通の直流負極導体を構成している。第2接合面62a上において、IGBT41b、ダイオード51bは、第2導電体62の長手方向(中心軸線方向)に沿って並んで配置されている。   One side surface of the second conductor 62 forms a second bonding surface 62a, and the other side surface orthogonal to the one side surface forms a second bottom surface 62b. The second bonding surface 62a of the second conductor 62 is bonded to the negative electrode (emitter and anode) electrodes of the IGBT 41b and the diode 51b constituting the lower arm via the thermal shock plate 31, respectively. Thereby, the 2nd conductor 62 is electrically and mechanically connected with the electrode of the negative electrode side of IGBT41b and the diode 51b. The second conductor 62 constitutes a DC negative conductor common to the third and fourth semiconductor elements. On the second bonding surface 62 a, the IGBT 41 b and the diode 51 b are arranged side by side along the longitudinal direction (center axis direction) of the second conductor 62.

第2導電体62は、第1導電体61と互いに平行に並んで、かつ、隙間を置いて配置されている。そして、第1導電体61の第1接合面61aと第2導電体62の第2接合面62aとは、互いに平行に、かつ、隙間を置いて向かい合っている。第1導電体61の第1底面61bと第2導電体62の第2底面62bとは、同一平面上に並んで位置している。   The second conductor 62 is arranged in parallel with the first conductor 61 with a gap therebetween. The first bonding surface 61a of the first conductor 61 and the second bonding surface 62a of the second conductor 62 face each other in parallel with a gap. The first bottom surface 61b of the first conductor 61 and the second bottom surface 62b of the second conductor 62 are located side by side on the same plane.

第3導電体63は、第1導電体61と第2導電体62との間に隙間を置いて、かつ、第1および第2導電体と平行に配置されている。第3導電体63は、その軸方向一端部が、第1および第2導電体61、62の軸方向一端部と整列して配置されている。第3導電体63は、その軸方向他端部が、第1および第2導電体61、62の軸方向他端部と整列して配置されている。第3導電体63は、その長手方向に沿った中心軸線を有し、第1、第2、第3導電体61、62、63は、中心軸線に対して左右対称に配設されている。   The third conductor 63 is disposed in parallel with the first and second conductors with a gap between the first conductor 61 and the second conductor 62. The third conductor 63 is arranged such that one end in the axial direction thereof is aligned with one end in the axial direction of the first and second conductors 61 and 62. The third conductor 63 is arranged such that the other axial end portion thereof is aligned with the other axial end portions of the first and second conductors 61 and 62. The third conductor 63 has a central axis along the longitudinal direction thereof, and the first, second, and third conductors 61, 62, and 63 are disposed symmetrically with respect to the central axis.

第3導電体63の対向する2つの側面は2つの第3接合面63aを形成し、これらの第1接合面63aは、第1導電体61の第1接合面61aおよび第2導電体62の第2接合面62aとそれぞれ平行に対向している。また、第3導電体63の上記2つの第3接合面63aと直交する他の側面は、第3底面63bを形成している。第3底面63bは、第1および第2導電体61、62の第1底面61b、第2底面62bと同一平面に位置している。   Two opposing side surfaces of the third conductor 63 form two third joint surfaces 63 a, and these first joint surfaces 63 a are formed on the first joint surface 61 a of the first conductor 61 and the second conductor 62. The second joint surfaces 62a face each other in parallel. The other side surface of the third conductor 63 that is orthogonal to the two third joint surfaces 63a forms a third bottom surface 63b. The third bottom surface 63b is located in the same plane as the first bottom surface 61b and the second bottom surface 62b of the first and second conductors 61 and 62.

第3導電体63の一方の接合面63aは、上側アームを構成するIGBT41aおよびダイオード51aの負極側(それぞれエミッタ、アノード)の電極に熱衝撃板32を介して接合されている。これにより、第3導電体63は、IGBT41aおよびダイオード51aの負極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。第3導電体63の他方の第3接合面63aは、下側アームを構成するIGBT41bおよびダイオード51bの正極側(それぞれコレクタ、カソード)の電極に熱衝撃板33を介して接合されている。これにより、第3導電体63は、IGBT41bおよびダイオード51bの正極側の電極と電気的かつ機械的に接続されている。第3導電体63は、交流電極導体(電極導体)を構成している。   One joining surface 63a of the third conductor 63 is joined to the negative electrode (emitter and anode respectively) electrodes of the IGBT 41a and the diode 51a constituting the upper arm via the thermal shock plate 32. Thereby, the 3rd conductor 63 is electrically and mechanically connected with the electrode of the negative electrode side of IGBT41a and the diode 51a. The other third joint surface 63a of the third conductor 63 is joined via the thermal shock plate 33 to the IGBT 41b and the positive electrode (collector and cathode) electrodes of the diode 51b constituting the lower arm. Thereby, the 3rd conductor 63 is electrically and mechanically connected with the electrode of the positive electrode side of IGBT41b and the diode 51b. The third conductor 63 constitutes an AC electrode conductor (electrode conductor).

IGBT41aは、IGBT41bに対して、第3導電体63の中心軸線に沿った方向にずれた位置に配設され、IGBT41bと向い合うことなく、ダイオード51bと向い合って配置されている。同様に、IGBT41bは、ダイオード51aと向い合って配置されている。   The IGBT 41a is disposed at a position shifted in the direction along the central axis of the third conductor 63 with respect to the IGBT 41b, and is disposed facing the diode 51b without facing the IGBT 41b. Similarly, the IGBT 41b is disposed to face the diode 51a.

なお、上述した各導電体の接合面と、IGBTおよびダイオードとの接合は、ハンダあるいは導電性接着剤により行うことができ、また、熱衝撃板を介して接合してもよい。第1、第2、第3導電体61、62、63の材質は、冷却の観点からすると銅が望ましいが、アルミニウム等の他金属や、Al−SiC等の金属複合材料としても良い。   It should be noted that the bonding surface of each conductor described above, and the IGBT and the diode can be bonded by solder or a conductive adhesive, or may be bonded via a thermal shock plate. The material of the first, second, and third conductors 61, 62, and 63 is preferably copper from the viewpoint of cooling, but may be a metal other than aluminum or a metal composite material such as Al—SiC.

図2ないし図5に示すように、放熱用金属板67は、矩形状に形成され、その上面は平坦な受熱面67aを形成し、これに対向する下面(底面)は、平坦な放熱面67bを形成している。放熱用金属板67は、第1ないし第3導電体61、62、63全体よりも充分に大きな面積を有している。また、放熱用金属板67の4つの角部、各長辺側側縁の中央部に、それぞれねじを挿通するための透孔72が形成されている。   As shown in FIGS. 2 to 5, the heat radiating metal plate 67 is formed in a rectangular shape, the upper surface thereof forms a flat heat receiving surface 67a, and the lower surface (bottom surface) opposite to the flat heat receiving surface 67b. Is forming. The heat radiating metal plate 67 has an area sufficiently larger than the entire first to third conductors 61, 62, 63. In addition, through holes 72 for inserting screws are formed in the four corners of the heat radiating metal plate 67 and the central part of each long side edge.

放熱用金属板67の受熱面67aは、絶縁樹脂シート66を介して第1導電体61、第2導電体62、第3導電体63の第1、第2、第3底面61b、62b、63bに接着され、これらの導電体を支持している。放熱部材として機能する放熱用金属板67は、例えば、銅、アルミニウム等の伝熱性の高い金属により形成され、IGBT、ダイオード、および第1ないし第3導電体から熱を受け外部および後述の冷却器に放熱する。   The heat receiving surface 67a of the heat radiating metal plate 67 has first, second, and third bottom surfaces 61b, 62b, 63b of the first conductor 61, the second conductor 62, and the third conductor 63 through the insulating resin sheet 66. To support these conductors. The heat radiating metal plate 67 functioning as a heat radiating member is formed of, for example, a metal having high heat conductivity such as copper or aluminum, receives heat from the IGBT, the diode, and the first to third conductors, and external and external coolers described later. To dissipate heat.

絶縁樹脂シート66は、第1ないし第3導電体に対して十分に剛性の低い材料、例えば、接着性を有するエポキシ樹脂に窒化ホウ素等のセラミックフィラーを充填したもので形成されている。図4に示すように、絶縁樹脂シート66の幅W3は、第1、第2、第3導電体61、62、63の合計の幅、つまり、第1、第2、第3接合面と直交する方向の幅W2よりも僅かに大きく、かつ、後述する冷却器の冷媒流路の幅W1以下に形成されている。また、図5に示すように、絶縁樹脂シート66の長さは、第1、第2、第3導電体61、62、63の長さよりも僅かに大きく、上記冷媒流路の長さ以下に形成されている。   The insulating resin sheet 66 is formed of a material having sufficiently low rigidity with respect to the first to third conductors, for example, an epoxy resin having adhesiveness filled with a ceramic filler such as boron nitride. As shown in FIG. 4, the width W3 of the insulating resin sheet 66 is the total width of the first, second, and third conductors 61, 62, and 63, that is, orthogonal to the first, second, and third joint surfaces. The width W2 is slightly larger than the width W2 in the direction in which the refrigerant flows, and is smaller than the width W1 of the refrigerant flow path of the cooler described later. Further, as shown in FIG. 5, the length of the insulating resin sheet 66 is slightly larger than the lengths of the first, second, and third conductors 61, 62, and 63, and is less than the length of the refrigerant flow path. Is formed.

第1、第2、第3導電体61、62、63に接合された放熱用金属板67の上面、つまり、受熱面67aは、第1導電体61の第1接合面61a、第2導電体62の第2接合面62a、および第3導電体63の第3接合面63aに対して交差する方向、例えば、直交する方向に延びている。即ち、IGBTおよびダイオードの各半導体素子は、正極側及び負極側の面が放熱用金属板67の受熱面67aに対して非平行となるように配置されている。
図2および図3に示すように、第1導電体61の軸方向一端には正極出力端子74が接続され、第1導電体から一方向に延出している。第2導電体62の軸方向一端には負極出力端子75が接続され、第2導電体の一端から正極出力端子74と同一の方向に延出している。第3導電体63の軸方向他端、つまり、正極出力端子74と反対側に位置した他端には、交流出力端子77が接続され、第3導電体の他端から正極出力端子74と反対の方向に延出している。
The upper surface of the heat radiating metal plate 67 joined to the first, second, and third conductors 61, 62, 63, that is, the heat receiving surface 67 a is the first joining surface 61 a of the first conductor 61, the second conductor. 62 extends in a direction intersecting the second joint surface 62a of the second conductor 62 and the third joint surface 63a of the third conductor 63, for example, in a direction orthogonal thereto. That is, the semiconductor elements of the IGBT and the diode are arranged so that the positive electrode side and the negative electrode side surface thereof are not parallel to the heat receiving surface 67 a of the heat radiating metal plate 67.
As shown in FIGS. 2 and 3, the positive electrode output terminal 74 is connected to one end of the first conductor 61 in the axial direction, and extends in one direction from the first conductor. A negative electrode output terminal 75 is connected to one end of the second conductor 62 in the axial direction, and extends from one end of the second conductor in the same direction as the positive electrode output terminal 74. An AC output terminal 77 is connected to the other axial end of the third conductor 63, that is, the other end located on the opposite side of the positive output terminal 74, and is opposite to the positive output terminal 74 from the other end of the third conductor. It extends in the direction of.

図2、図4および図5に示すように、第1ないし第3導電体61、62、63、および第1ないし第4半導体素子は、合成樹脂等によって形成されたカバー70により覆われている。カバー70は、複数、例えば、6つの固定ねじ78により、放熱用金属板67とともに後述の冷却ブロックに固定されている。正極出力端子74、負極出力端子75、および交流出力端子77のそれぞれの端部は、カバーの外面に露出して設けられている。また、IGBT41a、41bの入出力端子76a、76bは、カバー70を貫通して、上方へ突出している。   As shown in FIGS. 2, 4 and 5, the first to third conductors 61, 62, 63 and the first to fourth semiconductor elements are covered with a cover 70 formed of synthetic resin or the like. . The cover 70 is fixed to a later-described cooling block together with the heat radiating metal plate 67 by a plurality of, for example, six fixing screws 78. The respective ends of the positive electrode output terminal 74, the negative electrode output terminal 75, and the AC output terminal 77 are provided exposed on the outer surface of the cover. Further, the input / output terminals 76a and 76b of the IGBTs 41a and 41b penetrate the cover 70 and protrude upward.

図2ないし図5に示すように、上記のように構成された半導体モジュール16の放熱用金属板67は、冷却器80に直接取付けられ、半導体モジュール16と冷却器とが一体化している。詳細には、冷却器80は、例えば、アルミニウムにより形成された偏平な直方体形状の冷却ブロック82を有している。この冷却ブロック82は、平坦な矩形状の接合面82aを有し、この接合面82aは、放熱用金属板67よりも大きな面積に形成されている。接合面82aの4つの角部、および各長辺側側縁部の中央に、それぞれねじ孔83が形成されている。放熱用金属板67は、その放熱面67bが冷却ブロック82の接合面82aに面接した状態で冷却ブロック82上に載置され、更に、6本の固定ねじ78を放熱用金属板67の透孔72を通して冷却ブロック82のねじ孔83にねじ込むことにより、冷却ブロック82に固定されている。   As shown in FIGS. 2 to 5, the heat radiation metal plate 67 of the semiconductor module 16 configured as described above is directly attached to the cooler 80, and the semiconductor module 16 and the cooler are integrated. Specifically, the cooler 80 includes a flat rectangular parallelepiped cooling block 82 made of, for example, aluminum. The cooling block 82 has a flat rectangular joint surface 82 a, and the joint surface 82 a is formed in a larger area than the heat radiating metal plate 67. Screw holes 83 are respectively formed at the four corners of the joint surface 82a and the center of each long side edge. The heat dissipating metal plate 67 is placed on the cooling block 82 with its heat dissipating surface 67 b in contact with the joint surface 82 a of the cooling block 82, and six fixing screws 78 are inserted into the through holes of the heat dissipating metal plate 67. 72 is fixed to the cooling block 82 by being screwed into the screw holes 83 of the cooling block 82.

冷却ブロック82は、接合面82aに開口し、冷媒流路84を形成した矩形状の凹所86を有している。凹所86の深さ、すなわち、冷媒流路84の高さは、例えば、5mmに形成されている。凹所86は、半導体モジュール16の第1、第2、第3導電体に対向する矩形状の開口86aを有し、冷媒流路84内の冷媒95は、放熱用金属板67の放熱面67bに直接、接して流れる。冷却ブロック82の長手方向の一端に流入管88aが取付けられ、冷媒流路84に連通している。冷却ブロック82の長手方向の他端に流出管88bが取付けられ、冷媒流路84に連通している。図5に示すように、流出管88bは、配管を通して、凝縮器89およびポンプ91に接続され、更に、ポンプ91は、配管を通して流入管88aに接続されている。冷却ブロック82の冷媒流路84および配管は冷媒95で満たされる。そして、ポンプ91により冷媒を循環させることにより、冷媒95は、流入管88a、冷却ブロック82内の冷媒流路84、流出管88bを通って流れ、更に、凝縮器89で冷却された後、再びポンプ91に戻る。冷媒95は、冷媒流路84内において、放熱用金属板67の放熱面67bに直接、接触して流れる。   The cooling block 82 has a rectangular recess 86 that opens to the joint surface 82 a and forms a coolant channel 84. The depth of the recess 86, that is, the height of the coolant channel 84 is, for example, 5 mm. The recess 86 has a rectangular opening 86 a that faces the first, second, and third conductors of the semiconductor module 16, and the refrigerant 95 in the refrigerant flow path 84 is a heat radiation surface 67 b of the metal plate 67 for heat radiation. It flows directly in contact with. An inflow pipe 88 a is attached to one end in the longitudinal direction of the cooling block 82 and communicates with the refrigerant flow path 84. An outflow pipe 88 b is attached to the other end in the longitudinal direction of the cooling block 82 and communicates with the refrigerant flow path 84. As shown in FIG. 5, the outflow pipe 88b is connected to the condenser 89 and the pump 91 through a pipe, and the pump 91 is further connected to the inflow pipe 88a through the pipe. The refrigerant flow path 84 and the piping of the cooling block 82 are filled with the refrigerant 95. Then, by circulating the refrigerant by the pump 91, the refrigerant 95 flows through the inflow pipe 88a, the refrigerant flow path 84 and the outflow pipe 88b in the cooling block 82, and further cooled by the condenser 89, and then again. Return to pump 91. The refrigerant 95 flows in direct contact with the heat radiating surface 67 b of the heat radiating metal plate 67 in the refrigerant flow path 84.

図4に示すように、第1ないし第3導電体61、62、63の第1ないし第3接合面61a、61b、61cと直交する方向に沿った冷媒流路84の幅W1は、絶縁樹脂シート66の幅W3と同一か、それ以上の幅に形成されている。また、放熱用金属板の厚さをt、第1ないし第3接合面61a、62a、63aと直交する方向に沿った第1ないし第3導電体の合計の幅をW2とした場合、冷媒流路84の幅W1は、W2+2tに形成され、第1ないし第3導電体61、62、63は、凹所86の開口86aの幅の範囲内、つまり、冷媒流路84の幅W1の範囲内、に設置されている。   As shown in FIG. 4, the width W1 of the coolant channel 84 along the direction orthogonal to the first to third joint surfaces 61a, 61b, 61c of the first to third conductors 61, 62, 63 is an insulating resin. The sheet 66 is formed to have a width equal to or greater than the width W3 of the sheet 66. Further, when the thickness of the metal plate for heat dissipation is t and the total width of the first to third conductors along the direction orthogonal to the first to third joint surfaces 61a, 62a, 63a is W2, The width W1 of the path 84 is formed as W2 + 2t, and the first to third conductors 61, 62, 63 are within the range of the width of the opening 86a of the recess 86, that is, within the range of the width W1 of the refrigerant flow path 84. , Is installed.

図2ないし図5に示すように、冷却ブロック82は、凹所86の開口86a、すなわち、冷媒流路84、の周囲を囲んで接合面82aに形成された環状の係合溝90を有し、この係合溝90に、シール材として、例えば、環状のガスケットあるいはOリング92が装着されている。このガスケットあるいはOリング92は、放熱用金属板67の放熱面67bに密着し、冷媒流路84の周囲をシールし、冷媒の漏洩を防止している。なお、固定ねじ78による放熱用金属板67の各ねじ止め位置は、シール材の外側(外周側)に位置している。シール材は、ガスケット、Oリングに限らず、接着剤等を用いてもよい。   As shown in FIGS. 2 to 5, the cooling block 82 has an annular engagement groove 90 formed on the joint surface 82 a so as to surround the opening 86 a of the recess 86, that is, the refrigerant flow path 84. In the engagement groove 90, for example, an annular gasket or an O-ring 92 is mounted as a seal material. The gasket or O-ring 92 is in close contact with the heat radiating surface 67b of the heat radiating metal plate 67 and seals the periphery of the refrigerant flow path 84 to prevent the refrigerant from leaking. In addition, each screwing position of the metal plate 67 for heat dissipation by the fixing screw 78 is located on the outer side (outer peripheral side) of the sealing material. The sealing material is not limited to a gasket and an O-ring, and an adhesive or the like may be used.

上記の構成により、U相用の電力半導体モジュール16が得られる。V相用の電力半導体モジュール18およびW相用の電力半導体モジュール20は、上述したU相用の電力半導体モジュール16と同様に構成されている。   With the above configuration, the power semiconductor module 16 for the U phase is obtained. The V-phase power semiconductor module 18 and the W-phase power semiconductor module 20 are configured in the same manner as the U-phase power semiconductor module 16 described above.

以上のように構成された半導体電力変換装置10によれば、各半導体モジュールにおいて、放熱用金属板67の温度が冷媒95の沸点以上となるため、放熱用金属板67の放熱面67bに接する冷媒95の液層部分が飽和温度に達し、放熱面67bで気泡93が発生し沸騰が生じた状態となる。飽和温度とは、液体を加熱していくと次第に温度が上昇し、やがて液温がそれ以上に上昇しない温度を示している。液体を更に加熱すると、液体内部で液体の気化が発生する。この状態が沸点であり、飽和温度は沸騰点と呼ばれる。   According to the semiconductor power conversion device 10 configured as described above, in each semiconductor module, since the temperature of the heat radiating metal plate 67 is equal to or higher than the boiling point of the refrigerant 95, the refrigerant in contact with the heat radiating surface 67b of the heat radiating metal plate 67. The liquid layer portion 95 reaches the saturation temperature, and bubbles 93 are generated on the heat radiating surface 67b, resulting in boiling. The saturation temperature indicates a temperature at which the temperature gradually increases as the liquid is heated, and eventually the liquid temperature does not increase any further. When the liquid is further heated, liquid vaporization occurs inside the liquid. This state is the boiling point, and the saturation temperature is called the boiling point.

冷媒流路84に流入する冷媒95は、飽和温度より低い温度となっており、冷媒流路84に供給され、放熱用金属板67近傍の液層部分のみ気泡が発生して沸騰が発生し、放熱用金属板67からある程度離れた個所では、冷媒95は飽和温度より低い温度となっており沸騰は発生しない。放熱用金属板67の放熱面67bより発生した気泡93は、流動する冷媒95により冷却器80外に流出され、外部に設けられた凝縮器89により凝縮され、ポンプ91により冷媒流路84に供給される。   The refrigerant 95 flowing into the refrigerant flow path 84 is at a temperature lower than the saturation temperature, and is supplied to the refrigerant flow path 84, bubbles are generated only in the liquid layer portion near the heat radiating metal plate 67, and boiling occurs. At a location away from the heat radiating metal plate 67 to some extent, the refrigerant 95 is at a temperature lower than the saturation temperature, and boiling does not occur. Bubbles 93 generated from the heat radiating surface 67 b of the heat radiating metal plate 67 are discharged out of the cooler 80 by the flowing refrigerant 95, condensed by the condenser 89 provided outside, and supplied to the refrigerant flow path 84 by the pump 91. Is done.

上述した構成により、IGBT41a、41bで発生した熱損失は、第1、第2、第3導電体61、62、63、絶縁樹脂シート66を介して放熱用金属板67に熱伝導し、この放熱用金属板67から冷媒95に沸騰熱伝達し放熱される。これにより、IGBT41a、41bは両面冷却されている。   With the above-described configuration, the heat loss generated in the IGBTs 41a and 41b is thermally conducted to the heat radiating metal plate 67 through the first, second, and third conductors 61, 62, and 63 and the insulating resin sheet 66. Boiling heat is transferred from the metal plate 67 to the refrigerant 95 to be radiated. Thereby, both sides of IGBT41a, 41b are cooled.

上述したように、放熱用金属板67の放熱面67bでは、熱エネルギーが極めて大きい冷媒95が気化する時の遷熱移動を伴う沸騰が発生するため、放熱用金属板67から冷媒95に熱損失を伝達する係数である熱伝達率が非常に大きくなり、その値は4500W/mK以上となる。 As described above, on the heat radiating surface 67b of the heat radiating metal plate 67, boiling occurs due to the transfer of heat when the refrigerant 95 having extremely large heat energy is vaporized, so that heat loss from the heat radiating metal plate 67 to the refrigerant 95 occurs. The heat transfer coefficient, which is a coefficient for transferring heat, becomes very large, and the value thereof is 4500 W / m 2 K or more.

これに対して、従来の冷却器では、ポンプの能力から来る流速の制約により熱伝達率は1500W/mK程度である。また、フィンによる放熱部の面積拡大率も外形およびフィン効率などの制約より3倍程度であり、放熱部と冷媒の熱伝達率もおおよそ4500W/mK程度である。 On the other hand, in the conventional cooler, the heat transfer rate is about 1500 W / m 2 K due to the restriction of the flow rate due to the capacity of the pump. Further, the area expansion rate of the heat radiating part by the fin is about three times as much as the outer shape and the fin efficiency, and the heat transfer rate between the heat radiating part and the refrigerant is about 4500 W / m 2 K.

以上のことから、本実施形態では、放熱用金属板67の放熱面は、平滑面であるにも拘らず、すなわち、フィンを備えていないにも拘わらず、熱伝達率が従来と同等以上となり、フィンのような構造が無い分、冷却器を小型化・低コスト化することができる。   From the above, in this embodiment, although the heat dissipation surface of the heat radiating metal plate 67 is a smooth surface, that is, although it does not have fins, the heat transfer coefficient is equal to or higher than the conventional one. Since there is no structure like a fin, the cooler can be reduced in size and cost.

例えば、冷媒95を純水とした場合、大気圧化において、冷媒95の冷媒流路84への流入温度は100℃以下であるが、放熱用金属板67近傍の液層部分は水の飽和温度である100℃となる。IGBT41a、41bの熱損失にもよるが、放熱用金属板67が120〜130℃程度となる場合、IGBT41a、41bの動作温度が150〜175℃以上など高くなる。そのため、IGBT41a、41bの材質は高温度差可能なSiCなどが望ましい。   For example, when the refrigerant 95 is pure water, the inflow temperature of the refrigerant 95 into the refrigerant flow path 84 is 100 ° C. or less at atmospheric pressure, but the liquid layer portion near the heat radiating metal plate 67 has a water saturation temperature. It becomes 100 degreeC which is. Although depending on the heat loss of the IGBTs 41a and 41b, when the heat radiating metal plate 67 is about 120 to 130 ° C, the operating temperature of the IGBTs 41a and 41b is increased to 150 to 175 ° C or higher. For this reason, the material of the IGBTs 41a and 41b is preferably SiC or the like capable of high temperature difference.

上述した構成により、半導体モジュールの放熱用金属板67は、直接、冷媒95により冷却されるため、従来の熱伝導グリースが不要となり、熱伝導グリースが無い分、熱抵抗が低減し、冷却器の冷却効率が向上する。更に、フィンが無い分だけ、冷却器80の厚さを薄くし、半導体モジュール全体の小型化、薄型化を図ることができる。   With the above-described configuration, the heat radiation metal plate 67 of the semiconductor module is directly cooled by the refrigerant 95, so that the conventional heat conduction grease is unnecessary, and the heat resistance is reduced by the absence of the heat conduction grease. Cooling efficiency is improved. Furthermore, the thickness of the cooler 80 can be reduced by an amount corresponding to no fins, and the entire semiconductor module can be reduced in size and thickness.

IGBTは、その両電極が両側の導電体に接合され両面冷却される。そのため、半導体モジュールは、従来の電力変換装置と同等の冷却能力を有し、かつ、熱伝導グリースが無い分、熱抵抗が低減し、冷却効率が向上する。電力半導体装置内部のIGBTおよびダイオードチップの熱抵抗がさらに低減し、IGBTおよびダイオードチップの温度上昇が低くなり冷却効率が向上する。さらに、冷却器が小型化し、半導体電力変換装置の冷却効率向上、小型化、低コスト化が図れる。   The IGBT is cooled on both sides by joining both electrodes to conductors on both sides. Therefore, the semiconductor module has a cooling capability equivalent to that of the conventional power conversion device, and the thermal resistance is reduced and the cooling efficiency is improved by the absence of the thermal conductive grease. The thermal resistance of the IGBT and the diode chip inside the power semiconductor device is further reduced, the temperature rise of the IGBT and the diode chip is reduced, and the cooling efficiency is improved. Furthermore, the cooler can be downsized, and the cooling efficiency of the semiconductor power converter can be improved, downsized, and reduced in cost.

以上のことから、本実施形態によれば、一層の小型化、冷却効率の向上が可能な電力半導体電力変換装置を提供することが可能となる。   From the above, according to the present embodiment, it is possible to provide a power semiconductor power conversion device that can be further reduced in size and improved in cooling efficiency.

この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、電力半導体装置の構成部材の寸法、形状、材質等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。半導体モジュールの設置数、設置数の比、並びに、流路幅の比は、実施形態に限定されることなく、必要に応じて変更可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
For example, the dimensions, shapes, materials, and the like of the constituent members of the power semiconductor device are not limited to the above-described embodiments, and can be variously changed according to the design. The number of semiconductor modules installed, the ratio of the number of installations, and the ratio of the flow path widths are not limited to the embodiment and can be changed as necessary.

前述した実施形態では、いわゆる2in1の半導体モジュールを用いているが、これに限定されることなく、第1導電体および第2導電体と、これらの導電体間に挟まれた第1および第2半導体素子と、を有する、いわゆる1in1の半導体モジュールとしてもよい。   In the above-described embodiment, a so-called 2-in-1 semiconductor module is used. However, the first and second conductors and the first and second conductors sandwiched between the conductors are not limited to this. It may be a so-called 1 in 1 semiconductor module having a semiconductor element.

10…半導体電力変換装置、12…モータ、12…第1インバータ、
16、18、20…半導体モジュール、41a、41b…IGBT、
51a、51b…FWD素子、61…第1導電体、62…第2導電体、
63…第3導電体、 61a…第1接合面、62a…第2接合面、
63a…第3接合面、61b…第1底面、62b…第2底面、63b…第3底面、
67…放熱用金属板、67a…受熱面、67b…放熱面、80…冷却器、
82…冷却ブロック、82a…接合面、84…冷媒流路、86…凹所、
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Semiconductor power converter device, 12 ... Motor, 12 ... 1st inverter,
16, 18, 20 ... semiconductor module, 41a, 41b ... IGBT,
51a, 51b ... FWD element, 61 ... first conductor, 62 ... second conductor,
63 ... 3rd conductor, 61a ... 1st joining surface, 62a ... 2nd joining surface,
63a ... third joint surface, 61b ... first bottom surface, 62b ... second bottom surface, 63b ... third bottom surface,
67 ... Metal plate for heat dissipation, 67a ... Heat receiving surface, 67b ... Heat dissipation surface, 80 ... Cooler,
82 ... Cooling block, 82a ... Joint surface, 84 ... Refrigerant flow path, 86 ... Recess,

Claims (5)

第1接合面および第1接合面と直交する第1底面を有する直方体形状の第1導電体と、
前記第1接合面と平行に対向する第2接合面および第2接合面と直交し前記第1底面と同一平面に位置する第2底面を有する直方体形状の第2導電体と、
SiCを含み板状に形成された第1半導体素子であって、一方の電極が前記第1導電体の第1接合面に接合され、他方の電極が前記第2導電体の第2接合面に接合され、前記第1および第2接合面と平行に配置された第1半導体素子と、
板状に形成された第2半導体素子であって、一方の電極が前記第1導電体の第1接合面に接合され、他方の電極が前記第2導電体の第2接合面に接合され、前記第1および第2接合面と平行に配置された第2半導体素子と、
前記第1および第2導電体の第1および第2底面がシート状絶縁体を介して載置された平坦な受熱面、およびこの受熱面に対向する平坦な放熱面を有する放熱用金属板と、
前記放熱用金属板の放熱面に接合された冷却ブロックを有する冷却器と、を備え、
前記冷却ブロックは、前記放熱用金属板の放熱面に面接した平坦な接合面と、前記第1および第2導電体に対向する位置で前記接合面に開口し、前記放熱面に接して冷媒を流す冷媒流路を形成した矩形状の凹所と、前記凹所の周囲を囲んで前記接合面に設けられ前記用熱用金属板に密着するシール材と、を有することを特徴とする半導体電力変換装置。
A rectangular parallelepiped first conductor having a first joint surface and a first bottom surface orthogonal to the first joint surface;
A rectangular parallelepiped second conductor having a second joint surface facing in parallel with the first joint surface and a second bottom surface orthogonal to the second joint surface and located in the same plane as the first bottom surface;
A first semiconductor element including SiC and formed in a plate shape, wherein one electrode is bonded to a first bonding surface of the first conductor and the other electrode is bonded to a second bonding surface of the second conductor. A first semiconductor element bonded and disposed parallel to the first and second bonding surfaces;
A second semiconductor element formed in a plate shape, wherein one electrode is bonded to the first bonding surface of the first conductor, and the other electrode is bonded to the second bonding surface of the second conductor, A second semiconductor element disposed in parallel with the first and second bonding surfaces;
A flat heat receiving surface on which the first and second bottom surfaces of the first and second conductors are placed via a sheet-like insulator, and a heat radiating metal plate having a flat heat radiating surface facing the heat receiving surface; ,
A cooler having a cooling block joined to the heat radiation surface of the metal plate for heat radiation,
The cooling block has a flat joint surface that is in contact with the heat radiating surface of the heat radiating metal plate, and opens to the joint surface at a position facing the first and second conductors. A semiconductor power comprising: a rectangular recess in which a flow path for flowing refrigerant is formed; and a sealing material that surrounds the periphery of the recess and is provided on the joint surface and is in close contact with the metal plate for heat. Conversion device.
前記シート状絶縁体の幅は、前記第1および第2導電体の前記第1および第2接合面と直交する方向の幅よりも大きく、かつ、前記凹所により形成された冷媒流路の幅以下に形成されている請求項1に記載の半導体電力変換装置。   The width of the sheet-like insulator is larger than the width of the first and second conductors in the direction orthogonal to the first and second joint surfaces, and the width of the coolant channel formed by the recess. The semiconductor power conversion device according to claim 1 formed as follows. 前記放熱用金属板の厚さをt、前記第1および第2接合面と直交する方向に沿った前記第1、第2導電体の合計の幅をW2とした場合、前記凹所の開口の幅は、W2+2tに形成され、前記第1および第2導電体は、前記開口の幅の範囲内に設置されている請求項1又は2に記載の半導体電力変換装置。   When the thickness of the metal plate for heat dissipation is t, and the total width of the first and second conductors along the direction orthogonal to the first and second joint surfaces is W2, the opening of the recess is 3. The semiconductor power conversion device according to claim 1, wherein a width is formed to be W2 + 2t, and the first and second conductors are installed within a range of the width of the opening. 前記冷却ブロックは、前記凹所の周囲を囲んで前記接合面に設けられた環状の係合溝を有し、前記シール材は、前記係合溝に装着された環状のOリングあるいはガスケットを有する請求項1ないし3のいずれか1項に記載の半導体電力変換装置。   The cooling block has an annular engagement groove provided on the joint surface surrounding the periphery of the recess, and the sealing material has an annular O-ring or gasket attached to the engagement groove. The semiconductor power converter device of any one of Claim 1 thru | or 3. 前記第1導電体と第2導電体との間に配置され、前記第1導電体の第1接合面に平行に対向する第3接合面および前記第2導電体の第2接合面と平行に対向する他の第3接合面、および、前記第3接合面と直交し前記第1底面と同一平面に位置する第3底面を有する第3導電体と、
SiCを含み板状に形成された第3半導体素子であって、一方の電極が前記第3導電体の第3接合面に接合され、他方の電極が前記第2導体の第2接合面に接合され、前記第2および第3接合面と平行に配置された第3半導体素子と、
板状に形成された第4半導体素子であって、一方の電極が前記第3導電体の第3接合面に接合され、他方の電極が前記第2導電体の第2接合面に接合され、前記第2および第3接合面と平行に配置された第4半導体素子と、を更に備え、
前記第1半導体素子は、一方の電極が前記第1導電体の第1接合面に接合され、他方の電極が前記第3導電体の第3接合面に接合され、
前記第2半導体素子は、一方の電極が前記第1導電体の第1接合面に接合され、他方の電極が前記第3導電体の第3接合面に接合され、
前記第1、第2、第3導電体の第1、第2、第3底面が前記シート状絶縁体を介して前記放熱用金属板の受熱面に固定されている請求項1ないし4のいずれか1項に記載の半導体電力変換装置。
A third joint surface disposed between the first conductor and the second conductor and facing in parallel to the first joint surface of the first conductor and in parallel with the second joint surface of the second conductor. A third conductor having a third bottom surface opposite to the third joint surface, and a third bottom surface orthogonal to the third joint surface and positioned in the same plane as the first bottom surface;
A third semiconductor element including SiC and formed in a plate shape, wherein one electrode is bonded to the third bonding surface of the third conductor and the other electrode is bonded to the second bonding surface of the second conductor. A third semiconductor element disposed parallel to the second and third bonding surfaces;
A fourth semiconductor element formed in a plate shape, wherein one electrode is bonded to the third bonding surface of the third conductor, and the other electrode is bonded to the second bonding surface of the second conductor; A fourth semiconductor element disposed in parallel with the second and third bonding surfaces,
In the first semiconductor element, one electrode is bonded to the first bonding surface of the first conductor, and the other electrode is bonded to the third bonding surface of the third conductor,
In the second semiconductor element, one electrode is bonded to the first bonding surface of the first conductor, and the other electrode is bonded to the third bonding surface of the third conductor,
The first, second, or third bottom surface of each of the first, second, and third conductors is fixed to the heat receiving surface of the heat radiating metal plate via the sheet-like insulator. A semiconductor power conversion device according to claim 1.
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