JP2019047550A - Electric power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力用半導体素子が筐体内に樹脂部材により封止された電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power converter in which a power semiconductor element is sealed by a resin member in a housing.
近年、自動車業界において、ハイブリッド自動車や電気自動車等、モータを駆動力源にする車両が盛んに開発されている。モータを駆動するインバータ装置は、バッテリを電源として、モータに高電圧の駆動電力を供給する。また、インバータ装置には、樹脂封止型の電力用半導体装置が用いられており、パワーエレクトロニクスの分野において、電力変換装置は、キーデバイスとしての重要性がますます高まっている。 In recent years, in the automobile industry, vehicles using a motor as a driving force source, such as hybrid vehicles and electric vehicles, have been actively developed. The inverter apparatus which drives a motor supplies the drive power of high voltage to a motor by using a battery as a power supply. In addition, resin-sealed power semiconductor devices are used as inverter devices, and in the field of power electronics, power converters are becoming increasingly important as key devices.
ここで、インバータ装置に用いられる電力用半導体素子は、他の構成部品とともに樹脂封止されている。こうした電力変換装置において、バッテリから電力が供給された状態で、電力用半導体素子やスナバ回路を構成する平滑コンデンサ等の電子部品が短絡故障すると、過大な短絡電流が流れる。例えば、インバータ制御回路におけるゲート駆動回路の誤動作により、インバータの上下アームが短絡すると、電力用半導体素子に過電流が流れ、短絡故障が発生する。 Here, the power semiconductor element used for the inverter device is resin-sealed with other components. In such a power conversion device, when a short circuit failure occurs in an electronic component such as a power semiconductor element or a smoothing capacitor that constitutes a snubber circuit while power is supplied from a battery, an excessive short circuit current flows. For example, when the upper and lower arms of the inverter are shorted due to a malfunction of the gate drive circuit in the inverter control circuit, an overcurrent flows in the power semiconductor element, and a short circuit failure occurs.
短絡状態でバッテリとモータ駆動回路とを繋ぐリレーを接続するか、または接続を継続すると、大電流により電力変換装置が発煙及び焼損する。また、定格を超える過電流が流れることにより、モータ駆動用インバータ装置に接続されているバッテリが損害を受けることも考えられる。こうした事態を回避するために、通常は過電流を検知するセンサを用いて、過電流が流れた場合に、電力用半導体素子のスイッチングを高速に制御して電流を遮断している。しかしながら、電力用半導体素子が短絡故障した場合でも、上述した発煙等の故障モードをより確実に防ぐことが望まれる。 If a relay connecting the battery and the motor drive circuit is connected or continued in a short circuit condition, the power converter smokes and burns due to a large current. In addition, it is conceivable that a battery connected to the motor drive inverter device may be damaged due to the flow of the overcurrent exceeding the rating. In order to avoid such a situation, usually, when an overcurrent flows, a sensor for detecting an overcurrent is used to control the switching of the power semiconductor element at high speed to interrupt the current. However, even in the case where the power semiconductor element has a short circuit failure, it is desirable to more reliably prevent the failure mode such as smoke mentioned above.
具体的には、例えば、電力用半導体装置とバッテリとの間に過電流遮断用ヒューズを挿入すれば、モータ駆動用インバータ装置とバッテリとの間に流れる過電流を阻止することができる。 Specifically, for example, by inserting an overcurrent cutoff fuse between the power semiconductor device and the battery, it is possible to prevent the overcurrent flowing between the motor drive inverter device and the battery.
しかし、チップ型の過電流遮断用ヒューズは高価である。そのため、安価でありながら、電力用半導体素子が短絡故障した場合に、バッテリに流れ得る過電流を確実に遮断することができる過電流遮断手段が必要とされている。例えば、下記の特許文献1では、半導体装置から外部に突出している外部接続用電極を切除し、断面積を小さくすることで、ヒューズ部を形成している。
However, chip-type overcurrent cutoff fuses are expensive. Therefore, there is a need for an overcurrent interrupting means that is inexpensive but can reliably shut off an overcurrent that can flow to the battery when the power semiconductor device has a short circuit failure. For example, in
しかしながら、特許文献1の技術では、外部接続用電極に設けられたヒューズ部は、半導体装置の外部に露出している。そのため、ヒューズ部が過電流により溶断する際に、装置外に煙が流出するおそれがあり、また、周囲に火花が飛び散り、外気を用いた燃焼反応により装置が焼損するおそれがある。
However, in the technique of
そこで、過電流によりヒューズ部が溶断しても、発煙及び焼損を抑制することができる電力変換装置が望まれる。 Therefore, a power conversion device that can suppress smoke and burnout even if the fuse portion is melted and broken due to an overcurrent is desired.
この発明に係る電力変換装置は、電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子の主電極に接続された電極配線部材と、筐体と、前記電極配線部材に形成された、ヒューズとして機能するヒューズ部と、前記ヒューズ部を覆うカバー部材と、前記電力用半導体素子、前記電極配線部材、及び前記ヒューズ部を覆っている前記カバー部材を前記筐体内に封止する樹脂部材である封止樹脂部材と、を備えたものである。 A power conversion device according to the present invention includes a power semiconductor device, an electrode wiring member connected to a main electrode of the power semiconductor device, a housing, and a fuse formed as a fuse formed in the electrode wiring member. A sealing resin member which is a resin member for sealing the inside of the casing, the cover member covering the fuse portion, the power semiconductor element, the electrode wiring member, and the cover member covering the fuse portion And.
本発明に係る電力変換装置によれば、電極配線部材にヒューズ部が形成されるので、高価なチップ型のヒューズが設けられず、ヒューズ部のコストを低減することができる。封止樹脂部材により、ヒューズ部を覆っているカバー部材が覆われるので、溶断したヒューズ部の部材が、外部に飛散することを防止できる。また、封止樹脂部材により、ヒューズ部を外気から遮断することができるので、溶断時に生じたアーク放電による燃焼反応が進行することを抑制でき、また、溶断時に生じた煙が外部に漏れ出ることを抑制できる。更には、ヒューズ部が溶断する際に、飛び散る溶融部材を、カバー部材に衝突させ、封止樹脂部材に接触しないようにできるため、封止樹脂部材が損傷することを抑制でき、封止樹脂部材による発煙、焼損の抑制性能を維持できる。また、ヒューズ部に火花、煙が発生した場合でも、カバー部材が延焼防止板として機能し、電力変換装置の焼損、発煙を抑制することができる。 According to the power conversion device of the present invention, the fuse portion is formed in the electrode wiring member, so that an expensive chip type fuse is not provided, and the cost of the fuse portion can be reduced. Since the cover member that covers the fuse portion is covered by the sealing resin member, it is possible to prevent the member of the fuse portion that has been fused from scattering to the outside. In addition, since the fuse portion can be shut off from the outside air by the sealing resin member, it is possible to suppress the progress of the combustion reaction due to the arc discharge generated at the time of melting, and smoke generated at the time of melting is leaked to the outside Can be suppressed. Furthermore, when the fuse portion is melted and broken, the scattering melting member can be made to collide with the cover member and not be in contact with the sealing resin member, so that damage to the sealing resin member can be suppressed, and the sealing resin member It is possible to maintain the suppression of smoke and burnout caused by In addition, even when sparks and smoke are generated in the fuse portion, the cover member functions as a fire spread prevention plate, and it is possible to suppress burning and smoking of the power conversion device.
実施の形態1.
実施の形態1に係る電力変換装置1について図面を参照して説明する。図1は、電力変換装置1を、筐体30の開口側から見た平面図であり、各部品の配置を説明するために封止樹脂部材25及びカバー部材27が透明化され、図示されていない。図2は、図1のB−B断面位置において切断した断面図であり、図3は、図1のA−A断面位置において切断した断面図である。図4は、カバー部材27及びヒューズ部16を筐体30の開口側から斜めに見た斜視図である。なお、図1から図4は、模式図であり、図面間で各部材の寸法は完全に一致していない。
A
電力変換装置1は、電力用半導体素子14と、電力用半導体素子14の主電極に接続された電極配線部材13と、筐体30と、電力用半導体素子14等の各部品を筐体30内に封止する樹脂部材である封止樹脂部材25と、を備えている。
The
<筐体30>
筐体30は、有底筒状に形成されており、封止樹脂部材25を注型する枠の役割を有する。なお、以下で、単に「内」「内側」又は「外」「外側」というときは、筐体30の内側又は外側を意味するものとする。「縦方向」は、筐体30の筒部が延出している方向を意味するものとし、「横方向」は、筐体30の底部が延在している方向を意味するものとする。
<
The
筐体30の底部は、金属製のヒートシンク12により構成されている。ヒートシンク12は、電力用半導体素子14に発生する熱を外部に放熱する役割を有する。ヒートシンク12は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などの20W/(m・K)以上の熱伝導率を有する材料が用いられる。ヒートシンク12は、矩形の平板状に形成されている。電力用半導体素子14側の部材と対向するヒートシンク12の内面部分には、内側に突出する平板状の素子対向突出部12aが設けられており、素子対向突出部12aの内面が、電力用半導体素子14側の部材に当接する。ヒートシンク12の外面には、図2に示すように、互いに間隔を空けて配列された平板状の複数のフィン19が設けられている。フィン19は外気に接触しており、ヒートシンク12はこれらのフィン19から外気に向かって熱を放熱する。なお、水冷式とされてもよい。
The bottom of the
筐体30の筒部は、絶縁ケース11により構成されている。絶縁ケース11は、絶縁性が高く、熱可塑性を有する任意の樹脂材料、例えば、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)等の樹脂材料を用いて形成される。
The cylindrical portion of the
<電力用半導体素子14、電極配線部材13>
本実施の形態では、電力用半導体素子14、及び電極配線部材13としての電極用リードフレーム13は、樹脂部材である素子モールド樹脂20により封止され、パッケージ化された半導体素子モジュール29とされている。また、電力用半導体素子14の制御用端子に接続された制御用リードフレーム21も素子モールド樹脂20により封止されている。電極用リードフレーム13及び制御用リードフレーム21は、素子モールド樹脂20から外側に突出している。素子モールド樹脂20は、内部の素子及び配線を守るために、数GPaのヤング率を有する硬い樹脂が用いられるとよく、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。
<Power Semiconductor Element 14,
In the present embodiment, the
電力用半導体素子14には、パワーMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられている。なお、電力用半導体素子14には、ダイオードが逆並列接続されたパワーIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の他の種類のスイッチング素子が用いられてもよい。電力用半導体素子14は、例えば、車両駆動用のモータなどの機器を駆動するインバータ回路、コンバータ回路に用いられるものであり、数アンペアから数百アンペアの定格電流を制御するものである。電力用半導体素子14の材料として、シリコン(Si)、シリコンカーバイド(SiC)、ガリウムナイトライド(GaN)などが用いられてもよい。
A power MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) is used as the
電力用半導体素子14は、矩形平板のチップ状に形成されており、ヒートシンク12側の面に主電極としてのドレーン端子が設けられ、筐体30のヒートシンク12とは反対側の面に主電極としてのソース端子が設けられている。また、筐体30のヒートシンク12とは反対側の面に、制御用端子としてのゲート端子が設けられている。なお、制御用端子として、主電極間を流れる電流を検出するためのセンサ端子等が設けられてもよい。
The
ドレーン端子は、正極側の電極用リードフレーム13aに接続され、ソース端子は、電極用配線部材15aを介して、負極側の電極用リードフレーム13bに接続されている。電極用配線部材15aには大電流が流れるため、例えば金・銀・銅・アルミニウムの板材を加工したものや、ワイヤボンド、リボンボンドで形成される。ゲート端子及びセンサ端子は、制御用配線部材15bを介して、制御用リードフレーム21に接続されている。制御用配線部材15bは、例えば、金・銅・アルミニウムなどのワイヤボンド、または、アルミニウムのリボンボンドで形成することができる。
The drain terminal is connected to the
正極側及び負極側の電極用リードフレーム13a、13bは、平板状に形成されている。電力用半導体素子14の主電極に接続される電極用リードフレーム13a、13bの電極接続部分は、電力用半導体素子14よりもヒートシンク12側に配置されている。正極側の電極用リードフレーム13aの電極接続部分のヒートシンク12とは反対側の面は、導電性接合材17により、電力用半導体素子14のヒートシンク12側の面のドレーン端子に接合されている。負極側の電極用リードフレーム13bの電極接続部分のヒートシンク12とは反対側の面は、導電性接合材17により、L字状に形成された電極用配線部材15aの一端に接合されている。電力用半導体素子14のヒートシンク12とは反対側の面のソース端子は、導電性接合材17により、電極用配線部材15aの他端に接合されている。導電性接合材17は、例えば、半田、銀ペースト、あるいは、導電性接着剤などの、導電性が良好で熱伝導率の高い材料から構成される。
The electrode lead frames 13a and 13b on the positive electrode side and the negative electrode side are formed in a flat plate shape. The electrode connection portions of the electrode lead frames 13 a and 13 b connected to the main electrodes of the
電極用リードフレーム13a、13bの電極接続部分のヒートシンク12側の面は、素子モールド樹脂20により覆われておらず、半導体素子モジュール29の外側に露出している。この電極用リードフレーム13a、13bの露出部分は、シート状に形成された絶縁部材18を介して、ヒートシンク12の素子対向突出部12aの内面に接している。電力用半導体素子14の発熱が、電極用リードフレーム13a、13bの電極接続部分、及び絶縁部材18を介して、ヒートシンク12に伝達される。絶縁部材18は、熱伝導性が高く、且つ、電気的絶縁性が高い材料から構成される。従って、絶縁部材18は、例えば、熱伝導率が数W/(m・K)〜数十W/(m・K)であり、且つ、絶縁性のある、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの樹脂材料から成る接着剤、グリス、又は絶縁シートで構成される。さらに、絶縁部材18は、セラミック基板または金属基板などの熱抵抗が低く、且つ、絶縁性を有する他の材料と、樹脂材料とを、組み合わせて構成することも可能である。
The surface on the
また、絶縁部材18の厚さを規定するために、素子モールド樹脂20のヒートシンク12側には、突起20aが設けられている。素子モールド樹脂20の突起20aをヒートシンク12に押し当てることで、突起20aの高さにより、絶縁部材18の厚さを規定することができ、絶縁部材18の絶縁性及び伝熱性を管理することができる。例えば、12Vバッテリを使用する低耐圧系の自動車では、予め定められた絶縁耐圧を確保するのに必要な沿面距離は、10μm程度である。従って、低耐圧系の自動車の場合には、絶縁に必要な厚さを薄くできるため、素子モールド樹脂20の突起20aを短くすることができ、電力変換装置1の薄型化が可能である。絶縁部材18が剛性を持ち、押圧による厚さの変化が小さい材料の場合、絶縁部材18の厚さを管理できるため、素子モールド樹脂20の突起20aはなくてもよい。
Further, in order to define the thickness of the insulating
突起20aにより、素子モールド樹脂20に封止された電極用リードフレーム13a、13bと、ヒートシンク12との間の間隔を管理することができ、後述する負極側の電極用リードフレーム13bに形成されたヒューズ部16と、ヒートシンク12との間隔を管理することができ、両者の間の熱伝導性及び絶縁性を管理することができる。
The distance between the electrode lead frames 13a and 13b sealed in the
正極側の電極用リードフレーム13aは、素子モールド樹脂20から突出した後、ヒートシンク12の内面と間隔を空けた状態で、ヒートシンク12の内面に沿って横方向に延出し、その後、屈曲し、ヒートシンク12から離れる側(筐体30の開口側)に縦方向に延出している。ヒートシンク12の内面と間隔を空けた状態で横方向に延出している部分を、正極側の横方向延出部13a1と称し、ヒートシンク12から離れる側に縦方向に延出している部分を、正極側の縦方向延出部13a2と称す。正極側の横方向延出部13a1とヒートシンク12との間隔は、絶縁部材18の厚さとヒートシンク12の素子対向突出部12aの高さとを合計した距離に相当している。正極側の横方向延出部13a1に後述するヒューズ部16が形成されている。
The
正極側の縦方向延出部13a2が、絶縁ケース11にインサート及びアウトサートされた正極側の外部接続端子10aに、溶接又は半田付け等により接合される。正極側の外部接続端子10aは、正極側の縦方向延出部13a2に接合される、縦方向に延出している部分と、筐体30の外部に向かって横方向に延出している部分とを有している。筐体30から外部に突出した部分が、直流電源の正極等の他の装置に接続される。
The positive electrode side longitudinal extension 13a2 is joined to the positive electrode
負極側の電極用リードフレーム13bも、素子モールド樹脂20から突出した後、ヒートシンク12の内面と間隔を空け、ヒートシンク12の内面に沿って延出している負極側の横方向延出部13b1と、ヒートシンク12から離れる側に延出している負極側の縦方向延出部13b2とを備えている。正極側の横方向延出部13a1の長さは、ヒューズ部16を形成するために、負極側の横方向延出部13b1よりも長くなっている。
The
負極側の縦方向延出部13b2が、絶縁ケース11にインサート及びアウトサートされた負極側の外部接続端子10bに、溶接又は半田付け等により接合される。負極側の外部接続端子10bは、負極側の縦方向延出部13b2に接合される、縦方向に延出している部分と、筐体30の外部に向かって横方向に延出している部分とを有している。筐体30から外部に突出した部分が、直流電源の負極等の他の装置に接続される。
The longitudinal extension 13b2 on the negative electrode side is joined to the
電極用リードフレーム13a、13b、外部接続端子10a、10bには、導電性が良好で熱伝導率の高い銅または銅合金などの金属が用いられ、数アンペアから数百アンペア程度の大電流が流れる。電極用リードフレーム13a、13bの表面はAu、Ni、Snなどの金属材料でめっきされていてもよい。
The electrode lead frames 13a and 13b and the
制御用リードフレーム21は、筐体30の開口側に、封止樹脂部材25から突出しており、電力用半導体素子14のオンオフを制御する制御装置に接続される。
The
<ヒューズ部16>
電極配線部材13には、ヒューズとして機能するヒューズ部16が形成されている。本実施の形態では、ヒューズ部16は、素子モールド樹脂20から外側に突出した電極用リードフレーム13の部分(本例では、正極側の横方向延出部13a1)に形成されている。ヒューズ部16を電極用リードフレーム13に形成することによって、追加部材が必要なく、コストを低減できる。本例では、ヒューズ部16が電極用リードフレーム13の横方向延出部に形成されるため、ヒューズ部16の形成のために、電極用リードフレーム13がヒートシンク12から離れる方向(高さ方向)に長くなることを抑制し、電力変換装置1の高さが高くなることを抑制できる。また、ヒューズ部16が正極側の電極用リードフレーム13aに形成されるため、電力用半導体素子14の上流側で電流を遮断することができる。そのため、電力用半導体素子14と筐体30との短絡など、電力用半導体素子14の回路異常が生じている場合でも、その上流側で電流を遮断し、過電流が生じないようにできる。
<
The
ヒューズ部16は、電流の流れ方向の前後の部分よりも断面積が小さくなった電極配線部材13の部分により構成されている。すなわち、ヒューズ部16は、ヒューズ部16よりも電流の流れ方向の前側(上流側)及び後側(下流側)の部分よりも、断面積が小さくなっている。図5に示すように電極用リードフレーム13に過電流が流れた際に、前後よりも断面積が小さいヒューズ部16の電流密度が大きくなり、ヒューズ部16が局所的に温度上昇して溶断することで、過電流を遮断する。ヒューズ部16は電気伝導性が高い金、銀、銅、アルミニウムによって構成される。ヒューズ部16は電極用リードフレーム13の他の部分と同じ材料でもよく、異なる材料が用いられてもよい。なお、これに限定されないが、ヒューズ部16は、電極用リードフレーム13の他の部分と同様に、0.5mm〜1.5mm程度の厚みを有する銅または銅合金からなる平板を、打ち抜き加工することによって形成することができる。
The
ヒューズ部16の形状は、断面積を減少させる形状であればどのような形状であってもよい。例えば、図6、図7に示すように、片側又は両側に切欠き、又は内側に貫通孔を設けて断面積を減らしてもよい。切欠き又は貫通孔の形状は、矩形以外にも三角形、五角形、台形、ひし形、平行四辺形、円形、楕円形等の任意の形状とされてもよい。切欠き又は貫通孔は、1個に限らず、複数個設けられてもよい。また、複数の切欠き又は貫通孔が、配線の長さ方向の異なる位置に、千鳥状に互い違い、又は不規則に配置されてもよい。複数の貫通孔が、配線の幅方向でも、長さ方向でもどちらに並べられてもよい。
The shape of the
<カバー部材27>
ヒューズ部16を覆うカバー部材27が設けられている。ヒューズ部16とカバー部材27との間には間隔が空けられている。本実施の形態では、カバー部材27は、ヒューズ部16に加えて、ヒューズ部16と対向している筐体30(本例では、ヒートシンク12)の部分を覆っている。すなわち、カバー部材27のヒートシンク12側は、ヒートシンク12側に開口しているカバー開口部27cとなっており、カバー開口部27cは、ヒートシンク12の内面により塞がれている。よって、ヒューズ部16は、カバー部材27及びヒートシンク12の内面により覆われている。図4に示すように、カバー部材27は、ヒートシンク12側が開口している直方体状の箱型に形成されており、互いに向かい合う2つの側面に、それぞれ、ヒューズ部16よりも前側(上流側)の横方向延出部13a1の部分が貫通するカバー貫通孔27aと、ヒューズ部16よりも後側(下流側)の横方向延出部13a1の部分が貫通するカバー貫通孔27bが設けられている。各カバー貫通孔27a、27bは、横方向延出部13a1により塞がれている。よって、カバー部材27及びヒートシンク12により形成される空間は、密閉されている。なお、図4の左側の図(a)は、カバー部材27と電極用リードフレーム13aとを分解した状態の斜視図であり、図4の右側の図(b)は、カバー部材27を電極用リードフレーム13aに取り付けた状態の斜視図であり、電極用リードフレーム13aを一点鎖線で示している。
<
A
カバー部材27は、絶縁性があり、剛性が高い材料から構成されている。また、カバー部材27を、熱伝導率が高い材料で構成してもよい。カバー部材27は、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、又はポリエーテルエーテルケトン(PEEK)等の樹脂材料で構成されてもよく、アルミナ、水酸化アルミニウム、ジルコニア、窒化アルミ、窒化ケイ素などのセラミック材料で構成されてもよい。カバー部材27は、電極用リードフレーム13a、ヒューズ部16、及びヒートシンク12との絶縁が確保できる場合は、例えば、Cu、Al、Fe、Cu合金、Al合金、Fe合金などの金属材料で構成されてもよい。
The
カバー部材27及びヒートシンク12によって形成される空間を密閉するため、カバー部材27は、ヒートシンク12及び電極用リードフレーム13aと、接着、溶接、又はかしめなどによって固定されてもよい。
In order to seal the space formed by the
ヒューズ部16が溶断する際に、飛び散る溶融部材を、カバー部材27に衝突させ、封止樹脂部材25に接触することを抑制し、封止樹脂部材25が損傷することを抑制でき、後述する封止樹脂部材25による発煙、焼損の抑制性能を維持できる。また、ヒューズ部16に火花、煙が発生した場合でも、カバー部材27が延焼防止板として機能し、電力変換装置1の焼損、発煙を抑制することができる。
When the
カバー部材27の内側の空間には、空気が充填されてもよく、或いは、窒素、アルゴン等の不活性ガス、真空とされてもよい。
The space inside the
<封止樹脂部材25>
封止樹脂部材25は、電力用半導体素子14、電極配線部材13、及びヒューズ部16を覆っているカバー部材27を筐体30内に封止する樹脂部材である。なお、封止樹脂部材25は、カバー部材27の内側の密閉空間には充填されておらず、カバー部材27の外側を覆っている。本実施の形態では、封止樹脂部材25は、半導体素子モジュール29を筐体30内に封止するように構成されている。また、封止樹脂部材25は、絶縁部材18、外部接続端子10a、10b等の他の構成部品も筐体30内に封止している。封止樹脂部材25は、例えば剛性が高く、熱伝導率が高い樹脂材料が用いられる。封止樹脂部材25には、例えば熱伝導性フィラーを含有したエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、PPS、PEEK、ABSにて構成されていてもよい。封止樹脂部材25のヤング率は1MPa〜50GPa、熱伝導率は0.1W/(m・K)〜20W/(m・K)であるとよい。各構成部品を封止樹脂部材25により封止することによって、耐振動性や耐環境性を向上させることができる。
<Sealing
The sealing
封止樹脂部材25により、ヒューズ部16を覆っているカバー部材27の外側が覆われるので、溶断したヒューズ部16の部材が、カバー部材27の外側に飛散することを防止できる。カバー部材27の内側の空間を外気から遮断することができるので、溶断時に生じたアーク放電による燃焼反応が進行することを抑制でき、また、溶断時に生じた煙が外部に漏れ出ることを抑制できる。
Since the outside of the
実施の形態2.
次に、実施の形態2に係る電力変換装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、ヒートシンク12の構成が一部異なる。図8は、図1のA−A断面位置において切断した本実施の形態に係る電力変換装置1の断面図である。
Second Embodiment
Next, the
実施の形態1と同様に、ヒューズ部16を覆うカバー部材27が設けられている。カバー部材27は、ヒューズ部16に加えて、ヒューズ部16と対向している筐体30(本例では、ヒートシンク12)の部分を覆っている。
Similar to the first embodiment, a
実施の形態1とは異なり、筐体30(ヒートシンク12)は、カバー部材27により覆われている部分に、ヒューズ部16から離れる側に窪む凹部12bを有している。凹部12bは、カバー部材27の形状に合わせて直方体状に形成されている。なお、凹部12bは、カバー部材27により覆われれば、円柱状等、任意の形状に形成されてもよい。
Unlike the first embodiment, the housing 30 (heat sink 12) has a
この構成によれば、カバー部材27による密閉空間の大きさを、凹部12bを設けることにより広げることができる。また、ヒューズ部16とヒートシンク12との間隔を広げることができ、溶断したヒューズ部16の部材により、電極配線部材13とヒートシンク12とが短絡することを抑制できる。
According to this configuration, the size of the sealed space by the
なお、筐体30(ヒートシンク12)は、カバー部材27により覆われている部分に、ヒューズ部16側に突出する突出部を有してもよい。この場合も、突出部とヒューズ部16との間には空間が設けられる。ヒューズ部16とヒートシンク12との間隔を適度に調節することができる。
Note that the housing 30 (heat sink 12) may have a protruding portion that protrudes toward the
実施の形態3.
次に、実施の形態3に係る電力変換装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、カバー部材27の内側の構成が一部異なる。図9は、図1のA−A断面位置において切断した本実施の形態に係る電力変換装置1の断面図である。
Third Embodiment
Next, the
実施の形態1と同様に、ヒューズ部16を覆うカバー部材27が設けられている。カバー部材27は、ヒューズ部16に加えて、ヒューズ部16と対向している筐体30(本例では、ヒートシンク12)の部分を覆っている。
Similar to the first embodiment, a
実施の形態1とは異なり、カバー部材27により覆われている空間に、ヒューズ部16が溶断した時に生じるアーク放電の消弧作用がある消弧剤26が充填されている。この構成によれば、ヒューズ部が溶断した後も、アーク放電により通電が継続されることを抑制し、溶断後、速やかに電流を遮断することができる。よって、電力用半導体素子14、封止樹脂部材25等の損傷を抑制することができる。
Unlike the first embodiment, the space covered by the
消弧剤26は、ケイ素、ケイ砂等の砂、六フッ化硫黄(SF6)等のガス、又はシリコンゴム、シリコンゲル等のシリコン樹脂とされる。
The
消弧剤26が、シリコン樹脂とされる場合は、封止樹脂部材25よりもヤング率が低くされてもよい。例えば、シリコン樹脂のヤング率は数十MPa(メガパスカル)のオーダーとされ(例えば、10MPaから30MPaの間の値)、例えば、ゴム材、シリコンゴム、シリコンゲルが用いられるとよい。この構成によれば、ヒューズ部16が溶断する際に、複数の球状の塊になって飛び散る溶融部材を、柔らかいシリコン樹脂内にめり込ませて保持することができる。よって、溶断後、溶融した部材により、通電経路が維持されることを防止できると共に、電極配線部材13とヒートシンク12とが短絡することを抑制できる。
When the
消弧剤26は、カバー部材27の内側空間の全てに充填されていなくてもよい。例えば、消弧剤26が、シリコン樹脂とされる場合は、シリコン樹脂が、ヒューズ部16とヒートシンク12との間にのみ充填されてもよい。
The
消弧剤26に熱伝導率が低い材料を用いた場合、過電流が流れた場合のヒューズ部16の放熱性が低くなり、温度上昇率が増加し、ヒューズ部16が溶断するまでの期間を短縮することができる。
When a material having a low thermal conductivity is used as the
実施の形態4.
次に、実施の形態4に係る電力変換装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、ヒートシンク12の構成が一部異なる。図10は、図1のA−A断面位置において切断した本実施の形態に係る電力変換装置1の断面図である。
Fourth Embodiment
Next, a
実施の形態1と同様に、ヒューズ部16を覆うカバー部材27が設けられている。カバー部材27は、ヒューズ部16に加えて、ヒューズ部16と対向している筐体30(本例では、ヒートシンク12)の部分を覆っている。
Similar to the first embodiment, a
実施の形態1とは異なり、筐体30(ヒートシンク12)は、カバー部材27により覆われている部分に、外側に貫通する貫通孔28を有している。貫通孔28を塞ぐ蓋部材31が取り付けられている。
Unlike the first embodiment, the housing 30 (heat sink 12) has a through
貫通孔28は、カバー部材27の形状に合わせて直方体状に形成されており、ヒートシンク12の内側と外側とを縦方向に貫通している。蓋部材31は、貫通孔28の内周面の外側端部に固定されている。蓋部材31は、接着、溶接、かしめなどによって、ヒートシンク12に固定され、外部から水分が侵入することを防止している。蓋部材31は、ヒートシンク12とは別の部材によって構成されており、例えば、薄膜のCu、Al等の金属材料、PPS、PEEK、ABS等の樹脂材料によって構成されてもよい。
The through
蓋部材31は、ポリテトラフルオロエチレン(Poly Tetra Fluoro Ethylene, PTFE)などの樹脂材料によって構成される撥水フィルターにより構成されてもよい。
The
過電流によりヒューズ部16が断裂した際に、ヒューズ部16の断裂によるエネルギーや飛散したヒューズ部16によって、蓋部材31は、ヒートシンク12から分離する、若しくは、蓋部材31の一部が破損して開口部ができる。この際、溶断して飛散したヒューズ部16は電力変換装置1の外部に排出されるため、電力変換装置1の破損を防ぐことができ、安定した遮断効果を得ることができる。
When the
なお、カバー部材27、ヒートシンク12、及び蓋部材31によって形成される空間に、実施の形態3のように、消弧剤26が充填されてもよい。
As in the third embodiment, the
〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
Other Embodiments
Finally, other embodiments of the present invention will be described. The configuration of each embodiment described below is not limited to one applied individually, and may be applied in combination with the configuration of the other embodiments as long as no contradiction arises.
(1)上記の各実施の形態においては、電力用半導体素子14、及び電極配線部材13としての電極用リードフレーム13が、樹脂部材である素子モールド樹脂20により封止された半導体素子モジュール29とされている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、電力用半導体素子14、及び電極配線部材13が、素子モールド樹脂20により封止されておらず、パッケージ化されていなくてもよい。すなわち、素子モールド樹脂20に封止されていない状態の、電力用半導体素子14及び電極配線部材13等が、封止樹脂部材25により筐体30内に封止されてもよい。この場合は、電極配線部材13は、バスバー等とされ、ヒューズ部16は、封止樹脂部材25に封止されている正極側又は負極側の電極配線部材の部分に形成されてもよい。
(1) In the above embodiments, the
(2)上記の各実施の形態においては、ヒューズ部16は、正極側の電極用リードフレーム13a(横方向延出部13a1)に形成されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、ヒューズ部16は、電力用半導体素子14の主電極に接続され、封止樹脂部材25に封止された電極配線部材13の部分であれば、いずれの箇所に形成されてもよい。例えば、ヒューズ部16は、負極側の電極用リードフレーム13bの横方向延出部13b1、正極側の縦方向延出部13a2又は負極側の縦方向延出部13b2、或いは、正極側又は負極側の外部接続端子10a、10bに形成されてもよい。
(2) In each of the above embodiments, the
(3)上記の各実施の形態においては、電力変換装置1が、1つの電力用半導体素子14(スイッチング素子)を設けている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、電力変換装置1が、複数の電力用半導体素子を設けていてもよい。例えば、2つのスイッチング素子が、正極側の電極配線部材と負極側の電極配線部材との間に直列接続され、正極側又は負極側の電極配線部材にヒューズ部16が形成されてもよい。また、正極側の電極配線部材と負極側の電極配線部材との間に、2つのスイッチング素子の直列回路が、複数組並列接続されたブリッジ回路とされ、各組の直列回路の電極配線部材に、ヒューズ部16が設けられてもよい。また、電力用半導体素子14の一部又は全部が、ダイオードとされてもよい。
(3) In each said embodiment, the case where the
(4)上記の各実施の形態においては、カバー部材27のヒートシンク12側は、ヒートシンク12側に開口しているカバー開口部27cとなっており、カバー開口部27cは、ヒートシンク12の内面により塞がれている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、カバー部材27のヒートシンク12側は開口しておらず、カバー部材27は、ヒューズ部16を全周に亘って覆ってもよい。
(4) In each of the above embodiments, the
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, each embodiment can be freely combined, or each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 電力変換装置、13 電極配線部材、14 電力用半導体素子、16 ヒューズ部、20 素子モールド樹脂、25 封止樹脂部材、26 消弧剤、27 カバー部材、28 貫通孔、29 半導体素子モジュール、30 筐体、31 蓋部材
この発明に係る電力変換装置は、電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子の主電極に接続された電極配線部材と、筐体と、前記電極配線部材に形成された、ヒューズとして機能するヒューズ部と、前記ヒューズ部を覆うカバー部材と、前記電力用半導体素子、前記電極配線部材、及び前記ヒューズ部を覆っている前記カバー部材を前記筐体内に封止する樹脂部材である封止樹脂部材と、を備え、前記カバー部材は、前記ヒューズ部に加えて、前記ヒューズ部と対向している前記筐体の部分を覆っており、前記筐体は、前記カバー部材により覆われている部分に、外側に貫通する貫通孔を有し、前記貫通孔を塞ぐ蓋部材が取り付けられ、前記蓋部材は、前記ヒューズ部が断裂したときに、前記貫通孔から分離する、又は破損して開口部が生じるものである。
A power conversion device according to the present invention includes a power semiconductor device, an electrode wiring member connected to a main electrode of the power semiconductor device, a housing, and a fuse formed as a fuse formed in the electrode wiring member. A sealing resin member which is a resin member for sealing the inside of the casing, the cover member covering the fuse portion, the power semiconductor element, the electrode wiring member, and the cover member covering the fuse portion If, Bei example, said cover member, in addition to the fuse unit, covers a portion of the housing that is opposite to the fuse portion, wherein the housing, the portion covered by the cover member A cover member is attached to the outer side, and a cover member for closing the through hole is attached, and the cover member is separated from the through hole when the fuse portion is torn, or is broken when the opening is opened Is raw Is shall.
Claims (11)
前記電力用半導体素子の主電極に接続された電極配線部材と、
筐体と、
前記電極配線部材に形成された、ヒューズとして機能するヒューズ部と、
前記ヒューズ部を覆うカバー部材と、
前記電力用半導体素子、前記電極配線部材、及び前記ヒューズ部を覆っている前記カバー部材を前記筐体内に封止する樹脂部材である封止樹脂部材と、を備えた電力変換装置。 Power semiconductor elements,
An electrode wiring member connected to the main electrode of the power semiconductor element;
And
A fuse portion formed on the electrode wiring member and functioning as a fuse;
A cover member covering the fuse portion;
And a sealing resin member which is a resin member for sealing the cover member covering the power semiconductor element, the electrode wiring member, and the fuse portion in the casing.
前記ヒューズ部は、前記素子モールド樹脂から外側に突出した前記電極用リードフレームの部分に形成されている請求項1に記載の電力変換装置。 The power semiconductor element and the electrode lead frame as the electrode wiring member are a semiconductor element module sealed by an element mold resin which is a resin member,
The power conversion device according to claim 1, wherein the fuse portion is formed in a portion of the electrode lead frame protruding outward from the element mold resin.
前記カバー部材は、前記ヒューズ部に加えて、前記ヒューズ部と対向している前記ヒートシンクの部分を覆っている請求項1から10のいずれか一項に記載の電力変換装置。 The housing is formed in a bottomed cylindrical shape in which a bottom portion is formed of a metal heat sink,
The power conversion device according to any one of claims 1 to 10, wherein the cover member covers a portion of the heat sink facing the fuse portion in addition to the fuse portion.
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