JP4492204B2 - Method for manufacturing power conversion device - Google Patents
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Description
本発明は、電力用半導体モジュールの電力端子に電極板としての電力バスバーを溶融接合した電力変換装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a power conversion device in which a power bus bar as an electrode plate is melt-bonded to a power terminal of a power semiconductor module.
従来より、DC−DCコンバータ回路やインバータ回路等の電力変換回路は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流を生成するのに用いられることがある。一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、その交流モータから大きな駆動トルクを得る必要があるため、大きな駆動電流を供給する必要がある。
そのため、交流モータに供給する駆動電流を生成する上記電力変換回路においては、該電力変換回路を構成するIGBT等の電力用半導体素子を含む電力用半導体モジュールからの発熱が大きくなる傾向にある。
Conventionally, a power conversion circuit such as a DC-DC converter circuit or an inverter circuit is sometimes used to generate a drive current for energizing an AC motor that is a power source of an electric vehicle or a hybrid vehicle. Generally, in an electric vehicle, a hybrid vehicle, and the like, it is necessary to obtain a large driving torque from the AC motor, and thus it is necessary to supply a large driving current.
Therefore, in the power conversion circuit that generates the drive current to be supplied to the AC motor, heat generated from the power semiconductor module including the power semiconductor element such as IGBT constituting the power conversion circuit tends to increase.
そこで、電力変換回路を構成する複数の電力用半導体モジュールを均一性高く冷却できるように、冷却用媒体(冷媒)の供給及び排出を担う一対のヘッダ間に多数の扁平冷却チューブを配置し、該扁平冷却チューブの間に電力用半導体モジュールを挟持した冷却チューブ並列型の電力変換装置が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
そして、上記のように構成された電力変換装置では、複数の電力用半導体モジュールの入出力電流をまとめて通電するために、各電力用半導体モジュールの電力端子を、例えば、電力バスバー等の共通の電極板と電気的に接続する場合がある。
Therefore, a large number of flat cooling tubes are arranged between a pair of headers that supply and discharge the cooling medium (refrigerant) so that the plurality of power semiconductor modules constituting the power conversion circuit can be cooled with high uniformity. A cooling tube parallel type power conversion device in which a power semiconductor module is sandwiched between flat cooling tubes has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
In the power conversion device configured as described above, in order to energize the input / output currents of the plurality of power semiconductor modules together, the power terminals of each power semiconductor module are connected to a common power bus bar or the like, for example. There is a case where it is electrically connected to the electrode plate.
しかしながら、上記従来の電力変換装置では、次のような問題がある。すなわち、大電流を通電する電力バスバーでは、上記電力端子との接合箇所に、熱や振動等のストレスが繰り返し作用するおそれがある。そのため、上記電力変換装置では、電力バスバーと電力端子とを信頼性高く接合する必要がある。 However, the conventional power conversion device has the following problems. That is, in a power bus bar through which a large current is passed, there is a possibility that stress such as heat or vibration may repeatedly act on the joint portion with the power terminal. Therefore, in the said power converter device, it is necessary to join a power bus bar and a power terminal with high reliability.
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、電力バスバーと電力端子との接合信頼性が高い優れた品質の電力変換装置を効率良く製造する方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a method for efficiently manufacturing an excellent quality power converter having high joint reliability between a power bus bar and a power terminal. .
本発明は、冷媒を流動させる扁平管形状の冷却チューブと制御電流を通電する電力端子及び制御信号を取り込むための複数の制御端子を備えた平板状の電力用半導体モジュールとを積層して上記半導体積層ユニットを作製するユニット積層工程と、
上記半導体積層ユニットの上記電力端子に、電力バスバーを溶融接合する電力端子接続工程と、
該電力端子接続工程を実施した後、制御回路素子を搭載した制御基板における所定の接続箇所に、上記半導体積層ユニットの上記各制御端子をはんだ接合する制御端子接続工程とを有することを特徴とする電力変換装置の製造方法にある(請求項1)。
The present invention provides a semiconductor device in which a flat tube-shaped cooling tube for flowing a refrigerant, a power terminal for supplying a control current, and a flat power semiconductor module having a plurality of control terminals for receiving control signals are stacked. A unit laminating step for producing a laminated unit;
A power terminal connecting step of melting and joining a power bus bar to the power terminal of the semiconductor laminated unit;
A control terminal connecting step of soldering the control terminals of the semiconductor multi-layer unit to a predetermined connection location on the control board on which the control circuit element is mounted after the power terminal connecting step. It exists in the manufacturing method of a power converter device (Claim 1).
本発明の電力変換装置の製造方法では、上記ユニット積層工程により作製した上記半導体積層ユニットについて、その上記電力端子に上記電力バスバーを溶融接合する電力端子接続工程を実施し、その後、上記制御基板における所定の接続箇所に上記各制御端子をはんだ接合する制御端子接続工程を実施する。 In the method for manufacturing a power conversion device of the present invention, a power terminal connection step of melting and joining the power bus bar to the power terminal is performed on the semiconductor stacked unit manufactured by the unit stacking step, and then the control board A control terminal connection process is performed in which the control terminals are soldered to predetermined connection locations.
上記電力変換装置の製造方法では、上記電力端子接続工程を実施した後に、上記制御端子接続工程を実施する。そのため、電力バスバーを溶融接合する際の大電流、高電圧といった高エネルギーが制御基板に悪影響を及ぼすおそれがない。それ故、上記制御基板に電気的なトラブルを生じるおそれがない。
したがって、本発明の製造方法で作製した電力変換装置は、電気的な初期トラブルの少ない優れた品質のものとなる。
In the manufacturing method of the power converter, the control terminal connection step is performed after the power terminal connection step. Therefore, there is no possibility that high energy such as a large current and a high voltage at the time of melt-bonding the power bus bar will adversely affect the control board. Therefore, there is no possibility of causing an electrical trouble in the control board.
Therefore, the power converter manufactured by the manufacturing method of the present invention has excellent quality with few electrical initial troubles.
さらに、上記の電力変換装置の製造方法のように、上記ユニット積層工程により上記半導体積層ユニットを形成した後に、上記電力バスバー及び上記制御基板を組み付ければ、非常に生産効率良く上記電力変換装置を製造することができる。 Further, as in the method for manufacturing the power conversion device, after the semiconductor stacked unit is formed by the unit stacking step, the power bus bar and the control board are assembled, so that the power conversion device is very efficiently produced. Can be manufactured.
以上のように、本発明の電力変換装置の製造方法は、優れた品質の電力変換装置を効率良く製造し得るものである。 As mentioned above, the manufacturing method of the power converter device of this invention can manufacture the power converter device of the outstanding quality efficiently.
本発明においては、上記ユニット積層工程では、上記半導体積層ユニットは、1個又は2個以上の上記電力用半導体モジュールを並列して配置したモジュール配設層を2層以上積層して作製されることが好ましい(請求項2)。
この場合には、上記半導体積層ユニットを構成する上記電力用半導体モジュールの個数が多くなるため、本発明の作用効果が特に有効になる。さらに、上記の場合には、上記電力バスバーに通電される制御対象としての電流が大きくなり、それ故、上記電力バスバーと上記電力端子とを溶融接合する必要性が高くなるため、本発明の作用効果が特に有効になる。
In the present invention, in the unit lamination step, the semiconductor lamination unit is produced by laminating two or more module arrangement layers in which one or more of the power semiconductor modules are arranged in parallel. (Claim 2).
In this case, since the number of the power semiconductor modules constituting the semiconductor laminated unit increases, the effect of the present invention is particularly effective. Further, in the above case, the current as the control target to be passed through the power bus bar is increased, and therefore, the necessity to melt and bond the power bus bar and the power terminal is increased. The effect is particularly effective.
また、上記電力端子接続工程では、上記各制御端子に保護部材を装着した状態で上記電力端子の溶融接合を行うことが好ましい(請求項3)。
また、上記保護部材は、上記各制御端子の間を短絡する短絡部材であることが好ましい(請求項4)。
In the power terminal connecting step, it is preferable that the power terminals are melt-bonded in a state where a protective member is attached to each control terminal.
Moreover, it is preferable that the said protection member is a short circuit member which short-circuits between each said control terminal (Claim 4).
また、上記ユニット積層工程では、複数の上記電力用半導体モジュールが積層され、上記電力端子接続工程では、互いに電気的に絶縁された複数の上記短絡部材が上記電力用半導体モジュールごとに装着された状態で上記電力端子の溶融接合を行うことが好ましい(請求項5)。
上記各短絡部材は、電気的に独立であって、かつ、他の短絡部材との電気的な絶縁状態を確保してある。ここで、上記短絡部材が電気的に独立であるとは、上記半導体積層ユニットや、上記電力端子接続工程を実施する溶接装置等のいずれに対しても、短絡部材が電気的に接触していない状態を意味している。例えば、溶融接合を行う溶融装置のアースポイント等から上記一組の制御端子を電気的に絶縁しておけば、上記一組の制御端子を経由して上記アースポイントに向けて高電圧が印加されたり、大電流が通電されるおそれを抑制できる。また、各短絡部材と他の短絡部材との電気的な絶縁状態を確保しておけば、溶融のための高電圧や大電流が、複数の電力用半導体モジュールを経由して通電されるおそれを抑制できる。
In the unit stacking step, a plurality of the power semiconductor modules are stacked, and in the power terminal connecting step, the plurality of short-circuit members that are electrically insulated from each other are mounted for each power semiconductor module. It is preferable to perform fusion bonding of the power terminals.
Each of the short-circuit members is electrically independent, and is electrically insulated from other short-circuit members. Here, the short-circuit member is electrically independent means that the short-circuit member is not in electrical contact with any of the semiconductor lamination unit, the welding apparatus for performing the power terminal connection step, and the like. Means state. For example, if the set of control terminals is electrically insulated from the ground point of a melting apparatus for performing melt bonding, a high voltage is applied to the ground point via the set of control terminals. Or a large current can be suppressed. Moreover, if the electrical insulation state between each short-circuit member and other short-circuit members is ensured, there is a risk that a high voltage or a large current for melting will be energized via a plurality of power semiconductor modules. Can be suppressed.
以上のように、上記短絡部材を用いて上記一組の制御端子の各制御端子を相互に短絡させると共に各短絡部材と他の短絡部材との電気的な絶縁状態を確保しながら、上記電力端子接続工程を実施すれば、溶接時の高電圧や大電流といった高エネルギーにより上記電力用半導体モジュールが損傷するおそれを少なくできる。そして、上記のごとく電力端子接続工程を実施した後、上記制御基板の所定の接続箇所に上記制御端子を半田接合すれば、電力用半導体モジュールの初期不良を抑制して生産効率良く上記電力変換装置を製造できる。 As described above, the power terminals while short-circuiting the control terminals of the set of control terminals using the short-circuit member and ensuring electrical insulation between the short-circuit members and the other short-circuit members. If the connection process is performed, the possibility that the power semiconductor module is damaged by high energy such as high voltage or large current during welding can be reduced. Then, after performing the power terminal connection step as described above, if the control terminal is soldered to a predetermined connection location of the control board, the power conversion device can be produced with high production efficiency by suppressing initial failure of the power semiconductor module. Can be manufactured.
また、上記短絡部材は、上記各制御端子と接触する面のみが電気的な導電性を呈し、それ以外の外周面が電気的な絶縁性を呈することが好ましい。
この場合には、相互に短絡した上記一組の制御端子について、電気的な絶縁状態を確実性高く確保することができる。
また、上記短絡部材としては、上記各制御端子を挿入する複数の挿入孔を設け、該各挿入孔の内周面を電気的な導電性を呈するように形成すると共に、それ以外の外周面を電気的な絶縁性を呈するように形成するのが良い。
この場合には、上記一組の制御端子に対して、上記短絡部材を確実性高く保持することができる。さらに、外周面に、電気的な絶縁性を備えた上記短絡部材を用いれば、相互に短絡した上記一組の制御端子を覆うことで、その電気的な絶縁状態を確実性高く確保できる。
Moreover, it is preferable that only the surface which contacts the said control terminal exhibits the electrical conductivity, and the other outer peripheral surface exhibits the electrical insulation of the said short circuit member.
In this case, the electrical insulation state can be ensured with high reliability for the set of control terminals that are short-circuited to each other.
Further, as the short-circuit member, a plurality of insertion holes for inserting the control terminals are provided, and the inner peripheral surface of each insertion hole is formed so as to exhibit electrical conductivity, and the other outer peripheral surface is formed. It is good to form so that electrical insulation may be exhibited.
In this case, the short-circuit member can be held with high reliability with respect to the set of control terminals. Furthermore, if the said short circuit member provided with electrical insulation is used for an outer peripheral surface, the electrical insulation state can be ensured with high reliability by covering the set of control terminals that are short-circuited to each other.
また、上記ユニット積層工程では、上記電力用半導体モジュールと上記冷却チューブとは、上記半導体積層ユニットの第1側面に上記電力端子を延出させ、上記半導体積層ユニットの上記第1側面と反対の第2側面に上記制御端子を延出させて積層され、
上記電力端子接続工程では、上記電力端子を上方向へ向けた状態で上記電力端子の溶融接合を行うことが好ましい(請求項6)。
In the unit stacking step, the power semiconductor module and the cooling tube extend the power terminal to the first side surface of the semiconductor stacked unit, and the first opposite to the first side surface of the semiconductor stacked unit. The control terminal is extended and laminated on two side surfaces,
In the power terminal connecting step, it is preferable that the power terminals are melt-bonded with the power terminals facing upward.
また、上記電力端子接続工程では、上記電力端子と上記電力バスバーとをTIG溶接により溶融接合することができる。
TIG溶接により上記電力端子と上記電力バスバーとの溶融接合を行う場合には、両者を確実性高く接合し得るものの、溶融接合時に印加される電圧あるいは通電すべき電流が大きくなる。それ故、上記電力用半導体モジュールに電気的なトラブルを生じるおそれが高くなるため、本発明の電力変換装置の製造方法が特に有効となる。
電力端子の溶融接合には、アーク溶接、抵抗溶接といった電気的な溶接方法の他、レーザ溶接、電子ビーム溶接、あるいは火炎による溶接など、電力端子とバスバーとを大電流に耐えうる程度の高い強度をもって溶融接合する手法を用いることができる。
In the power terminal connecting step, the power terminal and the power bus bar can be melt-bonded by TIG welding.
When fusion bonding of the power terminal and the power bus bar is performed by TIG welding, although both can be bonded with high reliability, the voltage applied at the time of fusion bonding or the current to be energized increases. Therefore, since there is a high risk of causing electrical troubles in the power semiconductor module, the method for manufacturing a power conversion device of the present invention is particularly effective.
For fusion bonding of power terminals, in addition to electrical welding methods such as arc welding and resistance welding, high strength that can withstand large currents between power terminals and bus bars, such as laser welding, electron beam welding, or flame welding. Can be used.
(実施例1)
本例の電力変換装置1の製造方法について、図1〜図11を用いて説明する。
本例の電力変換装置1の製造方法は、図1〜図3に示すごとく、制御電流及び入力電流を通電する一対の電力端子150及び制御信号を取り込むための複数の端子よりなる一組の制御端子160を備えた平板状の電力用半導体モジュール10と冷媒を流動させる扁平管形状の冷却チューブ20とを交互に積層してなる半導体積層ユニット2と、上記電力端子150と電気的に接続した電力バスバー30と、上記制御端子160と電気的に接続した制御基板40とを含む電力変換装置1を製造する方法である。
Example 1
The manufacturing method of the power converter device 1 of this example is demonstrated using FIGS.
As shown in FIGS. 1 to 3, the manufacturing method of the power conversion apparatus 1 of this example is a set of controls including a pair of
この製造方法では、冷却チューブ20と電力用半導体モジュール10(図4及び図5)とを積層して半導体積層ユニット2(図6、図7参照。)を作製するユニット積層工程と、半導体積層ユニット2の電力端子150に、電力バスバー30を溶融接合する電力端子接続工程と、該電力端子接続工程を実施した後、制御基板40における所定の接続箇所に、半導体積層ユニット2の各制御端子160をはんだ接合する制御端子接続工程とを行う。
以下に、この内容について詳しく説明する。
In this manufacturing method, a unit stacking process for stacking the cooling
This content will be described in detail below.
まず、本例の電力変換装置1について説明する。この電力変換装置1は、図1〜図3に示すごとく、例えば、電気自動車用の走行モータ(図示略)に通電する駆動電流を生成するための装置である。そして、この電力変換装置1は、上記のごとく制御基板40及び電力バスバー30を組み付けた半導体積層ユニット2のほか、コンデンサやリアクトル等から構成される図示しない電力回路等を有してなる。
First, the power converter device 1 of this example will be described. As shown in FIGS. 1 to 3, the power conversion device 1 is a device for generating a drive current for energizing a travel motor (not shown) for an electric vehicle, for example. And this power converter device 1 has the power circuit etc. which are not shown in figure comprised from a capacitor | condenser, a reactor, etc. other than the semiconductor lamination | stacking
上記電力変換装置1では、上記のごとく図1〜図3に示すように、半導体積層ユニット2の表面201に当たる側面に電力端子150が突出している。そして、半導体積層ユニット2の裏面202に当たる側面には制御端子160が突出している。上記表面201に当たる側面には、図3に示すごとく、一組の電力バスバー30を配置してあり、該各電力バスバー30を所定の電力端子150と溶融接合してある。複数の電力バスバー30は、四角い箱状の外観を呈する半導体積層ユニット2の一方の主平面としての表面201と平行に配置されている。半導体積層ユニット2の表面201からは、その表面と垂直方向に向けて複数の電力端子150が延び出している。複数の電力端子150は、半導体積層ユニット2における電力用半導体モジュール10と冷却チューブ20との積層方向に沿って並らべられ、電力端子列をなしている。しかも、複数の電力端子150は、複数の列をなしている。この実施例では、4列の電力端子列が形成される。複数の電力バスバー30のそれぞれは、これら複数の電力端子列と平行に延びる棒状に形成されている。複数の電力バスバー30のそれぞれからは、複数のターミナル部が電力端子に向けて延びだしている。各ターミナルには、電力端子を位置決めする接続部としての凹部又は穴が形成される。
As described above, in the power conversion device 1, the
複数の電力端子150は、それぞれが平板状である。複数の電力端子150は、半導体積層ユニット2における電力用半導体モジュール10と冷却チューブ20との積層方向と直交する面方向に広がる平面を有している。すなわち、複数の電力端子150は、平板状の電力用半導体モジュール10の平板としての平面方向に平行に広がる平面を有している。ひとつの電力端子列に属する複数の電力端子150は、互いに平行に配列されている。また、複数の電力用半導体モジュール10がひとつの冷却チューブ20と平行に並べて配置される結果、これらの電力用半導体モジュール10に属する複数の電力端子150は、積層方向と直交する方向に関して一直線に並べられている。
Each of the plurality of
この実施例では、3本の電力バスバー30が設けられる。電力端子列の間に配置された中央の電力バスバー30は、その両側に複数のターミナルを備える。端の電力端子列のさらに外側に配置された左右の電力バスバー30は、その片側に複数のターミナルを備える。複数の電力バスバー30は、すのこ状に組み立てられ、バスバー組立体を構成する。バスバー組立体は、半導体積層ユニット2の表面201から延び出す複数の電力端子150のすべてを覆う範囲にわたって広がっている。
In this embodiment, three power bus bars 30 are provided. The central
該各電力バスバー30は、溶融接合する電力端子150を挿入するための複数の端子孔300を形成してなる銅製の板状の部材である。本例では、側端部に開口するスリット状の切り欠きにより上記端子孔300を形成してある。
複数の制御端子160は、それぞれが平板状である。複数の制御端子160は、半導体積層ユニット2における電力用半導体モジュール10と冷却チューブ20との積層方向と直交する面方向に広がる平面を有している。すなわち、複数の制御端子160は、平板状の電力用半導体モジュール10の平板としての平面方向に平行に広がる平面を有している。すべての制御端子160は、互いに平行に配列されている。複数の電力用半導体モジュール10が冷却チューブ20と交互に積層されるため、この積層方向に沿って延びる複数の列をなして複数の制御端子160は配列される。また、複数の電力用半導体モジュール10がひとつの冷却チューブ20と平行に並べて配置される結果、これらの電力用半導体モジュール10に属する複数の制御端子160は、積層方向と直交する方向に関して一直線に並べられている。
Each
Each of the plurality of
また、上記裏面202に当たる側面には制御基板40を配置してある。制御基板40には、複数の電力用半導体モジュール10への制御信号を発生するための制御回路を構成する抵抗、ICなどの回路素子が搭載されている。制御基板40は、単一の回路基板であって、半導体積層ユニット2から延び出す複数の制御端子160のすべてが接続される。制御基板40は、四角い箱状の外観を呈する半導体積層ユニット2の反対側の主平面としての裏面202と平行に配置されている。制御基板40は、裏面202から延び出す複数の制御端子160のすべてを覆う範囲にわたって広がっている。制御基板40は、複数の回路基板によって提供されることができる。該制御基板40には、各制御端子160を挿入するスルーホールを形成してあり、該各スルーホールに所定の制御端子160を挿入し、半田付け接合してある。
この実施例の電力変換装置1は、半導体積層ユニット2をその主平面方向を水平にして、例えば、車両に搭載され、使用状態におかれる。制御基板40を半導体積層ユニット2の重力方向に関する上側に配置し、複数のバスバー30を半導体積層ユニット2の重力方向下側に配置して、電力変換装置1は使用状態に置かれることができる。
Further, the
The power conversion apparatus 1 of this embodiment is mounted on a vehicle, for example, in a state of use, with the semiconductor laminated
本例の電力用半導体モジュール10は、図4及び図5に示すごとく、電力用半導体素子であるIGBT素子11と、モータの回転を滑らかにするために必要なフライホイールダイオード素子12とを相互に対面する一対の電極放熱板15の間に配置したモジュールである。そして、この電力用半導体モジュール10は、モールド樹脂13を用いて、一対の電極放熱板15と上記各素子11、12とを一体的に成形し、モジュール化してなる。本例では、電力用半導体モジュール10の両面側に電極放熱板15が露出するように樹脂成形してあり、この露出した電極放熱板15を放熱面として利用している。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
上記電力用半導体モジュール10は、同図に示すごとく、その外部端子として、各電極放熱板15と一体的に形成された電力端子150と、モールド樹脂13中に埋設して保持した制御端子160とを有してなる。そして、本例の電力用半導体モジュール10では、電極放熱板15と平行な面内において、電力端子150と制御端子160とを対向配置してある。
そのため、図6及び図7に示すごとく、この電力用半導体モジュール10を用いた本例の半導体積層ユニット2では、その表面201側に電力端子150が突出すると共に、裏面202側に制御端子160が突出している。
As shown in the figure, the
Therefore, as shown in FIGS. 6 and 7, in the semiconductor laminated
上記半導体積層ユニット2は、図6及び図7に示すごとく、冷媒の流路をなす扁平管形状の冷却チューブ20と、平板状の電力用半導体モジュール10とを交互に積層してなる多層積層構造のものである。本例の半導体積層ユニット2では、隣り合わせで積層した冷却チューブ20の間隙に、それぞれ2個の電力用半導体モジュール10を並列配置してある。
As shown in FIGS. 6 and 7, the semiconductor laminated
冷却チューブ20は、内部を冷媒の流路を有する扁平管形状をなす中空管(図1参照。)である。本例では、アルミ合金材料の押し出し材により上記冷却チューブ20を形成してある。この冷却チューブ20は、図6に示すごとく、その両端部付近の扁平表面210に、ヘッダ管240を接続するための貫通穴(図示略)を穿孔してなる。
The cooling
本例の半導体積層ユニット2は、図6及び図7に示すごとく、上記冷媒の供給、排出のための冷媒ヘッダとして供給用のヘッダ部241と排出用のヘッダ部242とを有している。本例では、長さ方向に伸縮可能なアルミ材よりなる上記ベローズ管状のヘッダ管240を隣り合う冷却チューブ20の間隙に配置し、略同一直線上に配置した複数のヘッダ管240により各ヘッダ部241、242を形成してある。各ヘッダ管240は、冷却チューブ20の貫通穴に嵌入した両端部をろう付け接合することにより、各冷却チューブ20に接続してある。なお、各冷却チューブ20の端部は、キャップ状を呈する封止部材23を用いて封止してある。
As shown in FIGS. 6 and 7, the semiconductor laminated
なお、本例の電力変換装置1は、相互に対面する保持プレート及び挟圧プレートを有する図示しない支持構造を有してなる。この支持構造では、保持プレートと挟圧プレートとの間で積層方向の荷重を作用した状態で半導体積層ユニット2を保持するように構成してある。このように半導体積層ユニット2に対して積層方向の荷重を作用させると、冷却チューブ20と電力用半導体モジュール10との間に適切な当接荷重を作用できる。そして、冷却チューブ20と電力用半導体モジュール10との間で接触面積を確保して、両者間の熱伝導を促進することができる。
In addition, the power converter device 1 of this example has a support structure (not shown) having a holding plate and a clamping plate facing each other. This support structure is configured to hold the semiconductor stacked
さらに、本例の半導体積層ユニット2では、相互に密着させた冷却チューブ20と電力用半導体モジュール10との間には、図示しないセラミック板とシリコングリス層を配置してある。このセラミック板は、両者間の電気的な絶縁性を確保するのに有効であり、上記シリコングリス層は、熱伝導率を向上するために役立つ。
Further, in the semiconductor laminated
したがって、本例の電力変換装置1では、電力用半導体モジュール10と冷却チューブ20との間の熱の移動が容易となり、電力用半導体モジュール10を効率良く冷却することができる。特に、本例の電力変換装置1では、電力用半導体モジュール10の両面側に冷却チューブ20が当接する構造を有するため、該電力用半導体モジュール10を冷却する性能が非常に高いのである。
Therefore, in the power conversion device 1 of this example, heat transfer between the
次に、上記の電力変換装置1を製造する方法について説明する。
まず、図6及び図7に示すごとく、冷却チューブ20と電力用半導体モジュール10とを積層して半導体積層ユニット2を作製する上記ユニット積層工程について、簡単に説明する。
この工程では、予め、ヘッダ管240を用いて冷却チューブ20をはしご状に組み立てると共に、各冷却チューブ20の両端に封止部材23を装着する。そして、冷却チューブ20に対して、ヘッダ管240及び封止部材23をろう付け接合する。その後、同図に示すごとく、隣り合う冷却チューブ20の間隙に電力用半導体モジュール10を配置するに当たっては、まず、各ヘッダ部241、242を形成するベローズ状のヘッダ管240を積層方向に伸ばしておき、その間隙を拡げた状態で電力用半導体モジュール10を冷却チューブ20間に配置する。その後、積層方向の圧縮荷重を作用させてヘッダ管240を積層方向に縮めることにより、冷却チューブ20と電力用半導体モジュール10とを密着させる。
Next, a method for manufacturing the power conversion device 1 will be described.
First, as shown in FIGS. 6 and 7, the unit stacking step for manufacturing the semiconductor stacked
In this step, the cooling
そして、上記ユニット積層工程により作製した半導体積層ユニット2について、図8及び図9に示すごとく、上記電力端子接続工程を実施する。この工程では、半導体積層ユニット2を構成する各電力用半導体モジュール10の電力端子150に電力バスバー30を溶融接合する。
特に、本例の電力端子接続工程では、半導体積層ユニット2の制御端子160について、各電力用半導体モジュール10毎に相互に電気的に短絡し、かつ、相互に短絡した制御端子160について、電力用半導体モジュール10毎に電気的な絶縁状態を確保しながら電力端子150と電力バスバー30との溶融接合を順次、実施する。
And about the
In particular, in the power terminal connection step of this example, the
本例の電力端子接続工程では、まず、図8及び図9に示すごとく、各端子孔300に、各電力端子150を挿入して、溶融接合する電力バスバー30を半導体積層ユニット2に取り付ける。
一方、半導体積層ユニット2における制御端子160が突出する裏面202側では、全ての電力用半導体モジュール10について、該各電力用半導体モジュール10の5本一組の制御端子160に短絡部材5を装着する。短絡部材5は、電力端子150を溶融接合させる間に、制御端子160を機械的に、さらには電気的に保護する保護部材として機能しうる。特に、本例では、各電力用半導体モジュール10に装着した各短絡部材5は、他のいずれの短絡部材5とも、冷却チューブ20とも、溶融接合を行う装置等のいずれとも接触しないように配設でき、その電気的な絶縁状態を確保できるようにしてある。
In the power terminal connection process of this example, first, as shown in FIGS. 8 and 9, each
On the other hand, on the
本例の短絡部材5は、図10に示すごとく、導電性ウレタンよりなり、導電性を備え、かつ、高い柔軟性を呈するスポンジ状の部材である。そして、本例の短絡部材5は、制御端子160を挿入するための5箇所の挿入孔50を形成してなる。このスポンジ状の短絡部材5によれば、上記各制御端子160を挿入孔50に挿入するよう柔軟に変形し得る。それ故、上記短絡部材5は、各電力用半導体モジュール10の個体差として生じ得る、制御端子160の間隔の大小や、制御端子160の突出長さの長短を柔軟に吸収しながら、各制御端子160との電気的な接続状態を確実性高く確保することができる。なお、上記短絡部材5としては、本例のスポンジ状のものに代えて、金属線を丸めて形成した金属たわし状のものとするのも良い。
As shown in FIG. 10, the short-
そして、図8及び図9に示すごとく、溶融接合する電力バスバー30及び短絡部材5を半導体積層ユニット2に取り付けた状態で、電力バスバー30の各端子孔300から突出した各電力端子150を順番に溶融接合する。ここでは、溶融接合する電力バスバー30を、図示しない溶接装置のアースポイント333に電気的に接続した状態で、図8に示すごとく、各端子孔300から突出した電力端子150の上端面に溶接アークを供給する。なお、本例では、TIG溶接による溶融接合を実施した。
As shown in FIGS. 8 and 9, the power bus bars 30 and the short-
このように端子孔300から突出する各電力端子150を順番に溶融接合すると共に、溶接装置のアースポイント333に結線する電力バスバー30を切り替えながら、各電力バスバー30と電力端子150とを溶融接合する。そしてその後、各電力用半導体モジュール10の制御端子160に保持した短絡部材5を取り外して上記電力端子接続工程を終える(図11参照。)。
In this way, each
なお、本例では、各電力バスバー30と電力端子150との溶融接合を各電力端子150毎に行ったが、これに代えて、各電力バスバー30に溶融接合すべき全ての電力端子150を同時に溶融接合するのも良い。さらに、本例では、電力バスバー30を順番に溶融接合したが、全ての電力バスバー30に対して全ての電力端子150を同時に溶融接合することもできる。
In this example, each
上記電力端子接続工程の後、上記制御端子接続工程を実施する。この工程では、まず、スルーホールを形成した制御基板40(図1参照。)の各スルーホールに制御端子160を挿入することにより、制御基板40を半導体積層ユニット2に保持する。そして、半導体積層ユニット2に制御基板40を保持した状態で、各制御端子160の半田付け接合を行う。
After the power terminal connection step, the control terminal connection step is performed. In this step, first, the
以上のように、本例の電力変換装置1の製造方法では、上記電力端子接続工程を実施した後に、上記制御端子接続工程を実施する。そのため、電力バスバー30を溶融接合する際の溶接電圧あるいは溶接電流といった高エネルギーが、制御基板40に悪影響を及ぼすおそれがない。それ故、制御基板40に電気的なトラブルを生じるおそれがない。
したがって、本発明の製造方法で作製した電力変換装置1は、電気的な初期トラブルの少ない優れた品質のものとなる。また、上記の電力変換装置1の製造方法のように、上記ユニット積層工程により半導体積層ユニット2を形成した後に、電力バスバー30及び制御基板40を組み付ければ、非常に生産効率良く電力変換装置1を製造することができる。
As mentioned above, in the manufacturing method of the power converter device 1 of this example, after implementing the said power terminal connection process, the said control terminal connection process is implemented. Therefore, there is no possibility that high energy such as a welding voltage or a welding current when the
Therefore, the power conversion device 1 manufactured by the manufacturing method of the present invention has excellent quality with few electrical initial troubles. Moreover, if the
さらにまた、本例の製造方法では、上記電力端子接続工程において電力端子150と電力バスバー30とを溶融接合する際、半導体積層ユニット2を構成する全ての電力用半導体モジュール10について、各電力用半導体モジュール10毎に、その一組の制御端子160を相互に短絡し、かつ、相互に短絡した一組の制御端子160について、電力用半導体モジュール10毎に電気的に絶縁状態を確保しておく。
Furthermore, in the manufacturing method of this example, when the
そのため、本例の電力端子接続工程では、溶融接合する際に各電力端子150に供給する高電圧あるいは大電流が、電力端子150から制御端子160に印加され、あるいは通電するおそれが少ないのである。それ故、本例の電力端子接続工程では、電力端子150を溶融接合する際、電力用半導体モジュール10の内部回路等にトラブルを生じるおそれが少ないのである。
For this reason, in the power terminal connection process of this example, there is little possibility that a high voltage or a large current supplied to each
そして、上記のごとく電力用半導体モジュール10を電気的に保護しながら電力端子150を電力バスバー30に溶融接合した後、電力用半導体モジュール10の制御端子160を制御基板40に半田接合すれば、電力用半導体モジュール10にトラブルを生じるおそれを抑制しながら、生産効率良く上記電力変換装置1を製造することができる。
したがって、本例で製造する電力変換装置1は、効率良く製造でき、低コストであって、かつ、優れた品質を有するものとなるのである。
Then, after the
Therefore, the power conversion device 1 manufactured in this example can be manufactured efficiently, has low cost, and has excellent quality.
なお、上記電力用半導体モジュール10内部の電気回路構成によっては、一組の制御端子160に短絡部材5を保持しないで上記電力端子接続工程を実施し、その後、制御端子接続工程を実施することもできる。
この場合には、上記ユニット積層工程により形成した半導体積層ユニット2に対して短絡部材5を取り付ける手間を省いて電力端子接続工程を実施でき、生産効率良く電力変換装置1を作製できる。短絡部材5を省略し得る電力用半導体モジュール10としては、内部の回路構成上、電力端子接続工程の高電圧あるいは大電流によって破壊されるおそれが少ないもの等がある。
Depending on the electric circuit configuration inside the
In this case, the power terminal connection process can be performed without the trouble of attaching the short-
(実施例2)
図12は、電力用半導体モジュール10の一組の制御端子160を相互に短絡しないで、電力バスバー30と電力端子150との溶融接合を行う実施例である。
実施例2では、図12に示すごとく、各電力用半導体モジュール10の制御端子160を相互に短絡しないで電力端子150に溶接アークを供給する。このようにしてすべての電力端子150と電力バスバー30とを溶融接続した後に、裏面側においてすべての制御端子160と制御基板40とのはんだ接続を行う。この実施例2においても、電力端子150の溶融接続に要する高電圧、大電流、高温といった高エネルギーが制御回路を搭載した制御基板40へ悪影響を及ぼすことを防止できる。ただし、この実施例2の製造方法では、電力用半導体モジュール10の内部構造によっては、電力用半導体素子10を制御する内部回路から延設された各制御端子160間に過大な電位差を生じるなど、電力端子150の溶融接合時の高エネルギーが電力用半導体モジュール10の内部回路に悪影響を及ぼすおそれがある。
(Example 2)
FIG. 12 shows an embodiment in which the
In the second embodiment, as shown in FIG. 12, the welding arc is supplied to the
特に、溶融接合する電力端子150と、電力バスバー30との電気的な接触面積が不足するような場合、このようなトラブルを生じ易くなる。かかる電力用半導体モジュール10に起因する不具合を防止するために、電力用半導体モジュール10の内部構造を予めその電力端子150の溶融接合方法に耐える構成とする対策を講じることが望ましい。また、実施例1のような対策を講じてもよい。実施例1のように電力用半導体モジュール10の制御端子160を、短絡部材5を介して相互に電気的に短絡(図8及び図9参照。)してあれば、上記内部回路等の損傷を未然に防止できるのである。
In particular, when the electric contact area between the
図13は、溶融接合を実施する電力用半導体モジュール10の制御端子160のいずれかが、既に溶融接合を施した電力用半導体モジュール10の制御端子160と電気的に短絡した状態で、溶融接合を行った状態を示す。図13に示すごとく、溶融接合を行う電力用半導体モジュール10の制御端子160と、溶融接合済みの電力端子150を有する電力用半導体モジュール10の制御端子160とが電気的に短絡(例えば、短絡経路Aが形成されている場合。)している場合について説明する。この場合には、溶融接合しようとする電力端子150に供給した溶接アークによる大電流が、この電力用半導体モジュール10の制御端子160を介し、さらに、溶融接合済みの電力用半導体モジュール10を経由(同図中、例えば、経路A1で示す電気的な経路。)して溶接装置のアースポイント333に向けて通電するおそれがある。それ故、溶融接合しようとする電力用半導体モジュール10の内部回路等に大電流が通電され、損傷を受けるおそれが高いのである。
FIG. 13 shows a state where any one of the
特に、溶融接合する電力端子150と、電力バスバー30との電気的な接触面積が不足するような場合、このようなトラブルを生じ易くなる。従って、上記のような通電経路が形成されないように絶縁部材を配置するなどした状態で電力端子150の溶融接合を行うことが望ましい。なお、実施例1のように溶融接合しようとする電力用半導体モジュール10の一組の制御端子160の電気的に絶縁状態が確保してあれば、接合済みの電力用半導体モジュール10を経由して大電流が通電されるおそれが少ない。
In particular, when the electric contact area between the
図14は、電力用半導体モジュール10の制御端子160のいずれかが、溶接装置のアースポイント333と電気的に短絡している状態で、電力バスバー30と電力端子150との溶融接合を行った状態を示す。図14に示すごとく、溶融接合を行う電力用半導体モジュール10の制御端子160が、冷却チューブ20や、電力変換装置1の構造部材等を介在して、溶接装置のアースポイント333と電気的に接続されている場合(例えば、短絡経路Bが形成されているような場合。)について説明する。この場合、溶融接合しようとする電力端子150に供給した溶接アークによる大電流が、この電力用半導体モジュール10の制御端子160を経由(同図中、例えば、経路B1で示す電気的な経路。)して溶接装置のアースポイント333に向けて通電する。そのため、溶融接合しようとする電力用半導体モジュール10の内部回路等に大電流が通電され、損傷を受けるおそれが高いのである。
FIG. 14 shows a state in which the
特に、溶融接合する電力端子150と、電力バスバー30との電気的な接触面積が不足するような場合、このようなトラブルを生じ易くなる。従って、上記のような通電経路が形成されないように絶縁部材を配置するなどした状態で電力端子150の溶融接合を行うことが望ましい。なお、実施例1のように溶融接合しようとする電力用半導体モジュール10の一組の制御端子160の電気的な絶縁状態が十分確保してあれば、溶融接合済みの電力用半導体モジュール10を介在して大電流が通電されるおそれが少ない。
In particular, when the electric contact area between the
1 電力変換装置
10 電力用半導体モジュール
11 IGBT素子
12 フライホイールダイオード素子
150 電力端子
160 制御端子
2 半導体積層ユニット
20 冷却チューブ
23 封止部材
240 ヘッダ管
241、242 ヘッダ部
30 電力バスバー
300 端子孔
40 制御基板
5 短絡部材
50 挿入孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (6)
上記半導体積層ユニットの上記電力端子に、電力バスバーを溶融接合する電力端子接続工程と、
該電力端子接続工程を実施した後、制御回路素子を搭載した制御基板における所定の接続箇所に、上記半導体積層ユニットの上記各制御端子をはんだ接合する制御端子接続工程とを有することを特徴とする電力変換装置の製造方法。 The above-mentioned semiconductor laminated unit is manufactured by laminating a flat tube-shaped cooling tube through which a refrigerant flows, a power terminal for supplying a control current, and a flat-plate power semiconductor module having a plurality of control terminals for receiving control signals. Unit stacking process,
A power terminal connecting step of melting and joining a power bus bar to the power terminal of the semiconductor laminated unit;
A control terminal connecting step of soldering the control terminals of the semiconductor multi-layer unit to a predetermined connection location on the control board on which the control circuit element is mounted after the power terminal connecting step. A method for manufacturing a power converter.
上記電力端子接続工程では、上記電力端子を上方向へ向けた状態で上記電力端子の溶融接合を行うことを特徴とする電力変換装置の製造方法。 6. The unit stacking step according to claim 1, wherein in the unit stacking step, the power semiconductor module and the cooling tube extend the power terminal to a first side surface of the semiconductor stack unit, and The control terminal is extended and laminated on the second side opposite to the first side,
In the power terminal connecting step, the power terminal is melt-bonded in a state where the power terminal is directed upward.
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