JP6218856B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

この発明は、自動車等の移動体に搭載する車載用途等の電力変換装置に関するものである。
周知のように、車載用途等の電力変換装置は、車載バッテリー等の直流電源と車両駆動用等の交流回転電機との間のDC/AC電力変換を行なうインバータ回路を備えている。このインバータ回路は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワー半導体素子からなる複数のスイッチング素子により構成され、通常、これ等のスイッチング素子は、自身に並列接続されたフリーホイールダイオードと共に絶縁基板の第1の面(例えば、通常、絶縁基板の「上面」若しくは「表面」と称される面)に設けられた第1の回路に実装される。
絶縁基板は、前述のスイッチング素子とフリーホイールダイオードに接続される前述の第1の回路と、第1の面に対する反対側の面である第2の面(例えば、通常、絶縁基板の「下面」若しくは「裏面」と称される面)に設けられた第2の回路とを備えている。前述のスイッチング素子とフリーホィールダイオードと絶縁基板は、通常、樹脂により一体にモールドされ、所謂、パワーモジュールと称される単体部品として提供される。
前述のパワーモジュールは、通常、絶縁基板の第2の回路が半田付け等による接着層により金属ベースの第1の面(例えば、通常、金属ベースの「上面」若しくは「表面」と称される面)に接着される。金属ベースは、第1の面に対する反対側の面である第2の面(例えば、通常、金属ベースの「下面」若しくは「裏面」と称される面)にカバーにより覆われたフィンが設けられており、カバー内を通流する水等の冷却流体にフィンが直接接触して冷却される。これにより、発熱体であるスイッチング素子とフリーホィールダイオードから金属ベースとフィンを経由して冷却流体に至るまでの熱伝導経路の熱抵抗の低減が図られている。
又、特許文献1に開示された従来の電力変換装置は、パワーモジュールの絶縁基板の第2の面に設けられていた第2の回路を省略し、絶剛性が低く柔らかいフィン付金属ベースに縁基板を接着し、熱抵抗の低減化と高信頼性を図るようにしている。
特開2006−4961号公報
前述の従来の電力変換装置のパワーモジュールに於ける絶縁基板は、例えばセラミック製の窒化珪素若しくは窒素アルミニウム等により構成され、銅やアルミニウム等により形成された金属ベースの第1の面に半田付け等の手段により固着されている。一方、パワーモジュールは、スイッチング素子のスイッチング動作により発熱と冷却を繰り返すため、パワーモジュール内の各部材は夫々の部材の線膨張係数に従って線膨張を繰り返す。一般に、金属ベースを構成する銅、アルミニウム等の金属と、絶縁基板を構成するセラミック製の窒化珪素や窒化アルミニウム等では線膨張係数が大幅に異なる。従って、金属ベースと絶縁基板を接着する半田付け等による接着層に最大の熱歪が発生する。尚、絶縁基板に設けられている第1及び第2の回路は、銅やアルミニウム等の金属で構成されているが、厚みが薄く剛性が低いので、絶縁基板の線膨張には殆ど影響しない。
半田付け等による接着層の熱歪等に対する信頼性を確保するには、剛性の高い金属ベースの強度を下げるか、絶縁基板に設けられる第1の回路や第2の回路の厚みを厚くして絶縁基板の剛性を上げる必要があるが、金属ベースの強度を下げた場合は耐振性が悪化するため、金属ベースの強度不足で車両の振動に耐えることができないという課題があり、他方、絶縁基板の回路の厚みを厚くした場合は、回路の四隅の接合部に発生した応力により、絶縁基板にクラックが発生するという課題があった。
この発明は、従来の電力変換装置に於ける前述のような課題を解決するためになされたものであり、電力変換装置内のベースと絶縁基板に接着された回路を接着する接着層の熱歪を緩和し、しかも、耐振動性をも確立することができる、信頼性の高い電力変換装置、及びパワーモジュールを提供することを目的とする。
この発明による電力変換装置は、
直流電力と交流電力の間の電力変換を行う電力変換装置であって、
スイッチングにより前記電力変換を行うスイッチング素子と、
互いに表裏の関係にある第1の面と第2の面とを有する絶縁基板と、
前記スイッチング素子が電気的に接続され、前記絶縁基板の前記第1の面に固着された第1の回路と、
前記第1の回路と同一形状に形成され、前記絶縁基板の前記第2の面に固着された第2の回路と、
厚さ寸法が他の部分よりの小さい薄肉部を備え、前記薄肉部の表面から厚さ方向に陥没すると共に前記薄肉部の前記表面に開口する開口部を備えた凹部を有する第1のベースと、
互いに表裏の関係をなす第1の面と第2の面とを有し、前記第2の面が前記第1のベースの前記薄肉部の前記表面に固着されると共に、前記凹部の前記開口部を覆うように配置された第2のベースと、
前記第2のベースの前記第2の面に設けられ、前記凹部の内部に収納されるフィンと、
前記第2の回路を前記第2のベースの前記第1の面に固着する接着層と、
を備え、
前記凹部は、前記フィンを冷却する冷却流体を通流させる冷却流体通路の少なくとも一部を構成し、
前記第2のベースは、前記第1のベースの厚さ寸法より小さい厚さ寸法を有し、
前記第1の回路は、平面形状が実質的に直線状の複数の辺により囲まれた形状をなし、前記複数の辺のうち隣接する辺が互いに近接する隅部にのみ形成された応力緩和部を備え、
前記第2の回路は、平面形状が実質的に直線状の複数の辺により囲まれた形状をなし、前記複数の辺のうち隣接する辺が互いに近接する隅部のみに形成された応力緩和部を備え、
前記第1の回路と前記第2の回路は、前記絶縁基板を介してそれぞれの前記平面形状を実質的に合致させて互いに対向するように配置され、
前記第1の回路の前記応力緩和部と前記第2の回路の前記応力緩和部は、それぞれ厚さ寸法が他の部分より薄く形成された段差部により構成され、
前記第1の回路の前記応力緩和部と前記第2の回路の前記応力緩和部は、実質的に同一形状に構成されると共に前記絶縁基板を介して実質的に同一位置で相対向して配置されている、
ことを特徴とする。
この発明による電力変換装置によれば、スイッチングにより前記電力変換を行うスイッチング素子と、互いに表裏の関係にある第1の面と第2の面とを有する絶縁基板と、前記スイッチング素子が電気的に接続され、前記絶縁基板の前記第1の面に固着された第1の回路と、前記第1の回路と同一形状に形成され、前記絶縁基板の前記第2の面に固着された第2の回路と、厚さ寸法が他の部分よりの小さい薄肉部を備え、前記薄肉部の表面から厚さ方向に陥没すると共に前記薄肉部の前記表面に開口する開口部を備えた凹部を有する第1のベースと、互いに表裏の関係をなす第1の面と第2の面とを有し、前記第2の面が前記第1のベースの前記薄肉部の前記表面に固着されると共に、前記凹部の前記開口部を覆うように配置された第2のベースと、前記第2のベースの前記第2の面に設けられ、前記凹部の内部に収納されるフィンと、前記第2の回路を前記第2のベースの前記第1の面に固着する接着層とを備え、前記凹部は、前記フィンを冷却する冷却流体を通流させる冷却流体通路の少なくとも一部を構成し、前記第2のベースは、前記第1のベースの厚さ寸法より小さい厚さ寸法を有し、前記第1の回路は、平面形状が実質的に直線状の複数の辺により囲まれた形状をなし、前記複数の辺のうち隣接する辺が互いに近接する隅部にのみ形成された応力緩和部を備え、前記第2の回路は、平面形状が実質的に直線状の複数の辺により囲まれた形状をなし、前記複数の辺のうち隣接する辺が互いに近接する隅部のみに形成された応力緩和部を備え、前記第1の回路と前記第2の回路は、前記絶縁基板を介してそれぞれの前記平面形状を実質的に合致させて互いに対向するように配置され、前記第1の回路の前記応力緩和部と前記第2の回路の前記応力緩和部は、それぞれ厚さ寸法が他の部分より薄く形成された段差部により構成され、前記第1の回路の前記応力緩和部と前記第2の回路の前記応力緩和部は、実質的に同一形状に構成されると共に前記絶縁基板を介して実質的に同一位置で相対向して配置されているので、電力変換装置内のベースと第2の回路を接着する接着層の熱歪を緩和し、しかも、耐振動性をも確立することができる、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
この発明の実施の形態1による電力変換装置、及びパワーモジュールを示す断面図である。 この発明の実施の形態1による電力変換装置に於けるパワーモジュールの絶縁基板及び第1の回路を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1による電力変換装置に於けるパワーモジュールの絶縁基板及び第1の回路の変形例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態1による電力変換装置に於けるパワーモジュールの絶縁基板及び第1の回路の別の変形例を示す斜視図である。 この発明の基礎となる電力変換装置、及びパワーモジュールを示す断面図である。
発明の基礎となる電力変換装置
先ず、この発明による電力変換装置、及びパワーモジュールをより良く理解するために、この発明の基礎となる電力変換装置、及びパワーモジュールについて説明する。図5は、この発明の基礎となる電力変換装置、及びパワーモジュールの断面図である。図5に於いて、IGBT等のパワー半導体素子からなるスイッチング素子1とこのスイッチング素子1に並列接続されるフリーホイールダイオード2は、絶縁基板5の第1の面(図5では、「上面」に相当する)51に設けられた第1の回路3に半田付けにより実装されている。
絶縁基板5の第2の面(図5では、「下面」若しくは「裏面」、に相当する)52に設けられた第2の回路4は、金属ベース13の第1の面(図5では、「上面」に相当する)131に半田付けによる接着層10により接着されている。金属ベース13の第2の面(図5では、「下面」若しくは「裏面」に相当する)132には、金属製のフィン12が一体成型若しくは固着されている。カバー14は、金属ベース13の第2の面132に固定され、フィン15を液密に包囲している。
カバー14の内部は、水等の冷却流体が通流する冷却流路15となっている。カバー14に包囲されたフィン12は、冷却流体流路15を通流する冷却流体に直接接触して冷却される。このようにフィン12が冷却流体により直接冷却されることにより、スイッチング素子1、フリーホイールダイオード2から冷却流体までの熱抵抗の低減化が図られている。スイッチング素子1と、フリーホィールダイオード2と、第1の回路3と第2の回路4を備えた絶縁基板5は、樹脂8により一体にモールドされ、単体のパワーモジュール9を構成している。
図5に示されたこの発明の基礎となる電力変換装置に於けるパワーモジュールの絶縁基板5は、例えばセラミック製の窒化珪素若しくは窒素アルミニウム等により構成され、銅やアルミニウム等により形成された金属ベース13の第1の面131に半田付け等による接着層10により接着されている。一方、パワーモジュールは、スイッチング素子1のスイッチング動作により発熱と冷却を繰り返すため、パワーモジュール内の各部材は夫々の部材の線膨張係数に従って線膨張を繰り返す。
前述したように、金属ベース13を構成する銅、アルミニウム等の金属と、絶縁基板5を構成するセラミック製の窒化珪素や窒化アルミニウム等では線膨張係数が大幅に異なる。従って、金属ベース13と絶縁基板を接着する半田付け等による接着層10に最大の熱歪が発生する。尚、絶縁基板5に設けられている第1及び第2の回路3、4は、銅やアルミニウム等の金属で構成されているが、厚みが薄く剛性が低いので、絶縁基板5の線膨張には殆ど影響しない。
実施の形態1.
次に、この発明の実施の形態1による電力変換装置、及びパワーモジュールについて説明する。図1は、この発明の実施の形態1による電力変換装置、及びパワーモジュールを示す断面図である。図1に於いて、絶縁基板5は、窒化珪素又は窒化アルミニウムにより構成され、その第1の面(図1では、「上面」に相当する)51には、厚さ1[mm]程度の銅製の後述する第1の回路3がロウ付けにより固着されている。又、絶縁基板5の第2の面(図1では、「下面」若しくは「裏面」、に相当する)52には、厚さ1[mm]程度の銅製の第2の回路4がロウ付けにより固着されている。
IGBT等のパワー半導体素子からなるスイッチング素子1と、このスイッチング素子1に並列接続されるフリーホイールダイオード2は、絶縁基板5の第1の回路3に半田付け若しくはシンタリングにより接着されると共に電気的に接続されている。絶縁基板5の第2の面52に設けられた第2の回路4は、銅やアルミニウム等の金属により形成された第1のベース13の薄肉部131に固定された第2のベース11の第1の面(図1では、「上面」に相当する)111に、半田付け若しくはシンタリングによる接着層10により接着されると共に電気的に接続されている。スイッチング素子1と、フリーホィールダイオード2と、第1の回路3と第2の回路4を備えた絶縁基板5は、樹脂8により一体にモールドされ、単体のパワーモジュール9を構成している。
第2のベース11は、銅やアルミニウム等の金属により形成され、厚さ寸法の大きい第1のベース13に比べて厚さ寸法が小さく、例えば、数ミリメートル程度の厚さ寸法に形成されている。この第2のベース11の第2の面((図1では、「下面」若しくは「裏面」、に相当する)112には、フィン12が一体成型若しくは固着されている。第1のベース13の薄肉部131には凹部132が形成されており、第2のベース11の第2の面112に設けられたフィン12は、第1のベース13の凹部132内に間隙を介して収納されている。
第1のベース13の凹部132は、第2のベース11により液密に封止されており、水等の冷却流体を通流させる冷却流体通路を構成している。フィン12は、冷却流体流路15を通流する冷却流体に直接接触して冷却される。このようにフィン12が冷却流体により直接冷却されることにより、スイッチング素子1とフリーホイールダイオード2と第2のベース11から冷却流体までの熱抵抗の低減化が図られている。
次に、前述の第1の回路3と第2の回路4の構成について説明する。図2は、この発明の実施の形態1による電力変換装置に於ける絶縁基板及び第1の回路を示す斜視図である。図2に於いて、絶縁基板5の第1の面51にロウ付けにより固着された第1の回路3は、4か所の隅部が円弧状に形成されており、その隅部に対応する部分に、厚さ寸法が他の部分より薄く形成された段差部からなる応力緩和部32を備えている。即ち、第1の回路3は、平面形状が実質的に直線状の複数の辺により囲まれた形状をなし、その複数の辺のうち隣接する辺が互いに近接する隅部にのみ形成された応力緩和部32を備え、第2の回路4は、平面形状が実質的に直線状の複数の辺により囲まれた形状をなし、その複数の辺のうち隣接する辺が互いに近接する隅部のみに形成された応力緩和部42を備え、第1の回路3と第2の回路4は、絶縁基板5を介してそれぞれの平面形状を実質的に合致させて互いに対向するように配置され、第1の回路3の応力緩和部32と第2の回路の応力緩和部42は、それぞれ厚さ寸法が他の部分より薄く形成された段差部により構成され、第1の回路3の応力緩和部31と第2の回路4の応力緩和部42は、実質的に同一形状に構成されると共に絶縁基板5を介して実質的に同一位置で相対向して配置されている。実施の形態1では、第1の回路3の応力緩和部32は、その外円弧31より内円弧33の方が大きい形状に形成されている。尚、第2の回路4は、第1の回路3と同一形状に形成されており、第1の回路3の応力緩和部32と同一形状の応力緩和部42を4か所の隅部に備えている。
パワーモジュールの熱抵抗を低減させるためには、第1の回路3と第2の回路4をアルミニウムよりも熱伝導が高い銅製にするのが望ましいが、絶縁基板5は金属よりも、もろいため、第1の回路3と第2の回路4を0.3[mm]程度の厚さ寸法の薄い銅製の回路とするのが一般的である。しかし、第1の回路3と第2の回路4の厚さ寸法を0.8[mm]程度まで大きくした場合でも、第1の回路3の応力緩和部32と第2の回路4の応力緩和部42を設けることで、第1の回路3と第2の回路4の四隅に発生する応力を低減することができる。
第1の回路3と第2の回路4の形状、及び第1の回路3の応力緩和部32と第2の回路4の応力緩和部42の形状を同形とすることで、絶縁基板5の第1の面51の方向への変形と第2の面の方向への変形とによる応力の発生を相殺して抑制することができるため、絶縁基板5にクラックが発生することなく絶縁基板5全体の線膨張を大きくすることができ、従って、接着層10に発生する熱歪を低減することが出来る。又、絶縁基板5は樹脂8で封止されているので、絶縁基板5の線膨張を大きくすることができ、接着層10に発生する熱歪を低減することが出来る。
第1の回路3の応力緩和部32と、第2の回路4の応力緩和部42の段差の形、大きさ、深さを調整することにより、更なる熱歪みを低減させることが可能である。即ち、図3は、この発明の実施の形態1による電力変換装置に於ける絶縁基板及び第1の回路の変形例を示す斜視図である。図3に示す第1の回路3の応力緩和部34は、ほぼ同一幅の扇形の段部により構成されている。尚、図示していないが第2の回路4も、第1の回路3と同一形状に構成され、かつ第1の回路3の応力緩和部34と同一形状の応力緩和部を備えている。
図4は、この発明の実施の形態1による電力変換装置に於ける絶縁基板及び第1の回路の別の変形例を示す斜視図である。図4に示す第1の回路3の応力緩和部35は、第1の回路3の四隅に、側縁に対してほぼ45度の角度で伸びる段部により構成したものである。尚、図示していないが第2の回路4も、第1の回路3と同一形状に構成され、かつ第1の回路3の応力緩和部35と同一形状の応力緩和部を備えている。
前述したように、第2のベース11の厚さ寸法を数ミリメートルにすることで第2のベース11の剛性を小さくすることが出来、接着層10に発生する熱歪を低減することが出来る。溶接、又は摩擦撹拌接合、又はネジにより剛性の高い第1のベース13に剛性の低い第2のベース11を固定することで、電力変換装置の耐振性を向上させることができ、接着層10の熱歪を緩和したまま、耐振性を確立することができる。
尚、通常、インバータは、前述のように構成されたパワーモジュールを数個配列して構成されるので、第2のベース11とこれより剛性の高い第1のベース13との接合箇所を、図1に示すような凹部132の周縁部だけでなく、隣接したパワーモジュール間の第2のベース11と第1のベース13の凹部132の幅方向の中央部とを接合すれば、更なる耐振性の向上を図ることが出来る。
尚、以上述べた実施の形態1で、第2のベース11と剛性の高い第1のベース13を接合した後に、パワーモジュールに於ける第2の回路4を接続する場合は、インバータのサイズ、形状が定まった上での接続工作となるため、設備が大型化し、且つ複雑化するので、特に半田付けによる接続の場合は熱容量が大きくなり、接合が極めて困難になるが、だい2のベース11とパワーモジュールの第2の回路4を先に接続することにより、工作性を格段に向上させることができ、信頼性の高い接続方法の選択が可能となる。
尚、この発明は、その発明の範囲内に於いて、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
この発明は、例えばハイブリッド自動車等の電力変換装置、ひいては自動車等の車両の分野に利用することができる。
1 スイッチング素子、2 フリーホイールダイオード、3 第1の回路、
4 第2の回路、5 絶縁基板、32、34、35、42 応力緩和部、
8 樹脂、9 パワーモジュール、10 接着層、11 第2のベース、
13 第1のベース、12 フィン、14 カバー、15 冷却流体通路、
131 薄肉部、132 凹部

Claims (2)

  1. 直流電力と交流電力の間の電力変換を行う電力変換装置であって、
    スイッチングにより前記電力変換を行うスイッチング素子と、
    互いに表裏の関係にある第1の面と第2の面とを有する絶縁基板と、
    前記スイッチング素子が電気的に接続され、前記絶縁基板の前記第1の面に固着された第1の回路と、
    前記第1の回路と同一形状に形成され、前記絶縁基板の前記第2の面に固着された第2の回路と、
    厚さ寸法が他の部分よりの小さい薄肉部を備え、前記薄肉部の表面から厚さ方向に陥没すると共に前記薄肉部の前記表面に開口する開口部を備えた凹部を有する第1のベースと、
    互いに表裏の関係をなす第1の面と第2の面とを有し、前記第2の面が前記第1のベースの前記薄肉部の前記表面に固着されると共に、前記凹部の前記開口部を覆うように配置された第2のベースと、
    前記第2のベースの前記第2の面に設けられ、前記凹部の内部に収納されるフィンと、
    前記第2の回路を前記第2のベースの前記第1の面に固着する接着層と、
    を備え、
    前記凹部は、前記フィンを冷却する冷却流体を通流させる冷却流体通路の少なくとも一部を構成し、
    前記第2のベースは、前記第1のベースの厚さ寸法より小さい厚さ寸法を有し、
    前記第1の回路は、平面形状が実質的に直線状の複数の辺により囲まれた形状をなし、前記複数の辺のうち隣接する辺が互いに近接する隅部にのみ形成された応力緩和部を備え、
    前記第2の回路は、平面形状が実質的に直線状の複数の辺により囲まれた形状をなし、前記複数の辺のうち隣接する辺が互いに近接する隅部のみに形成された応力緩和部を備え、
    前記第1の回路と前記第2の回路は、前記絶縁基板を介して前記それぞれの平面形状を実質的に合致させて互いに対向するように配置され、
    前記第1の回路の前記応力緩和部と前記第2の回路の前記応力緩和部は、それぞれ厚さ寸法が他の部分より薄く形成された段差部により構成され、
    前記第1の回路の前記応力緩和部と前記第2の回路の前記応力緩和部は、実質的に同一形状に構成されると共に、前記絶縁基板を介して実質的に同一位置で相対向して配置されている、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記スイッチング素子と前記絶縁基板と前記第1の回路と前記第2の回路は、樹脂により一体にモールドされたパワーモジュールを構成している、
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
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