JP6797289B2 - Power converter - Google Patents
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Description
この発明は電力変換装置に関し、特に、構成部品が短絡故障した際の短絡電流を遮断する機能を有する電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to a power conversion device having a function of interrupting a short-circuit current when a component has a short-circuit failure.
自動車業界において、ハイブリッド自動車および電気自動車のように、モータを用いて駆動する車両が近年さかんに開発されている。そのような車両は、モータ駆動用インバータ装置を有している。モータ駆動用インバータ装置は、バッテリを電源として、モータの駆動回路に高電圧の駆動電力を供給する。一般的に、モータ駆動用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いる。パワーエレクトロニクスの分野において、樹脂封止型の半導体装置は、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 the automobile industry, vehicles driven by a motor, such as hybrid vehicles and electric vehicles, have been actively developed in recent years. Such vehicles have a motor drive inverter device. The motor drive inverter device uses a battery as a power source to supply high-voltage drive power to the drive circuit of the motor. Generally, a resin-sealed type power semiconductor device is used as a motor drive inverter device. In the field of power electronics, resin-sealed semiconductor devices are becoming more and more important as key devices.
モータ駆動用インバータ装置に用いられている半導体装置においては、電力用半導体素子が、他の構成部品と共に樹脂封止されている。そのような樹脂封止型の半導体装置において、バッテリから電力が供給された状態で、電力用半導体素子が短絡故障、または、平滑コンデンサなどのスナバ回路用の電子部品が短絡故障すると、過大な短絡電流が流れる。具体的に説明すると、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で、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。 In a semiconductor device used in a motor drive inverter device, a power semiconductor element is resin-sealed together with other components. In such a resin-sealed semiconductor device, if a power semiconductor element fails to short-circuit or an electronic component for a snubber circuit such as a smoothing capacitor short-circuits while power is supplied from a battery, an excessive short circuit occurs. Current flows. Specifically, for example, when the upper and lower arms of the inverter are short-circuited due to a malfunction of the gate drive circuit in the inverter control circuit, an overcurrent flows through the power semiconductor element, causing a short-circuit failure.
短絡状態で、バッテリと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、大電流により樹脂封止型の半導体装置が発煙および発火する。また、定格を超える過電流が流れることにより、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、過大な電流を検知するセンサーを用いて、過大な電流が流れたときにスイッチング素子を高速に制御して電流を遮断している。しかしながら、上述のような発煙などの故障をより確実に防ぐために、不測の事態に対応するための更なる対策を施しておくことも有益と考えられる。 When the relay connecting the battery and the drive circuit is connected or continued in the short-circuited state, the resin-sealed semiconductor device emits smoke and ignites due to a large current. In addition, it is possible that the battery connected to the inverter device will be damaged due to the flow of an overcurrent exceeding the rating. In order to avoid such a situation, usually, a sensor that detects an excessive current is used to control the switching element at high speed to cut off the current when the excessive current flows. However, in order to more reliably prevent failures such as smoke generation as described above, it is considered beneficial to take further measures to deal with unforeseen circumstances.
たとえば、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、インバータ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。しかしながら、チップ型の過電流遮断用ヒューズは、非常に高価である。そのため、電力用半導体素子が短絡故障した際に、バッテリに流れ得る過電流を確実に遮断できる簡便且つ安価な過電流遮断機構が必要とされている。 For example, if an overcurrent cutoff fuse is inserted between the power semiconductor device and the battery, the overcurrent flowing between the inverter and the battery can be prevented. However, chip-type overcurrent cutoff fuses are very expensive. Therefore, there is a need for a simple and inexpensive overcurrent cutoff mechanism that can reliably cut off the overcurrent that can flow in the battery when the power semiconductor element is short-circuited.
ヒューズ部が設けられた従来の半導体装置は、例えば、特許文献1および特許文献2に記載されている。
Conventional semiconductor devices provided with a fuse portion are described in, for example,
特許文献1に記載の従来の半導体装置は、パワー素子の主電極に接続されたパワーリードを備えている。特許文献1では、パワー素子をモールド樹脂で封止すると共に、パワーリードをモールド樹脂部から外部に向けて突設させている。また、突設させたパワーリードの一箇所にヒューズ部を設けている。このとき、パワーリードに過電流が流れると、パワーリードの温度が上昇して、ヒューズ部が断裂する。これにより、過電流が遮断される。
The conventional semiconductor device described in
特許文献2に記載の従来の半導体装置は、一方端と他方端とを有し、一方端側にて半導体素子の表面に接合され、かつ、他方端側に外部接続端子部を有する主回路配線を備えている。半導体素子と主回路配線の一方端とは、封止樹脂により封止されている。外部接続端子部は、封止樹脂から外部に露出している。外部接続端子部は、主回路配線に対して半導体素子の表面から離れる方向にバネ力が作用するように、バスバーに取り付けられている。このとき、半導体装置に過電流が流れると、温度が上昇し、封止樹脂が軟らかくなって脆くなるため、上記のバネ力により、封止樹脂が断裂する。その結果、主回路配線が封止樹脂から容易に外れて半導体素子から分離される。
The conventional semiconductor device described in
しかしながら、特許文献1に記載の従来の半導体装置においては、以下のような課題がある。例えば、特許文献1に記載の半導体装置を半導体モジュールに実装する場合、半導体装置のパワーリードは、半導体モジュールのバスバーに半田接合される。このとき、パワーリードに過電流が流れると、パワーリードに設けられたヒューズ部が断裂する。こうして、一時的に過電流を遮断することができるが、断裂したヒューズ部がさらに高温になって溶融され、半田接合部などに電気的に接触してしまう可能性がある。その場合、ヒューズ部がヒューズ機能としての役目を果たしていないという課題があった。さらに、特許文献1では、半導体モジュールの外部にヒューズ部を設けているため、部品の実装面積が増え、半導体装置が大型化している。
However, the conventional semiconductor device described in
また、特許文献2に記載の従来の半導体装置においては、以下のような課題がある。特許文献2に記載の従来の半導体装置においては、バネ力で封止樹脂を断裂させて、主回路配線を半導体素子から分離させる。そのため、バネ力を確保するための部材および実装面積が必要であるため、半導体装置が大型化する。また、バネ力により半導体素子と主回路配線との接合部に常に力が加わり続けるため、接合部が破損する可能性があり、長期信頼性を確保するのが困難であった。
Further, the conventional semiconductor device described in
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で、過電流が流れたときに、当該過電流を確実に遮断することが可能な、電力変換装置を得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve such a problem, and to obtain a power conversion device capable of reliably interrupting an overcurrent when an overcurrent flows with a simple configuration. I am aiming.
この発明は、電力変換モジュールを備えた電力変換装置であって、前記電力変換モジュールは、配線パターン状に設けられた1以上のリードフレームと、前記リードフレーム上に設けられた半導体素子と、前記リードフレームと前記半導体素子との間を接続する配線部材と、前記リードフレームと前記半導体素子と前記配線部材とを封止するモールド樹脂とを有し、前記配線部材にヒューズ部を設け、前記ヒューズ部の上側に設けられた前記モールド樹脂の厚さは、前記ヒューズ部の下側に設けられた前記モールド樹脂の厚さより薄い、電力変換装置である。 The present invention is a power conversion device including a power conversion module, wherein the power conversion module includes one or more lead frames provided in a wiring pattern, semiconductor elements provided on the lead frames, and the like. It has a wiring member that connects the lead frame and the semiconductor element, and a mold resin that seals the lead frame, the semiconductor element, and the wiring member. The wiring member is provided with a fuse portion, and the fuse is provided. The thickness of the mold resin provided on the upper side of the portion is thinner than the thickness of the mold resin provided on the lower side of the fuse portion, which is a power conversion device.
この発明に係る電力変換装置は、配線部材にヒューズ部を形成し、ヒューズ部の上側に設けられたモールド樹脂の厚さを薄くしたので、過電流が流れたときに、断裂したヒューズ部とともにヒューズ部の上側のモールド樹脂がはじけ飛ぶため、簡易な構成で、確実に過電流を遮断することができる。 In the power conversion device according to the present invention, a fuse portion is formed in the wiring member and the thickness of the mold resin provided on the upper side of the fuse portion is reduced. Therefore, when an overcurrent flows, the fuse is blown together with the fuse portion. Since the mold resin on the upper side of the part pops off, the overcurrent can be reliably cut off with a simple configuration.
この発明の実施の形態に係る電力変換装置について、図を参照しながら、以下に説明する。なお、各図において、同一または対応する構成部分については、同じ符号を付している。また、各図において、同一または対応する構成部分のサイズおよび縮尺は共通しておらず、それぞれ互いに独立している。 The power conversion device according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding components are designated by the same reference numerals. Further, in each figure, the size and scale of the same or corresponding components are not common, and they are independent of each other.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置の正面図である。また、図2及び図3は、それぞれ、図1のA−A断面図、および、B−B断面図である。
FIG. 1 is a front view of the power conversion device according to the first embodiment of the present invention. 2 and 3 are a sectional view taken along the line AA and a sectional view taken along the line BB of FIG. 1, respectively.
図1〜図3に示されるように、実施の形態1の電力変換装置は、電力変換モジュール100と、外部接続端子10と、絶縁ケース11と、ヒートシンク12とで構成される。
As shown in FIGS. 1 to 3, the power conversion device of the first embodiment includes a
電力変換モジュール100は、配線パターン状に形成されたリードフレーム13と、スイッチング可能な半導体素子14と、配線部材15と、導電性接合材17と、モールド樹脂20とを備えている。配線部材15は、リードフレーム13の端子間およびリードフレーム13と半導体素子14との間を電気的に接続する。配線部材15には、大電流用配線部材15aと制御用配線部材15bとが含まれる。これらの配線部材15a,15bについては後述する。導電性接合材17は、リードフレーム13と半導体素子14と配線部材15とを接合する。モールド樹脂20は、リードフレーム13と半導体素子14と配線部材15と導電性接合材17とその他の実装部品(図示せず)を封止する。
The
電力変換モジュール100には、絶縁材18を介在させて、ヒートシンク12が設けられている。ヒートシンク12と半導体素子14との間に絶縁材18を設けているため、半導体素子14とヒートシンク12とは電気的に絶縁されている。一方で、半導体素子14で発生する熱は、絶縁材18を介して、ヒートシンク12に伝導する。従って、半導体素子14とヒートシンク12とは熱的に接続されている。ヒートシンク12は、半導体素子14で発生した熱を、外気へ効率よく放熱する。
The
このように、電力変換モジュール100は、絶縁材18を介して、ヒートシンク12に対して、電気的に絶縁され、熱的に接続された状態で固定されている。あるいは、ヒートシンク12が、電力変換モジュール100の被固定部に対向する面に絶縁層を持ち、はんだ付けや放熱グリスなどを介して、電力変換モジュール100に固定されるようにしてもよい。
As described above, the
リードフレーム13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を用いる。
For the
図1及び図2に示されるように、電力変換モジュール100の制御用端子21とパワー端子22とは、モールド樹脂20の外部に突出している。制御用端子21は、半導体素子14のゲート信号線およびセンサー信号線などである。制御用端子21は、電力変換装置に搭載された制御基板(図示せず)へ接続される。パワー端子22は、リードフレーム13の先端に設けられている。パワー端子22には、数アンペアから数百アンペア程度の大電流が流れる。パワー端子22は、絶縁ケース11にインサートおよびアウトサートされた外部接続端子10に、溶接または半田付けなどにより接合される。パワー端子22は、外部接続端子10を介して、外部に設けられた電力供給装置またはバッテリなどの電源と接続される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
半導体素子14は、電力用電界効果トランジスタ(パワーMOSFET:Power Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、または、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)などで構成される。これらは、モータなどの機器を駆動するインバータ回路に用いられるもので、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。
The
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。導電性接合材17は、半導体素子14とリードフレーム13と配線部材15とを電気的及び熱的に接続し、固着させるために用いられる。
The
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)などを用いてよい。
As the material of the
リードフレーム13とヒートシンク12との間に介在する絶縁材18は、高い熱伝導性を有し、且つ、電気的絶縁性が高い材料から構成される。従って、絶縁材18は、例えば、熱伝導率が1W/mK〜数十W/mKで、且つ、絶縁性のある、シリコーン樹脂、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、または、絶縁シートで構成される。さらに、絶縁材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、それらの樹脂材料とを、組み合わせて構成することも可能である。
The insulating
また、図1〜図3では図示していないが、絶縁材18の厚さを規定するために、モールド樹脂20の下面側、すなわち、ヒートシンク12側には、突起が設けられている。モールド樹脂20の突起をヒートシンク12に押し当てることで、突起の高さに相当する厚さを規定できるため、絶縁材18の絶縁性を担保することができる。特に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、モールド樹脂20の突起をより短くすることができ、電力変換モジュール100の薄型化が可能である。
Further, although not shown in FIGS. 1 to 3, protrusions are provided on the lower surface side of the
ヒートシンク12は、モールド樹脂20に封止された半導体素子14に電流が流れるときに半導体素子14に発生する熱を外気へ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90W/m・K以上の熱伝導率を有する材料を用いて構成される。ヒートシンク12の下面には、図3に示すように、複数のフィン19が配列している。これらのフィン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。
The heat sink 12 has a role of dissipating heat generated in the
配線部材15には、上述したように、大電流用の大電流用配線部材15aと制御用の制御用配線部材15bとが含まれる。
As described above, the
制御用配線部材15bは、例えば、半導体素子14のゲート及びセンサー部と、制御用端子21とを接続するために使用される。なお、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。但し、これらに限定されない。
The control wiring member 15b is used, for example, to connect the gate and sensor portion of the
大電流用配線部材15aは、リードフレーム13の端子間、または、半導体素子14とリードフレーム13のパワー端子22との間などを接続するために使用される。大電流用配線部材15aには、図3に示すように、ヒューズ部16が形成されている。ヒューズ部16は、大電流用配線部材15aの通電経路内に設けられている。ヒューズ部16は、大電流用配線部材15aの通電経路内であれば、いずれの箇所に設けてもよい。但し、大電流用配線部材15aの通電経路であっても、リードフレーム13との接合部、及び、半導体素子14との接合部には、ヒューズ部16は設けない。図3では、大電流用配線部材15aの接合部の厚さがヒューズ部16の厚さよりも厚くなっているが、この場合に限らず、同じ厚さにしてもよい。あるいは、大電流用配線部材15aの接合部の厚さを、ヒューズ部16の厚さよりも薄くしてもよい。
The large current wiring member 15a is used to connect the terminals of the
大電流用配線部材15aには、数アンペアから数百アンペア程度の大電流が流れるため、電流値に合わせた断面積を有する必要がある。また、通電時のジュール発熱を抑えるために、大電流用配線部材15aは、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの導電性の良好な金属で構成される。大電流用配線部材15aは、例えば、0.1mm〜2mm程度の厚みを有する金属プレートを打ち抜き加工することにより形成することができる。なお、大電流用配線部材15aをアルミニウムで構成する場合、アルミニウムに対し、スズまたはニッケルでメッキを施すことで、接合部の半田付けが良好になる。 Since a large current of several amperes to several hundred amperes flows through the wiring member 15a for large current, it is necessary to have a cross-sectional area corresponding to the current value. Further, in order to suppress Joule heat generation during energization, the wiring member 15a for large current is made of a metal having good conductivity such as copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. The large current wiring member 15a can be formed, for example, by punching a metal plate having a thickness of about 0.1 mm to 2 mm. When the wiring member 15a for a large current is made of aluminum, the aluminum is plated with tin or nickel to improve the soldering of the joint.
図3に示すように、大電流用配線部材15aのヒューズ部16の下面側、すなわち、半導体素子14側のエリアを「エリアR1」とし、ヒューズ部16の上面側を「エリアR2」とする。このとき、エリアR1におけるモールド樹脂20の厚さとエリアR2におけるモールド樹脂20の厚さとは互いに異なり、エリアR2におけるモールド樹脂20の厚さの方が、エリアR1よりも薄くなるように構成されている。
As shown in FIG. 3, the lower surface side of the
次に、大電流用配線部材15aに形成したヒューズ部16について説明する。図4は、大電流用配線部材15aの上面図である。
Next, the
図4に示すように、ヒューズ部16は、大電流用配線部材15aの接合部を除いた通電経路内に、切り欠き部33を設けることで形成される。図4の例では、切り欠き部33は、丸穴から構成されている。ヒューズ部16の形成方法は、図4に示すように、大電流用配線部材15aを構成している金属プレートに対して、切り欠き部33としての丸穴を空けることで、ヒューズ部16は形成される。このように、ヒューズ部16は、大電流用配線部材15aの一部から構成される。従って、ヒューズ部16は、大電流用配線部材15aと、同一材料で、一体化して、生成される。従って、新たにヒューズ用の部材を追加する必要がない。そのため、部品点数の追加が無く、コストもかからない。また、切り欠き部33を設けたことで、ヒューズ部16の断面積は、切り欠き部33の分だけ、大電流用配線部材15aの他の部分に比べて、小さくなる。そのため、図5の太線の矢印C2で示すように、他の部分に流れる電流C1に比べて、ヒューズ部16のみ局所的に電流密度が増加する。これにより、大電流用配線部材15aに電流が流れた時に、ヒューズ部16のみ、放熱性の悪化と発熱密度の増加とにより、局所的に温度が上昇することとなる。
As shown in FIG. 4, the
ヒューズ部16に過大な電流が流れた場合、短時間のうちに急激にヒューズ部16の温度が上昇する。そして、大電流用配線部材15aを構成する金属の溶点まで温度が上昇すると、ヒューズ部16が熱により断裂してはじけ飛ぶ。このとき、ヒューズ部16は、モールド樹脂20の厚さが薄いエリアR2部分のモールド樹脂20を上面側に吹き飛ばし、ヒューズ部16がモールド樹脂20の外側に弾け飛ぶことで、大電流用配線部材15aとヒューズ部16の離間距離を大きくすることができ、大電流用配線部材15aとヒューズ部16が接触して再度通電することを防ぐ。さらにヒューズ部16がモールド樹脂20の外側に弾け飛びやすいことから、大電流用配線部材15aの断裂部の離間距離を大きくすることができ、大電流用配線部材15aに流れる過電流を確実に遮断できる。
When an excessive current flows through the
モールド樹脂20は、配線部材15の上面側のエリアR2が、下面側のエリアR1よりも厚さが薄いため、ヒューズ部16の断裂時には、上面側のモールド樹脂20がヒューズ部16と共に電力変換モジュール100の外部に向かって吹き飛ぶ。従来の半導体装置のように、もし、ヒューズ部16が吹き飛ばずに、電力変換モジュール100内に残留していると、断裂したヒューズ部16の金属が熱で溶解して、再度、リードフレーム13または半導体素子14と電気的に接続してしまい、その結果、電流が再度流れてしまうことになる。そのため、実施の形態1では、ヒューズ部16の上側のモールド樹脂20を薄くしておき、ヒューズ部16をモールド樹脂20と共に外部に向かって吹き飛ばすことで、溶解したヒューズ部16の付着により電流が再び流れることを防ぐことができる。さらに、自動車向けの12Vバッテリを使用する低耐圧系では、大電流が流れると、バッテリ電圧が低下して10Vを下回るため、ヒューズ部16の断裂時にアークが発生しないため、構造をより簡素化でき、電力変換装置のさらなる小型化および低コスト化が可能である。
In the
なお、図4の例では、金属プレートに丸穴をあけることでヒューズ部16の断面積を減らしたが、プレス加工などにより局所的に金属プレートの厚さを減らすことでもヒューズ部16の断面積を減らすことができるため、同様の効果が得られることは言うまでもない。また、丸穴の形成と厚さを減らすこととを組み合わせて、ヒューズ部16を形成してもよい。
In the example of FIG. 4, the cross-sectional area of the
図6に、大電流用配線部材15aに電流を流した時の温度分布を示す。 FIG. 6 shows the temperature distribution when a current is passed through the large current wiring member 15a.
図6は、図4に示す大電流用配線部材15aに過大な電流が流れてヒューズ部16が融点に達した時の大電流用配線部材15aの温度分布である。図6に示すように、大電流用配線部材15aにおいて、ヒューズ部16のみが局所的に高温になるが、このとき、大電流用配線部材15aの両端の接合部に向かって、温度勾配がついていることがわかる。従って、ヒューズ部16が断裂しても、接合部が破壊することはない。また、切り欠き部33を構成する丸穴の大きさを変えることで、融点に達した時の電流と、融点に達してヒューズ部16が断裂するまでの時間とを調整することができる。
FIG. 6 is a temperature distribution of the large current wiring member 15a when an excessive current flows through the large current wiring member 15a shown in FIG. 4 and the
以上のように、実施の形態1では、電力変換モジュール100に用いる大電流用配線部材15aに切り欠き部33を設けて局所的に断面積を減らすことで、ヒューズ部16を形成している。このように、大電流用配線部材15aの一部をヒューズ部16として用いているため、新たにヒューズ用の部材を追加する必要がない。そのため、部品点数の追加が無く、実装工数も増加しないため、生産性が高い。また、電力変換装置が大型化することもない。
As described above, in the first embodiment, the
また、実施の形態1では、大電流用配線部材15aのヒューズ部16の上面側と下面側とでモールド樹脂20の厚さを変え、上面側のモールド樹脂20の厚さを薄くしている。これにより、過電流によりヒューズ部16が断裂した時に、上面側のモールド樹脂20を吹き飛ばすことが可能である。これにより、断裂したヒューズ部16も、モールド樹脂20とともに、外側に吹き飛ぶ。その結果、断裂したヒューズ部16の金属が溶解して、ヒューズ部16の下側にあるリードフレーム13と接触し短絡することを防ぐことができる。また、ヒューズ部16を吹き飛ばすことで、大電流用配線部材15aの断裂部の離間距離が稼げるため、大電流用配線部材15aが再び導通するのを抑制することができ、確実に過電流を遮断することができる。その結果、電力変換装置の発煙および発火が防止できる。
Further, in the first embodiment, the thickness of the
また、ヒューズ部16を設けることで、大電流用配線部材15aの断面積が少なくとも部分的に減り、剛性が低くなるため、温度変化による熱応力が緩和され、接合部の信頼性の向上が期待できる。
Further, by providing the
また、図4の例では、切り欠き部33の形状を丸穴としたが、他の形状でもよい。すなわち、切り欠き部33の形状は、図7に示す例(a),(b),(d)のように、楕円形でもよく、あるいは、図7に示す例(c)のように、三角形でもよく、あるいは、図7に示す例(e)のように、長方形または正方形などの四角形でもよく、あるいは、五角形および六角形などの他の多角形でもよい。さらに、図7に示す例(i)のように、台形でもよく、あるいは、図7に示す例(h)のように、ひし形でもよく、あるいは、平行四辺形などでもよい。
Further, in the example of FIG. 4, the shape of the
また、切り欠き部33の個数については、図7に示す例(a)〜(c),(e),(h),(i)のように、1個の切り欠き部33のみを設けてもよく、あるいは、図7に示す例(d),(f),(g)のように、複数個の切り欠き部33を設けるようにしてもよい。さらに、切り欠き部33を複数個設ける場合は、それらの切り欠き部33を、図7に示す例(d)のように、大電流用配線部材15aの幅方向に配置しても、あるいは、図7に示す例(f)のように、長さ方向に配置してもよく、あるいは、千鳥配置など互い違いに配置してもよく、あるいは、不規則に配置してもよい。
Regarding the number of
また、図7に示す例(g)のように、丸と楕円というように形状が異なる複数の切り欠き部33を組み合わせることも可能である。さらに、図7に示す例(g)では、丸穴の方が、楕円の穴よりも大きいが、このように、大きさの異なる複数の切り欠き部33を組み合わせることも可能である。
Further, as shown in the example (g) shown in FIG. 7, it is also possible to combine a plurality of notched
また、図4の例においては、大電流用配線部材15aの幅方向の中央位置に切り欠き部33を設けているが、この場合に限らず、例えば、図8に示す例(j),(l)のように、大電流用配線部材15aの幅方向の片側に切り欠き部33を設けてもよく、あるいは、図8に示す例(k),(m)のように、大電流用配線部材15aの幅方向の両側に切り欠き部33を設けてもよい。いずれの場合も、大電流用配線部材15aの断面積が切り欠き部33により低減されているため、同様の効果が得られる。また、片側および両側に切り欠き部33を設ける場合のいずれにおいても、切り欠き部33の形状は、図8の例(j)〜(m)に限らず、楕円形、長方形および長方形などの四角形、五角形および六角形などの他の多角形、台形、ひし形、平行四辺形などでもよい。また、それらの切り欠き部33の個数は、1個でも、複数個でもよい。すなわち、切り欠き部33の形状および個数は、大電流用配線部材15aにおいて局所的に断面積を減らす形状および個数であれば何でもよく、上述した形状および個数に限定されるものではない。
Further, in the example of FIG. 4, the
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係る電力変換装置を、図9を参照して説明する。図9は、実施の形態2における電力変換装置の断面図である。なお、図9においては、図3に示した構成と同一または対応する部分については、同一の符号を付し、ここでは、その説明を省略する。また、実施の形態2は、基本的に実施の形態1で説明した思想を前提とするものである。
The power conversion device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of the power conversion device according to the second embodiment. In FIG. 9, the same or corresponding parts as those shown in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted here. Further, the second embodiment is basically premised on the idea described in the first embodiment.
上記の実施の形態1の電力変換装置では、図3に示すように、電力変換モジュール100において、大電流用配線部材15aの高さと、制御用配線部材15bおよび他の電子部品の高さとを比較すると、制御用配線部材15bおよび他の電子部品の高さの方が、大電流用配線部材15aよりも高い。そのため、モールド樹脂20は、制御用配線部材15b及び他の電子部品の高さに応じた厚みとなっている。その結果、ヒューズ部16の上側に設けられたモールド樹脂20の厚さを薄くするには限界があり、ヒューズ部16の設計制約となっていた。
In the power conversion device of the first embodiment, as shown in FIG. 3, in the
そこで、実施の形態2では、図9に示すように、大電流用配線部材15aのヒューズ部16の上側に設けられたエリアR2のモールド樹脂20の上面に凹み部24を設けている。凹み部24の位置は、図9に示すように、ちょうどヒューズ部16の真上になるように、ヒューズ部16の位置に対応している。これにより、部分的にモールド樹脂20の厚さを薄くするが可能となり、背の高い配線部材15や電子部品をそのまま使用できる。
Therefore, in the second embodiment, as shown in FIG. 9, a recessed
なお、凹み部24の個数は、1個であっても、複数個であってもよい。また、凹み部24は、成形型を用いてモールド樹脂20で電力変換モジュール100を封止するときに同時に形成してもよく、あるいは、モールド樹脂20で電力変換モジュール100を封止した後に、モールド樹脂20の一部を切り欠くことで、凹み部24を形成するようにしてもよい。
The number of recessed
実施の形態2においては、凹み部24を設けることで、ヒューズ部16の上側のみモールド樹脂20を薄くして、電力変換モジュール100を構成することができる。これにより、ヒューズ部16に過大な電流が流れた場合、短時間のうちに、急激に、ヒューズ部16の温度が上昇する。そうして、ヒューズ部16を構成している金属の溶点に温度が達すると、ヒューズ部16が断裂して、はじけ飛ぶ。その時に、ヒューズ部16と共に、ヒューズ部16の上側のエリアR2部分のモールド樹脂20も同時にはじけ飛ぶ。このように、ヒューズ部16とその上側のモールド樹脂20とをはじけ飛ばして離間距離を稼ぐことで、過電流を確実に遮断できる。ヒューズ部16は断裂時に吹き飛ぶため、断裂したヒューズ部16の残骸が、電力変換モジュール100内に残留しない。もし、残留している場合には、断裂したヒューズ部16の金属が溶解して、リードフレーム13、半導体素子14、または、制御用配線部材15bなどに電気的に接触してしまい、再度、電流が流れる可能性がある。しかしながら、実施の形態2では、ヒューズ部16が残留しないので、電流が再度流れることを確実に防ぐことができる。
In the second embodiment, by providing the recessed
なお、図9の例では、ヒューズ部16の上側のエリアR2に、モールド樹脂20が存在しているが、その場合に限らず、図10に示すように、凹み部24の深さを深くして、ヒューズ部16を外部に露出させてもよい。すなわち、図10においては、凹み部24が、ヒューズ部16の上面まで達する貫通穴となっており、ヒューズ部16は、貫通穴を通して外部に露出している。従って、ヒューズ部16の上側には、モールド樹脂20が設けられていない。また、図10の例では、ヒューズ部16部分だけでなく、ヒューズ部16の近傍の大電流用配線部材15aの一部も外部に露出している。このように、ヒューズ部16の上側のエリアR2のモールド樹脂20を無くした場合には、ヒューズ部16の放熱性が悪化し、ヒューズ部16に過電流が流れたときに、温度が上昇しやすくなり、ヒューズ部16が断裂するまでの時間を短くすることができる効果がある。
In the example of FIG. 9, the
あるいは、図11に示すように、図10の凹み部24部分に対して、熱伝導率の小さい封止材26を充填させて封止してもよい。図11は、図10の凹み部24に対して封止材26を充填させているが、図9の凹み部24に対して封止材26を充填させてもよい。封止材26は、モールド樹脂20の熱伝導率よりも熱伝導率が小さい材料から構成する。例えば、モールド樹脂20の熱伝導率が0.5〜数W/mK程度とすると、封止材26の熱伝導率は、0.2〜0.5W/mK程度であることが望ましい。封止材26は、例えば、そのような範囲の熱伝導率を有するシリコーン樹脂などから構成する。このように、凹み部24に封止材26を充填させることで、ヒューズ部16の放熱性が悪化し、ヒューズ部16に過電流が流れたときに、温度が上昇しやすくなり、ヒューズ部16が断裂するまでの時間を短くできる効果がある。さらに、封止材26をシリコーン樹脂で構成した場合には、消弧作用が期待できる。また、ヒューズ部16の断裂時の消音効果がある。
Alternatively, as shown in FIG. 11, the recessed
あるいは、図12に示すように、モールド樹脂20の上面に、フタ25を設けるようにしてもよい。図12は、図10の構成に対してフタ25を追加しているが、図9または図11の構成に対してフタ25を追加してもよい。このように、フタ25を設けることで、電力変換モジュール100から空気を遮断するので、電力変換モジュール100内で発火または発煙がおきにくい。また、たとえ、電力変換モジュール100内で発火または発煙がおきても、電力変換モジュール100の外部が延焼するのを防ぐことができる。フタ25の材料としては、融点の高い例えば鉄などの金属またはセラミックを用いることが望ましい。また、モールド樹脂20とフタ25との隙間を無くすため、フタ25はモールド樹脂20に対して接着剤などで接合される。なお、フタ25の材料および隙間を生める方法は、これらに限定されるものではない。
Alternatively, as shown in FIG. 12, a
以上のように、実施の形態2においても、上記の実施の形態1と同様に、大電流用配線部材15aがヒューズ部16を有し、かつ、ヒューズ部16の上側のモールド樹脂20の厚さを薄くしたので、ヒューズ部16の断裂時に、ヒューズ部16の上側のモールド樹脂20を同時に吹き飛ばして、離間距離を稼ぎ、ヒューズ部16が断裂した後に、ヒューズ部16の残骸が他の部品に接触することで再度導通してしまうことを抑制することができ、電力変換装置の発煙および発火が防止できる。
As described above, also in the second embodiment, the large current wiring member 15a has the
さらに、実施の形態2では、ヒューズ部16の上側のモールド樹脂20に凹み部24を設けることで、モールド樹脂20の厚さをさらに薄くしている。そのため、制御用配線部材15bおよび他の電子部品の高さに係わらず、ヒューズ部16の上側のモールド樹脂20の高さのみを独立して薄くすることができる。これにより、ヒューズ部16の形状の選択肢が広がるとともに、背の高い配線部材および電子部品も使用することができるため、設計自由度を上げることができる。また、モールド樹脂20に単に凹み部24を設けるだけでよいため、部品点数の追加が無く、実装工数も増加しないため、生産性が高い。
Further, in the second embodiment, the thickness of the
実施の形態3.
この発明の実施の形態3に係る電力変換装置を、図13を参照して説明する。図13は、実施の形態3における電力変換装置の断面図である。なお、図13においては、図3に示した構成と同一または対応する部分については、同一の符号を付し、ここでは、その説明を省略する。また、実施の形態3は、基本的に実施の形態1で説明した思想を前提とするものである。
The power conversion device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view of the power conversion device according to the third embodiment. In FIG. 13, the same or corresponding parts as those shown in FIG. 3 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted here. Further, the third embodiment is basically premised on the idea described in the first embodiment.
上記の実施の形態1,2に係る電力変換装置では、電力変換モジュール100において、大電流用配線部材15aの高さよりも、制御用配線部材15b及び他の電子部品の高さの方が高いため、モールド樹脂20の厚さを薄くするには限界があり、ヒューズ部16の設計制約となっていた。
In the power conversion device according to the first and second embodiments, the height of the control wiring member 15b and other electronic components is higher than the height of the large current wiring member 15a in the
そこで、実施の形態3では、図13に示すように、制御用配線部材15bおよび他の電子部品の高さが、大電流用配線部材15aよりも低くなるように構成している。これにより、上記の実施の形態2のように凹み部24を設けなくても、ヒューズ部16のモールド樹脂20の厚さを薄くできる。
Therefore, in the third embodiment, as shown in FIG. 13, the height of the control wiring member 15b and other electronic components is set to be lower than that of the large current wiring member 15a. As a result, the thickness of the
これにより、ヒューズ部16に過大な電流が流れた場合、短時間のうちに急激にヒューズ部16の温度が上昇し、ヒューズ部16を構成する金属の溶点に達すると、ヒューズ部16が断裂して、はじけ飛ぶ。その時に、ヒューズ部16の上側の厚さの薄い部分のモールド樹脂20を同時に吹き飛ばし、離間距離を稼ぐことで、過電流を確実に遮断できる。また、ヒューズ部16の断裂時に、モールド樹脂20が同時に吹き飛ぶため、断裂したヒューズ部16の金属が、リードフレーム13、半導体素子14、あるいは、制御用配線部材15bと電気的に接続し、再度、電流が流れることを確実に防ぐことができる。
As a result, when an excessive current flows through the
また、制御用配線部材15bおよび他の電子部品の高さを低くすることで、全体的に、モールド樹脂20の厚さが減り、電力変換装置の小型化につながる。加えて、モールド樹脂20の樹脂量が減るため、温度変化による熱応力が緩和され、部品どうしの接合部の信頼性の向上が見込める。
Further, by lowering the height of the control wiring member 15b and other electronic components, the thickness of the
以上のように、実施の形態3においても、上記の実施の形態1,2と同様に、大電流用配線部材15aがヒューズ部16を有し、かつ、ヒューズ部16の上側のモールド樹脂20の厚さを薄くしたので、断裂時に上面側を吹き飛ばして離間距離を稼ぎ、ヒューズ部16が断裂後に再度、導通するのを抑制することができ、電力変換装置の発煙および発火が防止できる。
As described above, also in the third embodiment, similarly to the first and second embodiments described above, the wiring member 15a for large current has the
さらに、実施の形態3においては、制御用配線部材15bおよび他の電子部品の高さを低くすることで、全体的にモールド樹脂20の厚さが減り、電力変換装置の小型化につながる。また、モールド樹脂20の上面を平らにできるため、モールド時に使用する成形型を簡素化できる。
Further, in the third embodiment, by lowering the height of the control wiring member 15b and other electronic components, the thickness of the
なお、図13の例においては、ヒューズ部16が設けられた大電流用配線部材15aの上側にモールド樹脂20が存在しているが、その場合に限らず、図14に示すように、ヒューズ部16が設けられた大電流用配線部材15aを外部に露出させてもよい。図14の例においては、大電流用配線部材15aの上側には、モールド樹脂20が設けられていない。なお、大電流用配線部材15a全体を露出させずに、ヒューズ部16部分だけを外部に露出するようにしてもよい。このように、大電流用配線部材15aの上側のモールド樹脂20を無くして、大電流用配線部材15aの少なくとも一部を外部に露出することで、ヒューズ部16の放熱性が悪化し、ヒューズ部16に過電流が流れたときに、温度が上昇しやすくなり、ヒューズ部16が断裂するまでの時間を短くできる効果がある。また、この場合においても、モールド樹脂20の上面を平らにできるため、モールド時に使用する成形型を簡素化できる。
In the example of FIG. 13, the
10 外部接続端子、11 絶縁ケース、12 ヒートシンク、13 リードフレーム、14 半導体素子、15 配線部材、15a 大電流用配線部材、15b 制御用配線部材、16 ヒューズ部、17 導電性接合材、18 絶縁材、19 フィン、20 モールド樹脂、21 制御用端子、22 パワー端子、24 凹み部、25 フタ、26 封止材、100 電力変換モジュール。 10 External connection terminal, 11 Insulation case, 12 Heat shield, 13 Lead frame, 14 Semiconductor element, 15 Wiring member, 15a High current wiring member, 15b Control wiring member, 16 Fuse part, 17 Conductive bonding material, 18 Insulation material , 19 fins, 20 mold resin, 21 control terminals, 22 power terminals, 24 recesses, 25 lids, 26 encapsulants, 100 power conversion modules.
Claims (8)
前記電力変換モジュールは、
配線パターン状に設けられた1以上のリードフレームと、
前記リードフレーム上に設けられた半導体素子と、
前記リードフレームと前記半導体素子との間を接続する配線部材と、
前記リードフレームと前記半導体素子と前記配線部材とを封止するモールド樹脂と
を有し、
前記配線部材にヒューズ部を設け、
前記ヒューズ部の上側に設けられた前記モールド樹脂の厚さは、前記ヒューズ部の下側に設けられた前記モールド樹脂の厚さより薄い、
電力変換装置。A power conversion device equipped with a power conversion module.
The power conversion module
One or more lead frames provided in a wiring pattern,
The semiconductor element provided on the lead frame and
A wiring member that connects the lead frame and the semiconductor element,
It has a mold resin that seals the lead frame, the semiconductor element, and the wiring member.
A fuse portion is provided in the wiring member, and a fuse portion is provided.
The thickness of the mold resin provided on the upper side of the fuse portion is thinner than the thickness of the mold resin provided on the lower side of the fuse portion.
Power converter.
前記配線部材の少なくとも1箇所以上に設けられ、前記配線部材の他の部位よりも断面積が小さくなるように形成された部位から構成されている、
請求項1に記載の電力変換装置。The fuse part
It is composed of a portion provided at at least one position or more of the wiring member and formed so that the cross-sectional area is smaller than that of the other portion of the wiring member.
The power conversion device according to claim 1.
請求項1または2に記載の電力変換装置。A recess is provided on the upper surface of the mold resin provided on the upper side of the fuse portion.
The power conversion device according to claim 1 or 2.
前記ヒューズ部は、前記貫通穴を通して外部に露出している、
請求項3に記載の電力変換装置。The recess portion is composed of a through hole that reaches the upper surface of the fuse portion.
The fuse portion is exposed to the outside through the through hole.
The power conversion device according to claim 3.
請求項3または4に記載の電力変換装置。The recessed portion is filled and sealed with a sealing material having a thermal conductivity smaller than that of the mold resin.
The power conversion device according to claim 3 or 4.
請求項3から5までのいずれか1項に記載の電力変換装置。A lid covering the recess is provided on the upper surface of the mold resin.
The power conversion device according to any one of claims 3 to 5.
請求項1または2に記載の電力変換装置。Among the parts sealed with the mold resin, the height of the wiring member is the highest.
The power conversion device according to claim 1 or 2.
請求項7に記載の電力変換装置。At least a part of the upper surface of the wiring member provided with the fuse portion is exposed to the outside from the mold resin.
The power conversion device according to claim 7.
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