JP7444529B2 - power converter - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a power conversion device.
圧接型の半導体モジュールを用いた電力変換装置がある。圧接型の半導体モジュールは、パッケージ部と、パッケージ部の内部に設けられた半導体チップと、を有する。パッケージ部は、一対の電極板と、一対の電極板の間の空間を囲む絶縁性の外囲器と、を有する。圧接型の半導体モジュールは、放熱のため、一対の電極板を一対のヒートシンクで挟み込んだ状態で、電力変換装置に実装される。 There is a power conversion device using a press-contact type semiconductor module. A press-contact type semiconductor module includes a package portion and a semiconductor chip provided inside the package portion. The package portion includes a pair of electrode plates and an insulating envelope surrounding a space between the pair of electrode plates. A pressure contact type semiconductor module is mounted in a power conversion device with a pair of electrode plates sandwiched between a pair of heat sinks for heat dissipation.
このような圧接型の半導体モジュールでは、半導体チップに短絡故障が発生した場合に、パッケージ部の内圧が上昇してパッケージ部が膨らみ、ヒートシンクとの衝突により、パッケージ部が破損してしまう可能性がある。そして、このように内圧の上昇にともなってパッケージ部が破損してしまうと、パッケージ部の破損個所からモジュールの一部が飛散物となって噴出したり、アークが噴出したりしてしまう。 In such press-contact type semiconductor modules, if a short-circuit failure occurs in the semiconductor chip, the internal pressure in the package increases, causing the package to bulge and collide with the heat sink, potentially damaging the package. be. If the package part is damaged as the internal pressure increases in this way, a part of the module may be ejected as scattered objects or an arc may be ejected from the damaged part of the package part.
このため、半導体モジュールの周囲をカバーで覆うことにより、パッケージ部の破損時に生じる飛散物やアークなどの噴出物から周辺部品を保護することが提案されている。半導体チップの短絡故障にともなうパッケージ部の破損は、半導体モジュールと一対のヒートシンクとの積層方向と直交する方向におけるパッケージ部の側面部(外囲器の側面部)おいて、どの位置で発生するか分からない。換言すれば、パッケージ部の破損時に生じる噴出物は、パッケージ部の側面部からどの方向に噴出するか分からない。従って、カバーは、パッケージ部の側面部の全周を囲むように配置する必要がある。 For this reason, it has been proposed to cover the periphery of the semiconductor module with a cover to protect peripheral components from flying objects such as flying objects and arcs that are generated when the package portion is damaged. At what position on the side surface of the package (side surface of the envelope) in the direction orthogonal to the stacking direction of the semiconductor module and the pair of heat sinks does damage to the package due to a short-circuit failure occur in the semiconductor chip? I don't know. In other words, it is not known in which direction the ejected material generated when the package part is damaged will be ejected from the side surface of the package part. Therefore, the cover needs to be placed so as to surround the entire periphery of the side surface of the package part.
しかしながら、パッケージ部の側面部の全周を囲むようにカバーを配置する構成は、電力変換装置の大型化や製造コストの増加などの要因となってしまう。このため、電力変換装置では、より簡単な構成で、圧接型の半導体モジュールのパッケージ部の破損時に生じる噴出物から周辺部品を保護できるようにすることが望まれる。 However, the configuration in which the cover is arranged so as to surround the entire periphery of the side surface of the package portion causes factors such as an increase in the size of the power conversion device and an increase in manufacturing cost. For this reason, it is desired that the power conversion device be able to protect the peripheral components from ejected materials generated when the package portion of the press-contact type semiconductor module is damaged, with a simpler configuration.
本発明の実施形態は、より簡単な構成で、圧接型の半導体モジュールのパッケージ部の破損時に生じる噴出物から周辺部品を保護できる電力変換装置を提供する。 Embodiments of the present invention provide a power conversion device that has a simpler configuration and can protect peripheral components from ejected matter generated when a package portion of a press-contact type semiconductor module is damaged.
本発明の実施形態によれば、電力の変換を行う電力変換装置であって、2つのヒートシンクと、2つの前記ヒートシンクの間に設けられた圧接型の半導体モジュールと、を有する積層体と、前記積層体の積層方向と直交する方向において前記積層体と並べて設けられたカバーと、を備え、前記半導体モジュールは、パッケージ部と、前記パッケージ部の内部に設けられた半導体チップと、を有し、前記積層体は、前記積層方向から見た時に、前記半導体モジュールの1つの領域のみが2つの前記ヒートシンクよりも外側に位置するように、2つの前記ヒートシンク及び前記半導体モジュールを積層し、前記カバーは、前記積層方向と直交する方向において、前記半導体モジュールの前記1つの領域と対向するように、前記積層体の一部の側方のみに設けられる電力変換装置が提供される。 According to an embodiment of the present invention, there is provided a power conversion device that converts power, and includes a laminate including two heat sinks and a press-contact type semiconductor module provided between the two heat sinks; a cover provided side by side with the laminate in a direction perpendicular to the stacking direction of the laminate, the semiconductor module having a package part and a semiconductor chip provided inside the package part, In the laminate, the two heat sinks and the semiconductor modules are stacked such that only one region of the semiconductor module is located outside the two heat sinks when viewed from the stacking direction, and the cover is , there is provided a power conversion device that is provided only on one side of the stacked body so as to face the one region of the semiconductor module in a direction perpendicular to the stacking direction.
より簡単な構成で、圧接型の半導体モジュールのパッケージ部の破損時に生じる噴出物から周辺部品を保護できる電力変換装置が提供される。 Provided is a power converter device that has a simpler configuration and can protect peripheral components from ejected matter generated when a package portion of a press-contact type semiconductor module is damaged.
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
Note that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between parts, etc. are not necessarily the same as those in reality. Further, even when the same part is shown, the dimensions and ratios may be shown differently depending on the drawing.
In the present specification and each figure, the same elements as those described above with respect to the existing figures are denoted by the same reference numerals, and detailed explanations are omitted as appropriate.
図1は、実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図1に表したように、電力変換装置10は、電力変換器20と、制御装置80と、を備える。電力変換装置10は、端子12a、12bを介してたとえば直流電源(図示せず)に接続される。電力変換装置10は、端子14a~14cを介して、負荷(図示せず)に接続される。負荷は、たとえば誘導電動機や同期電動機等の交流負荷である。他の例では、電力変換装置10は、端子14a~14cを介して交流電源に接続し、端子12a、12bを介して直流負荷に接続する。電力変換装置10は、直流-交流の一方向の電力変換に限らず、双方向の電力変換を行う装置であってもよい。これらはいずれも例示であって、電力変換装置10は、上述に限らず、交流-交流間の電力変換や直流-直流間の電力変換を行う装置を含む電力変換装置であってもよい。
FIG. 1 is a block diagram schematically representing a power conversion device according to an embodiment.
As shown in FIG. 1, the
電力変換器20は、電力変換部22を有する。電力変換部22は、圧接型の半導体モジュール30を有する。半導体モジュール30は、たとえば、主端子30a、30bと制御端子30cとを有する。半導体モジュール30は、たとえばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等の半導体チップを複数個搭載し、これらを並列に接続したモジュールである。IGBTの場合には、主端子30aはコレクタ端子であり、主端子30bはエミッタ端子であり、制御端子30cはゲート端子である。半導体モジュール30は、ファーストリカバリダイオード等の2端子のモジュールであってもよい。
半導体モジュール30は、単一の半導体チップを搭載する場合に限らず、複数種類の半導体チップを搭載してもよい。複数種類の半導体チップは、たとえばIGBTおよびファーストリカバリダイオード等である。
The
制御装置80は、電力変換器20に供給され、また、電力変換器20が出力する直流電圧や交流電圧、交流電流等を検出して、電力変換部22の半導体モジュール30を駆動する駆動信号を生成する。制御装置80は、生成した駆動信号を電力変換部22に供給して、所望の出力等を得るように電力変換器20を制御する。制御装置80は、例えば、半導体モジュール30の制御端子30cと接続され、半導体モジュール30のスイッチングを制御することにより、電力変換器20による電力の変換を制御する。
The
図2(a)及び図2(b)は、電力変換装置の一部を模式的に表すブロック図である。
図2(c)は、図2(a)及び図2(b)の構成要素の一部の模式図である。
図2(a)及び図2(b)には、電力変換部22のうち異なる回路形式の概略の構成が示されている。
FIGS. 2(a) and 2(b) are block diagrams schematically showing a part of the power conversion device.
FIG. 2(c) is a schematic diagram of some of the components of FIGS. 2(a) and 2(b).
FIGS. 2A and 2B show schematic configurations of different circuit types of the
図2(a)に表した電力変換部22aは、例えば、MMC(Modular Multilevel Converter)方式のチョッパセルである。MMC方式では、複数個のチョッパセルがカスケードに接続される。電力変換部22aは、2つの半導体モジュール30と、2つのダイオードDと、コンデンサCと、を有する。2つの半導体モジュール30は、直列に接続されている。直列に接続された2つの半導体モジュール30は、積層体40を構成する。積層体40の両端にコンデンサCが接続されている。ダイオードDは、半導体モジュール30に逆並列に接続されている。電力変換部22aは、ハーフブリッジ構成のチョッパセルである。なお、図示しないが、2つのダイオードDも積層体を構成し、IGBTの積層体40に接続してもよい。
The
図2(b)に表した電力変換部22bは、2レベル出力の単相インバータ回路である。電力変換部22bは、2つの積層体40と、4つのダイオードDと、コンデンサCと、を有する。2つの積層体40は、並列に接続されている。ダイオードDは、半導体モジュール30に逆並列にそれぞれ接続されている。コンデンサCは、2つの積層体40に並列に接続されている。
The
図2(c)に表したように、この例では、積層体40は、2つの半導体モジュール30と、3つのヒートシンク41~43と、を有する。一方の半導体モジュール30は、一対のヒートシンク41、42の間に設けられている。他方の半導体モジュール30は、一対のヒートシンク42、43の間に設けられている。換言すれば、半導体モジュール30及びヒートシンク41~43は、交互に積層して設けられる。積層体40(半導体モジュール30及びヒートシンク41~43)の積層方向は、例えば、上下方向である。半導体モジュール30及びヒートシンク41~43は、上下方向に交互に積層して設けられる。但し、積層体40の積層方向は、上下方向に限ることなく、任意の方向でよい。
As shown in FIG. 2(c), in this example, the
積層体40は、例えば、積層体40の積層方向に延びるボルトと、このボルトに噛み合うナットと、により、ヒートシンク41、43の両側から締め付けるようにして固定される。これにより、一方の半導体モジュール30は、一対のヒートシンク41、42の間に挟み込まれた状態で固定され、他方の半導体モジュール30は、一対のヒートシンク42、43の間に挟み込まれた状態で固定される。換言すれば、ヒートシンク41とヒートシンク43との間に、2つの半導体モジュール30と、2つの半導体モジュール30の間のヒートシンク42と、が挟み込まれた状態で固定される。
The laminate 40 is fixed by tightening from both sides of the heat sinks 41 and 43, for example, with bolts extending in the stacking direction of the laminate 40 and nuts that engage the bolts. As a result, one
一方の半導体モジュール30は、ヒートシンク41、42に接触し、ヒートシンク41、42と電気的に接続される。他方の半導体モジュール30は、ヒートシンク42、43に接触し、ヒートシンク42、43と電気的に接続される。2つの半導体モジュール30は、ヒートシンク42を介して直列に接続される。このように、ヒートシンク41~43は、半導体モジュール30の放熱に用いられるとともに、半導体モジュール30の電気的な接続にも用いられる。ヒートシンク41~43には、例えば、高い熱伝導率と高い導電性とを有する金属材料などが用いられる。
One
電力変換部22の構成は、上述に限られない。電力変換部22は、MMC方式のためのフルブリッジ形式のチョッパセルであってもよい。電力変換部22は、三相インバータ回路であってもよいし、ダイオードクランプ型のマルチレベル変換回路等であってもよい。
The configuration of the
積層体40の構成も上述に限られない。半導体モジュール30は、一対のヒートシンク41、42に挟み込まれて取り付けられていればよい。積層体40に含まれる半導体モジュール30の直列数は3個や4個以上であってもよいし、回路形式も問わない。積層体40に含まれる半導体モジュール30の数は、1つであってもよく、単一の半導体モジュール30をヒートシンク41、42に挟み込んだ形式でもかまわない。積層体40は、1つの半導体モジュール30と、一対のヒートシンク41、42と、を少なくとも有していればよい。
The configuration of the laminate 40 is also not limited to the above. The
このように、電力変換装置10は、積層体40を備える。積層体40は、2つのヒートシンク41、42と、2つのヒートシンク41、42の間に設けられた圧接型の1つの半導体モジュール30と、を少なくとも有する。積層体40は、複数のヒートシンク41~43と、複数の半導体モジュール30と、を有してもよい。この場合、複数の半導体モジュール30は、複数のヒートシンク41~43のそれぞれの間に設けられる。従って、複数のヒートシンク41~43の数は、複数の半導体モジュール30の数よりも1つ多くなる。
In this way, the
図3(a)及び図3(b)は、実施形態に係る半導体モジュールを模式的に表す平面図および一部断面を有する側面図である。
図3(a)及び図3(b)に表したように、圧接型の半導体モジュール30は、パッケージ部31と、パッケージ部31の内部に設けられた半導体チップ32と、を有する。パッケージ部31は、一対の電極板33、34と、外囲器35と、を有する。
FIGS. 3A and 3B are a plan view and a partially cross-sectional side view schematically showing a semiconductor module according to an embodiment.
As shown in FIGS. 3A and 3B, the pressure contact
電極板33は、円形の板状体である。電極板34は、電極板33とほぼ平行に設けられ、電極板33とほぼ同一形状の円形の板状体である。電極板34は、半導体チップ32が設けられている側に、凸部を有する。電極板34は、この凸部を介して半導体チップ32と電気的に接続される。これらの電極板33、34は、例えば、高導電率かつ高熱伝導率を有する金属材料によって形成される。金属材料は、例えば、銅(Cu)やCuを含む合金などである。
The
半導体チップ32は、電極板33、34の間に設けられている。半導体チップ32は、たとえばIGBTである。半導体チップ32は、例えば、一対の主端子と制御端子とを有する。半導体チップ32の一方の主端子は、電極板33と対向する面に設けられる。半導体チップ32の他方の主端子は、電極板34と対向する面に設けられる。半導体チップ32の一方の主端子は、電極板33と電気的に接続される。半導体チップ32の他方の主端子は、電極板34の凸部を介して電極板34と電気的に接続される。これにより、電極板33は、半導体モジュール30の一方の主端子30aとなり、電極板34は、半導体モジュール30の他方の主端子30bとなる。
The
半導体モジュール30は、例えば、複数の半導体チップ32を有する。複数の半導体チップ32は、電極板33、34の間において、積層方向と直交する面内に、格子状(行列状)に並べて設けられる。複数の半導体チップ32は、例えば、電極板33の電極板34と対向する面に並べて設けられる。複数の半導体チップ32は、それぞれ電極板33、34に接続されることにより、並列に接続される。
The
半導体チップ32の制御端子は、配線基板36に接続されている。配線基板36は、電極板34の凸部を貫通するような開口を有する絶縁性の基板である。並列に接続された各半導体チップ32の制御端子は、配線基板36によって、外部に引き出すための端子(半導体モジュール30の制御端子30c)に接続される。
A control terminal of the
外囲器35は、一対の電極板33、34の間に空く空間の側方を塞ぐ。半導体チップ32は、換言すれば、電極板33、34と外囲器35とで囲まれた空間内に設けられる。外囲器35は、半導体チップ32を気密封止し、外部環境から半導体チップ32を遮断する。外囲器35は、セラミック等の絶縁材料によって形成され、電極板33、34の間を電気的に絶縁する。
The
パッケージ部31は、例えば、緩衝部材37、38をさらに有する。緩衝部材37、38は、中空円板状の部材である。緩衝部材37、38は、ほぼ平行に配置されている。緩衝部材37、38は、中空の開口部分で、電極板33、34の円周の外縁にそれぞれ接続されている。緩衝部材37、38は、例えば、電極板33、34の径方向(積層方向と直交する方向)に向かって延伸し、積層方向に屈曲した後、再度径方向に屈曲して延伸する。
The
緩衝部材37、38は、外囲器35を保持する。外囲器35は、緩衝部材37、38に挟み込まれるようにして固定されている。外囲器35は、緩衝部材37、38に挟まれることにより、電極板33、34の間に空く空間の側方を塞ぐ。例えば、緩衝部材37、38が、電極板33、34に密着するとともに、外囲器35に密着する。これにより、パッケージ部31の内部の空間が、気密封止される。
The
緩衝部材37、38は、圧接型の半導体モジュール30の通常の動作において、電極板33、34が温度変化によって膨張又は収縮した場合に、電極板33、34の形状の変化を吸収する。これにより、電極板33、34および外囲器35の膨張係数の相違による半導体モジュール30の耐湿性の劣化等を抑制することができる。
The
図4(a)及び図4(b)は、電力変換装置の一部を模式的に表す平面図及び側面図である。
図4(a)及び図4(b)に表したように、積層体40は、積層体40の積層方向から見た時に、半導体モジュール30の1つの領域30Rのみがヒートシンク41~43よりも外側に位置するように、半導体モジュール30及びヒートシンク41~43を積層する。例えば、積層体40の積層方向が上下方向である場合には、積層体40は、上方から見た時に、半導体モジュール30の1つの領域30Rのみがヒートシンク41~43よりも外側に位置するように、半導体モジュール30及びヒートシンク41~43を積層する。
FIGS. 4A and 4B are a plan view and a side view schematically showing a part of the power conversion device.
As shown in FIGS. 4(a) and 4(b), in the stacked
積層体40は、より詳しくは、積層方向から見た時に、半導体モジュール30のパッケージ部31の1つの領域30Rのみがヒートシンク41~43よりも外側に位置するように、半導体モジュール30及びヒートシンク41~43を積層する。パッケージ部31は、例えば、電極板33、34、外囲器35、及び緩衝部材37、38の一部を1つの領域30Rとしてヒートシンク41~43よりも外側に配置する。領域30Rは、換言すれば、積層方向において、ヒートシンク41~43と重ならない領域である。
More specifically, the laminate 40 is constructed by stacking the
積層体40が複数の半導体モジュール30を有する場合、複数の半導体モジュール30のそれぞれは、1つの領域30Rのみが複数のヒートシンク41~43よりも外側に位置するように、複数のヒートシンク41~43のそれぞれの間に設けられる。そして、複数のヒートシンク41~43のそれぞれの1つの領域30Rは、積層方向から見た時に重なるように配置される。換言すれば、ヒートシンク41~43よりも外側に位置する半導体モジュール30の1つの領域30Rは、複数の半導体モジュール30のそれぞれで実質的に同じ位置に配置される。但し、複数の半導体モジュール30のそれぞれの領域30Rの形状や大きさなどは、必ずしも完全に同じでなくてもよい。複数の半導体モジュール30のそれぞれの領域30Rは、積層方向から見た時に少なくとも一部が重なるように配置されていればよい。
When the
積層方向から見た時の半導体モジュール30の形状は、例えば、円形状である。積層方向から見た時のヒートシンク41~43の形状は、例えば、矩形状である。ヒートシンク41~43は、積層方向から見た時に、半導体モジュール30の中心に対して、中心を積層方向と直交する方向にずらして半導体モジュール30と積層される。これにより、ヒートシンク41~43は、半導体モジュール30の外周縁の一部のみを領域30Rとして外側に配置させる。半導体モジュール30の領域30Rは、積層方向から見た時に、矩形状のヒートシンク41~43の1つの辺のみに接するように、ヒートシンク41~43と積層される。但し、半導体モジュール30やヒートシンク41~43の形状などは、上記に限定されるものではない。
The shape of the
図4(a)及び図4(b)に表したように、電力変換装置10は、カバー50をさらに備える。
カバー50は、積層体40の積層方向と直交する方向において積層体40と並べて設けられる。カバー50は、積層体40の積層方向と直交する方向において、半導体モジュール30の1つの領域30Rと対向するように、積層体40の一部の側方のみに設けられる。カバー50は、積層体40の一部の側方のみと対向し、積層体40の別の一部の側方とは対向しない。換言すれば、カバー50は、積層方向から見た時に、積層体40を囲わない。
As shown in FIGS. 4(a) and 4(b), the
The
カバー50は、例えば、積層方向から見た時に、矩形状のヒートシンク41~43の4つの辺のうち、半導体モジュール30の領域30Rと接する1つの辺のみと対向し、残りの3つの辺と対向しないように、積層体40の一部の側方のみに設けられる。
For example, when viewed from the stacking direction, the
図5は、参考の電力変換装置の一部を模式的に表す平面図である。
なお、上記実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明は省略する。
図5に表したように、参考例の積層体40aでは、ヒートシンク41a~43aの外形寸法が、半導体モジュール30の外形寸法よりも小さく、積層体40aの積層方向から見た時に、半導体モジュール30の複数の領域30Rがヒートシンク41a~43aよりも外側に位置するように、半導体モジュール30及びヒートシンク41a~43aが積層されている。
FIG. 5 is a plan view schematically showing a part of a reference power conversion device.
Components that are substantially the same in function and configuration as those in the above embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
As shown in FIG. 5, in the laminate 40a of the reference example, the external dimensions of the
参考例では、例えば、矩形状のヒートシンク41a~43aの各辺の長さが、円形状の半導体モジュール30の直径よりも短い。これにより、参考例の積層体40aでは、積層方向から見た時に、ヒートシンク41a~43aの4つの辺のそれぞれに接するように、4つの領域30Rがヒートシンク41a~43aよりも外側に位置するように、半導体モジュール30及びヒートシンク41a~43aが積層されている。
In the reference example, the length of each side of the
また、参考例では、カバー50aが、積層方向から見た時に、積層体40aを囲むように設けられている。換言すれば、カバー50aが、積層体40aの側方の全周と対向するように設けられている。
Further, in the reference example, the
圧接型の半導体モジュール30では、半導体チップ32に短絡故障が発生した場合に、パッケージ部31の内圧が上昇してパッケージ部31が膨らみ、ヒートシンク41~43との衝突により、パッケージ部31が破損してしまう可能性がある。そして、このように内圧の上昇にともなってパッケージ部31が破損してしまうと、パッケージ部31の破損個所から半導体モジュール30の一部が飛散物となって噴出したり、アークが噴出したりしてしまう。
In the pressure contact
半導体モジュール30の一部がヒートシンク41~43よりも外側に位置する場合、パッケージ部31が膨らんだ際に、半導体モジュール30のうち、ヒートシンク41~43と重なっている部分では、応力が分散され、ヒートシンク41~43の端部と接する箇所に応力が集中する。パッケージ部31の膨張にともなうパッケージ部31の破損は、こうした応力の集中する箇所において発生しやすい。
When a portion of the
このため、図5に表した参考例のように、積層方向から見た時に、半導体モジュール30の複数の領域30Rがヒートシンク41a~43aよりも外側に位置する場合には、複数の領域30Rのどの位置でパッケージ部31の破損が発生するか分からない。例えば、半導体モジュール30が複数の半導体チップ32を有する場合には、短絡故障が発生した半導体チップ32の位置によって、パッケージ部31の破損が発生する箇所が変化する。従って、図5に表したように、参考例では、積層体40aの全周を囲むようにカバー50aを設けることにより、パッケージ部31の破損時に生じる飛散物やアークなどの噴出物から周辺部品を保護している。
For this reason, as in the reference example shown in FIG. It is not known whether the
また、積層方向から見た時に、半導体モジュール30の全体がヒートシンクと重なっている場合にも、パッケージ部31の膨張を吸収する箇所が無くなるため、パッケージ部31のどの位置で破損が発生するか分からなくなる。従って、この場合にも、積層体の全周を囲むようにカバーを設ける必要がある。
Furthermore, even if the
これに対し、本実施形態に係る電力変換装置10では、積層体40が、積層体40の積層方向から見た時に、半導体モジュール30の1つの領域30Rのみがヒートシンク41~43よりも外側に位置するように、半導体モジュール30及びヒートシンク41~43を積層する。
In contrast, in the
これにより、本実施形態に係る電力変換装置10では、応力の集中箇所を1つの領域30Rの部分のみに限定することができる。従って、本実施形態に係る電力変換装置10では、半導体チップ32に短絡故障が発生し、パッケージ部31が膨らんだ際に、1つの領域30Rの部分においてパッケージ部31を破損し易くさせ、他の部分でのパッケージ部31の破損を抑制することができる。換言すれば、半導体チップ32に短絡故障が発生し、パッケージ部31が膨らんだ際に、1つの領域30Rの部分において噴出物を噴出し易くさせ、他の方向への噴出物の噴出を抑制することができる。電力変換装置10では、噴出物の噴出方向を限定することができる。
Thereby, in the
そして、本実施形態に係る電力変換装置10では、積層体40の積層方向と直交する方向において、半導体モジュール30の1つの領域30Rと対向するように、積層体40の一部の側方のみにカバー50を設けている。これにより、1つの領域30Rの部分から噴出した噴出物から周辺部品を適切に保護することができる。さらに、図5に表した参考例のように、パッケージ部31の側面部の全周を囲むようにカバー50aを配置する構成と比べて、カバー50の構成を簡単にすることができる。
In the
このように、本実施形態に係る電力変換装置10では、より簡単な構成で、圧接型の半導体モジュール30のパッケージ部31の破損時に生じる噴出物から周辺部品を保護することができる。本実施形態に係る電力変換装置10では、カバー50の構成を簡単にし、電力変換装置10の大型化や製造コストの増加などを抑制することができる。
In this manner, the
カバー50は、例えば、絶縁性である。これにより、例えば、通常動作時において、半導体モジュール30とカバー50との間にアークが発生してしまうことなどを抑制することができる。また、パッケージ部31の破損時に半導体モジュール30から噴出したアークが、カバー50を介して周辺部品に影響を与えてしまうことなどを抑制することができる。カバー50には、例えば、FRP(Fiber Reinforced Plastics)などの絶縁性と高い強度とを有する材料が用いられる。これにより、例えば、噴出部がカバー50を突き抜けて周辺部品に影響を与えてしまうことを抑制することができる。
The
カバー50は、例えば、積層方向に延びるとともに、積層体40とカバー50との並ぶ第1方向及び積層方向と直交する第2方向に延びる平板状の本体部51を有する。本体部51は、例えば、矩形状のヒートシンク41~43の領域30Rを外側に配置した1つの辺に沿って延びる略矩形の平板状である。例えば、積層方向を上下方向とし、積層体40とカバー50との並ぶ第1方向を前後方向とし、上下方向及び前後方向と直交する第2方向を左右方向とする時、本体部51は、上下方向及び左右方向に延びる略矩形の平板状である。
The
本体部51の左右方向の長さは、例えば、領域30Rの左右方向の長さ以上である。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。また、本体部51の左右方向の長さは、例えば、矩形状のヒートシンク41~43の左右方向の1つの辺の長さ以上であることがより好適である。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。噴出物から周辺部品をより確実に保護することができる。
The length of the
カバー50は、例えば、本体部51の左右方向の一端から積層体40に向かって延びるとともに、上下方向に延びる延在部52と、本体部51の左右方向の他端から積層体40に向かって延びるとともに、上下方向に延びる延在部53と、をさらに有する。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。例えば、噴出物の左右方向への広がりをより確実に抑制することができる。
The
上記のように、積層体40が複数の半導体モジュール30を有する場合、複数の半導体モジュール30のそれぞれの領域30Rは、積層方向から見た時に重なるように配置される。この場合、カバー50は、積層方向に延び、積層方向と直交する方向において、複数の半導体モジュール30のそれぞれの領域30Rと対向する。換言すれば、本体部51は、複数の半導体モジュール30のそれぞれの領域30Rと対向する。これにより、簡単な構成で複数の半導体モジュール30の噴出物から周辺部品を適切に保護することができる。
As described above, when the
本体部51の上下方向の長さは、例えば、積層体40の上下方向の長さ以上である。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。また、延在部52、53の上下方向の長さは、例えば、積層体40の上下方向の長さ以上である。これにより、噴出物の左右方向への広がりをより確実に抑制することができる。
The length of the
また、カバー50は、例えば、本体部51の上下方向の一端から積層体40に向かって延びるとともに、左右方向に延びる延在部54と、本体部51の上下方向の他端から積層体40に向かって延びるとともに、左右方向に延びる延在部55と、をさらに有する。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。例えば、噴出物の上下方向への広がりをより確実に抑制することができる。
The
延在部54、55の左右方向の長さは、例えば、領域30Rの左右方向の長さ以上である。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。また、本体部51の左右方向の長さは、例えば、矩形状のヒートシンク41~43の左右方向の1つの辺の長さ以上であることがより好適である。
The length of the extending
なお、半導体モジュール30の1つの領域30Rのヒートシンク41~43からの突出量が小さ過ぎると、領域30R以外の箇所でパッケージ部31が破損してしまう可能性が生じてしまう。反対に、半導体モジュール30の1つの領域30Rのヒートシンク41~43からの突出量が大き過ぎると、カバー50を大きくする必要が生じてしまう。従って、半導体モジュール30の1つの領域30Rのヒートシンク41~43からの突出量は、領域30R以外の箇所でのパッケージ部31の破損を抑制でき、かつカバー50の大型化を抑制できるように適宜設定することが好ましい。
Note that if the amount of protrusion of one
例えば、図4(a)に表したように、積層方向から見た時に、半導体モジュール30の中心CTと領域30Rの左右方向の一端とを結ぶ仮想線VL1の延長線、及び半導体モジュール30の中心CTと領域30Rの左右方向の他端とを結ぶ仮想線VL2の延長線が、カバー50と交差するようにする。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。
For example, as shown in FIG. 4A, when viewed from the stacking direction, the extension line of the virtual line VL1 connecting the center CT of the
そして、例えば、仮想線VL1と仮想線VL2との成す角度θを10°以上90°以下に設定する。これにより、半導体モジュール30の1つの領域30Rのヒートシンク41~43からの突出量を適切に設定することができる。領域30R以外の箇所でのパッケージ部31の破損を抑制できるとともに、カバー50の大型化を抑制することができる。
For example, the angle θ formed by the virtual line VL1 and the virtual line VL2 is set to 10° or more and 90° or less. Thereby, the amount of protrusion of one
図6は、電力変換装置の一部の変形例を模式的に表す平面図である。
図6に表したように、この例において、電力変換装置10は、積層体40を支持するためのフレーム60をさらに備える。フレーム60は、例えば、積層方向に延びる4本の支柱61~64を有し、4本の支柱61~64で囲われる矩形状の空間内に積層体40を支持する。フレーム60は、例えば、ボルトとナットを用いてヒートシンク41、43の間を締め付けて積層体40を固定するために用いられる。
FIG. 6 is a plan view schematically showing a modified example of a part of the power conversion device.
As shown in FIG. 6, in this example, the
このように、電力変換装置10が積層体40を支持するためのフレーム60を備える場合には、カバー50は、フレーム60に取り付けてもよい。例えば、図6に表したように、支柱61、62の間に領域30Rを配置し、支柱61、62に平板状のカバー50を取り付けてもよい。これにより、積層体40に対し、簡単な構成でカバー50を取り付けることができる。
In this way, when the
なお、この例では、フレーム60の外側にカバー50を取り付けている。これに限ることなく、フレーム60の内側にカバー50を取り付けてもよい。但し、カバー50の取り付け方法や設置方法などは、これに限ることなく、積層体40に対してカバー50を適切に配置することができる任意の方法でよい。
Note that in this example, the
また、カバー50の形状は、図4や図6に示した形状に限ることなく、圧接型の半導体モジュール30のパッケージ部31の破損時に生じる噴出物から周辺部品を適切に保護することができる任意の形状でよい。
Further, the shape of the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
10…電力変換装置、 12a、12b…端子、 14a~14c…端子、 20…電力変換器、 22…電力変換部、 30…半導体モジュール、 31…パッケージ部、 32…半導体チップ、 33、34…電極板、 35…外囲器、 36…配線基板、 37、38…緩衝部材、 40、40a…積層体、 41~43、41a~43a…ヒートシンク、 50、50a…カバー、 51…本体部、 52~55…延在部、 60…フレーム、 61~64…支柱、 80…制御装置、 C…コンデンサ、 D…ダイオード
DESCRIPTION OF
Claims (3)
2つのヒートシンクと、2つの前記ヒートシンクの間に設けられた圧接型の半導体モジュールと、を有する積層体と、
前記積層体の積層方向と直交する方向において前記積層体と並べて設けられたカバーと、
を備え、
前記半導体モジュールは、パッケージ部と、前記パッケージ部の内部に設けられた半導体チップと、を有し、
前記積層体は、前記積層方向から見た時に、前記半導体モジュールの1つの領域のみが2つの前記ヒートシンクよりも外側に位置するように、2つの前記ヒートシンク及び前記半導体モジュールを積層し、
前記カバーは、前記積層方向と直交する方向において、前記半導体モジュールの前記1つの領域と対向するように、前記積層体の一部の側方のみに設けられる電力変換装置。 A power conversion device that converts power,
A laminate including two heat sinks and a press-contact type semiconductor module provided between the two heat sinks;
a cover provided side by side with the laminate in a direction perpendicular to the stacking direction of the laminate;
Equipped with
The semiconductor module includes a package part and a semiconductor chip provided inside the package part,
The laminate includes two of the heat sinks and the semiconductor module stacked such that only one region of the semiconductor module is located outside of the two heat sinks when viewed from the stacking direction;
In the power conversion device, the cover is provided only on a side of a part of the stacked body so as to face the one region of the semiconductor module in a direction perpendicular to the stacking direction.
複数の前記半導体モジュールのそれぞれは、前記1つの領域のみが複数の前記ヒートシンクよりも外側に位置するように、複数の前記ヒートシンクのそれぞれの間に設けられ、
複数の前記半導体モジュールのそれぞれの前記1つの領域は、前記積層方向から見た時に重なるように配置され、
前記カバーは、前記積層方向に延び、前記積層方向と直交する方向において、複数の前記半導体モジュールのそれぞれの前記1つの領域と対向する請求項1記載の電力変換装置。 The laminate includes a plurality of the heat sinks and a plurality of the semiconductor modules provided between each of the plurality of heat sinks,
Each of the plurality of semiconductor modules is provided between each of the plurality of heat sinks such that only the one region is located outside of the plurality of heat sinks,
The one region of each of the plurality of semiconductor modules is arranged so as to overlap when viewed from the stacking direction,
The power conversion device according to claim 1, wherein the cover extends in the stacking direction and faces the one region of each of the plurality of semiconductor modules in a direction perpendicular to the stacking direction.
前記半導体モジュールの前記1つの領域は、前記積層方向から見た時に、矩形状の前記ヒートシンクの1つの辺のみに接するように、前記ヒートシンクと積層され、
前記カバーは、前記積層方向から見た時に、矩形状の前記ヒートシンクの4つの辺のうち、前記半導体モジュールの前記1つの領域と接する1つの辺のみと対向し、残りの3つの辺と対向しないように、前記積層体の一部の側方のみに設けられる請求項1又は2に記載の電力変換装置。
The shape of the heat sink when viewed from the stacking direction is rectangular,
The one region of the semiconductor module is stacked with the heat sink so as to contact only one side of the rectangular heat sink when viewed from the stacking direction,
When viewed from the stacking direction, the cover faces only one of the four sides of the rectangular heat sink that is in contact with the one region of the semiconductor module, and does not face the remaining three sides. The power conversion device according to claim 1 or 2, wherein the power conversion device is provided only on a part of the side of the laminate.
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