JPWO2018193581A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

電力変換装置は、電力変換モジュール１００を備え、電力変換モジュール１００は、リードフレーム１３と、リードフレーム１３上に設けられた半導体素子１４と、リードフレーム１３と半導体素子１４との間を接続する配線部材１５と、リードフレーム１３と半導体素子１４と配線部材１５を封止するモールド樹脂２０とを有し、配線部材１５には、ヒューズ部１６が設けられ、ヒューズ部１６の上側のモールド樹脂２０の厚さを、ヒューズ部１６の下側のモールド樹脂２０よりも薄くする。

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
特開２００３−６８９６７号公報 特許第４６１５５０６号公報
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。
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。
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。
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。
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。
この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示した正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたヒューズ部の上面図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたヒューズ部の電流密度の模式図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたヒューズ部の解析結果を示した図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたヒューズ部の形状の例を示した上面図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたヒューズ部の形状の例を示した上面図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示した断面図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の変形例の構成を示した断面図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の変形例の構成を示した断面図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の変形例の構成を示した断面図である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示した断面図である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の変形例の構成を示した断面図である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。

Claims (8)

  1. 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。
  2. 前記ヒューズ部は、
    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。
  3. 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上面に凹み部を設けた、
    請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記凹み部は、前記ヒューズ部の上面に達する貫通穴から構成され、
    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。
  5. 前記凹み部は、前記モールド樹脂の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する封止材が充填され封止されている、
    請求項３または４に記載の電力変換装置。
  6. 前記モールド樹脂の上面に、前記凹み部を覆うフタを設けた、
    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。
  7. 前記モールド樹脂で封止される部品のうち、前記配線部材の高さが最も高い、
    請求項１または２に記載の電力変換装置。
  8. 前記ヒューズ部が設けられた前記配線部材の上面の少なくとも一部が、前記モールド樹脂から外部に露出している、
    請求項７に記載の電力変換装置。
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