KR101484388B1 - 전력 변환 장치 - Google Patents

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신스케 니시
쇼고 모리
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가부시키가이샤 도요다 지도숏키
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Abstract

전력 변환 장치에는 복수의 반도체 모듈들이 제공된다. 각각의 반도체 모듈은 방열 부재, 절연 기판, 반도체 소자, 외부 접속 단자, 및 수지부를 포함한다. 절연 기판은 방열 부재에 고정된다. 반도체 소자는 절연 기판 상에 실장된다. 외부 접속 단자는 반도체 소자에 전기적으로 접속되는 제 1 단, 및 반대측의 제 2 단을 포함한다. 절연 기판, 반도체 소자, 제 1 단, 및 방열 부재의 적어도 일부분에 수지부가 몰드된다. 반도체 모듈들 각각은 유닛을 형성한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것이다.
일본 공개 특허 공보 제 2005-57102 호는 전력용 반도체 소자를 포함하는 반도체 모듈, 및 냉매를 유동시키는 중공부를 각각 포함하는 2 개의 플랫 냉각 튜브들이 제공된 반도체 냉각 유닛을 개시한다. 서로 대면하는 2 개의 냉각 튜브들 사이에 반도체 모듈이 배치된다. 2 개의 냉각 튜브들, 반도체 모듈, 및 냉각 튜브들과 반도체 모듈을 전체적으로 덮는 몰드된 수지부가 기본 유닛을 형성한다.
단일 반도체 장치를 형성하기 위해 복수의 전력 변환 회로들에 단일 냉각기가 제공되는 경우, 부품 열화는 냉각기를 포함하여 전체 반도체 장치가 불량이 되는 것을 야기할 것이다.
부품에서 열화가 일어나는 경우, 조치가 쉽게 수행되는 것을 허용하는 전력 변환 장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양상은 복수의 반도체 모듈들이 제공된 전력 변환 장치이다. 반도체 모듈들 각각은 방열 부재, 절연 기판, 반도체 소자, 외부 접속 단자, 및 수지부를 포함한다. 방열 부재는 방열부를 포함한다. 절연 기판은 방열 부재에 고정된다. 반도체 소자는 절연 기판 상에 실장된다. 외부 접속 단자는 반도체 소자에 전기적으로 접속되는 제 1 단, 및 반대측의 제 2 단을 포함한다. 절연 기판, 반도체 소자, 제 1 단, 및 방열 부재의 적어도 일부분에 수지부가 몰드된다. 반도체 모듈들 각각은 유닛을 형성한다.
본 발명의 다른 양상들 및 이점들은, 본 발명의 원리들에 대한 예시로서 도시하는, 첨부되는 도면들과 함께, 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은, 그 목적들 및 이점들과 더불어, 첨부되는 도면들과 함께 현재의 바람직한 실시형태들에 대한 다음의 설명들을 참조하여 가장 잘 이해될 수도 있다:
도 1a 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 인버터 모듈 유닛의 평면도이다;
도 1b 는 도 1a 에 도시된 인버터 모듈 유닛의 정면도이다;
도 2 는 도 1a 에 도시된 인버터 모듈의 회로도이다;
도 3a 는 도 1a 에 도시된 인버터 모듈의 정면도이다;
도 3b 는 도 3a 에 도시된 인버터 모듈의 평면도이다;
도 4a 는 수지부가 제외된 상태에서의 도 3a 에 도시된 인버터 모듈의 정면도이다;
도 4b 는 도 4a 에 도시된 인버터 모듈의 평면도이다;
도 5a 는 도 4a 의 냉각기 및 절연 기판들을 도시하는 정면도이다;
도 5b 는 도 4a 의 냉각기 및 절연 기판들을 도시하는 평면도이다;
도 6 은 도 5b 의 VI-VI 을 따른 종단면도이다;
도 7a 는 인버터 모듈의 제조 공정을 도시하는 정면도이다;
도 7b 는 도 7a 의 인터버 모듈을 도시하는 평면도이다;
도 8a 는 변형된 인버터 모듈 유닛을 도시하는 평면도이다;
도 8b 는 도 8a 의 인버터 모듈 유닛을 도시하는 정면도이다;
도 9 는 변형된 인버터 모듈 유닛을 도시하는 정면도이다;
도 10 은 변형된 인버터 모듈 유닛을 도시하는 정면도이다;
도 11 은 변형된 인버터 모듈 유닛을 도시하는 평면도이다;
도 12 는 변형된 인버터 모듈 유닛을 도시하는 정면도이다;
도 13 은 변형된 인버터 모듈을 도시하는 단면도이다.
이제, 본 발명의 일 실시형태에 따른 차량용 인버터가 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1a 및 도 1b 를 참조하면, 인버터 모듈 유닛 (10) 은 제 1 반도체 모듈의 역할을 하는 제 1 인버터 모듈 (11), 제 2 반도체 모듈의 역할을 하는 제 2 인버터 모듈 (12), 및 냉각수 (coolant) 파이프들 (90, 91, 92, 93, 94, 및 95) 을 포함한다.
제 1 인버터 모듈 (11) 과 제 2 인버터 모듈 (12) 은 동일한 구조를 갖는다.
도 3a 및 도 3b 를 참조하면, 인버터 모듈 (11 및 12) 각각은 냉각기를 포함한다. 인버터 모듈 (10) 은 수지로 몰딩되고, 반도체 소자들 (칩들) 이 실장되는 기판들을 포함한다. 도 3a 내지 도 4b 에 도시된 바와 같이, 인버터 모듈들 (11 및 12) 각각은 수냉식 냉각기 (20), 4 개의 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34), 6 개의 트랜지스터들 (칩들) (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6), 6 개의 다이오드들 (칩들) (Dl, D2, D3, D4, D5, 및 D6), 및 몰드된 수지부 (40) 를 포함한다. 수지부 (40) 는, 예를 들어, 에폭시 수지로 형성될 수도 있다.
도 2 는 인버터 모듈 유닛 (10) 의 회로 구성을 도시한다. 인버터 모듈 (11) 은 외부 디바이스로부터 공급된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 (50) 를 포함한다. 그 다음에, 인버터 (50) 는 교류 전력을 주행용 모터 (60) 로 공급한다. 이는 모터 (60) 를 회전 구동한다.
상세하게는, 인버터 (50) 는 복수의 암들, 즉, 전원 라인과 접지 라인 사이에 평행하게 배치된 U-상 암, V-상 암, 및 W-상 암을 포함한다. 암들은 2 개의 직렬로 접속된 트랜지스터들 (IGBT) (각각, Q1 과 Q2, Q3 과 Q4, 및 Q5 와 Q6) 을 포함한다. 트랜지스터들 (각각, Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6) 의 컬렉터 (collector) 와 에미터 (emitter) 사이에 다이오드들 (D1, D2, D3, D4, D5, 및 D6) 이 배치된다. 다이오드들 (D1 내지 D6) 각각은 에미터로부터 상응하는 트랜지스터의 컬렉터로 전류가 통과하는 것을 허용한다.
동일한 방식으로, 인버터 모듈 (12) 은 외부 디바이스로부터 공급된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터 (51) 를 포함한다. 그 다음에, 인버터 (51) 는 교류 전력을 주행용 모터 (61) 로 공급한다. 이는 모터 (61) 를 회전 구동한다. 상세하게는, 인버터 (50) 는 복수의 암들, 즉, 전원 라인과 접지 라인 사이에 평행하게 배치된 U-상 암, V-상 암, 및 W-상 암을 포함한다. 암들은 2 개의 직렬로 접속된 트랜지스터들 (IGBT) (각각, Q1 과 Q2, Q3 과 Q4, 및 Q5 와 Q6) 을 포함한다. 트랜지스터들 (각각, Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6) 의 컬렉터와 에미터 사이에 다이오드들 (D1, D2, D3, D4, D5, 및 D6) 이 배치된다. 다이오드들 (D1 내지 D6) 각각은 에미터로부터 상응하는 트랜지스터의 컬렉터로 전류가 통과하는 것을 허용한다.
이러한 방식으로, 전력 변환 회로들의 역할을 하는 인버터들 (50 및 51) 은 단일 반도체 장치의 역할을 하는 인버터 모듈 유닛 (10) 으로 형성된다.
도 3a 및 도 4b 에 도시된 바와 같이, 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) 은 직접 브레이징된 알루미늄 (direct brazed aluminum; DBA) 기판들로 형성된다. 각각의 DBA 기판은 세라믹 기판 (35), 세라믹 기판 (35) 의 제 1 면 상에 형성되는 알루미늄층 (36), 및 세라믹 기판 (35) 의 제 2 면 상에 형성되는 알루미늄층 (37) 을 포함한다. 알루미늄층 (36) 은 세라믹 기판 (35) 의 제 1 면 상에 패터닝된다. 동일한 방식으로, 알루미늄층 (37) 은 세라믹 기판 (35) 의 제 2 면 상에 패터닝된다.
냉각기 (20) 는 낮은 프로파일을 갖는 사각형 박스의 형태를 가지고, 알루미늄으로 형성된다. 도 6 에 도시된 바와 같이, 냉각기 (20) 는 제 1 쉘 플레이트로서 기능하는 상부 플레이트 (24), 제 2 쉘 플레이트로서 기능하는 하부 플레이트 (25), 및 물결 모양으로 되어 있는 (undulated) 이너 핀 (inner fin) (26) 들을 포함한다. 상부 플레이트 (24) 의 외주연부 (peripheral portion) 와 하부 플레이트 (25) 의 외주연부는 함께 구부러진다. 이 상태에서, 상부 플레이트 (24) 와 하부 플레이트 (25) 의 외주연부들은 서로 브레이징된다 (brazed). 이는 냉각기 (20) 의 상부 플레이트 (24) 및 하부 플레이트 (25) 의 외주연부들에서 상부 플레이트 (24) 및 하부 플레이트 (25) 를 브레이징한다. 냉각수 유로 (P1) 가 상부 플레이트 (24) 와 하부 플레이트 (25) 사이에 형성된다. 또한, 이너 핀들 (26) 은 상부 플레이트 (24) 와 하부 플레이트 (25) 에, 그리고 상부 플레이트 (24) 와 하부 플레이트 (25) 사이에서 브레이징된다.
냉각기 (20) 는 냉각수 유로 (P1) (도 6 참조) 를 포함한다. 또한, 냉각기 (20) 는 방열부로서 기능하는 내면 (20a) 을 갖는다. 유입구 파이프 (inlet pipe) (22) 는 냉각기 (20) 의 상면에 커플링되어, 냉각기 (20) 에 형성되는 포트 (27a) (도 5b 참조) 를 통해 냉각수가 냉각기 (20) 안으로 공급되는 것을 허용한다. 동일한 방식으로, 유출구 파이프 (outlet pipe) (23) 는 냉각기 (20) 의 상면에 커플링되어, 냉각기 (20) 에 형성되는 포트 (27b) (도 5b 참조) 를 통해 냉각수가 냉각기 (20) 로부터 배출되는 것을 허용한다. 좀더 구체적으로, 펌프는 유입구 파이프 (22) 를 통해 냉각수를 냉각기 (20) 안으로 보내고, 유출구 파이프 (23) 를 통해 냉각기 (20) 로부터 냉각수를 배출한다.
절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) 은 브레이징되어 냉각기 (20) 의 외면에 고정된다. 반도체 소자들의 역할을 하는 트랜지스터들 (칩들) (Q1 내지 Q6), 및 다이오드들 (칩들) (D1 내지 D6) 이 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) 상에 실장된다. 상세하게는, 4 개의 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) 각각에서의 세라믹 기판 (35) 아래의 알루미늄층 (36) 은 브레이징 재료에 의해 냉각기 (20) 의 상면과 접합된다.
절연 기판 (31) 에서의 세라믹 기판 (35) 상의 알루미늄층 (37) 은 배선 재료이다. 트랜지스터 (칩) (Q1) 및 다이오드 (칩) (D1) 는 솔더링되어 (soldered) 알루미늄층 (37) 의 상면과 접합된다. 절연 기판 (32) 에서의 세라믹 기판 (35) 상의 알루미늄층 (37) 은 배선 재료이다. 트랜지스터 (칩) (Q3) 및 다이오드 (칩) (D3) 는 솔더링되어 알루미늄층 (37) 의 상면과 접합된다. 절연 기판 (33) 에서의 세라믹 기판 (35) 상의 알루미늄층 (37) 은 배선 재료이다. 트랜지스터 (칩) (Q5) 및 다이오드 (칩) (D5) 는 솔더링되어 알루미늄층 (37) 의 상면과 접합된다. 절연 기판 (34) 에서의 세라믹 기판 (35) 상의 알루미늄층 (37) 은 배선 재료이다. 트랜지스터들 (칩들) (Q2, Q4, 및 Q6) 및 다이오드들 (칩들) (D2, D4, 및 D6) 은 솔더링되어 알루미늄층 (37) 의 상면과 접합된다.
트랜지스터들 (Q1, Q3, 및 Q5) 의 상면들 상의 컬렉터 단자들, 및 다이오드들 (D1, D3, 및 D5) 의 상면들 상의 캐소드 단자들은, 솔더 (solder) (71) 에 의해, 외부 접속 단자로서 기능하는 도전판 (conductive plate) (70) 과 접합된다. 트랜지스터 (Q2) 의 상면 상의 컬렉터 단자, 다이오드 (D2) 의 상면 상의 캐소드 단자, 및 절연 기판 (31) 에서의 알루미늄층 (37) (트랜지스터 (Q1) 의 에미터 및 다이오드 (D1) 의 애노드) 은, 솔더 (73) 에 의해, 외부 접속 단자로서 기능하는 도전판 (72) 과 접합된다. 또한, 트랜지스터 (Q4) 의 상면 상의 컬렉터 단자, 다이오드 (D4) 의 상면 상의 캐소드 단자, 및 절연 기판 (32) 에서의 알루미늄층 (37) (즉, 트랜지스터 (Q3) 의 에미터 및 다이오드 (D3) 의 애노드) 은, 솔더 (75) 에 의해, 외부 접속 단자로서 기능하는 도전판 (74) 과 접합된다. 트랜지스터 (Q6) 의 상면 상의 컬렉터 단자, 다이오드 (D6) 의 상면 상의 캐소드 단자, 및 절연 기판 (33) 에서의 알루미늄층 (37) (즉, 트랜지스터 (Q5) 의 에미터 및 다이오드 (D5) 의 애노드) 은, 솔더 (77) 에 의해, 외부 접속 단자로서 기능하는 도전판 (76) 과 접합된다. 외부 접속 단자로서 기능하는 도전판 (78) 은 절연 기판 (34) 에서의 세라믹 기판 (35) 상의 알루미늄층 (37) 에 솔더링된다. 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78) 은 구리로 형성된다. 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78) 각각은 제 1 단 및 제 2 단를 포함한다. 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78) 의 제 1 단들은 상응하는 트랜지스터들 (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6), 및 상응하는 다이오드들 (D1, D2, D3, D4, D5, 및 D6) 에 전기적으로 접속된다.
도전판 (70) 의 제 2 단은 위쪽을 향해 휘어진다. 동일한 방식으로, 도전판 (72) 의 제 2 단은 위쪽을 향해 휘어진다. 도전판 (74) 의 제 2 단은 위쪽을 향해 휘어진다. 도전판 (76) 의 제 2 단은 위쪽을 향해 휘어진다. 도전판 (78) 의 제 2 단은 위쪽을 향해 휘어진다.
6 개의 접속 핀 시트 (connection pin seat) (80, 81, 82, 83, 84, 및 85) 들은 냉각기 (20) 의 상면에 고정된다. 외부 접속 단자들로서 기능하는 3 개의 접속 핀들 (86) 은 접속 핀 시트들 (80, 81, 82, 83, 84, 및 85) 각각에 고정된다. 접속 핀들 (86) 은 구리로 형성된다. 3 개의 접속 핀들 (86) 중 하나의 접속 핀은 게이트 전압 인가 라인을 형성하고, 2 개의 남은 접속 핀들 (86) 은 에미터 전압 검출 라인 및 에미터 온도 검출 라인을 형성한다. 3 개의 접속 핀들 (86) 은 배선 재료로 형성된 와이어들 (W), 또는 와이어-본딩에 의해, 트랜지스터들 (칩들) (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6) 에 전기적으로 접속된 제 1 단들을 포함한다.
3 개의 접속 핀들 (86) 은 상응하는 트랜지스터들 (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6) 에 전기적으로 접속되는 제 1 단들, 및 위쪽을 향해 휘어지는 제 2 단들을 포함한다.
수지부 (40) 는 냉각기 (20) 의 상면 상에 배치된 부품들 (즉, 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34), 트랜지스터들 (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6), 다이오드들 (D1, D2, D3, D4, D5, 및 D6), 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78), 접속 핀들 (86), 및 와이어 (W)) 을 도포한다. 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78) 은 수지부 (40) 로부터 노출된 상부 단들을 갖는 입설부 (upright portion) (70a, 72a, 74a, 76a, 및 78a) 들을 포함한다. 동일한 방식으로, 트랜지스터들 (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6) 각각에 접속되는 3 개의 접속 핀들 (86) 은 수지부 (40) 로부터 노출된 상부 단들을 갖는 입설부 (86a) 들을 포함한다.
상술된 바와 같이, 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) 은 냉각기 (20) 와 일체화된다. 또한, 반도체 소자들 (즉, 트랜지스터들 (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6), 및 다이오드들 (Dl, D2, D3, D4, D5, 및 D6) 및 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78) 은 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) 상에 솔더링된다. 그 다음에, 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34), 냉각기 (20), 반도체 소자들, 및 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78) 모두의 위에 수지부 (40) 가 몰드된다. 이는 반도체 모듈을 형성한다.
또한, 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78) 의 제 2 단들, 및 접속 핀들 (86) 의 제 2 단들이 수지부 (40) 로부터 노출된 상태에서, 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34), 트랜지스터들 (Ql 내지 Q6), 다이오드들 (D1 내지 D6), 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78) 의 제 1 단들, 접속 핀들 (86) 의 제 1 단들, 및 냉각기 (20) 상에 수지부 (40) 가 몰드된다. 이는 복수의 반도체 모듈들을 형성한다.
유입구 파이프 (22) 및 유출구 파이프 (23) 는 냉각기 (20) 의 상면에 접속된다.
도 1a 및 도 1b 에 도시된 바와 같이, 2 개의 인버터 모듈들 (11 및 12) 이 케이스 (C1) 내에 배치된다. 상세하게는, 케이스 (C1) 는 박스 형태이고, 상부 개구 (opening) 를 포함한다. 인버터 모듈들 (11 및 12) 은 케이스 (C1) 내의 하면 상의 왼쪽과 오른쪽에 배치된다. 파이프 (90) 는 2 개의 파이프들 (91 및 92) 로 분기된다. 파이프 (91) 는 인버터 모듈 (11) 의 유입구 파이프 (22) 에 커플링되고, 파이프 (92) 는 인버터 모듈 (12) 의 유입구 파이프 (22) 에 커플링된다. 인버터 모듈 (11) 의 유출구 파이프 (23) 는 파이프 (93) 에 커플링되고, 인버터 모듈 (12) 의 유출구 파이프 (23) 는 파이프 (94) 에 커플링된다. 파이프들 (93 및 94) 은 파이프 (95) 에 커플링된다.
상술된 바와 같이 형성된 인버터 모듈들 (11 및 12) 은 교체가능한 부품들이다. 또한, 인버터 모듈들 (11 및 12) 각각은 유닛을 형성한다.
이제, 인버터 모듈 유닛 (10) 의 작용이 설명될 것이다.
인버터 모듈 유닛 (10) 의 인터버 모듈들 (11 및 12) 은 케이스 (C1) 내에 배치된다. 또한, 파이프들 (91, 92, 93, 및 94) 은 인버터 모듈들 (11 및 12) 의 유입구 파이프들 (22) 및 유출구 파이프들 (23) 을 연결한다. 파이프들 (91 및 92) 을 통해 파이프 (90) 로부터 인버터 모듈들 (11 및 12) 로 냉각수가 공급된다.
유입구 파이프 (22) 를 통해 냉각기 (20) 안으로 냉각수가 공급된다. 냉각수는 냉각기 (20) 를 지나 유출구 파이프 (23) 를 향해 흐른다. 그 다음에, 유출구 파이프 (23) 를 통해 냉각기 (20) 로부터 냉각수가 배출된다. 인버터 모듈 유닛 (10) 의 6 개의 트랜지스터들 (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6) 각각은 스위칭 동작을 수행하는 경우 열을 발생시킨다. 또한, 6 개의 다이오드들 (Dl, D2, D3, D4, D5, 및 D6) 은 활성화되는 경우 열을 발생시킨다. 트랜지스터들 (Ql, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6) 에 의해 발생된 열은 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) (DBA 기판들) 을 통해 냉각기 (20) 로 전달되는데, 이는 냉각기 (20) 를 통해 흐르는 냉각수에 열을 전달한다. 동일한 방식으로, 6 개의 다이오드들 (Dl, D2, D3, D4, D5, 및 D6) 에 의해 발생된 열은 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) (DBA 기판들) 을 통해 냉각기 (20) 로 전달되는데, 이는 냉각기 (20) 를 통해 흐르는 냉각수에 열을 전달한다.
인버터 모듈들 (11 및 12) 내의 열교환된 냉각수는 파이프들 (93 및 94) 을 통해 배출되어 파이프 (95) 에 모인다. 그 다음에, 파이프 (95) 를 통해 인버터 모듈 유닛 (10) 으로부터 냉각수가 배출된다.
이제, 도 1a 내지 도 2b, 및 도 3a 내지 도 7b 를 참조하여 인버터 모듈 유닛 (10) 제조 방법이 설명될 것이다.
도 5a 내지 도 6 을 참조하면, 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) (DBA 기판들) 이 준비된다. 알루미늄층 (36) 은 세라믹 기판 (35) 의 일 면 상에 패터닝되고, 알루미늄층 (37) 은 세라믹 기판 (35) 의 타 면 상에 패터닝된다. 냉각기 (20) 를 형성하는 상부 플레이트 (24) 와 하부 플레이트 (25) 의 외주연부들은 구부러져 함께 브레이징된다. 또한, 물결 모양으로 되어 있는 이너 핀들 (26) 도 상부 플레이트 (24) 와 하부 플레이트 (25) 사이에서 브레이징된다. 동시에, 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) (DBA 기판들) 은 냉각기 (20) 의 상면에 브레이징된다. 상세하게는, 4 개의 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) 각각에서의 세라믹 기판 (35) 아래의 알루미늄층 (36) 은 냉각기 (20) 의 상면에 브레이징된다. 브레이징은 약 600 ℃ 에서 수행된다.
이어서, 도 7a 및 도 7b 를 참조하면, 트랜지스터들 (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6) 각각, 및 다이오드들 (D1, D2, D3, D4, D5, 및 D6) 각각은, 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) 중 상응하는 절연 기판에서의 세라믹 기판 (35) 상의 알루미늄층 (37) 의 상면에 솔더링된다.
동시에, 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78) 이 트랜지스터들 (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6) 및 다이오드들 (D1, D2, D3, D4, D5, 및 D6) 에 솔더링된다. 또한, 접속 핀들 (86) 이 고정되는 접속 핀 시트들 (80, 81, 82, 83, 84, 및 85) 이 냉각기 (20) 의 상면에 고정된다.
또한, 접속 핀들 (86) 은 와이어 (W) 에 의해 상응하는 트랜지스터들 (칩들 (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6) 과 접합된다. 그 다음에, 유입구 파이프 (22) 및 유출구 파이프 (23) 가 냉각기 (20) 에 커플링된다.
도 3a 내지 도 4b 에 도시된 바와 같이, 냉각기 (20) 상에 실장된 부품들을 실링하기 위해 수지부 (40) 가 이용된다. 냉각기 (20) 상에 실장된 부품들은 냉각기 (20) 와 유입구 파이프 (22) 사이의 커플링, 냉각기 (20) 와 유출구 파이프 (23) 사이의 커플링, 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34), 트랜지스터들 (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6), 다이오드들 (D1, D2, D3, D4, D5, 및 D6), 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78), 접속 핀들 (86), 및 와이어 (W) 를 포함한다. 수지부 (40) 는 약 120 ℃ 에서 몰드된다.
상기 실시형태는 하기에서 설명된 이점들을 갖는다.
(1) 전력 변환 장치의 역할을 하는 인버터 모듈 유닛 (10) 은 인버터 모듈들 (11 및 12) 을 포함한다. 인버터 모듈들 (11 및 12) 각각은 방열부가 제공된 방열 부재의 역할을 하는 냉각기 (20), 절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34), 트랜지스터들 (Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, 및 Q6), 다이오드들 (D1, D2, D3, D4, D5, 및 D6), 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78), 접속 핀들 (86), 및 수지부 (40) 를 포함한다. 절연 기판들 (31 내지 34), 트랜지스터들 (Ql 내지 Q6), 다이오드들 (D1 내지 D6), 도전판들 (70, 72, 74, 76, 및 78) 의 제 1 단들, 접속 핀들 (86) 의 제 1 단들, 및 냉각기 (20) 의 적어도 일부분에 수지부 (40) 가 몰드된다. 또한, 인버터 모듈들 (11 및 12) 각각은 유닛을 형성한다. 그러므로, 부품들을 교체하는 경우, 각각의 인버터 모듈이 새로운 인버터 모듈로 교환될 수도 있다. 이는 부품 (예를 들어, 소자, 도전판, 접속 핀, 및 와이어) 에서 열화가 일어나는 경우 조치 (교체들) 가 쉽게 수행되는 것을 허용한다.
각각의 인버터에 대해 단일 냉각기가 제공되기 때문에, 인버터 모듈 유닛은 복수의 인버터들을 포함한다. 이는, 복수의 인버터들에 의해 동일한 냉각기가 공유되는 경우와 비교하여, 열화된 부품들의 교체를 용이하게 한다.
좀더 구체적으로, 인버터 모듈이 각각의 인버터 (6 개 셋트의 트랜지스터와 다이오드) 에 대해 형성되고, 수지부가 각각의 인버터 모듈에 몰드된다. 이는 인버터 모듈 구조 (레이아웃 및 실장 형태) 에서의 자유도를 허용한다. 또한, 냉각기 (20) 및 인버터를 포함하는 일체형 모듈은 단일 인버터와 동일한 크기를 갖는다. 인버터 모듈 유닛이 복수의 인버터들을 포함하는 경우, 인버터 모듈들은 나란히 (next to one another) 배치될 수 있고, 수지부는 각각의 인버터 모듈에 몰딩될 수 있다. 이는 인버터 모듈들의 레이아웃에서의 자유도를 허용하고, 열화된 반도체 소자들과 같은 부품들의 교체를 용이하게 한다.
(2) 방열 부재의 역할을 하는 냉각기 (20) 는 냉각수 유로 (P1) 를 포함하므로, 우수한 방열성을 갖는다.
(3) 파이프들 (91, 92, 93, 및 94) 은 인버터 모듈들 (11 및 12) 을 연결하고, 인버터 모듈들 (11 및 12) 사이에 냉각수를 위한 유로를 형성한다. 이는 부품들의 교체를 용이하게 한다.
(4) 인버터 모듈들 (11 및 12) 은 동일한 평면 상에서 서로의 옆에 배치된다. 이는 인버터 모듈 유닛 (10) 이 낮은 높이를 갖는 것을 허용한다.
본 발명의 사상 또는 범위에서 벗어나지 않으면서 많은 다른 구체적인 형태들로 본 발명이 구현될 수도 있음이 당업자들에게 자명해야 한다. 특히, 본 발명은 다음의 형태들로 구현될 수도 있음이 이해되어야 한다.
인버터 모듈들 (11 및 12) 은 도 1a 및 도 1b 에 도시된 바와 같이 냉각수 파이프들에 의해 병렬로 접속된다. 그러나, 도 8a 및 도 8b 에 도시된 바와 같이, 인버터 모듈들 (11 및 12) 은 냉각수 파이프들 (96, 97, 및 98) 에 의해 직렬로 접속될 수도 있다.
도 9 에 도시된 바와 같이, 인버터 모듈들 (11 및 12) 은 중첩된 상태로 배치될 수도 있다. 중첩 배치는 인버터 모듈들 (11 및 12) 에 의해 점유된 면적을 줄인다.
도 10 에 도시된 바와 같이, 인버터 모듈들 (11 및 12) 은 냉각기들 (20) 이 서로 접촉되는 상태로 적층될 수도 있다.
도 11 에 도시된 바와 같이, 냉각기 (20) 의 불필요한 부분들 (예를 들어, 도 4b 에서 A1 및 A2 로 나타내어진 영역들) 이 제거되어 다이아몬드 형태를 갖는 냉각기 (20) 를 형성할 수도 있다. 이러한 방식으로, 전체 모듈의 형태를 변경함으로써, 인버터 모듈들 (11 및 12) 을 나란히 배치하는 경우에 더 많은 공간이 제공될 수 있다.
도 12 에 도시된 바와 같이, 유입구 파이프 (22) 및 유출구 파이프 (23) 가 냉각기 (20) 의 측면들 상에 배치될 수도 있어, 파이프들 (22 및 23) 이 수평으로 확장한다. 인버터 모듈들 (11 및 12) 이 중첩 배치되는 경우에, 파이프들 (22 및 23) 의 수평 확장은 인버터 모듈들 (11 및 12) 의 중첩 방향으로 더 많은 공간을 제공한다.
절연 기판들 (31, 32, 33, 및 34) 이 DBA 기판들이긴 하지만, 절연 기판들은 직접 브레이징된 구리 (direct brazed copper; DBC) 기판들일 수도 있으며, 직접 브레이징된 구리 기판들 각각은 구리층들에 의해 샌드위치된 (sandwich) 세라믹 기판 (35) 을 포함한다.
상기 실시형태에서는 2 개의 모듈들이 있으나, 3 개 이상의 모듈들이 있을 수도 있다.
상기 실시형태에서는 수냉식 냉각기가 이용되나, 공랭식 (air-cooling type) 냉각기가 이용될 수도 있다. 좀더 구체적으로, 예를 들어, 도 13 에 도시된 바와 같이, 히트 싱크 (200) 는 기판 접합면의 역할을 하는 일 면, 및 방열면의 역할을 하는 타 면을 포함할 수도 있다. 절연 기판 (210) 은 히트 싱크 (200) 의 기판 접합면과 접합되고, 반도체 소자 (220) 는 절연 기판 (210) 상에 실장된다. 외부 접속 단자 (230) 의 제 1 단은 와이어 (W) 에 의해 반도체 소자 (220) 에 전기적으로 접속된다. 그 다음에, 이러한 부품들에 수지부 (240) 가 몰드된다. 공랭식 냉각기에 있어서, 핀들 (201) 이 히트 싱크 (200) 에 커플링될 수도 있다.
인버터 모듈 유닛 내의 모듈들 중 하나의 모듈의 냉각기는 수냉식일 수도 있고, 다른 모듈의 냉각기는 공랭식일 수도 있다.
본 발명이 전력 변환기로서 기능하는 인버터에 적용되긴 하지만, 본 발명은 컨버터와 같은 다른 유형의 전력 변환기에 적용될 수도 있다.
각각의 인버터 모듈은 6 개의 암들 (6 개의 트랜지스터들 및 다이오드들) 로 분할되나, 암들은, 예를 들어, 2 개의 암들 (2 개의 트랜지스터들 및 다이오드들) 로 더 분할될 수도 있다.
본 예시들 및 실시형태들은 예시적인 것으로 고려될 것이며 제한적인 것으로 고려되지는 않을 것이고, 본 발명은 본원에서 주어진 세부사항들로 제한되지 않고, 첨부된 청구항들의 범위 및 등가물 내에서 변형될 수도 있다.

Claims (6)

  1. 복수의 반도체 모듈들을 포함하는 전력 변환 장치로서,
    상기 반도체 모듈들 각각은,
    방열부를 포함하는 방열 부재 및 냉각수 (coolant) 유로,
    상기 방열 부재에 고정된 절연 기판,
    상기 절연 기판 상에 실장된 반도체 소자,
    상기 반도체 소자에 전기적으로 접속되는 제 1 단, 및 반대측의 제 2 단을 포함하는 외부 접속 단자, 및
    상기 절연 기판, 상기 반도체 소자, 상기 제 1 단, 상기 방열 부재의 적어도 일부분에 몰드된 수지부를 포함하고,
    상기 반도체 모듈들 각각은 유닛을 형성하는, 전력 변환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수지부는 상기 제 2 단이 상기 수지부로부터 노출된 상태에서 몰딩되는, 전력 변환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 방열 부재는 냉각기인, 전력 변환 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반도체 모듈들 사이에 냉각수를 위한 유로를 형성하기 위해 반도체 모듈들을 연결하는 파이프를 더 포함하는, 전력 변환 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 모듈들은 동일 면 상에서 서로의 옆에 배치되는, 전력 변환 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 모듈들은 서로 중첩되는, 전력 변환 장치.
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