TW472428B - Power supply and heat dissipation device for power semiconductor device - Google Patents

Description

47卻8 五、發明說明（1) 技術領域 本發明係關於一種在伸n M i t , ., 啦'1定用後數個功率丰導· It元株夕千 中，使功率半導體元件之牛V!兀件之電路 熱作用的功率半導體元# >、&冓k間化，同犄亦具備有散 背景枯術牛導體"件之供電及放熱裳置。 一般而言，供應較大電力 複數個功率半導體元件的電 車為其一例時，則作為車輛 動電路，即具備有複數個功 在金屬製之罩體（casing)内 而邊搭載在車輛上。又，該 之筒狀箱及蓋體所構成，^ 箱内之後，使之被覆蓋體， 體。 的控制裝置’係包含一具備有 路。當舉近來受人注目的電動 驅動源的電動馬達及該馬達驅 率半導體元件的裝置，係收納 ’以邊謀求馬達及電路之保護 罩體，係由使用鋁等的金屬製 將馬達之構成部分收納在筒狀 並以螺釘固定組裝筒狀箱與蓋 馬達驅動電路，係以高速切換控制對馬達•線圈通電之 功率半導體元件的開關元件為主體而製《。然％，當功率 半導體兀件發熱，且上升至額定溫度時，為了要保護電 路，就必須抑制或停止馬達之輸出。因此，為了要迴避此 種事態以獲得較大的輸出’就不可缺少將由功率半導體元 件所產生的熱棑放至馬達箱外的作業。 .因此’在習知中’設在功率半導體元件上的散熱用金屬 零件’係為了得到散熱作用而安裝在散熱片（heat sink) 上0 在此種習知電路中，當例舉例如FET時，當功率半導體

極與散熱 的功率半 體元件與 電絕緣時 所以會使 率半導體 雖然該電 係在電路 用以處理 銅箔形成 或是在電 而，該習 需要零件 用金屬零件 導體元件安 散熱片之間 ，由於電絕 功率半導體 元件焊接在 路、與連接 板上完成， 大電流*所 圖案，或將 路板上形成 知之電路板 點數與工作 五、發明說明（2) 元件之汲極電 不同電路部分 在各功率半導 當如此地確保 熱電阻也大， 又，在將功 成時，一般， 的端子之連接 般說來由於係 以厚度較大的 利用其内層， 甚至製程。因 小型化，而且 關0 係電連接著， 裝在同一散熱 就必須要電絕 緣體之電阻很 元件之散熱性 電路板上且設 電源、馬達等 但是功率半導 以需要例如在 電路板形成多 洞孔狀之端子 ’構造變得複 時數’與高成 且將用於 片上時， 緣。又， 大，同時 降低。 置電路構 外部電路 體元件一 電路板上 層構造並 等的構造 雜且難以 本息息相 因此，本發明有鑑於該種 簡化裝設於電路板上之功率 亦具備有散熱作用的功率半 發明之揭示 的問題，其目的在於提供一種 半導體元件的供電構造，同時 導體元件之供電及放熱裝置。 其係一種功率 數個功率半導體 本案申請專利範圍第1項所記載之發明， 半導體元件之供電及放熱裝置，在使用複 元件之電路中， 前述功率半導體it件’係具備有該^件中之電極在 導體之封裝内部進行電連接的散熱用金屬零件， ° 且在前述複數個功率半導體元件之中，使連接前述散孰

五、發明說明（3) 固設在成為同電位的該散熱用金屬零件， ::放熱體當作-個連接端子來使用。 零件可電月之裝置，|lj由於複數個散熱用金屬 個連接端子來使用固二將該-個散熱體當作― 屬零件的電極開如八尤可不需要從該複數個散熱用金 造。別進行配線作t，而可簡化供電構 :本發明，由於複數個散熱用金屬零件並不介μ 絕緣體與散熱體連接， 二1以電 熱體間的熱電⑯’而可 /小σ功率半導體元件與散 .本案申請專利範工二率半導體元件之散熱性。 範圍第1項的發明中…載之發明’係在申請專利 雷！4 + ' 中則述政熱體係電連接固設在具有導

電性之一個散熱板上， ^ ^ ^ V 子來使用者。 J蛉將别述散熱板當作一個連接端 個、鱼:山：T使政熱體電連接複數個散熱板且將此當作-=接：子來使用，所以可更加簡化上述供電構造I, ft功皇主道辨-批 /地連接散熱板，所以可更加提 问功率+導體7G件之散熱性。 專:!範圍第3項所記載之發明，係在申請專利 不^八固叹在其他的散熱器上。 :依據此種構成’則由於散熱板的熱可利他的散熱 荔來散執，所以可更 木狀”、、 j更加棱南功率半導體元件之散熱性。

第6百 89110545.ptd 472428 五 、發明說明（4) __ 本案申請專利範圍第4項所記載之發 範圍第1項之功率半導體元件之供電及放埶 散熱體係以電絕緣方式固設在其他的散熱器，置中，前述 π若依據此種構成，則由於散熱板的熱可 器來散熱’所以可更加提高功率半導體元件之；::散熱 本案申請專利範圍第5項所記載之發明，係在月'、、=生。 靶圍第4項之功率半導體元件之供電及放埶裝置：明專利 散熱體與前述其他的散熱器之固設面積，’係中’前述 與前述散熱用金屬零件之固設面積還寬。 則述散熱體 若依據此種構成，則可更加提高功率半導體元 鈦 亦即，當使散熱體與其他的散熱器電絕緣時， :間的熱電阻會變大，但是在本發明t，由於將散：； 八他的散熱器之固設面積，設定得比散熱體與散熱用、= 零件之固設面積還寬，所以可平衡佳地確保自散^用二 ，件傳至散熱體的熱量、與自散熱體傳至其他散^哭二 量’結果’可效率佳地進行功率半導體元件之散&了 、 本案申請專利範圍第6項所記載之發明，係在申請專j 毒已圍第4項之功率半導體元件之供電及放熱裝中，义、 政熱體係板狀之構件’同時相對於前述其他的檄埶哭 以螺釘固定方式予以固設者。 &本案申請專利範圍第7項所記載之發明，係在申請專利 範圍第5項之功率半導體元件之供電及放熱裝置中，前述 散熱體係板狀之構件，同時相對於前述其他的散熱器係

五、發明說明（5) 以螺釘固定方式予以固設者。 若依據此申請專利範圍第6及7 設置散熱體。 貝之構成則可效率佳地 所以可 以月之散熱體，由於係板狀之構件 於 來衣造’而可減低其製造成本。 螢ja所實施之昜^ 以下，係根據圖式詳細說明本發明之具體例。 同時其 為了便 =例’係例舉例如FET以作為功率半導體元件， 仏，及放熱裝置’係被組入於電動馬達内的情況 於说明起見，首先就電動馬達加以說明。 要動馬達M’基本上係由收納有馬達之機械 ^ ^的馬達板、、且A、及收納有電氣控制要素的電路模组B 構成，此例中係當作電動車之行走驅動源來使用，、’· 此馬達模組A，係由在略呈圓筒形狀之懸掛箱(hanger case)2丨内具備有三相線圈的馬達本體22、及將樹脂 馬達本體22内的樹脂塊23所構成。此馬達本體22，係由對 懸掛箱21軸支成可旋轉自如的馬達軸24、固設在該馬達軸 24上的轉子25、及固定在懸掛箱21側的定子26所構成。 另一方面’電路模組B，係由在金屬製之散熱片箱（匕⑽七 S1nk Case)ll内用以控制馬達本體22通電的電路板12、裝 設在該電路板12上的功率半導體元件丨、後述之散熱體的 辅助散熱片6、二叉狀之散熱板7、及電容器等的相關零件 所構成。更且，雖省略圖示，但是控制功率半導體元件開 關的C P U或相關零件亦配置於散熱片箱内。

89110545.ptd 第8頁 五、發明說明（6) 另外’成述馬達本於 予線圈以形成三相(= 之相線及 ，正端⑴及負：(半二以 ϋ、V、W係連接至馬達上。 至電源上，而連接端子之 另方面’圖3.所示的功率半 極、汲極、及源極的各電極2=、^件1，係具備有閘 電連接的散熱用金屬裳件5。 、及與前述汲極電極3 然後，在圖2中， 件1，由於各沒極電極3在°斤不的三個功率半導體元 裝在一個散熱器上。 中係同電位，所以可直接安 在本例中，如圖4所示， 導體元件1固設在—個祕处 累釘固定方式將三個功率半 6，係具有導電性的金屬構：輔：散熱片6上。輔助散熱片 件1直接固設在辅助散熱 ’猎由將三個功率半導體元 半導體元件1電連接。 ’辅助散熱片6即可舆功率 再者’將輔助散熱# 备 例中，係在輔助散熱片:北—個連接端子來使用。在本 上以螺釘Θ來連接導岣8月面°又置螺接部，在該螺接部 ^ , 牧♦、果8之端子8a。 如此，若依據本例之努 可不需要從該複數個散執：入作；個連接端子使用，所以 …、五屬零件的没極電極中分別予

之散熱用金屬零件5可雷^ ，則複數個功率半導體元件1 於係將此-個輔助散埶；個輔助散熱片6上’且由 五、發明說明（7) 以配線，而可簡化供電構造。 再者在本例中，由於複數個吟 以電絕緣體而連接在輔助散 政熱用金屬，件5並未介 半導體元件i .與輔助散孰片6 '間片6上’所以可減小各功率 導體元件1的散熱性。’、0 、，、、、電阻，而可提高功率半 如圖5所示’前述電 形狀薄板，且分別在此電路板12係=成具備預定直徑的圓 固定功率半導體元件丨的輔助 ^面侧安裝有用以密接 安裝有大容量的電容器1()。m而在相反之背面侧 又’如圖6及圖7所示，輔肋埤姑u n 其他散熱體之三叉狀的散㈣在複數個' ;:者的辅助散熱片6，係各辅助散熱片6在電路上為同 6a ί :以！1 t散熱片6，係在其上設有螺孔以，在此螺孔 /名略圖不的螺釘來固接散熱板7。 將二作=㈡=電連接在複數個散熱板7上並 於複數個散熱ί(:= 更可捭古 n D ^更連接在散熱板7上，所以 更了功率半導體元件之散熱性。 所以 其圖1及圖7所，’前述散熱板7 ’係將絕緣片13爽入於 7的輔助散1接片上：另外，在未裝設有散熱板 片箱11上在, 配言:有絕緣片13，並厘接在散熱 (fin) 〇在政A片相11之外面，設有散熱用之散熱翼片

472428 五、發明說明（8) 如此，散熱板7由於係被壓接在散熱片箱1 1上，所以散 熱板7之熱可利甩散熱片箱1 1而散熱至外部，結果，可更 加提高功率半導體元件1之散熱性。另外，未裝設有散熱 板7的辅助散熱片6由於亦被壓接在散熱片箱11上，所以輔 助散熱片6之熱亦可利用散熱片箱1 1而散熱至外部，而可 提高功率半導體元件1之散熱性。 另外，散熱板7及輔助散熱片6由於係以電絕緣方式固設 在散熱片箱11上，所以功率半導體元件1之大電流不會從 散熱片箱11散逸至外部，藉此可確保安全性。 又，前述之各輔助散熱片6在電路上為同電位的該輔助 散熱片，係例如圖8所示，亦可並列於單侧，同時可對應 之而將散熱板7形成半圓形來使用。更不會被限定於該等 的配置態樣，而可採用將輔助散熱片6配置成四角形等的 適當態樣。 在以上之具體例中，雖係舉組入於電動馬達内的情況為 例而加以說明，但是本發明並非被限定於此，而亦可適用 於一般功率半導體元件之供電及放熱裝置所採用者中。 又，雖然功率半導體元件係舉FET為例而加以說明，但是 並非被限定於此，例如亦可使用例如電晶體、二極體、閘 流體、I GBT、S I T等適當零件、或組合該等而裝入一個封 裝内者。 其次，根據圖9至圖1 3說明本發明之另一具體例。 如該等圖所示，在本例之供電及放熱裝置的情況，輔助 散熱片6，係以電絕緣方式固設在散熱片箱11上。

89110545.ptd 第11頁 五、發明說明（9) ____ 所以在共诵關’、他的基本構成，由於與前述具體例相同， 明。 的構件上附記相同的元件編號，同時省略其說 釘固定P方Ϊ例中的輔助散熱片6，係在其—方之面上以螺 散熱片箱it功；t導體元件1的板狀構件，且相對於 1 3，而邊η @。係故在與其另一方之面之間隔著絕緣片 件1之名® hi釘固定方式予以固設。如此的功率半導體元 τ丄疋谷罨極2、3、4，係呈L字狀。 成ΪΪ助=散熱片6與散熱片箱11之固設面積，係設定 Ϊ 片6與散熱用金屬零件5之固設面積還寬。 用為了確2 = ^片6對散熱片箱11之螺釘固定，係使 緣體的螺針14 /戈^6與散熱片箱11之絕緣性而裝設絕 又，在本:中if緣體所構成的螺釘。 固定、及輔助气々月Η ίΓ用金屬零件5對輔助散熱片6之螺釘 久锎助放熱片6對勘舶μ々々 輔助散熱片β之厚声太Α…片相11之螺釘固定，係同為 從同-方向插入Λ來進二故而曰，該等的螺釘固定’係可 程。 ’、進仃，且可簡化此種裝置之生產製 若依據本例之功率半 — 於辅助散熱片6之故可上體二件之供電及放熱裝置’則由 半導體元件1之散埶性用政熱片箱11而散熱，所以功率 又，當輔助散敎片6二更力:提高。 助散熱片6與散埶片^彳 疋在本例中，由於係將輔 相11之固設面積，設定得比輔助散熱

89110545.ptd 第12頁 然該等之間的熱電阻會y大U 1之間為電絕棒 472428 五、發明說明（ίο) 片6與散熱用金屬零件5之固設面積還寬，所以可平衡佳地 確保自散熱用金屬零件5傳至輔助散熱片6的熱量、及自輔 助散熱片6傳至散熱片箱11的熱量，結果，可效率佳地進 行功率半導體元件1之散熱。 再者，輔助散熱片6，由於係板狀構件，所以可利用打 孔加工來製造，而可減低其製造成本。而且，對散熱片箱 11而言，係藉由以螺釘固定方式來固設，故可效率佳地設 置。另外，輔助散熱片6之平面形狀，係考慮與散熱片箱 11之固設面積等而予以適當設定者。 產業上之可利用性 本發明係一種在使用複數個功率半導體元件之電路中， 使功率半導體元件之供電構造簡化，同時亦具備有散熱作 用的功率半導體元件之供電及放熱裝置，例如可適當地當 作馬達之驅動電路來利用。 【元件編號之說明】 1 功率半導體元件 2 閘極電極 3 汲極電極 4 源極電極 5 散熱用金屬零件 6 輔助散熱片 6 a 螺孔 7 散熱板 8 導線

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五、發明說明 (Π) 8a 端子 9 螺釘 10 電容器 11 散熱片箱 12 電路板 13 絕緣片 14 螺釘 21 懸掛箱 22 馬達本體 23 樹脂塊 24 馬達轴 25 轉子 26 定子 A 馬達模組 B 電路模組 Μ 電動馬達 89110545.ptd 第14頁 472428 圖式簡單說明 圖1係關於本發明之具體例，其顯示將功率半導體元件 之供電及放熱裝置組入於電動馬達内的縱剖面圖。a 圖2係關於本發明之具體例，其為使用功率半 之反相器電路圖。 &干 係關於本發明之具體例，⑴為功率半導 咸立體圖；（2)為同電路記號。 卞&外 圖4係關於本發明之具體例，其顯示將複 體几件安裝在輔助散熱片上之狀態羊“ ，係關於本發明之具體例，其顯示將安二圖二“ 率半導體元件的複數個輔助散熱 將:/'有複數個功 的外觀立體圖。 ”、、"在電路板上之狀態 圖6係關於本發明之具體例，a _ 片配置在電路板上之狀態的圖，，、曰'、、不將禝數個輔助散熱 裝散熱板之狀態之局部破斷的颂不在辅助散熱片上安 圖7係關於本發明之具體例，。立體圖。 觀立體圖。 ，”顯示電路模組部分的外 其顯示功率主道邮_ 刀千十導體元件之 其顯不·功率*堵CT此 刀手牛導體元件之 其顯- 圖8係關於本發明之具體例 片配置在電路板上之狀態的圖 裝散熱板之狀態的外觀立體圖 圖9係關於本發明之具體例°， 供電及放熱裝置的縱剖面圖。 圖1 0係關於本發明之具體例 供電及放熱裝置的分解ΐ體圖， 圖11係關於本發明之具體例， 472428 圖式簡單說明 外觀立體圖。 圖1 2係關於本發明之具體例，其顯示功率半導體元件及 辅助散熱片的俯視圖。 圖1 3係關於本發明之具體例，其顯示功率半導體元件及 電路板的俯視圖。

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Claims (1)

1. 472428 六、申請專利範圍 1彳重功率半導體元件之供電及放熱裝置，其特徵為： 在使用複數個功率半導體元件之電路中， 前述功率半導體元件，係具備有該元件中之電極在該半 導體之f装=部進行電連接的散熱用金屬零件， 且在说述複數個功率半導體元件之中，使連接前述散熱 用=屬令件之電極電位成為同電位的該散熱用金屬零件， 口》又在/、有$電性之—個散熱體上並與之導通， 更將:欠熱體當作一個連接端子來使用。 埶2.如申請專利範圍第1項之功率半導體元件之供電及放 ;、、、裝置其中别述散熱體係電連接固設在具有導電性之一 ^散熱板上，同時將前述散熱板當作一個連接端子來使用 者。 3. 如申請專利範圍第2項之功率半導體元件之供電及放 熱裝置’其中前述散熱板以電絕緣方式固設在其他的散 熱器上。 4. 如申請專利範圍第1項之功率半導體元件之供電及放 熱裝置’其中前述散熱體係以電絕緣方式固設在其他的散 熱器上。 5. 如申請專利範圍第4項之功率半導體元件之供電及放 熱裝置’其中前述散熱體與前述其他的散熱器之固設面 積’係比前述散熱體與前述散熱用金屬零件之固設面積還 尾° 6 ·如申請專利範圍第4項之功率半導體元件之供電及放 熱褒置，其中前述散熱體係板狀之構件，同時相對於前述

   472428 六、申請專利範圍 其他的散熱器，係以螺釘固定方式予以固設者。 7.如申請專利範圍第5項之功率半導體元件之供電及放 熱裝置，其中前述散熱體係板狀之構件，同時相對於前述 其他的散熱器，係以螺釘固定方式予以固設者。

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