WO2014203552A1

WO2014203552A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2014203552A1
Application number: PCT/JP2014/051886
Authority: WO
Inventors: 晃嗣濱埜; 敏井堀; 雅之広田; 山崎　正
Original assignee: 株式会社日立産機システム
Priority date: 2013-06-19
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2014-12-24
Also published as: EP3012958A4; JP6082664B2; EP3012958B1; EP3012958A1; CN105308847A; JP2015006015A; CN105308847B

Abstract

　半導体モジュールが破壊した際に内部に発生する異常発熱による炎が開口部などから噴き出し、電力変換装置内部の他の部品などへの延焼による電力変換装置の二次的延焼が発生するという可能性があるという問題がある。　パワー半導体と、パワー半導体を冷却する冷却フィンと、前記パワー半導体と前記冷却フィンとの間に配置され、前記パワー半導体の形状に合わせた開口部を備える第一のケースと、前記パワー半導体に設けられたリード端子用の開口部を覆う第二のケースと、を備える電力変換装置である。

Description

電力変換装置

　本発明は、電力変換装置に関する。

　電力変換装置であるインバータは、産業界をはじめ家電製品にも交流電動機の速度制御装置として多く採用されている。

　電力変換装置は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子(電力用半導体素子)をスイッチング駆動させることにより電圧と周波数の可変制御が行われるが、小型化のため保護回路などの周辺回路を同一のパッケージに組込んだ半導体モジュール、いわゆるＩＰＭ(インテリジェント・パワー・モジュール)が用いられている。

　一方、高効率化・小型化・低価格化の要求は強く、加工技術の微細化による半導体チップのサイズ縮小（シュリンク）と高性能化により、同一定格の電流に対し従来パッケージより小型のパッケージで対応できるようになってきている。

　しかし、半導体モジュール製造上の自由度を上げることが重視され、モジュールの構造上、必ずしもユーザ側の要求にマッチしたものではないことがある。

特開２００８－２８８４１４号公報

富士電機技報２０１２ｖｏｌ．８５ｎｏ．６Ｐ．４２６－４２９

　特許文献１の段落［００５１］には、「蓋部２０ｃを基板５０上に載置した結果、複数のリードフレーム２３と、基板５０上の複数の金属箔１２とが接触する。そして、接触した部分の半田付けを行い、それぞれのリードフレーム２３と、それぞれの金属箔１２とを電気的に接続する。また、リードフレーム２３と、それぞれの金属箔１２とを接合させたことにより、蓋部２０ｃが基板５０上に固定される。」と記載されている。

　また、非特許文献１の第４２６頁左欄第２１行から第２４行には、「新しい小容量ＩＧＢＴモジュールとしてブレーキ付きインバータ・コンバータ用モジュール“小型フレキシブルＰＩＭ（ＰｏｗｅｒＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＭｏｄｕｌｅ）”を開発し、系列化した。」ことが、また、第４２６頁左欄第２７行から右上欄第２行には、「構造面では、従来のＩＧＢＴモジュール製品とは異なり、銅ベースを使用しないことにより大幅な小型化・軽量化を実現した。」点が記載されている。

　さらに、第４２７頁の左上には、図１に半導体モジュールとして小型フレキシブルＰＩＭの外観写真が掲載されている。写真には、リードフレーム（リード端子）を貫通する開口部、リードフレームが貫通していない空きの開口部、ゲル注入用の開口部が開示されており、第４２６頁右欄第１８行から第２０行には、「従来品で同じ定格電流のＭ７１１パッケージと比較すると、小型フレキシブルＰＩＭは，取付け面積で４５％、質量で７５％削減した。これにより、顧客装置の小型化・低コスト化に大きく貢献できる。」点が記載されている。

　特許文献１および非特許文献１には、パワー半導体モジュールの上面にリードフレーム（リード端子）を貫通する開口部とリードフレームが貫通していない空きの開口部が記載されている。複数の開口部を設けることにより、パワー半導体モジュール製造上の自由度を上げることができる。パワー半導体内部の半導体チップの実装位置や他に半導体チップを追加するなど顧客専用のカスタムパワー半導体モジュールを製造する場合において、予め複数の開口部を設けておけば、リードフレームを自由な箇所に設けることができ、カスタムパワー半導体モジュールに対しても、標準のパワー半導体モジュールケースを共用できるという製造上の利点がある。

　しかし、リードフレームが貫通していない空きの開口部やゲル注入用の開口部を通して周りの空気がモジュール内部に供給されるため、パワー半導体が破壊した場合、周りの空気と容易に結合し発火し易い。

　従来のパワー半導体モジュールは、ハードレジンや蓋で構成されているためパワー半導体が破壊した場合、周りの空気と容易に結合しにくい構造になっている。

　すなわち、パワー半導体が破壊した際のモジュール内部の内圧上昇により、異常発熱に起因した炎が開口部などから噴き出し、空気と結合して電力変換装置内部の他の部品などへ延焼し電力変換装置の二次的延焼を誘発する可能性があるという問題がある。

　上記目的と達成する手段は下記の通りである。

　パワー半導体と、パワー半導体を冷却する冷却フィンと、前記パワー半導体と前記冷却フィンとの間に配置され、前記パワー半導体の形状に合わせた開口部を備える第一のケースと、前記パワー半導体に設けられたリード端子用の開口部を覆う第二のケースと、を備える電力変換装置である。

　本発明によれば、パワー半導体が破壊した際に内部に発生する異常発熱による炎がリードフレームを貫通していない空きの開口部やゲル注入用開口部などから噴出し、電力変換装置内部の他の部品などへの延焼による二次的延焼を防止することができる。

本発明に係る電力変換装置の構成図の一例である。本発明に係る電力変換装置の鳥瞰図の一例である。本発明に係る電力変換装置の位置決めケース１６の鳥瞰図（第一の形態）の一例である。本発明に係る電力変換装置の位置決めケース１６の鳥瞰図（第一の形態）の一例である。本発明に係る電力変換装置の位置決めケース１６の鳥瞰図（第一の形態）の一例である。本発明に係る電力変換装置の位置決めケース１６とケース１５を被せたパワー半導体を冷却フィンに搭載した状態の正面図と鳥瞰図の一例である。本発明に係る電力変換装置の位置決めケース１６とケース１５を被せたパワー半導体を冷却フィンに搭載した状態の正面図と鳥瞰図の一例である。本発明に係る電力変換装置のケース１５の鳥瞰図（第二の形態）の一例である。本発明に係る電力変換装置のケース１５の鳥瞰図と正面図（第二の形態）の一例である。本発明に係る電力変換装置のケース１５の鳥瞰図と正面図（第二の形態）の一例である。本発明に係る電力変換装置のケース１５の鳥瞰図と正面図（第二の形態）の一例である。本発明に係る電力変換装置のケース１５の鳥瞰図（第二の形態）の一例である。本発明に係る電力変換装置のケース１５の鳥瞰図と正面図（第二の形態）の一例である。本発明に係る電力変換装置のパワー半導体にケース１５を取り付ける状態を示した鳥瞰図（第二の形態）の一例である。本発明に係る電力変換装置の基板ＰＣＢとケース１５の関係を示す鳥瞰図（第三の形態）である。本発明に係る電力変換装置のパワー半導体の開口部に絶縁樹脂を塗布した状態の図（第四の形態）である。

　以下図面を用いて本発明について説明する。なお、各図における共通の構成については同一の参照番号を付してある。また、本発明は図示例に限定されるものではない。

　本発明による電力変換装置の実施例１における形態を以下に図を用いて説明する。
　図１は、本発明に係る電力変換装置の構成図の一例である。

　図１の電力変換装置１０は、交流電動機４に電力を供給するための順変換器部１、平滑用コンデンサ２、逆変換器部３、制御回路５、冷却ファン６、デジタル操作パネル７、ドライブ回路８、回生制動部９を備えて構成される。図１では、任意の入力電源として交流電源を用いた場合を示す。

　順変換器部１は、交流電力を直流電力に変換する。

　平滑用コンデンサ２は、順変換器部１の出力側に備えられている。

　逆変換器部３は、直流電力を任意の周波数の交流電力に変換する。逆変換器部３内には、代表的なスイッチング素子として例えばＩＧＢＴが搭載されている。ここで、スイッチング素子としてはＩＧＢＴに限定されるものではなく、スイッチング素子としての形態を有するものであれば良い。

　冷却ファン６は、順変換器部１および回生制動部９および逆変換器部３内のパワー半導体モジュールを冷却する。

　デジタル操作パネル７は、電力変換装置の各種制御データを設定、変更、異常状態およびモニタ表示を行う。操作パネル７には異常表示が可能な表示部が設けられており、電力変換装置における異常が検出されると当該表示部に表示される。本実施例の操作パネル７としては、特に種類が限られるものではないが、デジタル操作パネルとして装置使用者の操作性を考慮して表示部の表示を見ながら操作が行えるように構成している。

　なお、表示部は必ずしも操作パネル７と一体に構成する必要はないが、操作パネル７の操作者が、表示を見ながら操作できるように一体構成とすることが望ましい。

　操作パネル７から入力された電力変換装置の各種制御データは図示しない記憶部に格納される。

　制御回路５は、デジタル操作パネル7によって入力される各種の制御データに基づいて逆変換器部３および回生制動部９内のスイッチング素子を制御すると共に、電力変換装置１０全体の制御を司る働きをするもので、マイコン（制御演算装置）が搭載されており、デジタル操作パネル７から入力される各種の制御データに応じて必要な制御処理が行えるように構成されている。

　内部構成は省略するが、各種の制御データが格納された記憶部の記憶データからの情報に基づいて演算を行うマイコン（制御演算装置）が搭載されている。

　電流検出器ＣＴは、交流電動機のＵ相、Ｗ相の線電流を検出する。Ｖ相の線電流は、交流条件（ｉｕ＋ｉｖ＋ｉｗ＝０）から、ｉｖ＝－（ｉｕ＋ｉｗ）として求められる。

　図１ではＣＴを２個用いる例を示したが、ＣＴを３個使用し、各Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の線電流を検出してもよい。

　ドライブ回路８は、制御回路５からの指令に基づいて逆変換器部３や回生制動部９内のスイッチング素子を駆動する。ドライブ回路８内にはスイッチングレギュレータ回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）が搭載されており、電力変換装置の運転に必要な各直流電圧を生成し、これらを各構成に対して供給する。

　回生制動抵抗器ＢＲは、交流電動機の減速時における回転エネルギーを熱エネルギーとして抵抗器に消費する役割を果たすものである。

　また、任意の入力電源として交流電源ではなく、直流電源を供給する場合には、直流端子Ｐ側に直流電源の＋側を接続し、直流端子Ｎ側に直流電源の－側を接続すればよい。

　さらには、交流端子ＲとＳとＴを接続し、この接続点に直流電源の＋側を接続し、直流端子Ｎ側に直流電源の－側を接続してもよいし、逆に、直流端子Ｐ側に直流電源の＋側を接続し、交流端子ＲとＳとＴを接続し、この接続点に直流電源の－側を接続してもよい。

　図２は、本発明に係る電力変換装置の鳥瞰図の一例である。

　本発明による電力変換装置の実施例２における形態を以下に図を用いて説明する。

　図１と共通の構成および同一の機能については、同一の参照番号を付してある。

　パワー半導体ＰＭは、順変換器部１、逆変換器部３、回生制動部９で構成されたモジュールである。パワー半導体にはケース１５が取付けられた状態を示している。

　パワー半導体ＰＭは、図示していないネジにより冷却フィンに固定される。ドライブ回路８が搭載された基板ＰＣＢに設けられたスルーホールにパワー半導体のリード端子が貫通され半田（ソルダ）で電気的に接続される。

　制御回路５が搭載された基板とドライブ回路８が搭載された基板ＰＣＢが電線により接続される。

　本実施例では、パワー半導体のリード端子の先端形状がソルダピンの場合で説明したが、半田を使用しないプレスフィットピンの場合でも本発明の意図は変わらない。

　冷却フィン１１は、発熱体たるパワー半導体からの熱を伝導させ、図示していない冷却ファンによって冷却フィンに空気を送って熱交換させ、空冷方式によって放熱させている。

　位置決めケース１６は、パワー半導体ＰＭを冷却フィンに取付ける際、パワー半導体の取付け位置を簡単に確定できるよう予めパワー半導体に合わせて開口部が設けられ、パワー半導体の搭載位置を固定するものである。

　本実施例では、順変換器部１、逆変換器部３、回生制動部９で構成されたモジュールを例としたが、順変換器部１のみで構成されたパワー半導体と逆変換器部３と回生制動部９で構成されたパワー半導体２個を使用しても、順変換器部１と逆変換器部３と回生制動部９が各々個別に構成されたパワー半導体３個を使用しても発明の意図することは変わらない。

　電力変換装置の筐体は、冷却フィン１１、ケーシング１２、電線引き出し板１３、表面カバー１４を備えて構成されている。

　図３は、本発明に係る電力変換装置の位置決めケース１６の鳥瞰図（第一の形態）である。

　本発明による電力変換装置の実施例３における形態を以下に図を用いて説明する。

　（ａ）は、パワー半導体ＰＭに合わせて位置決めケース１６に設けられた開口部Ａの四辺に突起（バリア）１７を設けた鳥瞰図である。

　（ｂ）は、位置決めケース１６に設けられた開口部Ａの二辺に突起（バリア）１７を設けた鳥瞰図である。

　（ｃ）は、位置決めケース１６に設けられた開口部Ａに突起（バリア）を設けていない鳥瞰図である。

　この突起１７の高さｈ１は、パワー半導体ＰＭの高さｈ２（図４（ａ）参照）より低くなるように設計されている。もちろん、突起１７は、開口部Ａの四辺と二辺に設けた場合、設けていない場合を示したが、突起を設ける辺の数に限定はない。

　（ｄ）は、（ｃ）で説明した位置決めケース１６とケース１５を被せたパワー半導体を冷却フィンに搭載した状態の正面図と鳥瞰図である。

　（ｅ）は、（ａ）で説明した位置決めケースとケース１５を被せたパワー半導体を冷却フィンに搭載した状態の正面図と鳥瞰図である。

　位置決めケース１６に設けられた四辺の突起１７がパワー半導体ＰＭに被せたケース１５を押さえ、パワー半導体が破壊した際のモジュール内部の内圧上昇により、異常発熱に起因した炎が噴き出さないようにパワー半導体との隙間を小さくできることが分かる。

　位置決めケースに設けられた開口部Ａの四辺に突起を設けた（ａ）の方が、開口部Ａに突起を設けていない（ｃ）より、四辺の隙間をより小さくすることができ炎が噴き出る力を抑制する効果が大きい。　

　図４は、本発明に電力変換装置の係るケース１５の鳥瞰図（第二の形態）である。

　（ａ）は、パワー半導体ＰＭの鳥瞰図の一例であり、リード端子が貫通していない６９個の空きの開口部Ｂと１個のゲル注入用の開口部Ｃを有している。もちろん２０本のリード端子が貫通している接触面Ｄにも隙間が存在する。

　複数の開口部を設けている理由は、顧客専用のカスタムパワー半導体モジュールを製造する場合において、予め複数の開口部を設けておけば、リードフレームを自由な箇所に設けることができ、カスタムパワー半導体モジュールに対しても、標準のパワー半導体モジュールケースを共用できるという製造上の利点があるためである。

　（ｂ）は、一実施例におけるケース１５の正面図と鳥瞰図である。パワー半導体の全てのリード端子位置に合わせてカバーに楕円形状と円形状の開口部を設けたものである。もちろん四角形状の開口部でもあっても構わない。

　パワー半導体ＰＭにケース１５を被せても基板ＰＣＢと接続されるリード端子がカバーから突出するようにしており、当該ケース１５を被せることにより開口部から噴出する炎を抑制することができるようにしたものである。

　（ｃ）は、他の実施例におけるケース１５の正面図と鳥瞰図である。（ｂ）の実施例に記載したカバーと異なるのは、基板ＰＣＢの裏面に搭載された部品、部品のリード足、パワー半導体を冷却フィンに取付けるためのネジとの電気的絶縁距離を確保するために両端に設けたはみ出し部分Ｅを有する点にある。本例については、詳細について後述する。

　（ｄ）は、パワー半導体のゲル注入用開口部Ｃを塞ぐ突起部（ボス）１８を設けたケース１５の正面図と裏面鳥瞰図である。鳥瞰図は、突起部１８が識別できるようにケース１５を裏面からみた状態を示している。突起部は、ゲル注入用開口部に挿入し易いように少しテーパーが設けられ、先端が細くなっている。もちろん四角形状の突起部（ボス）でもあっても構わない。

　また、突起部の長さはパワー半導体のゲル注入用開口部の深さに従い設計すればよい。

　（ｅ）は、四辺に突起部１９を設けたケースの正面図と鳥瞰図である。ケースの四辺に設けた突起部１９は、ドライブ回路８が搭載された基板ＰＣＢの裏面に四辺に設けた突起部が接触することにより基板ＰＣＢの裏面が蓋の役割を果たし隙間をなくすことができるようにしたものである。もちろん突起部１９は、四辺に限定されるものではなく、二辺でも効果がある。（ｂ）から（ｄ）における実施例のケースに対し、（ｅ）の方法によればより効果的に隙間をなくすことができる。本例については、詳細について後述する。

　（ｆ）は、パワー半導体のリード端子の形状と本数に合わせ円形状の開口部Ｆを２０個設けたケースの正面図と鳥瞰図である。開口部をリード端子の形状に合わせることにより、（ｂ）から（ｅ）における実施例のケースに対し、リード端子とケースの開口部との隙間をさらに小さくすることができる。

　（ｇ）は、パワー半導体にケースを取付ける状態を示した鳥瞰図である。ケースを矢印の方向に移動してパワー半導体に被せることにより、パワー半導体の２０本のリード端子がケース１５に設けられた開口部を貫通することにより、ケースでパワー半導体を覆うことが目的であり本発明の特徴である。また、ケースの厚みｔは０．７１ｍｍ以上に設計してある。

　ケースは、パワー半導体を覆い、半導体モジュールが破壊した際に内部に発生する異常発熱による炎がリードフレームを貫通していない空きの開口部Ｂやゲル注入用の開口部Ｃから噴出し電力変換装置内部の他の部品などへの延焼による二次的延焼を誘発することを防止する。ケースは、例えばシリコンやプラスチィックなどの絶縁樹脂を用いて成型されたものである。扱い易さを考えれば、フレキシブル性の高いシリコンで成型したケースの方が作業性の面で現実的といえる。

　図５は、本発明に係る電力変換装置の基板ＰＣＢとケース１５の関係を示す鳥瞰図（第三の形態）である。

　図２と共通の構成および同一の機能については、同一の参照番号を付してある。

　（ａ）は、ドライブ回路８が搭載された基板ＰＣＢの図示していないスルーホールにパワー半導体のリード端子が貫通され半田で電気的に接続された状態を示す鳥瞰図である。
　鳥瞰図は、基板の裏面から見た図である。

　実装部品のリード足は、基板の図示していないスルーホールを貫通し基板の裏面から出た状態になる。裏面に出た代表的なリード足として２０と２１を示す。

　冷却フィン上にケース１５を被せたパワー半導体と位置決めケース１６を取付け、基板のスルーホールにパワー半導体のリード端子を挿入して半田接続する。このため、図４（ｅ）に示したケース１５の四辺に設けた突起部１９が基板の裏面に接触することにより、基板ＰＣＢの裏面が蓋の役割を果たし、隙間をなくすことができる。当然、基板の裏面と突起部が接触する部分には部品が実装されないように予め突起部を避けて基板の部品実装設計をしておけばよい。

　（ｂ）は、（ａ）において点線で囲んだ部分の拡大図である。

　パワー半導体は図示していない冷却フィンに取付けネジで取付けられる。このネジの頭部と基板の裏面から出た実装部品のリード足２０との距離ｄが予め規定された絶縁距離以上ない場合の実施例であり、パワー半導体に被せられたカバー１５に設けた電気的絶縁距離確保用はみ出し部分Ｅによってリード足が囲まれるため、絶縁距離を縮退することができ電力変換装置の小型化も達成できる。

　このようにすれば、開口部から噴出し電力変換装置内部の他の部品などへの延焼による二次的延焼を誘発することを防止できる。

　図６は、本発明に係る電力変換装置のパワー半導体の開口部に絶縁樹脂を塗布した状態の図（第四の形態）である。

　本発明による電力変換装置の実施例４における形態を以下に図を用いて説明する。

　実施例１と異なるのは、成型されたケース１５の代わりにシリコンあるいは絶縁樹脂を塗布して開口部Ｂあるいはゲル注入用の開口部Ｃを塞ぐ点にある。

　（ａ）には、代表的塗布方法として、パワー半導体の開口部の一部に絶縁樹脂を一括塗布した箇所とポッティング塗布した箇所を例として記載している。これらの一方の方法（一括塗布かポッティング塗布）で開口部（ＢとＣ）を全て絶縁樹脂で塗布してもよいし、作業性を考慮して両方（一括塗布とポッティング塗布）を併用して全ての開口部（ＢとＣ）を塗布するのがより現実的である。もちろん、リードフレームが貫通している開口部Ｄの回りにシリコンあるいは絶縁樹脂を塗布してもよい。

　（ｂ）には、開口部やリード端子の関係を記載した当該パワー半導体の拡大鳥瞰図を示す。

　以上の実施例で示したように、本発明により、半導体モジュールが破壊した際に内部に発生する異常発熱による炎がリードフレームを貫通していない空きの開口部やゲル注入用開口部などから噴き出し、電力変換装置内部の他の部品などへの延焼による電力変換装置の二次的延焼を防止することができる。

１…順変換器部、２…平滑用コンデンサ、３…逆変換器部、４…交流電動機、５…制御回路、６…冷却ファン、７…デジタル操作パネル、８…ドライブ回路、９…回生制動部、１０…電力変換装置、１１…冷却フィン、１２…ケーシング、１３…電線引き出し板、１４…表面カバー、１５…ケース、１６…位置決めケース、１７…突起、１８…ケースに設けた突起部（ボス）、１９…ケースに設けた突起部、２０，２１…部品のリード足、ＰＭ…パワー半導体、ＢＲ…回生制動抵抗、ＣＴ…電流検出器

Claims

　パワー半導体と、
　パワー半導体を冷却する冷却フィンと、
　前記パワー半導体と前記冷却フィンとの間に配置され、前記パワー半導体の形状に合わせた開口部を備える第一のケースと、
　前記パワー半導体に設けられたリード端子用の開口部を覆う第二のケースと、
を備える電力変換装置。
　請求項１記載の電力変換装置であって、
　前記第二のケースは、前記パワー半導体に設けられたゲル注入用の開口部を覆うことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１記載の電力変換装置であって、
　前記第二のケースは、前記パワー半導体に設けられたゲル注入用の開口部を覆う突起を備えることを特徴とする電力変換装置。
　請求項１記載の電力変換装置において、
　前記第二のケースの少なくとも一辺に突起部が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
　請求項１記載の電力変換装置において、
　前記第二のケースは、シリコンにより構成されることを特徴とする電力変換装置。
　請求項１記載の電力変換装置において、
　前記第二のケースは、プラスティック樹脂あるいは絶縁樹脂により構成されることを特徴とする電力変換装置。
　請求項１記載の電力変換装置において、
　前記第二のケースは、前記パワー半導体のリード端子が貫通する開口部があることを特徴とする電力変換装置。
　請求項１記載の電力変換装置において、
　前記第二のケースは、０．７１ｍｍ以上の厚みであることを特徴とする電力変換装置。
　請求項１記載の電力変換装置において、
　前記第位置のケースは、前記パワー半導体の寸法に合わせた開口部を有することを特徴とする電力変換装置。
　請求項９記載の電力変換装置において、
　前記第二のケースの開口部は、少なくとも一辺に突起が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
　請求項１０記載の電力変換装置において、
　前記第二のケースの突起の高さは、前記パワー半導体の高さより低いことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１記載の電力変換装置において、
　前記パワー半導体のリード端子用の開口部をシリコンまたは絶縁樹脂により塞ぐことを特徴とする電力変換装置。
　請求項２記載の電力変換装置において、
　前記パワー半導体のゲル注入用の開口部をシリコンまたは絶縁樹脂により塞ぐことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１記載の電力変換装置であって、
　前記パワー半導体は複数のパワー半導体チップにより構成されることを特徴とする電力変換装置。