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CN103597729A - 功率模块和使用它的电力转换装置 - Google Patents

功率模块和使用它的电力转换装置 Download PDF

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CN103597729A
CN103597729A CN201280028057.1A CN201280028057A CN103597729A CN 103597729 A CN103597729 A CN 103597729A CN 201280028057 A CN201280028057 A CN 201280028057A CN 103597729 A CN103597729 A CN 103597729A
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CN
China
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heating panel
conductor plate
power
module
power model
Prior art date
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CN201280028057.1A
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English (en)
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CN103597729B (zh
Inventor
金子裕二朗
诹访时人
平光真二
志村隆弘
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Astemo Ltd
Original Assignee
Hitachi Automotive Systems Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

功率模块包括构成逆变器电路的上下臂的多个半导体元件；与半导体元件的各个电极面分别相对地配置的多个导体板；和收纳半导体元件和导体板的模块箱，模块箱包括与导体板的面相对置的板状的金属制的散热部件；具有被该散热部件封闭的开口部的金属制的框体，在散热部件的中央设置有竖立设置了多个散热肋片的散热肋片部，在散热部件的外周缘设置有与框体的接合部，散热部件比框体具有更高的导热性，框体比散热部件具有更高的刚度。

Description

功率模块和使用它的电力转换装置
技术领域
本发明涉及具有进行用于将直流电力转换为交流电力、或将交流电力转换为直流电力的开关动作的功率半导体元件的功率模块和使用它的电力转换装置。
背景技术
近年来，为了降低对环境的负荷，混合动力车和电动车的普及成为当务之急。在混合动力车和电动车中，重视搭载的部件的小型化和低成本化，电力转换装置也不例外，要求小型化和低成本化，结果，发热密度增大，所以需要提高冷却性能。
构成电力转换装置的电子部件中发热量最大的是功率模块。功率模块的冷却方式已知有例如将功率模块插入冷却剂流路，通过两面的散热肋片冷却的两面直接冷却方式（参照专利文献1）。
专利文献1记载的功率模块用导体板夹着半导体芯片，对于在第一和第二散热板各自与导体板之间隔着绝缘片进行真空热压接而成为一体的结构的散热板，用粘合剂接合底部外壳、顶部外壳和侧部外壳。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国特开2008-259267号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，专利文献1记载的功率模块中，因为采用了使用粘合剂接合底部外壳、顶部外壳和侧部外壳的结构，所以有强度上的问题，担心将功率模块机械地固定到电力转换装置的框体时的变形、蠕变变形、疲劳破坏等的持久性。
用于解决课题的方案
根据本发明的第一方式，功率模块包括：构成逆变器电路的上下臂的多个半导体元件；与半导体元件的各个电极面分别相对地配置的多个导体板；和收纳半导体元件和导体板的模块箱，模块箱包括：与导体板的面相对置的板状的金属制的散热部件；具有被该散热部件封闭的开口部的金属制的框体，在散热部件的中央设置有竖立设置了多个散热肋片的散热肋片部，在散热部件的外周缘设置有与框体的接合部，散热部件比框体具有更高的导热性，框体比散热部件具有更高的刚度。
根据本发明的第二方式，在第一方式的功率模块中，优选散热部件是彼此相对地配置的第一散热板和第二散热板。
根据本发明的第三方式，在第二方式的功率模块中，优选第一散热板和第二散热板，在各自的散热肋片部与接合部之间具有以包围散热肋片部的方式设置的肋片周缘部，第一散热板的周缘部的弯曲刚度被设定为低于第二散热板的周缘部的弯曲刚度，使得在从外部对第一散热板和第二散热板施加向模块箱的内侧的压力时，第一散热板的周缘部优先变形。
根据本发明的第四方式，在第三方式的功率模块中，优选第一散热板的肋片周缘部的厚度比第二散热板的肋片周缘部的厚度薄。
根据本发明的第五方式，在第二至四中任一个方式的功率模块中，优选多个导体板包括经由金属接合材料与半导体元件的一个电极面连接的第一导体板和经由金属接合材料与半导体元件的另一个电极面连接的第二导体板，用密封材料密封半导体元件、第一导体板和第二导体板而成的模块一次密封体，经由绝缘部件与模块箱压接，第一和第二导体板，其一部分从密封材料露出而与绝缘部件接触。
根据本发明的第六方式，在第二至五中任一个方式的功率模块中，优选框体与第一散热板、框体与第二散热板分别通过熔化接合或固相接合而结合。
根据本发明的第七方式，通过半导体元件的开关动作将电力从直流转换为交流和从交流转换为直流的电力转换装置，包括：第二至六中任一个方式的功率模块；和形成流过冷却剂的冷却剂流路的流路形成体，功率模块，通过将第一和第二散热板配置在冷却剂流路内而与在冷却剂流路内流动的冷却剂之间进行热交换，使得来自半导体元件的热向冷却剂散热。
根据本发明的第八方式，在第七方式的电力转换装置中，优选在流路形成体形成有与冷却剂流路连通的开口部，功率模块包括：有底筒形的筒部；和凸缘部，其形成于筒部的开口且固定于流路形成体而封闭所述流路形成体的开口部，筒部通过将第一散热板和第二散热板接合到框体而形成，第一散热板和第二散热板各自设置的散热肋片竖立设置而突出到冷却剂流路。
发明效果
根据本发明，能够提供同时实现高刚度和高散热性的功率模块，和使用它的电力转换装置。
附图说明
图1是表示混合动力车的控制模块的图。
图2是说明逆变器电路的电路结构的图。
图3是电力转换装置的外观立体图。
图4是电力转换装置的分解立体图。
图5是从下方观察图4的箱的立体图。
图6是功率模块的立体图。
图7是功率模块的截面示意图。
图8是模块一次密封体和辅助成型体的截面示意图。
图9是表示功率模块的电路结构的电路图。
图10是表示除去模块箱、绝缘片、第一和第二密封树脂后的导体板组件的立体图。
图11是表示将模块一次密封体插入模块箱的状态的立体图。
图12是模块箱的截面示意图。
图13是模块箱的分解立体图。
图14是框体的截面示意图。
图15是表示将模块一次密封体插入模块箱后的状态的截面示意图。
图16是表示对模块箱加压而在模块一次密封体上压接第一和第二散热板的状态的截面示意图。
具体实施方式
以下，参照附图说明用于实施本发明的方式。图1是表示混合动力车的控制模块的图。发动机EGN和电动发电机MG1产生车辆的行驶用转矩。此外，电动发电机MG1不仅产生旋转转矩，还具有将外部对电动发电机MG1施加的机械能转换为电力的功能。
电动发电机MG1例如是同步电动机或感应电动机，如上所述，根据运转方法既作为电动机又作为发电机动作。将电动发电机MG1搭载到汽车的情况下，要求小型且获得高输出，使用钕等磁体的永磁体型的同步电动机是合适的。此外，永磁体型的同步电动机与感应电动机相比转子的发热较少，出于该观点也优选用于汽车。
发动机EGN的输出转矩经由动力分配机构TSM被传递至电动发电机MG1，来自动力分配机构TSM的旋转转矩或电动发电机MG1产生的旋转转矩经由变速器TM或差动齿轮DIF被传递至车轮。另一方面，再生制动的运转时，旋转转矩从车轮被传递至电动发电机MG1，基于供给的旋转转矩产生交流电力。产生的交流电力如后所述通过电力转换装置200被转换为直流电力，对高电压用的蓄电池136充电，充电的电力重新被用作行驶能。
接着对通过半导体元件的开关动作将电力从直流转换为交流、从交流转换为直流的电力转换装置200进行说明。逆变器电路140与蓄电池136经由直流连接器138电连接，在蓄电池136与逆变器电路140相互之间进行电力的传递。使电动发电机MG1作为电动机动作的情况下，逆变器电路140基于经由直流连接器138从蓄电池136供给的直流电力产生交流电力，经由交流端子188对电动发电机MG1供给。由电动发电机MG1和逆变器电路140构成的结构作为电动发电单元动作。
此外，本实施方式中，通过蓄电池136的电力使电动发电单元作为电动单元动作，能够仅用电动发电机MG1的动力进行车辆的驱动。进而，本实施方式中，使电动发电单元作为发电单元通过发动机EGN的动力或来自车轮的动力动作而发电，能够进行蓄电池136的充电。
电力转换装置200具备用于使对逆变器电路140供给的直流电力平滑化的电容器模块500。
电力转换装置200具备用于从上级的控制装置接收指令或对上级的控制装置发送表示状态的数据的通信用的连接器21。电力转换装置200基于来自连接器21的指令在控制电路172中计算电动发电机MG1的控制量，进一步计算是作为电动机运转还是作为发电机运转，基于运算结果产生控制脉冲，对驱动电路174供给该控制脉冲。驱动电路174基于供给的控制脉冲，产生用于控制逆变器电路140的驱动脉冲。
接着，用图2说明逆变器电路140的电路的结构。其中，本实施方式中使用绝缘栅型双极晶体管作为半导体元件，以下简称为IGBT。
由上臂的IGBT328和二极管156，以及下臂的IGBT330和二极管166，构成上下臂的串联电路150。逆变器电路140与要输出的交流电力的U相、V相、W相这三相对应地具备该串联电路150。
这三相在本实施方式中与电动发电机MG1的电枢绕组的三相的各相绕组对应。三相的各上下臂的串联电路150从作为串联电路的中点部分的中间电极169输出交流电流。该中间电极169通过交流端子159和交流端子188，与到电动发电机MG1的交流电力线即交流汇流条802连接。
上臂的IGBT328的集电极电极153，经由正极端子157与电容器模块500的正极侧的电容器端子506电连接。此外，下臂的IGBT330的发射极电极，经由负极端子158与电容器模块500的负极侧的电容器端子504电连接。
如上所述，控制电路172从上级的控制装置经由连接器21接收控制指令，基于该指令产生用于控制构成各相的串联电路150的上臂或下臂的IGBT328和IGBT330的控制信号即控制脉冲，对驱动电路174供给，该各相的串联电路150的上臂或下臂构成逆变器电路140。
驱动电路174基于上述控制脉冲，对各相的IGBT328和IGBT330供给用于控制构成各相的串联电路150的上臂或下臂的IGBT328和IGBT330的驱动脉冲。IGBT328和IGBT330基于来自驱动电路174的驱动脉冲，进行导通或关断动作，将从蓄电池136供给的直流电力转换为三相交流动力，该转换的电力对电动发电机MG1供给。
上臂的IGBT328具备集电极电极153、信号用的发射极电极155、栅极电极154。此外，下臂的IGBT330具备集电极电极163、信号用的发射极电极165、栅极电极164。上臂的二极管156在集电极电极153与发射极电极155之间电连接。此外，二极管166在集电极电极163与发射极电极165之间电连接。
此外，也可以使用金属氧化物半导体型场效应晶体管（以下简称为MOSFET）作为开关用功率半导体元件，该情况下不需要二极管156和二极管166。作为开关用功率半导体元件，IGBT适合直流电压较高的情况，MOSFET适合直流电压较低的情况。
电容器模块500具备正极侧的电容器端子506和负极侧的电容器端子504、正极侧的电源端子509和负极侧的电源端子508。来自蓄电池136的高电压的直流电力，经由直流连接器138对正极侧的电源端子509和负极侧的电源端子508供给，从电容器模块500的正极侧的电容器端子506和负极侧的电容器端子504对逆变器140供给。
另一方面，通过逆变器电路140从交流电力转换而得的直流电力，从正极侧的电容器端子506和负极侧的电容器端子504对电容器模块500供给，从正极侧的电源端子509和负极侧的电源端子508经由直流连接器138对蓄电池136供给，在蓄电池136中蓄积。
控制电路172具备用于对IGBT328和IGBT330的开关时刻进行运算处理的微型计算机（以下描述为“微机”）。作为对微机的输入信息，有对电动发电机MG1请求的目标转矩值、从串联电路150对电动发电机MG1供给的电流值和电动发电机MG1的转子的磁极位置。
目标转矩值基于从未图示的上级控制装置输出的指令信号。电流值基于电流传感器180的检测信号进行检测。磁极位置基于从电动发电机MG1中设置的分解器等旋转磁极传感器（未图示）输出的检测信号进行检测。本实施方式中，列举了电流传感器180检测三相的电流值的情况，但也可以检测两相的电流值，通过运算求出三相的电流。
控制电路172内的微机基于目标转矩值计算电动发电机MG1的d轴、q轴的电流指令值，基于该计算出的d轴、q轴的电流指令值与检测到的d轴、q轴的电流值的差计算d轴、q轴的电压指令值，将该计算出的d轴、q轴的电压指令值基于检测出的磁极位置转换为U相、V相、W相的电压指令值。然后，微机根据基于U相、V相、W相的电压指令值的基波（正弦波）和载波（三角波）的比较生成脉冲状的调制波，将该生成的调制波作为PWM（脉冲宽度调制）信号对驱动电路174输出。
驱动电路174在驱动下臂的情况下，将使PWM信号放大后的驱动信号，向对应的下臂的IGBT330的栅极电极164输出。此外，驱动电路174在驱动上臂的情况下，使PWM信号的基准电位的电平偏移至上臂的基准电位的电平后将PWM信号放大，将其作为驱动信号，向对应的上臂的IGBT328的栅极电极154分别输出。
此外，控制电路172内的微机进行异常检测（过电流、过电压、过热等），保护串联电路150。因此，对控制电路172输入传感信息。例如，从各臂的信号用的发射极电极155和信号用的发射极电极165向对应的驱动部（IC）输入各IGBT328和各IGBT330的发射极电极中流动的电流的信息。由此，各驱动部（IC）进行过电流检测，检测到过电流的情况下停止对应的IGBT328、IGBT330的开关动作，保护对应的IGBT328、IGBT330不受过电流的影响。
从串联电路150中设置的温度传感器（未图示）对微机输入串联电路150的温度的信息。此外，对微机输入串联电路150的直流正极侧的电压的信息。微机基于这些信息进行过热检测和过电压检测，检测到过热或过电压的情况下停止所有的IGBT328、IGBT330的开关动作。
图3是电力转换装置200的外观立体图。图4是用于说明电力转换装置200的箱10的内部结构的图，是电力转换装置200的分解立体图。电力转换装置200具备收纳功率模块300a～300c和电容器模块500的箱10、配置在电容器模块500的上方的汇流条组件800、配置在汇流条组件800的上方的驱动电路基板22、固定在箱10的上方的金属基板11、收纳在金属基板11中的控制电路基板20、固定在金属基板11的上部的盖8。
在箱10中设置有形成流过水等冷却剂的流路的流路形成体12，在箱10的下表面，安装有封闭流路形成体12的下侧的开口的下盖420。这样，构成为在电力转换装置200的底部配置流路形成体12，接着从上方起依次进行固定电容器模块500、汇流条组件800、基板等必要的部件的作业，生产效率和可靠性提高。
图5是用于说明箱10和流路形成体12的图，是从下方观察图4所示的箱10的图。流路形成体12形成沿着箱10的三方的内周面的U字形的冷却剂流路19。冷却剂流路19由沿着箱10的较长方向的边形成的第一流路部19a、沿着箱10的较短方向的边形成的第二流路部19b、沿着流路形成体12的较长方向的边形成的第三流路部19c构成。第二流路部19b形成构成为U字形的冷却剂流路19的折回流路。
在箱10的侧面的与形成第二流路部19b一侧相反侧的侧面上，设置有用于使冷却剂流入的入口配管13，和用于使冷却剂流出的出口配管14。冷却剂在箭头所示的流动方向417的方向上，通过入口配管13在第一流路部19a内如流动方向418所示地流动。进而，冷却剂如流动方向421所示流过第二流路部19b后，如流动方向422所示流过第三流路部19c，进而，如流动方向423所示通过出口配管14流出。第一流路部19a、第二流路部19b、第三流路部19c均使深度方向比宽度方向更大地形成。
流路形成体12的下表面侧的开口部404被安装在箱10的下表面的下盖420封闭。在下盖420与箱10之间，设置有密封部件409来保持气密性。在下盖420上，形成有朝向与配置了冷却剂流路19的一侧的相反侧的方向突出的凸部406a～406c。凸部406a～406c与配置在后述的冷却剂流路19内的功率模块300a～300c对应地设置。
如图4所示，因为在流路形成体12的箱上表面侧也形成与冷却剂流路19连通的开口部400a～400c，使箱下表面侧形成的开口部404与箱上表面侧的开口部400a～400c相对置地形成，所以成为易于通过铸铝制造的结构。通过将流路形成体12和箱10一体地用铝材料的铸造来制造，电力转换装置200整体的导热变好，冷却效率提高。进而，通过一体地制造流路形成体12和箱10，机械的强度也提高。
返回图4，在沿着箱10的较长方向的流路形成体12的一侧（图5的形成有第一流路部19a的一侧）的上表面，沿着箱10的侧面形成开口部400a和开口部400b，如虚线所示，在另一侧（图5的形成有第二流路部19b的一侧）的上表面形成有开口部400c。各开口部400a～400c被插入的功率模块300a～300c封闭。在该两侧的流路形成体12之间，形成有收纳电容器模块500的收纳空间405。通过在这样的收纳空间405中收纳电容器模块500，由冷却剂流路19内流过的冷却剂使电容器模块500冷却。电容器模块500被图5所示的冷却剂流路19（第一～第三流路部19a～19c）包围地配置，所以效率良好地被冷却。
这样，因为沿着电容器模块500的外侧面形成有冷却剂流路19，所以冷却剂流路19、电容器模块500和功率模块300a～300c的配置整齐，整体变得更加小型。此外，第一流路部19a、第三流路部19c沿着电容器模块500的长边配置，对冷却剂流路19插入固定的各功率模块300a～300c与电容器模块500的距离大致一定。因此，平滑电容器与功率模块电路的电路常数在三相的各相易于均衡，成为易于降低峰值电压的电路结构。
在电容器模块500的上方配置有汇流条组件800。汇流条组件800具备交流汇流条802和保持部件，保持电流传感器180。驱动电路基板22配置在汇流条组件800的上方。在驱动电路基板22与控制电路基板20之间配置有金属基板11。
金属基板11被固定在箱10上。该金属基板11起到驱动电路基板22和控制电路基板20中搭载的电路组的电磁屏蔽的功能，并且使驱动电路基板22和控制电路基板20产生的热发散，使驱动电路基板22和控制电路基板20冷却。
盖18是为了将用于连接从DCDC转换器延伸的端子的作业用的窗口17封闭的部件。固定在金属基板11上的盖8具有保护控制电路基板20不受到来自外部的电磁噪声影响的功能。
本实施方式的箱10中，收纳有流路形成体12的部分形成为大致长方体的形状，从箱10的一个侧面侧形成有突出收纳部10a。该突出收纳部10a中收纳有从DCDC转换器延伸的端子、直流汇流条（未图示）、电阻器450。此处，电阻器450是用于使电容器模块500的电容器元件中蓄积的电荷放电的电阻元件。因为像这样使蓄电池136与电容器模块500之间的电路部件集中在突出收纳部10a，所以能够抑制配线的复杂化，有助于装置整体的小型化。
参照图6～图16，说明逆变器电路140中使用的功率模块300a～300c的结构。其中，上述功率模块300a～300c均为相同结构，以功率模块300a的结构为代表说明。图7和图8、图12、图14～图16的截面图是在图6的A-A线上切断的截面示意图（概念图）。此外，也是在B-B线上切断的截面示意图（概念图），对于在B-B线上切断的截面表示的构成要素用括号附加符号。此外，在A-A线和B-B线上切断的截面上，后述的定位销601和定位孔382c不出现，但是为了方便而图示。
图6～图10、图15和图16中信号端子325U与图2所示的栅极电极154对应，信号端子325L与图2所示的栅极电极164对应。图6中信号端子327与信号用的发射极电极155、165对应。直流正极端子315B与图2所示的正极端子157相同，直流负极端子319B与图2所示的负极端子158相同。此外，交流端子320B与图2中所示的交流端子159相同。
图6是功率模块300a的立体图，图7是功率模块300a的截面示意图。图8是表示功率模块300a内收纳的模块一次密封体302、和与模块一次密封体302连接的辅助成型体600的截面示意图。图9是表示功率模块300a的电路结构的电路图。图10是为了有助于理解，除去功率模块300a的模块箱37、绝缘片333、第一和第二密封树脂348、351后的导体板组件的立体图。其中，图10中省略了信号配线326的图示。
如图6和图7所示，功率模块300a具有金属制的模块箱37，该模块箱37内，收纳有包括构成图2和图9所示的串联电路150的功率半导体元件（IGBT328、IGBT330、二极管156、二极管166）而构成的模块一次密封体302（参照图8）。
参照图9说明功率模块的电路结构。如图9所示，上臂侧的IGBT328的集电极电极与上臂侧的二极管156的阴极电极经由导体板315连接。同样地，下臂侧的IGBT330的集电极电极与下臂侧的二极管166的阴极电极经由导体板320连接。此外，上臂侧的IGBT328的发射极电极与上臂侧的二极管156的阳极电极经由导体板318连接。同样地，下臂侧的IGBT330的发射极电极与下臂侧的二极管166的阳极电极经由导体板319连接。导体板318与320通过中间电极329连接。通过这样的电路结构形成上下臂的串联电路150。
如图8和图10所示，功率半导体元件（IGBT328、IGBT330、二极管156、二极管166）是板状的扁平结构，该功率半导体元件的各电极在正反面形成。
功率半导体元件的各电极被与各个电极面相对地配置的导体板315和导体板318、或导体板320和导体板319夹着。即，导体板315与导体板318，形成隔着IGBT328和二极管156大致平行地相对的叠层配置。同样地，导体板320和导体板319形成隔着IGBT330和二极管166大致平行地相对的叠层配置。如图10所示，导体板320与导体板318经由中间电极329连接。通过该连接使上臂电路和下臂电路电连接，形成上下臂串联电路。
直流侧的导体板315与交流侧的导体板320大致同一平面状地配置。在导体板315上，固定有上臂侧的IGBT328的集电极电极和上臂侧的二极管156的阴极电极。在导体板320上，固定有下臂侧的IGBT330的集电极电极和下臂侧的二极管166的阴极电极。同样地，交流侧的导体板318与直流侧的导体板319大致同一平面状地配置。在导体板318上，固定有上臂侧的IGBT328的发射极电极和上臂侧的二极管156的阳极电极。在导体板319上，固定有下臂侧的IGBT330的发射极电极和下臂侧的二极管166的阳极电极。
本实施方式的各导体板315、318、319、320是大电流电路用配线，由纯铜或铜合金等导热率高且电阻低的材料构成，厚度是0.5mm以上较好。
如图8所示，在各导体板315、318、319、320上向功率半导体元件侧突出地形成有元件固定部。在元件固定部，各功率半导体元件经由金属接合材料160分别固定。金属接合材料160例如是包含银膜和金属微粒的低温烧结接合材料，或导热率高且环境性优良的无铅焊锡等，例如Sn-Cu焊锡、Sn-Ag-Cu焊锡、Sn-Ag-Cu-Bi焊锡等。
因为各导体板315、318、319、320也同时具有散热器的功能，所以优选元件固定部的外形尺寸与功率半导体元件的外形尺寸大致相同，或比功率半导体元件的外形尺寸更大地形成。由此，能够确保导热通路，期待散热性的提高。
本实施方式中，导体板315和导体板320的元件固定部的外形尺寸形成为比功率半导体元件的外形尺寸大，导体板318和导体板319的元件固定部的外形尺寸与功率半导体元件的外形尺寸大致相同，但形成为比功率半导体元件的外形尺寸稍小。由此，在将导体板318、319配置在上侧并将导体板315、320配置在下侧的状态下，将导体板315、318、319、320与功率半导体元件用焊锡一并连接的情况下，能够防止焊锡向下侧流下。结果，能够防止焊锡向下侧流下而导致的下侧的导体板和焊锡的短路。
用于与驱动电路基板22连接的信号配线324U和信号配线324L，与功率半导体元件的栅极电极通过导线接合、带式接合等连接。导线或带优选使用铝。也可以代替导线或带，改为使用焊锡等将信号配线324U和信号配线324L与栅极电极连接。信号配线324U和信号配线324L优选使用纯铜或铜合金。此外，信号配线324U和信号配线324L与导体板315、320等一体地成型。
通过将连接了信号配线324U、324L的导体板组件配置在传递成型用的模具内，对模具内填充环氧树脂等第一密封树脂348而成型，使包括功率半导体元件的导体板组件被第一密封树脂348密封，形成模块一次密封体302。其中，进行传递成型时，使功率半导体元件的两面上配置的导体板315、318、319、320的外侧面从第一密封树脂348露出，成为对模块箱37的散热面。优选散热面的面积比元件固定部的外形尺寸更大。由此，能够确保导热通路，期待散热性的提高。此外，可以使与模块箱37的内面相对的导体板315、318、319、320的外侧面的整体从第一密封树脂348露出作为散热面，也可以使与各功率半导体元件对应的部分露出作为散热面。
如图8所示，导体板315等在其散热面露出的状态下被第一密封树脂348密封，如图7所示，在该散热面上热压接具有高导热性的绝缘片333。本实施方式中，采用在环氧树脂中分散了陶瓷微粒的绝缘片333。被第一密封树脂348密封后的模块一次密封体302被插入模块箱37中，通过对模块箱37的宽面加压，隔着绝缘片333在模块箱37的内面热压接。在模块箱37的内部残留的空隙中，填充第二密封树脂351，使模块箱37内被密封。通过对模块箱37加压，将模块一次密封体302在模块箱37上压接的结构及其方法在后文说明。
如上所述通过将导体板315等隔着绝缘片333在模块箱37的内壁上热压接，能够减少导体板315等与模块箱37的内壁之间的空隙，使功率半导体元件产生的热效率良好地传递至模块箱37，能够从模块箱37上竖直设置的钉状肋片散热。进而通过使绝缘片333具有一定程度的厚度和柔软性，能够用绝缘片333吸收热应力的产生，用于温度变化剧烈的车辆用的电力转换装置200是良好的。
接着，对与驱动电路174、电容器模块500或电动发电机MG1、包括模块一次密封体302的端子的各配线连接的各中转配线被树脂保持的辅助成型体600进行说明。如图6所示，在模块箱37外部，设置有用于与电容器模块500电连接的金属制的直流正极配线315A和直流负极配线319A，在其前端部分别形成有直流正极端子315B（157）和直流负极端子319B（158）。进而，在模块箱37外部，设置有用于对电动发电机MG1供给交流电力的金属制的交流配线320A，在其前端部形成有交流端子320B（159）。如图9所示，直流正极配线315A与导体板315连接，直流负极配线319A与导体板319连接，交流配线320A与导体板320连接。
如图6所示，在模块箱37外部还设置有用于与驱动电路174电连接的金属制的信号配线324U、324L、326，在其前端部分别形成有信号端子325U（154）、信号端子325L（164）和信号端子327（155、165）。如图9所示，信号配线324U与IGBT328连接，信号配线324L与IGBT330连接。
如图6所示，直流正极配线315A、直流负极配线319A、交流配线320A、信号配线324U和信号配线324L，在通过用树脂材料成型的配线绝缘部608相互绝缘的状态下，一体成型为辅助成型体600。配线绝缘部608也起到用于支承各配线的支承部件的作用，具有绝缘性的热固性树脂或热塑性树脂适合作为其使用的树脂材料。本实施方式中采用作为热塑性树脂的PPS。由此，能够确保直流正极配线315A、直流负极配线319A、交流配线320A、信号配线324U和信号配线324L之间的绝缘性，能够进行高密度配线。
如图6所示，直流正极配线315A和直流负极配线319A在中间夹着配线绝缘部608相对置的状态下相互叠层，呈现大致平行地延伸的形状。通过采用这样的配置和形状，功率半导体元件的开关动作时瞬间流动的电流相对地并且向相反方向流动。由此，能够起到电流产生的磁场相互抵消的作用，能够因该作用实现低电感化。此外，交流配线320A和信号配线324U、324L，也朝向与直流正极配线315A和直流负极配线319A同样的方向延伸。
如图8所示，辅助成型体600在模块一次密封体302和连接部389进行金属接合成为一体。连接部389的模块一次密封体302与辅助成型体600的金属接合能够使用例如TIG焊接等。
在连接部389的辅助成型体600一侧，直流正极配线315A、直流负极配线319A、交流配线320A、信号配线324U和信号配线324L的各个辅助成型体侧连接端子386排成一排地配置。另一方面，在连接部389的模块一次密封体302一侧，直流正极配线315A、直流负极配线319A、交流配线320A、信号配线324U和信号配线324L的各自的元件侧连接端子383排成一排地配置。其中，在各配线319A、320A、324U、324L上分别形成辅助成型体侧连接端子，但为了方便而附加同一符号。对于元件侧连接端子也附加同一符号。
图11是表示将模块一次密封体302插入模块箱37的状态的立体图。如图11所示，辅助成型体600贯通配线绝缘部608上设置的孔608e，被安装在模块箱37的螺孔382e中的螺栓309固定到模块箱37。在配线绝缘部608，能够与后述的模块箱37的定位孔382c嵌合的定位销601向下方突出地设置。
如图7所示，模块一次密封体302与辅助成型体600通过金属接合连接的连接部389，被第二密封树脂351在模块箱37内密封。由此，能够在连接部389与模块箱37之间稳定地确保必要的绝缘距离，所以与不密封的情况相比能够实现功率模块300a的小型化。
接着，参照图11～图14说明模块箱37的结构。图12是模块箱37的截面示意图，图13是模块箱37的分解立体图。
如图11和图12所示，模块箱37是上表面开口的有底筒形的CAN型冷却器。本实施方式的模块箱37，如图12和图13所示，通过使框体380和在相互相对的状态下配置的第一散热板371和第二散热板372通过冷锻和压铸、切削加工个别地制造，第一和第二散热板371、372分别与框体380固相接合而形成。本实施方式中，出于批量生产性、轻量化和散热性的提高的观点，第一散热板371和第二散热板372由具有与框体380相比更高的导热性的纯铝材料形成，框体380由具有与第一散热板371和第二散热板372相比更高的刚度的铝合金材料形成。
如图12和图13所示，第一散热板371和第二散热板372分别具备矩形平板状的第一肋片底座373和第二肋片底座374，多个钉状肋片在第一和第二肋片底座373、374的一方的面上格子状地排列。
如图12和图13所示，在第一散热板371的中央，设置有竖直设置了多个钉状肋片的散热肋片部371f。在第一散热板371的外周缘设置有与框体380的接合部即对接部371b。在对接部371b与散热肋片部371f之间，以包围散热肋片部371f的方式设置有较薄的肋片周缘部371p。
在第二散热板372的中央也同样地设置有竖直设置了多个钉状肋片的散热肋片部372f，图13中未图示。在第二散热板372的外周缘设置有与框体380的接合部即对接部372b。在对接部372b与散热肋片部372f之间，以包围散热肋片部372f的方式设置有肋片周缘部372p。对接部372b如后所述比肋片周缘部372p更薄地形成，使第二肋片底座374的外周缘成为高低差形状。
如图12所示，第一散热板371以使肋片周缘部371p的厚度t1比散热肋片部371f的底座的厚度tf1更薄（t1<tf1），且对接部371b的厚度tb1与肋片周缘部371p的厚度t1为相同厚度的方式形成（tb1=t1）。
第二散热板372以使肋片周缘部372p的厚度t2与散热肋片部372f的底座的厚度tf2为相同厚度（t2=tf2），且对接部372b的厚度tb2比肋片周缘部372p的厚度t2更薄的方式形成（tb2<t2）。
为了使第一散热板371与第二散热板372的散热效果同等，将散热肋片部371f的底座的厚度tf1与散热肋片部372f的底座的厚度tf2设定为相同厚度（tf1=tf2）。此外，为了使第一散热板371和第二散热板372能够在同等的条件下与框体380接合，将第一散热板371的对接部371b的厚度tb1与第二散热板372的对接部372b的厚度tb2设定为相同厚度（tb1=tb2）。
如上所述t1<tf1=tf2，t2=tf2=tf1，所以将第一散热板371的肋片周缘部371p的厚度t1设定为比第二散热板372的肋片周缘部372p的厚度t2更薄（t1<t2）。
图14是框体380的截面示意图。如图14所示，框体380具有框部381和凸缘部382，通过冲压等一体地成型。框部381如图11和图12所示，通过接合第一和第二散热板371、372而形成收纳模块一次密封体302的有底筒形的筒部390。
如图13和图14所示，框部381具有一对侧板381s1、381s2（参照图13），将一对侧板381s1、381s2的下部之间连结的底板381u、将一对侧板381s1、381s2的上部之间连结的一对上部侧板381t1、381t2（参照图14），整体呈现在有底筒状体的一对宽面上形成了矩形开口部381h1、381h2的形状。
在框部381的矩形开口部381h1的周缘，设置有嵌合第一散热板371的高低差部382a。同样地，在框部381的矩形开口部381h2的周缘，设置有嵌合第二散热板372的高低差部382b（参照图14）。
如图12所示，在高低差部382a嵌合第一散热板371的对接部371b时，对接部371b的端面371b1与高低差部382a的侧壁抵接。沿着该抵接面（对接部），使旋转工具在旋转的同时移动时，因旋转工具与金属部件之间产生的摩擦热，第一散热板371与框部381的对接部加热、软化，因旋转工具的旋转引起塑性流动而使对接部之间固相接合，使第一散热板371固定到框部381。同样地，在高低差部382b嵌合第二散热板372的对接部372b时，对接部372b的端面372b2与高低差部382b的侧壁抵接，沿着该抵接面（对接部），使旋转工具在旋转的同时移动时第二散热板372与框部381的对接部之间固相接合，使第二散热板372固定到框部381。这样，第一散热板371和第二散热板372通过摩擦搅拌接合以封闭框部381的矩形开口部381h1、381h2的方式接合。
如图12所示，凸缘部382以包围筒部390的插入口306的方式，从插入口306向外方突出地设置。如图11所示，在凸缘部382，设置有安装用于安装辅助成型体600的螺栓309的螺孔382e、嵌合定位销601的定位孔382c、使用于将凸缘部382安装到流路形成体12的螺栓（未图示）插通的孔382d。
参照图15和图16，对通过将模块一次密封体302收纳到模块箱37中一体化而制造功率模块的方法进行详细说明。图15是表示将模块一次密封体302插入模块箱37后的状态的截面示意图，图16是表示对模块箱37的宽面从外侧加压在模块一次密封体302上压接第一和第二散热板371、372的状态的截面示意图。
如图15所示，使模块一次密封体302在被绝缘片333夹着的状态下插入模块箱37内。插入时，将辅助成型体600的定位销601插入凸缘部382的定位孔382c，且使模块一次密封体302的一方的宽面与构成模块箱37的内面的第二散热板372抵接进行定位。之后，用螺栓309（参照图6、图11）将辅助成型体600机械地固定到模块箱37。由此，能够容易将信号端子325U、325L、327等外部导线安装到驱动电路基板22等的规定位置。此时，第一散热板371与导体板318、319相对地配置，第二散热板372与导体板315、320相对地配置。第二散热板372经由绝缘片333与模块一次密封体302相接，而第一散热板371与模块一次密封体302之间具有间隙。
在使挡板（未图示）从外侧与第二散热板372接触的状态下，将第一散热板371从外方向模块箱37的内侧按压。第一散热板371如上所述具有与散热肋片部371f的底座相比更薄的肋片周缘部371p，所以第一散热板371被按压时，如图16所示，较薄的肋片周缘部371p优先地变形，构成模块箱37的内面的第一散热板371与模块一次密封体302的另一方的宽面压接，同时第二散热板372也与模块一次密封体302的一方的宽面压接。
通过将第一散热板371向第二散热板372侧按压，也对被挡板支承的第二散热板372从外方向模块箱37的内侧施加压力。但是，因为第二散热板372的肋片周缘部372p的厚度t2，与第一散热板371的肋片周缘部371p的厚度t1相比更薄（参照图12），所以第二散热板372不变形。
框体380与第一和第二散热板371、372相比刚度更高，所以不会变形。这样，因为对模块箱37加压时能够仅使第一散热板371的周缘部371p优先地变形，所以在将模块一次密封体302和辅助成型体600定位后的位置，能够将模块箱37隔着绝缘片333与模块一次密封体302压接。
在模块箱37内填充第二密封树脂351时，如图7所示，将模块箱37的内部残留的空隙填充，模块箱37内被密封。
如上所述地形成的功率模块300a，如图4所示，通过从流路形成体12的开口部400a与冷却剂的流动方向交叉地插入，将凸缘部382（参照图6）安装到流路形成体12，使流路形成体12的上表面侧的开口部400a被封闭。由此，即使将模块箱37插入流过冷却剂的冷却剂流路19内，也能够通过凸缘部382确保对冷却剂的密封，因此防止了冷却剂进入模块箱37的内部。
第一散热板371和第二散热板372使宽面沿着冷却剂的流动方向配置，使钉状肋片向与冷却剂的流动方向正交的方向突出地配置。第一散热部件371和第二散热部件372在与冷却剂流路19内流动的冷却剂之间进行热交换。来自功率半导体元件的热，经由导体板等向包括第一和第二散热板371、372的钉状肋片的模块箱37的外表面传递，对冷却剂散热。
如图2和图6所示，从功率模块300a突出的信号端子325U（154）、325L（164）、327（155、165）与驱动电路174连接，直流正负极端子315B（157）、319B（158）与电力供给汇流条连接，交流端子320B（159）与交流汇流条802连接。
根据以上说明的本实施方式，能够实现以下的作用效果。
（1）使框体380、第一散热板371和第二散热板372个别地形成，将第一和第二散热板371、372与框体380接合而形成模块箱37。由此，能够进行与构成部件的功能相应的材料选定，对于框体380选定重视刚度的材质，对于第一散热板371和第二散热板372选定重视散热性的材质。
结果，能够提供同时实现高刚度和高散热性的功率模块300a～300c、和使用其的电力转换装置200。
（2）进而，能够使构成模块箱37的内面的第一散热板371和第二散热板372的面预先加工为要求的面精度。使模块箱一体成型的现有技术中，存在有时在绝缘片333的接合面上产生起伏，导体板的散热面只能隔着绝缘片333局部地接触的问题。但是，根据本实施方式，能够如上所述地提高模块箱37的内面的面精度，所以能够增加与隔着绝缘片333接触的导体板的接触面积。结果，能够使功率半导体元件产生的热有效地传递至第一散热板371和第二散热板372。
（3）为了使第一散热板371的肋片周缘部371p的弯曲刚度与第二散热板372的肋片周缘部372p的弯曲刚度相比更低，将肋片周缘部371p的厚度t1设定为比肋片周缘部372p的厚度t2更薄（t1<t2）。由此，在对模块箱37加压，将模块箱37与模块一次密封体302压接的工序中，能够使第一散热板371的肋片周缘部371p优先地变形。
从而，以模块一次密封体302的一方的宽面与构成模块箱37的内面的第二散热板372抵接的方式对模块一次密封体302定位时，因为加压时第二散热板372不变形，所以能够使模块一次密封体302与辅助成型体600的位置不会偏移地将模块箱37与模块一次密封体302压接。结果，能够使信号端子325U、325L、327等配置在驱动电路基板22等的规定位置，与规定场所容易地连接。
与此相对，使第一和第二散热板的肋片周缘部的双方的厚度较薄地形成，将模块一次密封体302配置在模块箱的中央，对第一和第二散热板施加外部压力制造功率模块的情况下存在以下问题。即，因第一和第二散热板的双方的变形量产生差等，模块一次密封体302的位置偏移，驱动电路基板22等与信号端子325U、325L、327等的适当的接合变得困难。
（4）框体380与第一散热板371、以及框体380与第二散热板372通过固相接合而结合。由此，能够确保框体380与第一散热板371的接合面、以及框体380与第二散热板372的接合面的密封性，且将第一和第二散热板371、372分别牢固地固定到框体380。
（5）本实施方式中，因为分别个别地制造框体380和第一与第二散热板371、372，将三个部件结合，与现有技术即将底部外壳、顶部外壳和一对侧部外壳用粘合剂接合并保持一对散热板的结构相比，能够提供具有高刚度且削减了部件个数的功率模块。
（6）本实施方式中，因为一体地形成的框体380具有较高的刚度，所以能够确保对于将功率模块机械地固定到电力转换装置的外壳时的变形和蠕变变形、疲劳破坏等的充分的持久性。
以下变形也在本发明的范围内，还能够将一个或多个变形例与上述实施方式组合。
（1）本发明不限于将第一散热板371的肋片周缘部371p的厚度t1设定为比第二散热板372的肋片周缘部372p的厚度t2更薄的情况。也可以使肋片周缘部371p、372p的厚度相同，通过对第一和第二散热板371、372从外方向模块箱37的内侧加压，使肋片周缘部371p、372p双方变形，将模块箱37与模块一次密封体302压接。此外，如上所述，因为通过使肋片周缘部371p、372p中的一方优先地变形能够防止模块一次密封体302的错位，所以优选使肋片周缘部371p、372p中的一方优先地变形。
（2）上述实施方式中，通过使第一散热板371的肋片周缘部371p和第二散热板372的肋片周缘部372p的厚度具有差，使弯曲刚度具有差，对第一和第二散热板371、372加压时，使一方优先地变形，但本发明不限于此。也可以通过使第一散热板371的肋片周缘部371p和第二散热板372的肋片周缘部372p的截面形状不同，使弯曲刚度具有差，使一方优先地变形。还可以使第一散热板371的肋片周缘部371p和第二散热板372的肋片周缘部372p的厚度相同，在一方附加作为其他部件的梁来提高弯曲刚度。也可以使第一散热板371的肋片周缘部371p和第二散热板372的肋片周缘部372p的厚度双方均较厚，在一方加入多个切口来降低弯曲刚度。这样，通过各种方式使肋片周缘部371p、372p双方的弯曲刚度具有差，能够使肋片周缘部371p、372p中的一方优先地变形。
（3）散热肋片不限于采用钉形的情况，能够采用平板状的肋片等各种形状。肋片的形状和个数根据要求的冷却性能和压力损失决定。
（4）本发明不限于使框体380与第一散热板371、以及框体380与第二散热板372通过固相接合而结合的情况。也可以通过熔化接合使框体380与第一散热板371、以及框体380与第二散热板372结合。
（5）为了提高绝缘片333的密合性，可以预先在绝缘片333的表面设置接合层。
（6）上述实施方式中，绝缘片333是在环氧树脂中分散了陶瓷微粒的树脂片，但本发明不限于此。绝缘片333也可以采用比树脂导热性更优秀的氧化铝、氮化硅、氮化铝等陶瓷片，在陶瓷片的两面涂敷散热油使用。
（7）上述实施方式中使用了绝缘片333，但本发明不限于此。也可以代替绝缘片333，改为使用具有绝缘性的油、化合物等。
（8）上述实施方式中，使第一散热板371的对接部371b的厚度tb1与肋片周缘部371的厚度t1为相同厚度，但本发明不限于此。也可以将对接部371b的厚度tb1设定为比肋片周缘部371p的厚度t1更厚。
（9）上述实施方式中，构成为使第一散热板371和第二散热板372和框体380个别地成型并安装，采用将功率模块300a配置在冷却剂流路19中使第一散热板371和第二散热板372二者冷却的两面冷却方式，但本发明不限于此。也可以采用将模块箱的一方的宽面作为散热面配置到冷却剂流路中的单面冷却方式，使模块箱由一片散热板和框体构成。
（10）电力转换装置也能够用于其他电动车辆，例如混合动力电车等铁道车辆、公交车等合乘车、卡车等货车、蓄电池式叉车等工业车辆等的车辆用电源装置。
（11）电力转换装置也可以应用于构成计算机系统或服务器系统等使用的不间断电源装置、自家用发电设备使用的电源装置等电动车辆以外的电源装置的电力转换装置。
只要不损害本发明的特征，本发明就不限于上述实施方式，在本发明的技术思想的范围内能够考虑的其他方式也包括在本发明的范围内。
下面的优先权基础申请的公开内容作为引用文被编入。
日本国专利申请2011年第128304号（2011年6月8日申请）。

Claims (8)

1.一种功率模块，其特征在于，包括：
构成逆变器电路的上下臂的多个半导体元件；
与所述半导体元件的各个电极面分别相对地配置的多个导体板；和
收纳所述半导体元件和所述导体板的模块箱，
所述模块箱包括：
与所述导体板的面相对置的板状的金属制的散热部件；
具有被该散热部件封闭的开口部的金属制的框体，
在所述散热部件的中央设置有竖立设置了多个散热肋片的散热肋片部，在所述散热部件的外周缘设置有与所述框体的接合部，
所述散热部件比所述框体具有更高的导热性，所述框体比所述散热部件具有更高的刚度。
2.如权利要求1所述的功率模块，其特征在于：
所述散热部件是彼此相对地配置的第一散热板和第二散热板。
3.如权利要求2所述的功率模块，其特征在于：
所述第一散热板和第二散热板，在各自的所述散热肋片部与所述接合部之间具有以包围所述散热肋片部的方式设置的肋片周缘部，
所述第一散热板的周缘部的弯曲刚度被设定为低于所述第二散热板的周缘部的弯曲刚度，使得在从外部对所述第一散热板和第二散热板施加向模块箱的内侧的压力时，所述第一散热板的周缘部优先变形。
4.如权利要求3所述的功率模块，其特征在于：
所述第一散热板的肋片周缘部的厚度比所述第二散热板的肋片周缘部的厚度薄。
5.如权利要求2～4中任一项所述的功率模块，其特征在于：
所述多个导体板包括经由金属接合材料与所述半导体元件的一个电极面连接的第一导体板和经由金属接合材料与所述半导体元件的另一个电极面连接的第二导体板，
用密封材料密封所述半导体元件、所述第一导体板和所述第二导体板而成的模块一次密封体，经由绝缘部件与所述模块箱压接，
所述第一和第二导体板，其一部分从所述密封材料露出而与所述绝缘部件接触。
6.如权利要求2～5中任一项所述的功率模块，其特征在于：
所述框体与所述第一散热板、所述框体与所述第二散热板分别通过熔化接合或固相接合而结合。
7.一种通过半导体元件的开关动作将电力从直流转换为交流和从交流转换为直流的电力转换装置，其特征在于，包括：
权利要求2～6中任一项所述的功率模块；和
形成流过冷却剂的冷却剂流路的流路形成体，
所述功率模块，通过将所述第一和第二散热板配置在所述冷却剂流路内而与在所述冷却剂流路内流动的冷却剂之间进行热交换，使得来自所述半导体元件的热向冷却剂散热。
8.如权利要求7所述的电力转换装置，其特征在于：
在所述流路形成体形成有与所述冷却剂流路连通的开口部，
所述功率模块包括：
有底筒形的筒部；和
凸缘部，其形成于所述筒部的开口且固定于所述流路形成体而封闭所述流路形成体的开口部，
所述筒部通过将所述第一散热板和所述第二散热板接合到所述框体而形成，
所述第一散热板和第二散热板各自设置的散热肋片竖立设置而突出到所述冷却剂流路。
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