JP2013255424A - 半導体モジュールおよびこれを用いた電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上アーム回路を構成する第1パワー半導体素子52,56と、下アーム回路を構成する第2パワー半導体素子62,66と、第1パワー半導体素子の一方の側及び他方の側に配置される第1導体板534及び第2導体板584と、第2パワー半導体素子の一方の側及び他方の側に配置される第3導体板544及び第4導体板574とは、リカバリ電流が第1導体板534、第1パワー半導体素子52,56、第2導体板584、第3導体板544、第2パワー半導体素子62,66、第4導体板574の順に流れた時に、ループ形状のリカバリ電流経路を形成するように配置され、第1放熱板522と第2放熱板562には、ループ形状のリカバリ電流によって渦電流605,606が誘起されて、スイッチング動作時のインダクタンスを低減する。
【選択図】図34
Description
前記半導体モジュールは複数個設けられ、かつそれぞれの半導体モジュールは、
前記上アーム回路を構成する第1パワー半導体素子と、
前記下アーム回路を構成する第2パワー半導体素子と、
前記第1パワー半導体素子の一方の側に配置されるとともに当該第1パワー半導体素子の一方の電極とはんだを介して接続される第1導体板と、
前記第1パワー半導体素子の他方の側に配置されるとともに当該第1パワー半導体素子の他方の電極とはんだを介して接続される第2導体板と、
前記第2パワー半導体素子の一方の側に配置されるとともに当該第2パワー半導体素子の一方の電極とはんだを介して接続される第3導体板と、
前記第2パワー半導体素子の他方の側に配置されるとともに当該第2パワー半導体素子の他方の電極とはんだを介して接続される第4導体板と、
第1絶縁部材を介して前記第1導体板及び前記第3導体板と対向する位置に配置される金属製の第1放熱板と、
第2絶縁部材を介して前記第2導体板及び前記第4導体板と対向する位置に配置される金属製の第2放熱板と、
前記直列回路に電流を供給する正極端子及び負極端子と、を備え、
前記第1パワー半導体素子と前記第2パワー半導体素子と前記第1導体板と前記第2導体板と前記第3導体板と前記第4導体板は、前記リカバリ電流が当該第1導体板、当該第1パワー半導体素子、当該第2導体板、当該第3導体板、当該第2パワー半導体素子、当該第4導体板の順に流れた時に、ループ形状のリカバリ電流経路を形成するように配置され、
前記第1放熱板と前記第2放熱板には、前記ループ形状のリカバリ電流によって渦電流が誘起される電力変換装置。
本実施形態に係る電力変換装置は、両側に冷却金属を備えた半導体モジュールの内部にインバータの上下アームの直列回路を収納し、半導体モジュールを冷却水内に挿入し、両側の冷却金属を冷却水で冷却する構造を備えている。この構造により冷却効率が向上し、半導体モジュールの小型化が可能となる。また、具体的な構造として、両側の冷却金属の内側にそれぞれ絶縁シートあるいはセラミック板などの絶縁板である絶縁部材を設け、それぞれの絶縁部材に固定した導体金属の間に上下アームの直列回路を構成する上アームおよび下アームの半導体チップを挟み込んでいる。この構造で上アームおよび下アームの半導体チップの両面と冷却金属との間に良好な熱伝導路ができ、半導体モジュールの冷却効率は大きく向上する。
本実施形態に係る電力変換装置では、上述のとおり、半導体モジュールの冷却効率を大幅に改善でき、結果的に半導体チップの温度上昇を抑えることが可能となり、信頼性の改善に繋がる。
本実施形態に係る電力変換装置では、上述したとおり、半導体モジュールと冷却筐体とをそれぞれ別々に製造し、その後半導体モジュールを冷却筐体に固定する工程を行うようにすることが可能であり、電気系の製造ラインで半導体モジュールを製造することが可能となる。これにより生産性と信頼性が向上する。また、コンデンサモジュールも同様に他の製造工程で製造し、その後水路筐体に固定できるので、生産性が向上する。
導体チップは、冷却水によって放熱フィン(A側)522からと放熱フィン(B側)562からとの両面から冷却される両面冷却の構造である。
52:上アームのIGBT、53:上アームのコレクタ電極、54:上アームのゲート電極端子、55:上アームの信号用エミッタ電極端子、56:上アームのダイオード、57:正極(P)端子、58:負極(N)端子、59:交流端子、62:下アームのIGBT、63:下アームのコレクタ電極、64:下アームのゲート電極端子、65:下アームの信号用エミッタ電極端子、66:下アームのダイオード、69:中間電極、70:制御部、72:制御回路(制御基板370に内蔵)、74:ドライバ回路(制御基板372に内蔵)、76:信号線、80:検出部、82:信号線、86:交流電力線、88:交流コネクタ、90:コンデンサ(コンデンサモジュール390に内蔵)、92,94:モータジェネレータ、95:コンデンサモジュール、96:コンデンサ端子、
100:電力変換装置、112:上ケース、114:上ケースの下部開口、116:入口部用窪み、118:出口部用窪み、120:上ケースの上部開口、122:コネクタ用窪み、124:フランジ、132:カバー、142:下ケース、144:下ケースの上部開口、146:入口部用窪み、148:出口部用窪み、154:フランジ、
212:水路筐体、214:水路筐体の本体部、216:本体部の水路、218:挿入口、224:水路筐体の正面部、226:正面部の入口水路、227:正面部の折り返し水路、228:正面部の出口水路、234:水路筐体の背面部、236:背面部の折り返し水路、246:入口部、248:出口部、249:導水部、250〜255:水流、270:水路形成部、271:隔壁、280:コネクタ部、370:制御基板(制御回路72を内蔵)、372:制御基板(ドライバ回路74を内蔵)、373:コネクタ(制御回路用)、374:ドライバIC、386:バスバーアッセンブリ、390:コンデンサモジュール、
500:半導体モジュール、502:モールド樹脂、504:窪み(コンデンサ端子絶縁板受)、508:サイドケース、512:トップケース、513:孔、516:ボトムケース、522:放熱フィン(A側)、524:絶縁シート(A側)、532:正極端子、533:櫛歯形状、534:正極側の導体板、536:凸部、537:半田層、538:IGBTチップ(上アーム用)、540:凸部、541:半田層、542:ダイオードチップ(上アーム用)、544:導体板、545:凸部、546:半田層、547:IGBTチップ(下アーム用)、548:凸部、549:半田層、550:ダイオードチップ(下アーム用)、552:信号用端子(上アーム用)、553:ゲート端子(上アーム用)、554:信号用導体、555:ゲート用導体(上アーム用)、556:信号用端子(下アーム用)、557:ゲート端子(下アーム用)、558:信号用導体(下アーム用)、559:ゲート用導体(下アーム用)、562:放熱フィン(B側)、564:絶縁シート(B側)、570:中央フィン、572:負極端子、573:櫛歯形状、574:負極側の導体板、576:凸部(IGBTチップに接続)、578:凸部(ダイオードチップに接続)、582:交流端子、583:櫛歯形状、584:交流用の導体板、586:凸部(IGBTチップに接続)、588:凸部(ダイオードチップに接続)、592:凸部(上下アームの中間電極に接続)、593:半田層(上下アームの中間電極に接続)、594:接続板(上下アームの中間電極を構成)、
605,606:うず電流、611:コンデンサ正極端子、612:コンデンサ負極端子、613:絶縁ガイド(コンデンサ端子絶縁板)、630:挿入口(窪み)、622:半導体モジュールにおける上段の冷却水流れ、623:半導体モジュールにおける下段の冷却水流れ、650,651,652,653,654,655,656,657:水流、660:ガイド部、661:信号用エミッタ電極端子、662:ゲート電極端子
S1:図24の部分拡大表示、S2:図25の部分拡大表示、D1:凸部586の厚さ、D2:凸部588の厚さ、D3:凸部540の厚さ、D4:凸部536の厚さ、D5:凸部592の厚さ
インバータ回路の上アームを構成する第1スイッチング素子(52)及び第1ダイオード(56)と、
インバータ回路を構成する下アームの第2スイッチング素子(62)及び第2ダイオード(56)と、
前記第1スイッチング素子の一方の電極面及び前記第1ダイオードの一方の電極面と半田を介して接続される第1導体(534)と、
前記第1スイッチング素子の他方の電極面及び前記第1ダイオードの他方の電極面と半田を介して接続される第2導体(584)と、
前記第2スイッチング素子の一方の電極面及び前記第2ダイオードの一方の電極面と半田を介して接続されるとともに前記第2導体と電気的に接続される第3導体(544)と、
前記第2スイッチング素子の一方の電極面及び前記第2ダイオードの一方の電極面と半田を介して接続される第4導体(574)と、
前記第1導体と接続される正極端子(532)と、
前記第4導体と接続される負極端子(572)と、
前記第2導体と接続される交流端子(582)と、
前記第1導体と前記第2導体と前記第3導体と前記第4導体を挟み込んで配置される一対の金属製放熱部(522、562)と、を備える半導体モジュールであって、
前記正極端子と前記負極端子と前記交流端子は、前記半導体モジュールの一方の側面に接近して配置され、
前記負極端子は、前記交流端子よりも前記正極端子の近くに配置される半導体モジュール。
請求項1ないし7に記載のいずれかの半導体モジュールを複数備える電力変換装置であって、
直流正極導体と直流負極導体を有する直流バスバーを備え、
前記直流正極導体は、前記直流負極導体と対向して配置され、
前記複数の半導体モジュールは、それぞれの前記金属製放熱部が対向するように配置され、
前記直流バスバーは、前記複数の半導体モジュールのそれぞれの前記正極端子及び前記負極端子に対応して複数の接続端子を有し、
前記複数の接続端子は、前記複数の半導体モジュールの配列方向に沿って並べて配置される電力変換装置。
Claims (7)
- インバータ回路を構成する上アーム回路及び下アーム回路の直列回路を内蔵した半導体モジュールと、前記半導体モジュールに供給する直流電圧を平滑化するための平滑コンデンサと、を備え、
前記半導体モジュールは複数個設けられ、かつそれぞれの半導体モジュールは、
前記上アーム回路を構成する第1パワー半導体素子と、
前記下アーム回路を構成する第2パワー半導体素子と、
前記第1パワー半導体素子の一方の側に配置されるとともに当該第1パワー半導体素子の一方の電極とはんだを介して接続される第1導体板と、
前記第1パワー半導体素子の他方の側に配置されるとともに当該第1パワー半導体素子の他方の電極とはんだを介して接続される第2導体板と、
前記第2パワー半導体素子の一方の側に配置されるとともに当該第2パワー半導体素子の一方の電極とはんだを介して接続される第3導体板と、
前記第2パワー半導体素子の他方の側に配置されるとともに当該第2パワー半導体素子の他方の電極とはんだを介して接続される第4導体板と、
第1絶縁部材を介して前記第1導体板及び前記第3導体板と対向する位置に配置される金属製の第1放熱板と、
第2絶縁部材を介して前記第2導体板及び前記第4導体板と対向する位置に配置される金属製の第2放熱板と、
前記直列回路に電流を供給する正極端子及び負極端子と、を備え、
前記第1パワー半導体素子と前記第2パワー半導体素子と前記第1導体板と前記第2導体板と前記第3導体板と前記第4導体板は、前記リカバリ電流が当該第1導体板、当該第1パワー半導体素子、当該第2導体板、当該第3導体板、当該第2パワー半導体素子、当該第4導体板の順に流れた時に、ループ形状のリカバリ電流経路を形成するように配置され、
前記第1放熱板と前記第2放熱板には、前記ループ形状のリカバリ電流によって渦電流
が誘起される電力変換装置。 - 請求項1に記載された電力変換装置であって、
前記正極端子と前記負極端子は、当該正極端子に流れるリカバリ電流と当該負極端子に流れるリカバリ電流が逆方向かつ平行に流れるように、互いに対向して配置される電力変換装置。 - 請求項1または2に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記第1導体板は、当該第1導体板の一部が前記第4導体板の一部と対向するように形成される電力変換装置。 - 請求項1ないし3に記載されたいずれか1つに記載の電力変換装置であって、
冷却水が流れる水路を形成する水路筐体を備え、
前記水路筐体には、前記水路に繋がる挿入口が形成され、
前記複数の半導体モジュールは、前記冷却水の流れに沿った軸に対して垂直の方向から前記挿入口を介して挿入され、前記水路筐体に保持される電力変換装置。 - 請求項4に記載された電力変換装置であって、
前記半導体モジュールは、前記第1パワー半導体素子と前記第2パワー半導体素子が前記挿入口への挿入方向において互いにずれて配置される電力変換装置。 - 請求項1乃至請求項5のいずれか1つに記載の電力変換装置において、
前記第1絶縁部材は、絶縁性のシートでありかつ前記第1放熱板に熱圧着され、
前記第2絶縁部材は、絶縁性のシートでありかつ前記第2放熱板に熱圧着される電力変換装置。 - 請求項1乃至請求項6のいずれか1つに記載の電力変換装置において、
前記平滑コンデンサは、コンデンサ正極端子と、コンデンサ負極端子とを有し、
前記コンデンサ正極端子と前記コンデンサ負極端子は、絶縁部材を間に挟んだ積層体を構成し、
前記積層体は、前記半導体モジュールの前記正極端子と前記負極端子との間に配置される電力変換装置。
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