JP2007215396A - Semiconductor power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気自動車やハイブッリド電気自動車などの電動車両に用いられる半導体電力変換装置、例えばバッテリから供給された直流電力を交流電力に変換するインバータ装置などとして好適に用いることができる半導体電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor power conversion device used in an electric vehicle such as an electric vehicle or a hybrid electric vehicle, for example, an inverter device that converts DC power supplied from a battery into AC power, and the like. About.
交流モータの駆動などに用いられるインバータなどの電力変換器には、IPMと呼ばれる半導体モジュールとコンデンサとが用いられている。この半導体モジュールは、パワー半導体チップをブスバ・ワイヤボンドなどの組み合わせで電気的に接続すると共に、チップからの発熱を冷却器へと熱的に接続するための熱回路を作りこんだモジュールである。 In a power converter such as an inverter used for driving an AC motor, a semiconductor module called an IPM and a capacitor are used. This semiconductor module is a module in which a power semiconductor chip is electrically connected by a combination of bus bar and wire bond, and a thermal circuit for thermally connecting heat generated from the chip to a cooler is built.
従来、上述したIPMとコンデンサとは別々に設計されている。これは、部品機能の設計製造(電気的仕様・製造工程・冷却設計など)を別々に行いたいという要望に基づくものであるが、一方でお互いの設計に新たな仕様を追加する要因となっている。例えばIPM設計側からは、スイッチング時のサージ電圧をチップの耐圧以下にするために、IPM内外のインダクタンス低減が設計上の課題となる。 Conventionally, the IPM and the capacitor described above are designed separately. This is based on the desire to separately design and manufacture component functions (electrical specifications, manufacturing process, cooling design, etc.), but on the other hand, it becomes a factor that adds new specifications to each other's designs. Yes. For example, from the IPM design side, in order to make the surge voltage at the time of switching below the breakdown voltage of the chip, reducing the inductance inside and outside the IPM becomes a design issue.
また、コンデンサ設計からは、IPM部分で発生するリプル電流が設計条件として与えられ、これを供給するためのコンデンサ自体の低ESL化(寄生インダクタンスの低減)、またコンデンサ発熱を許容するためのコンデンサ自体の伝熱設計や低ESL化(寄生抵抗の低減)が設計課題となる。寄生抵抗=発熱はコンデンサの容量に反比例するので、損失が小さく放熱性のよいコンデンサ=大形・大容量のコンデンサが必要となってしまう。但し、大形のコンデンサでは熱抵抗が小さいため、温度上昇が少なくて済むという利点が生じる。 Also, from the capacitor design, the ripple current generated in the IPM part is given as a design condition, the capacitor itself for supplying this is reduced in ESL (reduction of parasitic inductance), and the capacitor itself for allowing the capacitor heat generation. Heat transfer design and low ESL (reduction of parasitic resistance) are design issues. Since parasitic resistance = heat generation is inversely proportional to the capacity of the capacitor, a capacitor with low loss and good heat dissipation = large and large capacity capacitor is required. However, since a large capacitor has a small thermal resistance, there is an advantage that the temperature rise is small.
一方、特開2004−335625ではIPM内に平型のコンデンサを近接設置しているが、上部構造がコンデンサ、下部構造がチップ実装面となっており、コンデンサ及び半導体モジュールをそれぞれ別の部材で支持することになって支持構造が複雑になる。また、特にコンデンサ自体の小型化も図れていないので、インダクタンスも従来より小さくなってはいない。したがって、このような技術では、上述した従来の問題を何ら解決するには至っていない。 On the other hand, in JP2004-335625, a flat capacitor is installed close to the IPM, but the upper structure is a capacitor and the lower structure is a chip mounting surface, and the capacitor and the semiconductor module are supported by separate members. As a result, the support structure becomes complicated. In addition, since the capacitor itself has not been downsized, the inductance is not smaller than the conventional one. Therefore, such a technique has not yet solved the conventional problems described above.
このように、IPM設計とコンデンサ設計とでは互いに相反するような観点から設計を行う必要があり、半導体チップの耐圧の低減とコンデンサの発熱低減との双方を同時に実現できるような(半導体)電力変換装置は未だに得られていない。 In this way, it is necessary to design from the viewpoint of conflicting between IPM design and capacitor design, and (semiconductor) power conversion that can simultaneously realize both reduction of the breakdown voltage of the semiconductor chip and reduction of heat generation of the capacitor The device has not yet been obtained.
本発明は、上記のIPMとコンデンサとを接続するというシステム設計の持つ問題点を解消し、半導体チップの耐圧の低減とコンデンサの発熱低減との双方を同時に実現できるような半導体電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention provides a semiconductor power converter capable of solving the problem of the system design of connecting the IPM and the capacitor and simultaneously realizing both the reduction of the breakdown voltage of the semiconductor chip and the reduction of the heat generation of the capacitor. The purpose is to do.
上記目的を達成すべく、本発明は、
パワー半導体チップ、並びにこのパワー半導体チップを両側から挟み込むようにして設けられたPブスバ及びNブスバを含む半導体チップ構造と、コンデンサとを具える半導体電力変換装置であって、
前記コンデンサは、前記半導体チップ構造における前記Pブスバ及び前記Nブスバで挟み込むようにして支持し、前記半導体チップ構造と前記コンデンサとを並列に近接して配置するようにしたことを特徴とする、半導体電力変換装置に関する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A semiconductor power converter comprising a power semiconductor chip, a semiconductor chip structure including a P bus bar and an N bus bar provided so as to sandwich the power semiconductor chip from both sides, and a capacitor,
The capacitor is supported by being sandwiched between the P bus bar and the N bus bar in the semiconductor chip structure, and the semiconductor chip structure and the capacitor are arranged close to each other in parallel. The present invention relates to a power conversion device.
本発明によれば、半導体電力変換装置を構成するコンデンサが、同じく前記半導体電力変換装置を構成する半導体チップ構造のPブスバ及びNブスバを共有し、これらブスバ間に挟まれるようにして位置し、前記半導体チップ構造と前記コンデンサとが並列に隣接して配置されるようにして構成されている。したがって、前記コンデンサのインダクタンスを前記半導体チップ構造に合致させるようにして決定させれば良く、その結果、前記インダクタンスを十分に低減させることができるようになる。 According to the present invention, the capacitor constituting the semiconductor power converter is located so as to share the P bus bar and the N bus bar of the semiconductor chip structure that also constitutes the semiconductor power converter, and is sandwiched between these bus bars, The semiconductor chip structure and the capacitor are arranged adjacent to each other in parallel. Therefore, the inductance of the capacitor may be determined so as to match the semiconductor chip structure, and as a result, the inductance can be sufficiently reduced.
また、前記半導体チップ構造におけるブスバのインダクタンス自体が十分に小さく、外部結線のためのワイヤボンディングなどのインダクタンスを向上させるような要素も極めて少ない。したがって、前記半導体チップ構造自体のインダクタンスが十分に小さいことに起因して、前記コンデンサのインダクタンスをさらに低減することができる。したがって、スイッチング時のサージも十分に低減することができるので、前記半導体チップ構造の耐圧も十分に低減することができる。 Further, the bus bar inductance itself in the semiconductor chip structure is sufficiently small, and there are very few elements for improving the inductance such as wire bonding for external connection. Therefore, the inductance of the capacitor can be further reduced due to the sufficiently small inductance of the semiconductor chip structure itself. Therefore, surge at the time of switching can be sufficiently reduced, and the breakdown voltage of the semiconductor chip structure can be sufficiently reduced.
なお、本発明の好ましい態様においては、前記パワー半導体チップは、前記Pブスバに接触するようにして設けられた第1の半導体チップと、前記Nブスバに接触するようにして設けられた第2の半導体チップとを含み、前記第1の半導体チップ及び前記第2の半導体チップは、互いに対向するようにして位置し、前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとの間にACブスバを具え、このACブスバは前記第1の半導体チップ及び前記第2の半導体チップと電気的に接合されているように構成する。 In a preferred aspect of the present invention, the power semiconductor chip includes a first semiconductor chip provided so as to contact the P bus bar and a second semiconductor chip provided so as to contact the N bus bar. The first semiconductor chip and the second semiconductor chip are positioned so as to face each other, and an AC bus bar is provided between the first semiconductor chip and the second semiconductor chip. The AC bus bar is configured to be electrically joined to the first semiconductor chip and the second semiconductor chip.
このような構成によれば、上記半導体チップ構造のコンダクタンスを増大させることなく、前記電力変換装置において直流電力から変換された交流電力を効率的に取り出すことができるようになる。また、前記交流電力を取り出すに際して、前記半導体チップ構造に対して応力が負荷されることがないので、前記半導体チップ構造に対するダメージを大幅に低減することができる。 According to such a configuration, AC power converted from DC power in the power converter can be efficiently extracted without increasing the conductance of the semiconductor chip structure. In addition, since stress is not applied to the semiconductor chip structure when taking out the AC power, damage to the semiconductor chip structure can be greatly reduced.
また、本発明の他の好ましい態様においては、前記ACブスバは、前記第1の半導体チップ及び前記第2の半導体チップに対してクリップ状のバネを介して電気的に接続する。この場合、前記ACブスバ及び前記第1の半導体チップ、前記第2の半導体チップ間において、前記バネは前記ACブスバ及び前記第1の半導体チップ、前記第2の半導体チップに対して圧接するようになるので、前記ACブスバと前記第1の半導体チップ及び前記第2の半導体チップとの電気的接続を確実に行うことができるようになる。 In another preferable aspect of the present invention, the AC bus bar is electrically connected to the first semiconductor chip and the second semiconductor chip via a clip-shaped spring. In this case, the spring is pressed against the AC bus bar, the first semiconductor chip, and the second semiconductor chip between the AC bus bar, the first semiconductor chip, and the second semiconductor chip. Therefore, the electrical connection between the AC bus bar and the first semiconductor chip and the second semiconductor chip can be reliably performed.
さらに、本発明のその他の好ましい態様においては、前記Nブスバ及び前記Pブスバの少なくとも一方に接触するようにして、前記Nブスバ及び前記Pブスバの外方において絶縁層を具え、この絶縁層を介して所定のフレーム部材で実装するように構成する。これによって、前記半導体チップ構造などの絶縁性を確実に保持した上で、半導体電力変換装置の実装を行うことができるようになる。 Furthermore, in another preferable aspect of the present invention, an insulating layer is provided outside the N bus bar and the P bus bar so as to be in contact with at least one of the N bus bar and the P bus bar. Mounting with a predetermined frame member. As a result, the semiconductor power conversion device can be mounted while the insulating properties of the semiconductor chip structure and the like are reliably maintained.
また、本発明の他の態様においては、前記Nブスバ及び前記Pブスバの少なくとも一方に所定の冷媒を流すように構成することができ、また、前記ACブスバ内に所定の冷媒を流すように構成することができる。これによって、前記ブスバなどがヒートシンクとして機能するようになり、前記半導体チップからの発熱を効果的に吸収することができるとともに、小型化してインダクタンスが小さくなったことによる前記コンデンサからの発熱を効果的に吸収することができる。 In another aspect of the present invention, a predetermined refrigerant can be made to flow through at least one of the N bus bar and the P bus bar, and a predetermined refrigerant can be made to flow into the AC bus bar. can do. As a result, the bus bar or the like functions as a heat sink, and can effectively absorb the heat generated from the semiconductor chip, and can effectively generate the heat from the capacitor due to downsizing and reducing the inductance. Can be absorbed into.
なお、上述したブスバ内などに冷媒を流す代わりに、前記絶縁層と前記Pブスバ及び前記Nブスバの少なくとも一方との間に冷却層を設け、この冷却層によって上述した発熱を吸収するようにすることもできる。この冷却層は、所定の冷媒を流すように構成した冷却ジャケット様に構成することもできるし、熱伝導性に優れた材料から構成することにより、熱吸収層すなわち放熱層として構成することもできる。また、後者の場合においては、層の少なくとも一部を冷媒と接触させて冷却するように構成することもできる。 Instead of flowing the refrigerant into the bus bar described above, a cooling layer is provided between the insulating layer and at least one of the P bus bar and the N bus bar, and the heat generation described above is absorbed by the cooling layer. You can also. The cooling layer can be configured as a cooling jacket configured to flow a predetermined refrigerant, or can be configured as a heat absorption layer, that is, a heat dissipation layer, by being configured from a material having excellent thermal conductivity. . In the latter case, at least a part of the layer may be brought into contact with the refrigerant to be cooled.
なお、本発明の一態様において、前記フレーム部材はディスク状であって、前記半導体電力変換装置はディスク状に配列して実装するようにすることができる。本例においては、円盤型の構造をもつモータの端部などに上記半導体電力変換装置を内蔵し、例えばACブスバをモータの巻き線に、PNブスバをモータ外部の直流給電線に接続することにより、前記モータをコンパクト化することができる。 In one aspect of the present invention, the frame member is disk-shaped, and the semiconductor power conversion device can be arranged and mounted in a disk shape. In this example, the semiconductor power conversion device is built in the end of a motor having a disk type structure, for example, by connecting an AC bus bar to a winding of the motor and a PN bus bar to a DC power supply line outside the motor. The motor can be made compact.
また、本発明の他の態様において、前記フレーム部材は円帯状であって、前記半導体電力変換装置は円帯状に配列して実装するようにすることができる。本例においても、円筒型の構造をもつモータの端部などに上記半導体電力変換装置を内蔵し、例えばACブスバをモータの巻き線に、PNブスバをモータ外部の直流給電線に接続することにより、前記モータをコンパクト化することができる。 In another aspect of the present invention, the frame member may have a circular belt shape, and the semiconductor power conversion device may be arranged and mounted in a circular belt shape. Also in this example, the semiconductor power conversion device is built in the end of a motor having a cylindrical structure, for example, by connecting an AC bus bar to a winding of the motor and a PN bus bar to a DC power supply line outside the motor. The motor can be made compact.
以上説明したように、本発明によれば、IPMとコンデンサとを接続するというシステム設計の持つ問題点を解消し、半導体チップの耐圧の低減とコンデンサの発熱低減との双方を同時に実現できるような半導体電力変換装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, the problem of the system design of connecting the IPM and the capacitor can be solved, and both the reduction of the breakdown voltage of the semiconductor chip and the reduction of the heat generation of the capacitor can be realized simultaneously. A semiconductor power conversion device can be provided.
以下、本発明の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the features and advantages of the present invention will be described in detail based on the best mode for carrying out the invention.
図1は、本発明の半導体電力変換装置の一例を概略的に示す構成図である。図1に示す半導体電力変換装置10は、互いに並列に配置された半導体チップ構造20とコンデンサ30とを具えている。 FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an example of a semiconductor power conversion device of the present invention. A semiconductor power conversion device 10 shown in FIG. 1 includes a semiconductor chip structure 20 and a capacitor 30 arranged in parallel to each other.
半導体チップ構造20においては、Pブスバ23及びNブスバ24が相対向するようにして配置されているとともに、Pブスバ23の下面には第1のパワー半導体チップ(ハイサイド半導体チップ)21が取り付けられるとともに、Nブスバ24の上面には第2のパワー半導体チップ(ローサイド半導体チップ)22が取り付けられ、互いに対向するようにして配置されている。また、ハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22間にはACブスバ25が設けられている。なお、ACブスバ25は、図示しない部材(ワイヤ)などで、ハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22と電気的に接続されている。 In the semiconductor chip structure 20, the P bus bar 23 and the N bus bar 24 are arranged to face each other, and a first power semiconductor chip (high side semiconductor chip) 21 is attached to the lower surface of the P bus bar 23. At the same time, a second power semiconductor chip (low-side semiconductor chip) 22 is attached to the upper surface of the N bus bar 24 and arranged so as to face each other. An AC bus bar 25 is provided between the high-side semiconductor chip 21 and the low-side semiconductor chip 22. The AC bus bar 25 is electrically connected to the high-side semiconductor chip 21 and the low-side semiconductor chip 22 by a member (wire) (not shown).
一方、コンデンサ30は、上下(正負)電極を半導体チップ構造20のPブスバ23及びNブスバ24で共有している。したがって、半導体チップ構造20とコンデンサ30とはPブスバ23及びNブスバ24を共通の支持体としている。したがって、半導体電力変換装置10において、その構成要素である半導体チップ構造20及びコンデンサ30は共通の支持体で支持されることになるので、それらの支持構造を簡略化することができる。 On the other hand, the capacitor 30 has upper and lower (positive and negative) electrodes shared by the P bus bar 23 and the N bus bar 24 of the semiconductor chip structure 20. Therefore, the semiconductor chip structure 20 and the capacitor 30 use the P bus bar 23 and the N bus bar 24 as a common support. Therefore, in the semiconductor power conversion device 10, the semiconductor chip structure 20 and the capacitor 30, which are constituent elements thereof, are supported by a common support, so that the support structure can be simplified.
また、コンデンサ30がPブスバ23及びNブスバ24間に挟まれるようにして位置し、半導体チップ構造20とコンデンサ30とが並列に隣接して配置されるようにして構成されているので、コンデンサ30のインダクタンスを半導体チップ構造20に合致させるようにして決定させれば良く、その結果、前記インダクタンスを十分に低減させることができるようになる。 Further, the capacitor 30 is positioned so as to be sandwiched between the P bus bar 23 and the N bus bar 24, and the semiconductor chip structure 20 and the capacitor 30 are arranged adjacent to each other in parallel. The inductance may be determined so as to match the semiconductor chip structure 20, and as a result, the inductance can be sufficiently reduced.
なお、図1に示す電力変換装置10においては、半導体チップ構造20におけるPブスバ23及びNブスバ24のインダクタンス自体が後述するように十分に小さく、外部結線のためのワイヤボンディングなどのインダクタンスを増加させるような要素も極めて少ない。したがって、半導体チップ構造20自体のインダクタンスが十分に小さいことに起因して、コンデンサ30のインダクタンスをさらに低減することができる。したがって、スイッチング時のサージも十分に低減することができるので、半導体チップ構造20の耐圧も十分に低減することができる。 In the power conversion device 10 shown in FIG. 1, the inductances of the P bus bar 23 and the N bus bar 24 in the semiconductor chip structure 20 are sufficiently small as will be described later, and the inductance such as wire bonding for external connection is increased. There are very few such elements. Therefore, the inductance of the capacitor 30 can be further reduced due to the sufficiently small inductance of the semiconductor chip structure 20 itself. Therefore, the surge at the time of switching can be sufficiently reduced, and the breakdown voltage of the semiconductor chip structure 20 can be sufficiently reduced.
また、図1に示す電力変換装置10においては、ACブスバ25はハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22間に設けられ、互いに電気的に結合するようにして構成されている。したがって、半導体チップ構造20のコンダクタンスを増大させることなく、電力変換装置10において直流電力から変換された交流電力を効率的に取り出すことができるようになる。また、前記交流電力を取り出すに際して、半導体チップ構造20に対して後述するように応力が付加されることがないので、半導体チップ構造20に対するダメージを大幅に低減することができる。 In the power conversion apparatus 10 shown in FIG. 1, the AC bus bar 25 is provided between the high-side semiconductor chip 21 and the low-side semiconductor chip 22 and is configured to be electrically coupled to each other. Therefore, AC power converted from DC power in the power converter 10 can be efficiently extracted without increasing the conductance of the semiconductor chip structure 20. Further, when taking out the AC power, no stress is applied to the semiconductor chip structure 20 as will be described later, so that damage to the semiconductor chip structure 20 can be greatly reduced.
さらに、図1に示す電力変換装置10においては、Pブスバ23及びNブスバ24の外方において絶縁層41及び42を介して所定のフレーム部材が設けられ、これによって実装されている。 Further, in the power conversion device 10 shown in FIG. 1, a predetermined frame member is provided outside the P bus bar 23 and the N bus bar 24 via the insulating layers 41 and 42, and is mounted thereby.
なお、Pブスバ23及びNブスバ24、並びにACブスバ25は、以下に示すように所定の冷却層として機能させることができる。 The P bus bar 23, the N bus bar 24, and the AC bus bar 25 can function as a predetermined cooling layer as described below.
図2〜図6、図9〜図14は、図1に示す電力変換装置10における種々の態様を具体的に示す側(断)面図である。 FIGS. 2 to 6 and FIGS. 9 to 14 are side (cut) views specifically showing various aspects of the power conversion device 10 shown in FIG. 1.
図2は主として、Pブスバ23及びNブスバ24とACブスバ25との接続態様を説明するための図である。基本的な構成は図1に示す構成と同じである、図1に示す半導体チップ構造と同一構成の半導体チップ構造と、図1に示すコンデンサと同じコンデンサとを含んでいる。上述したように、半導体チップ構造20を構成するPブスバ23及びNブスバ24とACブスバ25とは電気的に接続されていることが必要であるが、本例においては、このような電気接続をクリップ状のバネ45を2重に配置して用いることにより実施している。バネ45は、ACブスバ25及びハイサイド半導体チップ21、ローサイド半導体チップ22に対して圧接するようになるので、ACブスバ25とハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22との電気的接続を確実に行うことができるようになる。 FIG. 2 is a diagram mainly illustrating a connection mode between the P bus bar 23 and the N bus bar 24 and the AC bus bar 25. The basic configuration is the same as the configuration shown in FIG. 1, and includes a semiconductor chip structure having the same configuration as the semiconductor chip structure shown in FIG. 1, and the same capacitor as the capacitor shown in FIG. As described above, the P bus bar 23 and the N bus bar 24 and the AC bus bar 25 constituting the semiconductor chip structure 20 must be electrically connected. In this example, such electrical connection is performed. The clip-like spring 45 is used in a double arrangement. Since the spring 45 comes into pressure contact with the AC bus bar 25, the high side semiconductor chip 21, and the low side semiconductor chip 22, the electrical connection between the AC bus bar 25 and the high side semiconductor chip 21 and the low side semiconductor chip 22 is ensured. Will be able to do.
なお、本例では、実装を行うための絶縁性支持部材47がフレーム部材43及び44間に挿入されており、実装をより正確に行うように構成されている。また、ハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22にはゲート信号線46が接続されている。 In this example, an insulating support member 47 for mounting is inserted between the frame members 43 and 44 so that mounting is performed more accurately. A gate signal line 46 is connected to the high side semiconductor chip 21 and the low side semiconductor chip 22.
図3も主として、Pブスバ23及びNブスバ24とACブスバ25との接続態様を説明するための図である。但し、図3に示す態様は、基本的には図2に示す態様と同じであるが、図2に示す態様では、ACブスバ25とハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22との電気的接続をバネ45を2重にして実施したのに対し、図3に示す例は、バネ45を1重にしている点で相違する。しかしながら、図3に示す態様においても図2に示す態様と同様に、ACブスバ25とハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22との電気的接続を確実に行うことができる。 FIG. 3 is also a diagram mainly illustrating a connection mode between the P bus bar 23 and the N bus bar 24 and the AC bus bar 25. However, the mode shown in FIG. 3 is basically the same as the mode shown in FIG. 2, but in the mode shown in FIG. 2, electrical connection between the AC bus bar 25, the high-side semiconductor chip 21, and the low-side semiconductor chip 22. 3 is different from the example shown in FIG. 3 in that the spring 45 is single. However, in the embodiment shown in FIG. 3, as in the embodiment shown in FIG. 2, the electrical connection between the AC bus bar 25 and the high-side semiconductor chip 21 and the low-side semiconductor chip 22 can be reliably performed.
また、図3に示す態様では、実装の際の絶縁性支持部材47をPブスバ23及びNブスバ24間に挿入するようにしているが、この場合においても、図2に示す態様と同様に実装を確実に行うことができるようになる。 In the embodiment shown in FIG. 3, the insulating support member 47 at the time of mounting is inserted between the P bus bar 23 and the N bus bar 24. In this case, the mounting is performed in the same manner as the embodiment shown in FIG. Can be performed reliably.
図4は主として、本発明の電力変換装置において冷却効果を付与した場合の態様を説明するための図である。図4に示す例においては、Pブスバ23及びNブスバ24内にそれぞれ冷媒用通路23A及び24Aを形成し、この中を水などの冷媒が流れるようにして構成している。この場合、Pブスバ23及びNブスバ24がヒートシンクとして機能するようになり、ハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22からの発熱を効果的に吸収することができるとともに、小型化してインダクタンスが小さくなったことによるコンデンサ30からの発熱を効果的に吸収することができる。 FIG. 4 is a diagram for mainly explaining a mode when a cooling effect is imparted in the power conversion device of the present invention. In the example shown in FIG. 4, refrigerant passages 23 </ b> A and 24 </ b> A are formed in a P bus bar 23 and an N bus bar 24, respectively, and a refrigerant such as water flows through them. In this case, the P bus bar 23 and the N bus bar 24 function as a heat sink, and can effectively absorb the heat generated from the high side semiconductor chip 21 and the low side semiconductor chip 22, and the size is reduced and the inductance is reduced. Therefore, the heat generated from the capacitor 30 can be effectively absorbed.
なお、図4に示す例では、Pブスバ23及びNブスバ24の双方に冷媒を流すように構成しているが、いずれか一方のみに流すように構成することもできる。この場合、ACブスバ25とハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22との間に設けたクリップ状のバネ45は、電気的接続の機能を果たすのみでなく、熱的接続の機能をも果たすようにして、ACブスバ25及びハイサイド半導体チップ21、ローサイド半導体チップ22に対して圧接するようにする。 In the example shown in FIG. 4, the refrigerant is configured to flow through both the P bus bar 23 and the N bus bar 24, but may be configured to flow through only one of them. In this case, the clip-like spring 45 provided between the AC bus bar 25 and the high-side semiconductor chip 21 and the low-side semiconductor chip 22 performs not only an electrical connection function but also a thermal connection function. Thus, the AC bus bar 25, the high-side semiconductor chip 21, and the low-side semiconductor chip 22 are pressed against each other.
具体的には、Pブスバ23内のみに冷媒を流すように構成した場合は、バネ45とACブスバ25及びハイサイド半導体チップ21、ローサイド半導体チップ22とが、熱的接続の機能を果たすようにして構成されていないと、ローサイド半導体チップ22による発熱をバネ45を介してPブスバ23で十分に吸収することができない。また、Nブスバ25内のみに冷媒を流すように構成した場合は、バネ45とACブスバ25及びハイサイド半導体チップ21、ローサイド半導体チップ22とが、熱的接続の機能を果たすようにして構成されていないと、ハイサイド半導体チップ21による発熱をバネ45を介してNブスバ24で十分に吸収することができない。 Specifically, when the refrigerant is configured to flow only in the P bus bar 23, the spring 45, the AC bus bar 25, the high side semiconductor chip 21, and the low side semiconductor chip 22 perform a function of thermal connection. If it is not configured, heat generated by the low-side semiconductor chip 22 cannot be sufficiently absorbed by the P bus bar 23 via the spring 45. Further, in the case where the refrigerant is configured to flow only in the N bus bar 25, the spring 45, the AC bus bar 25, the high side semiconductor chip 21, and the low side semiconductor chip 22 are configured to perform a thermal connection function. Otherwise, the heat generated by the high-side semiconductor chip 21 cannot be sufficiently absorbed by the N bus bar 24 via the spring 45.
なお、バネ45は汎用のベリリウムなどのバネ材で構成することができ、このような場合は、上記熱的接続を十分に確保すべく、バネ45とACブスバ25及びハイサイド半導体チップ21、ローサイド半導体チップ22との接触面積を十分に確保するようにする。具体的には、図14に示すように、バネ45を増やして接触面積を増加させるとよい。また、バネ45は金、銀、銅、又はアルミニウムなど高熱伝導性の材料から構成することもできる。 The spring 45 can be made of a spring material such as general-purpose beryllium. In such a case, the spring 45, the AC bus bar 25, the high-side semiconductor chip 21, the low-side, in order to sufficiently secure the thermal connection. A sufficient contact area with the semiconductor chip 22 is ensured. Specifically, as shown in FIG. 14, the contact area may be increased by increasing the number of springs 45. The spring 45 can also be made of a highly heat conductive material such as gold, silver, copper, or aluminum.
図5は主として、図4に示す例と同様に、本発明の電力変換装置において冷却効果を付与した場合の態様を説明するための図である。図5に示す例においては、Pブスバ23及びNブスバ24内にそれぞれ冷媒用通路23A及び24Aを形成するとともに、ACブスバ25内にも冷媒用通路25Aを形成し、これら通路内に水などの冷媒が流れるようにして構成している。この場合、Pブスバ23、Nブスバ24及びACブスバ25がヒートシンクとして機能するようになり、ハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22からの発熱を効果的に吸収することができるとともに、小型化してインダクタンスが小さくなったことによるコンデンサ30からの発熱を効果的に吸収することができる。 FIG. 5 is a diagram mainly illustrating an aspect in a case where a cooling effect is imparted in the power conversion device of the present invention, similarly to the example shown in FIG. 4. In the example shown in FIG. 5, the refrigerant passages 23A and 24A are formed in the P bus bar 23 and the N bus bar 24, respectively, and the refrigerant passage 25A is also formed in the AC bus bar 25. The refrigerant is configured to flow. In this case, the P bus bar 23, the N bus bar 24, and the AC bus bar 25 function as heat sinks, and can effectively absorb heat generated from the high side semiconductor chip 21 and the low side semiconductor chip 22, and can be downsized. Heat generated from the capacitor 30 due to the reduced inductance can be effectively absorbed.
なお、図5に示す例では、Pブスバ23及びNブスバ24と、ACブスバ25とに冷媒を流すように構成しているが、ACブスバ25のみに流すように構成することもできる。この場合においても、図4に示す場合と同様に、ACブスバ25とハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22との間に設けたクリップ状のバネ45は、電気的接続の機能を果たすのみでなく、熱的接続の機能をも果たすようにして、ACブスバ25及びハイサイド半導体チップ21、ローサイド半導体チップ22に対して圧接するようにする。 In the example illustrated in FIG. 5, the refrigerant is configured to flow through the P bus bar 23, the N bus bar 24, and the AC bus bar 25, but may be configured to flow only through the AC bus bar 25. Also in this case, as in the case shown in FIG. 4, the clip-like spring 45 provided between the AC bus bar 25 and the high-side semiconductor chip 21 and the low-side semiconductor chip 22 only functions as an electrical connection. In addition, the AC bus bar 25, the high-side semiconductor chip 21, and the low-side semiconductor chip 22 are pressed against each other so as to perform a thermal connection function.
具体的には、ACブスバ25内のみに冷媒を流すように構成した場合は、バネ45とACブスバ25及びハイサイド半導体チップ21、ローサイド半導体チップ22とが、熱的接続の機能を果たすようにして構成されていないと、ハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22による発熱をバネ45を介してACブスバ25で十分に吸収することができない。 Specifically, when the refrigerant is configured to flow only in the AC bus bar 25, the spring 45, the AC bus bar 25, the high-side semiconductor chip 21, and the low-side semiconductor chip 22 perform a function of thermal connection. If not configured, the heat generated by the high-side semiconductor chip 21 and the low-side semiconductor chip 22 cannot be sufficiently absorbed by the AC bus bar 25 via the spring 45.
図6は主として、図4に示す例と同様に、本発明の電力変換装置において冷却効果を付与した場合の態様を説明するための図である。本例においては、Pブスバ23及び絶縁層41間、並びにNブスバ24及び絶縁層42間において、冷却層48を設けている。したがって、この冷却層48によって、ハイサイド半導体チップ21及びローサイド半導体チップ22からの発熱を吸収し、小型化してインダクタンスが小さくなったことによるコンデンサ30からの発熱を吸収するようにすることができる。 FIG. 6 is a diagram mainly illustrating an aspect when a cooling effect is imparted in the power conversion device of the present invention, similarly to the example shown in FIG. 4. In this example, a cooling layer 48 is provided between the P bus bar 23 and the insulating layer 41 and between the N bus bar 24 and the insulating layer 42. Therefore, the cooling layer 48 can absorb heat generated from the high-side semiconductor chip 21 and the low-side semiconductor chip 22, and can absorb heat generated from the capacitor 30 due to downsizing and inductance reduction.
冷却層48は、所定の冷媒を流すように構成した冷却ジャケット様に構成することもできるし、熱伝導性に優れた材料から構成することにより、熱吸収層すなわち放熱層として構成することもできる。また、後者の場合においては、層の少なくとも一部を冷媒と接触させて冷却するように構成することもできる。 The cooling layer 48 can be configured as a cooling jacket configured to flow a predetermined refrigerant, or can be configured as a heat absorption layer, that is, a heat dissipation layer, by configuring it from a material having excellent thermal conductivity. . In the latter case, at least a part of the layer may be brought into contact with the refrigerant to be cooled.
なお、冷却層48をPブスバ23側あるいはNブスバ24側のみに設ける場合、上記同様にバネ45の、ACブスバ25及びハイサイド半導体チップ21、ローサイド半導体チップ22との熱的接続を十分に採るようにする。 When the cooling layer 48 is provided only on the P bus bar 23 side or the N bus bar 24 side, the thermal connection of the spring 45 with the AC bus bar 25, the high side semiconductor chip 21, and the low side semiconductor chip 22 is sufficiently taken as described above. Like that.
図9および図10は、本発明の半導体電力変換装置につき、具体的な接合構造を示す構成図である。図9および図10に示す半導体電力変換装置10も、図1に示す実施例と同様、互いに並列に配置された半導体チップ構造20とコンデンサ30とを具えている。コンデンサ30は、上下(正負)電極を半導体チップ構造20のPブスバ23及びNブスバ24で共有し、半導体チップ構造20とコンデンサ30とはPブスバ23及びNブスバ24を共通の支持体としている。
一方、図9に示す半導体電力変換装置10は、コンデンサ30の上下(正負)電極をハンダからなるハンダ層49,50でPブスバ23及びNブスバ24にそれぞれ接合する。ハイサイド半導体チップ21の表面電極をハンダ層51でPブスバ23に接合する。ローサイド半導体チップ22の表面電極をハンダ層52でNブスバ24に接合する。
これらPブスバ23及びNブスバ24と、コンデンサ30および半導体チップ21,22を接合する手段としてはハンダ層49〜52の他、導電性の接合手段であればよい。
9 and 10 are configuration diagrams showing a specific junction structure in the semiconductor power conversion device of the present invention. Similarly to the embodiment shown in FIG. 1, the semiconductor power conversion device 10 shown in FIGS. 9 and 10 also includes a semiconductor chip structure 20 and a capacitor 30 arranged in parallel with each other. The capacitor 30 has upper and lower (positive and negative) electrodes shared by the P bus bar 23 and the N bus bar 24 of the semiconductor chip structure 20, and the semiconductor chip structure 20 and the capacitor 30 use the P bus bar 23 and the N bus bar 24 as a common support.
On the other hand, in the semiconductor power conversion device 10 shown in FIG. 9, the upper and lower (positive and negative) electrodes of the capacitor 30 are joined to the P bus bar 23 and the N bus bar 24 by solder layers 49 and 50 made of solder, respectively. The surface electrode of the high-side semiconductor chip 21 is joined to the P bus bar 23 with the solder layer 51. The surface electrode of the low-side semiconductor chip 22 is joined to the N bus bar 24 by the solder layer 52.
As a means for joining the P bus bar 23 and the N bus bar 24 to the capacitor 30 and the semiconductor chips 21 and 22, a conductive joining means may be used in addition to the solder layers 49 to 52.
また図10に示す半導体電力変換装置10は、コンデンサ30の上端を接着剤からなる接着層53でPブスバ23に接着する。コンデンサ30の下端を接着剤からなる接着層54でNブスバ24に接着する。これら接着層53,54は絶縁性支持部材であって、コンデンサ30をPブスバ23及びNブスバ24間に絶縁下に支持する。そしてコンデンサ30の正負電極をリード線55,56でPブスバ23及びNブスバ24にそれぞれ接合する。 In the semiconductor power conversion device 10 shown in FIG. 10, the upper end of the capacitor 30 is bonded to the P bus bar 23 with an adhesive layer 53 made of an adhesive. The lower end of the capacitor 30 is bonded to the N bus bar 24 with an adhesive layer 54 made of an adhesive. These adhesive layers 53 and 54 are insulating support members, and support the capacitor 30 between the P bus bar 23 and the N bus bar 24 under insulation. The positive and negative electrodes of the capacitor 30 are joined to the P bus bar 23 and the N bus bar 24 by lead wires 55 and 56, respectively.
半導体電力変換装置10のインダクタンスについて説明すると、電磁誘導はインダクタンスと電流の変化率との積によって決まることから、電力変換装置10においてリプル電流が流れる部位のインダクタンスを小さくすることが効果的である。まずリプル電流の原因となる、力行時及び回生時に半導体チップ構造20を流れる電流経路につき図11に示す。図11の構成図において、実線の矢は力行時の電流の流れを示す。力行時において電流は、コンデンサ30と、ハンダ層49と、Pブスバ23と、ハンダ層51と、ハイサイド半導体チップ21と、バネ45と、ACブスバ25とを順次流れる。
図11中、破線の矢は回生時の電流の流れを示す。回生時において電流は、コンデンサ30と、ハンダ層50と、Nブスバ24と、ハンダ層52と、ローサイド半導体チップ22と、バネ45と、ACブスバ25とを順次流れる。
The inductance of the semiconductor power conversion device 10 will be described. Since electromagnetic induction is determined by the product of the inductance and the rate of change of current, it is effective to reduce the inductance of the portion where the ripple current flows in the power conversion device 10. First, FIG. 11 shows a current path that flows through the semiconductor chip structure 20 during powering and regeneration, which causes a ripple current. In the configuration diagram of FIG. 11, the solid arrows indicate the current flow during powering. During power running, current flows through the capacitor 30, the solder layer 49, the P bus bar 23, the solder layer 51, the high side semiconductor chip 21, the spring 45, and the AC bus bar 25 sequentially.
In FIG. 11, the broken arrow indicates the current flow during regeneration. During regeneration, the current sequentially flows through the capacitor 30, the solder layer 50, the N bus bar 24, the solder layer 52, the low side semiconductor chip 22, the spring 45, and the AC bus bar 25.
そうするとリプル電流の流れは図12に実線の矢で示すようなものとなる。リプル電流はACブスバ25と、バネ45と、ローサイド半導体チップ22と、ハンダ層52と、Nブスバ24と、ハンダ層50と、コンデンサ30と、ハンダ層49と、Pブスバ23と、ハンダ層51と、ハイサイド半導体チップ21と、バネ45とを順次流れ、ACブスバ25に戻るよう周回する。 Then, the flow of the ripple current is as shown by a solid arrow in FIG. The ripple current is AC bus bar 25, spring 45, low-side semiconductor chip 22, solder layer 52, N bus bar 24, solder layer 50, capacitor 30, solder layer 49, P bus bar 23, and solder layer 51. Then, the high-side semiconductor chip 21 and the spring 45 are sequentially flowed to go around to return to the AC bus bar 25.
本発明の半導体電力変換装置10によれば、図12に実線で示すリプル電流の経路を最短にすることが可能となることから、半導体電力変換装置10のインダクタンスを小さくすることができる。 According to the semiconductor power conversion device 10 of the present invention, the ripple current path indicated by the solid line in FIG. 12 can be made the shortest, so that the inductance of the semiconductor power conversion device 10 can be reduced.
半導体電力変換装置10に付加される応力について説明する。半導体電力変換装置10の外部端子(ブスバ)には各種の外力がかかる。つまり、半導体電力変換装置10から突出するACブスバ25の先端25sは、ボルト及びナット等で導体57と結合する。図13に矢で示すように、導体57側からブスバ25側にねじれやこじれといった外力がかかる。 The stress applied to the semiconductor power conversion device 10 will be described. Various external forces are applied to the external terminal (busbar) of the semiconductor power conversion device 10. That is, the tip 25s of the AC bus bar 25 protruding from the semiconductor power conversion device 10 is coupled to the conductor 57 with a bolt, nut, or the like. As indicated by arrows in FIG. 13, an external force such as twisting or twisting is applied from the conductor 57 side to the bus bar 25 side.
本発明の半導体電力変換装置10によれば、図13に矢で示すように絶縁性支持部材47が上記の外力を受け持つため、半導体電力変換装置10内部の半導体チップ21,22に応力が発生することを防止することが可能になる。したがって、応力による半導体電力変換装置10の損傷を回避することができる。 According to the semiconductor power conversion device 10 of the present invention, stress is generated in the semiconductor chips 21 and 22 inside the semiconductor power conversion device 10 because the insulating support member 47 is responsible for the external force as shown by arrows in FIG. It becomes possible to prevent this. Therefore, damage to the semiconductor power conversion device 10 due to stress can be avoided.
図7は、本発明の電力変換装置を具体的な用途として実装した例を示すものである。図6に示す例においては、フレーム部材43及び44がディスク状であって、半導体電力変換装置10はディスク状に配列されて実装されている。なお、この場合において、電力変換装置10の向きは任意に設定することができる。例えば、コンデンサ30が半径内側に位置し、半導体チップ構造20が半径外側に位置するように配列することができ、さらにはその逆に配列するようにすることもできる。また、半導体チップ構造20及びコンデンサ30が同じ円周上に位置するように配列することができる。 FIG. 7 shows an example in which the power converter of the present invention is mounted as a specific application. In the example shown in FIG. 6, the frame members 43 and 44 have a disk shape, and the semiconductor power conversion device 10 is arranged and mounted in a disk shape. In this case, the direction of the power conversion device 10 can be arbitrarily set. For example, the capacitors 30 can be arranged so as to be located inside the radius, and the semiconductor chip structure 20 can be arranged so as to be located outside the radius, and vice versa. Further, the semiconductor chip structure 20 and the capacitor 30 can be arranged so as to be located on the same circumference.
図7に示す構成によれば、円盤型の構造をもつモータの端部などに半導体電力変換装置10を内蔵し、例えばACブスバ25をモータの巻き線に、PNブスバ23及び24をモータ外部の直流給電線に接続することにより、前記モータをコンパクト化することができる。
具体的には図15の斜視図に示すように、モータ58から軸方向に突出する回転軸59とは軸方向反対側になるモータ58の端部に半導体電力変換装置10を取り付ける。半導体電力変換装置10のPNブスバ23及び24には、直流給電線60及び61をそれぞれ接続する。半導体電力変換装置10のACブスバ25には、導体57を介してモータ58のコイル62を接続する。このコイル62は、回転軸59と結合するロータ63の外径方向に周方向等間隔に配列されている。
According to the configuration shown in FIG. 7, the semiconductor power conversion device 10 is built in the end of a motor having a disk type structure, for example, the AC bus bar 25 is used as the motor winding, and the PN bus bars 23 and 24 are provided outside the motor. By connecting to a DC power supply line, the motor can be made compact.
Specifically, as shown in the perspective view of FIG. 15, the semiconductor power conversion device 10 is attached to the end portion of the motor 58 that is opposite to the rotating shaft 59 protruding in the axial direction from the motor 58. DC power supply lines 60 and 61 are connected to the PN bus bars 23 and 24 of the semiconductor power converter 10, respectively. A coil 62 of a motor 58 is connected to the AC bus bar 25 of the semiconductor power converter 10 through a conductor 57. The coils 62 are arranged at equal intervals in the circumferential direction in the outer diameter direction of the rotor 63 coupled to the rotating shaft 59.
図8は、図7に示す場合と同様に、本発明の電力変換装置を具体的な用途として実装した例を示すものである。図8に示す例においては、フレーム部材43及び44が円帯状であって、半導体電力変換装置10は円帯状に配列されて実装されている。なお、この場合において、電力変換装置10の向きは任意に設定することができる。例えば、図8(a)に示すように、半導体チップ構造20及びコンデンサ30が同じ円周上に周方向で異なる部位で位置するように配列することができる。また、図8(b)に示すように、半導体チップ構造20及びコンデンサ30が同じ円周上かつ周方向で同じ部位であってコンデンサ30が軸方向の一方側に位置し、半導体チップ構造20が軸方向の他方側に位置するように配列することができる。 FIG. 8 shows an example in which the power converter of the present invention is mounted as a specific application, as in the case shown in FIG. In the example shown in FIG. 8, the frame members 43 and 44 have a circular band shape, and the semiconductor power conversion device 10 is arranged and mounted in a circular band shape. In this case, the direction of the power conversion device 10 can be arbitrarily set. For example, as shown in FIG. 8A, the semiconductor chip structure 20 and the capacitor 30 can be arranged so as to be located at different portions in the circumferential direction on the same circumference. Further, as shown in FIG. 8B, the semiconductor chip structure 20 and the capacitor 30 are on the same circumference and in the same direction in the circumferential direction, and the capacitor 30 is located on one side in the axial direction. It can arrange so that it may be located in the other side of an axial direction.
図8に示す構成によれば、円筒型の構造をもつモータの端部などに半導体電力変換装置10を内蔵し、例えばACブスバ25をモータの巻き線に、PNブスバ23及び24をモータ外部の直流給電線に接続することにより、前記モータをコンパクト化することができる。 According to the configuration shown in FIG. 8, the semiconductor power conversion device 10 is built in the end of a motor having a cylindrical structure, for example, the AC bus bar 25 is used as the motor winding, and the PN bus bars 23 and 24 are provided outside the motor. By connecting to a DC power supply line, the motor can be made compact.
以上、具体例を挙げながら本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。 The present invention has been described in detail above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to the above contents, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.
10 半導体電力変換装置
20 半導体チップ構造
21 第1の半導体チップ(ハイサイド半導体チップ)
22 第2の半導体チップ(ローサイド半導体チップ)
23 Pブスバ
24 Nブスバ
25 ACブスバ
30 コンデンサ
41,42 絶縁層
43,44 フレーム部材
45 クリップ状バネ
46 ゲート信号線
47 絶縁性支持部材
48 冷却層
49〜52 ハンダ層
53,54 接着層
55,56 リード線
57 導体
58 モータ
59 回転軸
62 コイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor power converter 20 Semiconductor chip structure 21 1st semiconductor chip (high side semiconductor chip)
22 Second semiconductor chip (low-side semiconductor chip)
23 P bus bar 24 N bus bar 25 AC bus bar 30 Capacitor 41, 42 Insulating layer 43, 44 Frame member 45 Clip spring 46 Gate signal line 47 Insulating support member 48 Cooling layer 49-52 Solder layer 53, 54 Adhesive layer 55, 56 Lead wire 57 Conductor 58 Motor 59 Rotating shaft 62 Coil
Claims (11)
前記コンデンサは、前記半導体チップ構造における前記Pブスバ及び前記Nブスバで挟み込むようにして支持し、前記半導体チップ構造と前記コンデンサとを並列に近接して配置するようにしたことを特徴とする、半導体電力変換装置。 A semiconductor power converter comprising a power semiconductor chip, a semiconductor chip structure including a P bus bar and an N bus bar provided so as to sandwich the power semiconductor chip from both sides, and a capacitor,
The capacitor is supported by being sandwiched between the P bus bar and the N bus bar in the semiconductor chip structure, and the semiconductor chip structure and the capacitor are arranged close to each other in parallel. Power conversion device.
前記第1の半導体チップと前記第2の半導体チップとの間にACブスバを具え、このACブスバは前記第1の半導体チップ及び前記第2のN型半導体チップと電気的に接合されていることを特徴とする、請求項1に記載の半導体電力変換装置。 The power semiconductor chip includes a first semiconductor chip provided in contact with the P bus bar and a second semiconductor chip provided in contact with the N bus bar. The semiconductor chip and the second semiconductor chip are positioned so as to face each other,
An AC bus bar is provided between the first semiconductor chip and the second semiconductor chip, and the AC bus bar is electrically joined to the first semiconductor chip and the second N-type semiconductor chip. The semiconductor power conversion device according to claim 1, wherein:
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