JP6782809B2 - Semiconductor module and power converter equipped with it - Google Patents
Semiconductor module and power converter equipped with it Download PDFInfo
- Publication number
- JP6782809B2 JP6782809B2 JP2019072397A JP2019072397A JP6782809B2 JP 6782809 B2 JP6782809 B2 JP 6782809B2 JP 2019072397 A JP2019072397 A JP 2019072397A JP 2019072397 A JP2019072397 A JP 2019072397A JP 6782809 B2 JP6782809 B2 JP 6782809B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor
- semiconductor module
- terminal
- conductor
- module
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 330
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 102
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 88
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 72
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 64
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 64
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 14
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 14
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 claims description 13
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 7
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 5
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 73
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 49
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 47
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 36
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 27
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 17
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 16
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 16
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 14
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 12
- 230000006870 function Effects 0.000 description 12
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 11
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 10
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 10
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 9
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 9
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 8
- 244000126211 Hericium coralloides Species 0.000 description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 230000001603 reducing effect Effects 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 4
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002788 crimping Methods 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000009429 electrical wiring Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Description
本発明は、半導体モジュール及びこれを備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor module and a power conversion device including the semiconductor module.
半導体モジュールからの熱を効率よく冷却器へ伝達して放熱性を高めることを意図した従来技術として、例えば、特許文献1に示す冷却構造が提案されている。この特許文献1によると、冷却器に形成したモジュール挿入用穴に半導体モジュールを挿入し、モジュール挿入用穴との当接面から放熱を行うものであって、半導体モジュールのモジュール挿入用穴との当接面に軟質性金属層をコーティングし、この軟質性金属層を介して冷却器へ放熱することが開示されている。 As a conventional technique intended to efficiently transfer heat from a semiconductor module to a cooler to improve heat dissipation, for example, the cooling structure shown in Patent Document 1 has been proposed. According to this Patent Document 1, a semiconductor module is inserted into a module insertion hole formed in a cooler, and heat is dissipated from a contact surface with the module insertion hole, and the semiconductor module has a module insertion hole. It is disclosed that the contact surface is coated with a soft metal layer and heat is dissipated to a cooler through the soft metal layer.
また、インバータに用いる半導体素子の冷却効率と組立性の両立を意図した従来技術として、例えば、特許文献2に示すインバータ装置が提案されている。この特許文献2によると、半導体素子の両面を放熱板で挟んだパワーカードを収容する収容部とパワーカードの周囲に冷却媒体を循環させる循環経路部とが形成され、パワーカードと収容部との隙間に絶縁性樹脂を充填し、絶縁性樹脂を硬化させてパワーカードを固定することが開示されている。
Further, as a conventional technique intended to achieve both cooling efficiency and assemblability of a semiconductor element used in an inverter, for example, an inverter device shown in
また、半導体モジュールの組み立て作業の負担を軽減した、冷却能力の向上を意図した冷却構造の従来技術は、例えば、特許文献3に提案されている。この特許文献3によると、内部に半導体モジュールを収容し、半導体のジュール発生熱を放熱する放熱面を正面と背面に有するブロックを設け、このブロックをケース内部に形成した冷却水通路に挿入することによって、ブロックの正面と背面が冷却水通路に面することが開示されている。 Further, for example, Patent Document 3 proposes a conventional technique of a cooling structure intended to improve the cooling capacity while reducing the burden of assembling the semiconductor module. According to Patent Document 3, a semiconductor module is housed inside, a block having heat radiating surfaces for radiating heat generated by Joule of the semiconductor is provided on the front surface and the back surface, and this block is inserted into a cooling water passage formed inside the case. Discloses that the front and back of the block face the cooling water passage.
また、半導体モジュールの両面を冷却するとともに平滑コンデンサも冷却可能とする冷却構造の従来技術は、例えば、特許文献4に提案されている。この特許文献4によると、平滑コンデンサの両側に半導体モジュールを設置し、扁平な冷媒チューブをつづら折り状に湾曲させて、半導体モジュールの両面並びに平滑コンデンサに沿うように冷媒流路が形成され、液漏れのない高い放熱能力を実現させることが開示されている。 Further, a conventional technique of a cooling structure capable of cooling both sides of a semiconductor module and also cooling a smoothing capacitor is proposed in Patent Document 4, for example. According to Patent Document 4, semiconductor modules are installed on both sides of the smoothing capacitor, and a flat refrigerant tube is curved in a zigzag shape to form a refrigerant flow path along both sides of the semiconductor module and the smoothing capacitor, resulting in liquid leakage. It is disclosed that a high heat dissipation capacity is realized.
近年、例えば自動車においては、車両の駆動システムを始め、車両の各車載システムの電動化が進められている。ところが、車載システムの電動化においては、被駆動体を駆動する電気機械、及び車載電源から回転電機に供給される電力を制御して回転電機の駆動を制御する電力変換装置の新たな追加や従来のシステムの構成部品との置き換えが必要になる。 In recent years, for example, in automobiles, electrification of each in-vehicle system of a vehicle, including a vehicle drive system, has been promoted. However, in the electrification of in-vehicle systems, new additions and conventional power conversion devices that control the electric machine that drives the driven body and the electric power supplied from the in-vehicle power supply to the rotating electric machine to control the driving of the rotating electric machine. It is necessary to replace the components of the system.
電力変換装置は、例えば自動車においては、回転電機を駆動するために車載電源から供給される直流電力を交流電力に変換したり、あるいは回転電機が発生する交流電力を車載電源に供給するための直流電力に変換したりする機能を持っている。電力変換装置が変換する電力量が増大する傾向にあるが、自動車全体では小型化や軽量化の方向にあるため、電力変換装置の大型化や重量の増加は抑えられている。また車載用の電力変換装置は産業用などと比較すると温度変化の大きい環境で使用されることが要求されており、高温の環境に置かれていながら高い信頼性を維持できる、比較的小型で比較的大きな電力を変換できる電力変換装置が要求されている。 For example, in an automobile, the power conversion device converts DC power supplied from an in-vehicle power source to drive a rotary electric machine into AC power, or DC for supplying AC power generated by a rotary electric machine to an in-vehicle power source. It has a function to convert it into electric power. The amount of power converted by the power converter tends to increase, but the overall size and weight of the automobile are being reduced, so that the increase in size and weight of the power converter is suppressed. In-vehicle power converters are required to be used in environments with large temperature changes compared to industrial ones, and are relatively compact and can maintain high reliability even in high temperature environments. There is a demand for a power converter capable of converting a large amount of electric power.
電力変換装置はインバータ回路を備え、インバータ回路の動作によって直流電力と交流電力との間の電力変換が行われている。この電力変換を行うためにはインバータ回路を構成するパワー半導体が遮断状態と導通状態の切り替え動作(スイッチング動作)を繰り返すことが必要である。この切り替え動作時に大きな熱がパワー半導体に発生する。インバータ回路のパワー半導体である半導体チップがスイッチング動作時に発生する熱で半導体チップの温度が上昇する。このためこの温度上昇を抑えることが重要な課題である。 The power conversion device includes an inverter circuit, and power conversion between DC power and AC power is performed by the operation of the inverter circuit. In order to perform this power conversion, it is necessary for the power semiconductor constituting the inverter circuit to repeat the switching operation (switching operation) between the cutoff state and the conduction state. A large amount of heat is generated in the power semiconductor during this switching operation. The temperature of the semiconductor chip, which is the power semiconductor of the inverter circuit, rises due to the heat generated during the switching operation. Therefore, it is an important issue to suppress this temperature rise.
変換させる電力が増大すると半導体チップの発熱量が増大するので、この対策として半導体チップの大型化や半導体チップの使用個数の増大が必要となり、結果的に電力変換装置が大型化する。このような電力変換装置の大型化を押さえる方法として、半導体チップの冷却効率を向上することが考えられる。 As the amount of power to be converted increases, the amount of heat generated by the semiconductor chip increases. As a countermeasure, it is necessary to increase the size of the semiconductor chip and the number of semiconductor chips used, resulting in an increase in the size of the power conversion device. As a method of suppressing the increase in size of such a power conversion device, it is conceivable to improve the cooling efficiency of the semiconductor chip.
そこで、例えば、特許文献1〜特許文献3は半導体チップの冷却効率の向上を意図して為された提案である。半導体チップの冷却効率向上は半導体チップの小型化につながることは明らかであるが、必ずしも電力変換装置全体の大型化を抑えることになるとは言い難い。例えば、半導体チップの冷却効率を向上するための改善を行うと、その結果として電力変換装置全体の構造が複雑化することが考えられ、半導体チップは小型化可能となるが、電力変換装置全体としてみるとあまり小型化できないことが起こり得る。 Therefore, for example, Patent Documents 1 to 3 are proposals made with the intention of improving the cooling efficiency of the semiconductor chip. It is clear that improving the cooling efficiency of semiconductor chips leads to miniaturization of semiconductor chips, but it is not always possible to suppress the increase in size of the entire power converter. For example, if improvements are made to improve the cooling efficiency of the semiconductor chip, the structure of the entire power converter may become complicated as a result, and the semiconductor chip can be miniaturized, but the power converter as a whole If you look at it, it may happen that it cannot be miniaturized very much.
従って、電力変換装置全体の大型化を抑えるには、電力変換装置全体を考慮した半導体チップの冷却効率の向上が必要であり、電力変換装置全体の電気的あるいは機械的な複雑化をできるだけ抑えることが必要である。そこで、電気的な複雑化は、例えば半導体チップを内蔵する半導体モジュールと、コンデンサモジュールやドライバ基板及び交流コネクタとの電気配線の複雑化によって引き起こされる。また、機械的な複雑化は、半導体モジュールの水路筺体への実装方法の複雑化やコンデンサモジュールの実装方法の複雑化によって引き起こされる。 Therefore, in order to suppress the increase in size of the entire power converter, it is necessary to improve the cooling efficiency of the semiconductor chip in consideration of the entire power converter, and to suppress the electrical or mechanical complexity of the entire power converter as much as possible. is required. Therefore, the electrical complication is caused by, for example, the complication of the electrical wiring between the semiconductor module containing the semiconductor chip and the capacitor module, the driver board, and the AC connector. Further, the mechanical complication is caused by the complication of the mounting method of the semiconductor module on the waterway housing and the complication of the mounting method of the capacitor module.
前記特許文献1〜特許文献3に記載の公知技術では電力変換装置全体の小型化に関して十分に考慮されているとは言い難く、さらに、コンデンサモジュールの配置や冷却構造についての具体的な開示が不十分である。また、前記特許文献4は、半導体モジュールの冷却に加えて平滑コンデンサの冷却も考慮した配置構造を開示しているが、外部の冷凍サイクル装置の冷媒配管に接続する冷媒チューブで冷却する方式のものであって冷却方式が水冷方式と異質であり、さらに、半導体モジュールと接続される回路基板などの他の構成要素との関連配置に配慮が欠けていて装置全体の小型化に課題を残している。 It cannot be said that the known techniques described in Patent Documents 1 to 3 sufficiently consider the miniaturization of the entire power conversion device, and further, specific disclosure of the arrangement of the capacitor module and the cooling structure is not possible. It is enough. Further, Patent Document 4 discloses an arrangement structure that takes into consideration cooling of a smoothing capacitor in addition to cooling of a semiconductor module, but is of a method of cooling with a refrigerant tube connected to a refrigerant pipe of an external refrigeration cycle device. However, the cooling method is different from the water cooling method, and there is a lack of consideration for the arrangement related to other components such as the circuit board connected to the semiconductor module, which leaves a problem in the miniaturization of the entire device. ..
本発明の目的は、主として電力変換装置全体の小型化に繋がる技術を提供することである。 An object of the present invention is to provide a technique mainly leading to miniaturization of the entire power conversion device.
本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上述したように製品化に必要な多数の課題を解決するための手段として主として次のような構成例を提示することができる。 As described above, the power conversion device according to the embodiment of the present invention can mainly present the following configuration examples as means for solving a large number of problems necessary for commercialization.
インバータ回路の上アームを構成する第1の半導体チップと、インバータ回路の下アームを構成する第2の半導体チップと、前記第1の半導体チップの一面に電気的に接続される第1の導体板と、前記第1の半導体チップの他面に電気的に接続される第2の導体板と、前記第2の半導体チップの一面に電気的に接続されるとともに前記第2の導体板と電気的に接続される第3の導体板と、前記第2の半導体チップの他面に電気的に接続される第4の導体板と、前記第1の半導体チップのゲート電極に電気的に接続される第1のゲート用導体と、前記第2の半導体チップのゲート電極に電気的に接続される第2のゲート用導体と、第1の絶縁部材を介して前記第1の導体板、前記第3の導体板、前記第1のゲート用導体、および前記第2のゲート用導体が固定される第1の金属板と、第2の絶縁部材を介して前記第2の導体板および前記第4の導体板が固定される第2の金属板と、を備えた半導体モジュール。 A first semiconductor chip that constitutes the upper arm of the inverter circuit, a second semiconductor chip that constitutes the lower arm of the inverter circuit, and a first conductor plate that is electrically connected to one surface of the first semiconductor chip. And a second conductor plate electrically connected to the other surface of the first semiconductor chip, and electrically connected to one surface of the second semiconductor chip and electrically connected to the second conductor plate. The third conductor plate connected to the second semiconductor chip, the fourth conductor plate electrically connected to the other surface of the second semiconductor chip, and the gate electrode of the first semiconductor chip are electrically connected to each other. The first gate conductor, the second gate conductor electrically connected to the gate electrode of the second semiconductor chip, the first conductor plate via the first insulating member, and the third. Conductor plate, the first gate conductor, and the first metal plate to which the second gate conductor is fixed, and the second conductor plate and the fourth through the second insulating member. A semiconductor module including a second metal plate to which a conductor plate is fixed.
本発明によれば、半導体モジュールおよびこれを備えた電力変換装置において主に生産性の向上、信頼性の向上、小型化または冷却効率化を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to mainly improve productivity, improve reliability, miniaturize or improve cooling efficiency in a semiconductor module and a power conversion device including the semiconductor module.
本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明するが、まず、はじめに、本実施形態に係る電力変換装置における、改善改良すべき技術的課題とこの技術的課題を解決するための技術の概要について説明する。 The power conversion device according to the embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. First, first, the technical problem to be improved and the technical problem in the power conversion device according to the present embodiment and this technical problem. The outline of the technology for solving the problem will be explained.
本発明の実施形態に係る電力変換装置は、世の中のニーズに応える製品として次のような技術的観点に配慮したものであり、その1つの観点が小型化技術、すなわち変換する電力の増大に伴う電力変換装置の大型化をできるだけ抑制する技術である。さらに、他の観点が電力変換装置の信頼性の向上に関する技術であり、更なる他の観点が電力変換装置の生産性の向上に関する技術である。そして、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上述した3つの観点、さらにはこれらの観点を総合した観点に基づいて製品化されているのであり、それぞれの観点における電力変換装置の特徴を以下列挙して概説する。 The power conversion device according to the embodiment of the present invention considers the following technical viewpoints as a product that meets the needs of the world, and one of the viewpoints is a miniaturization technology, that is, an increase in power to be converted. This is a technology that suppresses the increase in size of the power converter as much as possible. Further, another viewpoint is a technique for improving the reliability of the power converter, and yet another viewpoint is a technique for improving the productivity of the power converter. The power conversion device according to the embodiment of the present invention has been commercialized based on the above-mentioned three viewpoints and a comprehensive viewpoint of these viewpoints, and the characteristics of the power conversion device in each viewpoint are described. It is listed and outlined below.
(1)小型化技術に関する説明
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嵌合し(スロットイン構造の採用)、両側の冷却金属を冷却水で冷却する構造を備えている。
(1) Description of Miniaturization Technology In the power conversion device according to the present embodiment, a series circuit of upper and lower arms of an inverter is housed inside a semiconductor module provided with cooling metals on both sides, and the semiconductor module is inserted into cooling water. It is fitted (adopting a slot-in structure) and has a structure in which the cooling metals on both sides are cooled with cooling water.
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。 This structure improves the cooling efficiency and enables the miniaturization of the semiconductor module. Further, as a specific structure, an insulating member which is an insulating plate such as an insulating sheet or a ceramic plate is provided inside the cooling metals on both sides, and a series circuit of the upper and lower arms is provided between the conductor metals fixed to each insulating member. The semiconductor chips of the upper arm and the lower arm to be configured are sandwiched. With this structure, a good heat conduction path is formed between both sides of the semiconductor chips of the upper arm and the lower arm and the cooling metal, and the cooling efficiency of the semiconductor module is greatly improved.
また、半導体モジュールの上アームの半導体チップ(IGBTチップとダイオードチップ)と半導体モジュールの下アームの半導体チップとを、冷却水の流れの方向に対して位置をずらして配置するとともに、上アームのIGBTチップと下アームのIGBTチップとを冷却水流れの同一水平面上に配置することで、フィン形状冷却金属が上下アーム直列回路のIGBTチップ冷却用に占める上下幅が、ダイオードチップのそれよりも大きくなり、放熱量のより多いIGBTチップを効果的に冷却することができる。すなわち、上下アームのIGBTチップを冷却するために、ダイオードチップに対するよりも冷却水の量が増えることとなり、冷却効率の大幅向上に繋がる。 Further, the semiconductor chip (IGBT chip and diode chip) of the upper arm of the semiconductor module and the semiconductor chip of the lower arm of the semiconductor module are arranged at different positions with respect to the flow direction of the cooling water, and the IGBT of the upper arm is arranged. By arranging the chip and the IGBT chip of the lower arm on the same horizontal plane of the cooling water flow, the vertical width occupied by the fin-shaped cooling metal for cooling the IGBT chip of the upper and lower arm series circuits becomes larger than that of the diode chip. , The IGBT chip with a larger amount of heat dissipation can be effectively cooled. That is, in order to cool the IGBT chips of the upper and lower arms, the amount of cooling water is larger than that of the diode chips, which leads to a significant improvement in cooling efficiency.
上アームおよび下アームの半導体チップの両面は冷却金属の内側の導体金属(導体板)にそれぞれ接続され、導体金属は絶縁部材を介して冷却金属に固定されている。絶縁部材の厚さは薄く、例えばセラミック板の場合で350μメータ以下、絶縁シートの場合は更に薄く50μメータから200μメータである。ここで、絶縁シートとしては、例えば熱圧着された樹脂のシートである。導体金属が冷却金属に接近して設けられているので、導体金属に流れる電流による渦電流が冷却金属に流れ、渦電流は熱を発生するがこれらの熱は効率良く冷却水に伝達される。 Both sides of the semiconductor chip of the upper arm and the lower arm are connected to the conductor metal (conductor plate) inside the cooling metal, and the conductor metal is fixed to the cooling metal via an insulating member. The thickness of the insulating member is thin, for example, 350 μm or less in the case of a ceramic plate, and even thinner in the case of an insulating sheet, which is 50 μm to 200 μm. Here, the insulating sheet is, for example, a thermocompression-bonded resin sheet. Since the conductor metal is provided close to the cooling metal, an eddy current due to the current flowing through the conductor metal flows through the cooling metal, and the eddy current generates heat, but these heats are efficiently transferred to the cooling water.
また、渦電流により半導体モジュール内のインダクタンスが低減される。インダクタンス低減は、上アームおよび下アームの半導体チップのスイッチング動作による電圧の跳ね上がりを低減でき、信頼性の向上に繋がる。また、電圧上昇を抑えられることは、上アームおよび下アームの半導体チップのスイッチング動作の高速化を可能とし、スイッチング動作のための時間を短縮でき、スイッチング動作による発熱量の低減に繋がる。 In addition, the eddy current reduces the inductance in the semiconductor module. Inductance reduction can reduce voltage jump due to switching operation of the semiconductor chips of the upper arm and lower arm, leading to improvement in reliability. In addition, suppressing the voltage rise makes it possible to speed up the switching operation of the semiconductor chips of the upper arm and the lower arm, shorten the time for the switching operation, and lead to a reduction in the amount of heat generated by the switching operation.
さらに、コンデンサモジュールと半導体モジュールとを略同一平面空間の水路筐体に収容し、且つコンデンサモジュールを挟んでその両側に半導体モジュールを配置(サンドイッチ構造の採用)することで、小型化を図っている。これに加えて、コンデンサモジュールの上方面に、半導体チップを駆動するためのドライバ基板と半導体チップを制御するための制御基板を配置することで、コンデンサモジュール上方面の有効利用を図り、小型化を実現している。 Furthermore, the capacitor module and the semiconductor module are housed in a waterway housing in substantially the same plane space, and the semiconductor modules are arranged on both sides of the capacitor module (adopting a sandwich structure) to reduce the size. .. In addition to this, by arranging a driver board for driving the semiconductor chip and a control board for controlling the semiconductor chip on the upper surface of the capacitor module, the upper surface of the capacitor module can be effectively used and miniaturized. It has been realized.
(2)信頼性向上に関する説明
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。
(2) Description of reliability improvement In the power conversion device according to the present embodiment, as described above, the cooling efficiency of the semiconductor module can be significantly improved, and as a result, the temperature rise of the semiconductor chip can be suppressed, and the reliability. It leads to improvement of.
複数個の半導体モジュールがコンデンサモジュールを間に挟んだサンドイッチ構造であり、さらに、半導体モジュールの直流正極端子と直流負極端子をコンデンサモジュール側から等間隔に配置することによって、これらの直流端子とコンデンサモジュールからの正側端子及び負側端子とを、同一形状のDCバスバーで連結することができて、半導体モジュールとコンデンサモジュール間の低インダクタンス化や半導体モジュールの内部配置構造による半導体モジュールの低インダクタンスが可能となり、スイッチング動作による電圧の跳ね上がりを低減でき、信頼性の向上に繋がる。また、電圧上昇を抑えられることは半導体チップのスイッチング動作の高速化を可能とし、スイッチング動作の時間短縮による発熱量の低減に繋がり、引いては温度上昇が抑えられ、信頼性の向上に繋がる。 A plurality of semiconductor modules have a sandwich structure in which a capacitor module is sandwiched between them. Further, by arranging the DC positive terminal and the DC negative terminal of the semiconductor module at equal intervals from the capacitor module side, these DC terminals and the capacitor module The positive terminal and the negative terminal can be connected by a DC bus bar of the same shape, and the inductance between the semiconductor module and the capacitor module can be reduced, and the internal arrangement structure of the semiconductor module can reduce the inductance of the semiconductor module. Therefore, it is possible to reduce the voltage jump due to the switching operation, which leads to the improvement of reliability. In addition, suppressing the voltage rise makes it possible to speed up the switching operation of the semiconductor chip, which leads to a reduction in the amount of heat generated by shortening the switching operation time, which in turn suppresses the temperature rise, leading to an improvement in reliability.
このように、半導体モジュールの直流端子をコンデンサモジュールに接続する構造、更にはコンデンサモジュールの端子構造が簡単な構造となり、生産性向上や小型化だけでなく、信頼性の向上に繋がる。 In this way, the structure in which the DC terminal of the semiconductor module is connected to the capacitor module and the terminal structure of the capacitor module become a simple structure, which leads to not only productivity improvement and miniaturization but also reliability improvement.
本電力変換装置では、冷却効率が大幅に向上するので、冷却水としてエンジン冷却水を使用できる。このため自動車としては、専用の冷却水系が不要となり、自動車全体として信頼性の大きな改善となる。 In this power converter, the cooling efficiency is significantly improved, so that engine cooling water can be used as cooling water. For this reason, the automobile does not require a dedicated cooling water system, which greatly improves the reliability of the automobile as a whole.
本電力変換装置では、インバータの上下アームの直列回路を収納した半導体モジュールを、冷却水路に設けられた開口から水路内に挿入して固定する構造を成している。製造ラインで別々に製造された半導体モジュールと水路筐体をそれぞれ別に検査し、その後半導体モジュールを水路筐体に固定する工程を行うことが可能となる。このように電気部品である半導体モジュールと機械部品である水路筐体とをそれぞれ分けて製造および検査することが可能で、生産性の向上はもちろんであるが、信頼性の向上に繋がる。 This power conversion device has a structure in which a semiconductor module containing a series circuit of the upper and lower arms of the inverter is inserted into the water channel through an opening provided in the cooling water channel and fixed. It is possible to separately inspect the semiconductor module and the waterway housing separately manufactured on the production line, and then perform the process of fixing the semiconductor module to the waterway housing. In this way, the semiconductor module, which is an electrical component, and the waterway housing, which is a mechanical component, can be manufactured and inspected separately, which not only improves productivity but also leads to improvement in reliability.
また、半導体モジュールにおいては、第1と第2の放熱金属にそれぞれ必要な導体や半導体チップを固定し、その後第1と第2の放熱金属を一体化して半導体モジュールを製造する方法をとることが可能である。第1と第2の放熱金属の製造状態をそれぞれ確認した上で放熱金属の一体化の工程を行うことが可能となり、生産性の向上のみならず、信頼性の向上にも繋がる。 Further, in the semiconductor module, it is possible to fix the necessary conductors and semiconductor chips to the first and second heat-dissipating metals, respectively, and then integrate the first and second heat-dissipating metals to manufacture the semiconductor module. It is possible. It is possible to perform the process of integrating the heat-dissipating metal after confirming the manufacturing states of the first and second heat-dissipating metals, which leads not only to the improvement of productivity but also to the improvement of reliability.
本電力変換装置では、上アームの半導体チップのコレクタ面が第1の放熱金属に固定される場合に下アームの半導体チップのコレクタ面が同じく第1の放熱金属に固定される構造となり、上下アームの半導体チップのコレクタ面とエミッタ面とが同じ方向となっている。このような構造とすることで、生産性が向上すると共に信頼性が向上する。 In this power converter, when the collector surface of the semiconductor chip of the upper arm is fixed to the first radiation metal, the collector surface of the semiconductor chip of the lower arm is also fixed to the first radiation metal, and the upper and lower arms The collector surface and the emitter surface of the semiconductor chip are in the same direction. With such a structure, productivity is improved and reliability is improved.
また、上下アームの半導体チップと上下アームの信号用端子やゲート端子が同じ放熱金属に固定される構造となっている。このため、半導体チップと信号用端子やゲート端子とを繋ぐワイヤボンディングの接続工程を一方の放熱金属に集めることができ、検査などが容易である。これによって生産性の向上だけでなく信頼性の向上にもつながる。 Further, the semiconductor chip of the upper and lower arms and the signal terminal and the gate terminal of the upper and lower arms are fixed to the same heat-dissipating metal. Therefore, the wire bonding connection process for connecting the semiconductor chip to the signal terminal or the gate terminal can be collected on one of the heat-dissipating metals, and inspection and the like can be facilitated. This not only improves productivity but also improves reliability.
また、上述した水路筐体のサンドイッチ構造におけるコンデンサモジュールの各側面にU相、V相、W相の半導体モジュールを配置することで、冷却水路のUターン箇所が減少するので、水路の圧力損失が低減し、冷却水の源圧力を低くすることができ、冷却水漏れが少なくなり、信頼性につながる。さらに、略同一平面上に形成された冷却水経路中にコンデンサモジュールを配置することで、コンデンサモジュールをも直接に冷却できる構造であり、半導体モジュールに加えてコンデンサモジュールも冷却できて、これらの動作が安定し、電力変換装置の信頼性の向上に役立つ。 Further, by arranging the U-phase, V-phase, and W-phase semiconductor modules on each side surface of the capacitor module in the sandwich structure of the water channel housing described above, the U-turn points of the cooling water channel are reduced, so that the pressure loss of the water channel is reduced. It can be reduced, the source pressure of the cooling water can be lowered, the leakage of the cooling water is reduced, and the reliability is improved. Furthermore, by arranging the condenser module in the cooling water path formed on substantially the same plane, the condenser module can be cooled directly, and the condenser module can be cooled in addition to the semiconductor module. Is stable and helps improve the reliability of the power converter.
(3)生産性向上に関する説明
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。
(3) Description of Productivity Improvement In the power conversion device according to the present embodiment, as described above, the semiconductor module and the cooling housing are manufactured separately, and then the semiconductor module is fixed to the cooling housing. It is possible to manufacture semiconductor modules on an electrical production line. This improves productivity and reliability. Further, since the capacitor module can be similarly manufactured by another manufacturing process and then fixed to the water channel housing, the productivity is improved.
また、水路筐体に半導体モジュールとコンデンサモジュールとを固定し、その後半導体モジュールとコンデンサモジュールとの端子接続を行うことができ、さらに接続のための溶接機械を溶接部の導入する空間が確保でき、生産性の向上につながる。また、これら接続工程において、半導体モジュールの端子はそれぞれ半導体モジュールの放熱金属に固定されており、端子溶接時の熱がそれぞれ放熱金属に拡散し、半導体チップへの悪影響を抑えることができ、結果的に生産性の向上や信頼性の向上に繋がる。 In addition, the semiconductor module and the capacitor module can be fixed to the waterway housing, and then the terminals of the semiconductor module and the capacitor module can be connected, and a space for introducing the welding machine for connection can be secured. It leads to improvement of productivity. Further, in these connection steps, the terminals of the semiconductor module are fixed to the heat-dissipating metal of the semiconductor module, respectively, and the heat during terminal welding is diffused to the heat-dissipating metal, respectively, and the adverse effect on the semiconductor chip can be suppressed, resulting in this. This leads to improved productivity and reliability.
また、半導体モジュールの一方の放熱金属に上下アームの半導体チップと上下アームの信号用端子やゲート端子を固定できるので、一方の放熱金属の製造ラインで上アームと下アームの両方のワイヤボンディングを行うことができ、生産性が向上する。 In addition, since the semiconductor chips of the upper and lower arms and the signal terminals and gate terminals of the upper and lower arms can be fixed to one of the heat-dissipating metals of the semiconductor module, wire bonding of both the upper arm and the lower arm is performed on one of the heat-dissipating metal production lines. It can be done and productivity is improved.
本実施形態に係る電力変換装置は同じ構造の半導体モジュールを量産し、電力変換装置の要求仕様に基づく必要な個数の半導体モジュールを使用する方式を取ることが可能となり、企画化された半導体モジュール量産が可能となり、生産性が向上すると共に低価格化や信頼性向上が可能となる。以上のように、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、上述した3つの技術的観点からみた構造的な特徴と効果を備えるものである。以下、その詳細について説明する。 The power conversion device according to the present embodiment can mass-produce semiconductor modules having the same structure, and can adopt a method of using the required number of semiconductor modules based on the required specifications of the power conversion device, and planned mass production of semiconductor modules. This makes it possible to improve productivity, lower prices, and improve reliability. As described above, the power conversion device according to the embodiment of the present invention has structural features and effects from the above-mentioned three technical viewpoints. The details will be described below.
「本発明の実施形態」
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置はハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図1と図2を用いて説明する。図1はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図2は上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサ、からなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。
"Embodiment of the present invention"
Next, the power conversion device according to the embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. The power conversion device according to the embodiment of the present invention can be applied to a hybrid vehicle or a pure electric vehicle, but as a typical example, a control configuration when the power conversion device according to the embodiment of the present invention is applied to a hybrid vehicle. The circuit configuration of the power conversion device will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram showing a control block of a hybrid vehicle. FIG. 2 shows a vehicle drive electric system including a power conversion device including a series circuit of upper and lower arms and an inverter device including a control unit, a capacitor connected to the DC side of the inverter device, a battery, and a motor generator. It is a figure which shows the circuit structure.
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給に供給される。 The power conversion device according to the embodiment of the present invention is used for an in-vehicle power conversion device of an in-vehicle electric system mounted on an automobile, particularly a vehicle drive electric system, and has a very severe mounting environment and operating environment. An inverter device for use will be described as an example. The vehicle drive inverter device is provided in the vehicle drive electric system as a control device for controlling the drive of the vehicle drive electric motor, and uses the DC power supplied from the vehicle battery or the vehicle power generator that constitutes the vehicle power supply as a predetermined AC power. And the obtained AC power is supplied to the vehicle drive electric motor to control the drive of the vehicle drive electric motor. In addition, since the vehicle drive motor also has a function as a generator, the vehicle drive inverter device also has a function of converting the AC power generated by the vehicle drive motor into DC power according to the operation mode. There is. The converted DC power is supplied to the in-vehicle battery.
なお、本実施形態の構成は、車両駆動用以外のインバータ装置、例えば電動ブレーキ装置或いは電動パワーステアリング装置の制御装置として用いられるインバータ装置にも適用できるが、車両駆動用として適用することで最も望ましい効果を発揮する。また、本実施形態の思想がDC/DCコンバータや直流チョッパなどの直流−直流電力変換装置或いは交流−直流電力変換装置など、他の車載用電力変換装置にも適用できるが、車両駆動用として適用することで最ものぞましい効果を発揮する。さらに、工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能であるが、上述の通り、車両駆動用として適用することで最も望ましい効果を発揮する。 The configuration of the present embodiment can be applied to an inverter device other than the one for driving a vehicle, for example, an inverter device used as a control device for an electric braking device or an electric power steering device, but it is most desirable to apply it for driving a vehicle. It is effective. Further, the idea of the present embodiment can be applied to other in-vehicle power converters such as DC-DC power converters such as DC / DC converters and DC choppers or AC-DC power converters, but it is also applied to vehicle drive. By doing so, it exerts the most desirable effect. Furthermore, an industrial power converter used as a control device for an electric motor that drives factory equipment, or a household power converter that is used as a control device for an electric motor that drives a home photovoltaic power generation system or home electric appliances. However, as described above, the most desirable effect is exhibited by applying it for vehicle driving.
また、本実施形態が適用された車両駆動用インバータ装置を備えた車両駆動用電機システムを、内燃機関であるエンジン及び車両駆動用電動機を車両の駆動源とし、前後輪のいずれか片方を駆動するように構成されたハイブリッド自動車に搭載する場合を例に挙げて説明する。また、ハイブリッド自動車としては、エンジンにより前後輪のいずれか片方を、車両駆動用電動機により前後輪のいずれか他方をそれぞれ駆動するものもあるが、本実施形態はいずれのハイブリッド自動車にも適用できる。さらに上述のとおり、燃料電池車などの純粋な電気自動車にも適用可能で、純粋な電気自動車においても以下説明の電力変換装置は略同様の作用を為し、略同様の効果が得られる。 Further, a vehicle drive electric system provided with a vehicle drive inverter device to which the present embodiment is applied is driven by using an engine as an internal combustion engine and a vehicle drive electric motor as a vehicle drive source and driving one of the front and rear wheels. The case of mounting on a hybrid vehicle configured as described above will be described as an example. Further, as a hybrid vehicle, one of the front and rear wheels is driven by an engine and one of the front and rear wheels is driven by a vehicle driving electric motor, but this embodiment can be applied to any hybrid vehicle. Further, as described above, it can be applied to a pure electric vehicle such as a fuel cell vehicle, and even in a pure electric vehicle, the power conversion device described below has substantially the same operation, and substantially the same effect can be obtained.
図1において、ハイブリッド電気自動車(以下、「HEV」と記述する)10は1つの電動車両であり、2つの車両駆動用システムを備えている。その1つは、内燃機関であるエンジン20を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてHEVの駆動源として用いられる。もう1つは、モータジェネレータ92,94を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてHEVの駆動源及びHEVの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ92,94は例えば永久磁石同期電動機であるが、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
In FIG. 1, the hybrid electric vehicle (hereinafter referred to as “HEV”) 10 is one electric vehicle and includes two vehicle driving systems. One of them is an engine system powered by an
車体のフロント部には前輪車軸14が回転可能に軸支されている。前輪車軸14の両端には1対の前輪12が設けられている。車体のリア部には後輪車軸(図示省略)が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には1対の後輪が設けられている。本実施形態のHEVでは、動力によって駆動される主輪を前輪12とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
A
前輪車軸14の中央部には前輪側デファレンシャルギア(以下、「前輪側DEF」と記述する)16が設けられている。前輪車軸14は前輪側DEF16の出力側に機械的に接続されている。前輪側DEF16の入力側には変速機18の出力軸が機械的に接続されている。前輪側DEF16は、変速機18によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸14に分配する差動式動力分配機構である。変速機18の入力側にはモータジェネレータ92の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ92の入力側には動力分配機構22を介してエンジン20の出力側及びモータジェネレータ94の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ92,94及び動力分配機構22は、変速機18の筐体の内部に収納されている。
A front wheel side differential gear (hereinafter, referred to as “front wheel side DEF”) 16 is provided at the center of the
動力分配機構22は歯車23〜30から構成された差動機構である。歯車25〜28は傘歯車である。歯車23,24,29,30は平歯車である。モータジェネレータ92の動力は変速機18に直接に伝達される。モータジェネレータ92の軸は歯車29と同軸になっている。この構成により、モータジェネレータ92に対して駆動電力の供給が無い場合には、歯車29に伝達された動力がそのまま変速機18の入力側に伝達される。
The
エンジン20の作動によって歯車23が駆動されると、エンジン20の動力は歯車23から歯車24に、次に、歯車24から歯車26及び歯車28に、次に、歯車26及び歯車28から歯車30にそれぞれ伝達され、最終的には歯車29に伝達される。モータジェネレータ94の作動によって歯車25が駆動されると、モータジェネレータ94の回転は歯車25から歯車26及び歯車28に、次に、歯車26及び歯車28から歯車30にそれぞれ伝達され、最終的には歯車29に伝達される。尚、動力分配機構22としては上述した差動機構に代えて、遊星歯車機構などの他の機構を用いても構わない。
When the
モータジェネレータ92,94は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置40,42によって制御されることによりモータジェネレータ92,94の駆動が制御される。インバータ装置40,42にはバッテリ36が電気的に接続されており、バッテリ36とインバータ装置40,42との相互において電力の授受が可能である。
The
本実施形態では、モータジェネレータ92及びインバータ装置40からなる第1電動発電ユニットと、モータジェネレータ94及びインバータ装置42からなる第2電動発電ユニットとの2つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン20からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第2電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン20の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第1電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第1電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン20の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第2電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
In the present embodiment, the first electric power generation unit composed of the
また、本実施形態では、バッテリ36の電力によって第1電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ92の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第1電動発電ユニット又は第2電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン20の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ36の充電ができる。
Further, in the present embodiment, by operating the first electric power generation unit as an electric unit by the electric power of the
次に、図2を用いてインバータ装置40,42の電気回路構成を説明する。尚、図1〜図2に示す実施形態では、インバータ装置40,42をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明するが、図7などを参照して後述するように、インバータ装置40,42を1つの装置内に収納してもよい。インバータ装置40,42は同様の構成で同様の作用を為し、同様の機能を有しているので、ここでは、例としてインバータ装置40の説明を行う。
Next, the electric circuit configurations of the
本実施形態に係る電力変換装置100は、インバータ装置40とコンデンサ90と直流コネクタ38と交流コネクタ88を備え、インバータ装置40はインバータ回路44と制御部70とを有している。また、インバータ回路44は、上アームとして動作するIGBT52(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)及びダイオード56と、下アームとして動作するIGBT62及びダイオード66と、からなる上下アーム直列回路50を複数有し(図2の例では3つの上下アーム直列回路50,50,50)、それぞれの上下アーム直列回路50の中点部分(中間電極69)から交流端子59(図3を参照)を通してモータジェネレータ92への交流電力線86を引き出す構成である。また、制御部70はインバータ回路44を駆動制御するドライバ回路(ドライバ基板に内蔵)74と、ドライバ回路74へ信号線76を介して制御信号を供給する制御回路72(制御基板に内蔵)と、を有している。
The
上アームと下アームのIGBT52,62は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部70から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ36から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ92の電機子巻線に供給される。上述のとおり、モータジェネレータ92が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。
The upper arm and
本実施形態に係る電力変換装置100は3相ブリッジ回路により構成されており、3相分の上下アーム直列回路50,50,50がそれぞれバッテリ36の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されることにより構成されている。ここで、上下アーム直列回路50はアームと呼称されており、上アーム側のスイッチング用パワー半導体素子52及びダイオード56と下アーム側のスイッチング用パワー半導体素子62及びダイオード66を備えている。
The
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子として、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)52,62を用いることを例示している。IGBT52,62は、コレクタ電極53,63、エミッタ電極、ゲート電極(ゲート電極端子54,64)、信号用エミッタ電極(信号用エミッタ電極端子55,65)を備えている。IGBT52,62のコレクタ電極53,63とエミッタ電極との間にはダイオード56,66が図示するように電気的に接続されている。ダイオード56,66は、カソード電極及びアノード電極の2つの電極を備えており、IGBT52,62のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がIGBT52,62のコレクタ電極に、アノード電極がIGBT52,62のエミッタ電極に、それぞれ電気的に接続されている。
In this embodiment, it is exemplified that IGBTs (insulated gate bipolar transistors) 52 and 62 are used as power semiconductor elements for switching. The
スイッチング用パワー半導体素子としてはMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いてもよい。MOSFETは、ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極の3つの電極を備えている。なお、MOSFETは、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えている。このため、IGBTのように、別途、ダイオードを設ける必要がない。 A MOSFET (metal oxide semiconductor type field effect transistor) may be used as the switching power semiconductor element. The MOSFET includes three electrodes, a drain electrode, a source electrode, and a gate electrode. The MOSFET is provided with a parasitic diode between the source electrode and the drain electrode in the forward direction from the drain electrode to the source electrode. Therefore, unlike the IGBT, it is not necessary to separately provide a diode.
上下アーム直列回路50は、モータジェネレータ92の電機子巻線の各相巻線に対応して3相分設けられている。3つの上下アーム直列回路50,50,50はそれぞれ、IGBT52のエミッタ電極とIGBT62のコレクタ電極63を結ぶ中間電極69、交流端子59を介してモータジェネレータ92へのU相、V相、W相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。上アームのIGBT52のコレクタ電極53は正極端子(P端子)57を介してコンデンサ90の正極側コンデンサ電極に、下アームのIGBT62のエミッタ電極は負極端子(N端子)58を介してコンデンサ90の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。各アームの中点部分(上アームのIGBT52のエミッタ電極と下アームのIGBT62のコレクタ電極との接続部分)にあたる中間電極69は、モータジェネレータ92の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ88を介して電気的に接続されている。本実施形態では、後で詳細に述べるが、上下アームからなる1つの上下アーム直列回路50が半導体モジュールの主たる回路構成要素となっている。
The upper and lower
コンデンサ90は、IGBT52,62のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサ90の正極側コンデンサ電極にはバッテリ36の正極側が、コンデンサ90の負極側コンデンサ電極にはバッテリ36の負極側がそれぞれ直流コネクタ38を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサ90は、上アームIGBT52のコレクタ電極53とバッテリ36の正極側との間と、下アームIGBT62のエミッタ電極とバッテリ36の負極側との間で接続され、バッテリ36と上下アーム直列回路50に対して電気的に並列接続される。
The
制御部70はIGBT52,62を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、IGBT52,62のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路72(制御基板に内蔵)と、制御回路72から出力されたタイミング信号に基づいて、IGBT52,62をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライブ回路(ドライバ基板に内蔵)74とを備えている。
The
制御回路72はIGBT52,62のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と記述する)を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ92に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路50からモータジェネレータ92の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ92の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ80から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ92に設けられた回転磁極センサ(不図示)から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では3相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、2相分の電流値を検出するようにしても構わない。
The
制御回路72内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ92のd,q軸の電流指令値を演算し、この演算されたd,q軸の電流指令値と、検出されたd,q軸の電流値との差分に基づいてd,q軸の電圧指令値を演算し、この演算されたd,q軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてU相、V相、W相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、U相、V相、W相の電圧指令値に基づく基本波(正弦波)と搬送波(三角波)との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をPWM(パルス幅変調)信号としてドライバ回路74に出力する。ドライバ回路74には、各相の上下アームに対応して6つのPWM信号がマイコンから出力される。マイコンから出力されるタイミング信号としては矩形波信号などの他の信号を用いても構わない。
The microcomputer in the
ドライバ回路74は、複数の電子回路部品を1つに集積した集積回路、いわゆるドライバICによって構成されている。本実施形態では、各相の上下アームのそれぞれに対して1個のICを設ける場合(1アームin1モジュール:1in1)を例に挙げて説明するが、各アームのそれぞれに対応して1個のICを設ける(2in1)、或いは全てのアームに対応して1個のICを設ける(6in1)ようにしても構わない。ドライバ回路74は、下アームを駆動する場合、PWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのIGBT62のゲート電極に、上アームを駆動する場合、PWM信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからPWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのIGBT52のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各IGBT52,62は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
The
また、制御部70は、異常検知(過電流、過電圧、過温度など)を行い、上下アーム直列回路50を保護している。このため、制御部70にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極端子55,65からは各IGBT52,62のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部(IC)に入力されている。これにより、各駆動部(IC)は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するIGBT52,62のスイッチング動作を停止させ、対応するIGBT52,62を過電流から保護する。上下アーム直列回路50に設けられた温度センサ(不図示)からは上下アーム直列回路50の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路50の直流正極側の電圧の情報が入力されている。
Further, the
マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのIGBT52,62のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路50(引いては、この回路50を含む半導体モジュール)を過温度或いは過電圧から保護する。 The microcomputer performs overtemperature detection and overvoltage detection based on the information, and when overtemperature or overvoltage is detected, stops the switching operation of all the IGBTs 52 and 62, and the upper and lower arm series circuit 50 (pulled out). , The semiconductor module including this circuit 50) is protected from overtemperature or overvoltage.
図2において、上下アーム直列回路50は、上アームのIGBT52及び上アームのダイオード56と、下アームのIGBT62及び下アームのダイオード66との直列回路であり、IGBT52,62はスイッチング用半導体素子である。インバータ回路44の上下アームのIGBT52,62の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ92の固定子巻線の電流は、ダイオード56,66によって作られる回路を流れる。
In FIG. 2, the upper and lower
上下アーム直列回路50は、図示するように、Positive端子(P端子、正極端子)57、Negative端子(N端子58、負極端子)、上下アームの中間電極69からの交流端子59(図3を参照)、上アームの信号用端子(信号用エミッタ電極端子)55、上アームのゲート(ベース)電極端子54、下アームの信号用端子(信号用エミッタ電極端子)65、下アームのゲート(ベース)電極端子64、を備えている。また、電力変換装置100は、入力側に直流コネクタ38を有し、出力側に交流コネクタ88を有して、それぞれのコネクタ38と88を通してバッテリ36とモータジェネレータ92に接続される。
As shown in the upper and lower
図3は、モータジェネレータへ出力する3相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に2つの上下アーム直列回路を使用する電力変換装置の回路構成を示す図である。モータジェネレータの容量が大きくなると電力変換装置で変換される電力量が大きくなり、インバータ回路44の各相の上下アーム直流回路を流れる電流値が増大する。上下アームの電気的な容量を増大することで変換電力の増大に対応することができるが、インバータ回路(モジュール化したもの)の生産量を増大することが好ましく、図3では、標準化して生産されたインバータ回路(モジュール)の使用個数を増やすことで、変換する電力量の増大に対応するようにしている。 FIG. 3 is a diagram showing a circuit configuration of a power conversion device that uses two upper and lower arm series circuits for each phase as a circuit for generating the output of each phase of three-phase alternating current that is output to the motor generator. As the capacity of the motor generator increases, the amount of power converted by the power converter increases, and the current value flowing through the upper and lower arm DC circuits of each phase of the inverter circuit 44 increases. Although it is possible to cope with the increase in conversion power by increasing the electrical capacity of the upper and lower arms, it is preferable to increase the production amount of the inverter circuit (modularized one), and in FIG. 3, it is standardized and produced. By increasing the number of inverter circuits (modules) used, it is possible to cope with the increase in the amount of power to be converted.
さらに説明すると、図2に示すインバータ回路44が3つの上下アーム直列回路50,50,50からなり、モータジェネレータ92へのU相、V相、W相を形成しているに対して、図3は、図2に示すインバータ回路44と同一構成の2つのインバータ回路(インバータ回路1(45)とインバータ回路2(46))を設けて、これらのインバータ回路45と46を並列接続し、制御対象のモータジェネレータ92の容量増加に対処するものである。すなわち、図3に示す構成は、図2に示すU相の上下アーム直列回路50に対応して、50U1と50U2を設け、同様に、V相に対応して50V1と50V2を設け、W相に対応して50W1と50W2を設けている。なお、図3に示すインバータ回路1とインバータ回路2の交流電力線86は、以下の図面で交流バスバー1(391)と交流バスバー2(392)として構造上の表記がなされる。
More specifically, FIG. 3 shows that the inverter circuit 44 shown in FIG. 2 is composed of three upper and lower
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成についてその概要を説明する。 Next, the outline of the overall configuration of the power conversion device according to the embodiment of the present invention will be described.
図4は本発明の実施形態に係る電力変換装置における全体構成の外観を示す斜視図である。図5は本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を分解した斜視図である。図6は本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成において上ケースを取り除いた平面図である。 FIG. 4 is a perspective view showing the appearance of the overall configuration of the power conversion device according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is an exploded perspective view of the entire configuration of the power conversion device according to the embodiment of the present invention. FIG. 6 is a plan view of the overall configuration of the power conversion device according to the embodiment of the present invention with the upper case removed.
図4〜図6において、本実施形態に係る電力変換装置は、その回路が、図3に示すインバータ回路1(45)とインバータ回路2(46)からなる構成のものを例示している。 In FIGS. 4 to 6, the power conversion device according to the present embodiment illustrates that the circuit includes the inverter circuit 1 (45) and the inverter circuit 2 (46) shown in FIG.
38は直流コネクタ、88は交流コネクタ1(図3に示すインバータ回路1の交流電力線86とつながるコネクタ)、89は交流コネクタ2(図3に示すインバータ回路2の交流電力線86とつながる電力変換装置のコネクタ)、91は交流コネクタ部フランジ、100は電力変換装置、112は上ケース、122は交流コネクタ用位置決め部、124は上ケースフランジ、142は下ケース、144は水路蓋、145はモジュール蓋1、146はモジュール蓋2、246は水路入口部、248は水路出口部、372は制御基板(制御回路を内蔵)、373は制御IC1、374は制御IC2、386はドライバ基板、387はドライバIC、388は信号コネクタ、391は交流バスバー1(図3に示すインバータ回路1の交流電力線86)、392は交流バスバー2(図3に示すインバータ回路2の交流電力線86)、をそれぞれ表す。
38 is a DC connector, 88 is an AC connector 1 (a connector connected to the
図4〜図6に示す本発明の実施形態に係る電力変換装置100の全体構成は、外部への電気的接続構造として、バッテリ36(図2を参照)と接続する直流コネクタ38と、モータジェネレータ92(図2を参照)と接続する交流コネクタ1(88)及び交流コネクタ2(89)とを備え、外観構造として、上ケース112と下ケース142を備え、さらに、上下アーム直列回路50を含む半導体モジュールとコンデンサモジュールを冷却するための水路入口部246及び水路出口部248を備えている。
The overall configuration of the
また、図3に示すU1相、V1相、W1相のそれぞれの上下アーム直列回路を含む各半導体モジュールの上方を被うモジュール蓋1(145)及びU2相、V2相、W2相のそれぞれの上下アーム直列回路を含む各半導体モジュールの上方を被うモジュール蓋2(146)と、上ケース112との間には、ドライバ基板386と制御基板372が積層する構造となっている(図5を参照)。そして、制御基板372には制御IC1(373)と制御IC2(374)が搭載されており、ドライバ基板386にはドライバIC387が搭載されている。また、ドライバ基板386の下方部には交流バスバー1(391)と交流バスバー2(392)が三相分配設されている。なお、水路入口部246と出口部248を含む水平状に形成された水路空間には、後述するが上下アーム直列回路50と放熱フィンを含む半導体モジュールが装填されて冷却される構造となっている。
Further, the module lid 1 (145) covering the upper part of each semiconductor module including the upper and lower arm series circuits of the U1 phase, the V1 phase, and the W1 phase shown in FIG. 3 and the upper and lower sides of the U2 phase, the V2 phase, and the W2 phase, respectively. A
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュール500について、図13、図14、図15及び図16を参照しながら以下説明する。図13は本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの全体構成の外観を示す斜視図である。図14は本実施形態に関する半導体モジュールの断面図であり、図13に示すA−A線の断面構造を示す図である。図15は本実施形態に関する半導体モジュールの全体構成を分解した斜視図である。図16は図15に示すB−B線の断面構造を示す図である。
Next, the
図13〜図16において、本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュール500は、一方の側である放熱フィン(A側)522(なお、放熱フィンとは凹凸のあるフィン形状部分のみを称するのではなくて、放熱金属の全体を云う)、他方の側である放熱フィン(B側)562、両放熱フィン522,562に挟み込まれた上下アーム直列回路50、上下アーム直列回路の正極端子532や負極端子572や交流端子582を含めた各種端子、トップケース512やボトムケース516やサイドケース508、を備えている。図14および図15に示すように、放熱フィン(A側)522と放熱フィン(B側)562に絶縁シートを介してそれぞれ固着された導体板上の上下アーム直列回路(その製造方法は後述する)が放熱フィン(A側)522と放熱フィン(B側)562に挟み込まれた状態において、ボトムケース516、トップケース512、サイドケース508を取り付け、両放熱フィン522,562の間にトップケース512側からモールド樹脂を充填して一体化構造として半導体モジュール500を形成する。
In FIGS. 13 to 16, the
半導体モジュール500は、外観として、図13に示すように、冷却水路に臨む(挿入される)放熱フィン(A側)と放熱フィン(B側)が形成され、トップケース512からは上下アーム直列回路50の正極端子532(図2と図3のP端子57に相当)、負極端子572(図2と図3のN端子58に相当)、交流端子582(図3の交流端子59に相当)、信号用端子(上アーム用)552、ゲート端子(上アーム用)553、信号用端子(下アーム用)556、ゲート端子(下アーム用)557が突出する構造である。
As shown in FIG. 13, the
半導体モジュール500の外観形状は略直方体形状で、放熱フィン(A側)522と放熱フィン(B側)562とは面積が大きく、放熱フィン(B側)562の面を前面とし放熱フィン(A側)を後面とすると(図13の図示例のとおり)、サイドケース508を有する側およびその反対側である両側面および底面および上面は、前述の前面又は後面に比べて、狭くなっている。半導体モジュールの基本的な形状が略直方体形状であり、放熱フィン(B側)や(A側)が方形であるので切削加工が容易であり、また、半導体モジュールが製造ラインで転がり難い形状であり、生産性に優れている。さらに全体の体積に対する放熱面積の割合が大きく取れ、冷却効果が向上する。
The external shape of the
なお、本実施形態では、放熱フィン(A側)522あるいは放熱フィン(B側)562は、半導体チップを挟み込むと共に半導体モジュール内部の導体を保持するための金属板と熱を放散するためのフィンとが一つの金属で作られている。この構造は放熱効率を高めるのに優れている。しかし、やや放熱効率が低下するが、半導体チップを挟み込むと共に半導体モジュール内部の導体を保持するための金属板と放熱フィンとを別体に形成しこれを貼りあわせる構造でも使用できる。 In the present embodiment, the heat radiation fin (A side) 522 or the heat radiation fin (B side) 562 includes a metal plate for sandwiching the semiconductor chip and holding the conductor inside the semiconductor module and fins for dissipating heat. Is made of one metal. This structure is excellent in increasing heat dissipation efficiency. However, although the heat dissipation efficiency is slightly lowered, it can also be used in a structure in which a metal plate for sandwiching a semiconductor chip and holding a conductor inside a semiconductor module and a heat radiation fin are separately formed and bonded together.
また、略直方体形状の狭い方の一方の面である上面に正極端子532(図3のP端子57に相当)、負極端子572(図3のN端子58に相当)、交流端子582(図3の交流端子59に相当)、信号用端子(上アーム用)552、ゲート端子(上アーム用)553、信号用端子(下アーム用)556、ゲート端子(下アーム用)557が集められており、水路筐体に半導体モジュール500を挿入するし易さの点で優れている。さらに、正極端子532と負極端子572の間にはこれらの端子間の絶縁を確保する孔583が設けられる。この孔583は正極端子532と負極端子572の間に形成されたモールド樹脂507に穿たれる。そして、孔583には、後述するがコンデンサモジュール390の正極端子と負極端子の間に設けられたコンデンサモジュール付設の端子絶縁部が挿入される(図21を参照)。よって、孔583は端子間絶縁と位置決めの両機能を奏するものであ
る。
Further, a positive electrode terminal 532 (corresponding to
また、このような端子を設けている上面の外形が、図13に図示するように、底面側の外形より大きく作られており、製造ラインなどで半導体モジュールが移動する場合に最も傷つき易い端子部を保護することができる。すなわち、トップケース512の外形がボトムケース516の外形より大きく作られていることで、後述する冷却水路開口の密閉性に優れている効果以外に、半導体モジュールの製造時や運搬時、水路筐体への取付け時での半導体モジュールの端子を保護できる効果がある。
Further, as shown in FIG. 13, the outer shape of the upper surface provided with such terminals is made larger than the outer shape of the bottom side, and the terminal portion that is most easily damaged when the semiconductor module moves in a manufacturing line or the like. Can be protected. That is, since the outer shape of the
図13に図示した端子の配置によると、正極端子532と負極端子572とは、それぞれ断面積が長方形の板状形状でその先端部が櫛歯形状をしており、さらに放熱フィン(B側)562からみて等間隔の距離を保って左右に配置され、半導体モジュールの一方の側面に接近して配置されている。図13と図14に示すように、各端子532,572はその先端の櫛歯形状に至る構造としてアームの導体板がまず垂直方向に延ばされ(植立)、次いで水平方向に延設されて(直角に曲げられて)櫛歯形状に至る。すなわち、正極端子532と負極端子572は屈曲部を有していてこれらの櫛歯形状が放熱フィン522(A側)に沿うように配列されている。なお、図13と図14に示す端子532,572は、屈曲部を図示しているが、後に示す図15〜図20に示す端子532,572は屈曲部を有せずストレート形状となっているが、図13の端子は、はんだ付け作業、内部モールド、ケース接着(接合)の工程が終了し、最後に屈曲加工を行った後の状態を示している。すなわち、図15〜図20のストレート形状は、屈曲加工前の状態である。最後に屈曲加工する理由は、屈曲作業時に内部半導体とはんだ接合部に力が加わらないようにするため
、また、先に屈曲するとトップケース512が組み立てにくくなるためである。
According to the arrangement of the terminals shown in FIG. 13, the
詳細は後述するが、放熱フィン(B側)562に対向してコンデンサモジュール390が配置されるので、コンデンサモジュールの正極端子と負極端子は、半導体モジュールの正極端子532と負極端子572と互いに等長のDCバスバーで接続でき、配線が容易になる。また、正極端子532や負極端子572の接続端と交流端子582の接続端とは半導体モジュールの前後方向(半導体モジュールの両側面を結ぶ方向)においてそれぞれずれて配置されている。このため電力変換装置の製造ラインでの正極端子532や負極端子572の接続端と他の部品との接続および交流端子582の接続端と他の部品との接続のための器具を使用する空間が確保できやすく、生産性に優れている。
Although the details will be described later, since the
自動車用の電力変換装置はマイナス30度以下、マイナス40度近くまで冷える可能性がある。また一方、100度以上の温度、まれには150度近くの温度となる可能性がある。このように自動車に搭載する電力変換装置では使用温度範囲が広く熱膨張変化を十分に考慮することが必要である。また振動が常に加わる環境で使用される。図13から図16を用いて説明した半導体モジュール500は2つの放熱金属で半導体チップを挟み込む構造を有している。この実施形態では放熱金属の一例として熱放出機能が優れている放熱フィンを有する金属板を用いており、本実施形態で放熱フィン522(A側)と放熱フィン562(B側)として説明している。
Power converters for automobiles can cool to -30 degrees or less and nearly -40 degrees. On the other hand, the temperature may reach 100 degrees or higher, and rarely close to 150 degrees. As described above, the power conversion device mounted on the automobile has a wide operating temperature range, and it is necessary to fully consider the change in thermal expansion. It is also used in an environment where vibration is constantly applied. The
上述の半導体チップを挟み込んだ構造において、上記2つの放熱金属の両側をトップケース512とボトムケース516とで固定する構造を備えている。特にトップケース512とボトムケース516は2つの放熱金属をその外側から挟み込んで固定する構造を有している。具体的には、ボトムケース516の嵌合部517に2つの放熱金属522,562の突起凸部を嵌合する構造とすればよく、また、トップケース512についても同様な嵌合構造を適用すればよい。このような構造により、振動や熱膨張により2つの放熱金属間に互いに開こうとする方向の大きな力が生じるのを防止できる。長期間にわたり自動車に搭載しても故障しない、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
In the structure in which the semiconductor chip is sandwiched, both sides of the two heat-dissipating metals are fixed by the
さらに、本実施形態では、2つの放熱金属に加え、サイドケースを含めてトップケース512とボトムケース516とでこれらを外周側から挟み込んで固定する構造がとられているので、さらに信頼性が向上する。
Further, in the present embodiment, in addition to the two heat-dissipating metals, the
半導体モジュールの正極端子532、負極端子572、交流端子582、信号用端子552と556、ゲート端子553と557を一方のケースであるトップケース512の内部の孔を介して外部に突出させるようにし、この孔をモールド樹脂507で密閉する構造としている。トップケース512としては高い強度の材質が使用され、また、2つの放熱金属の熱膨張係数が考慮されて熱膨張係数の近い材料、例えば金属材で作られる。モールド樹脂507はケース512の熱膨張変化による応力を吸収して上述した端子に加わる応力を低減する作用をしている。このため本実施形態の電力変換装置は、上述の如く温度変化の範囲が広い状態でも、あるいは常時振動が加わる状態でも使用することができる高い信頼性を有している。
The
図17は本実施形態に関する半導体モジュールにおける上下アーム直列回路の内部配置の構造を示す分解図である。図17において、本実施形態に関する半導体モジュールは、放熱金属の板、例えばフィン構造を備えた金属板である放熱フィン(A側)522と放熱フィン(B側)562を基礎素材としてそれぞれの内側に絶縁シート(A側)546と絶縁シート(B側)596を真空熱圧着で固着する。そして、絶縁シート(A側)546に、正極側の導体板534と上下アーム接続用導体板535を固着する(図19を参照)。
FIG. 17 is an exploded view showing the structure of the internal arrangement of the upper and lower arm series circuits in the semiconductor module according to the present embodiment. In FIG. 17, the semiconductor module according to the present embodiment uses a heat-dissipating metal plate, for example, a heat-dissipating fin (A side) 522 and a heat-dissipating fin (B side) 562, which are metal plates having a fin structure, as basic materials inside the semiconductor module. The insulating sheet (A side) 546 and the insulating sheet (B side) 596 are fixed by vacuum thermal crimping. Then, the
さらに、絶縁シート(B側)596に、負極側の導体板574と交流端子側の導体板584を固着するとともに、負極側の導体板574に下アーム用信号用端子556を接続し、交流端子側の導体板584に上アーム用信号用端子552を接続する(図20を参照)。
Further, the
絶縁シート(A側)546と絶縁シート(B側)596は、インバータ回路の上下アーム直列回路を構成する半導体チップや導体と放熱フィン(A側)522や放熱フィン(B側)562とを電気的に絶縁する絶縁部材として機能すると共に、半導体チップなどからの発生熱を放熱フィン(A側)522や放熱フィン(B側)562に伝導する熱伝導路を形成する働きをする。絶縁部材としては、樹脂製の絶縁シートまたは絶縁板であっても良いし、セラミック基板であっても良い。例えばセラミック基板の場合で絶縁部材の厚さは350μメータ以下、絶縁シートの場合は更に薄く50μメータから200μメータであることが望ましい。ただ、インダクタンス低減の観点では、絶縁部材は薄い方が効果的であり、セラミック基板より樹脂製の絶縁シートの方が特性的に優れている。 The insulating sheet (A side) 546 and the insulating sheet (B side) 596 electrically connect the semiconductor chips and conductors constituting the upper and lower arm series circuit of the inverter circuit with the heat radiation fins (A side) 522 and the heat radiation fins (B side) 562. In addition to functioning as an insulating member that specifically insulates, it also functions to form a heat conduction path that conducts heat generated from a semiconductor chip or the like to radiating fins (A side) 522 and radiating fins (B side) 562. The insulating member may be a resin insulating sheet or an insulating plate, or may be a ceramic substrate. For example, in the case of a ceramic substrate, it is desirable that the thickness of the insulating member is 350 μmeter or less, and in the case of an insulating sheet, it is thinner and is preferably 50 μm to 200 μm. However, from the viewpoint of reducing inductance, it is effective that the insulating member is thin, and the resin insulating sheet is characteristically superior to the ceramic substrate.
次に、放熱フィン(A側)522の正極側の導体板534には、上アーム用IGBTチップ537と上アーム用ダイオードチップ539が上下方向に配列されてはんだ付け固定される。同様に、放熱フィン(A側)522の上下アーム接続用導体板535には、下アーム用IGBTチップ541と下アーム用ダイオードチップ543が上下方向に配列されてはんだ付け固定される。ここで、IGBTチップとダイオードチップの上下方向のサイズを比べると、そのサイズはIGBTチップの方が可成り大きい。そうすると、放熱フィン522を通る冷却水に対して、IGBTチップとダイオードチップが占める水路占有率を考えると、上アーム用IGBTチップ537が占有する水路占有率は、上アーム用ダイオードチップ539のそれよりも可成り大きくなる。ダイオードチップよりも放熱量がより多いIGBTチップの放熱が促進されることになり、半導体モジュール全体の放熱効率は向上する。このような放熱効率は、上アーム用のチップと同様に、下アーム用のチップ541,543についても向上が図れる。
Next, the upper
さらに、図18〜図20の説明で詳しく後述するが、上アームのエミッタ電極と下アームのコレクタ電極を連結する上下アーム接続用はんだ接合部555が、下アームのチップ541,543と同様に、放熱フィン(A側)522の導体板535に形成され(図18と図19を参照)、接合部555がはんだ層544及び導体板584を介して交流端子582(図3の交流端子59に相当)接続され、上下アーム直列回路の中間電極69(図2を参照)を構成する。また、放熱フィン(A側)522の導体板の上にはんだ付けされた上アームのIGBT537のゲート電極とゲート端子(上アーム用)553の信号用導体との間、及び下アームのIGBT541のゲート電極とゲート端子(下アーム用)557のゲート用導体との間が、それぞれワイヤボンディング593,596で接続される構造である。
Further, as will be described in detail in the description of FIGS. 18 to 20, the upper and lower arm connecting
一方、放熱フィン(B側)562の絶縁シート(B側)596には、図17及び図20に示すように、負極端子572の負極側の導体板574、交流端子582の交流端子側導体板584、及び信号用端子(上アーム用)552と信号用端子(下アーム用)556のそれぞれの導体板が固着されている。負極側の導体板574には、下アームIGBTチップ541のエミッタ側が接続されるはんだ接合部757と下アームのダイオードチップ543のアノード側が接続されるはんだ接合部759が設けられ、交流端子側の導体板584には、上アームIGBTチップ537のエミッタ側が接続されるはんだ接合部756と上アームのダイオードチップ543のアノード側が接続されるはんだ接合部758が配設される。 負極端子572(図2に示す負極端子58に相当)は、下アームのIGBTチップ541及び下アームのダイオードチップ543に対して、導体板574、はんだ接合部757及び759、はんだ層540及び542を介して接続結合される。また、正極端子532は、上アームのIGBTチップ537及び上アームのダイオードチップ543に対して、導体板534、はんだ接合部751及び752、はんだ層547及び548を介して接続結合される。また、交流端子582は、導体板584、上アームIGBTチップのエミッタ側に連結している上下アーム接続用はんだ接合部560、はんだ層544、上下アーム接続用はんだ接合部555、導体板535を介して下アーム用IGBTチップ541に接続結合される。上アーム用信号用端子552(図2に示す信号用端子55に相当)と下アーム用信号用端子556(図2に示す信号用端子65に相当)のそれぞれの導体板は、上アームIGBTチップ537と下アームIGBTチップ541のそれぞれのエミッタ側に結合されている。上述した半導体モジュールの配置構造によって図2に示す上下アーム直列回路50の回路構成が形成される。
On the other hand, as shown in FIGS. 17 and 20, the insulating sheet (B side) 596 of the heat radiation fin (B side) 562 has a
図17に示すとおり、放熱フィンの一方である、放熱フィン(A側)522に上アームと下アームを構成する両方の半導体チップを上下方向に配置固定し、さらに、上アーム用ゲート端子553と下アーム用デート端子557を放熱フィン(A側)522に設けてワイヤボンディングなどの接続作業を一方の放熱フィン(A側)522で実施できるので、製造工程の中で集中でき、生産性と信頼性の向上となる。また、自動車用の如く振動の大きい環境で使用する場合、配線すべき対象の半導体チップと端子とが同一の放熱フィンに固定されているので、耐振性が向上する。
As shown in FIG. 17, both semiconductor chips constituting the upper arm and the lower arm are arranged and fixed in the vertical direction on the heat radiation fin (A side) 522, which is one of the heat radiation fins, and further, with the
上述したように、放熱フィン(A側)522と放熱フィン(B側)562とを図17に示すように対向させて、放熱フィン(A側)522のIGBTチップ537,541とダイオードチップ539,543との電極が、図2に示す回路構成のとおりに連結するように、放熱フィン(B側)562の負極端子572、交流端子582、上アーム用信号用端子552及び下アーム用信号用端子556にそれぞれ繋がる導体板と対面させて、はんだ付けする。さらに、図15に示すように、ボトムケース516、トップケース512及びサイドケース508が、一体的構造となった放熱フィン(A側)522及び放熱フィン(B側)562に対して、接着剤で接着される。さらに、トップケースの孔513(図15を参照)からモールド樹脂を内部に充填させて半導体モジュール500を形成する。
As described above, the heat radiation fin (A side) 522 and the heat radiation fin (B side) 562 are opposed to each other as shown in FIG. 17, and the IGBT chips 537, 541 and the
次に、本実施形態に関する半導体モジュール500において、両放熱フィン522,562の間に挟み込まれた上下アーム直列回路(例示として、2アームin1モジュール構造)の形成方法と具体的構造について、図18〜図20を参照しながら敷衍して説明する。図18は本実施形態に関する半導体モジュールにおける放熱フィン(A側)に配設される上下アーム直列回路の配置構造を示す図である。図19は半導体モジュールにおける放熱フィン(A側)に配設される各構成要素の接合関係を示す図である。図20は半導体モジュールにおける放熱フィン(BA側)に配設される各構成要素の接合関係を示す図である。
Next, in the
本実施形態に関する半導体モジュールの製造における基本的プロセスを示す。放熱金属の板、例えば本実施形態ではフィン構造を備えた金属板である放熱フィン(A側)522と放熱フィン(B側)562を基礎素材としてそれぞれの内側に高熱伝導樹脂層である絶縁シート(A側)546と絶縁シート(B側)596を真空熱圧着で固着し、絶縁シート546(A側)に正極側の導体板534及び導体板535を固着し、絶縁シート596(B側)に負極側の導体板574と交流端子用の導体板584を固着する。放熱フィン(A側)522及び絶縁シート(A側)546への導体板534,535の固着の状況を図19に示し、放熱フィン(B側)562及び絶縁シート(B側)596への導体板574,584の固着の状況は図20に示す。
The basic process in the manufacture of the semiconductor module according to this embodiment is shown. A heat-dissipating metal plate, for example, an insulating sheet which is a high thermal conductive resin layer inside each of the heat-dissipating fins (A side) 522 and the heat-dissipating fins (B side) 562, which are metal plates having a fin structure in this embodiment, as basic materials. (A side) 546 and the insulating sheet (B side) 596 are fixed by vacuum thermal crimping, and the
さらに、絶縁シート546(A側)に、ゲート端子(上アーム用)553のゲート用導体とゲート端子(下アーム用)557のゲート用導体559を固着する。絶縁シート596(B側)に、信号用端子(上アーム用)552の信号用導体と信号用端子(下アーム用)556の信号用導体を固着する。これらの配置関係は図19と図20に23に示すとおりである。 Further, the gate conductor of the gate terminal (for the upper arm) 553 and the gate conductor 559 of the gate terminal (for the lower arm) 557 are fixed to the insulating sheet 546 (A side). The signal conductor of the signal terminal (for the upper arm) 552 and the signal conductor of the signal terminal (for the lower arm) 556 are fixed to the insulating sheet 596 (B side). These arrangement relationships are as shown in FIGS. 19 and 20 and 23.
次に、放熱フィン(A側)522側における正極側の導体板534,上下アーム接続用導体板535に設けたはんだ接合部751,752,753,754に対応して、はんだ層547,548,549,550を介在させ、IGBTチップ537(上アーム用)、ダイオードチップ539(上アーム用)、IGBTチップ541(下アーム用)、ダイオードチップ543(下アーム用)をはんだ付けする。この際、正極側の導体板534と導体板535が互いに絶縁状態で設けられ、それぞれの導体板534,535にIGBTチップ及びダイオードチップをはんだ付けする。さらに、図2に示すように、上アームのエミッタ電極と下アームのコレクタ電極を連結するためのはんだ接合部555がチップ541,543と同様にして導体板535にはんだ付けされ、上下アーム接続用のはんだ接合部555(図19を参照)が上下アーム接続用はんだ接合部560(図20を参照)を介して交流端子用の導体板584との当接接続によって、上下アームの中間電極69(図2を参照)を構成する。
Next, the solder layers 547,548, corresponding to the solder joints 751, 752, 753, 754 provided on the
次に、放熱フィン(A側)522の導体板534の上にはんだ付けされた上アームのIGBT537のゲート電極とゲート端子(上アーム用)553のゲート用導体との間をゲートワイヤ(上アーム用)593でボンディング接続する(図17を参照)。同様にして、放熱フィン(A側)522の導体板535の上にはんだ付けされた下アームのIGBT541のゲート電極とゲート端子(下アーム用)557のゲート用導体との間をゲートワイヤ(下アーム用)597でボンディング接続する。
Next, a gate wire (upper arm) is placed between the gate electrode of the
図18に示すとおり、放熱フィンの一方である、放熱フィン(A側)522に上アームと下アームを構成する両方の半導体チップを固定し、これら半導体チップに信号を制御するためのゲート端子553,557につながるゲート用導体を設けている。このように一方の絶縁部材に上下アーム用の半導体チップとその制御線を固定しているので、ワイヤボンディングなどの信号線と半導体チップとの接続作業を製造工程の中で集中でき、生産性と信頼性の向上となる。また、自動車用の如く振動の大きい環境で使用する場合、配線すべき一方の半導体チップと他方の制御線との両方が同じ部材である一方の放熱フィンに固定されているので、耐振性が向上する。
As shown in FIG. 18, both semiconductor chips constituting the upper arm and the lower arm are fixed to the heat radiation fin (A side) 522, which is one of the heat radiation fins, and the
図19に示すとおり、上アーム用の半導体チップ537(はんだ接合部751に接合される)と下アーム用の半導体チップ541(はんだ接合部753に接合される)とを同じ向きに、すなわちそれぞれの半導体チップのコレクタ面が絶縁部材である絶縁シート546側に向いていて、はんだ接合部751,753はIGBTチップ537,541のコレクタ側に対面するように設けられている。このように、上アームと下アームの半導体チップの方向を合わせることで作業性が向上する。このことはダイオードチップ539,543に対しても同じである。
As shown in FIG. 19, the
図14に示すように、本実施形態に関する半導体モジュール500に内蔵された上下アーム直列回路50の配置構造は、図17に示した詳細構造をも参照すると、上アームのIGBT52が上アームのダイオード56の上方部に設置されていて、この設置関係は下アームのIGBTとダイオードについても同様である。そして、詳細は後述するが、図13に示す半導体モジュール500を冷却水路に上方から挿入して設置し、冷却水路内に流れる冷却水で半導体モジュール500を冷却することになるが、冷却水は放熱フィン(A側)522及び放熱フィン(B側)562の櫛歯部分(凹部)を流れることとなる。
As shown in FIG. 14, in the arrangement structure of the upper and lower
ここで、IGBTとダイオードの高さ方向の長さは、上アームを例にとると、IGBT52の高さLはダイオード56の高さMよりも、互いの構造及び形状上の特徴からして高さ方向において長い(L>M)。そうすると、放熱フィンの櫛歯部分を流れる冷却水は、この長さLとMに応じて冷却効果を奏する。言い換えると、冷却水量の多寡は長さLとMに対応することとなり、ダイオードよりもより多く放熱をさせたいIGBTの方により多くの冷却水量が対応することになり、冷却効率の向上に繋がる。
Here, the lengths of the IGBT and the diode in the height direction are higher than the height M of the
また、図13に示す一体的構造の半導体モジュール500は、コンデンサ90の正極側と負極側に接続されるべき、正極端子532と負極端子572が上方に突出した形状であり、さらに、これらの端子532と572は、冷却水路に沿った方向(半導体モジュールを上方から見た断面における矩形形状の長手方向に沿って)の直線上に配列されている。
Further, the
一方、後述するが、コンデンサモジュールの両側には、半導体モジュールの上方断面の矩形形状長手方向(冷却水の流れ方向)に沿って、複数の半導体モジュールが設置され、すなわち、コンデンサモジュールを挟んでその両側に複数の半導体モジュールを配列するサンドイッチ構造である(図11を参照)。 On the other hand, as will be described later, a plurality of semiconductor modules are installed on both sides of the semiconductor module along the rectangular longitudinal direction (cooling water flow direction) of the upper cross section of the semiconductor module, that is, the semiconductor modules are sandwiched between them. It is a sandwich structure in which a plurality of semiconductor modules are arranged on both sides (see FIG. 11).
このような半導体モジュールとコンデンサモジュールの配列構造において、コンデンサモジュールの正極側と負極側の端子は、図13に示す半導体モジュールの正極端子532と負極端子572に対向するように配置している。これによって、半導体モジュール500とコンデンサモジュール390をバー接続する場合に、正極側と負極側とで同一形状と同一長さのバーを使用することができ、作業性が向上するとともにIGBTのスイッチング動作に伴うインダクタンスの低減を図ることができる。
In such an arrangement structure of the semiconductor module and the capacitor module, the terminals on the positive electrode side and the negative electrode side of the capacitor module are arranged so as to face the
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置における小型化、冷却効率、組立性を向上実現させる具体的構成について、図7〜図12を参照しながら以下説明する。図7は本発明の実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュールの配置構成を示す分解図であり、図5に示す電力変換装置の全体構成から上ケース、制御基板、ドライバ基板及び交流コネクタを取り除いた図である。図8は図7に示す分解図に対して交流コネクタと直流コネクタを付設した半導体モジュール廻りの電力系統の斜視図である。図9は図8に示す半導体モジュール廻りの電力系統の分解図である。図10は図7に示す半導体モジュールの配置構成を冷却水の流れ方向からみた断面図である。図11は本実施形態に係る電力変換装置の全体構成から上ケースを取り除いて冷却水の流れ方向からみた断面図である。図12は本実施形態に関する半導体モジュール、コンデンサモジュール、及び冷却水路を上方からみた断面図である。 Next, a specific configuration for improving miniaturization, cooling efficiency, and assembling property in the power conversion device according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 7 to 12. FIG. 7 is an exploded view showing an arrangement configuration of semiconductor modules in the power conversion device according to the embodiment of the present invention, and the upper case, control board, driver board, and AC connector are removed from the overall configuration of the power conversion device shown in FIG. It is a figure. FIG. 8 is a perspective view of a power system around a semiconductor module in which an AC connector and a DC connector are attached to an exploded view shown in FIG. FIG. 9 is an exploded view of the power system around the semiconductor module shown in FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view of the arrangement configuration of the semiconductor modules shown in FIG. 7 as viewed from the flow direction of the cooling water. FIG. 11 is a cross-sectional view taken from the overall configuration of the power conversion device according to the present embodiment when the upper case is removed and viewed from the flow direction of the cooling water. FIG. 12 is a cross-sectional view of the semiconductor module, the condenser module, and the cooling water channel according to the present embodiment as viewed from above.
まず、図7〜図9を参照しながら、本実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュール、冷却水路、電力系統などの配置構造を説明する。図7〜図9に示す実施形態の半導体モジュールは、図3に示すようなU1相、V1相及びW1相からなる上段の上下アーム直列回路を内蔵した半導体モジュール1と、U2相、V2相及びW2相からなる下段の上下アーム直列回路を内蔵した半導体モジュール2と、からなる2系統の6つの半導体モジュールを例示する構造である。半導体モジュール1は、3本の交流バスバー1(391)を通して交流コネクタ1(88)に接続され、同様に、半導体モジュール2は、3本の交流バスバー2(392)を通して交流コネクタ2(89)に接続される。図面では、冷却水路入口部246側(すなわち交流コネクタ88,89配置側)に、図3に示すようなU1相、V1相及びW1相からなる上段の上下アーム直列回路を内蔵した半導体モジュール1が配置され、その反対側(冷却水路出口部248側)にU2相、V2相及びW2相からなる半導体モジュール2が配置されている。
First, the arrangement structure of the semiconductor module, the cooling water channel, the power system, and the like in the power conversion device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 7 to 9. The semiconductor modules of the embodiments shown in FIGS. 7 to 9 include a semiconductor module 1 having an upper upper and lower arm series circuit composed of a U1 phase, a V1 phase, and a W1 phase as shown in FIG. 3, a U2 phase, a V2 phase, and the like. It is a structure exemplifying six semiconductor modules of two systems including a
また、冷却水入口部246及び出口部248が配置された側面とは反対側の側面にコンデンサモジュール390と接続される直流コネクタ38が配置されている。また、交流コネクタ用位置決め部122を挟んで交流コネクタ搭載部123には、交流コネクタ88と交流コネクタ89(図3を参照)が搭載され、その上面に交流コネクタ部フランジ90が設けられる。コンデンサモジュール390(図11を参照)が挿入されるコンデンサモジュール挿入部147の両側には、半導体モジュール500が挿入される半導体モジュール挿入水路237が下ケース142に形成される(図10を参照)。このように、コンデンサモジュール390を挟んでその両側に半導体モジュール500を配列するサンドイッチ構造を形成している。
Further, a
交流コネクタ側に配列された半導体モジュール1の上面にはモジュール蓋1(145)が、その反対側に配列された半導体モジュール2の上面にはモジュール蓋2(146)が、それぞれ配設され、水路の入口部246と出口部248が配置された正面部の折り返し水路227(図7、図12を参照)の上面には水路蓋144(図9を参照)が配設される。さらに、半導体モジュール挿入水路237(図10を参照)には、上記の正面部と反対側に背面部の折り返し水路236が形成される(図7を参照)。また、水路入口部246の近傍には水路形成体1(490)が、さらに、水路出口部248の近傍には水路形成体2(491)が設けられ、半導体モジュールの放熱フィン(A側)と放熱フィン(B側)の全域に冷却水が流れるように水流を誘導する(図12を参照)。
A module lid 1 (145) is arranged on the upper surface of the semiconductor module 1 arranged on the AC connector side, and a module lid 2 (146) is arranged on the upper surface of the
次に、図10〜図12を参照しながら、本実施形態に係る電力変換装置における半導体モジュール、冷却水路、電力系統などの詳細な配置構造を説明する。本実施形態は、半導体モジュール500を、下ケース142に形成された水路237に上方から挿入していくスロットイン構造を採用したものであり、半導体モジュール500は、下ケース142の半導体モジュール位置決め部502に位置決めされ、モジュール蓋145,146の半導体モジュール固定部501で水路237に固定される。
Next, a detailed arrangement structure of a semiconductor module, a cooling water channel, a power system, and the like in the power conversion device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 10 to 12. The present embodiment employs a slot-in structure in which the
交流コネクタ88,89を搭載する交流コネクタ搭載部123側の水路には、水路形成体1(490)の背面方向に、例えば、図3に示すU1相、V1相、W1相のそれぞれの半導体モジュール500,500,500が挿入固定されている。また、水路出口部248の側の水路には、同様に、図3に示すU2相、V2相、W2相のそれぞれの半導体モジュール500,500,500が挿入固定されている。
In the water channel on the side of the AC
図12によると、水路入口部246からの水流250は、水路形成体1(490)で水流を誘導されて半導体モジュール500の一方の放熱フィン側に水流251を形成し、水路237の背面部での折り返し水路236で図示する水流252で折り返され、水流253を形成する。続いて、水流は、水路形成体1(490)に誘導されて、正面部の折り返し水路227を通り、次に、水路形成体2(491)に誘導されて、水路出口部248の側の水路に水流を形成する。図12に示す水路出口部248に繋がる右側の水路での水流は、上述した左側の水流と同様の水流を形成する。
According to FIG. 12, the
図12に示すように、コンデンサモジュール390を挟んでその左側に3つの半導体モジュール500を配置し、その右側に3つの半導体モジュール500を配置する構造を採用する本実施形態は、先行技術に開示されている、同一側面(例えば正面部)に水路入口部と水路出口部を配置し且つ6つの逆U字状水路を入口部と出口部を結ぶ方向(例えば左右方向)に配置してこれらの逆U字状水路を折り返し水路で順に連結して6つの半導体モジュール500をそれぞれの逆U字状水路に設置した構造に比べて、Uターンの折り返し水路が、上述した先行技術における11個の折り返す水路に対して、図12に示す本実施形態では、2つの折り返し水路236(左側と右側の水路上方における折り返し水路)と、図示する水流254及び水流256から成る折り返し水路と、の3箇所である。
As shown in FIG. 12, the present embodiment adopting a structure in which three
そうすると、水路における水流の方向転換における水流の圧力損失を考えると、上述した先行技術では11箇所のUターン水路が存在するのに対して、図12に示す本実施形態では3箇所であるので、水路の圧力損失が格段に低減することができる。この圧力損失が低減すれば、水流の流れ速度が入口部と出口部とでそれほど差がなくなり、冷却水による冷却効率がそれほど低下することはない。 Then, considering the pressure loss of the water flow at the time of changing the direction of the water flow in the water channel, there are 11 U-turn water channels in the above-mentioned prior art, whereas in the present embodiment shown in FIG. 12, there are 3 locations. The pressure loss in the water channel can be significantly reduced. If this pressure loss is reduced, the flow speed of the water flow does not differ so much between the inlet and the outlet, and the cooling efficiency by the cooling water does not decrease so much.
また、図11と図12に示すように、コンデンサモジュール390は、その左右両側および前面側(水流255を参照)に水路が形成されているので、コンデンサモジュール390も水路を流れる冷却水によって冷却される構造となっている。
Further, as shown in FIGS. 11 and 12, since the
次に、図11によると(図5をも参照)、コンデンサモジュール390はその上表面が電力変換装置100の中で可成り大きな表面を占有しており、このコンデンサモジュール390の上表面を有効活用する構造上の配置が本実施形態の特徴の1つでもある。すなわち、コンデンサモジュール390の上表面にドライバ基板386(図2に示すドライバ基板74に相当)を設置しこのドライバ基板386上にドライバIC387が搭載されている。さらに、ドライバ基板386には連結材を介して制御基板372が上方に設置され、両方の基板386と372とは信号コネクタ388(図5を参照)で電気的に接続されている。制御基板372上には制御基板IC373が搭載されている。このように、本実施形態ではコンデンサモジュール390の上面にドライバ基板と制御基板とを設置することでこの上面を有効活用している。
Next, according to FIG. 11 (see also FIG. 5), the upper surface of the
敷衍して説明すると、図11に示す左側の半導体モジュール(U1相、V1相、W1相用)は、図3に示すインバータ回路1(45)に相当し、図11に示す右側の半導体モジュール(U2相、V2相、W2相用)は、図3に示すインバータ回路2(46)に相当する。本来、ドライバ基板386は、インバータ回路1(45)とインバータ回路2(46)毎にそれぞれ設けられるものであるが、本実施形態では、図11の左側の3つの半導体モジュール500に内蔵されるインバータ回路1(45)と、右側に設けられたインバータ回路2(46)との間に、ドライバ基板を掛け渡す構造を採用することで(図3を参照)、2つのインバータ回路1と2に対して1枚のドライバ基板386で兼用させることができる。
To explain, the semiconductor module on the left side (for U1 phase, V1 phase, and W1 phase) shown in FIG. 11 corresponds to the inverter circuit 1 (45) shown in FIG. 3, and the semiconductor module on the right side shown in FIG. (For U2 phase, V2 phase, W2 phase) corresponds to the inverter circuit 2 (46) shown in FIG. Originally, the
さらに、図10をみると、下ケース142は、機能的には水路筐体を形成しており(図10の水路237)、さらに、コンデンサモジュールの挿入部147をも形成している。
Further, looking at FIG. 10, the
したがって、下ケース142は水路筐体の機能を果たすとともに、コンデンサモジュール390の位置決め機能をも果たしているので、コンデンサモジュールの位置決めが容易である。
Therefore, since the
図7に示す電力変換装置における半導体モジュール500とコンデンサモジュール390の配列構造と、図13に示す半導体モジュール500の正極端子532と負極端子572の配置構造とから分かるように、放熱フィン(B側)562に対面してコンデンサモジュール390が配置されるので、コンデンサモジュール390の正極端子と負極端子は、半導体モジュール500の正極端子532と負極端子572と互いに等長のDCバスバーで接続でき、接続が容易になるとともに(等長で同構造のDCバスバーを2本用意して、これらのDCバスバーを正極端子532とコンデンサモジュール正極端子との間、負極端子572とコンデンサモジュール負極端子との間に掛け渡して容易に接続することが可能)、コンデンサモジュールと半導体モジュールのそれぞれの極側を単純構造の同一形状のDCバスバーで連結することで低インダクタンスの配線構造となっている。
As can be seen from the arrangement structure of the
図21は本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールの間の端子接続の構造を示す図である。図21は半導体モジュール500の間にコンデンサモジュール390が挟まれるサンドイッチ構造の一方の側を図示している。
FIG. 21 is a diagram showing a structure of terminal connection between a semiconductor module and a capacitor module according to the present embodiment. FIG. 21 illustrates one side of a sandwich structure in which a
コンデンサモジュール390から直流バスバー393が突設されて、その端部にコンデンセモジュールの正極端子394と負極端子395が配置されその先端部は櫛歯形状の端子部を植立している。さらに、正極端子394と負極端子395の間にはこれらの端子間の絶縁を確実にする薄板形状のコンデンサモジュール端子絶縁部396が直流バスバー393に付設される。この薄板形状端子絶縁部396は、半導体モジュールの上面に穿たれた挿入孔583に挿入することによって、半導体モジュール500とコンデンサモジュール390間の端子接続の位置決めが図られる。
A
この位置決めによって、半導体モジュールの正極端子532とコンデンサモジュールの正極端子394との接合、及び半導体モジュールの負極端子572とコンデンサモジュールの負極端子395との接合が固定したものとなる。すなわち、接合する両端子の櫛歯形状同士が密接関係となり、その後の例えばはんだ付け作業が容易となり、はんだ固着が強固なものとなる(コンデンサモジュール390と半導体モジュールの接続端子を互いに櫛歯形状とすることによって、両者の接続端子間の溶接やその他の固着接続がし易くなっている)。図示するように、半導体モジュールの正極端子532と負極端子572の配列が、コンデンサモジュール390の対向面側に対して並置されているので、コンデンサモジュールの正極端子394と負極端子395の突設構造を互いに同一とすることができる。
By this positioning, the junction between the
また、半導体モジュール500はそのフィン長手方向に沿って複数配列されるので、半導体モジュール毎のコンデンサモジュールの直流バスバー393の構造をも同一とすることができる。
Further, since a plurality of
次に、本実施形態に関する半導体モジュールの配線インダクタンス低減化について、図22と図23を用いて説明する。図22は本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールにおける配線インダクタンスの低減を説明する構成上の配置図である。図23は本実施形態に関する半導体モジュールとコンデンサモジュールにおける配線インダクタンスの低減を説明する等価回路上の配置図である。過渡的な電圧上昇や半導体チップの大きな発熱は、インバータ回路を構成する上アームあるいは下アームのスイッチング動作時に発生するので、特にスイッチング動作時のインダクタンスを低減することが望ましい。過渡時にダイオードのリカバリ電流600が発生するので、このリカバリ電流に基づき、一例として下アームのダイオード543(図2の66に相当)のリカバリ電流を例としてインダクタンス低減の作用を説明する。 Next, the reduction of the wiring inductance of the semiconductor module according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 22 and 23. FIG. 22 is a structural layout diagram for explaining the reduction of wiring inductance in the semiconductor module and the capacitor module according to the present embodiment. FIG. 23 is a layout diagram on an equivalent circuit for explaining the reduction of wiring inductance in the semiconductor module and the capacitor module according to the present embodiment. Since a transient voltage rise and large heat generation of the semiconductor chip occur during the switching operation of the upper arm or the lower arm constituting the inverter circuit, it is particularly desirable to reduce the inductance during the switching operation. Since the diode recovery current 600 is generated at the time of transient, the action of reducing the inductance will be described based on this recovery current by taking the recovery current of the lower arm diode 543 (corresponding to 66 in FIG. 2) as an example.
ダイオード543のリカバリ電流とは、逆バイアスであるにもかかわらずダイオード543に流れる電流であり、ダイオード543の順方向状態でダイオード543内に満たされたキャリアに起因すると一般に言われている。インバータ回路を構成する上アームあるいは下アームの導通動作あるいは遮断動作が所定の順に行われることでインバータ回路の交流端子582には3相交流電力が発生する。今、上アームとして動作している半導体チップ537が導通状態から遮断状態に切り替わると、モータジェネレータ92(図2を参照)の固定子巻線の電流を維持する方向に下アームのダイオード543を介して還流電流が流れる。この還流電流はダイオード543の順方向電流であり、ダイオード内部はキャリアで満たされる。次に、上アームとして動作している半導体チップ537が遮断状態から再び導通状態に切り替わると、下アームのダイオード543に上述したキャリアに起因するリカバリ電流が流れる。定常的な動作では上下アーム直列回路のどちらかが必ず遮断状態にあり、上下アームに短絡電流が流れることが無いが、過渡状態の電流例えばダイオードのリカバリ電流は上下アームで構成する直列回路を流れる。
The recovery current of the
図22と図23で上下アーム直列回路の上アームとして動作するIGBT(スイッチン用半導体素子)537がオフからオンに変化したとき、正極端子532(図2の57に相当)からIGBT537、ダイオード543を通って負極端子572(図2の58に相当)にダイオード543のリカバリ電流が流れる(図に矢印で示す)。なお、このとき、IGBT541は遮断状態にある。このリカバリ電流の流れをみると、図22に示すように、チップ537と543から正極端子532と負極端子572に至る経路では導体板が上下方向に並行して配置され、且つ逆向きの同一電流が流れる。そうすると、導体板の間の空間では互いの電流によって発生する磁界が打ち消し合うことになり、結果として電流経路のインダクタンスが低下することとなる。
When the IGBT (semiconductor element for switching) 537 that operates as the upper arm of the upper and lower arm series circuit in FIGS. 22 and 23 changes from off to on, the positive electrode terminal 532 (corresponding to 57 in FIG. 2), the
すなわち、正極側の導体板534および正極端子532と負極側の導体板574および負極端子572とが接近して対抗して配置されたラミネート状態にあることでインダクタンスの低減作用が生じる。図23は図22の等価回路であり、正極側の導体板534および正極端子532の等価コイル712が負極側の導体574および端子572の等価コイル714と互いに磁束を打ち消す方向に作用し、インダクタンスが低減される。
That is, the
さらに、図22に示すリカバリ電流の経路をみると、逆方向且つ並行電流の経路に続いて、ループ形状の経路が生じている。このループ形状経路を電流が流れることによって、放熱フィン(A側)と放熱フィン(B側)には渦電流602,601が流れることとなり、この渦電流による磁界打ち消し効果によってループ形状経路におけるインダクタンスの低減作用が生じる。図23の等価回路で、渦電流を生じる現象を等価的にインダクタンス722と724と726で表現した。これらのインダクタンスは放熱フィンである金属板に接近して配置されているので、誘導により発生する渦電流が発生する磁束と打ち消しあう関係となり、結果として半導体モジュールのインダクタンスが渦電流効果によって低減することとなる。
Further, looking at the recovery current path shown in FIG. 22, a loop-shaped path is generated following the reverse and parallel current path. When a current flows through this loop-shaped path, an eddy current 602,601 flows through the radiating fins (A side) and the radiating fins (B side), and the magnetic field canceling effect of this eddy current causes the inductance in the loop-shaped path to flow. A reducing effect occurs. In the equivalent circuit of FIG. 23, the phenomenon of generating eddy currents is equivalently represented by
以上のように、本実施形態に関する半導体モジュールの回路構成の配置によって、ラミネート配置による効果と渦電流による効果によってインダクタンスを低減することができる。スイッチング動作時のインダクタンスを低減することが重要であり、本実施形態の半導体モジュールでは、上アームと下アームの直列回路を半導体モジュール内に収納している。このため上下アーム直列回路を流れるダイオードのリカバリ電流に対して低インダクタンス化が可能となるなど、過渡的な状態でのインダクタンス低減効果が大きい。 As described above, by arranging the circuit configuration of the semiconductor module according to the present embodiment, the inductance can be reduced by the effect of the laminated arrangement and the effect of the eddy current. It is important to reduce the inductance during the switching operation, and in the semiconductor module of this embodiment, the series circuit of the upper arm and the lower arm is housed in the semiconductor module. Therefore, it is possible to reduce the inductance with respect to the recovery current of the diode flowing through the upper and lower arm series circuit, and the effect of reducing the inductance in the transient state is large.
インダクタンスが低減すれば、半導体モジュールで発生する誘起電圧は小さくなり、低損失の回路構成を得ることができ、また、インダクタンスが小さいことによってスイッチング速度の向上に繋げることができる。さらに、上述した上下アーム直列回路50からなる半導体モジュール500を複数並列にして、コンデンサモジュール95内の各コンデンサ90と接続して大容量化を図った場合において、半導体モジュール500自体のインダクタンスが低減することによって、電力変換装置100内の半導体モジュール500によるインダクタンスのバラツキの影響が少なくなり、インバータ装置の動作が安定する。
If the inductance is reduced, the induced voltage generated in the semiconductor module becomes small, a low-loss circuit configuration can be obtained, and the small inductance can lead to an improvement in the switching speed. Further, when a plurality of
また、モータジェネレータの大容量化(例えば、400A以上)が求められる場合において、コンデンサも大容量とする必要があり、個々のコンデンサ90を多数並列接続しコンデンサの直流バスバー393を並列状に配置すると、個々の半導体モジュールの正極端子532及び負極端子572と個々のコンデンサ端子とは等距離接続することになり、それぞれの半導体モジュールに流れる電流は均等に分配され、バランスの良い低損失のモータジェネレータの動作を図ることができる。さらに、半導体モジュールの正極端子と負極端子の並行配置によって、ラミネート効果でインダクタンスが低減することと相俟って低損失の動作を行わせることができる。
Further, when a large capacity of the motor generator (for example, 400 A or more) is required, the capacitor also needs to have a large capacity, and if a large number of
以上説明したように、本発明の実施形態に係る電力変換装置は、両面冷却型半導体モジュールを用いて、小型化、組立性、冷却効率の向上を図るものであり、その全体構造として、同一側面に水路入口部と出口部を設けた略直方体形状の水路筐体において、その中央部分にコンデンサモジュールの挿入部を形成し、その中央部の両側に水路入口部と水路出口部に繋がる水路を形成し、この水路に半導体モジュールの放熱フィン長手方向に沿って複数の半導体モジュールをスロットインする構成を基本的構造体とする。この基本的構造体において、水路入口部と出口部を設けた側面以外の他の側面には、交流コネクタ1と交流コネクタ2を設け、さらに他の側面には直流コネクタを設ける。
As described above, the power conversion device according to the embodiment of the present invention uses a double-sided cooling type semiconductor module to improve miniaturization, assembling property, and cooling efficiency, and has the same aspects as the overall structure. In a substantially square-shaped water channel housing provided with a water channel inlet and an outlet, a condenser module insertion part is formed in the central portion thereof, and a water channel connecting the water channel inlet and the water channel outlet is formed on both sides of the central portion. The basic structure is such that a plurality of semiconductor modules are slotted in the water channel along the longitudinal direction of the heat radiation fins of the semiconductor module. In this basic structure, an AC connector 1 and an
また、この基本的構造体におけるコンデンサモジュールの上面には半導体モジュールに内蔵する上下アーム直列回路のドライバ基板を設け、さらにその上部に制御基板を設けて、コンデンサモジュール上面空間の有効利用を図って、全体構成としている。 Further, a driver board for the upper and lower arm series circuit built in the semiconductor module is provided on the upper surface of the capacitor module in this basic structure, and a control board is provided on the upper surface thereof to effectively utilize the space on the upper surface of the capacitor module. It has an overall structure.
また、図12に示す水路構造と複数の半導体モジュールの配置構造によって、水流のUターン部の数減少で水路の圧力損失を低減している。さらに、図12に示すコンデンサモジュールと水路のサンドイッチ構造でコンデンサをも水路の冷却水で冷却できるような構造としている。また、図13に示すような半導体モジュールの正極端子と負極端子の配列構造によってコンデンサモジュールのそれらに対応する端子と同一構造のDCバスバーで結合することができ低インダクタンス配線を可能とする。コンデンサモジュールの上面にドライバ基板と制御基板を配置することでコンデンサモジュール上面の有効利用を図り、2つのインバータ回路を有する電力変換装置であってもドライバ基板を共通のドライバ基板で形成することできる。また、下ケースから成る水路筐体にコンデンサモジュール挿入部を形成することでコンデンサモジュールの位置決めが確実且つ容易になる。 Further, due to the water channel structure and the arrangement structure of the plurality of semiconductor modules shown in FIG. 12, the pressure loss of the water channel is reduced by reducing the number of U-turn portions of the water flow. Further, the sandwich structure of the condenser module and the water channel shown in FIG. 12 has a structure in which the capacitor can also be cooled by the cooling water of the water channel. Further, the arrangement structure of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the semiconductor module as shown in FIG. 13 enables coupling with a DC bus bar having the same structure as the terminals corresponding to those of the capacitor module, enabling low inductance wiring. By arranging the driver board and the control board on the upper surface of the capacitor module, the upper surface of the capacitor module can be effectively used, and the driver board can be formed by a common driver board even in a power conversion device having two inverter circuits. Further, by forming the condenser module insertion portion in the water channel housing formed of the lower case, the positioning of the condenser module becomes reliable and easy.
また、図14に示すように、半導体モジュールに内蔵される上アームのIGBTと下アームのIGBTとは長さLで水路の水流方向に沿って配置され、同様に上アームと下アームのダイオードも長さMでIGBTの下に配置されるので、半導体モジュールの高さ方向に無駄な長さが存在せず、小型化に繋がる。また、第1の冷却対象であるIGBTは、Mより長いLに相当する水路(フィン部分の高さ方向の長さ)を占有するので、冷却効率も向上する。 Further, as shown in FIG. 14, the IGBT of the upper arm and the IGBT of the lower arm built in the semiconductor module are arranged with a length L along the water flow direction of the water channel, and similarly, the diodes of the upper arm and the lower arm are also arranged. Since the length M is arranged under the IGBT, there is no useless length in the height direction of the semiconductor module, which leads to miniaturization. Further, since the IGBT, which is the first cooling target, occupies the water channel (the length of the fin portion in the height direction) corresponding to L longer than M, the cooling efficiency is also improved.
次に、本実施形態に関する半導体モジュールの正極端子と負極端子の配列についての他の構成例を、図24を用いて説明する。まず、図21に示す半導体モジュールの正極端子532と負極端子572は、それぞれ植立した櫛歯形状の並びが放熱フィン(A側)522の水流方向に沿って縦列する配列であった(図13を参照)。図24によると、正極端子532と負極端子572のそれぞれの櫛歯形状を半導体モジュールの短手方向で対向するように構成する。すなわち、正極端子532の櫛歯形状の並びが放熱フィン(A側)522側において水流方向に沿うようにされ、負極端子572の櫛歯形状の並びが放熱フィン(B側)562側において水流方向に沿うように形成され、互いの櫛歯形状が半導体モジュール短手方向で向き合う構造であり、図21の構造のものに比べて、正極端子532と負極端子572の配置のみが異なっている(他の端子の配列が多少異なっていても当然によい)。
Next, another configuration example of the arrangement of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of the semiconductor module according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 24. First, the
図示するように各端子の櫛歯形状を形成するために、それぞれの導体板534(正極側の導体板)と574(負極側の導体板)には、屈曲部を形成して櫛歯形状が向き合うように屈曲させればよい。コンデンサモジュールの端子絶縁部396に対応するように、半導体モジュールの各端子532,572の導体板534,574間には端子絶縁部挿入孔583を付設する。上述した半導体モジュール500の正極端子と負極端子の配置構造に対応させて、コンデンサモジュール390の正極端子394と負極端子395の構造についても、図21に示すものに比べて、直流バスバー393と端子及び端子絶縁部との並び方が90度角度変更している。すなわち、図24に示す他の構成例は、半導体モジュールとコンデンサモジュールの正極端子、負極端子の構造を変更するのみで適応可能なものである。
As shown in the figure, in order to form the comb tooth shape of each terminal, a bent portion is formed on each of the conductor plates 534 (conductor plate on the positive electrode side) and 574 (conductor plate on the negative electrode side) to form a comb tooth shape. It may be bent so as to face each other. A terminal insulation
次に、本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の構成例について、図25と図26を参照しながら以下説明する。図25は本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の一の構成例を示す機能説明図である。図26は本実施形態に関する水路構造と複数半導体モジュールの配置構造の他の構成例を示す機能説明図である。 Next, a configuration example of the water channel structure and the arrangement structure of the plurality of semiconductor modules according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS. 25 and 26. FIG. 25 is a functional explanatory view showing a configuration example of a water channel structure and an arrangement structure of a plurality of semiconductor modules according to the present embodiment. FIG. 26 is a functional explanatory view showing another configuration example of the water channel structure and the arrangement structure of the plurality of semiconductor modules according to the present embodiment.
図において、142は下ケース、226は正面部入口水路、227は正面部折り返し水路、228は正面部出口水路、236は背面部折り返し水路、237は半導体モジュール挿入水路、246は水路入口部、248は水路出口部、258は水流、390はコンデンサモジュール、490は水路形成体1、491は水路形成体2、500は半導体モジュール、をそれぞれ表す。
In the figure, 142 is a lower case, 226 is a front inlet waterway, 227 is a front folded waterway, 228 is a front outlet waterway, 236 is a back folded waterway, 237 is a semiconductor module insertion waterway, and 246 is a
図25において、図25(A)は、図12に示す水路構造と半導体モジュール配置構造を機能的に説明する図であり、その機能、作用は図12の説明で詳述したとおりである。 In FIG. 25, FIG. 25A is a diagram for functionally explaining the water channel structure and the semiconductor module arrangement structure shown in FIG. 12, and the functions and operations thereof are as described in detail in the description of FIG.
図25(B)は水路構造の変形例であり、コンデンサモジュールの冷却効率の向上及び流路内の圧力損失低減を図るものである。図25(B)に示す変形例について図25(A)の例との対比で説明すると、図25(A)の場合、冷却水は入口水路226近傍に配置された半導体モジュールを先に冷却し(入口水路226側に3つの半導体モジュールが挿入されている)、出口水路228近傍に配置された半導体モジュールは後に冷却する。そのため、入口水路226近傍と出口水路228近傍で半導体モジュールに当接する冷却水の温度に偏りができ、冷却の不均一を招くこととなる。
FIG. 25B is a modification of the water channel structure, which aims to improve the cooling efficiency of the condenser module and reduce the pressure loss in the flow path. Explaining the modified example shown in FIG. 25 (B) in comparison with the example of FIG. 25 (A), in the case of FIG. 25 (A), the cooling water first cools the semiconductor module arranged in the vicinity of the
これに対して、図25(B)のものは、背面部に水路形成体1(490)を設けて折り返し水路236を形成するものであるので、入口水路226と出口水路228の近傍に配置された半導体モジュール500は一方の面(図13に示す放熱フィン(A側)522又は放熱フィン(B側)562)が先に冷却され、もう一方の面は最後に冷却されるため、各半導体モジュール500の冷却が比較的均一になるという利点がある。
On the other hand, in the case of FIG. 25B, since the water channel forming body 1 (490) is provided on the back surface to form the folded
また、図25(C)は水路構造の変形例は、同図(B)と同様に背面部に折り返し水路236を設けるとともに水路形成体1(490)と水路形成体2(491)を図示のように配置するとともに、複数の半導体モジュール500を3つのユニットに分け、それぞれ3つのユニットを矩形の筐体の各辺側に配置し、例えば3つのユニットをU相、V相、W相の半導体モジュール毎に分けることで、各相について熱的にバランスを取ることが出来る。すなわち、所定の一つの相のみが高温となることを防ぐことができるという利点がある。
Further, in FIG. 25 (C), as in the modified example of the water channel structure, the water channel forming body 1 (490) and the water channel forming body 2 (491) are shown while providing the folded
また、図26において、水路構造の変形例を示し、水路入口部226と水路出口部228に水路形成体を設けずに、且つ背面部に水路を形成するものである。図26(A)によると、水路入口部と水路出口部に至る水路全長に亘って水路形成体490,491を設ける必要が無く、コスト低減を図ることが出来る。また、図26(A)〜(C)の水路に比べ、水路の折り返し回数を減らすことができ、かつ、水流を分岐することで各水路における冷却水の流速が下がり、水路内の圧力損失を低減することができる。
Further, FIG. 26 shows a modified example of the water channel structure, in which the water channel is not provided at the water
また、図26(B)に示すものは、半導体モジュールを各相毎に各水路辺毎に配置したものである。図25(A)〜(C)の変形例に比べて、水路の折り返し回数が減らすことができ、かつ、水流を分岐することで各水路における冷却水の流速が下がり、水路内の圧力損失を低減することができる。 Further, in the one shown in FIG. 26B, semiconductor modules are arranged for each phase and each channel side. Compared with the modified examples of FIGS. 25 (A) to 25 (C), the number of turns of the water channel can be reduced, and the flow velocity of the cooling water in each water channel is reduced by branching the water flow, so that the pressure loss in the water channel is reduced. It can be reduced.
10:ハイブリッド電気自動車、12:前輪、14:前輪車軸、16:前輪側DEF、18:変速機、20:エンジン、22:動力分配機構、23,24,25,26:歯車、27,28,29,30:歯車、36:バッテリ、38:直流コネクタ、40,42:インバータ装置、44:インバータ回路、45:インバータ回路1、46:インバータ回路2、50:上下アームの直列回路、50U1:インバータ回路1のU相直列回路、50U2:インバータ回路2のU相直列回路、50V1:インバータ回路1のV相直列回路、50V2:インバータ回路2のV相直列回路、50W1:インバータ回路1のW相直列回路、50W2:インバータ回路2のW相直列回路、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(ベース)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372に内蔵)、74:ドライバ回路(ドライバ基板386に内蔵)、76:信号線、80:検出部、82:信号線、86:交流電力線(出力バスバー)、88:交流コネクタ1、89:交流コネクタ2、90:コンデンサ(コンデンサモジュール390に内蔵)、91:交流コネクタ部フランジ、92,94:モータジェネレータ、100:電力変換装置、112:上ケース、122:交流コネクタ用位置決め部、123:交流コネクタ搭載部、124:上ケースフランジ、142:下ケース、144:水路蓋、145:モジュール蓋1、146:モジュール蓋2、147:コンデンサモジュール挿入部、212:水路筐体、214:水路筐体の本体部、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、236:背面部の折り返し水路、237:半導体モジュール挿入水路、246:水路入口部、248:水路出口部、250,251,252,253:水流、254,255,256,257:水流、372:制御基板(制御回路を内蔵)、373:制御IC1、374:制御IC2、386:ドライバ基板、387:ドライバIC、388:信号コネクタ、390:コンデンサモジュール、391:交流バスバー1、392:交流バスバー2、490:水路形成体1、491:水路形成体2、500:半導体モジュール、501:半導体モジュール固定部、502:半導体モジュール位置決め部、507:モールド樹脂、508:サイドケース、512:トップケース、513:トップケースのモールドレジン充填部、516:ボトムケース、517:ボトムケースの嵌合部、522:放熱フィン(A側)、532:正極端子、534:正極側の導体板、535:上下アーム接続用導体板、536,538,540,542,544:はんだ層、537:IGBTチップ(上アーム用)、539:ダイオードチップ(上アーム用)、541:IGBTチップ(下アーム用)、543:ダイオードチップ(下アーム用)、544:はんだ層、546:絶縁シート(A側)、548:はんだ層、549:はんだ層、550:はんだ層、552:信号用端子(上アーム用)、553:ゲート端子(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)、560:接合部(上下アーム接続用)、562:放熱フィン(B側)、572:負極端子、582:交流端子、593:ゲートワイヤ(上アーム用)、596:絶縁シート(B側)、597:ゲートワイヤ(下アーム用)、751:はんだ接合部(IGBTコレクタ側)、752:はんだ接合部(ダイオードカソード側)、753:はんだ接合部(IGBTコレクタ側)、754:はんだ接合部(ダイオードカソード側)、756:はんだ接合部(IGBTエミッタ側)、757:はんだ接合部(IGBTエミッタ側)、758:はんだ接合部(ダイオードアノード側)、759:はんだ接合部(ダイオードアノード側)。
10: Hybrid electric vehicle, 12: Front wheel, 14: Front wheel axle, 16: Front wheel side DEF, 18: Transmission, 20: Inverter, 22: Power distribution mechanism, 23, 24, 25, 26: Gear, 27, 28, 29, 30: Gear, 36: Battery, 38: DC connector, 40, 42: Inverter device, 44: Inverter circuit, 45: Inverter circuit 1, 46:
Claims (11)
インバータ回路の下アームを構成する第2の半導体チップと、
前記第1の半導体チップの一面に電気的に接続される第1の導体板と、
前記第1の半導体チップの他面に電気的に接続される第2の導体板と、
前記第2の半導体チップの一面に電気的に接続されるとともに前記第2の導体板と電気的に接続される第3の導体板と、
前記第2の半導体チップの他面に電気的に接続される第4の導体板と、
前記第1の半導体チップのゲート電極に電気的に接続される第1のゲート用導体と、
前記第2の半導体チップのゲート電極に電気的に接続される第2のゲート用導体と、
第1の絶縁部材を介して前記第1の導体板、前記第3の導体板、前記第1のゲート用導体、および前記第2のゲート用導体が固定される第1の金属板と、
第2の絶縁部材を介して前記第2の導体板および前記第4の導体板が固定される第2の金属板と、を備えた半導体モジュール。 The first semiconductor chip that constitutes the upper arm of the inverter circuit and
The second semiconductor chip that constitutes the lower arm of the inverter circuit and
A first conductor plate electrically connected to one surface of the first semiconductor chip,
A second conductor plate electrically connected to the other surface of the first semiconductor chip,
A third conductor plate that is electrically connected to one surface of the second semiconductor chip and is also electrically connected to the second conductor plate.
A fourth conductor plate electrically connected to the other surface of the second semiconductor chip,
A first gate conductor electrically connected to the gate electrode of the first semiconductor chip,
A second gate conductor electrically connected to the gate electrode of the second semiconductor chip,
A first metal plate to which the first conductor plate, the third conductor plate, the first gate conductor, and the second gate conductor are fixed via the first insulating member.
A semiconductor module including a second conductor plate and a second metal plate to which the fourth conductor plate is fixed via a second insulating member.
前記第1の金属板および前記第2の金属板は、放熱用のフィンを一体に有する半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 1.
The first metal plate and the second metal plate are semiconductor modules having fins for heat dissipation integrally.
前記第1の金属板および前記第2の金属板は、別体の放熱用フィン部材が接合される半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 1.
The first metal plate and the second metal plate are semiconductor modules to which separate heat radiating fin members are joined.
前記第1の絶縁部材および前記第2の絶縁部材は、セラミック基板である半導体モジュール。 The semiconductor module according to any one of claims 1 to 3.
The first insulating member and the second insulating member are semiconductor modules which are ceramic substrates.
前記セラミック基板は、350マイクロメートル以下の厚さである半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 4.
The ceramic substrate is a semiconductor module having a thickness of 350 micrometers or less.
前記第1の絶縁部材および前記第2の絶縁部材は、樹脂製の絶縁シートである半導体モジュール。 The semiconductor module according to any one of claims 1 to 3.
The first insulating member and the second insulating member are semiconductor modules which are resin insulating sheets.
前記絶縁シートは、50マイクロメートル以上200マイクロメートル以下の厚さである半導体モジュール。 The semiconductor module according to claim 6.
The insulating sheet is a semiconductor module having a thickness of 50 micrometers or more and 200 micrometers or less.
前記第1のゲート用導体に電気的に接続され、前記第1の金属板と前記第2の金属板とによって挟まれる領域から外部に引き出される第1のゲート端子と、
前記第2のゲート用導体に電気的に接続され、前記第1の金属板と前記第2の金属板とによって挟まれる領域から外部に引き出される第2のゲート端子と、を備えた半導体モジュール。 The semiconductor module according to any one of claims 1 to 7.
A first gate terminal that is electrically connected to the first gate conductor and is drawn out from a region sandwiched between the first metal plate and the second metal plate.
A semiconductor module including a second gate terminal that is electrically connected to the second gate conductor and is drawn out from a region sandwiched between the first metal plate and the second metal plate.
前記第1の導体板に電気的に接続され、前記第1の金属板と前記第2の金属板とによって挟まれる領域から外部に引き出される正極端子と、
前記第4の導体板に電気的に接続され、前記第1の金属板と前記第2の金属板とによって挟まれる領域から外部に引き出される負極端子と、を備え、
前記第1の半導体チップは、第1のIGBTと第1のダイオードを含んで構成され、
前記第2の半導体チップは、第2のIGBTと第2のダイオードを含んで構成され、
前記第1の半導体チップおよび前記第2の半導体チップは、前記第1のIGBT、前記第1のダイオード、前記第2のダイオード、および前記第2のIGBTの配置位置が前記第1の金属板と前記第2の金属板とによって挟まれる領域内の四角形の各頂点となるように、配置され、
前記第2の導体板と前記第3の導体板との接続位置は、前記四角形の辺のうち、前記正極端子および前記負極端子が引き出される方向とは反対側の辺上に形成される半導体モジュール。 The semiconductor module according to any one of claims 1 to 8.
A positive electrode terminal that is electrically connected to the first conductor plate and is drawn out from a region sandwiched between the first metal plate and the second metal plate.
A negative electrode terminal that is electrically connected to the fourth conductor plate and is drawn out from a region sandwiched between the first metal plate and the second metal plate is provided.
The first semiconductor chip is configured to include a first IGBT and a first diode.
The second semiconductor chip is configured to include a second IGBT and a second diode.
The first semiconductor chip and the second semiconductor chip have the first IGBT, the first diode, the second diode, and the second IGBT arranged at the same position as the first metal plate. Arranged so as to be each vertex of a quadrangle in the region sandwiched by the second metal plate.
The connection position between the second conductor plate and the third conductor plate is a semiconductor module formed on the side of the quadrangle opposite to the direction in which the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are pulled out. ..
前記半導体モジュールと電気的に接続されるコンデンサモジュールと、
冷媒が流通する流路が形成された流路形成体と、を備えた電力変換装置。 The semiconductor module according to any one of claims 1 to 9.
A capacitor module that is electrically connected to the semiconductor module,
A power conversion device including a flow path forming body in which a flow path through which a refrigerant flows is formed.
前記半導体モジュールは少なくとも3つ設けられ、
前記流路は、3つの前記半導体モジュールの一方側を流れる第1の流路と、3つの前記半導体モジュールの他方側を流れる第2の流路と、前記第1の水路と前記第2の水路とをつなぐ折り返し流路と、を有し、
前記コンデンサモジュールは、前記第1の流路を挟んで、3つの前記半導体モジュールと対向する位置に設けられる電力変換装置。 The power conversion device according to claim 10.
At least three semiconductor modules are provided.
The flow paths include a first flow path that flows on one side of the three semiconductor modules, a second flow path that flows on the other side of the three semiconductor modules, and the first water channel and the second water channel. It has a folded flow path that connects to and
The capacitor module is a power conversion device provided at positions facing the three semiconductor modules with the first flow path interposed therebetween.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019072397A JP6782809B2 (en) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Semiconductor module and power converter equipped with it |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019072397A JP6782809B2 (en) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Semiconductor module and power converter equipped with it |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017235677A Division JP6511506B2 (en) | 2016-11-18 | 2017-12-08 | Semiconductor module and power converter provided with the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019149560A JP2019149560A (en) | 2019-09-05 |
JP6782809B2 true JP6782809B2 (en) | 2020-11-11 |
Family
ID=67850811
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019072397A Active JP6782809B2 (en) | 2019-04-05 | 2019-04-05 | Semiconductor module and power converter equipped with it |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6782809B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115249672B (en) * | 2021-04-28 | 2025-01-14 | 比亚迪股份有限公司 | IGBT module, motor controller and vehicle |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4292686B2 (en) * | 2000-06-08 | 2009-07-08 | 株式会社デンソー | Refrigerant cooling type double-sided cooling semiconductor device |
JP3847691B2 (en) * | 2002-09-26 | 2006-11-22 | 三菱電機株式会社 | Power semiconductor device |
JP4379339B2 (en) * | 2005-01-19 | 2009-12-09 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor cooling device |
JP4532303B2 (en) * | 2005-02-08 | 2010-08-25 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor module |
JP4581885B2 (en) * | 2005-07-22 | 2010-11-17 | 株式会社デンソー | Semiconductor device |
-
2019
- 2019-04-05 JP JP2019072397A patent/JP6782809B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2019149560A (en) | 2019-09-05 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10966355B2 (en) | Electric power conversion apparatus | |
JP4436843B2 (en) | Power converter | |
JP5162518B2 (en) | Power converter | |
JP6259893B2 (en) | Semiconductor module and power conversion device including the same | |
JP5739956B2 (en) | Semiconductor module and power conversion device using the same | |
JP6181136B2 (en) | Power converter | |
JP5551808B2 (en) | Semiconductor module and power conversion device including the same | |
JP5989057B2 (en) | Power converter | |
JP6782809B2 (en) | Semiconductor module and power converter equipped with it | |
JP6047599B2 (en) | Semiconductor module and power conversion device including the same | |
JP5706563B2 (en) | Semiconductor module and power conversion device including the same | |
JP6511506B2 (en) | Semiconductor module and power converter provided with the same | |
JP6368763B2 (en) | Power converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190405 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190408 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200121 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200123 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20200319 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200323 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20200923 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20201020 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6782809 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |