电力转换装置的制作方法

专利名称：电力转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力转换装置，尤其涉及一种使用于控制功率半导体元件 的驱动电路基板的散热性提高的电力转换装置。
背景技术：
一般在电力转换装置中，由于驱动功率半导体元件的驱动电路会降低 因重叠于布线的噪声而引起的误动作的影响，所以，被搭载于功率半导体 元件的附近。由于功率半导体元件因进行开关控制而发出大量的热，所以， 驱动电路容易受到由功率半导体元件产生的热的影响。而且，近年来，由 于电力转换装置的环境温度具有越来越苛刻的倾向，所以，需要使驱动电 路上的搭载部件的耐热温度提高等对策。
如果提升驱动电路部件的耐热温度，则由于使用部件成本增高且可靠
性也降低，因此成为问题。在特开2004—282804号公报(专利文献l)中 公开了用于解决这样的问题的构造。其中，在功率半导体元件的正上方配 置有驱动电路。利用粘结材料使搭载了该驱动电路的驱动电路基板与第一 传热板连接。该传热板与被固定于功率半导体元件的冷却器的第二传热板 接触。这样，通过使驱动电路的热经由热传导高的板向冷却部件逃逸，来 降低驱动电路的热。
专利文献1特开2004—282804号公报
然而，在上述的构造中，为了连接驱动电路基板和传热板，需要使用 粘结剂。因此，需要粘结剂的固化时间等长的工时。而且，由于驱动电路 基板向传热板侧固定，所以，需要通过挠性基板等多余部件对驱动电路基 板与功率半导体元件的连接进行布线，由此导致难以组装。并且，由于将
驱动电路基板搭载于功率半导体元件的正上方，所以，容易受到功率半导 体元件的开关噪声的影响，在耐噪声性方面存在问题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种可靠性高的电力转换装置。更具体的一个 目的在于，提供一种通过采用高防护构造和高散热构造，以组装性良好、 能够降低组装工时的简易构造，使驱动电路基板提高了耐热性能、耐噪声 性能的电力转换装置。
为了实现上述目的，本发明的电力转换装置中的代表之一具有金属 壳体；搭载于金属壳体，具备多个功率半导体元件的功率模块；搭载于功 率模块，被固定于金属壳体的金属板；配置在金属板之上的散热片；和配 置在散热片之上，用于控制功率半导体元件的驱动电路基板。
优选在金属板与散热片之间设置有绝缘片。而且，散热片被分割为多 个，设置在绝缘片之上。并且，驱动电路基板中，在与散热片接触的面搭 载有电子部件，电子部件被配置在分割为多个的散热片之间。
而且，优选具有平滑电容器，平滑电容器利用母线条与功率模块电连 接，通过弯曲金属板，使得其一部分位于母线条和驱动电路基板之间。
根据本发明，可以提供可靠性高的电力转换装置。


图
1是本发明一个实施方式的车辆构成图。
图2是本发明一个实施方式的电力转换装置的电路图。
图3是本发明一个实施方式的电力转换装置的外观立体图。
图4是本发明一个实施方式的电力转换装置的分解立体图。
图5是本发明一个实施方式的功率模块的立体图。
图6是本发明一个实施方式的功率模块的主要部分剖面图。
图7是本发明实施例1的构成的剖面图。
图8是本发明实施例2的构成的剖面图。
图9是表示本发明实施例2的散热片与金属板的构成的俯视图。 图10是表示本发明实施例3的金属板的形状的剖面图。 图中l一驱动电路基板，2—电子部件，3 —散热片，4一金属板，5 一功率模块，6 —金属壳体，7 —制冷剂通路，8 —铝线，IO —绝缘片，11 一定位用孔，12 —金属板固定用孔，13 —电容器模块，14一母线条(busbar) ， 20 —电力转换装置。
具体实施例方式
下面参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。 图1是对利用了本发明实施方式的电力转换装置20而构成的车载用 电机系统、和内燃机的发动机系统进行组合后的混合动力电动汽车(下面 称为"HEV")的框图。
本实施方式的HEV具备前轮FRW、 FLW、后轮RRW、 RLW、前 轮车轴FDS、后轮车轴RDS、差动齿轮DEF、变速器57、发动机55、旋 转电机130、 140、电力转换装置20、电池70、发动机控制装置ECU、变 速器控制装置TCU、旋转电机控制装置MCU、电池控制装置BCU、车载 用局域网LAN。
在本实施例中，驱动力由发动机55和两个旋转电机130、 140产生， 通过变速器57、差动齿轮DEF、前轮车轴FDS传递给前轮FRW、 FLW。
变速器57由多个齿轮构成，是能够根据速度等运转状态改变齿轮比 的装置。
差动齿轮DEF是在因转弯等使得左右车轮FRW、FLW存在速度差时， 将动力适当向左右分配的装置。
发动机55由喷射器(injector)、节流阀、点火装置、吸排气阀(全 都省略图示)等多个元件构成。喷射器是对向发动机55的气筒内喷射的 燃料进行控制的燃料喷射阀。节流阀是对向发动机55的气筒内供给的空 气量进行控制的调节阀。点火装置是用于使发动机55的气筒内的混合气 燃烧的火源。吸排气阀是用于发动机55的气筒的吸气及排气而设置的开 闭阀。
旋转电机130、 140是三相交流同步式、即永磁体旋转电机，但也可 以采用三相交流感应式旋转电机或磁阻式旋转电机等。
旋转电机130、 140由旋转的转子、和产生旋转磁场的定子构成。
转子构成为将多个永磁体嵌入到铁心的内部、或在铁心的外周表面配 置多个永磁体。定子通过将铜线巻绕于电磁钢板而构成。
通过在定子的绕线中流过三相交流电流，可以产生旋转磁场；基于转
子所产生的转矩，可以使旋转电机130、 140旋转。
电力转换装置20通过功率半导体元件的开关控制动作，控制对旋转 电机130、 140赋予的电流。gp，功率半导体元件通过使来自电池70的直 流电流流过旋转电机130、 140 (on)、或将其切断(off)，来控制旋转 电机130、 140。在本实施例中，由于旋转电机130、 140是三相交流电动 机，所以，基于接通/断开开关的时间宽度的疏密产生三相交流电压，来控 制旋转电机130、 140的驱动力(PWM控制)。
电力转换装置20由在开关时瞬间供给电力的电容器模块13、进行开 关控制的功率模块5、驱动功率模块5的驱动电路装置DCU及对开关控 制的时间宽度的疏密进行决定的旋转电机控制装置MCU构成。
由于旋转电机控制装置MCU根据来自综合控制装置GCU的转速指 令n、转矩指令值T"区动旋转电机130、 140,所以，对功率模块5的幵 关动作进行控制。因此，旋转电机控制装置MCU搭载有用于进行必要运 算的微机、和数据图等的存储器。
驱动电路装置DCU根据由旋转电机控制装置MCU决定的PWM信 号，驱动功率模块5。因此，搭载有功率模块5的驱动所必要的、具有数 A、数十V的驱动能力的电路。而且，为了驱动高电位侧的功率半导体元 件，搭载有将控制信号绝缘分离的电路。
电池70由直流电源、镍氢电池或锂离子电池等电力密度高的二次电 池构成。电池70经由电力转换装置20向旋转电机130、 140供给电力， 或者反过来，由电力转换装置20转换旋转电机130、 140的发电力并进行 蓄积。
变速器57、发动机55、电力转换装置20、电池70分别由变速器控制 装置TCU、发动机控制装置ECU、旋转电机控制装置MCU、电池控制装 置BCU控制。这些控制装置通过车载用局域网LAN与综合控制装置GCU 连接，根据来自综合控制装置GCU的指令值而被统一，并且，能够实现 与综合控制装置GCU之间的双向通信。各控制装置基于综合控制装置 GCU的指令信号(指令值)、各传感器、其他控制装置的输出信号(各 种参数值)、预先存储于存储装置的数据或映射等，对设备进行控制。
例如，综合控制装置GCU根据基于驾驶者的加速要求的加速器的踩
踏量计算出车辆的必要转矩值，并按照发动机55的运转效率良好的方式， 将该必要转矩值分配成发动机55侧的输出转矩值和第一旋转电机130侧 的输出转矩值。所分配的发动机55侧的输出转矩值作为发动机转矩指令 信号被传递给发动机控制装置ECU,所分配的第一旋转电机130侧的输出 转矩值作为电动机转矩指令信号被传递给旋转电机控制装置MCU，分别 控制发动机55、旋转电机130。
接着，对混合动力汽车的运转模式进行说明。
首先，在车辆出发时或低速行驶时，主要使旋转电机130作为旋转电 机而动作，将由旋转电机130产生的旋转驱动力通过变速器57或差动齿 轮DEF传递给前轮车轴FDS。由此，前轮车轴FDS基于旋转电机130的 旋转驱动力被旋转驱动，并旋转驱动前轮FRW、 FLW，从而使得车辆行 驶。此时，来自电池70的输出电力(直流电力)被电力转换装置20转换 为三相交流电力，提供给旋转电机130。
接着，在车辆通常行驶时(中速、高速行驶时)并用发动机55和旋 转电机130，将由发动机55产生的旋转驱动力、和由旋转电机130产生的 旋转驱动力通过变速器57及差动齿轮DFF传递给前轮车轴FDS。由此， 前轮车轴FDS通过发动机55和旋转电机130的旋转驱动力来旋转驱动前 轮FRW、 FLW，使车辆行驶。而且，由发动机55产生的旋转驱动力的一 部分被供给旋转电机140。通过该动力的分配，旋转电机140基于由发动 机55产生的旋转驱动力的一部分被旋转驱动，作为发电机动作、进行发 电。由旋转电机140发出的三相交流电力被供给电力转换装置20,在被整 流为直流电力之后，转换为三相交流电力，向旋转电机130供给。由此， 旋转电机130能够产生旋转驱动力。
接着，在车辆加速时，尤其在对提供给发动机55的空气量进行控制 的节流阀的开度为全开的紧急加速时(例如在攀登坡度陡峭的坡时，加速 器的踩踏量大的情况)，除了上述通常行驶时的动作之外，还通过电力转 换装置20将来自电池70的输出电力转换为三相交流电力，提供给旋转电 机130，使得由旋转电机130产生的旋转驱动力增加。
接着，在车辆的减速、制动时，经由差动齿轮DFF、变速器57将由 前轮FRW、 FLW的回动产生的驱动车轴FDS的旋转驱动力，向旋转电机130供给，使旋转电机130作为发电机工作，进行发电。通过发电得到的 三相交流电力(再生能量)由电力转换装置20整流成直流电力，向电池 70供给。由此，可以对电池70进行充电。
当车辆停止时，基本上停止发动机55及旋转电机130、 140的驱动， 但在电池70的残余量少的情况下，驱动发动机、使旋转电机140作为发 电机动作，经由电力转换装置20将所得到的发电电力充给电池70。
另外，130、 140的发电、驱动的作用没有特别限定，也可以根据效率 以和上述相反的作用进行动作。
图2是表示本发明实施方式的电力转换装置20的主电路的电路图。 其中，与图1相同的符号表示同一部分。
本实施方式的电力转换装置20由开关时瞬时供给电力的电容器模块 13、进行开关动作的功率模块5、供给功率模块5的开关电力的驱动电路 装置DCU、和为了控制旋转电机而对功率模块5的开关动作进行控制的 旋转电机控制装置MCU构成。
另外，虽然在图2中仅表示了针对第一旋转电机130的电力转换装置 20的构成，但图1的电力转换装置20还具备针对第二旋转电机140的功 率模块5、驱动电路装置DCU，这些构成与图2所示的相同。
功率模块5利用进行接通/断开的开关动作的功率半导体元件M (Mpu、 Mnu、 Mpv、 Mnv、 Mpw、 Mnw)，构成用于三相交流输出的三 个(Au、 Av、 Aw)桥接电路(bridge circuit)。
桥接电路的两端通过连接端子部15a及连接端子部16a与电容模块13 的连接端子部15b、 16b连接。而且，电容模块13通过连接端子部15c、 16c与电池70连接。
桥接电路的中点通过连接端子部24U、 24V、 24W与旋转电机130的 三相输入连接端子部(U连接端子部、V连接端子部、W连接端子部)连接。
桥接电路也被称为桥臂，将与高电位侧连接的功率半导体元件称为上 桥臂，将与低电位侧连接的功率半导体元件称为下桥臂。
三个桥接电路(Au、 Av、 Aw)的功率半导体元件按照产生三相交流 电压的方式分别具有120。的相位差，进行接通/断开的开关动作，切换高电位侧(上桥臂)、低电位侧(下桥臂)的连接。由此，产生时间宽度具 有疏密的脉冲电压波形的三相交流电压。
由于功率半导体元件M (Mpu、 Mnu、 Mpv、 Mnv、 Mpw、 Mnw)进 行基于大电流的开关控制，所以，需要用于驱动功率半导体元件的驱动电 路。因此，用于驱动功率半导体元件的驱动电路装置DCU与功率模块5 连接。
而且，旋转电机控制装置MCU与驱动电路装置DCU连接。驱动电 路装置DCU从旋转电机控制装置MCU接收旋转电机的转速、与转矩对 应的开关时间宽度、定时(脉冲电压的疏密宽度)的各信号。
在本实施例中，采用了 IGBT (绝缘栅极型场效应晶体管)作为功率 半导体元件M (Mpu、 Mnu、 Mpv、 Mnv、 Mpw、 Mnw)。因此，用于使 开关控制时的电流逆流的二极管D (Dpu、 Dnu、 Dpv、 Dnv、 Dpw、 Dnw) 外置于IGBT并与之倒并联地连接。
而且，在本实施例中，虽然各相的上/下桥臂的功率半导体元件M由 一个元件构成(如果算二极管的话为2个)，但也可以根据电流容量并联 连接功率半导体元件M。
并且，在本实施例中，虽然釆用了IGBT作为功率半导体元件M，但 也可以取代IGBT而使用MOSFET(金属氧化物半导体型场效应晶体管)。 该情况下，由于MOSFET在其构造上内置有逆流用二极管，所以，也可 以不外置二极管。
图3是本实施例的电力转换装置20的分解立体图，图4是本实施例 的电力转换装置20的外观立体图。
电力转换装置20具有呈箱体形状的金属壳体6，在金属壳体6的底部 设置有水路形成体48,其在内部具有冷却水进行循环的制冷剂通路7。在 金属壳体6的底部，用于向制冷剂通路7供给冷却水的入口管72及出口 管74向金属壳体6的外侧突出。水路形成体48形成冷却剂通路，在本实 施例中，采用发动机冷却水作为制冷剂。
电力转换装置20的功率模块5由在金属壳体6内并列设置的第一功 率模块5A和第二功率模块5B一构成。在第一功率模块5A和第二功率模块 5B中分别设置有冷却用的散热片(未图示)。另一方面，在水路形成体48中设置有开口 49。通过将第一功率模块5A和第二功率模块5B固定于 水路形成体48，使冷却用的散热片分别从开口 49向制冷剂通路7的内部 突出。开口 49被散热片周围的金属壁堵塞，按照形成冷却水路并且不泄 漏冷却水的方式阻塞开口 49。
第一功率模块5A和第二功率模块5B以金属壳体6的与形成有冷却 水入口管72及冷却水出口管74的侧壁面正交的假想线段为边界，分别配 置于左右。
在水路形成体48的内部形成的冷却水路从冷却水的入口管72沿着金 属壳体底部的长边方向延伸到另一端，在另一端折弯成U字状，沿着金属 壳体6底部的长边方向延伸到出口管74。沿着上述长边方向并行的两组水 路形成在水路形成体48内，在水路形成体48中形成有贯通各个水路的形 状的开口 49。沿着上述通路，将第一功率模块5A和第二功率模块5B固 定于水路形成体48。
通过设置于第一和第二功率模块5A、 5B的散热片向水路突出，不仅 可以形成效率良好的冷却，而且通过使第一功率模块5A和第二功率模块 5B的散热面与金属制的水路形成体48密接，可实现效率良好的散热构造。 并且，由于开口 49分别被第一功率模块5A和第二功率模块5B的散热面 阻塞，所以，在实现了构造小型化的同时，提高了冷却效果。
通过分别层叠于第一功率模块5A和第二功率模块5B，使得第一驱动 电路基板1A和第二驱动电路基板1B并列配置。第一驱动电路基板1A和 第二驱动电路基板1B构成图1所示的驱动电路基板1。
俯视观察时，在第一功率模块5A的上方配置的第一驱动电路基板1A 形成得比第一功率模块5A稍小。同样，俯视观察时，在所述第二功率模 块5B的上方配置的第二驱动电路基板1B也形成得比第二功率模块5B稍 小。
在金属壳体6的侧面设置有冷却水的入口管72及出口管74，并且在 该侧面形成孔81，该孔81中配置有信号用的连接器82。
在第一驱动电路基板1A和第二驱动电路基板1B的上方，配置了具 有平滑用的多个电容器的电容器模块13，该电容器模块13'具有第一电容 器模块13a和第二电容器模块13b。第一电容器模块13a和第二电容器模
块13b分别配置在第一驱动电路基板1A和第二驱动电路基板IB的上方。
在第一电容器模块13a和第二电容器模块13b的上方，平板状的保持 板62将其周边与金属壳体6的内壁面密接，从而被固定配置。该保持板 62将第一电容器模块13a和第二电容器模块13b支承于功率模块一侧的 面，并将旋转电机控制电路基板75固定保持于其相反一侧的面。而且， 该保持板62由金属材料构成，使电容器模块13a、电容器模块13b及搭载 了旋转电机控制装置MCU的控制电路基板75发出的热流向金属壳体6， 来进行散热。
如上所述，将功率模块5、驱动电路基板l、电容器模块13、保持板 62和控制电路基板75收纳到金属壳体6内，并利用金属制的罩90堵塞金 属壳体6的上部开口 。罩90利用螺栓50被固定于金属壳体6。
而且，在将金属壳体6的设置有冷却水入口管72及出口管74的侧壁 作为正面的情况下，在该侧壁安装配置有端子盒80。端子盒別中设置有 用于将来自电池70的直流电力提供给电容器模块13的连接端子部15c、 16c的直流电力用连接器95、 96;设置于其内部的直流电力用端子台85; 用于和第一旋转电机130及第二旋转电机140连接的交流电力用连接器 91、 92;以及设置于其内部的交流用端子台83。
直流电力用端子台85通过母线条与第一电容器模块13a和第二电容 器模块13b的电极电连接，交流用端子台83通过母线条分别与构成功率 模块5的多个功率模块5A、 5B的端子电连接。
另外，该端子盒80通过将配置直流电力用端子台85的底板部64和 罩部66安装于其主体84而构成。其原因在于容易组装端子盒80。
通过如上所述进行构成，可以提供小型的电力转换装置20。
图5是表示本实施例的功率模块5的立体图。
功率模块5具备多个功率半导体元件M (Mpu、 Mnu、 Mpv、 Mnv、 Mpw、 Mnw)。而且，用于使电流倒流的二极管D (Dpu、 Dnu、 Dpv、 Dnv、 Dpw、 Dnw)与功率半导体元件M并列设置。另夕卜，在本实施例中， 功率半导体元件M及二极管D分别并联连接相同的两个元件，构成电路 上的各个元件。但元件的个数可以根据式样等进行适当变更。
沿着功率模块5的对面的长边，配置有与电容器模块13连接的连接端子部。多个正极侧的连接端子16a和负极侧的连接端子部15a排列配置 成一列。而且，在功率模块5的另一条长边，用于输出对旋转电机130进 行驱动的交流电流的连接端子部24U、 24V、 24W配置成一列。通过从连 接端子部24U、 24V、 24W分别输出U相、V相、W相的三相交流电流， 使得旋转电机130被驱动控制。功率半导体元件M、 二极管D及各连接 端子部之间通过铝线8电连接。
而且，在功率模块5中设置有用于将从驱动电路基板1赋予的控制信 号(栅极信号)传递给功率半导体元件M (Mpu、 Mnu、 Mpv、 Mnv、 Mpw、 Mnw)的栅极端子的栅极管脚(pin) 25。功率半导体元件M根据来自驱 动电路基板l的栅极信号被控制。由于配置有六组功率半导体元件M，所 以，设置有与各个功率半导体元件M连接的六组栅极管脚。
功率半导体元件M及二极管D被搭载于氮化铝(A1N)等的绝缘基板 56上。由于氮化铝(A1N)具有良好的热传导性，所以，优选使用。另外， 也可以替代氮化铝(A1N)而采用氮化硅(SiN)。由于氮化硅(SiN)韧 性高，所以，可以将绝缘基板56形成得薄。
绝缘基板56中，在金属底部26侧的面以镀Ni的铜等于整个面或仅 在其一部分形成图案，在配置功率半导体元件M等的面，以镀Ni的铜等 形成布线图案。通过在绝缘基板56的两面粘贴金属，不仅能够实现功率 半导体元件M等与金属底部26的焊接，还可以构成由金属夹持绝缘基板 56的夹持构造。通过这种构造，可以抑制温度变化时因热膨胀系数之差而 引起的变形。
采用了该夹持构造的结果如下，如果使绝缘基板56变薄，则在功率 半导体元件M的开关控制时，对应在功率半导体元件M的搭载侧的布线 图案中流动的电流变化，由金属底部26侧的整个面图案感应的涡电流增 多。结果，可以降低绝缘基板56上的布线图案的寄生电感，对功率模块5的低电感作出贡献。
另外，在功率模块5的下部设置有由铜等形成的金属底部26。在金属 底部26之下形成有直线形状或销(pin)形状的散热片(未图示)。通过 将功率模块5搭载于金属壳体6形成了制冷剂通路，在金属底部26下直 接流淌冷却水。
图6是直流电流端子的连接端子部15a、 16a的剖面图。
连接端子部15a、 16a被固定于树脂壳体46。在与电容器模块13连接 的端部，正极的连接端子部16a及负极的连接端子部15a相互反向折弯。 而且，正极的连接端子部16a及负极的连接端子部15a隔着绝缘片等绝缘 部件28而层叠。根据这样的层叠构造，由于在连接端子部15a、 16a中流 动的电流以反向流动，所以，可抵消电流所形成的磁场，使电感降低。
并且，由于使得和与连接端子部15a、 16a连接的电容器模块13的连 接容易，所以，成为在树脂壳体46中埋入螺母32、 34，利用螺栓来安装 电容器模块13的构造。不过，为了使连接更加容易，还能够取代螺栓而 通过焊接等进行连接。
(实施例1)
图7表示本发明实施例1的电力转换装置20的剖面构造图。在图7 中，l是用于驱动功率半导体元件的驱动电路基板，2是驱动电路基板1 上的电子部件，3是散热片，4是金属板，5是具有功率半导体元件M及 二极管D的功率模块，6是金属壳体。
从上开始，分别按照驱动电路基板l、散热片3、金属板4、功率模块 5、金属壳体6的顺序进行组装。
在驱动电路基板1中搭载有用于对功率模块5的功率半导体元件M进行驱动控制的电路(驱动电路装置DCU)。驱动电路基板1被固定于功 率模块5，驱动电路基板1和功率模块5的控制端子通过软钎焊等而电连 接。另外，在本实施例的驱动电路基板1中，不仅搭载有驱动电路装置 DCU，而且在此基础上还能够搭载旋转电机控制装置MCU。
在驱动电路基板1上，搭载有用于驱动功率半导体元件M的驱动IC、 热耦合器、缓冲晶体管、电容器、微机等作为发热部件的多个电子部件2。
散热片3被配置在驱动电路基板1和具有作为防护板的功能的金属板 4之间。该散热片3用于将驱动电路基板1的热高效地从金属板4向金属 壳体6逃逸。
而且，由于在驱动电路基板1中设置有与功率半导体元件M同电位 的高电压部，所以，需要在与降低为金属壳体6的电位的金属板4之间确
保绝缘性。因此，散热片3的材料可采用热传导率高且能够确保绝缘性的 材料。在本实施例中，采用了含有陶瓷填充剂的硅片。该硅片的厚度约为 2.7mm，热传导率约为1.2W/mK，绝缘破坏强度约为26kV。作为含有陶 瓷填充剂的硅片，优选采用热传导率为1 5W/mK的硅片。不过，不限定 于上述的硅片，也可以使用例如epdm橡胶(乙烯丙烯橡胶)系的片作为 散热片3。该情况下，可以采用热传导率为1W/mK以下的硅片。而且， 还可以采用其他的材料。
金属板4由铝形成，为了使由驱动电路基板1及散热片3传递的热高 效地逃逸，将其一端固定于流通冷却水的金属壳体6。在本实施例中，利 用螺栓将金属板4固定于金属壳体6。不过不限定于此，还可以通过焊接 等其他方法进行固定。
而且，金属板4具有对驱动电路基板1上的控制电路因为从功率模块 5的功率半导体元件m放射的噪声而产生误动作进行防止的功能。本实施 例的金属板4采用了热传导率高且具有防护效果的铝，但也可以采用铜等 其他金属、各项异性碳等材料，或将其替代为热导管。另外，通过对金属 板4的表面实施镀镍等处理，可以有效防止氧化。
功率模块5被固定于金属壳体6。在功率模块5的内部设置的功率半 导体元件m由驱动电路基板1上的控制电路驱动控制。功率半导体元件 m按照形成三相桥接电路的方式，通过用于将各功率半导体元件m之间、 功率半导体元件m与输入端子之间、功率半导体元件m与输出端子之间 电连接的铝线8将其电连接。不过，也可以替代铝线8而通过板状导体等 进行连接。
另外，由于功率半导体元件m以高电压进行开关动作，所以，其自 身发热大。因此，在金属壳体6中设置有制冷剂通路7。制冷剂通路7中 流通用于对来自功率半导体元件m的热进行冷却的冷却水等。为了提高 冷却效率，可以在制冷剂通路7中设置用于增加与制冷剂的接触面积的散 热片。作为散热片，可以使用直线形状或销形状。
此外，本实施例中制冷剂通路7被设置在金属壳体6的内部，但不限 定于此，也可以采用使功率模块5的基底部与制冷剂直接接触的直接冷却 构造。本构造中，在金属壳体6中设置成为制冷剂通路7的卉口部，通过
在该开口部之上直接配置功率模块5的金属基体26，可形成制冷剂通路7。 该情况下，能够在功率模块5的金属基体26设置直线形状或销形状的散 热片。
并且，功率半导体元件M设置在配置有铜布线图案的绝缘基板56上， 被硅凝胶等树脂密封。因此，硅凝胶会基于功率半导体元件M发出的热 而温度上升。结果，该热传递给金属板4与驱动电路基板1，使它们的温 度上升。因此，为了防止金属板4与驱动电路基板1的温度上升，可利用 由树脂等形成的盖密封功率模块5。
如上所述，通过简单的构成，可以使驱动电路基板l的热从驱动电路 基板1高效传递给散热片3、金属板4、金属壳体6。因此，即便在周围温 度高的情况下，也能够将驱动电路基板1保持为与金属壳体6的温度同样 低。
而且，由功率半导体元件M放射的电磁噪声被与金属壳体6接地的 金属板4遮断。因此，能够降低驱动电路l发生误动作的危险性，从而可 提供耐噪声性出色的电力转换装置。
并且，由于不仅可确保耐热性及耐噪声性，而且还会縮小功率模块5 与驱动电路基板1之间的距离，所以，用于连接它们的栅极管脚25 (图5) 变短，能够降低该部分的电感。
(实施例2)
接着，对本发明实施例2的电力转换装置进行说明。图8是实施例2 的电力转换装置的剖面构造图，图9是电力转换装置的主要部分的俯视图 及剖面图。
如图8所示，实施例2的电力转换装置与实施例1同样，具有驱动电 路基板l、散热片3、金属板4、功率模块5及金属壳体6。不过在实施例 2中，与实施例1构成的不同点在于，仅在热量程度严峻的位置配置散热 片3。即，在本实施例中，散热片3被分割为多个，各个散热片3被选择 性地配置在驱动IC与热耦合器等发热部件的正下方。通过在耐热温度为 125'C左右的驱动IC与耐热温度为l(X)'C左右的热耦合器那样热量程度严 峻的部件正下方，选择性地设置散热片3，可以降低散热片3的成本。
而且，由于在热量比较具有余裕的位置没有配置散热片3，所以，无 法确保在与金属壳体6接地的金属板4之间的电绝缘性。因此，本实施例 通过在散热片3下设置绝缘片10，来确保电绝缘性。
而且，在驱动电路基板1上与散热片3接触的面，搭载有电子部件。 即，成为在驱动电路基板1的两面侧安装电子部件的两面安装构造。通过 釆用这种构成，可以减少安装面积。这里，在与散热片3接触的面搭载的 电子部件被配置在分割为多个的散热片3之间。由于散热片3被配置在驱 动IC与热耦合器等发热部件的正下方，所以，这些电子部件未被配置在 发热部件的正下方。
作为本实施例的绝缘片10，可采用聚酯系片(PET片)。该片具有热 传导率约为0.16W/mK，厚度约为0.1mm,绝缘破坏强度约为12.5kV的性 质。另外，由于作为绝缘片10不仅需要考虑绝缘性，还要考虑耐热温度， 优选尽量采用耐热温度高的片。作为绝缘片10除了聚酯系片之外，例如 还可以采用聚苯硫(求]J :7工-A^W77一 K， Polyphenyl sulfide)系 板(PPS片)或聚烯烃(polyolefm)系板(PP片)等。
虽然绝缘片10的热传导率比散热片3差，但通过采用比散热片3薄 的绝缘片10，可以抑制散热性劣化。散热片3的厚度例如为2 3mm左右， 绝缘片10的厚度可采取0.1 0.2mm左右。不过这些片的厚度不一定为上 述的范围，也可以根据使用环境或其他限制等进行适宜变更。
例如，本实施例的驱动电路基板1中，在与散热片3接触的面搭载有 电子部件。该电子部件按照被散热片3和绝缘片10包围的方式搭载于驱 动电路基板l。因此，至少需要使散热片3的厚度比电子部件的高度大。
在利用薄的散热片3的情况下,仅将面安装型的电子部件配置于该面， 对于电容器等比较大的部件而言，优选将其搭载于与散热片3的接触面相 反一侧的面。但是，在因为面积制约等将分立部件等大的部件配置在与散 热片3的接触面的情况下，只要使散热片3的厚度大于该分立部件等的高 度即可。
另外，为了确保以高压使电位变动的驱动电路和与金属壳体6接地的 金属板4之间的绝缘性，优选使绝缘片10的面积大于金属板4。但不需要 使用整体大于金属板4的绝缘片10。为了确保驱动电基板1上的电子部件
等与金属板4之间的绝缘距离，只要考虑驱动电路基板1与电子部件等的 位置，使绝缘片10局部比金属板4向外侧扩张即可。
而且，金属板4与绝缘片10具有用于对与功率模块5之间的相对位 置关系进行决定的定位用孔11。该定位用孔11构成为通过设置于功率模 块5的定位用的突出部。通过设置这样的定位用孔ll，可以提高将金属板 4和绝缘片10搭载于功率模块5时的组装性。
并且，在本实施例中，折弯金属板4的端部，利用螺栓将其固定到功 率模块5的基材。由于采用这种构成，可以预先对组装于功率模块5的构 成部分进行组装，所以，能够使得电力转换装置的组装性变得容易。
另外，在本实施例中，针对分割散热片3，并仅在驱动ic与热耦合器 等发热部件的正下方、即热量程度严峻的位置配置散热片3的构成进行了 说明，但也可以替代该构成，例如采用将整体或其一部分形成为网眼状的 散热片3。根据需要，也可以分割网眼状的散热片3。利用这种构成，也 能够在降低成本的基础上，确保散热性。
(实施例3)
接着，对本发明实施例3的电力转换装置进行说明。实施例3的电力 转换装置的剖面构造图如图io所示。
在实施例3中，13是用于使功率半导体元件m开关控制时的电流平 滑化的电容器模块，14是与电容器模块13 —体化的母线条。母线条14 被利用螺栓固定于功率模块5的端子。
通常，在功率半导体元件m的驱动时，从电容器模块13向功率半导 体元件流入陡峭的电流。因此，如果驱动电路基板1位于母线条14与功 率半导体元件m的端子附近，则会从功率半导体元件受到电磁噪声的影 响，存在着发生误动作之虞。因此，本实施例中将金属板4弯曲，构成在 成为噪声源的母线条14和驱动电路基板1之间设置金属板4的结构。通 过采用这样的构成，能够有效保护驱动电路基板1不受电磁噪声的影响。
由此，根据上述实施例1 3的构成，可以使驱动电路基板的热从驱 动电路基板有效地向散热片、金属板、壳体逃逸。而且，由于不需要粘结 剂的固化、挠性基板等多余的部件，所以，使得电力转换装置的组装容易，
可以提高生产率。
而且，通过在驱动电路基板1和功率半导体元件M之间设置与金属 壳体6接地的金属板4，能够将从功率半导体元件M放射的电磁噪声遮断， 从而可以提高驱动电路基板1的耐噪声性能。
综上所述，根据上述实施例，能够以简易的构成，事先兼具耐噪声性 和高散热性能的构成，从而可提供具有耐噪声性和高散热性能的电力转换 装置。
权利要求
1、一种电力转换装置，具有金属壳体；搭载于所述金属壳体，具备多个功率半导体元件的功率模块；搭载于所述功率模块，被固定于所述金属壳体的金属板；配置在所述金属板之上的散热片；和配置在所述散热片之上，用于控制所述功率半导体元件的驱动电路基板。
2、 根据权利要求l所述的电力转换装置，其特征在于， 在所述金属板与所述散热片之间设置有绝缘片。
3、 根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，所述散热片被分割为多个，设置在所述绝缘片之上。
4、 根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于， 所述散热片被配置在搭载于所述驱动电路基板之上的发热部件的下部。
5、 根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于， 所述驱动电路基板中，在与所述散热片接触的面搭载有电子部件， 所述电子部件配置在分割为多个的所述散热片之间。
6、 根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，所述散热片为网眼状。
7、 根据权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于，所述金属板利用螺栓被固定于所述金属壳体。
8、 根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，所述金属板及所述绝缘片具有用于确定所述功率模块之间的相对位 置关系的定位孔。
9、 根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，所述金属壳体在所述功率模块的下部具有制冷剂通路。
10、 根据权利要求l所述的电力转换装置，其特征在于，还具有电容器，所述电容器利用母线条与所述功率模块电连接，通过所述金属板发生弯曲，使得其一部分位于所述母线条与所述驱动 电路基板之间。
11、 一种电力转换装置，具有功率模块，其具备将由电池供给的直流电流转换为三相交流电流的多个功率半导体元件；电容器模块，其具备用于使所述直流电流平滑化的多个电容器； 搭载在所述功率模块之上的金属板； 配置在所述金属板之上的散热片；和驱动电路基板，其配置在所述散热片之上，具备用于向所述多个功率 半导体元件供给控制信号的电路。
12、 根据权利要求ll所述的电力转换装置，其特征在于， 在所述金属板与所述散热片之间设置有绝缘片。
13、 根据权利要求ll所述的电力转换装置，其特征在于， 所述功率模块搭载于金属壳体， 所述金属板被固定于所述金属壳体。
14、 根据权利要求ll所述的电力转换装置，其特征在于， 所述功率模块具有用于和所述电容器模块连接的正极侧连接端子及负极侧连接端子，所述正极侧连接端子及所述负极侧连接端子隔着绝缘部件层叠。
15、 根据权利要求14所述的电力转换装置，其特征在于，所述正极侧连接端子及所述负极侧连接端子在与所述电容器模块连 接的端部，相互朝相反方向折弯。
16、 根据权利要求14所述的电力转换装置，其特征在于，所述功率模块具备由树脂形成的树脂壳体，所述正极侧连接端子及所述负极侧连接端子的至少一部分被固定在 所述树脂壳体的内部。
17、 根据权利要求16所述的电力转换装置，其特征在于，所述正极侧连接端子及所述负极侧连接端子在所述树脂壳体的一边并列配置有多个。
18、 根据权利要求17所述的电力转换装置，其特征在于， 所述功率模块具有用于输出所述三相交流电流的交流连接端子， 所述交流连接端子在与配置有所述正极侧连接端子及所述负极侧连接端子的所述树脂壳体的一边对置的边，并列配置有多个。
19、 根据权利要求ll所述的电力转换装置，其特征在于， 所述功率半导体元件配置在绝缘基板之上，所述绝缘基板中，在搭载有所述功率半导体元件一侧的面及其相反侧 的面这两个面中，形成有金属的图案。
20、 根据权利要求19所述的电力转换装置，其特征在于， 所述绝缘基板由氮化硅构成。
全文摘要
一种电力转换装置(20)，由金属壳体(6)；搭载于金属壳体(6)，具备多个功率半导体元件的功率模块(5)；配置在功率模块(5)之上，被固定于金属壳体(6)的金属板(4)；配置在金属板(4)之上的散热片(3)；和配置在散热片(3)之上，具备用于控制功率半导体元件的控制电路的驱动电路基板(1)构成。由此，可提供用于控制功率半导体元件的驱动电路基板的散热性及耐噪声性被提高的、可靠性高的电力转换装置。
文档编号H02M1/08GK101202495SQ200710169289
公开日2008年6月18日 申请日期2007年11月8日 优先权日2006年11月13日
发明者八幡光一, 行武正刚, 赤石贤生 申请人:株式会社日立制作所