专利名称：半导体功率模块、电力转换装置和水路形成体的制造方法
技术领域：
本发明涉及搭载有绝缘栅型场效应晶体管(bipolar transistor)(下文中称为 IGBT)等电力用半导体元件的半导体功率模块、搭载有该半导体功率模块的电力转换装置、 以及半导体功率模块搭载用水路形成体的制造方法。
背景技术：
关于在搭载于风力发电机等的电力转换装置中使用的半导体功率模块，由于其发热量大，因此需要高效地进行冷却，而作为其冷却手段，液体冷却是很有效的。该液体冷却通常这样进行冷却将散热翅片经例如导热润滑脂粘接于半导体功率模块，该散热翅片被浸渍在冷却水的流路中。但是，导热润滑脂具有与金属相比热阻较高的缺点对此，为了确保更高的冷却能力，公知有不经过导热润滑脂地将热传递到冷却部来进行冷却的直接冷却方式的半导体功率模块(例如，参照专利文献1、专利文献2)。根据该直接冷却方式的半导体功率模块，电力用半导体元件隔着绝缘层直接搭载于散热器(heat sink)的上表面，而且，在散热器的下表面设置有散热翅片。此时，水路形成体的上表面的开口部被散热器的下表面覆盖封堵，由于形成为这样的结构，因此，散热器的下表面与冷却水直接接触，散热器的冷却效果得以提高。专利文献1 日本特开2007-295765号公报专利文献2 日本特开2009-44891号公报专利文献3 日本特开2008-206243号公报专利文献4 日本特开2009-219270号公报专利文献1和专利文献2中，想到与车载的旋转电机连接，以与水路形成体的除了被半导体功率模块的散热器覆盖封堵的出入口管的底面积相等的底面积，而且在与水路形成体分体的平面设置有电容模块，以使电力转换装置的底面积最小。但是，由于在与水路形成体分体的平面上设置有电容模块，因此，连接半导体模块的直流端子与电容模块的直流端子的导体板的布线长度变长，变长的量相当于水路形成体的平面与电容模块的平面之间的高度差。若导体板的布线距离变长，则电阻值与此成比例地变大，损失会变大。在该情况下，进一步地还暗示了这样的内容例如在直流电路的平滑电容与IGBT 之间，成为电流电阻的布线电感增大，因此，伴随着切换时的电流的变化，电压产生跳跃，在超过了 IGBT的电压额定值的情况下，可能引起IGBT的破坏。专利文献3为这样的结构在与从侧旁覆盖封堵了半导体模块的散热器的水路形成体大致相同的平面上配置电容模块。与专利文献1和专利文献2相比，能够缩短电容与 IGBT之间的布线距离从而减小电感，但是，由于是从侧旁安装半导体模块的结构，因此，存在组装性差的问题。专利文献4是这样的结构使用通过两个散热器夹着电力用半导体元件的双面直接冷却方式的半导体模块的凸缘部，来覆盖封堵水路形成体的上表面的开口部，在与水路形成体大致相同的平面上配置电容模块。与专利文献1和专利文献2相比，能够缩短电容与 IGBT之间的布线距离，从而减小了电感，但是，在半导体模块相对于水路形成体的定位精度不高的情况下，由于散热器与水路形成体之间的间隙公差变大，因此，存在冷却性能的波动很大的问题。
发明内容
本发明与上文中例示的技术问题相关联，其目的在于提供能够降低损失的半导体功率模块，以及提供半导体功率模块搭载用水路形成体的制造方法。为了达成上述目的，本发明的半导体功率模块具备与电容模块连接的直流端子， 并且该半导体功率模块与冷却用的水路形成体组合在一起来使用，其特征在于，所述直流端子比所述水路形成体向所述电容模块侧凸出。另外，关于本发明的半导体功率模块搭载用水路形成体的制造方法，所述半导体功率模块构成为包括搭载了多个电力用半导体元件的绝缘基板；用于对从所述多个电力用半导体元件产生的热进行散热的散热器；用于向所述电力用半导体元件供给直流电流的直流端子；以及从所述电力用半导体元件输出交流电流的交流端子，所述半导体功率模块搭载用水路形成体构成为，在搭载所述半导体功率模块的所述散热器的部位设置有开口部，并且该半导体功率模块搭载用水路形成体具有机械加工用的卡定部、入口管、出口管以及用于紧固所述半导体功率模块的螺栓孔，所述半导体功率模块搭载用水路形成体的制造方法的特征在于，所述水路形成体在通过铸造而进行一体成型之后，机械加工出所述入口管、出口管以及用于紧固所述半导体功率模块的螺栓孔，所述水路形成体具有带有1°以上的拔模斜度的壁面。根据本发明，能够提供可降低损失的半导体功率模块，并且能够提供半导体功率模块搭载用水路形成体的制造方法。
图1是表示本发明的实施方式1的电力转换装置的电路方框结构的图。图2是表示本发明的实施方式1的电力转换装置的电容模块与逆变器模块 (inverter module)的夕卜观立体图。图3是表示本发明的实施方式1的单相逆变器模块的外观立体图。图4是表示本发明的实施方式1的单相逆变器模块的分解立体图。图5是表示本发明的实施方式1的水路形成体以及冷媒的行进方向的示例的立体图。图6是图5的水路形成体的A-A，线剖视图。图7是表示本发明的实施方式1的半导体功率模块的外观立体图。图8是图7中的半导体功率模块的B-B’线剖视图。图9是图3中的单相逆变器模块的C-C’线的剖视图。图10是表示使用了针状鳍片散热器(pin fin heat sink)的情况下的间隙与热阻及压力损失的关系的图表。
图11是本发明的实施方式2的安装了无翅片散热器情况下的单相逆变器模块的 C-C'线的剖视图。图12是本发明的实施方式3的安装了无翅片散热器、而且设置了增加流速用部件的情况下的单相逆变器模块的C-C’线的剖视图。图13是本发明的实施方式4的搭载了两个以上的半导体功率模块的水路形成体以及3分叉3合流的冷媒的行进方向的例子的立体图。图14是示意性地表示图13中的水路形成体以及冷媒的行进方向的例子的俯视图。图15是示意性地表示本发明的实施方式5的搭载了两个以上的半导体功率模块的水路形成体以及2分叉2合流的冷媒的行进方向的例子的俯视图。图16是示意性地表示本发明的实施方式6的搭载了两个以上的半导体功率模块的水路形成体以及不进行分叉和合流的冷媒的行进方向的例子的俯视图。图17是示意性地表示本发明的实施方式7的搭载了六个半导体功率模块的水路形成体以及6分叉6合流的冷媒的行进方向的例子的俯视图。符号说明
1上下臂串联电路
2电力用半导体元件
2a IGBT
2b 二极管
3绝缘基板
4散热器
4a散热器基座
4b散热器翅片
5增加流速用部件
100逆变器模块
101水路形成体
IOla入口管
IOlb出口管
IOlc水路开口部
1020型圈用槽
103半导体功率模块固定用螺栓孔
104水路形成体底面空间
105机械加工用卡定部
106连接水路形成体的开口部之间的流路
107a入口 /出口管水路截面积
107b喷嘴最小部水路截面积
107c模块间水路截面积
107d开口部水路截面积
108a水路形成体拔模斜度
108b具有拔模斜度的部位的壁面厚度109散热器与水路形成体之间的距离109a散热器翅片末端与水路形成体之间的距离(间隙)109b散热器基座与水路形成体之间的距离110半导体功率模块Illa正极直流端子Illb负极直流端子Illc交流端子112弱电系统(门信号、温度检测信号、发射信号)的电极113层叠平板113a、2(^b、103b 负极导体板113b、113d 绝缘材料113c、202a、203a 正极导体板ll!3e交流导体板114凝胶面的高度115正极导体板与负极导体板之间的爬电距离变短的部位的高度116半圆状的带曲率的导体板117a将正极直流端子连接于正极导体板的部位117b将负极直流端子连接于负极导体板的部位118将正极直流端子连接于正极导体板的部位的最小缩颈部分的板宽120交流电流供给用导体板1300 型圈150a入口管内冷媒行进方向(流入方向)150b出口管内冷媒行进方向(排出方向)150c、150e、150f、150g、150h、150i 散热器内冷媒行进方向150d连接水路形成体的开口部之间的流路内冷媒行进方向151从入口管连接的流经半导体功率模块的下层的流路内的冷媒行进方向152与出口管连接的流经半导体功率模块的下层的流路内的冷媒行进方向200电容模块201电容单元300整流器模块400发电机500叶片(旋转叶片)600变压器700外部电力系统800整流器模块用驱动电路810逆变器模块用驱动电路900整流器模块用控制电路910逆变器模块用控制电路
1000电力转换装置
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。(实施方式1)图1是表示本发明的实施方式1的电力转换装置的电路方框结构的示例的图。如图ι所示，电力转换装置1000与叶片(旋转叶片)500和变压器600连接，电力转换装置 1000构成为包括借助于风力而旋转的叶片500 ；从由叶片500获得的旋转力产生交流电流的发电机400 ；将从发电机400供给的交流电流转换成直流的整流器模块300 ；用于使从所述整流器模块300供给的直流电流稳定化、平滑化的电容模块200 ；以及用于从直流电流生成预定频率的交流电流的逆变器模块100。从电力转换装置获得的交流电流通过所述变压器600被转换成预定的电压并供给到外部电力系统700。在整流器模块300和逆变器模块100中，各个上下臂串联电路1通过将由IGBT2a 和二极管2b的并联连接电路构成的两个电流切换电路串联配置而构成。上下臂串联电路 1的上下端分别与电容模块200的正极和负极连接。并且，配置在其上侧(正极侧)的由 IGBT2a和二极管2b构成的电流切换电路作为所谓的上臂进行工作，配置在下侧(负极侧) 的由IGBTh和二极管2b构成的电流切换电路作为所谓的下臂进行工作。逆变器模块100由设置有三组这样的上下臂串联电路1的所谓3相桥式电路构成。并且，从各个上下臂串联电路1的中点位置、即上下的电流切换电路的连接部分输出3 相的交流电流U、ν、w,该输出的3相交流电流U、ν、w被供给到变压器600。另外，整流器模块300构成了由三个上下臂串联电路1构成的整流电路，该整流器模块300构成为包括对整流器模块300进行驱动控制的整流器模块用驱动电路800 ；以及向整流器模块用驱动电路800供给控制信号的整流器模块用控制电路900。同样地，逆变器模块100也构成了由三个上下臂串联电路1构成的逆变电路，逆变器模块100构成为包括向各相的IGBTh供给门信号(gate signal)、驱动控制逆变器模块100的逆变器模块用驱动电路810 ；以及向逆变器模块用驱动电路810供给控制信号的逆变器模块用控制电路910。这里，从两个驱动电路800、810输出的门信号被供给到各相的IGBT2a，从而控制交流电流U、V、w的振幅和相位等。各控制电路900、910具有用于对各IGBT2a的切换定时进行运算处理的微型计算机。顺便说明一下，各臂的IGBDa的发射电极与各驱动电路800、810连接，各驱动电路800、 810对各个IGBDa进行发射电极的过电流检测，对于检测到了过电流的IGBT2a，使其切换动作停止，以保护其不受过电流伤害。另外，来自设置于上下臂串联电路1的未图示的温度传感器、对施加在上下臂串联电路1的两端的直流电压进行检测的检测电路等的信号，被输入到各控制电路900、910，各控制电路900、910根据这些信号来检测过温度、过电压等异常。并且，在检测到了过温度、过电压等异常的情况下，使所有的IGBThg止切换动作，以保护上下臂串联电路1不受过电流、过电压、过温度等异常伤害。另外，在以上所述的电力转换装置1000中，由IGBDa和二极管2b构成的电流切换电路可以使用MOSFET(金属氧化物半导体型场效应晶体管)来构成。另外。逆变器模块 100也可以构成为包括两个上下臂串联电路1，并输出2相的交流电路。同样地，整流器模块300也可以构成为包括两个上下臂串联电路1，并输入2相的交流电流。此外，电力转换装置1000，在图1的电路结构的基础上，可以是组装了对电池进行充电的功能的装置。另外，在图1的电路结构的基础上，可以设置从风车的转速转换成发电机的转速的增速器。图2是表示本发明的实施方式1的电力转换装置的电容模块200与逆变器模块 100的外观立体图的示例的图。如图2所示，电容模块200和逆变器模块100通过正极导体板203a和负极导体板20 而电连接。在电容模块200中搭载有多个电容单元(condenser cell)201，正极导体板20 和负极导体板202b以夹着各电容单元201的方式配置，各个导体板与所述正极导体板203a和负极导体板203连接。逆变器模块100主要由半导体功率模块110以及利用半导体功率模块110来封堵开口部的水路形成体101构成。在水路形成体101 —体地成型有入口管IOla和出口管101b，从入口管IOla供给冷媒，从出口管IOlb 取出冷媒。在图2的例子中，在相当于图1中的上下臂串联电路1的部位，对于每一相设置有两台2合1型Qin ltype)的半导体功率模块110。其结果为，为了输出3相交流电流 U、ν、w，准备了六个2合1型的半导体功率模块110，并设置有交流电流供给用导体板120 以连接两个功率模块。构成3相的水路形成体101和半导体功率模块110的结构全部相同，因此，使用搭载有两个半导体功率模块110的图(图3 图10)对一相的水路形成体的详细结构进行说明。图3是表示本发明的实施方式1的单相逆变器模块100的外观立体图的示例图， 图4是表示图3的分解图的示例的图。逆变器模块100这样构成通过使螺栓贯穿道半导体功率模块固定有螺栓孔103中，来隔着以0型圈为代表的密封材料130将半导体功率模块110设置成封堵位于水路形成体101的上表面的开口部101c。通过从上表面安装0型圈 130和半导体功率模块110，在组装时0型圈130不会从0型圈用槽102脱离，因此组装性得以提高。水路形成体101通过铸造(包括压铸)而一体成型，0型圈用槽102、半导体功率模块固定有螺栓孔103、入口管IOla以及出口管IOlb在铸造后通过机械加工而成。机械加工用卡定部(chuck) 105的特征在于，其在机械加工时用于将水路成形体固定于加工机，通过在0型圈用槽102的外侧设置机械加工用卡定部，维持了密封的可靠性。另外，通过对水路形成体进行一体成型，密封的可靠性提高，还促成了小型化和低成本化。另外，密封也可以不使用0型圈而使用液状密封或者金属垫。如图3所示，半导体功率模块110由半导体功率模块主体、直流端子以及交流端子构成，在半导体功率模块主体的一侧的边设置有正极直流端子Illa和负极直流端子111b， 在相反侧的边设置有交流端子111c。在这些端子的正下方，如图8所示，由于不存在电力用半导体元件(IGBT或者二极管)2，因此，不需要设置散热器4，散热器4只要配置在半导体功率模块主体的下侧(与水路形成体101组合的一侧)即可实现冷却效果。因此，通过在半导体功率模块110的直流端子和交流端子正下方配置连接水路形成体的开口部之间的流路106，能够提高流路106的空间效率，能够使搭载半导体功率模块110的水路形成体 101的除了出入口管IOlb以外的底面积(X_channelXY_channele)，与半导体功率模块110 的底面积(XjiioduleXYjiiodule)相同或者在其以下。另外，正极直流端子Illa和负极直流端子Illb与电容模块200连接。并且，正极直流端子Illa和负极直流端子Illb比水路形成体101向电容模块200侧凸出，从而缩短了用于与电容模块接触的布线长度。其结果为，能够将电容模块200与半导体功率模块110在面位置上相邻地配置，能够缩短连接电容模块200与半导体功率模块110的导体板203的长度，能够降低成为电流电阻的布线电感。因此，能够降低作为装置的损失，并且进一步能够抑制伴随切换时的电流变化的电压的跳跃，从而防止IGBT的破坏。图5是表示本发明的实施方式1的水路形成体101和冷媒的行进方向的示例的图。冷媒从入口管IOla按照入口管内冷媒行进方向150a流入到水路形成体101中，在插入有第一个半导体功率模块110的散热器4的水路开口部IOlc内，冷媒按照散热器内冷媒行进方向150c行进，在连接水路形成体的开口部之间的流路106内，冷媒按照连接水路形成体的开口部之间的流路内冷媒行进方向150d来改变行进方向，在与第一个散热器内冷媒行进方向150c对置的方向，在插入有第二个半导体功率模块110的散热器4的水路开口部IOlc内，冷媒按照散热器内冷媒行进方向150e行进，然后冷媒从出口管IOlb按照出口管内冷媒进行方向150b从水路形成体101流出。图6是表示图5的水路形成体的A-A’截面的图。水路形成体通过铸造而一体成型，因此具有这样的特征具有1°以上的拔模斜度108a，并且，存在拔模斜度的部位的壁面厚度108b在3mm以上。插入有半导体功率模块110的散热器4的水路开口部IOlc的开口部水路截面积107d比入口 /出口管水路截面积107a、喷嘴最小部水路截面积107b以及模块间水路截面积107c要小，由此，仅提高了应该冷却的部位(插入有散热器4的水路开口部101c)处的冷媒流速从而提高了冷却性能，降低了对冷却没有帮助的部位(入口管 101a、出口管IOlb以及连接水路形成体的开口部之间的流路106)的冷媒的流速，从而降低了压力损失。因此，无需向水路形成体的底面输入冷媒，因此能够设置空间104以实现轻量化。另外，所述水路形成体的材料一般为铝合金，散热器为铜，因此，为了抑制电场腐蚀，对水路形成体与散热器实施了表面处理以抑制腐蚀。另外，通过实施浸渍处理，向铸造件的孔和烧结部件的间隙中注入树脂并使其硬化，能够封堵不必要的孔，因此可靠性得以提尚。图7是表示本发明的实施方式1的半导体功率模块110的外观立体图的示例的图，图8是表示图7的半导体功率模块的B-B截面的图。在半导体功率模块的一个边，设置正极直流端子Illa和负极直流端子111b，在与配置直流端子的面相反的面上设置交流端子111c，在与设置有强电系统的端子(直流和交流的端子111)的面不同的面，设置弱电系统(门信号、温度检测信号、发射信号)的电极112，由此，能够将弱电系统从强电系统分离， 因此能够抑制各信号(门信号、温度检测信号、发射信号)的噪声。为了从强电系统的端子(直流或交流端子111)向电力用半导体元件2供给电流， 在电力用半导体元件2的上方设置层叠平板113。层叠平板113通过将负极导体板113a、绝缘材料113b、正极导体板113c、绝缘材料113d以及交流导体板11 从上方向下依次呈层状地层叠起来而构成。负极导体板113a与正极导体板113c隔着绝缘材料11 并行地配置，而且在负极导体板113a与正极导体板113c流过反向的同一电流。其结果为，在负极导体板113a与正极导体板113c之间的空间中，由于彼此的电流而产生的磁场被抵消，结果降低了电流路径上的电感。另外，绝缘材料11 (113d)是以使各导体板(负极导体板113a、正极导体板113c、交流导体板113e)之间电绝缘为目的而设置的，绝缘材料ll!3b(113d)可以通过将绝缘纸粘接到导体板的方法、或在导体板进行分层涂覆的方法来实现。另外，具有这样的特征从上表面观察到的层叠平板的形状为大致梯形，是使电流朝向与绝缘基板上的金属图案连接的各端子以低电感流动的形状。在半导体功率模块内侧封闭有凝胶，以防止灰尘附着到电力用半导体元件2等内部部件以及用于固定、确保绝缘性，该结构只在图8中示出。该凝胶由于进入层叠平板113 的最上部导体板(在本实施例中为负极导体板113a)的底面以上，由此，能够确保与其他导体板之间的绝缘性。正极直流端子Illa与负极直流端子Illb之间的爬电距离(沿面距离)为IOmm以上，在其之间不需要绝缘材料。另一方面，正极导体板113c与负极导体板113a彼此相邻，因此，为了确保绝缘性，其间需要有绝缘材料，而且至少一方的导体板需要进入到凝胶中。由此，在将正极直流端子Illa连接于正极导体板113c的部位117a和将负极直流端子Illb 连接到负极导体板113a的部位117b，为了确保绝缘性，需要使凝胶面的高度114大于正极导体板与负极导体板之间的爬电距离变短的部位的高度115。另一方面，为了实现耐振动和低电感，将正极直流端子Illa连接于正极导体板 113c的部位117a的最小缩颈部位的板宽118，应该至少在5mm以上。因此，通过使最小缩颈部分形成为半圆状的带有曲率的导体板116，无需提高半导体模块整体的高度就能够使凝胶面的高度114大于正极导体板和负极导体板的爬电距离变短的部位的高度115，能够确保绝缘性，而且，能够缩短正极直流端子Illa与层叠平板113之间的距离，因此，其结果为，能够缩短图4所示的模块长度Xjnodule，能够实现半导体功率模块110的小型化。另外，在本实施例中使用了凝胶，但是也可以代替凝胶而使用传递模塑(transfermold)。图9是表示图3的单相逆变器模块的C-C’截面的图。通过将半导体功率模块110 插入到水路形成体101中，构成了逆变器模块100。在将半导体功率模块110搭载于水路形成体101时，在所述半导体功率模块110的散热器4与水路形成体相碰撞的情况下，0型圈130不被充分压缩，无法确保密封性，因此，需要在散热器4与水路形成体101之间确保一定的距离109a。另一方面，图9所示的散热器4的翅片末端与水路形成体101之间的距离109a会给冷却性能(热阻或压力损失)带来影响，因此，包括制造公差和安装公差在内， 散热器4的翅片末端与水路形成体101之间的距离109a的管理是非常重要的。图10是表示散热器4的翅片末端与水路形成体101之间的距离(记为“间隙”) 与热阻和压力损失(记为“压损”)之间的关系的图表。图表的横轴表示间隙，纵轴表示有间隙的情况下的性能与间隙为0时的性能的比。从图10可知，通过增大间隙，热阻变大，压损变小。另外，可知，如果间隙在2. Omm 以内，则热阻的增加量与压损的减小量相比并不大。因此，通过将散热器4的翅片末端与水路形成体101之间的距离(间隙)109a的制造公差和安装公差指定在0. Imm以上且在2. Omm 以下，散热器4就不会与水路形成体101碰撞，而且功能维持冷却性能。在本实施例中，正极直流端子Illa和负极直流端子Illb比水路形成体101向电容模块200侧突出，从而缩短了用于与电容模块接触的布线长度，由此，减小了电感，并使损失减小。上述实施例例示了逆变器模块100，但是也可以置换成整流器模块300，另外，关
12于散热器翅片4b例示了针状鳍片，但是也可以是平板翅片或者波纹(corrugate)翅片。另外，上述实施例的电力转换装置1000不仅适合风力发电用，还能够应用于汽车或卡车等的电力变换装置、电车或轮船或飞机等的电力转换装置、作为驱动工厂设备的电动机的控制装置使用的工业用电力转换装置、驱动家庭太阳能发电系统或家庭电气化制品的电动机的控制装置中使用的家庭用电力变换装置。(实施方式2)图11是表示安装了无翅片散热器的情况下的单相逆变器模块的C-C’截面的图。与图1的实施例相比较，与去掉了散热器翅片4b相应地，导热面积减小，冷却性能劣化，但是，如果以必要量对作为冷却对象的电力用半导体元件进行了冷却，则能够简化散热器4的形状，可以实现低成本化。在该情况下，考虑到防止灰尘引起的堵塞以及防止空穴 (cavitation)腐蚀，散热器基座如与水路形成体101之间的距离109b优选在0. 5mm以上。 例如，在流路宽度为30mm，流量为1. OL/min的情况下，若散热器基座如与水路形成体101 之间的距离109b为0. 5mm，则平均流速为1. lm/s,由于比一般公知的容许流速(1. 5m/s)要小，因此,不用担心会产生空穴腐蚀(参考文献]"Anti corrosionduide for copper pipes used in building pipe lines”(建筑配管用铜管腐蚀对策指南)，Jpn. Copp. Develop. Assoc. . p. 15(1987))。(实施方式3)图12是表示安装了无翅片散热器、且设置了增加流速用部件的情况下的单相逆变器模块的C-C’截面的图。本实施例(第三变形例)通过在实施方式的第二变形例中追加设置了增加流速用部件5，而能够在雷诺数(Reynoldsnumber)为2000以上的紊流的状态下进行热传递，能够提高冷却性能。(实施方式4)图13是表示搭载了两个以上的半导体模块的水路形成体和3分叉3合流的冷媒的行进方向的示例的图，图14是示意性地表示图13的水路形成体和冷媒的行进方向的示例的俯视图。冷媒从入口管IOla按照入口管内冷媒行进方向150a流入水路形成体101，并按照从入口管IOla连接的流经半导体功率模块的下层的流路内的冷媒行进方向151流经半导体功率模块的下层，并分成三支(u、ν、w各相)，并朝向插入有半导体功率模块100的散热器4的水路开口部IOlc从下向上流出，然后按照散热器内冷媒行进方向150c行进，在连接水路形成体的开口部之间的流路106内按照连接水路形成体的开口部之间的流路内的冷媒行进方向150d改变行进方向，在与第一个散热器内冷媒行进方向150c对置的方向，在插入有第二个半导体功率模块100的散热器4的水路开口部IOlc内按照散热器内冷媒行进方向150e行进，然后按照与出口管连接的流经半导体功率模块的下层的流路内的冷媒行进方向152流过半导体功率模块的下层并从三个流路(U、ν、w各相)进行合流，从出口管 IOlb按照出口管内冷媒行进方向150b从水路形成体101流出。本构造为了获得三相交流， 将六个半导体模块110 (每相2个X 3相=6个)全部用一个水路形成体101进行冷却，因此，能够减少安装于入口管IOla和出口管IOlb的未图示的连接器的数量，能够提高密封的可靠性，通过使连接器的个数仅为两个，还能够实现低成本化。另外还具有可以使三相(U、 v. w)分别在相同条件下均一地进行冷却的优点。另外，冷媒从各模块通过而获得热量，由此，冷媒的液体温度从入口管IOla朝向出口管IOlb而升高，但是由于在对置的方向流过了冷媒从而抵消了改液体温度上升的影响，因此，水路形成体优选用热传导率高的金属来进行成型。(实施方式5)图15是示意性地表示搭载了两个以上的半导体模块的水路形成体和2分叉2合流的冷媒的行进方向的示例的俯视图。冷媒从入口管IOla按照入口管内冷媒行进方向 150a流入水路形成体101，并按照从入口管IOla连接的流经半导体功率模块的下层的流路内的冷媒行进方向151流经半导体功率模块的下层，并分成两支，接着朝向插入有半导体功率模块100的散热器4的水路开口部IOlc从下向上流出，然后按照散热器内冷媒行进方向150c行进，在连接水路形成体的开口部之间的流路106内按照连接水路形成体的开口部之间的流路内的冷媒行进方向150d改变行进方向，在与第一个散热器内冷媒行进方向 150c对置的方向，在插入有第二个半导体功率模块100的散热器4的水路开口部IOlc内按照散热器内冷媒行进方向150e行进，接着，在连接水路形成体的开口部之间的流路106内按照连接水路形成体的开口部之间的流路内的冷媒行进方向150d改变行进方向，在与第二个散热器内冷媒行进方向150c对置的方向，在插入有第三个半导体功率模块100的散热器4的水路开口部IOlc内按照散热器内冷媒行进方向150f行进，然后按照与出口管连接的流经半导体功率模块的下层的流路内的冷媒行进方向152流过半导体功率模块的下层并从两个流路进行合流，从出口管IOlb按照出口管内冷媒行进方向150b从水路形成体101 流出。本构造与本实施方式的第四变形例相比，由于减少了分叉数量，因此，将流量均等地分配各各流路变得容易，而且，能够提高在插入有半导体功率模块100的散热器4的部位的流速，因此能够降低热阻。(实施方式6)图16是示意性地表示搭载了两个以上的半导体模块的水路形成体和不进行分叉和合流的冷媒的行进方向的示例的俯视图。冷媒从入口管IOla按照入口管内冷媒行进方向150a流入水路形成体101，并按照从入口管连接的流经半导体功率模块的下层的流路内的冷媒行进方向151流经半导体功率模块的下层，接着朝向位于离设有入口管IOla和出口管IOlb的面最远的地方的、插入有半导体功率模块100的散热器4的水路开口部101c，从下向上流出，然后按照散热器内冷媒行进方向150c行进，在连接水路形成体的开口部之间的流路106内按照连接水路形成体的开口部之间的流路内的冷媒行进方向150d改变行进方向，在与第一个散热器内冷媒行进方向150c对置的方向，在插入有第二个半导体功率模块100的散热器4的水路开口部IOlc内按照散热器内冷媒行进方向150e行进，接着，在连接水路形成体的开口部之间的流路106内按照连接水路形成体的开口部之间的流路内的冷媒行进方向150d改变行进方向，在与第二个散热器内冷媒行进方向150c对置的方向，在插入有第三个半导体功率模块100的散热器4的水路开口部IOlc内按照散热器内冷媒行进方向150f行进，通过该重复，在插入有第四、第五、第六个半导体功率模块100的散热器4 的水路开口部IOlc内，冷媒向与相邻的散热器内冷媒行进方向150对置的方向流出，并最终按照与出口管连接的流经半导体功率模块的下层的流路内的冷媒行进方向152流过半导体功率模块的下层，从出口管IOlb按照出口管内冷媒行进方向150b从水路形成体101 流出。本构造与实施方式的第四和第五变形例相比，特征在于不进行分叉和合流能够通过以一笔画出来的流路连接所有的半导体功率模块。由于不进行分叉和合流，因此无需担心流量的均一分配，与进行分支和合流的其他实施例相比，能够使插入有半导体功率模块100 的散热器4的部位的流速为最大，因此能够降低热阻。(实施方式7)图17是示意性地表示搭载了六个半导体模块的水路形成体和6分叉6合流的冷媒的行进方向的示例的俯视图。冷媒从入口管IOla按照入口管内冷媒行进方向150a流入水路形成体101，并按照从入口管连接的流经半导体功率模块的下层的流路内的冷媒行进方向151流经半导体功率模块的下层并向所有的模块进行分支(六支)，接着朝向插入有半导体功率模块100的散热器4的水路开口部101c，从下向上流出，然后按照散热器内冷媒行进方向150c行进，然后按照与出口管连接的流经半导体功率模块的下层的流路内的冷媒行进方向152流过半导体功率模块的下层，并从六个流路进行合流，从出口管IOlb按照出口管内冷媒行进方向150b从水路形成体101流出。本实施例的特征在于模块的数量与进行分支和合流的流路的数量相同，特别是在模块的数量很多的情况下，能够针对每个模块使液体温度上升的影响不会散乱，因此是优选的。另外，连接水路形成体的开口部之间的流路106能够在不改变冷媒的行进方向的情况下进行连接，与实施方式6相比，能够使插入有半导体功率模块100的散热器4的部位的流速减小，因此能够降低压力损失。另外，实施方式4 7以半导体功率模块100的数量为6个的情况为前提进行了说明，但是半导体功率模块100的个数只要是两个以上，则能够以相同的想法来设计流路。
权利要求
1.一种半导体功率模块，其具备与电容模块连接的直流端子，并且该半导体功率模块与冷却用的水路形成体组合在一起来使用，所述半导体功率模块的特征在于，所述直流端子比所述水路形成体向所述电容模块侧凸出。
2.一种逆变器模块或者整流器模块，其特征在于， 具有权利要求1所述的半导体功率模块和所述水路形成体。
3.根据权利要求1所述的半导体功率模块，其特征在于，所述半导体功率模块还具有散热器，其通过与所述水路形成体内的冷媒接触来对从多个电力用半导体元件产生的热进行散热；以及交流端子，所述直流端子和所述交流端子从半导体功率模块主体突出，所述散热器配置在所述半导体功率模块主体的、所述半导体功率模块与所述水路形成体进行组合的一侧。
4.根据权利要求3所述的半导体功率模块，其特征在于， 所述直流端子设置在所述半导体功率模块的外周的一条边上， 所述交流端子设置在与所述直流端子相反的边上，所述半导体功率模块还具有层叠平板，其设置在所述直流端子与所述交流端子之间； 以及弱电系统的电极，其设置在与设置有所述直流端子和所述交流端子的边不同的边上。
5.根据权利要求3或4所述的半导体功率模块，其特征在于， 所述散热器和所述水路形成体之间存在间隙。
6.根据权利要求4所述的半导体功率模块，其特征在于，在所述直流端子与所述层叠平板的接触位置，设置有具有曲率的导体板。
7.根据权利要求5所述的半导体功率模块，其特征在于，在所述散热器的水路形成体侧设置有散热翅片，该散热翅片的末端与水路形成体之间的间隙在0. Imm以上且在2. Omm以内。
8.根据权利要求5所述的半导体功率模块，其特征在于， 所述散热器的基座面与水路形成体之间的间隙在0. 5mm以上。
9.根据权利要求5所述的半导体功率模块，其特征在于， 在所述散热器与水路形成体之间设置有增加流速用部件。
10.一种电力转换装置，其具有权利要求1至9中的任一项所述的半导体功率模块； 以及通过所述直流端子与所述半导体功率模块连接的所述电容模块，所述电力转换装置的特征在于，所述散热器具有形成有散热翅片的基座， 所述电力转换装置在壳体壁设置有所述水路形成体，所述半导体功率模块具有搭载有多个电力用半导体元件的绝缘基板，并且，该绝缘基板与所述散热器在所述散热器的所述基座的形成有所述散热翅片的面的相反侧的面进行接合，而且，所述半导体功率模块以所述散热翅片浸没到所述水路形成体的开口部中的方式安装于所述壳体壁，所述电容模块与所述半导体功率模块配置在大致同一平面上，并且所述电容模块与所述半导体功率模块相邻地配置。
11.根据权利要求10所述的电力转换装置，其特征在于，所述水路形成体具有入口管和出口管，所述水路形成体中的除了所述入口管和所述出口管之外的部分的底面积与所述半导体功率模块的底面积相等，或者在所述半导体功率模块的底面积以下。
12.根据权利要求11所述的电力转换装置，其特征在于，所述入口管和所述出口管设置在所述水路形成体的单侧的面上，并且，在搭载多个半导体功率模块的部位设置有多个开口部，在该多个开口部的各个开口部中搭载半导体功率模块，并且，所述电力转换装置具有将冷媒从所述入口管供给到各所述半导体功率模块的流路； 以及将冷媒从各半导体功率模块排出到出口管的流路。
13.根据权利要求12所述的电力转换装置，其特征在于，将冷媒从所述入口管供给到各半导体功率模块的流路和将冷媒从所述各半导体功率模块排出到出口管的流路，位于搭载所述半导体功率模块的开口部的下层。
14.根据权利要求13所述的电力转换装置，其特征在于，将冷媒从所述入口管供给到各半导体功率模块的多个流路和将冷媒从所述各半导体功率模块排出到出口管的多个流路，在搭载所述半导体功率模块的开口部的下层进行分分叉和合流。
15.根据权利要求14所述的电力转换装置，其特征在于，流路构成为从位于离设有所述入口管或者所述出口管的面最远的部位的半导体功率模块，朝向设有所述入口管和所述出口管的面，将搭载多个半导体功率模块的所有开口部连接起来。
16.根据权利要求10至15中的任一项所述的电力转换装置，其特征在于，在所述直流端子和所述交流端子的正下方设置有连接所述水路形成体的开口部之间的流路。
17.根据权利要求10至16中的任一项所述的电力转换装置，其特征在于，在所述水路形成体和所述散热器实施了表面处理。
18.一种半导体功率模块搭载用水路形成体的制造方法，所述半导体功率模块构成为包括搭载了多个电力用半导体元件的绝缘基板；用于对从所述多个电力用半导体元件产生的热进行散热的散热器；用于向所述电力用半导体元件供给直流电流的直流端子；以及从所述电力用半导体元件输出交流电流的交流端子，所述半导体功率模块搭载用水路形成体构成为在搭载所述半导体功率模块的所述散热器的部位设置有开口部，并且该半导体功率模块搭载用水路形成体具有机械加工用的卡定部、入口管、出口管以及用于紧固所述半导体功率模块的螺栓孔，所述半导体功率模块搭载用水路形成体的制造方法的特征在于，所述水路形成体在通过铸造而进行一体成型之后，机械加工出所述入口管、出口管以及用于紧固所述半导体功率模块的螺栓孔，所述水路形成体具有带有1°以上的拔模斜度的壁面。
19.根据权利要求18所述的半导体功率模块搭载用水路形成体的制造方法，其特征在在搭载所述散热器的部位，开口部的流路截面积比其他流路截面积要小。
20.根据权利要求18所述的半导体功率模块搭载用水路形成体的制造方法，其特征在于，在所述水路形成体的搭载散热器的开口部的位置的底面形成有空间。
21.根据权利要求18所述的半导体功率模块搭载用水路形成体的制造方法，其特征在于，在铸造出所述水路形成体之后，向铸造件的气孔以及烧结部件的间隙中注入树脂并使其硬化以封堵不必要的孔，然后，对所述水路形成体实施表面处理。
全文摘要
本发明涉及半导体功率模块、电力转换装置和水路形成体的制造方法。本发明的目的在于提供一种能够降低损失的半导体功率模块。为了解决上述课题，半导体功率模块(110)是具备与电容模块(200)连接的直流端子(111a、111b)、并且与冷却用的水路形成体(101)组合在一起来使用的半导体功率模块(110)，其特征在于，直流端子(111a、111b)比所述水路形成体(101)向电容模块(200)侧凸出。
文档编号H02M1/00GK102169858SQ20111003268
公开日2011年8月31日 申请日期2011年1月27日 优先权日2010年1月29日
发明者佐佐木康二, 堀内敬介, 日吉道明 申请人:株式会社日立制作所