电力转换装置的制作方法

1.本发明涉及一种电力转换装置。


背景技术：

2.近年来，处于电力转换装置要转换的电能增大的倾向，但汽车整体要求小型化、轻型化，抑制了电力转换装置的大型化、重量的增加。并且，车载用的电力转换装置与产业用电力转换装置等相比，要求在温度变化较大的环境中使用，从而要求能够放置在高温的环境下并且能够维持较高的可靠性的电力转换装置。
3.为了进行电力转换，构成逆变电路的上下臂的半导体模块需要重复切断状态和导通状态的开关动作。在进行开关动作时，流动贯通上下臂的过渡电流，受到布线的寄生电感的影响而成为浪涌电压的原因。由此，半导体模块的损失增大，半导体模块的芯片温度上升。因此，为了抑制温度上升，降低成为温度上升的原因的电感和提高冷却性能成为重要的课题。
4.在专利文献1中，公开了一种电力转换装置，该电力转换装置具备内置有构成逆变电路的上臂电路及下臂电路的串联电路的半导体模块、以及用于使向上述半导体模块供给的直流电压平滑化的平滑电容器，上述半导体模块设有多个，而且各个半导体模块具备构成上述上臂电路的第一功率半导体元件、构成上述下臂电路的第二功率半导体元件、配置于上述第一功率半导体元件的一方侧并且经由焊锡而与该第一功率半导体元件的一方的电极连接的第一导体板、配置于上述第一功率半导体元件的另一方侧并且经由焊锡而与该第一功率半导体元件的另一方的电极连接的第二导体板、配置于上述第二功率半导体元件的一方侧并且经由焊锡而与该第二功率半导体元件的一方的电极连接的第三导体板、配置于上述第二功率半导体元件的另一方侧并且经由焊锡而与该第二功率半导体元件的另一方的电极连接的第四导体板、经由第一绝缘部件而配置于与上述第一导体板及上述第三导体板对置的位置的金属制的第一散热板、经由第二绝缘部件而配置于与上述第二导体板及上述第四导体板对置的位置的金属制的第二散热板、以及向上述串联电路供给电流的正极端子及负极端子，上述第一功率半导体元件、上述第二功率半导体元件、上述第一导体板、上述第二导体板、上述第三导体板以及上述第四导体板配置为，在上述恢复电流依次流向该第一导体板、该第一功率半导体元件、该第二导体板、该第三导体板、该第二功率半导体元件、该第四导体板时，形成环路形状的恢复电流路径，通过上述环路形状的恢复电流在上述第一散热板和上述第二散热板感应出涡流。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.专利文献1：日本特开2015-43690号公报


技术实现要素：

8.发明所要解决的课题
9.在专利文献1所记载的发明中，在兼顾冷却以及电感的降低方面存在改善的余地。
10.用于解决课题的方案
11.本发明的第一方式的电力转换装置具备：功率模块，其将直流电力转换成交流电力；基板，其配置上述功率模块，包括将直流电力传递至上述功率模块的直流路径，具有第一面以及与上述第一面正对的第二面，并且具有从上述第一面贯通至上述第二面的多个主流路孔；以及流路形成体，其以覆盖上述多个主流路孔的方式覆盖上述基板的上述第一面以及上述第二面的至少一部分，形成冷却上述功率模块的制冷剂的流路，上述多个主流路孔配置于横穿上述直流路径的位置，上述制冷剂通过上述主流路孔而从上述第一面移动至上述第二面。
12.发明的效果如下。
13.根据本发明，能够兼顾冷却以及电感的降低。
附图说明
14.图1是第一实施方式中的电力转换装置的俯视图。
15.图2是从图1中去掉流路形成体后的电力转换装置的俯视图。
16.图3是从图2中去掉模制树脂后的电力转换装置的俯视图。
17.图4是示出图1～图3中的iv-iv截面的电力转换装置的剖视图。
18.图5是第一实施方式中的电力转换装置的电路图。
19.图6是功率模块的俯视图。
20.图7是功率模块的立体图。
21.图8是功率模块的主视图。
22.图9是第二实施方式的电力转换装置的俯视图。
23.图10是示出图9中的x-x截面的剖视图。
24.图11是第三实施方式中的电力转换装置的俯视图。
25.图12是第三实施方式中的电力转换装置的电路图。
具体实施方式
[0026]-第一实施方式-[0027]
以下，参照图1～图8对电力转换装置的第一实施方式进行说明。
[0028]
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。但是，本发明并不限定解释为下述的实施方式，也可以组合公知的其它构成要素来实现本发明的技术思想。此外，在各图中对同一要素标注同一符号，并省略重复的说明。
[0029]
图1是电力转换装置100的俯视图，图2是从图1中去掉流路形成体25后的图，图3是从图2中去掉模制树脂23后的图。电力转换装置100是将从电池等得到的直流电力转换成向电动机等供给的交流电力的电力转换装置，构成一相的上臂电路以及下臂电路。但是，图1中，功率模块被模制树脂23遮挡，因此未图示。
[0030]
如图1所示，电力转换装置100具备正极导体层31、负极导体层32、交流输出端子导体33、电容器40、生成控制信号的控制电路50、以及流路形成体25。流路形成体25具备向图示近前侧延伸的制冷剂入口251。正极导体层31、负极导体层32以及交流输出端子导体33包
含在作为平板状的多层基板的基板30的任一层中。此外，图1～图3中，为了明示与之后所示的剖视图的对应而施加了阴影线。
[0031]
如上所述，图2是从图1中去掉流路形成体25后的图，图1中明示了存在于流路形成体25的内侧的结构。如图2所示，基板30还具备第一功率模块201和第二功率模块202。第一功率模块201以及第二功率模块202分别具备散热片24，在图2及图3的视角下，在进深方向上与第一功率模块201及第二功率模块202重叠。
[0032]
第一功率模块201以及第二功率模块202由模制树脂23封闭，散热片24的一面露出到模制树脂23的外部。模制树脂23的周围由流路形成体25包围，因此散热片24的表面由制冷剂冷却。此外，第一功率模块201以及第二功率模块202通过模制树脂23而与制冷剂电绝缘。以下，将第一功率模块201以及第二功率模块202统称为功率模块20。
[0033]
如图2所示，基板30具有四种孔。四种是指主流路孔301、副流路孔302、直流侧树脂填充孔304以及交流侧树脂填充孔305。以下，将基板30的图示近前侧的面称为第一面s1，将图示里侧的面称为第二面s2。并且，以下，将直流侧树脂填充孔304和交流侧树脂填充孔305统称为树脂填充孔303。主流路孔301、副流路孔302以及树脂填充孔303均为从基板30的第一面s1贯通至第二面s2的孔。主流路孔301和副流路孔302的形状大致相同。树脂填充孔303的直径比主流路孔301以及副流路孔302的直径小。
[0034]
主流路孔301以及副流路孔302具有作为用于供制冷剂从第一面s1移动至第二面s2的流路的作用。但是，主流路孔301也具有下述的其它作用。主流路孔301、副流路孔302以及树脂填充孔303均在内壁具有导体，因此还具有将作为多层基板的基板30的各层连接的功能。基板30具备多个层，基板30与各种电子装置连接，因此不需要复杂形状的母线，生产率变高。
[0035]
第一功率模块201与具有正极电源端子311的正极导体层31以及具有交流输出端子331的交流输出端子导体33连接。第二功率模块202与具有负极电源端子321的负极导体层32以及交流输出端子导体33连接。由此，从电池向第一功率模块201以及第二功率模块202供给电能。并且，第一功率模块201以及第二功率模块202从设于交流输出端子导体33的交流输出端子331输出交流电力。
[0036]
基板30利用由铜材料等构成的多个导体层以及玻璃环氧树脂等绝缘部件构成。在本实施方式中，基板30具有四层导体层。在设有正极电源端子311的正极导体层31中，基板30的下表面和第二内层成为主要的电流路径，但在与连接于基板30的上表面的第一功率模块201连接的连接部附近，经由树脂填充孔303而与第一功率模块201连接。另一方面，在设有负极电源端子321的负极导体层32中，基板30的上表面和第三内层成为主要的电流路径。这样，通过正极导体层31和负极导体层32的层叠构造，在各个导体中流动的电流对置，利用磁通抵消效果能够降低电感。
[0037]
交流输出端子导体33经由树脂填充孔303而形成于各层，具有向电动机输出交流电力的交流输出端子331。由此，导体的截面积扩大，能够降低电感。
[0038]
电容器40由薄膜电容器等构成。电容器40在物理方面以及电气方面搭载在第一功率模块201及第二功率模块202与正极电源端子311及负极电源端子321之间。电容器40具有正极端子401以及负极端子402，正极端子401以及负极端子402相对于第一功率模块201以及第二功率模块202并联地配置。由此，能够使从电容器40向第一功率模块201流入的电流
路径和从第二功率模块202向电容器40流出的电流路径均匀，能够降低电感。
[0039]
控制电路50经由引线接合等控制信号布线51而与第一功率模块201以及第二功率模块202连接，分别相邻地配置。由此，降低控制信号布线51的电感，防止元件驱动性能的降低，从而防止损失增加。控制信号布线51经由设于基板30的流路内基板布线52而与控制电路50连接。
[0040]
上述主流路孔301在物理方面设置在第一功率模块201及第二功率模块202与电容器40之间。上述副流路孔302在物理方面设置在第一功率模块201及第二功率模块202与交流输出端子331之间。
[0041]
主流路孔301将设于基板30的所有导体层连通，相对于第一功率模块201以及第二功率模块202并联地设有多个。基板30的四层全部的导体由正极导体层31以及负极导体层32的任一方导体构成，相邻的主流路孔301分别交替地形成导体层。由此，在正极导体层31以及负极导体层32中流动的电流路径的范围变大，磁通的抵消效果增强，从而能够降低电感。
[0042]
图4是示出图1～图3所示的iv-iv截面的剖视图。图示上部是基板30的第一面s1，图示下部是基板30的第二面s2。在图4的中央示出被模制树脂23封固的第一功率模块201，流路形成体25包围模制树脂23的周围。因此，在模制树脂23与流路形成体25之间形成有制冷剂的流路。另外，图4中，为了说明，用符号259所示的单点划线来表示制冷剂的流路。制冷剂从图4的右上所示的制冷剂入口251流向左下所示的制冷剂出口252。制冷剂分开向顺时针方向和逆时针方向流动。
[0043]
此处，将逆时针方向的上部的流路的截面积设为a1，将顺时针方向的上部的流路的截面积设为a3。例如截面积a1在流路呈矩形的情况下作为图示高度方向的尺寸l1与进深方向的尺寸之积来求出。该截面积a1优选为与主流路孔301的截面积之和相等。例如在将主流路孔301的内径设为“r1”、将主流路孔301的总数设为“n1”的情况下，优选以下的算式1成立。此外，n1在图2～图3所示的例子中为“6”。若该等式成立，则能够防止在逆时针的流路中因主流路孔301的面积较小而阻碍制冷剂的流动的情况。
[0044]
a1＝r1
·
r1
·
π
×
n1
…
(算式1)
[0045]
另外，在将副流路孔302的内径设为“r2”、将副流路孔302的总数设为“n2”的情况下，优选以下的算式2成立。此外，n2在图2～图3所示的例子中为“6”。若该等式成立，则能够防止在顺时针的流路中因副流路孔302的面积较小而阻碍制冷剂的流动的情况。
[0046]
a3＝r2
·
r2
·
π
×
n2
…
(算式2)
[0047]
第一功率模块201以及第二功率模块202装入到位于基板30内的功率模块组装孔308中，并由模制树脂23封闭。如图4所示，第一功率模块201以及第二功率模块202在上下表面经由焊锡而与散热片24接触。由于流路形成体25覆盖散热片24的表面露出的模制树脂23的外周，所以散热片24的表面与制冷剂接触。因此，从第一功率模块201以及第二功率模块202的半导体元件到散热片24为止形成不经由绝缘部件的散热路径，利用油等制冷剂直接冷却散热片24。由此，能够抑制热阻的增加，实现电力转换装置的输出增大。并且，通过将主流路孔301以及副流路孔302与模制树脂23接近地设置，能够缩短制冷剂的流路，通过降低压力损失来提高冷却效率。
[0048]
图5是电力转换装置100的电路图。如到目前为止所说明，电容器40与第一功率模
块201以及第二功率模块202并联地连接。将电容器40与第一功率模块201之间的路径称为“p1”，将电容器40与第二功率模块202之间的路径称为“p2”。并且，将第一功率模块201以及第二功率模块202与交流输出端子331之间的路径称为“p3”。p1及p2因流动直流而能够称为“直流路径”，p3因流过交流而能够称为“交流路径”。
[0049]
这些路径与上述的四种孔的位置关系如下。正流路孔301的列以及直流侧树脂填充孔304的列配置于横穿直流路径p1及p2的位置。副流路孔302的列以及交流侧树脂填充孔305的列配置于横穿交流路径p3的位置。
[0050]
在直流路径p1以及直流路径p2中，根据在下文中说明的理由，由于存在主流路孔301以及树脂填充孔303，所以降低电感。当在基板30不存在主流路孔301、树脂填充孔303的情况下，基板30上的电流的路径仅为以直线连结端子间的路径，电流集中在一个路径。但是，在本实施方式中，由于在上述的直线路径上存在主流路孔301、树脂填充孔303，所以电流采取绕过该孔的路径。例如，该电流采取向前进方向右侧迂回的路径和向前进方向左侧迂回的路径，从而因存在主流路孔301以及树脂填充孔303，电流的路径分散。这等同于电流的路径实质上扩大的情况、即降低电感的情况。
[0051]
此外，孔的直径越小，路径的分散效果越高，根据以下的理由，与主流路孔301相比树脂填充孔303的路径的分散效果更高。即，若主流路孔301的直径较小，则制冷剂流动时的阻力变大，因此在减小直径这一点上存在极限。另一方面，树脂填充孔303只要在制造工序中树脂能够通过即可，因此与主流路孔301相比能够减小直径。
[0052]
图6～图8是示出功率模块2的概要的图。图6是功率模块20的俯视图，图7是功率模块20的立体图，图8是功率模块20的主视图。其中，图6中，为了明示结构，用虚线示出成为阴影的结构。
[0053]
功率模块20构成将直流电力转换成交流电力的电力转换装置中的一相的上臂电路或下臂电路。功率模块20具备igbt10、二极管11、集电极导体板21以及发射极导体板22。具有板形状的igbt10具有主电极101和对流向该主电极101的主电流进行控制的控制电极102。集电极导体板21以及发射极导体板22由铜材料构成。igbt10以及二极管11分别由集电极导体板21和发射极导体板22从两面夹住。igbt10以及二极管11经由焊锡等金属接合材料12而与集电极导体板21以及发射极导体板22连接。
[0054]
根据上述的第一实施方式，能够得到以下的作用效果。
[0055]
(1)电力转换装置100具备：功率模块20，其将直流电力转换成交流电力；基板30，其配置功率模块20，包括将直流电力传递至功率模块20的直流路径，具有第一面s1以及与第一面s1正对的第二面s2，并且具有从第一面s1贯通至第二面s2的多个主流路孔301；以及流路形成体25，其以覆盖多个主流路孔301的方式覆盖基板的第一面s1以及第二面s2的至少一部分，形成冷却功率模块20的制冷剂的流路。多个主流路孔301配置于横穿直流路径p1及p2的位置。制冷剂通过主流路孔301而从第一面s1移动至第二面s2。因此，能够由制冷剂冷却功率模块20，而且直流路径因主流路孔301的存在而分散，因此能够扩大范围，增强磁通的抵消效果，从而能够降低电感。即，电力转换装置100能够兼顾冷却以及电感的降低。
[0056]
(2)功率模块20由沿第一面s1流动的制冷剂以及沿第二面s2流动的制冷剂冷却。因此，电力转换装置100能够从两面冷却功率模块20。
[0057]
(3)基板30具有多个副流路孔302，该多个副流路孔302横穿将交流电力传递至功
[0071]
参照图11～图12对电力转换装置的第三实施方式进行说明。在以下的说明中，对与第一实施方式相同的构成要素标注相同的符号，主要说明不同点。没有特别说明的点与第一实施方式相同。在本实施方式中，主要在具备多个电容器这一点上与第一实施方式不同。
[0072]
图11是第三实施方式中的电力转换装置100b的俯视图。图11相当于第一实施方式中的图1。电力转换装置100b搭载多个陶瓷电容器等端子间隔较窄的电容器40。上述电容器40相对于第一功率模块201以及第二功率模块202并联地形成。
[0073]
图12是电力转换装置100b的电路图。如图12所示，电力转换装置100b具备多个并联地连接的电容器40。
[0074]
根据上述的第三实施方式，除了第一实施方式中的作用效果之外，还能够得到以下的作用效果。
[0075]
(9)在电力转换装置100b的直流路径p1及p2中，在未被流路形成体25覆盖的位置配置多个电容器40。多个电容器40分别与功率模块20并联地电连接。因此，能够确保多个电流路径，正极导体层31以及负极导体层32间的磁通抵消效果增强，能够降低电感。
[0076]
在上述的各实施方式以及变形例中，功能块的结构只不过是一例。可以将作为不同的功能块而示出的几个功能结构构成为一体，也可以将由一个功能块图表示的结构分割成两个以上的功能。并且，也可以构成为各功能块所具有的功能的一部分由其它功能块具备。
[0077]
上述的各实施方式以及变形例也可以分别组合。在上文中，对各种实施方式以及变形例进行了说明，但本发明并不限定于上述内容。在本发明的技术思想的范围内考虑到的其它方式也包含在本发明的范围内。
[0078]
以下的优先权基础申请的公开内容作为引用文本而并入本文。
[0079]
日本专利申请2020-51009(2020年3月23日申请)
[0080]
符号的说明
[0081]
100、100a、100b—电力转换装置，20—功率模块，201—第一功率模块，202—第二功率模块，23—模制树脂，25—流路形成体，30—基板，31—正极导体层，32—负极导体层，33—交流输出端子导体，301—正流路孔，302—副流路孔，303—树脂填充孔，304—直流侧树脂填充孔，305—交流侧树脂填充孔，40—电容器，50—控制电路，51—控制信号布线，52—流路内基板布线。