电力转换装置的制作方法

1.本发明大致涉及电力转换装置。


背景技术：

2.电动车或混合动力车中，兼顾搭载的部件的小型化和高输出化的高密度安装受到重视。将电池的直流电流转换为电动机的交流电流的电力转换装置也不例外，结果发热密度增大，因此需要改善冷却性能。
3.构成电力转换装置的电子部件中发热量最大的是功率半导体模块。作为改善功率半导体模块的冷却性能的现有技术，提出了图10所示的结构。具体而言，有使半导体元件的一面与散热部件接触且在元件的反面也隔着热扩散板配置导体部件的结构(专利文献1)、在半导体元件的两面安装散热部件的双面冷却结构(专利文献2～3)、以及在半导体元件的两面设置热管而向离开元件的位置传热且向散热部件散热的结构(专利文献4)。此处，热管是以在金属管或平板中空部件内部封入了冷却剂为特征的、因该冷却剂的蒸发和冷凝而具有实心金属的10倍以上的等价导热率的传热部件。
4.现有技术文献
5.专利文献
6.专利文献1：日本特开2013-197560号公报
7.专利文献2：日本特开2014-183078号公报
8.专利文献3：日本特开2018-037545号公报
9.专利文献4：日本特开2012-043915号公报


技术实现要素：

10.发明要解决的课题
11.专利文献1中也研究了用热管作为导体部件的例子，是积极地将导体部件作为散热通路的、类双面冷却的结构。专利文献2中也研究了使专利文献1的结构相对于热管面对称的例子。专利文献3中，在一对散热部件之间，以在中心夹着绝缘插入板的方式使在半导体元件上搭载了热管的结构部件相对地配置。但是，以上各结构都没有在元件与散热部件之间设置热管，而是在与散热部件相反的一侧设置了热管，所以不能将热管应用于主要的散热通路，因此在进一步改善性能上存在极限。
12.另一方面，专利文献4以用一对热管夹着元件两面和带有绝缘部件的散热部件的两面为特征，热管是主要的散热通路。
13.但是，存在不能应用热管的整面作为散热面积、且同时夹入2个不同形状部件的结构并不容易组装、组装公差直接导致接触热阻增大的课题。
14.用于解决课题的技术方案
15.本发明的电力转换装置包括：半导体元件；配置在所述半导体元件的两面侧，与该半导体元件电连接的一对导体部件；和配置在所述一对导体部件的两面侧，与所述一对导
体部件热接触的一对散热部件，所述一对导体部件在内部封入有冷却剂。
16.发明的效果
17.根据本发明，如图11所示，具有双面冷却结构的功率半导体模块内部的发热源即半导体元件的热被传递至一对导体部件，热因该导体部件而扩散，热在传热面积增大的状态下传递至一对散热部件，因此能够抑制局部的热点，并且使妨碍散热通路的部件个数限于最低限度。此处，散热部件是水冷结构，导体部件是热管等封入了冷却剂的金属管，也可以代替热管而改为平板型的均热板或自激振动结构的细管弯曲流路结构或烧结金属。
附图说明
18.图1是表示混合动力车的控制模块的图。
19.图2是逆变器电路140、142的电路结构图。
20.图3a是电力转换装置200的立体图。
21.图3b是电力转换装置200的a-a＇截面图。
22.图3c是电力转换装置200的b-b＇截面图。
23.图4是电力转换装置200的分解立体图。
24.图5a是功率半导体模块150a的立体图。
25.图5b是功率半导体模块150a的c-c＇截面图。
26.图5c是功率半导体模块150a的d-d＇截面图。
27.图6是功率半导体模块150a的分解立体图。
28.图7a是热管(均热板)的立体图。
29.图7b是热管(均热板)的e-e＇截面图。
30.图8a是第二实施方式的电力转换装置200的立体图。
31.图8b是第二实施方式的电力转换装置200的f-f＇截面图。
32.图9是(第二实施方式)电力转换装置200的分解立体图。
33.图10是示意性地示出一个比较例中的散热结构的截面图。
34.图11是示意性地示出本发明中的散热结构的截面图。
具体实施方式
35.以下，参考附图，对于本发明的电力转换装置的实施方式进行说明。其中，在各图中对于同一要素记载同一附图标记，省略重复说明。
36.实施例1
37.图1是表示混合动力车的控制模块的图。发动机egn和电动发电机mg1、电动发电机mg2产生车辆的行驶用转矩。
38.另外，电动发电机mg1和电动发电机mg2不仅产生旋转转矩，也具有将从外部对电动发电机mg1或电动发电机mg2施加的机械能转换为电力的功能。
39.电动发电机mg1、mg2例如是同步电动机或感应电动机，如上所述，取决于运转方法既作为电动机又作为发电机工作。在机动车中搭载电动发电机mg1、mg2的情况下，要求小型且获得高输出，使用钕等磁体的永磁体型的同步电动机是适合的。另外，永磁体型的同步电动机与感应电动机相比转子的发热更少，在该观点上，用于机动车是优秀的。
40.发动机egn的输出侧和电动发电机mg2的输出转矩经由动力分配机构tsm传递至电动发电机mg1，来自动力分配机构tsm的旋转转矩或电动发电机mg1产生的旋转转矩经由变速机tm和差动齿轮dif传递至车轮。另一方面，再生制动的运转时，旋转转矩从车轮传递至电动发电机mg1，基于供给来的旋转转矩产生交流电力。
41.产生的交流电力如后所述被电力转换装置200转换为直流电力，对高电压用的电池136充电，充电的电力再次被用作行驶能量。另外，高电压用的电池136蓄积的电力变少的情况下，能够用电动发电机mg2将发动机egn产生的转动能变换为交流电力，接着用电力转换装置200将交流电力转换为直流电力，对电池136充电。从发动机egn对电动发电机mg2的机械能的传递由动力分配机构tsm进行。
42.接着对于电力转换装置200进行说明。升压电路600、逆变器电路140、142经由直流连接器138与电池136电连接，用升压电路600使电池136的电压升高，升压后的电路201在逆变器电路140、142相互之间进行电力的传递。
43.使电动发电机mg1作为电动机工作的情况下，逆变器电路140基于经由直流连接器138从电池136供给的直流电力产生交流电力，经由交流端子188对电动发电机mg1供给。由电动发电机mg1和逆变器电路140构成的结构作为第一电动发电单元工作。
44.同样地，使电动发电机mg2作为电动机工作的情况下，逆变器电路142基于经由直流连接器138从电池136供给的直流电力产生交流电力，经由交流端子(导体部件)159对电动发电机mg2供给。由电动发电机mg2和逆变器电路142构成的结构作为第二电动发电单元工作。
45.第一电动发电单元和第二电动发电单元与运转状态相应地存在使双方作为电动机或发电机运转的情况、或者使它们分用途地运转的情况。另外，也能够使一方不运转而是停止。另外，本实施方式中，用电池136的电力使第一电动发电单元作为电动单元工作，由此能够仅用电动发电机mg1的动力进行车辆的驱动。进而，本实施方式中，通过使第一电动发电单元或第二电动发电单元作为发电单元通过发动机120的动力或来自车轮的动力工作并发电，能够进行电池136的充电。
46.另外，图1中有所省略，但电池136也进而用作驱动辅助设备用的电动机用的电源。作为辅助设备用的电动机，例如是驱动空气调节机的压缩机的电动机、或者驱动控制用的液压泵的电动机。从电池136对辅助设备用功率模块供给直流电力，辅助设备用功率模块产生交流电力并供给至辅助设备用的电动机。辅助设备用功率模块与逆变器电路140基本具有同样的电路结构和功能，控制对辅助设备用的电动机供给的交流的相位和频率、电力。另外，电力转换装置200具有用于使对逆变器电路140供给的直流电力平滑化的电容器模块500。
47.电力转换装置200具有从上级控制装置接受指令或对上级控制装置发送表示状态的数据用的通信用的连接器21。电力转换装置200基于来自连接器21的指令用控制电路172运算电动发电机mg1和电动发电机mg2、辅助设备用的电动机的控制量，进而运算是作为电动机运转还是作为发电机运转，基于运算结果发生控制脉冲，将该控制脉冲供给至驱动电路174和辅助设备用模块的驱动电路。驱动电路174基于供给的控制脉冲，发生控制逆变器电路140、142用的驱动脉冲。
48.接着，用图2说明升压后的电路201中逆变器电路140、142的电路的结构。其中，2个
逆变器电路140、142的电路结构和动作都非常类似，也存在仅用1个电动发电机mg1既作为电动机又作为发电机工作的控制方法，因此以下主要说明逆变器电路140。另外，以下使用绝缘栅型双极晶体管作为半导体元件，以下简记作igbt。
49.由上臂的igbt328和二极管156、以及下臂的igbt330和二极管166构成上下臂串联电路150。逆变器电路140与要输出的交流电力的u相、v相、w相这三相对应地具有该上下臂串联电路150。
50.这三相在本实施方式中对应于电动发电机mg1的电枢绕组的三相的各相绕组。三相的各上下臂串联电路150从串联电路的中点部分即中间电极169输出交流电流。该中间电极(导体部件)169通过交流端子159和交流端子188，与通向电动发电机mg1的交流电力线即以下说明的交流汇流条802连接。
51.上臂的igbt328的集电极153经由正极端子(导体部件)157与电容器模块500的正极侧的电容器端子506电连接。另外，下臂的igbt330的发射极电极经由负极端子(导体部件)158与电容器模块500的负极侧的电容器端子504电连接。
52.如上所述，控制电路172从上级的控制装置经由连接器21接受控制指令，基于其发生构成构成逆变器电路140的各相的上下臂串联电路150的上臂或下臂的igbt328和igbt330用的控制信号即控制脉冲，并对驱动电路174供给。
53.驱动电路174基于上述控制脉冲，将控制构成各相的上下臂串联电路150的上臂或下臂的igbt328和igbt330用的驱动脉冲供给至各相的igbt328和igbt330。igbt328和igbt330基于来自驱动电路174的驱动脉冲，进行导通或切断动作，将从电池136供给的直流电力转换为三相交流电力，该变换后的电力被供给至电动发电机mg1。
54.上臂的igbt328具有集电极电极153、信号用发射极电极155和栅极电极154。另外，下臂的igbt330具有集电极电极163、信号用发射极电极165和栅极电极164。上臂的二极管156在集电极电极153与发射极电极155之间电连接。另外，二极管166在集电极电极163与发射极电极165之间电连接。
55.也可以使用金属氧化物半导体型场效应晶体管(以下简记作mosfet)作为开关用功率半导体元件，该情况下不需要二极管156和二极管166。作为开关用功率半导体元件，igbt适合直流电压比较高的情况，mosfet适合直流电压比较低的情况。
56.电容器模块500具有多个正极侧的电容器端子506、多个负极侧的电容器端子504、正极侧的电源端子509和负极侧的电源端子508。来自电池136的高电压的直流电力经由直流连接器138对正极的电源端子509和负极侧的电源端子508供给，从电容器模块500的正极侧的电容器端子506和负极侧的电容器端子504对逆变器电路140供给。
57.另一方面，被逆变器电路140和逆变器电路142从交流电力转换成的直流电力从正极侧的电容器端子506和负极侧的电容器端子504对电容器模块500供给，从正极侧的电源端子509和负极侧的电源端子508经由直流连接器138对电池136供给，蓄积在电池136中。
58.控制电路172具有对igbt328和igbt330的开关时机进行运算处理用的微型计算机(以下记作“微机”)。作为对微机的输入信息，有对电动发电机mg1要求的目标转矩值、从上下臂串联电路150对电动发电机mg1供给的电流值和电动发电机mg1的转子的磁极位置。
59.目标转矩值是基于从未图示的上级控制装置输出的指令信号得到的。电流值是基于电流传感器180的检测信号检出的。磁极位置是基于从电动发电机mg1中设置的同步分解
器等旋转磁极传感器(未图示)输出的检测信号检出的。本实施方式中，举出了电流传感器180检测三相的电流值的情况为例，但也可以检测两相的电流值，通过运算求出三相的电流。
60.控制电路172内的微机基于目标转矩值运算电动发电机mg1的d轴、q轴的电流指令值，基于该运算得到的d轴、q轴的电流指令值、与检出的d轴、q轴的电流值的差分运算d轴、q轴的电压指令值，将该运算得到的d轴、q轴的电压指令值基于检出的磁极位置变换为u相、v相、w相的电压指令值。然后，微机基于根据u相、v相、w相的电压指令值得到的基本波(正弦波)和载波(三角波)的比较生成脉冲状的调制波，将该生成的调制波作为pwm(脉冲宽度调制)信号输出至驱动电路174。
61.驱动电路174驱动下臂的情况下，将对pwm信号放大得到的驱动信号输出至对应的下臂的igbt330的栅极电极。另外，驱动电路174驱动上臂的情况下，使pwm信号的基准电位的水平平移至上臂的基准电位的水平之后对pwm信号放大，将其作为驱动信号，分别输出至对应的上臂的igbt328的栅极电极。
62.另外，控制电路172内的微机进行异常检测(过电流、过电压、过热等)，保护上下臂串联电路150。因此，对控制电路172输入传感信息。例如，从各臂的信号用发射极电极155和信号用发射极电极165将各igbt328和igbt330的发射极电极中流动的电流的信息输入至对应的驱动部(ic)。由此，各驱动部(ic)进行过电流检测，在检测出过电流的情况下使对应的igbt328、igbt330的开关动作停止，保护对应的igbt328、igbt330不受过电流影响。
63.从上下臂串联电路150中设置的温度传感器(未图示)将上下臂串联电路150的温度信息输入至微机。另外，对微机输入上下臂串联电路150的直流正极侧的电压的信息。微机基于这些信息进行过热检测和过电压检测，在检测出过热或过电压的情况下使全部igbt328、igbt330的开关动作停止。
64.用图3～7示出本实施方式中的电力转换装置200的概略结构。图3是电力转换装置200的立体图和截面立体图。图4是分解立体图。图5是功率半导体模块的立体图和截面图。图6是功率半导体模块的分解立体图。图7是单个热管的立体图和截面图。本实施方式的电力转换装置200中，按仅用1个电动发电机mg1既作为电动机又作为发电机工作的例子、即逆变器电路140仅有1个的例子进行说明，但也能够如图1～2所示，追加逆变器电路142。本结构通过使平面视图下的形状成为大致长方形，具有易于安装在车辆和电动发电机中的效果。
65.电力转换装置200具有功率半导体模块150a、电容器模块500、驱动电路板174a和控制电路板172a，上述驱动电路174安装在驱动电路板174a上，控制电路172安装在控制电路板172a上。此处的实施例中驱动电路板174a与控制电路板172a是一体结构，但也可以按各种功能分为2片电路板。
66.3个功率半导体模块150a被半导体模块部分支流路(水路)24(上述图10的散热部件)夹着。半导体模块部分支流路24与使电容器模块的一部分散热的电容器部流路23一同连接至往路汇流流路25a和返路汇流流路25b。往路汇流流路25a连接至入口管30a，返路汇流流路25b连接至出口管30b，构成冷却剂流过的流路。另外，此处说明的流路结构通过用铸铝等制法制作覆盖整体的壳体，不仅能够将壳体用作支承较多的部件的结构部件，也可以使其发挥散热用流路形成体的功能。
67.本实施例中在相邻的模块150a的散热器之间没有设置其他部件而是共用流路，因此是在功率半导体模块150a部分支为四条支路的流路结构。如b-b＇截面图(图3c)的冷却剂行进方向20所示，分支并被导向半导体模块150a的冷却剂与igbt(328、330)和二极管(156、166)的位置和尺寸相应地，部分地使流路截面缩小，由此在发热元件附近使冷却剂流速增加，提高导热率而提高了散热性。上述实施方式中，半导体模块部分支流路24(散热部件)内部的流路是简单的增大缩小流路，但例如也可以设置针状翅片或平直翅片或波纹翅片等而增大散热面积并且因湍流效果而提高局部导热率。
68.功率半导体模块150a收纳上述上下臂串联电路150，被进行灌封成型(potting mold)或传递成型(transfer mold)得到的密封固定树脂部件152覆盖，减轻igbt(328、330)和二极管(156、166)与导体部件(157、158、159、169)的金属接合部的反复塑性变形而改善功率周期寿命。在密封固定树脂部件152上设置了树脂部件贯通孔152a，能够使上述往路汇流流路25a和反路汇流流路25b贯通。由此，半导体模块部分支流路24能够压紧而不从功率半导体模块150a脱落。另外，作为变形例，也可以不设置树脂部件贯通孔152a，而是构成为使往路汇流流路25a和返路汇流流路25b跨半导体模块的侧部地配置。
69.图5a和图5b的例子中用密封固定树脂部件152覆盖整体，并且在其上进而在两面设置绝缘片10，经由绝缘片向散热部件24散热。此处如果是在切除密封固定树脂部件152的一部分而使导体部件(157、158、159、169)裸露的状态(即密封固定树脂部件152的外表面与导体部件的表面在大致同一面上重叠的状态)下仅用绝缘片10绝缘的结构，则能够与从散热通路中除去导热率低的密封固定树脂部件相应地提高冷却性能。另外，如果仅用密封固定树脂部件152就能够确保绝缘性，则也能够省去绝缘片10，与除去绝缘片相应地提高冷却性能。
70.另外，控制针脚、信号针脚、温度输出针脚等从功率半导体模块150a经由驱动电路板174a连接至控制电路板172a，交换栅极信号和发射极感测信号和功率半导体内置温度传感器的信息。图6的例子中，为了简化说明，在其中将栅极电极164和信号用发射极电极165用线161连接至上臂的igbt328和下臂的igbt330。
71.上臂的igbt328和二极管156被正极端子157和中间电极169夹着。中间电极169与交流端子159电连接。下臂的igbt330和二极管166被上述交流端子159和负极端子158夹着。
72.对于正极端子157，连接模块侧正极汇流条157b。对于交流端子159，连接模块侧交流汇流条159b。对于负极端子158，连接模块侧负极汇流条158b。模块侧正极汇流条157b、负极汇流条158b和交流汇流条159b分别与电容器侧正极汇流条157a、电容器侧负极汇流条158a和输出侧交流汇流条159a金属接合。此时，模块侧正极汇流条157b和负极汇流条158b是相互邻接的电极结构，因此为了使各自产生的磁场相互抵消，电流反向地流动。由此，具有减小互感、抑制上升电压的效果。
73.驱动电路板174a和控制电路板172a与未图示的金属制的壳体热连接，使热通过导热率高的金属部件向流路内的冷却剂发散。栅极电极164和信号用发射极电极165通过连接器与驱动电路板174a连接。连接器与柔性的线缆连接。通过使用柔性的线缆，能够实现耐振动性优良的电接合。在控制电路板172a上也设置其他连接器，经由该连接器与外部的控制装置连接。由此在控制电路板172a上设置的控制电路172与上级控制装置等外部的控制装置之间进行信号传输。
74.此处，电容器侧的正极汇流条157a和负极汇流条158a在流过大电流时发热，因此需要使热不会侵入功率半导体模块150a。现有技术中，与电容器连接的正极端子157和负极端子158仅具有使大电流在igbt(328、330)和二极管(156、166)中流过的功能。本发明中，通过采用图7所示的、封入了冷却剂的封入冷却剂的金属管40(热管、均热板)作为正极负极端子，而使其也具有热扩散的功能。通过使该电极与半导体模块部分支流路24热接触能够散热。由此具有改善igbt(328、330)和二极管(156、166)的热疲劳寿命的效果。
75.如上所述，构成为封入冷却剂的金属管40的正极端子157、负极端子158、交流端子159分别与模块侧正极汇流条157b、负极汇流条158b、交流汇流条159b分体地构成。由此，与电容器侧正极汇流条157a和电容器侧负极汇流条158a、或输出侧交流汇流条159a进行焊接等金属接合作业的情况下，不会将封入冷却剂的金属管40直接焊接。
76.另外，与外部的汇流条的接合场所受到电力转换装置整体的布局影响，但通过使模块侧正极汇流条157b、负极汇流条158b、交流汇流条159b成为与封入冷却剂的金属管40分体的，能够用共通的形状、尺寸的封入冷却剂的金属管40构成正极端子157、负极端子158和交流端子159。即，仅批量生产一种封入冷却剂的金属管40即可，可以期待改善批量生产性、降低成本的效果。
77.封入冷却剂的金属管40如图6～7所示，成大致l字形状。即，封入冷却剂的金属管40具有与igbt(328、330)和二极管(156、166)接合的较窄部和与汇流条(157b、158b、159b)接合的较宽部。对于较窄部，与igbt和二极管的尺寸相应地决定大致的宽度。较宽部与较窄部相比横向宽度更宽，能够确保更大的散热面积。较窄部配置在密封固定树脂部件152的内部。较宽部的一部分向密封固定树脂部件152的外部露出(参考图5a)。
78.封入冷却剂的金属管40中存在空腔部和细小流路42(毛细管、烧结体、沟、凹凸：未图示)，以为了在该细小流路中封入冷却剂而在上部设置了冷却剂注入管和密封口41为特征。冷却剂注入管和密封口41如图5a所示，从密封固定树脂部件152露出。换言之，由此，在灌封成型或传递成型的工序之后，能够封入冷却剂。
79.这样，上述本实施例中，特征在于在半导体元件(330、166)的两面侧配置的一对导体部件(158、159)的内部封入了冷却剂。由此，能够向配置在一对导体部件的外面侧的一对散热部件(24)高效率地散热。本实施例中，中间电极169中没有封入冷却剂，但也可以以与其他导体板同样地构成为封入冷却剂的金属管的方式变形。
80.另外，上述实施方式中，以电动车或混合动力车中搭载的车载用的电力转换装置为例进行了说明，但只要是使功率模块浸入冷却剂中的冷却结构的电力转换装置，就能够同样地应用本发明。
81.实施例2
82.图8～9表示实施例2的电力转换装置200的概略结构。实施例1中并联地配置了3条半导体模块部分支流路24，但本实施例中代替并联配置地改为串联地配置。由此，能够使四支路流路改为两支路流路。对于能够容许较大的压力损失的系统，通过减少分支数，使结构简化，每一个模块的流量增大，导热率增大，因此能够改善冷却性能。
83.通过将构成电力转换装置200的各种部件中比较重要的较大的电容器模块500配置在最下方，使半导体模块部分支流路24兼用作对电容器模块500进行冷却的电容器部流路23，能够兼顾电容器的冷却和功率模块的冷却。如果是该结构，则能够使电力转换装置
200的高度减小。通过减小电力转换装置的高度，能够对于为了实现行驶稳定性而使重心较低、要求低底板配置的车种实现。
84.上述各实施方式可以分别单独地或组合地使用。这是因为各实施方式的效果能够单独或协同地实现。另外，只要不损害本发明的特征，本发明就不限定于上述实施方式。
85.附图标记说明
86.10：绝缘片
87.20：冷却剂行进方向
88.23：电容器部流路
89.24：半导体模块部分支流路(散热部件)
90.25a：往路汇流流路
91.25b：返路汇流流路
92.30a：入口管
93.30b：出口管
94.40：封入冷却剂的金属管(热管、均热板)
95.41：冷却剂注入管和密封口
96.42：空腔部和细小流路(毛细管、烧结体、沟、凹凸：未图示)
97.120：发动机
98.136：电池
99.138：直流连接器
100.140、142：逆变器电路
101.150：上下臂串联电路
102.150a：2in1功率半导体模块
103.152：密封固定树脂部件
104.152a：树脂部件贯通孔
105.153：上臂的igbt的集电极电极
106.154：栅极电极
107.155：信号用发射极电极
108.156：上臂的二极管(元件)
109.157：正极端子
110.157a：电容器侧正极汇流条
111.157b：模块侧正极汇流条
112.158：负极端子
113.158a：电容器侧负极汇流条
114.158b：模块侧负极汇流条
115.159、188：交流端子
116.159a：输出侧交流汇流条
117.159b：模块侧交流汇流条
118.161：线
119.163：下臂的igbt的集电极电极
120.164：栅极电极
121.165：信号用发射极电极
122.166：下臂的二极管(元件)
123.169：中间电极
124.172：控制电路
125.172a：控制电路板
126.174：驱动电路
127.174a：驱动电路板
128.180：电流传感器
129.200：电力转换装置
130.328：上臂的igbt(元件)
131.330：下臂的igbt(元件)
132.500：电容器模块
133.504：负极侧的电容器端子
134.506：正极侧的电容器端子
135.508：负极侧的电源端子
136.509：正极侧的电源端子
137.600：升压电路
138.802：交流汇流条。