CN105849903A - 电力转换装置及电源模块 - Google Patents

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Abstract

包括：开关元件，该开关元件通过开关进行电力转换；绝缘基板，该绝缘基板具有彼此为正反关系的第一表面和第二表面；第一电路，该第一电路与开关元件电连接，并固接于绝缘基板的第一表面；第二电路，该第二电路形成为与第一电路相同的形状，并固接于绝缘基板的第二表面；以及底座，该底座通过粘接层粘接第二电路，第一电路和第二电路在各自的平面形状中的角落部包括应力缓和部，该应力缓和部的厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸小。

Description

电力转换装置及电源模块
技术领域
本发明涉及装设于汽车等移动体的车载用等的电力转换装置、以及在该电力转换装置等中使用的电源模块。
背景技术
众所周知，车载用等的电力转换装置包括逆变器电路，该逆变器电路进行车载电池等直流电源与车载驱动用等的交流旋转电机之间的直流/交流电力转换。该逆变器电路由多个开关元件构成，这多个开关元件由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管)等功率半导体元件构成，通常，上述开关元件和与其并联连接的续流二极管一起安装于第一电路，该第一电路设于绝缘基板的第一表面(例如通常是称为绝缘基板的“上表面”或“正面”的面)。
绝缘基板包括：与上述开关元件和续流二极管连接的上述第一电路；以及设于与第一表面相反一侧的表面即第二表面(例如通常是称为绝缘基板的“下表面”或“反面”的面)的第二电路。上述开关元件、续流二极管和绝缘基板通常由树脂一体模塑而成，并作为称为所谓电源模块的单体零件加以提供。
在上述电源模块中，通常，绝缘基板的第二电路利用锡焊等形成的粘接层粘接于金属底座的第一表面(例如通常是称为金属底座的“上表面”或“正面”的面)。金属底座在与第一表面相反一侧的表面即第二表面(例如通常是称为金属底座的“下表面”或“反面”的面)设有被盖覆盖的翅片，翅片与在盖内流通的水等冷却流体直接接触而被冷却。藉此，能降低从发热体即开关元件和续流二极管经由金属底座和翅片到达冷却流体为止的热传导路径的热阻。
另外，在专利文献1公开的现有的电力转换装置中，省略了设于电源模块的绝缘基板的第二表面的第二电路，在刚度较低且柔软的带翅片的金属底座上粘接绝缘基板，实现了热阻降低和高可靠性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006－4961号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
上述现有的电力转换装置的电源模块中的绝缘基板由例如陶瓷制的氮化硅或氮化铝等构成，并通过锡焊等方法固接于由铜、铝等形成的金属底座的第一表面。另一方面，电源模块因开关元件的开关动作而反复发热和冷却，因此，电源模块内的各构件根据各个构件的线性膨胀系数反复进行线性膨胀。一般而言，构成金属底座的铜、铝等金属和构成绝缘基板的陶瓷制的氮化硅、氮化铝等的线性膨胀系数有很大的差异。因此，在将金属底座和绝缘基板粘接在一起的由锡焊等形成的粘接层中会产生最大的热应变。另外，设于绝缘基板的第一电路及第二电路由铜、铝等金属构成，但厚度较薄，刚度较低，因此，几乎不对绝缘基板的线性膨胀产生影响。
为了确保应对锡焊等形成的粘接层的热应变等的可靠性，需要降低刚度较高的金属底座的强度，或增大设于绝缘基板的第一电路、第二电路的厚度以提高绝缘基板的刚度，但在降低金属底座的强度的情况下，耐振性会变差，因此，存在因金属底座的强度不足而经不住车辆的振动这样的技术问题，另一方面，在增大绝缘基板的电路的厚度的情况下，存在因电路的四个角落的接合部中产生的应力而在绝缘基板中产生裂缝这样的技术问题。
本发明是为解决现有的电力转换装置中的上述技术问题而作的，其目的在于提供一种电力转换装置及电源模块，其能缓和将电力转换装置内的底座与粘接于绝缘基板的电路粘接在一起的粘接层的热应变，而且也能确保耐振动性，且可靠性较高。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的电力转换装置进行直流电与交流电之间的电力转换，其特征在于，包括：开关元件，该开关元件通过开关(switching)进行上述电力转换；绝缘基板，该绝缘基板具有彼此为正反关系的第一表面和第二表面；第一电路，该第一电路与上述开关元件电连接，并固接于上述绝缘基板的上述第一表面；第二电路，该第二电路形成为与上述第一电路相同的形状，并固接于上述绝缘基板的上述第二表面；以及底座，该底座通过粘接层粘接上述第二电路，上述第一电路和上述第二电路在各自的平面形状中的角落部包括应力缓和部，该应力缓和部的厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸小。
另外，本发明的电力转换装置进行直流电与交流电之间的电力转换，其特征在于，包括：开关元件，该开关元件通过开关(switching)进行上述电力转换；绝缘基板，该绝缘基板具有彼此为正反关系的第一表面和第二表面；第一电路，该第一电路与上述开关元件电连接，并固接于上述绝缘基板的上述第一表面；第二电路，该第二电路形成为与上述第一电路相同的形状，并固接于上述绝缘基板的上述第二表面；第一底座，该第一底座具有凹部；第二底座，该第二底座具有彼此构成正反的第一表面和第二表面，该第二表面固接于上述第一底座，并且覆盖上述凹部的开口部；翅片，该翅片设于上述第二底座的上述第二表面，并收纳于上述凹部的内部；以及粘接层，该粘接层将上述第二电路固接于上述第二底座的上述第一表面，上述凹部构成供对上述翅片进行冷却的冷却流体流通的冷却流体通路的至少一部分，上述第二底座具有比上述第一底座的厚度尺寸小的厚度尺寸，上述第一电路和上述第二电路在各自的平面形状中的角落部包括应力缓和部，该应力缓和部的厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸小。
此外，本发明的电源模块在电力转换装置中使用，该电力转换装置进行直流电与交流电之间的电力转换，上述电源模块的特征在于，包括：开关元件，该开关元件进行开关动作；绝缘基板，该绝缘基板具有彼此为正反关系的第一表面和第二表面；第一电路，该第一电路与上述开关元件电连接，并固接于上述绝缘基板的上述第一表面；第二电路，该第二电路形成为与上述第一电路相同的形状，并固接于上述绝缘基板的上述第二表面；以及树脂，该树脂将上述开关元件、上述绝缘基板、上述第一电路及上述第二电路一体模塑，上述第一电路和上述第二电路在各自的平面形状中的角落部包括应力缓和部，该应力缓和部的厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸小。
发明效果
根据本发明的电力转换装置，包括：开关元件，该开关元件通过开关进行电力转换；绝缘基板，该绝缘基板具有彼此为正反关系的第一表面和第二表面；第一电路，该第一电路与上述开关元件电连接，并固接于上述绝缘基板的上述第一表面；第二电路，该第二电路形成为与上述第一电路相同的形状，并固接于上述绝缘基板的上述第二表面；以及底座，该底座通过粘接层粘接上述第二电路，上述第一电路和上述第二电路在各自的平面形状中的角落部包括应力缓和部，该应力缓和部的厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸小，因此，能够获得一种能缓和将电力转换装置内的底座和第二电路粘接在一起的粘接层的热应变、而且也能确保耐振动性、且可靠性较高的电力转换装置。
另外，根据本发明的电力转换装置，包括：开关元件，该开关元件通过开关进行电力转换；绝缘基板，该绝缘基板具有彼此为正反关系的第一表面和第二表面；第一电路，该第一电路与上述开关元件电连接，并固接于上述绝缘基板的上述第一表面；第二电路，该第二电路形成为与上述第一电路相同的形状，并固接于上述绝缘基板的上述第二表面；第一底座，该第一底座具有凹部；第二底座，该第二底座具有彼此构成正反的第一表面和第二表面，该第二表面固接于上述第一底座，并且覆盖上述凹部的开口部；翅片，该翅片设于上述第二底座的上述第二表面，并收纳于上述凹部的内部；以及粘接层，该粘接层将上述第二电路固接于上述第二底座的上述第一表面，上述凹部构成供对上述翅片进行冷却的冷却流体流通的冷却流体通路的至少一部分，上述第二底座具有比上述第一底座的厚度尺寸小的厚度尺寸，上述第一电路和上述第二电路在各自的平面形状中的角落部包括应力缓和部，该应力缓和部的厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸小，因此，能够获得一种能缓和将电力转换装置内的底座和第二电路粘接在一起的粘接层的热应变、而且也能确保耐振动性、且可靠性较高的电力转换装置。
此外，根据本发明的电源模块，包括：开关元件，该开关元件进行开关动作；绝缘基板，该绝缘基板具有彼此为正反关系的第一表面和第二表面；第一电路，该第一电路与上述开关元件电连接，并固接于上述绝缘基板的上述第一表面；第二电路，该第二电路形成为与上述第一电路相同的形状，并固接于上述绝缘基板的上述第二表面；以及树脂，该树脂将上述开关元件、上述绝缘基板、上述第一电路及上述第二电路一体模塑，上述第一电路和上述第二电路在各自的平面形状中的角落部包括应力缓和部，该应力缓和部的厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸小，因此，在应用于电力转换装置的情况下，能够获得一种能缓和将电力转换装置内的底座与电源模块的第二电路粘接在一起的粘接层的热应变、而且也能确保耐振动性、且可靠性较高的电力转换装置。
附图说明
图1是表示本发明实施方式一的电力转换装置及电源模块的剖视图。
图2是表示本发明实施方式一的电力转换装置中的电源模块的绝缘基板及第一电路的立体图。
图3是表示本发明实施方式一的电力转换装置中的电源模块的绝缘基板及第一电路的变形例的立体图。
图4是表示本发明实施方式一的电力转换装置中的电源模块的绝缘基板及第一电路的另一变形例的立体图。
图5是表示作为本发明的基础的电力转换装置及电源模块的剖视图。
具体实施方式
作为发明的基础的电力转换装置
首先，为了更好地理解本发明的电力转换装置及电源模块，对作为本发明的基础的电力转换装置及电源模块进行说明。图5是作为本发明的基础的电力转换装置及电源模块的剖视图。在图5中，由IGBT等功率半导体元件构成的开关元件1和与该开关元件1并联连接的续流二极管2通过锡焊安装于第一电路3，该第一电路3设于绝缘基板5的第一表面(图5中相当于“上表面”)。
设于绝缘基板5的第二表面(图5中相当于“下表面”或“反面”)52的第二电路4利用锡焊形成的粘接层10粘接于金属底座13的第一表面(图5中相当于“上表面”)131。金属制的翅片12一体成型或固接于金属底座13的第二表面(图5中相当于“下表面”或“反面”)132。盖14固定于金属底座13的第二表面132，并液密地包围翅片15。
盖14的内部是供水等冷却流体流通的冷却流路15。由盖14包围的翅片12与在冷却流体流路15中流通的冷却流体直接接触而被冷却。这样利用冷却流体直接冷却翅片12，能降低从开关元件1、续流二极管2到冷却流体为止的热阻。包括开关元件1、续流二极管2、第一电路3及第二电路4在内的绝缘基板5被树脂8一体模塑，以构成单体的电源模块9。
图5所示的作为本发明的基础的电力转换装置中的电源模块的绝缘基板5由例如陶瓷制的氮化硅或氮化铝(aluminum nitride)等构成，并利用锡焊等形成的粘接层10粘接于由铜、铝等形成的金属底座13的第一表面131。另一方面，电源模块因开关元件1的开关动作而反复发热和冷却，因此，电源模块内的各构件根据各个构件的线性膨胀系数反复进行线性膨胀。
如上所述，构成金属底座13的铜、铝等金属和构成绝缘基板5的陶瓷制的氮化硅、氮化铝等的线性膨胀系数有很大的差异。因此，在将金属底座13和绝缘基板粘接在一起的由锡焊等形成的粘接层10中会产生最大的热应变。另外，设于绝缘基板5的第一电路3及第二电路4由铜、铝等金属构成，但厚度较薄，刚度较低，因此，几乎不对绝缘基板5的线性膨胀产生影响。
实施方式一
接着，对本发明实施方式一的电力转换装置及电源模块进行说明。图1是表示本发明实施方式一的电力转换装置及电源模块的剖视图。在图1中，绝缘基板5由氮化硅或氮化铝构成，厚度1“mm”左右的铜制的后述第一电路3通过钎焊固接于绝缘基板5的第一表面(图1中相当于“上表面”)51。另外，厚度1“mm”左右的铜制的第二电路4通过钎焊固接于绝缘基板5的第二表面(图1中相当于“下表面”或“反面”)52。
由IGBT等功率半导体元件构成的开关元件1和与该开关元件1并联连接的续流二极管2通过锡焊或烧结粘接于绝缘基板5的第一电路3，并被电连接。设于绝缘基板5的第二表面52的第二电路4利用锡焊或烧结形成的粘接层10粘接于第二底座11的第一表面(图1中相当于“上表面”)111，并被电连接，上述第二底座11固定于由铜、铝等金属形成的第一底座13的薄壁部131。包括开关元件1、续流二极管2、第一电路3及第二电路4在内的绝缘基板5被树脂8一体模塑，以构成单体的电源模块9。
第二底座11由铜、铝等金属形成，与厚度尺寸较大的第一底座13相比，第二底座11的厚度尺寸较小，例如形成为数毫米左右的厚度尺寸。翅片12一体成型或固接于该第二底座11的第二表面(图1中相当于“下表面”或“反面”)112。在第一底座13的薄壁部131形成有凹部132，设于第二底座11的第二表面112的翅片12隔着间隙收纳于第一底座13的凹部132内。
第一底座13的凹部132被第二底座11液密地密封，以构成供水等冷却流体流通的冷却流体通路。翅片12与在冷却流体流路15中流通的冷却流体直接接触而被冷却。这样利用冷却流体直接冷却翅片12，能降低从开关元件1、续流二极管2及第二底座11到冷却流体为止的热阻。
接着，对上述第一电路3和第二电路4的结构进行说明。图2是表示本发明实施方式一的电力转换装置中的绝缘基板及第一电路的立体图。在图2中，通过钎焊固接于绝缘基板5的第一表面51的第一电路3的四个部位的角落部形成为圆弧状，在与该角落部相对应的部分设置由厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸薄的台阶部构成的应力缓和部32。在实施方式一中，第一电路3的应力缓和部32形成为内圆弧33比外圆弧31大的形状。另外，第二电路4形成为与第一电路3相同的形状，在四个部位的角落部设置有形状与第一电路3的应力缓和部32的形状相同的应力缓和部42。
为了降低电源模块的热阻，由热传递比铝高的铜制成第一电路3和第二电路4是较为理想的，但绝缘基板5比金属脆，因此，一般将第一电路3和第二电路4设为0.3“mm”左右的厚度尺寸较薄的铜制的电路。但是，即便在将第一电路3和第二电路4的厚度尺寸增大至0.8“mm”左右的情况下，也能通过设置第一电路3的应力缓和部32和第二电路4的应力缓和部42来降低在第一电路3和第二电路4的四个角落部产生的应力。
通过将第一电路3和第二电路4的形状以及第一电路3的应力缓和部32和第二电路4的应力缓和部42的形状设为相同，能使因绝缘基板5的朝第一表面51的方向的变形和朝第二表面的方向的变形而产生的应力抵消并加以抑制，因此，能以绝缘基板5不产生裂缝的方式增大绝缘基板5整体的线性膨胀，因此，能降低粘接层10中产生的热应变。另外，绝缘基板5被树脂8密封，因此，能增大绝缘基板5的线性膨胀，并能降低粘接层10中产生的热应变。
通过调节第一电路3的应力缓和部32和第二电路4的应力缓和部42的台阶的形状、大小、深度，能进一步降低热应变。即，图3是表示本发明实施方式一的电力转换装置中的绝缘基板及第一电路的变形例的立体图。图3所示的第一电路3的应力缓和部34由大致相同宽度的扇形的台阶部构成。另外，虽未图示，但第二电路4也形成为与第一电路3相同的形状，且包括形状与第一电路3的应力缓和部34的形状相同的应力缓和部。
图4是表示本发明实施方式一的电力转换装置中的绝缘基板及第一电路的另一变形例的立体图。图4所示的第一电路3的应力缓和部35是由在第一电路3的四个角落相对于侧缘以大致45度的角度延伸的台阶部构成的。另外，虽未图示，但第二电路4也形成为与第一电路3相同的形状，且包括形状与第一电路3的应力缓和部35的形状相同的应力缓和部。
如上所述，通过将第二底座11的厚度尺寸设为数毫米，能减小第二底座11的刚度，并能降低粘接层10中产生的热应变。通过焊接、摩擦搅拌接合或螺钉将刚度较低的第二底座11固定于刚度较高的第一底座13，藉此，能提高电力转换装置的耐振性，并能在缓和了粘接层10的热应变的状态下确保耐振性。
另外，通常，逆变器是通过将如上所述构成的电源模块排列多个而构成的，因此，若第二底座11与刚度比该第二底座11的刚度高的第一底座13的接合部位不仅仅是如图1所示的凹部132的周缘部，而且还将相邻的电源模块间的第二底座11和第一底座13的凹部132的宽度方向的中央部接合，则能进一步提高耐振性。
另外，在以上所述的实施方式一中，若在将第二底座11和刚度较高的第一底座13接合之后连接电源模块中的第二电路4，则变为逆变器的尺寸、形状确定后的连接工作，从而导致设备大型化且复杂化，因此，尤其在利用锡焊进行连接的情况下，热容量较大，接合极其困难，但通过先连接第二底座11和电源模块的第二电路4，从而能大幅提高工作效率，并能选择可靠性较高的连接方法。
另外，本发明能在发明的范围内对实施方式恰当地进行变形、省略。
工业上的可利用性
本发明能在例如混合动力汽车等的电力转换装置以及汽车等车辆的领域中使用。
(符号说明)
1 开关元件
2 续流二极管
3 第一电路
4 第二电路
5 绝缘基板
32、34、35、42 应力缓和部
8 树脂
9 电源模块
10 粘接层
11 第二底座
13 第一底座
12 翅片
14 盖
15 冷却流体通路
131 薄壁部
132 凹部

Claims (6)

1.一种电力转换装置，进行直流电与交流电之间的电力转换，其特征在于，包括：
开关元件，该开关元件通过开关进行所述电力转换；
绝缘基板，该绝缘基板具有彼此为正反关系的第一表面和第二表面；
第一电路，该第一电路与所述开关元件电连接，并固接于所述绝缘基板的所述第一表面；
第二电路，该第二电路形成为与所述第一电路相同的形状，并固接于所述绝缘基板的所述第二表面；以及
底座，该底座通过粘接层粘接所述第二电路，
所述第一电路和所述第二电路在各自的平面形状中的角落部包括应力缓和部，该应力缓和部的厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸小。
2.一种电力转换装置，进行直流电与交流电之间的电力转换，其特征在于，包括：
开关元件，该开关元件通过开关进行所述电力转换；
绝缘基板，该绝缘基板具有彼此为正反关系的第一表面和第二表面；
第一电路，该第一电路与所述开关元件电连接，并固接于所述绝缘基板的所述第一表面；
第二电路，该第二电路形成为与所述第一电路相同的形状，并固接于所述绝缘基板的所述第二表面；
第一底座，该第一底座具有凹部；
第二底座，该第二底座具有彼此构成正反的第一表面和第二表面，该第二表面固接于所述第一底座，并且覆盖所述凹部的开口部；
翅片，该翅片设于所述第二底座的所述第二表面，并收纳于所述凹部的内部；以及
粘接层，该粘接层将所述第二电路固接于所述第二底座的所述第一表面，
所述凹部构成供对所述翅片进行冷却的冷却流体流通的冷却流体通路的至少一部分，
所述第二底座具有比所述第一底座的厚度尺寸小的厚度尺寸，
所述第一电路和所述第二电路在各自的平面形状中的角落部包括应力缓和部，该应力缓和部的厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸小。
3.如权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述开关元件、所述绝缘基板、所述第一电路及所述第二电路构成利用树脂一体模塑成的电源模块。
4.如权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述开关元件、所述绝缘基板、所述第一电路及所述第二电路构成利用树脂一体模塑成的电源模块，
所述第二底座在通过所述粘接层粘接所述电源模块中的所述第二电路之后，固接于所述第一底座。
5.如权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第一底座包括厚度尺寸比其它部分的厚度尺寸小的薄壁部，
所述凹部形成于所述第一底座的薄壁部，
所述第二底座固接于所述第一底座的所述薄壁部。
6.一种电源模块，在电力转换装置中使用，该电力转换装置进行直流电与交流电之间的电力转换，
所述电源模块的特征在于，包括：
开关元件，该开关元件进行开关动作；
绝缘基板，该绝缘基板具有彼此为正反关系的第一表面和第二表面；
第一电路，该第一电路与所述开关元件电连接，并固接于所述绝缘基板的所述第一表面；
第二电路，该第二电路形成为与所述第一电路相同的形状，并固接于所述绝缘基板的所述第二表面；以及
树脂，该树脂将所述开关元件、所述绝缘基板、所述第一电路及所述第二电路一体模塑，
所述第一电路和所述第二电路在各自的平面形状中的角落部包括应力缓和部，该应力缓和部的厚度尺寸形成得比其它部分的厚度尺寸小。
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