JP6395164B1

JP6395164B1 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6395164B1
Application number: JP2017083571A
Authority: JP
Inventors: 健太藤井; 雄二白形; 政紀加藤; 武弘齋藤; 雅博上野; 友明島野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2037-04-20
Also published as: JP2018182220A

Abstract

【課題】簡易な構成で、確実に過電流を遮断する。
【解決手段】電力変換モジュール１００を備えた電力変換装置であって、電力変換モジュール１００は、リードフレーム１３と、リードフレーム１３上に設けられた半導体素子１４と、リードフレーム１３と半導体素子１４との間を接続する配線部材１５と、リードフレーム１３と半導体素子１４と配線部材１５を封止するモールド樹脂２０とを有し、配線部材１５にヒューズ部１６を設け、ヒューズ部１６の上側のエリアＲ２に設けられたモールド樹脂２０の厚さを、ヒューズ部１６の下側のエリアＲ１よりも薄くする。
【選択図】図３

Description

この発明は電力変換装置に関し、特に、構成部品が短絡故障した際の短絡電流を遮断する機能を有する電力変換装置に関するものである。

自動車業界において、ハイブリッド自動車および電気自動車のように、モータを用いて駆動する車両が近年さかんに開発されている。そのような車両は、モータ駆動用インバータ装置を有している。モータ駆動用インバータ装置は、バッテリを電源として、モータの駆動回路に高電圧の駆動電力を供給する。一般的に、モータ駆動用インバータ装置には、樹脂封止型の電力用半導体装置が用いられている。パワーエレクトロニクスの分野において、樹脂封止型の半導体装置は、キーデバイスとしての重要性がますます高まっている。

モータ駆動用インバータ装置に用いられている半導体装置においては、電力用半導体素子が、他の構成部品と共に樹脂封止されている。そのような樹脂封止型の半導体装置において、バッテリから電力が供給された状態で、電力用半導体素子が短絡故障、または、平滑コンデンサなどのスナバ回路用の電子部品が短絡故障すると、過大な短絡電流が流れる。具体的に説明すると、例えば、インバータ制御回路におけるゲート駆動回路の誤動作で、インバータの上下アームが短絡すると、電力用半導体素子に過電流が流れ、短絡故障が発生する。

短絡状態で、バッテリと駆動回路とを繋ぐリレーを接続するかまたは接続を継続すると、大電流により樹脂封止型の半導体装置が発煙および発火する。また、定格を超える過電流が流れることにより、インバータ装置に接続されているバッテリが損害を受けることも考えられる。こうした事態を回避するために、通常は、過大な電流を検知するセンサーを用いて、過大な電流が流れたときにスイッチング素子を高速に制御して電流を遮断している。しかしながら、上述のような発煙などの故障をより確実に防ぐために、不測の事態に対応するための更なる対策を施しておくことも有益と考えられる。

たとえば、電力用半導体装置とバッテリとの間に過電流遮断用ヒューズを挿入すれば、インバータとバッテリとの間に流れる過電流を阻止することができる。しかしながら、チップ型の過電流遮断用ヒューズは、非常に高価である。そのため、電力用半導体素子が短絡故障した際に、バッテリに流れ得る過電流を確実に遮断できる簡便且つ安価な過電流遮断機構が必要とされている。

ヒューズ部が設けられた従来の半導体装置は、例えば、特許文献１および特許文献２に記載されている。

特許文献１に記載の従来の半導体装置は、パワー素子の主電極に接続されたパワーリードを備えている。特許文献１では、パワー素子をモールド樹脂で封止すると共に、パワーリードをモールド樹脂部から外部に向けて突設させている。また、突設させたパワーリードの一箇所にヒューズ部を設けている。このとき、パワーリードに過電流が流れると、パワーリードの温度が上昇して、ヒューズ部が断裂する。これにより、過電流が遮断される。

特許文献２に記載の従来の半導体装置は、一方端と他方端とを有し、一方端側にて半導体素子の表面に接合され、かつ、他方端側に外部接続端子部を有する主回路配線を備えている。半導体素子と主回路配線の一方端とは、封止樹脂により封止されている。外部接続端子部は、封止樹脂から外部に露出している。外部接続端子部は、主回路配線に対して半導体素子の表面から離れる方向にバネ力が作用するように、バスバーに取り付けられている。このとき、半導体装置に過電流が流れると、温度が上昇し、封止樹脂が軟らかくなって脆くなるため、上記のバネ力により、封止樹脂が断裂する。その結果、主回路配線が封止樹脂から容易に外れて半導体素子から分離される。

特開２００３−６８９６７号公報特許第４６１５５０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の従来の半導体装置においては、以下のような課題がある。例えば、特許文献１に記載の半導体装置を半導体モジュールに実装する場合、半導体装置のパワーリードは、半導体モジュールのバスバーに半田接合される。このとき、パワーリードに過電流が流れると、パワーリードに設けられたヒューズ部が断裂する。こうして、一時的に過電流を遮断することができるが、断裂したヒューズ部がさらに高温になって溶融され、半田接合部などに電気的に接触してしまう可能性がある。その場合、ヒューズ部がヒューズ機能としての役目を果たしていないという課題があった。さらに、特許文献１では、半導体モジュールの外部にヒューズ部を設けているため、部品の実装面積が増え、半導体装置が大型化している。

また、特許文献２に記載の従来の半導体装置においては、以下のような課題がある。特許文献２に記載の従来の半導体装置においては、バネ力で封止樹脂を断裂させて、主回路配線を半導体素子から分離させる。そのため、バネ力を確保するための部材および実装面積が必要であるため、半導体装置が大型化する。また、バネ力により半導体素子と主回路配線との接合部に常に力が加わり続けるため、接合部が破損する可能性があり、長期信頼性を確保するのが困難であった。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で、過電流が流れたときに、当該過電流を確実に遮断することが可能な、電力変換装置を得ることを目的としている。

この発明は、電力変換モジュールを備えた電力変換装置であって、前記電力変換モジュールは、配線パターン状に設けられた１以上のリードフレームと、前記リードフレーム上に設けられた半導体素子と、前記リードフレームと前記半導体素子との間を接続する配線部材と、前記リードフレームと前記半導体素子と前記配線部材とを封止するモールド樹脂とを有し、前記配線部材にヒューズ部を設け、前記ヒューズ部の上側に設けられた前記モールド樹脂の厚さは、前記ヒューズ部の下側に設けられた前記モールド樹脂の厚さより薄く、前記電力変換装置は、前記電力変換モジュールの上側に設けられ、前記半導体素子の動作を制御する電子部品を有する制御基板と、前記制御基板を封止する第一の封止材と、前記第一の封止材と前記電力変換モジュールとの間に設けられた第二の封止材とをさらに備え、前記電力変換モジュールは、前記制御基板に接続される制御用端子を有する、電力変換装置である。

この発明に係る電力変換装置は、配線部材にヒューズ部を形成し、ヒューズ部の上側に設けられたモールド樹脂の厚さを薄くしたので、過電流が流れたときに、断裂したヒューズ部とともにヒューズ部の上側のモールド樹脂がはじけ飛ぶため、簡易な構成で、確実に過電流を遮断することができる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示した正面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ−Ｂ断面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたヒューズ部の上面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたヒューズ部の電流密度の模式図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換装置に設けられたヒューズ部の解析結果を示した図である。この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を示した断面図である。この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を示した断面図である。この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の変形例の構成を示した断面図である。この発明の実施の形態４に係る電力変換装置の構成を示した断面図である。

この発明の実施の形態に係る電力変換装置について、図を参照しながら、以下に説明する。なお、各図において、同一または対応する構成部分については、同じ符号を付している。また、各図において、同一または対応する構成部分のサイズおよび縮尺は共通しておらず、それぞれ互いに独立している。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の正面図である。また、図２及び図３は、それぞれ、図１のＡ−Ａ断面図、および、Ｂ−Ｂ断面図である。

図１〜図３に示されるように、実施の形態１の電力変換装置は、電力変換モジュール１００と、外部接続端子１０と、絶縁ケース１１と、ヒートシンク１２とで構成される。

電力変換モジュール１００は、配線パターン状に形成されたリードフレーム１３と、スイッチング可能な半導体素子１４と、配線部材１５と、導電性接合材１７と、モールド樹脂２０とを備えている。配線部材１５は、リードフレーム１３の端子間およびリードフレーム１３と半導体素子１４との間を電気的に接続する。配線部材１５には、大電流用配線部材１５ａと制御用配線部材１５ｂとが含まれる。これらの配線部材１５ａ，１５ｂについては後述する。導電性接合材１７は、リードフレーム１３と半導体素子１４と配線部材１５とを接合する。モールド樹脂２０は、リードフレーム１３と半導体素子１４と配線部材１５と導電性接合材１７とその他の実装部品（図示せず）を封止する。

電力変換モジュール１００には、絶縁材１８を介在させて、ヒートシンク１２が設けられている。ヒートシンク１２と半導体素子１４との間に絶縁材１８を設けているため、半導体素子１４とヒートシンク１２とは電気的に絶縁されている。一方で、半導体素子１４で発生する熱は、絶縁材１８を介して、ヒートシンク１２に伝導する。従って、半導体素子１４とヒートシンク１２とは熱的に接続されている。ヒートシンク１２は、半導体素子１４で発生した熱を、外気へ効率よく放熱する。

このように、電力変換モジュール１００は、絶縁材１８を介して、ヒートシンク１２に対して、電気的に絶縁され、熱的に接続された状態で固定されている。あるいは、ヒートシンク１２が、電力変換モジュール１００の被固定部に対向する面に絶縁層を持ち、はんだ付けや放熱グリスなどを介して、電力変換モジュール１００に固定されるようにしてもよい。

リードフレーム１３には、導電性が良好で熱伝導率の高い銅または銅合金などの金属を用いる。

図１及び図２に示されるように、電力変換モジュール１００の制御用端子２１とパワー端子２２とは、モールド樹脂２０の外部に突出している。制御用端子２１は、半導体素子１４のゲート信号線およびセンサー信号線などである。制御用端子２１は、電力変換装置に搭載された制御基板（図示せず）へ接続される。パワー端子２２は、リードフレーム１３の先端に設けられている。パワー端子２２には、数アンペアから数百アンペア程度の大電流が流れる。パワー端子２２は、絶縁ケース１１にインサートおよびアウトサートされた外部接続端子１０に、溶接または半田付けなどにより接合される。パワー端子２２は、外部接続端子１０を介して、外部に設けられた電力供給装置またはバッテリなどの電源と接続される。

半導体素子１４は、電力用電界効果トランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ：Power Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、または、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）などで構成される。これらは、モータなどの機器を駆動するインバータ回路に用いられるもので、数アンペアから数百アンペアの定格電流を制御するものである。

導電性接合材１７は、例えば、半田、銀ペースト、あるいは、導電性接着剤などの、導電性が良好で熱伝導率の高い材料から構成される。導電性接合材１７は、半導体素子１４とリードフレーム１３と配線部材１５とを電気的及び熱的に接続し、固着させるために用いられる。

半導体素子１４の材料として、シリコン（Ｓｉ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムナイトライド（ＧａＮ）などを用いてよい。

リードフレーム１３とヒートシンク１２との間に介在する絶縁材１８は、高い熱伝導性を有し、且つ、電気的絶縁性が高い材料から構成される。従って、絶縁材１８は、例えば、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ〜数十Ｗ／ｍＫで、且つ、絶縁性のある、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの樹脂材料から成る接着剤、グリス、または、絶縁シートで構成される。さらに、絶縁材１８は、セラミック基板または金属基板などの熱抵抗が低く、且つ、絶縁性を有する他の材料と、それらの樹脂材料とを、組み合わせて構成することも可能である。

また、図１〜図３では図示していないが、絶縁材１８の厚さを規定するために、モールド樹脂２０の下面側、すなわち、ヒートシンク１２側には、突起が設けられている。モールド樹脂２０の突起をヒートシンク１２に押し当てることで、突起の高さに相当する厚さを規定できるため、絶縁材１８の絶縁性を担保することができる。特に１２Ｖバッテリを使用する低耐圧系の自動車では、予め定められた絶縁耐圧を確保するのに必要な沿面距離は、１０μｍ程度である。従って、低耐圧系の自動車の場合には、絶縁に必要な厚さを薄くできるため、モールド樹脂２０の突起をより短くすることができ、電力変換モジュール１００の薄型化が可能である。

ヒートシンク１２は、モールド樹脂２０に封止された半導体素子１４に電流が流れるときに半導体素子１４に発生する熱を外気へ放熱する役割を有する。ヒートシンク１２は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金などの９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料を用いて構成される。ヒートシンク１２の下面には、図３に示すように、複数のフィン１９が配列している。これらのフィン１９は外気に接触しており、ヒートシンク１２はこれらのフィン１９から外気に向かって熱を放熱する。

配線部材１５には、上述したように、大電流用の大電流用配線部材１５ａと制御用の制御用配線部材１５ｂとが含まれる。

制御用配線部材１５ｂは、例えば、半導体素子１４のゲート及びセンサー部と、制御用端子２１とを接続するために使用される。なお、制御用配線部材１５ｂは、例えば、金・銅・アルミニウムなどのワイヤボンド、または、アルミニウムのリボンボンドで形成することができる。但し、これらに限定されない。

大電流用配線部材１５ａは、リードフレーム１３の端子間、または、半導体素子１４とリードフレーム１３のパワー端子２２との間などを接続するために使用される。大電流用配線部材１５ａには、図３に示すように、ヒューズ部１６が形成されている。ヒューズ部１６は、大電流用配線部材１５ａの通電経路内に設けられている。ヒューズ部１６は、大電流用配線部材１５ａの通電経路内であれば、いずれの箇所に設けてもよい。但し、大電流用配線部材１５ａの通電経路であっても、リードフレーム１３との接合部、及び、半導体素子１４との接合部には、ヒューズ部１６は設けない。図３では、大電流用配線部材１５ａの接合部の厚さがヒューズ部１６の厚さよりも厚くなっているが、この場合に限らず、同じ厚さにしてもよい。あるいは、大電流用配線部材１５ａの接合部の厚さを、ヒューズ部１６の厚さよりも薄くしてもよい。

大電流用配線部材１５ａには、数アンペアから数百アンペア程度の大電流が流れるため、電流値に合わせた断面積を有する必要がある。また、通電時のジュール発熱を抑えるために、大電流用配線部材１５ａは、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などの導電性の良好な金属で構成される。大電流用配線部材１５ａは、例えば、０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度の厚みを有する金属プレートを打ち抜き加工することにより形成することができる。なお、大電流用配線部材１５ａをアルミニウムで構成する場合、アルミニウムに対し、スズまたはニッケルでメッキを施すことで、接合部の半田付けが良好になる。

図３に示すように、大電流用配線部材１５ａのヒューズ部１６の下面側、すなわち、半導体素子１４側のエリアを「エリアＲ１」とし、ヒューズ部１６の上面側を「エリアＲ２」とする。このとき、エリアＲ１におけるモールド樹脂２０の厚さとエリアＲ２におけるモールド樹脂２０の厚さとは互いに異なり、エリアＲ２におけるモールド樹脂２０の厚さの方が、エリアＲ１よりも薄くなるように構成されている。

次に、大電流用配線部材１５ａに形成したヒューズ部１６について説明する。図４は、大電流用配線部材１５ａの上面図である。

図４に示すように、ヒューズ部１６は、大電流用配線部材１５ａの接合部を除いた通電経路内に、切り欠き部３３を設けることで形成される。図４の例では、切り欠き部３３は、丸穴から構成されている。ヒューズ部１６の形成方法は、図４に示すように、大電流用配線部材１５ａを構成している金属プレートに対して、切り欠き部３３としての丸穴を空けることで、ヒューズ部１６は形成される。このように、ヒューズ部１６は、大電流用配線部材１５ａの一部から構成される。従って、ヒューズ部１６は、大電流用配線部材１５ａと、同一材料で、一体化して、生成される。従って、新たにヒューズ用の部材を追加する必要がない。そのため、部品点数の追加が無く、コストもかからない。また、切り欠き部３３を設けたことで、ヒューズ部１６の断面積は、切り欠き部３３の分だけ、大電流用配線部材１５ａの他の部分に比べて、小さくなる。そのため、図５の太線の矢印Ｃ２で示すように、他の部分に流れる電流Ｃ１に比べて、ヒューズ部１６のみ局所的に電流密度が増加する。さらに、電気抵抗および熱抵抗が、ヒューズ部１６のみ、局所的に増大する。これにより、大電流用配線部材１５ａに電流が流れた時に、ヒューズ部１６のみ、放熱性の悪化と発熱密度の増加とにより、局所的に温度が上昇することとなる。

ヒューズ部１６に過大な電流が流れた場合、短時間のうちに急激にヒューズ部１６の温度が上昇する。そして、大電流用配線部材１５ａを構成する金属の溶点まで温度が上昇すると、ヒューズ部１６が熱により断裂してはじけ飛ぶ。このとき、ヒューズ部１６は、モールド樹脂２０の厚さが薄いエリアＲ２部分のモールド樹脂２０を上面側に吹き飛ばし、ヒューズ部１６がモールド樹脂２０の外側に弾け飛ぶことで、大電流用配線部材１５ａとヒューズ部１６の離間距離を大きくすることができ、大電流用配線部材１５ａとヒューズ部１６が接触して再度通電することを防ぐ。さらにヒューズ部１６がモールド樹脂２０の外側に弾け飛びやすいことから、大電流用配線部材１５ａの断裂部の離間距離を大きくすることができ、大電流用配線部材１５ａに流れる過電流を確実に遮断できる。

モールド樹脂２０は、配線部材１５の上面側のエリアＲ２が、下面側のエリアＲ１よりも厚さが薄いため、ヒューズ部１６の断裂時には、上面側のモールド樹脂２０がヒューズ部１６と共に電力変換モジュール１００の外部に向かって吹き飛ぶ。従来の半導体装置のように、もし、ヒューズ部１６が吹き飛ばずに、電力変換モジュール１００内に残留していると、断裂したヒューズ部１６の金属が熱で溶解して、再度、リードフレーム１３または半導体素子１４と電気的に接続してしまい、その結果、電流が再度流れてしまうことになる。そのため、実施の形態１では、ヒューズ部１６の上側のモールド樹脂２０を薄くしておき、ヒューズ部１６をモールド樹脂２０と共に外部に向かって吹き飛ばすことで、溶解したヒューズ部１６の付着により電流が再び流れることを防ぐことができる。さらに、自動車向けの１２Ｖバッテリを使用する低耐圧系では、大電流が流れると、バッテリ電圧が低下して１０Ｖを下回るため、ヒューズ部１６の断裂時にアークが発生しないため、構造をより簡素化でき、電力変換装置のさらなる小型化および低コスト化が可能である。

なお、図４の例では、金属プレートに丸穴をあけることでヒューズ部１６の断面積を減らしたが、プレス加工などにより局所的に金属プレートの厚さを減らすことでもヒューズ部１６の断面積を減らすことができるため、同様の効果が得られることは言うまでもない。また、丸穴の形成と厚さを減らすこととを組み合わせて、ヒューズ部１６を形成してもよい。

図６に、大電流用配線部材１５ａに電流を流した時の温度分布を示す。

図６は、図４に示す大電流用配線部材１５ａに過大な電流が流れてヒューズ部１６が融点に達した時の大電流用配線部材１５ａの温度分布である。図６に示すように、大電流用配線部材１５ａにおいて、ヒューズ部１６のみが局所的に高温になるが、このとき、大電流用配線部材１５ａの両端の接合部に向かって、温度勾配がついていることがわかる。従って、ヒューズ部１６が断裂しても、接合部が破壊することはない。また、切り欠き部３３を構成する丸穴の大きさを変えることで、融点に達した時の電流と、融点に達してヒューズ部１６が断裂するまでの時間を調整することができる。

以上のように、実施の形態１では、電力変換モジュール１００に用いる大電流用配線部材１５ａに切り欠き部３３を設けて局所的に断面積を減らすことで、ヒューズ部１６を形成している。このように、大電流用配線部材１５ａの一部をヒューズ部１６として用いているため、新たにヒューズ用の部材を追加する必要がない。そのため、部品点数の追加が無く、実装工数も増加しないため、生産性が高い。また、電力変換装置が大型化することもない。

また、実施の形態１では、大電流用配線部材１５ａのヒューズ部１６の上面側と下面側とでモールド樹脂２０の厚さを変え、上面側のモールド樹脂２０の厚さを薄くしている。これにより、過電流によりヒューズ部１６が断裂した時に、上面側のモールド樹脂２０を吹き飛ばすことが可能である。これにより、断裂したヒューズ部１６も、モールド樹脂２０とともに、外側に吹き飛ぶ。その結果、断裂したヒューズ部１６の金属が溶解して、ヒューズ部１６の下側にあるリードフレーム１３と接触し短絡することを防ぐことができる。また、ヒューズ部１６を吹き飛ばすことで、大電流用配線部材１５ａの断裂部の離間距離が稼げるため、大電流用配線部材１５ａが再び導通するのを抑制することができ、確実に過電流を遮断することができる。その結果、電力変換装置の発煙および発火が防止できる。

また、ヒューズ部１６を設けることで、大電流用配線部材１５ａの断面積が少なくとも部分的に減り、剛性が低くなるため、温度変化による熱応力が緩和され、接合部の信頼性の向上が期待できる。

また、切り欠き部３３の形状を丸穴としたが、丸穴に限らず、他の形状でもよい。すなわち、切り欠き部３３の形状として、楕円形、正方形および長方形などの四角形、五角形および六角形などの他の多角形、台形、ひし形、平行四辺形などでもよい。また、切り欠き部３３の個数は、１個に限らず、複数個でもよい。さらに、切り欠き部３３を複数個設ける場合は、それらの切り欠き部３３を、大電流用配線部材１５ａの幅方向に配置しても、長さ方向に配置してもよく、あるいは、千鳥配置など互い違いに配置してもよく、あるいは、不規則に配置してもよい。また、丸と四角というように形状が異なる複数の切り欠き部３３を組み合わせることも可能であり、また、大きさの異なる複数の切り欠き部３３を組み合わせることも可能である。さらに、図４においては、大電流用配線部材１５ａの幅方向の中央に切り欠き部３３を設けているが、この場合に限らず、大電流用配線部材１５ａの幅方向の片側もしくは両側に切り欠き部３３を設けて、大電流用配線部材１５ａの断面積を減らしても、同様の効果が得られる。また、それらの場合も、切り欠き部３３の形状は、楕円形、正方形および長方形などの四角形、五角形および六角形などの他の多角形、台形、ひし形、平行四辺形などでもよい。また、それらの切り欠き部３３の個数は、１個に限らず、複数個でもよい。すなわち、大電流用配線部材１５ａにおいて局所的に断面積を減らす形状および個数であれば何でもよく、これらの形状および個数に限定されるものではない。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る電力変換装置を、図７を参照して説明する。図７は、実施の形態２に係る電力変換装置の断面図である。なお、図７においては、図３に示した構成と同一または対応する部分については、同一の符号を付し、ここでは、その説明を省略する。また、実施の形態２は、基本的に実施の形態１で説明した思想を前提とするものである。

図７に示すように、実施の形態２では、制御基板２３が、電力変換モジュール１００の上側に配置されている。また、制御基板２３には、半導体素子１４を制御するための電子部品２４が搭載されている。制御基板２３と制御用端子２１とは、例えば半田接合によって接続しており、半導体素子１４と電子部品２４とは、配線部材１５ｂ、制御用端子２１、および、制御基板２３上に形成された配線パターン（図示省略）を介して、信号をやりとりしている。

図７に示すように、制御基板２３は、第一の封止材２５により封止されている。第一の封止材２５は、絶縁ケース１１、制御用端子２１、パワー端子２２等と密着している。第一の封止材２５は、例えば剛性が高く、熱伝導率が高い樹脂材料によって構成されている。従って、第一の封止材２５は、例えば熱伝導性フィラーを含有したエポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＡＢＳから構成される。第一の封止材２５のヤング率は１ＭＰａ〜５０ＧＰａ、熱伝導率は０．１Ｗ／ｍ^２Ｋ〜２０Ｗ／ｍ^２Ｋであることが望ましい。制御基板２３は、第一の封止材２５に包まれていることによって、電力変換装置内で固定されており、その結果、制御基板２３の耐振動性および耐環境性が向上している。

また、図７に示すように、第一の封止材２５とヒートシンク１２との間には、第二の封止材２６が充填されている。第二の封止材２６は、第一の封止材２５よりも剛性が低く、熱伝導率が低い材料を用いても良い。従って、第二の封止材２６は、例えばシリコーン系ゲルやウレタン系ゲル、アクリル系ゲルから構成しても良い。第二の封止材２６のヤング率は１００ＭＰａ以下、熱伝導率は５Ｗ／ｍ^２Ｋであることが望ましい。

以上のように、実施の形態２においても、上記の実施の形態１と同様に、大電流用配線部材１５ａがヒューズ部１６を有し、かつ、ヒューズ部１６の上側のモールド樹脂２０の厚さを薄くしたので、上記の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

さらに、実施の形態２では、制御基板２３を第一の封止材２５で封止したため、制御基板２３を第一の封止材２５で保持することができる。そのため、制御基板２３は、電力変換装置内で固定されており、その結果、制御基板２３の耐振動性および耐環境性が向上している。

また、実施の形態２では、熱伝導率が低い第二の封止材２６がモールド樹脂２０を覆っていることにより、大電流用配線部材１５ａに大電流が通電した際に、大電流用配線部材１５ａの放熱性が悪化し、温度上昇率が増加して、ヒューズ部１６が断裂するまでの時間を短くすることができる。

さらに、実施の形態２では、半導体素子１４が通常動作し、大電流用配線部材１５ａに電流が通電し、ヒューズ部１６が発熱した際に、熱伝導率が低い第二の封止材２６が大きな熱抵抗を有することで、制御基板２３および電子部品２４の温度上昇を低減することができる。

また、実施の形態２では、大電流用配線部材１５ａに大電流が通電した際、ヒューズ部１６が高温となって断裂した際に、飛散した断裂物のエネルギーを、ヤング率が低い第二の封止材２６が吸収することによって、制御基板２３に到達することを防ぐ。これによって、万が一、大電流用配線部材１５ａに大電流が通電し、ヒューズ部１６が断裂した際にも、制御基板２３または電子部品２４がヒューズ部１６の断裂物によって破損することを防ぐことができる。また、第二の封止材２６にシリコーンゲルを用いた際には、シリコーンゲルの消弧作用によって、ヒューズ部１６が断裂した後に、制御用配線部材１５ｂとその周囲にある導電部材との間でアークが飛ぶことを防ぐことができる。さらに、第二の封止材２６には、ヒューズ部１６の断裂時の消音効果がある。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る電力変換装置を、図８を参照して説明する。図８は、実施の形態３に係る電力変換装置の断面図である。なお、図８において、図３に示した構成と同一または対応する部分については、同一の符号を付し、ここでは、その説明を省略する。また、実施の形態３は、基本的に実施の形態１で説明した思想を前提とするものである。

図８に示すように、実施の形態３では、上記の実施の形態２で示した図７の構成に、フタ２７が追加されている点が、図７と異なる。他の構成は、図７と同じである。

図８に示すように、実施の形態３では、モールド樹脂２０の上側で、且つ、第二の封止材２６の中に、平板状のフタ２７が配置されている。フタ２７は、剛性が高い材料から構成されている。また、フタ２７を、熱伝導率が高い材料で構成してもよい。さらには、フタ２７を、剛性が高く、且つ、熱伝導率が高い材料で構成してもよい。フタ２７は、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕ合金、Ａｌ合金、Ｆｅ合金などの金属材料で構成されていても良く、また、アルミナ、水酸化アルミニウム、ジルコニア、窒化アルミ、窒化ケイ素などのセラミック材料で構成されていても良い。なお、フタ２７は、モールド樹脂２０に接触していても良く、もしくは、第一の封止材２５と接触していても良い。

実施の形態３では、万が一、大電流用配線部材１５ａに大電流が通電し、ヒューズ部１６が断裂した際にも、ヒューズ部１６の断裂物が、剛性の高いフタ２７に衝突し、フタ２７から上側にヒューズ部１６の断裂物が飛散することを抑制することができる。そのため、制御基板２３および電子部品２４が破損することを防ぐことができる。

さらに、フタ２７に熱伝導率が高い材料を用いた際には、大電流用配線部材１５ａおよび半導体素子１４の発熱が、モールド樹脂２０または第二の封止材２６に熱伝導した際に、フタ２７によって均熱化することができる。その結果、局所的に高温になる箇所が減少することから、結果的に、制御基板２３および電子部品２４の局所的な温度上昇を低減することができる。

図８においては、フタ２７が１枚の平板から構成されている例を示した。しかしながら、図９に示すように、フタ２７に、ヒートシンク１２に向かって延びる複数の脚部２８を設けるようにしても良い。フタ２７と脚部２８とは同一材料で構成してもよく、異なる材料で構成してもよい。但し、脚部２８は、高い熱伝導率を有する。これによって、フタ２７に熱伝導した半導体素子１４および大電流用配線部材１５ａの発熱を、脚部２８を介して、ヒートシンク１２に熱伝導させて放熱することができる。それにより、制御基板２３および電子部品２４の温度上昇を低減することができる。

また、第二の封止材２６が熱伝導性を有しているため、フタ２７の脚部２８は、ヒートシンク１２と接触していても、接触していなくても良い。また、脚部２８は、ヒートシンク１２に対して接着剤によって接着されていても良く、かしめ又は溶接によってヒートシンク１２に固定されていても良い。

さらに、脚部２８を板状部材で構成して、脚部２８とヒートシンク１２との間にすき間が無く、フタ２７と脚部２８とによって、フタ２７の下側のエリアが密閉するようにしても良い。すなわち、その場合には、フタ２７と脚部２８とで、箱を構成する。箱の下端は開口している。従って、箱を、電力変換モジュール１００を覆うように配置することで、フタ２７の下側のエリアが密閉される。これにより、フタ２７とヒートシンク１２とを低い熱抵抗で接続することができ、半導体素子１４および大電流用配線部材１５ａの発熱を、ヒートシンク１２へより放熱することができる。さらに、ヒューズ部１６の断裂物が脚部２８に衝突するため、モールド樹脂２０の側面から、フタ２７の外側に、ヒューズ部１６の断裂物が飛散することを防止することができる。本実施の形態における密閉とはフタ２７の上側のエリアと下側のエリアにおいて、気体や液体、粘度が低いゲルなどが流入出しないことをいう。

以上のように、実施の形態３においても、上記の実施の形態１と同様に、大電流用配線部材１５ａがヒューズ部１６を有し、かつ、ヒューズ部１６の上側のモールド樹脂２０の厚さを薄くしたので、上記の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態３においても、上記の実施の形態２と同様に、第一の封止材２５と第二の封止材２６とを設けるようにしたので、上記の実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

さらに、実施の形態３では、モールド樹脂２０と第一の封止材２５との間に、フタ２７を設けるようにしたので、万が一、大電流用配線部材１５ａに大電流が通電し、ヒューズ部１６が断裂した際にも、ヒューズ部１６の断裂物が、剛性の高いフタ２７に衝突し、フタ２７から上側に向かって、ヒューズ部１６の断裂物が飛散することを抑制することができる。そのため、制御基板２３および電子部品２４が破損することを防ぐことができる。

また、万が一、電力変換モジュール１００で発煙および発火が発生した場合においても、フタ２７が延焼防止板として機能することができる。

また、実施の形態３では、フタ２７に脚部２８を設けた場合には、電力変換モジュール１００の発熱を脚部２８を介してヒートシンク１２に伝達し、ヒートシンク１２により放熱することができる。その場合には、制御基板２３の温度上昇を防ぐことができる。

また、実施の形態３では、脚部２８を板状部材で構成して、フタ２７と脚部２８とによって、フタ２７の下側のエリアを密閉するようにしても良い。その場合には、フタ２７と脚部２８とで空気を遮断することで、電力変換モジュール１００内を燃えにくくすることができる。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係る電力変換装置を、図１０を参照して説明する。図１０は、実施の形態４に係る電力変換装置の断面図である。なお、図１０において、図３に示した構成と同一または対応する部分については、同一の符号を付し、ここでは、その説明を省略する。また、実施の形態４は、基本的に実施の形態１で説明した思想を前提とするものである。

図１０に示すように、実施の形態４では、モールド樹脂２０とフタ２７との間の密閉された空間に、消弧剤２９が充填されている点が、図９と異なる。他の構成については、図９と同じである。消弧剤２９は、例えばケイ素またはケイ砂などの砂、あるいは、六フッ化硫黄（ＳＦ６）などのガスなどから構成されている。

これにより、大電流用配線部材１５ａに大電流が通電し、ヒューズ部１６が断裂した際に、消弧剤２９によってアークが飛ぶことを防ぐことができる。また、大電流用配線部材１５ａに大電流が通電し、ヒューズ部１６が断裂した後に、アークが飛ぶことがなければ、消弧剤２９は必要ない。その場合には、消弧剤２９の代わりに、モールド樹脂２０とフタ２７との間に大気が充填されていても良く、あるいは、モールド樹脂２０とフタ２７との間が真空になっていても良い。

さらに、消弧剤２９に熱伝導率が低い材料を用いた場合、大電流用配線部材１５ａに大電流が通電した際、熱伝導率が低い消弧剤２９がモールド樹脂２０を覆っていることにより、大電流用配線部材１５ａの放熱性が悪化し、温度上昇率が増加して、ヒューズ部１６が断裂するまでの時間を短くすることができる。

以上のように、実施の形態４においても、上記の実施の形態１と同様に、大電流用配線部材１５ａがヒューズ部１６を有し、かつ、ヒューズ部１６の上側のモールド樹脂２０の厚さを薄くしたので、上記の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態４においても、上記の実施の形態２と同様に、第一の封止材２５と第二の封止材２６とを設けるようにしたので、上記の実施の形態２と同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態４においても、上記の実施の形態３と同様に、フタ２７および脚部２８を設けるようにしたので、上記の実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

さらに、実施の形態４では、モールド樹脂２０とフタ２７との間に、消弧剤２９を設けるようにしたので、ヒューズ部１６が断裂した際に、消弧剤２９によってアークが飛ぶことを防ぐことができる。

１０外部接続端子、１１絶縁ケース、１２ヒートシンク、１３リードフレーム、１４半導体素子、１５配線部材、１５ａ大電流用配線部材、１５ｂ制御用配線部材、１６ヒューズ部、１７導電性接合材、１８絶縁材、１９フィン、２０モールド樹脂、２１制御用端子、２２パワー端子、２３制御基板、２４電子部品、２５第一の封止材、２６第二の封止材、２７フタ、２８脚部、２９消弧剤、１００電力変換モジュール。

Claims

電力変換モジュールを備えた電力変換装置であって、
前記電力変換モジュールは、
配線パターン状に設けられた１以上のリードフレームと、
前記リードフレーム上に設けられた半導体素子と、
前記リードフレームと前記半導体素子との間を接続する配線部材と、
前記リードフレームと前記半導体素子と前記配線部材とを封止するモールド樹脂と
を有し、
前記配線部材にヒューズ部を設け、
前記ヒューズ部の上側に設けられた前記モールド樹脂の厚さは、前記ヒューズ部の下側に設けられた前記モールド樹脂の厚さより薄く、
前記電力変換装置は、
前記電力変換モジュールの上側に設けられ、前記半導体素子の動作を制御する電子部品を有する制御基板と、
前記制御基板を封止する第一の封止材と、
前記第一の封止材と前記電力変換モジュールとの間に設けられた第二の封止材と
をさらに備え、
前記電力変換モジュールは、前記制御基板に接続される制御用端子を有する、
電力変換装置。
前記ヒューズ部は、
前記配線部材の少なくとも１箇所以上に設けられ、前記配線部材の他の部位よりも断面積が小さくなるように形成された部位から構成されている、
請求項１記載の電力変換装置。
前記モールド樹脂と前記第一の封止材との間に設けられたフタをさらに備えた、
請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記モールド樹脂と前記フタとの間に設けられた消弧剤をさらに備えた、
請求項３に記載の電力変換装置。