JP6824422B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電力用半導体素子が筐体内に樹脂部材により封止された電力変換装置に関するものである。
近年、自動車業界において、ハイブリッド自動車や電気自動車等、モータを駆動力源にする車両が盛んに開発されている。モータを駆動するインバータ装置は、バッテリを電源として、モータに高電圧の駆動電力を供給する。また、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おり、パワーエレクトロニクスの分野において、電力変換装置は、キーデバイスとしての重要性がますます高まっている。
ここで、インバータ装置に用いられる電力用半導体素子は、他の構成部品とともに樹脂封止されている。こうした電力変換装置において、バッテリから電力が供給された状態で、電力用半導体素子やスナバ回路を構成する平滑コンデンサ等の電子部品が短絡故障すると、過大な短絡電流が流れる。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により、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モータ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、大電流により電力変換装置が発煙及び焼損する。また、定格を超える過電流が流れることにより、モータ駆動用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、通常は過電流を検知するセンサを用いて、過電流が流れた場合に、電力用半導体素子のスイッチングを高速に制御して電流を遮断している。しかしながら、電力用半導体素子が短絡故障した場合でも、上述した発煙等の故障モードをより確実に防ぐことが望まれる。
具体的には、例えば、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、モータ駆動用インバータ装置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、チップ型の過電流遮断用ヒューズは高価である。そのため、安価でありながら、電力用半導体素子が短絡故障した場合に、バッテリに流れ得る過電流を確実に遮断することができる過電流遮断手段が必要とされている。
例えば、下記の特許文献１では、樹脂により封止され、パッケージ化された半導体素子モジュールから突出した電極用リードフレームに切り欠きを設け、ヒューズ部を形成している。
特開２００３−６８９６７号公報
しかしながら、特許文献１の技術では、電極用リードフレームに設けられたヒューズ部は、外気に露出している。そのため、ヒューズ部が過電流により溶断する際に、装置外に煙が流出するおそれがあり、また、周囲に火花が飛び散り、外気を用いた燃焼反応により装置が焼損するおそれがある。また、溶断したヒューズ部の部材が周囲に飛散し、周囲の部材と短絡するおそれがある。また、ヒューズ部の断面積は、一様に形成されているため、ヒューズ部全体が発熱し、溶断すると考えられる。また、ヒューズ部の上下流の電極用リードフレームにヒューズ部の発熱が伝達され易いため、溶断するまでの時間が長くなり、また、伝達された熱により電力用半導体素子が損傷するおそれがある。
そこで、過電流によりヒューズ部が溶断しても、発煙、焼損、短絡を抑制できると共に、ヒューズ部の発熱が電力用半導体素子に伝達され難くできる電力変換装置が望まれる。
この発明に係る電力変換装置は、電力用半導体素子と、前記電力用半導体素子の主電極に接続された電極配線部材と、筐体と、前記電極配線部材に形成された、ヒューズとして機能するヒューズ部と、前記ヒューズ部を覆う樹脂部材であるヒューズ樹脂部材と、前記電力用半導体素子、前記電極配線部材、前記ヒューズ部、及び前記ヒューズ樹脂部材を前記筐体内に封止する樹脂部材である封止樹脂部材と、を備え、前記ヒューズ部は、電流の流れ方向に沿って、前記ヒューズ部よりも上流側の前記電極配線部材の部分よりも断面積が小さい上流側の第１段目部分、前記上流側の第１段目部分よりも断面積が小さい第２段目部分、及び前記第２段目部分よりも断面積が大きく、前記ヒューズ部よりも下流側の前記電極配線部材の部分よりも断面積が小さい下流側の第１段目部分により構成され、
前記電極配線部材は、板状に形成され、
前記ヒューズ部は、前記ヒューズ部よりも上流側及び下流側の前記電極配線部材の部分よりも板厚が薄く、
前記電極配線部材は、前記ヒューズ部と間隔を空けて並列された並列配線部を有し、
前記ヒューズ部の前記並列配線部側の面が、前記並列配線部から離れる側に窪むことにより、板厚が薄くなり、
前記ヒューズ樹脂部材は、前記ヒューズ部と前記並列配線部との間の間隔に配置されているものである。
本発明に係る電力変換装置によれば、電極配線部材にヒューズ部が形成されるので、高価なチップ型のヒューズが設けられず、ヒューズ部のコストを低減することができる。封止樹脂部材により、ヒューズ部及びヒューズ樹脂部材が覆われるので、溶断したヒューズ部の部材が、外部に飛散することを防止できる。また、ヒューズ部及びヒューズ樹脂部材を外気から遮断することができるので、溶断時に生じたアーク放電による燃焼反応が進行することを抑制でき、また、溶断時に生じた煙が外部に漏れ出ることを抑制できる。ヒューズ樹脂部材によりヒューズ部が覆われているので、溶断したヒューズ部の部材が、封止樹脂部材に接触することを抑制し、封止樹脂部材が損傷することを抑制できる。また、ヒューズ部専用のヒューズ樹脂部材が設けられているので、ヒューズ部の溶断に適した材質の樹脂部材を選定することができる。したがって、過電流によりヒューズ部が溶断しても、発煙、焼損、及び短絡を抑制することができる。
また、ヒューズ部の断面積を２段階に減少させることで、電流密度及び熱抵抗が、上流側及び下流側の第１段目部分、第２段目部分の順に大きくなる。よって、第２段目部分の温度上昇を最も大きくし、溶断させることができる。第２段目部分の発熱が、上流側及び下流側の第１段目部分の熱抵抗により、ヒューズ部よりも上下流の部分に伝わり難くなるため、第２段目部分の温度上昇速度を高くし、溶断までの時間を短縮できると共に、電力用半導体素子への熱伝達を低減できる。
本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の平面図である。 本発明の実施の形態１に係る図１のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る図１のＢ−Ｂ断面位置で切断した電力変換装置の断面図である。 本発明の実施の形態１に係るヒューズ部の平面図である。 本発明の実施の形態１に係るヒューズ部の電流密度を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１に係るヒューズ部の温度分布を説明する図である。 本発明の比較例に係るヒューズ部の温度分布を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るヒューズ部の形状のバリエーションを説明する模式図である。 本発明の実施の形態２に係る図１のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置の断面図である。 本発明の実施の形態２に係る電極配線部材の斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る図１のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置の断面図である。 本発明の実施の形態４に係る図１のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置の断面図である。 本発明の実施の形態５に係る図１のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置の断面図である。
実施の形態１．
実施の形態１に係る電力変換装置１について図面を参照して説明する。図１は、電力変換装置１を、筐体３０の開口側から見た平面図であり、各部品の配置を説明するために封止樹脂部材２５が透明化され、図示されていない。図２は、図１のＡ−Ａ断面位置において切断した断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ断面位置において切断した断面図である。図４は、ヒューズ部１６から正面から見た平面図である。なお、各図は、模式図であり、図面間で各部材の寸法は完全に一致していない。
電力変換装置１は、電力用半導体素子１４と、電力用半導体素子１４の主電極に接続された電極配線部材１３と、筐体３０と、電力用半導体素子１４等の各部品を筐体３０内に封止する樹脂部材である封止樹脂部材２５と、を備えている。
＜筐体３０＞
筐体３０は、有底筒状に形成されており、封止樹脂部材２５を注型する枠の役割を有する。なお、以下で、単に「内」「内側」又は「外」「外側」というときは、筐体３０の内側又は外側を意味するものとする。「縦方向」は、筐体３０の筒部が延出している方向を意味するものとし、「横方向」は、筐体３０の底部が延在している方向を意味するものとする。
筐体３０の底部は、金属製のヒートシンク１２により構成されている。ヒートシンク１２は、電力用半導体素子１４に発生する熱を外部に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２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する材料が用いられる。ヒートシンク１２は、例えば矩形の平板状に形成されている。なお、ヒートシンク１２は矩形以外の形状でもよい。電力用半導体素子１４側の部材と対向するヒートシンク１２の内面部分には、内側に突出する平板状の素子対向突出部１２ａが設けられており、素子対向突出部１２ａの内面が、電力用半導体素子１４側の部材に当接する。ヒートシンク１２の外面には、図２に示すように、互いに間隔を空けて配列された平板状の複数のフィン１９が設けられている。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。なお、水冷式とされてもよい。
筐体３０の筒部は、絶縁ケース１１により構成されている。絶縁ケース１１は、絶縁性が高く、熱可塑性を有する任意の樹脂材料、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等の樹脂材料を用いて形成される。
＜電力用半導体素子１４、電極配線部材１３＞
本実施の形態では、電力用半導体素子１４、及び電極配線部材１３としての電極用リードフレーム１３は、樹脂部材である素子モールド樹脂２０により封止され、パッケージ化された半導体素子モジュール２９とされている。また、電力用半導体素子１４の制御用端子に接続された制御用リードフレーム２１も素子モールド樹脂２０により封止されている。電極用リードフレーム１３及び制御用リードフレーム２１は、素子モールド樹脂２０から外側に突出している。素子モールド樹脂２０は、内部の素子及び配線を守るために、数ＧＰａ以上のヤング率を有する硬い樹脂が用いられるとよく、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。
電力用半導体素子１４には、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられている。なお、電力用半導体素子１４には、ダイオードが逆並列接続されたパワーＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の他の種類のスイッチング素子が用いられてもよい。電力用半導体素子１４は、例えば、車両駆動用のモータなどの機器を駆動するインバータ回路、コンバータ回路に用いられるものであり、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。電力用半導体素子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）などが用いられてもよい。
電力用半導体素子１４は、矩形平板のチップ状に形成されており、ヒートシンク１２側の面に主電極としてのドレーン端子が設けられ、筐体３０のヒートシンク１２とは反対側の面に主電極としてのソース端子が設けられている。また、筐体３０のヒートシンク１２とは反対側の面に、制御用端子としてのゲート端子が設けられている。なお、制御用端子として、主電極間を流れる電流やチップの温度を検出するためのセンサ端子等が設けられてもよい。
ドレーン端子は、正極側の電極用リードフレーム１３ａに接続され、ソース端子は、電極用配線部材１５ａを介して、負極側の電極用リードフレーム１３ｂに接続されている。電極用配線部材１５ａには大電流が流れるため、例えば金・銀・銅・アルミニウムの板材を加工したものや、ワイヤボンド、リボンボンドで形成される。ゲート端子及びセンサ端子は、制御用配線部材１５ｂを介して、制御用リードフレーム２１に接続されている。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。
正極側及び負極側の電極用リードフレーム１３ａ、１３ｂは、板状（本例では、矩形の平板状）に形成されている。電力用半導体素子１４の主電極に接続される電極用リードフレーム１３ａ、１３ｂの電極接続部分は、電力用半導体素子１４よりもヒートシンク１２側に配置されている。正極側の電極用リードフレーム１３ａの電極接続部分のヒートシンク１２とは反対側の面は、導電性接合材１７により、電力用半導体素子１４のヒートシンク１２側の面のドレーン端子に接合されている。負極側の電極用リードフレーム１３ｂの電極接続部分のヒートシンク１２とは反対側の面は、導電性接合材１７により、Ｌ字状に形成された電極用配線部材１５ａの一端に接合されている。電力用半導体素子１４のヒートシンク１２とは反対側の面のソース端子は、導電性接合材１７により、電極用配線部材１５ａの他端に接合されている。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。
電極用リードフレーム１３ａ、１３ｂの電極接続部分のヒートシンク１２側の面は、素子モールド樹脂２０により覆われておらず、半導体素子モジュール２９の外側に露出している。この電極用リードフレーム１３ａ、１３ｂの露出部分は、シート状に形成された絶縁部材１８を介して、ヒートシンク１２の素子対向突出部１２ａの内面に接している。電力用半導体素子１４の発熱が、電極用リードフレーム１３ａ、１３ｂの電極接続部分、及び絶縁部材１８を介して、ヒートシンク１２に伝達される。絶縁部材１８は、熱伝導性が高く、且つ、電気的絶縁性が高い材料から構成される。従って、絶縁部材１８は、例えば、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜数十Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、且つ、絶縁性のある、シリコン樹脂、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、又は絶縁シートで構成される。さらに、絶縁部材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、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、絶縁部材１８の厚さを規定するために、素子モールド樹脂２０のヒートシンク１２側には、突起２０ａが設けられている。素子モールド樹脂２０の突起２０ａをヒートシンク１２に押し当てることで、突起２０ａの高さにより、絶縁部材１８の厚さを規定することができ、絶縁部材１８の絶縁性及び伝熱性を管理することができる。例えば、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、素子モールド樹脂２０の突起２０ａを短くすることができ、電力変換装置１の薄型化が可能である。絶縁部材１８が剛性を持ち、押圧による厚さの変化が小さい材料の場合、絶縁部材１８の厚さを管理できるため、素子モールド樹脂２０の突起２０ａはなくてもよい。
正極側の電極用リードフレーム１３ａは、素子モールド樹脂２０から突出した後、ヒートシンク１２の内面と間隔を空けた状態で、ヒートシンク１２の内面に沿って横方向に延出し、その後、屈曲し、ヒートシンク１２から離れる側（筐体３０の開口側）に縦方向に延出している。ヒートシンク１２の内面と間隔を空けた状態で横方向に延出している部分を、正極側のリードフレーム横方向延出部１３ａ１と称し、ヒートシンク１２から離れる側に縦方向に延出している部分を、正極側のリードフレーム縦方向延出部１３ａ２と称す。正極側のリードフレーム縦方向延出部１３ａ２に後述するヒューズ部１６が形成されている。
正極側の外部接続端子１０ａは、絶縁ケース１１にインサート及びアウトサートされている。正極側の外部接続端子１０ａは、縦方向に延出している外部接続縦方向延出部１０ａ１と、外部接続縦方向延出部１０ａ１のヒートシンク１２側の端部から横方向に延出している外部接続横方向延出部１０ａ２とを有している。正極側の外部接続縦方向延出部１０ａ１の開口側の先端部は、正極側のリードフレーム縦方向延出部１３ａ２の開口側の先端部に、溶接又は半田付け等により接合されている。正極側の外部接続縦方向延出部１０ａ１と正極側のリードフレーム縦方向延出部１３ａ２との間には、先端の接合部以外は隙間が空けられており、導通していない。筐体３０から外部に突出した部分が、直流電源の正極等の他の装置に接続される。
負極側の電極用リードフレーム１３ｂも、素子モールド樹脂２０から突出した後、ヒートシンク１２の内面と間隔を空け、ヒートシンク１２の内面に沿って延出している負極側のリードフレーム横方向延出部１３ｂ１と、ヒートシンク１２から離れる側に延出している負極側のリードフレーム縦方向延出部１３ｂ２とを備えている。
負極側の外部接続端子１０ｂは、絶縁ケース１１にインサート及びアウトサートされている。負極側の外部接続端子１０ｂは、縦方向に延出している外部接続縦方向延出部１０ｂ１と、外部接続縦方向延出部１０ｂ１のヒートシンク１２側の端部から横方向に延出している外部接続横方向延出部１０ｂ２とを有している。外部接続縦方向延出部１０ｂ１の開口側の先端部は、負極側のリードフレーム縦方向延出部１３ｂ２の開口側の先端部に、溶接又は半田付け等により接合される。負極側の外部接続縦方向延出部１０ｂ１と負極側のリードフレーム縦方向延出部１３ｂ２との間には、先端の接合部以外は隙間が空けられており、導通していない。筐体３０から外部に突出した部分が、直流電源の負極等の他の装置に接続される。
電極用リードフレーム１３ａ、１３ｂ、外部接続端子１０ａ、１０ｂには、導電性が良好で熱伝導率の高い銅または銅合金、アルミ、又はアルミ合金などの金属が用いられ、数アンペアから数百アンペア程度の大電流が流れる。電極用リードフレーム１３ａ、１３ｂの表面はＡｕ、Ｎｉ、Ｓｎなどの金属材料でめっきされていてもよい。
制御用リードフレーム２１は、筐体３０の開口側に、封止樹脂部材２５から突出しており、電力用半導体素子１４のオンオフを制御する制御装置に接続される。
＜ヒューズ部１６＞
電極配線部材１３（本例では、正極側のリードフレーム縦方向延出部１３ａ２）には、ヒューズとして機能するヒューズ部１６が形成されている。図４に示すように、ヒューズ部１６は、電極配線部材１３における電流の流れ方向の上流側部分及び下流側部分のそれぞれから２段階に断面積が小さくなった電極配線部材の部分により構成されている。具体的には、図４に、ヒューズ部１６を正面から見た図を示すように、ヒューズ部１６は、電流の流れ方向に沿って、ヒューズ部１６よりも上流側の電極配線部材の部分よりも断面積が小さい上流側の第１段目部分１６ａ１、上流側の第１段目部分１６ａ１よりも断面積が小さい第２段目部分１６ｂ、及び第２段目部分１６ｂよりも断面積が大きく、ヒューズ部１６よりも下流側の電極配線部材１３の部分よりも断面積が小さい下流側の第１段目部分１６ａ２により構成されている。
例えば、各部の断面積の比率は、次のようにされている。上下流側部分の断面積：上下流側の第１段目部分の断面積：第２段目部分の断面積＝７．５：１．５：１。すなわち、各部の断面積の大きさの順番は、「上下流側部分の断面積＞上下流側の第１段目部分の断面積＞第２段目部分の断面積」となっている。ここで、断面積の比率の値は一例であり、断面積の順番が同じであれば、同様の効果が得られる。
このように２段階に断面積を減少させることで、図５に示すように、電流密度が、断面積の減少に応じて増加し、第２段目部分１６ｂの電流密度が最も大きくなる。式（１）に示すように、断面積が減ることで熱抵抗も増加する。これらにより、発熱密度が段階的に増加し、放熱性が段階的に悪化し、第２段目部分１６ｂの温度上昇が最も大きくなり、第２段目部分１６ｂが溶断する。
熱抵抗 ＝ 長さ÷（熱伝導率×断面積） ・・・(１)
図６に電流を流した時のヒューズ部１６の温度分布を示す。図６は、２段階に断面積が小さくされた本実施の形態の場合である。図７は、１段階に断面積が小さくされた比較例の場合であり、第１段目部分が設けられているが、第２段目部分が設けられていない。なお、ヒューズ部１６は、平板状の電極用リードフレームを両側からプレスで切欠いて構成するものとし、第２段目部分１６ｂの幅は、プレスで量産可能な限界である、リードフレームの板厚と同等にされている。
本実施の形態に係る図６では、第２段目部分１６ｂで最も温度が高くなり、第１段目部分１６ａ１、１６ａ２において第２段目部分１６ｂから離れるに従って、次第に温度が低くなっている。また、第２段目部分１６ｂの発熱が、熱抵抗が大きい第１段目部分１６ａ１、１６ａ２によりヒューズ部１６よりも上下流部分に伝わり難くなり、第２段目部分１６ｂの温度上昇速度を高くし、溶断までの時間を短縮することができる。よって、過電流が流れた時に、断面積が一番小さい第２段目部分１６ｂが短時間のうちに急激に温度上昇する。そして、金属の溶点まで温度があがると第２段目部分１６ｂが断裂する。また、熱抵抗が大きい第１段目部分１６ａ１、１６ａ２により、第２段目部分１６ｂの発熱が、ヒューズ部１６よりも上下流部分に伝達されるのを抑制し、電力用半導体素子１４、封止樹脂部材２５等の損傷を抑制できる。また、切欠きの幅と長さを変えることで、断裂するまでの電流と時間の関係を調整し、所望の溶断特性が得られる。また、ヒューズ部１６を設けることで電極用リードフレームの断面積が減り、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見込める。
比較例に係る図７では、ヒューズ部１６全体の温度が均一的に上昇している。そのため、過電流が流れた時に、ヒューズ部１６の温度が全体的に上昇し、ヒューズ部１６全体が溶断する、若しくは溶断箇所がばらつく。また、全体の温度が上昇するため、溶断までの時間が長くなり、ヒューズ部１６よりも上下流部分に伝達される熱が多くなる。なお、溶断時は、図７に示している温度よりも全体的に高くなり、ヒューズ部１６よりも上下流部分の温度も図６の場合よりも高くなる。
本実施の形態では、第２段目部分１６ｂの電流の流れ方向の長さは、上流側の第１段目部分１６ａ１の電流の流れ方向の長さ及び下流側の第１段目部分１６ａ２の電流の流れ方向の長さよりも短くされている。この構成によれば、ヒューズ部１６の溶断箇所を短くすることができ、溶断部材の量を少なくできる。第１段目部分１６ａ１、１６ａ２が長くされるので、熱抵抗を大きくし、第２段目部分１６ｂの温度上昇速度を増加できると共に、ヒューズ部１６よりも上下流部分に伝達される熱量を低下できる。例えば、第２段目部分１６ｂの電流の流れ方向の長さは、上流側及び下流側の第１段目部分１６ａ１、１６ａ２の電流の流れ方向の長さの半分以下（例えば、３分の１）とされるとよい。
ヒューズ部１６は電気伝導性が高い金、銀、銅、アルミニウムによって構成される。ヒューズ部１６は電極用リードフレーム１３の他の部分と同じ材料でもよく、異なる材料が用いられてもよい。なお、これに限定されないが、ヒューズ部１６は、電極用リードフレーム１３の他の部分と同様に、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度の厚みを有する銅または銅合金からなる平板を、打ち抜き加工することによって形成することができる。
上流側及び下流側の第１段目部分１６ａ１、１６ａ２は、それぞれ、電流の流れ方向の各位置で、同じ断面積とされている。本実施の形態では、上流側及び下流側の第１段目部分１６ａ１、１６ａ２は、同じ長さ、同じ断面積の直方体状に形成されている。上流側及び下流側の第１段目部分１６ａ１、１６ａ２は、互いに異なる長さ、互いに異なる断面積とされてもよい。また、上流側及び下流側の第１段目部分１６ａ１、１６ａ２の断面形状は、矩形以外にも、丸形、楕円形等、任意の形状とされてもよい。
第２段目部分１６ｂは、直方体状に形成されている。第２段目部分１６ｂの形状は、上流側及び下流側の第１段目部分１６ａ１、１６ａ２よりも断面積が小さくなっていれば、どのような形状であってもよい。例えば、図８に示すように、片側又は両側に切欠き、又は内側に貫通孔を設けて断面積を減らしてもよい。切欠き又は貫通孔の形状は、矩形以外にも三角形、五角形、台形、ひし形、平行四辺形、円形、楕円形等の任意の形状とされてもよい。切欠き又は貫通孔は、１個に限らず、複数個設けられてもよい。また、複数の切欠き又は貫通孔が、配線の長さ方向の異なる位置に、千鳥状に互い違い、又は不規則に配置されてもよい。複数の貫通孔が、配線の幅方向でも、長さ方向でもどちらに並べられてもよい。
＜ヒューズ樹脂部材２６＞
ヒューズ部１６を覆う樹脂部材であるヒューズ樹脂部材２６が設けられている。ヒューズ樹脂部材２６は、少なくとも、溶断箇所である第２段目部分１６ｂの片面を覆うように配置される。本実施の形態では、図２に示すように、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の厚さ方向の一方側の面（本例では、正極側の外部接続端子１０ａとは反対側の面）を覆うように構成されている。図４に示すように、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の面積より広い面積に配置されている。なお、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の幅方向の両側の面を覆うように配置されてもよい。
封止樹脂部材２５が筐体３０内に充填される前に、ヒューズ樹脂部材２６がヒューズ部１６を覆うように配置される。ヒューズ樹脂部材２６は、電気的絶縁性が高い、シリコン樹脂、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、又は絶縁シートで構成される。
ヒューズ部１６をヒューズ樹脂部材２６により覆うことにより、溶断したヒューズ部１６の部材が、封止樹脂部材２５に接触することを抑制し、封止樹脂部材２５が損傷することを抑制できる。また、ヒューズ部１６専用のヒューズ樹脂部材２６が設けられているので、ヒューズ部１６の溶断に適した材質の樹脂部材を選定することができることができる。
本実施の形態では、ヒューズ樹脂部材２６は、封止樹脂部材２５よりもヤング率が低い樹脂部材が用いられている。例えば、ヒューズ樹脂部材２６のヤング率は数十ＭＰａ（メガパスカル）のオーダーとされ（例えば、１０ＭＰａから３０ＭＰａの間の値）、例えば、ゴム材、シリコンゴム、シリコンゲルが用いられるとよい。この構成によれば、ヒューズ部１６が溶断する際に、複数の球状の塊になって飛び散る溶融部材を、封止樹脂部材２５よりもヤング率が低く、柔らかいヒューズ樹脂部材２６内にめり込ませ、ヒューズ樹脂部材２６内に分散して保持することができる。よって、溶断後、溶融した部材により、通電経路が維持されることを防止し、速やかに通電経路を切断することができる。また、溶融した部材により、ヤング率が高い封止樹脂部材２５が割れることを抑制できる。
ヒューズ樹脂部材２６には、ヒューズ部１６が溶断した時に生じるアーク放電の消弧作用があるシリコン樹脂が用いられるとよい。この構成によれば、ヒューズ部１６が溶断した後も、アーク放電により通電が継続されることを抑制し、溶断後、速やかに電流を遮断することができる。よって、電力用半導体素子１４、封止樹脂部材２５等の損傷を抑制することができる。
＜封止樹脂部材２５＞
封止樹脂部材２５は、電力用半導体素子１４、電極配線部材１３、ヒューズ部１６、及びヒューズ樹脂部材２６を筐体３０内に封止する樹脂部材である。本実施の形態では、封止樹脂部材２５は、半導体素子モジュール２９を筐体３０内に封止するように構成されている。また、封止樹脂部材２５は、絶縁部材１８、外部接続端子１０ａ、１０ｂ等の他の構成部品も筐体３０内に封止している。封止樹脂部材２５は、例えば剛性が高く、熱伝導率が高い樹脂材料が用いられる。封止樹脂部材２５には、例えば熱伝導性フィラーを含有したエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＡＢＳにて構成されていてもよい。封止樹脂部材２５のヤング率は１ＭＰａ〜５０ＧＰａ、熱伝導率は０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるとよい。各構成部品を封止樹脂部材２５により封止することによって、耐振動性や耐環境性を向上させることができる。
封止樹脂部材２５により、ヒューズ部１６及びヒューズ樹脂部材２６が覆われるので、溶断したヒューズ部１６の部材が、外部に飛散することを防止できる。ヒューズ部１６及びヒューズ樹脂部材２６を外気から遮断することができるので、溶断時に生じたアーク放電による燃焼反応が進行することを抑制でき、また、溶断時に生じた煙が外部に漏れ出ることを抑制できる。
実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、電極配線部材１３の構成が一部異なる。図９は、図１のＡ−Ａ断面位置において切断した本実施の形態に係る電力変換装置１の断面図である。図１０は、正極側の電極用リードフレーム１３ａの斜視図である。
実施の形態１と同様に、電極配線部材１３（正極側の電極用リードフレーム１３ａ）には、ヒューズとして機能するヒューズ部１６が形成されている。実施の形態１とは異なり、電極配線部材１３（正極側の電極用リードフレーム１３ａ）は、ヒューズ部１６よりも電力用半導体素子１４側の部分に、上下流部分よりも断面積が小さくなった小断面積部３１を有している。なお、小断面積部３１の断面積は、ヒューズ部１６の第２段目部分１６ｂの断面積よりも大きくされている。
小断面積部３１は、素子モールド樹脂２０から横方向に突出している正極側のリードフレーム横方向延出部１３ａ１に設けられている。小断面積部３１は、電極用リードフレーム１３ａを厚さ方向に貫通する円柱状の貫通孔が、幅方向に２つ設けられることにより形成されている。なお、小断面積部３１が素子モールド樹脂２０から突出した部分でなく、素子モールド樹脂２０内にあってもよい。これにより、小断面積部３１に素子モールド樹脂２０が入り込むためアンカー効果により剥離を防止することができる。
ヒューズ部１６を設けることにより、通常の電流が流れる場合も、ヒューズ部１６が発熱する。そのため、電力用半導体素子１４に伝達される熱が大きくなり過ぎないように、電力変換装置１の出力を制限する必要があり、設計制約となる。小断面積部３１を設けることにより、熱抵抗が増加するため、ヒューズ部１６の発熱が電力用半導体素子１４に伝達され難くなるため、通常の動作時の電力変換装置１の出力制限を緩和することができる。
小断面積部３１は、上下流の部分よりも断面積が小さくなっていれば、どのような形状であってもよい。例えば、第２段目部分１６ｂと同様に、片側又は両側に切欠き、又は内側に貫通孔を設けて断面積を減らしてもよい。切欠き又は貫通孔の形状は、矩形以外にも三角形、五角形、台形、ひし形、平行四辺形、円形、楕円形等の任意の形状とされてもよい。切欠き又は貫通孔は、１個に限らず、複数個設けられてもよい。また、複数の切欠き又は貫通孔が、配線の長さ方向の異なる位置に、千鳥状に互い違い、又は不規則に配置されてもよい。複数の貫通孔が、配線の幅方向でも、長さ方向でもどちらに並べられてもよい。
実施の形態３．
次に、実施の形態３に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、ヒューズ樹脂部材２６、正極側の外部接続端子１０ａの構成が一部異なる。図１１は、図１のＡ−Ａ断面位置において切断した本実施の形態に係る電力変換装置１の断面図である。
実施の形態１と同様に、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の厚さ方向の一方側の面（本例では、正極側の外部接続端子１０ａとは反対側の面）を覆うように構成されている。しかし、実施の形態１とは異なり、ヒューズ部１６と対向する正極側の外部接続端子１０ａ（外部接続縦方向延出部１０ａ１）の部分は、ヒューズ部１６から離れる側に窪んでおり、ヒューズ部１６と正極側の外部接続端子１０ａとの間隔が広げられている。この間隔にも、ヒューズ樹脂部材２６が配置されており、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の他方側の面（本例では、正極側の外部接続端子１０ａ側の面）を覆うように構成されている。また、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の幅方向の両側にも配置されており、ヒューズ部１６の周囲を全周に亘って覆うように配置されている。ヒューズ部１６と正極側の外部接続端子１０ａの間に、正極側の外部接続端子１０ａよりも熱伝導率の低いヒューズ樹脂部材２６を配置することで、ヒューズ部１６の放熱性が悪化し、溶断特性を向上することができる。また、ヒューズ部１６の溶断部材が、正極側の外部接続端子１０ａに接触し、通電経路が維持されることを防止することができる。
実施の形態４．
次に、実施の形態４に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、ヒューズ部１６、ヒューズ樹脂部材２６の構成が一部異なる。図１２は、図１のＡ−Ａ断面位置において切断した本実施の形態に係る電力変換装置１の断面図である。
実施の形態１と同様に、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の厚さ方向の一方側の面（本例では、正極側の外部接続端子１０ａとは反対側の面）を覆うように構成されている。しかし、実施の形態１とは異なり、ヒューズ部１６の他方側の面（正極側の外部接続端子１０ａ側の面）が、正極側の外部接続端子１０ａから離れる側に窪んでいる。この窪みの分だけ、ヒューズ部１６の厚み（板厚）が、ヒューズ部１６よりも上流側及び下流側の部分よりも薄くなっている。また、この窪みの分だけ、ヒューズ部１６と正極側の外部接続端子１０ａとの間隔が広げられている。この間隔にも、ヒューズ樹脂部材２６が配置されており、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の他方側の面（本例では、正極側の外部接続端子１０ａ側の面）を覆うように構成されている。また、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の幅方向の両側にも配置されており、ヒューズ部１６の周囲を全周に亘って覆うように配置されている。
ヒューズ部１６と正極側の外部接続端子１０ａの間に、正極側の外部接続端子１０ａよりも熱伝導率の低いヒューズ樹脂部材２６を配置することで、ヒューズ部１６の放熱性が悪化し、溶断特性を向上することができる。また、ヒューズ部１６の溶断部材が、正極側の外部接続端子１０ａに接触し、通電経路が維持されることを防止することができる。全周を覆うことでアンカー効果により、ヒューズ樹脂部材２６の剥離を防止でき、溶断性能を安定化できる。
また、ヒューズ部１６の厚みが薄くされることにより、ヒューズ部１６の断面積を小さくでき、溶断までの時間を短縮できると共に、ヒューズ部１６よりも上下流部分への伝熱を低減できる。これにより、通常の動作時の電力変換装置１の出力制限を緩和することができる。
ヒューズ部１６の厚みを薄くする方法として、例えばヒューズ部１６に厚みの薄い異部材を用いる方法や、プレス加工を行う方法や、切削する方法などがあるが、これらに限定されるものではない。
実施の形態５．
次に、実施の形態５に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、ヒューズ部１６、ヒューズ樹脂部材２６の構成が一部異なる。図１３は、図１のＡ−Ａ断面位置において切断した本実施の形態に係る電力変換装置１の断面図である。
実施の形態１と同様に、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の厚さ方向の一方側の面（本例では、正極側の外部接続端子１０ａとは反対側の面）を覆うように構成されている。しかし、実施の形態１とは異なり、ヒューズ部１６は、ヒューズ部１６よりも上流側及び下流側の電極配線部材１３の部分よりも厚さ方向の一方側（本例では、正極側の外部接続端子１０ａから離れる方向）に突出している。ヒューズ部１６は、正極側の外部接続端子１０ａから離れる方向に、角張ったＣの字状に折り曲げられて突出した電極配線部材１３の部分に形成されている。突出したヒューズ部１６の厚み（板厚）は、ヒューズ部１６よりも上流側及び下流側の部分よりも薄くなっている。突出した分だけ、ヒューズ部１６と正極側の外部接続端子１０ａとの間隔が広げられている。この間隔にも、ヒューズ樹脂部材２６が配置されており、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の他方側の面（本例では、正極側の外部接続端子１０ａ側の面）を覆うように構成されている。また、ヒューズ樹脂部材２６は、ヒューズ部１６の幅方向の両側にも配置されており、ヒューズ部１６の周囲を全周に亘って覆うように配置されている。
ヒューズ部１６と正極側の外部接続端子１０ａの間に、正極側の外部接続端子１０ａよりも熱伝導率の低いヒューズ樹脂部材２６を配置することで、ヒューズ部１６の放熱性が悪化し、溶断特性を向上することができる。また、ヒューズ部１６の溶断部材が、正極側の外部接続端子１０ａに接触し、通電経路が維持されることを防止することができる。ヒューズ部１６の突出量を調節することにより、ヒューズ樹脂部材２６の厚みを調節することができ、その効果を適切化できる。屈曲部の全周を覆うことでアンカー効果により、ヒューズ樹脂部材２６の剥離を防止でき、溶断性能を安定化できる。また、屈曲部を設けることで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見込める。
また、ヒューズ部１６の厚みが薄くされることにより、ヒューズ部１６の断面積を小さくでき、溶断までの時間を短縮できると共に、ヒューズ部１６よりも上下流部分への伝熱を低減できる。これにより、通常の動作時の電力変換装置１の出力制限を緩和することができる。
ヒューズ部１６を角張ったＣの字状に突出させ、厚みを薄くする方法として、例えばヒューズ部１６に厚みの薄い異部材を用いる方法や、プレス加工を行う方法や、切削する方法などがあるが、これらに限定されるものではない。
〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（１）上記の各実施の形態においては、電力用半導体素子１４、及び電極配線部材１３としての電極用リードフレーム１３が、樹脂部材である素子モールド樹脂２０により封止された半導体素子モジュール２９とされている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、電力用半導体素子１４、及び電極配線部材１３が、素子モールド樹脂２０により封止されておらず、パッケージ化されていなくてもよい。すなわち、素子モールド樹脂２０に封止されていない状態の、電力用半導体素子１４及び電極配線部材１３等が、封止樹脂部材２５により筐体３０内に封止されてもよい。この場合は、電極配線部材１３は、バスバー等とされ、ヒューズ部１６は、封止樹脂部材２５に封止されている正極側又は負極側の電極配線部材の部分に形成されてもよい。
（２）上記の各実施の形態においては、ヒューズ部１６は、正極側の電極用リードフレーム１３ａ（リードフレーム縦方向延出部１３ａ２）に形成されている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、ヒューズ部１６は、電力用半導体素子１４の主電極に接続され、封止樹脂部材２５に封止された電極配線部材１３の部分であれば、いずれの箇所に形成されてもよい。例えば、ヒューズ部１６は、負極側の電極用リードフレーム１３ｂ、正極側のリードフレーム横方向延出部１３ａ１、或いは、正極側又は負極側の外部接続端子１０ａ、１０ｂに形成されてもよい。
（３）上記の各実施の形態においては、電力変換装置１が、１つの電力用半導体素子１４（スイッチング素子）を設けている場合を例として説明した。しかし、本発明の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、電力変換装置１が、複数の電力用半導体素子を設けていてもよい。例えば、２つのスイッチング素子が、正極側の電極配線部材と負極側の電極配線部材との間に直列接続され、正極側又は負極側の電極配線部材にヒューズ部１６が形成されてもよい。また、正極側の電極配線部材と負極側の電極配線部材との間に、２つのスイッチング素子の直列回路が、複数組並列接続されたブリッジ回路とされ、各組の直列回路の電極配線部材に、ヒューズ部１６が設けられてもよい。また、電力用半導体素子１４の一部又は全部が、ダイオードとされてもよい。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
１ 電力変換装置、１３ 電極配線部材、１４ 電力用半導体素子、１６ ヒューズ部、１６ａ１ 上流側の第１段目部分、１６ａ２ 下流側の第１段目部分、１６ｂ 第２段目部分、２０ 素子モールド樹脂、２５ 封止樹脂部材、２６ ヒューズ樹脂部材、２９ 半導体素子モジュール、３０ 筐体、３１ 小断面積部

Claims (11)

  1. 電力用半導体素子と、
    前記電力用半導体素子の主電極に接続された電極配線部材と、
    筐体と、
    前記電極配線部材に形成された、ヒューズとして機能するヒューズ部と、
    前記ヒューズ部を覆う樹脂部材であるヒューズ樹脂部材と、
    前記電力用半導体素子、前記電極配線部材、前記ヒューズ部、及び前記ヒューズ樹脂部材を前記筐体内に封止する樹脂部材である封止樹脂部材と、を備え、
    前記ヒューズ部は、電流の流れ方向に沿って、前記ヒューズ部よりも上流側の前記電極配線部材の部分よりも断面積が小さい上流側の第１段目部分、前記上流側の第１段目部分よりも断面積が小さい第２段目部分、及び前記第２段目部分よりも断面積が大きく、前記ヒューズ部よりも下流側の前記電極配線部材の部分よりも断面積が小さい下流側の第１段目部分により構成され、
    前記電極配線部材は、板状に形成され、
    前記ヒューズ部は、前記ヒューズ部よりも上流側及び下流側の前記電極配線部材の部分よりも板厚が薄く、
    前記電極配線部材は、前記ヒューズ部と間隔を空けて並列された並列配線部を有し、
    前記ヒューズ部の前記並列配線部側の面が、前記並列配線部から離れる側に窪むことにより、板厚が薄くなり、
    前記ヒューズ樹脂部材は、前記ヒューズ部と前記並列配線部との間の間隔に配置されている電力変換装置。
  2. 電力用半導体素子と、
    前記電力用半導体素子の主電極に接続された電極配線部材と、
    筐体と、
    前記電極配線部材に形成された、ヒューズとして機能するヒューズ部と、
    前記ヒューズ部を覆う樹脂部材であるヒューズ樹脂部材と、
    前記電力用半導体素子、前記電極配線部材、前記ヒューズ部、及び前記ヒューズ樹脂部材を前記筐体内に封止する樹脂部材である封止樹脂部材と、を備え、
    前記ヒューズ部は、電流の流れ方向に沿って、前記ヒューズ部よりも上流側の前記電極配線部材の部分よりも断面積が小さい上流側の第１段目部分、前記上流側の第１段目部分よりも断面積が小さい第２段目部分、及び前記第２段目部分よりも断面積が大きく、前記ヒューズ部よりも下流側の前記電極配線部材の部分よりも断面積が小さい下流側の第１段目部分により構成され、
    前記ヒューズ部は、前記ヒューズ部よりも上流側及び下流側の前記電極配線部材の部分よりも厚さ方向の一方側に突出し、
    前記電極配線部材は、前記ヒューズ部よりも前記厚さ方向の他方側に間隔を空けて並列された並列配線部を有し、
    前記ヒューズ樹脂部材は、前記ヒューズ部と前記並列配線部との間の間隔に配置されている電力変換装置。
  3. 電力用半導体素子と、
    前記電力用半導体素子の主電極に接続された電極配線部材と、
    筐体と、
    前記電極配線部材に形成された、ヒューズとして機能するヒューズ部と、
    前記ヒューズ部を覆う樹脂部材であるヒューズ樹脂部材と、
    前記電力用半導体素子、前記電極配線部材、前記ヒューズ部、及び前記ヒューズ樹脂部材を前記筐体内に封止する樹脂部材である封止樹脂部材と、を備え、
    前記ヒューズ部は、電流の流れ方向に沿って、前記ヒューズ部よりも上流側の前記電極配線部材の部分よりも断面積が小さい上流側の第１段目部分、前記上流側の第１段目部分よりも断面積が小さい第２段目部分、及び前記第２段目部分よりも断面積が大きく、前記ヒューズ部よりも下流側の前記電極配線部材の部分よりも断面積が小さい下流側の第１段目部分により構成され、
    前記電極配線部材は、前記ヒューズ部よりも前記電力用半導体素子側の部分に、上下流の部分よりも断面積が小さくなった小断面積部を有する電力変換装置。
  4. 前記電力用半導体素子、及び前記電極配線部材としての電極用リードフレームは、樹脂部材である素子モールド樹脂により封止された半導体素子モジュールとされ、
    前記ヒューズ部は、前記素子モールド樹脂から外側に突出した前記電極用リードフレームの部分に形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 前記第２段目部分の電流の流れ方向の長さは、前記上流側の第１段目部分の電流の流れ方向の長さ及び前記下流側の第１段目部分の電流の流れ方向の長さよりも短い請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  6. 前記第２段目部分の電流の流れ方向の長さは、前記上流側の第１段目部分の電流の流れ方向の長さ及び前記下流側の第１段目部分の電流の流れ方向の長さの半分以下である請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 前記上流側の第１段目部分及び前記下流側の第１段目部分は、それぞれ、電流の流れ方向の各位置で、同じ断面積とされている請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  8. 前記ヒューズ樹脂部材は、少なくとも前記第２段目部分の片面を覆っている請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  9. 前記ヒューズ樹脂部材には、前記ヒューズ部が溶断した時に生じるアーク放電の消弧作用があるシリコン樹脂が用いられている請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  10. 前記ヒューズ樹脂部材は、前記封止樹脂部材よりもヤング率が低い請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  11. 前記ヒューズ樹脂部材のヤング率は、数十メガパスカルのオーダーである請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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