专利名称：电力转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及将直流电压转换成交流电压的换流器以及将交流电压转换成直流电压的转换器的电力转换装置。
背景技术：
迄今为止，将直流电压转换成交流电压的换流器(inverter)以及将交流电压转换成直流电压的转换器(converter)的电力转换装置，如专利文献1中所揭示的那样由多个开关元件进行电力转换动作的装置已为所知。还有，上述专利文献1中，揭示了因为作为主开关元件使用的是由SiC半导体形成的元件，所以，可以提高PWM控制的载波频率，与以前的构成相比具有可以改善效率的特点。上述碳化硅(SiC)半导体等那样的宽带隙(wide band gap)半导体，由于绝缘破坏电场与以前的硅(Si)半导体相比约高10倍，使元件的高耐压就变得容易，若是相同的耐压，与硅(Si)半导体的情况相比接可以降低装置的厚度，就能够得到导通损失小且体积小的元件。还有，上述宽带隙半导体因为能够高速动作以及在高温下(例如300度)动作，所以，在谋求了因高速动作的整体装置的高效率的同时，伴随着芯片的小型化即便是在高温下也可以动作，由此可以谋求装置的小型化。(专利文献1)日本专利公开2006-425 号公报(发明所要解决的课题)然而，由于使用上述这样的宽带隙半导体，可以实现能够高温动作的元件，但是这种情况下，由于要在元件周围设置驱动器以及CPU等的周边部件，要是宽带隙半导体形成的元件的小型化而升高温度的话，这些位于周边的相对耐热温度低的部件就可能受到热损伤。为此，即便是用上述那样的宽带隙半导体构成元件，由于要受到周边部件温度上升的制约，就出现了实质上无法在高温下动作的问题。
发明内容
本发明鉴于上述各点所发明，其目的在于得到即便是在使用宽带隙半导体构成芯片的情况下，也不会由于该芯片产生的热使耐热温度低的部件受到热损伤的构成的电力转
换装置。(为解决课题的方法)为了达成上述目的，第一方面的发明中，用以驱动宽带隙半导体的元件71的驱动部72也由宽带隙半导体构成的情况下，将该元件71及驱动器72设置在同一封装体70内，通过热绝缘该封装体70和周边部件73、74之间，就可以防止该周边部件73、74变成高温。具体的讲，第一方面的发明中，是以包括宽带隙半导体的元件71、和用以驱动该 元件71的驱动部72的电力转换装置为对象的。并且，上述驱动部72也由宽带隙半导体构 成，与上述元件71设置在同一个封装体70内的同吋，热绝缘上述封装体70和位于它周围 的周边部件73、74。根据这个构成，不只是宽带隙半导体的元件71，用以驱动该元件71的驱动部72也 由宽带隙半导体构成，并将它们集中在一个封装体70内，通过热绝缘该封装体70和周边部 件73、74，确实可以从封装体70的热量保护该周边部件73、74的同吋，通常不需要设置在上 述元件71附近的驱动部72的热保护。在此，上述宽带隙半导体是碳化娃(SiC)半导体(第二方面的发明)。这样通过使 用碳化娃(SiC)半导体，可以得到低损失且高耐热性的半导体芯片13。-发明的效果-根据本发明所涉及的电力转换装置，通过由宽带隙半导体构成元件71和用以驱 动该元件71的驱动部72，再将两者組合到一个封装体71内的同吋，热绝缘了该封装体70 和周边部件73、74之间，所以防止了能够高温动作的宽带隙半导体形成的部件70的热量由 它传给耐热温度低的周边部件73、74，不会使该周边部件73、74受到热损伤。而且，设置在 上述元件71附近的驱动部72不需要热保护。还有，根据第二方面的发明，宽带隙半导体是碳化娃(SiC)半导体，得到体积小且 能够高温动作的的主开关元件13。
图1是表示本发明实施方式1所涉及的电力转换装置的主电路的一例的电路图。图2是概略表示芯片的组装结构的剖面图。图3是涉及实施方式1的变形例的相当于图2的图。图4是概略表示实施方式2所涉及的电力转换装置的基板叠层结构的剖面图。图5是实施方式3所涉及的相当于图4的图。图6是实施方式3的变形例所涉及的相当于图4的图。图7是概略表示实施方式4所涉及的电力转换装置的基板结构的上表面图。图8是实施方式4中在图案上设置阻抗体的情况下的相当于图7的图。图9(a)是模式表示由碳化娃(SiC)构成的只是元件的情况的热绝缘样子的模式 图。图9(b)是模式表示由碳化娃(SiC)构成元件及驱动器的封装体的情况的热绝缘 样子的模式图。符号说明10电力转换装置20芯片部21芯片22铜基板(传热部件)23.45散热片 Qieat sink)(放热器)
24断热部件
25,61印刷基板
26、47、54、55遮热板
27(bonding wire)
41,70封装体
42,52端子
43印刷基板
44,64图案(pattern)
46风扇
51高耐热性印刷基板
53低耐热性印刷基板
62低温部
63尚温部
64a热阻抗大的部分
65阻抗体
66、67、71元件
72驱动部
73CPU (周边部件)
74周边电路(周边部件)
75热绝缘
具体实施例方式以下，基于附图详细说明本发明所涉及的实施方式。尚，以下最好的实施方式的说明，本质上不过是个例子，本发明无意于限制它的适用物或它的用途。《实施方式1》-整体构成-图1是表示本发明实施方式1所涉及的电力转换装置10的电路的一例。这个电力转换装置10，包括将交流电压转换成直流电压的转换器11、和用以将由该转换器11转换了的直流电压转换成三相交流电压的换流器12，上述转换器11连接在交流电源1上，上述换流器12连接在作为负荷的马达2上。上述转换器11及换流器12具有多个主开关元件13、13、...，由该主开关元件13、 13、...的开关动作在上述转换器11上进行从交流电压向直流电压转变的整流动作及在上述换流器12上进行从直流电压向三相交流电压转变的电力转变动作。还有，上述电力转换装置10中，在为了平滑上述转换器11的输出电压的两个电容器14、14为串联的状态下，相对于该转换器11及换流器12为并列设置。上述转换器11包括由上述主开关元件13、13组成的半桥型的电路，上述串联连接的两个电容器14、14之间，连接着交流电源1的一端。由此，上述转换器11及电容器14、 14构成倍压器。尚，本实施方式中，是半桥型的倍压器，但是并不限于此，还可以是全桥式电路，或者是进行同期整流的同期整流电路。
上述主开关元件13，导通损失低，是由能够高速动作或高温动作的SiC等的宽带隙半导体构成。上述主开关元件13，只要是能够进行开关动作的，例如既可以是图1所示的 IGBT，也可以是单极型晶体管的MOSFET等。上述各主开关元件13中，分别逆向并列设置了二极管15。尚，上述电力转换装置10，不限于如上所述的构成，例如，既可以是只进行从交流电压向直流电压的整流动作的转换装置，也可以是只进行从直流电压向交流电压的电力转换的换流装置。-芯片的组装结构-接下来，以下说明在如上所述的构成的电力转换装置10中，由碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体构成芯片的情况下的该芯片的组装结构。尚，在此，是说明用碳化硅(SiC)等宽带隙半导体构成上述主开关元件13的例子，但是并不限于此，也可以由宽带隙半导体构成其他元件。上述碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体形成的芯片21在高温环境下也能够动作，因为该芯片21成为了高温，如图2所示，构成为通过作为传热部件的铜基板22散热上述芯片 21的热量。也就是，上述芯片21，设置在按照散热器23、铜基板22的顺序叠层的叠层体的表面上，由该叠层体和芯片21构成本发明的芯片部20。还有，上述铜基板22上，在它侧面隔着断热部件M设置了例如树脂制的印刷基板 25、25。详细的，这个断热部件对，是聚酰亚胺(polyimide)系及陶瓷系的耐热粘结剂，由该粘结剂上述印刷基板25、25粘结固定在相对铜基板22上表面的基本重叠的位置。尚，上述印刷基板25相当于第一发明的周边部件。由此，不需要再另外设置上述铜基板22及散热器23的支撑结构，可以由上述印刷基板25、25支撑，所以减少了部件点数减小了装置整体的体积及降低了成本。而且，上述印刷基板25、25，是由相对于铜基板22是断热部件M的耐热粘结剂粘结固定的，所以防止了芯片21的热量通过上述铜基板22传给印刷基板25、25而使其变得高温。尚，不限于上述铜基板22及散热器23由铜基板22支撑，其中的任何一个也可以由另外的支撑物支撑。还有，上述芯片部20和上述印刷基板25、25之间，设置了用以抑制从该芯片部20 的热辐射而使该印刷基板25、25的温度上升的遮热板沈、26、…。具体的讲，上述遮热板 26,26,…，分别设置在上述芯片21组装的铜基板22及印刷基板25、25之间，以及该印刷基板25、25和散热器23之间，构成为从上述芯片21的辐射热保护上述印刷基板25、25。上述遮热板26、26、…，最好的是具有陶瓷等那样的耐热性的部件，但是并不限于此，只要是能够降低从上述芯片21辐射的热量什么东西都可以。这样，通过设置上述遮热板沈、26、···，确实可以防止因为上述芯片21的热量的影响引起的印刷基板25、25的高温，也就确实可以防止该印刷基板25、25受到热的损伤。在此，在上述这样的构成中，为了分别电连接上述芯片21及铜基板22和上述印刷基板25上的图案(省略图示)，应用了使用焊接线27、27的焊丝连接线(wrie bond)的构成。通过用这个焊接线27、27连接，与由图案等连接的情况相比能够防止从上述芯片部20 向印刷基板25、25的热传导，所以就可以抑制该印刷基板25、25的温度上升。因此，可以进一步确实的防止该印刷基板25、25变为高温而受到热损伤。-实施方式1的效果-
上述实施方式1中，将碳化硅(SiC)的宽带隙半导体形成的芯片21组装到铜基板 22和散热器23的叠层体上构成芯片部20的同时，通过耐热粘结剂MJ4将印刷基板25、 25固定到上述铜基板22上，所以可以将上述芯片21的热量通过铜基板22从散热器23有效的散热的同时，不需要另外设置上述印刷基板25、25的支撑结构，可以支撑在上述铜基板22上，所以由削减了部件的数量缩小了整个装置降低了成本。还有，因为上述印刷基板25、25和铜基板22之间由作为断热部件的耐热粘结剂M 粘结，所以确实可以防止该铜基板22的热量传给印刷基板25、25而使该印刷基板25、25成
为尚温。还有，因为在上述芯片部20和印刷基板25、25之间设置了遮热板沈、26、···，所以可以进一步防止从该芯片部20通过热辐射使上述印刷基板25、25变得高温。-实施方式1的变形例-这个变形例与上述实施方式1不同，是在上述图2的状态下制成封装体，如图3所示在另外的基板33上通过端子32连接的情况的构成例。尚，这个变形例除封装体以外，与上述实施方式1基本相同，在相同的部分标注相同的符号，只说明不同的部分。图3中表示了这个变形例所涉及的电力转换装置中芯片的组装结构。这个实施方式中，如上所述，将上述实施方式1的芯片21、铜基板22、印刷基板25、25、遮热板26、 26、…、以及焊接线27、27收容到封装体31中，该封装体31的下侧，也就是上述铜基板22 下侧设置了散热器23。并且，上述封装体31中，设置了多个端子32、32、…，该端子32、32、…连接于另外的基板33。尚，上述图3中，符号观是由宽带隙半导体那样的不能高温动作的材料(例如硅(Si)半导体)形成的芯片。由此，即便是以包含碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体形成的芯片21的方式形成封装体的情况，在该封装体31内防止其它的芯片观变成高温的同时，也确实防止了上述另外的基板33上由宽带隙半导体形成的芯片21的热量传递使该基板33变成高温。《实施方式2》这个实施方式2与上述实施方式1不同，在密封了上述芯片21的封装体41中，不是在它内部热绝缘，而是在外部抑制向基板42 —侧的热传导。详细的，如图4所示，密封了由碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体形成的芯片的封装体41，通过多个端子42、42、…连接于例如树脂制的印刷基板43。更详细的，上述印刷基板43的表面(图3中的下表面)上，形成了图案44，在该图案44上电连接了上述端子42、 42、…。另一方面，上述封装体41中，与上述印刷基板43相反一侧设置了散热器45，构成为由该散热器45散热上述芯片的密封封装体41的热量。并且，上述封装体41的端子42、42、…，形成为有效散热如下所述热量，即从该封装体41通过该端子42、42、…传递热量使上述印刷基板43的温度不超过该基板43的耐热温度，还有，使该基板43上的周边电路48等的部件不超过耐热温度。也就是，上述端子42、42、…，构成为形成增大的长度、增大宽度、表面形成凸起和肋条型，以增大表面积(散热面积)。由此，因为上述封装体41的热量在上述端子42、42、…上有效的散发，所以能够防
7止上述印刷基板43上的部件48变成高温而受到热的损伤。还有，上述印刷基板43上的图案44，也是使该印刷基板43的温度不超过耐热温度增大散热面积，由此，使上述封装体41的热量也有效的从图案44散热。尚，上述那样的端子42、42、…的构成及图案44的构成，适用于双方的部件更有效，但是并不限于此，只应用于其中之一也是可以的。再有，为了提高从上述端子42、42、…及图案44的散热效果，还可以设置作为对具有上述这样构成的端子42、42、…及图案44的至少一个吹风的吹风器的风扇46。这个风扇，还可以是上述端子42、42、…或图案44的冷却专用风扇，也可以兼用为冷却上述散热器 45的风扇。 还有，与上述实施方式1 一样，这个实施方式中，也是在上述封装体41和印刷基板 43之间设置了遮热板47。通过设置这个遮热板47，确实防止了从该封装体41的辐射热使上述印刷基板43变成高温。这个遮热板47，与上述实施方式1 一样，最好的是例如陶瓷等的具有耐热性的材料的部件，但是并不限于此，只要是能够降低从上述封装体41辐射的热量的即可。-实施方式2的效果-上述实施方式2中，将碳化硅(SiC)的宽带隙半导体形成的芯片密封到封装体41 中的同时，将该封装体41的端子42电连接到印刷基板43的图案44上，该印刷基板43或该基板43上的部件的温度不超过耐热温度增大该端子42及图案44的散热面积从该端子 42及图案44散热上述封装体41的热量，因此，就可以防止由于上述封装体41的热量使印刷基板43变成高温，受到热的损伤。还有，因为用风扇46对上述端子42或图案44吹风，所以有效的提高了该端子42 及图案44的散热，更确实的防止了上述印刷基板43变成高温。再有，通过在上述封装体41和印刷基板43之间设置遮热板47，更确实可以防止由从上述封装体41的辐射热使上述印刷基板43温度升高。《实施方式3》这个实施方式3与上述实施方式2不同，不是将封装体41直接组装到印刷基板 43，而是在直接组装到高耐热性的印刷基板51上的状态下，通过端子52连接于低耐热性的印刷基板53。尚，与上述实施方式2相同的构成标注相同的符号，只说明不同的部分。具体的讲，如图5所示，密封了碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体的芯片的封装体 41，组装在具有比该宽带隙半导体的动作可能的温度高的耐热温度的高耐热性印刷基板51 上。作为这样的高耐热性印刷基板51，例如是高耐热性树脂或金属基板等。并且，上述那样的组装了封装体41的高耐热性印刷基板51，通过多个端子52、 52、…连接于低耐热性印刷基板53。这个低耐热性印刷基板53，例如是一般的树脂制的印刷基板。这样，通过将密封了碳化硅(SiC)的宽带隙半导体的封装体41组装到高耐热性印刷基板51上，与上述低耐热性印刷基板53热分离，所以就可以防止该低耐热性印刷基板53 直接受封装体41的热影响而变成高温。再有，如上述图5所示，通过在上述高耐热性印刷基板51和低耐热性印刷基板53 之间设置遮热板M，就可以抑制从上述封装体41或高耐热性印刷基板51的辐射热，由此，可以更确实的防止上述低耐热性印刷基板53变成高温而受到热损伤。-实施方式3的效果-上述实施方式3中，是将碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体的芯片密封到封装体41 的同时，将该封装体41组装到高耐热性印刷基板51上，与低耐热性印刷基板53是由端子 52连接，为此，就可以防止由于上述封装体41的热量使低耐热性印刷基板53变成高温而受到热损伤。还有，通过上述高耐热性印刷基板51和低耐热性印刷基板53之间设置遮热板52， 更可以确实防止从封装体41及高耐热性印刷基板51的热辐射而使上述低耐热性印刷基板 53变成高温。-实施方式3的变形例-这个变形例与上述实施方式3不同，只是并列了上述低耐热性印刷基板53和高耐热性印刷基板51的做法。尚，并列基板51、53以外与上述实施方式3为基本相同的构成， 相同的部分标注相同的符号，只说明不同的部分。具体的讲，如图6所示，将密封了碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体的芯片的封装体 41，组装到高耐热性印刷基板51上的同时，在该高耐热性印刷基板51的旁边并排设置低耐热性印刷基板53。尚，上述高耐热性印刷基板51和低耐热性印刷基板53之间由例如焊接线电连接。并且，上述高耐热性印刷基板51和低耐热性印刷基板53之间，设置了用以防止从上述封装体41及高耐热性印刷基板51的辐射热使低耐热性印刷基板53变成高温的遮热板55。由此，确实可以防止上述低耐热性印刷基板53受到上述封装体41的热辐射的热损伤。《实施方式4》这个实施方式4，根据相同印刷基板61上的元件66、67的动作温度构成低温部62 和高温部63，且两者由图案64连接着的情况下，防止从该高温部63产生的热量通过图案 64传给该低温部62而变成高温。具体的讲，如图7所示，在印刷基板61上组装多个元件66、67的情况下，由其动作温度分成低温部62和高温部63。并且，两者由上述印刷基板61上形成的图案64电连接的情况下，通过该图案64上述高温部63的元件67的热量传给低温部62的元件66，使该元件 66的温度上升。特别是，上述高温部63的元件67是由高温条件下也能动作的碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体构成的封装体41，上述低温部62的元件66是由高温条件下不能动作的硅 (Si)半导体构成的情况下，该高温部63的元件67变成高温的话，其热量通过上述图案64 传给低温部62的元件66，该低温部62的元件66的温度就会超过耐热温度。为此，是将上述印刷基板61的图案64制成热阻抗高的形状。也就是如图7所示， 使上述图案64的中途部分6 弯曲成蛇腹状尽可能的使上述高温部63和低温部62之间的图案64长度增长，增大该图案64的热阻抗。由此，阻碍了从上述高温部63向上述低温部62的传热，抑制了该低温部62的元件66的温度上升。还有，如上所述，并不只限于增大图案64自身的热阻抗，如图8所示，还可以在图
9案64’的中间增设阻抗体65。这个阻抗体65是与图案64’相比热阻抗大的物体，构成阻碍从上述高温部63向低温部62的热传递。-实施方式4的效果-上述实施方式4中，是在同一个印刷基板61上组装了由碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体形成的元件和由硅(Si)半导体形成的元件等动作温度不同的多个元件66、67，相对动作温度高的元件67形成的高温部63和动作温度低的元件66形成的低温部62由图案64 连接的情况下，通过增长该图案64的长度，或在中间设置阻抗体65等，可以增大上述高温部63和低温部62之间的热阻抗，由此可以抑制由于该高温部63的热量的低温部62的温度上升。因此，确实可以防止上述低温部62变成高温受到热损伤。《实施方式5》这个实施方式5与上述实施方式1至4不同，不只是芯片等的元件71，用以驱动该元件71的驱动部72也由碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体构成，在可以高温动作的元件71 及驱动部72、和耐热温度低的周边部件73、74之间进行热绝缘。尚，这儿所说的热绝缘，不是说完全遮断传热，而是抑制传热。具体的讲，如上述实施方式1至4那样，只将芯片21等的元件71用宽带隙半导体构成，不是抑制与其他部件之间的的传热(图9 (a))，驱动该元件71的驱动部72’也由宽带隙半导体构成，将上述元件71及驱动部72’收入同一个封装体70内。驱动上述元件71的驱动部72’，从损失等的观点最好的是尽可能靠近该元件71设置。并且，在上述高温动作可能的部件形成的封装体70、和它以外的耐热温度低的部件(图9的例中CPU73或周边电路74等)之间设置热绝缘75。这个热绝缘75，例如是上述实施方式1至4那样的构成，防止从上述封装体70向耐热温度低的部件73、74的传热。-实施方式5的效果-上述实施方式5中，不只是芯片21等的元件71，用以驱动该元件71的驱动部72’ 也由碳化硅(SiC)等的宽带隙半导体构成，并将上述元件71及驱动部72’收入同一个封装体70，还热绝缘了该封装体70和耐热温度低的部件73、74，为此，就可以防止从由高温动作可能的宽带隙半导体构成部件71、73’的热量传给耐热温度低的部件73、74而是该部件73、 74变成高温。因此，确实可以防止上述耐热温度低的部件73、74变成高温而受到热损伤。还有，通常上述元件71附近设置的驱动部72’不再需要防热保护，就能够省略用于该驱动部72’的传热抑制器。《其它的实施方式》本发明的上述各实施方式还可以是以下的构成。上述各实施方式中，作为宽带隙半导体使用了碳化硅(SiC)，但并不只限于此，还可以是氮化镓(GaN)等比硅(Si)大的带隙值的半导体材料。-产业上的利用可能性-正如以上所说明的，本发明的电力转换装置对具有宽带隙半导体形成的芯片等的元件的特别有用。
权利要求
1.一种电力转换装置，包括元件(71)和驱动部(72)，该元件(71)是宽带隙半导体，该驱动部(72)用以驱动该元件(71)，上述驱动部也由宽带隙半导体构成，与上述元件(71)设置在同一个封装体(70)内，热绝缘上述封装体(70)和位于该封装体(70)周围的周边部件(73、74)。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于 上述宽带隙半导体是碳化硅半导体。
全文摘要
提供一种电力转换装置，即便是由宽带隙半导体构成芯片的情况下，也不会使耐热温度低的部件受到由于芯片产生的热的热损伤。该电力转换装置包括元件(71)和驱动部(72)，该元件(71)是宽带隙半导体，该驱动部(72)用以驱动该元件(71)，上述驱动部(72)也由宽带隙半导体构成，与上述元件(71)设置在同一个封装体(70)内，热绝缘上述封装体(70)和位于该封装体(70)周围的周边部件(73、74)。
文档编号H01L23/64GK102208399SQ20111013244
公开日2011年10月5日 申请日期2007年8月22日 优先权日2006年8月31日
发明者关本守满, 前田敏行, 川嶋玲二, 榊原宪一, 芳贺仁, 阿卜杜拉·梅基 申请人:大金工业株式会社