功率模块装置的制作方法

[0001]
本发明涉及以确保功率模块的耐压为目的的结构。


背景技术：

[0002]
在功率模块中，在功率单元与散热底板之间配置有绝缘片。以往的功率模块的耐压能力由配置在功率单元与散热底板之间的绝缘片的厚度决定(例如参照专利文献1)。
[0003]
在先技术文献
[0004]
专利文献
[0005]
专利文献1：国际公开第2012/086417号


技术实现要素：

[0006]
发明所要解决的课题
[0007]
当超过功率模块的额定绝缘耐压的电压施加于功率模块时，由于功率模块内部的绝缘片的劣化，会发生功率模块的绝缘破坏。另外，所谓绝缘耐压是指能施加于绝缘构件而不会发生绝缘破坏的电压的上限。
[0008]
由于相对于铁路的不同架线电压而所需的绝缘耐压也不同，所以，在铁路车辆的绝缘耐压试验中，根据各个所需的绝缘耐压来选定功率模块。例如在架线电压[u]为直流600v以上且1200v以下的场合，根据有关铁路的国际规格iec30077-1，绝缘耐压为[2
×
u+1500]＝2700v以上且3900v以下。因而，必须要选定绝缘耐压超过3900v以上的功率模块。
[0009]
对于铁路车辆所使用的功率模块，一般来讲，绝缘耐压越高则价格也越高。因而，为了抑制产品的成本，使用绝缘耐压更低的廉价的功率模块是有效的。
[0010]
但是，例如假设在进行4kv的铁路车辆的绝缘耐压试验时使用绝缘耐压为2.5kv的廉价的功率模块的场合。当对该功率模块施加4kv的电压时，会发生功率模块的绝缘破坏。
[0011]
在专利文献1所述的功率模块中，存在因使用的绝缘片的厚度左右着功率模块的绝缘耐压这样的问题点。具体来讲，为了抑制绝缘破坏的发生，需要加厚功率模块内部的绝缘片，但越是加厚绝缘片，绝缘片的热阻就变得越大，功率模块的散热性就会变差。
[0012]
因而，本发明的目的在于提供不被功率模块内部的绝缘片的绝缘耐压所左右而在超过功率模块的额定绝缘耐压的电压施加于功率模块的场合也能保护功率模块的技术。
[0013]
用于解决课题的方案
[0014]
本发明所涉及的功率模块装置具备：功率模块，该功率模块具有模块内绝缘片、模块底板和模块端子；配线导体，该配线导体对上述模块端子供给电力；散热器，该散热器对在上述功率模块产生的热进行散热；绝缘片，该绝缘片配置在上述模块底板与上述散热器之间，且将上述模块底板和上述散热器绝缘；具有静电电容或者寄生电容的构件，该具有静电电容或者寄生电容的构件连接在上述配线导体与上述模块底板之间；以及电阻器，该电阻器与上述具有静电电容或者寄生电容的构件电气并联或者与上述绝缘片电气并联地连接在上述模块底板与上述散热器之间，且导热及机械地固定于上述散热器，上述模块内绝
缘片的寄生电容与上述具有静电电容或者寄生电容的构件的静电电容或者寄生电容并联连接，上述模块内绝缘片的寄生电容与上述绝缘片的寄生电容串联连接，上述具有静电电容或者寄生电容的构件的静电电容或者寄生电容与上述绝缘片的寄生电容串联连接，上述电阻器与上述模块内绝缘片的寄生电容并联连接或者与上述绝缘片的寄生电容并联连接。
[0015]
发明的效果
[0016]
根据本发明，由于在配线导体与模块底板之间连接了具有静电电容或者寄生电容的构件，所以，利用具有静电电容或者寄生电容的构件的静电电容或者寄生电容，在超过功率模块的额定绝缘耐压的电压施加于功率模块的场合也能保护功率模块。另外，由于功率模块的绝缘耐压由具有静电电容或者寄生电容的构件的静电电容或者寄生电容和绝缘片的寄生电容决定，所以，能够抑制被模块内绝缘片的绝缘耐压所左右的情形。
[0017]
本发明的目的、特征、各方面以及优点将通过以下的详细说明和附图而变得明了。
附图说明
[0018]
图1是实施方式1所涉及的功率模块装置的剖视图。
[0019]
图2是实施方式1所涉及的功率模块装置的俯视图。
[0020]
图3是实施方式1所涉及的功率模块装置所具备的电容器的立体图。
[0021]
图4是示出实施方式1所涉及的功率模块装置中的电阻器的位置的剖视图。
[0022]
图5是示出实施方式1所涉及的功率模块装置中的电阻器的位置的剖视图。
[0023]
图6是模块内绝缘片的寄生电容和绝缘片的寄生电容的概略图。
[0024]
图7是用于对图6进行说明的说明图。
[0025]
图8是模块内绝缘片的寄生电容、绝缘片的寄生电容和电容器的静电电容的概略图。
[0026]
图9是用于对图8进行说明的说明图。
[0027]
图10是实施方式2所涉及的功率模块装置的剖视图。
[0028]
图11是实施方式2所涉及的功率模块装置所具备的印刷基板的安装结构的剖视图。
[0029]
图12是实施方式2所涉及的功率模块装置所具备的印刷基板的俯视图。
[0030]
图13是实施方式2所涉及的功率模块装置所具备的固定用部件的立体图。
[0031]
图14是实施方式3所涉及的功率模块装置的剖视图。
[0032]
图15是实施方式4所涉及的功率模块装置的剖视图。
[0033]
图16是实施方式4所涉及的功率模块装置所具备的第1电阻器的立体图。
[0034]
图17是实施方式4所涉及的功率模块装置所具备的第2电阻器的立体图。
[0035]
图18是模块内绝缘片的寄生电容、绝缘片的寄生电容和第1、第2电阻器的电阻值的概略图。
[0036]
图19是用于对图18进行说明的说明图。
[0037]
图20是实施方式5所涉及的功率模块装置所具备的印刷基板的俯视图。
[0038]
图21是实施方式5所涉及的功率模块装置的剖视图。
[0039]
图22是实施方式5所涉及的功率模块装置的其他例子的剖视图。
具体实施方式
[0040]
＜实施方式1＞
[0041]
下面，使用附图对本发明的实施方式1进行说明。图1是实施方式1所涉及的功率模块装置的剖视图。图2是实施方式1所涉及的功率模块装置的俯视图。图3是实施方式1所涉及的功率模块装置所具备的电容器的立体图。图4是示出实施方式1所涉及的功率模块装置中的电阻器13的位置的剖视图。图5是示出实施方式1所涉及的功率模块装置中的电阻器13a的位置的剖视图。
[0042]
功率模块装置由于是功率模块单元24的结构，所以对功率模块单元24进行说明。如图1和图2所示那样，功率模块单元24具备功率模块23、配线导体1、散热器11、追加底板4、绝缘片10、电容器12以及电阻器13。
[0043]
功率模块23具备模块端子22、基板26、芯片27、模块内绝缘片2以及模块底板3。功率模块23包括功率单元25。具体来讲，功率单元25具备模块端子22、导体28、芯片27、基板26以及模块内绝缘片2。模块端子22和芯片27经由导体28而电气连接。芯片27安装在基板26上。在基板26与模块底板3之间，配置有满足要求绝缘距离的模块内绝缘片2。
[0044]
配线导体1与模块端子22电气连接，经由模块端子22向芯片27供给电力。追加底板4与模块底板3电气以及导热连接。追加底板4将在功率模块23产生的热散热。在追加底板4与散热器11之间配置有绝缘片10。绝缘片10将追加底板4和散热器11绝缘，具有绝缘耐压试验所需的绝缘耐压以上的绝缘耐压。散热器11经由绝缘片10将追加底板4的热散热。
[0045]
如图1和图2所示那样，通过将插通在形成于配线导体1的螺钉通孔15中的螺钉5与模块端子22紧固，配线导体1被固定于功率模块23。通过将插通了形成于模块底板3的螺钉通孔17和垫片7的螺钉6与形成于追加底板4的螺钉孔18紧固，功率模块23被机械以及电气地固定于追加底板4。
[0046]
在形成于追加底板4的螺钉通孔21、形成于绝缘片10的螺钉通孔以及形成于散热器11的孔20a中插通了绝缘衬套9的状态下，将螺钉8插通于绝缘衬套9内的螺钉通孔19，并与形成在散热器11中的孔20a的下侧的螺钉孔20紧固，追加底板4被固定于绝缘片10以及散热器11。为了确保追加底板4与螺钉8的沿面爬电距离，在螺钉孔20中插通有绝缘衬套9。另外，需要沿面爬电距离的部位由图4的箭头示出。
[0047]
如图1所示那样，电容器12电气连接在配线导体1与模块底板3之间。如图3所示那样，电容器12具备主体部12a、一端12b以及另一端12c。电容器12的一端12b和另一端12c呈直角被弯折。电容器12的一端12b的弯折部通过钎料被接合在配线导体1上。电容器的另一端12c的弯折部通过钎料被接合在垫片7上。电容器12的主体部12a被放置在追加底板4上，通过固定剂将电容器12的主体部12a机械地固定在追加底板4上。
[0048]
追加底板4由于没有被电气连接的部位而成为浮动电位，所以，相对于形成在模块底板3与散热器11之间的电容成分，在电气地并联连接的模块底板3与散热器11之间追加满足绝缘耐压试验的电阻器13(参照图1、图4以及图7的(a))，由此，形成在基板26的端部与模块底板3之间的电容成分所蓄积的电荷被放电。另外，在绝缘耐压试验中施加了直流电压的场合，可抑制功率模块23被破坏。或者，也可以相对于形成在配线导体1与模块底板3之间的电容成分，在电气地并联连接的配线导体1与模块底板3之间追加满足绝缘耐压试验的电阻器13a(参照图5和图7的(b))。或者，还可以追加电阻器13和电阻器13a。
[0049]
接下来，与现有技术的问题点进行比较，对实施方式1所涉及的功率模块23的耐压结构的作用以及效果进行说明。图6是功率模块23的寄生电容c1和绝缘片10的寄生电容c2的概略图。图7是用于对图6进行说明的说明图。具体来讲，图7的(a)是追加了电阻器13的场合的例子，图7的(b)是追加了电阻器13a的场合的例子。图8是功率模块23的寄生电容c1、绝缘片10的寄生电容c2和电容器12的静电电容c3的概略图。图9是用于对图8进行说明的说明图。具体来讲，图9的(a)是追加了电阻器13的场合的例子，图9的(b)是追加了电阻器13a的场合的例子。
[0050]
寄生电容是通过经由绝缘层连接2个导电性构件间而产生的。当将配置在2个导电性构件间的绝缘性构件的厚度设为d(mm)，将绝缘性构件的面积设为s，将绝缘性构件的介电常数设为ε
s
时，寄生电容c如式(1)那样。ε0是真空的介电常数，为8.855
×
10-12
。
[0051]
[数学式1]
[0052][0053]
在功率模块单元24中，如图6所示那样存在寄生电容c1、c2。对于功率模块23的绝缘耐压，在寻求由功率模块23的寄生电容c1决定的高的绝缘耐压的场合，需要加厚模块内绝缘片2。但是，越加厚模块内绝缘片2，模块内绝缘片2的热阻就变得越大，功率模块23的散热性变差。因此，通过加厚模块内绝缘片2来获得绝缘耐压的方法并不现实。
[0054]
如图6和图7的(a)、(b)所示那样，通过经由绝缘片10在功率模块23的模块底板3上导热地连接散热器11，功率模块23的寄生电容c1与绝缘片10的寄生电容c2串联。在外部高电压被施加于功率模块23和散热器11的两端时，通过模块内绝缘片2的寄生电容c1和绝缘片10的寄生电容c2被分压。
[0055]
若将所施加的外部高电压设为u，另外将外部高电压u的总电荷设为q，将施加于模块内绝缘片2的电压设为u1，将施加于绝缘片10的电压设为u2，则式(2)以及式(3)成立。
[0056]
[数学式2]
[0057]
u＝u1+u2＝q/c1+q/c2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0058]
[数学式3]
[0059]
u1＝q/c1、u2＝q/c2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0060]
根据式(2)以及式(3)，寄生电容(c1、c2)的容量越小，则所施加的电压(u1、u2)就越高。
[0061]
一般来讲，绝缘片10的寄生电容c2远大于模块内绝缘片2的寄生电容c1。因而，当外部高电压施加于功率模块23和散热器11的两端时，外部高电压的一大半都被施加于模块内绝缘片2，由于模块内绝缘片2的劣化，导致功率模块23破坏。
[0062]
另外，通过加厚绝缘片10的厚度d，能够将绝缘片10的寄生电容c2设为模块内绝缘片2的寄生电容c1以下。但是，由于加厚绝缘片10的厚度d而导致绝缘片10的热阻也变大，功率模块23的散热性变差，需要更大的散热器。进而，在寻求装置小型化的最近阶段也难以加厚绝缘片10的厚度d。
[0063]
对此，在本实施方式1中，如图1所示那样，经由追加底板4和绝缘片10将散热器11连接于功率模块23的模块底板3，且在跟功率模块23的模块端子22连接的配线导体1与模块底板3之间连接电容器12，由此，保护功率模块23免受比功率模块23的绝缘耐压高的电压。
[0064]
如图8和图9的(a)、(b)所示那样，若将电容器12的静电电容设为c3，则模块内绝缘片2的寄生电容c1与电容器的静电电容c3并联连接，模块内绝缘片2的寄生电容c1与绝缘片10的寄生电容c2串联连接，电容器12的静电电容c3与绝缘片10的寄生电容c2串联连接。
[0065]
若将施加于功率模块单元24的外部高电压设为u，另外将外部高电压u的总电荷设为q，将施加于电容器12的电压设为u1，将施加于绝缘片10的电压设为u2，则式(4)以及式(5)成立。
[0066]
[数学式4]
[0067]
u＝u1+u2＝q/((c1+c3))+q/c2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0068]
[数学式5]
[0069]
u1＝q/((c1+c3))、u2＝q/c2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0070]
另外，由于功率模块23与电容器12并联，所以，在功率模块23的两端也施加电压u1。根据式(4)以及式(5)，寄生电容越小，则所施加的电压就越高。
[0071]
由于模块内绝缘片2的寄生电容c1远小于绝缘片10的寄生电容c2，所以，在未配置电容器12的场合，当有冲击电压重叠时，外部高电压的一大半都施加在功率模块23上，导致功率模块23被破坏。因而，如以下那样选定电容器12的静电电容c3。
[0072]
由于需要将模块内绝缘片2的寄生电容c1与电容器12的静电电容c3之和设成比绝缘片10的寄生电容c2大，所以，选定成至少c3＞c2－c1成立。通过这样构成，当比功率模块23的绝缘耐压高的电压施加于功率模块单元24时，模块内绝缘片2的寄生电容c1、绝缘片10的寄生电容c2和电容器12的静电电容c3满足上述的式(4)，能够按寄生电容c1+静电电容c3和寄生电容c2进行分压。
[0073]
另外，考虑在相对于绝缘片10的寄生电容c2电气地并联而相对于电容器12电气地串联的模块底板3与散热器11之间追加具有静电电容的构件的场合。将具有静电电容的构件的静电电容设为c4。在该场合，若c1+c3≤c2+c4，作为静电电容c4，则选定静电电容c4的绝缘耐压比施加于功率模块单元24的电压高的电容。通过这样构成，当比功率模块23的绝缘耐压高的电压施加于功率模块单元24时，高电压按c1+c3和c2+c4进行分压，也能够保护功率模块23免受比功率模块23的绝缘耐压高的电压。
[0074]
接下来，对电阻器13、13a的电阻值rd的选定进行说明。在此对电阻器13a的场合进行说明。如图9的(b)所示那样，选定具有比与电阻器13a电气地并联的具有静电电容或者寄生电容的构件的绝缘电阻值小的电阻值rd的电阻器13a。另外，由于在电阻器13a施加大电压，所以，需要选定具有适当的电阻值rd的电阻器13a。在实施方式1中，电阻器13a与电容器12电气地并联连接，与配线导体1以及模块底板3电气连接。另外，电阻器13a的主体部导热及机械地固定于散热器11。在此，被电气地并联的具有静电电容或者寄生电容的构件是电容器12。
[0075]
例如当设成模块内绝缘片2的寄生电容c1＝500pf的场合，将模块内绝缘片2的阻抗设为rz。rz＝1/2πfc，另外假设将绝缘耐压试验的频率设为60hz。
[0076]
因而，成为rz＝1/(2π
×
60hz
×
500
×
10-12
f)＝5.3mω。若设绝缘片10的寄生电容c2＝1000pf，则电容器12的静电电容c3如式(6)那样。另外，电阻器13a的电阻值rd＜5.3mω。
[0077]
[数学式6]
[0078]
c3≥c2-c1＝500pf
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0079]
假设在外部高电压为3900v的场合，若选定耐压为3900v以上的电容器12则没有问题。即，若将电容器12的静电电容c3设为500pf以上，则能够保护功率模块23免受外部高电压。
[0080]
另外，当3900v的外部高电压施加于功率模块单元24时，在将电阻器13a的电阻值rd设为50kω的场合，假设在电阻器13a施加了2000v，则成为施加于电阻器13a的电力p＝v2/rd＝20002v/50kω＝80w。进而，电阻器13a由于将蓄积在电容器12的静电电容c3和模块内绝缘片2的寄生电容c1中的电荷放电，所以发热。假设在将电容器12的静电电容设为500pf的场合，成为放电时间τ＝rc＝50kω
×
1000pf＝50μsec。
[0081]
从外部施加于功率模块装置的高电压是雷击等极短时间的施加。另外，绝缘耐压试验一般进行1分钟，因而，电阻器13a只要能够耐受1分钟的过负荷(过电力)即可。但是，耐压试验中施加于功率模块单元24的电压相比通常施加于功率模块单元24的电压要大10倍，必须要考虑进行耐压试验时的电阻器13a的发热。
[0082]
假设为了以电阻值为50kω的电阻器耐受2000v的过负荷，需要使电阻器大型化。若电阻器大型化，则不仅制造成本会增加，耐振性以及重量方面也变得严峻。但是，在本实施方式1中，通过将电阻器13a的主体部导热及机械地固定于散热器11来提高电阻器13a的散热性，因而施加于电阻器13a的电压为极短时间。因而，电阻器13a的额定功率只要按电阻器13a的耗电来设计即可，能使电阻器13a小型化。另外，由于在功率模块装置的稳定使用时施加于电阻器13a的电压是相比绝缘耐压试验时充分低的电压，所以，电阻器13a的稳定时的耗电很少，没有问题。
[0083]
例如金属包覆电阻器的外装体以及其内部的主体部的耐压为3000v以上且4500v以下，市场流通量也大。因而，金属包覆电阻器可作为电阻器13a进行使用。作为金属包覆电阻器的外装体的例子在图16中示出。
[0084]
另外，通过在相对于电阻器13a电气地串联的模块底板3与散热器11之间追加满足绝缘耐压试验的电阻器13，能够将蓄积于静电电容c3以及寄生电容c1的电荷放电。在该场合，电阻器13的电阻值rd与电阻器13a的电阻值rd相同。
[0085]
另外，如图9的(a)所示那样，通过去除电阻器13a，在相对于寄生电容c2电气地并联的模块底板3与散热器11之间追加满足绝缘耐压试验的电阻器13，能够将蓄积于静电电容c3以及寄生电容c1的电荷放电。在该场合，电阻器13的电阻值rd与电阻器13a的电阻值rd相同。另外，电阻器13的主体部导热及机械地固定于散热器11。
[0086]
进而，通过增大电容器12的静电电容c3，在施加于功率模块单元24的两端的电压为功率模块23的绝缘耐压的2倍或者3倍以上的场合也能够保护功率模块23免于绝缘破坏。
[0087]
如上所述，在实施方式1所涉及的功率模块装置中，由于在配线导体1与模块底板3之间连接电容器12，所以，利用电容器12的静电电容c3，在超过功率模块23的额定绝缘耐压的电压施加于功率模块23的场合也能保护功率模块23。
[0088]
另外，功率模块23的绝缘耐压由电容器12的静电电容c3和绝缘片10的寄生电容c2决定，因而，能够抑制被模块内绝缘片2的绝缘耐压左右的情形。
[0089]
另外，由于在铁路车辆的绝缘耐压试验中有交流电压的耐压试验和直流电压的耐压试验，所以，在施加直流电压的场合，无法将电阻器配置在功率模块单元24中，若没有静
电放电的放电路径，则存在功率模块23被破坏的可能性。为了抑制功率模块23被破坏的可能性，不仅需要电容器12，还需要电阻器13a。另外，通过去除电阻器13a，在电气地串联的模块底板3与散热器11之间追加满足绝缘耐压试验的电阻器13，能够将蓄积于静电电容c3以及寄生电容c1的电荷放电。
[0090]
由此，能够不使用面向铁路车辆的高耐压且高价的功率模块，而是能够使用相比以往绝缘耐压低且更廉价的功率模块。因而，能够抑制产品的制造成本并实现小型化。另外，由于追加底板4的面积大于模块底板3的面积，所以，追加底板4作为热量散发器发挥功能。由此，功率模块23的散热性提高。另外，通过重叠多张绝缘片10和追加底板4或将它们组合可获得与上述相同的效果。
[0091]
＜实施方式2＞
[0092]
接下来，对实施方式2所涉及的功率模块装置进行说明。图10是实施方式2所涉及的功率模块装置的剖视图。图11是实施方式2所涉及的功率模块装置所具备的印刷基板43的安装结构的剖视图。图12是实施方式2所涉及的功率模块装置所具备的印刷基板43的俯视图。图13是实施方式2所涉及的功率模块装置所具备的固定用部件52的立体图。另外，在实施方式2中，对与实施方式1中说明的构成相同的构成要素标注相同附图标记而省略说明。
[0093]
如图10所示那样，在实施方式2中，相对于实施方式1将电容器12置换成为印刷基板43。
[0094]
如图11所示那样，印刷基板43具备作为表面的部件面41和作为背面的钎料面42。在印刷基板43的部件面41的一部分贴装铜箔图形48，实施蚀刻。在印刷基板43的钎料面42的一部分贴装铜箔图形49，实施蚀刻。
[0095]
印刷基板43利用具有导电性的固定用部件52、53被固定于配线导体1以及模块底板3。另外，固定用部件52、53是相同的结构。如图11～图13所示那样，在铜箔图形48的一端部形成螺钉通孔46，通过将螺钉50贯通固定用部件52的一端部的螺钉通孔58和螺钉通孔46并与螺母55紧固，固定用部件52的一端部被固定于印刷基板43。
[0096]
在螺钉50的头部与被贴装于钎料面42的铜箔图形49之间，确保了满足所要求的绝缘耐压的绝缘距离。
[0097]
如图10～图13所示那样，在配线导体1的一端部也形成螺钉通孔，通过将螺钉44贯通固定用部件52的另一端部的螺钉通孔57和配线导体1的螺钉通孔并与螺母54紧固，固定用部件52的另一端部被固定于配线导体1。由此，印刷基板43以及配线导体1经由固定用部件52而被固定。
[0098]
如图11和图12所示那样，在铜箔图形49的一端部形成螺钉通孔47，通过将螺钉51贯通固定用部件53的一端部的螺钉通孔57和螺钉通孔47并与螺母56紧固，固定用部件53的一端部被固定于印刷基板43。在螺钉51的头部与被贴装于部件面41的铜箔图形48之间，确保了满足所要求的绝缘耐压的绝缘距离。
[0099]
如图10和图13所示那样，通过将螺钉5贯通固定用部件53的另一端部的螺钉通孔58和垫片7并与模块底板3紧固，固定用部件53的另一端部被固定于模块底板3。由此，印刷基板43以及功率模块23经由固定用部件53而被固定。
[0100]
接下来，使用图8、图10以及图11对实施方式2所涉及的功率模块23的耐压结构的
作用以及效果进行说明。
[0101]
与实施方式1的场合同样，如图8、图10以及图11所示那样，由于经由绝缘片10将追加底板4和散热器11绝缘，所以，存在寄生电容c2。如图11所示那样，被贴装于部件面41的铜箔图形48和被贴装于钎料面42的铜箔图形49隔着印刷基板43的绝缘层43a，存在寄生电容。在此，将印刷基板43的寄生电容设为c3。当将印刷基板43的绝缘层43a的面积设为sp，将贴装于部件面41的铜箔图形48与贴装于钎料面42的铜箔图形49之间的距离设为dp，将绝缘层43a的介电常数设为ε
sp
时，式(7)成立。ε0是真空的介电常数，为8.855
×
10-12
。
[0102]
[数学式7]
[0103][0104]
印刷基板43的寄生电容c3选定的是比绝缘片10的寄生电容c2与模块内绝缘片2的寄生电容c1之差大的电容。例如在设功率模块23的寄生电容c1＝100pf，设绝缘片10的寄生电容c2＝1000pf，将印刷基板43的相对介电常数设为5，将印刷基板43的部件面41与钎料面42的距离设为1mm的场合，空气的介电常数是8.855
×
10-12
，因而，印刷基板43的寄生电容c3满足式(8)以及式(9)。
[0105]
[数学式8]
[0106]
c3≥c2-c1＝900pf
ꢀꢀꢀ
(8)
[0107]
[数学式9]
[0108][0109]
根据式(8)以及式(9)，式(10)成立。
[0110]
[数学式10]
[0111][0112]
假设在dp＝0.5mm、sp＝100cm-2
的场合，根据式(10)，若铜箔图形48、49为10cm
×
10cm，即铜箔图形48、49的面积为100cm2，则印刷基板43的寄生电容c3为900pf。
[0113]
通过采用这样的结构，当经由配线导体1在功率模块23和散热器11的两端施加高电压时，按印刷基板43的寄生电容c3与模块内绝缘片2的寄生电容c1的合成寄生电容c1+c3和绝缘片10的寄生电容c2进行分压，因而，能够保护功率模块23免受绝缘破坏电压。
[0114]
进而，通过增大印刷基板43的寄生电容c3，在施加于功率模块单元24的两端的电压为功率模块23的绝缘耐压的2倍或者3倍以上的场合也能保护功率模块23免于绝缘破坏。
[0115]
与实施方式1的场合同样，电阻器13与印刷基板43电气地并联或者与绝缘片10电气地并联而电气连接在模块底板3与散热器11之间。另外，电阻器13的电阻值rd与实施方式1的场合同样地选定。
[0116]
另外，电阻器13的主体部导热及机械地被固定于散热器11。通过这样构成，电阻器13的散热性提高，故而以短时间额定值设计电阻器13的电力额定值即可，能够使电阻器13小型化。作为电阻器13可使用一般在市面销售的产品。例如金属包覆电阻器的外装体以及其内部的主体部的耐压为3000v以上且4500v以下，市场流通量也大。因而，金属包覆电阻器可作为电阻器13使用。在此，电气地并联的具有静电电容或者寄生电容的构件是印刷基板
43。
[0117]
如上所述，在实施方式2所涉及的功率模块装置中，由于在配线导体1与模块底板3之间电气连接印刷基板43，所以，利用印刷基板43的寄生电容c3，在超过功率模块23的额定绝缘耐压的电压施加于功率模块23的场合也能保护功率模块23。
[0118]
另外，由于功率模块23的绝缘耐压由印刷基板43的寄生电容c3和绝缘片10的寄生电容c2决定，所以，能够抑制被功率模块23的模块内绝缘片2的绝缘耐压左右的情形。
[0119]
另外，由于在铁路车辆的绝缘耐压试验中有交流电压的耐压试验和直流电压的耐压试验，所以，在施加直流电压的场合，无法将电阻器配置于功率模块单元24，若没有静电放电的放电路径，则存在功率模块23被破坏的可能性。为了抑制功率模块23被破坏的可能性，需要电阻器13。
[0120]
由此，可不使用面向铁路车辆的高耐压且高价的功率模块，而是使用相比以往绝缘耐压低且更廉价的功率模块。因而，能够抑制产品的制造成本并实现小型化。另外，由于追加底板4的面积大于模块底板3的面积，所以，追加底板4作为热量散发器发挥功能。由此，功率模块23的散热性提高。
[0121]
＜实施方式3＞
[0122]
接下来，对实施方式3所涉及的功率模块装置进行说明。图14是实施方式3所涉及的功率模块装置的剖视图。另外，在实施方式3中，对与实施方式1、2中说明的构成相同的构成要素标注相同附图标记而省略说明。
[0123]
如图14所示那样，在实施方式3中，相对于实施方式1将电容器12置换成为绝缘材料63。
[0124]
与实施方式1的场合同样，由于经由绝缘片10将追加底板4和散热器11绝缘，所以，存在绝缘片10的寄生电容c2。在实施方式3中，功率模块单元24具备配线导体61来替代配线导体1，具备追加底板62来替代追加底板4。配线导体61的一端部的厚度加厚地形成，追加底板62的一端部的厚度也加厚地形成。在配线导体61的加厚部分与追加底板62的加厚部分之间配置绝缘材料63，它们利用粘接剂固定。
[0125]
如图8和图14所示那样，在配线导体61的加厚部分与追加底板62的加厚部分之间存在绝缘材料63的寄生电容c3。
[0126]
选定的是绝缘材料63的寄生电容c3比绝缘片10的寄生电容c2与模块内绝缘片2的寄生电容c1之差大的绝缘材料63。例如在设模块内绝缘片2的寄生电容c1＝100pf，设绝缘片10的寄生电容c2＝1000pf，将绝缘材料63的相对介电常数设为5，将配线导体61的加厚部分与追加底板62的加厚部分的距离设为1mm的场合，空气的介电常数是8.85
×
10-12
，所以，绝缘材料63的寄生电容c3满足式(8)以及式(9)。
[0127]
根据式(8)以及式(9)，式(10)成立。
[0128]
假设在dp＝0.5mm、sp＝100cm-2
的场合，根据式(10)，若配线导体61的加厚部分和追加底板62的加厚部分的面积为100cm2，则绝缘材料63的寄生电容c3成为900pf。
[0129]
通过采用这样的结构，当经由配线导体61在功率模块23和散热器11的两端施加高电压时，按绝缘材料63的寄生电容c3及模块内绝缘片2的寄生电容c1的合成寄生电容c1+c3和绝缘片10的寄生电容c2进行分压，因而，能够保护功率模块23免受绝缘破坏电压。
[0130]
进而，通过增大绝缘材料63的寄生电容c3，在施加于功率模块单元24的两端的电
压为功率模块23的绝缘耐压的2倍或者3倍以上的场合也能保护功率模块23免于绝缘破坏。
[0131]
与实施方式1的场合同样，电阻器13与绝缘材料63电气地并联或者与绝缘片10电气地并联而连接在模块底板3与散热器11之间。另外，电阻器13的电阻值rd与实施方式1的场合同样地选定。
[0132]
另外，电阻器13的主体部导热及机械地被固定于散热器11。通过这样构成，电阻器13的散热性提高，因而以短时间额定值设计电阻器13的电力额定值即可，能够使电阻器13小型化。作为电阻器13可使用一般在市面销售的产品。例如金属包覆电阻器的外装体以及其内部的主体部的耐压为3000v以上且4500v以下，市场流通量也大。因而，金属包覆电阻器能够作为电阻器13使用。在此，电气地并联的具有静电电容或者寄生电容的构件是绝缘材料63。
[0133]
如上所述，在实施方式3所涉及的功率模块23的耐压结构中，由于在配线导体1与模块底板3之间连接有绝缘材料63，所以，利用绝缘材料63的寄生电容c3，在超过功率模块23的额定绝缘耐压的电压施加于功率模块23的场合也能保护功率模块23。
[0134]
另外，由于功率模块23的绝缘耐压由绝缘材料63的寄生电容c3和绝缘片10的寄生电容c2决定，所以，能抑制被功率模块23的模块内绝缘片2的绝缘耐压左右的情形。
[0135]
另外，由于在铁路车辆的绝缘耐压试验中有交流电压的耐压试验和直流电压的耐压试验，所以，在施加直流电压的场合，无法将电阻器配置于功率模块单元24，若没有静电放电的放电路径，则存在功率模块23被破坏的可能性。为了抑制功率模块23被破坏的可能性，需要电阻器13。
[0136]
由此，可不使用面向铁路车辆的高耐压且高价的功率模块，而是使用相比以往绝缘耐压低且更廉价的功率模块。因而，能够抑制产品的制造成本并实现小型化。另外，由于追加底板4的面积大于模块底板3的面积，所以，追加底板4作为热量散发器发挥功能。由此，功率模块23的散热性提高。
[0137]
＜实施方式4＞
[0138]
接下来，对实施方式4所涉及的功率模块装置进行说明。图15是实施方式4所涉及的功率模块装置的剖视图。图16是实施方式4所涉及的功率模块装置所具备的电阻器71的立体图。图17是实施方式4所涉及的功率模块装置所具备的电阻器72的立体图。图18是模块内绝缘片2的寄生电容c1、绝缘片10的寄生电容c2、电阻器71的电阻值r71和电阻器72的电阻值r72的概略图。图19是用于对图18进行说明的说明图。另外，在实施方式4中，对与实施方式1～3中说明的构成相同的构成要素标注相同附图标记而省略说明。
[0139]
如图15所示那样，在实施方式4中，相对于实施方式1将电容器12置换成为电阻器71。另外，在相对于电阻器71电气地串联的模块底板3与散热器11之间追加电阻器72。
[0140]
如图15和图16所示那样，电阻器71连接在配线导体1与模块底板3之间。电阻器71具备主体部73a、一端74b以及另一端74c。电阻器71的一端74b与配线导体1电气连接。电阻器71的另一端74c与模块底板3电气连接。
[0141]
如图15和图17所示那样，电阻器72连接在模块底板3与散热器11之间。电阻器72具备主体部75a、一端76b以及另一端76c。电阻器72的一端76b与模块底板3电气连接。电阻器72的另一端76c与散热器11电气连接。另外，电阻器71相当于第1电阻器，电阻器72相当于第2电阻器。
[0142]
为了使电阻器71以及电阻器72散热，在散热器11上导热及机械地固定有电阻器71的主体部73a以及电阻器72的主体部75a。进而，电阻器71、电阻器72和功率模块23以满足要求绝缘距离的距离设置在散热器11上。
[0143]
与实施方式1的场合同样，如图15～图19所示那样，由于经由绝缘片10将追加底板4和散热器11绝缘，所以，存在寄生电容c2。由于经由功率模块内绝缘片将导体和模块底板绝缘，所以，存在寄生电容c1。
[0144]
假设在将寄生电容c1设为500pf，将寄生电容c2设为1000pf的场合，将模块内绝缘片2的阻抗设为rz。rz＝1/2πfc，另外假设绝缘耐压试验的频率为60hz。
[0145]
因而，成为rz＝1/(2π
×
60hz
×
500
×
10-12
f)＝5.3mω。另外，作为电阻器71的电阻值r71以及电阻器72的电阻值r72选定不足5.3mω的电阻值。
[0146]
例如，当3900v的外部高电压施加于功率模块单元24时，在将电阻器71的电阻值r71以及电阻器72的电阻值r72设为50kω的场合，假设对电阻器71以及电阻器72施加3900v，则成为施加于电阻器71以及电阻器72的电力p＝v2/(r71+r72)＝39002v/(50kω+50kω)＝152w。在电阻器71以及电阻器72各施加76w。由于在绝缘耐压试验中从电阻器71以及电阻器72产生相当多的热，所以，将电阻器71以及电阻器72设为金属制作，能通过放置在散热器11上来使电阻器71以及电阻器72的热散发。
[0147]
在上述的场合，作为电阻器71以及电阻器72，选定额定功率为76w以上且具有绝缘耐压试验所需的绝缘耐压以上的绝缘耐压的电阻器。另外，考虑电阻器71以及电阻器72的发热，确定电阻器71以及电阻器72的额定功率。由于从外部施加于功率模块装置的高电压是雷击等极短时间的施加。另外，绝缘耐压试验一般进行1分钟，因而，电阻器71以及电阻器72只要能够耐受1分钟的过负荷(过电力)即可。通过将电阻器导热地结合于散热器，电阻器的散热性得到提高，另外，由于施加于电阻器的电压为极短时间，所以，只要按实际电阻器的耗电来设计电阻器13a的额定功率即可，能够使电阻器小型化。另外，在功率模块装置的稳定使用时，施加于电阻器的电压是相比绝缘耐压试验时充分低的电压，因而，电阻器的稳定时的耗电很少，没有问题。
[0148]
例如金属包覆电阻器的外装体以及其内部的主体部的耐压为3000v以上且4500v以下，市场流通量也大。因而，金属包覆电阻器可作为电阻器71、72使用。作为金属包覆电阻器的外装体的例子，在图16中示出。
[0149]
如上所述，在实施方式4所涉及的功率模块装置中，在配线导体1与模块底板3之间连接电阻器71，在模块底板3与散热器11之间连接电阻器72，所以，利用电阻器71以及电阻器72的电阻分压，在超过功率模块23的额定绝缘耐压的电压施加于功率模块23的场合也能保护功率模块23。
[0150]
另外，由于功率模块23的绝缘耐压由电阻器71和电阻器72决定，所以，能抑制被功率模块23的模块内绝缘片2的绝缘耐压左右的情形。由此，可不使用面向铁路车辆的高耐压且高价的功率模块，而是使用相比以往绝缘耐压低且更廉价的功率模块。因而，能够抑制产品的制造成本并实现小型化。另外，由于追加底板4的面积大于模块底板3的面积，所以，追加底板4作为热量散发器发挥功能。由此，功率模块23的散热性提高。另外，由于利用电阻分压，所以，即便绝缘耐压试验变成直流电压，也能获得与上述相同的效果。
[0151]
＜实施方式5＞
[0152]
接下来，对实施方式5所涉及的功率模块装置进行说明。图20是实施方式5所涉及的功率模块装置所具备的印刷基板81的俯视图。图21是实施方式5所涉及的功率模块装置的剖视图。图22是实施方式5所涉及的功率模块装置的其他例子的剖视图。另外，在实施方式5中，对与实施方式1～4中说明的构成相同的构成要素标注相同附图标记而省略说明。
[0153]
如图21、22所示那样，与实施方式1的场合同样，由于经由绝缘片10将追加底板4和散热器11绝缘，所以，存在绝缘片10的寄生电容c2。在实施方式5中，相对于实施方式1将配线导体1置换成印刷基板81。
[0154]
如图20所示那样，在印刷基板81的部件面82的一侧贴装铜箔图形82a，实施蚀刻。在印刷基板81的部件面82的与一侧隔开距离的另一侧贴装铜箔图形82b，实施蚀刻。在铜箔图形82a与铜箔图形82b之间安装有电容器84。
[0155]
电容器84具备主体部84a、一端84b以及另一端84c。电容器84的一端84b与铜箔图形82a电气连接。电容器84的另一端84c与铜箔图形82b电气连接。印刷基板81的铜箔图形82a与模块端子22电气连接，经由模块端子22对芯片27供给电力。另外，铜箔图形82a相当于第1铜箔图形，铜箔图形82b相当于第2铜箔图形。
[0156]
如图20和图21所示那样，通过将插通了形成于铜箔图形82a的螺钉通孔83a的螺钉5与模块端子22紧固，印刷基板81的铜箔图形82a电气以及机械地被固定于功率模块23。通过将插通了形成于铜箔图形82b的螺钉通孔83b的六角隔套87经由模块底板3而与追加底板4紧固，印刷基板81的铜箔图形82b电气以及机械地被连接于追加底板4。通过采用这样的结构，耐振性也进一步得到加强。
[0157]
另外，通过采用这样的结构，当经由印刷基板81的铜箔图形82a在功率模块23和散热器11的两端施加高电压时，按电容器84的静电电容c3及模块内绝缘片2的寄生电容c1的合成寄生电容c1+c3和绝缘片10的寄生电容c2进行分压，因而能够保护功率模块23免受绝缘破坏电压。
[0158]
进而，通过增大电容器84的静电电容c3，即使在施加于功率模块单元24的两端的电压为功率模块23的绝缘耐压的2倍或者3倍以上的场合也能保护功率模块23免于绝缘破坏。
[0159]
与实施方式1的场合同样，电阻器13a如图21所示那样与电容器84的静电电容c3电气地并联或者如图22所示那样去除电阻器13a，电阻器13与绝缘片10电气地并联而连接在模块底板3与散热器11之间。
[0160]
另外，电阻器13a、13的电阻值rd与实施方式1的场合同样地选定。另外，电阻器13a、13的主体部导热及机械地被固定于散热器11。通过这样构成，电阻器13a、13的散热性提高，因而，电阻器13a、13的电力额定值按短时间额定值来设计即可，能使电阻器13a、13小型化。作为电阻器13a、13可使用一般在市面销售的产品。例如金属包覆电阻器的外装体以及其内部的主体部的耐压为3000v以上且4500v以下，市场流通量也大。因而，金属包覆电阻器可作为电阻器13a、13使用。
[0161]
另外，也能够配置电阻器13和电阻器13a，在该场合可获得相同效果。在此，电气地并联的具有静电电容或者寄生电容的构件是电容器84。
[0162]
如上所述，在实施方式5所涉及的功率模块装置中，由于印刷基板81的铜箔图形82a与模块端子22电气以及机械地连接，印刷基板81的铜箔图形82b与模块底板3电气以及
机械地连接，在铜箔图形82a与铜箔图形82b之间连接电容器84，所以，利用电容器84的静电电容c3，在超过功率模块23的额定绝缘耐压的电压施加于功率模块23的场合也能保护功率模块23。
[0163]
另外，由于功率模块23的绝缘耐压由电容器84的静电电容c3和绝缘片10的寄生电容c2决定，所以，能抑制被功率模块23的模块内绝缘片2的绝缘耐压左右的情形。
[0164]
另外，由于在铁路车辆的绝缘耐压试验中有交流电压的耐压试验和直流电压的耐压试验，所以，在施加直流电压的场合，无法将电阻器配置于功率模块单元24，若没有静电放电的放电路径，则存在功率模块23被破坏的可能性。为了抑制功率模块23被破坏的可能性，不仅需要电容器84，还需要电阻器13。
[0165]
由此，可不使用面向铁路车辆的高耐压且高价的功率模块，而是使用相比以往绝缘耐压低且更廉价的功率模块。因而，能够抑制产品的制造成本并实现小型化。另外，由于追加底板4的面积大于模块底板3的面积，所以，追加底板4作为热量散发器发挥功能。由此，功率模块23的散热性提高。
[0166]
本发明虽进行了详细说明，但上述的说明在所有方面为例示性质，本发明并不限定于此。可理解为只要不脱离本发明的范围就能想到尚未例示的无数变形例。
[0167]
另外，本发明在其发明范围内能够自由组合各实施方式，或是适当地变形、省略各实施方式。
[0168]
附图标记的说明
[0169]
1配线导体；2模块内绝缘片；3模块底板；4追加底板；10绝缘片；11散热器；12电容器；13、13a电阻器；22模块端子；23功率模块；43印刷基板；63绝缘材料；71、72电阻器；81印刷基板；82a、82b铜箔图形；84电容器。