專利名稱：功率半導(dǎo)體模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種針對應(yīng)用于鐵道車輛電源等的功率轉(zhuǎn)換裝置的IGBT模塊的半導(dǎo)體模塊。本發(fā)明尤其涉及一種形成在模塊的模制樹脂外殼上的控制端子板的絕緣結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
最近，上述功率轉(zhuǎn)換裝置在很多情況下采用三電平PWM逆變器。專利文獻1披露了用于這種逆變器設(shè)備的三電平IGBT模塊，該模塊是四合一型IGBT模塊，包括四組半導(dǎo)體開關(guān)元件，每組半導(dǎo)體開關(guān)元件由逆并聯(lián)連接的IGBT和FWD構(gòu)成，且在模制樹脂外殼中集成在一個封裝件中。專利文獻1的專利申請已由與本專利申請相同的申請人提交到日本專利局。圖4 圖7示出采用如專利文獻1所披露的上述四合一型功率半導(dǎo)體模塊的單相逆變器單元(即通用逆變器單元而并非專用于鐵道車輛)的常規(guī)結(jié)構(gòu)的示例。圖4示出整個已組裝的逆變器單元，圖5是IGBT模塊——即用于逆變器單元的一個相(U相)的功率半導(dǎo)體模塊——的外部立體圖，圖6是圖5的IGBT模塊的俯視圖，圖7是模塊的電路圖。參考圖4，附圖標記1表示IGBT模塊，附圖標記2表示散熱結(jié)構(gòu)(冷卻翼片)，附圖標記3表示包括單元的電路板的層疊匯流條，附圖標記4表示與IGBT模塊1的輸入側(cè)連接的DC電源的平滑電容器。IGBT模塊1包括容納在具有矩形平面結(jié)構(gòu)的箱型模制樹脂外殼 5(參考圖5和圖6)內(nèi)的在圖7電路圖中示出的四個開關(guān)元件Tl T4。從開關(guān)元件Tl T4引出的主電路端子7在形成在模制樹脂外殼5的頂面的中央?yún)^(qū)域上的凸出端子板fe上排列成一行。從開關(guān)元件引出的控制端子8在形成在模制樹脂外殼5的側(cè)邊緣(在較短一側(cè))的端子板恥上排列成一行。附圖標記5c表示形成在模制樹脂外殼5的四個角落的用于安裝螺釘?shù)穆葆斪?，附圖標記5c-l表示插入螺釘座5c的螺孔中的金屬套管，附圖標記6 表示設(shè)置在模制樹脂外殼5的底面上的金屬底板。IGBT模塊1利用貫穿螺釘座5c的安裝螺釘9固定于散熱結(jié)構(gòu)2 (參考圖4)。圖7示出IGBT模塊的內(nèi)部電路圖。參考圖7，每組四個開關(guān)元件Tl T4由逆并聯(lián)連接的IGBT和FWD構(gòu)成。一對開關(guān)元件Tl和T2在DC電源的正極端子P和負極端子N 之間串聯(lián)連接，并形成逆變器單元的一個相的上臂和下臂。另一對的另外兩個開關(guān)元件T3 和T4逆串聯(lián)連接，并與AC輸出端子U和DC電源的中性端子M連接，由此形成雙向開關(guān)電路。由于在專利文獻1中詳細描述了三電平IGBT模塊的運作，因此這里不再進行描述。圖7 示出端子符號〃 Tl G"、“ T1/T4 E"、“ T2 G"、“ T2 E"、“ T3 G" ‘‘ T3 E"、‘‘ T4 G"、‘‘ T4 E"、和〃 C"，這些端子是與多組開關(guān)元件Tl T4對應(yīng)的控制端子(感測端子)引出端。在圖6中的主電路端子7和控制端子8中，與圖7對應(yīng)地示出端子符號。在實際的產(chǎn)品中，通過在模制樹脂外殼5的頂面上相應(yīng)端子7和8的各側(cè)進行壓印，從而示出端子符號。與此同時，存在如下對于功率IGBT模塊的電絕緣的指南根據(jù)JEM標準(日本電機工業(yè)協(xié)會標準)的國內(nèi)條例和根據(jù)IEC標準(國際電子技術(shù)委員會標準)的國際條例。 這些標準規(guī)定了對于與半導(dǎo)體模塊的運作環(huán)境和工作電壓對應(yīng)的電絕緣的爬電距離和間隙。尤其對于包括鐵道車輛應(yīng)用的IGBT模塊的設(shè)備，國際標準IEC60077-1 (鐵路應(yīng)用一用于鐵道車輛的電氣設(shè)備)的附錄規(guī)定了與架空線電壓和運作環(huán)境的污染程度對應(yīng)的絕緣距離(爬電距離和間隙)。若對模塊的外部尺寸沒有強加限制，則通過簡單地加大模塊自身的尺寸，便可在設(shè)于圖5和圖6中的模制樹脂外殼5的頂面上的主電路端子7和控制端子8的端子與金屬底板6之間、以及端子與安裝螺釘9之間(其處于接地框架電位)、以及任意兩個端子之間確保所需的絕緣距離而沒有任何問題。然而當(dāng)期望減小模塊的尺寸或厚度時，由于外部尺寸的限制，僅僅利用外殼頂面的平坦的絕緣平面難以確保所需的爬電距離和間隙。特別是作為開關(guān)元件Tl T4的引出端并在模制樹脂外殼5的端子板恥上排列成一行的控制端子8，由于端子之間的縫隙窄并且端子在端子板恥兩側(cè)位于處于接地框架電位的安裝螺釘9附近，因此通過原來的結(jié)構(gòu)難以確保所需的絕緣距離。為了應(yīng)對該絕緣問題，專利文獻2披露了一種模塊封裝結(jié)構(gòu)，其中電絕緣分隔壁 (阻擋物)在模制樹脂外殼的周圍豎立形成且包圍設(shè)置在外殼頂面上的主電路端子和控制端子，從而確保從這些端子至設(shè)置在外殼的底部區(qū)域上的金屬底板和安裝螺釘?shù)呐离娋嚯x和間隙。鑒于背景技術(shù)，本發(fā)明的發(fā)明人制造了一種封裝件結(jié)構(gòu)并研究了其絕緣性能。所制造的封裝結(jié)構(gòu)基本上與圖5和圖6所示模塊的結(jié)構(gòu)類似，并在控制端子8與金屬底板6、 安裝螺釘9的接地框架電位部件之間以及諸控制端子之間具有增進的絕緣距離。如圖8所示，該絕緣距離的增進是通過在具有控制端子8的外殼的側(cè)邊緣處的端子板恥的周圍形成周壁恥_1而實現(xiàn)的，所述周壁恥_1豎立以包圍與開關(guān)元件Tl T4對應(yīng)的控制端子8。[專利文獻1]日本未審查專利申請公開No.2008-193779[專利文獻2]日本專利No. 3705755雖然相比于圖5和圖6的常規(guī)結(jié)構(gòu)，如上所述的圖8的IGBT模塊展現(xiàn)出對于控制端子8的增進的絕緣性，但關(guān)于對用于例如DC750V輸入的鐵道車輛的輔助電源的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)存在下述新的問題。(1)圍繞控制端子8并包圍設(shè)置在模制樹脂外殼5的側(cè)邊緣的端子板恥的整個周緣的絕緣分隔壁恥-1使擬壓印在端子板表面上用于表示控制端子的符號的空間減小，該端子板表面因新形成的絕緣分隔壁恥-1的周壁的厚度而變小。其結(jié)果是，必須使用于表示端子符號的字符更小，另外，周壁妨礙端子符號的視覺觀察。因此，可能會在逆變器單元的布線工作中發(fā)生錯誤布線。另一方面，若要優(yōu)先獲得用于表示端子符號的足夠空間而擴大端子板恥，則模制樹脂外殼5的外部尺寸增大，抑制了用于封裝IGBT模塊的面積。(2) IEC60077-1標準(軌道車輛的標準)規(guī)定了形成在模制樹脂外殼表面上的槽的最小寬度(χ)為2. 5mm。小于該寬度的縫隙或槽不被視作爬電距離。此外，在1000V等級絕緣電壓的設(shè)備中，導(dǎo)電部和接地電位金屬之間的爬電距離必須至少為16mm。其結(jié)果是，當(dāng)考慮設(shè)置于端子板恥上的每個控制端子8與包圍它的絕緣分隔壁恥-1之間根據(jù)上述標準的最小寬度(χ)，即最小2. 5mm的間隙時，模制樹脂外殼5的外部尺寸必須增大并使模塊尺寸擴大。這是另一個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而作出的，本發(fā)明的目的在于，提供具有改善的控制端子部的絕緣結(jié)構(gòu)以獲得小尺寸和緊湊的模塊并應(yīng)用于鐵道車輛的功率半導(dǎo)體模塊。上述改善是本發(fā)明人通過考慮上述研究的結(jié)果并查閱形成在模制樹脂外殼的側(cè)邊緣且排列控制端子的端子板的常規(guī)結(jié)構(gòu)之后完成的。為了實現(xiàn)上述目的，權(quán)利要求1所述根據(jù)本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊包括多個半導(dǎo)體開關(guān)元件組、和容納多個半導(dǎo)體開關(guān)元件組的箱型的模制樹脂外殼，該模制樹脂外殼包括螺釘座，該螺釘座用于接納安裝螺釘且形成在模制樹脂外殼的四個角部的底部區(qū)域； 用于主電路端子的端子板，該用于主電路端子的端子板形成在模制樹脂外殼的頂面的中央?yún)^(qū)域，主電路端子排列在端子板上；用于控制端子的端子板，該用于控制端子的端子板形成在模制樹脂外殼的側(cè)邊緣而與用于主電路端子的端子板分隔開，控制端子排列成一行，控制端子從半導(dǎo)體開關(guān)元件組引出；及肋結(jié)構(gòu)的絕緣分隔壁，該肋結(jié)構(gòu)的絕緣分隔壁從用于控制端子的端子板的表面豎立，且介于與半導(dǎo)體開關(guān)元件組對應(yīng)的控制端子的群組之間， 且介于模制樹脂外殼上的帶安裝螺釘?shù)穆葆斪团c螺釘座相鄰的高電壓側(cè)的控制端子之間。這里，如權(quán)利要求2所述，在模制樹脂外殼的側(cè)邊緣形成在用于控制端子的端子板上的絕緣分隔壁具有依照由國際標準IEC60077-1規(guī)定的間隙和爬電距離確定的高度和厚度尺寸。優(yōu)選地，如權(quán)利要求3所述，功率半導(dǎo)體模塊是安裝在模制樹脂外殼中的四合一型的三電平IGBT模塊，功率半導(dǎo)體模塊使用四個半導(dǎo)體開關(guān)元件組，每個組具有逆并聯(lián)連接的IGBT和FWD，并且功率半導(dǎo)體模塊包括構(gòu)成逆變器電路的一個相的上臂和下臂，該上臂和下臂在正極和負極端子之間與直流電源的正極和負極端子連接；及雙向開關(guān)電路，該雙向開關(guān)電路在交流輸出端子和中性端子之間與直流電源的中性端子和逆變器電路的交流輸出端子連接。由于在用于控制端子的端子板上附加地包括具有簡單肋結(jié)構(gòu)的絕緣分隔壁的上述結(jié)構(gòu)，因此三電平功率半導(dǎo)體模塊被設(shè)置成小尺寸和緊湊的模塊，并同時確保用于鐵道車輛的國際標準IEC60077-1中規(guī)定的絕緣距離。此外，壓印在端子板的表面上的控制端子符號更容易在視覺上觀察到，由此這種模塊的布線工作更容易進行。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的功率半導(dǎo)體模塊的結(jié)構(gòu)的立體圖；圖2是圖1的功率半導(dǎo)體模塊的俯視圖；圖3 (a)、圖3 (b)、和圖3 (c)是圖1和圖2的功率半導(dǎo)體模塊的主要部分的放大圖， 其中圖3(a)是俯視圖，圖3(b)和圖3(c)是從不同方向觀察的立體5
圖4示出使用三電平IGBT模塊構(gòu)造的逆變器單元的經(jīng)組裝的結(jié)構(gòu)；圖5是示出安裝在圖4單元中的四合一型IGBT模塊的常規(guī)結(jié)構(gòu)的外部立體圖；圖6是圖5的模塊的俯視圖；圖7是圖5的模塊的內(nèi)部電路圖；以及圖8是其中附加地設(shè)置絕緣分隔壁以在圖5模塊的模制樹脂外殼的端子板上包圍控制端子的整個周緣的常規(guī)結(jié)構(gòu)的外部立體圖。標號說明1 IGBT模塊(功率半導(dǎo)體模塊)5 模制樹脂外殼5a 用于主電路端子的端子板5b 用于控制端子的端子板^-2，5b-3 絕緣分隔壁5c 螺釘座6 金屬底板7:主電路端子8:控制端子9 安裝螺釘
具體實施例方式下面參考圖1 圖3描述根據(jù)本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊的優(yōu)選實施方式的一些方面。對于圖1 圖3中示出的與圖5和圖6中的構(gòu)件類似的構(gòu)件用相同附圖標記表示并在此省略其描述。在圖1 圖3所示的實施例中，與圖7中示出的半導(dǎo)體開關(guān)元件Tl T4對應(yīng)的柵極和發(fā)射極的控制端子8以與圖6的常規(guī)結(jié)構(gòu)相同的排列方式設(shè)置在沿著模制樹脂外殼 5的較短邊的側(cè)邊緣形成的端子板恥上。兩端部的控制端子與插入螺釘座5c中的安裝螺釘9相對。該排列方式的控制端子8受下述電壓的影響，這可從圖7的電路圖獲知。半導(dǎo)體開關(guān)元件Tl T4的柵極端子(G)和發(fā)射極端子(E)之間的工作電壓差值為幾十伏。然而，與電源的滿電壓相等的工作電壓(例如最大900V)被施加到開關(guān)元件T4 的柵極端子(G)和安裝螺釘9(其處于接地框架電位)之間，以及開關(guān)元件Tl的柵極端子 (G)和與開關(guān)元件Tl的該柵極端子(G)相鄰的開關(guān)元件T2的發(fā)射極端子(E)之間。與電源的半電壓相等的工作電壓(例如最大450V)被施加到開關(guān)元件T2的柵極端子(G)和開關(guān)元件T3的發(fā)射極端子(E)之間，以及開關(guān)元件T3的柵極端子(G)和與該柵極端子相對的安裝螺釘9之間。在圖1 圖3所示的實施例中，基于施加到控制端子8之間的電壓分布，在端子板恥上如圖1 圖3所示地豎立形成絕緣分隔壁恥-2和恥-3以提高絕緣性能。絕緣分隔壁 5b-2是肋結(jié)構(gòu)的凸起壁，該肋結(jié)構(gòu)的凸起壁沿著端子板恥的側(cè)邊緣豎立形成，且垂直地介于開關(guān)元件T4的柵極端子(G)和跨過垂直階梯空間設(shè)置的與柵極端子相對的安裝螺釘9 之間。另一方面，絕緣分隔壁恥-3是字符U結(jié)構(gòu)的壁，該字符U結(jié)構(gòu)的壁豎立形成且介于由開關(guān)元件T2的發(fā)射極端子(E)和柵極端子(G)構(gòu)成的群組和與該群組相鄰的開關(guān)元件Tl的柵極端子之間，并介于該群組和與該群組相鄰的開關(guān)元件T3的發(fā)射極端子(E)之間。 如圖1和圖2所示，壁恥-3的最外邊緣側(cè)開口，且此處不存在壁從而形成字符U。在與絕緣分隔壁恥-2 —側(cè)相對的端子板邊緣，未設(shè)置絕緣分隔壁。由于被施加到開關(guān)元件T3的柵極端子(G)的相對于安裝螺釘9的電壓是被施加到開關(guān)元件T4的柵極端子(G)的相對于安裝螺釘9的電壓的一半，因此在該位置無需絕緣分隔壁便可達到所需的絕緣強度。除了設(shè)置絕緣分隔壁恥_2和恥-3外，圖1 圖3中示出的實施方式的結(jié)構(gòu)具有依照IEC60077-1標準的尺寸特征，以確保絕緣距離、間隙和爬電距離。絕緣分隔壁恥-2具有至少2. 5mm的厚度和高度，絕緣分隔壁恥_3具有至少2. 5mm的厚度和至少5mm的高度。 而且，絕緣分隔壁恥-2和與該壁相鄰的控制端子8之間的縫隙至少為2. 5mm,絕緣分隔壁 5b-3和與該壁相鄰的控制端子8之間的縫隙至少為2. 5mm。在這些尺寸條件下，如圖3 (b) 和圖3 (c)中虛線L所示，在安裝螺釘9和處于高電壓側(cè)并最接近安裝螺釘9的開關(guān)元件T4 的柵極端子(G)之間獲得標準中規(guī)定的作為最小爬電距離的至少16mm的爬電距離。在圖1 圖3的實施例中，形成在模制樹脂外殼5的上表面的中央?yún)^(qū)域上的用于主電路端子7的端子板fe在端子之間具有槽fe-Ι，該槽具有至少2. 5mm的寬度。如上所述，對形成在IGBT模塊1的模制樹脂外殼5上的端子板恥在安裝螺釘和控制端子之間附加地設(shè)置絕緣分隔壁恥-2，在控制端子的群組之間附加地設(shè)置絕緣分隔壁恥-3。絕緣分隔壁具有如上所述的高度、厚度和離端子的距離。因此，可在確保根據(jù)用于鐵道車輛的國際標準IEC60077-1的絕緣強度的同時設(shè)計小尺寸和緊湊的模塊。形成在具有控制端子8的端子板恥上的絕緣分隔壁不像圖8所示的常規(guī)結(jié)構(gòu)那樣完全包圍控制端子， 而是如圖1所示那樣朝外殼5的側(cè)邊緣開口。因此，端子的符號被壓印在容易視覺觀察到的各個位置，而不存在表示空間的限制。
權(quán)利要求
1.一種封裝構(gòu)造的功率半導(dǎo)體模塊，包括多個半導(dǎo)體開關(guān)元件組、和容納所述多個半導(dǎo)體開關(guān)元件組的箱型的模制樹脂外殼，所述模制樹脂外殼包括螺釘座，該螺釘座用于接納安裝螺釘且形成在所述模制樹脂外殼的四個角部的底部區(qū)域；用于主電路端子的端子板，該用于主電路端子的端子板形成在所述模制樹脂外殼的頂面的中央?yún)^(qū)域，所述主電路端子排列在所述端子板上；用于控制端子的端子板，該用于控制端子的端子板形成在所述模制樹脂外殼的側(cè)邊緣而與所述用于主電路端子的端子板分隔開，所述控制端子排列成一行，所述控制端子從所述半導(dǎo)體開關(guān)元件組引出；及肋結(jié)構(gòu)的絕緣分隔壁，該肋結(jié)構(gòu)的絕緣分隔壁從所述用于控制端子的端子板的表面豎立，且介于與所述半導(dǎo)體開關(guān)元件組對應(yīng)的控制端子的群組之間，且介于所述模制樹脂外殼上的帶安裝螺釘?shù)乃雎葆斪团c所述螺釘座相鄰的高電壓側(cè)的控制端子之間。
2.如權(quán)利要求1所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，在所述模制樹脂外殼的側(cè)邊緣形成在所述用于控制端子的端子板上的絕緣分隔壁具有依照由國際標準IEC60077-1規(guī)定的間隙和爬電距離確定的高度和厚度尺寸。
3.如權(quán)利要求1或2所述的功率半導(dǎo)體模塊，其特征在于，所述功率半導(dǎo)體模塊是安裝在所述模制樹脂外殼中的四合一型的三電平IGBT模塊， 所述功率半導(dǎo)體模塊使用四個半導(dǎo)體開關(guān)元件組，每個組具有逆并聯(lián)連接的IGBT和 FWD，并且所述功率半導(dǎo)體模塊包括構(gòu)成逆變器電路的一個相的上臂和下臂，該上臂和下臂在正極和負極端子之間與直流電源的所述正極和負極端子連接；及雙向開關(guān)電路，該雙向開關(guān)電路在交流輸出端子和中性端子之間與所述直流電源的所述中性端子和所述逆變器電路的所述交流輸出端子連接。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種功率半導(dǎo)體模塊，其是安裝有多組半導(dǎo)體開關(guān)元件的四合一型三電平IGBT模塊并具有改善的端子板的絕緣分隔結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的功率半導(dǎo)體模塊包括多個半導(dǎo)體開關(guān)元件組和容納半導(dǎo)體開關(guān)元件的模制樹脂外殼。模制樹脂外殼包括形成在模制樹脂外殼的四個角部的螺釘座；形成在模制樹脂外殼的頂面上的用于主電路端子的端子板；形成在模制樹脂外殼的側(cè)邊緣并排列有控制端子的用于控制端子的端子板；肋結(jié)構(gòu)的絕緣分隔壁，其從用于控制端子的端子板的表面豎立，且介于控制端子的群組之間，且介于帶安裝螺釘?shù)穆葆斪团c螺釘座相鄰的高電壓側(cè)的控制端子之間。
文檔編號H02M7/48GK102315209SQ20111017767
公開日2012年1月11日 申請日期2011年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者沖田宗一, 高橋潔 申請人:富士電機株式會社