JP2011254621A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御回路基板と制御端子とを簡単に接続でき、製造コストを低減できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２と複数の冷却チューブ５とを積層した積層体１０と、制御回路基板６とを備える。制御端子４は、本体部３から突出した基端部４０と、積層方向Ｘに対して傾斜するよう基端部４０の先端側を折り曲げた折曲部４１とを備える。制御回路基板６はテーパ状接続部７を備える。テーパ状接続部７は、制御回路６０に導通した導電性材料からなり、積層方向Ｘに対して傾斜したテーパ面７０を有する。テーパ状接続部７のテーパ面７０に折曲部４１が接触することにより、制御端子４と制御回路基板６との電気的な接続を確保するよう構成されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、制御回路基板を備えた電力変換装置に関する。

直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、図１８に示すごとく、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュール９２と、該半導体モジュール９２を冷却する複数の冷却チューブ９５とを積層して積層体９１０を形成したものが従来から知られている（下記特許文献１〜３参照）。

個々の半導体モジュール９２は、半導体素子を内蔵した本体部９３と、該本体部９３から突出した制御端子９４と、パワー端子９２０とを備える。パワー端子９２０には、直流電源（図示しない）の正電極に接続された正極端子と、直流電源の負電極に接続された負極端子と、交流負荷（図示しない）に接続された交流端子とがある。また、制御端子９４には制御回路基板９６が接続されている。制御回路基板９６が半導体モジュール９２の制御をすることにより、上述した正極端子と負極端子との間に印加される直流電圧を交流電圧に変換し、交流端子から出力する。

図１８に示すごとく、制御回路基板９６には、板厚方向に貫通した貫通孔９０が形成されている。この貫通孔９０に制御端子９４を挿入することにより、制御端子９４と制御回路基板９６とを電気的に接続している。

特開２００５−７３３７４号公報 特開２００５−４５１８６号公報 特開２００６−１５７０４２号公報

しかしながら、従来の電力変換装置９１は、制御回路基板９６と制御端子９４との接続工程を行いにくいという問題があった。すなわち、図１７に示すごとく、制御回路基板９６と制御端子９４とを接続する際には、全ての貫通孔９０と制御端子９４とを位置合わせした後、制御回路基板９６と積層体９１０とを相対的に接近させることにより、制御端子９４を貫通孔９０に挿入する。半導体モジュール９２の本体部９３や冷却チューブ９５は寸法ばらつきを有しており、この寸法ばらつきが積み重なるため、積層方向ｘにおける制御端子９４の位置ずれは大きい。したがって、接続工程を行う際には、治具（図示しない）を用いて制御端子９４を矯正し、位置精度を向上させた状態で、制御端子９４を貫通孔９０に挿入する必要があった。そのため、制御回路基板と制御端子とを、より簡単に接続できる電力変換装置が望まれていた。

また、従来は、制御端子９４の位置ずれを少なくするために、寸法ばらつきの小さい半導体モジュール９２や冷却チューブ９５を使用する必要があった。そのため、半導体モジュール９２や冷却チューブ９５の部品単価が上昇し、電力変換装置９１全体の製造コストが上昇するという問題もあった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、制御回路基板と制御端子とを簡単に接続でき、製造コストを低減できる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した本体部を有し、該本体部の端面から制御端子が突出した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを上記本体部の両主面から冷却する複数の冷却チューブとを積層した積層体と、
上記半導体モジュールを制御する制御回路を有し、上記制御端子に電気的に接続した制御回路基板とを備え、
上記制御端子は、上記本体部から突出した基端部と、上記積層体の積層方向に対して傾斜するよう上記基端部の先端側を折り曲げた折曲部とを備え、
上記制御回路基板は、上記制御回路に導通した導電性材料からなり、上記積層方向に対して傾斜したテーパ面を有するテーパ状接続部を備え、
該テーパ状接続部の上記テーパ面に上記折曲部が接触することにより、上記制御端子と上記制御回路基板との電気的な接続を確保するよう構成されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

本発明の作用効果について説明する。本発明では、積層方向に対して傾斜するよう先端を折り曲げた制御端子を用いる。また、本発明では、制御回路基板に上記テーパ状接続部を形成した。そして、制御端子の折曲部を、テーパ状接続部のテーパ面に接触させることによって、制御端子と制御回路基板とを電気的に接続した。
このようにすると、制御端子が積層方向にばらついても、折曲部においてテーパ面に制御端子を接触させることができる。これにより、制御端子と制御回路基板との接続工程を容易に行うことが可能になる。すなわち、上述したように、制御端子は積層方向にずれやすいが、折曲部とテーパ面によって、制御端子とテーパ面との位置合わせ余裕度を大きくすることができる。そのため、制御端子が積層方向に多少位置ずれした場合でも、従来のように治具を用いる必要なく、制御端子と制御回路基板とを容易に接続することが可能になる。

また、本発明では、積層方向における制御端子の位置合わせ余裕度が大きいため、寸法ばらつきの大きい半導体モジュールや冷却チューブを使用することができる。そのため、半導体モジュールや冷却チューブの部品単価を低減でき、電力変換装置の製造コストを低減することが可能になる。

以上のごとく、本発明によれば、制御回路基板と制御端子とを簡単に接続でき、製造コストを低減できる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の平面図であって、図２のＢ−Ｂ矢視図。 図１のＡ−Ａ断面図。 実施例１における、制御回路基板の平面図。 図２の拡大断面図。 制御回路基板と制御端子とを接続した状態における、図２の拡大断面図。 実施例２における、電力変換装置の拡大断面図であって、図７のＤ−Ｄ断面図。 図６のＣ矢視図。 実施例３における、電力変換装置の拡大断面図であって、図９のＦ−Ｆ断面図。 図８のＥ矢視図。 実施例３における、テーパ状接続部の斜視図。 実施例４における、電力変換装置の拡大断面図であって、図１２のＨ−Ｈ断面図。 図１１のＧ矢視図。 実施例４における、テーパ状接続部の斜視図。 実施例５における、はんだ付けする前の状態での、電力変換装置の拡大断面図であって、図１５のＪ−Ｊ断面図。 図１４のＩ矢視図。 実施例５における、はんだ付けした後の状態での、電力変換装置の拡大断面図。 従来例における、制御回路基板と制御端子とを接続する前の状態での、電力変換装置の断面図。 従来例における、制御回路基板と制御端子とを接続した後の状態での、電力変換装置の断面図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記基端部の突出方向と上記積層方向との双方に平行な平面に対して、上記折曲部の延出方向が平行になっていることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、積層方向における折曲部の長さをより長くすることができる。そのため、制御端子と制御回路基板との、積層方向における位置合わせ余裕度を大きくすることが可能になる。

また、上記積層方向における上記テーパ面の長さは、該積層方向における上記折曲部の長さよりも長いことが好ましい（請求項３）。
このようにすると、制御端子が積層方向に位置ずれした場合でも、折曲部がテーパ面から外れにくくなる。そのため、積層方向における制御端子の位置合わせ余裕度をより大きくすることができる。

また、上記制御端子の弾性力により、上記折曲部を上記テーパ面に圧接していることが好ましい（請求項４）。
この場合には、折曲部をテーパ面に圧接できるので、折曲部とテーパ面の接続信頼性を高めることができる。

また、上記テーパ状接続部は、上記テーパ面を有する金属製の部材を上記制御回路基板に実装したものであることが好ましい（請求項５）。
このようにすると、制御回路基板を容易に製造することが可能になる。すなわち、例えば、テーパ状接続部を別部材として用意しておき、これを制御回路基板に実装すれば、簡単にテーパ状接続部を制御回路基板に取り付けることができる。

また、上記テーパ面の両側部には、該テーパ面に直交する方向へ突出した突部が形成されていることが好ましい（請求項６）。
このようにすると、電力変換装置を使用している状態で、何らかの原因により電力変換装置が振動した場合であっても、折曲部が上記一対の突部にガイドされるため、テーパ状接続部から折曲部が外れにくくなる。そのため、制御端子と制御回路基板の接続信頼性を高めることが可能になる。

また、上記基端部の突出方向と上記積層方向との双方に直交する方向から上記折曲部を挟持するばね部材が、上記テーパ状接続部に設けられていることが好ましい（請求項７）。
この場合には、ばね部材によって折曲部を挟持しているため、折曲部をテーパ状接続部にしっかりと固定できる。そのため、制御端子と制御回路基板の接続信頼性を高めることが可能になる。

また、上記制御回路基板には、厚さ方向に貫通し上記テーパ面に開口した貫通孔が形成されており、該貫通孔にはんだが充填されると共に、該貫通孔の上記テーパ面側の開口部から漏出した上記はんだによって上記テーパ状接続部と上記折曲部とが接続されていることが好ましい（請求項８）。
この場合には、折曲部とテーパ状接続部とをはんだ接続しているため、これらの接続信頼性をさらに高めることができる。
また、上記構成にすると、はんだ付け作業を容易に行うことが可能になる。すなわち、折曲部をテーパ面に接触させた後、仮に、テーパ面側からはんだ付け作業を行おうとすると、半導体モジュールが邪魔になってしまい、はんだ付け作業を効率的に行えない場合がある。しかしながら本発明では、テーパ面に開口した貫通孔を制御回路基板に形成したため、テーパ面側の開口部とは反対側の開口部から、貫通孔内にはんだを流し込むことができる。そして、テーパ面側の開口部から漏出したはんだによって、テーパ面と折曲部とを接続することができる。これにより、折曲部とテーパ状接続部とのはんだ付け作業を容易に行うことが可能になる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図５を用いて説明する。
図１、図２に示すごとく、本例の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２と複数の冷却チューブ５とを積層した積層体１０と、制御回路基板６とを備える。
半導体モジュール２は、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した本体部３を有する。この本体部３の端面から制御端子４が突出している。冷却チューブ５は、半導体モジュール２を本体部３の両主面から冷却している。
制御回路基板６には、半導体モジュール２を制御する制御回路６０が形成されている。図５に示すごとく、制御回路基板６は制御端子４に電気的に接続している。

図２、図４に示すごとく、制御端子４は、本体部３から突出した基端部４０と、積層体１０の積層方向Ｘに対して傾斜するよう基端部４０の先端側を折り曲げた折曲部４１とを備える。
また、制御回路基板６はテーパ状接続部７を備える。テーパ状接続部７は、制御回路６０に導通した導電性材料からなる。テーパ状接続部７は、積層方向Ｘに対して傾斜したテーパ面７０を有する。
図５に示すごとく、テーパ状接続部７のテーパ面７０に折曲部４１が接触することにより、制御端子４と制御回路基板６との電気的な接続を確保するよう構成されている。
以下、詳説する。

図１に示すごとく、隣り合う２個の冷却チューブ５は、その両端において、連結管１４によって連結されている。また、積層方向Ｘにおける一端に位置する冷却チューブ５ａには、一対のパイプ１３ａ，１３ｂが取り付けられている。一方のパイプ１３ａから冷媒１５を導入すると、連結管１４を通って全ての冷却チューブ５内に冷媒１５が流れ、他方のパイプ１３ｂから冷媒１５が導出する。これにより、半導体モジュール３を冷却している。

図２に示すごとく、半導体モジュール２の本体部３からは、パワー端子２０が突出している。このパワー端子２０には、直流電源（図示しない）の正電極に接続された正極端子と、直流電源の負電極に接続された負極端子と、交流負荷（図示しない）に接続された交流端子とがある。制御回路基板６が半導体モジュール２を制御することにより、正極端子と負極端子との間に印加された直流電圧を交流電圧に変換し、交流端子から出力している。

図４に示すごとく、本例では、制御回路基板６０にエッチング処理を行って、断面三角形状の凹部７００を形成することにより、制御回路６０を構成する金属薄膜の一部を露出させている。この金属薄膜が、本例のテーパ状接続部７である。個々の凹部７００は、図３に示すごとく、平面視において四角形状をしている。

図４、図５に示すごとく、本例では、折曲部４１を弾性変形させつつ、制御端子４をテーパ状接続部７に接続している。すなわち、接続前（図４参照）における基端部４０と折曲部４１とのなす角度θ１よりも、接続後（図５参照）における基端部４０と折曲部４１とのなす角度θ２の方が小さい。本例では、制御端子４の弾性力を使って、折曲部４１をテーパ面７０に圧接している。

また、本例では図４に示すごとく、基端部４０の突出方向Ｙと積層方向Ｘとの双方に平行な平面（紙面に平行な平面）に対して、折曲部４１の延出方向Ａが平行になっている。

また、本例では図５に示すごとく、積層方向Ｘにおけるテーパ面７０の長さＬ１は、積層方向Ｘにおける折曲部４１の長さＬ２よりも長い。

本例の作用効果について説明する。図４、図５に示すごとく、本例では、積層方向Ｘに対して傾斜するよう先端を折り曲げた制御端子４を用いる。また、本例では、制御回路基板６にテーパ状接続部７を形成した。そして、制御端子４の折曲部４１を、テーパ状接続部７のテーパ面７０に接触させることによって、制御端子４と制御回路基板６とを電気的に接続した。
このようにすると、制御端子４が積層方向Ｘにばらついても、折曲部４１においてテーパ面７０に制御端子４を接触させることができる。これにより、制御端子４と制御回路基板６との接続工程を容易に行うことが可能になる。すなわち、上述したように、制御端子４は積層方向Ｘにずれやすいが、折曲部４１とテーパ面７０によって、制御端子４とテーパ面７０との位置合わせ余裕度を大きくすることができる。そのため、制御端子４が積層方向Ｘに多少位置ずれした場合でも、従来のように治具を用いる必要なく、制御端子４と制御回路基板６とを容易に接続することが可能になる。

また、本例では、積層方向Ｘにおける制御端子４の位置合わせ余裕度が大きいため、寸法ばらつきの大きい半導体モジュール２や冷却チューブ５を使用することができる。そのため、半導体モジュール２や冷却チューブ５の部品単価を低減でき、電力変換装置１の製造コストを低減することが可能になる。

また、本例では、図５に示すごとく、基端部４０の突出方向Ｙと積層方向Ｘとの双方に平行な平面（紙面に平行な面）に対して、折曲部４１の延出方向Ａが平行になっている。
このようにすると、積層方向Ｘにおける折曲部４１の長さＬ２をより長くすることができる。そのため、制御端子４と制御回路基板６との、積層方向Ｘにおける位置合わせ余裕度を大きくすることが可能になる。

また、図５に示すごとく、本例では、積層方向Ｘにおけるテーパ面７０の長さＬ１は、積層方向Ｘにおける折曲部４１の長さＬ２よりも長い。
このようにすると、制御端子４が積層方向Ｘに位置ずれした場合でも、折曲部がテーパ面７０から外れにくくなる。そのため、積層方向Ｘにおける制御端子４の位置合わせ余裕度をより大きくすることができる。

また、図４、図５に示すごとく、本例では、制御端子４の弾性力により、折曲部４１をテーパ面７０に圧接している。
このようにすると、折曲部４１をテーパ面７０に圧接できるので、折曲部４１とテーパ面７０の接続信頼性を高めることができる。

以上のごとく、本例によれば、制御回路基板と制御端子とを簡単に接続でき、製造コストを低減できる電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図６、図７に示すごとく、テーパ面７０を有する金属製の部材を制御回路基板６に実装することにより、テーパ状接続部７を形成した例である。
図６に示すごとく、本例のテーパ状接続部７は、三角柱を呈している。制御回路基板６の表面には、制御回路６０を構成する金属被膜（図示しない）の一部が露出している。この金属被膜に、はんだ１６を使って、テーパ状接続部７を接続している。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。本例では、制御回路基板６を容易に製造することが可能である。すなわち、例えば、テーパ状接続部７を別部材として用意しておき、これを制御回路基板６に実装すれば、簡単にテーパ状接続部７を制御回路基板６に取り付けることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（実施例３）
本例は、図８〜図１０に示すごとく、テーパ状接続部７が、テーパ面７０の両側部に、該テーパ面７０に直交する方向へ突出した突部７１を形成してなる例である。本例では、
積層方向Ｘと突出方向Ｙの双方に直交する方向の両側に、積層方向Ｘの全体にわたって突部７１を形成した。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。上記構成にすると、電力変換装置１を使用している状態で、何らかの原因により電力変換装置１が振動した場合であっても、折曲部４１が一対の突部７１にガイドされるため、テーパ状接続部７から折曲部４１が外れにくくなる。そのため、制御端子４と制御回路基板６の接続信頼性を高めることが可能になる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（実施例４）
本例は、図１１〜図１３に示すごとく、テーパ状接続部７にばね部材７２を設けた例である。このばね部材７２は、基端部４０の突出方向Ｙと積層方向Ｘとの双方に直交する方向から折曲部４１を挟持している。
具体的には実施例３と同様に、テーパ面７０の両側部に、該テーパ面７０に直交する方向へ突出する一対の突部７１が形成されており、これらの突部７１の内側に、ばね部材７２が配置されている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。本例では、ばね部材７２によって折曲部４１を挟持しているため、折曲部４１をテーパ状接続部７にしっかりと固定できる。そのため、制御端子４と制御回路基板６の接続信頼性を高めることが可能になる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（実施例５）
本例は、折曲部４１とテーパ状接続部７をはんだ接続した例である。図１６に示すごとく、本例の制御回路基板６には貫通孔６１が形成されている。この貫通孔６１は、制御回路基板６を厚さ方向に貫通し、テーパ面７０に開口している。貫通孔６１には、はんだ１２が充填されている。そして、貫通孔６１のテーパ面７０側の開口部６２から漏出したはんだ１２によって、テーパ状接続部７と折曲部４１とが接続されている。貫通孔６１はテーパ状接続部７の積層方向Ｘ全体にわたり形成されている。また、折曲部４１は貫通孔６１の開口部６２の一部を覆うように該開口部６２に沿って配置されている。

本例におけるはんだ接続工程を、図１４、図１５に示す。同図に示すごとく、本例では、テーパ面７０に折曲部４１を接触させ、その後、テーパ面７０側の開口部６２とは反対側の開口部６３からはんだ１２を貫通孔６１内に流し込む。そして、テーパ面７０側の開口部６２から漏出したはんだ１２によって、テーパ状接続部７と折曲部４１とを接続する。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。本例では、折曲部４１とテーパ状接続部７とをはんだ接続しているため、これらの接続信頼性をさらに高めることができる。
また、本例では、はんだ付け作業を容易に行うことが可能になる。すなわち、折曲部４１をテーパ面７０に接触させた後、仮に、テーパ面７０側からはんだ付け作業を行おうとすると、半導体モジュール２が邪魔になってしまい、はんだ付け作業を効率的に行えない場合がある。しかしながら本例では、図１４、図１５に示すごとく、テーパ面７０に開口した貫通孔６１を制御回路基板６に形成したため、テーパ面７０側の開口部６２とは反対側の開口部６３から、貫通孔６１内にはんだ１２を流し込むことができる。そして、テーパ面７０側の開口部６２から漏出したはんだ１２によって、テーパ面７０と折曲部４１とを接続することができる。これにより、折曲部４１とテーパ状接続部７とのはんだ付け作業を容易に行うことが可能になる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

１ 電力変換装置
１０ 積層体
２ 半導体モジュール
３ 本体部
４ 制御端子
４０ 基端部
４１ 折曲部
５ 冷却チューブ
６ 制御回路基板
６０ 制御回路
７ テーパ状接続部
７０ テーパ面

Claims (8)

1. 電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した本体部を有し、該本体部の端面から制御端子が突出した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを上記本体部の両主面から冷却する複数の冷却チューブとを積層した積層体と、
   上記半導体モジュールを制御する制御回路を有し、上記制御端子に電気的に接続した制御回路基板とを備え、
   上記制御端子は、上記本体部から突出した基端部と、上記積層体の積層方向に対して傾斜するよう上記基端部の先端側を折り曲げた折曲部とを備え、
   上記制御回路基板は、上記制御回路に導通した導電性材料からなり、上記積層方向に対して傾斜したテーパ面を有するテーパ状接続部を備え、
   該テーパ状接続部の上記テーパ面に上記折曲部が接触することにより、上記制御端子と上記制御回路基板との電気的な接続を確保するよう構成されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記基端部の突出方向と上記積層方向との双方に平行な平面に対して、上記折曲部の延出方向が平行になっていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２において、上記積層方向における上記テーパ面の長さは、該積層方向における上記折曲部の長さよりも長いことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記制御端子の弾性力により、上記折曲部を上記テーパ面に圧接していることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１項において、上記テーパ状接続部は、上記テーパ面を有する金属製の部材を上記制御回路基板に実装したものであることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５において、上記テーパ面の両側部には、該テーパ面に直交する方向へ突出した突部が形成されていることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項において、上記基端部の突出方向と上記積層方向との双方に直交する方向から上記折曲部を挟持するばね部材が、上記テーパ状接続部に設けられていることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項において、上記制御回路基板には、厚さ方向に貫通し上記テーパ面に開口した貫通孔が形成されており、該貫通孔にはんだが充填されると共に、該貫通孔の上記テーパ面側の開口部から漏出した上記はんだによって上記テーパ状接続部と上記折曲部とが接続されていることを特徴とする電力変換装置。

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