JP2021112036A

JP2021112036A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2021112036A
Application number: JP2020002425A
Authority: JP
Inventors: 邦宏鈴木; Kunihiro Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2021-08-02

Abstract

【課題】電力変換装置の回路基板に過大な応力を招くことなく、回路基板の共振を抑制し得る技術を提供する。【解決手段】電力変換装置１０は、第１方向へ延びる信号端子１６を有する半導体モジュール２０と、半導体モジュール２０を収容するケース２２と、第１方向に対して垂直に配置されており、その周縁部分の複数個所がケース２２に固定されているとともに、半導体モジュール２０の信号端子１６が接続された回路基板２６と、を備える。信号端子１６は、回路基板２６がケース２２にのみ固定された状態で共振したときに、回路基板２６に現れる定在波の腹となる位置に接続されている。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。

特許文献１に、電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、ケースと回路基板とを備えており、回路基板の周縁部分の複数個所が、ケースに対して固定されている。ケースには、回路基板に向けて延びる配線端子が設けられており、その配線端子の先端部分が回路基板に対して固定されている。

特開２００７−１４９７４７号公報

上記した電力変換装置は、比較的に振動条件が厳しい場所に配置されることも多く、比較的に弾性変形しやすい回路基板に、共振が生じることがある。この場合、ケースに固定された周縁部分を節として、回路基板には定在波が出現し、その腹となる一又は複数の箇所において、回路基板が大きく振動（即ち、変形）してしまう。そして、このような回路基板の振動は、回路基板及びその部品や、それらの接合箇所を破損させるおそれがある。これを避けるためには、回路基板の周縁部分に加えて、回路基板の中央部分についてもケースに対して固定することが考えられる。しかしながら、ケースと回路基板との間では、線膨張係数が互いに異なることから、電力変換装置の温度が上昇したときに、ケースと回路基板とのそれぞれには、互いに異なる熱変形が生じる。このとき、回路基板がケースに対して多数の箇所で固定されていると、回路基板に過大な応力が作用することによって、回路基板の破損といった前述の問題を再び招いてしまう。本明細書では、回路基板に過大な応力を招くことなく、回路基板の共振を抑制し得る技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、第１方向へ延びる端子を有する半導体モジュールと、半導体モジュールを収容するケースと、第１方向に対して垂直に配置されており、その周縁部分の複数個所がケースに固定されているとともに、半導体モジュールの端子が接続された回路基板とを備える。端子は、回路基板がケースにのみ固定された状態で共振したときに、当該回路基板に現れる定在波の腹となる位置に接続されている。

上記した電力変換装置では、回路基板が、ケースだけでなく、半導体モジュールの端子によっても支持されている。半導体モジュールの端子は、回路基板に対して垂直に延びており、かつ、回路基板がケースにのみ固定された状態で共振したときに、当該回路基板に現れる定在波の腹となる位置に接続されている。このような構成によると、一般的に細長い部材である端子によっても、回路基板に共振が生じることを効果的に抑制することができる。加えて、端子が比較的に細長い部材であることから、ケースと回路基板との間で異なる熱変形が生じたときでも、それらの間で端子が柔軟に変形することによって、回路基板に過大な応力が生じることを避けることもできる。

なお、回路基板がケースにのみ固定された状態で共振したときに、当該回路基板に現れる定在波の腹となる位置は、回路基板等の具体的な構造によって定まるものであり、実験やシミュレーションによって一義的に求めることができる。また、半導体モジュールの端子は、電気的な機能を有する端子に限られず、電気的な機能を特に有さないダミーな端子であって、回路基板及び／又は半導体モジュールにおいて電気的に絶縁されたものでもよい。

実施例１の電力変換装置１０の内部構造を模式的に示す断面図。実施例２の電力変換装置１００の内部構造を模式的に示す断面図。

（実施例１）図１を参照して、実施例１の電力変換装置１０について説明する。電力変換装置１０は、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車等の電動自動車に搭載され、電源とモータジェネレータとの間で電力の変換を行う。図１に示すように、電力変換装置１０は、半導体モジュール２０と、ケース２２と、回路基板２６と、複数のボルト２８を備える。半導体モジュール２０は、ケース２２の内部に収容されている。回路基板２６は、複数のボルト２８によってケース２２の上方に固定される。特に限定されないが、本実施例の電力変換装置１０では、ケース２２内に複数の半導体モジュール２０が収容されている。

電力変換装置１０は、複数の冷却器（不図示）をさらに備える。半導体モジュール２０と冷却器とは、図１の紙面に垂直な方向に沿って交互に積層配置されており、それらの積層体は、図示省略するばね部材によって圧縮された状態で、ケース２２に対して固定されている。但し、他の実施形態として、電力変換装置１０は、冷却器を必ずしも備える必要はない。また、半導体モジュール２０は、冷却器とは異なる部材を介して、あるいは、他の部材を介することなく、ケース２２に対して固定されてもよい。

半導体モジュール２０は、半導体素子１４と、複数の信号端子１６と、封止体１８とを備える。半導体素子１４は、封止体１８の内部に封止されている。封止体１８は、二つの主表面１８ａと、端面１８ｂを有する。二つの主表面１８ａは、互いに反対側に位置しており、冷却器に対向して取り付けられる。端面１８ｂは、二つの主表面１８ａの間に延びている。封止体１８は、絶縁材料を用いて構成されている。一例ではあるが、封止体１８を構成する材料は、エポキシ樹脂といった熱硬化性の樹脂材料を用いて構成されている。

半導体素子１４は、半導体基板と、二つの主電極とを有する。半導体素子１４は、スイッチング素子であって、半導体基板を介して、二つの主電極間を導通及び遮断することができる。半導体素子１４は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）又はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

複数の信号端子１６は、封止体１８の端面１８ｂから突出している。また、複数の信号端子１６の各々は、回路基板２６に対して垂直に延びているとともに、回路基板２６に接続される。複数の信号端子１６の各々は、封止体１８の内部において、半導体素子１４の信号電極にそれぞれ電気的に接続されている。これにより、複数の信号端子１６は、電力変換装置１０の信号回路の一部を構成する。各々の信号端子１６は、細長い板形状を有しており、自身に垂直な外力に対して、即ち、回路基板２６と平行な外力に対して、比較的に低い曲げ剛性を有する。言い換えると、信号端子１６は、回路基板２６と平行な方向において、柔軟に変形可能な形状を有している。なお、回路基板２６に対して垂直な方向は、本明細書が開示する技術における第１方向の一例である。

ケース２２は、半導体モジュール２０を収納する。ケース２２には、上方に向けて開口２２ｂが設けられており、その開口２２ｂを画定する上縁２２ａには、複数のボルト穴２２ｃが設けられている。複数のボルト穴２２ｃは、後述する複数のボルト２８をそれぞれ受け入れる。ここで、ケース２２は、例えば鉄又は他の金属を用いて構成されている。

回路基板２６は、概して板形状を有し、例えばガラスエポキシやセラミック等といった絶縁材料を用いて構成されている。回路基板２６は、ＣＰＵやメモリを内蔵するコントローラ等の部品を有し、各々の半導体モジュール２０に内蔵された半導体素子１４の動作を制御する。回路基板２６の周縁部分２６ｅは、複数のボルト２８によって、ケース２２の上縁２２ａに固定されている。回路基板２６の中央部分２６ｃには、複数の信号端子１６を受け入れる複数の貫通孔２６ａが設けられている。ここでいう中央部分２６ｃとは、周縁部分２６ｅの内側に位置する部分であって、ケース２２によって直接的に支持されていない部分を意味する。半導体モジュール２０の信号端子１６は、貫通孔２６ａに挿入されて、回路基板２６に接続されている。これにより、各々の半導体モジュール２０は、回路基板２６へ電気的に接続されている。

前述したように、回路基板２６は、複数のボルト２８によってケース２２に固定されている。詳しくは、回路基板２６は、その周縁部分２６ｅに、回路基板２６の上面から下面に亘って貫通する複数の取付穴２６ｂを有している。複数の取付穴２６ｂは、ケース２２に設けられた複数のボルト穴２２ｃにそれぞれ対応して設けられている。そして、複数のボルト２８の各々は、回路基板２６の取付穴２６ｂを通過して、ケース２２のボルト穴２２ｃに締結されている。これにより、回路基板２６は、ケース２２の上縁２２ａ上に強固に固定されている。

本実施例のような電力変換装置１０は、搭載スペースの関係により、電動自動車内、特に上下に振動が発生し易い場所（例えば、車輪の周辺等）に多く配置される。そのため、比較的に弾性変形しやすい回路基板２６に、共振が生じることがある。この場合、ケース２２に固定された周縁部分２６ｅを節ＳＷ１として、回路基板２６には定在波ＳＷが出現し、その腹ＳＷ２となる一又は複数の箇所において、回路基板２６が大きく振動（即ち、変形）してしまう。そして、このような回路基板２６の振動は、回路基板２６及びその部品や、それらの接合箇所を破損させるおそれがある。これを避けるためには、回路基板２６の周縁部分２６ｅに加えて、回路基板２６の中央部分２６ｃについてもケース２２に対して固定することが考えられる。しかしながら、ケース２２と回路基板２６との間では、線膨張係数が互いに異なることから、電力変換装置１０の温度が上昇したときに、ケース２２と回路基板２６とのそれぞれには、互いに異なる熱変形が生じる。このとき、回路基板２６がケース２２に対して多数の箇所で固定されていると、回路基板２６に過大な応力が作用することによって、回路基板２６の破損といった前述の問題を再び招くことになる。

本実施例の電力変換装置１０では、回路基板２６が、ケース２２だけでなく、半導体モジュール２０の信号端子１６によっても支持されている。半導体モジュール２０の信号端子１６は、回路基板２６に対して垂直に延びており、かつ、回路基板２６がケース２２にのみ固定された状態で共振したときに、回路基板２６に現れる定在波ＳＷの腹ＳＷ２となる位置に接続されている。このような構成によると、一般的に細長い部材である信号端子１６等によっても、回路基板２６に共振が生じることを効果的に抑制することができる。加えて、信号端子１６が比較的に細長い部材であることから、ケース２２と回路基板２６との間で異なる熱変形が生じたときでも、それらの間で信号端子１６が柔軟に変形することによって、回路基板２６に過大な応力が生じることを避けることもできる。

なお、回路基板２６がケース２２にのみ固定された状態で共振したときに、回路基板２６に現れる定在波ＳＷの腹ＳＷ２となる位置は、回路基板２６等の具体的な構造によって定まるものであり、実験やシミュレーションによって一義的に求めることができる。また、信号端子１６は、本明細書が開示する半導体モジュールの端子の一例である。半導体モジュール２０の端子は、電気的な機能を有する信号端子１６に限られず、電気的な機能を特に有さないダミーな端子であって、回路基板２６及び／又は半導体モジュール２０において電気的に絶縁されたものでもよい。

（実施例２）図２を参照して、実施例２の電力変換装置１００について説明する。図２に示すように、実施例２の電力変換装置１００では、半導体モジュール２０が複数のダミー端子１１７をさらに備えている。この点においてのみ、実施例２の電力変換装置１００は、実施例１の電力変換装置１０と比較して異なっている。実施例２の電力変換装置１００の他の部分については、実施例１の電力変換装置１０と同様に構成することができるため、重複する説明を省略する。

上述したように、実施例２の電力変換装置１００において、半導体モジュール２０は、複数（ここでは二つ）のダミー端子１１７をさらに備える。ダミー端子１１７は、信号端子１６と同様に形成することができ、ダミー端子１１７は、封止体１８の端面１８ｂから突出し、回路基板２６に対して垂直に延びている。但し、信号端子１６が半導体素子１４と電気的に接続されているのに対し、ダミー端子１１７は、半導体素子１４と電気的に絶縁されている。

実施例２の電力変換装置１００においても、回路基板２６が、ケース２２だけでなく、半導体モジュール２０の信号端子１６によっても支持されている。半導体モジュール２０の信号端子１６は、回路基板２６に対して垂直に延びており、かつ、回路基板２６がケース２２にのみ固定された状態で共振したときに、回路基板２６に現れる定在波ＳＷの腹ＳＷ２となる位置に接続されている。なお、この場合の定在波ＳＷは、ケース２２に固定された周縁部分２６ｅと、信号端子１６に接続された部分を節ＳＷ１として形成されている。このような構成によると、細長い部材であるダミー端子１１７によっても、回路基板２６に共振が生じることを効果的に抑制することができる。加えて、ダミー端子１１７も、信号端子１６と同様に、比較的に細長い部材である。従って、ケース２２と回路基板２６との間で異なる熱変形が生じたときでも、それらの間で信号端子１６及びダミー端子１１７が柔軟に変形することによって、回路基板２６に過大な応力が生じることを避けることもできる。

本実施例の電力変換装置１０、１００における信号端子１６及びダミー端子１１７と回路基板２６との間は、例えばはんだを用いて、容易に接続することができる。従って、回路基板２６との接続のために、接続用のスペースを大きく設ける必要がなく、回路基板２６における実効面積を比較的に広く設けることができる。また、例えば、はんだ付けといった簡易な手法で接続可能なため、専用の工具等を準備する必要もない。特に実施例１では、信号回路を構成する信号端子１６を活用して回路基板２６の固定をするため、工数が増大することもない。これにより、単に回路基板２６の中央部分２６ｃを固定する方法に対して、電力変換装置１０、１００の製造方法は、比較的に簡素化される。

本実施例の電力変換装置１０、１００において、半導体モジュール２０は、一つの半導体素子１４を備える。この半導体素子１４の数は特に限定されず、半導体モジュール２０は、二以上の半導体素子１４を備えていてもよい。また、他の実施形態として、例えば回路基板２６において横方向の振動が問題となる場合は、回路基板２６の中央部分２６ｃを、信号端子１６及びダミー端子１１７だけでなく、それらよりも剛性の高い部材で追加的に支持してもよい。また、電力変換装置１００におけるダミー端子１１７は、半導体モジュール２０に限られず、ケース２２に対して固定されていればよい。即ち、ダミー端子１１７は、ケース２２に対して直接的に設けられたものでもよいし、ケース２２に対して固定された部材（半導体モジュール２０を含む）に設けられたものでもよい。

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書、又は、図面に説明した技術要素は、単独で、あるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０、１００：電力変換装置
１４：半導体素子
１６：信号端子
１８：封止体
２０：半導体モジュール
２２：ケース
２６：回路基板
２６ｃ：中央部分
２６ｅ：周縁部分
２８：ボルト
１１７：ダミー端子
ＳＷ：定在波
ＳＷ１：節
ＳＷ２：腹

Claims

第１方向へ延びる端子を有する半導体モジュールと、
前記半導体モジュールを収容するケースと、
前記第１方向に対して垂直に配置されており、その周縁部分の複数個所が前記ケースに固定されているとともに、前記半導体モジュールの前記端子が接続された回路基板と、
を備え、
前記端子は、前記回路基板が前記ケースにのみ固定された状態で共振したときに、当該回路基板に現れる定在波の腹となる位置に接続されている、
電力変換装置。