JP4525582B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換回路を構成する半導体モジュールの冷却手段を備えた電力変換装置に関する。
従来より、DC−DCコンバータ回路やインバータ回路等の電力変換回路は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いられることがある。
一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、交流モータから大きな駆動トルクを確保するため大きな駆動電流が必要となってきている。
それ故、その交流モータ向けの駆動電流を生成する上記電力変換回路においては、該電力変換回路を構成するIGBT等の電力用半導体素子を含む半導体モジュールからの発熱が大きくなる傾向にある。
そこで、図10に示すごとく、電力変換回路を構成する複数の半導体モジュール921を均一に冷却することができるように、冷媒の供給及び排出を担う一対のヘッダ923の間に多数の冷却管922が配置されている電力変換装置9が提案されている(特許文献1参照)。そして、該電力変換装置9は、冷却管922の間に半導体モジュール921を挟持した半導体積層ユニット92と、該半導体積層ユニット92の積層方向の端部に半導体積層ユニット92を積層方向に加圧するばね部材931とを有する。
該ばね部材931は、半導体積層ユニット92の積層方向の端面をなす冷却管922の主面920に対して、当接プレート932を介して当接している。これにより、ばね部材931による押圧力が冷却管922の主面920全体に対して均一にかかるようにしてある。
ところが、当接プレート932の曲げ剛性が不充分であると、ばね部材931によって押圧された当接プレート932が、ばね部材931との当接部分933を中心に反ってしまうおそれがある。そのため、半導体積層ユニット92をその積層方向に均一に押圧することが困難となるおそれがある。それ故、半導体モジュール921と冷却管922とを面接触させて両者の密着性を確保して半導体モジュール921から冷却管922への伝熱を充分に行うことが困難となるおそれがある。そして、その結果、半導体モジュール921を充分に冷却することが困難となるおそれがある。
特開2005−143244号公報
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュールを充分に冷却することができる電力変換装置を提供しようとするものである。
第1の発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層し、該各冷却管の両端が冷媒の供給を担う冷媒供給ヘッダと冷媒の排出を担う冷媒排出ヘッダとに連通してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
上記半導体積層ユニットの積層方向の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
該加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有し、
上記当接プレートは、該当接プレートの曲げ剛性を増加させるための曲げ剛性増加手段を設けてなり、
該曲げ剛性増加手段は、上記当接プレートに設けたリブであり、
上記当接プレートにおいて、上記冷媒供給ヘッダと上記冷媒排出ヘッダとの並び方向と、上記積層方向との双方に直交する方向を、上記当接プレートの幅方向とし、上記並び方向を上記当接プレートの長さ方向としたとき、上記リブは、上記当接プレートの幅方向の端部の少なくとも一方に、上記当接プレートの長さ方向に沿って形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)。
第2の発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
上記半導体積層ユニットの積層方向の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
該加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有し、
上記当接プレートは、該当接プレートの曲げ剛性を増加させるための曲げ剛性増加手段を設けてなり、
該曲げ剛性増加手段は、上記当接プレートに設けたリブであり、
該リブは、上記当接プレートの幅方向の端部の少なくとも一方に形成されており、
上記当接プレート及び上記ばね部材の少なくとも一方は、互いの幅方向の位置決めを行うための位置決め手段を設けてなり、
該位置決め手段は、上記当接プレートの上記リブの内側面及び上記ばね部材の外側面の少なくとも一方に設けた凸部からなることを特徴とする電力変換装置にある(請求項4)。
次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記加圧部材は、上記当接プレートと上記ばね部材とを有し、上記当接プレートは、上記曲げ剛性増加手段を設けてなる。即ち、上記当接プレートは、上記曲げ剛性増加手段により曲げ剛性が増加しているため、上記ばね部材の弾性力によって押圧されても、上記当接プレートが反ることを防ぐことができる。
そのため、上記当接プレートの当接面により、上記半導体積層ユニットを全体にわたってその積層方向に均一に押圧することができる。これにより、上記半導体モジュールと上記冷却管とを面接触させて充分に密着させることができるため、上記半導体モジュールから上記冷却管へと充分に伝熱することができ、その結果、上記半導体モジュールを充分に冷却することができる。
以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュールを充分に冷却することができる電力変換装置を提供することができる。
第1の発明(請求項1)又は第2の発明(請求項4)において、上記電力変換装置としては、例えば、DC−DCコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。
尚、上記半導体モジュールと上記冷却管とは、直接密着していても良いし、絶縁材等を介して密着していても良い。
上記曲げ剛性増加手段は、上記当接プレートに設けたリブである。
これにより、上記当接プレートに上記曲げ剛性増加手段を容易に形成することができる。
上記リブは、上記当接プレートの幅方向の端部の少なくとも一方に形成されている。
これにより、上記当接プレートに上記曲げ剛性増加手段を一層容易に形成することができる。
第1の発明において、上記当接プレート及び上記ばね部材の少なくとも一方は、互いの幅方向の位置決めを行うための位置決め手段を設けてなることが好ましい(請求項)。
この場合には、上記当接プレートと上記ばね部材との互いの幅方向の位置決めを容易かつ確実に行うことができ、上記加圧部材を上記電力変換装置に容易に組み付けることができる。
上記位置決め手段は、上記当接プレートの上記リブの内側面及び上記ばね部材の外側面の少なくとも一方に設けた凸部からなることが好ましい(請求項)。
この場合には、上記位置決め手段を容易に形成することができる。
第1の発明又は第2の発明において、上記当接プレートと上記ばね部材とは、互いの当接部分において互いに遊嵌する突起部と嵌入部とを有することが好ましい(請求項)。
この場合には、上記当接プレートと上記ばね部材との互いの幅方向及び長さ方向の位置決めを容易かつ確実に行うことができる。
尚、上記突起部と上記嵌入部とは、それぞれ当接プレートとばね部材とのいずれに設けても良い。
(実施例1)
本例の実施例にかかる電力変換装置につき、図1〜図6を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、図1に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール21と、該半導体モジュール21を冷却する冷却管22とを交互に積層してなる半導体積層ユニット2を有する。
該半導体積層ユニット2の積層方向の端部には、図1〜図6に示すごとく、半導体積層ユニット2を積層方向に加圧する加圧部材3が配されている。
該加圧部材3は、冷却管22の主面220に当接する当接面320を有する当接プレート32と、該当接プレート32における当接面320と反対側の面に配されたばね部材31とを有する。
そして、上記当接プレート32は、図1〜図3、図5、図6に示すごとく、該当接プレート32の曲げ剛性を増加させるための曲げ剛性増加手段としてのリブ321を設けてなる。
本例の電力変換装置1につき、以下に詳細に説明する。
電力変換装置1は、例えば、DC−DCコンバータやインタバータ等である。そして、電力変換装置1は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。
また、電力変換装置1は、半導体積層ユニット2のほか、半導体モジュール21に制御信号を入力する図示しない制御基板や、コンデンサやリアクトル等から構成される図示しない電力回路等を有している。
上記半導体積層ユニット2は、図1に示すごとく、複数の半導体モジュール21と扁平形状の冷却管22とを交互に積層してなり、各冷却管22の両端を、冷媒の供給を担う冷媒供給ヘッダ232と冷媒の排出を担う冷媒排出ヘッダ233とに連通させた多層積層構造のユニットである。本例では、隣り合わせに積層した冷却管22の間に、それぞれ二つの半導体モジュール21を並列配置してある。
また、上述したように、半導体積層ユニット2の積層方向の端部には、図1〜図6に示すごとく、当接プレート32とばね部材31とにより構成される加圧部材3が配されている。
上記当接プレート32には、上述のごとく、リブ321により形成された曲げ剛性増加手段が形成されており、本例において、上記リブ321は、図2、図3、図5に示すごとく、当接プレート32の幅方向の両端部に形成されている。
上記ばね部材31は、図1、図2、図4、図6に示すごとく、その中央部が半導体積層ユニット2側に湾曲してなる。
また、ばね部材31は、図2〜図4、図6に示すごとく、当接プレート32に当接する前方板ばね311と該前方板ばね311の後面に重ねた後方板ばね312とにより構成されている。
ばね部材31は、図1に示すごとく、後方板ばね312における長さ方向の両端部が、電力変換装置1のケース10内に固定された2個の固定ピン11に係止されており、該固定ピン11と半導体積層ユニット2との間において、ばね部材31が広がる方向に付勢された状態で配置することにより、半導体積層ユニット2を積層方向に押圧している。
ばね部材31には、図2〜図4に示すごとく、当接プレート32とばね部材31との互いの幅方向の位置決めを行うための位置決め手段が設けてある。本例においては、該位置決め手段とは、前方板ばね311の幅方向の外側面に設けた凸部313である。そして、該凸部313は、前方板ばね311の長さ方向の両端部であって幅方向の両外側面に計四つ形成されている。
そして、当接プレート32とばね部材31とは、図4〜図6に示すごとく、互いの当接部分33にそれぞれ嵌入部324と突起部314とを有し、そこで互いに遊嵌されている。尚、ばね部材31に設けられた突起部314の突出量は、当接プレート32の厚み以下である。
また、嵌入部324は、当接プレート32を貫通した孔であっても良いし、貫通しない凹部であっても良い。
本例の冷却管22は、図1に示すごとく、内部に、例えば、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、水やアンモニア等の自然冷媒、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、HCFC123、HFC134a等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷媒を流動させる中空部を有してなる扁平形状の管である。
そして、冷媒供給ヘッダ232を介して冷媒入口231より冷却管22へと供給された冷媒は、冷却管22内を通過する際に、冷却管22と絶縁材を介して面接触することができるように設けられた半導体モジュール21の放熱板(図示略)から受熱する。そして、受熱した冷媒は、更に冷却管22内を通過し、冷媒排出ヘッダ233を介して冷媒出口234へ向かって流れて、そこから排出される。
このようにして、半導体積層ユニット2においては、冷媒を冷却管22内において循環させて、半導体素子との熱交換を行うことにより、半導体モジュール2を冷却する。
次に、本例の作用効果につき説明する。
加圧部材3は、図1〜図6に示すごとく、当接プレート32とばね部材31とを有し、当接プレート32は、曲げ剛性増加手段を設けてなる。即ち、当接プレート32は、曲げ剛性増加手段により曲げ剛性が増加しているため、ばね部材31の弾性力によって押圧されても、当接プレート32が反ることを防ぐことができる。
そのため、当接プレート32の当接面320により、半導体積層ユニット2を全体にわたってその積層方向に均一に押圧することができる。これにより、半導体モジュール21と冷却管22とを面接触させて充分に密着させることができるため、半導体モジュール21から冷却管22へと充分に伝熱することができ、その結果、半導体モジュール21を充分に冷却することができる。
また、上記曲げ剛性増加手段とは、図1〜図3、図5、図6に示すごとく、当接プレート32に設けたリブ321であるため、当接プレート32に曲げ剛性増加手段を容易に形成することができる。
また、リブ321は、図2、図3、図5に示すごとく、当接プレート32の幅方向の両端部に形成されているため、当接プレート32に曲げ剛性増加手段を一層容易に形成することができる。
また、ばね部材31には、図2〜図4に示すごとく、該ばね部材31と当接プレート32との幅方向の位置決めを行うための位置決め手段を設けてなるため、当接プレート32とばね部材31との互いの幅方向の位置決めを容易かつ確実に行うことができ、加圧部材3を電力変換装置1に容易に組み付けることができる。
そして、位置決め手段は、同図に示すごとく、ばね部材31の外側面に設けた凸部313からなるため、ばね部材31に、位置決め手段を容易に形成することができる。
また、当接プレート32とばね部材31とは、図4〜図6に示すごとく、互いの当接部分33において互いに遊嵌する突起部314と嵌入部324とを有するため、当接プレート32とばね部材31との互いの幅方向及び長さ方向の位置決めを容易かつ確実に行うことができる。
以上のごとく、本例によれば、半導体モジュールを充分に冷却することが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7〜図9に示すごとく、当接プレート32の幅方向の両端部に形成されたリブ321の内側面に、当接プレート32とばね部材31との互いの幅方向の位置決め手段として凸部323を設けた加圧部材3の例である。
上記凸部323は、幅方向の両端部に設けられた二つのリブ321の長さ方向の両端部の付近に計四つ形成されている。
一方、ばね部材31には、図8に示すごとく、凸部(例えば、図2に示す符号313)が形成されていない。
その他は、実施例1と同様の構成及び作用効果を有する。
尚、本発明の電力変換装置における上記ばね部材の曲げ剛性増加手段としては、上記実施例1及び実施例2に示したようなリブに限らず、例えば、複数の板ばねを厚み方向に互いに積層してばね部材を構成する手段等、他の手段もある。
実施例1における、電力変換装置の断面説明図。 実施例1における、加圧部材の斜視図。 実施例1における、加圧部材の正面図。 実施例1における、ばね部材の斜視図。 実施例1における、当接プレートの斜視図。 実施例1における、加圧部材の断面説明図。 実施例2における、加圧部材の正面図。 実施例2における、ばね部材の斜視図。 実施例2における、当接プレートの斜視図。 従来例における、電力変換装置の断面説明図。
符号の説明
1 電力変換装置
2 半導体積層ユニット
21 半導体モジュール
22 冷却管
220 主面
3 加圧部材
31 ばね部材
32 当接プレート
320 当接面

Claims (5)

  1. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層し、該各冷却管の両端が冷媒の供給を担う冷媒供給ヘッダと冷媒の排出を担う冷媒排出ヘッダとに連通してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
    上記半導体積層ユニットの積層方向の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
    該加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有し、
    上記当接プレートは、該当接プレートの曲げ剛性を増加させるための曲げ剛性増加手段を設けてなり、
    該曲げ剛性増加手段は、上記当接プレートに設けたリブであり、
    上記当接プレートにおいて、上記冷媒供給ヘッダと上記冷媒排出ヘッダとの並び方向と、上記積層方向との双方に直交する方向を、上記当接プレートの幅方向とし、上記並び方向を上記当接プレートの長さ方向としたとき、上記リブは、上記当接プレートの幅方向の端部の少なくとも一方に、上記当接プレートの長さ方向に沿って形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、上記当接プレート及び上記ばね部材の少なくとも一方は、互いの幅方向の位置決めを行うための位置決め手段を設けてなることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項2において、上記位置決め手段は、上記当接プレートの上記リブの内側面及び上記ばね部材の外側面の少なくとも一方に設けた凸部からなることを特徴とする電力変換装置。
  4. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
    上記半導体積層ユニットの積層方向の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
    該加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配されたばね部材とを有し、
    上記当接プレートは、該当接プレートの曲げ剛性を増加させるための曲げ剛性増加手段を設けてなり、
    該曲げ剛性増加手段は、上記当接プレートに設けたリブであり、
    該リブは、上記当接プレートの幅方向の端部の少なくとも一方に形成されており、
    上記当接プレート及び上記ばね部材の少なくとも一方は、互いの幅方向の位置決めを行うための位置決め手段を設けてなり、
    該位置決め手段は、上記当接プレートの上記リブの内側面及び上記ばね部材の外側面の少なくとも一方に設けた凸部からなることを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項において、上記当接プレートと上記ばね部材とは、互いの当接部分において互いに遊嵌する突起部と嵌入部とを有することを特徴とする電力変換装置。
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