JP5326760B2

JP5326760B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5326760B2
Application number: JP2009097558A
Authority: JP
Inventors: 雅也殿本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-04-14
Filing date: 2009-04-14
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-04-14
Also published as: JP2010252460A

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと該半導体モジュールに接続されたコンデンサとを有する電力変換装置に関する。

インバータやコンバータ等の電力変換装置は、複数の半導体素子のスイッチング動作によって電力の変換を行っている。かかる電力変換装置において、直流電源から半導体モジュールへ供給される電流を平滑化するコンデンサが、半導体モジュールに電気的に接続されている。特許文献１には、このコンデンサと半導体モジュールとがバスバーを介して接続された電力変換装置が開示されている。

特許第３６４６０４９号公報

しかしながら、上記従来の電力変換装置においては、コンデンサと半導体モジュールとの接続にバスバーが必要となり、部品点数が多くなると共に、組み付け性の向上を図ることが困難となる。
また、半導体モジュールにおいて発熱した熱が接続部及びバスバーを通じてコンデンサへ伝わる。これにより、コンデンサが高温となり、劣化してしまうおそれがある。特に、電力変換装置の被制御電流の大電流化や、スイッチング動作の高速化に伴い、半導体モジュールの発熱が大きくなる傾向にある。かかる状況の下、半導体モジュールの耐熱性が充分に確保されても、コンデンサの耐熱性が充分に確保されていないのが現状である。そのため、半導体モジュールからのコンデンサの受熱による劣化が電力変換装置における近年の重要課題となっている。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、組み付け性に優れると共にコンデンサの温度上昇を低減した電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を内蔵すると共に少なくとも一対の半導体端子を備えた半導体モジュールと、上記半導体端子にそれぞれ電気的に接続された少なくとも一対のコンデンサ端子を備えたコンデンサと、上記半導体モジュールを冷却する冷却器とを有する電力変換装置であって、
上記冷却器は、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを重ねて載置するとともに固定するための固定部を備え、
上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを、互いに直接接触させて重ねるとともに、上記冷却器の上記固定部に対して熱的に接触させて載置し、固定してなることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

本発明においては、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを、互いに直接接触させている。そのため、半導体モジュールとコンデンサとを、バスバーなどを介さずに直接接続することができる。それゆえ、部品点数を少なくし、組み付け性を向上させることができる。

また、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とは、上記冷却器に対して熱的に接触し固定されている。これにより、半導体モジュールからコンデンサへの伝熱を抑制し、コンデンサの温度上昇を低減することができる。すなわち、コンデンサは、半導体モジュールの熱を両者の接続部、すなわち半導体端子及びコンデンサ端子を介して受熱して温度上昇するため、この受熱経路の少なくとも一部を冷却器に熱的に接触させることにより、コンデンサが受熱する前に、半導体モジュールの熱を冷却器へ放熱することができる。そのため、コンデンサの受熱を抑制し、コンデンサの温度上昇を低減することができる。

また、上記半導体端子及びコンデンサ端子を固定する冷却器は、半導体モジュールを冷却するためにもともと設けられていたものであるため、新たな部品の追加にならず、電力変換装置の小型化を図ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、組み付け性に優れると共にコンデンサの温度上昇を低減した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、電力変換装置の断面説明図。実施例１における、電力変換装置の平面説明図。実施例１における、半導体端子とコンデンサ端子との接続部の斜視説明図。実施例２における、電力変換装置の展開斜視説明図。実施例２における、電力変換装置の平面説明図。図５のＡ−Ａ線矢視断面説明図。図５のＢ−Ｂ線矢視断面説明図。実施例３における、半導体端子とコンデンサ端子との接続部の斜視説明図。実施例４における、半導体端子とコンデンサ端子との接続部の断面説明図。実施例５における、半導体端子とコンデンサ端子との接続部の斜視説明図。実施例５における、半導体端子とコンデンサ端子との接続部の断面説明図。実施例６における、半導体端子とコンデンサ端子との接続部の斜視説明図。実施例６における、半導体端子とコンデンサ端子との接続部の断面説明図。

本発明において、「熱的に接触」とは、上記半導体端子及び上記コンデンサ端子と、冷却器との間で熱交換可能な状態にあることを意味し、間に熱伝導性を有する絶縁材を介在させる場合なども含まれる。
また、上記コンデンサ端子を、上記半導体端子よりも上記冷却器に近い側に配置することが好ましい（請求項２）。
この場合には、コンデンサの温度上昇をより効果的に低減することができる。

また、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを、絶縁性の締結部材によって上記冷却器に固定してなることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記冷却器と上記半導体端子或いは上記コンデンサ端子との短絡を防ぐことができる。すなわち、上記冷却器は、熱伝導性等を考慮して、通常、アルミニウム等の金属部材によって構成される。そのため、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを金属製のネジ等によって冷却器に固定すると、冷却器を通じて、他方の端子や別の電子部品との短絡を招くおそれがある。そこで、絶縁性の締結部材を用いることによって、上記半導体端子及び上記コンデンサ端子と冷却器との絶縁を確保し、他の端子等との短絡を効果的に防ぐことができる。

また、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを重ね合わせ、一対の絶縁性の挟持体によって挟み込み、加圧接触させることが好ましい（請求項４）。
この場合には、容易に上記半導体端子及び上記コンデンサ端子と冷却器との絶縁を確保することができる。

また、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを、導電性の締結部材によって上記冷却器に固定し、上記締結部材と上記半導体端子及び上記コンデンサ端子との間に、絶縁性の保護部材を介在させてもよい（請求項５）。
この場合にも、容易に上記半導体端子及び上記コンデンサ端子と冷却器との絶縁を確保することができる。

また、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを、導電性接着剤によって接続してもよい（請求項６）。
この場合には、冷却器にまで達するネジ等を用いる必要がないため、容易に上記半導体端子及び上記コンデンサ端子と冷却器との絶縁を確保することができる。

また、一対の上記コンデンサ端子同士及び一対の上記半導体端子同士は、少なくともその一部を互いに近接させていることが好ましい（請求項７）。
この場合には、半導体端子とコンデンサ端子によって形成される回路におけるインダクタンスを低減することができる。これにより、半導体素子のスイッチング動作に起因するサージ電圧を低減することができる。

また、一対の上記半導体端子と一対の上記コンデンサ端子とはいずれも、それぞれ互いに直接接触するとともに、上記冷却器に対して熱的に接触させ固定してあることが好ましい（請求項８）。
この場合には、一層効果的にコンデンサの温度上昇を低減することができる。

（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３を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１〜図３に示すごとく、半導体素子を内蔵すると共に少なくとも一対の半導体端子２１を備えた半導体モジュール２と、半導体端子２１にそれぞれ電気的に接続された少なくとも一対のコンデンサ端子３１を備えたコンデンサ３と、半導体モジュール２を冷却する冷却器４とを有する。
そして、半導体端子２１とコンデンサ端子３１とを、互いに直接接触させるとともに、冷却器４に対して熱的に接触させ固定してある。

図２に示すごとく、半導体モジュール２は、直流電源（図示略）の一対の電極端子と電気的に接続される一対の半導体端子２１を有するとともに、負荷（図示略）の一つの電極端子に電気的に接続される一つの出力端子２１０を有する。また、コンデンサ３は、直流電源の一対の電極端子と電気的に接続される一対のコンデンサ端子３１を有する。これらの一対の半導体端子２１と一対のコンデンサ端子３１とが、それぞれ直接接触した上で、冷却器４の固定部４１に固定されている。

図３に示すごとく、冷却器４の固定部４１にはネジ穴４１１が形成されている。そして、固定部４１の上面に、絶縁材５１を配置し、その上に順次コンデンサ端子３１と半導体端子２１とを重ねて載置する。コンデンサ端子３１が半導体端子２１よりも冷却器４に近い側に配置される。コンデンサ端子３１、半導体端子２１及び絶縁材５１には、それぞれ開口部３１１、２１１、５１１が形成され、その開口部３１１、２１１、５１１を貫通するように、締結部材としての絶縁性のネジ６１を挿通し、冷却器４の固定部４１のネジ穴４１１にねじ込む。これにより、半導体端子２１とコンデンサ端子３１とを締結すると共に両者を冷却器４に固定する。

半導体モジュール２は、本体部の主面に放熱板を配設してなり、この放熱板を冷却器４に絶縁板（図示略）を介して接触させている。なお、コンデンサ３は、直流電源から供給される直流電圧を平滑化させるものである。
また、上記絶縁材５１は、熱伝導性に優れた材料を用いることが好ましく、例えばセラミック板を用いることができる。
また、冷却器４は、例えばアルミニウム又はその合金によって形成され、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を設けてなる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
本例の電力変換装置１においては、半導体端子２１とコンデンサ端子３１とを、互いに直接接触させている。そのため、半導体モジュール２とコンデンサ３とを、バスバーなどを介さずに直接接続することができる。それゆえ、部品点数を少なくし、組み付け性を向上させることができる。

また、半導体端子２１とコンデンサ端子３１とは、冷却器４に対して熱的に接触し固定されている。これにより、半導体モジュール２からコンデンサ３への伝熱を抑制し、コンデンサ３の温度上昇を低減することができる。すなわち、コンデンサ３は、半導体モジュール２の熱を両者の接続部、すなわち半導体端子２１及びコンデンサ端子３１を介して受熱して温度上昇するため、この受熱経路の少なくとも一部を冷却器４に熱的に接触させることにより、コンデンサ３が受熱する前に、半導体モジュール２の熱を冷却器４へ放熱することができる。そのため、コンデンサ３の受熱を抑制し、コンデンサ３の温度上昇を低減することができる。

また、半導体端子２１及びコンデンサ端子３１を固定する冷却器４は、半導体モジュール２を冷却するためにもともと設けられていたものであるため、新たな部品の追加にならず、電力変換装置１の小型化を図ることができる。

また、一対の半導体端子２１と一対のコンデンサ端子３１とはいずれも、それぞれ互いに直接接触するとともに、冷却器４に対して熱的に接触し固定してあるため、一層効果的にコンデンサ３の温度上昇を低減することができる。

また、コンデンサ端子３１を、半導体端子２１よりも冷却器４に近い側に配置したことにより、コンデンサ３の温度上昇をより効果的に低減することができる。
また、半導体端子２１とコンデンサ端子３１とを、絶縁性の締結部材（ネジ６１）によって冷却器４に固定してなるため、冷却器４と半導体端子２１或いはコンデンサ端子３１との短絡を防ぐことができる。

以上のごとく、本例によれば、組み付け性に優れると共にコンデンサの温度上昇を低減した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４〜図７に示すごとく、半導体端子２１とコンデンサ端子３１とを重ね合わせ、一対の絶縁性の挟持体５２によって挟み込み、加圧接触させた例である。
上記挟持体５２は、例えば、セラミック板からなり、一対のネジ挿通穴５２１を設けてなる。この一対のネジ挿通穴５２１の間の部分において、半導体端子２１とコンデンサ端子３１とを重ね合わせて挟持する。そして、ネジ挿通穴５２１にネジ６２を挿通するとともに、冷却器４の固定部４１に設けられたネジ穴４１１に螺合して締結する。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、容易に半導体端子２１及びコンデンサ端子３１と冷却器４との絶縁を確保することができる。また、上記ネジ６２を金属製のものにすることができるため、半導体端子２１とコンデンサ端子３１との加圧接触をより容易かつ確実に行うことができる。
また、半導体端子２１とコンデンサ端子３１とを互いに溶接してもよい。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図８に示すごとく、半導体端子２１とコンデンサ端子３１とを、導電性の締結部材であるネジ６２によって冷却器４に固定し、ネジ６２と半導体端子２１及びコンデンサ端子３１との間に、絶縁性の保護部材５３を介在させた例である。
保護部材５３は、軸方向に貫通した軸孔５３１を設けた筒形状を有するとともに、後端部に鍔部５３２を設けてなる。

また、冷却器４の固定部４１には、ネジ穴４１１の開口側に凹部４１２を設けてある。
半導体端子２１及びコンデンサ端子３１を冷却器４に固定するに当たっては、実施例１と同様に、冷却器４の固定部４１に、絶縁材５１、コンデンサ端子３１、半導体端子２１を順次重ね合わせたうえで、これらに設けた開口部に保護部材５３を挿通し、該保護部材５３の先端部を上記凹部４１２内に配置する。そして、保護部材５３の軸孔５３１にネジ６２を挿通すると共に冷却器４のネジ穴４１１に螺合し締結する。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合にも、容易に半導体端子２１及びコンデンサ端子３１と冷却器４との絶縁を確保することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図９に示すごとく、半導体端子２１とコンデンサ端子３１とを、導電性接着剤５４によって接続した例である。
また、冷却器４の固定部４１には、絶縁材５１が固定されており、この絶縁材５１に対して、導電性接着剤５４１によってコンデンサ端子３１が固定されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、冷却器４にまで達するネジ等を用いる必要がないため、容易に半導体端子２１及びコンデンサ端子３１と冷却器４との絶縁を確保することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図１０、図１１に示すごとく、半導体端子２１及びコンデンサ端子３１における互いに対向する面と反対側の面および開口部２１１、３１１の内壁を、絶縁性の樹脂５５によって覆った例である。
そして、金属製のネジ６２を、半導体端子２１及びコンデンサ端子３１の開口部２１１、３１１に挿通し、冷却器４の固定部４１に設けたネジ穴４１１に螺合、締結することにより、半導体端子２１及びコンデンサ端子３１を冷却器４に固定する。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、半導体端子２１及びコンデンサ端子３１における必要な部分に樹脂５５をあらかじめモールドしてあるため、実施例１において用いた絶縁材５１などを別途組み付ける必要がなく、部品点数を少なくすることができる。その結果、組み付け性に優れた電力変換装置１を得ることができる。
また、金属製のネジ６２を用いることができるため、半導体端子２１及びコンデンサ端子３１を冷却器４に、容易かつ確実に固定することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図１２、図１３に示すごとく、一対のコンデンサ端子３１同士及び一対の半導体端子２１同士を互いに近接させて配設した例である。
一対のコンデンサ端子３１は、それぞれ平板状に形成されていると共に、その一方の主面を対向させ絶縁性の樹脂５５を介して積層されている。一対のコンデンサ端子３１の間の間隔は、例えば０．６〜３ｍｍ程度とすることができる。

一方、半導体端子２１も、それぞれ平板状に形成されている。そして、一対の半導体端子２１は、互いの間に所定の隙間を設けた状態で、一方の主面を対向させて配置されている。各半導体端子２１における互いに対向する主面と反対側の主面は、樹脂５５によって覆われている。また、半導体端子２１及びコンデンサ端子３１の開口部２１１、３１１の内壁にも、樹脂５５が配設されている。

図１３に示すごとく、コンデンサ３と半導体モジュール２とを接続するに当たっては、一対のコンデンサ端子３１を一対の半導体端子２１の間の隙間に配置し、コンデンサ端子３１の開口部３１１及び半導体端子２１の開口部２１１を貫くようにネジ６２を挿通し、該ネジ６２を冷却器４の固定部４１に設けたネジ穴４１１に螺合する。これによって、コンデンサ端子３１と半導体端子２１を冷却器４に固定する。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、半導体端子２１とコンデンサ端子３１によって形成される回路におけるインダクタンスを低減することができる。これにより、半導体素子２１のスイッチング動作に起因するサージ電圧を低減することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

１電力変換装置
２半導体モジュール
２１半導体端子
３コンデンサ
３１コンデンサ端子
４冷却器

Claims

半導体素子を内蔵すると共に少なくとも一対の半導体端子を備えた半導体モジュールと、上記半導体端子にそれぞれ電気的に接続された少なくとも一対のコンデンサ端子を備えたコンデンサと、上記半導体モジュールを冷却する冷却器とを有する電力変換装置であって、
上記冷却器は、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを重ねて載置するとともに固定するための固定部を備え、
上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを、互いに直接接触させて重ねるとともに、上記冷却器の上記固定部に対して熱的に接触させて載置し、固定してなることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、上記コンデンサ端子を、上記半導体端子よりも上記冷却器に近い側に配置してなることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２において、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを、絶縁性の締結部材によって上記冷却器に固定してなることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２において、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを重ね合わせ、一対の絶縁性の挟持体によって挟み込み、加圧接触させてなることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２において、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを、導電性の締結部材によって上記冷却器に固定し、上記締結部材と上記半導体端子及び上記コンデンサ端子との間に、絶縁性の保護部材を介在させることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２において、上記半導体端子と上記コンデンサ端子とを、導電性接着剤によって接続していることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜６のいずれか一項において、一対の上記コンデンサ端子同士及び一対の上記半導体端子同士は、少なくともその一部を互いに近接させていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜７のいずれか一項において、一対の上記半導体端子と一対の上記コンデンサ端子とはいずれも、それぞれ互いに直接接触するとともに、上記冷却器に対して熱的に接触させ固定してあることを特徴とする電力変換装置。