JP5371833B2

JP5371833B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5371833B2
Application number: JP2010044518A
Authority: JP
Inventors: 啓三高松; 庸介瀬高; 善章小南; 秀喜安藤
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-03-01
Also published as: JP2011181687A

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却チューブとを積層した電力変換装置に関する。

従来から、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１２、図１３に示すごとく、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール９２と、該半導体モジュール９２を冷却する冷却チューブ９３とを積層した積層体９４を有するものがある（下記特許文献１参照）。個々の半導体モジュール９２は、上記スイッチング素子に導通した制御端子９２０とパワー端子９２１とを備える。

パワー端子９２１には、直流電源（図示しない）の正電極に接続する正極端子と、直流電源の負電極に接続する負極端子と、交流負荷に接続する交流端子とがある。また、図１３に示すごとく、制御端子９２０は、制御回路基板９８に接続されている。この制御回路基板９８によってスイッチング素子の動作を制御する。これにより、正極端子と負極端子の間に印加された直流電圧を交流に変換し、交流端子から出力している。

積層体９４は、収納ケース９５に収納されている。また、収納ケース９５には、ばね部材９７も収納されている。このばね部材９７によって、積層体９４を積層方向ｘの一端側から押圧し、他端側を収納ケース９５の壁部９５０に押し当てている。ばね部材９７の付勢力によって、積層体９４を収納ケース９５に固定している。

電力変換装置９１を製造する際には、積層体９４を形成し、ばね部材９７を使って積層体９４を収納ケース９５に固定した後、制御端子９２０に制御回路基板９８を接続する。また、パワー端子９２１にバスバー９２３を溶接する。

特開２００５−３３２８６３号公報

しかしながら従来の電力変換装置９１は、個々の半導体モジュール９２及び冷却チューブ９３に、積層方向ｘの厚さばらつきがあるため、積層数が多くなると、この厚さばらつきが積み重なって、制御端子９２０及びパワー端子９２１の、積層方向ｘにおける位置ずれが大きくなるという問題があった。そのため、制御端子９２０を制御回路基板９８に接続しにくくなったり、パワー端子９２１をバスバー９２３に溶接しにくくなったりする問題があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、制御端子及びパワー端子の、積層方向における位置ずれを小さく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スイッチング素子を内蔵した本体部を有し、上記スイッチング素子に導通した制御端子とパワー端子とが上記本体部の端面から突出した複数個の半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から冷却する複数個の冷却チューブとを積層した積層体と、
該積層体を収納する収納ケースとを備え、
上記積層体は、互いに連結された複数個の小積層体からなり、積層方向に隣り合う２個の上記小積層体の間に、上記収納ケースに固定した固定部材が設けられ、
該固定部材は、上記積層体を構成する上記半導体モジュールと上記冷却チューブとは別部材として構成されており、上記積層方向における上記固定部材の両側に上記冷却チューブが配置され、
個々の上記小積層体の、上記積層方向における一方の端部には、該小積層体を上記積層方向の他方側に付勢するばね部材が設けられ、該ばね部材の付勢力によって、上記小積層体を上記固定部材に押し当てて固定し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き説明する。
本発明では、積層体は複数個の小積層体から構成されている。そして、隣り合う２個の小積層体の間に上記固定部材を設け、個々の小積層体を、上記ばね部材を使って固定部材に押し当てて固定している。
このようにすると、制御端子とパワー端子の、積層方向における位置ずれを小さくすることができる。すなわち、仮に固定部材を設けず、多数の半導体モジュールと冷却チューブを積層したとすると、個々の半導体モジュールと冷却チューブの、積層方向の厚さばらつきが積み重なってしまい、制御端子とパワー端子の位置ずれが大きくなってしまう。しかし本発明のように、積層体を複数個の小積層体に分け、隣り合う２個の小積層体の間に固定部材を設ければ、各小積層体における半導体モジュールと冷却チューブとの積層数を少なくすることができる。これにより、個々の半導体モジュールと冷却チューブの、積層方向の厚さばらつきが積み重なることを、固定部材によって抑制することができる。そのため、制御端子とパワー端子の、積層方向における位置ずれを小さくすることができる。これにより、制御端子を制御回路基板に接続しやすくなる。また、パワー端子をバスバーに溶接しやすくなる。

以上のごとく、本発明によれば、制御端子及びパワー端子の、積層方向における位置ずれを小さく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Ｄ−Ｄ断面図。図１のＡ−Ａ断面図。図１のＢ−Ｂ断面図。図１のＣ−Ｃ断面図。実施例１における、収納ケースと固定部材のみを表した平面図。実施例１における、電力変換装置の製造方法の説明図。実施例２における、電力変換装置の平面図であって、図８のＦ−Ｆ断面図。図７のＥ−Ｅ断面図。実施例３における、収納ケースの平面図。実施例３における、収納ケースと固定部材のみを表した平面図。図１０のＧ−Ｇ断面図。従来例における、電力変換装置の平面図であって、図１３のＩ−Ｉ断面図。図１２のＨ−Ｈ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、上記制御端子には、上記スイッチング素子の動作を制御する制御回路基板が接続されており、該制御回路基板を上記固定部材に締結するよう構成されていることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、制御回路基板を固定部材に締結できるので、耐振性を向上させることができる。特に、電力変換装置を車両に搭載して使用する場合には、走行中の車両の振動が電力変換装置に伝わりやすいため、本発明による効果が大きい。
また、上記積層方向における、上記制御回路基板の中央部を上記固定部材に締結するよう構成されていることがより好ましい（請求項３）。

また、上記固定部材は、上記収納ケースに着脱可能に固定されていることが好ましい（請求項４）。
このようにすると、仕様の異なる複数種類の電力変換装置に対して収納ケースを共通化することができる。例えば、積層方向における寸法が互いに異なる複数種類の固定部材を用意しておき、必要に応じて異なる固定部材を収納ケースに固定することにより、小積層体の積層方向の寸法が互いに大きく異なる電力変換装置間において、収納ケースを共通化させることができる。これにより、電力変換装置の製造コストを下げることが可能になる。

また、上記収納ケースに対する上記固定部材の固定位置は、上記積層方向に変更可能に構成されていることが好ましい（請求項５）。
このようにすると、固定部材の固定位置を変更することにより、収納ケースに対する、半導体モジュールおよび冷却チューブの配置位置を簡単に変更することが可能になる。これにより、電力変換装置のレイアウト変更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６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、複数個の半導体モジュール２と冷却チューブ３とを積層した積層体４を備える。半導体モジュール２は、図４に示すごとく、電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した本体部２０を有し、該スイッチング素子に導通した制御端子２１とパワー端子２２とが本体部２０の端面から突出している。また、冷却チューブ３は、半導体モジュール２を両主面から冷却している。

図１、図３に示すごとく、電力変換装置１は、積層体４を収納する収納ケース５を備える。
積層体４は互いに連結された複数個の小積層体４０からなる。積層方向Ｘに隣り合う２個の小積層体４０の間に、収納ケース５に固定した固定部材６が設けられている。
個々の小積層体４０の、積層方向Ｘにおける一方の端部には、小積層体４０を積層方向Ｘの他方側に付勢するばね部材７が設けられている。ばね部材７の付勢力によって、小積層体４０を固定部材６に押し当てて固定している。
以下、詳説する。

本例の電力変換装置１は、２個の小積層体４０ａ，４０ｂを有する。収納ケースには、小積層体４０ａ，４０ｂの他に、２個のばね部材２ａ，２ｂが収納されている。一方のばね部材７ａは、一方の小積層体４０ａを固定部材６側に付勢しており、他方のばね部材７ｂは、他方の小積層体４０ｂを固定部材６側に付勢している。ばね部材７ａ，７ｂと小積層体４０ａ，４０ｂの間には、ばね部材７ａ，７ｂの付勢力によって冷却チューブ３が凹むことを防止するための凹み防止部材１３，１４が設けられている。

積層方向Ｘに隣り合う２個の冷却チューブ３は、その両端付近において、連結管３０によって互いに接続されている。固定部材６に接触している冷却チューブ３ａ，３ｂも、連結管３０によって接続されている。また、電力変換装置１は、冷媒１５の導入口１０と導出口１１を有する。導入口１０から冷媒１５を導入すると、連結管３０を通って全ての冷却チューブ３内に冷媒１５が流れ、導出口１１から導出する。これにより、半導体モジュール２を冷却している。

図５に示すごとく、収納ケース５の内部には、２個の貫通孔５１を有すると共に制御端子２１及びパワー端子２２に直交する中板５０が設けられている。この中板５０は、収納ケース５の側壁５３と一体に形成されている（図２参照）。中板５０のうち、２個の貫通孔５１ａ，５１ｂの間に位置する仕切部５４に、固定部材６が形成されている。また、中板５０に、後述する制御回路基板８を固定するための支柱５５が形成されている。

図４に示すごとく、冷却チューブ３の両端が中板５０に載置され、貫通孔５１内に半導体モジュール２が位置している。
また、個々の半導体モジュール２は、３本のパワー端子２２を有する。このパワー端子２２には、直流電源（図示しない）の正電極に接続される正極端子２２ａと、直流電源の負電極に接続される負極端子２２ｂと、交流負荷に接続される交流端子２２ｃとがある。これらのパワー端子２２には、図示しないバスバーが接続されている。

また、半導体モジュール２の制御端子２１には制御回路基板８が接続されている。この制御回路基板８によって、半導体モジュール２内のスイッチング素子の動作を制御する。これにより、直流電源の電力を交流電力に変換し、交流端子２２ｃから出力する。

次に、図６を用いて、電力変換装置１を製造方法について説明する。電力変換装置１を製造する際には、まず、複数本の冷却チューブ３を連結管３０で連結したものを用意する。この状態では、積層方向Ｘにおける連結管３０の長さは、半導体モジュール２や固定部材６の、積層方向の長さよりも長くなっている。これを収納ケース５内に収納し、冷却チューブ３ａ，３ｂの間に固定部材６が介在するようにしておく。また、冷却チューブ３の間に半導体モジュール２を配置する。

次に、固定部材６の両側に位置する小積層体４０a及び４０bをそれぞれ固定部材６を固定壁として積層方向Ｘに圧縮し、連結管３０を押し潰す。その後、収納ケース５の壁部と小積層体４０の間に、凹み防止部材１３，１４（図１参照）と、ばね部材７を挿入する。そして、ばね部材７の両端付近を小積層体４０側へ押し込むことにより、ばね部材７を弾性変形させ、冷却チューブ３と半導体モジュール２とを密着させる。そして、図１に示すごとく、収納ケース５の壁部とばね部材７の両端部との間に、ばね部材７を支承するための円柱状部材５６を介設し、積層方向Ｘへの圧縮を解除する。これにより、ばね部材７が弾性復帰して円柱状部材５６と凹み防止部材１３との間にばね部材７が固定される。また、ばね部材７の付勢力で小積層体４０ａ，４０ｂを固定部材６側に付勢して、小積層体４０ａ，４０ｂを収納ケース５に固定できる。
その後、図２に示すごとく、制御端子２１に制御回路基板８を接続し、パワー端子２２にバスバー（図示しない）を溶接する。

次に、本例の作用効果について説明する。
本例では、積層体４は複数個の小積層体４０から構成されている。そして、隣り合う２個の小積層体４０の間に固定部材６を設け、個々の小積層体４０を、ばね部材７を使って固定部材６に押し当てて固定している。
このようにすると、制御端子２１とパワー端子２２の、積層方向Ｘにおける位置ずれを小さくすることができる。すなわち、仮に固定部材６を設けず（図１２、図１３参照）、多数の半導体モジュール９２と冷却チューブ９３を積層したとすると、個々の半導体モジュール９２と冷却チューブ９３の、積層方向ｘの厚さばらつきが積み重なってしまい、制御端子９２０とパワー端子９２１の位置ずれが大きくなってしまう。しかし本例のように、積層体４を複数個の小積層体４０に分け、隣り合う２個の小積層体４０の間に固定部材６を設ければ、各小積層体４０における半導体モジュール２と冷却チューブ３との積層数を少なくすることができる。これにより、個々の半導体モジュール２と冷却チューブ３の、積層方向Ｘの厚さばらつきが積み重なることを、固定部材６によって抑制することができる。そのため、制御端子２１とパワー端子２２の、積層方向Ｘにおける位置ずれを小さくすることができる。これにより、制御端子２１を制御回路基板８に接続しやすくなる。また、パワー端子２２をバスバーに溶接しやすくなる。

以上のごとく、本例によれば、制御端子２１及びパワー端子２２の、積層方向Ｘにおける位置ずれを小さくできる電力変換装置１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、固定部材６の形状を変更した例である。図７、図８に示すごとく、本例では、ボルト６１を使って、制御回路基板８を固定部材６に締結している。すなわち、固定部材６には雌螺子部６２が形成され、制御回路基板８の中央部にはボルト挿通孔６１０が形成されている。このボルト挿通孔６１０にボルト６１を挿通し、雌螺子部６２に螺合させることにより、制御回路基板８を固定部材６に締結している。
また、制御回路基板８は、その四隅が支柱５５に固定されている。
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。
上記構成にすると、制御回路基板８の四隅と中央部を収納ケース５に固定できるため、制御回路基板８の耐振性を向上させることができる。特に、制御回路基板８の中央部は振動の振幅が大きいため、この部分を固定できることのメリットは大きい。また、本例の電力変換装置１を、車両に搭載して使用する場合には、車両の走行に伴って発生した振動が伝わりやすくなるため、上記構成を採用して耐振性を向上させた場合に大きな効果を得ることができる。
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、固定部材６の構造を変更した例である。本例では、収納ケース５に対する固定部材６の固定位置が、積層方向Ｘに変更可能になっている。すなわち、図９に示すごとく、本例では中板５０の仕切部５４に、積層方向Ｘに延びるスリット５７を形成した。そして図１０、図１１に示すごとく、別部材として用意した固定部材６を中板５０上に載置し、載置側とは反対側からボルト５２をスリット５７に挿入して、固定部材６の雌螺子部６７にボルト５２を螺合させた。
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、スリット５７の、積層方向Ｘにおける両端の間でボルト５２の位置を移動できるため、この間で固定部材６の固定位置を変更することができる。これにより、収納ケース５に対する、半導体モジュール２および冷却チューブ３の配置位置を簡単に変更することが可能になる。そのため、電力変換装置のレイアウト変更が容易になる。

また、本例では、固定部材６は、収納ケース５に着脱可能に構成されている。
このようにすると、仕様の異なる複数種類の電力変換装置１に対して、収納ケース５を共通化することができる。例えば、積層方向Ｘにおける寸法が互いに異なる複数種類の固定部材６を用意しておき、必要に応じて異なる固定部材６を収納ケース５に固定することにより、小積層体４０の積層方向Ｘの寸法が互いに大きく異なる電力変換装置１間において、収納ケース５を共通化させることができる。これにより、電力変換装置１の製造コストを下げ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有する。

１電力変換装置
２半導体モジュール
３冷却チューブ
４積層体
４０小積層体
５収納ケース
６固定部材
７ばね部材
８制御回路基板

Claims

電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した本体部を有し、上記スイッチング素子に導通した制御端子とパワー端子とが上記本体部の端面から突出した複数個の半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から冷却する複数個の冷却チューブとを積層した積層体と、
該積層体を収納する収納ケースとを備え、
上記積層体は、互いに連結された複数個の小積層体からなり、積層方向に隣り合う２個の上記小積層体の間に、上記収納ケースに固定した固定部材が設けられ、
該固定部材は、上記積層体を構成する上記半導体モジュールと上記冷却チューブとは別部材として構成されており、上記積層方向における上記固定部材の両側に上記冷却チューブが配置され、
個々の上記小積層体の、上記積層方向における一方の端部には、該小積層体を上記積層方向の他方側に付勢するばね部材が設けられ、該ばね部材の付勢力によって、上記小積層体を上記固定部材に押し当てて固定していることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、上記制御端子には、上記スイッチング素子の動作を制御する制御回路基板が接続されており、該制御回路基板を上記固定部材に締結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。
請求項２において、上記積層方向における、上記制御回路基板の中央部を上記固定部材に締結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。
請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記固定部材は、上記収納ケースに着脱可能に固定されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項４において、上記収納ケースに対する上記固定部材の固定位置は、上記積層方向に変更可能に構成されていることを特徴とする電力変換装置。