JP5678490B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体素子を内蔵すると共に該半導体素子を冷却するための冷媒流路を内部に設けた半導体モジュールを、複数個積層して構成してなる電力変換装置に関する。
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ等の電力変換装置が知られている。
電力変換装置としては、図１４に示すごとく、半導体素子９２１を内蔵すると共に該半導体素子９２１を冷却するための冷媒流路９４を内部に設けた半導体モジュール９２を、複数個積層して構成してなる電力変換装置９がある（特許文献１参照）。
電力変換装置としては、図１４に示すごとく、半導体素子９２１を内蔵すると共に該半導体素子９２１を冷却するための冷媒流路９４を内部に設けた半導体モジュール９２を、複数個積層して構成してなる電力変換装置９がある（特許文献１参照）。
電力変換装置９における半導体モジュール９２は、半導体素子９２１と、該半導体素子９２１と熱的に接続された放熱板９２２と、該放熱板９２２の放熱面９２５を露出させた状態で半導体素子９２１及び放熱板９２２を封止する樹脂からなる封止部９２３と、該封止部９２３の周囲に形成された樹脂からなる壁部９２４とを有する。そして、壁部９２４と封止部９２３との間に冷媒流路９４を有する。
すなわち、半導体モジュール９２は、半導体素子９２１を放熱板９２２と共に樹脂モールドするとともに、その内部に冷媒流路９４となる空間を形成している。
すなわち、半導体モジュール９２は、半導体素子９２１を放熱板９２２と共に樹脂モールドするとともに、その内部に冷媒流路９４となる空間を形成している。
また、電力変換装置９は、複数の半導体モジュール９２及び蓋部９３を放熱面９２５の法線方向に積層し、連結して１つのモジュール積層体９１０を構成している。これにより、隣り合う半導体モジュール９２における放熱板９２２の放熱面９２５同士の間にも冷媒流路９４が形成される。
そして、冷媒流路９４に冷却媒体Ｗを流通させることにより、半導体素子９２１の冷却を行うことができる。
そして、冷媒流路９４に冷却媒体Ｗを流通させることにより、半導体素子９２１の冷却を行うことができる。
このように、電力変換装置９は、上述のごとく、複数の半導体モジュール９２を積層することによって、冷媒流路９４を備えた状態で構成される。そのため、別途冷却器を設ける必要がなく、構造の簡素化、小型化、かつ組立容易化を実現することができる。
しかしながら、上記電力変換装置９においては以下の問題がある。すなわち、半導体モジュール９２及び蓋部９３には、積層方向Ｘの寸法にばらつきが生じる場合がある。そして、各部材がそれぞれ許容寸法範囲内であっても、これらを積層してモジュール積層体９１０を構成した場合には、各部材の寸法ばらつきが累積される。そのため、モジュール積層体９１０全体として積層方向Ｘの寸法ばらつきが大きくなり、寸法精度を十分に確保することができず、電力変換装置９の搭載性に問題が生じていた。
また、半導体モジュール９２及び蓋部９３の寸法ばらつきにより、各部材の互いの位置精度も低下するため、例えば、半導体モジュール９２の制御端子と回路基板との接続が困難になるという問題も生じていた。
また、半導体モジュール９２及び蓋部９３の寸法ばらつきにより、各部材の互いの位置精度も低下するため、例えば、半導体モジュール９２の制御端子と回路基板との接続が困難になるという問題も生じていた。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、モジュール積層体を構成する各部材を精度良く位置決めできると共に、モジュール積層体の積層方向の寸法精度を高め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。
本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個積層して構成してなる電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子と熱的に接続された放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、上記放熱面の法線方向に直交する方向における上記封止部の周囲に形成されると共に上記放熱面よりも上記法線方向に突出した壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成された貫通冷媒流路とを有し、
複数の上記半導体モジュールは、上記放熱面の法線方向に積層されており、
積層方向の両端に配される上記半導体モジュールには、上記壁部における上記積層方向の外側の開口部を覆う一対の蓋部が配設されており、
上記半導体モジュール及び一対の上記蓋部によって全体として１つのモジュール積層体を構成しており、
隣り合う上記半導体モジュールの間及び一対の上記蓋部と上記半導体モジュールとの間であって一対の上記壁部の内側には、上記貫通冷媒流路に連通すると共に上記放熱面に沿った沿面冷媒流路が形成されており、
上記モジュール積層体において、上記半導体モジュール及び一対の上記蓋部は、互いの上記積層方向の位置決めをすると共に、上記モジュール積層体の上記積層方向の寸法を決めるガイド部材に保持されており、
かつ、隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部同士の間及び一対の上記蓋部と上記半導体モジュールの上記壁部との間には、各両者の間をシールする弾性体からなる弾性シール部材が配設されており、
該弾性シール部材は、環状のゴム部材であり、
上記弾性シール部材を介して隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部同士、及び、上記弾性シール部材を介して隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部と一対の上記蓋部とは、上記積層方向に並んでおり、
複数の上記半導体モジュールには、それぞれ積層方向に直交する方向に突出形成された係合凸部と係合凹部とが設けられているとともに、複数の上記半導体モジュールのうち互いに隣接する上記半導体モジュールにおいて上記積層方向の一方に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凹部は、上記積層方向の他方に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凸部に係合して、隣接する上記半導体モジュールが互いに連結されており、
上記モジュール積層体において上記積層方向の一方の端側に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凸部は、一対の上記蓋部における一方の上記蓋部において積層方向に直交する方向に突出形成された係合凹部に係合して、上記蓋部と上記半導体モジュールとが連結されており、
上記モジュール積層体において上記積層方向の他方の端側に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凹部は、一対の上記蓋部における他方の上記蓋部において積層方向に直交する方向に突出形成された係合凸部に係合して、上記蓋部と上記半導体モジュールとが連結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）。
上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子と熱的に接続された放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、上記放熱面の法線方向に直交する方向における上記封止部の周囲に形成されると共に上記放熱面よりも上記法線方向に突出した壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成された貫通冷媒流路とを有し、
複数の上記半導体モジュールは、上記放熱面の法線方向に積層されており、
積層方向の両端に配される上記半導体モジュールには、上記壁部における上記積層方向の外側の開口部を覆う一対の蓋部が配設されており、
上記半導体モジュール及び一対の上記蓋部によって全体として１つのモジュール積層体を構成しており、
隣り合う上記半導体モジュールの間及び一対の上記蓋部と上記半導体モジュールとの間であって一対の上記壁部の内側には、上記貫通冷媒流路に連通すると共に上記放熱面に沿った沿面冷媒流路が形成されており、
上記モジュール積層体において、上記半導体モジュール及び一対の上記蓋部は、互いの上記積層方向の位置決めをすると共に、上記モジュール積層体の上記積層方向の寸法を決めるガイド部材に保持されており、
かつ、隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部同士の間及び一対の上記蓋部と上記半導体モジュールの上記壁部との間には、各両者の間をシールする弾性体からなる弾性シール部材が配設されており、
該弾性シール部材は、環状のゴム部材であり、
上記弾性シール部材を介して隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部同士、及び、上記弾性シール部材を介して隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部と一対の上記蓋部とは、上記積層方向に並んでおり、
複数の上記半導体モジュールには、それぞれ積層方向に直交する方向に突出形成された係合凸部と係合凹部とが設けられているとともに、複数の上記半導体モジュールのうち互いに隣接する上記半導体モジュールにおいて上記積層方向の一方に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凹部は、上記積層方向の他方に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凸部に係合して、隣接する上記半導体モジュールが互いに連結されており、
上記モジュール積層体において上記積層方向の一方の端側に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凸部は、一対の上記蓋部における一方の上記蓋部において積層方向に直交する方向に突出形成された係合凹部に係合して、上記蓋部と上記半導体モジュールとが連結されており、
上記モジュール積層体において上記積層方向の他方の端側に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凹部は、一対の上記蓋部における他方の上記蓋部において積層方向に直交する方向に突出形成された係合凸部に係合して、上記蓋部と上記半導体モジュールとが連結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）。
本発明の電力変換装置において、上記モジュール積層体を構成する上記半導体モジュール及び上記蓋部は、上記ガイド部材に保持されている。そのため、上記半導体モジュール及び上記蓋部における互いの積層方向の位置決めを上記ガイド部材によって精度良く行うことができる。これにより、上記モジュール積層体における上記各半導体モジュール及び上記各蓋部の積層方向の位置精度を高めることができる。
また、上記半導体モジュール及び上記蓋部を上記ガイド部材に保持させることにより、上記モジュール積層体の積層方向の寸法を決定することができる。すなわち、上記ガイド部材において上記半導体モジュール及び上記蓋部を保持させる位置を予め設定しておけば、上記半導体モジュール及び上記蓋部を上記ガイド部材に保持させるだけで、上記モジュール積層体全体の積層方向の寸法を予め設定した寸法とすることができる。これにより、上記モジュール積層体の積層方向の寸法精度を高めることができる。
また、隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部同士の間及び上記蓋部と上記半導体モジュールの上記壁部との間には、各部材の間をシールする上記弾性シール部材が配設されている。そのため、例え上記半導体モジュール及び上記蓋部に積層方向の寸法ばらつきが生じても、その寸法ばらつきを各部材の間に配設された上記弾性シール部材の弾性変形（伸縮）によって吸収（調整）することができる。これにより、上記半導体モジュール及び上記蓋部の積層方向の位置精度及び上記モジュール積層体の積層方向の寸法精度を高い状態で維持することができる。
このように、本発明によれば、モジュール積層体を構成する各部材を精度良く位置決めできると共に、モジュール積層体の積層方向の寸法精度を高めることができる電力変換装置を提供することができる。
本発明において、上記複数の半導体モジュールの積層方向は、上記放熱面の法線方向と略平行であればよく、隣り合う上記半導体モジュールの上記半導体素子間に、上記放熱面に沿った上記沿面冷媒流路が形成される状態であればよい。
また、上記半導体モジュールにおける上記放熱板は、上記半導体素子を両側から挟持する状態で配設されていることが好ましいが、上記半導体素子の一方の面側のみに配設されていてもよい。
また、上記半導体モジュールにおける上記放熱板は、上記半導体素子を両側から挟持する状態で配設されていることが好ましいが、上記半導体素子の一方の面側のみに配設されていてもよい。
また、上記封止部と上記壁部とは、樹脂によって成形されていることが好ましい。この場合には、上記封止部、上記壁部、及びこれらの間に形成される上記貫通冷媒流路を容易に形成することができる。これにより、上記電力変換装置の構成の簡素化、小型化、低コスト化を実現することができる。
また、上記弾性シール部材は、環状のゴム部材である。
これにより、隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部同士の間及び上記蓋部と上記半導体モジュールの上記壁部との間のシール性を高めることができると共に、各部材の寸法ばらつきを吸収（調整）するという効果を有効に発揮することができる。
これにより、隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部同士の間及び上記蓋部と上記半導体モジュールの上記壁部との間のシール性を高めることができると共に、各部材の寸法ばらつきを吸収（調整）するという効果を有効に発揮することができる。
また、上記ガイド部材は、上記積層方向に延びる長板状に形成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記半導体モジュール及び上記蓋部の互いの積層方向の位置決めをすると共に、上記モジュール積層体の積層方向の寸法を決めるという上記ガイド部材における効果を有効に発揮することができる。
なお、上記ガイド部材の形状は、該ガイド部材における効果を有効に発揮することができるのであれば、その他の形状を採用することもできる。
この場合には、上記半導体モジュール及び上記蓋部の互いの積層方向の位置決めをすると共に、上記モジュール積層体の積層方向の寸法を決めるという上記ガイド部材における効果を有効に発揮することができる。
なお、上記ガイド部材の形状は、該ガイド部材における効果を有効に発揮することができるのであれば、その他の形状を採用することもできる。
また、上記モジュール積層体の外側面には、上記ガイド部材を配置するためのガイド凹溝部が上記積層方向に沿って形成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記ガイド部材の積層方向に直交する方向における位置ずれを防止することができる。これにより、上記ガイド部材に保持されている上記半導体モジュール及び上記蓋部の積層方向に直交する方向における位置ずれも防止することができる。
この場合には、上記ガイド部材の積層方向に直交する方向における位置ずれを防止することができる。これにより、上記ガイド部材に保持されている上記半導体モジュール及び上記蓋部の積層方向に直交する方向における位置ずれも防止することができる。
また、上記ガイド部材には、上記半導体モジュール及び上記蓋部の外側面に設けられた突出部を係合させる複数の貫通孔が設けられていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記半導体モジュール及び上記蓋部に設けた上記突出部を上記ガイド部材の上記貫通孔に係合させることにより、上記半導体モジュール及び上記蓋部の積層方向の位置決め精度を高めることができる。
なお、上記突出部及び上記貫通孔の配設位置、個数等は、適宜自由に設定することができる。
この場合には、上記半導体モジュール及び上記蓋部に設けた上記突出部を上記ガイド部材の上記貫通孔に係合させることにより、上記半導体モジュール及び上記蓋部の積層方向の位置決め精度を高めることができる。
なお、上記突出部及び上記貫通孔の配設位置、個数等は、適宜自由に設定することができる。
また、隣り合う上記半導体モジュール同士及び隣り合う上記蓋部と上記半導体モジュールとは、それぞれに設けた上記突出部を上記ガイド部材の同じ１つの上記貫通孔に係合させることが好ましい（請求項５）。
この場合には、隣り合う上記半導体モジュール同士及び隣り合う上記蓋部と上記半導体モジュールとを上記ガイド部材によって容易に連結することができる。
例えば、連結する両者の連結部分近傍に上記突出部を設けることにより、上記両者を密着させた状態で連結することが可能となる。
この場合には、隣り合う上記半導体モジュール同士及び隣り合う上記蓋部と上記半導体モジュールとを上記ガイド部材によって容易に連結することができる。
例えば、連結する両者の連結部分近傍に上記突出部を設けることにより、上記両者を密着させた状態で連結することが可能となる。
また、隣り合う上記半導体モジュール同士及び隣り合う上記蓋部と上記半導体モジュールとは、それぞれに設けた係合凹部と係合凸部とが互いに係合して連結されている。
これにより、隣り合う上記半導体モジュール同士及び隣り合う上記蓋部と上記半導体モジュールとを簡易な構造で、容易かつ確実に連結することができる。
なお、上記係合凹部及び上記係合凸部としては、例えばスナップフィット等の構造を採用することができる。
これにより、隣り合う上記半導体モジュール同士及び隣り合う上記蓋部と上記半導体モジュールとを簡易な構造で、容易かつ確実に連結することができる。
なお、上記係合凹部及び上記係合凸部としては、例えばスナップフィット等の構造を採用することができる。
（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置について、図を用いて説明する。
図１、図４、図５に示すごとく、電力変換装置１は、半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２を複数個積層して構成してなる。
本発明の実施例にかかる電力変換装置について、図を用いて説明する。
図１、図４、図５に示すごとく、電力変換装置１は、半導体素子２１を内蔵した半導体モジュール２を複数個積層して構成してなる。
図４〜図７に示すごとく、半導体モジュール２は、半導体素子２１と、放熱板２２と、封止部２３と、壁部２４と、貫通冷媒流路４１とを有する。
放熱板２２は、半導体素子２１と熱的に接続されている。封止部２３は、放熱板２２の放熱面２２１を露出させた状態で半導体素子２１及び放熱板２２を封止している。壁部２４は、放熱面２２１の法線方向に直交する方向における封止部２３の周囲に形成されると共に放熱面２２１よりも法線方向に突出している。貫通冷媒流路４１は、壁部２４と封止部２３との間に形成されている。
放熱板２２は、半導体素子２１と熱的に接続されている。封止部２３は、放熱板２２の放熱面２２１を露出させた状態で半導体素子２１及び放熱板２２を封止している。壁部２４は、放熱面２２１の法線方向に直交する方向における封止部２３の周囲に形成されると共に放熱面２２１よりも法線方向に突出している。貫通冷媒流路４１は、壁部２４と封止部２３との間に形成されている。
図４、図５に示すごとく、複数の半導体モジュール２は、放熱面２２１の法線方向に積層されている。
積層方向Ｘの両端に配される半導体モジュール２１には、壁部２４における積層方向Ｘの外側の開口部を覆う蓋部３が配設されている。
隣り合う半導体モジュール２の間及び蓋部３と半導体モジュール２との間であって壁部２４の内側には、貫通冷媒流路４１に連通すると共に放熱面２２１に沿った沿面冷媒流路４２が形成されている。
積層方向Ｘの両端に配される半導体モジュール２１には、壁部２４における積層方向Ｘの外側の開口部を覆う蓋部３が配設されている。
隣り合う半導体モジュール２の間及び蓋部３と半導体モジュール２との間であって壁部２４の内側には、貫通冷媒流路４１に連通すると共に放熱面２２１に沿った沿面冷媒流路４２が形成されている。
図５に示すごとく、モジュール積層体１０において、半導体モジュール２及び蓋部３は、互いの積層方向Ｘの位置決めをすると共に、モジュール積層体１０の積層方向Ｘの寸法Ｌを決めるガイド部材６に保持されている。
図４、図５に示すごとく、隣り合う半導体モジュール２の壁部２４同士の間及び蓋部３と半導体モジュール２の壁部２４との間には、各両者の間をシールする弾性体からなる弾性シール部材２９が配設されている。
図４、図５に示すごとく、隣り合う半導体モジュール２の壁部２４同士の間及び蓋部３と半導体モジュール２の壁部２４との間には、各両者の間をシールする弾性体からなる弾性シール部材２９が配設されている。
本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、図８に示すごとく、直流電源（バッテリー１６１）と交流負荷（三相交流の回転電機１６２）との間の電力変換を行うよう構成されている。
図４に示すごとく、半導体モジュール２は、２個の半導体素子２１を備えている。具体的には、半導体モジュール２に内蔵された半導体素子２１の一方は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等からなるスイッチング素子であり、他方は、スイッチング素子に逆並列接続されたＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等のダイオードである（図８参照）。
図４に示すごとく、半導体モジュール２は、２個の半導体素子２１を備えている。具体的には、半導体モジュール２に内蔵された半導体素子２１の一方は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等からなるスイッチング素子であり、他方は、スイッチング素子に逆並列接続されたＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等のダイオードである（図８参照）。
図４に示すごとく、各半導体モジュール２は、半導体素子２１を両側から挟持するように配設された一対の金属製の放熱板２２を有する。そして、これらの放熱板２２は、はんだ２２２を介して半導体素子２１に電気的、熱的に接続されている。２個の半導体素子２１と一対の放熱板２２とは、各放熱板２２の放熱面２２１を露出させながら、樹脂製の封止部２３によって一体化されて封止されている。封止部２３は、図６に示すごとく、放熱面２２１の全周に形成されている。
また、放熱面２２１の法線方向に直交する方向の全周にわたって封止部２３を囲むように、樹脂製の壁部２４が形成されている。
また、放熱面２２１の法線方向に直交する方向の全周にわたって封止部２３を囲むように、樹脂製の壁部２４が形成されている。
図６、図７に示すごとく、封止部２３及び壁部２４からは、放熱面２２１の法線方向に直交する方向に、一対の主電極端子２５１が突出し、その反対方向に、複数の制御端子２５２が突出している。主電極端子２５１には、被制御電流用のバスバー（図示略）が接続され、制御端子２５２は、スイッチング素子（半導体素子２１）を制御等するための制御回路（図示略）に接続される。
同図に示すごとく、放熱面２２１の法線方向に直交する方向であって、主電極端子２５１及び制御端子２５２の突出方向に直交する方向における、封止部２３と壁部２４との間に、一対の貫通冷媒流路４１が形成されている。
また、壁部２４は、一対の放熱面２２１よりも、放熱面２２１の法線方向に突出している。
また、壁部２４は、一対の放熱面２２１よりも、放熱面２２１の法線方向に突出している。
図４、図５に示すごとく、電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２を、放熱面２２１の法線方向に積層することにより、構成されている。図４、図５においては、半導体モジュール２を３個積層した図を示しているが、実際の電力変換装置１は、より多数の半導体モジュール２を積層してなり、その積層数は特に限定されるものではない（図１、図２も同様）。
また、電力変換装置１における積層方向Ｘの両端に、樹脂製の蓋部３が、半導体モジュール２の壁部２４の開口部を塞ぐように取り付けてある。
また、電力変換装置１における積層方向Ｘの両端に、樹脂製の蓋部３が、半導体モジュール２の壁部２４の開口部を塞ぐように取り付けてある。
図１〜図３に示すごとく、複数の半導体モジュール２及び一対の蓋部３は、全体として１つのモジュール積層体１０を構成している。
モジュール積層体１０において、半導体モジュール２及び蓋部３は、ガイド部材６に保持されている。これにより、半導体モジュール２及び蓋部３における互いの積層方向Ｘの位置決めがされると共に、モジュール積層体１０の積層方向Ｘの寸法Ｌが決定される。
モジュール積層体１０において、半導体モジュール２及び蓋部３は、ガイド部材６に保持されている。これにより、半導体モジュール２及び蓋部３における互いの積層方向Ｘの位置決めがされると共に、モジュール積層体１０の積層方向Ｘの寸法Ｌが決定される。
具体的には、同図に示すごとく、半導体モジュール２の外側面２００のうち、主電極端子２５１が突出している第１外側面２０１及び制御端子２５２が突出している第２外側面２０２には、突出部１１が設けられている。突出部１１は、第１外側面２０１及び第２外側面２０２において、それぞれ半導体モジュール２の長手方向の両端部に設けられている。また、突出部１１は、半導体モジュール２の長手方向の各端部において、それぞれ積層方向Ｘの両端に１つずつ設けられている。
同図に示すごとく、蓋部３の外側面３００のうち、主電極端子２５１が突出している側の第１外側面３０１及び制御端子２５２が突出している側の第２外側面３０２には、突出部１１が設けられている。突出部１１は、第１外側面３０１及び第２外側面３０２において、それぞれ蓋部３の長手方向の両端部に設けられている。また、突出部１１は、蓋部３の長手方向の各端部において、それぞれ積層方向Ｘの半導体モジュール２側の一端に１つ設けられている。
同図に示すごとく、ガイド部材６は、積層方向Ｘに延びる長板状に形成されている。また、ガイド部材６は、モジュール積層体１０の外側面１００のうち、主電極端子２５１が突出している側の第１外側面１０１及び制御端子２５２が突出している側の第２外側面１０２において、それぞれ２つずつ、合計４つ設けられている。ガイド部材６には、半導体モジュール２及び蓋部３に設けられた突出部１１を係合させる複数の貫通孔６１が設けられている。
図５に示すごとく、各ガイド部材６の貫通孔６１には、半導体モジュール２及び蓋部３の突出部１１が挿通されている。本例では、隣り合う半導体モジュール２同士及び隣り合う蓋部３と半導体モジュール２とは、両者の連結部分近傍にそれぞれ設けた積層方向Ｘに対向する突出部１１をガイド部材６の同じ１つの貫通孔６１に挿通させている。
これにより、ガイド部材６によって、半導体モジュール２及び蓋部３における互いの積層方向Ｘの位置決めがされると共に、隣り合う半導体モジュール２同士及び隣り合う蓋部３と半導体モジュール２とが連結される。そして、半導体モジュール２及び蓋部３によって全体として１つのモジュール積層体１０が構成され、モジュール積層体１０の積層方向Ｘの寸法Ｌが決定される。
これにより、ガイド部材６によって、半導体モジュール２及び蓋部３における互いの積層方向Ｘの位置決めがされると共に、隣り合う半導体モジュール２同士及び隣り合う蓋部３と半導体モジュール２とが連結される。そして、半導体モジュール２及び蓋部３によって全体として１つのモジュール積層体１０が構成され、モジュール積層体１０の積層方向Ｘの寸法Ｌが決定される。
同図に示すごとく、隣り合う半導体モジュール２の壁部２４同士の間及び蓋部３と半導体モジュール２の壁部２４との間には、弾性体からなる弾性シール部材２９が配設されている。弾性シール部材２９は、環状のゴム部材である。これにより、半導体モジュール２の壁部２４同士の間及び蓋部３と半導体モジュール２の壁部２４との間のシール性を確保している。
図４に示すごとく、一対の蓋部３のうちの一方には、貫通冷媒流路４１及び沿面冷媒流路４２へ冷却媒体Ｗを導入するための冷媒導入管５１と、冷却媒体Ｗを排出するための冷媒排出管５２とが取り付けてある。これらの冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２は、樹脂からなる。
なお、蓋部３、冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２は、金属製、或いはセラミック製等、他の材質とすることもできる。
なお、蓋部３、冷媒導入管５１及び冷媒排出管５２は、金属製、或いはセラミック製等、他の材質とすることもできる。
このように、複数の半導体モジュール２と一対の蓋部３とを積層して連結することにより、図４に示すごとく、内部に貫通冷媒流路４１と沿面冷媒流路４２とが連続した冷媒流路４が、壁部２４と蓋部３とによって囲まれた内側の空間に形成される。この状態において、各半導体モジュール２に設けられた一対の貫通冷媒流路４１は、それぞれ一直線上に配列した状態で連結される。沿面冷媒流路４２は、隣り合う半導体モジュール２の放熱面２２１同士の間、及び半導体モジュール２と蓋部３との間に、貫通冷媒流路４１に直交するように、かつこれらに連結するように形成される。
これにより、冷媒導入管５１から冷媒流路４に導入された冷却媒体Ｗは、貫通冷媒流路４１を適宜通過しながら、各半導体モジュール２における一対の放熱面２２１に接触する沿面冷媒流路４２を通過する。ここで、半導体素子２１と熱交換した冷却媒体Ｗは、他方の貫通冷媒流路４１を適宜通過して、冷媒排出管５２から排出される。
なお、冷却媒体Ｗとしては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、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を用いることができる。
本例の電力変換装置１は、図８に示す電力変換回路を構成しており、直流電源（バッテリー１６１）の電圧を昇圧するコンバータ１７と、昇圧した直流電力を交流電力に変換して交流負荷（回転電機１６２）へ出力するインバータ１８とを有する。インバータ１８及びコンバータ１７は、上記の機能と反対の機能、すなわち、交流電力を直流電力へ変換する機能、及び直流電力を降圧する機能をもそれぞれ備えている。
コンバータ１７は、複数の半導体モジュール２、リアクトル１７１、及びフィルタコンデンサ１７２によって構成されている。インバータ１８は、複数の半導体モジュール２、スナバコンデンサ１８１を備えている。さらにコンバータ１７とインバータ１８との間には、平滑コンデンサ１９１、放電抵抗１９２が配線されている。
次に、本例の電力変換装置１における作用効果について説明する。
本例の電力変換装置１において、モジュール積層体１０を構成する半導体モジュール２及び蓋部３は、ガイド部材６に保持されている。そのため、半導体モジュール２及び蓋部３における互いの積層方向Ｘの位置決めをガイド部材６によって精度良く行うことができる。これにより、モジュール積層体１０における各半導体モジュール２及び各蓋部３の積層方向Ｘの位置精度を高めることができる。
本例の電力変換装置１において、モジュール積層体１０を構成する半導体モジュール２及び蓋部３は、ガイド部材６に保持されている。そのため、半導体モジュール２及び蓋部３における互いの積層方向Ｘの位置決めをガイド部材６によって精度良く行うことができる。これにより、モジュール積層体１０における各半導体モジュール２及び各蓋部３の積層方向Ｘの位置精度を高めることができる。
また、半導体モジュール２及び蓋部３をガイド部材６に保持させることにより、モジュール積層体１０の積層方向Ｘの寸法Ｌを決定することができる。すなわち、ガイド部材６において半導体モジュール２及び蓋部３を保持させる位置を予め設定しておけば、半導体モジュール２及び蓋部３をガイド部材６に保持させるだけで、モジュール積層体１０全体の積層方向Ｘの寸法Ｌを予め設定した寸法とすることができる。これにより、モジュール積層体１０の積層方向Ｘの寸法精度を高めることができる。
また、隣り合う半導体モジュール２の壁部２４同士の間及び蓋部３と半導体モジュール２の壁部２４との間には、各部材の間をシールする弾性シール部材２９が配設されている。そのため、例え半導体モジュール２及び蓋部３に積層方向Ｘの寸法ばらつきが生じても、その寸法ばらつきを各部材の間に配設された弾性シール部材２９の弾性変形（伸縮）によって吸収（調整）することができる。これにより、半導体モジュール２及び蓋部３の積層方向Ｘの位置精度及びモジュール積層体１０の積層方向の寸法精度を高い状態で維持することができる。
また、本例では、弾性シール部材２９は、環状のゴム部材である。そのため、隣り合う半導体モジュール２の壁部２４同士の間及び蓋部３と半導体モジュール２の壁部２４との間のシール性を高めることができると共に、各部材の寸法ばらつきを吸収（調整）するという効果を有効に発揮することができる。
また、ガイド部材６は、積層方向Ｘに延びる長板状に形成されている。そのため、半導体モジュール２及び蓋部３の互いの積層方向Ｘの位置決めをすると共に、モジュール積層体１０の積層方向Ｘの寸法Ｌを決めるというガイド部材６における効果を有効に発揮することができる。
また、ガイド部材６には、半導体モジュール２及び蓋部３の外側面２００、３００に設けられた突出部１１を係合させる複数の貫通孔６１が設けられている。そのため、半導体モジュール２及び蓋部３に設けた突出部１１をガイド部材６の貫通孔６１に係合させることにより、半導体モジュール２及び蓋部３の積層方向Ｘの位置決め精度を高めることができる。
また、隣り合う半導体モジュール２同士及び隣り合う蓋部３と半導体モジュール２とは、それぞれに設けた突出部１１をガイド部材６の同じ１つの貫通孔６１に係合させる。そのため、隣り合う半導体モジュール２同士及び隣り合う蓋部３と半導体モジュール２とをガイド部材６によって容易に連結することができる。また、連結する両者の連結部分近傍に突出部１１を設けているため、両者を密着させた状態で連結することが可能となる。
このように、本例によれば、モジュール積層体１０を構成する各部材を精度良く位置決めできると共に、モジュール積層体１０の積層方向Ｘの寸法精度を高めることが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、図９〜図１３に示すごとく、ガイド部材６等の構成を変更した例である。
本例では、図９〜図１１に示すごとく、モジュール積層体１０の外側面１００には、ガイド凹溝部１２が積層方向Ｘに沿って形成されている。ガイド凹溝部１２は、モジュール積層体１０の外側面１００のうち、第１外側面１０１及び第２外側面１０２において、それぞれ２つずつ、合計４つ設けられている。
本例は、図９〜図１３に示すごとく、ガイド部材６等の構成を変更した例である。
本例では、図９〜図１１に示すごとく、モジュール積層体１０の外側面１００には、ガイド凹溝部１２が積層方向Ｘに沿って形成されている。ガイド凹溝部１２は、モジュール積層体１０の外側面１００のうち、第１外側面１０１及び第２外側面１０２において、それぞれ２つずつ、合計４つ設けられている。
同図に示すごとく、突出部１１は、半導体モジュール２の第１外側面２０１及び第２外側面２０２において、それぞれ半導体モジュール２の長手方向の両端部に１つずつ設けられており、また、蓋部３の第１外側面３０１及び第２外側面３０２において、それぞれ蓋部３の長手方向の両端部に１つずつ設けられている。また、突出部１１は、ガイド凹溝部１２の底面から突出するように設けられている。
同図に示すごとく、各ガイド凹溝部１２内には、ガイド凹溝部１２に沿ってガイド部材６が配置されている。図１２に示すごとく、各ガイド部材６の貫通孔６１には、半導体モジュール２及び蓋部３の突出部１１が挿通されている。
図１３に示すごとく、隣り合う半導体モジュール２同士及び隣り合う蓋部３と半導体モジュール２とは、それぞれに設けた係合凹部１３と係合凸部１４とが互いに係合して連結されている。なお、係合凹部１３及び係合凸部１４は、スナップフィット構造を有しており、係合凹部１３に形成された貫通孔１３１内に係合凸部１４を挿通させることにより、両者を係合固定することができるよう構成されている。
図１３に示すごとく、隣り合う半導体モジュール２同士及び隣り合う蓋部３と半導体モジュール２とは、それぞれに設けた係合凹部１３と係合凸部１４とが互いに係合して連結されている。なお、係合凹部１３及び係合凸部１４は、スナップフィット構造を有しており、係合凹部１３に形成された貫通孔１３１内に係合凸部１４を挿通させることにより、両者を係合固定することができるよう構成されている。
これにより、ガイド部材６によって、半導体モジュール２及び蓋部３における互いの積層方向Ｘの位置決めがされ、係合凹部１３及び係合凸部１４によって、隣り合う半導体モジュール２同士及び隣り合う蓋部３と半導体モジュール２とが連結される。そして、半導体モジュール２及び蓋部３によって全体として１つのモジュール積層体１０が構成され、モジュール積層体１０の積層方向Ｘの寸法Ｌが決定される。
その他は、実施例１と同様の構成である。
その他は、実施例１と同様の構成である。
本例の場合には、モジュール積層体１０の外側面１００には、ガイド部材６を配置するためのガイド凹溝部１２が積層方向Ｘに沿って形成されている。そのため、ガイド部材６の積層方向Ｘに直交する方向における位置ずれを防止することができる。これにより、ガイド部材６に保持されている半導体モジュール２及び蓋部３の積層方向Ｘに直交する方向における位置ずれも防止することができる。
また、隣り合う半導体モジュール２同士及び隣り合う蓋部３と半導体モジュール２とは、それぞれに設けた係合凹部１３と係合凸部１４とが互いに係合して連結されている。これにより、隣り合う半導体モジュール２同士及び隣り合う蓋部３と半導体モジュール２とを簡易な構造で、容易かつ確実に連結することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
なお、上述した実施例１、２における半導体モジュール２は、２個の半導体素子２１（ＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子とＦＷＤ等のダイオード）を有する構成であったが、３個以上の半導体素子２１を有する構成としてもよい。
例えば、図示を省略するが、半導体モジュール２は、２個のＩＧＢＴと２個のＦＷＤとを備え、電力変換装置１において直流電源（バッテリー１６１）の高電圧側に配置されるＩＧＢＴ及びＦＷＤ（上アーム）と直流電源（バッテリー１６１）の低電圧側に配置されるＩＧＢＴ及びＦＷＤ（下アーム）とを備える構成とすることができる。
なお、半導体モジュール２が上記上アームと上記下アームとを備える構成とした場合には、直流電源（バッテリー１６１）の高電圧側及び低電圧側に接続する一対の主電極端子２５１の他に、交流負荷（回転電機１６２）に接続する主電源端子２５１を有する構成となる。
例えば、図示を省略するが、半導体モジュール２は、２個のＩＧＢＴと２個のＦＷＤとを備え、電力変換装置１において直流電源（バッテリー１６１）の高電圧側に配置されるＩＧＢＴ及びＦＷＤ（上アーム）と直流電源（バッテリー１６１）の低電圧側に配置されるＩＧＢＴ及びＦＷＤ（下アーム）とを備える構成とすることができる。
なお、半導体モジュール２が上記上アームと上記下アームとを備える構成とした場合には、直流電源（バッテリー１６１）の高電圧側及び低電圧側に接続する一対の主電極端子２５１の他に、交流負荷（回転電機１６２）に接続する主電源端子２５１を有する構成となる。
１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
２１ 半導体素子
２２ 放熱板
２２１ 放熱面
２３ 封止部
２４ 壁部
２９ 弾性シール部材
３ 蓋部
４２ 沿面冷媒流路
６ ガイド部材
２ 半導体モジュール
２１ 半導体素子
２２ 放熱板
２２１ 放熱面
２３ 封止部
２４ 壁部
２９ 弾性シール部材
３ 蓋部
４２ 沿面冷媒流路
６ ガイド部材
Claims (5)
- 半導体素子を内蔵した半導体モジュールを複数個積層して構成してなる電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子と、該半導体素子と熱的に接続された放熱板と、該放熱板の放熱面を露出させた状態で上記半導体素子及び上記放熱板を封止する封止部と、上記放熱面の法線方向に直交する方向における上記封止部の周囲に形成されると共に上記放熱面よりも上記法線方向に突出した壁部と、該壁部と上記封止部との間に形成された貫通冷媒流路とを有し、
複数の上記半導体モジュールは、上記放熱面の法線方向に積層されており、
積層方向の両端に配される上記半導体モジュールには、上記壁部における上記積層方向の外側の開口部を覆う一対の蓋部が配設されており、
上記半導体モジュール及び一対の上記蓋部によって全体として１つのモジュール積層体を構成しており、
隣り合う上記半導体モジュールの間及び一対の上記蓋部と上記半導体モジュールとの間であって一対の上記壁部の内側には、上記貫通冷媒流路に連通すると共に上記放熱面に沿った沿面冷媒流路が形成されており、
上記モジュール積層体において、上記半導体モジュール及び一対の上記蓋部は、互いの上記積層方向の位置決めをすると共に、上記モジュール積層体の上記積層方向の寸法を決めるガイド部材に保持されており、
かつ、隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部同士の間及び一対の上記蓋部と上記半導体モジュールの上記壁部との間には、各両者の間をシールする弾性体からなる弾性シール部材が配設されており、
該弾性シール部材は、環状のゴム部材であり、
上記弾性シール部材を介して隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部同士、及び、上記弾性シール部材を介して隣り合う上記半導体モジュールの上記壁部と一対の上記蓋部とは、上記積層方向に並んでおり、
複数の上記半導体モジュールには、それぞれ積層方向に直交する方向に突出形成された係合凹部と係合凸部とが設けられているとともに、複数の上記半導体モジュールのうち互いに隣接する上記半導体モジュールにおいて上記積層方向の一方に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凹部は、上記積層方向の他方に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凸部に係合して、隣接する上記半導体モジュールが互いに連結されており、
上記モジュール積層体において上記積層方向の一方の端側に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凸部は、一対の上記蓋部における一方の上記蓋部において積層方向に直交する方向に突出形成された係合凹部に係合して、上記蓋部と上記半導体モジュールとが連結されており、
上記モジュール積層体において上記積層方向の他方の端側に位置する上記半導体モジュールに設けられた上記係合凹部は、一対の上記蓋部における他方の上記蓋部において積層方向に直交する方向に突出形成された係合凹部において積層方向に直交する方向に突出形成された係合凸部と係合して、上記蓋部と上記半導体モジュールとが連結されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項１に記載の電力変換装置において、上記ガイド部材は、上記積層方向に延びる長板状に形成されていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項２に記載の電力変換装置において、上記半導体モジュール積層体の外側面には、上記ガイド部材を配置するためのガイド凹溝部が上記積層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。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、上記ガイド部材には、上記半導体モジュール及び上記蓋部の外側面に設けられた突出部を係合させる複数の貫通孔が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項４に記載の電力変換装置において、隣り合う上記半導体モジュール同士及び隣り合う上記蓋部と上記半導体モジュールとは、それぞれに設けた上記突出部を上記ガイド部材の同じ１つの上記貫通孔に係合させることを特徴とする電力変換装置。
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