JP5691775B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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。

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。
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。それゆえ、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、従来では、電力変換回路を構成する複数の半導体モジュールを冷却することができるように、冷媒を内部に流す複数の冷却管を半導体モジュールと積層した電力変換装置が提案されている（特許文献１、特許文献２）。
また、上記特許文献１、２に示されるような、冷却管と半導体モジュールとを積層した電力変換装置９は、図６に示すごとく、半導体モジュール９２１と冷却管９２２との積層体である半導体積層ユニット９２と、積層方向と直交する方向に開口する開放部９３１が形成されていると共に半導体積層ユニット９２が内部に配置されるフレーム９３と、半導体積層ユニット９２を積層方向に加圧する加圧部材９６とを有する。

ところで、かかる電力変換装置９は、上述のごとく、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等、振動を受けやすい環境に設置される場合がある。
上記電力変換装置９では、加圧部材９６によって、半導体積層ユニット９２をフレーム９３の内壁部に対して大きな力で加圧することで、半導体積層ユニット９２を積層方向に固定している。そのため、上記振動が加わっても積層方向については、フレーム９３に対して半導体積層ユニット９２が振動することを抑制できる。

特開２００７−１６６８１９号公報 特開２００７−１６６８２０号公報

しかしながら、積層方向と直交する方向であって、フレーム９３における開放部９３１の開口する方向（以下、これを開口方向という。）については、フレーム９３に対する半導体積層ユニット９２の固定点が少ない。そのため、振動を受けやすい環境下においては半導体積層ユニット９２の剛性が不足することが考えられる。そうすると、例えば、加圧部材９６と半導体積層ユニット９２との間にずれが生じ、半導体積層ユニット９２に対して、積層方向の加圧力が充分に伝わりにくくなってしまう。その結果、半導体モジュール９２１と冷却管９２２との充分な接触状態が得られず、半導体モジュール９２１の冷却機能が低下するという事態招くおそれもある。
また、場合によっては、半導体モジュール９２１と冷却管９２２との間にずれが生じるおそれもある。そうすると、両者の適切な接触位置が得られにくくなってしまう。その結果、半導体モジュール９２１の冷却機能が低下するという事態招くおそれもある。
さらに、フレーム９３についても、開放部９３１が形成されているため、高い剛性を得にくい。

なお、図示しないが、半導体積層ユニット９２の一端側における冷却管９２２の冷媒導入管９２３及び冷媒排出管９２４をフレーム９３に対して、例えば、パイプクランプ等を用いて固定することで、冷媒導入管９２３及び冷媒排出管９２４を開口方向に固定することは考え得る。しかし、この固定方法では、半導体積層ユニット９２の開口方向の防振手段としては不充分である。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、積層方向と直交する方向（上記開口方向）のフレームに対する半導体積層ユニットの振動を抑制することができると共に、フレームの剛性を向上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。

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を冷却する冷却管とを積層してなる半導体積層ユニットと、
該半導体積層ユニットの積層方向と直交する方向に開口する開放部を有すると共に、上記半導体積層ユニットを内側に配置するフレームと、
上記開放部を覆うように上記フレームに固定されるプレートとを備え、
上記フレームは上記開放部と反対側から上記半導体積層ユニットを支承する支承部を有し、
上記半導体積層ユニットと上記プレートとの間には、上記支承部へ向かって上記半導体積層ユニットを押圧するよう付勢された弾性部材が配置されており、
上記半導体モジュールは、上記開放部の開口方向における少なくとも上記開放部側に、上記開口方向と直交する端面を有すると共に、該端面からは、主電極端子及び信号端子の少なくとも一方が突出しており、
上記端面における上記積層方向及び上記開口方向と直交する方向の両縁部には、傾斜面が形成されるように面取りされた面取部が形成されており、
上記弾性部材は、上記面取部と上記プレートとの間に配置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）。

本発明にかかる電力変換装置は、上記半導体積層ユニットと上記プレートとの間に、上記弾性部材を配置している。これによって、上記支承部へ向かって上記半導体積層ユニットを弾性的に押圧することができる。これにより、上記半導体積層ユニットを上記開放部の開口方向に固定することができる。それゆえ、フレームに対する上記半導体積層ユニットの積層方向と直交する方向（上記開口方向）の振動を抑制することができる。その結果、上記半導体積層ユニットにおける上記冷却管と半導体モジュールとの接触状態の変化を防ぎ、上記冷却管の冷却機能の低下を防ぐことができる。
また、上記フレームの上記開放部を覆うように上記プレートがフレームに固定されるため、上記フレームの剛性を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体積層ユニットの積層方向と直交する方向（上記開口方向）の振動を抑制することができると共に、フレームの剛性を向上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１における、電力変換装置の平面説明図。 図１のＡ−Ａ線断面矢視図。 実施例１における、弾性部材の配置状態の一部断面による拡大説明図。 参考例における、電力変換装置の平面説明図。 図４のＢ−Ｂ線断面矢視図。 背景技術における、電力変換装置の平面説明図。

上記フレームの材質としては、例えば、熱伝導性に優れたアルミ材等の金属が用いられ、また、上記プレート及び上記弾性部材の材質としては、例えば、樹脂あるいはアルミ材等の金属を用いることができる。
また、上記弾性部材は、上記プレートとは別体によって形成してもよいし、上記プレートと一体形成してもよい。

また、上記弾性部材は板バネであり、上記プレートには、上記弾性部材の少なくとも一部を係合して固定できるバネ固定部が形成されていることが好ましい（請求項２）。この場合には、弾性部材を板バネとすることで、小さい寸法にて容易に大きな付勢力を得ることができる。
また、上記バネ固定部を形成することにより、上記弾性部材の上記プレートに対する位置決め及び固定を容易かつ正確に行うことができる。これによって、上記弾性部材を正確な位置で上記半導体モジュールに当接させることができ、上記支承部へ向かって上記半導体積層ユニットを確実に押圧することができる。

また、上記半導体モジュールは、上記開口方向における少なくとも上記開放部側に、上記開口方向と直交する端面を有すると共に、該端面からは、主電極端子及び信号端子の少なくとも一方が突出しており、上記端面における上記積層方向及び上記開口方向と直交する方向（以下、これを幅方向という。）の両縁部には、傾斜面が形成されるように面取りされた面取部が形成されており、上記弾性部材は、上記面取部と上記プレートとの間に配置されている。

それゆえ、上記弾性部材を上記面取部の傾斜面において面接触させることが可能となる。これにより、上記半導体モジュールを上記開口方向における上記支承部側のみならず上記幅方向の内側へ向かっても押圧することができる。そのため、上記半導体積層ユニットについて、上記開口方向の振動のみならず、上記幅方向の振動をも効果的に抑制することができる。

また、上記フレームの内側には、上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部に、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置されていることが好ましい（請求項３）。この場合には、上記積層方向に対して上記半導体積層ユニットを押圧して固定することができる。そして、かかる構成において、上記弾性部材によって、フレームに対する上記半導体積層ユニットの上記開口方向の振動を抑制できることにより、上記加圧部材と上記半導体積層ユニットとの間のずれを防ぐことができる。これによって、上記半導体積層ユニットに対する積層方向の加圧力を安定させることができる。そのため、上記半導体モジュールと上記冷却管との充分な接触状態を確保することができる。その結果、上記半導体積層ユニットにおける上記冷却管による半導体モジュールの冷却機能の低下を防ぐことができる。

また、上記弾性部材は、上記半導体積層ユニットにおいて、上記積層方向の中心よりも上記加圧部材に近い位置に配置されていることが好ましい（請求項４）。この場合には、上記半導体積層ユニットにおける上記開口方向への振動の影響を受けやすい部分について、その振動を効果的に抑制することができる。

（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１〜図３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、半導体素子を内蔵した半導体モジュール２１と、半導体モジュール２１を冷却する冷却管２２とを積層してなる半導体積層ユニット２を有する。
また、電力変換装置１は、半導体積層ユニット２の積層方向Ｘと直交する方向（開口方向Ｚ）に開口する開放部３１を有すると共に、半導体積層ユニット２を内側に配置するフレーム３と、開放部３１を覆うようにフレーム３に固定されるプレート４を有している。

また、図２に示すごとく、フレーム３は開放部３１と反対側から半導体積層ユニット２を支承する支承部３２を有する。
また、半導体積層ユニット２とプレート４との間には、支承部３２へ向かって半導体積層ユニット２を押圧するよう付勢された弾性部材５が配置されている。

弾性部材５は板バネであり、プレート４には、弾性部材５の少なくとも一部を係合して固定できるバネ固定部４１が形成されている。
ここで、図３に示すごとく、弾性部材５は、半導体積層ユニット２を押圧する押圧部５１と、バネ固定部４１に係合する係合部５２と、押圧部５１と係合部５２とを連結する基部５３とを備えている。

また、本例では、弾性部材５の押圧部５１、係合部５２、基部５３は、板バネからなる弾性部材５において、以下の形状によって構成されている。すなわち、押圧部５１は、加工前において平板形状をなす弾性部材５の一端側部分を、開口方向Ｚの下方に向かって折り曲げて形成されている折り曲げ部からなる。また、係合部５２は、弾性部材５の他端側部分を開口方向Ｚの下方に向かって湾曲すると共に、その先端部を折り曲げ部に向かうように折り返して形成されている折り返し部からなる。そして、基部５３は、押圧部５１と係合部５２との間の平板部からなる。

また、バネ固定部４１は、図２、図３に示すごとく、プレート４における積層方向Ｘと直交する方向（幅方向Ｙ）の両側において、プレート４の下面４０に形成されている。また、バネ固定部４１は、プレート４において、弾性部材５の配置数に応じて積層方向Ｘに複数個形成されている。
また、各バネ固定部４１は、プレート４の下面４０からフレーム３の下方に向けて突出された突出部４２と、その突出側の端部から幅方向Ｙの内側に向かって延出した延出部４２１とからなるカギ状部の内側に形成されている。

また、図１〜図３に示すごとく、バネ固定部４１を積層方向Ｘの両側から挟むように一対の側壁部４２２が形成されている。つまり、プレート４の下面４０と延出部４２１と一対の側壁部４２２との間の空間部にバネ固定部４１が形成されることとなる。このバネ固定部４１に対して、弾性部材５における係合部５２が係合されて、弾性部材５がプレート４に対して固定されている。
本例において、フレーム３、プレート４及び弾性部材５には、熱伝導性に優れた金属が用いられる。

また、半導体モジュール２１は、図２に示すごとく、開口方向Ｚにおける開放部３１側に、開口方向Ｚと直交する端面２１０を有すると共に、端面２１０からは、信号端子２１３が突出している。また、半導体モジュール２１における端面２１０と反対側の端面２１１からは、主電極端子２１２が突出している。

なお、半導体モジュール２１の形状は、これに限定されるものでなない。例えば、主電極端子２１２及び信号端子２１３は、各々が端面２１０及び端面２１１のどちら側から突出されてもよく、あるいは端面２１０及び端面２１１のいずれか一方側から主電極端子２１２及び信号端子２１３の両方を突出させてもよい。

また、端面２１０における積層方向Ｘ及び開口方向Ｚと直交する方向（幅方向Ｙ）の両縁部には、傾斜面が形成されるように面取りされた面取部２１５が形成されている。
そして、面取部２１５とプレート４との間に弾性部材５が配置されている。具体的には、面取部２１５に対して、弾性部材５の押圧部５１が面接触するように形成されている。
また、本例では、半導体積層ユニット２におけるすべての半導体モジュール２１に対して、一対の弾性部材５が積層方向Ｘに複数個配置されているが、弾性部材５の配置数はなんら限定されるものではない。

また、図１に示すごとく、フレーム３の内側には、半導体積層ユニット２の積層方向Ｘの一方の端部２３に、半導体積層ユニット２を積層方向Ｘに加圧する加圧部材６が配置されている。なお、加圧部材６の配置箇所は、これに限定されるものではなく、例えば、加圧部材６を、半導体積層ユニット２の積層方向Ｘの他方の端部２５に配置してもよい。この場合、加圧部材６は、冷媒導入管２２３と冷媒排出管２２４との間に配置される。

また、プレート４には、図１〜図３に示すごとく、半導体モジュール２１の信号端子２１３をフレーム３の外部に向け突出させるための貫通孔からなる逃し部４５が形成されている。逃し部４５は、一対のバネ固定部４１の間において、積層方向Ｘに複数形成されている。そして、逃し部４５は、開口方向Ｚから見た形状が略長方形状をなして、各逃し部４５に対して、一つの半導体モジュール２１のすべての信号端子２１３が貫通するよう構成されている。

ただし、逃し部４５の形状、形成数については、信号端子２１３を逃せる構造であれば特に限定されるものではない。そのため、例えば、半導体モジュール２１における一群の信号端子２１３ごとに外部に逃すことができように、逃し部４５を正方形状に形成してもよい。あるいは、一本の信号端子２１３ごとに各々外部に逃すことができる貫通孔を逃し部４５として形成してもよい。

また、フレーム３には、図２に示すごとく、開放部３１と反対側において支承部３２が形成されている。この支承部３２は、冷却管２２を支承する第一支承部３２１と、半導体モジュール２１を支承する第二支承部３２２とからなる。すなわち、同図に示すごとく、フレーム３の両側壁部３３の下端面からフレーム３の幅方向Ｙの内側に向かって、一対の第一支承部３２１が形成されている。そして、一対の第一支承部３２１の内側の端部からは、下方に下がった段差部を介して、幅方向Ｙの内側に向かって延出されている一対の第二支承部３２２が形成されている。

また、一対の第二支承部３２２の間には、開口方向Ｚに貫通した開口部３４が形成されている。この開口部３４から主電極端子２１２が突出するように、第二支承部３２２が半導体モジュール２１を支承している。

半導体モジュール２１は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子を内蔵してなる。また、半導体モジュール２１は、スイッチング素子を樹脂モールドしてなる本体部２１６と、本体部２１６から互いに反対方向に突出した主電極端子２１２と、信号端子２１３とからなる。そして、主電極端子２１２からは被制御電力が半導体モジュール２１に入出力され、信号端子２１３には、スイッチング素子を制御する制御電流が入力される。

また、半導体積層ユニット２は、図１に示すごとく、半導体モジュール２１と冷却管２２とを交互に積層してなる。そして、半導体モジュール２１は両主面から冷却管２２によって挟持されている。また、隣り合う冷却管２２の間には１個の半導体モジュール２１が挟持されている。

ここで、本例の半導体モジュール２１は、半導体素子とダイオードとを、それぞれ２個ずつ内蔵した、いわゆる２ｉｎ１型の半導体モジュールである。ただし、半導体モジュール２１はこれに限定されるものではない。そのため、例えば、半導体素子とダイオードとを、それぞれ１個ずつ内蔵した半導体モジュールを用いてもよいし、半導体素子とダイオードとを、３個ずつ以上内蔵した半導体モジュールでもよい。

また、複数の冷却管２２は、図１に示すごとく、積層方向Ｘに直交する方向（幅方向Ｙ）に長く、幅方向Ｙに沿って冷媒流路を内部に形成している。そして、積層方向Ｘに隣り合う冷却管２２同士は、長手方向の両端において連結管２４によって互いに連結されている。

また、冷却管２２は、積層方向Ｘの一端に配置された冷却管２２における幅方向Ｙの両端部において冷媒導入管２２３及び冷媒排出管２２４を有する。これにより、冷媒導入管２２３から導入された冷却媒体は、連結管２４を適宜通り、各冷却管２２に分配されると共に、その長手方向（幅方向Ｙ）に流通する。そして、各冷却管２２を流れる間に、冷却媒体が半導体モジュール２１との間で熱交換を行う。そして、熱交換により温度上昇した冷却媒体は、下流側の連結管２４を適宜通り、冷却排出管２２４に導かれ、冷却管２２から排出される。

次に、本例の電力変換装置１についての作用効果について説明する。
本例の電力変換装置１は、半導体積層ユニット２とプレート４との間に、弾性部材５を配置している。これによって、支承部３２へ向かって半導体積層ユニット２を弾性的に押圧することができる。これにより、半導体積層ユニット２を開放部３１の開口方向Ｚに固定することができる。それゆえ、フレーム３に対する半導体積層ユニット２の積層方向Ｘと直交する方向（開口方向Ｚ）の振動を抑制することができる。その結果、半導体積層ユニット２における冷却管２２と半導体モジュール２１との接触状態の変化を防ぎ、冷却管２２の冷却機能の低下を防ぐことができる。
また、フレーム３の開放部３１を覆うようにプレート４がフレーム３に固定されるため、フレーム３の剛性を向上させることができる。

また、弾性部材５は板バネであり、プレート４には、弾性部材５の少なくとも一部を係合して固定できるバネ固定部４１が形成されている。これによって、弾性部材５を板バネとすることで、小さい寸法にて容易に大きな付勢力を得ることができる。
また、バネ固定部４１を形成することにより、弾性部材５のプレート４に対する位置決め及び固定を容易かつ正確に行うことができる。これによって、弾性部材５を正確な位置で半導体モジュール２１に当接させることができ、支承部３２へ向かって半導体積層ユニット２を確実に押圧することができる。

また、半導体モジュール２１は、開口方向Ｚにおける少なくとも開放部３１側に、開口方向Ｚと直交する端面２１０を有すると共に、端面２１０からは、主電極端子２１２及び信号端子２１３の少なくとも一方が突出している。
また、端面２１０における積層方向Ｘ及び開口方向Ｚと直交する方向の両縁部には、傾斜面が形成されるように面取りされた面取部２１５が形成されている。
そして、弾性部材５は、面取部２１５とプレート４との間に配置されている。

これによって、弾性部材５を面取部２１５の傾斜面において面接触させることが可能となる。これにより、半導体モジュール２１を開口方向Ｚにおける支承部３２側のみならず幅方向Ｙの内側へ向かっても押圧することができる。そのため、半導体積層ユニット２について、開口方向Ｚの振動のみならず、幅方向Ｙの振動をも効果的に抑制することができる。

また、フレーム３の内側には、半導体積層ユニット２の積層方向Ｘの一方の端部２３に、半導体積層ユニット２を積層方向Ｘに加圧する加圧部材６が配置されている。これによって、積層方向Ｘに対して半導体積層ユニット２を押圧して固定することができる。そして、かかる構成において、弾性部材５によって、フレーム３に対する半導体積層ユニット２の開口方向Ｚの振動を抑制できることにより、加圧部材６と半導体積層ユニット２との間のずれを防ぐことができる。これによって、半導体積層ユニット２に対する積層方向Ｘの加圧力を安定させることができる。そのため、半導体モジュール２１と冷却管２２との充分な接触状態を確保することができる。その結果、半導体積層ユニット２における冷却管２２による半導体モジュール２１の冷却機能の低下を防ぐことができる。

また、弾性部材５は、半導体積層ユニット２において、積層方向Ｘの中心よりも加圧部材６に近い位置に配置されている。これによって、半導体積層ユニット２における開口方向Ｚへの振動の影響を受けやすい部分について、その振動を効果的に抑制することができる。

以上のごとく、本例によれば、半導体積層ユニットの積層方向と直交する方向（開口方向）の振動を抑制することができると共に、フレームの剛性を向上することができる電力変換装置を提供するができる。

（参考例）
本例は、図４、図５に示すごとく、弾性部材５を冷却管２２とプレート４との間に配置した例である。
本例において、弾性部材５は、弾性変形可能な波状部５４と、波状部５４の両端において弾性形成方向に立ち上がるように形成されている一対の立設部５５、５６とからなる。

また、プレート４には、複数の弾性部材５に対応するように複数のバネ固定部４１が形成されている。このバネ固定部４１は、フレーム３の開口方向Ｚに向けて貫通した略長方形状の貫通孔によって構成されている。そして、バネ固定部４１に対して、弾性部材５の一方側の立設部５５が係合されることで、弾性部材５は、プレート４に対して位置決め固定されている。

また、弾性部材５の他方側の立設部５６を、冷却管２２の上端面２２１に形成された溝部に係合させている。そして、プレート４をフレーム３に固定した状態において、弾性部材５の波状部５４が圧縮変形している。これによって、弾性部材５は、開口方向Ｚにおいて、冷却管２２を支承部３２に向かって押圧することができる。その結果、半導体積層ユニット２をフレーム３に固定することとなる。
その他は、実施例１と同様である。

弾性部材５は、冷却管２２とプレート４との間に配置されている。これによって、冷却管２２の熱を弾性部材５を介してプレート４に放熱させることができる。そのため、冷却管２２の放熱性を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、上記実施例１で示した半導体積層ユニット２は、上述のごとく、半導体モジュール２１と冷却管２２とを交互に積層して構成されるものであるが、これに限定されるものではない。そのため、例えば、半導体モジュールの外周に冷媒流路を有して形成した冷媒流路一体型の半導体モジュールを複数積層して半導体積層ユニット２を形成してもよい。

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
３ フレーム
３１ 開放部
３２ 支承部
４ プレート
５ 弾性部材

Claims (4)

1. 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を冷却する冷却管とを積層してなる半導体積層ユニットと、
   該半導体積層ユニットの積層方向と直交する方向に開口する開放部を有すると共に、上記半導体積層ユニットを内側に配置するフレームと、
   上記開放部を覆うように上記フレームに固定されるプレートとを備え、
   上記フレームは上記開放部と反対側から上記半導体積層ユニットを支承する支承部を有し、
   上記半導体積層ユニットと上記プレートとの間には、上記支承部へ向かって上記半導体積層ユニットを押圧するよう付勢された弾性部材が配置されており、
   上記半導体モジュールは、上記開放部の開口方向における少なくとも上記開放部側に、上記開口方向と直交する端面を有すると共に、該端面からは、主電極端子及び信号端子の少なくとも一方が突出しており、
   上記端面における上記積層方向及び上記開口方向と直交する方向の両縁部には、傾斜面が形成されるように面取りされた面取部が形成されており、
   上記弾性部材は、上記面取部と上記プレートとの間に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、上記弾性部材は板バネであり、上記プレートには、上記弾性部材の少なくとも一部を係合して固定できるバネ固定部が形成されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置において、上記フレームの内側には、上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部に、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置されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、上記弾性部材は、上記半導体積層ユニットにおいて、上記積層方向の中心よりも上記加圧部材に近い位置に配置されていることを特徴とする電力変換装置。

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