JP7444529B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

圧接型の半導体モジュールを用いた電力変換装置がある。圧接型の半導体モジュールは、パッケージ部と、パッケージ部の内部に設けられた半導体チップと、を有する。パッケージ部は、一対の電極板と、一対の電極板の間の空間を囲む絶縁性の外囲器と、を有する。圧接型の半導体モジュールは、放熱のため、一対の電極板を一対のヒートシンクで挟み込んだ状態で、電力変換装置に実装される。

このような圧接型の半導体モジュールでは、半導体チップに短絡故障が発生した場合に、パッケージ部の内圧が上昇してパッケージ部が膨らみ、ヒートシンクとの衝突により、パッケージ部が破損してしまう可能性がある。そして、このように内圧の上昇にともなってパッケージ部が破損してしまうと、パッケージ部の破損個所からモジュールの一部が飛散物となって噴出したり、アークが噴出したりしてしまう。

このため、半導体モジュールの周囲をカバーで覆うことにより、パッケージ部の破損時に生じる飛散物やアークなどの噴出物から周辺部品を保護することが提案されている。半導体チップの短絡故障にともなうパッケージ部の破損は、半導体モジュールと一対のヒートシンクとの積層方向と直交する方向におけるパッケージ部の側面部（外囲器の側面部）おいて、どの位置で発生するか分からない。換言すれば、パッケージ部の破損時に生じる噴出物は、パッケージ部の側面部からどの方向に噴出するか分からない。従って、カバーは、パッケージ部の側面部の全周を囲むように配置する必要がある。

しかしながら、パッケージ部の側面部の全周を囲むようにカバーを配置する構成は、電力変換装置の大型化や製造コストの増加などの要因となってしまう。このため、電力変換装置では、より簡単な構成で、圧接型の半導体モジュールのパッケージ部の破損時に生じる噴出物から周辺部品を保護できるようにすることが望まれる。

特開２０１９－４７５９１号公報

本発明の実施形態は、より簡単な構成で、圧接型の半導体モジュールのパッケージ部の破損時に生じる噴出物から周辺部品を保護できる電力変換装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、電力の変換を行う電力変換装置であって、２つのヒートシンクと、２つの前記ヒートシンクの間に設けられた圧接型の半導体モジュールと、を有する積層体と、前記積層体の積層方向と直交する方向において前記積層体と並べて設けられたカバーと、を備え、前記半導体モジュールは、パッケージ部と、前記パッケージ部の内部に設けられた半導体チップと、を有し、前記積層体は、前記積層方向から見た時に、前記半導体モジュールの１つの領域のみが２つの前記ヒートシンクよりも外側に位置するように、２つの前記ヒートシンク及び前記半導体モジュールを積層し、前記カバーは、前記積層方向と直交する方向において、前記半導体モジュールの前記１つの領域と対向するように、前記積層体の一部の側方のみに設けられる電力変換装置が提供される。

より簡単な構成で、圧接型の半導体モジュールのパッケージ部の破損時に生じる噴出物から周辺部品を保護できる電力変換装置が提供される。

実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。 図２（ａ）～図２（ｃ）は、電力変換装置の一部を模式的に表すブロック図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る半導体モジュールを模式的に表す平面図および一部断面を有する側面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は、電力変換装置の一部を模式的に表す平面図及び側面図である。 参考の電力変換装置の一部を模式的に表す平面図である。 電力変換装置の一部の変形例を模式的に表す平面図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、電力変換装置１０は、電力変換器２０と、制御装置８０と、を備える。電力変換装置１０は、端子１２ａ、１２ｂを介してたとえば直流電源（図示せず）に接続される。電力変換装置１０は、端子１４ａ～１４ｃを介して、負荷（図示せず）に接続される。負荷は、たとえば誘導電動機や同期電動機等の交流負荷である。他の例では、電力変換装置１０は、端子１４ａ～１４ｃを介して交流電源に接続し、端子１２ａ、１２ｂを介して直流負荷に接続する。電力変換装置１０は、直流－交流の一方向の電力変換に限らず、双方向の電力変換を行う装置であってもよい。これらはいずれも例示であって、電力変換装置１０は、上述に限らず、交流－交流間の電力変換や直流－直流間の電力変換を行う装置を含む電力変換装置であってもよい。

電力変換器２０は、電力変換部２２を有する。電力変換部２２は、圧接型の半導体モジュール３０を有する。半導体モジュール３０は、たとえば、主端子３０ａ、３０ｂと制御端子３０ｃとを有する。半導体モジュール３０は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等の半導体チップを複数個搭載し、これらを並列に接続したモジュールである。ＩＧＢＴの場合には、主端子３０ａはコレクタ端子であり、主端子３０ｂはエミッタ端子であり、制御端子３０ｃはゲート端子である。半導体モジュール３０は、ファーストリカバリダイオード等の２端子のモジュールであってもよい。

半導体モジュール３０は、単一の半導体チップを搭載する場合に限らず、複数種類の半導体チップを搭載してもよい。複数種類の半導体チップは、たとえばＩＧＢＴおよびファーストリカバリダイオード等である。

制御装置８０は、電力変換器２０に供給され、また、電力変換器２０が出力する直流電圧や交流電圧、交流電流等を検出して、電力変換部２２の半導体モジュール３０を駆動する駆動信号を生成する。制御装置８０は、生成した駆動信号を電力変換部２２に供給して、所望の出力等を得るように電力変換器２０を制御する。制御装置８０は、例えば、半導体モジュール３０の制御端子３０ｃと接続され、半導体モジュール３０のスイッチングを制御することにより、電力変換器２０による電力の変換を制御する。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、電力変換装置の一部を模式的に表すブロック図である。
図２（ｃ）は、図２（ａ）及び図２（ｂ）の構成要素の一部の模式図である。
図２（ａ）及び図２（ｂ）には、電力変換部２２のうち異なる回路形式の概略の構成が示されている。

図２（ａ）に表した電力変換部２２ａは、例えば、ＭＭＣ（Modular Multilevel Converter）方式のチョッパセルである。ＭＭＣ方式では、複数個のチョッパセルがカスケードに接続される。電力変換部２２ａは、２つの半導体モジュール３０と、２つのダイオードＤと、コンデンサＣと、を有する。２つの半導体モジュール３０は、直列に接続されている。直列に接続された２つの半導体モジュール３０は、積層体４０を構成する。積層体４０の両端にコンデンサＣが接続されている。ダイオードＤは、半導体モジュール３０に逆並列に接続されている。電力変換部２２ａは、ハーフブリッジ構成のチョッパセルである。なお、図示しないが、２つのダイオードＤも積層体を構成し、ＩＧＢＴの積層体４０に接続してもよい。

図２（ｂ）に表した電力変換部２２ｂは、２レベル出力の単相インバータ回路である。電力変換部２２ｂは、２つの積層体４０と、４つのダイオードＤと、コンデンサＣと、を有する。２つの積層体４０は、並列に接続されている。ダイオードＤは、半導体モジュール３０に逆並列にそれぞれ接続されている。コンデンサＣは、２つの積層体４０に並列に接続されている。

図２（ｃ）に表したように、この例では、積層体４０は、２つの半導体モジュール３０と、３つのヒートシンク４１～４３と、を有する。一方の半導体モジュール３０は、一対のヒートシンク４１、４２の間に設けられている。他方の半導体モジュール３０は、一対のヒートシンク４２、４３の間に設けられている。換言すれば、半導体モジュール３０及びヒートシンク４１～４３は、交互に積層して設けられる。積層体４０（半導体モジュール３０及びヒートシンク４１～４３）の積層方向は、例えば、上下方向である。半導体モジュール３０及びヒートシンク４１～４３は、上下方向に交互に積層して設けられる。但し、積層体４０の積層方向は、上下方向に限ることなく、任意の方向でよい。

積層体４０は、例えば、積層体４０の積層方向に延びるボルトと、このボルトに噛み合うナットと、により、ヒートシンク４１、４３の両側から締め付けるようにして固定される。これにより、一方の半導体モジュール３０は、一対のヒートシンク４１、４２の間に挟み込まれた状態で固定され、他方の半導体モジュール３０は、一対のヒートシンク４２、４３の間に挟み込まれた状態で固定される。換言すれば、ヒートシンク４１とヒートシンク４３との間に、２つの半導体モジュール３０と、２つの半導体モジュール３０の間のヒートシンク４２と、が挟み込まれた状態で固定される。

一方の半導体モジュール３０は、ヒートシンク４１、４２に接触し、ヒートシンク４１、４２と電気的に接続される。他方の半導体モジュール３０は、ヒートシンク４２、４３に接触し、ヒートシンク４２、４３と電気的に接続される。２つの半導体モジュール３０は、ヒートシンク４２を介して直列に接続される。このように、ヒートシンク４１～４３は、半導体モジュール３０の放熱に用いられるとともに、半導体モジュール３０の電気的な接続にも用いられる。ヒートシンク４１～４３には、例えば、高い熱伝導率と高い導電性とを有する金属材料などが用いられる。

電力変換部２２の構成は、上述に限られない。電力変換部２２は、ＭＭＣ方式のためのフルブリッジ形式のチョッパセルであってもよい。電力変換部２２は、三相インバータ回路であってもよいし、ダイオードクランプ型のマルチレベル変換回路等であってもよい。

積層体４０の構成も上述に限られない。半導体モジュール３０は、一対のヒートシンク４１、４２に挟み込まれて取り付けられていればよい。積層体４０に含まれる半導体モジュール３０の直列数は３個や４個以上であってもよいし、回路形式も問わない。積層体４０に含まれる半導体モジュール３０の数は、１つであってもよく、単一の半導体モジュール３０をヒートシンク４１、４２に挟み込んだ形式でもかまわない。積層体４０は、１つの半導体モジュール３０と、一対のヒートシンク４１、４２と、を少なくとも有していればよい。

このように、電力変換装置１０は、積層体４０を備える。積層体４０は、２つのヒートシンク４１、４２と、２つのヒートシンク４１、４２の間に設けられた圧接型の１つの半導体モジュール３０と、を少なくとも有する。積層体４０は、複数のヒートシンク４１～４３と、複数の半導体モジュール３０と、を有してもよい。この場合、複数の半導体モジュール３０は、複数のヒートシンク４１～４３のそれぞれの間に設けられる。従って、複数のヒートシンク４１～４３の数は、複数の半導体モジュール３０の数よりも１つ多くなる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）は、実施形態に係る半導体モジュールを模式的に表す平面図および一部断面を有する側面図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に表したように、圧接型の半導体モジュール３０は、パッケージ部３１と、パッケージ部３１の内部に設けられた半導体チップ３２と、を有する。パッケージ部３１は、一対の電極板３３、３４と、外囲器３５と、を有する。

電極板３３は、円形の板状体である。電極板３４は、電極板３３とほぼ平行に設けられ、電極板３３とほぼ同一形状の円形の板状体である。電極板３４は、半導体チップ３２が設けられている側に、凸部を有する。電極板３４は、この凸部を介して半導体チップ３２と電気的に接続される。これらの電極板３３、３４は、例えば、高導電率かつ高熱伝導率を有する金属材料によって形成される。金属材料は、例えば、銅（Ｃｕ）やＣｕを含む合金などである。

半導体チップ３２は、電極板３３、３４の間に設けられている。半導体チップ３２は、たとえばＩＧＢＴである。半導体チップ３２は、例えば、一対の主端子と制御端子とを有する。半導体チップ３２の一方の主端子は、電極板３３と対向する面に設けられる。半導体チップ３２の他方の主端子は、電極板３４と対向する面に設けられる。半導体チップ３２の一方の主端子は、電極板３３と電気的に接続される。半導体チップ３２の他方の主端子は、電極板３４の凸部を介して電極板３４と電気的に接続される。これにより、電極板３３は、半導体モジュール３０の一方の主端子３０ａとなり、電極板３４は、半導体モジュール３０の他方の主端子３０ｂとなる。

半導体モジュール３０は、例えば、複数の半導体チップ３２を有する。複数の半導体チップ３２は、電極板３３、３４の間において、積層方向と直交する面内に、格子状（行列状）に並べて設けられる。複数の半導体チップ３２は、例えば、電極板３３の電極板３４と対向する面に並べて設けられる。複数の半導体チップ３２は、それぞれ電極板３３、３４に接続されることにより、並列に接続される。

半導体チップ３２の制御端子は、配線基板３６に接続されている。配線基板３６は、電極板３４の凸部を貫通するような開口を有する絶縁性の基板である。並列に接続された各半導体チップ３２の制御端子は、配線基板３６によって、外部に引き出すための端子（半導体モジュール３０の制御端子３０ｃ）に接続される。

外囲器３５は、一対の電極板３３、３４の間に空く空間の側方を塞ぐ。半導体チップ３２は、換言すれば、電極板３３、３４と外囲器３５とで囲まれた空間内に設けられる。外囲器３５は、半導体チップ３２を気密封止し、外部環境から半導体チップ３２を遮断する。外囲器３５は、セラミック等の絶縁材料によって形成され、電極板３３、３４の間を電気的に絶縁する。

パッケージ部３１は、例えば、緩衝部材３７、３８をさらに有する。緩衝部材３７、３８は、中空円板状の部材である。緩衝部材３７、３８は、ほぼ平行に配置されている。緩衝部材３７、３８は、中空の開口部分で、電極板３３、３４の円周の外縁にそれぞれ接続されている。緩衝部材３７、３８は、例えば、電極板３３、３４の径方向（積層方向と直交する方向）に向かって延伸し、積層方向に屈曲した後、再度径方向に屈曲して延伸する。

緩衝部材３７、３８は、外囲器３５を保持する。外囲器３５は、緩衝部材３７、３８に挟み込まれるようにして固定されている。外囲器３５は、緩衝部材３７、３８に挟まれることにより、電極板３３、３４の間に空く空間の側方を塞ぐ。例えば、緩衝部材３７、３８が、電極板３３、３４に密着するとともに、外囲器３５に密着する。これにより、パッケージ部３１の内部の空間が、気密封止される。

緩衝部材３７、３８は、圧接型の半導体モジュール３０の通常の動作において、電極板３３、３４が温度変化によって膨張又は収縮した場合に、電極板３３、３４の形状の変化を吸収する。これにより、電極板３３、３４および外囲器３５の膨張係数の相違による半導体モジュール３０の耐湿性の劣化等を抑制することができる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、電力変換装置の一部を模式的に表す平面図及び側面図である。
図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、積層体４０は、積層体４０の積層方向から見た時に、半導体モジュール３０の１つの領域３０Ｒのみがヒートシンク４１～４３よりも外側に位置するように、半導体モジュール３０及びヒートシンク４１～４３を積層する。例えば、積層体４０の積層方向が上下方向である場合には、積層体４０は、上方から見た時に、半導体モジュール３０の１つの領域３０Ｒのみがヒートシンク４１～４３よりも外側に位置するように、半導体モジュール３０及びヒートシンク４１～４３を積層する。

積層体４０は、より詳しくは、積層方向から見た時に、半導体モジュール３０のパッケージ部３１の１つの領域３０Ｒのみがヒートシンク４１～４３よりも外側に位置するように、半導体モジュール３０及びヒートシンク４１～４３を積層する。パッケージ部３１は、例えば、電極板３３、３４、外囲器３５、及び緩衝部材３７、３８の一部を１つの領域３０Ｒとしてヒートシンク４１～４３よりも外側に配置する。領域３０Ｒは、換言すれば、積層方向において、ヒートシンク４１～４３と重ならない領域である。

積層体４０が複数の半導体モジュール３０を有する場合、複数の半導体モジュール３０のそれぞれは、１つの領域３０Ｒのみが複数のヒートシンク４１～４３よりも外側に位置するように、複数のヒートシンク４１～４３のそれぞれの間に設けられる。そして、複数のヒートシンク４１～４３のそれぞれの１つの領域３０Ｒは、積層方向から見た時に重なるように配置される。換言すれば、ヒートシンク４１～４３よりも外側に位置する半導体モジュール３０の１つの領域３０Ｒは、複数の半導体モジュール３０のそれぞれで実質的に同じ位置に配置される。但し、複数の半導体モジュール３０のそれぞれの領域３０Ｒの形状や大きさなどは、必ずしも完全に同じでなくてもよい。複数の半導体モジュール３０のそれぞれの領域３０Ｒは、積層方向から見た時に少なくとも一部が重なるように配置されていればよい。

積層方向から見た時の半導体モジュール３０の形状は、例えば、円形状である。積層方向から見た時のヒートシンク４１～４３の形状は、例えば、矩形状である。ヒートシンク４１～４３は、積層方向から見た時に、半導体モジュール３０の中心に対して、中心を積層方向と直交する方向にずらして半導体モジュール３０と積層される。これにより、ヒートシンク４１～４３は、半導体モジュール３０の外周縁の一部のみを領域３０Ｒとして外側に配置させる。半導体モジュール３０の領域３０Ｒは、積層方向から見た時に、矩形状のヒートシンク４１～４３の１つの辺のみに接するように、ヒートシンク４１～４３と積層される。但し、半導体モジュール３０やヒートシンク４１～４３の形状などは、上記に限定されるものではない。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、電力変換装置１０は、カバー５０をさらに備える。
カバー５０は、積層体４０の積層方向と直交する方向において積層体４０と並べて設けられる。カバー５０は、積層体４０の積層方向と直交する方向において、半導体モジュール３０の１つの領域３０Ｒと対向するように、積層体４０の一部の側方のみに設けられる。カバー５０は、積層体４０の一部の側方のみと対向し、積層体４０の別の一部の側方とは対向しない。換言すれば、カバー５０は、積層方向から見た時に、積層体４０を囲わない。

カバー５０は、例えば、積層方向から見た時に、矩形状のヒートシンク４１～４３の４つの辺のうち、半導体モジュール３０の領域３０Ｒと接する１つの辺のみと対向し、残りの３つの辺と対向しないように、積層体４０の一部の側方のみに設けられる。

図５は、参考の電力変換装置の一部を模式的に表す平面図である。
なお、上記実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明は省略する。
図５に表したように、参考例の積層体４０ａでは、ヒートシンク４１ａ～４３ａの外形寸法が、半導体モジュール３０の外形寸法よりも小さく、積層体４０ａの積層方向から見た時に、半導体モジュール３０の複数の領域３０Ｒがヒートシンク４１ａ～４３ａよりも外側に位置するように、半導体モジュール３０及びヒートシンク４１ａ～４３ａが積層されている。

参考例では、例えば、矩形状のヒートシンク４１ａ～４３ａの各辺の長さが、円形状の半導体モジュール３０の直径よりも短い。これにより、参考例の積層体４０ａでは、積層方向から見た時に、ヒートシンク４１ａ～４３ａの４つの辺のそれぞれに接するように、４つの領域３０Ｒがヒートシンク４１ａ～４３ａよりも外側に位置するように、半導体モジュール３０及びヒートシンク４１ａ～４３ａが積層されている。

また、参考例では、カバー５０ａが、積層方向から見た時に、積層体４０ａを囲むように設けられている。換言すれば、カバー５０ａが、積層体４０ａの側方の全周と対向するように設けられている。

圧接型の半導体モジュール３０では、半導体チップ３２に短絡故障が発生した場合に、パッケージ部３１の内圧が上昇してパッケージ部３１が膨らみ、ヒートシンク４１～４３との衝突により、パッケージ部３１が破損してしまう可能性がある。そして、このように内圧の上昇にともなってパッケージ部３１が破損してしまうと、パッケージ部３１の破損個所から半導体モジュール３０の一部が飛散物となって噴出したり、アークが噴出したりしてしまう。

半導体モジュール３０の一部がヒートシンク４１～４３よりも外側に位置する場合、パッケージ部３１が膨らんだ際に、半導体モジュール３０のうち、ヒートシンク４１～４３と重なっている部分では、応力が分散され、ヒートシンク４１～４３の端部と接する箇所に応力が集中する。パッケージ部３１の膨張にともなうパッケージ部３１の破損は、こうした応力の集中する箇所において発生しやすい。

このため、図５に表した参考例のように、積層方向から見た時に、半導体モジュール３０の複数の領域３０Ｒがヒートシンク４１ａ～４３ａよりも外側に位置する場合には、複数の領域３０Ｒのどの位置でパッケージ部３１の破損が発生するか分からない。例えば、半導体モジュール３０が複数の半導体チップ３２を有する場合には、短絡故障が発生した半導体チップ３２の位置によって、パッケージ部３１の破損が発生する箇所が変化する。従って、図５に表したように、参考例では、積層体４０ａの全周を囲むようにカバー５０ａを設けることにより、パッケージ部３１の破損時に生じる飛散物やアークなどの噴出物から周辺部品を保護している。

また、積層方向から見た時に、半導体モジュール３０の全体がヒートシンクと重なっている場合にも、パッケージ部３１の膨張を吸収する箇所が無くなるため、パッケージ部３１のどの位置で破損が発生するか分からなくなる。従って、この場合にも、積層体の全周を囲むようにカバーを設ける必要がある。

これに対し、本実施形態に係る電力変換装置１０では、積層体４０が、積層体４０の積層方向から見た時に、半導体モジュール３０の１つの領域３０Ｒのみがヒートシンク４１～４３よりも外側に位置するように、半導体モジュール３０及びヒートシンク４１～４３を積層する。

これにより、本実施形態に係る電力変換装置１０では、応力の集中箇所を１つの領域３０Ｒの部分のみに限定することができる。従って、本実施形態に係る電力変換装置１０では、半導体チップ３２に短絡故障が発生し、パッケージ部３１が膨らんだ際に、１つの領域３０Ｒの部分においてパッケージ部３１を破損し易くさせ、他の部分でのパッケージ部３１の破損を抑制することができる。換言すれば、半導体チップ３２に短絡故障が発生し、パッケージ部３１が膨らんだ際に、１つの領域３０Ｒの部分において噴出物を噴出し易くさせ、他の方向への噴出物の噴出を抑制することができる。電力変換装置１０では、噴出物の噴出方向を限定することができる。

そして、本実施形態に係る電力変換装置１０では、積層体４０の積層方向と直交する方向において、半導体モジュール３０の１つの領域３０Ｒと対向するように、積層体４０の一部の側方のみにカバー５０を設けている。これにより、１つの領域３０Ｒの部分から噴出した噴出物から周辺部品を適切に保護することができる。さらに、図５に表した参考例のように、パッケージ部３１の側面部の全周を囲むようにカバー５０ａを配置する構成と比べて、カバー５０の構成を簡単にすることができる。

このように、本実施形態に係る電力変換装置１０では、より簡単な構成で、圧接型の半導体モジュール３０のパッケージ部３１の破損時に生じる噴出物から周辺部品を保護することができる。本実施形態に係る電力変換装置１０では、カバー５０の構成を簡単にし、電力変換装置１０の大型化や製造コストの増加などを抑制することができる。

カバー５０は、例えば、絶縁性である。これにより、例えば、通常動作時において、半導体モジュール３０とカバー５０との間にアークが発生してしまうことなどを抑制することができる。また、パッケージ部３１の破損時に半導体モジュール３０から噴出したアークが、カバー５０を介して周辺部品に影響を与えてしまうことなどを抑制することができる。カバー５０には、例えば、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）などの絶縁性と高い強度とを有する材料が用いられる。これにより、例えば、噴出部がカバー５０を突き抜けて周辺部品に影響を与えてしまうことを抑制することができる。

カバー５０は、例えば、積層方向に延びるとともに、積層体４０とカバー５０との並ぶ第１方向及び積層方向と直交する第２方向に延びる平板状の本体部５１を有する。本体部５１は、例えば、矩形状のヒートシンク４１～４３の領域３０Ｒを外側に配置した１つの辺に沿って延びる略矩形の平板状である。例えば、積層方向を上下方向とし、積層体４０とカバー５０との並ぶ第１方向を前後方向とし、上下方向及び前後方向と直交する第２方向を左右方向とする時、本体部５１は、上下方向及び左右方向に延びる略矩形の平板状である。

本体部５１の左右方向の長さは、例えば、領域３０Ｒの左右方向の長さ以上である。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。また、本体部５１の左右方向の長さは、例えば、矩形状のヒートシンク４１～４３の左右方向の１つの辺の長さ以上であることがより好適である。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。噴出物から周辺部品をより確実に保護することができる。

カバー５０は、例えば、本体部５１の左右方向の一端から積層体４０に向かって延びるとともに、上下方向に延びる延在部５２と、本体部５１の左右方向の他端から積層体４０に向かって延びるとともに、上下方向に延びる延在部５３と、をさらに有する。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。例えば、噴出物の左右方向への広がりをより確実に抑制することができる。

上記のように、積層体４０が複数の半導体モジュール３０を有する場合、複数の半導体モジュール３０のそれぞれの領域３０Ｒは、積層方向から見た時に重なるように配置される。この場合、カバー５０は、積層方向に延び、積層方向と直交する方向において、複数の半導体モジュール３０のそれぞれの領域３０Ｒと対向する。換言すれば、本体部５１は、複数の半導体モジュール３０のそれぞれの領域３０Ｒと対向する。これにより、簡単な構成で複数の半導体モジュール３０の噴出物から周辺部品を適切に保護することができる。

本体部５１の上下方向の長さは、例えば、積層体４０の上下方向の長さ以上である。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。また、延在部５２、５３の上下方向の長さは、例えば、積層体４０の上下方向の長さ以上である。これにより、噴出物の左右方向への広がりをより確実に抑制することができる。

また、カバー５０は、例えば、本体部５１の上下方向の一端から積層体４０に向かって延びるとともに、左右方向に延びる延在部５４と、本体部５１の上下方向の他端から積層体４０に向かって延びるとともに、左右方向に延びる延在部５５と、をさらに有する。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。例えば、噴出物の上下方向への広がりをより確実に抑制することができる。

延在部５４、５５の左右方向の長さは、例えば、領域３０Ｒの左右方向の長さ以上である。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。また、本体部５１の左右方向の長さは、例えば、矩形状のヒートシンク４１～４３の左右方向の１つの辺の長さ以上であることがより好適である。

なお、半導体モジュール３０の１つの領域３０Ｒのヒートシンク４１～４３からの突出量が小さ過ぎると、領域３０Ｒ以外の箇所でパッケージ部３１が破損してしまう可能性が生じてしまう。反対に、半導体モジュール３０の１つの領域３０Ｒのヒートシンク４１～４３からの突出量が大き過ぎると、カバー５０を大きくする必要が生じてしまう。従って、半導体モジュール３０の１つの領域３０Ｒのヒートシンク４１～４３からの突出量は、領域３０Ｒ以外の箇所でのパッケージ部３１の破損を抑制でき、かつカバー５０の大型化を抑制できるように適宜設定することが好ましい。

例えば、図４（ａ）に表したように、積層方向から見た時に、半導体モジュール３０の中心ＣＴと領域３０Ｒの左右方向の一端とを結ぶ仮想線ＶＬ１の延長線、及び半導体モジュール３０の中心ＣＴと領域３０Ｒの左右方向の他端とを結ぶ仮想線ＶＬ２の延長線が、カバー５０と交差するようにする。これにより、噴出物の飛散をより確実に抑制することができる。

そして、例えば、仮想線ＶＬ１と仮想線ＶＬ２との成す角度θを１０°以上９０°以下に設定する。これにより、半導体モジュール３０の１つの領域３０Ｒのヒートシンク４１～４３からの突出量を適切に設定することができる。領域３０Ｒ以外の箇所でのパッケージ部３１の破損を抑制できるとともに、カバー５０の大型化を抑制することができる。

図６は、電力変換装置の一部の変形例を模式的に表す平面図である。
図６に表したように、この例において、電力変換装置１０は、積層体４０を支持するためのフレーム６０をさらに備える。フレーム６０は、例えば、積層方向に延びる４本の支柱６１～６４を有し、４本の支柱６１～６４で囲われる矩形状の空間内に積層体４０を支持する。フレーム６０は、例えば、ボルトとナットを用いてヒートシンク４１、４３の間を締め付けて積層体４０を固定するために用いられる。

このように、電力変換装置１０が積層体４０を支持するためのフレーム６０を備える場合には、カバー５０は、フレーム６０に取り付けてもよい。例えば、図６に表したように、支柱６１、６２の間に領域３０Ｒを配置し、支柱６１、６２に平板状のカバー５０を取り付けてもよい。これにより、積層体４０に対し、簡単な構成でカバー５０を取り付けることができる。

なお、この例では、フレーム６０の外側にカバー５０を取り付けている。これに限ることなく、フレーム６０の内側にカバー５０を取り付けてもよい。但し、カバー５０の取り付け方法や設置方法などは、これに限ることなく、積層体４０に対してカバー５０を適切に配置することができる任意の方法でよい。

また、カバー５０の形状は、図４や図６に示した形状に限ることなく、圧接型の半導体モジュール３０のパッケージ部３１の破損時に生じる噴出物から周辺部品を適切に保護することができる任意の形状でよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…電力変換装置、 １２ａ、１２ｂ…端子、 １４ａ～１４ｃ…端子、 ２０…電力変換器、 ２２…電力変換部、 ３０…半導体モジュール、 ３１…パッケージ部、 ３２…半導体チップ、 ３３、３４…電極板、 ３５…外囲器、 ３６…配線基板、 ３７、３８…緩衝部材、 ４０、４０ａ…積層体、 ４１～４３、４１ａ～４３ａ…ヒートシンク、 ５０、５０ａ…カバー、 ５１…本体部、 ５２～５５…延在部、 ６０…フレーム、 ６１～６４…支柱、 ８０…制御装置、 Ｃ…コンデンサ、 Ｄ…ダイオード

Claims (3)

1. 電力の変換を行う電力変換装置であって、
   ２つのヒートシンクと、２つの前記ヒートシンクの間に設けられた圧接型の半導体モジュールと、を有する積層体と、
   前記積層体の積層方向と直交する方向において前記積層体と並べて設けられたカバーと、
   を備え、
   前記半導体モジュールは、パッケージ部と、前記パッケージ部の内部に設けられた半導体チップと、を有し、
   前記積層体は、前記積層方向から見た時に、前記半導体モジュールの１つの領域のみが２つの前記ヒートシンクよりも外側に位置するように、２つの前記ヒートシンク及び前記半導体モジュールを積層し、
   前記カバーは、前記積層方向と直交する方向において、前記半導体モジュールの前記１つの領域と対向するように、前記積層体の一部の側方のみに設けられる電力変換装置。
2. 前記積層体は、複数の前記ヒートシンクと、複数の前記ヒートシンクのそれぞれの間に設けられた複数の前記半導体モジュールと、を有し、
   複数の前記半導体モジュールのそれぞれは、前記１つの領域のみが複数の前記ヒートシンクよりも外側に位置するように、複数の前記ヒートシンクのそれぞれの間に設けられ、
   複数の前記半導体モジュールのそれぞれの前記１つの領域は、前記積層方向から見た時に重なるように配置され、
   前記カバーは、前記積層方向に延び、前記積層方向と直交する方向において、複数の前記半導体モジュールのそれぞれの前記１つの領域と対向する請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記積層方向から見た時の前記ヒートシンクの形状は、矩形状であり、
   前記半導体モジュールの前記１つの領域は、前記積層方向から見た時に、矩形状の前記ヒートシンクの１つの辺のみに接するように、前記ヒートシンクと積層され、
   前記カバーは、前記積層方向から見た時に、矩形状の前記ヒートシンクの４つの辺のうち、前記半導体モジュールの前記１つの領域と接する１つの辺のみと対向し、残りの３つの辺と対向しないように、前記積層体の一部の側方のみに設けられる請求項１又は２に記載の電力変換装置。
   

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