JP2010130814A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールと冷却器との間に適切な接触圧力を作用させることができると共に、電力変換装置の組付を行うために準備する部品の点数を低減して、その生産性を向上させることができる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置１は、半導体モジュール３と冷却器４とを交互に複数積層し、この積層状態を板バネ５によって押圧して金属製ケース２に保持してなる。板バネ５は、湾曲当接部５１と係合部５２とを有している。金属製ケース２における内側壁面２１には、半導体モジュール３と冷却器４とが積層された横断面において、冷却器４における冷媒通過方向Ｆの端部に向かうほど冷却器４との間の間隔が狭くなる傾斜面２２が形成してある。傾斜面２２には、固定用ピン６を配置することができる複数の固定用溝２３が、係合部５２の基端側から先端側に対向する位置に段階的に並べて形成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却器とを交互に複数積層し、この積層状態を板バネによって押圧して金属製ケースに保持してなる電力変換装置に関する。

インバータ等の電力変換装置においては、スイッチング素子によって発熱する複数の半導体モジュールを、積層型の冷却器を用いて冷却することが行われている。このような電力変換装置としては、例えば、特許文献１、２に開示されたものがある。
特許文献１においては、冷却チューブと半導体モジュールとを交互に積層してなる半導体積層ユニットを、積層方向の一方の端面からばね材の押圧力を付与して積層状態を保持することが開示されている。また、ばね材の端部を、半導体積層ユニットが固定されるフレームに設けられた一対の固定ピンに係止させて、半導体積層ユニットに押圧力を付与している。また、特許文献２においても、同様のばね部材が開示されている。

特開２００６−１５７０４２号公報 特開２００７−１６６８１９号公報

しかしながら、冷却器と半導体モジュールを積層した状態、あるいは板バネ（ばね材、ばね部材）の形成状態には、製造上の寸法のばらつきがある。そのため、従来は、直径が異なる複数種類の固定ピンを準備し、板バネによる弾性変形押圧力が適切になるよう、使用する固定ピンを取り替えていた。これにより、従来は、直径が異なる複数種類の固定ピンを常に準備しておく必要があり、電力変換装置の生産性を向上させるためには十分ではなかった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュールと冷却器との間に適切な接触圧力を作用させることができると共に、電力変換装置の組付を行うために準備する部品の点数を低減して、その生産性を向上させ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、スイッチング素子を備えた半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却するための冷却器とを交互に複数積層し、該積層状態を板バネによって押圧して金属製ケースに保持してなる電力変換装置において、
上記板バネは、上記冷却器の表面に当接する側が凸状に湾曲した湾曲当接部と、該湾曲当接部の端部から該湾曲当接部の湾曲方向に向けて所定の角度で折り返した係合部とを有しており、かつ、上記金属製ケースに配置した固定用ピンを上記係合部に当接させた状態で上記湾曲当接部の弾性変形押圧力によって上記冷却器を押圧するよう構成してあり、
上記金属製ケースにおける内側壁面には、上記半導体モジュールと上記冷却器とが積層された横断面において、上記冷却器における冷媒通過方向の端部に向かうほど該冷却器との間の間隔が狭くなる傾斜面が形成してあり、
該傾斜面には、上記固定用ピンを配置することができる複数の固定用溝が、上記係合部の基端側から先端側に対向する位置に段階的に並べて形成してあ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は、半導体モジュールと冷却器とを交互に複数積層した状態を保持する板バネについて、弾性変形押圧力の調整の仕方に工夫をしている。
具体的には、本発明の板バネは、上記湾曲当接部及び上記係合部を有しており、係合部を金属製ケースに配置した固定用ピンに当接させ、湾曲当接部の弾性変形押圧力によって冷却器を押圧するよう構成してある。また、金属製ケースにおける内側壁面には、上記傾斜面が形成してあり、この傾斜面には、固定用ピンを配置することができる複数の固定用溝が、係合部の基端側から先端側に対向する位置に段階的に並べて形成してある。

そして、本発明においては、電力変換装置を量産する際に、交互に複数積層した半導体モジュールと冷却器との積層長さにばらつきが生じた場合、又は板バネにおける湾曲当接部の湾曲状態にばらつきが生じた場合には、複数の固定用溝のうち固定用ピンを配置する固定用溝を変更することによって、板バネによる弾性変形押圧力（半導体モジュールと冷却器とを積層した状態を保持する力）が適切な押圧力になるようにすることができる。また、上記各ばらつきがほとんど生じていない場合には、複数の固定用溝のうち固定用ピンを配置する固定用溝を変更することによって、板バネによる弾性変形押圧力を調整することもできる。

これにより、本発明においては、直径が異なる複数種類の固定用ピンを準備する必要がなく、１種類の固定用ピンを用い、この固定用ピンの配置位置を変更するといった極めて簡単な方法によって、板バネによる弾性変形押圧力を適切な押圧力に調整することができる。
それ故、本発明の電力変換装置によれば、半導体モジュールと冷却器との間に適切な接触圧力を作用させることができると共に、電力変換装置の組付を行うために準備する部品の点数を低減して、その生産性を向上させることができる。

上述した本発明の電力変換装置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、上記係合部は、上記湾曲当接部の両端部において対称形状となるよう一対に形成し、上記金属製ケースにおける上記傾斜面及び上記複数の固定用溝は、上記一対の係合部にそれぞれ対向する位置に形成することが好ましい（請求項２）。
この場合には、板バネによる弾性変形押圧力を、より安定して調整することができる。
なお、金属製ケースにおける傾斜面及び複数の固定用溝は、一方の係合部に対向する位置にのみ形成することもできる。この場合には、他方の係合部に当接させる固定用ピンは、金属製ケースにおける配置位置を固定することができる。

また、上記固定用ピンは、断面円形状を有しており、上記複数の固定用溝は、上記固定用ピンを配置可能な同一の曲率半径からなる円弧形状に形成することが好ましい（請求項３）。
この場合には、隣接する固定用溝同士の間隔を容易に小さく設定することができる。

また、上記係合部は、その基端側部分を直線形状に形成すると共にその先端側部分を上記固定用ピンの側に屈曲する曲面形状に形成することが好ましい（請求項４）。
この場合には、仮に板バネが位置ずれを行ったときでも、係合部の先端側部分によって固定用ピンが脱落することを防止することができる。

また、上記金属製ケースにおける上記各固定用溝と上記係合部との間の設計上の間隔は、該係合部の基端側部分と該基端側部分に対向するいずれかの上記固定用溝との間の間隔に比べて、上記係合部の先端側部分と該先端側部分に対向するいずれかの上記固定用溝との間の間隔を狭くすることが好ましい。
この場合には、上述した複数の固定用溝のうち固定用ピンを配置する固定用溝を変更することによって、板バネによる弾性変形押圧力を適切な押圧力に調整する構造を容易に形成することができる。

以下に、本発明の電力変換装置にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、スイッチング素子を備えた半導体モジュール３と、半導体モジュール３を冷却するための冷却器４とを交互に複数積層し、この積層状態を板バネ５によって押圧して金属製ケース２（アルミニウム材料からなるケース）に保持してなる。
板バネ５は、冷却器４の表面に当接する側が凸状に湾曲した湾曲当接部５１と、湾曲当接部５１の端部から湾曲当接部５１の湾曲方向Ｄ１に向けて所定の角度で折り返した係合部５２とを有している。

図１に示すごとく、金属製ケース２における内側壁面２１には、半導体モジュール３と冷却器４とが積層された横断面において、冷却器４における冷媒通過方向Ｆの端部に向かうほど冷却器４との間の間隔が狭くなる傾斜面２２が形成してある。この傾斜面２２には、固定用ピン６を配置することができる複数の固定用溝２３が、係合部５２の基端側から先端側に対向する位置に段階的に並べて形成してある。そして、図２、図６に示すごとく、板バネ５は、金属製ケース２におけるいずれかの固定用溝２３に配置した固定用ピン６を係合部５２に当接させた状態で、湾曲当接部５１の弾性変形押圧力によって冷却器４を押圧するよう構成してある。

以下に、本例の電力変換装置１につき、図１〜図８を参照して詳説する。
本例の電力変換装置１は、ハイブリッド自動車又は電気自動車における３相交流モータを駆動するためのインバータを構成する。３相交流モータは、モータジェネレータとして用いる。なお、電力変換装置１は、車両駆動用（車両走行用）の高圧直流電源（約３００Ｖ）から補器用の（オーディオ、計器、ランプ等に用いる）低圧直流電源（約１２Ｖ）を作り出すＤＣ−ＤＣコンバータとすることもできる。

図１に示すごとく、本例の冷却器４は、半導体モジュール３に対面して半導体モジュール３を冷却するよう構成されており、複数の冷却器４の冷媒通過方向Ｆにおける両端部には、冷媒の循環を行うための一対の冷却接続管４１が接続されている。また、各冷却器４は、断面四角形状又は断面扁平形状の管内に、流路を仕切る伝熱フィンを設けて構成されている。同図において、便宜上、冷却器４の部分を斜線でハッチングして示し、冷媒Ｃの流れを矢印で示す。
本例の半導体モジュール３は、隣接する冷却器４本体同士の間に複数個が並んで配置されており、スイッチング素子によって３相交流モータを駆動するためのブリッジ型駆動回路を構成している。

本例の板バネ５における係合部５２は、湾曲当接部５１の両端部において対称形状となるよう一対に形成してある。また、金属製ケース２における傾斜面２２及び複数の固定用溝２３は、一対の係合部５２にそれぞれ対向する位置に形成してある。
図２に示すごとく、本例の複数の固定用溝２３は、金属製ケース２の傾斜面２２において３つが並んで形成してあり、板バネ５における係合部５２の基端側部分に対向する基端側固定用溝２３Ａと、板バネ５における係合部５２の先端側部分に対向する先端側固定用溝２３Ｃと、基端側固定用溝２３Ａと先端側固定用溝２３Ｃとの間に形成した中間固定用溝２３Ｂとがある。
金属製ケース２における各固定用溝２３と板バネ５における係合部５２との間の設計上の間隔Ｗは、係合部５２の中間部分と中間固定用溝２３Ｂとの間の間隔が、係合部５２の基端側部分と基端側固定用溝２３Ａとの間の間隔よりも狭くなっており、係合部５２の先端側部分と先端側固定用溝２３Ｃとの間の間隔が、係合部５２の中間部分と中間固定用溝２３Ｂとの間の間隔よりも狭くなっている。

図１、図２に示すごとく、固定用ピン６は、断面円形状を有しており、複数の固定用溝２３は、固定用ピン６を配置可能な同一の曲率半径からなる円弧形状に形成してある。これにより、隣接する固定用溝２３同士の間隔を容易に小さく設定することができる。
また、係合部５２は、その基端側部分が直線形状に形成してあると共にその先端側部分５２１が固定用ピン６の側に屈曲する曲面形状に形成してある。これにより、仮に板バネ５が位置ずれを行ったときでも、係合部５２の先端側部分によって固定用ピン６が脱落することを防止することができる。

傾斜面２２は、金属製ケース２の内側壁面２１に形成したＣ面状の傾斜によって構成されており、傾斜面２２は、例えば、冷却器４の冷媒通過方向Ｆに対して４５〜６５°の傾斜角度で形成することができる。
また、本例の板バネ５は、平板を屈曲させて形成したものである。板バネ５は、その板厚方向を、半導体モジュール３と冷却器４とを積層した横断面に向けて金属製ケース２内に配置されている。

本例の電力変換装置１においては、電力変換装置１を量産する際に、図２に示すごとく、交互に複数積層した半導体モジュール３と冷却器４との積層体１１の積層長さにばらつきが生じた場合、又は、図６に示すごとく、板バネ５における湾曲当接部５１の湾曲状態にばらつきが生じた場合には、複数の固定用溝２３のうち固定用ピン６を配置する固定用溝２３を変更することによって、板バネ５による弾性変形押圧力（半導体モジュール３と冷却器４とを積層した状態を保持する力）が適切な押圧力になるようにすることができる。

具体的には、半導体モジュール３と冷却器４との積層体１１の積層長さにばらつきが生じた場合（図２の場合）としては、例えば、図３に示すごとく、積層長さが設計上の寸法よりも長くなった場合（図２においてこの場合の積層体１１の端面を１２Ａで示す。）と、図５に示すごとく、積層長さが設計上の寸法よりも短くなった場合（図２においてこの場合の積層体１１の端面を１２Ｃで示す。）とが考えられる。また、図４には、積層長さがほぼ設計上の寸法になった場合（図２においてこの場合の積層体１１の端面を１２Ｂで示す。）を示す。

図３に示すごとく、積層長さが設計上の寸法よりも長くなった場合には、固定用ピン６を基端側固定用溝２３Ａに配置し、この固定用ピン６を係合部５２の基端側部分に当接させることができる。一方、図５に示すごとく、積層長さが設計上の寸法よりも短くなった場合には、固定用ピン６を先端側固定用溝２３Ｃに配置し、この固定用ピン６を係合部５２の先端側部分に当接させることができる。さらに、図４に示すごとく、積層長さがほぼ設計上の寸法となった場合には、固定用ピン６を中間固定用溝２３Ｂに配置し、この固定用ピン６を係合部５２の中間部分に当接させることができる。
これにより、半導体モジュール３と冷却器４との積層体１１の積層長さにばらつきが生じた場合でも、固定用ピン６を配置する固定用溝２３を変更することによって、積層体１１に設計上の適切な押圧力を作用させることができる。

また、板バネ５における湾曲当接部５１の湾曲状態にばらつきが生じた場合（図６の場合）としては、例えば、図７に示すごとく、湾曲当接部５１の湾曲量が大きくなった場合（曲率半径が小さくなった場合で、図６において５１Ａで示す。）と、図５に示すごとく、湾曲当接部５１の湾曲量が小さくなった場合（曲率半径が大きくなった場合で、図６において５１Ｃで示す。）と、図８に示すごとく、湾曲当接部５１の湾曲量が両者の中間になった場合（図６において５１Ｂで示す。）とが考えられる。

図７に示すごとく、湾曲当接部５１の湾曲量が大きくなった場合には、固定用ピン６を基端側固定用溝２３Ａに配置し、この固定用ピン６を係合部５２の基端側部分に当接させることができる。一方、図５に示すごとく、湾曲当接部５１の湾曲量が小さくなった場合には、固定用ピン６を先端側固定用溝２３Ｃに配置し、この固定用ピン６を係合部５２の先端側部分に当接させることができる。また、図８に示すごとく、湾曲当接部５１の湾曲量が図７の場合と図５の場合との中間になった場合には、固定用ピン６を中間固定用溝２３Ｂに配置し、この固定用ピン６を係合部５２の中間部分に当接させることができる。
これにより、板バネ５における湾曲当接部５１の湾曲状態にばらつきが生じた場合でも、固定用ピン６を配置する固定用溝２３を変更することによって、上記積層体１１に設計上の適切な押圧力を作用させることができる。

また、積層体１１又は板バネ５に上記ばらつきがほとんど生じていない場合には、複数の固定用溝２３のうち固定用ピン６を配置する固定用溝２３を変更することによって、板バネ５による弾性変形押圧力を調整することもできる。
また、固定用ピン６をいずれの固定用溝２３に配置した場合であっても、固定用溝２３と係合部５２とが対向して固定用ピン６を挟持することにより、板バネ５により積層体１１を保持する状態が外れてしまうことを防止することができる。

上記傾斜面２２に複数の固定用溝２３を形成した構成により、本例の電力変換装置１においては、直径が異なる複数種類の固定用ピン６を準備する必要がなく、１種類の固定用ピン６を用い、この固定用ピン６の配置位置を変更するといった極めて簡単な方法によって、板バネ５による弾性変形押圧力を適切な押圧力に調整することができる。
それ故、本例の電力変換装置１によれば、半導体モジュール３と冷却器４との間に適切な接触圧力を作用させることができると共に、電力変換装置１の組付を行うために準備する部品の点数を低減して、その生産性を向上させることができる。

実施例における、電力変換装置の横断面を示す断面説明図。 実施例における、交互に複数積層した半導体モジュールと冷却器との積層体の積層長さにばらつきが生じた場合を示す断面説明図。 実施例における、図２の場合において、固定用ピンを基端側固定用溝に配置した場合を示す断面説明図。 実施例における、図２の場合において、固定用ピンを中間固定用溝に配置した場合を示す断面説明図。 実施例における、図２の場合において、固定用ピンを先端側固定用溝に配置した場合を示す断面説明図。 実施例における、板バネにおける湾曲当接部の湾曲状態にばらつきが生じた場合を示す断面説明図。 実施例における、図６の場合において、固定用ピンを基端側固定用溝に配置した場合を示す断面説明図。 実施例における、図６の場合において、固定用ピンを中間固定用溝に配置した場合を示す断面説明図。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ 金属製ケース
２１ 内側壁面
２２ 傾斜面
２３ 固定用溝
３ 半導体モジュール
４ 冷却器
５ 板バネ
５１ 湾曲当接部
５２ 係合部
６ 固定用ピン

Claims (4)

1. スイッチング素子を備えた半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却するための冷却器とを交互に複数積層し、該積層状態を板バネによって押圧して金属製ケースに保持してなる電力変換装置において、
   上記板バネは、上記冷却器の表面に当接する側が凸状に湾曲した湾曲当接部と、該湾曲当接部の端部から該湾曲当接部の湾曲方向に向けて所定の角度で折り返した係合部とを有しており、かつ、上記金属製ケースに配置した固定用ピンを上記係合部に当接させた状態で上記湾曲当接部の弾性変形押圧力によって上記冷却器を押圧するよう構成してあり、
   上記金属製ケースにおける内側壁面には、上記半導体モジュールと上記冷却器とが積層された横断面において、上記冷却器における冷媒通過方向の端部に向かうほど該冷却器との間の間隔が狭くなる傾斜面が形成してあり、
   該傾斜面には、上記固定用ピンを配置することができる複数の固定用溝が、上記係合部の基端側から先端側に対向する位置に段階的に並べて形成してあることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記係合部は、上記湾曲当接部の両端部において対称形状となるよう一対に形成してあり、
   上記金属製ケースにおける上記傾斜面及び上記複数の固定用溝は、上記一対の係合部にそれぞれ対向する位置に形成してあることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２において、上記固定用ピンは、断面円形状を有しており、上記複数の固定用溝は、上記固定用ピンを配置可能な同一の曲率半径からなる円弧形状に形成してあることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記係合部は、その基端側部分が直線形状に形成してあると共にその先端側部分が上記固定用ピンの側に屈曲する曲面形状に形成してあることを特徴とする電力変換装置。

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