JP2011234587A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を図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、積層された複数の冷却管３１と複数の冷却管３１を長手方向Ｘの両端部３１１、３１２において互いに連結する複数の連結管３２とを有する冷却器３と、冷却器３における隣接する冷却管３１の間に配置された複数の半導体モジュール２とを備えている。半導体モジュール２は、長手方向Ｘ及び積層方向Ｙに直交する方向の端面である直交端面２１１に、半導体モジュール２を把持する把持手段によって把持される被把持部２０を設けてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールとその半導体モジュールを冷却する冷却器とを備えた電力変換装置に関する。

従来から、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と車両に搭載された直流バッテリーとの間において、電力の変換を行うための電力変換装置がある。
図１０に示すごとく、電力変換装置９１としては、例えば、積層された複数の冷却管９３１とその複数の冷却管９３１を長手方向Ｘの両端部において互いに連結する複数の連結管９３２とを有する冷却器９３と、その冷却器９３における隣接する冷却管９３１の間に配置された複数の半導体モジュール９２とを備えたものが知られている。このような構造とすることにより、発熱する半導体モジュール９２を冷却器９３によって冷却し、半導体モジュール９２の温度上昇等による不具合の発生を抑制している。

この電力変換装置９１を製造するに当たっては、冷却器９３における隣接する冷却管９３１の間に半導体モジュール９２を配置して組み付ける。
半導体モジュール９２の組み付け方法としては、例えば、図１１に示すごとく、半導体モジュール９２の両側端部９２１、９２２に、把持手段（チャック用治具）９４によって把持可能な側方へ突出したテーパ部を設けておき、その半導体モジュール９２の両側端部９２１、９２２を把持手段９４によって両側から把持する。そして、図１２に示すごとく、把持手段９４によって把持した状態で隣接する冷却管９３１の間に半導体モジュール９２を配置する（特許文献１参照）。

特開２００７−２３６１２０号公報

しかしながら、上記特許文献１の電力変換装置９１では、図１２に示すごとく、半導体モジュール９２の両側端部９２１、９２２を把持手段９４によって把持した状態で、隣接する冷却管９３１の間に半導体モジュール９２を配置する。そのため、把持手段９４が冷却管９３１を連結する連結管９３２に干渉しないように、半導体モジュール９２と連結管９３２との間に把持手段９４が入り込む大きなスペースＳ（図１０）を設けておく必要があった。そのため、冷却器９３の体格がその分大きくなってしまい、それに伴って電力変換装置９１全体の体格が大きくなってしまうという問題があった。
また、半導体モジュール９２の両側端部９２１、９２２に把持手段９４によって把持可能な形状、すなわち側方へ突出したテーパ面を設けているため、半導体モジュール９２自体の体格も大きくなってしまうという問題もあった。

本発明は、かかる従来の問題点を鑑みてなされたもので、小型化を図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、積層された複数の冷却管と該複数の冷却管を長手方向の両端部において互いに連結する複数の連結管とを有する冷却器と、該冷却器における隣接する上記冷却管の間に配置された複数の半導体モジュールとを備えた電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、上記長手方向及び積層方向に直交する方向の端面である両直交端面の少なくともいずれか一方に、上記半導体モジュールを把持する把持手段によって把持される被把持部を設けてな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、上記半導体モジュールにおける上記長手方向及び上記積層方向に直交する方向（以下、適宜、直交方向という）の端面である上記直交端面に、上記把持手段によって把持される上記被把持部を設けてある。そのため、上記半導体モジュールと上記連結管との間に大きなスペースがなくても、上記半導体モジュールの上記被把持部を上記把持手段によって把持した状態で、上記半導体モジュールを隣接する上記冷却管の間に配置することができ、上記把持手段が上記連結管に干渉するおそれもない。これにより、上記半導体モジュールと上記連結管との間のスペースを小さくすることができるため、上記冷却器の上記長手方向における体格を小さくすることができ、これに伴って上記電力変換装置全体の小型化を図ることができる。

また、上記半導体モジュールの上記直交端面に上記被把持部を設けたことにより、従来のように、上記半導体モジュールの上記長手方向の端部に上記把持手段によって把持可能な形状を設けておく必要がなくなる。そのため、上記半導体モジュールの上記長手方向における体格を小さくすることができる。これにより、上記冷却器の上記長手方向における体格を小さくすることができ、これに伴って上記電力変換装置全体の小型化を図ることができる。

このように、本発明によれば、小型化を図ることができる電力変換装置を提供することができる。

実施例における、電力変換装置の構造を示す説明図。 実施例における、半導体モジュールを正面から見た説明図。 実施例における、半導体モジュールを上面から見た説明図。 実施例における、把持手段によって半導体モジュールを把持した状態を示す説明図。 図４におけるＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例における、半導体モジュールを隣接する冷却管の間に配置する工程を示す説明図。 実施例における、把持手段による半導体モジュールの把持を解除した状態を示す説明図。 実施例における、被把持部の配置の別例を示す説明図。 実施例における、位置決め治具の別例を示す説明図。 従来における、電力変換装置の構造を示す説明図。 従来における、把持手段によって半導体モジュールを把持した状態を示す説明図。 従来における、半導体モジュールを隣接する冷却管の間に配置する工程を示す説明図。

本発明において、上記電力変換装置としては、例えば、インバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等がある。また、上記電力変換装置は、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ることができる。
また、上記半導体モジュールと上記冷却管とは、直接密着していてもよいし、熱伝導性を有する絶縁材等を介して密着していてもよい。

また、上記被把持部は、上記半導体モジュールの上記両直交端面の少なくともいずれか一方に設けてある。すなわち、上記両直交端面のいずれか一方に設けてもよいし、両方に設けてもよい。
また、上記被把持部の配設位置、個数、形状等は、上記把持手段に合わせて自由に設定することができる。

また、上記被把持部は、上記半導体モジュールの上記直交端面を凹ませることにより形成してなることが好ましい（請求項２）。
例えば、上記半導体モジュールの上記直交端面を凹ませた凹溝等を複数形成し、これらの間の部位を上記被把持部とすることができる。
この場合には、上記半導体モジュールの上記被把持部を上記把持手段によって容易に把持することができる。また、上記半導体モジュールの占有スペースを小さくすることができるという効果も得られ、さらに小型化を図ることができる。

なお、上記被把持部は、上記半導体モジュールの上記直交端面を突出させて形成してもよい。
例えば、上記半導体モジュールの上記直交端面を突出させた突出部等を形成し、これを上記被把持部とすることができる。

また、上記半導体モジュールは、２個のスイッチング素子を内蔵していると共に該スイッチング素子にそれぞれ導通した一対の信号端子群を上記長手方向において互いに離隔させた状態で一方の上記直交端面から突出させており、かつ、該直交端面における上記一対の信号端子群の間に、上記被把持部を設けてなることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記一対の信号端子群の間に設けた上記被把持部により、上記一対の信号端子群の間の絶縁距離（沿面距離）を大きくすることができ、絶縁性を向上させることができる。また、このような効果を利用することで、絶縁距離（沿面距離）を維持しながら、従来よりも上記一対の信号端子群の間の直線距離を短くすることができる。これにより、上記半導体モジュールの上記長手方向における体格をさらに小さくすることができ、上記電力変換装置全体の小型化をより一層図ることができる。

また、上記半導体モジュールにおける上記スイッチング素子に導通した複数のパワー端子を上記一対の信号端子群を突出させた側とは反対側の上記直交端面から突出させ、このパワー端子の間に上記被把持部を設けることもできる。
この場合には、上記パワー端子の間に設けた上記被把持部により、上記パワー端子の間の絶縁距離（沿面距離）を大きくすることができ、絶縁性を向上させることができる。

なお、上記信号端子は、上記半導体モジュールに内蔵された上記スイッチング素子を制御する制御回路基板に接続されている。また、この制御回路基板が上記スイッチング素子の制御を行うことにより、上記パワー端子に流れる電流の量やタイミングを制御することができる。

また、上記被把持部は、上記一対の信号端子群の間において少なくとも一部が互いに重なり合うように複数並んで配置された凹溝からなることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記一対の信号端子群の間の絶縁距離（沿面距離）を容易かつ確実に大きくすることができ、絶縁性をさらに向上させることができる。

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。
本例の電力変換装置１は、図１〜図３に示すごとく、積層された複数の冷却管３１と複数の冷却管３１を長手方向Ｘの両端部３１１、３１２において互いに連結する複数の連結管３２とを有する冷却器３と、冷却器３における隣接する冷却管３１の間に配置された複数の半導体モジュール２とを備えている。
そして、半導体モジュール２は、長手方向Ｘ及び積層方向Ｙに直交する方向（直交方向Ｚ）の端面である両直交端面２１１、２１２のうちの一方の直交端面（第１直交端面）２１１に、半導体モジュール２を把持する把持手段４（図４〜図８）によって把持される被把持部２０を設けてなる。
以下、これを詳説する。

本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、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電気モータに通電する駆動電力を生成するためのＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等に適用されるものである。
電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２とその半導体モジュール２を冷却するための冷却器３とを備えている。

同図に示すごとく、冷却器３は、積層された複数の冷却管３１と、隣接する冷却管３１を長手方向Ｘの両端部３１１、３１２において連結する複数の連結管３２とを有する。
冷却器３における積層方向Ｙの一端に配置された冷却管３１には、外部から冷却媒体を導入するための冷媒導入管３３と、外部に冷却媒体を排出するための冷媒排出管３４とが接続されている。

図２、図３に示すごとく、半導体モジュール２は、電力変換回路を構成する２個のスイッチング素子（図示略）を内蔵した本体部２１と、２個のスイッチング素子に導通した一対の信号端子群２２ａ、２２ｂ及び複数のパワー端子２３ａ、２３ｂ、２３ｃとを有する。信号端子群２２ａ、２２ｂは、それぞれ複数の信号端子２２１により構成されている。また、本体部２１の両主面２１３、２１４には、放熱板２４が取り付けられている。

同図に示すごとく、一対の信号端子群２２ａ、２２ｂは、２個のスイッチング素子にそれぞれ導通している。具体的には、各信号端子群２２ａ、２２ｂのそれぞれに属する少なくとも１本ずつの信号端子２２１が各スイッチング素子にそれぞれ接続されている。また、一対の信号端子群２２ａ、２２ｂは、長手方向Ｘにおいて互いに離隔させた状態で、本体部２１における一方の直交端面（第１直交端面）２１１から突出している。
複数のパワー端子２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、本体部２１における他方の直交端面（第２直交端面）２１２から突出している。

また、一対の信号端子群２２ａ、２２ｂは、スイッチング素子を制御する制御回路基板（図示略）に接続されている。この制御回路基板がスイッチング素子の制御を行うことにより、パワー端子２３ａ、２３ｂ、２３ｃの間を流れる電流の量やタイミングを制御することができるよう構成されている。

図２、図３に示すごとく、本体部２１の第１直交端面２１１には、半導体モジュール２を把持する把持手段４（図４〜図８）によって把持される被把持部２０が設けられている。
本例では、被把持部２０は、本体部２１の第１直交端面２１１を凹ませることにより形成してなる３つの凹溝２０１からなり、その３つの凹溝２０１は、一対の信号端子群２２ａ、２２ｂの間において長手方向Ｘに並んで配置されている。そのうち、１つは本体部２１の一方の主面２１３から所定長さ内部に切り込んで形成されており、その他の２つは本体部２１の他方の主面２１４から所定長さ内部に切り込んで形成されている。

また、図１に示すごとく、半導体モジュール２は、冷却器３における隣接する冷却管３１の間に配置されている。半導体モジュール２と冷却管３とは、両者の間に配置された絶縁板２５を介して密着している。
そして、電力変換装置１は、半導体モジュール２と冷却器３の冷却管３１とを交互に積層した構造を有することにより、冷却管３１内を流れる冷却媒体によって、発熱した半導体モジュール２を積層方向Ｙの両側から冷却することができるよう構成されている。

次に、本例の電極変換装置１における半導体モジュール２を冷却器３に組み付ける手順を説明する。
まず、図４、図５に示すごとく、本体部２１の両主面２１３、２１４に絶縁板２５を取り付けた半導体モジュール２を準備し、その半導体モジュール２を把持手段４によって把持する。なお、図４では、本体部２１の主面２１３に取り付けた絶縁板２５の図示を省略している。後述する図６〜図８も同様である。

具体的には、同図に示すごとく、把持手段４は、把持本体部４１とその把持本体部４１から突出させた３つの把持部４２とを有する。そして、把持手段４における３つの把持部４２を半導体モジュール２の本体部２１の第１直交端面２１１における３つの被把持部２０内にそれぞれ挿入し、その３つの把持部４２によって半導体モジュール２を積層方向Ｙに把持する。

次いで、図６に示すごとく、把持手段４によって半導体モジュール２を把持した状態で、冷却器３のおける隣接する冷却管３１の間に半導体モジュール２を直交方向Ｚに挿入して配置する。このとき、半導体モジュール２の本体部２１の第２直交端面２１２側に、半導体モジュール２における直交方向Ｚの位置決めをするための位置決め治具５１ａ、５１ｂを配置しておき、本体部２１の第２直交端面２１２が位置決め治具５１ａ、５１ｂに当接するまで半導体モジュール２を挿入する。

次いで、図７に示すごとく、把持手段４を直交方向Ｚにおいて半導体モジュール２から後退させ、把持部４２を被把持部２０から外す。これにより、把持手段４の把持部４２による半導体モジュール２の把持を解除する。
そして、すべての半導体モジュール２を冷却管３１の間に配置した後、冷却器３を積層方向Ｙに圧縮することにより、冷却管３１を半導体モジュール２に圧接する。
以上により、半導体モジュール２を冷却器３に組み付ける。

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は、半導体モジュール２における長手方向Ｘ及び積層方向Ｙに直交する直交方向Ｚの端面である第１直交端面２１１に、把持手段４によって把持される被把持部２０を設けてある。そのため、半導体モジュール２と連結管３２との間に大きなスペースがなくても、半導体モジュール２の被把持部２０を把持手段４によって把持した状態で、半導体モジュール２を隣接する冷却管３１の間に配置することができ、把持手段４が連結管３２に干渉するおそれもない。これにより、半導体モジュール２と連結管３２との間のスペースＳ（図１）を小さくすることができるため、冷却器３の長手方向Ｘにおける体格を小さくすることができ、これに伴って電力変換装置１全体の小型化を図ることができる。

また、半導体モジュール２の第１直交端面２１１に被把持部２０を設けたことにより、従来のように、半導体モジュール２の長手方向Ｘの端部に把持手段４によって把持可能な形状（図１０、図１１参照）を設けておく必要がなくなる。そのため、半導体モジュール２の長手方向Ｘにおける体格を小さくすることができる。これにより、冷却器３の長手方向Ｘにおける体格を小さくすることができ、これに伴って電力変換装置１全体の小型化を図ることができる。

また、本例では、被把持部２０は、半導体モジュール２の本体部２１の第１直交端面２１１を凹ませることにより形成してなる複数の凹溝２０１からなる。そのため、半導体モジュール２の被把持部２０を把持手段４によって容易に把持することができる。また、半導体モジュール２の占有スペースを小さくすることができるという効果も得られ、さらに小型化を図ることができる。

また、半導体モジュール２は、２個のスイッチング素子を内蔵していると共にスイッチング素子にそれぞれ導通した一対の信号端子群２２ａ、２２ｂを長手方向Ｘにおいて互いに離隔させた状態で第１直交端面２１１から突出させており、かつ、第１直交端面２１１における一対の信号端子群２２ａ、２２ｂの間に、被把持部２０を設けてなる。そのため、一対の信号端子群２２ａ、２２ｂの間の絶縁距離（沿面距離）を大きくすることができ、絶縁性を向上させることができる。また、このような効果を利用することで、絶縁距離（沿面距離）を維持しながら、従来よりも一対の信号端子群２２ａ、２２ｂの間の直線距離を短くすることができる。これにより、半導体モジュール２の長手方向Ｘにおける体格をさらに小さくすることができ、電力変換装置１全体の小型化をより一層図ることができる。

このように、本例によれば、小型化を図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。

なお、本例では、図３に示すごとく、被把持部２０は、一対の信号端子群２２ａ、２２ｂの間において長手方向Ｘに並んで配置された複数の凹溝２０１からなるが、例えば、図８に示すごとく、この複数の凹溝２０１を一対の信号端子群２２ａ、２２ｂの間において少なくとも一部が互いに重なり合うように長手方向Ｘに並んで配置することもできる。この場合には、一対の信号端子群２２ａ、２２ｂの間の絶縁距離（沿面距離）を容易かつ確実に大きくすることができ、絶縁性をさらに向上させることができる。

また、図６に示す位置決め治具５１ａ、５１ｂに代えて、図９に示すごとく、位置決め本体部５２１とその本体部５２１から突出させた３つの位置決め突出部５２２とを有する位置決め治具５２を用いることができる。この場合には、半導体モジュール２の本体部２１の第２直交端面２１２に、３つの位置決め突出部５２２に対応する３つの位置決め溝２０２を設けておき、その位置決め溝２０２の底面に位置決め治具５２の位置決め突出部５２２が当接するまで、半導体モジュール２を隣接する冷却管３１の間に挿入する。これにより、半導体モジュール２を精度良く配置することができる。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
２０ 被把持部
２１１ 直交端面
３ 冷却器
３１ 冷却管
３１１、３１２ 端部
３２ 連結管
Ｘ 長手方向
Ｙ 積層方向

Claims (4)

1. 積層された複数の冷却管と該複数の冷却管を長手方向の両端部において互いに連結する複数の連結管とを有する冷却器と、該冷却器における隣接する上記冷却管の間に配置された複数の半導体モジュールとを備えた電力変換装置であって、
   上記半導体モジュールは、上記長手方向及び積層方向に直交する方向の端面である両直交端面の少なくともいずれか一方に、上記半導体モジュールを把持する把持手段によって把持される被把持部を設けてな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、上記被把持部は、上記半導体モジュールの上記直交端面を凹ませることにより形成してな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、上記半導体モジュールは、２個のスイッチング素子を内蔵していると共に該スイッチング素子にそれぞれ導通した一対の信号端子群を上記長手方向において互いに離隔させた状態で一方の上記直交端面から突出させており、かつ、該直交端面における上記一対の信号端子群の間に、上記被把持部を設けてな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、上記被把持部は、上記一対の信号端子群の間において少なくとも一部が互いに重なり合うように複数並んで配置された凹溝からなることを特徴とする電力変換装置。

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