JP2013110357A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受熱板とカバーケースの間に絶縁部材が設けられた電力変換装置において、受熱板とカバーケースを締結する締結部材の締結力の低下を防止する。
【解決手段】受熱板（１４）とケース（１９）との間に設けられた絶縁部材（２０）を備えた電力変換装置において、前記受熱板（１４）は、締結部材の軸部（１６ｂ）が挿通される挿通孔（１７）と、前記挿通孔の周囲において前記締結部材の前記軸部以外の一部（１６ａ）と接触して押圧される接触部（１４ｅ）とを備える。前記ケース（１９）は、前記受熱板の前記挿通孔（１７）に対向する凹部（２５）と、前記凹部に連通して前記締結部材の軸部（１６ｂ）が挿入される穴部（２１）とを備える。前記凹部（２５）は、前記受熱板（１４）の面（１４ｃ）に沿った方向において前記接触部（１４ｅ）よりも大きな断面を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換用の半導体素子を搭載した電力変換装置に関する。

電力変換装置として、電力変換用の半導体素子と、半導体素子からの熱を受熱する受熱板と、受熱板を覆うカバーケースとを備えたものが知られている。受熱板の載置面において半導体素子が載置される。カバーケースは、受熱板に対して、載置面とは逆側の面に締結部材（ボルト等）で締結される。カバーケースと受熱板との間に、冷却媒体が流れる冷媒流路が形成される。このような電力変換装置においては、受熱板とカバーケースとがイオン化傾向の異なる材質（例えば銅とアルミニウム）で形成された場合、受熱板とカバーケースの互いに対向する部分で、電食が発生する可能性がある。

特許文献１の従来技術において、電食を抑制するために、受熱板（表面がニッケルメッキされた銅製）とカバーケース（アルミニウム製）との間に、絶縁部材が配置され、受熱板とカバーケースは、締結部材（具体的には締結ボルト）で締結される。

特開２００７−１８９１５９号公報

しかし、絶縁部材がゴムや樹脂等である場合には、絶縁部材の経時劣化等によって、締結部材の締結力（又は締結トルク）が低下する。

本発明は、受熱板とカバーケースの間に絶縁部材が設けられた電力変換装置において、受熱板とカバーケースを締結する締結部材の締結力の低下を防止することを目的とする。

本発明のある態様に係る電力変換装置は、半導体素子からの熱を受熱する受熱板と、前記受熱板に対して締結部材で締結されると共に前記受熱板との間に冷却媒体が流れる冷媒流路を形成するケースと、前記受熱板と前記ケースとの間に設けられた絶縁部材と、を備える。この電力変換装置において、前記受熱板は、前記締結部材の軸部が挿通される挿通孔と、前記挿通孔の周囲において前記締結部材の前記軸部以外の一部と接触して押圧される接触部とを備える。 前記ケースは、前記受熱板の前記挿通孔に対向する凹部と、前記凹部に連通して前記締結部材の軸部が挿入される穴部とを備える。前記凹部は、前記受熱板の面に沿った方向において前記接触部よりも大きな断面を有する。

本発明によれば、受熱板とカバーケースの間に絶縁部材が設けられた電力変換装置において、受熱板とカバーケースを締結する締結部材の締結力の低下を防止できる。

第一実施形態に係る電力変換装置を示す分解斜視図である。 第一実施形態に係る電力変換装置の要部を示す一部断面図である。 （ａ）受熱板と締結ボルトの接触部（接触面）の形状を示す図である。（ｂ）カバーケースの凹部の断面形状を示す図である。 第一実施形態に係る電力変換装置の他の例を示す一部断面図である。 第二実施形態に係る電力変換装置の要部を示す一部断面図である。 第三実施形態に係る電力変換装置の要部を示す一部断面図である。 第四実施形態に係る電力変換装置の要部を示す一部断面図である。 第五実施形態に係る電力変換装置の要部を示す一部断面図である。 他の実施形態に係る電力変換装置を示す分解斜視図である。

以下では図面を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。

＜第一実施形態＞
図１は第一実施形態に係る電力変換装置を示す分解斜視図である。図２は、第一実施形態に係る組立てられた状態の電力変換装置の要部を示す一部断面図である。

第一実施形態の電力変換装置１０は、半導体素子１１と、電極１２と、絶縁層１３と、受熱板１４と、締結ボルト（又は締結ネジ）１６と、カバーケース１９と、絶縁部材２０と、を備える。例えば、電力変換装置１０は、直流電力を交流電力に変換するインバータであるが、これに限定されるものではない。

電力変換に使用される複数の半導体素子１１は、電極１２の表面に搭載される。電極１２は、半導体素子１１の搭載面とは逆側の面において、絶縁層１３を介して、半導体素子１１からの熱を受熱する受熱板１４に搭載される。カバーケース１９は、受熱板１４との間に冷却媒体が流れる冷媒流路１８を形成する。絶縁部材２０は、電食の抑制のため、受熱板１４とカバーケース１９との直接的な接触を防止するように受熱板１４とカバーケース１９との間に配置される。

半導体素子１１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１００やダイオード１０１などの電力変換用の半導体素子である。電極１２は、電気伝導度の良好な銅若しくはアルミニウムなどの金属から形成される。絶縁層１３は、絶縁シートであり、例えば、電気的な絶縁性を有するセラミックから形成されるセラミック基板である。

受熱板１４は、金属で形成され、例えば、表面をＮｉメッキされた銅から形成される。カバーケース１９は、金属で形成され、例えば、アルミニウムからダイカストによって形成される。絶縁部材２０は、セラミックやシリコンゴム等の絶縁材料から形成される。

冷媒流路１８は、受熱板１４とカバーケース１９とで画成される空間である。受熱板１４と冷媒流路１８とカバーケース１９は、発熱する半導体素子１１を冷却する冷却装置となる。冷媒流路１８を流れる冷却媒体は、ＬＬＣ（Long Life Coolant）等の冷却水である。冷却媒体は、入口２３から導入され、冷媒流路１８を流れて出口２４から排出され、再び入口２３に戻されるように循環される。これによって、受熱板１４（ひいては半導体素子１１）が冷却される。冷媒流路１８は、絶縁部材２０によってシールされる。

受熱板１４は、矩形平板状の平板部１４ａと、平板部１４ａに一体に設けられる水冷フィン１４ｂを有する。平板部１４ａの主面（載置面）１４ｃ上には、主面１４ｃに垂直な方向に半導体素子１１と電極１２と絶縁層１３が積層されて載置される。平板部１４ａの主面１４ｃとは反対側の面１４ｄには、水冷フィン１４ｂが設けられる。カバーケース１９は、水冷フィン１４ｂを収容するような凹型の形状を有する。水冷フィン１４ｂは、冷媒流路１８を流れる冷却媒体によって冷却される。

締結ボルト（又は締結ネジ）１６は、締結部材として、受熱板１４とカバーケース１９を締結する。締結ボルト１６は、頭部１６ａと、頭部１６ａから延びる軸部１６ｂを有する。図１と図２において、締結ボルト１６は、頭部１６ａにおいて円状のつば部分１６ｃを有するつば付きボルト（座付きボルト）として示されているが、締結ボルト１６は、つば部分１６ｃを有さない通常のボルトでもよい。また、締結ボルト１６、及び、締結ボルト１６の軸部１６ｂを通すリング状のワッシャ（又はカラー）の組合せを締結部材として用いてもよい。

なお、締結ボルト１６は、受熱板１４と電気的に導通しないように構成され、締結ボルト１６によって受熱板１４とカバーケース１９との間の絶縁が破られないようにしてよい。このために、締結ボルト１６全体又は締結ボルト１６の表面は絶縁材料で形成されてよいし、又、上記のワッシャ（又はカラー）を絶縁材料で形成してもよい。カラーは、特許文献１に記載の絶縁カラーでよい。

受熱板１４は、締結ボルト１６の軸部１６ｂが挿通される挿通孔１７を有する。挿通孔１７は、頭部１６ａのつば部分１６ｃの座面の径よりも小さな径を備える。従って、締結ボルト１６の軸部以外の一部（ここでは、頭部１６ａ）は、挿通孔１７の周囲の接触部１４ｅ（又は接触面）において、受熱板１４に接触して押圧する。

カバーケース１９は、受熱板１４の挿通孔１７に対向する凹部２５と、凹部２５に連なってこれに接続する螺合穴（即ち穴部）２１とを備える。螺合穴２１は、凹部２５の底面に形成され、螺合穴２１には、締結ボルト１６の軸部１６ｂが挿入される。本実施形態では、締結ボルト１６の軸部１６ｂに雄ネジが形成され、螺合穴２１には雌ネジが形成され、締結ボルト１６は螺合穴２１に螺合する。カバーケース１９の凹部２５は、螺合穴２１の周囲に形成され、受熱板１４が配置される方向とは逆側に窪んでいる。締結ボルト１６と、挿通孔１７と、螺合穴２１と、凹部２５と、接触部１４ｅは、回転対称な形状を有し、軸２００に関して略同軸的に配置されることが好ましいが、これに限定されるものではない。

図３（ａ）（ｂ）は、各々、受熱板１４と締結ボルト１６の接触部１４ｅの形状と、カバーケース１９の凹部２５の断面の形状を示す図である。凹部２５の断面は、受熱板１４の主面１４ｃに沿った方向、即ち凹部２５の軸（又は締結ボルト１６の軸部１６ｂ）に垂直な方向における断面である。凹部２５は、主面１４ｃに沿った方向において接触部１４ｅ（接触面）よりも大きな断面を有する。このため、受熱板１４は、締結ボルト１６の軸部以外の一部（頭部１６ａ）に押されてカバーケース１９の方向に弾性変形する。締結ボルト１６には、接触部１４ｅから、受熱板１４の弾性変形した部分による反力が加わる。なお、接触部１４ｅの外周は、締結ボルト１６の頭部１６ａの受熱板１４側の面の外周と同じ形状を有する。

本実施形態では、凹部２５の断面と、受熱板１４と締結ボルト１６の接触部１４ｅは円状であり、凹部２５は内径φ２は、接触部１４ｅの外径φ１より大きい。なお、接触部１４ｅの外径φ１と凹部２５は内径φ２は、共に受熱板１４の円状の挿通孔１７の外径φ３より大きい。なお、図４は、凹部２５の内径φ２は接触部１４ｅの外径φ１に比較してより大きく、凹部２５の断面が接触部１４ｅに比較してより大きい場合を示す。

受熱板１４の弾性変形の量は、凹部２５の内径φ２が増加するにしたがって増加する。このため、凹部２５の内径φ２は、受熱板１４が塑性変形しない範囲で受熱板１４に発生する反力が最大になるよう定められてよい。

カバーケース１９の凹部２５の深さＤｐは、受熱板１４が締結ボルト１６の軸部以外の一部（頭部１６ａ）に押されてカバーケース１９の方向に弾性変形する場合の変位量以上に設定される。受熱板１４が若干カバーケース１９の方向に弾性変形を起こした場合でも、受熱板１４とカバーケース１９との間に隙間３０があり、受熱板１４とカバーケース１９は接触しない。従って、受熱板１４の変形によって、受熱板１４とカバーケース１９との絶縁性が低下しない。

このように、受熱板１４は、締結部材としての締結ボルト１６の軸部１６ｂが挿通される挿通孔１７と、挿通孔１７の周囲において締結ボルト１６の軸部１６ｂ以外の一部（頭部１６ａ）と接触して押圧される接触部１４ｅとを備える。カバーケース１９は、受熱板１４の挿通孔１７に対向する凹部２５と、凹部２５に連通して締結ボルト１６の軸部１６ｂが挿入される螺合穴２１（即ち穴部）とを備える。凹部２５は、受熱板１４の主面１４ｃに沿った方向において接触部１４ｅよりも大きな断面を有する。例えば、凹部２５の断面と接触部１４ｅは円状であって、凹部２５の内径φ２は、接触部１４ｅの外径φ１より大きくてよい。

なお、本実施形態において、凹部２５は、図１と図２に示すような円柱型ではなく、テーパーを設けた錐台の形状（例えば円錐台）にしてもよい。この場合、凹部２５は、受熱板１４の主面１４ｃに沿った方向において、少なくとも受熱板１４側で接触部１４ｅよりも大きな断面を有する。

−作用効果−
本実施形態によると、受熱板１４の接触部１４ｅは、挿通孔１７の周囲において締結ボルト１６（即ち締結部材）の軸部１６ｂ以外の一部（ここでは頭部１６ａ）と接触して押圧される。さらに、カバーケース１９において設けられ受熱板１４の挿通孔１７に対向する凹部２５は、受熱板１４の面（主面１４ｃ）に沿った方向において接触部１４ｅよりも大きな断面を有する。このため、締結ボルト１６が受熱板１４とカバーケース１９を締結した場合に、受熱板１４は、カバーケース１９の方向に弾性変形して、締結ボルト１６に対して、受熱板１４のスプリングバックによる反力が加わる。従って、受熱板とケースとの間に絶縁部材２０が設けられた電力変換装置において、絶縁部材２０の経時劣化による締結ボルト１６（即ち締結部材）の締結力（締結トルク）の低下を、特別な部材を追加すること無く防止することができる。

凹部２５が、受熱板１４の面に沿った方向において、締結ボルト１６の頭部１６ａの断面より大きい断面を有するため、凹部２５は好適に接触部１４ｅよりも大きな断面を有する。

凹部２５の断面と接触部１４ｅは円状であり、且つ、凹部２５の内径φ２は、接触部１４ｅの外径φ１より大きい場合に、受熱板１４は、軸２００の周りで軸対称に、カバーケース１９の方向へ弾性変形する。従って、受熱板１４のスプリングバックによる反力は、軸対称で安定的に締結ボルト１６に加わる。

ここで、カバーケース１９の凹部２５の深さＤｐは、受熱板１４がカバーケース１９の方向に弾性変形する変位量以上の量に設定される。このため、受熱板１４はカバーケース１９の方向に弾性変形を起こした場合でも、受熱板１４の弾性変形した部分はカバーケース１９に接触せず、受熱板１４とカバーケース１９との絶縁性が低下しない。従って、受熱板１４とカバーケース１９との絶縁性を保って電食を抑制するとともに、締結ボルト１６（即ち締結部材）の締結力（締結トルク）の低下を防止できる。

＜第二実施形態＞
図５は、第二実施形態に係る電力変換装置の要部を示す一部断面図である。第二実施形態において、受熱板１４は、受熱板１４の接触部１４ｅ側の面（主面１４ｃ）、及び／又は、その反対側の面（カバーケース１９に対向する面）に、凹部３２を備える。受熱板１４の凹部３２は、締結ボルト１６と受熱板１４の接触部１４ｅ（ひいては締結ボルト１６ａの頭部１６ａ）よりも大きな断面を有する。他の構成は、第一実施形態と同じであり、説明を省略する。

受熱板１４の凹部３２は、締結ボルト１６と、挿通孔１７と、接触部１４ｅと同じく、回転対称な形状を有し、軸２００に関して略同軸的に配置されてよい。この場合、受熱板１４の凹部３２の内径φ４は、接触部１４ｅの外径φ１より大きい。

第二実施形態によると、受熱板１４の凹部３２の底面を構成する受熱板１４の部分において、受熱板１４が薄くなっている。そして、凹部３２は、締結ボルト１６と受熱板１４の接触部１４ｅよりも大きな断面を有するため、受熱板１４が薄くなった部分に締結ボルト１６から力が加わる。従って、同じカバーケース１９の凹部２５に対して、受熱板１４は弾性変形し易くなり弾性変形量が増加する。このため、締結ボルト１６の締結力（締結トルク）の低下がさらに防止できる。

＜第三実施形態＞
図６は、第三実施形態に係る電力変換装置の要部を示す一部断面図である。第三実施形態では、受熱板１４の外周部において絶縁部材２０を介してカバーケース１９に対向する箇所に、第一の切欠き部３３が設けられる。又は、カバーケース１９の外周部において絶縁部材２０を介して受熱板１４に対向する箇所に第二の切欠き部３４が設けられる。第一の切欠き部３３と第二の切欠き部３４は、両方設けられてもよい。他の構成は、第一実施形態と同じであり、説明を省略する。

第三実施形態によると、電力変換装置の外部の湿度（水分）が比較的影響する外周部において、受熱板１４とカバーケース１９との距離３５を大きくできるため、受熱板１４とカバーケース１９との絶縁性が向上する。これより、さらに電食を抑制するとともに、締結ボルト１６（即ち締結部材）の締結力（締結トルク）の低下を防止できる。

＜第四実施形態＞
図７は、第四実施形態に係る電力変換装置の要部を示す一部断面図である。第四実施形態では、絶縁部材２０が、絶縁材料からなる接着剤３６（例えば液状ガスケット等）で構成されている。他の構成は、第一実施形態と同じであり、説明を省略する。

第四実施形態によると、接着剤３６を使用して絶縁部材２０のコストを低くしつつ、締結ボルト１６の締結力の低下が防止できる。また、電力変換装置の組立が容易になる。なお、受熱板１４とカバーケース１９の間で接着剤３６が介在するため、受熱板１４とカバーケース１９の間に水分が溜まらず、この箇所での電食を防止する事ができる。

＜第五実施形態＞
図８は、第五実施形態に係る電力変換装置の要部を示す一部断面図である。第五実施形態では、カバーケース１９の凹部２５の底部は、固化する前の接着剤３６がカバーケース１９の螺合穴２１（穴部）に進入することを阻止する阻止部３７を備える。図８において、阻止部３７は、凹部２５の底部に設けられた傾斜部であるが、代わりに凹部２５の底部に突状部を設けてもよい。他の構成は、第四実施形態と同じであり、説明を省略する。

受熱板１４とカバーケース１９を締結する際、接着剤３６が硬化前の液状であるため、接着剤３６はカバーケース１９の螺合穴２１へ広がる。接着剤３６がカバーケース１９の螺合穴２１へ進入すると、締結ボルト１６の締結力が複数（例えば４つ）の螺合穴２１ごとにばらつく。しかし、阻止部３７は、接着剤３６がカバーケース１９の螺合穴２１（穴部）に進入することを阻止し、接着剤３６が凹部２５の外周部分に溜まる。これにより、締結ボルト１６の締結力（締結トルク）のばらつきを抑制できる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

例えば、図９のように、絶縁部材２０はＯリングであってよい。また、例えば、締結部材をボルトとナットで構成し、螺合穴２１の代わりにカバーケース１９を貫通する穴部が設けられ、ボルトの軸部が穴部に貫通するようにしてよい。また、この場合に、ナットが受熱板１４にボルトの頭部がカバーケース側に設けられて、ナットが受熱板１４と接触部１４ｅで接触するようにしてよい。

１０ 電力変換装置
１１ 半導体素子
１２ 電極
１３ 絶縁層
１４ 受熱板
１４ａ 平板部
１４ｂ 水冷フィン
１４ｃ 主面
１４ｄ 主面と反対側の面
１４ｅ 接触部
１６ 締結ボルト（締結部材）
１６ａ 頭部
１６ｂ 軸部
１６ｃ つば部分
１７ 挿通孔
１８ 冷媒流路
１９ カバーケース
２０ 絶縁部材
２１ 螺合穴（穴部）
２５ 凹部
２００ 軸

Claims (7)

1. 半導体素子からの熱を受熱する受熱板と、前記受熱板に対して締結部材で締結されると共に前記受熱板との間に冷却媒体が流れる冷媒流路を形成するケースと、前記受熱板と前記ケースとの間に設けられた絶縁部材と、を備えた電力変換装置において、
   前記受熱板は、前記締結部材の軸部が挿通される挿通孔と、前記挿通孔の周囲において前記締結部材の前記軸部以外の一部と接触して押圧される接触部とを備え、
   前記ケースは、前記受熱板の前記挿通孔に対向する凹部と、前記凹部に連通して前記締結部材の軸部が挿入される穴部とを備え、前記凹部は、前記受熱板の面に沿った方向において前記接触部よりも大きな断面を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記締結部材の前記軸部以外の一部が、ボルトの頭部であり、
   前記ケースの前記凹部が、前記受熱板の面に沿った方向において、前記ボルトの頭部の断面より大きい断面を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記ケースの前記凹部の断面と、前記接触部とは円状であり、
   前記ケースの前記凹部の内径は、前記接触部の外径より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記受熱板は、前記受熱板の前記接触部側の面、及び／又は、その反対側の面に、前記接触部よりも大きな断面を有する凹部を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の電力変換装置。
5. 前記ケースの外周部において前記絶縁部材を介して前記受熱板に対向する箇所、及び／又は、前記受熱板の外周部において前記絶縁部材を介して前記ケースに対向する箇所に、切欠き部が設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の電力変換装置。
6. 前記絶縁部材は、絶縁材料からなる接着剤であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の電力変換装置。
7. 前記ケースの前記凹部の底部は、固化する前の前記接着剤が前記ケースの前記穴部に進入することを阻止する阻止部を備えることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。

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