JP2014230349A

JP2014230349A - 電力変換装置

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Publication number: JP2014230349A
Application number: JP2013106922A
Authority: JP
Inventors: 耕亮徳永; Yasuaki Tokunaga; 啓太郎石川; Keitaro Ishikawa
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2014-12-08
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: JP6088903B2

Abstract

【課題】ケース内における半導体積層ユニットの位置決めを確実かつ容易に行い、小型化が可能な電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置は、半導体モジュールと、冷却チューブ４１と、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３とを備えた冷却器４と、半導体積層ユニット２を内側に収容するケース７とを有している。冷却チューブ４１は、半導体モジュール３と共に積層され半導体積層ユニット２を形成している。冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３は、積層方向Ｘの一端に配された冷却チューブ４１０から突出している。ケース７は、一対の貫通孔７５２と、位置決め部７１とを有している。位置決め部７１は、ケース７の内部における冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３の間に配されると共に、立上り部４２１、４３１に当接する立上り当接部７１１を有している
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置としては、特許文献１に示されたように、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールとこれを冷却する冷却器とを有するものがある。冷却器は、その内部に冷媒を流通させる冷却チューブと、この冷却チューブ内に冷媒を導入又は排出するための一対のパイプとを備えている。一対のパイプは、積層方向の一端に配された冷却チューブから積層方向に突出している。

特許文献１の電力変換装置は、半導体モジュールと冷却器の冷却チューブとを交互に積層して半導体積層ユニットを形成しフレームの内側に収容してある。半導体積層ユニットは、加圧部材によって、積層方向に圧縮されている。冷却器が有する一対のパイプは、フレームが有する一対のパイプ支持部とパイプクランプとによって挟持されると共に、パイプ支持部よりも先端側がフレームに形成された一対の挿通孔から外側に向かってそれぞれ突出するように配されている。

特開２０１２−１６２６４号公報

しかしながら、特許文献１の電力変換装置には、以下の課題がある。
特許文献１の電力変換装置において、ケース内における半導体積層ユニットの位置は、一対のパイプをパイプ支持部及びパイプクランプによって挟持した際におおむね決められる。したがって、一対のパイプと半導体積層ユニットとの間における寸法公差や、組み付け時の位置ずれ等の影響によって、半導体ケース内における半導体積層ユニットの位置ずれが生じやすい。

半導体積層ユニットに一対のパイプの並び方向における位置ずれが生じた場合、ケースの壁部や電力変換装置を構成する部品と接触することがある。接触を防止するために、半導体積層ユニットの周囲の隙間を増大する必要がある。そのため、半導体積層ユニットを収容するケースが大型となり、ひいては電力変換装置が大型化する。

また、加圧部材によって積層方向に圧縮された半導体積層ユニットにおいては、冷却チューブにたわみが生じ、一対のパイプの先端同士が互いに近づくように内側に倒れこむ場合がある。このとき、パイプと貫通孔との間において位置ずれが生じ、一対のパイプにそれぞれ連結される連結部品との連結作業性が悪化する場合がある。尚、加圧部材以外の構造、例えば、ボルト及びナットを用いた締結構造などによって、半導体積層ユニットを固定した際にも圧縮、加圧されるため同様の問題が生じうる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、フレーム内における半導体積層ユニットの位置決めを確実かつ容易に行い、小型化が可能な電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、スイッチング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と積層配置され半導体積層ユニットを形成すると共に上記半導体モジュールを冷却する冷却チューブと、積層方向の一端に配された上記冷却チューブから積層方向に突出すると共に冷却媒体を導入及び排出する冷媒導入部及び冷媒排出部とを備えた冷却器と、
上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部を突出させつつ、上記冷却器を内側に収容するケースとを有し、
該ケースは、上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部に配されたシール部材と嵌合する一対の貫通孔と、上記半導体積層ユニットを、上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部の並び方向において位置決めする位置決め部とを有しており、
上記位置決め部は、上記ケースの内部における上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部の間に配されると共に、上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部における上記冷却チューブからの立上り部に当接する立上り当接部を有していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置は、上述のごとく、上記立上り部に当接する上記立上り当接部を有する上記位置決め部によって、上記半導体積層ユニットの上記並び方向における位置決めを行っている。これにより、上記ケース内における上記半導体積層ユニットの位置ずれを抑制することができる。

すなわち、上記立上り部は、上記半導体積層ユニットを構成する上記冷却チューブと直接つながるように形成されているため、寸法管理が容易であり、冷却チューブに対して高い寸法精度で形成することができる。そのため、上記立上り部を上記立上り当接部によって位置決めすることにより、上記ケース内における上記半導体積層ユニットの位置ズレを抑制することができる。これにより、上記ケース内における上記半導体積層ユニットの周囲に必要な隙間を小さくすることができる。それゆえ、上記ケースの小型化が可能となり、ひいては上記電力変換装置の小型化をすることができる。

また、上記位置決め部は、上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部の間に配されている。そのため、上記立上り当接部を上記立上り部に当接させ、上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部が上記位置決め部よりも内側に移動することを防止できる。例えば、上記半導体積層ユニットが、上記積層方向に圧縮された際に、上記半導体積層ユニットにたわみが生じ、上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部が内側に向かって倒れこむことが考えられる。このような場合においても、上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部における倒れこみを防止し、正しい姿勢に保つことができる。これにより、従来、冷媒導入部及び冷媒排出部の位置決めをしていたパイプクランプ等の部材を用いることなく、上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部を所定の位置に配置することができる。それゆえ、上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部にそれぞれ連結される連結部品との連結作業を容易に行うことができる。

以上のごとく、上記電力変換装置によれば、ケース内における半導体積層ユニットの位置決めを確実かつ容易に行い、小型化が可能となる。

実施例１における、電力変換装置の平面図。実施例１における、電力変換装置の断面図（図１における、II-II矢視断面図）。図１における、部分拡大図。実施例１における、電力変換装置の断面図（図１における、IV-IV矢視断面の部分拡大図）。

上記電力変換装置において、上記立上り部は、上記冷却チューブと一体に形成されていてもよい（請求項２）。この場合には、上記立上り部を上記積層方向に精度よく形成することができる。これにより、上記半導体積層ユニットの位置ずれをより抑制することができる。この場合には、上記冷却チューブと上記立上り部との間の寸法精度をより高めることができる。これにより、上記半導体積層ユニットの位置ずれをより抑制することができる。

また、上記ケースと上記位置決め部とは一体に形成されていてもよい（請求項３）。この場合には、上記電力変換装置の部品点数を低減し、構造を簡略化することができる。

また、上記位置決め部は、上記冷媒導入部及び上記冷媒排出部が突出する上記一端に配された上記冷却チューブと当接するチューブ当接部を有していてもよい（請求項４）。この場合には、上記位置決め部によって、上記半導体積層ユニットにおける積層方向の位置決めをすることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置にかかる実施例について、図１〜図４を参照して説明する。
図１及び図２に示すごとく、電力変換装置１は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール３と、半導体モジュール３を冷却する冷却チューブ４１と冷却媒体を導入又は排出する冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３とを備えた冷却器４と、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３を突出させつつ、半導体積層ユニット２を内側に収容するケース７とを有している。

図１及び図２に示すごとく、冷却チューブ４１は、半導体モジュール３と積層配置され半導体積層ユニット２を形成している。
冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３は、積層方向Ｘの一端に配された冷却チューブ４１０から積層方向Ｘに突出している。

図１及び図２に示すごとく、ケース７は、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３に配されたシール部材４４と嵌合する一対の貫通孔７５２と、半導体積層ユニット２を、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３の並び方向において位置決めする位置決め部７１とを有している。
位置決め部７１は、ケース７の内部における冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３の間に配されると共に、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３における冷却チューブ４１０からの立上り部４２１、４３１に当接する立上り当接部７１１を有している

以下、さらに詳細に説明する。
本例において、半導体モジュール３と冷却チューブ４１が積層された方向を積層方向Ｘ、冷却チューブ４１の長手方向を横方向Ｙ、また、積層方向Ｘ及び横方向Ｙの両方に対して直交する方向を高さ方向Ｚとして、以下説明する。
また、積層方向Ｘにおいて、加圧部材５を配した側を後方とし、反対側を前方とする。また、高さ方向Ｚにおいて、ケース７の底部７２が配される側を下方とし、反対側を上方とする。

図１及び図２に示すごとく、電力変換装置１は、電力変換回路の一部を構成する半導体積層ユニット２と、半導体積層ユニット２を収容するケース７と、該ケース７の内側に半導体積層ユニット２と共に配される加圧部材５とを有している。
半導体積層ユニット２は、同図中に示すごとく、複数の半導体モジュール３と、該複数の半導体モジュール３を両主面から冷却する複数の冷却チューブ４１とを積層してなる。

図１及び図２に示すごとく、半導体モジュール３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。半導体モジュール３は、スイッチング素子を樹脂モールドしてなる平板状の本体部３１と、該本体部３１の端面から互いに反対方向に突出した主電極端子３２及び制御端子３３とからなる。平板状の本体部３１における主面の法線方向が積層方向Ｘとなるように、半導体モジュール３は冷却チューブ４１と積層されている。主電極端子３２は、高さ方向Ｚの下方に突出させてあり、制御端子３３は、高さ方向Ｚの上方に突出させてある。主電極端子３２は、バスバー（図示略）と接続されており、該バスバーを介して被制御電力が半導体モジュール３に入出力される。また、制御端子３３は、制御回路基板（図示略）と接続されており、スイッチング素子を制御する制御電流が入力される。

図１及び図２に示すごとく、複数の冷却チューブ４１は、半導体モジュール３の両主面に当接して配されている。本例において、冷却チューブ４１は、アルミニウム等の金属によって構成され、複数の冷却チューブ４１が半導体モジュール３を両主面から挟持するように配されている。隣り合う冷却チューブ４１は、横方向Ｙの両端部付近において連結管４５によって、互いに連結されている。また、前方端に配された冷却チューブ４１０には、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３を配してある。

図１及び図２に示すごとく、冷却媒体を導入する冷媒導入部４２と冷却媒体を排出する冷媒排出部４３とは、前方端に配された冷却チューブ４１０の前面から、積層方向Ｘに沿って前方に向かって突出している。
冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３は、冷却チューブ４１０の前面から立設した立上り部４２１、４３１と、立上り部４２１、４３１の先端に配されたパイプ４２２、４３２とを有している。本例において、立上り部４２１、４３１は、冷却チューブ４１０と一体に形成されており、前方に突出した円筒状をなしている。

図１及び図２に示すごとく、パイプ４２２、４３２は、立上り部４２１、４３１よりも外径が小さい円筒状をなしており、立上り部４２１、４３１から前方に向かって延設されている。またパイプ４２２、４３２の外周には、ケース７における貫通孔７５２との間をシールするシール部材４４が嵌合してある。パイプ４２２、４３２の先端は、半導体積層ユニット２をケース７の内側に配した際に、ケース７の前方壁部７４よりも外側に向かって突出して配されている。

冷媒導入管４２から導入された冷却媒体は、適宜連結管４５を通り、各冷却チューブ４１に分配されると共にその長手方向（横方向Ｙ）に流通する。そして、冷却媒体は、各冷却チューブ４１を流れる間に半導体モジュール３との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷却媒体は、適宜下流側の連結管４５を通り、冷媒排出管４３に導かれ排出される。冷却媒体としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷媒を用いることができる。

図１及び図２に示すごとく、半導体積層ユニット２は、加圧部材５と共にケース７の内側に配される。加圧部材５は、その付勢力によって半導体積層ユニット２を積層方向Ｘに押圧保持している。また、ケース７の内側には、加圧部材５と共に下記の介在部材６１、６２を配してある。
加圧部材５は湾曲して形成された板ばねからなり、加圧部材５の横方向Ｙの中央において当接プレート６１を介して半導体積層ユニット２を押圧する押圧部５１と、横方向Ｙの両端部において支承部材６２に支承される一対の被支承部５２とを有している。

図１及び図２に示すごとく、介在部材６１、６２としては、平板状をなす当接プレート６１と、円筒状をなす支承部材６２とがある。
当接プレート６１は、加圧部材５と半導体積層ユニット２との間に配されており、半導体積層ユニット２の後端に配される冷却チューブ４１と面接触している。
支承部材６２は、加圧部材５と、後述する後方壁部７６との間に配されている。

上述した半導体積層ユニット２を収容するケース７は、図１及び図２に示すごとく、半導体積層ユニット２の下方に配される底部７２と、底部７２の外周において上方に立設すると共に高さ方向Ｚと直交する方向の全周を囲む壁部７３とを有している。ケース７は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属又は合金によって構成することができる。

図２に示すごとく、ケース７の底部７２には、半導体モジュール３の主電極端子３２を挿通する底部挿通孔７２１が形成されている。底部７２は、冷却チューブ４１の下面と当接するように形成してある。
ケース７は、壁部７３として、積層方向Ｘの両側に配された前方壁部７４及び後方壁部７６と、その両端において連結する一対の側方壁部７７とを有する。

図１〜図４に示すごとく、前方壁部７４は、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３を配置する一対の配置溝７５と、各配置溝７５の前端に形成された貫通孔７５２と、一対の配置溝７５の間に配された位置決め部７１とを有している。
一対の配置溝７５は、ケース７の内側に半導体積層ユニット２を配した際に、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３と対向する位置に形成された凹溝からなる。配置溝７５は、前方壁部７４における積層方向Ｘの全長に形成されており、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３における立上り部４２１、４３１とパイプ４２２、４３２の一部を、それぞれ収容可能に構成されている。また、配置溝７５の内周形状は、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３の外形形状よりも大きく形成されており、配置溝７５の内周面と冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３とは接触しておらず互いに離れている。

図１〜図３に示すごとく、貫通孔７５２は、配置溝７５の前方端部に配された溝壁部７５１に貫通形成されており、円形状をなしている。この貫通孔７５２に、パイプ４２２、４３２に配されたシール部材４４を嵌合することにより、パイプ４２２、４３２とケース７との間をシールし、水分等の浸入を防止することができる。

図１及び図２に示すごとく、一対の配置溝７５の間に形成された位置決め部７１は、ケース７と一体に形成されており、立上り部４２１、４３１に当接する立上り当接部７１１と、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３が突出する前端側に配された冷却チューブ４１０と当接するチューブ当接部７１２とを有している。
立上り当接部７１１は、横方向Ｙにおいて、各配置溝７５における内側に配された内周面から、外側に向かって突出しており、立上り部４２１、４３１と当接している。立上り当接部７１１における立上り部４２１、４３１と当接する面は、積層方向Ｘ及び上下方向Ｚからなる平面と平行な平坦面によって形成されている。

図１及び図２に示すごとく、チューブ当接部７１２は、前方壁部７４において後方側に配された面によって形成されており、前方端に配された冷却チューブ４１０における、一対の立上り部４２１、４３１の間に配された面と当接している。
立上り当接部７１１とチューブ当接部７１２とをつなぐ角部７１３には、テーパ面が形成されている。一体に形成された冷却チューブ４１０と立上り部４２１、４３１とは、図示しない曲面によって繋がるため、テーパ面を形成することで、位置決め部７１が曲面に担ぐことを防止できる。

ケース７の内側に配された半導体積層ユニット２は、上述のように、加圧部材５の付勢力によって半導体積層ユニット２を積層方向Ｘに押圧保持することによりケース７に固定される。

次に、本例の作用効果について説明する。
電力変換装置１は、上述のごとく、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３の立上り部４２１、４３１に当接する立上り当接部７１１を有する位置決め部７１によって、半導体積層ユニット２の並び方向における位置決めを行っている。これにより、ケース７内における半導体積層ユニット２の位置ずれを抑制することができる。

すなわち、立上り部４２１、４３１は、半導体積層ユニット２を構成する冷却チューブ４１０と直接つながるように形成されているため、寸法管理が容易であり、冷却チューブ４１０に対し高い寸法精度で形成することができる。そのため、立上り部４２１、４３１を立上り当接部によって位置決めすることにより、ケース内における半導体積層ユニット２の位置ズレを抑制することができる。これにより、ケース内における半導体積層ユニット２の周囲に必要な隙間を小さくすることができる。それゆえ、ケース７の小型化が可能となり、ひいては電力変換装置１の小型化をすることができる。

また、位置決め部７１は、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３の間に配されている。そのため、立上り当接部７１１を冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３にそれぞれ当接させ、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３が位置決め部７１よりも内側に移動することを防止できる。これにより、これにより、従来、冷媒導入部及び冷媒排出部の位置決めをしていたパイプクランプ等の部材を用いることなく、冷媒導入部４２及び上記冷媒排出部４３を所定の位置に配置することができる。それゆえ、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３にそれぞれ連結される連結部品との連結作業を容易に行うことができる。

また、立上り部４２１、４３１は、冷却チューブ４１０と一体に形成されている。そのため、冷却チューブ４１０と立上り部４２１、４３１との間の寸法精度をより高めることができる。これにより、半導体積層ユニット２の位置ずれをより抑制することができる。

また、ケース７と位置決め部７１とは一体に形成されている。そのため、電力変換装置１の部品点数を低減し、構造を簡略化することができる。

また、位置決め部７１は、冷媒導入部４２及び冷媒排出部４３が突出する一端に配された冷却チューブ４１０と当接するチューブ当接部７１２を有している。そのため、位置決め部７１によって、半導体積層ユニット２における積層方向Ｘの位置決めもすることができる。

以上のごとく、本例の電力変換装置１によれば、ケース内における半導体積層ユニット２の位置決めを確実かつ容易に行い、小型化が可能となる。

尚、本例においては、冷媒導入部及び冷媒排出部の立上り部と冷却チューブとを一体に形成したが、これに限るものではない。例えば、冷却チューブに接続したパイプの根本部分を立上り部とすることもできる。すなわち、立上り当接部をパイプの一部に当接した構成とすることもできる。

１電力変換装置
２半導体積層ユニット
３半導体モジュール
４冷却器
４１、４１０冷却チューブ
４２冷媒導入部
４３冷媒排出部
４２１、４３１立上り部
４４シール部材
７ケース
７１位置決め部
７１１立上り当接部
７５２貫通孔

Claims

スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（３）と、
該半導体モジュール（３）と積層配置され半導体積層ユニット（２）を形成すると共に上記半導体モジュール（３）を冷却する冷却チューブ（４１）と、積層方向の一端に配された上記冷却チューブ（４１０）から積層方向に突出すると共に冷却媒体を導入及び排出する冷媒導入部（４２）及び冷媒排出部（４３）とを備えた冷却器（４）と、
上記冷媒導入部（４２）及び上記冷媒排出部（４３）を突出させつつ、上記冷却器（４）を内側に収容するケース（７）とを有し、
該ケース（７）は、上記冷媒導入部（４２）及び上記冷媒排出部（４３）に配されたシール部材（４４）と嵌合する一対の貫通孔（７５２）と、上記半導体積層ユニット（２）を、上記冷媒導入部（４２）及び上記冷媒排出部（４３）の並び方向において位置決めする位置決め部（７１）とを有しており、
上記位置決め部（７１）は、上記ケース（７）の内部における上記冷媒導入部（４２）及び上記冷媒排出部（４３）の間に配されると共に、上記冷媒導入部（４２）及び上記冷媒排出部（４３）における上記冷却チューブ（４１０）からの立上り部（４２１、４３１）に当接する立上り当接部（７１１）を有していることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項１に記載の電力変換装置（１）において、上記立上り部（４２１、４３１）は、上記冷却チューブ（４１０）と一体に形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）において、上記ケース（７）と上記位置決め部（７１）とは一体に形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）において、上記位置決め部（７１）は、上記冷媒導入部（４２）及び上記冷媒排出部（４３）が突出する上記一端に配された上記冷却チューブ（４１０）と当接するチューブ当接部（７１２）を有していることを特徴とする電力変換装置（１）。