JP2016059238A - 電力変換装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】生産性の向上、コスト低減を図りつつ、半導体積層ユニット11に作用する加圧力を容易に調整することができることができる電力変換装置1及びその製造方法を提供すること。【解決手段】電力変換装置1は、半導体積層ユニット11と、半導体積層ユニット11を積層方向Xの後端から支承する梁部材4と、フレーム5と、複数の加圧プレート6とを有する。フレーム5は、半導体積層ユニット11を収容すると共に、半導体積層ユニット11を挿入することができる挿入開口部520を積層方向Xの後方に有する。複数の加圧プレート6は、フレーム5の前方壁部51と半導体積層ユニット11との間に収容されると共に、半導体積層ユニット11を前方から後方へ向かって加圧する。複数の加圧プレート6は、互いに積層方向Xに積層配置されていると共に、積層方向Xに圧縮弾性変形している。梁部材4は、フレーム5に固定されている。【選択図】図1

Description

本発明は、半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧プレートを有する電力変換装置及びその製造方法に関する。
電気自動車やハイブリッド自動車等には、モータを駆動させるため、バッテリからの直流電力を交流電力に変換する電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールを複数個有しており、スイッチング素子に流れる被制御電流によって半導体モジュールが発熱する。
このような電力変換装置においては、半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却する冷却管とを、交互に積層した半導体積層ユニットが構成されている。半導体積層ユニットの積層方向の端部には、半導体積層ユニットを積層方向に加圧するための加圧部材が配置されており、これらはフレーム内に配置されている。そして、加圧部材の付勢力によって半導体モジュールと冷却管とを密着させ、冷却効率を向上させている。
ここで、半導体モジュールの冷却性の観点、半導体積層ユニットの剛性の観点から、加圧部材の付勢力は、一定の範囲であることが求められる。しかし、加圧部材の付勢力は、加圧部材のバネ特性、加圧部材の弾性変形量等に依存する。そして、加圧部材の弾性変形量は、ケースの積層方向の寸法、半導体積層ユニットの積層方向の寸法等に依存する。そのため、これらに設計誤差が生じると、加圧部材の付勢力にも誤差が生じてしまう。特に、半導体積層ユニットの積層方向の寸法は、複数の半導体モジュールの寸法誤差と複数の冷却管の寸法誤差とが累積するため、設計誤差が生じやすく、これに伴って加圧部材の付勢力にも誤差が生じやすくなってしまう。
そこで、特許文献1に記載の電力変換装置は、フレームに対して脱着可能な円柱形状の支柱により、加圧部材を支承している。そして、様々な直径を有する複数種類の支柱を準備し、その中から半導体積層ユニットの積層方向の寸法等に応じた適切な支柱を選択することにより、半導体積層ユニットの積層方向の寸法誤差を吸収し、加圧部材の付勢力を調整している。
特開2013−146169号公報
しかしながら、特許文献1に記載の電力変換装置は、上述のごとく、直径の異なる複数種類の支柱を準備しなければならない。そのため、電力変換装置の生産性を向上し難く、また、コスト低減も図り難いという問題がある。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、生産性の向上、コスト低減を図りつつ、半導体積層ユニットに作用する加圧力を容易に調整することができることができる電力変換装置及びその製造方法を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却管とを積層してなる半導体積層ユニットと、
該半導体積層ユニットを積層方向の後端から支承する梁部材と、
上記半導体積層ユニットを収容すると共に、該半導体積層ユニットを挿入することができる挿入開口部を上記積層方向の後方に有するフレームと、
該フレームの前方壁部と上記半導体積層ユニットとの間に収容されると共に、該半導体積層ユニットを前方から後方へ向かって加圧する複数の加圧プレートとを有し、
該複数の加圧プレートは、互いに上記積層方向に積層配置されていると共に、上記積層方向に圧縮弾性変形しており、
上記梁部材は、上記フレームに固定されていることを特徴とする電力変換装置にある。
本発明の他の態様は、上記電力変換装置を製造する方法であって、
上記挿入開口部から上記フレームに上記半導体積層ユニットを挿入配置すると共に上記梁部材を上記フレームの後端に当接させる第1工程と、
上記半導体積層ユニットを前方から後方へ向かって上記積層方向に所定の押圧力にて押圧した状態において、上記半導体積層ユニットの前端と上記前方壁部との間の隙間寸法を計測する第2工程と、
該第2工程において計測された上記隙間寸法に応じて、上記加圧プレートの適切な枚数を選択して、該複数の加圧プレートを上記フレームの内側に配置する第3工程と、
上記複数の加圧プレートを上記前方壁部と上記半導体積層ユニットとの間に挟持して弾性圧縮するように、該半導体積層ユニットを上記フレーム内において前進させると共に、上記梁部材を上記フレームの後端に当接させた状態で上記フレームに固定する第4工程と、
を行うことを特徴とする電力変換装置の製造方法にある。
上記電力変換装置は、フレームの前方壁部と半導体積層ユニットとの間に複数の加圧プレートを配置してなる。それゆえ、積層配置する加圧プレートの枚数を調整することにより、半導体積層ユニットに作用する加圧力を容易に調整することができる。そして、加圧プレートの枚数によって加圧力を調整できるため、加圧プレートの種類を多数準備する必要もない。そのため、電力変換装置の生産性の向上及びコスト低減を図ることができる。
また、上記電力変換装置の製造方法においては、上記第1工程〜上記第4工程を行う。そして、第2工程において、上記隙間寸法を計測し、この隙間寸法に応じて、第3工程において、加圧プレートの適切な枚数を選択し、選択した枚数の加圧プレートを積層して半導体積層ユニットと前方壁部との間に配置する。これにより、半導体積層ユニットに作用する加圧力を容易に調整することができ、上記電力変換装置を容易に製造することができる。
以上のごとく、本発明によれば、生産性の向上、コスト低減を図りつつ、半導体積層ユニットに作用する加圧力を容易に調整することができることができる電力変換装置及びその製造方法を提供することができる。
実施例1における、電力変換装置の上面図。 図1の、II−II線矢視断面図。 実施例1における、フレーム及び冷却器を積層方向における挿入開口部側から見た図。 実施例1における、半導体積層ユニット及び梁部材の上面図。 実施例1における、加圧プレートの正面図。 実施例1における、加圧プレートの上面図。 実施例1における、第1工程の説明図。 実施例1における、第2工程の説明図。 実施例1における、第3工程の説明図。 実施例1における、隙間寸法Dと荷重Fとの関係を示すグラフ。 実施例2における、加圧プレートの正面図。 実施例2における、加圧プレートの上面図。
上記電力変換装置は、例えば、電気自動車又はハイブリッド自動車に搭載され、直流電源と車両の駆動源としての三相交流回転電機との間の電力変換を行うものとすることができる。
また、本明細書において、便宜上、半導体積層ユニットの積層方向の一方を「前方」といい、その反対側を「後方」という。
(実施例1)
上記電力変換装置の実施例につき、図1〜図10を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、図1、図2に示すごとく、半導体モジュール2と半導体モジュール2を冷却する冷却管31とを積層してなる半導体積層ユニット11と、半導体積層ユニット11を積層方向Xの後端から支承する梁部材4と、フレーム5と、複数の加圧プレート6とを有する。図1〜図3に示すごとく、フレーム5は、半導体積層ユニット11を収容すると共に、半導体積層ユニット11を挿入することができる挿入開口部520を積層方向Xの後方に有する。図1、図2に示すごとく、複数の加圧プレート6は、フレーム5の前方壁部51と半導体積層ユニット11との間に収容されると共に、半導体積層ユニット11を前方から後方へ向かって加圧する。複数の加圧プレート6は、互いに積層方向Xに積層配置されていると共に、積層方向Xに圧縮弾性変形している。梁部材4は、フレーム5に固定されている。
半導体積層ユニット11は、複数の半導体モジュール2と、複数の冷却管31とを交互に積層してなる。半導体モジュール2は、積層方向Xの両側から冷却管31によって狭持されている。半導体モジュール2は、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等のスイッチング素子やFWD(フリーホイールダイオード)等のダイオードを内蔵してなる。また、図2に示すごとく、半導体モジュール2は、互いに反対方向に突出したパワー端子21と制御端子22とを有する。
図1、図2に示すごとく、複数の冷却管31は、積層方向Xに直交する方向に長く、その長手方向の両端部において、隣り合う冷却管31同士が変形可能な連結管32によって連結され、1つの冷却器3を構成している。なお、以下においては、冷却管31の長手方向を適宜「横方向Y」といい、積層方向X及び横方向Yに直交する方向を適宜「高さ方向Z」という。
冷却器3は、積層方向Xの後端に配設された冷却管31の両端側において、冷却器3へ冷却媒体を導入する冷媒導入管33と、冷却器3から冷却媒体を排出する冷媒排出管34とが連結されている。冷媒導入管33と冷媒排出管34とは、積層方向Xへ突出形成されている。冷却器3は、アルミニウム等、熱伝導性に優れた金属からなる。
冷媒導入管33から導入された冷却媒体は、連結管32を適宜通り、各冷却管31に分配されると共にその長手方向に流通する。そして、各冷却管31を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール2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、下流側の連結管32を適宜通り、冷媒排出管34に導かれ、冷却器3から排出される。
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を用いることができる。
図1に示すごとく、半導体積層ユニット11は、高さ方向Zに直交する方向から、フレーム5によって囲われている。すなわち、フレーム5は、半導体積層ユニット11の積層方向Xの前方と後方とにそれぞれ配される前方壁部51及び後方壁部52と、前方壁部51と後方壁部52とをそれぞれの両端において連結するように設けられた一対の側方壁部53とを有する。前方壁部51は後方壁部52に対向しており、一対の側方壁部53は互いに対向している。半導体積層ユニット11は、冷媒導入管33及び冷媒排出管34が後方壁部52側に突出する向きで、フレーム5内に配されている。
図1〜図3に示すごとく、フレーム5は、後方壁部52に挿入開口部520を有する。図3に示すごとく、積層方向Xから見たとき、挿入開口部520の外形は、冷却管31の外形が内側に収まる形状を有する。図1に示すごとく、挿入開口部520は、梁部材4がフレーム5に固定されることによって塞がれている。
図1、図4に示すごとく、梁部材4は、長手方向の両側に、冷媒導入管33及び冷媒排出管34を挿通するための貫通孔40を設けてなる。冷媒導入管33及び冷媒排出管34は、梁部材4に設けられた2つの挿通孔40をそれぞれ貫通している。梁部材4の外形は、積層方向Xから見たとき、挿入開口部520の外形が内側に収まる略長方形状を有する。
図1、図2、図4に示すごとく、梁部材4は、前方に向かって突出した梁凸部41を有する。梁凸部41は、積層方向Xから見たとき、挿入開口部520の内側に収まる外形を有する。
図1に示すごとく、梁部材4は、ボルト12によってフレーム5の後方壁部52に固定されている。ボルト12は、後方壁部52における挿入開口部520の周囲の複数か所において、梁部材4を後方壁部52に締結している。フレーム5及び梁部材4は、アルミニウム、鉄等の金属又は合金からなる。なお、図2においては、ボルト12の図示を省略している。
図1、図2に示すごとく、前方壁部51と半導体積層ユニット11との間に複数の加圧プレート6が配置されている。本例においては、複数の加圧プレート6は、互いに略同等の形状を有する。本例においては、図5に示すごとく、加圧プレート6は、板状の基板部61と、基板部61に固定されると共に弾性変形可能な複数のバネ部62とからなる。複数のバネ部62は、基板部61の広がり方向に分散配置されている。具体的には、基板部61は、積層方向Xに直交する方向に形成されており、複数のバネ部62は、千鳥配置されている。つまり、高さ方向Zに隣り合うバネ部62同士は、横方向Yにオフセットして配されている。図6に示すごとく、バネ部62は、横方向Yの両側を積層方向Xの前方に折り曲げられることにより、高さ方向Zから見た形状が略円弧状を呈している。
図1に示すごとく、複数の加圧プレート6は、その付勢力の向きが積層方向Xとなる向きで積層されている。隣り合う加圧プレート6同士は、基板部61同士、及び、バネ部62同士が重なるように積層配置されている。
次に、本例の電力変換装置1の製造方法について、説明する。
電力変換装置1は、以下の第1工程〜第4工程を行うことにより、製造することができる。
第1工程においては、図7に示すごとく、挿入開口部520からフレーム5に半導体積層ユニット11を挿入配置すると共に梁部材4をフレーム5の後端に当接させる。
第2工程においては、図8に示すごとく、半導体積層ユニット11を前方から後方へ向かって積層方向Xに所定の押圧力にて押圧した状態において、半導体積層ユニット11の前端と前方壁部51との間の隙間寸法Dを計測する。
第3工程においては、図9に示すごとく、第2工程において計測された隙間寸法Dに応じて、加圧プレート6の適切な枚数を選択して、複数の加圧プレート6をフレーム5の内側に配置する。
第4工程においては、複数の加圧プレート6を前方壁部51と半導体積層ユニット11との間に挟持して弾性圧縮するように、半導体積層ユニット11をフレーム5内において前進させると共に、梁部材4を上記フレーム5の後端に当接させた状態でフレーム5に固定する。
より具体的に、本例の電力変換装置1の製造方法を以下に説明する。
まず、第1工程の前に、図4に示すごとく、梁部材4の2つの貫通孔40に、半導体積層ユニット11の冷媒導入管33及び冷媒排出管34を挿通する。これにより、半導体積層ユニット11と梁部材4とを一体化する。そして、図7に示すごとく、第1工程においては、冷媒導入管33及び冷媒排出管34が後方を向く状態で、半導体積層ユニット11及び梁部材4の梁凸部41を挿入開口部520から挿通する。そして、梁部材4を後方壁部52に当接させる。これにより、半導体積層ユニット11が、フレーム5の内側に配され、梁部材4が、挿入開口部520の内側に配される。
次に、図8に示すごとく、第2工程においては、例えば、梁部材4を後方壁部52に固定した状態において、半導体積層ユニット11をその前端から後方へ向かって、所定の押圧力にて押圧する。ここで、所定の押圧力は、冷却管31及び半導体モジュール2が破損しない程度に冷却管31と半導体モジュール2とが充分に密着するような押圧力である。そして、この状態において、冷却器3の前端に配された冷却管31の前端面と、前方壁部51の後端面との間の、積層方向Xにおける寸法である隙間寸法Dを計測する。
次に、図9に示すごとく、第3工程においては、自由状態の加圧プレート6の積層方向Xにおける寸法、及び、第2工程において計測した隙間寸法Dに応じて、半導体積層ユニット11に適切な加圧力、すなわち、上記所定の押圧力を加えることができる加圧プレート6の枚数を選択する。以下において、上記所定の押圧力を与えることができる加圧プレート6の枚数の選択の仕方について、その一例を、図10を用いて説明する。
半導体モジュール2の冷却性の観点から、半導体積層ユニット11に加える荷重Fの最低値をF1、半導体モジュール2及び冷却管31の耐荷重の観点から、半導体積層ユニット11に加える荷重Fの最高値をF2とする。すなわち、上記所定の押圧力の値を、F1〜F2の範囲とする。そして、隙間寸法Dは、半導体積層ユニット11、フレーム5等の設計誤差等を考慮して、D1〜D2の範囲で変動し得るものとする。この場合において、加圧プレート6を5〜8枚積層し、これを半導体積層ユニット11と前方壁部51との間に配置したときの、隙間寸法Dと荷重Fの関係の一例を、図10の直線L5〜L8に示している。
このグラフから、上記所定の押圧力を半導体積層ユニット11に加えることができる加圧プレート6の枚数を選択する。例えば、上記第2工程において測定した隙間寸法Dの値が、図10に示すA1であった場合は、荷重Fの値が上記所定の押圧力の範囲内にある6枚(L6)を選択する。また、例えば、上記第2工程において測定した隙間寸法Dの値が、図10に示すA2であった場合は、荷重Fの値が上記所定の押圧力の範囲内にある7枚(L7)又は8枚(L8)を選択する。以上のようにして、上記所定の押圧力を与えることができる加圧プレート6の枚数を選択する。
そして、第2工程における梁部材4と後方壁部52との固定を解き、梁部材4及び半導体積層ユニット11を積層方向Xの後方にずらす。このとき、冷却管3の前端に配された冷却管31の前端面と、前方壁部51の後端面との間の積層方向Xにおける寸法が、自由状態において積層した選択した枚数の加圧プレート6の積層方向Xにおける寸法よりも大きくなるようにする。そして、図9に示すごとく、選択した枚数の加圧プレート6を積層し、半導体積層ユニット11と前方壁部51との間に配置する。
次に、第4工程においては、梁部材4を前方に移動させることにより、複数の加圧プレート6を前方壁部51の後端と半導体積層ユニット11の前端との間に挟持させて圧縮しつつ、半導体積層ユニット11を圧縮する。すなわち、梁部材4を前方に押圧することにより、複数の加圧プレート6のバネ部62を積層方向Xに弾性変形させつつ、梁部材4を後方壁部52に当接させる。そして、梁部材4を、後方壁部52に対してボルト12により固定する。これにより、複数の加圧プレート6を半導体積層ユニット11側に付勢した状態で、梁部材4をフレーム5に締結固定する。このようにして、半導体積層ユニット11及び複数の加圧プレート6をフレーム5内に配置する。以上により、電力変換装置1を組み立てる。
少なくとも第1工程から第4工程までの間、半導体積層ユニット11と梁部材4とは一体化された状態にある。ここでいう一体化とは、梁部材4の貫通孔40に半導体積層ユニット11の冷媒導入管33及び冷媒排出管34が挿通された状態をいうものである。
次に、本例に作用効果について説明する。
上記電力変換装置1は、フレーム5の前方壁部51と半導体積層ユニット11との間に複数の加圧プレート6を配置してなる。それゆえ、積層配置する加圧プレート6の枚数を調整することにより、半導体積層ユニット11に作用する加圧力を容易に調整することができる。そして、加圧プレート6の枚数によって加圧力を調整できるため、加圧プレート6の種類を多数準備する必要もない。そのため、電力変換装置1の生産性の向上及びコスト低減を図ることができる。
また、加圧プレート6は、板状の基板部61と、基板部61に固定されると共に弾性変形可能な複数のバネ部62とからなり、複数のバネ部62は、基板部61の広がり方向に分散配置されている。これにより、半導体積層ユニット11に、基板の広がり方向において均一の付勢力を作用させることができる。
また、本例の電力変換装置1の製造方法においては、上記第1工程〜上記第4工程を行う。そして、第2工程において、隙間寸法Dを計測し、この隙間寸法Dに応じて、第3工程において、加圧プレート6の適切な枚数を選択し、選択した枚数の加圧プレート6を積層して半導体積層ユニット11と前方壁部51との間に配置する。これにより、半導体積層ユニット11に作用する加圧力を容易に調整することができ、電力変換装置1を容易に製造することができる。
また、少なくとも第1工程から第4工程までの間、半導体積層ユニット11と梁部材4とは一体化された状態にあるため、一層容易に、電力変換装置1を製造することができる。
以上のごとく、本例によれば、生産性の向上、コスト低減を図りつつ、半導体積層ユニットに作用する加圧力を容易に調整することができることができる電力変換装置及びその製造方法を提供することができる。
(実施例2)
本例は、図11、図12に示すごとく、加圧プレート6の形状を変更した例である。本例では、バネ部62を皿ばねによって構成してある。また、複数のバネ部62は、横方向Yの一直線上に並んでいる。そして、複数のバネ部62は、高さ方向Zの両端部において、基板部61に接続されている。
その他は、実施例1と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例1において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例1と同様の構成要素等を表す。
本例においても、実施例1と同様の作用効果を有する。
なお、本発明における加圧プレートの形状は、上記実施例で示したものに限られず、種々の態様を採り得る。また、上記実施例においては、複数の加圧プレート間には何も介在していないが、本発明は、これに限られるものではない。すなわち、例えば、複数の加圧プレート間に、平板状のプレートを介在させてもよい。また、複数の加圧プレートと前方壁部或いは半導体積層ユニットの間に、平板状のプレートを介在させてもよい。
1 電力変換装置
11 半導体積層ユニット
2 半導体モジュール
31 冷却管
4 梁部材
5 フレーム
51 前方壁部
520 挿入開口部
6 加圧プレート
X 積層方向

Claims (4)

  1. 半導体モジュール(2)と該半導体モジュール(2)を冷却する冷却管(31)とを積層してなる半導体積層ユニット(11)と、
    該半導体積層ユニット(11)を積層方向(X)の後端から支承する梁部材(4)と、
    上記半導体積層ユニット(11)を収容すると共に、該半導体積層ユニット(11)を挿入することができる挿入開口部(520)を上記積層方向(X)の後方に有するフレーム(5)と、
    該フレーム(5)の前方壁部(51)と上記半導体積層ユニット(11)との間に収容されると共に、該半導体積層ユニット(11)を前方から後方へ向かって加圧する複数の加圧プレート(6)とを有し、
    該複数の加圧プレート(6)は、互いに上記積層方向(X)に積層配置されていると共に、上記積層方向(X)に圧縮弾性変形しており、
    上記梁部材(4)は、上記フレーム(5)に固定されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
  2. 上記加圧プレート(6)は、板状の基板部(61)と、該基板部(61)に固定されると共に弾性変形可能な複数のバネ部(62)とからなり、該複数のバネ部(62)は、上記基板部(61)の広がり方向に分散配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置(1)。
  3. 請求項1又は2に記載の電力変換装置(1)を製造する方法であって、
    上記挿入開口部(520)から上記フレーム(5)に上記半導体積層ユニット(11)を挿入配置すると共に上記梁部材(4)を上記フレーム(5)の後端に当接させる第1工程と、
    上記半導体積層ユニット(11)を前方から後方へ向かって上記積層方向(X)に所定の押圧力にて押圧した状態において、上記半導体積層ユニット(11)の前端と上記前方壁部(51)との間の隙間寸法(D)を計測する第2工程と、
    該第2工程において計測された上記隙間寸法(D)に応じて、上記加圧プレート(6)の適切な枚数を選択して、該複数の加圧プレート(6)を上記フレーム(5)の内側に配置する第3工程と、
    上記複数の加圧プレート(6)を上記前方壁部(51)と上記半導体積層ユニット(11)との間に挟持して弾性圧縮するように、該半導体積層ユニット(11)を上記フレーム(5)内において前進させると共に、上記梁部材(4)を上記フレーム(5)の後端に当接させた状態で上記フレーム(5)に固定する第4工程と、
    を行うことを特徴とする電力変換装置(1)の製造方法。
  4. 少なくとも上記第1工程から上記第4工程までの間、上記半導体積層ユニット(11)と上記梁部材(4)とは一体化された状態にあることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置(1)の製造方法。
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