JP2016062978A - パワーユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートシンクと、当該ヒートシンクに接合されるパワーモジュールと、当該パワーモジュールに電気的に接続される他のモジュールとを位置精度良く容易に組み立てることができる構造を有したパワーユニットを提供する。
【解決手段】パワーユニット１は、パワーモジュール１０及び他のモジュール（３０）が、ヒートシンク２０に設けられた共通の位置決め部材２１（２２）を介してヒートシンクに対して位置を決めることによって、互いに位置が決められる組立構造を有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、パワーユニットに関する。

従来、特許文献１，２にも記載されるようにパワーモジュールをヒートシンクに接合させたパワーユニットが利用されている。パワーモジュールには、電力変換用の半導体素子が搭載され、変換される電流の出入力があって発熱が多いため、パワーモジュールからの発熱をヒートシンクに吸収させて、放散させる。
このようなパワーモジュールにあっては、ヒートシンクとパワーモジュールとを位置精度良く容易に組み立てることが一つの課題となる。かかる課題に対し、特許文献１に記載のパワーモジュールにあっては、基板に設けた角孔にヒートシンクに設けた突起を嵌合させる構造としている。また、特許文献２に記載のパワーモジュールにあっては、基板に設けた切欠き状の溝にヒートシンクに設けた突起を嵌合させる構造としている。
特許文献１，２に記載の発明によれば、穴や溝に突起を嵌合させることで、パワーモジュールをヒートシンクに対し所定の位置に配置することができるから、ヒートシンクとパワーモジュールとを容易に位置精度良く組み立てることができると考えられる。

特開昭５８−１５３３５７号公報 特開昭５８−１５３３５８号公報

しかしながら、パワーユニットの製造において組立精度、組立容易性の要求は、ヒートシンクとこれに接合されるパワーモジュールには終わらない。
ヒートシンクに接合されるパワーモジュールの上に、さらに駆動回路が構成された基板などの他のモジュールを搭載し、パワーモジュールと電気接続端子を介して接続した複合的なパワーユニットが製造される。
これらのヒートシンク及びその上に積み重ねるように配置される２以上のモジュールに対しても同様に組立精度、組立容易性が求められる。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、ヒートシンクと、当該ヒートシンクに接合されるパワーモジュールと、当該パワーモジュールに電気的に接続される他のモジュールとを位置精度良く容易に組み立てることができる構造を有したパワーユニットを提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ヒートシンクと、当該ヒートシンクに接合されるパワーモジュールと、当該パワーモジュールに電気的に接続される他のモジュールとを備えるパワーユニットであって、
前記パワーモジュール及び前記他のモジュールは、前記ヒートシンクに設けられた共通の位置決め部材を介して前記ヒートシンクに対して位置を決めることによって、互いに位置が決められる組立構造を有するパワーユニットである。

請求項２記載の発明は、前記パワーモジュールのベースプレートの側縁に側方に突出した突起が設けられ、
前記パワーモジュールは、前記突起が前記位置決め部材に当接することで前記ヒートシンクに対して位置が決められている請求項１に記載のパワーユニットである。

請求項３記載の発明は、前記ヒートシンク上に前記パワーモジュールが円環状に複数配置されてなり、
当該円環状の配置の内周側又は／及び外周側に、前記突起が設けられている請求項２に記載のパワーユニットである。

請求項４記載の発明は、前記他のモジュールとして、パワーモジュールを動作させる駆動回路が構成された駆動回路基板が含まれる請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のパワーユニットである。

請求項５記載の発明は、前記駆動回路基板は、前記ヒートシンクの逆側で前記パワーモジュールに隣接して配置され前記パワーモジュールに電気的に接続される請求項４に記載のパワーユニットである。

本発明によれば、ヒートシンクと、当該ヒートシンクに接合されるパワーモジュールと、当該パワーモジュールに電気的に接続される他のモジュールとを位置精度良く容易に組み立てることができる。

本発明の実施形態に係るパワーモジュールに構成される１ブリッジ分の回路図である。 本発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの平面図である。 本発明の第１実施形態に係るパワーモジュールの模式的斜視図である。 本発明の第１実施形態に係るパワーユニットの斜視図である。 本発明の第１実施形態に対する変形例に係るパワーモジュールのベースプレートの平面図である。 本発明の第２実施形態に係るパワーユニットの平面図である。駆動回路基板を透過させて描く。 図６に示したＡ−Ａ線に沿った断面模式図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

〔パワーモジュールの回路基本構成〕
まず、パワーモジュールの回路の基本構成につき説明する。図１は、パワーモジュールに構成される１ブリッジ分の回路図を示す。
図１に示すように本回路は、Ｐ電極（図上「Ｐ」）とＮ電極（図上「Ｎ」）と間に２組の半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２が直列に接続され、同２組の半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２同士の接続点をＡＣ電極（図上「ＡＣ」）としたブリッジＢＲを構成する。半導体スイッチ素子Ｔ１はＰ電極とＡＣ電極とに接続され、半導体スイッチ素子Ｔ２はＡＣ電極とＮ電極とに接続される。
本例では、半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２はＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、半導体スイッチ素子Ｔ１にフリーホイールダイオードＤ１が並列に接続され、半導体スイッチ素子Ｔ２にフリーホイールダイオードＤ２が並列に接続される。
本実施形態のパワーモジュールは、このようなブリッジＢＲが一の回路基板上に複数構成されたものである。

〔第１実施形態〕
図２から図５を参照して第１実施形態のパワーユニットにつき説明する。第１実施形態に適用されるパワーモジュール１０を図２及び図３に示す。
図２に示すように、本実施形態に適用されるパワーモジュール１０は、金属製のベースプレート１１に接合された回路基板１２に上述したブリッジＢＲが２つ構成されたものである。２つのブリッジ分の半導体スイッチ素子Ｔ１，Ｔ２及びフリーホイールダイオードＤ１，Ｄ２を図２に示す。回路基板１２は、絶縁基板の一表面（上面とする）に電極パターンが形成されたもので、絶縁基板の下面はベースプレート１１に接合されている。

図２及び図３により示すように回路基板１２には、Ｐ電極端子１３、Ｎ電極端子１４，１５、ＡＣ電極端子１６，１７、制御信号端子１８が立設されている。Ｐ電極端子１３は、回路基板１２に構成された２つのブリッジで共通に用いられている。回路基板１２に構成された２つのブリッジのうち一方のブリッジは、Ｎ電極端子１４及びＡＣ電極端子１６にその他の電極が引き出され、他方のブリッジは、Ｎ電極端子１５及びＡＣ電極端子１７にその他の電極が引き出されている。

パワーモジュール１０のベースプレート１１の側縁に側方に突出した突起１１ａ，１１ｂが設けられている。
図４に示すように、本パワーユニット１は、円盤状のヒートシンク２０と、ヒートシンク２０に接合される上記パワーモジュール１０と、パワーモジュール１０に電気的に接続される他のモジュールとして駆動回路基板３０とを備える。
複数のパワーモジュール１０，１０，・・・がヒートシンク２０上に円環状に配置されている。図ではパワーモジュール１０の数が５の場合を示す。
ベースプレート１１の突起１１ａ、及び回路基板１２に設けられたＰ電極端子１３、Ｎ電極端子１４，１５、ＡＣ電極端子１６，１７は、当該円環状の配置の外周側に配置されている。ベースプレート１１の突起１１ｂ、及び回路基板１２に設けられた制御信号端子１８は、当該円環状の配置の内周側に配置されている。
駆動回路基板３０は、パワーモジュール１０を動作させる駆動回路が構成されたものであり、ヒートシンク２０の逆側でパワーモジュール１０に隣接して配置され、制御信号端子１８を介してパワーモジュール１０と電気的に接続される。
なお、駆動回路基板３０には、平滑コンデンサ３１も搭載されており、Ｐ電極端子１３、Ｎ電極端子１４，１５も駆動回路基板３０に接続され、平滑コンデンサ３１の一端がＰ極に、他端がＮ極に接続される。

一方、ヒートシンク２０には、パワーモジュール１０の搭載面に対して垂直に突出する棒状の位置決め部材２１が設けられている。
突起１１ａ，１１ｂは、位置決め部材２１を保持するように切り欠き形状に形成されている。位置決め部材２１は、パワーモジュール１０の突起１１ａ，１１ｂの位置、数に対応した位置、数で設けられる。図２に示すパワーモジュール１０にあっては、外周側に１つ、内周側に１つである。パワーモジュール１０は、その突起１１ａ，１１ｂが位置決め部材２１，２１に当接することでヒートシンク２０に対して位置決められている。

さらに位置決め部材２１に対し駆動回路基板３０が接続され、駆動回路基板３０は位置決め部材２１によってヒートシンク２０に対して位置が決められている。例えば、図４に示すように、駆動回路基板３０に接続孔３２を設け、接続孔３２に位置決め部材２１を嵌め入れることで位置決めされる。また、接続孔３２でなく、駆動回路基板３０に切欠きを設けてこの切欠きで位置決め部材２１を保持する形としてもよい。
駆動回路基板３０は、円環状に形成された基板をベースとして一体に構成されている。駆動回路基板３０に接続される位置決め部材２１を、少なくとも２箇所好ましくは３か所以上とすることで安定的に位置決めすることができる。本実施形態では、突起１１ａが当接する外周側の位置決め部材２１が駆動回路基板３０と接続し、突起１１ｂが当接する内周側の位置決め部材２１は駆動回路基板３０と接続しない。

以上の結果、パワーモジュール１０及び他のモジュールである駆動回路基板３０は、互いに位置が決められており、共通の位置決め部材２１を介して位置決められるからパワーモジュール１０と他のモジュールである駆動回路基板３０との位置精度を高めることができる。そのため、駆動回路基板３０と、Ｐ電極端子１３、Ｎ電極端子１４，１５及び制御信号端子１８との接続も精度よく実施される。このように、パワーモジュール１０と駆動回路基板３０とは電気接続する端子数が多いため、駆動回路基板３０をヒートシンク２０の逆側でパワーモジュール１０に隣接して配置することで、すなわち、ヒートシンク２０上でパワーモジュール１０と駆動回路基板３０とを上下に隣合せて配置することで、パワーモジュール１０と駆動回路基板３０との位置精度の良好な接続が容易に実現できる。
ヒートシンク２０とパワーモジュール１０との位置決め部材と、ヒートシンク２０と駆動回路基板３０との位置決め部材と、別々に設ける場合に比較して、共通化することで、スペース効率を向上させ、小型化を図ることができる。
ヒートシンク２０の位置決め部材２１に対し、パワーモジュール１０を突起１１ａ，１１ｂで当接して配置し、さらに位置決め部材２１に駆動回路基板３０を接続することで、位置精度良く容易に組み立てることができる。
パワーモジュール１０は、その突起１１ａ，１１ｂを位置決め部材２１に当接して配置されるので、パワーモジュール１０に貫通孔を設けずにヒートシンク２０上の所定位置に配置することができる。

なお、図５に示すベースプレート１１のように、外周側に２つの突起１１ｃ，１１ｄを設け、内周側に１つの突起１１ｅを設ける構成など、その数や配置を適宜選択することができる。
また、ベースプレート１１の位置決め部材２１に当接する突起は、内周側及び外周側の双方に設けずに、内周側及び外周側のうちいずれか一方に設けてもよい。
例えば、図５に示す外周側の２つの突起１１ｃ，１１ｄのみを設け、内周側に突起を設けない構成を実施する。この場合、ベースプレート１１を外側に付勢し、突起１１ｃ，１１ｄを位置決め部材２１に当接することで位置決めが可能である。

〔第２実施形態〕
図６及び図７を参照して第２実施形態のパワーユニットにつき説明する。第２実施形態に係るパワーユニットの平面図を図６に示す。図７は、図６中に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。
図６に示すように、円盤状のヒートシンク２０上にパワーモジュール１０，１０，・・・さらにその上に駆動回路基板３０を配置する構造であることは、上記第１実施形態と同様である。対応するものに同じ符号を流用する。

本実施形態では、ベースプレート１１の外周側の角部を側方に延長するように突出させた突起１１ｆ、１１ｇが設けられる。
一方、ヒートシンク２０には、パワーモジュール１０の搭載面に対して垂直方向に軸を有した雌ネジ部２２が形成されている。
図７に示すように、雌ネジ部２２の外周壁に突起１１ｆ，１１ｇが当接することで、パワーモジュール１０がヒートシンク２０に対し位置が決められる。
また、雌ネジ部２２に対し、一体成型、溶接又は螺合等により同軸に設けられた位置決めピン２３に駆動回路基板３０が接続することで、駆動回路基板３０がヒートシンク２０に対し位置が決められる。
以上のように、パワーモジュール１０及び他のモジュールである駆動回路基板３０は、ヒートシンク２０に設けられた共通の位置決め部材（雌ネジ部２２）を介してヒートシンク２０に対して位置決められる。
以上の結果、パワーモジュール１０と他のモジュールである駆動回路基板３０とが、互いに位置決められた組立構造がとられ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

１ パワーユニット
１０ パワーモジュール
１１ ベースプレート
１１ａ，１１ｂ 突起
１１ｃ，１１ｄ 突起
１１ｅ 突起
１１ｆ，１１ｇ 突起
２０ ヒートシンク
２１ 位置決め部材
２２ 雌ネジ部
３０ 駆動回路基板
３２ 接続孔

Claims (5)

1. ヒートシンクと、当該ヒートシンクに接合されるパワーモジュールと、当該パワーモジュールに電気的に接続される他のモジュールとを備えるパワーユニットであって、
   前記パワーモジュール及び前記他のモジュールは、前記ヒートシンクに設けられた共通の位置決め部材を介して前記ヒートシンクに対して位置が決められることによって、互いに位置決められる組立構造を有するパワーユニット。
2. 前記パワーモジュールのベースプレートの側縁に側方に突出した突起が設けられ、
   前記パワーモジュールは、前記突起が前記位置決め部材に当接することで前記ヒートシンクに対して位置が決められている請求項１に記載のパワーユニット。
3. 前記ヒートシンク上に前記パワーモジュールが円環状に複数配置されてなり、
   当該円環状の配置の内周側又は／及び外周側に、前記突起が設けられている請求項２に記載のパワーユニット。
4. 前記他のモジュールとして、パワーモジュールを動作させる駆動回路が構成された駆動回路基板が含まれる請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載のパワーユニット。
5. 前記駆動回路基板は、前記ヒートシンクの逆側で前記パワーモジュールに隣接して配置され前記パワーモジュールに電気的に接続される請求項４に記載のパワーユニット。

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