JP2017011161A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、半導体モジュールと冷却器が交互に積層されているパワーユニットを備える電力変換装置に関し、冷却器の開口を封止する金属板の封止性を高める技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電力変換装置は、パワーユニットを加圧するバネ部材を備える。隣接する一対の冷却器の其々は、本体、ガスケット、金属板を備える。本体は、内部に流路が設けられており、半導体モジュールと対向する側面に開口を有する。ガスケットは、開口を囲むように配置されている。金属板は、一方の面がガスケットを挟んで開口を塞いでいる。ガスケットは、積層方向からみたときに、半導体モジュールと重ならない非重畳部を有している。一対の冷却器のそれぞれの金属板は、半導体モジュールを挟んで対向しており、ガスケットの非重畳部と対向する部位の裏側に相手の金属板に向けて突出する凸部を備えている。その凸部は相手の金属板の凸部と当接している。【選択図】図６

Description

本発明は、半導体素子を収容しているカード型の半導体モジュールと、その半導体モジュールを挟んでいる一対の冷却器を有するパワーユニットを備えた電力変換装置に関する。

例えば大容量のモータに電力を供給する電力変換装置は、発熱量の大きい複数の半導体素子を備えている。複数の半導体素子を効率よく冷却する構造の一つとして、電力変換装置は、半導体素子を収容しているカード型の半導体モジュールを一対の冷却器で挟み込んだパワーユニットを備えることがある。さらに、複数の半導体モジュールを効率よく冷却すべく、複数の半導体モジュールと複数の冷却器を一つずつ交互に積層したパワーユニットを備えた電力変換器が知られている（例えば特許文献１、２）。そのパワーユニットは、カード型の半導体モジュールをその両側から冷却するので冷却効率が高い。特許文献２の電力変換装置は、半導体モジュールと冷却器の密着性を高めて冷却効率をより高めるため、半導体モジュールと冷却器の積層方向にパワーユニットを加圧するバネ部材を備えている。

特開２０１３−１２１２３６号公報 特開２０１２−２３１５９１号公報

本願出願人は、上記のパワーユニットに、開口を有する本体とその開口を塞ぐ金属板によって構成される冷却器を採用することを提案した（特願２０１４−０８３４６９号、２０１４年４月１５日出願、本願出願時には未公開）。その冷却器は、本体を樹脂で作ることができ、量産性に優れ、また、軽量である。その冷却器は、次の構造を備える。冷却器は、本体と金属板とガスケットを備えている。本体は、冷媒が流れる流路が内部に設けられており、半導体モジュールと対向する側面に流路と連通する開口が設けられている。ガスケットは、半導体モジュールと冷却器の積層方向からみて開口を囲むように開口の周囲の側面に配置されている。金属板は、一方の面がガスケットを挟んで開口を塞いでおり、他方の面が半導体モジュールと対向している。すなわち、金属板の一方の面は流路に面しており他方の面は半導体モジュールに対向している。なお、金属板と半導体モジュールは直接に接していてもよいし、絶縁板を挟んでいてもよい。電力変換装置は、カード型の半導体モジュールの両側に冷却器が積層されたパワーユニットとそのパワーユニットを積層方向に加圧するバネ部材を備えている。上記した冷却器は、バネ部材の加圧力によって開口と金属板の間の封止が確保される。例えば、冷却器の本体が熱伝導率の低い樹脂で作られていても、半導体モジュールの熱は金属板を通して冷却器内の冷媒に効率よく吸収される。

上記の電力変換装置では、本体の開口の周囲と金属板の間にガスケットが配置され、バネ部材の加圧力により、開口と金属板の間の封止（水密性）が確保される。金属板は、冷却器の本体と半導体モジュールに挟まれる。ここで、冷却効率の観点からは、金属板と冷媒が直接に触れる範囲である開口は大きい方がよい。一方、半導体モジュールの大きさに比べて開口が大きいと、半導体モジュールと冷却器の積層方向からみたときにガスケットの一部が半導体モジュールと重ならないことが生じ得る。積層方向からみたときにガスケットと半導体モジュールが重なっている部分では、金属板に加わるガスケットの反力は、半導体モジュールが受ける。一方、半導体モジュールとガスケットが重ならない領域では、ガスケットの反力で金属板が撓み、開口と金属板の間の封止が弱まる虞がある。本明細書は、金属板が撓むことなく、冷却器の開口と金属板の間の封止性（水密性）を高める技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、上記したパワーユニットとバネ部材を備えている。本明細書が開示する電力変換装置では、ガスケットは、積層方向からみたときに、冷却器の長手方向に沿って半導体モジュールの一端から他端までの間では半導体モジュールと重なっている。一方、ガスケットは、冷却器の長手方向に沿って半導体モジュールの外側に半導体モジュールと重ならない非重畳部を有している。そして、一対の冷却器のそれぞれの金属板は、半導体モジュールを挟んで対向しており、ガスケットの非重畳部と対向する部位の裏側に相手の金属板に向けて突出する凸部を備えている。それぞれの金属板の凸部の頭頂面は、直接に、又は、弾性層を介して相手の金属板の凸部の頭頂部と当接している。

積層方向でガスケットと半導体モジュールが重ならない領域では、一対の冷却器の間で一方の金属板の凸部が他方の金属板の凸部と当接している。その結果、一方の金属板に加わるガスケットの反力と他方の金属板に加わるガスケットの反力が金属板の凸部の頭頂面で相殺し合う。よって、金属板が撓むことが防止される。この構造により、開口と金属板の封止性が高まる。なお、一方の金属板の凸部と他方の金属板の凸部との間には弾性層が挟まれていてもよい。

また、パワーユニットは、複数の半導体モジュールと複数の冷却器が一つずつ交互に積層されているものでもよいが、本明細書が開示する技術の適用先の電力変換装置は、一つの半導体モジュールとその両側に積層されている一対の冷却器で構成されているパワーユニットが積層方向に加圧されている構造を有していればよいことに留意されたい。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換装置（インバータ）の平面図である。 パワーユニットの斜視図である。 パワーユニットの部分分解斜視図である。 積層方向からみたときの金属板とガスケットと半導体モジュールの位置関係を示す模式図である。 一対の冷却器とそれらの間に挟まれる半導体モジュールの積層体を図４のV−V線に相当する断面でカットした図である。 一対の冷却器とそれらの間に挟まれる半導体モジュールの積層体を図４のVI−VI線に相当する断面でカットした図である。 変形例を説明する断面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力を交流電力に変換し、走行モータに供給するインバータ１００である。インバータ１００は、バッテリの直流電力を昇圧する昇圧回路と、直流を交流に変換するインバータ回路を備える。昇圧回路とインバータ回路は良く知られているので回路構成の説明は省略する。

図１にインバータ１００の平面図を示す。図１は、インバータ１００の上カバーを外した平面図であり、ハウジング５３の内部の部品レイアウトを示している。

インバータ１００は、ハウジング５３の中に、パワーユニット１０、リアクトル５５、２個のコンデンサ５６、制御基板（不図示）を収容している。リアクトル５５は、昇圧回路の一部品である。２個のコンデンサ５６は、それぞれ、昇圧回路の入力側と出力側に並列に接続されており、電流を平滑化する。不図示の制御基板は、パワーユニット１０の上に配置される。

パワーユニット１０は、複数の冷却器２ａ−２ｄと複数の半導体モジュール３ａ−３ｄが一つずつ交互に積層されたユニットである。半導体モジュール３ａ−３ｄのそれぞれは、電力変換用の半導体素子であるパワートランジスタを収容している。詳しい構造の説明は省略するが、１個の半導体モジュールに２個のパワートランジスタが収容されている。パワーユニット１０は、４個の半導体モジュール３ａ−３ｄを備えており、合計で８個のパワートランジスタを収容している。複数のパワートランジスタが電力変換回路の主要部品、すなわち、前述した昇圧回路とインバータ回路の主要部品である。パワートランジスタは、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。図１で不図示の制御基板が、各パワートランジスタのオンオフを制御する。

以下、説明を簡単にするため、複数の半導体モジュール３ａ−３ｄのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール３と表記する。同様に、複数の冷却器２ａ−２ｅのいずれか一つを区別なく示すときには冷却器２と表記する。複数の半導体モジュール３ａ−３ｄと複数の冷却器２ａ−２ｅの積層方向の端に位置する冷却器２ｄ、２ｅの形状は他の冷却器２ａ−２ｃとは異なるが、冷却器２ａ−２ｅを冷却器２と総称する。冷却器２ｄ、２ｅと他の冷却器２ａ−２ｃとの相違は後に説明する。

図中の座標系について説明する。Ｘ方向は複数の冷却器２と複数の半導体モジュール３の積層方向に相当する。冷却器２は、積層方向（Ｘ方向）から見て長尺であり、Ｘ方向と直交するＹ方向の長さが、Ｘ方向とＹ方向とに直交するＺ方向の長さよりも長い。説明の便宜上、Ｙ方向を冷却器２の長手方向と称し、Ｚ方向を冷却器２の短手方向と称する場合がある。

パワーユニット１０は、ハウジング５３の側壁５３ｂと支柱５３ａの間に配置されている。パワーユニット１０の積層方向の一端が側壁５３ｂに当接しており、他端と支柱５３ａの間に板バネ５４が挿入されている。板バネ５４は、パワーユニット１０に積層方向（図中のＸ方向）の圧力を加える。詳しくは後述するが、冷却器２の本体は半導体モジュール３と対向する側面に開口を有しており、その開口を金属板が封止している。板バネ５４による圧力によって開口と金属板の間の封止（水密性）が確保される。

図２にパワーユニット１０の斜視図を示す。半導体モジュール３は、上面に３個のパワー端子５９ａ、５９ｂ、５９ｃを備えている。半導体モジュール３の内部では２個のパワートランジスタが直列に接続されており、３個のパワー端子５９ａ、５９ｂ、５９ｃは、それぞれ、パワートランジスタの直列接続の高電位側端子、中点端子、低電位側端子に相当する。なお、図には示されていないが、半導体モジュール３の下面には、パワートランジスタのゲートに接続されているゲート端子が設けられている。別言すれば、半導体モジュール３は、Ｙ方向に延びる端子群（パワー端子５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、及び、ゲート端子）を有している。

積層方向（Ｘ方向）の一方の端に位置する冷却器２ｄには各冷却器２に冷媒を供給する供給管５１と各冷却器２を通過した冷媒を排出する排出管５２が設けられている。図１に示すように、供給管５１と排出管５２はハウジング５３の外へと延びており、これらの管には不図示の冷媒循環器がつながっている。パワーユニット１０が用いる冷媒は液体であり、典型的には水あるいは不凍液である。冷却器２の構造と冷媒の流れについては後述する。

半導体モジュール３はカード型であり、各半導体モジュール３を一対の冷却器２が挟み込んでいる。別言すれば、隣接する一対の冷却器２の間にカード型の半導体モジュール３が挟まれている。また、半導体モジュール３と冷却器２の間には、絶縁板１９が介挿されている。符号を省略しているが、全ての半導体モジュール３がパワー端子５９ａ−５９ｃを備える。また、全ての半導体モジュール３と冷却器の間に絶縁板１９が介挿されている。

図３に、パワーユニット１０の部分分解斜視図を示す。図３は、パワーユニット１０において隣接する一対の冷却器２ａ、２ｂの分解図と、それらに挟まれる半導体モジュール３ｂを示している。なお、図示は省略しているが、冷却器２ｂの後方（Ｘ軸の負の方向）には半導体モジュール３ｃと冷却器２ｃが配置されている。隣接する冷却器２ｂ、２ｃとそれらに挟まれる半導体モジュール３ｃの構造的関係は、冷却器２ａ、２ｂ、半導体モジュール３ｂの構造的関係と同じである。また、図示は省略しているが、冷却器２ａの前方（Ｘ軸の正の方向）には半導体モジュール３ａと冷却器２ｄが配置されている。隣接する冷却器２ｄ、２ａとそれらに挟まれる半導体モジュール３ａの構造的関係は、冷却器２ａ、２ｂ、半導体モジュール３ｂの構造的関係と同じである。なお、パワーユニット１０の一端に位置する冷却器２ｄは、半導体モジュール３ａとは反対側の構造が他の冷却器と異なるが、半導体モジュール３ａに面している側の構造は冷却器２ａ、２ｂと同じである。同様に、パワーユニット１０の他端に位置する冷却器２ｅは、半導体モジュール３ｄとは反対側の構造が他の冷却器と異なるが、半導体モジュール３ｄに面している側の構造は冷却器２ａ、２ｂと同じである。冷却器２ｄの半導体モジュール３ａとは反対側には、開口は設けられておらず、供給管５１と排出管５２が接続されている。冷却器２ｅの半導体モジュール３ｄとは反対側には、開口は設けられていない。

以下では、冷却器２ａと２ｂの半導体モジュール３ｂの側の構造を説明する。冷却器２ａの半導体モジュール３ａの側の構造、及び、冷却器２ｂの半導体モジュール３ｃの側の構造も同じであることに留意されたい。

冷却器２ｂは、樹脂の射出成型で作られている本体２０を備えている。本体２０は、その内部に冷媒が通る流路２０１が設けられている。本体２０の半導体モジュール３ｂと対向する側面２３１に開口２１１が設けられている。開口２１１は、内部の流路２０１と連通している。開口２１１を囲むように、本体２０の側面２３１にリング状のガスケット２４１が配置される。開口２１１は、ガスケット２４１を介して金属板２５２で塞がれる。別言すれば、金属板２５２は、ガスケット２４１を挟んで開口２１１に取り付けられる。なお、金属板２５２は、本体２０に取り付けられる前に絶縁板１９を挟んで半導体モジュール３ｂに固定される。別言すれば、金属板２５２は、一方の面がガスケット２４１を挟んで開口２１１を塞いでおり、他方の面が絶縁板１９を挟んで半導体モジュール３ｂと対向する。

冷却器２ｂの半導体モジュール３ｂとは反対側の構造を説明する前に、冷却器２ａと半導体モジュール３ｂの構造的関係を説明する。冷却器２ａも内部に流路２０１を備えており、半導体モジュール３ｂに対向する側面２３２に開口２１２が設けられている。開口２１２は流路２０１と連通する。開口２１２は、ガスケット２４２を挟んで金属板２５１で封止される。なお、金属板２５１も金属板２５２と同様に、本体２０に取り付けられる前に絶縁板１９を挟んで半導体モジュール３ｂに固定される。別言すれば、金属板２５１は、一方の面がガスケット２４２を挟んで開口２１２を塞いでおり、他方の面が絶縁板１９を挟んで半導体モジュール３ｂと対向する。

冷却器２ｂの半導体モジュール３ｂとは反対側の構造は、冷却器２ａの半導体モジュール３ｂの側の構造と同じである。また、冷却器２ａの半導体モジュール３ｂとは反対側の構造は冷却器２ｂの半導体モジュール３ｂの側の構造と同じである。すなわち、冷却器２ｂの開口２１２もガスケットを挟んで別の金属板に封止される。冷却器２ａの開口２１１もガスケットを挟んでさらに別の金属板に封止される。冷却器２ａ、２ｂは、積層方向の両側に開口２１１、２１２を備えており、それらの開口はガスケットを挟んで金属板で封止される。

金属板２５１、２５２は、ねじ等で本体２０に固定されていない。図１を参照して説明したように、板バネ５４がパワーユニット１０を積層方向に加圧しており、板バネ５４の加圧力によって開口２１１（２１２）と金属板２５２（２５１）との間の封止（水密性）が確保される。この構造はいずれの冷却器でも同じである。ただし、パワーユニット１０の積層方向の両端面（冷却器２ｅの一方の側面と冷却器２ｄの一方の側面）には開口が設けられていない。

金属板２５１と金属板２５２は、半導体モジュール３ｂを挟んで対向する。Ｙ方向（冷却器２ａ、２ｂの長手方向）で一方の金属板２５１の両端には、相手の金属板２５２に向かって突出する凸部２５１ａが設けられている。凸部２５１ａはＺ方向（冷却器２ａ、２ｂの短手方向）に延びている。同様に、Ｙ方向（冷却器２ａ、２ｂの長手方向）で他方の金属板２５２の両端には、相手の金属板２５１に向かって突出する凸部２５２ａが設けられている。凸部２５２ａはＺ方向（冷却器２ａ、２ｂの短手方向）に延びている。金属板２５１の凸部２５１ａの頭頂面は、金属板２５２の凸部２５２ａの頭頂部と当接している。

冷却器２ｂの本体２０のＹ方向の両側には、積層方向（Ｘ方向）に突出する筒部２２が形成されている。筒部２２は、リング状のガスケット２５を挟んで隣接する冷却器２ａの筒部２２と接続される。すなわち、隣接する冷却器同士は筒部２２でつながっている。筒部２２の内側には、本体２０を積層方向（Ｘ方向）に貫通する貫通孔２２１ａ（２２１ｂ）が設けられており、その貫通孔２２１ａ（２２１ｂ）は、本体２０の内部で流路２０１と連通している。冷却器２ｂの後方には冷却器２ｃが配置されており、冷却器２ｂと冷却器２ｃの連結構造は、冷却器２ａと冷却器２ｂの連結構造と同じである。パワーユニット１０では、隣接する冷却器２同士が２個の貫通孔２２１ａ、２２１ｂで連通する。そして、供給管５１（図１、図２参照）から供給された冷媒が一方の貫通孔２２１ａを通じて各冷却器２に分配され、流路２０１をＹ方向に流れる。先に述べたように冷却器２ｂの本体２０はＹ方向に長尺であり、冷媒は本体２０の内部をその長尺方向に流れる。

冷媒は流路２０１を通過する間に隣接する半導体モジュール３の熱を、金属板２５１、２５２を介して吸収する。半導体モジュール３の熱を吸収した冷媒は、他方の貫通孔２２１ｂを通じて排出管５２（図１、図２参照）から排出される。先に述べたようにパワーユニット１０には不図示の冷媒循環器が接続されており、排出管５２から排出された冷媒はラジエータなどで冷却されて再びパワーユニット１０へと送られる。

金属板２５１（２５２）の本体２０を向く面には多数のピンフィン２６が設けられている。金属板２５１（２５２）は、開口２１２（２１１）を通じて流路２０１に面しており、冷媒に直接に触れる。すなわち、ピンフィン２６の冷媒に直接触れる。半導体モジュール３ｂの熱は金属板２５１（２５２）とピンフィン２６を介して流路２０１を通る冷媒に効率よく吸収される。

他の半導体モジュール３ａ、３ｃ、３ｄも、半導体モジュール３ｂと同様にカード型であり、その両側から一対の冷却器２に挟まれている。半導体モジュール３ａ、３ｃ、３ｄも、両側の冷却器２によって効果的に冷却される。冷却器２の本体２０の上部には、軽量化のための溝２０４（肉抜き溝）が設けられている。

半導体モジュール３ｂと金属板２５１とそれらの間に挟まれるガスケット２４２の位置関係を説明する。図４に、積層方向（Ｘ方向）からみたときの半導体モジュール３ｂと金属板２５１とガスケット２４２の位置関係を示す模式図を示す。図４では、金属板２５１は破線で示してあり、冷却器２ａは仮想線で示してある。冷却器２ａの本体に設けられる開口２１２も仮想線で示してある。また、図を理解し易くするため、金属板２５１の凸部２５１ａの範囲をハッチングで示してある。また、ガスケット２４２のうち、積層方向からみたときに半導体モジュール３ｂと重ならない部分をグレーで示してある。ガスケット２４２のうち、積層方向からみたときに半導体モジュール３ｂと重ならない部分（グレーで示した部分）を以下ではガスケット２４２の非重畳部２４２ａと称する。また、記号Ｗが示す範囲は、Ｙ方向（冷却器の長手方向）で半導体モジュール３ｂが占める範囲である。この範囲Ｗでは、ガスケット２４２は、半導体モジュール３ｂと重なる。別言すれば、ガスケット２４２は、Ｘ方向（積層方向）からみたときに、Ｙ方向（冷却器３ｂの長手方向）に沿って半導体モジュール３ｂの一端から他端までの間では半導体モジュール３ｂと重なっており、Ｙ方向（長手方向）に沿って半導体モジュール３ｂの外側に半導体モジュール３ｂと重ならない非重畳部２４２ａを有している。この非重畳部２４２ａは、Ｘ方向（積層方向）からみて、凸部２５１ａと重なる。

なお、符号５７ａ、５７ｃは、半導体モジュール３ｂの表面に露出している放熱板である。放熱板５７ａは、半導体モジュール３ｂの内部でパワー端子５９ａと連続している導電板である。また、放熱板５７ａは、半導体モジュール３ｂの内部でパワートランジスタ５８ａのドレイン電極と接続している。放熱板５７ｃは、半導体モジュール３ｂの内部でパワー端子５９ｃと連続している導電板である。また、放熱板５７ｃは、半導体モジュール３ｂの内部でパワートランジスタ５８ｂのソース電極と接続している。半導体モジュール３ｂの裏面には放熱板５７ｂが露出している。放熱板５７ｂは、半導体モジュール３ｂの内部でパワー端子５９ｂと連続している。また、放熱板５７ｂは、半導体モジュール３ｂの内部で、導電体のスペーサ６２（図５、図６参照）を介してパワートランジスタ５８ａのソース電極、及び、パワートランジスタ５８ｂのドレイン電極と接続している。すなわち、放熱板５７ｂは、２個のパワートランジスタ５８ａ、５８ｂを直列に接続する。

放熱板５７ａ、５７ｃは、内部のパワートランジスタ５８ａ、５８ｂの電極と接続しているため、パワートランジスタ５８ａ、５８ｂの熱をよく伝える。冷却器２の開口２５１は、積層方向からみて放熱板５７ａ、５７ｃの全領域と重なるように設けられている。別言すれば、開口２１２を塞ぐ金属板２５１は、不図示の絶縁板１９を挟んで放熱板５７ａ、５７ｃと対向する。金属板２５１は、一方の面で不図示の絶縁板１９を挟んで放熱板５７ａ、５７ｃと対向しており、他方の面は冷媒に直接に接する。金属板２５１の他方の面には前述したように多数のピンフィン２６が設けられている。パワートランジスタ５８ａ、５８ｂの熱は、放熱板５７ａ、５７ｃと金属板２５１を通じて冷媒によく伝達される。半導体モジュール３ｂの図４に表された面とは反対側の面でも同様である。

冷却器２ｂのガスケット２４１と金属板２５２と半導体モジュール３ｂの関係も、図４に示した関係と同じである。そして、前述したように、金属板２５１の凸部２５１ａの頭頂面と金属板２５２の凸部２５２ａの頭頂面は当接している。

ガスケット２４２は、積層方向（Ｘ方向）からみて開口２１２を囲むように、開口２１２の周囲で本体２０の側面に配置されている。半導体モジュール３ｂを効率よく冷却するため、開口２１２は大きく設けられている。図４に示すように、積層方向（Ｘ方向）からみたとき、ガスケット２４２は、半導体モジュール３ｂの一端から他端までの間では半導体モジュール３ｂと重なっている。半導体モジュールの外側の非重畳部２４２ａは、半導体モジュール３ｂとは重なっていないが、金属板２５１の凸部２５１ａと重なっている。先に述べたように、板バネ５４（図１参照）によって金属板２５１はガスケット２４２に押しつけられており、金属板２５１は、ガスケット２４２から反力を受ける。積層方向からみて金属板２５１と半導体モジュール３ｂが重なっている範囲では、ガスケット２４２の反力は半導体モジュール３ｂが受けるので、金属板２５１が撓むことはない。一方、積層方向からみて金属板２５１と半導体モジュール３ｂが重なっていない範囲では、ガスケット２４２の反力は凸部２５１ａに伝わる。他方、冷却器２ｂの金属板２５２とガスケット２４１も同様の関係にあり、積層方向からみて金属板２５２と半導体モジュール３ｂが重なっていない範囲では、ガスケット２４１の反力は凸部２５２ａに伝わる。凸部２５１ａの頭頂部と凸部２５２ａの頭頂部は当接しており、ガスケット２４１の反力とガスケット２４２の反力は、頭頂部同士の当接面で相殺する。よって、積層方向からみて金属板２５１と半導体モジュール３ｂが重なっていない範囲でも金属板２５１が撓むことはない。

半導体モジュール３ｂが金属板２５１と、その反対側の金属板２５２の撓みを防止していることを、図５と図６の断面図を用いて再度説明する。図５は、隣接する一対の冷却器２ａ、２ｂとそれらに挟まれる半導体モジュール３ｂの積層体を、図４のV−V線に相当する断面でカットした図である。半導体モジュール３ｂにおいて樹脂用のハッチングを施した部分は、樹脂モールド３１である。先に述べたように、半導体モジュール３ｂは、２個のパワートランジスタ５８ａ、５８ｂを樹脂で封止したものであり、その樹脂の部分が樹脂モールド３１である。

図５に示されているように、積層方向（Ｘ方向）からみて、ガスケット２４１（２４２）と半導体モジュール３ｂが重なっている。先に述べたように、パワーユニット１０は、板バネ５４（図１参照）によって積層方向（Ｘ方向）に加圧されており、その加圧力によって、開口２１２（２１１）と金属板２５１（２５２）の封止が確保されている。金属板２５１（２５２）は、ガスケット２４２（２４１）から反力（板バネ５４の加圧力に対する反力）を受ける。一方、金属板２５１（２５２）はガスケット２４２（２４１）の反対側を半導体モジュール３ｂによって支えらえている。よって、金属板２５１（２５２）は、ガスケット２４２（２４１）から反力を受けても撓むことはない。

なお、放熱板５７ｃは、半導体モジュール３ｂの内部でパワー端子５９ｃと連続しているとともに、パワートランジスタ５８ｂのソース電極と接続している（ソース電極は、パワートランジスタ５８ｂの放熱板５７ｃ側の表面に露出している）。放熱板５７ｃの一方の面が金属板２５１と対向する位置で半導体モジュール３ｂから露出している。それゆえ、放熱板５７ｃと金属板２５１との間を絶縁すべく、金属板２５１と半導体モジュール３ｂの間に絶縁板１９が介挿される。半導体モジュール３ｂの放熱板５７ｃと反対側の面には、放熱板５７ｂが露出している。放熱板５７ｂは、導電体のスペーサ６２を介してパワートランジスタ５８ｂのドレイン電極と接続している（ドレイン電極は、パワートランジスタ５８ｂの放熱板５７ｂ側の表面に露出している）。それゆえ、放熱板５７ｂと金属板２５２との間を絶縁すべく、金属板２５２と半導体モジュール３ｂの間に絶縁板１９が介挿される。なお、図示されていないが、放熱板５７ｂは、パワートランジスタ５８ａのソース電極とも接続している。

半導体モジュール３ｂは、パワートランジスタ５８ａ、５８ｂを樹脂で封止したデバイスであり、そのボディは樹脂モールド３１で作られている。他の半導体モジュール３ａ、３ｃ、３ｄについても同様である。図５において、符号２６は金属板２５１（２５２）に設けられているピンフィンを示している。符号２０４は、先に説明したように、本体２０を軽量化するための溝（肉抜き溝）を示している。符号２０５は、ガスケット２４１（２４２）を収めるための溝を示している。

図６は、隣接する一対の冷却器２ａ、２ｂとそれらに挟まれる半導体モジュール３ｂの積層体を、図４のVI−VI線に相当する断面でカットした図である。ただし、Ｙ軸方向の一部を省略している。図６の断面において、図示されているガスケット２４２は、積層方向で半導体モジュール３ｂと重ならない非重畳部２４２ａである。同様に、図６において図示されているガスケット２４１は、積層方向で半導体モジュール３ｂと重ならない非重畳部２４１ａである。図６によく示されているように、金属板２５１は、ガスケット２４１の非重畳部２４１と対向する部位の裏側（ガスケット２４１との対向面の裏側）に相手の金属板２５２に向けて突出する凸部２５１ａを備えている。その凸部２５１ａの頭頂面が直接に相手の金属板２５２の凸部２５２ａの頭頂部と当接している。この構造により、金属板２５１が非重畳部２４２ａから受ける反力は、頭頂面同士の接触部分において、金属板２５２が非重畳部２４１ａから受ける反力と相殺する。従って、金属板２５１（２５２）において非重畳部２４２ａ（２４１ａ）に押される部位が撓むことはない。ガスケット２４２（２４１）の全周にわたって、これに対向している金属板２５１（２５２）が撓むことがないので、開口２１２（２１１）と金属板２５１（２５２）の間の封止性が高まる。

なお、本体２０の開口２１２、２１１の周囲には溝２０５が設けられており、その溝２０５にガスケット２４１、２４２が配置される。溝２０５は、図１〜図４では図示を省略してあった。また、冷却器２ａ、２ｂの筒部２２の端面には、貫通孔２２１ａ（２２１ｂ）を囲むように溝２０７が設けられており、その溝２０７にガスケット２５が配置される。図１〜図４では溝２０７の図示を省略してあった。

図４に示されているように、積層方向からみて、凸部２５１ａと半導体モジュール３ｂの間には隙間があり、この隙間の部分では、ガスケット２４２の反力に対して金属板２５１を支える部材は無い。しかし、凸部２５１ａと半導体モジュール３ｂの間の隙間は小さいので、その隙間に対向する金属板２５１の部位がガスケット２４２の反力で撓むことはない。

上記した実施例では、凸部２５１ａの頭頂面と凸部２５２ａの頭頂面は直接に当接していた。凸部２５１ａの頭頂面と凸部２５２ａの頭頂面は、弾性層を挟んで間接的に当接していてもよい。その変形例を、図７を使って説明する。図７は、図６と同じ断面を示しており、金属板２５１の凸部３５１ａと金属板２５２の凸部３５２ａの高さ（Ｘ方向の長さ）が異なる以外は、図６と同じである。凸部３５１ａの頭頂面と凸部３５２ａの頭頂面は、弾性層６４を挟んで間接的に当接している。このような構造も、図１−図６を使って説明した実施例の構造と同じ利点を得ることができる。さらに、図７の構造では、半導体モジュール３ｂの厚みのばらつきを、弾性層６４が吸収する利点も得ることができる。弾性層６４は、たとえば、熱硬化性樹脂あるいは、光硬化性樹脂を用いて実現することができる。

実施例の電力変換装置はバッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータ１００であった。本明細書が開示する技術は、インバータ以外の電力変換装置に適用することも好適である。また、本明細書が開示する技術は、一つの半導体モジュールが一対の冷却器に挟まれているパワーユニットだけでなく、複数の冷却器と複数の半導体モジュールを含んでおり隣接する冷却器の間に半導体モジュールが挿入されているパワーユニットを備えた電力変換装置にも適用することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、２ａ―２ｄ：冷却器
３、３ａ―３ｄ、１０３ｂ：半導体モジュール
１０：パワーユニット
１９：絶縁板
２０：本体
２２：筒部
２５：ガスケット
２６：ピンフィン
３１、１３１：樹脂モールド
５１：供給管
５２：排出管
５３：ハウジング
５４：板バネ
５５：リアクトル
５６：コンデンサ
５７ａ、５７ｂ、５７ｃ：放熱板
５８ａ、５８ｂ：パワートランジスタ
５９ａ、５９ｂ、５９ｃ：パワー端子
６２：スペーサ
６４：弾性層
１００：インバータ
２０１：流路
２１１、２１２：開口
２４１、２４２：ガスケット
２４１ａ、２４２ａ：非重畳部
２５１、２５２：金属板
２５１ａ、２５２ａ、３５１ａ、３５２ａ：凸部

Claims (1)

1. 半導体素子を収容しているカード型の半導体モジュールと、当該半導体モジュールを挟んでいる一対の冷却器とを備える積層型のパワーユニットと、
   前記半導体モジュールと前記冷却器の積層方向に前記パワーユニットを加圧するバネ部材と、
   を備えており、
   一対の前記冷却器のそれぞれは、
   冷媒が流れる流路が内部に設けられており、前記半導体モジュールと対向する側面に前記流路と連通する開口が設けられている本体と、
   前記積層方向からみたときに前記開口を囲むように前記側面に配置されているガスケットと、
   一方の面が前記ガスケットを挟んで前記開口を塞いでおり、他方の面が前記半導体モジュールと対向している金属板と、
   を備えており、
   前記バネ部材の加圧力によって前記開口と前記金属板の間の封止が確保されており、
   前記ガスケットは、前記積層方向からみたときに、前記冷却器の長手方向に沿って前記半導体モジュールの一端から他端までの間では前記半導体モジュールと重なっており、前記長手方向に沿って前記半導体モジュールの外側に当該半導体モジュールと重ならない非重畳部を有しており、
   一対の前記冷却器のそれぞれの前記金属板は、前記半導体モジュールを挟んで対向しており、前記ガスケットの前記非重畳部と対向する部位の裏側に相手の金属板に向けて突出する凸部を備えており、前記凸部の頭頂面が直接に、又は、弾性層を介して相手の金属板の凸部の頭頂部と当接している、
   ことを特徴とする電力変換装置。

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