JP2017011923A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子を収容しているカード型の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パワーユニットを備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device including a power unit in which a plurality of card-type semiconductor modules containing semiconductor elements and a plurality of coolers are alternately stacked one by one.
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弾性部材を備えている。 For example, a power conversion device that supplies power to a large-capacity motor includes a plurality of semiconductor elements that generate a large amount of heat. As one of structures for efficiently cooling a plurality of semiconductor elements, a power conversion apparatus may include a power unit in which a card-type semiconductor module that houses semiconductor elements is sandwiched between a pair of coolers. Furthermore, in order to efficiently cool a plurality of semiconductor modules, a power converter including a power unit in which a plurality of semiconductor modules and a plurality of coolers are alternately stacked one by one is known (for example, Patent Documents 1 and 2). . Since the power unit cools the card-type semiconductor module from both sides, the cooling efficiency is high. The power conversion device of Patent Document 2 includes an elastic member that pressurizes the power unit in the stacking direction of the semiconductor module and the cooler in order to increase the adhesion between the semiconductor module and the cooler to further increase the cooling efficiency.
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、半導体モジュールの冷却器と対向する面には、半導体素子と導通している導電性の放熱板が露出している。そのため、金属板と半導体モジュールとの間には、放熱板と金属板を電気的に絶縁する絶縁板が挟まれる。電力変換装置は、上記した冷却器と半導体モジュール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弾性部材を備えている。上記した冷却器は、弾性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。冷却器の本体が熱伝導率の低い例えば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。 The applicant of the present application has proposed to adopt a cooler composed of a main body having an opening and a metal plate that closes the opening for the power unit (Japanese Patent Application No. 2014-083469, filed on April 15, 2014, Not disclosed at the time of filing this application). The cooler can be made of a resin body, has excellent mass productivity, and is lightweight. The cooler has the following structure. The cooler includes a main body, a metal plate, and a gasket. The main body is provided with a flow path through which a coolant flows, and an opening communicating with the flow path is provided on a side surface facing the semiconductor module. The gasket is arranged on the side surface around the opening so as to surround the opening when viewed from the stacking direction of the semiconductor module and the cooler. One side of the metal plate closes the opening with a gasket interposed therebetween, and the other side faces the semiconductor module. That is, one surface of the metal plate faces the flow path, and the other surface faces the semiconductor module. In addition, the conductive heat sink which is electrically connected to the semiconductor element is exposed on the surface of the semiconductor module facing the cooler. Therefore, an insulating plate that electrically insulates the heat radiating plate and the metal plate is sandwiched between the metal plate and the semiconductor module. The power converter includes a power unit in which the above-described cooler and semiconductor module are stacked, and an elastic member that pressurizes the power unit in the stacking direction. In the cooler described above, sealing between the opening and the metal plate is ensured by the pressure applied by the elastic member. Even if the main body of the cooler is made of, for example, a resin having low thermal conductivity, the heat of the semiconductor module is efficiently absorbed by the refrigerant in the cooler through the metal plate.
冷却効率の観点から言うと、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。ただし、開口を大きくすれば、開口の封止のために、より表面積の大きい金属板が必要になる。一方で、金属板と半導体モジュールとの間に挟まれる絶縁板は、放熱板と金属板とを絶縁できる大きさ(表面積)が確保できれば十分である。しかしながら、金属板と半導体モジュールとの間に、金属板に比べて表面積の小さい絶縁板を挟ませると、絶縁板の両側には隙間が生じてしまう。金属板のうち当該隙間に対向する部分は、半導体モジュールによって支持されない。そのため、積層方向からみたときに、ガスケットの一部が隙間に重なることが生じ得る。金属板の上記隙間に対向する部分は、半導体モジュールによって支持されていないために、ガスケットの反力で撓んでしまう虞がある。その結果、開口と金属板の間の封止が弱まる虞がある。 From the viewpoint of cooling efficiency, it is preferable that the opening, which is a range in which the metal plate and the refrigerant are in direct contact with each other, be large. However, if the opening is enlarged, a metal plate having a larger surface area is required for sealing the opening. On the other hand, it is sufficient for the insulating plate sandwiched between the metal plate and the semiconductor module to ensure a size (surface area) that can insulate the heat radiating plate and the metal plate. However, if an insulating plate having a surface area smaller than that of the metal plate is sandwiched between the metal plate and the semiconductor module, a gap is generated on both sides of the insulating plate. A portion of the metal plate that faces the gap is not supported by the semiconductor module. For this reason, when viewed from the stacking direction, a part of the gasket may overlap the gap. Since the portion of the metal plate that faces the gap is not supported by the semiconductor module, the metal plate may be bent by the reaction force of the gasket. As a result, the sealing between the opening and the metal plate may be weakened.
本明細書は、金属板よりも小さい絶縁板を使用でき、かつ、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)を高めることができる技術を提供する。 The present specification provides a technique that can use an insulating plate smaller than the metal plate and can improve the sealing property (watertightness) between the opening of the cooler and the metal plate without the metal plate being bent. .
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弾性部材を備えている。今、一の半導体モジュールを挟んで隣接する一対の冷却器に着目する。本明細書が開示する電力変換装置では、金属板の半導体モジュールと対向する側の面(即ち上記の他方の面)の絶縁板の両側に、絶縁板の縁に沿って延びる凸条が設けられている。積層方向からみたときに、ガスケットは半導体モジュールと重なっているとともに、凸条がガスケットの一部と重なっている。また、凸条の頭頂面が半導体モジュールと当接している。ここで、「凸条の頭頂面が半導体モジュールと当接している」とは、凸条の頭頂面と半導体モジュールとが直接に当接することと、弾性を有する緩衝材を挟んで当接することと、の双方を含む。 The power converter disclosed in this specification includes the above-described power unit and an elastic member. Attention is now paid to a pair of coolers adjacent to each other with one semiconductor module interposed therebetween. In the power conversion device disclosed in the present specification, protrusions extending along the edge of the insulating plate are provided on both sides of the insulating plate on the surface of the metal plate facing the semiconductor module (that is, the other surface). ing. When viewed from the stacking direction, the gasket overlaps the semiconductor module, and the protrusions overlap a part of the gasket. Further, the top surface of the ridge is in contact with the semiconductor module. Here, “the top surface of the ridge is in contact with the semiconductor module” means that the top surface of the ridge and the semiconductor module are in direct contact with each other, and is in contact with the elastic cushioning material in between. Including both.
上記の電力変換装置では、絶縁板の両側に、絶縁板の縁に沿って延びる凸条が設けられている。即ち、絶縁板は、凸条の間に収まる大きさ(表面積)であればよい。そのため、上記の電力変換装置では、金属板よりも表面積の小さい絶縁板を使用することができる。さらに、上記の電力変換装置では、積層方向からみたときに、凸条はガスケットの一部と重なるが、その凸条の頭頂面は半導体モジュールと当接している。そのため、金属板よりも表面積の小さい絶縁板を用いた場合においても、金属板のうち、ガスケットの反力を受ける部分は、全て半導体モジュールによって支持される。従って、金属板がガスケットの反力を受けて撓むことがなく、開口と金属板の間の封止性を高めることができる。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。 In said power converter device, the protruding item | line extended along the edge of an insulating board is provided in the both sides of the insulating board. In other words, the insulating plate may be of a size (surface area) that fits between the ridges. Therefore, in said power converter device, an insulating board with a smaller surface area than a metal plate can be used. Further, in the above power conversion device, when viewed from the stacking direction, the ridge overlaps a part of the gasket, but the top surface of the ridge contacts the semiconductor module. Therefore, even when an insulating plate having a smaller surface area than that of the metal plate is used, all portions of the metal plate that receive the reaction force of the gasket are supported by the semiconductor module. Therefore, the metal plate does not bend due to the reaction force of the gasket, and the sealing performance between the opening and the metal plate can be improved. Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be described in the following “DETAILED DESCRIPTION”.
(第1実施例)
図面を参照して本実施例の電力変換装置を説明する。本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。
(First embodiment)
The power conversion apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. The power conversion device of this embodiment is an
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。
FIG. 1 shows a plan view of the
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。
The
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、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は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がパワーユニット10に含まれている。複数のパワートランジスタが電力変換の主要部品、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。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。
The
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。積層方向(X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。
Hereinafter, in order to simplify the description, when any one of the plurality of
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、Y方向が冷却器の長手方向に相当する。説明の便宜上、Z方向を上下方向とする。 The coordinate system in the figure will be described. The X direction corresponds to the stacking direction of the plurality of coolers 2 and the plurality of semiconductor modules 3. The cooler 2 is long when viewed from the stacking direction (X direction), and the Y direction corresponds to the longitudinal direction of the cooler. For convenience of explanation, the Z direction is the vertical direction.
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が確保される。
The
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。
FIG. 2 is a perspective view of the
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。
The cooler 2d located at one end in the stacking direction (X direction) is provided with a
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。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。
The semiconductor module 3 is a card type, and a pair of coolers 2 are sandwiched between the semiconductor modules 3. In other words, the card-type semiconductor module 3 is sandwiched between a pair of adjacent coolers 2. Although not shown, all the semiconductor modules 3 are provided with
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、また、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。
FIG. 3 shows a partially exploded perspective view of the
以下では、冷却器2aと2bの半導体モジュール3b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。
Below, the structure by the side of the
冷却器2bは、本体20と、金属板252と、ガスケット241と、を備える。本体20は、樹脂の射出成型で作られており、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。
The
金属板252は、一方の面が本体20に対向し、他方の面が半導体モジュール3bと対向するとともに半導体モジュール3bに固定されている。金属板252のうち、本体20と対向する側の面(以下では、「本体20側の面」と呼ぶ場合がある)には、多数のピンフィン26が設けられている。一方、半導体モジュール3bと対向する側の面(以下では、「半導体モジュール3b側の面」と呼ぶ場合がある)は、絶縁板19を挟んで、半導体モジュール3bに固定されている。図4に示すように、本実施例では、半導体モジュール3bの金属板252側の面には、2個のパワートランジスタ(図5、図6の符号58a、58b参照)と導通している導電性の放熱板57bが露出している。絶縁板19は、その放熱板57bと金属板252とを絶縁する。図4に示すように、半導体モジュール3bと、金属板252の半導体モジュール3b側の面の間に挟まれる絶縁板19の表面積は、金属板252の表面積よりも小さい。詳しく言うと、絶縁板19のZ方向の長さは金属板252のZ方向の長さとほぼ同じであるが、絶縁板19のY方向の長さが金属板252のY方向の長さよりも短い。金属板252の半導体モジュール3b側の面のうち、絶縁板19のY方向の両側には、絶縁板19の縁に沿って延びる凸条252aが形成されている。凸条252aは、半導体モジュール3b側に突出している。これにより、一対の凸条252aの間に、絶縁板19を収容可能な形状の凹部262が形成される。
The
絶縁板19は、金属板252が半導体モジュール3bに固定される前に、一対の凸条252aの間(即ち凹部262内)に収容される。図4では、金属板252から離れた位置に絶縁板19を描き、一対の凸条252aの間に収容された状態の絶縁板19を仮想線で描いてある。一対の凸条252aの間に絶縁板19が収容された状態では、絶縁板19の表面(即ち、半導体モジュール3bと対向する側の面)と、一対の凸条252aの頭頂面(即ち、半導体モジュール3bと対向する側の面)とは、略面一に形成される。このように、本実施例では、絶縁板19は、一対の凸条252aの間(即ち凹部262内)に収まる大きさであればよいため、金属板252よりも表面積の小さい絶縁板19を使用することができる。
Before the
金属板252の一対の凸条252aの間に絶縁板19が収容された状態で、金属板252は、半導体モジュール3bに固定される。この際、絶縁板19の表面、及び、凸条252aの頭頂面の双方は、半導体モジュール3bの表面と当接する。この際、半導体モジュール3bの表面に露出した放熱板57bは、絶縁板19の表面と当接する。これにより、放熱板57bと金属板252とが電気的に絶縁される。また、金属板252と半導体モジュール3bとを固定する際には、凸条252aの頭頂面と半導体モジュール3bとの間に緩衝材272が挟まれる。即ち、凸条252aの頭頂面は、緩衝材272を介して半導体モジュール3bに当接される。緩衝材272は、例えば弾性を有する樹脂製のシート材である。
The
図3に示すように、金属板252の半導体モジュール3b側の面が半導体モジュール3bに固定された後で、金属板252の反対側の面(即ち本体20側の面)は、ガスケット241を介して開口211に取り付けられる。ガスケット241は、リング状であり、開口211を囲むように、本体20の側面231に配置される。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のうちの一方の面(即ち、開口211に対向する側の面)は、ガスケット241を挟んで開口211に取り付けられる。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、他方の面が半導体モジュール3bと対向する。
As shown in FIG. 3, after the surface of the
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、冷却器2bと同様に、本体20と、金属板251と、ガスケット241と備える。冷却器2aの本体も、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。金属板251は、金属板252と同様の構成を備えている。即ち、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。
Before describing the structure of the cooler 2b opposite to the
図4に示すように、金属板251の半導体モジュール3b側の面は、絶縁板19を挟んで、半導体モジュール3bに固定されている。なお、半導体モジュール3bの金属板251側の面にも、パワートランジスタ(図5、図6の符号58a、58b参照)と導通している導電性の放熱板57a、57cが露出している。絶縁板19は、それらの放熱板57a、57cと金属板251とを電気的に絶縁する。図4に示すように、半導体モジュール3bと、金属板251の半導体モジュール3b側の面の間に挟まれる絶縁板19の表面積も、金属板251の表面積よりも小さい。即ち、絶縁板19のZ方向の長さは金属板252のZ方向の長さとほぼ同じであるが、絶縁板19のY方向の長さが金属板252のY方向の長さよりも短い。金属板251の半導体モジュール3b側の面のうち、絶縁板19のY方向の両側には、絶縁板19の縁に沿って延びる凸条251aが形成されている。これにより、一対の凸条251aの間には、絶縁板19を収容可能な形状の凹部261が形成される。
As shown in FIG. 4, the surface of the
金属板251の半導体モジュール3bに対向する側の面は、一対の凸条251aの間(即ち凹部261内)に絶縁板19が収容された後で、半導体モジュール3bに固定される。この際、絶縁板19の表面、及び、凸条251aの頭頂面の双方は、半導体モジュール3bの表面と当接する。この際、半導体モジュール3bの表面に露出した放熱板57a、57cは、絶縁板19の表面と当接する。これにより、放熱板57a、57cと金属板251とが電気的に絶縁される。また、金属板251と半導体モジュール3bとを固定する際には、凸条251aの頭頂面と半導体モジュール3bとの間に緩衝材271が挟まれる。即ち、凸条251aの頭頂面は、緩衝材271を介して半導体モジュール3bに当接される。
The surface of the
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。
The structure of the cooler 2b opposite to the
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。
The
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。
On both sides in the Y direction of the
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。
The refrigerant absorbs the heat of the adjacent semiconductor module 3 through the
金属板251(252)は、開口212(211)を通じて流路201に面している。また、金属板251の本体20側の面に設けられている多数のピンフィン26も、開口212(211)を通じて流路201内に突出している。そのため、金属板251(252)及びピンフィン26は、流路201内を通過する冷媒と直接接触する。従って、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。
The metal plate 251 (252) faces the
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。
The
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5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5では、金属板251及び絶縁板19は破線で示してあり、冷却器2aは仮想線で示してある。また、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、理解の容易のため、積層方向からみたときに、半導体モジュール3bが占める領域のうち、冷却器2の開口212と重なる範囲を除いた領域をハッチングで示してある。別言すれば、ハッチングを施した領域は、冷却器2aの本体20の開口212を除く側面と半導体モジュール3bが対向する領域である。
The positional relationship between the
なお、上記の通り、図5中の符号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。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。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。上記の通り、放熱板57a、57cは、絶縁板19と当接しており、絶縁板19によって金属板251と電気的に絶縁されている。なお、半導体モジュール3bの裏面には放熱板57b、57dが露出している(図4、図6、図7参照)。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6、図7参照)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。上記の通り、放熱板57bは、絶縁板19と当接しており、絶縁板19によって金属板252と絶縁されている。また、図5では、半導体モジュール3bの下面から延びるゲート端子61も図示されている。
As described above,
図5の放熱板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。図5に示すように、冷却器2の開口212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。即ち、金属板251は、一方の面で絶縁板19を介して放熱板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5に表された面とは反対側の面でも同様である。
Since the
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5に示すように、積層方向(X方向)からみたとき、開口212を囲むリング状のガスケット242は、その全周において、半導体モジュール3bと重なっている。それとともに、ガスケット242の一部は、凸条251aと重なっている。また、他の一部は、絶縁板19と重なっている。即ち、ガスケット242は、その全周において、金属板251の凸条251aと絶縁板19とのどちらかと重なっていると言うこともできる。
The
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。上記の通り、本実施例では、絶縁板19、及び、凸条251aの頭頂部は、ともに半導体モジュール3bと当接する。即ち、図5によく示されているように、金属板251は、ガスケット242の全周にわたってその反対側(即ち半導体モジュール3b側)を半導体モジュール3bによって支持されていると言える。そのため、金属板251は、ガスケット242から反力を受けても撓むことがない。上記の通り、本実施例では、金属板251よりも表面積の小さい絶縁板19を用いた場合においても、金属板251のうち、ガスケット242の反力を受ける部分は、全て半導体モジュール3bで支持される。そのため、金属板251がガスケット242の反力を受けて撓むことがなく、開口212と金属板252の間の封止性を高めることができる。
As described above, the
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5のVI−VI線に相当する断面でカットした図である。ただし、図6では積層体の下半分は図示を省略した。また、図6の断面においては、積層方向(X方向)からみて、ガスケット241(242)と絶縁板19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、絶縁板19は、半導体モジュール3bの放熱板57a、57b、57cに当接している。即ち、金属板251(252)のガスケット242(241)の反対側の面(即ち半導体モジュール3b側の面)は、絶縁板19を介して、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。
FIG. 6 is a view in which a stacked body of a pair of
上記の通り、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。
As described above, the
図7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6のVII−VII線に相当する断面でカットした図である。ただし、Y方向の一部を省略している。図7の断面においても、積層方向(X方向)からみて、ガスケット242(241)と半導体モジュール3bは重なっている。さらに、ガスケット242(241)凸条251a(252a)も重なっている。図7に示した部分とY方向で反対側の部位も同じ構造を有している。従って、図4−図7に示されているように、積層方向からみたときに、リング状のガスケット241、242の全周にわたってガスケット241、242と半導体モジュール3bは重なっている。それとともに、ガスケット242の一部は、凸条251aと重なっている。また、他の一部は、絶縁板19と重なっている。
FIG. 7 is a view in which a stacked body of a pair of
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5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5では溝207の図示を省略してあった。
A
(本実施例の作用効果)
以上、本実施例のインバータ100の構造を説明した。上記の通り、本実施例では、絶縁板19は、一対の凸条251a(252a)の間(即ち凹部261、262内)に収まる大きさであればよいため、金属板251(252)よりも表面積の小さい絶縁板19を使用することができる。さらに、本実施例では、積層方向(X方向)からみたときに、凸条251a(252a)はガスケット242(241)の一部と重なるが、各凸条251a(252a)の頭頂面は半導体モジュール3bと当接している。そのため、金属板251(252)よりも表面積の小さい絶縁板19を用いた場合においても、金属板251(252)のうち、ガスケット242(241)の反力を受ける部分は、全て半導体モジュール3bで支持することができる。従って、金属板251(252)がガスケット242(241)の反力を受けて撓むことがなく、開口212(211)と金属板251(252)の間の封止性を高めることができる。
(Operational effect of this embodiment)
The structure of the
(対応関係)
本実施例と請求項の対応関係について述べておく。本実施例の板バネ54が「弾性部材」の一例である。金属板251(252)のうちの本体20側の面が「一方の面」の一例であり、金属板251(252)のうちの半導体モジュール3b側の面が「他方の面」の一例である。
(Correspondence)
The correspondence between this embodiment and the claims will be described. The
(第2実施例)
第1実施例と異なる点を中心に説明する。図8に示すように、本実施例では、絶縁板19のY方向の長さが金属板252のY方向の長さよりも短いとともに、絶縁板19のZ方向の長さも金属板252のZ方向の長さよりも短い点で第1実施例とは異なる。そのため、本実施例では、金属板252の半導体モジュール3b側の面のうち、絶縁板19のY方向の両側には凸条252aが形成されているとともに、絶縁板19のZ方向の両側にも凸条252bが形成されている。即ち、一対の凸条252aの間、かつ、一対の凸条252bの間に、上記の絶縁板19を収容可能な形状の凹部262が形成される。本実施例でも、凸条252a、凸条252bの間(即ち凹部262内)に絶縁板19が収容された状態では、絶縁板19の表面と、凸条252aの頭頂部及び凸条252bの頭頂部とは、略面一に形成される。
(Second embodiment)
A description will be given centering on differences from the first embodiment. As shown in FIG. 8, in this embodiment, the length of the insulating
金属板252の凸条252a、252b(即ち凹部262内)の間に絶縁板19が収容された状態で、金属板252は、半導体モジュール3bに固定される。この際、絶縁板19の表面、凸条252aの頭頂面、凸条252bの頭頂面は、いずれも半導体モジュール3bの表面と当接する。絶縁板19は、放熱板57bと当接し、放熱板57bと金属板252とを電気的に絶縁する。また、固定の際、凸条252aの頭頂面と半導体モジュール3bとの間には、緩衝材272が挟まれる。即ち、凸条252aの頭頂面は、緩衝材272を挟んで半導体モジュール3bに当接される。また、図示しないが、凸条252bの頭頂面と半導体モジュール3bとの間にも、同様に緩衝材を挟んでもよい。
The
半導体モジュール3bの反対側に固定される金属板251も、金属板252と同様の構成を備えている。即ち、金属板251の半導体モジュール3b側の面のうち、絶縁板19のY方向の両側に凸条251aが形成されているとともに、絶縁板19のZ方向の両側にも凸条251bが形成されている。即ち、一対の凸条251aの間、かつ、一対の凸条251bの間に、絶縁板19を収容可能な形状の凹部261が形成される。なお、図8では、理解の容易のため、凹部261の開口縁部を破線で示している。凸条251a、凸条251bの間(即ち凹部261内)に絶縁板19が収容された状態では、絶縁板19の表面と、凸条251aの頭頂部及び凸条251bの頭頂部とは、略面一に形成される。
The
金属板251の凸条251a、251bの間に絶縁板19が収容された状態で、金属板251は、半導体モジュール3bに固定される。この際、絶縁板19の表面、凸条251aの頭頂面、凸条251bの頭頂面は、いずれも半導体モジュール3bの表面と当接する。絶縁板19は、放熱板57a、57cと当接し、放熱板57a、57cと金属板251とを電気的に絶縁する。また、固定の際、凸条251aの頭頂面と半導体モジュール3bとの間には、緩衝材271が挟まれる。即ち、凸条251aの頭頂面は、緩衝材271を挟んで半導体モジュール3bに当接される。また、図示しないが、凸条251bの頭頂面と半導体モジュール3bとの間にも、同様に緩衝材を挟んでもよい。
The
本実施例の構造を採用する場合も、積層方向からみてガスケット242(241)の全周が半導体モジュール3bと重なる。それとともに、ガスケット242(241)の一部は、凸条251a(252a)と重なり、他の一部は、凸条251b(252b)と重なっている。即ち、ガスケット242(241)は、その全周において、凸条251a(252a)又は凸条251b(252b)と重なっていると言うことができる。
Even when the structure of this embodiment is employed, the entire circumference of the gasket 242 (241) overlaps the
(本実施例の作用効果)
本実施例でも、絶縁板19は、凸条251a(252a)の間、かつ、凸条251b(252b)の間(即ち凹部261、262内)に収まる大きさであればよいため、金属板251(252)よりも表面積の小さい絶縁板19を使用することができる。さらに、本実施例では、積層方向(X方向)からみたときに、凸条251a(252a)、及び、凸条251b(252b)はいずれもガスケット242(241)と重なるが、凸条251a(252a)、凸条251b(252b)の頭頂面はいずれも半導体モジュール3bと当接している。そのため、金属板251(252)よりも表面積の小さい絶縁板19を用いた場合においても、金属板251(252)のうち、ガスケット242(241)の反力を受ける部分は、全て半導体モジュール3bで支持される。従って、金属板251(252)がガスケット242(241)の反力を受けて撓むことがなく、開口212(211)と金属板251(252)の間の封止性を高めることができる。
(Operational effect of this embodiment)
Also in the present embodiment, the insulating
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。例えば、以下の変形例を採用してもよい。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. For example, the following modifications may be adopted.
(変形例1)上記の各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。
(Modification 1) The power conversion device of each of the above embodiments is the
(変形例2)上記の各実施例では、図4、図8に示すように、金属板251(252)の凸条251a(252a)は、緩衝材271(272)を介して、半導体モジュール3bと当接している。これに限られず、凸条251a(252a)は、緩衝材271(272)を介さずに、直接半導体モジュール3bと当接していてもよい。
(Modification 2) In each of the above-described embodiments, as shown in FIGS. 4 and 8, the protrusions 251a (252a) of the metal plate 251 (252) are connected to the
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み合わ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み合わ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するものであり、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。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
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
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
58:パワートランジスタ
59a、59b、59c:パワー端子
100:インバータ
201:流路
211、212:開口
241、242:ガスケット
251、252:金属板
251a、252a:凸条
251b、252b:凸条
261、262:凹部
271、272:緩衝材
2, 2a-2d:
Claims (1)
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弾性部材と、
を備えており、
前記半導体モジュールの前記冷却器と対向する面に前記半導体素子と導通している導電性の放熱板が露出しており、
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、
前記弾性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、
前記金属板と前記半導体モジュールの間に、前記放熱板と前記金属板を電気的に絶縁する絶縁板が挟まれており、
前記金属板の前記他方の面の前記絶縁板の両側に、前記絶縁板の縁に沿って延びる凸条が設けられており、
前記積層方向からみたときに、前記ガスケットは前記半導体モジュールと重なっているとともに、前記凸条が前記ガスケットの一部と重なっており、
前記凸条の頭頂面が前記半導体モジュールと当接している、
ことを特徴とする電力変換装置。 A stacked power unit comprising a card-type semiconductor module containing a semiconductor element and a pair of coolers sandwiching the semiconductor module;
An elastic member that pressurizes the power unit in the stacking direction of the semiconductor module and the cooler;
With
A conductive heat sink that is electrically connected to the semiconductor element is exposed on a surface of the semiconductor module that faces the cooler,
Each of the pair of coolers
A flow path through which a coolant flows is provided inside, and a main body provided with an opening communicating with the flow path on a side surface facing the semiconductor module;
A gasket disposed on the side surface so as to surround the opening when viewed from the stacking direction;
A metal plate whose one surface closes the opening across the gasket and whose other surface faces the semiconductor module;
With
The sealing between the opening and the metal plate is ensured by the pressure of the elastic member,
Between the metal plate and the semiconductor module, an insulating plate that electrically insulates the heat radiating plate and the metal plate is sandwiched,
Convex ridges extending along edges of the insulating plate are provided on both sides of the insulating plate on the other surface of the metal plate,
When viewed from the stacking direction, the gasket overlaps with the semiconductor module, and the ridge overlaps with a part of the gasket,
The top surface of the ridge is in contact with the semiconductor module;
The power converter characterized by the above-mentioned.
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