JP2018057133A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体モジュールと冷却パネルを交互に積層した積層ユニットを板バネで積層方向に押圧する構造において、サイズの小さな板バネで、積層ユニットの公差に抗して、積層ユニットを一定の押圧力の範囲内で押圧できるようにする。【解決手段】積層ユニットをフレームに収容し、積層ユニットの積層方向における一方側の端部とフレームの間に板バネを配置し、積層ユニットの他方側の端部をフレームに押圧する。この板バネは、積層ユニットに当接する中央部で、板厚が最大となっており、長手方向両端に近づくにつれて、板厚が小さくなっている。または、この板バネは、積層ユニットに当接する中央部で、板幅が最大となっており、長手方向両端に近づくにつれて、板幅が小さくなっている。【選択図】図２

Description

本明細書は、積層ユニットを積層方向に押圧する板バネを備える電力変換装置を開示する。

電力変換装置には、トランジスタやダイオードが樹脂パッケージに封止されている半導体モジュールと、この半導体モジュールを冷却する冷却パネルを交互に積層した積層ユニットを有するものがある。この積層ユニットは、フレームに収納され、積層方向の一端には、積層ユニットを積層方向に押圧するための板バネが配置されている。

板バネの長手方向の中央付近は、積層ユニット側へ突出するように湾曲し、その湾曲部の略中央部で積層ユニットに当接している。板バネの長手方向の両端側は、フレーム内壁に設けられた一対のスペーサにより積層ユニットと反対側から支承される支承部となっている。そして、板バネの反撥力により、積層ユニットを押圧し、半導体モジュールと冷却パネルを密着させている。

半導体モジュールと冷却パネルのサイズには公差があり、積層ユニットの積層方向の長さにも公差がある。電力変換装置を量産する場合には、その交差に起因して、板バネの変形量にばらつきが生じる。変形量のばらつきがあっても、一定の範囲内の押圧力を得る必要がある。大型の板バネであれば、変形量に対する変形量のばらつきの比率を小さく抑えることができ、一定の範囲内の押圧力を得ることができる。それに対して、小型の板バネであると、変形量に対する変形量のばらつきの比率が大きくなり、一定の範囲内の押圧力を得ることが困難となる。積層ユニットに存在する公差が、板バネの小型化を制約している。積層ユニットを構成する半導体モジュールの枚数が増えるほど、積層ユニットの積層方向の長さに関する公差が増大する。半導体モジュールの枚数が増えるほど板バネを大型化する必要がある。

本明細書では、板バネの小型化を可能とする技術を開示する。従来の技術によると、半導体モジュールの積層枚数が増える場合には、それに見合って板バネを大型化する必要があるところ、その大型化を避けることができる技術を開示する。特許文献１に、板バネを小型化する技術が開示されている。板バネは、変形させた状態でフレーム内に組み付ける必要があり、組み付け操作のための部分を必要とする。特許文献１の技術では、支承部よりも外側に延設部を設け、その延設部に治具を当接させて組み付け作業を実施する。特許文献１の技術では、板バネの支承部を押圧部と反対側に湾曲させ、延設部の長さを短くする。延設部の長さを短くすることで、板バネの長手方向の全長を短くする。

特開２０１５−１５８６４号公報

特許文献１の技術によると、支承部よりも外側に延びる延設部の長さを短くすることができ、板バネの長手方向の全長を短くすることができる。しかし、この技術では、変形して押圧力を発揮する板バネの本体部分を小型化することはできない。

本明細書では、複数枚の半導体モジュールと複数枚の冷却パネルを積層した積層ユニットの積層方向の長さに関する公差に抗して、常に一定の範囲内の押圧力を発揮することが求められる板バネの本体部分を小型化する技術を開示する。

本明細書が開示する電力変換装置は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、その半導体モジュールを冷却する冷却パネルを交互に積層した積層ユニットと、その積層ユニットを収容するフレームと、積層ユニットの積層方向の端部とフレームの間に配置され、積層ユニットを積層方向に押圧する板バネを備えている。板バネは、積層ユニット側へ突出するように湾曲するとともに、その湾曲部の略中央部で積層ユニットに当接している。板バネは、次の２つの特徴のうち、少なくとも一方の特徴を備えている。（１）板バネの板厚は、略中央部で厚く、両端に近づくにつれて薄くなっている。（２）板バネの板幅は、略中央部で大きく、両端に近づくにつれて小さくなっている。

本明細書が開示する電力変換装置では、使用する板バネが前記構造を有することにより、積層ユニットに当接する略中央部の体積が大きくなる。このため、板バネに生じる応力を分散させることができ、板バネにかかる荷重に対して発生する最大応力を小さくすることができる。この結果、積層ユニットの積層方向の公差が大きい場合にも、板バネの大型化を避けることができる。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。

実施例の電力変換装置の平面図である。 実施例の電力変換装置に用いられる板バネの斜視図である。 実施例の電力変換装置に用いられる板バネの平面図である。 実施例の電力変換装置に用いられる板バネの側面図である。 実施例の板バネおよび従来形状の板バネの変形量と荷重との関係を示すグラフである。

図面を参照して実施例の電力変換装置１の構造を説明する。図１に示すように、電力変換装置１は、積層ユニット２と、積層ユニット２を収納するフレーム３とを有する。積層ユニット２は、複数枚の半導体モジュール２１と、この半導体モジュール２１を冷却する複数枚の冷却パネル２２とが交互に積層されている。

各半導体モジュール２１は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子やダイオード等を内蔵している。冷却パネル２２は、半導体モジュール２１を両面から冷却する。積層方向において半導体モジュール２１を挟んで隣り合う冷却パネル２２は、その長手方向の両端部付近において連結管２３によって、互いに連結されている。連結管２３は、積層方向に変形可能に構成されている。積層方向の一端側の冷却パネル２２からは、冷却媒体を導入する冷媒導入管２４と、冷却媒体を排出する冷媒排出管２５とが突出するように形成されている。冷媒導入管２４から導入された冷媒は、連結管２３を通って、各冷却パネル内部に送られる。これにより、各冷却パネル２２は隣接する半導体モジュール２１に発生した熱を吸収する。温められた冷媒は、冷媒排出管に導かれて排出される。このように、冷媒は、積層ユニット内を循環している。冷却パネル２２、連結管２３、冷媒導入管２４、及び冷媒排出管２５は、アルミニウム等の金属によって構成される。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。

フレーム３は、矩形状の枠体からなり、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されている。フレーム３の内側には、積層ユニット２における積層方向の端部に配置され、積層ユニット２を積層方向に押圧する押圧部材４が配設されている。また、押圧部材４とフレーム３の内壁面３１との間には、一対のスペーサ５が介在している。

押圧部材４は、板バネ４１と当接板４２とからなる。板バネ４１は、積層ユニット２側へ突出するように湾曲しており、中央部４１１において、当接板４２に当接している。当接板４２は、剛性の高い平板状部材であり、板バネ４１と当接する面とは反対側の面で積層ユニット２の冷却パネル２２に面接触している。これにより、板バネ４１が当接板４２を介して当接する冷却パネル２２が変形してしまうのを防いでいる。

板バネ４１の中央部４１１の両端は、一対の支承部４１２となっている。支承部４１２は、一対のスペーサ５によって、積層ユニット２とは反対側から支承されている。支承部４１２の長手方向両端は、一対の延設部４１３となっている。板バネ４１を組み付ける際には、冶具がこの延設部４１３に当接する。

次に、図２、３、４を参照して、本実施例の電力変換装置に使用される板バネ４１について詳述する。図２は板バネ４１の斜視図であり、図３は板バネ４１の平面図、図４は板バネ４１を図３の矢印Ｘ方向から見た側面図である。板バネ４１は、ステンレススチール等の金属薄板からなる。図３に示すように、板バネ４１は、中央付近で積層ユニット２側に突出するように大きく湾曲しており、中央部４１１で当接板４２に当接している。中央部の両端では、一対の支承部４１２が、スペーサを介してフレーム３の内壁面３１に支承されている。これより外側は、一対の延設部４１３となっている。図３から分かるように、板バネ４１の板厚Ｔは中央部４１１で最大になっており、中央部４１１から長手方向両端に近づくほど、板厚Ｔが連続的に薄くなっている。支承部４１２、延設部４１３で板厚Ｔは最小になっている。

また、図４に示すように、板バネ４１は、側面から見ると、略菱形をしており、中央部４１１で板幅Ｗが最大となっており、長手方向両端に近づくほど板幅Ｗは連続的に小さくなっている。つまり、板バネ４１は、板厚Ｔ、板幅Ｗとも、当接板４２を介して積層ユニット２に当接している中央部４１１で最大となっており、両端に近づくにつれ板厚Ｔ、板幅Ｗとも連続的に小さくなっている。なお、本明細書では、板厚Ｔとは、積層ユニットの積層方向、つまり図１、３で上下方向の板バネの長さを言う。また、板幅Ｗとは、積層ユニットの上下方向、つまり図３で紙面に直交する方向の板バネの長さを言う。

次に、図５を参照して、本実施例の板バネ４１および従来形状の板バネＳ１、Ｓ２について、板バネにかかる荷重と板バネの変形量との関係について説明する。図５は横軸に板バネの変形量を取り、縦軸に板バネにかかる荷重をとったグラフである。Ｓ１、Ｓ２とも従来形状の板バネ（板圧、板幅とも長手方向全域で一様）であって、Ｓ１は長手方向の長さが本実施例の板バネ４１の長さと等しい小型バネ、Ｓ２は長手方向の長さが本実施例の板バネ４１の長さより大きい大型バネである。図５に示すように、板バネＳ１、Ｓ２とも、板バネにかかる荷重と板バネの変形量とは比例する。そして、同じ荷重に対しては、大型バネＳ２の方が小型バネＳ１、４１よりもバネ変形量が大きい。

板バネは積層ユニットに当接することにより、積層ユニットから荷重を受け変形する。そして、板バネには、この積層ユニットから受ける荷重に反撥して、積層ユニットに対する押圧力が生じる。積層ユニットから受ける荷重と板バネの押圧力とは向きが正反対で、大きさは等しい。板バネが有効に、積層ユニットを押圧するには、板バネに適正な範囲の押圧力が生じる必要がある。板バネの押圧力が小さすぎれば、半導体モジュールと冷却パネルを適切に密着させ、積層ユニットをフレーム内に保持することができない。また、板バネの押圧力が大き過ぎれば、積層ユニット側に当接板を備えていたとしても、積層ユニットに適正範囲を超えた力が加わり、積層ユニットの変形を招く恐れがある。この適正範囲の押圧力（つまり板バネにかかる荷重）の下限をＦ１、上限をＦ２とする。

実施例の積層ユニット２における積層方向の公差をＡとする。板バネは公差Ａの範囲で変形量がばらつく。板バネとして有効に機能するためには、そのときに板バネにかかる荷重、つまり板バネの押圧力が、上記Ｆ１以上Ｆ２以下の適正範囲内に収まらなければならない。図５のグラフから分かるように、大型板バネＳ２では、バネ変形量が公差Ａの範囲でばらついても、板バネに生じる押圧力を、Ｆ１以上Ｆ２以下の適正範囲に収めることができる。

しかし、小型板バネＳ１では、公差Ａの範囲で板バネの変形量がばらつくと、板バネにかかる荷重、つまり板バネの押圧力が適正範囲を超えてしまう。よって、板バネＳ１では、板バネの押圧力を適正範囲に収めることができない。したがって、小型板バネＳ１では、積層ユニットを有効に押圧してフレーム内に収めることができない。

これに対し、本実施例の板バネ４１では、板厚、板幅とも中央部で最大となる形状としたために、バネ変形量が変化したときの荷重上昇が板バネＳ１に比べて小さい。このため、公差Ａの範囲で板バネの変形量がばらついた場合にも、板バネに生じる押圧力を適正範囲に収めることができる。

以上、説明したように、本実施例の電力変換装置１では、板バネ４１の板厚、板幅とも中央部で最大とする形状を取ることにより、積層ユニットの積層方向に公差があったとしても、板バネに適正範囲の押圧力を発生させることができる。したがって、板バネを大型化させることなく、積層ユニットの積層方向の公差を吸収し、適正範囲の押圧力で積層ユニットをフレームに収める電力変換装置を提供することができる。

本実施例の電力変換装置では、使用する板バネの板厚、板幅とも、中央部で最大となっている。しかし、使用する板バネの板厚が長手方向全体に渡って一様で板幅が中央部で最大となる形状でもよく、または、板幅が長手方向全体に渡って一様で板厚が中央部で最大となる形状でもよい。また、本実施例の電力変換装置では、使用する板バネの板厚、板幅とも、中央部で最大となっており中央部から長手方向両端に近づくに従い、連続的に小さくなる形状をとっている。しかし、中央部分で板厚または板幅が最大で中央部から長手方向両端に近づくに従って小さくなる形状であれば、どのような形状でもよい。

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。

１：電力変換装置
２：積層ユニット
３：フレーム
４：押圧部材
５：スペーサ
２２：冷却パネル
２３：連結管
２４：冷媒導入管
２５：冷媒排出管
３１： フレーム内壁面
４１：板バネ
４２：当接板
４１１：中央部
４１２：支承部
４１３：延設部

Claims (1)

1. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、前記半導体モジュールを冷却する冷却パネルを交互に積層した積層ユニットと、
   前記積層ユニットを収容するフレームと、
   前記積層ユニットの積層方向の端部と前記フレームの間に配置され、前記積層ユニットを積層方向に押圧する板バネを備えており、
   前記板バネは、前記積層ユニット側へ突出するように湾曲するとともに、その湾曲部の略中央部で前記積層ユニットに当接し、
   前記板バネは、（１）その板厚が前記略中央部で厚く両端に近づくにつれて薄くなっていること、及び、（２）その板幅が前記略中央部で大きく両端に近づくにつれて小さくなっていること、の少なくとも一方の特徴を備えている、電力変換装置。

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