JP2019071362A

JP2019071362A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2019071362A
Application number: JP2017197046A
Authority: JP
Inventors: 貴寛采女; Takahiro Uneme; 友子山田; Tomoko Yamada
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2037-10-10
Also published as: US10483189B2; CN109659285B; CN109659285A; US20190109068A1; JP6654609B2

Abstract

【課題】半導体積層体を保持する保持部材の大型化を抑制し、コンパクトな構成を実現することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】車両に搭載される電力変換装置１であって、複数の半導体モジュール１０と、冷媒通路２１を備えた複数の冷却体２０と、が交互に積層されて配置された半導体積層体３０と、半導体積層体３０を、積層方向Ｘに押圧して保持する保持部と、を備え、半導体モジュール１０および冷却体２０は、絶縁性を備えた板状の樹脂接着部材６０により互いに接着され、冷却体２０の外表面のうち、少なくとも樹脂接着部材６０が貼付される部分には、粗化処理が施された粗化領域Ａ１が形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

近年、燃料電池自動車やハイブリッド自動車、電気自動車など車両駆動用の回転電機（モータ）を搭載した車両が開発されている。
このような車両には、例えば特許文献１に示すような、複数の半導体モジュールと、冷媒通路を備えた複数の冷却体と、が交互に積層されて配置された半導体積層体を備えた電力変換装置が搭載されている。
この電力変換装置における半導体積層体では、複数の半導体モジュールと、複数の冷却体と、を例えば板バネ等の保持部材により積層方向に押圧する。これにより、半導体モジュールおよび冷却体の、積層方向と直交する直交方向の位置ずれを防止している。

特開２００６−２７８４６７号公報

しかしながら、前記従来の電力変換装置では、半導体積層体における半導体モジュールと冷却体との直交方向の位置ずれを確実に抑えるためには、保持部材を大きくして積層方向の押圧力を確保する必要があった。このため、電力変換装置をコンパクトにすることに改善の余地があった。

そこで本発明は、半導体積層体を保持する保持部材の大型化を抑制し、コンパクトな構成を実現することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明に係る電力変換装置は、車両に搭載される電力変換装置（例えば実施形態における電力変換装置１）であって、複数の半導体モジュール（例えば実施形態における半導体モジュール１０）と、冷媒通路（例えば実施形態における冷媒通路２１）を備えた複数の冷却体（例えば実施形態における冷却体２０）と、が交互に積層されて配置された半導体積層体（例えば実施形態における半導体積層体３０）と、前記半導体積層体を、積層方向に押圧して保持する保持部（例えば実施形態における保持部３５）と、を備え、前記半導体モジュールおよび前記冷却体は、絶縁性を備えた板状の樹脂接着部材（例えば実施形態における樹脂接着部材６０）により互いに接着され、前記冷却体の外表面のうち、少なくとも前記樹脂接着部材が貼付される部分には、粗化処理が施された粗化領域（例えば実施形態における粗化領域Ａ１）が形成されている、ことを特徴とする。

上記の電力変換装置において、前記粗化領域の表面粗さは、前記樹脂接着部材の厚みよりも小さい、ことが望ましい。

上記の電力変換装置において、前記半導体モジュールの積層方向における端部には、金属板（例えば実施形態における銅板１２）が配置され、前記樹脂接着部材は、前記金属板の全体を覆っている、ことが望ましい。

上記の電力変換装置において、前記冷却体の外表面のうち、前記半導体モジュールと対向する面には、前記粗化領域と、粗化処理が施されていない非粗化領域（例えば実施形態における非粗化領域Ａ２）と、が形成され、前記粗化領域は、積層方向から見た断面視で、前記半導体モジュールにおける前記金属板の外側にまで及んでいる、ことが望ましい。

上記の電力変換装置において、前記冷却体の外表面における全体に、前記粗化領域が形成されている、ことが望ましい。

上記の電力変換装置において、前記樹脂接着部材は、母材樹脂に対して、前記母材樹脂よりも熱伝導性の良いフィラーを添加して構成されている、ことが望ましい。

請求項１の電力変換装置によれば、積層方向に交互に積層されて配置された半導体モジュール、および冷却体が、樹脂接着部材により互いに接着されている。このため、半導体モジュールと冷却体との積層方向、および積層方向と直交する直交方向における接着力を向上することができる。
また、冷却体の外表面のうち、樹脂接着部材が貼付される部分に粗化処理が施されている。このため、冷却体の外表面における直交方向の摩擦係数を向上させることが可能になり、半導体積層体を保持するために要する積層方向の押圧力を抑制することができる。
したがって、半導体積層体を保持する保持部材の大型化を抑制し、コンパクトな構成を実現することができる。

請求項２の電力変換装置によれば、粗化処理の表面粗さが、樹脂接着部材の厚みよりも小さい。このため、粗化領域に貼付された樹脂接着部材が、粗化領域に埋没することがない。これにより、樹脂接着部材と半導体モジュールとの接触面積を確保することで、樹脂接着部材による接着力が低下するのを抑制することができる。

請求項３の電力変換装置によれば、樹脂接着部材が、金属板の全体を覆っているので、半導体モジュールと冷却体との接着力を効果的に向上することができる。
また、冷却体の外表面に粗化処理が施されている。このため、冷却体の外表面と、樹脂接着部材と、の接触面積を大きく確保することが可能になり、金属板から、樹脂接着部材を介して冷却体に放熱するのを促しやすくなる。したがって、半導体モジュールと冷却体との間の熱抵抗の増加を抑制し、効果的に半導体モジュールを冷却することができる。

請求項４の電力変換装置によれば、冷却体の外表面のうち、半導体モジュールと対向する面に、粗化領域および非粗化領域が形成されているので、粗化領域と非粗化領域との境界部分を視認しやすくすることができる。このため、前記境界部分を、製造設備による位置認識のための目印として、半導体モジュールと冷却体との接着時の位置合せの基準とすることで、製造時の直交方向における半導体モジュールおよび冷却体の位置決めを容易に行うことができる。
また、粗化領域が金属板の外側にまで及んでいるので、金属板により前記境界部分が隠れることがなく、この境界部分を確実に位置合わせの基準とすることができる。

請求項５の電力変換装置によれば、冷却体の外表面における全体に粗化領域が形成されているので、粗化処理を行う際に、冷却体の外表面の一部をマスキングする必要がない。これにより、冷却体の製造性を確保して、加工コストの増加を抑制することができる。

請求項６の電力変換装置によれば、樹脂接着部材６０が、母材樹脂に対して、この母材樹脂よりも熱伝導性の良いフィラーを添加して構成されている。このため、樹脂接着部材により半導体モジュールと冷却体との接着力を確保しながら、半導体モジュールと冷却体との間の熱抵抗の増加を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置を搭載する車両の一部の構成を示す図である。本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の一部を示す断面図である。図２に示す電力変換装置における半導体積層体の断面拡大図である。図３に示す半導体積層体の積層前の状態を、簡略化して示す断面模式図である。本発明の第２実施形態に係る電力変換装置における半導体積層体の積層前の状態を、簡略化して示す断面模式図である。

以下、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１について、図１から図４に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１を搭載する車両の一部の構成を示す図である。
本実施形態に係る電力変換装置１は、車両のモータルーム（図示せず）内に搭載されている。

本実施形態による電力変換装置１は、モータとバッテリとの間の電力授受を制御する。例えば、電力変換装置１は、電動車両などの車両に搭載されている。電動車両は、電気自動車、ハイブリッド車両、および燃料電池車両等である。電気自動車は、バッテリを動力源として駆動する。ハイブリッド車両は、バッテリおよび内燃機関を動力源として駆動する。燃料電池車両は、燃料電池を駆動源として駆動する。

図１に示すように、車両は、電力変換装置１に加えて、バッテリ７１と、走行駆動用の第１モータ７２、発電用の第２モータ７３と、を備えている。
バッテリ７１は、電力変換装置１の直流コネクタ７１ａに接続される正極端子ＰＢおよび負極端子ＮＢを備えている。
第１モータ７２は、バッテリ７１から供給される電力によって回転駆動力を発生させる。第２モータ７３は、回転軸に入力される回転駆動力によって回生電力を発生させる。例えば、第１モータ７２および第２モータ７３の各々は、３相交流のブラシレスＤＣモータである。

第１モータ７２および第２モータ７３の各々は、インナーロータ型であり、界磁用の永久磁石を有する回転子と、回転子を回転させる回転磁界を発生させるための３相のステータ巻線を有する固定子とを備えている。第１モータ７２の３相のステータ巻線は、電力変換装置１の第１の３相コネクタ７１ｂに接続されている。第２モータ７３の３相のステータ巻線は、電力変換装置１の第２の３相コネクタ７１ｃに接続されている。

電力変換装置１は、パワーモジュール８１と、リアクトル８２と、コンデンサユニット８３と、抵抗器８４と、第１電流センサ８５と、第２電流センサ８６と、第３電流センサ８７と、電子制御ユニット８８と、ゲートドライブユニット８９と、を備えている。
パワーモジュール８１は、第１モータ７２および第２モータ７３に対して電力を授受する電力変換回路を構成する半導体モジュール１０を備えている。パワーモジュール８１は、半導体素子から成る半導体モジュール１０として、第１電力変換回路部９１と、第２電力変換回路部９２と、第３電力変換回路部９３と、を備えている。

第１電力変換回路部９１は、第１の３相コネクタ７１ｂによって第１モータ７２の３相のステータ巻線に接続されている。第１電力変換回路部９１は、バッテリ７１から第３電力変換回路部９３を介して入力される直流電力を３相交流電力に変換する。第２電力変換回路部９２は、第２の３相コネクタ７１ｃによって第２モータ７３の３相のステータ巻線に接続されている。第２電力変換回路部９２は、第２モータ７３から入力される３相交流電力を直流電力に変換する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１の一部を示す断面図である。電力変換装置１は、複数の半導体モジュール１０と、冷媒通路２１を備えた複数の冷却体２０と、が交互に積層されて配置された半導体積層体３０と、半導体積層体３０を押圧して保持する保持部３５と、を備えている。
以下の説明において、半導体積層体３０における半導体モジュール１０および冷却体２０が交互に積層された方向を積層方向Ｘといい、積層方向Ｘと直交する方向を直交方向Ｙという。

半導体モジュール１０には信号線４０が各別に接続されている。信号線４０は直交方向Ｙのうちの一方向に延びるとともに、ゲートドライブユニット８９の各端子に接続されている。ゲートドライブユニット８９は、積層方向Ｘに延びている。
本実施形態では、保持部３５として板バネが採用されている。保持部３５とケース３７との間にくさび部材３６を挿入することで、保持部３５が半導体積層体３０を積層方向Ｘに押圧して保持する。

図３は、図２に示す電力変換装置１における半導体積層体３０の断面拡大図である。
半導体モジュール１０は、積層方向Ｘの中央部に配置された電子チップ１１と、電子チップ１１を積層方向Ｘの両側から挟む銅板（金属板）１２と、電子チップ１１および銅板１２を一体に保持するモールド１３と、を備えている。銅板１２および電子チップ１１は、導電性接着剤１４により互いに接続されている。導電性接着剤１４としては、例えばはんだを採用することができる。
銅板１２は、積層方向Ｘから見て矩形状をなしている。銅板１２は、半導体モジュール１０の積層方向Ｘにおける両端部に各別に配置されている。銅板１２は、具体的には、中央層としての絶縁層と、積層方向Ｘにおいて該絶縁層を両側から挟む銅パターン（導体パターン）と、によって構成されている。
モールド１３は、例えば合成樹脂材料により形成されている。

冷却体２０は、積層方向Ｘから見て矩形状をなしている。冷却体２０は、例えばアルミニウム等の金属材料により形成されている。
冷却体２０の内部には、冷媒通路２１が形成されている。冷媒通路２１は、直交方向のうち、前記一方向と交差する方向に延びる複数の通路が互いに連通することで、１つの通路を構成している。冷媒通路２１内を冷却水等の冷媒が通過することで、冷却体２０の外表面から、半導体モジュール１０の熱を奪うことができる。

図４は、図３に示す半導体積層体３０の積層前の状態を、簡略化して示す模式図である。
本実施形態では、図３および図４に示すように、半導体モジュール１０および冷却体２０は、絶縁性を備えた板状の樹脂接着部材６０により互いに接着されている。
樹脂接着部材６０は、積層方向Ｘから見て矩形状をなしている。樹脂接着部材６０の積層方向Ｘの厚みＴは、樹脂接着部材６０の全域にわたって同等となっている。樹脂接着部材６０は、銅板１２の全体を覆っている。このため樹脂接着部材６０における直交方向Ｙの大きさＬ１は、銅板１２における直交方向Ｙの大きさＬ２よりも大きくなっている。

また本実施形態では、冷却体２０の外表面のうち、少なくとも樹脂接着部材６０が貼付される部分には、粗化処理が施された粗化領域Ａ１が形成されている。
粗化領域Ａ１の表面粗さは、冷却体２０の外表面のうち、粗化処理が施されていない他の領域（例えば非粗化領域Ａ２や、冷却体２０における冷媒通路２１の内部表面等の通常の加工表面）における表面粗さに比べて、粗くなっている。粗化領域Ａ１の表面粗さは、樹脂接着部材６０の厚みＴよりも小さくなっている。この点について、以下に詳述する。

冷却体２０の粗化領域Ａ１の算術平均粗さをＲａ（μｍ）とし、樹脂接着部材６０の厚みをＴ（μｍ）としたとき、粗化領域Ａ１および樹脂接着部材６０は、
Ｒａ＜Ｔ・・・（１）式
を満足するように形成される。
なお、このような態様に限られず、冷却体２０の粗化領域Ａ１の最大高さをＲｚ（μｍ）としたとき、粗化領域Ａ１および樹脂接着部材６０は、
Ｒｚ＜Ｔ・・・（２）式
を満足するように形成されてもよい。

また本実施形態では、冷却体２０の外表面のうち、半導体モジュール１０と対向する面には、粗化領域Ａ１と、粗化処理が施されていない非粗化領域Ａ２と、が形成されている。粗化領域Ａ１は、積層方向Ｘから見た断面視で、半導体モジュール１０における銅板１２の外側にまで及んでいる。すなわち、粗化領域Ａ１の直交方向Ｙの大きさＬ３は、銅板１２の直交方向Ｙの大きさＬ２よりも大きくなっている。

また本実施形態では、樹脂接着部材６０は、母材樹脂に対して、この母材樹脂よりも熱伝導性の良いフィラーを添加して構成されている。樹脂接着部材６０は、絶縁性を有する樹脂材料からなる母材に、前述したフィラー（添加剤）を加え、ミキサ等により混練した後、板状に形成される。そのような樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂、イミド樹脂、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ビスマレイミドトリアジン（ＢＴレジン）、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂等を用いることができる。

フィラーとしては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の単体又は複合体を採用することができる。その他の材料としては、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）等の単体又は混合体を採用することができる。

このように、本実施形態に係る電力変換装置１では、積層方向Ｘに交互に積層されて配置された半導体モジュール１０、および冷却体２０が、樹脂接着部材６０により互いに接着されている。このため、半導体モジュール１０と冷却体２０との積層方向Ｘ、および積層方向Ｘと直交する直交方向Ｙにおける接着力を向上することができる。

また、冷却体２０の外表面のうち、樹脂接着部材６０が貼付される部分に粗化処理が施されている。このため、冷却体２０の外表面における直交方向Ｙの摩擦係数を向上させることが可能になり、半導体積層体３０を積層方向Ｘに保持するために要する積層方向Ｘの押圧力を抑制することができる。
したがって、半導体積層体３０を積層方向Ｘに保持する保持部３５の大型化を抑制し、コンパクトな構成を実現することができる。

また、粗化領域Ａ１の表面粗さが、樹脂接着部材６０の厚みよりも小さい。このため、粗化領域Ａ１に貼付された樹脂接着部材６０が、粗化領域Ａ１に埋没することがない。これにより、樹脂接着部材６０と半導体モジュール１０との接触面積を確保することで、樹脂接着部材６０による接着力が低下するのを抑制することができる。

また、樹脂接着部材６０が、金属板の全体を覆っているので、半導体モジュール１０と冷却体２０との接着力を効果的に向上することができる。
また、冷却体２０の外表面に粗化処理が施されている。このため、冷却体２０の外表面と、樹脂接着部材６０と、の接触面積を大きく確保することが可能になり、金属板から、樹脂接着部材６０を介して冷却体２０に放熱するのを促しやすくなる。したがって、半導体モジュール１０と冷却体２０との間の熱抵抗の増加を抑制し、効果的に半導体モジュール１０を冷却することができる。

また、冷却体２０の外表面のうち、半導体モジュール１０と対向する面に、粗化領域Ａ１および非粗化領域Ａ２が形成されている。このため、粗化領域Ａ１と非粗化領域Ａ２との境界部分を視認しやすくすることができる。これにより、前記境界部分を、製造設備による位置認識のための目印として、半導体モジュール１０と冷却体２０との接着時の位置合せの基準とすることで、製造時の直交方向Ｙにおける半導体モジュール１０および冷却体２０の位置決めを容易に行うことができる。
また、粗化領域Ａ１が銅板１２の外側にまで及んでいるので、銅板１２により前記境界部分が隠れることがなく、この境界部分を確実に位置合わせの基準とすることができる。

また、樹脂接着部材６０が、母材樹脂に対して、この母材樹脂よりも熱伝導性の良いフィラーを添加して構成されている。このため、樹脂接着部材６０により半導体モジュール１０と冷却体２０との接着力を確保しながら、半導体モジュール１０と冷却体２０との間の熱抵抗の増加を抑制することができる。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置２について、図５に基づいて説明する。なお、以下の説明において第１実施形態と同一の構成および機能については説明を省略する。図５は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置２における半導体積層体３０の積層前の状態を、簡略化して示す模式図である。
本実施形態に係る電力変換装置２では、図５に示すように、冷却体２０の外表面における全体に、粗化領域Ａ１が形成されている。このため、冷却体２０の外表面には非粗化領域Ａ２が形成されていない。

このように、本実施形態に係る電力変換装置２では、冷却体２０の外表面における全体に粗化領域Ａ１が形成されているので、粗化処理を行う際に、冷却体２０の外表面の一部をマスキングする必要がない。これにより、冷却体２０の製造性を確保して、加工コストの増加を抑制することができる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記各実施形態においては、冷却体２０の外表面のうち、粗化処理が施された部分の表面粗さは、樹脂接着部材６０の厚みＴよりも小さい構成を示したが、このような態様に限られない。前記粗化処理が施された部分の表面粗さは、樹脂接着部材６０の厚みＴよりも大きくてもよい。

また、上記各実施形態においては、樹脂接着部材６０が、半導体モジュール１０における金属板の全体を覆っている構成を示したが、このような態様に限られない。樹脂接着部材６０は、金属板を部分的に覆っていてもよい。

また、上記各実施形態においては、冷却体２０の外表面における粗化領域Ａ１は、積層方向Ｘから見た断面視で、半導体モジュール１０における金属板の外側にまで及んでいる構成を示したが、このような態様に限られない。粗化領域Ａ１は、前記断面視で半導体モジュール１０における金属板の外側にまで及んでいなくてもよい。

また、上記各実施形態においては、樹脂接着部材６０は、母材樹脂に対して、この母材樹脂よりも熱伝導性の良いフィラーを添加して構成されている構成を示したが、このような態様に限られない。フィラーは母材樹脂よりも熱伝導性が悪くてもよいし、樹脂接着部材６０がフィラーを備えていなくてもよい。

また、上記各実施形態においては、電力変換装置１、２が、車両のモータルーム内に搭載されている構成を示したが、このような態様に限られない。電力変換装置１、２は、例えば電動４ＷＤ等で後輪駆動用の独立した２モータ・駆動回路ユニットとして、車両後部等に搭載されてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１、２…電力変換装置１０…半導体モジュール１２…銅板（金属板）２０…冷却体３０…半導体積層体３５…保持部６０…樹脂接着部材Ａ１…粗化領域Ａ２…非粗化領域

Claims

車両に搭載される電力変換装置であって、
複数の半導体モジュールと、冷媒通路を備えた複数の冷却体と、が交互に積層されて配置された半導体積層体と、
前記半導体積層体を、積層方向に押圧して保持する保持部と、
を備え、
前記半導体モジュールおよび前記冷却体は、絶縁性を備えた板状の樹脂接着部材により互いに接着され、
前記冷却体の外表面のうち、少なくとも前記樹脂接着部材が貼付される部分には、粗化処理が施された粗化領域が形成されている、
ことを特徴とする電力変換装置。
前記粗化領域の表面粗さは、前記樹脂接着部材の厚みよりも小さい、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記半導体モジュールの積層方向における端部には、金属板が配置され、
前記樹脂接着部材は、前記金属板の全体を覆っている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記冷却体の外表面のうち、前記半導体モジュールと対向する面には、
前記粗化領域と、粗化処理が施されていない非粗化領域と、が形成され、
前記粗化領域は、積層方向から見た断面視で、前記半導体モジュールにおける前記金属板の外側にまで及んでいる、
ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
前記冷却体の外表面における全体に、前記粗化領域が形成されている、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記板状の樹脂接着部材は、母材樹脂に対して、前記母材樹脂よりも熱伝導性の良いフィラーを添加して構成されている、
ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。