JP2023107014A - 電力変換装置、および、その製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】屈曲部に応力集中することが抑制された電力変換装置、および、その製造方法を提供する。【解決手段】電力変換装置１０は、半導体モジュール１２および冷却器１８を有するパワーモジュール２０と、パワーモジュールを加圧保持する、第１フレーム３０および第２フレーム４０と、を備える。第１フレームは、半導体モジュールと冷却器とが並ぶ並び方向に沿って延び、パワーモジュールを介して並ぶ２つの側部３１、３２と、側部同士を中継しつつ、並び方向でパワーモジュールへ反力を付与する中継部３３と、側部と中継部に一体的に連結されるとともに、屈曲可能な屈曲部３４、３５と、を備える。第２フレームは、２つの側部の間でパワーモジュールを介して中継部と並び、並び方向にパワーモジュールに加圧力を付与した状態で、第１フレームに固定されており、側部の少なくとも一部の剛性が、中継部の剛性よりも低くなっている。【選択図】図１

Description

本明細書に記載の開示は、フレームを備える電力変換装置、および、その製造方法に関するものである。

特許文献１には積層体と積層体を加圧保持するフレームを備える電力変換装置が記載されている。積層体には複数の半導体モジュールと冷却器が含まれている。フレームは積層体の積層方向に沿って積層体を加圧保持している。

特開２０２０－２０２２５４号公報

フレームは、第１フレームと第２フレームとを備える。第１フレームは、屈曲部を介して積層体を三方向から取り囲むように構成されている。第２フレームは、第１フレームにおける三方向から取り囲まれた開口に設けられている。

積層方向に沿ってフレームが積層体を加圧保持すると、屈曲部に応力集中しやすかった。

そこで本開示の目的は、屈曲部に応力集中することが抑制された電力変換装置、および、その製造方法を提供することである。

本開示の一態様による電力変換装置は、
半導体モジュール（１２）および冷却器（１８）を有するパワーモジュール（２０）と、
パワーモジュールを加圧保持する、第１フレーム（３０）および第２フレーム（４０）と、を備え、
第１フレームは、
半導体モジュールと冷却器とが並ぶ並び方向に沿って延び、パワーモジュールを介して並ぶ２つの側部（３１、３２）と、
側部同士を中継しつつ、並び方向でパワーモジュールへ反力を付与する中継部（３３）と、
側部と中継部に一体的に連結されるとともに、屈曲可能な屈曲部（３４、３５）と、を備え、
第２フレームは、
２つの側部の間でパワーモジュールを介して中継部と並び、並び方向にパワーモジュールに加圧力を付与した状態で、第１フレームに固定されており、
側部の少なくとも一部の剛性が、中継部の剛性よりも低くなっている。

これによれば側部（３１、３２）における中継部（３３）よりも剛性の低い部位が、屈曲部（３４、３５）よりも変形しやすくなる。屈曲部（３４、３５）に応力集中することが抑制される。

本開示の一態様による電力変換装置の製造方法は、
半導体モジュール（１２）および冷却器（１８）を有するパワーモジュール（２０）と、
第１フレーム（３０）および第２フレーム（４０）と、を備える電力変換装置の製造方法であって、
第１金属板（３０ａ）をプレスして、２つの側部（３１、３２）、側部同士を中継する中継部（３３）、および、側部と中継部とを連結する屈曲部（３４、３５）を備え、側部の少なくとも一部の剛性が中継部の剛性よりも低い、第１フレームを作成し、
第２金属板（４０ａ）をプレスして、２つの側部の間に設けられるとともに第１フレームに固定される第２フレームを作成し、
第１フレームと第２フレームとの間にパワーモジュールを配置し、
第２フレームを介して、パワーモジュールに、第１フレームが塑性変形し始める所定値以上の加圧力を一時的に付与し、
付与された所定値以上の加圧力を所定値未満まで下げ、
パワーモジュールに、所定値未満の加圧力と、第１フレームに発生する反力のうち、所定値未満の加圧力が第１フレームに加わった際に第１フレームに発生する反力と、が付与された状態で、第１フレームと第２フレームとを固定する。

これによれば、加圧力を所定値未満まで低下させる際の、第１フレーム（３０）の反力の変化量がばらつくことが抑制される。

なお、上記の括弧内の参照番号は、後述の実施形態に記載の構成との対応関係を示すものに過ぎず、技術的範囲を何ら制限するものではない。

第１実施形態における電力変換装置の上面図である。 第１実施形態におけるフレームの斜視図である。 第２実施形態におけるフレームの斜視図である。 第２実施形態の変形例を説明する上面図である。 第２実施形態の変形例を説明する拡大図である。 第２実施形態の変形例を説明する拡大図である。 第２実施形態の変形例を説明する上面図である。 図７に示す一点鎖線に沿う断面図である。 図７に示す一点鎖線に沿う断面図の変形例である。 第３実施形態におけるフレームの斜視図である。 第４実施形態におけるフレームの上面図である。 第５実施形態におけるフレームの斜視図である。 第６実施形態における電力変換装置の上面図である。 第７実施形態におけるフレームの斜視図である。 第８実施形態におけるフレームの斜視図である。 第９実施形態におけるフレームの斜視図である。 第１０実施形態における電力変換装置の上面図である。 第１１実施形態における電力変換装置の上面図である。 第１２実施形態におけるフレームの上面図である。 フレームにかかる力と変位の関係を説明するためのグラフである。

以下、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。

また、各実施形態で組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士、実施形態と変形例、および、変形例同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
図１および図２に基づいて本実施形態に係る電力変換装置１０を説明する。電力変換装置１０は、パワーモジュール２０、フレーム５０、および、スペーサ６０を備える。パワーモジュール２０は、複数の半導体モジュール１２と、半導体モジュール１２を個別に収納する収納空間を備える冷却器１８とを備える。以下においては、半導体モジュール１２と冷却器１８とが並ぶ並び方向をｙ方向として示す。より具体的に言えば、半導体モジュール１２と中継管１４とが並ぶ並び方向をｙ方向として示す。並び方向に直交する二方向をｘ方向、ｚ方向として示す。また複数の半導体モジュール１２の積層方向は並び方向と等しくなっている。なお、パワーモジュール２０に含まれる半導体モジュール１２の個数は複数に限定されない。パワーモジュール２０に半導体モジュール１２が１つ以上含まれていればよい。

＜パワーモジュール＞
上記したようにパワーモジュール２０は複数の半導体モジュール１２と冷却器１８を備える。半導体モジュール１２は、複数の半導体素子と、複数の端子と、これらを被覆する被覆樹脂と、を備える。複数の半導体素子と複数の端子は互いに電気的に接続されている。被覆樹脂から複数の端子が露出されている。

端子を介してバッテリから複数の半導体モジュール１２に電力が供給される。これとは別の端子を介して複数の半導体モジュール１２からモータなどの外部機器に電力が供給される。複数の半導体モジュール１２はバッテリとモータの間で電力変換の役割を担っている。半導体モジュール１２は発熱しやすくなっている。

冷却器１８は半導体モジュール１２を冷却するための装置である。冷却器１８の内部に冷却水が流通している。冷却器１８は、供給管１５、排出管１６、および、複数の中継管１４を備える。供給管１５は冷却水が供給される供給口１５ａを備える。排出管１６は冷却水が排出される排出口１６ａを備える。複数の中継管１４を介して供給管１５と排出管１６が連結されている。供給口１５ａから排出口１６ａに向かって、供給管１５、中継管１４、および、排出管１６の内部空間を冷却水が流れる。

図１に示すように供給管１５と排出管１６はｙ方向に延伸している。供給管１５と排出管１６はｘ方向に離間して並んでいる。供給管１５と排出管１６の間に複数の中継管１４が設けられている。複数の中継管１４はｙ方向に離間して並んでいる。隣接する中継管１４の間に半導体モジュール１２を収納する収納空間が構成されている。この収納空間に半導体モジュール１２が個別に収納される。これによって効率的に半導体モジュール１２を冷却可能になっている。

また半導体モジュール１２と中継管１４の間にはグリス状のサーマルインターフェースマテリアル（ＴＩＭ）が塗布されている。ＴＩＭとは、電気機器などから効率的に熱を逃がすために用いられる、熱伝導性の高い物質のことである。パワーモジュール２０においては、半導体モジュール１２の熱を中継管１４に効率的に逃がすために用いられている。

パワーモジュール２０は電気自動車やハイブリッド自動車などに搭載される。使用される環境によっては、パワーモジュール２０に温度変化が生じる。温度変化が生じると、パワーモジュール２０の各構成要素が膨張や収縮し寸法変化が発生する。その場合、半導体モジュール１２および中継管１４とＴＩＭとの接触面積が減少する虞がある。

ＴＩＭの効果を発揮するには寸法変化があっても、半導体モジュール１２および中継管１４とＴＩＭとの接触面積が保持されることが重要である。本実施形態では半導体モジュール１２および中継管１４とＴＩＭとの接触面積を保持する目的で、パワーモジュール２０がフレーム５０に加圧保持されている。

＜フレーム＞
フレーム５０はパワーモジュール２０を加圧保持するための枠組である。詳しくは後で説明するが、フレーム５０はパワーモジュール２０に加圧力と反力を付与することでパワーモジュール２０を保持している。

フレーム５０は第１フレーム３０と第２フレーム４０を備える。第１フレーム３０は、パワーモジュール２０の外周を三方向から取り囲むように屈曲する第１金属板３０ａから成る。第１フレーム３０は、供給管１５に沿ってｙ方向に延びた後、供給口１５ａおよび排出口１６ａとは反対側の中継管１４に沿ってｘ方向に延び、その後、排出管１６に沿ってｙ方向に延びている。

以下、第１フレーム３０における供給管１５に沿ってｙ方向に延びる部位を第１側部３１と示す。第１フレーム３０における排出管１６に沿ってｙ方向に延びる部位を第２側部３２と示す。第１フレーム３０における供給口１５ａおよび排出口１６ａとは反対側の中継管１４に沿ってｘ方向に延びる部位を第１中継部３３と示す。

第１側部３１と第１中継部３３とは、第１屈曲部３４を介して連結されている。第２側部３２と第１中継部３３とは、第２屈曲部３５を介して連結されている。第１フレーム３０は、第１側部３１、第２側部３２、第１中継部３３、第１屈曲部３４、および、第２屈曲部３５を備えている。第１側部３１は第１中継部３３よりも剛性の低い第１低剛性部３８を備える。第２側部３２は第１中継部３３よりも剛性の低い第２低剛性部３９を備える。低剛性部３８、３９については後で詳説する。

第２フレーム４０は第１フレーム３０の開口に設けられる。第２フレーム４０は、第１側部３１と第２側部３２の間でパワーモジュール２０を介して第１中継部３３と並んでいる。第２フレーム４０は第１中継部３３と協働してパワーモジュール２０を挟持する。第２フレーム４０は、供給口１５ａおよび排出口１６ａ側の中継管１４と第１側部３１と第２側部３２とに沿うように屈曲する第２金属板４０ａから成る。

第２フレーム４０は、第１側部３１の供給管１５側の第１内側面３１ａに沿ってｙ方向に延びた後、供給口１５ａおよび排出口１６ａ側の中継管１４に沿ってｘ方向に延び、その後、第２側部３２の排出管１６側の第２内側面３２ａに沿ってｙ方向に延びている。

以下、第２フレーム４０における第１内側面３１ａに沿ってｙ方向に延びる部位を第３側部４１と示す。第２フレーム４０における第２内側面３２ａに沿ってｙ方向に延びる部位を第４側部４２と示す。第２フレーム４０における供給口１５ａおよび排出口１６ａ側の中継管１４に沿ってｘ方向に延びる部位を第２中継部４３と示す。

第３側部４１と第２中継部４３とは第３屈曲部４４を介して連結されている。第４側部４２と第２中継部４３とは第４屈曲部４５介して連結されている。第２フレーム４０は、第３側部４１、第４側部４２、第２中継部４３、第３屈曲部４４、および、第４屈曲部４５を備えている。

また第２中継部４３には、ｙ方向に貫く２つの開口が形成されている。第１の開口に供給管１５が通される。第２の開口に排出管１６が通される。

＜スペーサ＞
スペーサ６０はフレーム５０の加圧保持機能を補助するための部材である。スペーサ６０は第１スペーサ６１と第２スペーサ６４を備える。第１スペーサ６１は、第１中継部３３と供給口１５ａおよび排出口１６ａから離間した側の中継管１４との間に設けられる部材である。第２スペーサ６４は、第２中継部４３と供給口１５ａおよび排出口１６ａ側の中継管１４との間に設けられる部材である。

＜電力変換装置＞
電力変換装置１０は、パワーモジュール２０がフレーム５０に加圧保持されることで構成される。第１フレーム３０と第２フレーム４０の間にパワーモジュール２０が設けられている。供給口１５ａおよび排出口１６ａから離間した側の中継管１４と第１中継部３３の間に第１スペーサ６１が設けられている。供給口１５ａおよび排出口１６ａ側の中継管１４と第２中継部４３の間に第２スペーサ６４が設けられている。

第２スペーサ６４と第２中継部４３を介して外部からパワーモジュール２０に加圧力が付与されている。第１スペーサ６１を介して第１中継部３３からパワーモジュール２０に反力が付与されている。第１側部３１と第３側部４１が溶接などによって接合されている。第２側部３２と第４側部４２が溶接などによって接合されている。パワーモジュール２０に加圧力と反力が加わった状態で、第１フレーム３０が第２フレーム４０に接合されている。これによれば、半導体モジュール１２および中継管１４とＴＩＭの面圧が保持され、半導体モジュール１２および中継管１４とＴＩＭとの接触面積の低下を抑制できる。

またフレーム５０は加圧力が加えられるために、フレーム５０の一部が撓んだ形状をしている。第１中継部３３がｙ方向でパワーモジュール２０から遠ざかる態様で撓んでいる。第１側部３１と第２側部３２がｘ方向でパワーモジュール２０に近づく態様で撓んでいる。

＜フレームの剛性＞
第１フレーム３０は第１金属板３０ａが折り曲げられることで形成されている。そのために、第１金属板３０ａの延在方向に直交する断面の断面積が等しい部位においては、板材の剛性が等しくなることが想定される。具体的に言えば、第１側部３１と、第２側部３２と、第１中継部３３との剛性が等しくなることが想定される。

本実施形態では、第１側部３１は第１中継部３３よりも剛性の低い第１低剛性部３８を備える。第１低剛性部３８は、第１側部３１がｚ方向に一部切り欠かれることで形成される。第１低剛性部３８が、ｚ方向で並ぶ第１切り欠き部３８ａと第２切り欠き部３８ｂの間に配置されている。以下、説明を簡便とするために、第１側部３１における第１低剛性部３８以外の部位を第１剛性部３６と示す。

第１低剛性部３８の剛性は、第１剛性部３６の剛性よりも低くなっている。第１低剛性部３８の剛性は、第１中継部３３の剛性よりも低くなっている。第１低剛性部３８は、第１側部３１における第３側部４１との接合部位よりも第１屈曲部３４側の部位に形成されている。さらに言えば、第１低剛性部３８は、第１側部３１の延在方向の中心よりも、第１屈曲部３４側の部位に形成されている。

第２側部３２は第１中継部３３よりも剛性の低い第２低剛性部３９を備える。第２低剛性部３９は、第２側部３２がｚ方向に一部切り欠かれることで形成される。第２低剛性部３９が、ｚ方向で並ぶ第３切り欠き部３９ａと第４切り欠き部３９ｂの間に配置されている。以下、説明を簡便とするために、第２側部３２における第２低剛性部３９以外の部位を第２剛性部３７と示す。

第２低剛性部３９の剛性は、第２剛性部３７の剛性よりも低くなっている。第２低剛性部３９の剛性は、第１中継部３３の剛性よりも低くなっている。第２低剛性部３９の剛性は、第１低剛性部３８の剛性と等しくなっている。なお、第２低剛性部３９の剛性は第１低剛性部３８の剛性と等しくなくてもよい。第２低剛性部３９は、第２側部３２における第４側部４２との接合部位よりも第２屈曲部３５側の部位に形成されている。さらに言えば、第２低剛性部３９は、第２側部３２の延在方向の中心よりも、第２屈曲部３５側の部位に形成されている。

屈曲部３４、３５は残留応力が大きいために、小さな加圧力で塑性変形する虞がある。そのために側部３１、３２における屈曲部３４、３５に近い部位に、低剛性部３８、３９を設けて、積極的に低剛性部３８、３９を変形させることで、加圧力を低剛性部３８、３９に分散させることが望ましい。

＜低剛性部と中継管＞
中継管１４は、ｘ方向の一端に第１側部３１に向かって突出する第１凸部１４ａを備える。同様に中継管１４は、ｘ方向の他端に第２側部３２に向かって突出する第２凸部１４ｂを備える。

複数の中継管１４のうちの一部の第１凸部１４ａが、第１低剛性部３８とｘ方向で対向する。なお、複数の中継管１４のうちの一部の第１凸部１４ａが、第１低剛性部３８とｘ方向で対向しなくてもよい。第１凸部１４ａが、第１切り欠き部３８ａのみ、もしくは、第２切り欠き部３８ｂのみとｘ方向で対向していてもよい。その場合、第１側部３１と第１凸部１４ａとのｘ方向の離間距離を狭くできる。電力変換装置１０のｘ方向の体格を小型化できる。

複数の中継管１４のうちの一部の第２凸部１４ｂが、第２低剛性部３９とｘ方向で対向する。なお、複数の中継管１４のうちの一部の第２凸部１４ｂが、第２低剛性部３９とｘ方向で対向しなくてもよい。第２凸部１４ｂが、第３切り欠き部３９ａのみ、もしくは、第４切り欠き部３９ｂのみとｘ方向で対向していてもよい。その場合、第２側部３２と第２凸部１４ｂとのｘ方向の離間距離を狭くできる。電力変換装置１０のｘ方向の体格を小型化できる。

＜作用効果＞
第１低剛性部３８の剛性が、第１中継部３３の剛性よりも低くなっている。第２低剛性部３９の剛性が、第１中継部３３の剛性よりも低くなっている。これによれば、パワーモジュール２０に加圧力が加わった際、第１低剛性部３８と第２低剛性部３９が積極的に変形しやすくなる。第１屈曲部３４と第２屈曲部３５に加圧力に起因する力が加わることが抑制される。第１屈曲部３４と第２屈曲部３５に応力集中することが抑制される。以下、加圧力に起因する力を単に力と示す。

第１低剛性部３８が、第１側部３１の延在方向の中心よりも第１屈曲部３４側の部位に形成されている。第２低剛性部３９が、第２側部３２の延在方向の中心よりも第２屈曲部３５側の部位に形成されている。これによれば、第１低剛性部３８と第２低剛性部３９に力がより加わりやすくなる。第１屈曲部３４と第２屈曲部３５に応力集中することが抑制される。

（第２実施形態）
第１実施形態においては、第１側部３１と第２側部３２がｚ方向に一部切り欠かれることで、第１低剛性部３８と第２低剛性部３９が形成される形態について説明した。図３に示すように、第２実施形態においては、第１側部３１にｚ方向に貫通する第１貫通孔３８ｃが設けられることで、第１貫通孔３８ｃの一部を区画する第１低剛性部３８が形成されていてもよい。第２側部３２にｚ方向に貫通する第２貫通孔３９ｃが設けられることで、第２貫通孔３９ｃの一部を区画する第２低剛性部３９が形成されていてもよい。

また図４～６に示すようにパワーモジュール２０とフレーム５０とがアセンブリされた状態において、側部３１、３２の一部がパワーモジュール２０に近づくようにＳ字状に湾曲していてもよい。側部３１、３２におけるパワーモジュール２０とのｘ方向の離間距離が最小となる箇所に、貫通孔３８ｃ、３９ｃが設けられていても良い。貫通孔３８ｃ、３９ｃのｘ方向の投影領域に、凸部１４ａ、１４ｂが設けられていても良い。その場合、側部３１、３２と凸部１４ａ、１４ｂとのｘ方向の離間距離を短くすることができる。これによれば、電力変換装置１０のｘ方向の体格を小型化できる。

なお、中継管１４の形態は、図５に示すように、自身のｙ方向の中心に凸部１４ａ、１４ｂが設けられることで、ｙ方向の中心から対称形状を成していても良い。他にも中継管１４の形態は、図６に示すように、ｙ方向の中心から端側にずれた箇所に凸部１４ａ、１４ｂが設けられることで自身のｙ方向の中心から対称形状を成していなくても良い。いずれにしても、凸部１４ａ、１４ｂがｙ方向に直交する方向で貫通孔３８ｃ、３９ｃの投影領域に含まれていればよい。具体的に言えば、凸部１４ａ、１４ｂが貫通孔３８ｃ、３９ｃのｘ方向の投影領域に含まれていればよい。なお、貫通孔３８ｃ、３９ｃのｘ方向の投影領域に含まれる凸部１４ａ、１４ｂの個数は限定されない。

さらに図７および図８に示すように中継管１４の形態は、自身のｚ方向の中心に凸部１４ａ、１４ｂが設けられることで、ｚ方向の中心から対称形状を成していても良い。他にも継管１４の形態は、図９に示すように、ｚ方向の中心から端側にずれた箇所に凸部１４ａ、１４ｂが設けられることで自身のｚ方向の中心から対称形状を成していなくても良い。いずれにしても、凸部１４ａ、１４ｂがｚ方向に直交する方向で貫通孔３８ｃ、３９ｃの投影領域に含まれていればよい。具体的に言えば、凸部１４ａ、１４ｂが貫通孔３８ｃ、３９ｃのｘ方向の投影領域に含まれていればよい。

（第３実施形態）
図１０に示すように第３実施形態においては、側部３１、３２の板厚がｘ方向に一部薄くなることで、側部３１、３２に低剛性部３８、３９が形成されていてもよい。低剛性部３８、３９のｘ方向の板厚は、剛性部３６、３７のｘ方向の板厚よりも薄くなっていればよい。低剛性部３８、３９のｘ方向の板厚は一定でなくてもよい。低剛性部３８、３９のｘ方向の板厚は徐変されていてもよい。なお、板厚の変更方法については限定されない。鍛造、切削、板厚違いの接合などによって板厚が変更されていてもよい。

（第４実施形態）
図１１に示すように第４実施形態においては、側部３１、３２の一部がｘ方向に繰り返し屈曲することで、低剛性部３８、３９が形成されていてもよい。低剛性部３８、３９はｘ方向に繰り返し屈曲することからバネ性を備える。加圧力がかかっても、変形に対して剛性部３６、３７の感度が低くなる。そのために第１フレーム３０のロバスト性が高まる。ロバスト性とは、環境の変化に対する耐性、および、外部要因に対する安定性のことである。

（第５実施形態）
図１２に示すように第５実施形態においては、側部３１、３２の一部がｚ方向に一部切り欠かれるとともに、切り欠かれずに残った部位が、ｚ方向に繰り返し屈曲することで、低剛性部３８、３９が形成されていてもよい。低剛性部３８、３９はｚ方向に繰り返し屈曲することからバネ性を備える。加圧力がかかっても、変形に対して剛性部３６、３７の感度が低くなる。第１フレーム３０のロバスト性が高まる。

なお、パワーモジュール２０とフレーム５０とがアセンブリされた状態において、凸部１４ａ、１４ｂが、切り欠き部３８ａ、３８ｂ、３９ａ、３９ｂのｘ方向の投影領域に含まれていても良い。これによれば、電力変換装置１０のｘ方向の体格を小型化できる。また製造方法が簡単になる利点もある。

以上に示した第１実施形態～第５実施形態は任意に組み合わせても良い。他にも熱処理を変更させることで側部３１、３２に低剛性部３８、３９が形成されていてもよい。

（第６実施形態）
図１３に示すように第６実施形態においては、第１側部３１が第１固定部３１ｃと第２固定部３１ｄを備えていてもよい。第２側部３２が第３固定部３２ｃと第４固定部３２ｄを備えていても良い。固定部３１ｃ、３１ｄ、３２ｃ、３２ｄを介して電力変換装置１０が外部のケースに固定されていてもよい。固定部３１ｃ、３１ｄ、３２ｃ、３２ｄにはボルトなどを通す通し孔が形成されていてもよい。電力変換装置１０と外部のケースとがボルトを介して固定されていてもよい。

第６実施形態では、第１固定部３１ｃと第２固定部３１ｄはｙ方向に離間している。第１固定部３１ｃと第２固定部３１ｄは第１剛性部３６の第１外面３１ｂからｘ方向に突出している。第１固定部３１ｃは第２固定部３１ｄよりも第１屈曲部３４側に位置している。第１低剛性部３８が第１固定部３１ｃと第１屈曲部３４との間に形成されている。第１剛性部３６に第１固定部３１ｃと第２固定部３１ｄが設けられている。

同様に第３固定部３２ｃと第４固定部３２ｄはｙ方向に離間している。第３固定部３２ｃと第４固定部３２ｄは第２剛性部３７の第２外面３２ｂからｘ方向に突出している。第３固定部３２ｃは第４固定部３２ｄよりも第２屈曲部３５側に位置している。第２低剛性部３９が第３固定部３２ｃと第２屈曲部３５の間に形成されている。第２剛性部３７に第３固定部３２ｃと第４固定部３２ｄが設けられている。

これによれば、屈曲部３４、３５への応力集中を効率的に抑制しつつ、電力変換装置１０を外部のケースに固定可能になっている。

さらに電力変換装置１０の重心Ｇが、第１固定部３１ｃ～第４固定部３２ｄに囲まれていても良い。その場合、電力変換装置１０の振動が抑制されやすくなる。これによれば、屈曲部３４、３５の応力集中の抑制と電力変換装置１０の振動の抑制を両立できる。

なお、第１固定部３１ｃ～第４固定部３２ｄが、側部３１、３２における電力変換装置１０の重心Ｇから離れた部位に設けられるほど、電力変換装置１０の振動が抑制されやすくなる。第１固定部３１ｃ～第４固定部３２ｄを、低剛性部３８、３９よりも供給口１５ａおよび排出口１６ａ側に設けつつ、できるだけ電力変換装置１０の重心Ｇから離れた部位に設けることが望ましい。

特開２０２０－２０２２５４号公報においては、第１フレームに低剛性部が設けられていない。なお、特開２０２０－２０２２５４号公報における第１フレームは第１フレーム３０に相当する。第２フレームは第２フレーム４０に相当する。フレームはフレーム５０に相当する。積層体はパワーモジュール２０に相当する。当接壁は第１中継部３３に相当する。側壁は側部３１、３２に相当する。

フレームが加圧されると、当接壁が積層体から遠ざかるように撓む。側壁が積層体に近づくように撓む。そのために、側壁に本実施形態の固定部３１ｃ、３１ｄ、３２ｃ、３２ｄを設けたとしても、側壁が撓むために、固定部３１ｃ、３１ｄ、３２ｃ、３２ｄの位置ズレが起こりやすく、外部のケースとの位置合わせが難しかった。

しかしながら本実施形態においては、側部３１、３２に低剛性部３８、３９を設けているために、低剛性部３８、３９で積極的に撓みやすくなる。本実施形態では、側部３１、３２において撓む箇所が限定的になる。そのために剛性部３６、３７に固定部３１ｃ、３１ｄ、３２ｃ、３２ｄを設けても、固定部３１ｃ、３１ｄ、３２ｃ、３２ｄの位置ズレが起こりにくくなる。外部のケースとの位置合わせが簡単になった。

（第７実施形態、第８実施形態、第９実施形態）
図１４～図１６の第７実施形態～第９実施形態に示すように、第１中継部３３の剛性が、側部３１、３２の剛性よりも高くなるように構成されていてもよい。例えば、図１４に示すように、第７実施形態においては、第１中継部３３に別部材のプレート５１が取り付けられていてもよい。プレート５１の固定方法は溶接でも良い、接着でも良い、ネジ固定でも良い。固定するプレート５１は金属などの剛性の高い材料が望ましい。

図１５に示すように、第８実施形態においては、第１中継部３３のｚ方向の幅が、側部３１、３２のｚ方向の幅よりも広くなっていてもよい。図１６に示すように、第９実施形態においては、第１中継部３３のｙ方向の厚さが、側部３１、３２のｙ方向の厚さよりも厚くなっていてもよい。なお、図１４～図１６においては、側部３１、３２に低剛性部３８、３９が形成される形態を図示しているが、側部３１、３２に低剛性部３８、３９が形成されていなくてもよい。

（第１０実施形態、第１１実施形態）
図１７および図１８に示すように、第１スペーサ６１のｘ方向の幅が中継管１４のｘ方向の幅相当になっていてもよい。図１７に示す第１０実施形態において、第１スペーサ６１は略直方体形状を成している。第１スペーサ６１の角部が第１中継部３３に接触することで、第１スペーサ６１から第１中継部３３に加圧力を付与していてもよい。

図１８に示す第１１実施形態においては、ｘ方向の幅が中継管１４の幅相当であって、さらに第１スペーサ６１の第１中継部３３側の面に、第１突起部６２と第２突起部６３が設けられていてもよい。第１突起部６２と第２突起部６３が第１中継部３３に接触することで、第１スペーサ６１から第１中継部３３に局所的に加圧力を付与していてもよい。

突起部６２、６３と第１中継部３３の接触点から屈曲部３４、３５までの距離が短くなる。これによれば、モーメントが小さくなる。第１中継部３３の変形量を小さく抑えることができる。屈曲部３４、３５の応力集中を抑制できる。

また第１１実施形態においては、第１スペーサ６１と第１中継部３３の間に空隙が生じる。第１１実施形態では、この空隙に小型部品を収納できる利点もある。なお、突起部６２、６３は第１スペーサ６１に設けられていなくても良い。突起部６２、６３は第１中継部３３に設けられていても良い。突起部６２、６３の個数は限定されない。

（第１２実施形態）
図１９の第１２実施形態に示すように、屈曲部３４、３５の曲げ角度が直角でなくてもよい。第１屈曲部３４と第２屈曲部３５がそれぞれ２つずつ設けられていてもよい。第１フレーム３０に、２つの第１屈曲部３４同士を連結する第１屈曲連結部３４ａと、２つの第２屈曲部３５同士を連結する第２屈曲連結部３５ａを備えていても良い。第１側部３１と第１屈曲連結部３４ａとの成す角度が９０°未満になっていてもよい。第２側部３２と第２屈曲連結部３５ａとの成す角度が９０°未満になっていてもよい。また第１中継部３３と側部３１、３２とが滑らかな曲線状に連結されていてもよい。これによれば、屈曲部３４、３５の残留応力が小さくなりやすくなる。

＜課題と製造方法＞
代表的な製造方法は準備工程と第１工程と第２工程と第３工程とからなる。準備工程とは第１フレーム３０と第２フレーム４０を作成する工程である。第１工程とは、第１フレーム３０と第２フレーム４０との間にパワーモジュール２０を配置する工程である。第２工程とは、第１フレーム３０の両端を固定した状態で、第２フレーム４０をパワーモジュール２０に向けて加圧する工程である。第３工程とは、第２工程においてパワーモジュール２０に第１加圧力と反力が加えられた状態で、第２フレーム４０を第１フレーム３０に対して固定する工程である。

特開２０２０－２０２２５４号公報においては、第２工程で屈曲部に応力が集中し、屈曲部に塑性変形が生じる。屈曲部に応力が集中するのは、当接壁が押し付けられることで当接壁が変形し、その変形が屈曲部に伝わるためである。

図２０に代表的な第２工程における荷重－変位特性を示す。荷重とはフレーム５０にかかる加圧力のことである。上記の公報では、第２工程において、積層体に加えられる加圧力を第１フレーム３０が塑性変形し始める第２加圧力（Ｆ２）よりも大きい第３加圧力（Ｆ３）まで上昇させた後、第１加圧力（Ｆ１）まで低下させることで、弾性域を拡大させることを見出した。これを弾性域拡大工程という。弾性域拡大は塑性変形に起因する加工硬化が発生することによって生じる。なお第２加圧力が所定値に相当する。第１加圧力とは所定値未満の加圧力に相当する。

弾性域拡大工程後の最終的なバネ特性をきめるのは、Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のプロセスである。最終的なバネ特性とは、弾性域拡大工程後にＦ３を除荷した時のグラフの傾きのことである。Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のプロセスに差があると、最終的なバネ特性に差が生じる。

研究者らは、屈曲部３４、３５には、フレーム５０の準備工程時の残留応力が集中しており、かつ、その残留応力がフレーム５０ごとでばらつきが大きいことにより、Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のプロセスがばらつくことを見出した。そのために最終的なバネ特性がばらつくと、半導体モジュール１２および中継管１４とＴＩＭの面圧に差が生じ、冷却性能にばらつきが生じる。

そこで第１実施形態～第１２実施形態において、屈曲部３４、３５で重なる、外部応力と残留応力のうちいずれかを低減することにより、屈曲部３４、３５での応力の重ね合わせを低減し、Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のプロセスのばらつきを低減することに着目した。なお外部応力とは単位面積あたりにかかる加圧力のことを示している。

第１実施形態～第１１実施形態においては、準備工程において、プレス加工によって第１金属板３０ａに低剛性部３８、３９を作成する。低剛性部３８、３９を作成した後、第１金属板３０ａをプレス加工によって２箇所で折り曲げる。低剛性部３８、３９の残留応力が屈曲部３４、３５の残留応力よりも低くなっている。低剛性部３８、３９の残留応力は０相当であることが望ましい。また第２金属板４０ａから第２フレーム４０を作成する。第２金属板４０ａをプレス加工によって２箇所で折り曲げる。

第１実施形態～第１１実施形態は、この準備工程と第１工程と第２工程と第３工程を経て製造される。第１実施形態～第１１実施形態は、屈曲部３４、３５にかかる外部応力低減に着目して、低剛性部３８、３９を積極的に変形させることにより、屈曲部３４、３５に応力が集中することを抑制するものである。

第１～第１１の実施形態によれば、弾性域拡大時の塑性分担を、屈曲部３４、３５から低剛性部３８、３９に分散できる。これによれば、屈曲部３４、３５における残留応力との重ね合わせが抑制される。低剛性部３８、３９は積極的に変形しやすくなっている。低剛性部３８、３９においては、残留応力が小さいために、外部応力が塑性変形に大きく寄与する。加圧力が加わると、屈曲部３４、３５よりも低剛性部３８、３９で塑性変形しやすくなる。低剛性部３８、３９では残留応力のばらつきが小さい。そのためにＤ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のプロセスのばらつきを低減できる。製品によって最終的なバネ特性にばらつきが生じることが抑制される。反力の変化量がばらつくことが抑制できる。

第１２実施形態は、準備工程において第１金属板３０ａに２つの第１屈曲部３４と２つの第２屈曲部３５を作成する。第１２実施形態は、この準備工程と第１工程と第２工程と第３工程を経て製造される。第１２実施形態は、屈曲部３４、３５の残留応力を低減させることに着目している。これによれば、屈曲部３４、３５における外部応力との重ね合わせが抑制される。塑性変形において、残留応力の影響が小さくなるために、Ｄ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３のプロセスのばらつきを低減できる。最終的なバネ特性に差が生じることが抑制される。

上記した第１実施形態～第１２実施形態を採用することで、半導体モジュール１２および中継管１４とＴＩＭの面圧が一定に保持されやすくなる。冷却性能にばらつきが生じることが抑制される。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態が本開示に示されているが、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範ちゅうや思想範囲に入るものである。

１２…半導体モジュール、１４ａ…第１凸部、１４ｂ…第２凸部、１８…冷却器、２０…パワーモジュール、３０…第１フレーム、３０ａ…第１金属板、３１…第１側部、３１ｃ…第１固定部、３１ｄ…第２固定部、３２…第２側部、３２ｃ…第３固定部、３２ｄ…第４固定部、３３…第１中継部、３４…第１屈曲部、３５…第２屈曲部、３８…第１低剛性部、３８ａ…第１切り欠き部、３８ｂ…第２切り欠き部、３８ｃ…第１貫通孔、３９…第２低剛性部、３９ａ…第３切り欠き部、３９ｂ…第３切り欠き部、３９ｃ…第２貫通孔、４０…第２フレーム、４０ａ…第２金属板

Claims (10)

1. 半導体モジュール（１２）および冷却器（１８）を有するパワーモジュール（２０）と、
   前記パワーモジュールを加圧保持する、第１フレーム（３０）および第２フレーム（４０）と、を備え、
   前記第１フレームは、
   前記半導体モジュールと前記冷却器とが並ぶ並び方向に沿って延び、前記パワーモジュールを介して並ぶ２つの側部（３１、３２）と、
   前記側部同士を中継しつつ、前記並び方向で前記パワーモジュールへ反力を付与する中継部（３３）と、
   前記側部と前記中継部に一体的に連結されるとともに、屈曲可能な屈曲部（３４、３５）と、を備え、
   前記第２フレームは、
   ２つの前記側部の間で前記パワーモジュールを介して前記中継部と並び、前記並び方向に前記パワーモジュールに加圧力を付与した状態で、前記第１フレームに固定されており、
   前記側部の少なくとも一部の剛性が、前記中継部の剛性よりも低くなっている電力変換装置。
2. 前記側部は、前記中継部よりも剛性の低い低剛性部（３８、３９）を備える請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記側部における、前記並び方向の中心よりも前記屈曲部に近い部位に、前記低剛性部が設けられている請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記側部に切り欠き部（３８ａ、３８ｂ、３９ａ、３９ｂ）もしくは貫通孔（３８ｃ、３９ｃ）が設けられ、
   前記切り欠き部もしくは前記貫通孔によって、前記側部に前記低剛性部が形成されている請求項２または３に記載の電力変換装置。
5. 前記冷却器は前記側部に向かって突出する凸部（１４ａ、１４ｂ）を備え、
   前記切り欠き部もしくは前記貫通孔と、前記凸部とが、前記並び方向と直交する方向で対向している請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記並び方向もしくは前記並び方向に直交する方向に前記側部が繰り返し屈曲することによって、前記低剛性部が形成されている請求項２～５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記側部は、外部のケースに固定される複数の固定部（３１ｃ、３１ｄ、３２ｃ、３２ｄ）を備え、
   複数の前記固定部における前記並び方向で最も前記屈曲部に近い１つと前記屈曲部との間に、前記低剛性部が設けられる請求項２～６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 自身の重心を囲むように複数の前記固定部が前記側部に設けられている請求項７に記載の電力変換装置。
9. 半導体モジュール（１２）および冷却器（１８）を有するパワーモジュール（２０）と、
   第１フレーム（３０）および第２フレーム（４０）と、を備える電力変換装置の製造方法であって、
   第１金属板（３０ａ）をプレスして、２つの側部（３１、３２）、前記側部同士を中継する中継部（３３）、および、前記側部と前記中継部とを連結する屈曲部（３４、３５）を備え、前記側部の少なくとも一部の剛性が前記中継部の剛性よりも低い、前記第１フレームを作成し、
   第２金属板（４０ａ）をプレスして、２つの前記側部の間に設けられるとともに前記第１フレームに固定される前記第２フレームを作成し、
   前記第１フレームと前記第２フレームとの間に前記パワーモジュールを配置し、
   前記第２フレームを介して、前記パワーモジュールに、前記第１フレームが塑性変形し始める所定値以上の加圧力を一時的に付与し、
   付与された前記所定値以上の前記加圧力を前記所定値未満まで下げ、
   前記パワーモジュールに、前記所定値未満の加圧力と、前記第１フレームに発生する反力のうち、前記所定値未満の加圧力が前記第１フレームに加わった際に前記第１フレームに発生する反力と、が付与された状態で、前記第１フレームと前記第２フレームとを固定する製造方法。
10. 前記側部における前記中継部の剛性よりも低い部位の残留応力が、前記屈曲部の残留応力よりも低くなっている請求項９に記載の製造方法。

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