JP4325486B2 - 電力変換ユニット - Google Patents

Description

本発明は、電力変換回路を構成する電子部品の冷却機能を備えた電力変換ユニットに関する。

従来より、内部発熱を速やかに放散できるよう、例えば、冷却フィンなどの冷却部材を取り付けた電子部品がある。そして、電子部品に対する冷却部材の取り付け方法としては 例えば、貫通ねじによって固定する方法（例えば、特許文献１参照。）や、弾性部材によって電子部品と冷却部材とを挟持して固定する方法（例えば、特許文献２参照。）等がある。

しかしながら、上記従来の冷却部材の固定方法には、次のような問題がある。すなわち、上記従来の冷却部材の固定方法は、冷却部材の両面側に電子部品が隣接配置されたものである。それ故、２層以上の電子部品と、２層以上の冷却部材とを積層したユニットでは、上記の固定方法をそのまま採用できないおそれがある。したがって、上記のような積層ユニットでは、多層に積層された電子部品に対して、効率良く冷却部材を配置できないおそれがある。

実開平５−５３２５０号公報 特開２００２−２４６７７８号公報

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、電力変換回路を構成する電子部品を有する電力変換ユニットにおいて、効率良く電子部品を冷却できる冷却構造を提供しようとするものである。

本発明は、電力変換回路を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷媒を流通させる冷却チューブとを有する電力変換ユニットであって、
該電力変換ユニットは、扁平形状を呈する上記冷却チューブと、平板状の上記半導体モジュールとを、それぞれ２層以上積層してなると共に、上記各冷却チューブの両端を、上記冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部に連通していると共に、
上記冷却チューブと上記半導体モジュールとの積層構造を保持するための固定部材を少なくとも１つ有してなり、
また、上記各冷却チューブ及び上記各半導体モジュールを積層方向に一直線状に貫通する貫通孔を少なくとも１つ有しており、該貫通孔に上記固定部材を挿通してあり、
該固定部材が、隣接する上記冷却チューブと上記半導体モジュールとの間に当接荷重を作用させていることを特徴とする電力変換ユニットにある（請求項１）。

本発明の電力変換ユニットは、上記積層構造を保持するための上記固定部材を少なくとも１つ有している。そのため、上記電力変換ユニットは、その単体の状態において、その取り扱いが極めて容易である。それ故、例えば、電力変換装置を製造する工程では、上記電力変換ユニットを用いて効率良く生産できる。

さらに、上記固定部材が、隣接する上記冷却チューブと上記半導体モジュールとの間に当接荷重を作用している。そのため、電力変換ユニットに対して積層方向の荷重を作用したことにより、冷却チューブと半導体モジュールとの接触面積を広く確保できる。それ故、電力変換ユニットは、上記半導体モジュールの冷却効果の高いものとなる。
したがった、積層精度及び放熱特性に優れた本発明の電力変換ユニットを利用すれば、優れた品質の電力変換装置を構成できる。

本発明における上記半導体モジュールを構成する電子部品としては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の電力用半導体素子がある。

また、上記電力変換ユニットは、上記各冷却チューブ及び上記各半導体モジュールを積層方向に一直線状に貫通する貫通孔を少なくとも１つ有している。
また、上記固定部材は、上記貫通孔に挿通させるスルーボルトであることが好ましい。

この場合には、上記スルーボルトを用いて、上記電力変換ユニットを確実性高く保持できる。そして、上記スルーボルトの締め付け力を調整すれば、上記電力変換ユニットに作用させる積層方向の荷重を適正な範囲に調節することができる。さらに、上記電力変換ユニットを貫通するように配置された上記スルーボルトによれば、上記電力変換ユニットの体格を大型化させるおそれが少ない。
また、上記半導体モジュールは複数の素子を有しており、上記貫通孔は上記複数の素子の間に形成してあることが好ましい（請求項２）。

また、隣接する上記半導体モジュール及び上記冷却チューブのうち少なくとも一方には、隣接する相手部材に対して係合する係合部を設けてあることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記係合部を活用することにより、上記電力変換ユニットにおける上記電子部品及び上記冷却チューブを精度良く位置決めすることができる。それ故、上記半導体モジュール又は上記冷却チューブの少なくもいずれかに上記係合部を設ければ、上記半導体モジュール及び上記冷却チューブを精度高く積層して、積層精度に優れた電力変換ユニットが得られる。

また、上記係合部は、上記半導体モジュールの積層面及び上記冷却チューブの積層面に設けられ、互いに嵌まり合う凸部と凹部との組み合わせよりなることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記凸部と上記凹部との組み合わせにより、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを一層、精度良く積層することができる。凸部と凹部との嵌合構造によれば、上記電力変換ユニットを形成する過程において、上記半導体モジュールあるいは上記冷却チューブの積層ずれ等を生じるおそれが少ない。さらに、この電力変換ユニットでは、上記半導体モジュールと上記冷却チューブとの間の当接荷重が小さい場合にも、積層ずれを生じるおそれが極めて少ない。

また、上記電力変換ユニットは、上記半導体モジュールと、該半導体モジュールの片面側あるいは両面側に当接するように積層した上記冷却チューブとからなる単位ユニットを含み、
上記固定部材は、上記各単位ユニットを積層方向から挟持して積層方向の弾性力を発生する挟持部と、隣り合う該挟持部を相互に連結すると共に、２以上の上記単位ユニットを、該各単位ユニットの積層方向に配置するように構成された連結部とを有してなることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記固定部材の上記各挟持部に上記単位ユニットを挟持することで、２層以上の半導体モジュールと２層以上の冷却チューブとが積層された電力変換ユニットを効率良く形成することができる。

また、上記半導体モジュールとしては、ＩＧＢＴ素子や、ＭＯＳＦＥＴ素子等がある。

（実施例１）
本例は、半導体モジュール１０の冷却構造を有する電力変換ユニット１に関する例である。この内容について、図１〜図９を用いて説明する。
本例の電力変換ユニット１は、図１に示すごとく、電力変換回路４（図３）を構成する電力用半導体モジュール（以下、適宜半導体モジュール１０と記載する。）と、この半導体モジュール１０を冷却する冷媒を流通させる冷却チューブ２０とを有するものである。
この電力変換ユニット１は、扁平形状を呈する冷却チューブ２０と、平板状の半導体モジュール１０とを、それぞれ２層以上積層してなると共に、各冷却チューブ２０の両端を、冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部４１、４２に連通させている。
そして、電力変換ユニット１は、その積層構造を保持するための固定部材３（本例では、スルーボルト。以下、適宜スルーボルト３と記載する。）を少なくとも１つ有している。このスルーボルト３が、隣接する冷却チューブ２０と半導体モジュール１０との間に当接荷重を作用している。
以下に、この内容について詳しく説明する。

本例の電力変換ユニット１は、図２に示すごとく、例えば、電気自動車用の走行モータに通電する駆動電流を生成するための電力変換装置１０ａを構成するものである。電力変換装置１０ａは、例えば、半導体モジュール１０に制御信号を入力する制御基板１１０及び、半導体モジュール１０が生成した電流を通電する電力バスバー１２０を組み付けた電力変換ユニット１に、さらに、図示しないコンデンサやリアクトル等を組み合わせて構成したものである。

ここで、本例の電力変換回路４の構成について概説しておく。例えば、図３に示すごとく、自動車の原動機としての駆動モータ４０（本例の駆動モータは、ブラシレス３相モータ。）を駆動する電力変換回路４は、バッテリ電源４３の電圧を昇圧するコンバータ回路部４１と、駆動モータ４０に供給する３相交流の駆動電流を生成するインバータ回路部４２とにより構成されたものである。コンバータ回路部４１は、コンデンサ４１１と、コイルであるリアクトル４１２と、ハイサイド及びローサイドの電力用半導体素子４１３とを含む。また、インバータ回路部４２は、平滑・スナバー用のコンデンサ４２１と、３相のモータ相にそれぞれ対応して２個３組の電力用半導体素子４２３とを有する。なお、これらの電力用半導体素子４１３、４２３としては、ＩＧＢＴや、ＭＯＳＦＥＴ等が採用される。

そして、本例の半導体モジュール１０は、上記の電力用半導体素子４１３、４２３を平板状にモジュール化したものである。本例の電力変換ユニット１では、半導体モジュール１０のみを積層したが、これに代えて、上記コイルモジュール、上記リアクトルモジュール及び上記バスバーモジュールのうちの少なくともいずれかを含めて積層することもできる。

そして、本例の電力変換ユニット１は、図１に示すごとく、複数の半導体モジュール１０と扁平形状の冷却チューブ２０とを交互に積層してなる多層積層構造のユニットである。なお、本例では、隣接して積層した冷却チューブ２０の間に、２個の半導体モジュール１０を並列配置してある。なお、本冷の電力変換ユニット１では、冷却チューブ２０と半導体モジュール１０との電気的な絶縁を確保するため、半導体モジュール１０の電極放熱板１５の表面には、電気的な絶縁性の高いセラミック配設層を形成してある。

さらに、電力変換ユニット１は、図１に示すごとく、冷媒を流動させるためのヘッダ部として、冷媒供給用のヘッダ部４１と冷媒排出用のヘッダ部４２とを備えている。本例では、長さ方向に伸縮可能なアルミよりなるベローズパイプ４００によりヘッダ部４１、４２を形成してある。ベローズパイプ４００は、隣接して積層された冷却チューブ２０の間隙に配置されており、その両端を冷却チューブ２０に連結してある。そして、冷却チューブ２０の各間隙に配置された複数のベローズパイプ４００が、全体として、各ヘッダ部４１、４２を形成している。

なお、半導体モジュール１０を冷却チューブ２０の間に配置する際には、各ヘッダ部４１、４２を形成するベローズパイプ４００を伸ばしておく。そして、隣り合う冷却チューブ２０間に半導体モジュール１０を配置した後、ベローズパイプ４００を縮めることにより、冷却チューブ２０と半導体モジュール１０とを密着させてある。

電力変換ユニット１は、図１に示すごとく、該電力変換装置１０ａの筐体の一部をなす平板状のプレート部５１を有する。このプレート部５１は、電力変換ユニット１の貫通孔１００に挿通させたスルーボルト３の先端ねじ部を螺入するねじ孔を設けてなる。
このプレート部５１は、一対のヘッダ部４１、４２に連通する冷媒流路５１１、５１２を有する。そして、電力変換ユニット１をプレート部５１に組みつけたとき、冷媒流路５１１、５１２が各ヘッダ部４１、４２に連通するようにしてある。そして、プレート部５１の裏面（電力変換ユニット１の取り付け面の裏面）には、各冷媒流路５１１、５１２に外部配管を連結するためのジョイント部を接合してある。

さらに、この電力変換ユニット１は、プレート部５１と対面するように配置され、電力変換ユニット１を挟持する挟圧プレート５２を備えている。この挟圧プレート５２は、電力変換ユニット１の積層端面における貫通孔１００の開口位置に一致して、スルーボルト３を挿通するためのスルーホール（図示略）を形成してなる。

そして、本例の電力変換ユニット１は、挟圧プレート５２のスルーホールから挿入したスルーボルト３を用い、挟圧プレート５２とプレート部５１との間に複数の冷却チューブ２０及び半導体モジュール１０を挟持したものである。ここで、本例では、スルーボルト３の締めつけトルクを所定の範囲とすることで、電力変換ユニット１に対して作用する積層方向の荷重を適正な範囲に設定してある。

この半導体モジュール１０は、図４及び図５に示すごとく、電力用半導体素子であるＩＧＢＴ素子１１と、モータの回転を滑らかにするために必要なフライホイールダイオード素子１２とを、相互に対面する一対の電極放熱板１５に挟持したものである。そして、この半導体モジュール１０は、一対の電極放熱板１５及び各素子１１、１２を、モールド樹脂１６（図５）により一体成形してなる。この半導体モジュール１０は、両面に電極放熱板１５が露出するように樹脂成形してなり、該露出した電極放熱板１５が放熱面として機能するように構成されている。

この半導体モジュール１０は、図４に示すごとく、外部端子として、電力信号用の端子であって、上記各電極放熱板１５と一体に形成された電力端子１５０と、制御信号用の端子であって、モールド樹脂１６（図５）中に保持された制御端子１６０とを有している。そして、本例の半導体モジュール１０では、電力端子１５０と制御端子１６０とを電極放熱板１５に平行な面内において対向配置してある。そのため、この半導体モジュール１０を用いた電力変換ユニット１においては、図２に示すごとく、その表面１０１側に電力端子１５０が突出し、裏面２０２側に制御端子１６０が突出する。

特に、本例の半導体モジュール１０では、図４及び図５に示すごとく、ＩＧＢＴ素子１１とフライホイールダイオード素子１２とのすき間の部分に、一方の電極放熱板１５から他方の電極放熱板１５に向けて貫通する貫通孔１８を形成してある。この貫通孔１８の内周面は、モールド樹脂１６により形成してあり、スルーボルト３との電気的な絶縁を保持できるように構成してある。さらに、各電極放熱板１５には、その表面から突出する凸部１９を設けてある。なお、絶縁性樹脂材料よりスルーボルト３を形成すれば、貫通孔１８の内周面のモールド樹脂１６を省略することもできる。

本例の冷却チューブ２０は、図１に示すごとく、内部に冷媒を流動させる中空部（図示略）を形成した扁平形状のものである。この冷却チューブ２０は、その両端部の平坦面に、ベローズパイプ４００を接続するための貫通穴（図示略）を設けてなる。そして、冷却チューブ２０は、その両端に、封止用のキャップ部材２０１を接合するように構成してある。また、冷却チューブ２０における隣接する半導体モジュール１０と当接する積層面には、図６及び図７に示すごとく、半導体モジュール１０の凸部１９と嵌まり合う凹部２９を形成してある。さらに、本例の冷却チューブ２０には、半導体モジュール１０の貫通孔１８と連通する貫通孔２８を穿孔してある。

特に、本例の電力変換ユニット１では、図６及び図７に示すごとく、冷却チューブ２０の凹部２９と、半導体モジュール１０の凸部１９とが相互に嵌り合っている。さらに、冷却チューブ２０の貫通孔２８と、半導体モジュール１０の貫通孔１８とが、相互に連通して貫通孔１００が形成されている。なお、本例では、この貫通孔１００に、固定部材としてのスルーボルト３を挿入してある。

以上のように、本例の電力変換ユニット１では、半導体モジュール１０及び冷却チューブ２０にスルーボルト３を貫通させてある。そして、このスルーボルト３を用いて、挟圧プレート５２とプレート部５１との間に、積層した冷却チューブ２０と半導体モジュール１０とを挟持してある。これにより、本冷の電力変換ユニット１では、冷却チューブ２０と半導体モジュール１０との間に適切な当接荷重を作用してある。

本例の電力変換ユニット１では、積層方向に適切な荷重を作用させることで、半導体モジュール１０と冷却チューブ２０との間で広い接触面積を確保してある。それ故、本例の電力変換ユニット１では、半導体モジュール１０と冷却チューブ２０との間の熱の移動を促進でき、半導体モジュール１０を効率良く冷却することができる。特に、本例の電力変換ユニット１では、半導体モジュール１０の両面側に冷却チューブ２０が当接しているため、該半導体モジュール１０を冷却する性能が非常に高い。

なお、図８に示すごとく、挟圧プレート５２とプレート部５１とを省略して電力変換ユニット１を構成することもできる。この電力変換ユニット１では、スルーボルト３とナット３１との組み合わせにより、複数の冷却チューブ２０と半導体モジュール１０とを挟持してある。

さらになお、半導体モジュール１０に設ける凸部１９の形状としては、図９（Ａ）のような本例の形状のほか、同図（Ｂ）に示す形状とすることもできる。さらに、同図（Ｃ）に示すごとく、凸部１９に代えて凹部１９１を設けると共に、冷却チューブ２０の当接面に対応する形状の凸部（図示略）を設けることもできる。

（実施例２）
本例は、実施例１を基にして、固定部材を変更した例である。この内容について、図１０及び図１１を用いて説明する。
本例の電力変換ユニット１は、図１０に示すごとく、冷却チューブ２０の両面側に半導体モジュール１０を積層した単位ユニット１ａを複数有してなる。そして、本例の電力変換ユニット１は、固定部材６を用いて、単位ユニット１ａを複数積層したものである。

本例の固定部材６は、ばね鋼よりなる板状部材を折り曲げて形成したものである。固定部材６は、図１１に示すごとく、各単位ユニット１ａを積層方向に挟持して積層方向の弾性力を発生する挟持部６１と、隣り合う該挟持部６１を相互に連結すると共に、各単位ユニット１ａを積層方向に配列するように構成した連結部６２とを有するものである。
なお、固定部材６を、鋼、銅、ニッケル合金等、弾性変形力を生じる樹脂材料を用いて形成することもできる。さらに、金属材料と樹脂材料とを組み合わせて固定部材６を形成することもできる。

挟持部６１は、単位ユニット１ａにおける積層方向に略平行な側面に沿う保持片６１１と、該保持片６１１に連結されていると共に、冷却チューブ２０の両面側に配置された半導体モジュール１０を押圧できるよう、相互に対面配置され一対の押圧片６１２とからなる。この挟持部６１は、電力変換ユニット１が有する各単位ユニット１ａに対応して設けられている。そして、本例の固定部材６における連結部６２は、挟持部６１と一体的に形成されており、かつ、隣り合う挟持部６１を連結するように構成されている。

なお、その他の構成及び作用効果については、実施例１と同様である。
また、冷却チューブ２０の両面側に半導体モジュール１０を積層した本例の単位ユニット１ａに代えて、冷却チューブ２０の片面側のみに半導体モジュール１０を配置した単位ユニットを採用することもできる。さらに、半導体モジュール１０の両面側に冷却チューブ２０を積層して単位ユニットを形成することもできる。

（実施例３）
本例は、実施例１の固定部材及び、実施例２の固定部材を利用して構成した例である。この内容について、図１２及び図１３を用いて説明する。
本例の電力変換ユニット１は、実施例２の電力変換ユニットを基にして、各単位ユニット１ａを積層方向に貫通する貫通孔（図示略）を設けたものである。そして、この貫通孔には、スルーボルト３を貫通させるように構成してある。

そして、本例の電力変換ユニット１は、スルーボルト３の先端ねじ部とねじ係合するボルト３１を有している。すなわち、本例の電力変換ユニット１は、各単位ユニット１ａを貫通するスルーボルト３によって固定されている。
本例では、固定部材６の連結部６２を弾性的に形成してあると共に、隣り合う単位ユニット１ａの間には、スルーボルト３を挿通させるカラー部材３００を配置してある。このカラー部材３００は、例えば、ビニール等の絶縁チューブよりなり、軸方向に弾性変形可能なように構成してある。
なお、その他の構成及び作用効果については、実施例１あるいは実施例２と同様である。

実施例１における、電力変換ユニットを示す正面図。 実施例１における、電力変換ユニットを含む電力変換装置（一部）を示す上面図。 実施例１における、電力変換回路を示す回路図。 実施例１における、半導体モジュールを示す上面図。 実施例１における、半導体モジュールの断面構造を示す断面図（図４におけるＡ−Ａ線矢視断面図。） 実施例１における、冷却チューブと半導体モジュールとの嵌合構造を示す斜視図。 実施例１における、冷却チューブと半導体モジュールとの嵌合断面構造を示す断面図。 実施例１における、その他の電力変換ユニットを示す正面図。 実施例１における、半導体モジュールの凸部又は凹部の形状を示す斜視図。 実施例２における、電力変換ユニットの断面構造を示す断面図。 実施例２における、固定部材を示す斜視図。 実施例３における、電力変換ユニットの断面構造を示す断面図。 実施例３における、電力変換ユニットを示す正面図。

符号の説明

１ 電力変換ユニット
１ａ 単位ユニット
１０ 半導体モジュール
１００ 貫通孔
１８ 貫通孔
２０ 冷却チューブ
２８ 貫通孔
３ 固定部材（スルーボルト）
４ 電力変換回路
６ 固定部材

Claims (5)

1. 電力変換回路を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷媒を流通させる冷却チューブとを有する電力変換ユニットであって、
   該電力変換ユニットは、扁平形状を呈する上記冷却チューブと、平板状の上記半導体モジュールとを、それぞれ２層以上積層してなると共に、上記各冷却チューブの両端を、上記冷媒の供給及び排出を行う一対のヘッダ部に連通していると共に、
   上記冷却チューブと上記半導体モジュールとの積層構造を保持するための固定部材を少なくとも１つ有してなり、
   また、上記各冷却チューブ及び上記各半導体モジュールを積層方向に一直線状に貫通する貫通孔を少なくとも１つ有しており、該貫通孔に上記固定部材を挿通してあり、
   該固定部材が、隣接する上記冷却チューブと上記半導体モジュールとの間に当接荷重を作用させていることを特徴とする電力変換ユニット。
2. 請求項１において、上記半導体モジュールは複数の素子を有しており、上記貫通孔は上記複数の素子の間に形成してあることを特徴とする電力変換ユニット。
3. 請求項２において、隣接する上記半導体モジュール及び上記冷却チューブのうち少なくとも一方には、隣接する相手部材に対して係合する係合部を設けてあることを特徴とする電力変換ユニット。
4. 請求項３において、上記係合部は、上記半導体モジュールの積層面及び上記冷却チューブの積層面に設けられ、互いに嵌まり合う凸部と凹部との組み合わせよりなることを特徴とする電力変換ユニット。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、上記電力変換ユニットは、上記半導体モジュールと、該半導体モジュールの片面側あるいは両面側に当接するように積層した上記冷却チューブとからなる単位ユニットを含み、
   上記固定部材は、上記各単位ユニットを積層方向から挟持して積層方向の弾性力を発生する挟持部と、隣り合う該挟持部を相互に連結すると共に、２以上の上記単位ユニットを、該各単位ユニットの積層方向に配置するように構成された連結部とを有してなることを特徴とする電力変換ユニット。

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