JP4462179B2

JP4462179B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4462179B2
Application number: JP2005361530A
Authority: JP
Inventors: 秀彦保井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2005-12-15
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2025-12-15
Also published as: JP2007166819A

Description

本発明は、電力変換回路の一部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却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置に関する。

従来より、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路やインバータ回路等の電力変換回路は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いられることがある。
一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、交流モータから大きな駆動トルクを確保するため大きな駆動電流が必要となってきている。
それ故、その交流モータ向けの駆動電流を生成する上記電力変換回路においては、該電力変換回路を構成するＩＧＢＴ等の電力用半導体素子を含む半導体モジュールからの発熱が大きくなる傾向にある。

そこで、図９に示すごとく、電力変換回路を構成する複数の半導体モジュール９２１を均一に冷却することができるように、冷却媒体の供給及び排出を担う一対のヘッダ９２３の間に多数の冷却管９２２が配置されている電力変換装置９が提案されている（特許文献１参照）。そして、該電力変換装置９は、冷却管９２２の間に半導体モジュール９２１を挟持した半導体積層ユニット９２と、該半導体積層ユニット９２の積層方向の端部に半導体積層ユニット９２を積層方向に加圧するばね部材９３２とを有する。

また、ばね部材９３２の両端部９３３は、電力変換装置９のケース９１１内に固定された固定ピン９１３に係止させてあり、ばね部材９３２は、その中央部において、冷却管９２２と半導体モジュール９２１とを積層方向に押圧するように付勢された状態で配設されている。

上記ばね部材９３２を配設するに当たっては、電力変換装置９のケース９１１内に半導体積層ユニット９２を配置した後、ばね部材９３２を半導体積層ユニット９２の積層方向の端部に配置する。次いで、ばね部材９３２を変位させつつ、ばね部材９３２の中央部分において半導体積層ユニット９２を積層方向に押圧する。そして、ばね部材９３２の両端部９３３の後方位置におけるケース９１１内に固定ピン９１３を固定する。
次いで、ばね部材９３２を減圧方向に復元させながら、ばね部材９３２の両端部９３３を固定ピン９１３に支承させる。これにより、ばね部材９３２は、所定の変位において、所定の押圧力を半導体積層ユニット９２に与えた状態で落ち着く。

ここで、電力変換装置９の小型化の要請から、上記ばね部材９３２の配設スペースを大きくとることは困難であるため、ばね部材９３２による半導体積層ユニット９２への押圧力を充分に確保するためには、変位が小さくても大きな弾性力が得られるばね部材９３２を用いる必要がある。

しかしながら、変位に対する弾性力の変化が大きいばね部材９３２を用いると、半導体積層ユニット９２への押圧力の調整が困難となるという問題がある。即ち、小さな変位で大きな弾性力変化が生ずるため、所望の押圧力に調整することが困難となる。
そして、ばね部材９３２の弾性力は、大きすぎると、半導体モジュール９２１や冷却管９２２に負荷がかかりすぎ、変形、損傷等の原因となるおそれがある。一方、弾性力が小さすぎると、半導体モジュール９２１と冷却管９２２との密着を充分に確保することができず、両者間の伝熱効率が不充分となり、半導体モジュール９２１の冷却効率が不充分となるおそれがある。

特開２００５−１４３２４４号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュール及び冷却管への過負荷を防ぎつつ、半導体モジュールの冷却効率を高めることができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電力変換回路の一部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却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
上記半導体積層ユニットの積層方向の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
該加圧部材は、両端部に係止部を有する第１板ばねと、該第１板ばねの上記両端部の上記係止部よりも内側の部分である中央部において積層される第２板ばねとにより構成されたばね部材であって、
上記ばね部材は、上記中央部において半導体積層ユニットを積層方向に押圧することにより、加圧方向へ変形する際の弾性力が、減圧方向へ復元する際の弾性力よりも大きくなるようなヒステリシスを有することを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記ばね部材は、加圧方向へ変形する際の弾性力が、減圧方向へ復元する際の弾性力よりも大きくなるようなヒステリシスを有する。そのため、同じ変位において、ばね部材を加圧する際には大きな弾性力が作用し、ばね部材を減圧する際には比較的小さな弾性力が作用する。従って、半導体積層ユニットの端部に加圧部材を配設するにあたり、ばね部材を変位させながら半導体積層ユニットを積層方向に押圧する際には、狭いスペースにおいても、充分な押圧力を半導体積層ユニットに作用させることができる。これにより、半導体モジュールと冷却管との密着を充分に確保することができる。

そして、半導体積層ユニットに大きな押圧力を与えた後、ばね部材を減圧方向にある程度復元させた状態で、押圧部材が電力変換装置に組み付けられる。このとき、ばね部材の変位量に対する弾性力の変化が小さいため、所望の押圧力を半導体積層ユニットに与えた状態で、ばね部材を組付けることができる。即ち、半導体積層ユニットへ与える押圧力を容易に調整することができる。これにより、半導体モジュールや冷却管に過負荷を与えることを防ぎつつ、半導体モジュールと冷却管との間の密着を確保することができる。そのため、半導体モジュールや冷却管の損傷、変形を防ぎつつ、半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュール及び冷却管への過負荷を防ぎつつ、半導体モジュールの冷却効率を高めることができる電力変換装置を提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記電力変換装置としては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。
なお、上記半導体モジュールと上記冷却管とは、直接密着していてもよいし、絶縁材等を介して密着していてもよい。

また、上記ばね部材は、上記電力変換装置に組み付けられた状態の変位において、加圧方向へ変形する際の弾性力が、減圧方向へ復元する際の弾性力の１．０５倍以上であることが好ましい（請求項２）。
この場合には、半導体積層ユニットを押圧する際のばね部材の弾性力と、加圧部材をセットする際のばね部材の弾性力との差を充分に確保することができる。これにより、加圧時には、狭いスペースにおいても半導体積層ユニットを大きな力で押圧することができ、半導体モジュールと冷却管との密着を充分に確保することができる。一方、加圧部材をセットする際には、ばね部材の弾性力の調整を行いやすく、所望の押圧力で半導体積層ユニットを押圧することができる。
そのため、一層容易に、半導体モジュール及び冷却管への過負荷を防ぎつつ、半導体モジュールの冷却効率を高めることができる。

また、上記ばね部材は、上記電力変換装置に組み付けられた状態の変位において、加圧方向へ変形する際の単位変位量当りの弾性力の変化量が、減圧方向へ復元する際の単位変位量当りの弾性力の変化量の１．０５倍以上であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、半導体積層ユニットを押圧する際のばね部材の変位に対する弾性力の変化と、加圧部材をセットする際のばね部材の変位に対する弾性力の変化との差を充分に確保することができる。これにより、加圧時には、ばね部材の変位を大きくすることが困難な狭いスペースにおいても、半導体モジュールと冷却管との密着を充分に確保することができる。一方、加圧部材をセットする際には、ばね部材の弾性力の調整を行いやすく、所望の押圧力で半導体積層ユニットを押圧することができる。
そのため、一層容易に、半導体モジュール及び冷却管への過負荷を防ぎつつ、半導体モジュールの冷却効率を高めることができる。

また、上記ばね部材は、複数枚の板ばねを積層してなる。
この場合には、上述したようなヒステリシスを有するばね部材を容易に得ることができる。

また、上記加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配された上記ばね部材とを有することが好ましい（請求項４）。
また、上記ばね部材は、上記当接プレートに当接する上記第２板ばねである前方板ばねと、該前方板ばねの後方に配された上記第１板ばねである後方板ばねとからなり、上記前方板ばねは、少なくとも該前方板ばねの両端部において上記後方板ばねに接触していることが好ましい（請求項５）。
この場合には、上述したようなヒステリシスを有するばね部材を一層容易に得ることができる。

本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール２１と、該半導体モジュール２１を冷却する冷却管２２とを交互に積層してなる半導体積層ユニット２を有する。

半導体積層ユニット２の積層方向の端部には、該半導体積層ユニット２を積層方向に加圧する加圧部材３が配されている。
該加圧部材３は、冷却管２２の主面２２１に当接する当接面３１１を有する当接プレート３１と、該当接プレート３１における当接面３１１と反対側の面に配されたばね部材３２とを有する。

そして、図４に示すごとく、ばね部材３２は、加圧方向へ変形する際の弾性力が、減圧方向へ復元する際の弾性力よりも大きくなるようなヒステリシスを有する。
図４において、実線Ｌ１が加圧時におけるばね部材３２の変位と弾性力との関係を示し、破線Ｌ２が減圧時におけるばね部材３２の変位と弾性力との関係を示す。なお、図４に示すばね特性は一例であって、本発明におけるばね部材３２は、このばね特性を有するものに限られるものではない。

また、ばね部材３２は、電力変換装置１に組み付けられた状態の変位において、加圧方向へ変形する際の弾性力が、減圧方向へ復元する際の弾性力の１．０５倍以上である。
また、ばね部材３２は、電力変換装置１に組み付けられた状態の変位において、加圧方向へ変形する際の単位変位量当りの弾性力の変化量（Ｌ１の傾き）が、減圧方向へ復元する際の単位変位量当りの弾性力の変化量（Ｌ２の傾き）の１．０５倍以上である。

図４に示すばね特性を有するばね部材３２において、例えば組み付け状態の変位が４．３ｍｍの場合、加圧方向へ変形する際の弾性力は２２００Ｎであり、減圧方向へ復元する際の弾性力は１９００Ｎである。また、加圧方向へ変形する際の単位変位量当りの弾性力の変化量（Ｌ１の傾き）は５１２Ｎ／ｍｍであり、減圧方向へ復元する際の単位変位量当りの弾性力の変化量（Ｌ２の傾き）は４４２Ｎ／ｍｍである。

また、図２、図３に示すごとく、ばね部材３２は、複数枚の板ばねを積層してなる。即ち、ばね部材３２は、当接プレート３１に当接する前方板ばね３３と、該前方板ばね３３の後方に配された後方板ばね３４とからなる。前方板ばね３３は、少なくとも前方板ばね３３の両端部３３１において後方板ばね３４に接触している。また、前方板ばね３３と後方板ばね３４とは、互いにリベット（図示略）によって留め付けられている。

後方板ばね３４は、中央部が大きな円弧状に湾曲してなると共に、長さ方向の両端部が小さな円弧状に湾曲してなる。また、前方板ばね３３は、円弧状に湾曲してなり、その曲率半径は、上記後方板ばね３４の中央部における円弧の曲率半径よりも若干小さい。そして、前方板ばね３３は、後方板ばね３４の中央部の前方に重ね合わせるように配置されている。これにより、前方板ばね３３は、その両端部３３１において後方板ばね３４に当接する。

また、当接プレート３１は、半導体積層ユニット２の積層方向の端部に配された冷却管２２の主面に面接触できるような平坦な当接面３１１を有する。
そして、当接プレート３１及びばね部材３２は、いずれも、炭素工具鋼（SK5）等の金属からなる。

また、加圧部材３は、図１に示すごとく、ばね部材３２の中央部を当接プレート３１に当接させ、当接プレート３１の当接面３１１を半導体積層ユニット２に当接させた状態で電力変換装置１内に組み付けられる。また、ばね部材３２の両端部３２１を電力変換装置１のケース１１内に固定された２個の固定ピン１３に係止させている。そして、ばね部材３２は、中央部において、当接プレート３１を介して半導体積層ユニット２を積層方向に押圧するように付勢された状態で配設されている。

また、図１に示すごとく、半導体積層ユニット２においては、半導体モジュール２１を両面から挟持するように冷却管２２を複数配設してなる。即ち、冷却管２２と半導体モジュール２１とが交互に積層されている。各冷却管２２は、内部に冷媒流路（図示略）を設けてなる扁平形状の管である。この冷媒流路に、例えばエチレングリコール系の不凍液を混入した水、水やアンモニア等の自然冷媒、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却媒体を流通させることができるよう構成してある。

また、複数の冷却管２２の両端をそれぞれ連結するように連結パイプ２２２を配置し、２箇所のヘッダ部２２３を形成してある。また、該２箇所のヘッダ部２２３の端部には、半導体積層ユニット２の一方の端部に配された冷却管２２に接続された、冷媒導入口２２４と冷媒排出口２２５とがそれぞれ設けてある。

これらの冷却管２２と連結パイプ２２２と冷媒導入口２２４と冷媒排出口２２５とによって、アルミニウム製の冷却器２２０が構成されている。
そして、半導体モジュール２１は、冷却器２２０における隣り合う冷却管２２１の間に２個づつ並列配置された状態で挟持されている。半導体モジュール２１は両面に放熱板を露出させており、この放熱板と扁平形状の上記冷却管２２の主面２２１とを密着させることにより、両者の間で熱交換を行うことができるよう構成されている。
なお、冷却器２２０においては、例えば連結パイプ２２２を蛇腹状にしたり、連結パイプ２２２と冷却管２２との取付部にダイヤフラム部を設けたりすることにより、隣り合う冷却管２２の間の間隔をある程度変化させることができるよう構成してある。

上記加圧部材３を配設するに当たっては、電力変換装置１のケース１１内に半導体積層ユニット２を配置した後、加圧部材３を半導体積層ユニット２の積層方向の端部に配置する。次いで、ばね部材３２を変位させつつ、ばね部材３２の中央部分において当接プレート３１を介して半導体積層ユニット２を積層方向に押圧する。そして、ばね部材３２の両端部３２１の後方位置におけるケース１１内に固定ピン１３を固定する。

次いで、ばね部材３２を減圧方向に復元させながら、ばね部材３２の両端部３２１を固定ピン１３に支承させる。これにより、ばね部材３２は、所定の変位において、所定の押圧力を半導体積層ユニット２に与えた状態で落ち着く。
このようにして、加圧部材３によって半導体積層ユニット２を積層方向に押圧した状態で、電力変換装置１を構成する。

なお、電力変換装置１は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインタバータ等であり、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。また、電力変換装置１は、半導体積層ユニット２のほか、半導体モジュール２１に制御信号を入力する図示しない制御基板や、コンデンサやリアクトル等から構成される図示しない電力回路等を有している。

また、図４に示すばね部材３２のばね特性の測定は、以下の方法によって測定した。
即ち、図５に示すごとく、下側加圧治具４１にばね部材３２を載置する。このとき、ばね部材３２の中央部が下側加圧治具４１に当接するようにする。そして、ばね部材３２の両端部３２１の上に、調整治具４２をそれぞれ載置する。更に、この調整治具４２の上から、上側加圧治具４３を載置する。

上記調整治具４２は、上側加圧治具４３の下面に対してスライド可能なコロ４２１を有している。これにより、ばね部材３２が変形するに伴い両端部３２１の間の距離が変化したときにも、加圧方向以外の力がばね部材３２にかからないようにして、正確な測定値を得ることができるようにしてある。

上記の状態で、矢印ｆにて示すごとく、下側加圧治具４１と上側加圧治具４３とを互いに近付ける方向に動かし、加圧する。このときの加圧速度は２０ｍｍ／分である。
これにより、徐々にばね部材３２が変位してゆき、そのときのばね部材３２の弾性力（ばね部材３２にかかっている荷重）を逐次測定する。この測定結果が、図４における破線Ｌ２である。
また、所定の変位に達した後は、逆にばね部材３２を徐々に減圧方向に復元させていく。即ち、下側加圧治具４１と上側加圧治具４３とを互いに離れる方向に動かす。このときの減圧速度も２０ｍｍ／分である。そして、このときのばね部材３２の弾性力も逐次測定する。この測定結果が、図４における破線Ｌ２である。

次に、本例の作用効果につき説明する。
図４に示すごとく、上記ばね部材３２は、加圧方向へ変形する際の弾性力が、減圧方向へ復元する際の弾性力よりも大きくなるようなヒステリシスを有する。そのため、同じ変位において、ばね部材３２を加圧する際には大きな弾性力が作用し、ばね部材３２を減圧する際には比較的小さな弾性力が作用する。従って、半導体積層ユニット２の端部に加圧部材３を配設するにあたり、ばね部材３２を変位させながら半導体積層ユニット２を積層方向に押圧する際には、狭いスペースにおいても、充分な押圧力を半導体積層ユニット２に作用させることができる。

これにより、半導体モジュール２１と冷却管２２との密着を充分に確保することができる。即ち、上述した連結パイプ２２２或いはダイヤフラム部等を変形させて、隣り合う冷却管２２の間の間隔を充分に狭めて、半導体モジュール２１の両面に冷却管２２を密着させることができる。

そして、半導体積層ユニット２に大きな押圧力を与えた後、ばね部材３２を減圧方向にある程度復元させた状態で、押圧部材３が電力変換装置１に組み付けられる。このとき、ばね部材３２の変位量に対する弾性力の変化が小さいため、所望の押圧力を半導体積層ユニット２に与えた状態で、ばね部材３２を組付けることができる。即ち、半導体積層ユニット２へ与える押圧力を容易に調整することができる。これにより、半導体モジュール２１や冷却管２２に過負荷を与えることを防ぎつつ、半導体モジュール２１と冷却管２２との間の密着を確保することができる。そのため、半導体モジュール２１や冷却管２２の損傷、変形を防ぎつつ、半導体モジュール２１の冷却効率を向上させることができる。

また、ばね部材３２は、電力変換装置１に組み付けられた状態の変位において、加圧方向へ変形する際の弾性力が、減圧方向へ復元する際の弾性力の１．０５倍以上であり、加圧方向へ変形する際の単位変位量当りの弾性力の変化量（図４のＬ１の傾き）が、減圧方向へ復元する際の単位変位量当りの弾性力の変化量（図４のＬ２の傾き）の１．０５倍以上である。

そのため、半導体積層ユニット２を押圧する際のばね部材３２の変位に対する弾性力の変化と、加圧部材３をセットする際のばね部材３２の変位に対する弾性力の変化との差を充分に確保することができる。これにより、加圧時には、ばね部材３２の変位を大きくすることが困難な狭いスペースにおいても、半導体モジュール２１と冷却管２２との密着を充分に確保することができる。一方、加圧部材３をセットする際には、ばね部材３２の弾性力の調整を行いやすく、所望の押圧力で半導体積層ユニット２を押圧することができる。
そのため、一層容易に、半導体モジュール２１及び冷却管２２への過負荷を防ぎつつ、半導体モジュール２１の冷却効率を高めることができる。

また、ばね部材３２は、複数枚の板ばねを積層してなる。そのため、上述したようなヒステリシスを有するばね部材３２を容易に得ることができる。
また、ばね部材３２は、前方板ばね３３と後方板ばね３４とからなり、前方板ばね３３は、少なくとも前方板ばね３３の両端部３３１において後方板ばね３４に接触している。これにより、上述したようなヒステリシスを有するばね部材３２を一層容易に得ることができる。

以上のごとく、本例によれば、半導体モジュール及び冷却管への過負荷を防ぎつつ、半導体モジュールの冷却効率を高めることができる電力変換装置を提供することができる。

実施例における、電力変換装置の説明図。実施例における、ばね部材の斜視図。実施例における、ばね部材の平面図。実施例における、ばね部材のばね特性を示す線図。実施例における、ばね部材のばね特性の測定方法を示す説明図。実施例における、電力変換装置の説明図。

符号の説明

１電力変換装置
２半導体積層ユニット
２１半導体モジュール
２２冷却管
２２１主面
３加圧部材
３１当接プレート
３１１当接面
３２ばね部材

Claims

電力変換回路の一部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却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置であって、
上記半導体積層ユニットの積層方向の端部には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材が配されており、
該加圧部材は、両端部に係止部を有する第１板ばねと、該第１板ばねの上記両端部の上記係止部よりも内側の部分である中央部において積層される第２板ばねとにより構成されたばね部材であって、
上記ばね部材は、上記中央部において半導体積層ユニットを積層方向に押圧することにより、加圧方向へ変形する際の弾性力が、減圧方向へ復元する際の弾性力よりも大きくなるようなヒステリシスを有することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、上記ばね部材は、上記電力変換装置に組み付けられた状態の変位において、加圧方向へ変形する際の弾性力が、減圧方向へ復元する際の弾性力の１．０５倍以上であることを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２において、上記ばね部材は、上記電力変換装置に組み付けられた状態の変位において、加圧方向へ変形する際の単位変位量当りの弾性力の変化量が、減圧方向へ復元する際の単位変位量当りの弾性力の変化量の１．０５倍以上であることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜３のいずれか一項において、上記加圧部材は、上記冷却管の主面に当接する当接面を有する当接プレートと、該当接プレートにおける上記当接面と反対側の面に配された上記ばね部材とを有することを特徴とする電力変換装置。
請求項４において、上記ばね部材は、上記当接プレートに当接する上記第２板ばねである前方板ばねと、該前方板ばねの後方に配された上記第１板ばねである後方板ばねとからなり、上記前方板ばねは、少なくとも該前方板ばねの両端部において上記後方板ばねに接触していることを特徴とする電力変換装置。