JP4600413B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換回路を構成する半導体モジュールの冷却手段を備えた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。
それゆえ、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１５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、冷媒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９３１とを有する。

該ばね部材９３１は、半導体積層ユニット９２の積層方向の端面をなす冷却管９２２の主面９２０に対して、当接プレート９３２を介して当接している。これにより、冷却管９２２の主面９２０に対して、ばね部材９３１による押圧力が作用するようにしてある。

ところが、従来の電力変換装置９においては、以下のような問題がある。すなわち、当接プレート９３２とばね部材９３１とは別体であるため、ばね部材９３１が当接プレート９３２から脱落しないようにこれらを重ね合わせつつ電力変換装置９に組み付ける必要がある。そのため、当接プレート９３２とばね部材９３１との組付けを容易に行うことができないという問題がある。

また、ばね部材９３１は当接プレート９３２に固定されているわけではないため、ばね部材９３１が所定の位置からずれた位置に配設されることがあり、ばね部材９３１の位置決めが困難となるという問題がある。

さらに、当接プレート９３２の曲げ剛性が不充分であると、ばね部材９３１によって押圧された当接プレート９３２が、ばね部材９３１との当接部分を中心に反ってしまうおそれがある。そのため、半導体積層ユニット９２をその積層方向に均一に押圧することが困難となるおそれがある。それゆえ、半導体モジュール９２と冷却管９２２とを面接触させて両者の密着性を確保して半導体モジュール９２から冷却管９２２への伝熱を充分に行うことが困難となるおそれがある。そして、その結果、半導体モジュール９２１を充分に冷却することが困難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、加圧部材の組付け及びばね部材の位置決めが容易であるとともに、半導体モジュールを充分に冷却す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、上記冷却管の主面に当接する前面部と、該前面部の幅方向の両端部において上記半導体積層ユニットから遠ざかる方向に形成された一対のリブと、該一対のリブのうちの一方から他方へ向かって形成された後方支持部とを有する当接プレートと、該当接プレートを上記半導体積層ユニットに向かって押圧するばね部材とを有し、
該ばね部材は、上記前面部と上記一対のリブと上記後方支持部との間に保持されてい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、上記前面部と上記一対のリブと上記後方支持部との間に保持されている。このようにばね部材を当接プレートに保持させることにより、ばね部材が当接プレートから脱落することを防ぐことができる。これにより、ばね部材と当接プレートとを一体化してなる加圧部材を電力変換装置に組付けることができるため、その加圧部材の組付けを容易に行うことができる。
また、後方支持部によってばね部材の前後への移動を規制することにより、当接プレートに対してばね部材が揺動することを抑制することができる。その結果、ばね部材の位置決めを容易に行うことができる。

さらに、上記当接プレートは、上記一対のリブを設けてなる。すなわち、当接プレートは、上記リブにより曲げ剛性を向上させている。それゆえ、ばね部材の弾性力によって押圧されても、当接プレートが反ることを防ぐことができる。そして、そのため、当接プレートの前面部により、半導体積層ユニットを全体にわたってその積層方向に均一に押圧することができる。これにより、半導体モジュールと冷却管とを面接触させて充分に密着させることができ、半導体モジュールから上記冷却管へと充分に伝熱することができる。その結果、半導体モジュールを充分に冷却することができる。

以上のごとく、本発明によれば、加圧部材の組付け及びばね部材の位置決めが容易であるとともに、半導体モジュールを充分に冷却す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、本明細書において、上記加圧部材が上記半導体積層ユニットを押圧する方向を前方、その反対側を後方という。

また、上記ばね部材は、複数の板ばねを重ね合わせてなるとともに、該複数の板ばねを接合するための接合部材を有し、該接合部材は、上記ばね部材における上記前面部とは反対側の面に突出した後方突出部を有し、上記後方支持部は、後方から見たときに該後方支持部が上記後方突出部と重ならない位置に形成されていることが好ましい（請求項２）。

この場合には、電力変換装置のケース内における、ばね部材より後方のスペースを確保することができる。すなわち、後方支持部が、後方から見たときに後方突出部と重なる位置に配されていると、後方支持部を設けたことによって、少なくとも後方支持部の厚み分のスペースがばね部材の後方部分において狭まってしまう。その結果、コネクタ等の部品をばね部材の後方のスペースに配設することが困難となるおそれがある。それゆえ、後方支持部を、後方突出部を回避するような位置、すなわち、後方から見たときに上記後方支持部が後方突出部と重ならない位置に配することにより、上記スペースの減少を防ぐことができる。

また、上記後方支持部は、上記後方突出部の後端よりも後方に配されていないことが好ましい（請求項３）。
この場合には、後方支持部を設けたことによるスペースの減少を一層効果的に抑制することができる。すなわち、仮に後方支持部がない状態において、ばね部材中央部付近における後方のスペースの前後厚みは、後方突出部によって規制される。それゆえ、この後方突出部よりも後方に後方支持部がなければ、該後方支持部によって上記スペースの前後厚みが減少することがない。

また、上記後方支持部は、上記後方突出部の両脇に配される一対の分枝部を有することが好ましい（請求項４）。
この場合には、後方支持部と後方突出部との重なりを容易に防ぐことができる。

また、上記後方支持部は、中央に穴部を有する円環形状のリング部を有し、該穴部に上記後方突出部が挿通配置されていてもよい（請求項５）。
この場合には、後方支持部と後方突出部との重なりを容易に防ぐことができる。

また、上記ばね部材は、複数の板ばね部を重ね合わせてなるとともに、該複数の板ばね部を接合するための接合部材を有し、該接合部材は、上記ばね部材における上記前面部側の面に突出した前方突出部を有し、該前方突出部は、上記前面部に形成された前方穴部に挿通配置されていてもよい（請求項６）。
この場合には、ばね部材と当接プレートとの互いの幅方向及び長さ方向の位置決めを容易かつ確実に行うことができる。

（実施例１）
本発明の実施例に係る電力変換装置につき、図１〜図１０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、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、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。

加圧部材３は、当接プレート３２とばね部材３１とを有する。
当接プレート３２は、図１〜図６に示すごとく、冷却管２２の主面２２０に当接する前面部３２０と、前面部３２０の幅方向の両端部において半導体積層ユニット２から遠ざかる方向に形成された一対のリブ３２１と、一対のリブ３２１のうちの一方から他方へ向かって形成された後方支持部３２２とを有する。
ばね部材３１は、図１〜図５に示すごとく、前面部３２０と一対のリブ３２１と後方支持部３２２との間に保持されており、当接プレート３２を半導体積層ユニット２に向かって押圧している。

本例の電力変換装置１につき、以下に詳細に説明する。
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る。そして、電力変換装置１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。
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。

半導体積層ユニット２は、図１に示すごとく、複数の半導体モジュール２１と冷却管２２とを交互に積層してなり、各冷却管２２の両端を、冷媒の供給を担う冷媒供給ヘッダ２３２と冷媒の排出を担う冷媒排出ヘッダ２３３とに連通させた多層積層構造のユニットである。本例では、隣り合わせに積層した冷却管２２の間に、それぞれ二つの半導体モジュール２１を並列配置してある。

本例の冷却管２２は、内部に、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媒を流動させる中空部を有してなる管である。

そして、図１に示すごとく、冷媒供給ヘッダ２３２を介して冷媒入口２３１より冷却管２２へと供給された冷媒は、冷却管２２内を通過する際に、冷却管２２と絶縁材を介して面接触することができるように設けられた半導体モジュール２１の放熱板（図示略）から受熱する。そして、受熱した冷媒は、さらに冷却管２２内を通過し、冷媒排出ヘッダ２３３を介して冷媒出口２３４へ向かって流れて、そこから排出される。
このようにして、半導体積層ユニット２においては、冷媒を冷却管２２内において循環させて、半導体素子との熱交換を行うことにより、半導体モジュール２１を冷却する。

また、上述したように、半導体積層ユニット２の積層方向の端部には、図１に示すごとく、当接プレート３２とばね部材３１とにより構成される加圧部材３が配されている。
そして、ばね部材３１は、前面部３２０と一対のリブ３２１と後方支持部３２２との間に配設された状態で当接プレート３２に保持されている。

当接プレート３２は、上述のごとく前面部３２０とリブ３２１と後方支持部３２２とを有する。そして、当接プレート３２は、リブ３２１によって曲げ剛性が向上している。
また、図１〜図４、図６に示すごとく、上記一対のリブ３２１のうちの一方の外側面３２８には、後方支持部３２２を有する支持板３２７が面接触した状態で溶接されている。後方支持部３２２は、支持板３２７から他方のリブ３２１に向かって形成されており、後方突出部３１３の両脇に配される一対の分枝部３２３を有している。

本例の分枝部３２３は、図２、図３、図６に示すごとく、後方突出部３１３の外径よりも大きい内径を有する略円弧形状に形成されている。
また、当接プレート３２は、図５、図６に示すごとく、前面部３２０に前方穴部３２４を有する。なお、本例の前方穴部３２４は、当接プレート３２を貫通する穴としたが、貫通しないように形成することもできる。

また、ばね部材３１は、図２、図５に示すごとく、その中央部が半導体積層ユニット２側に湾曲してなる。
また、ばね部材３１は、図１、図２、図４、図５に示すごとく、前方板ばね３１１と後方板ばね３１２とを重ね合わせてなるとともに、前方板ばね３１１と後方板ばね３１２とを接合するための接合部材を有する。該接合部材は、前面部３２０とは反対側の面に突出した後方突出部３１３と、前面部３２０側の面に突出した前方突出部３１４とを有する。

後方突出部３１３は、図２、図３に示すごとく、後方支持部３２２に形成された一対の分枝部３２３の間において、該分枝部３２３と干渉しないように配設される。また、後方支持部３２２は、後方突出部３１３の後端よりも後方に配されないよう構成されている。
前方突出部３１４は、前面部３２０に形成された前方穴部３２４に挿通配置されている。なお、前方突出部３１４の突出量は、当接プレート３２の厚み以下である。

ばね部材３１は、図１に示すごとく、後方板ばね３１２における長さ方向の両端部が、電力変換装置１のケース１０内に固定された二個の固定ピン１１に係止されており、該固定ピン１１と半導体積層ユニット２との間において、ばね部材３１が拡がる方向に付勢された状態で配置することにより、半導体積層ユニット２を積層方向に押圧している。

加圧部材３に付勢力を与えるに当たっては、まず、図７（ａ）に示すごとく、冶具４をばね部材３１の後方から押し付ける。さらに、図７（ｂ）に示すごとく、後方突出部３１３の後端と冶具４とが当接するまでばね部材３１を押圧し、固定ピン１１をケース１０に固定した後、その冶具４を外す。これにより、ばね部材３１の端部が固定ピン１１に係止されて、ばね部材３１に前方へ向かう付勢力が与えられる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
ばね部材３１は、前面部３２０と一対のリブ３２１と後方支持部３２２との間に保持されている。このようにばね部材３１を当接プレート３２に保持させることにより、ばね部材３１が当接プレート３２から脱落することを防ぐことができる。これにより、ばね部材３１と当接プレート３２とを一体化してなる加圧部材３を電力変換装置１に組付けることができるため、その加圧部材３の組付けを容易に行うことができる。
また、後方支持部３２２がばね部材３１の前後への移動を規制することによって、当接プレート３２に対してばね部材３１が揺動することを抑制することができる。その結果、ばね部材１の位置決めを容易に行うことができる。

さらに、当接プレート３２は、一対のリブ３２１を設けてなる。ここで、当接プレート３２は、リブ３２１により曲げ剛性が増加しているため、ばね部材３１の弾性力によって押圧されても、当接プレート３２が反ることを防ぐことができる。そして、そのため、当接プレート３２の前面部３２０により、半導体積層ユニット２を全体にわたってその積層方向に均一に押圧することができる。これにより、半導体モジュール２１と冷却管２２とを面接触させて充分に密着させることができる。そのため、半導体モジュール２１から冷却管２２へと充分に伝熱することができる。その結果、半導体モジュール２１を充分に冷却することができる。

また、後方支持部３２２は、後方から見たときに該後方支持部３２２が後方突出部３１３と重ならない位置に形成されており、かつ後方突出部３１３の後端よりも後方に配されていない。そのため、電力変換装置１のケース１０内における、ばね部材３１より後方のスペースＳを確保することができる。すなわち、後方支持部３２２が、後方から見たときに後方突出部３１３と重なる位置に配されていると、後方支持部３２２を設けたことによって、少なくとも後方支持部３２２の厚み分のスペースがばね部材３１の後方部分において狭まってしまう。その結果、コネクタ等の部品５をばね部材３１の後方のスペースに配設することが困難となるおそれがある。それゆえ、後方支持部３２２を、後方突出部３１３を回避するような位置、すなわち、後方から見たときに後方支持部３２２が後方突出部３１３と重ならない位置に配することにより、上記スペースの減少を防ぐことができる。

つまり、本例のように後方支持部３２２が後方突出部３１３の後端よりも前方に配設されていれば、図９に示すごとく、部品５を矢印Ａの向きに挿入するに当たって、後方支持部３２２と部品５とが接触することを回避することができる。
一方、後方支持部３２２が後方突出部３１３の後端よりも後方に配設されている場合には、図１０に示すごとく、部品５を矢印Ａの向きに挿入する際に、後方支持部３２２と部品５とが接触しまうおそれがある。

また、図８に示すごとく、後方支持部３２２が後方突出部３１３の後端よりも後方に配設されている場合には、以下のような不具合が生じる。すなわち、ばね部材３１に冶具４を押し付けていくと、冶具４は後方支持部３２２と当接する。この場合、それ以上ばね部材３１を拡げることができず、ばね部材３１に充分な付勢力を与えることができない。それゆえ、冷却管２２と半導体モジュール２１とを充分に密着させることが困難となり、半導体モジュール２１を充分に冷却することが困難となるという不具合が生じるおそれがある。

これに対し、本例のように後方支持部３２２が後方突出部３１３よりも後方に配されていなければ、後方支持部３２２を設けたことによって冶具４がばね部材３１に与えることのできる付勢力が小さくなってしまうという不具合は生じない。それゆえ、この付勢力によって、冷却管２２と半導体モジュール２１とを充分に密着させることができ、半導体モジュール２１を充分に冷却することができる。

また、後方支持部３２２は、後方突出部３１３の両脇に配される一対の分枝部３２３を有するため、後方支持部３２２と後方突出部３１３との重なりを容易に防ぐことができる。
また、前方突出部３１４は、前面部３２０に形成された前方穴部３２４に挿通配置するため、ばね部材３１と当接プレート３２との互いの幅方向及び長さ方向の位置決めを容易かつ確実に行なうことができる。

以上のごとく、本例によれば、加圧部材の組付け及びばね部材の位置決めが容易であるとともに、半導体モジュールを充分に冷却することができる電力変換装置を提供することができる。

なお、後方支持部３２２として、図３に示した加圧部材３における分枝部３２３よりも長さ方向に拡がった分枝部３２３を有する、図１１に示すような後方支持部３２２を用いることもできる。かかる後方支持部３２２を用いた場合には、長さ方向に拡がった分枝部３２３が、長さ方向の広い範囲でばね部材３１の揺動を抑制することができるため、図３における後方支持部３２２よりもばね部材３１の揺動を一層抑制することができる。

（実施例２）
本例は、図１２に示すごとく、後方支持部３２２は、中央に支持穴部３２６を有する円環形状のリング部材３２５を有する加圧部材３を作製した例である。そして、支持穴部３２６には、後方突出部３１３が挿通配置されている。
その他は、実施例１と同様である。
なお、本例で使用した符号は、実施例１で使用した符号に準ずる。

後方支持部３２２は、中央に支持穴部３２６を有する円環形状のリング部３２５を有し、支持穴部３２６に後方突出部３１３が挿通配置されている。それゆえ、後方支持部３２２と後方突出部３１３との重なりを容易に防ぐことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図１３、図１４に示すごとく、後方支持部３２２が平板状である当接プレート３２を有する加圧部材３を作製した例である。
後方支持部３２２は、後方突出部３１３の後端よりも後方に配設されている。
その他は、実施例１と同様である。
なお、本例で使用した符号は、実施例１で使用した符号に準ずる。

本例の場合にも、上記平板状の後方支持部３２２によりばね部材３１の揺動を抑制することができる。ただし、本例の加圧部材３においては、後方支持部３２２が後方突出部３１３の後端よりも後方に配設されることとなるため、後方支持部３１３よりも後方に配設される部品５と後方支持部３２２とが接触してしまうおそれがある（図１０参照）。

一方、実施例１の電力変換装置１における加圧部材３（図４参照）のように、後方突出部３１３の後端よりも後方支持部３２２が後方に配設されないよう構成されている場合には、ばね部材３１の揺動を抑制することができるとともに、後方支持部３２２と部品５との接触を充分に防ぐことができる（図９参照）。

実施例１における、電力変換装置の断面説明図。 実施例１における、加圧部材の斜視図。 実施例１における、加圧部材の側面図。 実施例１における、加圧部材の上面図。 実施例１における、加圧部材の断面図。 実施例１における、当接プレートの斜視図。 実施例１における、（ａ）ばね部材に付勢力を与える前の状態を示す説明図、（ｂ）ばね部材に付勢力を与えた状態を示す説明図。 冶具が後方支持部に当接している状態を示す説明図。 実施例１における、コネクタを配設する際の状態を示す縦断面説明図。 後方支持部とコネクタが接触している状態を示す縦断面説明図。 実施例１における、加圧部材の別形態の側面図。 実施例２における、加圧部材の側面図。 実施例３における、加圧部材の側面図。 実施例３における、加圧部材の上面図。 従来例における、電力変換装置の断面説明図。

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
２２０ 主面
３ 加圧部材
３１ ばね部材
３２ 当接プレート
３２０ 前面部
３２１ リブ
３２２ 後方支持部

Claims (6)

1. 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、上記冷却管の主面に当接する前面部と、該前面部の幅方向の両端部において上記半導体積層ユニットから遠ざかる方向に形成された一対のリブと、該一対のリブのうちの一方から他方へ向かって形成された後方支持部とを有する当接プレートと、該当接プレートを上記半導体積層ユニットに向かって押圧するばね部材とを有し、
   該ばね部材は、上記前面部と上記一対のリブと上記後方支持部との間に保持されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記ばね部材は、複数の板ばねを重ね合わせてなるとともに、該複数の板ばねを接合するための接合部材を有し、該接合部材は、上記ばね部材における上記前面部とは反対側の面に突出した後方突出部を有し、上記後方支持部は、後方から見たときに該後方支持部が上記後方突出部と重ならない位置に形成されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２において、上記後方支持部は、上記後方突出部の後端よりも後方に配されていないことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２又は３において、上記後方支持部は、上記後方突出部の両脇に配される一対の分枝部を有することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項２又は３において、上記後方支持部は、中央に支持穴部を有する円環形状のリング部を有し、上記支持穴部に上記後方突出部が挿通配置されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、上記ばね部材は、複数の板ばね部を重ね合わせてなるとともに、該複数の板ばね部を接合するための接合部材を有し、該接合部材は、上記ばね部材における上記前面部側の面に突出した前方突出部を有し、該前方突出部は、上記前面部に形成された前方穴部に挿通配置されていることを特徴とする電力変換装置。

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