JP5359980B2

JP5359980B2 - 電力変換装置の製造方法

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Publication number: JP5359980B2
Application number: JP2010092095A
Authority: JP
Inventors: 健二河口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2030-04-13
Also published as: JP2011222848A

Description

本発明は、半導体モジュールと、該半導体モジュールの制御端子に接続した制御回路基板とを備えた電力変換装置の製造方法に関する。

直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、図１４に示すごとく、半導体モジュール９１と、該半導体モジュール９１を冷却する冷却チューブ９４とを積層したものが知られている（下記特許文献１参照）。個々の半導体モジュール９１は、電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵する本体部９１０と、該スイッチング素子に導通し本体部９１０の端面から突出する制御端子９２とを有する。本体部９１０の、制御端子９２を設けた側とは反対側の端面には、高電圧用のパワー端子（図示しない）が複数個設けられている。また、図１４に示すごとく、全ての制御端子９２が同一方向を向くように、複数個の半導体モジュール９１が積層配置されている。

この電力変換装置９０では、図１５に示すごとく、全ての制御端子９２を制御回路基板９５に接続し、該制御回路基板９５によって個々の半導体モジュール９１の動作制御を行っている。これにより、上記パワー端子に入力された直流電圧を交流電圧に変換して他のパワー端子から出力したり、交流電圧を直流電圧に変換して出力したりする。
図１５に示すごとく、制御回路基板９５には複数個の接続用貫通孔９６が形成されている。この接続用貫通孔９６に制御端子９２の先端を挿入することにより、制御端子９２と制御回路基板９５とを電気的に接続している。

一方、図１４に示すごとく、半導体モジュール９１と冷却チューブ９４は、収納ケース９８に収納されている。収納ケース９８の壁部９８０には、制御回路基板９５をボルト等で固定するための固定部９７が形成されている。

電力変換装置９０を製造する際には、半導体モジュール９１と冷却チューブ９４とを収納ケース９８内において積層した後、制御端子９２を接続用貫通孔９６に挿入する。しかしながら、制御端子９２の位置は積層方向ｘにばらついているため、全ての制御端子９２を同時に接続用貫通孔９６に挿入することは難しい。そのため、従来の電力変換装置９０は図１５に示すごとく、櫛歯状の治具９３を使って制御端子９２の位置ばらつきを矯正した後で、接続用貫通孔９６に制御端子９２を挿入している。

特開２００７−４２９４８号公報

しかしながら、上記製造方法を用いると、図１５に示すごとく、収納ケース９８と制御回路基板９５との間に、治具９３を挿入するためのスペースを確保する必要があり、電力変換装置９０を小型化しにくいという問題があった。また、図１４に示すごとく、収納ケース９８の壁部９８０の中央部分９９に、制御回路基板９５を固定するための固定部９７を仮に設けた場合、その固定部９７が邪魔になって治具９３を挿入できなくなる。そのため、壁部９８０の中央部分９９には固定部９７を設けることができず、電力変換装置９０のレイアウト自由度を高められないという問題があった。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、治具を用いなくても、全ての制御端子を制御回路基板の接続用貫通孔に容易に挿入できる電力変換装置の製造方法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スイッチング素子を内蔵した本体部を有し、上記スイッチング素子に導通した制御端子が上記本体部の端面から突出した複数個の半導体モジュールと、
該半導体モジュールを上記本体部の両主面から冷却する複数個の冷却チューブと、
個々の上記制御端子と接続する複数個の接続用貫通孔を有し、上記スイッチング素子の動作を制御する制御回路基板とを備える電力変換装置の製造方法であって、
上記制御端子の突出方向を揃えつつ、少なくとも一つの上記半導体モジュールと、他の少なくとも一つの上記半導体モジュールとの、上記制御端子の先端の上記突出方向における高さ位置が、積層方向において互いに異なるように上記複数個の半導体モジュールと上記複数個の冷却チューブとを積層して積層体を形成する積層工程と、
ばね部材を用いて上記積層体を上記積層方向に加圧する加圧工程と、
上記制御端子の突出方向に直交するように上記制御回路基板を配置する配置工程と、
上記積層体と上記制御回路基板とを該制御回路基板の主面に平行な方向へ相対的に移動することにより、上記制御回路基板に挿入されていない複数個の上記制御端子のうち、その先端が上記制御回路基板の主面に最も近い特定の上記制御端子と、該特定の制御端子に対応する特定の上記接続用貫通孔とを位置合わせした後、上記制御回路基板と上記積層体とを相対的に接近させることにより、上記特定の制御端子を上記特定の接続用貫通孔に挿入する挿入工程と、
該挿入工程を全ての上記制御端子と上記接続用貫通孔との間で繰り返して行った後、全ての上記制御端子を上記各接続用貫通孔に接続する接続工程と、
をこの順に行うことを特徴とする電力変換装置の製造方法にある（請求項１）。

本発明の作用効果について説明する。本発明では、上記積層工程において、制御端子の先端の高さ位置が積層方向に全て一定にならないように、半導体モジュールと冷却チューブとを積層する。そして、上記挿入工程を複数回繰り返して行う。
このようにすると、治具を用いなくても、制御回路基板の接続用貫通孔に全ての制御端子を容易に挿入することが可能になる。すなわち、上記積層工程を行って製造した積層体は、制御端子の先端の高さ位置が積層方向において一定でないため、全ての制御端子を接続用貫通孔に一度に挿入する必要がなく、複数回に分けて挿入することができる。積層方向における、隣り合う制御端子と制御端子の間隔はばらつきが生じ得るため、全ての制御端子を接続用貫通孔に一度に挿入するのは困難であるが、制御回路基板の主面に最も近い特定の制御端子のみを接続用貫通孔に位置合わせして挿入することは容易である。この位置合わせ作業と挿入作業を繰り返して行うことにより、最終的に、全ての制御端子を接続用貫通孔に挿入することが可能になる。これにより、治具を用いなくても、全ての制御端子を接続用貫通孔に容易に挿入することができる。

以上のごとく、本発明によれば、治具を用いなくても、全ての制御端子を制御回路基板の接続用貫通孔に容易に挿入できる電力変換装置の製造方法を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の平面図であって、図２のＣ−Ｃ断面図。図１のＡ−Ａ断面図。図１のＢ−Ｂ断面図。実施例１における、積層工程を説明するための平面図。実施例１における、積層工程を説明するための断面図。実施例１における、配置工程を説明するための断面図。実施例１における、挿入工程を説明するための拡大断面図。図７に続く図であって、特定の制御端子と挿入用貫通孔を位置合わせした状態の断面図。図８に続く図であって、特定の制御端子を挿入用貫通孔に挿入した状態の断面図。図９に続く図であって、別の制御端子と挿入用貫通孔を位置合わせした状態の断面図。図１０に続く図であって、別の制御端子を挿入用貫通孔に挿入した状態の断面図。実施例２における、電力変換装置の断面図。実施例３における、電力変換装置の断面図。従来例における、電力変換装置の製造工程を説明するための斜視図。図１４に続く斜視図であって、治具で制御端子を整列した後に制御回路基板を接続する工程の説明図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記積層工程において、上記制御端子の長さが互いに異なる複数種類の上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを積層することにより、上記制御端子の先端の上記高さ位置を互いに異ならせることが好ましい（請求項２）。
この場合には、本体部の高さ位置を揃えた状態で半導体モジュールと冷却チューブとを積層することにより、制御端子の高さ位置が積層方向に一定でない積層体を容易に製造することができる。それゆえ、構造的に安定した積層体を製造することができる。

また、上記積層工程において、上記制御端子の長さが互いに等しい複数個の上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを積層し、上記突出方向における個々の上記半導体モジュールの配置位置を異ならせることにより、上記制御端子の先端の上記高さ位置を互いに異ならせても良い（請求項３）。
このようにすると、一種類の半導体モジュールのみを用いて、制御端子の先端の高さ位置が積層方向に一定でない積層体を製造することができる。そのため、複数種類の半導体モジュールを用意する必要がなく、電力変換装置の製造コストを低減することができる。

また、上記積層工程において、上記制御端子の長さが等しい複数個の第１半導体モジュールと上記冷却チューブとを積層して、上記制御端子の先端の上記高さ位置が互いに等しい第１小積層体を形成すると共に、上記第１半導体モジュールとは上記制御端子の長さが異なる複数個の第２半導体モジュールと上記冷却チューブとを積層して、上記制御端子の先端の上記高さ位置が互いに等しく、該高さ位置が上記第１小積層体とは異なる第２小積層体を形成することにより、少なくとも２個の小積層体を有するように上記積層体を形成することが好ましい（請求項４）。
このようにすると、上記挿入工程を小積層体ごとに行うことが可能になる。そのため、挿入工程を半導体モジュール毎に行う場合と比較して、挿入工程を行う回数を減らすことができる。また、制御端子の先端を一段ずつ異ならせる場合と比較して、半導体モジュールの種類あるいは高さ位置の変更を少なくすることが可能になる。そのため、電力変換装置の製造コストを低減することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置１の製造方法につき、図１〜図１１を用いて説明する。
図１〜図３に示すごとく、本例は、複数個の半導体モジュール２と、複数個の冷却チューブ４と、制御回路基板６とを備える電力変換装置１の製造方法である。個々の半導体モジュール２は、図２、図３に示すごとく、電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した本体部２０を有し、該スイッチング素子に導通した制御端子３が本体部２０の端面２２から突出するよう形成されている。
図２に示すごとく、冷却チューブ４は、半導体モジュール２を本体部２０の両主面６１から冷却している。
また、制御回路基板６は、個々の制御端子３と接続する複数個の接続用貫通孔６０を有し、スイッチング素子の動作を制御している。

本例では、積層工程（図４、図５参照）と、配置工程（図６参照）と、挿入工程（図７〜１１参照）と、接続工程（図２参照）とをこの順に行う。
積層工程では、図５に示すごとく、制御端子３の突出方向を揃えつつ、制御端子３の先端３０の突出方向Ｙにおける高さ位置が全て異なるように、複数個の半導体モジュール２と複数個の冷却チューブ４とを積層して積層体５を形成する。

また、配置工程では、図６に示すごとく、制御端子３の突出方向Ｙに直交するように制御回路基板６を配置する。
挿入工程では、図７、図８に示すごとく、積層体５と制御回路基板６とを制御回路基板６の主面６１に平行な方向に相対的に移動することにより、制御回路基板６に挿入されていない複数個の制御端子３のうち、その先端３０が制御回路基板６の主面６１に最も近い特定の制御端子３ａと、該特定の制御端子３ａに対応する特定の接続用貫通孔６０ａとを位置合わせする。その後、図９に示すごとく、制御回路基板６と積層体５とを相対的に接近させることにより、特定の制御端子３ａを特定の接続用貫通孔６０ａに挿入する。

この後、上記挿入工程を繰り返す。すなわち、図１０に示すごとく、制御回路基板６に挿入されていない複数個の制御端子３のうち、その先端３０が制御回路基板６の主面６１に最も近い特定の制御端子３ｂと、該特定の制御端子３ｂに対応する特定の接続用貫通孔６０ｂとを位置合わせする。そして図１１に示すごとく、制御回路基板６と積層体５とを相対的に接近させることにより、特定の制御端子３ｂを特定の接続用貫通孔６０ｂに挿入する。

上記挿入工程を全ての制御端子３と接続用貫通孔６０との間で繰り返し行った後、図２に示すごとく、はんだ１３等の導電性材料を用いて、全ての制御端子３を各接続用貫通孔６０に接続する接続工程を行う。
以下、詳説する。

図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、隣り合う冷却チューブ４が、その両端において連結管１０で接続されている。また、積層方向Ｘにおける一方の端部に位置する冷却チューブ４には、冷媒を導入するための導入管１１と、冷媒を導出するための導出管１２が取り付けられている。導入管１１から冷媒を導入すると、冷媒は連結管１０を通って全ての冷却チューブ４内を流れ、導出管１２から導出する。これにより、半導体モジュール２を冷却している。

図１に示すごとく、隣り合う冷却チューブ４の間には、それぞれ２個の半導体モジュール２が介在している。また、図３に示すごとく、半導体モジュール２は、それぞれ２個のパワー端子２１を有する。パワー端子２１には、直流電源（図示しない）の正電極に接続される正極端子２１ａと、直流電源の負電極に接続される負極端子２１ｂと、交流負荷に接続される交流端子２１ｃとがある。制御回路基板６が半導体モジュール２内のスイッチング素子を制御することにより、正極端子２１ａと負極端子２１ｂとの間に印加される直流電圧を交流電圧に変換して、交流端子２１ｃから出力する。
また、本例の電力変換装置１は、車両に搭載して使用する。車両には三相交流モータ（図示しない）が搭載されている。本例の電力変換装置１で得られた交流電力を用いて三相交流モータを駆動して、車両を走行させている。

図１〜図３に示すごとく、本例の電力変換装置１は、積層体５を収納する収納ケース７を備える。図３に示すごとく、収納ケース７には、ケース内側に突出するリブ部７１が形成されている。このリブ部７１には、制御回路基板６側へ突出する固定部１６が設けられている。この固定部１６の先端１６０に、ボルト１８等を用いて制御回路基板６を固定している。固定部１６の先端１６０は、収納ケース７の端面７０から制御回路基板６側へ突出している。

また、図１に示すごとく、収納ケース７内には、積層体５を固定するためのばね部材１４と、該ばね部材１４によって冷却チューブ４ｂが凹むことを防止するための凹み防止板１５が収納されている。ばね部材１４の付勢力を使って積層体５を収納ケース７の内面７５に押し当てることにより、積層体５を収納ケース７に固定している。

一方、積層工程においては、図４に示すごとく、積層方向Ｘにおける半導体モジュール２の厚さよりも長い連結管１０を使って、隣り合う冷却チューブ４を予め接続しておく。そして、冷却チューブ４間に半導体モジュール２を配置し、ばね部材１４を収納ケース７内に収納して、ばね部材１４ごと積層体５に押圧力Ｆを加え、収納ケース７の内面７５に積層体５を押し当てる。これにより、図１に示すごとく、連結管１０を圧縮し、冷却チューブ４と半導体モジュール２とを密着させる。その後、図１に示すごとく、ばね部材１４を固定するための円柱部材１７を、ばね部材１４と収納ケース７との間に介在させ、押圧力Ｆを解除する。

また、図５に示すごとく、本例では積層工程において、制御端子３の長さが互いに異なる複数種類の半導体モジュール２と冷却チューブ４とを積層することにより、制御端子３の先端３０の高さ位置を互いに異ならせている。また、積層方向Ｘの一方の端部から他方の端部へ向かうほど、制御端子３の長さが徐々に短くなり、先端の高さ位置が一段ずつ低くなるようにしている。

また、本例では、積層工程が終了した後、積層方向Ｘにおける各制御端子３の位置ずれ量を測定し、上記挿入工程における制御端子３と接続用貫通孔６０との位置合わせ作業を行う際に利用している。例えば、図５に示すごとく、冷媒の導出パイプ１２が取り付けられている冷却チューブ４ａの一方の主面を基準面４０とし、この基準面４０から各制御端子３までの距離ｄを画像認識カメラ等で測定する。この距離ｄを用いて、各制御端子３の、設計値からの位置ずれ量を算出する。上記位置合わせ作業を行う際に、積層体５と制御回路基板６とを、算出した位置ずれ量だけ積層方向Ｘに相対移動することにより、制御端子３と接続用貫通孔６０との位置合わせを容易に行うことが可能になる。

各制御端子３の位置ずれ量を測定する別の方法としては、例えば、積層方向Ｘにおける半導体モジュール２の全数をＮとし（本例では８個）、基準面４０からＮ番目の半導体モジュール２の制御端子３ｈまでの距離の設計値をＴ１、該距離の実測値をＴ１＋Ｌ（ｍｍ）とした場合、基準面４０からｎ番目の半導体モジュール２の制御端子３の位置ずれ量を、
ｎ×Ｌ／Ｎ
として推定することもできる。

また、各制御端子３の位置ずれ量を測定する別の方法としては、積層体５の圧縮量（図４参照）の設計値をＴ２、該圧縮量の実測値をＴ２−Ｍ（ｍｍ）とし、半導体モジュール２の数をＮとした場合、基準面４０からｎ番目の半導体モジュール２の制御端子３の位置ずれ量を、
ｎ×Ｍ／Ｎ
として推定することもできる。

本例の作用効果について説明する。図５に示すごとく、本例では積層工程において、制御端子３の先端３０の高さ位置が積層方向Ｘに全て一定にならないように、半導体モジュール２と冷却チューブ４とを積層する。そして、挿入工程を複数回繰り返して行う。
このようにすると、治具を用いなくても、制御回路基板６の接続用貫通孔６０に全ての制御端子３を容易に挿入することが可能になる。すなわち、上記積層工程を行って製造した積層体５は、制御端子３の先端３０の高さ位置が積層方向Ｘにおいて一定でないため、全ての制御端子３を接続用貫通孔６０に一度に挿入する必要がなく、複数回に分けて挿入することができる。積層方向Ｘにおける、隣り合う制御端子３と制御端子３の間隔はばらつきが生じ得るため、全ての制御端子３を接続用貫通孔６０に一度に挿入するのは困難であるが、制御回路基板６の主面６１に最も近い特定の制御端子３ａのみを接続用貫通孔６０ａに位置合わせして挿入することは容易である。図７〜図１１に示すごとく、位置合わせ作業と挿入作業を繰り返して行うことにより、最終的に、全ての制御端子３を接続用貫通孔６０に挿入することが可能になる。これにより、治具を用いなくても、全ての制御端子３を接続用貫通孔６０に容易に挿入することができる。

また、本例では、制御端子３を接続用貫通孔６０に挿入する際に治具を用いないので、電力変換装置１のレイアウト自由度を高めることができる。例えば図１に示すごとく、積層方向Ｘにおける、収納ケース７の中央部分に、収納ケース７の端面７０（図３参照）から突出するように、制御回路基板９５を固定するための固定部１６を設けることができる。
従来のように（図１５参照）、制御端子９２を接続用貫通孔９６に挿入する際に治具９３を用いる場合は、収納ケース９８の中央部分９９（図１４）に固定部を形成すると、この固定部が邪魔になって治具９３を挿入できなくなるが、本例では挿入時に治具を用いないため、このような不具合が生じない。

また、本例では図５に示すごとく、積層工程において、制御端子３の長さが互いに異なる複数種類の半導体モジュール２と冷却チューブ４とを積層することにより、制御端子３の先端３０の高さ位置を互いに異ならせている。
この場合には、本体部２０の高さ位置を揃えた状態で半導体モジュール２と冷却チューブ４とを積層することにより、制御端子３の高さ位置が積層方向Ｘに一定でない積層体５を容易に製造することができる。それゆえ、構造的に安定した積層体５を製造することができる。

以上のごとく、本例によれば、治具を用いなくても、全ての制御端子３を制御回路基板６の接続用貫通孔６０に容易に挿入できる電力変換装置１の製造方法を提供することができる。

（実施例２）
本例は、積層体５の構成を変更した例である。図１２に示すごとく、本例では、積層工程において、制御端子３の長さが互いに等しい複数個の半導体モジュール２と冷却チューブ４とを積層し、突出方向Ｙにおける個々の半導体モジュール２の配置位置を異ならせることにより、制御端子３の先端３０の高さ位置を互いに異ならせている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。本例では、図１２に示すごとく、一種類の半導体モジュール２のみを用いて、制御端子３の先端３０の高さ位置が積層方向に一定でない積層体５を製造することができる。そのため、複数種類の半導体モジュール２を用意する必要が無く、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（実施例３）
本例は、積層体５の構成を変更した例である。本例では、図１３に示すごとく、積層工程において、制御端子３の長さが等しい複数個の第１半導体モジュール２ａと冷却チューブ４とを積層して、制御端子３の先端３０の高さ位置が互いに等しい第１小積層体５０ａを形成する。また、第１半導体モジュール２ａとは制御端子３の長さが異なる複数個の第２半導体モジュール２ｂと冷却チューブ４とを積層して、制御端子３の先端３０の高さ位置が互いに等しく、該高さ位置が第１小積層体５０ａとは異なる第２小積層体５０ｂを形成する。これにより、２個の小積層体５０ａ，５０ｂを有するように積層体５を形成している。
なお、同様に、３個以上の小積層体５０を有するように積層体５を形成してもよい。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。上述のようにすると、挿入工程を小積層体５０ごとに行うことが可能になる。そのため、挿入工程を半導体モジュール２毎に行う場合と比較して、挿入工程を行う回数を減らすことができる。また、制御端子３の先端を一段ずつ異ならせる場合と比較して、半導体モジュール２の種類あるいは高さ位置の変更を少なくすることが可能になる。そのため、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。

１電力変換装置
２半導体モジュール
２０本体部
３制御端子
３０（制御端子の）先端
４冷却チューブ
５積層体
６制御回路基板
６０接続用貫通孔
６１（制御回路基板の）主面

Claims

電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した本体部を有し、上記スイッチング素子に導通した制御端子が上記本体部の端面から突出した複数個の半導体モジュールと、
該半導体モジュールを上記本体部の両主面から冷却する複数個の冷却チューブと、
個々の上記制御端子と接続する複数個の接続用貫通孔を有し、上記スイッチング素子の動作を制御する制御回路基板とを備える電力変換装置の製造方法であって、
上記制御端子の突出方向を揃えつつ、少なくとも一つの上記半導体モジュールと、他の少なくとも一つの上記半導体モジュールとの、上記制御端子の先端の上記突出方向における高さ位置が、積層方向において互いに異なるように上記複数個の半導体モジュールと上記複数個の冷却チューブとを積層して積層体を形成する積層工程と、
ばね部材を用いて上記積層体を上記積層方向に加圧する加圧工程と、
上記制御端子の突出方向に直交するように上記制御回路基板を配置する配置工程と、
上記積層体と上記制御回路基板とを該制御回路基板の主面に平行な方向へ相対的に移動することにより、上記制御回路基板に挿入されていない複数個の上記制御端子のうち、その先端が上記制御回路基板の主面に最も近い特定の上記制御端子と、該特定の制御端子に対応する特定の上記接続用貫通孔とを位置合わせした後、上記制御回路基板と上記積層体とを相対的に接近させることにより、上記特定の制御端子を上記特定の接続用貫通孔に挿入する挿入工程と、
該挿入工程を全ての上記制御端子と上記接続用貫通孔との間で繰り返して行った後、全ての上記制御端子を上記各接続用貫通孔に接続する接続工程と、
をこの順に行うことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
請求項１において、上記積層工程において、上記制御端子の長さが互いに異なる複数種類の上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを積層することにより、上記制御端子の先端の上記高さ位置を互いに異ならせることを特徴とする電力変換装置の製造方法。
請求項１において、上記積層工程において、上記制御端子の長さが互いに等しい複数個の上記半導体モジュールと上記冷却チューブとを積層し、上記突出方向における個々の上記半導体モジュールの配置位置を異ならせることにより、上記制御端子の先端の上記高さ位置を互いに異ならせることを特徴とする電力変換装置の製造方法。
請求項１において、上記積層工程において、上記制御端子の長さが等しい複数個の第１半導体モジュールと上記冷却チューブとを積層して、上記制御端子の先端の上記高さ位置が互いに等しい第１小積層体を形成すると共に、上記第１半導体モジュールとは上記制御端子の長さが異なる複数個の第２半導体モジュールと上記冷却チューブとを積層して、上記制御端子の先端の上記高さ位置が互いに等しく、該高さ位置が上記第１小積層体とは異なる第２小積層体を形成することにより、少なくとも２個の小積層体を有するように上記積層体を形成することを特徴とする電力変換装置の製造方法。