JP5445041B2

JP5445041B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5445041B2
Application number: JP2009257661A
Authority: JP
Inventors: 賢二坂
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2029-11-11
Also published as: JP2011103728A

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。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等には、その動力源である交流モータと直流電源との間の電力変換を行うための電力変換装置が搭載されている。
かかる電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵した複数の半導体モジュールを有するが、この半導体モジュールが発熱して温度が上昇しすぎると誤動作等の原因となるおそれがある。この温度上昇を防ぐべく、図１１に示すごとく、複数の半導体モジュール９２１を複数の冷却管９２２と共に交互に積層した構造が提案されている。なお、図１１においては、後述する図１等に示すフレーム３と同様なフレームは描かれていないが、実際には同様のフレームが配設されている。

かかる構成の電力変換装置９においては、冷却管９２２と半導体モジュール９２１との間の密着を確保することにより、両者の間の熱抵抗を小さくして、半導体モジュール９２１の冷却効率を高める必要がある。そこで、特許文献１、２に開示されているように、板ばね部材９３２によって、複数の半導体モジュール９２１と冷却管９２２との積層体である半導体積層ユニット９２を積層方向Ｓに加圧する構成が提案されている（図１１）。
すなわち、略円弧状に形成された板ばね部材９３２を、その中央部における凸面側を半導体積層ユニット９２に押圧し、両端部９３３を電力変換装置９のケース９１１内に固定した固定ピン９１３に係止している。

特開２００５-１４３２４４号公報特開２００７−１６６８１９号公報

しかしながら、上記電力変換装置９においては、半導体積層ユニット９２に対する板ばね部材９３２の組み付け作業が大掛かりになるという問題がある。
すなわち、上記板ばね部材９３２を半導体積層ユニット９２に組み付けて加圧力を付与するに当たっては、まず半導体積層ユニット９２及び板ばね部材９３２をケース９１１内に配置する。次いで、板ばね部材９３２の中央部を半導体積層ユニット９２の一端に当接させながら、両端部９３３を加圧治具（図示略）によって半導体積層ユニット９２の方向へ押し込むことで、板ばね部材９３２を弾性変形させる。次いで、板ばね部材９３２の両端部９３３における押し込み方向の後方位置において、それぞれ固定ピン９１３をケース９１１内に固定する。次いで、加圧治具を後退させることにより、板ばね部材９３２をスプリングバックさせて、その両端部９３３を一対の固定ピン９１３に係止させる。
このように、電力変換装置９は、半導体積層ユニット９２への板ばね部材９３２の組み付けにあたっての作業効率の点で問題がある。

また、上記のごとく、板ばね部材９３２の両端部９３３は、一対の固定ピン９１３によって支承されているが、固定ピン９１３をケース９１１内に配置するということは、その分ケース９１１内のスペースが必要となり、電力変換装置９の大型化を招いてしまうという問題が生じる。しかも、固定ピン９１３は、板ばね部材９３２を支承するに当たってある程度の大きさの直径（例えば２０ｍｍ程度）が必要であるため、固定ピン９１３を設置するためのスペースもそれ相応に大きくなる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、組み付け作業性に優れると共に小型化が容易な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と、該半導体積層ユニットを保持するフレームと、上記半導体積層ユニット及び上記フレームを内側に配置するケースとを有する電力変換装置であって、
上記フレームは、上記半導体積層ユニットにおける積層方向の一端面を支承する支承部を有しており、
上記半導体積層ユニットの積層方向の他端面には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する板ばね部材が配されており、
該板ばね部材は、上記フレームに固定された一対の固定端部と、該一対の固定端部の間において上記半導体積層ユニットの他端面を押圧する押圧部とを有し、
上記一対の固定端部の少なくとも一方は、上記フレームに対して上記積層方向にねじ込まれる螺合部材によって締結されており、
上記フレームと上記半導体積層ユニットと上記板ばね部材とは、上記フレームに上記半導体積層ユニット及び上記板ばね部材が装着された状態で、上記ケース内に配置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）。

上記電力変換装置においては、上記板ばね部材における上記一対の固定端部の少なくとも一方が、上記フレームに対して上記積層方向にねじ込まれる螺合部材によって締結されている。そのため、板ばね部材を半導体積層ユニットに組み付けて加圧力を付与するに当たっては、上記螺合部材をフレームにねじ込むだけでよい。それゆえ、この組み付け作業においては、例えばスパナやインパクトレンチ等の工具を用いるだけで、半導体積層ユニットに加圧力を付与することができるため、その作業が容易であると共に作業効率を向上させることができる。

また、板ばね部材の一対の固定端部を支承する固定ピン等をケース内に配置する必要もないため、電力変換装置の大型化を防ぐことができる。すなわち、螺合部材が板ばね部材の固定端部から積層方向へ突出するとしても、その突出量は充分に小さくすることができる。それゆえ、電力変換装置のケースに大きなスペースを設ける必要がなく、電力変換装置の大型化を防ぐことができる。

以上のごとく、本発明によれば、組み付け作業性に優れると共に小型化が容易な電力変換装置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。図１のＡ−Ａ線矢視断面図。図１のＢ−Ｂ線矢視断面図。実施例１における、板ばね部材の斜視図。実施例１における、板ばね部材を組み付ける途中の電力変換装置の平面図。実施例１における、ケースに納められた電力変換装置の平面図。実施例２における、電力変換装置の平面図。実施例２における、板ばね部材を組み付ける途中の電力変換装置の平面図。実施例３における、電力変換装置の平面図。実施例３における、板ばね部材を組み付ける途中の電力変換装置の平面図。従来例における、電力変換装置の平面図。

本発明において、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力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、熱伝導性を有する絶縁材等を介して密着していてもよい。
また、上記板ばね部材は、上記半導体積層ユニットの他端面を直接押圧していてもよいし、金属板等の他部材を介して押圧していてもよい。

また、上記螺合部材は、上記フレームに形成されたネジ穴にねじ込まれるボルトであっても、上記フレームから突出形成された雄ネジ部にねじ込まれるナットであってもよい。
ただし、上記螺合部材はボルトであることが好ましい。この場合には、上記フレームの形状を単純化して、その製造を容易にすることができる。また、上記ボルトを用いることにより、螺合部の長さを確保しつつ、板ばね部材から積層方向への突出量を小さくすることが可能となる。これにより、板ばね部材のフレームへの固定力を高くしつつ、電力変換装置の小型化を、より容易に行うことができる。

また、上記板ばね部材は、上記一対の固定端部の双方が上記螺合部材によって上記フレームに固定されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、板ばね部材をフレームに固定するに当たり、一対の螺合部材を略均等に締め付けることにより、バランスよく半導体積層ユニットを加圧することができる。

また、上記板ばね部材は、上記一対の固定端部の一方が上記螺合部材によって上記フレームに固定されており、他方が上記フレームに設けられた係止溝に係止されていてもよい（請求項３）。
この場合には、上記螺合部材を一個とすることができるため、組み付け作業効率をより向上させることができると共に、部品点数を少なくすることができ、電力変換装置の低コスト化を図ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図６を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１、図２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と、該半導体積層ユニット２を保持するフレーム３とを有する。

フレーム３は、半導体積層ユニット２における積層方向Ｓの一端面２０１を支承する支承部３１を有している。
半導体積層ユニット２の積層方向Ｓの他端面２０２には、半導体積層ユニット２を積層方向Ｓに加圧する板ばね部材４が配されている。
板ばね部材４は、フレーム３に固定された一対の固定端部４１と、該一対の固定端部４１の間において半導体積層ユニット２の他端面２０２を押圧する押圧部４２とを有する。
一対の固定端部４１は、フレーム３に対して積層方向Ｓにねじ込まれる螺合部材としてのボルト５によって締結されている。

半導体積層ユニット２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。すなわち、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は、その両端部において連結パイプ２２２によって連結されている。また、半導体積層ユニット２の一端に配された冷却管２２に、冷却媒体を導入する冷媒導入口２２４と、冷却媒体を排出する冷媒排出口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２２の間に２個ず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は両主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。

半導体積層ユニット２における他端面２０２には、剛性の高い平板状の当接プレート２３が配置されており、該当接プレート２３を介して、板ばね部材４の押圧部４２が半導体積層ユニット２を押圧している。当接プレート２３及び板ばね部材４は、いずれも、炭素工具鋼（ＳＫ５）等の金属からなる。当接プレート２３を半導体積層ユニット２の他端面２２１すなわち冷却管２２の主面と板ばね部材４との間に介在させることにより、冷却管２２の局部的な変形を防いでいる。

フレーム３は、図１に示すごとく、積層方向Ｓの一端面２０１を支承する支承部３１と、該支承部３１の両端部から積層方向Ｓの他端面２０２側へ向かって延設された一対の側辺部３２とを有する。支承部３１は、冷媒導入口２２４及び冷媒排出口２２５を突出させる開口部分を除いては、図２に示すごとく、半導体積層ユニット２の一端面２０１の略全面を支承している。

また、図２、図３に示すごとく、支承部３１及び一対の側辺部３２の下端部からは、半導体積層ユニット２の下面の一部を支持する底板部３３が突出形成されている。ただし、図１に示すごとく、側辺部３２における積層方向Ｓの他端面２０２側の端部（以下、「前端部３２１」という。）には、上記底板部３３が形成されておらず、他の側辺部３２よりも幅が大きい。

この一対の側辺部３２の前端部３２１に、図１、図５に示すごとく、上記ボルト５を螺合させるネジ穴３２２が形成されている。そして、前端部３２１に板ばね部材４の固定端部４１が当接し、固定端部４１がボルト５によって前端部３２１に固定されている。
板ばね部材４は、図４に示すごとく、短冊状の金属板を湾曲させてなり、長手方向の両端部において略平坦に形成された一対の固定端部４１と、該一対の固定端部４１の間において略円弧状に形成された押圧部４２とを有する。固定端部４１には、ボルト５を挿通させるための貫通孔４１１が穿設されている。
そして、図１に示すごとく、一対の固定端部４１がボルト５によって、フレーム３の前端部３２１に固定され、押圧部４２が当接プレート２３に当接すると共に半導体積層ユニット２を積層方向Ｓへ押圧している。

本例の電力変換装置１において、半導体積層ユニット２に板ばね部材４を取り付けるに当たっては、フレーム３に半導体積層ユニット２を配設した後、半導体積層ユニット２の他端面２０２に当接プレート２３を介して板ばね部材４を当接配置する。すなわち、板ばね部材４における押圧部４２を、その凸側面において当接プレート２３に当接させる。当接プレート２３は、予め半導体積層ユニット２の他端面２０２に取り付けておいてもよいし、板ばね部材４を取り付ける際に板ばね部材４と他端面２０２との間に挟持させてもよい。

次いで、図５に示すごとく、板ばね部材４における固定端部４１に形成された貫通孔４１１にボルト５を挿通すると共に、ボルト５をフレーム３の前端部３２１に設けたネジ穴３２２に螺合させる。
次いで、２つのボルト５を、スパナやインパクトレンチ等の工具を用いて、それぞれフレーム３のネジ穴３２２にねじ込んでいく。このとき、板ばね部材４の弾性力（復元力）に抗するように２つのボルト５をねじ込む。すなわち、このねじ込み量が大きくなるに従って、板ばね部材４による半導体積層ユニット２への加圧力が大きくなる。
また、一対のボルト５をそのねじ込み量がなるべく均等になるように徐々にねじ込んでいく。

そして、図１に示すごとく、一対の固定端部４１がフレーム３の前端部３２１に接触するまで、ボルト５をねじ込む。
そして、フレーム３に装着された半導体積層ユニット２に板ばね部材４を取り付けた状態において、図６に示すごとく、これらをケース１１内に配置する。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、板ばね部材４における一対の固定端部４１が、フレーム３に対して積層方向Ｓにねじ込まれる螺合部材（ボルト５）によって締結されている。そのため、板ばね部材４を半導体積層ユニット２に組み付けて加圧力を付与するに当たっては、ボルト５をフレーム３にねじ込むだけでよい。それゆえ、この組み付け作業においては、例えばスパナやインパクトレンチ等の工具を用いるだけで、半導体積層ユニット２に加圧力を付与することができるため、その作業が容易であると共に作業効率を向上させることができる。

また、板ばね部材４の一対の固定端部４１を支承する固定ピン等をケース１１内に配置する必要もないため、電力変換装置１の大型化を防ぐことができる。すなわち、ボルト５の頭部５１が板ばね部材４の固定端部４１から積層方向Ｓへ突出するとしても、その突出量は、例えば数ｍｍ程度と充分に小さくすることができる。
それゆえ、図６に示すごとく、電力変換装置１のケース１１に大きなスペースを設ける必要がなく、電力変換装置１１の大型化を防ぐことができる。
これに対して、例えば図１１に示すような電力変換装置９においては、固定ピン９１３の直径が通常２ｍｍ程度は必要となるため、ケース９１１内にどうしても大きなスペースが必要となる。

また、板ばね部材４は、一対の固定端部４１の双方がボルト５によってフレーム３に固定されている。そのため、板ばね部材４をフレーム３に固定するに当たり、一対のボルト５を略均等に締め付けることにより、バランスよく半導体積層ユニット２を加圧することができる。

以上のごとく、本例によれば、組み付け作業性に優れると共に小型化が容易な電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図７、図８に示すごとく、板ばね部材４における一対の固定端部４１の一方がボルト５によってフレーム３に固定されており、他方がフレーム３に設けられた係止溝３４に係止された電力変換装置１の例である。
すなわち、フレーム３は、一方の側辺部３２の前端部３２１に、その内側面から切り込まれた係止溝３４を有する。該係止溝３４の幅（積層方向Ｓの寸法）は、板バネ部材４の厚みよりも充分に大きく、例えば２倍以上ある。
他方の側辺部３２の前端部３２１は、実施例１と同様の構成となっており、ネジ穴３２２が形成されている。

そして、板ばね部材４は、その一方の固定端部４１を係止溝３４に係止し、他方の固定端部４１を、ボルト５によってフレーム３の側辺部３２の前端部３２１に締結されている。
半導体積層ユニット２に板ばね部材４を取り付けるに当たっては、フレーム３に半導体積層ユニット２を配設した後、図８に示すごとく、板ばね部材４の一方の固定端部４１を係止溝３４に遊嵌させる。そして、板ばね部材４における押圧部４２を、その凸側面において、半導体積層ユニット２の他端面２０２に配置した当接プレート２３に当接させる。

次いで、板ばね部材４における他方の固定端部４１に形成された貫通孔４１１にボルト５を挿通すると共に、ボルト５をフレーム３の前端部３２１に設けたネジ穴３２２に螺合させる。
次いで、ボルト５を、スパナやインパクトレンチ等の工具を用いて、フレーム３のネジ穴３２２にねじ込んでいく。そして、図７に示すごとく、固定端部４１がフレーム３の前端部３２１に接触するまで、ボルト５をねじ込む。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、ボルト５を一個とすることができるため、組み付け作業効率をより向上させることができると共に、部品点数を少なくすることができ、電力変換装置１の低コスト化を図ることができる。
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９、図１０に示すごとく、フレーム３の前端部３２１に雄ネジ部３２３を突出形成し、これに螺合するナット５０を螺合部材とした例である。
すなわち、板ばね部材４の一対の固定端部４１に設けた貫通孔４１１に、フレーム３における一対の側辺部３２の前端部３２１にそれぞれ設けた一対の雄ネジ部３２３を挿通し、該雄ネジ部３２３にそれぞれナット５０を螺合させる。
そして、これらのナット５０を雄ネジ部３２３にねじ込んでいくことによって、板ばね部材４を弾性変形させながら、フレーム３に締結し、半導体積層ユニット２を加圧する。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
なお、雄ネジ部３２３が板ばね部材４から突出する突出量をできるだけ小さくすることにより、ケース１１（図６参照）内のスペース拡大を抑制して、電力変換装置１の小型化を図ることができる。
また、本例と実施例２の構成とを組み合わせることも可能である。すなわち、板ばね部材４の一方の固定端部４１を係止溝３４（図７、図８）に係止し、他方の固定端部４１を
ナット５０（図９、図１０）によって固定することもできる。

１電力変換装置
２半導体積層ユニット
２０１一端面
２０２他端面
２１半導体モジュール
２２冷却管
３フレーム
３１支承部
４板ばね部材
４１固定端部
４２押圧部
５ボルト（螺合部材）

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と、該半導体積層ユニットを保持するフレームと、上記半導体積層ユニット及び上記フレームを内側に配置するケースとを有する電力変換装置であって、
上記フレームは、上記半導体積層ユニットにおける積層方向の一端面を支承する支承部を有しており、
上記半導体積層ユニットの積層方向の他端面には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する板ばね部材が配されており、
該板ばね部材は、上記フレームに固定された一対の固定端部と、該一対の固定端部の間において上記半導体積層ユニットの他端面を押圧する押圧部とを有し、
上記一対の固定端部の少なくとも一方は、上記フレームに対して上記積層方向にねじ込まれる螺合部材によって締結されており、
上記フレームと上記半導体積層ユニットと上記板ばね部材とは、上記フレームに上記半導体積層ユニット及び上記板ばね部材が装着された状態で、上記ケース内に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、上記板ばね部材は、上記一対の固定端部の双方が上記螺合部材によって上記フレームに固定されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、上記板ばね部材は、上記一対の固定端部の一方が上記螺合部材によって上記フレームに固定されており、他方が上記フレームに設けられた係止溝に係止されていることを特徴とする電力変換装置。