JP5445446B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却管とを積層した積層体を備える電力変換装置に関する。

例えば、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９、図１０に示すごとく、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュール９２と、該半導体モジュール９２を冷却する冷却管９３とを積層した積層体９１０を備えたものが従来から知られている。

半導体モジュール９２は、半導体素子を封止した本体部９２０と、該本体部９２０から突出したパワー端子９９および制御端子９７を備える。パワー端子９９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９９ａと、直流電源の負電極に接続される負極端子９９ｂと、交流負荷に接続される交流端子９９ｃとがある。また、制御端子９７には、制御回路基板９８が接続されている。制御回路基板９８が半導体モジュール９２を制御することにより、正極端子９９ａと負極端子９９ｂとの間に印加される直流電圧を交流電圧に変換し、交流端子９９ｃから出力している。

また、電力変換装置９１は、昇圧用のリアクトル９５と、昇圧した直流電圧を平滑化するためのコンデンサ９６を備える。リアクトル９５と、コンデンサ９６と、パワー端子９９とは、図示しないバスバーによって電気的に接続されている。また、積層体９１０、リアクトル９５等はケース９００内に収納されている。

図１０に示すごとく、積層体９１０の積層方向（Ｘ方向）における一端には、ばね部材９４が設けられている。このばね部材９４を用いて、積層体９１０をリアクトル９５へ向けて押圧している。これにより、積層体９１０をケース９００内に固定している。

電力変換装置９１は、例えば、電気自動車やハイブリッドカー等の車両に搭載される。車両が走行すると振動が生じるため、この振動に耐えられるよう、電力変換装置９１には耐振性が必要とされている。積層体９１０は、ばね部材９４によって積層方向（Ｘ方向）へ押圧されているため、Ｘ方向への振動には強い。

特開２００７−１６６８１９号公報 特開２００７−１６６８２０号公報

しかしながら従来の電力変換装置９１は、Ｘ方向に直交する方向（Ｙ方向、Ｚ方向）への、積層体９１０の振動を抑制する部材を設けていないため、Ｙ方向やＺ方向へ積層体９１０が振動しやすいという問題がある。

図１０に示すごとく、積層体９１０は、Ｘ方向の両端部が固定されているため、この両端部が振動Ｖの節になり、中央部が振動Ｖの腹になる。
振動Ｖの振幅が大きくなると、積層体９１０や制御回路基板９８が破損するおそれが生じる。そのため、Ｙ方向やＺ方向への振動に強い積層体を備えた電力変換装置が望まれている。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、耐振性に優れた積層体を備えた電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを積層し、積層方向に隣り合う上記冷却管の間を該冷却管の長手方向の両端部において連結管によって連結してなる積層体と、
該積層体を固定するフレームとを備え、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵した本体部と、該本体部から上記積層方向と上記長手方向との双方に直交する高さ方向へ突出したパワー端子と、上記本体部から上記長手方向に向かって互いに反対方向に突出した一対の突起部とを有し、
上記フレームは、複数の上記冷却管を上記高さ方向の一方から支持する支持板を有し、上記フレームに上記複数の半導体モジュールが、上記高さ方向に固定され、
上記一対の突起部はそれぞれ上記連結管に、上記高さ方向の他方から当接しており、
上記突起部と上記支持板とにより、複数の上記冷却管と複数の上記連結管とからなる冷却器を、上記高さ方向に挟持し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、上記フレームに半導体モジュールを高さ方向に固定した。また、フレームの上記支持板によって冷却管を上記高さ方向の一方から支持すると共に、該高さ方向の他方から、半導体モジュールの上記突起部を連結管に当接させた。これにより、突起部と支持板とによって、上記冷却器を高さ方向に挟持した。このようにすると、積層体をフレームに対して高さ方向に固定でき、高さ方向における積層体の振動を抑制し、高さ方向の耐振性を向上できる。
すなわち、半導体モジュールはフレームに対して高さ方向に固定されており、この固定された半導体モジュールの突起部と、支持板（フレーム）との間で冷却器を高さ方向に挟持しているため、冷却器も、支持板（フレーム）に対して高さ方向に固定できる。したがって、半導体モジュールと冷却器とを両方とも、フレームに対して高さ方向に固定でき、これら半導体モジュールと冷却器とからなる積層体の、高さ方向への振動を抑制することが可能となる。

なお、上記「高さ方向」とは、便宜的に付けた名称であり、「高さ方向」が鉛直方向と平行である必要はない。すなわち、冷却管の長手方向が鉛直方向と平行であっても良いし、積層体の積層方向が鉛直方向と平行であっても良い。

以上のごとく、本発明によれば、耐振性に優れた積層体を備えた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、電力変換装置の断面図。 実施例１における、電力変換装置の斜視図。 図１のＡ−Ａ断面図。 実施例２における、電力変換装置の断面図。 実施例２における、電力変換装置の断面図。 実施例２における、半導体モジュールのＹ方向における中央部に係止部を設けた電力変換装置の斜視図。 実施例３における、電力変換装置の断面図。 実施例４における、電力変換装置の断面図。 従来例における、電力変換装置の断面図。 図９のＢ−Ｂ断面図。

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。
本発明において、上記フレームは、上記支持板から、上記高さ方向へ立設した一対の壁部を有し、該一対の壁部の間に上記複数の半導体モジュールが、上記突起部の先端面を上記壁部の内面に密着させた状態で圧入されていることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、上記一対の壁部の間に半導体モジュールを圧入しているため、半導体モジュールをフレームに対して、冷却管の長手方向に固定できる。そのため、冷却管の長手方向における、積層体の振動を抑制することができる。

また、上記フレームに固定された固定板を備え、上記高さ方向における、上記突起部の、上記連結管に当接した面とは反対側の面に上記固定板を配設することにより、上記半導体モジュールを上記フレームに対して上記高さ方向に固定するよう構成されていることが好ましい（請求項３）。
このようにすると、フレームに固定された固定板を用いて、半導体モジュールを固定するため、半導体モジュールをフレームにしっかりと固定することができる。これにより、上記高さ方向における、積層体の振動をより効果的に抑制することが可能になる。

また、上記半導体モジュールは、上記高さ方向に突出した係止部を備え、上記支持板は、上記係止部が係止する被係止部を有し、上記係止部を上記被係止部に係止することにより、上記半導体モジュールを上記フレームに対して上記高さ方向に固定するよう構成されていることが好ましい（請求項４）。
このようにすると、電力変換装置の製造時において、半導体モジュールに形成された係止部を、支持板に形成された被係止部に係止するだけで、半導体モジュールをフレームに固定できる。そのため、半導体モジュールの固定作業を容易に行うことが可能となる。また、半導体モジュールを固定するための別部材が不要となるため、部品点数が少なくなり、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につき、図１〜図３を用いて説明する。
図１〜図３に示すごとく、本例の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３０とを積層した積層体１０と、該積層体１０を固定するフレーム４とを備える。半導体モジュール２は、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵している。冷却管３０は、半導体モジュール２を冷却している。また、積層方向（Ｘ方向）に隣り合う冷却管３０の間は、該冷却管３０の長手方向（Ｙ方向）の両端部において連結管３１によって連結されている。

半導体モジュール２は、半導体素子を内蔵した本体部２０と、該本体部２０から積層方向（Ｘ方向）と長手方向（Ｙ方向）との双方に直交する高さ方向（Ｚ方向）へ突出したパワー端子２１と、本体部２０から長手方向（Ｙ方向）に向かって互いに反対方向に突出した一対の突起部２３とを有する。
フレーム４は、複数の冷却管３０を高さ方向（Ｚ方向）の一方から支持する支持板４０を有する。フレーム４に複数の半導体モジュール２が、高さ方向に固定されている。

一対の突起部２３はそれぞれ連結管３１に、高さ方向（Ｚ方向）の他方から当接している。
そして、突起部２３と支持板４０とにより、複数の冷却管３０と複数の連結管３１とからなる冷却器３を、高さ方向（Ｚ方向）に挟持している。
以下、詳述する。

図１、図２に示すごとく、フレーム４は、支持板４０から、高さ方向（Ｚ方向）へ立設した一対の壁部４１を有する。この一対の壁部４１の間に複数の半導体モジュール２が、突起部２３の先端面２３０を壁部４１の内面４１０に密着させた状態で圧入されている。

また、電力変換装置１は、フレーム４に固定された固定板５を備える。そして、高さ方向（Ｚ方向）における、突起部２３の、連結管３１に当接した面２３１とは反対側の面２３２に固定板５を配設することにより、半導体モジュール２をフレーム４に対して高さ方向（Ｚ方向）に固定するよう構成されている。

本例では、ボルト（図示しない）を用いて、固定板５をフレーム４に固定している。また、固定板５の剛性によって、突起部２３を支持板４０に向けて押圧している。この押圧力Ｆを用いて、突起部２３と支持板４０との間で冷却器３をＺ方向に挟持している。

図１に示すごとく、支持板４００は、Ｚ方向に貫通したフレーム貫通穴４００を有する。フレーム４内に固定された半導体モジュール２のパワー端子２１は、フレーム貫通穴４００を通って、フレーム４外へ突出している。また、固定板５は、Ｚ方向に貫通した固定板貫通穴５００を有する。半導体モジュール２の制御端子２２は、固定板貫通穴５００を通って、フレーム４外へ突出している。

パワー端子２１には、直流電源（図示しない）の正電極に接続した正極端子２１ａと、直流電源の負電極に接続した負極端子２１ｂと、交流負荷に接続した交流端子２１ｃとがある。また、制御端子２２には、制御回路基板１１が接続されている。制御回路基板１１が、半導体モジュール２内の半導体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、交流端子２１ｃから出力している。

図２に示すごとく、壁部４１は、支持板４０のＹ方向における両端部からＺ方向に突出している。また、フレーム４は、支持板４０のＸ方向における一端からＺ方向へ突出した一端側壁部４５と、支持板４０のＸ方向における他端からＺ方向へ突出した他端側壁部４６とを備える。これら支持板４０、壁部４１、一端側壁部４５、他端側壁部４６によって囲まれた空間内に、積層体１０が収納される。

図３に示すごとく、積層体１０と一端側壁部４５との間には、ばね部材１５が設けられている。このばね部材１５を使って、積層体１０をフレーム４の他端側壁部４６へ向けて押圧している。これにより、積層体１０をフレーム４内に固定している。

また、複数の冷却管３０のうち、Ｘ方向の一端に位置する冷却管３０ａには、一対のパイプ１３ａ，１３ｂが取り付けられている。一方のパイプ１３ａから冷媒１７を導入すると、冷媒１７は冷却管３０及び連結管３１内を流れ、他方のパイプ１３ｂ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。

電力変換装置１は、コンデンサ１４を備える。コンデンサ１４とパワー端子２１とは、図示しないバスバーによって電気的に接続されている。コンデンサ１４、積層体１０、制御回路基板１１等は、ケース１２内に収納されている。フレーム４は、ボルト１６によって、ケース１２内に固定されている。

本例の作用効果について説明する。図１〜図３に示すごとく、本例では、フレーム４に半導体モジュール２を高さ方向（Ｚ方向）に固定した。また、フレーム４の支持板４０によって冷却管３０を高さ方向（Ｚ方向）の一方から支持すると共に、該高さ方向の他方から、半導体モジュール２の突起部２３を連結管３１に当接させた。これにより、突起部２３と支持板４０とによって、冷却器３を高さ方向（Ｚ方向）に挟持した。このようにすると、積層体１０をフレーム４に対して高さ方向に固定でき、高さ方向における積層体１０の振動を抑制し、高さ方向の耐振性を向上できる。
すなわち、半導体モジュール２はフレーム４に対して高さ方向に固定されており、この固定された半導体モジュール２の突起部２３と、支持板４０（フレーム４）との間で冷却器３を高さ方向に挟持しているため、冷却器３も、支持板４０（フレーム４）に対して高さ方向に固定できる。したがって、半導体モジュール２と冷却器３とを両方とも、フレーム４に対して高さ方向に固定でき、これら半導体モジュール２と冷却器３とからなる積層体１０の、高さ方向への振動を抑制することが可能となる。

また、本例では図１に示すごとく、一対の壁部４１の間に複数の半導体モジュール２が、突起部２３の先端面２３０を壁部４１の内面４１０に密着させた状態で圧入されている。
このようにすると、一対の壁部４１の間に半導体モジュール２を圧入しているため、半導体モジュール２をフレーム４に対して、Ｙ方向に固定できる。そのため、Ｙ方向における、積層体１０の振動を抑制することができる。

また、本例では図１に示すごとく、フレーム４に固定された固定板５を備える。そして、高さ方向（Ｚ方向）における、突起部２３の、連結管３１に当接した面２３１とは反対側の面２３２に固定板５を配設することにより、半導体モジュール２をフレーム４に固定するよう構成されている。
このようにすると、フレーム４に固定された固定板５を用いて、半導体モジュール２を固定するため、半導体モジュール２をフレーム４にしっかりと固定することができる。これにより、高さ方向（Ｚ方向）における、積層体１０の振動をより効果的に抑制することが可能になる。

以上のごとく、本例によれば、耐振性に優れた積層体を備えた電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、半導体モジュールの固定方法を変更した例である。図４に示すごとく、本例の半導体モジュール２は、高さ方向（Ｚ方向）に突出した係止部２４を備える。また、支持板４０は、係止部２４が係止する被係止部４２を有する。そして、係止部２４を被係止部４２に係止することにより、半導体モジュール２をフレーム４に対して高さ方向に固定するよう構成されている。

図４に示すごとく、半導体モジュール２の本体部２０の側面２８のうち、制御端子２２が突出する側面２８ａに、２個の係止部２４が形成されている。各々の係止部２４は、側面２８ａから、制御端子２２と同一方向に突出する突出部分２４５と、該突出部分２４５の先端に設けられた鉤状部分２４６とを備える。

フレーム４の支持板４０には、実施例１と同様に、Ｚ方向へ貫通したフレーム貫通穴４００が形成されている。フレーム４内に固定された半導体モジュール２から、制御端子２２が、フレーム貫通穴４００を通ってフレーム４外へ突出している。また、係止部２４の鉤状部分２４６は、支持板４０の開口周縁部４２０に係止している。この開口周縁部４２０が、上述した被係止部４２となっている。

本体部２０の、上記側面２８ａと平行な側面２８ｂからは、パワー端子２１が突出している。また、本体部２０の、Ｚ方向に平行な側面２８ｃ，２８ｄから、一対の突起部２３がＹ方向に突出している。突起部２３と支持板４０とによって、冷却器３をＺ方向に挟持している。

係止部２４は弾性変形可能な合成樹脂からなる。本例では、係止部２４の鉤状部分２４６の弾性力を使って、冷却器３を支持板４０へ向けて押圧している。

本例は、図５、図６に示す構造にすることもできる。この電力変換装置１では、係止部２４を、本体部２０の端面２８ａの、Ｙ方向における中央部分に設けた。また、フレーム貫通穴４００のＹ方向における中央部分に、Ｘ方向へ延びるレール状の被係止部４２を設けた。そして、係止部２４を被係止部４２に係止することにより、半導体モジュール２をフレーム４に固定するよう構成した。
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、電力変換装置１の製造時において、半導体モジュール２に形成された係止部２４を、支持板４０に形成された被係止部４２に係止するだけで、半導体モジュール２をフレーム４に固定できる。そのため、半導体モジュール２の固定作業を容易に行うことが可能となる。また、半導体モジュール２を固定するための別部材が不要となるため、部品点数が少なくなり、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、図７に示すごとく、突起部２３の先端面２３０と、壁部４１の内面４１０との間に隙間ｄを設けた例である。本例では、突起部２３の先端面２３０ａ，２３０ｂ間のＹ方向における長さＬ１を、壁部４１の内面４１０ａ，４１０ｂ間のＹ方向における長さＬ２よりも短くした。そのため、積層体１０をケース４内に収納すると、突起部２３の先端面２３０と、壁部４１の内面４１０との間に隙間ｄが形成される。
このようにすると、電力変換装置１の製造時に、半導体モジュール２を一対の壁部４１の間に圧入する必要がないため、電力変換装置１を製造しやすくなる。

また、半導体モジュール２を一対の壁部４１の間に圧入する場合は、Ｌ１とＬ２とを一致させる必要があり、これらの寸法ばらつきを小さくする必要があるが、上記構成にすれば、Ｌ１とＬ２のばらつきが多少大きくても、半導体モジュール２をフレーム４内に収納することができる。そのため、半導体モジュール２やフレーム４を製造しやすくなる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施例４）
本例は、図８に示すごとく、Ｘ方向に隣り合う２個の冷却管３０の間に、２個の半導体モジュール２（２ａ，２ｂ）を介在させた例である。本例では、半導体モジュール２ａ，２ｂはそれぞれ１個ずつ突起部２３を備える。そして、突起部２３と支持板４０との間で冷却器３をＺ方向に挟持している。
このようにすると、半導体モジュール２が２個に分かれていても、耐振性に優れた積層体を備えた電力変換装置１を構成できる。そのため、電力変換装置１の設計自由度を高めることができる。

１ 電力変換装置
１０ 積層体
２ 半導体モジュール
２０ 本体部
２１ パワー端子
２３ 突起部
３ 冷却器
３０ 冷却管
３１ 連結管
４ フレーム
４０ 支持板
５ 固定板

Claims (4)

1. 電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを積層し、積層方向に隣り合う上記冷却管の間を該冷却管の長手方向の両端部において連結管によって連結してなる積層体と、
   該積層体を固定するフレームとを備え、
   上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵した本体部と、該本体部から上記積層方向と上記長手方向との双方に直交する高さ方向へ突出したパワー端子と、上記本体部から上記長手方向に向かって互いに反対方向に突出した一対の突起部とを有し、
   上記フレームは、複数の上記冷却管を上記高さ方向の一方から支持する支持板を有し、上記フレームに上記複数の半導体モジュールが、上記高さ方向に固定され、
   上記一対の突起部はそれぞれ上記連結管に、上記高さ方向の他方から当接しており、
   上記突起部と上記支持板とにより、複数の上記冷却管と複数の上記連結管とからなる冷却器を、上記高さ方向に挟持していることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、上記フレームは、上記支持板から、上記高さ方向へ立設した一対の壁部を有し、該一対の壁部の間に上記複数の半導体モジュールが、上記突起部の先端面を上記壁部の内面に密着させた状態で圧入されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、上記フレームに固定された固定板を備え、上記高さ方向における、上記突起部の、上記連結管に当接した面とは反対側の面に上記固定板を配設することにより、上記半導体モジュールを上記フレームに対して上記高さ方向に固定するよう構成されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、上記半導体モジュールは、上記高さ方向に突出した係止部を備え、上記支持板は、上記係止部が係止する被係止部を有し、上記係止部を上記被係止部に係止することにより、上記半導体モジュールを上記フレームに対して上記高さ方向に固定するよう構成されていることを特徴とする電力変換装置。

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