JP5549517B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、板ばねを用いて半導体モジュールを冷却器に密着させた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８、図９に示すごとく、半導体モジュール９２と、冷却器９３と、板ばね９４とを備えたものが従来から知られている（下記特許文献１参照）。

図９に示すごとく、半導体モジュール９２は、電力変換回路を構成する半導体素子９８と、該半導体素子９８に接続したパワー端子９２１等を樹脂部材９２６で封止したものである。電力変換回路を駆動すると、半導体素子９８に電流Ｉが流れて発熱するため、冷却器９３を用いて半導体モジュール９２を冷却するようになっている。

板ばね９４は、平板部９６と、該平板部９６の両側に形成した一対の翼部９５とを有し、図９の上方に凸となるように配置されている。平板部９６には、ボルト９９を挿通するための貫通孔９４０が形成されている。また、半導モジュール９２と冷却器９３は、ボルト９９を螺合するための螺子孔９２０，９３０を有する。

図９に示すごとく、ボルト９９を貫通孔９４０に挿通し、螺子孔９２０，９３０に螺合する。これにより、板ばね９４と、半導体モジュール９２と、冷却器９３とを一体化すると共に、板ばね９４の両端部９７を使って半導体モジュール９２を冷却器９３に押圧し、これらを密着させている。

特開２００４−０８７５５２号公報

しかしながら、従来の電力変換装置９１は、半導体モジュール９２のインダクタンスＬが高くなりやすいという問題があった。すなわち、従来の電力変換装置９１は、板ばね９４と半導体モジュール９２との間に広い隙間Ｓができているため、パワー端子９２１に流れた電流Ｉによって生じた磁束Φにより板ばね９４に発生する過電流が小さく、これによって発生する磁束も小さい。過電流による磁束が小さくなるとインダクタンスＬの打ち消し量が減り、インダクタンスＬが高くなる。その結果、半導体素子９８に加わるサージ電圧（Ｖ＝Ｌ×ｄＩ／ｄｔ）が高くなり、半導体素子９８が故障しやすくなるという問題がある。

また、従来の電力変換装置９１は、板ばね９４の両端部９７と樹脂部材９２６との接触面積が小さいため、樹脂部材９２６が両端部９７から受ける圧力が大きくなり、樹脂部材９２６にクラック等が発生しやすいという問題があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュールのインダクタンスを低減でき、かつ半導体モジュールの樹脂部材にクラック等が発生しにくい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と、該半導体素子に接続したパワー端子とを有する半導体モジュールと、
該半導体モジュールに接触してこれを冷却する冷却器と、
上記半導体モジュールを押圧して該半導体モジュールを上記冷却器に密着させる金属製の板ばねと、
該板ばねを上記半導体モジュールに押し当てる押さえ板とを備え、
上記板ばねは、上記半導体モジュールに面接触する押圧部と、該押圧部の外側に形成された一対の翼部とを備え、上記板ばねは、上記一対の翼部と上記押圧部とによって、上記半導体モジュールに向かって凸となる形状に形成されており、
上記翼部と上記押圧部との間の角度は鈍角であり、
上記一対の翼部は、それぞれ上記押さえ板に当接しており、上記板ばねは、上記押さえ板と上記半導体モジュールとの間に、弾性変形した状態で介在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）。

本発明の作用効果について説明する。本発明の板ばねは、上記押圧部が半導体モジュールに面接触している。そのため、板ばねが半導体モジュールに接触する面積が大きい。したがって、パワー端子の周囲に発生した磁束によって板ばねに発生する過電流が大きくなり、これによって発生する磁束も大きくなる。過電流による磁束が大きくなるとインダクタンスＬの打ち消し量が増えるため、半導体モジュールのインダクタンスＬを低減でき、半導体素子に加わるサージ電圧を小さくすることが可能になる。

また、上記構成にすると、板ばねが半導体モジュールに接触している面積が大きいため、半導体モジュールの樹脂部材が板ばねから受ける圧力を小さくすることができる。そのため、樹脂部材にクラック等が発生しにくくなる。

また、本発明では、半導体モジュールに向かって凸となるように板ばねを形成してある。このようにすると、半導体モジュールの中央部を押圧部で押圧できるため、半導体モジュールの端部を押圧する場合と比較して、広い面積を押圧することができる。そのため、半導体モジュールのインダクタンスを低減しやすい。

以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュールのインダクタンスを低減でき、かつ半導体モジュールの樹脂部材にクラック等が発生しにくい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、電力変換装置の分解斜視図であって、押さえ板を除いたもの。 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、半導体モジュールの一部透視平面図。 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、板ばねの斜視図。 実施例３における、電力変換装置の断面図。 実施例３における、板ばねの斜視図。 従来例における、電力変換装置の分解斜視図。 従来例における、電力変換装置の断面図。

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、上記押圧部は平板状に形成され、該押圧部が上記半導体モジュールの平坦面を押圧していることが好ましい（請求項２）。
押圧部を湾曲させることも可能であるが、この場合、半導体モジュールの被押圧面を平面にしていると、押圧部が半導体モジュールに面接触しにくくなる。しかしながら、上述のように押圧部を平板状にすれば、半導体モジュールの被押圧面が平面であっても、押圧部を半導体モジュールに容易に面接触させることができる。そのため、半導体モジュールのインダクタンスを低減しやすくなる。また、半導体モジュールの樹脂部材に加わる圧力を低減できるので、クラック等の発生を抑制しやすくなる。

また、上記半導体モジュールは、上記板ばねに接触する主面に突起部を有し、上記押圧部には、上記突起部が嵌合する嵌合孔が形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、電力変換装置の製造時に、突起部を嵌合孔に嵌めることにより、板ばねを正確な位置に配置することができる。そのため、板ばねの位置ずれを防止でき、板ばねに発生する過電流の量が減少することを防止できる。したがって、半導体モジュールのインダクタンスを小さくしやすい。

また、上記突起部と上記嵌合孔とは、それぞれ複数個、形成されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、半導体モジュールに形成した複数の突起部を、板ばねに形成した複数の嵌合孔にそれぞれ嵌めるため、電力変換装置を組み立てた後、板ばねに何らかの力が作用したとしても、半導体モジュールに対して板ばねが回転しにくくなる。そのため、板ばねに発生する過電流の量が減少することを防止できる。したがって、半導体モジュールのインダクタンスを小さくしやすい。

（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に示すごとく、本例の電力変換装置１は、半導体モジュール２と、冷却器３と、金属製の板ばね４とを備える。
図２に示すごとく、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２０と、該半導体素子２０に接続したパワー端子２１，２２とを有する。冷却器３は、半導体モジュール２に接触してこれを冷却している。板ばね４は、半導体モジュール２を押圧して該半導体モジュール２を冷却器３に密着させている。

板ばね４は、半導体モジュール２に面接触する押圧部４０と、該押圧部４０の外側に形成された一対の翼部４１とを備える。そして、板ばね４は、一対の翼部４１と押圧部４０とによって、半導体モジュール２に向かって凸となる形状に形成されている。
以下、詳説する。

図２に示すごとく、押圧部４０は平板状に形成され、押圧部４０が半導体モジュール２の平坦面２００を押圧している。平坦面２００は、樹脂部材２６によって形成されている。一対の翼部４１は、押圧部４０の両端から斜め方向に突出している。押圧部４０と翼部４１とのなす角度θは鈍角である。

また、本例の電力変換装置１は、板ばね４を一対の翼部４１の端部において押さえるための押さえ板６を備える。押さえ板６は、樹脂部材２６よりも剛性が高い。押さえ板６の両端には、ボルト（図示しない）を挿通するための貫通孔６０が形成されている。また、冷却器３にはボルトが螺合する螺子孔３２が形成されている。押さえ板６の貫通孔６０にボルトを挿通し、螺子孔３２に螺合することにより、板ばね４と、半導体モジュール２と、冷却器３とを一体化している。
ボルトを締結し、押さえ板６を半導体モジュール２に向けて押圧すると、板ばね４が弾性変形して上記角度θが開く。この板ばね４の復元力を使って、半導体モジュール２を冷却器３に密着させている。

図２に示すごとく、半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ素子等の半導体素子２０と、金属製の放熱板２４と、絶縁部材２５と、パワー端子２１，２２と、制御端子２３とを備える。半導体素子２０等は、樹脂部材２６によって封止されている。半導体素子２０の一方の電極面にはパワー端子２１がはんだ付けされている。また、半導体素子２０の他方の電極面には放熱板２４がはんだ付けされている。この放熱板２４は、パワー端子２２と電気的に接続している。

制御端子２３は、半導体素子２０のゲート電極にワイヤボンディングされている。制御端子２３には、制御回路基板（図示しない）が接続している。この制御回路基板によって、半導体素子２０の動作を制御している。半導体モジュール２を動作させると、半導体素子２０が発熱するため、冷却器３を使って半導体素子２０を冷却している。
なお、放熱板２４と冷却器３の間に絶縁板２５を介在させている。上述したように、放熱板２４にはパワー端子２２が接続しており、高い電圧が加わる。また、冷却器３は金属で形成されている。そのため、冷却器３と放熱板２４とを、絶縁板２５を使って絶縁する必要がある。

冷却器３の内部には、冷媒１０を流すための流路３３が形成されている。冷却器３は、冷媒１０との接触面積を増やすためのフィン３４を備える。また、冷却器３には一対のパイプ３０，３１が取り付けられている。一方のパイプ３０から冷媒１０を導入し、他方のパイプ３１から冷媒１０を導出する。これにより、流路３２に冷媒１０を流し、半導体モジュール２を冷却している。

図３に示すごとく、半導体モジュール２のパワー端子２１は、樹脂部材２６から一部が突出した第１部分２１ａと、第２部分２１ｂとを備える。第２部分２１ｂは、第１部分２１ａの端部から該第１部分２１ａに直交する方向に延び、半導体素子２０に接続している。半導体素子２０に電流Ｉを流すと、第１部分２１ａと第２部分２１ｂの周囲に磁束Φが発生する。

本例の作用効果について説明する。
図２に示すごとく、本例の板ばね４は、押圧部４０が半導体モジュール２に面接触している。そのため、板ばね４が半導体モジュール２に接触する面積が大きい。したがって、パワー端子２１の周囲に発生した磁束Φによって板ばね４に発生する過電流が大きくなり、これによって発生する磁束も大きくなる。過電流による磁束が大きくなるとインダクタンスＬの打ち消し量が増える。そのため、半導体モジュール２のインダクタンスＬを低減でき、半導体素子２０に加わるサージ電圧（Ｖ＝Ｌ×ｄＩ／ｄｔ）を小さくすることが可能になる。

また、上記構成にすると、押圧部４０が半導体モジュール２に接触している面積が大きいため、半導体モジュール２の樹脂部材２６が板ばね４から受ける圧力を小さくすることができる。そのため、樹脂部材２６にクラック等が発生しにくくなる。

また、本例では、半導体モジュール２に向かって凸となるように板ばね４を形成してある。このようにすると、半導体モジュール２の中央部を押圧部４０で押圧できるため、半導体モジュール２の端部を押圧する場合と比較して、広い面積を押圧することができる。そのため、半導体モジュール２のインダクタンスＬを低減しやすい。

また、本例では、図２に示すごとく、押圧部４０は平板状に形成され、該押圧部４０が半導体モジュール２の平坦面２００を押圧している。
押圧部４０を湾曲させることも可能であるが、この場合、半導体モジュール２の被押圧面を平面にしていると、押圧部４０が半導体モジュール２に面接触しにくくなる。しかしながら、本例のように押圧部４０を平板状にすれば、半導体モジュール２の被押圧面が平面であっても、押圧部４０を半導体モジュール２に容易に面接触させることができる。そのため、半導体モジュール２のインダクタンスＬを低減しやすくなる。また、半導体モジュール２の樹脂部材２６に加わる圧力を低減できるので、クラック等の発生を抑制しやすくなる。

なお、板ばね４は、鉄等の強磁性体で構成されていることが好ましい。板ばね４が磁性体であれば、磁束Φをより効果的に遮蔽できる。

以上のごとく、本例によれば、半導体モジュールのインダクタンスを低減でき、かつ半導体モジュールの樹脂部材にクラック等が発生しにくい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２と板ばね４の形状を変更した例である。図４に示すごとく、本例における半導体モジュール２は、板ばね４に接触する平坦面２００に突起部５を有する。また、図５に示すごとく、板ばね４の押圧部４０に、突起部５が嵌合する嵌合孔４５が形成されている。嵌合孔４５は四角形状である。突起部５は、嵌合孔４５に嵌合する四角柱状に形成されている。本例の電力変換装置１は、突起部４５および嵌合孔４５を、それぞれ１個ずつ備える。
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。上述のようにすると、電力変換装置１の製造時に、突起部５を嵌合孔４５に嵌めることにより、板ばね４を正確な位置に配置することができる。そのため、板ばね４の位置ずれを防止でき、板ばね４に発生する渦電流の量が減少することを防止できる。したがって、半導体モジュールのインダクタンスＬを小さくしやすい。
また、突起部５と嵌合孔４５は断面が多角形状をしている。そのため、電力変換装置１を組み立てた後、板ばね４に何らかの力が作用しても、板ばね４が回転することを防止できる。
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、半導体モジュール２と板ばね４の形状を変更した例である。図６に示すごとく、本例における半導体モジュール２は、板ばね４に接触する平坦面２００に２個の突起部５を有する。そして、図７に示すごとく、板ばね４の押圧部４０には、突起部５が嵌合する嵌合孔４５が２個、形成されている。嵌合孔４５は四角形状である。また、突起部５は、嵌合孔４５に嵌合する四角柱状に形成されている。
その他、実施例２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、半導体モジュール２に形成した複数の突起部５を、板ばね４に形成した複数の嵌合孔４５にそれぞれ嵌めるため、電力変換装置１を組み立てた後、板ばね４に何らかの力が作用したとしても、半導体モジュール２に対して板ばね４が回転しにくくなる。そのため、板ばね４の位置ずれを防止でき、板ばねに発生する過電流の量が減少することを防止できる。したがって、半導体モジュールのインダクタンスを小さくしやすい。
その他、実施例２と同様の作用効果を備える。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
２０ 半導体素子
２１，２２ パワー端子
３ 冷却器
４ 板ばね
４０ 押圧部
４１ 翼部
４５ 嵌合孔
５ 突起部
６ 押さえ板

Claims (4)

1. 電力変換回路を構成する半導体素子と、該半導体素子に接続したパワー端子とを有する半導体モジュールと、
   該半導体モジュールに接触してこれを冷却する冷却器と、
   上記半導体モジュールを押圧して該半導体モジュールを上記冷却器に密着させる金属製の板ばねと、
   該板ばねを上記半導体モジュールに押し当てる押さえ板とを備え、
   上記板ばねは、上記半導体モジュールに面接触する押圧部と、該押圧部の外側に形成された一対の翼部とを備え、上記板ばねは、上記一対の翼部と上記押圧部とによって、上記半導体モジュールに向かって凸となる形状に形成されており、
   上記翼部と上記押圧部との間の角度は鈍角であり、
   上記一対の翼部は、それぞれ上記押さえ板に当接しており、上記板ばねは、上記押さえ板と上記半導体モジュールとの間に、弾性変形した状態で介在し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、上記押圧部は平板状に形成され、該押圧部が上記半導体モジュールの平坦面を押圧し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において、上記半導体モジュールは、上記板ばねに接触する主面に突起部を有し、上記押圧部には、上記突起部が嵌合する嵌合孔が形成されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３において、上記突起部と上記嵌合孔とは、それぞれ複数個、形成されていることを特徴とする電力変換装置。

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