JP5853919B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を含む半導体モジュールを備えた電力変換装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等の車両等には、インバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置が搭載されている。
電力変換装置としては、例えば、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器とを有する半導体ユニットと、該半導体ユニットを収容して保持する複数の側壁を有するフレームと、該フレームを収容して固定するケースとを備えたものがある。

例えば、特許文献１には、フレームの側壁に複数の位置決め部を設けた電力変換装置が開示されている。この位置決め部は、フレームをケースに組み付けて固定する際に、フレームをケースに対して位置決めするためのものである。そして、フレームは、この位置決め部によってケースに位置決めされた状態で、固定部材等を用いてケースに固定されている。

特開２０１１−１７２３５４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された電力変換装置において、複数の位置決め部は、フレームにおける同一の１つの側壁にのみ設けられている。すなわち、複数の位置決め部は、フレームにおいて偏った位置に設けられている。そのため、フレームをケースに対して位置決めする際に、その位置決め精度を十分に確保することができないおそれがある。また、位置決め部同士の干渉（位置決め部を設けた部位同士の干渉も含む）を避けるため、両者間の距離を十分に確保しなければならず、それによって体格が大きくなるおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、フレームの位置決め精度を向上させ、小型化を図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。

本発明の一の態様は、半導体素子を含む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器とを有する半導体ユニットと、
該半導体ユニットを収容して保持するとともに、上記半導体ユニットを四方から囲う複数の側壁を有するフレームと、
該フレームを収容して固定するケースとを備え、
上記フレームの上記複数の側壁において対向配置される一対の側壁の対角位置には、該一対の側壁から外側に突出してなる一対の突出部が設けられているとともに、該一対の突出部には、上記ケースに対して位置決めするための複数の位置決め部が設けられており、
上記半導体ユニットに対して積層配置され、上記半導体モジュールを制御する制御基板をさらに備え、該制御基板には、外部からの信号を伝達する配線部材が接続されており、該配線部材と上記突出部とは、少なくとも一部が上記半導体ユニットと上記制御基板との積層方向において重なるよう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）。

上記電力変換装置は、半導体ユニットを収容して保持する複数の側壁を有するフレームを備えている。該フレームには、複数の位置決め部が設けられている。該各位置決め部は、それぞれフレームの異なる側壁に設けられている。そのため、フレームの複数の側壁に対して、複数の位置決め部を偏らせることなくバランス良く配置することができる。これにより、ケースに対するフレームの位置決め精度を向上させることができる。

また、複数の位置決め部がフレームの同一の側壁に設けられることがないため、位置決め部同士間の距離を十分に確保することができる。これにより、位置決め部同士の干渉（位置決め部を設けた部位同士の干渉も含む）を避けるために体格が大きくなるといったことを防止することができる。また、位置決め部同士間の距離を十分に確保することができるため、それによって生じたスペースを有効活用することで部品の高密度配置等が可能となり、装置全体の小型化を図ることができる。

このように、フレームの位置決め精度を向上させ、小型化を図ることができる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、電力変換装置を示す平面図。 実施例１における、制御基板を除いた電力変換装置を示す平面図。 実施例１における、半導体ユニットを保持したフレームを示す平面図。 実施例１における、ケースを示す平面図。 実施例２における、電力変換装置を示す平面図。

上記電力変換装置は、上記半導体ユニットに対して積層配置され、上記半導体モジュールを制御する制御基板をさらに備え、該制御基板には、外部からの信号を伝達する配線部材が接続されており、上記位置決め部は、上記フレームの上記側壁から外側に突出してなる突出部に設けられており、上記配線部材と上記突出部とは、少なくとも一部が上記半導体ユニットと上記制御基板との積層方向において重なるよう配置されている。
これにより、フレームの突出部周辺に生じるスペース（デッドスペース）に配設部材を配置することにより、スペースを有効に活用することができ、装置の小型化をより一層図ることができる。

また、上記制御基板には、上記配線部材が接続されるコネクタ部が設けられており、上記ケースの内側面には、上記コネクタ部に対向する位置に上記ケースの外側方向に突出する突出面部が設けられていてもよい（請求項２）。
この場合には、ケースの突出面部の内側に、制御基板のコネクタ部に接続される配設部材を配置するスペースを確保することができる。また、これにより、配設部材を配置するスペースを確保するためにケース全体を外側方向に拡大する必要がなくなるため、ケースの小型化を図ることができ、さらには装置の小型化も図ることができる。

また、上記ケースの上記突出面部の内側には、上記フレームの上記突出部が配置されていてもよい（請求項３）。
この場合には、ケースの突出面部の内側に形成されたスペースにフレームの突出部を配置し、その突出部と重なるように配設部材を配置することにより、スペースをさらに有効に活用することができ、装置の小型化をより一層図ることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置にかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１〜図４に示すごとく、半導体素子を含む半導体モジュール３と半導体モジュール３を冷却する冷却器４とを有する半導体ユニット２と、半導体ユニット２を収容して保持する複数の側壁５２を有するフレーム５と、フレーム５を収容して固定するケース６とを備えている。
フレーム５には、ケース６に対して位置決めするための複数の位置決め部５５が設けられている。各位置決め部５５は、それぞれフレーム５の異なる側壁５２に設けられている。
以下、これを詳説する。

図２に示すごとく、電力変換装置１において、半導体ユニット２は、電力変換回路の一部を構成する電子部品である複数の半導体モジュール３とこれらの半導体モジュール３を冷却する冷却器４とを有する。
各半導体モジュール３には、スイッチング素子等の半導体素子が内蔵されている。また、各半導体モジュール３には、後述する制御基板７に接続される複数の制御端子３１が突出して設けられている。

同図に示すごとく、冷却器４は、内部に冷媒流路を形成した複数の冷却管４１を有する。複数の半導体モジュール３と複数の冷却管４１とは、交互に積層されて積層体１１を構成している。
隣接する冷却管４１同士は、その両端部において一対の連結管４２によって連結されている。複数の冷却管４１のうち、積層方向Ｘ（半導体モジュール３と冷却管４１との積層方向）の一端に配置された冷却管４１の両端部には、ケース６の外部から冷媒を導入する冷媒導入管４３とケース６の外部に冷媒を排出する冷媒排出管４４とが連結されている。冷媒導入管４３及び冷媒排出管４４には、シール部材４５が取り付けられている。

同図に示すごとく、冷却器４において、ケース６の外部から冷媒導入管４３に導入された冷媒は、冷媒導入管４３側の連結管４２を適宜通り、各冷却管４１に分配されて流通する。各冷却管４１を流通する冷媒は、半導体モジュール３との間で熱交換を行う。熱交換後の冷媒は、冷媒排出管４４側の連結管４２を適宜通り、冷媒排出管４４からケース６の外部に排出される。

図３に示すごとく、半導体ユニット２は、これを四方から囲むフレーム５に収容され、そのフレーム５に保持されている。フレーム５は、複数の側壁５２によって構成されている。複数の側壁５２は、積層方向Ｘに対向配置される第１側壁５２ａ及び第２側壁５２ｂと、積層方向Ｘに直交する方向に対向配置される第３側壁５２ｃ及び第４側壁５２ｄとを有する。第１側壁５２ａは、冷却器４の冷媒導入管４３及び冷媒排出管４４を保持している。

同図に示すごとく、複数の半導体モジュール３と複数の冷却管４１とを積層して構成された積層体１１は、積層方向Ｘの一方側において、フレーム５の第１側壁５２ａに当接している。また、積層体１１の積層方向Ｘの他方側には、一対の支承ピン１２によって支承されたバネ部材１３が配置されている。積層体１１は、当接板１４を介して積層方向Ｘの他方側からバネ部材１３によって押圧保持されている。

同図に示すごとく、フレーム５の第３側壁５２ｃの両端部には、それぞれ外側に突出する突出部５３が設けられている。また、第４側壁５２ｄの両端部にも、それぞれ外側に突出する突出部５３が設けられている。各突出部５３には、それぞれ固定ネジ孔５４が設けられている。また、４つの突出部５３のうち、対角位置にある２つの突出部５３には、位置決め部５５が設けられている。本例において、位置決め部５５は、突出部５３を貫通してなる貫通孔である。位置決め部５５は、固定ネジ孔５４に隣接する位置に設けられている。

図４に示すごとく、ケース６は、四角形板状の底面部６１と、その底面部６１から立設された４つの側面部６２とを有し、一方を開口してなる箱型形状を呈している。また、ケース６は、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属の鋳造品からなる。
底面部６１には、後述する配線部材７２を外部へ取り出すための取出孔６１１が設けられている。また、４つの側面部６２のうち、１つの側面部６２には、シール部材４５を取り付けた冷却器４の冷媒導入管４３及び冷媒排出管４４を保持する保持凹部６２１が設けられている。

同図に示すごとく、側面部６２同士の間に形成された４つの角部には、底面部６１から突出して形成されたボス部６３が設けられている。各ボス部６３には、それぞれ固定ネジ穴６４が設けられている。また、４つのボス部６３のうち、対角位置にある２つのボス部６３には、フレーム５の位置決め部（貫通孔）５５に挿通する凸状の位置決め凸部６５が設けられている。位置決め凸部６５は、固定ネジ穴６４に隣接する位置に設けられている。

図２に示すごとく、フレーム５の各突出部５３は、それぞれケース６のボス部６３上に配置されている。また、フレーム５の各位置決め部（貫通孔）５５には、それぞれケース６の位置決め凸部６５が挿通配置されている。また、フレーム５の固定ネジ孔５４とケース６の固定ネジ穴６４とは、同心上に配置されている。フレーム５の固定ネジ孔５４及びケース６の固定ネジ穴６４には、固定部材である固定用ネジ６９が挿入配置されている。固定用ネジ６９は、ケース６の固定ネジ穴６４に螺合している。これにより、フレーム５は、ケース６に対して締結固定されている。

図１に示すごとく、半導体ユニット２上には、半導体モジュール３を制御する制御基板７が積層配置されている。制御基板７は、半導体モジュール３の制御端子３１に接続されている。また、制御基板７には、外部との接続を行うためのコネクタ部７１が設けられている。コネクタ部７１には、外部からの信号を制御基板７に伝達する配線部材７２が接続されている。

同図に示すごとく、配線部材７２は、フレーム５の第４側壁５２ｄにおける一方の突出部５３（固定ネジ孔５４及び位置決め部５５の両方を設けた突出部５３）上を通るように配置されている。すなわち、配線部材７２と突出部５３とは、少なくとも一部が半導体ユニット２と制御基板７との積層方向において重なるよう配置されている。また、配線部材７２は、図示を省略したが、ケース６の底面部６１の取出孔６１１を通って外部に取り出されている。

そして、上記構成の電力変換装置１において、フレーム５をケース６に組み付けて固定する際には、まず、半導体ユニット２を保持した状態のフレーム５（図３）をケース６（図４）内に配置する。このとき、フレーム５の位置決め部（貫通孔）５５にケース６の位置決め凸部６５を挿通させる。これにより、フレーム５をケース６に対して位置決めする。次いで、同心上に配置されたフレーム５の固定ネジ孔５４及びケース６の固定ネジ穴６４に固定用ネジ６９（図２）を挿入して螺合することにより、フレーム５をケース６に締結固定する。

次に、本例の電力変換装置１における作用効果について説明する。
本例の電力変換装置１は、半導体ユニット２を収容して保持する複数の側壁５２（５２ａ〜５２ｄ）を有するフレーム５を備えている。フレーム５には、複数の位置決め部５５が設けられている。各位置決め部５５は、それぞれフレーム５の異なる側壁５２（５２ｃ、５２ｄ）に設けられている。そのため、フレーム５の複数の側壁５２（５２ａ〜５２ｄ）に対して、複数の位置決め部５５を偏らせることなくバランス良く配置することができる。例えば、本例では、２つの位置決め部５５をそれぞれ対向するフレーム５の第３側壁５２ｃと第４側壁５２ｄとに設けている。また、２つの位置決め部５５を対角位置に配置している。これにより、ケース６に対するフレーム５の位置決め精度を向上させることができる。

また、複数の位置決め部５５がフレーム５の同一の側壁５２に設けられることがないため、位置決め部５５同士間の距離を十分に確保することができる。これにより、位置決め部５５同士の干渉（位置決め部５５を設けた突出部５３等の部位同士の干渉も含む）を避けるために体格が大きくなるといったことを防止することができる。また、位置決め部５５同士間の距離を十分に確保することができるため、それによって生じたスペースを有効活用することで部品の高密度配置等が可能となり、電力変換装置１全体の小型化を図ることができる。

また、本例において、制御基板７のコネクタ部７１に接続された配線部材７２とフレーム５の第４側壁５２ｄの突出部５３とは、少なくとも一部が半導体ユニット２と制御基板７との積層方向において重なるよう配置されている。すなわち、フレーム５の第４側壁５２ｄの突出部５３上に生じるスペース（デッドスペース）に配設部材７２を配置している。これにより、スペースを有効に活用することができ、電力変換装置１の小型化をより一層図ることができる。

また、複数の位置決め部５５は、積層体１１を押圧する方向である積層方向Ｘに対向配置された第１側壁５２ａ及び第２側壁５２ｂではなく、積層方向Ｘに直交する方向に対向配置された第３側壁５２ｃ及び第４側壁５２ｄに設けられている。すなわち、複数の位置決め部５５は、積層体１１の押圧によって変形等の影響を受けにくい第３側壁５２ｃ及び第４側壁５２ｄに設けられている。これにより、ケース６に対するフレーム５の位置決め精度をより高めることができる。

このように、本例によれば、フレーム５の位置決め精度を向上させ、小型化を図ることができる電力変換装置１を提供することができる。

なお、本例では、図３に示すごとく、位置決め部５５を貫通孔としているが、位置決め部５５の形状や構成は、これに限定されるものではない。フレーム５をケース６に対して位置決めするという機能を果たすことができれば、その形状や構成はどのようなものであってもよい。

また、同図に示すごとく、フレーム５の第３側壁５２ｃ（第４側壁５２ｄ）における一方の突出部５３に設けられた固定ネジ孔５４及び位置決め部５５は、第３側壁５２ｃ（第４側壁５２ｄ）の長手方向において、固定ネジ孔５４を外側、位置決め部５５を内側に配置しているが、例えば、固定ネジ孔５４を内側、位置決め部５５を外側に配置してもよい。この場合には、位置決め部５５同士間の距離がより長くなるため、ケース６に対するフレーム５の位置決め精度をより高めることができる。また、位置決め部５５同士の干渉（突出部５３同士の干渉）も十分に防止することができる。

（実施例２）
本例は、図５に示すごとく、ケース６の形状等を変更した例である。
同図に示すごとく、ケース６の内側面６０１には、制御基板７のコネクタ部７１に近接して対向する位置においてケース６の外側方向に突出する突出面部６０２が設けられている。ケース６の突出面部６０２の内側には、フレーム５の第４側壁５２ｄにおける一方の突出部５３が配置されている。配線部材７２は、この突出部５３上を通るように配置されている。
その他の基本的な構成は、実施例１と同様である。また、実施例１と同様の構成については、同様の符号を付し、その説明を省略している。

本例の場合には、ケース６の突出面部６０２の内側に、制御基板７のコネクタ部７１に接続される配設部材７２を配置するスペースを確保することができる。また、これにより、配設部材７２を配置するスペースを確保するためにケース６全体を外側方向に拡大する必要がなくなるため、ケース６の小型化を図ることができ、さらには電力変換装置１の小型化も図ることができる。

また、本例の場合には、ケース６の突出面部６０２の内側に形成されたスペースにフレーム５の突出部５３を配置し、その突出部５３と重なるように配設部材７２を配置している。これにより、スペースをさらに有効に活用することができ、電力変換装置１の小型化をより一層図ることができる。
その他の基本的な作用効果は、実施例１と同様である。

１ 電力変換装置
２ 半導体ユニット
３ 半導体モジュール
４ 冷却器
５ フレーム
５２ 側壁
５５ 位置決め部
６ ケース

Claims (3)

1. 半導体素子を含む半導体モジュール（３）と該半導体モジュール（３）を冷却する冷却器（４）とを有する半導体ユニット（２）と、
   該半導体ユニット（２）を収容して保持するとともに、上記半導体ユニット（２）を四方から囲う複数の側壁（５２）を有するフレーム（５）と、
   該フレーム（５）を収容して固定するケース（６）とを備え、
   上記フレーム（５）の上記複数の側壁（５２）において対向配置される一対の側壁（５２ｃ、５２ｄ）の対角位置には、該一対の側壁（５２ｃ、５２ｄ）から外側に突出してなる一対の突出部（５３）が設けられているとともに、該一対の突出部（５３）には、上記ケース（６）に対して位置決めするための複数の位置決め部（５５）が設けられており、
   上記半導体ユニット（２）に対して積層配置され、上記半導体モジュール（３）を制御する制御基板（７）をさらに備え、該制御基板（７）には、外部からの信号を伝達する配線部材（７２）が接続されており、該配線部材（７２）と上記突出部（５３）とは、少なくとも一部が上記半導体ユニット（２）と上記制御基板（７）との積層方向において重なるよう配置されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 請求項１に記載の電力変換装置（１）において、上記制御基板（７）には、上記配線部材（７２）が接続されるコネクタ部（７１）が設けられており、上記ケース（６）の内側面（６０１）には、上記コネクタ部（７１）に対向する位置において上記ケース（６）の外側方向に突出する突出面部（６０２）が設けられていることを特徴とする電力変換装置（１）。
3. 請求項２に記載の電力変換装置（１）において、上記ケース（６）の上記突出面部（６０２）の内側には、上記フレーム（５）の上記突出部（５３）が配置されていることを特徴とする電力変換装置（１）。

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