JP5879292B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関し、さらに詳細には、放熱部を有するケース内にパワー半導体モジュールが収納される、パワーモジュールを備える電力変換装置に関する。
パワー半導体モジュールを、放熱部を有する金属製ケース内に収容するパワーモジュールを備える電力変換装置が知られている。このような電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の電気車両に搭載される。
パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子の表裏両面を導電板に半田付けし、電極端子を露出した状態で樹脂により封止される。金属製ケースは、両面に、導電板の各々に熱伝導性の絶縁接着剤により接着される放熱部を有する。各放熱部には、放熱用の複数のフィンが形成されている。金属製ケ―スは、一側端部側が開口されたフランジ部を有する有底缶型形状を有し、パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子の電極端子を、前記金属製ケースの開口に挿通した状態で金属製ケース内に収容される。
金属製ケース内にパワー半導体モジュールが収納された状態で、金属製ケースの放熱部を、パワー半導体モジュールを挟圧するように加圧して、金属製ケース内面とパワー半導体ユニットとを熱伝導性の絶縁接着剤により接着する。金属製ケースは、放熱部とフランジ部との中間部が内部側に沈むように変形する（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１０−１１０１４３号公報
近年、パワーモジュールは一層の小型化が望まれている。小型化には、フランジ部の厚さおよび幅を小さくする必要がある。ここで、幅とは、パワー半導体モジュールを圧着する方向と平行な方向の、フランジ部の両側面間の長さである。
しかし、フランジ部の厚さや幅を小さくすると、放熱部とフランジ部との中間部における剛性が、相対的に大きくなり、この中間部のスプリングバックによりパワー半導体モジュールと金属製ケースとが剥離して離間する可能性が生じる。
本発明の電力変換装置は、押付け用部材と、パワーモジュールと、を備え、パワーモジュールは、電極端子を有するパワー半導体素子を有するパワー半導体ユニットと、電極端子を挿通する開口部を有する有底缶型形状を有し、パワー半導体ユニットの一面および他面に熱伝導可能に接触する一対の放熱部と、開口部の周囲を囲み、外表面がパワー半導体ユニットの少なくとも一面または他面の一方に対して傾斜する傾斜面を有するフランジ部と、フランジ部と一対の放熱部を接続する中間部とを有し、パワー半導体ユニットを収納するケースと、を備え、押付け用部材は、中間部を介して、放熱部を、パワー半導体ユニットを圧接する方向に押付けるようにケースのフランジ部の前記傾斜面に作用するものである。
本発明によれば、中間部のスプリンバックに抗して、押付け用部材により、放熱部がパワー半導体ユニットに押し付けられる。このため、ケースの放熱部とパワー半導体ユニットとの離間を抑制することができる。
本発明の電力変換装置の一実施の形態の外観斜視図。 図１に図示された電力変換装置の分解斜視図。 図１に図示された電力変換装置において、パワーモジュールが収納された冷却用室の断面図。 図２に図示されたパワーモジュールの外観斜視図。 パワーモジュール内に収容されるパワー半導体モジュールを表面側から観た外観斜視図。 パワーモジュール内に収容されるパワー半導体モジュールを裏面側から観た外観斜視図。 図５に図示されたパワー半導体モジュールの封止樹脂を除去した状態の斜視図。 図７に図示されたパワー半導体モジュールにおいて、電極端子とパワー半導体素子とをワイヤボンディングする前の斜視図。 図８に図示されたパワー半導体ユニットのＩＸ−ＩＸ線断面図。 本発明のパワー半導体モジュールに内蔵された一実施の形態としての回路図。 図３に図示された電力変換装置の分解図。 パワーモジュールに作用する押付け力を説明するための図。 （ａ）、（ｂ）共にフランジ部の傾斜角について説明するための図。 本発明の実施形態２を示し、（ａ）は電力変換装置の断面図、（ｂ）は（ａ）におけるカバー部材の拡大図。 本発明の実施形態３を示し、（ａ）は電力変換装置の断面図、（ｂ）は（ａ）におけるカバー部材の拡大図。 本発明の実施形態４を示す電力変換装置の断面図。 図１６におけるパワーモジュールのフランジ部および側壁の傾斜部の寸法関係を説明するための図。 本発明の実施形態５を示す電力変換装置の断面図。 図１８におけるパワーモジュールのフランジ部および側壁の傾斜部の寸法関係を説明するための図。 本発明の実施形態６を示す電力変換装置の断面図。 図２０におけるパワーモジュールのフランジ部および側壁の傾斜部の寸法関係を説明するための図。 本発明の実施形態７を示し、パワーモジュールの金属製ケースの要部断面図。 本発明の実施形態８を示すパワーモジュールの断面図。 本発明の実施形態９を示し、電力変換装置のシール構造の要部断面図。
--実施形態１--
［電力変換装置］
以下、図を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施の形態を説明する。
図１は、本発明の電力変換装置の一実施の形態としての外観斜視図であり、図２は、図１に図示された電力変換装置の分解斜視図である。
電力変換装置２００は、電気自動車やハイブリッド自動車の電源装置として用いられる。図示はしないが、電力変換装置２００は、モータジェネレータに接続されたインバータ回路を内蔵し、また、外部のバッテリに接続された昇圧回路および全体を制御する制御回路を備えている。
電力変換装置２００は、アルミニウム、アルミニウム合金等のアルミニウム系金属により形成された筐体本体２０１および筐体本体２０１に締結部材（不図示）により締結される底蓋２０２を有する。筐体本体２０１と底蓋２０２とは、一体成型により形成することもできる。筐体本体２０１の上部には、不図示の上蓋が締結部材により締結され、密閉状の容器が形成される。
筐体本体２０１の内部には、冷却流路を形成するための周壁２１１が形成され、周壁２１１と底蓋２０２とにより冷却用室２１０が形成されている。
冷却用室２１０内には、複数（図２では４つ）の側壁２２１を有する支持部材２２０および各側壁２２１間に配置される複数（図２では３つ）のパワーモジュール１００が収納される。
パワーモジュール１００の詳細は後述する。
筐体本体２０１の一側部には、一対の貫通孔が設けられ、貫通孔の一方には、入口用配管２０３ａが設けられ、貫通孔の他方には、出口用配管２０３ｂが設けられている。冷却水などの冷却媒体は、入口用配管２０３ａから冷却用室２１０内に流入し、支持部材２２０の側壁２２１と各パワーモジュール１００との間の冷却路を流通して出口用配管２０３ｂから流出する。出口用配管２０３ｂから流出した冷却媒体は、不図示のラジエータ等の冷却装置によって冷却されて、再び、入口用配管２０３ａから冷却用室２１０内に流入するように循環する。
冷却用室２１０は、シール部材２３１を介在して、カバー部材（押付け用部材）２４０により密封される。カバー部材２４０は、各パワーモジュール１００内に収納された、後述するパワー半導体モジュール３０（図５、図６参照）に内蔵されたパワー半導体素子３１Ｕ、３１Ｌ（図７、図８参照）の電極端子３５ａ、３６ａ（図７、図８参照）が挿通される開口部２４１を有する。カバー部材２４０の周縁部は冷却用室２１０を形成する周壁２１１の上部に、不図示の締結部材により固定される。
筐体本体２０１の冷却用室２１０の外側領域には、インバータ回路に供給される直流電力を平滑化するための複数のコンデンサ素子２５１を備えるコンデンサモジュール２５０が収納される。
コンデンサモジュール２５０の上部には、パワー半導体素子のオン・オフを制御する回路基板アセンブリ２６１が配置される。回路基板アセンブリ２６１およびカバー部材２４０の上方には、インバータ回路を制御するドライバ回路部を含む、制御回路基板アセンブリ２６２が配置されている。制御回路基板アセンブリ２６２とカバー部材２４０との間には、パワーモジュール１００のパワー半導体素子３１Ｕ、３１Ｌ（図７、図８参照）、コンデンサモジュール２５０、回路基板アセンブリ２６１、制御回路基板アセンブリ２６２を接続するバスバーアセンブリ２６３が配設されている。
［冷却用室の構造］
図３は、図１に図示された電力変換装置における、パワーモジュール１００が収納された冷却用室２１０の断面図である。但し、図３においては、冷却用室２１０の周壁２１１および底蓋２０２は、図示を省略されている。
冷却用室２１０内には、４つの側壁２２１を有する支持部材２２０が設置される。支持部材２２０の底面２２０ａが、底蓋２０２の上面上に載置され、不図示の締結部材により、底蓋２０２に固定される。
両側の側壁２２１ａは、中央の２つの側壁２２１ｂより高く、パワーモジュール１００とほぼ同じ高さに形成されており、上端部側に傾斜面２２２が形成されている。傾斜面２２２の中間部には、凹部２２２ａが形成されている。
上述した如く、側壁２２１ａ−２２１ｂ間または側壁２２１ｂ−２２１ｂ間のそれぞれに、計３つのパワーモジュール１００が配置され、また、各パワーモジュール１００に内蔵されたパワー半導体素子３１Ｕ、３１Ｌ（図７、図８参照）の電極端子３５ａ、３６ａが挿通される開口部２４１が形成されている。カバー部材２４０には、各パワーモジュール１００間に嵌入される凸部２４２が一体成型されている。凸部２４２の両側部側の凸部２４２は、両側の側壁２２１ａの上部に載置されている。
各パワーモジュール１００は、パワー半導体モジュール３０（図５参照）を収納する金属製ケース４０を有する。金属製ケース４０は、上部にフランジ部１１を有する。カバー部材２４０に設けられた各凸部２４２は、各フランジ部１１をカバー部材２４０の各開口部２４１側に向けて押し付けている。
［パワーモジュール］
図４〜図９を参照してパワーモジュール１００について説明する。
図４は、本発明のパワーモジュールの一実施の形態としての外観斜視図であり、図５はパワーモジュール内に収容されるパワー半導体ユニットを表面側から観た外観斜視図であり、図６は、パワー半導体ユニットを裏面側から観た外観斜視図である。また、図７は図５に図示されたパワー半導体ユニットの封止樹脂を除去した状態の斜視図であり、図８は図７に図示されたパワー半導体ユニットにおいて、電極端子とパワー半導体素子とをワイヤボンディングする前の斜視図である。さらに、図９は図８に図示されたパワー半導体ユニット１０ＡのＩＸ−ＩＸ線断面図である。なお、図９においては、パワー半導体ユニット１０Ａに対応するパワー半導体ユニット１０Ｂの部材の符号も付してある。
パワーモジュール１００は、スイッチング素子を含みトランスファーモールドされたパワー半導体モジュール３０（図５、６参照）を、ＣＡＮ冷却器である金属製ケース４０内に収納したものである。ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿通口１７を、他面に底部を有する扁平状の筒型形状をした冷却器である。金属製ケース４０は、電気伝導性を有する部材、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ｃｕ−Ｃ、Ｃｕ−ＣｕＯなどの複合材、あるいはＡｌ、Ａｌ合金、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃなどの複合材などから形成されている。
金属製ケース４０は、ケース本体４１ａと、複数の放熱フィン４２を有する一対の放熱部材（放熱部）４１ｂとから構成されている。ケース本体４１ａには、各放熱部材４１ｂを嵌合する開口が設けられており、この開口に各放熱部材４１ｂを嵌合した状態で、接合部４３においてケース本体４１ａの開口周縁に各放熱部材４１ｂの周縁部が溶接等により接合されている。溶接としては、例えば、ＦＳＷ（摩擦攪拌接合）、レーザ溶接、ろう付等を適用することができる。ケース本体４１ａと放熱部材４１ｂとを一体成型により作製するようにしてもよい。
ケース本体４１ａは、中央部に挿通口（開口部）１７が形成されたフランジ部１１を有する。フランジ部１１における各放熱部材４１ｂに面する両側面１１ａは傾斜面とされている。フランジ部１１の両側面１１ａには、フランジ部１１の長手方向全長に亘って設けられた凹部１２が設けられている。
金属製ケース４０内に収納されたパワー半導体モジュール３０と一対の放熱部材４１ｂとの間には、図３に図示されるように、熱伝導性の絶縁層５１が介装されている。絶縁層５１は、パワー半導体モジュール３０から発生する熱を放熱部材４１ｂに熱伝導するものであり、熱伝導率が高く、かつ、絶縁耐圧が大きい材料で形成されている。例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウム等の薄膜、あるいは、これらの微粉末を含有する絶縁シートまたは接着剤を用いることができる。後述するが、パワー半導体モジュール３０の表裏両面には、パワー半導体素子を半田付けする導体板３３〜３６（図５、図６参照）が表出しており、絶縁層５１は、導体板と放熱部材４１ｂとを熱伝導可能に結合している。
［パワー半導体モジュール］
図５、図７、図８、図９に図示されるように、パワー半導体モジュール３０の表面側には、交流出力側の導体板３３と直流負極側の導体板３４とが同一平面上に配置されている。第１封止樹脂６は、パワー半導体モジュール３０の表面側において、図５に図示されるように、導体板３３の上面３３ｂと導体板３４の上面３４ｂを露出して、導体板３３および３４の周囲全体を被覆している。第１封止樹脂６の表面は、導体板３３の上面３３ｂおよび導体板３４の上面３４ｂと面一となっている。
同様に、図６、図９に図示されるように、パワー半導体モジュール３０の裏面側には、直流正極側の導体板３５と交流出力側の導体板３６とが同一平面上に配置されている。パワー半導体モジュール３０は、第１封止樹脂６および第１封止樹脂６の外周に設けられた第２封止樹脂１５（図３参照）を有する。第１封止樹脂６は、図４に図示されるように、パワー半導体モジュール３０の裏面側において、導体板３５の上面３５ｂと導体板３６の上面３６ｂを露出して、導体板３５および３６の周囲全体を被覆している。第１封止樹脂６の表面は、導体板３５の上面３５ｂおよび導体板３６の上面３６ｂと面一となっている。導体板３３〜３６は、例えば、アルミニウムにより形成されている。
パワー半導体素子３１Ｕおよびダイオード３２Ｕ（図９参照）は、一面側に半田材６１を介して、他面側に半田材６２を介して導体板３５および導体板３３の間に固着されている。同様に、パワー半導体素子３１Ｌおよびダイオード３２Ｌは、一面側および他面側に半田材６１、６２を介して、導体板３６および導体板３４の間に固着されている。
図１０は、パワー半導体モジュール３０に内蔵された回路一実施の形態を示す回路図であり、以下の説明では、この回路図も合わせて参照する。
パワー半導体素子３１Ｕ、ダイオード３２Ｕ，パワー半導体素子３１Ｌ、ダイオード３２Ｌは、上下アーム直列回路１２１を構成する。
直流正極側の導体板３５には、直流正極端子（電極端子）３５ａが形成され、交流出力側の導体板３６には、交流出力端子（電極端子）３６ａが形成される。また、直流正極側の導体板３５にはパワー半導体素子３１Ｕおよびダイオード３２Ｕがボンディングされ上アーム回路を構成しており、パワー半導体素子３１Ｕの入出力部は、複数の信号端子２４Ｕとワイヤ２６Ｕ（図７参照）により接続されている。
また、交流出力側の導体板３６には、パワー半導体素子３１Ｌおよびダイオード３２Ｌ（図１０参照）がボンディングされ下アーム回路を構成しており、パワー半導体素子３１Ｌの入出力部は、複数の信号端子２４Ｌがワイヤ２６Ｌ（図７参照）により接続されている。
図７、図８に図示されるように、導体板３５、導体板３３、直流正極端子３５ａ、信号端子２４Ｕ、パワー半導体素子３１Ｕおよびダイオード３２Ｕは、パワー半導体ユニット１０Ａを構成する。また、導体板３６、導体板３４、交流出力端子３６ａ、信号端子２４Ｌ、パワー半導体素子３１Ｌおよびダイオード３２Ｌは、パワー半導体ユニット１０Ｂを構成する。
図７に図示されるように、導体板３３にはリード３８が一体に形成されている。リード３８の先端は導体板３６に接続されており、これにより、パワー半導体ユニット１０Ａおよび１０Ｂが接続されている。
パワー半導体モジュール３０は、パワー半導体ユニット１０Ａ、１０Ｂを第１封止樹脂６で封止し、第１封止樹脂６の外周を直流正極端子３５ａ、信号端子２４Ｕ、交流出力端子３６ａ、信号端子２４Ｌが露出されるように第２封止樹脂１５により封止した構造を有する。パワー半導体ユニット１０Ｂは、導体板３６の温度、すなわち、パワー半導体素子３１Ｌの温度を検出するための温度センサ８（図７参照）を備えている。
図３を参照して、金属製ケース４０は複数の放熱フィン４２を有する一対の放熱部材４１ｂと、フランジ部１１と、フランジ部１１と放熱部材４１ｂとを接続する中間部４４とを有する。中間部４４の板厚は、放熱部材４１ｂの板厚よりも薄く形成されている。中間部４４は、フランジ部１１との境界部に少し肉厚の接続部４４ａを有している。ケース本体４１ａは、この接続部４４ａの領域に放熱部材４１ｂを嵌入する開口（不図示）を有している。上述した如く、この開口内に放熱部材４１ｂが嵌合された状態で、放熱部材４１ｂの周縁部が、この肉厚の接続部４４ａにおいてケース本体４１ａに溶接されて接合部４３（図４参照）が形成されている。
パワーモジュール１００を作製するには、図５、図６に図示されるように、パワー半導体ユニット１０Ａ、１０Ｂを第１封止樹脂６で封止し、パワー半導体モジュール３０を形成する。パワー半導体モジュール３０に表裏両面、すなわち、導体板３３の上面３３ｂおよび導体板３４の上面３４ｂが表出された一面と、導体板３５の上面３５ｂおよび導体板３６の上面３６ｂが表出された他面に、絶縁層５１を形成する。絶縁層５１の形成は、例えば、絶縁シートを貼り付ける方法、あるいは絶縁性接着剤を塗布する方法等を用いることができる。
両面に絶縁層５１が形成されたパワー半導体モジュール３０を、挿通口１７から金属製ケース４０内に挿入する。この状態では、パワー半導体素子３１Ｕ、３１Ｌの各端子３５ａ，３６ａ、２４Ｕ、２４Ｌは挿通口１７から外部に延出される。金属製ケース４０内に第２封止樹脂１５を充填する。そして、金属製ケース４０の一対の放熱部材４１ｂの外方からパワー半導体モジュール３０を挟圧するように加圧する。この加圧により、金属製ケース４０は、中間部４４が、パワー半導体モジュール３０側に向けて湾曲し、パワー半導体モジュール３０と表裏の放熱部材４１ｂとが絶縁層５１を介して密着または接着される。
フランジ部１１は、接続部４４ａとの境界部が外方に突き出す段差部１３を有する。フランジ部１１の両側面１１ａは、段差部１３からフランジ部１１の上端部１４に向かって、漸次、金属製ケース４０の挿通口１７側に向かって傾斜する傾斜面とされている。換言すれば、フランジ部１１の両側部の肉厚は、段差部１３から上端部１４に向かって、漸次、薄くなっている。
上述した如く、各パワーモジュール１００は、側壁２２１ａ−２２１ｂ間または側壁２２１ｂ−２２１ｂ間に、各パワーモジュール１００のフランジ部１１を離間して配置され、この離間された空間に、カバー部材２４０の凸部２４２が挿通される。
金属製ケース４０のフランジ部１１の凹部１２内および側壁２２１ａに設けられた凹部２２２ａ内にはシール部材７２が嵌入される。カバー部材２４０の凸部２４２、シール部材７２、フランジ部１１の側面１１ａにより、シール構造が形成される。また、カバー部材２４０の凸部２４２、シール部材７２、側壁２２１ａによりシール構造が形成される。各パワーモジュール１００と側壁２２１ａ−２２１ｂ間または側壁２２１ｂ−２２１ｂ間を流動する冷却媒体は、これらのシール構造により密封される。
［カバー部材］
カバー部材２４０の凸部２４２の両側面２４２ａは、フランジ部１１の両側面１１ａとほぼ平行な傾斜面とされている。支持部材２２０における側壁２２１ａ−２２１ｂ間または側壁２２１ｂ−２２１ｂ間の上面には、弾性部材７１が固着されている。弾性部材７１は、パワーモジュール１００を上方に付勢する。
図１１は、図３に図示された電力変換装置の分解図であり、図１２は、パワーモジュールに作用する押付け力を説明するための図である。
パワーモジュール１００は、一方の放熱部材４１ｂの放熱フィン４２から他方の放熱部材４１ｂの放熱フィン４２の先端まで長さ（厚さ）が、側壁２２１ａ−２２１ｂ間または側壁２２１ｂ−２２１ｂ間の間隔より僅かに小さく形成されている。
各パワーモジュール１００は、側壁２２１ａ−２２１ｂ間または側壁２２１ｂ−２２１ｂ間を挿通され、弾性部材７１上に載置される。挿通の際、側壁２２１ａまたは側壁２２１ｂの壁面を、パワーモジュール１００の両側の放熱フィン４２の先端面を下降する際のガイド面とすることにより、パワーモジュール１００の挿通を、円滑かつ精度よく行うことができる。
３つのパワーモジュール１００が、それぞれ、弾性部材７１上に載置された状態で、各凸部２４２を、パワーモジュール１００のフランジ部１１間に位置合せして、カバー部材２４０をパワーモジュール１００上から押し付ける。各パワーモジュール１００には、カバー部材２４０により押し付ける前に、フランジ部１１の凹部１２内および側壁２２１ａに形成された凹部２２２ａ内にシール部材７２を嵌入しておく。
カバー部材２４０の凸部２４２は、根元部の厚さＴｒが、パワーモジュール１００のフランジ部１１間の間隔Ｓｆより大きく、先端部の厚さＴｓがパワーモジュール１００のフランジ部１１間の間隔Ｓｆより小さく形成されている。つまり、
Ｔｒ＞Ｓｆ＞Ｔｓ
となっている。
従って、カバー部材２４０の凸部２４２の先端部は、側壁２２１ａ−２２１ｂ間または側壁２２１ｂ−２２１ｂ間に隙間を存して挿通される。また、凸部２４２の根元部がパワーモジュール１００のフランジ部１１の上端部１４に達した状態では、各パワーモジュール１００のフランジ部１１は、凸部２４２の根元部の押付け力により挿通口１７側に変位する。
すなわち、カバー部材２４０が周壁２１１の上部に固定された状態では、図１２に図示されるように、カバー部材２４０に負荷される押込み力Ｆ１の分力による押付け力Ｆ２により、フランジ部１１は、挿通口１７側に押し付けられる。押付け力Ｆ２は、金属製ケース４０の中間部４４を介して放熱部材４１ｂを、パワー半導体モジュール３０を圧接する方向の押付け力Ｆ３として作用する。
このため、金属製ケース４０の中間部４４がスプリングバックによりパワー半導体モジュール３０から離間するのが抑えられ、パワー半導体モジュール３０と放熱部材４１ｂとが確実に熱伝導可能に結合される。
この状態で、弾性部材７１は圧縮されており、パワーモジュール１００をカバー部材２４０に向けて付勢する。このため、フランジ部１１から中間部４４に押付け力Ｆ２が確実に伝達することができる。また、シール部材７２による冷却媒体のシール機能を向上することができる。
なお、弾性部材７１は、必ずしも必要とされるものではない。
図１３（ａ）は、フランジ部の側面の傾斜角について説明するための図である。
フランジ部１１を変位させる場合、小さい押込み力Ｆ１で、フランジ部１１を挿通口１７側に押し付ける押付け力Ｆ２が大きくなるようにすることが好ましい。カバー部材２４０の押込み力Ｆ１よりも、フランジ部１１の側面１１ａに作用する押付け力Ｆ２を大きくするには傾斜角θ１を４５°未満にする必要がある。
カバー部材２４０およびフランジ部１１を作製する際の公差を考慮すると傾斜角θ１を１°以上にする必要がある。
このため、傾斜角θ１は、１°以上４５°未満とすることが望ましい。作製公差の余裕度の観点から傾斜角θ１は、５°以上であることがより好ましい。
上記実施形態では、１つのカバー部材２４０により、３つのパワーモジュール１００を同時に固定するので、作業性の面で有利である。しかし、しかし、カバー部材２４０を１つの凸部２４２を有する部材とし、このカバー部材により、各パワーモジュール１００を固定するようにしてもよい。このような構造とすると、取付けの作業性は低下するが、パワーモジュール１００に高さにばらつきがある場合でも、カバー部材の取付強度およびシール機能の確保が容易となる。
以上説明した通り、上記一実施の形態に示す電力変換装置２００は下記の効果を奏する。
（１）フランジ部１１、放熱部材４１ｂ、中間部４４を備える金属製ケース４０内にパワー半導体モジュール３０が収納されたパワーモジュール１００を形成した。そして、このパワーモジュール１００のフランジ部１１に対し、カバー部材２４０の凸部２４２への押込み力Ｆ１により、フランジ部１１を介して放熱部材４１ｂにパワー半導体モジュール３０を圧接する方向の押付け力Ｆ３が作用するようにした。このため、パワーモジュール１００を小型化し、フランジ部１１の厚さおよび／または幅を小さくすることにより、中間部４４の剛性が相対的大きくなった場合でも、スプリングバックにより放熱部材４１ｂがパワー半導体モジュール３０から離間するのを抑え、確実に熱伝導可能に接続することが可能となる。
（２）金属製ケース４０のフランジ部１１の側面１１ａに凹部１２を設け、この凹部１２内に嵌入されたシール部材７２とカバー部材２４０の凸部２４２とによりシール構造を形成した。このように、押付け力Ｆ１が作用するフランジ部１１の側面１１ａをシール構造形成としても兼用したので、電力変換装置２００の構造を簡素にして安価にすることができる。
（３）１つのカバー部材２４０により、複数のパワーモジュール１００を固定する構造であるので、組立の作業性がよい。
（４）パワーモジュール１００と支持部材２２０の上面との間に弾性部材７１を介装し、パワーモジュール１００をカバー部材２４０側に付勢するようにした。このため、フランジ部１１から中間部４４に押付け力Ｆ２が確実に伝達される。また、シール部材７２を含むシール機能を向上することができる。
（５）カバー部材２４０の凸部２４２の傾斜角θ１を、１°以上４５°未満、好ましくは５°以上４５°未満とした。このため、カバー部材２４０が浮き上がって取り外れる力が小さくなり、カバー部材２４０の取付け強度を大きくすることができる。
--実施形態２--
図１４（ａ）は本発明の実施形態２を示し、図１４（ａ）は電力変換装置の断面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）におけるカバー部材の拡大図である。
実施形態２の電力変換装置２００は、図１４（ｂ）に図示されるように、カバー部材２４０Ａの凸部２４２Ａにパワーモジュール１００のフランジ部１１の段差部１３に係合する係合片２４３が形成されている構造に特徴を有する。
係合片２４３は、断面が三角形状を有しており、フランジ部１１の下面に係合する。このため、カバー部材２４０Ａを締結部材により周壁２１１に固定する必要が無い。また、実施形態１と同様に、カバー部材２４０Ａを締結部材により周壁２１１に固定してもよい。このようにすると、カバー部材２４０Ａは、パワーモジュール１００のフランジ部１１の下面に係合する分、フランジ部１１から外れ難くなり、カバー部材２４０Ａの取付強度を向上することができる。
図１４では、１つのカバー部材２４０Ａにより１つのパワーモジュール１００を固定する構造として例示されているが、実施形態１と同様に、１つのカバー部材２４０Ａにより、複数のパワーモジュール１００を固定するようにすることもできる。
実施形態２におけるその他の構造は実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付し、説明を省略する。
実施形態２に示す電力変換装置２００においても、実施形態１と同様な効果を奏する。
--実施形態３--
図１５は本発明の実施形態３を示し、図１５（ａ）は電力変換装置の断面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）におけるカバー部材の拡大図である。
実施形態３は、実施形態２に対し、カバー部材２４０Ａの凸部２４２Ａに形成する係合片２４３ａを断面半円弧状とした点を特徴とする。
断面半円弧状の係合片２４３ａは、根元部において、パワーモジュール１００のフランジ部１１の下面を支持する。
係合片２４３ａの形状は、他に、多角形状にしたり、フック形状にしたり、適宜な形状を採用することができる。
実施形態３におけるその他の構造は実施形態１と同様であり、対応する部材に同一の符号を付し、説明を省略する。
実施形態３に示す電力変換装置２００においても、実施形態１と同様な効果を奏する。
--実施形態４--
図１６は、本発明の実施形態４を示し、電力変換装置の断面図である。
実施形態４においては、実施形態１〜３におけるパワーモジュール１００とは異なり、パワーモジュール１００Ａのフランジ部１１の両側面１１ａは、逆方向に傾斜している。つまり、各側面１１ａは、段差部１３から上端部１４に向かって挿通口１７から離れる方向に傾斜している。換言すれば、フランジ部１１の両側部の肉厚は、段差部１３から上端部１４に向かって、漸次、厚くなっている。
また、支持部材２２０Ａ（押付け用部材）における各側壁２２１の上部内面側には、パワーモジュール１００Ａのフランジ部１１の両側面１１ａと平行な傾斜部２２３が形成されている。
そして、支持部材２２０Ａの各側壁２２１の上面には、押え部材２４４が、不図示の締結部材により取り付けられている。押え部材２４４は、側壁２２１の上面の幅に対応する幅の本体部２４４ａと、この本体部２４４ａからパワーモジュール１００Ａ側に突出し、フランジ部１１の上端部１４を押える押え片２４４ｂを有している。押え片２４４ｂは、本体部２４４ａより薄肉に形成された部分を有し、この薄肉部において板ばねのような弾性力を付与されている。このため、パワーモジュール１００Ａは、押え部材２４４の押え片２４４ｂにより、支持部材２２０Ａとパワーモジュール１００Ａの缶底との間に介装された弾性部材７１に向けて押し付ける。パワーモジュール１００Ａが押え部材２４４の押え片２４４ｂにより抑え込まれた状態では、フランジ部１１の側面１１ａ、シール部材７２、側壁２２１の傾斜部２２３により、シール構造が形成される。
図１７は、図１６におけるパワーモジュール１００Ａのフランジ部および側壁の傾斜部の寸法関係を説明するための図である。
フランジ部１１の上端部１４側の幅方向の長さＦＵは、側壁２２１の傾斜部２２３の最大間隔ＳＷより大きく、フランジ部１１の段差部１３側の幅方向の長さＦＬは、側壁２２１の傾斜部２２３の最大間隔ＳＷより小さく形成されている。
つまり、
ＦＵ＞ＳＷ＞ＦＬ
となっている。
従って、フランジ部１１の段差部１３は、側壁２２１間に隙間を存して挿通される。また、フランジ部１１の上端部１４が側壁２２１の傾斜部２２３の上面に達した状態では、各パワーモジュール１００のフランジ部１１は、挿通口１７側に変位する。
すなわち、パワーモジュール１００Ａが、側壁２２１間に収容され、押え部材２４４の押え片２４４ｂにより上端部１４が押さえつけられている状態では、実施形態１の場合と同様に、押え片２４４ｂの押込み力Ｆ１の分力による押付け力Ｆ２により、フランジ部１１は、挿通口１７側に押し付けられる。押付け力Ｆ２は、金属製ケース４０の中間部４４を介して放熱部材４１ｂを、パワー半導体モジュール３０を圧接する方向の押付け力Ｆ３として作用する。
このため、金属製ケース４０の中間部４４がスプリングバックによりパワー半導体モジュール３０から離間するのが抑えられ、パワー半導体モジュール３０と放熱部材４１ｂとが確実に熱伝導可能に結合される。
フランジ部１１の側面１１ａの傾斜角θ２については、図１３（ｂ）に図示されるように、実施形態１の場合における傾斜角θ１と同様、１°以上４５°未満とすることが望ましく、作製公差の余裕度の観点から傾斜角θ１は、５°以上であることがより好ましい。
このように、実施形態４に示す電力変換装置２００においても、実施形態１〜３の場合と同様な効果を奏する。
なお、図１６では、支持部材２２０Ａにパワーモジュール１００Ａを１つだけ装着した構造として例示したが、実施形態１の場合と同様に、複数のパワーモジュール１００Ａを装着するようにしてもよい。このような場合において、押え部材２４４は、すべてのパワーモジュール１００Ａを押える押え片２４４ｂを一体成型により作製することができる。このように複数の押え片２４４ｂを一体成型により作製しても、各押え片２４４ｂは弾性力を有しているので、パワーモジュール１００Ａの高さのばらつきを吸収して、パワーモジュール１００Ａを確実に、固定することができる。
--実施形態５--
図１８は、本発明の実施形態５を示す電力変換装置の断面図であり、図１９は、図１８におけるパワーモジュールのフランジ部および側壁の傾斜部の寸法関係を説明するための図である。
実施形態５に示すパワーモジュール１００は、実施形態１〜３に示すパワーモジュール１００と同様な構造を有する。すなわち、パワーモジュール１００のフランジ部１１の両側面１１ａは、段差部１３からフランジ部１１の上端部１４に向かって、漸次、金属製ケース４０の挿通口１７側に向かって傾斜する傾斜面となっている。
パワーモジュール１００は、底板２０２Ａ上に、弾性部材７１を介して配置されている。底板２０２Ａ上には、支持部材２２０Ｂ（押付け用部材）が取り付けられている。支持部材２２０Ｂは、パワーモジュール１００を収納する空間Ｓｃを有する有頭無底の筒型形状を有する。支持部材２２０Ｂの側壁２２１ｃの上部には、中央部に開口部２４１ａを有する押圧部２４０ａおよび傾斜部２４２ｂが形成されている。傾斜部２４２ｂは、パワーモジュール１００のフランジ部１１の側面１１ａと平行な傾斜面を有している。
図１９に図示されるように、支持部材２２０Ｂの傾斜部２４２ｂにおける下部の幅方向の間隔ＳＬは、フランジ部１１の側面１１ａの上端部１４における幅方向の長さＦＴより大きく、支持部材２２０Ｂの傾斜部２４２ｂにおける上部の幅方向の間隔ＳＵは、フランジ部１１の上端部１４における幅方向の長さＦＴより小さく形成されている。
つまり、
ＳＬ＞ＦＴ＞ＳＵ
となっている。
従って、パワーモジュール１００のフランジ部１１は、支持部材２２０Ｂの空間Ｓｃを介して、支持部材２２０Ｂの傾斜部２４２ｂの下部側から隙間を存して挿通される。また、パワーモジュール１００のフランジ部１１の上端部１４が支持部材２２０Ｂの側壁２２１の押圧部２４０ａの下面に当接した状態では、パワーモジュール１００のフランジ部１１は、挿通口１７側に変位する。
実施形態５の電力変換装置２００を作製するには、底板２０２Ａ上に弾性部材７１およびパワーモジュール１００を搭載し、パワーモジュール１００の上方から支持部材２２０Ｂを、空間Ｓｃ内にパワーモジュール１００を収納するように被せ、底板２０２Ａに固定する。他の実施形態と同様、パワーモジュール１００のフランジ部１１は、支持部材２２０Ｂの傾斜部２４２ｂにより挿通口１７側に変位され、中間部４４を介して、放熱部材４１ｂを、パワー半導体モジュール３０を圧接する方向に押付ける。
従って、実施形態５の電力変換装置２００においても、実施形態１と同様な効果を奏する。また、パワーモジュール１００に押付け力を付与する支持部材２２０Ｂが有頭無底の筒型形状を有しているので、実施形態１〜４に示すように、板状のカバー部材２４０を用いる場合に比し、強度を大きくすることができる。
--実施形態６--
図２０は、本発明の実施形態６を示す電力変換装置の断面図であり、図２１は、図２０におけるパワーモジュールのフランジ部および側壁の傾斜部の寸法関係を説明するための図である。
実施形態６に示す電力変換装置２００は、実施形態５として図１８に図示された電力変換装置２００に対して、パワーモジュール１００を収納する収納部を支持部材２２０Ｃ（押付け用部材）と下部部材２０２Ｂに設けた構造を有する点である。
すなわち、支持部材２２０Ｂは、パワーモジュール１００の略半分程度の高さを有し、中央部に空間Ｓｃ１を有する。また、下部部材２０２Ｂは、パワーモジュール１００の略半分程度の高さを有し、中央部に空間Ｓｃ２を有する。支持部材２２０Ｂは、上部側に、実施形態５と同様に、押圧部２４０ａと傾斜部２４２ｂを有する。
図２１に図示されるように、支持部材２２０Ｂの傾斜部２４２ｂにおける下部の幅方向の間隔ＳＬ、フランジ部１１の上端部１４における幅方向の長さＦＴ、支持部材２２０Ｂの傾斜部２４２ｂにおける上部の幅方向の間隔ＳＵの関係は、図１９に図示された実施形態５と同様に、
ＳＬ＞ＦＴ＞ＳＵ
となっている。
実施形態６の電力変換装置を作製するには、下部部材２０２Ｂの底面上部に弾性部材７１を取り付けておき、空間Ｓｃ２内に、パワーモジュール１００の下半部を収納する。そして、パワーモジュール１００の上方から支持部材２２０Ｃを、空間Ｓｃ１内にパワーモジュール１００を収納するように被せ、下部部材２０２Ｂに固定する。実施形態５の場合と同様、パワーモジュール１００のフランジ部１１は、支持部材２２０Ｂの傾斜部２４２ｂにより挿通口１７側に変位され、中間部４４を介して、放熱部材４１ｂを、パワー半導体モジュール３０を圧接する方向に押付ける。
従って、実施形態６の電力変換装置２００においても、実施形態５と同様な効果を奏する。また、支持部材２２０Ｂが、空間Ｓｃ２を有する箱型に形成されているので、板状の底板２０２Ａによりパワーモジュール１００を支持する実施形態５の場合に比し、パワーモジュール１００を支持する支持部材の強度を大きくすることができる。
--実施形態７--
実施形態１〜６においては、パワーモジュール１００、１００Ａの金属製ケース４０の中間部４４を、断面がほぼ直線状に延出された部材として例示されている。
これに対し、実施形態７では、図２２に図示されている通り、金属製ケース４０Ａの中間部４４Ａには、内方に突き出す湾曲部４６が形成されている。
つまり、金属製ケース４０Ａは、フランジ部１１と、放熱部材４１ｂと、湾曲部４６が形成され、フランジ部１１と放熱部材４１ｂとを連結する中間部４４Ａを備えている。
中間部４４Ａに湾曲部４６を設けることにより、中間部４４Ａは湾曲部４６を中心として変形し易くなる。このため、放熱部材４１ｂの外方から加圧して、放熱部材４１ｂを、絶縁層５１を介してパワー半導体モジュール３０に密着または接着する際、放熱部材４１ｂとパワー半導体モジュール３０との密着または接着が確実となる。
実施形態７に示す金属製ケース４０Ａを有するパワーモジュール１００を、実施形態１〜６に示す電力変換装置２００に適用することができる。
--実施形態８--
図２３は、本発明の実施形態８を示し、パワーモジュールの断面図である。
図２３に図示されたパワーモジュール１００Ｂは、金属製ケース４０Ｂの中間部４４Ｂが、肉厚の接続部４４ａを有していない。
この金属製ケース４０Ｂは、鍛造、深絞り等により放熱フィン４２を有する放熱部を一体に形成されたものである。このように、ケース本体４１ａと放熱部材４１ｂとを別部材とすることなく、一体部材とした金属製ケース４０Ｂとすることができる。
実施形態８に示すパワーモジュール１００Ｂを、実施形態１〜６に示す電力変換装置２００に適用することができる。
実施形態８のパワーモジュール１００Ｂにおける他の構成は、実施形態１のパワーモジュール１００と同様であり、対応する部材に同一の符号を付して説明を省略する。
--実施形態９--
図２４は、実施形態９を示し、電力変換装置の要部断面図である。
図２４に図示された電力変換装置２００は、冷却媒体のシール構造が、パワーモジュール１００のフランジ部１１の上端部１４とカバー部材２４０の下面との間に形成されている点を特徴とする。
図２４に図示されているように、パワーモジュール１００の金属製ケース４０Ｃは、フランジ部１１Ａに凹部１２が形成されていない。また、側壁２２１ｄの傾斜面２２２に、凹部２２２ａは形成されていない。
シール部材７２が、金属製ケース４０Ａの上端部１４とカバー部材２４０の下面２４０ｂとの間に介装されており、これによりシール構造が形成されている。
電力変換装置２００の高さを低くするために、カバー部材２４０および／または金属製ケース４０Ａの上端部１４にシール部材７２を嵌入するための溝を設けてもよい。
図２４では、中間部４４に湾曲部４６が形成された金属製ケース４０Ｃとして例示したが、中間部４４に湾曲部４６が形成されていない実施形態１〜６の金属製ケース４０または実施形態８の金属製ケース４０Ｂとすることもできる。
上記シール構造を、実施形態１〜７の電力変換装置２００に適用することができる。
なお、上記各実施形態１〜６において、シール部材７２に替えて液状ガスケット等を用いてもよく、このようにすることにより、金属製ケース４０のフランジ部１１に、シール部材７２を嵌入するための凹部１２を形成する必要が無くなる。
上記実施形態では、パワー半導体モジュール３０と放熱部材（放熱部）４１ｂとの間に絶縁層５１を介装した構造として例示した。しかし、絶縁層５１は必ずしも必要ではなく、放熱部材４１ｂとパワー半導体モジュール３０とが熱伝導可能に密着する構造とされたパワーモジュール１００であればよい。
上記実施形態に示した電力変換装置２００の筐体本体２０１の構造および筐体本体２０１内に収納される電子部品のレイアウトは、一例として示すものであり、種々、変形して適用することが可能である。
その他、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で、種々変形して適用することが可能である。 要は、押付け用部材と、ケース内にパワー半導体モジュールを内蔵するパワーモジュールと、を備え、押付け用部材が、ケースの中間部を介して、パワー半導体ユニットを圧接する方向に放熱部を押付けるように、ケースのフランジ部の傾斜面に作用するものであればよい。
６ 第１封止樹脂
１０Ａ、１０Ｂ パワー半導体ユニット
１１、１１Ａ フランジ部
１１ａ 側面
１２ 凹部
１３ 段差部
１４ 上端部
１５ 第２封止樹脂
１７ 挿通口（開口部）
３０ パワー半導体モジュール
３１Ｕ、３１Ｌ パワー半導体素子
３２Ｕ、３２Ｌ ダイオード
３３〜３６ 導体板
３５ａ 直流正極端子（電極端子）
３６ａ 交流出力端子（電極端子）
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ 金属製ケース（ケース）
４１ａ ケース本体
４１ｂ 放熱部材（放熱部）
４３ 接合部
４４、４４Ａ、４４Ｂ 中間部
４４ａ 接続部
４６ 湾曲部
５１ 絶縁層
１００、１００Ａ、１００Ｂ パワーモジュール
２００ 電力変換装置
２１０ 冷却用室
２２０ 支持部材
２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ 支持部材（押付け用部材）
２４０，２４０Ａ カバー部材（押付け用部材）
２４２、２４２Ａ 凸部

Claims (12)

  1. 押付け用部材と、
    パワーモジュールと、を備え、
    前記パワーモジュールは、
    電極端子を有するパワー半導体素子を有するパワー半導体ユニットと、
    前記電極端子を挿通する開口部を有する有底缶型形状を有し、前記パワー半導体ユニットの一面および他面に熱伝導可能に接触する一対の放熱部と、前記開口部の周囲を囲み、外表面が前記パワー半導体ユニットの少なくとも前記一面または前記他面の一方に対して傾斜する傾斜面を有するフランジ部と、前記フランジ部と前記一対の放熱部を接続する中間部とを有し、前記パワー半導体ユニットを収納するケースと、を備え、
    前記押付け用部材は、前記中間部を介して、前記放熱部を、前記パワー半導体ユニットを圧接する方向に押付けるように前記ケースの前記フランジ部の前記傾斜面に作用する、電力変換装置。
  2. 請求項１に記載のパ電力変換装置において、
    前記中間部は、前記放熱部よりも薄い薄肉部を有する、電力変換装置。
  3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
    前記ケースは、前記放熱部を有する放熱部材と、前記フランジ部を有し、前記放熱部材が嵌合される開口を有するケース本体とを備え、前記中間部は、前記フランジ部との境界部に前記薄肉部よりも厚い接続部を有し、前記放熱部材は、前記ケース本体の前記接続部において前記ケース本体に接合されている、電力変換装置。
  4. 請求項２に記載の電力変換装置において、
    前記フランジ部の前記薄肉部に湾曲部が形成されている、電力変換装置。
  5. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記ケースは、前記フランジ部の外面側に形成された凹部を有し、前記凹部内にシール部材が嵌入されている、電力変換装置。
  6. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記パワー半導体ユニットは、前記パワー半導体素子の一面側および他面側に配置された一対の導電板を有し、前記放熱部と前記導電板との間に、それぞれ、熱伝導性の絶縁部材が介装されている、電力変換装置。
  7. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記ケースのフランジ部は、前記中間部側に、外面側に突き出す段差部を有し、前記フランジ部の前記傾斜面は、前記段差部から前記フランジ部の上端部に向かって、漸次、前記開口部側に傾斜する、電力変換装置。
  8. 請求項７に記載の電力変換装置において、
    前記押付け用部材は、前記フランジ部の前記傾斜面に当接する凸部を有し、前記凸部の外面側は、前記傾斜面とほぼ平行な傾斜面とされている、電力変換装置。
  9. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    前記ケースのフランジ部は、前記中間部側に、外面側に突き出す段差部を有し、前記フランジ部の前記傾斜面は、前記段差部から前記フランジ部の上端部に向かって、漸次、外面側に傾斜する、電力変換装置。
  10. 請求項７至９のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
    前記押付け用部材は、前記フランジ部の傾斜面を前記ケースに収納された前記パワー半導体ユニット側に向けて押し付ける傾斜面を有し、前記ケースの外表面との間に冷却流路の少なくとも一部を形成する壁部材を兼用する、電力変換装置。
  11. 請求項１０に記載の電力変換装置において、
    前記押付け用部材は、前記パワー半導体ユニットの缶底を支持する底部を有し、電力変換装置は、さらに、前記パワーモジュールの前記底部との間に介装された弾性部材を備える、電力変換装置。
  12. 請求項１に記載の電力変換装置において、
    複数の前記パワーモジュールが、前記各パワーモジュールの前記ケースの放熱部を対向させた状態で、前記フランジ部間に隙間を存して配列され、前記押付け用部材が前記パワーモジュールの前記フランジ部間の前記隙間に介装される凸部を有し、前記凸部は、隣接する前記パワーモジュールの前記フランジ部における前記傾斜面間の最大の隙間よりも、厚さが大きい根元部と厚さが小さい先端部とを有する傾斜面を有する、電力変換装置。







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