JP5949286B2

JP5949286B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5949286B2
Application number: JP2012169945A
Authority: JP
Inventors: 健一大濱
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: JP2014030314A

Description

本発明は、半導体素子を有する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、ハイブリッド自動車等には、イ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、半導体素子を有する半導体モジュールと、該半導体モジュールを収容するモジュール収容部を有し、該モジュール収容部に収容された半導体モジュールとの間に冷媒流路を形成してなる冷却用筐体とを備えたものがある。

例えば、特許文献１には、半導体モジュールが半導体素子を有する本体部と該本体部を収容する本体収容部とによって構成された電力変換装置が開示されている。
この電力変換装置において、本体収容部は、本体部を収容する有底筒状の筒状部と、該筒状部の一端から外側に突出してなるフランジ部とからなる。フランジ部と冷却用筐体との間には、両者の間をシールするシール材が配設されている。

また、本体収容部のフランジ部は、筒状部の開口部の周囲において、４つの辺部を有する。４つの辺部のうち、本体収容部の短手方向に形成される一対の辺部（短手辺部）には、本体収容部を冷却用筐体に固定するための固定部が設けられている。そして、フランジ部は、一対の短手辺部に設けられた固定部において、ボルト等の固定部材を用いて冷却用筐体に固定されている。

特開２０１２−２９５３９号公報

しかしながら、上記特許文献１の構造では、次のような問題が生じるおそれがある。
すなわち、半導体モジュールの本体収容部のフランジ部において、４つの辺部のうち、一対の短手辺部以外の辺部であって、本体収容部の長手方向に形成される一対の辺部（長手辺部）には、本体収容部を冷却用筐体に固定するための固定部が設けられていない。

そのため、本体収容部のフランジ部の一対の長手辺部において、シール面圧（シール材との間の面圧）を十分に確保することができないおそれがある。また、フランジ部の辺部ごとにシール面圧のばらつきが生じるおそれがある。これにより、シール材によって半導体モジュール（フランジ部）と冷却用筐体との間のシール性を十分に確保することができず、両者の間に形成された冷媒流路から冷媒が漏れ出すおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、半導体モジュールと冷却用筐体との間のシール性を十分に確保す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、半導体素子を有する本体部と、該本体部を収容する本体収容部とからなる半導体モジュールと、
該半導体モジュールを収容するモジュール収容部を有し、該モジュール収容部に収容された上記半導体モジュールとの間に冷媒流路を形成してなる冷却用筐体とを備え、
上記半導体モジュールの上記本体収容部は、一端に開口部を有する有底筒状であり、上記本体部を内部に収容すると共に上記冷却用筐体の上記モジュール収容部に収容される筒状部と、該筒状部の上記開口部側の端部から外側に突出してなるフランジ部とからなり、
該フランジ部と上記冷却用筐体との間には、両者の間をシールするシール材が配設されており、
上記フランジ部は、上記筒状部の上記開口部の周囲において、上記本体収容部の長手方向に形成されると共に上記本体収容部の短手方向に対向する一対の長手辺部と、上記短手方向に形成されると共に上記長手方向に対向する一対の短手辺部とを有し、
上記各長手辺部及び上記各短手辺部には、それぞれ上記本体収容部を上記冷却用筐体に固定するための固定部が設けられ、
上記半導体モジュールを複数備え、該複数の半導体モジュールは、上記短手方向に並んで配置されており、隣り合う上記半導体モジュールの上記本体収容部同士において、隣り合う上記フランジ部の上記長手辺部同士は、互いの上記固定部が上下に重なるようにして該固定部において上記冷却用筐体に対して同じ位置で固定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、半導体モジュールの本体収容部は、筒状部とフランジ部とからなる。また、該フランジ部と冷却用筐体との間には、両者の間をシールするシール材が配設されている。また、フランジ部は、筒状部の開口部の周囲において、一対の長手辺部と一対の短手辺部とを有し、各長手辺部及び各短手辺部には、それぞれ本体収容部を冷却用筐体に固定するための固定部が設けられている。すなわち、本体収容部のフランジ部のすべての辺部に、本体収容部を冷却用筐体に固定するための固定部が設けられている。

そのため、本体収容部のフランジ部のすべての辺部（一対の長手辺部、一対の短手辺部）において、シール面圧（シール材との間の面圧）を十分に確保することができる。また、フランジ部の各辺部において、シール面圧のばらつきを抑制することができる。これにより、半導体モジュールと冷却用筐体との間のシール性を十分に確保することができ、両者の間に形成された冷媒流路から冷媒が漏れ出すことを防止することができる。

このように、半導体モジュールと冷却用筐体との間のシール性を十分に確保することができる電力変換装置を提供することができる。

参考例における、電力変換装置を示す平面図。参考例における、冷却用筐体を示す平面図。図１のIII−III線矢視断面図。図１のIV−IV線矢視断面図。参考例における、半導体モジュールを筒状部の開口部側から見た平面図。実施例１における、電力変換装置を示す平面図。図６のVII−VII線矢視断面図。実施例１における、電力変換装置の別例を示す平面図。実施例２における、電力変換装置を示す平面図。図９のX−X線矢視断面図。

上記電力変換装置において、上記半導体モジュールにおける上記本体収容部の上記フランジ部と上記冷却用筐体との間には、両者の間をシールするシール材が配設されている。このシール材としては、例えば、Ｏリング等の弾性部材、シール用の接着剤等を用いることができる。

また、上記本体部には、上記半導体素子に電気的に接続されるパワー端子及び制御端子が設けられており、上記本体収容部における上記フランジ部の上記長手辺部の上記固定部は、上記パワー端子及び上記制御端子が上記本体部から突出している上記長手方向の領域に設けられている構成としてもよい（請求項２）。
すなわち、例えば、パワー端子は、バスバを介してコンデンサ等に接続される。また、制御端子は、半導体素子を制御するための制御回路基板に接続される。そのため、コンデンサ、制御回路基板等の熱膨張・熱収縮によって半導体モジュールに位置ずれ（特に上記短手方向への位置ずれ）が生じる場合がある。そして、フランジ部におけるシール面圧の変動が繰り返し起こり、シール性の劣化を招くおそれがある。

そこで、半導体モジュールの本体収容部におけるフランジ部の長手辺部の固定部を上記所定の領域（範囲）、つまりコンデンサ、制御回路基板等の熱膨張・熱収縮の影響を受けやすい領域（範囲）に設ける。これにより、その領域のシール面圧を十分に確保することができ、他の部品の熱膨張・熱収縮に起因するフランジ部のシール面圧の変動繰り返しを抑制し、シール性の劣化を防止することができる。その結果、半導体モジュールと冷却用筐体との間のシール性をより一層十分に確保することができる。

なお、上記パワー端子及び上記制御端子が上記本体部から突出している上記長手方向の領域とは、本体部から突出しているすべてのパワー端子及び制御端子のうち、上記長手方向の一端にあるパワー端子又は制御端子が本体部から突出している位置と上記長手方向の他端にあるパワー端子又は制御端子が本体部から突出している位置との間の上記長手方向の領域（範囲）をいう。
また、上記固定部が上記領域に設けられているとは、固定部の少なくとも一部が上記量域内にあることをいう。

また、上記半導体モジュールを複数備え、該複数の半導体モジュールは、上記短手方向に並んで配置されており、隣り合う上記半導体モジュールの上記本体収容部同士において、隣り合う上記フランジ部の上記長手辺部同士は、互いの上記固定部が上記冷却用筐体に対して同じ位置で固定されている。
そのため、隣り合う半導体モジュールの本体収容部同士において、隣り合うフランジ部の長手辺部同士を例えば１つの固定部材を用いて固定することが可能となる。すなわち、固定部材を共用することが可能となる。これにより、体格の小型化、固定箇所の低減による構造の簡素化、固定部材の削減による製造コストの削減等の効果を得ることができる。

（参考例）
上記電力変換装置にかかる参考例について、図を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１〜図５に示すごとく、半導体素子を有する本体部４と、本体部４を収容する本体収容部５とからなる半導体モジュール３と、半導体モジュール３を収容するモジュール収容部２１を有し、モジュール収容部２１に収容された半導体モジュール３との間に冷媒流路２０を形成してなる冷却用筐体２とを備えている。

また、半導体モジュール３の本体収容部５は、一端に開口部５１１を有する有底筒状であり、本体部４を内部に収容すると共に冷却用筐体２のモジュール収容部２１に収容される筒状部５１と、筒状部５１の開口部５１１側の端部から外側に突出してなるフランジ部５２とからなる。フランジ部５２と冷却用筐体２との間には、両者の間をシールするシール材６が配設されている。

また、フランジ部５２は、筒状部５１の開口部５１１の周囲において、本体収容部５の長手方向Ｘに形成されると共に本体収容部５の短手方向Ｙに対向する一対の長手辺部５２１と、短手方向Ｙに形成されると共に長手方向Ｘに対向する一対の短手辺部５２２とを有する。各長手辺部５２１及び各短手辺部５２２には、それぞれ本体収容部５を冷却用筐体２に固定するための固定部５３が設けられている。
以下、これを詳説する。

図１に示すごとく、電力変換装置１は、複数の半導体モジュール３と、複数の半導体モジュール３を収容して冷却する冷却用筐体２とを備えている。本例において、電力変換装置１は、３つの半導体モジュール３を備えている。３つの半導体モジュール３は、本体収容部５の短手方向Ｙに並んで配置されている。また、冷却用筐体２は、アルミニウム等からなる。

図２に示すごとく、冷却用筐体２の内部には、半導体モジュール３を収納するための複数のモジュール収容部２１が設けられている。各モジュール収容部２１は、半導体モジュール３を挿入するための収容開口部２１１を有する。
また、冷却用筐体２の内部には、外部から冷媒を導入する冷媒導入部２２と、外部に冷媒を排出する冷媒排出部２３とが設けられている。冷媒導入部２２と冷媒排出部２３とは、モジュール収容部２１を介して連通しており、冷媒を流通させる冷媒流路２０の一部を構成している。なお、図２では、冷媒（図中のＣ）の流れを矢印で示している。

図３、図４に示すごとく、各半導体モジュール３は、スイッチング素子等の半導体素子を内蔵する本体部４と、本体部４を収容する本体収容部５とからなる。
本体部４は、半導体素子等をエポキシ樹脂等の絶縁樹脂で封止することによって直方体形状に形成されている。

また、本体部４には、スイッチング素子等の半導体素子に電気的に接続される複数のパワー端子４１及び複数の制御端子４２が設けられている。パワー端子４１及び制御端子４２は、本体部４から同じ方向に突出する共に、本体収容部５の筒状部５１の開口部５１１から外側に突出している。また、パワー端子４１は、バスバ７１を介してコンデンサ等に接続されている。また、パワー端子４１は、電源や負荷等に電気的に接続されている。また、制御端子４２は、スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路が形成された制御回路基板７２に接続されている。

同図に示すごとく、本体収容部５は、本体部４を内部に収容する筒状部５１と、筒状部５１から外側に突出してなるフランジ部５２とからなる。また、本体収容部５は、アルミニウム、銅等からなり、例えば、絞り加工等によって筒状部５１とフランジ部５２とを一体的に成形してなる。

筒状部５１は、軸方向の一端に開口部５１１を有し、他端に底部５１２を有する有底筒状を呈している。また、筒状部５１は、４つの側面５１３を有する四角形筒状を呈している。また、４つの側面５１３のうち、長手方向Ｘの側面５１３には、冷却用フィン５９（図３）が突出するように設けられている。

図５に示すごとく、フランジ部５２は、筒状部５１の開口部５１１側の端部から外側に突出して四角形板状に形成されている。また、フランジ部５２は、筒状部５１の開口部５１１の周囲において、４つの辺部を有する。具体的には、長手方向Ｘに形成されると共に短手方向Ｙに対向する一対の長手辺部５２１と、短手方向Ｙに形成されると共に長手方向Ｘに対向する一対の短手辺部５２２とを有する。

フランジ部５２の一対の長手辺部５２１及び一対の短手辺部５２２には、それぞれ本体収容部５を冷却用筐体２に固定するための固定部５３が設けられている。固定部５３は、他の部分よりも外側に突出するように設けられている。
本例において、フランジ部５２の一対の長手辺部５２１及び一対の短手辺部５２２には、それぞれ１つずつの固定部５３が設けられている。すなわち、フランジ部５２には、合計４つの固定部５３が設けられている。

また、フランジ部５２の長手辺部５２１の固定部５３は、パワー端子４１及び制御端子４２が本体部４から突出している長手方向Ｘの領域（この領域を領域Ａとする）に設けられている。本例において、領域Ａは、長手方向Ｘの一端にある制御端子４２が本体部４から突出している位置と長手方向Ｘの他端にある制御端子４２が本体部から突出している位置との間の長手方向Ｘの領域（範囲）である。
また、固定部５３には、それぞれ固定孔５３１が設けられている。固定孔５３１は、固定部５３を厚み方向に貫通して形成されている。

そして、図３、図４に示すごとく、冷却用筐体２のモジュール収容部２１には、半導体モジュール３が収容されている。半導体モジュール３の筒状部５１は、開口部５１１とは反対側の端部を冷却用筐体２側に向けて冷却用筐体２のモジュール収容部２１内に収容されている。また、フランジ部５２は、一方の主面（筒状部５１の底部５１２側の主面）が冷却用筐体２に対向するように配置されている。

また、冷却用筐体２のモジュール収容部２１に半導体モジュール３が収容された状態において、半導体モジュール３と冷却用筐体２との間には、冷媒を流通させる冷媒流路２０が形成されている。冷媒流路２０を流通する冷媒は、半導体モジュール３の本体収容部５を介し、発熱する半導体素子を内蔵する本体部４との間で熱交換を行う。これにより、半導体モジュール３の冷却を行う。

また、半導体モジュール３の本体収容部５のフランジ部５２（長手辺部５２１、短手辺部５２２）と冷却用筐体２との間には、Ｏリングからなる環状のシール材６が配設されている。シール材６は、筒状部５１の周囲を取り囲むように配置されている。これにより、半導体モジュール３と冷却用筐体２との間をシールすると共に、両者の間に形成された冷媒流路２０の密閉性を保っている。

また、半導体モジュール３の本体収容部５のフランジ部５２は、一対の長手辺部５２１及び一対の短手辺部５２２にそれぞれ１つずつ設けられた４つの固定部５３において、ボルトからなる固定部材５４を用いて冷却用筐体２に締結固定されている。具体的には、固定部材５４は、固定部５３の固定孔５３１を挿通して配置されると共に、冷却用筐体２の螺合穴２４に螺合されている。これにより、フランジ部５２におけるシール面圧（シール材６との間の面圧）を確保している。

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において、半導体モジュール３の本体収容部５は、筒状部５１とフランジ部５２とからなる。また、フランジ部５２と冷却用筐体２との間には、両者の間をシールするシール材６が配設されている。また、フランジ部５２は、筒状部５１の開口部５１１の周囲において、一対の長手辺部５２１と一対の短手辺部５２２とを有し、各長手辺部５２１及び各短手辺部５２２には、それぞれ本体収容部５を冷却用筐体２に固定するための固定部５３が設けられている。すなわち、本体収容部５のフランジ部５２のすべての辺部に、本体収容部５を冷却用筐体２に固定するための固定部５３が設けられている。

そのため、本体収容部５のフランジ部５２のすべての辺部（一対の長手辺部５２１、一対の短手辺部５２２）において、シール面圧（シール材６との間の面圧）を十分に確保することができる。また、フランジ部５２の各辺部において、シール面圧のばらつきを抑制することができる。これにより、半導体モジュール３と冷却用筐体２との間のシール性を十分に確保することができ、両者の間に形成された冷媒流路２０から冷媒が漏れ出すことを防止することができる。

また、本例において、半導体モジュール３の本体部４には、半導体素子に電気的に接続されるパワー端子４１及び制御端子４２が設けられている。また、本体収容部５におけるフランジ部５２の長手辺部５２１の固定部５３は、パワー端子４１及び制御端子４２が本体部４から突出している長手方向Ｘの領域（領域Ａ）に設けられている。
すなわち、パワー端子４１は、バスバ７１を介してコンデンサ等に接続される。また、制御端子４２は、制御回路基板７２に接続される。そのため、コンデンサ、制御回路基板７２等の他の部品の熱膨張・熱収縮によって半導体モジュール３に位置ずれ（特に短手方向Ｙへの位置ずれ）が生じる場合がある。そして、フランジ部５２におけるシール面圧の変動が繰り返し起こり、シール性の劣化を招くおそれがある。

そこで、半導体モジュール３の本体収容部５におけるフランジ部５２の長手辺部５２１の固定部５３を上記所定の領域（範囲）、つまりコンデンサ、制御回路基板７２等の熱膨張・熱収縮の影響を受けやすい領域（範囲）に設ける。これにより、その領域のシール面圧を十分に確保することができ、他の部品の熱膨張・熱収縮に起因するフランジ部５２のシール面圧の変動繰り返しを抑制し、シール性の劣化を防止することができる。その結果、半導体モジュール３と冷却用筐体２との間のシール性をより一層十分に確保することができる。

このように、本例によれば、半導体モジュール３と冷却用筐体２との間のシール性を十分に確保す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。

（実施例１）
本例は、図６、図７に示すごとく、半導体モジュール３の本体収容部５のフランジ部５２の構成を変更した例である。
図６に示すごとく、電力変換装置１は、３つの半導体モジュール３を備えている。３つの半導体モジュール３は、本体収容部５の短手方向Ｙに並んで配置されている。そして、隣り合う半導体モジュール３の本体収容部５同士において、隣り合うフランジ部５２の長手辺部５２１同士は、互いの固定部５３が冷却用筐体２に対して同じ位置で固定されている。

具体的には、図６、図７に示すごとく、隣り合うフランジ部５２の長手辺部５２１同士において、互いの固定部５３は、上下に重なるように設けられている。また、互いの固定部５３の固定孔５３１は、固定部５３の厚み方向から見た場合に同じ位置にある。そして、固定部材５４は、両固定部５３の固定孔５３１を挿通して配置されると共に、冷却用筐体２の螺合穴２４に螺合されている。
その他の基本的な構成は、参考例と同様である。

本例の場合には、隣り合う半導体モジュール３の本体収容部５同士において、隣り合うフランジ部５２の長手辺部５２１同士を１つの固定部材５４を用いて固定することが可能となる。すなわち、固定部材５４を共用することが可能となる。これにより、体格の小型化、固定箇所の低減による構造の簡素化、固定部材５４の削減による製造コストの削減等の効果を得ることができる。
その他の基本的な作用効果は、参考例と同様である。

なお、図８に示すごとく、半導体モジュール３の本体収容部５におけるフランジ部５２の長手辺部５２１の固定部５３の位置を変更し、隣り合う半導体モジュール３の本体収容部５同士の間の距離をさらに縮めた構成とすることもできる。この場合には、体格の小型化をさらに図ることができる。

（実施例２）
本例は、図９、図１０に示すごとく、半導体モジュール３の構成を変更した例である。
図９に示すごとく、電力変換装置１は、３つの半導体モジュール３を備えている。３つの半導体モジュール３は、本体収容部５の短手方向Ｙに並んで配置されている。そして、隣り合う半導体モジュール３の本体収容部５同士において、隣り合うフランジ部５２の長手辺部５２１同士は、互いの固定部５３がその厚み方向に重なるように設けられている。

具体的には、図９、図１０に示すごとく、隣り合うフランジ部５２の長手辺部５２１同士において、各長手辺部５２１の固定部５３は、上側固定部５３１と下側固定部５３２とを有する。一方の長手辺部５２１の上側固定部５３１は、他方の長手辺部５２１の下側固定部５３２の上側に重なるように配置されている。また、一方の長手辺部５２１の下側固定部５３２は、他方の長手辺部５２１の上側固定部５３１の下側に重なるように配置されている。

同図に示すごとく、３つの半導体モジュール３のうち、両側の半導体モジュール３の本体収容部５において、他の半導体モジュール３と隣り合わないフランジ部５２の一方の長手辺部５２１の固定部５３は、上側固定部５３１と下側固定部５３２とを有する。上側固定部５３１は、冷却用筐体２の上側に重なるように配置されている。また、下側固定部５３２は、冷却用筐体２に設けられた押さえ部材２５の下側に重なるように配置されている。

また、押さえ部材２５には、それぞれ固定孔２５１が設けられている。固定孔２５１は、押さえ部材２５を厚み方向に貫通して形成されている。また、固定部材５４は、押さえ部材２５の固定孔２５１を挿通して配置されると共に、冷却用筐体２の螺合穴２４に螺合されている。これにより、各半導体モジュール３における本体収容部５のフランジ部５２の長手辺部５２１は、固定部５３（上側固定部５３１、下側固定部５３２）によって冷却用筐体２に対して間接的に固定されている。
その他の基本的な構成は、参考例と同様である。

本例の場合には、隣り合う半導体モジュール３の本体収容部５同士において、隣り合うフランジ部５２の長手辺部５２１同士を重ね合わせることにより、フランジ部５２におけるシール面圧を十分に確保することができる。また、コンデンサ、制御回路基板７２（図４）等の他の部品の熱膨張・熱収縮に起因するフランジ部５２のシール面圧の変動繰り返しを抑制し、シール性の劣化を防止することができる。
その他の基本的な作用効果は、参考例と同様である。

１電力変換装置
２冷却用筐体
２０冷媒流路
２１モジュール収容部
３半導体モジュール
４本体部
５本体収容部
５１筒状部
５１１開口部
５２フランジ部
５２１長手辺部
５２２短手辺部
５３固定部
６シール材
Ｘ長手方向（本体収容部の長手方向）
Ｙ短手方向（本体収容部の短手方向）

Claims

半導体素子を有する本体部（４）と、該本体部（４）を収容する本体収容部（５）とからなる半導体モジュール（３）と、
該半導体モジュール（３）を収容するモジュール収容部（２１）を有し、該モジュール収容部（２１）に収容された上記半導体モジュール（３）との間に冷媒流路（２０）を形成してなる冷却用筐体（２）とを備え、
上記半導体モジュール（３）の上記本体収容部（５）は、一端に開口部（５１１）を有する有底筒状であり、上記本体部（４）を内部に収容すると共に上記冷却用筐体（２）の上記モジュール収容部（２１）に収容される筒状部（５１）と、該筒状部（５１）の上記開口部（５１１）側の端部から外側に突出してなるフランジ部（５２）とからなり、
該フランジ部（５２）と上記冷却用筐体（２）との間には、両者の間をシールするシール材（６）が配設されており、
上記フランジ部（５２）は、上記筒状部（５１）の上記開口部（５１１）の周囲において、上記本体収容部（５）の長手方向（Ｘ）に形成されると共に上記本体収容部（５）の短手方向（Ｙ）に対向する一対の長手辺部（５２１）と、上記短手方向（Ｙ）に形成されると共に上記長手方向（Ｘ）に対向する一対の短手辺部（５２２）とを有し、
上記各長手辺部（５２１）及び上記各短手辺部（５２２）には、それぞれ上記本体収容部（５）を上記冷却用筐体（２）に固定するための固定部（５３）が設けられ、
上記半導体モジュール（３）を複数備え、該複数の半導体モジュール（３）は、上記短手方向（Ｙ）に並んで配置されており、隣り合う上記半導体モジュール（３）の上記本体収容部（５）同士において、隣り合う上記フランジ部（５２）の上記長手辺部（５２１）同士は、互いの上記固定部（５３）が上下に重なるようにして該固定部（５３）において上記冷却用筐体（２）に対して同じ位置で固定されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項１に記載の電力変換装置（１）において、上記本体部（４）には、上記半導体素子に電気的に接続されるパワー端子（４１）及び制御端子（４２）が設けられており、上記本体収容部（５）におけるフランジ部（５２）の上記長手辺部（５２１）の上記固定部（５３）は、上記パワー端子（４１）及び上記制御端子（４２）が上記本体部（４）から突出している上記長手方向（Ｘ）の領域（Ａ）に設けられていることを特徴とする電力変換装置（１）。