JP5954016B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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り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、該筒状部の一方の端部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、半導体モジュールと冷却用筐体との間をシールするシール材が配設されている。

特開２０１０−１１０１４３号公報

しかしながら、上記特許文献１において、半導体モジュールの本体収容部は、絞り加工によって筒状部とフランジ部とを一体的に成形してなる。このとき、絞り加工によって素材が延ばされるため、その影響によって筒状部とフランジ部との間に形成された隅部近傍からフランジ部にかけてシワ等の変形が生じる場合がある。この場合、シワ等の変形が生じた部分にシール材が配設されると、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、
該フランジ部には、上記冷却用筐体に対向すると共に該冷却用筐体との間をシールするための対向シール面が設けられており、
該対向シール面には、凹部からなる変形防止部が設けられており、
上記フランジ部の上記対向シール面における上記変形防止部よりも外側部分には平面部が設けられ、且つ上記フランジ部の上記対向シール面の外周端縁部には面取部が設けられており、
上記フランジ部と上記冷却用筐体とは、上記対向シール面における上記変形防止部よりも外側においてシール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。該フランジ部には、冷却用筐体に対向してシールするための対向シール面が設けられており、該対向シール面には、凹部及び凸部の少なくともいずれか一方からなる変形防止部が設けられている。そして、フランジ部と冷却用筐体とは、対向シール面における変形防止部よりも外側においてシールされている。

そのため、例えば、半導体モジュールの本体収容部を絞り加工によって成形した場合に、筒状部とフランジ部との間に形成された隅部近傍からフランジ部にかけて生じるシワ等の変形をフランジ部の対向シール面に設けた変形防止部によって食い止めることができる。すなわち、シワ等の変形がフランジ部の対向シール面の外側に広がることを変形防止部によって抑制することができる。

これにより、半導体モジュールの本体収容部において、フランジ部の対向シール面における変形防止部よりも外側部分、つまりフランジ部と冷却用筐体とのシール位置となる部分の平面度を十分に確保することができる。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。

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、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。 実施例１における、本体収容部を示す斜視図。 図５のVI−VI線矢視断面図。 実施例１における、本体収容部を筒状部の底部側から見た平面図。 実施例１における、本体収容部を製造する工程を示す説明図。 実施例１における、本体収容部に面取及び平面加工する工程を示す説明図。 実施例２における、本体収容部を筒状部の底部側から見た平面図。 実施例２における、本体収容部を筒状部の底部側から見た平面図。 実施例３における、本体収容部を筒状部の底部側から見た平面図。 実施例４における、本体収容部を示す断面図 実施例４における、本体収容部を筒状部の底部側から見た平面図。 実施例５における、本体収容部を位置決めした状態を示す説明図。 実施例５における、本体収容部を位置決めした状態を示す説明図。

上記電力変換装置において、上記半導体モジュールの上記本体収容部の上記フランジ部と上記冷却用筐体とは、上記対向シール面における上記変形防止部よりも外側においてシールされている。両者のシールは、例えば、シール材を用いてシールすることができる。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、上記変形防止部は、上記フランジ部の上記対向シール面のうち、少なくとも上記筒状部と上記フランジ部との間に形成された隅部近傍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、半導体モジュールの本体収容部を絞り加工によって成形した場合、シワ等の変形が特に筒状部とフランジ部との間に形成された隅部近傍に生じる。そこで、このようなシワ等の変形が特に発生する隅部近傍に変形防止部を設けることにより、シワ等の変形を変形防止部によって効果的に抑制することができる。

また、上記変形防止部は、凹部からなる。
フランジ部の対向シール面における変形防止部が凹部となっていることにより、例えば、変形防止部よりも外側部分に切削等の平面加工を施すことが容易となる。これにより、対向シール面における変形防止部よりも外側部分（フランジ部と冷却用筐体とのシール位置となる部分）の平面度を確保することが容易となる。

また、上記フランジ部の上記対向シール面における上記変形防止部よりも外側部分には、平面部が設けられている。
この場合には、フランジ部の対向シール面における変形防止部よりも外側部分（フランジ部と冷却用筐体とのシール位置となる部分）に切削等の平面加工を施すことにより、その部分の平面度を高めることができる。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より十分に確保することができる。

また、上記フランジ部の上記対向シール面の外周端縁部には、面取部が設けられている。
この場合には、例えば、フランジ部の対向シール面の外周端縁部に予め面取加工を施し、その後に対向シール面における変形防止部よりも外側部分に切削等の平面加工を施すことにより、対向シール面の外周端縁部に鋭利なバリ等が発生することを防止することができる。

これにより、冷却用筐体に対して、例えばＯリング等のシール材や半導体モジュールを組み付ける際や組み付けた後にシール材が変形し、対向シール面の外周端縁部側に伸びた場合でも、バリ等によってシール材が損傷してシール性が低下することを防止することができる。また、バリ等によって冷却用筐体に組み付けられた半導体モジュールが浮き上がり（持ち上がり）、半導体モジュール（具体的には本体収容部のフランジ部の対向シール面）とシール材との間の面圧が不十分となってシール性が低下することを防止することができる。

また、上記変形防止部は、上記冷却用筐体に対する上記本体収容部の位置決めをする位置決め部でもある構成としてもよい（請求項３）。
この場合には、変形防止部の凹凸を位置決め部として利用することにより、冷却用筐体に対する本体収容部の位置決め、つまり半導体モジュールの位置決めを容易に行うことができる。

また、上記本体収容部は、上記筒状部と上記フランジ部とが一体的に構成されてなるようにしてもよい（請求項４）。
この場合には、絞り加工によって生じるシワ等の変形をフランジ部の対向シール面に設けた変形防止部によって抑制するという上述の効果を有効に発揮することができる。

（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７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。
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。

同図に示すごとく、フランジ部５２には、冷却用筐体２に対向すると共に冷却用筐体２との間をシールするための対向シール面５２１が設けられている。対向シール面５２１には、凹部からなる変形防止部５２２が設けられている。
フランジ部５２と冷却用筐体２とは、対向シール面５２１における変形防止部５２２よりも外側においてシールされている。
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。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及び複数の制御端子が設けられている。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、バスバを介して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に接続されている。

図５、図６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、絞り加工によって筒状部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。各側面５１３同士の間には、それぞれ角部５１４が形成されている。また、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。なお、冷却用フィン５９は、図５、図６において図示を省略している（後述の図７も同様）。

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、一方の主面（筒状部５１の底部５１２側の主面）が対向シール面５２１となっている。対向シール面５２１は、冷却用筐体２に対向すると共に冷却用筐体２との間をシールするための面である。

図６、図７に示すごとく、対向シール面５２１には、表面を凹ませた凹部からなる変形防止部５２２が設けられている。変形防止部５２２は、筒状部５１の周囲を取り囲むように四角形環状に設けられている。また、変形防止部５２２は、対向シール面５２１のうち、筒状部５１とフランジ部５２との間に形成された隅部３０近傍に設けられている。

また、対向シール面５２１の外周端縁部には、面取加工によって形成された面取部５２３が設けられている。また、対向シール面５２１における変形防止部５２２よりも外側部分、具体的には変形防止部５２２から面取部５２３までの領域には、切削による平面加工が施されている。
なお、図７では、対向シール面５２１において、後述するシール材６が配設される位置を点線で示す。

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、半導体モジュール３のフランジ部５２は、冷却用筐体２に対してボルト等の固定部材（図示略）を用いて固定されている。

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における本体収容部５のフランジ部５２の対向シール面５２１と冷却用筐体２との間には、Ｏリングからなるシール材６が配設されている。シール材６は、本体収容部５のフランジ部５２の対向シール面５２１における変形防止部５２２よりも外側に配置されている。これにより、冷却用筐体２と半導体モジュール３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。

次に、半導体モジュール３の本体収容部５の製造方法について簡単に説明する。
まず、図８（ａ）に示すごとく、板状の素材５０を準備する。次いで、図８（ｂ）に示すごとく、板状の素材５０に対してプレス等によって絞り加工を行う。これにより、筒状部５１とフランジ部５２とを一体的に成形してなる本体収容部５が得られる。また、フランジ部５２の対向シール面５２１には、凹部からなる変形防止部５２２が形成される。

次いで、図９（ａ）に示すごとく、本体収容部５のフランジ部５２において、対向シール面５２１の外周端縁部に面取加工を行う。これにより、対向シール面５２１の外周端縁部に面取部５２３が形成される。次いで、図９（ｂ）に示すごとく、本体収容部５の対向シール面５２１における変形防止部５２２と面取部５２３との間の領域に切削による平面加工を行う。
以上により、図５〜図７に示す本体収容部５が得られる。

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。フランジ部５２には、冷却用筐体２に対向してシールするための対向シール面５２１が設けられており、対向シール面５２１には、凹部からなる変形防止部５２２が設けられている。そして、フランジ部５２と冷却用筐体２とは、対向シール面５２１における変形防止部５２２よりも外側においてシールされている。

そのため、本例のように、半導体モジュール３の本体収容部５を絞り加工によって成形した場合に、筒状部５１とフランジ部５２との間に形成された隅部３０近傍からフランジ部５２にかけて生じるシワ等の変形をフランジ部５２の対向シール面５２１に設けた変形防止部５２２によって食い止めることができる。すなわち、シワ等の変形がフランジ部５２の対向シール面５２１の外側に広がることを変形防止部５２２によって抑制することができる。

これにより、半導体モジュール３の本体収容部５において、フランジ部５２の対向シール面５２１における変形防止部５２２よりも外側部分、つまりフランジ部５２と冷却用筐体２とのシール位置となる部分の平面度を十分に確保することができる。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、変形防止部５２２は、フランジ部５２の対向シール面５２１のうち、筒状部５１とフランジ部５２との間に形成された隅部３０近傍に設けられている。そのため、本例のように、半導体モジュール３の本体収容部５を絞り加工によって成形した場合にシワ等の変形が特に発生する隅部３０近傍に変形防止部５２２を設けることにより、シワ等の変形を変形防止部５２２によって効果的に抑制することができる。

また、変形防止部５２２は、凹部からなる。すなわち、フランジ部５２の対向シール面５２１における変形防止部５２２が凹部となっていることにより、本例のように、変形防止部５２２よりも外側部分に切削等の平面加工を施すことが容易となる。これにより、対向シール面５２１における変形防止部５２２よりも外側部分（フランジ部５２と冷却用筐体２とのシール位置となる部分）の平面度を確保することが容易となる。

また、フランジ部５２の対向シール面５２１における変形防止部５２２よりも外側部分には、平面加工が施されている。すなわち、フランジ部５２の対向シール面５２１における変形防止部５２２よりも外側部分（フランジ部５２と冷却用筐体２とのシール位置となる部分）に切削等の平面加工を施すことにより、その部分の平面度を高めることができる。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より十分に確保することができる。

また、フランジ部５２の対向シール面５２１の外周端縁部には、面取加工が施されている。そのため、本例のように、フランジ部５２の対向シール面５２１の外周端縁部に予め面取加工を施し、その後に対向シール面５２１における変形防止部５２２よりも外側部分に切削等の平面加工を施すことにより、対向シール面５２１の外周端縁部に鋭利なバリ等が発生することを防止することができる。

これにより、冷却用筐体２に対してシール材６や半導体モジュール３を組み付ける際や組み付けた後にシール材６が変形し、対向シール面５２１の外周端縁部側に伸びた場合でも、バリ等によってシール材６が損傷してシール性が低下することを防止することができる。また、バリ等によって冷却用筐体２に組み付けられた半導体モジュール３が浮き上がり（持ち上がり）、半導体モジュール３（具体的には本体収容部５のフランジ部５２の対向シール面５２１）とシール材６との間の面圧が不十分となってシール性が低下することを防止することができる。

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２）
本例は、図１０、図１１に示すごとく、変形防止部５２２を設ける位置を変更した例である。
図１０に示す例において、変形防止部５２２は、筒状部５１の４つの角部５１４近傍にそれぞれ設けられている。
その他の基本的な構成は、実施例１と同様である。

図１１に示す例において、変形防止部５２２は、筒状部５１の側面５１３のうち、短辺側の２つの側面５１３（５１３ａ）近傍にそれぞれ設けられている。また、各変形防止部５２２は、筒状部５１の２つの角部５１４近傍を含んで設けられている。
その他の基本的な構成は、実施例１と同様である。

本例の場合には、絞り加工によって生じるシワ等の変形を変形防止部５２２によって効果的に抑制することができる。すなわち、半導体モジュール３の本体収容部５を絞り加工によって成形した場合、シワ等の変形が特に筒状部５１の角部５１４近傍や短辺側の側面５１３（５１３ａ）近傍に生じる。そこで、このようなシワ等の変形が特に発生する角部５１４近傍や短辺側の側面５１３（５１３ａ）近傍に変形防止部５２２を設けることにより、シワ等の変形を変形防止部５２２によって効果的に抑制することができる。
その他の基本的な作用効果は、実施例１と同様である。

（実施例３）
本例は、図１２に示すごとく、変形防止部５２２の構成を変更した例である。
同図に示すごとく、変形防止部５２２は、筒状部５１の周囲を取り囲むように四角形環状に設けられている。ただし、変形防止部５２２は、筒状部５１の側面５１３のうち、短辺側の２つの側面５１３（５１３ａ）近傍部分の幅が長辺側の２つの側面５１３（５１３ｂ）近傍部分の幅よりも大きい。
その他の基本的な構成は、実施例１と同様である。

本例の場合には、絞り加工によって生じるシワ等の変形を変形防止部５２２によって効果的に抑制することができる。すなわち、半導体モジュール３の本体収容部５を絞り加工によって成形した場合、シワ等の変形が特に筒状部５１の短辺側の側面５１３（５１３ａ）近傍に生じる。そこで、このようなシワ等の変形が特に発生する短辺側の側面５１３（５１３ａ）近傍の変形防止部５２２の幅を大きくすることにより、シワ等の変形を変形防止部５２２によって効果的に抑制することができる。
その他の基本的な作用効果は、実施例１と同様である。

（実施例４）
本例は、図１３、図１４に示すごとく、変形防止部５２２の形状を変更した例である。
同図に示すごとく、半導体モジュール３の本体収容部５において、フランジ部５２の対向シール面５２１には、表面を突出させた凸部からなる変形防止部５２２が設けられている。変形防止部５２２は、対向シール面５２１のうち、筒状部５１とフランジ部５２との間に形成された隅部３０近傍に設けられているが、隅部３０から所定の間隔を空けて設けられている。
その他の基本的な構成及び作用効果は、実施例１と同様である。

（実施例５）
本例は、図１５、図１６に示すごとく、変形防止部５２２を本体収容部５の位置決め部として利用した例である。
図１５に示すごとく、冷却用筐体２には、凹部からなる変形防止部５２２に係合する係合凸部２４が設けられている。変形防止部５２２は、冷却用筐体２の係合凸部２４に係合している。これにより、冷却用筐体２に対する本体収容部５の位置決めがなされる
その他の基本的な構成は、実施例１と同様である。

図１６に示すごとく、冷却用筐体２のモジュール収容部２１には、凸部からなる変形防止部５２２の一部が収容されている。変形防止部５２２は、冷却用筐体２のモジュール収容部２１の内壁に当接している。これにより、冷却用筐体２に対する本体収容部５の位置決めがなされる。
その他の基本的な構成は、実施例４と同様である。

本例の場合には、変形防止部５２２の凹凸を位置決め部として利用することにより、冷却用筐体２に対する本体収容部５の位置決め、つまり半導体モジュール３の位置決めを容易に行うことができる。
その他の基本的な作用効果は、実施例１、４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 対向シール面
５２２ 変形防止部

Claims (4)

1. 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）内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）には、上記冷却用筐体（２）に対向すると共に該冷却用筐体（２）との間をシールするための対向シール面（５２１）が設けられており、
   該対向シール面（５２１）には、凹部からなる変形防止部（５２２）が設けられており、
   上記フランジ部（５２）の上記対向シール面（５２１）における上記変形防止部（５２２）よりも外側部分には平面部が設けられ、且つ上記フランジ部（５２）の上記対向シール面（５２１）の外周端縁部には面取部が設けられており、
   上記フランジ部（５２）と上記冷却用筐体（２）とは、上記対向シール面（５２１）における上記変形防止部（５２２）よりも外側においてシール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、上記変形防止部（５２２）は、上記フランジ部（５２）の上記対向シール面（５２１）のうち、少なくとも上記筒状部（５１）と上記フランジ部（５２）との間に形成された隅部（３０）近傍に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１または２に記載の電力変換装置（１）において、上記変形防止部（５２２）は、上記冷却用筐体（２）に対する上記本体収容部（５）の位置決めをする位置決め部でもあることを特徴とする電力変換装置（１）。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置（１）において、上記本体収容部（５）は、上記筒状部（５１）と上記フランジ部（５２）とが一体的に構成されてなることを特徴とする電力変換装置（１）。

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