JP6102691B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールの動作制御をする制御回路基板と、これらを収容するケースとを備える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、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールの動作制御を行う制御回路基板と、これらを収容するケースとを備えるものが知られている。
上記半導体モジュールは、半導体素子を内蔵する本体部と、該本体部から突出した複数の制御端子とを備える。この制御端子に上記制御回路基板を接続してある。制御回路基板は、制御端子に、該制御端子の先端部が延出する方向である延出方向から接続している。例えば、制御回路基板にスルーホールを形成し、このスルーホールに制御端子を挿入して、はんだ付け等をするよう構成してある。
また、上記ケースは、半導体モジュールを取り囲む壁部と、上記延出方向に開口した開口部と、該開口部に取り付けられるカバーとを備える。
電力変換装置を製造するときには、上記壁部内に半導体モジュール等を収容し、制御端子に制御回路基板を接続する。このとき、制御端子の位置はばらついているため、位置を矯正しなければ、制御端子をスムーズに制御回路基板に接続できない。そのため上記電力変換装置では、治具を使って制御端子の位置合わせをし、その後、制御端子に制御回路基板を接続するようにしている。
位置合わせをするときには、制御端子をケースの開口部から突出させておき、この状態で、上記延出方向に直交する方向から、櫛歯状の治具を挿し込む。そして、治具を用いて制御端子の位置合わせをした後、制御回路基板を制御端子に上記延出方向から近づけ、これらを接続する。接続作業が終了した後、治具を抜き取り、開口部に上記カバーを取り付ける。このようにして、電力変換装置を製造する。
特開2011−233794号公報
しかしながら、上記電力変換装置は、制御端子の位置合わせ工程を行うときに、制御端子を、ケースの開口部から必ず突出させなければならない。このようにしないと、制御端子の位置決め作業を行うときに、ケースの壁部に遮られて、治具を挿入できないからである。そのため、上記電力変換装置は、制御端子を開口部から必ず突出させる必要があり、設計自由度が低いという問題がある。
近年、電力変換装置の設計自由度をより高めたいという要求がある。例えば、電力変換装置内の他の電子部品やコネクタ等との位置関係によっては、半導体モジュールを、開口部から離れた、ケースの奥の方に配置したい場合がある。この場合、半導体モジュールの制御端子は、ケース内に存在し、開口部から突出しなくなる。そのため、制御端子の位置合わせ作業を行おうとしても、壁部に遮られて治具をケース内に入れられず、位置合わせ作業を行えないという問題が生じる。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、制御端子が開口部から突出しない場合でも、制御端子の位置合わせ作業を容易に行うことが可能な電力変換装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、半導体素子を内蔵する本体部と、該本体部から突出した複数の制御端子とを備える半導体モジュールと、
上記制御端子に接続し、上記半導体モジュールの動作制御をする制御回路基板と、
上記半導体モジュール及び上記制御回路基板を収容するケースとを備え、
上記制御回路基板は、上記制御端子に、該制御端子の先端が延出する方向である延出方向から接続しており、
上記ケースは、上記半導体モジュール及び上記制御回路基板を取り囲む壁部と、上記延出方向へ開口した開口部と、上記壁部に形成した補助開口部と、上記開口部を塞ぐカバーと、上記補助開口部を塞ぐ補助カバーとを備え、
上記補助開口部は、上記制御端子に向かって、上記延出方向に直交する方向へ貫通するように形成されており、
上記補助カバーは、上記補助開口部に上記延出方向から挿入され、上記補助開口部の開口方向と上記延出方向との双方に直交する直交方向における、上記補助開口部の両端部は、上記延出方向における上記補助カバーの挿入先に向かうほど、上記直交方向における間隔が次第に短くなるテーパ状に形成されていることを特徴とする電力変換装置にある。
上記電力変換装置においては、ケースの上記壁部に上記補助開口部を形成してある。
そのため、制御端子の位置合わせ作業を行うときに、制御端子が開口部から突出していなくても、位置合わせをすることが可能になる。すなわち、上記電力変換装置では、壁部に補助開口部を形成してあるため、治具を、ケース外から補助開口部を通してケース内に挿入することができる。したがって、開口部よりもケース内側に存在する制御端子を、治具を使って位置合わせすることができる。そして、このように位置合わせをした後、上記開口部から制御回路基板を入れ、制御回路基板と制御端子とを接続する工程を行うことができる。
以上のごとく、本発明によれば、制御端子が開口部から突出しない場合でも、制御端子の位置合わせ作業を容易に行うことが可能な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、電力変換装置の斜視図。 実施例1における、制御端子の位置決め工程を行っているときの、電力変換装置の斜視図。 実施例1における、制御端子の位置決め工程を説明するための、電力変換装置の側面図。 図3に続く側面図。 実施例1における、制御回路基板と制御端子とをはんだ付けした部分の断面図。 実施例1における、補助カバーを取り付ける工程の説明図。 実施例1における、電力変換装置の平面図。 図7のVIII-VIII断面図。 図7のIX-IX断面図。 実施例1における、補助カバーの拡大斜視図。 実施例1における、ケースに補助カバーを取り付ける工程を説明するための断面図。 図11に続く図。 実施例1における、電力変換装置の回路図。 参考例1における、制御回路基板を取り付ける前の状態での、電力変換装置の側面図。 参考例1における、制御回路基板を取り付けた状態での、電力変換装置の側面図。 参考例1における、電力変換装置の側面図。 補助カバーを取り付ける途中の状態における、図16のXVII-XVI断面図。 図17に続く図であって、補助カバーを取り付けた後の図。 参考例1における、制御回路基板がケースの壁部に隠れている電力変換装置の側面図。 実施例における、電力変換装置の断面図。 実施例における、電力変換装置の平面図。
上記補助開口部は、例えば、壁部の開口縁に、切り欠き状に形成することができる。この場合、補助開口部は、上記開口部と繋がることになる。また、補助開口部は、上記開口部とは独立して開口するように形成してもよい。
また、上記電力変換装置は、例えば、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置とすることができる。
(実施例1)
上記電力変換装置に係る実施例について、図1〜図13を用いて説明する。図2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、制御回路基板3(図6参照)と、ケース4とを備える。
半導体モジュール2は、半導体素子20(図13参照)を内蔵する本体部21と、該本体部21から突出した複数の制御端子22とを備える。制御回路基板3は、この制御端子22に、該制御端子22の先端部220が延出する方向である延出方向(Z方向)から接続している。制御回路基板3は、半導体モジュール2の動作制御を行う。半導体モジュール2及び制御回路基板3は、ケース4に収容されている。
図1、図2に示すごとく、ケース4は、壁部40と、開口部5aと、壁部40に形成された補助開口部5bと、カバー6aと、補助カバー6bとを備える。壁部40は、半導体モジュール2及び制御回路基板3を取り囲んでいる。開口部5aは、Z方向へ開口している。カバー6aは、開口部5aを塞いでいる。補助カバー6bは、補助開口部5bを塞いでいる。
図2、図3に示すごとく、補助開口部5bは、制御端子22に向かって、Z方向に直交する方向から貫通するように形成されている。
本例の電力変換装置1は、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。
図2、図7に示すごとく、本例では、複数の半導体モジュール2と、該半導体モジュール2を冷却する複数の冷却管10とを積層して、積層体11を構成してある。また、図7〜図9に示すごとく、ケース4内には、上記積層体11及び制御回路基板3の他に、コンデンサ82、リアクトル83、DC−DCコンバータ84が収容されている。
電力変換装置1を製造するときには、ケース4内に積層体11やリアクトル83等を収容し、加圧部材13を用いて、積層体11を加圧する。これにより、積層体11をケース4内に固定する。その後、半導体モジュール2の制御端子22に、制御回路基板3を接続する工程を行う。この際、図2に示すごとく、まず櫛歯状の治具7を、ケース外から補助開口部5bを通してケース内に挿入し、制御端子22の位置合わせを行う。その後、図3に示すごとく、制御回路基板3を開口部5aから入れて、制御端子22に制御回路基板3を接続する。
図3、図4に示すごとく、制御回路基板3には複数のスルーホール30を形成してある。制御端子22の位置合わせ作業を行った後、個々のスルーホール30に、個々の制御端子22を挿入する。そして、図5に示すごとく、制御端子22と制御回路基板3とをはんだ付けする。はんだ付けは、開口部5a側から行う。はんだ12の一部は、スルーホール30を通って、制御回路基板3の裏側に回り込む。本例では、はんだ付けを行った後、はんだ12のうち制御回路基板3の裏側に回り込んだ部分(バックフィレット120)の形状を、補助開口部5bから目視チェックしている。
このように、制御端子22に制御回路基板3を接続する作業を行った後、治具7を引き抜き、図6に示すごとく、補助開口部5bに補助カバー6bを取り付ける。補助カバー6bは、Z方向から挿入される。また、補助カバー6bを取り付けた後、開口部5aにカバー6a(図1参照)を取り付ける。
図3に示すごとく、補助開口部5bの開口方向(Y方向)とZ方向との双方に直交する直交方向(X方向)における、補助開口部5bの両端部51,52は、補助カバー6bの挿入先(図面の下側)に向かうほど、X方向の間隔Lが次第に短くなるテーパ状に形成されている。
また、図3に示すごとく、上記両端部51,52は、複数の制御端子22のうちX方向における両端にそれぞれ位置する端部制御端子22a,22bよりも、X方向において積層体11の外側に位置している。
図2、図6に示すごとく、本例の補助開口部5bは、開口部5aと繋がっている。すなわち、本例の補助開口部5bは、壁部40の開口部5a側の端面400を部分的に切り欠いた形状をしている。補助開口部5bの周辺には、補助カバー6bを壁部40に締結するための補助雌螺子部41が形成されている。
また、図3に示すごとく、補助開口部5bには、X方向間隔が相対的に広い第1部分53と、該第1部分53よりもX方向間隔が狭い第2部分54とがある。補助開口部5bをY方向から見ると、第2部分54内に、制御端子22を視認できるようになっている。
図10に示すごとく、補助カバー6bは、2個のボルト挿通孔61と、2個の雌螺子部62とを備える。補助カバー6bを補助開口部5bに取り付け(図1参照)、ボルト64をボルト挿通孔61に挿入して、上記補助雌螺子部41に螺合してある。これにより、補助カバー6bを壁部40に固定している。また、補助カバー6bを取り付けた状態では、補助カバー6bの端面63は、壁部40の端面400(図2参照)と面一になる。これらの端面63,400にシール材を塗布し、カバー6aを取り付けるよう構成されている。補助カバー6bの雌螺子部62は、カバー6aと補助カバー6bを締結するために用いられる。
図3、図6に示すごとく、壁部40には、補助開口部5bの一方の端部51と、底部55と、他方の端部52とに渡って延びる突条部56を形成してある。また、図11に示すごとく、補助カバー6bには、上記突条部56が嵌合する溝部66が形成されている。ケース4には、突条部56のケース外側に外側端面401を形成してある。外側端面401は、突条部56のケース外側面561に直交している。また、ケース4には、突条部56のケース内側に内側端面402を形成してある。内側端面402は、突条部56のケース内側面562に直交している。
補助カバー6bを取り付けるときには、図11に示すごとく、突条部56の先端面560に液状ガスケット42を塗布しておく。その後、図12に示すごとく、補助カバー6bを取り付け、溝部66に突条部56を嵌合させる。このようにすると、液状ガスケット42が押圧され、溝部66と突条部56の間に液状ガスケット42が行き渡る。この液状ガスケット42によって、補助カバー6bと壁部40との間をシールしている。また、本例では、補助カバー6bを組み付けた状態において、外側端面401と補助カバー6bとの間に第1ギャップG1を形成してあると共に、内側端面402と補助カバー6bとの間に第2ギャップG2を形成してある。そのため、先端面560に塗布した液状ガスケット42の量が多すぎた場合でも、ギャップG1,G2に液状ガスケット42を溜めることができ、液状ガスケット42がケース外、又はケース内に漏出する不具合を抑制できる。
補助カバー6bを補助開口部5bに取り付けた後、壁部40の端面400(図6参照)と、補助カバー6bの端面63とに、それぞれ図示しないシール材を塗布する。そして、カバー6a(図1参照)を取り付ける。このシール材により、カバー6aと開口部5aとの間をシールしている。
次に、ケース4内の構造等について、詳細に説明する。図7に示すごとく、積層体11を構成する複数の冷却管10のうち、X方向に隣り合う2個の冷却管10は、Y方向における両端にて、連結管14によって連結されている。また、複数の冷却管10のうち、X方向における一方の端部に位置する冷却管10aには、冷媒17を導入するための導入管15と、冷媒17を導出するための導出管16とが取り付けられている。冷媒17を導入管15から導入すると、冷媒17は連結管14を通って全ての冷却管10内を流れ、導出管16から導出する。これにより、半導体モジュール2を冷却するよう構成されている。
また、ケース4内には、加圧部材13(板ばね)を配設してある。この加圧部材13によって積層体11をX方向に加圧し、ケース4の内壁部450に積層体11を押し当てている。これにより、半導体モジュール2と冷却管10との接触圧を確保しつつ、積層体11をケース4内に固定している。
図8、図9に示すごとく、制御回路基板3にZ方向に隣り合う位置には、補助制御回路基板39を設けてある。補助制御回路基板39は、制御回路基板3の動作を補助している。補助制御回路基板39と制御回路基板3とは、制御コネクタ38によって接続されている。
図9に示すごとく、半導体モジュール2は、上記本体部21と、上記制御端子22と、本体部21から突出する複数のパワー端子23とを備える。パワー端子23には、直流電圧が加わる正極端子23a及び負極端子23bと、交流負荷81(図13参照)に接続される交流端子23cとがある。正極端子23a及び負極端子23bは、図示しない直流バスバーによって、コンデンサ82に接続されている。また、交流端子23には、交流バスバー29の一端291が接続している。交流バスバー29の他端292は、ケース4に形成したコネクタ挿入孔19から視認できる位置に存在している。コネクタ挿入孔19に、図示しない出力コネクタを差し込み、交流バスバー29に接続するよう構成されている。これにより、半導体モジュール2の交流端子23cを、交流負荷81に電気的に接続している。
また、図9に示すごとく、積層体11に対してZ方向に隣り合う位置には、DC−DCコンバータ84を設けてある。DC−DCコンバータ84は、直流電源80(図13参照)の直流電圧を降圧して、低圧バッテリー89を充電するために設けられている。
また、図7、図8に示すごとく、ケース4には、図示しない入力コネクタをとりつけるためのコネクタ接続部18が形成されている。
次に、電力変換装置1の回路図の説明をする。図13に示すごとく、本例の電力変換装置1は、昇圧部85及びインバータ部86を備える。昇圧部85とインバータ部86は、それぞれ複数の上記半導体モジュール2によって構成されている。
昇圧部85に含まれる半導体モジュール2aをスイッチング動作させることにより、リアクトル83を利用して、直流電源80の直流電圧を昇圧している。昇圧した直流電圧は、コンデンサ82によって平滑化される。また、本例では、インバータ部86に含まれる半導体モジュール2bをスイッチング動作させることにより、平滑化した直流電圧を交流電圧に変換し、交流負荷81(三相交流モータ)を駆動するよう構成されている。
本例の作用効果について説明する。本例では図2に示すごとく、ケース4の壁部40に補助開口部5bを形成してある。
そのため、制御端子22の位置合わせ作業を行うときに、制御端子22が開口部5aから突出していなくても、位置合わせをすることが可能になる。すなわち、本例では、壁部40に補助開口部5bを形成してあるため、治具7を、ケース外から補助開口部5bを通してケース内に挿入することができる。そのため、開口部5aよりもケース内側に存在する制御端子22を、治具7を使って位置合わせすることができる。また、このように位置合わせをした後、図3に示すごとく、開口部5aから制御回路基板3を入れ、制御回路基板3と制御端子22とを接続することができる。
また、本例では、制御回路基板3と制御端子22とを接続した後、接続部35(バックフィレット120:図5参照)を、Y方向から目視チェックしている。本例では、壁部40に補助開口部5bを形成してあるため、この補助開口部5bから、接続部35を目視チェックすることができる。
また、本例では図6、図7に示すごとく、複数の半導体モジュール2と冷却管10とを積層して、積層体11を構成してある。個々の半導体モジュール2に含まれる制御端子22は、制御回路基板3に接続している。
積層体11を構成すると、半導体モジュール2や冷却管10の公差が積み重なるため、制御端子22の位置がX方向にばらつきやすくなる。そのため本例のように、治具7を用いて、制御端子22の位置合わせをできるようにする要求が大きい。
また、本例では図3に示すごとく、X方向における補助開口部5bの両端部51,52は、複数の制御端子22のうちX方向における両端にそれぞれ位置する端部制御端子22a,22bよりも、X方向において積層体11の外側に位置している。
そのため、補助開口部5bから治具7を挿入して、全ての制御端子22の位置合わせをすることができる。
また、本例では図6に示すごとく、補助カバー6bを、補助開口部5bにZ方向から挿入するよう構成してある。図3に示すごとく、X方向における補助開口部5bの両端部51,52は、Z方向における補助カバー6bの挿入先に向かうほど、X方向における間隔Lが次第に短くなるテーパ状に形成されている。
このようにすると、両端部51,52に液状ガスケット42(図11、図12参照)を塗布した後に補助カバー6bを取り付けたときに、両端部51,52と補助カバー6bとの間に液状ガスケット42を充分に残しやすくなる。すなわち、仮に、両端部51,52をテーパ状にせず、Z方向に平行に形成したとすると、補助カバー6bを挿入するときに、両端部51,52のZ方向における開口部5a側から底部55側まで、補助カバー6bが両端部51,52に接触しながら移動することになる。そのため、両端部51,52に塗布した液状ガスケット42がそぎ落とされてしまうおそれがある。しかしながら、本例のように両端部51,52をテーパ状にすれば、補助カバー6bを取り付けるときに、補助カバー6bが両端部51,52に接触しながら移動する距離を短くすることができる。そのため、両端部51,52と補助カバー6bとの間に液状ガスケット42を残しやすくなり、これらの間のシール性を高めることが可能になる。
以上のごとく、本例によれば、制御端子が開口部から突出しない場合でも、制御端子の位置合わせ作業を容易に行うことが可能な電力変換装置を提供することができる。
なお、本例では図2に示すごとく、補助開口部5bを、複数の壁部40のうち、積層体11に対して冷却管10の長手方向に隣り合う壁部40bに形成したが、本例はこれに限るものではない。例えば、別の壁部40aに補助開口部5bを形成してもよい。
本例では、積層体11を構成したため、制御端子22が積層体11の積層方向にばらつきやすくなる。そのため上記壁部40bに補助開口部5bを形成し、制御端子22を、積層方向に直交する方向から視認できるようにしてある。これにより、制御端子22を積層方向に位置合わせできるようにしてある。しかしながら、制御端子22の位置ばらつきが、冷却管10の長手方向に大きい場合には、上述した別の壁部40aに補助開口部5bを形成することが望ましい。これにより、制御端子22を上記長手方向に位置合わせできるようになる。
参考例1
以下の実施例においては、図面に用いた符号のうち、実施例1に用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例1と同様の構成要素等を表す。
本例は、補助開口部5bおよび補助カバー6bの形状を変更した例である。図14に示すごとく、本例の補助開口部5bは、開口部5aとは繋がっていない。すなわち、本例では、補助開口部5bと開口部5aとの間に、壁部40の一部409が存在している。
電力変換装置1を製造するときには、実施例1と同様に、ケース4内に半導体モジュール2等を収容する。そして、補助開口部5bから治具7を挿入して、制御端子22の位置合わせをする。その後、図15に示すごとく、制御回路基板3を制御端子22に接続し、治具7を引き抜く。次いで、図16に示すごとく、補助開口部5bに補助カバー6bを取り付け、さらに、開口部5aにカバー6aを取り付ける。
図14に示すごとく、補助開口部5bの周辺には、補助カバー6bを載置するための載置部48が形成されている。また、載置部48の周囲には、補助開口部5bの開口方向(Y方向)に突出する環状リブ68を形成してある。
載置部48には、雌螺子部41と位置決めピン65とが形成されている。補助カバー6bを取り付けるときには、図16に示すごとく、補助カバー6bに形成した位置決め孔650に位置決めピン65を挿入する。これにより、補助カバー6bの位置決めを行う。その後、ボルト64を雌螺子部41に螺合する。これにより、補助カバー6bを壁部40に締結する。
図17に示すごとく、補助カバー6bには、曲げ強度を高めるための凹部67を形成してある。補助カバー6bを取り付けるときには、載置部48に液状ガスケット48を塗布しておく。この状態で補助カバー6bを取り付けると、液状ガスケット48が補助カバー6bに押圧され、補助カバー6bの周囲にはみ出す。本例では、この液状ガスケット48を環状リブ68によって堰き止め、環状リブ68の外側に液状ガスケット48が流出しないようにしてある。
なお、本例では図15に示すごとく、補助開口部5bから視認できる位置に制御回路基板3を取り付けてあるが、本発明はこれに限るものではない。例えば図19に示すごとく、壁部40の一部409とY方向に重なる位置に、制御回路基板3を取り付けてもよい。
その他、実施例1と同様の構成および作用効果を備える。
(実施例
本例は、半導体モジュール2の構造を変更した例である。図20、図21に示すごとく、本例では、1個の半導体モジュール2と、1個の冷却器109とを備える。すなわち、本例では実施例1と異なり、積層体11(図7参照)を構成していない。半導体モジュール2から、複数本の制御端子22が突出している。個々の制御端子22は、制御回路基板3に接続している。また、本例では実施例1と同様に、補助カバー6bを取り付けていない状態では、補助開口部5bから制御端子22を視認できるようになっている。
図20に示すごとく、冷却器109内には、冷媒が流れる流路101を形成してある。冷却器109に、半導体モジュール2を片面のみ接触させ、冷却するよう構成してある。
その他、実施例1と同様の構成および作用効果を備える。
1 電力変換装置
2 半導体モジュール
20 半導体素子
21 本体部
22 制御端子
3 制御回路基板
4 ケース
40 壁部
5a 開口部
5b 補助開口部
6a カバー
6b 補助カバー

Claims (3)

  1. 半導体素子(20)を内蔵する本体部(21)と、該本体部(21)から突出した複数の制御端子(22)とを備える半導体モジュール(2)と、
    上記制御端子(22)に接続し、上記半導体モジュール(2)の動作制御をする制御回路基板(3)と、
    上記半導体モジュール(2)及び上記制御回路基板(3)を収容するケース(4)とを備え、
    上記制御回路基板(3)は、上記制御端子(22)に、該制御端子(22)の先端(220)が延出する方向である延出方向から接続しており、
    上記ケース(4)は、上記半導体モジュール(2)及び上記制御回路基板(3)を取り囲む壁部(40)と、上記延出方向へ開口した開口部(5a)と、上記壁部(40)に形成した補助開口部(5b)と、上記開口部(5a)を塞ぐカバー(6a)と、上記補助開口部(5b)を塞ぐ補助カバー(6b)とを備え、
    上記補助開口部(5b)は、上記制御端子(22)に向かって、上記延出方向に直交する方向へ貫通するように形成されており、
    上記補助カバー(6b)は、上記補助開口部(5b)に上記延出方向から挿入され、上記補助開口部(5b)の開口方向と上記延出方向との双方に直交する直交方向における、上記補助開口部(5b)の両端部(51,52)は、上記延出方向における上記補助カバー(6b)の挿入先に向かうほど、上記直交方向における間隔(L)が次第に短くなるテーパ状に形成されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
  2. 複数の上記半導体モジュール(2)と、該半導体モジュール(2)を冷却する冷却管(10)とを積層した積層体(11)を構成してあることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置(1)。
  3. 上記補助開口部(5b)の開口方向と上記延出方向との双方に直交する直交方向における、上記補助開口部(5b)の両端部(51,52)は、複数の上記制御端子(22)のうち上記直交方向における両端にそれぞれ位置する端部制御端子(22a,22b)よりも、上記直交方向において上記積層体(11)の外側に位置していることを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置(1)。
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