JP6161713B2 - 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、特に車両駆動用の電力変換装置に関する。
ハイブリッド自動車や電気自動車には、モータを駆動する複数個のインバータを含む電力変換装置が搭載されている。インバータは、電池から供給された直流電力を交流電力に変換してモータを駆動し、また、逆にモータで回生した交流電力を直流電力に変換し蓄電装置に蓄電する。各インバータは、パワー半導体素子を有する半導体モジュールを備え、パワー半導体素子のオン・オフ動作を制御してモータを駆動する。
オン・オフ動作に伴って、パワー半導体素子から発生される発熱量は大変大きいため、半導体モジュールは、冷却能力の高い構造であることが要求される。
この要求に応えるために、例えば、特許文献１の半導体モジュールは、半導体素子のオン・オフ動作によって発生する熱を半導体モジュールの両面から放熱させ、冷却能力の向上を図る方法が示されている。
特許文献１に示された半導体モジュールを、電力変換装置に複数個搭載する際に、個々の半導体モジュールにおいて良好な放熱性を得る為、放熱部と隣接させるように水路壁を設け水路断面積を絞り冷却水を放熱ケースの放熱部に多く流す必要がある。個々の半導体モジュールに対し、水路壁を設けることや水路壁と放熱部の干渉が起こらないように隙間をとる必要があり電力変換装置は大型化するという課題がある。
また半導体モジュールは流路形成体等に固定されるためにフランジ部を有するが、流路形成体とフランジ部と接続するためのスペースが電力変換装置の小型化の妨げとなるおそれがあった。
特開２０１０−１１０１４３号公報
そこで本発明の課題は、電力変換装置の小型化を図ることである。また本発明の追加的な課題として、電力変換装置の冷却性能を向上させることである。
本発明に係る電力変換装置は、第１パワー半導体モジュールと、第２パワー半導体モジュールと、前記第１パワー半導体モジュールを固定する固定部材と、を備え、前記第１パワー半導体モジュールは、第１パワー半導体素子と、当該第１パワー半導体素子を収納する第１ケースと、当該ケースに接続される第１フランジ部と、を有し、前記第２パワー半導体モジュールは、第２パワー半導体素子と、当該第２パワー半導体素子を収納する第２ケースと、を有し、前記第２ケースは、当該第２ケースが前記第１ケースとの間に冷媒を流すための第１流路空間を設けるように、前記第１フランジ部に接続され、前記第１フランジ部は、前記第１ケース及び前記第２パワー半導体モジュールを支持した状態で前記固定部材に固定される。
本発明により、電力変換装置を小型化させることができる。
本実施形態のパワー半導体モジュールを複数組み立てたアッセンブリ１０の外観斜視図である。 アッセンブリ１０を分解した分解斜視図である。 図２の平面Ａの矢印方向から見た第１パワー半導体モジュール１の断面図である。 図２の平面Ｂの矢印方向から見た第２パワー半導体モジュール２の断面図である。 図１の平面Ｃの矢印方向から見たアッセンブリ１０の断面図である。 第２パワー半導体モジュール２のフィン２０２のみを残した第１パワー半導体モジュール１の側面図である。 第２パワー半導体モジュール２を組み付時における、第２パワー半導体モジュール２のフィン２０２のみを残した第１パワー半導体モジュール１の側面図である。 本実施形態の半導体冷却ユニット４００の一方の面側の外観斜視図である。 半導体冷却ユニット４００の他方の面側の外観斜視図である。 半導体冷却ユニット４００の封止樹脂４０７を除去した外観斜視図である。 さらに図１０の導体部４０４及び導体部４０３を取り除いた外観斜視図である。 本実施形態の半導体ユニット４００に内蔵される回路構成の一例を示す回路図である。 アッセンブリ１０を流路形成体５０２に組み付ける工程を示した外観斜視図である。 流路形成体５０２に組み込まれたアッセンブリ１０の断面図である。 図１４の一点鎖線を通る平面を矢印方向から見た他の実施形態に係る電力変換装置の断面図である。 図１４の一点鎖線を通る平面を矢印方向から見た他の実施形態に係る電力変換装置の断面図である。 他の実施形態に係るアッセンブリ１１を流路形成体５０２に組み込んだ状態を示す断面図である。 他の実施形態に係る電力変換装置の断面図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施形態を説明する。
図１は、本実施形態のパワー半導体モジュールを複数組み立てたアッセンブリ１０の外観斜視図である。図２は、アッセンブリ１０を分解した分解斜視図である。
第１パワー半導体モジュール１は、後述する半導体ユニット４００を収納する第１ケース１１０を有する。第１ケース１１０は、半導体ユニット３０から延びる端子を貫通させる開口部（不図示）を形成する。第１フランジ部１０３は、第１ケース１１０の開口部を囲むように形成される。
第２パワー半導体モジュール２は、半導体ユニット３０を収納する第２ケース２１０を有する。第２ケース２１０は、半導体ユニット４００から延びる端子を貫通させる開口部２２１を形成する。第２フランジ部２０３は、開口部２２１を囲むように形成される。 第３パワー半導体モジュール３は、半導体ユニット３０を収納する第３ケース３１０を有する。第３ケース３１０は、半導体ユニット４００から延びる端子を貫通させる開口部３２１を形成する。第３フランジ部３０３は、開口部３２１を囲むように形成される。 貫通孔１０６は、第１フランジ部１０３であって、第２パワー半導体モジュール２の開口部２２１と対向する領域に形成される。貫通孔１０７は、第１フランジ部１０３であって、第３パワー半導体モジュール３の開口部３２１と対向する領域に形成される。さらに貫通孔１０４ａは貫通孔１０６の短手方向の一方の辺の側部に形成され、貫通孔１０４ｂは貫通孔１０６の短手方向の他方の辺の側部に形成される。貫通孔１０８ａは貫通孔１０７の短手方向の一方の辺の側部に形成され、貫通孔１０８ｂは貫通孔１０７の短手方向の他方の辺の側部に形成される。
第２ケース２１０は、ネジ等の固定具１０５と接続される接続部２０４ａ及び接続部２０４ｂが形成される。接続部２０４ａは開口部２２１の短手方向の一方の辺の側部に形成され、接続部２０４ｂは開口部２２１の短手方向の他方の辺の側部に形成される。開口部２２１の開口面の垂直方向から見た場合、溝部２０５は、開口部２２１と接続部２０４ａ及び接続部２０４ｂを囲むように形成される。シール部材２０６は、溝部２０５に嵌め込まれる。
同様に、第３ケース３１０は、固定具１０５と接続される接続部３０４ａ（不図示）及び接続部３０４ｂが形成される。接続部３０４ａは開口部３２１の短手方向の一方の辺の側部に形成され、接続部３０４ｂは開口部３２１の短手方向の他方の辺の側部に形成される。開口部３２１の開口面の垂直方向から見た場合、溝部３０５は、開口部３２１と接続部３０４ａ及び接続部３０４ｂを囲むように形成される。シール部材３０６は、溝部３０５に嵌め込まれる。
第２ケース２１０は、固定具１０５が接続部２０４ａ及び接続部２０４ｂに接続されることにより、第１フランジ部１０３に接続される。同様に第３ケース３１０は、固定具１０５が接続部３０４ａ及び接続部３０４ｂに接続されることにより、第１フランジ部１０３に接続される。第３ケース３１０は、第１ケース１１０を挟んで第２ケース２１０と対向する位置に配置される。
第１ケース１１０は、第２ケース２１０に向かって形成された面にフィン１０１を有し、かつ第３ケース３１０に向かって形成された面にフィン１０２（図３参照）を有する。第２ケース２１０は、第１ケース１１０に向かって形成された面にフィン２０２ （図４参照）を有し、かつ第１ケース１１０が配置された側の面とは反対側の面にフィン２０１を有する。同様に第３ケース３１０は、第１ケース１１０に向かって形成された面にフィン３０１ を有し、かつ第１ケース１１０が配置された側の面とは反対側の面にフィン３０２ （図５参照）を有する。
図３は、図２の平面Ａの矢印方向から見た第１パワー半導体モジュール１の断面図である。
半導体ユニット４００は、ＩＧＢＴ４０１やダイオード４０２の半導体素子と、ＩＧＢＴ４０１やダイオード４０２と半田材を介して接続される導体部４０３ないし４０６と、半導体素子や導体部を封止する封止樹脂４０７と、を有する。半導体ユニット４００の詳細構造については、図８ないし図１２にて説示する。
第１ケース１１０は、枠体１１１とフィンベース部１１２とフィンベース部１１３とにより構成される。枠体１１１は、互いに対向する２つの開口部を形成する。フィンベース部１１２は、枠体１１１の一方の開口部を塞ぐ。フィンベース部１１３は、枠体１１１の他方の開口部を塞ぐ。
半導体ユニット４００は、フィンベース部１１２とフィンベース部１１３との間の空間に配置される。さらに半導体ユニット４００の一方の面は、絶縁部材４０８を介してフィンベース部１１２と熱的に接続される。半導体ユニット４００の他方の面は、絶縁部材４０９を介してフィンベース部１１３と熱的に接続される。絶縁部材４０８及び４０９は、高熱伝導性の絶縁層であり、絶縁シートを用いたり、溶射膜を用いたりする。
本実施形態においては、熱伝達率を向上させるために、フィンベース部１１２はフィン１０２と一体に形成され、フィンベース部１１３はフィン１０１と一体に形成される。また、フィンベース部１１２とフィンベース部１１３は、例えば、熱伝導性が良好なＡ１０５０等のアルミニウムにより構成される。
また、フィンベース部１１２及びフィンベース部１１３は、フィン１０１やフィン１０２が形成されるフィン形成部と、このフィン形成部を囲む外周部４１０とにより構成される。そして、この外周部４１０は、フィン形成部よりも薄く形成される。この薄く形成された外周部４１０は、フィン形成部の位置を調整して半導体ユニット４００を固定する。
枠体１１１は、強度を向上させるために、フィンベース部１１２及びフィンベース部１１３よりも剛性が高いアルミニウム等で形成される。第１フランジ部１０３は、フィンベース部１１２のフィン形成面に対して垂直方向に形成される。
図４は、図２の平面Ｂの矢印方向から見た第２パワー半導体モジュール２の断面図である。
半導体ユニット４００は、図３にて説示した半導体ユニットと構造及び機能が同一のため説明を省略する。
第２ケース２１０は、枠体２１１とフィンベース部２１２とフィンベース部２１３とにより構成される。枠体２１１は、互いに対向する２つの開口部を形成する。フィンベース部２１２は、枠体２１１の一方の開口部を塞ぐ。フィンベース部２１３は、枠体２１１の他方の開口部を塞ぐ。
半導体ユニット４００は、フィンベース部２１２とフィンベース部２１３との間の空間に配置される。さらに半導体ユニット４００の一方の面は、絶縁部材４０８を介してフィンベース部２１２と熱的に接続される。半導体ユニット４００の他方の面は、絶縁部材４０９を介してフィンベース部２１３と熱的に接続される。
本実施形態においては、熱伝達率を向上させるために、フィンベース部２１２はフィン２０２と一体に形成され、フィンベース部２１３はフィン２０１と一体に形成される。また、フィンベース部２１２とフィンベース部２１３は、例えば、熱伝導性が良好なＡ１０５０等のアルミニウムにより構成される。
また、フィンベース部２１２及びフィンベース部２１３は、フィン２０１やフィン２０２が形成されるフィン形成部と、このフィン形成部を囲む外周部４１０とにより構成される。そして、この外周部４１０は、フィン形成部よりも薄く形成される。この薄く形成された外周部４１０は、フィン形成部の位置を調整して半導体ユニット４００を固定する。
枠体２１１は、強度を向上させるために、フィンベース部２１２及びフィンベース部２１３よりも剛性が高いアルミニウム等で形成される。第２フランジ部２０３は、フィンベース部２１２のフィン形成面に対して垂直方向に形成される。
なお、第３ケース３１０は、第２ケース２１０と構造及び機能において同一なので、説明を省略する。
図５は、図１の平面Ｃの矢印方向から見たアッセンブリ１０の断面図である。
第２ケース２１０は、この第２ケース２１０が第１ケース１１０との間に冷媒を流すための流路空間５００を形成するように、第１フランジ１０３に接続される。この流路空間５００に流れる冷媒の流速は、冷媒の流れ方向（図５の紙面の垂直方向）に対する流路空間５００の垂直断面積の大きさによって変化する。それにより、第１ケース１１０及び第２ケース２１０の冷却性能が変化する。
一方、流路空間５００の垂直断面積を小さくすることにより冷媒の流速を増加させて冷却性能を向上させようとした場合、第１ケース１１０の第１フランジ部１０３と第２ケース２１０の第２フランジ部２０３が干渉してしまい、冷媒の流速の調整が困難となるおそれがある。つまり、第１ケース１１０と第２ケース２１０がそれぞれ個別に固定部材（図５では不図示）に固定される場合、第１ケース１１０と固定部材との間のシール構造部と、第２ケース２１０と固定部材との間のシール構造部とのそれぞれが流路空間５００ の上部に設けられることになる。
そこで、本実施形態のように第２ケース２１０が第１ケース１１０の第１フランジ部１０３に固定されるように形成され、かつ第１フランジ部１０３が第１ケース１１０と第２ケース２１０を支持した状態で固定部材に固定される。これにより、流路空間５００ の上部におけるシール構造部が少なくなり、流路空間５００の垂直断面積の調整による冷却性能の向上をやり易くなる。また、アッセンブリ１０自体を小型化することによって電力変換装置全体の小型化に寄与する。
なお、上述の作用効果は第３ケース３１０についても同様である。第３ケース３１０は、この第３ケース３１０が第１ケース１１０との間に冷媒を流すための流路空間５０１を形成するように、第１フランジ１０３に接続される。これにより第３ケース３１０は、第１ケース１１０を挟んで第２ケース２１０と対向して配置されることにより、第１ケース１１０は第２ケース２１０側の面と第３ケース３１０側の面の両面を効率的に冷却することができるとともに、電力変換装置全体の更なる小型化が促進される。
なお、本実施形態においては、第１ケース１１０と第２ケース２１０と第３ケース３１０の３つを用いたが、第１ケース１１０と第２ケース２１０の２つでも同様の作用効果を有する。
なお、本実施形態においては、第２ケース２１０や第３ケース３１０を第１フランジ部１０３に配置する際、弾性部材により構成されたシール部材２０６や３０６を用い、それを押し潰すことで第１フランジ部１０３に水密性を持たせる。一方、弾性部材により構成されたシール部材２０６や３０６を用いずに、第２ケース２１０や第３ケース３１０を第１フランジ部１０３に溶接等に接合するようにしてもよい。
また、絶縁性樹脂材４１１は、半導体ユニット４００を第１ケース１１０と第２ケース２１０と第３ケース３１０のそれぞれ挿入した状態で、各ケースに充填される。さらに絶縁性樹脂材４１１は、第１フランジ１０３の貫通孔１０６や貫通孔１０７の中にも配置される。つまり貫通孔１０６や貫通孔１０７の内壁と端子との間には、絶縁性樹脂材４１１が配置される。これにより、第２ケース２１０から延びる端子や第３ケース３１０から延びる端子が第１フランジ１０３に接触することを防止し、絶縁信頼性の向上や組み立て時の破損防止を図ることができる。
なお、本実施形態では、第１ケース１１０は、絶縁性樹脂材４１１や封止樹脂４０７とは別の部材で構成されているが、これらを樹脂材料等により一体として第１ケース１１０としてもよい。例えば、枠体１１１と絶縁性樹脂材４１１を一体の樹脂材料として、フィンベース部１１２やフィンベース部１１３を金属としてよい。第２ケース２１０や第３ケース３１０についても同様である。
また、フィン１０１は、流路空間５００において、このフィン１０１の先端部１１４がフィン１０１とフィンベース部１１３との接続部１１５よりもフィンベース部２１２に近づくように形成される。さらにフィン２０１は、流路空間５００において、このフィン２０１の先端部２１４がフィン２０１とフィンベース部２１２との接続部２１５よりもフィンベース部１１３に近づくように形成される。これにより、第１ケース１１０と第２ケース２１０の冷却性能を向上させるとともに小型化を促進することができる。なお、流路空間５０１における、フィン１０２及びフィン３０２も同様な関係と作用効果を奏する。 図６は、第２パワー半導体モジュール２のフィン２０２のみを残した第１パワー半導体モジュール１の側面図である。斜線部で示したフィン１０１が第１パワー半導体モジュール１のフィンであり、塗り潰されたフィン２０２が第２パワー半導体モジュール２のフィンである。図７は、第２パワー半導体モジュール２を組み付時における、第２パワー半導体モジュール２のフィン２０２のみを残した第１パワー半導体モジュール１の側面図である。
矢印Ｆは、冷媒の流れ方向を示す。フィン１０１は、冷媒の流れ方向Ｆを横切る方向に並べられた第１列フィン群１１６を含んで構成される。そしてフィン２０２は、冷媒の流れ方向Ｆと対向する当該フィン２０２の幅が第１列フィン群１１６を構成する隣り合うフィンの間の距離Ｄよりも大きくなるように形成される。さらに冷媒の流れ方向Ｆから投影した場合、フィン２０２は、当該フィン２０２の射影部が第１列フィン群１１６を構成する隣り合うフィンの間に重なるように配置される（図５参照）。 これにより、フィン１０１とフィン２０２との間に流れる冷媒は、冷媒の流れ方向に対して効率良く流されることになり、冷却性能が向上する。なお、流路空間５０１における、フィン１０２及びフィン３０１も同様な関係と作用効果を奏する。
また、フィン１０１は、冷媒の流れ方向Ｆを横切る方向に並べられた第２列フィン群１１７を含んで構成される。そして、第２列フィン群１１７は、冷媒の流れ方向Ｆにおける当該第２列フィン群１１７と第１列フィン群１１６との間の距離Ｌが冷媒の流れ方向Ｆに沿ったフィン２０２の幅よりも大きくなるように配置される。これにより、第２ケース２１０が第１フランジ部１０３に接続される際の挿入方向は、冷媒の流れ方向Ｆを横切る方向である場合、接続部の位置決めや固定具１０５による固定作業時に、フィン１０１とフィン２０２が干渉することを避けることができ、冷却性能を維持しながら、生産性を向上させることができる。
図８は、本実施形態の半導体冷却ユニット４００の一方の面側の外観斜視図である。図９は、半導体冷却ユニット４００の他方の面側の外観斜視図である。図１０は、半導体冷却ユニット４００の封止樹脂４０７を除去した外観斜視図である。図１１は、さらに図１０の導体部４０４及び導体部４０３を取り除いた外観斜視図である。
図１０に図示されるように、導体部４０３と導体部４０４はそれぞれの主面が仮想同一面上に重なるように配置される。導体部４０５と導体部４０６はそれぞれの主面が仮想同一面上に重なるように配置される。図８に図示されるように、導体部４０３と導体部４０４のそれぞれの主面の一部が封止樹脂４０７から露出して放熱面を形成する。同様に図９に図示されるように、導体部４０５と導体部４０６のそれぞれの主面の一部が封止樹脂４０７から露出して放熱面を形成する。
直流正極端子４１２は、導体部４０６と接続され、かつ封止樹脂４０７から突出する。直流負極端子４１３は、導体部４０３と接続され、かつ封止樹脂４０７から突出する。交流端子４１５は、導体部４０５と接続され、かつ封止樹脂４０７から突出する。上アーム側ゲート端子４１６は、ボンディングワイヤ４１９を介して、上アーム回路を構成するＩＧＢＴ４０１のゲート電極と接続される。下アーム側ゲート端子４１７は、ボンディングワイヤ４１９を介して、下アーム回路を構成するＩＧＢＴ４０１のゲート電極と接続される。温度信号端子４１８は、ボンディングワイヤ４１９を介して、温度素子と接続される。
ＩＧＢＴ４０１やダイオード４０２は、導体部４０３ないし４０６に、金属接合材を介してそれぞれ接合される。金属接合材としては、例えば、半田材や銀シート及び微細金属粒子を含んだ低温焼結接合材等を用いる。
封止樹脂４０７は、信頼性向上および導体部４０３ないし４０６の保持を目的として設けられるものである。封止樹脂４０７は、例えば、エポキシ樹脂を用いて、トランスファーモールドにより形成される。
図１２は、本実施形態の半導体ユニット４００に内蔵される回路構成の一例を示す回路図である。図１２に図示された回路は、インバータ回路の１相分の回路構成を示す。
半導体ユニット４００の半導体素子としては、ＩＢＧＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）からなるパワートランジスタが用いられる。
導体部４０５には、上アーム側のＩＧＢＴ４０１のコレクタ電極と上アーム側のダイオード４０２のカソード電極が接続される。導体板４０４には、下アーム側のＩＧＢＴ４０１のコレクタ電極と下アーム側のダイオード４０２のカソード電極が接続される。このように構成された半導体ユニット４００を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相分を設けて一つのインバータ回路を構成したのが、図１にて示されたアセンブリ１０である。本実施形態に係る電力変換装置１００は、このようなアセンブリ１０を搭載したものであり、 小型及び冷却性能が優れているため、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載電機システムの車両駆動用電機システムに用いることができる。なお、車両用と同様な使用環境であれば、本実施形態に係る電力変換装置１００を適用することは有用である。
図１３は、アッセンブリ１０を流路形成体５０２に組み付ける工程を示した外観斜視図である。図１４は、流路形成体５０２に組み込まれたアッセンブリ１０の断面図である。
流路形成体５０２は、主に液体である冷媒を流すための流路５０７と、この流路５０７と繋がる開口５０３と、を形成する。溝部５０４は、開口５０３を囲むように形成され、この溝部５０４にシール部材５０５が嵌め込まれる。
アッセンブリ１０は、第１フランジ部１０３が第１ケース１１０と第２パワー半導体モジュール２と第３パワー半導体モジュール３を支持した状態で、固定具５０６によって流路形成体５０２に固定される。ここで流路形成体５０２は、固定部材として機能する。 これにより、第１パワー半導体モジュール１と第２パワー半導体モジュール２と第３パワー半導体モジュール３は、第１フランジ１０３で開口５０３を塞ぐことにより、流路５０７に収納される。
図１４に示されるように、流路５０７は、第２パワー半導体モジュール２を挟んで流路空間５００と対向する位置に流路空間５０８を設けるように形成される。これにより、第２パワー半導体モジュール２は、流路空間５００と流路空間５０８の両側から冷却することができ、かつ第１ケース１１０と第２ケース２１０の外側を直接冷却することができるために、冷却性能を向上させることができる。
言い換えると、本実施形態により、少なくとも二つの、第１パワー半導体モジュール１と第２パワー半導体モジュール２を、流路形成体５０２に別々に水密性をもたせ取付ける必要がないことから、パワー半導体モジュールと流路形成体５０２間のシールは、二箇所から一箇所に減らせることができ、小型化を促進させることができる。
また、第１パワー半導体モジュール１の第１フランジ部１０３のフランジ面に別のパワー半導体モジュールを流路側から取付けることから、流路形成体５０２の壁部厚さもシール巾の一部として用いることが出来る。このようにして半導体モジュールを並列に配置し水密性を確保した上でパワー半導体モジュール同士を隣接して配置出来ることから複数のパワー半導体モジュールを搭載する際、搭載する領域を小形化することが出来る。
また、図１４に示されるように、流路５０７は、第３パワー半導体モジュール３を挟んで流路空間５０１と対向する位置に流路空間５０９を設けるように形成される。これにより、第３パワー半導体モジュール３は、流路空間５０１と流路空間５０９の両側から冷却することができ、かつ第１ケース１１０と第３ケース３１０の外側を直接冷却することができるために、冷却性能を向上させることができる。
また、半導体ユニット４００のＩＧＢＴ４０１，ダイオード４０２から発生した熱は、導体部４０３ないし４０６、絶縁部材４０８や４０９、フィンベース部１１２等の順に伝導し、フィン１０１等から熱される。放熱効率を向上させる為に、冷媒は冷却する必要性がない部位に流さないようにして、フィン１０１等のフィン形成領域に流すようにする。そこで、流路５０７は、その底部に凹部５１０ないし５１２を形成する。具体的には、凹部５１０は、フィン１０１及びフィン１０２が形成されていない第１ケース１１０の側面及び底面が収納されるように形成される。凹部５１１は、フィン２０１及びフィン２０２が形成されていない第２ケース２１０の側面及び底面が収納されるように形成される。凹部５１２は、フィン３０１及びフィン３０２が形成されていない第３ケース３１０の側面及び底面が収納されるように形成される。凹部５１０の底部は、第１パワー半導体モジュール１が他の第２パワー半導体モジュール２や第３パワー半導体モジュール３よりも高い位置に配置されていることから、他の凹部５１１の底部と凹部５１２の底部よりも高い位置に形成される。また、フィン１０１と第２フランジ部２０３との間には、他の部材に破損を与えないようなゴム等により構成された流れ抑制部材５１３が配置される。またフィン２０１と第２フランジ部２０３との間、フィン１０２と第３フランジ部３０３との間、フィン３０２と第３フランジ部３０３との間、のそれぞれに、流れ抑制部材５１３が配置される。これにより、冷媒はフィン形成領域に流れ易くなり、冷却性能を向上させることができる。
図１５は、図１４の一点鎖線を通る平面を矢印方向から見た他の実施形態に係る電力変換装置の断面図である。図１ないし図１４にて示した図面番号と同じ構成は同様の作用効果を奏する。ここでは、図１ないし図１４で説示された電力変換装置とは異なる部分を中心に説明する。
第１パワー半導体モジュール１と第２パワー半導体モジュール２との間に設けられる流路空間５００は冷媒の流れ方向に対してフィン１０１とフィン２０２が重なり合うので、冷媒の流れ方向に沿った流路空間５００の断面積が、冷媒の流れ方向に沿った流路空間５０８の断面積よりも小さくなる。流路空間５００と流路空間５０８の冷媒流量を平衡化させるために、そこで、流路形成体５０２は、流路空間５０８であって、第２ケース２１０に向かって突出する突出部５１４を有する。これにより、第２パワー半導体モジュール２の冷却性能を向上させることができるとともに電力変換装置の小型化に寄与する。
また、パワー半導体素子４０１の電極面と垂直方向Pから投影した場合、突出部５１４は、突出部５１４の射影部がパワー半導体素子４０１の射影部と重なるように配置される。これにより、発熱体であるパワー半導体素子４０１の近傍で冷媒の流速を速め、放熱性を向上させることができる。
なお、流路空間５０９側に設けられた突出部５１５についても、上記と同様の作用効果を奏する。
図１６は、図１４の一点鎖線を通る平面を矢印方向から見た他の実施形態に係る電力変換装置の断面図である。図１ないし図１４にて示した図面番号と同じ構成は同様の作用効果を奏する。ここでは、図１ないし図１４で説示された電力変換装置とは異なる部分を中心に説明する。
第２ケース２１０は、流路空間５００に配置されるフィン２０２と流路空間５０８に配置されるフィン２０１を有する。一方、第１ケース１１０は、流路空間５００に、フィンを形成しない。これにより、流路空間５００と流路空間５０８に流れる冷媒流量は平衡化するようになり、各パワー半導体モジュールにおいてばらつきの少ない放熱性を確保出来る。また、第２パワー半導体モジュール２のフィン２０２は、その先端部が第１パワー半導体モジュール１の第１ケース１１０に向かって突出するように形成され、フィン２０２の先端部と第１ケース１１０との間において流路が絞られ冷媒の流速が増すことから、放熱面積の減少による放熱性への影響を小さくすることが出来る。
同様に、第３ケース３１０は、流路空間５０１に配置されるフィン３０１と流路空間５０９に配置されるフィン３０２を有する。一方、第１ケース１１０は、流路空間５０１に、フィンを形成しない。これにより上記と同様に作用効果を奏する。
なお、上記と同様の作用効果を奏する構造として、第１ケース１１０は、流路空間５００に配置されるフィン２と流路空間５０１に配置されるフィンを有して、一方、第２ケース２１０は流路空間５００にフィンを形成しないようにし、第３ケース３１０は流路空間５０１にフィンを形成しないように構成してよい。
図１７は、他の実施形態に係るアッセンブリ１１を流路形成体５０２に組み込んだ状態を示す断面図である。図１ないし図１４にて示した図面番号と同じ構成は同様の作用効果を奏する。ここでは、図１ないし図１４で説示された電力変換装置とは異なる部分を中心に説明する。
第２ケース２１０は正極直流端子４１２等を第２ケース２１０の外部に突出させるための開口部２２１を形成し、第３ケース３１０は正極直流端子４１２等を第３ケース３１０の外部に突出させるための開口部３２１を形成する。そして、第１フランジ部１０３は、第２ケース２１０の開口部２２１を形成する部分が嵌め込まれる貫通孔１１８を形成するとともに、第３ケース３１０の開口部３２１を形成する部分が嵌め込まれる貫通孔１１９を形成する。これにより正極直流端子４１２等は、貫通孔１１８や貫通孔１１９を挟んで第２パワー半導体モジュール２や第３パワー半導体モジュール３が配置された側とは反対側に突出することになる。よって、第２パワー半導体モジュール２の端子や第３パワー半導体モジュール３の端子は、第１フランジ部１０３との干渉を抑制することができ、絶縁信頼性や組立性を向上させることができる。また第１パワー半導体モジュール１と第２パワー半導体モジュール２と第３パワー半導体モジュール３のそれぞれの端子の先端の高さを揃えることができたり、第１パワー半導体モジュール１と第２パワー半導体モジュール２と第３パワー半導体モジュール３の底面の位置を揃えることができたりし、小型化や組立性を向上させることができる。なお、第１フランジ部１０３と第２ケース２１０は水密性が有り熱変形の小さい接合方法、例えばレーザー溶接等により接続される。
図１８は、他の実施形態に係る電力変換装置の断面図である。第１パワー半導体モジュール１の第１ケース１１０と第３パワー半導体モジュール３の第３ケース３１０の間に配置されるフィン１０２とフィン３０１の軸方向（フィンの突出方向）で一部重なり合う。言い換えると冷媒の流れ方向Fから見たときにフィン１０２とフィン３０１が重なり合う。
第３ケース３１０と流路形成体５０２との間の長さをYとすると、フィン１０２とフィン３０１の重なり合う長さは、約２／３Yとする。ここで、フィン３０２は、長さYとほぼ同一とする。そしてフィン１０２とフィン３０１とフィン３０２は同じ長さである
このような構成により、第１パワー半導体モジュール１と第３パワー半導体モジュール３の夫々のフィン１０２及びフィン３０１は、他方のパワー半導体モジュールに対して、１／３Ｙの隙間が生じる。これより、重なり合わない部位の流路断面積は、S1とS2の２箇所ある為、流路空間５０９に対し合計２／３の流路断面積を確保出来る。また、フィン１０２とフィン３０１の重なり合う長さは、フィン全長Ｙの２／３あるが、流路空間５０１のフィン密度は流路空間５０９のフィン密度よりも２倍大きくなる為、流路断面積は、半分の１／３相当となる。よって、流路空間５０１と流路空間５０９の流路断面積は同一となり、冷媒をバランスよく流すことができ、ばらつきの少ない放熱性を確保出来る。
１…第１パワー半導体モジュール、２…第２パワー半導体モジュール、３…第３パワー半導体モジュール、１０…アッセンブリ、１０１…フィン、１０２…フィン、１０３…第１フランジ部、１０４ａ…貫通孔、１０４ｂ…貫通孔、１０６…貫通孔、１０７…貫通孔、１０８ａ…貫通孔、１０８ｂ…貫通孔、１１０…第１ケース、１１１…枠体、１１２…フィンベース部、１１３…フィンベース部、１１４…先端部、１１５…接続部、１１６…第１列フィン群、１１７…第２列フィン群、１１８…貫通孔、１１９…貫通孔、２０１…フィン、２０２…フィン、２０３…第２フランジ部、２０４ａ…接続部、２０４ｂ…接続部、２０５…溝部、２０６…シール部材、２１０…第２ケース、２１１…枠体、２１２…フィンベース部、２１３…フィンベース部、２１４…先端部、２１５…接続部、２２１…開口部、３０１…フィン、３０２…フィン、３０３…第３フランジ部、３０４ａ…接続部、３０４ｂ…接続部、３０５…溝部、３０６…シール部材、３１０…第３ケース、３１１…枠体、３１２…フィンベース部、３１３…フィンベース部、３２１…開口部、４００…半導体ユニット、４０１…ＩＧＢＴ、４０２…ダイオード、４０３…導体部、４０４…導体部、４０５…導体部、４０６…導体部、４０７…封止樹脂、４０８…絶縁部材、４０９…絶縁部材、４１０…外周部、４１１…絶縁性樹脂材、４１２…正極直流端子、４１３…負極直流端子、４１５…交流端子、４１６…上アーム側ゲート端子、４１７…下アーム側ゲート端子、４１８…温度信号端子、５００…流路空間、５０１…流路空間、５０２…流路形成体、５０３…開口、５０４…溝部、５０５…シール部材、５０６…固定具、５０７…流路、５０８…流路空間、５０９…流路空間、５１０…凹部、５１１…凹部、５１２…凹部、５１３…流れ抑制部材、５１４…突出部、５１５…突出部、Ｄ…第１列フィン群１１６を構成する隣り合うフィンの間の距離、Ｆ…冷媒の流れ方向、Ｌ…第２列フィン群１１７と第１列フィン群１１６との間の距離

Claims (13)

  1. 第１パワー半導体モジュールと、第２パワー半導体モジュールと、前記第１パワー半導体モジュールを固定する固定部材と、を備える電力変換装置であって、
    前記第１パワー半導体モジュールは、第１パワー半導体素子と、当該第１パワー半導体素子を収納する第１ケースと、当該第１ケースに接続される第１フランジ部と、を有し、
    前記第２パワー半導体モジュールは、第２パワー半導体素子と、当該第２パワー半導体素子を収納する第２ケースと、を有し、
    前記第２ケースは、当該第２ケースが前記第１ケースとの間に冷媒を流すための第１流路空間を設けるように、前記第１フランジ部に接続され、
    前記第１フランジ部は、前記第１ケース及び前記第２パワー半導体モジュールを支持した状態で前記固定部材に固定される電力変換装置。
  2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
    第３パワー半導体素子と当該第３パワー半導体素子を収納する第３ケースを有する第３パワー半導体モジュールを備え、
    前記第３ケースは、前記第１ケースを挟んで前記第２ケースと対向して配置され、
    さらに前記第３ケースは、当該第３ケースが前記第１ケースとの間に冷媒を流すための第２流路空間を設けるように、前記第１フランジ部に接続され、
    前記第１フランジ部は、前記第１ケース及び前記第３パワー半導体モジュールを支持した状態で前記固定部材に固定される電力変換装置。
  3. 請求項１または２に記載された電力変換装置であって、
    前記固定部材は、冷媒を流すための流路を形成する流路形成体であり、
    前記流路形成体は、前記流路と繋がる開口を形成し、
    前記第１パワー半導体モジュール及び前記第２パワー半導体モジュールは、前記第１フランジ部で前記開口を塞ぐことにより、前記流路に収納され、
    前記流路は、前記第２パワー半導体モジュールを挟んで前記第１流路空間と対向する位置に第２流路空間を設けるように形成される電力変換装置。
  4. 請求項１または２に記載された電力変換装置であって、
    前記第２パワー半導体モジュールは、前記第２パワー半導体素子に流す電流又は制御信号を伝達するための端子を有し、
    前記第２ケースは、前記端子を当該第２ケースの外部に突出させるための開口部を形成し、
    前記第１フランジ部は、前記端子を貫通させるための貫通孔を形成し、
    前記貫通孔の内壁と前記端子との間には、絶縁性樹脂材が配置される電力変換装置。
  5. 請求項１ないし４に記載のいずれかの電力変換装置において、
    前記第１ケースは、第１フィンと、当該第１フィンと接続される第１フィンベースと、を有し、
    前記第２ケースは、第２フィンと、当該第２フィンと接続される第２フィンベースと、を有し、
    前記第１フィンは、前記第１流路空間において、当該第１フィンの先端部が当該第１フィンと前記第１フィンベースとの接続部よりも前記第２フィンベースに近づくように形成され、
    前記第２フィンは、前記第１流路空間において、当該第２フィンの先端部が当該第２フィンと前記第２フィンベースとの接続部よりも前記第１フィンベースに近づくように形成される電力変換装置。
  6. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
    前記第１フィンは、冷媒の流れ方向を横切る方向に並べられた第１列フィン群を含んで構成され、
    前記第２フィンは、冷媒の流れ方向と対向する当該第２フィンの幅が前記第１列フィン群を構成する隣り合うフィンの間の距離よりも大きくなるように形成され、
    冷媒の流れ方向から投影した場合、前記第２フィンは、当該第２フィンの射影部が前記第１列フィン群を構成する隣り合うフィンの間に重なるように配置される電力変換装置。
  7. 請求項６に記載の電力変換装置であって、
    前記第１フィンは、冷媒の流れ方向を横切る方向に並べられた第２列フィン群を含んで構成され、
    前記第２列フィン群は、前記冷媒の流れ方向における当該第２列フィン群と前記第１列フィン群との間の距離が前記冷媒の流れ方向に沿った前記第２フィンの幅よりも大きくなるように配置され、
    前記第２ケースが前記第１フランジ部に接続される際の挿入方向は、前記冷媒の流れ方向を横切る方向である電力変換装置。
  8. 請求項３に記載された電力変換装置であって、
    前記第１ケースは、前記第１流路空間に配置される第１フィンを有し、
    前記第２ケースは、前記第１流路空間と前記第２流路空間に分かれて配置される複数の第２フィンを有し、
    前記流路形成体は、前記第２流路空間であって、当該第２ケースに向かって突出する突出部を有する電力変換装置。
  9. 請求項８に記載された電力変換装置であって、
    前記第２パワー半導体素子の電極面と垂直方向から投影した場合、前記突出部は、当該突出部の射影部が前記第２パワー半導体素子の射影部と重なるように配置される電力変換装置。
  10. 請求項３に記載された電力変換装置であって、
    前記第２ケースは、前記第１流路空間と前記第２流路空間に分かれて配置される複数のフィンを有し、
    前記第１ケースは、前記第１流路空間に、フィンを形成しない電力変換装置。
  11. 請求項１０に記載された電力変換装置であって、
    第３パワー半導体素子と当該第３パワー半導体素子を収納する第３ケースを有する第３パワー半導体モジュールを備え、
    前記第３ケースは、前記第１ケースを挟んで前記第２ケースと対向して配置され、
    さらに前記第３ケースは、当該第３ケースが前記第１ケースとの間に冷媒を流すための第３流路空間を設けるように、前記第１フランジ部に接続され、
    前記第１フランジ部は、前記第１ケース及び前記第３パワー半導体モジュールを支持した状態で前記流路形成体に固定され、
    前記流路は、前記第３パワー半導体モジュールを挟んで前記第３流路空間と対向する位置に第４流路空間を設けるように形成され、
    前記第３ケースは、前記第３流路空間と前記第４流路空間に分かれて配置される複数のフィンを有し、
    前記第１ケースは、前記第３流路空間に、フィンを形成しない電力変換装置。
  12. 請求項３に記載された電力変換装置であって、
    前記第１ケースは、前記第１流路空間に配置される第１フィンを有し、
    前記第２ケースは、前記第２流路空間に配置される第２フィンを有し、
    さらに前記第２ケースは、前記第１流路空間に、フィンを形成しない電力変換装置。
  13. 請求項１または２に記載された電力変換装置であって、
    前記第２パワー半導体モジュールは、前記第２パワー半導体素子に流す電流又は制御信号を伝達するための端子を有し、
    前記第２ケースは、前記端子を当該第２ケースの外部に突出させるための開口部を形成し、
    前記第１フランジ部は、前記第２ケースの開口部を形成する部分が嵌め込まれる貫通孔を形成し、
    前記端子は、前記貫通孔を挟んで前記第２パワー半導体モジュールが配置された側とは反対側に突出する電力変換装置。
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