JP6236236B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体積層ユニットを積層方向に押圧する加圧部材を備える電力変換装置に関する。

コンバータやインバータ等の電力変換装置には、半導体モジュールとこれを冷却する冷却管とを積層した半導体積層ユニットを備えたものがある。半導体積層ユニットの積層方向の端部には、半導体積層ユニットを積層方向に加圧するための加圧部材が配置されている。半導体積層ユニットと加圧部材とは、フレーム内に配置されている。

加圧部材に用いられる板バネ部材は、半導体積層ユニット側へ突出するように湾曲した押圧部と、該押圧部の両端において同じく半導体積層ユニット側へ突出するように湾曲した一対の支承部とを有する。一対の支承部とフレームとの間に、それぞれ支承体が配置されている。これにより、板バネ部材は、一対の支承部において、半導体積層ユニットと反対側から支承され、押圧部によって半導体積層ユニットを押圧している（特許文献１）。

電力変換装置を組み立てる際には、まず、フレーム内に、半導体積層ユニットと共に板バネ部材を配置する。
次いで、板バネ部材における一対の板バネ端部に押圧治具を当接させて板バネ部材を半導体積層ユニット側へ押し込む。これにより板バネ部材を弾性変形させた形状で、一対の支承部の後方位置においてフレーム内に一対の支承体を配置する。
次いで、押圧治具を後退させて板バネ部材が復元する方向に一対の支承部を変位させることにより、支承部とフレームの内壁との間に支承体が狭持される状態で板バネ部材を支承体に支承させる。このようにして、半導体積層ユニットが板バネ部材によって積層方向に加圧された電力変換装置を得る。

特開２００９−２７８０５号公報

しかしながら、上述のように押圧治具を当接させる領域を板バネ端部に確保するために、板バネ部材の両端を、支承体よりも充分に側方に配置する必要がある。したがって、板バネ部材の長手方向の寸法が大きくなってしまい、この方向において電力変換装置を小型化しにくくなる。
ここで、単純に押圧部を短くして一対の支承部の間の距離を短くすることは、板バネ部材のバネ特性を変化させることとなってしまう。それゆえ、電力変換装置の小型化のために一対の支承部の間の距離を短くすることは設計上の困難を伴う。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、支承体の並び方向における小型化を図りやすい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、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを積層してなる半導体積層ユニットと、
該半導体積層ユニットを内側に配置するフレームと、
該フレームの内側において、上記半導体積層ユニットにおける積層方向の端部に配置され、上記半導体積層ユニットを上記積層方向に押圧する加圧部材と、
該加圧部材と上記フレームの内壁面との間に配置された、互いに別体の一対の支承体と、を備え、
上記加圧部材は、一対の上記支承体の並び方向に長尺の板バネ部材を有し、
該板バネ部材は、上記半導体積層ユニット側へ突出するように湾曲した押圧部と、上記並び方向における上記押圧部の両端において上記半導体積層ユニットと反対側へ突出するように湾曲した一対の支承部と、該支承部から更に上記押圧部と反対側へ延設された一対の延設部とを有し、
上記支承体は、上記積層方向における上記支承部と上記フレームの上記内壁面との間に介設されており、
上記延設部の上記支承部と反対側の端縁である一対の板バネ端部と、一対の該板バネ端部に対して上記積層方向に対向する上記内壁面との間には、一対の上記板バネ端部を上記積層方向の上記半導体積層ユニット側へ押し込んで上記板バネ部材を弾性変形させるための押圧治具を配置することができる治具配置空間があり、
上記支承体は、上記板バネ部材の上記支承部との当接面を、平面、あるいは上記支承部の形状に沿った凹状面としていることを特徴とする、電力変換装置にある。

上記板バネ部材においては、支承体によって支承される一対の支承部が、押圧部の両端において半導体積層ユニットと反対側へ突出するように湾曲している。それゆえ、半導体積層ユニット側へ突出するように湾曲させた支承部を形成する場合に比べて、一対の支承部の間の距離を短くすることができる。その結果、延設部を長くしなくても、一対の支承体の並び方向において、板バネ部材における一対の支承体の外側に張り出した領域を充分に確保しやすい。すなわち、電力変換装置の組立ての際、一対の支承体の外側から、押圧治具にて板バネ部材の両端を押し込んで弾性変形させるとき、押圧治具を当接させることができる延設部の領域を十分に確保しつつ、板バネ部材の長さを短くすることができる。これにより、支承体の並び方向における電力変換装置の寸法を小さくすることが可能となる。

また、一対の支承部が、押圧部の両端において半導体積層ユニットと反対側へ突出するように湾曲していることにより、押圧部の長さを短くすることなく、支承部間の長さを短くすることができる。それゆえ、板バネ部材のばね定数の調整が困難となることを防ぐことができる。

以上のごとく、本発明によれば、支承体の並び方向における小型化を図りやすい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、電力変換装置の平面図。 実施例１における、板バネ部材及び支承体の斜視図。 実施例１における、電力変換装置の製造方法の説明図。 実施例２における、支承体の説明図。 実施例３における、電力変換装置の後端の平面図。

上記電力変換装置としては、例えば、コンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例につき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール２１と、半導体モジュール２１を冷却する冷却管２２とを積層してなる半導体積層ユニット２と、半導体積層ユニット２を内側に配置するフレーム３とを有する。
フレーム３の内側には、半導体積層ユニット２における積層方向の端部に配置され、半導体積層ユニット２を積層方向に押圧する加圧部材４が配設され、加圧部材４とフレーム３の内壁面３１との間には、一対の支承体５が配置されている。

加圧部材４は、板バネ部材４１を有する。板バネ部材４１は、半導体積層ユニット２側へ突出するように湾曲した押圧部４１１と、押圧部４１１の両端において半導体積層ユニット２と反対側へ突出するように湾曲した一対の支承部４１２と、支承部４１２から更に押圧部４１１と反対側へ延設された一対の延設部４１３とからなる。
延設部４１３は、支承部４１２と反対側の端縁である板バネ端部４１４が、半導体積層ユニット２と反対側を向くように湾曲している。
支承体５は、支承部４１２とフレーム３の内壁面３１との間に介設されている。

半導体積層ユニット２は、図１に示すごとく、複数の半導体モジュール２１と、該複数の半導体モジュール２１を両主面から冷却する複数の冷却管２２とを積層してなる。積層方向に隣り合う冷却管２２は、その長手方向の両端部付近において連結管２３によって、互いに連結されている。連結管２３は、積層方向に変形可能に構成されている。積層方向の一端の冷却管２２からは、冷却媒体を導入する冷媒導入管２４と、冷却媒体を排出する冷媒排出管２５とが突出するように形成されている。冷却管２２、連結管２３、冷媒導入管２４、及び冷媒排出管２５は、アルミニウム等の金属によって構成される。

隣り合う一対の冷却管２２の間には、２個の半導体モジュール２１がそれぞれ狭持される状態で配されている。半導体モジュール２１は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子を内蔵してなる。

フレーム３は、矩形状の枠体からなり、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属又は合金によって構成することができる。そして、フレーム３における４辺のうちの１辺の内壁面３１に当接配置した一対の支承体５を介して、加圧部材４が配設されている。

加圧部材４は、図１に示すごとく、板バネ部材４１と当接板４２とからなる。当接板４２は、剛性の高い平板状部材であり、その一方の面に板バネ部材４１の押圧部４１１が当接し、他方の面が半導体積層ユニット２に面接触する。これにより、加圧部材４が当接する冷却管２２が変形してしまうことを防いでいる。

板バネ部材４１は、図２に示すごとく、当接板４２に当接する前方板バネ４１５と、支承体５に当接する後方板バネ４１０とを重ね合わせてなる。前方板バネ４１５は、支承部４１２及び延設部４１３が形成された部位においては、後方板バネ４１０に対して重ねられていない。板バネ部材４１及び当接板４２は、いずれも、炭素工具鋼（ＳＫ８５，旧ＳＫ５）等の金属からなる。

図１に示すごとく、加圧部材４は、板バネ部材４１の支承部４１２を支承体５に支承させると共に、当接板４２が半導体積層ユニット２を積層方向に押圧するように付勢された状態で配設されている。本例において、図１及び図２に示すごとく、支承体５は、直方体形状を有し、板バネ部材４１の支承部４１２との当接面５１を平面としている。また、一対の支承体５の並び方向における寸法は、積層方向における寸法よりも短い。

次に、本例の電力変換装置の製造方法につき説明する。
まず、電力変換装置１のフレーム３に半導体積層ユニット２を配置する。
次いで、図３に示すごとく、半導体積層ユニット２の積層方向の一方の端部に、板バネ部材４１と当接板４２とを有する加圧部材４を配置する。

次いで、板バネ部材４１における一対の板バネ端部４１４に押圧治具６を当接させて板バネ端部４１４を当接板４２側へ押し込む（図３の矢印Ｆ）。具体的には、押圧治具６は、一対の押圧凸部６１を設けてなり、これらを、フレーム３の内側において板バネ部材４１の板バネ端部４１４の後方に挿入する。そして、一対の押圧凸部６１を一対の板バネ端部４１４に当接させて押圧する。押圧治具６によって板バネ部材４１を弾性変形させた状態で、支承部４１２の後方位置であって押圧凸部６１の内側において、一対の支承体５をフレーム３に配置する。

次いで、押圧治具６を後退させて板バネ部材４１が復元する方向に一対の支承部４１２を変位させることにより、支承部４１２とフレーム３の内壁面３１との間に支承体５が狭持される状態で、板バネ部材４１を支承体５に支承させる。
以上により、半導体積層ユニット２が加圧部材４によって積層方向に加圧された電力変換装置１を得る。
なお、図３において符号３を付した一点鎖線は、フレーム３の内周輪郭を表す。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記板バネ部材４１においては、支承体５によって支承される一対の支承部４１２が、押圧部４１１の両端において半導体積層ユニット２と反対側へ突出するように湾曲している。それゆえ、半導体積層ユニット２側へ突出するように湾曲させた支承部を形成する場合（すなわち、延設部４１３において支承体５が板バネ部材４１を支承する場合）に比べて、一対の支承部４１２の間の距離を短くすることができる。

その結果、延設部４１３を長くしなくても、一対の支承体５の並び方向において、板バネ部材４１における一対の支承体５の外側に張り出した領域を充分に確保しやすい。すなわち、電力変換装置１の組立ての際、一対の支承体５の外側から、押圧治具６にて板バネ部材４１の両端を押し込んで弾性変形させるとき、押圧治具６を当接させることができる延設部４１３の領域を十分に確保しつつ、板バネ部材４１の長さを短くすることができる。これにより、支承体５の並び方向における電力変換装置１の寸法を小さくすることが可能となる。

また、一対の支承部４１２が、押圧部４１１の両端において半導体積層ユニット２と反対側へ突出するように湾曲していることにより、押圧部４１１の長さを短くすることなく、支承部４１２間の長さを短くすることができる。それゆえ、板バネ部材４１のばね定数の調整が困難となることを防ぐことができる。

また、板バネ部材４１の延設部４１３は、支承部４１２と反対側の端縁である板バネ端部４１４が、半導体積層ユニット２と反対側を向くように湾曲している。それゆえ、押圧治具６を板バネ端部４１４に安定して当接させることができる。

また、支承体５は、直方体形状を有するため、支承体５を、加圧部材４とフレーム３との間に安定して配置させやすい。また、支承体５を歩留り良く製造しやすい。
また、支承体５は、板バネ部材４１の支承部４１２との当接面５１を平面としている。それゆえ、支承体５側へ突出するように湾曲した板バネ部材４１の支承部４１２を安定して当接させることができる。

また、支承体５は、一対の支承体５の並び方向における寸法が、積層方向における寸法よりも短い。それゆえ、一対の支承体５の並び方向において、板バネ部材４１における一対の支承体５の外側に張り出した領域を充分に確保しやすい。その結果、容易に板バネ部材４１の長さを短くすることができる。
以上のごとく、本例によれば、支承体５の並び方向における小型化を図りやすい電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図４に示すごとく、支承体５は、板バネ部材４１の支承部４１２との当接面５１を、支承部４１２の形状に沿った凹状面とした例である。すなわち、板バネ部材４１の支承部４１２は半導体積層ユニット２と反対側へ突出するように湾曲しているが、支承体５における支承部４１２との当接面５１も、同方向に湾曲している。支承体５における当接面５１の曲率半径は、板バネ部材４１における支承部４１２の曲率半径と同等かそれよりも若干大きい。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要件等を表す。

本例の場合には、支承体５に対する板バネ部材４１の位置決めを容易にすることができる。また、支承体５による板バネ部材４１の支承を安定して実現できる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図５に示すごとく、支承体５が、半導体積層ユニット２と反対側に、フレーム３の内壁面３１に設けた被係合部３１１に係合する係合部５２を備えた例である。すなわち、支承体５におけるフレーム３の内壁面３１との当接面に、凸状の係合部５２が形成されている。また、フレーム３における内壁面３１には、支承体５の係合部５２に係合される一対の凹状の被係合部３１１が形成されている。被係合部３１１は、積層方向と一対の支承体５の並び方向との双方に直交する方向に連続した溝状に形成されている。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要件等を表す。

本例においては、支承体５が、フレーム３の被係合部３１１に係合する係合部５２を備えている。それゆえ、フレーム３に対する支承体５の位置決めを容易にすることができる。また、支承体５の並び方向におけるフレーム３に対する支承体５の位置ずれを確実に防止することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、実施例１〜３においては、支承体５を直方体形状とした例を開示したが、支承体５の形状は必ずしもこれに限られるものではない。また、本明細書において、直方体形状には、実施例２、実施例３に示すような略直方体形状をも含む。

１ 電力変換装置
２ 半導体積層ユニット
２１ 半導体モジュール
２２ 冷却管
３ フレーム
３１ 内壁面
４ 加圧部材
４１ 板バネ部材
４１１ 押圧部
４１２ 支承部
４１３ 延設部
５ 支承体

Claims (7)

1. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール（２１）と、該半導体モジュール（２１）を冷却する冷却管（２２）とを積層してなる半導体積層ユニット（２）と、
   該半導体積層ユニット（２）を内側に配置するフレーム（３）と、
   該フレーム（３）の内側において、上記半導体積層ユニット（２）における積層方向の端部に配置され、上記半導体積層ユニット（２）を上記積層方向に押圧する加圧部材（４）と、
   該加圧部材（４）と上記フレーム（３）の内壁面（３１）との間に配置された、互いに別体の一対の支承体（５）と、を備え、
   上記加圧部材（４）は、一対の上記支承体（５）の並び方向に長尺の板バネ部材（４１）を有し、
   該板バネ部材（４１）は、上記半導体積層ユニット（２）側へ突出するように湾曲した押圧部（４１１）と、上記並び方向における上記押圧部（４１１）の両端において上記半導体積層ユニット（２）と反対側へ突出するように湾曲した一対の支承部（４１２）と、該支承部（４１２）から更に上記押圧部（４１１）と反対側へ延設された一対の延設部（４１３）とを有し、
   上記支承体（５）は、上記積層方向における上記支承部（４１２）と上記フレーム（３）の上記内壁面（３１）との間に介設されており、
   上記延設部（４１３）の上記支承部（４１２）と反対側の端縁である一対の板バネ端部（４１４）と、一対の該板バネ端部（４１４）に対して上記積層方向に対向する上記内壁面（３１）との間には、一対の上記板バネ端部（４１４）を上記積層方向の上記半導体積層ユニット（２）側へ押し込んで上記板バネ部材（４１）を弾性変形させるための押圧治具（６）を配置することができる治具配置空間があり、
   上記支承体（５）は、上記板バネ部材（４１）の上記支承部（４１２）との当接面（５１）を、平面、あるいは上記支承部（４１２）の形状に沿った凹状面としていることを特徴とする、電力変換装置（１）。
2. 上記支承体（５）は、上記板バネ部材（４１）の上記支承部（４１２）との当接面（５１）を平面としてい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. 上記支承体（５）は、上記板バネ部材（４１）の上記支承部（４１２）との当接面（５１）を、上記支承部（４１２）の形状に沿った凹状面としていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記支承体（５）は、直方体形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
5. 上記支承体（５）は、上記半導体積層ユニット（２）と反対側に、上記フレーム（３）の内壁面（３１）に設けた被係合部（３１１）に係合する係合部（５２）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
6. 上記板バネ部材（４１）の上記延設部（４１３）は、上記支承部（４１２）と反対側の端縁が、上記半導体積層ユニット（２）と反対側を向くように湾曲していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
7. 上記支承体（５）は、一対の上記支承体（５）の並び方向における寸法が、上記積層方向における寸法よりも短いことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。

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