JP6398889B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を収容しているカード型の複数の半導体モジュールと複数の冷却器が一つずつ交互に積層されているパワーユニットを備えた電力変換装置に関する。

例えば大容量のモータに電力を供給する電力変換装置は、発熱量の大きい複数の半導体素子を備えている。複数の半導体素子を効率よく冷却する構造の一つとして、電力変換装置は、半導体素子を収容しているカード型の半導体モジュールを一対の冷却器で挟み込んだパワーユニットを備えることがある。さらに、複数の半導体モジュールを効率よく冷却すべく、複数の半導体モジュールと複数の冷却器を一つずつ交互に積層したパワーユニットを備えた電力変換器が知られている（例えば特許文献１、２）。そのパワーユニットは、カード型の半導体モジュールをその両側から冷却するので冷却効率が高い。特許文献２の電力変換装置は、半導体モジュールと冷却器の密着性を高めて冷却効率をより高めるため、半導体モジュールと冷却器の積層方向にパワーユニットを加圧する弾性部材を備えている。

特開２０１３−１２１２３６号公報 特開２０１２−２３１５９１号公報

本願出願人は、上記のパワーユニットに、開口を有する本体とその開口を塞ぐ金属板によって構成される冷却器を採用することを提案した（特願２０１４−０８３４６９号、２０１４年４月１５日出願、本願出願時には未公開）。その冷却器は、本体を樹脂で作ることができ、量産性に優れ、また、軽量である。その冷却器は、次の構造を備える。冷却器は、本体と金属板とガスケットを備えている。本体は、冷媒が流れる流路が内部に設けられており、半導体モジュールと対向する側面に流路と連通する開口が設けられている。ガスケットは、半導体モジュールと冷却器の積層方向からみて開口を囲むように開口の周囲の側面に配置されている。金属板は、一方の面がガスケットを挟んで開口を塞いでおり、他方の面が半導体モジュールと対向している。すなわち、金属板の一方の面は流路に面しており他方の面は半導体モジュールに対向している。なお、半導体モジュールの冷却器と対向する面には、半導体素子と導通している導電性の放熱板が露出している。そのため、金属板と半導体モジュールとの間には、放熱板と金属板を電気的に絶縁する絶縁板が挟まれる。電力変換装置は、上記した冷却器と半導体モジュールが積層されたパワーユニットとそのパワーユニットを積層方向に加圧する弾性部材を備えている。上記した冷却器は、弾性部材の加圧力によって開口と金属板の間の封止が確保される。冷却器の本体が熱伝導率の低い例えば樹脂で作られていても、半導体モジュールの熱は金属板を通して冷却器内の冷媒に効率よく吸収される。

冷却効率の観点から言うと、金属板と冷媒が直接に触れる範囲である開口は大きい方がよい。ただし、開口を大きくすれば、開口の封止のために、より表面積の大きい金属板が必要になる。一方で、金属板と半導体モジュールとの間に挟まれる絶縁板は、放熱板と金属板とを絶縁できる大きさ（表面積）が確保できれば十分である。しかしながら、金属板と半導体モジュールとの間に、金属板に比べて表面積の小さい絶縁板を挟ませると、絶縁板の両側には隙間が生じてしまう。金属板のうち当該隙間に対向する部分は、半導体モジュールによって支持されない。そのため、積層方向からみたときに、ガスケットの一部が隙間に重なることが生じ得る。金属板の上記隙間に対向する部分は、半導体モジュールによって支持されていないために、ガスケットの反力で撓んでしまう虞がある。その結果、開口と金属板の間の封止が弱まる虞がある。

本明細書は、金属板よりも小さい絶縁板を使用でき、かつ、金属板が撓むことなく、冷却器の開口と金属板の間の封止性（水密性）を高めることができる技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、上記したパワーユニットと弾性部材を備えている。今、一の半導体モジュールを挟んで隣接する一対の冷却器に着目する。本明細書が開示する電力変換装置では、金属板の半導体モジュールと対向する側の面（即ち上記の他方の面）の絶縁板の両側に、絶縁板の縁に沿って延びる凸条が設けられている。積層方向からみたときに、ガスケットは半導体モジュールと重なっているとともに、凸条がガスケットの一部と重なっている。また、凸条の頭頂面が半導体モジュールと当接している。ここで、「凸条の頭頂面が半導体モジュールと当接している」とは、凸条の頭頂面と半導体モジュールとが直接に当接することと、弾性を有する緩衝材を挟んで当接することと、の双方を含む。

上記の電力変換装置では、絶縁板の両側に、絶縁板の縁に沿って延びる凸条が設けられている。即ち、絶縁板は、凸条の間に収まる大きさ（表面積）であればよい。そのため、上記の電力変換装置では、金属板よりも表面積の小さい絶縁板を使用することができる。さらに、上記の電力変換装置では、積層方向からみたときに、凸条はガスケットの一部と重なるが、その凸条の頭頂面は半導体モジュールと当接している。そのため、金属板よりも表面積の小さい絶縁板を用いた場合においても、金属板のうち、ガスケットの反力を受ける部分は、全て半導体モジュールによって支持される。従って、金属板がガスケットの反力を受けて撓むことがなく、開口と金属板の間の封止性を高めることができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例の電力変換装置（インバータ）の平面図である。 第１実施例のパワーユニットの斜視図である。 第１実施例のパワーユニットの部分分解斜視図である。 第１実施例の半導体モジュールと絶縁板と金属板の分解斜視図である。 積層方向からみたときの金属板とガスケットと半導体モジュールの位置関係を示す模式図である。 一対の冷却器とそれらの間に挟まれる半導体モジュールの積層体を図５のVI−VI線に相当する断面でカットした図である。 一対の冷却器とそれらの間に挟まれる半導体モジュールの積層体を図４のVII−VII線に相当する断面でカットした図である。 第２実施例の半導体モジュールと絶縁板と金属板を示す分解斜視図である。

（第１実施例）
図面を参照して本実施例の電力変換装置を説明する。本実施例の電力変換装置は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力を交流電力に変換し、走行モータに供給するインバータ１００である。インバータ１００は、バッテリの直流電力を昇圧する昇圧回路と、直流を交流に変換するインバータ回路を備える。昇圧回路とインバータ回路は良く知られているので回路構成の説明は省略する。

図１にインバータ１００の平面図を示す。図１は、インバータ１００の上カバーを外した平面図であり、ハウジング５３の内部の部品レイアウトを示している。

インバータ１００は、ハウジング５３の中に、パワーユニット１０、リアクトル５５、２個のコンデンサ５６、制御基板（不図示）を収容している。リアクトル５５は、昇圧回路の一部品である。２個のコンデンサ５６は、それぞれ、昇圧回路の入力側と出力側に並列に接続されており、電流を平滑化する。不図示の制御基板は、パワーユニット１０の上に配置される。

パワーユニット１０は、複数の冷却器２ａ−２ｄと複数の半導体モジュール３ａ−３ｄが一つずつ交互に積層されたユニットである。半導体モジュール３ａ−３ｄのそれぞれは、半導体素子であるパワートランジスタを収容している。詳しい構造の説明は省略するが、１個の半導体モジュールには２個のパワートランジスタが収容されている。パワーユニット１０は４個の半導体モジュール３ａ−３ｄを備えており、合計で８個のパワートランジスタがパワーユニット１０に含まれている。複数のパワートランジスタが電力変換の主要部品、すなわち、前述した昇圧回路とインバータ回路の主要部品である。図１で不図示の制御基板が、各パワートランジスタのオンオフを制御する。

以下、説明を簡単にするため、複数の半導体モジュール３ａ−３ｄのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール３と表記する。同様に、複数の冷却器２ａ−２ｅのいずれか一つを区別なく示すときには冷却器２と表記する。積層方向（Ｘ方向）の端に位置する冷却器２ｄ、２ｅの形状は他の冷却器２ａ−２ｃとは異なるが、冷却器２ａ−２ｅを冷却器２と総称する。冷却器２ｄ、２ｅと他の冷却器２ａ−２ｃとの相違は後に説明する。

図中の座標系について説明する。Ｘ方向は複数の冷却器２と複数の半導体モジュール３の積層方向に相当する。冷却器２は、積層方向（Ｘ方向）から見て長尺であり、Ｙ方向が冷却器の長手方向に相当する。説明の便宜上、Ｚ方向を上下方向とする。

パワーユニット１０は、ハウジング５３の側壁５３ｂと支柱５３ａの間に配置されている。パワーユニット１０の積層方向の一端が側壁５３ｂに当接しており、他端と支柱５３ａの間に板バネ５４が挿入されている。板バネ５４は、パワーユニット１０に積層方向（図中のＸ方向）の圧力を加える。詳しくは後述するが、冷却器２の本体は半導体モジュール３と対向する側面に開口を有しており、その開口を金属板が封止している。板バネ５４による圧力によって開口と金属板の間の封止が確保される。

図２にパワーユニット１０の斜視図を示す。半導体モジュール３は、上面に３個のパワー端子５９ａ、５９ｂ、５９ｃを備えている。半導体モジュール３の内部では２個のパワートランジスタが直列に接続されており、３個のパワー端子５９ａ、５９ｂ、５９ｃは、それぞれ、パワートランジスタの直列接続の高電位側端子、中点端子、低電位側端子に相当する。なお、図には示されていないが、半導体モジュール３の下面には、パワートランジスタのゲートに接続されているゲート端子が設けられている。別言すれば、半導体モジュール３は、Ｙ方向に延びる端子群（パワー端子５９ａ、５９ｂ、５９ｃ、及び、ゲート端子）を有している。

積層方向（Ｘ方向）の一方の端に位置する冷却器２ｄには各冷却器２に冷媒を供給する供給管５１と各冷却器２を通過した冷媒を排出する排出管５２が設けられている。図１に示すように、供給管５１と排出管５２はハウジング５３の外へと延びており、これらの管には不図示の冷媒循環器がつながっている。パワーユニット１０が用いる冷媒は液体であり、典型的には水あるいは不凍液である。冷却器２の構造と冷媒の流れについては後述する。

半導体モジュール３はカード型であり、各半導体モジュール３を一対の冷却器２が挟み込んでいる。別言すれば、隣接する一対の冷却器２の間にカード型の半導体モジュール３が挟まれている。符号を省略しているが、全ての半導体モジュール３がパワー端子５９ａ−５９ｃを備える。

図３に、パワーユニット１０の部分分解斜視図を示す。図３は、パワーユニット１０において隣接する一対の冷却器２ａ、２ｂの分解図と、それらに挟まれる半導体モジュール３ｂを示している。なお、図示は省略しているが、冷却器２ｂの後方（Ｘ軸の負の方向）には半導体モジュール３ｃと冷却器２ｃが配置されている。隣接する冷却器２ｂ、２ｃとそれらに挟まれる半導体モジュール３ｃの構造的関係は、冷却器２ａ、２ｂ、半導体モジュール３ｂの構造的関係と同じである。また、図示は省略しているが、冷却器２ａの前方（Ｘ軸の正の方向）には半導体モジュール３ａと冷却器２ｄが配置されている。隣接する冷却器２ｄ、２ａとそれらに挟まれる半導体モジュール３ａの構造的関係は、冷却器２ａ、２ｂ、半導体モジュール３ｂの構造的関係と同じである。なお、パワーユニット１０の一端に位置する冷却器２ｄは、半導体モジュール３ａとは反対側の構造が他の冷却器と異なるが、半導体モジュール３ａに面している側の構造は冷却器２ａ、２ｂと同じである。同様に、パワーユニット１０の他端に位置する冷却器２ｅは、半導体モジュール３ｄとは反対側の構造が他の冷却器と異なるが、半導体モジュール３ｄに面している側の構造は冷却器２ａ、２ｂと同じである。冷却器２ｄの半導体モジュール３ａとは反対側には、開口は設けられておらず、また、供給管５１と排出管５２が接続されている。冷却器２ｅの半導体モジュール３ｄとは反対側には、開口は設けられていない。

以下では、冷却器２ａと２ｂの半導体モジュール３ｂ側の構造を説明する。冷却器２ａの半導体モジュール３ａの側の構造、及び、冷却器２ｂの半導体モジュール３ｃの側の構造も同じであることに留意されたい。

冷却器２ｂは、本体２０と、金属板２５２と、ガスケット２４１と、を備える。本体２０は、樹脂の射出成型で作られており、その内部に冷媒が通る流路２０１が設けられている。本体２０の半導体モジュール３ｂと対向する側面２３１に開口２１１が設けられている。開口２１１は、内部の流路２０１と連通している。

金属板２５２は、一方の面が本体２０に対向し、他方の面が半導体モジュール３ｂと対向するとともに半導体モジュール３ｂに固定されている。金属板２５２のうち、本体２０と対向する側の面（以下では、「本体２０側の面」と呼ぶ場合がある）には、多数のピンフィン２６が設けられている。一方、半導体モジュール３ｂと対向する側の面（以下では、「半導体モジュール３ｂ側の面」と呼ぶ場合がある）は、絶縁板１９を挟んで、半導体モジュール３ｂに固定されている。図４に示すように、本実施例では、半導体モジュール３ｂの金属板２５２側の面には、２個のパワートランジスタ（図５、図６の符号５８ａ、５８ｂ参照）と導通している導電性の放熱板５７ｂが露出している。絶縁板１９は、その放熱板５７ｂと金属板２５２とを絶縁する。図４に示すように、半導体モジュール３ｂと、金属板２５２の半導体モジュール３ｂ側の面の間に挟まれる絶縁板１９の表面積は、金属板２５２の表面積よりも小さい。詳しく言うと、絶縁板１９のＺ方向の長さは金属板２５２のＺ方向の長さとほぼ同じであるが、絶縁板１９のＹ方向の長さが金属板２５２のＹ方向の長さよりも短い。金属板２５２の半導体モジュール３ｂ側の面のうち、絶縁板１９のＹ方向の両側には、絶縁板１９の縁に沿って延びる凸条２５２ａが形成されている。凸条２５２ａは、半導体モジュール３ｂ側に突出している。これにより、一対の凸条２５２ａの間に、絶縁板１９を収容可能な形状の凹部２６２が形成される。

絶縁板１９は、金属板２５２が半導体モジュール３ｂに固定される前に、一対の凸条２５２ａの間（即ち凹部２６２内）に収容される。図４では、金属板２５２から離れた位置に絶縁板１９を描き、一対の凸条２５２ａの間に収容された状態の絶縁板１９を仮想線で描いてある。一対の凸条２５２ａの間に絶縁板１９が収容された状態では、絶縁板１９の表面（即ち、半導体モジュール３ｂと対向する側の面）と、一対の凸条２５２ａの頭頂面（即ち、半導体モジュール３ｂと対向する側の面）とは、略面一に形成される。このように、本実施例では、絶縁板１９は、一対の凸条２５２ａの間（即ち凹部２６２内）に収まる大きさであればよいため、金属板２５２よりも表面積の小さい絶縁板１９を使用することができる。

金属板２５２の一対の凸条２５２ａの間に絶縁板１９が収容された状態で、金属板２５２は、半導体モジュール３ｂに固定される。この際、絶縁板１９の表面、及び、凸条２５２ａの頭頂面の双方は、半導体モジュール３ｂの表面と当接する。この際、半導体モジュール３ｂの表面に露出した放熱板５７ｂは、絶縁板１９の表面と当接する。これにより、放熱板５７ｂと金属板２５２とが電気的に絶縁される。また、金属板２５２と半導体モジュール３ｂとを固定する際には、凸条２５２ａの頭頂面と半導体モジュール３ｂとの間に緩衝材２７２が挟まれる。即ち、凸条２５２ａの頭頂面は、緩衝材２７２を介して半導体モジュール３ｂに当接される。緩衝材２７２は、例えば弾性を有する樹脂製のシート材である。

図３に示すように、金属板２５２の半導体モジュール３ｂ側の面が半導体モジュール３ｂに固定された後で、金属板２５２の反対側の面（即ち本体２０側の面）は、ガスケット２４１を介して開口２１１に取り付けられる。ガスケット２４１は、リング状であり、開口２１１を囲むように、本体２０の側面２３１に配置される。開口２１１は、ガスケット２４１を介して金属板２５２で塞がれる。別言すれば、金属板２５２のうちの一方の面（即ち、開口２１１に対向する側の面）は、ガスケット２４１を挟んで開口２１１に取り付けられる。別言すれば、金属板２５２は、一方の面がガスケット２４１を挟んで開口２１１を塞いでおり、他方の面が半導体モジュール３ｂと対向する。

冷却器２ｂの半導体モジュール３ｂとは反対側の構造を説明する前に、冷却器２ａと半導体モジュール３ｂの構造的関係を説明する。冷却器２ａも、冷却器２ｂと同様に、本体２０と、金属板２５１と、ガスケット２４１と備える。冷却器２ａの本体も、内部に流路２０１を備えており、半導体モジュール３ｂに対向する側面２３２に開口２１２が設けられている。開口２１２は流路２０１と連通する。開口２１２は、ガスケット２４２を挟んで金属板２５１で封止される。金属板２５１は、金属板２５２と同様の構成を備えている。即ち、金属板２５１は、一方の面がガスケット２４２を挟んで開口２１２を塞いでおり、他方の面が絶縁板１９を挟んで半導体モジュール３ｂと対向する。

図４に示すように、金属板２５１の半導体モジュール３ｂ側の面は、絶縁板１９を挟んで、半導体モジュール３ｂに固定されている。なお、半導体モジュール３ｂの金属板２５１側の面にも、パワートランジスタ（図５、図６の符号５８ａ、５８ｂ参照）と導通している導電性の放熱板５７ａ、５７ｃが露出している。絶縁板１９は、それらの放熱板５７ａ、５７ｃと金属板２５１とを電気的に絶縁する。図４に示すように、半導体モジュール３ｂと、金属板２５１の半導体モジュール３ｂ側の面の間に挟まれる絶縁板１９の表面積も、金属板２５１の表面積よりも小さい。即ち、絶縁板１９のＺ方向の長さは金属板２５２のＺ方向の長さとほぼ同じであるが、絶縁板１９のＹ方向の長さが金属板２５２のＹ方向の長さよりも短い。金属板２５１の半導体モジュール３ｂ側の面のうち、絶縁板１９のＹ方向の両側には、絶縁板１９の縁に沿って延びる凸条２５１ａが形成されている。これにより、一対の凸条２５１ａの間には、絶縁板１９を収容可能な形状の凹部２６１が形成される。

金属板２５１の半導体モジュール３ｂに対向する側の面は、一対の凸条２５１ａの間（即ち凹部２６１内）に絶縁板１９が収容された後で、半導体モジュール３ｂに固定される。この際、絶縁板１９の表面、及び、凸条２５１ａの頭頂面の双方は、半導体モジュール３ｂの表面と当接する。この際、半導体モジュール３ｂの表面に露出した放熱板５７ａ、５７ｃは、絶縁板１９の表面と当接する。これにより、放熱板５７ａ、５７ｃと金属板２５１とが電気的に絶縁される。また、金属板２５１と半導体モジュール３ｂとを固定する際には、凸条２５１ａの頭頂面と半導体モジュール３ｂとの間に緩衝材２７１が挟まれる。即ち、凸条２５１ａの頭頂面は、緩衝材２７１を介して半導体モジュール３ｂに当接される。

冷却器２ｂの半導体モジュール３ｂとは反対側の構造は、冷却器２ａの半導体モジュール３ｂの側の構造と同じである。また、冷却器２ａの半導体モジュール３ｂとは反対側の構造は冷却器２ｂの半導体モジュール３ｂの側の構造と同じである。すなわち、冷却器２ｂの開口２１２もガスケットを挟んで別の金属板に封止される。冷却器２ａの開口２１１もガスケットを挟んでさらに別の金属板に封止される。冷却器２ａ、２ｂは、積層方向の両側に開口２１１、２１２を備えており、それらの開口はガスケットを挟んで金属板で封止される。

金属板２５１、２５２は、ねじ等で本体２０に固定されていない。図１を参照して説明したように、板バネ５４がパワーユニット１０を積層方向に加圧しており、板バネ５４の加圧力によって開口２１１（２１２）と金属板２５２（２５１）との間の封止（水密性）が確保される。この構造はいずれの冷却器でも同じである。ただし、パワーユニット１０の積層方向の両端面（冷却器２ｅの一方の側面と冷却器２ｄの一方の側面）には開口が設けられていない。

冷却器２ｂの本体２０のＹ方向の両側には、積層方向（Ｘ方向）に突出する筒部２２が形成されている。筒部２２は、リング状のガスケット２５を挟んで隣接する冷却器２ａの筒部２２と接続される。すなわち、隣接する冷却器同士は筒部２２でつながっている。筒部２２の内側には、本体２０を積層方向（Ｘ方向）に貫通する貫通孔２２１ａ（２２１ｂ）が設けられており、その貫通孔２２１ａ（２２１ｂ）は、本体２０の内部で流路２０１と連通している。冷却器２ｂの後方には冷却器２ｃが配置されており、冷却器２ｂと冷却器２ｃの連結構造は、冷却器２ａと冷却器２ｂの連結構造と同じである。パワーユニット１０では、隣接する冷却器２同士が２個の貫通孔２２１ａ、２２１ｂで連通する。そして、供給管５１（図１、図２参照）から供給された冷媒が一方の貫通孔２２１ａを通じて各冷却器２に分配され、流路２０１をＹ方向に流れる。先に述べたように冷却器２ｂの本体２０はＹ方向に長尺であり、冷媒は本体２０の内部をその長尺方向に流れる。

冷媒は流路２０１を通過する間に隣接する半導体モジュール３の熱を、金属板２５１、２５２を介して吸収する。半導体モジュール３の熱を吸収した冷媒は、他方の貫通孔２２１ｂを通じて排出管５２（図１、図２参照）から排出される。先に述べたようにパワーユニット１０には不図示の冷媒循環器が接続されており、排出管５２から排出された冷媒はラジエータなどで冷却されて再びパワーユニット１０へと送られる。

金属板２５１（２５２）は、開口２１２（２１１）を通じて流路２０１に面している。また、金属板２５１の本体２０側の面に設けられている多数のピンフィン２６も、開口２１２（２１１）を通じて流路２０１内に突出している。そのため、金属板２５１（２５２）及びピンフィン２６は、流路２０１内を通過する冷媒と直接接触する。従って、半導体モジュール３ｂの熱は金属板２５１（２５２）とピンフィン２６を介して流路２０１を通る冷媒に効率よく吸収される。

他の半導体モジュール３ａ、３ｃ、３ｄも、半導体モジュール３ｂと同様にカード型であり、その両側から一対の冷却器２に挟まれている。半導体モジュール３ａ、３ｃ、３ｄも、両側の冷却器２によって効果的に冷却される。冷却器２の本体２０の上部には、軽量化のための溝２０４（肉抜き溝）が設けられている。

半導体モジュール３ｂと金属板２５１とそれらの間に挟まれるガスケット２４２の位置関係を説明する。図５に、積層方向（Ｘ方向）からみたときの半導体モジュール３ｂと金属板２５１とガスケット２４２の位置関係を示す模式図を示す。図５では、金属板２５１及び絶縁板１９は破線で示してあり、冷却器２ａは仮想線で示してある。また、冷却器２ａの本体に設けられる開口２１２も仮想線で示してある。また、理解の容易のため、積層方向からみたときに、半導体モジュール３ｂが占める領域のうち、冷却器２の開口２１２と重なる範囲を除いた領域をハッチングで示してある。別言すれば、ハッチングを施した領域は、冷却器２ａの本体２０の開口２１２を除く側面と半導体モジュール３ｂが対向する領域である。

なお、上記の通り、図５中の符号５７ａ、５７ｃは、半導体モジュール３ｂの表面に露出している放熱板である。放熱板５７ａは、半導体モジュール３ｂの内部でパワー端子５９ａと連続している。また、放熱板５７ａは、半導体モジュール３ｂの内部でパワートランジスタ５８ａのドレイン電極と接続している。放熱板５７ｃは、半導体モジュール３ｂの内部でパワー端子５９ｃと連続している。また、放熱板５７ｃは、半導体モジュール３ｂの内部でパワートランジスタ５８ｂのソース電極と接続している。上記の通り、放熱板５７ａ、５７ｃは、絶縁板１９と当接しており、絶縁板１９によって金属板２５１と電気的に絶縁されている。なお、半導体モジュール３ｂの裏面には放熱板５７ｂ、５７ｄが露出している（図４、図６、図７参照）。放熱板５７ｂは、半導体モジュール３ｂの内部でパワー端子５９ｂと連続している。また、放熱板５７ｂは、半導体モジュール３ｂの内部で、導電体のスペーサ６２（図６、図７参照）を介してパワートランジスタ５８ａのソース電極、及び、パワートランジスタ５８ｂのドレイン電極と接続している。すなわち、放熱板５７ｂは、２個のパワートランジスタ５８ａ、５８ｂを直列に接続する。上記の通り、放熱板５７ｂは、絶縁板１９と当接しており、絶縁板１９によって金属板２５２と絶縁されている。また、図５では、半導体モジュール３ｂの下面から延びるゲート端子６１も図示されている。

図５の放熱板５７ａ、５７ｃは、内部のパワートランジスタ５８ａ、５８ｂの電極と接続しているため、パワートランジスタ５８ａ、５８ｂの熱をよく伝える。図５に示すように、冷却器２の開口２１２は、積層方向からみて放熱板５７ａ、５７ｃの全領域と重なるように設けられている。即ち、金属板２５１は、一方の面で絶縁板１９を介して放熱板５７ａ、５７ｃと対向しており、他方の面は冷媒に直接に接する。金属板２５１の他方の面には前述したように多数のピンフィン２６が設けられている。パワートランジスタ５８ａ、５８ｂの熱は、放熱板５７ａ、５７ｃと金属板２５１を通じて冷媒によく伝達される。半導体モジュール３ｂの図５に表された面とは反対側の面でも同様である。

ガスケット２４２は、積層方向（Ｘ方向）からみて開口２１２を囲むように、開口２１２の周囲で本体２０の側面に配置されている。半導体モジュール３ｂを効率よく冷却するため、開口２１２は大きく設けられている。図５に示すように、積層方向（Ｘ方向）からみたとき、開口２１２を囲むリング状のガスケット２４２は、その全周において、半導体モジュール３ｂと重なっている。それとともに、ガスケット２４２の一部は、凸条２５１ａと重なっている。また、他の一部は、絶縁板１９と重なっている。即ち、ガスケット２４２は、その全周において、金属板２５１の凸条２５１ａと絶縁板１９とのどちらかと重なっていると言うこともできる。

先に述べたように、板バネ５４（図１参照）によって金属板２５１はガスケット２４２に押しつけられており、金属板２５１は、ガスケット２４２から反力を受ける。上記の通り、本実施例では、絶縁板１９、及び、凸条２５１ａの頭頂部は、ともに半導体モジュール３ｂと当接する。即ち、図５によく示されているように、金属板２５１は、ガスケット２４２の全周にわたってその反対側（即ち半導体モジュール３ｂ側）を半導体モジュール３ｂによって支持されていると言える。そのため、金属板２５１は、ガスケット２４２から反力を受けても撓むことがない。上記の通り、本実施例では、金属板２５１よりも表面積の小さい絶縁板１９を用いた場合においても、金属板２５１のうち、ガスケット２４２の反力を受ける部分は、全て半導体モジュール３ｂで支持される。そのため、金属板２５１がガスケット２４２の反力を受けて撓むことがなく、開口２１２と金属板２５２の間の封止性を高めることができる。

図６は、隣接する一対の冷却器２ａ、２ｂとそれらに挟まれる半導体モジュール３ｂの積層体を、図５のVI−VI線に相当する断面でカットした図である。ただし、図６では積層体の下半分は図示を省略した。また、図６の断面においては、積層方向（Ｘ方向）からみて、ガスケット２４１（２４２）と絶縁板１９と半導体モジュール３ｂが重なっている。先に述べたように、パワーユニット１０は、板バネ５４（図１参照）によって積層方向（Ｘ方向）に加圧されており、その加圧力によって、開口２１２（２１１）と金属板２５１（２５２）の封止が確保されている。金属板２５１（２５２）は、ガスケット２４２（２４１）から反力（板バネ５４の加圧力に対する反力）を受ける。一方、絶縁板１９は、半導体モジュール３ｂの放熱板５７ａ、５７ｂ、５７ｃに当接している。即ち、金属板２５１（２５２）のガスケット２４２（２４１）の反対側の面（即ち半導体モジュール３ｂ側の面）は、絶縁板１９を介して、半導体モジュール３ｂによって支えらえている。よって、金属板２５１（２５２）は、ガスケット２４２（２４１）から反力を受けても撓むことはない。

上記の通り、半導体モジュール３ｂは、パワートランジスタ５８ａ、５８ｂを樹脂で封止したデバイスであり、そのボディは樹脂モールド３１で作られている。他の半導体モジュール３ａ、３ｃ、３ｄについても同様である。図５において、符号２６は金属板２５１（２５２）に設けられているピンフィンを示している。符号２０４は、先に説明したように、本体２０を軽量化するための溝（肉抜き溝）を示している。符号２０５は、ガスケット２４１（２４２）を収めるための溝を示している。

図７は、隣接する一対の冷却器２ａ、２ｂとそれらに挟まれる半導体モジュール３ｂの積層体を、図６のVII−VII線に相当する断面でカットした図である。ただし、Ｙ方向の一部を省略している。図７の断面においても、積層方向（Ｘ方向）からみて、ガスケット２４２（２４１）と半導体モジュール３ｂは重なっている。さらに、ガスケット２４２（２４１）凸条２５１ａ（２５２ａ）も重なっている。図７に示した部分とＹ方向で反対側の部位も同じ構造を有している。従って、図４−図７に示されているように、積層方向からみたときに、リング状のガスケット２４１、２４２の全周にわたってガスケット２４１、２４２と半導体モジュール３ｂは重なっている。それとともに、ガスケット２４２の一部は、凸条２５１ａと重なっている。また、他の一部は、絶縁板１９と重なっている。

なお、本体２０の開口２１２、２１１の周囲には溝２０５が設けられており、その溝２０５にガスケット２４１、２４２が配置される。溝２０５は、図１〜図５では図示を省略してあった。また、冷却器２ａ、２ｂの筒部２２の端面には、貫通孔２２１ａ（２２１ｂ）を囲むように溝２０７が設けられており、その溝２０７にガスケット２５が配置される。図１〜図５では溝２０７の図示を省略してあった。

（本実施例の作用効果）
以上、本実施例のインバータ１００の構造を説明した。上記の通り、本実施例では、絶縁板１９は、一対の凸条２５１ａ（２５２ａ）の間（即ち凹部２６１、２６２内）に収まる大きさであればよいため、金属板２５１（２５２）よりも表面積の小さい絶縁板１９を使用することができる。さらに、本実施例では、積層方向（Ｘ方向）からみたときに、凸条２５１ａ（２５２ａ）はガスケット２４２（２４１）の一部と重なるが、各凸条２５１ａ（２５２ａ）の頭頂面は半導体モジュール３ｂと当接している。そのため、金属板２５１（２５２）よりも表面積の小さい絶縁板１９を用いた場合においても、金属板２５１（２５２）のうち、ガスケット２４２（２４１）の反力を受ける部分は、全て半導体モジュール３ｂで支持することができる。従って、金属板２５１（２５２）がガスケット２４２（２４１）の反力を受けて撓むことがなく、開口２１２（２１１）と金属板２５１（２５２）の間の封止性を高めることができる。

（対応関係）
本実施例と請求項の対応関係について述べておく。本実施例の板バネ５４が「弾性部材」の一例である。金属板２５１（２５２）のうちの本体２０側の面が「一方の面」の一例であり、金属板２５１（２５２）のうちの半導体モジュール３ｂ側の面が「他方の面」の一例である。

（第２実施例）
第１実施例と異なる点を中心に説明する。図８に示すように、本実施例では、絶縁板１９のＹ方向の長さが金属板２５２のＹ方向の長さよりも短いとともに、絶縁板１９のＺ方向の長さも金属板２５２のＺ方向の長さよりも短い点で第１実施例とは異なる。そのため、本実施例では、金属板２５２の半導体モジュール３ｂ側の面のうち、絶縁板１９のＹ方向の両側には凸条２５２ａが形成されているとともに、絶縁板１９のＺ方向の両側にも凸条２５２ｂが形成されている。即ち、一対の凸条２５２ａの間、かつ、一対の凸条２５２ｂの間に、上記の絶縁板１９を収容可能な形状の凹部２６２が形成される。本実施例でも、凸条２５２ａ、凸条２５２ｂの間（即ち凹部２６２内）に絶縁板１９が収容された状態では、絶縁板１９の表面と、凸条２５２ａの頭頂部及び凸条２５２ｂの頭頂部とは、略面一に形成される。

金属板２５２の凸条２５２ａ、２５２ｂ（即ち凹部２６２内）の間に絶縁板１９が収容された状態で、金属板２５２は、半導体モジュール３ｂに固定される。この際、絶縁板１９の表面、凸条２５２ａの頭頂面、凸条２５２ｂの頭頂面は、いずれも半導体モジュール３ｂの表面と当接する。絶縁板１９は、放熱板５７ｂと当接し、放熱板５７ｂと金属板２５２とを電気的に絶縁する。また、固定の際、凸条２５２ａの頭頂面と半導体モジュール３ｂとの間には、緩衝材２７２が挟まれる。即ち、凸条２５２ａの頭頂面は、緩衝材２７２を挟んで半導体モジュール３ｂに当接される。また、図示しないが、凸条２５２ｂの頭頂面と半導体モジュール３ｂとの間にも、同様に緩衝材を挟んでもよい。

半導体モジュール３ｂの反対側に固定される金属板２５１も、金属板２５２と同様の構成を備えている。即ち、金属板２５１の半導体モジュール３ｂ側の面のうち、絶縁板１９のＹ方向の両側に凸条２５１ａが形成されているとともに、絶縁板１９のＺ方向の両側にも凸条２５１ｂが形成されている。即ち、一対の凸条２５１ａの間、かつ、一対の凸条２５１ｂの間に、絶縁板１９を収容可能な形状の凹部２６１が形成される。なお、図８では、理解の容易のため、凹部２６１の開口縁部を破線で示している。凸条２５１ａ、凸条２５１ｂの間（即ち凹部２６１内）に絶縁板１９が収容された状態では、絶縁板１９の表面と、凸条２５１ａの頭頂部及び凸条２５１ｂの頭頂部とは、略面一に形成される。

金属板２５１の凸条２５１ａ、２５１ｂの間に絶縁板１９が収容された状態で、金属板２５１は、半導体モジュール３ｂに固定される。この際、絶縁板１９の表面、凸条２５１ａの頭頂面、凸条２５１ｂの頭頂面は、いずれも半導体モジュール３ｂの表面と当接する。絶縁板１９は、放熱板５７ａ、５７ｃと当接し、放熱板５７ａ、５７ｃと金属板２５１とを電気的に絶縁する。また、固定の際、凸条２５１ａの頭頂面と半導体モジュール３ｂとの間には、緩衝材２７１が挟まれる。即ち、凸条２５１ａの頭頂面は、緩衝材２７１を挟んで半導体モジュール３ｂに当接される。また、図示しないが、凸条２５１ｂの頭頂面と半導体モジュール３ｂとの間にも、同様に緩衝材を挟んでもよい。

本実施例の構造を採用する場合も、積層方向からみてガスケット２４２（２４１）の全周が半導体モジュール３ｂと重なる。それとともに、ガスケット２４２（２４１）の一部は、凸条２５１ａ（２５２ａ）と重なり、他の一部は、凸条２５１ｂ（２５２ｂ）と重なっている。即ち、ガスケット２４２（２４１）は、その全周において、凸条２５１ａ（２５２ａ）又は凸条２５１ｂ（２５２ｂ）と重なっていると言うことができる。

（本実施例の作用効果）
本実施例でも、絶縁板１９は、凸条２５１ａ（２５２ａ）の間、かつ、凸条２５１ｂ（２５２ｂ）の間（即ち凹部２６１、２６２内）に収まる大きさであればよいため、金属板２５１（２５２）よりも表面積の小さい絶縁板１９を使用することができる。さらに、本実施例では、積層方向（Ｘ方向）からみたときに、凸条２５１ａ（２５２ａ）、及び、凸条２５１ｂ（２５２ｂ）はいずれもガスケット２４２（２４１）と重なるが、凸条２５１ａ（２５２ａ）、凸条２５１ｂ（２５２ｂ）の頭頂面はいずれも半導体モジュール３ｂと当接している。そのため、金属板２５１（２５２）よりも表面積の小さい絶縁板１９を用いた場合においても、金属板２５１（２５２）のうち、ガスケット２４２（２４１）の反力を受ける部分は、全て半導体モジュール３ｂで支持される。従って、金属板２５１（２５２）がガスケット２４２（２４１）の反力を受けて撓むことがなく、開口２１２（２１１）と金属板２５１（２５２）の間の封止性を高めることができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、以下の変形例を採用してもよい。

（変形例１）上記の各実施例の電力変換装置はバッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータ１００であった。本明細書が開示する技術は、インバータ以外の電力変換装置に適用することも好適である。また、本明細書が開示する技術は、一つの半導体モジュールが一対の冷却器に挟まれているパワーユニットだけでなく、複数の冷却器と複数の半導体モジュールを含んでおり隣接する冷却器の間に半導体モジュールが挿入されているパワーユニットを備えた電力変換装置にも適用することができる。

（変形例２）上記の各実施例では、図４、図８に示すように、金属板２５１（２５２）の凸条２５１ａ（２５２ａ）は、緩衝材２７１（２７２）を介して、半導体モジュール３ｂと当接している。これに限られず、凸条２５１ａ（２５２ａ）は、緩衝材２７１（２７２）を介さずに、直接半導体モジュール３ｂと当接していてもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、２ａ―２ｄ：冷却器
３、３ａ―３ｄ、１０３ｂ：半導体モジュール
１０：パワーユニット
１９：絶縁板
２０：本体
２２：筒部
２５：ガスケット
２６：ピンフィン
５１：供給管
５２：排出管
５３：ハウジング
５４：板バネ
５５：リアクトル
５６：コンデンサ
５８：パワートランジスタ
５９ａ、５９ｂ、５９ｃ：パワー端子
１００：インバータ
２０１：流路
２１１、２１２：開口
２４１、２４２：ガスケット
２５１、２５２：金属板
２５１ａ、２５２ａ：凸条
２５１ｂ、２５２ｂ：凸条
２６１、２６２：凹部
２７１、２７２：緩衝材

Claims (1)

1. 半導体素子を収容しているカード型の半導体モジュールと、当該半導体モジュールを挟んでいる一対の冷却器とを備える積層型のパワーユニットと、
   前記半導体モジュールと前記冷却器の積層方向に前記パワーユニットを加圧する弾性部材と、
   を備えており、
   前記半導体モジュールの前記冷却器と対向する面に前記半導体素子と導通している導電性の放熱板が露出しており、
   一対の前記冷却器のそれぞれは、
   冷媒が流れる流路が内部に設けられており、前記半導体モジュールと対向する側面に前記流路と連通する開口が設けられている本体と、
   前記積層方向からみたときに前記開口を囲むように前記側面に配置されているガスケットと、
   一方の面が前記ガスケットを挟んで前記開口を塞いでおり、他方の面が前記半導体モジュールと対向している金属板と、
   を備えており、
   前記弾性部材の加圧力によって前記開口と前記金属板の間の封止が確保されており、
   前記金属板と前記半導体モジュールの間に、前記放熱板と前記金属板を電気的に絶縁する絶縁板が挟まれており、
   前記金属板の前記他方の面の前記絶縁板の両側に、前記絶縁板の縁に沿って延びる凸条が設けられており、
   前記積層方向からみたときに、前記ガスケットは前記半導体モジュールと重なっているとともに、前記凸条が前記ガスケットの一部と重なっており、
   前記凸条の頭頂面が、緩衝材を介して前記半導体モジュールと当接している、
   ことを特徴とする電力変換装置。

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