JP6442381B2 - 発熱体の固定構造、電力変換ユニットおよび電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱体の固定構造、電力変換ユニットおよび電力変換装置に関する。

半導体モジュール等の発熱体を空冷する場合には、半導体モジュール等の発熱体と空冷型冷却器とを固定、接続する必要がある。一般には、半導体モジュール等の発熱体と空冷型冷却器との固定には、ボルト、ねじ等のとめ具を、ドライバ、レンチ等の工具を用いて固定、接続している。この固定、接続方法は簡易であるものの、工程の増加と、作業するためのスペースが必要となり、経済性の低下と装置の大型化が課題となる。

特許文献１は、「弾性部材８と、双方向に電流が流通する直流正極側配線部材５及び直流負極側配線部材６とを積重して加圧治具を構成し、この加圧治具によって第１固定治具１を押圧し、第１固定治具１によって半導体装置３を押圧し、半導体装置３を、その放熱面が放熱部材２の側壁面２ｃ、２ｄに面接触した状態で放熱部材２に固定した。」と記載されている。

特開２００６−２８６６７６号公報

特許文献１では、加圧治具によって第１固定治具１を押圧し、第１固定治具１によって半導体装置３を押圧し、半導体装置３を、その放熱面が放熱部材２の側壁面２ｃ、２ｄに面接触した状態で放熱部材２に固定するものであるため、半導体への押圧力がかかるとともに、冷却器の大型化の可能性がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、半導体モジュール等の発熱体を効率よく冷却するとともに小型な発熱体の固定構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば、対向する二平面を有し、二平面は少なくとも一の冷却面である発熱体と、二平面をそれぞれ覆うように設けられる一対の受熱板と、一対の受熱板が互いに対向する領域に設けられる弾性部材と、発熱体および一対の受熱板を挿入するスロットを有し、一対の受熱板を冷却する冷却器と、発熱体および一対の受熱板をスロットに挿入した場合に、弾性部材によって、一対の受熱板がスロットの内壁面に当接するような押圧力が負荷される発熱体の固定構造を特徴とする。

半導体モジュール等の発熱体を効率よく冷却するとともに小型な発熱体の固定構造を提供する。

本実施形態に係る電力変換装置１００の回路図である。 電力変換装置１００のコンバータ１０２の回路図である。 電力変換装置１００のインバータ１０３の回路図である。 電力変換装置１００のチョッパ１０４の回路図である。 両面冷却パワーモジュール６００の外観図である。 両面冷却パワーモジュール６００の同回路図である。 受熱スペーサの斜視図である。 受熱スペーサの斜視図である。 受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂを両面冷却パワーモジュール６００に取り付けた状態を示す。 図７の破線で囲まれたＢ部の拡大平面図を示す。 図７におけるＡ−Ａ'断面の要部（端部）の拡大図を示す。 両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に装着前の状態をｘ軸方向から見た状態を示す。 両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に装着した状態をｘ軸方向から見た状態を示す。 両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に装着した状態をｚ軸方向から見た状態を示す。 単位変換器ユニット１１０１をｙ軸方向から見た外観図である。 単位変換器ユニット１１０１をｚ軸方向から見た外観図である。 複数の単位変換器ユニット１１０１を配置してなる電力変換装置１５０の外観図である。 本実施例における両面冷却パワーモジュール６００を冷却器に固定する場合の外観図である。 本実施例における両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に固定する場合の外観図である。 冷却器のスロット６１１の変形例である。 冷却器のスロット６１１の変形例である。 冷却器６１０に放熱フィン１７０２が設けられたヒートシンク１７０１を採用した場合の外観を示している。 冷却器６１０にヒートパイプ１８０１および放熱フィン１８０２が設けられた場合の外観を示している。 一つの冷却器６１０あたりに、２つ以上の両面冷却パワーモジュール６００を挿入し、電気的に並列に接続した場合の外観を示している。 両面冷却パワーモジュール６００に取り付ける受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂの変形例である。 両面冷却パワーモジュール６００に取り付ける受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂの第２の変形例である。

＜電力変換装置の電気的構成＞
次に、本発明の一実施形態による電力変換装置１００の構成を説明する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置１００の回路図である。

図１に示すように、電力変換装置１００には、電力系統の受電点１０７から変圧器１０５を介して、適当な電圧に調整された交流電力が供給される。供給される交流電力は、コンバータ１０２に入力され、直流電力に変換される。直流電力はインバータ１０３に入力され、交流電力に変換される。この交流電力は三相の交流負荷１０８にて消費される。

一方、電力系統の不具合等でコンバータ１０２に電力が供給されない場合、これを上位制御回路１０９が検知し、チョッパ１０４が動作する。蓄電池１０６からチョッパ１０４に入力される直流電力はチョッパ１０４で適当な電力に調整され、インバータ１０３に入力される。インバータ１０３に入力された直流電力は交流電力へと変換され、三相の交流負荷１０８にて消費される。

以上の動作は上位制御回路１０９で所望の動作を判定し、コンバータ１０２への指令信号１１０Ｃ、インバータ１０３への指令信号１１０Ｉ、チョッパ１０４への指令信号１１０Ｘにより調整される。コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４はその動作に際して、熱が発生し温度が上昇する。この温度上昇を抑制するために、冷却ファン１０１（送風機）により発生させた冷却風１１１を送り込み冷却する。以上で構成された電気システムのうち、冷却ファン１０１、コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４、上位制御回路１０９等が本実施形態における電力変換装置１００に収容される。また、必要に応じて、コンバータ１０２と変圧器１０５との間、またはインバータ１０３と交流負荷１０８との間にフィルタ回路を配置してもよい。

図２は、電力変換装置１００のコンバータ１０２の回路図、図３は電力変換装置１００のインバータ１０３の回路図、図４は電力変換装置１００のチョッパ１０４の回路図である。以下、図２〜図４を参照してコンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４の回路について説明する。

図２に示すコンバータ１０２は、複数の半導体素子で構成されるレグ２０３（２０３Ｒ、２０３Ｓ、２０３Ｔ）で構成され、レグ２０３は、複数のスイッチング素子２０４（例えば、２０４ＲＨ、２０４ＲＬ）とダイオード素子２０５（例えば、２０５ＲＨ、２０５ＲＬ）で構成される。以後、個々の要素全体を示す場合は総称として、レグ２０３、スイッチング素子２０４、ダイオード素子２０５を用いる。

レグ２０３の両端はコンデンサ２０１に接続されている。レグ２０３Ｒの上側アームは、スイッチング素子２０４ＲＨと、還流用のダイオード素子２０５ＲＨとで構成される。また、レグ２０３Ｒの下側アームは、スイッチング素子２０４ＲＬと、還流用のダイオード素子２０５ＲＬとで構成される。同様に、レグ２０３Ｓの上側アームは、スイッチング素子２０４ＳＨと、還流用のダイオード素子２０５ＳＨとで構成される。また、レグ２０３Ｓの下側アームは、スイッチング素子２０４ＳＬと、還流用のダイオード素子２０５ＳＬとで構成される。また、レグ２０３Ｔの上側アームは、スイッチング素子２０４ＴＨと、還流用のダイオード素子２０５ＴＨとで構成される。また、レグ２０３Ｔの下側アームは、スイッチング素子２０４ＴＬと、還流用のダイオード素子２０５ＴＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＲＨ、２０４ＲＬ、２０４ＳＨ、２０４ＳＬ、２０４ＴＨ、２０４ＴＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるコンバータゲート制御部２０２で制御される。

なお、本実施形態のスイッチング素子には、電流のオン・オフを切り替え可能な素子なら使用することが可能である。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）がある。

図３に示すインバータ１０３は、複数の半導体素子で構成されるレグ２０３（２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗ）で構成され、レグ２０３の両端はコンデンサ３０１に接続されている。レグ２０３Ｕの上側アームは、スイッチング素子２０４ＵＨと、還流用のダイオード素子２０５ＵＨとで構成される。また、レグ２０３Ｕの下側アームは、スイッチング素子２０４ＵＬと、還流用のダイオード素子２０５ＵＬとで構成される。同様に、レグ２０３Ｖの上側アームは、スイッチング素子２０４ＶＨと、還流用のダイオード素子２０５ＶＨとで構成される。また、レグ２０３Ｖの下側アームは、スイッチング素子２０４ＶＬと、還流用のダイオード素子２０５ＶＬとで構成される。また、レグ２０３Ｗの上側アームは、スイッチング素子２０４ＷＨと、還流用のダイオード素子２０５ＷＨとで構成される。また、レグ２０３Ｗの下側アームは、スイッチング素子２０４ＷＬと、還流用のダイオード素子２０５ＷＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＵＨ、２０４ＵＬ、２０４ＶＨ、２０４ＶＬ、２０４ＷＨ、２０４ＷＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるインバータゲート制御部３０２で制御される。

図４に示すチョッパ１０４は、半導体素子で構成されるレグ２０３Ｘで構成され、レグ２０３Ｘの両端はコンデンサ４０１に接続されている。レグ２０３Ｘの上側アームは、スイッチング素子２０４ＸＨと、還流用のダイオード素子２０５ＸＨとで構成される。また、レグ２０３Ｘの下側アームは、スイッチング素子２０４ＸＬと、還流用のダイオード素子２０５ＸＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＸＨ、２０４ＸＬの連系点は、リアクトル４０３を介して蓄電池１０６（図１参照）に接続されている。スイッチング素子２０４ＸＨ、２０４ＸＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるチョッパゲート制御部４０２で制御される。

制御動作の例として、チョッパゲート制御部４０２の一例について説明する。

チョッパ１０４に与えられるスイッチング信号は、昇圧降圧切換回路（図示せず）を通して与えられる。これらの選択は、コンバータ１０２、インバータ１０３の間の直流電圧値とコンバータ１０２（整流機能）の出力電圧値の大小関係に依存する。そして、チョッパ１０４の出力がコンバータ１０２の出力電圧より大きい時、スイッチング素子２０４ＸＬにＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）信号を送信し、逆の場合は、スイッチング素子２０４ＸＨにＰＷＭ信号を送信する。

蓄電池１０６の電力を放電する場合は、スイッチング素子２０４ＸＬをＰＷＭ信号に従いスイッチングする。スイッチング素子がオンしたときリアクトル４０３にエネルギーを蓄積する。一方、オフしたとき、蓄電池１０６の電圧とリアクトル４０３のエネルギーにより蓄電池１０６の電圧より高い電圧をコンデンサ４０１に、スイッチング素子２０４ＸＨに接続されているダイオード素子２０５ＸＨを介して充電する。

蓄電池１０６に電力を充電する場合は、スイッチング素子２０４ＸＨをＰＷＭ信号に従いスイッチングし、スイッチング素子２０４ＸＨがオンしたときリアクトル４０３を介して、コンデンサ４０１の電力を蓄電池１０６に充電する。スイッチング素子２０４ＸＨがオフしているとき、スイッチング素子２０４ＸＬに接続されているダイオード素子２０５ＸＬを介してリアクトル４０３に蓄積したエネルギーを循環させる。これらの動作により、蓄電池１０６の電力を充放電させることができる。

なお、一般的な電力変換装置では、コンデンサは一括して配置する場合もあるが、本実施形態では、後記する単位変換器ユニット９６０（図１２参照）の構成を規格化する観点からコンデンサ２０１、３０１、４０１を分割している。具体的には、コンデンサ２０１、３０１は、レグ２０３ごとに更に分割される。

図２〜図４に示すレグ２０３のスイッチング素子２０４とダイオード素子２０５による電流の通電と阻止を行うことで、コンバータ１０２では交流から直流変換を、インバータ１０３では直流から交流変換を行っている。通電時にはスイッチング素子２０４とダイオード素子２０５に内蔵する抵抗により損失が発生する。また、通電状態から阻止状態に切り替える際にも損失が発生する。このため、電力変換装置１００の作動には発熱が伴う。

＜パワーユニット６００の構成＞
次に、本実施形態にて用いられる両面冷却パワーモジュール６００（発熱体、電力変換装置用半導体装置）について、図５(Ａ）の外観図および図５(Ｂ)の回路図を参照しつつ説明する。

図５(Ａ)において、両面冷却パワーモジュール６００は、略直方体状の本体部７１０と、本体部７１０の一側面を広げるように形成された略直方体状のフランジ部７２０と、フランジ部７２０において本体部７１０に対向する面から突出した、複数の端子から成る端子部７３０とから構成されている。端子部７３０を構成する端子は、図５(Ｂ)に示したＰ端子７５４Ｐと、Ｎ端子７５４Ｎと、ＡＣ端子７５４ＡＣと、ゲート端子７５１とによって構成されている。

図５(Ｂ)において、両面冷却パワーモジュール６００には、不図示の絶縁体７５３の上にマウントされたスイッチング素子２０４ＭＨ、２０４ＭＬとダイオード素子２０５ＭＨ、２０５ＭＬとが含まれる。各々の半導体素子間は、レグ２０３（例えば、図２参照）を構成するように接続される。また、不図示の絶縁体７５３には、Ｐ端子７０４Ｐ（直流正極端子）、Ｎ端子７０４Ｎ（直流負極端子）、ＡＣ端子７０４ＡＣ（交流端子）、スイッチング素子のオンとオフとを制御するゲート端子７０１が取り付けられる。

図５（Ａ）に戻り、本体部７１０の一の面７６０Ａには、微小円柱状の突起であるピンフィン７６２Ａが、多数（合計約２００以上）突出している。また、本体部７１０において面７６０Ａに対向する他の面７６０Ｂにおいても、同数のピンフィン７６２Ｂ（図示せず）が形成されている。以下、ピンフィン７６２Ａ、７６２Ｂを総称して、単に「ピンフィン７６２」と呼ぶこともある。また面７６０Ａ、７６０Ｂを「冷却面」と呼ぶ。ピンフィン７６２を除いた本体部７１０の厚さ、すなわち冷却面７６０Ａ、７６０Ｂ間の距離を「ｄ１」とする。

なお、本発明の実施形態においては、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂにピンフィンがない形態も考えられ、また冷却面も両面ではなく片面のみ有する場合も想定されるが、以下の実施例ではピンフィンが冷却面に設けられた両面冷却パワーモジュール６００を例に説明する。

前述の半導体素子が動作する際、端子部７３０を経由して外部と電気的な導通を得る一方で、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂを経由して排熱する。すなわち、端子部７３０は、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂに隣接するひとつの側面に形成され、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂとは電気的に絶縁されていることから、熱輸送経路と電気経路は独立している。

＜空冷型両面冷却パワーユニットの機械的構成＞
図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、受熱スペーサの斜視図である。

両面冷却パワーモジュール６００の冷却面７６０Ａ、７６０Ｂには、図６Ａに示す一対の受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂが衝合される。受熱スペーサ６３０Ａは、略長方形板状の受熱部６３１Ａ（受熱板）と、受熱部６３１Ａの両端から受熱スペーサ６３０Ｂに向かって突出する、略直方体状の一対の空間確保部６３２Ａとから構成されている。また、受熱部６３１Ａには、円柱状の貫通孔６３３Ａ（穴）が多数形成されている。これら貫通孔６３３Ａは、冷却面７６０Ａのピンフィン７６２Ａに対向する位置に形成され、かつ、ピンフィン７６２Ａの直径よりも若干大きな直径を有している。本来は、貫通孔６３３Ａがピンフィン７６２Ａに隙間なく嵌合することが理想的であるが、ピンフィン７６２Ａの直径や位置には若干の製造誤差が伴うため、その製造誤差を吸収できる程度まで、貫通孔６３３Ａの直径は広げられている。なお、１つのピンフィン７６２Ａが１つの貫通孔６３３Ａに挿入される他に、複数のピンフィン７６２Ａが貫通孔６３３に挿入される場合もある。また、貫通孔６３３の形状は、円柱状だけでなく四角柱状などピンフィンが挿入できる形状であればよい。このように、貫通孔に対してピンフィンが挿入されることにより、―ｙ軸方向に重力が係るようにパワーユニットが設置されても、両面冷却パワーモジュール６００に受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂが衝合されたまま組み付けられた状態が保たれる。なお、ピンフィンがない形態の場合、取っ掛かりとなる勘合部分がなくなるため、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂが両面冷却パワーモジュール６００に対して横にすべることが懸念される。この場合、すべりが生じないように、例えば、両面冷却パワーモジュール６００のフランジ部７２０と後述する冷却器６１０とをねじ止めするなどして固定する。

受熱スペーサ６３０Ｂは、略長方形板状の受熱部６３１Ｂと、受熱部６３１Ｂの両端から受熱スペーサ６３０Ｂに向かって突出する、略直方体状の一対の空間確保部６３２Ｂとから構成されている。受熱スペーサ６３０Ｂは、受熱スペーサ６３０Ａに対して全体として上下対称の形状を有しているが、受熱部６３１Ｂにあっては、両面冷却パワーモジュール６００の冷却面７６０Ｂから突出するピンフィン７６２Ｂに各々対向する位置に、貫通孔６３３Ｂが形成されている。また、受熱スペーサ６３０Ａも同様に、略長方形板状の受熱部６３１Ａと、受熱部６３１Ａの両端から受熱スペーサ６３０Ｂに向かって突出する、略直方体状の一対の空間確保部６３２Ａとから構成されている。受熱スペーサ６３０Ｂは、受熱スペーサ６３０Ａに対して全体として上下対称の形状を有する。

ここで、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂは、放熱特性の観点からはアルミニウムや銅などの高熱伝導金属から構成することが好ましいが、両面冷却パワーモジュール６００と冷却器６１０とを絶縁する必要がある場合には、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂとして、樹脂やセラミックスなどを用いてもよい。

また、空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂは、受熱スペーサのｘｚ平面においてｘ軸方向の両端に設けられている必要はなく、両面冷却パワーモジュール６００に対して組み付けた時、受熱スペーサ間の間隔を確保できるような位置に設けられていればよい。また空間確保部は、受熱スペーサと一体型となっている必要もなく別体として組み付けられていてもよい。

図７は、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂを両面冷却パワーモジュール６００に取り付けた状態を示す。

受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂを両面冷却パワーモジュール６００に取り付ける際には、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂに充分に熱伝導グリスを塗布し、各ピンフィン７６２に貫通孔６３３Ａ、６３３Ｂの位置を合わせつつ、空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂを衝合させる。そして、空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂを衝合させた衝合面には弾性部材８０１を設けている。また、本体部７１０はその端面７１０ａを露出させているが、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂの大部分は受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂによって覆われている。なお、熱伝導グリス６０６に代えて、熱伝導シートを用いてもよい。

図８は、図７の破線で囲まれたＢ部の拡大平面図を示す。

上述したように、貫通孔６３３Ａの直径は、ピンフィン７６２Ａの直径よりも若干大きいため、ピンフィン７６２Ａは、貫通孔６３３Ａとの間に空隙６３５を形成しつつ、空隙６３５に遊挿される。その際、ピンフィン７６２Ａに塗布された熱伝導グリスがこの空隙６３５内に押し出されるように浸透し、空隙６３５は、隙間なく熱伝導グリスによって充填される。

図９は、図７におけるＡ−Ａ'断面の要部（端部）の拡大図を示す。

空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂを衝合させた際、受熱部６３１Ａ、６３１Ｂは所定の距離を隔てて対向する。この距離をｄ2とする。両面冷却パワーモジュール６００の本体部７１０の厚さｄ1よりも距離ｄ2が若干大きくなるように、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂは形成されている。この結果、受熱部６３１Ａと本体部７１０の間、および受熱部６３１Ｂと本体部７１０の間には、それぞれ空隙６３７Ａ、６３７Ｂが形成される。この空隙６３７Ａ、６３７Ｂを有することにより、受熱部６３１Ａおよび６３１Ｂに外力である押圧力Ｆが印加された場合においても、両面冷却パワーモジュール６００に対する押圧力を防ぐことができる。なお、両面冷却パワーモジュール６００は、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂに対して遊びを有するため、空隙６３７Ａ、６３７Ｂの幅は必ずしも同一ではない。

空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂを衝合する際、ピンフィン７６２に塗布された熱伝導グリスは、空隙６３７Ａ、６３７Ｂ内にも押し出されるように浸透し、空隙６３７Ａ、６３７Ｂも隙間なく熱伝導グリスによって充填される。また、ピンフィン７６２Ａの先端からピンフィン７６２Ｂの先端まで含めた本体部７１０の厚さをｄ4とし、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂを衝合させた際の全体の幅をｄ5とする。このとき、幅ｄ5は厚さｄ4よりも若干大きくなるように、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂは形成されている。これにより、図中における受熱スペーサ６３０Ａの上面とピンフィン７６２Ａの先端との間、および受熱スペーサ６３０Ｂの下面とピンフィン７６２Ｂの先端との間には、それぞれ空隙６３９Ａ、６３９Ｂが形成される。空隙６３９Ａ、６３９Ｂを有することにより、上述したように、両面冷却パワーモジュール６００は、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂに対して遊びを有するため、空隙６３７Ａ、６３７Ｂの幅は必ずしも同一ではない。

受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂを冷却器６１０（詳細は後述する）に装着する際には、ハッチングを付した矢印で示すような押圧力Ｆが印加される。この押圧力Ｆは、空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂの衝合部分に印加される。本実施形態においては、本体部７１０と受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂとの間に空隙６３７Ａ、６３７Ｂが形成され、さらにピンフィン７６２Ａ、７６２Ｂの各先端部分にも空隙６３９Ａ、６３９Ｂが形成されているから、この押圧力がピンフィン７６２Ａ、７６２Ｂを介して両面冷却パワーモジュール６００に印加されることを防止できる。これにより、両面冷却パワーモジュール６００の破損を未然に防止することが可能である。また、空間確保部６３２A、６３２Bの衝合部分に弾性部材８０１を取り付ける。ここで、弾性部材８０１は、弾性部材として弾性を持つ樹脂板を用いることができるが、金属製のバネ材などを用いてもよい。これにより、弾性部材の伸縮範囲において、受熱スペーサの冷却面に対向する面同士の間隔d２および受熱スペーサの表面同士の間隔d５の寸法が変化する。弾性部材を圧縮する際には、圧縮量に応じた反発力fが発生し、受熱スペーサが上下方向に押し出される力が発生する。

図１０（Ａ）は、両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に装着前の状態をｘ軸方向から見た状態を示す。

図１０（Ａ）に示すように、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂは、両面冷却パワーモジュール６００を挟まれている。受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂの衝合部分には弾性部材８０１が設けられている。冷却器６１０Ａは、パワーモジュールを挿入するためのスロット６１１を有しており、ｚ軸方向に寸法Ｈ、ｙ軸方向に寸法Ｗ、不図示のｘ軸方向に寸法Ｓの形態をとる。両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に装着する場合には、図示のように、受熱スペーサー６３０Ａおよび６３０Ｂにｙ軸方向の押圧力Ｆが負荷され、d２、d５の寸法を変化させることによりスロット６１１に装着される。

具体的には、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂ（弾性部材８０１）に押圧力Ｆがかからない状況下では、スロット６１１の寸法Wは寸法d5より小さくなるように設計する。そして、両面冷却パワーモジュール６００をスロット６１１に挿入する際には、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂを介して弾性部材８０１を圧縮し、寸法d5が、冷却器の挿入穴寸法W以下にするようにする。この状態を維持しながら両面冷却パワーモジュール６００を冷却器のスロットに挿入する。十分に挿入されたところで、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂ（弾性部材８０１）への押圧力Ｆを開放する。

図１０（Ｂ）は、両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に装着した状態をｘ軸方向から見た状態を示す。挿入された両面冷却パワーモジュール６００は、弾性部材８０１の反発力Ｎにより、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂが冷却器６１０の受熱面６１２に押し当てられる力がかかる。この力により、両面冷却パワーモジュール６００をｘ、ｙ、ｚ軸方向に移動させようとすると、静止摩擦力が働くため、両面冷却パワーモジュールを冷却器に固定することができる。また、受熱面６１２に、反発力Ｎにより受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂが接することにより、両面冷却パワーモジュール６００からの発熱を効率よく冷却器６１０に伝えることができる。

図１０（Ｃ）は、両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に装着した状態をｚ軸方向から見た状態を示す。y軸方向は弾性部材によって寸法ｄ５(図１０（Ａ）記載)を柔軟に変更できる一方で、x軸方向にはそのような調整しろがない。このため、x軸方向の孔寸法の公差によっては両面冷却パワーモジュール６００を冷却器１０に挿入できない懸念がある。このため、x軸方向の孔寸法は両面冷却パワーモジュール６００の寸法よりも十分に大きいことが好ましい。

なお、上記実施形態において、両面冷却パワーモジュール６００の冷却面７６０Ａ、７６０Ｂは平面であり、受熱部６３１Ａ、６３１Ｂは平板形状であったが、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂは必ずしも平面でなくてもよい。すなわち、受熱部６３１Ａ、６３１Ｂの形状を、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂに沿った形状にすることにより、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

＜単位変換器ユニットの構成＞
次に、本実施形態における単位変換器ユニット１１０１について図１１〜図１２を参照して説明する。

図１１（Ａ）は、単位変換器ユニット１１０１をｙ軸方向から見た外観図である。

単位変換器ユニット１１０１は、両面冷却パワーユニット６００、両面冷却パワーユニット６００が挿入された冷却器６１０、コンデンサ１５２が設けられている。両面冷却パワーユニット６００の電気端子のＰ端子７０４Ｐ（図５（Ａ）、（Ｂ）参照）、Ｎ端子７０４Ｎ、ＡＣ端子７０４ＡＣは、それぞれバスバに接続されている。さらに、電気端子のゲート端子７５１がゲートドライバ基板９５４に接続されている。また、コンデンサ９５１の正極端子９５２Ｐと負極端子９５２Ｎとがバスバにそれぞれ接続されている。

なお、冷却風は−ｘ軸方向から単位変換器ユニット１１０１に送風される。このことにより、コンデンサを両面冷却パワーユニット６００からのあおり熱を受けることなく冷却することができる。

なお、図１１（Ｂ）は、単位変換器ユニット１１０１をｚ軸方向から見た外観図である。

＜電力変換装置の外観構成＞
図１２は、複数の単位変換器ユニット１１０１を配置してなる電力変換装置１５０の外観図である。

電力変換装置１５０内では、コンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４を横並びに配置している。コンバータ１５２は、図２に示した３つのレグ２０３Ｒ、２０３Ｓ、２０３Ｔに対応する単位変換器ユニット９６０で構成されている。インバータ１５３は、図３に示した３つのレグ２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗに対応する単位変換器ユニット９６０で構成されている。チョッパ１５４は１つ単位変換器ユニット９６０で構成されている。ただし、本実施の形態と異なる順序で、コンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４を並べてもよく、各々のコンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４の中で異なる相順で並べても良い。

図１２に示す電力変換装置内の単位変換器ユニットの冷却方法において、図１０と同様に、冷却器に対し冷却風を送風している。これにより、電力変換装置１５０に単位変換器ユニット９６０を横並びに密に実装しても、各単位変換器ユニット９６０間の冷却効果を低減させることがない利点を有する。また、コンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４のそれぞれの半導体素子温度が異なる場合、冷却風８５３Ａ、８５３Ｂ、８５３Ｃの風速などを変更してもよい。

このように、電力変換装置１５は、単位変換器ユニット１１０１を並べ、これらをバスバで接続することで構成される。

図１３は、本実施例における両面冷却パワーモジュール６００を冷却器に固定する場合の外観図である。

両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に固定する際、図１３に示すように、従来のボルト等の固定具とドライバー等の工具を用いるためのスペースおよび、ｙ軸およびｚ軸方向において作業するためのスペースが必要となり、この分だけ装置が大型化してしまう。

図１４は、本実施例における両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に固定する場合の外観図である。

本実施の形態によれば、受ける受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂを介して弾性部材８０１を圧縮し、この状態を維持しながら両面冷却パワーモジュール６００を冷却器のスロットに挿入するので、ｙ軸方向における作業スペースが不要になり、小型化することができる。また、本実施形態においては、空間確保部（６３２Ａ、６３２Ｂ）間に取り付けられる弾性部材による反発力により、パワーモジュールと冷却器とが固定されるため、ボルト等の固定具および、ドライバー等の工具を必要としない。このことから、製造工程を簡易にし、経済性を向上することができる。

＜変形例＞
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように種々の変形が可能である。

図１５は、冷却器のスロット６１１の変形例である。

冷却器のスロット６１１の形状は、実施形態のものに限定されるわけではなく、要するに受熱スペーサに反発力を加えることにより、両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０の受熱面６１２と固定できれば、スロット６１１は種々の形状および寸法を備えるものに変更することができる。例えば、図１５に示すように、ｙｚ平面におけるスロット幅Ｗの面を設けず、スロットを上下で貫通させても良い。この場合、ｙｚ平面におけるスロット幅Ｗの部材を削減でき、装置を軽量化できる利点がある。

また、冷却器のスロット６１１の形状は、図１６に示すように、冷却器の壁を受熱面６１２だけとするように構成してもよい。この場合、スロット６１１におけるｘｙ平面の部材を削減でき、装置を軽量化できる利点がある。さらに、本構造を形成可能な工法の選択肢が広がる。例えば、本変形例は押し出し工法等によって制作することができ、一度に大量に生産できる利点がある。

上記実施形態においては、冷却器６１０の形状を明示していないが、例えば図１７および図１８に記載するヒートシンクや、ヒートパイプを用いた冷却器であってもよい。

図１７は、冷却器６１０に放熱フィン１７０２が設けられたヒートシンク１７０１を採用した場合の外観を示している。

ヒートシンク１７０１は、冷却器６１０のｘｚ平面上に放熱フィン１７０２をｙ軸方向に延伸させて設けた場合を示している。放熱フィン１７０２はｚ軸方向に複数設けることにより、全放熱面積を増大させ放熱効率を高めている。このとき冷却風はｘ軸方向に放熱フィン１７０２の間を送風させる。

図１８は、冷却器６１０にヒートパイプ１８０１および放熱フィン１８０２が設けられた場合の外観を示している。

ヒートパイプ１８０１は冷却器６１０のｘｚ平面に−ｚ軸方向に延伸するように設けられ、ヒートパイプ１８０１には図１８のように放熱フィン１８０２が備えられる。そして冷却風がｙ軸方向に送風されることにより放熱効果を高めることができる。なお、ヒートパイプの延伸方向はｘ軸、ｙ軸方向いずれであってもよい。

図１９は、一つの冷却器６１０あたりに、２つ以上の両面冷却パワーモジュール６００を挿入し、電気的に並列に接続した場合の外観を示している。

各々の両面冷却パワーモジュールは、各々のスロットと弾性部材による反発力により固定されるため、パワーモジュール間に作業スペースを設ける必要はなく、コンパクトに両面冷却パワーモジュールを配列することができる。また、並列数分だけ電流容量を大きくすることができ、より大きな電力変換が可能となる。

図２０は、両面冷却パワーモジュール６００に取り付ける受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂの変形例である。

上記実施形態のように受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂに空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂを備えている必要はなく、図２０に示すように押圧力Ｆが受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂに対して加わった場合に発生する反発力ｆにより、冷却器６１０の受熱面６１２に加わるような構成を有していればよい。例えば受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂの対向する面１２０２Ａ、１２０２Ｂに弾性部材８０１を設けてもよい。この弾性部材８０１によって、受熱スペーサの冷却面に対向する面同士の間隔d２および受熱スペーサの表面同士の間隔d５の寸法を変化させることができる。

図２１は、両面冷却パワーモジュール６００に取り付ける受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂの第２の変形例である。また、両面冷却パワーモジュール６００にピンフィンが設けられている場合において、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂに設けられている貫通孔６３３Ａ、６３３Ｂはｚ軸方向において貫通している必要はなく、ピンフィンが挿入できる凹部を設けていてもよい。

また、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂは、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂに対向する領域にある受熱部６３１Ａ、６３１Ｂがないフレーム状の形態であってもよい。この際、受熱部の機能は冷却器６０１に持たせることも可能である。

１０１ 冷却ファン
１０５ 変圧器
１０６ 蓄電池
１０７ 受電点
１０８ 交流負荷
１０９ 上位制御回路
１１０Ｃ コンバータへの指令信号
１１０Ｉ インバータへの指令信号
１１０Ｘ チョッパへの指令信号
１１１ 冷却風
１５０ 電力変換装置
１５２ コンバータ
１５３ インバータ
１５４ チョッパ
２０１ コンデンサ
２０２ コンバータゲート制御部
２０４ スイッチング素子
２０５ ダイオード素子
２５３ レグ
６００ 両面冷却パワーモジュール（発熱体）
６０１ 受熱ブロック
６０１Ａ、６０１Ｂ 受熱ブロック（挟持部材）
６０２ ヒートパイプ
６０３ 放熱フィン
６０４ 固定具
６０６ 熱伝導グリス
６１０、６１０Ａ、６１０Ｂ 冷却器
６２０ 空冷型両面冷却パワーユニット
６３０Ａ、６３０Ｂ 受熱スペーサ
６３１Ａ、６３１Ｂ 受熱部（受熱板）
６３２Ａ、６３２Ｂ 空間確保部
６３３Ａ、６３３Ｂ、６４０Ａ、６４２Ａ 貫通孔（穴）
６３５、６３７Ａ、６３７Ｂ、６３９Ａ、６３９Ｂ 空隙
６５０Ａ、６５０Ｂ 受熱ブロック（挟持部材）
６５２ 空間確保部
６５４Ｂ 凹部
７１０ 本体部
７１０ａ 端面
７２０ フランジ部
７３０ 端子部
７５１ ゲート端子
７５３ 絶縁体
７５４Ｎ Ｎ端子
７５４Ｐ Ｐ端子
７５４ＡＣ ＡＣ端子
７６０Ａ、７６０Ｂ 冷却面
７６２、７６２Ａ、７６２Ｂ ピンフィン
８５３ 冷却風
９５１ コンデンサ
９５２Ｎ 負極端子
９５２Ｐ 正極端子
９５３Ｎ 負極フューズ
９５３Ｐ 正極フューズ
９５４ ゲートドライバ基板
９５５ ラミネートバスバ
９５５ Ｐ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ
９５５Ｎ Ｎ層バスバ
９５５Ｐ Ｐ層バスバ
９５５Ｓ 絶縁層
９５５ＡＣ ＡＣ層バスバ
９６０ 単位変換器ユニット
１０５１ 正極端子
１０５２ 負極端子
１０５３ Ｐ・Ｎ積層相間ラミネートバスバ

Claims (10)

1. 対向する二平面を有し、前記二平面は少なくとも一の冷却面である発熱体と、
   前記二平面をそれぞれ覆うように設けられる一対の受熱板と、
   前記一対の受熱板が互いに対向する領域に設けられる弾性部材と、
   前記発熱体および前記一対の受熱板を挿入するスロットを有し、前記一対の受熱板を冷却する冷却器と、
   前記発熱体および前記一対の受熱板を前記スロットに挿入した場合に、前記弾性部材によって、前記一対の受熱板が前記スロットの内壁面に当接するような押圧力が負荷される発熱体の固定構造。
2. 前記発熱体および前記一対の受熱板を前記スロットに挿入した場合に、前記一対の受熱板同士を圧縮しながら挿入する請求項１に記載の発熱体の固定構造。
3. 前記発熱体および前記一対の受熱板を前記スロットに挿入した場合に、前記弾性部材によって前記一対の受熱板が互いに反発する方向に力が加わる請求項１に記載の発熱体の固定構造。
4. 前記スロットに前記発熱体および前記一対の受熱板を挿入した場合に、前記スロットの内壁面から前記一対の受熱板に付加される押圧力が前記発熱体に印加されないように、前記一対の受熱板の間隔を抑制する空間確保部を有する請求項１ないし３のいずれかに記載の発熱体の固定構造。
5. 前記空間確保部において、対向する空間確保部同士が接触する面に前記弾性部材を備える請求項４に記載の発熱体の固定構造。
6. 前記発熱体は、対向する二面に前記冷却面を有し、
   前記一対の受熱板は二面の前記冷却面に沿った形状を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の発熱体の固定構造。
7. 前記冷却面には複数のピンフィンが突出させて設けられており、
   前記一対の受熱板には前記ピンフィンに対抗する箇所に前記ピンフィンが遊挿される穴を形成される請求項１ないし６のいずれかに記載の発熱体の固定構造。
8. 前記発熱体の冷却面と対向する前記一対の受熱板の面の面積は、前記発熱体の冷却面よりも大きい面積であり、前記一対の受熱板の面に前記冷却面を投影した場合に、前記受熱板の面における投影領域以外の領域に、前記互いに反発する方向の力が加わる請求項１ないし７のいずれかに記載の発熱体の固定構造。
9. 対向する二平面に冷却面を有し、前記冷却面に隣接するひとつの側面に電気端子を有する半導体装置と、
   前記二平面をそれぞれ覆うように設けられる一対の受熱板と、
   前記一対の受熱板が互いに対向する領域に設けられる弾性部材と、
   前記一対の受熱板を挿入するスロットを有し、前記一対の受熱板を冷却する冷却器と、
   前記一対の受熱板を前記スロットに挿入した場合に、前記弾性部材によって、前記一対の受熱板が前記スロットの内壁面に当接するような押圧力が負荷され、
   前記冷却器には放熱フィンが設けられる電力変換ユニット。
10. 請求項９に記載の電力変換器ユニットを、前記冷却器が相互に隣接するように複数個並べて配置してなる電力変換装置。

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