JP6509039B2 - 電力機器 - Google Patents

Description

本発明は、電力用半導体素子を用いた電力機器に関する。

近年、エンジンとバッテリの両方で駆動するハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＨＶ）が開発されている。また、家庭用電源などの外部電源から駆動用バッテリを直接充電するプラグインハイブリッド自動車（Ｐｌｕｇ−ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ，ＰＨＶ）も開発されている。ＰＨＶは、外部電源の電圧を駆動用バッテリの充電用の電圧に変換する車載充電器、いわゆるＯＢＣ（Ｏｎ Ｂｏａｒｄ Ｃｈａｒｇｅｒ）を搭載している。

一般に、ＯＢＣなどの電力機器は複数個の電力用半導体素子を有している。電力用半導体素子は使用時の通電により発熱するため、個々の電力用半導体素子を電力機器の筐体に固定することで放熱している。

従来の電力機器は、要部を組み立てるとき、まず、筐体に電力用半導体素子を配列する。このとき、櫛形冶具の櫛歯間に電力用半導体素子を配置することで電力用半導体素子を位置決めし、位置決めした状態で個々の電力用半導体素子を筐体にネジ止めする。次いで、電力用半導体素子から櫛形冶具を抜き取る。次いで、電力用半導体素子の端子を電子回路基板の貫通孔に通して半田付けする。

従来の電力機器は、ネジの締結時に電力用半導体素子が回転するため、電力用半導体素子の端子の位置が電子回路基板の貫通孔の位置からずれて、組立不良が発生する問題がある。また、電力用半導体素子の回転により電力用半導体素子が冶具の櫛歯と噛み合い、冶具の抜き取りに強い力を要する。このため、冶具の抜き取りの勢いが強まり、冶具が電力用半導体素子の端子に接触して端子を破損させる問題がある。

これに対し、特許文献１の半導体装置は、まず、ディスクリート半導体の端子を樹脂部材の貫通孔に挿入し、挿入した状態でディスクリート半導体と樹脂部材をケースに固定する。次いで、ケースの上にプリント基板を載せることで、ディスクリート半導体の端子をプリント基板の取り付け孔に挿入する。これにより、従来の位置決め冶具を不要にしつつ、ディスクリート半導体の端子をプリント基板の取り付け孔に簡単に挿入できるようにしている。

特開２００６−１３５７１０号公報

特許文献１の半導体装置は、ディスクリート半導体の端子を樹脂部材の貫通孔に挿入した状態で個々のディスクリート半導体をネジ止めする構造である。この構造では、樹脂部材の貫通孔によりディスクリート半導体の端子は位置決めされるものの、ディスクリート半導体の本体部は位置決めされない。このため、ネジの締結によるディスクリート半導体の回転を十分に抑制することができず、回転により端子に負荷がかかり端子が破損する課題があった。

また、一般に、複数個の電力用半導体素子を近接して配置することで、筐体内の空間を有効に利用して電力機器を小型にすることができる。しかしながら、電力用半導体素子間の間隔が狭すぎると、互いに隣接する電力用半導体素子が電気的に導通して設計通りに動作しなくなる。特許文献１の構造では、ディスクリート半導体の本体部は位置決めされないため、ディスクリート半導体の回転により互いに隣接するディスクリート半導体間の間隔が不安定になる課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、位置決め用の冶具を不要にするとともに、電力用半導体素子の端子を位置決めすることができ、かつ、電力用半導体素子の本体部を位置決めすることができる電力機器を提供することを目的とする。

本発明の電力機器は、裏面が電力機器本体の筐体と対向し、かつ、表面が電子回路基板と対向して配置されたモールド部品と、モールド部品の裏面に設けた複数個の凹部と、それぞれの凹部に１つずつ配置されて筐体に当接した電力用半導体素子と、を備え、電力用半導体素子の端子は、凹部の底部を貫通した第１孔部に通されて電子回路基板と電気的に接続しており、電力用半導体素子の本体部は凹部の両側部に当接して当該両側部に設けられたリブが潰れることにより位置決めされており、電力用半導体素子の端子は第１孔部により位置決めされているものである。

本発明の電力機器は、位置決め用の冶具を不要にするとともに、第１孔部により電力用半導体素子の端子を位置決めすることができ、かつ、モールド部品の凹部により電力用半導体素子の本体部を位置決めすることができる。

本発明の実施の形態１に係る電力機器の要部を分解した状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るモールド部品及び電力用半導体素子を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るモールド部品に電力用半導体素子を配置した状態を示す平面図である。 図３に示すＡ−Ａ’線に沿う断面図である。 本発明の実施の形態１に係る他のモールド部品を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る他のモールド部品に電力用半導体素子を配置した状態を示す平面図である。 本発明の実施の形態２に係る電力機器の要部を分解した状態を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るモールド部品及び電力用半導体素子を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、電力機器１００の要部を分解した状態を示す斜視図である。図２は、モールド部品１及び電力用半導体素子２を示す斜視図である。図３は、モールド部品１に電力用半導体素子２を配置した状態を示す平面図である。図４は、図３に示すＡ−Ａ’線に沿う断面図である。図１〜図４を参照して、実施の形態１の電力機器１００について説明する。

図中、１はモールド部品である。モールド部品１は略板状であり、表面１１に複数個の凸部１２が形成されている。凸部１２は、例えば、間隔を設けて互いに対向した２個の略半円柱状の突起を有しており、半径方向に拡縮自在なスナップフィット型の凸部である。図１〜図４は、モールド部品１の端部に３個の凸部１２を配置した例を示している。

モールド部品１は、複数個の第２孔部１３が貫通している。図１〜図４は、１２個の第２孔部１３を設けた例を示している。図４に示す如く、第２孔部１３は、モールド部品１の表面１１側から裏面１４側に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状である。

モールド部品１の裏面１４には、複数個の凹部１５が設けられている。図１〜図４は、モールド部品１の一辺に沿って４個の凹部１５を一定間隔で配列し、かつ、対向する他辺に沿って７個の凹部１５を一定間隔で配列した例を示している。それぞれの凹部１５の側部には、３個のリブ１６が凸設されている。それぞれの凹部１５の底部には、１個の開口部１７が開口し、３個の第１孔部１８が穿たれている。図４に示す如く、第１孔部１８は当該孔部の高さ方向の略中央部からモールド部品１の表面１１側に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状を有し、かつ、当該孔部の高さ方向の略中央部からモールド部品１の裏面１４側に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状を有している。

それぞれの凹部１５に、電力用半導体素子２が配置されている。電力用半導体素子２は、例えば、ダイオード、トランジスタ又はＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などである。電力用半導体素子２の本体部２１はネジ穴２２が貫通し、モールド部品１に組み付けた状態で開口部１７と連通している。また、電力用半導体素子２は３本の端子２３を有しており、それぞれＬ字状に折り曲げられている。

それぞれの凹部１５は、本体部２１の形状に合わせた四角形状であり、本体部２１よりも外形が僅かに大きく形成されている。電力用半導体素子２を凹部１５に押し込むときにリブ１６が潰れることで、本体部２１が凹部１５に保持されている。また、互いに隣接する凹部１５間の間隔は、電力用半導体素子２を電気的に絶縁する値に設定されている。すなわち、電力用半導体素子２の本体部２１は凹部１５により位置決めされている。

また、第１孔部１８は端子２３の位置に合わせて配置されており、それぞれの端子２３が第１孔部１８に通されている。すなわち、電力用半導体素子２の端子２３は第１孔部１８により位置決めされている。モールド部品１の表面１１から突出した端子２３の長さは、凸部１２の高さよりも小さい値に設定されている。モールド部品１及び電力用半導体素子２により、素子ユニット３が構成されている。

筐体４は外形が略直方体の箱状であり、６面のうちの少なくとも１面が開口している。筐体４の内部には、筐体４の外部と連通した冷却管部４１が形成されている。冷却管部４１は、管内に冷却水を流すことで筐体４を冷却するものである。冷却管部４１には、筐体４の開口部と対向した平面部４２が形成されている。

筐体４の内部には、モールド部品１に配置した電力用半導体素子２とは別に、変圧器などの電子部品４３が収容されている。電子部品４３は、筐体４の開口部に向けて延伸した複数本の端子４４を有している。図１〜図４は、２個の電子部品４３を収容して、合計１２本の端子４４を設けた例を示している。

素子ユニット３は、電子部品４３の端子４４をモールド部品１の第２孔部１３に通した状態で、電力用半導体素子２のネジ穴２２及びモールド部品１の開口部１７を貫通した図示しないネジにより平面部４２に固定されている。このとき、モールド部品１の裏面１４が筐体４と対向し、電力用半導体素子２の本体部２１が平面部４２に当接した状態で固定する。これにより、電力用半導体素子２の通電による発熱を筐体４に放熱することができる。また、モールド部品１の表面１１から突出した端子４４の長さは、凸部１２の高さよりも小さい値に設定されている。

モールド部品１の表面１１と対向して、電子回路基板５が配置されている。電子回路基板５は、第１孔部１８の位置に合わせて配置した複数個の第１貫通孔５１を有している。電力用半導体素子２の端子２３の先端部は、第１貫通孔５１に通した状態で半田付けされている。また、電子回路基板５は、第２孔部１３の位置に合わせて配置した複数個の第２貫通孔５２を有している。電子部品４３の端子４４の先端部は、第２貫通孔５２に通した状態で半田付けされている。

電子回路基板５の端部には、孔部５３及び切欠き部５４が設けられている。モールド部品１の凸部１２が孔部５３又は切欠き部５４にそれぞれ嵌合することで、素子ユニット３に対して電子回路基板５が位置決めされている。このようにして、電力機器１００が構成されている。

電力機器１００は、例えば、ＰＨＶの車両に搭載されている。電力機器１００は、電子回路基板５に実装された電力用半導体素子２及び電子部品４３を用いて、外部電源の電圧をＰＨＶの駆動用バッテリの充電用の電圧に変換する機能を果たすものである。すなわち、電力機器１００によりＯＢＣが構成されている。

次に、電力機器１００の要部の組立方法及び効果について説明する。
まず、電力用半導体素子２の端子２３をモールド部品１の第１孔部１８に通し、本体部２１を凹部１５に押し込むことで、素子ユニット３を組み立てる。このとき、第１孔部１８は中央部からモールド部品１の裏面１４側に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状であるため、電力用半導体素子２の端子２３を誘うガイドの機能を果たす。この結果、端子２３の折れなどの破損を防ぐことができる。また、凹部１５の外形が本体部２１よりも僅かに大きく形成されているため、電力用半導体素子２のパッケージサイズのばらつきを吸収することができる。さらに、凹部１５内のリブ１６が潰れて電力用半導体素子２を保持するため、図１に示す如くモールド部品１の裏面１４を鉛直下向きにした状態で、電力用半導体素子２が凹部１５から脱落するのを防ぐことができる。

次いで、筐体４に予め収容した電子部品４３の端子４４を、モールド部品１の第２孔部１３に通す。このとき、第２孔部１３がモールド部品１の表面１１側から裏面１４側に向かうにつれて次第に広がる形状であるため、電子部品４３の端子４４を誘うガイドの機能を果たす。この結果、端子４４の折れなどの破損を防ぐことができる。

次いで、筐体４に素子ユニット３をネジ止めする。このとき、電力用半導体素子２の端子２３が第１孔部１８により位置決めされ、かつ、電力用半導体素子２の本体部２１が凹部１５により位置決めされているため、ネジの締結に伴う電力用半導体素子２の回転を抑制することができる。この結果、電力用半導体素子２の回転により端子２３が破損するのを防ぐことができ、互いに隣接する電力用半導体素子２間の絶縁間隔を保つことができる。

次いで、モールド部品１の凸部１２を電子回路基板５の孔部５３及び切欠き部５４に嵌合させて、電力用半導体素子２の端子２３を電子回路基板５の第１貫通孔５１に通し、電子部品４３の端子４４を第２貫通孔５２に通す。このとき、凸部１２の嵌合によりモールド部品１に対して電子回路基板５が位置決めされるため、端子２３，４４の折れなどの破損を防ぐことができる。

次いで、端子２３，４４の先端部を電子回路基板５に半田付けする。これにより、端子２３，４４が電子回路基板５に電気的に接続されて、電力用半導体素子２及び電子部品４３が電子回路基板５に実装される。このとき、特に電子回路基板５と素子ユニット３間の間隔が小さい場合、熔融した半田が電力用半導体素子２の端子２３を伝ってモールド部品１の表面１１まで流れ落ち、表面１１に沿う半田により端子２３間が電気的に導通することがある。これに対し、第１孔部１８を中央部からモールド部品１の表面１１に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状にすることで、流れ落ちた半田を受ける半田受け部が形成され、端子２３間が意図せず導通するのを防ぐことができる。

なお、電力機器１００は、電子回路基板５を配置した後に、素子ユニット３を筐体４にネジ止めするものであっても良い。電子回路基板５は、電力用半導体素子２のネジ穴２２の位置に合わせて配置した複数個の第３貫通孔５５を有しており、第３貫通孔５５にドライバなどの工具を通してネジを締結することができる。なお、素子ユニット３を筐体４にネジ止めした後に電子回路基板５を配置する場合、電子回路基板５の第３貫通孔５５は不要である。

また、電力用半導体素子２の個数は１１個に限定されるものではない。電力機器１００の機能及び性能などに応じて、如何なる個数の電力用半導体素子２を用いたものでも良い。同様に、電子部品４３の個数も２個に限定されるものではなく、如何なる個数の電子部品４３を用いたものでも良い。また、電子部品４３の端子４４の本数は１２本に限定されるものではなく、第２孔部１３の個数も１２個に限定されるものではない。

また、電力用半導体素子２を凹部１５に保持する構造は、リブ１６に限定されるものではない。例えば、リブ１６に代えて、凹部１５の両側部に設けられて電力用半導体素子２の端子２３を掛止する爪部を設けたものであっても良い。

また、図５に示す如く、第１孔部１８は、中央部からモールド部品１の表面１１に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状でなくとも良い。特に、電子回路基板５と素子ユニット３間の間隔が十分に大きい場合は、熔融した半田がモールド部品１の表面１１まで流れ落ちる可能性は低く、半田受け部は不要である。この場合、モールド部品１の形状を簡単にして、より容易に成形することができる。

また、モールド部品１の凸部１２は、スナップフィット型の形状に限定されるものではない。孔部５３又は切欠き部５４に嵌合する形状であれば良く、例えばモールド部品の表面１１に円柱状のボスを立設したものであっても良い。

また、凹部１５の形状は、電力用半導体素子２の本体部２１を位置決めできるものであれば良く、図２及び図３に示す電力用半導体素子２を囲む形状に限定されるものではない。例えば、図６に示す如く、本体部２１の両側部の一部のみに当接する形状であっても良い。

また、電力機器１００は、ＯＢＣに限定されるものではない。例えば、車両に搭載した駆動用バッテリと補機バッテリ間の電圧を変換する降圧／降圧コンバータ、いわゆるＳＤＣ（Ｓｕｐｅｒ Ｄｏｗｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）でも良い。または、ＯＢＣとＳＤＣを一体にした機器でも良い。また、電力機器１００は車載用の機器に限定されるものではなく、電力用半導体素子２を用いたものであれば如何なる機器にも用いることができる。

以上のように、実施の形態１の電力機器１００は、裏面１４が電力機器１００本体の筐体４と対向し、かつ、表面１１が電子回路基板５と対向して配置されたモールド部品１と、モールド部品１の裏面１４に設けた複数個の凹部１５と、それぞれの凹部１５に配置されて筐体４に当接した電力用半導体素子２とを備える。電力用半導体素子２の端子２３は、凹部１５の底部を貫通した第１孔部１８に通されて電子回路基板５と電気的に接続している。第１孔部１８により電力用半導体素子２の端子２３を位置決めすることができ、かつ、凹部１５により電力用半導体素子２の本体部２１を位置決めすることができる。この結果、ネジの締結による本体部２１の回転を抑制して、端子２３の破損を防ぎ、互いに隣接する電力用半導体素子２間の絶縁間隔を保つことができる。

また、凹部１５は、電力用半導体素子２を保持するリブ１６を設けている。リブ１６が潰れて電力用半導体素子２を保持する構造により、凹部１５の外形を本体部２１よりも大きくして、電力用半導体素子２のパッケージサイズのばらつきを吸収することができる。また、電力機器１００の組立時にモールド部品１の裏面１４を鉛直下向きにした状態で、電力用半導体素子２が凹部１５から脱落するのを防ぐことができる。

また、モールド部品１は、筐体４に収容された電子部品４３の端子４４を通した第２孔部１３を有する。第２孔部１３により、電子部品４３の端子４４をより精度よく位置決めすることができ、端子４４の折れなどの破損を防ぐことができる。

また、モールド部品１の表面１１に凸部１２を設けている。電子回路基板５は、電子回路基板５に設けた孔部５３又は切欠き部５４に凸部１２が嵌ることで位置決めされている。モールド部品１に対して電子回路基板５を位置決めすることで、端子２３，４４の折れなどの破損を防ぐことができる。

また、第１孔部１８は、中央部からモールド部品１の表面１１側に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状を有する。電力用半導体素子２の端子２３を伝って流れ落ちた半田の受け部を形成することで、表面１１に沿う半田により端子２３間が意図せず導通するのを防ぐことができる。

実施の形態２．
図７は、電力機器１００の要部を分解した状態を示す斜視図である。図８は、モールド部品１及び電力用半導体素子２を示す斜視図である。図７及び図８を参照して、実施の形態１と異なる組立方法に対応した電力機器１００について説明する。なお、図７及び図８において、図１〜図６に示す実施の形態１の電力機器１００と同様の構成部材には同一符号を付して説明を省略する。

図７に示す如く、電子回路基板５は、電力用半導体素子２のネジ穴２２の位置に合わせて配置した複数個の第３貫通孔５５を有している。

図８に示す如く、モールド部品１の凹部１５は、図１〜図６に示すリブ１６を有していない。また、モールド部品１の第１孔部１８は、図５に示した例と同様に、中央部からモールド部品１の裏面１４に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状のみを有し、中央部からモールド部品１の表面１１に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状を有していない。このようにして、電力機器１００が構成されている。

次に、電力機器１００の要部の組立方法について説明する。
まず、モールド部品１の裏面１４を鉛直上向きにした状態で、電力用半導体素子２を凹部１５に配置することで素子ユニット３を組み立てる。このとき、裏面１４を鉛直上向きにしているため、電力用半導体素子２が自重で凹部１５から脱落することはなく、凹部１５内のリブは不要である。

次いで、裏面１４を鉛直上向きにしたまま、モールド部品１の凸部１２を電子回路基板５の孔部５３及び切欠き部５４に嵌合し、電力用半導体素子２の端子２３を第１貫通孔５１に通す。この状態で、いわゆる「フロー方式」により端子２３の先端部を半田付けする。このとき、裏面１４を鉛直上向きにした状態でフロー方式により半田付けするため、熔融した半田が端子２３に沿ってモールド部品１の表面１１まで流れ落ちることがない。このため、第１孔部１８の半田受け部は不要である。

次いで、素子ユニット３と電子回路基板５を一体にした部材を裏返し、筐体４に予め収容した電子部品４３の端子４４を第２孔部１３及び第２貫通孔５２に通す。次いで、素子ユニット３を筐体４の平面部４２にネジ止めする。このとき、電子回路基板５の第３貫通孔５５にドライバなどの工具を通してネジを締結する。次いで、電子部品４３の端子４４の先端部を電子回路基板５に半田付けする。

以上のように、実施の形態２の電力機器１００は、素子ユニット３及び電子回路基板５を先に組み立てて、筐体４に後から取り付ける組立方法に対応することができる。実施の形態１の組立方法又は実施の形態２の組立方法のいずれかを任意に選択することで、電力機器１００の製造設備を有効に利用することができる。また、実施の形態２のモールド部品１は実施の形態１のモールド部品１よりも形状が簡単であり、より容易に成形することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ モールド部品、２ 電力用半導体素子、３ 素子ユニット、４ 筐体、５ 電子回路基板、１１ 表面、１２ 凸部、１３ 第２孔部、１４ 裏面、１５ 凹部、１６ リブ、１７ 開口部、１８ 第１孔部、２１ 本体部、２２ ネジ穴、２３ 端子、４１ 冷却管部、４２ 平面部、４３ 電子部品、４４ 端子、５１ 第１貫通孔、５２ 第２貫通孔、５３ 孔部、５４ 切欠き部、５５ 第３貫通孔、１００ 電力機器。

Claims (7)

1. 裏面が電力機器本体の筐体と対向し、かつ、表面が電子回路基板と対向して配置されたモールド部品と、
   前記モールド部品の裏面に設けた複数個の凹部と、
   それぞれの前記凹部に１つずつ配置されて前記筐体に当接した電力用半導体素子と、を備え、
   前記電力用半導体素子の端子は、前記凹部の底部を貫通した第１孔部に通されて前記電子回路基板と電気的に接続しており、
   前記電力用半導体素子の本体部は前記凹部の両側部に当接して当該両側部に設けられたリブが潰れることにより位置決めされており、前記電力用半導体素子の端子は前記第１孔部により位置決めされている
   ことを特徴とする電力機器。
2. 前記モールド部品は、前記筐体に収容された電子部品の端子を通した第２孔部を有し、
   前記電子部品の端子は前記第２孔部により位置決めされている
   ことを特徴とする請求項１記載の電力機器。
3. 前記モールド部品の表面に凸部を設け、
   前記電子回路基板は、該電子回路基板に設けた孔部又は切欠き部に前記凸部が嵌ることで位置決めされている
   ことを特徴とする請求項１記載の電力機器。
4. 前記凹部は、前記電力用半導体素子を囲む形状であることを特徴とする請求項１記載の電力機器。
5. 前記凹部は、前記電力用半導体素子の両側部それぞれの一部に当接した形状であることを特徴とする請求項１記載の電力機器。
6. 前記第１孔部は、中央部から前記モールド部品の表面側に向かうにつれて次第に広がる形状であることを特徴とする請求項１記載の電力機器。
7. バッテリで駆動する車両に搭載されて、外部電源の電圧を前記バッテリの充電用の電圧に変換する車載充電器であることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の電力機器。

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