JP7151599B2 - 電力変換器 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換用の半導体素子を収容している複数のパワーモジュールと複数の冷却器の積層体を備えている電力変換器に関する。

複数のパワーモジュールと複数の冷却器の積層体を備えている電力変換器が特許文献１、２に開示されている。特許文献１、２の電力変換器は、電気自動車に搭載される。電力変換器は、電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換するデバイスである。複数のパワーモジュールのそれぞれは電力変換用の半導体素子を収容している。電力変換用の半導体素子は発熱量が大きい。複数のパワーモジュールと複数の冷却器は１個ずつ交互に積層されており、それぞれのパワーモジュールは両側から冷却される。パワーモジュールと冷却器を密着させるため、積層体はバネで積層方向に加圧される。積層体の積層方向の一端はハウジングの内面に押し当てられ、バネが他端側から積層体に圧力を加えている。

特許文献１の電力変換器では、それぞれのパワーモジュールから制御端子が延びており、複数のパワーモジュールの制御端子は基板に接続されている。基板からパワーモジュールの半導体素子へ制御端子を通じて駆動信号が送られる。基板は電力変換器のハウジングに固定されている。

特開２０１７－０８５８２２号公報 特開２０１１－１０３７２８号公報

特許文献１の電力変換器では、積層体と基板が個別にハウジングに固定されている。電力変換器が振動したときに積層体（パワーモジュール）と基板が相対的に変位し、制御端子の基板との接続箇所に強い力が加わるおそれがある。また、基板と積層体の相対的な位置誤差が大きい場合も制御端子の基板との接続箇所に強い力が加わるおそれがある。制御端子と基板との接続箇所に強い力が加わると接触不良を生じるおそれがある。特許文献１の電力変換器では、基板と積層体（パワーモジュール）との間には空間（隙間）が確保されており、長い制御端子が採用されている。制御端子が長ければ、基板と積層体（パワーモジュール）の相対的な変位に対して制御端子が変形することができ、基板との接続箇所に生じる力を緩和することができる。しかしながら、基板と積層体（パワーモジュール）の間の空間はデッドスペースである。本明細書は、制御端子と基板の接続箇所の耐振動特性を確保しつつ、基板と積層体（パワーモジュール）の間の空間を小さくす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器は、複数のパワーモジュールと、複数の冷却器と、一対の保持板と、一対の連結梁と、基板を備えている。夫々のパワーモジュールは、半導体素子を収容している。複数のパワーモジュールと複数の冷却器は、第１方向に沿って積層されている。一対の保持板は、パワーモジュールと冷却器の積層体を第１方向において挟んでいる。一対の連結梁は、第１方向に交差する第２方向における積層体のそれぞれの側端で一対の保持板を連結している。基板は複数のパワーモジュールの制御端子に接続されている。制御端子は第１方向と第２方向の両方に交差する第３方向に沿って延びており、基板は第３方向で積層体に隣接している。一対の保持板の少なくとも一方に、基板の位置を決めする位置決め部が設けられている。すなわち、本明細書が開示する半導体装置では、積層体を挟んでいる一対の保持板に基板が固定される。一対の保持板を介して積層体と基板の相対位置が定まるので、基板と積層体（パワーモジュール）は一体で振動する。振動の際、積層体（パワーモジュール）と基板の相対的な変位が小さくなる。また、積層体（パワーモジュール）に対する基板の相対的な位置も正確に定まる。それゆえ、積層体のパワーモジュールと基板の間の空間を狭くしても（すなわち、短い制御端子を採用しても）、制御端子と基板の接続箇所に強い力が加わることが防止される。

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。

実施例の電力変換器が採用しているパワーモジュールの斜視図である。 実施例の電力変換器が採用しているパワーモジュールの斜視図である（斜め下からみた図）。 電力変換器の斜視図である。 積層体とフレームの分解図である。 積層体とフレームのアセンブリと基板とコンデンサの分解図である。 電力変換器の側面図である。 電力変換器の平面図である（ハウジング付き）。 フレームの変形例と積層体のアセンブリの斜視図である（拘束リングを外した図）。 フレームの変形例と積層体のアセンブリの斜視図である（拘束リングを取り付けた図）。 パワーモジュールの変形例の斜視図である（斜め下からみた図）。 パワーモジュールの変形例を採用した電力変換器の側面図である。

図面を参照して実施例の電力変換器２を説明する。実施例の電力変換器２は、電気自動車に搭載される。電力変換器２は、電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換するデバイスである。電力変換器２は、電力変換用の半導体素子を収容している複数のパワーモジュール１０を備えている。

まず、パワーモジュール１０について説明する。図１に、パワーモジュール１０の斜視図を示す。説明の便宜上、図中の座標系の＋Ｚ方向を上と定義する。図２に、パワーモジュール１０を斜め下からみた斜視図を示す。図１と図２で座標系の向きが異なっていることに留意されたい。

パワーモジュール１０は、電力変換用の２個の半導体素子１１ａ、１１ｂを収容している。半導体素子１１ａ、１１ｂは、スイッチング素子であり、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）あるいは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。半導体素子１１ａ、１１ｂは、ＩＧＢＴとＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子であってもよい。また、半導体素子１１ａ、１１ｂは、スイッチング素子とダイオードが逆並列に接続された複合デバイスであってもよい。

２個の半導体素子１１ａ、１１ｂは、樹脂製のパッケージ１２に埋設されている。パッケージ１２は扁平であり、両側の幅広面に放熱板１３が露出している。放熱板１３は、後に説明する冷却器２１に接し、半導体素子１１ａ、１１ｂの熱を効率よく冷却器２１へ伝達する。

２個の半導体素子１１ａ、１１ｂは、パッケージ１２の内部で直列に接続されている。パッケージ１２の下面から３個のパワー端子１４ａ－１４ｃが延びている。２個の半導体素子１１ａ、１１ｂの直列接続の正極と負極のそれぞれがパワー端子１４ａ、１４ｂのそれぞれに導通している。直列接続の中点はパワー端子１４ｃに導通している。

パッケージ１２の上面からは、複数の制御端子１５が延びている。複数の制御端子１５は、半導体素子１１ａ、１１ｂのゲート電極や温度センサに導通している。

３個のパワーモジュール１０を並列に接続すると、直流電力を三相交流電力に変換するインバータを実現することができる。

図３に、電力変換器２の斜視図を示す。図３は、電力変換器２の主要部品のみを示しており、電力変換器２のハウジング、及び、ハウジングに収容される他のデバイスの図示は省略している。

電力変換器２は、複数のパワーモジュール１０と、複数の冷却器２１と、基板４０と、コンデンサ５０を備えている。図３では、基板４０は仮想線で描いてある。

電力変換器２は、７個のパワーモジュール１０を備えている。図３では、左端のパワーモジュール１０のみに符号１０を付し、残りのパワーモジュールには符号を省略した。先に述べたように、３個のパワーモジュール１０を並列に接続すると、インバータを構成することができる。７個のパワーモジュール１０は、２セットのインバータと、１個の電圧コンバータに用いられる。１個のパワーモジュール１０が電圧コンバータに用いられる。

複数のパワーモジュール１０と複数の冷却器２１は、１個ずつ交互に積層されている。図３では、左端のパワーモジュール１０を挟む一対の冷却器２１にのみ符号を付し、残りの冷却器には符号を省略した。複数のパワーモジュール１０と複数の冷却器２１は、積層体２０を構成する。図中の座標系のＸ方向が、複数のパワーモジュール１０と複数の冷却器２１の積層方向に相当する。以下では、説明の便宜のため、複数のパワーモジュール１０と複数の冷却器２１の積層方向（Ｘ方向）を単純に積層方向と称する場合がある。

パワーモジュール１０を挟む一対の冷却器２１は、２個の連結管２２ａ、２２ｂで連結されている。冷却器２１の内部は冷媒が通る流路になっており、２個の連結管２２ａ、２２ｂは、隣り合う冷却器２１の流路を連通する。全ての対の冷却器２１は、２個の連結管２２ａ、２２ｂで連結される。２個の連結管２２ａ、２２ｂは、図中の座標系のＹ方向でパワーモジュール１０を挟むように配置されている。図３では、１セットの連結管のみに符号２２ａ、２２ｂを付し、残りの連結管には符号を省略した。

積層体２０の積層方向の一端の冷却器２１には、供給管２３ａと排出管２３ｂが設けられている。供給管２３ａと排出管２３ｂは、不図示の冷媒循環装置に接続される。供給管２３ａから供給される冷媒は、連結管２２ａを通じて全ての冷却器２１に分配される。冷媒は冷却器２１の内部の流路を流れる間にパワーモジュール１０の熱を吸収する。先に述べたように、パワーモジュール１０のパッケージ１２の表面には放熱板１３が露出しており、冷媒は、放熱板１３を介して半導体素子１１ａ、１１ｂの熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、連結管２２ｂと排出管２３ｂを通じて冷媒循環装置に戻る。

積層体２０は、フレーム３０に拘束されている。フレーム３０は積層体２０を囲んでいる。フレーム３０は、一対の保持板３１、３２と、一対の連結梁３３で構成される。図４に、積層体２０とフレーム３０の分解図を示す。図３とともに図４を参照しつつフレーム３０を説明する。図４では、積層方向の一端側の冷却器２１を冷却器２１ａと称し、他端側の冷却器２１を冷却器２１ｂと称して区別する。

一対の保持板３１、３２は、積層方向（Ｘ方向）において積層体２０を挟むように配置されている。保持板３１は、積層体２０の一端側の冷却器２１ａに当接しており、保持板３２は、板バネ３４を介して他端側の冷却器２１ｂに対向している。保持板３１には、一対の貫通孔３１ａが設けられており、一方の貫通孔３１ａに供給管２３ａが通され、他方の貫通孔３１ａに排出管２３ｂが通される。

一対の保持板３１、３２は、Ｙ方向における積層体２０のそれぞれの側端で、一対の連結梁３３によって連結されている。一対の連結梁３３は、Ｙ方向で積層体２０を挟むように配置されている。一対の保持板３１、３２と一対の連結梁３３によって積層体２０が囲まれる。

それぞれの連結梁３３は、保持板３１に連結されている第１分割梁３３ａと、保持板３２に連結されている第２分割梁３３ｂに分割されている。第１分割梁３３ａの先端と第２分割梁３３ｂの先端が溶接によって接合される。図３において符号３３ｃが接合箇所を示している。図４には、第１分割梁３３ａと第２分割梁３３ｂを接合する前のフレーム３０が描かれている。

先に述べたように、積層体２０の一端の冷却器２１ｂと保持板３２の間には板バネ３４が挟まれている。第１分割梁３３ａと第２分割梁３３ｂは、板バネ３４によって積層体２０が積層方向に加圧された状態で接合される。すなわち、フレーム３０は、積層体２０を加圧された状態に保持する。別言すれば、フレーム３０は、板バネ３４が圧縮された状態で、板バネ３４と積層体２０を拘束する。板バネ３４の加圧により、冷却器２１とパワーモジュール１０が強く接触し、パワーモジュール１０から冷却器２１へ良く熱が伝わる。

積層体２０とフレーム３０のアセンブリをアセンブリ３９と称する。アセンブリ３９の上に基板４０が固定され、アセンブリの下にコンデンサ５０が固定される。図５に、アセンブリ３９と基板４０とコンデンサ５０の分解図を示す。ここからは、図３と図５を参照しながら電力変換器２の構造を説明する。

基板４０には、パワーモジュール１０に収容されている半導体素子１１ａ、１１ｂを制御する回路が実装されている。基板４０の上にはメモリや演算ユニットなど様々なチップが実装されているが、それらチップの図示は省略してある。基板４０に実装されている制御回路は、不図示の上位制御器から送られる指令に基づいて、半導体素子１１ａ、１１ｂのための駆動信号を生成する。基板４０には多数の貫通孔４３が設けられており、それぞれの貫通孔４３にパワーモジュール１０の制御端子１５が接続される。貫通孔４３には、基板４０の上のプリント配線（不図示）が接続されている。制御端子１５と貫通孔４３を通じて半導体素子１１ａ、１１ｂと制御回路が電気的に接続される。

制御回路が生成する駆動信号は、貫通孔４３と制御端子１５を通じて半導体素子１１ａ、１１ｂに送られる。先に述べたように、制御端子１５のいくつかは、パワーモジュール１０が備えるセンサに接続されており、センサの信号も、制御端子１５と貫通孔４３を通じて基板４０に実装されている制御回路へ送られる。制御回路は、センサデータに基づいて、半導体素子１１ａ、１１ｂが過熱しないように、半導体素子１１ａ、１１ｂに流れる電力を制御する。

図３、図５に示されているように、制御端子１５は、パワーモジュール１０の上側へと延びており、基板４０はアセンブリ３９の上側に隣り合うように配置される。

基板４０は、フレーム３０の保持板３１、３２に固定される。保持板３１の上面には、保持板３１に対して基板４０の相対的な位置を決める突起３５が設けられており、保持板３２の上面にも基板４０の位置を決める突起３６が設けられている。保持板３１（３２）の突起３５（３６）に対応して、基板４０には、嵌合孔４１（４２）が設けられている。保持板３１（３２）の突起３５（３６）が基板４０の嵌合孔４１（４２）に嵌合し、保持板３１、３２（すなわち、アセンブリ３９）に対する基板４０の相対的な位置が定まるとともに、基板４０は保持板３１、３２（すなわちアセンブリ３９）に固定される。

基板４０が保持板３１、３２に位置決めされ固定されることの利点を説明する。基板４０は保持板３１、３２（すなわちアセンブリ３９）に固定されるので、電力変換器２が振動するとき、基板４０とパワーモジュール１０は一緒に振動する。基板４０と積層体２０（パワーモジュール１０）が別々にハウジングに固定されると、基板４０の振動と積層体２０（パワーモジュール１０）の振動に差が生じる。基板４０と積層体２０（パワーモジュール１０）が別々に振動する場合、制御端子１５と貫通孔４３が接している部分に高い応力が発生するおそれがある。あるいは、基板４０とアセンブリ３９が別々にハウジングに固定される場合、制御端子１５と貫通孔４３の間に位置誤差が生じ、位置誤差に起因して制御端子１５に高い応力が発生するおそれがある。

制御端子１５に高い応力が生じると、制御端子１５と貫通孔４３の間に接触不良を生じるおそれがある。高い応力を緩和するためには、長い制御端子を採用し、制御端子１５の変形を許容する必要がある。しかしながら、長い制御端子を採用すると、積層体２０（パワーモジュール１０）と基板４０の間に無駄な空間ができてしまう。

一方、実施例の電力変換器２では、アセンブリ３９に対する基板４０の位置が正確に定まる。その上、基板４０がアセンブリ３９に固定されているため、基板４０とアセンブリ３９（パワーモジュール１０）が一緒に振動する。そのため、制御端子１５と貫通孔４３が接している箇所に高い応力が発生しない。高い応力が発生しないので、短い制御端子１５を採用することができ、パワーモジュール１０と基板４０の間の無駄な空間を小さくすることができる。

図６に電力変換器２の側面図を示す。図６に示すように、パワーモジュール１０と基板４０の間の空間（隙間Ｇ）は小さい。なお、保持板３１、３２の上面の位置は、パワーモジュール１０の上面の位置よりもわずかに高ければよい。

アセンブリ３９の下側にはコンデンサ５０が配置される。パワーモジュール１０は、図中の座標系のＺ方向で制御端子１５が設けられている面（上面）とは反対側の面（下面）にパワー端子１４ａ、１４ｂを有しており、コンデンサ５０は、そのパワー端子１４ａ、１４ｂに接続される。

図５に示すように、コンデンサ５０の上面に第１端子５１ａと第２端子５１ｂが露出している。コンデンサ５０の第１端子５１ａは、複数のパワーモジュール１０の正極のパワー端子１４ａに接続され、第２端子５１ｂは、パワーモジュール１０の負極のパワー端子１４ｂに接続される。パワー端子１４ａ、１４ｂは、下方に延びており、途中でＸ方向に屈曲している。パワー端子１４ａ、１４ｂの屈曲している先端がコンデンサ５０の端子５１ａ、５１ｂに接続される。コンデンサ５０は、パワーモジュール１０が収容している半導体素子１１ａ、１１ｂのスイッチングノイズを抑制するために備えられている。

図７に、電力変換器２の平面図を示す。図７には、アセンブリ３９を収容するハウジング６０も描いてある。図７では、基板４０とコンデンサ５０、及び、ハウジング６０に収容されるほかのデバイスの図示は省略している。保持板３１は、ハウジング６０の内面６０ａに接している。積層体２０はフレーム３０によって拘束されているので、フレーム３０と内面６０ａとの間に無駄な空間を設ける必要がない。なお、保持板３２がハウジング６０の内面に接していてもよい。

次にフレームの変形例を説明する。図８と図９に変形例のフレーム１３０と積層体２０のアセンブリ１３９の斜視図を示す。図８は拘束リング１３８（後述）を外した図であり、図９は拘束リング１３８を取り付けた図である。

フレーム１３０は、積層方向で積層体２０を挟み込むように配置される一対の保持板３１、３２と、保持板３１、３２を連結する一対の連結梁１３３を備えている。一対の連結梁１３３は、図中の座標系のＹ方向で積層体２０の両側に位置している。連結梁１３３は、積層方向（Ｘ方向）で第１分割梁１３３ａと第２分割梁１３３ｂに分割されている。第１分割梁１３３ａは保持板３１に連結されており、第２分割梁１３３ｂは保持板３２に連結されている。

第１分割梁１３３ａの第２分割梁１３３ｂの側の先端にはフック１３７ａが設けられている。第２分割梁１３３ｂの第１分割梁１３３ａの側の先端にはフック１３７ｂが設けられている。フック１３７ａ、１３７ｂを囲むように、拘束リング１３８が取り付けられる。第１分割梁１３３ａと第２分割梁１３３ｂは、拘束リング１３８で連結される。第１分割梁１３３ａと第２分割梁１３３ｂと拘束リング１３８が連結梁１３３を構成する。

拘束リング１３８は弾性体で作られている。拘束リング１３８は、保持板３１、３２が積層体２０を加圧した状態で第１分割梁１３３ａと第２分割梁１３３ｂを連結する。弾性体で作られた拘束リング１３８を採用することで、実施例の電力変換器２が備えている板バネ３４を不要にできる。板バネ３４が不要であるので、アセンブリ１３９のＸ方向（積層方向）の長さを短くできる。

コンデンサ５０の取り付け方の変形例を説明する。図１０に変形例のパワーモジュール１１０を下からみた斜視図を示す。パワーモジュール１１０では、パッケージ１１２の下面にパワー端子１１４ａ－１１４ｃが露出している。パワー端子１１４ａ－１１４ｃは、パッケージ１１２の下面に対して面一である。

図１１に、パワーモジュール１１０を用いた電力変換器２ａの側面図を示す。パワー端子１１４ａ－１１４ｃがパッケージ１１２の下面に面一に露出しているので、コンデンサ５０はパッケージ１２の下面に取り付けられる。コンデンサ５０がパッケージ１１２の下面に取り付けられると、パワー端子１１４ａ、１１４ｂが、コンデンサ５０の端子５１ａ、５１ｂ（図５参照）に電気的に接続される。電力変換器２ａは、コンデンサ５０をパワーモジュール１１０のパッケージ１１２に近づけることができる。基板４０とパッケージ１１２の距離も短いので、電力変換器２ａは、Ｚ方向の長さを短くすることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電力変換器２では、保持板３１、３２に、基板４０の位置を決める突起３５、３６が設けられており、基板４０に突起３５、３６に嵌合する嵌合孔４１、４２が設けられている。これに代えて、基板４０に突起を設け、保持板３１、３２に、基板４０の突起の位置を決める溝が設けられていても良い。基板の位置を決める突起または溝は、一対の保持板３１、３２の両方に設けられているとよいが、保持板３１、３２の少なくとも一方に設けられていれば良い。

基板の位置を決める突起または溝が、位置決め部の一例である。基板４０の位置を決める位置決め部は、突起または溝のほか、フックやネジであってもよい。

コンデンサ５０は、図中の座標系のＹ方向で積層体２０の隣に配置されてもよい。

図中の座標系のＸ方向（積層方向）が第１方向に対応し、Ｙ方向が第２方向に対応し、Ｚ方向が第３方向に対応する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。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合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合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し得るものであり、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：電力変換器 １０、１１０：パワーモジュール １１ａ、１１ｂ：半導体素子 １２、１１２：パッケージ １３：放熱板 １４ａ－１４ｃ：パワー端子 １５：制御端子 ２０：積層体 ２１、２１ａ、２１ｂ：冷却器 ３０、１３０：フレーム ３１、３２：保持板 ３３、１３３：連結梁 ３３ａ、１３３ａ：第１分割梁 ３３ｂ、１３３ｂ：第２分割梁 ３４：板バネ ３５、３６：突起 ３９、１３９：アセンブリ ４０：基板 ４１、４２：嵌合孔 ４３：貫通孔 ５０：コンデンサ ６０：ハウジング １３７ａ、１３７ｂ：フック １３８：拘束リング

Claims (3)

1. 電力変換用の半導体素子を収容している複数のパワーモジュールと、
   第１方向に沿って複数の前記パワーモジュールと積層されている複数の冷却器と、
   複数の前記パワーモジュールと複数の前記冷却器の積層体を前記第１方向において挟んでいる一対の保持板と、
   前記第１方向に交差する第２方向における前記積層体のそれぞれの側端で前記一対の保持板を連結している一対の連結梁と、
   それぞれの前記パワーモジュールの制御端子に接続されている基板と、
   を備えており、
   前記制御端子は、前記第１方向と前記第２方向の両方に交差する第３方向に沿って延びており、
   前記基板は前記第３方向で前記積層体に隣接しており、
   前記一対の保持板の少なくとも一方に前記基板を位置決めする位置決め部が設けられており、
   前記一対の連結梁のそれぞれは前記第１方向で第１分割梁と第２分割梁に分割されており、前記第１分割梁と前記第２分割梁が弾性部材で連結されている、
   電力変換器。
2. 複数の前記パワーモジュールは、前記制御端子が設けられている面とは反対側の面にパワー端子を有しており、
   複数の前記パワーモジュールの前記パワー端子に接続されているコンデンサをさらに備えている、請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記一対の保持板の少なくとも一方が前記積層体を収容しているハウジングの内面に接している、請求項１または２に記載の電力変換器。

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