JPWO2013111261A1 - 電力変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

組み立て性の良い電力変換装置を提供する。電力変換装置２は、半導体積層ユニット２０と、半導体積層ユニット２０を取り付けるフレーム１２と、スプリングユニット６を備える。半導体積層ユニット２０は、半導体モジュール２２と冷却器２１が交互に積層した構造を有している。スプリングユニット６は、半導体積層ユニット２０の積層方向の一端２０ａと、フレーム１２に設けられた支柱１３との間に嵌挿され、半導体積層ユニット２０に圧力を加えつつこれを固定する。スプリングユニット６は、第１プレート５、第２プレート４、及び、第１と第２プレートの間に挟まれているコイルスプリング３を備える。第１プレート５には、半導体積層ユニットの端面２０ａとの間に隙間を有するように窪み５ｂが設けられている。スプリングユニット６には、窪み５ｂの底面を通りスプリングユニット全体を貫通する貫通路が設けられている。

Description

本明細書が開示する技術は、インバータやコンバータなどの電力変換装置とその製造方法に関する。

モータに電力を供給するインバータや電圧を変換する電圧コンバータでは、ＩＧＢＴなどの発熱量の大きい半導体素子を他の回路とは別に集積し、集中的に冷却する構造が採用されることがある。そのような集積構造の一つに、半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと平板型の冷却器を交互に積層した半導体積層ユニットが知られている（例えば特許文献１−特許文献３）。

半導体モジュールから冷却器へ熱が良く伝達するように、半導体積層ユニットは、積層方向に圧力が加えられた状態でフレームに取り付けられる。ここで、フレームとは、半導体モジュールを支持する構造体であり、典型的には電力変換装置のケースでよい。半導体モジュールに圧力を加えるため、半導体モジュールの積層方向の一端と、フレームに設けられた壁又は支柱との間にスプリングが嵌挿される。フレームの壁又は支柱と半導体モジュールとの間に圧縮されたスプリングを挿入する作業の効率を向上する技術が特許文献１−特許文献３に開示されている。

特許文献１は、クリップ状の板バネを圧縮させた後、フレームの壁と半導体モジュールとの間にそのクリップを挿入する技術を開示している。特許文献２と特許文献３の技術はいずれも、コイルスプリングを２枚のプレートで挟んだスプリングユニットを採用している。特許文献２が開示する技術は次の通りである。フレームの壁に設けられたスリットからスプリングユニットを挿入し、前側のプレートを半導体積層ユニットに押し当てながらスプリングユニットを圧縮する。後側のプレートがスリットを通過したら、後側のプレートを９０度回転させる。後側のプレートを押す力を緩めると、後側のプレートの両端がスリットの両サイドに引っ掛かり、スプリングユニットが半導体積層ユニットに圧力を加え、半導体積層ユニットが固定される。特許文献３が開示する技術は次の通りである。スプリングユニットを圧縮させた状態で後端のプレートからボルトを差し込み、前側のプレートの裏面に設けられたねじ孔にそのボルトを止める。そうして、圧縮状態に維持されたスプリングユニットが得られる。フレームの壁と半導体積層ユニットの間に圧縮状態に維持されたスプリングユニットを置く。スプリングユニットの後側のプレートがフレームに固定される。次いでボルトを外す。ボルトを外すとスプリングが解放され、スプリングユニットが半導体積層ユニットに荷重を加え、半導体積層ユニットが固定される。

特開２０１１−１６７０２８号公報 特開２０１１−２０００５７号公報 特開２０１１−２１１７７１号公報

スプリングユニットは半導体積層ユニットの組立作業を容易にするが、特許文献２や３の技術にも改善の余地がある。例えば、特許文献１の技術は、半導体積層ユニットにスプリングユニットを押し付けながら、スプリングユニット後側のプレートを回転させるため、半導体積層ユニットに対してねじれ力が加わり、後側のプレートを回転させている間、及びスプリングユニットの圧縮後に、半導体積層ユニットに加わる圧力が不均一となる虞がある。半導体積層ユニットに加わる圧力が不均一となると、冷却器と半導体モジュールとの密着性が低下する虞がある。また、特許文献３の技術は、ボルトを使うため、ボルトをネジ穴から外した際に塵埃が発生し、半導体積層ユニットを汚してしまう虞がある。特許文献２や３に開示された技術は、そのような事に配慮しなければならず。組立性が高くはない。本明細書は、電力変換装置の組み立て性を従来よりも改善する技術を提供する。

本明細書が開示する技術の一態様は、電力変換装置を提供する。その電力変換装置は、半導体積層ユニットと、半導体積層ユニットを取り付けるためのフレームと、スプリングユニットを備えている。半導体積層ユニットは、半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと平板型の冷却器が交互に積層した構造体である。フレームには対向する壁又は支柱が設けられており、その壁又は支柱の間に、スプリングユニットを使って半導体積層ユニットが固定される。スプリングユニットは、主として、第１及び第２プレートと、それらの間に挟まれるスプリングで構成される。第１プレートは、半導体積層ユニットの端面に当接するプレートであって半導体積層ユニットの端面との間に隙間を有するように窪みが設けられている。第２プレートは、フレームの壁又は支柱に当接するプレートである。半導体積層ユニットはフレームの対向する壁又は支柱の間に置かれ、半導体積層ユニットの積層方向の一端と、フレームに設けられた壁又は支柱との間にスプリングユニットが嵌挿される。半導体積層ユニットはスプリングユニットにより加圧されつつ固定される。前述したようにフレームは、半導体積層ユニットを収めるケースであってよい。また、スプリングはコイルスプリングであることが好ましいが、それに限られるものではない。フレームには、対向する壁と支柱が設けられており、半導体積層ユニットはその壁と支柱の間で固定されるものであってもよい。

上記の電力変換装置は、次の工程により組み立てられる。まず、先端にフックを有するロックピンを第２プレート側から貫通路に押し込んでスプリングユニットを圧縮する。なお、ロックピンは途中にフランジ（ストッパ）を有しており、そのフランジが第２プレートを押す。ロックピンの先端が第１プレートの貫通路開口を通った後、第１プレートの貫通路開口の縁にロックピンのフックを引っ掛けてスプリングユニットを圧縮状態に保持する。即ち、スプリングユニットは、ロックピンのフランジとフックの間で圧縮される。次に、半導体積層ユニットをフレーム上に置くとともに、フレームの壁又は支柱と半導体積層ユニットの端面との間に、圧縮状態に保持されたスプリングユニットを置く。最後に、ロックピンを外してスプリングユニットを解放し、半導体積層ユニットに圧力を加え、半導体積層ユニットを固定する。

本明細書が開示する新規な電力変換装置では、第１プレートの窪みの底に開口した貫通路を有するスプリングユニットが、電力変換装置の組み立て性を改善する。第２プレート側から通されたロックピンは、スプリングを圧縮し、先端のフックが第１プレートを係止する。ロックピンがスプリングユニットを簡単に圧縮状態にする。フックを含むロックピンの先端は、第１プレートの窪みに収まる。それゆえ、ロックピンの先端が邪魔をすることなく、第１プレートは半導体積層ユニットの端面に接することができる。ロックピンを外すと、第１プレートが均一に半導体積層ユニットに圧力を加える。さらに、先端にフックを有するロックピンは、特許文献３のボルトと異なり、ネジ穴を必要とせず、塵埃を発生させない。上記した技術は、電力変換装置の組み立て性を向上させる。

本明細書が開示する新規な電力変換装置は、積層型の半導体積層ユニットを備えるデバイスであり、例えば、モータに電力を供給するインバータである。本明細書が開示する技術によれば、半導体積層ユニットに圧力を加えつつ支持するスプリングユニットを簡単に、しかも塵埃を出すことなく、取り付けることができる。本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

電力変換装置の斜視図である。 電力変換装置の平面図である。 スプリングユニットの分解図である。 スプリングユニットの断面図である（圧縮前）。 スプリングユニットの断面図である（圧縮状態）。 スプリングユニットの断面図である（ロック状態）。 半導体積層ユニットとスプリングユニットをフレームにセットした状態を示す。 スプリング解放した状態を示す。 変形例の電力変換装置の斜視図である。 別の変形例の電力変換装置の斜視図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、モータに交流電力を供給するインバータである。図１に、インバータ２の斜視図を示す。なお、インバータ２は、スイッチング回路に用いられるＩＧＢＴやダイオードなどのパワー半導体素子を集積した半導体積層ユニット２０のほか、パワー半導体素子を駆動するためのＰＷＭを発生する回路や、電流を平滑化する回路、ケースなどを有するが、それらの図示と説明は省略する。

パワー半導体素子は発熱量が大きいため、他の回路部品とは別に集積され、集中して冷却される。インバータ２は、多数のパワー半導体素子を使う。多数のパワー半導体素子は、数個ずつ、平板型の樹脂モールドにパッケージされる。一つ一つのパッケージを半導体モジュール２２と称する。半導体積層ユニット２０は、半導体モジュール２２と平板型の冷却器２１を交互に積層した構造を有している。図１の半導体積層ユニット２０では、６個の半導体モジュール２２と７個の冷却器２１が交互に積層されている。半導体モジュール２２と冷却器２１の当接面には、グリスが塗布されている。冷却器２１は、パイプで相互に接続されている。供給管２４から供給される冷媒が各冷却器２１を通り、排出管２３から排出される。各半導体モジュール２２は、その両面から効率よく冷却される。また、半導体積層ユニット２０は、積層構造であるからコンパクト性に優れる。

半導体積層ユニット２０は、フレーム１２に固定される。フレーム１２は、さらに、インバータ２のケース（不図示）に収納される。半導体積層ユニット２０は、フレーム１２に設けられた対向する壁１４と支柱１３の間に固定される。半導体積層ユニット２０の固定には、スプリングユニット６が用いられる。スプリングユニット６は、半導体積層ユニット２０の一方の端面２０ａとフレーム１２の支柱１３との間に挿入され、半導体積層ユニット２０にその積層方向の圧力を加える。前述したように、半導体モジュール２２と冷却器２１の当接面にはグリスが塗布されている。半導体積層ユニット２０に圧力を加えることで、半導体モジュール２２と冷却器２１の密着度が高まり、半導体モジュール２２から冷却器２１への熱伝導性が向上する。即ち、半導体積層ユニット２０に積層方向の圧力を加えることで、冷却効率の向上を図っている。

インバータ２は、スプリングユニット６に特徴がある。図２に、インバータ２の平面図を示し、図３にスプリングユニット６の分解斜視図を示す。なお、図２では、スプリングユニット６を図中のＸＹ平面で切断した断面で描いてある。図４から図８の平面図でも同様である。スプリングユニット６は、２枚のプレート（第１プレート５と第２プレート４）と、２枚のプレートの間に挟まれるコイルスプリング３で構成される。第１プレート５が半導体積層ユニット２０の一方の端面２０ａに当接し、第２プレート４がフレーム１２に固定された支柱１３に当接する。第１プレート５の略中央には、半導体積層ユニット２０の端面２０ａとの間に隙間を有するように窪み５ｂが設けられている。第１プレート５の裏面から見たときの窪み５ｂに相当する突出部５ｄの径Ｄ（図３参照）は、コイルスプリング３が嵌る大きさである。窪み５ｂの底面に楕円孔５ａが設けられている。他方、第２プレート４には中央孔４ａが設けられている。スプリングユニット６には、第２プレート４の中央孔４ａからコイルスプリング３の内側を通り、第１プレート５の楕円孔５ａに抜ける貫通路９が形成されている（図２、図３参照）。第１プレート５の楕円孔５ａが貫通路９の一方の開口に相当し、第２プレート３の中央孔４ａが貫通孔９の他方の開口に相当する。図３に示すように、貫通路９は、先端にフック３３を有するロックピン３０を通すために設けられている。ロックピン３０は、スプリングユニット６を圧縮状態に保持するツールである。ロックピン３０を用いることで、スプリングユニット６の取り付け作業の負荷が軽減される。次に、ロックピン３０を使ったインバータ２の組立工程（半導体積層ユニット２０の取り付け工程）を説明する。

ロックピン３０は、先端にフック３３が形成されたロッド３２と、ロッドにスライド可能に取り付けられているストッパ３１で構成されている。ストッパ３１は、図示しない機構により、ロッド３２に固定される状態と、ロッド３２に対してスライドする状態を切り換えることができる。フック３３の形状は、スプリングユニット６の第１プレート５に設けられた楕円孔５ａとほぼ同じ形状である。

（第１工程）この工程は、ロックピン３０を第２プレート側から貫通路９に挿入し、スプリングユニット６を圧縮し、第１プレート５の貫通路開口（楕円孔５ａ）の縁にロックピン３０のフック３３を引っ掛けてスプリングユニット６を圧縮状態に保持する工程である。図４に、圧縮前のスプリングユニット６の断面図を示す。符号３５は、スプリングユニット６を圧縮させる際に用いる治具を示している。スプリングユニット６の第１プレート５を治具３５に当て、ロックピン３０を第２プレート４の側から貫通路９に挿入する。ストッパ３１は、中央孔４ａよりも大きく、それゆえ、ロックピン３０を押し込むと、ストッパ３１が第２プレート４を押し進め、スプリングユニット６（コイルスプリング３）が圧縮される。

図５は、ロックピン３０のフック３３が第１プレート５の楕円孔５ａを通過するまでロックピン３０を押し込んだ状態を示している。図５の仮想線は、初期位置のロックピンと、押し込まれる前の第２プレートとコイルスプリングの一部を示している。この状態でスプリングユニット６は長さＬ２まで圧縮される。図５に示すように、フック３３は、第１プレート５に設けられた窪み５ｂに収まり、第１プレート５よりも前へ突出しない。即ち、窪み５ｂを備えることによって、スプリングユニット６を半導体積層ユニット２０の端面２０ａに当接させたときに、フック３３が邪魔になることがない。なお、この長さＬ２は、半導体積層ユニット２０をフレーム１２に載置したときの隙間幅Ｌ１（図７参照）よりも短い。図５の右側の図は、第１プレート５をＸ方向から見た図である。フック３３と楕円孔５ａが重なって見える。

次に、ロックピン３０を回転させる。図６に、ロックピン３０を９０度回転させた状態を示す。図６の右側の図に示すように、フック３３が第１プレート５の楕円孔５ａの縁に引っ掛かり、ロックピン３０は抜けなくなる。即ち、スプリングユニット６が圧縮状態に保持される。

（第２工程）この工程は、半導体積層ユニット２０と圧縮状態のスプリングユニット６をフレーム１２に配置する工程である。図７に、半導体積層ユニット２０とスプリングユニット６をフレーム１２に配置したときの平面図を示す。半導体積層ユニット２０は、フレーム１２の壁１４と支柱１３の間に配置される。次いで、半導体積層ユニット２０と支柱１３との間にスプリングユニット６を挿入する。前述したように、圧縮されたスプリングユニット６の長さＬ２は、半導体積層ユニット２０の端面２０ａと支柱１３との間の隙間幅Ｌ１よりも短いので、スプリングユニット６を簡単に挿入できる。

（第３工程）この工程は、ロックピン３０を外してスプリングユニット６を解放し、半導体積層ユニット２０に圧力を加え、半導体積層ユニット２０をフレーム１２に固定する工程である。前述したように、ロックピン３０のストッパ３１は、ロッド３２に対してスライドすることができる。まず、ストッパ３１をロッド３２から解放する。そうすると、ストッパ３１は、第２プレート４を介してコイルスプリング３に押されて後退する。図８に、スプリングユニット６を解放した状態を示す。図８に示すように、図７と比較するとストッパ３１が後退している。なお、ストッパ３１にはダンパが組み込まれており、ストッパ３１は、コイルスプリング３に押されてゆっくり後退する。ストッパ３１の後退とともに第２プレート４も後退する。第２プレート４が支柱１３に当接すると、半導体積層ユニット２０は、支柱１３と壁１４の間でスプリングユニット６によって圧力を受ける。最後に、ロッド３２を９０度逆転させ、フック３３の係合を解き、スプリングユニット６からロックピン３０を抜く（図８参照）。こうして、半導体積層ユニット２０はフレーム１２に固定される。

実施例のインバータ２（電力変換装置）とその製造方法の利点を説明する。半導体積層ユニット２０に圧力を加えるスプリングユニット６は、半導体積層ユニット２０に当接する第１プレート５に窪み５ｂと楕円孔５ａを有している。窪み５ｂを設けることによって、フック３３が第１プレート５よりも前へ出ることなくロックピン３０でスプリングユニット６を圧縮状態に保持できる。それゆえ、ロックピン３０によって圧縮状態を保持したまま、スプリングユニット６を支柱１３と半導体積層ユニット２０の間に挿入できる。さらに、圧縮されたスプリングユニット６を半導体積層ユニット２０の端面２０ａに対向するように配置した後に、スプリングユニット６のロックを解除することによって、第１プレート５が半導体積層ユニット２０を均一に圧することができる。それゆえ、半導体モジュール２２と冷却器２１を均一に密着させることができる。なお、ロックピン３０のストッパ３１がダンパを備えていることも、半導体積層ユニット２０を均一に押圧することに寄与する。（ダンパが組み込まれたストッパがコイルスプリングに押されてゆっくり後退することにより、）スプリング開放時の過渡圧力を吸収することができ、冷却器、構造物（グリス）にダメージを与えない。また、ロックピン３０は繰り返し使用することができる。

また、スプリングユニット６は、圧縮状態を保持するのにボルトやネジを使わず、フック３３を有するロックピン３０を用いる。ボルトを使うとネジ穴からボルトを外す際に塵埃が出る虞がある。実施例の技術は、ボルトやネジを使わないので塵埃の発生を抑制することができる。

次に、変形例を説明する。図９に変形例のインバータ２ａ（電力変換装置）の斜視図を示す。インバータ２ａでは、ケース１１２がフレームに相当する。ケース１１２の一つの側面に３つのスリット１１２ａ、１１２ｂが設けられている。スリット１１２ｂは、冷媒の供給管２４と排出管２３をケース外へ導くためのスリットである。スリット１１２ａは、半導体積層ユニット２０を取り付ける際に、スプリングユニット６に挿通されたロックピンのためスペースを確保するために設けられている。図９によく示されているように、スリット１１２ａの側縁が、図１のインバータ２における支柱１３に相当する。スリット１１２ａの側縁に、第２プレート４が係止される。インバータ２ａも前述のインバータ２と同様の効果を奏する。

図１０に、他の変形例のインバータ２ｂ（電力変換装置）の斜視図を示す。インバータ２ｂは、図１のインバータ２においてフレーム１２をケース１１２に置き換えたものに相当する。スプリングユニット６は、半導体積層ユニット２０の一方の端面２０ａと、支柱１３の間に挿入されている。ケース１１２がフレームに相当する。ケース１１２の一つの側面に３つのスリット１１２ａ、１１２ｂが設けられている。スリット１１２ｂは、冷媒の供給管２４と排出管２３をケース外へ導くためのスリットである。スリット１１２ａは、半導体積層ユニット２０を取り付ける際に、スプリングユニット６に挿通されたロックピンを抜くためのスペースを確保するために設けられている。インバータ２ｂも前述のインバータ２と同様の効果を奏する。

実施例の技術に関する留意点を述べる。実施例のスプリングユニット６は、コイルスプリング３を採用した。スプリングユニット６に用いるスプリングは、コイルスプリングに限られない。例えば中央に孔を有する板バネであってもよい。中央の孔がスプリングユニットを貫通する貫通路の開口に相当する。実施例のインバータ２、２ａは、電力変換装置の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、電圧コンバータなど、別のタイプの電力変換装置に適用することもできる。

本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して詳細に説明した。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、開示された追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された電力変換装置とその製造方法を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。

また、上記の詳細な説明で開示された特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属請求項に記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。

本明細書及び／又は請求の範囲に記載された全ての特徴は、実施例及び／又は請求の範囲に記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびに請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびに請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。

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。

Claims (4)

1. 半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと平板型の冷却器が交互に積層した半導体積層ユニットと、
   半導体積層ユニットを取り付けるためのフレームと、
   半導体積層ユニットの積層方向の一端と、フレームに設けられた壁又は支柱との間に嵌挿されており、半導体積層ユニットに圧力を加えるスプリングユニットと、を備えており、
   前記スプリングユニットは、
   半導体積層ユニットの端面に当接するとともに、半導体積層ユニットの端面との間に隙間を有するように窪みが設けられている第１プレートと、
   フレームの壁又は支柱に当接する第２プレートと、
   第１及び第２プレートの間に挟まれているスプリングと、
   を備えているとともに、
   前記窪みの底面を通りスプリングユニット全体を貫通する貫通路が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記フレームは、半導体積層ユニットを収めるケースであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記スプリングはコイルスプリングであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置の製造方法であり、
   先端にフックを有するロックピンを第２プレート側から貫通路に挿入し、スプリングユニットを圧縮し、第１プレートの貫通路開口の縁にロックピンのフックを引っ掛けてスプリングユニットを圧縮状態に保持し、
   半導体積層ユニットをフレーム上に置くとともに、フレームの壁又は支柱と半導体積層ユニットの端面との間に、圧縮状態に保持されたスプリングユニットを置き、
   ロックピンを外してスプリングユニットを解放し、半導体積層ユニットに圧力を加え、半導体積層ユニットを固定する、
   ことを特徴とする電力変換装置の製造方法。

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