WO2021140547A1 - 電力変換ユニット - Google Patents

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WO2021140547A1
WO2021140547A1 PCT/JP2020/000087 JP2020000087W WO2021140547A1 WO 2021140547 A1 WO2021140547 A1 WO 2021140547A1 JP 2020000087 W JP2020000087 W JP 2020000087W WO 2021140547 A1 WO2021140547 A1 WO 2021140547A1
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insulating member
conversion unit
power conversion
heat sink
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啓司 山根
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/209—Heat transfer by conduction from internal heat source to heat radiating structure

Definitions

  • This disclosure relates to a power conversion unit.
  • the distance (space distance and creepage distance) for insulation between the heat sink and the frame ground is secured by the thickness of the insulating bushing.
  • the insulating bushing needs to be thick enough to ensure electrical insulation from the heat sink and frame ground.
  • a gap corresponding to the thickness of the insulating bushing is created between the heat sink and the frame ground. According to this, since the power conversion unit becomes large, there is a concern that the space required for arranging the power conversion unit also increases.
  • the present disclosure has been made in view of the above problems, and an object thereof is to realize miniaturization of the power conversion unit while ensuring electrical insulation between the heat sink and the housing.
  • the power conversion unit includes a semiconductor module having a semiconductor element, a heat sink, and a housing.
  • the heat sink has a flat plate-shaped base and heat radiation fins.
  • the housing houses the radiating fins and is connected to the ground.
  • the base has a first surface on which the semiconductor module is mounted and a second surface on the opposite side of the first surface to which the heat radiation fins are fixed.
  • the housing has a collar that supports the second surface of the base.
  • the power conversion unit further includes a first insulating member that electrically insulates the heat sink from the housing.
  • the first insulating member has a base and a first bent portion.
  • the base portion has a flat plate shape and is provided between the second surface of the base and the collar portion. The first bent portion bends perpendicularly to the base portion and comes into surface contact with the side surface of the base.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG. It is sectional drawing in the VV line of FIG. It is a developed perspective view which shows typically the mounting structure of a heat sink.
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing a configuration example of a power conversion unit according to an embodiment.
  • the power conversion unit 10 includes AC input terminals T1 to T3 and DC output terminals T4 and T5.
  • the AC input terminals T1 to T3 receive commercial frequency three-phase AC power from the AC power supply 1.
  • the DC output terminals T4 and T5 are connected to the load 2.
  • the load 2 is driven by the DC power supplied from the power conversion unit 10.
  • the power conversion unit 10 further includes a converter 3, a DC positive bus L1, a DC negative bus L2, a capacitor 4, and a control device 6.
  • the converter 3 is controlled by the control device 6 and converts the three-phase AC power supplied from the commercial AC power supply into DC power and outputs it between the DC positive bus L1 and the DC negative bus L2.
  • the converter 3 has three leg circuits 3U, 3V, and 3W.
  • the leg circuits 3U, 3V, and 3W are connected in parallel between the DC positive bus L1 and the DC negative bus L2.
  • Each of the leg circuits 3U, 3V, and 3W has two switching elements connected in series and two diodes.
  • the leg circuit 3U includes a switching element Q1 connected between the DC positive bus L1 and the AC input terminal T1, a switching element Q2 connected between the AC input terminal T1 and the DC negative bus L2, and a diode. It has D1 and D2.
  • the switching elements Q1 and Q2 can be configured by any self-extinguishing type switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a GCT (Gate Commutated Turn-off) thyristor.
  • the diodes D1 and D2 are FWDs (Freewheeling Diodes) and are connected in antiparallel to the switching elements Q1 and Q2, respectively.
  • the switching element and the diode correspond to one embodiment of the "semiconductor element".
  • the leg circuit 3V has a switching element Q3 connected between the DC positive bus L1 and the AC input terminal T2, a switching element Q4 connected between the AC input terminal T2 and the DC negative bus L2, and diodes D3 and D4. ..
  • the leg circuit 3W has a switching element Q5 connected between the DC positive bus L1 and the AC input terminal T3, a switching element Q6 connected between the AC input terminal T3 and the DC negative bus L2, and diodes D5 and D6. ..
  • the switching elements Q1 to Q6 and the diodes D1 to D6 are comprehensively described, they are referred to as switching elements Q and diodes D, respectively.
  • the control device 6 operates in synchronization with the AC voltage of the AC input terminals T1 to T3, and controls the converter 3 so that the DC voltage VDC between the DC output terminals T4 and T5 becomes the target DC voltage VDCT. That is, the control device 6 controls the six switching elements Q1 to Q6, converts the DC voltage VDC between the DC output terminals T4 and T5 into a three-phase AC voltage, and outputs the DC voltage between the AC input terminals T1 to T3. At this time, the control device 6 has six switching elements Q1 to Q6 so that the AC current flowing through the AC input terminals T1 to T3 has a substantially sinusoidal shape and is in phase with the AC voltage of the AC input terminals T1 to T3. By controlling, the power factor can be made almost 1.
  • Each of the three leg circuits 3U, 3V, and 3W constituting the converter 3 is composed of a semiconductor module. Next, a configuration example of the semiconductor module will be described in detail.
  • FIG. 2 is a schematic plan view schematically showing a configuration example of a semiconductor module.
  • three semiconductor modules 5U, 5V, 5W are arranged corresponding to the three leg circuits 3U, 3V, 3W. Since the configurations of the semiconductor modules of each phase are the same, the configuration of the U-phase semiconductor module 5U will be described with reference to FIG.
  • the semiconductor module 5U has a configuration in which switching elements Q1 and Q2 and diodes D1 and D2 are mounted on a flat substrate.
  • the switching elements Q1 and Q2 and the diodes D1 and D2 are electrically connected by a wiring layer made of a bonding wire or a conductor (not shown).
  • the switching elements Q1 and Q2 and the diodes D1 and D2 are sealed with a resin together with a substrate, a bonding wire, a wiring layer, and the like.
  • FIG. 2 shows a configuration in which two switching elements and two diodes are provided for each semiconductor module 5U, a configuration in which four switching elements and four diodes are provided may be provided. In this configuration, two switching elements and two diodes are connected in parallel.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing the element arrangements of the three semiconductor modules 5U, 5V, and 5W.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV of FIG.
  • the power conversion unit 10 further includes a heat sink 20 and a housing 30.
  • the heat sink 20 has a base 21 and heat radiation fins 22.
  • the base 21 and the heat radiation fins 22 are made of a metal having high thermal conductivity such as aluminum or copper.
  • the base 21 is formed in a flat plate shape and has a rectangular plate shape.
  • the base 21 has a first surface 21A and a second surface 21B opposite to the first surface 21A.
  • the semiconductor modules 5U, 5V, and 5W are mounted side by side on the first surface 21A of the base 21.
  • the heat radiation fins 22 are fixed to the second surface 21B of the base 21.
  • Each of the semiconductor modules 5U, 5V, and 5W generates power loss including conduction loss and switching loss in the switching element Q and the diode D during its operation, so that the switching element Q and the diode D generate heat.
  • the heat generated by the semiconductor modules 5U, 5V, and 5W is conducted from each semiconductor module to the heat radiating fins 22 via the base 21, and is radiated from the heat radiating fins 22 to the outside.
  • the heat sink 20 is housed in the housing 30.
  • the housing 30 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and an opening 31 is formed above the semiconductor modules 5U, 5V, and 5W.
  • the housing 30 is made of, for example, a metal such as iron or stainless steel.
  • the housing 30 is connected to the ground (ground potential) by grounding.
  • the housing 30 has a bottom portion 32, a collar portion 33, and a side wall portion 34 connecting the bottom portion 32 and the collar portion 33.
  • the collar portion 33 is formed in an annular shape along the opening edge portion of the opening portion 31.
  • the collar portion 33 is configured to support the outer peripheral edge portion of the second surface 21B of the base 21.
  • the base 21 is fixed to the housing 30 by being fastened to the collar 33 by bolts 60.
  • the heat sink 20 since the heat sink 20 has conductivity, it is necessary to electrically insulate between the heat sink 20 and the housing 30. If the heat sink 20 and the housing 30 are not electrically insulated, it is generated between the DC negative bus L2 (see FIG. 1) and the ground (ground potential) of the semiconductor modules 5U, 5V, and 5W. Power loss may occur due to the flow of current due to the potential difference. Further, electromagnetic noise generated during the operation of the semiconductor modules 5U, 5V, and 5W may propagate through the heat sink 20 and the housing 30 and leak to the outside of the housing 30.
  • the insulating bushing has a collar portion having a diameter larger than that of the through hole formed in the heat sink and having a predetermined thickness.
  • An insulating bushing is fitted into the through hole from one surface of the heat sink, and an insulating member having a diameter larger than that of the through hole and having a sufficient wall thickness is superposed on the through hole portion on the other surface of the heat sink. Then, the frame ground is fixed to the heat sink with the flange of the insulating bushing sandwiched between the bolts penetrating the insulating bushing from the insulating member.
  • the distance (space distance and creepage distance) for insulation between the heat sink and the frame ground is secured by the thickness of the flange of the insulating bushing.
  • the required values for the space distance and creepage distance are determined based on the operating voltage of the power conversion unit and the like.
  • the collar of the insulating bushing needs to be thick enough to ensure electrical insulation from the heat sink and frame ground.
  • a gap corresponding to the thickness of the flange portion of the insulating bushing is created between the heat sink and the frame ground. According to this, since the power conversion unit becomes large, there is a concern that the space required for arranging the power conversion unit also increases.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV of FIG.
  • FIG. 6 is a developed perspective view schematically showing the mounting structure of the heat sink 20.
  • the power conversion unit 10 further includes insulating members 40 and 50, bolts 60, washers 70, and insulating spacer 80.
  • the insulating member 40 is formed in a flat plate shape and has a rectangular plate shape.
  • the insulating member 40 is formed of an insulating material such as a resin such as polycarbonate, polyimide, polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, or ABS resin.
  • the thickness of the insulating member 40 is 0.5 mm or more and 2.0 mm or less, and is about 0.5 mm.
  • the insulating member 40 has a first surface 40A and a second surface 40B opposite to the first surface 40A.
  • the insulating member 40 is formed with a plurality of through holes 41 that penetrate the insulating member 40 in the thickness direction.
  • the plurality of through holes 41 are formed so as to be arranged along the long side of the rectangular plate-shaped insulating member 40.
  • the insulating member 40 corresponds to one embodiment of the "second insulating member".
  • the insulating member 50 has a base portion 51 and bent portions 52 and 53 that are bent perpendicular to the base portion 51.
  • the insulating member 50 is formed of an insulating material such as a resin such as polycarbonate, polyimide, polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, or ABS resin.
  • the thickness of the insulating member 50 is 0.5 mm or more and 2.0 mm or less, for example, about 0.5 mm.
  • the insulating member 50 corresponds to one embodiment of the "first insulating member".
  • the base 51 is formed in a flat plate shape and has a substantially rectangular plate shape.
  • the base 51 has a first surface 51A and a second surface 51B opposite to the first surface 51A.
  • the base portion 51 is formed with a plurality of through holes 54 that penetrate the base portion 51 in the thickness direction.
  • the plurality of through holes 54 are formed so as to be arranged along the long side of the rectangular plate-shaped base portion 51.
  • the first bent portion 52 has a flat plate shape.
  • the first bent portion 52 is joined to one side of the long side of the rectangular plate-shaped base portion 51, and projects perpendicularly to the first surface 51A of the base portion 51.
  • the second bent portion 53 has a flat plate shape.
  • the second bent portion 53 is joined to the other side of the long side of the rectangular plate-shaped base portion 51, and projects perpendicularly to the second surface 51B of the base portion 51.
  • the second bent portion 53 is provided in parallel with the first bent portion 52.
  • the insulating member 50 is formed by drilling a flat plate-shaped material and bending the material.
  • the insulating spacer 80 has a hollow cylindrical shape.
  • the insulating spacer 80 is formed of an insulating material such as a resin such as polycarbonate, polyimide, polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, or ABS resin.
  • the length of the insulating spacer 80 in the extending direction is equivalent to the thickness of the base 21.
  • the same as the thickness of the base 21 includes a range in which the difference in length with respect to the thickness of the base 21 is within 5%. However, the length of the insulating spacer 80 is not more than the thickness of the base 21.
  • the inner diameter of the hollow cylindrical insulating spacer 80 is larger than the diameter of the shaft portion of the bolt 60.
  • the outer diameter of the insulating spacer 80 is smaller than the inner diameter of the through hole 24 formed in the base 21.
  • the collar 33 of the housing 30 is formed in a flat plate shape and has a rectangular plate shape.
  • the collar portion 33 has a first surface 33A and a second surface 33B opposite to the first surface 33A.
  • the thickness of the collar portion 33 is, for example, about 1.6 mm.
  • the flange portion 33 is formed with a plurality of through holes 35 that penetrate the collar portion 33 in the thickness direction.
  • a plurality of through holes 24 that penetrate the base 21 in the thickness direction are formed on the outer peripheral edge of the rectangular plate-shaped base 21.
  • the plurality of through holes 24 are formed side by side along one side of the rectangular plate-shaped base 21.
  • the power conversion unit 10 is formed by fixing the base 21 of the heat sink 20 to the flange 33 of the housing 30. With the base 21 properly assembled to the collar portion 33, the through hole 24 formed in the base 21 and the through hole 35 formed in the collar portion 33 overlap each other and are arranged concentrically with each other. Typically, the through hole 24 and the through hole 35 are formed in the same shape.
  • the base 21 is fastened to the collar 33 by a bolt 60 penetrating the through holes 24 and 35. As a result, the base 21 is fixed to the collar portion 33.
  • An annular washer 70 is arranged between the head located at the end of the bolt 60 and the first surface 21A of the base 21.
  • the hollow cylindrical insulating spacer 80 is arranged inside the through hole 24 so that the outer peripheral surface comes into surface contact with the inner peripheral surface of the through hole 24 of the base 21.
  • the bolt 60 is arranged in the hollow portion 81 of the insulating spacer 80 so as to penetrate the hollow portion 81 of the insulating spacer 80.
  • the flat plate-shaped insulating member 40 is provided between the washer 70 and the base 21.
  • the insulating member 40 is arranged so that the first surface 40A is in surface contact with the washer 70 and the second surface 40B is in surface contact with the first surface 21A of the base 21.
  • the insulating member 50 is provided between the second surface 21B of the base 21 and the flange portion 33.
  • the first surface 51A of the flat plate-shaped base 51 is in surface contact with the second surface 21B of the base 21, and the second surface 51B of the base 51 is in surface contact with the first surface 33A of the collar 33. Be placed.
  • the flat plate-shaped first bent portion 52 comes into surface contact with the side surface of the rectangular plate-shaped base 21.
  • the flat plate-shaped second bent portion 53 comes into surface contact with the side wall portion 34 of the housing 30.
  • the through hole 41 formed in the insulating member 40 With the insulating members 40 and 50 properly arranged with respect to the base 21 and the flange portion 33, the through hole 41 formed in the insulating member 40, the through hole 54 formed in the base 51 of the insulating member 50, and the base 21.
  • the through hole 24 formed in the above and the through hole 35 formed in the flange portion 33 overlap each other and are arranged concentrically with each other.
  • the electrical insulation between the heat sink 20 and the housing 30 is secured by the insulating member 50.
  • the base portion 51 of the insulating member 50 (first insulating member) is arranged between the base 21 of the heat sink 20 and the flange portion 33 of the housing 30. Since the base portion 51 is formed in a flat plate shape, the distance between the base 21 and the flange portion 33 can be narrowed by reducing the thickness of the flat plate. Therefore, as compared with the conventional insulating bushing, the height of the power conversion unit 10 in the vertical direction (corresponding to the normal direction of the base 21) can be reduced, so that the power conversion unit 10 can be miniaturized.
  • the insulating member 50 has bent portions 52 and 53 that are bent perpendicularly to the base portion 51.
  • the first bent portion 52 functions to extend the insulating distance (space distance and creepage distance) between the base 21 and the flange portion 33.
  • the second bent portion 53 functions to extend the creepage distance between the second surface 21B of the base 21 and the side wall portion 34.
  • the width of the first bent portion 52 (the length of the power conversion unit 10 in the vertical direction) can be set according to the required value of the insulation distance between the base 21 and the flange portion 33. Therefore, in the example of FIG. 5, the width of the first bent portion 52 and the thickness of the base 21 are equal to each other, but the width of the first bent portion 52 may be shorter than the thickness of the base 21.
  • the width of the second bent portion 53 (the length of the power conversion unit 10 in the vertical direction) can be set according to the required value of the insulation distance between the heat radiation fin 22 and the side wall portion 34.
  • the insulation distance between the heat sink 20 and the housing 30 can be extended as compared with the case where the insulating member 50 is formed by the base portion 51 alone. Can be done. Therefore, even if the thickness of the base portion 51 is reduced and the base portion 21 and the flange portion 33 are brought close to each other, it is possible to secure electrical insulation between the heat sink 20 and the housing 30.
  • the electrical insulation between the heat sink 20 and the bolt 60 is secured by the insulating member 40 and the insulating spacer 80. Since the insulating member 40 is formed in a flat plate shape, the distance between the head of the bolt 60 and the first surface 21A of the base 21 can be narrowed by reducing the thickness of the flat plate. Therefore, the height of the power conversion unit 10 in the vertical direction can be reduced, and the power conversion unit 10 can be miniaturized. Further, even if the thickness of the insulating member 40 is reduced, the insulating distance between the base 21 and the bolt 60 can be secured by the insulating member 40 and the insulating spacer 80.
  • the insulating member 50 is formed in a crank shape including the base portion 51 and the bent portions 52 and 53, the base 21 is formed in the assembly process of the power conversion unit 10.
  • the insulating member 50 can be easily positioned. This simplifies the assembly process of the power conversion unit 10.
  • the configuration in which the insulating member 50 has the base portion 51 and the two bent portions 52 and 53 has been described, but between the heat radiating fins 22 of the heat sink 20 and the side wall portions 34 of the housing 30. If there is a sufficient distance for insulation, the second bent portion 53 from the insulating member 50 can be omitted. In this case, the insulating member 50 will have a base 51 and a first bent portion 52.
  • the configuration in which the insulating member 40 and the insulating member 50 are formed separately from each other has been described, but the insulating member 40 and the insulating member 50 may be integrally formed.
  • the insulating member 40 is joined to one side of the long side of the rectangular plate-shaped first bent portion 52, and projects perpendicularly to the first bent portion 52.
  • the insulating member 40 and the base 51 are arranged parallel to each other.

Abstract

ヒートシンク（２０）は、平板状のベース（２１）と、放熱フィン（２２）とを有する。筐体（３０）は、放熱フィン（２２）を収容し、グラウンドに接続される。ベース（２１）は、半導体モジュールが搭載される第１面（２１Ａ）と、第１面（２１Ａ）と反対側であって、放熱フィン（２２）が固定される第２面（２１Ｂ）とを有する。筐体（３０）は、ベース（２１）の第２面（２１Ｂ）を支持する鍔部（３３）を有する。電力変換ユニット（１０）は、ヒートシンク（２０）と筐体（３０）とを電気的に絶縁する第１の絶縁部材（５０）をさらに備える。第１の絶縁部材（５０）は、基部（５１）と、第１の折れ曲がり部（５２）とを有する。基部（５１）は、平板状の形状を有し、ベース（２１）の第２面（２１Ｂ）と鍔部（３３）との間に設けられる。第１の折れ曲がり部（５２）は、基部（５１）に対して垂直に折れ曲がり、ベース（２１）の側面に面接触する。

Description

電力変換ユニット
　本開示は、電力変換ユニットに関する。
　従来、ヒートシンクをフレームグラウンドに取り付ける取付構造として、ヒートシンクとフレームグラウンドとの間に、中空円筒状の絶縁ブッシングを配置し、絶縁ブッシングを貫通するボルトによってヒートシンクをフレームグラウンドに固定する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
実開昭６４－５０４９１号公報
　従来の取付構造は、絶縁ブッシングの厚みによって、ヒートシンクとフレームグラウンドとの間の絶縁のための距離（空間距離および沿面距離）を確保している。言い換えれば、絶縁ブッシングは、ヒートシンクおよびフレームグラウンドとの電気的絶縁を確保できる厚みが必要とされる。その結果、ヒートシンクとフレームグラウンドとの間に絶縁ブッシングの厚みに相当する隙間ができてしまうことになる。これによると、電力変換ユニットが大型化してしまうため、電力変換ユニットの配置に必要なスペースも大きくなることが懸念される。
　本開示は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電力変換ユニットにおいて、ヒートシンクと筐体との電気的絶縁を確保しながら小型化を実現することである。
　本開示に係る電力変換ユニットは、半導体素子を有する半導体モジュールと、ヒートシンクと、筐体とを備える。ヒートシンクは、平板状のベースと、放熱フィンとを有する。筐体は、放熱フィンを収容し、グラウンドに接続される。ベースは、半導体モジュールが搭載される第１面と、第１面と反対側であって、前記放熱フィンが固定される第２面とを有する。筐体は、ベースの第２面を支持する鍔部を有する。電力変換ユニットは、ヒートシンクと筐体とを電気的に絶縁する第１の絶縁部材をさらに備える。第１の絶縁部材は、基部と、第１の折れ曲がり部とを有する。基部は、平板状の形状を有し、ベースの第２面と鍔部との間に設けられる。第１の折れ曲がり部は、基部に対して垂直に折れ曲がり、ベースの側面に面接触する。
　本開示によれば、電力変換ユニットにおいて、ヒートシンクと筐体との電気的絶縁を確保しながら小型化を実現することができる。
実施の形態に係る電力変換ユニットの構成例を示す回路ブロック図である。 半導体モジュールの構成例を模式的に示す概略平面図である。 ３つの半導体モジュールの素子配置を示す概略平面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。 図４のＶ－Ｖ線における断面図である。 ヒートシンクの取付構造を模式的に示す展開斜視図である。
　以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では図中または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。
　図１は、実施の形態に係る電力変換ユニットの構成例を示す回路ブロック図である。
　図１を参照して、電力変換ユニット１０は、交流入力端子Ｔ１～Ｔ３および直流出力端子Ｔ４，Ｔ５を備える。交流入力端子Ｔ１～Ｔ３は、交流電源１から商用周波数の三相交流電力を受ける。直流出力端子Ｔ４，Ｔ５は負荷２に接続される。負荷２は電力変換ユニット１０から供給される直流電力によって駆動される。
　電力変換ユニット１０は、さらに、コンバータ３、直流正母線Ｌ１、直流負母線Ｌ２、コンデンサ４および制御装置６を備える。コンバータ３は、制御装置６によって制御され、商用交流電源から供給される三相交流電力を直流電力に変換して直流正母線Ｌ１および直流負母線Ｌ２間に出力する。
　コンバータ３は、３つのレグ回路３Ｕ，３Ｖ，３Ｗを有する。レグ回路３Ｕ，３Ｖ，３Ｗは、直流正母線Ｌ１および直流負母線Ｌ２の間に並列に接続される。レグ回路３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの各々は、直列接続された２つのスイッチング素子と、２つのダイオードとを有する。
　具体的には、レグ回路３Ｕは、直流正母線Ｌ１および交流入力端子Ｔ１の間に接続されたスイッチング素子Ｑ１、交流入力端子Ｔ１および直流負母線Ｌ２の間に接続されたスイッチング素子Ｑ２、およびダイオードＤ１，Ｄ２を有する。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）、ＧＣＴ（Gate　Commutated　Turn-off）サイリスタ等の任意の自己消弧型のスイッチング素子によって構成することができる。ダイオードＤ１，Ｄ２はＦＷＤ（Freewheeling　Diode）であり、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対してそれぞれ逆並列に接続される。スイッチング素子およびダイオードは「半導体素子」の一実施例に対応する。
　レグ回路３Ｖは、直流正母線Ｌ１および交流入力端子Ｔ２の間に接続されたスイッチング素子Ｑ３、交流入力端子Ｔ２および直流負母線Ｌ２の間に接続されたスイッチング素子Ｑ４、およびダイオードＤ３，Ｄ４を有する。レグ回路３Ｗは、直流正母線Ｌ１および交流入力端子Ｔ３の間に接続されたスイッチング素子Ｑ５、交流入力端子Ｔ３および直流負母線Ｌ２の間に接続されたスイッチング素子Ｑ６、およびダイオードＤ５，Ｄ６を有する。以下では、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６およびダイオードＤ１～Ｄ６を総括的に説明する場合、スイッチング素子ＱおよびダイオードＤとそれぞれ表記する。
　制御装置６は、交流入力端子Ｔ１～Ｔ３の交流電圧に同期して動作し、直流出力端子Ｔ４，Ｔ５間の直流電圧ＶＤＣが目標直流電圧ＶＤＣＴになるように、コンバータ３を制御する。すなわち、制御装置６は、６個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を制御し、直流出力端子Ｔ４，Ｔ５間の直流電圧ＶＤＣを三相交流電圧に変換して交流入力端子Ｔ１～Ｔ３間に出力させる。このとき、制御装置６は、交流入力端子Ｔ１～Ｔ３に流れる交流電流をほぼ正弦波状に、かつ、交流入力端子Ｔ１～Ｔ３の交流電圧と同相になるように、６個のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６を制御することによって、力率をほぼ１にすることができる。
　コンバータ３を構成する３つのレグ回路３Ｕ，３Ｖ，３Ｗの各々は、半導体モジュールで構成されている。次に、半導体モジュールの構成例を詳細に説明する。
　図２は、半導体モジュールの構成例を模式的に示す概略平面図である。
　図１の例では、３つのレグ回路３Ｕ，３Ｖ，３Ｗに対応して、３つの半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗが配置されている。各相の半導体モジュールの構成は同一であるため、図２では、Ｕ相の半導体モジュール５Ｕの構成を説明する。
　半導体モジュール５Ｕは、平面状の基板上に、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２が実装された構成を有している。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２は図示しないボンディングワイヤまたは導電体からなる配線層によって電気的に接続されている。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２は、基板、ボンディングワイヤおよび配線層などとともに樹脂により封止されている。
　なお、図２の例では、１つの半導体モジュール５Ｕについて、スイッチング素子およびダイオードがそれぞれ２つずつ設ける構成を示しているが、スイッチング素子およびダイオードがそれぞれ４つずつ設ける構成としてもよい。この構成では、２つのスイッチング素子および２つのダイオードがそれぞれ並列に接続されている。
　図３は、３つの半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの素子配置を示す概略平面図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線における断面図である。
　電力変換ユニット１０は、ヒートシンク２０および筐体３０をさらに備える。ヒートシンク２０は、ベース２１と、放熱フィン２２とを有する。ベース２１および放熱フィン２２は、例えば、アルミニウムまたは銅などの高い熱伝導性を有する金属で形成されている。ベース２１は、平板状に形成されており、矩形板状の形状を有する。ベース２１は、第１面２１Ａと、第１面２１Ａと反対側の第２面２１Ｂとを有する。半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗは、ベース２１の第１面２１Ａに並べて搭載される。放熱フィン２２は、ベース２１の第２面２１Ｂに固定されている。
　半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの各々は、その動作中にスイッチング素子ＱおよびダイオードＤには導通損失およびスイッチング損失からなる電力損失が発生するため、スイッチング素子ＱおよびダイオードＤが発熱する。半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗで発生した熱は、各半導体モジュールからベース２１を経由して放熱フィン２２に伝導され、放熱フィン２２から外部へ放熱される。
　図４に示すように、ヒートシンク２０は、筐体３０に収容されている。筐体３０は、略直方体形状を有しており、半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの上方に開口部３１が形成されている。筐体３０は、例えば、鉄、ステンレス等の金属により形成されている。筐体３０は、アースによって、グラウンド（接地電位）に接続されている。
　筐体３０は、底部３２と、鍔部３３と、底部３２および鍔部３３を接続する側壁部３４とを有する。鍔部３３は、開口部３１の開口縁部に沿って環状に形成されている。鍔部３３は、ベース２１の第２面２１Ｂの外周縁部を支持するように構成される。ベース２１は、ボルト６０によって鍔部３３に締結することにより、筐体３０に固定されている。
　ここで、ヒートシンク２０は導電性を有しているため、ヒートシンク２０と筐体３０との間が電気的に絶縁される必要がある。仮に、ヒートシンク２０と筐体３０との間が電気的に絶縁されていない場合、半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの直流負母線Ｌ２（図１参照）とグラウンド（接地電位）との間に発生する電位差によって電流が流れることにより、電力損失が発生する可能性がある。また、半導体モジュール５Ｕ，５Ｖ，５Ｗの動作中に発生する電磁ノイズがヒートシンク２０および筐体３０を伝搬して筐体３０の外部に漏れ出る可能性がある。
　従来、ヒートシンクをフレームグラウンドに取り付ける取付構造として、ヒートシンクとフレームグラウンドとの間に、中空円筒状の絶縁ブッシングを配置し、絶縁ブッシングを貫通するボルトによってヒートシンクをフレームグラウンドに固定する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。上記構成において、絶縁ブッシングは、ヒートシンクに形成された貫通孔よりも直径が大きく、かつ、所定の厚みの鍔部を有している。ヒートシンクの一方面から貫通孔に絶縁ブッシングを嵌挿し、ヒートシンクの他方面において貫通孔の部分に、貫通孔よりも直径が大きく、強度的に十分な肉厚の絶縁部材を重ねる。そして、絶縁部材から絶縁ブッシングを貫通するボルトにより、フレームグランドを絶縁ブッシングの鍔部を挟んでヒートシンクに固定する。
　上述した従来の取付構造は、絶縁ブッシングの鍔部の厚みによって、ヒートシンクとフレームグラウンドとの間の絶縁のための距離（空間距離および沿面距離）を確保している。なお、空間距離および沿面距離は電力変換ユニットの動作電圧等に基づいて要求値が決まる。言い換えれば、絶縁ブッシングの鍔部は、ヒートシンクおよびフレームグラウンドとの電気的絶縁を確保できる厚みが必要とされる。その結果、ヒートシンクとフレームグラウンドとの間に絶縁ブッシングの鍔部の厚みに相当する隙間ができてしまうことになる。これによると、電力変換ユニットが大型化してしまうため、電力変換ユニットの配置に必要なスペースも大きくなることが懸念される。
　そこで、本実施の形態では、ヒートシンク２０と筐体３０との電気的絶縁を確保しながら電力変換ユニット１０の小型化を実現する、ヒートシンク２０の取付構造を提案する。
　図５は、図４のＶ－Ｖ線における断面図である。図６は、ヒートシンク２０の取付構造を模式的に示す展開斜視図である。
　図５を参照して、電力変換ユニット１０は、絶縁部材４０，５０と、ボルト６０と、ワッシャ７０と、絶縁スペーサ８０とをさらに備える。
　絶縁部材４０は、平板状に形成されており、矩形板状の形状を有する。絶縁部材４０は、例えばポリカーボネート、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂のような樹脂等の絶縁材料で形成されている。絶縁部材４０の厚みは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、０．５ｍｍ程度である。絶縁部材４０は、第１面４０Ａと、第１面４０Ａと反対側の第２面４０Ｂとを有する。絶縁部材４０には、絶縁部材４０を厚み方向に貫通する複数の貫通孔４１が形成されている。複数の貫通孔４１は、矩形板状の絶縁部材４０の長辺に沿って並べられて形成されている。絶縁部材４０は、「第２の絶縁部材」の一実施例に対応する。
　絶縁部材５０は、基部５１と、基部５１に対して垂直に折れ曲がる折れ曲がり部５２，５３とを有する。絶縁部材５０は、例えばポリカーボネート、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂のような樹脂等の絶縁材料で形成されている。絶縁部材５０の厚みは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、例えば０．５ｍｍ程度である。絶縁部材５０は、「第１の絶縁部材」の一実施例に対応する。
　基部５１は、平板状に形成されており、略矩形板状の形状を有する。基部５１は、第１面５１Ａと、第１面５１Ａと反対側の第２面５１Ｂとを有する。基部５１には、基部５１を厚み方向に貫通する複数の貫通孔５４が形成されている。複数の貫通孔５４は、矩形板状の基部５１の長辺に沿って並べられて形成されている。
　第１の折れ曲がり部５２は、平板状の形状を有する。第１の折れ曲がり部５２は、矩形板状の基部５１の長辺の一方側に接合され、基部５１の第１面５１Ａに対して垂直に突出している。
　第２の折れ曲がり部５３は、平板状の形状を有する。第２の折れ曲がり部５３は、矩形板状の基部５１の長辺の他方側に接合され、基部５１の第２面５１Ｂに対して垂直に突出している。第２の折れ曲がり部５３は、第１の折れ曲がり部５２と平行に設けられている。絶縁部材５０は、平板状の素材に穴開け加工が施されるとともに素材が曲げ加工されることにより、形成されている。
　絶縁スペーサ８０は、中空円筒状の形状を有する。絶縁スペーサ８０は、例えばポリカーボネート、ポリイミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂のような樹脂等の絶縁材料で形成されている。絶縁スペーサ８０の延在方向における長さは、ベース２１の厚みと同等である。なお、ベース２１の厚みと同等とは、ベース２１の厚みに対する長さの差が５％以内の範囲を含む。ただし、絶縁スペーサ８０の長さはベース２１の厚み以下とする。中空円筒状の絶縁スペーサ８０の内径は、ボルト６０の軸部の直径よりも大きい。絶縁スペーサ８０の外径は、ベース２１に形成されている貫通孔２４の内径よりも小さい。
　筐体３０の鍔部３３は、平板状に形成されており、矩形板状の形状を有する。鍔部３３は、第１面３３Ａと、第１面３３Ａと反対側の第２面３３Ｂとを有する。鍔部３３の厚みは例えば１．６ｍｍ程度である。鍔部３３には、鍔部３３を厚み方向に貫通する複数の貫通孔３５が形成されている。
　矩形板状のベース２１の外周縁部には、ベース２１を厚み方向に貫通する複数の貫通孔２４が形成されている。複数の貫通孔２４は、矩形板状のベース２１の一辺に沿って並べて形成されている。
　本実施の形態に係る電力変換ユニット１０は、筐体３０の鍔部３３にヒートシンク２０のベース２１が固定されて形成されている。ベース２１を鍔部３３に適切に組み付けた状態で、ベース２１に形成された貫通孔２４と、鍔部３３に形成された貫通孔３５とは互いに重なり、それぞれ同心に配置される。典型的には、貫通孔２４と貫通孔３５とは同一形状に形成される。
　ベース２１は、貫通孔２４，３５を貫通するボルト６０により、鍔部３３に締結される。これにより、ベース２１は鍔部３３に固定される。ボルト６０の端部に位置する頭部とベース２１の第１面２１Ａとの間には環状のワッシャ７０が配置されている。
　中空円筒状の絶縁スペーサ８０は、外周面がベース２１の貫通孔２４の内周面に面接触するように、貫通孔２４の内側に配置される。ボルト６０は、絶縁スペーサ８０の中空部分８１を貫通するように、絶縁スペーサ８０の中空部分８１に配置される。
　平板状の絶縁部材４０は、ワッシャ７０とベース２１との間に設けられる。絶縁部材４０は、第１面４０Ａがワッシャ７０に面接触し、第２面４０Ｂがベース２１の第１面２１Ａに面接触するように配置される。
　絶縁部材５０は、ベース２１の第２面２１Ｂと鍔部３３との間に設けられる。絶縁部材５０は、平板状の基部５１の第１面５１Ａがベース２１の第２面２１Ｂに面接触し、基部５１の第２面５１Ｂが鍔部３３の第１面３３Ａに面接触するように配置される。このとき、平板状の第１の折れ曲がり部５２は、矩形板状のベース２１の側面に面接触する。また平板状の第２の折れ曲がり部５３は、筐体３０の側壁部３４に面接触する。
　ベース２１および鍔部３３に対して絶縁部材４０，５０を適切に配置した状態で、絶縁部材４０に形成された貫通孔４１および絶縁部材５０の基部５１に形成された貫通孔５４と、ベース２１に形成された貫通孔２４および鍔部３３に形成された貫通孔３５とは、互いに重なり、それぞれ同心に配置される。
　以上に示した電力変換ユニット１０において、ヒートシンク２０と筐体３０との電気的絶縁は、絶縁部材５０により確保されている。具体的には、ヒートシンク２０のベース２１と筐体３０の鍔部３３との間には、絶縁部材５０（第１の絶縁部材）の基部５１が配置されている。基部５１は平板状に形成されているため、平板の厚みを薄くすることによってベース２１と鍔部３３との間隔を狭めることができる。よって、従来の絶縁ブッシングと比較して、電力変換ユニット１０の鉛直方向（ベース２１の法線方向に相当）の高さを低減できるため、電力変換ユニット１０を小型化することができる。
　一方、基部５１の厚みを薄くするに従ってベース２１と鍔部３３とが接近するため、ヒートシンク２０と筐体３０との電気的絶縁を確保することが難しくなる。そのため、絶縁部材５０は、基部５１に対して垂直に折れ曲がる折れ曲がり部５２，５３を有している。第１の折れ曲がり部５２は、ベース２１と鍔部３３との間の絶縁距離（空間距離および沿面距離）を延ばす働きをする。第２の折れ曲がり部５３は、ベース２１の第２面２１Ｂと側壁部３４との間の沿面距離を延ばす働きをする。
　第１の折れ曲がり部５２の幅（電力変換ユニット１０の鉛直方向における長さ）は、ベース２１と鍔部３３との間の絶縁距離の要求値に応じて設定することができる。したがって、図５の例では、第１の折れ曲がり部５２の幅とベース２１の厚みとが等しいが、第１の折れ曲がり部５２の幅はベース２１の厚みより短くてもよい。第２の折れ曲がり部５３の幅（電力変換ユニット１０の鉛直方向における長さ）は、放熱フィン２２と側壁部３４との間の絶縁距離の要求値に応じて設定することができる。
　このように基部５１に対して折れ曲がり部５２，５３を接合したことにより、基部５１単体で絶縁部材５０を構成した場合と比較して、ヒートシンク２０と筐体３０との間の絶縁距離を延ばすことができる。したがって、基部５１の厚みを薄くし、ベース２１と鍔部３３とを近接させても、ヒートシンク２０と筐体３０との間の電気的絶縁を確保することが可能となる。
　また、本実施の形態に係る電力変換ユニット１０において、ヒートシンク２０とボルト６０との電気的絶縁は、絶縁部材４０および絶縁スペーサ８０により確保されている。絶縁部材４０は平板状に形成されているため、平板の厚みを薄くすることによって、ボルト６０の頭部とベース２１の第１面２１Ａとの間隔を狭めることができる。よって、電力変換ユニット１０の鉛直方向の高さを低減でき、電力変換ユニット１０を小型化することができる。また、絶縁部材４０の厚みを薄くしても、絶縁部材４０と絶縁スペーサ８０とによって、ベース２１とボルト６０との間の絶縁距離を確保することができる。
　さらに、本実施の形態に係る電力変換ユニット１０において、絶縁部材５０は、基部５１および折り曲げ部５２，５３からなるクランク状に形成されていることから、電力変換ユニット１０の組立工程において、ベース２１に対して、絶縁部材５０を容易に位置決めすることができる。これにより、電力変換ユニット１０の組立工程が簡素化される。
　なお、上述した実施の形態では、絶縁部材５０が基部５１と２つの折れ曲がり部５２，５３とを有する構成について説明したが、ヒートシンク２０の放熱フィン２２と筐体３０の側壁部３４との間に絶縁に十分な距離がある場合には、絶縁部材５０から第２の折れ曲がり部５３を省略することができる。この場合、絶縁部材５０は基部５１と第１の折れ曲がり部５２とを有することになる。
　また、上述した実施の形態では、絶縁部材４０と絶縁部材５０とを互いに別体に形成する構成について説明したが、絶縁部材４０と絶縁部材５０とを一体的に形成する構成としてもよい。この場合、絶縁部材４０は、矩形板状の第１の折れ曲がり部５２の長辺の一方側に接合され、第１の折れ曲がり部５２に対して垂直に突出している。絶縁部材４０と基部５１とは互いに平行に配置されている。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１　交流電源、２　負荷、３　コンバータ、３Ｕ，３Ｖ，３Ｗ　レグ回路、４　コンデンサ、５Ｕ，５Ｖ，５Ｗ　半導体モジュール、１０　電力変換ユニット、２０　ヒートシンク、２１　ベース、２２　放熱フィン、３０　筐体、３１　開口部、３２　底部、３３　鍔部、３４　側壁部、４０，５０　絶縁部材、５１　基部、５２　第１の折れ曲がり部、５３　第２の折れ曲がり部、６０　ボルト、７０　ワッシャ、８０　絶縁スペーサ。

Claims (5)

  1. 　半導体素子を有する半導体モジュールと、
    　平板状のベースと、放熱フィンとを有するヒートシンクと、
    　前記放熱フィンを収容し、グラウンドに接続された筐体とを備え、
    　前記ベースは、前記半導体モジュールが搭載される第１面と、前記第１面と反対側であって、前記放熱フィンが固定される第２面とを有し、
    　前記筐体は、前記ベースの前記第２面を支持する鍔部を有し、
    　前記ヒートシンクと前記筐体とを電気的に絶縁する第１の絶縁部材をさらに備え、
    　前記第１の絶縁部材は、
    　平板状の形状を有し、前記ベースの前記第２面と前記鍔部との間に設けられた基部と、
    　前記基部に対して垂直に折れ曲がり、前記ベースの側面に面接触する第１の折れ曲がり部とを含む、電力変換ユニット。
  2. 　前記第１の絶縁部材は、前記基部に対して垂直に折れ曲がり、前記筐体の側壁部に面接触する第２の折れ曲がり部をさらに含む、請求項１に記載の電力変換ユニット。
  3. 　前記ベースには、前記ベースを厚み方向に貫通する第１の貫通孔が形成され、
    　前記綱部および前記第１の絶縁部材の各々には、前記第１の貫通孔に重なる第２の貫通孔が形成され、
    　前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔を貫通し、前記ベースを前記鍔部に締結するボルトと、
    　前記ヒートシンクと前記ボルトとを電気的に絶縁する第２の絶縁部材および絶縁スペーサとをさらに備え、
    　前記第２の絶縁部材は、平板状の形状を有し、前記ボルトの頭部と前記ベースの前記第１面との間に設けられ、
    　前記絶縁スペーサは、前記ベースの前記第１の貫通孔の内側に、前記ボルトを挿通可能に配置される、請求項１または２に記載の電力変換ユニット。
  4. 　前記第１の絶縁部材の前記基部の厚みは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の電力変換ユニット。
  5. 　前記第２の絶縁部材の厚みは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である、請求項３に記載の電力変換ユニット。
PCT/JP2020/000087 2020-01-06 2020-01-06 電力変換ユニット WO2021140547A1 (ja)

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