(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールに接触してこれを冷却する冷却器と、
上記半導体モジュールを上記冷却器へ向けて押圧して、上記半導体モジュールを上記冷却器に密着させるばね部材とを備え、
上記半導体モジュールには、上記ばね部材から押圧力を受ける被押圧部が複数箇所、形成されており、少なくとも一箇所の上記被押圧部における上記押圧力の向きは、他の上記被押圧部における上記押圧力の向きと異なっており、
上記半導体モジュールは凹部を備え、上記ばね部材は上記凹部に沿って配設される湾曲部を備え、該湾曲部が上記凹部の内面を複数箇所において押圧することにより、上記複数の被押圧部を構成していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１において、上記半導体モジュールは上記半導体素子を封止する樹脂部材を有し、該樹脂部材に上記凹部が形成されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記凹部の内面に金属板が設けられ、上記湾曲部は上記金属板を介して上記凹部の内面を押圧しており、上記金属板と上記半導体素子との間には、該半導体素子を封止する樹脂部材よりも熱伝導率が高い絶縁部材が、上記金属板と上記半導体素子とに接触した状態で介在していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記ばね部材は、上記湾曲部に複数個の突起部を備え、該突起部が上記凹部の内面を押圧していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記半導体モジュールは複数の上記凹部を備え、上記ばね部材は複数の湾曲部を備え、各々の上記凹部に複数の上記被押圧部が形成されていることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ばね部材を用いて半導体モジュールを冷却器に密着させた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、直流電力と交流電力との間で電力変換をする電力変換装置として、図９に示すごとく、半導体素子９２０を内蔵した半導体モジュール９２と、該半導体モジュール９２を冷却する冷却器９３と、ばね部材９４とを備えたものが知られている（下記特許文献１参照）。半導体素子９２０は、ＩＧＢＴ素子等のスイッチング素子である。この半導体素子９２０を使って、電力変換回路を構成している。
ばね部材９４は、半導体モジュール９２を押圧して、該半導体モジュール９２を冷却器９３に密着させている。これにより、半導体モジュール９２の冷却効率を高めている。
【０００３】
ばね部材９４は、図９の下方に凸となる湾曲部９４５を有する。この湾曲部９４５を半導体モジュール９２の平坦面に当てて押圧している。ばね部材９４の両端にはボルト９９を挿通するための貫通孔９４０が形成されている。また、冷却器９３には、ボルト９９が挿通する挿通孔９９０を有する固定部９３０が形成されている。図９に示すごとく、ボルト９９を貫通孔９４０及び挿通孔９９０に挿入し、ナット９８０を用いて締結する。これにより、半導体モジュール９２と、冷却器９３と、ばね部材９４とを一体化すると共に、ばね部材９４の押圧力を使って、半導体モジュール９２を冷却器９３に密着させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３７２５１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の電力変換装置９１は、ばね部材９４の押圧力Ｆが一部に集中して加わるため、半導体モジュール９２が反りやすくなり、半導体素子２０が故障しやすくなるおそれがあるという問題があった。また、半導体モジュール９２が反ると、冷却器９３と半導体モジュール９２とが密着しにくくなり、冷却効率が低下するという問題もあった。また、図９に示すごとく、冷却器９３の内部には冷媒が流れる流路９５が形成されているが、局所的に押圧力Ｆが加わると冷却器９３が変形し、流路９５の断面積が縮小しやすくなる。そのため、半導体モジュール９２の冷却効率が一層、低下しやすくなる。
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、半導体モジュールの反りおよび冷却効率の低下を防止できる電力変換装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールに接触してこれを冷却する冷却器と、
上記半導体モジュールを上記冷却器へ向けて押圧して、上記半導体モジュールを上記冷却器に密着させるばね部材とを備え、
上記半導体モジュールには、上記ばね部材から押圧力を受ける被押圧部が複数箇所、形成されており、少なくとも一箇所の上記被押圧部における上記押圧力の向きは、他の上記被押圧部における上記押圧力の向きと異なっており、
上記半導体モジュールは凹部を備え、上記ばね部材は上記凹部に沿って配設される湾曲部を備え、該湾曲部が上記凹部の内面を複数箇所において押圧することにより、上記複数の被押圧部を構成していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の作用効果について説明する。本発明では、半導体モジュールがばね部材から押圧力を受ける被押圧部を、複数箇所に形成した。このようにすると、ばね部材の押圧力を分散することができ、押圧力が局所的に加わりにくくなる。そのため、半導体モジュールが反りにくくなる。また、冷却器に加わる力も集中しにくくなるため、冷却器が変形しにくくなる。
【０００９】
また、本発明では、少なくとも一箇所の被押圧部における押圧力の向きが、他の被押圧部における押圧力の向きと異なるようにした。このようにすると、ばね部材の押圧力の向きを分散でき、一方向を向かなくなる。すなわち、半導体モジュールを冷却器に密着させる方向にのみ押圧力が加わるのではなく、斜め方向に押圧力を加えることができる。斜めに加わった押圧力は、半導体モジュールを冷却器に密着させる方向に加わる分力と、これに垂直な方向を向く分力に分解することができる。後者の分力は、半導体モジュールの主面の広がり方向に作用するため、半導体モジュールが反りにくくなる。これにより、半導体素子の故障を防止できる。
【００１０】
また、半導体モジュールが反りにくくなると、冷却器と密着しやすくなるため、半導体モジュールの冷却効率の低下を防止できる。さらに、押圧力の向きが分散されていると、冷却器に局所的な力が加わりにくくなるため、冷却器が変形しにくくなる。そのため、流路が狭くなって冷却効率が低下する不具合を防止できる。
【００１１】
以上のごとく、本発明によれば、半導体モジュールの反りおよび冷却効率の低下を防止できる電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１における、電力変換装置の分解斜視図。
【図２】実施例１における、電力変換装置の断面図。
【図３】図２の要部拡大図。
【図４】実施例２における、電力変換装置の断面図。
【図５】実施例３における、電力変換装置の断面図。
【図６】実施例４における、電力変換装置の断面図。
【図７】実施例５における、電力変換装置の断面図。
【図８】実施例６における、電力変換装置の分解斜視図。
【図９】従来例における、電力変換装置の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記半導体モジュールは凹部を備え、上記ばね部材は上記凹部に沿って配設される湾曲部を備え、該湾曲部が上記凹部の内面を複数箇所において押圧することにより、上記複数の被押圧部を構成している。
したがって、上記凹部の内面をばね部材で押圧することとなる。凹部の内面は、位置によって法線方向が異なる。そのため、凹部の内面の、法線方向が互いに異なる部分をばね部材で押圧することにより、押圧される部分（被押圧部）ごとに、押圧方向を容易に異ならせることができる。
【００１４】
また、上記半導体モジュールは上記半導体素子を封止する樹脂部材を有し、該樹脂部材に上記凹部が形成されていることが好ましい（請求項２）。
すなわち、凹部を構成する部材を別部材として用意し、この部材を半導体モジュールに取り付けることもできるが、上述のように樹脂部材に凹部を形成すれば、新たに別部材を用意する必要はない。この場合には、部品点数を増加させることなく、凹部を形成することが可能になる。
【００１５】
また、上記凹部の内面に金属板が設けられ、上記湾曲部は上記金属板を介して上記凹部の内面を押圧しており、上記金属板と上記半導体素子との間には、該半導体素子を封止する樹脂部材よりも熱伝導率が高い絶縁部材が、上記金属板と上記半導体素子とに接触した状態で介在していることが好ましい（請求項３）。
このようにすると、半導体素子から発生した熱を、絶縁部材を介して金属板及びばね部材から放熱させることができる。そのため、半導体モジュールの冷却効率を一層、向上させることが可能になる。
【００１６】
また、上記ばね部材は、上記湾曲部に複数個の突起部を備え、該突起部が上記凹部の内面を押圧していることが好ましい（請求項４）。
このように、湾曲部に複数の突起部を設けると、個々の突起部の突出方向を互いに異ならせることができる。そのため、突起部によって押圧される部分（被押圧部）ごとに、押圧方向を容易に異ならせることができる。
【００１７】
また、上記半導体モジュールは複数の上記凹部を備え、上記ばね部材は複数の湾曲部を備え、各々の上記凹部に複数の上記被押圧部が形成されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には、被押圧部の数を更に増やすことができる。そのため、ばね部材の押圧力を一層、分散させやすくなる。これにより、半導体モジュールの反りをより効果的に防止することが可能になる。また、半導体素子の故障や、半導体モジュールの冷却効率の低下をより効果的に抑制できる。
【実施例】
【００１８】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図３を用いて説明する。
図１、図２に示すごとく、本例の電力変換装置１は、半導体モジュール２と、該半導体モジュール２に接触してこれを冷却する冷却器３と、ばね部材４とを備える。半導体モジュール２は、電力変換回路を構成する半導体素子２０を内蔵している。ばね部材４は、半導体モジュール２を冷却器３へ向けて押圧して、該半導体モジュール２を冷却器３に密着させている。
【００１９】
図２、図３に示すごとく、半導体モジュール２には、ばね部材４から押圧力Ｆ（Ｆ１，Ｆ２）を受ける被押圧部５（５ａ，５ｂ）が複数箇所、形成されている。そして、被押圧部５ａにおける押圧力Ｆ１の向きは、他の被押圧部５ｂにおける押圧力Ｆ２の向きと異なっている。
以下、詳説する。
【００２０】
図１に示すごとく、半導体モジュール２は凹部６を備える。また、ばね部材４は凹部６に沿って配設される湾曲部４０を備える。湾曲部４０が凹部６の内面を複数箇所において押圧することにより、複数の被押圧部５を構成している。
【００２１】
凹部６は、断面略円弧状である。また、本例のばね部材４は、板ばねである。板ばねの幅Ｗは、半導体モジュール２の幅よりも狭い。図１に示すごとく、金属板に曲げ加工を施すことにより、ばね部材４を形成してある。ばね部材４は、２個の平板部４５を有し、該２個の平板部４５の間に湾曲部４０が形成されている。ばね部材４は、湾曲部４０に２個の突起部４１を備える。これら２個の突起部４１は、互いに突出方向が異なっている。また、突起部４１は、ばね部材４の幅Ｗの方向に延びている。凹部６の内面に２個の突起部４１が当接することにより、半導体モジュール２を２箇所において押圧し、冷却器３に密着させている。
【００２２】
また、ばね部材４は、平板部４５に貫通孔４２を有する。冷却器３には、ボルト（図示しない）を挿通させる挿通孔３４０を有する固定部材３４が形成されている。ボルトを貫通孔４２及び挿通孔３４０に通し、ナット（図示しない）を用いて締結する。これにより、ばね部材４、半導体モジュール２、冷却器３を固定して一体化すると共に、半導体モジュール２を冷却器３に密着させている。また、固定部材３４は冷却器３と一体で形成されていてもよい。
【００２３】
図２に示すごとく、半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ素子等の半導体素子２０と、金属製の放熱板２６と、絶縁部材２５と、パワー端子２３と、制御端子２４とを備える。本例では、半導体モジュール２は３本のパワー端子２３（２３ａ，２３ｂ，２３ｃ；図１参照）を備える。半導体素子２０等は、樹脂部材２１によって封止されている。半導体素子２０の一方の電極面にはパワー端子２３ａがはんだ付けされている。また、半導体素子２０の他方の電極面には放熱板２６がはんだ付けされている。この放熱板２６は、パワー端子２３ｂと電気的に接続している。なお、パワー端子２３ｃ（図１参照）は、図示しない別の半導体素子２０に接続されている。
【００２４】
制御端子２４は、半導体素子２０のゲート電極にワイヤボンディングされている。制御端子２４には、制御回路基板（図示しない）が接続している。この制御回路基板によって、半導体素子２０の動作を制御している。半導体モジュール２を動作させると、半導体素子２０が発熱するため、冷却器３を使って半導体素子２０を冷却している。
なお、放熱板２６と冷却器３の間に絶縁板２５を介在させているのは、感電防止のためである。上述したように、放熱板２６にはパワー端子２３ｂが接続しており、高い電圧が加わる。また、冷却器３は金属で形成されている。そのため、冷却器３と放熱板２６とを、絶縁板２５を使って絶縁する必要がある。
【００２５】
冷却器３の内部には、冷媒１０を流すための流路３２が形成されている。冷却器３は、冷媒１０との接触面積を増やすためのフィン３３を備える。また、冷却器３には一対のパイプ３０，３１が取り付けられている。一方のパイプ３０から冷媒１０を導入し、他方のパイプ３１から冷媒１０を導出する。これにより、流路３２に冷媒１０を流し、半導体モジュール２を冷却している。
【００２６】
本例の作用効果について説明する。本例では、半導体モジュール２がばね部材４から押圧力Ｆを受ける被押圧部５を、複数箇所に形成した。このようにすると、ばね部材４の押圧力Ｆを分散することができ、押圧力Ｆが局所的に加わりにくくなる。そのため、半導体モジュール２が反りにくくなる。また、冷却器３に加わる力も集中しにくくなるため、冷却器３が変形しにくくなる。
【００２７】
また、本例では、図２、図３に示すごとく、２個の被押圧部５ａ，５ｂのうち、一方の被押圧部５ａにおける押圧力Ｆ１の向きが、他の被押圧部５ｂにおける押圧力Ｆ２の向きと異なるようにした。このようにすると、ばね部材４の押圧力Ｆの向きを分散でき、一方向を向かなくなる。すなわち、図３に示すごとく、半導体モジュール２を冷却器３に密着させる方向にのみ押圧力Ｆが加わるのではなく、斜め方向に押圧力Ｆを加えることができる。斜めに加わった押圧力Ｆ１，Ｆ２は、半導体モジュール２を冷却器３に密着させる分力Ｆ１１，Ｆ２１と、これに垂直な方向を向く分力Ｆ１２，Ｆ２２に分解することができる。分力Ｆ１２，Ｆ２２は、半導体モジュール２の主面２００の広がり方向に作用するため、半導体モジュール２が反りにくくなる。これにより、半導体素子２０の故障を防止できる。
【００２８】
また、半導体モジュール２が反りにくくなると、冷却器３と密着しやすくなるため、半導体モジュール２の冷却効率の低下を防止できる。さらに、押圧力Ｆの向きが分散されていると、冷却器３に局所的な力が加わりにくくなるため、冷却器３が変形しにくくなる。そのため、流路３２が狭くなって冷却効率が低下する不具合を防止できる。
【００２９】
また、本例では、図２、図３に示すごとく、半導体モジュール２は凹部６を備え、ばね部材４は湾曲部４０を備える。そして、湾曲部４０が凹部６の内面を複数箇所において押圧することにより、押圧部５を構成している。
このようにすると、凹部６の内面をばね部材４で押圧することとなる。凹部６の内面は、位置によって法線方向が異なる。そのため、凹部６の内面の、法線方向が互いに異なる部分をばね部材４で押圧することにより、押圧される部分（被押圧部５）ごとに、押圧方向を容易に異ならせることができる。
【００３０】
また、本例では、図２、図３に示すごとく、半導体モジュール２は半導体素子２０を封止する樹脂部材２１を有し、該樹脂部材２１に凹部６が形成されている。
凹部６を構成する部材を別部材として用意し、この部材を半導体モジュール２に取り付けることもできるが、本例のように樹脂部材２１に凹部６を形成すれば、新たに別部材を用意する必要が無い。この場合には、部品点数を増加させることなく、凹部６を形成することが可能になる。
【００３１】
また、本例では、図２に示すごとく、ばね部材４は、湾曲部４０に複数個の突起部４１を備える。この突起部４１が凹部６の内面を押圧している。
このように、湾曲部４０に複数の突起部４１を設けると、個々の突起部４１の突出方向を互いに異ならせることができる。そのため、突起部４１によって押圧される部分（被押圧部５）ごとに、押圧方向を容易に異ならせることができる。
【００３２】
以上のごとく、本例によれば、半導体モジュールの反りおよび冷却効率の低下を防止できる電力変換装置を提供することができる。
【００３３】
（実施例２）
本例は、半導体モジュール２の形状を変更した例である。図４に示すごとく、本例では、半導体モジュール２を全体的に薄く形成し、凹部６を形成する部分６０のみ、半導体モジュール２の主面２００から突出させた。
このようにすると、樹脂部材２１の使用量が少なくてすむ。そのため、電力変換装置１の製造コストを下げることができる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。
【００３４】
（実施例３）
本例は、ばね部材４および半導体モジュール２の形状を変更した例である。図５に示すごとく、本例では、半導体モジュール２は２個の凹部６（６ａ，６ｂ）を備え、ばね部材４は２個の湾曲部４０（４０ａ，４０ｂ）を備える。凹部６ａ，６ｂには、それぞれ２個の押圧部５が形成されている。
個々の凹部６は、その断面が三角形状をしている。また、本例では、湾曲部４０には突起部４１（図２参照）が形成されていない。断面三角形状の凹部６の内面に、湾曲部４０が２箇所において当接している。この当接した部分が、本例の押圧部５である。半導体モジュール２が個々の押圧部５から受ける押圧力Ｆは、冷却器３の冷却面３５に対して斜めを向いている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。
【００３５】
本例の作用効果について説明する。上述のようにすると、被押圧部５の数を更に増やすことができる。そのため、ばね部材４の押圧力Ｆを一層、分散させやすくなる。これにより、半導体モジュール２の反りをより効果的に防止することが可能になる。また、半導体素子２０の故障や、半導体モジュール２の冷却効率の低下をより効果的に抑制できる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。
【００３６】
（実施例４）
本例は、半導体モジュール２及びばね部材４の形状を変更した例である。本例では、図６に示すごとく、半導体モジュール２は２個の凹部６（６ａ，６ｂ）を備え、ばね部材４は２個の湾曲部４０（４０ａ，４０ｂ）を備える。凹部６は、半導体モジュール２の両端部に形成されている。個々の凹部６は、冷却器３の冷却面３５に垂直な垂直面６１と、冷却面３５に対して傾斜した傾斜面６２とを有する断面三角形状に形成されている。また、湾曲部４０は、突起部４１（図２参照）が形成されていない。湾曲部４０の一部は垂直面６１に当接し、他の部分は傾斜面６２に当接している。湾曲部４０が傾斜面６２に当接した部分（被押圧部５）において、半導体モジュール２がばね部材４から受ける押圧力Ｆは、冷却器３の冷却面３５に対して斜め方向を向いている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。
【００３７】
本例の作用効果について説明する。上記構造にすると、半導体モジュール２を、両端部において押圧することができる。そのため、半導体モジュール２の両端が反りにくくなり、半導体モジュール２を冷却器３に密着させることができる。そのため、半導体素子２０の故障や、半導体モジュール２の冷却効率の低下を効果的に抑制できる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。
【００３８】
（実施例５）
本例は、半導体モジュール２の構造を変更した例である。図７に示すごとく、本例では、凹部６の内面に金属板１１が設けられ、湾曲部４０は金属板１１を介して凹部６の内面を押圧している。そして、金属板１１と半導体素子２０との間には、半導体素子２０を封止する樹脂部材２１よりも熱伝導率が高い絶縁部材２２が、金属板１１と半導体素子２０とに接触した状態で介在している。また、金属板１１は、半導体モジュール２の主面２００にも設けられている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。
【００３９】
本例の作用効果について説明する。上記構造にすると、半導体素子２０から発生した熱を、絶縁部材２２を介して金属板１１及びばね部材４から放熱させることができる。そのため、半導体モジュール２の冷却効率を一層、向上させることが可能になる。
なお、絶縁部材２２は、感電防止としての機能も有する。すなわち、半導体素子２０には高い電圧が加わるため、半導体素子２０と金属板１１との間に絶縁部材２２を介在させることで、金属板１１を絶縁させ、感電事故等を防止できる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。
【００４０】
（実施例６）
本例は、図８に示すごとく、半導体モジュール２の数を変更した例である。同図に示すごとく、本例では、１個のばね部材４を使って、複数の半導体モジュール２を１個の冷却器３に接触させている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。
【００４１】
本例の作用効果について説明する。上記構造にすると、高出力が要求される電力変換装置１において、複数個の半導体モジュール２が必要とされる場合に、構成部品を最小限に抑えることが可能となり、製品コストを下げることが可能となる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。
【符号の説明】
【００４２】
１  電力変換装置
２  半導体モジュール
２０  半導体素子
３  冷却器
４  ばね部材
４０  湾曲部
５  被押圧部
６  凹部
【図１】
0005445377.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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