(57)【要約】【課題】冷却性能を向上させることができる電力変換装置を得る。【解決手段】冷却器用冷却面２２を有する冷却器２と、冷却器用冷却面２２に対向する半導体モジュール用冷却面１３を有する半導体モジュール１と、冷却器用冷却面２２と半導体モジュール用冷却面１３との間に設けられた熱伝導性部材３とを備え、冷却器２には、半導体モジュール１が嵌め込まれるようになっており、冷却器２には、半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれる際に半導体モジュール１を案内する嵌め込みガイド２１が嵌込方向Ａに平行に延びて形成され、嵌込方向Ａと冷却器用冷却面２２との間の成す角θは、鋭角となっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却器用冷却面を有する冷却器と、前記冷却器用冷却面に対向する半導体モジュール用冷却面を有する半導体モジュールと、前記冷却器用冷却面と前記半導体モジュール用冷却面との間に設けられた熱伝導性部材とを備え、前記冷却器に前記半導体モジュールが嵌め込まれるようになっている電力変換装置であって、
前記冷却器には、前記半導体モジュールが前記冷却器に嵌め込まれる際に前記半導体モジュールを案内する嵌め込みガイドが嵌込方向に平行に延びて形成され、
前記嵌込方向と前記冷却器用冷却面との間の成す角は、鋭角となっている電力変換装置。
【請求項２】
前記成す角をθとし、前記半導体モジュールが前記冷却器に嵌め込まれる前の前記熱伝導性部材の厚さ寸法をＨｉとし、前記半導体モジュールが前記冷却器に嵌め込まれた後の前記熱伝導性部材の厚さ寸法をＨｆとし、前記半導体モジュールが前記熱伝導性部材に接触した直後の前記嵌込方向についての前記半導体モジュールの先端部と前記冷却器における前記先端部に対して前記嵌込方向に対向する部分との間の寸法をＬｍａｘとし、前記半導体モジュールが前記熱伝導性部材に接触した直後から、必要とされる前記半導体モジュールの最少の移動距離をＬｍｉｎとした場合に、前記成す角の範囲は、
ＳＩＮ−１｛（Ｈｉ−Ｈｆ）／Ｌｍｉｎ｝≧θ≧ＳＩＮ−１｛（Ｈｉ−Ｈｆ）／Ｌｍａｘ｝
を満たす請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記嵌込方向に平行に延びて設けられ、前記冷却器と前記半導体モジュールとを接続するねじをさらに備えた請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記嵌め込みガイドは、前記嵌込方向に平行に延びた溝であり、
前記半導体モジュールは、本体と、前記本体に設けられ、前記溝に挿入される嵌め込み用突起を有し、
前記嵌め込み用突起は、前記本体から幅方向外側に延びる円柱形状に形成されている請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体モジュールと冷却器とを備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体モジュールに冷却器が設けられた電力変換装置であって、冷却器における半導体モジュールに対向する面には凸部が形成され、半導体モジュールには冷却器の凸部と嵌め合される凹部が形成され、半導体モジュールと冷却器との間に熱伝導性部材が挟まれるように半導体モジュールの凹部に冷却器の凸部が嵌め合わされる電力変換装置が知られている。この電力変換装置では、半導体モジュールと冷却器との間であって熱伝導性部材の周囲に異物が進入することが防止されるので、電力変換装置の安定した冷却性能と、電力変換装置の組立容易性とを得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１５９７４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、半導体モジュールと冷却器との間に熱伝導性部材が挟まれるように半導体モジュールの凹部に冷却器の凸部を嵌め合わせる場合に、半導体モジュールが、半導体モジュールにおける冷却器に対向する半導体モジュール用冷却面に対して垂直方向にねじを用いて半導体モジュールが冷却器に対して押されるので、半導体モジュールと冷却器との間に気泡が容易に閉じ込められてしまい、半導体モジュールと冷却器との間に挟まれた熱伝導性部材を均一に分布させることが困難である。これにより、電力変換装置の冷却性能が低いという問題点があった。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、冷却性能を向上させることができる電力変換装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る電力変換装置は、冷却器用冷却面を有する冷却器と、冷却器用冷却面に対向する半導体モジュール用冷却面を有する半導体モジュールと、冷却器用冷却面と半導体モジュール用冷却面との間に設けられた熱伝導性部材とを備え、冷却器および半導体モジュールの何れか一方には、他方が嵌め込まれるようになっている電力変換装置であって、一方には、他方が一方に嵌め込まれる際に他方を案内する嵌め込みガイドが嵌込方向に平行に延びて形成され、嵌込方向と冷却器用冷却面との間の成す角は、鋭角となっている。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る電力変換装置によれば、嵌込方向と冷却器用冷却面との間の成す角が鋭角となっているので、半導体モジュールと冷却器との間に気泡が閉じ込められることが抑制される。これにより、半導体モジュールと冷却器との間に挟まれた熱伝導性部材を均一に分布させることができるので、熱伝導性部材を介した半導体モジュールと冷却器との接合面全体に渡って均一に熱的な接合が達成される。その結果、電力変換装置の冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す側面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。
【図３】図１の冷却器および熱伝導性部材を示す図である。
【図４】図１の半導体モジュール１を示す図である。
【図５】図４の半導体モジュール１を示す側面図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の要部を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す側面図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。
【図９】この発明の実施の形態４に係る電力変換装置の半導体モジュールを示す側面図である。
【図１０】図９の半導体モジュールを示す別の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す側面図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った矢視断面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換装置１９は、半導体モジュール１と、半導体モジュール１を冷却する冷却器２と、半導体モジュール１と冷却器２との間に設けられた熱伝導性部材３とを備えている。
【００１０】
冷却器２は、自然空冷型となっている。なお、冷却器２は、自然空冷型に限らず、その他の構成であってもよい。冷却器２には、半導体モジュール１が嵌め込まれている。冷却器２には、一対の嵌め込みガイド２１が形成されている。嵌め込みガイド２１は、冷却器２に対して半導体モジュール１が嵌め込まれる際の冷却器２に対する半導体モジュール１の移動方向、つまり、嵌込方向Ａに平行に延びて形成されている。嵌め込みガイド２１は、嵌込方向Ａに平行に延びた溝となっている。
【００１１】
半導体モジュール１は、本体１１と、本体１１から幅方向外側に向かって突出して形成された一対の嵌め込み用突起１２とを有している。一対の嵌め込み用突起１２は、互いに反対方向に本体１１から突出している。また、一対の嵌め込み用突起１２は、嵌込方向Ａに平行に延びて形成されている。嵌め込み用突起１２が嵌め込みガイド２１に挿入された状態で、半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれる。
【００１２】
熱伝導性部材３の典型的な厚みは、おおよそ５０μｍ〜２００μｍである。
【００１３】
嵌め込みガイド２１に沿って半導体モジュール１が移動する嵌込方向Ａと、冷却器２における熱伝導性部材３を介して半導体モジュール１に対向する面である冷却器用冷却面２２との間の成す角θが鋭角となっている。半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれた場合の半導体モジュール１における熱伝導性部材３を介して冷却器２の冷却器用冷却面２２に対向する面である半導体モジュール用冷却面１３は、冷却器用冷却面２２に対して平行に配置されている。したがって、嵌込方向Ａと冷却器用冷却面２２との間の成す角θは、嵌込方向Ａと半導体モジュール用冷却面１３との間の成す角と同一となっている。熱伝導性部材３は、冷却器用冷却面２２と半導体モジュール用冷却面１３との間に設けられている。
【００１４】
図３は図１の冷却器２および熱伝導性部材３を示す図である。図３では図１の半導体モジュール１が嵌め込まれる前の冷却器２を示している。半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれる前に、冷却器２の冷却器用冷却面２２の上に熱伝導性部材３が設置される。
【００１５】
図４は図１の半導体モジュール１を示す図、図５は図４の半導体モジュール１を示す側面図である。半導体モジュール１は、外部回路との間で電気的な接続を行うために、主電流が流れ、かつ、負バイアスが印加されるＮ端子１４と、主電流が流れ、かつ、正バイアスが印加されるＰ端子１５と、半導体モジュール１内の半導体デバイスを制御するゲート端子１６とを有している。半導体モジュール１の嵌め込み用突起１２を冷却器２の嵌め込みガイド２１に挿入し、嵌め込みガイド２１に沿って半導体モジュール１を冷却器２に対して移動させることによって、半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれる。
【００１６】
以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置１９によれば、冷却器用冷却面２２を有する冷却器２と、冷却器用冷却面２２に対向する半導体モジュール用冷却面１３を有する半導体モジュール１と、冷却器用冷却面２２と半導体モジュール用冷却面１３との間に設けられた熱伝導性部材３とを備え、冷却器２には、半導体モジュール１が嵌め込まれるようになっている電力変換装置１９であって、冷却器２には、半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれる際に半導体モジュール１を案内する嵌め込みガイド２１が嵌込方向Ａに平行に延びて形成され、嵌込方向Ａと冷却器用冷却面２２との間の成す角θは、鋭角となっているので、半導体モジュール１と冷却器２との間に気泡が閉じ込められることが抑制される。これにより、半導体モジュール１と冷却器２との間に挟まれた熱伝導性部材３を均一に分布させることができるので、熱伝導性部材３を介した半導体モジュール１と冷却器２との接合面全体に渡って均一に熱的な接合が達成される。その結果、電力変換装置１９の冷却性能を向上させることができる。
【００１７】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係る電力変換装置の要部を示す断面図である。半導体モジュール１は、冷却器２の嵌め込みガイド２１に沿って冷却器２に嵌め込まれる。半導体モジュール１が嵌め込みガイド２１に沿って移動する嵌込方向Ａと、冷却器２における熱伝導性部材３を介して半導体モジュール用冷却面１３に対向する面である冷却器用冷却面２２との間の成す角θは、鋭角となっている。半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれる前、つまり、半導体モジュール１が熱伝導性部材３に接触する前の熱伝導性部材３の厚さ方向の寸法Ｈｉの範囲は、通常、数１０μｍ〜数１００μｍの範囲である。半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれた後の熱伝導性部材３の厚さ方向の寸法Ｈｆは、最終厚みの寸法である。
【００１８】
半導体モジュール１が熱伝導性部材３に接触した直後の嵌込方向Ａについての半導体モジュール１の先端部１７と冷却器２における先端部１７に対して嵌込方向Ａに対向する部分である対向部２３との間の寸法Ｌｍａｘは、半導体モジュール１が熱伝導性部材３に接触後の移動限界距離である。寸法Ｌｍａｘは、電力変換装置１９の設計者が冷却器２の寸法および半導体モジュール１の冷却器２への固定方法を勘案して決めるものである。この場合、半導体モジュール１が嵌め込みガイド２１に沿って移動する嵌込方向Ａと冷却器用冷却面２２との間の成す角θは、下記の式（１）に従う。
【００１９】
θ≧ＳＩＮ−１｛（Ｈｉ−Ｈｆ）／Ｌｍａｘ｝      （１）
【００２０】
熱伝導性部材３と半導体モジュール１とが接触した後、熱伝導性部材３を押しつぶしながら、半導体モジュール１が嵌め込みガイド２１に沿って冷却器２に嵌め込まれる。半導体モジュール１が熱伝導性部材３に接触した後に必要とされる最少の移動距離Ｌｍｉｎは、気泡が半導体モジュール１と冷却器２との間に残留せず、かつ、熱伝導性部材３を半導体モジュール１と冷却器２との間に均一に分布させるために、半導体モジュール１を熱伝導性部材３に接触した後に最小限必要とする移動距離である。この移動距離は、熱伝導性部材３の伸展性、冷却器２の表面形態、半導体モジュール１の表面形態などの複雑な要因で決められるものであり、通常は、同部材での事前試験によって決められる。移動距離Ｌｍｉｎは、通常は、数ｍｍ程度である。この場合、半導体モジュール１が嵌め込みガイド２１に沿って移動する嵌込方向Ａと冷却器用冷却面２２との間の成す角θは、下記の式（２）に従う。
【００２１】
ＳＩＮ−１｛（Ｈｉ−Ｈｆ）／Ｌｍｉｎ｝≧θ      （２）
【００２２】
このような構成においては、半導体モジュール１が嵌め込みガイド２１に沿って移動する嵌込方向Ａと冷却器用冷却面２２との間の成す角θが、上記の式（１）および上記の式（２）から導かれる下記の式（３）を満たすように設定すると、冷却器２と熱伝導性部材３と半導体モジュール１とが適切な接触状態となる。これにより、冷却性能が高くなり、信頼性の高い電力変換装置１９を得ることができる。その他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００２３】
ＳＩＮ−１｛（Ｈｉ−Ｈｆ）／Ｌｍｉｎ｝≧θ≧ＳＩＮ−１｛（Ｈｉ−Ｈｆ）／Ｌｍａｘ｝      （３）
【００２４】
以上説明したように、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置１９によれば、嵌込方向Ａと冷却器用冷却面２２との間の成す角をθとし、半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれる前の熱伝導性部材３の厚さ寸法をＨｉとし、半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれた後の熱伝導性部材３の厚さ寸法をＨｆとし、半導体モジュール１が熱伝導性部材３に接触した直後の嵌込方向Ａについての半導体モジュール１の先端部１７と冷却器２における先端部１７に対して嵌込方向Ａに対向する対向部２３との間の寸法をＬｍａｘとし、半導体モジュール１が熱伝導性部材３に接触した直後から、必要とされる半導体モジュール１の最少の移動距離をＬｍｉｎとした場合に、成す角θの範囲は、ＳＩＮ−１｛（Ｈｉ−Ｈｆ）／Ｌｍｉｎ｝≧θ≧ＳＩＮ−１｛（Ｈｉ−Ｈｆ）／Ｌｍａｘ｝を満たすので、冷却器２と熱伝導性部材３と半導体モジュール１とが適切な接触状態となる。これにより、冷却性能が高くなり、信頼性の高い電力変換装置１９を得ることができる。
【００２５】
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係る電力変換装置を示す側面図、図８は図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。この発明の実施の形態３に係る電力変換装置１９は、半導体モジュール１と冷却器２とを接続するねじ４をさらに備えている。ねじ４は、嵌込方向Ａに平行に延びて設けられている。半導体モジュール１が嵌め込みガイド２１に沿って移動して半導体モジュール１が冷却器２に嵌め込まれる際に、半導体モジュール１の嵌込方向Ａについての先端部１７と、冷却器２における先端部１７に対向する対向部２３とに渡ってねじ４が配置される。ねじ４により、半導体モジュール１は、嵌込方向Ａについて冷却器２に対して固定される。半導体モジュール１および冷却器２のそれぞれには、ねじ４が挿入されるねじ孔が形成されている。半導体モジュール１がねじ４に当たるまで、半導体モジュール１を嵌め込みガイド２１に沿って移動させた後、ねじ４を回転させることによって、半導体モジュール１と冷却器２とが熱伝導性部材３を介して強く接合される。その他の構成は、実施の形態１または実施の形態２と同様である。
【００２６】
以上説明したように、この発明の実施の形態３に係る電力変換装置１９によれば、嵌込方向Ａに平行に延びて設けられ冷却器２と半導体モジュール１とを接続するねじ４を備えているので、ねじ４を用いて、半導体モジュール１と冷却器２とを、熱伝導性部材３を介して強く接合することができる。その結果、冷却性能が高く、信頼性の高い電力変換装置１９を得ることができる。
【００２７】
実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４に係る電力変換装置の半導体モジュールを示す側面図、図１０は図９の半導体モジュールを示す別の側面図である。冷却器２の嵌め込みガイド２１に嵌め込まれる半導体モジュール１の嵌め込み用突起１２は、実施の形態１と異なり、本体１１から幅方向外側に延びる円柱形状に形成されている。これにより、半導体モジュール１を冷却器２に嵌め込む際に、嵌め込みガイド２１と嵌め込み用突起１２との接触部分が一点となる。その他の構成は、実施の形態１ないし実施の形態３と同様である。
【００２８】
以上説明したように、この発明の実施の形態４に係る電力変換装置によれば、嵌め込みガイド２１は、嵌込方向Ａに平行に延びた溝であり、半導体モジュール１は、本体１１と、本体１１に設けられ、嵌め込みガイド２１に挿入される嵌め込み用突起１２を有し、嵌め込み用突起１２は、本体１１から幅方向外側に延びる円柱形状に形成されているので、嵌め込み作業時に半導体モジュール１が嵌め込みガイド２１に引っ掛かることが抑制され、半導体モジュール１の冷却器２への挿入が容易となる。その結果、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００２９】
１  半導体モジュール、２  冷却器、３  熱伝導性部材、４  ねじ、１１  本体、１２  嵌め込み用突起、１３  半導体モジュール用冷却面、１４  Ｎ端子、１５  Ｐ端子、１６  ゲート端子、１７  先端部、１９  電力変換装置、２１  嵌め込みガイド、２２  冷却器用冷却面、２３  対向部。
【図１】
2018037604.tif 000003
【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】
2018037604.tif 000010
【図９】
2018037604.tif 000011
【図１０】
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