(57)【要約】【課題】本明細書は、複数の冷却器と複数の半導体カードが交互に積層された積層ユニットを有する電力変換装置に関し、積層ユニットに加えられる大荷重をコンパクトに支える構造を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電力変換装置は、積層ユニット１０、積層ユニットを収納するケース３、板バネ６を備える。板バネ６は、ケース内にて、積層ユニット１０の積層方向の一端面に当接しており、積層ユニット１０を積層方向に荷重する。また、ケース内の平行な一対の側面の夫々にリブ４が設けられている。リブ４は、一対の側面の夫々に突設されている。板バネ６は、圧縮状態で、一方の面の両端が一対のリブ４の夫々に支持されているとともに、他方の面の中央が積層ユニット１０の端面を押圧している。そして、リブ４は、弾性部材が当接している箇所における積層方向の厚みよりも、ケースの側面との接続箇所における積層方向の厚みが大きい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の冷却器と、半導体素子を封止した複数の半導体カードを交互に積層した積層ユニットと、
前記積層ユニットを収納するケースと、
前記ケース内にて、前記積層ユニットの積層方向の一端面に当接しており、前記積層ユニットを積層方向に荷重する弾性部材と、
を備えており、
ケース内側面であって前記積層方向に平行な一対の側面の夫々にリブが突設されており、
前記弾性部材は、圧縮状態で、一方の面の両端が前記リブに支持されているとともに、他方の面の中央が前記積層ユニットの端面を押圧しており、
前記リブは、前記弾性部材が当接している箇所における前記積層方向の厚みよりも、前記ケースの前記側面との接続箇所における前記積層方向の厚みが大きい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、インバータや電圧コンバータなどの電力変換器に関する。特に、電気自動車に搭載され、直流電力を交流に変換して走行用モータに供給する電力変換器に関する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や、燃料電池車を含む。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車は、バッテリの直流電力を交流電力に変換して走行用のモータに供給する電力変換装置を備える。走行用のモータは大出力であるため、電力変換装置が供給する電力も大電流である。一般に電力変換装置はパワー半導体と呼ばれる半導体素子のスイッチング動作により直流電力を交流電力に変換する。半導体素子は典型的にはトランジスタである。そのような半導体素子は高周波でスイッチング動作し、また、大電流が流れるので発熱量が大きい。電力変換装置は発熱量の大きな複数の半導体素子を備えるため、冷却装置を備える。
【０００３】
複数の半導体素子を効率よく冷却する電力変換装置が例えば特許文献１、２に開示されている。それらの文献が開示する電力変換装置は、半導体素子を封止した複数の扁平な半導体カードと複数の扁平な冷却器を交互に積層した積層ユニットを備えることを特徴とする。積層ユニットは、各半導体カードと冷却器との接触面積を広く確保できるので冷却効率がよい。より冷却効率を高めるため、積層ユニットは積層方向の両側から荷重され、半導体カードと冷却器の密着度が高められる。
【０００４】
冷却効率を高めるために、積層ユニットを数キロニュートンの力で荷重することがある。それだけの荷重を加えつつ積層ユニットをケースに組み付ける作業は負荷が大きい。そこで、特許文献１には、荷重を加える板バネを組み込む作業の効率を高める技術が開示されている。その技術は以下の通りである。ケース内部に積層ユニットの積層方向に沿って伸びる突条を設ける。突条は積層ユニットの両側に設けられる。その突条にて板バネの両端が位置する箇所に、クサビ型の切欠を設ける。クサビ型の切欠の斜面のうち、積層方向の端部と対向する斜面は、下方（ケース底側）に向かうにつれて積層ユニットに近づくように傾斜している。板バネの両端には、切欠の斜面と平行に対向する斜面を有するブロックが備えられている。板バネを上からケースに挿入するとき、板バネの両端のブロックがクサビ状の切欠に嵌り込み、板バネの中央は積層ユニットの端面を荷重する。板バネのブロックが切欠に深く嵌り込むにつれてブロックごと板バネは積層ユニットに向かって移動し、荷重が強くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１１８３３４号公報
【特許文献２】特開２００５−１４３２４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
車載用のデバイスにはコンパクト性も重要である。特許文献１のような複雑な構造を採用すると、積層ユニットに加える荷重を支持するための構造が占有するスペースが大きくなる。本明細書は、積層ユニットに加える大荷重を支える構造をコンパクトに実現する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する電力変換装置は、積層ユニット、積層ユニットを収納するケース、弾性部材を備える。積層ユニットは、複数の扁平な冷却器と、半導体素子を封止した複数の扁平な半導体カードを交互に積層したユニットである。弾性部材は、典型的には板バネであり、ケース内にて、積層ユニットの積層方向の一端面に当接しており、積層ユニットを積層方向に荷重する。以下、説明の便宜のため、「積層ユニットの積層方向」を単に「積層方向」と称する。
【０００８】
ケース内の平行な一対の側面の夫々にリブが設けられている。そのリブは、一対の側面の夫々に突設されている。ここで、「側面」には、底面と上面は含まれないことに留意されたい。一対のリブは、一対のリブを結ぶ直線が積層方向と直交するように配置されている。弾性部材は、圧縮状態で、一方の面の両端が一対のリブの夫々に支持されているとともに、他方の面の中央が積層ユニットの端面を押圧している。そして、リブは、弾性部材が当接している箇所における積層方向の厚みよりも、ケースの側面との接続箇所における積層方向の厚みが大きい。なお、リブと弾性部材の間、及び、弾性部材と積層ユニットの間には、絶縁板やスペーサなど他の部品が介在してもよい。
【０００９】
上記の構造によれば、リブの積層方向厚みはケースとの接続部位で厚く、弾性部材の支持箇所ではケース接続部位での厚みよりも薄くなっている。典型的には、リブは、ケース上方からみたときの形状が、ケースとの接続箇所から弾性部材の支持箇所へ向けて先細りであるとよい。そのような構造によれば、リブはケース側面に強固に固定されるので、積層ユニットに荷重を加える弾性部材を確実に支持することができるとともに、リブ先端側（ケース側面から遠い端）の厚みが薄く、リブの形状はコンパクトであり、ケース内空間を有効利用することができる。
【００１０】
リブの形状は、典型的には、ケース上方からみたときに三角形であるとよい。三角形は、荷重に対して強固な形状だからである。
【００１１】
なお、積層ユニットに荷重を加える弾性部材をケース側面に突設されているリブで支持することは、次の効果も奏する。車載の電力変換装置は走行中に振動の影響を受ける。車載機器では特に上下振動が激しい。電力変換装置のケースは通常金属製であるが、激しい上下振動の下ではケース低面がダイヤフラムのように振動する。弾性部材の支持構造がケース底面に突設されていると、ケースの振動が弾性部材を介して積層ユニットの半導体カードに伝搬する。弾性部材の支持構造（上記のリブ）をケース側面に突設することは、ケースの上下振動が半導体カードに与える影響を低減することにも寄与する。
【発明の効果】
【００１２】
本明細書は、大きな荷重を加える積層ユニットを備える電力変換装置において、大荷重を支える構造をコンパクトに実現する技術を提供する。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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】積層ユニットの斜視図である。
【図２】電力変換装置内の積層ユニットのレイアウトを示す平面図である。
【図３】図２のIII−III線における断面図である。
【図４】図２の破線IVが囲む範囲の拡大図である。
【図５】図３の破線Ｖが囲む範囲の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
最初に、実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、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。
【００１５】
（特徴１）一対のリブ４の離間距離Ｌ２が、積層ユニット１０の幅Ｌ１（一対のリブを結ぶ方向に沿った長さ）よりも広い。積層ユニット１０は、荷重を受ける前には、その積層方向長さが荷重を受けているときの長さよりも長い。一対のリブ４の離間距離Ｌ２を、積層ユニット１０の幅Ｌ１よりも広くしておくことで、リブ４と干渉することなく、荷重付加前の積層ユニット１０をケース３に収めることができる。
【００１６】
（特徴２）リブ４の高さＨ２（積層方向及び、一対のリブを結ぶ方向の双方と直交する方向におけるリブの長さ）が板バネ６の高さＨ１よりも低い。後述するように、リブ４と板バネ６の間には、板バネ６の荷重を調整するスペーサ５が嵌挿される。スペーサ５を嵌挿するために、板バネ６の端部を積層方向にさらに荷重し、リブ４との間に空間を確保しなければならない。リブ４の高さＨ２が板バネ６の高さよりも高くすることによって、スペーサ５を嵌挿する際、リブ４の後方（積層ユニットから遠い側）からリブ越しに板バネを押し縮めることができる。この構造は、スペーサ５の組み付け性がよい。
【００１７】
図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。まず、積層ユニットを説明する。図１に積層ユニット１０の斜視図を示す。積層ユニット１０は、複数の扁平な冷却器１４と複数の扁平な半導体カード１５を交互に積層した構造を有している。図１では、複数の冷却器のうち一つだけに符号「１４」を付し、複数半導体カードのうち一つだけに符号「１５」を付していることに留意されたい。
【００１８】
半導体カード１５は、２個の半導体素子１７を樹脂で封止したものである。半導体素子１７は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。積層ユニット１０は、複数の半導体カード１５を備えており、それらに含まれる半導体素子は、インバータ回路のスイッチング素子、及び、昇圧コンバータのスイッチング素子として用いられる。電力変換装置の回路構成については説明を省略する。
【００１９】
図示は省略しているが、半導体カード１５の扁平面（扁平な半導体カードの最も広い面）には電極の一部が露出している。露出している電極の部位は、ヒートスプレッダの役割を果たし、半導体素子１７の熱を半導体カード１５の表面まで伝達する。半導体素子１７の熱は、露出している電極の部位を通じて冷却器１４へと伝わる。ただし、冷却器１４と半導体カード１５の間には絶縁板１６が挟まれている。
【００２０】
扁平な冷却器１４は、内部を液体の冷媒が通り、その扁平面に接している半導体カード１５を冷却する。各冷却器１４は、２本の接続管１８で隣接する冷却器と接続されている。積層方向の端部に位置する冷却器１４には、冷媒供給管１２と冷媒排出管１３が接続されている。冷媒供給管１２を通じて供給される冷媒は、一方の接続管１８を通り全ての冷却器１４に流れ込む。冷却器１４の内部を通り、半導体カード１５から熱を吸収した冷媒は、他方の接続管１８を通じ、冷媒排出管１３へと流れる。「積層方向」は、図中の座標軸におけるＸ軸方向に相当する。
【００２１】
積層体ユニットは、半導体カード１５の冷却効率を高めるため、電力変換装置のケース内にて数キロニュートンの荷重でその積層方向に荷重される。
【００２２】
次に、電力変換装置のケース内での積層ユニット１０のレイアウトについて説明する。図２は、電力変換装置２の模式的な平面図である。図３は、図２のIII−III線に沿った断面図を示している。図２は、電力変換装置２における積層ユニット１０のレイアウトを示す模式的な図面であり、積層ユニット１０とそれを支持する構造のほかは図示を省略している。また、図２では省略しているが、図３に仮想線で示すように、積層ユニット１０の上方には、積層ユニット内の半導体素子を制御するための基板２１が配置される。基板２１の説明は省略する。また、図中の座標軸において、Ｚ軸方向が、電力変換装置２を所定の位置に設置したときの鉛直上方に相当する。
【００２３】
積層ユニット１０は、積層方向の一端がケース３の一つの側壁に設けられた突部３ｂに当接している。より詳しくは、積層方向の一端に位置する冷却器１４ａの扁平面（扁平な冷却器の最も広い面）が、突部３ｂに当接している。積層ユニット１０は、その他端から板バネ６によって積層方向に荷重されている。板バネ６は、積層ユニット１０の他端に位置する別の冷却器１４ｂの扁平面に当接している。板バネ６によって積層ユニット１０は数キロニュートンの圧縮荷重を受ける。
【００２４】
板バネ６は、その一方の面の中央が積層ユニット１０の端部に当接し、他方の面の両端がスペーサ５を介してリブ４に当接している。リブ４は、ケース３の内側の側面であって積層ユニット１０の積層方向（図中のＸ軸方向）に平行な一対の側面３ａの夫々に設けられている。一対のリブ４は、それらを結ぶ線分が積層方向と直交するように配置されている。
【００２５】
リブ４の周辺の拡大図を図４に示す。図４は、図２における破線IV−IVが囲む範囲の拡大図である。リブ４の形状は、上方から見たときに三角形である。そして、ケース側面との接続箇所４ａにおける積層方向のリブ４の厚みＷ１が、板バネ６のスペーサ５を介した当接箇所（図中４ｂが示す破線）における積層方向のリブ４の厚みＷ２よりも大きい。別言すれば、リブ４の形状は、ケース側面３ａの接続箇所４ａから、他方のリブに向かって先細りである。なお、図中の座標系のＸ軸方向が積層方向に相当する。
【００２６】
先に述べたように、板バネ６は数キロニュートンの力で積層ユニット１０に荷重を加える。その荷重は、スペーサ５を介してリブ４が支える。なお、スペーサ５は、板バネ６の荷重を調整するためのものである。荷重が足りない場合は直径の大きい別のスペーサを嵌挿し、板バネ６をより強く変形させ、圧縮力を高める。荷重が大きすぎる場合は、直径の小さいスペーサを嵌挿し、板バネ６の変形を和らげて圧縮力を緩和する。
【００２７】
リブ４は三角形をなしているので、比較的に少ない専有空間で大きな荷重を支えることができる。即ち、リブ４の形状は、大きな荷重を省スペースで支える構造である。図２、図４に表されているように、平面視したときのリブ４の形状が三角形であるので、リブ４の後の空間（積層方向において板バネ６が存在する側とは反対側の空間）に別の部品を配置する余裕が確保できる。
【００２８】
図２に戻ってリブ４の別の利点を説明する。一対のリブ４の離間距離Ｌ２は、積層ユニット１０の幅Ｌ１（一対のリブを結ぶ方向における積層ユニット１０の長さ）よりも大きい。このレイアウトにより、荷重前の積層ユニット１０をケース３に収める際にリブ４が積層ユニット１０と干渉することを回避できる。特に、荷重付加前の積層ユニット１０は、積層高の長さが図２に示す長さよりも長く、積層ユニット１０の他端側に位置する冷却器１４ｂが、リブ４よりも図中右側に位置する場合がある。そのような場合でも、リブ４の離間距離Ｌ２が積層ユニット１０の幅Ｌ１よりも大きいので、リブ４と積層ユニット１０が干渉することはない。
【００２９】
また、図３における破線Ｖが示す範囲の拡大図を図５に示す。図５に示されているように、板バネ６の高さＨ１（積層方向、及び、一対のリブを結ぶ方向の双方と直交する方向における板バネ６の長さ）が、リブ４の高さＨ２よりも高い。板バネ６の高さをリブ４よりも高くすることによって、図５の矢印Ｆが示すように、リブ４の後方（積層方向で積層ユニット１０の反対側）からリブ４を超えて板バネ６を積層ユニット側へ荷重することができる。荷重には専用の治具を用いる。
先に述べたように、スペーサ５は、板バネ６の荷重を調整するための部品であり、板バネ６を積層ユニット１０とリブ４の間に挿入した後に嵌挿される。上記の構造は、スペーサ５を嵌挿する際、リブ４の後方から板バネ６を荷重して板バネ６を圧縮することができるので、スペーサ５が挿入し易くなる。即ち、上記の構造を採用することによってスペーサ５の組み付け性が高まる。特に、板バネ６を圧縮する際、図４の破線４ｂの付近で板バネ６に荷重を加えることによって、荷重点と、荷重を緩めたときの支持点が近づくことになる。これにより、荷重を緩めたときに治具からリブ４への支持点の移動距離が短くなり、数キロニュートンにもおよぶ荷重支持点の治具からリブ４への移動（即ち、支持構造の遷移）がスムーズに行われる。
【００３０】
その他の利点を説明する。積層ユニット１０は、積層方向の一端がケース側面に突設された突部３ｂに当接しており、他端は板バネ６を介してリブ４に支持されている。そのリブ４は、ケースの側面３ａに設けられている。これらの構造により、図３によく表されているように積層ユニット１０は、ケース３の底面から離間している。車載の電力変換装置２は、上下振動が激しい。ケース３は金属製であるが、激しい上下振動により底面がダイヤフラムのように振動する場合がある。積層ユニット１０が底面に接していると半導体カード１５が振動の影響を受ける虞がある。実施例の電力変換装置２は、積層ユニット１０がケース底面と接していないので、上下振動の影響を受け難いという利点を有する。
【００３１】
その他、実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。板バネ６が弾性部材の一例に相当する。積層ユニット１０は、扁平な複数の冷却器１４と扁平な複数の半導体カード１５が交互に積層したものであるが、隣接する冷却器１４の間に２枚以上の半導体カード１５が挟まれていてもよい。
【００３２】
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。
【符号の説明】
【００３３】
２：電力変換装置
３：ケース
３ａ：ケース側面
３ｂ：突部
４：リブ
５：スペーサ
６：板バネ（弾性部材）
１０：積層ユニット
１２：冷媒供給管
１３：冷媒排出管
１４：冷却器
１５：半導体カード
１６：絶縁板
１７：半導体素子
１８：接続管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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