(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の冷却管が所定間隔を設けて積層された冷却モジュールと、隣接する前記冷却管の隙間に挿入された半導体モジュールと、を有する電力変換装置であって、
前記半導体モジュールは、挿入方向に垂直な面への投影図において、前記冷却管が積層された方向と垂直方向に凹状に形成された第１挿入規制部を有し、
前記冷却モジュールは、前記第１挿入規制部と係合することで前記半導体モジュールが前記冷却管の積層方向へ移動することを規制する凸状に形成された第２挿入規制部を有する
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、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体モジュールと冷却管とを積層した積層ユニットを有する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この電力変換装置では、冷媒を冷却管内に循環させて、半導体モジュールとの熱交換を行うことにより、半導体モジュールを冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−０１１９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、積層ユニットは、隣接する冷却管の隙間に半導体モジュールを挿入した後、隣接する冷却管の隙間を縮め、冷却管を半導体モジュールに密着させることにより形成される。このような積層ユニットでは、半導体モジュールの冷却効率を高めるために、半導体モジュールの冷却管と接触する面（接触面）に放熱グリスを塗布した状態で、隣接する冷却管の隙間に半導体モジュールを挿入する場合がある。
【０００５】
しかしながら、上記の電力変換装置では、隣接する冷却管の隙間に半導体モジュールを挿入する際、半導体モジュールの接触面に塗布された放熱グリスが冷却管に接触するおそれがある。放熱グリスが冷却管に接触すると、放熱グリスの一部が剥がれ、冷却管と半導体モジュールとの間の密着性が低下するため、半導体モジュールと冷却管との間の熱交換効率が低下する。
【０００６】
そこで、上記課題に鑑み、冷却管の隙間に半導体モジュールを挿入する際、半導体モジュールの接触面に塗布された放熱グリスが冷却管に接触することを防止できる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る電力変換装置は、
複数の冷却管が所定間隔を設けて積層された冷却モジュールと、隣接する前記冷却管の隙間に挿入された半導体モジュールと、を有する電力変換装置であって、
前記半導体モジュールは、挿入方向に垂直な面への投影図において、前記冷却管が積層された方向と垂直方向に凹状に形成された第１挿入規制部を有し、
前記冷却モジュールは、前記第１挿入規制部と係合することで前記半導体モジュールが前記冷却管の積層方向へ移動することを規制する凸状に形成された第２挿入規制部を有する
ことを特徴とする。
【０００８】
開示の電力変換装置によれば、冷却管の隙間に半導体モジュールを挿入する際、冷却モジュールに形成された第２挿入規制部が、半導体モジュールに形成された第１挿入規制部と係合し、半導体モジュールが冷却管の積層方向へ移動することが規制される。これにより、半導体モジュールの接触面と冷却管との間隔を略一定に保持した状態で、冷却管の隙間に半導体モジュールを挿入することができる。その結果、半導体モジュールの接触面に塗布された放熱グリスが冷却管に接触することを防止できる。
【発明の効果】
【０００９】
開示の電力変換装置によれば、冷却管の隙間に半導体モジュールを挿入する際、半導体モジュールの接触面に塗布された放熱グリスが冷却管に接触することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の電力変換装置の積層ユニットを示す概略斜視図
【図２】図１における積層ユニットの一部を示す分解斜視図
【図３】図１における半導体モジュールを示す概略斜視図
【図４】本実施形態の電力変換装置の積層ユニットの製造方法を示す概略工程図
【図５】第１実施形態の電力変換装置の概略斜視図
【図６】第１実施形態の電力変換装置の分解斜視図
【図７】第２実施形態の電力変換装置の概略斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、発明を実施するための形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する。
【００１２】
本実施形態の電力変換装置は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されるバッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータ装置であり、半導体モジュールと冷却モジュールとを有する積層ユニットと、積層ユニットを収容する筐体とを備える。
【００１３】
（積層ユニット）
本実施形態の電力変換装置の積層ユニットについて、図１から図３に基づき説明する。図１は、本実施形態の電力変換装置の積層ユニットを示す概略斜視図である。図２は、図１における積層ユニットの一部を示す分解斜視図であり、１つの半導体モジュールと半導体モジュールに隣接する２つの冷却管とを示している。図３は、図１における半導体モジュールを示す概略斜視図である。
【００１４】
図１に示すように、積層ユニット１００は、半導体モジュール１１０と冷却モジュール１２０とを有する。半導体モジュール１１０は、両面から放熱する両面放熱パワーモジュール（パワーカード）であり、インバータ回路等の電力変換回路の一部を構成する。冷却モジュール１２０は、半導体モジュール１１０と熱交換を行うことにより、半導体モジュール１１０を冷却する積層型両面冷却器である。
【００１５】
半導体モジュール１１０は、扁平な矩形状に形成されている。半導体モジュール１１０は、隣接する冷却管１２１の隙間に挿入され、隣接する２つの冷却管１２１に挟み込まれている。このため、半導体モジュール１１０は、隣接する２つの冷却管１２１により両面から冷却されることで、高い放熱性能を有する。
【００１６】
半導体モジュール１１０は、半導体素子と、樹脂１１１と、電極板１１２と、信号端子１１３とを有する。半導体素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）及びＦＷＤ（Free Wheeling Diode）が並列接続されたスイッチング素子である。半導体素子は、制御回路から信号端子１１３を介して入力される制御信号によりオン又はオフされる。
【００１７】
樹脂１１１は、半導体素子、電極板１１２及び信号端子１１３を封止する。図１から図３では、半導体素子が樹脂１１１により封止されている状態を示している。樹脂１１１としては、例えばエポキシ系樹脂、シリコーン系樹脂を用いることができる。
【００１８】
電極板１１２は、一端が半導体素子と電気的に接続され、他端が樹脂１１１から露出した金属板である。以下、半導体モジュール１１０の電極板１１２が露出している面を上面１１０Ｕという。
【００１９】
信号端子１１３は、一端が半導体素子と電気的に接続され、他端が樹脂１１１から露出し、外部の制御回路に接続される端子である。以下、半導体モジュール１１０の信号端子１１３が露出している面を下面１１０Ｄという。
【００２０】
半導体モジュール１１０における冷却管１２１の積層方向と垂直な面（前面１１０Ｆ及び後面１１０Ｂ）には、絶縁板１１４が取り付けられている。また、絶縁板１１４の半導体モジュール１１０側と反対側の面には、膜厚が例えば数十μｍ〜数百μｍの放熱グリス１１５が塗布されている。絶縁板１１４は、例えば窒化アルミニウム、窒化珪素の板やフィルムであり、半導体モジュール１１０よりも僅かに大きい矩形状に形成されている。
【００２１】
半導体モジュール１１０は、挿入方向（図２中の矢印方向）に垂直な面への投影図において、冷却管１２１の積層方向と垂直方向に凹状に形成された第１挿入規制部１１６を有する。すなわち、第１挿入規制部１１６は、前面１１０Ｆ、後面１１０Ｂ、上面１１０Ｕ及び下面１１０Ｄを除く２つの面である左側面１１０Ｌ及び右側面１１０Ｒに形成されている。
【００２２】
具体的には、第１挿入規制部１１６は、例えば図３（ａ）に示すように、左側面１１０Ｌから突出した３つ突起部１１６ａと、３つの突起部１１６ａにより形成された溝部１１６ｂとにより凹状に形成されている。また、右側面１１０Ｒから突出した３つの突起部１１６ａと、３つの突起部１１６ａにより形成された溝部１１６ｂとにより凹状に形成されている。このような凹状に形成された第１挿入規制部１１６では、３つの突起部１１６ａにより形成された溝部１１６ｂに後述する第２挿入規制部１２３が上方又は下方から挿入される。
【００２３】
また、第１挿入規制部１１６は、例えば図３（ｂ）に示すように、左側面１１０Ｌから突出し上下方向に延びる２つの突起部１１６ｃと、２つの突起部１１６ｃの間に形成された溝部１１６ｄとにより凹状に形成され、右側面１１０Ｒから突出し上下方向に延びる２つの突起部１１６ｃと、２つの突起部１１６ｃの間に形成された溝部１１６ｄとにより凹状に形成されていてもよい。このような凹状に形成された第１挿入規制部１１６では、２つの突起部１１６ｃにより形成された溝部１１６ｄに後述する第２挿入規制部１２３が上方又は下方から挿入される。
【００２４】
第１挿入規制部１１６は、例えば半導体素子を樹脂１１１で封止する際に一体成型することにより形成することができる。
【００２５】
冷却モジュール１２０は、所定間隔を設けて積層された複数の冷却管１２１と、隣接する冷却管１２１を連結する連結管１２２（第１連結管１２２ａ及び第２連結管１２２ｂ）と、連結管１２２に取り付けられた第２挿入規制部１２３とを有する。
【００２６】
冷却管１２１は、内部に冷媒を流動させる中空部を有する。冷却管１２１における積層方向と垂直な面（前面１２１Ｆ及び後面１２１Ｂ）は、それぞれ半導体モジュール１１０の後面１１０Ｂ及び前面１１０Ｆに塗布された放熱グリス１１５を介して半導体モジュール１１０と接触する面である。
【００２７】
第１連結管１２２ａは、内部に各種の冷媒を流動させる中空部を有する管である。第１連結管１２２ａは冷却管１２１の一端に連結されており、第１連結管１２２ａの中空部と冷却管１２１の中空部とが連通している。第１連結管１２２ａの一端は開口した給水口１２２ｉを形成しており、他端は閉口している。
【００２８】
第２連結管１２２ｂは、内部に各種の冷媒を流動させる中空部を有する管である。第２連結管１２２ｂは冷却管１２１の他端に連結されており、第２連結管１２２ｂの中空部と冷却管１２１の中空部とが連通している。第２連結管１２２ｂの一端は開口した排水口１２２ｏを形成しており、他端は閉口している。
【００２９】
このような冷却モジュール１２０では、給水口１２２ｉから第１連結管１２２ａを介して冷却管１２１へと供給された冷媒は、冷却管１２１内を通過する際、隣接する冷却管１２１の隙間に挿入された半導体モジュール１１０から受熱する。そして、受熱した冷媒は、冷却管１２１内を通過し、第２連結管１２２ｂを介して排水口１２２ｏへ向かって流れ、排水口１２２ｏから排出される。このように、積層ユニット１００においては、冷媒を冷却管１２１内において循環させて、半導体モジュール１１０と熱交換を行うことにより、半導体モジュール１１０を冷却する。
【００３０】
第２挿入規制部１２３は、第１連結管１２２ａ及び第２連結管１２２ｂに取り付けられており、第１挿入規制部１１６と係合する凸状に形成された部位である。具体的には、図２に示すように、第２挿入規制部１２３は、第１連結管１２２ａの外側に鍔状に張り出すように拡径された第１鍔部１２３ａと、第２連結管１２２ｂの外側に鍔状に張り出すように拡径された第２鍔部１２３ｂとを有する。
【００３１】
第１鍔部１２３ａの第２鍔部１２３ｂ側の辺と第２鍔部１２３ｂの第１鍔部１２３ａ側の辺とは、互いに平行となるように形成されている。平行な両辺の間隔Ｌ１は、半導体モジュール１１０の左側面１１０Ｌから右側面１１０Ｒまでの長さＬ２よりも長くなるように形成されている。また、平行な両辺の間隔Ｌ１は、半導体モジュール１１０の左側面１１０Ｌに形成された突起部１１６ａの左端から右側面１１０Ｒに形成された突起部１１６ａの右端までの長さＬ３よりも短くなるように形成されている。
【００３２】
これにより、第１鍔部１２３ａが半導体モジュール１１０の左側面１１０Ｌの３つの突起部１１６ａにより形成された溝部１１６ｂと係合可能となっている。また、第２鍔部１２３ｂが半導体モジュール１１０の右側面１１０Ｒの３つの突起部１１６ａにより形成された溝部１１６ｂと係合可能となっている。
【００３３】
第２挿入規制部１２３は、冷却管１２１の積層方向から見たとき、冷却管１２１の上面１２１Ｕよりも所定の長さＡだけ突出するように形成されている。これにより、隣接する冷却管１２１の隙間に半導体モジュール１１０を挿入する際、まず、第１鍔部１２３ａが溝部１１６ｂに挿入されると共に、第２鍔部１２３ｂが溝部１１６ｂに挿入される。すなわち、冷却管１２１の積層方向からの平面視において、半導体モジュール１１０の前面１１０Ｆ及び後面１１０Ｂに塗布された放熱グリス１１５が冷却管１２１と重なる前に、冷却管１２１に対する半導体モジュール１１０の前後方向の位置が規制される。これにより、半導体モジュール１１０の前面１１０Ｆと半導体モジュール１１０の前面１１０Ｆ側に位置する冷却管１２１の後面１２１Ｂとの間隔、及び、半導体モジュール１１０の後面１１０Ｂと半導体モジュール１１０の後面１１０Ｂ側に位置する別の冷却管１２１の前面１２１Ｆとの間隔を略一定に保持した状態で、隣接する２つの冷却管１２１の隙間に半導体モジュール１１０を挿入することができる。このため、冷却管１２１の隙間に半導体モジュール１１０を挿入する際、半導体モジュール１１０の前面１１０Ｆ及び後面１１０Ｂに塗布された放熱グリス１１５が冷却管１２１に接触することを防止できる。その結果、簡易な設備や手作業で隣接する冷却管１２１の隙間に半導体モジュール１１０を挿入することができる。
【００３４】
第２挿入規制部１２３は、連結管１２２と別体で形成した板状の部材をロウ付けにより連結管１２２に固定することで形成してもよく、打ち出し加工により連結管１２２の一部から形成してもよい。
【００３５】
（積層ユニットの製造方法）
本実施形態の電力変換装置の積層ユニット１００は、隣接する冷却管１２１の隙間に半導体モジュール１１０を挿入した後、冷却管１２１の積層方向に圧縮することにより形成される。以下、本実施形態の電力変換装置の積層ユニット１００の製造方法について、図４に基づき説明する。図４は、本実施形態の電力変換装置の積層ユニットの製造方法を示す概略工程図である。
【００３６】
まず、図４（ａ）に示すように、冷却モジュール１２０の上方に半導体モジュール１１０を配置する。
【００３７】
続いて、図４（ｂ）に示すように、第１挿入規制部１１６を第２挿入規制部１２３に係合させ、第１挿入規制部１１６が第２挿入規制部１２３に係合した状態で、半導体モジュール１１０を下方に移動させる。このとき、半導体モジュール１１０における放熱グリス１１５が塗布された部分が隣接する冷却管１２１の隙間に挿入される前に、冷却管１２１に対する半導体モジュール１１０の前後方向の位置が規制される。すなわち、冷却管１２１の積層方向からの平面視において、半導体モジュール１１０の前面１１０Ｆ及び後面１１０Ｂに塗布された放熱グリス１１５が冷却管１２１と重なる前に、冷却管１２１に対する半導体モジュール１１０の前後方向の位置が規制される。
【００３８】
続いて、図４（ｃ）に示すように、半導体モジュール１１０を更に下方に移動させる。これにより、冷却管１２１の積層方向からの平面視において、半導体モジュール１１０の前面１１０Ｆ及び後面１１０Ｂに塗布された放熱グリス１１５が冷却管１２１と重なり始める。このとき、冷却管１２１に対する半導体モジュール１１０の前後方向の位置が規制されているので、放熱グリス１１５が冷却管１２１に接触することが防止される。
【００３９】
続いて、半導体モジュール１１０を更に下方に移動させることにより、図４（ｄ）に示すように、隣接する冷却管１２１の隙間への半導体モジュール１１０の挿入が完了する。隣接する冷却管１２１の隙間に半導体モジュール１１０が挿入された後、冷却管１２１の積層方向に圧縮することにより、半導体モジュール１１０の前面１１０Ｆ及び後面１１０Ｂを、それぞれ冷却管１２１の後面１２１Ｂ及び前面１２１Ｆに接触させる。
【００４０】
以上により、積層ユニット１００が形成される。
【００４１】
（電力変換装置）
〔第１実施形態〕
前述した積層ユニット１００を備える電力変換装置について、図５及び図６に基づき説明する。図５は、第１実施形態の電力変換装置の概略斜視図である。図６は、第１実施形態の電力変換装置の分解斜視図である。
【００４２】
図５及び図６に示すように、第１実施形態の電力変換装置は、積層ユニット１００と、積層ユニット１００を収容する筐体１５０とを備える。
【００４３】
筐体１５０は、積層ユニット１００を収容する本体部１５１と、本体部１５１に収容された積層ユニット１００を覆う蓋部１５６とを有する。
【００４４】
本体部１５１には、積層ユニット１００の第２挿入規制部１２３と接触して冷却管１２１が圧縮方向と垂直方向（図５中の上下方向及び左右方向）に変位することを抑制する下方支持部１５２が形成されている。下方支持部１５２の形状は、冷却管１２１が圧縮方向と垂直方向に変位することを抑制できればよく、例えば図６に示すように、下方側に対して上方側が拡がったテーパ状に形成されている。
【００４５】
蓋部１５６には、積層ユニット１００の第２挿入規制部１２３と接触して冷却管１２１が圧縮方向と垂直方向（図５中の上下方向及び左右方向）に変位することを抑制する上方支持部１５７が形成されている。上方支持部１５７の形状は、冷却管１２１が圧縮方向と垂直方向に変位することを抑制できればよく、例えば図６に示すように、上方側に対して下方側が拡がったテーパ状に形成されている。
【００４６】
このように、第１実施形態の電力変換装置では、冷却管１２１が圧縮方向と垂直方向に変位することを抑制する下方支持部１５２及び上方支持部１５７を有する。これにより、隣接する冷却管１２１の隙間に半導体モジュール１１０を挿入し、筐体１５０に収容した状態で、冷却管１２１の積層方向に圧縮する際、冷却管１２１が圧縮方向と垂直方向に変位することを抑制できる。また、冷却管１２１が圧縮方向と垂直方向に変位することが抑制されるので、冷却管１２１の隙間に挿入された半導体モジュール１１０の位置ずれを抑制できる。
【００４７】
特に、電力変換装置が車両に搭載される場合には、電力変換装置が振動する場合があるが、このような場合であっても、下方支持部１５２及び上方支持部１５７により、冷却管１２１の変位を抑制できる。
【００４８】
なお、第１実施形態では、電力変換装置が冷却管１２１の圧縮方向と垂直方向への変位を抑制する下方支持部１５２及び上方支持部１５７を有する形態について説明したが、これに限定されない。電力変換装置は、下方支持部１５２及び上方支持部１５７のいずれか一方のみを有する形態であってもよい。
【００４９】
〔第２実施形態〕
電力変換装置の他の例について、図７に基づき説明する。図７は第２実施形態の電力変換装置の概略斜視図である。図７（ａ）は電力変換装置を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）における積層ユニットを示し、図７（ｃ）は図７（ｂ）における積層ユニットの一部を示しており、１つの半導体モジュールと半導体モジュールに隣接する２つの冷却管とを示している。なお、図７（ａ）では、説明の便宜上、第１連結管及び第２連結管の筐体から突出する部分の図示を省略している。
【００５０】
図７（ａ）に示すように、第２実施形態の電力変換装置は、積層ユニット２００と、積層ユニット２００を収容する筐体２５０とを備える。
【００５１】
積層ユニット２００は、半導体モジュール２１０と冷却モジュール２２０とを有する。
【００５２】
半導体モジュール２１０は、半導体モジュール１１０と同様の構成とすることができる。
【００５３】
冷却モジュール２２０は、所定間隔を設けて積層された複数の冷却管２２１と、隣接する冷却管２２１を連結する連結管２２２（第１連結管２２２ａ及び第２連結管２２２ｂ）と、連結管２２２に取り付けられた第２挿入規制部２２３とを有する。冷却管２２１及び連結管２２２は、それぞれ冷却管１２１及び連結管１２２と同様の構成とすることができる。
【００５４】
第２挿入規制部２２３は、第１連結管２２２ａの外側に鍔状に張り出すように拡径された第１鍔部２２３ａと、第２連結管２２２ｂの外側に鍔状に張り出すように拡径された第２鍔部２２３ｂとを有する。第１鍔部２２３ａには第１貫通穴２２４ａが形成され、第２鍔部２２３ｂには第２貫通穴２２４ｂが形成されている。また、第１貫通穴２２４ａには第１棒状部材２２５ａが挿通され、第２貫通穴２２４ｂには第２棒状部材２２５ｂが挿通されている。なお、図７（ａ）では、第１貫通穴２２４ａに第１棒状部材２２５ａが挿通され、第２貫通穴２２４ｂに第２棒状部材２２５ｂが挿通されている状態を表している。また、図７（ｂ）では、第１貫通穴２２４ａに第１棒状部材２２５ａを挿通する前の状態及び第２貫通穴２２４ｂに第２棒状部材２２５ｂが挿通される前の状態を表している。
【００５５】
筐体２５０は、積層ユニット２００を収容する本体部２５１と、本体部２５１に収容された積層ユニット２００を覆う蓋部２５６とを有する。
【００５６】
第２実施形態では、第１鍔部２２３ａ及び第２鍔部２２３ｂに形成された第１貫通穴２２４ａ及び第２貫通穴２２４ｂにそれぞれ第１棒状部材２２５ａ及び第２棒状部材２２５ｂが挿通されている。これにより、冷却管２２１に対して圧縮方向と垂直方向（図７中の上下方向及び左右方向）に力が加わった場合であっても、冷却管２２１が圧縮方向と垂直方向に変位することを抑制できる。また、冷却管２２１が圧縮方向と垂直方向に変位することが抑制されるので、冷却管２２１の隙間に挿入された半導体モジュール２１０の位置ずれを抑制できる。
【００５７】
以上、電力変換装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１００    積層ユニット
１１０    半導体モジュール
１１６    第１挿入規制部
１２０    冷却モジュール
１２１    冷却管
１２３    第２挿入規制部
１２３ａ  第１鍔部
１２３ｂ  第２鍔部
【図１】
0006485372.tif 000002
【図２】
0006485372.tif 000003
【図３】
0006485372.tif 000004
【図４】
0006485372.tif 000005
【図５】
0006485372.tif 000006
【図６】
0006485372.tif 000007
【図７】
0006485372.tif 000008