(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を内蔵してなる半導体モジュール（２）と、
通電により発熱する発熱電子部品（３）と、
上記発熱電子部品（３）を収容する収容部材（４）と、
上記半導体モジュール（２）及び上記発熱電子部品（３）を冷却する冷却器（５）と、を有し、
上記冷却器（５）は、互いの間に間隔を設けて配置された複数の冷却管（５１）を有し、
上記収容部材（４）は、熱伝導性を有する部材からなると共に、底面部（４１）と、該底面部（４１）の端縁の全周から立設した側面部（４２）とからなり、
上記半導体モジュール（２）と上記収容部材（４）に収容された上記発熱電子部品（３）と上記冷却管（５１）とは、積層配置されて積層体（１１）を構成しており、
上記半導体モジュール（２）及び上記収容部材（４）は、それぞれ積層方向（Ｘ）の両側から上記冷却管（５１）によって挟持されており、
上記収容部材（４）は、側面部（４２）の立設方向が、積層方向（Ｘ）に直交する方向となるように配されており、
上記積層体（１１）は、積層方向（Ｘ）に加圧されており、
上記収容部材（４）は、ろう付けにより上記冷却器（５）に接合されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
【請求項２】
上記発熱電子部品（３）は、積層方向（Ｘ）における寸法が、上記半導体モジュール（２）よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
【請求項３】
上記収容部材（４）は、上記冷却器（５）と同じ材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）。
【請求項４】
上記冷却器（５）は、上記収容部材（４）を挟んで積層方向（Ｘ）に隣り合う上記冷却管（５１）同士を、上記冷却管（５１）の流路方向の両端部においてそれぞれ連結する一対の連結管（５２）を有し、上記収容部材（４）は、上記連結管（５２）にろう付けによって接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）を製造する方法であって、
上記冷却器（５）の構成部材（５０）同士の接合面、及び、上記冷却器（５）の構成部材（５０）と上記収容部材（４）との接合面にろう材が配置された状態において、上記構成部材（５０）及び上記収容部材（４）を仮組みして仮組体を形成する仮組工程と、
上記仮組体を加熱処理して、上記複数の接合面をろう付けして複数の上記構成部材（５０）及び上記収容部材（４）を互いに固定して、上記収容部材（４）を一体化した上記冷却器（５）を形成するろう付け工程と、
隣り合う上記冷却管（５１）の間に上記半導体モジュール（２）を配置すると共に、上記収容部材（４）に上記発熱電子部品（３）を配置する部品配置工程と、を有することを特徴とする電力変換装置（１）の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュール及び発熱電子部品を有する電力変換装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電気自動車、ハイブリッド自動車等の動力源である交流モータと、車両に搭載された直流バッテリーとの間において、電力の変換を行うための電力変換装置がある。電力変換装置には、スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュールが配設されている。半導体モジュールは、スイッチング素子に流れる被制御電流によって発熱する。
【０００３】
また、電力変換装置には、半導体モジュール以外にも、リアクトル等の発熱電子部品が組み込まれている。そのため、半導体モジュールのみならず、それ以外の発熱電子部品についても、冷却を行うことが求められる場合がある。
【０００４】
そこで、特許文献１に記載の電力変換装置においては、半導体モジュール及びリアクトルと共に複数の冷却管を積層して積層体を構成している。これにより、半導体モジュールとリアクトルとの双方を冷却管にて冷却することができる。そして、上記積層体は、積層方向の両側から加圧されることにより、半導体モジュール及びリアクトルと冷却管との密着度を高め、冷却性能の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１３８０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、近年、電力変換装置の高出力化に伴う大電流化によって発熱電子部品の発熱量も大きくなる傾向にある。それゆえ、発熱電子部品の冷却性能をより向上させることが要望されている。
【０００７】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、発熱電子部品の冷却性能の向上を図ることができる電力変換装置及びその製造方法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】
【０００８】
本発明の一態様は、半導体素子を内蔵してなる半導体モジュールと、
通電により発熱する発熱電子部品と、
上記発熱電子部品を収容する収容部材と、
上記半導体モジュール及び上記発熱電子部品を冷却する冷却器と、を有し、
上記冷却器は、互いの間に間隔を設けて配置された複数の冷却管を有し、
上記収容部材は、熱伝導性を有する部材からなると共に、底面部と、該底面部の端縁の全周から立設した側面部とからなり、
上記半導体モジュールと上記収容部材に収容された上記発熱電子部品と上記冷却管とは、積層配置されて積層体を構成しており、
上記半導体モジュール及び上記収容部材は、それぞれ積層方向の両側から上記冷却管によって挟持されており、
上記収容部材は、側面部の立設方向が、積層方向に直交する方向となるように配されており、
上記積層体は、積層方向に加圧されており、
上記収容部材は、ろう付けにより上記冷却器に接合されていることを特徴とする電力変換装置にある。
【０００９】
本発明の他の態様は、上記電力変換装置を製造する方法であって、
上記冷却器の構成部材同士の接合面、及び、上記冷却器の構成部材と上記収容部材との接合面にろう材が配置された状態において、上記構成部材及び上記収容部材を仮組みして仮組体を形成する仮組工程と、
上記仮組体を加熱処理して、上記複数の接合面をろう付けして複数の上記構成部材及び上記収容部材を互いに固定して、上記収容部材を一体化した上記冷却器を形成するろう付け工程と、
隣り合う上記冷却管の間に上記半導体モジュールを配置すると共に、上記収容部材に上記発熱電子部品を配置する部品配置工程と、を有することを特徴とする電力変換装置の製造方法にある。
【発明の効果】
【００１０】
上記電力変換装置は、発熱電子部品を収容する収容部材を有する。そして、収容部材は、熱伝導性を有する部材からなると共に、底面部と、該底面部の端縁の全周から立設した側面部とからなる。それゆえ、発熱電子部品は、収容部材の底面部と側面部とから囲われるため、発熱電子部品の各部位から収容部材までの伝熱距離を短くすることができる。そして、収容部材は、積層方向の両側から冷却管によって挟持されているため、収容部材から冷却管までの伝熱距離を小さくすることができる。その結果、発熱電子部品の各部位から冷却管までの伝熱距離を小さくすることができ、発熱電子部品の冷却性能の向上を図ることができる。
【００１１】
また、収容部材は、冷却器に対してろう付けされている。それゆえ、収容部材と冷却器との間の熱抵抗を小さくすることができ、これに伴い、収容部材に収容された発熱電子部品の各部から冷却器までの熱抵抗を小さくすることができ、発熱電子部品の冷却性能を一層向上させることができる。
【００１２】
また、上記電力変換装置の製造方法は、仮組体を加熱処理して、上記複数の接合面をろう付けして複数の上記構成部材及び収容部材を互いに固定して、収容部材を一体化した冷却器を形成するろう付け工程を有する。それゆえ、冷却器の構成部材同士の接合面と、冷却器の構成部材と収容部材との接合面とのろう付けを同時に行うことができ、上記電力変換装置を効率よく製造することができる。
【００１３】
以上のごとく、本発明によれば、発熱電子部品の冷却性能の向上を図ることができる電力変換装置及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１における、電力変換装置の平面図。
【図２】実施形態１における、収容部材が一体化された冷却器の斜視図。
【図３】実施形態１における、収容部材が一体化された冷却器の平面図。
【図４】図３の、IV−IV線矢視断面図。
【図５】図３の、Ｖ−Ｖ線矢視断面図。
【図６】実施形態１における、収容部材及び冷却器の分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施形態１）
電力変換装置の実施形態につき、図１〜図６を用いて説明する。
電力変換装置１は、図１に示すごとく、半導体素子を内蔵してなる半導体モジュール２と、通電により発熱する発熱電子部品３と、発熱電子部品３を収容する収容部材４と、半導体モジュール２及び発熱電子部品３を冷却する冷却器５と、を有する。図１〜図３、図５に示すごとく、冷却器５は、互いの間に間隔を設けて配置された複数の冷却管５１を有する。図１〜図５に示すごとく、収容部材４は、熱伝導性を有する部材からなると共に、底面部４１と、底面部４１の端縁の全周から立設した側面部４２とからなる。
【００１６】
図１に示すごとく、半導体モジュール２と収容部材４に収容された発熱電子部品３と冷却管５１とは、積層配置されて積層体１１を構成している。半導体モジュール２及び収容部材４は、それぞれ積層方向Ｘの両側から冷却管５１によって挟持されている。図２、図４、図５に示すごとく、収容部材４は、側面部４２の立設方向が、積層方向Ｘに直交する方向となるように配されている。図１に示すごとく、積層体１１は、積層方向Ｘに加圧されている。収容部材４は、ろう付けにより冷却器５に接合されている。
【００１７】
本実施形態において、発熱電子部品３は、電力変換装置１における電源電圧を所定電圧に昇圧する昇圧回路の一部を構成するリアクトルである。以下において、適宜、リアクトル３という。
また、以下において、積層方向Ｘに直交する方向であって、収容部材４の側面部４２が立設する方向を高さ方向Ｚという。また、積層方向Ｘと高さ方向Ｚとの双方に直交する方向を幅方向Ｙという。
【００１８】
図１〜図３に示すごとく、冷却器５は、幅方向Ｙを長手方向とした複数の冷却管５１を、互いに隙間を設けつつ積層してなる。本実施形態においては、図１に示すごとく、冷却管５１の間の隙間のうち、積層方向Ｘの一端側の隙間に収容部材４が配され、その他の隙間に半導体モジュール２が配される。
【００１９】
なお、以下においては、便宜上、冷却器５における収容部材４が配される側を後側、その反対側を前側という。
【００２０】
図１〜図３に示すごとく、積層方向Ｘにおいて隣り合う冷却管５１は、互いに、幅方向Ｙの両端部付近において連結されている。収容部材４を挟持する一対の冷却管５１は、連結管５２によって連結されている。つまり、冷却器５は、収容部材４を挟んで積層方向Ｘに隣り合う冷却管５１同士を、冷却管５１の流路方向の両端部においてそれぞれ連結する一対の連結管５２を有する。収容部材４は、連結管５２にろう付けによって接合されている。半導体モジュール２を挟んで隣り合う冷却管５１同士の連結部５３は、冷却管５１から積層方向Ｘに突出した部位同士をろう付けして構成されていてもよいし、別部材を一対の冷却管５１にろう付けして構成されていてもよい。
【００２１】
本実施形態において、リアクトル３は、積層方向Ｘにおける寸法が、半導体モジュール２よりも大きい。これに伴い、冷却器５における収容部材４が配置される隙間は、半導体モジュール２が配置される隙間よりも、積層方向Ｘの寸法が大きく、連結管５２は連結部５３よりも長い。
【００２２】
冷却器５における積層方向Ｘの前端部には、冷却器５に冷媒を導入する冷媒導入管５４と、冷却器５から冷媒を排出する冷媒排出管５５とが設けてある。
【００２３】
図２〜図５に示すごとく、収容部材４は、高さ方向Ｚに立設した略矩形筒状の側面部４２と、高さ方向Ｚにおける側面部４２の一端を閉塞する略矩形状の底面部４１とを有する。収容部材４は、高さ方向Ｚにおける側面部４２の底面部４１と反対側が開口している。なお、以下においては、便宜上、高さ方向Ｚにおける収容部材４の開口側を上側、その反対側を下側という。
【００２４】
収容部材４は、幅方向Ｙにおける側面部４２の両端側に、積層方向Ｘに直交する断面形状が下側に凸の略円弧状を有する一対の面接触部４３と、側面部４２の上端から延設されて側面部４２と面接触部４３における側面部４２に近い側の端部とをつなぐ一対の延設部４４とを有する。本実施形態において、面接触部４３は、積層方向Ｘにおける寸法が、連結管５２の寸法の半分以上であって、連結管５２の全長以下である。
【００２５】
収容部材４の一対の面接触部４３の上面は、一対の連結管５２の外周面に面接触しており、当該接触面の全体において、面接触部４３と連結管５２とはろう付けにより接合されている。また、図３、図５に示すごとく、収容部材４の側面部４２の前端面４２１及び後端面４２２は、それぞれ、冷却管５１に面接触しており、当該接触面の全体において、側面部４２の前端面４２１及び後端面４２２と冷却管５１とは、ろう付けにより接合されている。
【００２６】
本実施形態において、収容部材４は、冷却器５と同じ材料からなる。収容部材４及び冷却器５は、アルミニウムからなる。
【００２７】
図１に示すごとく、収容部材４には、リアクトル３が収容されている。リアクトル３は、磁性粉末混合樹脂３１と、磁性粉末混合樹脂３１に埋設されたコイル（図示略）とからなる。リアクトル３は、上面以外の表面を、収容部材４の内面に密着させている。すなわち、リアクトル３の磁性粉末混合樹脂３１の底面は、収容部材４の底面部４１に面接触しており、磁性粉末混合樹脂３１の側面は、収容部材４の側面部４２に面接触している。
【００２８】
連結部５３によって連結された冷却管５１同士の間の隙間に、半導体モジュール２が配されている。半導体モジュール２は、両主面において、例えばグリスを介して冷却管５１と面接触している。半導体モジュール２と収容部材４と冷却管５１とによって積層体１１が構成されている。
【００２９】
冷媒導入管５４から導入された冷媒は、連結管５２を適宜通り、各冷却管５１に分配されると共に、冷却管５１内部の冷媒流路を介してその長手方向（幅方向Ｙ）に流通する。そして、各冷却管５１を流れる間に、冷媒は半導体モジュール２及びリアクトル３との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷媒は、下流側の連結管５２を適宜通り、冷媒排出管５５に導かれ、冷却器５から排出される。
【００３０】
冷媒としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート（商標）等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷媒を用いることができる。
【００３１】
上述のごとく、積層体１１は、積層方向Ｘに加圧されている。すなわち、電力変換装置１は、ケース６内に積層体１１を配置し、積層体１１の後端側に、加圧部材７を配置してなる。加圧部材７は、積層体１１の後端面１１１を、積層方向Ｘに、前方へ向かって加圧している。加圧部材７は、例えば板バネからなり、積層方向Ｘに圧縮弾性変形した状態で、積層体１１の後端面１１１と、該後端面１１１に対向するケース６の内壁面６１との間に介設されている。ただし、加圧部材７の構成や配置の仕方は、特に限定されるものではない。
【００３２】
電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、電源電力を駆動用モータの駆動に必要な駆動用電力に変換するインバータとして用いられる。
【００３３】
次に、電力変換装置１の製造方法について、説明する。
電力変換装置１の製造方法は、以下の仮組工程とろう付け工程と部品配置工程とを有する。
【００３４】
仮組工程においては、冷却器５の構成部材５０（図６参照）同士の接合面、及び、冷却器５の構成部材５０と収容部材４との接合面にろう材が配置された状態において、構成部材５０及び収容部材４を仮組みして仮組体を形成する。ろう付け工程においては、仮組体を加熱処理して、複数の接合面をろう付けして複数の構成部材５０及び収容部材４を互いに固定して、収容部材４を一体化した冷却器５を形成する。部品配置工程においては、隣り合う冷却管５１の間に半導体モジュール２を配置すると共に、収容部材４にリアクトル３を配置する。
【００３５】
冷却器５の構成部材５０としては、上述の冷却管５１、冷媒導入管５４、冷媒排出管５５、連結管５２、連結部５３がある。本例において、冷却管５１は、一対の外殻プレート５１０と、外殻プレート５１０の間に配置されるフィン５１１とを接合してなる。それゆえ、外殻プレート５１０及びフィン５１１も、冷却器５の構成部材５０となる。なお、連結部５３については、外殻プレート５１０の一部同士を連結することによって構成されていてもよい。
【００３６】
外殻プレート５１０は、片面もしくは両面にろう材層を備えたクラッド材をプレス成型することによって構成することができる。また、フィン５１１も、同様に、片面もしくは両面にろう材層を備えたクラッド材をプレス成型することによって構成することができる。また、収容部材４も、ろう材層を備えたクラッド材によって構成することもできる。
【００３７】
これにより、例えば、外殻プレート５１０同士の間、外殻プレート５１０とフィン５１１との間、外殻プレート５１０と、連結管５２、連結部５３、冷媒導入管５４、冷媒排出管５５等の構成部材５０及び収容部材４、との間、或は、連結管５２と収容部材４（面接触部４３）との間の接合面にろう材を介在させた状態にて、構成部材５０を仮組みすることができる。すなわち、接合面を構成する２つの構成部材５０、或は、構成部材５０及び収容部材４のうちの少なくともいずれか一方の面に、ろう材層が配された状態にて、構成部材５０及び収容部材４を仮組みする。
【００３８】
なお、構成部材５０をクラッド材によって形成しなくても、接合面にろう材を塗布等によって配置した後、仮組体を構成してもよい。
【００３９】
ろう付け工程においては、仮組体を加熱炉内においてろう材の融点以上に加熱し、冷却器５の各構成部材５０同士の接合面、冷却器５と冷媒導入管５４及び冷媒排出管５５との接合面、及び、収容部材４と冷却器５の構成部材５０との接合面をろう付けする。これにより、複数の構成部材５０及び収容部材４が互いに固定され、収容部材４が一体化された冷却器５を形成することができる。
【００４０】
次に、部品配置工程においては、連結部５３によって連結された冷却管５１同士の間の隙間に半導体モジュール２を配置する。また、収容部材４の内側には、コイルを配置し、その周囲に磁性粉末混合樹脂３１を充填し、硬化させる。これにより、収容部材４にリアクトル３を配置することができる。このようにして、積層体１１を構成することができる。
【００４１】
そして、積層体１１を冷媒導入管５４及び冷媒排出管５５を突出させつつケース６内に収容し、積層体１１の後端面１１１とケース６の内壁面６１との間に、圧縮された状態の加圧部材７を配置することにより、電力変換装置１を製造することができる。
【００４２】
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
電力変換装置１は、リアクトル３を収容する収容部材４を有する。そして、収容部材４は、熱伝導性を有する部材からなると共に、底面部４１と、該底面部４１の端縁の全周から立設した側面部４２とからなる。それゆえ、リアクトル３は、収容部材４の底面部４１と側面部４２とから囲われるため、リアクトル３の各部位から収容部材４までの伝熱距離を短くすることができる。そして、収容部材４は、積層方向Ｘの両側から冷却管５１によって挟持されているため、収容部材４から冷却管５１までの伝熱距離を小さくすることができる。その結果、リアクトル３の各部位から冷却管５１までの伝熱距離を小さくすることができ、リアクトル３の冷却性能の向上を図ることができる。
【００４３】
また、収容部材４は、冷却器５に対してろう付けされている。それゆえ、収容部材４と冷却器５との間の熱抵抗を小さくすることができ、これに伴い、収容部材４に収容されたリアクトル３の各部から冷却器５までの熱抵抗を小さくすることができ、リアクトル３の冷却性能を一層向上させることができる。
【００４４】
また、リアクトル３は、積層方向Ｘにおける寸法が、半導体モジュール２よりも大きい。それゆえ、半導体モジュール２と比較して、リアクトル３は、各部位から冷却管５１までの伝熱距離が長くなりやすい。そこで、収容部材４にリアクトル３を収容することにより、リアクトル３を、積層方向Ｘの両側、幅方向Ｙの両側、及び高さ方向Ｚの一方の５つの方向から効果的に冷却することができる。
【００４５】
また、収容部材４は、冷却器５と同じ部材からなる。それゆえ、冷却器５と収容部材４との間に線膨張係数の差が生じることを防ぐことができる。その結果、冷却器５と収容部材４との接合部に、冷却器５と収容部材４との線膨張係数差に起因する応力がかかることを防止することができる。
【００４６】
また、収容部材４は、連結管５２にろう付けによって接合されている。それゆえ、連結管５２によっても収容部材４を効率的に冷却することができ、収容部材４に収容されたリアクトル３の冷却性能を一層向上させることができる。また、積層体１１は積層方向Ｘに加圧されているが、本実施形態において、連結管５２は、連結部５３よりも長いため連結部５３よりも剛性が低くなりやすい。そこで、収容部材４を連結管５２にろう付けにて接合することにより、連結管５２の剛性の向上も図ることができる。
【００４７】
また、電力変換装置１の製造方法は、ろう付け工程において、複数の構成部材５０及び収容部材４を互いに固定して、収容部材４を一体化した冷却器５を形成する。それゆえ、冷却器５の構成部材５０同士の接合面と、冷却器５の構成部材５０と収容部材４との接合面とのろう付けを同時に行うことができ、電力変換装置１を効率よく製造することができる。
【００４８】
以上のごとく、本実施形態によれば、発熱電子部品の冷却性能の向上を図ることができる電力変換装置及びその製造方法を提供することができる。
【００４９】
なお、上記実施形態においては、発熱電子部品としてリアクトルを用いたが、これに限られず、通電により発熱する部品であればよい。例えば、発熱電子部品はコンデンサとすることもできる。
また、収容部材の形状は、底面部と側面部の端縁の全周から立設した側面部とを有すれば上記実施形態に示したものに限定されない。また、上記実施形態において、収容部材を連結管に接合されるための構成として、収容部材に延設部と面接触部とを設けたが、これに限られない。すなわち、収容部材が連結管にろう付けによって接合される構成であれば種々の態様を採り得る。
また、積層体における収容部材の配設位置については、積層体の後端の隙間に限らず、前端の隙間など、他の配設位置とすることもできる。
【符号の説明】
【００５０】
１  電力変換装置
１１  積層体
２  半導体モジュール
３  発熱電子部品（リアクトル）
４  収容部材
４１  底面部
４２  側面部
５  冷却器
５１  冷却管
Ｘ  積層方向
【図１】
0006299618.tif 000002
【図２】
0006299618.tif 000003
【図３】
0006299618.tif 000004
【図４】
0006299618.tif 000005
【図５】
0006299618.tif 000006
【図６】
0006299618.tif 000007