特許 7714002 電力変換ユニット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-07-17

(45)【発行日】2025-07-28

(54)【発明の名称】電力変換ユニット

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20250718BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2023135678

(22)【出願日】2023-08-23

(65)【公開番号】P2025030405

(43)【公開日】2025-03-07

【審査請求日】2023-12-13

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100135301

【弁理士】

【氏名又は名称】梶井 良訓

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100207192

【弁理士】

【氏名又は名称】佐々木 健一

(72)【発明者】

【氏名】田瀬 裕也

【審査官】今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１４６１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１８７５０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２７３７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０１２９４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０５３６３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体モジュールと、
前記半導体モジュールをモジュール搭載面に搭載するヒートシンクと、
前記モジュール搭載面の法線方向から見て前記ヒートシンクよりも外側に配置されるコンデンサと、
前記モジュール搭載面の前記法線方向から見て前記ヒートシンクから前記コンデンサ側に延び、前記コンデンサに対向配置される熱伝導部材と、を備え、
前記熱伝導部材と前記ヒートシンクとは、前記モジュール搭載面に沿う第一接合面と前記モジュール搭載面と交差する第二接合面とにおいて、互いに接合されている電力変換ユニット。

【請求項2】

前記熱伝導部材は、前記法線方向から見て前記コンデンサと重なる平面状の対向面を有し、
前記コンデンサは、前記法線方向から見て前記対向面と重なる円筒状の外周面を有し、
前記熱伝導部材と前記コンデンサとの間には、前記対向面に沿う第一接触面と前記外周面に沿う第二接触面とを有する第二熱伝導部材が備えられている請求項１に記載の電力変換ユニット。

【請求項3】

前記第二熱伝導部材は、導電性を有し、前記コンデンサ全体を覆うケース状をなしている請求項２に記載の電力変換ユニット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換ユニットに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュール等の半導体モジュールと平滑用コンデンサとを備えた電力変換ユニットにおいて、半導体モジュールをヒートシンク上に搭載して冷却可能とする構成が知られている。
しかし、装置の小型化によって部品の実装密度が増加していくと、自冷式の場合は対流の悪化や他部品からの熱の影響を受けやすくなるという課題がある。特に、ヒートシンクに搭載される半導体モジュールに対し、コンデンサの熱の影響を抑える構成が要望されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１５－２１６４０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、半導体モジュールをヒートシンクで冷却するとともにコンデンサの熱の影響を抑えることができる電力変換ユニットを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の電力変換ユニットは、半導体モジュールと、ヒートシンクと、コンデンサと、導体と、熱伝導部材と、を備える。ヒートシンクは、半導体モジュールをモジュール搭載面に搭載する。コンデンサは、モジュール搭載面の法線方向から見てヒートシンクよりも外側に配置される。導体は、半導体モジュールとコンデンサとを接続する。熱伝導部材は、モジュール搭載面の法線方向から見てヒートシンクからコンデンサ側に延び、コンデンサに対向配置される。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態の電力変換ユニットを斜め上方から見た斜視図。

【図2】実施形態の電力変換ユニットを斜め下方から見た斜視図。

【図3】実施形態の電力変換ユニットの側面図。

【図4】図３のＡ－Ａ断面図。

【図5】上記電力変換ユニットのコンデンサおよび押さえ部材の構成を示す説明図。

【図6】（ａ）は上記電力変換ユニットのヒートシンクと金属板との接続部を示す説明図、（ｂ）は前記接続部の他の例を示す説明図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施形態の電力変換ユニット１を、図面を参照して説明する。なお、同一の又は対応する構成要素には同一の符号を付して複数回の説明を省略する場合がある。

【0008】

（電力変換ユニット１）
図１は、実施形態の電力変換ユニット１を斜め上方から見た斜視図、図２は、実施形態の電力変換ユニット１を斜め上方から見た斜視図である。
実施形態の電力変換ユニット１は、ＩＢＧＴ等の半導体素子を含む半導体モジュール２と、半導体モジュール２を載せた例えば水冷のヒートシンク６と、例えば複数（一対）の平滑用コンデンサと、ヒートシンク６からコンデンサ側に延びる熱伝導部材１６と、コンデンサ１１を熱伝導部材１６に固定する押さえ部材２１と、半導体モジュール２をコンデンサ１１に接続する導体２６と、を備えている。

【0009】

説明都合上、図中矢印Ｙを前後方向、矢印Ｘを左右方向、矢印Ｚを上下方向として説明を行う。また、図中矢印ＦＲはＹ方向の前方、矢印ＬＨはＸ方向の左方、矢印ＵＰはＺ方向の上方をそれぞれ示す。実施形態の前後左右等の向きは、電力変換ユニット１の配置を限定するものではない。

【0010】

図３は電力変換ユニット１を左右方向から見た側面図、図４は図３のＡ－Ａ断面図である。
図３、図４を併せて参照し、半導体モジュール２は、前後方向の厚さを抑えた偏平状の基部３と、基部３の前後方向一側面に突設される導体接続部４と、を備えている。半導体モジュール２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールが例示される。

【0011】

基部３は、前後方向から見て矩形の平板形状をなしている。基部３は、前後方向から見た矩形状の上下辺３ａ，３ｂを左右方向に沿わせ、左右側辺３ｃ，３ｄを上下方向に沿わせて配置されている。基部３は、厚さ方向を前後方向に沿わせて配置されている。基部３は、前後方向両面を前後方向と直交させて配置されている。基部３の四つの角部には、ヒートシンク６に対してビス等で固定される固定部３ｇが備えられている。
導体接続部４は、例えば基部３の前後方向一側面における左右中央部に、上下方向で複数並んで設けられている。各導体接続部４には、コンデンサ１１との接続用の導体２６がビス等により固定される。

【0012】

ヒートシンク６は、熱伝導性（熱伝導率）の高いアルミニウム合金等の金属材料で形成されたヒートシンク本体７を備えている。ヒートシンク本体７は、前後方向から見て半導体モジュール２の基部３よりも一回り大きい矩形の平板形状をなしている。ヒートシンク本体７は、前後方向の厚さを抑えた偏平状をなしている。ヒートシンク本体７は、前後方向から見た矩形状の上下辺７ａ，７ｂを左右方向に沿わせ、左右側辺７ｃ，７ｄを上下方向に沿わせて配置されている。ヒートシンク本体７は、厚さ方向を前後方向に沿わせて配置されている。ヒートシンク本体７は、前後方向両面を前後方向と直交させて配置されている。

【0013】

ヒートシンク本体７の前後方向一側面は、外周側の一定幅を残して、半導体モジュール２を搭載するモジュール搭載面（モジュール搭載領域）８とされている。ヒートシンク本体７は、例えば冷却水を循環させる水冷式である。ヒートシンク本体７の左右側辺７ｃ，７ｄの一方（例えば左側辺７ｃ）には、ヒートシンク本体７内の流路に冷却水を導入するための給水ノズル７ｇ、およびヒートシンク本体７内の流路から冷却水を導出するための排水ノズル７ｈ、がそれぞれ突設されている。ヒートシンク６は水冷に限らず、冷却水以外の冷媒（気体を含む）を流すものでもよく、あるいは空冷であってもよい。

【0014】

導体２６は、前後方向から見て半導体モジュール２の基部３よりも下方に長い矩形の平板形状をなしている。導体２６は、例えば半導体モジュール２の基部３およびヒートシンク６よりも薄い金属板２７を、前後方向で一対重ね合わせて構成されている。導体２６の下端部には、コンデンサ１１の端子部１３に接続される接続部２８が屈曲形成されている。接続部２８は、コンデンサ１１の上端部１７の端子に接続されている。

【0015】

図５は図４のＢ－Ｂ断面図である。
コンデンサ１１は、半導体モジュール２の下方に配置されている。コンデンサ１１は、例えば軸方向を上下方向に沿わせた円柱状のコンデンサ本体１２を備えている。図１、図２では、コンデンサ１１は、コンデンサ本体１２を左右一対に並べて構成されている。これにより、コンデンサ１１の容量を確保しつつ前後方向の厚さを抑えている。図中線はコンデンサ本体１２の中心軸線Ｃ１を示す。
なお、図４、図５に示すように、コンデンサ１１は、円柱状のコンデンサ本体１２を単一に備える構成でもよい。また、コンデンサ本体１２は円柱状の外形に限るものではない。

【0016】

熱伝導部材１６は、前後方向から見てヒートシンク６の下方に連なる矩形の平板形状をなしている。熱伝導部材１６は、前後方向から見た矩形状の上下辺１６ａ，１６ｂを左右方向に沿わせ、左右側辺１６ｃ，１６ｄを上下方向に沿わせて配置されている。熱伝導部材１６は、上端部１７をヒートシンク６の下端部（後述する凹部９）に締結等により着脱可能に結合している。熱伝導部材１６は、ヒートシンク６に溶接等により着脱不能に結合されてもよい。熱伝導部材１６は、熱伝導性の高い金属材料としてアルミニウム合金で形成されている。熱伝導部材１６は、ヒートシンク６と同一材料で一体形成されてもよい。熱伝導部材１６は、ヒートシンク６に後方から近接して配置されている。熱伝導部材１６は、ヒートシンク６に後方から対向配置されている。

【0017】

押さえ部材２１は、前後方向から見て熱伝導部材１６と重なる直方体状の外形を有している。押さえ部材２１は、例えば熱伝導部材１６と同様、熱伝導性の高い金属材料としてアルミニウム合金で形成されている。押さえ部材２１は、コンデンサ１１の全体を覆うケース状をなしている。押さえ部材２１は、コンデンサ１１の端子部１３のみ外部に露出させて、導体２６を接続可能としている。押さえ部材２１は、例えばコンデンサ本体１２を収容可能な円柱状の収容空間２１ａを形成している。

【0018】

押さえ部材２１の後面２１ｆは、熱伝導部材１６の前面１６ｅに面接触する第一接触面２３ａとされている。熱伝導部材１６の前面１６ｅは、モジュール搭載面８の法線方向から見て（図４参照）、コンデンサ１１の全体と重なる平面状の対向面である。押さえ部材２１の収容空間２１ａを形成する内面は、コンデンサ本体１２の外周面に面接触する第二接触面２３ｂとされている。コンデンサ本体１２の円筒状の外周面は、モジュール搭載面８の法線方向から見て、熱伝導部材１６の前面１６ｅと重なっている。

【0019】

押さえ部材２１がコンデンサ本体１２および熱伝導部材１６にそれぞれ面接触することで、コンデンサ本体１２が発する熱は、押さえ部材２１に伝わりやすく、さらに熱伝導部材１６に伝わりやすくなる。熱伝導部材１６に伝わった熱は、ヒートシンク６において良好に放熱される。したがって、コンデンサ１１の冷却性ひいては電力変換ユニット１全体の冷却性の向上が図られる。各接触面２３ａ，２３ｂには、密着性を高めるために熱伝導グリスを塗布してもよい。

【0020】

コンデンサ１１の全体を覆う押さえ部材２１は、コンデンサ１１で発生した放射ノイズを遮断するシールド部材としても機能する。これにより、コンデンサ周辺に配置した用品（例えば押さえ部材２１の前面に取り付けた基板２４等）を保護しやすくなる。

【0021】

押さえ部材２１は、例えば収容空間２１ａの軸心に沿う分割面２１ｂに沿って前後分割体２２，２３に分割され、コンデンサ本体１２を着脱可能としている。押さえ部材２１は、コンデンサ１１を挟むように取り付けられ、コンデンサ１１を固定した状態で、熱伝導部材１６に締結等により固定される。押さえ部材２１は、熱伝導部材１６（またはヒートシンク６）に溶接等により着脱不能に結合されてもよい。押さえ部材２１は、熱伝導部材１６（ひいてはヒートシンク６）と同一材料で一体形成されてもよい。

【0022】

例えば、押さえ部材２１を熱伝導部材１６側の後分割体２３のみで構成し、コンデンサ１１の前側半周分の外周面に接する第一接触面２３ａと熱伝導部材１６の前面１６ｅに接触する第二接触面２３ｂとを有するものとしてもよい。押さえ部材２１と熱伝導部材１６とが同一材料で一体形成されてもよい。
実施形態で用いる熱伝導材料は、対象部位から熱を逃がすために用いられる、熱伝導性の高い物質を指す。特に、押さえ部材は、熱伝導性が高くかつ導電性があり、さらに高強度である材料が望ましい。

【0023】

図３、図６（ａ）を参照し、熱伝導部材１６とヒートシンク６との接続部１８は、例えばヒートシンク６の下端部の後面７ｆ側に、熱伝導部材１６の厚さ分だけ前面７ｅ側へ凹んだ段差状の凹部９を形成し、この凹部９に熱伝導部材１６の上端部１７を嵌め込む態様としている。これにより、凹部９における後面７ｆと平行な第一接合面（モジュール搭載面８に沿う第一接合面）９ａに、熱伝導部材１６の上端部１７の前面１６ｅが接合される。

【0024】

また、凹部９における後面７ｆと直交する第二接合面（モジュール搭載面８と交差する第二接合面）９ｂに、熱伝導部材１６の上端面が接合される。熱伝導部材１６とヒートシンク６との接続は、例えばボルト等を用いた締結によりなされる。各接合面９ａ，９ｂには、密着性を高めるために熱伝導グリスを塗布してもよい。熱伝導部材１６とヒートシンク６との接続は、溶接によりなされてもよい。

【0025】

このように、熱伝導部材１６とヒートシンク６とが互いに交差する二つの接合面９ａ，９ｂで接合されることで、単一の接合面で接合される場合と比べて、接合面積が増加するため、熱伝導部材１６とヒートシンク６との間の熱伝導性を高めることができる。熱伝導部材１６の後面１６ｆとヒートシンク６の後面７ｆとが面一となり、熱伝導部材１６によって前後方向の厚さが増加することを抑えることができる。

【0026】

また、熱伝導部材１６とヒートシンク６とが互いに交差する二つの接合面９ａ，９ｂで接合されることで、熱伝導部材１６とヒートシンク６との接合強度を高めることができる。接合強度を高めることは、熱伝導部材１６でコンデンサ１１を支持する実施形態のような構成では特に有効である。

【0027】

図６（ｂ）に示す接続部１８’は、ヒートシンク６に凹部９を形成せず、ヒートシンク６の下端面に熱伝導部材１６の上端面（上辺１６ａ）を突き当てて接合した例を示す。この場合、熱伝導部材１６とヒートシンク６との接合面積は減少するが、ヒートシンク６内の冷媒流路を拡大させる等、ヒートシンク６の放熱容量を可及的に増加させることができる。

【0028】

以上説明したように、上記実施形態における電力変換ユニット１は、半導体モジュール２と、半導体モジュール２をモジュール搭載面８に搭載するヒートシンク６と、モジュール搭載面８の法線方向から見てヒートシンク６よりも外側に配置されるコンデンサ１１と、モジュール搭載面８の法線方向から見てヒートシンク６からコンデンサ側に延び、コンデンサ１１に対向配置される熱伝導部材１６と、を備えている。
この構成によれば、半導体モジュール２冷却用のヒートシンク６から熱伝導部材１６を延ばし、熱伝導部材１６をコンデンサ１１に対向配置させることで、コンデンサ１１の熱が熱伝導部材１６を介してヒートシンク６に伝達される。このため、ヒートシンク６をコンデンサ１１の冷却にも利用することができ、ユニット全体の冷却性を高めることができる。
また、ヒートシンク６（および半導体モジュール２）と熱伝導部材１６（およびコンデンサ１１）とが近接することで、コンデンサ１１をコンパクトな配置とすることができる。半導体モジュール２とコンデンサ１１との間の導体経路が短くなることで、導体２６の低インダクタンス化など電気的性能を向上させることができる。ヒートシンク６のモジュール搭載面８よりも外側にコンデンサ１１が配置されることで、モジュール搭載面８の法線方向でコンデンサ１１が重なることによるユニットの厚さの増加を抑え、ユニットのコンパクト化を図ることができる。

【0029】

上記電力変換ユニット１において、熱伝導部材１６は、モジュール搭載面８の法線方向から見てコンデンサ１１と重なる平面状の対向面（前面１６ｅ）を有し、コンデンサ１１は、モジュール搭載面８の法線方向から見て前面１６ｅと重なる円筒状の外周面を有し、熱伝導部材１６とコンデンサ１１との間には、前面１６ｅに沿う第一接触面２３ａと外周面に沿う第二接触面２３ｂとを有する第二熱伝導部材（押さえ部材２１）が備えられている。
この構成によれば、熱伝導部材１６とコンデンサ１１との間にこれらと面接触する第二熱伝導部材（押さえ部材２１）を備えることで、熱伝導部材１６とコンデンサ１１との間の熱伝導性が高まる。このため、コンデンサ１１の熱が熱伝導部材１６を介してヒートシンク６に伝達されやすくなり、ユニット全体の冷却性をより一層高めることができる。

【0030】

上記電力変換ユニット１において、押さえ部材２１は、導電性を有し、コンデンサ１１全体を覆うケース状をなしている。
この構成によれば、導電性を有する押さえ部材２１がコンデンサ１１全体を覆うことで、コンデンサ１１が発する不要な電磁波の放出が抑えられる。このように、コンデンサ１１のシールド性を確保して周辺機器へのノイズ対策を行うことができる。

【0031】

上記電力変換ユニット１において、熱伝導部材１６とヒートシンク６とは、モジュール搭載面８に沿う第一接合面９ａとモジュール搭載面８と交差する第二接合面９ｂとにおいて、互いに接合されている。
この構成によれば、熱伝導部材１６とヒートシンク６とが互いに交差する二つの接合面９ａ，９ｂで接合されることで、単一の接合面で接合される場合と比べて、接合面積が増加する。このため、熱伝導部材１６とヒートシンク６との間の熱伝導性を高めるとともに、熱伝導部材１６とヒートシンク６との接合強度を高めることができる。接合強度を高めることは、熱伝導部材１６でコンデンサ１１を支持する場合に特に有効である。

【0032】

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、半導体モジュール２をモジュール搭載面８に搭載するヒートシンク６と、モジュール搭載面８の法線方向から見てヒートシンク６よりも外側に配置されるコンデンサ１１と、モジュール搭載面８の法線方向から見てヒートシンク６からコンデンサ側に延び、コンデンサ１１に対向配置される熱伝導部材１６と、を備えることで、ヒートシンク６をコンデンサ１１の冷却にも利用することができ、ユニット全体の冷却性を高めることができる。導電性を有してコンデンサ１１全体を覆うケース状の押さえ部材２１を備えることで、コンデンサ１１のシールド性を確保して周辺機器へのノイズ対策を行うことができる。

【0033】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0034】

１…電力変換ユニット
２…半導体モジュール
６…ヒートシンク
８…モジュール搭載面
９ａ…第一接合面
９ｂ…第二接合面
１１…コンデンサ
１６…熱伝導部材
１６ｅ…前面（対向面）
２１…押さえ部材（第二熱伝導部材）
２３ａ…第一接触面
２３ｂ…第二接触面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】