WO2020137721A1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

電力変換用の半導体部品（１０）と、半導体部品（１０）の少なくとも一面に形成された放熱面（１０ｂ）と熱的に接続されるように、半導体部品（１０）が締結される伝熱部材（４０）と、半導体部品（１０）及び伝熱部材（４０）を収納する収納空間を有する筐体（３０）と、を備え、筐体（３０）は、前記収納空間の外側で冷媒と面する放熱壁部（３０Ｕ）を備え、放熱壁部（３０Ｕ）の収納空間内側に、伝熱部材（４０）と嵌合する嵌合部（３１）が形成され、半導体部品（１０）の放熱面（１０ｂ）の面積よりも、嵌合部（３１）と伝熱部材（４０）とが接触する面積が大きく、半導体部品（１０）の放熱面（１０ｂ）が形成された一面の面積よりも、平面視における嵌合部（３１）の占有面積は小さい、電力変換装置。

Description

電力変換装置

　本開示は、電力変換装置に関する。

　従来、電気自動車や鉄道車両等に搭載される電力変換装置（例えば、ＤＣＤＣコンバータ装置、インバータ装置、及び充電装置等）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００３－２３２８０号公報

　ところで、この種の電力変換装置においては、小型化要請が高まっており、それに伴って、当該電力変換装置内の部品配置の省スペース化が課題となっている。

　このような背景から、この種の電力変換装置を構成するパワー半導体モジュールを、当該電力変換装置の筐体内において縦置き状態（パワー半導体モジュールの長手方向が筐体の下面に対して垂直に配置された状態を表す。以下同じ）で収納することが検討されている。

　但し、この種の電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュールは、発熱量が大きいため、当該パワー半導体モジュールの配置態様を考慮する際には、当該パワー半導体モジュールからの放熱対策をあわせて考慮する必要がある。この点、何らの工夫もなくパワー半導体モジュールを縦置きとした場合には、パワー半導体モジュールの側面のうち、筐体と接触し得る面積が減少するため、パワー半導体モジュールからの放熱容量を十分に確保できないおそれがある。

　本開示は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、パワー半導体モジュールを縦置きの配置としながら、当該パワー半導体モジュールからの放熱容量を十分に確保することを可能とする電力変換装置を提供することを目的とする。

　前述した課題を解決する主たる本開示は、
　電力変換用の半導体部品と、
　前記半導体部品の少なくとも一面に形成された放熱面と熱的に接続されるように、前記半導体部品が固定される伝熱部材と、
　前記半導体部品及び前記伝熱部材を収納する収納空間を有する筐体と、
　を備え、
　前記筐体は、前記収納空間の外側で冷媒と面する放熱壁部を備え、
　前記放熱壁部の前記収納空間内側に、前記伝熱部材と嵌合する嵌合部が形成され、
　前記半導体部品の前記放熱面の面積よりも、前記嵌合部と前記伝熱部材とが接触する面積が大きく、
　前記半導体部品の前記放熱面が形成された前記一面の面積よりも、平面視における前記嵌合部の占有面積は小さい、
　電力変換装置である。

　本開示に係る電力変換装置によれば、パワー半導体モジュールを縦置きの配置としながら、当該パワー半導体モジュールからの放熱容量を十分に確保することができる。

第１の実施形態に係る電力変換装置のヒートシンク構造を示す斜視図 第１の実施形態に係る電力変換装置のヒートシンク構造を示す分解斜視図 第１の実施形態に係るパワー半導体モジュールの構成を示す平面図 第１の実施形態に係る電力変換装置のヒートシンク構造を示す側面断面図 第１の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示す側面断面図 第１の実施形態に係る電力変換装置の組み立てプロセスを示す図 第１の実施形態に係る電力変換装置の組み立てプロセスを示す図 第１の実施形態に係る電力変換装置の組み立てプロセスを示す図 第１の実施形態に係る電力変換装置の組み立てプロセスを示す図 第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す側面断面図 第３の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す側面断面図 第４の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す側面断面図 第５の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す側面断面図

　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能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説明を省略する。

　尚、以下では、各構成の位置関係を明確にするため、図面の上方向を「上方向」と称し、図面の下方向を「下方向」と称して説明する。但し、これらの方向は、電力変換装置の使用時の姿勢を制限するものではない。

（第１の実施形態）
　［電力変換装置の構成］
　以下、図１～図５を参照して、本実施形態に係る電力変換装置の構成の一例について説明する。尚、ここでは、電力変換装置が有するパワー半導体モジュールを冷却するためのヒートシンク構造についてのみ説明する。

　本実施形態に係る電力変換装置１は、例えば、電気自動車などの車両に搭載されるＤＣ／ＤＣコンバータ装置、インバータ装置、及び充電装置等に適用される。

　図１は、本実施形態に係る電力変換装置１のヒートシンク構造を示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る電力変換装置１のヒートシンク構造を示す分解斜視図である。図３は、パワー半導体モジュール１０の構成を示す平面図である。図４は、本実施形態に係る電力変換装置１のヒートシンク構造を示す側面断面図である。

　電力変換装置１は、パワー半導体モジュール１０、回路基板２０、金属筐体３０、及び、ヒートシンクプレート４０を備えている。

　電力変換装置１は、パワー半導体モジュール１０を保持するヒートシンクプレート４０、及び、ヒートシンクプレート４０を嵌合固定する金属筐体３０に設けられた嵌合部３１によって、パワー半導体モジュール１０を冷却するためのヒートシンク構造を構成している。

　パワー半導体モジュール１０は、例えば、電力変換装置１の回路部内にて、スイッチング素子として機能する電力変換用の半導体部品である。パワー半導体モジュール１０は、例えば、４個のパワー半導体素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）が１つにパッケージされて構成されている。パワー半導体モジュール１０は、自身の上端に、回路基板２０に電気接続するためのピン型の端子１０ａを有している。又、パワー半導体モジュール１０は、少なくとも一方の横側面に、自身の発生した熱を放熱するための放熱面１０ｂを有している。

　パワー半導体モジュール１０は、端子１０ａを上方に向けて放熱面１０ｂが上下方向に沿って延在するように、縦置き状態で、ヒートシンクプレート４０に保持されている。尚、パワー半導体モジュール１０は、例えば、ボルト１０Ｔ（本発明の「締結部材」に相当）によって、ヒートシンクプレート４０に固定されている。これにより、接着材のみでパワー半導体モジュール１０をヒートシンクプレート４０に固定する場合に比べて、パワー半導体モジュール１０とヒートシンクプレート４０の距離（ギャップ）を短くすることができ、パワー半導体モジュール１０とヒートシンクプレート４０間の熱抵抗を小さくする（伝熱性を高める）ことが出来る。なお、パワー半導体モジュール１０とヒートシンクプレート４０の間に放熱性グリス（不図示）が介在するように構成しても良い。これにより、さらに、パワー半導体モジュール１０とヒートシンクプレート４０の熱抵抗を小さくする（伝熱性を高める）ことが出来る。
　また、後述する「組み立てプロセス」の通り、金属筐体３０に収納する前に、ヒートシンクプレート４０にパワー半導体モジュール１０を固定している。そのため、容易にパワー半導体モジュール１０とヒートシンクプレート４０の距離（ギャップ）を短くすることができる。

　また、ボルト１０Ｔによって、パワー半導体モジュール１０をヒートシンクプレート４０に締結することで、車両の振動などによる剥離の可能性を低減できる（言い換えると、耐振動性が向上する）。

　回路基板２０は、電力変換装置１の電力変換機能を実現する回路部を有する基板である。回路基板２０は、パワー半導体モジュール１０の上方において、金属筐体３０の下面側壁部３０Ｕの平坦部３０Ｕａ（下面側壁部３０Ｕのうち、後述する嵌合部３１以外の領域を表す。以下同じ）と略平行に延在するように配設されている。そして、回路基板２０は、ボルト２０Ｔによって、ヒートシンクプレート４０の上端に固定されている。

　回路基板２０は、基板面内に形成された電気接続用のスルーホール内に、当該パワー半導体モジュール１０の端子１０ａが下方から挿入された状態で配されている。これにより、回路基板２０は、パワー半導体モジュール１０と電気接続されている。

　金属筐体３０は、パワー半導体モジュール１０、回路基板２０、ヒートシンクプレート４０、及び、電力変換装置１を構成するその他の電気部品を収納する。金属筐体３０は、収納する電気部品を周囲の水分等から保護するため、これらを密閉状態で収納している（図１、図２中では、説明の便宜として、壁面の一部のみを記載している）。金属筐体３０は、例えば、アルミ部材によって、略直方体形状に形成されている。尚、金属筐体３０は、銅又は鉄等の他の金属部材を用いて構成されてもよい。また、本実施例では金属筐体３０として説明するが、放熱性を有する筐体３０であれば、金属でなくても良い。例えば、ポリブチレンテレフタレート樹脂やポリフェニレンサルファイド樹脂で構成されていてもよい。

　また、金属筐体３０は、具体的には、下面側壁部３０Ｕと、下面側壁部３０Ｕの外周から略垂直方向に延在する４つの側壁とが一体に形成された略直方体形状の構成であり、開口された上面に蓋が被せられることにより周囲の水分等から保護される。（図５参照）

　このように、下面側壁部３０Ｕ、４つの側壁および蓋によって覆われる空間が、パワー半導体モジュール１０、回路基板２０、およびヒートシンクプレート４０等を収納する収納空間として機能する。

　なお、下面側壁部３０Ｕと一体に形成された側壁の高さは、パワー半導体モジュール１０が金属筐体３０内に収納・配置された際のボルト１０Ｔまでの高さよりも高い（図４、図５参照）。すなわち、金属筐体３０の側壁が存在することにより、パワー半導体モジュール１０を金属筐体３０内に収納・配置した後に、水平方向にボルト１０Ｔで締結することは困難である。

　そのため、本願では、ヒートシンクプレート４０を別途備え、ヒートシンクプレート４０にパワー半導体モジュール１０を締結した後にヒートシンクプレート４０を金属筐体３０内に配置し、ヒートシンクプレート４０をボルト４０Ｔで金属筐体３０（嵌合部３１）に垂直方向の上方から固定できる構成とした。

　これにより、上面のみ開口された略直方体形状の金属筐体３０であっても、パワー半導体モジュール１０をボルト１０Ｔでヒートシンクプレート４０に締結する（すなわち、距離（ギャップ）を短くし、伝熱性を高める）ことを可能にしつつ、ヒートシンクプレート４０を介して、パワー半導体モジュール１０を金属筐体３０に固定することができる。

　なお、金属筐体３０として、上面のみ開口された略直方体形状に蓋を被せる構成を用いることで、下面側壁部のみからなる形状に、側壁と上壁が一体成型された蓋を被せる構成に比べて、電力変換装置１の入力コネクタまたは出力コネクタを金属筐体３０の側壁に設けることが容易になる。

　金属筐体３０は、自身の下面側壁部３０Ｕの外側において、冷媒（ここでは、水冷媒）と接触するように配設される。そして、パワー半導体モジュール１０から発生される熱は、下面側壁部３０Ｕを介して、外部に放出する。

　金属筐体３０は、自身の下面側壁部３０Ｕの内側に、ヒートシンクプレート４０を嵌合固定する凹凸形状の嵌合部３１を有している。嵌合部３１は、下面側壁部３０Ｕの一部として、下面側壁部３０Ｕと一体的に形成されている。嵌合部３１は、当該ヒートシンクプレート４０を、縦置き状態（ヒートシンクプレート４０が上下方向に沿って延在する状態を表す。以下同じ）で嵌合固定する。

　嵌合部３１は、例えば、下面側壁部３０Ｕの平坦部３０Ｕａから上方に向かって突出する突出部３１ａと、当該突出部３１ａの上端から当該突出部３１ａ内に上下方向に沿って延在し、ヒートシンクプレート４０を挿入可能に構成されたスリット部３１ｂと、を含んで構成される。

　スリット部３１ｂは、ヒートシンクプレート４０（挿入部４０ｂ）の外形に沿った形状を呈している。ここでは、スリット部３１ｂは、ヒートシンクプレート４０を、当該ヒートシンクプレート４０の板面に沿って挿入可能に構成されている。

　スリット部３１ｂ内には、ヒートシンクプレート４０（挿入部４０ｂ）と嵌合部３１との間の熱結合を補強する伝熱材３２が配設されている。伝熱材３２は、典型的には、ゲル状樹脂又は熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）等によって構成される。伝熱材３２を熱硬化性樹脂のように接着性を有する部材で構成した場合には、ヒートシンクプレート４０をより固定できるという効果を奏する。但し、ヒートシンクプレート４０（挿入部４０ｂ）と嵌合部３１との間の熱結合を補強する材料としては、ポッティング材が用いられてもよい。

　尚、嵌合部３１の上面には、ボルト４０Ｔと締結するボルト穴３１ｃが配設されている。

　伝熱材３２は、ヒートシンクプレート４０（挿入部４０ｂ）と突出部３１ａの内壁との間の隙間を埋めるように配設される。尚、伝熱材３２は、例えば、予め、スリット部３１ｂ内に液状にして充填しておき、スリット部３１ｂ内にヒートシンクプレート４０が挿入された後に固体化されるように配設される。但し、伝熱材３２は、スリット部３１ｂ内にヒートシンクプレート４０が挿入された状態で、当該嵌合部３１内に追加的に充填される構成としてもよい。なお、伝熱材３２は、液漏れしない程度に半固体化するものであってもよい。

　ヒートシンクプレート４０は、パワー半導体モジュール１０を保持すると共に、パワー半導体モジュール１０から発せされる熱を下面側壁部３０Ｕに伝熱することで、パワー半導体モジュール１０を冷却する伝熱部材である。ヒートシンクプレート４０は、例えば、板形状を呈している。

　ヒートシンクプレート４０は、自身の側面の上部側に、パワー半導体モジュール１０が取り付けられる取付部４０ａを有すると共に、自身の側面の下部側に、嵌合部３１に嵌合される挿入部４０ｂを有している。

　取付部４０ａは、パワー半導体モジュール１０の放熱面１０ｂの面形状に対応する面形状（ここでは、平坦形状）を有し、パワー半導体モジュール１０の放熱面１０ｂと面接触した状態（熱的に接続した状態）で、パワー半導体モジュール１０を保持する。ここで、取付部４０ａは、パワー半導体モジュール１０を縦置き状態で保持している。尚、取付部４０ａには、ボルト１０Ｔにより、パワー半導体モジュール１０が固定されている。

　挿入部４０ｂは、ヒートシンクプレート４０が縦置き状態となるように（即ち、略垂直方向に延在するように）、嵌合部３１に嵌合されている。より詳細には、挿入部４０ｂは、ヒートシンクプレート４０の延在方向に沿って、金属筐体３０のスリット部３１ｂに挿入されている。そして、挿入部４０ｂは、スリット部３１ｂ内で、突出部３１ａの内壁と接触した状態で配設され、突出部３１ａと熱結合する。尚、挿入部４０ｂは、スリット部３１ｂ内で、突出部３１ａの内壁と接触せず、伝熱材３２のみを介して突出部３１ａと熱結合してもよい。

　又、ヒートシンクプレート４０は、ボルト４０Ｔを挿通する貫通穴４０ｃを有している。貫通穴４０ｃは、上面視で、嵌合部３１のボルト穴３１ｃと重なるように設けられている。そして、ボルト４０Ｔ（本発明の「締結部材」に相当）は、ヒートシンクプレート４０の上方から、当該ヒートシンクプレート４０の貫通穴４０ｃを介して、嵌合部３１のボルト穴３１ｃに挿入され、締結固定される。これにより、ヒートシンクプレート４０は、嵌合部３１に固定される。

　ヒートシンクプレート４０は、このように、取付部４０ａにてパワー半導体モジュール１０から発せられる熱の伝達を受け、挿入部４０ｂにて当該熱を金属筐体３０の突出部３１ａに対して伝熱する。

　尚、ヒートシンクプレート４０及び嵌合部３１の形状は、種々に変形可能である。但し、これらの形状は、以下の２つの条件を充足するように設定される。

　第１に、嵌合部３１とヒートシンクプレート４０とが接触する面積が、パワー半導体モジュール１０の放熱面１０ｂの面積よりも大きいことである。そして、第２に、平面視における嵌合部３１の占有面積（即ち、金属筐体３０の下面側壁部３０Ｕに対する嵌合部３１が占有する面積）が、パワー半導体モジュール１０の放熱面１０ｂが形成された一面の面積よりも小さいことである。

　この第１の条件と第２の条件とを充足するように、ヒートシンクプレート４０及び嵌合部３１の形状を設計すれば、パワー半導体モジュール１０を配置するための必要スペースが、パワー半導体モジュール１０を横置きとした場合よりも増加する事態や、パワー半導体モジュール１０からの放熱速度が、嵌合部３１とヒートシンクプレート４０との接触領域における放熱速度に律速する事態が生じることを防止できる。
　なお、この第１の条件と第２の条件とを充足すれば、下面側壁部３０Ｕ（金属筐体３０の収納空間の外側で冷媒と面する放熱壁部）におけるパワー半導体モジュール１０を放熱するための必要スペース（占有面積）を小さくすることが可能であるが、さらに、平面視におけるパワー半導体モジュール１０とヒートシンクプレート４０の合計面積が、パワー半導体モジュール１０の放熱面１０ｂが形成された一面の面積よりも小さいことが好ましい。
　これにより、下面側壁部３０Ｕの占有面積だけでなく、パワー半導体モジュール１０を放熱するための水平方向に必要スペース（占有面積）を小さくすることができる。

　図５は、本実施形態に係る電力変換装置１の全体構成を示す側面断面図である。

　図１、図２、図４では、一個のパワー半導体モジュール１０に対するヒートシンク構造のみを示したが、本実施形態に係る電力変換装置１は、かかるパワー半導体モジュール１０を複数収納する。そして、複数のパワー半導体モジュール１０それぞれに、同様のヒートシンク構造を設けている。

　図５において、Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４は、それぞれ、パワー半導体モジュール１０及び当該パワー半導体モジュール１０を冷却するためのヒートシンク構造を示している。又、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、それぞれ、電力変換装置１が有するその他の電気部品（例えば、コンデンサ、又はコイル等）を示している。又、Ｒ領域は、金属筐体３０の下面側壁部３０Ｕの外側に通流する冷媒流路（ここでは、水流路）を示している。なお、冷媒は冷却水に限らず、ファンや走行風による空気であっても良い。

　金属筐体３０内においては、図５に示すように、複数のパワー半導体モジュール１０が縦置きの状態で回路基板２０の下方に配列されている。そして、複数のパワー半導体モジュール１０は、それぞれ、回路基板２０と電気接続している。

　そして、ヒートシンクプレート４０は、複数のパワー半導体モジュール１０それぞれを保持するように複数配設され、嵌合部３１は、複数のヒートシンクプレート４０それぞれを嵌合固定するように下面側壁部３０Ｕに複数形成されている。

　つまり、複数のパワー半導体モジュール１０は、それぞれ、下面側壁部３０Ｕに形成された複数の嵌合部３１、及び、複数のヒートシンクプレート４０によって構成されるヒートシンク構造によって保持されている。

　このように、パワー半導体モジュール１０を縦置きの状態で配設することによって、金属筐体３０内の部品配置の省スペース化を図ることが可能である。

　尚、金属筐体３０内に収納されたその他の電気部品（例えば、コンデンサ、又はコイル等）Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、パワー半導体モジュール１０と同様に、回路基板２０の下方に配設されている。これらの電気部品Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、嵌合部３１の上端の位置よりも高い位置まで延在している。

［電力変換装置のヒートシンク構造における熱伝達経路］
　ここで、図４を参照して、本実施形態に係る電力変換装置１のヒートシンク構造における熱伝達経路について、説明する。尚、図４中の矢印Ｈｅａｔは、パワー半導体モジュール１０から発せられる熱の熱流（熱の流れ）を表している。

　まず、パワー半導体モジュール１０から発せられる熱は、当該パワー半導体モジュール１０の放熱面１０ｂを介して、ヒートシンクプレート４０の取付部４０ａに伝達する。そして、ヒートシンクプレート４０の取付部４０ａに伝達された熱は、ヒートシンクプレート４０の挿入部４０ｂ（及び伝熱材３２）を介して、金属筐体３０の嵌合部３１に伝達する。そして、金属筐体３０の嵌合部３１に伝達された熱は、金属筐体３０の下面側壁部３０Ｕの外側の冷媒へ放熱されることになる。

　ここで、本実施形態に係る電力変換装置１のヒートシンク構造においては、パワー半導体モジュール１０の放熱面１０ｂとヒートシンクプレート４０の取付部４０ａとの接触領域が、上下方向に沿って延在し、且つ、ヒートシンクプレート４０の挿入部４０ｂと嵌合部３１との接触領域が、上下方向に沿って延在する構成となっている。これにより、部材間を跨ぐ領域の放熱経路を十分に確保すること可能とし、部材間の熱抵抗を低減することができる。

　加えて、本実施形態に係る電力変換装置１のヒートシンク構造においては、嵌合部３１を下面側壁部３０Ｕの一部として形成している。これによって、嵌合部３１と下面側壁部３０Ｕを別体で構成して締結する場合と比べて、嵌合部３１と下面側壁部３０Ｕとの間における熱抵抗を低減し、嵌合部３１から下面側壁部３０Ｕの外側に配設された冷媒へ円滑に熱伝達が生じることを可能としている。

［電力変換装置の組み立てプロセス］
　以下、図６Ａ～図６Ｄを参照して、本実施形態に係る電力変換装置１の製造プロセスのうち、金属筐体３０内にパワー半導体モジュール１０を収納する際の組み立てプロセスの一例について説明する。

　図６Ａ～図６Ｄは、本実施形態に係る電力変換装置１の組み立てプロセスを示す図である。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄは、各部の状態を時系列に示している。尚、本実施形態では、自動搬送装置によって、電力変換装置１内にパワー半導体モジュール１０を取り付ける。

　まず、自動搬送装置は、ボルト１０Ｔを用いて、パワー半導体モジュール１０を、ヒートシンクプレート４０の取付部４０ａに取り付ける（図６Ａを参照）。

　次に、自動搬送装置は、ボルト２０Ｔを用いて、ヒートシンクプレート４０の上端部に、回路基板２０を取り付ける（図６Ｂを参照）。

　次に、自動搬送装置は、パワー半導体モジュール１０の端子を、回路基板２０に形成されたスルーホールに挿入し、半田接続によって、両者を電気的に接続する（図６Ｃを参照）。

　次に、自動搬送装置は、金属筐体３０の嵌合部３１（スリット部３１ｂ）に液状の伝熱材３２（ここでは、熱硬化性樹脂）を注入した後、ヒートシンクプレート４０の挿入部４０ｂを金属筐体３０の嵌合部３１（スリット部３１ｂ）に挿入する（図６Ｄを参照）。そして、自動搬送装置は、ボルト４０Ｔを用いて、ヒートシンクプレート４０を金属筐体３０の嵌合部３１に固定する。そして、その後、伝熱材３２を熱硬化させる。

　以上のような工程によって、金属筐体３０内にパワー半導体モジュール１０を収納することができる。尚、ヒートシンクプレート４０及び嵌合部３１が、ボルト４０Ｔで締結されることにより、ヒートシンクプレート４０及びパワー半導体モジュール１０が金属筐体３０に固定されるとともに、ヒートシンクプレート４０の姿勢を規定することとなる。

　尚、本実施形態に係る電力変換装置１の製造プロセスにおいては、金属筐体３０の下面側壁部３０Ｕと平行な方向から、部材間を固定するボルト１０Ｔ、２０Ｔ、４０Ｔ等を挿通する作業が不要である。そのため、金属筐体３０内にパワー半導体モジュール１０を固定する際に、金属筐体３０の横側の壁部に固定作業が阻害されるおそれがない。かかる観点から、本実施形態に係る電力変換装置１は、製造プロセスの効率化にも資する。

［効果］
　以上のように、本実施形態に係る電力変換装置１によれば、パワー半導体モジュール１０からの放熱容量を十分に確保しながら、金属筐体３０内に、パワー半導体モジュール１０を縦置き状態で収納することが可能である。これによって、パワー半導体モジュール１０の冷却能力の向上と、金属筐体３０内の部品配置の省スペース化を同時に実現することができる。

（第２の実施形態）
　次に、図７を参照して、第２の実施形態に係る電力変換装置１の構成について説明する。図７は、第２の実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す側面断面図である。

　本実施形態に係る電力変換装置１のヒートシンク構造は、ヒートシンクプレート４０と金属筐体３０の嵌合部３１の嵌合構造の点で、第１の実施形態と相違する。尚、第１の実施形態と共通する構成については、説明を省略する（以下、他の実施形態についても同様）。　

　本実施形態に係るヒートシンクプレート４０は、挿入部４０ｂが複数の突起部（ここでは、３つの突起部）によって形成されている。又、嵌合部３１は、ヒートシンクプレート４０の挿入部４０ｂの複数の突起それぞれに対応するように、複数のスリット部３１ｂ（ここでは、３つのスリット部３１ｂ）を有している。

　本実施形態に係る電力変換装置１は、かかる構成において、ヒートシンクプレート４０の挿入部４０ｂの複数の突起それぞれが、嵌合部３１の複数のスリット部３１ｂに挿入された状態で配される。

　このような構成とすることによって、ヒートシンクプレート４０と嵌合部３１との間の接触面積を増加させることが可能であり、ヒートシンクプレート４０から嵌合部３１へ熱伝達する際の熱抵抗をより低減することができる。

（第３の実施形態）
　次に、図８を参照して、第３の実施形態に係る電力変換装置１の構成について説明する。図８は、第３の実施形態に係る電力変換装置１の構成の一例を示す側面断面図である。

　本実施形態に係る電力変換装置１のヒートシンク構造は、ヒートシンクプレート４０と嵌合部３１との嵌合構造の点で、第１の実施形態と相違する。

　本実施形態に係るヒートシンクプレート４０は、嵌合部３１と嵌合する部分（即ち、ヒートシンクプレート４０の下端側部分）が、二股に分岐した構造となっている。又、本実施形態に係る嵌合部３１（突出部３１ａ）は、ヒートシンクプレート４０の二股に分岐した部位と嵌合する形状を有している。

　本実施形態に係る電力変換装置１は、かかる構成において、ヒートシンクプレート４０の二股に分岐した部位が、嵌合部３１（突出部３１ａ）を外側から挟み込むように配される。

　このような構成によっても、パワー半導体モジュール１０からの放熱容量を十分に確保しながら、金属筐体３０内に、パワー半導体モジュール１０を縦置き状態で収納することが可能である。

　なお、第３の実施形態の場合には、製造する際にヒートシンクプレート４０と金属筐体３０を逆さにし、ヒートシンクプレート４０の二股に分岐した部位に伝熱材３２を充填させて嵌合部３１を嵌合させることで伝熱材３２をヒートシンクプレート４０と嵌合部３１の間隙に充填させることが可能である。その他、ヒートシンクプレート４０の二股に分岐した部位に伝熱材３２を充填させて、伝熱材３２を半固体の状態にしてから嵌合部３１を嵌合させることで伝熱材３２を介在させても良い。

（第４の実施形態）
　次に、図９を参照して、第４の実施形態に係る電力変換装置１の構成について説明する。図９は、第４の実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す側面断面図である。

　本実施形態に係る電力変換装置１のヒートシンク構造は、ヒートシンクプレート４０と嵌合部３１との嵌合構造の点で、第１の実施形態と相違する。

　本実施形態に係る嵌合部３１の突出部３１ａは、下方側壁部３０Ｕの平坦部３０Ｕａから下方側に突出する構成となっている。換言すると、下方側壁部３０Ｕ自体も、下方側の外側に突出する。そして、突出部３１ａ内に、上下方向に沿って、ヒートシンクプレート４０を挿入するためのスリット部３１ｂが形成されている。

　本実施形態に係る電力変換装置１は、かかる構成において、第１の実施形態に係る電力変換装置１と同様に、ヒートシンクプレート４０がスリット部３１ｂに挿入された状態で配される。

　このような構成によっても、パワー半導体モジュール１０からの放熱容量を十分に確保しながら、金属筐体３０内に、パワー半導体モジュール１０を縦置き状態で収納することが可能である。尚、本実施形態に係るヒートシンク構造によれば、下方側壁部３０Ｕと冷媒との接触面積を増加させることも可能であり、より冷却能力を高めることができる。

（第５の実施形態）
　次に、図１０を参照して、第５の実施形態に係る電力変換装置１の構成について説明する。図１０は、第５の実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す側面断面図である。

　本実施形態に係る電力変換装置１のヒートシンク構造は、両側の横側面に放熱面１０ｂａ、１０ｂｂを有するパワー半導体モジュール１０を冷却するための構造である点で、第１の実施形態と相違する。

　本実施形態に係る電力変換装置１は、パワー半導体モジュール１０の一方側の放熱面１０ｂａに取り付けられる第１ヒートシンクプレート４０Ａと、パワー半導体モジュール１０の他方側の放熱面１０ｂｂに取り付けられる第２ヒートシンクプレート４０Ｂと、を有している。第１ヒートシンクプレート４０Ａ、及び第２ヒートシンクプレート４０Ｂの構造は、第１の実施形態で説明したヒートシンクプレート４０と同様である。

　又、本実施形態に係る嵌合部３１は、第１ヒートシンクプレート４０Ａを挿入するための第１スリット部３１ｂａ、及び第２ヒートシンクプレート４０Ｂを挿入するための第２スリット部３１ｂｂを有している。

　本実施形態に係る電力変換装置１は、かかる構成において、パワー半導体モジュール１０の放熱面１０ｂａ、１０ｂｂそれぞれに第１ヒートシンクプレート４０Ａ及び第２ヒートシンクプレート４０Ｂが取り付けられ、そして、第１ヒートシンクプレート４０Ａが第１スリット部３１ｂａに挿入され、第２ヒートシンクプレート４０Ｂが第２スリット部３１ｂｂに挿入された状態で配される。このような構成とすることによって、パワー半導体モジュール１０からの放熱経路を倍増させることが可能である。

　以上のように、本実施形態に係る電力変換装置１によれば、パワー半導体モジュール１０からの放熱容量をより増加させることが可能である。

　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。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。

　例えば、金属筐体３０の側壁の高さが、パワー半導体モジュール１０が金属筐体３０内に収納・配置された際のボルト１０Ｔまでの高さよりも高い場合を例示したが、これに限らず、ボルト１０Ｔまでの高さよりも低くても良い。

　金属筐体３０の側壁の高さが、ボルト１０Ｔまでの高さよりも低い場合であっても、パワー半導体モジュール１０の周囲にボルト１０Ｔまでの高さよりも高い部品（例えば、トランスやコンデンサ）が存在する場合には、パワー半導体モジュール１０を金属筐体３０内に収納・配置した後に、水平方向にボルト１０Ｔで締結することが困難であるという同様の課題を有するためである。（図５参照）

　すなわち、パワー半導体モジュール１０を金属筐体３０内に収納・配置した後に、水平方向にボルト１０Ｔで締結することが困難である金属筐体３０の構造、または、部品配置であれば本発明の効果が顕著に現れる。

　また、上記実施形態では、金属筐体３０の下面側壁部３０Ｕを放熱面（外側において冷媒と接触する）として説明したため、下面側壁部３０Ｕの一部として嵌合部３１が形成される例を示したが、嵌合部３１は下面側壁部３０Ｕ以外に形成されても良い。

　例えば、下面側壁部のみからなる形状に、側壁と上壁が一体成型された蓋を被せることにより金属筐体３０が構成される場合において、上壁の外側において冷媒と接触するときには、上壁の一部として嵌合部３１が形成されても良い。

　すなわち、筐体の収納空間の外側で冷媒と面する壁部（放熱壁部）の一部として、筐体の収納空間内に、嵌合部が形成される構造であれば本発明を適用可能である。

　２０１８年１２月２６日出願の特願２０１８－２４２４３０の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。

　本開示に係る電力変換装置によれば、パワー半導体モジュールを縦置きの配置としながら、当該パワー半導体モジュールからの放熱容量を十分に確保することができる。

　１　電力変換装置
　１０　パワー半導体モジュール（半導体部品）
　１０ａ　端子
　１０ｂ、１０ｂａ、１０ｂｂ　放熱面
　２０　回路基板
　３０　金属筐体
　３０Ｕ　下面側壁部
　３０Ｕａ　平坦部
　３１　嵌合部
　３１ａ　突出部
　３１ｂ、３１ｂａ、３１ｂｂ　スリット部
　３１ｃ　ボルト穴
　３２　接着材（伝熱材）
　４０、４０Ａ、４０Ｂ　ヒートシンクプレート（伝熱部材）
　４０ａ　取付部
　４０ｂ　挿入部
　４０ｃ　貫通穴
　１０Ｔ、２０Ｔ、４０Ｔ　ボルト（締結部材）

Claims (17)

1. 　電力変換用の半導体部品と、
   　前記半導体部品の少なくとも一面に形成された放熱面と熱的に接続されるように、前記半導体部品が固定される伝熱部材と、
   　前記半導体部品及び前記伝熱部材を収納する収納空間を有する筐体と、
   　を備え、
   　前記筐体は、前記収納空間の外側で冷媒と面する放熱壁部を備え、
   　前記放熱壁部の前記収納空間内側に、前記伝熱部材と嵌合する嵌合部が形成され、
   　前記半導体部品の前記放熱面の面積よりも、前記嵌合部と前記伝熱部材とが接触する面積が大きく、
   　前記半導体部品の前記放熱面が形成された前記一面の面積よりも、平面視における前記嵌合部の占有面積は小さい、
   　電力変換装置。
2. 　前記金属筐体の前記放熱壁部は、外側で水冷媒と接触する、
   　請求項１に記載の電力変換装置。
3. 　前記伝熱部材は、板形状を呈する、
   　請求項１に記載の電力変換装置。
4. 　前記嵌合部は、前記放熱壁部の平坦部から上方に向かって突出する突出部と、前記突出部内に上下方向に沿って延在し、前記伝熱部材を挿入可能に構成されたスリット部と、を含んで構成される、
   　請求項１に記載の電力変換装置。
5. 　前記嵌合部は、前記放熱壁部の平坦部から下方に向かって突出する突出部と、前記突出部内に上下方向に沿って延在し、前記伝熱部材を挿入可能に構成されたスリット部と、を含んで構成される、
   　請求項１に記載の電力変換装置。
6. 　前記伝熱部材は、前記嵌合部内において、少なくとも一部で伝熱材を介して前記嵌合部と熱結合する、
   　請求項１に記載の電力変換装置。
7. 　前記半導体部品は、自身の上端に設けられた端子を介して、当該半導体部品の上方において、前記放熱壁部の平坦部と略平行に延在するように配設された回路基板と電気接続されている、
   　請求項１に記載の電力変換装置。
8. 　前記半導体部品は、前記回路基板の下方に複数配設されており、
   　前記伝熱部材は、複数の前記半導体部品それぞれを保持するように複数配設されており、
   　前記嵌合部は、複数の前記伝熱部材それぞれを嵌合固定するように複数形成されている、
   　請求項７に記載の電力変換装置。
9. 　前記半導体部品は、パワー半導体モジュールである、
   　請求項１に記載の電力変換装置。
10. 　前記半導体部品の前記放熱面が形成された前記一面の面積よりも、平面視における前記半導体部品と前記伝熱部材の合計面積は小さい、
    　請求項１に記載の電力変換装置。
11. 　前記嵌合部は、凹凸形状である、
    　請求項１に記載の電力変換装置。
12. 　前記半導体部品及び前記伝熱部材は、縦置き状態で配設される、
    　請求項１に記載の電力変換装置。
13. 　前記筐体は、金属筐体である、
    　請求項１に記載の電力変換装置。
14. 　前記筐体は、箱形形状であり、
    　前記筐体の周囲の壁部の高さは、前記半導体部品の上端の位置よりも高い、
    　請求項１に記載の電力変換装置。
15. 　前記筐体には、前記嵌合部の上端の位置よりも高い位置まで延在する前記半導体部品以外の電気部品が収納されている、
    　請求項１に記載の電力変換装置。
16. 　前記半導体部品は、締結部材により、前記伝熱部材に締結される、
    　請求項１に記載の電力変換装置。
17. 　前記伝熱部材は、締結部材により、前記嵌合部に締結される、
    　請求項１に記載の電力変換装置。

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