阅读说明：本技术 电力变换器 (Power converter ) 是由 出口昌孝 上田晃宏 安井孝児 大野裕孝 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开电力变换器。电力变换器包括：多个功率模块,收容有电力变换用的半导体元件；一对保持板,在第1方向上夹住多个功率模块的层叠体；一对连结梁,在与所述第1方向交叉的第2方向上的所述层叠体的各个侧端,连结所述一对保持板；以及基板,与各个所述功率模块的控制端子连接。在所述一对保持板的至少一方设置有对所述基板进行定位的定位部。(The invention discloses a power converter. The power converter includes: a plurality of power modules housing semiconductor elements for power conversion; a pair of holding plates sandwiching the stacked body of the plurality of power modules in the 1 st direction; a pair of coupling beams that couple the pair of holding plates to each side end of the stacked body in a 2 nd direction intersecting the 1 st direction; and a substrate connected to the control terminals of the power modules. At least one of the pair of holding plates is provided with a positioning portion for positioning the substrate.)

电力变换器

技术领域

本说明书公开的技术涉及具备收容有电力变换用的半导体元件的多个功率模块的层叠体的电力变换器。

背景技术

在日本特开2017-085822、日本特开2011-103728中，公开了具备多个功率模块和多个冷却器的层叠体的电力变换器。日本特开2017-085822、日本特开2011-103728的电力变换器搭载于电动汽车。电力变换器是将电源的电力变换为行驶用的马达的驱动电力的设备。多个功率模块的各个收容有电力变换用的半导体元件。电力变换用的半导体元件的发热量大。多个功率模块和多个冷却器1个1个地交替层叠，各个功率模块从两侧被冷却。为了使功率模块和冷却器密接，用弹簧在层叠方向上对层叠体加压。层叠体的层叠方向的一端被推压到壳体的内表面，弹簧从另一端侧对层叠体施加压力。

在日本特开2017-085822的电力变换器中，控制端子从各个功率模块延伸，多个功率模块的控制端子与基板连接。从基板经由控制端子向功率模块的半导体元件发送驱动信号。基板被固定到电力变换器的壳体。

发明内容

在日本特开2017-085822的电力变换器中，层叠体和基板被单独地固定到壳体。在电力变换器振动时，存在层叠体(功率模块)和基板相对地变位，强的力被施加到控制端子的与基板的连接部位的可能性。另外，在基板和层叠体的相对的位置误差大的情况下，也存在强的力被施加到控制端子的与基板的连接部位的可能性。在强的力被施加到控制端子和基板的连接部位时，存在产生接触不良的可能性。在日本特开2017-085822的电力变换器中，在基板与层叠体(功率模块)之间确保空间(间隙)，采用长的控制端子。如果控制端子长，则控制端子能够相对于基板和层叠体(功率模块)的相对的变位而变形，能够缓和在与基板的连接部位中产生的力。然而，基板与层叠体(功率模块)之间的空间是无效空间。本说明书提供能够确保控制端子和基板的连接部位的耐振动特性，并且减小基板与层叠体(功率模块)之间的空间的技术。

本发明的第1方式是电力变换器。所述电力变换器包括：

多个功率模块，收容有电力变换用的半导体元件；一对保持板，在第1方向上夹持多个功率模块的层叠体；一对连结梁，在与所述第1方向交叉的第2方向上的所述层叠体的各个侧端，连结所述一对保持板；以及基板，与各个所述功率模块的控制端子连接。在所述一对保持板的至少一方设置有对所述基板进行定位的定位部。所述控制端子沿着与所述第1方向和所述第2方向这两方交叉的第3方向延伸。所述基板在所述第3方向上与所述层叠体邻接。

根据上述第1方式，基板被固定于夹持层叠体的一对保持板。层叠体和基板的相对位置经由一对保持板决定，所以基板和层叠体(功率模块)一体地振动。在振动时，层叠体(功率模块)和基板的相对的变位变小。另外，基板相对于层叠体(功率模块)的相对位置也准确地被决定。因此，即使使层叠体的功率模块与基板之间的空间变窄(即，即使采用短的控制端子)，也防止强的力被施加到控制端子和基板的连接部位。

在所述第1方式中，电力变换器也可以包括电容器。多个所述功率模块也可以在与设置有所述控制端子的面相反的一侧的面具有功率端子，所述电容器也可以与多个所述功率模块的所述功率端子连接。

在所述第1方式中，所述一对保持板的至少一方也可以与收容有所述层叠体的壳体的内表面相接。

在所述第1方式中，所述电力变换器也可以包括弹性部件。所述一对连结梁的各个也可以在所述第1方向上被分割成第1分割梁和第2分割梁，所述第1分割梁和所述第2分割梁也可以用所述弹性部件连结。

在所述第1方式中，所述电力变换器也可以包括弹簧。

在所述一对保持板的一方与所述层叠体之间也可以夹有压缩的所述弹簧。

在所述第1方式中，所述第2方向也可以与所述第1方向正交。

所述第3方向也可以与所述第1方向和所述第2方向这两方正交。

在所述第1方式中，电力变换器也可以包括沿着所述第1方向与多个所述功率模块层叠的多个冷却器。所述层叠体也可以包括多个所述功率模块和所述多个冷却器。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1是实施例的电力变换器采用的功率模块的立体图。

图2是实施例的电力变换器采用的功率模块的立体图(从斜下观察的图)。

图3是电力变换器的立体图。

图4是层叠体和框架的分解图。

图5是层叠体、框架的组件、基板、以及电容器的分解图。

图6是电力变换器的侧面图。

图7是电力变换器的俯视图(带壳体)。

图8是框架的变形例和层叠体的组件的立体图(拆下约束环的图)。

图9是框架的变形例和层叠体的组件的立体图(安装约束环的图)。

图10是功率模块的变形例的立体图(从斜下方观察的图)。

图11是采用功率模块的变形例的电力变换器的侧面图。

具体实施方式

参照附图，说明实施例的电力变换器2。实施例的电力变换器2搭载于电动汽车。电力变换器2是将电源的电力变换为行驶用的马达的驱动电力的设备。电力变换器2具备收容有电力变换用的半导体元件的多个功率模块10。

首先，说明功率模块10。图1示出功率模块10的立体图。为便于说明，将图中的坐标系的+Z方向定义为上。图2示出从斜下方观察功率模块10的立体图。希望留意在图1和图2中坐标系的朝向不同。

功率模块10收容有电力变换用的2个半导体元件11a、11b。半导体元件11a、11b是开关元件，是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)、或者、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。半导体元件11a、11b也可以是IGBT和MOSFET以外的开关元件。另外，半导体元件11a、11b也可以是将开关元件和二极管逆并联地连接的复合器件。

2个半导体元件11a、11b埋设于树脂制的封装12。封装12扁平，散热板13在两侧的幅宽面露出。散热板13与在后面说明的冷却器21相接，将半导体元件11a、11b的热高效地传递到冷却器21。

2个半导体元件11a、11b在封装12的内部串联地连接。3个功率端子14a-14c从封装12的下表面延伸。2个半导体元件11a、11b的串联连接的正极和负极的各个导通到功率端子14a、14b的各个。串联连接的中点导通到功率端子14c。

多个控制端子15从封装12的上表面延伸。多个控制端子15导通到半导体元件11a、11b的栅电极、温度传感器。

在将3个功率模块10并联地连接时，能够实现将直流电力变换为三相交流电力的逆变器。

图3示出电力变换器2的立体图。图3仅示出电力变换器2的主要零件，省略电力变换器2的壳体、以及收容于壳体的其他器件的图示。

电力变换器2具备多个功率模块10、多个冷却器21、基板40、以及电容器50。在图3中，基板40用假想线描绘。

电力变换器2具备7个功率模块10。在图3中，仅对左端的功率模块10附加符号10，在剩余的功率模块中省略了符号。如上叙述，在将3个功率模块10并联地连接时，能够构成逆变器。7个功率模块10用于2组逆变器和1个电压转换器。1个功率模块10用于电压转换器。

多个功率模块10和多个冷却器21被1个1个地交替层叠。在图3中，仅对夹持左端的功率模块10的一对冷却器21附加符号，在剩余的冷却器中省略了符号。多个功率模块10和多个冷却器21构成层叠体20。此外，层叠体20无需一定由多个功率模块10和多个冷却器21构成，例如，也可以仅由多个功率模块10构成。图中的坐标系的X方向相当于多个功率模块10和多个冷却器21的层叠方向。以下，为便于说明，有时将多个功率模块10和多个冷却器21的层叠方向(X方向)单纯地称为层叠方向。

夹持功率模块10的一对冷却器21用2个连结管22a、22b连结。冷却器21的内部成为制冷剂通过的流路，2个连结管22a、22b连通相邻的冷却器21的流路。所有对的冷却器21用2个连结管22a、22b连结。2个连结管22a、22b以在图中的坐标系的Y方向上夹持功率模块10的方式配置。在图3中，仅对1组连结管附加符号22a、22b，在剩余的连结管中省略了符号。

对层叠体20的层叠方向的一端的冷却器21设置有供给管23a和排出管23b。供给管23a和排出管23b与未图示的制冷剂循环装置连接。从供给管23a供给的制冷剂经由连结管22a被分配给所有冷却器21。制冷剂在冷却器21的内部的流路中流过的期间，吸收功率模块10的热。如上叙述，散热板13在功率模块10的封装12的表面露出，制冷剂经由散热板13吸收半导体元件11a、11b的热。吸收了热的制冷剂经由连结管22b和排出管23b返回到制冷剂循环装置。

层叠体20被框架30约束。框架30包围层叠体20。框架30由一对保持板31、32和一对连结梁33构成。图4示出层叠体20和框架30的分解图。与图3一起，参照图4，说明框架30。在图4中，将层叠方向的一端侧的冷却器21称为冷却器21a，将另一端侧的冷却器21称为冷却器21b来区分。

一对保持板31、32以在层叠方向(X方向)上夹持层叠体20的方式配置。保持板31与层叠体20的一端侧的冷却器21a抵接，保持板32隔着板簧34与另一端侧的冷却器21b相向。在保持板31中，设置有一对贯通孔31a，供给管23a穿过一方的贯通孔31a，排出管23b穿过另一方的贯通孔31a。

一对保持板31、32在Y方向上的层叠体20的各个侧端，通过一对连结梁33连结。一对连结梁33以在Y方向上夹持层叠体20的方式配置。由一对保持板31、32和一对连结梁33包围层叠体20。

各个连结梁33被分割成与保持板31连结的第1分割梁33a和与保持板32连结的第2分割梁33b。第1分割梁33a的前端和第2分割梁33b的前端通过焊接来接合。在图3中，符号33c表示接合部位。在图4中，描绘将第1分割梁33a和第2分割梁33b接合之前的框架30。

如上叙述，在层叠体20的一端的冷却器21b与保持板32之间夹有板簧34。在层叠方向上通过板簧34对层叠体20加压的状态下，接合第1分割梁33a和第2分割梁33b。即，框架30将层叠体20保持为加压的状态。换言之，框架30在板簧34被压缩的状态下，约束板簧34和层叠体20。通过板簧34的加压，冷却器21和功率模块10较强地接触，从功率模块10向冷却器21良好地传热。

将层叠体20和框架30的组件称为组件39。在组件39上固定基板40，在组件下固定电容器50。图5示出组件39、基板40、以及电容器50的分解图。从此，参照图3和图5，说明电力变换器2的构造。

在基板40中，安装有控制收容于功率模块10的半导体元件11a、11b的电路。在基板40上，安装有存储器、运算部件等各种芯片，但省略这些芯片的图示。安装于基板40的控制电路根据从未图示的上位控制器送来的指令，生成用于半导体元件11a、11b的驱动信号。在基板40中设置有许多贯通孔43，对各个贯通孔43连接功率模块10的控制端子15。对贯通孔43连接基板40上的印刷布线(未图示)。经由控制端子15和贯通孔43，半导体元件11a、11b和控制电路电连接。

控制电路生成的驱动信号经由贯通孔43和控制端子15送到半导体元件11a、11b。如上叙述，控制端子15的几个与功率模块10具备的传感器连接，传感器的信号也经由控制端子15和贯通孔43送到安装于基板40的控制电路。控制电路根据传感器数据，以使半导体元件11a、11b不过热的方式，控制在半导体元件11a、11b中流过的电力。

如图3、图5所示，控制端子15向功率模块10的上侧延伸，基板40以与组件39的上侧相邻的方式配置。

基板40固定于框架30的保持板31、32。在保持板31的上表面，设置有相对于保持板31决定基板40的相对位置的突起35，在保持板32的上表面也设置有决定基板40的位置的突起36。与保持板31(32)的突起35(36)对应地，在基板40中设置有嵌合孔41(42)。保持板31(32)的突起35(36)嵌合到基板40的嵌合孔41(42)，决定基板40相对于保持板31、32(即组件39)的相对位置，并且基板40被固定到保持板31、32(即组件39)。

说明基板40被定位而固定到保持板31、32的优点。基板40被固定到保持板31、32(即组件39)，所以在电力变换器2振动时，基板40和功率模块10一起振动。在基板40和层叠体20(功率模块10)分别固定到壳体时，在基板40的振动和层叠体20(功率模块10)的振动中产生差。在基板40和层叠体20(功率模块10)分别振动的情况下，存在在控制端子15和贯通孔43相接的部分中发生高的应力的可能性。或者，在基板40和组件39分别固定到壳体的情况下，有可能在控制端子15与贯通孔43之间产生位置误差，起因于位置误差而在控制端子15中发生高的应力。

在控制端子15中产生高的应力时，存在在控制端子15与贯通孔43之间产生接触不良的可能性。为了缓和高的应力，需要采用长的控制端子，容许控制端子15的变形。然而，在采用长的控制端子时，在层叠体20(功率模块10)与基板40之间会形成无用的空间。

另一方面，在实施例的电力变换器2中，准确地决定基板40相对组件39的位置。在此基础上，基板40被固定到组件39，所以基板40和组件39(功率模块10)一起振动。因此，在控制端子15和贯通孔43相接的部位，不发生高的应力。由于不发生高的应力，所以能够采用短的控制端子15，能够减小功率模块10与基板40之间的无用的空间。

图6示出电力变换器2的侧面图。如图6所示，功率模块10与基板40之间的空间(间隙G)小。此外，保持板31、32的上表面的位置比功率模块10的上表面的位置稍微高即可。

在组件39的下侧，配置电容器50。功率模块10在图中的坐标系的Z方向上在与设置有控制端子15的面(上表面)相反的一侧的面(下表面)具有功率端子14a、14b，电容器50与该功率端子14a、14b连接。

如图5所示，第1端子51a和第2端子51b在电容器50的上表面露出。电容器50的第1端子51a与多个功率模块10的正极的功率端子14a连接，第2端子51b与功率模块10的负极的功率端子14b连接。功率端子14a、14b向下方延伸，在途中向X方向弯曲。功率端子14a、14b的弯曲的前端与电容器50的端子51a、51b连接。为了抑制功率模块10收容的半导体元件11a、11b的开关噪声，具备电容器50。

图7示出电力变换器2的俯视图。在图7中，还描绘收容组件39的壳体60。在图7中，省略基板40和电容器50、以及收容于壳体60以外的器件的图示。保持板31与壳体60的内表面60a相接。层叠体20被框架30约束，所以无需在框架30与内表面60a之间设置无用的空间。此外，也可以是保持板32与壳体60的内表面相接。

接下来，说明框架的变形例。图8和图9示出变形例的框架130和层叠体20的组件139的立体图。图8是将约束环138(后述)拆下的图，图9是将约束环138安装的图。

框架130具备以在层叠方向上夹入层叠体20的方式配置的一对保持板31、32和连结保持板31、32的一对连结梁133。一对连结梁133在图中的坐标系的Y方向上位于层叠体20的两侧。连结梁133在层叠方向(X方向)上被分割成第1分割梁133a和第2分割梁133b。第1分割梁133a与保持板31连结，第2分割梁133b与保持板32连结。

在第1分割梁133a的第2分割梁133b侧的前端，设置有钩子137a。在第2分割梁133b的第1分割梁133a侧的前端，设置有钩子137b。以包围钩子137a、137b的方式，安装约束环138。第1分割梁133a和第2分割梁133b用约束环138连结。第1分割梁133a、第2分割梁133b、以及约束环138构成连结梁133。

约束环138由弹性体做成。约束环138在保持板31、32对层叠体20加压的状态下连结第1分割梁133a和第2分割梁133b。通过采用由弹性体做成的约束环138，能够不需要实施例的电力变换器2具备的板簧34。不需要板簧34，所以能够缩短组件139的X方向(层叠方向)的长度。

说明电容器50的安装方法的变形例。图10示出从下观察变形例的功率模块110的立体图。在功率模块110中，功率端子114a-114c在封装112的下表面露出。功率端子114a-114c相对封装112的下表面处于同一水平面。

图11示出使用功率模块110的电力变换器2a的侧面图。功率端子114a-114c在封装112的下表面以同一水平面地露出，所以电容器50安装于封装12的下表面。在电容器50安装于封装112的下表面时，功率端子114a、114b与电容器50的端子51a、51b(参照图5)电连接。电力变换器2a能够使电容器50接近功率模块110的封装112。基板40和封装112的距离也短，所以电力变换器2a能够缩短Z方向的长度。

叙述与在实施例中说明的技术有关的留意点。在实施例的电力变换器2中，在保持板31、32中，设置有决定基板40的位置的突起35、36，在基板40中设置有嵌合到突起35、36的嵌合孔41、42。也可以代替此，在基板40中设置突起，在保持板31、32中设置决定基板40的突起的位置的槽。决定基板的位置的突起或者槽设置于一对保持板31、32的两方为好，但设置于保持板31、32的至少一方即可。嵌合孔41、42既可以是螺钉槽，也可以通过对螺钉槽***螺钉来进行定位。突起35、36也可以是钩子，也可以通过将钩子挂到嵌合孔41、42来进行定位。

决定基板的位置的突起或者槽是定位部的一个例子。决定基板40的位置的定位部除了突起或者槽以外，也可以是钩子、螺钉。

电容器50也可以在图中的坐标系的Y方向上配置于层叠体20的旁边。

图中的坐标系的X方向(层叠方向)是第1方向的一个例子，Y方向是第2方向的一个例子，Z方向是第3方向的一个例子。此外，Y方向也可以与X方向正交，Z方向也可以与X方向和Y方向这两方正交。

以上，详细说明了本发明的具体例，但这些仅为例示，不限定权利要求书。在权利要求书记载的技术中，包括将以上例示的具体例各种各样地变形、变更的技术。在本说明书或者附图中说明的技术要素单独或者通过各种组合来发挥技术上的有用性，不限定于在申请时权利要求记载的组合。另外，本说明书或者附图例示的技术能够同时达成多个目的，达成其中的一个目的本身具有技术上的有用性。