JP5201170B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング素子により電力を変換する電力変換装置に関する。

従来、半導体モジュールのスイッチング素子が発する熱をヒートシンクを経由して放熱するようにした電力変換装置が知られている。特許文献１に記載された発明では、半導体モジュールとヒートシンクとの間に放熱シート（放熱部材）が設けられている（特許文献１の図３（ａ）参照）。この放熱シートの一部は、半導体モジュールの金属電極板とヒートシンクとの間に挟み込まれている。金属電極板にはＩＧＢＴ（スイッチング素子）が設置されている。そのため、ＩＧＢＴが作動することにより発熱が繰り返されると、金属電極板は伸縮を繰り返す。

金属電極板およびヒートシンクの表面加工の精度によっては、放熱シートに接する金属電極板の壁面およびヒートシンクの壁面に、例えば前記伸縮方向の一方側に傾斜する面をもつ微小な突起が多数形成されている場合がある。この場合、金属電極板が伸縮を繰り返すと、金属電極板とヒートシンクとに挟まれた放熱シートは、前記傾斜する面とは反対の方向へ移動していく（以下、この現象を「ラチェット現象」という）。ラチェット現象が継続的に生じると、放熱シートが半導体モジュールとヒートシンクとの間からはみ出したり脱落したりするおそれがある。

特開２００２−３７３９７０号公報

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱部材のはみ出し、および脱落を抑制可能な電力変換装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、ヒートシンクと、半導体モジュールと、放熱部材と、を備えている。ヒートシンクは、受熱面を有する。半導体モジュールは、金属板、スイッチング素子、および、樹脂体を有する。金属板には、ヒートシンクの受熱面に対向する放熱面が形成されている。スイッチング素子は、金属板の放熱面とは反対側の面に設置され、作動時に発熱する。樹脂体は、スイッチング素子および金属板の少なくとも一部を覆っている。放熱部材は、シート状に形成され、ヒートシンクの受熱面と半導体モジュールとの間に挟み込まれるようにして設けられている。放熱部材は、金属板を経由したスイッチング素子の熱をヒートシンクの受熱面に伝達可能である。

本発明では、ヒートシンクの受熱面または金属板の放熱面の一方は、前記受熱面または前記放熱面の他方とは反対側へ窪む凹部を有している。前記受熱面または前記放熱面の他方は、凹部に対応する位置に、凹部の形状に対応する形状で前記一方側へ突出する凸部を有している。そして、本発明では、放熱部材は、凹部および凸部に対応する所定の範囲が凹部と凸部との間に挟み込まれ、前記所定の範囲以外の少なくとも一部が前記凹部の外側で金属板とヒートシンクとに挟まれるようにして設けられている。つまり、放熱部材の前記所定の範囲の外縁端の部分は、ヒートシンクの受熱面に対し略垂直な凹部の内壁と、ヒートシンクの受熱面に対し略垂直な凸部の外壁と、に挟まれている。これにより、金属板がスイッチング素子の発熱により伸縮を繰り返したとしても、ラチェット現象による放熱部材の面方向の移動を抑制することができる。したがって、放熱部材が、ヒートシンクと半導体モジュールとの間からはみ出ること、および脱落することを抑制することができる。

請求項２に記載の発明では、凹部の窪みの深さをｔ１、放熱部材の厚さをｔ２とすると、凹部および放熱部材は、ｔ１＞ｔ２の関係を満たすよう形成されている。つまり、放熱部材の前記所定の範囲の外縁端の部分は、ヒートシンクの受熱面に対し略垂直で「高さがｔ２（放熱部材の厚さ）よりも大きいｔ１である」凹部の内壁と、ヒートシンクの受熱面に対し略垂直な凸部の外壁と、に挟まれている。これにより、ラチェット現象による放熱部材の面方向の移動を抑制する効果をより高めることができる。

請求項３に記載の発明では、凹部および凸部は、双方とも、ヒートシンクの受熱面に垂直な方向から見たときの外形が略長方形となるよう形成されている。そして、凹部の長手方向の幅をｗ１、短手方向の幅をｗ２、凸部の長手方向の幅をｗ３、短手方向の幅をｗ４とすると、凹部、凸部および放熱部材は、「０＜ｗ１−ｗ３≦２×ｔ２」および「０＜ｗ２−ｗ４≦２×ｔ２」の関係を満たすよう形成されている。これにより、放熱部材の前記所定の範囲の外縁端の部分は、ヒートシンクの受熱面に対し略垂直な凹部の内壁と、ヒートシンクの受熱面に対し略垂直な凸部の外壁と、に挟まれた状態、あるいは、わずかに押し潰されて収縮した（弾性変形した）状態となる。これにより、ラチェット現象による放熱部材の面方向の移動を抑制する効果をさらに高めることができる。

請求項４に記載の発明では、放熱部材の前記所定の範囲は、少なくとも、放熱部材が、スイッチング素子の板厚方向に対し平行でスイッチング素子の外縁端に接する仮想直線によって切り取られる部分を含む。本発明では、放熱部材は、凹部と凸部とに挟み込まれることにより、少なくとも前記所定の範囲は、ラチェット現象による面方向の移動が抑制されている。したがって、スイッチング素子が発する熱を、放熱部材を経由して、安定して、かつ、効果的にヒートシンクに伝達することができる。

請求項５に記載の発明では、放熱部材の前記所定の範囲は、少なくとも、放熱部材が、スイッチング素子の板厚方向に対し４５度の角度をなしてスイッチング素子の外縁端に接する仮想直線によって切り取られる部分を含む。よって、請求項３に記載の発明と同様、スイッチング素子が発する熱を、放熱部材を経由して、安定して、かつ、効果的にヒートシンクに伝達することができる。なお、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明に対し、前記所定の範囲をさらに限定するものである。

請求項６〜８に記載のそれぞれの発明は、請求項１に記載の発明とは完全に同一ではないものの構成が類似し、請求項１に記載の発明と同様の効果を奏することが可能な発明の例である。

請求項６に記載の発明は、ヒートシンクと、半導体モジュールと、放熱部材と、を備えている。ヒートシンクは、受熱面を有する。半導体モジュールは、金属板、スイッチング素子、および、樹脂体を有する。金属板には、ヒートシンクの受熱面に対向する放熱面が形成されている。スイッチング素子は、金属板の放熱面とは反対側の面に設置され、作動時に発熱する。樹脂体は、スイッチング素子および金属板の少なくとも一部を覆っている。樹脂体には、ヒートシンクの受熱面に対向する対向面が形成されている。放熱部材は、シート状に形成され、ヒートシンクの受熱面と半導体モジュールとの間に挟み込まれるようにして設けられている。放熱部材は、金属板を経由したスイッチング素子の熱をヒートシンクの受熱面に伝達可能である。

本発明では、ヒートシンクの受熱面または樹脂体の対向面の一方は、前記受熱面または前記対向面の他方とは反対側へ窪む凹部を有している。前記受熱面または前記対向面の他方は、凹部に対応する位置に、凹部の形状に対応する形状で前記一方側へ突出する凸部を有している。そして、本発明では、放熱部材は、凹部および凸部に対応する所定の範囲が凹部と凸部との間に挟み込まれ、前記所定の範囲以外の少なくとも一部が前記凹部の外側で金属板とヒートシンクとに挟まれるようにして設けられている。つまり、放熱部材の前記所定の範囲の外縁端は、ヒートシンクの受熱面に対し略垂直な凹部の内壁と、ヒートシンクの受熱面に対し略垂直な凸部の外壁と、に挟まれている。これにより、金属板がスイッチング素子の発熱により伸縮を繰り返したとしても、ラチェット現象による放熱部材の面方向の移動を抑制することができる。したがって、放熱部材が、ヒートシンクと半導体モジュールとの間からはみ出ること、および脱落することを抑制することができる。

請求項７に記載の発明は、ヒートシンクと、半導体モジュールと、放熱部材と、を備えている。ヒートシンクは、受熱面を有する。半導体モジュールは、金属板、スイッチング素子、および、樹脂体を有する。金属板には、ヒートシンクの受熱面に対向する放熱面が形成されている。スイッチング素子は、金属板の放熱面とは反対側の面に設置され、作動時に発熱する。樹脂体は、スイッチング素子および金属板の少なくとも一部を覆っている。樹脂体には、ヒートシンクの受熱面に対向する対向面が形成されている。放熱部材は、シート状に形成され、ヒートシンクの受熱面と半導体モジュールとの間に挟み込まれるようにして設けられている。放熱部材は、金属板を経由したスイッチング素子の熱をヒートシンクの受熱面に伝達可能である。

本発明では、ヒートシンクの受熱面または樹脂体の対向面の一方は、前記受熱面または前記対向面の他方とは反対側へ窪む複数の凹部を有している。前記受熱面または前記対向面の他方は、凹部に対応する位置に、凹部の形状に対応する形状で前記一方側へ突出するよう前記他方と一体に形成される複数の凸部を有している。そして、本発明では、放熱部材は、凸部に対応する位置に穴を有し、凸部が当該穴に挿通し凹部に入り込んだ状態でヒートシンクの受熱面と半導体モジュールとの間に挟み込まれている。本発明では、放熱部材は、自身の穴に挿通された複数の凸部によって、面方向の移動が規制されている。これにより、金属板がスイッチング素子の発熱により伸縮を繰り返したとしても、ラチェット現象による放熱部材の面方向の移動を抑制することができる。したがって、放熱部材が、ヒートシンクと半導体モジュールとの間からはみ出ること、および脱落することを抑制することができる。

請求項８に記載の発明は、ヒートシンクと、半導体モジュールと、放熱部材と、を備えている。ヒートシンクは、受熱面を有する。半導体モジュールは、金属板、スイッチング素子、および、樹脂体を有する。金属板には、ヒートシンクの受熱面に対向する放熱面が形成されている。スイッチング素子は、金属板の放熱面とは反対側の面に設置され、作動時に発熱する。樹脂体は、スイッチング素子および金属板の少なくとも一部を覆っている。樹脂体には、ヒートシンクの受熱面に対向する対向面が形成されている。放熱部材は、シート状に形成され、ヒートシンクの受熱面と半導体モジュールとの間に挟み込まれるようにして設けられている。放熱部材は、金属板を経由したスイッチング素子の熱をヒートシンクの受熱面に伝達可能である。

本発明では、金属板の放熱面は、樹脂体の対向面よりもヒートシンクの受熱面側へ突出する金属凸部を有している。樹脂体の対向面は、金属凸部の対向面からの突出の高さと略同等の高さでヒートシンクの受熱面側へ突出するとともに金属凸部が間に位置するよう複数形成される樹脂凸部を有している。そして、本発明では、放熱部材は、樹脂凸部および金属凸部に対応する部分が、樹脂凸部および金属凸部とヒートシンクの受熱面との間に挟み込まれている。一般に樹脂の線膨張係数は、金属の線膨張係数に比べて小さい。本発明では、放熱部材が特に複数の樹脂凸部とヒートシンクの受熱面との間に挟み込まれているため、放熱部材は、複数の樹脂凸部によってヒートシンクの受熱面側に安定した状態で押さえ付けられている。これにより、金属板がスイッチング素子の発熱により伸縮を繰り返したとしても、ラチェット現象による放熱部材の面方向の移動を抑制することができる。したがって、放熱部材が、ヒートシンクと半導体モジュールとの間からはみ出ること、および脱落することを抑制することができる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態による電力変換装置を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 図１（Ａ）を矢印ＩＩ方向から見た図。 （Ａ）は本発明の第１実施形態による電力変換装置を示す分解斜視図、（Ｂ）は（Ａ）を矢印Ｂ方向から見た図。 （Ａ）は本発明の第２実施形態による電力変換装置を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 図４（Ａ）を矢印Ｖ方向から見た図。 （Ａ）は本発明の第２実施形態による電力変換装置を示す分解斜視図、（Ｂ）は（Ａ）を矢印Ｂ方向から見た図。 （Ａ）は本発明の第３実施形態による電力変換装置を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 図７（Ａ）を矢印ＶＩＩＩ方向から見た図。 （Ａ）は本発明の第３実施形態による電力変換装置を示す分解斜視図、（Ｂ）は（Ａ）を矢印Ｂ方向から見た図。 （Ａ）は本発明の第４実施形態による電力変換装置を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 図１０（Ａ）を矢印ＸＩ方向から見た図。 （Ａ）は本発明の第４実施形態による電力変換装置を示す分解斜視図、（Ｂ）は（Ａ）を矢印Ｂ方向から見た図。

本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による電力変換装置を図１〜４に示す。なお、図１は電力変換装置１の断面を示すものであるが、記載が煩雑になることを避けるため、図１では、断面ハッチを省略している。

電力変換装置１は、例えば交流電動機と直流電源との間に設けられ、直流電源からの電力を直流から交流に変換し、交流電動機に供給する。電力変換装置１は、ヒートシンク２、半導体モジュール３、放熱部材４等を備えている。
ヒートシンク２は、例えばアルミ等の金属により形成されている。ヒートシンク２は、受熱面２１を有する。ヒートシンク２は、受熱面２１から窪むようにして形成される凹部２１１を有している。本実施形態では、凹部２１１は、図２および図３（Ａ）に示すように、受熱面２１に垂直な方向から見たときの外形が略長方形となるよう形成されている。

半導体モジュール３は、金属板３１、スイッチング素子３２、および、樹脂体３３を有している。
金属板３１は、例えば銅等の熱伝導性の高い金属により形成されている。金属板３１には、ヒートシンク２の受熱面２１に対向する放熱面３１１が形成されている。スイッチング素子３２は、略板状に形成され、金属板３１の放熱面３１１とは反対側の面に設置されている。樹脂体３３は、スイッチング素子３２および金属板３１の一部を覆っている。

本実施形態では、スイッチング素子３２は、金属板３１と接する面以外は樹脂体３３により覆われている。金属板３１は、一部を除き樹脂体３３により覆われている。なお、樹脂体３３には、ヒートシンク２の受熱面２１に対向する対向面３３１が形成されている。

ここで、スイッチング素子３２としては、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体素子を用いることが考えられる。図２に示すように、樹脂体３３には複数の端子３４が埋設されている。端子３４は、スイッチング素子３２または金属板３１に接続されている。端子３４には、スイッチング素子３２をスイッチング制御するための制御信号が流れる。スイッチング素子３２がスイッチング作動を行うとき、スイッチング素子３２には、図示しないバスバーを経由して比較的大きな電流が流れる。そのため、スイッチング素子３２は作動時に熱を発する。金属板３１は、スイッチング素子３２が発する熱を放熱面３１１から放熱可能である。

図１（Ａ）、（Ｂ）、図２、および、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、金属板３１の放熱面３１１には、ヒートシンク２の凹部２１１に対応する位置に凸部３１２が形成されている。凸部３１２は、凹部２１１の形状に対応する形状で受熱面２１側へ突出している。すなわち、凸部３１２は、放熱面３１１に垂直な方向から見たときの外形が略長方形となるよう形成されている。本実施形態では、樹脂体３３は、金属板３１のうち凸部３１２を除く部分を覆っている。つまり、金属板３１は、凸部３１２の一部が対向面３３１よりもヒートシンク２側に突出し樹脂体３３から露出している。

放熱部材４は、略長方形のシート状に形成されている。放熱部材４は、ヒートシンク２の受熱面２１と半導体モジュール３との間に挟み込まれるようにして設けられている。放熱部材４は、例えば、所定の厚みをもつガラス繊維クロスの両面に、窒化ボロンやアルミナ等のフィラーを含むシリコーンゴムを塗布することにより形成されている。これにより、放熱部材４は、比較的高い電気的絶縁性および熱伝導性を有している。また、放熱部材４は、シリコーンゴムを含むため、弾性変形可能である。

本実施形態では、半導体モジュール３は、ヒートシンク２との間に放熱部材４を挟んだ状態で、例えばネジ（図示せず）等の締結部材によりヒートシンク２に固定されている。
また、本実施形態では、図１（Ａ）、（Ｂ）、および図２に示すように、放熱部材４は、ヒートシンク２の凹部２１１および金属板３１の凸部３１２に対応する所定の範囲Ｓ１（図２では斜め格子状の線で網掛けした部分）が、凹部２１１と凸部３１２との間に挟み込まれている。これにより、放熱部材４は、略皿状に変形する（図３（Ａ）参照）とともに凹部２１１を形成する壁面および凸部３１２を形成する壁面に密着する。

また、本実施形態では、図１（Ａ）に示すように、凹部２１１の窪みの深さをｔ１とし、放熱部材４の厚さをｔ２とすると、凹部２１１および放熱部材４は、ｔ１＞ｔ２の関係を満たすよう形成されている。なお、ｔ２は、０＜ｔ２≦０．５（ｍｍ）であることが望ましい。

また、本実施形態では、図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、凹部２１１の長手方向の幅をｗ１、短手方向の幅をｗ２、凸部３１２の長手方向の幅をｗ３、短手方向の幅をｗ４とすると、凹部２１１、凸部３１２および放熱部材４は、「０＜ｗ１−ｗ３≦２×ｔ２」および「０＜ｗ２−ｗ４≦２×ｔ２」の関係を満たすよう形成されている。これにより、放熱部材４の所定の範囲Ｓ１の外縁端の部分は、ヒートシンク２の受熱面２１に対し略垂直な凹部２１１の内壁と、ヒートシンク２の受熱面２１に対し略垂直な凸部３１２の外壁と、に挟まれた状態、あるいは、わずかに押し潰されて収縮した（弾性変形した）状態となっている。

さらに、本実施形態では、図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、放熱部材４の所定の範囲Ｓ１は、放熱部材４が、スイッチング素子３２の板厚方向に対し４５度の角度をなしてスイッチング素子３２の外縁端に接する仮想直線Ｌ１によって切り取られる部分Ｐ１を含む。ここで、スイッチング素子３２が発する熱のうちの多くは、前記部分Ｐ１を経由してヒートシンク２に伝達される。

以上説明したように、本実施形態では、ヒートシンク２の受熱面２１（ヒートシンク２の受熱面２１または金属板３１の放熱面３１１の一方）は、金属板３１の放熱面３１１とは反対側へ窪む凹部２１１を有している。金属板３１の放熱面３１１（受熱面２１または放熱面３１１の他方）は、凹部２１１に対応する位置に、凹部２１１の形状に対応する形状で受熱面２１へ突出する凸部３１２を有している。そして、放熱部材４は、凹部２１１および凸部３１２に対応する所定の範囲Ｓ１が、凹部２１１と凸部３１２との間に挟み込まれている。つまり、放熱部材４の所定の範囲Ｓ１の外縁端の部分は、ヒートシンク２の受熱面２１に対し略垂直な凹部２１１の内壁と、ヒートシンク２の受熱面２１に対し略垂直な凸部３１２の外壁と、に挟まれている。これにより、金属板３１がスイッチング素子３２の発熱により伸縮を繰り返したとしても、ラチェット現象による放熱部材４の面方向の移動を抑制することができる。したがって、放熱部材４が、ヒートシンク２と半導体モジュール３との間からはみ出ること、および脱落することを抑制することができる。

また、本実施形態では、凹部２１１の窪みの深さをｔ１、放熱部材４の厚さをｔ２とすると、凹部２１１および放熱部材４は、ｔ１＞ｔ２の関係を満たすよう形成されている。つまり、放熱部材４の所定の範囲Ｓ１の外縁端の部分は、ヒートシンク２の受熱面２１に対し略垂直で「高さがｔ２（放熱部材４の厚さ）よりも大きいｔ１である」凹部２１１の内壁と、ヒートシンク２の受熱面２１に対し略垂直な凸部３１２の外壁と、に挟まれている。これにより、ラチェット現象による放熱部材４の面方向の移動を抑制する効果をより高めることができる。

また、本実施形態では、凹部２１１および凸部３１２は、双方とも、ヒートシンク２の受熱面２１に垂直な方向から見たときの外形が略長方形となるよう形成されている。そして、凹部２１１の長手方向の幅をｗ１、短手方向の幅をｗ２、凸部３１２の長手方向の幅をｗ３、短手方向の幅をｗ４とすると、凹部２１１、凸部３１２および放熱部材４は、「ｗ１＞ｗ３」および「ｗ２＞ｗ４」、かつ、「ｗ１−ｗ３＜２×ｔ２」および「ｗ２−ｗ４＜２×ｔ２」の関係を満たすよう形成されている。これにより、放熱部材４の所定の範囲Ｓ１の外縁端の部分は、ヒートシンク２の受熱面２１に対し略垂直な凹部２１１の内壁と、ヒートシンク２の受熱面２１に対し略垂直な凸部３１２の外壁と、に挟まれることで、わずかに押し潰されて収縮した（弾性変形した）状態となる。これにより、ラチェット現象による放熱部材４の面方向の移動を抑制する効果をさらに高めることができる。

さらに、本実施形態では、放熱部材４の所定の範囲Ｓ１は、放熱部材４が、スイッチング素子３２の板厚方向に対し４５度の角度をなしてスイッチング素子３２の外縁端に接する仮想直線Ｌ１によって切り取られる部分Ｐ１を含む。本実施形態では、放熱部材４は、凹部２１１と凸部３１２とに挟み込まれることにより、少なくとも所定の範囲Ｓ１は、ラチェット現象による面方向の移動が抑制されている。したがって、スイッチング素子３２の熱を、放熱部材４の特に前記部分Ｐ１を経由して、安定して、かつ、効果的にヒートシンク２に伝達することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による電力変換装置を図４〜６に示す。第２実施形態は、半導体モジュールの樹脂体が凹部を有する点、および、ヒートシンクが凹部を有さず樹脂体の凹部に対応する凸部を有する点で、第１実施形態と異なる。なお、図４は電力変換装置の断面を示すものであるが、記載が煩雑になることを避けるため、図４では、断面ハッチを省略している。

第２実施形態では、半導体モジュール３の樹脂体３３は、対向面３３１から窪むようにして形成される凹部３３２を有している。本実施形態では、凹部３３２は、図５および図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、放熱面３１１に垂直な方向から見たときの形が略直線状となるよう形成されている。

図４（Ｂ）、図５、および、図６（Ａ）に示すように、ヒートシンク２の受熱面２１には、樹脂体３３の凹部３３２に対応する位置に凸部２１２が形成されている。凸部２１２は、凹部３３２の形状に対応する形状で対向面３３１側へ突出している。すなわち、凸部２１２は、受熱面２１に垂直な方向から見たときの形が略直線状となるよう形成されている。

本実施形態では、半導体モジュール３は、第１実施形態と同様、ヒートシンク２との間に放熱部材４を挟んだ状態で、例えばネジ（図示せず）等の締結部材によりヒートシンク２に固定されている。

本実施形態では、図４（Ａ）、（Ｂ）、および図５に示すように、放熱部材４は、樹脂体３３の凹部３３２およびヒートシンク２の凸部２１２に対応する部分Ｐ２（図５では斜め格子状の線で網掛けした部分）が、凹部３３２と凸部２１２との間に挟み込まれている。これにより、放熱部材４は、凸部２１２の形状に対応する形状に変形する（図６（Ａ）参照）とともに凹部３３２を形成する壁面および凸部２１２を形成する壁面に密着する。

なお、本実施形態では、図４（Ａ）、（Ｂ）、および図５に示すように、放熱部材４は、金属板３１の凸部３１２に対応する部分Ｐ３（図５では縦横格子状の線で網掛けした部分）が、ヒートシンク２の受熱面２１と凸部３１２との間に挟み込まれている。

以上説明したように、本実施形態では、樹脂体３３の対向面３３１（ヒートシンク２の受熱面２１または樹脂体３３の対向面３３１の一方）は、ヒートシンク２の受熱面２１とは反対側へ窪む凹部３３２を有している。ヒートシンク２の受熱面２１（受熱面２１または対向面３３１の他方）は、凹部３３２に対応する位置に、凹部３３２の形状に対応する形状で対向面３３１側へ突出する凸部２１２を有している。そして、放熱部材４は、凹部３３２および凸部２１２に対応する部分Ｐ２が、凹部３３２と凸部２１２との間に挟み込まれている。つまり、放熱部材４の前記部分Ｐ２の外縁端は、ヒートシンク２の受熱面２１に対し略垂直な凹部３３２の内壁と、ヒートシンク２の受熱面２１に対し略垂直な凸部２１２の外壁と、に挟まれている。これにより、金属板３１がスイッチング素子３２の発熱により伸縮を繰り返したとしても、ラチェット現象による放熱部材４の面方向の移動を抑制することができる。したがって、放熱部材４が、ヒートシンク２と半導体モジュール３との間からはみ出ること、および脱落することを抑制することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態による電力変換装置を図７〜９に示す。第３実施形態は、樹脂体の凹部およびヒートシンクの凸部の数および形状等が、第２実施形態と異なる。なお、図７は電力変換装置の断面を示すものであるが、記載が煩雑になることを避けるため、図７では、断面ハッチを省略している。

第３実施形態では、半導体モジュール３の樹脂体３３は、対向面３３１から窪むようにして形成される凹部３３３を有している。本実施形態では、図８および図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、凹部３３３は、対向面３３１に４つ形成されている。凹部３３３を形成する内壁の形状は、略円筒状を呈している。

図７（Ａ）、（Ｂ）、図８、および、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ヒートシンク２の受熱面２１には、樹脂体３３の凹部３３３に対応する位置に凸部２１３が形成されている。凸部２１３は、凹部３３３の形状に対応する形状で対向面３３１側へ突出している。すなわち、凸部２１３は、受熱面２１に４つ形成され、略円柱状を呈している。
本実施形態では、放熱部材４は、凸部２１３に対応する位置に穴４１を有している。穴４１は、放熱部材４に４つ形成されている。

本実施形態では、金属板３１の凸部３１２のスイッチング素子３２とは反対側の端面３５は、樹脂体３３の対向面３３１と略同一平面上に位置している。すなわち、金属板３１は、端面３５のみが樹脂体３３から露出している。
また、半導体モジュール３は、第２実施形態と同様、ヒートシンク２との間に放熱部材４を挟んだ状態で、例えばネジ（図示せず）等の締結部材によりヒートシンク２に固定されている。

本実施形態では、図７（Ａ）、（Ｂ）、および図８に示すように、放熱部材４は、凸部２１３が穴４１に挿通し樹脂体３３の凹部３３３に入り込んだ状態でヒートシンク２の受熱面２１と半導体モジュール３との間に挟み込まれている。

以上説明したように、本実施形態では、樹脂体３３の対向面３３１（ヒートシンク２の受熱面２１または樹脂体３３の対向面３３１の一方）は、ヒートシンク２の受熱面２１とは反対側へ窪む複数の凹部３３３を有している。ヒートシンク２の受熱面２１（受熱面２１または対向面３３１の他方）は、凹部３３３に対応する位置に、凹部３３３の形状に対応する形状で対向面３３１側へ突出する複数の凸部２１３を有している。そして、放熱部材４は、凸部２１３に対応する位置に穴４１を有し、凸部２１３が当該穴４１に挿通し凹部３３３に入り込んだ状態でヒートシンク２の受熱面２１と半導体モジュール３との間に挟み込まれている。本実施形態では、放熱部材４は、自身の穴４１に挿通された複数の凸部２１３によって、面方向の移動が規制されている。これにより、金属板３１がスイッチング素子３２の発熱により伸縮を繰り返したとしても、ラチェット現象による放熱部材４の面方向の移動を抑制することができる。したがって、放熱部材４が、ヒートシンク２と半導体モジュール３との間からはみ出ること、および脱落することを抑制することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による電力変換装置を図１０〜１２に示す。第４実施形態は、ヒートシンクが凹部を有しない点、および、樹脂体が凸部を有する点等で、第１実施形態と異なる。なお、図１０は電力変換装置の断面を示すものであるが、記載が煩雑になることを避けるため、図１０では、断面ハッチを省略している。

第４実施形態では、ヒートシンク２には、第１実施形態で示したような凹部２１１は形成されていない。よって、ヒートシンク２の受熱面２１は、平坦である。
また、第４実施形態では、金属板３１の凸部３１２は、特許請求の範囲における「金属凸部」に対応する。すなわち、凸部３１２は、樹脂体３３の対向面３３１よりも受熱面２１側へ突出するよう形成されている。

樹脂体３３の対向面３３１には、凸部３１２の対向面３３１からの突出の高さと略同等の高さで受熱面２１側へ突出する凸部３３４が形成されている。本実施形態では、図１１および図１２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、凸部３３４は、２つ形成され、それぞれ直線状を呈している。また、２つの凸部３３４は、互いに平行となるよう、かつ、間に金属板３１の凸部３１２が位置するよう形成されている。ここで、樹脂体３３の凸部３３４は、特許請求の範囲における「樹脂凸部」に対応する。
上記構成により、凸部３３４の受熱面２１側の端面３６は、金属板３１の凸部３１２の端面３５と略同一平面上に位置している。

半導体モジュール３は、第１実施形態と同様、ヒートシンク２との間に放熱部材４を挟んだ状態で、例えばネジ（図示せず）等の締結部材によりヒートシンク２に固定されている。
本実施形態では、図１０（Ａ）、（Ｂ）、および図１１に示すように、放熱部材４は、樹脂体３３の凸部３３４に対応する部分Ｐ４（図１１では斜め格子状の線で網掛けした部分）が、凸部３３４とヒートシンク２の受熱面２１との間に挟み込まれている。また、放熱部材４は、金属板３１の凸部３１２に対応する部分Ｐ５（図１１では縦横格子状の線で網掛けした部分）が、凸部３１２とヒートシンク２の受熱面２１との間に挟み込まれている。

以上説明したように、本実施形態では、金属板３１の放熱面３１１は、樹脂体３３の対向面３３１よりもヒートシンク２の受熱面２１側へ突出する凸部３１２を有している。樹脂体３３の対向面３３１は、凸部３１２の対向面３３１からの突出の高さと略同等の高さでヒートシンク２の受熱面２１側へ突出するとともに凸部３１２が間に位置するよう複数形成される凸部３３４を有している。そして、放熱部材４は、凸部３３４および凸部３１２に対応する部分Ｐ４および部分Ｐ５が、凸部３３４および凸部３１２とヒートシンク２の受熱面２１との間に挟み込まれている。一般に樹脂の線膨張係数は、金属の線膨張係数に比べて小さい。本実施形態では、放熱部材４が特に複数の凸部３３４（樹脂体３３）とヒートシンク２の受熱面２１との間に挟み込まれているため、放熱部材４は、複数の凸部３３４によってヒートシンク２の受熱面２１側に安定した状態で押さえ付けられている。これにより、金属板３１がスイッチング素子３２の発熱により伸縮を繰り返したとしても、ラチェット現象による放熱部材４の面方向の移動を抑制することができる。したがって、放熱部材４が、ヒートシンク２と半導体モジュール３との間からはみ出ること、および脱落することを抑制することができる。

（他の実施形態）
上述の第１実施形態では、ヒートシンク２が凹部２１１を有し、金属板３１が前記凹部２１１に対応する凸部３１２を有する構成を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、金属板が凹部を有し、ヒートシンクが前記凹部に対応する凸部を有する構成としてもよい。同様に、第２実施形態および第３実施形態において樹脂体に形成される凹部とヒートシンクに形成される凸部とは、形成される部材が逆転した構成であってもよい。

また、上述の第１実施形態では、凹部および放熱部材が、ｔ１＞ｔ２の関係を満たすよう形成される例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、凹部および放熱部材は、ｔ１＞ｔ２の関係を満たさない構成であってもよい。
また、上述の第１実施形態では、凹部、凸部および放熱部材が、「ｗ１＞ｗ３」および「ｗ２＞ｗ４」、かつ、「ｗ１−ｗ３＜２×ｔ２」および「ｗ２−ｗ４＜２×ｔ２」の関係を満たすよう形成される例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、凹部、凸部および放熱部材は、「ｗ１−ｗ３＜２×ｔ２」および「ｗ２−ｗ４＜２×ｔ２」の関係を満たさない構成であってもよい。

さらに、上述の第１実施形態では、放熱部材４の所定の範囲Ｓ１は、放熱部材４が、スイッチング素子３２の板厚方向に対し４５度の角度をなしてスイッチング素子３２の外縁端に接する仮想直線Ｌ１によって切り取られる部分Ｐ１を含む例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、放熱部材の凹部および凸部に対応する所定の範囲は、放熱部材が、スイッチング素子の板厚方向に対し平行でスイッチング素子の外縁端に接する仮想直線によって切り取られる部分を含む構成であってもよい。このような構成であっても、第１実施形態と同様、スイッチング素子の熱を、放熱部材を経由して、安定して、かつ、効果的にヒートシンクに伝達することができる。

上述の複数の実施形態では、金属板３１の凸部３１２の一部が樹脂体３３から露出する構成を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、上述の複数の実施形態の変形例として、金属板３１の凸部３１２が、樹脂体３３から露出せず、すべて樹脂体３３で覆われる構成としてもよい。また、金属板３１の凸部３１２は、樹脂体３３から露出する場合、表面に絶縁材料が蒸着されるような構成であってもよい。

本発明の他の実施形態では、放熱部材は、所定の絶縁性および熱伝導性を確保できるのであれば、いかなる材料により形成されていてもよい。また、放熱部材は、組み付け前の状態にあっては液状であって、組み付け後に硬化するような材料により形成されていてもよい。

本発明は、構成上の阻害要因がない限り、上述の各実施形態同士を組み合わせることができる。
本発明は、交流電動機に限らず、交流の電力により駆動する種々の機器等に適用することができる。
このように、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１ ・・・電力変換装置
２ ・・・ヒートシンク
２１ ・・・受熱面
２１１ ・・・凹部
３ ・・・半導体モジュール
３１ ・・・金属板
３１１ ・・・放熱面
３１２ ・・・凸部
３２ ・・・スイッチング素子
３３ ・・・樹脂体
４ ・・・放熱部材

Claims (8)

1. 受熱面を有するヒートシンクと、
   前記受熱面に対向する放熱面が形成された金属板、当該金属板の前記放熱面とは反対側の面に設置され作動時に発熱するスイッチング素子、ならびに、当該スイッチング素子および前記金属板の少なくとも一部を覆う樹脂体を有する半導体モジュールと、
   前記ヒートシンクの前記受熱面と前記半導体モジュールとの間に挟み込まれるようにして設けられ、前記金属板を経由した前記スイッチング素子の熱を前記受熱面に伝達可能なシート状の放熱部材と、を備え、
   前記受熱面または前記放熱面の一方は、前記受熱面または前記放熱面の他方とは反対側へ窪む凹部を有し、
   前記受熱面または前記放熱面の他方は、前記凹部に対応する位置に、前記凹部の形状に対応する形状で前記一方側へ突出する凸部を有し、
   前記放熱部材は、前記凹部および前記凸部に対応する所定の範囲が前記凹部と前記凸部との間に挟み込まれ、前記所定の範囲以外の少なくとも一部が前記凹部の外側で前記金属板と前記ヒートシンクとに挟まれるようにして設けられていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記凹部の窪みの深さをｔ１、前記放熱部材の厚さをｔ２とすると、
   前記凹部および前記放熱部材は、ｔ１＞ｔ２の関係を満たすよう形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記凹部および前記凸部は、双方とも、前記受熱面に垂直な方向から見たときの外形が略長方形となるよう形成され、
   前記凹部の長手方向の幅をｗ１、短手方向の幅をｗ２、前記凸部の長手方向の幅をｗ３、短手方向の幅をｗ４とすると、
   前記凹部、前記凸部および前記放熱部材は、「０＜ｗ１−ｗ３≦２×ｔ２」および「０＜ｗ２−ｗ４≦２×ｔ２」の関係を満たすよう形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記放熱部材の前記所定の範囲は、少なくとも、前記放熱部材が、前記スイッチング素子の板厚方向に対し平行で前記スイッチング素子の外縁端に接する仮想直線によって切り取られる部分を含む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。
5. 前記放熱部材の前記所定の範囲は、少なくとも、前記放熱部材が、前記スイッチング素子の板厚方向に対し４５度の角度をなして前記スイッチング素子の外縁端に接する仮想直線によって切り取られる部分を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 受熱面を有するヒートシンクと、
   前記受熱面に対向する放熱面が形成された金属板、当該金属板の前記放熱面とは反対側の面に設置され作動時に発熱するスイッチング素子、ならびに、当該スイッチング素子および前記金属板の少なくとも一部を覆うとともに前記受熱面に対向する対向面が形成された樹脂体を有する半導体モジュールと、
   前記ヒートシンクの前記受熱面と前記半導体モジュールとの間に挟み込まれるようにして設けられ、前記金属板を経由した前記スイッチング素子の熱を前記受熱面に伝達可能なシート状の放熱部材と、を備え、
   前記受熱面または前記対向面の一方は、前記受熱面または前記対向面の他方とは反対側へ窪む凹部を有し、
   前記受熱面または前記対向面の他方は、前記凹部に対応する位置に、前記凹部の形状に対応する形状で前記一方側へ突出する凸部を有し、
   前記放熱部材は、前記凹部および前記凸部に対応する所定の範囲が前記凹部と前記凸部との間に挟み込まれ、前記所定の範囲以外の少なくとも一部が前記凹部の外側で前記金属板と前記ヒートシンクとに挟まれるようにして設けられていることを特徴とする電力変換装置。
7. 受熱面を有するヒートシンクと、
   前記受熱面に対向する放熱面が形成された金属板、当該金属板の前記放熱面とは反対側の面に設置され作動時に発熱するスイッチング素子、ならびに、当該スイッチング素子および前記金属板の少なくとも一部を覆うとともに前記受熱面に対向する対向面が形成された樹脂体を有する半導体モジュールと、
   前記ヒートシンクの前記受熱面と前記半導体モジュールとの間に挟み込まれるようにして設けられ、前記金属板を経由した前記スイッチング素子の熱を前記受熱面に伝達可能なシート状の放熱部材と、を備え、
   前記受熱面または前記対向面の一方は、前記受熱面または前記対向面の他方とは反対側へ窪む複数の凹部を有し、
   前記受熱面または前記対向面の他方は、前記凹部に対応する位置に、前記凹部の形状に対応する形状で前記一方側へ突出するよう前記他方と一体に形成される複数の凸部を有し、
   前記放熱部材は、前記凸部に対応する位置に穴を有し、前記凸部が前記穴に挿通し前記凹部に入り込んだ状態で前記受熱面と前記半導体モジュールとの間に挟み込まれていることを特徴とする電力変換装置。
8. 受熱面を有するヒートシンクと、
   前記受熱面に対向する放熱面が形成された金属板、当該金属板の前記放熱面とは反対側の面に設置され作動時に発熱するスイッチング素子、ならびに、当該スイッチング素子および前記金属板の少なくとも一部を覆うとともに前記受熱面に対向する対向面が形成された樹脂体を有する半導体モジュールと、
   前記ヒートシンクの前記受熱面と前記半導体モジュールとの間に挟み込まれるようにして設けられ、前記金属板を経由した前記スイッチング素子の熱を前記受熱面に伝達可能なシート状の放熱部材と、を備え、
   前記放熱面は、前記対向面よりも前記受熱面側へ突出する金属凸部を有し、
   前記対向面は、前記金属凸部の前記対向面からの突出の高さと略同等の高さで前記受熱面側へ突出するとともに前記金属凸部が間に位置するよう複数形成される樹脂凸部を有し、
   前記放熱部材は、前記樹脂凸部および前記金属凸部に対応する部分が、前記樹脂凸部および前記金属凸部と前記受熱面との間に挟み込まれていることを特徴とする電力変換装置。

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