WO2013111261A1 - 電力変換装置及びその製造方法 - Google Patents

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    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/071—Connecting or disconnecting

Definitions

  • the technology disclosed in this specification relates to a power conversion device such as an inverter or a converter and a manufacturing method thereof.
  • a structure in which semiconductor elements having a large heat generation such as IGBTs are integrated separately from other circuits and cooled intensively may be employed.
  • a semiconductor stacked unit is known in which flat semiconductor modules containing semiconductor elements and flat coolers are alternately stacked (for example, Patent Document 1 to Patent Document 3).
  • the semiconductor stacked unit is attached to the frame in a state where pressure is applied in the stacking direction so that heat is transferred from the semiconductor module to the cooler well.
  • the frame is a structure that supports the semiconductor module, and may typically be a case of a power converter.
  • a spring is inserted between one end of the semiconductor module in the stacking direction and a wall or a column provided on the frame.
  • Patent Documents 1 to 3 disclose techniques for improving the efficiency of inserting a compressed spring between a frame wall or a column and a semiconductor module.
  • Patent Document 1 discloses a technique of inserting a clip between a wall of a frame and a semiconductor module after compressing a clip-shaped leaf spring.
  • Each of the techniques of Patent Document 2 and Patent Document 3 employs a spring unit in which a coil spring is sandwiched between two plates.
  • the technology disclosed in Patent Document 2 is as follows. A spring unit is inserted from a slit provided in the wall of the frame, and the spring unit is compressed while pressing the front plate against the semiconductor lamination unit. When the rear plate passes through the slit, the rear plate is rotated 90 degrees. When the force to push the rear plate is loosened, both ends of the rear plate are caught on both sides of the slit, the spring unit applies pressure to the semiconductor multilayer unit, and the semiconductor multilayer unit is fixed.
  • Patent Document 3 The technology disclosed in Patent Document 3 is as follows. With the spring unit compressed, a bolt is inserted from the rear plate, and the bolt is fixed to a screw hole provided on the back surface of the front plate. Thus, a spring unit maintained in a compressed state is obtained. A spring unit maintained in a compressed state is placed between the frame wall and the semiconductor lamination unit. The plate on the rear side of the spring unit is fixed to the frame. Then remove the bolts. When the bolt is removed, the spring is released, the spring unit applies a load to the semiconductor multilayer unit, and the semiconductor multilayer unit is fixed.
  • the spring unit facilitates the assembly work of the semiconductor laminated unit, but there is room for improvement in the techniques of Patent Documents 2 and 3.
  • the plate on the rear side of the spring unit is rotated while pressing the spring unit against the semiconductor laminated unit, so that a torsional force is applied to the semiconductor laminated unit and the rear plate is rotated.
  • the pressure applied to the semiconductor laminated unit becomes non-uniform during and after compression of the spring unit. If the pressure applied to the semiconductor laminated unit is not uniform, the adhesion between the cooler and the semiconductor module may be reduced.
  • the power conversion device includes a semiconductor laminated unit, a frame for attaching the semiconductor laminated unit, and a spring unit.
  • the semiconductor stacked unit is a structure in which flat semiconductor modules containing semiconductor elements and flat coolers are alternately stacked. Opposed walls or pillars are provided on the frame, and a semiconductor laminated unit is fixed between the walls or pillars using a spring unit.
  • the spring unit is mainly composed of first and second plates and a spring sandwiched between them.
  • the first plate is a plate that comes into contact with the end surface of the semiconductor multilayer unit, and is provided with a recess so as to have a gap between the first plate and the end surface of the semiconductor multilayer unit.
  • a 2nd plate is a plate contact
  • the semiconductor stacked unit is placed between opposing walls or columns of the frame, and a spring unit is inserted between one end of the semiconductor stacked unit in the stacking direction and the wall or column provided on the frame.
  • the semiconductor laminated unit is fixed while being pressed by a spring unit.
  • the frame may be a case for housing the semiconductor multilayer unit.
  • the spring is preferably a coil spring, but is not limited thereto.
  • the frame may be provided with opposing walls and pillars, and the semiconductor stacked unit may be fixed between the walls and the pillars.
  • the above power converter is assembled by the following process.
  • a spring pin is compressed by pushing a lock pin having a hook at the tip into the through path from the second plate side.
  • the lock pin has a flange (stopper) in the middle, and the flange pushes the second plate.
  • a hook of the lock pin is hooked on the edge of the through hole opening of the first plate to hold the spring unit in a compressed state. That is, the spring unit is compressed between the flange of the lock pin and the hook.
  • the semiconductor laminated unit is placed on the frame, and a spring unit held in a compressed state is placed between the frame wall or support and the end face of the semiconductor laminated unit.
  • the lock pin is removed to release the spring unit, and pressure is applied to the semiconductor multilayer unit to fix the semiconductor multilayer unit.
  • the spring unit having a through passage opened at the bottom of the depression of the first plate improves the assemblability of the power conversion device.
  • the lock pin passed from the second plate side compresses the spring, and the hook at the tip engages the first plate. Lock pins make the spring unit easily compressed.
  • the tip of the lock pin including the hook fits in the recess of the first plate. Therefore, the first plate can be in contact with the end surface of the semiconductor multilayer unit without the front end of the lock pin interfering.
  • the lock pin is removed, the first plate uniformly applies pressure to the semiconductor stacked unit.
  • the lock pin having a hook at the tip does not require a screw hole and does not generate dust. The above-described technique improves the assemblability of the power conversion device.
  • the novel power conversion device disclosed in this specification is a device including a stacked semiconductor stacked unit, for example, an inverter that supplies power to a motor.
  • a spring unit that supports a semiconductor stacked unit while applying pressure can be easily attached without generating dust. Details of the technology disclosed in this specification and further improvements will be described in the embodiments of the present invention.
  • the power converter of an embodiment is an inverter that supplies AC power to a motor.
  • FIG. 1 is a perspective view of the inverter 2.
  • the inverter 2 includes a semiconductor laminated unit 20 in which power semiconductor elements such as IGBTs and diodes used in a switching circuit are integrated, a circuit for generating PWM for driving the power semiconductor elements, and a circuit for smoothing current. However, the illustration and description thereof are omitted.
  • the inverter 2 uses a large number of power semiconductor elements.
  • a large number of power semiconductor elements are packaged in flat resin molds. Each package is referred to as a semiconductor module 22.
  • the semiconductor lamination unit 20 has a structure in which semiconductor modules 22 and flat plate coolers 21 are alternately laminated. In the semiconductor laminated unit 20 of FIG. 1, six semiconductor modules 22 and seven coolers 21 are alternately laminated. Grease is applied to the contact surface between the semiconductor module 22 and the cooler 21.
  • the coolers 21 are connected to each other by pipes.
  • the refrigerant supplied from the supply pipe 24 passes through each cooler 21 and is discharged from the discharge pipe 23.
  • Each semiconductor module 22 is efficiently cooled from both sides.
  • the semiconductor laminated unit 20 is a laminated structure, it is excellent in compactness.
  • the semiconductor laminated unit 20 is fixed to the frame 12.
  • the frame 12 is further housed in a case (not shown) of the inverter 2.
  • the semiconductor stacked unit 20 is fixed between the opposing wall 14 provided on the frame 12 and the support column 13.
  • a spring unit 6 is used to fix the semiconductor laminated unit 20.
  • the spring unit 6 is inserted between one end face 20 a of the semiconductor multilayer unit 20 and the support column 13 of the frame 12, and applies pressure in the stacking direction to the semiconductor multilayer unit 20.
  • grease is applied to the contact surface between the semiconductor module 22 and the cooler 21.
  • the degree of adhesion between the semiconductor module 22 and the cooler 21 is increased, and the thermal conductivity from the semiconductor module 22 to the cooler 21 is improved. That is, the cooling efficiency is improved by applying pressure in the stacking direction to the semiconductor stacking unit 20.
  • the inverter 2 is characterized by a spring unit 6.
  • FIG. 2 shows a plan view of the inverter 2
  • FIG. 3 shows an exploded perspective view of the spring unit 6.
  • the spring unit 6 is drawn in a cross section cut along the XY plane in the drawing. The same applies to the plan views of FIGS.
  • the spring unit 6 includes two plates (the first plate 5 and the second plate 4) and a coil spring 3 sandwiched between the two plates.
  • the first plate 5 comes into contact with one end face 20 a of the semiconductor stacked unit 20, and the second plate 4 comes into contact with the column 13 fixed to the frame 12.
  • a recess 5 b is provided so as to have a gap with the end surface 20 a of the semiconductor multilayer unit 20.
  • a diameter D (see FIG. 3) of the protrusion 5d corresponding to the recess 5b when viewed from the back surface of the first plate 5 is a size to which the coil spring 3 is fitted.
  • An elliptical hole 5a is provided on the bottom surface of the recess 5b.
  • the second plate 4 is provided with a central hole 4a.
  • the spring unit 6 is formed with a through-passage 9 that passes from the central hole 4a of the second plate 4 through the inside of the coil spring 3 to the elliptical hole 5a of the first plate 5 (see FIGS. 2 and 3).
  • the elliptical hole 5 a of the first plate 5 corresponds to one opening of the through passage 9, and the central hole 4 a of the second plate 3 corresponds to the other opening of the through hole 9.
  • the through passage 9 is provided for passing the lock pin 30 having the hook 33 at the tip.
  • the lock pin 30 is a tool that holds the spring unit 6 in a compressed state. By using the lock pin 30, the load of attaching the spring unit 6 is reduced.
  • the lock pin 30 includes a rod 32 having a hook 33 formed at the tip and a stopper 31 slidably attached to the rod.
  • the stopper 31 can be switched between a state of being fixed to the rod 32 and a state of sliding with respect to the rod 32 by a mechanism (not shown).
  • the shape of the hook 33 is substantially the same as that of the elliptical hole 5 a provided in the first plate 5 of the spring unit 6.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the spring unit 6 before compression.
  • Reference numeral 35 denotes a jig used when the spring unit 6 is compressed.
  • the first plate 5 of the spring unit 6 is applied to the jig 35, and the lock pin 30 is inserted into the through passage 9 from the second plate 4 side.
  • the stopper 31 is larger than the central hole 4a. Therefore, when the lock pin 30 is pushed, the stopper 31 pushes the second plate 4 and the spring unit 6 (coil spring 3) is compressed.
  • FIG. 5 shows a state in which the lock pin 30 is pushed in until the hook 33 of the lock pin 30 passes through the elliptical hole 5 a of the first plate 5.
  • the phantom line in FIG. 5 shows the lock pin in the initial position, the second plate before being pushed in, and a part of the coil spring.
  • the spring unit 6 is compressed to the length L2.
  • the hook 33 is accommodated in a recess 5 b provided in the first plate 5 and does not protrude forward from the first plate 5. That is, by providing the recess 5 b, the hook 33 does not get in the way when the spring unit 6 is brought into contact with the end surface 20 a of the semiconductor stacked unit 20.
  • the length L2 is shorter than the gap width L1 (see FIG. 7) when the semiconductor multilayer unit 20 is placed on the frame 12.
  • the right side of FIG. 5 is a view of the first plate 5 viewed from the X direction.
  • the hook 33 and the elliptical hole 5a appear to overlap.
  • FIG. 6 shows a state where the lock pin 30 is rotated 90 degrees.
  • the hook 33 is caught on the edge of the elliptical hole 5 a of the first plate 5, and the lock pin 30 cannot be removed. That is, the spring unit 6 is held in a compressed state.
  • This step is a step of arranging the semiconductor laminated unit 20 and the compressed spring unit 6 on the frame 12.
  • FIG. 7 shows a plan view when the semiconductor laminated unit 20 and the spring unit 6 are arranged on the frame 12.
  • the semiconductor stacked unit 20 is disposed between the wall 14 of the frame 12 and the support column 13.
  • the spring unit 6 is inserted between the semiconductor stacked unit 20 and the support column 13.
  • the length L2 of the compressed spring unit 6 is shorter than the gap width L1 between the end surface 20a of the semiconductor stacked unit 20 and the support column 13, the spring unit 6 can be easily inserted.
  • This step is a step of removing the lock pin 30 to release the spring unit 6 and applying pressure to the semiconductor multilayer unit 20 to fix the semiconductor multilayer unit 20 to the frame 12.
  • the stopper 31 of the lock pin 30 can slide with respect to the rod 32. First, the stopper 31 is released from the rod 32. Then, the stopper 31 is pushed back by the coil spring 3 via the second plate 4.
  • FIG. 8 shows a state where the spring unit 6 is released. As shown in FIG. 8, the stopper 31 is retracted compared to FIG. Note that a damper is incorporated in the stopper 31, and the stopper 31 is pushed backward by the coil spring 3. As the stopper 31 moves backward, the second plate 4 also moves backward.
  • the semiconductor stacked unit 20 When the second plate 4 comes into contact with the support 13, the semiconductor stacked unit 20 receives pressure by the spring unit 6 between the support 13 and the wall 14. Finally, the rod 32 is reversed 90 degrees, the hook 33 is disengaged, and the lock pin 30 is removed from the spring unit 6 (see FIG. 8). Thus, the semiconductor stacked unit 20 is fixed to the frame 12.
  • the spring unit 6 that applies pressure to the semiconductor stacked unit 20 has a recess 5 b and an elliptical hole 5 a in the first plate 5 that contacts the semiconductor stacked unit 20.
  • the spring unit 6 can be held in a compressed state by the lock pin 30 without the hook 33 coming out from the front of the first plate 5. Therefore, the spring unit 6 can be inserted between the support 13 and the semiconductor stacked unit 20 while the compressed state is maintained by the lock pin 30.
  • the first plate 5 uniformly presses the semiconductor multilayer unit 20 by releasing the lock of the spring unit 6. Can do. Therefore, the semiconductor module 22 and the cooler 21 can be uniformly adhered.
  • the fact that the stopper 31 of the lock pin 30 includes a damper also contributes to pressing the semiconductor multilayer unit 20 uniformly. Transient pressure when the spring is released can be absorbed (by the stopper incorporating the damper being pushed back slowly by the coil spring), and the cooler and structure (grease) are not damaged.
  • the lock pin 30 can be used repeatedly.
  • the spring unit 6 uses the lock pin 30 having the hook 33 without using bolts or screws to maintain the compressed state. If bolts are used, dust may be generated when the bolts are removed from the screw holes. Since the technology of the embodiment does not use bolts or screws, generation of dust can be suppressed.
  • FIG. 9 shows a perspective view of an inverter 2a (power converter) of a modification.
  • the case 112 corresponds to a frame.
  • Three slits 112 a and 112 b are provided on one side surface of the case 112.
  • the slit 112b is a slit for guiding the refrigerant supply pipe 24 and the discharge pipe 23 to the outside of the case.
  • the slit 112 a is provided to secure a space for the lock pin inserted through the spring unit 6 when the semiconductor laminated unit 20 is attached.
  • the side edge of the slit 112a corresponds to the column 13 in the inverter 2 of FIG.
  • the second plate 4 is locked to the side edge of the slit 112a.
  • the inverter 2a has the same effect as the inverter 2 described above.
  • FIG. 10 shows a perspective view of an inverter 2b (power converter) of another modification.
  • the inverter 2b corresponds to the inverter 2 in FIG. 1 in which the frame 12 is replaced with the case 112.
  • the spring unit 6 is inserted between one end surface 20 a of the semiconductor stacked unit 20 and the support column 13.
  • Case 112 corresponds to a frame.
  • Three slits 112 a and 112 b are provided on one side surface of the case 112.
  • the slit 112b is a slit for guiding the refrigerant supply pipe 24 and the discharge pipe 23 to the outside of the case.
  • the slit 112 a is provided to secure a space for removing the lock pin inserted through the spring unit 6 when the semiconductor stacked unit 20 is attached.
  • the inverter 2b has the same effect as the inverter 2 described above.
  • the spring unit 6 of the example employs the coil spring 3.
  • the spring used for the spring unit 6 is not limited to a coil spring.
  • a leaf spring having a hole in the center may be used.
  • the central hole corresponds to the opening of the through passage that penetrates the spring unit.
  • the inverters 2 and 2a in the embodiment correspond to an example of a power converter.
  • the technology disclosed in the present specification can also be applied to another type of power conversion device such as a voltage converter.

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Abstract

　組み立て性の良い電力変換装置を提供する。　電力変換装置２は、半導体積層ユニット２０と、半導体積層ユニット２０を取り付けるフレーム１２と、スプリングユニット６を備える。半導体積層ユニット２０は、半導体モジュール２２と冷却器２１が交互に積層した構造を有している。スプリングユニット６は、半導体積層ユニット２０の積層方向の一端２０ａと、フレーム１２に設けられた支柱１３との間に嵌挿され、半導体積層ユニット２０に圧力を加えつつこれを固定する。スプリングユニット６は、第１プレート５、第２プレート４、及び、第１と第２プレートの間に挟まれているコイルスプリング３を備える。第１プレート５には、半導体積層ユニットの端面２０ａとの間に隙間を有するように窪み５ｂが設けられている。スプリングユニット６には、窪み５ｂの底面を通りスプリングユニット全体を貫通する貫通路が設けられている。

Description

電力変換装置及びその製造方法
　本明細書が開示する技術は、インバータやコンバータなどの電力変換装置とその製造方法に関する。
　モータに電力を供給するインバータや電圧を変換する電圧コンバータでは、ＩＧＢＴなどの発熱量の大きい半導体素子を他の回路とは別に集積し、集中的に冷却する構造が採用されることがある。そのような集積構造の一つに、半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと平板型の冷却器を交互に積層した半導体積層ユニットが知られている（例えば特許文献１－特許文献３）。
　半導体モジュールから冷却器へ熱が良く伝達するように、半導体積層ユニットは、積層方向に圧力が加えられた状態でフレームに取り付けられる。ここで、フレームとは、半導体モジュールを支持する構造体であり、典型的には電力変換装置のケースでよい。半導体モジュールに圧力を加えるため、半導体モジュールの積層方向の一端と、フレームに設けられた壁又は支柱との間にスプリングが嵌挿される。フレームの壁又は支柱と半導体モジュールとの間に圧縮されたスプリングを挿入する作業の効率を向上する技術が特許文献１－特許文献３に開示されている。
　特許文献１は、クリップ状の板バネを圧縮させた後、フレームの壁と半導体モジュールとの間にそのクリップを挿入する技術を開示している。特許文献２と特許文献３の技術はいずれも、コイルスプリングを２枚のプレートで挟んだスプリングユニットを採用している。特許文献２が開示する技術は次の通りである。フレームの壁に設けられたスリットからスプリングユニットを挿入し、前側のプレートを半導体積層ユニットに押し当てながらスプリングユニットを圧縮する。後側のプレートがスリットを通過したら、後側のプレートを９０度回転させる。後側のプレートを押す力を緩めると、後側のプレートの両端がスリットの両サイドに引っ掛かり、スプリングユニットが半導体積層ユニットに圧力を加え、半導体積層ユニットが固定される。特許文献３が開示する技術は次の通りである。スプリングユニットを圧縮させた状態で後端のプレートからボルトを差し込み、前側のプレートの裏面に設けられたねじ孔にそのボルトを止める。そうして、圧縮状態に維持されたスプリングユニットが得られる。フレームの壁と半導体積層ユニットの間に圧縮状態に維持されたスプリングユニットを置く。スプリングユニットの後側のプレートがフレームに固定される。次いでボルトを外す。ボルトを外すとスプリングが解放され、スプリングユニットが半導体積層ユニットに荷重を加え、半導体積層ユニットが固定される。
特開２０１１－１６７０２８号公報 特開２０１１－２０００５７号公報 特開２０１１－２１１７７１号公報
　スプリングユニットは半導体積層ユニットの組立作業を容易にするが、特許文献２や３の技術にも改善の余地がある。例えば、特許文献１の技術は、半導体積層ユニットにスプリングユニットを押し付けながら、スプリングユニット後側のプレートを回転させるため、半導体積層ユニットに対してねじれ力が加わり、後側のプレートを回転させている間、及びスプリングユニットの圧縮後に、半導体積層ユニットに加わる圧力が不均一となる虞がある。半導体積層ユニットに加わる圧力が不均一となると、冷却器と半導体モジュールとの密着性が低下する虞がある。また、特許文献３の技術は、ボルトを使うため、ボルトをネジ穴から外した際に塵埃が発生し、半導体積層ユニットを汚してしまう虞がある。特許文献２や３に開示された技術は、そのような事に配慮しなければならず。組立性が高くはない。本明細書は、電力変換装置の組み立て性を従来よりも改善する技術を提供する。
　本明細書が開示する技術の一態様は、電力変換装置を提供する。その電力変換装置は、半導体積層ユニットと、半導体積層ユニットを取り付けるためのフレームと、スプリングユニットを備えている。半導体積層ユニットは、半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと平板型の冷却器が交互に積層した構造体である。フレームには対向する壁又は支柱が設けられており、その壁又は支柱の間に、スプリングユニットを使って半導体積層ユニットが固定される。スプリングユニットは、主として、第１及び第２プレートと、それらの間に挟まれるスプリングで構成される。第１プレートは、半導体積層ユニットの端面に当接するプレートであって半導体積層ユニットの端面との間に隙間を有するように窪みが設けられている。第２プレートは、フレームの壁又は支柱に当接するプレートである。半導体積層ユニットはフレームの対向する壁又は支柱の間に置かれ、半導体積層ユニットの積層方向の一端と、フレームに設けられた壁又は支柱との間にスプリングユニットが嵌挿される。半導体積層ユニットはスプリングユニットにより加圧されつつ固定される。前述したようにフレームは、半導体積層ユニットを収めるケースであってよい。また、スプリングはコイルスプリングであることが好ましいが、それに限られるものではない。フレームには、対向する壁と支柱が設けられており、半導体積層ユニットはその壁と支柱の間で固定されるものであってもよい。
　上記の電力変換装置は、次の工程により組み立てられる。まず、先端にフックを有するロックピンを第２プレート側から貫通路に押し込んでスプリングユニットを圧縮する。なお、ロックピンは途中にフランジ（ストッパ）を有しており、そのフランジが第２プレートを押す。ロックピンの先端が第１プレートの貫通路開口を通った後、第１プレートの貫通路開口の縁にロックピンのフックを引っ掛けてスプリングユニットを圧縮状態に保持する。即ち、スプリングユニットは、ロックピンのフランジとフックの間で圧縮される。次に、半導体積層ユニットをフレーム上に置くとともに、フレームの壁又は支柱と半導体積層ユニットの端面との間に、圧縮状態に保持されたスプリングユニットを置く。最後に、ロックピンを外してスプリングユニットを解放し、半導体積層ユニットに圧力を加え、半導体積層ユニットを固定する。
　本明細書が開示する新規な電力変換装置では、第１プレートの窪みの底に開口した貫通路を有するスプリングユニットが、電力変換装置の組み立て性を改善する。第２プレート側から通されたロックピンは、スプリングを圧縮し、先端のフックが第１プレートを係止する。ロックピンがスプリングユニットを簡単に圧縮状態にする。フックを含むロックピンの先端は、第１プレートの窪みに収まる。それゆえ、ロックピンの先端が邪魔をすることなく、第１プレートは半導体積層ユニットの端面に接することができる。ロックピンを外すと、第１プレートが均一に半導体積層ユニットに圧力を加える。さらに、先端にフックを有するロックピンは、特許文献３のボルトと異なり、ネジ穴を必要とせず、塵埃を発生させない。上記した技術は、電力変換装置の組み立て性を向上させる。
　本明細書が開示する新規な電力変換装置は、積層型の半導体積層ユニットを備えるデバイスであり、例えば、モータに電力を供給するインバータである。本明細書が開示する技術によれば、半導体積層ユニットに圧力を加えつつ支持するスプリングユニットを簡単に、しかも塵埃を出すことなく、取り付けることができる。本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。
電力変換装置の斜視図である。 電力変換装置の平面図である。 スプリングユニットの分解図である。 スプリングユニットの断面図である（圧縮前）。 スプリングユニットの断面図である（圧縮状態）。 スプリングユニットの断面図である（ロック状態）。 半導体積層ユニットとスプリングユニットをフレームにセットした状態を示す。 スプリング解放した状態を示す。 変形例の電力変換装置の斜視図である。 別の変形例の電力変換装置の斜視図である。
　図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、モータに交流電力を供給するインバータである。図１に、インバータ２の斜視図を示す。なお、インバータ２は、スイッチング回路に用いられるＩＧＢＴやダイオードなどのパワー半導体素子を集積した半導体積層ユニット２０のほか、パワー半導体素子を駆動するためのＰＷＭを発生する回路や、電流を平滑化する回路、ケースなどを有するが、それらの図示と説明は省略する。
　パワー半導体素子は発熱量が大きいため、他の回路部品とは別に集積され、集中して冷却される。インバータ２は、多数のパワー半導体素子を使う。多数のパワー半導体素子は、数個ずつ、平板型の樹脂モールドにパッケージされる。一つ一つのパッケージを半導体モジュール２２と称する。半導体積層ユニット２０は、半導体モジュール２２と平板型の冷却器２１を交互に積層した構造を有している。図１の半導体積層ユニット２０では、６個の半導体モジュール２２と７個の冷却器２１が交互に積層されている。半導体モジュール２２と冷却器２１の当接面には、グリスが塗布されている。冷却器２１は、パイプで相互に接続されている。供給管２４から供給される冷媒が各冷却器２１を通り、排出管２３から排出される。各半導体モジュール２２は、その両面から効率よく冷却される。また、半導体積層ユニット２０は、積層構造であるからコンパクト性に優れる。
　半導体積層ユニット２０は、フレーム１２に固定される。フレーム１２は、さらに、インバータ２のケース（不図示）に収納される。半導体積層ユニット２０は、フレーム１２に設けられた対向する壁１４と支柱１３の間に固定される。半導体積層ユニット２０の固定には、スプリングユニット６が用いられる。スプリングユニット６は、半導体積層ユニット２０の一方の端面２０ａとフレーム１２の支柱１３との間に挿入され、半導体積層ユニット２０にその積層方向の圧力を加える。前述したように、半導体モジュール２２と冷却器２１の当接面にはグリスが塗布されている。半導体積層ユニット２０に圧力を加えることで、半導体モジュール２２と冷却器２１の密着度が高まり、半導体モジュール２２から冷却器２１への熱伝導性が向上する。即ち、半導体積層ユニット２０に積層方向の圧力を加えることで、冷却効率の向上を図っている。
　インバータ２は、スプリングユニット６に特徴がある。図２に、インバータ２の平面図を示し、図３にスプリングユニット６の分解斜視図を示す。なお、図２では、スプリングユニット６を図中のＸＹ平面で切断した断面で描いてある。図４から図８の平面図でも同様である。スプリングユニット６は、２枚のプレート（第１プレート５と第２プレート４）と、２枚のプレートの間に挟まれるコイルスプリング３で構成される。第１プレート５が半導体積層ユニット２０の一方の端面２０ａに当接し、第２プレート４がフレーム１２に固定された支柱１３に当接する。第１プレート５の略中央には、半導体積層ユニット２０の端面２０ａとの間に隙間を有するように窪み５ｂが設けられている。第１プレート５の裏面から見たときの窪み５ｂに相当する突出部５ｄの径Ｄ（図３参照）は、コイルスプリング３が嵌る大きさである。窪み５ｂの底面に楕円孔５ａが設けられている。他方、第２プレート４には中央孔４ａが設けられている。スプリングユニット６には、第２プレート４の中央孔４ａからコイルスプリング３の内側を通り、第１プレート５の楕円孔５ａに抜ける貫通路９が形成されている（図２、図３参照）。第１プレート５の楕円孔５ａが貫通路９の一方の開口に相当し、第２プレート３の中央孔４ａが貫通孔９の他方の開口に相当する。図３に示すように、貫通路９は、先端にフック３３を有するロックピン３０を通すために設けられている。ロックピン３０は、スプリングユニット６を圧縮状態に保持するツールである。ロックピン３０を用いることで、スプリングユニット６の取り付け作業の負荷が軽減される。次に、ロックピン３０を使ったインバータ２の組立工程（半導体積層ユニット２０の取り付け工程）を説明する。
　ロックピン３０は、先端にフック３３が形成されたロッド３２と、ロッドにスライド可能に取り付けられているストッパ３１で構成されている。ストッパ３１は、図示しない機構により、ロッド３２に固定される状態と、ロッド３２に対してスライドする状態を切り換えることができる。フック３３の形状は、スプリングユニット６の第１プレート５に設けられた楕円孔５ａとほぼ同じ形状である。
　（第１工程）この工程は、ロックピン３０を第２プレート側から貫通路９に挿入し、スプリングユニット６を圧縮し、第１プレート５の貫通路開口（楕円孔５ａ）の縁にロックピン３０のフック３３を引っ掛けてスプリングユニット６を圧縮状態に保持する工程である。図４に、圧縮前のスプリングユニット６の断面図を示す。符号３５は、スプリングユニット６を圧縮させる際に用いる治具を示している。スプリングユニット６の第１プレート５を治具３５に当て、ロックピン３０を第２プレート４の側から貫通路９に挿入する。ストッパ３１は、中央孔４ａよりも大きく、それゆえ、ロックピン３０を押し込むと、ストッパ３１が第２プレート４を押し進め、スプリングユニット６（コイルスプリング３）が圧縮される。
　図５は、ロックピン３０のフック３３が第１プレート５の楕円孔５ａを通過するまでロックピン３０を押し込んだ状態を示している。図５の仮想線は、初期位置のロックピンと、押し込まれる前の第２プレートとコイルスプリングの一部を示している。この状態でスプリングユニット６は長さＬ２まで圧縮される。図５に示すように、フック３３は、第１プレート５に設けられた窪み５ｂに収まり、第１プレート５よりも前へ突出しない。即ち、窪み５ｂを備えることによって、スプリングユニット６を半導体積層ユニット２０の端面２０ａに当接させたときに、フック３３が邪魔になることがない。なお、この長さＬ２は、半導体積層ユニット２０をフレーム１２に載置したときの隙間幅Ｌ１（図７参照）よりも短い。図５の右側の図は、第１プレート５をＸ方向から見た図である。フック３３と楕円孔５ａが重なって見える。
　次に、ロックピン３０を回転させる。図６に、ロックピン３０を９０度回転させた状態を示す。図６の右側の図に示すように、フック３３が第１プレート５の楕円孔５ａの縁に引っ掛かり、ロックピン３０は抜けなくなる。即ち、スプリングユニット６が圧縮状態に保持される。
　（第２工程）この工程は、半導体積層ユニット２０と圧縮状態のスプリングユニット６をフレーム１２に配置する工程である。図７に、半導体積層ユニット２０とスプリングユニット６をフレーム１２に配置したときの平面図を示す。半導体積層ユニット２０は、フレーム１２の壁１４と支柱１３の間に配置される。次いで、半導体積層ユニット２０と支柱１３との間にスプリングユニット６を挿入する。前述したように、圧縮されたスプリングユニット６の長さＬ２は、半導体積層ユニット２０の端面２０ａと支柱１３との間の隙間幅Ｌ１よりも短いので、スプリングユニット６を簡単に挿入できる。
　（第３工程）この工程は、ロックピン３０を外してスプリングユニット６を解放し、半導体積層ユニット２０に圧力を加え、半導体積層ユニット２０をフレーム１２に固定する工程である。前述したように、ロックピン３０のストッパ３１は、ロッド３２に対してスライドすることができる。まず、ストッパ３１をロッド３２から解放する。そうすると、ストッパ３１は、第２プレート４を介してコイルスプリング３に押されて後退する。図８に、スプリングユニット６を解放した状態を示す。図８に示すように、図７と比較するとストッパ３１が後退している。なお、ストッパ３１にはダンパが組み込まれており、ストッパ３１は、コイルスプリング３に押されてゆっくり後退する。ストッパ３１の後退とともに第２プレート４も後退する。第２プレート４が支柱１３に当接すると、半導体積層ユニット２０は、支柱１３と壁１４の間でスプリングユニット６によって圧力を受ける。最後に、ロッド３２を９０度逆転させ、フック３３の係合を解き、スプリングユニット６からロックピン３０を抜く（図８参照）。こうして、半導体積層ユニット２０はフレーム１２に固定される。
　実施例のインバータ２（電力変換装置）とその製造方法の利点を説明する。半導体積層ユニット２０に圧力を加えるスプリングユニット６は、半導体積層ユニット２０に当接する第１プレート５に窪み５ｂと楕円孔５ａを有している。窪み５ｂを設けることによって、フック３３が第１プレート５よりも前へ出ることなくロックピン３０でスプリングユニット６を圧縮状態に保持できる。それゆえ、ロックピン３０によって圧縮状態を保持したまま、スプリングユニット６を支柱１３と半導体積層ユニット２０の間に挿入できる。さらに、圧縮されたスプリングユニット６を半導体積層ユニット２０の端面２０ａに対向するように配置した後に、スプリングユニット６のロックを解除することによって、第１プレート５が半導体積層ユニット２０を均一に圧することができる。それゆえ、半導体モジュール２２と冷却器２１を均一に密着させることができる。なお、ロックピン３０のストッパ３１がダンパを備えていることも、半導体積層ユニット２０を均一に押圧することに寄与する。（ダンパが組み込まれたストッパがコイルスプリングに押されてゆっくり後退することにより、）スプリング開放時の過渡圧力を吸収することができ、冷却器、構造物（グリス）にダメージを与えない。また、ロックピン３０は繰り返し使用することができる。
　また、スプリングユニット６は、圧縮状態を保持するのにボルトやネジを使わず、フック３３を有するロックピン３０を用いる。ボルトを使うとネジ穴からボルトを外す際に塵埃が出る虞がある。実施例の技術は、ボルトやネジを使わないので塵埃の発生を抑制することができる。
　次に、変形例を説明する。図９に変形例のインバータ２ａ（電力変換装置）の斜視図を示す。インバータ２ａでは、ケース１１２がフレームに相当する。ケース１１２の一つの側面に３つのスリット１１２ａ、１１２ｂが設けられている。スリット１１２ｂは、冷媒の供給管２４と排出管２３をケース外へ導くためのスリットである。スリット１１２ａは、半導体積層ユニット２０を取り付ける際に、スプリングユニット６に挿通されたロックピンのためスペースを確保するために設けられている。図９によく示されているように、スリット１１２ａの側縁が、図１のインバータ２における支柱１３に相当する。スリット１１２ａの側縁に、第２プレート４が係止される。インバータ２ａも前述のインバータ２と同様の効果を奏する。
　図１０に、他の変形例のインバータ２ｂ（電力変換装置）の斜視図を示す。インバータ２ｂは、図１のインバータ２においてフレーム１２をケース１１２に置き換えたものに相当する。スプリングユニット６は、半導体積層ユニット２０の一方の端面２０ａと、支柱１３の間に挿入されている。ケース１１２がフレームに相当する。ケース１１２の一つの側面に３つのスリット１１２ａ、１１２ｂが設けられている。スリット１１２ｂは、冷媒の供給管２４と排出管２３をケース外へ導くためのスリットである。スリット１１２ａは、半導体積層ユニット２０を取り付ける際に、スプリングユニット６に挿通されたロックピンを抜くためのスペースを確保するために設けられている。インバータ２ｂも前述のインバータ２と同様の効果を奏する。
　実施例の技術に関する留意点を述べる。実施例のスプリングユニット６は、コイルスプリング３を採用した。スプリングユニット６に用いるスプリングは、コイルスプリングに限られない。例えば中央に孔を有する板バネであってもよい。中央の孔がスプリングユニットを貫通する貫通路の開口に相当する。実施例のインバータ２、２ａは、電力変換装置の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、電圧コンバータなど、別のタイプの電力変換装置に適用することもできる。
　本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して詳細に説明した。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、開示された追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された電力変換装置とその製造方法を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。
　また、上記の詳細な説明で開示された特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属請求項に記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。
　本明細書及び／又は請求の範囲に記載された全ての特徴は、実施例及び／又は請求の範囲に記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびに請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびに請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。
　以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許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。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (4)

  1. 　半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと平板型の冷却器が交互に積層した半導体積層ユニットと、
    　半導体積層ユニットを取り付けるためのフレームと、
    　半導体積層ユニットの積層方向の一端と、フレームに設けられた壁又は支柱との間に嵌挿されており、半導体積層ユニットに圧力を加えるスプリングユニットと、を備えており、
    　前記スプリングユニットは、
    　半導体積層ユニットの端面に当接するとともに、半導体積層ユニットの端面との間に隙間を有するように窪みが設けられている第１プレートと、
    　フレームの壁又は支柱に当接する第２プレートと、
    　第１及び第２プレートの間に挟まれているスプリングと、
    を備えているとともに、
    　前記窪みの底面を通りスプリングユニット全体を貫通する貫通路が設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 　前記フレームは、半導体積層ユニットを収めるケースであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記スプリングはコイルスプリングであ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。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置の製造方法であり、
    　先端にフックを有するロックピンを第２プレート側から貫通路に挿入し、スプリングユニットを圧縮し、第１プレートの貫通路開口の縁にロックピンのフックを引っ掛けてスプリングユニットを圧縮状態に保持し、
    　半導体積層ユニットをフレーム上に置くとともに、フレームの壁又は支柱と半導体積層ユニットの端面との間に、圧縮状態に保持されたスプリングユニットを置き、
    　ロックピンを外してスプリングユニットを解放し、半導体積層ユニットに圧力を加え、半導体積層ユニットを固定する、
    ことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
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