本発明は、電力用半導体素子を用いた電力機器に関する。

近年、エンジンとバッテリの両方で駆動するハイブリッド自動車(Hybrid Vehicle,HV)が開発されている。また、家庭用電源などの外部電源から駆動用バッテリを直接充電するプラグインハイブリッド自動車(Plug−in Hybrid Vehicle,PHV)も開発されている。PHVは、外部電源の電圧を駆動用バッテリの充電用の電圧に変換する車載充電器、いわゆるOBC(On Board Charger)を搭載している。

一般に、OBCなどの電力機器は複数個の電力用半導体素子を有している。電力用半導体素子は使用時の通電により発熱するため、個々の電力用半導体素子を電力機器の筐体に固定することで放熱している。

従来の電力機器は、要部を組み立てるとき、まず、筐体に電力用半導体素子を配列する。このとき、櫛形冶具の櫛歯間に電力用半導体素子を配置することで電力用半導体素子を位置決めし、位置決めした状態で個々の電力用半導体素子を筐体にネジ止めする。次いで、電力用半導体素子から櫛形冶具を抜き取る。次いで、電力用半導体素子の端子を電子回路基板の貫通孔に通して半田付けする。

従来の電力機器は、ネジの締結時に電力用半導体素子が回転するため、電力用半導体素子の端子の位置が電子回路基板の貫通孔の位置からずれて、組立不良が発生する問題がある。また、電力用半導体素子の回転により電力用半導体素子が冶具の櫛歯と噛み合い、冶具の抜き取りに強い力を要する。このため、冶具の抜き取りの勢いが強まり、冶具が電力用半導体素子の端子に接触して端子を破損させる問題がある。

これに対し、特許文献1の半導体装置は、まず、ディスクリート半導体の端子を樹脂部材の貫通孔に挿入し、挿入した状態でディスクリート半導体と樹脂部材をケースに固定する。次いで、ケースの上にプリント基板を載せることで、ディスクリート半導体の端子をプリント基板の取り付け孔に挿入する。これにより、従来の位置決め冶具を不要にしつつ、ディスクリート半導体の端子をプリント基板の取り付け孔に簡単に挿入できるようにしている。

特開2006−135710号公報

特許文献1の半導体装置は、ディスクリート半導体の端子を樹脂部材の貫通孔に挿入した状態で個々のディスクリート半導体をネジ止めする構造である。この構造では、樹脂部材の貫通孔によりディスクリート半導体の端子は位置決めされるものの、ディスクリート半導体の本体部は位置決めされない。このため、ネジの締結によるディスクリート半導体の回転を十分に抑制することができず、回転により端子に負荷がかかり端子が破損する課題があった。

また、一般に、複数個の電力用半導体素子を近接して配置することで、筐体内の空間を有効に利用して電力機器を小型にすることができる。しかしながら、電力用半導体素子間の間隔が狭すぎると、互いに隣接する電力用半導体素子が電気的に導通して設計通りに動作しなくなる。特許文献1の構造では、ディスクリート半導体の本体部は位置決めされないため、ディスクリート半導体の回転により互いに隣接するディスクリート半導体間の間隔が不安定になる課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、位置決め用の冶具を不要にするとともに、電力用半導体素子の端子を位置決めすることができ、かつ、電力用半導体素子の本体部を位置決めすることができる電力機器を提供することを目的とする。

本発明の電力機器は、裏面が電力機器本体の筐体と対向し、かつ、表面が電子回路基板と対向して配置されたモールド部品と、モールド部品の裏面に設けた複数個の凹部と、それぞれの凹部に1つずつ配置されて筐体に当接した電力用半導体素子と、を備え、電力用半導体素子の端子は、凹部の底部を貫通した第1孔部に通されて電子回路基板と電気的に接続しており、電力用半導体素子の本体部は凹部の両側部に当接して当該両側部に設けられたリブが潰れることにより位置決めされており、電力用半導体素子の端子は第1孔部により位置決めされているものである。

本発明の電力機器は、位置決め用の冶具を不要にするとともに、第1孔部により電力用半導体素子の端子を位置決めすることができ、かつ、モールド部品の凹部により電力用半導体素子の本体部を位置決めすることができる。

本発明の実施の形態1に係る電力機器の要部を分解した状態を示す斜視図である。

本発明の実施の形態1に係るモールド部品及び電力用半導体素子を示す斜視図である。

本発明の実施の形態1に係るモールド部品に電力用半導体素子を配置した状態を示す平面図である。

図3に示すA−A’線に沿う断面図である。

本発明の実施の形態1に係る他のモールド部品を示す断面図である。

本発明の実施の形態1に係る他のモールド部品に電力用半導体素子を配置した状態を示す平面図である。

本発明の実施の形態2に係る電力機器の要部を分解した状態を示す斜視図である。

本発明の実施の形態2に係るモールド部品及び電力用半導体素子を示す斜視図である。

実施の形態1. 図1は、電力機器100の要部を分解した状態を示す斜視図である。図2は、モールド部品1及び電力用半導体素子2を示す斜視図である。図3は、モールド部品1に電力用半導体素子2を配置した状態を示す平面図である。図4は、図3に示すA−A’線に沿う断面図である。図1〜図4を参照して、実施の形態1の電力機器100について説明する。

図中、1はモールド部品である。モールド部品1は略板状であり、表面11に複数個の凸部12が形成されている。凸部12は、例えば、間隔を設けて互いに対向した2個の略半円柱状の突起を有しており、半径方向に拡縮自在なスナップフィット型の凸部である。図1〜図4は、モールド部品1の端部に3個の凸部12を配置した例を示している。

モールド部品1は、複数個の第2孔部13が貫通している。図1〜図4は、12個の第2孔部13を設けた例を示している。図4に示す如く、第2孔部13は、モールド部品1の表面11側から裏面14側に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状である。

モールド部品1の裏面14には、複数個の凹部15が設けられている。図1〜図4は、モールド部品1の一辺に沿って4個の凹部15を一定間隔で配列し、かつ、対向する他辺に沿って7個の凹部15を一定間隔で配列した例を示している。それぞれの凹部15の側部には、3個のリブ16が凸設されている。それぞれの凹部15の底部には、1個の開口部17が開口し、3個の第1孔部18が穿たれている。図4に示す如く、第1孔部18は当該孔部の高さ方向の略中央部からモールド部品1の表面11側に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状を有し、かつ、当該孔部の高さ方向の略中央部からモールド部品1の裏面14側に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状を有している。

それぞれの凹部15に、電力用半導体素子2が配置されている。電力用半導体素子2は、例えば、ダイオード、トランジスタ又はMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などである。電力用半導体素子2の本体部21はネジ穴22が貫通し、モールド部品1に組み付けた状態で開口部17と連通している。また、電力用半導体素子2は3本の端子23を有しており、それぞれL字状に折り曲げられている。

それぞれの凹部15は、本体部21の形状に合わせた四角形状であり、本体部21よりも外形が僅かに大きく形成されている。電力用半導体素子2を凹部15に押し込むときにリブ16が潰れることで、本体部21が凹部15に保持されている。また、互いに隣接する凹部15間の間隔は、電力用半導体素子2を電気的に絶縁する値に設定されている。すなわち、電力用半導体素子2の本体部21は凹部15により位置決めされている。

また、第1孔部18は端子23の位置に合わせて配置されており、それぞれの端子23が第1孔部18に通されている。すなわち、電力用半導体素子2の端子23は第1孔部18により位置決めされている。モールド部品1の表面11から突出した端子23の長さは、凸部12の高さよりも小さい値に設定されている。モールド部品1及び電力用半導体素子2により、素子ユニット3が構成されている。

筐体4は外形が略直方体の箱状であり、6面のうちの少なくとも1面が開口している。筐体4の内部には、筐体4の外部と連通した冷却管部41が形成されている。冷却管部41は、管内に冷却水を流すことで筐体4を冷却するものである。冷却管部41には、筐体4の開口部と対向した平面部42が形成されている。

筐体4の内部には、モールド部品1に配置した電力用半導体素子2とは別に、変圧器などの電子部品43が収容されている。電子部品43は、筐体4の開口部に向けて延伸した複数本の端子44を有している。図1〜図4は、2個の電子部品43を収容して、合計12本の端子44を設けた例を示している。

素子ユニット3は、電子部品43の端子44をモールド部品1の第2孔部13に通した状態で、電力用半導体素子2のネジ穴22及びモールド部品1の開口部17を貫通した図示しないネジにより平面部42に固定されている。このとき、モールド部品1の裏面14が筐体4と対向し、電力用半導体素子2の本体部21が平面部42に当接した状態で固定する。これにより、電力用半導体素子2の通電による発熱を筐体4に放熱することができる。また、モールド部品1の表面11から突出した端子44の長さは、凸部12の高さよりも小さい値に設定されている。

モールド部品1の表面11と対向して、電子回路基板5が配置されている。電子回路基板5は、第1孔部18の位置に合わせて配置した複数個の第1貫通孔51を有している。電力用半導体素子2の端子23の先端部は、第1貫通孔51に通した状態で半田付けされている。また、電子回路基板5は、第2孔部13の位置に合わせて配置した複数個の第2貫通孔52を有している。電子部品43の端子44の先端部は、第2貫通孔52に通した状態で半田付けされている。

電子回路基板5の端部には、孔部53及び切欠き部54が設けられている。モールド部品1の凸部12が孔部53又は切欠き部54にそれぞれ嵌合することで、素子ユニット3に対して電子回路基板5が位置決めされている。このようにして、電力機器100が構成されている。

電力機器100は、例えば、PHVの車両に搭載されている。電力機器100は、電子回路基板5に実装された電力用半導体素子2及び電子部品43を用いて、外部電源の電圧をPHVの駆動用バッテリの充電用の電圧に変換する機能を果たすものである。すなわち、電力機器100によりOBCが構成されている。

次に、電力機器100の要部の組立方法及び効果について説明する。 まず、電力用半導体素子2の端子23をモールド部品1の第1孔部18に通し、本体部21を凹部15に押し込むことで、素子ユニット3を組み立てる。このとき、第1孔部18は中央部からモールド部品1の裏面14側に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状であるため、電力用半導体素子2の端子23を誘うガイドの機能を果たす。この結果、端子23の折れなどの破損を防ぐことができる。また、凹部15の外形が本体部21よりも僅かに大きく形成されているため、電力用半導体素子2のパッケージサイズのばらつきを吸収することができる。さらに、凹部15内のリブ16が潰れて電力用半導体素子2を保持するため、図1に示す如くモールド部品1の裏面14を鉛直下向きにした状態で、電力用半導体素子2が凹部15から脱落するのを防ぐことができる。

次いで、筐体4に予め収容した電子部品43の端子44を、モールド部品1の第2孔部13に通す。このとき、第2孔部13がモールド部品1の表面11側から裏面14側に向かうにつれて次第に広がる形状であるため、電子部品43の端子44を誘うガイドの機能を果たす。この結果、端子44の折れなどの破損を防ぐことができる。

次いで、筐体4に素子ユニット3をネジ止めする。このとき、電力用半導体素子2の端子23が第1孔部18により位置決めされ、かつ、電力用半導体素子2の本体部21が凹部15により位置決めされているため、ネジの締結に伴う電力用半導体素子2の回転を抑制することができる。この結果、電力用半導体素子2の回転により端子23が破損するのを防ぐことができ、互いに隣接する電力用半導体素子2間の絶縁間隔を保つことができる。

次いで、モールド部品1の凸部12を電子回路基板5の孔部53及び切欠き部54に嵌合させて、電力用半導体素子2の端子23を電子回路基板5の第1貫通孔51に通し、電子部品43の端子44を第2貫通孔52に通す。このとき、凸部12の嵌合によりモールド部品1に対して電子回路基板5が位置決めされるため、端子23,44の折れなどの破損を防ぐことができる。

次いで、端子23,44の先端部を電子回路基板5に半田付けする。これにより、端子23,44が電子回路基板5に電気的に接続されて、電力用半導体素子2及び電子部品43が電子回路基板5に実装される。このとき、特に電子回路基板5と素子ユニット3間の間隔が小さい場合、熔融した半田が電力用半導体素子2の端子23を伝ってモールド部品1の表面11まで流れ落ち、表面11に沿う半田により端子23間が電気的に導通することがある。これに対し、第1孔部18を中央部からモールド部品1の表面11に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状にすることで、流れ落ちた半田を受ける半田受け部が形成され、端子23間が意図せず導通するのを防ぐことができる。

なお、電力機器100は、電子回路基板5を配置した後に、素子ユニット3を筐体4にネジ止めするものであっても良い。電子回路基板5は、電力用半導体素子2のネジ穴22の位置に合わせて配置した複数個の第3貫通孔55を有しており、第3貫通孔55にドライバなどの工具を通してネジを締結することができる。なお、素子ユニット3を筐体4にネジ止めした後に電子回路基板5を配置する場合、電子回路基板5の第3貫通孔55は不要である。

また、電力用半導体素子2の個数は11個に限定されるものではない。電力機器100の機能及び性能などに応じて、如何なる個数の電力用半導体素子2を用いたものでも良い。同様に、電子部品43の個数も2個に限定されるものではなく、如何なる個数の電子部品43を用いたものでも良い。また、電子部品43の端子44の本数は12本に限定されるものではなく、第2孔部13の個数も12個に限定されるものではない。

また、電力用半導体素子2を凹部15に保持する構造は、リブ16に限定されるものではない。例えば、リブ16に代えて、凹部15の両側部に設けられて電力用半導体素子2の端子23を掛止する爪部を設けたものであっても良い。

また、図5に示す如く、第1孔部18は、中央部からモールド部品1の表面11に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状でなくとも良い。特に、電子回路基板5と素子ユニット3間の間隔が十分に大きい場合は、熔融した半田がモールド部品1の表面11まで流れ落ちる可能性は低く、半田受け部は不要である。この場合、モールド部品1の形状を簡単にして、より容易に成形することができる。

また、モールド部品1の凸部12は、スナップフィット型の形状に限定されるものではない。孔部53又は切欠き部54に嵌合する形状であれば良く、例えばモールド部品の表面11に円柱状のボスを立設したものであっても良い。

また、凹部15の形状は、電力用半導体素子2の本体部21を位置決めできるものであれば良く、図2及び図3に示す電力用半導体素子2を囲む形状に限定されるものではない。例えば、図6に示す如く、本体部21の両側部の一部のみに当接する形状であっても良い。

また、電力機器100は、OBCに限定されるものではない。例えば、車両に搭載した駆動用バッテリと補機バッテリ間の電圧を変換する降圧/降圧コンバータ、いわゆるSDC(Super Down Converter)でも良い。または、OBCとSDCを一体にした機器でも良い。また、電力機器100は車載用の機器に限定されるものではなく、電力用半導体素子2を用いたものであれば如何なる機器にも用いることができる。

以上のように、実施の形態1の電力機器100は、裏面14が電力機器100本体の筐体4と対向し、かつ、表面11が電子回路基板5と対向して配置されたモールド部品1と、モールド部品1の裏面14に設けた複数個の凹部15と、それぞれの凹部15に配置されて筐体4に当接した電力用半導体素子2とを備える。電力用半導体素子2の端子23は、凹部15の底部を貫通した第1孔部18に通されて電子回路基板5と電気的に接続している。第1孔部18により電力用半導体素子2の端子23を位置決めすることができ、かつ、凹部15により電力用半導体素子2の本体部21を位置決めすることができる。この結果、ネジの締結による本体部21の回転を抑制して、端子23の破損を防ぎ、互いに隣接する電力用半導体素子2間の絶縁間隔を保つことができる。

また、凹部15は、電力用半導体素子2を保持するリブ16を設けている。リブ16が潰れて電力用半導体素子2を保持する構造により、凹部15の外形を本体部21よりも大きくして、電力用半導体素子2のパッケージサイズのばらつきを吸収することができる。また、電力機器100の組立時にモールド部品1の裏面14を鉛直下向きにした状態で、電力用半導体素子2が凹部15から脱落するのを防ぐことができる。

また、モールド部品1は、筐体4に収容された電子部品43の端子44を通した第2孔部13を有する。第2孔部13により、電子部品43の端子44をより精度よく位置決めすることができ、端子44の折れなどの破損を防ぐことができる。

また、モールド部品1の表面11に凸部12を設けている。電子回路基板5は、電子回路基板5に設けた孔部53又は切欠き部54に凸部12が嵌ることで位置決めされている。モールド部品1に対して電子回路基板5を位置決めすることで、端子23,44の折れなどの破損を防ぐことができる。

また、第1孔部18は、中央部からモールド部品1の表面11側に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状を有する。電力用半導体素子2の端子23を伝って流れ落ちた半田の受け部を形成することで、表面11に沿う半田により端子23間が意図せず導通するのを防ぐことができる。

実施の形態2. 図7は、電力機器100の要部を分解した状態を示す斜視図である。図8は、モールド部品1及び電力用半導体素子2を示す斜視図である。図7及び図8を参照して、実施の形態1と異なる組立方法に対応した電力機器100について説明する。なお、図7及び図8において、図1〜図6に示す実施の形態1の電力機器100と同様の構成部材には同一符号を付して説明を省略する。

図7に示す如く、電子回路基板5は、電力用半導体素子2のネジ穴22の位置に合わせて配置した複数個の第3貫通孔55を有している。

図8に示す如く、モールド部品1の凹部15は、図1〜図6に示すリブ16を有していない。また、モールド部品1の第1孔部18は、図5に示した例と同様に、中央部からモールド部品1の裏面14に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状のみを有し、中央部からモールド部品1の表面11に向かうにつれて次第に広がる円錐台形状を有していない。このようにして、電力機器100が構成されている。

次に、電力機器100の要部の組立方法について説明する。 まず、モールド部品1の裏面14を鉛直上向きにした状態で、電力用半導体素子2を凹部15に配置することで素子ユニット3を組み立てる。このとき、裏面14を鉛直上向きにしているため、電力用半導体素子2が自重で凹部15から脱落することはなく、凹部15内のリブは不要である。

次いで、裏面14を鉛直上向きにしたまま、モールド部品1の凸部12を電子回路基板5の孔部53及び切欠き部54に嵌合し、電力用半導体素子2の端子23を第1貫通孔51に通す。この状態で、いわゆる「フロー方式」により端子23の先端部を半田付けする。このとき、裏面14を鉛直上向きにした状態でフロー方式により半田付けするため、熔融した半田が端子23に沿ってモールド部品1の表面11まで流れ落ちることがない。このため、第1孔部18の半田受け部は不要である。

次いで、素子ユニット3と電子回路基板5を一体にした部材を裏返し、筐体4に予め収容した電子部品43の端子44を第2孔部13及び第2貫通孔52に通す。次いで、素子ユニット3を筐体4の平面部42にネジ止めする。このとき、電子回路基板5の第3貫通孔55にドライバなどの工具を通してネジを締結する。次いで、電子部品43の端子44の先端部を電子回路基板5に半田付けする。

以上のように、実施の形態2の電力機器100は、素子ユニット3及び電子回路基板5を先に組み立てて、筐体4に後から取り付ける組立方法に対応することができる。実施の形態1の組立方法又は実施の形態2の組立方法のいずれかを任意に選択することで、電力機器100の製造設備を有効に利用することができる。また、実施の形態2のモールド部品1は実施の形態1のモールド部品1よりも形状が簡単であり、より容易に成形することができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

1 モールド部品、2 電力用半導体素子、3 素子ユニット、4 筐体、5 電子回路基板、11 表面、12 凸部、13 第2孔部、14 裏面、15 凹部、16 リブ、17 開口部、18 第1孔部、21 本体部、22 ネジ穴、23 端子、41 冷却管部、42 平面部、43 電子部品、44 端子、51 第1貫通孔、52 第2貫通孔、53 孔部、54 切欠き部、55 第3貫通孔、100 電力機器。