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JP2014072938A - 電力変換装置 - Google Patents

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JP2014072938A JP2012215456A JP2012215456A JP2014072938A JP 2014072938 A JP2014072938 A JP 2014072938A JP 2012215456 A JP2012215456 A JP 2012215456A JP 2012215456 A JP2012215456 A JP 2012215456A JP 2014072938 A JP2014072938 A JP 2014072938A
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Abstract

【課題】電力変換装置の更なる組立性の向上を図ることである。
【解決手段】パワー半導体モジュールと、第1流路を形成する第1流路形成体と、第2流路を形成する第2流路形成体と、前記第2流路形成体を搭載する第1ベース板と、駆動回路基板と、ケースと、を備え、前記駆動回路基板は、前記駆動回路の搭載面が前記第2流路形成体の側壁と対向するように配置され、前記第2流路形成体は、前記パワー半導体モジュールを収納する収納空間を形成し、さらに前記第2流路形成体は、前記収納空間と繋がる挿入口を前記駆動回路の搭載面と対向する前記側壁に形成し、前記パワー半導体モジュールは、前記挿入口を通って前記駆動回路基板と接続される制御端子を有し、前記第1流路形成体は前記ケースに固定される電力変換装置。
【選択図】図7

Description

本発明は直流電力を交流電力に変換しあるいは交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に係り、特にハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる電力変換装置に係る。
ハイブリッド自動車又は電気自動車の小型化とともに、これらに用いられる電力変換装置の小型化が求められている。また、電力変換装置の小型化と組立性の向上の両立を図ることが求められている。つまり、電力変換装置内に、電力変換装置の組み立てるための工具等を挿入するためのスペースを確保すること等は、電力変換装置の小型化に逆行することになる。
特許文献1には、パワー半導体モジュール及びコンデンサモジュールを電力変換装置に組み込んだ後に、パワー半導体モジュールの端子とコンデンサモジュールの端子を溶接により接続したり、ドライバ回路基板とパワー半導体モジュールとを半田材により接続するとが記載されている。
しかしながら、電力変換装置の更なる組立性の向上が求められている。
特開2011−217550号公報
そこで本発明の課題は、電力変換装置の更なる組立性の向上を図ることである。
本発明に係る電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールと、冷却冷媒を流す第1流路を形成する第1流路形成体と、冷却冷媒を流す第2流路を形成する第2流路形成体と、前記第2流路形成体を搭載する第1ベース板と、前記パワー半導体素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路を搭載した駆動回路基板と、前記パワー半導体モジュールと前記第1流路形成体と前記第2流路形成体と前記第1ベース板と前記駆動回路基板を収納するケースと、を備え、前記駆動回路基板は、前記駆動回路の搭載面が前記第2流路形成体の側壁と対向するように配置され、前記第2流路形成体は、前記パワー半導体モジュールを収納する収納空間を形成し、さらに前記第2流路形成体は、前記収納空間と繋がる挿入口を前記駆動回路の搭載面と対向する前記側壁に形成し、前記パワー半導体モジュールは、前記挿入口を通って前記駆動回路基板と接続される制御端子を有し、前記第1流路形成体は前記ケースに固定され、さらに前記第1流路形成体は前記第1流路と繋がる開口部を形成し、記第1ベース板は、前記開口部を塞ぐとともに前記第1流路形成体に接続され、さらに前記第1ベース板は、前記第1流路と前記第2流路を繋ぐ第1貫通孔を形成する。
本発明により、電力変換装置の組立性を向上することができる。
本実施形態に係る電力変換装置100の外観斜視図である。 本実施形態に係る電力変換装置100の分解斜視図である。 図2に示された第1流路形成体110とカバー107との間に配置された電気部品の拡大斜視図である。 図2に示された第1ベース板400と第2流路形成体401の拡大斜視図である。 図4の矢印A方向から見た第1ベース板400の外観斜視図である。 ケース101及び第1流路形成体110の外観斜視図である。 ケース101に第1ベース板400等を収納する工程を示す外観斜視図である。 図1に示された電力変換装置100のカバー107及びカバー108を取り除いたB面の矢印方向から見た断面図である。 図1に示された電力変換装置100のカバー107及びカバー108を取り除いたC面の矢印方向から見た断面図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
図1は、本実施形態に係る電力変換装置100の外観斜視図である。
ケース101は、後述するパワー半導体モジュール300U等を収納する。出口配管103は、冷却冷媒を電力変換装置100の外部へ排出する。出口配管103は、ケース側面101Aの高さ方向における真ん中周辺に配置される。入口配管102(図2参照)は、ケース側面101Aとは反対側に形成されたケース側面101Bの高さ方向における真ん中周辺に配置される。入口配管102は、冷却冷媒を電力変換装置100の内部へ導入する。
ケース101は、ケース側面101Cに開口部105を形成する。交流バスバー104U、交流バスバー104V及び交流バスバー104Wは、この開口部105を経由して、ケース101の内部からケース101の外部に突出する。交流バスバー104UはU相の交流電流を伝達する導体部材であり、交流バスバー104VはV相の交流電流を伝達する導体部材であり、交流バスバー104WはW相の交流電流を伝達する導体部材である。
さらにケース101は、ケース側面101Aに開口部106を形成する。この開口部106は、交流バスバー104Uと他の導体との接続部、交流バスバー104Vと他の導体との接続部及び交流バスバー104Wと他の導体との接続部と対向する位置に形成される。これにより、作業者や作業ロボットが、この開口部106を介して、交流バスバーと他の導体との接続作業を行うことができる。
カバー107は、ケース101の上部に形成された第1挿入口109(図2参照)を塞ぐ。第1挿入口109は、後述するパワー半導体モジュール300U等を収納するために形成される。
カバー108は、ケース101の下部に形成された第2挿入口(不図示)を塞ぐ。第2挿入口は、後述するDCDCコンバータ900を収納するために形成される。
本実施形態に係る電力変換装置100は、主にハイブリッド自動車や電気自動車に用いられるものである。その車両システムの一例は、特開2011−217550号公報に記載されている。なお、本実施形態に係る電力変換装置100は、その効果を達成するために他の用途に用いられてもよい。例えば生産性向上や冷却性能向上を目的とした冷蔵庫やエアコンの家電用インバータに用いられてもよい。また使用環境が車両用インバータと類似した産業機器用インバータに用いられてもよい。
図2は、本実施形態に係る電力変換装置100の分解斜視図である。
第1流路形成体110は、ケース101の高さ方向における真ん中周辺に配置される。第1流路形成体110は、入口配管102及び出口配管103と接続される。
第1流路形成体110とカバー107との間には、第1ベース板400と第2流路形成体401とパワー半導体モジュール300Uないし300Wとコンデンサモジュール500と駆動回路基板200と制御回路基板600等が配置される。
後述されるパワー半導体モジュール300Uないし300Wは、直流電流を交流電流に変換する。後述されるコンデンサモジュール500は、直流電圧を平滑化する。駆動回路基板200は、パワー半導体モジュール300Uないし300Wを駆動する駆動信号を出力する駆動回路を搭載する。制御回路基板600は、駆動回路基板200にパワー半導体モジュール300Uないし300Wを制御するための制御信号を出力する制御回路を搭載する。これらの回路システムの一例は、特開2011−217550号公報に記載されている。
第1流路形成体110とカバー108との間には、DCDCコンバータ900が配置される。DCDCコンバータ900は、直流電圧を変換する。このDCDCコンバータ900の回路システムの一例は、特許公報4643695号に記載されている。図1にて説示された開口部106は、カバー111に塞がれる。
図3は、図2に示された第1流路形成体110とカバー107との間に配置された電気部品の拡大斜視図である。図4は、図2に示された第1ベース板400と第2流路形成体401の拡大斜視図である。
第2流路形成体401は、第1ベース板400に搭載される。これら第2流路形成体401及び第1ベース板400は、生産性や熱伝導性を向上させるために一体に形成されていてもよい。図4に示されるように、第2流路形成体401は、パワー半導体モジュール300Uないし300Wを収納する収納空間402を形成する。また第2流路形成体401は、側壁401Aに、収納空間402と繋がる挿入口403を形成する。本実施形態において、この収納空間402は、冷却冷媒を流すための流路として機能する。
この挿入口403は、本実施形態においては、パワー半導体モジュール300Uないし300Wの3つを挿入するための1つの挿入口であるが、複数のパワー半導体モジュール毎に設けてもよい。
第1ベース板400は、コンデンサモジュール500を固定するための複数の支持部材404を有する。コンデンサモジュール500は、複数の支持部材404により第1ベース板400に熱的に接続された状態で固定される。これにより、コンデンサモジュール500にて発生した熱が第1ベース板400に伝達され、コンデンサモジュール500を冷却することができる。
図3に示されるように、第2ベース板601は、制御回路基板600を搭載する。第2ベース板601は、第1ベース板400から延びる支持部材405Aと接続される固定部601Aを有する。これにより制御回路基板600等が固定部601Aと支持部材405Aを介して第1ベース板400により冷却される。
また第2ベース板601は、第3ベース板602を支持する。この第3ベース板602は、第2ベース板601における制御回路基板600の搭載面とは垂直方向であって第1ベース板400の配置方向に向かって突出する。
駆動回路基板200は、第3ベース板602のパワー半導体モジュール300Uないし300Wが配置された側の面に搭載される。これにより駆動回路基板200は、第3ベース板602及び第2ベース板601により冷却される。
また第2ベース板601は、第2流路形成体401延びる支持部材405Bと接続される固定部601Bを有する。これにより第2ベース板601は、第2流路形成体401と固定部601Bを介して熱的に接続されるため、制御回路基板600又は駆動回路基板200の冷却性能の向上を図ることができる。
また第2ベース板601と第3ベース板602がアルミニウム等の電気伝導性の高い材料で構成される。そして図1に説示したケース101がアルミニウム等の電気伝導性の高い材料で構成される。第2ベース板601は、ケース101と直接接続される固定部601Cを有する。さらに制御回路基板600は、第2ベース板601を挟んでパワー半導体モジュール300Uないし300Wとは反対側に配置される。
これにより、パワー半導体モジュール300Uないし300Wや駆動回路基板200から放射される電磁ノイズを固定部601C等を介してグランドに流すことできるので、制御回路基板600を電磁ノイズから保護することができる。
本実施形態においては、駆動回路基板200は、駆動回路の搭載面が第2流路形成体401の側壁401Aと対向するように配置される。パワー半導体モジュール300Uないし300Wは、挿入口403を通って駆動回路基板200と接続される制御端子325を有する。本実施形態においては、制御端子325と駆動回路基板200との接続作業は、パワー半導体モジュール300Uないし300Wと駆動回路基板200をケース101に搭載する前に行なわれる。
なお第3ベース板602は、制御端子325と駆動回路基板200との接続部201と対向する位置に形成された開口部603を形成する。これにより、第3ベース板602の電磁ノイズの除去効果と接続作業性の向上を図ることができる。
電流センサ202は、電流センサ202に形成された貫通孔が交流バスバー104Uないし104Wによって貫通されるように配置される。
図2に示されるように、コンデンサモジュール500は、直流正極端子501の一部と直流負極端子502の一部を封止する樹脂封止体503を有する。図3に示されるように、樹脂封止体503は、この樹脂封止体503の一面が第2流路形成体401の一面に接触する。これにより、樹脂封止体503が冷却されるとともに直流正極端子501及び直流負極端子502も冷却される。
図5は、図4の矢印A方向から見た第1ベース板400の外観斜視図である。第1ベース板400は、収納空間402と繋がる第1貫通孔406を形成する。また、第1ベース板400は、収納空間402と繋がる第2貫通孔407を形成する。
図6は、ケース101及び第1流路形成体110の外観斜視図である。
本実施形態においては、第1流路形成体110は、ケース101に一体的に形成されている。例えば、ケース101及び第1流路形成体110が鋳造により製作される。これにより、締結材(ボルト等)が無くなることにより、重量の低減にも効果がある。また、ケース101と第1流路形成体110との熱伝導が良好になり、電力変換装置100全体の冷却性性能が向上する。
第1流路形成体110は、入口配管102と繋がる流路112aを形成する。この流路112aは、図5で示された第1貫通孔406と繋がるように形成される。また第1流路形成体110は、隔壁113を挟んで流路112aの側部に流路112bを形成する。この流路112bは、図5で示された第2貫通孔407と繋がるように形成される。さらに第1流路形成体110は、流路112bと繋がるとともに出口配管103と繋がる流路112cを形成する。流路112cは、流路112cに流れる冷媒の流れ方向が流路112aと流路112bに流れる冷媒の流れ方向と反対になるように形成される。
流路112a、流路112b及び流路112cは、後述する第1ベース板400によって塞がれる開口部と繋がっている。
図7は、ケース101に第1ベース板400等を収納する工程を示す外観斜視図である。図8は、図1に示された電力変換装置100のカバー107及びカバー108を取り除いたB面の矢印方向から見た断面図である。図9は、図1に示された電力変換装置100のカバー107及びカバー108を取り除いたC面の矢印方向から見た断面図である。
図7に示されるように、パワー半導体モジュール300U等を実装した第1ベース板400は、第1流路形成体110に配置され、第1流路形成体110に接続される。
図8に示されるように、第1ベース板400は、流路112aと繋がる開口と、流路112bと繋がる開口と、流路112cと繋がる開口と、を塞ぐように第1流路形成体110に固定される。これにより、第1ベース板400は、冷却冷媒と直接接触することになる。
図8に示されるように、冷却冷媒は、流路112aを通って、冷媒の流れ114に示されるように、第2流路形成体401の収納空間402に流れる。冷却冷媒が、パワー半導体モジュール300Uないし300Wを冷却した後、冷媒の流れ115に示されるように、収納空間402から流路112bに流れる。
パワー半導体モジュール300Uないし300Wは、収納空間402内に納まる冷却部と収納空間402の外に突出する電気接続部から構成される。構造上、パワー半導体モジュール300Uないし300Wは、電気接続部の突出方向がパワー半導体モジュール300Uないし300Wの寸法を決める主要因となる。このため、電力変換装置100の高さ方向を小さくするためには、パワー半導体モジュールの向きを十分に考慮する必要がある。また、電力変換装置100の組立時は、電力変換装置100のケース101の開口部より、パワー半導体モジュールやその他の部品を組込み、ねじ締め・溶接・半田付け等の作業を行うが、開口部から深い位置(ケース101の底面に近い位置)の作業がしにくい。
そこで、第1流路成形体110と第2流路成形体401が分離して構成され、第2流路成形体401が第1ベース板400と接続される。さらに第2流路成形体401が第1ベース板400に、パワー半導体モジュール300Uないし300W等の主要電気部品を組み込み、接続作業をケース101内ではなく、ケース101の外で行なう。そして、主要電気部品が組み込まれた第1ベース板400を第2流路成形体401に固定する。
これにより、組立時、電力変換装置100の外壁、つまりケース101の壁がない為、作業の方向性が無くなり、設計および組立て性の自由度が向上する。また、パワー半導体モジュール300Uないし300Wの電気的接続の方向も自由度が向上するため、パワー半導体モジュール300Uないし300Wは、パワー半導体モジュール300Uないし300Wの電気接続部の突出方向がケース101の内壁に向かうように配置することができる。これにより、電力変換装置100の高さ方向を小さくすることができるようになる。
また、コンデンサモジュール500を組込み、ねじ締め、溶接、半田付け等の電気部分の締結作業およびコンデンサモジュール500自体の固定作業を行うが、ケース101の開口部から深い位置の作業がしにくい構造となっている。
そこで本実施形態においては、図8及び図9に示されるように、コンデンサモジュール500は、第1ベース板400上に配置される。コンデンサモジュール組立時に、第1ベース板400に組込むことにより、ケース101の壁がない為、作業の方向性が無くなり、ねじ締めおよび溶接等の組立て性の自由度が向上する。
また図9示されるコンデンサ素子505は、コンデンサ側端子504を介して、高出力のパワー半導体モジュールからくる熱の煽りを受けて、コンデンサ素子505の性能の低下等を招くおそれがある。
そこで、第2流路形成体110は、流路112aや流路112cがコンデンサモジュール500と対向する位置まで形成される。これにより、コンデンサモジュール500が冷却をされることが可能となり、コンデンサ素子505の所望の性能および寿命を向上させることが可能となる。
また本実施形態において、コンデンサモジュール500は、コンデンサ側端子504の一部とコンデンサ素子505を収納するコンデンサケース506を備える。コンデンサケース506は、コンデンサ側端子505が突出するコンデンサ側開口部507と形成する。さらにコンデンサケース506は、コンデンサ側開口部507が、パワー半導体モジュールを収納する第1流路形成体110と対向するように、第1ベース板400に配置される。
これにより、パワー半導体モジュールと接続されるコンデンサ側端子505の配線距離が、短くすることができ、インダクタンスの低減やコンデンサ側端子505自体の発熱を抑制することができる。
また本実施形態において、パワー半導体モジュール300Vは、パワー半導体モジュール300Wを挟んで第1ベース板400と対向する位置に配置され、パワー半導体モジュール300Vと第2パワー半導体モジュール300Wとの間に、冷却冷媒を流すための流路空間116aが形成される。また、パワー半導体モジュール300Uは、パワー半導体モジュール300V及びパワー半導体モジュール300Wを挟んで第1ベース板400と対向する位置に配置され、パワー半導体モジュール300Uと第2パワー半導体モジュール300Vとの間に、冷却冷媒を流すための流路空間116bが形成される。
これにより、パワー半導体モジュール300Uないし300Wに冷媒を直接接触させることができるとともに、冷媒が各パワー半導体モジュールの両面を流れるので、パワー半導体モジュール300Uないし300Wの冷却性能を向上させることができる。
また本実施形態において、ケース101は、第1流路形成体110によって第1収納空間117と第2収納空間118に分けられる。主要電気部品が搭載された第1ベース板400は、第1収納空間117に収納される、一方、DCDCコンバータ900を構成する回路部品は、第2収納空間118に収納されるとともに第1流路形成体110上に配置される。
これにより、インバータ回路が第1流路形成体110の一方の面により冷却され、DCDCコンバータが第1流路形成体110の一方の面により冷却され、第1流路形成体110の冷却面積を有効に利用することができ、装置全体の小型化に繋がる。
また本実施形態において、金属製の第2ベース板601は、パワー半導体モジュール300Uないし300Wを挟んで第1ベース400と対向する位置に配置される。さらに第2ベース板601は、金属製のケース101と接続される固定部601Cを有する。また制御回路基板600は、第2ベース板601を挟んでパワー半導体モジュール300Uないし300Wと対向する位置に配置される。これにより第2ベース板601は、パワー半導体モジュール300Uないし300Wから放射される電磁ノイズを遮蔽し、制御回路基板600を電磁ノイズから保護することができる。
100…電力変換装置、101…ケース、101A…ケース側面、101B…ケース側面、101C…ケース側面、102…入口配管、103…出口配管、104U…交流バスバー、104V…交流バスバー、104W…交流バスバー、105…開口部、106…開口部、107…カバー、108…カバー、109…第1挿入口、110…第1流路形成体、111…カバー、112a…流路、112b…流路、112c…流路、113…隔壁、114…冷媒の流れ、115…冷媒の流れ、116a…流路空間、116b…流路空間、200…駆動回路基板、201…接続部、202…電流センサ、300U…パワー半導体モジュール、300V…パワー半導体モジュール、300W…パワー半導体モジュール、325…制御端子、400…第1ベース板、401…第2流路形成体、401A…側壁、402…収納空間、403…挿入口、404…支持部材、405A…支持部材、405B…支持部材、406…第1貫通孔、407…第2貫通孔、500…コンデンサモジュール、501…直流正極端子、502…直流負極端子、503…樹脂封止体、504…コンデンサ側端子、505…コンデンサ素子、506…コンデンサケース、507…コンデンサ側開口部、600…制御回路基板、601A…固定部、601B…固定部、601C…固定部、601…第2ベース板、602…第3ベース板、603…開口部、900…DCDCコンバータ

Claims (9)

  1. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールと、
    冷却冷媒を流す第1流路を形成する第1流路形成体と、
    冷却冷媒を流す第2流路を形成する第2流路形成体と、
    前記第2流路形成体を搭載する第1ベース板と、
    前記パワー半導体素子を駆動する駆動信号を出力する駆動回路を搭載した駆動回路基板と、
    前記パワー半導体モジュールと前記第1流路形成体と前記第2流路形成体と前記第1ベース板と前記駆動回路基板を収納するケースと、を備え、
    前記駆動回路基板は、前記駆動回路の搭載面が前記第2流路形成体の側壁と対向するように配置され、
    前記第2流路形成体は、前記パワー半導体モジュールを収納する収納空間を形成し、
    さらに前記第2流路形成体は、前記収納空間と繋がる挿入口を前記駆動回路の搭載面と対向する前記側壁に形成し、
    前記パワー半導体モジュールは、前記挿入口を通って前記駆動回路基板と接続される制御端子を有し、
    前記第1流路形成体は、前記ケースに固定され、
    さらに前記第1流路形成体は、前記第1流路と繋がる開口部を形成し、
    前記第1ベース板は、前記開口部を塞ぐとともに前記第1流路形成体に接続され、
    さらに前記第1ベース板は、前記第1流路と前記第2流路を繋ぐ第1貫通孔を形成する電力変換装置。
  2. 請求項1に記載された電力変換装置であって、
    直流電圧を平滑化するコンデンサモジュールと、を備え、
    前記コンデンサモジュールは、前記第1ベース板上に配置される電力変換装置。
  3. 請求項2に記載された電力変換装置であって、
    前記第1流路は、前記コンデンサモジュールと対向する位置まで形成される電力変換装置。
  4. 高さ方向に主端子接続を避ける
    請求項2又は3に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
    前記コンデンサモジュールは、コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子と電気的に接続されるコンデンサ側端子と、前記コンデンサ素子と前記コンデンサ側端子を収納するコンデンサケースと、を有し、
    前記コンデンサケースは、前記コンデンサ側端子が突出するコンデンサ側開口部を形成し、
    さらに前記コンデンサケースは、前記コンデンサ側開口部が前記第2流路形成体と対向するように前記第1ベース板に配置される電力変換装置。
  5. パワー半導体モジュールを複数であっても双方冷却する構成
    請求項1ないし4に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
    前記パワー半導体モジュールは、第1パワー半導体モジュールと第2パワー半導体モジュールとにより構成され、
    前記第2パワー半導体モジュールは、前記第1パワー半導体モジュールを挟んで前記第1ベース板と対向する位置に配置され、
    前記第1パワー半導体モジュールと前記第2パワー半導体モジュールとの間に前記冷却冷媒を流す流路空間が形成される電力変換装置。
  6. 請求項1ないし5に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
    前記第1ベース板に、前記第1流路と前記第2流路を繋ぐ第2貫通孔を形成され、
    前記第1流路形成体は、前記第1ベース板と接触するとともに前記第1貫通孔と前記第2貫通孔との間に配置される隔壁を有する電力変換装置。
  7. 請求項1ないし4に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
    直流電圧を変換するDCDCコンバータ回路を備え、
    前記ケースは、前記第1流路形成体によって第1収納空間と第2収納空間に分けられ、
    前記パワー半導体モジュールと前記第2流路形成体と前記第1ベース板は、前記第1収納空間に収納され、
    前記DCDCコンバータ回路は、前記第2収納空間に収納されるとともに前記第2流路形成体に配置される電力変換装置。
  8. 請求項1ないし7に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
    前記パワー半導体モジュールを挟んで前記第1ベースと対向する位置に配置されるとともに前記ケースに固定される金属製の第2ベース板と、
    前記駆動回路に前記パワー半導体素子を制御するための制御信号を出力する制御回路を搭載した制御回路基板と、を備え、
    前記制御回路基板は、前記第2ベース板を挟んで前記パワー半導体モジュールと対向する位置に配置される電力変換装置。
  9. 請求項1ないし8に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
    前記第1流路形成体は、前記ケースと一体に形成される電力変換装置。
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