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JP2019221048A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】電子部品の長寿命化を図ることができる電力変換装置を提供すること。【解決手段】電力変換装置1は、半導体モジュール2と、半導体モジュールを冷却する冷却器3と、半導体モジュール2と直接又は間接的に接続された電子部品4と、外部機器と接続される高圧コネクタ6と、高圧コネクタ6と電子部品4との間を接続するコネクタ接続バスバー7と、を有する。コネクタ接続バスバー7の少なくとも一つは、冷却器3に隣接配置された放熱バスバー70である。【選択図】図1

Description

本発明は、電力変換装置に関する。
インバータ等の電力変換装置は、半導体モジュールの他に、コンデンサ、電流センサ、リアクトル等の電子部品を有する。これらの電子部品は、ケース内に配置されている。そして、ケースには、外部の直流電源や、交流負荷等との電気的接続を図るための、入力コネクタや出力コネクタ等の高圧コネクタが配設されている。
特許文献1に開示された電力変換装置においては、リアクトルの熱がコンデンサへ伝わることを抑制すべく、リアクトルとコンデンサとを接続するバスバー及びリアクトルと高圧コネクタとを接続するバスバーとの形状等を工夫することが検討されている。
特開2013−169075号公報
しかしながら、電力変換装置の小型化、高出力化に伴い、高圧コネクタの発熱量が増大するという課題がある。すなわち、高圧コネクタの発熱量が増大すると、ケース内において高圧コネクタと接続されたバスバーを介して、コンデンサ等の電子部品へ熱が伝わりやすくなる。そうすると、電力変換装置の大電力化に伴い、電子部品の短寿命化が懸念される。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電子部品の長寿命化を図ることができる電力変換装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、半導体モジュール(2)と、
上記半導体モジュールを冷却する冷却器(3)と、
上記半導体モジュールと直接又は間接的に接続された電子部品(4)と、
外部機器と接続される高圧コネクタ(6)と、
上記高圧コネクタと上記電子部品との間を接続するコネクタ接続バスバー(7)と、を有し、
上記コネクタ接続バスバーの少なくとも一つは、上記冷却器に隣接配置された放熱バスバーである、電力変換装置(1)。
にある。
上記電力変換装置においては、上記高圧コネクタと上記電子部品との間を接続するコネクタ接続バスバーの少なくとも一つが、上記冷却器に隣接配置された放熱バスバーである。それゆえ、高圧コネクタの熱が、コネクタ接続バスバーに伝わっても、その熱の少なくとも一部を、放熱バスバーから冷却器へ放熱することができる。これにより、コネクタ接続バスバーを介して電子部品へ伝わる熱を抑制することができる。その結果、電子部品の長寿命化を図ることができる。
以上のごとく、上記態様によれば、電子部品の長寿命化を図ることができる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態1における、Z方向から見た電力変換装置の断面説明図。 図1のII−II線矢視断面説明図。 図1のIII−III線矢視断面説明図。 実施形態2における、Z方向から見た電力変換装置の断面説明図。 実施形態3における、Z方向から見た電力変換装置の断面説明図。 実施形態4における、Z方向から見た電力変換装置の断面説明図。
(実施形態1)
電力変換装置に係る実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。
本実施形態の電力変換装置1は、図1に示すごとく、半導体モジュール2と、冷却器3と、電子部品4と、高圧コネクタ6と、コネクタ接続バスバー7と、を有する。
冷却器3は、半導体モジュール2を冷却する。電子部品4は、半導体モジュール2と直接又は間接的に接続されている。高圧コネクタ6は、外部機器と接続されるコネクタである。コネクタ接続バスバー7は、高圧コネクタ6と電子部品4との間を接続するバスバーである。
コネクタ接続バスバー7の少なくとも一つは、冷却器3に隣接配置された放熱バスバー70である。
本形態の電力変換装置1は、高圧コネクタ6として、入力コネクタ61と、出力コネクタ62とを有する。入力コネクタ61は、直流電源に接続された電源配線のコネクタが、接続されるよう構成されている。出力コネクタ62は、回転電機等の交流負荷に接続された負荷配線のコネクタが、接続されるよう構成されている。
そして、電力変換装置1は、コネクタ接続バスバー7として、入力コネクタ61に接続された複数の入力バスバー71と、出力コネクタ62に接続された複数の出力バスバー72とを有する。
本形態においては、コネクタ接続バスバー7のうち、入力バスバー71が、冷却器3に隣接配置された放熱バスバー70である。
また、本形態においては、電子部品4として、電流センサ41とコンデンサ42とを有する。入力コネクタ61とコンデンサ42とが、入力バスバー71にて接続されている。また、出力コネクタ62と電流センサ41とが、出力バスバー72にて接続されている。なお、出力バスバー72は、出力コネクタ62と半導体モジュール2とを接続しているが、出力バスバー72の一部に電流センサ41が配設されている。それゆえ、出力バスバー72の一部によって、出力コネクタ62と電流センサ41とが接続されていることとなる。
冷却器3は、半導体モジュール2と共に積層された複数の冷却管31を有している。複数の冷却管31と半導体モジュール2との積層体11を挟んで互いに反対側に、2つの電子部品4(すなわち、電流センサ41とコンデンサ42)が、分かれて配置されている。
本形態において、積層体11は、複数の半導体モジュール2と複数の冷却管31とを交互に積層してなる。この積層体11の積層方向を、以下において、適宜、X方向という。冷却管31は、内部に冷媒を流通させる冷媒流路を有する。冷媒流路は、X方向に直交する方向に沿って形成されている。この冷媒流路の形成方向を、適宜、Y方向という。また、X方向とY方向との双方に直交する方向を、適宜、Z方向という。
半導体モジュール2を挟んで互いにX方向に隣り合う冷却管31同士は、Y方向の両端部付近において、互いに連結されている。冷却器3は、X方向の一端に、冷却プレート310を有する。冷却プレート310から、X方向の外側へ、冷媒導入管321及び冷媒排出管322が突出している。冷媒導入管321及び冷媒排出管322は、後述するケース5の外側へ突出している。
半導体モジュール2は、内部にスイッチング素子を内蔵している。スイッチング素子としては、例えば、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタの略)、MOSFET(MOS型電界効果トランジスタの略)を用いることができる。半導体モジュール2からは、パワー端子21がZ方向に突出している。
また、図2に示すごとく、半導体モジュール2は、パワー端子21と反対側に、複数の信号端子22を突出させている。これらの信号端子22は、制御基板15に接続されている。制御基板15は、Z方向に主面を向けた状態で、積層体11に対向配置されている。
このように構成された積層体11に対して、図1に示すごとく、X方向の一端側に、コネクタ接続バスバー7である入力バスバー71が隣接配置されている。すなわち、冷却器3における、X方向の一端に配された冷却管31に、放熱バスバー70としての入力バスバー71が隣接配置されている。
本形態の電力変換装置1は、半導体モジュール2、冷却器3、及び電子部品4を収容する金属製のケース5を有する。ケース5は、内部を区画する区隔壁51を有する。区隔壁51の一部が、放熱バスバー70と冷却器3との間に介在している。
なお、冷却器3と放熱バスバー70との隣接配置の状態は、冷却器3と放熱バスバー70との間に、特に発熱部品や断熱部材等、電子部品の放熱を妨げる部品が配置されていない状態である。そして、冷却器3と区隔壁51との間、又は、区隔壁51と放熱バスバー70との間に、空隙、或いは他の放熱バスバー70等が存在していてもよい。或いは、区隔壁51が冷却器3に接触していてもよい。
放熱バスバー70は、主面73を冷却器3に向けた状態で、冷却器3に隣接配置されている。
すなわち、コネクタ接続バスバー7は、図1、図3に示すごとく、一枚の金属板を曲げ加工して形成されている。そして、放熱バスバー70である入力バスバー71は、Y方向に延びるように形成されたバスバー本体部710と、該バスバー本体部710の両端部に設けられたコネクタ側端子部711及びコンデンサ側端子部712とを有する。
コネクタ側端子部711は、ボルト74によって、入力コネクタ61と接続されている。また、コンデンサ側端子部712は、ボルト74によって、コンデンサ42の端子421と接続されている。コネクタ側端子部711及びコンデンサ側端子部712は、Z方向に主面を向けた状態となっている。一方、バスバー本体部710は、X方向に主面73を向けた状態となっている。そして、このバスバー本体部710の主面73が、図1に示すごとく、X方向において、区隔壁51を介して、冷却器3に対向している。
冷却器3は、放熱バスバー70との隣接方向とは異なる方向において、電子部品4と隣接している。すなわち、本形態においては、冷却器3が、Y方向において、コンデンサ42に隣接している。また、電流センサ41に対しても、冷却器3は、Y方向において隣接している。冷却器3は、入力バスバー71に対しても、コンデンサ42に対しても、電流センサ41に対しても、それぞれ区隔壁51を介して隣接している。
ケース5は、例えば、アルミニウム等の金属からなる。図1〜図3に示すごとく、ケース5における、Y方向の一方側の外側面に、2つの高圧コネクタ6(すなわち、入力コネクタ61及び出力コネクタ62)が固定されている。
上述のように、電力変換装置1は、高圧コネクタ6として、電源電力が入力される入力コネクタ61と、出力電力を出力する出力コネクタ62との双方を備えている。そして、区隔壁51の一部は、入力コネクタ61と出力コネクタ62との間に介在している。
すなわち、複数の区隔壁51のうち、X方向において、電流センサ41と入力バスバー71との間に配された区隔壁511がある。この区隔壁511が、X方向において、入力コネクタ61と出力コネクタ62との間に、介在している。より正確には、区隔壁511が、ケース5内において、入力コネクタ61の端子61aと、出力コネクタ62の端子62aとの間に介在している。
コンデンサ42は、Y方向において、積層体11に対して、高圧コネクタ6が配置された側と反対側に配されている。
図1、図3に示すごとく、入力コネクタ61は、一対の端子61aを備えている。一対の端子62aのそれぞれに接続された入力バスバー71が、2本配置されている。出力コネクタ62は、3本の端子62aを備えている。3本の端子62aのそれぞれに接続された出力バスバー72が、3本配置されている。
図1、図2に示すごとく、コンデンサ42は、入力バスバー71と接続される端子421とは別の位置に設けた一対の端子422において、積層体11における半導体モジュール2の一部のパワー端子21に接続されている。図1においては、端子422とパワー端子21との接続状態の図示は、省略してある。
また、積層体11における半導体モジュール2の他のパワー端子21は、出力バスバー72を介して、出力コネクタ62の端子62aに接続されている。出力バスバー72は、複数本配置されている。出力バスバー72は、複数の出力バスバー72の周囲に、電流センサ41が配置されている。電流センサ41は、出力バスバー72に、電気的又は磁気的に接続されている。すなわち、電流センサ41は、半導体モジュール2と間接的に接続された電子部品4である。そして、電流センサ41は、出力バスバー72を流れる電流を検出することで、出力電流を検出することができる。なお、電流センサ41は、熱的にも、出力バスバー72に接続されている。
図2、図3に示すごとく、ケース5は、Z方向に主面を向けたベースプレート52を有する。また、ケース5は、ベースプレート52の外周縁においてZ方向に立設した外周壁部53を有する。外周壁部53は、ベースプレート52に対して、Z方向の両側に突出している。それゆえ、ベースプレート52の両主面側に、それぞれ、外周壁部53によって囲まれた空間が存在する。
図2に示すごとく、ベースプレート52の一方面側に、積層体11および複数の電子部品4が配置され、ベースプレート52の他方面側に、制御基板15が配置されている。Z方向において、ベースプレート52に対して積層体11が配置された側を、便宜的に、上側といい、その反対側を下側という。ただし、これらの表現は、特に電力変換装置1の配置姿勢を限定するものではない。
ベースプレート52には、部分的に開口部521が設けてある。開口部521を介して、半導体モジュール2の信号端子22が制御基板15に向って突出している。また、外周壁部53の上端縁と下端縁には、それぞれ上側蓋部541と下側蓋部542とが固定されている。
区隔壁51は、ベースプレート52から、上側に立設している。図1に示すごとく、区隔壁51には、Y方向に主面を向けたものと、X方向に主面を向けたものとがある。Y方向に主面を向けた2つの区隔壁51が、それぞれ、積層体11における、Y方向の両側に配置されている。そして、これらの区隔壁51を介して、それぞれ、電子部品4が積層体11に対して隣接配置されている。すなわち、これらの区隔壁51を介して、それぞれ電子部品4が冷却器3に隣接配置されている。本形態において、冷却器3及び電子部品4は、特に区隔壁51に接触していないが、近接配置されている。
また、図1、図3に示すごとく、X方向に主面を向けた区隔壁51を介して、積層体11に対して入力バスバー71が隣接配置されている。
図2、図3に示すごとく、区隔壁51の上端縁の上側において、ケース5内の空間は連続している。この空間を介して、半導体モジュール2と電子部品4とが接続されている。
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置1においては、高圧コネクタ6と電子部品4との間を接続するコネクタ接続バスバー7の少なくとも一つが、冷却器3に隣接配置された放熱バスバー70である。特に本形態においては、入力コネクタ61とコンデンサ42との間を接続する入力バスバー71の一方が、放熱バスバー70である。
それゆえ、入力コネクタ61の熱が、入力バスバー71(すなわち放熱バスバー70)に伝わっても、その熱の少なくとも一部を、放熱バスバー70から冷却器3へ放熱することができる。これにより、入力バスバー71を介してコンデンサ42へ伝わる熱を抑制することができる。その結果、コンデンサ42の長寿命化を図ることができる。
冷却器3は、放熱バスバー70との隣接方向とは異なる方向において、電子部品4と隣接している。特に本形態においては、冷却器3は、放熱バスバー70である入力バスバー71との隣接方向とは異なる方向において、コンデンサ42及び電流センサ41と隣接している。これにより、冷却器3の周囲に、入力バスバー71と電子部品4とを、分散配置することとなる。その結果、入力バスバー71と電子部品4との間の熱干渉を効果的に抑制すると共に、これらを効率的に冷却することができる。
また、放熱バスバー70は、主面73を冷却器3に向けた状態で、冷却器3に隣接配置されている。すなわち、本形態においては、放熱バスバー70である入力バスバー71のバスバー本体部710の主面73が、冷却器3側を向いている。これにより、冷却器3に対する入力バスバー71の対向面積を大きくしやすい。その結果、入力バスバー71から冷却器3への放熱を、より効率的に行うことができる。
また、ケース5の区隔壁51の一部が、放熱バスバー70と冷却器3との間に介在している。本形態においては、特に、区隔壁51が、放熱バスバー70と冷却器3との間に介在している。これにより、金属製の区隔壁51を介して、放熱バスバー70の熱を、効率的に、冷却器3へ放熱することができる。
また、区隔壁511は、入力コネクタ61と出力コネクタ62との間に介在している。これにより、入力コネクタ61と出力コネクタ62との間の熱干渉を効果的に抑制することができる。これに伴い、例えば、入力コネクタ61から電流センサ41への熱の伝達を、抑制することができる。
以上のごとく、本実施形態によれば、電子部品の長寿命化を図ることができる電力変換装置を提供することができる。
(実施形態2)
本実施形態は、図4に示すごとく、放熱バスバー70と冷却器3との間に区隔壁を介在させていない、電力変換装置1の形態である。
放熱バスバー70である入力バスバー71と冷却器3とは、互いに空隙を介して対向配置されている。なお、図4においては、半導体モジュール2と各バスバーとの接続は、省略してある。図5、図6においても同様である。
その他の構成は、実施形態1と同様である。なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
本形態においては、放熱バスバー70を、冷却器3に、より近づけることができる。これにより、放熱バスバー70から冷却器3への放熱性を向上させることができる。それゆえ、入力コネクタ61から、放熱バスバー70である入力バスバー71を介してコンデンサ42へ伝わる熱を、効果的に低減することができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
(実施形態3)
本実施形態の電力変換装置1は、図5に示すごとく、電子部品4としてリアクトル43をさらに備えている。
そして、高圧コネクタ6である入力コネクタ61と、リアクトル43とが、コネクタ接続バスバー7である入力バスバー71にて、接続されている。
本形態において、入力バスバー71は、2本設けられ、1本の入力バスバー71は、リアクトル43に接続され、他方の入力バスバー71は、コンデンサ42に接続されている。これらの入力バスバー71が、冷却器3に隣接配置された、放熱バスバー70である。
リアクトル43は、一対の端子431を有する。そして一方の端子431が、入力バスバー71に接続され、他方の端子431がコンデンサ42の端子421に接続されている。
その他の構成は、実施形態2と同様である。
本形態においては、入力コネクタ61から入力バスバー71を介してリアクトル43へ伝わる熱を低減することができる。また、実施形態2と同様に、入力コネクタ61から入力バスバー71を介してリアクトル43へ伝わる熱を低減することもできる。このように、入力コネクタ61から入力バスバー71を介して、コンデンサ42及びリアクトル43へ熱が伝わることを抑制することができる。それゆえ、コンデンサ42及びリアクトル43の長寿命化を図ることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
(実施形態4)
本実施形態は、図6に示すごとく、出力バスバー72を放熱バスバー70とした、電力変換装置1の形態である。
本形態の電力変換装置1は、Y方向において、出力コネクタ62と、電流センサ41とが、積層体11に対して互いに反対側に配置されている。3本の出力バスバー72は、出力コネクタ62と電流センサ41との間を繋ぐように、Y方向に沿って配置されている。
そして、出力バスバー72の一部が、X方向において、冷却器3に隣接配置されている。すなわち、本形態においては、出力バスバー72が、放熱バスバー70となる。
また、本形態においては、出力バスバー72が、その主面73を冷却器3に向けた状態で配置されている。出力バスバー72は、主面73がX方向を向いたバスバー本体部720を有する。このバスバー本体部720の主面73が、X方向から、冷却器3に対向している。
また、本形態においては、コンデンサ42が、入力コネクタ61と積層体11との間に配置されている。そして、入力バスバー71における、入力コネクタ61と電流センサ41とを接続する部分は、X方向において、電流センサ41を挟んで、冷却器3と反対側に配置されている。
その他の構成は、実施形態2と同様である。
本形態の場合には、出力コネクタ62から出力バスバー72を介して電流センサ41へ伝わる熱を低減することができる。それゆえ、電流センサ41の長寿命化を図ることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
上記各実施形態を適宜組み合わせた形態とすることもできる。すなわち、上記実施形態以外にも、例えば、入力バスバーと出力バスバーとの双方が、放熱バスバーとなるよう構成することもできる。
本発明は上記各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において種々の実施形態に適用することが可能である。
1 電力変換装置
2 半導体モジュール
3 冷却器
4 電子部品
6 高圧コネクタ
7 コネクタ接続バスバー
70 放熱バスバー

Claims (5)

  1. 半導体モジュール(2)と、
    上記半導体モジュールを冷却する冷却器(3)と、
    上記半導体モジュールと直接又は間接的に接続された電子部品(4)と、
    外部機器と接続される高圧コネクタ(6)と、
    上記高圧コネクタと上記電子部品との間を接続するコネクタ接続バスバー(7)と、を有し、
    上記コネクタ接続バスバーの少なくとも一つは、上記冷却器に隣接配置された放熱バスバーである、電力変換装置(1)。
  2. 上記冷却器は、上記放熱バスバーとの隣接方向とは異なる方向において、上記電子部品と隣接している、請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 上記放熱バスバーは、主面(73)を上記冷却器に向けた状態で、該冷却器に隣接配置されている、請求項1又は2に記載の電力変換装置。
  4. 上記半導体モジュール、上記冷却器、及び上記電子部品を収容する金属製のケース(5)を有し、該ケースは、内部を区画する区隔壁(51)を有し、該区隔壁の一部が、上記放熱バスバーと上記冷却器との間に介在している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 上記半導体モジュール、上記冷却器、及び上記電子部品を収容する金属製のケース(5)を有し、該ケースは、内部を区画する区隔壁(51)を有し、
    上記高圧コネクタとして、電源電力が入力される入力コネクタ(61)と、出力電力を出力する出力コネクタ(62)との双方を備えており、
    上記区隔壁の一部(511)は、上記入力コネクタと上記出力コネクタとの間に介在している、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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