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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leistungsumsetzungsvorrichtungen zum Antreiben von Lasten wie z. B. eines Elektromotors und bezieht sich insbesondere auf eine Leistungsumsetzungsvorrichtung, die eine verbesserte Kühlfähigkeit zum Kühlen von Wärme erzeugenden Komponenten wie z. B. Leistungsumsetzerelementen, die in einem Schaltungssystem einer Leistungsumsetzungsvorrichtung enthalten sind, aufweist.
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Stand der Technik
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Ein Elektrofahrzeug oder ein Plugin-Hybridfahrzeug ist mit einem Inverter zum Antreiben eines Motors, der mit den Rädern gekoppelt ist, unter Verwendung einer Hochspannungsbatterie und einer Niederspannungsbatterie zum Aktivieren von Nebenaggregaten wie z. B. Fahrzeugscheinwerfern und eines Radios ausgestattet.
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In einem solchen Fahrzeug wie vorstehend ist ein Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer, der eine Leistungsumsetzung von einer Hochspannungsbatterie auf eine Niederspannungsbatterie oder von einer Niederspannungsbatterie auf eine Hochspannungsbatterie durchführt, angebracht.
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Es ist erwünscht, dass bei einem solchen Fahrzeug, wie vorstehend, das Verhältnis des Platzes des Fahrzeugraums zum gesamten Volumen des Fahrzeugs so groß wie möglich sein sollte, um Fahrkomfort sicherzustellen. Es ist erforderlich, dass der Inverter und der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer in anderen kleinen Räumen als im Fahrzeugraum, etwa in einem Kraftmaschinenraum, installiert sind.
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Da die Temperaturumgebung des Kraftmaschinenraums dieser Art von Fahrzeug schlechter ist als die Verwendungsumgebung eines zugehörigen Fahrzeugs, ist es erforderlich, dass der Inverter und der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer dieser Art von Fahrzeug durch eine Kühlvorrichtung mit einem Kühlmittel, das aus Wasser und einem Gemisch gebildet ist, gekühlt werden. Daher werden ein Kühlverfahren und ein Kühlmechanismus mit hoher Kühleffizienz und einer Grundfläche, die so klein wie möglich ist, zu wichtigen Technologiekomponenten. Eine von diesen Technologiekomponenten ist gut bekannt, bei der Wärme, die durch Schaltelemente eines Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers, einen Transformator, Drosselspulen, Sammelschienen und dergleichen erzeugt wird, zu einer Kühlplatte über eine massive Leitung geleitet und durch die Kühlplatte abgestrahlt wird.
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Entgegenhaltungsliste
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: Japanisches Patent JP 4 300 717 B2
- Patentliteratur 2: WO 2011/ 125 781 A1
- Patentliteratur 3: JP 2006 - 261 368 A
- Patentliteratur 4: JP 2011 - 29 480 A
- Patentliteratur 5: JP 2007 - 306 671 A
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Die obige Patentliteratur 1 offenbart ein Verfahren, bei dem die Oberfläche einer Harzplatte, die aus Harz geformt ist, fest an den Oberflächen von Wärme erzeugenden Komponenten angebracht ist, und Wärme, die durch die Wärme erzeugenden Komponenten erzeugt wird, durch eine Kühlplatte abgestrahlt wird, die durch eine Wasserkühlvorrichtung gekühlt wird, mit dem Ergebnis, dass in dem Fall eine effektive Kühlung zum Kühlen der Wärme erzeugenden Komponenten erreicht wird.
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In diesem Stand der Technik wird jedoch die Kühlung von Schaltelementen nur mittels einer Kühlplatte durchgeführt, daher besteht insofern ein Problem, dass, um Wärme, die durch Leistungs-MOSFETs erzeugt wird, die große Heizwerte aufweisen und die parallel angeordnet sind, effektiv abzustrahlen, es erforderlich wird, Wärmewiderstände zu verringern und den Kühlweg einer Wasserkühlvorrichtung kompliziert zu machen.
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Die obige Patentliteratur 2 beschreibt eine Leistungswandlervorrichtung mit einem Kondensatormodul, einem Kühlkanalkörper, Kühlkanälen und mehreren Leistungshalbleitermodulen. Die Leistungshalbleitermodule sind mit dem Kühlkanalkörper befestigt, so dass eine Kühlfläche des Modulgehäuses der Leistungshalbleitermodule in Kontakt mit dem Kältemittel steht.
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Die obige Patentliteratur 3 beschreibt ein Gehäuse für elektronische Bauteile, das aus zwei Gehäusebauteilen besteht. Die beiden Gehäusebauteile haben an den sich angrenzenden Oberflächen einen Bereich, in dem Kühlmittelkanäle ausgeformt sind.
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Die obige Patentliteratur 4 beschreibt eine Leistungsversorgungsvorrichtung, die zwei Leistungsversorgungskreiseinheiten aufweist, sowie zwei Gehäuse, die die beiden Leistungsversorgungskreiseinheiten einschließen. Diese beiden Gehäuse sind mittels Lamination und einem Kühlkanal, der zwischen den beiden Gehäusen angeordnet ist, miteinander verbunden.
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Die obige Patentliteratur 5 beschreibt eine Motorsteuervorrichtung für ein Fahrzeug, die derart eingerichtet ist, dass eine Leistungsumwandlungssteuerungssektion zum Antreiben eines Motors außerhalb eines Gehäuses des Motors angeordnet ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Leistungsumsetzungsvorrichtung mit einer Kühlstruktur zu schaffen, die in der Lage ist, effektiv Schaltelemente zu kühlen, die Wärme erzeugende Komponenten sind, die in einem Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer verwendet werden.
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Lösung für das Problem
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Das vorgenannte Problem wird durch die Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte Weiterentwicklungen werden von den abhängigen Patentansprüchen beschrieben. Das Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Tatsache, dass in einer Leistungsumsetzungsvorrichtung, die mit einem Metallgehäuse ausgestattet ist, an dem zumindest Induktorelemente, die zum Umsetzen einer Spannung verwendet werden, und mehrere Schaltelemente zum Steuern von Strömen, die durch die Induktorelemente fließen, angebracht sind, die Schaltelemente am Metallgehäuse über ein wärmeleitfähiges Isolationsmaterial und über einen Metallkühlkörper mit einer besseren Wärmeleitungscharakteristik als das Metallgehäuse befestigt sind.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Wärmeableitungsfähigkeit des Kühlkörpers gut ist und keine großen Mischphänomene von Wärmeströmen zwischen benachbarten Schaltelementen auftreten, bestehen nur wenig Störungen zwischen den benachbarten Schaltelementen. Da die Wärmediffusionscharakteristik verbessert ist, kann daher die Kühleffizienz für die Schaltelemente, die außerhalb des Kühlbereichs eines Kühlkanals angeordnet sind, erhöht werden.
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Figurenliste
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- 1 ist die äußere perspektivische Ansicht einer Leistungsumsetzungsvorrichtung, auf die die vorliegende Erfindung angewendet ist.
- 2 ist die äußere perspektivische Ansicht der Leistungsumsetzungsvorrichtung, auf die die vorliegende Erfindung angewendet ist, die von der entgegengesetzten Seite des Blickpunkts von 1 betrachtet ist.
- 3 ist ein Schaltplan zum Erläutern der Schaltungskonfiguration eines Inverters.
- 4 ist eine perspektivische Ansicht des Inverters in auseinandergezogener Anordnung.
- 5 ist die äußere perspektivische Ansicht eines Leistungshalbleitermoduls.
- 6 ist die Querschnittsansicht des Leistungshalbleitermoduls.
- 7 ist die perspektivische Ansicht des Inverters in auseinandergezogener Anordnung von der Seite der unteren Oberfläche des Inverters betrachtet.
- 8 ist ein Schaltplan, der die Schaltungskonfiguration eines Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers zeigt.
- 9 ist eine perspektivische Ansicht in auseinandergezogener Anordnung, die die Komponentenanordnung des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers zeigt.
- 10 ist die Querschnittsansicht der Leistungsumsetzungsvorrichtung, an der der Inverter und der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer angebracht sind.
- 11 ist eine schematische Ansicht, die die Komponentenanordnung im Fall des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers zeigt.
- 12 ist eine Seitenquerschnittsansicht, die die Konfiguration einer Abwärtstransformationsschaltung und eines Leistungshalbleitermoduls gemäß dem Stand der Technik zeigt.
- 13 ist eine Seitenquerschnittsansicht der Abwärtstransformationsschaltung und des Leistungshalbleitermoduls, die zum Erläutern der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
- 14 ist die perspektivische Ansicht der Anordnung des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers, an dem ein Kondensatormodul, Schaltelemente und eine Steuerplatine angebracht sind.
- 15 ist eine perspektivische Ansicht der in 14 gezeigten Anordnung in auseinandergezogener Anordnung.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Obwohl die Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nachstehend mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen durchgeführt wird, wird die Beschreibung in zwei Kapiteln durchgeführt: eine Erläuterung der Konfiguration einer Leistungsumsetzungsvorrichtung als Beispiel von Leistungsumsetzungsvorrichtungen, auf die die vorliegende Erfindung angewendet ist, wird in einem Kapitel durchgeführt, und eine Erläuterung eines praktischen Beispiels der vorliegenden Erfindung wird im anderen Kapitel durchgeführt.
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Zuerst werden die mechanische Konfiguration und die Schaltungskonfiguration einer Leistungsumsetzungsvorrichtung, auf die die vorliegende Erfindung angewendet wird, erläutert.
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(Erläuterung der mechanischen und Schaltungskonfiguration der Leistungsumsetzungsvorrichtung)
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1 und 2 sind äußere perspektivische Ansichten einer Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 und die Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 ist eine integrierte Kombination eines Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 und eines Inverters 200. 1 und 2 zeigen jeweils die äußeren perspektivische Ansichten, in denen der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 und der Inverter 200 jeweils voneinander getrennt sind. Der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 ist an der Seite der unteren Oberfläche des Gehäuses des Inverters 200 mit mehreren Schrauben 113 befestigt.
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Diese Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 wird auf ein Elektrofahrzeug und dergleichen angewendet und der Inverter 200 treibt einen Antriebsmotor unter Verwendung von elektrischer Leistung an, die von einer fahrzeuginternen Hochspannungsbatterie zugeführt wird. Eine Niederspannungsbatterie zum Aktivieren von Nebenaggregaten wie z. B. Scheinwerfern und eines Radios ist im Fahrzeug angebracht und der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 führt eine Leistungsumsetzung von der Hochspannungsbatterie auf die Niederspannungsbatterie oder von der Niederspannungsbatterie auf die Hochspannungsbatterie durch.
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Wie später beschrieben, ist ein Kühlmittelkanal, durch den ein Kühlmittel strömt, innerhalb der Seitenwand des Gehäuses 10 des Inverters 200 ausgebildet. Das Kühlmittel strömt in den Kanal von einem Eintrittsrohr 13 und strömt aus einem Austrittsrohr 14 aus. Eine untere Abdeckung 420 ist an der unteren Kante der Seitenwand befestigt, in der der Kanal installiert ist, um die Öffnung des Kanals zu versperren. Mit anderen Worten, der Kühlmittelkanal ist unter der unteren Abdeckung 420 ausgebildet, die in 2 gezeigt ist. Daher steht ein Teil der unteren Abdeckung 420 in einem U-förmigen Zustand an der Seite der unteren Oberfläche des Gehäuses 10 vor und der zentrale Teil der unteren Oberfläche bildet einen konkaven Abschnitt 10e.
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Andererseits sind ein konkaver Abschnitt 111d und ein konvexer Abschnitt 111c an der Oberfläche des Gehäuses 111 des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 ausgebildet, wobei die Oberfläche dem Inverter 200 zugewandt ist. Der Inverter 200 ist am Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 in einer solchen Weise befestigt, dass ein Abschnitt der unteren Oberfläche des Gehäuses 10 mit diesem konkaven Abschnitt 111d in Eingriff steht.
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3 ist ein Schaltplan zum Erläutern der Schaltungskonfiguration des Inverters 200 und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate werden als Halbleiterelemente in 3 verwendet. Ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate wird nachstehend als IGBT abgekürzt. Ein IGBT 328 und eine Diode 156 arbeiten als oberer Zweig und ein IGBT 330 und eine Diode 166 arbeiten als unterer Zweig und eine Reihenschaltung 150 umfasst den oberen Zweig und den unteren Zweig. Eine Inverterschaltung 140 umfasst drei Reihenschaltungen 150 entsprechend drei Phasen, das heißt der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase von auszugebender Wechselspannung.
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Diese drei Phasen entsprechen jeweils Dreiphasenspulen der Ankerspulen eines Motorgenerators MG1, der dem Antriebsmotor in dieser Ausführungsform entspricht. Eine Reihenschaltung 150 mit dem oberen und dem unteren Zweig für jede der drei Phasen gibt einen Wechselstrom aus einer Zwischenelektrode 169, das heißt dem mittleren Abschnitt der Reihenschaltung, aus. Diese Zwischenelektrode 169 ist mit einer Wechselspannungssammelschiene 802, die eine Wechselspannungsleitung zum Motorgenerator MG1 ist, über Wechselspannungsanschlüsse 159 und 188 verbunden.
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Die Kollektorelektrode 153 des IGBT 328 des oberen Zweigs ist mit einem Kondensatoranschluss 506 auf der Seite des positiven Pols eines Kondensatormoduls 500 über einen Anschluss 157 des positiven Pols elektrisch gekoppelt. Außerdem ist die Emitterelektrode des IGBT 330 des unteren Zweigs mit einem Kondensatoranschluss 504 auf der Seite des negativen Pols des Kondensatormoduls 500 über einen Anschluss 158 des negativen Pols elektrisch gekoppelt.
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Wie vorstehend beschrieben, empfängt eine Steuerschaltung 172 einen Steuerbefehl von einer oberen Steuervorrichtung über ein Verbindungselement 21 und erzeugt einen Steuerimpuls, der ein Steuersignal zum Steuern eines IGBT 328 eines oberen Zweigs und eines IGBT 330 eines unteren Zweigs einer Reihenschaltung 150 entsprechend jeder Phase ist, die im Inverter 140 enthalten ist, auf der Basis dieses Befehls. Anschließend sendet die Steuerschaltung 172 den erzeugten Steuerimpuls zu einer Treiberschaltung 174.
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Die Treiberschaltung 174 liefert einen Ansteuerimpuls zum Steuern des IGBT 328 des oberen Zweigs und des IGBT 330 des unteren Zweigs der Reihenschaltung 150 entsprechend jeder Phase zum IGBT 328 und zum IGBT 330 entsprechend der Phase. Die IGBTs 328 und die IGBTs 330 führen eine EIN/AUS-Operation auf der Basis des Ansteuerimpulses, der von der Treiberschaltung 174 gesendet wird, durch. In dieser Weise wird die von einer Batterie 136 zugeführte Gleichspannung in eine Dreiphasen-Wechselspannung umgesetzt. Diese umgesetzte Wechselspannung wird zum Motorgenerator MG1 geliefert.
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Der IGBT 328 umfasst eine Kollektorelektrode 153, eine Signal empfangende Emitterelektrode 155 und eine Gateelektrode 154. Der IGBT 330 umfasst eine Kollektorelektrode 163, eine Signal empfangende Emitterelektrode 165 und eine Gateelektrode 164. Die Diode 156 ist elektrisch zwischen die Kollektorelektrode 153 und die Emitterelektrode 155 gekoppelt. Außerdem ist die Diode 166 elektrisch zwischen die Kollektorelektrode 163 und die Emitterelektrode 165 gekoppelt.
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Ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (nachstehend als MOSFET abgekürzt) kann als Schaltleistungshalbleiterelement verwendet werden. In diesem Fall werden die Dioden 156 und 166 unnötig. Als Schaltleistungshalbleiterelement ist ein IGBT für den Fall, in dem eine Gleichspannung vergleichsweise hoch ist, geeignet und ein MOSFET ist für den Fall geeignet, in dem die Gleichspannung vergleichsweise niedrig ist.
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Das Kondensatormodul 500 umfasst den Kondensatoranschluss 506 auf der Seite des positiven Pols, den Kondensatoranschluss 504 auf der Seite des negativen Pols, einen Leistungsversorgungsanschluss 509 auf der Seite des positiven Pols und einen Leistungsversorgungsanschluss 508 auf der Seite des negativen Pols. Gleichspannung mit hoher Spannung, die von der Batterie 136 zugeführt wird, wird zum Leistungsversorgungsanschluss 509 auf der Seite des positiven Pols und zum Leistungsversorgungsanschluss 508 auf der Seite des negativen Pols über ein Gleichspannungs-Verbindungselement 138 zugeführt. Die Gleichspannung mit hoher Spannung wird zur Inverterschaltung 140 über den Kondensatoranschluss 506 auf der Seite des positiven Pols und den Kondensatoranschluss 504 auf der Seite des negativen Pols des Kondensatormoduls 500 zugeführt.
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Andererseits wird die Gleichspannung, die durch Umsetzen der Wechselspannung durch die Inverterschaltung 140 erhalten wird, zum Kondensatormodul 500 über den Kondensatoranschluss 506 auf der Seite des positiven Pols und den Kondensatoranschluss 504 auf der Seite des negativen Pols zugeführt. Die Gleichspannung wird zur Batterie 136 vom Leistungsversorgungsanschluss 509 auf der Seite des positiven Pols und vom Leistungsversorgungsanschluss 508 auf der Seite des negativen Pols zugeführt und in der Batterie 136 gespeichert.
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Die Steuerschaltung 172 umfasst einen Mikrocomputer (nachstehend als MPU abgekürzt), der eine Rechenverarbeitung ausführt, um Schaltzeitpunkte der IGBTs 328 und IGBTs 330 zu bestimmen. Informationen, die in die MPU eingegeben werden, umfassen einen Zieldrehmomentwert, der vom Motorgenerator MG1 erforderlich ist, einen Stromwert, der zum Motorgenerator MG1 von den Reihenschaltungen 150 zugeführt wird, und die Magnetpolpositionen von Rotoren des Motorgenerators MG1.
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Der Zieldrehmomentwert wird auf der Basis eines Befehlssignals bestimmt, das von der oberen Steuervorrichtung (nicht dargestellt) ausgegeben wird. Der Stromwert wird auf der Basis eines Detektionssignals detektiert, das von einem Stromsensor 180 detektiert wird. Die Magnetpolpositionen werden auf der Basis eines detektierten Signals detektiert, das aus einem Drehmagnetpolsensor (nicht dargestellt) wie z. B. einem Drehmelder ausgegeben wird, der im Motorgenerator MG1 installiert ist. Obwohl der Stromsensor 180 als Stromsensor angenommen wird, der in dieser Ausführungsform die Werte von drei Phasenströmen detektiert, ist es denkbar, dass die Werte von zwei Phasenströmen der drei Phasenströme detektiert werden und der Wert des restlichen Phasenstroms durch Berechnung erhalten wird.
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Die MPU, die in die Steuerschaltung 172 eingebettet ist, berechnet den d-Achsen-Strombefehlswert und den q-Achsen-Strombefehlswert des Motorgenerators MG1 auf der Basis des Zieldrehmomentwerts, und ein d-Achsen-Spannungsbefehlswert und ein q-Achsen-Spannungsbefehlswert werden auf der Basis einer Differenz zwischen dem berechneten d-Achsen-Strombefehlswert und einem detektierten d-Achsen-Strombefehlswert und einer Differenz zwischen dem berechneten q-Achsen-Strombefehlswert und einem detektierten q-Achsen-Strombefehlswert berechnet. Anschließend werden diese berechneten d-Achsen- und q-Achsen-Spannungsbefehlswerte in Spannungsbefehlswerte für die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase auf der Basis der detektierten Magnetpolpositionen umgesetzt.
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Anschließend erzeugt die MPU eine impulsförmige Modulationswelle auf der Basis eines Vergleichs zwischen einer Grundwelle (Sinuswelle) und einer Trägerwelle (Dreieckwelle), wobei die Grundwelle und die Trägerwelle auf der Basis der Spannungsbefehlswerte für die U-Phase, die V-Phase und die W-Phase berechnet werden. Anschließend gibt die MPU diese erzeugte Modulationswelle an die Treiberschaltung 174 als PWM-Signal (Impulsbreitenmodulationssignal) aus.
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Wenn die Treiberschaltung 174 einen unteren Zweig ansteuert, gibt die Treiberschaltung 174 ein Ansteuersignal, das durch Verstärken des PWM-Signals erhalten wird, an die Gateelektrode des IGBT 330 des unteren Zweigs aus. Wenn die Ansteuerschaltung 174 einen oberen Zweig ansteuert, verschiebt außerdem die Treiberschaltung 174 das Referenzpotential des PWM-Signals auf den Pegel des Referenzpotentials des oberen Zweigs und verstärkt dieses PWM-Signal und gibt dann das verstärkte PWM-Signal an den IGBT 328 des oberen Zweigs 328 als Ansteuersignal aus.
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Die MPU, die in die Steuerschaltung 172 eingebettet ist, führt eine Anomalitätsdetektion (Detektion eines Überstroms, einer Überspannung, einer Übertemperatur und dergleichen) durch, um die Reihenschaltung 150 zu schützen. Daher werden Erfassungsinformationen in die Steuerschaltung 172 eingegeben.
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Von der Signal empfangenden Emitterelektrode 155 des IGBT 328 eines oberen Zweigs werden beispielsweise Informationen über einen durch die Emitterelektrode fließenden Strom in die entsprechende Ansteuereinheit (IC) eingegeben und von der Signal empfangenden Emitterelektrode 165 eines IGBT 330 eines unteren Zweigs werden Informationen über einen durch die Emitterelektrode fließenden Strom in die entsprechende Ansteuereinheit (IC) eingegeben. Auf der Basis der obigen Informationen führt jede Ansteuereinheit (IC) eine Überstromdetektion durch, und wenn ein Überstrom detektiert wird, wird die Schaltoperation des entsprechenden IGBT 328 oder IGBT 330 gestoppt, um den entsprechenden IGBT 328 oder IGBT 328330 vor dem Überstrom zu schützen.
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Informationen über die Temperatur der Reihenschaltung 150 werden in die MPU durch einen Temperatursensor (nicht dargestellt) eingegeben, der in der Reihenschaltung 150 installiert ist. Außerdem werden Informationen über die Spannung auf den Seiten der positiven Gleichspannungspole der Reihenschaltungen 150 in die MPU eingegeben. Die MPU führt eine Übertemperaturdetektion und eine Überspannungsdetektion auf der Basis dieser Informationsteile durch, und wenn eine Übertemperatur oder eine Überspannung detektiert wird, stoppt die MPU die Schaltoperationen aller IGBTs 328 und aller IGBTs 330.
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4 ist eine perspektivische Ansicht des Inverters 200 in auseinandergezogener Anordnung. Das Eintrittsrohr 13, in das das Kühlmittel strömt, und das Austrittsrohr 14, aus dem das Kühlmittel ausströmt, sind an derselben Seitenwand des Gehäuses 10 angeordnet. Kanalbildungsabschnitte 12a, 12b und 12c sind in einem U-förmigen Zustand auf der Seite der unteren Oberfläche des Gehäuses 10 installiert. Hier ist der Kanalbildungsabschnitt 12c parallel und entgegengesetzt zum Kanalbildungsabschnitt 12a angeordnet und ist in 4 verborgen.
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Ein nachstehend erwähnter Kühlmittelkanal 19 ist in den Kanalbildungsabschnitten 12a, 12b und 12c ausgebildet (siehe 7). Ein Kühlmittel, das in das Eintrittsrohr 13 strömt, strömt durch den Kühlmittelkanal 19 in den Kanalbildungsabschnitten 12a, 12b und 12c und strömt aus dem Austrittsrohr 14 aus.
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Mehrere Öffnungen 400 sind an den Kanalbildungsabschnitten 12a und 12c ausgebildet, die parallel zueinander angeordnet sind, um Leistungshalbleitermodule 300a bis 300c im Kühlmittelkanal zu installieren. In einem in 4 gezeigten Beispiel sind zwei Öffnungen 400, in denen die Leistungshalbleitermodule 300a und 300b installiert sind, am Kanalbildungsabschnitt 12a, der auf der linken Seite von 4 installiert ist, installiert.
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Andererseits ist die Öffnung 400, in der das Leistungshalbleitermodul 300c installiert ist, am Kanalbildungsabschnitt 12c ausgebildet, der entgegengesetzt und parallel zum Bildungsabschnitt 12a installiert ist, obwohl er in 4 verborgen ist. Die obigen Öffnungen 400 sind durch die Leistungsmodule 300a bis 300c, die jeweils an den Kanalbildungsabschnitten 12a und 12c befestigt sind, versperrt.
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5 und 6 sind Diagramme zum Erläutern des Leistungshalbleitermoduls 300a, und da die Leistungshalbleitermodule 300a bis 300c dieselben Konfigurationen aufweisen, wird die Konfiguration des Leistungshalbleitermoduls 300a als repräsentativ für die drei Konfigurationen beschrieben. 5 ist eine äußere perspektivische Ansicht des Leistungshalbleitermoduls 300a und 6 ist die Querschnittsansicht des Leistungshalbleitermoduls 300a entlang der Linie D geschnitten und in einer durch Pfeile E gezeigten Richtung betrachtet.
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Signalanschlüsse 325U, die in 5 und 6 gezeigt sind, entsprechen den Gateelektroden 154 und den Signal empfangenden Emitterelektroden 155, die in 3 gezeigt sind, und Signalanschlüsse 325L, die in 5 gezeigt sind, entsprechen den Gateelektroden 164 und den Emitterelektroden 165, die in 3 gezeigt sind. Außerdem sind die Gleichspannungsanschlüsse 315B des positiven Pols dieselben wie die Anschlüsse 157 des positiven Pols, die in 3 gezeigt sind, und die Gleichspannungsanschlüsse 319B des negativen Pols sind dieselben wie die Anschlüsse 158 des negativen Pols, die in 3 gezeigt sind. Ferner sind die Wechselspannungsanschlüsse 320B dieselben wie die Wechselspannungsanschlüsse 159, die in 3 gezeigt sind.
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Die in 6 gezeigte Querschnittsansicht zeigt einen Abschnitt, in dem der IGBT 328 und die Diode 156 der Reihenschaltung 150 des oberen und des unteren Zweigs angeordnet sind. Der IGBT 330 und die Diode 166 sind jeweils hinter dem IGBT 328 und der Diode 156 in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Seite angeordnet. Der IGBT 328 und die Diode 156 sind in einer solchen Weise befestigt, dass sie zwischen eine Leiterplatte 315 und eine Leiterplatte 318 eingefügt sind.
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Ebenso sind der IGBT 330 und die Diode 166 in einer solchen Weise befestigt, dass sie zwischen eine Leiterplatte 319 und eine Leiterplatte 320 eingefügt sind. Die Leiterplatte 315 und dergleichen ist durch ein erstes Dichtungsharz 348 abgedichtet, wobei seine Kühloberflächen freiliegen, und Isolationsplatten 333 sind an die Kühloberflächen durch Thermokompressionsbonden geklebt.
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Eine modulare primäre abgedichtete Einheit, die durch das erste Dichtungsharz 348 abgedichtet ist, ist in ein modulares Gehäuse 304 eingesetzt und ist an die innere Oberfläche des modularen Gehäuses 304, das ein Kühlgefäß vom Kanistertyp ist, durch Thermokompressionsbonden mit den Isolationsplatten 333 dazwischen geklebt. Hier ist das Kühlgefäß vom Kanistertyp ein zylindrischer Kühler mit einer Ladeöffnung 306 an einer seiner Oberflächen und einem Boden an der anderen. Räume, die innerhalb des modularen Gehäuses 304 verbleiben, sind mit einem zweiten Dichtungsharz 351 gefüllt.
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Das modulare Gehäuse 304 enthält ein leitfähiges Element wie z. B. eine Aluminiumlegierung (Al, AlSi, AlSiC, AlC oder dergleichen) und ist nahtlos und einteilig geformt. Das modulare Gehäuse 304 ist so konfiguriert, dass es abgesehen von der Ladeöffnung 306 keine Öffnung aufweist, und der äußere Umfang der Ladeöffnung 306 ist durch einen Flansch 304B umgeben.
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Eine erste Kühloberfläche 307A und eine zweite Kühloberfläche 307B, die beide größer sind als andere Oberflächen, sind in einer solchen Weise angeordnet, dass sie einander zugewandt sind, und Leistungshalbleiterelemente (der IGBT 328, der IGBT 330, die Diode 156 und die Diode 166) sind so angeordnet, dass sie den obigen Kühloberflächen zugewandt sind.
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Drei Oberflächen, die die erste Kühloberfläche 307A und die zweite Kühloberfläche 307B koppeln, die einander zugewandt sind, bauen hermetisch abgedichtete Oberflächen mit schmäleren Breiten auf als jene der ersten Kühloberfläche 307A und der zweiten Kühloberfläche 307B. Die Ladeöffnung 306 ist an der restlichen einen Oberfläche ausgebildet. Es ist nicht erforderlich, dass die Form des modularen Gehäuses 304 ein genauer rechteckiger Festkörper sein sollte, und es ist in Ordnung, wenn die Oberflächen der Ecken des modularen Gehäuses 304 gekrümmte Oberflächen sind, wie in 6 gezeigt.
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Als Metallgehäuse mit einer solchen Form kann das modulare Gehäuse 304 eine Abdichtung sicherstellen, um ein Kühlmittel am Flansch 304B zu blockieren, wenn das modulare Gehäuse 304 in den Kühlmittelkanal 19 eingesetzt ist, durch den das Kühlmittel wie z. B. Wasser oder Öl strömt, daher kann das modulare Gehäuse mit einer einfachen Konfiguration wie vorstehend verhindern, dass das Kühlmittel in das Innere des modularen Gehäuses 304 ausläuft.
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Rippen 305 sind gleichmäßig an der ersten Kühloberfläche 307A und der zweiten Kühloberfläche 307B, die einander zugewandt sind, angebracht. Ferner sind Krümmungskomponenten 304A, deren Dicken äußerst dünn sind, an den äußeren Umfängen der ersten Kühloberfläche 307A und der zweiten Kühloberfläche 307B ausgebildet. Da die Dicken der Krümmungskomponenten 304A so dünn sind, dass die Krümmungskomponente 304A leicht nur durch Aufbringen eines Drucks auf irgendeine der Rippen 305 verformt werden kann, wird die Produktivität nach dem Einsetzen der modularen primären abgedichteten Einheit verbessert.
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Eine metallische Gleichspannungsverdrahtung 315A des positiven Pols und eine metallische Gleichspannungsverdrahtung 319A des negativen Pols, die elektrisch mit dem Kondensatormodul 500 koppeln, sind außerhalb des modularen Gehäuses 304 installiert, und die Gleichspannungsanschlüsse 315B (157) des positiven Pols und die Gleichspannungsanschlüsse 319B (158) des negativen Pols sind jeweils an den Oberseiten der metallischen Gleichspannungsverdrahtung 315A des positiven Pols und der metallischen Gleichspannungsverdrahtung 319A des negativen Pols ausgebildet.
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Außerdem ist eine metallische Wechselspannungsverdrahtung 320A zum Zuführen von Wechselspannung zum Motorgenerator MG1 installiert und die Wechselspannungsanschlüsse 320B (159) sind an der Oberseite der metallischen Wechselspannungsverdrahtung 320A ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist die Gleichspannungsverdrahtung 315A des positiven Pols mit der Leiterplatte 315 gekoppelt, die Gleichspannungsverdrahtung 319A des negativen Pols ist mit der Leiterplatte 319 gekoppelt und die Wechselspannungsverdrahtung 320A ist mit der Leiterplatte 320 gekoppelt.
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Metallische Signalverdrahtungen 324U und 324L, die mit der Treiberschaltung 174 koppeln, sind auch außerhalb des modularen Gehäuses 304 installiert, und die Signalanschlüsse 325U (154, 155) und die Signalanschlüsse 325L (164, 165) sind jeweils an den Oberseiten der metallischen Signalverdrahtungen 324U und 324L ausgebildet. In dieser Ausführungsform sind die Signalverdrahtungen 324U mit dem IGBT 328 gekoppelt und die Signalverdrahtungen 324L sind mit dem IGBT 328 gekoppelt.
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Die Gleichspannungsverdrahtung 315A des positiven Pols, die Gleichspannungsverdrahtung 319A des negativen Pols, die Wechselspannungsverdrahtung 320A, die Signalverdrahtungen 324U und die Signalverdrahtungen 324L sind durch Verdrahtungsisolationselemente 608, die aus Harzmaterial geformt sind und einteilig als geformte Hilfseinheit 600 geformt sind, voneinander isoliert. Die Verdrahtungsisolationselemente 608 arbeiten auch als Stützelemente zum Abstützen jeder Verdrahtung und ein wärmehärtendes Harz mit Isolationsleistung oder ein thermoplastisches Harz mit Isolationsleistung ist für das Harzmaterial der Verdrahtungsisolationselemente 608 geeignet. Mit der Verwendung der obigen Verdrahtungsisolationselemente 608 kann eine Isolation zwischen der Gleichspannungsverdrahtung 315A des positiven Pols, der Gleichspannungsverdrahtung 319A des negativen Pols, der Wechselspannungsverdrahtung 320A, den Signalverdrahtungen 324U und den Signalverdrahtungen 324L sichergestellt werden, daher kann eine Verdrahtung mit hoher Dichte erreicht werden.
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Nachdem sie metallisch mit der modularen primären abgedichteten Einheit verbunden ist, wird die geformte Hilfseinheit 600 am modularen Gehäuse 304 durch Schrauben 309 befestigt, die durch Gewindeschraubenlöcher verlaufen, die in den Verdrahtungsisolationselementen 608 installiert sind. Die Metallverbindung zwischen der modularen primären abgedichteten Einheit und der geformten Hilfseinheit 600 an einer Verbindungseinheit 370 kann unter Verwendung von beispielsweise TIG-Schweißen erreicht werden.
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Die Gleichspannungsverdrahtung 315A des positiven Pols und die Gleichspannungsverdrahtung 319A des negativen Pols sind mit dem Verdrahtungsisolationselement 608 dazwischen laminiert, während sie einander zugewandt sind, und die Gleichspannungsverdrahtung 315A des positiven Pols und die Gleichspannungsverdrahtung 319A des negativen Pols erstrecken sich fast parallel zueinander. Mit einer solchen Anordnung und Konfiguration wie vorstehend fließen Ströme, die unverzüglich fließen, wenn die Leistungshalbleiterelemente Schaltoperationen durchführen, einander zugewandt und in Richtungen, die zueinander entgegengesetzt sind. Daher heben sich Magnetfelder, die durch die Ströme induziert werden, gegenseitig auf, so dass die Werte von Induktoren infolge dieser Aufhebung verringert werden können. Hier erstrecken sich die Wechselspannungsverdrahtung 320A, die Signalanschlüsse 325U und die Signalanschlüsse 325L auch in derselben Richtung wie die Gleichspannungsverdrahtung 315A des positiven Pols und die Gleichspannungsverdrahtung 319A des negativen Pols.
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Die Verbindungseinheit 370, an der die modulare primäre abgedichtete Einheit und die geformte Hilfseinheit 600 metallisch verbunden sind, ist im modularen Gehäuse 304 zusammen mit dem zweiten Dichtungsharz 351 eingekapselt. Da erforderliche Isolationsabstände zwischen der Verbindungseinheit 370 und dem modularen Gehäuse 304 stabil sichergestellt werden können, kann das Leistungshalbleitermodul 300a leichter im Vergleich zu dem Fall, in dem Räume innerhalb des modularen Gehäuses nicht mit dem zweiten Dichtungsharz gefüllt sind, verkleinert werden.
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Mit Rückkehr zu 4 bildet ein Bereich, der von den Kanalbildungsabschnitten 12a bis 12c umgeben ist, die in einem U-förmigen Zustand installiert sind, einen Gehäuseraum 405 zum Aufnehmen des Kondensatormoduls 500. Das Kondensatormodul 500, das im Gehäuseraum 405 aufgenommen ist, wird durch das Kühlmittel gekühlt, das durch den Kühlmittelkanal in den Kanalbildungsabschnitten 12a bis 12c strömt. In dieser Weise ist das Kondensatormodul 500 so angeordnet, dass es von den Kanalbildungseinheiten 12a bis 12c umgeben ist, in denen der Kühlmittelkanal installiert ist, daher wird das Kondensatormodul 500 effektiv gekühlt.
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Da der Kanal entlang der Außenseitenoberfläche des Kondensatormoduls 500 ausgebildet ist, können außerdem der Kanal, das Kondensatormodul 500 und die Leistungshalbleitermodule 300a bis 300c in einer geordneten Weise angeordnet werden, so dass die gesamte Größe verringert werden kann. Da der Kühlmittelkanal entlang der langen Seite des Kondensatormoduls 500 angeordnet ist und die Abstände zwischen dem Kühlmittelkanal und den Leistungshalbleitermodulen 300a bis 300c, die in den Kühlmittelkanal eingesetzt und darin befestigt sind, fast konstant gehalten werden, können ferner die Schaltungskonstanten eines Glättungskondensators und einer Leistungshalbleitermodulschaltung leicht in jeder Phase der drei Phasen ausgeglichen werden, so dass die Schaltungskonfiguration, die leicht die Amplituden von Spitzenspannungen verringert, verwirklicht werden kann. In dieser Ausführungsform ist Wasser als Kühlmittel am geeignetsten, aber andere Kühlmedien können auch verwendet werden.
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Eine Sammelschienenanordnung 800 ist über dem Kondensatormodul 500 angeordnet. Die Sammelschienenanordnung 800 umfasst eine Wechselspannungssammelschiene und ein Stützelement, das die Wechselspannungssammelschiene abstützt. Außerdem umfasst die Sammelschienenanordnung 800 den Stromsensor 180. Durch einteiliges Formen der Kanalbildungsabschnitte 12a bis 12c und des Gehäuses 10 unter Verwendung eines Aluminiumgussteils wird ein Effekt, dass nicht nur die Kühleffizienz, sondern auch die mechanische Festigkeit des Gehäuses 10 verbessert werden, herbeigeführt. Ferner wird die Wärmeleitung des gesamten Inverters 200 verbessert und die Kühleffizienz wird erhöht. Selbstverständlich ist es in Ordnung, wenn die Kanalbildungsabschnitte 12a bis 12c und das Gehäuse 10 separat ausgebildet werden.
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Eine Treiberschaltungsplatine 22 ist über der Sammelschienenanordnung 800 angeordnet. Außerdem ist eine Metallsockelleiste 11 zwischen der Treiberschaltungsplatine 22 und einer Steuerschaltungsplatine 20 angeordnet. Die Metallsockelleiste 11 ist am Gehäuse 10 befestigt. Die Metallsockelleiste 11 weist eine Funktion zum elektromagnetischen Abschirmen einer Schaltungsgruppe auf, die an der Treiberschaltungsplatine 22 und der Steuerschaltungsplatine 20 angebracht ist, und weist auch eine Arbeit zum Diffundieren von Wärme, die durch die Treiberschaltungsplatine 22 und die Steuerschaltungsplatine 20 erzeugt wird, zum Kühlen auf.
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Außerdem weist die Metallsockelleiste 11 eine Arbeit zum Erhöhen der mechanischen Resonanzfrequenz der Steuerschaltungsplatine 20 auf. Mit anderen Worten, Gewindeverbindungsteile zum Befestigen der Steuerschaltungsplatine 20 an der Metallsockelleiste 11 können in kurzen Intervallen angeordnet sein, so dass, wenn eine mechanische Vibration auftritt, ein Abstand zwischen den Stützpunkten kurz festgelegt werden kann, und die Resonanzfrequenz der Vibration hoch festgelegt werden kann. Da die Resonanzfrequenz der Steuerschaltungsplatine 20 höher festgelegt werden kann als die Vibrationsfrequenz, die von einer Kraftmaschine oder dergleichen übertragen wird, wird die Steuerschaltungsplatine 20 nicht so sehr durch die Vibration beeinflusst, was die Zuverlässigkeit verbessert. Ein Deckel 8 ist an der Metallsockelleiste 11 befestigt und der Deckel 8 verhindert, dass die Steuerschaltungsplatine 20 durch externes elektromagnetisches Rauschen beeinflusst wird.
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Das Gehäuse 10 gemäß dieser Ausführungsform umfasst einen näherungsweise rechteckigen massiv geformten Aufnahmeabschnitt, der den Kanalbildungsabschnitt 12 aufnimmt, und ein vorstehender Aufnahmeabschnitt 10g ist an einer Seitenoberfläche des Gehäuses 10 ausgebildet. Der vorstehende Aufnahmeabschnitt 10d nimmt einen Anschluss 102, eine Sammelschienenanordnung 900 auf der Gleichspannungsseite und einen Widerstand 450 auf, die vom Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 ausgedehnt sind. Hier ist der Widerstand 450 ein Widerstandselement, das zum Entladen von elektrischer Ladung, die im Kondensatorelement des Kondensatormoduls 500 gespeichert ist, verwendet wird. Wie vorstehend beschrieben, sind die elektrischen Schaltungsteile zwischen der Batterie 136 und dem Kondensatormodul 500 gemeinsam im vorstehenden Aufnahmeabschnitt 10d aufgenommen, was verhindert, dass die Verdrahtungen kompliziert werden, und zur Verkleinerung der gesamten Vorrichtung beiträgt.
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Ein Deckel 18 ist ein Element zum Abdecken eines Fensters 17, das zum Koppeln des Anschlusses 102, der vom Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 ausgedehnt ist, verwendet wird. Hier ist eine Öffnung 101, durch die der Anschluss 102 verläuft, an der Oberfläche des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 ausgebildet, die der unteren Oberfläche des Gehäuses 10 zugewandt ist.
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Wie vorstehend beschrieben, ist diese Anordnung so konfiguriert, dass sie in einer solchem Weise durchgeführt wird, dass der Kanalbildungsabschnitt 12 an der Seite der unteren Oberfläche des Inverters 200 angeordnet wird, und erforderliche Komponenten wie z. B. das Kondensatormodul 500, die Sammelschienenanordnung 800 und die Platinen nacheinander von oben nach unten befestigt werden, was die Produktivität und Zuverlässigkeit verbessert.
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7 ist ein Diagramm des Gehäuses 10 von der Seite der unteren Oberfläche betrachtet, an der die untere Abdeckung 420 befestigt ist. Das Gehäuse 10 ist ein rechteckiger Festkörper mit vier Seitenwänden 10a, 10b, 10c und 10d. Eine Öffnung 404 des Kühlmittelkanals 19 ist an der Seite der unteren Oberfläche des Gehäuses 10 ausgebildet. Der U-förmige Kühlmittelkanal 19 umfasst drei gerade Kanalabschnitte (einen ersten Kanalabschnitt 19a, einen zweiten Kanalabschnitt 19b und einen dritten Kanalabschnitt 19c). Die Öffnung 404 ist auch U-förmig und diese Öffnung 404 ist durch die untere Abdeckung 420 abgedeckt. Ein Dichtungselement 409 ist zwischen der unteren Abdeckung 420 und dem Gehäuse 10 installiert, um die Luftdichtheit aufrechtzuerhalten.
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Drei konvexe Abschnitte 406 und ein konvexer Abschnitt 407, die in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung des Kühlmittelkanals 19 vorstehen, sind in einer Position, die dem ersten Kanalabschnitt 19a und dem zweiten Kanalabschnitt 19b zugewandt ist, an der unteren Abdeckung 420 ausgebildet. Die drei konvexen Abschnitte 406 sind jeweils entsprechend den Leistungshalbleitermodulen 300a bis 300c ausgebildet.
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Hier ist der konvexe Abschnitt 407, der in der Position entsprechend dem dritten Kanalabschnitt 19c ausgebildet ist, zum Einstellen der Querschnittsfläche des Kühlmittelkanals 19 installiert und kein Leistungshalbleitermodul ist an diesem Kanalabschnitt angeordnet. Die Form des konvexen Abschnitts 407 ist dieselbe wie jene der konvexen Abschnitte 406. Ein Abschnitt, der mit dem Bezugszeichen 10e bezeichnet ist, ist die Unterseite des Aufnahmeraums 405 zum Aufnehmen des Kondensatormoduls 500 (siehe 4).
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Das Kühlmittel strömt in das Eintrittsrohr 13, wie durch einen Pfeil 417 gezeigt, und strömt im ersten Kanalabschnitt 19a, der entlang der langen Seite des Gehäuses 10 ausgebildet ist, in der durch einen Pfeil 418 gezeigten Richtung. Außerdem strömt das Kühlmittel im zweiten Kanalabschnitt 19b, der entlang der kurzen Seite des Gehäuses 10 ausgebildet ist, in der durch einen Pfeil 421 gezeigten Richtung. Dieser zweite Kanalabschnitt 19b bildet einen Rückschleifenkanal.
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Als nächstes strömt das Kühlmittel im dritten Kanalabschnitt 19c des Kanalbildungsabschnitts 12, der entlang der langen Seite des Gehäuses 10 ausgebildet ist. Der dritte Kanalabschnitt 19c ist parallel zum ersten Kanalabschnitt 19a mit dem Kondensatormodul 500 dazwischen ausgebildet. Das Kühlmittel strömt aus dem Austrittsrohr 14 aus, wie durch einen Pfeil 423 gezeigt.
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Jeder des ersten Kanalabschnitts 19a, des zweiten Kanalabschnitts 19b und des dritten Kanalabschnitts 19c ist in einer solchen Weise ausgebildet, dass seine Tiefe größer ist als seine Breite. Da die Öffnungen 400 am Kanalbildungsabschnitt 12 so ausgebildet sind, dass die Öffnungen 400 der Öffnung 404 zugewandt sind, die an der hinteren Oberfläche des Gehäuses 10 ausgebildet ist, werden außerdem diese Öffnungen leicht durch Aluminiumgießen ausgebildet.
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Als nächstes wird der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 beschrieben. 8 ist ein Diagramm, das die Schaltungskonfiguration des Gleichspannungs/ Gleichspannungs-Umsetzers 100 zeigt. Wie in 8 gezeigt, ist der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 gemäß dieser Ausführungsform mit einer Zweiwege-Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzung kompatibel.
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Daher sind eine Abwärtstransformationsschaltung (HV-Schaltung) und eine Aufwärtstransformationsschaltung (LV-Schaltung) nicht als Diodengleichrichtungsschaltungen konfiguriert, sondern als synchrone Gleichrichtungsschaltungen konfiguriert. Um hohe Ausgangsleistungen durch HV/LV-Umsetzung zu erhalten, wurde außerdem die Einführung von Schaltelementen mit hohem Strom und Glättungsspulen mit großer Größe untersucht.
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Konkret ausgedrückt, wird eine synchrone Gleichrichtungsschaltkreis-Konfiguration (H1 bis H4) vom H-Brückentyp, die MOS-FETs verwendet, von denen jeder eine Freilaufdiode umfasst, sowohl auf der HV- als auch der LV-Seite übernommen. Hinsichtlich der Schaltsteuerung wird es durch Übernehmen einer Nulldurchgangsumschaltung unter Verwendung einer hohen Schaltfrequenz (100 kHz), die durch einen LC-Reihenresonanzkreis (Cr, Lr) erzeugt wird, möglich, die Umsetzungseffizienz zu verbessern und den Wärmeverlust zu verringern. Hier hat ein Schaltelement IGBT eine Funktion zum Umschalten des Verhaltens des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100, so dass der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 die Zweiwege-Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzung durchführen kann.
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Durch Installieren einer aktiven Begrenzungsschaltung wird es außerdem möglich, Verluste infolge von zyklischen Strömen zu verringern, die durch die Abwärtstransformationsoperation erzeugt werden, und die Erzeugung von Spannungsstößen zu unterdrücken, so dass die Stehspannungen der Schaltelemente gesenkt werden können. Durch Senken der Stehspannungen der Schaltungsteile kann die Vorrichtung verkleinert werden.
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Um eine hohe Ausgangleistung auf der LV-Seite sicherzustellen, wird ein Stromverdopplerverfahren vom Vollweg-Gleichrichtungstyp übernommen. Um den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer zu einer Schaltung mit hoher Leistung zu ändern, wird in diesem Fall veranlasst, dass mehrere Schaltelemente gleichzeitig und parallel arbeiten, was ermöglicht, dass eine hohe Ausgangsleistung sichergestellt wird. In einem in 8 gezeigten Beispiel wird veranlasst, dass vier Elemente, das heißt SA1 bis SWA4 oder SWB1 bis SWB4, parallel arbeiten.
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Durch Anordnen von zwei Schaltkreisen und zwei kleinen Induktoren (L1 und L2), die Glättungsinduktoren sind, parallel zueinander, so dass sie symmetrisch angeordnet sind, wird außerdem die hohe Ausgangsleistung erhalten. Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht das Anordnen von zwei kleinen Induktoren, dass der gesamte Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer im Vergleich zu dem Fall, in dem ein großer Induktor angeordnet ist, weiter verkleinert wird.
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9, 10 und 11 sind Diagramme, die die Komponentenanordnung des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 erläutern. 9 ist eine perspektivische Ansicht des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 in auseinandergezogener Anordnung. 10 ist die Querschnittsansicht der Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 mit einer integrierten Kombination des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 und des Inverters 200. 11 ist eine schematische Ansicht, die die Komponentenanordnung im Fall des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 zeigt.
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Wie in 9 gezeigt, sind die Schaltungsteile des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 in dem Gehäuse 111 aufgenommen, das aus Metall besteht (beispielsweise aus einem Aluminiumdruckgussteil besteht). Eine Gehäuseabdeckung 112 ist an der Öffnung des Gehäuses 111 mit Schrauben befestigt. Wie vorstehend beschrieben, ist das Gehäuse 10 des Inverters 200 an der Seite der unteren Oberfläche des Gehäuses 111 befestigt.
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Ein Haupttransformator 33, Induktorelemente 34, ein Leistungshalbleitermodul 35, an dem Schaltelemente H1 bis H4 angebracht sind, eine Aufwärtstransformationsschaltungsplatine 32, an der Schaltelemente 36 angebracht sind, ein Kondensator 38 und dergleichen sind an der Unterseite des Gehäuses 111 installiert. Wärme erzeugende Hauptkomponenten sind der Haupttransformator 33, die Induktorelemente 34, das Leistungshalbleitermodul 35 und die Schaltelemente 36.
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Die Beziehung zwischen den Komponenten der in 8 gezeigten Schaltung und den in 9 gezeigten Komponenten ist wie folgt: Der Haupttransformator 33 entspricht einem Transformator Tr, die Induktorelemente 34 entsprechen jeweils den Induktoren L1 und L2 eines Stromverdopplers, die Schaltelemente 36 entsprechen jeweils den Schaltelementen SWA1 bis SWA4 und SWB1 bis SWB4. Die Schaltelemente S1, S2 und dergleichen, die in 8 gezeigt sind, sind auch an der Aufwärtstransformationsschaltungsplatine 32 angebracht.
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Wie in 11 gezeigt, erstrecken sich die Anschlüsse der Schaltelemente H1 bis H4 im Gehäuse nach oben und sind mit einer Abwärtstransformationsschaltungsplatine 31 gekoppelt, die am oberen Teil des Leistungshalbleitermoduls 35 angeordnet ist. Die Abwärtstransformationsschaltungsplatine 31 ist an mehreren Stützelementen befestigt, die von der unteren Oberfläche des Gehäuses nach oben vorstehen. Im Leistungshalbleitermodul 35 sind die Schaltelemente H1 bis H4 an einer Metallplatine angebracht, an der Strukturen ausgebildet sind, und die untere Oberfläche der Metallplatine ist fest an der unteren Oberfläche des Gehäuses befestigt. Die Aufwärtstransformationsschaltungsplatine 32, an der die Schaltelemente 36 angebracht sind, ist auch aus einer ähnlichen Metallplatine ausgebildet.
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Eine Steuerschaltung zum Steuern der Schaltelemente, die in der Aufwärtstransformationsschaltung und der Abwärtstransformationsschaltung installiert sind, ist an einer Steuerschaltungsplatine 30 angebracht. Die Steuerschaltungsplatine 30 ist an einer Metallsockelleiste 37 befestigt. Die Sockelleiste 37 ist an mehreren Stützteilen 111a befestigt, die von der Unterseite des Gehäuses 111 nach oben vorstehen. Daher ist die Steuerschaltungsplatine 30 über den Wärme erzeugenden Komponenten (dem Haupttransformator 33, den Induktorelementen 34, dem Leistungshalbleitermodul 35 und dergleichen), die an der unteren Oberfläche des Gehäuses angeordnet sind, über die Sockelleiste 37 angeordnet.
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Die Anordnung der Komponenten, die im Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 installiert sind, wird mit Bezug auf 10 und 11 beschrieben. Hier sind in der in 10 gezeigten Querschnittsansicht nur Leistungshalbleitermodule 300a bis 300c, die am Kanalbildungsabschnitt 12 angebracht sind, als Komponenten, die im Inverter 200 aufgenommen sind, gezeigt. Wie vorstehend beschrieben, sind die Kanalbildungsabschnitte 12a bis 12c jeweils entlang der Seitenwände 10a, 10b und 10c im Gehäuse 10 des Inverters 200 installiert.
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Der erste Kanalabschnitt 19a ist im Kanalbildungsabschnitt 12a entlang der Seitenwand 10a ausgebildet, der zweite Kanalabschnitt 19b ist im Kanalbildungsabschnitt 12b entlang der Seitenwand 10b ausgebildet und der dritte Kanalabschnitt 19c ist im Kanalbildungsabschnitt 12c entlang der Seitenwand 10c ausgebildet. Das Leistungshalbleitermodul 300a ist in den ersten Kanalabschnitt 19a eingesetzt und das Leistungshalbleitermodul 300c ist in den dritten Kanalabschnitt 19c eingesetzt. Obwohl es in 10 nicht gezeigt ist, ist das Leistungshalbleitermodul 300b hier in den ersten Kanalabschnitt 19a eingesetzt.
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Im Gehäuse 111 des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 sind der konkave Abschnitt 111d und der konvexe Abschnitt 111c am äußeren Umfang des Gehäusebodens 111b ausgebildet. Wie in 10 gezeigt, ist der konkave Abschnitt 111d des Gehäuses 111 zumindest in einem Bereich ausgebildet, der den konvexen Abschnitten 406 zugewandt ist, die am äußeren Umfang der Unterseite des Gehäuses 10 ausgebildet sind. Mit anderen Worten, der konkave Abschnitt 111d ist den Kanalabschnitten 19a, 19b und 19c über die konvexen Abschnitte 406 zugewandt. Außerdem ist der konvexe Abschnitt 111c so ausgebildet, dass der konvexe Abschnitt 111c einem Bereich zugewandt ist, der von den konvexen Abschnitten 406 am äußeren Umfang der Unterseite des Gehäuses 10 umgeben ist.
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Obwohl es in 10 nicht gezeigt ist, ist ein Dichtungselement mit guter Wärmeleitfähigkeit (eine Kühlplatte oder ein wärmeleitfähiges Fett) zwischen dem Gehäuse 111 und dem Gehäuse 10 installiert. Der Haupttransformator 33 ist am inneren Umfang des Gehäuses befestigt, der dem ersten Kanalabschnitt 19a zugewandt ist. Andererseits sind die Aufwärtstransformationsschaltungsplatine 32, an der die Schaltelemente 36 angebracht sind, und der Kondensator 38 am inneren Umfang des Gehäuses, der dem dritten Kanalabschnitt 19c zugewandt ist, befestigt. Der Haupttransformator 33, die Aufwärtstransformationsschaltungsplatine 32, der Kondensator 38 und dergleichen sind an der Unterseite des Gehäuses 111 mit Schrauben 41 oder dergleichen befestigt und die Bereiche der Unterseite des Gehäuses, deren Dicken groß sind (beispielsweise der konvexe Abschnitt 111c), weisen Gewindeschraubenlöcher auf. Außerdem sind in dem Fall, in dem die Komponenten an den Bereichen der Unterseite des Gehäuses angeordnet sind, die nicht den Kanalabschnitten 19a, 19b oder 19c zugewandt sind, die Dicken der Bereiche groß festgelegt, so dass die entgegengesetzten Enden der Bereiche mit dem Gehäuse 10 in Berührung kommen, mit dem Ergebnis, dass die Verbesserung der Kühleffizienz für die Komponenten erwartet werden kann.
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Die Sockelleiste 37 ist an den Stützteilen 111a, die innerhalb des Gehäuses 111 ausgebildet sind, mit Schrauben befestigt. Die Steuerschaltungsplatine 30 ist an konvexen Abschnitten 37a, die an der oberen Oberfläche der Sockelleiste 37 ausgebildet sind, mit Schrauben oder dergleichen befestigt. Die Gehäuseabdeckung 112 ist an der Öffnung des Gehäuses 111 befestigt, so dass das Innere des Gehäuses hermetisch abgedichtet ist.
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Da Teile der Unterseite des Gehäuses 111 (wie z. B. der konkave Abschnitt 111d, der konvexe Abschnitt 111c) mit dem Gehäuse 10 des Inverters 200 thermisch in Berührung stehen, wird das Gehäuse 111 durch das Kühlmittel indirekt gekühlt, das durch die Kanalabschnitte 19a bis 19c des Gehäuses 10 strömt. Die Kühlung wird effektiv durch Befestigen der Komponenten an der Unterseite des Gehäuses durchgeführt. Insbesondere während das Kühlmittel direkt mit den konvexen Abschnitten 406 in Berührung steht, sind Komponenten, die große Heizwerte aufweisen, in den Bereichen angeordnet, mit denen die konvexen Abschnitte 406 der unteren Abdeckung 402 in Berührung stehen, mit dem Ergebnis, dass die Verbesserung der Kühleffizienz erwartet werden kann.
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Da die Sockelleiste 37 aus Metall besteht, wird außerdem Wärme, die durch die Steuerschaltungsplatine 30 erzeugt wird, zum Gehäuse 10 über die Stützteile 111a und das Gehäuse 111 übertragen. Ferner fungiert die Sockelleiste 37 als Abschirmungselement zum Abschirmen von Strahlungswärme, die von den Wärme erzeugenden Komponenten abgestrahlt wird, die an der unteren Oberfläche des Gehäuses installiert sind, und wenn die Sockelleiste 37 aus Kupfer oder dergleichen besteht, hat sie auch eine Funktion zum Abschirmen von Schaltstrahlungsrauschen, das von den Schaltelementen abgestrahlt wird.
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Eine Draufsicht von 11 ist ein Diagramm, das die Anordnung der Wärme erzeugenden Komponenten, die an der unteren Oberfläche des Gehäuses 111 angebracht sind, im Fall des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers zeigt, wobei die Gehäuseabdeckung 112 entfernt ist. Gestrichelte Linien zeigen die Anordnung der Kanalabschnitte 19a bis 19c, die im Gehäuse 10 des Inverters 200 installiert sind. Die Kanalabschnitte 19a bis 19c sind in einem U-förmigen Zustand auf der Seite der unteren Oberfläche des Gehäuses 111 installiert und der erste Kanalabschnitt 19a und der dritte Kanalabschnitt 19c sind parallel zueinander installiert. Das Kühlmittel, das in den ersten Kanalabschnitt 19a vom Eintrittsrohr 13 strömt, strömt durch den zweiten Kanalabschnitt 19b und den dritten Kanalabschnitt 19c in dieser Reihenfolge und strömt aus dem Austrittsrohr 14 aus.
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Der Haupttransformator 33 und zwei Induktorelemente 34 sind an der Unterseite des Gehäuses angeordnet, die dem ersten Kanalabschnitt 19a zugewandt ist. Außerdem sind das Leistungshalbleitermodul 35 und die Abwärtstransformationsschaltungsplatine 31, die die Abwärtstransformationsschaltung konfigurieren, hauptsächlich an der unteren Oberfläche des Gehäuses angeordnet, die dem ersten Kanalabschnitt 19a zugewandt ist. Die Schaltelemente 36 und die Aufwärtstransformationsschaltungsplatine 32, die die Aufwärtstransformationsschaltung umfasst, sind hauptsächlich an der unteren Oberfläche des Gehäuses, die dem dritten Kanalabschnitt 19c zugewandt ist, angeordnet. Wie vorstehend beschrieben, wird es durch Anordnen der Komponenten, die vergleichsweise große Heizwerte aufweisen, in den Positionen, die den Kanalabschnitten 19a bis 19c zugewandt sind, möglich, die Kühleffizienz zu erhöhen.
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(Hintergrund der vorliegenden Erfindung und Erläuterung eines praktischen Beispiels der vorliegenden Erfindung)
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine vorstehend als Beispiel beschriebene Leistungsumsetzungsvorrichtung und nachstehend wird ein praktisches Beispiel der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Hintergrund beschrieben, bei dem die vorliegende Erfindung erforderlich ist. Um jedoch die vorliegende Erfindung leicht zu verstehen zu machen, zeigen 11 bis 13 die vereinfachten Konfigurationen von einigen Teilen der vorliegenden Erfindung.
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Da, wie in 11 gezeigt, die Kanäle 19a, 19b und 19c, die einen Kühldurchgang umfassen, der im Inverter 200 ausgebildet ist, so ausgebildet sind, dass sie das Kondensatormodul 500 umgeben, ist es natürlich, dass die Formen und Abmessungen der Kanäle 19a, 19b und 19c begrenzt sein sollten. Konkret ausgedrückt ist die Form des Kanals in einem U-förmigen Zustand ausgebildet und die Länge der Breitenrichtung des Kanals kann nicht vollständig sichergestellt werden, mit dem Ergebnis, dass die Länge der Höhenrichtung verlängert ist, so dass das erforderliche Durchflussvolumen des Kühlmittels sichergestellt werden kann.
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Wie aus 11 zu sehen ist, sind daher die Schaltelemente H1 bis H4, die an einer wärmeleitfähigen Isolationsplatte 42 im Gehäuse 111 des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 installiert sind, der am Inverter 200 befestigt ist, fast senkrecht zur Kanalrichtung des Kühldurchgangs 19a angeordnet. In diesem Fall ist ein anderes Schaltelement IGBT auch in einer ähnlichen Weise wie die Schaltelemente H1 bis H4 angeordnet. Dieses Schaltelement IGBT weist eine Funktion zum Umschalten des Verhaltens des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 auf, so dass der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 die Zweiwege-Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzung durchführen kann.
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Im Allgemeinen werden, da die Schaltelemente H1 bis H4 des Leistungshalbleitermoduls 35 in der Abwärtstransformationsschaltung 31 mit einer großen Menge an Leistung zurechtkommen, Heizwerte, die durch diese Schaltelemente erzeugt werden, groß. Wie in 11 gezeigt, ist daher die Abwärtstransformationsschaltung 31 über den Kanal 19a so angeordnet, dass die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT so effektiv wie möglich durch den Kanal 19a gekühlt werden können.
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Wie am Beginn erwähnt wurde, ist es jedoch erforderlich, dass eine solche Vorrichtung wie diese Leistungsumsetzungsvorrichtung 1 in einem kleinen Raum wie z. B. einem Kraftmaschinenraum installiert wird, daher ist es erforderlich, dass die Vorrichtung so kompakt wie möglich zusammengesetzt werden sollte.
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Wenn versucht wird, den Inverter 200 zu verkleinern, da die Verkleinerung des Kondensatormoduls unmöglich ist (selbst wenn es möglich ist, ist das Ausmaß der Verkleinerung begrenzt), wird es daher erforderlich, die Breiten der Kanäle 19a, 19b und 19c zu verkürzen. In diesem Fall sind, wenn die Abwärtstransformationsschaltung 31 über den Kanal 19a angeordnet ist, um die Abwärtstransformationsschaltung 31 zu kühlen, die Schaltelemente H3, H4 und IGBT außerhalb des Kühlbereichs des Kanals 19a angeordnet. Insbesondere neigen die Schaltelemente H4 und IGBT, die weit vom Kühlbereich des Kanalabschnitts 19a entfernt angeordnet sind, schneller zu einer hohen Temperatur als andere Schaltelemente.
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Das obige Verhalten wird nachstehend mit Bezug auf 12 beschrieben. 12 ist eine Querschnittsansicht, die den Zustand zeigt, in dem die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT installiert sind, und diese Komponenten sind schematisch und einfach dargestellt.
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In 12 sind die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT in einem Schaltelement-Aufnahmerahmen 43, der dem Gehäuse 111 entspricht, das aus einer Aluminiumlegierung oder dergleichen besteht, über die wärmeleitfähige Isolationsplatte 42 mit guter Wärmeleitfähigkeit installiert.
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Konkret ausgedrückt sind die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT jeweils am Schaltelement-Aufnahmerahmen 43 mit Schrauben über die wärmeleitfähige Isolationsplatte 42 mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. ein wärmeleitfähiges Fett und/oder eine kühlende Silikongummiplatte befestigt. Als Material des Schaltelement-Aufnahmerahmens 43 wird außerdem ein Aluminiumgussteil vom Typ ADC 12, das ein typisches Material eines Aluminiumgussteils ist, verwendet.
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Wie vorstehend beschrieben, kann der Schaltelement-Aufnahmerahmen 43 einteilig in Kombination mit dem Gehäuse 111 des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 hergestellt werden oder kann mit dem Gehäuse 111 unter Verwendung von Befestigungsmitteln wie z. B. Schrauben gekoppelt werden, nachdem es separat vom Gehäuse 111 hergestellt wurde.
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In dem Fall, in dem ein Wärmediffusionszustand, der durch die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT erzeugt wird, in einer solchen Konfiguration berücksichtigt wird, da die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT nebeneinander liegen, erzeugen die Schaltelemente große thermische Störungen unter sich durch Erzeugen von Wärme und die Ströme der Wärme wird in benachbarten Räumen gemischt, mit dem Ergebnis, dass es schwierig wird, dass die Wärme effektiv zerstreut wird, und die Wärme staut sich wahrscheinlich an. Da in diesem Fall die durch die Schaltelemente H1 und H2 erzeugte Wärme, die innerhalb des Kühlbereichs des Kanals 19a angeordnet sind, durch das Kühlmittel entfernt wird, das durch den Kanal 19a strömt, steigen die Temperaturen der Schaltelemente H1 und H2 nicht so sehr an. Andererseits steigen die Temperaturen der Schaltelemente H3, H4 und IGBT, die außerhalb des Kühlbereichs des Kanals 19a angeordnet sind, höher an als die Temperaturen der Schaltelemente H1 und H2, die innerhalb des Kühlbereichs des Kanals 19a angeordnet sind, was zu einer Tendenz führt, dass die Schaltelemente H3, H4 und IGBT leicht durch nachteilige thermische Einflüsse beeinträchtigt werden.
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Um ein solches Problem anzugehen, schlägt die vorliegende Erfindung die folgenden Maßnahmen vor. 13 ist ein Diagramm, das ein typisches praktisches Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, und es wird angenommen, dass der Schaltelement-Aufnahmerahmen 43 derselbe wie in 12 gezeigt ist.
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Ein Kühlkörper 41 ist innerhalb des Schaltelement-Aufnahmerahmens 43 aufgenommen. Obwohl dieser Kühlkörper 41 so ausgebildet ist, dass er fest am Schaltelement-Aufnahmerahmen 43 angebracht ist, ist ein wärmeleitfähiges Fett zwischen den Kühlkörper 41 und den Schaltelement-Aufnahmerahmen 43 eingefügt, um die Wärmeleitung zu verbessern.
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Außerdem sind die Seitenwand des Schaltelement-Aufnahmerahmens 43 und die Seitenwand des Kühlkörpers 41 fest mit Schrauben 44 verbunden. Das wärmeleitfähige Fett, das die Wärmeübertragung verbessert, ist natürlich zwischen die Seitenwand und die Seitenwand des Schaltelement-Aufnahmerahmens 43 eingefügt. Ferner ist es denkbar, dass der Kühlkörper 41 in Anbetracht einer wasserdichten Eigenschaft und dergleichen einteilig durch die Schrauben 44 innerhalb des Schaltelement-Aufnahmerahmens 43 befestigt ist.
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Die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT sind parallel über die lange Seite des Kühlkörpers 41 installiert und sie sind jeweils an der Seite des Kühlkörpers 41 mit Schrauben über die wärmeleitfähige Isolationsplatte 42 mit guter Wärmeleitfähigkeit wie z. B. wärmeleitfähiges Fett und/oder eine kühlende Silikongummiplatte befestigt.
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In diesem praktischen Beispiel wird als Material des Schaltelement-Aufnahmerahmens 43 ein Aluminiumdruckgussteil vom ADC12-Typ, das ein typisches Material eines Aluminiumdruckgussteils ist, verwendet, und als Material des Kühlkörpers 41 wird ein Aluminiumdruckgussteil vom A6063-Typ, das ein typisches Material einer Kühlplatte ist, verwendet. Als Material des Schaltelement-Aufnahmerahmens 43 wird ein Aluminiumdruckgussteil vom ADC12-Typ verwendet, und die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumdruckgussteils vom ADC12-Typ ist etwa 92 W/(m·K), während als Material des Kühlkörpers 41 ein Aluminiumdruckgussteil vom A6063-Typ verwendet wird, und die Wärmeleitfähigkeit des Aluminiumdruckgussteils vom A6053-Typ etwa 209 W/ (m K) ist.
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Obwohl unter Verwendung der obigen Maßnahmen die durch die Schaltelemente erzeugte Wärme zum Kühlkörper 41 übertragen wird, und da die Wärmeableitungsfähigkeit des Kühlkörpers 41 gut ist, und keine großen Mischphänomene von Wärmeströmen zwischen benachbarten Schaltelementen auftreten, bestehen nur wenig Störungen zwischen benachbarten den Schaltelementen. Da die Wärmediffusionscharakteristik verbessert ist, kann daher die Kühleffizienz für die Schaltelemente H3, H4 und das Schaltelement IGBT, die außerhalb des Kühlbereichs des Kanals 19a angeordnet sind, erhöht werden. Folglich steigen die Temperaturen der Schaltelemente H1 bis H4 und des Schaltelements IGBT nicht an, was es möglich macht, nachteilige Wärmeeinflüsse zu unterdrücken.
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In diesem Fall ist es nicht praktisch, den Schaltelement-Aufnahmerahmen 43 mit demselben Material wie dem Material herzustellen, das zur Herstellung des Kühlkörpers 41 verwendet wird, da die Herstellungskosten des Schaltelement-Aufnahmerahmens 43 zunehmen. Dies liegt daran, dass Komponenten abgesehen von Wärme erzeugenden Komponenten nicht viel Kühlfähigkeit erfordern, so dass es nicht vorteilhaft ist, ein teures Material zu verwenden.
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Das Obige ist ein grundlegendes Konzept der vorliegenden Erfindung und ein konkretes praktisches Beispiel, auf das das Konzept der vorliegenden Erfindung angewendet wird, wird nachstehend beschrieben. 14 ist ein Diagramm, das eine Anordnung mit dem Abschnitt der Abwärtstransformationsschaltung als Hauptkomponente zeigt, und 15 ist eine perspektivische Ansicht der Anordnung in auseinandergezogener Anordnung.
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In 14 bezeichnet das Bezugszeichen 41 den in 13 gezeigten Kühlkörper und die Schaltelemente, das Kondensatormodul 45 für den Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer, die Steuerplatine 46 und dergleichen sind an diesem Kühlkörper 41 installiert. Diese Komponenten sind mit Schrauben oder dergleichen in einer Komplettanordnung befestigt und gleichzeitig ist diese Anordnung im Gehäuse 111 des Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzers 100 mit Schrauben befestigt.
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Genau gesagt, wie in 15 gezeigt, ist ein konkaver Aufnahmeabschnitt 41B, der die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT aufnimmt, fast im zentralen Teil des Kühlkörpers 41 ausgebildet, dessen Form ein rechteckiger Festkörper mit einer vordefinierten Dicke ist, und dieser konkave Aufnahmeabschnitt 41B ist mit der wärmeleitfähigen Isolationsplatte 42 bedeckt. Außerdem sind die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT parallel an dieser wärmeleitfähigen Isolationsplatte 42 installiert.
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Die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT werden durch eine Plattenfeder 47 fest gegen die wärmeleitfähige Isolationsplatte 42 gepresst, und einige Teile der Plattenfeder 47 sind eng am Kühlkörper 41 mit Schrauben 48 befestigt.
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Daher presst die Plattenfeder 47 fest die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT gegen die wärmeleitfähige Isolationsplatte 42 unter Verwendung der Schrauben 48 als Drehpunkte.
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Das Kondensatormodul 45 umfasst auch ein Kondensatorgehäuse 49 und Montagehalter 50, die einteilig zusammen mit dem Kondensatorgehäuse 49 ausgebildet sind, und ein Kondensator wird im Kondensatorgehäuse 49 aufgenommen, während Räume zwischen dem Kondensator und dem Kondensatorgehäuse 49 mit Harz oder dergleichen gefüllt werden, wobei kein Raum dazwischen belassen wird. Durch Befestigen der Montagehalter 50 am Kühlkörper 41 mit Schrauben werden als nächstes das Kondensatormodul 45 und der Kühlkörper 41 in einer Komplettanordnung integriert.
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Daher sind die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT zwischen dem Kondensatormodul 45 und dem Kühlkörper 41 angeordnet.
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Die Steuerplatine 46 wird am hinteren Ende des Kühlkörpers 41 angeordnet, wie in 14 gezeigt, und Positionierungsstifte 51 werden in beide unteren Enden dieser Steuerplatine 46 implantiert. Diese Positionierungsstifte 51 werden in Positionierungslöcher (nicht dargestellt) am hinteren Ende des Kühlkörpers 41 eingesetzt und anschließend wird die Steuerplatine 46 am Kondensatorgehäuse 49 mit Schrauben 52 befestigt.
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Nachdem der Kühlkörper 41, das Kondensatormodul 45 und die Steuerplatine 46 zusammengefügt sind, werden die Anschlüsse der Schaltelemente H1 bis H4 und des Schaltelements IGBT jeweils mit der Steuerschaltung der Steuerplatine 46 gekoppelt.
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Obwohl in einer solchen Anordnung, wie vorstehend konfiguriert, die Wärme, die durch die Schaltelemente erzeugt wird, zum Kühlkörper 41 übertragen wird, bestehen, da die Wärmeableitungsfähigkeit des Kühlkörpers 41 gut ist, wie vorstehend beschrieben, und keine großen Mischphänomene von Wärmeströmen zwischen benachbarten Schaltelementen auftreten, nur wenig Störungen zwischen den benachbarten Schaltelementen. Da die Wärmediffusionscharakteristik verbessert ist, kann daher die Kühleffizienz für das Schaltelement H3, das Schaltelement H4 und das Schaltelement IGBT, die außerhalb des Kühlbereichs des Kanals 19a angeordnet sind, verbessert werden.
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Folglich steigen die Temperaturen der Schaltelemente H1 bis H4 und des Schaltelements IGBT nicht an, was es möglich macht, nachteilige thermische Einflüsse zu unterdrücken. Die Anordnung eines solchem Aufbaus kann kompakt konfiguriert sein, wie vorstehend, und gleichzeitig kann diese wie vorstehend konfigurierte Anordnung leicht mit dem Gehäuse 111 des Gleichspannungs/ Gleichspannungs-Umsetzers 100 verbunden werden.
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Hinsichtlich des Problems der vorliegenden Erfindung, das heißt der Kühlung von Wärme, die durch die Schaltelemente H1 bis H4 und das Schaltelement IGBT erzeugt wird, treten, da die Wärme durch den Kühlkörper 41 mit guter Wärmeableitungsfähigkeit abgeleitet wird, keine großen Mischphänomene von Wärmeströmen zwischen benachbarten Schaltelementen auf und es bestehen nur wenig Störungen zwischen den benachbarten Schaltelementen. Da die Wärmediffusionscharakteristik verbessert ist, kann daher die Kühleffizienz für die Schaltelemente H3 und H4 und das Schaltelement IGBT, die außerhalb des Kühlbereichs des Kanals 19a angeordnet sind, erhöht werden.
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Obwohl in diesem praktischen Beispiel als Material des Kühlkörpers 41 ein Aluminiumdruckgussteil vom A6063-Typ, dessen Wärmeleitfähigkeit etwa 209 W/(m·K) ist, verwendet wird, ist das Material des Kühlkörpers 41 nicht auf das Aluminiumdruckgussteil vom A6063-Typ begrenzt und kann ein beliebiges Druckgussteil sein, solange seine Kühleigenschaft besser ist als jene des Gehäuses 111.
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Obwohl die Leistungsumsetzungsvorrichtung in diesem praktischen Beispiel als Komplettanordnung beschrieben wurde, bei der sowohl der Inverter 200 als auch der Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 zusammen integriert sind, kann die vorliegende Erfindung außerdem auch auf einen anderen Typ von Gleichspannungs/Gleichspannungs-Umsetzer 100 angewendet werden, der unabhängig verwendet wird und in dem ein Kühldurchgang, wie z. B. im Inverter 200 verwendet, ausgebildet ist. Mit anderen Worten, der Kühlwasserdurchgang kann an der Wandoberfläche des Gehäuses 111 entgegengesetzt zu der Position, in der der Kühlkörper 41 befestigt ist, angeordnet sein.
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Obwohl die vorliegende Erfindung an einer Leistungsumsetzungsvorrichtung, die in einem Fahrzeug wie z. B. einem EV oder PHEV angebracht ist, als Beispiel beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das obige Beispiel in ihrer Anwendung begrenzt und kann auf eine Leistungsumsetzungsvorrichtung angewendet werden, die an einem Fahrzeug für eine Baumaschine angebracht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 111
- Gehäuse,
- 10a bis 10d
- Seitenwand,
- 10f, 111f
- Seitenoberfläche,
- 12
- Kanalbildungsabschnitt,
- 19
- Kühlmittelka-nal,
- 19a
- erster Kanalabschnitt,
- 19b
- zweiter Kanalabschnitt,
- 19c
- dritter Kanalabschnitt
- 20, 30
- Steuerschaltungsplatine,
- 33
- Haupttransformator,
- 34
- Spannungsumsetzungsinduktorelement,
- 35 ...
- Leistungshalbleitermodul,
- 36
- Schaltelement,
- 37
- Sockel-leiste,
- 41
- Kühlkörper,
- 42
- wärmeleitfähige Isolationsplatte,
- 43
- Schaltelement-Aufnahmerahmen,
- 44
- Schraube,
- 45
- Kondensa-tormodul,
- 46
- Steuerplatine,
- 47
- Plattenfeder,
- 48
- Montagehal-ter,
- 49
- Kondensatorgehäuse,
- 50
- Schraube,
- 51
- Positionie-rungsstift,
- 100
- Gleichspannungs/ Gleichspannungs-Umsetzer,
- 111a
- Stützteil,
- 111b
- Gehäuseboden,
- 111c, 52
- Schraube,
- 53
- Anschluss,
- 406
- konvexer Abschnitt,
- 111d
- konkaver Ab-schnitt,
- 120
- Kühlplatte,
- 200
- Inverter,
- 402
- untere Abdeckung,
- H1 bis H4, IGBT
- Schaltelement.
