JP2006174572A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 設置床面積を低減することができ、許容された容積に収納できる電力変換装置を得ることを目的とするものである。
【解決手段】 半導体素子を内蔵し、外部装置に電流を供給する主端子２０１と半導体素子を制御する信号端子２０２とを有する半導体モジュール２を平板状の支持部材３の平面３１に取り付け、支持部材３は支持部材３の平面３１がベース板１の平板状表面に略垂直な方向になるようにベース板１に立設し、かつ、支持部材３とバスバーアセンブリ４とが一体にされ、一体にされた支持部材３とバスバーアセンブリ４とがベース板１に固定されているようにする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、車載用、その他の電動機等の負荷を駆動制御するための電力変換装置に関するものである。

従来より、電力変換装置はインバータ回路を構成する半導体モジュールが複数個使用されている。例えば、３相交流電力で駆動する電動機や発電機は、各相毎に上位の制御用スイッチング素子と下位の制御用スイッチング素子が内蔵された半導体モジュールが配置されている。また、制御する電力が大きい場合には、各相に複数の半導体モジュールが配設され、場合によっては、３相の半導体モジュール群が複数組並べられて複数の負荷を制御する電力変換器を構成することもある。

これらの複数の半導体モジュールは、冷却用のヒートシンクベースの表面に２次元的に並設される。半導体モジュールは、それが有するベース板の下部にグリースなどの伝熱性の高分子材料を塗布してヒートシンクベースに取り付けられる。同じヒートシンクベースに搭載された複数の半導体モジュールの発熱は、ヒートシンクから周囲の冷却する媒体に対して放熱される（例えば、特許文献１）。

特開２００３−２５９６５８号公報（第３−４頁、図２）

従来の電力変換装置によれば、複数の半導体モジュールがベース板（ヒートシンクベース）の表面に並設されるため、電力変換装置の設置面積が並設する半導体モジュールの数量に伴って必要となり、電力変換装置を載置する容積が制限されている場合、特に、車載用途等においては、設置できる電力変換装置の大きさに限界があり、搭載できない場合も生じるという問題があった。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、設置床面積を低減することができ、許容された容積に収納できる電力変換装置を得ることを目的とするものである。

本発明に係る電力変換装置は、半導体素子を内蔵し、外部装置に電流を供給する主端子と上記半導体素子を制御する信号を供給する信号端子とを有する半導体モジュール、上記主端子と接続される端子台及び上記端子台と接続され上記半導体モジュールと上記外部装置との電流路となるバスバーを有するバスバー構造体、上記信号端子が接続され上記半導体モジュールを制御する回路基板、上記半導体モジュール、バスバー構造体及び回路基板を保持するための平面を有するベース板を備えた電力変換装置において、
上記半導体モジュールは、平板状の支持部材の平面に取り付けられ、
上記支持部材は上記支持部材の取り付けた平面が上記ベース板の平面に略垂直な方向になるように上記ベース板に立設され、かつ、上記支持部材と上記バスバー構造体とが一体にされて上記ベース板に固定されているものである。

本発明に係る電力変換装置によれば、この電力変換装置を設置するための床面積を著しく低減することが可能となる。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る電力変換装置の実施の形態１を示す斜視図、図２は、図１における電力変換装置が有する主要な構成部材を展開して示す斜視図である。この実施の形態１における電力変換装置では、直流を交流に変換するインバータを例にとって説明することとする。

図２に示したように、半導体モジュール２が支持部材３の一方の平面３１に搭載され、支持部材３は、その平面３１が平面状のベース板１の平板状の面と略垂直になるようにして立設され、支持部材３とバスバーアセンブリ（アセンブリ構造体）４とが一体となって、後述のようなボルト締結等の方法でベース板１に取り付けられている。ベース板１は、電力変換装置の一面を構成するとともに、電力変換装置内部の主要な部品類を保持した支持部材３を支持する役目を担う剛性の高い強固な部材で構成する。

半導体モジュール２は、インバータを構成するためのトランジスタからなるスイッチング素子からなる半導体素子と、場合により、フライホイールダイオードとの組み合わせの半導体素子を内蔵している。内蔵された半導体素子は、３相交流の１相分または１相の片アーム分である。この実施の形態１においては、１相分の半導体素子が内蔵された例を図示しており、インバータに必要な半導体モジュール２の数は３つとしている。

半導体モジュール２は、モータなどの機器を運転するための主電流が半導体素子を通って流れる主端子２０１、及び半導体素子のゲート制御信号等の制御ための、あるいは各種モニタ信号を供給するための信号端子群２０２を有する。主端子２０１は、バスバーアセンブリ４の端子台４０１に接続され、バスバー４０２は端子台４０１に繋がっており、バスバー４０２によって半導体モジュール２と電力変換装置の外部装置の端子に通電される。

また、信号端子群２０２は、半導体モジュール２と重なるように取り付けられた回路基板５にはんだ付などの方法で電気的に接続される。回路基板５は、スイッチング素子のゲートを駆動するためのゲートドライバ回路、過電流や過熱に対する保護動作を担う保護回路、および電源回路などから構成され、支持部材３の平面３１に固定された基板支持部３０２に固定されるとともに、バッテリなどの電力変換装置の外部の機器とコネクタ６を介してケーブル等で接続される。

図３は、この実施の形態１において支持部材３をベース板１に固定する方法を示す斜視図である。図３（ａ）に示したように、バスバーアセンブリ４に対してボルト１１で締結するなどの方法で強固に一体化されるとともに、バスバーアセンブリ４はこのバスバーアセンブリ４に設けたフランジ部１２でベース板１に対して締結固定されてベース板１と支持部材３が高い剛性を有して固定される。また、同図（ｂ）のように支持部材３にフランジ部１４を設け、直接的に支持部材３をベース板１に設けた締結部１５に固定しても良い。さらに、同図（ｃ）に示すように、バスバーアセンブリ４を支持部材３の平面３１に取付け、半導体モジュール２の主端子２０１を垂直に折り曲げ（折り曲げられていない図１及び図２のものを参照）、支持部材３の下端近傍の平面３１に締結部１６などの部位を設けてベース板１に固定しても良い。

なお、電力変換装置は、カバーが設けられて外部から保護されるが、この発明の実施の形態１を説明するにあたっては、便宜上カバーを省略して説明する。なお、カバーは、バスバーアセンブリ４、ベース板１あるいは支持部材３等と一体化して形成してもよいし、別の独立した構造体として製造して、後でベース板１あるいは支持部材３等に組みつけてもよい。

この実施の形態１によれば、半導体モジュール２が平面３１に搭載された支持部材３を、その平面３１がベース板１の平板状の面と垂直になるように立設させてベース板１に取り付けることによって、電力変換装置の設置床面積を小さくすることができる。

また、支持部材３を剛性が高いベース板１の上に強固に取り付けることによって、半導体モジュール２等が振動などによってダメージを受けることがないようにすることができる。

また、半導体モジュール２としては、例えば、エポキシ等の熱硬化性樹脂やＰＰＳ、ＰＢＴ等の熱可塑性樹脂で半導体素子や配線がモールドされたモジュールを用いることにより、薄型にすることができ、さらに、ハンドリング性を容易にすることができ、立体的な構造に対する取り付けが容易になる。

また、バスバーアセンブリ４は、支持部材３の平面３１に平行な方向に通電経路を構成し、支持部材３の平面３１とベース板１の面に支持されながら固定されることにより、機械的な保持状態が極めて安定したものとなる。

実施の形態２．
図４は、この発明に係る電力変換装置の実施の形態２を示す斜視図である。
二つのインバータを収納する場合や、複数の半導体モジュールを並列に使用する場合、半導体モジュールは、６個あるいはそれ以上の個数を収納する必要がある。

このような場合には、図４に示したように、上記実施の形態１と同様に、ベース板１の面に立設した支持部材３の両平面３１に半導体モジュール２、回路基板５を取り付ける。

このように、支持部材３の両平面に半導体モジュール２、回路基板５を取り付けることによって、支持部材３の数量を増やすことなく、同等の剛性を維持しながら、半導体モジュール２の個数を増やすことができる。

実施の形態３．
図５は、この発明に係る電力変換装置の実施の形態３を示す斜視図である。
この実施の形態３は、半導体モジュールが搭載された複数の支持部材３ａ，３ｂが同一のベース板１上に立設されている例である。

この場合も、半導体モジュールが搭載された支持部材３ａ，３ｂの平面３１をベース板１の面と垂直にしてベース板１に支持部材３ａ，３ｂを立設している。

インバータ、コンバータ、チョッパなどの複数の電力変換装置を複合化して同一ケースに収納する場合や、消費電力が大きくて多くの半導体モジュールを多並列駆動する場合には、複数の支持部材３ａ，３ｂに分割して搭載することで、不要に電力変換装置の長さを拡張することなく収納することができる。

例えば、この実施の形態３における支持部材３ａには、一つのインバータに必要な半導体モジュール群２ａが搭載されており、もう一つの支持部材３ｂには、別のインバータを構成する半導体モジュール群２ｂが搭載されている。

このように、この実施の形態３によれば、例えば、二つのインバータ装置を収納したコンパクトな２インバータ型電力変換装置を構成することができる。なお、図５では、複数の支持部材３ａ、３ｂの片面にの平面３１に複数の半導体モジュール２を搭載した例について説明したが、図４で説明したように両平面３１に半導体モジュール３を搭載した支持部材３を複数個並べても無論よく、電力変換装置に求められる容積に応じて多様な構成を取り得る。

実施の形態４．
図６及び図７は、この発明に係る電力変換装置の実施の形態４を示す斜視図である。
上記実施の形態１〜３では、バスバーアセンブリをベース板の平板状の面に支持されるように固定する構造について説明してきたが、図６及び図７に示したように、バスバーアセンブリ４を支持部材３の上方に配置してもよい。

図６に示したように、半導体モジュール２は、主端子２０１を支持部材３の上方側、信号端子群２０２をベース板１側とする。この場合は、これまで説明してきた半導体モジュール２を１８０度回転した向きとなる。バスバーアセンブリ４は、支持部材３の上面（端面）に固定される。バスバーアセンブリ４には、端子台４０１が形成されており、半導体モジュール２の主端子２０１が図示していないボルトによって端子台４０１に締結される。端子台４０１の面の方向は、支持部材３の半導体モジュール２が搭載される平面３１に平行であっても垂直であっても良く、空間的に締結し得る方向であればよい。

信号端子群２０２は、支持部材３の下方側にある回路基板５のスルーホールにはんだ付される。

図７は、平滑コンデンサを搭載した電力変換装置の例である。平滑コンデンサ７は、半導体モジュール２を搭載した支持部材３に隣接してベース板１の上に取り付けられており、平滑コンデンサ７のＰ側とＮ側の導電部が、積層された薄型の配線構造８によって半導体モジュール２と接続されている。配線構造８は、金属バーであっても差し支えないが、次に説明するように、積層配線構造とすることによってインダクタンスを小さくし、薄型化することができる。

平滑コンデンサ７は、負荷に交流電力を与える半導体モジュール２に供給する直流入力の脈動を抑制するために大きな容積が必要であるとともに、コンデンサと半導体モジュール間のインダクタンスを低減するために複数個のコンデンサを並列接続することが必要であり、コンデンサ高さも高い。このため、図７に示したように、バスバーアセンブリ４を支持部材３上端面側に配置し、平滑コンデンサ７と接続するバスバーアセンブリ４の端子台４０１の高さ方向位置を配線構造８の位置とほぼ一致させることによって、Ｐ側、Ｎ側双方の配線が平行平板型となった配線構造８で平滑コンデンサ７と半導体モジュール２を繋ぐことができ、インダクタンスを小さくし、電力変換装置の高さを低くすることができる。

この実施の形態４によれば、半導体モジュールの主端子２０１が接続された端子台４０１と平滑コンデンサ７とが最短距離で配線されるので、インダクタンスが低減されるとともに、半導体モジュールを搭載した支持部材を、平面３１がベース板１にほぼ垂直となるように取り付けたため、電力変換装置の設置面積を低減することができ、同一のベース板１に平滑コンデンサ７を並べて、ベース板１の垂直方向の空間を効率的に活用して高密度に部品を収納することができる。

また、設置したバスバーアセンブリ４と平滑コンデンサ７との接続配線を平行平板型となった配線構造８で繋ぐことにより、インダクタンスを小さくすることができ、また、組立作業性も向上する。

なお、この実施の形態４では、主端子２０１が半導体モジュール２の片側に設けられ、主端子２０１が直接端子台４０１に接続される例について説明したが、例えば、別体の金属プレート等の導体を介して主端子２０１と端子台４０１とを電気的に接続してもよく、また、端子台４０１の導体部を主端子２０１まで延在させて接続する等のように種々の接続形態をとり得る。

実施の形態５．
図８は、この発明に係る電力変換装置の実施の形態５を示す斜視図である。
この実施の形態５は、図８に示したように、支持部材３がヒートシンクとなっているものである。図８中、矢印で示したように、冷媒は、ベース板１に配管部１０１を経て入り、ベース板１内に設けられた流路（図示せず）を通じて、支持部材３の開口部３０１に至り、支持部材内部の流路を通って半導体モジュール２を冷却して、再びベース板１を経て配管部１０１から外部に流出する。

図９は、支持部材３内における冷媒の流路の具体的な構造を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。図９（ｂ）に示したように、支持部材３の内部に空間が形成されており、冷媒が流れるダクト３０３となる。冷媒は、支持部材３に設けられた開口部３０１の入口側を通ってダクト３０３に流入し、開口部３０１の出口側を経て支持部材３外部に流出する。ダクト３０３内には、フィン部３０４が設けられている。この実施の形態５では、櫛型フィンが設けられた例について示したが、円柱もしくは角柱形状などのピンがダクト内に分散して設けられたピンフィンでも良いし、乱流促進体でも良く、ヒートシンクに必要な放熱性能と許容される圧力損失に応じて最適であれば、フィン形状にこだわらない。

この実施の形態５によれば、支持部材３の内部に形成された流路を流れる冷媒と半導体モジュール２が発生する熱とが熱交換するため、半導体モジュール２のベース板１の面に対して垂直方向になる立体的な配置構造でも十分な放熱性を有するものとすることができる。

また、開口部３０１は支持部材３表面から突出した形状とし、ベース板１の取り付け口に差込み、Ｏリングなどでシールする形状としているが、支持部材３側、ベース板１側双方のシール面を平面として突き合わせてシールする構造でもよい。これらのシール部においては、振動や長期にわたる温度サイクルなどに耐えるように開口部３０１周辺をボルトで強固に固定することが望ましい。

支持部材３の両面に半導体モジュール２を搭載する、図４に示したような場合には、両面の半導体モジュール２を冷却する必要がある。この場合、１本のダクト３０３の両面で半導体モジュール２を冷却してもよいし、図１０に示したように、中央付近で間仕切り３０５を設け、両側の半導体モジュール２に対して各々にダクト３０３及びフィン部３０４を形成してもよい。

また、半導体モジュール２が搭載された複数の支持部材３が同一のベース板１上に搭載されている、図５に示したような場合には、図１１に示したように、支持部材３ａ、３ｂ各々に開口部３０１ａ、３０１ｂを形成し、ベース板１に配管部１０１を設け、冷媒を配管部１０１から開口部３０１ａ、３０１ｂに分配し、支持部材３ａ、３ｂの図示していない冷媒の流路を経て配管部１０１から外部に流出させるようにする。

この実施の形態５によれば、ベース板１に設けた配管１０１から支持部材３に形成した冷媒の流路に冷媒を流す構造とすることによって、冷却のための部品点数を大幅に増やすことなく、また、電力変換装置全体を大きくすることなく支持部材３に搭載した半導体モジュール２を冷却することができる。

なお、この実施の形態５においては、ベース板１に設けた配管１０１から支持部材３に形成した冷媒の流路に冷媒を流す構造としたが、外部から直接、支持部材３の流路に冷媒を流すようにしても同様の効果が得られる。

また、上記実施の形態１〜５において、支持部材３の一方の平面に３個の半導体モジュール２を搭載した例を示したが、半導体モジュール２の搭載数はこれに限られるものではなく、また、半導体モジュール２の支持部材３への並べ方も種々の並べ方が可能である。

この発明に係る電力変換装置は、車載用など設置スペースが限られた装置に搭載する電力変換装置として、特に、有効に利用することができる。

この発明に係る電力変換装置の実施の形態１を示す斜視図である。 図１における電力変換装置が有する主要な構成部材を展開して示す斜視図である。 実施の形態１において支持部材３をベース板１に固定する方法を示す斜視図である。 この発明に係る電力変換装置の実施の形態２を示す斜視図である。 この発明に係る電力変換装置の実施の形態３を示す斜視図である。 この発明に係る電力変換装置の実施の形態４を示す斜視図である。 実施の形態４において平滑コンデンサを搭載した電力変換装置を示す斜視図である。 この発明に係る電力変換装置の実施の形態５を示す斜視図である。 支持部材内における冷媒の流路の具体的な構造を示す平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 支持部材内における冷媒の流路の具体的な構造を示す及び断面図である。 この発明に係る電力変換装置の他の実施の形態５を示す斜視図である。

符号の説明

１ ベース板、２ 半導体モジュール、２ａ，２ｂ 半導体モジュール群、
３，３ａ，３ｂ 支持部材、４ バスバーアセンブリ、５ 回路基板、６ コネクタ、
７ 平滑コンデンサ、８ 積層配線構造、１１ ボルト、１２，１４ フランジ部、
１５，１６ 締結部、３１ 支持部材の平面、１０１ 配管、２０１ 主端子、
２０２ 信号端子群、３０１，３０１ａ，３０１ｂ 開口部、３０２ 基板支持部、
３０３ ダクト、３０４ フィン部、３０５ 間仕切り、４０１ 端子台、
４０２ バスバー。

Claims (9)

1. 半導体素子を内蔵し、外部装置に電流を供給する主端子と上記半導体素子を制御する信号を供給する信号端子とを有する半導体モジュール、上記主端子と接続される端子台及び上記端子台と接続され上記半導体モジュールと上記外部装置との電流路となるバスバーを有するバスバー構造体、上記信号端子が接続され上記半導体モジュールを制御する回路基板、上記半導体モジュール、バスバー構造体及び回路基板を保持するための平面を有するベース板を備えた電力変換装置において、
   上記半導体モジュールは、平板状の支持部材の平面に取り付けられ、
   上記支持部材は上記支持部材の取り付けた平面が上記ベース板の平面に略垂直な方向になるように上記ベース板に立設され、かつ、上記支持部材と上記バスバー構造体とが一体にされて上記ベース板に固定されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 上記半導体モジュールは、上記支持部材の両方の平面に取り付けられたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 上記支持部材が、上記ベース板に複数個立設されたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
4. 上記主端子が上記ベース板に立設された上記支持部材の下端側にあり、上記信号端子が上記支持部材の上端側にあり、上記バスバー構造体は、上記ベース板に立設された上記支持部材の下端で上記支持部材と一体になっていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
5. 上記主端子が上記ベース板に立設された上記支持部材の上端側にあり、上記信号端子が上記支持部材の下端側にあり、上記バスバー構造体は、上記ベース板に立設された上記支持部材の上端で上記支持部材と一体になっていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
6. 平滑コンデンサが上記支持部材に隣接して上記ベース板に取り付けられ、上記平滑コンデンサのＰ側、Ｎ側双方の配線が平行平板型となった配線構造で平滑コンデンサと上記バスバー構造体の端子台とが繋がれていることを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
7. 上記支持部材は、冷媒をその内部に流し外部に流出させる流路を有することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
8. 上記ベース板は、冷媒をその内部に流し外部に流出させる配管を有し、上記支持部材は、その内部に上記ベース板の配管からの冷媒が流入し上記配管に流出する流路が設けられたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
9. 上記流路が、上記支持部材の内部において複数個、形成されたことを特徴とする請求項７または８記載の電力変換装置。

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