JP2007159254A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力コネクタの耐久性を向上す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。
【解決手段】電力変換装置１は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール４と、半導体モジュール４を冷却する冷却器５とを含む主回路部１０と、半導体モジュール４の信号端子４２に電気的に接続され、半導体モジュール４を制御する制御回路部２と、半導体モジュール４の主電極端子４１に接続され、半導体モジュール４に対して電流を入出させるバスバーと、バスバーを介して主電極端子４１に接続されたコンデンサとを有するパワー配線部３とを有する。パワー配線部３は、主回路部１０の下方に配置してあり、パワー配線部３へ電力を供給するための入力コネクタ６は、少なくともその上端部６１が冷却器５の下端部５２よりも上方に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールを用いたインバータ装置等の電力変換装置に関する。

例えば、内燃機関と電気モータの両方を駆動源として有するハイブリッド自動車、その他、電気モータを駆動源として備えた自動車等では、直流電力と交流電力との間で双方向変換する大容量のインバータを必要とする。そのため、このインバータを含む電力変換装置が種々開発されてきた。

インバータ回路（電力変換回路）は、ＩＧＢＴ素子等を内蔵した半導体モジュールを用いて構成するが、上記のごとく大容量であるため、発熱量も大きい。そのため、電力変換装置は、上記半導体モジュールを冷却する冷却器を組み込んで構成する。

また、電力変換装置は、半導体モジュールに対して電流を入出させるパワー配線部と、半導体モジュールを制御する制御回路部を有する。
そして、パワー配線部に流れる大電流に起因する電磁ノイズの影響を、制御回路部に与えないようにするために、主回路部を、パワー配線部と制御回路部との間に配置した電力変換装置が開示されている（特許文献１）。

また、制御回路部のメンテナンス等を考慮して、冷却器の上方に制御回路部を配置すると共に、パワー配線部を主回路部の下方に配置することも考えられる。
かかる場合においては、パワー配線部に電力を供給するための入力コネクタをパワー配線部の近くに設置する観点から、通常は、冷却器よりも下方に入力コネクタを配置することとなる。

しかしながら、冷却器よりも下方に入力コネクタを配置すると、上記パワー配線部の熱により入力コネクタの温度が上昇しやすくなる。
また、冷却器よりも下方に入力コネクタを配置した電力変換装置を、車両のエンジンルームに配置したとき、エンジンルームの下部に上記入力コネクタが配置されることとなる。エンジンルームの下部は、種々の部品が密集していると共に、高温の空気が滞留しやすい。そのため、入力コネクタの温度が大きく上昇してしまうおそれがある。

このように、入力コネクタの温度上昇が大きくなると、その温度変化幅が大きくなることとなる。それ故、繰り返しの温度変化によって、相手側のコネクタとの接触部分が金属疲労を起こし、接触抵抗が大きくなりやすい。即ち、入力コネクタの耐久性が低下しやすくなり、寿命が短くなってしまうおそれがある。

特開２００５−０７３３７４号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、入力コネクタの耐久性を向上す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。

本発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器とを含む主回路部と、
上記半導体モジュールの信号端子に電気的に接続され、上記半導体モジュールを制御する制御回路部と、
上記半導体モジュールの主電極端子に接続され、上記半導体モジュールに対して電流を入出させるバスバーと、該バスバーを介して主電極端子に接続されたコンデンサとを有するパワー配線部とを有し、
上記パワー配線部は、上記主回路部の下方に配置してあり、
上記パワー配線部へ電力を供給するための入力コネクタは、少なくともその上端部が上記冷却器の下端部よりも上方に配置されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置においては、上記パワー配線部が、上記主回路部の下方、即ち冷却器の下方に配置されている。そして、上記入力コネクタは、少なくともその上端部が上記冷却器の下端部よりも上方に配置されている。そのため、発熱量の多い上記パワー配線部の放熱によって高温となった周囲の空気が上昇しても、この高温の空気は上記冷却器によって冷却され、上記入力コネクタにまで高温の空気が達することを抑制することができる。
また、伝熱による熱も冷却器に吸収され、入力コネクタまで達する熱量を抑制することができる。

また、電力変換装置を車両のエンジンルーム等に配置したとき、エンジンルーム等の下部に上記入力コネクタが配置されることを回避することができ、エンジンルーム等の比較的上部位置に入力コネクタを配置することができる。エンジンルームの下部は、種々の部品が密集しており高温の空気が滞留しやすいが、エンジンルームの上部は空気の入れ替りも多く、比較的高温となり難い。そのため、入力コネクタの温度が大きく上昇することを防ぐことができる。

このように、入力コネクタの温度上昇を抑制することができ、その温度変化幅を小さくすることができる。それ故、入力コネクタは、相手側のコネクタとの接触部分における金属疲労が抑制され、接触抵抗の増大を防ぐことができる。これにより、入力コネクタの耐久性を確保することができ、長寿命の入力コネクタとすることができる。

以上のごとく、本発明によれば、入力コネクタの耐久性を向上することができる電力変換装置を提供することができる。

本発明の電力変換装置において、上記パワー配線部におけるバスバーは、例えば三相モータに連結され、また上記入力コネクタに電気的に接続される。そして、パワー配線部は、制御すべき電流を半導体モジュールに入力すると共に半導体モジュールから出力する。また、パワー配線部は、バスバーを介して主電極端子に接続されるコンデンサを含み、該コンデンサとしては、例えば、スナバコンデンサ、平滑コンデンサ、フィルタコンデンサ等がある。

また、上記制御回路部は、上記半導体モジュールの信号端子に接続され、半導体モジュールに対して制御信号を送る。
そして、上記主回路部は、上記半導体モジュールとこれを冷却する冷却器とを含んで構成される。

上記半導体モジュールとしては、１種又は複数種類の半導体素子を用いて構成し、上記主電極端子と信号端子とを設けたものを用いる。この半導体モジュールとしては、後述するごとく、両面冷却タイプ、すなわち、一方の面からだけでなく、これに対向するもう一つの面から冷却できる構造のものが好ましい。

また、上記電力変換装置としては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流を生成するのに用いることができる。

また、上記入力コネクタは、上記冷却器に設けた冷媒導入口と冷媒排出口との間に配置していることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記入力コネクタの温度上昇を効果的に抑制することができる。
また、電力変換装置の外形のコンパクト化を容易に行うことができ、エンジンルーム等の省スペース化を図ることができる。

また、上記入力コネクタと制御回路部との間には、導電体からなる遮蔽板が配設されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記入力コネクタやこれに接続された配線等から生じる電磁ノイズによる、制御回路部への影響を防ぐことができる。即ち、入力コネクタや該入力コネクタと上記パワー配線部との間に接続される配線等には、大電流が流れるため、その周囲に電磁ノイズを発生することがある。一方、制御回路部は、電磁ノイズの影響により誤作動を生じやすい部分である。それ故、入力コネクタと制御回路部との間に、上記遮蔽板を配置して、電磁ノイズによる制御回路部への影響を遮断することにより、制御回路部の動作を正常に行わせ、ひいては電力変換装置の正常な動作を確保することができる。
また、上記遮蔽板を設けることによって、入力コネクタに大電流が流れることにより生じる熱が、制御回路部へ移動することを防ぐこともでき、かかる観点からも制御回路部の正常な動作を確保することができる。

また、上記入力コネクタは、上記冷却器の上端部よりも上方に配置されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記入力コネクタの温度上昇を一層効果的に抑制することができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図６を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１〜図３に示すごとく、以下の主回路部１０と制御回路部２とパワー配線部３とを有する。
主回路部１０は、図６に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール４（図５）と、該半導体モジュール４を冷却する冷却器５とを含む。
また、制御回路部２は、半導体モジュール４の信号端子４２に電気的に接続され、半導体モジュール４を制御する。

また、パワー配線部３は、半導体モジュール４の主電極端子４１に接続され、半導体モジュール４に対して電流を入出させるバスバー（図示略）と、該バスバーを介して主電極端子４１に接続されたコンデンサ（図示略）とを有する。

図１〜図３に示すごとく、パワー配線部３は、主回路部１０の下方に配置してあり、制御回路部２は、主回路部１０の上方に配置されている。
そして、パワー配線部３へ電力を供給するための入力コネクタ６は、少なくともその上端部６１が冷却器５の下端部５２よりも上方に配置されている。本例においては、入力コネクタ６は、冷却器５の上端部５３よりも上方に配置されている。より具体的には、入力コネクタ６が電力変換装置１の本体に固定されている部分における下端部６２が、冷却器５の上端部５３よりも上方に位置している。

また、図３に示すごとく、入力コネクタ６と制御回路部２との間には、導電体からなる遮蔽板１１１が配設されている。遮蔽板１１１は、電力変換装置１の外装ケース１１の一部として一体的に形成されている。なお、上記外装ケース１１及び遮蔽板１１１は、アルミニウムからなる。

パワー配線部３におけるバスバーは、三相モータに連結され、また入力コネクタ６に電気的に接続される。そして、パワー配線部３は、入力コネクタ６から入力された制御すべき電流を半導体モジュール４に入力すると共に、制御された電流を半導体モジュール４から三相モータへ出力する。また、パワー配線部３は、バスバーを介して主電極端子４１に接続されるコンデンサを含み、該コンデンサとしては、サージ電圧を除去するスナバコンデンサ、断続電流を平滑な直流電流とする平滑コンデンサ、入力電流のリプル成分を除去するフィルタコンデンサ等がある。
また、パワー配線部３と入力コネクタ６とは、図３に示すごとく、略鉛直方向に配設された鉛直バスバー６３によって接続されている。

また、制御回路部２は、半導体モジュール４の信号端子４２に接続され、半導体モジュール４に対して制御信号を送る。
そして、主回路部１０は、図６に示すごとく、半導体モジュール４とこれを冷却する冷却器５とを含んで構成される。

半導体モジュール４としては、１種又は複数種類の半導体素子を用いて構成され、図５に示すごとく、主電極端子４１と信号端子４２とを設けてなる。即ち、半導体モジュール４は、半導体素子を内蔵したモジュール本体部４０と、該モジュール本体部４０から突出させた主電極端子４１と、該主電極端子４１の突出方向と略１８０度異なる方向へ突出させた上記信号端子４２とよりなる。そして、モジュール本体部４０は、その主面両面４０１、４０２に上記主電極端子４１に導通する放熱板４５１を露出させてある。

冷却器５は、図６に示すごとく、モジュール本体部４０を両面から挟持するように配置される一対の冷媒チューブ５１を有している。本例では、一対の冷媒チューブ５１の間に２つの半導体モジュール４を並べて挟持させている。そして、全体的には、冷媒チューブ５１と半導体モジュール４の列とを交互に積層して上記主回路部１０を構成している。これにより、すべての半導体モジュール４は、その両面４０１、４０２を冷媒チューブ５１により挟持された状態となる。

各冷媒チューブ５１は、その内部に図示しない冷媒通路を有しており、これに冷却媒体を流通可能に構成してある。また、同図に示すごとく、複数の冷媒チューブ５１の両端をそれぞれ連結するように蛇腹パイプ或いはダイアフラム構造のパイプを配置し、２箇所のヘッダ部５０を形成してある。また、該２箇所のヘッダ部５０の端部には、冷却器５の一方の端部に配された冷媒チューブ５１に接続された冷媒導入口５４１と冷媒排出口５４２とがそれぞれ設けてある。

そして、冷媒チューブ５１内に冷却媒体を流通させることにより、モジュール本体部４０を両面４０１、４０２から冷却することができる。また、各半導体モジュール４は、上記一対の冷媒チューブ５１の長手方向（水平方向）に対して略直角の互いに異なる方向に主電極端子４１と信号端子４２とがそれぞれ突出するように配置される。即ち、主電極端子４１を下方に、信号端子４２を上方に、それぞれ突出させる。
これにより、複数の半導体モジュール４と複数の冷媒チューブ５１とを配列してなる主回路部１０の上面に制御回路部２を、下面にパワー配線部３を、振り分けて配置することが非常に容易となる。

また、図１〜図３に示すごとく、冷媒導入口５４１と冷媒排出口５４２とは電力変換装置１の外部に突出しており、入力コネクタ６は、平面視において、冷媒導入口５４１と冷媒排出口５４２との間に配置している。また、入力コネクタ６は、その下面に接続口６４を形成している。

また、制御回路部２においては、図３、図４に示すごとく、２枚の制御基板２１１、２１２が互いの間隔を設けつつ積層配置されている。そして、それぞれの制御基板２１１、２１２に制御回路が形成されている。
上記２枚の制御基板２１１、２１２は、同一平面上に平行配置された２本の基板固定プレート２２に立設された合計６本の二段ボス２３に対して、ボルト２４によってそれぞれ固定されている。上記二段ボス２３は、高さが互いに異なる第１ボス部２３１と第２ボス部２３２とを有し、それぞれにネジ孔が切ってある。そして、６箇所の第１ボス部２３１の上面に一方の制御基板２１１を載置すると共にボルト２４で固定してある。また、６箇所の第２ボス部２３２の上面に他方の制御基板２１２を載置すると共にボルト２４で固定してある。
このようにして、２段構成の制御回路部２が構成されている。なお、基板固定プレート２２と３本の二段ボス２３とは、一体品として構成されている。

次に、本例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、図１〜図３に示すごとく、パワー配線部３が、主回路部１０の下方、即ち冷却器５の下方に配置されている。そして、入力コネクタ６は、少なくともその上端部６１が冷却器５の下端部５２よりも上方に配置されている。そのため、発熱量の多いパワー配線部３の放熱によって高温となった周囲の空気が上昇しても、この高温の空気は冷却器５によって冷却され、入力コネクタ６にまで高温の空気が達することを抑制することができる。
また、伝熱による熱も冷却器５に吸収され、入力コネクタ６まで達する熱量を抑制することができる。

また、電力変換装置１を車両のエンジンルームに配置したとき、エンジンルームの下部に入力コネクタ６が配置されることを回避することができ、エンジンルームの比較的上部位置に入力コネクタ６を配置することができる。エンジンルームの下部は、種々の部品が密集しており高温の空気が滞留しやすいが、エンジンルームの上部は空気の入れ替りも多く、比較的高温となり難い。そのため、入力コネクタ６の温度が大きく上昇することを防ぐことができる。

このように、入力コネクタ６の温度上昇を抑制することができ、その温度変化幅を小さくすることができる。それ故、入力コネクタ６は、相手側のコネクタとの接触部分における金属疲労が抑制され、接触抵抗の増大を防ぐことができる。これにより、入力コネクタ６の耐久性を確保することができ、長寿命の入力コネクタ６とすることができる。
また、特に本例における入力コネクタ６は、冷却器５の上端部５３よりも上方に配置されているため、入力コネクタ６の温度上昇を一層効果的に抑制することができる。

また、入力コネクタ６と制御回路部２との間には遮蔽板１１１が配設されているため、入力コネクタ６やこれに接続された鉛直バスバー６３等から生じる電磁ノイズによる、制御回路部２への影響を防ぐことができる。即ち、入力コネクタ６や鉛直バスバー６３等には大電流が流れるため、その周囲に電磁ノイズを発生することがある。一方、制御回路部２は、電磁ノイズの影響により誤作動を生じやすい部分である。それ故、入力コネクタ６と制御回路部２との間に、遮蔽板１１１を配置して、電磁ノイズによる制御回路部２への影響を遮断することにより、制御回路部２の動作を正常に行わせ、ひいては電力変換装置１の正常な動作を確保することができる。
また、遮蔽板１１１を設けることによって、入力コネクタ６に大電流が流れることにより生じる熱が、制御回路部２へ移動することを防ぐこともでき、かかる観点からも制御回路部２の正常な動作を確保することができる。

また、入力コネクタ６は、冷却器５に設けた冷媒導入口５４１と冷媒排出口５４２との間に配置しているため、入力コネクタ６の温度上昇を効果的に抑制することができる。また、電力変換装置１の外形のコンパクト化を容易に行うことができ、エンジンルーム等の省スペース化を図ることができる。

以上のごとく、本例によれば、入力コネクタの耐久性を向上することができる電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図７に示すごとく、実施例１に示した本発明の電力変換装置１の入力コネクタ６の温度変化を計測した例である。
即ち、電力変換装置１を車両に搭載し、所定の走行パターンに従って走行させた。そして、その走行時における、入力コネクタ６の温度変化を逐次計測した。
また、同様の計測を、後述する比較例の電力変換装置９のコネクタ９６（図８、図９参照）についても行った。

測定結果を図７に示す。曲線Ｌ１が実施例１の電力変換装置１についてのデータを表し、曲線Ｌ２が比較例の電力変換装置９についてのデータを表す。
同図より分かるように、実施例１の入力コネクタ６は、比較例の入力コネクタ９６に対して、５〜１０℃程度、温度を低減することができた。即ち、本発明の入力コネクタ６の配置により、入力コネクタ６の温度上昇を抑制する効果があることが確認された。

（比較例）
本例は、図８、図９に示すごとく、入力コネクタ９６を、主回路部９０の冷却器９５よりも下方に配置した電力変換装置９の例である。
即ち、入力コネクタ９６の上端部９６１は、冷却器９５の下端部９５２よりも下方に配置されている。
なお、主回路部９０、制御回路部９２、パワー配線部９３の構成や配置などは、実施例１と同様である。また、その他の構成についても、基本的には実施例１と同様である。

本例の場合には、冷却器９５よりも下方に入力コネクタ９６を配置しているため、パワー配線部９３の熱が入力コネクタ９６に伝わりやすく、入力コネクタ９６の温度が上昇しやすくなる。
また、この電力変換装置９を、車両のエンジンルームに配置したとき、エンジンルームの下部に入力コネクタ９６が配置されることとなる。エンジンルームの下部は、種々の部品が密集していると共に、高温の空気が滞留していることが多い。そのため、入力コネクタの温度が大きく上昇してしまう。

このように、入力コネクタ９６の温度上昇が大きくなると、その温度変化幅が大きくなることとなる。それ故、繰り返しの温度変化によって、相手側のコネクタとの接触部分が金属疲労を起こし、接触抵抗が大きくなりやすくなるおそれがある。即ち、入力コネクタ９６の耐久性が低下しやすくなり、寿命が短くなってしまうおそれがある。

実施例１における、電力変換装置の斜視説明図。 実施例１における、電力変換装置の側面説明図。 実施例１における、電力変換装置の一部断面説明図。 実施例１における、制御回路部の斜視図。 実施例１における、半導体モジュールの斜視図。 実施例１における、主回路部の斜視図。 実施例２における、測定結果を示す線図。 比較例における、半導体モジュールの斜視説明図。 比較例における、半導体モジュールの側面説明図。

符号の説明

１ 電力変換装置
１０ 主回路部
２ 制御回路部
３ パワー配線部
４ 半導体モジュール
４１ 主電極端子
４２ 信号端子
５ 冷却器
５２ 下端部
６ 入力コネクタ
６１ 上端部

Claims (4)

1. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器とを含む主回路部と、
   上記半導体モジュールの信号端子に電気的に接続され、上記半導体モジュールを制御する制御回路部と、
   上記半導体モジュールの主電極端子に接続され、上記半導体モジュールに対して電流を入出させるバスバーと、該バスバーを介して主電極端子に接続されたコンデンサとを有するパワー配線部とを有し、
   上記パワー配線部は、上記主回路部の下方に配置してあり、
   上記パワー配線部へ電力を供給するための入力コネクタは、少なくともその上端部が上記冷却器の下端部よりも上方に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記入力コネクタは、上記冷却器に設けた冷媒導入口と冷媒排出口との間に配置していることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２において、上記入力コネクタと制御回路部との間には、導電体からなる遮蔽板が配設されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記入力コネクタは、上記冷却器の上端部よりも上方に配置されていることを特徴とする電力変換装置。

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