JP2009177872A - 電力変換装置および電力変換装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解コンデンサの内部を効率よく冷却できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換用の半導体素子１〜４と、半導体素子１〜４が収容される第１の室１２Ａおよび電解液８１が封入される第２の室１２Ｂが設けられた電気絶縁性を有するケース部材１０と、第２の室１２Ｂ内に収容され、電解液８１に浸漬されたコンデンサ素子本体８０と、第１の室１２Ａおよび第２の室１２Ｂを密閉する蓋体１５Ａ，１５Ｂと、半導体素子１〜４およびコンデンサ素子本体８０を冷却するヒートシンク１７と、半導体素子１〜４に接続される導電性の第１の端子部材５，６と、コンデンサ素子本体８０に接続される導電性の第２の端子部材８５，８６と、第１の端子部材５，６と第２の端子部材８５，８６を接続および開離する接続手段８８，８９とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気自動車等に用いられる電力変換装置および電力変換装置の製造方法に関する。

この種の電力変換装置として、従来、ヒートシンクの表面にＩＧＢＴや電解コンデンサ等の電気部品を装着し、これら電気部品をヒートシンクによって冷却するようにしたものがある（例えば特許文献１参照）。電解コンデンサは、表面に酸化皮膜が形成されたコンデンサ素子本体を電解液に浸して構成されるものであり、特許文献１記載の装置では、電解コンデンサのケースをヒートシンクにマウントしている。

特開平１１−１８４２９号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の装置では、電解コンデンサのケースをヒートシンクにマウントするため、電解コンデンサの内部を効率よく冷却することができない。

本発明による電力変換装置は、電力変換用の半導体素子と、半導体素子が収容される第１の室および電解液が封入される第２の室が設けられた電気絶縁性を有するケース部材と、第２の室内に収容され、電解液に浸漬されたコンデンサ素子本体と、第１の室および第２の室を密閉する蓋体と、半導体素子およびコンデンサ素子本体を冷却するヒートシンクと、半導体素子に接続される導電性の第１の端子部材と、コンデンサ素子本体に接続される導電性の第２の端子部材と、第１の端子部材と第２の端子部材を接続および開離する接続手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、電解コンデンサのケースを介さずにコンデンサ素子本体を電力変換装置のケース部材内に収容することができ、電解コンデンサの内部を効率よく冷却することができる。

以下、図１〜図５を参照して本発明による電力変換装置の一実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態に係る電力変換装置の内部構成を示す平面図であり、図２は、側面図、図３は、電力変換装置の電気回路図である。この電力変換装置は電気自動車に搭載される３相インバータを構成し、ＩＧＢＴとダイオードを用いて直流Ｐ，Ｎを交流Ｕ，Ｖ，Ｗに変換する。なお、図１〜図３は３相インバータの一部（例えばＵ相インバータ）の構成を示しており、Ｖ相、Ｗ相のインバータもこれと同様に構成される。本実施の形態では各相毎に半導体モジュールを構成するが、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相を一体の半導体モジュールとしてもよい。

図３に示すようにＩＧＢＴ１のコレクタ（ドレイン）はＰ極用ブスバー５に接続され、ＩＧＢＴ２のエミッタ（ソース）はＮ極用ブスバー６に接続されている。ＩＧＢＴ１のエミッタおよびＩＧＢＴ２のコレクタはそれぞれＵ相出力用ブスバー７に接続されている。ＩＧＢＴ１，２には、それぞれダイオード３，４が並列に接続され、ブスバー５，６には電解コンデンサ８が接続されている。なお、ＩＧＢＴ１，２とダイオード３，４の代わりに、トランジスタやサイリスタ等の半導体素子を用いることもできる。

図３に示した各部品は、樹脂モールドにより形成されたケース１０内に収容される。図１，２に示すように、ケース１０は、中央の隔壁１１によって半導体室１２Ａとコンデンサ室１２Ｂの２室に分割されている。ケース１０の底面には、熱伝導性のよい金属製のベースプレート１９（例えば銅板）が設けられている。ベースプレート１９はケース１０に一体成形されている。

半導体室１２Ａの床面には、一体成型により導電性の金属板（例えば銅板）１３Ａ〜１３Ｃが配設されている。金属板１３Ｂと金属板１３Ｃはケース１０の長さ方向に並設され、金属板１３Ａと金属板１３Ｂ，１３Ｃはケース１０の幅方向に並設されている。金属板１３Ａ〜１３Ｃの側方にはそれぞれブスバー５〜７が設けられ、ブスバー５〜７の一端部はそれぞれ金属板１３Ａ〜１３Ｃに接続されている。ブスバー５，６の他端部は、ケース１０の隔壁１１を上下方向に貫通し、ブスバー７の他端部はケース１０の側壁を水平方向に貫通している。

ＩＧＢＴ１，２のチップ裏面側（ケース床面側）にはそれぞれコレクタ用電極が形成され、チップ表面側にはそれぞれエミッタ用電極およびゲート用電極が形成されている。また、ダイオード３，４のチップ裏面側にはそれぞれカソード用電極が形成され、チップ表面側にはそれぞれアノード用電極が形成されている。図２に示すようにＩＧＢＴ１とダイオード３は、導電性の接合材（例えばはんだや導電性接着剤）を介してそれぞれ金属板１３Ａに面接合され、ＩＧＢＴ２とダイオード４は、同じく導電性の金属板を介してそれぞれ板部材１３Ｃに面接合されている。

ＩＧＢＴ１とダイオード３は、それぞれボンディングワイヤにより金属板１３Ｃ（ブスバー７）に接続され、ＩＧＢＴ２とダイオード４は、それぞれボンディングワイヤにより金属板１３Ｂ（ブスバー６）に接続されている。図１に示すように半導体室１２Ａの周縁には段部１０ａが形成され、段部１０ａにケース床面を覆うように制御基板９が支持されている。制御基板９にはそれぞれＩＧＢＴ１，２とダイオード３，４が接続され、制御基板９とこれら半導体素子１〜４の間の空間には、シリコンゲルやエポキシ樹脂等の絶縁封止材２１が封入されている。

ケース１０の上面には、半導体室１２Ａを覆うようにボルト１４Ａによって蓋体１５Ａが装着されるとともに、コンデンサ室１２Ｂを覆うようにボルト１４Ｂによって蓋体１５Ｂが装着されている。図２に示すようにケース１０の縁部および中央部には、それぞれケース取付用の貫通孔１０ｂが開口され、この貫通孔１０ｂを介して図１に示すようにケース１０はボルト１６によってヒートシンク１７に装着されている。ヒートシンク１７の内部には冷却水用の流路（不図示）が形成され、冷却水の流れによってケース内の半導体素子１〜４と電解コンデンサ８がそれぞれ冷却される。

本実施の形態では、電解コンデンサ８を効率よく冷却するために以下のように構成する。図４（ａ）は、電解コンデンサ８の要部構成を示す斜視図である。電解コンデンサ８はアルミニウム電解コンデンサであり、酸化皮膜が形成されたアルミ箔をロール状に巻き取ってコンデンサ素子本体８０を形成し、このコンデンサ素子本体８０を電解液８１が充填されたコンデンサ室１２Ｂに収容して構成される。

コンデンサ室１２Ｂの床面には樹脂材を介して導電性の金属板８２が配設されている。金属板８２の上面には、扁平形状のコンデンサ素子本体８０が設置され、その上面に導電性の金属板８３が設置され、コンデンサ素子本体８０は金属板８２，８３により挟まれている。コンデンサ素子本体８０の端部からは、それぞれプラスおよびマイナスのリード線８４ａ、８４ｂが突設され、このリード線８４ａ、８４ｂの端部が金属板８２，８３にそれぞれ接続されている。

下側の金属板８２の側方には、ブスバー５の水平方向延長上において、ブスバー５と略同一幅のブスバー８５が設けられ、金属板８２にブスバー８５が接続されている。なお、金属板８２とブスバー８５を一体に設けることもできる。ブスバー８５は、ケース隔壁１１に向けて延設された後、上方に向けて折り曲げられ、その端部はブスバー５に対向して立ち上がっている。

上側の金属板８３の側方には、ブスバー６の水平方向延長上において、ブスバー６と略同一幅のブスバー８６が設けられ、金属板８３にブスバー８６が接続されている。なお、金属板８３とブスバー８６を一体に設けることもできる。ブスバー８６は、下方に向けて延設された後、略水平に折り曲げられてケース隔壁１１に向けて延設され、さらに上方に折り曲げられて、その端部はブスバー６に対向して立ち上がっている。

図４（ｂ）はケース隔壁１１の断面図である。図４（ｂ）に示すようにブスバー５，６およびブスバー８５，８６はそれぞれ隔壁１１を上下方向に貫通し、その端部は隔壁１１の上端部から突出している。隔壁１１の内部では、ブスバー５，６とブスバー８５，８６は互いに離間し、隔壁１１の上方では、ブスバー５，６とブスバー８５，８６の間に電気絶縁材であるスペーサ８７が挟持されて、ブスバー５，６とブスバー８５，８６は絶縁されている。

ブスバー５，６，８５，８６の上端部にはそれぞれ貫通孔ｈが開口されている。各貫通孔ｈにボルト８８が挿通され、ボルト８８にナット８９が螺合して、ブスバー５，６とブスバー８５，８６が互いに締結されている。これによりブスバー５，６とブスバー８５，８６が、ボルト８８、ナット８９を介して電気的に接続される。

本実施の形態に係る電力変換装置の製造方法、とくに電解コンデンサ８の製造方法について説明する。
（１）エッチング
まず、コンデンサ素子本体８０の素材であるアルミ箔の表面積を増加させるためにエッチングを行う。エッチングは、例えば塩化物水溶液中で電流を印可してアルミ箔表面を溶解する工程であり、これによりアルミ箔の表面を粗面化し、表面積を増加させる。

（２）化成
エッチングされたアルミ箔を所定の電解液（例えばホウ酸やリン酸等のアンモニウム水溶液）に浸漬し、エッチング箔をプラス、水溶液をマイナスとした電気分解を行う。これにより電気化学的にアルミ箔の表面に誘電体となる酸化アルミの被膜を形成する。

（３）巻き取り
化成処理した陽極用のアルミ箔および化成処理していない陰極用のアルミ箔にそれぞれリード線８４ａ，８４ｂを接続し、セパレータ紙を介して各アルミ箔を円筒形に巻回する。これによりコンデンサ素子本体８０が形成される。

（４）組立
コンデンサ素子本体８０をプレス機によりプレスして扁平形状とする。その後、コンデンサ素子本体８０を金属板８２上に設置し、リード端子８４ａと接続するとともに、コンデンサ素子本体８０の上面に金属板８３を設置し、リード端子８４ｂと接続する。さらに、コンデンサ素子本体８０をコンデンサ室１２Ｂに収容し、金属板８２，８３とブスバー８５，８６を接続する。なお、金属板８２，８３とブスバー８５，８６を先に接続してからコンデンサ素子本体８０をコンデンサ室１２Ｂに収容することもできる。

（５）含浸
以上のように構成されたコンデンサ素子本体８０に、真空含浸、減圧含浸、ディップ含浸等により電解液８１をしみこませる。電解液８１は、化成処理で用いた電解液とは異なり、例えばエチレングリコール、グリセリン等の多価アルコール類を主溶媒とし、これにホウ酸アンモニウム、有機酸アンモニウム等を溶質としたものを用いる。

（６）密封
コンデンサ室１２Ｂに電解液８１を満たした状態で、ケース１０に蓋体１５Ｂを取り付け、コンデンサ室１２Ｂを密封する。図２に示すように金属板８３と蓋体１５Ｂの間には板ばね１８が介装され、蓋体１５Ｂを取り付けると、板ばね１８によってコンデンサ素子本体８０が下方に押圧され、コンデンサ素子本体８０がケース１０の床面を介してベースプレート１９に密着する。これにより電解コンデンサ８が完成する。

（７）再化成
ボルト８８の取付前、すなわちブスバー５，６とブスバー８５，８６を開離した状態で、ブスバー８５，８６間に所定の電圧を印可し、電解コンデンサ８の再化成を行う。これにより酸化皮膜の欠陥部分を修復し、電解コンデンサ８の特性を安定化させる。同時に耐電圧の確認を行い、初期不良をチェックする。

（８）ブスバーの接続
最後に、ブスバー５，６とブスバー８５，８６をボルト８８、ナット８９で締結し、これらを電気的に接続する。以上で、電解コンデンサ８の製造、取付が完了する。

本実施の形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）ケース１０のコンデンサ室１２Ｂに電解液８１を封入してコンデンサ素子本体８０を収容するようにした。すなわち電力変換装置の樹脂ケース１０を電解コンデンサの金属ケースの代わりに用いるようにした。これにより電解コンデンサの金属ケースを省略することができ、金属ケースを介さずにコンデンサ素子本体８０を冷却することができるため、金属ケースに収容された電解コンデンサを樹脂ケース内に設ける場合に比べ、電解コンデンサの冷却効率を高めることができる。

（２）半導体素子１〜４に接続されたブスバー５，６とコンデンサ素子本体８０に接続されたブスバー８５，８６をボルト８８、ナット８９により締結するので、ブスバー５，６とブスバー８５，８６を容易に接続、開離することができる。このため、電解コンデンサ８を完成させた状態で電解コンデンサ８のみに電圧を印可する工程、つまり電解コンデンサ８の再化成が可能になる。すなわちブスバー５，６と８５，８６を開離できない場合には、電解コンデンサ８だけでなく半導体素子１〜４にも電圧が印可されるため、電解コンデンサ８の再化成が困難であるが、本実施の形態のようにブスバー５，６と８５，８６を開離可能とすることで、電解コンデンサ８の再化成が容易になる。

（３）電解コンデンサ８の金属ケースを省略できるので、装置全体を小型化することができる。
（４）隔壁１１を貫通してブスバー５，６とブスバー８５，８６を互いに対向して設けるようにした。これによりブスバー５，６と８５，８６の電気の流れによる相互インダクタンスが互いにキャンセルされ、インダクタンスを低減することができ、インバータのようなスイッチング装置に用いて好適である。
（５）ブスバー５，６と８５，８６をボルト８８で締結するので、再化成処理後のブスバーの接続が容易である。
（６）半導体室１２Ａとコンデンサ室１２Ｂを別々の蓋１５Ａ，１５Ｂによって密閉するので、半導体室内への絶縁封止材２１の封入とコンデンサ室内への電解液８１の封入を別々に行うことができ、作業が容易である。
（７）コンデンサ素子本体８０を板ばね１８によってヒートシンク１７側に押圧するので、コンデンサ素子本体をベースプレート１９を介してヒートシンク１７に密着することができ、電解コンデンサ８の放熱性を高めることができる。
（８）コンデンサ素子本体８０をプレス成形により扁平形状とするので、コンデンサ素子本体８０をコンデンサ室１２Ｂ内に効率よく収容することができる。

なお、上記実施の形態では、樹脂ケース１０の半導体室１２ＡにＩＧＢＴ１，２とダイオード３，４を収容固定したが、電力変換用の半導体素子の構成はこれに限らない。ケース１０に半導体室１２Ａ（第１の室）とコンデンサ室１２Ｂ（第２の室）を設けてパワーモジュールを構成するようにしたが、ケース部材としてのケース１０の構成は上述したものに限らない。例えば図５に示すようにケース取付用の貫通孔１０ｂの位置を変更したものであってもよい。コンデンサ室内の電解液８１にコンデンサ素子本体８０を浸漬するのであれば、電解コンデンサの構成はいかなるものでもよく、アルミ電解コンデンサ以外でもよい。

半導体室１２Ａを密閉する蓋体１５Ａ（第１の蓋体）とコンデンサ室１２Ｂを密閉する蓋体１５Ｂ（第２の蓋体）を別々に設けたが、一体に設けてもよい。半導体素子１〜４に接続されるブスバー５，６（第１の端子部材）およびコンデンサ素子本体８０に接続されるブスバー８５，８６（第２の端子部材）の構成はいかなるものでもよい。ブスバー５，６とブスバー８５，８６をケース１０の外側で締結部材としてのボルト８８により接続するようにしたが、接続手段はこれに限らない。板ばね１８によりコンデンサ素子本体８０を押圧するようにしたが、他の押圧部材を用いてもよい。

以上では、電気自動車用のインバータとしての電力変換装置に適用する場合について説明したが、電解コンデンサを有する他の電力変換装置にも本発明は適用できる。すなわち本発明の特徴、機能を実現できる限り、本発明は実施の形態の電力変換装置に限定されない。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の内部構成を示す平面図。 本発明の実施の形態に係る電力変換装置の内部構成を示す側面図。 本発明の実施の形態に係る電力変換装置の電気回路図。 （ａ）は図１の電解コンデンサの要部構成を示す斜視図、（ｂ）は図４（ａ）の要部断面図。 図１の変形例を示す図。

符号の説明

１，２ ＩＧＢＴ
３，４ ダイオード
５〜７ ブスバー
８ 電解コンデンサ
１０ 樹脂ケース
１１ 隔壁
１２Ａ 半導体室
１２Ｂ コンデンサ室
１５Ａ，１５Ｂ 蓋体
１７ ヒートシンク
１８ 板ばね
８０ コンデンサ素子本体
８１ 電解液
８５，８６ ブスバー
８８ ボルト
８９ ナット

Claims (8)

1. 電力変換用の半導体素子と、
   前記半導体素子が収容される第１の室および電解液が封入される第２の室が設けられた電気絶縁性を有するケース部材と、
   前記第２の室内に収容され、電解液に浸漬されたコンデンサ素子本体と、
   前記第１の室および前記第２の室を密閉する蓋体と、
   前記半導体素子および前記コンデンサ素子本体を冷却するヒートシンクと、
   前記半導体素子に接続される導電性の第１の端子部材と、
   前記コンデンサ素子本体に接続される導電性の第２の端子部材と、
   前記第１の端子部材と前記第２の端子部材を接続および開離する接続手段とを備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記ケース部材は、前記第１の室と前記第２の室の間に隔壁を形成し、
   前記第１の端子部材および前記第２の端子部材は、前記隔壁に沿って互いに対向して設けられる板状部材であることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記第１の端子部材の先端部と前記第２の端子部材の先端部は、それぞれ前記ケース部材の外側に突出して設けられ、
   前記接続手段は、これら第１の端子部材の先端部と第２の端子部材の先端部を締結する締結部材を有す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１項に記載の電力変換装置において、
   前記蓋体は、前記第１の室を密閉する第１の蓋体と、前記第２の室を密閉する第２の蓋体とを有することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記蓋体の取り付けにより、前記コンデンサ素子本体を前記ヒートシンク側に押圧する押圧部材を有することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
   前記コンデンサ素子本体は、表面に酸化皮膜が形成されたアルミニウム箔を巻回して構成されることを特徴とする電力変換装置。
7. ケース部材に設けられた第１の室に、電力変換用の半導体素子を収容する工程と、
   前記ケース部材に設けられた第２の室に、電解液に浸漬されたコンデンサ素子本体を収容する工程と、
   前記第１の室および前記第２の室を密閉する工程と、
   前記半導体素子に接続された第１の端子部材および前記コンデンサ素子本体に接続された第２の端子部材を互いに接続する工程とを含むことを特徴とする電力変換装置の製造方法。
8. 請求項７に記載の電力変換装置の製造方法において、
   前記第１の端子部材と前記第２の端子部材を接続する前に、前記第２の室内の前記コンデンサ素子本体に電圧を印可して再化成する工程をさらに含むことを特徴とする電力変換装置の製造方法。

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