JP2011182631A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力変換回路を構成する複数の電子部品(半導体モジュール21、コンデンサ22等)と、少なくとも一部の電子部品(半導体モジュール21)を冷却する冷却器3とを、ケース4内に収容してなる電力変換装置1。電子部品の少なくとも一部(半導体モジュール21)と冷却器3とは、これらが固定されるフレーム5と共に一体化されて一つの内部ユニット10を構成している。内部ユニット10は、ケース4に固定されると共にケース4内に密封されている。フレーム5は、ユニット固定部51と、コンデンサ固定部57とを有する。コンデンサ固定部57は、ユニット固定部51よりも内側に配置されている。
【選択図】図1
Description
そして、これらの半導体モジュール921等の電子部品、冷却器93、制御回路基板96は、ケース94に固定され、ケース94内に密封されている。
仮に、単に下蓋941を廃止して、ケース94を、底部のあるケース本体と上蓋とによって構成すれば、シール面を一つにできるが、この場合は、メンテナンス性がさらに低下することとなるし、ケース94の剛性がさらに低下することにもなる。
上記電子部品の少なくとも一部と上記冷却器とは、これらが固定されるフレームと共に一体化されて一つの内部ユニットを構成し、
該内部ユニットは、上記フレームにおいて上記ケース内に固定され、
上記フレームは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品の少なくとも一部を四方から囲むように形成され、
上記内部ユニットは、上記電子部品としてコンデンサを備え、
上記フレームは、上記内部ユニットを上記ケースに固定するユニット固定部と、上記内部ユニットに上記コンデンサを固定するコンデンサ固定部とを有し、該コンデンサ固定部は、上記ユニット固定部よりも内側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)。
そして、これによって、ケース自体の肉厚を特に大きくしたり、補強リブを形成したりしなくても、充分な剛性を得ることができるため、ケースの材料コストや製造コストを低減することができると共に、その重量を低減することが可能となる。
また、メンテナンス時においても、内部ユニットごとケースから取り出して、ケースの外でメンテナンスを行うことができるため、その作業性を向上させることができる。
また、上記フレームの端部は振動の腹になりやすいため、振幅が大きい。これに対して、フレームの中央は振動の節になりやすいため、振幅が小さい。そのため、ユニット固定部よりもフレームの中央に近い部分にコンデンサ固定部を設けることにより、コンデンサ固定部の振幅をより小さくすることが可能になる。これにより、コンデンサに振動が伝わりにくくなり、コンデンサが故障しにくくなる。
この場合には、耐振動性、耐熱性、組立性に優れた電力変換装置を得ることができる。すなわち、主電極端子は、コンデンサに向かって突出しているため、仮に図28に示すごとく、主電極端子970の先端971が、コンデンサ固定部960の先端961よりもフレーム980から遠い位置に存在していると、コンデンサ922にボス923等を設けない限り、コンデンサ922と主電極端子970とが干渉してしまう。また、コンデンサ922の筐体は樹脂で形成されているため、ボス923を形成すると、ボス923も樹脂製となる。樹脂製のボス923は、振動や熱ストレスに弱いという問題がある。
しかしながら、主電極端子の先端を、コンデンサ固定部の先端よりもフレームに近い位置に設ければ、ボス923を形成することなく、コンデンサ固定部にコンデンサを接続することが可能になる。コンデンサ固定部は、フレームと共に金属で形成できるため、振動や熱に対してより強くすることができる。
この場合には、外力の影響を受けやすいスイッチング素子を内蔵した半導体モジュールへ加わる外力を低減することができる。そのため、より効果的に電力変換装置の耐久性を向上することができる。また、上記構成にすると、上記積層体を上記ケースの外において組み立てることができるため、一層製造容易な電力変換装置を得ることができる。また、上記積層体は、上記冷却管と上記半導体モジュールとを交互に積層してなるため、半導体モジュールを効率的に冷却することができると共に、積層体の小型化を実現することができる。
また、フレームが上記前方壁部と、上記後方壁部と、上記側方壁部とを備えると、積層体の前端を前方壁部で支承できる。そのため、積層体をフレームで固定しやすくなる。
この場合には、電力変換装置を小型化できる。すなわち、コンデンサ固定部は、フレームと共に金属で構成される場合が多く、また、入出力端子には高電圧が印加されるため、コンデンサ固定部と入出力端子とは、互いの絶縁性を確保するために、充分に離して配置する必要がある。
ここで仮に、図29に示すごとく、コンデンサ922の側面929(929a〜929d)のうち、積層方向Xに平行な2つの側面929c,929dよりも、積層方向Xに直交する方向(Y方向)における外側にコンデンサ固定部957を設けたとすると、入出力端子999とコンデンサ固定部957との距離dが短くなりやすい。そのため、これらの距離dを長くする必要が生じ、フレームを大きくする必要が生じて、電力変換装置が大型化しやすくなる。
しかしながら、上述のように、コンデンサの側面のうち、上記積層方向に直交し互いに平行な2つの側面よりも、上記積層方向における外側にコンデンサ固定部を設けると、入出力端子から離れた位置にコンデンサ固定部を配置しやすくなる。そのため、入出力端子とコンデンサ固定部との距離を更に長くする必要がなくなり、フレームを大きくする必要がなくなり、電力変換装置を小型化しやすくなる。
この場合には、上記加圧部材の反力を上記フレームによって支えることができる。そのため、上記ケースには上記加圧部材の反力に対抗する剛性が必要なく、その厚みを厚くしたり、リブ等を設けたりする必要もない。その結果、ケースの軽量化、低コスト化を実現することができる。
また、上記コンデンサ固定部の突出方向から見た場合に、コンデンサ固定部の少なくとも一部と、上記管用凹部とが重なるように構成すると、フレームの剛性を確保することができる。すなわち、フレームの前方壁部における、管用凹部を形成した部分は、剛性が低くなりやすいが、この部分に、コンデンサ固定部の少なくとも一部を上記のように形成すれば、前方壁部のうち、管用凹部を設けて剛性が低くなった部分を、コンデンサ固定部によって補強することができる。そのため、前方壁部の剛性を確保することができ、加圧部材の力を前方壁部で充分に受け止めることができる。これにより、加圧部材の力によってフレームが変形する不具合を防止できる。
しかし、ユニット固定部を上記制御回路基板の外縁よりも外側に配置しておくことにより、このような不具合を招くおそれがない。
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図1〜図19を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、図1に示すごとく、電力変換回路を構成する複数の電子部品(半導体モジュール21、コンデンサ22等)と、少なくとも一部の電子部品(本例においては半導体モジュール21)を冷却する冷却器3とを、ケース4内に収容してなる。
半導体モジュール21と冷却器3とは、これらが固定されるフレーム5と共に一体化されて一つの内部ユニット10を構成している。
内部ユニット10は、ケース4に固定されると共にケース4内に密封されている。
また、ケース4も、例えば、アルミニウム、鉄等の金属又は合金からなる。
本例では図3に示すごとく、コンデンサ固定部57は、ユニット固定部51よりも内側に配置されている。すなわち、ユニット固定部51の中心を頂点とした四角形の内側に、コンデンサ固定部57の中心が存在している。
なお、図2、図7に示すごとく、支承ピン14を配置する領域付近においては、側方壁部54の内向部542が他の部分よりも内側に突出している。
なお、前後や横などの表現も、同様に便宜的なものであることは言うまでもない。
基板固定部56は、前方壁部52と後方壁部53とのそれぞれから2本ずつ高さ方向Z(上方)へ突出形成されたボスによって構成されている。これらの基板固定部56にはネジ孔が形成されており、4個所の基板固定部56においてビス561によって制御回路基板56をフレーム5に固定してある(図13〜図15)。
端子台7は、フレーム5における一方の側方壁部54から外方へ突出形成された2本の支持アーム543に、ボルト544によって固定されている。
入出力端子71は、バスバーの一端に形成され、該バスバーの他端がコンデンサ22や半導体モジュール21に接続されている。
フレーム5は、図3、図14、図15に示すごとく、バスバーアッセンブリ72を固定するバスバー固定部58を複数有する。本例においては、バスバー固定部58は3個形成されている。そして、バスバー固定部8のうちの2個は、フレーム5の中央よりも端子台7に近い位置に配置されている。
また、図1に示すごとく、ケース4は、上方が開口したケース本体40と、該ケース本体40の開口部を閉塞する蓋体400とからなる。上記ユニット支承部41は、ケース本体40と一体成形されている。
次いで、フレーム5の内側に、図7、図10に示すごとく、複数の半導体モジュール21と複数の冷却管31とを積層してなる積層体11を配置する。なお、この段階より前に、複数の冷却管31は連結管32によって連結されていると共に冷媒導入管331及び冷媒排出管332が接合された冷却器3が既に組み立てられている。積層体11をフレーム5の内側に配置したとき、冷媒導入管331及び冷媒排出管332は、図7に示すごとく、フレーム5に形成した管用凹部522(図2、図6)に載置される。
次いで、加圧部材12の両端部付近を積層方向Xの前方へ、押圧治具によって押し込むことによって、加圧部材12を弾性変形させつつ、積層体11を圧縮する。加圧部材12を所定量変形させた時点で、加圧部材12の両端部とフレーム5の後方壁部53との間に、円柱状の支承ピン14を挿入する。その後、上記押圧治具を後方へ移動させながら加圧部材12から離すことにより、一対の支承ピン14が加圧部材12と後方壁部53との間に挟持された状態となる。この状態は、すなわち、加圧部材12の付勢力によって積層体11が積層方向に所定の圧力によって圧縮された状態でもある。
次いで、バスバー70を樹脂モールドしてなるバスバーアッセンブリ72をフレーム5に取り付けると共に、バスバー70を半導体モジュール21の主電極端子212に溶接する。また、バスバー70における出力端子71U、71V、71Wを端子台7に載置する。バスバーアッセンブリ72は、フレーム5の3箇所のバスバー固定部58において、ボルト581によって固定する。
また、コンデンサ22における一対のコンデンサ端子71P、71Nを端子台7に載置する。
以上により、内部ユニット10が完成する。
すなわち、ケース本体40に形成されたユニット支承部41の上面に、内部ユニット10の外郭を構成するフレーム5のユニット固定部51を載置する。このとき、冷却器3の冷媒導入管331及び冷媒排出管332に取り付けた環状パッキン333を、ケース本体40に形成された凹部44に嵌め込む。
この状態で、ボルト511を、ユニット固定部51に設けた挿通孔に挿通すると共にユニット支承部41に設けたネジ孔にねじ込むことによって、ケース本体40に内部ユニット10を固定する。
以上により、電力変換装置1を完成させる。
上記電力変換装置1においては、電子部品(半導体モジュール21、コンデンサ22等)と冷却器3とをフレーム5に固定し、これらの電子部品と冷却器3とフレーム5とを一体化した一つの内部ユニット10を構成している。そして、該内部ユニット10をケース4内に固定している。そのため、内部ユニット10がケース4の内部において梁の役割を果たし、ケース4の剛性を高めることができる。
そして、これによって、ケース4自体の肉厚を特に大きくしたり、補強リブを形成したりしなくても、充分な剛性を得ることができるため、ケース4の材料コストや製造コストを低減することができると共に、その重量を低減することが可能となる。
また、メンテナンス時においても、内部ユニット10ごとケース4から取り出して、ケース4の外でメンテナンスを行うことができるため、その作業性を向上させることができる。
また、内部ユニット10はケース4内に密封されている。すなわち、フレーム5を含めて内部ユニット10全体をケース4内に密封してあるため、シール面を一箇所とすることができる。
また、フレーム5は、導体からなり、複数の半導体モジュール21を四方から囲むように形成されているため、フレーム5によって、半導体モジュール21から生じる電磁ノイズを遮蔽することができる。ケース4も導体によって構成されているが、フレーム5とケース4とによって、半導体モジュール21の電磁ノイズを二重で遮蔽することができる。また、フレーム5は、半導体モジュール21を四方から囲むように形成されているため、電力変換装置1の四方への電磁ノイズの漏れを抑制することができる。
また、フレーム5の端部は振動の腹になりやすいため、振幅が大きい。これに対して、フレーム5の中央は振動の節になりやすいため、振幅が小さい。そのため、ユニット固定部51よりもフレーム5の中央に近い部分にコンデンサ固定部57を設けることにより、コンデンサ固定部57の振幅をより小さくすることが可能になる。これにより、コンデンサ22に振動が伝わりにくくなり、コンデンサ22が故障しにくくなる。
この場合には、耐振動性、耐熱性、組立性に優れた電力変換装置1を得ることができる。すなわち、主電極端子212は、コンデンサ22に向かって突出しているため、仮に図28に示すごとく、主電極端子970の先端971が、コンデンサ固定部960の先端961よりもフレーム980から遠い位置に存在していると、コンデンサ922にボス923等を設けない限り、コンデンサ922と主電極端子970とが干渉してしまう。また、コンデンサ922の筐体は樹脂で形成されているため、ボス923を形成すると、ボス923も樹脂製となる。樹脂製のボス923は、振動や熱ストレスに弱いという問題がある。
しかしながら、図12に示すごとく、主電極端子212の先端210を、コンデンサ固定部57の先端570よりもフレーム5に近い位置に設ければ、コンデンサ22にボスを形成することなく、コンデンサ固定部57にコンデンサ22を接続することが可能になる。コンデンサ固定部57は、フレーム5と共に金属で形成できるため、振動や熱に対してより強くすることができる。
このようにすると、電力変換装置1を小型化できる。すなわち、コンデンサ固定部57は、フレーム5と共に金属で構成される場合が多く、また、入出力端子71には高電圧が印加されるため、コンデンサ固定部57と入出力端子71とは、互いの絶縁性を確保するために、充分に程度離して配置する必要がある。
ここで仮に、図29に示すごとく、コンデンサ922の側面929(929a〜929d)のうち、積層方向Xに平行な2つの側面929c,929dよりも、積層方向Xに直交する方向(Y方向)における外側にコンデンサ固定部957を設けたとすると、入出力端子999とコンデンサ固定部957との距離dが短くなりやすい。そのため、これらの距離dを長くする必要が生じ、フレームを大きくする必要が生じて、電力変換装置が大型化しやすくなる。
しかしながら、図11に示すごとく、コンデンサ22の側面29(29a〜29d)のうち、積層方向Xに直交し互いに平行な2つの側面29a,29bよりも、積層方向Xにおける外側にコンデンサ固定部57を設けると、入出力端子71から離れた位置にコンデンサ固定部57を配置しやすくなる。そのため、入出力端子71とコンデンサ固定部57との距離を更に長くする必要がなくなり、フレーム5を大きくする必要がなくなり、電力変換装置1を小型化しやすくなる。
このようにすると、フレーム5の剛性を確保することができる。すなわち、フレーム5の前方壁部52における、管用凹部522を形成した部分は、剛性が低くなりやすいが、この部分に、コンデンサ固定部57の少なくとも一部を上記のように形成すれば、前方壁部52のうち、管用凹部522を設けて剛性が低くなった部分を、コンデンサ固定部57によって補強することができる。そのため、前方壁部52の剛性を確保することができ、加圧部材12の力を前方壁部52で充分に受け止めることができる。これにより、加圧部材12の力によってフレーム5が変形する不具合を防止できる。
また、前方壁部52及び後方壁部53は、側方壁部54よりも、壁厚みが大きい。すなわち、図4、図5に示す板厚みt1、t2が、t1>t2である。これにより、加圧部材12の反力を受ける前方壁部52及び後方壁部53の剛性を高めることができると共に、加圧部材12の反力を直接受けない側方壁部54の軽量化を図ることができる。その結果、加圧部材12の反力に対抗するのに必要なフレーム5の剛性を確保しつつ、効果的にフレーム5の軽量化を図ることができる。
また、図5に示すごとく、側方壁部54は、断面略L字状のL型壁部によって構成してあるため、充分な剛性を確保しつつ側方壁部54の軽量化及び材料費の低減を図ることができる。
しかし、ユニット固定部51を制御回路基板6の外縁よりも外側に配置しておくことにより、このような不具合を招くおそれがない。
また、図3、図8に示すごとく、複数のバスバー固定部58のうちの2個は、フレーム5の中央よりも端子台7に近い位置に配置されている。これにより、バスバーアッセンブリ72をフレーム5に安定して固定することができると共に、端子台7に入出力端子71を安定して配置することができる。その結果、入出力端子71と外部端子との安定した接続状態を確保することができる。
本例は、図20〜図26に示すごとく、フレーム5に導電ワイヤー15を保持するワイヤー保持部59を設けた電力変換装置1の例である。
上記導電ワイヤー15は、少なくとも一方の端部がケース4内に配されている。本例においては、導電ワイヤー15は、ケース4内において、コンデンサ22と制御回路基板6との間を接続している。そして、この導電ワイヤー15を通じて、コンデンサ22にかかる電圧、すなわち電力変換装置1への入力電圧の信号を制御回路基板6へ送ることができるようにしてある。
導電ワイヤー15は、両端部を除いて樹脂によって被覆された被覆導線からなり、可撓性を有する。そして、導電ワイヤー15は、フレーム5の外側を通過して、制御回路基板6とコンデンサ22とを接続している。
また、ワイヤー保持部59は、導電ワイヤー15における制御回路基板6との接続部151と、略同等の横方向Yの位置に配置されている。
その他は、実施例1と同様である。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
10 内部ユニット
11 積層体
21 半導体モジュール
22 コンデンサ
3 冷却器
31 冷却管
4 ケース
5 フレーム
6 制御回路基板
7 端子台
Claims (5)
- 電力変換回路を構成する複数の電子部品と、少なくとも一部の上記電子部品を冷却する冷却器とを、ケース内に収容してなる電力変換装置であって、
上記電子部品の少なくとも一部と上記冷却器とは、これらが固定されるフレームと共に一体化されて一つの内部ユニットを構成し、
該内部ユニットは、上記フレームにおいて上記ケース内に固定され、
上記フレームは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品の少なくとも一部を四方から囲むように形成され、
上記内部ユニットは、上記電子部品としてコンデンサを備え、
上記フレームは、上記内部ユニットを上記ケースに固定するユニット固定部と、上記内部ユニットに上記コンデンサを固定するコンデンサ固定部とを有し、該コンデンサ固定部は、上記ユニット固定部よりも内側に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1において、上記内部ユニットは、スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュールを、上記電子部品として上記フレームの内側に備え、上記半導体モジュールは、被制御電力が入出力される主電極端子を有し、該主電極端子は上記コンデンサに向かって突出しており、上記コンデンサ固定部は、上記フレームから上記コンデンサに向かって突出しており、上記コンデンサ固定部の先端部は、上記主電極端子の先端部よりも上記フレームから遠い位置に存在していることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項2において、上記内部ユニットは、スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュールを上記電子部品として備え、上記冷却器は内部に冷媒流路を備える複数の冷却管を有し、該複数の冷却管と上記複数の半導体モジュールとが互いに交互に積層された積層体が上記内部ユニットに含まれており、上記フレームは、上記積層体の積層方向の両側に配される前方壁部及び後方壁部と、上記前方壁部と上記後方壁部とをその両端において連結する一対の側方壁部とを有することを特徴とする電力変換装置。
- 請求項3において、上記内部ユニットは、被制御電力を入出力する入出力端子を一端に設けたバスバーを備え、上記入出力端子は、上記側方壁部に直交する方向へ延出しており、上記コンデンサの側面のうち、上記積層方向に直交し互いに平行な2つの側面よりも、該積層方向における外側に、上記コンデンサ固定部が位置していることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項3において、上記内部ユニットは、上記積層体を積層方向に加圧する加圧部材を備え、上記加圧部材は、上記積層体における積層方向の後端と上記後方壁部との間に介設され、上記積層体における積層方向の前端は、上記前方壁部によって支承されており、上記積層体の上記前端には、上記冷却管に冷媒を導入する冷媒導入管と、上記冷却管から上記冷媒を排出する冷媒排出管とが設けられており、上記前方壁部には、上記冷媒導入管および上記冷媒排出管を配置する一対の管用凹部が形成され、上記コンデンサ固定部は、上記フレームから上記コンデンサへ向かって突出し、上記コンデンサ固定部の突出方向から見た場合に、該コンデンサ固定部の少なくとも一部と、上記管用凹部とが重なるよう構成されていることを特徴とする電力変換装置。
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