JP2011239485A

JP2011239485A - 車載用電力変換装置

Info

Publication number: JP2011239485A
Application number: JP2010106065A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Mizuno; 高博水野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-05-06
Filing date: 2010-05-06
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2030-05-06
Also published as: JP4958990B2

Abstract

【課題】パワー半導体素子、パワー半導体素子を冷却する冷却機構、リアクトルおよびコンデンサを備えるＤＣ／ＤＣコンバータを筐体内に収納して車両に搭載した車載用電力変換装置において、コンデンサに対するパワー半導体素子からの熱の影響を抑制して信頼性向上を図る。
【解決手段】最も発熱の多いパワー半導体素子２を最上部に配置し、次いでヒートシンク３、リアクトル４、コンデンサ６の順に上から並べ、縦方向に積層配置して筐体７内に収納する。これによりパワー半導体素子２で加熱された空気がコンデンサ６の付近に移動して滞留することを抑制でき、コンデンサ６およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０の信頼性が向上し、小型化も図れる。
【選択図】図１

Description

この発明は、パワー半導体素子を備えたＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置に関し、特に車両に搭載された車載用電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置として、主変換回路・電源回路基板、制御回路基板などを筐体ケースに収納したインバータ装置では、発熱部品と、高い周囲温度に敏感な電気部品である電解コンデンサとの間に対流防止板を設ける。これにより、筐体ケース内部の温度上昇に伴う対流は、対流防止板により下部の対流と上部の対流とに分断され、上流側の発熱部品からの発熱が、対流防止板よりも下流側に設けられた高い周囲温度に敏感な電気部品に影響するのを抑制する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−０９２６３２号公報

従来、エンジンを有する自動車では主要な熱源はエンジンであったが、電気自動車では、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換装置内のパワー半導体素子が主要な熱源となる。このため、高い周囲温度に敏感な電気部品であるコンデンサに対し、パワー半導体素子等の発熱体からの悪影響を防止する技術が重要となる。
上記のような従来の電力変換装置では、対流防止板を回り込む気流がコンデンサ付近に滞留することがあり、発熱体からコンデンサへの熱の影響を抑制するには限界があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、車載用電力変換装置内のコンデンサが発熱体から受ける熱の影響を低減して、コンデンサおよび車載用電力変換装置全体の信頼性を向上させることを目的とする。

この発明に係る第１の車載用電力変換装置は、コンデンサと、パワー半導体素子と、冷却機構と、リアクトルとを筐体内に収納して車両に搭載される。そして、上記パワー半導体素子、上記冷却機構、上記リアクトル、上記コンデンサの順に縦方向に積層して配置したものである。

またこの発明に係る第２の車載用電力変換装置は、コンデンサと、パワー半導体素子と、冷却機構と、リアクトルとを筐体内に収納して車両に搭載される。そして、上記パワー半導体素子および上記リアクトルを上記冷却機構の上下方向の一方側に配置し、他方側に上記コンデンサを配置したものである。

またこの発明に係る第３の車載用電力変換装置は、コンデンサと、パワー半導体素子と、冷却機構と、リアクトルとを筐体内に収納して車両に搭載される。そして、上記パワー半導体素子を上記冷却機構の上下方向の一方側に配置し、他方側に上記リアクトルを配置し、上記コンデンサを上記冷却機構の側方に配置したものである。

またこの発明に係る第４の車載用電力変換装置は、コンデンサと、パワー半導体素子と、冷却機構と、リアクトルとを筐体内に収納して車両に搭載される。そして、上記パワー半導体素子および上記リアクトルを、上記冷却機構の上下方向の一方側に配置し、上記コンデンサを上記冷却機構の側方に配置したものである。

またこの発明に係る第５の車載用電力変換装置は、コンデンサと、パワー半導体素子と、冷却機構と、リアクトルとを筐体内に収納して車両に搭載される。そして、上記筐体として第１、第２の筐体を有し、上記パワー半導体素子、上記リアクトルおよび上記冷却機構を第１の筐体に収納し、上記コンデンサを第２の筐体に収納したものである。

上記第１の車載用電力変換装置によると、パワー半導体素子、冷却機構、リアクトル、コンデンサの順に縦方向に積層して配置するため、コンデンサはパワー半導体素子に対して冷却機構およびリアクトルを挟んで遠方配置となるため、パワー半導体素子からコンデンサへの熱の影響を低減できる。このためコンデンサおよび車載用電力変換装置全体の信頼性を向上させ、また床面積を抑制して小型化が図れる。

また上記第２の車載用電力変換装置によると、パワー半導体素子およびリアクトルを冷却機構の上下方向の一方側に配置し、他方側にコンデンサを配置するため、冷却機構によるコンデンサを冷却する効果が得られ、コンデンサが熱の影響を受けるのを低減できる。このためコンデンサおよび車載用電力変換装置全体の信頼性を向上させる。

また上記第３の車載用電力変換装置によると、パワー半導体素子を冷却機構の上下方向の一方側に配置し、他方側にリアクトルを配置し、コンデンサを冷却機構の側方に配置するため、発熱部品から対流する空気にコンデンサが曝されるのが防止でき、コンデンサが熱の影響を受けるのを低減できる。このためコンデンサおよび車載用電力変換装置全体の信頼性を向上させると共に、各部を電気的接続させる電路が長くなるのが抑制できる。

また上記第４の車載用電力変換装置によると、パワー半導体素子およびリアクトルを、冷却機構の上下方向の一方側に配置し、コンデンサを冷却機構の側方に配置するため、発熱部品から対流する空気にコンデンサが曝されるのが防止でき、コンデンサが熱の影響を受けるのを低減できる。このためコンデンサおよび車載用電力変換装置全体の信頼性を向上させると共に、装置の上下方向寸法が低減できる。

また上記第５の車載用電力変換装置によると、第１、第２の筐体を有し、パワー半導体素子、リアクトルおよび冷却機構を第１の筐体に収納し、コンデンサを第２の筐体に収納するため、コンデンサが他の部品からの熱の影響を受けるのを排除できる。このためコンデンサおよび車載用電力変換装置全体の信頼性を向上させると共に、装置の配置における自由度が向上する。

この発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣコンバータの概略構成を示す図である。この発明の実施の形態１の別例によるＤＣ／ＤＣコンバータの概略構成を示す図である。この発明の実施の形態２によるＤＣ／ＤＣコンバータの概略構成を示す図である。この発明の実施の形態３によるＤＣ／ＤＣコンバータの概略構成を示す図である。この発明の実施の形態３の別例によるＤＣ／ＤＣコンバータの概略構成を示す図である。この発明の実施の形態４によるＤＣ／ＤＣコンバータの概略構成を示す図である。この発明の実施の形態４の別例によるＤＣ／ＤＣコンバータの概略構成を示す図である。この発明の実施の形態５によるＤＣ／ＤＣコンバータの概略構成を示す図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による車載用電力変換装置について図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による車載用電力変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１０の概略構成図である。
図１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、制御基板１と、パワー半導体素子２と、パワー半導体素子２を冷却する冷却機構としてのヒートシンク３と、リアクトル４と、コンデンサ６と、全ての部品を収納する筐体７とで構成されている。
この場合、最も発熱の多いパワー半導体素子２を装置最上部に配置する。また、パワー半導体素子２に次いで発熱が多いリアクトル４を、ヒートシンク３を挟んでパワー半導体素子２の反対側であって、コンデンサ６の上部に配置する。このように、パワー半導体素子２、ヒートシンク３、リアクトル４、コンデンサ６の順に上から並べ、縦方向に積層配置する。

このようなＤＣ／ＤＣコンバータ１０では、ヒートシンク３の上下に最も発熱の多いパワー半導体素子２と次いで発熱が多いリアクトル４とを配置するため、パワー半導体素子２およびリアクトル４が効果的に冷却できる。またコンデンサ６は、ヒートシンク３およびリアクトル４により、パワー半導体素子２から離されて遠方配置となり、パワー半導体素子２で加熱された空気がコンデンサ６の付近に移動することを抑制できる。
これによりコンデンサ６およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０の信頼性が向上する。
また、全ての構成部品を縦方向に重ねて配置しているので、床面積を小さくできＤＣ／ＤＣコンバータ１０の小型化が図れる。

この場合、ヒートシンク３以外の構成部品を発熱の多い順番に上から並べて配置している。パワー半導体素子２やリアクトル４で発生した熱は、ヒートシンク３により吸収されるが、一部は周囲の空気を加熱し、加熱された空気は筐体７内で対流により熱源上方へ移動する。このため、加熱された空気が装置下部に配置されたコンデンサ６の付近に滞留することはない。従って、加熱された空気の上方への流路を別途要することなく、コンデンサ６が高温の空気に曝されるのが容易に防止でき、コンデンサ６への熱の影響を効果的に低減できる。

なお、図２に示すように、リアクトル４とコンデンサ６との間に断熱材８を配置してＤＣ／ＤＣコンバータ１０ａを構成しても良く、この場合、パワー半導体素子２やリアクトル４から輻射される熱によりコンデンサ６が加熱されるのが防止でき、コンデンサ６への熱の影響をさらに低減できる。

また、上記実施の形態のように、パワー半導体素子２が装置上部に、コンデンサ６が装置下部に配置するのが、コンデンサ６への熱の影響を低減するのに効果的であるが、逆に、パワー半導体素子２、ヒートシンク３、リアクトル４、コンデンサ６の順に下から並べ、縦方向に積層配置しても良い。その場合も、コンデンサ６は、ヒートシンク３およびリアクトル４によりパワー半導体素子２から離されて遠方配置となり、パワー半導体素子２で加熱された空気がコンデンサ６の付近に移動することを抑制できる。このため、コンデンサ６が高温の空気に曝されるのが防止でき、コンデンサ６への熱の影響を低減できる。また、全ての構成部品を縦方向に重ねて配置しているので、床面積を小さくできＤＣ／ＤＣコンバータ１０、１０ａの小型化が図れる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２による車載用電力変換装置について図に基づいて説明する。図３はこの発明の実施の形態２による車載用電力変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｂの概略構成図である。
図３に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｂは、上記実施の形態１と同様に、制御基板１と、パワー半導体素子２と、ヒートシンク３と、リアクトル４と、コンデンサ６と、全ての部品を収納する筐体７とで構成されている。
この場合、パワー半導体素子２およびリアクトル４をヒートシンク３の上方側に配置し、コンデンサ６をヒートシンク３の下方側に配置する。

このようなＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｂでは、リアクトル４を、ヒートシンク３に対してパワー半導体素子２と同じ側に配置し、パワー半導体素子２はリアクトル４と並んで配置される。コンデンサ６は、ヒートシンク３を挟んで発熱源であるパワー半導体素子２およびリアクトル４の反対側に配置されているため、コンデンサ６が加熱されることが防止でき、コンデンサ６がヒートシンク３により冷却される効果も得られる。このため、コンデンサ６が熱の影響を受けるのを低減できる。これによりコンデンサ６およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｂの信頼性が向上する。

またこの場合、パワー半導体素子２およびリアクトル４をヒートシンク３の上方側に配置し、コンデンサ６をヒートシンク３の下方側に配置しているため、パワー半導体素子２やリアクトル４で発生した熱により加熱された空気は筐体７内で対流により上方へ移動し、コンデンサ６の付近に滞留することはない。このため、コンデンサ６が高温の空気に曝されるのが容易に防止でき、コンデンサ６への熱の影響を効果的に低減できる。

なお、上記実施の形態のように、パワー半導体素子２およびリアクトル４をヒートシンク３の上方側に配置し、コンデンサ６をヒートシンク３の下方側に配置するのが、コンデンサ６への熱の影響を低減するのに効果的であるが、上下が逆であっても良い。即ち、パワー半導体素子２およびリアクトル４をヒートシンク３の下方側に配置し、コンデンサ６をヒートシンク３の上方側に配置する。この場合も、コンデンサ６は、ヒートシンク３を挟んで発熱源であるパワー半導体素子２およびリアクトル４の反対側に配置されているため、加熱された空気がコンデンサ６の付近に移動することを抑制でき、コンデンサ６が加熱されることが防止できる。また、コンデンサ６がヒートシンク３により冷却される効果も得られる。このため、コンデンサ６への熱の影響を低減できる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３による車載用電力変換装置について図に基づいて説明する。図４はこの発明の実施の形態３による車載用電力変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｃの概略構成図である。
図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｃは、上記実施の形態１と同様に、制御基板１と、パワー半導体素子２と、ヒートシンク３と、リアクトル４と、コンデンサ６と、全ての部品を収納する筐体７とで構成されている。
この場合、パワー半導体素子２をヒートシンク３の上方側に配置し、リアクトル４をヒートシンク３の下方側に配置し、コンデンサ６をヒートシンク３の側方に配置する。

このようなＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｃでは、ヒートシンク３の上下に最も発熱の多いパワー半導体素子２と次いで発熱が多いリアクトル４とを配置するため、パワー半導体素子２およびリアクトル４が効果的に冷却できる。またコンデンサ６は、パワー半導体素子２およびリアクトル４の側方に配置されることになり、加熱された空気がコンデンサ６の付近に滞留することが防止できる。このため、コンデンサ６が高温の空気に曝されるのが防止でき、コンデンサ６への熱の影響を低減できる。これによりコンデンサ６およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｂの信頼性が向上する。

また、各構成部品のパワー半導体素子２、リアクトル４およびコンデンサ６は、バスバーなどの電路によって電気的に接続されているが、この実施の形態による配置では、各部品間の相互距離を短くでき、電路の長さを短くできる。このため、電路で生じる電力損失や、浮遊インダクタンスを抑制できる。

またこの場合、最も発熱の多いパワー半導体素子２をヒートシンク３の上方側に配置し、リアクトル４をヒートシンク３の下方側に配置している。このため、加熱されて上方へ移動する高温の空気にコンデンサ６が曝されるのが容易に防止でき、コンデンサ６への熱の影響を効果的に低減できる。

なお、図５に示すように、パワー半導体素子２、リアクトル４およびヒートシンク３の配置空間と、コンデンサ６との間に断熱材８を配置してＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｄを構成しても良く、この場合、パワー半導体素子２やリアクトル４から輻射される熱によりコンデンサ６が加熱されるのが防止でき、コンデンサ６への熱の影響をさらに低減できる。

また、パワー半導体素子２とリアクトル４とは配置が逆であっても良く、その場合も、コンデンサ６は側方に配置されているため、コンデンサ６が高温の空気に曝されるのが防止でき、コンデンサ６への熱の影響を低減できると共に、各部品間の相互距離を短くできて電路の長さを短くできる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４による車載用電力変換装置について図に基づいて説明する。図６はこの発明の実施の形態４による車載用電力変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｅの概略構成図である。
図６に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｅは、上記実施の形態１と同様に、制御基板１と、パワー半導体素子２と、ヒートシンク３と、リアクトル４と、コンデンサ６と、全ての部品を収納する筐体７とで構成されている。
この場合、パワー半導体素子２およびリアクトル４をヒートシンク３の上方側に配置し、コンデンサ６をヒートシンク３の側方に配置する。

このようなＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｅでは、リアクトル４を、ヒートシンク３に対してパワー半導体素子２と同じ側に配置し、パワー半導体素子２はリアクトル４と並んで配置される。またコンデンサ６は、パワー半導体素子２およびリアクトル４の側方に配置されることになり、加熱された空気がコンデンサ６の付近に滞留することが防止できる。このため、コンデンサ６が高温の空気に曝されるのが防止でき、コンデンサ６への熱の影響を低減できる。これによりコンデンサ６およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｅの信頼性が向上する。
また、構成部品のパワー半導体素子２、リアクトル４およびコンデンサ６は、横方向に並べて配置されるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｅの高さ方向の装置寸法を低減できる。

またこの場合、パワー半導体素子２およびリアクトル４をヒートシンク３の上方側に配置したため、加熱されて上方へ移動する高温の空気にコンデンサ６が曝されるのが容易に防止でき、コンデンサ６への熱の影響を効果的に低減できる。

なお、図７に示すように、パワー半導体素子２、リアクトル４およびヒートシンク３の配置空間と、コンデンサ６との間に断熱材８を配置してＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｆを構成しても良く、この場合、パワー半導体素子２やリアクトル４から輻射される熱によりコンデンサ６が加熱されるのが防止でき、コンデンサ６への熱の影響をさらに低減できる。

また、パワー半導体素子２およびリアクトル４をヒートシンク３の下方側に配置しても良く、その場合も、コンデンサ６は側方に配置されているため、コンデンサ６が高温の空気に曝されるのが防止でき、コンデンサ６への熱の影響を低減できると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｅの高さ方向の装置寸法を低減できる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５による車載用電力変換装置について図に基づいて説明する。図８はこの発明の実施の形態５による車載用電力変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｇの概略構成図である。
図８に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｇは、上記実施の形態１と同様に、制御基板１と、パワー半導体素子２と、ヒートシンク３と、リアクトル４と、コンデンサ６と、パワー半導体素子２、ヒートシンク３およびリアクトル４を収納する第１の筐体７ａと、コンデンサ６を収納する第２の筐体７ｂと、第１の筐体７ａと第２の筐体７ｂとを接続する電力用ケーブル９とで構成されている。
この場合、第１の筐体７ａ内では、ヒートシンク３の上方にパワー半導体素子２を、下方にリアクトル４を配置する。

このようなＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｇでは、コンデンサ６を収納する第２の筐体７ｂが、パワー半導体素子２、ヒートシンク３およびリアクトル４を収納する第１の筐体７ａから分離しているので、パワー半導体素子２およびリアクトル４により加熱された空気が、コンデンサ６に影響を与えるのが防止できる。これによりコンデンサ６およびＤＣ／ＤＣコンバータ１０ｅの信頼性が向上する。
また、第１の筐体７ａと第２の筐体７ｂとは電力用ケーブル９で接続されるため、各筐体７ａ、７ｂの配置における自由度が向上する。但し、パワー半導体素子２、ヒートシンク３およびリアクトル４を収納する第１の筐体７ａから発生する熱が、第２の筐体７ｂ内のコンデンサに影響を与えないよう、第２の筐体７ｂを第１の筐体７ａの上方以外の位置に配置するのが望ましい。

なお、第１の筐体７ａ内において、パワー半導体素子２とリアクトル４との配置は逆でも良く、同様の効果が得られる。

また、上記各実施の形態１〜５では、冷却機構としてヒートシンク３を示したが、冷媒や冷却風を流す流路を構成するなど、冷却機能を有するものであれば良い。

また、車載用電力変換装置としてＤＣ／ＤＣコンバータを示したが、ＤＣ／ＤＣコンバータと一体化された電力変換装置や、インバータ等、他の車載用電力変換装置であっても良い。

２パワー半導体素子、３冷却機構としてのヒートシンク、４リアクトル、
６コンデンサ、７筐体、７ａ第１の筐体、７ｂ第２の筐体、８断熱材、
１０，１０ａ〜１０ｇ電力変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータ。

Claims

コンデンサと、パワー半導体素子と、冷却機構と、リアクトルとを筐体内に収納して車両に搭載した車載用電力変換装置において、
上記パワー半導体素子、上記冷却機構、上記リアクトル、上記コンデンサの順に縦方向に積層して配置したことを特徴とする車載用電力変換装置。
上記パワー半導体素子が上に、上記コンデンサが下になるように縦方向に配置したことを特徴とする請求項１に記載の車載用電力変換装置。
上記リアクトルと上記コンデンサとの間に断熱材を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の車載用電力変換装置。
コンデンサと、パワー半導体素子と、冷却機構と、リアクトルとを筐体に収納して車両に搭載した車載用電力変換装置において、
上記パワー半導体素子および上記リアクトルを上記冷却機構の上下方向の一方側に配置し、他方側に上記コンデンサを配置したことを特徴とする車載用電力変換装置。
上記パワー半導体素子および上記リアクトルを、上記冷却機構の上方側に配置したことを特徴とする請求項４に記載の車載用電力変換装置。
コンデンサと、パワー半導体素子と、冷却機構と、リアクトルとを筐体に収納して車両に搭載した車載用電力変換装置において、
上記パワー半導体素子を上記冷却機構の上下方向の一方側に配置し、他方側に上記リアクトルを配置し、上記コンデンサを上記冷却機構の側方に配置したことを特徴とする車載用電力変換装置。
コンデンサと、パワー半導体素子と、冷却機構と、リアクトルとを筐体に収納して車両に搭載した車載用電力変換装置において、
上記パワー半導体素子および上記リアクトルを、上記冷却機構の上下方向の一方側に配置し、上記コンデンサを上記冷却機構の側方に配置したことを特徴とする車載用電力変換装置。
上記パワー半導体素子、上記リアクトルおよび上記冷却機構の配置空間と、上記コンデンサとの間に断熱材を配置したことを特徴とする請求項６または７に記載の車載用電力変換装置。
コンデンサと、パワー半導体素子と、冷却機構と、リアクトルとを筐体に収納して車両に搭載した車載用電力変換装置において、
上記筐体として第１、第２の筐体を有し、上記パワー半導体素子、上記リアクトルおよび上記冷却機構を第１の筐体に収納し、上記コンデンサを第２の筐体に収納したことを特徴とする車載用電力変換装置。
上記第１の筐体と上記第２の筐体とは接続され、上記第２の筐体を上記第１の筐体の上方以外の位置に配置したことを特徴とする請求項９に記載の車載用電力変換装置。
上記コンデンサ、上記パワー半導体素子、上記冷却機構および上記リアクトルを備えたＤＣ／ＤＣコンバータが上記筐体に収納されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに１項に記載の車載用電力変換装置。