JP2013027259A - 電力変換装置のケース分割構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】本願は、ノイズ耐性を考慮しつつ生産性をも向上した電力変換装置の提供することにある。
【解決手段】上側の筐体と下側の筐体との接合する面(ケース分割面)より上側において、ドライバ回路基板とパワーモジュールの制御端子とが接合されるように構成しつつ、下側の筐体にはパワーモジュール本体とそれを冷却するための水路を設け、上側の筐体を隔壁などを設けることで更に2層化し、ドライバ回路基板から制御回路基板へのノイズを除去させるように構成すればよい。
【選択図】 図5

Description

本発明は直流電力を交流電力に変換しあるいは交流電力を直流電力に変換するために使用する電力変換装置に関する。
一般に電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換する機能、あるいは、モータが発生する交流電力を直流電力に変換する機能を備えている。電力変換装置の一例が、特開2004−312866号公報に開示されている。当該公報においては、インバータボックスに組み込まれたインバータ装置を蓋で密封してねじ止め固定し、接合面に液状ガスケットを塗布して気密性を高めることで水分浸入を抑制する技術が開示されている。
特開2004−312866号公報
しかしながら、上記特許文献の技術においては、あくまでインバータをインバータボックスに安定して格納することを主眼に置いたものであり、電力変換装置(例えばインバータ)自体の組み立て易さについては検討が不十分であった。そのため、上記特許文献の技術においては、インバータを組み立てた後にインバータボックスに入れて蓋をするといった単純工程しか開示がなく、インバータボックスにインバータを入れた状態で徐々に階層的にインバータの組み立てを行うといった場合の構成については一切言及がなされていない。
結果として、上記特許文献の技術において、インバータボックスにインバータを入れた状態で組立作業を行おうとした場合には、内部部品を取り付ける際の作業スペースが狭くなるといった問題があった。また、小型化または自動化に適した溶接構造を採用しようとしても溶接ツールが稼動するスペースがないといった問題があった。あるいは、制御基板等への半田付け作業においても、半田付けツールのアクセススペースに制約が生じたり、基板へ制御ピンなどを半田接合した後のフィレット形状の確認ができないといった問題があった。
また、インバータを組み立てた後にインバータボックスに入れて蓋をするといった工程は、インバータを組み立てる際にどこかに固定して組み立てる必要があり、インバータボックスにインバータを入れた状態で徐々に階層的にインバータの組み立てを行う方式に比べ、非常に難しく、生産効率が非常に悪い。
更に、上記特許文献においては、重要な部品であるキャパシタの端子や交流バスバーなどがインバータボックスに収納されるため、例えばそれら部品が収納時に入れ損なって破損したり、また、その破損箇所が視認できず修理が難しくなるといった問題もあった。
また、パワーモジュールとドライバ回路基板と制御回路基板とが高さ方向に階層的に配置される場合、制御回路基板側にスイッチングノイズ等が混入する恐れがあった。
そこで、上記課題に鑑み、本発明の目的は、生産性を向上させつつ、ノイズに対する信頼性をも向上させることにある。
上記課題を解決するために、例えば、2つの筐体を有するインバータ装置であって、上側の筐体と下側の筐体との接合する面(ケース分割面)より上側において、ドライバ回路基板とパワーモジュールの制御端子とが接合されるように構成すればよい。このように構成することで、部品組立時の周辺への干渉等を防止し、ドライバ回路基板とパワーモジュールの制御端子とが接合することが容易となり、生産性向上が期待できる。
ここで、下側の筐体に水路とパワー半導体モジュールとコンデンサモジュールとを収納し、上側の筐体において、組立接合部品(パワーモジュールの制御端子、コンデンサモジュール端子、ドライバ回路基板、制御回路基板あるいはバスバーアッセンブリなどの部品)を収納するように構成すれば、種々の接合処理のための空間を確保することができ、生産性は向上する。より具体的に説明すれば、上側の筐体と下側の筐体を接合する前に、上側にある組立接合部品を取り付ける際の物理的障害を取り除き十分な作業スペースを確保することができる。溶接構造を採用しようとしても溶接ツールの稼動スペースの確保も可能である。
更に、このようにパワーモジュールとドライバ回路基板と制御回路基板とが上下方向に階層的に配置される場合、制御回路基板側にスイッチングノイズ等の混入が大きな問題となるため、上側の筐体を隔壁などを設けることで更に2層化し、制御回路基板へのノイズを除去させる構成をとればよい。
なお、ここでは、上側筐体が2層化される場合を述べたが、ドライバ回路と制御回路の間にノイズをシャットダウンする構成(例えば隔壁など)があればよく、3層構造でもそれ以上分けられていたとしても構わない。
本発明によれば、電力変換装置の組立時の生産性を向上することができる。
ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図。 インバータ回路140の電気回路の構成を説明する図。 電力変換装置200の外観斜視図。 電力変換装置200の分解斜視図。 電力変換装置200の分解斜視図。 パワーモジュール300U〜300W、コンデンサモジュール500、バスバーアッセンブリ800が組み付けられた流路形成体12の外観斜視図。 バスバーアッセンブリ800を外した状態の流路形成体12を示す図。 流路形成体12の斜視図。 バスバーアッセンブリ800の斜視図。 パワーモジュール300U〜300Wおよびコンデンサモジュール500が装着された流路形成体12を示す図。 電力変換装置200の断面を示す図。 電力変換装置200の断面を示す図。
以下に説明する本発明が適用された実施の形態に記載の電力変換装置およびこの装置を使用したシステムは、製品化のために解決することが望ましい色々な課題を解決している。これら実施の形態が解決している色々な課題の一つに、上述の発明が解決しようとする課題の欄に記載した生産性向上の課題があり、また上述の発明の効果の欄に記載した生産性向上の効果がある。
また、上述の課題を解決するための手段の欄に記載した構成だけで無く、他の構成によっても上記課題が解決でき、上記効果を得ることができる。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図1は、ハイブリッド自動車(以下「HEV」と記述する)の制御ブロックを示す図である。エンジンEGNおよびモータジェネレータMG1は車両の走行用トルクを発生する。また、モータジェネレータMG1は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータMG1に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。
モータジェネレータMG1は、例えば同期機あるいは誘導機であり、上述のごとく、運転方法によりモータとしても発電機としても動作する。モータジェネレータMG1を自動車に搭載する場合には、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジウムなどの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また、永久磁石型の同期電動機は誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として優れている。
エンジンEGNの出力側の出力トルクは動力分配機構TSMを介してモータジェネレータMG1に伝達され、動力分配機構TSMからの回転トルクあるいはモータジェネレータMG1が発生する回転トルクは、トランスミッションTMおよびデファレンシャルギアDEFを介して車輪に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータMG1に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は後述するように電力変換装置200により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ136を充電し、充電された電力は再び走行エネルギーとして使用される。
次に電力変換装置200について説明する。インバータ回路140は、バッテリ136と直流コネクタ138を介して電気的に接続されており、バッテリ136とインバータ回路140との相互において電力の授受が行われる。モータジェネレータMG1をモータとして動作させる場合には、インバータ回路140は直流コネクタ138を介してバッテリ136から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流端子188を介してモータジェネレータMG1に供給する。モータジェネレータMG1とインバータ回路140からなる構成は電動発電ユニットとして動作する。
なお、本実施形態では、バッテリ136の電力によって電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータMG1の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジンEGNの動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ136の充電ができる。
また、図1では省略したが、バッテリ136はさらに補機用のモータを駆動するための電源としても使用される。補機用のモータとしては例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータである。バッテリ136から直流電力が補機用パワーモジュールに供給され、補機用パワーモジュールは交流電力を発生して補機用のモータに供給する。補機用パワーモジュールはインバータ回路140と基本的には同様の回路構成および機能を持ち、補機用のモータに供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。なお、電力変換装置200は、インバータ回路140に供給される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュール500を備えている。
電力変換装置200は、上位の制御装置から指令を受けたりあるいは上位の制御装置に状態を表すデータを送信したりするための通信用のコネクタ21を備えている。電力変換装置200は、コネクタ21から入力される指令に基づいて制御回路172でモータジェネレータMG1の制御量を演算し、さらにモータとして運転するか発電機として運転するかを演算し、演算結果に基づいて制御パルスを発生し、その制御パルスをドライバ回路174へ供給する。ドライバ回路174は、供給された制御パルスに基づいて、インバータ回路140を制御するための駆動パルスを発生する。
次に、図2を用いてインバータ回路140の電気回路の構成を説明する。なお、以下で半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してIGBTと記す。上アームとして動作するIGBT328及びダイオード156と、下アームとして動作するIGBT330及びダイオード166とで、上下アームの直列回路150が構成される。インバータ回路140は、この直列回路150を、出力しようとする交流電力のU相、V相、W相の3相に対応して備えている。
これらの3相は、この実施の形態ではモータジェネレータMG1の電機子巻線の3相の各相巻線に対応している。3相のそれぞれの上下アームの直列回路150は、直列回路の中点部分である中間電極169から交流電流を出力する。この中間電極169は交流端子159を通して、モータジェネレータMG1への交流電力線である以下に説明の交流バスバー802と接続される。
上アームのIGBT328のコレクタ電極153は、正極端子157を介してコンデンサモジュール500の正極側のコンデンサ端子506に電気的に接続されている。また、下アームのIGBT330のエミッタ電極は、負極端子158を介してコンデンサモジュール500の負極側のコンデンサ端子504に電気的に接続されている。
上述のように、制御回路172は上位の制御装置からコネクタ21を介して制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路140を構成する各相の直列回路150の上アームあるいは下アームを構成するIGBT328やIGBT330を制御するための制御信号である制御パルスを発生し、ドライバ回路174に供給する。
ドライバ回路174は、上記制御パルスに基づき、各相の直列回路150の上アームあるいは下アームを構成するIGBT328やIGBT330を制御するための駆動パルスを各相のIGBT328やIGBT330に供給する。IGBT328やIGBT330は、ドライバ回路174からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ136から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力はモータジェネレータMG1に供給される。
IGBT328は、コレクタ電極153と、信号用エミッタ電極155と、ゲート電極154を備えている。また、IGBT330は、コレクタ電極163と、信号用のエミッタ電極165と、ゲート電極164を備えている。ダイオード156が、コレクタ電極153とエミッタ電極155との間に電気的に接続されている。また、ダイオード166が、コレクタ電極163とエミッタ電極165との間に電気的に接続されている。
スイッチング用パワー半導体素子としては金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ(以下略してMOSFETと記す)を用いてもよい、この場合はダイオード156やダイオード166は不要となる。スイッチング用パワー半導体素子としては、IGBTは直流電圧が比較的高い場合に適していて、MOSFETは直流電圧が比較的低い場合に適している。
コンデンサモジュール500は、正極側のコンデンサ端子506と負極側のコンデンサ端子504と正極側の電源端子509と負極側の電源端子508とを備えている。バッテリ136からの高電圧の直流電力は、直流コネクタ138を介して、正極側の電源端子509や負極側の電源端子508に供給され、コンデンサモジュール500の正極側のコンデンサ端子506および負極側のコンデンサ端子504から、インバータ回路140へ供給される。
一方、交流電力からインバータ回路140によって変換された直流電力は、正極側のコンデンサ端子506や負極側のコンデンサ端子504からコンデンサモジュール500に供給され、正極側の電源端子509や負極側の電源端子508から直流コネクタ138を介してバッテリ136に供給され、バッテリ136に蓄積される。
制御回路172は、IGBT328及びIGBT330のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と記述する)を備えている。マイコンへの入力情報としては、モータジェネレータMG1に対して要求される目標トルク値、直列回路150からモータジェネレータMG1に供給される電流値、及びモータジェネレータMG1の回転子の磁極位置がある。
目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ180による検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータMG1に設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ(不図示)から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では、電流センサ180は3相の電流値を検出する場合を例に挙げているが、2相分の電流値を検出するようにし、演算により3相分の電流を求めても良い。
制御回路172内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータMG1のd軸,q軸の電流指令値を演算し、この演算されたd軸,q軸の電流指令値と、検出されたd軸,q軸の電流値との差分に基づいてd軸,q軸の電圧指令値を演算し、この演算されたd軸,q軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてU相、V相、W相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、U相、V相、W相の電圧指令値に基づく基本波(正弦波)と搬送波(三角波)との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をPWM(パルス幅変調)信号としてドライバ回路174に出力する。
ドライバ回路174は、下アームを駆動する場合、PWM信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのIGBT330のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路174は、上アームを駆動する場合、PWM信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからPWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのIGBT328のゲート電極にそれぞれ出力する。
また、制御回路172内のマイコンは、異常検知(過電流、過電圧、過温度など)を行い、直列回路150を保護している。このため、制御回路172にはセンシング情報が入力されている。例えば、各アームの信号用のエミッタ電極155及び信号用のエミッタ電極165からは各IGBT328とIGBT330のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部(IC)に入力されている。これにより、各駆動部(IC)は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するIGBT328,IGBT330のスイッチング動作を停止させ、対応するIGBT328,IGBT330を過電流から保護する。
直列回路150に設けられた温度センサ(不図示)からは直列回路150の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには直列回路150の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのIGBT328,IGBT330のスイッチング動作を停止させる。
図3は本発明に係る実施の形態としての電力変換装置200の外観斜視図である。本実施の形態の電力変換装置200は、平面形状がほぼ正方形の直方体形状としたことにより小型化が図れ、また、車両への取り付けが容易となるという効果を有している。8は蓋、10はハウジング、12は流路形成体、13は冷却媒体の入口配管、14は出口配管、420は下カバーである。コネクタ21は、外部との接続のために設けられた信号用のコネクタである。本実施形態においては、上とは、流路形成体12から蓋8に向かう方向を意味し、下とはその逆の方向を意味する。
蓋8は、電力変換装置200を構成する回路部品が収納されるハウジング10の上部開口部に固定される。ハウジング10の下部に固定される流路形成体12は、後述するパワーモジュール300及びコンデンサモジュール500を保持するとともに、冷却媒体によってこれらを冷却する。冷却媒体としては、例えば水が用いられる場合が多く、以下では冷却水として説明する。入口配管13および出口配管14は流路形成体12の一側面に設けられ、入口配管13から供給された冷却水は流路形成体12内の後述する流路19に流入し、出口配管14から排出される。
交流インターフェイス185および直流インターフェイス137は、ハウジング10の側面に設けられている。交流インターフェイス185は配管13,14が設けられている側面に設けられており、直流インターフェイス137は交流インターフェイス185が設けられた側面に隣接する側面に設けられている。
また、ハウジング10及び流路形成体12は、断面が台形状の形態をしており、例えば鋳造等の製造方法を用いた際の生産性が非常に良い。
図4は電力変換装置200の分解斜視図である。図5は流路形成体12からハウジング10を外した状態を示す図である。ここでは、便宜上、図5から説明する。図5において、ハウジング10は2つの収納空間を有しており、隔壁10cによって上部収納空間と下部収納空間とに区画されている。上部収納空間にはコネクタ21が固定された制御回路基板20が収納され、下部収納空間にはドライバ回路基板22および後述するバスバーアッセンブリ800が収納される。制御回路基板20には図2に示した制御回路172が実装され、ドライバ回路基板22にはドライバ回路174が実装されている。制御回路基板20とドライバ回路基板22とは不図示のフラットケーブルによって接続されるが、そのフラットケーブルは隔壁10cに形成されたスリット状の開口10dを通って下部収納空間から上部収納空間へと引き出される。
また、ここでは、ハウジング10の下面と流路形成体12の上面(ケース分割面12e)とが接合される。
図4において、蓋8の内側の、すなわちハウジング10の上部収納空間には、上述したように制御回路172を実装した制御回路基板20が配置されている。蓋8には、コネクタ21用の開口が形成されている。電力変換装置200内の制御回路を動作させる低電圧の直流電力は、コネクタ21から供給される。
詳細は後述するが、流路形成体12には、入口配管13から流入した冷却水が流れる流路が形成されている。流路は、流路形成体12の3つの側面に沿って流れるようなコの字形状の流路を形成している。入口配管13から流入した冷却水はコの字形状流路の一端から流路内に流入し、流路内を流れた後に、流路の他端に接続されている出口配管14から流出される。
流路の上面には3つの開口部402a〜402cが形成されており、直列回路150(図2参照)を内蔵したパワーモジュール300U,300V,300Wがそれらの開口部402a〜402cから流路内に挿入される。パワーモジュール300UにはU相の直列回路150が内蔵され、パワーモジュール300VにはV相の直列回路150が内蔵され、パワーモジュール300WにはW相の直列回路150が内蔵されている。これらパワーモジュール300U〜300Wは同一構成になっており、外観形状も同一形状である。開口部402a〜402cは、挿入されたパワーモジュール300U〜300Wのフランジ部によって塞がれる。
流路形成体12には、コの字形状の流路によって囲まれるように、電装部品を収納するための収納空間405が形成されている。本実施形態では、この収納空間405にコンデンサモジュール500が収納されている。収納空間405に収納されたコンデンサモジュール500は、流路内を流れる冷却水によって冷却される。コンデンサモジュール500の上方には、交流バスバー802U〜802Wが装着されたバスバーアッセンブリ800が配置される。バスバーアッセンブリ800は、流路形成体12の上面に固定される。バスバーアッセンブリ800には、電流センサ180がモジュール化されて固定されている。
ドライバ回路基板22は、バスバーアッセンブリ800に設けられた支持部材807aに固定されることにより、バスバーアッセンブリ800の上方に配置される。上述したように、制御回路基板20とドライバ回路基板22とはフラットケーブルによって接続される。フラットケーブルは隔壁10cに形成されたスリット状の開口10dを通って下部収納空間から上部収納空間へと引き出される。
このように、パワーモジュール300U〜300Wとドライバ回路基板22と制御回路基板20とが高さ方向に階層的に配置され、制御回路基板20が強電系のパワーモジュール300U〜300Wから最も遠い場所に配置されるので、制御回路基板20側にスイッチングノイズ等が混入するのを低減することができる。さらに、ドライバ回路基板22と制御回路基板20とは隔壁10cによって区画された別の収納空間に配置されるため、隔壁10cが電磁シールドとして機能し、ドライバ回路基板22から制御回路基板20に混入するノイズを低減することができる。なお、ハウジング10はアルミ等の金属材で形成
されているが、これに限定するものではない。
さらに、ハウジング10に一体に形成された隔壁10cに制御回路基板20が固定されるため、外部からの振動に対して制御回路基板20の機械的な共振周波数が高くなる。そのため、車両側からの振動の影響を受け難く、信頼性が向上する。
次に、以下では、流路形成体12と、流路形成体12に固定されるコンデンサモジュール500およびバスバーアッセンブリ800についてより詳しく説明する。
図6は、流路形成体12にパワーモジュール300U〜300W、コンデンサモジュール500、バスバーアッセンブリ800を組み付けた外観斜視図である。図7は、流路形成体12からバスバーアッセンブリ800を外した状態を示す。バスバーアッセンブリ800は、流路形成体12にボルト固定される。
まず、図8を参照しながら流路形成体12について説明する。図8は流路形成体12の斜視図である。流路形成体12は平面形状が略正方形の直方体を成し、その側面12dに入口配管13および出口配管14が設けられている。なお、側面12dは、配管13,14が設けられている部分が段差状に形成されている。流路19は、残りの3つの側面12a〜12cに沿うようにコの字形状に形成されている。
図8に示すように、流路形成体12の上面側には、側面12aに平行な位置に長方形の開口部402aが形成され、側面12bに平行な位置に長方形の開口部402bが形成され、側面12cに平行な位置に長方形の開口部402cが形成されている。これらの開口部402a〜402cを通して、パワーモジュール300U〜300Wが流路19内に挿入される。
図8に示すように、流路形成体12には、3辺を流路19で囲まれるように形成され矩形状の収納空間405が設けられている。この収納空間405にコンデンサモジュール500が収納される。流路19で囲まれた収納空間405は直方体形状であるため、コンデンサモジュール500を直方体形状にすることができ、コンデンサモジュール500の生産性が良くなる。
図9は、バスバーアッセンブリ800の斜視図である。バスバーアッセンブリ800は、U,V,W相の交流バスバー802U,802V,802Wと、交流バスバー802U〜802Wを保持し固定するための保持部材803と、交流バスバー802U〜802Wを流れる交流電流を検出するための電流センサ180と、を備えている。交流バスバー802U〜802Wは、それぞれ幅広導体で形成されている。樹脂等の絶縁材料で形成された保持部材803には、ドライバ回路基板22を保持するための複数の支持部材807aが、保持部材803から上方に突出するように形成されている。
電流センサ180は、前述した図6に示すようにバスバーアッセンブリ800を流路形成体12上に固体したときに、流路形成体12の側面12dに近接した位置で側面12dに平行となるように、バスバーアッセンブリ800に配置されている。図9に示すように、電流センサ180の側面には、交流バスバー802U〜802Wを貫通させるための貫通孔181がそれぞれ形成されている。電流センサ180の貫通孔181が形成されている部分にはセンサ素子が設けられており、電流センサ180の上面から各センサ素子の信号端子182aが突出している。各センサ素子は、電流センサ180の延在方向、すなわち流路形成体12の側面12dの延在方向に並んで配置されている。交流バスバー802U〜802Wは各貫通孔181を貫通し、その先端部分が平行に突出している。
保持部材803には、位置決め用の突起部806a,806bが上方に向かって突出するように形成されている。電流センサ180はネジ止めにより保持部材803に固定されるが、その際に突起部806a,806bと電流センサ180の枠体に形成された位置決め孔とを係合させることで、電流センサ180の位置決めが行われる。さらに、ドライバ回路基板22を支持部材807aに固定する際に、ドライバ回路基板22側に形成された位置決め孔に位置決め用突起部806a,806bを係合させることで、電流センサ180の信号端子182aがドライバ回路基板22のスルーホールに位置決めされる。信号端子182aは、ドライバ回路基板22の配線パターンと半田によって接合される。上述したように、信号端子182aは電流センサ180からドライバ回路基板22に向かって突出している。これにより、ドライバ回路基板22との相対的な位置ずれを小さくでき、スルーホールとの位置決めが容易となる。
本実施形態では、保持部材803、支持部材807a及び突起部806a,806bは、樹脂で一体に形成される。このように、保持部材803が電流センサ180とドライバ回路基板22との位置決め機能を備えることになるので、信号端子182aとドライバ回路基板22との間の組み付け及び半田接続作業が容易になる。また、電流センサ180とドライバ回路基板22を保持する機構を保持部材803に設けることで、電力変換装置全体としての部品点数を削減できる。
交流バスバー802U〜802Wは幅広面が水平となるように保持部材803に固定され、パワーモジュール300U〜300Wの交流端子159に接続される接続部805が垂直に立ち上がっている。接続部805は先端が凹凸形状をしており、溶接時にこの凹凸部分に熱が集中するような形状となっている。
上述したように電流センサ180は流路形成体12の側面12dに平行に配置されているので、電流センサ180の貫通孔181から突出した各交流バスバー802U〜802Wは、流路形成体12の側面12dに配置されることになる。各パワーモジュール300U〜300Wは、流路形成体12の側面12a,12b,12cに沿って配置されるので、交流バスバー802U〜802Wの接続部805は、バスバーアッセンブリ800の側面12a〜12cに対応する位置に配置される。その結果、図6に示すように、U相交流バスバー802Uは側面12bの近傍に配置されたパワーモジュール300Uから側面12dまで延接され、V相交流バスバー802Vは側面12aの近傍に配置されたパワーモジュール300Vから側面12dまで延接され、W相交流バスバー802Wは側面12cの近傍に配置されたパワーモジュール300Wから側面12dまで延設される。
図10は、開口部402a〜402cにパワーモジュール300U〜300Wが固定され、収納空間405にコンデンサモジュール500が収納された流路形成体12を示す図である。図10に示す例では、開口部402bにU相のパワーモジュール300Uが固定され、開口部402aにV相のパワーモジュール300Vが固定され、開口部402cにW相のパワーモジュール300Wが固定される。その後、コンデンサモジュール500が収納空間405に収納され、コンデンサ側の端子と各パワーモジュールの端子とが溶接等により接続される。各端子は、流路形成体12の上端面から突出しており、上方から溶接機をアプローチして溶接作業が行われる。
なお、コの字形状に配置された各パワーモジュール300U〜300Wの正極及び負極端子157,158は、コンデンサモジュール500の上面に突出して設けられたコンデンサ端子503a〜503cと接続される。3つのパワーモジュール300U〜300Wはコンデンサモジュール500を囲むように設けられているため、コンデンサモジュール500に対する各パワーモジュール300U〜300Wの位置的関係が同等となり、同一形状のコンデンサ端子503a〜503cを用いてバランス良くコンデンサモジュール500に接続することができる。そのため、コンデンサモジュール500とパワーモジュール300U〜300Wとの回路定数が3相の各相においてバランスし易くなり、電流の出し入れがし易い構造となっている。
ここで、コンデンサ端子503a〜503cは、各パワーモジュール300の正極端子157及び負極端子158に対応して形成される。コンデンサ端子503a〜503cはほぼ同一の形状を成し、コンデンサ端子503a〜503cを構成する負極側コンデンサ端子504と正極側コンデンサ端子506との間には絶縁シートが設けられ、端子間の絶縁が確保されている。
また、コンデンサモジュール500の3辺を囲むように流路19が設けられているため、コンデンサモジュール500を効果的に冷却することができる。ところで、本実施の形態における電力変換装置200は車載用であって、一般的にエンジンルーム内に配置される場合が多い。エンジンルーム内はエンジンや走行用モータなどからの熱により比較的高温となるため、電力変換装置200に対する周囲からの熱侵入が問題となる。しかし、コンデンサモジュール500は冷却水が流れる流路19によって3辺を囲まれているので、装置周囲からの熱侵入を効果的に遮断することができる。
図10に示すように流路形成体12にパワーモジュール300U〜300Wおよびコンデンサモジュール500を配置したならば、図6に示すようにコンデンサモジュール500の上方にバスバーアッセンブリ800を固定し、端子の溶接作業を行う。本実施の形態では、コの字形状に配置されたパワーモジュール300U〜300Wの端子に接続されるバスバー802U〜802Wを、各接続部から離れるようにコンデンサモジュール500の上方に引き回し、流路形成体12の側面12d側から引き出すようにしている。そのため、バスバーがパワーモジュールを跨ぐようなことが無く、十分な絶縁性を確保しつつバスバー802U〜802Wを一箇所、すなわち、交流インターフェイス185が取り付けられるハウジング10の開口10aの領域に集約することができる。
このようなバスバー構造とすることで、熱が発生して温度の上昇しやすい交流コネクタ部からパワーモジュール300U〜300Wを遠ざけることができ、バスバー802U〜802Wを介してパワーモジュール300U〜300Wに伝熱されるのを抑制することができる。また、流路19の上方を避けるようにバスバー802U〜802Wを配置することにより、流路19からの漏水が発生した場合でも、漏水に起因する漏電の可能性を低くすることができる。
また、バスバーアッセンブリ800を冷却水が流れる流路形成体12に固定する構造としたので、バスバーアッセンブリ800の温度上昇を抑えることができるのみならず、バスバーアッセンブリ800に保持された電流センサ180の温度上昇を抑えることができる。電流センサ180に設けられたセンサ素子は熱に弱い特性を有しており、上記のような構造とすることにより電流センサ180の信頼性を向上させることができる。
図6に示すようにバスバーアッセンブリ800を流路形成体12に固定して端子溶接作業を行った後に、図5に示すように、バスバーアッセンブリ800の保持部材803に形成された支持部材807aに、ドライバ回路基板22を固定する。車両に搭載される電力変換装置200は、車両からの振動の影響を受けやすい。そのため、保持部材803に形成された複数の支持部材807aによって、ドライバ回路基板22の周辺部だけでなく中央部付近も支持する構成とし、ドライバ回路基板22に加わる振動の影響を低減している。
例えば、支持部材807aによってドライバ回路基板22の中央部を支持することで、ドライバ回路基板22の共振周波数を車両側から伝達されてくる振動の周波数より高くすることができ、ドライバ回路基板22への振動の影響を低減できる。なお、ドライバ回路基板22は、支持部材807aにネジ止めされる。
ドライバ回路基板22をバスバーアッセンブリ800の上方に固定した後に、図5に示すようにハウジング10を流路形成体12にボルト固定し、さらに、ハウジング10の上部収納空間と下部収納空間とを区画する隔壁10c上に制御回路基板20を固定する。下部収納空間のドライバ回路基板22と上部収納空間の制御回路基板20とは、フラットケーブルによって接続される。前述したように、隔壁10cには、フラットケーブルを下部収納空間から上部収納空間に引き出すためのスリット状開口10dが形成されている。
パワーモジュール300U〜300Wは、流路形成体12の3つの側面12b,12a,12cに沿ってコの字形状に配置されているため、ドライバ回路基板22に接続される各パワーモジュール300U〜300Wからの制御端子も、図5に示すようにドライバ回路基板22の側面12b,12a,12cに対応する辺に沿ってコの字形状に並んでいる。パワーモジュール300U〜300Wを駆動制御するための制御信号は高電圧であり、一方、電流センサ180のセンサ信号やフラットケーブルによる信号は低電圧である。そして、低電圧系に対する高電圧系のノイズの影響を低減するために、高電圧系の配線と低電圧系の配線とを離して配置するのが好ましい。
本実施の形態では、パワーモジュール300U〜300Wを側面12b,12a,12cに沿ってコの字形状に配置しているため、ドライバ回路基板22上の側面12dに対応する辺付近の領域を、制御端子から離れているスペースとして利用することができる。本実施形態では、電流センサ180の検出対象であるバスバー802U〜802Wを側面12d側に集約しているため、電流センサ180が側面12dの近傍に平行に配置される。
そのため、信号端子182aは上述したドライバ回路基板22の側面12dに対応する辺付近の領域に配置され、高電圧系の制御端子から十分な距離を保つことができる。
なお、ドライバ回路基板22において、フラットケーブルはドライバ回路基板22の側面12cに対応する辺に配置されるが、制御端子からの影響が少なくなるように、制御端子から離れた側面12d近傍の基板上に接続されている。これにより、ドライバ回路基板22上において、低電圧信号用のパターンと高電圧信号用のパターンとを容易に分離させることができる。
また、低電圧系の制御回路基板20を、隔壁10cで分離した上部収納空間に配置すると共に、フラットケーブルを細長いスリット状の開口10dを介して下部収納空間から引き込むことにより、制御回路基板20へのノイズの影響を低減している。このように、本実施の形態の電力変換装置200では、ノイズ対策が十分に図られている。
また、本実施の形態の電力変換装置200は、流路形成体12にコンデンサモジュール500およびパワーモジュール300U〜300Wを配置し、バスバーアッセンブリ800、基板等の必要な部品を固定する作業を下から順に行えるような構成となっているため、生産性と信頼性が向上する。
図11は電力変換装置200の断面を示す図であり、電力変換装置200を配管13,14方向から見た断面図である。流路形成体12に形成された開口部402a〜402cは、パワーモジュール300U〜300Wのモジュールケース304に設けられたフランジ304bによって塞がれる。
なお、フランジ304bと流路形成体12との間にはシール材が設けられ、気密性が確保されている。パワーモジュール300U〜300Wは、放熱用のフィン305が設けられた放熱面領域が流路19内に配置され、フィン305が設けられていない下端部分は、下カバー420に形成された凸部406の内側窪みの内部に収納されている。
これにより、フィン305が形成されていない空間に冷却水が流れ込むのを、防止することができる。
本実施の形態の電力変換装置200では、図11に示すように比較的に重量の重いコンデンサモジュール500を電力変換装置200の下部中央に配置しているため、電力変換装置200の重心バランスが良く、振動が加わった際に電力変換装置200が暴れ難い。
上述してきた実施の形態につき、その主要な構成及び効果につき以下まとめる。
本実施形態の電力変換装置200は、パワーモジュール300U〜300Wと、流路形成体12と、パワーモジュール300U〜300Wの交流出力端子に接続され、かつ、収納空間405の上方を通って流路形成体12の側面12dに引き出されるバスバー802U〜802Wと、ハウジング10と、を備える。
ここで、ハウジング10は下面側に開口を有しており、流路形成体12の上面側にパワーモジュール300U〜300Wの端子や信号線、あるいは、コンデンサモジュールの端子やバスバー802U〜802W、あるいは、ドライバ回路基板等の電力変換装置の組立接合部品を組付けた後に、ハウジング10の下面側の開口を流路形成体12の上面で塞ぐ構造とする。
これにより、部品組立時の周辺への干渉等を防ぐことが可能となり、電力変換装置200の生産性向上を図ることができる。
より具体的に説明すれば、ハウジング10(上蓋)で流路形成体12をカバーする前に、流路形成体12の上側にある組立接合部品(パワーモジュール端子、コンデンサモジュール端子、ドライバ回路やバスバーアッセンブリ800などの部品)を取り付ける際の物理的障害を取り除き十分な作業スペースを確保することが可能となる。溶接構造を採用しようとしても溶接ツールが稼動するスペースも確保可能であることは言うまでもない。
なお、本実施形態においては、流路形成体12にパワーモジュール300U〜300W、コンデンサモジュール500、バスバーアッセンブリ800、ドライバ回路基板22を順に積層固定する工程を想定したが、これに限定するものではない。
さらに、流路形成体12より上部に露出された組立接合部品(例えば、電流センサ180の信号端子182aは流路形成体12の上端面から突出しており、上方から半田コテをアプローチして半田付け作業がしやすい構造となっている)の半田付け作業において、半田付けツールのアクセススペースの確保することができ、また、基板へ制御ピンなどを半田接合した後のフィレット形状の確認も容易に行うこともできる。このため、組立時の作業性向上が期待できる。
また、ここで、パワーモジュール300U〜300Wの交流出力端子に接続され、かつ、収納空間405の上方を通って流路形成体12の側面12dに引き出されるバスバー802U〜802Wを設けるようにしたことにより、流路形成体12の側面から突出して設けられる部材、すなわち、バスバー802U〜802Wに接続される交流コネクタと配管13,14が一つの面12dに集約されるため、電力変換装置200が小型化できる。
また、バスバー802U〜802Wを、流路19を跨ぐことなく、空きスペースである側面12dに引き回すようにしているので、バスバー802U〜802Wの絶縁性向上が図れる。
また、バスバー802U〜802Wのコネクタ部とパワーモジュール300U〜300Wとの距離が遠ざかるので、コネクタ部で発生する熱がパワーモジュール300U〜300Wに伝熱されるのを低減することができる。
本実施形態の電力変換装置200は、流路形成体12に固定されるハウジング10は2つの収納空間を有しており、隔壁10cによって上部収納空間と下部収納空間とに区画されている。上部収納空間にはコネクタ21が固定された制御回路基板20が収納され、下部収納空間にはドライバ回路基板22およびバスバーアッセンブリ800が収納される。
これにより、ドライバ回路基板22と制御回路基板20とは隔壁10cによって区画された別の収納空間に配置されるため、隔壁10cが電磁シールドとして機能し、ドライバ回路基板22から制御回路基板20に混入するノイズを低減することができる。
本実施形態の電力変換装置200は、樹脂等の絶縁材料で形成された保持部材803を備えており、当該保持部材803において、ドライバ回路基板22を保持するための複数の支持部材807aが保持部材803から上方に突出するように形成されている。
このような支持部材807aを設けることで、流路形成体12の上面には隔壁が存在しない状態で組立を行い、その後ハウジング10にて流路形成体12を覆う作業を容易に行うことができる。
本実施形態の電力変換装置200において、交流バスバー802U〜802Wの接続部805とコンデンサモジュール500の接続端子504と506は、それぞれパワーモジュール300の交流端子159と直流端子(正極端子157,負極端子158)に溶接等により接続される。各接続部は先端が凹凸形状をしており、溶接時にこの凹凸部分に熱が集中するような形状となっている。また各端子は、流路形成体12の上端面から突出しており、上方から溶接機をアプローチして溶接作業しやすい構造となっている。
本実施形態の電力変換装置200において、重量物であるコンデンサモジュール500を、流路形成体12のほぼ中央に形成され、流路19により3面を囲まれた収納空間405に収納することにより、外部からコンデンサモジュール500への熱侵入を防止することができる。また、重量物が流路形成体12に配置されるため重心バランスが良くなり、外部から振動が加わった場合の電力変換装置200の暴れを防止できる。さらに、コンデンサモジュール500と3つのパワーモジュール300U〜300Wとの接続関係を同等とすることができ、電流の出し入れがし易くなる。
本実施形態の電力変換装置200において、バスバー802U〜802Wを流れる電流を検出するセンサ素子が側面12dの延在方向に沿って配置されるように、電流センサ180を配置したので、弱電系のセンサ信号線を、強電系のパワーモジュール300U〜300Wから離して配線でき、ノイズの影響を低減することができる。
上記実施形態においては、ケース分割面12eより上側に組立接合部品(パワーモジュール300U〜300Wの端子や信号線、あるいは、キャパシタの端子やバスバー)が構成されることを前提に説明してきたが、厳密な意味でケース分割面12eより上側になくてもよく、例えば、図12に示すように、ケース分割面12eより若干下側から上述の組立接合部品が層状に組み立てられる構成も考えられる。この場合でも、半田付け作業や溶接作業のツール形状などによっては、組立作業が楽になる。ただし、基本的にはケース分割面12eより上側にあることが望ましいのは言うまでもない。
上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
8 蓋
10 ハウジング
12 流路形成体
13 入口配管
14 出口配管
19 流路
20 制御回路基板
21 コネクタ
22 ドライバ回路基板
136 バッテリ
137 直流インターフェイス
138 直流コネクタ
140 インバータ回路
150 直列回路
153,163 コレクタ電極
154,164 ゲート電極
155,165 エミッタ電極
156,166 ダイオード
157 正極端子
158 負極端子
159 交流端子
169 中間電極
172 制御回路
174 ドライバ回路
180 電流センサ
181 貫通孔
182a 信号端子
185 交流インターフェイス
188 交流端子
200 電力変換装置
300 パワーモジュール
304 モジュールケース
304b フランジ
305 放熱フィン
328,330 IGBT
402 開口部
405 収納空間
406 凸部
420 下カバー
500 コンデンサモジュール
503 コンデンサ端子
504 負極側コンデンサ端子
506 正極側コンデンサ端子
508 負極側電源端子
509 正極側電源端子
800 バスバーアッセンブリ
802 交流バスバー
803 保持部材
805 接続部
806 突起部
807a 支持部材
MG1 モータジェネレータ
EGN エンジン
TSM 動力分配機構
TM トランスミッション
DEF デファレンシャルギア

Claims (9)

  1. 直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、
    前記交流電力を伝達するための交流バスバーと、
    前記スイッチング素子を有するパワーモジュールと、
    前記スイッチング素子を制御する制御信号を出力する制御手段と、
    前記制御手段により出力された前記制御信号を用いて前記スイッチング素子の駆動信号を前記スイッチング素子へ出力するドライバ手段と、
    前記直流電力を平滑化するコンデンサモジュールと、
    前記パワーモジュール、前記コンデンサモジュール及び前記パワーモジュールを冷媒にて冷却するための流路をその内部に有する第1のケース部と、
    前記第1のケース部と接合する第2のケース部とを備えた電力変換装置であって、
    前記第1のケース部と前記第2のケース部とが接合される面より上側において、前記パワーモジュールの制御端子が前記ドライバ手段と接合され、前記第2のケース部は、前記ドライバ手段と前記制御手段とを分けるための隔壁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、
    前記第1のケース部と前記第2のケース部とが接合される面より上側において、前記交流バスバーと前記ドライバ手段と接合されることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項1又は2記載の電力変換装置において、
    前記第2のケース部は、前記第1のケース部と接合する面とは異なる面に開口部を設け、
    前記パワーモジュールの交流端子は上側に向かって突出し、
    前記交流バスバーの端部が前記上側に向かって突出された交流端子と接合し、
    前記端部とは異なる、前記交流バスバーの他の端部が前記開口部から延設するよう配置されたことを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項1乃至3いずれかに記載の電力変換装置において、
    前記交流バスバーは、複数の上側に突出した保持部材を備えることを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項1乃至4いずれかに記載の電力変換装置において、
    前記交流バスバーと端子との接続部及び前記コンデンサモジュールと端子との接続部の先端が、凹凸形状をしていることを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項1乃至5いずれかに記載の電力変換装置において、
    前記コンデンサモジュールは、前記第2のケース部の有する流路に囲まれ、かつ、中央付近に配置されたことを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項1乃至6いずれかに記載の電力変換装置において、
    前記交流バスバーを流れる交流電流を検出するための電流センサモジュールを有し、
    前記第1のケース部は、前記流路の入口配管と出口配管とを備え、
    前記電流センサモジュールのセンサ素子は、前記第1のケース部の前記入口配管と出口配管を有する面の延在方向に沿って配置され、
    前記センサ素子の信号線は上側に向かって突出していることを特徴とする電力変換装置。
  8. 直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、
    前記交流電力を伝達するための交流バスバーと、
    前記スイッチング素子を有するパワーモジュールと、
    前記直流電力を平滑化するコンデンサモジュールと、
    前記パワーモジュール、前記コンデンサモジュール及び前記パワーモジュールを冷媒にて冷却するための流路を有する第1のケース部と、
    前記第1のケース部と接合する第2のケース部とを備えた電力変換装置であって、
    前記第1のケース部と前記第2のケース部との接合面より上側において、前記交流バスバー、前記パワーモジュールの制御端子及び前記コンデンサの端子と、前記スイッチング素子に駆動パルスを供給するドライバ回路基板とが設けられ、
    前記ドライバ回路基板は、前記交流バスバー、前記パワーモジュールの制御端子及び前記コンデンサの端子と接合された形で前記第2のケースに収納されていることを特徴とする電力変換装置。
  9. 直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、
    前記交流電力を伝達するためのバスバーと、
    前記スイッチング素子を有するパワーモジュールと、
    前記スイッチング素子へ駆動パルスを供給するドライバ回路と、
    前記直流電力を平滑化するコンデンサモジュールと、
    前記パワーモジュールの前記スイッチング素子を制御する制御信号をドライバ回路へ供給する制御回路と、
    前記パワーモジュール、前記コンデンサモジュール及び前記パワーモジュールを冷媒にて冷却するための流路を有する下側ケースと、
    前記下側ケースと分割面にて接合する上側ケースとを備え、
    前記分割面より上側の領域において、前記パワーモジュールの制御端子が前記ドライバ回路と接合され、前記上側ケース部は、前記ドライバ回路と前記制御回路との間に隔壁を備えることを特徴とする電力変換装置。
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