JP2013059155A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数が少なく、コンデンサモジュールの放熱性に優れ、高出力化が容易な電力変換装置を提供する。
【解決手段】半導体モジュール１０、コンデンサモジュール２及び冷却器３と、これらを支持するフレーム４とを備えた電力変換装置１。冷却器３は冷媒流路３０と冷媒導入パイプ３１と冷媒排出パイプ３２とを備える。冷媒流路３０と半導体モジュール１０とが互いに積層されて積層体１１を構成し、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２は積層体１１における積層方向Ｘの一端から、積層方向Ｘに伸びるように配設されている。コンデンサモジュール２はコンデンサ素子２０を内蔵した素子内蔵部２１と、パイプ固定部２２とを備えており、素子内蔵部２１を冷媒導入パイプ３１と冷媒排出パイプ３２との間に配置すると共に、パイプ固定部２２により冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２をフレーム４に固定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュール及びコンデンサモジュールと、該半導体モジュールを両主面から冷却する冷却器とを備えた電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等には、インバータ等の電力変換装置が搭載されている。該電力変換装置は、その電力変換回路を構成する半導体モジュールとこれを冷却する冷却器とを備えており、高出力かつ小型のものが望まれている。

上記冷却器は、複数の半導体モジュールと交互に積層可能に構成された冷却管を有している。そして、その積層方向の一端から積層方向に伸びるように配設された、冷媒導入パイプと冷媒排出パイプとを有している。また、上記複数の半導体モジュールと冷却管とが積層された積層体は、フレームに固定されている。そして上記冷却器の冷媒導入パイプと冷媒排出パイプとは、それぞれクランプによってフレームに固定されている。

しかし、上記のごとく冷媒導入パイプ及び冷媒排出パイプを固定するためだけにクランプを設けることは、部品点数の増加につながる。また、上記２本のパイプ間がデッドスペースとなるため、電力変換装置が大型化するおそれがある。

また、上記電力変換装置は、例えば入力電圧を平滑化する平滑コンデンサ等のコンデンサを備えている。上記電力変換装置を高出力化しようとすると、コンデンサの温度上昇が問題となるおそれがある。

上記の問題を解決するため、例えば特許文献１に開示される電力変換装置が提案されている。この電力変換装置は、冷媒導入パイプ及び冷媒排出パイプの固定と発熱部品の冷却とを、兼用ブラケットを用いて実現しようとするものである。つまり、発熱部品を兼用ブラケットに取り付け、該兼用ブラケットによって冷媒導入パイプ及び冷媒排出パイプをフレームに固定しつつ、上記２本のパイプの間に兼用ブラケットを配置しようとするものである。

特開２０１０−１２４５２３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電力変換装置は、発熱部品を兼用ブラケットに取り付けるものであり、発熱部品の外表面と兼用ブラケットとが接触した状態にある。それゆえ、該兼用ブラケットを通じたコンデンサ素子の放熱は、その外表面からのみ行われることになる。その結果、コンデンサの冷却が不十分となるため、コンデンサが温度上昇しやすくなり、電力変換装置の高出力化を妨げるおそれがある。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたもので、部品点数が少なく、コンデンサモジュールの放熱性に優れ、高出力化が容易な電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール及びコンデンサモジュールと、該半導体モジュールを両主面から冷却する冷却器と、これらを支持するフレームとを備えた電力変換装置であって、
上記冷却器は、上記半導体モジュールの両主面に配される複数の冷媒流路と、冷却媒体を導入する冷媒導入パイプと、冷却媒体を排出する冷媒排出パイプとを備え、
上記複数の冷媒流路と上記半導体モジュールとが互いに積層されて積層体を構成しており、
上記冷媒導入パイプ及び上記冷媒排出パイプは、上記積層体における積層方向の一端から、積層方向に伸びるように配設されており、
上記コンデンサモジュールは、コンデンサ素子を内蔵した素子内蔵部と、上記冷媒導入パイプ及び上記冷媒排出パイプを上記フレームに固定するための一対のパイプ固定部とを備え、
上記一対のパイプ固定部は、上記素子内蔵部を貫通する金属部材の一部であって、該金属部材における素子内蔵部に埋設された貫通部の両側に形成されており、
かつ、上記コンデンサモジュールは、上記素子内蔵部を上記冷媒導入パイプと上記冷媒排出パイプとの間に配置すると共に、上記一対のパイプ固定部によって上記冷媒導入パイプ及び上記冷媒排出パイプを上記フレームに固定していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置においては、上記コンデンサモジュールは、コンデンサ素子を内蔵した素子内蔵部と、上記冷媒導入パイプ及び上記冷媒排出パイプを上記フレームに固定するための一対のパイプ固定部とを備えている。その結果、上記冷媒導入パイプ及び上記冷媒排出パイプを固定する部品を別途設ける必要がなくなる。

また、上記コンデンサモジュールの素子内蔵部が、上記冷媒導入パイプと上記冷媒排出パイプとの間に配置されている。その結果、上記冷媒導入パイプと上記冷媒排出パイプとの間のデッドスペースを低減し、電力変換装置を小型化することができる。

また、上記一対のパイプ固定部によって上記冷媒導入パイプ及び上記冷媒排出パイプを上記フレームに固定している。そして、上記一対のパイプ固定部は、上記素子内蔵部を貫通する金属部材の一部であって、該金属部材における素子内蔵部に埋設された貫通部の両側に形成されている。それ故、上記コンデンサ素子の発熱を、上記コンデンサモジュールにおける素子内蔵部の内部から、上記金属部材及び上記一対のパイプ固定部を介し、上記冷媒導入パイプ及び上記冷媒排出パイプに効率よく放熱することができる。その結果、上記コンデンサモジュールの温度上昇を抑制しやすくなり、上記電力変換装置の高出力化が可能となる。

以上のごとく、上記態様によれば、部品点数が少なく、コンデンサモジュールの放熱性に優れ、高出力化が容易な電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の平面図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例１における、コンデンサモジュールの側面図。 実施例１における、コンデンサモジュールの平面図。 図４のＢ−Ｂ線矢視断面図。 実施例２における、２個のコンデンサ素子を収容したコンデンサモジュールの平面図。 図６のＣ−Ｃ線矢視断面図。

上記電力変換装置において、上記コンデンサ素子は、金属化フィルムを巻回してなる巻回型のフィルムコンデンサ素子であって、上記金属部材の上記貫通部は、上記コンデンサ素子の巻回軸を貫通していてもよい（請求項２）。
この場合には、上記コンデンサ素子の中央部から放熱を促すことができるため、上記コンデンサ素子の冷却をより効率的に行うことができる。その結果、上記コンデンサモジュールの温度上昇を抑制しやすくなり、上記電力変換装置の一層の高出力化が可能となる。

また、上記コンデンサモジュールは、上記コンデンサ素子を複数個内蔵してなり、上記金属部材の上記貫通部は、隣り合う少なくとも一対の上記コンデンサ素子の間において上記素子内蔵部を貫通していてもよい（請求項３）。
この場合には、上記貫通部を挟む上記一対のコンデンサ素子からの放熱を、上記貫通部を介して行うことができる。その結果、上記コンデンサモジュールの温度上昇を抑制しやすくなり、上記電力変換装置の一層の高出力化が可能となる。また、上記複数のコンデンサ素子を上記素子内蔵部に収容することで上記コンデンサモジュールを構成可能となるため、上記コンデンサモジュールを容易に製造することができる。

また、上記金属部材の上記貫通部は、上記コンデンサ素子に接触していてもよい（請求項４）。
この場合には、上記貫通部と接触している上記コンデンサ素子からの放熱を促すことができるため、上記コンデンサモジュールをより効率的に冷却することができる。その結果、上記と同様にコンデンサの温度上昇を抑制しやすくなり、電力変換装置の一層の高出力化が可能となる。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例について、図１〜図５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、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール１０及びコンデンサモジュール２と、該半導体モジュール１０を両主面から冷却する冷却器３と、これらを支持するフレーム４とを備えている。

冷却器３は、図１に示すごとく、半導体モジュール１０の両主面に配される複数の冷媒流路３０と、冷却媒体を導入する冷媒導入パイプ３１と、冷却媒体を排出する冷媒排出パイプ３２とを備えている。また、複数の冷媒流路３０と半導体モジュール１０とが互いに積層されて積層体１１を構成しており、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２は、積層体１１における積層方向（以下、この方向を適宜「積層方向Ｘ」という。）の一端から、積層方向Ｘに伸びるように配設されている。

また、コンデンサモジュール２は、図３に示すごとく、コンデンサ素子２０を内蔵した素子内蔵部２１と、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２をフレーム４に固定するための一対のパイプ固定部２２とを備えている。この一対のパイプ固定部２２は、素子内蔵部２１を貫通する金属部材２３の一部であって、図４に示すごとく金属部材２３における素子内蔵部２１に埋設された貫通部２４の両側に形成されている。更に、コンデンサモジュール２は、図１に示すごとく素子内蔵部２１を冷媒導入パイプ３１と冷媒排出パイプ３２との間に配置すると共に、図２に示すごとく、一対のパイプ固定部２２によって冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２を上記フレーム４に固定している。

電力変換装置１の半導体モジュール１０、コンデンサモジュール２及び冷却器３を支持するフレーム４は、例えばアルミニウムや鉄等の金属又は合金の成形体より構成することができる。そして、コンデンサモジュール２等を搭載する側から見た平面視の形状が略長方形状となっている。

また、フレーム４のコンデンサモジュール２等を搭載する側の主面には、図１及び図２に示すごとく、積層体配置用凹部４０、コンデンサ配置用凹部４１及びパイプ支承溝４２が形成されている。積層体配置用凹部４０は、積層体１１が搭載される領域に形成された略長方形状の凹部であり、図１に示すごとくその内側に積層体１１が配置されている。

またパイプ支承溝４２は、積層体配置用凹部４０から積層方向Ｘに伸びるように設けられた一対の溝部である。そして、この一対のパイプ支承溝４２の間に略長方形状のコンデンサ配置用凹部４１が形成されている。また、積層体配置用凹部４０の底面４００の一部には、フレーム４のコンデンサモジュール２等を搭載しない側の主面から半導体モジュール１０へ向かって開口した開口部が形成されている。

フレーム４に搭載される半導体モジュール１０は、例えばＩＧＢＴ素子等のスイッチング素子を内蔵している。半導体モジュール１０は、スイッチング素子を樹脂モールドしてなる本体部１００と、該本体部１００から互いに反対方向に突出した主電極端子及び制御端子とから構成される。なお、主電極端子及び制御端子は、便宜上図１への記載を省略しているが、主電極端子及び制御端子のいずれか一方を、積層体配置用凹部４０の底面４００に形成された開口部に向けて突出させ、他方をその反対側へ突出させている。

また、冷却器３の冷媒流路３０は、積層体１１の積層方向Ｘ及び主電極端子の突出方向に直交する方向（この方向を、以下、適宜「横方向Ｙ」という。）に長尺な冷却管３３によって構成されている。すなわち、積層体１１は、冷却管３３と半導体モジュール１０とを交互に積層してなる。そして、半導体モジュール１０は、本体部１００の両主面を隣り合う冷却管３３によって狭持されている。

本例において、隣り合う冷却管３３の間には、２個の半導体モジュール１０が狭持されている。また、冷却器３は４本の冷却管３３を積層方向Ｘに並列しており、その間に形成された３段の隙間に、それぞれ２個ずつ半導体モジュール１０が配置されている。

また、複数の冷却管３３は、横方向Ｙの両端部において、変形可能な複数の連結管３４によって隣り合う冷却管３３同士が連結されている。冷却器３は、積層方向Ｘの一端に配された冷却管３３における横方向Ｙの両端部に設けた冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２を有する。

これにより、冷媒導入パイプ３１から導入された冷却媒体は、連結管３４を適宜通り、各冷却管３３に分配されると共にその長手方向（横方向Ｙ）に流通する。そして、各冷却管３３を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール１０との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷却媒体は、下流側の連結管３４を適宜通り、冷媒排出パイプ３２に導かれ、冷却器３より排出される。

冷却媒体としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。

図１に示すごとく、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２は、その先端部をフレーム４の外方まで突出させている。また冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２は、フレーム４における積層体１１の搭載部分よりも冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２の突出側の位置に設けられた一対のパイプ支承溝４２にそれぞれ支承されている。そして、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２は、図２に示すごとく、コンデンサモジュール２に備わった一対のパイプ固定部２２によってパイプ支承溝４２と反対側から押さえつけられることにより、コンデンサモジュール２と共にフレーム４に固定されている。

また、コンデンサモジュール２は、図３に示すごとく、上記一対のパイプ固定部２２の間に、コンデンサ素子２０を内蔵した素子内蔵部２１を備えている。素子内蔵部２１は、フレーム４の一対のパイプ支承溝４２の間に形成されたコンデンサ配置用凹部４１に配置されている。すなわち、素子内蔵部２１は冷媒導入パイプ３１と冷媒排出パイプ３２との間に配置されている。

また、コンデンサモジュール２の素子内蔵部２１は、図３〜図５に示すごとく、ポリフェニレンサルファイド等の樹脂より形成され、一つの面が開放された直方体形状の筐体部２６と、筐体部２６の内部に配置されたコンデンサ素子２０と、筐体部２６内に充填されコンデンサ素子２０を封止するポッティング材２７とより構成されている。そして、筐体部２６における開放面と垂直な一対の側壁の中央部を通るようにして板棒状の金属部材２３が素子内蔵部２１を貫通している。なお、図４に関しては便宜上ポッティング材２７の記載を省略してある。

この金属部材２３の長手方向の両側に形成されるパイプ固定部２２は、図３及び図４に示すごとく、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２を押さえるパイプ押さえ部２２０と、該パイプ押さえ部２２０より端部側に形成されるボルト締結穴２２１とを有する。パイプ押さえ部２２０は、図２に示すごとく、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２の円筒状外形に沿った形状を有しており、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２をフレーム４のパイプ支承溝４２との間に保持可能に構成されている。また、ボルト締結穴２２１は、図２に示すごとくボルト２５を挿通し、コンデンサモジュール２をフレーム４に螺合可能に構成されている。

また、図示を省略したが、サーミスタ等の温度検出素子を、ボルト２５によってパイプ固定部２２と共締めすることもできる。これにより、コンデンサモジュール２の温度を容易にモニタリングすることができ、コンデンサモジュール２の過熱を防ぎつつ、その能力を充分に発揮させることが可能となる。

本例では、素子内蔵部２１に収容されるコンデンサ素子２０として、金属化フィルムよりなるフィルムコンデンサを採用している。フィルムコンデンサは、図４及び図５に示すごとく、金属部材２３の貫通部２４に巻き回された略四角柱形状を有している。つまり、コンデンサ素子２０の巻回軸を金属部材２３の貫通部２４が貫通している。また、コンデンサ素子２０の周囲はエポキシ樹脂よりなるポッティング材２７で封止されている。

また、上記の半導体モジュール１０とコンデンサモジュール２とは互いに電気的に接続されており、インバータ回路を構成している。電気的に接続するための配線部材等は、便宜上図１〜図５において記載を省略している。本例の電力変換装置１は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される。

次に、本例の作用効果について説明する。
上記コンデンサモジュール２は、コンデンサ素子２０を内蔵した素子内蔵部２１と、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２をフレーム４に固定するための一対のパイプ固定部２２とを備えている。そのため、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２を固定する部品を別途設ける必要がなくなり、部品点数を削減することが可能となる。

また、素子内蔵部２１が、冷媒導入パイプ３１と冷媒排出パイプ３２との間に配置されている。そのため、冷媒導入パイプ３１と冷媒排出パイプ３２との間のデッドスペースを低減し、電力変換装置１を小型化することができる。

また、一対のパイプ固定部２２によって冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２をフレーム４に固定している。そして、一対のパイプ固定部２２は、素子内蔵部２１を貫通する金属部材２３の一部であって、該金属部材２３における素子内蔵部２１に埋設された貫通部２４の両側に形成されている。それ故、コンデンサ素子２０の発熱を、金属部材２３及び一対のパイプ固定部２２を介し、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２に放熱することができる。

更に本例では、コンデンサ素子２０に金属化フィルムを巻回してなる巻回型のフィルムコンデンサを採用すると共に、金属部材２３の貫通部２４が、コンデンサ素子２０の巻回軸を貫通している。そのため、コンデンサ素子２０の中央部から放熱を促すことが可能となり、コンデンサ素子２０の冷却をより効率的に行うことができる。その結果、コンデンサモジュール２の温度上昇を抑制しやすくなり、電力変換装置１の一層の高出力化が可能となる。

また、本例では、素子内蔵部２１に内蔵されたコンデンサ素子２０の周囲をポッティング材２７で封止している。そのため、コンデンサ素子２０の外周面からの発熱を、ポッティング材２７を介して金属部材２３へ伝え、冷媒導入パイプ３１及び冷媒排出パイプ３２へ放熱することが可能となる。その結果、コンデンサモジュール２の放熱性がより向上する。

以上のごとく、本例によれば、部品点数が少なく、コンデンサモジュールの放熱性に優れ、高出力化が容易な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６及び図７に示すごとく、コンデンサモジュール２に複数のコンデンサ素子２０を内蔵した電力変換装置１の例である。本例において、コンデンサモジュール２は、略楕円柱形状を有する２つのコンデンサ素子２０（２０ａ、２０ｂ）を素子内蔵部２１に内蔵して構成されている。

素子内蔵部２１に内蔵された２つのコンデンサ素子２０は、図６及び図７に示すごとく、その楕円柱の軸方向を金属部材２３と平行に向けるとともに、楕円の短軸方向に互いに隣り合うようにして配置されている。また、２つのコンデンサ素子２０は、積層体１１の積層方向Ｘに並んで配置されている。

そして、２つのコンデンサ素子２０ａと２０ｂとの間には、図６に示すごとく金属部材２３の貫通部２４が、各々のコンデンサ素子２０の外周面と接するようにして挿通されている。金属部材２３の貫通部２４は、その主面を積層体１１の積層方向Ｘに向けて配されており、その主面がコンデンサ素子２０に接している。一方、金属部材２３のパイプ固定部２２は、その主面をフレーム４に向けて形成されている。従って、パイプ固定部２２と貫通部２４とは、その主面同士が互いに直交している。例えば、金属部材２３は、パイプ固定部２２と貫通部２４との間において、軸方向を中心にねじられた形状を有する。その他は、実施例１と同様である。

次に、本例の作用効果を説明する。上記コンデンサモジュール２は、コンデンサ素子２０を複数個内蔵してなり、金属部材２３の貫通部２４が、隣り合う少なくとも一対のコンデンサ素子２０の間において素子内蔵部２１を貫通している。更に、金属部材２３の貫通部２４は、コンデンサ素子２０に接触している。そのため、貫通部２４を挟む一対のコンデンサ素子２０からの放熱を貫通部２４を介して効率よく行うことができる。その結果、コンデンサモジュール２の温度上昇を抑制することができ、電力変換装置１の一層の高出力化が可能となる。また、複数のコンデンサ素子２０を筐体部２６に収容することでコンデンサモジュール２を形成可能となるため、コンデンサモジュール２を容易に製造することができる。その他、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

なお、上記実施例１及び実施例２においては、コンデンサ素子２０としてフィルムコンデンサを用いた例を示したが、他のコンデンサ素子を用いることも可能である。

１ 電力変換装置
１０ 半導体モジュール
１１ 積層体
２ コンデンサモジュール
２０ コンデンサ素子
２１ 素子内蔵部
２２ パイプ固定部
２３ 金属部材
３ 冷却器
３０ 冷媒流路
３１ 冷媒導入パイプ
３２ 冷媒排出パイプ
４ フレーム

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及びコンデンサモジュールと、該半導体モジュールを両主面から冷却する冷却器と、これらを支持するフレームとを備えた電力変換装置であって、
   上記冷却器は、上記半導体モジュールの両主面に配される複数の冷媒流路と、冷却媒体を導入する冷媒導入パイプと、冷却媒体を排出する冷媒排出パイプとを備え、
   上記複数の冷媒流路と上記半導体モジュールとが互いに積層されて積層体を構成しており、
   上記冷媒導入パイプ及び上記冷媒排出パイプは、上記積層体における積層方向の一端から、積層方向に伸びるように配設されており、
   上記コンデンサモジュールは、コンデンサ素子を内蔵した素子内蔵部と、上記冷媒導入パイプ及び上記冷媒排出パイプを上記フレームに固定するための一対のパイプ固定部とを備え、
   上記一対のパイプ固定部は、上記素子内蔵部を貫通する金属部材の一部であって、該金属部材における素子内蔵部に埋設された貫通部の両側に形成されており、
   かつ、上記コンデンサモジュールは、上記素子内蔵部を上記冷媒導入パイプと上記冷媒排出パイプとの間に配置すると共に、上記一対のパイプ固定部によって上記冷媒導入パイプ及び上記冷媒排出パイプを上記フレームに固定してい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、上記コンデンサ素子は、金属化フィルムを巻回してなる巻回型のフィルムコンデンサ素子であって、上記金属部材の上記貫通部は、上記コンデンサ素子の巻回軸を貫通していることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、上記コンデンサモジュールは、上記コンデンサ素子を複数個内蔵してなり、上記金属部材の上記貫通部は、隣り合う少なくとも一対の上記コンデンサ素子の間において上記素子内蔵部を貫通していることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、上記金属部材の上記貫通部は、上記コンデンサ素子に接触していることを特徴とする電力変換装置。

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