JP2013089923A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層方向に直交する方向の小型化を図りつつ、電子部品の組み付け及び取り外しを容易に行うことのできる電力変換装置を提供する。
【解決手段】半導体モジュール２０と冷媒流路２１０とを積層してなる積層体２と、該積層体２における積層方向Ｘの一端に設けられた部品配置部７２に配置される電子部品５と、積層体２及び電子部品５を収容するケース７とを備えた電力変換装置１である。積層体２からは、半導体モジュール２０に接続されたバスバー２２が積層方向Ｘの一端へ引き出されている。バスバー２２の引き出し部２２０は、電子部品５に対して、積層方向Ｘに直交する方向に面して配されている。ケース７は、積層体２と反対側から部品配置部７２に電子部品５を挿入配置できるよう開放された部品挿入用開放部７００と、電子部品５をケース７内の部品配置部７２に固定する固定部４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールと電子部品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、小型のものが望まれている。

このような電力変換装置の例として、例えば特許文献１や特許文献２に開示された電力変換装置が提案されている。特許文献１及び２に開示された電力変換装置は、半導体モジュールと冷媒流路とが交互に積層されてなる積層体に対し、積層方向の一端にコンデンサやリアクトル等の電子部品が配置されている。これにより、積層方向に直交する方向における電力変換装置の寸法を低減することができる。

また、これらの電力変換装置においては、積層体における積層方向と直交する方向に、半導体モジュールとコンデンサやリアクトル等の電子部品とを接続するバスバーが配設されている。そして、半導体モジュールの主電極端子は、上記バスバーとアーク溶接や抵抗溶接等により溶接されている。

特開２０１０−１２４５２３号公報 特開２００８−２２００４２号公報

しかしながら、このような電力変換装置においては、コンデンサやリアクトル等の電子部品に対して、バスバーを上記積層体の積層方向と直交する方向に配置せざるを得ない場合がある。この場合、上記電子部品を組み付けた後に上記バスバーを組み付けなければならず、組み付け手順の自由度が低下するという問題がある。特に、電子部品とバスバーとを締結した後に半導体モジュールとバスバーとを溶接すると、溶接部に印加される電圧、または溶接部に流れる電流により電子部品に過電圧がかかり、あるいは過電流が流れるおそれがある。例えば電子部品がコンデンサの場合、上記の過電流や過電圧によって、半導体モジュールに内蔵される素子等が破壊されるおそれもある。

また、組み付け時の誤配置や溶接ミス等の理由により、一度組み付けた電子部品を電力変換装置から取り外そうとすると、電子部品を取り外す前にバスバーを取り外す必要がある。そのため、取り外し作業の作業性が低下するという問題がある。また、電力変換装置のメンテナンス時等において、電子部品の交換が困難である。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたもので、積層方向に直交する方向の小型化を図りつつ、電子部品の組み付け及び取り外しを容易に行うことのできる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、半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷媒流路とを積層してなる積層体と、該積層体における積層方向の一端に設けられた部品配置部に配置される電子部品と、上記積層体及び上記電子部品を収容するケースとを備えた電力変換装置であって、
上記積層体からは、上記半導体モジュールに接続されたバスバーが上記積層方向の一端へ引き出されているとともに、該バスバーの引き出し部は、上記電子部品に対して、上記積層方向に直交する方向に面して配されており、
上記ケースは、上記積層体と反対側から上記部品配置部に上記電子部品を挿入配置できるよう開放された部品挿入用開放部と、上記電子部品を上記ケース内の上記部品配置部に固定する固定部とを備えていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置は、上記積層体における積層方向の一端に設けられた部品配置部に上記電子部品が配置されている。これにより、積層方向に直交する方向において上記電力変換装置を小型化することが容易となる。

また、上記ケースは、上記積層体と反対側から上記部品配置部に上記電子部品を挿入配置できるよう開放された部品挿入用開放部と、上記電子部品を上記ケース内の上記部品配置部に固定する固定部とを備えている。これにより、上記バスバーを上記半導体モジュールに溶接した後に、上記電子部品を上記部品挿入用開放部より挿入し、組み付けを行うことが可能となる。それ故、組み付け手順の自由度が大きくなるとともに、電子部品に過電流や過電圧がかかることを防止することができる。また、取り外しの際にも、上記バスバーを取り外すことなく上記部品挿入用開放部より上記電子部品を取り外すことができる。

以上のごとく、上記態様によれば、積層方向に直交する方向の小型化を図りつつ、電子部品の組み付け及び取り外しを容易に行うことのできる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、コンデンサを挿入した電力変換装置をバスバー側から見た平面図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例１における、電子部品の斜視図。 実施例２における、電力変換装置の電子部品が収容される部分の平面図。 実施例２における、積層方向に互いに異なる位置に耳部を形成した電子部品の斜視図。

上記電力変換装置において、上記電子部品は、上記電力変換装置における電力変換回路に含まれるコンデンサやリアクトル等であってもよい。特に、上記電子部品がコンデンサである場合には、該コンデンサの組み付け前に上記半導体モジュール間の配線を行うことができることによって、以下の効果を奏することができる。つまり、上記半導体モジュール間の接続に抵抗溶接やアーク溶接を用いる場合において、溶接の際に流れる電流が、上記コンデンサに充電されることを防止することができる。これにより、該コンデンサから上記半導体モジュールにサージ電流が流れ込むことを防止することができる。その結果、上記サージ電流により上記半導体モジュールが故障することを防止できる。

また、上記積層体の上記積層方向の一端には、上記冷媒流路へ冷却媒体を導入する冷媒導入管と、上記冷媒流路から冷却媒体を排出する冷媒排出管とが上記積層方向へ突出形成されており、上記電子部品は上記冷媒導入管と上記冷媒排出管との間に配置されていてもよい（請求項２）。
この場合には、上記冷媒導入管と上記冷媒排出管との間のデッドスペースを低減することができる。つまり、このデッドスペースに上記部品配置部を設けることができる。その結果、上記電力変換装置をより省スペース化することが可能となる。

また、上記ケースは、上記部品挿入用開放部から上記積層方向に延設されたガイド部を備え、該ガイド部は、上記電子部品を上記積層体へ向けて案内可能に構成されていてもよい（請求項３）。
この場合には、上記ガイド部により上記電子部品が案内されることで、該電子部品を上記部品配置部へ容易に配置することができる。その結果、上記電子部品の組み付け作業における作業性をより向上させることができる。

また、上記ケースは、上記部品配置部に対する上記電子部品の位置を定める位置決め手段を備えていてもよい（請求項４）。
この場合には、上記位置決め手段により上記電子部品を所定の位置へ容易かつ正確に配置することが可能となる。その結果、上記電子部品の組み付け作業における作業性をより向上させることができる。

なお、上記部品配置部は、上記ケースと一体に形成されていてもよい。この場合には、上記固定部、上記ガイド部及び上記位置決め手段を各々上記部品配置部に形成することができる。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例について、図１〜図３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、半導体モジュール２０と該半導体モジュール２０を冷却する冷媒流路２１０とを積層してなる積層体２と、該積層体２における積層方向（以下、この向きを「積層方向Ｘ」という。）の一端に設けられた部品配置部７２に配置される電子部品５と、積層体２及び電子部品５を収容するケース７とを備えている。また、積層体２からは、半導体モジュール２０に接続されたバスバー２２が積層方向Ｘの一端へ引き出されているとともに、バスバー２２の引き出し部２２０は、電子部品５に対して、図２に示すごとく、積層方向Ｘに直交する方向に面して配されている。そして、ケース７は、積層体２と反対側から部品配置部７２に電子部品５を挿入配置できるよう開放された部品挿入用開放部７００と、電子部品５をケース７内の部品配置部７２に固定する固定部４とを備えている。なお、本例において、電子部品５はコンデンサである。

積層体２と電子部品５とは、図１に示すごとく、積層方向Ｘを法線とする一対の側壁７０と、積層方向Ｘに垂直な方向（以下、この向きを横方向Ｙという。）を法線とする一対の側壁７１とから構成されるケース７内において、積層方向Ｘに互いに並んで配置されている。また、電子部品５は、ケース７内における、積層方向Ｘの一端に配された側壁７０と積層体２との間に形成された部品配置部７２に収容されている。そして、バスバー２２は、図２に示すごとく、積層体２及び電子部品５に対して積層方向Ｘと横方向Ｙとの双方に直交する方向に配置されている。以下において、積層方向Ｘと横方向Ｙとの双方に直交する方向を高さ方向Ｚといい、高さ方向Ｚにおいて、電子部品５に対してバスバー２２が配される側を上方という。ただし、これは便宜的な表現であり、必ずしもこの上方が、実際の鉛直上向きとなる必要はない。

積層体２は、図１に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュール２０と複数の冷媒流路２１０とを交互に積層することにより形成されている。また、この複数の冷媒流路２１０は、冷媒導入管２１１、冷媒排出管２１２及び連結管２１３とともに、半導体モジュール２０を冷却する冷却器２１を構成している。

冷媒流路２１０は、積層方向Ｘと直交する方向（横方向Ｙ）に長尺な冷却管２１４によって構成されている。冷却器２１は、図１に示すごとく、この冷却管２１４を積層方向Ｘに複数並べてなるとともに、その長手方向（横方向Ｙ）の両端部付近において、積層方向Ｘに隣り合う冷却管２１４同士を連結管２１３によって連結してなる。そして、冷却器２１は、隣り合う冷却管２１４の間に半導体モジュール２０を両主面から狭持することができるよう構成されている。これにより、半導体モジュール２０は、積層方向Ｘに配列されている。

なお本例では、隣り合う冷却管２１４の間には、互いに直列に接続される一対の半導体モジュール２０が狭持されている。また、冷却器２１は１３本の冷却管２１４を積層方向Ｘに並列しており、隣り合う冷却管２１４の間に形成される１２段のスペースに、それぞれ一対の半導体モジュール２０が互いに横方向Ｙに並んで配置されている。

また、積層方向Ｘにおいて電子部品５が配置される側の一端に配された冷却管２１４には、その横方向Ｙにおける両端に、図１に示すごとく、冷媒導入管２１１及び冷媒排出管２１２が配設されている。冷媒導入管２１１と冷媒排出管２１２とは、積層体２における積層方向Ｘの一端を基端として積層体２から積層方向Ｘにおける電子部品５側へ延伸され、ケース７の積層方向Ｘにおける側壁７０から突出している。

これにより、冷媒導入管２１１から導入された冷却媒体は、連結管２１３を適宜通り、各冷却管２１４に分配されると共にその長手方向（横方向Ｙ）に流通可能となる。そして、各冷却管２１４を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール２０との間で熱交換を行うことができる。熱交換により温度上昇した冷却媒体は、下流側の連結管２１３を適宜通り、冷媒排出管２１２に導かれ、冷却器２１より排出される。

冷却器２１に狭持される半導体モジュール２０は、ＩＧＢＴ素子等のスイッチング素子を樹脂モールドしてなるモールド部２０１と、該モールド部２０１から互いに反対方向に突出した一対の主電極端子２０２及び制御端子とから構成される。一対の主電極端子２０２は、図１に示すごとく、横方向Ｙに互いに並んでいるとともに、高さ方向Ｚにおいて、バスバー２２が配置される方向、つまり積層体２に対して上方へ突出形成されている。そして、主電極端子２０２間は、適宜バスバー２２等の配線部材により適宜電気的に接続されている。なお、バスバー２２以外の配線部材については、図１への記載を便宜上省略した。

バスバー２２は、積層方向Ｘに平行な板棒状の導体であり、各々のバスバー２２は、積層方向Ｘに配列された半導体モジュール２０の主電極端子２０２とアーク溶接等の方法により溶接されている。また、一対のバスバー２２は、積層方向Ｘにおける電子部品５が配置される側の一端より積層方向Ｘに延設された引き出し部２２０を有している。引き出し部２２０は、図２に示すごとく、部品配置部７２に収容された電子部品５に対して高さ方向Ｚの上方に配置されている。そして引き出し部２２０の先端において、後述する電子部品５の接続端子５２とバスバー２２とがボルト２２１により締結されている。これにより、半導体モジュール２０と電子部品５とが電気的に接続されている。

部品配置部７２は、高さ方向Ｚから見た平面視の形状が略長方形をなす箱状の凹部であり、高さ方向Ｚの上方にガイド部３と固定部４とを備えている。部品配置部７２は、図１に示すごとく、冷媒導入管２１１と冷媒排出管２１２との間に設けられている。そして、高さ方向Ｚの上方と、積層方向Ｘにおける積層体２と反対方向との２面が開口されている。また、部品配置部７２の積層方向Ｘにおける開口部、すなわち側壁７０から開口した部分が上記部品挿入用開放部７００となっている。

ガイド部３は、図２に示すごとく、部品配置部７２における高さ方向Ｚの開口部に、横方向Ｙに隣接して一対形成されている。ガイド部３は、部品配置部７２における横方向Ｙに垂直な一対の側面７２０における各々の上端を基端として、横方向Ｙに向けて互いに反対方向に延設された平坦部３０と、平坦部３０の端より高さ方向Ｚの上方に立設された立設部３１とを有する。すなわち、ガイド部３は、図２に示すごとく、積層方向Ｘに垂直な断面の形状が、互いに直交する平坦部３０と立設部３１とからなる略Ｌ字状を呈している。そして、ガイド部３は、図１に示すごとく部品挿入用開放部７００を基端として積層方向Ｘに向けて延設されている。これにより、後述する電子部品５に設けた一対の耳部５１を、それぞれ一対のガイド部３の平坦部３０に載置するとともに、立設部３１により横方向Ｙへのがたつきを抑制しつつ電子部品５を積層方向Ｘへ向けてスムーズに案内することができるように構成されている。

固定部４は、ガイド部３の平坦部３０に設けられている。固定部４は、平坦部３０を高さ方向Ｚに貫通するとともに、雌ネジが形成された締結穴を有し、電子部品５の耳部５１をボルト４１により締結することができるよう構成されている。

部品挿入用開放部７００は、部品配置部７２の積層方向Ｘにおける開口部より構成されている。つまり、部品挿入用開放部７００は、図２に示す部品配置部７２における高さ方向Ｚの下端に形成された底面７２２と、一対の側面７２０と、ガイド部３とによって囲まれた部品配置部７２の断面形状と同様の形状で側壁７０に開口している。

部品挿入用開放部７００より挿入される電子部品５は、図３に示すごとく、コンデンサ素子を内蔵した略直方体形状の本体部５０と、本体部５０の高さ方向Ｚにおける上端部より横方向Ｙに向けて突出形成された一対の耳部５１とを有する。本体部５０は、部品挿入用開放部７００を通過可能な大きさに形成されている。そして、本体部５０の上面には、一対の接続端子５２が配設されており、図２に示すごとくバスバー２２と接続されている。

電子部品５の耳部５１は、高さ方向Ｚから見た形状が長方形をなす板状の突出部であり、その中央に高さ方向Ｚに貫通した貫通穴５１０を有する。また、耳部５１は、部品配置部７２に形成されたガイド部３に対して大きな遊びがなく、スムーズに摺動可能な寸法に形成されている。

また、ケース７は、電子部品５の位置を定める位置決め手段を有する。位置決め手段は、部品配置部７２における積層方向Ｘに垂直な当接面７２１とガイド部３とより構成されている。すなわち、電子部品５の積層方向Ｘにおける位置は、部品挿入用開放部７００より積層体２に向けて挿入された電子部品５が、当接面７２１に当接することにより決定される。また、横方向Ｙ及び高さ方向Ｚにおける位置は、耳部５１がガイド部３に載置され、平坦部３０及び立設部３１と当接することにより決定される。

なお、電子部品５の挿入配置及び位置決めは、バスバー２２と半導体モジュール２０の主電極端子２０２とが溶接された後に行われる。つまり、バスバー２２と主電極端子２０２とがアーク溶接等により溶接された後に、電子部品５が部品挿入用開放部７００を通じて部品配置部７２に挿入配置される。そして、バスバー２２の引き出し部２２０と重ならない位置に形成された固定部４において、電子部品５が部品配置部７２に固定される。

次に、本例の作用効果を説明する。電力変換装置１は、積層体２における積層方向Ｘの一端に設けられた部品配置部７２に電子部品５が配置されている。これにより、積層方向Ｘに直交する方向、つまり高さ方向Ｚにおいて電力変換装置１を小型化することが容易となる。

また、ケース７は、積層体２と反対側から部品配置部７２に電子部品５を挿入配置できるよう開放された部品挿入用開放部７００と、電子部品５をケース７内の部品配置部７２に固定する固定部４とを備えている。これにより、バスバー２２を半導体モジュール２０に溶接した後に、電子部品５を部品挿入用開放部７００より挿入し、組み付けを行うことが可能となる。それ故、組み付け手順の自由度が大きくなるとともに、電子部品５に過電流や過電圧がかかることを防止することができる。また、取り外しの際にも、バスバー２２を取り外すことなく部品挿入用開放部７００より電子部品５を取り外すことができる。

また、電子部品５が冷媒導入管２１１と冷媒排出管２１２との間に配置されている。それ故、冷媒導入管２１１と冷媒排出管２１２との間のデッドスペースを低減することができる。つまり、このデッドスペースに部品配置部７２を設けることができる。その結果、電力変換装置１をより省スペース化することが可能となる。

また、部品配置部７２は、部品挿入用開放部７００から積層方向Ｘに延設されたガイド部３を備え、ガイド部３は、電子部品５を積層体２へ向けて案内可能に構成されている。それ故、ガイド部３により電子部品５が案内されることで、電子部品５を部品配置部７２へ容易に配置することができる。その結果、電子部品５の組み付け作業における作業性をより向上させることができる。

また、ケース７は、部品配置部７２に対する電子部品５の位置を定めるため、部品配置部７２の当接面７２１及びガイド部３より構成される位置決め手段を備えている。それ故、位置決め手段により電子部品５を所定の位置へ容易かつ正確に配置することが可能となる。その結果、電子部品５の組み付け作業における作業性をより向上させることができる。

以上のごとく、本例によれば、積層方向に直交する方向の小型化を図りつつ、電子部品の組み付け及び取り外しを容易に行うことのできる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４及び図５に示すごとく、位置決め手段をガイド部３にまとめて形成した例である。本例における位置決め手段は、図４に示すごとく、ガイド部３の平坦部３０と、立設部３１と、平坦部３０上に形成された耳部ストッパー３２とにより構成されている。耳部ストッパー３２は、ガイド部３における積層方向Ｘの一端であって、部品挿入用開放部７００と反対側の端部において、平坦部３０から高さ方向Ｚに突出して形成される。つまり、部品挿入用開放部７００より挿入される電子部品５の耳部５１と耳部ストッパー３２とが当接することにより、積層方向Ｘにおける電子部品５の位置を一定とするよう構成されている。

また、本例の電子部品５は、図５に示すごとく、耳部５１の積層方向Ｘにおける位置が、互いに異なるよう形成されている。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。本例では、位置決め手段をガイド部３にまとめて形成している。それ故、電子部品５の配置が、いずれの方向についてもガイド部３によって決定される。つまり、電子部品５のサイズと無関係に位置決めを実施することができるため、ケース７の形状を変えずに電子部品５を容易に変更することができる。

１ 電力変換装置
２ 積層体
２０ 半導体モジュール
２１０ 冷媒流路
２２ バスバー
２２０ 引き出し部
３ ガイド部
４ 固定部
５ 電子部品
６ 位置決め手段
７ ケース
７００ 部品挿入用開放部
７２ 部品配置部

Claims (4)

1. 半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷媒流路とを積層してなる積層体と、該積層体における積層方向の一端に設けられた部品配置部に配置される電子部品と、上記積層体及び上記電子部品を収容するケースとを備えた電力変換装置であって、
   上記積層体からは、上記半導体モジュールに接続されたバスバーが上記積層方向の一端へ引き出されているとともに、該バスバーの引き出し部は、上記電子部品に対して、上記積層方向に直交する方向に面して配されており、
   上記ケースは、上記積層体と反対側から上記部品配置部に上記電子部品を挿入配置できるよう開放された部品挿入用開放部と、上記電子部品を上記ケース内の上記部品配置部に固定する固定部とを備え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、上記積層体の上記積層方向の一端には、上記冷媒流路へ冷却媒体を導入する冷媒導入管と、上記冷媒流路から冷却媒体を排出する冷媒排出管とが上記積層方向へ突出形成されており、上記電子部品は上記冷媒導入管と上記冷媒排出管との間に配置されてい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、上記ケースは、上記部品挿入用開放部から上記積層方向に延設されたガイド部を備え、該ガイド部は、上記電子部品を上記積層体へ向けて案内可能に構成されてい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、上記ケースは、上記部品配置部に対する上記電子部品の位置を定める位置決め手段を備えていることを特徴とする電力変換装置。

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