JP2015126640A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置において、パワースタックと制御回路基板が取り付けられる取付面の振動を抑制することである。【解決手段】電力変換装置は、パワーモジュール３２と冷却器３４とが積層されたパワースタック３０が下面側に取り付けられパワーモジュールに接続される制御回路基板が上面側に取り付けられる取付面を有するインバータケースと、ＤＣ／ＤＣコンバータを内部に収容し上面にリアクトルが搭載され、上面側にインバータケースが積み重ねられるコンバータケースと、取付面が振動するときに上下振動の振幅が最も大きい腹部となる取付面の位置とコンバータケースの上面との間に設けられ、インバータケースとコンバータケースの間を結合する支持部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に、インバータケースとコンバータケースを備える電力変換装置に関する。

ハイブリッド車両等で回転電機を搭載する車両では、回転電機に接続される電力変換装置を備える。電力変換装置には、リアクトルやスイッチング素子を含むインバータ回路とコンバータ回路等と共にこれらを冷却する冷却路が設けられ、これらの効率的な配置や保持方法の工夫がなされる。

例えば、特許文献１には、電力変換装置において、ケースの上方に設けられるブラケットから上方に伸びるステーで回路基板を支持し、下方に伸びる２つのステーで冷却器とパワーモジュールの積層体を支持する構造が述べられている。積層体を支持するステーの１つは、回路基板の略中央の位置から積層体とこれに隣接して配置されるリアクトルとの間に延び、これによってリアクトルからの熱が積層体に伝達し難いようにされている。

特許文献２には、底壁と側壁を有するフレームの内部に冷媒流路と半導体モジュールの積層体が収納され、フレームの側壁の上部に開口部を有する蓋部が取り付けられる構造が述べられている。ここでは、積層体は、蓋部の下面に設けられた突部と、側壁の内壁面に設けられた突部と、底壁によって支持され、これによって外部からの振動に対する耐振性が向上すると述べられている。

特許文献３には、特許文献２と同様の構造であるが、蓋部が制御回路基板を固定する基板固定プレートとして用いられ、フレームと制御回路基板の間に基板固定プレートを設ける構成となっている。

特開２０１３−０５１８４８号公報 特開２０１２−０２３１５９号公報 特開２０１２−２１７３１５号公報

電力変換装置には、発熱するパワーモジュール等と、高温になると特性が変化する制御回路があるので、これらを分離するために、例えば、インバータケースの蓋部等を取付面として、上部に回路基板、下部に発熱体等を配置することが行われる。一方でリアクトルは動作時に振動するので、取付面の支持方法によっては取付面が振動しやすくなり、それに搭載される回路基板に影響を及ぼすことがある。

本発明は、取付面の振動を抑制できる電力変換装置を提供することである。

本発明に係る電力変換装置は、パワーモジュールと冷却器とが積層されたパワースタックが下面側に取り付けられパワーモジュールに接続される制御回路基板が上面側に取り付けられる取付面を有するインバータケースと、ＤＣ／ＤＣコンバータを内部に収容し上面にリアクトルが搭載され、上面側にインバータケースが積み重ねられるコンバータケースと、取付面が振動するときに上下振動の振幅が最も大きい腹部となる取付面の位置とコンバータケースの上面との間に設けられ、インバータケースとコンバータケースの間を結合する支持部と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、取付面が振動するときに振動振幅が最大となる腹部の位置で、コンバータケースとの間を支持部で結合するので、取付面の耐振動剛性が向上し、取付面の振動を抑制できる。

本発明に係る実施の形態の電力変換装置の構成を示す三面図である。（ａ）は断面図、（ｂ）は制御回路基板を省略して示す上面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線における断面図である。 従来技術における取付面の振動を示す図である。 図１の構成における取付面の振動を示す図である。 支持部の別の形態の例を示す図である。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。以下では、電動車両に搭載される回転電機に接続される電力変換装置を説明するが、これに限らず、制御回路基板とパワースタックが取り付けられる取付面を有する電力変換装置であれば、他の用途に用いられるものでもよい。以下で述べる形状、材料等は、説明のための例示であって、電力変換装置の仕様等により、適宜変更が可能である。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、電動車両に搭載される電力変換装置１０の構成を示す図である。電力変換装置１０は、ほぼ直方体の外形を有する。図１には互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向を示した。矢印はそれぞれの＋（プラス）方向である。Ｚ方向は電力変換装置１０の高さ方向である。Ｚ方向を示す矢印の向かう方向が上面側で反対方向が下面側すなわち底面側である。Ｘ方向とＹ方向は、Ｚ方向に垂直なＸＹ平面において、それぞれ、電力変換装置１０の長辺の延びる方向、Ｙ方向は短辺の延びる方向である。

図１（ａ）は、Ｙ方向の中央においてＸＺ平面で切断した断面図である。（ｂ）は上面図で後述する制御回路基板４０を取り外した状態を示す図である。（ｃ）は（ｂ）におけるＸ方向の中央の位置であるＣ−Ｃ線で切断し、＋Ｘ方向を見た断面図である。

電力変換装置１０は、電動車両に搭載される回転電機と蓄電装置との間に配置されて接続され、蓄電装置の直流電力と回転電機の交流電力との間の電力変換を行う回路装置である。電力変換装置１０は、大別して、インバータ回路とＤＣ／ＤＣコンバータ回路と制御回路とを含む。図１において、この３つの回路は、インバータケース１２とコンバータケース５０と制御回路基板４０に分かれて搭載される。

インバータケース１２は、上板に相当する取付面１４と、側壁部１６とが一体化して構成され、パワースタック３０等を内部に収容して保持するケースである。かかるインバータケースは、金属材料を所定の形状で成形したものを用いることができる。金属材料としては、アルミニウム、鉄等を用いることができる。所定形状への成形は、ダイキャスト法に機械加工を組み合わせて行うことができる。

取付面１４は、インバータケース１２の一部であって、図１（ｂ）に示すように、ほぼ矩形の平面形状を有し、下面側に通じる複数の貫通窓部が設けられる。信号線通し窓１８は、パワースタック３０と制御回路基板４０等との間を接続する信号線４２を通す貫通窓である。複数のリブ２０は、板厚を厚くして凸状とした梁部分で、取付面１４の上面側に設けられる強度補強材である。取付面１４には信号線通し窓１８等の複数の貫通窓があるので、太く長い通しリブが設けにくいが、複数の貫通窓を避けながら複数のリブ２０が設けられる。

基板取付ボス２２は、中央部にメネジが刻まれた円柱形の突起で、取付面１４の上面側に複数設けられる。複数の基板取付ボス２２は、制御回路基板４０を安定して取り付けられるように、取付面１４の矩形状の各辺に沿って数個ずつ、矩形状に囲まれた内部領域に数個設けられる。

スタック取付ステー２４は、取付面１４の長辺方向であるＸ方向の長さのほぼ中央位置２６の下面側から下方に延びる保持部である。スタック取付ステー２４は、これに対向する側壁部１６とで、パワースタック３０を保持する。スタック取付ステー２４の下方に延びる長さは、パワースタック３０を保持できる長さであり、下方のコンバータケース５０の上面までは伸びていない。スタック取付ステー２４の下面とコンバータケース５０の上面との間には支持部６０が設けられるが、支持部６０の詳細については後述する。

パワースタック３０は、パワーモジュール３２と冷却器３４をＸ方向に沿って交互に配置し積層されて一体化された積層体である。積層体の一体化は、積層体のＸ方向に沿って配置されて冷媒が通る中心冷却管を介して行われる。図１では中心冷却管の図示を省略した。中心冷却管の両端は、スタック取付ステー２４とこれに向かい合う側壁とに支持されて、インバータケース１２の下面側に取り付け配置される。

パワーモジュール３２は、インバータ回路における複数のパワースイッチング素子をパワー素子基板に搭載してモジュール化した部品である。冷却器３４は、内部に中心冷却管と連通する冷媒通路を有し、側面でパワーモジュール３２の側面に接触することで熱交換を行い、パワーモジュール３２の発熱を運び出す熱交換器である。

制御回路基板４０は、取付面１４の上面に設けられる複数の基板取付ボス２２の上に配置され、取付ネジで固定される回路基板である。制御回路基板４０は、インバータ回路とＤＣ／ＤＣコンバータ回路を構成する各素子の動作を制御する制御回路が搭載される基板である。制御回路基板４０は、信号線４２を介してインバータ回路及びＤＣ／ＤＣコンバータ回路と接続される。信号線４２としては、リードフレーム基板、信号ケーブル等を用いることができる。

コンバータケース５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータに用いられるパワースイッチング素子等を内部に収容して保持するケースである。コンバータケース５０にはパワースタック３０と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータの冷却用の冷却管が含まれる。かかるコンバータケース５０は、インバータケース１２と同様に、アルミニウム、鉄等金属材料をダイキャスト法等によって所定の形状で成形したものを用いることができる。

コンバータケース５０は、電力変換装置１０の底部を構成し、その上にインバータケース１２が積み重ねられる。シール面５２は、インバータケース１２とコンバータケース５０が積み重ねられたときに、インバータケース１２の下面の周辺端部とコンバータケースの上面の周辺端部とが互いに向き合う面である。シール面５２を合わせ、インバータケース１２とコンバータケース５０とがボルトとナット等の適当な結合部材で結合され一体化されて、電力変換装置１０が構成される。

リアクトル５４は、ＤＣ／ＤＣコンバータに用いられる素子で、コアにコイルを巻回したものである。リアクトル５４は、動作によって発熱し、振動する。また、リアクトル５４は比較的大きな外形を有するので、コンバータケース５０の内部でなく、インバータケース１２の内部空間内において、コンバータケース５０の上面に搭載される。

コンデンサ５６は、電力変換装置１０において、電圧や電流を平滑化するフィルタコンデンサである。コンデンサ５６も比較的大きな外形を有するので、コンバータケース５０の内部でなく、インバータケース１２の内部空間内で、コンバータケース５０の上面に搭載される。

端子台５８は、図示されていない蓄電装置及び回転電機等の外部装置と接続するための端子が設けられる部品である。端子台５８は、インバータケース１２の側壁部１６に取り付けられる。

図１（ａ）に示されるように、インバータケース１２の取付面１４の下面側には、パワースタック３０だけでなく、リアクトル５４、コンデンサ５６、端子台５８等も配置されるので、パワースタック３０のみを取り付ける場合に比べ、取付面１４は、かなり広い面積を必要とする。また、電動車両の仕様がハイパワー等になるにつれて、パワースタック３０、リアクトル５４、コンデンサ５６等も大型化し、これによっても取付面１４はＸ方向に沿ってより長く、Ｙ方向に沿ってより長くなり、面積がさらに広くなる。インバータケース１２とコンバータケース５０とは、互いの外周部の端部のシール面５２で向かい合い、そこで結合されるのみであるから、取付面１４は、振動の面から見ると、周辺支持の膜部材と考えることができる。取付面１４の面積が広くなるにつれ、そのままでは、例えば、リアクトル５４の振動等によって取付面１４の振動が生じやすくなる。

図１に示す支持部６０は、取付面１４に生じる振動を抑制するために、インバータケース１２とコンバータケース５０の間を結合する支持部材である。図１の例では、支持部６０として、柱状の部材が示される。支持部６０の底面はコンバータケース５０の上面に固定され、支持部６０の上面はスタック取付ステー２４の底面と面同士が合わせられて、ネジ等の締結部材で結合される。スタック取付ステー２４は、取付面１４の長辺方向の長さのほぼ中央位置２６の下面側から下方に延びるので、取付面１４は、その長辺の長さの半分の長さの位置で支持部６０を介してコンバータケース５０と結合されている。かかる支持部６０としては、金属材料等を用いて所定の形状に成形したものを用いることができる。金属材料としては、インバータケース１２やコンバータケース５０の材料と同じものを用いることができる。

かかる支持部６０を用いることの作用効果について、図２、図３の振動モデル図を用いて説明する。図２、図３は、インバータケース１２、スタック取付ステー２４、パワースタック３０、制御回路基板４０、コンバータケース５０、リアクトル５４、支持部６０の位置関係と、インバータケース１２の取付面１４の振動を示すモデル図である。取付面１４の振動は、四辺固定の膜振動であるが、ここでは、取付面１４は、両端が固定された梁部としてモデル化して示した。リアクトル５４を振動源とし、質量の大きなパワースタック３０が取り付けられている取付面１４を両端固定梁として上下振動が生じる。

図２は従来技術を示す図で、支持部６０が用いられていない。この場合、取付面１４の梁部としての両端の固定端は、インバータケース１２の側壁部１６の互いに向かい合う２つの面である。したがって、取付面１４の長辺の長さＬが、取付面１４の梁としての全長になる。Ｌが大きいほど振動７０の振動振幅が大きくなる。これによってパワースタック３０と制御回路基板４０との間に相対的振動が発生し、信号線４２と制御回路基板４０側のコネクタとの間で接点摺動が生じ、場合によっては、制御回路基板４０の特性に影響を及ぼす可能性が生じる。

図３は、図１の構成を示す図で、支持部６０によって取付面１４のスタック取付ステー２４とコンバータケース５０とが互いに結合される。結合位置は、スタック取付ステー２４の位置で、取付面１４の長辺の長さの中央位置２６の位置になる。この位置は、図２と比較して分かるように、支持部６０を用いずに取付面１４が振動するときに上下振動の振幅が最も大きい腹部となる取付面１４の位置に相当する。

これにより、取付面１４の梁部としての固定端の一方は、インバータケース１２の側壁部１６の位置から支持部６０の位置に移る。この場合、取付面１４の梁部としての両端の固定端は、インバータケース１２の側壁部１６と、スタック取付ステー２４と支持部６０とが結合された結合柱となる。したがって、取付面１４の長辺の長さＬの半分のＬ／２が、取付面１４の両端固定型梁としての全長になる。ＬがＬ／２と短くなるので、取付面１４の曲げ剛性が大きくなり、振動７２の振動振幅が図２の場合の振動７０に比べ小さくなり、制御回路基板４０の特性に影響を及ぼすことがない大きさに抑制される。

このように、取付面１４が振動するときに上下振動の振幅が最も大きい腹部となる取付面１４の位置とコンバータケース５０の上面との間に支持部６０を設けて、インバータケース１２とコンバータケース５０の間を結合することで、取付面１４の振動を抑制できる。

なお、支持部６０の位置は、取付面１４の長辺の長さＬの半分のＬ／２となる位置でなくても取付面１４の振動を抑制することが可能であるが、このＬ／２の位置は、取付面１４が振動するときに上下振動の振幅が最も大きい腹部となる位置であるので、他の位置に支持部６０を設ける場合に比べ、最も効果的に取付面１４の振動を抑制することができる。

また、インバータケース１２とコンバータケース５０とが結合されるので、リアクトル５４からのコンバータケース５０の振動も抑制される。

また、支持部６０を経由する熱の伝播が生じるので、電力変換装置１０の内部の雰囲気温度を下げる効果が期待できる。

上記では、柱状の部材である支持部６０とスタック取付ステー２４が結合される形態を説明した。これに代えて、柱状の部材を用いず、スタック取付ステー２４をさらに下方に延ばし、延ばした先端面をコンバータケース５０の上面に直接固定するものしてもよい。この場合、スタック取付ステー２４をさらに下方に延ばした部分が支持部に相当する。

その他の固定方法の例を図４に示す。図４は、リアクトル５５を中継してインバータケース１２とコンバータケースを結合するものである。ここでは、リアクトル５５をコンバータケース５１の上面に固定するためのボルト７４，７６とナット７８，８０のうち、一方側のボルト７６を長くして取付面１５に取り付け、これによってインバータケース１２とコンバータケース５０を結合する。この場合、長く延ばしたボルト７６が支持部に相当する。この方法によれば、支持部６０をコンバータケース５０に設置する面積を削減できる。

１０ 電力変換装置、１２ インバータケース、１４，１５ 取付面、１６ 側壁部、１８ 信号線通し窓、２０ リブ、２２ 基板取付ボス、２４ スタック取付ステー、２６ 中央位置、３０ パワースタック、３２ パワーモジュール、３４ 冷却器、４０ 制御回路基板、４２ 信号線、５０，５１ コンバータケース、５２ シール面、５４，５５ リアクトル、５６ コンデンサ、５８ 端子台、６０ 支持部、７０，７２ 振動、７４，７６ ボルト、７８，８０ ナット。

Claims (1)

1. パワーモジュールと冷却器とが積層されたパワースタックが下面側に取り付けられパワーモジュールに接続される制御回路基板が上面側に取り付けられる取付面を有するインバータケースと、
   ＤＣ／ＤＣコンバータを内部に収容し上面にリアクトルが搭載され、上面側にインバータケースが積み重ねられるコンバータケースと、
   取付面が振動するときに上下振動の振幅が最も大きい腹部となる取付面の位置とコンバータケースの上面との間に設けられ、インバータケースとコンバータケースの間を結合する支持部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。

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