JP2015149810A

JP2015149810A - 電力変換装置

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Publication number: JP2015149810A
Application number: JP2014020492A
Authority: JP
Inventors: 秀晃立花; Hideaki Tachibana; 誠西前; Makoto Nishimae
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: CN104822239B; US9750166B2; US20150222195A1; JP6044559B2; CN104822239A

Abstract

【課題】軽量化、小型化及びコスト低減をすることができる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置１は、半導体積層ユニット１０と、補助電子部品２と、半導加圧部材５と、これらを収納するケース６とを有している。ケース６は、積層方向Ｘにおいて、前方壁部６３１、後方壁部６３２、一対の側方壁部６３３、及び内側壁部６４を備えている。内側壁部６４は、前方壁部６３１と対向して配設された隔壁部６４１と、隔壁部６４１の後端面から後方壁部６３２側に向かって延びるように形成された支持壁部６４２とを有している。隔壁部６４１と前方壁部６３１との間には、半導体積層ユニット１０及び加圧部材５が収納されるユニット収納空間６１が形成されている。隔壁部６４１と後方壁部６３２と間には、補助電子部品２が収納される補助収納空間６２が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

ハイブリッド車や電気自動車などの車両には、電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、車両が有するバッテリーから供給される直流電力を、駆動用モータを駆動させるための三相交流電力に変換するものである。このような電力変換装置としては、特許文献１に示されたものがある。
特許文献１の電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、複数の半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを備えている。複数の半導体モジュールと複数の冷却管とは、交互に積層して配置されており、半導体積層ユニットを形成している。この半導体積層ユニットは、加圧部材と共にケース内に収納されており、加圧部材によって積層方向に加圧されている。

特開２０１３−５５８４０号公報

しかしながら、特許文献１に示された電力変換装置には、以下の課題がある。
特許文献１の電力変換装置においては、半導体積層ユニットを加圧部材の加圧力によって、ケース内に固定している。そのため、ケースには、加圧部材の加圧力に耐える剛性を付与する必要がある。特に、半導体積層ユニットの積層方向に配設された一対の壁部においては、一対の壁部と直交するように加圧力が加わるため、壁部の厚さを大きくし剛性を向上している。これにより、ケースの重量、コスト、体格が増大し、ひいては、電力変換装置の重量、コスト、体格の増大につながる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、軽量化、小型化及びコスト低減をすることが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、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該複数の半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを交互に積層した半導体積層ユニットと、
上記半導体モジュールと共に電力変換回路を形成する補助電子部品と、
上記半導体積層ユニットを積層方向に加圧する加圧部材と、
上記半導体積層ユニット、上記補助電子部品及び上記加圧部材を収納するケースとを有しており、
該ケースは、上記積層方向において、前方側に配設された前方壁部と、後方側に配設された後方壁部と、上記積層方向と直交する横方向において上記前方壁部及び上記後方壁部の両端部同士をつなぐ一対の側方壁部と、上記前方壁部、上記後方壁部及び上記一対の側方壁部の内側に設けられた内側壁部とを備えており、
該内側壁部は、上記前方壁部と対向して配設された隔壁部と、該隔壁部の後端面から後方壁部側に向かって延びるように形成された支持壁部とを有しており、上記隔壁部と上記前方壁部との間には、上記半導体積層ユニット及び上記加圧部材を収納するユニット収納空間が形成され、上記隔壁部と上記後方壁部との間には上記補助電子部品を収納する補助収納空間が形成されていることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置は、上記隔壁部と、該隔壁部の後面から上記後方壁部側に向かって延びるように、すなわち、上記加圧部材の加圧方向に沿うように形成された上記支持壁部とを有している。そのため、上記支持壁部が上記隔壁部を補強することにより、上記支持壁部における剛性を効果的に増大することができる。したがって、上記隔壁部の厚さを増大させることなく、上記支持壁部の剛性を向上し、上記加圧部材の加圧力による上記隔壁部の変形を抑制することができる。これにより、上記隔壁部の厚さを低減し、上記電力変換装置の軽量化、小型化及びコスト低減をすることができる。

また、上記ケース内には、上記半導体積層ユニットを配置する上記ユニット収納空間と、上記補助電子部品を配置する上記補助収納空間とが形成されている。そのため、上記半導体積層ユニット及び上記補助電子部品を、上記ケース内に整然と配置することができる。これにより、上記ケース内のスペースを無駄なく有効活用し、上記電力変換装置を小型化することができる。

以上のごとく、上記電力変換装置によれば、軽量化、小型化及びコスト低減をすることができる。

実施例１における、電力変換装置を示す平面図。図１における、II−II矢視断面相当図。実施例１における、ケースを示す平面図。

上記電力変換装置において、横方向とは、積層方向と直交すると共に、一対の側方壁部が配置された方向を指すものである。

また、上記複数の冷却管のうち前方側に配置された前方冷却管には、上記複数の冷却管の内部に形成された冷媒流路へ冷媒を導入するための冷媒導入管と、上記冷媒流路から冷媒を排出するための冷媒排出管とが前方側に向かって延びるように配設されており、上記支持壁部は、上記積層方向及び上記横方向と直交する高さ方向から見たとき、上記冷媒導入管及び上記冷媒排出管の間に配置されていることが好ましい。この場合には、上記冷媒導入管と上記冷媒排出管との並び方向において、上記半導体積層ユニットの中央に近い位置に、上記支持壁部を配置することができる。したがって、上記支持壁部によって上記隔壁部を効果的に補強することができる。これにより、上記隔壁部の変形をより抑制することができる。

（実施例１）
上記電力変換装置にかかる実施例について、図１〜図３を参照して説明する。
図１及び図２に示すごとく、電力変換装置１は、複数の半導体モジュール１１と複数の冷却管１３とを交互に積層した半導体積層ユニット１０と、半導体モジュール１１と共に電力変換回路を形成する補助電子部品２と、半導体積層ユニット１０を積層方向Ｘに加圧する加圧部材５と、これらを収納するケース６とを有している。複数の半導体モジュール１１は半導体素子をそれぞれ内蔵している。
ケース６は、積層方向Ｘにおいて、前方側に配設された前方壁部６３１と、後方側に配設された後方壁部６３２と、前方壁部６３１及び後方壁部６３２の横方向Ｙにおける両端部同士をつなぐ一対の側方壁部６３３と、前方壁部６３１、後方壁部６３２及び一対の側方壁部６３３の内側に設けられた内側壁部６４とを備えている。

内側壁部６４は、前方壁部６３１と対向して配設された隔壁部６４１と、隔壁部６４１の後端面から後方壁部６３２側に向かって延びるように形成された支持壁部６４２とを有している。隔壁部６４１と前方壁部６３１との間には、半導体積層ユニット１０を収納するユニット収納空間６１が形成されている。また、隔壁部６４１と後方壁部６３２との間には、補助電子部品２が収納される補助収納空間６２が形成されている。

以下、さらに詳細に説明する。
本例においては、半導体積層ユニット１０における半導体モジュール１１と冷却管１３との並び方向を積層方向Ｘとし、一対の側方壁部６３３の並び方向を横方向Ｙとし、積層方向Ｘ及び横方向Ｙに直交する方向を高さ方向Ｚとして説明する。また、積層方向において、冷却管１３から冷媒導入管１３３及び冷媒排出管１３４が突出した方向を前方とし、その反対側を後方として説明する。また、高さ方向Ｚにおいて、半導体モジュール１１から制御端子１１３が突出する方向を上方とし、その反対側を下方として説明する。
本例における電力変換装置１は、ハイブリッドカー等の車両に搭載されるものである。電力変換装置１は、バッテリーから供給される直流電力を、三相交流回転電機を駆動させるための三相交流電力に変換することができる。

図１〜図３に示すごとく、電力変換装置１におけるケース６は、積層方向Ｘにおいて、前方側に配設された前方壁部６３１と、後方側に配設された後方壁部６３２と、前方壁部６３１及び後方壁部６３２の横方向Ｙにおける両端部同士をつなぐ一対の側方壁部６３３と、前方壁部６３１、後方壁部６３２及び一対の側方壁部６３３の内側に設けられた内側壁部６４と、高さ方向Ｚと直交して設けられた中間壁部６７とを備えている。

前方壁部６３１、後方壁部６３２及び一対の側方壁部６３３は、四角筒状をなしており、高さ方向Ｚの上方及び下方にそれぞれ配された開口は、蓋部６５及び底部６６によって塞がれている。
また、前方壁部６３１、後方壁部６３２及び一対の側方壁部６３３における上方側の位置には、高さ方向Ｚと直交して形成された中間壁部６７が形成されている。

内側壁部６４は、隔壁部６４１と支持壁部６４２とを有している。隔壁部６４１は、中間壁部６７から下方に向かって延びると共に、前方壁部６３１と平行に形成されている。横方向Ｙにおいて、隔壁部６４１の一方の端部は、一方の側方壁部６３３と繋がっており、他方の端部は、他方の側方壁部６３３から離れた位置に配置されている。この側方壁部６３３から離れた位置に配置された端部と、前方壁部６３１とは、接続壁部６４３によって接続されている。前方壁部６３１、と隔壁部６４１との間には、半導体積層ユニット１０を収納するユニット収納空間６１が形成されている。本例において、ユニット収納空間６１は、前方壁部６３１、隔壁部６４１、接続壁部６４３及び側方壁部６３３によって囲まれた空間によって形成されている。また、隔壁部６４１と後方壁部６３２との間には、補助電子部品２を収納する補助収納空間６２が形成されている。

支持壁部６４２は、中間壁部６７から下方に向かって延びると共に、隔壁部６４１の後面と後方壁部６３２の前面とを繋ぐよう側方壁部６３３と平行に形成されている。高さ方向Ｚから見たとき、支持壁部６４２は、隔壁部６４１と直交するように配置されており、横方向Ｙにおいて、後述する冷却器１２における冷媒導入管１３３及び冷媒排出管１３４の間に配置されている。また、補助収納空間６２は、横方向Ｙにおいて、支持壁部６４２によって分割されており、第１補助収納空間６２１及び第２補助収納空間６２２を形成している。本例において、第１補助収納空間６２１には、半導体モジュール１１と共に電力変換回路を構成する補助電子部品２としてのコンデンサ２１が配置される。また、第２補助収納空間６２２には、補助電子部品２として、電流センサを内蔵したセンサユニット２２が配置される。

また、ユニット収納空間６１及び補助収納空間６２と、横方向Ｙにおいて隣り合う位置には、端子台３を配置するための端子台収納空間６２３が形成されている。
端子台３は、三相交流回転電機におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相と、車両のバッテリーにおける正極及び負極とにそれぞれ電気的に接続される接続端子３１２を有している。

図１及び図２に示すごとく、ユニット収納空間６１に配置される半導体積層ユニット１０は、複数の半導体モジュール１１と、複数の冷却管１３とを交互に積層してなる。
半導体モジュール１１は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子やＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等のダイオードを内蔵した本体部１１１と、高さ方向Ｚの一方に突出した主電極端子１１２と、高さ方向Ｚの他方に突出した制御端子１１３とを有する。制御端子１１３は、制御回路基板４と電気的に接続されている。また、主電極端子１１２は、バスバー３２１、３２２と電気的に接続されている。

主電極端子１１２と接続されたバスバー３２１、３２２は、端子台３に設けられた接続端子３１２又はコンデンサ２１と接続されている。バスバー３２１は、コンデンサ２１を介して、車両のバッテリーにおける正極及び負極と電気的に接続される接続端子３１１と電気的に接続されている。バスバー３２２は、センサユニット２２に内蔵された電流センサに挿通された後、接続端子３１２と接続されている。

図１及び図２に示すごとく、複数の冷却管１３は、横方向Ｙに長く形成されており、隣り合う冷却管１３同士は、横方向Ｙの両端部において、変形可能な連結管１３５によって連結されることで冷却器１２を構成している。つまり、隣り合う冷却管１３の間には、連結管１３５の長さ分の空間が形成されており、この空間に半導体モジュール１１を配置した後、連結管１３５の長さが短くなるように連結管１３５を変形させることにより、冷却管１３によって半導体モジュール１１が挟持される。

冷却器１２に冷媒を導入する冷媒導入管１３３と、冷却器１２から冷媒を排出する冷媒排出管１３４とは、前方側に配置された前方冷却管１３２から前方に向かって延出されている。冷媒導入管１３３及び冷媒排出管１３４は、前方壁部６３１に貫通形成された貫通孔に挿通されている。

冷却器１２において、冷媒導入管１３３から導入された冷媒は、冷却管１３へと流入した後、連結管１３５を適宜通り、各冷却管１３に分配される。そして、各冷却管１３を流れる間に、冷媒は半導体モジュール１１との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷媒は、下流側の連結管１３５を適宜通り、冷媒排出管１３４に導かれ、冷却器１２から排出される。

冷媒としては、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（登録商標）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、アルコ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。

加圧部材５は、ゴムによって形成されており、弾性変形することにより加圧力を発生することができる。加圧部材５と半導体積層ユニット１０とをユニット収納部６１に収納することにより、加圧部材５によって半導体積層ユニット１０を積層方向Ｘに加圧している。尚、加圧部材５としては、板バネ、コイルスプリング等を用いることもできる。

次に、本例の作用効果について説明する。
電力変換装置１は、隔壁部６４１と、隔壁部６４１の後面から後方壁部６３２側に向かって延びるように、つまり、積層方向Ｘに沿うように形成された支持壁部６４２とを有している。支持壁部６４２が隔壁部６４１を補強することにより、支持壁部６４２における剛性を効果的に増大することができる。したがって、隔壁部６４１の厚さを増大させることなく、支持壁部６４２の剛性を向上し、加圧部材５の加圧力による隔壁部６４１の変形を抑制することができる。これにより、隔壁部６４１の厚さを低減し、電力変換装置１の軽量化、小型化及びコスト低減をすることができる。

また、ケース６内の空間は、隔壁部６４１と支持壁部６４２とによって区分されたユニット収納空間６１と補助収納空間６２とを有しており、ユニット収納空間６１及び補助収納空間６２にそれぞれ、半導体積層ユニット１０と補助電子部品２とを収納している。そのため、半導体積層ユニット１０及び補助電子部品２を、ケース６内に整然と配置することができる。これにより、ケース６内のスペースを無駄なく有効活用し、電力変換装置１を小型化することができる。

また、複数の冷却管１３のうち前方側に配置された前方冷却管１３２には、複数の冷却管１３の内部に形成された冷媒流路１３１へ冷媒を導入するための冷媒導入管１３３と、冷媒流路１３１から冷媒を排出するための冷媒排出管１３４とが前方側に向かって延びるように配設されており、支持壁部６４２は、積層方向Ｘから見たとき、冷媒導入管１３３及び冷媒排出管１３４の間に配置されている。そのため、冷媒導入管１３３と冷媒排出管１３４との並び方向において、半導体積層ユニット１０の中央に近い位置に、支持壁部６４２を配置することができる。したがって、支持壁部６４２によって隔壁部６４１を効果的に補強することができる。これにより、隔壁部６４１の変形をより抑制することができる。

また、補助収納空間６２としては、支持壁部６４２によって隔たれた第１補助収納空間６２１と第２補助収納空間６２２とが形成されており、第１補助収納空間６２１及び第２補助収納空間６２２の両方に、補助電子部品２がそれぞれ収納されている。そのため、複数の補助電子部品２をケース６内に整然と配置することができる。したがって、ケース６内の空間をより有効活用し、ケース６内に複数の補助電子部品２を配置した場合においても電力変換装置１を小型化することができる。

また、ユニット収納空間６１及び補助収納空間６２に対して横方向Ｙに隣り合う位置には、外部機器と接続される接続端子３１１、３１２を備える端子台３が配設されており、半導体モジュール１１、補助電子部品２及び接続端子３１１、３１２は、バスバー３２によって電気的に接続されていることが好ましい。この場合には、ケース６内に、半導体モジュール１１、補助電子部品２及び端子台３を整然と収納すると共に、バスバー３２によって、半導体モジュール１１、補助電子部品２及び接続端子３１１、３１２を容易に接続することができる。

以上のごとく、本例の電力変換装置１によれば、軽量化、小型化及びコスト低減をすることができる。

尚、上記実施例１において、隔壁部６４１は、その一端が側方壁部６３３と接続されており、他端は接続壁部６４３と接続されている。これ以外にも、他の壁部と接続されていてもよいし、壁部と接続されることなく離れて配置されていてもよい。
また、支持壁部６４２は、その一端が隔壁部６４１と接続されており、他端が後方壁部６３２と接続されている。支持壁部６４２が中間壁部６７に相当する部材から立設するように形成されている場合、支持壁部６４２と後方壁部６３２とが離れて形成されていてもよい。

また、高さ方向Ｚから見たとき、支持壁部６４２は、積層方向Ｘにおいて、加圧部材５と重なる位置に配設されていることが好ましい。高さ方向Ｚから見たとき、支持壁部６４２は、横方向Ｙにおいて、冷媒導入管１３３と冷媒排出管１３４との間に配設されていることがより好ましい。

１電力変換装置
１０半導体積層ユニット
１１半導体モジュール
１３冷却管
１３１冷媒流路
２補助電子部品
５加圧部材
６ケース
６１ユニット収納空間
６２補助収納空間
６３１前方壁部
６３２後方壁部
６３３側方壁部
６４内側壁部
６４１隔壁部
６４２支持壁部

Claims

半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュール（１１）と、該複数の半導体モジュール（１１）を冷却する複数の冷却管（１３）とを交互に積層した半導体積層ユニット（１０）と、
上記半導体モジュール（１１）と共に電力変換回路を形成する補助電子部品（２）と、
上記半導体積層ユニット（１０）を積層方向に加圧する加圧部材（５）と、
上記半導体積層ユニット（１０）、上記補助電子部品（２）及び上記加圧部材（５）を収納するケース（６）とを有しており、
該ケース（６）は、上記積層方向において、前方側に配設された前方壁部（６３１）と、後方側に配設された後方壁部（６３２）と、上記積層方向と直交する横方向において上記前方壁部（６３１）及び上記後方壁部（６３２）の両端部同士をつなぐ一対の側方壁部（６３３）と、上記前方壁部（６３１）、上記後方壁部（６３２）及び上記一対の側方壁部（６３３）の内側に設けられた内側壁部（６４）とを備えており、
該内側壁部（６４）は、上記前方壁部（６３１）と対向して配設された隔壁部（６４１）と、該隔壁部（６４１）の後端面から後方壁部（６３２）側に向かって延びるように形成された支持壁部（６４２）とを有しており、上記隔壁部（６４１）と上記前方壁部（６３１）との間には、上記半導体積層ユニット（１０）及び上記加圧部材（５）を収納するユニット収納空間（６１）が形成され、上記隔壁部（６４１）と上記後方壁部（６３２）との間には上記補助電子部品（２）を収納する補助収納空間（６２）が形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
上記複数の冷却管（１３）のうち前方側に配置された前方冷却管（１３２）には、上記複数の冷却管（１３）の内部に形成された冷媒流路（１３１）へ冷媒を導入するための冷媒導入管（１３３）と、上記冷媒流路（１３１）から冷媒を排出するための冷媒排出管（１３４）とが前方側に向かって延びるように配設されており、上記支持壁部（６４２）は、上記積層方向及び上記横方向と直交する高さ方向から見たとき、上記冷媒導入管（１３３）及び上記冷媒排出管（１３４）の間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
上記補助収納空間（６２）としては、上記支持壁部（６４２）によって隔たれた第１補助収納空間（６２１）と第２補助収納空間（６２２）とが形成されており、該第１補助収納空間（６２１）及び該第２補助収納空間（６２２）の両方に、上記補助電子部品（２）がそれぞれ収納されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）。
上記ユニット収納空間（６１）及び上記補助収納空間（６２）に対して上記横方向に隣り合う位置には、外部機器と接続される接続端子（３１１、３１２）を備える端子台（３）が配設されており、上記半導体モジュール（１１）、上記補助電子部品（２）及び上記接続端子（３１１、３１２）は、バスバー（３２１、３２２）によって電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。