JP2015201981A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書が開示する技術は、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器を交互に積層した積層ユニットを荷重しつつケースに保持させる組み立て工程を容易化する電力変換器を提供する。【解決手段】電力変換器２は、ケース内で積層ユニット１０に荷重を加える荷重部品３０を備える。荷重部品３０は、積層ユニットとケースの支持部との間に嵌挿されている。荷重部品３０は、積層ユニットの端面に接する当接プレート３１と、中央が当接プレートに支持されており両端が当接プレートから離れている板バネと、当接プレートの両端の夫々に回転可能に支持されており板バネを係止する係止レバー３４を備えている。係止されている板バネの両端に外力を加えて係止レバーに加わっている板バネの復元力を開放すると自重により係止レバーが回転して板バネとの係合が解除され、積層ユニット１０に荷重が加えられる。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換器に関する。特に、電動車両に搭載され、走行用のモータに電力を供給する電力変換器に関する。

電動車両は、走行用のモータに電力を供給する電力変換器を備える。電力変換器の典型はバッテリの直流電力を交流に変換するインバータや電圧を変える電圧コンバータである。走行用のモータは消費電力が大きく、電力変換器は大電力を扱う。それゆえ、電力変換器は発熱量が大きい。特に、パワー半導体素子と呼ばれる電力変換用のスイッチング素子の発熱量が大きい。直流を交流に変換する三相交流インバータは少なくとも６個のスイッチング素子を必要とする。バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧動作と、回生電力を降圧してバッテリに供給する降圧動作を行うチョッパ型の昇降圧電圧コンバータは少なくとも２個のスイッチング素子を必要とする。このように電極変換器は多数のスイッチング素子を備える。

発熱量の大きい多数のスイッチング素子を集約して効率よく冷却するための技術が特許文献１−３に開示されている。それらの文献に開示された技術では、少数のスイッチング素子を封止した複数のパワーカードと複数の冷却器を備えており、パワーカードと冷却器を交互に積層した積層ユニットを採用する。平板型の各パワーカードはその両面に冷却器が当接して冷却される。

積層ユニットを採用する場合、冷却効率を高めるために積層ユニットをその積層方向に荷重することが好ましい。荷重は数キロニュートンに及ぶことがあるため、積層ユニットに荷重を加える部品（荷重部品）にも工夫が必要である。特許文献１−３には様々な荷重部品が開示されている。特許文献１は、クリップ状の荷重部品を採用する。クリップは治具により挟持されて幅を狭められた状態で積層ユニットとケースに設けられた支持部との間に嵌挿される。クリップは、嵌挿後に開放され、積層ユニットに荷重を加える。

特許文献２に開示された技術は次の通りである。ケースに、積層ユニットの端面と対向する位置に一対の支柱が設けられている。支柱の積層ユニットとは反対側に支柱の間隔よりも長いアーチ型の板バネを配置する。板バネを治具で一対の支柱の間に押し込んで板バネを積層ユニット端面と支持柱の間に圧入する。また、特許文献３には、当接プレートと板バネよりなる荷重部品が開示されている。当接プレートは、積層ユニットの端面に当てる部材である。その当接プレートにＶ字型（Ｕ字型）の板バネが固定されている。板バネの中央が当接プレートに固定されている。荷重部品は、板バネの両端を当接プレートに押し付けた状態で積層ユニットとケースに設けられた支持部の間に嵌挿される。嵌挿後、板バネを解放すると板バネが積層ユニットに荷重を加える。

特開２０１１−１６７０２８号公報 特開２０１４−０１３８３１号公報 特開２０１４−０１１９３６号公報

特許文献１の技術では、クリップを縮めた状態に保持する治具が必要である。特許文献２の技術では、ケースに収めた積層ユニットに向けてアーチ状の板バネを押し込む治具が必要である。特許文献３の技術も荷重部品の板バネを圧縮しておく治具が必要である。いずれの治具も、クリップあるいは板バネを縮める大きな荷重を所定時間保持する必要があり、積層ユニットを荷重しつつケースに保持させる組み立て工程が複雑となる。本明細書が開示する技術は、積層ユニットを荷重しつつケースに保持させる組み立て工程を容易化することのできる構造を提供する。

本明細書が開示する電力変換器は、上記した積層ユニットを特殊な荷重部品により荷重を加えつつケースに保持させる。その荷重部品は、当接プレートと板バネと係止レバーを備える。当接プレートは、一方の面が積層ユニットの端面に当接し、他方の面に板バネが取り付けられる。板バネは、Ｖ字形状（Ｕ字形状を含む）であり、その中央が当接プレートの中央に支持されており、両端が当接プレートから離れている。係止レバーは、当接プレートの両端の夫々に回転可能に支持されている。各係止レバーは、板バネに向けて伸びており、板バネの端を当接プレートに近づけた状態で係止するフックがその先端に設けられている。その係止レバーが板バネを係止しているときの荷重部品の厚み（積層ユニットの積層方向の厚み）が、積層ユニットとケース支持部との間の隙間幅以下である。そして、係止されている板バネの両端に外力を加えて係止レバーに加わる板バネの復元力（反力）を開放すると、係止レバーの自重により係止レバーが回転して板バネとの係合が解除されように構成されている。

上記の荷重部品は、部品内で閉じた力（いわゆる内力）で板バネを縮めた状態に保持できる。従って、板バネを長時間にわたり縮めた状態に保持する治具が不要となる。また、上記の荷重部品は、係止された板バネを僅かに押し込めば板バネを開放できる。上記の荷重部品を採用すれば、板バネを縮めておく治具を要することなく積層ユニットと荷重部品をケースに設置できる。その後、一時的に板バネを当接プレートに向けて僅かに一時的に押し込めば、板バネを拘束している係合レバーがその自重で外れ、板バネが開放され、板バネが積層ユニットに荷重を加える。この荷重部品を採用した電力変換器は、組み立て工程を簡素化することができる。

本明細書が開示する技術は、積層ユニットを荷重しつつケースに保持させる組み立て工程を簡素化することのできる電力変換器を提供する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換器の分解斜視図である。 荷重部品の斜視図である。図２（Ａ）は板バネを拘束した状態を示しており、図２（Ｂ）は板バネを解放した状態を示している。 電力変換装置の平面図である図３（Ａ）は板バネを拘束した状態を示しており、図３（Ｂ）は板バネを解放した状態を示している。 変形例の荷重部品の斜視図である。図４（Ａ）は板バネを拘束した状態を示しており、図４（Ｂ）は板バネを解放した状態を示している。

図面を参照して実施例の電力変換器を説明する。実施例の電力変換器は、電動車両に搭載され、バッテリの直流電力を昇圧する電圧コンバータと、電圧コンバータの直流出力を交流電力に変換するインバータを含む。ただし、図面を含め、本実施例では、電圧コンバータやインバータの主要部品である電力変換用のスイッチング素子（半導体素子）を集約した積層ユニット１０とそれを収容するケースに着目し、他の部品、例えば、大容量コンデンサやリアクトル、スイッチング素子に供給する駆動信号を生成する制御基板などは、説明と図示を省略する。

図１に、電力変換器２の分解斜視図を示す。図１は、積層ユニット１０とそれを収容するケース３の斜視図である。先に述べたように、他のデバイスは図示を省略しており、ケース３のサイズも積層ユニット１０を収容するだけのサイズに簡素化している。また、図中の座標系のＸ軸方向が積層ユニットの積層方向に相当する。Ｚ軸は、電力変換器２が車載されたときの鉛直方向に相当する。

積層ユニット１０は、複数のパワーカード２０と複数の冷却器１２を含んでおり、パワーカード２０と冷却器１２を交互に積層したユニットである。パワーカード２０は、４個の半導体素子２５ａ−２５ｄを樹脂でモールドしたパッケージである。その筐体を樹脂モールド２１と称する。半導体素子は、２個のスイッチング素子２５ａ、２５ｂと、２個のダイオード２５ｃ、２５ｄである。２個のスイッチング素子２５ａと２５ｂは、樹脂モールド２１の内部で直列に接続されており、２個のダイオード２５ｃ、２５ｄの夫々は、樹脂モールド２１の内部で各スイッチング素子に逆並列に接続されている。樹脂モールド２１からは３個のパワー端子２２と、２グループの制御端子２３が伸びている。３個のパワー端子２２は、スイッチング素子の直列回路の高電位側端子、低電位側端子、及び、中点の端子に相当する。２グループの制御端子２３は、２個のスイッチング素子２５ａ、２５ｂの夫々のゲート電極に繋がっている。また樹脂モールド２１は平板型であり、積層ユニット１０の積層方向（図中のＸ軸方向）の両側にセラミックス製の絶縁板２４が配置される。パワーカード２０と絶縁板２４の間、及び、絶縁板２４と冷却器１２の間にはグリスが塗布されている。なお、図１では、積層ユニット１０から分離して描いた一つのパワーカード２０（及び絶縁板２４）だけを詳しく描き、積層ユニット１０に組み込まれている他のパワーカード２０については端子と絶縁板の図示を省略して単純な直方体で表している。

各パワーカード２０は、冷却器１２に挟まれている。冷却器１２は、その内部を冷媒が流れる。積層方向（図中のＸ軸方向）から見て、冷却器１２はパワーカードを挟んで両側に貫通孔を有しており、その貫通孔に連結管１５が接続されている。連結管１５は、隣接する冷却器の貫通孔同士を接続する。積層ユニット１０の一方の端の冷却器１２には、冷媒供給管１３と冷媒排出管１４が接続されている。冷媒供給管１３と冷媒排出管１４は、ケース３の外へと伸びており、不図示の冷媒循環装置と連結される。冷媒供給管１３を介して電力変換器２の外部から冷媒が積層ユニット１０へ供給される。冷媒は各連結管１５を通じて全ての冷却器１２に分配される。冷媒は冷却器１２の筐体内を流れる間に隣接するパワーカード２０から熱を吸収する。冷却器１２から出た冷媒は他方の連結管１５と冷媒排出管１４を通じて外部へと排出される。

パワーカード２０と冷却器１２の間の熱伝導を促進するため、積層ユニット１０は、その積層方向に荷重を加えた状態でケース３に収容され、保持される。詳しくは後述するが、積層ユニット１０は、ケース３に設けられた内壁と支持柱４との間に設置され、さらに積層ユニット１０の一端と支持柱４の間に荷重部品３０が嵌挿され、その荷重部品３０が積層ユニット１０に荷重を加える。

荷重部品３０を説明する。図２に荷重部品３０の斜視図を示す。図２（Ａ）は、板バネ３２を拘束した状態を示しており、図２（Ｂ）は、板バネ３２を解放した状態を示している。前述したように、荷重部品３０は、積層ユニット１０の積層方向の端とケース３の支持柱４との間に嵌挿されて積層ユニット１０に荷重を加えるデバイスである。荷重部品３０は、当接プレート３１と板バネ３２を備える。当接プレート３１は、細長い金属板であり、図１に示したように、その一方の平面が積層ユニット１０の積層方向の端面に接する。当接プレート３１の他方の平面の中央に板バネ３２が支持される。符号３３は、板バネ３２を固定している固定点を示している。板バネ３２は、Ｖ字型（Ｕ字型）のバネ鋼板で作られており、Ｖ字の中央が当接プレート３１に固定されている。板バネ３２の両端、即ち、Ｖ字の両端は、当接プレート３１から離れている。図１と図２の座標系を比較すると理解されるように、板バネ３２の両端は、積層ユニット１０の積層方向（図中のＸ軸方向）に沿って当接プレート３１から離れている。

板バネ３２の両端に対応する位置であって当接プレート３１の両端の夫々に係止レバー３４が取り付けられている。係止レバー３４は、当接プレート３１に対して自由回転可能に取り付けられている。係止レバー３４は、図中のＸ軸回りに自由回転が可能である。係止レバー３４は、当接プレート３１から板バネ３２の端部の方向へと伸びている。係止レバー３４の先端にはフック３５が設けられている。板バネ３２の両端を当接プレート３１に向けて押圧しておき、フック３５が板バネ３２の前面に位置するまで係止レバー３４を回転させ、板バネ３２を押圧していた外力を解放すると、板バネ３２は係止レバー３４に係止される（図２（Ａ））。板バネ３２の復元力が係止レバー３４に加わり続けるため、係止レバー３４が自然に外れることはない。

前述したように、図中のＺ軸は、電力変換器２が車載されたときの鉛直方向に相当する。従ってＸ軸とＹ軸は水平方向を向く。図２（Ａ）に符号Ｆの矢印線で示すように、係止レバー３４に係止された板バネ３２の両端にＸ軸方向の外力を加えると、フック３５に加わっていた板バネ３２の復元力（反力）が開放される。そうすると、係止レバー３４は自由回転可能になり、水平方向を向いていたフック３５の自重によりフック３５がＺ軸下方を向くように係止レバー３４が回転する。図中の符号Ｒ１が示す矢印曲線が回転の方向を示している。係止レバー３４が回転すると、板バネ３２と係止レバー３４の係合が解除される。図２（Ｂ）に示すように、フック３５が下方を向いた後に、板バネ３２に加えていた外力を解放すると、係止レバー３４による板バネ３２の拘束が解除されているので板バネ３２は元の位置へ戻る。

荷重部品３０の上記した動きを利用すると、積層ユニット１０のケース３への組み付け作業が簡素化される。図３を参照して組み付け工程を説明する。図３は、電力変換器２を平面視した図である。図３（Ａ）は、板バネ３２を係止レバー３４で拘束した状態の荷重部品３０と積層ユニット１０をケース３に設置した図である。積層ユニット１０は、その積層方向の一端（図中の右端）がケース３の支持壁３ａの側面に当接するようにケース３に設置される。そして、積層ユニット１０の他方の端と支持柱４との間に荷重部品３０が嵌挿される。図３（Ａ）に示すように、係止レバー３４が板バネ３２を係止しているときの荷重部品３０の厚みＷ１（当接プレート３１から係止レバー３４の先端までの距離）は、積層ユニット１０と支持柱４との間の隙間Ｗ２よりも小さい。それゆえ、板バネ３２が係止された荷重部品３０は積層ユニット１０と支持柱４との間に容易に挿入できる。

積層ユニット１０と荷重部品３０をケース３に設置した後、図２（Ａ）の矢印線Ｆが示すように板バネ３２の両端に、板バネ３２の両端を当接プレート３１に近づけるように外力を一時的に加える。そうすると、前述したように、係止レバー３４がその自重で回転し、係止レバー３４による板バネ３２の係合が外れる。即ち、板バネ３２が開放される。図３（Ｂ）に示すように、解放された板バネ３２の両端はフック３５を超えて当接プレート３１から離れ、支持柱４に当接し、支持柱４に支えられて積層ユニット１０に荷重を加えるようになる。こうして、板バネ３２に一時的な外力を加えるだけで、積層方向の荷重を加えながら積層ユニット１０をケース３に保持することができる。

図４を参照して荷重部品の変形例を説明する。図４の荷重部品１３０は、係止レバー１３４の回転方向が先の荷重部品３０と異なる。係止レバー１３４は、当接プレート１３１に連結している基部が図中のＹ軸回りに回転する。係止レバー１３４は、先の荷重部品３０と同様に先端にフック１３５を有しており、そのフック１３５は、板バネ１３２の両端に設けられた切欠１３２ａにて板バネ１３２を係止する。この状態で、矢印線Ｆが示すように、板バネ１３２の両端に、当接プレート１３１に向かう外力を一時的に加え、フック１３５に加わっている板バネ１３２の復元力を解放すると、フック１３５とともに係止レバー１３４がその自重によりＹ軸回りに回転する。図４（Ａ）の矢印線Ｒ２が、係止レバー１３４の回転方向を示している。係止レバー１３４が回転すると、図４（Ｂ）に示すように、板バネ１３２が開放され、元の形状に戻る。図４の荷重部品１３０は、図２と図３に示した荷重部品３０に代えて用いることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図２の荷重部品３０と図４の荷重部品１３０を見ると理解できるように、係止レバー３４（１３４）は、電力変換器が車載された状態において水平方向を向く軸に沿って伸びており、その周りに自由回転可能に当接プレートに取り付けられていればよい。そして、係止レバーは先端がＬ字に曲がっており、その屈曲部で板バネを係止する。板バネを係止しているときには係止レバーは当接プレートから水平方向に伸びている。それゆえ、板バネを押し込んで係止レバーに加わっている板バネの復元力を解消すると、係止レバーは自重により当接プレートとの連結点から回転し、板バネが開放される。

実施例の積層ユニット１０では、パワーカード２０と冷却器１２が１枚づつ交互に積層されているが、積層は一枚づつに限られない。例えば、２個のパワーカード２０を冷却器１２で挟持するように積層されていてもよい。なお、ケースの支持壁３ａと支持柱４が支持部の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換器
３：ケース
３ａ：支持壁
４：支持柱
１０：積層ユニット
１２：冷却器
１３：冷媒供給管
１４：冷媒排出管
１５：連結管
２０：パワーカード
２１：樹脂モールド
２２：パワー端子
２３：制御端子
２４：絶縁板
２５ａ−２５ｄ：半導体素子
３０、１３０：荷重部品
３１、１３１：当接プレート
３２、１３２：板バネ
３４、１３４：係止レバー
３５、１３５：フック
１３２ａ：切欠

Claims (1)

1. 半導体素子を収容したパワーカードと冷却器を交互に積層した積層ユニットと、
   前記積層ユニットを収容するケースと、
   前記積層ユニットの積層方向の端面とケースに設けられた支持部との間に嵌挿されており、前記積層ユニットに積層方向の荷重を加える荷重部品と、
   を備えており、前記荷重部品は、
   積層ユニットの端面に接する当接プレートと、
   当接プレートに取り付けられている板バネであって板バネの中央が前記当接プレートの中央に支持されており、両端が当接プレートから離れている板バネと、
   当接プレートの両端の夫々に回転可能に支持されており、前記板バネの端を前記当接プレートに近づけた状態で係止する係止レバーと、
   を備えており、
   前記係止レバーが前記板バネを係止しているときの前記荷重部品の前記積層方向の厚みが前記積層ユニットと前記支持部との間の隙間幅以下であり、
   係止されている前記板バネの両端に外力を加えて前記係止レバーに加わっている板バネの復元力を開放すると自重により前記係止レバーが回転して当該板バネとの係合が解除される、
   ことを特徴とする電力変換器。

Images