JP2016059237A

JP2016059237A - 電力変換装置

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Publication number: JP2016059237A
Application number: JP2014186271A
Authority: JP
Inventors: 栄治中川; Eiji Nakagawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-09-12
Also published as: JP6451166B2

Abstract

【課題】電子部品の冷却効率をより向上できる電力変換装置を提供する。【解決手段】積層体１０と、電子部品３と、ケース５と、隔壁部５０と、加圧部材６とを備える。積層体１０及び電子部品４は、ケース５に収容されている。隔壁部５０の一部は、積層体１０と電子部品４との間に介在している。加圧部材６は、隔壁部５０と積層体１０との間に介在している。加圧部材６は、積層体１０をＸ方向に加圧することにより、該積層体１０をケース５内に固定している。電子部品４は、隔壁部５０に接触した状態で、ケース５内に収納されている。加圧部材６は、Ｘ方向への加圧力を生じる複数のばね部６１と、該複数のばね部６１を互いに連結する連結部６２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却管とを積層した積層体と、該積層体を収容するケースと、上記積層体をケース内に固定する加圧部材とを備える電力変換装置に関する。

例えば直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを積層した積層体を備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。上記半導体モジュールには、コンデンサやリアクトル等の電子部品が接続している。これら上記電子部品と上記積層体とは、ケース内に収容されている。

ケース内には、電子部品と積層体との間に介在する隔壁部を形成してある。この隔壁部と積層体との間に、板ばね等の加圧部材が配されている。この加圧部材によって、積層体を積層方向に加圧することにより、上記積層体をケース内に固定するよう構成されている。

電力変換装置を稼働すると上記電子部品が発熱する。そのため、上記電力変換装置は、上記冷却管を用いて、電子部品を冷却できる構造になっている。すなわち、電子部品から発生した熱は、上記隔壁部に伝わり、さらに上記加圧部材に伝わる。その後、熱は、上記積層方向において加圧部材に隣り合う位置に配された冷却管である端部冷却管に伝わる。これにより、電子部品を冷却できるようになっている。

特開２０１３−５５８４０号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、電子部品の冷却効率が必ずしも充分に高いとは言えなかった。すなわち、上記電力変換装置では、電子部品と隔壁部との間に隙間が形成されているため、電子部品から発生した熱が隔壁部に伝わりにくい。

また、上記電力変換装置では、加圧部材として、金属板を大きく湾曲させた板ばねを用いている。そのため、加圧部材と端部冷却管とが熱的に接触している箇所の数、および加圧部材と隔壁部とが熱的に接触している箇所の数が少ない。したがって、隔壁部から端部冷却管への、熱の伝導経路の数が少ない。そのため、上記電力変換装置は、電子部品から発生し隔壁部に伝わった熱が、加圧部材を介して端部冷却管へ伝わる効率が充分に高くなかった。そのため、電子部品の冷却効率を充分に高めることができなかった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、電子部品の冷却効率をより向上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、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを積層してなる積層体と、
上記半導体モジュールに電気接続した電子部品と、
上記積層体及び上記電子部品を収容するケースと、
該ケース内に設けられ、その厚さ方向が上記積層体の積層方向と一致するように配されると共に、少なくとも一部が上記積層体と上記電子部品との間に介在した金属製の隔壁部と、
該隔壁部と上記積層体との間に介在し、上記積層体を上記積層方向に加圧することにより、上記積層体を上記ケース内に固定する金属製の加圧部材とを備え、
上記電子部品は、上記隔壁部に接触した状態で、上記ケース内に収納されており、
上記加圧部材は、上記積層方向への加圧力を生じる複数のばね部と、該複数のばね部を互いに連結する連結部とを備えることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置の電子部品は、上記隔壁部に接触した状態で、ケース内に収容されている。そのため、電子部品から発生した熱を隔壁部に伝えやすくなり、電子部品の冷却効率を高めることが可能となる。

また、上記電力変換装置の加圧部材は、複数の上記ばね部を備える。このようにすると、個々のばね部を、熱伝導の経路とすることができ、隔壁部から端部冷却管への、熱伝導経路の数を増やすことができる。そのため、電子部品から発生し隔壁部に伝わった熱を、複数のばね部を介して端部冷却管に効率的に伝えることができる。これにより、電子部品の冷却効率を高めることが可能となる。

以上のごとく、本発明によれば、電子部品の冷却効率をより向上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、電力変換装置の断面図であって、図４のI-I断面図。実施例１における、薄肉加圧部材の斜視図。実施例１における、積層体を取り除いた状態での電力変換装置の要部拡大平面図。図１のIV-IV断面図。図１のV-V断面図。実施例１における、電力変換装置の要部拡大断面図。実施例１における、ケースの分解斜視図。実施例１における、電力変換装置の回路図。実施例１における、端部冷却管のモジュール隣接部のみに加圧部材が接触した電力変換装置の断面図。実施例１における、端部冷却管のモジュール隣接部と上流部のみに加圧部材が接触した電力変換装置の断面図。実施例１における、端部冷却管のモジュール隣接部と下流部のみに加圧部材が接触した電力変換装置の断面図。実施例２における、加圧部材の平面図。実施例３における、加圧部材の側面図。図１３のXIV矢視図。実施例３における、ばね部の数を増やした加圧部材の平面図。実施例４における、加圧部材の側面図。図１６のXVII矢視図。実施例５における、加圧部材の側面図。図１８のXIX矢視図。

上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための車載用電力変換装置とすることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置に係る実施例について、図１〜図１１を用いて説明する。図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、積層体１０と、電子部品４と、ケース５と、隔壁部５０と、加圧部材６とを備える。積層体１０は、半導体素子２０（図８参照）を内蔵した複数の半導体モジュール２と、該半導体モジュール２を冷却する複数の冷却管３とを積層してなる。電子部品４は、図示しないバスバーによって、半導体モジュール２に電気的に接続されている。

積層体１０及び電子部品４は、ケース５に収容されている。隔壁部５０は、ケース５内に設けられている。隔壁部５０は金属製であり、その厚さ方向が積層体１０の積層方向（Ｘ方向）と一致するように配されている。隔壁部５０の一部は、積層体１０と電子部品４との間に介在している。
加圧部材６は金属製であり、隔壁部５０と積層体１０との間に介在している。加圧部材６は、積層体１０をＸ方向に加圧することにより、該積層体１０をケース５内に固定している。

電子部品４は、隔壁部５０に接触した状態で、ケース５内に収納されている。
図１、図６に示すごとく、加圧部材６は、Ｘ方向への加圧力を生じる複数のばね部６１と、該複数のばね部６１を互いに連結する連結部６２とを備える。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。

本例の電子部品４は、直流電源８０（図８参照）の電圧を平滑化するためのコンデンサ４ａである。図１、図５に示すごとく、コンデンサ４ａは、コンデンサ素子４１と、該コンデンサ素子４１を封止する封止部材４２とからなる。封止部材４２は、隔壁部５０に接触している。

また、図１に示すごとく、複数の冷却管３のうち、Ｘ方向において隔壁部５０から最も遠い位置に配された他端側冷却管３ｂには、冷媒１１を導入するための導入管１２と、冷媒１１を導出するための導出管１３とが接続している。また、Ｘ方向に隣り合う２つの冷却管３は、連結管１４によって連結されている。連結管１４は、導入管１２と導出管１３との配列方向（Ｙ方向）における、冷却管３の両端に設けられている。

上記導入管１２から冷媒１１を導入すると、冷媒１１は、連結管１４を通って全ての導入管１２を流れ、導出管１３から導出する。これにより、個々の半導体モジュール２を冷却するよう構成してある。また、積層体１０と隔壁部５０との間には、上記加圧部材６が配されている。この加圧部材６によって積層体１０をＸ方向に加圧することにより、半導体モジュール２と冷却管３との接触圧を確保しつつ、積層体１０をケース５内に固定している。

図１、図３、図６に示すごとく、本例では、加圧部材６よりもＸ方向における厚さが薄い薄肉加圧部材６０を複数枚、Ｘ方向に重ね合わせることにより、加圧部材６を構成している。個々の薄肉加圧部材６０は、図２に示すごとく、複数の薄肉ばね部６１０と、該複数の薄肉ばね部６１０を互いに連結する薄肉連結部６２０とを備える。薄肉加圧部材６０は、一枚の金属板から構成されている。

薄肉ばね部６１０は、中央部６１１と、該中央部６１１から斜め方向に延出した一対のばね本体部６１１とからなる。個々のばね本体部６１１は、Ｘ方向から見たときの形状が台形状を呈する。また、ばね本体部６１１の先端には、Ｙ方向に突出した突部６１３が形成されている。

上述したように、本例では、複数の薄肉加圧部材６０をＸ方向に重ね合わせることにより、加圧部材６を構成している。図６に示すごとく、複数の薄肉連結部６２０が重なり合って、上記連結部６２となっている。また、複数の薄肉ばね部６１０が重なり合って、ばね部６１となっている。

加圧部材６を、隔壁部５０に対してＸ方向に押圧すると、ばね部６１の角度θが開く。ばね部６１には、この角度θを元に戻す復元力が生じる。この復元力を用いて、積層体１０をＸ方向に加圧するよう構成されている。

図６に示すごとく、冷却管３は、Ｘ方向において半導体モジュール２に隣り合う部位であるモジュール隣接部３５と、該モジュール隣接部３５よりも冷媒１１の上流に位置する部位である上流部３０と、モジュール隣接部３５よりも冷媒１１の下流に位置する部位である下流部３１（図１参照）とを有する。加圧部材６は、複数の冷却管３のうちＸ方向において隔壁部５０に最も近い位置に配された端部冷却管３ａのモジュール隣接部３５と上流部３０とに接触している。また、図１に示すごとく、加圧部材６は、端部冷却管３ａの下流部３１にも接触している。

図６に示すごとく、本例の加圧部材６は、隔壁部５０と端部冷却管３ａとに接触している。すなわち、加圧部材６と隔壁部５０との間、および加圧部材６と端部冷却管３ａとの間には、補強板等の他の部材が介在していない。本例の加圧部材６は、複数のばね部６１を備えるため、加圧力が一点に集中せず、加圧力を端部冷却管３ａに分散させて伝えることができる。仮に、加圧力が一点に集中したとすると、この加圧力によって端部冷却管３ａが凹まないように、加圧部材６と端部冷却管３ａとの間に補強板等を介在させる必要が生じるが、本例の加圧部材６は、加圧力が一点に集中しないため、補強板等を必ずしも介在させる必要はない。
なお、加圧部材６の加圧力が大きい場合は、端部冷却管３ａの変形を防止するために、補強板を介在させてもよい。

図６に示すごとく、冷却管３の内部には、冷媒１１が流れる流路３００が形成されている。また、冷却管３内には、流路３００をＸ方向に分割する分割板３９が設けられている。

一方、図４に示すごとく、本例の半導体モジュール２は、半導体素子２０（図８参照）を内蔵した本体部２１と、該本体部２１から突出した複数のパワー端子２２と、制御端子２３とを備える。パワー端子２２には、直流電圧が加わる正極端子２２ａおよび負極端子２２ｂと、交流負荷８１（図８参照）に接続される交流端子２２ｃとがある。正極端子２２ａと負極端子２２ｂは、図示しないバスバーによって、コンデンサ４ａに接続される。また、制御端子２３は、制御回路基板７に接続している。この制御回路基板７によって、半導体素子２０のスイッチング動作を制御している。これにより、直流電源８０（図８参照）から供給される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を用いて、交流負荷８１を駆動するよう構成されている。

図１、図５に示すごとく、ケース５内には、上記隔壁部５０の他に、補助壁部５１と底壁部５５とが形成されている。ケース５の外壁部５４と、隔壁部５０と、補助壁部５１と、底壁部５５とによって囲まれた空間Ｓｃ内に、コンデンサ４ａが収納されている。上記外壁部５４と隔壁部５０と補助壁部５１と底壁部５５とは金属からなり、一体的に形成されている。

コンデンサ４ａは、上述したように、コンデンサ素子４１と、該コンデンサ素子４１を封止する封止部材４２とを備える。コンデンサ素子４１には、金属板４３，４４が接続している。この金属板４３，４４の一部は、封止部材４２から突出し、コンデンサ端子４３０，４４０となっている。このコンデンサ端子４３０，４４０は、図示しないバスバーによって、半導体モジュール２の上記正極端子２２ａ及び負極端子２２ｂに接続される。

図１に示すごとく、ケース５内には、コンデンサ４ａに対してＹ方向に隣り合う位置に、図示しない端子台を配置するための端子台配置空間Ｓｔが設けられている。この端子台を用いて、電力変換装置１を、直流電源８０（図１参照）及び交流負荷８１に電気接続するよう構成されている。

図７に示すごとく、ケース５は、外壁部５４に形成されＸ方向に貫通した貫通穴５３を備える。この貫通穴５３を塞ぐように、蓋部５２を取り付けてある。蓋部５２は、外壁部５４にボルト固定される。

電力変換装置１を製造する際には、加圧部材６と積層体１０を、貫通穴５３からケース５内に挿入する。そして、ボルト５２９（図１参照）を用いて、蓋部５２をケース５の外壁部５４に固定する。ボルト５２９の締結力を用いて、積層体１０をＸ方向に圧縮すると共に、加圧部材６をＸ方向に圧縮する。これにより、加圧部材６を弾性変形させ、上記加圧力を生じさせている。

本例の作用効果について説明する。本例では、電子部品４を、隔壁部５０に接触した状態で、ケース５内に収容してある。そのため、電子部品４から発生した熱を隔壁部５０に伝えやすくなり、電子部品４の冷却効率を高めることが可能となる。

また、図６に示すごとく、本例の加圧部材６は、複数のばね部６１を備える。このようにすると、個々のばね部６１を、熱伝導の経路とすることができ、隔壁部５０から端部冷却管３ａへの、熱伝導経路の数を増やすことができる。そのため、電子部品４から発生し隔壁部５０に伝わった熱を、複数のばね部６１を介して、効率的に端部冷却管３ａに伝えることができる。これにより、電子部品４の冷却効率を高めることが可能となる。

また、本例の加圧部材６は、端部冷却管３ａと隔壁部５０とに、それぞれ接触している。すなわち、加圧部材６と端部冷却管３ａとの間、および加圧部材６と隔壁部５０との間に、他の部材が介在していない。そのため、熱が、隔壁部５０から加圧部材６に伝わりやすくなる。また、熱が、加圧部材６から端部冷却管３ａに伝わりやすくなる。したがって、電子部品４の冷却効率をより高めることが可能となる。

また、図６に示すごとく、本例の加圧部材６は、端部冷却管３ａのモジュール隣接部３５と上流部３０とに接触している。
そのため、電子部品４の冷却効率をより高めることができる。すなわち、上流部３０を流れる冷媒１１は、半導体モジュール２によって加熱されていないため、温度が比較的低い。したがって、加圧部材６を上流部３０に接触させることにより、熱を効率的に上流部３０に伝えることが可能となる。そのため、電子部品４の冷却効率を一層、向上させることができる。

また、図１に示すごとく、本例の加圧部材６は、端部冷却管３ａのモジュール隣接部３５と上流部３０の他に、上記下流部３１にも接触している。このようにすると、加圧部材６が端部冷却管３ａに接触する面積を増やすことができる。したがって、隔壁部５０から熱を、加圧部材６を介して、端部冷却管３ａに効果的に伝えることができる。これにより、電子部品４の冷却効率を更に向上させることができる。

また、本例では、複数の薄肉加圧部材６０をＸ方向に重ね合わせることにより、加圧部材６を構成している。
仮に、加圧部材を１個の部品によって構成したとすると、必要荷重を発生させるためには、積層方向における加圧部材の体格を大きくする必要が生じる。体格を大きくしないと、必要荷重を発生できなくなる場合がある。また、加圧部材に大きな応力が加わるおそれがある。これに対して、本例のように複数の薄肉加圧部材６０を重ね合わせて加圧部材６を構成すれば、個々の薄肉加圧部材６０の発生荷重は小さいが、複数枚重ねることで、並列作用により必要荷重を満足することができ、加圧部材６を変形させた際に、個々の薄肉加圧部材６０に加わる応力を小さくすることができる。したがって、加圧部材６全体に大きな応力が加わることを抑制できる。また、積層方向における加圧部材６の体格を小さくすることができる。

以上のごとく、本例によれば、電子部品の冷却効率をより向上できる電力変換装置を提供することができる。

なお、本例では、電子部品４としてコンデンサ４ａを用いているが、本発明はこれに限るものではなく、例えばリアクトルを用いることもできる。

また、本例では図６に示すごとく、複数の薄肉加圧部材６０を積層して加圧部材６を構成しているが、本発明はこれに限るものではなく、加圧部材６を一枚の金属板によって形成することもできる。

また、本例では図１に示すごとく、端部冷却管３ａのモジュール隣接部３５と上流部３０と下流部３１とに、それぞれ加圧部材６が接触しているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、図９に示すごとく、端部冷却管３ａのモジュール隣接部３５にのみ加圧部材６を接触させてもよく、また、図１０に示すごとく、端部冷却管３ａのモジュール隣接部３５と上流部３０のみに加圧部材６を接触させてもよい。さらには、図１１に示すごとく、端部冷却管３ａのモジュール隣接部３５と下流部３０のみに加圧部材６を接触させてもよい。

また、本例では図１に示すごとく、ケース５と各壁部５０とを一体化しているが、これらを別体にしてもよい。

（実施例２）
以下の実施例においては、図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例は、薄肉加圧部材６０の構造を変更した例である。図１２に示すごとく、本例の薄肉加圧部材６０は、実施例１と同様に、複数の薄肉ばね部６１０と、該複数の薄肉ばね部６１０を互いに連結する薄肉連結部６２０とを備える。薄肉ばね部６１０は、中央部６１２と、該中央部６１２から突出した一対のばね本体部６１１とからなる。この薄肉加圧部材６０を複数枚、Ｘ方向に重ね合わせることにより、加圧部材６０を構成してある。本例の薄肉ばね部６１０は、Ｘ方向から見たときの形状が長方形である。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、薄肉加圧部材６０の構造を変更した例である。図１３、図１４に示すごとく、本例の薄肉加圧部材６０は、薄肉ばね部６１０をコイルばねによって構成してある。個々の薄肉ばね部６１０は、薄肉連結部６２０の主面６２９に接続されている。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

なお、上記薄肉加圧部材６０では、複数の薄肉ばね部６１０を薄肉連結部６２０に、一列に配列させた状態で取り付けているが、本例はこれに限るものではなく、図１５に示すごとく、複数の薄肉ばね部６１０を薄肉連結部６２０に互い違いに取り付けてもよい。

（実施例４）
本例は、薄肉加圧部材６０の構造を変更した例である。図１６、図１７に示すごとく、本例では、薄肉ばね部６１０を皿ばねによって構成してある。個々の薄肉ばね部６１０は、薄肉連結部６２０の主面６２９に接続されている。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施例５）
本例は、薄肉加圧部材６０の構造を変更した例である。図１８、図１９に示すごとく、本例では、薄肉ばね部６１０を板ばねによって構成してある。個々の薄肉ばね部６１０は、薄肉連結部６２０の主面６２９に接続されている。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

１電力変換装置
１０積層体
２半導体モジュール
２０半導体素子
３冷却管
４電子部品
５ケース
５０隔壁部
６加圧部材
６１ばね部
６２連結部

Claims

半導体素子（２０）を内蔵した複数の半導体モジュール（２）と、該半導体モジュール（２）を冷却する複数の冷却管（３）とを積層してなる積層体（１０）と、
上記半導体モジュール（２）に電気接続した電子部品（４）と、
上記積層体（１０）及び上記電子部品（４）を収容するケース（５）と、
該ケース（５）内に設けられ、その厚さ方向が上記積層体（１０）の積層方向と一致するように配されると共に、少なくとも一部が上記積層体（１０）と上記電子部品（４）との間に介在した金属製の隔壁部（５０）と、
該隔壁部（５０）と上記積層体（１０）との間に介在し、上記積層体（１０）を上記積層方向に加圧することにより、上記積層体（１０）を上記ケース（５）内に固定する金属製の加圧部材（６）とを備え、
上記電子部品（４）は、上記隔壁部（５０）に接触した状態で、上記ケース（５）内に収納されており、
上記加圧部材（６）は、上記積層方向への加圧力を生じる複数のばね部（６１）と、該複数のばね部（６１）を互いに連結する連結部（６２）とを備えることを特徴とする電力変換装置（１）。
上記加圧部材（６）は、上記複数の冷却管（３）のうち上記積層方向において上記隔壁部（５０）に最も近い位置に配された端部冷却管（３ａ）と、上記隔壁部（５０）とにそれぞれ接触し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）。
上記冷却管（３）に冷媒（１１）を流すことにより、上記半導体モジュール（２）を冷却するよう構成され、上記冷却管（３）は、上記積層方向において上記半導体モジュール（２）に隣り合うモジュール隣接部（３５）と、該モジュール隣接部（３５）よりも上記冷媒（１１）の上流側に位置する上流部（３０）と、上記モジュール隣接部（３５）よりも上記冷媒（１１）の下流側に位置する下流部（３１）とを有し、上記加圧部材（６）は、上記複数の冷却管（３）のうち上記積層方向において上記隔壁部（５０）に最も近い位置に配された端部冷却管（３ａ）の上記上流部（３０）と上記モジュール隣接部（３５）とに接触していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置（１）。