JP2016063595A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒューズ及び分岐配線を内蔵しながら小型化が可能な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、半導体ユニット１０と、制御回路基板１３と、電子部品１４と、正極分岐配線２と、負極分岐配線３とを有している。電子部品１４は、正極端子１４１と負極端子１４２とを、互いに同一方向に向かって平行に突出してなる。正極分岐配線２は、正極端子１４１と接続され、負極分岐配線３は、負極端子１４２と接続されている。正極分岐配線２は、正極出力端子２２１、２２２と、ヒューズ２１を有している。負極分岐配線３は、外部機器の外部配線７１、７２と接続される負極出力端子３１を有している。正極出力端子２２１、２２２と負極出力端子３１とは、正極端子１４１及び負極端子１４２の突出方向Ｚ及び並び方向Ｙの両方と直交する奥行方向Ｘにおいて、互いに異なる位置に配設されている。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路やインバータ回路等の電力変換回路を備えた電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電力の生成に用いられる。このような電力変換装置としては、例えば、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、ヒューズを内蔵したヒューズ内蔵コネクタを有している。ヒューズ内蔵コネクタは、直流電源と接続される電源配線と、電源配線から分岐された分岐配線とを有しており、ヒューズは、分岐配線における正極端子に配設されている。

特開２０１２−１５５９４３号公報

しかしながら、特許文献１の電力変換装置には以下の問題がある。
特許文献１の電力変換装置は、ヒューズ内蔵コネクタの内部に配置された２本の電源配線と２本又は４本の分岐配線との計４本又は計６本の配線が一つの方向に横並びに配置されている。そのため、電源配線及び分岐配線の並び方向において大型化しやすい。特に、近年は、配置スペースの縮小や制約があり、省スペース化が可能な電力変換装置が望まれている。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、ヒューズ及び分岐配線を内蔵しながら小型化が可能な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半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器とを備えた半導体ユニットと、
上記半導体モジュールを制御する制御回路基板と、
上記半導体モジュールと共に、電力変換回路の一部を構成する電子部品と、
上記電力変換回路に入力される電力の一部を外部機器へと出力するための正極分岐配線及び負極分岐配線とを有しており、
上記電子部品は、直流電源の正極と電気的に接続される正極端子と、直流電源の負極と接続される負極端子とを、互いに同一方向に向かって平行に突出してなり、
上記正極分岐配線は、上記正極端子と接続され、上記負極分岐配線は、上記負極端子と接続されており、
上記正極分岐配線は、上記外部機器と接続される正極出力端子を有すると共に、該正極出力端子と上記電子部品との間に接続されたヒューズを有し、
上記負極分岐配線は、上記外部機器と接続される負極出力端子を有しており、
上記正極端子及び上記負極端子が突出する突出方向と、上記正極端子及び上記負極端子が並ぶ並び方向との双方に直交する方向を奥行方向とすると、
上記正極出力端子と上記負極出力端子とは、上記奥行方向において、互いに異なる位置に配設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、正極出力端子と負極出力端子とを、上記奥行方向において、互いに異なる位置に配設している。そのため、上記正極出力端子に接続される上記外部配線と、上記負極出力端子に接続される上記外部配線との組み付け作業性を確保しながら、上記奥行方向において並べて配置することができる。このように、上記外部配線を、上記並び方向のみでなく、上記奥行方向にも並べて配置することにより、上記並び方向における大型化を抑制しつつ、上記奥行方向におけるスペースを有効活用することができる。これにより、上記外部配線を効率良く配置し、配置スペースを縮小することが可能となる。

以上のごとく、本発明によれば、ヒューズ及び分岐配線を内蔵しながら小型化が可能な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、電力変換装置の説明図。 図１における、II−II矢視断面図。 実施例１における、正極分岐配線及び負極分岐配線の説明図。 図３における、IV−IV矢視断面図。

上記電力変換装置は、上記奥行方向から見たとき、上記正極端子、上記ヒューズ、上記正極出力端子及び上記負極出力端子が、上記突出方向において上記正極端子の中心軸線上に並んで配置されていることが好ましい。この場合には、上記正極分岐配線を構成する部品及び上記負極出力端子を一直線上に配置することにより、上記並び方向及び上記奥行方向における上記正極分岐配線及び上記負極分岐配線の配置スペースをより縮小することができる。

また、上記奥行方向において、上記ヒューズの少なくとも一部は、上記正極出力端子よりも上記負極出力端子側の位置に配置されていることが好ましい。この場合には、上記奥行方向において、上記正極出力端子と上記負極出力端子の間に形成された空間に上記ヒューズを配置することができる。これにより、上記ヒューズを効率良く配置することにより、上記奥行方向における上記正極分岐配線の配置スペースを縮小することができる。

（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４を参照して説明する。
図１に示すごとく、電力変換装置１は、半導体素子を内蔵した半導体モジュール１１と、半導体モジュール１１を冷却する冷却器１２とを備えた半導体ユニット１０と、半導体モジュール１１を制御する制御回路基板１３と、半導体モジュール１１と共に、電力変換回路の一部を構成する電子部品１４と、電力変換回路に入力される電力の一部を外部機器へと出力するための正極分岐配線２及び負極分岐配線３を有している。電子部品１４は、直流電源の正極と電気的に接続される正極端子１４１と、直流電源の負極と接続される負極端子１４２とを、互いに同一方向に向かって平行に突出してなる。

図３に示すごとく、正極分岐配線２は、正極端子１４１と接続され、負極分岐配線３は、負極端子１４２と接続されている。正極分岐配線２は、外部機器の外部配線７１、７２と接続される正極出力端子２２１、２２２を有すると共に、正極出力端子２２１、２２２と電子部品１４との間に接続されたヒューズ２１を有している。負極分岐配線３は、外部機器の外部配線７１、７２と接続される負極出力端子３１を有している。正極端子１４１及び負極端子１４２が突出する突出方向Ｚと、正極端子１４１及び負極端子１４２が並ぶ並び方向Ｙとの双方に直交する方向を奥行方向Ｘとすると、正極出力端子２２１、２２２と負極出力端子３１とは、奥行方向Ｘにおいて、互いに異なる位置に配設されている。

本例の電力変換装置１について、さらに詳細に説明する。
本例において、電子部品１４から正極端子１４１及び負極端子１４２が突出した方向を突出方向Ｚとし、正極端子１４１及び負極端子１４２が並んだ方向と並び方向Ｙとし、突出方向Ｚ及び並び方向Ｙの両方と直交する方向を奥行方向Ｘとする。

図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、固定対象物６に直接固定されるものであり、固定対象物６上に形成された第１固定面６１及び第２固定面６２に固定されている。固定対象物６としては、例えば、自動車のトランスミッションや、ボデーの構造体等が挙げられる。第１固定面６１と第２固定面６２とは、互いに異なる向きを向いた面であり、本例においては、第１固定面６１と第２固定面６２とは、互いに直角となるように形成されている。

電力変換装置１は、電力変換回路の一部を構成する半導体ユニット１０及び電子部品１４と、半導体ユニット１０の動作を制御する制御回路基板１３と、電子部品１４と接続される正極分岐配線２及び負極分岐配線３と、これらを収容するケース５とを有している。電力変換装置１は、正極分岐配線２及び負極分岐配線３を介して、第１外部機器及び第２外部機器と接続されている。

ケース５は、第２収容空間５０２及び第１収容空間５０１の一部を形成する下方ケース部材５２と、下方ケース部材５２と共に第１収容空間５０１を形成する上方ケース部材５１と、上方ケース部材５１における上方開口部５１３を覆う上方蓋体５１４とを有している。
上方ケース部材５１は、制御回路基板１３の上方に配置される基板上面部５１１と、半導体ユニット１０及び電子部品１４を奥行方向Ｘ及び並び方向Ｙから囲むように形成された上方側壁部５１２とを有している。また、上方ケース部材５１は、上方側壁部５１２によって囲まれ上方側に開口した上方開口部５１３を有しており、上方開口部５１３は上方蓋体５１４によって覆われている。

下方ケース部材５２は、上方ケース部材５１の下端に連結される下方第１収容部５３と、下方第１収容部５３の一端から下方に延びるように形成された第２収容部５０４とを有している。
下方第１収容部５３は、制御回路基板１３及び半導体ユニット１０の下方に配置された下方底部５３１と、電子部品１４の下端側を奥行方向Ｘ及び並び方向Ｙから囲むように形成された下方第１壁部５３２とを有している。下方ケース部材５２における下方第１収容部５３と上方ケース部材５１とを合体させることにより、内部に第１収容空間５０１を有する第１収容部５０３が形成される。

図１、図３及び図４に示すごとく、第２収容部５０４は、略直方体形状をなしており、下方第１壁部５３２の下端から下方に延びるように形成されている。奥行方向Ｘから見たとき突出方向Ｚが長手方向となるように配置された長方形状の背面部５４１と、背面部５４１における下端及び並び方向Ｙの両端から前方側に立設した３つの下方第２壁部５４２と、前方側に向かって開口した下方開口部５４３を覆う下方蓋体５４４とを有している。３つの下方第２壁部５４２、隔壁及び下方蓋体５４４に囲まれた空間によって、第２収容空間５０２が形成されている。

図１及び図２に示すごとく、第１収容空間５０１の内側には、制御回路基板１３、半導体ユニット１０及び電子部品１４が配置されている。
半導体ユニット１０は、複数の半導体モジュール１１と、複数の半導体モジュール１１を奥行方向Ｘの両面から冷却する複数の冷却管１２１とを積層してなる。
半導体モジュール１１は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子を内蔵してなる。半導体モジュール１１は、スイッチング素子を樹脂モールドしてなる平板状の本体部１１１と、本体部１１１の端面から互いに反対方向に突出した主電極端子１１２及び制御端子１１３とからなる。平板状の本体部１１１における主面の法線方向が奥行方向Ｘとなるように、半導体モジュール１１は冷却管１２１と積層されている。主電極端子１１２は、突出方向Ｚの下方に突出させてあり、制御端子１１３は、突出方向Ｚの上方に突出させてある。主電極端子１１２は、電子部品１４と電気的に接続されており、バスバーを介して被制御電力が半導体モジュール１１に入出力される。また、制御端子１１３は、制御回路基板１３と接続されており、スイッチング素子を制御する制御電流が入力される。また、半導体モジュール１１は、一対の冷却管１２１の間に１つずつ並列配置してある。

冷却管１２１は、その長手方向（並び方向Ｙ）の両端部において、隣り合う他の冷却管１２１と連結管１２２を通じて連結されている。そして、奥行方向Ｘの一端に配された冷却管１２１における並び方向Ｙの両端部に、冷媒導入管１２３及び冷媒排出管１２４が接続されている。これら冷却管１２１、連結管１２２、冷媒導入管１２３及び冷媒排出管１２４によって、冷却器１２が構成されている。この冷却器１２は、アルミニウム等の金属によって構成されている。

冷媒導入管１２３及び冷媒排出管１２４は、半導体ユニット１０の前端部に配された冷却管１２１の前面から、前方に向かって突出するよう設けてある。冷媒導入管１２３から導入された冷却媒体は、適宜連結管１２２を通り、各冷却管１２１に分配されると共にその長手方向（並び方向Ｙ）に流通する。そして、各冷却管１２１を流れる間に、冷却媒体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却媒体は、適宜下流側の連結管１２２を通り、冷媒排出管１２４に導かれ排出される。冷却媒体としては、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の冷媒を用いることができる。

制御回路基板１３は、上方から見たとき長方形状をなす板状に形成されており、半導体モジュール１１を制御するための制御回路（図示略）を有している。制御回路基板１３は、長手方向が並び方向Ｙとなるように配設されている。制御回路基板１３における制御回路には、半導体モジュール１１における制御端子１１３と接続されている。また、第２収容空間５０２と反対側の端部には、基板側外部機器と接続される接続コネクタ１３１が配設されている。

本例の電子部品１４は、整流コンデンサであり、下方に向かって突出した正極端子１４１及び負極端子１４２を有している。正極端子１４１及び負極端子１４２には、直流電源と接続される電源側配線７３と、外部機器と接続される正極分岐配線２及び負極分岐配線３とが接続されている。尚、電子部品１４としては、整流コンデンサ以外にも種々の電子部品１４を用いることができる。

図１、図３及び図４に示すごとく、第２収容空間５０２の内側には、正極分岐配線２、負極分岐配線３及び端子台４が配置されている。
正極分岐配線２は、正極端子１４１と接続された端子側金具２４と、端子側金具２４から分岐した第１分岐配線２５及び第２分岐配線２６とを有している。端子側金具２４は、奥行方向Ｘから見たとき、略Ｌ字形状をなしており、正極端子１４１と、第１分岐配線２５及び第２分岐配線２６とを電気的に接続している。また、端子側金具２４は、正極端子１４１の下方側の位置において、端子台４側に窪むように凹部２４１が形成されており、この凹部２４１の底面に電源側配線７３が接続される。

第１分岐配線２５及び第２分岐配線２６は、端子側金具２４にそれぞれ接続されたヒューズ２１と、第１外部機器の第１外部配線７１及び第２外部機器の第２外部配線７２とをそれぞれ接続する外部配線側金具２２とを有している。ヒューズ２１は、略円筒状をなすヒューズ本体部２１１と、ヒューズ本体部２１１の軸方向両端に配設された一対のヒューズ端子２１２とを有しており、上方側に配設されたヒューズ端子２１２は端子側金具２４に接続されており、下方側に配設されたヒューズ端子２１２は外部配線側金具２２に接続されている。また、外部配線側金具２２の他端には、第１外部配線７１と接続される第１正極出力端子２２１又は第２外部配線７２と接続される第２正極出力端子２２２が配設されている。

正極分岐配線２において、第１分岐配線２５におけるヒューズ２１及び第１正極出力端子２２１は、突出方向Ｚにおいて、正極端子１４１の中心軸線上に並ぶように配置されている。また、第２分岐配線２６におけるヒューズ２１及び第２正極出力端子２２２は、突出方向Ｚにおいて、負極端子１４２の中心軸線上に並ぶように配置されている。

負極分岐配線３は、１つのバスバーによって形成されている。負極分岐配線３は、奥行方向Ｘと直交するように形成された平板状をなし負極端子１４２と接続される端子側接続端部３２と、奥行方向Ｘと直交するように形成された平板状をなし、第１外部配線７１及び第２外部配線７２と接続される負極出力端子３１と、端子側接続端部３２と負極出力端子３１とを繋ぐ中間部３３とを有している。中間部３３は、端子側接続端部３２及び負極出力端子３１において、並び方向Ｙに配置された一端から、奥行方向Ｘにおける端子台４側に屈曲して形成されている。また、負極出力端子３１としては、第１外部配線７１と接続される第１負極出力端子３１１と、第２外部配線７２と接続される第２負極出力端子３１２とがあり、第１負極出力端子３１１と第２負極出力端子３１２とは一体に形成されている。

図４に示すごとく、正極出力端子２２１、２２２と負極出力端子３１とは、奥行方向Ｘにおいて、互いに異なる位置に配設されている。本例においては、負極出力端子３１は、正極出力端子２２１、２２２よりも端子台４側に後退した位置に形成されている。また、奥行方向Ｘから見たとき、第１負極出力端子３１１は、第１分岐配線２５におけるヒューズ２１及び第１正極出力端子２２１と共に、突出方向Ｚにおいて、正極端子１４１の中心軸線上に並ぶように配置されている。また、奥行方向Ｘから見たとき、第２負極出力端子３１２は、第２分岐配線２６におけるヒューズ２１及び第２正極出力端子２２２と共に、突出方向Ｚにおいて、負極端子１４２の中心軸線上に並ぶように配置されている。また、ヒューズ２１の一部は、第１正極出力端子２２１及び第２正極出力端子２２２よりも第１負極出力端子３１１及び第２負極出力端子３１２側の位置に配置されている

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、正極出力端子２２１、２２２と負極出力端子３１とを、奥行方向Ｘにおいて、互いに異なる位置に配設している。そのため、正極出力端子２２１、２２２に接続される外部配線７１、７２と、負極出力端子３１に接続される外部配線７１、７２との組み付け作業性を確保しながら、奥行方向Ｘにおいて並べて配置することができる。このように、外部配線７１、７２を、並び方向Ｙのみでなく、奥行方向Ｘにも並べて配置することにより、並び方向Ｙにおける大型化を抑制しつつ、奥行方向Ｘにおけるスペースを有効活用することができる。これにより、外部配線７１、７２を効率良く配置し、配置スペースを縮小することが可能となる。

また、奥行方向Ｘから見たとき、正極端子１４１、ヒューズ２１、正極出力端子２２１、２２２及び負極出力端子３１は、突出方向Ｚにおいて正極端子１４１の中心軸線上に並んで配置されている。そのため、正極分岐配線２を構成する部品及び負極出力端子３１を一直線上に配置することにより、並び方向Ｙ及び奥行方向Ｘにおける正極分岐配線２及び負極分岐配線３の配置スペースをより縮小することができる。

また、奥行方向Ｘにおいて、ヒューズ２１の少なくとも一部は、正極出力端子２２１、２２２よりも負極出力端子３１側の位置に配置されている。そのため、奥行方向Ｘにおいて、正極出力端子２２１、２２２と負極出力端子３１の間に形成された空間にヒューズ２１を配置することができる。これにより、ヒューズ２１を効率良く配置することにより、奥行方向Ｘにおける正極分岐配線２の配置スペースを縮小することができる。

また、半導体ユニット１０、制御回路基板１３、電子部品１４、正極分岐配線２及び負極分岐配線３は、ケース５内に収容されており、ケース５は、電力変換装置１が固定される固定対象物６における第１固定面６１と第２固定面６２とに沿うように屈曲すると共に、半導体ユニット１０、制御回路基板１３及び電子部品１４を収容する第１収容空間５０１と、正極分岐配線２及び負極分岐配線３を収容する第２収容空間５０２とを有しており、第１固定面６１と第２固定面６２とは、互いに異なる向きを向いた面であり、第１収容空間５０１は、第１固定面６１に沿うように形成されており、第２収容空間５０２は、第２固定面６２に沿うように形成されている。そのため、第１収容空間５０１と第２収容空間５０２とが屈曲するようにケース５が形成される。そのため、屈曲した電力変換装置１の内側にトランスミッションやボデーの構造体等を配置すると共に、これらに電力変換装置１を固定することができる。このように、電力変換装置１を固定することにより、固定対象となる部品の表面に電力変換装置１を沿わせて配置することができる。これにより、電力変換装置１の配置スペースを縮小することができる。

以上のごとく、本例によれば、ヒューズ２１及び分岐配線を内蔵しながら小型化が可能な電力変換装置１を提供することができる。

１ 電力変換装置
１０ 半導体ユニット
１１ 半導体モジュール
１２ 冷却器
１３ 制御回路基板
１４ 電子部品
１４１ 正極端子
１４２ 負極端子
２ 正極分岐配線
２１ ヒューズ
２２１、２２２ 正極出力端子
３ 負極分岐配線
３１ 負極出力端子

Claims (4)

1. 半導体素子を内蔵した半導体モジュール（１１）と、該半導体モジュール（１１）を冷却する冷却器（１２）とを備えた半導体ユニット（１０）と、
   上記半導体モジュール（１１）を制御する制御回路基板（１３）と、
   上記半導体モジュール（１１）と共に、電力変換回路の一部を構成する電子部品（１４）と、
   上記電力変換回路に入力される電力の一部を外部機器へと出力するための正極分岐配線（２）及び負極分岐配線（３）とを有しており、
   上記電子部品（１４）は、直流電源の正極と電気的に接続される正極端子（１４１）と、直流電源の負極と接続される負極端子（１４２）とを、互いに同一方向に向かって平行に突出してなり、
   上記正極分岐配線（２）は、上記正極端子（１４１）と接続され、上記負極分岐配線（３）は、上記負極端子（１４２）と接続されており、
   上記正極分岐配線（２）は、上記外部機器と接続される正極出力端子（２２１、２２２）を有すると共に、該正極出力端子（２２１、２２２）と上記電子部品（１４）との間に接続されたヒューズ（２１）を有し、
   上記負極分岐配線（３）は、上記外部機器と接続される負極出力端子（３１）を有しており、
   上記正極端子（１４１）及び上記負極端子（１４２）が突出する突出方向と、上記正極端子（１４１）及び上記負極端子（１４２）が並ぶ並び方向との双方に直交する方向を奥行方向とすると、
   上記正極出力端子（２２１、２２２）と上記負極出力端子（３１）とは、上記奥行方向において、互いに異なる位置に配設されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記奥行方向から見たとき、上記正極端子（１４１）、上記ヒューズ（２１）、上記正極出力端子（２２１、２２２）及び上記負極出力端子（３１）は、上記突出方向において上記正極端子（１４１）の中心軸線上に並んで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）。
3. 上記奥行方向において、上記ヒューズ（２１）の少なくとも一部は、上記正極出力端子（２２１、２２２）よりも上記負極出力端子（３１）側の位置に配置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）。
4. 上記半導体ユニット（１０）、上記制御回路基板（１３）、上記電子部品（１４）、上記正極分岐配線（２）及び上記負極分岐配線（３）は、ケース（５）内に収容されており、該ケース（５）は、上記電力変換装置（１）が固定される固定対象物（６）における第１固定面（６１）と第２固定面（６２）とに沿うように屈曲すると共に、上記半導体ユニット（１０）、上記制御回路基板（１３）及び上記電子部品（１４）を収容する第１収容空間（５０１）と、上記正極分岐配線（２）及び上記負極分岐配線（３）を収容する第２収容空間（５０２）とを有しており、上記第１固定面（６１）と上記第２固定面（６２）とは、互いに異なる向きを向いた面であり、上記第１収容空間（５０１）は、上記第１固定面（６１）に沿うように形成されており、上記第２収容空間（５０２）は、上記第２固定面（６２）に沿うように形成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）。

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