JP2016073049A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ケースの貫通孔と冷却媒体流路との隙間の封止と、冷却器の開口の封止とを、簡易な構成で実現する電力変換器を提供する。
【解決手段】電力変換器は、積層ユニットと、積層ユニットを収容するケースと、積層ユニットとケースの間に配置される金属板と、金属板と積層ユニットの間に配置される第１シール部材と、金属板とケースの間に配置される第２シール部材を備える。積層ユニットの一端には、金属板と対向する面に、金属板により塞がれる開口が設けられている。ケースには、金属板と対向する面に貫通孔が設けられる。金属板には、貫通孔を貫通するパイプが設けられている。ケースにより積層ユニットに荷重が印加されることで、開口が第１シール部材によって封止されると共に、貫通孔とパイプの間の隙間が第２シール部材によって封止される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子を収容するパワーカードと冷却器とを積層方向に交互に複数配置した積層ユニットを備える電力変換器に関する。

電力変換器の発熱を抑制するために、パワーカードと冷却器とを積層した電力変換器が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１の電力変換器は、半導体素子を収容するパワーカードと冷却器とを積層方向に交互に複数配置した積層ユニットと、その積層ユニットを収容するケースを備えている。積層ユニットの各冷却器には、ケース外から冷却媒体が供給される。ケース外から供給された冷却媒体は、各冷却器を流れ、その後、ケース外に排出される。これによって、積層ユニットの各パワーカードが冷却されるようになっている。

この電力変換器では、積層ユニットの一端に配置される冷却器に開口が形成され、その開口が金属板で封止される。すなわち、ケースから積層ユニットに積層方向の荷重が印加され、その荷重によって冷却器の開口が金属板で封止される。この金属板には、積層ユニットの冷却器との間で冷却媒体の授受を行うパイプが設けられている。金属板のパイプとケース外の流路とは連結管で連結されている。連結管は、ケースに設けられた貫通孔内に配置されている。連結管の一端にはフランジ部が形成され、フランジ部とケースの間にシール部材が配置される。連結管をボルトによってケースに固定することで、連結管のフランジ部がケースに押圧され、連結管と貫通孔との隙間がシール部材によって封止される。

特開２０１４−１０２０１７号公報

特許文献１の技術では、積層ユニットの一端に配置される冷却器の開口を封止するために、積層ユニットに対して積層方向に荷重を印加する構造が必要となる。また、ケースの貫通孔と、その貫通孔内に配置される冷却媒体流路との隙間を封止するための荷重を発生させる構造（すなわち、連結管のフランジ部、ボルト等）が必要となる。冷却器の開口の封止と、貫通孔と冷却媒体流路との隙間の封止とを実現するために、異なる封止力発生構造が必要となり、電力変換器の構造が複雑化するという問題がある。

本明細書は、ケースの貫通孔と冷却媒体流路との隙間の封止と、冷却器の開口の封止とを、簡易な構成で実現する電力変換器を開示する。

本明細書に開示する電力変換器は、半導体素子を収容するパワーカードと冷却器とを積層方向に交互に複数配置した積層ユニットと、積層ユニットを積層方向に荷重を印加しつつ収容しているケースと、積層ユニットの積層方向の一端に配置され、積層ユニットとケースの間に配置されている金属板と、金属板と積層ユニットの間に配置されている第１シール部材と、金属板とケースの間に配置されている第２シール部材と、を備えており、積層ユニットの一端に配置される冷却器には、金属板と対向する面に、金属板により塞がれる開口が設けられており、ケースには、金属板と対向する面に貫通孔が設けられており、第２シール部材は、金属板とケースの貫通孔が設けられた面との間に配置されており、金属板には、貫通孔を貫通すると共にケースの外部と積層ユニットの冷却器との間で冷却媒体の授受を行うパイプが設けられており、積層ユニットが積層方向に荷重を印加されることで、金属板が積層ユニットに向かって押圧されて開口が第１シール部材によって封止されると共に、金属板がケースの貫通孔が設けられた面に向かって押圧されて貫通孔とパイプの間の隙間が第２シール部材によって封止されることを特徴とする。

上記の電力変換器では、ケースが積層ユニットと金属板を積層ユニットの積層方向に荷重を印加しつつ収容している。ケースによる積層方向の荷重により、金属板が積層ユニットに向かって押圧され、冷却器の開口が第１シール部材で封止される。また、金属板がケースに向かって押圧され、ケースの貫通孔とパイプの隙間が第２シール部材で封止される。冷却器の開口の封止と、貫通孔とパイプ（冷却媒体流路）の封止とを、ケースによる積層方向の荷重によって実現する。同一の封止力発生構造により封止力を発生させるため、電力変換器の構造を簡易なものとすることができる。

本明細書が開示する技術の詳細は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の積層ユニットの斜視図である。 実施例の電力変換器のケース内レイアウトを示す平面図である。 エンドプレートと冷却器の分解斜視図である。 エンドプレートと、一組の冷却器とそれらに挟まれるパワーカードの斜視図である。 図４のV―V線に沿った断面図である。 図５の破線VI範囲の拡大図である。

図面を参照して実施例の電力変換器を説明する。まず、積層ユニットを概説する。積層ユニット１０は、電気車両に搭載される電力変換器の主要部品である。電力変換器は、バッテリの直流電力を昇圧し、さらに交流に変換して走行用のモータに供給する。電力変換器は、電圧を高める電圧コンバータ回路と、インバータ回路を含む。電圧コンバータ回路は、昇降圧コンバータであり、２個の半導体素子（ＩＧＢＴ）を含む。また、インバータ回路は６個の半導体素子を含む。電力変換器は、合計８個の半導体素子を含む。夫々の半導体素子は、大きな電流を導通／遮断するので発熱量が大きい。なお、半導体素子の数は、車両の種類（電力変換器の種類）によって異なっていてもよい。

図１に示すように、積層ユニット１０は、上記した８個の半導体素子を集約して集中的に冷却するユニットである。積層ユニット１０は、４個のパワーカード３ａ−３ｄと５個の冷却器２ａ−２ｅが交互に積層されたユニットである。図中のＸ軸方向が積層方向に相当する。なお、複数の冷却器２ａ−２ｅは同じ構造を有している。同様に複数のパワーカード３ａ−３ｄは同じ構造を有している。以下では、複数の冷却器２ａ−２ｅのいずれか一つを区別なく表す場合に「冷却器２」と表記する。同様に、複数のパワーカード３ａ−３ｄのいずれか一つを区別なく表す場合に「パワーカード３」と表記する。

夫々のパワーカード３は、２個の半導体素子を樹脂でモールドしたパッケージである。各パワーカード３の内部で２個の半導体素子が直列に接続されている。各パワーカード３からは３本の端子２９が伸びている。３本の端子２９の夫々は、半導体素子の直列回路の高電位側端子、低電位側端子、直列回路の中点の端子に相当する。パワーカード３からは、上記３本の端子２９のほか、半導体素子（ＩＧＢＴ）のゲートに通じる端子（ゲート端子）が、端子２９が伸びている側面とは反対側の側面から伸びているが、その図示は省略している。

パワーカード３を挟み込んでいる冷却器２は、その内部を液体の冷媒が通る。冷媒の典型は水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。各冷却器２はパワーカード３を挟んで図中Ｙ軸方向の両側に貫通孔４３を有しており、積層されて繋がった貫通孔４３が冷媒を供給する供給路Ｐ１と、冷却器の筐体を通過した冷媒を排出する排出路Ｐ３を構成する。後述するが、筐体内部の流路に符号Ｐ２を割り当てている。なお、積層ユニット１０の一端には、エンドプレート６１が当てられて貫通孔が閉じられている。

積層ユニット１０を含む電力変換器１００のケース内のデバイスレイアウトを説明する。図２は、電力変換器１００のカバーを外したケース内平面図である。ケース２０には、積層ユニット１０のほか、複数のコンデンサ素子２４とリアクトル２５が収容される。コンデンサ素子２４のいくつかは電圧コンバータ回路の低電圧側に接続されてフィルタコンデンサを構成する。コンデンサ素子２４の残りは、高電圧側に接続されて平滑化コンデンサを構成する。電力変換器１００は走行用モータに供給する大電流を扱うので、コンデンサ素子２４も体格が大きい。リアクトル２５は、チョッパ型の電圧コンバータ回路で用いられる。

積層ユニット１０は、ケース２０に設けられた支持壁２０ａと、側壁２０ｂとの間に配置される。側壁２０ｂは、積層ユニット１０の一端側に配置されている。側壁２０ｂには、貫通孔２１，２２が設けられている。エンドプレート６１は、積層ユニット１０と側壁２０ｂの間に配置される。エンドプレート６１には、積層方向に伸びる供給パイプ６４と排出パイプ６５が設けられている。供給パイプ６４と排出パイプ６５は、貫通孔２１，２２に対応した位置に配置されている。供給パイプ６４の直径と排出パイプ６５の直径は同一であり、貫通孔２１，２２の内径よりわずかに小さくされている。供給パイプ６４と排出パイプ６５には、Ｏリング６７がそれぞれに嵌め込まれている。供給パイプ６４は貫通孔２１に挿通されており、排出パイプ６５は貫通孔２２に挿通されている。支持壁２０ａは、積層ユニット１０の他端側に配置されている。支持壁２０ａと積層ユニット１０の他端の間には板バネ２３が配置されている。板バネ２３は、圧縮状態で配置されている。このため、板バネ２３によって、積層ユニット１０に積層方向の荷重が印加される。板バネ２３の荷重によって、エンドプレート６１がケース２０の側壁２０ｂに向かって押圧される。エンドプレート６１が側壁２０ｂに押圧されると、エンドプレート６１と側壁２０ｂの間のＯリング６７が圧縮される。これによって、貫通孔２１と供給パイプ６４の間の隙間と、貫通孔２２と排出パイプ６５の間の隙間が封止される。供給パイプ６４は、ケース外部から積層ユニット１０へ冷媒を供給し、排出パイプ６５は、積層ユニット１０から冷媒をケース外部へ排出する。供給パイプ６４と排出パイプ６５は、それぞれ、前述した供給路Ｐ１と排出路Ｐ３と連通する。

上記デバイスのほか、パワーカード３の半導体素子に供給するＰＷＭ信号を生成する制御基板もケース２０に実装されるがその図示は省略している。

次に、冷却器２の構造を説明する。上述したように、冷却器２ａ−２ｅは同一構造であり、その積層方向の端部を封止する構造がわずかに相違する。このため、冷却器２ａについて詳細に説明し、冷却器２ｂ−２ｅについては冷却器２ａとの相違点のみを説明する。図３に示すように、冷却器２ａは樹脂で作られた筐体４０を備えている。筐体４０は複雑な形状を有しているが、そのような形状は樹脂を射出成形することにより低コストで製造できる。筐体４０の内部は冷媒が通る流路Ｐ２となる。積層方向（図中のＸ方向）からみたときの筐体４０の中央に開口４１が設けられている。開口４１は、パワーカード３と対向する位置に設けられている。筐体４０は、ｚ方向から見ると、開口４１のＹ軸方向の両側に突出部４２が設けられており、各突出部４２，４２の間に窪み４５が設けられている。開口４１は、窪み４５の部分に形成されている。突出部４２、４２の内側には、積層方向に貫通する貫通孔４３が形成されている。エンドプレート６１は、窪み４５に嵌合されると共に、突出部４２の端面４２ａに当接する。具体的には、エンドプレート６１は、シリコン製のガスケット３４を挟んで、開口４１の周囲の筐体側面４４に当接し、開口４１を塞ぐ。また、エンドプレート６１は、ガスケット３１を挟んで、貫通孔４３の周囲の突出部４２の端面４２ａに当接し、貫通孔４３を塞ぐ。エンドプレート６１の供給パイプ６４と排出パイプ６５は、筐体４０の貫通孔４３と連通している。筐体４０には、突出部４２が突出する方向と反対側にも突出部４６が設けられており、各突出部４６、４６の間に窪み４８が設けられている。金属板３２は、窪み４８に嵌合する。具体的には、金属板３２は、ガスケット３４を挟んで、開口４１の周囲の筐体側面４７に当接し、開口４１を塞ぐ。突出部４６の端面４６ａは、ガスケット３１を挟んで、隣接する冷却器２ｂの突出部４２の端面４２ａと当接する。これによって、隣接する冷却器２ａ，２ｂの貫通孔４３同士が連通する。

冷却器２ａでは、冷却器２ａの積層方向の一端がエンドプレート６１で塞がれたが、冷却器２ｂ―２ｅでは、エンドプレート６１の代わりに、金属板３２が配置され、各冷却器２ｂ−２ｅの開口４１がガスケット３４を介して金属板３２で塞がれる。また、冷却器２ｂ−２ｅの突出部４２の端面４２ａは、隣接する冷却器の突出部４６の端面４６ａと当接する。また、冷却器２ｅの積層方向の他端は、エンドプレート６２（図１，２に図示）によって塞がれる。すなわち、エンドプレート６２は、冷却器２ｅの窪み４８に嵌合されると共に、突出部４６の端面４６ａに当接する。具体的には、エンドプレート６２は、シリコン製のガスケット３４を挟んで、開口４１の周囲の筐体側面４７に当接し、開口４１を塞ぐ。また、エンドプレート６２は、ガスケット３１を挟んで、貫通孔４３の周囲の突出部４６の端面４６ａに当接し、貫通孔４３を塞ぐ。これによって、積層ユニット１０の他端がエンドプレート６２によって塞がれる。

金属板３２の外側（冷却器２の冷媒通路と反対側）にはパワーカード３が当接する。複数の冷却器２と複数のパワーカード３は１個ずつ交互に積層され、冷却器２の筐体４０と金属板３２とパワーカード３が密着する。前述したように、積層ユニット１０は、板バネ２３によって積層方向に荷重を受ける。板バネ２３の荷重によって、エンドプレート６１、６２が積層ユニット１０に向かって押圧されて、積層ユニット１０の積層方向両端の開口４１がガスケット３４によって封止される。また、冷却器２ａの突出部４２の貫通孔４３と、冷却器２ｅの突出部４６の貫通孔４３が、ガスケット３１によって封止される。また、隣接する冷却器同士の間にも板バネ２３による荷重が作用することで、各冷却器の開口４１と突出部４２，４６の端面４２ａ，４６ａ間がガスケット３４，３１によって封止される。ガスケット３１と３４は、前述の封止が同時に成立するように、厚みが選定される。

金属板３２の裏面（筐体４０の内部を向く側）には複数のフィン３３が設けられている。金属板３２の裏面は筐体４０の内部に面しており、筐体内部の流路Ｐ２を流れる冷媒に直接に接触する。従って、パワーカード３の熱は、主に金属板３２とその裏面のフィン３３を通じて冷媒に放出される。

上述したように、冷却器２の筐体４０には、積層方向に突出する突出部４２，４６が設けられ、突出部４２、４６の内側には積層方向に貫通する貫通孔４３が形成されている。先に述べたように、積層ユニット１０では突出部４２が隣接する冷却器の筐体４０と当接し、貫通孔同士が連結して供給路Ｐ１、排出路Ｐ３を構成する。供給路Ｐ１と排出路Ｐ３は、筐体内部の流路Ｐ２と連通している。先に述べた供給パイプ６４と供給路Ｐ１を通じて全ての冷却器２の流路Ｐ２に冷媒が分配される。冷媒は流路Ｐ２を流れる間に金属板３２とフィン３３を通じてパワーカード３の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は排出路Ｐ３と排出パイプ６５を通じてケース外部へと排出される。

先に述べたように、冷却器２の筐体は樹脂製である。図３に良く示されているように、筐体４０の突出部４２は肉厚が厚い。それゆえ、積層方向に対して高い強度を保持でき、荷重に対して変形量を小さくすることができる。

図４に一対の冷却器２ａ、２ｂとそれらに挟まれるパワーカード３ａの斜視図を示す。図５に図４のV−V線に沿った断面図を示す。図４，５を参照してパワーカード３の内部構造を説明するとともに、冷却器２の内部構造についても補足説明を行う。

パワーカード３（３ａ）の内部構造を説明する。パワーカード３は、２個の半導体素子５１を樹脂パッケージ５４で封止したデバイスである。図５には一つの半導体素子しか表れていないが、もう一つは、半導体素子５１の紙面奥側に位置している。２個の半導体素子５１は、ＩＧＢＴである。２個の半導体素子５１は、樹脂パッケージ５４の内部で直列に接続されている。半導体素子５１は、小型平板のチップであり、その両平面の一方にエミッタ電極が露出しており、他方にコレクタ電極が露出している。なお、ゲート電極の図示は省略している。半導体素子５１の両面の電極に導電性のスペーサ５２を接触させ、スペーサ５２の反対側に放熱板５３、５６を接触させている。放熱板５３、５６の一方の面は、樹脂パッケージ５４から露出する。放熱板５３、５６は、端子を兼ねており、放熱板５６は、２個の半導体素子５１を直列に接続する。放熱板５３は、図５にて紙面と垂直方向に２個並んでおり、その一方は、直列接続の高電位側の端子を兼ね、他方は低電位側の端子を兼ねる。図５には、放熱板５３が、樹脂パッケージ５４の上方へ伸びている端子２９と連続していることがよく表れている。また、放熱板５３、５６が半導体素子５１の電極と導通しているため、それら放熱板と冷却器２の金属板３２との絶縁を確保する絶縁板９が、パワーカード３と冷却器２の間に配置されている。絶縁板９の材料には高熱伝導率のセラミックスが使われる。絶縁板９とパワーカード３の間、及び、絶縁板９と金属板３２の間にはグリースが塗布されている。積層ユニット１０に加えられる積層方向の荷重によりグリースの層が薄く均一に形成される。

次に、絶縁板９を挟んでパワーカード３と対向している冷却器２（２ａ、２ｂ）の構造を補足説明する。筐体４０の両側には開口４１が設けられている。冷却器２ａの一方の開口４１はガスケット３４を挟んで金属板３２で封止されており、他方の開口４１はガスケット３４を挟んでエンドプレート６１で封止されている。冷却器２ｂの両側の開口４１は夫々、ガスケット３４を挟んで金属板３２で封止されている。図５ではガスケット３４はその断面を楕円で表しているが、その詳しい形状は後述する。金属板３２の裏面からフィン３３が伸びている。冷却器２ｂの筐体４０の両側の開口４１の夫々に金属板３２があてがわれており、筐体内部で夫々のフィン３３の先端が対向する。一対のフィンの先端の間の隙間を埋めるように仕切板４９が挟まれている。仕切板４９は、筐体４０の内部の流路Ｐ２を区画して冷媒の流れをスムーズにするとともに、積層方向の荷重に対して金属板３２とエンドプレート６１が撓むことを防止する。なお、図３では仕切板４９の図示を省略した。また、仕切板４９は、無くともよい。冷却器２ａのエンドプレート６１の側にはパワーカード３が対向しない。それゆえ、エンドプレート６１の裏面にはフィンが設けられていない。

ガスケット３４について説明する。図６に示すように、ガスケット３４は、開口４１の周囲の筐体側面４４とエンドプレート６１の間に嵌挿される。ガスケット３４は、耐熱性が高く、柔軟なシリコンゴムで作られている。図６に良く示されているように、ガスケット３４は、その本体３４ａから金属板側（図中左側）と筐体側（図中右側）の夫々に２個の突起を有している。ガスケット３４の断面は一様であり、突起は開口４１を囲んで一巡しており、突条３４ｂをなしている。即ち、ガスケット３４は、開口４１を二重に囲む２本のリング状の突条３４ｂを有している。開口４１を多重に囲むリング状の突条３４ｂを備えることで、積層方向の荷重に対して夫々の突条が良く押しつぶされて、エンドプレート６１と開口４１の間がより確実に密閉される。なお、突条３４ｂはリップと呼ばれることがある。図３と図５ではガスケットの断面形状を簡略化して表していたことに留意されたい。

上記の実施例によれば、積層ユニット１０に板バネ２３による積層方向の荷重が印加される。これによって、積層ユニット１０のパワーカード３と冷却器２のそれぞれが積層方向に押圧され、またエンドプレート６１、６２が積層方向に向かって押圧される。これによって、ガスケット３４が圧縮され、各冷却器２ａ−２ｅの開口４１が封止される。また、ガスケット３１が圧縮され、各冷却器２ａ−２ｅの貫通孔４３が封止される。さらに、エンドプレート６１が側壁２０ｂに向かって押圧されることで、エンドプレート６１と側壁２０ｂの間に配置されたＯリング６７が圧縮され、貫通孔２１と供給パイプ６４の隙間と、貫通孔２２と排出パイプ６５の隙間が封止される。したがって、板バネ２３の荷重によって複数個所のシールを実現することで、電力変換器１００の構造を簡易なものとしている。

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。

２ａ―２ｅ：樹脂冷却器
３ａ―３ｄ：パワーカード
９：絶縁版
１０：積層ユニット
２０：ケース
２０ａ：支持壁
２１、２２：貫通孔
２３：板バネ
２４：コンデンサ素子
２５：リアクトル
２９：端子
３１、３４：ガスケット
３２：金属板
３３：フィン
３４ａ：本体
３４ｂ：突条（リップ）
４０：筐体
４１：開口
４２、４６：突出部
４２ａ、４６ａ：突出部側面
４３：貫通孔
４４、４７：筐体側面
４５、４８：窪み
４９：仕切板
５１：半導体素子
５２：スペーサ
５３、５６：放熱板
５４：樹脂パッケージ
６１、６２：エンドプレート
６４：供給パイプ
６５：排出パイプ
６７：Ｏリング
１００：電力変換器

Claims (1)

1. 半導体素子を収容するパワーカードと冷却器とを積層方向に交互に複数配置した積層ユニットと、
   前記積層ユニットを前記積層方向に荷重を印加しつつ収容しているケースと、
   前記積層ユニットの前記積層方向の一端に配置され、前記積層ユニットと前記ケースの間に配置されている金属板と、
   前記金属板と前記積層ユニットの間に配置されている第１シール部材と、
   前記金属板と前記ケースの間に配置されている第２シール部材と、を備えており、
   前記積層ユニットの一端に配置される冷却器には、前記金属板と対向する面に、前記金属板により塞がれる開口が設けられており、
   前記ケースには、前記金属板と対向する面に貫通孔が設けられており、
   前記第２シール部材は、前記金属板と前記ケースの前記貫通孔が設けられた面との間に配置されており、
   前記金属板には、前記貫通孔を貫通すると共に前記ケースの外部と前記積層ユニットの冷却器との間で冷却媒体の授受を行うパイプが設けられており、
   前記積層ユニットが前記積層方向に荷重を印加されることで、前記金属板が前記積層ユニットに向かって押圧されて前記開口が前記第１シール部材によって封止されると共に、前記金属板が前記ケースの前記貫通孔が設けられた面に向かって押圧されて前記貫通孔と前記パイプの間の隙間が前記第２シール部材によって封止されることを特徴とする、電力変換器。

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