JP2016140212A

JP2016140212A - 電力変換装置

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Publication number: JP2016140212A
Application number: JP2015015204A
Authority: JP
Inventors: 直樹平澤; Naoki Hirasawa; 龍太田辺; ryuta Tanabe; 哲矢松岡; Tetsuya Matsuoka; 和哉竹内; Kazuya Takeuchi; 坂本　章; Akira Sakamoto; 章坂本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2016-08-04
Also published as: US20160227677A1; DE102016101510A1

Abstract

【課題】リアクトルの冷却効率に優れた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、半導体モジュール２と、コイル３１とコア３２とを備えたリアクトル３と、半導体モジュール２及びリアクトル３を冷却する冷却器４とを有する。冷却器４は、半導体モジュール２及びリアクトル３と共に積層した複数の冷却管４１を備えている。半導体モジュール２及びリアクトル３は、積層方向Ｘの両側から冷却管４１によって挟持されている。半導体モジュール２、リアクトル３、及び冷却管４１からなる積層体１１は、積層方向Ｘに加圧されている。リアクトル３は、コイル３１の軸方向Ｚが積層方向Ｘと直交する状態で、積層体１１に組み込まれている。コイル３１は、コア３２から積層方向Ｘの少なくとも一方に露出したコイル露出面３１１を有する。コイル露出面３１１は、冷却管４１に接触している。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体モジュール及びリアクトルを有する電力変換装置に関する。

例えばハイブリッド自動車や電気自動車等の駆動電力を生成する電力変換装置は、電源電圧を昇圧する昇圧回路を構成するリアクトルを備えている。電力変換装置に供給される電流の増加に伴い、半導体モジュールのみならずリアクトルの発熱も大きくなる傾向にあり、半導体モジュールと共にリアクトルを冷却する冷却器を備えた電力変換装置が提案されている（特許文献１）。

特開２０１４−１３８０１２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電力変換装置においては、リアクトルのコイルがコアに埋設されている。すなわち、コイルはコアに覆われている。それゆえ、リアクトルが冷却器に接触しているものの、コイルと冷却器との間には、コアが介在することとなる。それゆえ、リアクトルの主な発熱源であるコイルを効率的に冷却し難い。その結果、リアクトルの放熱効率を向上させ難いという課題がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、リアクトルの冷却効率に優れた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てなる半導体モジュールと、
導体からなるコイルと磁性体からなるコアとを備えたリアクトルと、
上記半導体モジュール及び上記リアクトルを冷却する冷却器と、を有し、
上記冷却器は、上記半導体モジュール及び上記リアクトルと共に積層した複数の冷却管を備えており、
上記半導体モジュール及び上記リアクトルは、それぞれ積層方向の両側から上記冷却管によって挟持されており、
上記半導体モジュール、上記リアクトル、及び上記冷却管からなる積層体は、積層方向に加圧されており、
上記リアクトルは、上記コイルの軸方向が上記積層方向と直交する状態で、上記積層体に組み込まれており、
上記コイルは、上記コアから積層方向の少なくとも一方に露出したコイル露出面を有し、
該コイル露出面は、上記冷却管に接触していることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置において、上記リアクトルは、積層方向の両側から冷却管に挟持された状態で、積層体に組み込まれている。これにより、リアクトルを積層方向の両側から冷却することができる。
そして、コイルは上記コイル露出面を有し、コイル露出面は、冷却管に接触している。これにより、コイルの熱を、コイル露出面から直接冷却管へ放熱することができる。すなわち、リアクトルにおける主な発熱源であるコイルを、冷却器によって直接冷却することができるため、リアクトルの冷却効率を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、リアクトルの冷却効率に優れた電力変換装置を提供することができる。

実施形態１における、電力変換装置の平面図。図１のII−II線矢視断面図。実施形態１における、積層体の斜視図。実施形態１における、分割コア体の一方を取り除いた状態の積層体の平面図。実施形態１における、リアクトルの斜視図。実施形態１における、リアクトルの展開斜視図。実施形態２における、分割コア体の一方を取り除いた状態の積層体の平面図。実施形態３における、分割コア体の一方を取り除いた状態の積層体の平面図。

（実施形態１）
電力変換装置の実施形態につき、図１〜図６を用いて説明する。
電力変換装置１は、図１〜図４に示すごとく、半導体素子を内蔵してなる半導体モジュール２と、導体からなるコイル３１と磁性体からなるコア３２とを備えたリアクトル３と、半導体モジュール２及びリアクトル３を冷却する冷却器４と、を有する。

冷却器４は、半導体モジュール２及びリアクトル３と共に積層した複数の冷却管４１を備えている。半導体モジュール２及びリアクトル３は、それぞれ積層方向Ｘの両側から冷却管４１によって挟持されている。半導体モジュール２、リアクトル３、及び冷却管４１からなる積層体１１は、積層方向Ｘに加圧されている。

リアクトル３は、コイル３１の軸方向Ｚが積層方向Ｘと直交する状態で、積層体１１に組み込まれている。図２、図４、図５に示すごとく、コイル３１は、コア３２から積層方向Ｘの少なくとも一方に露出したコイル露出面３１１を有する。そして、コイル露出面３１１は、冷却管４１に接触している。

すなわち、コイル露出面３１１は、コア３２を介在することなく、冷却管４１に接触している。コイル露出面３１１は、冷却管４１に直接接触していてもよいし、熱伝導性を有する部材を介して接触していてもよい。また、コイル３１は、表面に絶縁被膜を設けた導体線を巻回してなり、コイル露出面３１１には絶縁被膜が存在する。

図２、図４〜図６に示すごとく、コイル３１は、積層方向Ｘの両側にコイル露出面３１１を有する。また、コア３２は、コイル３１の外周側に配される外側脚部３２１と、コイル３１の内周側に配される内側脚部３２２と、外側脚部３２１と内側脚部３２２とを連結する基体部３２３とを有する。外側脚部３２１は、コイル３１に対して積層方向Ｘ及び軸方向Ｚの双方に直交する幅方向Ｙの位置に配置されている。

本明細書において、単に、積層方向Ｘ、軸方向Ｚというときは、それぞれ積層体１１の積層方向、コイル３の軸方向を意味し、単に、幅方向Ｙというときは、積層方向Ｘ及び軸方向Ｚの双方に直交する方向を意味する。

図６に示すごとく、リアクトル３のコア３２は、軸方向Ｚに分割された一対の分割コア体３２０からなる。すなわち、コア３２は、いわゆるＥＥコアであり、各分割コア体３２０は、積層体１１の積層方向Ｘに直交する断面の形状が、略Ｅ字形状となっている。すなわち、各分割コア体３２０は、それぞれ略平板状の基体部３２３と、該基体部３２３の両端から軸方向Ｚに突出した一対の外側脚部３２１と、基体部３２３の中央から外側脚部３２１と同じ方向に突出した内側脚部３２２とを有する。そして、一対の分割コア体３２０は、外側脚部３２１及び内側脚部３２２の突出側を対向させるようにして、組み合わされて、コア３２を形成している。

コア３２は、図２、図４に示すごとく、コイル露出面３１１と面一に配されたコア端面３２４を有し、コイル露出面３１とコア端面３２４との双方が、冷却管４１に面接触している。

コア３２（分割コア体３２０）は、例えば、鉄粉等の軟磁性粉末を圧粉成形することにより形成されている。ただし、コア３２は、軟磁性体からなるものであれば、特に材質や製法を限定されるものではない。

図６に示すごとく、コイル３１は、平角導線をその主面が軸方向Ｚを向く状態で、螺旋状に巻回してなる。すなわち、コイル３１は、いわゆるエッジワイズに巻回されている。また、平角導線は、表面にエナメル等の絶縁被膜を形成してなる。また、コイル３１は、積層方向Ｘの両側の端面に平坦面を形成してなり、この平坦面がコイル露出面３１１となっている。また、コイル３１における幅方向Ｙの両側の端面にも平坦面が形成されている。図４に示すごとく、コイル３１は、積層方向Ｘの寸法が、幅方向Ｙの寸法よりも大きい。

また、図５、図６に示すごとく、コイル３１は、一対の端子３１２を、軸方向Ｚの同じ方向へ突出させている。図１〜図３に示すごとく、一対の端子３１２は、コイル３１における半導体モジュール２に近い側から、引き出されている。
図２、図４に示すごとく、コイル３１は、その内周側にコア３２の内側脚部３２２が挿通された状態で、コア３２と組み合わされている。すなわち、コイル３１は、コア３２の内側脚部３２２の周囲に巻回されたような状態で配されている。

また、図６に示すごとく、コイル３１とコア３２との間には、両者の間の電気的絶縁を図るための絶縁部材３３が介在している。絶縁部材３３は、例えば、予め成形された樹脂成形体を、コイル３１とコア３２と共に組み付けてもよいし、コイル３１とコア３２とを組み合わせたのち、コイル３１とコア３２との間の隙間に、液状の樹脂を充填して固化することにより配置してもよい。また、絶縁部材３３は、例えば、絶縁紙とするなど、他の態様とすることもできる。

絶縁部材３３は、コイル３１及びコア３２に接触した状態で配されている。そして、少なくとも積層方向Ｘにおいて、コイル３１は、絶縁部材３３を介して内側脚部３２２と当接し、コイル３１と内側脚部３２２との間において積層方向Ｘの荷重が伝わるような構成となっている。

図１〜図４に示すごとく、冷却器４は、複数の冷却管４１を積層してなり、互いを、幅方向Ｙの両端部付近において、連結管４２によって連結してなる。また、積層方向Ｘの一方の端部に、冷却器４に冷媒を導入する冷媒導入管４３１と、冷却器４から冷媒を排出する冷媒排出管４３２とが設けてある。冷却器４（積層体１１）における、冷媒導入管４３１及び冷媒排出管４３２を設けた側を、前側、その反対側を後側と、便宜的にいうこととする。

積層体１１は、冷却器４における複数の冷却管４１の間に設けられた複数の隙間に、半導体モジュール２をそれぞれ配設してなる。冷却器４における冷却管４１の間の隙間のうち、最も後側の隙間に、リアクトル３が配置されている。リアクトル３が配置される隙間は、半導体モジュール２が配置される隙間よりも、積層方向Ｘの寸法が大きい。それゆえ、リアクトル３を挟持する一対の冷却管４１を繋ぐ連結管４２は、他の連結管４２よりも長い。

リアクトル３は、図２、図４に示すごとく、一対のコイル露出面３１１及び一対のコア端面３２４において、それぞれ一対の冷却管４１に面接触している。すなわち、平坦面である冷却管４１の冷却面が、面一の平坦面となっているコイル露出面３１１及びコア端面３２４の双方に、面接触している。そして、冷却管４１とコイル露出面３１１及びコア端面３２４とは、互いに積層方向Ｘに押圧された状態で密着している。
半導体モジュール２と冷却管４１とも、互いに面接触した状態で押圧され、密着している。

冷媒導入管４３１から導入された冷媒は、連結管４２を適宜通り、各冷却管４１に分配されると共に、冷却管４１内部の冷媒流路を介してその長手方向（幅方向Ｙ）に流通する。そして、各冷却管４１を流れる間に、冷媒は半導体モジュール２及びリアクトル３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、下流側の連結管４２を適宜通り、冷媒排出管４３２に導かれ、冷却器４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（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の冷媒を用いることができる。

図１、図２に示すごとく、積層体１１は、積層方向Ｘに加圧されている。すなわち、電力変換装置１は、ケース１２内に積層体１１を配置し、積層体１１の後端側に、加圧部材１３を配置してなる。加圧部材１３は、積層体１１の後端面を、積層方向Ｘに、前方へ向かって加圧している。加圧部材１３は、例えば板バネからなり、積層方向Ｘに圧縮弾性変形した状態で、積層体１１の後端面１１１と、該後端面１１１に対向するケース１２の内壁面１２１との間に介設されている。ただし、加圧部材１３の構成や配置の仕方は、特に限定されるものではない。

電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、電源電力を駆動用モータの駆動に必要な駆動用電力に変換するインバータとして用いられる。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
電力変換装置１において、リアクトル３は、積層方向Ｘの両側から冷却管４１に挟持された状態で、積層体１１に組み込まれている。これにより、リアクトル３を積層方向Ｘの両側から冷却することができる。
そして、コイル３１はコイル露出面３１１を有し、コイル露出面３１１は、冷却管４１に接触している。これにより、コイル３１の熱を、コイル露出面３１１から直接冷却管４１へ放熱することができる。すなわち、リアクトル３における主な発熱源であるコイル３１を、冷却器４によって直接冷却することができるため、リアクトル３の冷却効率を向上させることができる。

また、コイル３１は、積層方向Ｘの両側にコイル露出面３１１を有する。これにより、積層方向Ｘの両側から効率的にコイル３１の放熱を行うことができる。また、リアクトル３を挟持する一対の冷却管４１からの押圧力（挟持力）を、コイル３１において受けることができる。すなわち、コイル３１が、リアクトル３に加わる押圧力に対して梁の役割をすることとなる。一般にコア３２よりも強度の高いコイル３１によって押圧力を受ける構成とすることで、特に別部材にて補強等することなく、リアクトル３を積層体１１に組み込むことができる。その結果、部品点数の低減、小型化を実現しやすくなる。

また、コア３２は外側脚部３２１と内側脚部３２２と基体部３２３とを有し、外側脚部３２１がコイル３１に対して幅方向Ｙの位置に配置されている。これにより、コイル３１の内側に配された内側脚部３２２によっても積層方向Ｘにおけるコイル３１の剛性を高めることができる。その結果、押圧力に対するリアクトル３の強度を向上させることができる。また、リアクトル３の磁気回路を充分に確保することができ、充分なインダクタンスを確保することができる。

また、コア３２は、コイル露出面３１１と面一に配されたコア端面３２４を有し、コイル露出面３１１とコア端面３２４との双方が、冷却管４１に面接触している。これにより、積層方向Ｘの押圧力に対するリアクトル３の強度をより向上させることができる。また、コイル３１に加えてコア３２からも冷却管４１へ放熱することができるため、リアクトル３の冷却効率をより向上させることができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、リアクトルの冷却効率に優れた電力変換装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態の電力変換装置１は、図７に示すごとく、コア端面３２４よりもコイル露出面３１１が、積層方向Ｘに突出している。
一対のコイル露出面３１１は、それぞれ一対のコア端面３２４よりも、積層方向Ｘの外側に配されている。そして、リアクトル３は、コイル露出面３１１において、冷却管４１に接触し、コア端面３２４は冷却管４１に接触していない。すなわち、コア端面３２４と冷却管４１との間には、クリアランスが形成されている。

その他は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態においては、コイル露出面３１１がコア端面３２４よりも積層方向Ｘに突出しているため、確実にコイル露出面３１１を冷却管４１に接触させることができる。すなわち、多少の寸法公差があったとしても、確実にコイル露出面３１１を、積層方向Ｘにおけるリアクトル３の両端に配置することができる。そして、冷却管４１からの加圧力を確実にコイル露出面３１１において受けることができる。その結果、リアクトル３の冷却効率を確実に向上させることができ、また、冷却管４１の間に安定してリアクトル３を配置することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本実施形態の電力変換装置１においては、図８に示すごとく、軸方向Ｚから見たとき、コイル３１の短手方向が積層方向Ｘとなるように、リアクトル３が配置されている。
すなわち、リアクトル３のコイル３１は、積層方向Ｘの寸法が、幅方向Ｙの寸法よりも小さい。そして、コイル露出面３１１は、コイル３１の短手方向の両側に形成されていることとなる。
その他は、実施形態１と同様である。

本実施形態においては、コイル露出面３１１がコイル３１の短手方向の両側に形成されているため、面積を大きくとることが可能となる。その結果、コイル３１の放熱性、ひいてはリアクトル３の冷却効率を向上させることができる。また、コイル３１の短手方向の両側にコイル露出面３１１が設けてあるため、コイル３１の各部からコイル露出面３１１までの伝熱距離も短くなりやすい。かかる観点からも、コイル３１の放熱性、ひいてはリアクトル３の冷却効率を向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、上記以外の種々の実施形態にも適用することが可能である。例えば、積層体におけるリアクトルの配設位置については、積層体１１の後端の隙間に限らず、前端の隙間など、他の配設位置とすることもできる。

１電力変換装置
１１積層体
２半導体モジュール
３リアクトル
３１コイル
３１１コイル露出面
３２コア
４冷却器
４１冷却管
Ｘ積層方向
Ｙ幅方向
Ｚ軸方向

Claims

半導体素子を内蔵してなる半導体モジュール（２）と、
導体からなるコイル（３１）と磁性体からなるコア（３２）とを備えたリアクトル（３）と、
上記半導体モジュール（２）及び上記リアクトル（３）を冷却する冷却器（４）と、を有し、
上記冷却器（４）は、上記半導体モジュール（２）及び上記リアクトル（３）と共に積層した複数の冷却管（４１）を備えており、
上記半導体モジュール（２）及び上記リアクトル（３）は、それぞれ積層方向（Ｘ）の両側から上記冷却管（４１）によって挟持されており、
上記半導体モジュール（２）、上記リアクトル（３）、及び上記冷却管（４１）からなる積層体（１１）は、積層方向（Ｘ）に加圧されており、
上記リアクトル（３）は、上記コイル（３１）の軸方向（Ｚ）が上記積層方向（Ｘ）と直交する状態で、上記積層体（１１）に組み込まれており、
上記コイル（３１）は、上記コア（３２）から積層方向（Ｘ）の少なくとも一方に露出したコイル露出面（３１１）を有し、
該コイル露出面（３１１）は、上記冷却管（４１）に接触していることを特徴とする電力変換装置（１）。
上記コイル（３１）は、積層方向（Ｘ）の両側に上記コイル露出面（３１１）を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
上記コア（３２）は、上記コイル（３１）の外周側に配される外側脚部（３２１）と、上記コイル（３１）の内周側に配される内側脚部（３２２）と、上記外側脚部（３２１）と上記内側脚部（３２２）とを連結する基体部（３２３）とを有し、上記外側脚部（３２１）は、上記コイル（３１）に対して積層方向（Ｘ）及び軸方向（Ｚ）の双方に直交する幅方向（Ｙ）の位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置（１）。
上記コア（３２）は、上記コイル露出面（３１１）と面一に配されたコア端面（３２４）を有し、上記コイル露出面（３１１）と上記コア端面（３２４）との双方が、上記冷却管（４１）に面接触し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）。