JP2016140213A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐振性の向上を図ることができる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、半導体モジュール２、リアクトル３、及び冷却器４を収容するケース５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と直交する状態にて、積層体１１に組み込まれていると共に、固定部材６によって、ケース５に対して軸方向Ｚに固定されている。【選択図】図２

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る。そこで、特許文献１には、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に記載の電力変換装置においては、半導体モジュール及びリアクトルと共に複数の冷却管を積層して積層体を構成している。そして、該積層体は、積層方向の両側から加圧されることにより、半導体モジュール及びリアクトルと冷却管との密着度を高め、冷却性能の向上を図っている。

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、積層体にリアクトルが組み込まれているため、車体等から伝わる振動によって積層体が大きく振動しやすい。すなわち、一般に重量の大きいリアクトルが積層体に組み込まれていると、積層方向に直交する方向に積層体がケースに対して振動しやすくなる。それゆえ、特許文献１に開示された電力変換装置は、耐振性の観点から改善の余地がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、耐振性の向上を図ることが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、
上記半導体モジュール、上記リアクトル、及び上記冷却器を収容するケースと、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にて、上記積層体に組み込まれていると共に、固定部材によって、上記ケースに対して軸方向に固定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、上記積層体に組み込まれたリアクトルを、固定部材によって、ケースに対して軸方向に固定してなる。それゆえ、ケースに対して積層体が振動することを抑制することができる。すなわち、一般に半導体モジュールに比して重量物であるリアクトルを積層方向と直交する軸方向に、ケースに対して固定することによって、積層体全体の振動を効果的に抑制することができる。その結果、電力変換装置の耐振性の向上を図ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、耐振性の向上を図ることができる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、電力変換装置の一部展開斜視図。 実施形態１における、分割コア体の一方を取り除いた電力変換装置の平面図。 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、電力変換装置の平面図。 図７のVIII−VIII線矢視断面図。 実施形態２における、分割コア体の一方を取り除いた電力変換装置の平面図。 実施形態３における、電力変換装置の平面図。 図１０のXI−XI線矢視断面図。 実施形態３における、分割コア体の一方を取り除いた電力変換装置の平面図。

（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、半導体モジュール２、リアクトル３、及び冷却器４を収容するケース５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。図１、図２に示すごとく、リアクトル３は、コイル３１の軸方向Ｚが積層方向Ｘと直交する状態にて、積層体１１に組み込まれていると共に、固定部材６によって、ケース５に対して軸方向Ｚに固定されている。本実施形態において、固定部材６は、リアクトル３におけるコイル３１の内側を軸方向Ｚに貫通するように配設されている。

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３１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１、図２に示すごとく、積層体１１は、ケース５内に収容されている。図１〜図４に示すごとく、ケース５は、略矩形状の底壁部５１と、底壁部５１の端縁の４辺から底壁部５１の法線方向の一方に立設された側壁部５２とを有する。一対の側壁部５２は積層方向Ｘに対向しており、他の一対の側壁部５２は幅方向Ｙに対向するように形成されている。
なお、以下において、便宜上、底壁部５１の主面の法線方向における側壁部５２が立設した側を上側、その反対側を下側という。

図２〜図４に示すごとく、底壁部５１には、上側に向って突出した略円柱状のボス部６１が形成されている。ボス部６１には、上端面から下側に向って雌ネジ部６１０が形成されている。また、リアクトル３のコア３２は、コイル３１の内周側において、軸方向Ｚに貫通形成された略円柱形状の貫通孔３２５を有する。そして、積層体１１は、リアクトル３のコア３２の貫通孔３２５に、ケース５の底壁部５１に形成されたボス部６１を挿入させてケース５内に収容されている。

図２に示すごとく、貫通孔３２５内におけるボス部６１の上側には、略円柱形状の固定ピン６２が挿通配置されている。固定ピン６２は、軸方向Ｚに貫通してなるボルト挿通孔６２０を有する。固定ピン６２の上端部には、軸方向Ｚに直交する方向に突出した係合部６２１が形成されている。また、コア３２の上端部における貫通孔３２５の周囲には、コア３２の上端面が下側に向って後退した凹部３２６が形成されている。固定ピン６２は、リアクトル３の凹部３２６に係合部６２１が係合するように、コア３２の貫通孔３２５に挿通されている。

そして、ボルト６３が、固定ピン６２のボルト挿通孔６２０に挿通され、ケース５のボス部６１の雌ネジ部６１０に螺合されている。これにより、積層体１１に組み込まれたリアクトル３が、ケース５に対して軸方向Ｚに固定されている。つまり、ケース５のボス部６１と、固定ピン６２と、ボルト６３とによって、固定部材６が構成されている。

図示は省略したが、固定部材６とコア３２の貫通孔３２５の内面との間には、少なくとも積層方向Ｘにおいて、若干の隙間が形成されている。例えば、コア３２の貫通孔３２５は、積層方向Ｘに長い長孔となっていてもよい。これにより、積層方向Ｘにおける積層体１１の寸法公差を吸収しつつ、積層体１１に組み込まれたリアクトル３をケース５に固定することができる。

図２、図４〜図６に示すごとく、リアクトル３のコア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に対して幅方向Ｙの位置に配置されている。

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、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（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を向く状態にて、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。

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。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が挿通された状態にて、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にて配されている。

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。図２、図４に示すごとく、本実施形態において、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。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４に示すごとく、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。本例において、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が、これに限られるものではない。

図２、図４に示すごとく、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。

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に接触した状態にて配されている。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、幅方向Ｙを長手方向とした冷却管４１を複数積層してなり、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、冷媒導入管４３１及び冷媒排出管４３２をケース５の前端の側壁部５２から貫通させて、ケース５内に収容されている。

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。

図２、図４に示すごとく、リアクトル３は、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に押圧された状態にて密着している。
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にて押圧され、密着している。

積層体１１は、積層方向Ｘに加圧されている。すなわち、図１、図２に示すごとく、積層体１１の前端面は積層体１１の前方に配された側壁部５２に当接しており、かつ、積層体１１の後端側に、加圧部材７を配置してなる。加圧部材７は、積層体１１の後端面１１１を、積層方向Ｘに、前方へ向かって加圧している。加圧部材７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にて、積層体１１の後端面１１１と、後端面１１１に対向するケース５の側壁部５２との間に介設されている。ただし、加圧部材７の構成や配置の仕方は、特に限定されるものではない。

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。

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は、積層体１１に組み込まれたリアクトル３を、固定部材６によって、ケース５に対して軸方向Ｚに固定してなる。それゆえ、ケース５に対して積層体１１が振動することを抑制することができる。すなわち、一般に半導体モジュール２に比して重量物であるリアクトル３を積層方向Ｘと直交する軸方向Ｚに、ケース５に対して固定することによって、積層体１１全体の振動を効果的に抑制することができる。その結果、電力変換装置１の耐振性の向上を図ることができる。

また、固定部材６は、リアクトル３におけるコイル３１の内側を軸方向Ｚに貫通するように配設されている。それゆえ、高温になりやすいリアクトル３の内側の熱を、固定部材６を介してケース５に放熱することができる。これにより、リアクトル３の放熱性の向上を図ることができる。

また、リアクトル３は、積層方向Ｘの両側から冷却管４１に挟持された状態にて、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。

以上のごとく、本実施形態によれば、耐振性の向上を図ることができる電力変換装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図７〜図９に示すごとく、リアクトル３がコイル３１及びコア３２を収容するリアクトルケース３４を有するものである。図７、図８に示すごとく、リアクトルケース３４は、略矩形状のリアクトル底壁部３４１と、底壁部の端縁から上側に立設されたリアクトル側壁部３４２とを有する。図８に示すごとく、リアクトル底壁部３４１には、ケースのボス部６１を挿通するための開口孔３４０が形成されている。リアクトルケース３４は、熱伝導性を有する金属からなる。

図８、図９に示すごとく、コイル露出面３１１とコア端面３２４とは、リアクトルケース３４のリアクトル側壁部３４２に接触している。そして、リアクトル側壁部３４２におけるコイル露出面３１１及びコア端面３２４と接触した面と反対側の面は、冷却管４１に接触している。これにより、コイル露出面３１１及びコア端面３２４は、冷却管４１に熱的に接触している。すなわち、コイル露出面３１１は、コア３２を介在することなく、熱伝導性を有するリアクトルケース３４を介して冷却管４１に熱的に接触している。

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、リアクトル３の剛性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。

（実施形態３）
本実施形態は、図１０〜図１２に示すごとく、実施形態１に対して、固定部材６の配置箇所を変更したものである。すなわち、固定部材６は、リアクトル３における幅方向Ｙの両端に配されている。

本実施形態において、ケース５の底壁部５１には、一対のボス部６１が形成されている。一対のボス部６１は、互いに幅方向Ｙに並んでいる。

コア３２には、幅方向Ｙにおける両端面が、コア３２の内側に向って凹んだ切欠部３２７が形成されている。切欠部３２７は、軸方向Ｚにおけるコア３２の全領域に形成されている。切欠部３２７は、軸方向Ｚから見た形状が略半円形状を有する。そして、一対のボス部６１に、一対の切欠部３２７を沿わせてリアクトル３がケース５内に収容されている。

そして、一対のボス部６１の上側に固定ピン６２がそれぞれ配されている。そして、ボルト６３が、固定ピン６２のボルト挿通孔６２０に挿通され、ボス部６１の雌ネジ部６１０に螺合されることにより、固定部材６が一対形成されている。

図示は省略したが、一対の固定部材６とコア３２の切欠部３２７の内面との間には、少なくとも積層方向Ｘにおいて、若干の隙間が形成されている。
その他は、実施形態１と同様である。
本実施形態においても、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。

また、固定部材の形状、配置箇所についても、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、固定ピンの係合部を、固定ピンと別部材にした構成とすることもできる。かかる構成としては、例えば円環状の係合部を、固定ピンとボルトとの間に挟み込んだ構成とすることができる。また、係合部を、軸方向に弾性変形可能な板バネとし、固定ピンとボルトとの間に挟み込む構成とすることもできる。これにより、板バネである係合部がリアクトルを軸方向に弾性的に押圧しつつ、ケースに固定することができる。

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
３２ コア
４ 冷却器
４１ 冷却管
５ ケース
６ 固定部材
Ｘ 積層方向
Ｚ 軸方向

Claims (3)

1. 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、
   上記半導体モジュール（２）、上記リアクトル（３）、及び上記冷却器（４）を収容するケース（５）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）と直交する状態にて、上記積層体（１１）に組み込まれていると共に、固定部材（６）によって、上記ケース（５）に対して軸方向（Ｚ）に固定されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記固定部材（６）は、上記リアクトル（３）における上記コイル（３１）の内側を軸方向（Ｚ）に貫通するように配設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請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）。

Images