JP2016149836A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐振性及び冷却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た半導体モジュール２と、半導体モジュール２に接続されたコンデンサ３と、半導体モジュール２及びコンデンサ３を冷却するための冷却器４と、ポッティング材１１とを有する。ポッティング材１１は、半導体モジュール２とコンデンサ３と冷却器４とに密着して一体的に形成されている。半導体モジュール２とコンデンサ３と冷却器４とは、ポッティング材１１によって互いに固定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体モジュール及びコンデンサを備えた電力変換装置に関する。

例えば電気自動車やハイブリッド自動車等には、インバータ等の電力変換装置が搭載されている。かかる電力変換装置として、特許文献１には、半導体モジュールと、半導体モジュールに電気的に接続されたコンデンサと、を備えるものが開示されている。

特開２０１３−２３３０４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電力変換装置は、コンデンサから引き出された端子において、コンデンサと半導体モジュールとが接続されている。それゆえ、電力変換装置に振動が加わったとき、コンデンサと半導体モジュールとが個別に振動して相対変位すると、コンデンサと半導体モジュールとの接続部に直接負荷が加わりやすく、耐振性の課題がある。

また、特許文献１に記載の電力変換装置において、コンデンサの冷却は空冷によって行うことが考えられるが、コンデンサの冷却性能向上の観点から、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、耐振性及び冷却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た半導体モジュールと、
該半導体モジュールに接続されたコンデンサと、
上記半導体モジュール及び上記コンデンサを冷却するための冷却器と、
上記半導体モジュールと上記コンデンサと上記冷却器とに密着して一体的に形成されたポッティング材と、を有し、
上記半導体モジュールと上記コンデンサと上記冷却器とは、上記ポッティング材によって互い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、半導体モジュールとコンデンサと冷却器とに密着して一体的に形成されたポッティング材を有する。また、半導体モジュールとコンデンサと冷却器とは、ポッティング材によって互いに固定されている。それゆえ、半導体モジュールとコンデンサとが互いに個別に振動することを抑制することができる。その結果、半導体モジュールとコンデンサとの接続部に、直接負荷がかかることを抑制することができる。

さらに、半導体モジュール及びコンデンサの熱を、ポッティング材を介して冷却器に放熱することができ、半導体モジュール及びコンデンサの冷却性能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、耐振性及び冷却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。

実施例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。 実施例２における、電力変換装置の平面図。 図３の、IV−IV線矢視断面図。 実施例３における、電力変換装置の平面図。 図５の、VI−VI線矢視断面図。 実施例４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。 実施例５における、電力変換装置の平面図。 図９の、Ａ−Ａ線矢視断面図。

電力変換装置は、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置であって、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載され、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ことに用いることができる。
また、コンデンサは、上記電力変換装置に使用されて、電力変換回路の入力電圧を平滑化する平滑コンデンサ等とすることができる。

（実施例１）
電力変換装置の実施例につき、図１、図２を用いて説明する。
電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、半導体素子を内蔵した半導体モジュール２と、半導体モジュール２に接続されたコンデンサ３と、半導体モジュール２及びコンデンサ３を冷却するための冷却器４と、ポッティング材１１とを有する。ポッティング材１１は、半導体モジュール２とコンデンサ３と冷却器４とに密着して一体的に形成されている。半導体モジュール２とコンデンサ３と冷却器４とは、ポッティング材１１によって互いに固定されている。

半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子やＦＷＤ等のダイオード等の半導体素子を樹脂モールドしてなる。図２に示すごとく、半導体モジュール２は、主面を冷却器４に当接させて配置されている。コンデンサ３は、例えば金属化フィルムを巻回してなるフィルムコンデンサとすることができる。

図１、図２に示すごとく、半導体モジュール２とコンデンサ３と冷却器４とは、これらの全体がポッティング材１１に埋設されている。これにより、半導体モジュール２とコンデンサ３と冷却器４とは、それぞれの露出面の全体において、一体的に形成されたポッティング材１１に密着しており、ポッティング材１１によって互いに固定されている。本明細書において、露出面とは、ポッティング材１１が配されていない状態において露出している面を意味するものとする。例えば、半導体モジュール２及び冷却器４における互いの当接面等は露出面ではない。ポッティング材１１は、例えばエポキシ等の熱伝導性及び電気的絶縁性を有する樹脂等からなる。

冷却器４は、内部に冷媒を流すための冷媒流路を有する。そして、冷却器４には、冷却器４内の冷媒流路に冷媒を導入するための冷媒導入部（図示略）と、冷却器４内の冷媒流路から冷却器４の外部に冷媒を排出するための冷媒排出部（図示略）とが設けられている。冷媒導入部及び冷媒排出部には、ポッティング材１１の外部に突出するように配管が接続される。これにより、配管を通じて、ポッティング材１１の外部から冷却器４内に冷媒を導入することができ、冷却器４からポッティング材１１の外部に冷媒を排出することができる。

また、電力変換装置１は、半導体モジュール２とコンデンサ３とを接続するバスバ５を有し、バスバ５の全体がポッティング材１１に埋設されている。すなわち、ポッティング材１１は、半導体モジュール２、コンデンサ３、冷却器４、バスバ５の全体を埋設している。

図２に示すごとく、バスバ５は、半導体モジュール２から突出した一対のパワー端子５１と、コンデンサ３の両端面に面接触した一対のコンデンサ端子５２とによって構成されている。パワー端子５１とコンデンサ端子５２とは、互いの主面において溶接等により接続されている。そして、パワー端子５１、コンデンサ端子５２は、それぞれの露出面の全体においてポッティング材１１に密着している。

次に、本例の作用効果につき説明する。
電力変換装置１は、半導体モジュール２とコンデンサ３と冷却器４とに密着して一体的に形成されたポッティング材１１を有する。また、半導体モジュール２とコンデンサ３と冷却器４とは、ポッティング材１１によって互いに固定されている。それゆえ、半導体モジュール２とコンデンサ３とが互いに個別に振動することを抑制することができる。その結果、半導体モジュール２とコンデンサ３との接続部に、直接負荷がかかることを抑制することができる。

さらに、半導体モジュール２及びコンデンサ３の熱を、ポッティング材１１を介して冷却器４に放熱することができ、半導体モジュール２及びコンデンサ３の冷却性能の向上を図ることができる。

また、バスバ５の全体がポッティング材１１に埋設されている。それゆえ、バスバ５の耐振性を向上させることができる。これにより、例えば、パワー端子５１とコンデンサ端子５２との接合部に大きな負荷がかかることを抑制することができる。
また、バスバ５と、バスバ５に対して電気的に絶縁すべき部位（例えば冷却器４）と、の間の絶縁距離を短くできる。その結果、バスバ５を短くすることができ、電力変換装置１の小型化を図ることができる。
また、バスバ５の熱を、ポッティング材１１を介して冷却器４に放熱することができるため、バスバ５の放熱性の向上も図ることができる。

また、コンデンサ３の全体が、ポッティング材１１に埋設されている。それゆえ、コンデンサ３の耐湿性を確保することができる。また、コンデンサ３の熱を、全面から、ポッティング材１１を介して冷却器４に放熱することができるため、コンデンサ３の放熱性の向上を図ることもできる。

また、半導体モジュール２とコンデンサ３と冷却器４とは、これらの全体がポッティング材１１に埋設されている。それゆえ、半導体モジュール２とコンデンサ３とは、ポッティング材１１に強固に保持されることとなり、両者が互いに個別に振動することを一層抑制することができる。また、コンデンサ３の熱を、全面から、ポッティング材１１を介して冷却器４に放熱することができるため、コンデンサ３の放熱性の向上を図ることもできる。

以上のごとく、本例によれば、耐振性及び冷却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。

（実施例２）
本例は、図３、図４に示すごとく、冷却器４が、複数の冷却管４１を備え、複数の冷却管４１が、電力変換回路を構成する電子部品と共に積層された積層構造体１０を構成している例である。本例においては、積層構造体１０を構成している電子部品として、半導体モジュール２及びコンデンサ３を有する電力変換装置１の例を示す。また、本例は、積層構造体１０の全体がポッティング材１１に埋設されている。なお、以下においては、積層構造体１０における積層方向を、単に積層方向Ｘという。また、適宜、冷却管４１の長手方向を幅方向Ｙという。

冷却器４は、複数の冷却管４１を積層してなり、互いを長手方向（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。

積層構造体１０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及びコンデンサ３をそれぞれ配設してなる。複数の半導体モジュール２は、主面の法線方向を積層方向Ｘと一致させて冷却管４１の間に配されている。また、積層構造体１０は、冷却器４における隣り合う冷却管４１の間の隙間のうち、積層方向Ｘの一端の隙間に、コンデンサ３を配置してなる。半導体モジュール２及びコンデンサ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。

積層構造体１０は、全体がポッティング材１１に埋設されている。これにより、半導体モジュール２とコンデンサ３と冷却器４とは、これらの全体がポッティング材１１に埋設されている。

冷却器４における積層方向Ｘの一端に配された冷却管４１には、冷却器４に冷媒を導入する冷媒導入部（図示略）と、冷却器４から冷媒を排出する冷媒排出部（図示略）とが設けられている。冷媒導入部及び冷媒排出部には、ポッティング材１１の外部に突出するように配管が接続される。これにより、配管を通じて、ポッティング材１１の外部から冷却器４内に冷媒を導入することができ、冷却器４からポッティング材１１の外部に冷媒を排出することができる。

実施例１と同様に、電力変換装置１は、半導体モジュール２とコンデンサ３とを接続するバスバ５を有し、バスバ５の全体がポッティング材１１に埋設されている。すなわち、ポッティング材１１は、半導体モジュール２、コンデンサ３、冷却器４、バスバ５の全体を埋設している。

図４に示すごとく、バスバ５は、パワー端子５１とコンデンサ端子５２と中間バスバ５３とによって構成されている。中間バスバ５３は積層方向Ｘに形成された平板形状を有する。中間バスバ５３は、積層方向Ｘの一方においてパワー端子５１と溶接等によって接続されており、その他方側においてコンデンサ端子５２と溶接等によって接続されている。中間バスバ５３は、パワー端子５１及びコンデンサ端子５２と、互いの主面において、溶接等によって接続されている。そして、パワー端子５１、コンデンサ端子５２、中間バスバ５３は、それぞれの露出面の全体においてポッティング材１１に密着している。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、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。

本例においては、積層構造体１０の全体がポッティング材１１に埋設されているため、積層構造体１０に生じる振動をポッティング材１１によって吸収することができ、電力変換装置１の耐振性の向上を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図５、図６に示すごとく、実施例１の変形例である。すなわち、本例は、電力変換装置１が、半導体モジュール２のスイッチング動作を制御する制御回路基板６を有する例である。本例においては、制御回路基板６の全体がポッティング材１１に埋設されている。すなわち、ポッティング材１１は、半導体モジュール２、コンデンサ３、冷却器４、バスバ５、制御回路基板６の全体を埋設している。

図６に示すごとく、半導体モジュール２におけるパワー端子５１の突出側と反対側には、半導体モジュール２を制御回路基板６に接続する複数の制御端子７が突出している。複数の制御端子７が制御回路基板６に形成された複数のスルーホール６０に挿通されると共にはんだ等によって接続されている。

図６、図７に示すごとく、制御回路基板６は、露出面の全体においてポッティング材１１に密着している。また、本例においては、制御端子７の全体もポッティング材１１に埋設されている。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、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。

本例においては、半導体モジュール２とコンデンサ３と制御回路基板６とが互いに個別に振動することを抑制することができる。その結果、半導体モジュール２と制御回路基板６との接続部に、直接負荷がかかることを抑制することができる。すなわち、制御端子７とスルーホール６０との接合部（はんだ部）や、制御端子７自体に応力が作用することを抑制することができる。また、制御回路基板６に載置された電子部品の耐振性の向上を図ることもできる。

また、制御回路基板６に載置される回路部品間の絶縁距離を短くできるため、制御回路基板６自体の小型化を図ることができる。また、制御回路基板６と、制御回路基板６に対して電気的に絶縁すべき部位と、の間の絶縁距離を短くできるため、制御回路基板６の配置場所の自由度を上げることができる。その結果、電力変換装置１の小型化を図ることもできる。

また、制御回路基板６の熱を、ポッティング材１１を介して冷却器４に放熱することができるため、制御回路基板６の放熱性の向上も図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図７、図８に示すごとく、実施例２の変形例である。本例も実施例３と同様、電力変換装置１が、半導体モジュール２のスイッチング動作を制御する制御回路基板６を有する例である。本例においても、制御回路基板６の全体がポッティング材１１に埋設されている。つまり、ポッティング材１１は、半導体モジュール２、コンデンサ３、冷却器４、バスバ５、制御回路基板６の全体を埋設している。制御回路基板６は、積層方向Ｘ及び幅方向Ｙに広がって形成されている。

図８に示すごとく、半導体モジュール２におけるパワー端子５１の突出側と反対側には、半導体モジュール２を制御回路基板６に接続する複数の制御端子７が突出している。複数の制御端子７が制御回路基板６に形成された複数のスルーホール６０に接続されている。

図７、図８に示すごとく、制御回路基板６は、露出面の全体においてポッティング材１１に密着している。また、本例においては、制御端子７の全体もポッティング材１１に埋設されている。

その他は、実施例２と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例２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２と同様の構成要素等を表す。
本例においても、実施例２及び実施例３と同様の作用効果を奏することができる。

（実施例５）
本例も、図９、図１０に示すごとく、実施例２の変形例である。すなわち、本例は、積層構造体１０を構成している電子部品として、半導体モジュール２、コンデンサ３に加えて、リアクトル８を有する例である。リアクトル８は、電源電圧を昇圧する昇圧回路を構成する。

積層構造体１０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、コンデンサ３、及びリアクトル８をそれぞれ配設してなる。積層構造体１０は、冷却器４における冷却管４１の間の隙間のうち、積層方向Ｘの一端の隙間にコンデンサ３を配置してなり、積層方向Ｘの他端の隙間にリアクトル８を配置してなる。半導体モジュール２、コンデンサ３、及びリアクトル８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。

そして、冷却管４１、半導体モジュール２、コンデンサ３、リアクトル８を含む積層構造体１０の全体がポッティング材１１に埋設されている。

その他は、実施例２と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例２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２と同様の構成要素等を表す。

本例においては、積層構造体１０を構成している電子部品として、半導体モジュール２、コンデンサ３、リアクトル８を有するため、積層方向Ｘにおける積層構造体１０の体格が大きくなりやすく、耐振性の問題が生じやすい傾向にある。そこで、積層構造体１０の全体をポッティング材１１によって埋設することにより、電力変換装置１の耐振性向上の効果を一層得ることができる。
その他、実施例２と同様の作用効果を有する。

なお、上記実施例２、４、５において、積層構造体における電力変換回路を構成する電子部品（半導体モジュール、コンデンサ、リアクトル等）の配設位置については、上記実施例のものに限られず、種々の変更が可能である。

１ 電力変換装置
１１ ポッティング材
２ 半導体モジュール
３ コンデンサ
４ 冷却器

Claims (6)

1. 半導体素子を内蔵した半導体モジュール（２）と、
   該半導体モジュール（２）に接続されたコンデンサ（３）と、
   上記半導体モジュール（２）及び上記コンデンサ（３）を冷却するための冷却器（４）と、
   上記半導体モジュール（２）と上記コンデンサ（３）と上記冷却器（４）とに密着して一体的に形成されたポッティング材（１１）と、を有し、
   上記半導体モジュール（２）と上記コンデンサ（３）と上記冷却器（４）とは、上記ポッティング材（１１）によって互いに固定されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記電力変換装置（１）は、上記半導体モジュール（２）と上記コンデンサ（３）とを接続するバスバ（５）を有し、該バスバ（５）の全体が上記ポッティング材（１１）に埋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. 上記冷却器（４）は、複数の冷却管（４１）を備え、該複数の冷却管（４１）は、電力変換回路を構成する電子部品（２、３、８）と共に積層された積層構造体（１０）を構成してなり、該積層構造体（１０）の全体が上記ポッティング材（１１）に埋設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. 上記電力変換装置（１）は、上記半導体モジュール（２）のスイッチング動作を制御する制御回路基板（６）を有し、該制御回路基板（６）の全体が上記ポッティング材（１１）に埋設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）。
5. 上記コンデンサ（３）の全体が、上記ポッティング材（１１）に埋設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
6. 上記半導体モジュール（２）と上記コンデンサ（３）と上記冷却器（４）とは、これらの全体が上記ポッティング材（１１）に埋設されていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置（１）。

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