JP2019122064A

JP2019122064A - 電力変換装置

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Publication number: JP2019122064A
Application number: JP2017253409A
Authority: JP
Inventors: 康男伊藤; Yasuo Ito
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2019-07-22
Anticipated expiration: 2037-12-28
Also published as: JP7139603B2

Abstract

【課題】電力変換装置における冷却構造が複雑になる場合がある。【解決手段】電力変換装置（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）は、第１電極（４１）と第２電極（４２）とを備えるコンデンサ（４０）と、第１端子部（２１）と第２端子部（２２）とを備える半導体モジュール（２０）と、第１端子部と第１電極とを電気的に接続する導電性の第１バスバー（５０）と、第２端子部と第２電極とを電気的に接続する導電性の第２バスバー（６０、６０Ｂ）と、を備え、第１バスバー及び第２バスバーの少なくとも一方は、内部に冷媒が流れる冷媒流路（５５、６５）を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、電力変換装置に関する。

特許文献１には、金属箔と誘電体とを重ねて巻回したコンデンサ素子の両端からはみ出す金属箔を導体で封止し、封止した導体に冷却液を流す冷却パイプを接合したコンデンサが開示されている。

特開２００１−２３０１４５号公報

特許文献１記載の技術では、金属箔を封止する導体に、直接、冷却パイプを接合してコンデンサを冷却するため、コンデンサの構造が複雑になるおそれがあった。

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、電力変換装置（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）が提供される。この電力変換装置は；第１電極（４１）と第２電極（４２）とを備えるコンデンサ（４０）と；第１端子部（２１）と第２端子部（２２）とを備える半導体モジュール（２０）と；前記第１端子部と前記第１電極とを電気的に接続する導電性の第１バスバー（５０）と、前記第２端子部と前記第２電極とを電気的に接続する導電性の第２バスバー（６０、６０Ｂ）と、を備え；前記第１バスバー及び第２バスバーの少なくとも一方は、内部に冷媒が流れる冷媒流路（５５、６５）を有する。

この形態によれば、第１端子部と第１電極とを接続する第１バスバーと、第２端子部と第２電極とを接続する第２バスバーと、の少なくとも一方は、内部に冷媒流路を有するので、電力変換装置に複雑な構造を採用せずに、コンデンサ及び端子部を冷却することができる。

第１実施形態の電力変換装置の上面図。第１実施形態の電力変換装置の冷却構造について説明するための図。電力変換装置を備える冷却システムについて示す図。第２実施形態の電力変換装置の上面図。第２実施形態の電力変換装置の冷却構造について説明するための図。第３実施形態の電力変換装置の上面図。第３実施形態の電力変換装置の冷却構造について説明するための図。第４実施形態の電力変換装置の上面図。第４実施形態の電力変換装置の冷却構造について説明するための図。

・第１実施形態
第１実施形態の電力変換装置１０Ａについて、図１及び図２を用いて説明する。また、電力変換装置１０Ａと冷媒循環部１１０とを備える冷却システム１００について、図３を用いて説明する。図１には、相互に略直交するＸＹＺ軸が図示されている。図１のＸＹＺ軸は、他の図のＸＹＺ軸に対応する。＋Ｚ軸方向を「上」とも呼び、その反対方向を、「下」とも呼ぶ。図１は電力変換装置１０Ａを上から見た図であり、図２は電力変換装置１０Ａの断面の簡略図を用いて冷却構造を説明するための図である。

本実施形態の電力変換装置１０Ａは、直流電流を多相交流に変換して外部負荷に出力するインバータ装置である。電力変換装置１０Ａは、電気自動車やハイブリッド車、燃料電池車両等の車両に搭載され、直流電源であるバッテリ（図示は省略）から出力される直流を、三相交流に変換して、外部負荷である三相交流モータ（図示は省略）に供給する。電力変換装置１０Ａは、半導体モジュール２０と、コンデンサモジュール３０と、第１バスバー５０と、第２バスバー６０と、冷却器７０と、を備える。

半導体モジュール２０は、正極側スイッチング素子と負極側スイッチング素子（図示は省略）とを内臓した、いわゆる２ｉｎ１型の半導体モジュール２０ｕ、２０ｖ、２０ｗを備える。３つの半導体モジュール２０ｕ、２０ｖ、２０ｗは、外部負荷のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ接続される。正極側のスイッチング素子は、第１端子部２１を介して第１バスバー５０に接続される。負極側のスイッチング素子は、第２端子部２２を介して第２バスバー６０に接続される。第１端子部２１及び第２端子部２２は、「パワー端子」とも呼ばれる。

冷却器７０は、半導体モジュール２０とコンデンサモジュール３０の下面に接触し、半導体モジュール２０とコンデンサモジュール３０を冷却する。冷却器７０の内部には、循環ポンプ等によって冷媒が循環する。他の実施形態では、冷却器７０はヒートシンクであってもよい。本実施形態では、半導体モジュール２０とコンデンサモジュール３０は、冷却器７０の上面の面内に収まるように積層されている。

コンデンサモジュール３０は、コンデンサ４０を収容する金属製のコンデンサケース３１と、充填樹脂３２と、コンデンサ４０と、を備える。充填樹脂３２は、コンデンサ４０とコンデンサケース３１との間に充填された樹脂であり、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。なお、図１に示すコンデンサ４０、第１バスバー５０、第２バスバー６０の上側は開放されているが、これらの上には充填樹脂３２やコンデンサケース３１の蓋が配置されていてもよい。

本実施形態におけるコンデンサ４０は、電力変換装置１０Ａに入力される直流を平滑化する、いわゆる平滑コンデンサである。コンデンサ４０は、金属性のフィルムを巻回して構成されている。図２に示すように、コンデンサ４０は、巻回軸方向であるＺ方向の両面に、対をなす第１電極４１と第２電極４２とを備える。第１電極４１はコンデンサ４０の上面側に配置され、第２電極４２はコンデンサ４０の下面側に配置されている。

第１バスバー５０は、第１端子部２１と、第１電極４１と、直流電源の正極側と、を電気的に接続する導電性の部材である。具体的には、第１バスバー５０は、半導体モジュール２０の第１端子部２１に接続された半導体モジュール接続部５１と、第１電極４１に溶接により接続された電極接続部５２と、直流電源側に接続される電源側接続部５３と、を備える。第２バスバー６０は、第２端子部２２と、第２電極４２と、直流電源の負極側と、を電気的に接続する導電性の部材である。具体的には、第２バスバー６０は、半導体モジュール２０の第２端子部２２に接続された半導体モジュール接続部６１と、第２電極４２により溶接により接続された電極接続部６２と、直流電源側に接続される電源側接続部６３と、を備える。電源側接続部５３の少なくとも一部と、電源側接続部６３の少なくとも一部は、コンデンサケース３１に設けられた貫通孔からコンデンサケース３１外に突出している。

本実施形態において、第１バスバー５０は、第１バスバー５０内に冷媒が供給される供給口である冷媒供給口５８と、第１バスバー５０から冷媒が排出される排出口である冷媒排出口５９と、冷媒が流れる冷媒流路５５と、を備える。冷媒流路５５は、半導体モジュール接続部５１と電源側接続部５３の箇所を除いて、第１バスバー５０の内部に設けられている。図１には、冷媒流路５５を構成する第１バスバー５０の内壁の一部が点線で示され、冷媒流路５５を冷媒が流れる様子が太線矢印で示されている。冷媒は、冷媒供給口５８と冷媒排出口５９に接続された冷媒循環部１１０により、第１バスバー５０内を循環する。図３に示すように、冷媒循環部１１０は、冷媒排出管１２０と、冷媒供給管１３０と、ラジエータ１４０と、ラジエータ１４０に風を当てることによって冷媒の冷却を促進するファン１５０と、冷媒供給管１３０に配置された循環ポンプ１６０と、を備える。冷媒排出管１２０は冷媒排出口５９とラジエータ１４０とを接続する。冷媒供給管１３０はラジエータ１４０と冷媒供給口５８とを接続する。冷媒排出口５９から冷媒排出管１２０に排出された冷媒は、ラジエータ１４０によって冷却された後、冷媒供給管１３０を介して冷媒供給口５８へ供給される。供給された冷媒は、第１バスバー５０内の冷媒流路５５を循環して第１端子部２１及びコンデンサ４０の上面側を冷却し、冷媒排出口５９から排出される（図１）。

図２には、電力変換装置１０Ａにおける熱移動の様子が、白抜き矢印で示されている。冷媒の循環により、第１端子部２１の熱及びコンデンサ４０の上面側の熱は、第１バスバー５０を流れる冷媒に移動する。コンデンサ４０の下面側の熱は、コンデンサ４０の下面側に配置された冷却器７０に移動する。なお、図２では、図示の便宜上、第１端子部２１、第２端子部２２、冷媒供給口５８は現れていない。また、図２では、図示の便宜上、半導体モジュール接続部６１の上側に半導体モジュール接続部５１が現れているが、半導体モジュール接続部５１と半導体モジュール接続部６１のＺ軸方向の位置は同じであってもよい。

この形態によれば、第１端子部２１と第１電極４１とを接続する第１バスバー５０は、冷媒流路５５を有するので、電力変換装置１０Ａに複雑な構造を採用せずに、第１端子部２１及びコンデンサ４０の上面側を冷却することができる。

この形態によれば、電力変換装置１０Ａは、コンデンサ４０の下面側に配置され、コンデンサ４０を冷却するための冷却器７０をさらに備えるので、冷却器７０によりコンデンサ４０の下面側を冷却することができる。

この形態によれば、冷却器７０から離れているために高温化しやすいコンデンサ４０の上面側を、電力変換装置１０Ａに複雑な構造を採用せずに効率的に冷却することができる。

また、この形態によれば、第１端子部２１を介して半導体モジュール２０の冷却を促進することができる。

・第２実施形態
図４及び図５を用いて第１実施形態と異なる点について説明する。以下では、既に説明した実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。第２実施形態の電力変換装置１０Ｂでは、冷却器７０Ｂは、第１実施形態の冷却器７０よりもＸＹ平面に沿った面が小さく構成されており、冷却器７０Ｂの上面は、コンデンサモジュール３０Ｂに接触していない。第２実施形態の電力変換装置１０Ｂでは、第１実施形態の電力変換装置１０Ａと比較して、コンデンサモジュール３０Ｂの下面の位置が、冷却器７０ＢのＺ方向の高さ分だけ、−Ｚ方向に配置されている。

本実施形態の第２バスバー６０Ｂが、第１実施形態の第２バスバー６０と異なる点は、第２バスバー６０Ｂが、第１バスバー５０と同様に、冷媒供給口６８と、冷媒排出口６９と、冷媒流路６５と、を備える点である。冷媒流路６５は、半導体モジュール接続部６１と電源側接続部６３の箇所を除いて、第２バスバー６０Ｂ内に設けられている。図４には、冷媒流路６５を構成する第２バスバー６０Ｂの冷媒流路６５を構成する内壁の一部が点線で示され、冷媒流路６５を冷媒が流れる様子が太線矢印で示されている。冷媒は、電力変換装置１０Ｂの外部に設けられた循環ポンプ１６０等により冷媒供給口６８から供給される。冷媒は、第２バスバー６０内の冷媒流路５５を循環して第２端子部２２及びコンデンサ４０の下面側を冷却し、冷媒排出口６９から排出される。排出された冷媒は、電力変換装置１０Ａの外部において放熱され、再び冷媒供給口６８から供給される。図５に白抜き矢印で示すように第１端子部２１の熱及びコンデンサ４０の上面側の熱は、第１バスバー５０を流れる冷媒に移動し、第２端子部２２の熱及びコンデンサ４０の下面側の熱は、第２バスバー６０を流れる冷媒に移動する。なお、図示は省略するが、本実施形態では冷媒排出口５９および冷媒排出口６９は、冷媒循環部１１０の冷媒排出管１２０に接続されている。また、冷媒供給口５８および冷媒供給口６８は、冷媒循環部１１０の冷媒供給管１３０に接続されている。

この形態によれば、第１端子部２１と第１電極４１とを接続する第１バスバー５０の内部と、第２端子部２２と第２電極４２とを接続する第２バスバー６０Ｂの内部には、それぞれ、冷媒流路５５、６５が設けられているので、電力変換装置１０Ａに複雑な構造を採用せずに、コンデンサ４０の上面側及び下面側と、第１端子部２１及び第２端子部２２と、を効率的に冷却することができる。

この形態によれば、第２バスバー６０Ｂによってコンデンサ４０の下面側を冷却することができるので、コンデンサ４０の下面側に冷却器７０を配置してコンデンサ４０の下面側を冷却する場合と比べて、電力変換装置１０Ｂを小さく構成することができる。

この形態によれば、第１端子部２１、第２端子部２２を介して半導体モジュール２０の冷却を促進することができる。

・第３実施形態
図６及び図７を用いて、第２実施形態と異なる点について説明する。第３実施形態の電力変換装置１０Ｃは、コンデンサ４０と並列に接続され、コンデンサ４０に蓄積された電荷を放電する放電抵抗８０を備える。放電抵抗８０の一端は、導電性の端子接続部８３を介して第１端子部２１と接続されている。放電抵抗８０の他端は、導電性の端子接続部８４を介して第２端子部２２と接続されている。図７に白抜き矢印で示すように、放電抵抗８０の熱は、端子接続部８３、８４を介して、第１バスバー５０内に設けられた冷媒流路５５を流れる冷媒と、第２バスバー６０Ｂ内に設けられた冷媒流路６５を流れる冷媒と、に移動する。

この形態によれば、放電抵抗８０は、内部に冷媒流路５５が設けられた第１バスバー５０に接続された第１端子部２１、及び、内部に冷媒流路６５が設けられた第２バスバー６０Ｂに接続された第２端子部２２を介して、コンデンサ４０と並列に接続されている。そのため、第２実施形態の効果を奏するのに加え、複雑な構造を採用せずに放電抵抗８０を冷却することができる。

・第４実施形態
図８及び図９を用いて第１実施形態と異なる点について説明する。電力変換装置１０Ｄは、第１バスバー５０に電気的に接続された電流センサ９０を備える。電流センサ９０は、コンデンサ４０に流れる直流を測定する。電流センサ９０は、導電性のセンサ接続部９１を介して第１バスバー５０の電源側接続部５３に接続されている。図９に白抜き矢印で示すように、第１端子部２１の熱及びコンデンサ４０の上面側の熱は、第１バスバー５０を流れる冷媒に移動し、コンデンサ４０の下面側の熱は、冷却器７０に移動する。電流センサ９０の熱は、第１バスバー５０を流れる冷媒に移動する。

この形態によれば、電流センサ９０は内部に冷媒流路５５が設けられた第１バスバー５０に接続されているので、第１実施形態の効果を奏するのに加え、複雑な構造を採用せずに電流センサ９０を冷却することができる。

・他の実施形態１
第１実施形態の電力変換装置１０Ａは、第１バスバー５０と第２バスバー６０のいずれか一方に冷媒流路が設けられていればよい。すなわち、第１バスバー５０に代えて第２バスバー６０に冷媒流路６５が設けられていてもよい。この形態によれば、電力変換装置１０Ａに複雑な構造を採用せずに、第１端子部２１と第２端子部２２のいずれか一方と、コンデンサ４０と、を効率的に冷却することができる。

・他の実施形態２
上記各実施形態において、電力変換装置１０Ａ〜１０Ｄは、冷却器７０、７０Ｂを備えていなくともよい。この形態によれば、第１端子部２１、第２端子部２２の少なくとも一方を介して半導体モジュール２０を冷却することができる。

・他の実施形態３
第３実施形態の電力変換装置１０Ｃにおいて、第１バスバー５０内と第２バスバー６０Ｂ内の一方に冷媒流路５５、６５が設けられていてもよい。この形態によれば、放電抵抗８０を、第１バスバー５０内に設けられた冷媒流路５５を流れる冷媒、又は、第２バスバー６０Ｂ内に設けられた冷媒流路６５を流れる冷媒により、端子接続部８３又は端子接続部８４を介して冷却することができる。

・他の実施形態４
第４実施形態の電流センサ９０は、第１バスバー５０又は第２バスバー６０のうち冷媒流路５５が設けられたバスバーに接続されていればよい。例えば、第１バスバー５０が冷媒流路５５を有さず、第２バスバー６０が冷媒流路６５を有する場合には、電流センサ９０は、第２バスバー６０に接続されていてもよい。この形態によれば、電流センサ９０を、第１バスバー５０内に設けられた冷媒流路５５を流れる冷媒、又は、第２バスバー６０内に設けられた冷媒流路６５を流れる冷媒により、センサ接続部９１を介して冷却することができる。

・他の実施形態５
上記実施形態において冷却器７０、冷却器７０Ｂ内の冷媒は、冷媒循環部１１０により循環されてもよい。この形態によれば、第１バスバー５０、第２バスバー６０Ｂ及び冷却器７０内に冷媒を循環させるための構造を共通化することができる。

・他の実施形態６
上記種々の実施形態の構成は、適宜組み合わされてもよい。例えば、電流センサ９０は、第２実施形態、第３実施形態の電力変換装置１０Ｂ、１０Ｃに設けられていてもよい。

・他の実施形態７
コンデンサ４０は、平滑コンデンサに限らない。コンデンサ４０は、スイッチング回路に生じるサージ電圧を吸収するためのスナバコンデンサであってもよい。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ電力変換装置、２０半導体モジュール、２１第１端子部、２２第２端子部、４０コンデンサ、４１第１電極、４２第２電極、５０第１バスバー、５５冷媒流路、６０、６０Ｂ第２バスバー

Claims

電力変換装置（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）であって、
第１電極（４１）と第２電極（４２）とを備えるコンデンサ（４０）と、
第１端子部（２１）と第２端子部（２２）とを備える半導体モジュール（２０）と、
前記第１端子部と前記第１電極とを電気的に接続する導電性の第１バスバー（５０）と、前記第２端子部と前記第２電極とを電気的に接続する導電性の第２バスバー（６０、６０Ｂ）と、を備え、
前記第１バスバー及び第２バスバーの少なくとも一方は、内部に冷媒が流れる冷媒流路（５５、６５）を有する、
電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記コンデンサにおいて、前記第１電極は前記コンデンサの上面側に配置され、前記第２電極は前記コンデンサの下面側に配置されており、
前記コンデンサの下面側に配置され、前記コンデンサを冷却するための冷却器（７０）をさらに備え、
前記第１バスバーは前記冷媒流路を有する、電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記コンデンサにおいて、前記第１電極は前記コンデンサの上面側に配置され、前記第２電極は前記コンデンサの下面側に配置されており、
前記第１バスバー及び前記第２バスバーは、前記冷媒流路を有する、電力変換装置。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
さらに、前記第１端子部及び前記第２端子部を介して前記コンデンサと並列に接続された放電抵抗（８０）を備える、電力変換装置。
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
さらに、前記第１バスバー又は前記第２バスバーのうち前記冷媒流路を有するバスバーに電気的に接続された電流センサ（９０）を備える、電力変換装置。