JP2019213455A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケースを大型化させることなく、ケースと高圧部との電気的絶縁性を確保す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、金属製のケース３と、ケース３内に配された制御回路基板２３と、ケース３に熱的に接触する冷却器とを有する。制御回路基板２３は、冷却器に熱的に接触した壁部４１に締結される複数の締結部２３１を有する。ケース３は、ケース３の内側に向かって突出する突出部５１２を有する。締結部２３１の少なくとも１つは、制御回路基板２３の長手方向Ｘにおける突出部５１２と同じ位置に配された特定締結部２３１ａである。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

例えば特許文献１には、入力される電力を変換する電力変換回路部を有する電力変換装置が開示されている。電力変換回路部は、電力変換される主電力の電圧が印加される高圧部を有する。上記電力変換装置において、電力変換回路部は、ケース内に収容されている。

特許第５１５７４０８号公報

しかしながら、ケースが外力等によって変形した場合に、ケースが電力変換回路部の高圧部に接触し、ケースと高圧部とが短絡することを防ぐ必要がある。そこで、例えばケースと高圧部との距離を長くすることが考えられる。しかし、その場合、ケースの大型化を招いてしまう。

また、ケースと高圧部との短絡防止のために、ケースにおける高圧部と対向する面に、絶縁シートを配することも考えられる。しかし、ケースが外力等によって変形したとき、高圧部を構成する電子部品の端子等が、絶縁シートを突き破り、ケースと接触するおそれも考えられる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ケースを大型化させることなく、ケースと高圧部との電気的絶縁性を確保す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。

本発明の参考発明は、電力変換される主電力の電圧が印加される高圧部（２１）を備えた電力変換回路部（２）と、
該電力変換回路部を収容する金属製のケース（３）と、を有し、
上記ケースは、開口部（４０）を備えたケース本体部（４）と、該ケース本体部の上記開口部を閉塞するカバー（５）とを有し、
該カバーは、上記ケース本体部側の面である内側面（５０）に、絶縁積層シート（６）を貼着されてなり、
該絶縁積層シートは、金属層（６１）と、該金属層を両面から挟持するように形成された、電気的絶縁性を有する一対の絶縁層（６２）とを積層してなり、
上記絶縁積層シートは、上記カバーの上記内側面における上記高圧部と対向する領域に配設されている、電力変換装置（１）にある。
また、本発明の一態様は、金属製のケース（３）と、
上記ケース内に配された制御回路基板（２３）と、
上記ケースに熱的に接触する冷却器（７１、７２、７３、７４）と、を有し、
上記制御回路基板は、上記冷却器に熱的に接触した壁部（４１）に締結される複数の締結部（２３１）を有し、
上記ケースは、上記ケースの内側に向かって突出する突出部（５１２）を有し、
上記締結部の少なくとも１つは、上記制御回路基板の長手方向（Ｘ）における上記突出部と同じ位置に配された特定締結部（２３１ａ）である、電力変換装置（１）にある。

上記参考発明に係る電力変換装置において、絶縁積層シートは、金属層と一対の絶縁層とを積層してなる。そして、絶縁積層シートは、カバーの内側面における高圧部と対向する領域に配設されている。それゆえ、外力によりカバーが変形したとしても、高圧部が絶縁積層シートを貫通し、ケースと短絡することを防止することができる。すなわち、絶縁積層シートは、金属層を有するため、ケースの変形により高圧部が絶縁積層シートに当接したとしても、高圧部が絶縁積層シートを貫通することを防ぎやすい。それゆえ、高圧部とケースとの間の電気的絶縁性を確保することができる。また、仮に、高圧部が、絶縁積層シートにおけるケース本体部側の絶縁層を突き破っても、カバー側の絶縁層によって、高圧部とケースとの間の絶縁を図ることができる。

以上のごとく、上記参考発明によれば、ケースを大型化させることなく、ケースと高圧部との電気的絶縁性を確保することができる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電力変換装置の上面図。 図１の、II−II線矢視断面図。 実施形態１における、カバーを下側から見た図。 実施形態１における、カバーを外した電力変換装置の上面図。 図４において、絶縁積層シートの外形をさらに表した図。 図２の、VI−VI線矢視断面図。 実施形態１における、絶縁積層シートの上面図。 図７のVIII−VIII線矢視断面図。

電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。
本実施形態の電力変換装置１は、図２に示すごとく、電力変換回路部２とケース３とを有する。電力変換回路部２は、電力変換される主電力の電圧が印加される高圧部２１を備えている。ケース３は、電力変換回路部２を収容している。また、ケース３は、金属製である。

ケース３は、ケース本体部４とカバー５とを有する。ケース本体部４は、開口部４０を備えている。カバー５は、ケース本体部４の開口部４０を閉塞している。図２、図３に示すごとく、カバー５は、ケース本体部４側の面である内側面５０に、絶縁積層シート６を貼着されてなる。図２、図８に示すごとく、絶縁積層シート６は、金属層６１と一対の絶縁層６２とを積層してなる。一対の絶縁層６２は、金属層６１を両面から挟持するように形成されている。また、絶縁層６２は、電気的絶縁性を有する。図２、図４に示すごとく、絶縁積層シート６は、カバー５の内側面５０における高圧部２１と対向する領域に配設されている。

本実施形態の電力変換装置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ることができる。
なお、以下において、ケース本体部４とカバー５との並び方向を高さ方向Ｚという。また、高さ方向Ｚにおける、ケース本体部４に対するカバー５側を上側、その反対側を下側という。また、高さ方向Ｚに直交する方向の一つを縦方向Ｘといい、高さ方向Ｚと縦方向Ｘとの双方に直交する方向を横方向Ｙという。
また、図５においては、絶縁積層シート６における絶縁層６２の外形を破線で示しており、図３、図５、図７においては、金属層６１の外形を一点鎖線で示している。

図１、図２に示すごとく、ケース３は、略直方体形状の外形を有する。ケース本体部４は、本体基壁部４１と本体側壁部４２とを有する。本体基壁部４１は、矩形板状を呈している。本実施形態において、本体基壁部４１は、縦方向Ｘに長尺な形状を有する。本体側壁部４２は、本体基壁部４１の端縁から本体基壁部４１の厚み方向（すなわち、高さ方向Ｚ）に立設され、上端に開口部４０を有する。本実施形態において、本体側壁部４２は、本体基壁部４１の端縁から高さ方向Ｚの両側に向って立設されている。本体側壁部４２は、縦方向Ｘにおいて互いに対向する一対の第一対向壁部４２１と、横方向Ｙにおいて互いに対向する一対の第二対向壁部４２２とを有する。

カバー５は、本体側壁部４２の上側から、本体側壁部４２の開口部４０を閉塞している。図２、図３に示すごとく、カバー５は、ケース本体部４の本体基壁部４１と高さ方向Ｚに対向する天板部５１と、天板部５１の端縁から下側に向って突出されたカバー側壁部５２とを有する。天板部５１は、高さ方向Ｚに直交する平面上に形成された平坦部５１１と、縦方向Ｘにおける天板部５１の略中央部に形成され、平坦部５１１から下側に凹んだビード部５１２と、を有する。そして、平坦部５１１に、絶縁積層シート６が貼着されている。

図２、図８に示すごとく、本実施形態において、絶縁積層シート６は、シート状の金属層６１とシート状の一対の絶縁層６２とを、それらの厚み方向に積層してなる。上述のごとく、絶縁積層シート６は、一対の絶縁層６２で金属層６１を両面から挟むように、金属層６１と一対の絶縁層６２とを積層してなる。これにより、絶縁積層シート６の最上層及び最下層には、絶縁層６２が配されている。金属層６１と絶縁層６２とは、図示しない両面テープ等の接着材を介して貼着されている。また、絶縁積層シート６は、その上面において、図示しない両面テープ等の接着材を介して平坦部５１１に貼着されている。

一対の絶縁層６２は、互いに同じ形状を有し、互いに高さ方向Ｚに重なる位置に配されている。絶縁層６２は、例えばＰＥＴ（すなわちポリエチレンテレフタレート）等の絶縁材からなる。図３、図７に示すごとく、絶縁層６２は、縦方向Ｘに長尺な矩形板状を呈している。図５に示すごとく、絶縁層６２は、高さ方向Ｚから見たとき、縦方向Ｘの両端及び横方向Ｙの両端が、それぞれ本体側壁部４２と近接している。これにより、絶縁積層シート６は、高さ方向Ｚから見たとき縦方向Ｘの両端及び横方向Ｙの両端が、それぞれ本体側壁部４２と近接している。すなわち、縦方向Ｘにおいても、横方向Ｙにおいても、絶縁積層シート６の寸法は、ケース本体部４の開口部４０の寸法よりも若干小さい程度である。また、絶縁層６２は、縦方向Ｘにおける略中央に高さ方向Ｚに貫通した貫通孔６２１を有する。そして、絶縁積層シート６は、貫通孔６２１の内側にビード部５１２が配されるように、カバー５の平坦部５１１に貼着されている。

図２、図３、図５、図７に示すごとく、金属層６１は、縦方向Ｘにおける絶縁層６２の貫通孔６２１の両側に、一対配されている。金属層６１は、ステンレス鋼からなる。金属層６１は、絶縁積層シート６の広がり方向において、絶縁層６２の内側に収まっている。つまり、高さ方向Ｚからみたとき、金属層６１は絶縁層６２から露出していない。

図１に示すごとく、ケース本体部４とカバー５とは、高さ方向Ｚに直交する方向に突出したフランジ部３１を有する。そして、ケース本体部４とカバー５とは、フランジ部３１において、ボルトとナットとによって締結固定されている。そして、ケース３内の空間に、電力変換回路部２が収容されている。

図２、図６に示すごとく、電力変換回路部２の高圧部２１は、後述する半導体モジュール２２を有する。また、図２、図４、図５に示すごとく、電力変換回路部２は、後述する制御回路基板２３を有する。高圧部２１には、電力変換装置１の使用時において、２００Ｖ程度の電圧が印加される。図２に示すごとく、半導体モジュール２２は、ケース３内の空間のうち、本体基壁部４１より下側である下側空間３０１に配されている。図２、図６に示すごとく、ケース本体部４は、本体基壁部４１から下側に向って延設され、下側空間３０１を縦方向Ｘに分割する隔壁４３を有する。そして、半導体モジュール２２は、下側空間３０１における隔壁４３の、縦方向Ｘの一方（以下、前方といい、その反対側を後方という。）に配されている。図２、図４に示すごとく、制御回路基板２３は、ケース３内の空間のうち、本体基壁部４１より上側である上側空間３０２に配されている。

図２、図６に示すごとく、半導体モジュール２２は、半導体素子を内蔵したモジュール本体部２２１と、モジュール本体部２２１から絶縁積層シート６側である上側に向って突出したモジュール端子２２２とを有する。本実施形態において、ケース３内には複数の半導体モジュール２２が配されている。そして、各半導体モジュール２２のモジュール本体部２２１から、複数のモジュール端子２２２が上側に向って突出している。複数のモジュール端子２２２のうちの一部のモジュール端子２２２には、電力変換回路部２によって電力変換される主電力の電圧が印加される。すなわち、複数のモジュール端子２２２のうちの一部のモジュール端子２２２は、高圧部２１の一部を構成している。

図２に示すごとく、モジュール端子２２２の突出側に、絶縁積層シート６の金属層６１が位置している。すなわち、モジュール端子２２２は、絶縁積層シート６の金属層６１と高さ方向Ｚに重なる位置に配されている。金属層６１は、モジュール端子２２２よりもビッカース硬さが大きい。本実施形態において、金属層６１は上述のごとくステンレス鋼からなり、モジュール端子２２２は銅からなる。モジュール端子２２２は、本体基壁部４１に高さ方向Ｚに貫通するように形成された挿入部４１０を通り、その一部が上側空間３０２に配されている。

図２、図４に示すごとく、モジュール端子２２２は、制御回路基板２３に接続されている。制御回路基板２３は、高さ方向Ｚにおいて、カバー５と対向するように配されている。図２に示すごとく、制御回路基板２３は、ケース本体部４内に配されている。図２、図４に示すごとく、モジュール端子２２２は、制御回路基板２３のスルーホールに挿入されて、制御回路基板２３と接続されている。そして、モジュール端子２２２の上端部は、制御回路基板２３の上側に突出している。本実施形態において、モジュール端子２２２は、縦方向Ｘにおける制御回路基板２３の中央よりも前方の領域に接続されている。そして、制御回路基板２３における、モジュール端子２２２が接続された部位の周辺の領域は、高圧部２１の一部を構成する基板高圧領域２３０となる。そして、制御回路基板２３は、少なくとも基板高圧領域２３０が、絶縁積層シート６と高さ方向Ｚに重なっている。

図４、図５に示すごとく、制御回路基板２３は、締結部材１１によってケース３に締結固定される固定部２３１を３つ以上有している。絶縁積層シート６は、一直線上からずれて配された３つ以上の固定部２３１を、高さ方向Ｚから覆っている。締結部材１１は、ボルトである。図２に示すごとく、本体基壁部４１は、上側に向って突出したボス部４４を複数有する。締結部材１１は、制御回路基板２３をボス部４４に対して締結固定している。また、図２に示すごとく、固定部２３１の少なくとも一つは、ビード部５１２と高さ方向Ｚに重なる位置に形成されている。本実施形態においては、複数の固定部２３１が、ビード部５１２と高さ方向Ｚに重なっている。天板部５１と制御回路基板２３との間の間隔は、高さ方向Ｚに互いに重なるビード部５１２と固定部２３１との対向部において、最も小さくなっている。図４に示すごとく、固定部２３１は、制御回路基板２３の外周端部の複数箇所に形成されている。また、固定部２３１は、制御回路基板２３の中央部にも形成されている。

図２、図６に示すごとく、本実施形態において、複数の半導体モジュール２２は、半導体モジュール２２を冷却する複数の冷却管７１と共に、縦方向Ｘに積層されて半導体積層ユニット８を構成している。図６に示すごとく、縦方向Ｘに隣り合う冷却管７１同士は、横方向Ｙの両端部付近において、連結管７２によって連結されている。図２、図６に示すごとく、複数の冷却管７１のうち、縦方向Ｘの一方（以下、前方といい、その反対側を後方という。）の端に配された冷却管７１の前端面は、前方の第一対向壁部４２１に当接している。また、前端の冷却管７１からは、冷却媒体を導入するための冷媒導入管７３と、冷却媒体を排出するための冷媒排出管７４とが、前方に向って突出形成されている。冷媒導入管７３及び冷媒排出管７４は、第一対向壁部４２１を縦方向Ｘに貫通しており、ケース３の外側に突出している。また、半導体積層ユニット８の後端と隔壁４３との間には、板ばね等によって構成される加圧部材７５が配されている。加圧部材７５は、縦方向Ｘに弾性圧縮した状態で配されている。これにより、加圧部材７５は、半導体積層ユニット８を、前方に向って押圧している。

また、図示は省略したが、下側空間３０１における隔壁４３の後方には、例えばコンデンサ等、電力変換回路部２を構成する部品が配置される。

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、絶縁積層シート６は、金属層６１と一対の絶縁層６２とを積層してなる。そして、絶縁積層シート６は、カバー５の内側面５０における高圧部２１と対向する領域に配設されている。それゆえ、外力によりカバー５が変形したとしても、高圧部２１が絶縁積層シート６を貫通し、ケース３と短絡することを防止することができる。すなわち、絶縁積層シート６は、金属層６１を有するため、ケース３の変形により高圧部２１が絶縁積層シート６に当接したとしても、高圧部２１が絶縁積層シート６を貫通することを防ぎやすい。それゆえ、高圧部２１とケース３との間の電気的絶縁性を確保することができる。また、仮に、高圧部２１が、絶縁積層シート６における下側の絶縁層６２を突き破っても、上側の絶縁層６２によって、高圧部２１とケース３との間の絶縁を図ることができる。

また、金属層６１の下側にも絶縁層６２が配されている。それゆえ、仮に絶縁積層シート６がカバー５から剥がれた場合等に、直接金属層６１が高圧部２１に接触してしまうことを防止できる。それゆえ、絶縁積層シート６がカバー５から剥がれ落ちた場合等に、高圧部２１が、金属層６１を介して、電力変換回路部２を構成する他の電子部品等と短絡し、電力変換装置１が故障してしまうことを防ぐことができる。

また、金属層６１は、絶縁積層シート６の広がり方向において、絶縁層６２の内側に収まっている。それゆえ、金属層６１が、ケース３と接触することを確実に防止できる。それゆえ、万が一ケース３の変形によって高圧部２１が下側の絶縁層６２を突き破り、金属層６１に接触しても、高圧部２１とケース３とが短絡することを防止できる。

また、高圧部２１は、モジュール本体部２２１と、モジュール本体部２２１から絶縁積層シート６側に向かって突出したモジュール端子２２２とを備えた半導体モジュール２２を有する。このように、モジュール端子２２２のような比較的鋭利で硬い部品がカバー５に向って突出している場合は、比較的強度の弱い絶縁層６２を突き破りやすい。しかし、本実施形態においては、絶縁積層シート６が金属層６１を有している。そのため、万が一ケース３の変形によってモジュール端子２２２が下側の絶縁層６２を突き破っても、絶縁層６２よりも硬い金属層６１によって、モジュール端子２２２が絶縁積層シート６を貫通することを防止することができる。それゆえ、本構成を採れば、効果的に、高圧部２１とケース３との絶縁を図ることができる。

また、金属層６１は、モジュール端子２２２よりビッカース硬さが大きい。それゆえ、万が一ケース３の変形によってモジュール端子２２２が金属層６１に接触しても、モジュール端子２２２が金属層６１を貫通することを防止することができる。これに伴い、高圧部２１の一部であるモジュール端子２２２が、ケース３と短絡することを防止できる。
また、金属層６１は、ステンレス鋼からなり、モジュール端子２２２は銅からなる。それゆえ、金属層６１のビッカース硬さがモジュール端子２２２のビッカース硬さよりも大きい構成としやすい。

また、制御回路基板２３は、高さ方向Ｚにおいてカバー５と対向するように配されている。さらに、絶縁積層シート６は、高さ方向Ｚから見たとき、縦方向Ｘの両端及び横方向Ｙの両端が、それぞれ本体側壁部４２と近接している。それゆえ、万が一絶縁積層シート６がカバー５から剥がれても、ケース３に対して絶縁積層シート６の位置がずれることを、高さ方向Ｚにおいては制御回路基板２３によって、縦方向Ｘ及び横方向Ｙにおいては本体側壁部４２によって、防ぐことができる。これにより、絶縁積層シート６が高圧部２１とカバー５との間に位置された状態を維持しやすく、高圧部２１とカバー５との間の絶縁性を一層確保しやすい。

また、絶縁積層シート６は、一直線上からずれて配された３つ以上の固定部２３１を、高さ方向Ｚから覆っている。それゆえ、万が一絶縁積層シート６がカバー５から剥がれ落ちても、絶縁積層シート６は、制御回路基板２３の上記３つ以上の固定部２３１の上に安定して載置される。それゆえ、絶縁積層シート６が、制御回路基板２３よりも下側に落ちたり、高圧部２１と高さ方向Ｚに重ならない位置に移動したりすることを抑制しやすい。これにより、絶縁積層シート６は高圧部２１とカバー５との間に位置されやすく、高圧部２１とカバー５との間の絶縁性をより確保しやすい。

以上のごとく、本実施形態によれば、ケースを大型化させることなく、ケースと高圧部との電気的絶縁性を確保することができる電力変換装置を提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態１において、絶縁積層シートは、シート状の金属層とシート状の一対の絶縁層とを積層して形成したが、例えば、金属層の周囲を樹脂モールドすることにより構成してもよい。

１ 電力変換装置
２ 電力変換回路部
２１ 高圧部
３ ケース
４ ケース本体部
４０ 開口部
５ カバー
５０ 内側面
６ 絶縁積層シート
６１ 金属層
６２ 絶縁層

Claims (5)

1. 金属製のケース（３）と、
   上記ケース内に配された制御回路基板（２３）と、
   上記ケースに熱的に接触する冷却器（７１、７２、７３、７４）と、を有し、
   上記制御回路基板は、上記冷却器に熱的に接触した壁部（４１）に締結される複数の締結部（２３１）を有し、
   上記ケースは、上記ケースの内側に向かって突出する突出部（５１２）を有し、
   上記締結部の少なくとも１つは、上記制御回路基板の長手方向（Ｘ）における上記突出部と同じ位置に配された特定締結部（２３１ａ）である、電力変換装置（１）。
2. 上記特定締結部は、上記制御回路基板の外周部に形成されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記特定締結部の少なくとも１つは、上記突出部と対向するよう配されている、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 上記突出部は、上記ケースにおける上記突出部の突出方向（Ｚ）に交差する延在方向（Ｙ）に長尺に形成されており、上記制御回路基板は、上記延在方向における上記突出部の両端部と対向する上記特定締結部を有する、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 上記冷却器は、冷却媒体を導入するための冷媒導入路（７３）を備え、複数の上記締結部のうちの上記冷媒導入路に最も近い位置に配された近接締結部（２３１ｂ）は、上記特定締結部ではなく、複数の上記締結部における上記近接締結部以外の少なくとも１つの上記締結部が、上記特定締結部である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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