JP2021083179A - 車載電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、パワー半導体素子の瞬間的な発熱に対応可能とする車載電力変換装置を提供すること。【解決手段】ヒートシンク１０と、ヒートシンク１０上に配設された回路基板２０と、回路基板２０上に実装されたパワー半導体素子３０と、回路基板２０の上方に配設され、制御基板５０を支持する制御基板支持台４０と、パワー半導体素子３０と制御基板支持台４０との間に介在し、パワー半導体素子３０と制御基板支持台４０とを熱結合する伝熱部材６０と、を備える車載電力変換装置。【選択図】図１

Description

本開示は、車載電力変換装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車両に搭載される電力変換装置（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置、インバータ装置、及び充電装置等）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１３−０３１２５０号公報

ところで、この種の電力変換装置（典型的には、インバータ装置）においては、車両の加速走行時や登坂走行時に、数十秒間ほど、出力が定速走行時の倍程度まで増大し、当該電力変換装置を構成するパワー半導体素子が急激に発熱することが知られている。パワー半導体素子の過熱は、素子特性の悪化や、素子の破損の要因となるため、パワー半導体素子の過熱状態は、回避する必要がある。

従来、パワー半導体素子のこのような瞬間的な発熱に対応するため、パワー半導体素子で発生した熱を吸収するヒートシンク自体の放熱能力を向上することが検討されている。しかしながら、ヒートシンク自体の放熱能力を向上させるためには、ヒートシンクの体積を大きくするか、又は、熱輸送能力が高い冷媒を使用する必要があり、電力変換装置の高コスト化や大型化につながるという問題を有する。

本開示は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、簡易な構成で、パワー半導体素子の瞬間的な発熱に対応可能とする車載電力変換装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本発明は、
ヒートシンクと、
前記ヒートシンク上に配設された回路基板と、
前記回路基板上に実装されたパワー半導体素子と、
前記回路基板の上方に配設され、制御基板を支持する制御基板支持台と、
前記パワー半導体素子と前記制御基板支持台との間に介在し、前記パワー半導体素子と前記制御基板支持台とを熱結合する伝熱部材と、
を備える車載電力変換装置である。

本発明に係る車載電力変換装置によれば、簡易な構成で、パワー半導体素子の瞬間的な発熱に対応することが可能である。

一実施形態に係る電力変換装置の構成を示す側面図 一実施形態に係る電力変換装置の構成を示す分解斜視図 一実施形態に係る電力変換装置の回路ブロック図 一実施形態に係る電力変換装置における熱伝達経路について、説明する図

以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

尚、以下では、各構成の位置関係を明確にするため、図面の上方向を「上方向」と称し、図面の下方向を「下方向」と称して説明する。但し、これらの方向は、車載電力変換装置の使用時の姿勢を限定するものではない。

［車載電力変換装置の構成］
以下、本実施形態に係る車載電力変換装置（以下、「電力変換装置」と略称する）の構成の一例について説明する。本実施形態に係る電力変換装置１は、例えば、車両を駆動するモータに交流電力を出力する車載インバータ装置に適用されている。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す側面図である。図２は、本実施形態に係る電力変換装置１の構成を示す分解斜視図である。尚、図１では、説明の便宜として、パワー半導体素子３０を、図２に示す実際の電力変換装置１を模式化して描画している。

図３は、本実施形態に係る電力変換装置１の回路ブロック図である。

電力変換装置１は、ヒートシンク１０、回路基板２０、パワー半導体素子３０、制御基板支持台４０、制御基板５０、及び伝熱部材６０を備えている。尚、回路基板２０、パワー半導体素子３０、制御基板支持台４０、制御基板５０、及び伝熱部材６０は、ヒートシンク１０と一体的に形成された筐体（図示せず）内に収納されている。

ヒートシンク１０は、回路基板２０で発生する熱（即ち、パワー半導体素子３０が発生する熱）を、電力変換装置１の外部に放熱する。ヒートシンク１０は、例えば、回路基板２０を支持するためのベースプレートと、ベースプレートから下方に延在する放熱フィンと、を含んで構成される。

尚、ヒートシンク１０は、例えば、電力変換装置１の筐体（図示せず）と一体的に形成されており、ベースプレートが当該筐体の壁面を為している。そして、電力変換装置１は、ヒートシンク１０の放熱フィンが冷媒（例えば、空気冷媒）の通路内に位置するように配設されている。

回路基板２０は、電力変換装置１の電力変換機能を実現する回路部（ここでは、インバータ回路）を有する基板である。回路基板２０は、例えば、金属基板（例えば、アルミ基板）であって、ベースとなる金属基板上に絶縁膜（例えば、エポキシ樹脂）を形成した後、当該絶縁膜上に配線パターンを形成したものが用いられる。金属基板は、放熱特性が良好である点で、有用である。

パワー半導体素子３０は、回路基板２０上に実装され、電力変換装置１の回路部内にて、スイッチング素子として機能する電力変換用の半導体部品である。パワー半導体素子３０としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）のディスクリートデバイスが用いられる。尚、ここでは、パワー半導体素子３０としてディスクリートデバイスが用いられるが、パワー半導体素子３０としては、複数個のＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴが一個のパッケージ内に収納されたモジュール部品が用いられてもよい。

本実施形態では、インバータ回路としては、図３に示すように、平滑コンデンサ３２と、Ｕ相アームを構成するパワー半導体素子３０（３０ａ及び３０ｂ）と、Ｖ相アームを構成するパワー半導体素子３０（３０ｃ及び３０ｄ）と、Ｗ相アームを構成するパワー半導体素子３０（３０ｅ及び３０ｆ）と、これらのパワー半導体素子３０（３０ａ〜３０ｆ）の夫々に並列に設けられる環流ダイオード３１ａ〜３１ｆ（図１、図２には図示せず）と、を有する三相ブリッジインバータが用いられている。即ち、本実施形態に係る回路基板２０上には、６個のパワー半導体素子３０（ここでは、ＭＯＳＦＥＴ）が実装されている。平滑コンデンサ３２及び環流ダイオード３１ａ〜３１ｆは、パワー半導体素子３０と共に、回路基板２０上に実装されている。

尚、インバータ回路の入力段には、バッテリＢが接続され、インバータ回路の出力段（Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、及びＷ相アーム）には、モータＭが接続されている。

パワー半導体素子３０は、例えば、自身の放熱面（図１中の下面）が回路基板２０と接触するように、横置き状態（即ち、平置き状態）で配設されている。そして、パワー半導体素子３０が発生した熱は、回路基板２０を介してヒートシンク１０に排出される。尚、パワー半導体素子３０の上面は、伝熱部材６０と接触しており、パワー半導体素子３０が発生した熱は、当該伝熱部材６０を介して、制御基板支持台４０にも排出され得るようになっている。

制御基板支持台４０は、回路基板２０の上方に配設され、制御基板５０を支持する。制御基板支持台４０は、例えば、櫓状の構造を有し、パワー半導体素子３０の上方に、パワー半導体素子３０から離間して配設されている。

制御基板支持台４０は、パワー半導体素子３０から排出される熱を吸熱し得るように、典型的には金属材料によって構成されている。尚、制御基板支持台４０は、回路基板２０と制御基板５０との間に介在するため、回路基板２０と制御基板５０との間の電気的なノイズシールドとしても機能する。

制御基板５０上には、例えば、パワー半導体素子３０のスイッチングを制御するための制御信号（例えば、ＰＷＭ信号）を生成するマイコン（本発明の「制御回路」に相当）が搭載される。そして、制御基板５０上のマイコンは、制御信号にてパワー半導体素子３０のオン／オフ動作を制御し、パワー半導体素子３０に入力される電力の電力変換（ここでは、直流−交流変換）を行う。尚、制御基板５０には、例えば、モータＭに供給される電流値を検出する電流センサ、及び、モータＭの回転子の回転位置を検出する回転数センサ等からのセンサ信号が入力されている。

伝熱部材６０は、パワー半導体素子３０と制御基板支持台４０との間に介在し、パワー半導体素子３０と制御基板支持台４０とを熱結合する。伝熱部材６０は、パワー半導体素子３０が急激に発熱した際に（典型的には、車両の加速走行時や登坂走行時）、当該パワー半導体素子３０の熱を、制御基板支持台４０に拡散する（詳細は後述）。

尚、伝熱部材６０は、回路基板２０上に実装された複数のパワー半導体素子３０それぞれの上面を被覆するように配設されている。これにより、複数のパワー半導体素子３０は、それぞれ、伝熱部材６０を介して、制御基板支持台４０と熱結合される。

伝熱部材６０は、例えば、熱伝導性が高い樹脂材料、典型的には、ギャップフィラー、ポッティング材又は放熱パッドにて構成されている。そして、伝熱部材６０は、パワー半導体素子３０と制御基板支持台４０との間の隙間を埋め、パワー半導体素子３０及び制御基板支持台４０それぞれと密着するように、配設されている。尚、伝熱部材６０としては、パワー半導体素子３０と制御基板支持台４０との間の電気的な絶縁を確実にするため、絶縁性を有する材料が用いられるのが望ましい。但し、伝熱部材６０を構成する材料は、パワー半導体素子３０と制御基板支持台４０とを熱結合し得る部材であれば、任意である。

図４は、本実施形態に係る電力変換装置１における熱伝達経路について、説明する図である。図４中の矢印は、パワー半導体素子３０から発せられる熱の熱流を表している。尚、ここでは、車両が加速走行又は登坂走行している際に、インバータ出力の増大に伴って、パワー半導体素子３０が急激に発熱した状態を示している。

パワー半導体素子３０から発せられる熱は、当該パワー半導体素子３０の下面（放熱面）を介して、ヒートシンク１０に伝達する。そして、パワー半導体素子３０から発せられる熱の大部分は、当該ヒートシンク１０を介して、外部に排出される。

但し、車両が加速走行又は登坂走行している際には、パワー半導体素子３０の発熱量が通常の走行状態のときよりも一時的に増大する。そのため、仮に、ヒートシンク１０のみでパワー半導体素子３０の放熱を行っている場合、パワー半導体素子３０は、過熱状態に至る。

この点、本実施形態に係る電力変換装置１は、パワー半導体素子３０の熱を、伝熱部材６０を介して制御基板支持台４０に拡散し得るように構成されている。制御基板支持台４０自体は、放熱機能を有しないため、制御基板支持台４０がパワー半導体素子３０から受けた熱は、当該制御基板支持台４０に蓄熱されることになる。しかしながら、一時的には、パワー半導体素子３０の熱は、ヒートシンク１０に加えて、制御基板支持台４０にも排出されることになり、実質的に、パワー半導体素子３０の放熱能力が増大することになる。これにより、パワー半導体素子３０の過熱状態は、回避されることになる。

［効果］
以上のように、本実施形態に係る電力変換装置１によれば、車両の加速時又は登り坂時にパワー半導体素子３０の急激な発熱により発生する熱を、一時的に制御基板支持台４０に拡散し、当該パワー半導体素子３０の過熱状態を抑制することが可能である。特に、本実施形態に係る電力変換装置１は、ヒートシンク１０を大型化したりすることなく、パワー半導体素子３０の過熱状態を抑制し得る点で、有用である。

加えて、本実施形態に係る電力変換装置１によれば、制御基板支持台（典型的には、金属部材で構成されている）４０によって、回路基板２０と制御基板５０との間に電気的なノイズシールドを構成することも可能である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本発明に係る車載電力変換装置によれば、簡易な構成で、パワー半導体素子の瞬間的な発熱に対応することが可能である。

１ 電力変換装置
１０ ヒートシンク
２０ 回路基板
３０（３０ａ〜３０ｆ） パワー半導体素子
３１ａ〜３１ｆ ダイオード
３２ 平滑コンデンサ
４０ 制御基板支持台
５０ 制御基板
６０ 伝熱部材
Ｂ バッテリ
Ｍ モータ

Claims (7)

1. ヒートシンクと、
   前記ヒートシンク上に配設された回路基板と、
   前記回路基板上に実装されたパワー半導体素子と、
   前記回路基板の上方に配設され、制御基板を支持する制御基板支持台と、
   前記パワー半導体素子と前記制御基板支持台との間に介在し、前記パワー半導体素子と前記制御基板支持台とを熱結合する伝熱部材と、
   を備える車載電力変換装置。
2. 前記伝熱部材は、ギャップフィラー、ポッティング材又は放熱パッドである、
   請求項１に記載の車載電力変換装置。
3. 前記制御基板支持台は、金属部材で構成されている、
   請求項１又は２に記載の車載電力変換装置。
4. 複数の前記パワー半導体素子が前記回路基板上に実装され、
   複数の前記パワー半導体素子は、それぞれ、前記伝熱部材を介して、前記制御基板支持台と熱結合されている、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の車載電力変換装置。
5. 前記回路基板は、金属基板である、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の車載電力変換装置。
6. 前記車載電力変換装置が、車両を駆動するモータに交流電力を出力するインバータ装置である、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の車載電力変換装置。
7. 前記制御基板上に搭載され、前記パワー半導体素子を制御する制御回路を備える
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の車載電力変換装置。

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