JP2021197838A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサ素子を温度上昇から保護することができる電力変換装置を得ること。
【解決手段】半導体素子、正極側モジュールバスバー、及び負極側モジュールバスバーを有する半導体モジュールと、コンデンサ素子、コンデンサケース、正極側バスバー、及び負極側バスバーを有するコンデンサモジュールと、冷却器とを備え、正極側バスバー及び負極側バスバーの一方の一端はコンデンサケースの放熱壁に対向して配置されたコンデンサ素子の第１端子及び第２端子の一方に接続され、正極側バスバー及び負極側バスバーの他方の一端はコンデンサケースの対向壁に対向して配置されたコンデンサ素子の第１端子及び第２端子の他方に接続され、正極側バスバー及び負極側バスバーの他方における一端と他端との間の板状の中間接続部分と絶縁部材を介して対向し熱的に接続されている板状の部分を有し、冷却器と熱的に接続されている放熱用金属体を備えた。
【選択図】図５

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

電気自動車またはハイブリッド自動車のように、駆動源にモータが用いられている電動車両には、複数の電力変換装置が搭載されている。電力変換装置としては、商用の交流電源から直流電源に変換して高圧バッテリに充電する充電器、高圧バッテリの直流電源から補助機器用のバッテリの電圧（例えば１２Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ、バッテリからの直流電力をモータへの交流電力に変換するインバータ等が挙げられる。

電力変換装置には、電力変換を行うスイッチ素子が実装された半導体モジュール、半導体モジュールを冷却する冷却器、及び直流電圧を平滑化するコンデンサ素子を有したコンデンサモジュールを備えたものが知られている。コンデンサ素子にはリップル電流が流れるため、コンデンサ素子は電力を消費して発熱する。また、コンデンサ素子は半導体モジュールとバスバーを介して接続されているため、半導体モジュールが高温になるとバスバーを介して半導体モジュールからコンデンサ素子へ熱が伝わり、伝わった熱によりコンデンサ素子も高温になる。特に高出力密度の電力変換装置では、半導体モジュールとコンデンサ素子とを接続するバスバーへの伝熱、及びバスバーのジュール熱による発熱が大きくなる。一方、電力変換装置には小型軽量化が望まれているため、バスバーの断面積を発熱に対して余裕のある断面積に拡大することは難しい。そのためバスバーの温度上昇が顕著になり、熱がコンデンサ素子へ伝わりコンデンサ素子の温度が上昇する。コンデンサ素子の温度上昇は、コンデンサ素子の寿命を低下させるため、コンデンサ素子の温度上昇への対策が課題となっている。

コンデンサ素子の温度上昇を抑制するために、電力変換装置が備えたコンデンサ素子を冷却する構造が開示されている（例えば特許文献１参照）。開示された構造では、コンデンサ素子と半導体モジュールに接続される正極側バスバー及び負極側バスバーを、コンデンサ素子の双方の電極との接続面の反対の面で絶縁材を介して放熱部材に接触させている。コンデンサ素子の双方の電極の金属層の発熱が放熱部材へ容易に熱伝導する構造としているため、放熱部材から放熱させることでコンデンサ素子を効果的に冷却することができる。

特開２０１６−１４９９０７号公報

上記特許文献１においては、コンデンサ素子の電極面の正極側、及び負極側の両方の近傍から放熱部材を介して放熱することができる。しかしながら、特に電力変換装置が高出力の場合、コンデンサ素子が備えたバスバーにおいて、コンデンサ素子と接続された半導体モジュールで発生した熱の受熱が大きくなる。また、半導体モジュールの内部、及びコンデンサモジュールの内部のバスバーが、ジュール熱により発熱する。開示された構造では、コンデンサ素子の外部からの受熱、及びバスバーの発熱に対しての冷却が十分ではないため、装置内部に搭載されているコンデンサ素子の温度が上昇してコンデンサ素子に熱害を与えるという課題があった。具体的には、コンデンサ素子の端子台からコンデンサが備えたバスバーへ伝わった熱、及びバスバーで発生するジュール熱により端子台に近いバスバーの温度は上昇するが、その近傍にコンデンサ素子が配置されており、コンデンサ素子に対して受熱対策がないためコンデンサ素子が熱害を受ける恐れがある。

そこで、本願は、コンデンサ素子を温度上昇から保護することができる電力変換装置を得ることを目的としている。

本願に開示される電力変換装置は、半導体素子、一端が半導体素子の第１端子と直接または間接的に電気的に接続され他端が半導体素子を取り囲んだ保護部材から外部に延出した正極側モジュールバスバー、及び一端が半導体素子の第２端子と直接または間接的に電気的に接続され他端が保護部材から外部に延出した負極側モジュールバスバーを有する半導体モジュールと、コンデンサ素子、充填用樹脂を介してコンデンサ素子を収納したコンデンサケース、一端がコンデンサ素子と電気的に接続され他端がコンデンサケースから外部に延出して正極側モジュールバスバーの他端と電気的に接続された正極側バスバー、及び一端がコンデンサ素子と電気的に接続され他端がコンデンサケースから外部に延出して負極側モジュールバスバーの他端と電気的に接続された負極側バスバーを有するコンデンサモジュールと、コンデンサモジュール、及び半導体モジュールと熱的に接続された冷却器とを備え、コンデンサ素子の第１端子及び第２端子の一方は、冷却器と熱的に接続されたコンデンサケースの壁である放熱壁に対向して配置され、コンデンサ素子の第１端子及び第２端子の他方は、放熱壁に対向するコンデンサケースの壁である対向壁に対向して配置され、正極側バスバー及び負極側バスバーの一方の一端は、コンデンサケースの内部における、放熱壁に対向して配置されたコンデンサ素子の第１端子及び第２端子の一方に接続され、正極側バスバー及び負極側バスバーの他方の一端は、コンデンサケースの内部における、対向壁に対向して配置されたコンデンサ素子の第１端子及び第２端子の他方に接続され、正極側バスバー及び負極側バスバーの他方における一端と他端との間の板状の中間接続部分と絶縁部材を介して対向し、熱的に接続されている板状の部分を有し、冷却器と熱的に接続されている放熱用金属体を備えたものである。

本願に開示される電力変換装置によれば、正極側バスバー及び負極側バスバーの他方における一端と他端との間の板状の中間接続部分と絶縁部材を介して対向し、熱的に接続されている板状の部分を有し、冷却器と熱的に接続されている放熱用金属体を備えたため、対向壁に対向して配置されたコンデンサ素子の第１端子及び第２端子の他方に接続された正極側バスバー及び負極側バスバーの他方の冷却性能を高めることができ、コンデンサ素子を温度上昇から保護することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置の概略を示す上面図である。 図１のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置の要部断面図である。 図２のＢ−Ｂ断面位置で切断した電力変換装置の要部断面図である。 図１のＡ−Ａ断面位置で切断した別の電力変換装置の要部断面図である。 実施の形態２に係る電力変換装置の概略を示す断面図である。 実施の形態３に係る電力変換装置の概略を示す断面図である。 実施の形態４に係る電力変換装置の概略を示す断面図である。

以下、本願の実施の形態による電力変換装置を図に基づいて説明する。なお、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る電力変換装置１００の概略を示す上面図、図２は図１のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置１００の要部断面図、図３は図２のＢ−Ｂ断面位置で切断した電力変換装置１００の要部断面図、図４は図１のＡ−Ａ断面位置と同等の位置で切断した別の電力変換装置１００の要部断面図である。図１はコンデンサケース６及び正極側バスバー７ａの一部を切り欠いて内部のコンデンサ素子５の一部を示した図、図２と図４は半導体モジュール１ｃと冷却器２の内部を省略して示した図、図３は冷却器２の内部を省略して示した図である。

電力変換装置１００は、図１に示すように、半導体モジュール１、冷却器２、コンデンサモジュール３、及び放熱用金属体４を備える。電力変換装置１００は、コンデンサモジュール３で平滑化した直流電力を、半導体モジュール１で電力変換して外部端子１８から出力する装置である。本実施の形態は３相交流を出力する電力変換装置１００を示しており、半導体モジュール１は各相に対応した半導体モジュール１ａ、１ｂ、１ｃから構成される。なお、図１には電力変換装置１００が備える入力部については図示していない。

＜半導体モジュール１＞
半導体モジュール１ａ、１ｂ、１ｃは、半導体素子１３（図１において図示せず）、正極側モジュールバスバー７ｂ、及び負極側モジュールバスバー８ｂをそれぞれ備える。正極側モジュールバスバー７ｂは、一端が半導体素子１３の第１端子と直接または間接的に電気的に接続され、他端が半導体素子１３を取り囲んだ保護部材２１から外部に延出する。負極側モジュールバスバー８ｂは、一端が半導体素子１３の第２端子と直接または間接的に電気的に接続され、他端が保護部材２１から外部に延出する。半導体素子１３等の半導体モジュール１の構成要素は、例えば、保護部材２１である樹脂により封止されるが、保護部材２１はこれに限るものではない。保護部材２１は、半導体素子１３等を取り囲むケースであっても構わない。

＜冷却器２＞
冷却器２は、外側の冷却面２ｂで半導体モジュール１、コンデンサモジュール３、及び放熱用金属体４と熱的に接続され、半導体モジュール１、コンデンサモジュール３、及び放熱用金属体４を冷却する。冷却器２は、内側に冷媒が流れる冷媒流路２ａ（図１において図示せず）を備える。流体である冷媒は、外側の冷却面２ｂと平行な方向に、冷却器２の一方の側に設けられた冷媒入口１０から他方の側に設けられた冷媒出口１１に向かって流れる。冷媒には、例えば水またはエチレングリコール液が使用される。冷却面２ｂは、冷媒によって冷却される。冷却器２は、例えばアルミニウムからダイカストにて作製される。

＜コンデンサモジュール３＞
コンデンサモジュール３は、図２に示すように、直流電力を平滑化するコンデンサ素子５、充填用樹脂９を介してコンデンサ素子５を収納したコンデンサケース６、正極側バスバー７ａ、及び負極側バスバー８ａを備える。コンデンサ素子５の第２端子５ｂは、冷却器２と熱的に接続されたコンデンサケース６の壁である放熱壁６ａに対向して配置され、コンデンサ素子５の第１端子５ａは、放熱壁６ａに対向するコンデンサケース６の壁である対向壁６ｂに対向して配置される。本実施の形態では第１端子５ａを対向壁６ｂに対向して配置し、第２端子５ｂを放熱壁６ａに対向して配置したがこれに限るものではなく、第１端子５ａを放熱壁６ａに対向して配置し、第２端子５ｂを対向壁６ｂに対向して配置しても構わない。

正極側バスバー７ａは、一端がコンデンサ素子５と電気的に接続され他端がコンデンサケース６から外部に延出して正極側モジュールバスバー７ｂの他端と電気的に接続される。負極側バスバー８ａは、一端がコンデンサ素子５と電気的に接続され他端がコンデンサケース６から外部に延出して負極側モジュールバスバー８ｂの他端と電気的に接続される。正極側バスバー７ａ及び負極側バスバー８ａの一方の一端は、コンデンサケース６の内部における、放熱壁６ａに対向して配置されたコンデンサ素子５の第２端子５ｂに接続され、正極側バスバー７ａ及び負極側バスバー８ａの他方の一端は、コンデンサケース６の内部における、対向壁６ｂに対向して配置されたコンデンサ素子５の第１端子５ａに接続される。本実施の形態では負極側バスバー８ａの一端が第２端子５ｂに接続され、正極側バスバー７ａの一端が第１端子５ａに接続されているがこれに限るものではない。

コンデンサモジュール３は、図１に示すように、コンデンサケース６が備えたコンデンサモジュール固定部１４により、冷却器２の冷却面２ｂに固定される。固定の方法は、例えばねじ止めであるがこれに限るものではない。コンデンサケース６と冷却面２ｂとの間には、図２に示すように、コンデンサモジュール３の冷却効率を上げるために、伝熱部材である放熱用グリス２０が配置される。伝熱部材は、放熱用グリス２０に限るものではなく、例えば放熱シートまたは放熱コンパウンドであっても構わない。半導体モジュール１及び放熱用金属体４と冷却面２ｂとの間にも、放熱用グリス２０を設けても構わない。

コンデンサモジュール３は、半導体モジュール１との間を低い配線インダクタンスで接続するために、半導体モジュール１と近接して配置している。コンデンサモジュール３と半導体モジュール１とを近接して、コンデンサモジュール３と半導体モジュール１とを低い配線インダクタンスで接続しているため、コンデンサモジュール３と半導体モジュール１とを接続するバスバーにおける余分な損失の発生を抑制することができる。損失の発生が抑制されるので、バスバーのジュール熱による発熱が抑制され、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。

＜放熱用金属体４＞
放熱用金属体４は、正極側バスバー７ａ及び負極側バスバー８ａの他方における一端と他端との間の板状の中間接続部分２２と絶縁部材である充填用樹脂９を介して対向し、熱的に接続されている板状の部分である板状部４ｂを有する。放熱用金属体４は、冷却器２の冷却面２ｂと接続部４ａで熱的に接続されている。放熱用金属体４の板状部４ｂと中間接続部分２２とは、コンデンサケース６の内部に配置されている。

この構成によれば、冷却器２の冷却面２ｂとは離れている対向壁６ｂの側でコンデンサ素子５と接続されている正極側バスバー７ａを、放熱用金属体４を介して、冷却器２によって冷却することができる。また、コンデンサ素子５の対向壁６ｂの側の部分の発熱についても、放熱用金属体４を介して冷却することができる。また、特に電力変換装置１００が高出力密度の場合、正極側バスバー７ａは自身のジュール熱による発熱、及び半導体モジュール１からの受熱があるが、放熱用金属体４を介して正極側バスバー７ａを冷却することができるため、正極側バスバー７ａに起因したコンデンサ素子５の温度上昇を防ぐことができる。放熱用金属体４はコンデンサケース６の内部に配置されているため、放熱用金属体４を電力変換装置１００に設ける工程が不要であり、電力変換装置１００の生産性を向上することができる。

コンデンサ素子５は、放熱用金属体４及びコンデンサケース６の放熱壁６ａを介して、冷却器２の冷却面２ｂと熱的に接続されている。そのため、コンデンサ素子５を取り囲むような複雑な冷却構造を設けることなく、簡素な構造の冷却器２で、コンデンサ素子５を冷却することができる。正極側バスバー７ａ及び負極側バスバー８ａの一方の一端は、コンデンサケース６の内部における、放熱壁６ａに対向して配置されているため、正極側バスバー７ａ及び負極側バスバー８ａの一方は冷却器２の冷却面２ｂで効果的に冷却される。正極側バスバー７ａ及び負極側バスバー８ａの他方は、板状の中間接続部分２２と放熱用金属体４の板状部４ｂとが熱的に接続されているため、正極側バスバー７ａ及び負極側バスバー８ａの他方は放熱用金属体４を介して冷却器２の冷却面２ｂで効果的に冷却される。また、冷却器２の内部の冷媒流路２ａを複雑化することなく、コンデンサ素子５、正極側バスバー７ａ、及び負極側バスバー８ａを冷却することができる。

半導体モジュール１から延出したバスバーとコンデンサモジュール３から延出したバスバーとの接続には、ネジ締結または溶接などが用いられる。そのため、バスバー同士の接続のためのスペースが、半導体モジュール１とコンデンサモジュール３との間に必要になる。図１に示すように、冷却器２と放熱用金属体４とを熱的に接続する接続部４ａを配置するために、このスペースを利用することができる。このスペースを接続部４ａの配置に利用することで、コンデンサモジュール３と半導体モジュール１の占有するスペースを増やすことなく、放熱用金属体４を用いてコンデンサ素子５等の冷却能力を強化することできる。また、接続部４ａを配置する箇所は、コンデンサモジュール３の取り付け部を含めた占有スペースを増やさないため、コンデンサモジュール固定部１４が配置されたスペースに略平行となる箇所であっても構わない。なお、半導体モジュール１とコンデンサモジュール３とが備えたバスバーの接続方法は、ネジ締結または溶接に限定するものではない。

本実施の形態では、同一平面となる冷却器２の冷却面２ｂにコンデンサモジュール３と半導体モジュール１とを配置したが、コンデンサモジュール３と半導体モジュール１との配置は同一の平面上に限るものではない。低い配線インダクタンスでコンデンサモジュール３と半導体モジュール１とが接続され、電力変換装置１００の組み立てが容易であれば、コンデンサモジュール３と半導体モジュール１との配置は同一の平面上でなくても構わない。例えば、図４に示すように、冷却器２の冷却面２ｂが段差を備え、それぞれの面にコンデンサモジュール３と半導体モジュール１とを配置してもよい。このような配置であっても、低い配線インダクタンスでコンデンサモジュール３と半導体モジュール１とを接続することができ、電力変換装置１００の組み立ては容易である。また、コンデンサモジュール３と半導体モジュール１とが、冷却器２を挟み込む配置であっても構わない。

なお、本実施の形態では、放熱用金属体４の板状部４ｂと中間接続部分２２とをコンデンサケース６の内部に配置したため、放熱用金属体４の板状部４ｂと中間接続部分２２とは絶縁部材である充填用樹脂９を介して熱的に接続したが、絶縁部材は充填用樹脂９に限るものではない。充填用樹脂９に代えて、絶縁材からなる構造保持用樹脂を放熱用金属体４の板状部４ｂと中間接続部分２２との間に設けてもよく、絶縁紙を放熱用金属体４の板状部４ｂと中間接続部分２２との間に挟む構成でも構わない。

以上のように、実施の形態１による電力変換装置１００において、正極側バスバー７ａにおける一端と他端との間の板状の中間接続部分２２と充填用樹脂９を介して対向し、熱的に接続されている板状部４ｂを有し、冷却器２の冷却面２ｂと熱的に接続されている放熱用金属体４を備えたため、発熱部材である正極側バスバー７ａの冷却性能を高めることができ、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。また、冷却器２の冷却面２ｂから離れたコンデンサ素子５の対向壁６ｂの側の部分の発熱についても、放熱用金属体４を介して冷却することができる。また、放熱用金属体４はコンデンサケース６の内部に配置されているため、放熱用金属体４を電力変換装置１００に設ける工程が不要であり、電力変換装置１００の生産性を向上することができる。

また、コンデンサ素子５は、放熱用金属体４及びコンデンサケース６の放熱壁６ａを介して、冷却器２の冷却面２ｂと熱的に接続されているため、コンデンサ素子５を取り囲むような複雑な冷却構造の冷却器を設けることなく、簡素な構造の冷却器２で、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。また、コンデンサモジュール３と半導体モジュール１とを近接して、コンデンサモジュール３と半導体モジュール１とを低い配線インダクタンスとなるバスバーで接続しているため、バスバーのジュール熱による発熱が抑制され、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る電力変換装置１００について説明する。図５は実施の形態２に係る電力変換装置１００の概略を示す断面図である。図５は図１のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置１００の要部断面図で、冷却器２の内部を省略して示した図である。実施の形態２に係る電力変換装置１００は、コンデンサケース６の放熱壁６ａの側に配置されるバスバーの極性が規定された構成になっている。

半導体素子１３は、保護部材２１で取り囲まれた半導体モジュール１ｃの内部で、接合部材１６を介して導電部材１５に接続される。接合部材１６は、例えばはんだである。導電部材１５は、例えば、導電性を有した金属製のプレートである。導電部材１５は、絶縁接合部材１７を介して、冷却器２の冷却面２ｂと熱的に接続される。複数の半導体素子１３を備えた場合、半導体素子１３と導電部材１５とを接続する内部バスバー１９が設けられる。外部端子１８は、電力変換された電力を外部に出力する端子である。

コンデンサケース６の内部でコンデンサケース６の放熱壁６ａの側に配置された正極側バスバー７ａ及び負極側バスバー８ａの一方の極性は、正極側モジュールバスバー７ｂ及び負極側モジュールバスバー８ｂのうち半導体モジュール１の内部における配線の長さが一方よりも長い他方のバスバーの極性である。ここでは、負極側モジュールバスバー８ｂの半導体モジュール１の内部における配線の長さが正極側モジュールバスバー７ｂよりも長い。そのため、コンデンサケース６の放熱壁６ａの側に配置されるバスバーの極性は負極であり、負極側バスバー８ａが放熱壁６ａの側に配置されている。

半導体モジュール１の内部における半導体素子１３の配置の都合上、正極側モジュールバスバー７ｂ及び負極側モジュールバスバー８ｂのうち半導体モジュール１の内部における配線の長さが一方よりも他方において長くなる場合がある。半導体モジュール１の内部に設けられるバスバーは厚みまたは幅に制約がある場合が多く、断面積を容易に大きくできない。そのため、配線の長さが長いバスバーにおいてジュール熱による発熱が生じやすくなる。特に電力変換装置１００が高出力密度の場合、配線の長さが長いバスバーにおいて発熱による温度上昇が顕著となる。

この構成によれば、配線の長さが長い負極側モジュールバスバー８ｂに接続されている負極側バスバー８ａが、放熱壁６ａの側に配置されている。負極側バスバー８ａを冷却器２の冷却面２ｂに接近させているので、負極側バスバー８ａとともに、発熱部材である負極側モジュールバスバー８ｂの冷却性能を高めることができ、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。半導体モジュール１に接している冷却器２の部分だけでは半導体モジュール１内のバスバーを冷却する能力が不足するおそれがある場合でも、コンデンサモジュール３の側から半導体モジュール１内のバスバーを効率よく冷却することができる。

コンデンサケース６の内部でコンデンサケース６の放熱壁６ａの側に配置された正極側バスバー７ａ及び負極側バスバー８ａの一方の極性は、正極側モジュールバスバー７ｂ及び負極側モジュールバスバー８ｂのうち半導体モジュール１の内部で半導体素子１３と直接電気的に接続されているバスバーの極性である。ここでは、負極側モジュールバスバー８ｂが半導体素子１３と直接電気的に接続されている。そのため、コンデンサケース６の放熱壁６ａの側に配置されるバスバーの極性は負極であり、負極側バスバー８ａが放熱壁６ａの側に配置されている。

半導体モジュール１の内部において、正極側モジュールバスバー７ｂ及び負極側モジュールバスバー８ｂの何れかは半導体素子１３と直接電気的に接続される。直接電気的に接続された場合、バスバーは半導体素子１３と直接熱的にも接続されている。半導体素子１３は接合部材１６、導電部材１５、及び絶縁接合部材１７を介して冷却器２の冷却面２ｂと熱的に接続されているため、半導体素子１３と直接接続されたバスバーは冷却器２による冷却の効果を受けにくい。また、半導体素子１３と直接接続されたバスバーは、半導体素子１３の発熱を受熱してコンデンサモジュール３に熱を伝えやすい。

この構成によれば、半導体素子１３に直接接続された負極側モジュールバスバー８ｂに接続されている負極側バスバー８ａが放熱壁６ａの側に配置されている。負極側バスバー８ａを冷却器２の冷却面２ｂに接近させているので、負極側バスバー８ａとともに、発熱部材である負極側モジュールバスバー８ｂの冷却性能を高めることができ、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。半導体モジュール１に接している冷却器２の部分だけでは半導体モジュール１内のバスバーを冷却する能力が不足するおそれがある場合でも、コンデンサモジュール３の側から半導体モジュール１内のバスバーを効率よく冷却することができる。

一方、正極側モジュールバスバー７ｂは、半導体モジュール１の内部で冷却器２に近い導電部材１５に接続される。正極側モジュールバスバー７ｂは、半導体モジュール１に接している冷却器２の部分により冷却されるため、半導体素子１３からの受熱は少ない。しかしながら、電力変換装置１００が高出力密度の場合、正極側モジュールバスバー７ｂはジュール熱による発熱が大きくなりコンデンサ素子５に熱害を与えるおそれがある。本実施の形態でも実施の形態１と同様に放熱用金属体４を設けているため、正極側モジュールバスバー７ｂと接続された正極側バスバー７ａは放熱用金属体４を介して冷却されるので、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。

本実施の形態において、負極側バスバー８ａ及び負極側モジュールバスバー８ｂにおいてのバスバー自身のジュール熱による発熱、及び半導体素子１３からの受熱は、正極側バスバー７ａ及び正極側モジュールバスバー７ｂにおいてのバスバー自身のジュール熱による発熱よりも大きい。つまり、負極側バスバー８ａ及び負極側モジュールバスバー８ｂにおいて、コンデンサ素子５に対して熱害となる影響度合いが大きい。一方、冷却能力についてはコンデンサケース６の放熱壁６ａを経由しての冷却器２による冷却の方が、放熱用金属体４を介しての冷却よりも冷却能力に優れる。このため、本実施例においては熱害の影響度合いと冷却能力が大きいもの同士と小さいもの同士を組み合わせることで冷却効率を最適化している。

以上のように、実施の形態２による電力変換装置１００において、配線の長さが長い負極側モジュールバスバー８ｂに接続されている負極側バスバー８ａが放熱壁６ａの側に配置されているため、発熱部材である負極側モジュールバスバー８ｂの冷却性能を高めることができ、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。また、半導体素子１３に直接接続された負極側モジュールバスバー８ｂに接続されている負極側バスバー８ａが放熱壁６ａの側に配置されているため、発熱部材である負極側モジュールバスバー８ｂの冷却性能を高めることができ、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る電力変換装置１００について説明する。図６は実施の形態３に係る電力変換装置１００の概略を示す断面図である。図６は図１のＡ−Ａ断面位置と同等の位置で切断した電力変換装置１００の要部断面図で、半導体モジュール１ｃと冷却器２の内部を省略して示した図である。実施の形態３に係る電力変換装置１００は、実施の形態１とは放熱用金属体４が異なる位置に配置された構成になっている。

放熱用金属体４の板状部４ｂと中間接続部分２２とは、コンデンサケース６の外部に配置されている。放熱用金属体４の板状部４ｂと中間接続部分２２とは、絶縁材１２を介して対向している。絶縁材１２は、例えば、構造保持用樹脂もしくは絶縁紙であるが、これに限るものではない。放熱用金属体４は、ここではコンデンサケース６とは隙間を空けてコンデンサモジュール３とは別体として設けているが、コンデンサモジュール３と一体化して設けても構わない。

以上のように、実施の形態３による電力変換装置１００において、放熱用金属体４の板状部４ｂと中間接続部分２２とをコンデンサケース６の外部に配置しているため、コンデンサケース６の外部で中間接続部分２２は冷却されるので、半導体モジュール１からの受熱及び正極側バスバー７ａの発熱はコンデンサ素子５に伝熱されず、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。

実施の形態４．
実施の形態４に係る電力変換装置１００について説明する。図７は実施の形態４に係る電力変換装置１００の概略を示す断面図である。図７は図１のＡ−Ａ断面位置で切断した電力変換装置１００の要部断面図で、半導体モジュール１ｃの内部を省略して示した図である。実施の形態４に係る電力変換装置１００は、冷却器２の内部を流れる冷媒の方向と、半導体モジュール１及びコンデンサモジュール３の配置が規定された構成になっている。

冷却器２は、コンデンサモジュール３、及び半導体モジュール１が配置された冷却器２の外側の冷却面２ｂと平行な方向に冷媒入口１０から冷媒出口１１に向かって冷媒が流れる冷媒流路２ａを内側に備える。冷媒が流れる方向は、図７に示した矢印の方向である。冷却器２は、内側の空間が冷媒流路２ａとされているが、これ以外の冷媒流路２ａの形状であっても構わない。例えば、パイプで形成された管状の流路でもよく、さらに冷媒流路２ａの内部もしくは外部にフィンが設けられてもよい。

コンデンサモジュール３は冷媒流路２ａの上流側の部分の冷却器２の冷却面２ｂに配置され、半導体モジュール１は冷媒流路２ａの下流側の部分の冷却器２の冷却面２ｂに配置されている。通常、電力変換装置１００における発熱は、コンデンサモジュール３よりも半導体モジュール１において大きい。冷却器２で冷媒と熱交換される熱量も同様の関係にあるので、熱量は半導体モジュール１において大きい。そのため、上流側の部分にコンデンサモジュール３を配置すればコンデンサケース６の放熱壁６ａの側に供給される冷媒の温度は低く、コンデンサモジュール３の発熱は半導体モジュール１に比べて小さいので半導体モジュール１が配置された冷却面２ｂの側にも比較的温度の低い冷媒を供給できる。本実施の形態と冷媒の流れが逆の方向であれば、半導体モジュール１が配置された冷却面２ｂの側には温度の低い冷媒が供給されるが、コンデンサケース６の放熱壁６ａの側には高温の冷媒が供給されるため冷却効率が悪くなる。本実施の形態では、冷媒の方向を適切に設定しているため、電力変換装置１００の冷却効率を高めて、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。

以上のように、実施の形態４による電力変換装置１００において、コンデンサモジュール３は冷媒流路２ａの上流側の部分の冷却器２の冷却面２ｂに配置され、半導体モジュール１は冷媒流路２ａの下流側の部分の冷却器２の冷却面２ｂに配置されているため、発熱の大きい半導体モジュール１を下流側とすることで、電力変換装置１００の冷却効率を高めて、コンデンサ素子５を温度上昇から保護することができる。

以上では、電力変換装置１００は、３相交流を出力する電力変換装置とした例に説明した。しかし、電力変換装置１００は、ＤＣ―ＤＣコンバータ等の各種の電力変換装置とされてもよく、コンデンサモジュール３は、負荷に接続される出力側等、平滑化が必要な各部に設けられてもよい。また、コンデンサモジュール３が接続されるのは半導体モジュール１に限るものではなく、例えば、半導体スイッチング素子を備えた基板であっても構わない。

また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 半導体モジュール、２ 冷却器、２ａ 冷媒流路、２ｂ 冷却面、３ コンデンサモジュール、４ 放熱用金属体、４ａ 接続部、４ｂ 板状部、５ コンデンサ素子、５ａ 第１端子、５ｂ 第２端子、６ コンデンサケース、６ａ 放熱壁、６ｂ 対向壁、７ａ 正極側バスバー、７ｂ 正極側モジュールバスバー、８ａ 負極側バスバー、８ｂ 負極側モジュールバスバー、９ 充填用樹脂、１０ 冷媒入口、１１ 冷媒出口、１２ 絶縁材、１３ 半導体素子、１４ コンデンサモジュール固定部、１５ 導電部材、１６ 接合部材、１７ 絶縁接合部材、１８ 外部端子、１９ 内部バスバー、２０ 放熱用グリス、２１ 保護部材、２２ 中間接続部分、１００ 電力変換装置

本願に開示される電力変換装置は、半導体素子、一端が半導体素子の第１端子と直接または間接的に電気的に接続され他端が半導体素子を取り囲んだ保護部材から外部に延出した正極側モジュールバスバー、及び一端が半導体素子の第２端子と直接または間接的に電気的に接続され他端が保護部材から外部に延出した負極側モジュールバスバーを有する半導体モジュールと、コンデンサ素子、充填用樹脂を介してコンデンサ素子を収納したコンデンサケース、一端がコンデンサ素子と電気的に接続され他端がコンデンサケースから外部に延出して正極側モジュールバスバーの他端と電気的に接続された正極側バスバー、及び一端がコンデンサ素子と電気的に接続され他端がコンデンサケースから外部に延出して負極側モジュールバスバーの他端と電気的に接続された負極側バスバーを有するコンデンサモジュールと、コンデンサモジュール、及び半導体モジュールと熱的に接続された冷却器とを備え、コンデンサ素子の第１端子及び第２端子の一方は、冷却器と熱的に接続されたコンデンサケースの壁である放熱壁に対向して配置され、コンデンサ素子の第１端子及び第２端子の他方は、放熱壁に対向するコンデンサケースの壁である対向壁に対向して配置され、正極側バスバー及び負極側バスバーの一方の一端は、コンデンサケースの内部における、放熱壁に対向して配置されたコンデンサ素子の第１端子及び第２端子の一方に接続され、正極側バスバー及び負極側バスバーの他方の一端は、コンデンサケースの内部における、対向壁に対向して配置されたコンデンサ素子の第１端子及び第２端子の他方に接続され、正極側バスバー及び負極側バスバーの他方における一端と他端との間の板状の中間接続部分と絶縁部材を介して対向し、熱的に接続されている板状の部分を有し、冷却器と熱的に接続されている放熱用金属体を備え、前記放熱用金属体の板状の部分と前記中間接続部分とは、前記コンデンサケースの内部に配置され、前記放熱用金属体の板状の部分と前記コンデンサ素子とは、前記充填用樹脂を介して対向し、熱的に接続されているものである。

Claims (6)

1. 半導体素子、一端が前記半導体素子の第１端子と直接または間接的に電気的に接続され他端が前記半導体素子を取り囲んだ保護部材から外部に延出した正極側モジュールバスバー、及び一端が前記半導体素子の第２端子と直接または間接的に電気的に接続され他端が前記保護部材から外部に延出した負極側モジュールバスバーを有する半導体モジュールと、
   コンデンサ素子、充填用樹脂を介して前記コンデンサ素子を収納したコンデンサケース、一端が前記コンデンサ素子と電気的に接続され他端が前記コンデンサケースから外部に延出して前記正極側モジュールバスバーの他端と電気的に接続された正極側バスバー、及び一端が前記コンデンサ素子と電気的に接続され他端が前記コンデンサケースから外部に延出して前記負極側モジュールバスバーの他端と電気的に接続された負極側バスバーを有するコンデンサモジュールと、
   前記コンデンサモジュール、及び前記半導体モジュールと熱的に接続された冷却器と、を備え、
   前記コンデンサ素子の第１端子及び第２端子の一方は、前記冷却器と熱的に接続された前記コンデンサケースの壁である放熱壁に対向して配置され、前記コンデンサ素子の第１端子及び第２端子の他方は、前記放熱壁に対向する前記コンデンサケースの壁である対向壁に対向して配置され、
   前記正極側バスバー及び前記負極側バスバーの一方の一端は、前記コンデンサケースの内部における、前記放熱壁に対向して配置された前記コンデンサ素子の第１端子及び第２端子の一方に接続され、
   前記正極側バスバー及び前記負極側バスバーの他方の一端は、前記コンデンサケースの内部における、前記対向壁に対向して配置された前記コンデンサ素子の第１端子及び第２端子の他方に接続され、
   前記正極側バスバー及び前記負極側バスバーの他方における一端と他端との間の板状の中間接続部分と絶縁部材を介して対向し、熱的に接続されている板状の部分を有し、前記冷却器と熱的に接続されている放熱用金属体を備えた電力変換装置。
2. 前記コンデンサケースの内部で前記コンデンサケースの前記放熱壁の側に配置された前記正極側バスバー及び前記負極側バスバーの一方の極性は、前記正極側モジュールバスバー及び前記負極側モジュールバスバーのうち前記半導体モジュールの内部における配線の長さが一方よりも長い他方のバスバーの極性である請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記コンデンサケースの内部で前記コンデンサケースの前記放熱壁の側に配置された前記正極側バスバー及び前記負極側バスバーの一方の極性は、前記正極側モジュールバスバー及び前記負極側モジュールバスバーのうち前記半導体モジュールの内部で前記半導体素子と直接電気的に接続されているバスバーの極性である請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記放熱用金属体の板状の部分と前記中間接続部分とは、前記コンデンサケースの内部に配置されている請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記放熱用金属体の板状の部分と前記中間接続部分とは、前記コンデンサケースの外部に配置されている請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記冷却器は、前記コンデンサモジュール、及び前記半導体モジュールが配置された前記冷却器の外側の面と平行な方向に前記冷却器の一方の側から他方の側に向かって冷媒が流れる冷媒流路を前記冷却器の内側に備え、
   前記コンデンサモジュールは前記冷媒流路の上流側の部分の前記冷却器の外面に配置され、前記半導体モジュールは前記冷媒流路の下流側の部分の前記冷却器の外面に配置されている請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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