JP4396626B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールを含む主回路部と、上記半導体モジュールを制御する制御回路部とを有する電力変換装置に関する。

例えば、内燃機関と電気モータの両方を駆動源として有するハイブリッド自動車、その他、電気モータを駆動源として備えた自動車等では、直流電力と交流電力との間で双方向変換する大容量のインバータを必要とする。そのため、このインバータを含む電力変換装置が種々開発されてきた。

該電力変換装置は、ＩＧＢＴ素子等の半導体素子を内蔵した半導体モジュールを用いて構成した主回路部と、半導体モジュールを制御する制御回路部とを有する（特許文献１参照）。そして、該制御回路部には、供給された電源から制御用電源を生成するためのトランスを配設してある。即ち、該トランスは、電力変換装置の外部のバッテリ等から供給される電源の電圧を、制御回路部において用いる制御用電源として適切な電圧に変換すると共に電圧の変動幅を小さくする。

しかしながら、上記トランスは発熱量が大きい一方、これを冷却する手段を特に設けていない。それ故、トランスから発せられた熱は周囲の空気に放熱され、電力変換装置のケース内の温度が上昇するおそれがある。また、トランスの周囲において高温となった空気は電力変換装置のケース内において上昇し、上記トランスの上方に配された制御回路部の一部等の温度上昇を招く。
これにより、場合によっては、制御回路部の誤動作を招くおそれもある。

特開２００５−７３３７４号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、制御回路部の正常な動作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。

本発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールを含む主回路部と、上記半導体モジュールの信号端子に電気的に接続され、上記半導体モジュールを制御する制御回路部とをケース内に設けてなる電力変換装置であって、
上記制御回路部は、上下に配された上側回路基板と下側回路基板とを有しており、
供給された電源から制御用電源を生成するためのトランスを上記下側回路基板に配設すると共に、上記トランスの配設位置の上方において上記上側回路基板に開口部を設けてあり、
上記トランスの上面は、上記ケースの天井部に対向していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置においては、上記トランスの上面が上記ケースの天井部に対向している。即ち、トランスとケースの天井部との間には、特に基板や部品等が介在していない。そのため、上記トランスにおいて発熱した熱によって高温となった周囲の空気は、上記ケースの天井部付近に円滑に上昇し、天井部において放熱することができる。これにより、電力変換装置のケース内の温度上昇を抑制することができる。その結果、上記制御回路部の温度上昇を抑制し、制御回路部の正常な動作を確保することができる。

また、上記トランスの上面が上記ケースの天井部に対向しているため、トランスの上方には制御回路部の一部等が配されていない。それ故、上記トランスの周囲において高温となった空気による制御回路部の温度上昇を防ぐことができる。かかる観点からも、制御回路部の正常な動作を確保することができる。

以上のごとく、本発明によれば、制御回路部の正常な動作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。

本発明（請求項１）において、上記電力変換装置としては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。

また、上記制御回路部は、上下に配された上側回路基板と下側回路基板とを有しており、上記トランスは上記下側回路基板に配設してあり、上記上側回路基板は、上記トランスの配設位置の上方に開口部を設けてなる。
これにより、上記トランスの上面を容易かつ確実に上記ケースの天井部に対向して配置することができる。そして、上記トランスの熱を受けて高温となった空気は、上記開口部を上方へ通過して天井部に達し放熱する。更に、トランスの周囲の高温の空気が次々と開口部を通過して上昇し、天井部において冷却される。冷却された空気は、開口部から上昇してくる高温の空気に押し出されるようにして、上側回路基板の側方等から下方へ移動する。
このようにして、ケース内において空気の対流、循環が発生する。その結果、ケース内の空気の放熱を効率よく行うことができる。

また、上記トランスは、上記開口部を貫通していてもよい（請求項２）。
この場合には、上記上側回路基板と上記下側回路基板との間隔を小さくすることができ、電力変換装置の小型化を図ることができる。

また、上記トランスは複数配設されており、各トランスに対応して個別に上記開口部が設けてあることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記上側回路基板の剛性を確保することができる。即ち、例えば複数のトランスに対して共通の一つの開口部を設けた場合には、上側回路基板の剛性が低下するおそれがある。そこで、各トランスに対応して個別に上記開口部を設けることにより、上側回路基板の剛性の低下を抑制し、充分な剛性を確保することができる。これにより、上側回路基板３１の振動を抑制し、該上側回路基板３１に実装された電子部品の脱落等を防ぐことができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール２１を含む主回路部２と、上記半導体モジュール２１の信号端子２１１に電気的に接続され、上記半導体モジュール２１を制御する制御回路部３とをケース４内に設けてなる。

上記制御回路部３には、供給された電源から制御用電源を生成するためのトランス５を配設してある。
そして、図１、図３に示すごとく、該トランス５の上面５１は、上記ケース４の天井部４１に対向している。
また、上記制御回路部３は、上下に配された上側回路基板３１と下側回路基板３２とを有している。上記トランス５は下側回路基板３２に配設してある。また、上側回路基板３１は、トランス５の配設位置の上方に開口部３３を設けてなる。

上側回路基板３１と下側回路基板３２とは、一定の間隔をもって互いに平行に配置されていると共に、上面視において略同等の外形を有する。そして、上側回路基板３１と下側回路基板３２とは、互いの端部においてボルト等によって固定されている（図示略）。上側回路基板３１とカバー４の天井部４１とは対向配置されているが、両者の間には適度な空間が形成されている。

図２、図３に示すごとく、トランス５は２個配設されており、各トランス５に対応して個別に開口部３３が設けてある。
トランス５は、供給された電源から制御用電源を生成する。例えば、車両の補機バッテリから供給された電源の電圧を、制御回路部３において用いる制御用電源として適切な電圧に変換すると共に電圧の変動幅を小さくする。具体的には、１５Ｖの補機バッテリの電圧は６〜１６Ｖの間で変動する。この補機バッテリから供給される電源を、変動幅の小さい電圧１５Ｖ±１０％、５Ｖ±１０％、−５Ｖ±１０％という３種類の制御用電源に変換する。
そして、この制御用電源によって、制御回路部３に接続された複数の半導体モジュール２１の動作を制御する。

また、主回路部２は、複数の半導体モジュール２１と該半導体モジュール２１を冷却する冷却器２２とを有する。冷却器２２は、図１に示すごとく，半導体モジュール２１を両面から挟持するように配された冷却管２２１を複数有する。即ち、冷却管２２１と半導体モジュール２１とが交互に積層されている。各冷却管２２１は、内部に冷媒流路（図示略）を設けてなり、これに冷却媒体を流通させることができるよう構成してある。また、複数の冷却管２２１の両端をそれぞれ連結するように蛇腹パイプ或いはダイアフラム構造のパイプを配置し、２箇所のヘッダ部を形成してある。また、該２箇所のヘッダ部の端部には、冷却器２２の一方の端部に配された冷却管２２１に接続された、冷媒導入口２２４と冷媒排出口２２５とがそれぞれ設けてある。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、トランス５の上面５１がケース４の天井部４１に対向している。即ち、トランス５とケース４の天井部４１との間には、特に基板や部品等が介在していない。そのため、トランス５において発熱した熱によって高温となった周囲の空気は、ケース４の天井部４１付近に円滑に上昇し、天井部４１において放熱することができる（図１の矢印ａ参照）。これにより、電力変換装置１のケース４内の温度上昇を抑制することができる。その結果、上記制御回路部３の温度上昇を抑制し、制御回路部３の正常な動作を確保することができる。

また、トランス５の上面５１がケース４の天井部４１に対向しているため、トランス５の上方には制御回路部３の一部等が配されていない。それ故、上記トランス５の周囲において高温となった空気による制御回路部３の温度上昇を防ぐことができる。かかる観点からも、制御回路部３の正常な動作を確保することができる。

また、上側回路基板３１は、トランス５の配設位置の上方に開口部３３を設けてなる。これにより、トランス５の上面５１を容易かつ確実にケース４の天井部４１に対向して配置することができる。そして、図１の矢印ａに示すごとく、トランス５の熱を受けて高温となった空気は、開口部３３を上方へ通過して天井部４１に達し放熱する。更に、トランス５の周囲の高温の空気が次々と開口部３３を通過して上昇し、天井部４１において冷却される。冷却された空気は、開口部３３から上昇してくる高温の空気に押し出されるようにして、上側回路基板３１の側方等から下方へ移動する。
このようにして、ケース４内において空気の対流、循環が発生する。その結果、ケース４内の空気の放熱を効率よく行うことができる。

また、トランス５は複数配設されており、各トランス５に対応して個別に開口部３３が設けてある。これにより、上側回路基板３１の剛性を確保することができる。即ち、例えば複数のトランス５に対して共通の一つの開口部を設けた場合（後述する実施例３参照）には、上側回路基板３１の剛性が低下するおそれがある。そこで、各トランス５に対応して個別に上記開口部３３を設けることにより、上側回路基板３１の剛性の低下を抑制し、充分な剛性を確保することができる。これにより、上側回路基板３１の振動を抑制し、該上側回路基板３１に実装された電子部品の脱落等を防ぐことができる。

以上のごとく、本例によれば、制御回路部の正常な動作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。

（実施例２）
本例は、図４に示すごとく、トランス５が開口部３３を貫通している電力変換装置１の例である。
即ち、上記トランス５の一部が上側回路基板３１の開口部３３を上方へ突き抜け、トランス５の上面５１が上側回路基板３１の上面３１１よりも上方に配置されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、上側回路基板３１と下側回路基板３２との間隔を小さくすることができ、電力変換装置１の小型化を図ることができる。
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に示すごとく、複数のトランス５に対して共通の一つの開口部３３０を設けた電力変換装置１の例である。
即ち、下側回路基板３２上に並列配置された２個のトランス５の上方における上側回路基板３１に、一つの開口部３３０を設けている。つまり、該開口部３３０は、実施例１における２つの開口部３３を繋げて一つにした形状を有する。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合には、開口部３３０の形成を容易に行うことができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

実施例１における、電力変換装置の一部断面説明図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 図２のＢ−Ｂ線矢視断面相当の制御回路部周辺の断面説明図。 実施例２における、電力変換装置の制御回路部周辺の断面説明図。 実施例３における、電力変換装置の断面平面図。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ 主回路部
２１ 半導体モジュール
３ 制御回路部
３１ 上側回路基板
３２ 下側回路基板
３３、３３０ 開口部
４ ケース
４１ 天井部
５ トランス
５１ 上面

Claims (3)

1. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールを含む主回路部と、上記半導体モジュールの信号端子に電気的に接続され、上記半導体モジュールを制御する制御回路部とをケース内に設けてなる電力変換装置であって、
   上記制御回路部は、上下に配された上側回路基板と下側回路基板とを有しており、
   供給された電源から制御用電源を生成するためのトランスを上記下側回路基板に配設すると共に、上記トランスの配設位置の上方において上記上側回路基板に開口部を設けてあり、
   上記トランスの上面は、上記ケースの天井部に対向していることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記トランスは、上記開口部を貫通していることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２において、上記トランスは複数配設されており、各トランスに対応して個別に上記開口部が設けてあることを特徴とする電力変換装置。

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