JP4600428B2

JP4600428B2 - 駆動装置一体型電力変換装置

Info

Publication number: JP4600428B2
Application number: JP2007135918A
Authority: JP
Inventors: 靖之大河内; 健一若林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2027-05-22
Also published as: JP2008295139A

Description

本発明は、電動機を有する駆動装置と、該駆動装置を駆動制御する電力変換装置とを一体的に構成してなる駆動装置一体型電力変換装置に関する。

従来より、図８に示すごとく、電動機を有する駆動装置９２と、該駆動装置９２を駆動制御する電力変換装置９３とを一体的に構成してなる駆動装置一体型電力変換装置９が知られている（例えば、特許文献１参照）。
電力変換装置９３は、複数のスイッチング素子（図示略）を有するパワーモジュール９３１と、駆動装置９２を制御する制御基板９３２と、上記スイッチング素子のスイッチングにより生じる電圧変動を平滑化するコンデンサ９３３とからなる。

また、電力変換装置９３と駆動装置９２との間には、図８に示すごとく、駆動装置９２を冷却するとともに潤滑させる冷却潤滑油及びパワーモジュール９３１を冷却する冷却器９３５が配設されている。
そして、電力変換装置９３は、冷却器９３５に近い順に、パワーモジュール９３１、コンデンサ９３３、制御基板９３２を積層配置してなる。

ところが、かかる構成では、パワーモジュール９３１は駆動装置９２に比較的近接して配置されることとなるため、駆動装置９２からの電磁ノイズがパワーモジュール９３１へと到達しやすい。それゆえ、上記電磁ノイズに起因してパワーモジュール９３１が誤作動を生じやすいという問題があった。
また、駆動装置一体型電力変換装置９を作動させると、パワーモジュール９３１だけではなくコンデンサ９３３も熱を帯びる。ところが、上記従来の構成ではコンデンサ９３３を冷却することが困難であるという問題があった。

特開２００３−１９９３６３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、パワーモジュールの誤作動を防ぐことができるとともに、コンデンサを冷却することができる駆動装置一体型電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電動機を有する駆動装置と、該駆動装置を駆動制御する電力変換装置とを一体的に構成してなる駆動装置一体型電力変換装置であって、
上記電力変換装置は、複数のスイッチング素子と該複数のスイッチング素子を冷却する素子冷却器とからなるパワーモジュールと、上記駆動装置を制御する制御基板と、上記スイッチング素子のスイッチングにより生じる電圧変動を平滑化するコンデンサとからなり、
上記電力変換装置と上記駆動装置との間には、上記駆動装置を冷却するとともに潤滑させる冷却潤滑油及び上記コンデンサを冷却する中間冷却器が配設されており、
上記電力変換装置は、上記中間冷却器に近い順に、上記コンデンサ、上記パワーモジュール、上記制御基板を積層配置してなることを特徴とする駆動装置一体型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。
上記電力変換装置と上記駆動装置との間には、上記中間冷却器が配設されている。また、上記電力変換装置は、上記中間冷却器に近い順に、上記コンデンサ、上記パワーモジュール、上記制御基板を積層してなる。すなわち、本発明の駆動装置一体型電力変換装置においては、パワーモジュールと駆動装置との間にコンデンサが介設されている。かかる構成により、パワーモジュールを駆動装置から遠ざけることができるとともに、駆動装置からの電磁ノイズをコンデンサによって遮断することができる。それゆえ、上記電磁ノイズに起因するパワーモジュールの誤作動を防ぐことができる。

また、上記中間冷却器はコンデンサに隣接配置されているため、中間冷却器によって、コンデンサをも冷却することができる。
また、上記のごとくコンデンサを冷却することにより、コンデンサの許容リップル電流を増大させることができ、ひいては、コンデンサの小型化や長寿命化を図ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、パワーモジュールの誤作動を防ぐことができるとともに、コンデンサを冷却することができる駆動装置一体型電力変換装置を提供することができる。

本発明（請求項１）の駆動装置一体型電力変換装置は、例えば、ハイブリッド自動車等に用いられるものである。

また、上記素子冷却器は、複数の冷却管を有し、該複数の冷却管は、該冷却管と交互に配置される上記スイッチング素子を両面から挟持できるように積層配置してあることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記スイッチング素子を両側面から効率良く冷却することができ、ひいては、パワーモジュールを効率良く冷却することができる。

また、上記素子冷却器及び上記中間冷却器は、冷却媒体の流路である冷媒流路を有しており、上記素子冷却器の冷媒流路と上記中間冷却器の冷媒流路とは互いに接続されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、素子冷却器と中間冷却器とにおいて共通の冷却媒体を流すことができる。そのため、中間冷却器に冷却媒体を導入するための導入口と、素子冷却器に冷却媒体を導入するための導入口とを別々に設ける必要がなくなる。その結果、駆動装置一体型電力変換装置の小型化を図ることができる。

また、上記中間冷却器の上記冷媒流路には、上記素子冷却器を通過した後の冷却媒体が流れるよう構成してあることが好ましい（請求項４）。
この場合には、駆動装置一体型電力変換装置の冷却を効率良く行うことができる。すなわち、パワーモジュールを充分に冷却しない場合には、熱によりパワーモジュールが破壊されてしまうおそれがある。これに対して、上記構成とすることにより、充分な冷却能力を有する冷却媒体によってパワーモジュールを充分に冷却することができ、熱によってパワーモジュールが破壊されることを防ぐことができる。また、コンデンサはパワーモジュールよりも発熱量が小さいため、素子冷却器を通過した後の冷却媒体であっても充分にコンデンサを冷却することができる。それゆえ、上述のごとく素子冷却器を通過した後の冷却媒体によってコンデンサ及び冷却潤滑油を冷却するという構成を採用することにより、複数の冷媒流路を設けることなく電力変換装置の冷却を一層効率良く行うことができる。
その結果、駆動装置一体型電力変換装置の冷却を効率良く行うことができる。

本発明の実施例に係る駆動装置一体型電力変換装置につき、図１〜図７を用いて説明する。
本例の駆動装置一体型電力変換装置１は、図１に示すごとく、電動機を有する駆動装置２と、該駆動装置２を駆動制御する電力変換装置３とを一体的に構成してなる。

電力変換装置３は、図１、図３〜図５に示すごとく、複数のスイッチング素子３１１と該複数のスイッチング素子３１１を冷却する素子冷却器３１６とからなるパワーモジュール３１と、駆動装置を制御する制御基板３２と、スイッチング素子３１１のスイッチングにより生じる電圧変動を平滑化するコンデンサ３３とからなる。

電力変換装置３と駆動装置２との間には、図１、図３、図４に示すごとく、駆動装置２を冷却するとともに潤滑させる冷却潤滑油及びコンデンサ３３を冷却する中間冷却器３５が配設されている。
電力変換装置３は、中間冷却器３５に近い順に、コンデンサ３３、パワーモジュール３１、制御基板３２を積層配置してなる。

次に、本例の駆動装置一体型電力変換装置１を詳細に説明する。
ハイブリッド自動車等に用いられる駆動装置２は、図７に示すごとく、例えば、二つの電動機２１を有する。
該電動機２１は、同図に示すごとく、例えば、Ｕ相コイル２１１とＶ相コイル２１２とＷ相コイル３１３とからなる三相交流モータとすることができる。そして、かかる電動機２１を駆動させるのが電力変換装置３である。

該電力変換装置３は、例えば、図７に示すごとく、二つのパワーモジュール３１を有する。
そして、パワーモジュール３１は、バッテリ４から流れてきた直流電力を交流電力に変換して、該交流電力を電動機２１へと出力している。また、パワーモジュール３１は、電動機２１によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ４へと送り、該バッテリ４を充電している。

パワーモジュール３１は、図３、図４に示すごとく、制御基板３２とコンデンサ３３との間に配置されている。
また、パワーモジュール３１は、図５に示すごとく、スイッチング素子３１１を素子冷却器３１６の冷却管３１８の主面３１９により挟み込まれてなる。

スイッチング素子３１１は、図６、図７に示すごとく、例えばＩＧＢＴ素子３１１ａとダイオード３１１ｂとからなる。そして、図６に示すごとく、ＩＧＢＴ素子３１１ａ及びダイオード３１１ｂの長手方向の端部は、これらに隣接して配置されたスペーサ３１４とともに長手方向から樹脂モールド３１５によって覆われている。

また、図５に示すごとく、スイッチング素子３１１は、ＩＧＢＴ素子３１１ａ及びダイオード３１１ｂの両側に配され放熱機能をも有する接続端子部３１３において、例えばセラミック板などの薄い絶縁部材（図示略）を介して冷却管３１８の主面３１９と密着固定されている。かかる構成とすることにより、スイッチング素子３１１を片面で放熱する場合よりも効率良くスイッチング素子３１１を冷却することができる。その結果、スイッチング素子３１１の小型化を図ることができる。

また、図３、図４に示すごとく、本例のパワーモジュール３１とコンデンサ３３との間には、樹脂に埋設されたバスバからなる入出力端子部３４が配設されている。
また、コンデンサ３３は、入出力端子部３４と中間冷却器３５との間に配置されており、入出力端子部３４を介してパワーモジュール３１と電気的に接続されている。すなわち、図７に示すごとく、電力変換装置３における、電動機２１と接続される直流電圧ラインＬ１とＬ２との間には、スイッチング素子３１１のスイッチングにより生じる電圧変動を平滑化するコンデンサ３３が接続されている。

また、上述のごとく、電力変換装置３は、制御基板３２を有している。該制御基板３２は、図３に示すごとく、スイッチング素子３１１に設けられた信号端子３１２とはんだ接合などで電気的に接続されている。また、制御基板３２は、コンピュータ（図示略）の指令によりスイッチング素子３１１の駆動タイミングを調整する。これにより、電動機２１の回転数や出力を制御している。

また、上述のごとく、電力変換装置３と駆動装置２との間には中間冷却器３５が設置されている。
該中間冷却器３５は、コンデンサ３３を冷却するための冷却媒体としての水が流れる冷媒流路３５１と、電動機２１を冷却するとともに潤滑する冷却潤滑油が流れる油路３５２とを有する。
上記冷媒流路３５１は、中間冷却器３５におけるコンデンサ３３側に配されており、上記油路３５２は、中間冷却器３５における駆動装置１側に配されている。そして、冷媒流路３５１と油路３５２とは、仕切板３５０によって仕切られている。

また、素子冷却器３１６も、冷却媒体の流路である冷媒流路３１０を有しており、素子冷却器３１６の冷媒流路３１０と中間冷却器３５の冷媒流路３５１とは互いに接続されている。すなわち、素子冷却器３１６の冷媒流路３１０は、図２、図４に示すホース３７によって、中間冷却器３５の冷媒流路３５１と接続されている。そして、中間冷却器３５の冷媒流路３５１には、素子冷却器３１６の冷却流路３１０を通過した後の水が流れるよう構成されている。

なお、本例では上記冷却媒体として水を用いたが、例えば、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、アンモニア等の自然冷媒、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等種々のものを用いることができる。

次に、本例の駆動装置一体型電力変換装置１における冷却媒体としての水の流れを説明する。
電力変換装置３のパワーモジュール３１における素子冷却器３１６は、図５に示すごとく、複数の冷却管３１８を有し、該複数の冷却管３１８は、該冷却管３１８と交互に配置されるスイッチング素子３１１を両面から挟持できるように積層配置してある。素子冷却器３１６を流れる水は、図２、図３、図５に示す供給口３１７ａから供給され、複数の冷却管３１８内を並列に流れてもう一方の排出口３１７ｂから排出される。

次に、素子冷却器３１６から流れてきた水は、ホース３７を介して中間冷却器３５に接続されている供給パイプ３５７ａ（図２）から中間冷却器３５に導入される。そして、その水は、中間冷却器３５の冷媒流路３５１内を通過して、コンデンサ３３及び冷却潤滑油を冷却した後、排出パイプ３５７ｂから外部ラジエータ等へと排出される。

次に、本例の作用効果につき説明する。
電力変換装置３と駆動装置２との間には、中間冷却器３５が配設されている。また、電力変換装置３は、中間冷却器３５に近い順に、コンデンサ３３、パワーモジュール３１、制御基板３２を積層してなる。すなわち、本例の駆動装置一体型電力変換装置１においては、パワーモジュール３１と駆動装置３２との間にコンデンサ３３が介設されている。かかる構成により、パワーモジュール３１を駆動装置２から遠ざけることができるとともに、駆動装置２からの電磁ノイズをコンデンサ３３によって遮断することができる。それゆえ、電磁ノイズに起因するパワーモジュール３１の誤作動を防ぐことができる。

また、中間冷却器３５はコンデンサ３３に隣接配置されているため、中間冷却器３５によって、コンデンサ３３をも冷却することができる。
また、上記のごとく、コンデンサ３３を冷却することによりコンデンサ３３の許容リップル電流を増大させることができ、ひいては、コンデンサ３３の小型化や長寿命化を図ることができる。

本例において、素子冷却器３１６は、複数の冷却管３１８を有し、該複数の冷却管３１８は、該冷却管３１８と交互に配置されるスイッチング素子３１１を両面から挟持できるように積層配置してある。これにより、スイッチング素子３１１を両側面から効率良く冷却することができ、ひいては、パワーモジュール３１を効率良く冷却することができる。

また、素子冷却器３１６及び中間冷却器３５は、冷却媒体の流路である冷媒流路３１０、３５１を有しており、素子冷却器３１６の冷媒流路３１０と中間冷却器の冷媒流路３５１とは互いに接続されている。これにより、素子冷却器３１６と中間冷却器３５とにおいて共通の冷却媒体を流すことができる。その結果、中間冷却器３５に冷却媒体を導入するための導入口と、素子冷却器３１６に冷却媒体を導入するための導入口とを別々に設ける必要がなくなる。その結果、電力変換装置３の小型化を図ることができる。

また、中間冷却器３５の冷媒流路３５１には、素子冷却器３１６を通過した後の冷却媒体が流れるよう構成してあるため、駆動装置一体型電力変換装置１の冷却を効率良く行うことができる。すなわち、コンデンサ３３はパワーモジュール３１よりも発熱量が小さいため、パワーモジュール３１を冷却した冷却媒体であっても充分にコンデンサ３３を冷却することができる。それゆえ、上述のごとく、パワーモジュール３１を冷却した後の冷却媒体によってコンデンサ３３及び冷却潤滑油を冷却するという構成を採用することにより、電力変換装置３の冷却を一層効率良く行うことができる。

以上のごとく、本例によれば、パワーモジュールの誤作動を防ぐことができるとともに、コンデンサを冷却することができる駆動装置一体型電力変換装置を提供することができる。

実施例における、駆動装置一体型電力変換装置の説明図。実施例における、駆動装置一体型電力変換装置の斜視図。実施例における、電力変換装置の断面説明図。図３と直交する方向における、電力変換装置の断面説明図。実施例における、パワーモジュールの側面図。実施例における、スイッチング素子の断面説明図。実施例における、駆動装置一体型電力変換装置の回路図。従来例における、駆動装置一体型電力変換装置の説明図。

符号の説明

１駆動装置一体型電力変換装置
２駆動装置
３電力変換装置
３１パワーモジュール
３１１スイッチング素子
３２制御基板
３３コンデンサ
３５中間冷却器

Claims

電動機を有する駆動装置と、該駆動装置を駆動制御する電力変換装置とを一体的に構成してなる駆動装置一体型電力変換装置であって、
上記電力変換装置は、複数のスイッチング素子と該複数のスイッチング素子を冷却する素子冷却器とからなるパワーモジュールと、上記駆動装置を制御する制御基板と、上記スイッチング素子のスイッチングにより生じる電圧変動を平滑化するコンデンサとからなり、
上記電力変換装置と上記駆動装置との間には、上記駆動装置を冷却するとともに潤滑させる冷却潤滑油及び上記コンデンサを冷却する中間冷却器が配設されており、
上記電力変換装置は、上記中間冷却器に近い順に、上記コンデンサ、上記パワーモジュール、上記制御基板を積層配置してなることを特徴とする駆動装置一体型電力変換装置。
請求項１において、上記素子冷却器は、複数の冷却管を有し、該複数の冷却管は、該冷却管と交互に配置される上記スイッチング素子を両面から挟持できるように積層配置してあることを特徴とする駆動装置一体型電力変換装置。
請求項１又は２において、上記素子冷却器及び上記中間冷却器は、冷却媒体の流路である冷媒流路を有しており、上記素子冷却器の冷媒流路と上記中間冷却器の冷媒流路とは互いに接続されていることを特徴とする駆動装置一体型電力変換装置。
請求項３において、上記中間冷却器の上記冷媒流路には、上記素子冷却器を通過した後の冷却媒体が流れるよう構成してあることを特徴とする駆動装置一体型電力変換装置。