JP5120221B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換回路を構成するスイッチング素子を備えた半導体モジュールを、金属製ケースに配設してなる電力変換装置に関する。
インバータ等の電力変換装置においては、例えば、特許文献1に開示されるように、半導体モジュールを外部のモータ等の負荷に接続するために、アルミニウム等から構成したケースに絶縁を行ってバスバーを配置している。また、特許文献1においては、半導体モジュールから突出するパワー端子をバスバーと接続すること、及び積層配置した複数の冷却管の間に半導体モジュールを挟持し、各冷却管に流す冷却媒体によって半導体モジュールを冷却することが開示されている。
ところで、電力変換装置を構成する際には、電源に接続した平滑コンデンサに蓄えた電荷を微小に放電する放電抵抗、半導体モジュールのスイッチング素子の電流遮断時におけるサージ電圧を吸収するスナバコンデンサ等の発熱部品(電子部品)が使用される。そのため、発熱部品による熱も冷却器へ放熱するようにしている。
また、特許文献2のパイプ保温用ヒータにおいては、熱湯器等のパイプを加熱するために、抵抗素子によって発生させる熱をパイプへ伝達する樹脂製のケースを用いている。そして、樹脂製のケースの取付部をパイプに取り付け、ケース内を絶縁材によって充填することにより、取付作業性及び熱伝達効率を向上させている。
特許4052241号公報 実開平5−36791号公報
しかしながら、特許文献1等に開示された従来の電力変換装置においては、発熱部品と冷却器とは、別々のブラケットによって金属製ケースに取り付けていた。そのため、部品点数を低減させるためには十分ではなく、また、発熱部品によって生じた熱は、金属製ケースを介して冷却器へ逃がしていた。
また、特許文献2は、熱湯器等のパイプにヒータを取り付ける技術を開示するものであり、特許文献2においても、発熱部品と冷却器とを少ない部品点数で金属製ケースに取り付けるための技術は開示されていない。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、発熱部品から発生した熱を冷却接続管へ効果的に逃がすことができると共に、冷却接続管を固定する部品を少なく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、電力変換回路を構成するスイッチング素子を備えた半導体モジュールと、冷媒を流して上記半導体モジュールを冷却する冷却器とを、金属製ケースに配設してなる電力変換装置において、
電源に接続した放電抵抗と、上記スイッチング素子の電流遮断時におけるサージ電圧を吸収するスナバコンデンサとの少なくとも一方である発熱部品は、金属製の兼用ブラケットを介して上記金属製ケースに取り付けてあり、
上記冷却器は、上記半導体モジュールに対面して該半導体モジュールを冷却するための冷却器本体と、該冷却器本体の両側に接続して上記冷媒の循環を行うための一対の冷却接続管とを有しており、
上記兼用ブラケットは、上記冷却接続管を保持して該冷却接続管を上記金属製ケースに固定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)。
本発明の電力変換装置は、発熱部品を金属製ケースに取り付ける機能と、冷却接続管を金属製ケースに取り付ける機能とを、兼用ブラケットに兼用させている。
具体的には、本発明の電力変換装置においては、兼用ブラケットは、放電抵抗とスナバコンデンサとの少なくとも一方である発熱部品を金属製ケースに取り付けると共に、冷却器における冷却接続管を金属製ケースに固定している。
これにより、冷却接続管を金属製ケースに固定するための部品を少なくすることができ、組付に用いる部品点数を低減させることができる。また、発熱部品から発生した熱は、金属製の兼用ブラケットを介して冷却接続管へ効果的に逃がすことができる。
それ故、本発明の電力変換装置によれば、発熱部品から発生した熱を冷却接続管へ効果的に逃がすことができると共に、冷却接続管を固定する部品を少なくすることができる。
上述した本発明の電力変換装置における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記半導体モジュールと上記冷却器本体とは、それぞれ複数個を積層した状態で上記一対の冷却接続管同士の間に配置してあり、上記発熱部品は、上記積層状態の半導体モジュール及び上記冷却器本体に隣接して上記一対の冷却接続管の間に配置してあり、上記兼用ブラケットは、上記発熱部品の裏面に配置して固定具によって金属製ケースに固定したブラケット本体部と、該ブラケット本体部の両側から延設して上記一対の冷却接続管をそれぞれ押さえ付けるための一対の押付部とを有していることが好ましい(請求項2)。
この場合には、兼用ブラケットの構造が簡単であり、発熱部品から発生した熱をブラケット本体部及び一対の押付部を経由して一対の冷却接続管へ効果的に逃がすことができる。
また、上記金属製ケースにおいては、複数個の上記半導体モジュールが配列してあり、該複数個の半導体モジュールの少なくともいずれかは、3相交流モータを駆動するためのブリッジ型駆動回路を構成する3つのプラス側半導体モジュールと3つのマイナス側半導体モジュールとであり、上記3つのプラス側半導体モジュールは、上記金属製ケースにおける一方側に配列してあり、上記3つのマイナス側半導体モジュールは、上記金属製ケースにおける他方側に配列してあり、上記発熱部品において上記一方側に配置したプラス側接続端子は、プラス側バスバーによって、上記3つのプラス側半導体モジュールにおける接続端子と接続してあり、上記発熱部品において上記他方側に配置したマイナス側接続端子は、マイナス側バスバーによって、上記3つのマイナス側半導体モジュールにおける接続端子と接続してあることが好ましい(請求項3)。
この場合には、プラス側バスバー及びマイナス側バスバーを用いることにより、発熱部品と、3つのプラス側半導体モジュール及び3つのマイナス側半導体モジュールとの配線長さを極力短くすることができる。そのため、配線部分の電圧損失による発熱の抑制、配線部分のインダクタンスによるサージ電圧の抑制等を図ることができる。
また、上記発熱部品におけるプラス側接続端子とマイナス側接続端子とは、上記プラス側バスバー又は上記マイナス側バスバーと接続する表面側に突出した表面側端子部分と、該表面側端子部分とは反対の裏面側に突出した裏面側端子部分とを有しており、該裏面側端子部分は、当該発熱部品における両接続端子間の電圧を検出するための電圧検出回路に接続してあることが好ましい(請求項4)。
この場合には、発熱部品の各接続端子から電圧検出回路への配線を、冷却器の表面側から裏面側へと跨って行う必要がなく、当該配線をコンパクトに行うことができる。
以下に、本発明の電力変換装置にかかる実施例につき、図面を参照して説明する。
(実施例1)
本例の電力変換装置1は、図1、図2、図4に示すごとく、電力変換回路を構成するスイッチング素子32を備えた半導体モジュール3と、冷媒Cを流して半導体モジュール3を冷却する冷却器21とを、金属製ケース2に配設してなる。電源(バッテリー)63に接続した放電抵抗65である発熱部品4は、金属製の兼用ブラケット5を介して金属製ケース2に取り付けてある。冷却器21は、半導体モジュール3に対面して半導体モジュール3を冷却するための冷却器本体211と、冷却器本体211の両側に接続して冷媒Cの循環を行うための一対の冷却接続管212とを有している。兼用ブラケット5は、冷却接続管212を保持して金属製ケース2に固定している。
以下に、本例の電力変換装置1につき、図1〜図5を参照して詳説する。
図4に示すごとく、本例の電力変換装置1は、ハイブリッド自動車又は電気自動車における3相交流モータ61を駆動するためのインバータを構成する。なお、3相交流モータ61は、モータジェネレータとして用いる。なお、電力変換装置1は、車両駆動用(車両走行用)の高圧直流電源63(約300V)から補器用の(オーディオ、計器、ランプ等に用いる)低圧直流電源(約12V)を作り出すDC−DCコンバータとすることもできる。
図2に示すごとく、半導体モジュール3と冷却器本体211とは、それぞれ複数個を積層した状態で一対の冷却接続管212同士の間に配置してある。各冷却器本体211は、断面四角形状又は断面扁平形状の管内に、流路を仕切る伝熱フィンを設けて構成されている。各冷却器本体211の両端部は、一対の冷却接続管212内と連通されている。同図において、便宜上、冷却器21の部分を斜線でハッチングして示す。
図5には、電力変換装置1において冷媒Cを循環する構成を概略的に示す。同図に示すごとく、電力変換装置(インバータ)1の冷却に用いる冷媒Cは、ハイブリッド用のラジエータ67からポンプ68によって電力変換装置1における冷却器21に送られ、再びラジエータ67へと循環される。また、図2に示すごとく、冷却器21においては、一方の冷却接続管212内に供給した冷媒Cは、複数個の冷却器本体211内を通過する際に半導体モジュール3を冷却し、他方の冷却接続管212内を通ってラジエータ67へと戻される。
図1、図2に示すごとく、発熱部品4は、積層状態の半導体モジュール3及び冷却器本体211に隣接して一対の冷却接続管212の間に配置してある。
兼用ブラケット5は、発熱部品4の裏面に配置して固定具(ボルト)53によって金属製ケース2に固定したブラケット本体部51と、ブラケット本体部51の両側から延設して一対の冷却接続管212をそれぞれ押さえ付けるための一対の押付部52とを有している。ブラケット本体部51は、発熱部品4を収納保持する保持部511を有しており、押付部52は、円管形状の冷却接続管212を保持する半円形状に形成されている。ブラケット本体部51は、保持部511の両側に設けた固定具53によって金属製ケース2に固定されている。
また、本例においては、図3に示すごとく、金属製ケース2の側壁22に形成した溝部23と、兼用ブラケット5の一対の押付部52との間に、一対の冷却接続管212を挟持して、この一対の冷却接続管212を固定する。同図は、金属製ケース2に、発熱部品4を保持した兼用ブラケット5を取り付ける状態を示す。
図2に示すごとく、金属製ケース2においては、冷却器21の冷却器本体211によって挟持された状態で複数個の半導体モジュール3が配列してある。図4に示すごとく、複数個の半導体モジュール3の少なくともいずれかは、3相交流モータ61を駆動するためのブリッジ型駆動回路62を構成する3つのプラス側半導体モジュール3Aと3つのマイナス側半導体モジュール3Bとである。3つのプラス側半導体モジュール3Aは、冷却器21及び金属製ケース2における横方向Wの一方側において、冷却器本体211の配列方向Dに沿って配列してあり、3つのマイナス側半導体モジュール3Bは、冷却器21及び金属製ケース2における横方向Wの他方側において、冷却器本体211の配列方向Dに沿って配列してある。
電力変換装置1において、ブリッジ型駆動回路62は、3相交流モータ61を使用する数、半導体モジュール3を並列に接続する数等に応じて複数設けることができる。本例においては、図2、図4に示すごとく、2つのブリッジ型駆動回路62が形成されており、6つのプラス側半導体モジュール3Aと6つのマイナス側半導体モジュール3Bとが、冷却器21及び金属製ケース2において一方側と他方側とに配列されている。
半導体モジュール3は、スイッチング素子32としてのIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)、保護用ダイオード等を備えて構成されている。なお、スイッチング素子32は、MOS型FET(電界効果トランジスタ)等とすることもできる。
本例の金属製ケース2、冷却器21、兼用ブラケット5は、アルミニウム材料から構成されている。半導体モジュール3は、スイッチング素子32をモールド樹脂によってモールド成形してなる。兼用ブラケット5は、アルミニウム材料、ステンレス材料等から構成することができる。
図4には、電力変換装置1における電力変換回路の構成を概略的に示す。同図に示すごとく、ブリッジ型駆動回路62を構成する各プラス側半導体モジュール3Aの一方の接続端子31A(パワー端子、コレクタ端子又はドレイン端子)は電源63のプラス側(Pで示す。)に接続されており、各プラス側半導体モジュール3Aの他方の接続端子31B(パワー端子、エミッタ端子又はソース端子)は3相交流モータ61のコイル611に接続されている。また、ブリッジ型駆動回路62を構成する各マイナス側半導体モジュール3Bの一方の接続端子31C(パワー端子、コレクタ端子又はドレイン端子)は3相交流モータ61のコイル611に接続されており、各マイナス側半導体モジュール3Bの他方の接続端子31D(パワー端子、エミッタ端子又はソース端子)は電源63のマイナス側(Nで示す。)に接続されている。電源(バッテリー)63には、供給電圧を安定させるための平滑コンデンサ64、放電抵抗65、及びスナバコンデンサ66がそれぞれ並列に接続されている。なお、放電抵抗65は、平滑コンデンサ64に蓄えた電荷を微小に放電し、スナバコンデンサ66は、各スイッチング素子32における電流遮断時に生じるサージ電圧を吸収する。
本例の電力変換装置1は、発熱部品4を金属製ケース2に取り付ける機能と、冷却接続管212を金属製ケース2に取り付ける機能とを、兼用ブラケット5に兼用させている。
具体的には、本例の電力変換装置1においては、兼用ブラケット5は、放電抵抗65である発熱部品4を金属製ケース2に取り付けると共に、冷却器21における冷却接続管212を金属製ケース2に固定している。
これにより、冷却接続管212を金属製ケース2に固定するための部品を少なくすることができ、組付に用いる部品点数を低減させることができる。また、発熱部品4から発生した熱Hは、金属製の兼用ブラケット5のブラケット本体部51及び一対の押付部52を経由して一対の冷却接続管212へ効果的に逃がすことができる(図1参照)。
それ故、本例の電力変換装置1によれば、発熱部品4から発生した熱Hを一対の冷却接続管212へ効果的に逃がすことができると共に、一対の冷却接続管212を固定する部品を少なくすることができる。
(実施例2)
本例は、発熱部品4における一対の接続端子41を半導体モジュール3における一対の接続端子(パワー端子)31と接続するバスバー7の配線に工夫をした例である。
図6、図7に示すごとく、本例の発熱部品4において横方向Wの一方側に配置したプラス側接続端子41Aは、プラス側バスバー7Aによって、6つのプラス側半導体モジュール3Aにおける接続端子31と直接接続してあり、発熱部品4において横方向Wの他方側に配置したマイナス側接続端子41Bは、マイナス側バスバー7Bによって、6つのマイナス側半導体モジュール3Bにおける接続端子31と直接接続してある。図4において、各バスバー7A、7Bによる配線部分を2点鎖線で示す。
本例の発熱部品4も上記実施例1と同様の放電抵抗65である。また、図7に示すごとく、兼用ブラケット5に取り付けた発熱部品4は、一対の接続端子41が金属製ケース2における横方向Wの一方側と他方側とに並ぶ状態で、金属製ケース2に配設してある。放電抵抗65は、金属製ケース2の横方向Wにおいて、一方側におけるプラス側半導体モジュール3Aの配列位置と、他方側におけるマイナス側半導体モジュール3Bの配列位置との中間位置に配設してある。
図4に示すごとく、金属製ケース2の横方向Wにおける一方側に配列した各プラス側半導体モジュール3Aは、そのコイル側接続端子31Bを横方向Wの外側位置に配置し、そのプラス側接続端子31Aを横方向Wの内側位置に配置してなる。金属製ケース2の横方向Wにおける他方側に配列した各マイナス側半導体モジュール3Bは、そのコイル側接続端子31Cを横方向Wの外側位置に配置し、そのマイナス側接続端子31Dを横方向Wの内側位置に配置してなる。
本例の各バスバー7は、平板形状に形成してあり、発熱部品4の各接続端子41と各半導体モジュール3の接続端子31とを直線状に接続している。
なお、発熱部品4における一対の接続端子41は、図6に示すごとく、発熱部品4に形成しためねじ接続部として形成することができる。この場合には、各バスバー7をめねじ接続部に螺合するビス415によって各接続端子41に固定することができる。また、発熱部品4における一対の接続端子41は、図8に示すごとく、発熱部品4から突出させたおねじ接続部として形成することもできる。この場合には、各バスバー7をおねじ接続部に螺合するナット416によって各接続端子41に固定することができる。
本例においては、プラス側バスバー7A及びマイナス側バスバー7Bを用いることにより、発熱部品4と、各プラス側半導体モジュール3A及び各マイナス側半導体モジュール3Bとの配線長さを極力短くすることができる。そのため、配線部分の電圧損失による発熱の抑制、配線部分のインダクタンスによるサージ電圧の抑制等を図ることができる。
また、本例の電力変換装置1は、一般的な電力変換装置とは異なり、積層冷却構造を採用しているが故に、上述した特殊な構成を有している。すなわち、本例の電力変換装置1は、金属製ケース2と冷却器21とが別部品から構成されているために、冷却器21の固定が必要になる。また、半導体モジュール3と冷却器本体211とを積層するために、半導体モジュール3は、プラス側半導体モジュール3Aとマイナス側半導体モジュール3Bとを、それぞれ横方向Wの一方側と他方側とに一列に配列している。さらに、積層冷却構造を形成するために、発熱部品4は、半導体モジュール3と冷却器本体211との積層方向に配置することが適切となる。
従って、本例の電力変換装置1はこれらの特殊構造を有するため、半導体モジュール3と発熱部品4とのバスバー7の最短接続と、冷却器21の冷却接続管212の固定とを最適に行う工夫を行った。
本例においても、その他の構成は上記実施例1と同様であり、上記実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
(実施例3)
本例は、発熱部品4における一対の接続端子41の形状に工夫をした例である。
図9、図10に示すごとく、本例の発熱部品4におけるプラス側接続端子41Aは、プラス側バスバー7Aと接続する表面側に突出した表面側端子部分411と、表面側端子部分411とは反対の裏面側に突出した裏面側端子部分412とを有している。また、本例の発熱部品4におけるマイナス側接続端子41Bは、マイナス側バスバー7Bと接続する表面側に突出した表面側端子部分411と、表面側端子部分411とは反対の裏面側に突出した裏面側端子部分412とを有している。
そして、各裏面側端子部分412は、発熱部品4における両接続端子41間の電圧を検出するための電圧検出回路を構成する基板8に接続してある。
図10に示すごとく、本例の各接続端子41は、発熱部品4の側面にオフセットして表面側及び裏面側に引き出して、表面側端子部分411及び裏面側端子部分412を形成してある。そして、裏面側端子部分412は、兼用ブラケット5と冷却器本体211との間のスペースを使用して冷却器21の裏面側に突出させている。
発熱部品4の各接続端子41における裏面側端子部分412は、図9に示すごとく、電圧検出回路を構成する基板8と接続ケーブル42によって接続することができる。また、発熱部品4の各接続端子41における裏面側端子部分412は、図11に示すごとく、電圧検出回路を構成する基板8と半田付け43によって直接接続することもできる。
本例においては、発熱部品4の各接続端子41から電圧検出回路の基板8への配線を、冷却器21の表面側から裏面側へと跨って行う必要がなく、当該配線をコンパクトに行うことができる。
本例においても、その他の構成は上記実施例1、2と同様であり、上記実施例1、2と同様の作用効果を得ることができる。
(実施例4)
本例は、放電抵抗65及びスナバコンデンサ66を発熱部品4として、兼用ブラケット5に取り付けた例である。
図12に示すごとく、本例の兼用ブラケット5のブラケット本体部51には、放電抵抗65及びスナバコンデンサ66が保持してある。そして、兼用ブラケット5は、発熱部品4としての放電抵抗65及びスナバコンデンサ66において発生する熱を、一対の冷却接続管212へ逃がすことができる。
また、本例の各バスバー7は、放電抵抗65及びスナバコンデンサ66における各接続端子と接続されている。さらに、本例の各バスバー7は、平滑コンデンサ64の接続端子641にも接続してある。
本例においても、その他の構成は上記実施例1、2と同様であり、上記実施例1、2と同様の作用効果を得ることができる。
実施例1における、電力変換装置を示す断面説明図。 実施例1における、電力変換装置を示す平面説明図。 実施例1における、発熱部品を保持した兼用ブラケットを金属製ケースに取り付ける状態の電力変換装置を示す断面説明図。 実施例における、電力変換回路の構成を示す概略的な回路図。 実施例における、電力変換装置において冷媒を循環する構成を示す概略的な説明図。 実施例2における、電力変換装置を示す断面説明図。 実施例2における、電力変換装置を示す平面説明図。 実施例2における、他の電力変換装置を示す断面説明図。 実施例3における、電力変換装置を示す断面説明図。 実施例3における、電力変換装置を示す平面説明図。 実施例3における、他の電力変換装置を示す断面説明図。 実施例4における、電力変換装置を示す平面説明図。
符号の説明
1 電力変換装置
2 金属製ケース
21 冷却器
211 冷却器本体
212 冷却接続管
3 半導体モジュール
4 発熱部品
5 兼用ブラケット
51 ブラケット本体部
52 押付部
61 3相交流モータ
62 ブリッジ型駆動回路
63 電源
64 平滑コンデンサ
65 放電抵抗
66 スナバコンデンサ
7 バスバー

Claims (4)

  1. 電力変換回路を構成するスイッチング素子を備えた半導体モジュールと、冷媒を流して上記半導体モジュールを冷却する冷却器とを、金属製ケースに配設してなる電力変換装置において、
    電源に接続した放電抵抗と、上記スイッチング素子の電流遮断時におけるサージ電圧を吸収するスナバコンデンサとの少なくとも一方である発熱部品は、金属製の兼用ブラケットを介して上記金属製ケースに取り付けてあり、
    上記冷却器は、上記半導体モジュールに対面して該半導体モジュールを冷却するための冷却器本体と、該冷却器本体の両側に接続して上記冷媒の循環を行うための一対の冷却接続管とを有しており、
    上記兼用ブラケットは、上記冷却接続管を保持して該冷却接続管を上記金属製ケースに固定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、上記半導体モジュールと上記冷却器本体とは、それぞれ複数個を積層した状態で上記一対の冷却接続管同士の間に配置してあり、
    上記発熱部品は、上記積層状態の半導体モジュール及び上記冷却器本体に隣接して上記一対の冷却接続管の間に配置してあり、
    上記兼用ブラケットは、上記発熱部品の裏面に配置して固定具によって金属製ケースに固定したブラケット本体部と、該ブラケット本体部の両側から延設して上記一対の冷却接続管をそれぞれ押さえ付けるための一対の押付部とを有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、上記金属製ケースにおいては、複数個の上記半導体モジュールが配列してあり、該複数個の半導体モジュールの少なくともいずれかは、3相交流モータを駆動するためのブリッジ型駆動回路を構成する3つのプラス側半導体モジュールと3つのマイナス側半導体モジュールとであり、
    上記3つのプラス側半導体モジュールは、上記金属製ケースにおける一方側に配列してあり、上記3つのマイナス側半導体モジュールは、上記金属製ケースにおける他方側に配列してあり、
    上記発熱部品において上記一方側に配置したプラス側接続端子は、プラス側バスバーによって、上記3つのプラス側半導体モジュールにおける接続端子と接続してあり、上記発熱部品において上記他方側に配置したマイナス側接続端子は、マイナス側バスバーによって、上記3つのマイナス側半導体モジュールにおける接続端子と接続してあることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項3において、上記発熱部品におけるプラス側接続端子とマイナス側接続端子とは、上記プラス側バスバー又は上記マイナス側バスバーと接続する表面側に突出した表面側端子部分と、該表面側端子部分とは反対の裏面側に突出した裏面側端子部分とを有しており、
    該裏面側端子部分は、当該発熱部品における両接続端子間の電圧を検出するための電圧検出回路に接続してあることを特徴とする電力変換装置。
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