JP5439309B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電気自動車あるいはハイブリッド自動車においては、車両の動力源としてモータを搭載しており、モータに供給する電力を制御するためにインバータなどの電力変換装置を備えている。電力変換装置は、ＩＧＢＴなどの電力用半導体素子を内蔵したパワーモジュール、そのパワーモジュールを駆動する駆動回路、それらを制御する制御回路、および電流平滑化用のコンデンサを備えている。これらの電子部品は熱に弱いため冷却する必要があり、特に大容量で発熱量が大きい電力変換装置では冷却水を循環させる水冷構造の冷却器を備えているものが多い。

電力変換装置を構成する電子部品の中でも最も発熱量が大きいものはパワーモジュールである。そのパワーモジュールの冷却性能を向上させるためには、半導体素子の両面を同時に冷却する両面冷却構造が有効である。パワーモジュールの両面冷却実装構造の例としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。

特許第４１６８８２５号明細書

しかしながら、パワーモジュールを水路に差し込む構造においては冷却水が冷却フィンを迂回して流れ、パワーモジュールの冷却性能が低下するという問題がある。

本発明は、パワー半導体素子のスイッチング動作によって電力を直流から交流に、交流から直流に変換する電力変換装置に適用される。そして、冷却媒体が流れる流路が形成され、流路と連通する開口部が形成された流路筐体と、パワー半導体素子を収納するとともに開口部から流路内に挿入される筒部、筒部の外周の一方面に設けられた第１放熱フィン群、及び筒部の外周の一方面とは反対側の他方面に設けられた第２放熱フィン群を有するパワーモジュールと、冷却媒体を第１放熱フィン群へと導く第１流路制御部材、筒部を挟んで第１流路制御部材と対向して配置されかつ冷却媒体を第２放熱フィン群へと導く第２流路制御部材、及び第１流路制御部材と第２流路制御部材とを連結するリング部を有するシール部材と、を備え、シール部材は、筒部に装着されることを特徴とする。

本発明によれば、パワーモジュールの冷却性能の向上を図ることができる。

ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図。 インバータ回路１４０の電気回路の構成を説明する図。 電力変換装置２００の斜視図。 電力変換装置２００の分解斜視図。 図３のＡ−Ａ断面図。 冷却ベース５の分解斜視図。 冷却ベース５の一部を示す拡大断面図。 パワーモジュール１の断面図。 パワーモジュール１の外観を示す斜視図。 シール材１６の形状を示す斜視図。 冷却ベース５の開口部５０を示す平面図 流路制御部１６ｂの作用を説明する図。 比較例を示す図。 流路制御部２０ｂが形成されたシール部材２０を示す図。 流路制御部２０ｂの作用を説明する図。 流路制御部２１ｂが形成されたシール部材２１を示す図。 別体構造のシール部材２２および流路制御部材２３を示す図。 押さえ板２４を用いる構成を示す図。 押さえ板２５を用いる構成を示す図。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、ハイブリッド自動車（以下「ＨＥＶ」と記述する）の制御ブロックを示す図である。エンジンＥＧＮおよびモータジェネレータＭＧ１、モータジェネレータＭＧ２は車両の走行用トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ１およびモータジェネレータＭＧ２は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータＭＧ１あるいはモータジェネレータＭＧ２に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、例えば同期機あるいは誘導機であり、上述のごとく、運転方法によりモータとしても発電機としても動作する。モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を自動車に搭載する場合には、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジウムなどの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また、永久磁石型の同期電動機は誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として優れている。

エンジンＥＧＮの出力側及びモータジェネレータＭＧ２の出力トルクは動力分配機構ＴＳＭを介してモータジェネレータＭＧ１に伝達され、動力分配機構ＴＳＭからの回転トルクあるいはモータジェネレータＭＧ１が発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭおよびデファレンシャルギアＤＩＦを介して車輪に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータＭＧ１に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。

発生した交流電力は後述するように電力変換装置２００により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ１３６を充電し、充電された電力は再び走行エネルギーとして使用される。また高電圧用のバッテリ１３６の蓄電している電力が少なくなった場合に、エンジンＥＧＮが発生する回転エネルギーをモータジェネレータＭＧ２により交流電力に変換し、次に交流電力を電力変換装置２００により直流電力に変換し、バッテリ１３６を充電することができる。エンジンＥＧＮからモータジェネレータＭＧ２への機械エネルギーの伝達は動力分配機構ＴＳＭによって行われる。

次に電力変換装置２００について説明する。インバータ回路１４０，１４２は、バッテリ１３６と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路１４０，１４２との相互において電力の授受が行われる。モータジェネレータＭＧ１をモータとして動作させる場合には、インバータ回路１４０は直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流端子１８８を介してモータジェネレータＭＧ１に供給する。モータジェネレータＭＧ１とインバータ回路１４０からなる構成は第１電動発電ユニットとして動作する。

同様にモータジェネレータＭＧ２をモータとして動作させる場合には、インバータ回路１４２は直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流端子１５９を介してモータジェネレータＭＧ２に供給する。モータジェネレータＭＧ２とインバータ回路１４２からなる構成は第２電動発電ユニットとして動作する。

第１電動発電ユニットと第２電動発電ユニットは、運転状態に応じて両方をモータとしてあるいは発電機として運転する場合、あるいはこれらを使い分けて運転する場合がある。また片方を運転しないで、停止することも可能である。なお、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータＭＧ１の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。

また、図１では省略したが、バッテリ１３６はさらに補機用のモータを駆動するための電源としても使用される。補機用のモータとしては例えば、エアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータである。バッテリ１３６から直流電力が補機用パワーモジュールに供給され、補機用パワーモジュールは交流電力を発生して補機用のモータに供給する。補機用パワーモジュールはインバータ回路１４０と基本的には同様の回路構成および機能を持ち、補機用のモータに供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。なお、電力変換装置２００は、インバータ回路１４０に供給される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュール５００を備えている。

電力変換装置２００は、上位の制御装置から指令を受けたりあるいは上位の制御装置に状態を表すデータを送信したりするための通信用のコネクタ３１を備えている。電力変換装置２００は、コネクタ３１からの指令に基づいて制御回路１７２でモータジェネレータＭＧ１やモータジェネレータＭＧ２、補機用のモータ１９５の制御量を演算し、さらにモータとして運転するか発電機として運転するかを演算し、演算結果に基づいて制御パルスを発生し、その制御パルスをドライバ回路１７４や補機用モジュール３５０のドライバ回路３５０Ｂへ供給する。ドライバ回路１７４は、供給された制御パルスに基づいて、インバータ回路１４０やインバータ回路１４２を制御するための駆動パルスを発生する。

次に、図２を用いてインバータ回路１４０やインバータ回路１４２の電気回路の構成を説明する。なお、インバータ回路１４０やインバータ回路１４２は回路構成も動作も極めて類似しているので、以下ではインバータ回路１４０で代表して説明する。また、以下で半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してＩＧＢＴと記す。

上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６とで、上下アーム直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この上下アーム直列回路１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応して備えている。

これらの３相は、この実施の形態ではモータジェネレータＭＧ１の電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のそれぞれの上下アーム直列回路１５０は、直列回路の中点部分である中間電極１６９から交流電流を出力する。この中間電極１６９は、交流端子１５９及び交流端子１８８を通して、モータジェネレータＭＧ１への交流電力線である以下に説明の交流バスバー８０２や８０４と接続される。

上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は、正極端子１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６に電気的に接続されている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、負極端子１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側のコンデンサ端子５０４に電気的に接続されている。

上述のように、制御回路１７２は上位の制御装置からコネクタ３１を介して制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路１４０を構成する各相の上下アーム直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための制御信号である制御パルスを発生し、ドライバ回路１７４に供給する。

ドライバ回路１７４は、上記制御パルスに基づき、各相の上下アーム直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための駆動パルスを各相のＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０に供給する。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、ドライバ回路１７４からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力はモータジェネレータＭＧ１に供給される。

ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えている。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。ダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極１５５との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極１６５との間に電気的に接続されている。

スイッチング用パワー半導体素子としては金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。

コンデンサモジュール５００は、複数の正極側のコンデンサ端子５０６と複数の負極側のコンデンサ端子５０４と正極側の電源端子５０９と負極側の電源端子５０８とを備えている。バッテリ１３６からの高電圧の直流電力は、直流コネクタ１３８を介して、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６および負極側のコンデンサ端子５０４から、インバータ回路１４０へ供給される。

一方、交流電力からインバータ回路１４０やインバータ回路１４２によって変換された直流電力は、正極側のコンデンサ端子５０６や負極側のコンデンサ端子５０４からコンデンサモジュール５００に供給され、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８から直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に供給され、バッテリ１３６に蓄積される。

制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンへの入力情報としては、モータジェネレータＭＧ１に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータＭＧ１に供給される電流値、及びモータジェネレータＭＧ１の回転子の磁極位置がある。

目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０による検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータＭＧ１に設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では、電流センサ１８０は３相の電流値を検出する場合を例に挙げているが、２相分の電流値を検出するようにし、演算により３相分の電流を求めても良い。

制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータＭＧ１のｄ軸，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ軸，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。

ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。

また、制御回路１７２内のマイコンは、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御回路１７２にはセンシング情報が入力されている。例えば、各アームの信号用のエミッタ電極１５５及び信号用のエミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０を過電流から保護する。

上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。

図３〜５は本実施形態における電力変換装置２００の概略構成を示す図であり、図３は斜視図、図４は分解斜視図、図５は図３のＡ−Ａ断面図である。本実施の形態の電力変換装置２００では、平面視の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易いという効果がある。なお、電力変換装置２００は、トランスミッションＴＭに固定された電力変換装置２００の回路部品を収納するためのアルミニウム製のハウジングと蓋とを有しているが、内部構成を説明するために図３〜５では図示を省略した。

電力変換装置２００は、コンデンサモジュール５００およびパワーモジュール１が収納される冷却ベース５、冷却ベース５の上方に配置された駆動回路基板２および制御回路基板３等を備えている。上述した制御回路１７２は制御回路基板３に実装されている。冷却ベース５には、冷却媒体が流れる流路５１と、流路５１に囲まれるように形成されたコンデンサ収容部５４とが形成されている。コンデンサモジュール５００はコンデンサ収容部５４に収納され、流路５１の壁面を通して冷却される。

冷却ベース５には、流路５１上に沿って開口部５０が複数形成されている。パワーモジュール１は、上述した上下アーム直列回路１５０を金属ケース内に収納したものであり、電子部品の中でも最も発熱量が大きい。そのため、複数のパワーモジュール１は、開口部５０を介して流路５１内に挿入され、冷却媒体により直接冷却される。冷却ベース５の底部には、導入口１３および排出口１４が設けられている。冷却媒体（例えば、冷却水）は導入口１３から流路５１内に流入し、流路５１を循環した後に排出口１４から流出する。

制御回路基板３は、冷却ベース５の支柱に固定されたアルミニウム製の基板ベース７の上部に配置され、駆動回路基板２は基板ベース７の下側に配置される。駆動回路基板２および制御回路基板３はアルミニウム製の基板ベース７に熱的に接続されており、駆動回路基板２および制御回路基板３で発生した熱は基板ベース７から支柱５５を通して流路５１内の冷却媒体へ逃がされる。また、基板ベース７は、駆動回路基板２および制御回路基板３に搭載される回路群の電磁シールドとしての機能も有している。

制御回路基板３にはコネクタ３１が設けられている。コネクタ３１は外部の制御装置と接続され、制御回路基板２に設けられた制御回路１７２と上位の制御装置などの外部の制御装置との間で信号伝送を行う。電力変換装置２００内の制御回路を動作させる低電圧の直流電力は、コネクタ３１から供給される。コネクタ３１等の端子の嵌合面の向きは、車種により種々の方向となるが、特に小型車両に搭載しようとした場合、エンジンルーム内の大きさの制約や組立性の観点から嵌合面を上向きにして出すことが好ましい。特に、電力変換装置２００が、トランスミッションＴＭの上方に配置される場合には、トランスミッションＴＭの配置側とは反対側に向かって突出させることにより、作業性が向上する。

図６は冷却ベース５の分解斜視図であり、冷却ベースを底面側から見た図である。流路５１は、コンデンサ収容部５４を囲むように形成されており、流路５１の一端は下カバー４２０に形成された導入開口１３に連通しており、流路５１の他端は下カバー４２０に形成された排出口１４に連通している。下カバー４２０には、流路５１の開口５０と対向する位置に、下カバー部材が下方に窪んだ凸部４０６がそれぞれ形成されている。この凸部４０６の窪み内には、流路５１内に挿入されたパワーモジュール１の先端部分が挿入される。４０９は、下カバー４２０および冷却ベース５間の隙間を封止するシール材である。

図７は、図４に示した断面図のパワーモジュール１が収納された流路部分を拡大して示した図である。冷却ベース５に形成された流路５１のベース裏面側開口は下カバー４２０によって密閉されている。パワーモジュール１は、放熱フィン１４が形成された筒部が開口部５０（図５参照）を介して流路５１内に挿入され、フランジ部１３ｂが冷却ベース５の上面に固定される。パワーモジュール１の筒部１３ａの先端部分（図示下端部）は下カバー４２０の凸部４０６に形成された窪みに挿入されている。フランジ部１３ｂと冷却ベース５とのシール部にはシール部材１６が設けられており、開口部５０はフランジ部１３ｂによって密閉される。フランジ部１３ｂと放熱フィン１４との間の隙間には、シール部材１６の一部が挿入されている。

図８はパワーモジュール１の断面図であり、図９はパワーモジュール１の外観斜視図である。パワーモジュール１は、アルミニウム製の缶形ケーシング１３に、上述した上下アーム直列回路１５０を構成するパワー半導体素子（ＩＧＢＴ９およびダイオード１０）を内蔵したものである。ＩＧＢＴ９は図２のＩＧＢＴ１５４，１６４が対応し、ダイオード１０は、図２のダイオード１５６，１６６が対応する。ケーシング１３は、トランスファーモールド体が収納される筒部１３ａと、パワーモジュール１を冷却ベース５へ固定するためのフランジ部１３ｂとを備えている。フランジ部１３ｂには、図９に示すようにボルト孔１３ｃが形成されている。筒部１３ａに内蔵されたＩＧＢＴ９およびダイオード１０は表裏両面を電極としての銅リード１１で挟まれており、それらは樹脂１２でトランスファーモールドされ一体となっている。銅リード１１の端子部１１ｂはフランジ部１３ｂからケーシング１３の外部に突出している。

ケーシング１３は、パワー半導体素子で発生した熱を放熱する放熱器の役目をするものであって、筒部１３ａの厚肉部１３０の外周面、すなわち放熱面には複数の放熱フィン（ピンフィン）１４が立設されている。厚肉部１３０の周囲は薄肉部１３１となっている。パワーモジュール１を製造する際には、トランスファーモールド体を密着性の絶縁シートで挟んだ状態でケーシング１３内に挿入する。トランスファーモールド体の表裏両面には、銅リード１１の裏面側が露出しており、その露出面が上述の絶縁シートを挟んでケーシング１３の内周面と密着するように、厚肉部１３０をケーシング内側へ向けてプレスする。プレスした際に薄肉部１３１が塑性変形し、厚肉部１３０の内周面がトランスファーモールド体の表裏両面に密着固定される。

ケーシング１３は低コスト化のため、缶形の成形、放熱フィン１４の作成、フランジ部１３ｂの成形を鍛造で行い、一体型の容器となっている。このとき、鍛造型の制約により、フランジ部１３ｂと放熱フィン１４との間に５〜１０ｍｍ程度の隙間が形成される。また、ケーシング１３の作製方法としては、例えば切削加工で放熱フィン１４とフランジ部１３ｂを作ることも考えられる。この場合にも、フランジ部１３ｂのシール面を切削する際に工具が入る隙間が必要となることから、フランジ部１３ｂと放熱フィン１４との間に隙間が生じることになる。

図１０はシール部材１６の形状を示す斜視図である。シール部材１６は、略矩形の環状構造を成すＯリング部１６ａと、Ｏリング部１６ａの内側に一体に形成された一対の流路制御部１６ｂとを備えている。一対の流路制御部１６ｂはＯリング部１６ａの長辺側に沿って形成されており、流路制御部１６ｂの互いに対向する面には突起１６ｃがそれぞれ形成されている。シール部材１６を図８に示すケーシング１３に装着すると、突起１６ｃがフランジ部１３ｂと厚肉部１３０との間の薄肉部１３１に接触する。

図１１は、冷却ベース５の開口部５０を示す平面図である。略矩形状の開口部５０の周囲にはシール溝５２が形成されている。このシール溝５２の上面に二点差線で示すようにシール材１６のＯリング部１６ａが載置される。このシール部材１６の下面側（紙面の裏面側）に形成された流路制御部１６ｂは、流路５１内に配置されることになる。５３は、パワーモジュール１のフランジ部１３ｂを冷却ベース５の開口部５０にボルト固定するためのネジ穴である。破線５１ａは、開口部５０間の流路を示している。

図９に示すパワーモジュール１を図１１の開口部５０に取り付ける場合には、まず、シール部材１６を矢印で示すように筒部１３ａの下端から装着して、フランジ部１３ｂの裏面側（シール面側）に配置する。その後、パワーモジュール１の筒部１３ａを開口部５０内に挿入し、シール部材１６がシール溝５２に配置されるようにフランジ部１３ｂを冷却ベース５上に載置する。次いで、外周形状がフランジ部１３ｂとほぼ同様の押さえ板１７をフランジ部１３ｂ上に配置し、ボルト１８により、押さえ板１７とフランジ部１３ｂとを共締めする。押さえ板１７を用いることで、ボルト締めした際にアルミ製のフランジ部１３ｂが変形するのを防止し、均一なシールを得ることができる。

図１２、図１３は流路制御部１６ｂの作用を説明する図であり、図１２は流路制御部１６ｂを設けた場合を示し、図１３は流路制御部１６ｂを設けない場合を示す。図１２および図１３のいずれの場合も、（ａ）は冷却媒体の流れに対して直交する断面図で、（ｂ）は冷却媒体の流れに沿って断面した図である。図１２，１３の二点差線１４４で囲まれた領域は、複数の放熱フィン１４が形成された領域、すなわち放熱フィン群を示している。なお、流路５１の底面を構成する下カバー４２０にはパワーモジュール１の底面に合わせる形でくぼみが設けられており、底面側にも冷却媒体が迂回するスペースを作らないように構成されている。

まず、図１３を参照して、流路制御部１６ｂを設けなかった場合の冷却媒体の流れについて説明する。図１３（ａ）の断面図に示すように、パワーモジュール１のフランジ部１３ｂと放熱フィン群１４４との間には所定間隔Ｄの隙間が形成されている。これは、上述したように製造上の制約から避けられない隙間であり、ケーシング１３を鍛造で作る場合には、この所定間隔Ｄは５ｍｍ〜１０ｍｍ程度となる。

図１３（ｂ）に示すように、矢印で示すように図示右側からパワーモジュール１が挿入された流路５１に流れ込む。流れ込んだ冷却媒体の大部分は放熱フィン１４の隙間を通り抜けるように図示左側に流れるが、冷却媒体の一部は流線５１１のように、放熱フィン１４の無い領域５１ｃに迂回するように流れる。その結果、放熱フィン１４の部分の冷却媒体の流量が減って冷却能力の低下を招くことになる。

一方、図１２に示す本実施の形態のように、フランジ部１３ｂと放熱フィン群１４４との間の隙間、すなわち図１３の領域５１ｃに流路制御部１６ｂを配置した場合には、冷却媒体が領域５１ｃに迂回するのを防止できるとともに、流線５１０のように冷却媒体が流路制御部１６ｂによって放熱フィン群１４４へと導かれる。その結果、放熱フィン群１４４を通過する冷却媒体の量が増えて流速を上昇させることができ、パワーモジュール１の冷却能力の向上を図ることができる。

なお、冷却媒体が隙間領域５１ｃに入り込むのを防止するために、遮蔽部材を隙間領域５１ｃの入口付近に設けた場合、冷却媒体が遮蔽部材の下流側において領域５１ｃに回り込む。さらに、遮蔽部材の後側において渦ができるなどして、圧力損失が増大する。そのため、放熱フィン群１４４の幅に相当する長さを有する隙間領域５１ｃに対して、流路制御部１６ｂを、図１２（ｂ）に示すように、領域５１ｃ内の冷却媒体の流れ方法に沿って連続的に配置するのが好ましい。

上述した実施形態では、流路制御部１６ｂを、フランジ部１３ｂのＯリング部１６ａと一体に形成したので、組み立て作業の工数低減を図ることができると共に、流路制御部１６ｂの組み付け忘れの防止にも役立つ。

流路制御部１６ｂは、必ずしもフランジ部１３ｂと放熱フィン群１４４との間の空間全体に充填されている必要はないが、冷却媒体が放熱フィン群１４４を迂回しないように機能するためには、図１２（ａ）に示すように放熱フィン１４の間隔をｄ１とした場合、流路制御部１６ｂと放熱フィン群１４４との間隔ｄ２がｄ１よりも小さく設定されるのが好ましい。例えば、放熱フィン１４をピンフィンとした場合、ピン間の間隔は２〜３ｍｍ程度となる。

図１４は、上述したシール部材１６の変形例を示す図である。図１４に示すシール部材２０の場合もＯリング部２０ａと流路制御部２０ｂとからなる。Ｏリング部２０ａは、図１０に示すＯリング１６ａと同一形状となっている。一方、流路制御部２０ｂの形状は流路制御部１６ｂと異なっており、流路制御部２０ｂの高さＨが図示左側方向に行くに従って増加するような形状となっている。

このシール部材２０をパワーモジュール１に装着する場合には、図１５に示すように、流路制御部２０ｂの高さＨが高い方が冷却媒体の下流側となるように装着する。流路制御部２０ｂと補熱フィン群１４４との間隔は冷却媒体の流れに沿って徐々に減少するようになっているため、流線で示すように冷却媒体は流路制御部２０ｂの傾斜した底面に沿って放熱フィン群１４４の方に流れる。このように、流路制御部２０ｂの形状を流路面積が流れ方向に沿って滑らかに変化する形状とすることにより、冷却媒体に対して整流効果が発生し、圧力損失を小さくすることができる。

なお、上述した流路制御部２０ｂの形状を、図１６に示すような流路制御部２１ｂのような形状に変形してもよい。図１６に示す流路制御部２１ｂでは、冷却媒体の流れの上流側お跳び下流側の両方に傾斜した底面を形成した。すなわち、流路制御部２１ｂの形状を、流路制御部２１ｂと放熱フィン群１４４との間隔が放熱フィン群１４４の流れ方向中央において最小となるとともに、その中央から離れるに従って間隔が増加するような形状とした。このように、流路制御部２１ｂの形状を左右対称としたことにより、冷却媒体の流れ方向が図１５の左右方向のいずれである場合も同様の効果を奏する。すなわち、シール部材２０を組み付けの間違いの発生を防止することができる。

上述した図１０，１４および１６に記載の流路制御部のいずれを採用しても、放熱フィン１４の部分を通らない冷却媒体の量を減らし、放熱フィン１４に当る冷却媒体の流速を上げることができるため、パワーモジュール１の冷却能力を向上させることができる。そして、冷却能力の向上は、冷却装置とパワーモジュールの小型化に貢献する。また、パワーモジュール１からの大きい発熱量を許容することができるため、電力用パワー半導体のサイズを小さくでき、低コスト化に貢献する。

なお、圧力損失をより低くしたい場合には、図１４，１６に示す形状の流路制御部２０ｂ，２１ｂがより望ましい。一方、冷却性能の向上をより重視する場合には、冷却媒体がフランジ部１３ｂと放熱フィン群１４４との間に回り込まない構造である、図１０に示す流路制御部１６ｂが好ましい。このように、同一のパワーモジュール１を用いて、要求仕様の異なる複数の車両に対応することができるので、同じ型の電力変換装置を複数の車両に対応させることができ、開発および製造のコストを下げることができる。

上述した実施形態では、フランジ部１３ｂのシール機能を有するＯリング部と、冷却媒体の流れを遮蔽する流路制御部とを一体に形成したが、図１７に示すように、別体としても良い。図１７に示す例では、フランジ部１３ｂのシール部材２２には、標準的なシール材を使用している。そして、独立した２つの流路制御部材２３を、フランジ部１３ｂと放熱フィン１４との間に配置するようにした。図１７に示す流路制御部材２３の形状は、図１０に示した流路制御部１６ｂと同様の向上を有しているが、図１４に示した流路制御部２０ｂや図１６に示した流路制御部２１ｂのような形状であっても良い。この構成の場合、シール部材２２には標準的形状のシール材を使用しているので、特別に専用の型を起こす必要がなく、シール部材の製造コストを抑えることができる。

（パワーモジュール１の固定構造）
なお、上述した実施の形態では、パワーモジュール１の固定のために押さえ板１７を使用している。これは、ケーシング１３を鍛造で作製するため純アルミ系の非常に軟らかい材料を使用しているため、押さえ板１７を用いないでフランジ部１３ｂをボルト固定すると、シール部材１６の反発力でフランジ部１３ｂが変形してしまうためである。したがって、押さえ板１７は鋼などの材料で作製するが、押さえ板１７に発生する応力を下げるためにケーシング１３のフランジ部１３ｂにもボルトを通すボルト孔１３ｃを設け、共締めする形態を採っている。また、図９，１７に示すように、フランジ部１３ｂにおけるボルト孔１３ｃの位置をずらすことで、図５に示すようにパワーモジュール１を一直線に複数並べた際に、ボルトが互い違いに配置されることによって、実装時の全長を短くすることを狙ったものである。

ところで、パワーモジュール１の配置は電力変換装置全体の形状の制約条件によって変化し得るので、押さえ板を使用する構成の場合、パワーモジュール１にボルト固定用のボルト孔を設けないで、パワーモジュール１の配置が変わった場合でも押さえ板のみの変更で対応できるようにすることが望ましい。

図１８は、フランジ部１３ｂにボルト孔を形成しない構成の一例を示す図である。パワーモジュールのフランジ部１３ｂには、ボルト固定用のボルト孔が形成されていないので、押さえ板２４はフランジ部１３ｂと共締めする構成ではなく、冷却ベース５に直接ボルト固定される。したがって、フランジ部１３ｂおよびシール部材の厚さの製造公差を吸収するために押さえ板をばね形状とした。このような構成では、パワーモジュール１のフランジ部１３ｂボルト孔を形成する必要がないので、同一形状のパワーモジュール１により種々の配列が可能となるとともに、パワーモジュール１の配列が変更になった場合に容易に対応することができる。

図１８に示す例では、パワーモジュール毎に押さえ板２４が一つ必要であったが、図１９に示す押さえ板２５の場合には、３個のパワーモジュール１を一つの押さえ板２５で固定する構成としているので、ボルトの本数を減らすことができ、組立時の工数を減らすことが可能となる。

上述した実施の形態では、放熱フィン１４をピンフィンとしたが、他の形状、例えばストレートフィンであっても良い。また、上述したケーシング１３は鍛造で一体成形されたが、他の製造方法で形成される筒状のケーシングであっても、パワーモジュール１を冷却ベース５に固定するフランジ部１３ｂと放熱フィン群１４４との間に、隙間が形成されるのは製造上避けられないので、流路制御部を配置することにより同様の効果を奏することができる。特に、図８に示すケーシングの場合には、フランジ部１３ｂと放熱フィン群１４４との間に塑性変形のための薄肉部１３１が設けられるので、フランジ部１３ｂと放熱フィン群１４４との隙間がより大きくならざるを得ず、流路制御部を設けることによる効果はより大きい。また、上述した実施の形態では、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される車載用の電力変換装置を例に説明したが、パワーモジュールを冷却媒体中に浸す冷却構造の電力変換装置であれば、本発明を同様に適用することができる。

上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１：パワーモジュール、５：冷却ベース、１３：ケーシング、１３ａ：筒部、１３ｂ：フランジ部、１３ｃ：ボルト孔、１４：放熱フィン、１６，２０，２２：シール部材、１６ａ，２０ａ：Ｏリング部、１６ｂ，２０ｂ，２１ｂ，２３：流路制御部、１７，２４，２５：押さえ板、５０：開口部、５１：流路、５１ｃ：領域、１３０：厚肉部、１３１：薄肉部、１４０，１４２：インバータ回路、１４４：放熱フィン群、１５０：上下アーム直列回路、２００：電力変換装置、４２０：下カバー、５００：コンデンサモジュール、５１０，５１１：流線

Claims (6)

1. パワー半導体素子のスイッチング動作によって電力を直流から交流に、交流から直流に変換する電力変換装置であって、
   冷却媒体が流れる流路が形成され、前記流路と連通する開口部が形成された流路筐体と、
   パワー半導体素子を収納するとともに前記開口部から前記流路内に挿入される筒部、前記筒部の外周の一方面に設けられた第１放熱フィン群、及び前記筒部の外周の一方面とは反対側の他方面に設けられた第２放熱フィン群を有するパワーモジュールと、
   前記冷却媒体を前記第１放熱フィン群へと導く第１流路制御部材、前記筒部を挟んで前記第１流路制御部材と対向して配置されかつ前記冷却媒体を前記第２放熱フィン群へと導く第２流路制御部材、及び前記第１流路制御部材と前記第２流路制御部材とを連結するリング部を有するシール部材と、を備え、
   前記シール部材は、前記筒部に装着されることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記筒部は、前記開口部を塞ぐように前記流路筐体に固定されるフランジ部を備え、
   前記リング部は前記流路筐体と前記フランジ部との間に設けられ、
   前記第１流路部材および前記第２流路制御部材は、前記フランジ部と前記放熱フィン群との間の隙間に配置されることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記第１流路制御部材は、該第１流路制御部材と前記第１放熱フィン群との最小間隔が、前記第１放熱フィン群のフィン間隔以下となるように配置され、
   前記第２流路制御部材は、該第２流路制御部材と前記第２放熱フィン群との最小間隔が、前記第２放熱フィン群のフィン間隔以下となるように配置されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２または３に記載の電力変換装置において、
   前記第１及び第２流路制御部材は、それぞれ、前記隙間内において、前記冷却媒体の流れ方向に沿って連続的に分布していることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記第１流路制御部材の形状を、該第１流路制御部材と前記第１放熱フィン群との間隔が前記冷却媒体の流れ方向に沿って減少するような形状とし、
   前記第２流路制御部材の形状を、該第２流路制御部材と前記第２放熱フィン群との間隔が前記冷却媒体の流れ方向に沿って減少するような形状としたことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記第１流路制御部材の形状を、該第１流路制御部材と前記第１放熱フィン群との間隔が前記第１放熱フィン群の流れ方向中央において最小となり、かつ、前記流れ方向中央から離れるに従って増加するような形状とし、
   前記第２流路制御部材の形状を、該第２流路制御部材と前記第２放熱フィン群との間隔が前記第２放熱フィン群の流れ方向中央において最小となり、かつ、前記流れ方向中央から離れるに従って増加するような形状としたことを特徴とする電力変換装置。

Images