JP5471968B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒流路を有する電力変換装置に関する。

ハイブリッド車、電気自動車等に用いる電力変換装置は、モータジェネレータを駆動するために、スイッチング素子のブリッジ回路等によってインバータ回路、昇圧回路等を形成している。
例えば、特許文献１の制御装置は、ケースを他のケースに固定することにより冷却水路を形成し、ケースの内部にＩＰＭを固定することによりＩＰＭが冷却される構造を有している。

特開２００５−３２８３０号公報

しかしながら、特許文献１に示された構成においては、冷却水路を形成するためにケース同士を固定するボルトなどの固定具の他に、ＩＰＭをケースに固定する固定具が必要となり、作業効率が悪化していた。また、多くの固定具を配置するスペースを確保する必要があり、装置が大型化し、装置全体の構造も複雑になっていた。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、使用するボルト等の固定具の使用量を低減することができ、組付作業効率の向上及び装置の小型簡素化を図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、基台と、
該基台との間に冷媒流路を形成する流路形成部材と、
該流路形成部材に積層した半導体モジュールと、
該半導体モジュールに積層したバックプレートと、
上記基台と上記流路形成部材との間に配置した、弾性力を有する封止部材とを備え、
上記流路形成部材は、上記半導体モジュールに当接する放熱プレートと、該放熱プレートと上記基台との間に配置した支持部材とからなり、
上記基台の外側面には、冷媒が流入する冷媒流入溝部と冷媒が流出する冷媒流出溝部とが形成されており、
上記放熱プレートは、上記冷媒流入溝部及び上記冷媒流出溝部の全周を囲う外周壁部と、該外周壁部の内周側に架け渡した架渡部と、該架渡部から上記基台の側へ突出する複数の放熱用突起とを有しており、
上記支持部材は、上記複数の放熱用突起と上記基台との間に挟持させた、弾性力を有する弾性変形部材であり、
上記放熱プレートの上記放熱用突起を形成した内側面は、該内側面の両端位置が上記基台の外側面に近づくように凹面状に湾曲しており、
上記バックプレートを上記基台に対して固定することにより、上記封止部材によって上記冷媒流路を封止するとともに、上記封止部材の弾性力を作用させた状態で上記バックプレートと上記基台との間に上記流路形成部材及び上記半導体モジュールを挟圧保持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、バックプレートを基台に対して固定することにより、封止部材によって冷媒流路を封止するとともに、封止部材の弾性力を利用して、バックプレートと基台との間に、流路形成部材及び半導体モジュールを挟圧保持している。
これにより、流路形成部材及び半導体モジュールは、別途ボルト等によって基台に取り付ける必要がなく、バックプレートをボルト等によって基台に固定することにより、バックプレートと基台との間に安定して取り付けることができる。また、基台と流路形成部材との間に配置した封止部材によって、冷媒流路の封止（シール）を行うことができる。

そのため、電力変換装置に用いるボルト等の固定具の使用量を低減することができ、組付の作業効率を向上させることができる。また、電力変換装置を小型簡素化することができる。

参考例にかかる、電力変換装置を示す図で、図３におけるＡ−Ａ線矢視断面説明図。 参考例にかかる、電力変換装置を示す図で、図３におけるＢ−Ｂ線矢視断面説明図。 参考例にかかる、電力変換装置を示す斜視図。 参考例にかかる、電力変換装置における基台の構造を示す斜視図。 参考例にかかる、電力変換装置における流路形成部材の構造を示す斜視図。 参考例にかかる、電力変換装置の電気的構成を示す回路図。 実施例１にかかる、電力変換装置を示す図で、図３におけるＡ−Ａ線矢視相当の断面説明図。 実施例１にかかる、他の電力変換装置を示す図で、図３におけるＡ−Ａ線矢視相当の断面説明図。 実施例１にかかる、他の電力変換装置を示す図で、図３におけるＢ−Ｂ線矢視相当の断面説明図。

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バックプレートとの間には、これらの間に弾性力を付与する弾性力付与部材を配置することができる（請求項２）。
この場合には、弾性力付与部材によって、バックプレートと基台との間に流路形成部材及び半導体モジュールを挟圧保持する力をより適切に作用させることができる。

また、上記流路形成部材は、上記半導体モジュールに当接する放熱プレートと、該放熱プレートと上記基台との間に配置した支持部材とからなる。
これにより、放熱プレートと支持部材とを用いることによって、流路形成部材による冷媒流路の形成を容易にすることができる。

また、上記封止部材は、上記基台と上記支持部材との間に配置した第１の封止部材であり、上記放熱プレートと上記支持部材との間には、弾性力を有する第２の封止部材を配置することができる（請求項３）。
この場合には、第１の封止部材と第２の封止部材とによって、冷媒流路をより適切に封止することができる。

また、参考として、上記基台の外側面には、冷媒が流入する冷媒流入溝部と冷媒が流出する冷媒流出溝部とが形成されており、上記支持部材は、上記冷媒流入溝部及び上記冷媒流出溝部の全周を囲う外周壁部と、該外周壁部の内周側に架け渡した架渡部と、上記冷媒流入溝部と上記冷媒流出溝部とを仕切るよう上記架渡部から立設した仕切部とを有しており、上記架渡部には、冷媒が通過する冷媒通過口が形成されており、上記放熱プレートと上記架渡部との間には、冷媒が通過する隙間流路部が形成されており、上記放熱プレートは、上記隙間流路部へ突出する複数の放熱用突起を有しており、上記冷媒流路は、上記冷媒流入溝部に流入する冷媒を、上記冷媒通過口及び上記隙間流路部を通過させ、さらに上記冷媒流出溝部へ通過させるよう構成することができる。
この場合には、基台における冷媒流入溝部及び冷媒流出溝部と、放熱プレートと、支持部材とによって、冷媒流路を安定して形成することができる。

また、上記弾性変形部材の端面と上記外周壁部の内面との間には、冷媒が通過する冷媒通過口が形成されており、上記複数の放熱用突起同士の間には、冷媒が通過する隙間流路部が形成されており、上記冷媒流路は、上記冷媒流入溝部に流入する冷媒を、上記冷媒通過口及び上記隙間流路部を通過させ、さらに上記冷媒流出溝部へ通過させるよう構成することもできる（請求項４）。
この場合には、基台における冷媒流入溝部及び冷媒流出溝部と、放熱プレートと、支持部材とによって、冷媒流路を安定して形成することができる。

また、上記外周壁部の内面には、複数の放熱用フィンを形成することができる（請求項５）。
この場合には、放熱用フィンの形成により、冷媒による半導体モジュールの冷却効果を向上させることができる。

また、上記放熱プレートの上記放熱用突起を形成した内側面は、該内側面の両端位置が上記基台の外側面に近づくように凹面状に湾曲させている。
この場合には、基台の立設壁部によって弾性変形部材を押圧し、この弾性変形部材を凹面状の内側面に沿わせるように変形させることにより、弾性変形部材を安定して挟持することができる。

以下に、本発明の電力変換装置に係る実施例につき、図面を参照して説明する。
（参考例）
本例の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、基台２と、基台２との間に冷媒流路２１を形成する流路形成部材１１と、流路形成部材１１に積層した半導体モジュール４と、半導体モジュール４に積層したバックプレート６と、基台２と流路形成部材１１との間に配置した、弾性力を有する封止部材３５Ａとを備えている。電力変換装置１は、バックプレート６を基台２に対して固定することにより、封止部材３５Ａによって冷媒流路２１を封止するとともに、封止部材３５Ａの弾性力を作用させた状態でバックプレート６と基台２との間に流路形成部材１１及び半導体モジュール４を挟圧保持している。

以下に、本例の電力変換装置１につき、図１〜図６を参照して詳説する。
図６に示すごとく、本例の電力変換装置１は、車載用のものであり、直流電圧を昇圧する昇圧回路７２、及び直流電圧から交流電圧を作り出すインバータ回路７３Ａ、７３Ｂに用いるものである。また、インバータ回路７３Ａ、７３Ｂを構成する半導体素子４１は、スイッチング素子を備えており、スイッチング素子によって三相交流のモータジェネレータ７１Ａ、７１Ｂのブリッジ回路を形成してなる。
半導体モジュール４は、放熱プレート５に対向させる半導体素子４１をモールド樹脂４２の内部に配置してなる（図１参照）。各半導体素子４１は、プラス電源端子７３１、マイナス電源端子７３２、出力端子７３３（又は入力端子７３４）を構成する端子４１１と、スイッチング素子に制御信号を送信するための制御端子７３５を構成する端子４１２とを引き出して構成されている（図３参照）。半導体素子４１は、複数のスイッチング素子を樹脂によってモールドして、一体化することができる。

図３、図４に示すごとく、本例の基台２は、アルミニウム材料から形成されており、トランスミッション（本例ではトランスアクスル）のハウジングと一体化されている。本例の基台２の外側面には、冷媒Ｃが流入する冷媒流入溝部２１１と冷媒Ｃが流出する冷媒流出溝部２１２とが横並びに平行に形成してある。
図１に示すごとく、基台２の外側面には、バックプレート６をボルト（固定具）６２によって取り付けるための取付部２３が複数箇所（本例では８箇所）に形成されている。バックプレート６は、取付部２３の形成箇所に対応する部分に、外周側に突出する取付穴形成部６１を形成してなり、取付穴形成部６１には、ボルト６２を挿通させるための取付穴６１１が形成されている。また、取付部２３には、ボルト６２を螺合させるためのネジ穴２３１が形成されている。

図４に示すごとく、基台２の外側面には、昇圧回路を構成する複数の半導体素子４１を配置する第１の配置穴部２２Ａと、フロント側のモータジェネレータ７１Ａ用のインバータ回路７３Ａを構成する複数の半導体素子４１を配置する第２の配置穴部２２Ｂと、リヤ側のモータジェネレータ７１Ｂ用のインバータ回路７３Ｂを構成する複数の半導体素子４１を配置する第３の配置穴部２２Ｃとが横に並んで形成されている。
基台２の外側面において、冷媒流入溝部２１１と冷媒流出溝部２１２とは、３つの配置穴部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの下部（内方）に対して連続して形成されている。各配置穴部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃにおいては、冷媒流入溝部２１１と冷媒流出溝部２１２とを仕切る立設壁部２１３が形成されている。

図１に示すごとく、本例の流路形成部材１１は、半導体モジュール４に当接する放熱プレート５と、放熱プレート５と基台２との間に配置した支持部材３とからなる。
図５に示すごとく、支持部材３は、冷媒流入溝部２１１及び冷媒流出溝部２１２の全周を囲う外周壁部３２と、外周壁部３２の内周側に架け渡した架渡部３３と、冷媒流入溝部２１１と冷媒流出溝部２１２とを仕切るよう架渡部３３から下方（内方）へ立設した仕切部３４とを有している。架渡部３３には、冷媒Ｃが通過する冷媒通過口３３１が形成されている。
本例の支持部材３は、各配置穴部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに対してそれぞれ配置する流路形成部３１を３つ並べて形成してある。各流路形成部３１は、支持部材３に対し、支持部材３の全体の外周と各流路形成部３１同士の間とに外周壁部３２を形成するとともに、外周壁部３２に架渡部３３を架け渡して形成されている。仕切部３４は、立設壁部２１３上に取り付けられる。各流路形成部３１の架渡部３３においては、冷媒流入溝部２１１側及び冷媒流出溝部２１２側の両端部付近に、冷媒通過口３３１がそれぞれ形成されている。

図１、図５に示すごとく、本例の封止部材３５Ａは、基台２と支持部材３との間に配置した第１の封止部材３５Ａであり、放熱プレート５と支持部材３との間には、弾性力を有する第２の封止部材３５Ｂが配置してある。
本例の各封止部材３５Ａ、３５Ｂは、ゴムパッキンである。基台２の外側面と支持部材３との間に配置するゴムパッキン３５Ａは、支持部材３と半導体モジュール４との間に配置するゴムパッキン３５Ｂよりも断面形状が大きく設定されている。
第１の封止部材３５Ａは、基台２の外側面における各配置穴部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの周りと、支持部材３の各流路形成部３１における外周壁部３２の一方端面３０１の周りとの間に配置されており、第２の封止部材３５Ｂは、支持部材３の各流路形成部３１における外周壁部３２の他方端面３０２の周りと、放熱プレート５との間に配置されている。
また、外周壁部３２の一方端面３０１と他方端面３０２とには、封止部材３５Ａ、３５Ｂを配置する環状溝３２１が形成されている。

図１、図２に示すごとく、各半導体素子４１は、各スイッチング素子、ダイオード等を樹脂内に配置して、板形状に形成されている。また、半導体モジュール４は、複数の半導体素子４１をモールド樹脂４２内に配置してなり、半導体モジュール４の内側面に半導体素子４１の板面を露出させるように形成されている。
放熱プレート５は、冷媒流路２１側の表面（内側面）に多数の放熱用突起５１を形成してなる。放熱用突起５１は、放熱ピンとして形成されている。また、放熱プレート５の外側面は、複数の半導体素子４１に対面する。

放熱プレート５と架渡部３３との間には、冷媒Ｃが通過する隙間流路部３３２が形成されている。また、本例の支持部材３と放熱プレート５とにおいては、多数の放熱用突起５１の先端と、支持部材３の架渡部３３との間に隙間が形成されている。そして、本例の隙間流路部３３２は、各放熱用突起５１同士の間の隙間、及び多数の放熱用突起５１の先端と支持部材３の架渡部３３との間の隙間として形成されている。なお、多数の放熱用突起５１の先端と支持部材３の架渡部３３とは当接させておくこともできる。

図４に示すごとく、冷媒流入溝部２１１には冷媒導入管２１４が接続されており、冷媒流出溝部２１２には冷媒排出管２１５が接続されている。
本例の冷媒流路２１は、冷媒導入管２１４から冷媒流入溝部２１１に流入する冷媒Ｃを、冷媒流入溝部２１１側の冷媒通過口３３１を経由して隙間流路部３３２を通過させ、さらに冷媒流出溝部２１２側の冷媒通過口３３１を経由して冷媒流出溝部２１２へ通過させるよう構成されている。

本例の電力変換装置１は、支持部材３の一方端面３０１及び他方端面３０２に封止部材３５Ａ、３５Ｂを配置し、バックプレート６を基台２の取付部２３に対してボルト６２によって締め付けることにより、封止部材３５Ａ、３５Ｂによる弾性力を利用して、バックプレート６と基台２の外側面との間に、支持部材３、放熱プレート５及び半導体モジュール４を挟圧保持してなる。
これにより、支持部材３、放熱プレート５及び半導体モジュール４は、別途ボルト等によって基台２に取り付ける必要がなく、バックプレート６をボルト６２によって基台２に締め付けることにより、バックプレート６と基台２との間に安定して取り付けることができる。また、支持部材３における一方端面３０１及び他方端面３０２に配置した各封止部材３５Ａ、３５Ｂによって、冷媒流路２１の封止（シール）を行うことができる。
そのため、電力変換装置１に用いるボルト６２等の固定具の使用量を低減することができ、組付の作業効率を向上させることができる。また、電力変換装置１を小型簡素化することができる。

（実施例１）
本例は、流路形成部材１１の構成が上記実施例１とは異なる例である。
本例の流路形成部材１１も、図７に示すごとく、放熱プレート５Ｘと支持部材３Ｘとからなる。本例の放熱プレート５Ｘは、冷媒流入溝部２１１及び冷媒流出溝部２１２の全周を囲う外周壁部５２と、外周壁部５２の内周側に架け渡した架渡部５３と、架渡部５３から基台２の側へ突出する複数の放熱用突起５１とを有している。本例の支持部材３Ｘは、複数の放熱用突起５１と基台２との間に挟持させた、弾性力を有する弾性変形部材３Ｘである。

本例の半導体モジュール４とバックプレート６との間には、これらの間に弾性力を付与する弾性力付与部材３９が配置してある。
本例の電力変換装置１は、基台２の外側面に対し、弾性変形部材３Ｘ、放熱プレート５Ｘ、半導体モジュール４、弾性力付与部材３９及びバックプレート６を順次積層して形成される。
基台２の外側面に対面する放熱プレート５Ｘの一方端面５０１の外周壁部５２の全周には、封止部材３５Ｃが配置してある。本例の電力変換装置１は、バックプレート６をボルト６２によって基台２の取付部２３に対して締め付けることにより、弾性力付与部材３９及び封止部材３５Ｃによる弾性力を作用させて、バックプレート６と基台２の外側面との間に、弾性変形部材３Ｘ、放熱プレート５Ｘ、半導体モジュール４及び弾性力付与部材３９を挟圧保持してなる。

本例の放熱プレート５Ｘは、冷媒流入溝部２１１及び冷媒流出溝部２１２を塞ぐ器形状に形成されている。本例の基台２においても、その外側面に、立設壁部２１３を介して、冷媒Ｃが流入する冷媒流入溝部２１１と冷媒Ｃが流出する冷媒流出溝部２１２とが平行に形成してある。また、本例の封止部材３５Ｃもゴムパッキンからなり、封止部材３５Ｃは、基台２における３つの配置穴部２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの周りと、放熱プレート５Ｘの外周壁部５２における一方端面５０１との間に配置されている。また、外周壁部５２の一方端面５０１には、封止部材３５Ｃを配置する環状溝５２１が形成されている。

図７に示すごとく、本例の基台２と放熱プレート５Ｘとの間においては、多数の放熱用突起５１と基台２の立設壁部２１３との間に弾性変形部材３Ｘが挟持してある。そして、弾性変形部材３Ｘの端面と外周壁部５２の内面との間には、冷媒通過口３３３が形成されている。また、弾性変形部材３Ｘと放熱プレート５Ｘの架渡部５３との間における多数の放熱用突起５１同士の間には、隙間流路部３３４が形成されている。放熱用突起５１は、放熱ピンとして形成されている。
本例の冷媒流路２１も、冷媒導入管２１４から冷媒流入溝部２１１に流入する冷媒Ｃを、冷媒流入溝部２１１側の冷媒通過口３３３を経由して隙間流路部３３４を通過させ、さらに冷媒流出溝部２１２側の冷媒通過口３３３を経由して冷媒流出溝部２１２へ通過させるよう構成されている。

バックプレート６と基台２の外側面との間に、弾性変形部材３Ｘ、放熱プレート５Ｘ、半導体モジュール４及び弾性力付与部材３９を挟持した状態においては、弾性力付与部材３９を弾性変形領域を超えて塑性変形領域まで変形させている。これにより、基台２の外側面と放熱プレート５Ｘとの間、放熱プレート５Ｘと半導体モジュール４との間に隙間が形成されないようにしている。また、電力変換装置１が加熱・冷却を繰り返す際に、熱収縮により半導体モジュール４等に生じる厚みの変化を、弾性力付与部材３９の塑性変形領域によって吸収することができる。

本例においては、図８、図９に示すごとく、外周壁部５２の内面には、放熱プレート５Ｘを介した冷媒Ｃによる半導体素子４１の冷却効果を向上させるために、複数の放熱用フィン５４を形成することができる。この場合、複数の放熱用フィン５４は、冷媒流入溝部２１１側の外周壁部５２の内面と冷媒流出溝部２１２側の外周壁部５２の内面とにおいて、外周壁部５２の立設方向（高さ方向）に沿って形成する。そして、冷媒通過口３３３は、複数の放熱用フィン５４の間の隙間を利用して形成することができる。

また、図８に示すごとく、放熱プレート５Ｘの架渡部５３において多数の放熱用突起５１を形成した内側面は、基台２の立設壁部２１３に対して両側に位置する部分が基台２の外側面に近づくように凹面状に湾曲して形成することができる。そして、弾性変形部材３Ｘは、基台２の立設壁部２１３と多数の放熱用突起５１とに挟持され、架渡部５３の凹面状の内側面に沿うように変形させることができる。これにより、弾性変形部材３Ｘを安定して挟持することができる。

本例においては、基台２における冷媒流入溝部２１１及び冷媒流出溝部２１２と、放熱プレート５Ｘと、弾性変形部材３Ｘとによって、冷媒導入管２１４から冷媒排出管２１５へと導く冷媒流路２１を安定して形成することができる。また、弾性変形部材３Ｘを利用したことにより、冷媒流路２１の形成が容易である。
本例の電力変換装置１においても、その他の構成は上記参考例と同様であり、上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１ 電力変換装置
１１ 流路形成部材
２ 基台
２１ 冷媒流路
２１１ 冷媒流入溝部
２１２ 冷媒流出溝部
２１３ 立設壁部
２３ 取付部
３、３Ｘ 支持部材（弾性変形部材）
３０１ 一方端面
３０２ 他方端面
３１ 流路形成部
３２ 外周壁部
３３ 架渡部
３３１ 冷媒通過口
３３２ 隙間流路部
３４ 仕切部
３５Ａ、３５Ｂ、３５Ｃ 封止部材
３９ 弾性力付与部材
４ 半導体モジュール
４１ 半導体素子
４２ モールド樹脂
５、５Ｘ 放熱プレート
５１ 放熱用突起
５２ 外周壁部
５３ 架渡部
５４ 放熱用フィン
６ バックプレート
６２ ボルト
Ｃ 冷媒

Claims (5)

1. 基台と、
   該基台との間に冷媒流路を形成する流路形成部材と、
   該流路形成部材に積層した半導体モジュールと、
   該半導体モジュールに積層したバックプレートと、
   上記基台と上記流路形成部材との間に配置した、弾性力を有する封止部材とを備え、
   上記流路形成部材は、上記半導体モジュールに当接する放熱プレートと、該放熱プレートと上記基台との間に配置した支持部材とからなり、
   上記基台の外側面には、冷媒が流入する冷媒流入溝部と冷媒が流出する冷媒流出溝部とが形成されており、
   上記放熱プレートは、上記冷媒流入溝部及び上記冷媒流出溝部の全周を囲う外周壁部と、該外周壁部の内周側に架け渡した架渡部と、該架渡部から上記基台の側へ突出する複数の放熱用突起とを有しており、
   上記支持部材は、上記複数の放熱用突起と上記基台との間に挟持させた、弾性力を有する弾性変形部材であり、
   上記放熱プレートの上記放熱用突起を形成した内側面は、該内側面の両端位置が上記基台の外側面に近づくように凹面状に湾曲しており、
   上記バックプレートを上記基台に対して固定することにより、上記封止部材によって上記冷媒流路を封止するとともに、上記封止部材の弾性力を作用させた状態で上記バックプレートと上記基台との間に上記流路形成部材及び上記半導体モジュールを挟圧保持してい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、上記半導体モジュールと上記バックプレートとの間には、これらの間に弾性力を付与する弾性力付与部材が配置してあることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置において、上記封止部材は、上記基台と上記支持部材との間に配置した第１の封止部材であり、
   上記放熱プレートと上記支持部材との間には、弾性力を有する第２の封止部材が配置してあることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記弾性変形部材の端面と上記外周壁部の内面との間には、冷媒が通過する冷媒通過口が形成されており、上記複数の放熱用突起同士の間には、冷媒が通過する隙間流路部が形成されており、
   上記冷媒流路は、上記冷媒流入溝部に流入する冷媒を、上記冷媒通過口及び上記隙間流路部を通過させ、さらに上記冷媒流出溝部へ通過させるよう構成してあ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、上記外周壁部の内面には、複数の放熱用フィンが形成してあることを特徴とする電力変換装置。

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