JP5494421B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
そして、これらの半導体モジュール921等の電子部品、冷却器93、制御回路基板96は、ケース94に固定され、ケース94内に密封されている。
仮に、単に下蓋941を廃止して、ケース94を、底部のあるケース本体と上蓋とによって構成し、シール面を一つにしようとすると、構成部品をケース本体に組み付けることは非常に困難である。すなわち、冷却器93をはさんで制御回路基板96の反対側の部品であるコンデンサやバスバーを半導体モジュール921に組み付け・溶接することは現実的にむずかしい。仮に実現できたとしても、その場合はケース本体を深くしなければならず、ケース94の剛性がさらに低下することにもなる。
上記電子部品の少なくとも一部と上記冷却器とは、これらが固定されるフレームと共に一体化されて一つの内部ユニットを構成し、
該内部ユニットを構成する上記電子部品と上記冷却器とは、上記フレームを介して上記ケース内に固定され、
上記フレームは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品の少なくとも一部を四方から囲むように形成され、
上記内部ユニットは、被制御電力を入出力する入出力端子を一端に設けたバスバーを有し、上記フレームは、上記バスバーを固定するバスバー固定部を複数有することを特徴とする電力変換装置にある(請求項1)。
また、本発明の第2の態様は、電力変換回路を構成する複数の電子部品と、少なくとも一部の上記電子部品を冷却する冷却器とを、ケース内に収容してなる電力変換装置であって、
上記電子部品の少なくとも一部と上記冷却器とは、これらが固定されるフレームと共に一体化されて一つの内部ユニットを構成し、
該内部ユニットは、上記フレームにおいて上記ケース内に固定され、
上記フレームは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品の少なくとも一部を四方から囲むように形成され、
上記内部ユニットは、被制御電力を入出力する入出力端子を一端に設けたバスバーを有し、上記フレームは、上記バスバーを固定するバスバー固定部を複数有し、
上記フレームは、被制御電力を入出力する上記入出力端子を載置して、該入出力端子を外部機器の端子と接続するための端子台を備え、複数の上記バスバー固定部のうちの少なくとも2個は、上記フレームの中央よりも上記端子台に近い位置に配置されていることを特徴とする電力変換装置にある(請求項3)。
そして、これによって、ケース自体の肉厚を特に大きくしたり、補強リブを形成したりしなくても、充分な剛性を得ることができるため、ケースの材料コストや製造コストを低減することができると共に、その重量を低減することが可能となる。
また、メンテナンス時においても、内部ユニットごとケースから取り出して、ケースの外でメンテナンスを行うことができるため、その作業性を向上させることができる。
これにより、バスバーをフレームに固定できるため、ケースを通じて外力がバスバーに加わることを抑制することができる。また、バスバー固定部を複数有するため、バスバーを安定して固定することができる。また、バスバーの組付作業性も向上する。
したがって、上記ケースの外で上記端子台をフレームに組み付けることができるため、上記端子台の組み付けを容易に行うことができる。
また、フレームの中央よりも端子台に近い位置に、少なくとも2個のバスバー固定部が配置されているため、上記バスバーを上記フレームに安定して固定することができると共に、上記端子台に上記入出力端子を安定して配置することができる。その結果、入出力端子と外部端子との安定した接続状態を確保することができる。
この場合には、3個以上のバスバー固定部を有するため、バスバーをフレームに、より安定して固定することができる。また、フレームの中央よりも端子台に近い位置に、より多くのバスバー固定部を設けたため、入出力端子の位置精度を高めることができる。これにより、入出力端子と、外部機器の端子とを接続する作業を容易に行うことが可能になる。
この場合には、フレームの中央よりも端子台に近い位置に上記位置決め部を形成したため、入出力端子の位置精度を高めることができる。これにより、入出力端子と、外部機器の端子とを接続する作業を容易に行うことが可能になる。
従来の電力変換装置は、図30に示すごとく、バスバーの入出力端子99と、外部機器の端子990との間に、他の導電部材95を介在させていた。導電部材95を介在させないと、入出力端子99を長めに形成しなくてはならず、入出力端子99の位置精度が低下し、端子990と入出力端子99とを接続しにくくなるためである。しかしながら、このようにすると、部品点数が増加したり、入出力端子99と導電部材95とをボルト951で締結する工程が必要になったりするため、電力変換装置の製造コストが上昇しやすくなる。
上述したように、本発明では、フレームが複数のバスバー固定部を有するため、入出力端子を長く形成しても、入出力端子の位置精度を高めることができる。そのため、バスバーの入出力端子と外部機器の端子とを容易に接続することが可能になる。また、入出力端子を長くし、入出力端子と外部機器の端子とを直接、接続すれば、部品点数を減らすことができ、電力変換装置の製造コストを低減することが可能になる。
この場合には、耐振動性、耐熱性、組立性に優れた電力変換装置を得ることができる。すなわち、バスバーアッセンブリは、コンデンサとフレームとの間に介在しているため、仮に図31に示すごとく、バスバー固定部970の先端971が、コンデンサ固定部960の先端961よりもフレーム980から遠い位置に存在していると、コンデンサ922にボス923等を設けない限り、コンデンサ922とバスバーとを共にフレーム980に組み付けることが、配線等の観点から困難となる。また、コンデンサ922の筐体は樹脂で形成されているため、ボス923を形成すると、ボス923も樹脂製となる。樹脂製のボス923は、振動や熱ストレスに弱いという問題がある。
しかしながら、バスバー固定部の先端を、コンデンサ固定部の先端よりもフレームに近い位置に設ければ、ボス923を形成する必要が無くなり、コンデンサ固定部にコンデンサを接続することが可能になる。コンデンサ固定部は、フレームと共に金属で形成できるため、振動や熱に対してより強くすることができる。
この場合には、上記半導体モジュールを効率的に冷却することができると共に、積層体の小型化を実現することができる。
しかし、ユニット固定部を上記制御回路基板の外縁よりも外側に配置しておくことにより、このような不具合を招くおそれがない。
この場合には、上記コンデンサへ加わる外力を低減することができる。また、コンデンサから上記ケースへ伝わる振動を抑制することができ、ケースを介してコンデンサの振動が外部へ伝わることを抑制することができる。これにより、例えば、電力変換装置を搭載した車両において、コンデンサの振動に起因する不快音が車内に伝達することを抑制することができる。
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図1〜図21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、電力変換回路を構成する複数の電子部品(半導体モジュール21、コンデンサ22等)と、少なくとも一部の電子部品(本例においては半導体モジュール21)を冷却する冷却器3とを、ケース4内に収容してなる。
半導体モジュール21と冷却器3とは、これらが固定されるフレーム5と共に一体化されて一つの内部ユニット10を構成している。
内部ユニット10は、ケース4内に固定されている。
また、ケース4も、例えば、アルミニウム、鉄等の金属又は合金からなる。
なお、図2、図7に示すごとく、支承ピン14を配置する領域付近においては、側方壁部54の内向部542が他の部分よりも内側に突出している。
なお、前後や横などの表現も、同様に便宜的なものであることは言うまでもない。
基板固定部56は、前方壁部52と後方壁部53とのそれぞれから2本ずつ高さ方向Z(上方)へ突出形成されたボスによって構成されている。これらの基板固定部56にはネジ孔が形成されており、4個所の基板固定部56においてビス561によって制御回路基板56をフレーム5に固定してある(図13〜図15)。
コンデンサ固定部57は、前方壁部52と後方壁部53とのそれぞれから2本ずつ、基板固定部56とは反対側の高さ方向Z(下方)へ突出形成されたボスによって構成されている。これらのコンデンサ固定部57にはネジ孔が形成されており、4個所のコンデンサ固定部57においてボルト571によってコンデンサ22をフレーム5に固定してある。
また、図11〜図15に示すごとく、端子台7は、フレーム5から突出形成された支持アーム543に、ボルト544によって固定されている。
入出力端子71は、バスバーの一端に形成され、該バスバーの他端がコンデンサ22や半導体モジュール21に接続されている。
フレーム5は、図3、図14、図15に示すごとく、バスバー70(バスバーアッセンブリ72)を固定するバスバー固定部58を複数有する。そして、バスバー固定部58のうちの2個は、フレーム5の中央よりも端子台7に近い位置に配置されている。
また、図1に示すごとく、ケース4は、上方が開口したケース本体40と、該ケース本体40の開口部を閉塞する蓋体400とからなる。上記ユニット支承部41は、ケース本体40と一体成形されている。
次いで、フレーム5の内側に、図7、図10に示すごとく、複数の半導体モジュール21と複数の冷却管31とを積層してなる積層体11を配置する。なお、この段階より前に、複数の冷却管31は連結管32によって連結されていると共に冷媒導入管331及び冷媒排出管332が接合された冷却器3が既に組み立てられている。積層体11をフレーム5の内側に配置したとき、冷媒導入管331及び冷媒排出管332は、図7に示すごとく、フレーム5に形成した管用凹面522(図2、図6)に載置される。
次いで、加圧部材12の両端部付近を積層方向Xの前方へ、押圧治具によって押し込むことによって、加圧部材12を弾性変形させつつ、積層体11を圧縮する。加圧部材12を所定量変形させた時点で、加圧部材12の両端部とフレーム5の後方壁部53との間に、円柱状の支承ピン14を挿入する。その後、上記押圧治具を後方へ移動させながら加圧部材12から離すことにより、一対の支承ピン14が加圧部材12と後方壁部53との間に挟持された状態となる。この状態は、すなわち、加圧部材12の付勢力によって積層体11が積層方向に所定の圧力によって圧縮された状態でもある。
次いで、バスバー70を樹脂モールドしてなるバスバーアッセンブリ72をフレーム5に取り付けると共に、バスバー70を半導体モジュール21の主電極端子212に溶接する。また、バスバー70における出力端子71U、71V、71Wを端子台7に載置する。バスバーアッセンブリ72は、フレーム5の3箇所のバスバー固定部58において、ボルト581によって固定する。
また、コンデンサ22における一対のコンデンサ端子71P、71Nを端子台7に載置する。
以上により、内部ユニット10が完成する。
すなわち、ケース本体40に形成されたユニット支承部41の上面に、内部ユニット10の外郭を構成するフレーム5のユニット固定部51を載置する。このとき、冷却器3の冷媒導入管331及び冷媒排出管332に取り付けた環状パッキン333を、ケース本体40に形成された凹部44に嵌め込む。
この状態で、ボルト511を、ユニット固定部51に設けた挿通孔に挿通すると共にユニット支承部41に設けたネジ孔にねじ込むことによって、ケース本体40に内部ユニット10を固定する。
以上により、電力変換装置1を完成させる。
上記電力変換装置1においては、電子部品(半導体モジュール21、コンデンサ22等)と冷却器3とをフレーム5に固定し、これらの電子部品と冷却器3とフレーム5とを一体化した一つの内部ユニット10を構成している。そして、該内部ユニット10をケース4内に固定している。そのため、内部ユニット10がケース4の内部において梁の役割を果たし、ケース4の剛性を高めることができる。
そして、これによって、ケース4自体の肉厚を特に大きくしたり、補強リブを形成したりしなくても、充分な剛性を得ることができるため、ケース4の材料コストや製造コストを低減することができると共に、その重量を低減することが可能となる。
また、メンテナンス時においても、内部ユニット10ごとケース4から取り出して、ケース4の外でメンテナンスを行うことができるため、その作業性を向上させることができる。
また、内部ユニット10はケース4内に密封されている。すなわち、フレーム5を含めて内部ユニット10全体をケース4内に密封してあるため、シール面を一箇所とすることができる。
また、フレーム5は、導体からなり、複数の半導体モジュール21を四方から囲むように形成されているため、フレーム5によって、半導体モジュール21から生じる電磁ノイズを遮蔽することができる。ケース4も導体によって構成されているが、フレーム5とケース4とによって、半導体モジュール21の電磁ノイズを二重で遮蔽することができる。また、フレーム5は、半導体モジュール21を四方から囲むように形成されているため、電力変換装置1の四方への電磁ノイズの漏れを抑制することができる。
このようにすると、フレーム5の中央よりも端子台7に近い位置に、より多くのバスバー固定部58を設けたため、入出力端子71の位置精度を高めることができる。すなわち、図21に示すごとく、入出力端子71のボルト挿通孔770をナット713の孔に精確に位置合わせできる。これにより、入出力端子71と、外部機器の端子750とを容易に接続することが可能になる。
このようにすると、フレーム5の中央よりも端子台7に近い位置に位置決め部593が形成されているため、入出力端子71の位置精度を高めることができる。すなわち、図21に示すごとく、入出力端子71のボルト挿入孔770と、ナット713の孔とを精確に位置合わせすることができる。
そのため、入出力端子71に形成したボルト挿通孔770の内径を小さくしても、このボルト挿通孔770をナット713の孔に容易に位置合わせすることができる。したがって、ボルト710の軸711を小さくすることが可能になる。これにより、ボルト12の頭部712が端子750と接触する面積を大きくすることができ、ボルト締結時に端子750に加わる圧力を低減することが可能になる。そのため、端子750が陥没する不具合を防止でき、ボルト710を緩みにくくすることができる。
従来の電力変換装置1は、図30に示すごとく、バスバーの入出力端子99と、外部機器の端子990との間に、他の導電部材95を介在させていた。導電部材95を介在させないと、入出力端子99を長めに形成しなくてはならず、入出力端子99の位置精度が低下し、端子990と入出力端子99とを接続しにくくなるためである。しかしながら、このようにすると、部品点数が増加したり、入出力端子99と導電部材95とをボルト951で締結する工程が必要になったりするため、電力変換装置1の製造コストが上昇しやすくなる。
すなわち、本例の電力変換装置1は図21に示すごとく、入出力端子71と、外部機器の端子750とを、ボルト710及びナット713で締結している。ナット713は、端子台7に形成した凹部760に予め配置されており、このナット713の上に入出力端子71を載置し、さらに端子750を重ね合わせ、ボルト710をボルト挿入孔770に挿入して、これらを締結している。そのため、入出力端子71の位置精度を高めることにより、入出力端子71のボルト挿通孔770をナット713の孔に精確に位置合わせすることが可能になる。これにより、ボルト710による締結作業を容易に行うことができる。
また、バスバーの入出力端子71を、外部機器の端子750に直接、接続できれば、他の導電部材95(図30参照)が不要となる。そのため、部品点数を減らすことができ、電力変換装置1の製造コストを低減することが可能になる。
このようにすると、耐振動性、耐熱性、組立性に優れた電力変換装置1を得ることができる。すなわち、図14に示すごとく、バスバーアッセンブリ72は、コンデンサ22とフレーム5との間に介在している。そのため、仮に図31に示すごとく、バスバー固定部970の先端971が、コンデンサ22固定部960の先端961よりもフレーム980から遠い位置に存在していると、コンデンサ922にボス923等を設けない限り、コンデンサ922とバスバーとを共にフレーム980に組み付けることが、配線等の観点から困難となる。コンデンサ922の筐体は樹脂で形成されているため、ボス923を形成すると、ボス923も樹脂製となる。樹脂製のボス923は、振動や熱ストレスに弱いという問題がある。
しかしながら、図14に示すごとく、バスバー固定部58の先端580を、コンデンサ固定部57の先端570よりもフレーム5に近い位置に設ければ、ボス923を形成する必要が無くなり、コンデンサ固定部570にコンデンサ22を接続することが可能になる。コンデンサ固定部570は、フレーム5と共に金属で形成できるため、振動や熱に対してより強くすることができる。
また、前方壁部52及び後方壁部53は、側方壁部54よりも、壁厚みが大きい。すなわち、図4、図5に示す板厚みt1、t2が、t1>t2である。これにより、加圧部材12の反力を受ける前方壁部52及び後方壁部53の剛性を高めることができると共に、加圧部材12の反力を直接受けない側方壁部54の軽量化を図ることができる。その結果、加圧部材12の反力に対抗するのに必要なフレーム5の剛性を確保しつつ、効果的にフレーム5の軽量化を図ることができる。
また、図5に示すごとく、側方壁部54は、断面略L字状のL型壁部によって構成してあるため、充分な剛性を確保しつつ側方壁部54の軽量化及び材料費の低減を図ることができる。
しかし、ユニット固定部51を制御回路基板6の外縁よりも外側に配置しておくことにより、このような不具合を招くおそれがない。
本例は、図22〜図28に示すごとく、フレーム5に導電ワイヤー15を保持するワイヤー保持部59を設けた電力変換装置1の例である。
上記導電ワイヤー15は、少なくとも一方の端部がケース4内に配されている。本例においては、導電ワイヤー15は、ケース4内において、コンデンサ22と制御回路基板6との間を接続している。そして、この導電ワイヤー15を通じて、コンデンサ22にかかる電圧、すなわち電力変換装置1への入力電圧の信号を制御回路基板6へ送ることができるようにしてある。
導電ワイヤー15は、両端部を除いて樹脂によって被覆された被覆導線からなり、可撓性を有する。そして、導電ワイヤー15は、フレーム5の外側を通過して、制御回路基板6とコンデンサ22とを接続している。
また、ワイヤー保持部59は、導電ワイヤー15における制御回路基板6との接続部151と、略同等の横方向Yの位置に配置されている。
その他は、実施例1と同様である。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
10 内部ユニット
11 積層体
21 半導体モジュール
22 コンデンサ
3 冷却器
31 冷却管
4 ケース
5 フレーム
6 制御回路基板
7 端子台
Claims (8)
- 電力変換回路を構成する複数の電子部品と、少なくとも一部の上記電子部品を冷却する冷却器とを、外郭を構成するケース内に収容してなる電力変換装置であって、
上記電子部品の少なくとも一部と上記冷却器とは、これらが固定されるフレームと共に一体化されて一つの内部ユニットを構成し、
該内部ユニットを構成する上記電子部品と上記冷却器とは、上記フレームを介して上記ケース内に固定され、
上記フレームは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品の少なくとも一部を四方から囲むように形成され、
上記内部ユニットは、被制御電力を入出力する入出力端子を一端に設けたバスバーを有し、上記フレームは、上記バスバーを固定するバスバー固定部を複数有することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1において、上記フレームは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品、及び、上記冷却器の少なくとも一部を四方から囲むように形成されていることを特徴とする電力変換装置。
- 電力変換回路を構成する複数の電子部品と、少なくとも一部の上記電子部品を冷却する冷却器とを、ケース内に収容してなる電力変換装置であって、
上記電子部品の少なくとも一部と上記冷却器とは、これらが固定されるフレームと共に一体化されて一つの内部ユニットを構成し、
該内部ユニットは、上記フレームにおいて上記ケース内に固定され、
上記フレームは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品の少なくとも一部を四方から囲むように形成され、
上記内部ユニットは、被制御電力を入出力する入出力端子を一端に設けたバスバーを有し、上記フレームは、上記バスバーを固定するバスバー固定部を複数有し、
上記フレームは、被制御電力を入出力する上記入出力端子を載置して、該入出力端子を外部機器の端子と接続するための端子台を備え、複数の上記バスバー固定部のうちの少なくとも2個は、上記フレームの中央よりも上記端子台に近い位置に配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項3において、上記バスバーは、3個以上の上記バスバー固定部によって上記フレームに固定されており、上記フレームの中央よりも上記端子台に近い位置に配置された上記バスバー固定部の数は、上記フレームの中央よりも上記端子台から遠い位置に配置された上記バスバー固定部の数よりも多いことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項3または請求項4において、絶縁部材からなり、上記バスバーを保持するバスバー保持部と、上記バスバーとを備えるバスバーアッセンブリが構成されており、上記バスバーアッセンブリは上記バスバー保持部において上記フレームに固定され、上記バスバー保持部に形成された係合部と、上記フレームに形成された被係合部とからなる位置決め部を備え、上記係合部を上記被係合部に係合させることにより、上記バスバーアッセンブリと上記フレームとの位置合わせができるよう構成され、上記位置決め部は、上記フレームの中央よりも上記端子台に近い位置に形成されていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項5において、上記内部ユニットは、複数の上記電子部品に接続する共通バスバーを備え、上記バスバー保持部は、上記共通バスバーを橋渡しするための2つのバスバー支持部と、該バスバー支持部を繋ぐ中間部とを備え、上記バスバー支持部よりも上記中間部の方が、多くの上記バスバー固定部によって上記フレームに固定され、上記中間部において上記バスバーが固定されていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1〜請求項6のいずれか1項において、上記バスバーの入出力端子は、外部機器の端子に対して直接、接続されることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1〜請求項7のいずれか1項において、上記内部ユニットは、上記電子部品としてコンデンサを備え、上記フレームは、該フレームに上記コンデンサを固定するコンデンサ固定部を有し、上記バスバー固定部及び上記コンデンサ固定部は上記フレームから同一方向に突出しており、上記バスバー固定部の先端は、上記コンデンサ固定部の先端よりも上記フレームに近い位置に存在していることを特徴とする電力変換装置。
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