JP5521091B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明による電力変換装置が備えられるハイブリッド型の電気自動車の一実施例を示す構成図である。なお本発明による電力変換装置200は純粋な電気自動車にもハイブリッド型の電気自動車にも適用できるが、以下代表してハイブリッド型の電気自動車の実施例を説明する。
図2,図3および図4は、前述した電力変換装置200の分解斜視図であり、該電力変換装置200の全体的な構成を概略的に示している。図2と図3と図4は前記電力変換装置200をそれぞれ異なる方向から見た分解斜視図である。
次に、前記図2乃至図7に示した電力変換装置200の詳細な構成を説明する。
図5のI−I線における断面を図8に示す。ハウジング210は、金属材料、例えばアルミで作られており、略方形状の箱体である。ハウジング210の底部に冷却水路を備えた水路形成体220を有していて、上部は開口している。ハウジング210の底部の冷却水路は出入り口の反対部分で折り返されることにより、2つの冷却水路が併設され、これら冷却水路を冷却水が循環するように構成されている。前記折り返される冷却水路は該冷却水が流れる空間部を中央に挟んだ二重構造からなる水路形成体220を備えている。前記水路形成体220の上側板に、図示の如く、水路に沿って開口218と開口219が形成されている。
図9は、前記ハウジング210の内部にパワーモジュール500とスイッチ駆動回路基板600を配置させた状態を示す平面図である。
図10は、複数の平滑コンデンサを備えたコンデンサモジュール300を前記ハウジング210の内部に配置した状態を示す平面図である。前記コンデンサモジュール300は第1のコンデンサモジュール302と第2のコンデンサモジュール304を有していて、第1のコンデンサモジュール302と第2のコンデンサモジュール304はたとえば樹脂材料で作られた直方体状のケースにそれぞれたとえば5あるいは6個のフィルムコンデンサ(コンデンサセル)が収納されて作られている。
図11は、前記ハウジング210の内部に保持板320を配置させた状態を示す平面図で、該保持板320に搭載された回転電機制御回路基板700を示している。保持板320は回転電機制御回路基板700を備えた制御基板ブラケットとして構成され、前記ハウジング210の内部において、前記コンデンサモジュール300の上側に位置した状態で前記ハウジング210に固定されている。
図11は、前記ハウジング210内の保持板320上に搭載させた回転電機制御回路基板700を示した平面図である。この回転電機制御回路基板700は、小信号用の電子部品がコネクタCNとともに搭載されている。このコネクタCNは、ハーネスHNを介してたとえば前記スイッチ駆動回路基板602と604に搭載されたコネクタCNに接続されている。この回転電機制御回路基板700は、その周辺の四隅の各領域において、また、該周辺を除く中央部の領域であって、各部品が搭載された領域およびこれら部品を接続する配線層が形成された領域を回避させた領域において、ねじ孔が形成され、これらねじ孔を通して前記保持板320に螺入されるねじSC6によって、該保持板320に固定されるようになっている。前記回転電機制御回路基板700は、たとえばその周縁部のみでフレームに固定される構造の場合と比較して、振動等で中央が撓んでしまうという弊害を回避することができる。上述したように、この回転電機制御回路基板700は、ハウジング210に当接されて配置されている保持板320に載置された構成となっているため、該回転電機制御回路基板700から発生した熱は保持板320を通してハウジング210に伝導され易く放熱効果に優れた構成となっている。
カバー290は、前記ハウジング210の内部に、前記第1のパワーモジュール502,第2のパワーモジュール504,スイッチ駆動回路基板602,604,第1のコンデンサモジュール302と第2のコンデンサモジュール304,保持板320,回転電機制御回路基板700を順次収納させた後に、該ハウジング210の開口を閉塞させる蓋材からなっている。
上述のごとく、電力変換装置200の一方の面の側、底部には冷却水路が形成されている。図12は、ハウジング210の底から上を見た構造図であり、底部の水路形成体220の一部である水路保持部材902を示す。前記水路保持部材902は他の水路形成体220である底板934を取り付けるための外周部904を有し、外周部904にはねじ止め用の孔SC9が多数設けられている。一部だけ符号を付し、他は符号を省略する。外周部904の内側に水漏れを防ぐためのシール溝906が設けられ、前記シール溝906の内側の前記水路保持部材902には、両サイドに外側領域部912が設けられ、さらに前図で冷却水路216として説明した第1と第2の水路922と926と中央部908とが設けられている。前記シール溝にオーリングまたはゴムなどのシール部材を嵌め、ねじ孔SC9をねじで締め付けることでシール機能を持つ。水路922(先に216として説明)の入口部916に冷却水が供給され、第1の水路922を矢印の方向に冷却水が流れ、折り返し通路924で冷却水の流れがU字状に変わり、第2の水路926を矢印の方向に流れ、水路926の出口部918から排出される。第1と第2の水路922と926には孔である開口218と219とが設けられている。以下に説明する図13に記載の底板934を取り付けることで水路922と926が形成されると共に、開口218と219が水路に前記水路の開口構造となる。
図17にパワーモジュール502あるいは504をフィン側から見た状態を示し、パワーモジュール502あるいは504の樹脂ケース946を外した状態を図16に示す。また図18に図16のIV−IV断面を示す。実際の断面図では、半導体部分の断面が3個表示されるが、説明を分かり易くするために、半導体チップ3個の内2個についてはこれを省略し、半導体チップの1個のみを実際より拡大して記載した。金属ベース944の放熱面には図17に示す如く3組の放熱フィン506Aと506Bと506Cとが設けられている。前記放熱フィンの外周の放熱面には水路の冷却水の漏れを防止するシール部材86としてオーリングまたはガスケットが設けられている。前記金属ベース板の放熱面を水路の開口部にねじなどで強く押し付けることで、前記金属ベース944で水路922(216)や926(216)の開口を塞ぎ、前記シール部材986により、水路内の冷却水の水漏れが防止できる構造となっている。
図18で前記条件を満足する、銅を主成分とする合金のベース板に、金属製の放熱フィン506を摂氏600度から700度でロー付けされる。場合によっては800度乃至900度になる可能性がある。金属ベースが柔らかいとこのロー付け作業で平面度が悪くなり、その後の絶縁基板956の接着が困難になる。不純物の含有割合を適度に選定することで、ロー付け作業後の特性が硬度に関しHV50以上で、またロー付け作業後の熱伝導率が200W/mK以上の特性を確保できる。図16に示すようにこの作業で3個の放熱フィン506A〜506Cがロー付けされる。
図22は本実施例の電力変換装置200の回路図であり、電力変換装置200には、インバータ装置を構成する第1のパワーモジュール502とインバータ装置を構成する第2のパワーモジュール504とコンデンサモジュール300とインバータ装置の第1の駆動回路基板602に実装された駆動回路92とインバータ装置の第2の駆動回路基板604に実装された駆動回路94と回転電機制御回路基板700に実装された制御回路93とコネクタ基板72に実装されたコネクタ73及びコンデンサモジュール300の放電回路(図示省略)を駆動する駆動回路91と電流センサ95や96が設けられている。
第1のパワーモジュール502と第2のパワーモジュール504とは図22に示す如く、回路構成が同じであり、第2のパワーモジュール504で代表して説明する。本実施例では、スイッチング用パワー半導体素子としてIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)21を用いている。IGBT21は、コレクタ電極,エミッタ電極及びゲート電極の3つの電極を備えている。IGBT21のコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード38が電気的に接続されている。ダイオード38は、カソード電極及びアノード電極の2つの電極を備えており、IGBT21のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がIGBT21のコレクタ電極に、アノード電極がIGBT21のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。前記IGBT21のチップは図16と図18と図19の半導体チップ952に対応し、ダイオード38は前記図のダイオードチップ954に対応する。先に説明したとおり、スイッチング用パワー半導体素子としてはMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いてもよい。MOSFETは、ドレイン電極,ソース電極及びゲート電極の3つの電極を備えている。尚、MOSFETは、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、IGBTのように、別途、ダイオードを設ける必要がない。
Claims (12)
- 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子を有するパワーモジュールと、
前記直流電流を平滑化するコンデンサ素子を有するコンデンサモジュールと、
前記パワーモジュールと前記コンデンサモジュールを電気的に接続する導体と、
冷媒を流す流路を形成する水路形成体と、を備え、
前記パワーモジュールは、前記水路形成体の第1面に配置され、
前記コンデンサモジュールは、前記第1面とは前記流路を挟んで反対側の前記水路形成体の第2面に配置され、
前記導体は、前記コンデンサ素子との接続部から、前記コンデンサ素子と前記水路形成体の前記第2面との間の空間を介して、前記パワーモジュールまで延ばされる電力変換装置。 - 請求項1に記載された電力変換装置であって、
前記導体は、正極導体と負極導体との間に絶縁シートを挟んだ積層構造である電力変換装置。 - 請求項1又は2に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記パワーモジュールは、一方の面に前記パワー半導体素子を配置するとともに他方の面に放熱フィンを有するベース板を有し、
前記水路形成体は、当該水路形成体の前記第1面に前記流路と繋がる開口を有し、
前記ベース板は、前記水路形成体の前記開口を塞ぎ、
前記放熱フィンは、前記流路内に向かって突出する電力変換装置。 - 請求項1ないし3に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記導体は、前記積層構造で前記水路形成体の側部を通る電力変換装置。 - 請求項3又は4に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記パワーモジュールは、直流端子と、前記一方の面に配置されるとともに前記パワー半導体素子を囲むケースとを有し、
前記ケースは、前記ベース板と接触する底面部と、当該底面部と対向する上面部と、前記パワー半導体素子を収納する空間を形成する内周壁部と、当該内周壁部と対向する外周壁部とにより構成され、
前記直流端子は、前記外周壁部に配置される電力変換装置。 - 請求項5に記載された電力変換装置であって、
前記パワーモジュールは、U相を構成するパワー半導体素子と、V相を構成するパワー半導体素子と、W相を構成するパワー半導体素子とを有し、
前記直流端子は、U相直流端子と、V相直流端子と、W相直流端子とにより構成される電力変換装置。 - 請求項5に記載された電力変換装置であって、
前記導体は、前記パワーモジュール側の先端部において互いに反対方向に屈曲するとともに当該屈曲した先に前記直流端子との接続面を有する電力変換装置。 - 請求項1ないし4に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記パワーモジュールは、直流端子と、当該直流端子を固定する樹脂ケースとを有し、
前記直流端子は、正極端子と、負極端子とを有し、
前記正極端子は、前記樹脂ケース内において、前記負極端子と対向する部分を有する電力変換装置。 - 請求項8に記載された電力変換装置であって、
前記樹脂ケースは、前記正極端子と前記負極端子の間の空間に配置された絶縁物と同じ樹脂材料により構成される電力変換装置。 - 請求項8に記載された電力変換装置であって、
前記パワーモジュールは、前記正極端子と前記負極端子の間の空間に配置された絶縁シートを有し、
前記絶縁シートは、前記樹脂ケースと別の材料により構成される電力変換装置。 - 請求項1ないし4に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記パワーモジュールは、直流端子を有し、
前記直流端子は、複数の正極端子と、複数の負極端子とを有し、
前記複数の正極端子及び前記複数の負極端子は、前記パワーモジュールの一方側に揃えて配置される電力変換装置。 - 請求項1ないし11に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記コンデンサモジュールは、前記コンデンサ素子を収納するコンデンサケースを有し、
前記コンデンサケースは、熱伝導性の部材により構成され、
さらに前記コンデンサケースは、前記水路形成体の前記第2面に熱的に接続される電力変換装置。
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