JP5573398B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、リアクトルを備えた電力変換装置に関する。

従来から、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いられるインバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置が知られている。
このような電力変換装置としては、例えば、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール、その半導体モジュールを冷却する冷却管、さらに入力電圧を昇圧するための昇圧回路の一部を構成するリアクトル等を備えたものがある。

リアクトルは、導体線を巻回してなるコイルと、そのコイルへの通電により発生した磁束の磁路を構成するコアとを有する。リアクトルは、コイルへの通電によって発熱するが、コイルに発生した熱は、コイルからコアを介してコイル及びコアを収容するケースに伝達され、ケースから外部に放出される。これにより、リアクトルの温度上昇を抑制している（特許文献１参照）。

特開２００８−１８２１５２号公報

しかしながら、従来のリアクトルの構造では、コイルに発生した熱をコアを介してケースに伝達させ、放熱を行っている。すなわち、放熱の前提として、コイルからコアへ、コアからケースへ熱を伝達させることが必要となっていた。そのため、放熱効率が悪く、リアクトルの温度上昇を十分に抑制することができなかった。また、放熱性を確保するために熱の伝達経路を考慮して設計しなければならないという問題も生じていた。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、リアクトルを効果的に冷却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、電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュールと、該複数の半導体モジュールを両主面から冷却する複数の冷却管とを積層してなる半導体積層ユニットと、
導体線を巻回してなる巻回部と該巻回部から上記導体線を取り出してなる一対の取出部とからなるコイルと、該コイルへの通電により発生した磁束の磁路を構成するコアとを有するリアクトルとを備え、
上記半導体積層ユニットにおける積層方向の一方の端部である第１端部には、冷却媒体を導入する冷媒導入管と、冷却媒体を排出する冷媒排出管とが、互いに同一方向に設けられ、
上記リアクトルは、上記半導体積層ユニットにおける上記第１端部と反対側の端部である第２端部に配置されており、
上記冷却管内には、冷却媒体が流れるよう構成されており、
上記コイルは、上記一対の取出部の少なくともいずれか一方が、上記半導体積層ユニットにおける上記第２端部に配置された上記冷却管とそれに隣接する冷却管との間に挟持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１）。

本発明の電力変換装置は、上記コイルの上記一対の取出部の少なくともいずれか一方を上記半導体積層ユニットの上記冷却管同士の間に挟持している。そのため、通電によって発熱した上記コイルを、該コイルの上記取出部に接触している上記冷却管によって冷却することができる。すなわち、上記リアクトルの発熱源である上記コイル自体を直接冷却することができる。これにより、上記リアクトルを効果的に冷却することができ、上記コイルの発熱による上記リアクトルの温度上昇を十分に抑制することができる。

また、本発明では、上記半導体モジュールを冷却するための上記冷却管を上記コイルの冷却に利用している。そのため、上記電力変換装置内において、上記コイルを冷却するために他の部材等を追加したり構成を大きく変更したりすることなく、上記コイルの上記取出部を上記冷却管同士の間に挟持させるという簡易な構成で、上記リアクトルの効果的な冷却を実現することができる。

このように、本発明によれば、リアクトルを効果的に冷却することができる電力変換装置を提供することができる。

実施例における、電力変換装置の構造を示す上面説明図。 図１におけるＡ−Ａ線矢視断面説明図。 図１におけるＢ−Ｂ線矢視断面説明図。 実施例における、別例としての電力変換装置の積層方向の断面説明図。

本発明において、上記電力変換装置としては、例えば、インバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。
また、上記半導体積層ユニットを構成する上記半導体モジュールと上記冷却管とは、直接密着していてもよいし、熱伝導性を有する絶縁材等を介して密着していてもよい。

また、上記リアクトルの上記コイルは、上記一対の取出部の両方が上記半導体積層ユニットの上記冷却管同士の間に挟持されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記コイルを上記冷却管によって十分かつ確実に冷却することができる。これにより、上記リアクトルをより一層効果的に冷却することができる。

また、上記リアクトルの上記コアは、絶縁樹脂に磁性粉末を混合して分散させた磁性粉末混合樹脂からなり、上記コイルの上記巻回部を内部に埋設してなる構成とすることができる（請求項３）。
この場合には、上記コイルの上記巻回部が上記コアの内部に埋設されているため、上記コイルに発生した熱が内部に篭もりやすい構造となる。そのため、上記コイルの上記巻回部から取り出した上記取出部を上記冷却管によって冷却する本発明の構成を採用することにより、上記コイル自体を直接冷却して上記リアクトルを効果的に冷却するという本発明の効果を有効に発揮することができる。

なお、上記リアクトルとしては、上記のごとく、上記コイルを磁性粉末混合樹脂からなる上記コアの内部に埋設したタイプ（上記コイルを磁性粉末混合樹脂からなる上記コアで覆うタイプ）のもの以外にも、例えば、鉄心等の上記コアの周りに上記導体線を巻き付けて上記コイルを形成したタイプのもの等を用いることもできる。

また、上記リアクトルは、上記コイル及び上記コアをケース内に収容してなると共に、該ケースを上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部に配置された上記冷却管に接触させていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記冷却管によって上記コイルだけでなく、上記ケースも併せて冷却することができる。これにより、上記リアクトル全体の冷却を効果的に行うことができる。また、上記コイルから伝達された熱を上記ケースから放出するという放熱効果も得られる。

また、上記コイルの上記導体線は、熱交換媒体を内部に封入してなるヒートパイプにより構成されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には、ヒートパイプの原理を利用することにより、通電により上記コイル（特に上記巻回部）に発生した熱を上記取出部を介して上記冷却管に移動させ、上記コイルの冷却を促進させることができる。
なお、上記コイルの上記導体線を構成するヒートパイプとしては、例えば、銅等により構成されたパイプの内部に水等の熱交換媒体（作動液）を封入したものを用いることができる。

ここで、上記ヒートパイプの原理を簡単に説明する。例えば、ヒートパイプの一部が加熱されると、加熱部で作動液が蒸発し（蒸発潜熱の吸収）、蒸気が低温部に移動する。そして、蒸気が低温部で凝縮し（蒸発潜熱の放出）、凝縮した作動液が加熱部に戻る。この繰り返しによって熱を移動させ、放熱、均熱化を図ることができる。
本発明で言えば、ヒートパイプにおける加熱部が上記コイルの上記巻回部に当たり、低温部が上記コイルの上記取出部における上記冷却管に挟持された部分に当たる。

本発明の実施例にかかる電力変換装置について、図を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１〜図３に示すごとく電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュール２と、複数の半導体モジュール２を両主面から冷却する複数の冷却管３１とを積層してなる半導体積層ユニット４と、導体線５１０を巻回してなる巻回部５１１と巻回部５１１から導体線５１０を取り出してなる一対の取出部５１２（５１２ａ、５１２ｂ）とからなるコイル５１と、コイル５１への通電により発生した磁束の磁路を構成するコア５２とを有するリアクトル５とを備えている。
コイル５１は、一対の取出部５１２（５１２ａ、５１２ｂ）が半導体積層ユニット４の冷却管３１（３１ｂ、３１ｃ）同士の間に挟持されている。
以下、これを詳説する。

図１に示すごとく、電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である電気モータに通電する駆動電力を生成するためのインバータ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等に適用されるものである。
半導体積層ユニット４は、半導体モジュール２とその半導体モジュール２を冷却する冷却管３１とを交互に積層してなる。

同図に示すごとく、半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子やＦＷＤ等のダイオードを内蔵しており、隣り合う冷却管３１同士の間に配置されている。
複数の冷却管３１は、その長手方向Ｘの両端部３１１、３１２において、隣り合う冷却管３１同士が変形可能な連結管３２によって連結され、一つの冷却器３を構成している。冷却器３は、アルミニウム又はその合金からなる。

同図に示すごとく、半導体ユニット４の積層方向Ｙの一方の端部（第１端部）４０１に配置された冷却管３１ａには、外部から冷却媒体を導入するための冷媒導入管３３と、外部に冷却媒体を排出するための冷媒排出管３４とが接続されている。
そして、冷却器３は、冷却管３１内を流れる冷却媒体が発熱した半導体モジュール２の両主面において熱交換を行うことにより、半導体モジュール２を冷却することができるよう構成されている。

図１、図２に示すごとく、リアクトル５は、コイル５１と、コイル５１への通電により発生した磁束の磁路を構成するコア５２と、コイル５１及びコア５２を内側に収容するケース５３とを有する。
コイル５１は、導体線５１０としての平板状の銅線を螺旋状に巻回してなる円筒状の巻回部５１１と、巻回部５１１から導体線５１０を取り出してなる一対の取出部５１２ａ、５１２ｂとを有する。巻回部５１１は、コア５２の内部に埋設されている。一対の取出部５１２ａ、５１２ｂは、コア５２の内部から外側へ飛び出すように形成されている。

同図に示すごとく、コア５２は、絶縁樹脂としてのエポキシ樹脂に磁性粉末としての鉄粉を混合して分散させた磁性粉末混合樹脂からなる。コア５２は、コイル５１の巻回部５１１を覆うように、またケース５３内を充填するように配設されている。
ケース５３は、底面部５３１と、底面部５３１の端縁から立設された筒状の側面部５３２とを有する。ケース５３の内側には、コイル５１及びコア５２が収容されている。また、ケース５３は、半導体積層ユニット４の積層方向Ｙの他方の端部（第２端部）４０２に配置された冷却管３１ｂに接触している。

図１〜図３に示すごとく、コイル５１の一対の取出部５１２ａ、５１２ｂは、半導体積層ユニット４の冷却管３１（３１ｂ、３１ｃ）同士の間に挟持されている。
具体的には、コイル５１の一対の取出部５１２ａ、５１２ｂは、コア５２の内部からケース５３の開口部５３０を通って高さ方向Ｚにおける第１高さ方向Ｚ１に飛び出し、そこから折り曲げられて半導体積層ユニット４側へ積層方向Ｙに延び、さらに折り曲げられて半導体積層ユニット４を貫通するように高さ方向Ｚにおける第２高さ方向Ｚ２に延び、電子部品等（図示略）に接続されている。

そして、同図に示すごとく、半導体積層ユニット４の積層方向Ｙの第２端部４０２に配置された冷却管３１ｂとそれに隣接する冷却管３１ｃとの間には、コイル５１の一対の取出部５１２ａ、５１２ｂが積層方向Ｙにおいて挟持されている。
なお、本例では、冷却管３１ｂと冷却管３１ｃとの間には、半導体モジュール２が配置されていないが、コイル５１の一対の取出部５１２ａ、５１２ｂに加えてさらに半導体モジュール２が配置されていてもよい。

次に、本例の電力変換装置１における作用効果について説明する。
本例の電力変換装置１は、コイル２の一対の取出部５１２ａ、５１２ｂを半導体積層ユニット４の冷却管３１（３１ｂ、３１ｃ）同士の間に挟持している。そのため、通電によって発熱したコイル５１を、コイル５１の一対の取出部５１２ａ、５１２ｂに接触している冷却管３１によって冷却することができる。すなわち、リアクトル５の発熱源であるコイル５１自体を直接冷却することができる。これにより、リアクトル５を効果的に冷却することができ、コイル５１の発熱によるリアクトル５の温度上昇を十分に抑制することができる。

また、本例では、半導体モジュール２を冷却するための冷却管３１をコイル５１の冷却に利用している。そのため、電力変換装置１内において、コイル５１を冷却するために他の部材等を追加したり構成を大きく変更したりすることなく、コイル５１の一対の取出部５１２ａ、５１２ｂを冷却管３１（３１ｂ、３１ｃ）同士の間に挟持させるという簡易な構成で、リアクトル１の効果的な冷却を実現することができる。

また、本例では、リアクトル５のコア５２は、絶縁樹脂に磁性粉末を混合して分散させた磁性粉末混合樹脂からなり、コイル５１の巻回部５１１を内部に埋設してなる。すなわち、コイル５１の巻回部５１１がコア５２の内部に埋設されているため、コイル５１に発生した熱が内部に篭もりやすい構造となる。よって、コイル５１の巻回部５１１から取り出した取出部５１２ａ、５１２ｂを冷却管３１によって冷却する本例の構成を採用することにより、コイル５１自体を直接冷却してリアクトル５を効果的に冷却するという本例の効果を有効に発揮することができる。

また、リアクトル５は、コイル５１及びコア５２をケース５３内に収容してなると共に、ケース５３を半導体積層ユニット４の積層方向Ｙの第２端部４０２に配置された冷却管３１ｂに接触させている。そのため、冷却管３１によってコイル２だけでなく、ケース５３も併せて冷却することができる。これにより、リアクトル１全体の冷却を効果的に行うことができる。また、コイル５１から伝達された熱をケース５３から放出するという放熱効果も得られる。

このように、本例によれば、リアクトル５を効果的に冷却することができる電力変換装置１を提供することができる。

なお、本例では、図２に示すごとく、コイル５１の一対の取出部５１２ａ、５１２ｂは、半導体積層ユニット４を貫通するように第２高さ方向Ｚ２側へ延びて電子部品等（図示略）に接続されているが、例えば、電子部品等が第１高さ方向Ｚ１側にある場合には、図４に示すごとく、コイル５１の一対の取出部５１２ａ、５１２ｂをコア５２の内部からケース５３の底面部５３１を貫通させて第２高さ方向Ｚ２に飛び出させ、そこから折り曲げて半導体積層ユニット４側へ積層方向Ｙに延ばし、さらに折り曲げて半導体積層ユニット４を貫通するように第１高さ方向Ｚ１に延ばして電子部品等に接続することができる。
また、図２に示されている部品（半導体積層ユニット４、リアクトル５等）全体を高さ方向Ｚにおいて裏返し、一対の取出部５１２ａ、５１２ｂを第１高さ方向Ｚ１側へ延ばして電子部品等に接続することもできる。

また、コイル５１の導体線５１０としては、一般的に使用される銅線を用いたが、例えば、銅等からなるパイプの内部に水等の熱交換媒体（作動液）を封入してなるヒートパイプを用いて構成することもできる。この場合には、ヒートパイプの原理を利用することにより、通電によりコイル５１（特に巻回部５１１）に発生した熱を取出部５１２ａ、５１２ｂを介して冷却管３１に移動させ、コイル５１の冷却を促進させることができる。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
３１ 冷却管
４ 半導体積層ユニット
５ リアクトル
５１ コイル
５１０ 導体線
５１１ 巻回部
５１２ 取出部
５２ コア

Claims (5)

1. 電力変換回路の一部を構成する複数の半導体モジュールと、該複数の半導体モジュールを両主面から冷却する複数の冷却管とを積層してなる半導体積層ユニットと、
   導体線を巻回してなる巻回部と該巻回部から上記導体線を取り出してなる一対の取出部とからなるコイルと、該コイルへの通電により発生した磁束の磁路を構成するコアとを有するリアクトルとを備え、
   上記半導体積層ユニットにおける積層方向の一方の端部である第１端部には、冷却媒体を導入する冷媒導入管と、冷却媒体を排出する冷媒排出管とが、互いに同一方向に設けられ、
   上記リアクトルは、上記半導体積層ユニットにおける上記第１端部と反対側の端部である第２端部に配置されており、
   上記冷却管内には、冷却媒体が流れるよう構成されており、
   上記コイルは、上記一対の取出部の少なくともいずれか一方が、上記半導体積層ユニットにおける上記第２端部に配置された上記冷却管とそれに隣接する冷却管との間に挟持され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、上記リアクトルの上記コイルは、上記一対の取出部の両方が上記半導体積層ユニットの上記冷却管同士の間に挟持され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に記載の電力変換装置において、上記リアクトルの上記コアは、絶縁樹脂に磁性粉末を混合して分散させた磁性粉末混合樹脂からなり、上記コイルの上記巻回部を内部に埋設してな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１項に記載の電力変換装置において、上記リアクトルは、上記コイル及び上記コアをケース内に収容してなると共に、該ケースを上記半導体積層ユニットの積層方向の一方の端部に配置された上記冷却管に接触させていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、上記コイルの上記導体線は、熱交換媒体を内部に封入してなるヒートパイプにより構成されていることを特徴とする電力変換装置。

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