JP5660680B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に、ＤＣＤＣコンバータ装置とインバータ装置とを一体化した電力変換装置に関する。

電気自動車やプラグインハイブリッド車は、動力駆動用の高電圧蓄電池でモータ駆動するためのインバータ装置を搭載している。また、高電圧蓄電池の他に、車両のライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池を搭載している。このような車両においては、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行うＤＣＤＣコンバータ装置を搭載している（例えば、特許文献１参照）。

このような車両においては、車両全体の容積に対する室内の割合をできるだけ大きくし、居住性を良くすることが望まれている。このため、インバータ装置やＤＣＤＣコンバータ装置は、車室外のとりわけエンジンルームの、できるだけ小さなスペースに搭載されることが望まれている。

特許第４３００７１７号公報

ところで、エンジンルーム内の温度環境は従来の使用環境より高く、特に高温域での使用は、インバータ装置やＤＣＤＣコンバータ装置の制御機能低下や構造部品の劣化を早めることが考えられる。このためインバータ装置やＤＣＤＣコンバータ装置の冷却機構としては、一般に水と混合物で構成する冷媒により装置を冷却しており、この冷却方法含む冷却機構として冷却効率が高く、省スペース性を良くすることが重要な技術要素となっている。

しかしながら、インバータ装置およびＤＣＤＣコンバータ装置に搭載している電子部品の発熱量が大きく冷却用の部品追加やファンを設けるなど複雑な冷却方法を必要とし、また車載スペースが増大するという問題があった。

本発明の目的は、冷却効率を向上できる電力変換装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、ＤＣＤＣコンバータ装置とインバータ装置が一体に固定された電力変換装置であって、前記ＤＣＤＣコンバータ装置と前記インバータ装置の間に形成された冷媒流路と、前記ＤＣＤＣコンバータ装置は、金属性の回路基板と、該回路基板に半田固定部により半田付けされるバスバーとを備え、該バスバーの前記半田固定部は、２箇所の回路的に必要な接続となる半田固定部に加えて、電気的に非接続な半田固定部を備え、電気的に非接続な前記半田固定部は、前記冷媒流路の範囲の近傍に配置されているものである。
かかる構成により、電力変換装置における冷却効率を向上できるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記バスバーの固定部の重心が、バスバー半田固定部３点を結んだ３角形内に配置されているものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記金属回路基板と、それを固定するＤＣＤＣコンバータ装置の前記ケースの間に配置された、熱伝導性グリースまたは放熱シートを備えるようにしたものである。

本発明によれば、電力変換装置における冷却効率を向上できる。

本発明の一実施形態による電力変換装置の全体構成を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置に用いるインバータ装置の構成を示す部分断面の斜視図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置に用いるＤＣＤＣコンバータ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置に用いるＤＣＤＣコンバータ装置の内部構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリに用いるバスバーの構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリに用いるバスバーの構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリに用いるバスバーの重心位置を示す平面図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリに用いるバスバーの冷却構造の説明図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリに用いるバスバーの冷却構造の説明図である。 本発明の一実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリの構成を示す平面図である。

以下、図１〜図１０を用いて、本発明の一実施形態による電力変換装置の構成について説明する。
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による電力変換装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電力変換装置の全体構成を示す分解斜視図である。図２は、本発明の一実施形態による電力変換装置に用いるインバータ装置の構成を示す部分断面の斜視図である。

図１に示すように、電力変換装置１は、ＤＣＤＣコンバータ装置１００とインバータ装置２００とを一体化したものである。図１では、ＤＣＤＣコンバータ装置１００とインバータ装置２００とを分離した状態で示している。ＤＣＤＣコンバータ装置１００は、複数のボルトによりインバータ装置２００のケース底面側に固定される。

電力変換装置１は電気自動車等に適用され、インバータ装置２００は車載の高電圧蓄電池からの電力により走行用モータを駆動する。車両にはライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池が搭載されており、ＤＣＤＣコンバータ装置１００は、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行う。

図１及び図２に示すように、インバータ装置２００は、入口配管１３と出口配管１４とを備えている。入口配管１３及び出口配管１４は、それぞれインバータ装置２００の内部に形成された冷媒流路１０１Ａに接続されている。インバータ装置２００の冷媒流路１０１Ａは、その上部が開口している。この開口部は、インバータ装置２００にＤＣＤＣコンバータ装置１００が固定されることで、蓋される。これにより、インバータ装置２００とＤＣＤＣコンバータ装置１００との間には、冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。図示のように、冷媒流路１０１Ａの内部には、半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ等）のモジュールＳＷが突出しており、半導体スイッチング素子は、冷媒流路１０１Ａを流れる冷媒中に浸けられている。冷媒は入口配管１３から流路内に流入し、出口配管１４から流出する。

次に、図３を用いて、本実施形態による電力変換装置に用いるＤＣＤＣコンバータ装置の構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による電力変換装置に用いるＤＣＤＣコンバータ装置の構成を示す斜視図である。なお、図３（Ａ）は上面図であり、図３（Ｂ）は底面図である。

ＤＣＤＣコンバータ装置１００の底面に冷媒流路範囲１０１を示す。冷媒流路範囲１０１は、図２に示した冷媒流路１０１Ａに対向する範囲である、ＤＣＤＣコンバータ装置１００が発する熱は冷媒流路範囲１０１に放熱している。

次に、図４を用いて、本実施形態による電力変換装置に用いるＤＣＤＣコンバータ装置の内部構成について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による電力変換装置に用いるＤＣＤＣコンバータ装置の内部構成を示す斜視図である。図４は、図３（Ａ）に示したＤＣＤＣコンバータ装置の上部のカバーを外した状態を示している。

ＤＣＤＣコンバータ装置１００は、その内部に、回路基板アッセンブリ１５０が固定されている。回路基板アッセンブリ１５０の基板底面は、ＤＣＤＣコンバータケース１１０の平面とで面接触している。ＤＣＤＣコンバータケース１１０は、アルミダイキャスト製である。回路基板アッセンブリ１５０には、高電流が流れるバスバーが設けられているが、その構成及び放熱構造については、図５以降を用いて説明する。

次に、図５及び図６を用いて、本実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリ１５０に用いるバスバーの構成について説明する。
図５及び図６は、本発明の一実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリに用いるバスバーの構成を示す斜視図である。図５は左方向からの斜視図であり、図６は右方向からの斜視図である。

ＤＣＤＣコンバータ内に配置している回路基板アッセンブリ１５０は、バスバー１６０，１６１を備えている。バスバー１６０，１６１は、クランク状に落ち曲げた形状としており、金属基板１５１に固定されている。このとき、バスバー１６０，１６１の平面部が、金属基板１５１の平面部に対して直交するように固定されている。そのため、金属基板１５１の平面部の面積に対して、バスバー１６０，１６１が占める割合を小さくでき、実装効率を高めている。

金属基板１５１は、アルミ等の基板上に絶縁層を介して配線層が形成されている。バスバー１６０，１６１は、この配線層に接続固定されている。バスバー１６０，１６１は銅製であり、図示のように、帯状の導体である。バスバー１６０，１６１は、例えば、その幅は十数ｍｍであり、厚さは１ｍｍである。バスバー１６０，１６１は、銅製であり、断面積を大きくしているため、電気抵抗は小さいものである。しかし、低圧側のバスバーには、例えば、１００Ａ〜２００Ａのような高電流が流れるため、発熱量も大である。

バスバー１６０は、金属基板１５１に半田で固定している。半田固定の際には、半田リフロにより固定される。バスバー１６０は、４箇所のバスバー半田固定部１６０ａ，１６０ｂ，１６０ｃ，１６０ｄを備えている。４箇所のうち２箇所のバスバー半田固定部１６０ａ、１６０ｂは、金属基板１５１の配線層と電気回路的接続をしており、回路的に必要な接続である。

それに対し、バスバー半田固定部１６０ｃ、１６０ｄは、金属基板１５１及びＤＣＤＣコンバータケース１１０経由で冷媒流路範囲１０１に放熱をする為に新たに設けた接続部分である。

バスバー１６１も同様、金属基板１５１に半田で固定している。バスバー１６１は、４箇所の半田固定部１６１ａ、１６１ｂ、１６１ｃ、１６１ｄを備えている。４箇所のうち２箇所の半田固定部１６１ａ、１６１ｂは回路的接続をしており、回路的に必要な接続である。それに対し、半田固定部１６１ｃ、１６１ｄは金属基板１５１及びＤＣＤＣコンバータケース１１０経由で冷媒流路範囲１０１に放熱をする為に新たに設けた接続部分である。

次に、図７を用いて、本実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリ１５０に用いるバスバーの重心位置について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリに用いるバスバーの重心位置を示す平面図である。なお、図５及び図６と同一符号は、同一部分を示している。

図７（Ａ）はバスバー１６０を示し、図７（Ｂ）はバスバー１６１を示している。

バスバー１６０，１６１を金属基板１５１に搭載した際、自立させる為、バスバー１６０，１６１の部品単品の重心１６０ｅ、１６１ｅが半田固定部３点枠の内側に位置させている。ここで、図７（Ａ）の場合だと、バスバー１６０の半田固定部は４箇所ある。そこで、４箇所の内の３箇所を結んだ三角形の面積が最も大きくなるような破線で示す三角形を、半田固定部３点枠とする。

次に、図８及び図９を用いて、本実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリに用いるバスバーの冷却構造について説明する。
図８及び図９は、本発明の一実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリに用いるバスバーの冷却構造の説明図である。なお、図１〜図７と同一符号は、同一部分を示している。図８（Ａ）はカバーを外した状態のＤＣＤＣコンバータ装置の平面図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図９は、図８（Ｂ）の丸部の拡大断面図である。

回路基板アッセンブリ１５０は、ＤＣＤＣコンバータケース１１０に基板がネジで固定されている。回路基板１５１にはバスバー１６０，１６１が半田付けされている。このときバスバー１６０，１６１と回路基板１５１の接地部（図５及び図６の半田固定部１６０ａ〜１６１ｄ）から回路基板１５１及びＤＣＤＣコンバータケース１１０を介し、冷媒流路範囲１０１に接している。

なお、金属基板１５１をＤＣＤＣコンバータケース１１０に固定する際、金属基板１５１をＤＣＤＣコンバータケース１１０の間に熱伝導性グリースを塗布して、放熱性を向上している。金属基板１５１とＤＣＤＣコンバータケース１１０とは金属同士が面接触しているが、微細に見ると点接触である。そこで、接触性を良くし、熱伝導性を確保するため、熱伝導性グリースを介在させる。但し、熱伝導性グリースの熱伝導性は、金属に比べれば悪いため、熱伝導性グリースの厚さはできるだけ薄い方がいい。この点、回路基板アッセンブリ１５０を、ＤＣＤＣコンバータケース１１０に固定するネジの締め付け量を増すことで、グリースの厚さを薄くすることができる。なお、熱伝導性グリースの代わりに、放熱シートを用いることもできる。

前述のように新たに設けたバスバー半田固定部１６０ｃ、１６０ｄ、１６１ｃ、１６１ｄは、冷媒流路範囲１０１範囲または近傍に配置している。上述のようにバスバー半田固定部１６０ｃ、１６０ｄ、１６１ｃ、１６１ｄを積極的に冷媒流路範囲１０１に接することにより、放熱性を飛躍的に向上することができる。

また、バスバー半田固定部１６０ｃ、１６０ｄ、１６１ｃ、１６１ｄを追加することにより組立時、金属基板１５１上にバスバー１６０とバスバー１６１を配置する際、バスバー１６０，１６１が自立できるので、より安定性が増し、組み立て時や半田リフロー作業時の作業効率が向上する。

さらに、一般的に車両に搭載される電力変換装置には走行時に発生する振動に対応するために高い耐振性が求められるが、上記のようにバスバー半田固定部１６０ｃ、１６０ｄ、１６１ｃ、１６１ｄを追加すると、バスバーに振動が加わった際に、回路的に必要なバスバー半田接続部１６０ａ、１６０ｂへ加わる応力が緩和され、バスバー半田接続部１６０ａ、１６０ｂの接続信頼性が向上する。そのために、高い耐振性のある電力変換装置が実現できる。

次に、図１０を用いて、本実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリの構成について説明する。
図１０は、本発明の一実施形態による電力変換装置のＤＣＤＣコンバータ装置の回路基板アッセンブリの構成を示す平面図である。なお、図１〜図９と同一符号は、同一部分を示している。

ここで、回路基板アッセンブリ１５０に搭載された半導体パッケージ１７０〜１７７およびバスバー１９０ａ、１９０ｂおよび１９１ａ、１９１ｂについて説明する。

ここで半導体パッケージ１７０，１７１，１７２，１７３は、バスバー１９０ａ、１９０ｂにて電気的に接続されている。これらのバスバーが、図１０に示すように回路基板アッセンブリ１５０と平行するような平板形状、かつ回路基板からの高さが低い構造とすることで、このバスバーに電流が流れた際に回路基板アッセンブリ１５０に逆向きの渦電流が発生してバスバー周辺の磁場が小さくなるので、これらのバスバーのインダクタンスを低減できる。この効果はバスバーの高さが低いほど大きい。

これらのバスバーを低インダクタンスとすることで、半導体パッケージに印加されるサージ電圧が抑制されることになり、より耐圧の低い半導体パッケージを用いることが可能となる。一般に耐圧の低い半導体パッケージはオン抵抗が低いために損失が小さい。したがって、このバスバーを用いることで、半導体パッケージの損失を低減し、回路基板アッセンブリ１５０の発熱量を減らすことができる。その結果、この回路基板を用いた電力変換装置の効率を高めることができる。 なお、上記ではバスバー１９０ａとバスバー１９０ｂは分割されている例であるが、これらが一体となっていても効果は同様である。また上記は半導体パッケージ１７０〜１７３とバスバー１９０ａ、１９０ｂで説明したが、半導体パッケージ１７４〜１７７とバスバー１９１ａ、１９１ｂについても同様である。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。例えば、上述した実施の形態では、ＰＨＥＶあるいはＥＶ等の車両に搭載される電力変換装置を例に説明したが、本発明はこれらに限らず建設機械等の車両に用いられる電力変換装置にも適用することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、電力変換装置の高温度環境による装置の機能低下や構成部品の劣化進行を防ぎ、大型化を抑えた電力変換装置を提供することができる。

また、冷却用の部品増加を低減し、製造原価の低減が可能となる。

さらには、部品組立時の安定化が可能となり、組立性が向上する。

１３…冷媒入口配管
１４…冷媒出口配管
１００…ＤＣＤＣコンバータ装置
１０１…冷媒流路範囲
１１０…ＤＣＤＣコンバータケース
１５０…回路基板アッセンブリ
１５１…金属基板
１６０，１６１，１９０ａ，１９０ｂ，１９１ａ，１９１ｂ…バスバー
１６０ａ，１６０ｂ，１６１ａ，１６１ｂ…バスバー半田固定部
１６０ｃ，１６０ｄ，１６１ｃ，１６１ｄ…バスバー半田固定部
１６０ｅ，１６１ｅ…バスバー重心
１７０〜１７７…半導体パッケージ
２００…インバータ装置

Claims (3)

1. ＤＣＤＣコンバータ装置とインバータ装置が一体に固定された電力変換装置であって、
   前記ＤＣＤＣコンバータ装置と前記インバータ装置の間に形成された冷媒流路と、
   前記ＤＣＤＣコンバータ装置は、
   金属性の回路基板と、
   該回路基板に半田固定部により半田付けされるバスバーとを備え、
   該バスバーの前記半田固定部は、２箇所の回路的に必要な接続となる半田固定部に加えて、電気的に非接続な半田固定部を備え、
   電気的に非接続な前記半田固定部は、前記冷媒流路の範囲の近傍に配置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、
   前記バスバーの固定部の重心が、バスバー半田固定部３点を結んだ３角形内に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記金属回路基板と、それを固定するＤＣＤＣコンバータ装置の前記ケースの間に配置された、熱伝導性グリースまたは放熱シートを備えることを特徴とする電力変換装置。

Images