JP5803684B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールと、コンデンサと、リアクトルとを備えた電力変換装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等には、モータを駆動させるため、バッテリからの直流電力を交流電力に変換する電力変換装置が搭載されている。該電力変換装置は、例えばエンジンルーム内等の限られた空間に搭載するため、小型のものが望まれている。

上記の電力変換装置の例として、例えば特許文献１及び特許文献２に開示された電力変換装置が提案されている。特許文献１に開示された電力変換装置は、半導体モジュールと冷媒流路とが交互に積層されてなる積層体に対し、該積層体の積層方向と直交する方向にコンデンサが配置されている。また、特許文献２に開示された電力変換装置は、上記積層体における積層方向の一端にリアクトルが配置されている。これらの電力変換装置は、コンデンサやリアクトル等の電子部品を上記積層体に対して特定の位置に配置することにより、省スペース化を図ろうとするものである。

そして、上記の電力変換装置に搭載されるコンデンサは、ポッティング樹脂を用いてコンデンサ素子を封止することにより形成されている場合がある。

特開２０１１−１１４９６６号公報 特開２００８−２２００４２号公報

しかしながら、コンデンサとリアクトルとの双方を備えた電力変換装置においては、コンデンサとリアクトルとを互いに対向した状態で配置せざるを得ない場合がある。この場合、上記リアクトルから発生する熱が、該リアクトルに面して配置された上記コンデンサのポッティング面に、対流もしくは放射によって伝わることとなる。これにより、コンデンサ素子の電極端子とポッティング樹脂との界面に以下のような問題が起こるおそれがある。つまり、ポッティング樹脂と電極端子との間で線膨張係数が異なるため、リアクトルからの熱によってポッティング樹脂と電極端子との界面に熱応力が発生する。そのため、ポッティング樹脂にクラックが発生するおそれがあり、特にポッティング樹脂から電極端子が突出する突出部におけるクラックの発生が懸念される。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたもので、リアクトルとコンデンサとが面している配置においても、コンデンサのポッティング面におけるクラック発生を低減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。

本発明の一態様は、半導体モジュールと、コンデンサと、リアクトルとを備えた電力変換装置において、
上記コンデンサは、コンデンサ素子と、該コンデンサ素子を封止するポッティング材と、該ポッティング材における露出した表面であるポッティング面から突出した一対の電極端子とを備えてなり、
上記リアクトルは、上記コンデンサに対して上記ポッティング面に対向して配置されており、
上記リアクトルと上記ポッティング面との間に空隙が存在しており、
上記一対の電極端子が上記ポッティング面より突出する一対の突出部と上記リアクトルとの間には、上記半導体モジュールに接続される一対の直流バスバーが配設されてなることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置は、上記一対の突出部と上記リアクトルとの間に、上記一対の直流バスバーが配設されている。つまり、上記一対の直流バスバーは、上記リアクトルから見て上記一対の突出部全体を覆う位置に配設されている。そのため、上記一対の直流バスバーが上記リアクトルから上記コンデンサへ対流や放射によって伝わる熱を遮ることができ、特に上記一対の突出部の近傍におけるポッティング材及び上記一対の電極端子へ伝わる熱を低減することができる。その結果、上記一対の突出部に発生する熱応力を低減し、上記ポッティング面におけるクラックの発生を低減することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、リアクトルとコンデンサとが面している配置においても、コンデンサのポッティング面におけるクラック発生を低減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１における、電力変換装置を直流バスバー側から見た平面図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 図２のＢ−Ｂ線矢視断面図。 実施例２における、バスバー積層部を有する電力変換装置の平面図。 図４のＣ−Ｃ線矢視断面図。 図４のＤ−Ｄ線矢視断面図。

上記電力変換装置において、上記一対の直流バスバーは、上記リアクトル及び上記コンデンサの双方と接触しておらず、間に空隙を有することが好ましい。これにより、熱伝導によって上記リアクトルの熱が上記一対の突出部へ伝わることを防ぐことができる。

また、上記一対の直流バスバーは、上記リアクトルから上記コンデンサへの熱の移動を必ずしも完全に遮断するものではなく、上記コンデンサにおける上記一対の突出部の近傍の温度上昇を抑制することができるものであればよい。つまり、上記一対の突出部と上記リアクトルとの間に上記一対の直流バスバーが配設されている場合の方が、上記一対の直流バスバーがない場合と比べて上記一対の突出部の近傍の温度上昇を低減することができればよい。これは、例えば上記一対の直流バスバーが上記リアクトルと上記コンデンサとの間で対流する空気の少なくとも一部を遮ったり、上記リアクトルから上記コンデンサへ向かう輻射熱の一部を遮ったりすることができるよう構成してあればよい。

上記電力変換装置において、上記一対の直流バスバーが互いに絶縁された状態で積層されてなるバスバー積層部が、上記ポッティング面と上記リアクトルとの間に配設されていてもよい（請求項２）。
これにより、上記バスバー積層部において、各々の直流バスバーに流れる電流が互いに反対方向となる。その結果、上記直流バスバーに流れる電流経路に起因するインダクタンス成分を低減することができる。

また、上記バスバー積層部が上記一対の突出部と上記リアクトルとの間に配設されていてもよい（請求項３）。
この場合には、上記リアクトルと上記一対の突出部との間に、２枚の上記直流バスバーが配置されることになる。その結果、上記一対の突出部における温度上昇をより低減することができる。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例について、図１〜図３を用いて説明する。電力変換装置１は、図１に示すごとく、半導体モジュール１１と、コンデンサ２と、リアクトル５とを備えている。コンデンサ２は、図２に示すごとく、コンデンサ素子２０と、該コンデンサ素子２０を封止するポッティング材２１と、該ポッティング材２１における露出した表面であるポッティング面２１１から突出した一対の電極端子２２（２２ａ、２２ｂ）とを備えている。リアクトル５は、コンデンサ２に対してポッティング面２１１に対向して配置されている。そして、図２及び図３に示すごとく、一対の電極端子２２がポッティング面２１１より突出する一対の突出部２１０とリアクトル５との間には、半導体モジュール１１に接続される一対の直流バスバー４（４ａ、４ｂ）が配設されている。以下、リアクトル５とコンデンサ２とが対向する方向を「高さ方向Ｚ」という。

電力変換装置１における複数の半導体モジュール１１とコンデンサ２とは、高さ方向Ｚから見た形状が略長方形のフレーム３に搭載されている。また、図２に示すごとく、フレーム３の高さ方向Ｚにおけるリアクトル５側には、一対の直流バスバー４が配設されている。

半導体モジュール１１は、図１に示すごとく、ＩＧＢＴ素子等のスイッチング素子を樹脂モールドしてなるモールド部１１１と、該モールド部１１１から互いに反対方向に突出した主電極端子１１０及び制御端子（図示略）とを備えている。本例では、主電極端子１１０は高さ方向Ｚにおけるリアクトル５が配設されている側に突出しており、主電極端子１１０と一対の直流バスバー４とが適宜接続されている。なお、一対の直流バスバー４以外の配線導体は、便宜上図１への記載を省略している。

また、複数の半導体モジュール１１は、図１に示すごとく、後述する冷却器１２の冷却管１２０と交互に積層されることにより、積層体１０を形成している。積層体１０は、その積層方向を高さ方向Ｚと直交する方向（以下、この方向を「積層方向Ｘ」という。）に向けてフレーム３に搭載されている。

冷却器１２は、冷媒導入管１２１及び冷媒排出管１２２と、複数の冷却管１２０と、該冷却管１２０同士を接続する連結管１２３とから構成されている。また、複数の冷却管１２０は、図１に示すごとく、複数の半導体モジュール１１とモールド部１１１の主面１１２と当接するように交互に積層されることにより積層体１０を形成している。

冷却管１２０は、積層方向Ｘと高さ方向Ｚとの双方に直交する方向（以下、この方向を「横方向Ｙ」という。）に長尺な形状である。冷却器１２は、図１に示すごとく、この冷却管１２０を積層方向Ｘに複数並べてなるとともに、その長手方向（横方向Ｙ）の両端部付近において、積層方向Ｘに隣り合う冷却管１２０の間を連結管１２３によって連結してなる。そして、冷却器１２は、隣り合う冷却管１２０の間に半導体モジュール１１を両主面１１２から狭持することができるよう構成されている。また、隣り合う冷却管１２０の間には、横方向Ｙに互いに並んだ一対の半導体モジュール１１が狭持されている。これにより、複数の半導体モジュール１１が積層方向Ｘに配列されている。

また、積層体１０における積層方向Ｘの一端に配された冷却管１２０からは、図１に示すごとく、冷媒導入管１２１及び冷媒排出管１２２が突出形成されている。冷媒導入管１２１と冷媒排出管１２２とは、上記冷却管１２０の横方向Ｙにおける両端部から延伸され、フレーム３の積層方向Ｘにおける一対の側壁３０（３０ａ、３０ｂ）のうち一方の側壁３０ａから突出している。

これにより、冷媒導入管１２１から導入された冷却媒体は、連結管１２３を適宜通り、各冷却管１２０に分配されると共にその長手方向（横方向Ｙ）に流通可能となる。そして、各冷却管１２０を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール１１との間で熱交換を行うことができる。熱交換により温度上昇した冷却媒体は、下流側の連結管１２３を適宜通り、冷媒排出管１２２に導かれ、冷却器１２より排出される。

コンデンサ２は、図１に示すごとく、フレーム３内において積層体１０に対して積層方向Ｘに隣り合う位置に配設されている。つまり、フレーム３内における冷媒導入管１２１および冷媒排出管１２２の突出方向と反対方向にはコンデンサ搭載凹部３１が形成されており、該コンデンサ搭載凹部３１にコンデンサ素子２０が収容されている。そして、コンデンサ素子２０はポッティング材２１に埋設され、封止されている。

コンデンサ搭載凹部３１はコンデンサ素子２０を収容できる大きさに形成されており、図２及び図３に示すごとく、高さ方向Ｚのリアクトル５側に開口している。これにより、ポッティング材２１における露出した表面であるポッティング面２１１とリアクトル５とが対向している。

コンデンサ搭載凹部３１に収容されたコンデンサ素子２０は、図２及び図３に示すごとく、高さ方向Ｚのリアクトル５側へ向けて延伸形成された一対の電極端子２２を備えている。一対の電極端子２２は、図２に示すごとくポッティング面２１１からリアクトル５側へ突出しており、一対の直流バスバー４と接触する位置までそれぞれ高さ方向Ｚに延伸されている。そして、一対の電極端子２２は一対の直流バスバー４と接触する位置において積層方向Ｘの積層体１０とは反対側へ向けて屈曲され、一対の直流バスバー４に沿って延伸されている。また、一対の電極端子２２は、フレーム３の積層方向Ｘにおける他方の側壁３０ｂの外側まで延伸されている。そして、一対の電極端子２２は、各々の先端部２２０においてボルト４１により一対の直流バスバー４とそれぞれ締結されている。

一対の直流バスバー４は厚み方向を高さ方向Ｚに向けて配設された板棒状の導体であり、図２に示すごとく、一対の電極端子２２との締結部４０を基端として積層方向Ｘの積層体１０側へ向けて延伸されている。そして、一対の直流バスバー４と一対の電極端子２２とは、図３に示すごとく、横方向Ｙにおける幅が等しくなるように形成されている。これにより、図１に示すごとく、一対の直流バスバー４がリアクトル５から見て一対の突出部２１０の近傍、つまり一対の電極端子２２がポッティング面２１１から突出する領域の近傍を覆うように配置されている。

また、一対の直流バスバー４は、図１に示すごとく、コンデンサ２と積層体１０との間において横方向Ｙへ折れ曲がり、それぞれ横方向Ｙの互いに反対となる方向へ向けて延伸されている。そして、一対の直流バスバー４は、横方向Ｙに互いに並んだ一対の半導体モジュール１１の両端部において再び積層方向Ｘに折れ曲がり、積層体１０側へ向けて延伸されるとともに半導体モジュール１１の主電極端子１１０に適宜接続されている。

次に、本例の作用効果を説明する。電力変換装置１は、図２に示すごとく、一対の突出部２１０とリアクトル５との間に、一対の直流バスバー４が配設されている。つまり、一対の直流バスバー４は、リアクトル５から見て一対の突出部２１０全体を覆う位置に配設されている。そのため、一対の直流バスバー４がリアクトル５からコンデンサ２へ対流や放射によって伝わる熱を遮ることができ、特に一対の突出部２１０の近傍におけるポッティング材２１及び一対の電極端子２２へ伝わる熱を低減することができる。その結果、一対の突出部２１０に発生する熱応力を低減し、ポッティング面２１１におけるクラックの発生を低減することができる。

また、一対の直流バスバー４は、リアクトル５及びコンデンサ２の双方と接触しておらず、間に空隙を有している。これにより、熱伝導によってリアクトル５の熱が一対の突出部２１０へ伝わることを防ぐことができる。

以上のごとく、本例によれば、リアクトルとコンデンサとが面している配置においても、コンデンサのポッティング面におけるクラック発生を低減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２）
本例は、図４〜図６に示すごとく、コンデンサ２における一対の突出部２１０とリアクトル５との間に一対の直流バスバー４を互いに積層してなるバスバー積層部４２を配設した例である。本例における一対の直流バスバー４は、図４に示すごとく、コンデンサ２が配設されている領域において、横方向Ｙの幅が他の部位よりも大きくなるように形成された幅広部４３を夫々備えている。また、幅広部４３は横方向Ｙの幅がコンデンサ２よりも大きい。そして、この幅広部４３が図５及び図６に示すごとく高さ方向Ｚに互いに積層されることにより、バスバー積層部４２が形成されている。これにより、バスバー積層部４２がポッティング面２１１とリアクトル５との間に配設されると同時に、図４に示すごとく、バスバー積層部４２がリアクトル５から見てポッティング面２１１の全面を覆うように構成されている。なお、バスバー積層部４２における各々の幅広部４３の間には、絶縁部材４４が配設されており、直流バスバー４ａと直流バスバー４ｂとの間を電気的に絶縁できるように構成されている。

また、一対の電極端子２２のうち、リアクトル５に近い側の直流バスバー４ａと接続される電極端子２２ａは、図５に示すごとく、バスバー積層部４２と離間しつつバスバー積層部４２に沿って屈曲されている。そして、電極端子２２ａとバスバー積層部４２との間に形成されている空隙により、電極端子２２ａとバスバー積層部４２の直流バスバー４ｂとの間が電気的に絶縁されている。つまり、コンデンサ２からリアクトル５へ向けて突出された電極端子２２ａは、バスバー積層部４２との間に上述の空隙を形成できる位置において積層方向Ｘの積層体１０と反対方向へ向けて屈曲され、この空隙を維持しつつ積層方向Ｘへ延伸されている。そして電極端子２２ａは、バスバー積層部４２から直流バスバー４ａの先端部２２０が突出している領域において再度高さ方向Ｚへ屈曲されて直流バスバー４ａの先端部２２０と接触している。その他は実施例１と同様である。

次に本例の作用効果を説明する。本例では、一対の直流バスバー４が互いに絶縁された状態で積層されてなるバスバー積層部４２が、図４〜図６に示すごとくポッティング面２１１とリアクトル５との間に配設されている。これにより、バスバー積層部４２において、各々の直流バスバー４に流れる電流が互いに反対方向となる。その結果、直流バスバー４に流れる電流経路に起因するインダクタンス成分を低減することができる。

また、バスバー積層部４２がコンデンサ２の一対の突出部２１０とリアクトル５との間に配設されている。つまり、リアクトル５と一対の突出部２１０との間に、２枚の直流バスバー４が配置されている。その結果、一対の突出部２１０における温度上昇をより低減することができる。その他、実施例１と同様の効果を奏することができる。

なお、実施例１及び２においては、コンデンサ２を積層体１０に対して冷媒導入管１２１及び冷媒排出管１２２とは反対側に配置した例を示したが、コンデンサ２の位置はこれに限定されるものではない。例えば、コンデンサ２を冷媒導入管１２１と冷媒排出管１２２との間に配置する構成をとることも可能である。また、半導体モジュール１１の内部構造に関しても、スイッチング素子をモールド樹脂により封止した構成に限定されるものではない。

また、実施例２に示した構成において、幅広部４３は必ずしも横方向Ｙの幅がコンデンサ２よりも大きくなくてもよく、コンデンサ２と同等もしくは小さくてもよい。また、実施例２に示した構成において、バスバー積層部４２を幅広部４３とせず、他の部位と同等の幅とすることもできる。

１ 電力変換装置
１１ 半導体モジュール
２ コンデンサ
２０ コンデンサ素子
２１ ポッティング材
２１０ 突出部
２１１ ポッティング面
２２ 電極端子
４ 直流バスバー
５ リアクトル

Claims (3)

1. 半導体モジュールと、コンデンサと、リアクトルとを備えた電力変換装置において、
   上記コンデンサは、コンデンサ素子と、該コンデンサ素子を封止するポッティング材と、該ポッティング材における露出した表面であるポッティング面から突出した一対の電極端子とを備えてなり、
   上記リアクトルは、上記コンデンサに対して上記ポッティング面に対向して配置されており、
   上記リアクトルと上記ポッティング面との間に空隙が存在しており、
   上記一対の電極端子が上記ポッティング面より突出する一対の突出部と上記リアクトルとの間には、上記半導体モジュールに接続される一対の直流バスバーが配設されてな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、上記一対の直流バスバーが互いに絶縁された状態で積層されてなるバスバー積層部が、上記ポッティング面と上記リアクトルとの間に配設されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、上記バスバー積層部が上記一対の突出部と上記リアクトルとの間に配設されていることを特徴とする電力変換装置。

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