JP5807482B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用の電動機などを制御するためのパワーモジュールを備えた電力変換装置に係り、特にパワーモジュールを両面冷却する電力変換装置に関する。

従来、一般的なパワーモジュールの構造は、ＤＢＡ（Direct Bond Aluminium）と呼ばれる基板上に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）やフライホイールダイオード（ＦＷＤ）を実装し、このＤＢＡ基板をベースプレート上にはんだ付けして固定されていた。そして、ベースプレートは冷却器に固定され、各半導体素子を下方から、すなわち片面から冷却する構造となっていた。

このような従来のパワーモジュールを備えた車両用回転電機が特許文献１に開示されており、この特許文献１では回転電機のハウジングを構成するブラケットにパワーモジュールを取り付け、パワーモジュールの熱をブラケットへ伝達することで片面から冷却するような構造となっていた。

しかしながら、このような片面から冷却する構造では、熱抵抗が大きく、半導体素子の温度が上昇してしまうので、インバータの出力を制限しなければならなかった。そこで、従来では半導体素子の上下両面から冷却する構造を採用することにより、熱抵抗を半減させて半導体素子の温度上昇を抑制し、これによってインバータの出力制限を緩和していた。

特開２００４−３１２８５２号公報

しかしながら、上述した従来の両面冷却構造は、冷却性能を向上させることは可能であるものの、冷却部材を追加して設置する必要があるので、パワーモジュールが大型化してしまうという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、冷却構造を大型化することなく複数の伝熱経路を有する冷却構造を実現して冷却性能を向上させることのできる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、複数の冷却面を備えたパワーモジュールと、パワーモジュールの複数の冷却面のうち少なくとも２面以上と接するように構成されたユニットケースとを備えていることを特徴とする。

本発明に係る電力変換装置によれば、パワーモジュールの複数の冷却面のうち少なくとも２面以上がユニットケースと接するように構成したので、もともと備えているユニットケースを活用して新たな伝熱部材や構造部材を追加することなくパワーモジュールを冷却することができる。これにより、冷却構造を大型化することなく複数の伝熱経路を有する冷却構造を実現して冷却性能を向上させることができる。

本発明を適用した第１実施形態に係る電力変換装置の構造を説明するための図である。 本発明を適用した第１実施形態に係る電力変換装置の変形例の構造を示す断面図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る電力変換装置の構造を説明するための図である。 本発明を適用した第２実施形態に係る電力変換装置の変形例の構造を説明するための図である。 本発明を適用した第３実施形態に係る電力変換装置の構造を説明するための図である。 本発明を適用した第３実施形態に係る電力変換装置の変形例の構造を説明するための図である。 本発明を適用した第３実施形態に係る電力変換装置の変形例の構造を説明するための図である。 本発明を適用した第４実施形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。 本発明を適用した第５実施形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。 本発明を適用した第５実施形態に係る電力変換装置の変形例の構造を示す断面図である。

以下、本発明を適用した第１〜第５実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は本実施形態に係る電力変換装置の構造を示す図であり、図１（ａ）は外観斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１は、モータ及びインバータが一体化された円筒型ユニットであり、パワー半導体素子等を含んだパワーモジュール２と、パワーモジュール２を左右から挟んで保持するユニットケース３、４とを備えている。

この電力変換装置１の内部構造は、図１（ｂ）に示すように円筒形をしたユニットケース３、４の内部に設けられた空間のうち、ユニットケース３側にはステータやロータなどを搭載したモータ部５が配置され、ユニットケース４側にはコンデンサや駆動回路などを搭載したインバータ部６が配置されている。

パワーモジュール２は、電力を制御するパワーＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワーデバイスを含んでおり、ユニットケース３、４のケースの厚みに対応した円環状の形状をしている。このパワーモジュール２は、複数のスイッチング素子やフライホイールダイオード（ＦＷＤ）を円環状のベースプレートの上に一体的に配置したものや、複数の平板上のパワーモジュールチップを円環状に配置したもので構成することができる。ただし、複数のパワーモジュールチップはスペーサのようなものに嵌め込んで一体化してもよいし、スペーサを用いずに配置してもよい。また、パワーモジュール２は冷却面を複数備えており、本実施形態では円環状の２面が冷却面となっているが、内側と外側の側面を含めた４面を冷却面としてもよい。

ユニットケース３、４は、ユニットケースの本体を２以上に分割して形成されたものであり、本実施形態では２つに分割して、その分割面にパワーモジュール２を挟むように配置したものである。ここで、ユニットケース３、４の厚さは、パワーモジュール２の大きさに対して十分な厚みを有しており、その厚さによってパワーモジュール２を挟んで保持することができる。また、ユニットケース３、４は、パワーモジュール２の複数の冷却面のうち少なくとも２面以上と接するように構成されており、本実施形態では２面と接するように構成されている。

このように構成された本実施形態に係る電力変換装置１は、パワーモジュール２の円環状の２面とユニットケース３、４との間にシリコングリース等が塗布されて密着する構造となっている。したがって、パワーモジュール２で発生した熱はユニットケース３、４の両方に伝達されてパワーモジュール２は両面冷却されることになる。

次に、本実施形態に係る電力変換装置の変形例を説明する。図２は本実施形態に係る電力変換装置の変形例の構造を示す断面図である。

図２に示すように、変形例の電力変換装置２１は、パワー半導体素子等を含んだパワーモジュール２と、モータ及びインバータを内部の空間に収容するユニットケース２３と、ユニットケース２３の内部空間を塞ぐカバーとして機能するユニットケース２４とを備えている。

図１に示す電力変換装置では、ユニットケースを２つに分割してユニットケース３にモータ部５を配置し、ユニットケース４にインバータ部６を配置して分割面にパワーモジュール２を配置する構成となっていた。しかし、図２に示す変形例ではユニットケース２３にモータ部５及びインバータ部６を配置してユニットケース２４はカバーとして機能する構造となっており、ユニットケース２３とユニットケース２４との間にパワーモジュール２を配置している。

尚、本実施形態ではユニットケースにモータとインバータの両方を搭載する場合を一例として示したが、インバータだけをユニットケースに搭載してもよい。また、本実施形態ではユニットケースとパワーモジュールを別々に構成したが、ユニットケースやユニットケースの外壁に形成された冷却フィン等を樹脂で構成し、ユニットケースと冷却フィンとパワーモジュールを一体に形成してもよい。さらに、本実施形態ではユニットケースを円筒状、パワーモジュールを円環状に形成したが、他の形状であってもよい。

［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る電力変換装置によれば、パワーモジュールの複数の冷却面のうち少なくとも２面以上がユニットケースと接するように構成したので、もともと備えているユニットケースを活用して新たな伝熱部材や構造部材を追加することなくパワーモジュールを冷却することができる。これにより、冷却構造を大型化することなく複数の伝熱経路を有する冷却構造を実現して冷却性能を向上させることができる。

また、本実施形態に係る電力変換装置によれば、ユニットケース本体を２以上に分割してユニットケースの分割面にパワーモジュールを配置したので、伝熱部材とユニットケースを共有化することができ、これによって構造が大型化することなく冷却性能を向上させることができる。

さらに、本実施形態に係る電力変換装置によれば、パワーモジュールをユニットケースの分割面に対して平行に配置したので、パワーモジュールの広い側面がユニットケースに面して配置され、伝熱量が増加して冷却性能を向上させることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明を適用した第２実施形態について図面を参照して説明する。尚、上述した第１実施形態と同一の部分については詳細な説明を省略する。

図３は本実施形態に係る電力変換装置の構造を示す図であり、図３（ａ）は外観斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る電力変換装置３１は、ユニットケース３３、３４の分割面に近接して外側に突出したフランジ部３５を備えていることを特徴としている。

また、図３（ｂ）に示すように、本実施形態に係る電力変換装置３１の内部構造は、第１実施形態と同様にユニットケース３３側にはモータ部５が配置され、ユニットケース３４側にはインバータ部６が配置されている。

パワーモジュール２は、第１実施形態と同様にユニットケース３３、３４の分割面に挟まれるように配置されている。ただし、本実施形態では分割面に近接して外側に突出したフランジ部３５が設けられているので、ユニットケース３３、３４の厚さよりも分割面における厚さは大きくなる。したがって、本実施形態ではユニットケース３３、３４の厚さよりも大きいサイズのパワーモジュールを設置することが可能となる。

また、図示していないがユニットケース３３、３４の外壁には放熱用のフィンが外側へ向けて突出しているので、そのフィンの高さまでフランジ部３５を突出させることにより空間を有効利用することが可能となる。さらに、フランジ部３５は外側に突出しているので、外部雰囲気に晒される面積が大きくなり、フランジ部３５に位置するパワーモジュール２の放熱性能をより向上させることができる。また、ボルトを締結するための構造部材と放熱部材とを共有化できるので、構造が大型化することなく冷却性能を向上させることができる。

このように構成された本実施形態に係る電力変換装置３１は、パワーモジュール２の円環状の２面とユニットケース３３、３４との間にシリコングリース等が塗布されて密着する構造となっている。これにより、パワーモジュール２で発生した熱はユニットケース３３、３４の両方に伝達されてパワーモジュール２を両面冷却している。

次に、本実施形態に係る電力変換装置の変形例を説明する。図４は本実施形態に係る電力変換装置の変形例の構造を示す図であり、図４（ａ）は外観斜視図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。

図４に示すように、変形例の電力変換装置４１は、パワー半導体素子等を含んだパワーモジュール２と、フランジ部４５を備えたユニットケース４３と、フランジ部４５の大きさに対応したカバーとして機能するユニットケース４４とを備えている。

図４に示す変形例ではユニットケース４３にフランジ部４５を設け、フランジ部４５の大きさに対応したユニットケース４４をカバーとして蓋をする構成となっており、ユニットケース４３のフランジ部４５とユニットケース４４との間にパワーモジュール２を配置している。

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る電力変換装置によれば、ユニットケースの分割面に近接して外側に突出したフランジ部を備えているので、ボルトを締結するための構造部材と放熱部材とを共有化することができ、これによって構造が大型化することなく冷却性能を向上させることができる。また、フランジ部は外側に突出しているので、外部雰囲気に晒される面積が大きくなり、パワーモジュールの放熱性能をより向上させることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明を適用した第３実施形態について図面を参照して説明する。尚、上述した第１及び第２実施形態と同一の部分については詳細な説明を省略する。

図５は本実施形態に係る電力変換装置の構造を示す図であり、図５（ａ）は外観斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）のＤ−Ｄ断面図、図５（ｃ）はパワーモジュールの外観斜視図である。

図５（ｂ）に示すように、本実施形態に係る電力変換装置５１は、パワーモジュール５２がユニットケース５３、５４の分割面に対して垂直に配置されていることを特徴としている。

パワーモジュール５２は、上述した実施形態のように円環状ではなく、図５（ｃ）に示すような略直方体形状の小型回路となっている。パワーモジュール５２の内部にはパワー半導体（素子）であるスイッチとダイオードが各１個ずつ設置されており、面圧受け用の強度部材と絶縁構造とを含んでいる。本実施形態のパワーモジュール５２は、上述した実施形態で示したパワーモジュールの各回路を個々に分解したものであり、それら複数個のパワーモジュールをユニットケース５４の肉厚部に内蔵した構造となっている。また、冷却面は面積の広い２面だけではなく、側面を含めた６面すべてを冷却面とすることが可能である。

このように構成された本実施形態に係る電力変換装置５１は、パワーモジュール５２のすべての側面とユニットケース５３、５４との間にシリコングリース等が塗布されて密着する構造となっている。これにより、パワーモジュール５２で発生した熱は、冷却面を含むすべての側面からユニットケース５３、５４の両方に伝達されて、パワーモジュール５２を冷却する。

尚、本実施形態ではユニットケースの分割面にパワーモジュールを配置しているが、ユニットケースの任意の部位に溝等を設けてパワーモジュールを差し込み、パワーモジュールの冷却面とユニットケースとを密着させるようにしてもよい。また、ユニットケース内にパワーモジュールを鋳込んで、パワーモジュールとユニットケースとを密着させてもよい。

次に、本実施形態に係る電力変換装置の第１の変形例を説明する。図６は本実施形態に係る電力変換装置の変形例の構造を示す断面図である。

図６に示すように、変形例の電力変換装置６１は、分割されたユニットケース６３、６４の分割面にそれぞれ凸部６５、６６を形成し、これらの凸部６５、６６の間に形成されたスペースにパワーモジュール６２を密着して配置することを特徴としている。

図６に示す変形例では、モータ部５をユニットケース６３に搭載し、インバータ部６をユニットケース６４に搭載して、分割面に形成された凸部６５、６６で複数のパワーモジュール６２を挟む構造となっている。

次に、本実施形態に係る電力変換装置の第２の変形例を説明する。図７は本実施形態に係る電力変換装置の変形例の構造を示す図であり、図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）はパワーモジュールの外観斜視図である。

図７（ａ）に示すように、変形例の電力変換装置７１は、分割されたユニットケース７３、７４の分割面にそれぞれ凸部７５、７６を形成し、これらの凸部７５、７６の間に形成されたスペースにパワーモジュール７２を密着して配置している。そして、ユニットケース７４の凸部７６とパワーモジュール７２とが接する面にテーパー形状を有することを特徴としている。

パワーモジュール７２は、図７（ｂ）に示すような略直方体形状の小型回路であり、凸部７６と接する面はテーパー形状となっている。

ここで、パワーモジュールとユニットケースとが接する面における熱抵抗は熱性能に大きな影響を与えるので、極力密着させて伝熱性能を高める必要がある。そこで、パワーモジュールとユニットケースとが接する面にテーパー（傾斜）を持たせることにより、ユニットケース同士を結合させる押圧力を、テーパー（傾斜）部で外周方向へ変換して冷却面への押圧力とし、パワーモジュールとユニットケースが密着するようにしている。

尚、図７では凸部７６とパワーモジュール７２との間の面だけにテーパーを形成しているが、凸部７５側にテーパーを形成してもよいし、両側にテーパーを形成してもよい。

［第３実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る電力変換装置によれば、パワーモジュールをユニットケースの分割面に対して垂直に配置したので、ユニットケースの肉厚部に内蔵することができ、これによってユニットケースの強度を維持したまま両面冷却することができる。

また、本実施形態に係る電力変換装置によれば、分割されたそれぞれのユニットケースの分割面に凸部を形成し、凸部の間に形成されたスペースにパワーモジュールを密着して配置したので、ユニットケース同士を結合する力によりパワーモジュールとユニットケースをより強い力で密着させることができる。これにより、パワーモジュールからユニットケースへの熱伝達が促進し、冷却性能を向上させることができる。

さらに、本実施形態に係る電力変換装置によれば、ユニットケースの凸部とパワーモジュールとが接する面にテーパー形状を設けたので、ユニットケース同士を結合する力を利用してユニットケースとパワーモジュールとの間の密着性を高めることができ、これによってより冷却性能を向上させることができる。

［第４実施形態］
次に、本発明を適用した第４実施形態について図面を参照して説明する。尚、上述した第１〜第３実施形態と同一の部分については詳細な説明を省略する。

図８は本実施形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。図８に示すように、本実施形態に係る電力変換装置８１は、ユニットケース８３の内部に収容されたモータの巻き線８５とパワーモジュール８２の出力線８６とをユニットケース８３、８４の外部に導出して外部で接続することを特徴としている。

図８に示すように、ユニットケース８３、８４の分割面はモータ部５の端部に位置しているので、ユニットケース８３の分割面近傍からモータの巻き線（ＡＣライン）８５を外側へ導出しておき、同様にユニットケース８４の分割面近傍からパワーモジュール８２の出力線（ＡＣライン）を外側に導出する。これにより、ユニットケース８３、８４を結合した後に電気配線の接続を行うことができ、電気配線の取り回しや配線長の調整等が容易になり、組立性を向上させることができる。

尚、図８ではテーパー形状を有する第３実施形態の第２変形例の場合を一例として示しているが、他の実施形態や変形例でも本実施形態を適用することは可能である。

［第４実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係る電力変換装置によれば、ユニットケースの内部に収容された電動機の巻き線とパワーモジュールの出力線とをユニットケースの外部に導出して外部で接続するので、電気配線の取り回しや配線長の調整等が容易になり、組立性を向上させることができる。

［第５実施形態］
次に、本発明を適用した第５実施形態について図面を参照して説明する。尚、上述した第１〜第４実施形態と同一の部分については詳細な説明を省略する。

図９は本実施形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。図９に示すように、本実施形態に係る電力変換装置９１は、ユニットケース９３、９４に冷媒流路９５を備えていることを特徴としている。

上述した実施形態では、ユニットケースが空冷でユニットケースの外周部に図示しない放熱フィンを備えている構造を例示していたが、本実施形態ではユニットケース９４とパワーモジュール９２が接する面に冷媒流路９５を設けた構造としている。

これにより、パワーモジュール９２とユニットケース９４とが接する面にグリース等を介することなく直接冷媒で冷却することが可能となり、空冷だけではなく油冷または水冷を併用できるので、冷却性能を更に向上させることができる。

また、冷媒流路９５はパワーモジュール９２とユニットケース９４との接触面に設置するだけではなく、図１０に示すようにユニットケース９３、９４のパワーモジュール９２の近傍に設置してもよい。これによりパワーモジュール周辺の複数の冷媒流路を用いて冷却することができ、冷却性能をより向上させることができる。

尚、図９、図１０ではテーパー形状を有する第３実施形態の第２変形例の場合を一例として示しているが、他の実施形態や変形例でも本実施形態を適用することは可能である。

［第５実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第５実施形態に係る電力変換装置によれば、ユニットケースに冷媒流路を設けたので、空冷に加えて油冷または水冷を併用することができ、冷却性能をより一層向上させることができる。

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、９１ 電力変換装置
２、５２、６２、７２、８２、９２ パワーモジュール
３、４、２３、２４、３３、３４、４３、４４、５３、５４、６３、６４、７３、７４、８３、８４、９３、９４ ユニットケース
５ モータ部
６ インバータ部
３５、４５ フランジ部
６５、６６、７５、７６ 凸部
８５ 巻き線
８６ 出力線
９５ 冷媒流路

Claims (3)

1. 複数の冷却面を備えたパワーモジュールと、
   前記パワーモジュールの複数の冷却面のうち少なくとも２面以上と接するように構成されたユニットケースとを備え、
   前記ユニットケースは本体が２以上に分割され、前記ユニットケースの分割面に前記パワーモジュールを配置し、
   前記パワーモジュールは前記ユニットケースの分割面に対して垂直に配置され、
   前記分割されたそれぞれのユニットケースの分割面に凸部を形成し、前記凸部の間に形成されたスペースに前記パワーモジュールを密着して配置し、
   前記ユニットケースの凸部と前記パワーモジュールとが接する面にテーパー形状を設けたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記ユニットケースの内部に収容された電動機の巻き線と前記パワーモジュールの出力線とを前記ユニットケースの外部に導出し、前記ユニットケースの外部で接続することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記ユニットケースは冷媒流路を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。

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