JP5900260B2

JP5900260B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5900260B2
Application number: JP2012199602A
Authority: JP
Inventors: 圭祐水尻; 立二郎百瀬
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: JP2014057400A

Description

本発明は、半導体モジュールと、コンデンサ素子と、これらを冷却する冷却器とを備えた電力変換装置に関する。

例えば、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化する複数のコンデンサ素子とを備えたものが知られている（下記特許文献１参照）。

上記冷却器の内部には冷媒流路が形成されている。この冷却器の冷却面に半導体モジュールを載置することにより、該半導体モジュールを冷却するよう構成されている。

半導体モジュールとコンデンサ素子とは、バスバーによって電気的に接続されている。上記電力変換装置では、コンデンサ素子と冷却面との間にバスバーを介在させている。これにより、冷却面の法線方向から見たときにコンデンサ素子とバスバーとが重なるようにし、電力変換装置を小型化している。

特開２００３−２５９６５６号公報

しかしながら、電力変換装置を使用すると、半導体モジュールの他に、コンデンサ素子も発熱するという問題がある。上記電力変換装置は、コンデンサ素子と冷却面との間にバスバーが介在しているため、コンデンサ素子から冷却面までの距離が長く、コンデンサ素子を効率的に冷却しにくい。

また、上記電力変換装置は、冷却面の法線方向において、バスバーの一方側にのみコンデンサ素子が配されているため、バスバーに接続できるコンデンサ素子の数が少ないという問題がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、コンデンサ素子の冷却効率を高めることができ、かつ、バスバーに多くのコンデンサ素子を接続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、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化する複数のコンデンサ素子と、
上記半導体モジュール及び上記コンデンサ素子を冷却する冷却器とを備え、
該冷却器の冷却面に、上記半導体モジュール及び上記複数のコンデンサ素子を載置してあり、
上記コンデンサ素子は、素子本体部と、該素子本体部から突出する正極端子および負極端子とを有し、
上記正極端子と上記半導体モジュールとは正極バスバーによって電気的に接続され、上記負極端子と上記半導体モジュールとは負極バスバーによって電気的に接続され、
２個の上記コンデンサ素子を一対にして上記冷却面に載置してあり、上記一対のコンデンサ素子のうち一方の上記コンデンサ素子の上記正極端子及び上記負極端子は、他方の上記コンデンサ素子に向って突出し、該他方のコンデンサ素子の上記正極端子及び上記負極端子は、上記一方のコンデンサ素子に向って突出しており、
上記正極バスバー及び上記負極バスバーは、上記正極端子及び上記負極端子の突出方向において、一対の上記素子本体部の間に配されており、
上記冷却面の法線方向と上記突出方向との双方に直交する配列方向に、複数対の上記コンデンサ素子を配列してあり、
上記法線方向において、全ての上記コンデンサ素子が上記冷却面に隣り合うよう構成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）。

上記電力変換装置においては、２個のコンデンサ素子を一対にして配置してあり、それぞれのコンデンサ素子の電極端子（正極端子及び負極端子）が、相手側のコンデンサ素子に向って突出するようにしてある。そして、これら一対のコンデンサ素子の、素子本体部の間にバスバー（正極バスバー及び負極バスバー）が設けられている。すなわち、バスバーに対して、上記突出方向における両側に、それぞれコンデンサ素子が設けられている。
そのため、バスバーに接続できるコンデンサ素子の数を多くすることができる。また、バスバーは、コンデンサ素子と冷却面との間に介在していないため、コンデンサ素子を冷却面に近づけることができる。そのため、コンデンサ素子の冷却効率を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、コンデンサ素子の冷却効率を高めることができ、かつ、バスバーに多くのコンデンサ素子を接続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、電力変換装置の一部透視斜視図。実施例１における、電力変換装置の一部透視平面図。実施例１における、冷却器の平面図。図２のIV-IV断面図。図２のV-V断面図。実施例１における、コンデンサ素子及びバスバーの拡大斜視図。実施例１における、コンデンサ素子及びバスバーの拡大平面図。実施例１における、正極バスバーを取り除いた状態における、コンデンサ素子及び負極バスバーの拡大平面図。実施例１における、電力変換装置の回路図。実施例２における、電力変換装置の一部透視平面図。実施例２における、冷却器の平面図。実施例３における、電力変換装置の断面図。実施例４における、電力変換装置の断面図。

上記電力変換装置は、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載される車載用電力変換装置とすることができる。

また、上記電力変換装置では、上記冷却面の法線方向と上記突出方向との双方に直交する配列方向に、複数対の上記コンデンサ素子を配列してある。
そのため、より多くのコンデンサ素子を、冷却面に近い位置に配置しつつ、上記バスバーに接続することができる。

また、上記冷却器は、金属製のベースプレートと、該ベースプレートの内部に形成された冷媒流路とを有し、上記冷却面の法線方向から見た場合に、上記半導体モジュールと上記複数のコンデンサ素子とが、上記冷媒流路と重なるよう構成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、半導体モジュールから冷媒流路までの距離、およびコンデンサ素子から冷媒流路までの距離を短くすることができる。そのため、これら半導体モジュールとコンデンサ素子の冷却効率をより高めることができる。

また、上記正極バスバーと上記負極バスバーと上記複数のコンデンサ素子とを封止して、一つの部品にしてあることが好ましい（請求項３）。
この場合には、電力変換装置の製造時に、正極バスバーと負極バスバーと複数のコンデンサ素子とを一度に冷却器に取り付けることができる。そのため、これらの部品を別々に冷却器に取り付ける必要がなくなり、電力変換装置の製造工程を簡素にすることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置に係る実施例について、図１〜図９を用いて説明する。図１、図２に示すごとく、本例の電力変換装置１は、半導体素子を内蔵した半導体モジュール２と、半導体モジュール２に加わる直流電圧を平滑化する複数のコンデンサ素子３と、半導体モジュール２及びコンデンサ素子３を冷却する冷却器４とを備える。
冷却器４の冷却面４２に、半導体モジュール２及び複数のコンデンサ素子３を載置してある。

コンデンサ素子３は、素子本体部３０と、該素子本体部３０から突出した正極端子３１ａおよび負極端子３１ｂとを有する。素子本体部３０は柱状に形成されている。正極端子３１ａおよび負極端子３１ｂは、素子本体部３０の両端面３０１，３０２のうち一方の端面３０１からそれぞれ突出している。
正極端子３１ａと半導体モジュール２とは正極バスバー５ａによって電気的に接続されている。また、負極端子３１ｂと半導体モジュール２とは負極バスバー５ｂによって電気的に接続されている。

本例では、２個のコンデンサ素子３を一対にして冷却面４２に載置してある。図４に示すごとく、一対のコンデンサ素子３（３ａ，３ｂ）のうち一方のコンデンサ素子３ａの正極端子３１ａ及び負極端子３１ｂは、他方のコンデンサ素子３ｂに向って突出し、他方のコンデンサ素子３ｂの正極端子３１ａ及び負極端子３１ｂは、一方のコンデンサ素子３ａに向って突出している。
図４、図７に示すごとく、正極バスバー５ａ及び負極バスバー５ｂは、正極端子３１ａ及び負極端子３１ｂの突出方向（Ｘ方向）において、一対の素子本体部３０（３０ａ，３０ｂ）の間に配されている。

図１、図２に示すごとく、冷却器４は、金属製のベースプレート４０と、該ベースプレート４０の内部に設けられた冷媒流路４１とを有する。ベースプレート４０の主面が上記冷却面４０になっている。本例では、冷却面４２の法線方向（Ｚ方向）とＸ方向との双方に直交する配列方向（Ｙ方向）に、４対のコンデンサ素子３を配列してある。そして、この複数のコンデンサ素子３と、正極バスバー５ａと、負極バスバー５ｂとを封止部材によって封止し、１つの部品（コンデンサモジュール６）にしてある。

バスバー５は、Ｙ方向に細長い形状をしている。正極バスバー５ａの、Ｙ方向における一方の端部には、正入力端子６１が形成されている。また、負極バスバー５ｂの、Ｙ方向における一方の端部には、負入力端子６２が形成されている。これらの入力端子６１，６２は、直流電源７０（図９参照）に接続される。Ｙ方向における、バスバー５の、入力端子６１，６２を設けた側とは反対側には、半導体モジュール２が設けられている。

図１、図２に示すごとく、半導体モジュール２は、６個の半導体素子２４（ＩＧＢＴ素子：図９参照）を封止する封止部２６と、正端子２１及び負端子２２と、交流端子２３（２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗ）と、制御端子２５とを備える。正端子２１及び負端子２２は、封止部２６からＹ方向におけるコンデンサモジュール６側に突出している。正端子２１は正極バスバー５ａに接続しており、負端子２２は負極バスバー５ｂにしている。交流端子２３は、封止部２６からＹ方向におけるコンデンサモジュール６とは反対側に突出している。制御端子２５は、封止部２６の主面からＺ方向に突出している。

制御端子２５には、制御回路基板１２（図４参照）が接続される。この制御回路基板１２によって半導体素子２４をスイッチング動作させることにより、正端子２１と負端子２２との間に加わる直流電圧を交流電圧に変換し、交流端子２３から出力している。そして、得られた交流電圧を使って三相交流モータ（図９参照）を駆動するよう構成されている。

図４、図５に示すごとく、ベースプレート４０の周辺部には、Ｚ方向へ突出するリブ４００が形成されている。このリブ４００に蓋部１３のフランジ１３０を重ね合わせ、ボルト締結してある。

図５に示すごとく、蓋部１３には、貫通孔１３１，１３２が形成されている。一方の貫通孔１３１に入力コネクタ１４を嵌合し、他方の貫通孔１３２に出力コネクタ１５を嵌合してある。入力コネクタ１４は、コンデンサモジュール６の正入力端子６１及び負入力端子６２に接続される。また、出力コネクタ１５は、半導体モジュール２の交流端子２３に接続される。

図３に示すごとく、ベースプレート４０には、Ｕ字状の冷却管４１１が埋設されている。この冷却管４１１の内部が上記冷媒流路４１になっている。冷却管４１１は、冷媒１１を導入するための導入口４１２と、冷媒１１を導出するための導出口４１３とを有する。導入口４１２及び導出口４１３は、長方形板状を呈するベースプレート４０の、短辺を含む側面４９０からＹ方向に突出し、その先端がそれぞれＸ方向に折り曲げられている。

冷却管４１１は金属製であり、砂型鋳造法等により製造される。ベースプレート４０はアルミニウム製である。このベースプレート４０内に、冷却管４１１の一部を埋設してある。冷却管４１１のうち、ベースプレート４０に埋設される部分は、導入口４１２又は導出口４１３よりも拡径している。

上述したように、冷却管４１１はＵ字状に形成されている。すなわち、冷却管４１１の内部に形成された冷媒流路４１はＵ字状になっている。図２、図３に示すごとく、冷媒流路４１には、一対のコンデンサ素子３ａ，３ｂのうち一方のコンデンサ素子３ａを冷却する第１流路部４１ａと、他方のコンデンサ素子３ｂを冷却する第３流路部４１ｃと、これら第１流路部４１ａと第３流路部４１ｃとを繋ぎ半導体モジュール２を冷却する第２流路部４１ｂとからなる。Ｚ方向から見ると、第１流路部４１ａは一方のコンデンサ素子３ａと重なり、第３流路部４１ｃは他方のコンデンサ素子３ｂと重なる。また、第２流路部４１ｂは半導体モジュール２と重なる。

一方、図６に示すごとく、正極バスバー５ａは、バスバー本体部５０と、該バスバー本体部５０に形成された接続部５５（５５ａ，５５ｂ）とを備える。接続部５５は一対に形成されている。一対の接続部５５のうち、一方の接続部５５ａは一方のコンデンサ素子３ａの正極端子３１ａに接続し、他方の接続部５５ｂは他方のコンデンサ素子３ｂの正極端子３１ａに接続している。また、負極バスバー５ｂは、正極バスバー５ａと同様の構造をしており、バスバー本体部５１と、該バスバー本体部５１に形成された接続部５６（５６ａ，５６ｂ）とを備える。負極バスバー５ｂの接続部５６も、正極バスバー５ａの接続部５５と同様に、一対に形成さている。この一対の接続部５６のうち、一方の接続部５６ａは一方のコンデンサ素子３ａの負極端子３１ｂに接続し、他方の接続部５６ｂは他方のコンデンサ素子３ｂの負極端子３１ｂに接続している。

正極バスバー５ａのバスバー本体部５０と負極バスバー５ｂのバスバー本体部５１とは、互いに平行であり、それぞれの主面がＺ方向に直交するように配されている。また、図６、図７に示すごとく、正極バスバー５ａの接続部５５は、バスバー本体部５０からＸ方向に突出した第１部分５２と、該第１部分５２からＹ方向における半導体モジュール２側へ突出した第２部分５３と、該第２部分５３からＺ方向における冷却面４２側へ突出した第３部分５４とからなる。この第３部分５４の主面に正極端子３１ａを接触させ、これらを溶接してある。

図６、図８に示すごとく、負極バスバー５ｂの接続部５６も、正極バスバー５ａの接続部５５と同様の構造をしている。すなわち、接続部５６は、バスバー本体部５１からＸ方向に突出した第１部分５７と、該第１部分５７からＹ方向における半導体モジュール２とは反対側へ突出した第２部分５８と、該第２部分５８からＺ方向における冷却面４２側へ突出した第３部分５９とからなる。図７に示すごとく、Ｚ方向から見ると、正極バスバー５ａの接続部５５の第１部分５２と、負極バスバー５ｂの接続部５６の第１部分５７とが重なるよう構成されている。

図６に示すごとく、本例では、コンデンサ素子３の素子本体部３０を円柱状に形成してある。コンデンサ素子３は電解コンデンサである。全ての素子本体部３０は、平行に配されている（図１、図２参照）。また、図６に示すごとく、正極端子３１ａから冷却面４２までの距離と、負極端子３１ｂから冷却面４２までの距離とは、略等しい。

図７に示すごとく、Ｙ方向における、正極バスバー５ａの半導体モジュール２側の端部には、Ｘ方向に突出した正端子接続部５１１が形成されている。この正端子接続部５１１を、半導体モジュール２の正端子２１に重ね合わせ、ボルト締結してある。また、図８に示すごとく、負極バスバー５ｂも同様の構造になっている。すなわち、Ｙ方向における、負極バスバー５ｂの半導体モジュール２側の端部に、負端子接続部５１２が形成されている。負端子接続部５１２は、Ｘ方向において、正端子接続部５１１の突出側とは反対側に突出している。

本例の作用効果について説明する。図１、図２に示すごとく、本例では、２個のコンデンサ素子３を一対にして配置してあり、それぞれのコンデンサ素子３の電極端子３１（正極端子３１ａ及び負極端子３１ｂ）が、相手側のコンデンサ素子３に向って突出するようにしてある。そして、一対のコンデンサ素子３の、素子本体部３０の間にバスバー５（正極バスバー５ａ及び負極バスバー５ｂ）が設けられている。すなわち、バスバー５に対して、Ｘ方向における両側に、それぞれコンデンサ素子３（３ａ，３ｂ）が設けられている。
そのため、バスバー５に接続できるコンデンサ素子３の数を多くすることができる。また、バスバー５は、コンデンサ素子３と冷却面４２との間に介在していないため、コンデンサ素子３を冷却面４２に近づけることができる。そのため、コンデンサ素子３の冷却効率を向上させることができる。

また、上記構成にすると、コンデンサ素子３を冷却器４に直接、載置できるため、コンデンサ素子３を搭載するための専用の基板等を設ける必要がなくなる。そのため、部品点数を低減でき、電力変換装置１の製造コストを低減できる。

また、本例では、図１、図２に示すごとく、Ｚ方向とＸ方向との双方に直交する方向（Ｙ方向）に、複数対のコンデンサ素子３を配列してある。
そのため、より多くのコンデンサ素子３を、冷却面４２に近い位置に配置しつつ、バスバー５に接続することができる。

また、本例では図２に示すごとく、Ｚ方向から見た場合に、半導体モジュール２と複数のコンデンサ素子３とが、冷媒流路４１と重なるよう構成されている。
そのため、半導体モジュール２から冷媒流路４１までの距離、およびコンデンサ素子３から冷媒流路４１までの距離を短くすることができる。したがって、半導体モジュール２とコンデンサ素子３の冷却効率をより高めることができる。

また、本例では図１、図２に示すごとく、正極バスバー５ａと負極バスバー５ｂと複数のコンデンサ素子３とを封止して、一つの部品（コンデンサモジュール６）にしてある。
そのため、電力変換装置１の製造時において、正極バスバー５ａと負極バスバー５ｂと複数のコンデンサ素子３とを、一度に冷却器４に取り付けることができる。したがって、これらの部品を別々に冷却器４に取り付ける必要がなくなり、電力変換装置１の製造工程を簡素にすることができる。

また、本例では図６に示すごとく、正極バスバー５ａのバスバー本体部５０と、負極バスバー５ｂのバスバー本体部５１とを、冷却面４２に平行に配してある。そのため、バスバー本体部５０，５１の、冷却面４２に対向する面積を大きくすることができる。したがって、バスバー本体部５０，５１の冷却効率を高めることができる。

なお、本例では、図１、図２に示すごとく、正極バスバー５ａと、負極バスバー５ｂと、複数のコンデンサ素子３とを封止して一部品化してあるが、これらを一部品化せず、別々に冷却器４に固定してもよい。例えば、冷却面４２に爪状の固定部を設けておき、この固定部を使って個々のコンデンサ素子３を固定してもよい。

（実施例２）
本例は、冷媒流路４１の向きを変更した例である。本例では、図１０、図１１に示すごとく、実施例１と同様に、Ｕ字状の冷却管４１１をベースプレート４０に埋設してあり、この冷却管４１１の内部が冷媒流路４１となっている。冷媒流路４１は、半導体モジュール２を冷却する第１流路部４１ａと、コンデンサ素子３を冷却する第３流路部４１ｃと、これら第１流路部４１ａと第３流路部４１ｃとを繋ぐ第２流路部４１ｂとからなる。

冷却管４１１は、実施例１と同様に、冷媒１１を導入するための導入口４１２と、冷媒１１を導出するための導出口４１３とを有する。これら導入口４１２と導出口４１３とは、長方形板状を呈するベースプレート４０の、長辺を含む側面４９１からＸ方向に突出し、その先端がそれぞれＹ方向に折り曲げられている。

その他は、実施例１と同様である。また、本例に関する図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符合と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

（実施例３）
本例は、コンデンサモジュール６の構造を変更した例である。図１２に示すごとく、本例では、コンデンサ素子３の素子本体部３０と冷却面４２との間に封止部材が介在しておらず、素子本体部３０が冷却面４２に直接、接触している。そのため、素子本体部３０の冷却効率をより高めることができる。

（実施例４）
本例は、冷却面４２に対するバスバー５の向きを変更した例である。図１３に示すごとく、本例では、正極バスバー５ａのバスバー本体部５０と、負極バスバー５ｂのバスバー本体部５１とを、それぞれ冷却面４２に直交するように配置してある。これら２つのバスバー本体部５０，５１は互いに平行である。実施例１と同様に、正極バスバー５ａは、コンデンサ素子３の正極端子３１ａに接続し、負極バスバー５ｂは、コンデンサ素子３の負極端子３１ｂに接続している。

このようにすると、２つの素子本体部３０ａ，３０ｂの、Ｘ方向における間隔を狭くすることができる。そのため、電力変換装置１を小型化できる。

１電力変換装置
２半導体モジュール
３コンデンサ素子
３０素子本体部
３１ａ正極端子
３１ｂ負極端子
４冷却器
４２冷却面
５ａ正極バスバー
５ｂ負極バスバー

Claims

半導体素子（２４）を内蔵した半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュール（２）に加わる直流電圧を平滑化する複数のコンデンサ素子（３，３ａ，３ｂ）と、
上記半導体モジュール（２）及び上記コンデンサ素子（３）を冷却する冷却器（４）とを備え、
該冷却器（４）の冷却面（４２）に、上記半導体モジュール（２）及び上記複数のコンデンサ素子（３）を載置してあり、
上記コンデンサ素子（３）は、素子本体部（３０）と、該素子本体部（３０）から突出する正極端子（３１ａ）および負極端子（３１ｂ）とを有し、
上記正極端子（３１ａ）と上記半導体モジュール（２）とは正極バスバー（５ａ）によって電気的に接続され、上記負極端子（３１ｂ）と上記半導体モジュール（２）とは負極バスバー（５ｂ）によって電気的に接続され、
２個の上記コンデンサ素子（３ａ，３ｂ）を一対にして上記冷却面（４２）に載置してあり、上記一対のコンデンサ素子（３ａ，３ｂ）のうち一方の上記コンデンサ素子（３ａ）の上記正極端子（３１ａ）及び上記負極端子（３１ｂ）は、他方の上記コンデンサ素子（３ｂ）に向って突出し、該他方のコンデンサ素子（３ｂ）の上記正極端子（３１ａ）及び上記負極端子（３１ｂ）は、上記一方のコンデンサ素子（３ａ）に向って突出しており、
上記正極バスバー（５ａ）及び上記負極バスバー（５ｂ）は、上記正極端子（３１ａ）及び上記負極端子（３１ｂ）の突出方向において、一対の上記素子本体部（３０）の間に配されており、
上記冷却面（４２）の法線方向と上記突出方向との双方に直交する配列方向に、複数対の上記コンデンサ素子（３）を配列してあり、
上記法線方向において、全ての上記コンデンサ素子（３）が上記冷却面（４２）に隣り合うよう構成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項１に記載の電力変換装置（１）において、上記冷却器（４）は金属製のベースプレート（４０）と、該ベースプレート（４０）の内部に設けられた冷媒流路（４１）とを有し、上記冷却面（４２）の法線方向から見た場合に、上記半導体モジュール（２）と上記複数のコンデンサ素子（３）とが、上記冷媒流路（４１）と重なるよう構成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置（１）において、上記正極バスバー（５ａ）と上記負極バスバー（５ｂ）と上記複数のコンデンサ素子（３）とを封止して、一つの部品にしてあることを特徴とする電力変換装置（１）。