JP5925863B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は直流電力を交流電力に変換する、或いは交流電力を直流電力に変換するために使用される電力変換装置に係り、特に電力変換装置の電気部品を収納する筐体内部で生じる熱を効率よく放熱することができる電力変換装置に関するものである。

一般に、電力変換装置は直流電源から直流電力を受ける平滑用のコンデンサモジュールと、コンデンサモジュールから直流電力を受けて交流電力を発生するインバータ回路と、インバータ回路を制御するための制御回路を備えている。

電力変換装置で得られた交流電力は電動機（例えば、三相同期電動機）に供給され、供給された交流電力に応じて電動機は回転トルクを発生する。また、電動機は一般的には発電機としての機能を有しており、外部から電動機に回転力が供給されて交流電力を発生する。

このように電力変換装置は交流電力を直流電力に変換する機能も備えている場合が多く、電動機が発生する交流電力は直流電力に変換される。直流電力から交流電力への変換、あるいは交流電力から直流電力への変換は制御装置によって制御される。

例えば、電動機が同期電動機の場合には、同期電動機の回転子の磁極位置に対する固定子が発生する回転磁界の位相を制御することにより、電力変換に係る制御を行うことができる。電力変換装置の一例は特開２０１１−２１７５４８号公報（特許文献１）に開示されている。

電力変換装置は例えばハイブリッド方式の自動車に搭載され、自動車に搭載された二次電池から直流電力を受けて走行用の回転トルクを発生する電動機に供給するための交流電力を発生する。また、自動車の減速運転等の回生制動運転時には制動力を発生するために電動機は車輪の回転によって回転されて交流電力を発生し、発生した交流電力は電力変換装置によって直流電力に変換されて二次電池に蓄電されて再び走行用の電力として使用されるものである。

特開２０１１−２１７５４８号公報

上述した特許文献１にもあるように、一般的にパワーモジュールは正極端子及び負極端子により構成される主電極端子を備えている。そして、コンデンサモジュールは、パワーモジュールの正極端子に接続する正極側コンデンサ端子及びパワーモジュールの負極端子に接続する負極側コンデンサ端子により構成されるコンデンサ端子を備えている。

そして、この種の電力変換装置においては、例えば、自動車に搭載された場合では、振動の影響を大きく受ける。特にコンデンサ端子との接続が複数個所で行われる場合には、振動に対する接続信頼性を高めることが必要となる。

本発明の目的は、振動に対するコンデンサ端子の接続信頼性を高めることができる新規な電力変換装置を提供することにある。

本発明の特徴は、コンデンサモジュールをコンデンサ素子と、コンデンサ素子を封止する樹脂封止材と、樹脂封止材で封止されたコンデンサ素子を収納しかつ樹脂封止材が露出する露出面を形成するケースと、露出面から突出したコンデンサ端子から構成し、このコンデンサモジュールの露出面がパワーモジュール側を向くように、コンデンサモジュールを筐体に固定し、更にコンデンサ端子を筐体に固定された取付け部に支持された絶縁部材に当接するようにした、ところにある。

本発明によれば、コンデンサモジュールの露出面がパワーモジュール側を向くように、コンデンサモジュールを筐体に固定し、更にコンデンサ端子を筐体に固定された取付け部に支持された絶縁部材に当接するようにしたことによって、振動に対するコンデンサ端子の接続信頼性を高めることができるようになる。

ハイブリッド自動車のシステムを示すシステム図である。 図１に示す電気回路の構成を示す回路図である。 本発明の一実施例に電力変換装置の外部構成を示す外観斜視図である。 図３に示した電力変換装置の構成部品を分解して外部から見た分解斜視図である。 図３に示した電力変換装置の上部カバーとドライバ回路基板を取り外した状態の外観斜視図である。 本発明の一実施例に使用される新たに開発されたコンデンサモジュールの外観斜視図である。 本発明の一実施例に使用される新たに開発された冷却ボードを示した図であり、（ａ）は上部斜めから見た外観斜視図、（ｂ）はその正面図、（ｃ）は正面図のＡ−Ａ断面図である。 図７に示す冷却板を上部斜めから見た外観斜視図である。 本発明の一実施例に使用される新たに開発された冷却ボードの裏面を上部斜めから見た外観斜視図である。 本発明の一実施例になる電力変換装置の上部カバーとドライバ回路基板を取り外した状態の正面図である。 図１０に示す電力変換装置で冷却ボードを取り外した状態の表面図である。 図１０に示す電力変換装置のＢ−Ｂ断面を示した断面図である。

次に図面を使用して本発明に係る実施の形態を説明するが、図１は内燃機関と電動機の両方を使用して走行するいわゆるハイブリッド方式の自動車に本発明が対象とする電力変換装置を適用した場合のシステム図である。

尚、本発明に係る電力変換装置はハイブリッド方式の自動車のみならず、電動機のみで走行するいわゆる電気自動車にも適用可能であり、また一般産業機械に使用されている電動機を駆動するための電力変換装置としても使用可能であるが、代表例としてハイブリッド方式の自動車に適用した電力変換装置について説明する。

図１はハイブリッド方式の自動車の制御ブロックを示す図であり、内燃機関ＥＧＮおよびモータジェネレータＭＧは自動車の走行用トルクを発生する動力源である。また、モータジェネレータＭＧは回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータＭＧに外部から加えられる機械エネルギ(回転力)を電力に変換する機能を有する。

モータジェネレータＭＧは、例えば同期電動/発電機あるいは誘導電動/発電機であり、上述のごとく運転方法により電動機としても発電機としても動作する。モータジェネレータＭＧを自動車に搭載する場合に、小型で高出力を得ることが望ましく、ネオジウムなどの磁石を使用した永久磁石型の同期電動機が適している。また永久磁石型の同期電動機は誘導電動機に比べて回転子の発熱が少なく、この観点でも自動車用として優れている。

内燃機関ＥＧＮの出力側は動力分配機構ＴＳＭを介してモータジェネレータＭＧに伝達され、動力分配機構ＴＳＭからの回転トルクあるいはモータジェネレータＭＧが発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭおよびデファレンシャルギアＤＥＦを介して車輪に伝達される。

一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータＭＧに伝達され、伝達されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は後述するように電力変換装置２００により直流電力に変換され、高電圧用のバッテリ１３６を充電し、充電された電力は再び走行エネルギとして使用される。

次に電力変換装置２００について説明する。インバータ回路部１４０はバッテリ１３６と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路部１４０との相互において電力の授受が行われる。

モータジェネレータＭＧを電動機として動作させる場合には、インバータ回路部１４０は直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流端子１８８を介してモータジェネレータＭＧに供給する。モータジェネレータＭＧとインバータ回路部１４０からなる構成は電動/発電ユニットとして動作する。

電動/発電ユニットは、運転状態に応じて電動機として、或いは発電機として運転する場合、或いはこれらを使い分けて運転する場合がある。尚、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって電動/発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータＭＧの動力のみによって車両の駆動ができる。更に、本実施形態では、電動/発電ユニットを発電ユニットとして内燃機関ＥＧＮの動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができるようになっている。

電力変換装置２００は、インバータ回路部１４０に供給される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュール５００を備えている。

電力変換装置２００は上位の制御装置から指令を受け、あるいは上位の制御装置に状態を表すデータを送信したりするための通信用のコネクタ２１を備えている。コネクタ２１から入力される指令に基づいて制御回路部１７２でモータジェネレータＭＧの制御量を演算する。

更に電動機として運転するか発電機として運転するかを演算し、演算結果に基づいて制御パルスを発生してドライバ回路１７４へ制御パルスを供給する。この制御パルスに基づいてドライバ回路１７４がインバータ回路部１４０を制御するための駆動パルスを発生する。

この電力変換装置２００を構成するインバータ回路部１４０、制御回路部１７２、ドライバ回路１７４及びコンデンサモジュール５００等は後述するようにアルミ合金製の筺体に収納され、かつ冷却媒体(例えば、冷却水)によって冷却される構成になっている。

次に、図２を用いてインバータ回路部１４０の回路構成を説明するが、半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してＩＧＢＴと表現している。

インバータ回路部１４０は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６と、からなる上下アームのパワーモジュール１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相，Ｖ相，Ｗ相からなる３相に対応して備えている。

これらの３相はこの実施の形態では、モータジェネレータＭＧの電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のそれぞれの上下アームのパワーモジュール１５０は、パワーモジュール１５０のＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０の中点部分である中間電極１６９から交流電流が出力され、この交流電流は交流端子１５９及び交流コネクタ１８８を通して、モータジェネレータＭＧへの交流電力線である交流バスバーと接続される。

上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側のコンデンサ端子５０４にそれぞれ電気的に接続されている。

上述のように、制御回路部１７２は上位の制御装置からコネクタ２１を介して制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路部１４０を構成する各相のパワーモジュール１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための制御信号である制御パルスを発生し、ドライバ回路１７４に供給する。

ドライバ回路１７４は制御パルスに基づき各相のパワーモジュール１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための駆動パルスを各相のＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０に供給する。

ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０はドライバ回路１７４からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力はモータジェネレータＭＧ１に供給される。

ＩＧＢＴ３２８はコレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えている。また、ＩＧＢＴ３３０はコレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。

ダイオード１５６がコレクタ電極１５３とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６がコレクタ電極１６３とエミッタ電極との間に電気的に接続されている。

スイッチング用パワー半導体素子としては金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。

コンデンサモジュール５００は、複数の正極側コンデンサ端子５０６と複数の負極側コンデンサ端子５０４と、正極側電源端子５０９と負極側電源端子５０８とを備えている。バッテリ１３６からの高電圧の直流電力は直流コネクタ１３８を介して、正極側電源端子５０９や負極側電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の複数の正極側コンデンサ端子５０６や複数の負極側のンデンサ端子５０４から、インバータ回路部１４０へ供給される。

一方、交流電力からインバータ回路部１４０によって変換された直流電力は正極側コンデンサ端子５０６や負極側コンデンサ端子５０４からコンデンサモジュール５００に供給され、正極側電源端子５０９や負極側電源端子５０８から直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に供給されてバッテリ１３６に蓄積される。

制御回路部１７２はＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンへの入力情報として、モータジェネレータＭＧに対して要求される目標トルク値、上下アームパワーモジュール１５０からモータジェネレータＭＧに供給される電流値、及びモータジェネレータＭＧ１の回転子の磁極位置がある。

目標トルク値は図示しない上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものであり、電流値は電流センサによる検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータＭＧ１に設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ（図示せず）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。

本実施形態では、電流センサは３相の電流値を検出する場合を例に挙げているが、２相分の電流値を検出するようにし、演算により３相分の電流を求めるようにしても良い。

制御回路部１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータＭＧのｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。

そして、マイコンはＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。

ドライバ回路１７４は下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。

また、制御回路部１７２は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アームのパワーモジュール１５０を保護している。このため、制御回路部１７２にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極１５５及び信号用エミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が対応する過電流検出部部（図示せず）に入力されている。

これにより、各過電流検出部は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０を過電流から保護する。

上下アームのパワーモジュール１５０に設けられた温度センサ（図示せず）からは上下アームのパワーモジュール１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アームのパワーモジュール１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８，ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。

このような構成からなる電力変換装置２００においては上述したように、筺体内部では多くの電子部品、例えば発熱量の大きいＩＧＢＴ等が多く使用され、これらの電子部品からの発熱等によって筺体内部が高温の環境になる現象がある。更に、電動機と電気的に接続された熱伝達が良い導線が接続されており、この導線を介して電動機の熱が電力変換装置のバスバーに侵入し、この熱がインバータ回路部や、場合によってはコンデンサモジュールまで侵入して結果的に電力変換装置の筺体内部の温度を高くする現象がある。

上述したように、このような電力変換装置においては電力変換性能を向上するためには電力変換装置の冷却が極めて重要である。特に、電力変換装置の筺体に収容されている直流平滑用のコンデンサモジュールは熱的に弱く、その性能を確保するためにはコンデンサモジュールの冷却を効率的に行なうことが要請され、また外部から侵入する熱を出来るだけ少なくすることが要請されている。

本発明はこのコンデンサモジュールの冷却を効率的に行なうこと、外部から侵入する熱を出来るだけ少なくすることのどちらか一方、或いは両方の要請に応える技術を提案するものである。

次に、本発明の特徴である電力変換装置の冷却構造及び冷却方法について図面を用いて具体的に説明する。

図３は電力変換装置２００の外観図であり、金属製、例えばアルミニウム合金より構成された筺体４００は一対の短辺壁部と長辺壁部とを有する箱状の直方体よりなり、一つの側面に直流ターミナルが収納される直流接続口４０９と交流ターミナルが収納される交流接続口４１０が形成されている。

また、筺体４００の低部には下部カバー４０４が固定され、この下部カバー４０４に冷却媒体が流入／流出するパイプ４０６が設けられている。この筺体４００にコンデンサモジュール５００やインバータ回路部１４０、制御回路部１７２、及びドライバ回路１７４等が収納されている。

図４は図３に示した電力変換装置２００を構成部品毎に分解して斜視図として表した全体構成図であり、図５は図４に示した上部カバー、及びドライバ回路基板を外した時の電力変換装置の斜視図である。

それでは、図４及び図５に基づき本発明の一実施例になる電力変換装置２００の概略構成を説明し、その後に本発明の特徴である電力変換装置の冷却構造や冷却方法について詳細に説明する。

図４及び図５において、参照番号４００は電力変換装置２００の構成部品を収納する金属製（例えばアルミニウム合金）の筺体であり、上下方向で上部が開口した底壁部を有する一対の長辺側壁部４００Ａと一対の短辺側壁部４００Ｂを有する長方形の箱状に形成されている。そして、この筺体４００の内部にはコンデンサモジュール５００を収納する収納部４０２、パワーモジュール１５０を収納する収納部４０３等が形成されている。

筺体４００の低壁部４００Ｃの下部には下部カバー４０４が固定ネジ４０５によって強固に固定されており、下部カバー４０４には冷却媒体を流出入させるパイプ４０６が設けられている。

したがって、冷却媒体は下部カバー４０４と低壁部４００Ｃの間の空間に形成された冷却通路を流れて筺体４００の内部を冷却するようにしている。

筺体４００の一方の短辺壁部４００Ｂと一対の長辺側壁部４００Ａの間に挟まれた位置で、その内部に形成された収納部４０２の低壁部には放熱シート４０７を介してコンデンサモジュール５００が載置されている。この放熱シート４０７は筐体４００の低壁部にコンデンサモジュール５００の熱を逃がす放熱機能と絶縁機能を備えている。

コンデンサモジュール５００の隣には３個のパワーモジュール１５０を個別に収納する３個の収納部４０３が形成されており、この収納部４０３は下部カバー４０４の間の冷却通路に開放されている。

したがって、パワーモジュール１５０は自身で液密的な構成を備えており、具体的に収納部４０３との間でシールパッキン等によって封止されている。よって、パワーモジュール１５０は直接的に冷却媒体と接触することによって冷却される構成となっている。このような構成は若干その構成は異なるが、既に本出願人が出願した上記した特許文献１等によって知られている。

そして、３個のパワーモジュール１５０の収納部４０３はコンデンサモジュール５００とは反対側の筺体４００の他方の短辺側壁部４００Ｂに対向するように並んで配置されている。これによって短辺側壁部４００Ｂ側の同一面から交流ターミナル４０７及び直流ターミナル４０８を収納することを可能にしている。

短辺側壁部４００Ｂには３個の交流ターミナル４０７が収納される交流側収納口４０９と１個の直流ターミナル４０８が接続される直流側収納口４１０が形成されている。交流ターミナル４０７とパワーモジュール１５０の間は板状の交流接続バスバー４１６で接続されており、後述するがこの交流接続バスバー４１６から導線を介して外部から侵入してくる熱を筐体４００側に逃がす構成を採用するようにしている。

パワーモジュール１５０と筺体４００の短辺側壁部４００Ｂの間の空間には電流センサ４１１と積層導体板４１２が配置されている。

コンデンサモジュール５００、パワーモジュール１５０、電流センサ４１１、及び積層導体板４１２等の上部には、本発明の特徴的な構成部品である冷却ボード４１３がこれらを覆うように配置されている。

この冷却ボード４１３は筺体４００の長短辺側壁部４００Ａ，４００Ｂの上に載置され、固定ネジ４１４によって筺体４００と強固に固定されている。この筺体４００と強固に固定することによりコンデンサモジュール５００からの熱、及び交流接続バスバー４１６からの熱を筺体４００に逃がすようにしている。

コンデンサモジュール５００と冷却ボード４１３の間には放熱シート４１５が介装されており、コンデンサモジュール５００の熱を冷却ボード４１３に逃がすようにしている。

また、パワーモジュール１５０の交流接続バスバー４１６と冷却ボード４１３の間には放熱シート４１７が介装されており、交流ターミナル４０８から流入してくる電動機の熱を交流接続バスバー４１６、及び放熱シート４１７を介して冷却ボード４１３に逃がすようにしている。

更に固定ネジ４１４によって筺体４００と強固に固定することにより交流接続バスバー４１６からの熱を筺体４００に逃がすようにしている。

冷却ボード４１３の上にはパワーモジュール１５０を駆動するドライバ回路１７４が実装されたドライバ回路基板４１８が配置され、更にその上部にアルミ合金より形成された上部カバー４１９が筺体４００の上部の開口を塞ぐように筺体４００に固定ネジ４２０によって強固に固定されている。

更に、筺体４００の長辺側壁部４００Ａにはドライバ回路１７４を制御する制御回路部１７２が実装された制御回路部基板４２１が配置され、更にその上部にアルミ合金より形成された側部カバー４２２が筺体４００の長辺側壁部４００Ａに固定ネジ４２３によって強固に固定されている。

以上が本発明の一実施例になる電力変換装置２００の概略の構成であるが、次に特徴的な構成部品の詳細について説明する。

図６は本実施例に併せて新たに開発したコンデンサモジュール５００であり、このコンデンサモジュール５００には複数（３個）の正極側コンデンサ端子５０６、複数（３個）の負極側コンデンサ端子５０４、正極側電源端子５０９、及び負極側電源端子５０８を備えている。

バッテリ１３６からの高電圧の直流電力は直流ターミナル４０８を介して正極側電源端子５０９や負極側電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の複数の正極側コンデンサ端子５０６や複数の負極側のコンデンサ端子５０４はパワーモジュール１５０に接続されている。

そして、このコンデンサモジュール５００は一方の側面部５００Ａ、具体的には図５にあるようにパワーモジュール１５０が設置されている方向の側面部５００Ａには、全ての端子である、正極側コンデンサ端子５０６、負極側コンデンサ端子５０４、正極側電源端子５０９、及び負極側電源端子５０８が突出している。

このように、１つの側面部５００Ａに全ての端子を揃えることによって各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の間で相間電流が少なくなり、この結果、相間電流によって生じる熱が少なくなってコンデンサモジュール５００内部に熱を溜める現象を抑制することが期待できる。また、パワーモジュール１５０との接続構造も簡略化でき、接続配線の距離も短くできる。

コンデンサモジュール５００の側面部５００Ａには上側から正極側コンデンサ端子５０６、負極側コンデンサ端子５０４、正極側電源端子５０９及び負極側電源端子５０８の順序で配置されており、最上部にある正極側コンデンサ端子５０６の導体面５０６Ａはコンデンサモジュール５００の上面部５００Ｂとほぼ同一平面になるように構成されている。したがって、この正極側コンデンサ端子５０６が冷却ボード４１３への放熱経路の一部を構成することになる。

尚、本実施形態では、コンデンサの負極側導体板、正極導体板、及び正極側コンデンサ端子５０６、負極側コンデンサ端子５０４、正極側電源端子５０９及び負極側電源端子５０８の各端子は一体に形成された銅等の金属製板で構成されている。

またコンデンサモジュール５００は、コンデンサ素子と、このコンデンサ素子を収納するケース５５０と、このケース５５０の収納空間に充填される樹脂封止材５５１とを有する。露出面５５２は、ケース５５０から露出した樹脂封止材５５１の面である。このケース５５０は、露出面５５２とパワーモジュール１５０が対向するように、パワーモジュール１５０の側部に配置される。正極側コンデンサ端子５０６及び負極側コンデンサ端子５０４は、生産性向上の観点から屈曲部の増大を抑制することが求められる。また正極側コンデンサ端子５０６及び負極側コンデンサ端子５０４は、インダクタンス低減の観点からコンデンサ端子の長さの増大を抑制することが求められる。そこで正極側コンデンサ端子５０６及び負極側コンデンサ端子５０４は、冷却ボード４１３における正極側コンデンサ端子５０６との冷却面と平行に露出面５５２から突出し、パワーモジュール１５０と接続される。また、コンデンサ端子の屈曲部の増大を抑制することにより、冷却ボードとコンデンサ端子の接触面積が小さくなることを抑えることができる。

図７は冷却ボード４１３の構成を示しており、（ａ）は全体の外観斜視図、（ｂ）は上部から見た正面図、（ｃ）はそのＡ−Ａ断面図である。これらの図からからわかるように冷却ボード４１３にはコンデンサモジュール５００の上部が収納される開口４１３Ａ、パワーモジュール１５０等の電子部品の接続端子が通過する開口４１３Ｂ、４１３Ｃが形成されている。そして、この冷却ボード４１３は全体が合成樹脂４１３Ｄで形成されており、内部にインサート成型によって２つの冷却板４２４、冷却板４２５が埋設されている。

冷却板４２４，冷却板４２５を合成樹脂４１３Ｄでモールドしてインサート成型する理由は、筐体４００内部に配置されている電子部品や接続配線と冷却板４２４及び冷却板４２５の絶縁を図るためである。

冷却板４２４はコンデンサモジュール５００からの熱を逃がすための冷却板であり、冷却板４２５は交流接続バスバー４１６からの熱を逃がすための冷却板である。冷却板４２５はパワーモジュール１５０が更に高温になった場合に、このパワーモジュール１５０で生じた熱を逃がす機能を併せ有している。

この冷却板４２４、冷却板４２５は上述したように全体が合成樹脂４１３Ａで覆われているが、その底面部側だけは露出されていて熱が侵入できる構成になっている。更にこれらの冷却板４２４，冷却板４２５には冷却ボード４１３の合成樹脂部４１３Ｄから突出して取付け部４２４Ａ、取付け部４２５Ａが形成されており、内部には取付け用の固定ネジが挿通する孔が形成されている。

したがって、冷却ボード４１３に埋設した冷却板４２４、冷却板４２５の露出した底面部から侵入した熱は冷却板４２４及び冷却板４２５の取付け部４２４Ａ、取付け部４２５Ａから筐体４００に逃げるようになる。

図８は冷却板４２４，冷却板４２５の詳細を示す外観斜視図であり、コンデンサモジュール５００側の冷却板４２４は中央が開口されており、この開口を取り巻くようにコンデンサモジュール５００の複数の正極側コンデンサ端子５０６側からの熱を受け取る受熱部４２４Ｂ、熱伝達部４２４Ｃ及び放熱部である取付け部４２４Ａとから構成されている。

交流接続バスバー４１６側の冷却板４２５は直線の板状に形成され、交流接続バスバー４１６側からの熱を受け取る受熱部４２５Ｂ、熱伝達部４２５Ｃ及び放熱部である取付け部４２５Ａとから構成されている。

この冷却板４２４及び冷却板４２５は熱伝達性の優れた高熱伝達部材で形成され、本実施例では板厚が２ｍｍのアルミニウムを使用している。更なる熱引き（高熱伝導性）を求めるならば銅材料を使用することも可能である。

また、冷却板４２４と冷却板４２５は別体にして合成樹脂４１３Ｄでこれらを一体化していたが、冷却板４２４と冷却板４２５を一体にして打ち抜き機で打ち抜き、これを合成樹脂４１３Ｄと共にインサート成型するようにしても良い。

以上の金属材料は合成樹脂にインサート成型できる材料として提案したが、この他に高熱伝達性を有する非金属製材料を使用する場合はインサート成型では無く、貼り付けや固定ネジによって冷却ボード４１３を構成するようにしても良い。この場合、冷却板４２４及び冷却板４２５の形状は図８に示した形状と同様な形状で差支えない。

図９は冷却ボード４１３を裏側から見た外観斜視図で、（ａ）は放熱シートを取り付けた状態を示し、（ｂ）は放熱シートを分解した状態を示している。

図９において、コンデンサモジュール５００側の放熱シート４１５は冷却板４２４の受熱部４２４Ｂの形状より若干大きい形状に形成された絶縁シート部４１５Ａと、同様にこれも冷却板４２４の受熱部４２４Ｂの形状より若干大きい形状に形成された放熱シート部４１５Ｂより形成された複合シートよりなっており、受熱部４２４Ｂ側に絶縁シート部４１５Ａが位置し、正極側コンデンサ端子５０６側に放熱シート部４１５Ｂが位置する配置となっている。

放熱シート４１５の材料としては、絶縁シート部４１５ＡはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）が使用され、放熱性を高めるためその厚さをなるべく薄くしており、厚さは０.１ｍｍのものを使用している。放熱シート部４１５Ｂはシリコン系の樹脂材料が使用され、その厚さは１.０ｍｍのものを使用している。

また、交流接続バスバー４１６側の放熱シート４１７は冷却板４２５の受熱部４２５Ｂの形状より若干大きい形状に形成された絶縁シート部４１７Ａと、同様にこれも冷却板４２５の受熱部４２５Ｂの形状より若干大きい形状に形成された放熱シート部４１７Ｂより形成された複合シートよりなっており、受熱部４２５Ｂ側に絶縁シート部４１５Ａが位置し、交流接続バスバー４１６側に放熱シート部４１７Ｂが位置する配置となっている。

放熱シート４１７の材料としては、絶縁シート部４１７ＡはＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）が使用され、放熱性を高めるためその厚さをなるべく薄くしており、厚さは０.１ｍｍのものをしようしている。放熱シート部４１７Ｂはシリコン系の樹脂材料が使用され、その厚さは１.０ｍｍのものを使用している。

これらの放熱シート４１５、及び放熱シート４１７はその特性として柔軟性を備えており、この柔軟性によって各冷却板４２４、４２５の受熱部４２４Ｂ、４２５Ｂや、正極側コンデンサ端子５０６、交流接続バスバー４１６と密着するようにしている。これによって伝熱効率を向上するようにしている。

以上の放熱シート４１５、及び放熱シート４１７は説明した材料や厚さに限定されなく、これ以外の材料や仕様が適宜選択、採用されても差し支えないものであるが、実際の材料としてはこれらが使用実績等の観点から望ましいものである。

尚、放熱シート４１５、及び放熱シート４１７は冷却ボード４１３を筐体４００に組み込む前に、あらかじめ冷却ボード４１３に貼り付けておくことでその取付け作業を迅速に行える効果が期待できる。

次に、上述した新たに開発したコンデンサモジュール５００及び冷却ボード４１３を筐体４００に組み込んだ状態を説明する。

図１０は電力変換装置の上部カバー４１９とドライバ回路基板４１８を取り外した状態の正面図であり、図１１は冷却ボード４１３を取り外した状態の正面図であり、図１２は図１０に示した電力変換装置のＢ−Ｂ断面を示した断面図である。

図１０において、電力変換装置の筐体４００には冷却ボード４１３が冷却板４２４の取付け部４２４Ａと、冷却板４２５の取付け部４２５Ａを介して固定ネジ４１４によって強固に固定されている。

そして、図１１にあるようにコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ端子５０６や導体面５０６Ａに冷却板４２４の受熱部４２４Ｂが放熱シート４１５を介して接触するように位置決めされている。

同様にパワーモジュール１５０と交流ターミナル４０７を接続する３本の交流接続バスバー４１６は、冷却板４２５の受熱部４２５Ｂが放熱シート４１７を介して接触するように位置決めされている。この交流接続バスバー４１６は熱伝達面積を大きくするため厚くされて受熱部４２５Ｂに放熱シート４１７を介して熱的に接触されている。

したがって、図１２にあるようにコンデンサモジュール５００に溜め込まれた熱や、コンデンサモジュール５００自身で発生した熱は正極側コンデンサ端子５０６やその導体面５０６Ａから放熱シート４１５を通って冷却板４２４の受熱部４２４Ｂに伝えられ、更に熱伝達部４２４Ｃを通って取付け部４２４Ａへと流れて筐体４００に伝えられる。

筐体４００は周囲の空気や、パイプ４０６から流出入する冷却媒体によって冷却されるためにコンデンサモジュール５００より温度が低くなっており、この温度勾配の差によってコンデンサモジュール５００の熱は筐体４００に効率よく流れることになる。

また流路形成体４７０は、冷却冷媒を流す流路を形成する。そして、コンデンサモジュール５００は、冷却ボード４１３と流路形成体４７０との間に配置される。これにより、正極側コンデンサ端子５０６及び負極側コンデンサ端子５０４を介して伝達されるパワーモジュール１５０の熱を冷却ボード４１３に伝達させるとともにコンデンサモジュール５００を介して冷却ボード４１３とは反対側に流路形成体４７０を設けることにより、コンデンサモジュール５００は更に冷却性能が向上する。

また、パイプ４０６は、流路形成体４７０の流路を挟んでコンデンサモジュール５００と対向して配置される。入口側のパイプ４０６から流入する冷却冷媒は充分に冷却されている。よって、コンデンサモジュール５００は、この冷却冷媒によって冷却されるため更に冷却性能が向上する。

ここで、コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ端子５０６やその導体面５０６Ａが冷却板４２４と熱的に接触するようにしているが、コンデンサ端子の極性を逆にして冷却板４２４からコンデンサモジュール５００の熱を逃がすようにしても良い。

同様に、交流接続バスバー４１６に交流ターミナル４０７から流入してくる外部からの熱（例えば電動機からの熱）は放熱シート４１７を通って冷却板４２５の受熱部４２５Ｂに伝えられ、更に熱伝達部４２５Ｃを通って取付け部４２５Ａへと流れて筐体４００に伝えられる。筐体４００は周囲の空気や、パイプ４０６から流出入する冷却媒体によって冷却されるために交流接続バスバー４１６より温度が低くなっており、この温度勾配の差によって交流接続バスバー４１６の熱は筐体４００に効率よく流れることになる。

以上述べてきたように、電力変換装置においては電力変換性能を向上するために電力変換装置の冷却が極めて重要であり、特に、電力変換装置の筺体に収容されている直流平滑用のコンデンサモジュールは熱的に弱く、その性能を確保するためにはコンデンサモジュールの冷却を効率的に行なうことが要請され、また外部から侵入する熱を出来るだけ少なくすることが要請されていた。

このような要請に応えるため、本発明ではこのコンデンサモジュールの熱を冷却ボードに設けた冷却板によって筐体に逃がし、また外部から侵入する熱を冷却ボードに設けた冷却板によって筐体に逃がすようにしたことにより、筐体内の熱環境を効率よく改善することが可能となるものである。

更に、本実施例によれば冷却ボードを筐体に固定するだけなので、新たに冷却媒体の通路を追加する等の装置の大型化や構造の複雑化、及び大幅な金型の改変等を行う必要がない。したがって、電力変換装置として例えば、自動車に採用する場合では筐体の大型化が避けられて搭載性が向上し、更に製造費用も抑えられるようになって、その経済的な効果は大きいものである。

１４０…インバータ回路部、１５０…パワーモジュール、１７２…制御回路部、１７４…ドライバ回路、２００…電力変換装置、４００…筺体、４００Ａ…長辺側壁部、４００Ｂ…短辺側壁部、４０２…収納部、４０３…収納部、４０４…下部カバー、４０５…固定ネジ、４０７…放熱シート、４０７…直流ターミナル、４０８…交流ターミナル、４０９…直流側接続口、４１０…交流側接続口、４１３…冷却ボード、４１４…固定ネジ、４１５…放熱シート、４１５Ａ…絶縁シート部、４１５Ｂ…放熱シート部、４１６…交流接続バスバー、４１７…放熱シート、４１７Ａ…絶縁シート部、４１７Ｂ…放熱シート部、４１８…上部カバー、４２０…固定ネジ、４２１…制御回路部基板、４２２…側部カバー、４２４…冷却板、４２４Ａ…取付け部、４２４Ｂ…受熱部、４２４Ｃ…熱伝達部、４２５…冷却板、４２５Ａ…取付け部、４２５Ｂ…受熱部、４２５Ｃ…熱伝達部、５００…コンデンサモジュール、５００Ａ…側面部、５０６…正極側コンデンサ端子、５０４…負極側コンデンサ端子、５０８…負極側電源端子、５０９…正極側電源端子。

Claims (10)

1. 正極端子及び負極端子により構成される主電極端子を備えたパワーモジュールと、
   前記正極端子に接続する正極側コンデンサ端子及び前記負極端子に接続する負極側コンデンサ端子により構成されるコンデンサ端子を備えたコンデンサモジュールと、
   前記パワーモジュール及び前記コンデンサモジュールを収納する筐体と、
   合成樹脂により形成される構造部材と、を備え、
   前記コンデンサモジュールは、コンデンサ素子と、当該コンデンサ素子を封止する樹脂封止材と、当該樹脂封止材で封止された当該コンデンサ素子を収納しかつ当該樹脂封止材が露出する露出面を形成するケースと、当該露出面から突出した前記コンデンサ端子からなり、
   前記コンデンサモジュールは、前記露出面が前記パワーモジュール側を向くように、前記筐体に固定され、
   前記構造部材は、前記筐体に固定された取付け部に支持されるとともに、前記コンデンサ端子と当接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であって、
   前記構造部材は、前記主電極端子と前記コンデンサ端子との接続部と、前記露出面との間において、前記コンデンサ端子と当接していることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記パワーモジュールは、複数個積層されており、
   前記正極側コンデンサ端子と前記負極側コンデンサ端子は、互いに重ね合わされた板状部を含んで構成され、
   更に前記正極側コンデンサ端子と前記負極側コンデンサ端子のそれぞれは、前記主電極端子と接続される端子部を複数備え、
   前記コンデンサ端子において、前記パワーモジュールの積層方向に互いに隣り合う前記端子部同士は、互いに異なる前記板状部に設けられることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記パワーモジュールは、複数個積層されており、
   前記正極側コンデンサ端子と前記負極側コンデンサ端子は、互いに重ね合わされた板状部を含んで構成され、
   更に前記正極側コンデンサ端子と前記負極側コンデンサ端子のそれぞれは、前記主電極端子と接続される端子部を複数備え、
   前記構造部材は、前記板状部に当接されることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記構造部材は、金属製の冷却板を保持し、
   前記冷却板は、当該構造部材を介して前記コンデンサ端子と熱的に接触することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに１項記載の電力変換装置であって、
   前記構造部材は、電気絶縁性を有する絶縁シート部を有し、
   前記構造部材は、前記絶縁シート部を介して前記コンデンサ端子と当接することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記パワーモジュールは、交流接続バスバーが接続され、
   前記構造部材は、前記交流接続バスバーと当接することを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記筐体は、前記パワーモジュールを冷却する冷媒が流れる流路形成体を有することを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記取付け部は、複数設けられ、
   前記主電極端子と前記コンデンサ端子との接続部は、前記複数の取付部により囲まれる領域内に形成されることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
    前記正極側コンデンサ端子と前記負極側コンデンサ端子は、互いに重ね合わされた板状部を含んで構成され、
    前記コンデンサモジュールは、前記コンデンサ素子と接続されるコンデンサ導体を含んで構成され、
    前記コンデンサ導体は、前記板状部と一体に形成されることを特徴とする電力変換装置。

Images