JP5928269B2

JP5928269B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5928269B2
Application number: JP2012201655A
Authority: JP
Inventors: 洋稲村; 彰中坂
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: JP2014057464A

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと冷媒流路とを積層してなりフレーム内に固定された積層体と、該積層体及び上記フレームを収容する収容ケース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ための電力変換装置として、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数の冷媒流路とを積層した積層体を備えたものが知られている（下記特許文献１参照）。

上記電力変換装置では、上記積層体を弾性部材と共にフレーム内に配置し、この弾性部材の押圧力を使って、積層体を積層方向に押圧している。これにより、積層体を構成する半導体モジュールと冷媒流路との接触圧を確保しつつ、これらを一体化し、フレーム内に固定している。

積層体は、フレーム及び弾性部材と共に収容ケース内に収容される。フレームには固定部が形成されており、この固定部を用いて、フレームを収容ケースに固定するよう構成されている。

特開２０１１−１８２６３２号公報

しかしながら、上記電力変換装置では、弾性部材によって積層体が押圧され、この押圧力がさらにフレームに加わる。したがって、押圧力によってフレームが変形することを抑制するため、フレームの厚さを厚くし、剛性を高める必要がある。その結果、フレームの重量が増加したり、製造コストが増大したりしやすいという問題が生じる。そのため、フレームを軽量化でき、かつフレームの変形を抑制できる電力変換装置が望まれている。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、フレームを軽量化でき、かつフレームの変形を抑制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本体部からパワー端子が突出した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数の冷媒流路とを積層してなり、フレーム内に配置された積層体と、
上記フレーム内に設けられ、上記積層体を積層方向に押圧することにより、該積層体を上記フレームに固定する弾性部材と、
上記積層体を、上記フレーム及び上記弾性部材と共に収容する収容ケースとを備え、
上記積層方向における上記積層体の一方の端部には、上記冷媒流路に冷媒を導入する導入パイプと、該冷媒流路から上記冷媒を導出する導出パイプとが取り付けられ、上記パワー端子の突出方向と上記積層方向との双方に直交する幅方向において、上記導入パイプは上記積層体の一端側に位置し、上記導出パイプは上記積層体の他端側に位置し、上記導入パイプと上記導出パイプとは、上記積層方向にそれぞれ延出しており、
上記弾性部材の押圧力は、上記フレームのうち、上記突出方向から見たときに上記導入パイプと上記導出パイプとの間に位置する部位であるパイプ間フレーム部に加わり、
上記フレームは、該フレームを上記収容ケースに固定するための複数の固定部を有し、該複数の固定部のうち一部の上記固定部は、上記パイプ間フレーム部に形成されたパイプ間固定部であり、
上記収容ケースは、上記パイプ間フレーム部に対して上記積層方向に隣り合う位置に配された側壁と、該側壁に連なり上記フレームに対して上記突出方向に隣り合う位置に配された底壁と、上記側壁及び上記底壁に連結した台座部とを備え、上記パイプ間固定部を上記台座部に固定してあ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、弾性部材の押圧力が、上記パイプ間フレーム部に加わるよう構成されている。また、上記電力変換装置においては、上記固定部の一部（パイプ間固定部）を、上記パイプ間フレーム部に形成してある。このようにすると、パイプ間フレーム部に加わった上記押圧力を、パイプ間固定部を介して、収容ケースによって受け止めることができる。そのため、フレームに加わる押圧力を低減でき、フレームの変形を抑制できる。したがって、フレームに大きな剛性が要求されなくなり、フレームを薄肉化、軽量化することが可能になる。

以上のごとく、本発明によれば、フレームを軽量化でき、かつフレームの変形を抑制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、電力変換装置の断面図。図１のII-II断面図。図１のIII-III断面図。図１のIV-IV断面図。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、電力変換装置の断面図。図６のVII-VII断面図。図６のVIII-VIII断面図。実施例３における、電力変換装置の拡大断面図。図９のX-X断面図実施例４における、電力変換装置の断面図。実施例５における、電力変換装置の拡大断面図。

上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等に搭載するための車載用電力変換装置とすることができる。

また、上記パイプ間固定部は、上記フレームに上記突出方向へ貫通するよう形成された貫通孔と、該貫通孔に挿入され上記収容ケースに螺合する螺子部材とから構成されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、螺子部材によってフレームを補強できる。すなわち、螺子部材は一般に、炭素鋼等の、剛性が高い金属によって形成されるため、この螺子部材を用いることにより、フレームの剛性を高めることができる。そのため、フレームの変形をより抑制しやすくなる。

また、上記パイプ間固定部は、上記パイプ間フレーム部から上記積層方向に延出する延出部を備え、該延出部に上記貫通孔が形成されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、パイプ間フレーム部に貫通孔を形成しなくてすむため、フレームの強度をより高めることができる。そのため、フレームの変形をより抑制しやすくなる。

また、上記導入パイプと上記導出パイプとをそれぞれ上記フレームに固定するクランプを備え、上記螺子部材によって上記クランプを上記フレームに固定してあることが好ましい（請求項４）。
この場合には、螺子部材によって、フレームを収容ケースに固定できると共に、クランプをフレームに固定することが可能になる。そのため、クランプを固定するための専用の部品を削減でき、電力変換装置の製造コストを低減することができる。

また、上記パイプ間フレーム部は、上記積層方向における厚さが、上記フレームの他の部位よりも厚くなっていることが好ましい（請求項５）。
この場合には、弾性部材の押圧力が加わる部位を厚肉にしてあるため、フレームの変形をより抑制しやすくなる。
なお、上記電力変換装置は、パイプ間固定部を使ってフレームを補強してあるため、パイプ間固定部を設けずに厚肉にした場合と比べて、その厚さを薄くすることができる。

（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５を用いて説明する。図１〜図４に示すごとく、本例の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２と複数の冷媒流路３とを積層した積層体１０を備える。半導体モジュール２は、半導体素子２３（図５参照）を内蔵した本体部２０を有し、この本体部２０からパワー端子２１が突出している。冷媒流路３には、半導体モジュール２を冷却する冷媒１１が流れる。積層体１０は、フレーム４内に配置されている。

電力変換装置１は、弾性部材５と、収容ケース６とを備える。弾性部材５は、フレーム４内に設けられており、積層体１０を積層方向（Ｘ方向）に押圧している。これにより、積層体１０をフレーム４内に固定している。収容ケース６には、積層体１０とフレーム４と弾性部材５とが収容される。

図１に示すごとく、Ｘ方向における積層体１０の一方の端部（冷却管３０ａ）には、冷媒流路３に冷媒１１を導入する導入パイプ７ａと、冷媒流路３から冷媒１１を導出する導出パイプ７ｂとが取り付けられている。パワー端子２１の突出方向（Ｚ方向）と積層方向（Ｘ方向）との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）において、導入パイプ７ａは積層体１０の一端側に位置し、導出パイプ７ｂは積層体１０の他端側に位置している。導入パイプ７ａと導出パイプ７ｂとは、Ｘ方向にそれぞれ延出している。

弾性部材５の押圧力Ｆは、フレーム４のうち、Ｚ方向から見たときに導入パイプ７ａと導出パイプ７ｂとの間に位置する部位であるパイプ間フレーム部４５０に加わる。
図１に示すごとく、フレーム４は、該フレーム４を収容ケース６に固定するための複数の固定部８を有する。複数の固定部８のうち一部の固定部８（パイプ間固定部８０）は、パイプ間フレーム部４５０に形成されている。

本例では、図５に示すごとく、６個の半導体素子２３（ＩＧＢＴ素子）と、該半導体素子２３に逆並列接続したフリーホイールダイオード２３と、平滑用のコンデンサ１２とによって、電力変換回路を構成してある。個々の半導体モジュール２には、１個の半導体素子２３と１個のフリーホイールダイオード２３とが封止されている。

図３に示すごとく、半導体モジュール２は、パワー端子２１と制御端子２２とを備える。パワー端子２１には、コンデンサ１２（図５参照）に接続される入力端子２１ａと、交流負荷１７（図５参照）に接続される交流出力端子２１ｂとがある。パワー端子２１には、図示しないバスバーが接続している。このバスバーにより、入力端子２１ａとコンデンサ１２とを接続し、また、交流出力端子２１ｂと交流負荷１７とを接続している。

制御端子２２は、制御回路基板１３に接続している。制御回路基板１３によって半導体素子２３をスイッチング動作させることにより、入力端子２１ａに印加される直流電圧を交流電圧に変換し、交流出力端子２１ｂから出力している。

また、本例では図１に示すごとく、冷却管３０の内部に冷媒流路３を形成してある。Ｘ方向に隣り合う２個の冷却管３０は、Ｙ方向の両端部において、連結管１４によって連結されている。また、上述したように、Ｘ方向における積層体１０の一方の端部（冷却管３０ａ）には、導入パイプ７ａと導出パイプ７ｂとが接続している。導入パイプ７ａから冷媒１１を導入すると、冷媒１１は連結管１４を通って全ての冷却管３０を流れ、導出管７ｂから導出する。これにより、半導体モジュール２を冷却している。

図１に示すごとく、フレーム４は、壁部４０と、複数の固定部８とを備える。フレーム４はアルミニウム製である。固定部８には、２つの上記パイプ間固定部８０と、２つのコンデンサ側固定部８９とがある。

図４に示すごとく、パイプ間固定部８０は、フレーム４からＸ方向に延出した延出部８１と、該延出部８１にＺ方向へ貫通するように形成した貫通孔８２と、該貫通孔８２に挿入され収容ケース６に螺合する螺子部材８３（ボルト）とを備える。延出部８１は図１に示すごとく、フレーム４の、Ｘ方向に直交する２つの壁部４０ａ，４０ｂのうち一方の壁部４０ａから、Ｘ方向における、他方の壁部４０ｂを設けた側とは反対側に突出している。延出部８１は図４に示すごとく、一方の壁部４０ａ（パイプ間フレーム部４５０）の、Ｚ方向における底壁６２側の端部４０６に形成されている。また、収容ケース６には台座部６８が形成されている。この台座部６８に延出部８１の一端を載置し、螺子部材８３を台座部６８に螺合してある。台座部６８は、収容ケース６の底壁６２と側壁６００とに接続している。螺子部材８３は、フレーム４よりも剛性が高い金属材料からなる。

なお、上記パイプ間フレーム部４５０は、上記一方の壁部４０ａのうち、Ｚ方向から見た場合に（図１参照）導入パイプ７ａと導出パイプ７ｂとの間に位置する部位からなる。

また、コンデンサ側固定部８９も、パイプ間固定部８０と同様の構造になっている。すなわち、図１、図４に示すごとく、コンデンサ側固定部８９は、フレーム４からＸ方向に延出したコンデンサ側延出部８８と、該コンデンサ側延出部８８にＺ方向へ貫通するよう形成した貫通孔８９１と、該貫通孔８９１に挿入され収容ケース６に螺合する螺子部材８９２（ボルト）とを備える。コンデンサ側延出部８８は、上記他方の壁部４０ｂから、Ｘ方向におけるパイプ７ａ，７ｂの突出側とは反対側に突出している。図４に示すごとく、コンデンサ側延出部８８は、上記他方の壁部４０ｂの、Ｚ方向における蓋部６１側の端部４０５に形成されている。また、収容ケース６にはコンデンサ側台座部６９が形成されている。このコンデンサ側台座部６９にコンデンサ側延出部８８の一端を載置し、螺子部材８９２をコンデンサ側台座部６９に螺合してある。

図１、図４に示すごとく、上記他方の壁部４０ｂに対してＸ方向に隣接する位置に、コンデンサ１２が設けられている。コンデンサ１２は、ケース６の底壁６２に締結されている。

一方、弾性部材５は、上記他方の壁部４０ｂと積層体１０との間に配されている。本例の弾性部材５は板ばねである。弾性部材５と積層体１０との間には、押圧均等板５９が介在している。この押圧均等板５９により、冷却管３０に加わる押圧力Ｆを均等化している。本例では、弾性部材５の押圧力Ｆによって、積層体１０をパイプ間フレーム部４５０に向けて押圧し、固定している。弾性部材５は、Ｙ方向における積層体１０の中央部において、積層体１０をＸ方向に押圧している。

また、図２、図３に示すごとく、ケース６には蓋部６１が取り付けられている。ケース６と蓋部６１とは、ボルト６５０によって締結されている。

次に、本例の作用効果について説明する。図１に示すごとく、本例では、弾性部材５の押圧力Ｆが、上記パイプ間フレーム部４５０に加わるよう構成されている。また、本例では、固定部８の一部（パイプ間固定部８０）を、パイプ間フレーム部４５０に形成してある。このようにすると、パイプ間フレーム部４５０に加わる押圧力Ｆを、パイプ間固定部８０を介して、収容ケース６によって受け止めることができる。そのため、フレーム４に加わる押圧力Ｆを低減でき、フレーム４の変形を抑制できる。したがって、フレーム４に大きな剛性が要求されなくなり、フレーム４を薄肉化、軽量化することが可能になる。

また、図１、図４に示すごとく、本例のパイプ間固定部８０は、パイプ間フレーム部４５０からＸ方向に延出する延出部８１と、該延出部８１に形成された貫通孔８２と、貫通孔８２に挿入され収容ケース６に螺合する螺子部材８３とから構成されている。
このようにすると、螺子部材８３（ボルト）によってフレーム４を補強できる。すなわち、螺子部材８３は、フレーム４よりも剛性が高い金属によって形成されるため、この螺子部材８３を用いることにより、フレーム４の剛性を高めることができる。そのため、フレーム４の変形をより抑制しやすくなる。また、延出部８１に貫通孔８２を形成すると、パイプ間フレーム部４５０に貫通孔を形成する必要がなくなるため、フレーム４の剛性をより高めることができる。

また、図１、図４に示すごとく、パイプ間フレーム部４５０は、Ｘ方向における厚さが、フレーム４の他の部位よりも厚くなっている。
このようにすると、弾性部材５の押圧力Ｆが加わる部位を厚肉にしてあるため、フレーム４の変形をより抑制しやすくなる。
なお、本例では、パイプ間固定部８０を使ってフレーム４を補強してあるため、パイプ間固定部８０を設けずに厚肉にした場合と比べて、その厚さを薄くすることができる。

また、本例では、フレーム４のＹ方向における長さを短くすることができる。すなわち、仮に、パイプ間固定部８０を、Ｙ方向における壁部４０ａの両端部から、Ｙ方向に突出させたとすると、フレーム４のＹ方向長さが長くなる。本例では図１に示すごとく、パイプ間固定部８０を、Ｚ方向から見たときに２つのパイプ７ａ，７ｂの間に配置してあるため、フレーム４のＹ方向における長さを短くすることができる。
また、図１に示すごとく、本例では、Ｘ方向に隣り合う２個の冷媒流路３の間に１個の半導体モジュール２のみを配置してある。そのため、これら２個の冷媒流路３の間に、２個の半導体モジュールをＹ方向に並べて配置した場合と比べて、フレーム４のＹ方向長さを短くすることができる。

以上のごとく、本例によれば、フレームを軽量化することができ、かつフレームの変形を抑制できる電力変換装置を提供することができる。

なお、上記実施例においては、冷媒流路３を冷却管３０によって形成し、該冷却管３０を半導体モジュール２に接触させた例を示したが、本発明の電力変換装置１は、これに限られるものではない。すなわち、例えば、上記半導体モジュール２に直接冷媒１１が接触するように冷媒流路３を設けることもできる。

（実施例２）
本例は、パイプ間固定部８０の構造を変更した例である。図６〜図８に示すごとく、本例では、フレーム４に延出部８１（図４参照）を形成せず、パイプ間フレーム部４５０に貫通孔８２を形成してある。そして、この貫通孔８２に螺子部材８３を挿入し、収容ケース６の台座部６８に螺子部材８３を螺合してある。螺子部材８３は実施例１と同様に、フレーム４よりも剛性が高い材料によって形成されている。

上記構成にすると、延出部８１を形成しなくてすむので、フレーム４の構造を簡素にすることができ、フレーム４の製造コストを低減することができる。また、本例では実施例１と同様に、螺子部材８３（ボルト）によってフレーム４を補強できるため、弾性部材５の押圧力Ｆが加わってもフレーム４が変形しにくい。

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と同様の構成等を表す。

（実施例３）
本例は、パイプ間固定部８０の構成を変更した例である。図９、図１０に示すごとく、本例の電力変換装置１は、導入パイプ７ａと導出パイプ７ｂとをそれぞれフレーム４に固定するクランプ１５を備える。そして、螺子部材８３によってクランプ１５をフレーム４に固定するよう構成してある。

図１０に示すごとく、クランプ１５は、導入パイプ７ａ又は導出パイプ７ｂに係合する円弧状部１５０と、該円弧状部１５０からそれぞれＹ方向に延出する第１平板部１５１及び第２平板部１５２を備える。第１平板部１５１と第２平板部１５２には貫通孔が形成されている。第１平板部１５１は、ボルト１５９によって、フレーム４に固定されている。

また、第２平板部１５２の貫通孔には、螺子部材８３を挿入してある。螺子部材８３は、フレーム４に形成した貫通孔８２に挿通され、収容ケース６の台座部６８に螺合している。この螺子部材８３を用いて、クランプ１５の第２平板部１５２をフレーム４に固定すると共に、該フレーム４を収容ケース６に固定するよう構成されている。

本例の作用効果について説明する。本例では、螺子部材８３を用いて、フレーム４を収容ケース６に固定でき、かつ、第２平板部１５２をフレーム４に固定することができる。そのため、第２平板部１５２をフレーム４に固定するための専用の部品を削減でき、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。

（実施例４）
本例は、弾性部材５の位置を変更した例である。本例では、図１１に示すごとく、パイプ間フレーム部４５０と積層体１０との間に弾性部材５を配置した。そして、弾性部材５の押圧力Ｆを用いて、積層体１０を上記他方の壁部４０ｂへ押圧し、固定するよう構成した。本例では、弾性部材５の押圧力（反力）Ｆ’がパイプ間フレーム部４５０に加わる。この押圧力Ｆ’の一部を、パイプ間固定部８０を介して収容ケース６によって受け止めている。そのため、フレーム４に大きな押圧力Ｆ’が加わらず、大きく変形しないようになっている。

（実施例５）
本例は、半導体モジュール２の配置構成を変更した例である。本例では図１２に示すごとく、Ｘ方向に隣接する２つの冷媒流路３の間に、２個の半導体モジュール２を、Ｙ方向に並べて配置してある。半導体モジュール２は、合計６個、用いられている。
このようにすると、フレーム４の、Ｘ方向における長さを短くすることができる。

１電力変換装置
１０積層体
１１冷媒
２半導体モジュール
２０本体部
２１パワー端子
２３半導体素子
３冷媒流路
４フレーム
４５０パイプ間フレーム部
５弾性部材
６収容ケース
７ａ導入パイプ
７ｂ導出パイプ
８固定部
８０パイプ間固定部

Claims

半導体素子（２３）を内蔵した本体部（２０）からパワー端子（２１）が突出した複数の半導体モジュール（２）と、該半導体モジュール（２）を冷却する複数の冷媒流路（３）とを積層してなり、フレーム（４）内に配置された積層体（１０）と、
上記フレーム（４）内に設けられ、上記積層体（１０）を積層方向に押圧することにより、該積層体（１０）を上記フレーム（４）に固定する弾性部材（５）と、
上記積層体（１０）を、上記フレーム（４）及び上記弾性部材（５）と共に収容する収容ケース（６）とを備え、
上記積層方向における上記積層体（１０）の一方の端部には、上記冷媒流路（３）に冷媒（１１）を導入する導入パイプ（７ａ）と、該冷媒流路（３）から上記冷媒（１１）を導出する導出パイプ（７ｂ）とが取り付けられ、上記パワー端子（２１）の突出方向と上記積層方向との双方に直交する幅方向において、上記導入パイプ（７ａ）は上記積層体（１０）の一端側に位置し、上記導出パイプ（７ｂ）は上記積層体（１０）の他端側に位置し、上記導入パイプ（７ａ）と上記導出パイプ（７ｂ）とは、上記積層方向にそれぞれ延出しており、
上記弾性部材（５）の押圧力は、上記フレーム（４）のうち、上記突出方向から見たときに上記導入パイプ（７ａ）と上記導出パイプ（７ｂ）との間に位置する部位であるパイプ間フレーム部（４５０）に加わり、
上記フレーム（４）は、該フレーム（４）を上記収容ケース（６）に固定するための複数の固定部（８）を有し、該複数の固定部（８）のうち一部の上記固定部（８）は、上記パイプ間フレーム部（４５０）に形成されたパイプ間固定部（８０）であり、
上記収容ケース（６）は、上記パイプ間フレーム部（４５０）に対して上記積層方向に隣り合う位置に配された側壁（６００）と、該側壁（６００）に連なり上記フレーム（４）に対して上記突出方向に隣り合う位置に配された底壁（６２）と、上記側壁（６００）及び上記底壁（６２）に連結した台座部（６８）とを備え、上記パイプ間固定部（８０）を上記台座部（６８）に固定してあ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、上記パイプ間固定部（８０）は、上記フレーム（４）に上記突出方向へ貫通するよう形成された貫通孔（８２）と、該貫通孔（８２）に挿入され上記収容ケース（６）に螺合する螺子部材（８３）とから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２に記載の電力変換装置（１）において、上記パイプ間固定部（８０）は、上記パイプ間フレーム部（４５０）から上記積層方向に延出する延出部（８１）を備え、該延出部（８１）に上記貫通孔（８２）が形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項２または請求項３に記載の電力変換装置（１）において、上記導入パイプ（７ａ）と上記導出パイプ（７ｂ）とをそれぞれ上記フレーム（４）に固定するクランプ（１５）を備え、上記螺子部材（８３）によって上記クランプ（１５）を上記フレーム（４）に固定してあることを特徴とする電力変換装置（１）。
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置（１）において、上記パイプ間フレーム部（４５０）は、上記積層方向における厚さが、上記フレーム（４）の他の部位よりも厚くなっていることを特徴とする電力変換装置（１）。