JP5941850B2 - 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しあるいは交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関し、特に車両に搭載されるのに適する電力変換装置に関する。

ハイブリッド自動車又は電気自動車の小型化と共に、これらに用いられる電力変換装置の小型化が求められている。また同時に、自動車に搭載される電力変換装置は、冷却構造や耐振構造を小型化された筐体内に収める必要がある。このような要求に対して、例えば特許文献１には、冷却性能の向上、耐振動性の向上を達成するための発明が開示されている。

しかしながら、電力変換装置の筐体の小型、軽量化を実現しつつも、使用時に高熱を発するパワー半導体モジュールや交流バスバーの冷却性能の更なる向上が必要である。

特開２０１２−１３９０１４号公報

本発明の課題は、高出力・高耐振性を有しながら小型化・軽量化された電力変換装置を提供することである。

本発明に係る電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換するパワー半導体モジュールと、前記交流電流を伝達する交流バスバーと、前記パワー半導体モジュールに駆動信号を出力する駆動回路基板と、前記駆動回路基板を支持する支持部を有する金属製のベース部及び支持部品と、前記パワー半導体モジュールを冷却する流路を形成する流路形成体と、前記流路形成体を収納する筐体と、を備え、前記交流バスバーは、前記ベース部であって、前記支持部が配置された側の面とは反対側の面に、第１絶縁部材を介して配置され、かつ前記ベース部と第１固定部材とによって挟持され、前記ベース部は、前記筐体に固定される。

本発明によれば、一つの支持部品に冷却機能、耐振機能、支持機能を備えることで省スペース化を図り、より小型・軽量で高性能な構造を実現できる。

本実施形態に係る電力変換装置１６の分解斜視図である。 筐体１０の斜視図である。 図２（ａ）の断面Ａで切ったときの断面図である。 ベース部４の外観斜視図である。 ベース部４の外観斜視図であり、図３とは異なる方向から見たときの斜視図である。 図３に記載の断面Ｂで切ったときの断面図である。 ベース部４の構成部品を示すための分解斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置１６の分解斜視図である。電力変換装置１６の筐体１０には、パワー半導体モジュール１ａ、１ｂ、１ｃが収納される。パワー半導体モジュール１ａ乃至１ｃの上方には、金属製のベース部４と支持部品２１、及び駆動回路基板３が配置される。支持部品２１は、ベース部４に固定される。ベース部４及び支持部品２１には、支持部４ａ乃至４ｉが形成される。支持部４ａ乃至４ｆは、ベース部４に形成され、支持部４ｇ乃至４ｉは、支持部品２１に形成される。

図２は、筐体１０に配置された流路形成体６を説明するための図であり、図２（ａ）は、筐体１０の斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の断面Ａで切ったときの断面図である。パワー半導体モジュール１ａ乃至１ｃは、コンデンサ１３の長辺に沿うように配置される。流路５は、流路形成体６により形成され、パワー半導体モジュール１ａ乃至１ｃと同様に、コンデンサモジュールの辺に沿うように形成される。パワー半導体モジュール１ａ乃至１ｃは流路５内に並べて固定される。

このように、筐体１０に配置された流路形成体６の流路５に、使用時に高熱を発するパワー半導体モジュール１ａ乃至１ｃを並べて固定することにより、流路５を流れる冷却媒体の冷却性能を十分に発揮することができる。筐体１０は流路形成体６を有している。そしてベース部４は筐体１０に直接固定される。したがって、ベース部４で発生した熱は、筐体１０を介して流路形成体６の流路５を流れる冷却媒体へ逃がされる。

図３は、ベース部４の外観斜視図である。ベース部４の、駆動回路基板３が配置される側の面を第２面７とする。ベース部４の第２面７側には、支持部４ａ乃至４ｉが形成されている。ベース部４の第２面７側には、放電抵抗１４が配置される。

冷却機能を持ったベース部４に放電抵抗１４を固定することで、放電抵抗１４の冷却が可能となる。また、万一電力変換装置の性能を超えた使用が行われて過電圧がかかった場合、放電抵抗から発火する恐れがある。そのような場合でも、放電抵抗を金属製の筐体１０や金属製のベース部４で覆うことにより、放電抵抗の発火による高熱や炎を遮断して、周囲の構成部品を保護することができる。したがって、このような構成により正常は放電抵抗１４の放電動作が確保され、さらには電力変換装置や車両の火災を未然に防ぐことができ、信頼性を向上させることができる。

ベース部４には、交流バスバー２ａ乃至２ｃが固定される。交流バスバー２ａは、第２固定部材１８によってベース部４の第２面７に支持される。交流バスバー２ａと第２固定部材１８の間には、第２絶縁部材１２が挟まれている。交流バスバー２ｂ及び２ｃは、ベース部４の第２面７と対向する第１面８（図４参照）側に配置される。交流バスバー２ａはパワー半導体モジュール１ａと接続され、交流バスバー２ｂはパワー半導体モジュール１ｂと接続され、交流バスバー２ｃはパワー半導体モジュール１ｃと接続される。交流バスバー２ａ乃至２ｃの、パワー半導体モジュール１ａ乃至１ｃと接続される側の端部とは反対側の端部は、交流バスバー２ａ乃至２ｃの出力端子となる。交流バスバーの出力端子側には、電流センサ１１が配置される。電流センサ１１は、交流バスバー２ａ乃至２ｃに流れる交流電流を検知するものであり、ベース部４に固定されている。

このように、電流センサ１１を、耐振性を持つベース部４に固定することで、機械的な振動の影響を受け難くする。さらに、ベース部４において、駆動回路基板３を支持する支持部４ａ乃至４ｉが形成される面と同一の面に電流センサ１１を支持することで、駆動回路基板３に信号を送る回路を形成する接続ピンとの位置決めが容易になる。これにより、電流センサ１１の共振周波数をエンジン等から伝わる機械的な振動周波数より高くすることができ、耐振性を向上させることができる。また、組立性の向上にも寄与する。

図４は、ベース部４の外観斜視図であり、図３とは異なる方向から見たときの斜視図である。ベース部４の第１面８は、第２面７とは対向する面である。交流バスバー２ｂ及び２ｃは、第１固定部材１７によってベース部４の第１面８に支持される。交流バスバー２ｂ及び２ｃと、第１固定部材１７の間には、第１絶縁部材９が挟まれている。

図５は、図３に記載の断面Ｂで切ったときの断面図である。図５に示されるように、交流バスバー２ａは、第２面７に、第２絶縁部材１２を介して配置され、第２固定部材１８によって押圧力２０が生じるようにベース部４に固定される。また、交流バスバー２ｂは、第１面８に、第１絶縁部材９を介して配置され、第１固定部材１７によって押圧力１９を生じるようにベース部４に固定される。交流バスバー２ｃも、交流バスバー２ｂと同様である。

このように、流路形成体６を備える筐体１０に直接固定されるベース部４と、交流バスバーとの間に絶縁部材を介することにより、交流バスバーとベース部４の絶縁性を確保することができる。その際、固定部材によりベース部４へ押圧力を発生させることにより、交流バスバーとベース部４との接触面積を可能な限り大きくし、より高い冷却性能を引き出すことができる。絶縁部材は、樹脂放熱版のような熱伝導率が高い材料を用いることが望ましい。また、本実施例においては交流バスバーについて説明をしたが、直流回路に対して適用することも可能である。以上により、高熱を発する部品を効率よく冷却することにより、より高い交流電流を安全に流すことが可能となり、高信頼性・高性能化に寄与する。

図６は、ベース部４の構成部品を示すための分解斜視図である。上述の通り、交流バスバー２ａは、第２絶縁部材１２を介して、第２固定部材１８によってベース部４に固定される。交流バスバー２ｂ及び２ｃは、第１絶縁部材９を介して、第１固定部材１７によってベース部４に固定される。また、ベース部４には、放電抵抗１４、電流センサ１１、支持部品２１が固定される。

以上説明したベース部４及び支持部品２１に、絶縁部材を介して交流バスバーを配置し、かつベース部４及び支持部品２１に電流センサ１１や放電抵抗１４などの構成部品が支持されている。そしてこれらベース部４及び支持部品２１を流路形成体６を備える筐体１０に直接固定し、冷却性能を兼ね備えることで、構成部品点数を抑制し、効率よく収納筐体１０の構成部品を配置することが可能となる。これらのことから、ベース部４は高い剛性を持ち、さらには高い熱伝導率を兼ね備えた部材であることが望ましく、具体的には例えばアルミのような金属であることが望ましい。さらには、筐体１０と、ベース部４及び支持部品２１との固定点と接触面積は可能な限り多くすることが望ましい。これにより、エンジン等から伝わる機械的な振動周波数に対して、各構成部品の共振周波数を高くできるので、振動の影響を受け難く、さらには高効率な冷却性能を確保でき、信頼性が向上する。

１ａ〜１ｃ：パワー半導体モジュール
２ａ〜２ｃ：交流バスバー
３：駆動回路基板
４：ベース部
４ａ〜４ｉ：支持部
５：流路
６：流路形成体
７：第２面
８：第１面
９：第１絶縁部材
１０：筐体
１１：電流センサ
１２：第２絶縁部材
１３：コンデンサ
１４：放電抵抗
１６：電力変換装置
１７：第１固定部材
１８：第２固定部材
１９：押圧力
２０：押圧力
２１：支持部品

Claims (5)

1. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体モジュールと、
   前記交流電流を伝達する交流バスバーと、
   前記パワー半導体モジュールに駆動信号を出力する駆動回路基板と、
   前記駆動回路基板を支持する支持部を有する金属製のベース部及び支持部品と、
   前記パワー半導体モジュールを冷却する流路を形成する流路形成体と、
   前記流路形成体を収納する筐体と、を備え、
   前記交流バスバーは、前記ベース部であって、前記支持部が配置された側の面とは反対側の面に、第１絶縁部材を介して配置され、かつ前記ベース部と第１固定部材とによって挟持され、
   前記ベース部は、前記筐体に固定される電力変換装置。
2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記交流バスバーは、前記第１固定部材によって押圧力を生じるように前記ベース部に固定される電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記交流バスバーに流れる交流電流を検出する電流センサを備え、
   前記電流センサは、前記ベース部に固定される電力変換装置。
4. 請求項１乃至３に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   前記交流バスバーに挟まれた前記第１絶縁部材に対向する第２絶縁部材を備え、
   前記交流バスバーは、前記ベース部に前記第２絶縁部材を介して配置され、かつ前記ベース部と第２固定部材とによって挟持される電力変換装置。
5. 請求項１乃至４に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
   直流電力を平滑化するコンデンサと、
   前記コンデンサに蓄えられた電荷を放電する放電抵抗と、を備え、
   前記放電抵抗は、前記ベース部に固定される電力変換装置。