JP5958223B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータや電圧コンバータなどの電力変換装置に関する。特に、電気自動車の走行用モータを駆動するための電力変換装置に関する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や燃料電池車を含む。

電気自動車は、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した周波数の交流電力に変換するインバータを備える。また、電気自動車の中にはバッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータを備えるものもある。本明細書では、インバータや電圧コンバータなどを電力変換装置と総称する。電気自動車の走行用モータは大出力であるため、電力変換装置が扱う電流も大きく、その発熱量は大きい。特に、スイッチング素子として用いられるトランジスタ（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ）や、そのトランジスタに逆並列に接続されるダイオードの発熱量が大きい。それら大電流を扱う半導体素子はパワー素子と呼ばれることがある。パワー素子を効率よく冷却すべく、半導体素子（パワー素子）を平板型の半導体モジュールに収め、複数の半導体モジュールと平板型の複数の冷却プレートを交互に積層する構造が提案されている（特許文献１〜３）。そのような積層体を本明細書では積層ユニットと称する。

特開２０１１−１６７０２８号公報 特開２００７−１５９２５５号公報 特開２００９−１５３２６４号公報

半導体モジュールと冷却プレートを密着させて伝熱効率を高めるため、積層ユニットをケースに収める際、積層ユニットに積層方向の荷重を加えた状態でケース内に収めることが望ましい。例えば特許文献１では、ケースの対向する２つの側壁の間に積層ユニットとバネが挟持支持されている。また、特許文献２では、ケースに支柱が設けられ、側壁と支柱の間に積層ユニットとこれに荷重を加えるバネが挟持支持されている。

積層ユニットを対向する側壁で挟持支持する場合はよいが、支柱で支持する場合、バネの弾性力によって支柱が撓み、積層ユニットに加える荷重が弱くなる虞がある。バネの弾性力を強化すると支柱の撓みが大きくなり、支柱の耐久性に支障をきたす虞が生じる。本明細書は、積層ユニットを備える電力変換装置において、積層ユニットを挟持支持する支柱の強度を高める技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置の一実施形態は、そのケースに積層ユニットの積層方向の一端を支持する支柱が設けられており、積層ユニットと弾性部材が、ケース側壁と支柱の間に挟持支持されている。そして、その支柱の積層ユニットとは反対側にリブが設けられている。リブは、支柱の側面とケース底面にわたって設けられる。リブを加えることで支柱の強度が高められ、荷重が加わっても撓み量が小さくなる。

電力変換装置のケースには積層ユニットの他にも大型の部品が収められることがある。大型の部品の典型には電圧コンバータ用のリアクトルや電流平滑用のコンデンサがある。それらの部品も発熱量が大きい。そこで、支柱の積層ユニットとは反対側にリアクトルやコンデンサなどの発熱部品を配置し、発熱部品を囲むようにリブを設けると良い。発熱部品を囲むリブが他の部品への熱の伝搬を抑制するとともに、リブを介してケースに熱を拡散することができる。なお、リブは、発熱部品を完全に囲む必要はなく、その一部を囲むだけでもよい。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換装置の分解斜視図である。 電力変換装置の斜視図である。 電力変換装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置２を説明する。図１に、電力変換装置２の分解斜視図を示し、図２に電力変換装置２の斜視図を示す。なお、図２は、カバーを外した様子を示している。電力変換装置２は、走行用のモータを２個備える電気自動車に搭載され、バッテリの電力を交流に変換して２個のモータに供給するデバイスである。

電力変換装置２は、主要な部品として、積層ユニット２０とリアクトル４を備える。電力変換装置２は、その他の主要部品として、電流を平滑化する大容量のコンデンサや、積層ユニットに内蔵された半導体素子を制御する回路基板を備えるが、それらは図示と説明を省略する。それゆえ、図１、図２では、ケース１０には積層ユニット２０とリアクトル４のみが収容されるように描かれているが、実際にはケース１０は積層ユニット２０やリアクトル４に対して相対的にさらに大きく、他の主要部品もケース１０に収容されることに留意されたい。また、電気自動車の電力系の説明は図３を参照して後述する。

積層ユニット２０は、半導体素子をモールドした平板型の複数の半導体モジュール２２と、内部を冷媒が通る平板型の複数の冷却プレート２１を交互に積層したものである。冷却プレート２１の内部は空洞であり、その長手方向の両端に貫通孔が設けられている。隣接する冷却プレート２１の貫通孔が接続管で接続されており、また、積層体の一方の端の冷却プレート２１の貫通孔には、外部から冷媒を供給する供給管２３と、冷却プレート２１を通過し半導体モジュール２２を冷却した後の冷媒を外部に排出する排出管２４が取り付けられている。積層体の他端に面する貫通孔は閉鎖されている。図１では一つの冷却プレートと一つの半導体モジュールにのみ符号２１と２２を付し、他の冷却プレートと半導体モジュールには符号を省略していることに留意されたい。

半導体モジュール２２に収められる半導体素子は、スイッチング素子として用いられるトランジスタとそのトランジスタと逆並列に接続されるダイオードである。それらの半導体素子には、バッテリから大電力が流れるため、発熱量が大きい。また、電力変換装置２は、多数の半導体素子を備える。そこで、積層ユニット２０にそれらの素子を集約し、集中して冷却する。半導体モジュール２２から冷却プレート２１への伝熱効率を高めるため、積層ユニット２０は、積層方向に荷重されつつ、ケース１０に収容される。ケース１０は、例えばアルミニウムで作られている。

積層ユニット２０は、ケース１０の側壁１０ｂと、底面１０ｃから立設する２本の支柱１２の間で挟持支持される。積層ユニット２０は、その積層方向で挟持される。積層ユニット２０を支持する側壁１０ｂは、強度を確保するため、他の側壁よりも厚く作られている。なお、側壁１０ｂの左右のスリット１０ａは、冷媒の供給管２３と排出管２４を通すために設けられている。

側壁１０ｂと支柱１２の間には、積層ユニット２０とともに板バネ３が挟持される。板バネ３は、積層ユニット２０と支柱１２の間に嵌装され、積層ユニット２０に積層方向の荷重を加える。荷重の反力は支柱１２が受ける。支柱１２には、積層ユニット２０と対峙する側とは反対の側にリブ１３が設けられている。支柱１２とリブ１３は、ケース１０と一体に作られており、アルミニウム製である。支柱１２とリブ１３を有するアルミニウム製のケース１０は、例えば射出成形で作られる。

リブ１３は、支柱１２の側面とケース底面１０ｃに亘って設けられている。また、リブ１３は、積層ユニット２０の積層方向（図中のＸ方向）に沿って延びている。このリブ１３は、支柱１２の強度を高め、板バネ３による荷重の反力を受けても支柱１２が撓むことを防いでいる。

リブ１３は、２本の支柱１２の夫々から、図のＸ軸の正方向（支柱１２から積層ユニット２０とは反対の方向）に延びており、途中で互いに近づくようにＬ字型に曲がっている。そして、２つのリブ１３で囲まれた領域に、リアクトル４が収容される（図２参照）。リアクトル４の機能は後に改めて説明するが、電力変換装置２に備えられる電圧コンバータの一部品をなす。リアクトル４にも大電流が流れるため、リアクトル４も発熱量が大きい。実施例の電力変換装置２では、ケース底面１０ｃから立ち上がるリブ１３によってリアクトル４が囲まれているので、リアクトル４が発する熱の多くはリブ１３を伝ってケース１０の全体に拡散する。それゆえ、リアクトル４の周囲に存在する他の部品（積層ユニット２０のほか、図示は省略しているが、例えばコンデンサや、制御基板など）に伝達されるリアクトル４の熱は、従来の装置と比べて小さくなる。

図３のブロック図を参照して、電力変換装置２を搭載する電気自動車９０の電力系を説明する。電気自動車９０は、走行用に２個のモータ６１、６２を有する。電力変換装置２は、バッテリ５２の出力電圧を昇圧するとともに、その直流電力を走行に適した周波数の交流電力に変換してモータ６１、６２に出力する。即ち、電力変換装置２は、電圧コンバータ回路５６と、２個のインバータ回路５７ａ、５７ｂを備える。また、電圧コンバータ回路５６の入力側と出力側に、電流平滑用のコンデンサ５３、５４が接続されている。

電圧コンバータ回路５６は、トランジスタ５８とダイオード５９の逆並列接続で構成されるスイッチング回路が２個直列に接続したスイッチング直列回路５１ｇと、リアクトル４で構成される。トランジスタは典型的にはＩＧＢＴであるが、ＭＯＳＦＥＴなど他のタイプのトランジスタで構成される場合もある。図３の電圧コンバータ回路５６の構成は、図中の左側（バッテリ側）から右側（インバータ回路側）に向けて電圧を昇圧することができ、また、図中の右側から左側に向けて電圧を降圧することができる。電圧コンバータ回路５６は、車両の減速エネルギを利用してモータが発電した電力をバッテリに適した電圧まで降圧する。なお、モータ６１、６２が発電した交流電力はインバータ回路５７ａ、５７ｂが直流に変換してから電圧コンバータ回路に入力される。図３に示す電圧コンバータ回路の構成はよく知られているので詳しい説明は省略する。

第１のインバータ回路５７ａは、電圧コンバータ回路５６のスイッチング直列回路５１ｇと同じ構成のスイッチング直列回路５１ａ、５１ｂ、５１ｃが３個並列に接続された構成を有している。第２のインバータ回路５７ｂも同様に、スイッチング直列回路５１ｄ、５１ｅ、５１ｆが３個並列に接続された構成を有している。それぞれのスイッチング直列回路の中間点から交流が出力される。図３のインバータ回路の構成もよく知られているので詳しい説明は省略する。

図３に示すそれぞれのスイッチング直列回路は、別言すれば、２個のトランジスタが直列に接続しているとともに、それぞれのトランジスタにダイオードが逆並列に接続した構成を有している。このスイッチング直列回路の一つひとつが、図１、図２に示した複数の半導体モジュール２２の夫々に収められている。すなわち、図１、図２に示した積層ユニット２０は、スイッチング直列回路５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ、５１ｇを集積したデバイスである。また、図３に示したように、リアクトル４は、電圧コンバータ回路の一部品として使われる。

実施例で示した技術の利点と留意点を述べる。実施例の電力変換装置２は、板バネ３によって荷重されつつ挟持支持される積層ユニット２０の一方を支える支柱１２にリブ１３を設けた。リブ１３を設けることによって支柱１２の強度が高まる。支柱１２の強度が高まるので、板バネ３の荷重（の反力）を受けても支柱１２が撓み難くなり、積層ユニット２０の半導体モジュール２２と冷却プレート２１の高い密着が維持される。また、支柱１２が撓み難くなるので、支柱１２の劣化が抑制される。

他方、リブ１３は、支柱１２に対して積層ユニット２０とは反対側で、リアクトル４を囲んでいる。リアクトル４は発熱量が大きいが、リブ１３が遮熱壁となり、リアクトル４が発する熱が周囲へ広がることを防止するとともに、リアクトル４が発した熱を、リブ１３を通じてケース１０の全体へ拡散させる。

リブ１３の形状は、図１、図２に示した形状に限定されない。リブ１３の形状は、例えば、支柱１２と同じ高さであってもよい。リブ１３が部品を囲むように湾曲している場合、囲まれる部品は、電力変換装置２の中で発熱量が最も大きいリアクトル４であることが好ましいが、リアクトル４に限られない。例えば、電流を平滑化するためのコンデンサ（図３のコンデンサ５３、及び／又は、コンデンサ５４）であってもよい。

実施例の電力変換装置２は、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路と２個のインバータ回路を備えていた。本明細書が開示する技術は、電圧コンバータ回路のみ、あるいは、インバータ回路のみを備える電力変換装置に適用することも好適である。

板バネ３が弾性部材の一例に相当する。弾性部材は、板バネに限られず、コイルバネであってもよい。また、実施例の電力変換装置２では、積層ユニット２０と支柱１２の間に板バネ３が配置されていた。板バネ３（あるいはコイルバネ）は、積層ユニット２０と側壁１０ｂの間に配置されていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換装置
３：板バネ
４：リアクトル
１０：ケース
１０ａ：スリット
１０ｂ：側壁
１０ｃ：底面
１２：支柱
１３：リブ
２０：積層ユニット
２１：冷却プレート
２２：半導体モジュール
２３：供給管
２４：排出管
５１ａ−５１ｆ：スイッチング直列回路
５２：バッテリ
５３、５４：コンデンサ
５６：電圧コンバータ回路
５７ａ、５７ｂ：インバータ回路
５８：トランジスタ
５９：ダイオード
９０：電気自動車

Claims (2)

1. 半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールと平板型の複数の冷却プレートを交互に積層した積層ユニットと、
   前記積層ユニットを収容するケースと、
   前記積層ユニットに積層方向の荷重を加える弾性部材と、
   を備えており、
   前記ケースには前記積層ユニットの一端を支持する支柱が設けられており、
   前記積層ユニットと前記弾性部材がケース側壁と前記支柱の間に挟持支持されており、
   前記支柱の前記積層ユニットとは反対側にリブが設けられており、
   前記支柱の前記積層ユニットとは反対側に発熱部品が配置されており、前記リブが前記発熱部品を囲んでいる、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記発熱部品はリアクトルであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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