JP6236904B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等にはインバータやコンバータ等の電力変換装置が搭載されている。このような電力変換装置の例として、特許文献１に、半導体モジュールやコンデンサなどの複数の電子部品とこれらを収納する装置ケースとを備える電力変換装置が開示されている。

特開２００９−４４８９１号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、コンデンサ素子がコンデンサケースに収納された状態で装置ケースに収納されている。すなわち、コンデンサ素子がコンデンサケースと装置ケースとによって覆われた二重構造となっている。そのため、コンデンサケースを収納するケースの内部において無駄な空間が生じる恐れがあり、装置全体として大型化するという問題がある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、小型化することが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、
半導体モジュールを含む主回路部と、コンデンサ素子とを備える電力変換装置であって、
上記主回路部を内部に収納する主回路ケースと、
上記コンデンサ素子を内部に収納するとともに、一方側に開口部を有するコンデンサケースと、
を備え、
上記コンデンサケースは、上記開口部が上記主回路ケースによって覆われるように、上記主回路ケースの外側面に固定されているとともに、上記主回路ケースの上記外側面と上記コンデンサケースとの間には、両者の間をシールするシール部が形成されており、
上記主回路ケースには、上記シール部の内側において、上記コンデンサケースの上記開口部と連通する貫通部が形成されており、
上記開口部から延出された上記コンデンサ素子の接続端子が、上記貫通部を介して上記半導体モジュールと電気的に接続されており、
上記主回路ケースは、ベースプレート及びカバーを備え、該ベースプレートの一方の面には、上記半導体モジュールが取り付けられているとともに、上記カバーが上記半導体モジュールを覆うように取り付けられており、上記ベースプレートの他方の面は、上記コンデンサケースが固定されている上記主回路ケースの上記外側面を構成しており、
上記ベースプレートには、上記半導体モジュールを冷却する冷媒流路が形成されており、
上記コンデンサ素子は、上記コンデンサケースの内部において、封止樹脂により形成された封止部によって、樹脂封止されており、
上記コンデンサ素子の上記接続端子は、上記封止部における上記開口部側の表面である封止面から上記主回路ケースへ向かって突出しており、
上記封止部の上記封止面は上記ベースプレートに対向していることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、コンデンサ素子を収納するコンデンサケースが主回路ケースの外側面に固定されている。そのため、コンデンサ素子はコンデンサケースに収納されているが、主回路ケースには収納されていない。そして、コンデンサ素子の接続端子は、コンデンサケースの開口部と主回路ケースの貫通部とを介して半導体モジュールに接続されており、主回路ケースとコンデンサケースとの間はシールされている。これにより、コンデンサ素子に対して従来の二重構造とする必要がなく、装置全体を小型化することができる。

以上のごとく、本発明によれば、小型化することができる電力変換装置を提供することができる。

参考例１における、電力変換装置の斜視図。 参考例１における、電力変換装置の分解斜視図。 図１における、III−III線断面図。 実施例１における、図１のIII−III線位置相当断面図。 実施例１における、ベースプレートの上面図。 参考例２における、電力変換装置の分解斜視図。 参考例２における、図１のIII−III線位置相当断面図。 参考例３における、電力変換装置の分解斜視図。 参考例３における、図１のIII−III線位置相当断面図。

上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される電力変換装置として使用することができる。

（参考例１）
本例の実施例に係る電力変換装置につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１〜図３に示すように、半導体モジュール１１を含む主回路部１０と、コンデンサ素子２１とを備える。そして、電力変換装置１は、主回路部１０を内部に収納する主回路ケース３０と、コンデンサ素子２１を内部に収納するとともに、一方側に開口部２２を有するコンデンサケース２３と、を備える。
コンデンサケース２３は、開口部２２が主回路ケース３０によって覆われるように、主回路ケース３０の外側面（ベースプレート３１の他方の面３１ｂ）に固定されている。そして、主回路ケース３０の外側面（ベースプレート３１の他方の面３１ｂ）とコンデンサケース２３との間には、両者の間をシールするシール部２４が形成されている。主回路ケース３０には、シール部２４の内側において、コンデンサケース２３の上記開口部２２と連通する貫通部３４が形成されている。開口部２２から延出された上記コンデンサ素子２１の接続端子２５が、貫通部３４を介して上記半導体モジュール１１と電気的に接続されている。

以下、本例の電力変換装置１の構成要素について、詳述する。
主回路部ケース３０は、図１〜図３に示すように、ベースプレート３１と、カバー３２とを備える。ベースプレート３１は、金属製であって、図２に示すように、板状部材である。ベースプレート３１の一方の面３１ａには、半導体モジュール１１が配置されている。半導体モジュール１１は、インバータを構成する電子部品の一部である。半導体モジュール１１は、ベースプレート３１の一方の面３１ａの中央に固定されている。ベースプレート３１において、半導体モジュール１１の一端部１１ａに近接した部分には、貫通部３４が形成されている。貫通部３４は、ベースプレート３１の一方の面３１ａから反対側の他方の面３１ｂまで貫通した矩形の孔である。

カバー３２は、図１〜図３に示すように、ベースプレート３１の一方の面３１ａに固定されている。カバー３２は平面視形状が矩形であって、ベースプレート３１の平面視形状と一致している。カバー３２の外周部分には、フランジ部３２ａが形成されている。カバー３２のフランジ部３２ａよりも内側部分には、フランジ部３２ａに対してベースプレート３１と反対方向に膨出した膨出部３２ｂが形成されている。フランジ部３２ａは、ベースプレート３１の一方の面３１ａにおける外周部分と当接するように平板状となっている。フランジ部３２ａの四隅にはネジ孔３２ｃがそれぞれ形成されている。ベースプレート３１においても四隅にはネジ孔３１ｃがそれぞれ形成されている。カバー３２は、フランジ部３２ａがベースプレート３１の一方の面３１ａにおける外周部分に当接して、締結部材３３によりベースプレート３１に固定されている。これにより、カバー３２の膨出部３２ｂ内に、半導体モジュール１１が位置して、カバー３２とベースプレート３１の間に半導体モジュール１１が収納されている。そして、カバー３２とベースプレート３１により、主回路ケース３０が形成され、ベースプレート３１の他方の面３１ｂが主回路ケース３０の外側面の一部を形成することとなっている。

コンデンサケース２３は、図１〜図３に示すように、ベースプレート３１の一方の面３１ａと反対側の面である、他方の面３１ｂに固定されている。コンデンサケース２３は、箱状を成しており、ベースプレート３１側が開口して開口部２２となっている。コンデンサケース２３において、ベースプレート３１側の縁部、すなわち、開口部２２の縁部には、フランジ部２３ａが形成されている。フランジ部２３ａは、ベースプレート３１の他方の面３１ｂの外形に沿って、外側に膨出するように形成されているとともに、ベースプレート３１の他方の面３１ｂにおける外周部分と当接するように平板状となっている。コンデンサケース２３の内部には、コンデンサ素子２１が配置されている。本例では２個のコンデンサ素子２１が備えられている。コンデンサ素子２１は、コンデンサケース２３の内部において、封止樹脂により形成された封止部２６によって、樹脂封止されている。

ベースプレート３１の貫通部３４に対向する位置において、各コンデンサ素子２１の接続端子２５が、封止部２６からコンデンサケース２３の開口部２２側にそれぞれ引き出されている。これにより、各コンデンサ素子２１の接続端子２５が、開口部２２から延出することとなっている。

コンデンサケース２３は、フランジ部２３ａがベースプレート３１の他方の面３１ｂにおける外周部分に当接して、締結部材３３によりベースプレート３１に固定されている。これにより、コンデンサケース２３の開口部２２がベースプレート３１の他方の面３１ｂによって覆われている。そして、開口部２２から延出している接続端子２５が、ベースプレート３１の貫通部３４を介して、主回路ケース３０の内側に位置している。当該接続端子２５は、半導体モジュール１１の一端側の端部１１ａに設けられた図示しない接続端子に電気的に接続されている。

図２、図３に示すように、主回路ケース３０の外側面（ベースプレート３１の他方の面３１ｂ）とコンデンサケース２３との間には、両者の間をシールするシール部２４が形成されている。シール部２４は、コンデンサケース２３のフランジ部２３ａにおいて、コンデンサケース２３の開口部２２を囲むように形成されている。本例では、シール部２４は、液状のシール部材（液状ガスケット）をフランジ部２３ａに塗布して形成されている。当該シール部２４がベースプレート３１の他方の面３１ｂとコンデンサケース２３との間に介在して、両者に当接することにより、両者の間がシールされることとなる。また、シール部２４はコンデンサケース２３のフランジ部２３ａとベースプレート３１の他方の面３１ｂとの間に設けられているため、貫通部３４は、シール部２４の内側（シール部２４によってシールされている領域内）に位置することとなっている。

次に、本例の電力変換装置１における作用効果について、詳述する。
電力変換装置１では、コンデンサ素子２１を収納するコンデンサケース２３が主回路ケース３０の外側面（ベースプレート３１の他方の面３１ｂ）に固定されている。そのため、コンデンサ素子２１はコンデンサケース２３に収納されているが、主回路ケース３０には収納されていない。そして、コンデンサ素子２１の接続端子２５は、コンデンサケース２３の開口部２２と主回路ケース３０の貫通部３４とを介して、半導体モジュール１１に接続されており、主回路ケース３０とコンデンサケース２３との間はシール部材２４によってシールされている。これにより、コンデンサ素子２１に対して従来の二重構造とならず、装置全体を小型化することができる。

また、本例の電力変換装置１では、主回路ケース３０は、ベースプレート３１及びカバー３２を備える。ベースプレート３１の一方の面３１ａには、半導体モジュール１１が取り付けられているとともに、カバー３２が半導体モジュール１１を覆うように取り付けられている。一方、ベースプレート３１の他方の面３１ｂは、コンデンサケース２３が固定されている主回路ケース３０の外側面を構成している。これにより、コンデンサケース２３を主回路ケース３０の外側面への取り付ける際の作業性が向上される。

また、本例の電力変換装置１では、シール部２４は、コンデンサケース２３のフランジ部２３ａには、液状のシール部材（液状ガスケット）が塗布されて形成されている。これにより、フランジ部２３ａ及びベースプレート３１の他方の面３１ｂに対する、シール部材の馴染みがよく、両者間に高いシール性が得られる。また、シール面表面粗さの緩和が可能であるため、例えばシール面の切削加工が不要となり、加工コストの低減が図られる。

さらに、本例の電力変換装置１では、コンデンサケース２３は、主回路ケース３０の外側面３１ｂに対して、締結部材（本例ではネジ３３）を介して固定されている。これにより、コンデンサケース２３と主回路ケース３０との間がシールされた状態で、両者を確実に固定できる。

また、本例の電力変換装置１では、コンデンサケース２３は、金属製である。これにより、コンデンサケース２３に収納されているコンデンサ素子２１に対するノイズ遮蔽効果を奏する。さらに、コンデンサケース２３の機械的強度の向上が図られる。

本例では、シール部２４において、コンデンサケース２３のフランジ部２３ａに液状のシール部材（液状ガスケット）を塗布したが、これに限定されない。例えば、ベースプレート３１の他方の面３１ｂに液状ガスケットを塗布してもよいし、フランジ部２３ａとベースプレート３１の他方の面３１ｂの両方に塗布してもよい。いずれの場合もフランジ部２３ａに塗布した場合と同等の効果が得られる。

（実施例１）
本例の電力変換装置１は、参考例１におけるベースプレート３１（図３）に替えて、図４に示すペースプレート３１０を備える。その他の構成要素において、参考例１の場合と同様の構成要素には参考例１の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。

図４、図５に示すように、ベースプレート３１０は、冷媒が流通する通路である冷媒流路３１１を内部に備える。冷媒流路３１１は、ベースプレート３１０の内部において、高さ方向Ｚに垂直な幅方向Ｙに沿って櫛状に設けられた複数の冷却フィン３１１ａによって、幅方向Ｙに沿って複数形成されている。そして、ベースプレート３１０の内部において、冷媒流路３１１におけるＹ方向の一端側には、幅方向Ｙ及びに高さ方向Ｚに垂直な長手方向Ｘに沿って、各冷媒流路３１１に連通している入口側ヘッダ部３１２が設けられている。さらに、ベースプレート３１０の内部において、冷媒流路３１１におけるＹ方向の他端側には、長手方向Ｘに沿って、各冷媒流路３１１に連通している出口側ヘッダ部３１３が設けられている。入口側ヘッダ部３１２の一端には冷媒導入管３１４が接続され、出口側ヘッダ部３１３の一端には冷媒排出管３１５が接続されている。半導体モジュール１１は、図５に示すように、ベースプレート３１０の一方の面３１ａにおいて、平面視で冷媒流路３１１と重なるように配置されている。

図５において矢印Ｒで示すように、冷媒は、冷媒導入管３１４を介して入口側ヘッダ部３１２に導入され、入口側ヘッダ部３１２から、各冷媒流路３１１にそれぞれ流入する。そして、冷媒と半導体モジュール１１との間で熱交換がなされ、半導体モジュール１１が冷却される。その後、冷媒は各冷媒流路３１１から出口側ヘッダ部３１３に流入し、出口側ヘッダ部３１３を流通して冷媒排出管３１５から排出される。なお、貫通部３４は、ベースプレート３１０において冷媒流路３１１が形成されていない部分に形成されている。

次に、本例の電力変換装置１における作用効果について、詳述する。
本例の電力変換装置１によれば、冷媒流路３１１により、半導体モジュール１１を冷却することができる。冷媒流路３１１はベースプレート３１０の内部に形成されているため、別途の冷却器を設ける場合に比べて、装置全体を小型化することができる。さらに、ベースプレート３１０の他方の面３１ｂにはコンデンサケース２３が固定されているため、ベースプレート３１０の内部に設けられている冷媒流路３１１を流通する冷媒によってコンデンサケース２３が冷却され、ひいてはコンデンサ素子２１も冷却されることとなる。これにより、装置全体の冷却効果が向上する。
なお、本例の電力変換装置１によっても、参考例１の場合と同様の作用効果を奏する。

本例では、冷却流路３１１は、ベースプレート３１０の内部に形成されていることとしたが、これに限定されない。例えば、参考例１におけるベースプレート３１と半導体モジュール１１との間に、別途冷媒流路３１１を備える冷却器を設けることとしてもよい。

（参考例２）
本例の電力変換装置は、参考例１におけるベースプレート３１に替えて、図６、図７に示すベースプレート３５０を備える。その他の構成要素において、参考例１の場合と同様の構成要素には参考例１の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。

本例の電力変換装置１において、図７に示すように、ベースプレート３５０は、平板部３５１、側壁部３５２、ボス部３５３、及び延出部３５４を備える。平板部３５１は平面視矩形の平板状であって、その一方の面３１ａには半導体モジュール１１が配置されている。平板部３５１には、貫通部３４が形成されている。側壁部３５２は、平板部３５１の外周に形成されている。側壁部３５２は、平板部３５１に対して、Ｚ方向において半導体モジュール１１側に立設されている。ボス部３５３は、側壁部３５２の四隅に沿って、Ｚ方向に形成されている。ボス部３５３には、半導体モジュール１１を覆うカバー３２がネジ３３１によって固定されている。
また、側壁部３５２が、Ｚ方向において半導体モジュール１１と反対側に延出することにより延出部３５４が形成されている。延出部３５４と平板部３５１とによって、後述のコンデンサケース２３の嵌入部２３２が嵌入可能な凹状の被嵌入部３５５が形成されている。

コンデンサケース２３は、図６、図７に示すように、平面視（Ｚ方向から見た場合）において、その外形が、ベースプレート３５０の被嵌入部３５５の外形よりもごくわずかに小さくなっている。そして、コンデンサケース２３の側壁２３１の外周面における開口部２２側の端部は、ベースプレート３１０の被嵌入部３５５に嵌入されて、嵌入部２３２となっている。嵌入部２３２において、ベースプレート３５０の延出部３５４に対向する部位には、溝部２３３が形成されている。溝部２３３は、嵌入部２３２において周方向全域に形成されている。溝部２３３にはゴム製のＯリング状のシール部材４１が設けられている。嵌入部２３２がベースプレート３１０の被嵌入部３５５に嵌入されることにより、シール部材４１がベースプレート３５０の被嵌入部３５５の内側面に当接することとなっている。これによって、主回路ケース３０とコンデンサケース２３との間がシールされて、いわゆる軸シールがなされることにより、シール部２４が形成されている。そして、コンデンサケース２３は、締結部材（ネジ３３２）を介して、ベースプレート３５０の他方の面３１ｂに固定されている。

次に、本例の電力変換装置１における作用効果について、詳述する。
本例では、シール部２４において、シール部材４１は、コンデンサケース２３の溝部２３３に設けられている。これにより、シール部材４１がコンデンサケース２３に保持されるため、主回路ケース３０とコンデンサケース２３との間のシール部２４におけるシール性が向上する。

また、本例では、コンデンサケース２３は、主回路ケース３０の被嵌入部３５５に嵌入される嵌入部２３２を有している。そして、嵌入部２３２における延出部３５４に対向する部位には、溝部２３３が形成されている。嵌入部２３２が被嵌入部３５５に嵌入されることにより、シール部２４において軸シールがなされている。これにより、ベースプレート３５０の側壁３５２の外側に膨出するフランジ部２３ａ（図１、図２）を設ける必要がないため、電力変換装置１の平面視形状（Ｚ方向における投影面積）を小さくすることができる。
なお、本例の電力変換装置１は、参考例１の場合と同様の作用効果を奏する。

（参考例３）
本例の電力変換装置１は、図８に示すように、ベースプレート３５０に係合部３５６が形成されているとともに、コンデンサケース２３に係合爪２３４が備えられている。参考例２の場合と同等の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

係合部３５６は、図８、図９に示すように、平板部３５１に設けられた貫通部である。本例では、ベースプレート３５０において、Ｘ方向の一端側の側壁３５２と反対側の側壁３５２に沿ってそれぞれ２個ずつ、合計４個の係合部３５６が形成されている。一方、係合爪２３４は、コンデンサケース２３の嵌入部２３２の上端において、各係合部３５６に対向する位置にそれぞれ、ベースプレート３５０側に突出するように形成されている。
コンデンサケース２３の嵌入部２３２が、ベースプレート３５０の被嵌入部３５５に嵌入されることにより、各係合爪２３４が、係合部３５６に挿入されて係合されることとなる。

本例の電力変換装置１によれば、各係合爪２３４が、係合部３５６に係合されることにより、コンデンサケース２３がベースプレート３５０の他方側の面３１ｂに固定される。これにより、ネジなどの締結部材が不要となるため、部品点数を削減することができる。また、コンデンサケース２３の嵌入部２３２をベースプレート３５０の被嵌入部３５５に嵌入するだけで、コンデンサケース２３をベースプレート３５０の他方の面３１ｂに固定できるため、コンデンサケース２３の組み付け作業性が高まる。なお、本例の電力変換装置１は、参考例１及び参考例２の場合と同様の作用効果を奏する。

１ 電力変換装置
１０ 主回路部
１１ 半導体モジュール
２１ コンデンサ素子
２２ 開口部
２５ 接続端子
２３ コンデンサケース
２４ シール部
３０ 主回路部ケース
３４ 貫通部

Claims (7)

1. 半導体モジュール（１１）を含む主回路部（１０）と、コンデンサ素子（２１）とを備える電力変換装置（１）であって、
   上記主回路部（１０）を内部に収納する主回路ケース（３０）と、
   上記コンデンサ素子（２１）を内部に収納するとともに、一方側に開口部（２２）を有するコンデンサケース（２３）と、
   を備え、
   上記コンデンサケース（２３）は、上記開口部（２２）が上記主回路ケース（３０）によって覆われるように、上記主回路ケース（３０）の外側面（３１ｂ）に固定されているとともに、上記主回路ケース（３０）の上記外側面（３１ｂ）と上記コンデンサケース（２３）との間には、両者の間をシールするシール部（２４）が形成されており、
   上記主回路ケース（３０）には、上記シール部（２４）の内側において、上記コンデンサケース（２３）の上記開口部（２２）と連通する貫通部（３４）が形成されており、
   上記開口部（２２）から延出された上記コンデンサ素子（２１）の接続端子（２５）が、上記貫通部（３４）を介して上記半導体モジュール（１１）と電気的に接続されており、
   上記主回路ケース（３０）は、ベースプレート（３１０）及びカバー（３２）を備え、該ベースプレート（３１０）の一方の面（３１ａ）には、上記半導体モジュール（１１）が取り付けられているとともに、上記カバー（３２）が上記半導体モジュール（１１）を覆うように取り付けられており、上記ベースプレート（３１０）の他方の面（３１ｂ）は、上記コンデンサケース（２３）が固定されている上記主回路ケース（３０）の上記外側面（３１ｂ）を構成しており、
   上記ベースプレート（３１０）には、上記半導体モジュール（１１）を冷却する冷媒流路（３１１）が形成されており、
   上記コンデンサ素子（２１）は、上記コンデンサケース（２３）の内部において、封止樹脂により形成された封止部（２６）によって、樹脂封止されており、
   上記コンデンサ素子（２１）の上記接続端子（２５）は、上記封止部（２６）における上記開口部（２２）側の表面である封止面から上記主回路ケース（３０）へ向かって突出しており、
   上記封止部（２６）の上記封止面は上記ベースプレート（３１０）に対向していることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記シール部（２４）において、上記主回路ケース（３０）の外側面（３１ｂ）及び上記コンデンサケース（２３）のいずれか一方には、液状のシール部材が塗布されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
3. 上記シール部（２４）において、上記主回路ケース（３０）及び上記コンデンサケース（２３）のいずれか一方には溝部（２３３）が形成されているとともに、該溝部（２３３）には上記主回路ケース（３０）の上記外側面（３１ｂ）と上記コンデンサケース（２３）との間をシールするシール部材（４１）が設けられていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記主回路ケース（３０）及び上記コンデンサケース（２３）のいずれか一方は、他方に嵌入される嵌入部（２３２）を有しており、該嵌入部（２３２）における上記他方と対向する部位に、上記溝部（２３３）が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置（１）。
5. 上記コンデンサケース（２３）は、上記主回路ケース（３０）の上記外側面（３１ｂ）に対して、締結部材（３３、３３２）を介して固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
6. 上記コンデンサケース（２３）は、上記主回路ケース（３０）に設けられた係合部（３５６）に係合する係合爪（２３４）を有しており、該係合爪（２３４）が上記係合部（３５６）に係合することにより、上記コンデンサケース（２３）が上記主回路ケース（３０）の上記外側面（３１ｂ）に固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
7. 上記コンデンサケース（２３）は、金属製であることを特徴する請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。

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