JP6439523B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュール、発熱電子部品、及び冷却管からなる積層体を有する電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車等の動力源である交流モータと、車両に搭載された直流バッテリーとの間において、電力の変換を行うための電力変換装置がある。電力変換装置には、スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュールが配設されている。半導体モジュールは、スイッチング素子に流れる被制御電流によって発熱する。

また、電力変換装置には、半導体モジュール以外にも、リアクトルやコンデンサ等の発熱する電子部品が組み込まれている。そのため、半導体モジュールのみならず、それ以外の発熱電子部品についても、冷却を行うことが求められる場合がある。

そこで、特許文献１には、半導体モジュールと、リアクトルやコンデンサ等の発熱電子部品と、冷却管とを積層して積層体を構成したものが開示されている。これにより、半導体モジュール及び複数の発熱電子部品を、積層方向におけるそれぞれの両面から冷却可能としている。

特開２０１４−２１２６０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された電力変換装置は、積層体に発熱電子部品が組み込まれているため、積層方向の寸法が大きくなりやすいという問題がある。積層体における積層方向の寸法が大きくなると、積層方向に直交する方向に振動が加わったとき、振動の振幅が大きくなりやすくなってしまう。
また、積層方向における発熱電子部品の寸法が大きいと、発熱電子部品を積層方向の両面から冷却できたとしても、その冷却効率が低くなりやすい。それゆえ、発熱電子部品における積層方向の寸法が大きくなると、積層体の積層方向の寸法の大型化、さらには、発熱電子部品の冷却性能の低下を招き得る。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、積層方向の小型化を図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、半導体素子を内蔵してなる半導体モジュールと、
該半導体モジュールと共に電力変換回路の一部を構成する発熱電子部品と、
上記半導体モジュール及び上記発熱電子部品を冷却する冷却器と、
上記半導体モジュールのスイッチング動作を制御する制御回路基板と、を有し、
上記冷却器は、上記半導体モジュール及び上記発熱電子部品と共に積層されて積層体を構成する複数の冷却管を備えており、
該冷却管は、積層方向に直交する幅方向に長尺となる形状を有しており、
上記制御回路基板は、上記積層体に対して、積層方向と幅方向との双方に直交する高さ方向の一方側である上側に、上記制御回路基板の法線方向が高さ方向を向くように配されており、
上記発熱電子部品は、高さ方向における寸法が上記半導体モジュールよりも大きく、
かつ、上記発熱電子部品の上端が、上記制御回路基板よりも上側に位置しており、
上記発熱電子部品は、積層方向における複数の上記冷却管の間に設けられた隙間に配され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、発熱電子部品は、高さ方向における寸法が半導体モジュールよりも大きい。それゆえ、発熱電子部品について、高さ方向の寸法を大きくした分、積層方向の寸法を小さくすることができる。これにより、積層体の積層方向における寸法を抑制することができ、高さ方向における積層体の振動を抑制することができる。また、発熱電子部品の各部位から冷却管までの伝熱経路を短くすることができ、発熱電子部品の冷却性能を向上させることができる。

また、発熱電子部品は、上端が、制御回路基板よりも上側に位置している。それゆえ、発熱電子部品の高さ方向の寸法を充分に大きくすることができ、積層方向における発熱電子部品の寸法を充分に抑制することが可能となる。

以上のごとく、本発明によれば、積層方向における小型化を図ることが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、電力変換装置の一部断面側面図。 実施例１における、上側の蓋を外した状態の電力変換装置の上面図。

電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車などに搭載され、電源電力を駆動用モータの駆動に必要な駆動用電力に変換するインバータとして用いることができる。
また、発熱電子部品は、例えば、直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ、電力変換回路の入力電圧を安定させるフィルタコンデンサ、電源電圧を昇圧する昇圧回路を構成するリアクトル等とすることができる。

（実施例１）
電力変換装置の実施例につき、図１、図２を用いて説明する。
電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、半導体モジュール２と発熱電子部品３と冷却器４と制御回路基板５とを有する。半導体モジュール２は、半導体素子を内蔵してなる。発熱電子部品３は、半導体モジュール２と共に電力変換回路の一部を構成する。冷却器４は、半導体モジュール２及び発熱電子部品３を冷却する。制御回路基板５は、半導体モジュール２のスイッチング動作を制御する。なお、図２においては、制御回路基板５を破線にて表している。

図１、図２に示すごとく、冷却器４は、半導体モジュール２及び発熱電子部品３と共に積層されて積層体１０を構成する複数の冷却管４１を備えている。冷却管４１は、積層方向Ｘに直交する幅方向Ｙに長尺となる形状を有している。制御回路基板５は、積層体１０に対して、積層方向Ｘと幅方向Ｙとの双方に直交する高さ方向Ｚの一方側である上側に、制御回路基板５の法線方向が高さ方向Ｚを向くように配されている。図１に示すごとく、発熱電子部品３は、高さ方向Ｚにおける寸法が半導体モジュール２よりも大きく、かつ、発熱電子部品３の上端３２が、制御回路基板５よりも上側に位置している。

本例において、発熱電子部品３は、直流電圧を平滑化する平滑コンデンサである。以下においては、平滑コンデンサ３という。平滑コンデンサ３からは、バスバ１１等を介して平滑コンデンサ３を半導体モジュール２や直流電源に接続するための図示しないコンデンサ端子が突出している。

半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子やＦＷＤ等のダイオード等の半導体素子を樹脂モールドしてなる。図１に示すごとく、半導体モジュール２からは、半導体モジュール２を外部と電気的に接続するための制御端子１２及びパワー端子１３が突出している。制御端子１２は、半導体モジュール２から上側に向って突出しており、制御回路基板５に形成された複数のスルーホールに挿通されることにより、半導体モジュール２と制御回路基板５とを接続している。パワー端子１３は、半導体モジュール２から下側に向って突出しており、バスバ１１等を介して半導体モジュール２を平滑コンデンサ３や図示しない回転電機に電気的に接続している。

ここで、半導体モジュール２の上端２２又は下端２１とは、端子（制御端子１２、パワー端子１３）を含まない、本体部分の上端又は下端を意味する。発熱電子部品（平滑コンデンサ３）についても、同様とする。

図１、図２に示すごとく、冷却器４は、複数の冷却管４１を互いに積層方向Ｘに隙間を設けつつ積層してなり、互いを、幅方向Ｙの両端部付近において、連結管４２によって連結してなる。積層体１０は、冷却器４における複数の冷却管４１の間に設けられた複数の隙間に、複数の半導体モジュール２、平滑コンデンサ３に加え、フィルタコンデンサ７、リアクトル６をそれぞれ配設してなる。

平滑コンデンサ３は、冷却器４における複数の冷却管４１の間に設けられた複数の隙間のうち、積層方向Ｘの端部の隙間に配されている。そして、複数の冷却管４１の間に設けられた他の隙間に、半導体モジュール２、フィルタコンデンサ７、リアクトル６が、それぞれ平滑コンデンサ３に近い側からこの順に配されている。

図１に示すごとく、積層体１０における半導体モジュール２の上側に、主面の法線方向が高さ方向Ｚを向くように、制御回路基板５が配されている。図２に示すごとく、制御回路基板５は、高さ方向Ｚから見たとき、積層体１０における平滑コンデンサ３と重ならない位置に配されている。

図１に示すごとく、半導体モジュール２の下端２１は、平滑コンデンサ３の下端３１と同等又はそれよりも上側の位置に配されている。本例において、平滑コンデンサ３の下端３１と半導体モジュール２の下端２１とは、互いに高さ方向Ｚの同等の位置に配されている。そして、平滑コンデンサ３の上端３２は、半導体モジュール２の上端２２よりも上側であって、制御回路基板５よりも上側の位置に配されている。

図１、図２に示すごとく、積層体１０における積層方向Ｘの一方の端部には、冷却器４に冷媒を導入する冷媒導入管４３と、冷却器４から冷媒を排出する冷媒排出管４４とが設けてある。積層体１０は、積層方向Ｘ及び幅方向Ｙから、冷媒導入管４３及び冷媒排出管４４を貫通させつつ、ケース８に囲まれている。ケース８は、高さ方向Ｚの両側に開口部を有する。図１に示すごとく、ケース８の上下の開口部は、蓋８０によって覆われている。

なお、リアクトル６は電源電圧を昇圧する昇圧回路を構成し、フィルタコンデンサ７は電力変換回路の入力電圧を安定させる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
電力変換装置１においては、平滑コンデンサ３は、高さ方向Ｚにおける寸法が半導体モジュール２よりも大きい。それゆえ、平滑コンデンサ３について、高さ方向Ｚの寸法を大きくした分、積層方向Ｘの寸法を小さくすることができる。すなわち、平滑コンデンサ３の容量を不変に保ちつつ、平滑コンデンサ３の積層方向Ｘの寸法を抑制することができる。これにより、積層体１０の積層方向Ｘにおける寸法を抑制することができ、高さ方向Ｚにおける積層体１０の振動を抑制することができる。また、平滑コンデンサ３の各部位から冷却管４１までの伝熱経路を短くすることができ、平滑コンデンサ３の冷却性能を向上させることができる。

また、平滑コンデンサ３は、上端３２が、制御回路基板５よりも上側に位置している。それゆえ、平滑コンデンサ３の高さ方向Ｚの寸法を充分に大きくすることができ、積層方向Ｘにおける平滑コンデンサ３の寸法を充分に抑制することが可能となる。

すなわち、制御回路基板５は、半導体モジュール２から突出した制御端子１２との接続等を考慮すると、半導体モジュール２に対して、高さ方向Ｚに大きく離隔させることは困難である。そこで、平滑コンデンサ３の上端３２が、制御回路基板５の下側ではなく、制御回路基板５よりも上側に配されるようにすることにより、平滑コンデンサ３の高さ方向Ｚの寸法を大きくし、積層方向Ｘにおける平滑コンデンサ３の寸法を抑制することができる。

また、高さ方向Ｚにおける平滑コンデンサ３の寸法を大きくできることにより、平滑コンデンサ３の積層方向Ｘの寸法を変えることなく、平滑コンデンサ３の容量を大きくすることができる。すなわち、高さ方向Ｚにおける平滑コンデンサ３の寸法を変えることにより、冷却管４１の間の間隔を変えることなく、平滑コンデンサ３の容量を変えることができる。その結果、互いに平滑コンデンサ３の容量が異なる複数種類の電力変換装置を、それぞれ同じ型の１種類の冷却器を用いて構成することができる。それゆえ、平滑コンデンサ３の容量が異なる複数種類の電力変換装置における冷却器を共通化でき、複数種類の電力変換装置を製造する際のコスト低減を図ることができる。

また、半導体モジュール２の下端２１は、平滑コンデンサ３の下端３１と同等又はそれよりも上側の位置に配されている。それゆえ、高さ方向Ｚにおいて、半導体モジュール２は、平滑コンデンサ３の内側に位置することとなる。そのため、高さ方向Ｚにおける積層体１０の寸法の大型化を抑制することができる。

また、平滑コンデンサ３の下端３１と半導体モジュール２の下端２１とは、互いに高さ方向Ｚの同等の位置に配されている。それゆえ、平滑コンデンサ３と半導体モジュール２との下側に、例えばこれらをつなぐバスバ１１を配置するための広いスペースを確保することができる。

また、平滑コンデンサ３は、冷却器４における複数の冷却管４１の間に設けられた複数の隙間のうち、積層方向Ｘの端部の隙間に配されている。それゆえ、高さ方向Ｚにおける積層体１０の一方側であって、積層方向Ｘにおける平滑コンデンサ３が配された側と反対側に、制御回路基板５等を配置するスペースを充分に確保することができる。

以上のごとく、本例によれば、積層方向における小型化を図ることができる電力変換装置を提供することができる。

なお、実施例１においては、平滑コンデンサにおける高さ方向の寸法が半導体モジュールよりも大きく、かつ、平滑コンデンサの上端が、制御回路基板よりも上側に位置している例、つまり発熱電子部品を平滑コンデンサとした例を示したが、これに限られない。例えば、発熱電子部品を、フィルタコンデンサやリアクトル等とすることもできる。
また、バスバと制御回路基板とが積層体に対して互いに高さ方向の反対側に位置する例を示したが、これに限られるものではなく、バスバと制御回路基板とが積層体に対して高さ方向の同じ側に配されていてもよい。

１ 電力変換装置
１０ 積層体
２ 半導体モジュール
３ 発熱電子部品（平滑コンデンサ）
３２ 発熱電子部品（平滑コンデンサ）の上端
４ 冷却器
４１ 冷却管
５ 制御回路基板
Ｘ 積層方向
Ｙ 幅方向
Ｚ 高さ方向

Claims (4)

1. 半導体素子を内蔵してなる半導体モジュール（２）と、
   該半導体モジュール（２）と共に電力変換回路の一部を構成する発熱電子部品（３）と、
   上記半導体モジュール（２）及び上記発熱電子部品（３）を冷却する冷却器（４）と、
   上記半導体モジュール（２）のスイッチング動作を制御する制御回路基板（５）と、を有し、
   上記冷却器（４）は、上記半導体モジュール（２）及び上記発熱電子部品（３）と共に積層されて積層体（１０）を構成する複数の冷却管（４１）を備えており、
   該冷却管（４１）は、積層方向（Ｘ）に直交する幅方向（Ｙ）に長尺となる形状を有しており、
   上記制御回路基板（５）は、上記積層体（１０）に対して、積層方向（Ｘ）と幅方向（Ｙ）との双方に直交する高さ方向（Ｚ）の一方側である上側に、上記制御回路基板（５）の法線方向が高さ方向（Ｚ）を向くように配されており、
   上記発熱電子部品（３）は、高さ方向（Ｚ）における寸法が上記半導体モジュール（２）よりも大きく、
   かつ、上記発熱電子部品（３）の上端（３２）が、上記制御回路基板（５）よりも上側に位置しており、
   上記発熱電子部品（３）は、積層方向（Ｘ）における複数の上記冷却管（４１）の間に設けられた隙間に配されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記半導体モジュール（２）の下端（２１）は、上記発熱電子部品（３）の下端（３１）と同等又はそれよりも上側の位置に配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. 上記発熱電子部品（３）の下端（３１）と上記半導体モジュール（２）の下端（２１）とは、互いに高さ方向（Ｚ）の同等の位置に配されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記発熱電子部品（３）は、上記冷却器（４）における複数の冷却管（４１）の間に設けられた複数の隙間のうち、積層方向（Ｘ）の端部の隙間に配されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。

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