JP6505271B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、低コスト化を妨げず、高さの異なる発熱部品の放熱性と耐震性を確保すると共に、絶縁性向上を図ることが可能である。
【解決手段】冷却面３ａは、扁平な面で形成され、スイッチング素子５および発熱部品６が、冷却面３ａの同じ面内に所定の距離を隔てて、並設され、スイッチング素子５は、素子本体５ａと、発熱部品６の端子６ｂと電気的に接続される端子５ｂとを備え、素子本体５ａの、冷却面３ａと反対の側に、絶縁部材１０が配設され、素子本体５ａの、冷却面３ａの側に、電気的絶縁性および熱伝導性を有する絶縁放熱部材９が当接され、自己の弾性復元力が、絶縁部材１０の冷却面３ａと反対の側に、作用する弾性の固定部材１１が設けられ、発熱部品６は、絶縁部材１０の固定部材１１と反対の側に、配設され、弾性復元力により、絶縁部材１０を介して、素子本体５ａが絶縁放熱部材９に圧接され、絶縁放熱部材９が冷却面３ａに圧接されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両などの乗り物に搭載される電力変換装置に関するものである。

例えば電気自動車やハイブリッド自動車等のように、モータを駆動源の一つとする車両においては、商用の交流電源から直流電源に変換して高圧バッテリに充電する充電器や、高圧バッテリの直流電源から補機用のバッテリの電圧（例えば１２Ｖ等）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ、バッテリからの直流電力をモータへの交流電力に変換するインバータ等の電力変換装置が搭載されている。

近年、電動車両に搭載される各種電力変換装置の小型、低コスト化の要求が非常に強くなってきている。これは、電力変換装置の低コスト化、軽量化による電動車両の燃費向上、電動車両における電力変換装置の実装スペースの縮小化のためである。

一方で、電力変換装置において、更なる絶縁性向上を図ることは、更なる小型化を図る上で好ましい。

また、これらの電力変換装置の内部構成は、一般的にチョッパ回路やブリッジ回路などのスイッチング回路が用いられており、このスイッチング回路を構成するスイッチング素子、および電力変換のためのトランス、リアクトルなどの導通により自己発熱する部品が多く用いられている。
これらの部品は、冷却器に取り付けて外部へ放熱すると共に、部品間を電気的に接続する部品（例えばプリント基板等）に電気的に接続する必要があるが、部品の高さが異なる中で部品の放熱と電気的な接続を両立させる必要がある。

また、電力変換装置が搭載される振動要件の厳しい環境において、自身の自重や電力変換装置の振動により、部品間の接続部に大きなストレスを与えるといった課題を生むことから、接合部へのストレスや自身の振動を抑制するなどの耐振構造を追加する必要がある。

従来、スイッチング素子の耐震性、放熱性を確保する方法として、冷却面上方で固定されたプリント基板に実装したスイッチング素子本体を、バネの弾性復元力で冷却面に当接させることで固定し、スイッチング素子からの熱をヒートシンクに放散させる方法が知られている。（例えば特許文献１参照）。

また、従来、高さの異なる発熱部品の放熱方法として、冷却面上方で固定されたプリント基板に実装したがスイッチング素子および大型の電気電子部品の高さに応じて、台座部を設け、各部品の熱を筐体に放散させる方法が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１７−２２３３６号公報 特開２０１４−２３０４１７号公報

しかしながら、スイッチング素子の多くは、裏面および上面の一部分が電極剥き出しであり、さらに、中央部に貫通孔が設けてある場合が多く、特許文献１における従来の技術では、電極剥き出し部と筐体あるいはバネとの絶縁が確保できておらず、スイッチング素子とバネとの距離をとる必要があるが、絶縁強化など更なる絶縁向上を図るには、より距離を大きくとる必要があり、バネ及び冷却器の大型化、コスト上昇を招く。
また、スイッチング素子のリード長さに応じてプリント基板が固定されているので、
冷却が必要な高さの異なる部品が複数あった場合に各部品の高さに応じた基板を各部品に設ける必要があり、基板の固定点の増加、基板間の接続部品の追加による、大型化、コスト上昇を招く。

また、特許文献２における従来の技術では、部品の高さに応じた台座部を設けているので、冷却器が複雑になり、冷却器の大型化、コスト上昇を招く。

この発明はかかる問題点を解決することを課題とするものであって、小型化、低コスト化を妨げず、スイッチング素子およびスイッチング素子と高さの異なる発熱部品の放熱性を確保すると共に、絶縁性向上を可能にする電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、
スイッチング素子、前記スイッチング素子とは別の発熱部品、および前記スイッチング素子および前記発熱部品を冷却する冷却面を有した冷却器を備えた電力変換装置において、
前記冷却面は、扁平な面で形成されており、
前記スイッチング素子および前記発熱部品が、前記冷却面の同じ面内に所定の距離を隔てて、前記冷却面に対して水平方向に並設されており、
前記スイッチング素子は、素子本体と、前記発熱部品の端子と電気的に接続される端子とを備えており、
前記素子本体の、前記冷却面と反対の側に、絶縁部材が配設されており、
前記素子本体の、前記冷却面の側に、電気的絶縁性および熱伝導性を有する絶縁放熱部材が当接されており、
自己の弾性復元力が前記絶縁部材の前記冷却面と反対の側に作用する弾性の固定部材が、前記絶縁部材の、前記発熱部品と前記水平方向の反対の側に、配設されており、
前記発熱部品は、前記絶縁部材の前記固定部材と前記水平方向の反対の側に、配設されており、
前記弾性復元力により、前記絶縁部材を介して、前記素子本体が前記絶縁放熱部材に圧接され、前記絶縁放熱部材が前記冷却面に圧接されており、
前記冷却器は、前記冷却面の前記スイッチング素子の側に、第一凹部を備え、
前記スイッチング素子は、前記素子本体の中央部に、第一貫通孔を備え、
前記絶縁部材は、前記第一貫通孔に対応した第一突起部と、前記第一凹部に対応した第二突起部と、前記冷却面の側に前記素子本体に対応した開口部とを備え、
前記絶縁部材の前記開口部の中に前記素子本体が収容され、
前記素子本体の前記第一貫通孔に前記絶縁部材の前記第一突起部が嵌合され、
前記冷却器の前記第一凹部に前記絶縁部材の前記第二突起部が嵌合されている
ものである。

この発明は、
スイッチング素子、前記スイッチング素子とは別の発熱部品、および前記スイッチング素子および前記発熱部品を冷却する冷却面を有した冷却器を備えた電力変換装置において、
前記冷却面は、扁平な面で形成されており、
前記スイッチング素子および前記発熱部品が、前記冷却面の同じ面内に所定の距離を隔てて、前記冷却面に対して水平方向に並設されており、
前記スイッチング素子は、素子本体と、前記発熱部品の端子と電気的に接続される端子とを備えており、
前記素子本体の、前記冷却面と反対の側に、絶縁部材が配設されており、
前記素子本体の、前記冷却面の側に、電気的絶縁性および熱伝導性を有する絶縁放熱部材が当接されており、
自己の弾性復元力が前記絶縁部材の前記冷却面と反対の側に作用する弾性の固定部材が、前記絶縁部材の、前記発熱部品と前記水平方向の反対の側に、配設されており、
前記発熱部品は、前記絶縁部材の前記固定部材と前記水平方向の反対の側に、配設されており、
前記弾性復元力により、前記絶縁部材を介して、前記素子本体が前記絶縁放熱部材に圧接され、前記絶縁放熱部材が前記冷却面に圧接されており、
前記冷却器は、前記冷却面の前記スイッチング素子の側に、第一凹部を備え、
前記スイッチング素子は、前記素子本体の中央部に、第一貫通孔を備え、
前記絶縁部材は、前記第一貫通孔に対応した第一突起部と、前記第一凹部に対応した第二突起部と、前記冷却面の側に前記素子本体に対応した開口部とを備え、
前記絶縁部材の前記開口部の中に前記素子本体が収容され、
前記素子本体の前記第一貫通孔に前記絶縁部材の前記第一突起部が嵌合され、
前記冷却器の前記第一凹部に前記絶縁部材の前記第二突起部が嵌合されている
ので、小型化、低コスト化を妨げず、スイッチング素子およびスイッチング素子と高さの異なる発熱部品の放熱性を確保すると共に、絶縁性向上を図ることが可能である。

この発明の実施の形態１における電力変換装置の要部を例示する縦断側面図である。 この発明の実施の形態１におけるスイッチング素子を例示する斜視図である。 この発明の実施の形態２における電力変換装置の要部を例示する縦断側面図である。

以下、この発明の各実施の形態の電力変換装置について説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
以下、実施の形態１を図１および図２によって説明する。
図１は、実施の形態１における電力変換装置の要部を例示する縦断側面図である。
また、図２は、実施の形態１におけるスイッチング素子を例示する斜視図である。
実施の形態１では、電力変換装置１、電力変換部２、冷却器３、冷却面３ａ、平面３ｂ、冷却フィン３ｃ、流路３ｄ、ボス部３ｅ１，３ｅ２、第一凹部３ｆ、第二凹部３ｇ、カバー４、スイッチング素子５、素子本体５ａ、スイッチング素子５の端子であるリード端子５ｂ、内部電極５ｃ、樹脂部５ｄ、切欠き５ｅ、第一貫通孔５ｆ、素子本体下面５ｇ、素子本体上面５ｈ、発熱部品６、発熱部品本体６ａ、発熱部品６の端子である接続用端子６ｂ、主回路配線板であるプリント基板７、締結具８１，８２，８３、絶縁放熱部材９、第二貫通孔９ａ、第三貫通孔９ｂ、ほぼ板状の絶縁部材１０、絶縁部材本体１０ａ、中間端子部１０ｂ、開口部１０ｃ、第一突起部１０ｄ、第二突起部１０ｅ、第三突起部１０ｆ、平面部１０ｇ、垂直平面部１０ｈ、第四貫通孔１０ｊ、ベンド部１０ｋ、第五貫通孔１０ｍ、板状の固定部材１１、弾性変形部１１ａ、固定部１１ｂ、第一曲折部１１ｃ、第二曲折部１１ｄ、第三曲折部１１ｅ、隙間緩衝部材１２、および収納空間７３ａｓが設けられ、各々、図１、図２に例示のように形成され、相対的に配置されている。
絶縁放熱部材９、絶縁部材１０、固定部材１１、および隙間緩衝部材１２は、それぞれ個別の部材である。

チョッパ回路やブリッジ回路などのスイッチング回路である電力変換装置１は、モータを駆動源の一つとする電気自動車やハイブリッド自動車等の車両などの乗り物や、充電器、ほかに搭載されている。また、電力変換装置１は、所定の電力（例えば商用の交流電力等）を別の所定の電力（例えば直流電力等）に変換するための電力変換部２と、外部に熱を放散する冷却器３とを有している。

冷却器３の冷却面３ａとプリント基板７との間に収納空間７３ａｓが形成されている。この収納空間７３ａｓ内に、ボス部３ｅ２、第一凹部３ｆ、第二凹部３ｇ、スイッチング素子５、素子本体５ａ、リード端子５ｂ、内部電極５ｃ、樹脂部５ｄ、切欠き５ｅ、第一貫通孔５ｆ、素子本体下面５ｇ、素子本体上面５ｈ、発熱部品６、発熱部品本体６ａ、接続用端子６ｂ、締結具８２、絶縁放熱部材９、第二貫通孔９ａ、第三貫通孔９ｂ、絶縁部材１０、絶縁部材本体１０ａ、中間端子部１０ｂ、開口部１０ｃ、第一突起部１０ｄ、第二突起部１０ｅ、第三突起部１０ｆ、平面部１０ｇ、垂直平面部１０ｈ、第四貫通孔１０ｊ、ベンド部１０ｋ、固定部材１１、弾性変形部１１ａ、固定部１１ｂ、第一曲折部１１ｃ、第二曲折部１１ｄ、第三曲折部１１ｅ、および隙間緩衝部材１２が収納されている。

冷却器３の下側、つまりプリント基板７と反対の側、には冷却フィン３ｃ、流路３ｄ、およびカバー４が図１、図２に例示のように配設されている。

冷却器３は、熱伝導率の優れた金属材料（例えばアルミニウム）で構成されている。冷却器３は、例えば、アルミダイカスト成形により形成されている冷却面３ａと、この冷却面３ａに対向する平面３ｂと、この平面３ｂから冷却面３ａと反対方向に垂直に伸びた複数の冷却フィン３ｃとを有し、図１における下面がカバー４で覆われることで、冷却流体が流れる複数の流路３ｄが形成される。
また、冷却面３ａから垂直に伸びた高さの異なる複数のボス部３ｅ１，３ｅ２を有し、ボス部３ｅ１，３ｅ２の先端面には、ねじ穴が設けられている。

カバー４は、熱伝導率の優れた金属材料（例えばアルミニウム）で構成されている。カバー４は、例えば、板金により形成されており、冷却器３に複数の締結具（図示なし）で固定されている。

電力変換部２は、前述のスイッチング回路を構成するスイッチング素子５と、電力変換のためのトランス、リアクトルなどの、導通により自己発熱する発熱部品６とを有し、実装面を持つプリント基板７で電気的に接続されることで構成されている。プリント基板７には、前述のスイッチング回路を構成する各スイッチング素子の導通制御を行う制御回路（図示なし）が形成あるいは搭載されている。
また、冷却器３の側壁部（すなわち収納空間７３ａｓを形成する側壁部）に設けられた複数のボス部３ｅ１，３ｅ１のねじ穴に螺合された複数の締結具８１によって、各ボス部３ｅ１，３ｅ１の先端面（すなわち冷却器３の流路３ｄと反対側の端面）に、プリント基板７の実装面と冷却器３の冷却面３ａとが対向するように、プリント基板７が冷却器３に取り付けられている。

スイッチング素子５は、スイッチング機能を有する素子本体５ａと、素子本体５ａの外方に突出したリード端子５ｂとで構成されている。
素子本体５ａは、内部電極５ｃが絶縁性を有する樹脂部５ｄで覆われることで形成されており、樹脂部５ｄに形成された複数（この例では２箇所）の切欠き５ｅにより、内部電極５ｃが表面に剥き出しになっている。また、素子本体５ａの中央部には、第一貫通孔５ｆが設けられている。
リード端子５ｂは、図示のように、素子本体５ａから、冷却面３ａに対して水平方向に突出し、途中で、冷却面３ａに対して垂直方向に且つ冷却面３ａとは反対の方向に曲折して延在している。

スイッチング素子５は、素子本体下面５ｇが冷却面３ａと対向する向きに配置され、素子本体下面５ｇと冷却面３ａとの間には、絶縁放熱部材９が設けられている。
また、素子本体５ａの上方には、絶縁部材１０が素子本体上面５ｈに当接した状態で設けられ、さらに、絶縁部材１０の上方には、弾性の固定部材１１が設けられている。

なお、固定部材１１より冷却面３ａ寄りに絶縁部材１０が、絶縁部材１０より冷却面３ａ寄りに素子本体５ａが、素子本体５ａより冷却面３ａ寄りに絶縁放熱部材９が、それぞれ位置し、且つ、これら絶縁部材１０、素子本体５ａ、および絶縁放熱部材９は重積されている。
また、弾性の固定部材１１の弾性復元力により、絶縁部材１０は素子本体５ａに、素子本体５ａの内部電極５ｃは絶縁放熱部材９に、絶縁放熱部材９は冷却面３ａに、それぞれ圧接されている。従って、素子本体５ａの発熱は、絶縁放熱部材９を介して、冷却器３の冷却面３ａに良好に伝熱され、素子本体５ａの良好な放熱性と耐震性が確保される。

絶縁放熱部材９は、プリント基板７よりも高い熱伝導率を有し、かつ所定の電気絶縁性を持つ材料で形成されている。この例では、絶縁放熱部材９は、柔軟性を有し、一定の厚みで構成されたシリコーン系の放熱シートを使用している。

絶縁部材１０は、絶縁部材本体１０ａと、絶縁部材本体１０ａの外方に突出したほぼＬ字状の中間端子部１０ｂとで構成されている。

絶縁部材本体１０ａは、所定の電気絶縁性を有する樹脂材料、例えばＰＢＴ（Ｐｏｌｙ Ｂｕｔｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔａｌａｔｅ（ポリブチレン テレフタレート））、で形成されており、素子本体上面５ｈに対向する面に開口部１０ｃが設けられている。
開口部１０ｃは、素子本体５ａの位置に対応して形成されており、開口部１０ｃに素子本体５ａが嵌め込まれている状態下で、絶縁部材本体１０ａと素子本体５ａとの間に極わずかな間隙が形成されるような大きさをもつ。
また、絶縁部材本体１０ａは、素子本体５ａの第一貫通孔５ｆの位置、形状に応じ、冷却面３ａに向かって垂直に伸びた第一突起部１０ｄと素子本体５ａの外側に位置し冷却面３ａに向かって伸びた第二突起部１０ｅおよび第三突起部１０ｆを有している。
また、冷却器３には、第二突起部１０ｅおよび第三突起部１０ｆの位置、形状に応じた第一凹部３ｆおよび第二凹部３ｇが設けられている。
また、絶縁放熱部材９には、絶縁部材１０の、第二突起部１０ｅおよび第三突起部１０ｆの各々の位置、および形状に応じた第二貫通孔９ａおよび第三貫通孔９ｂが設けられている。

なお、第一凹部３ｆおよび第二凹部３ｇのうち、第一凹部３ｆは、図１における紙面の手前に位置しているので図示されているが、第二凹部３ｇは、第一凹部３ｆより、図１における紙面の奥側に位置しているので、第一凹部３ｆの陰となっていて、図１には図示されていない。
同様に、第二貫通孔９ａおよび第三貫通孔９ｂのうち、第二貫通孔９ａは、図１における紙面の手前に位置しているので図示されている。第三貫通孔９ｂは、第二貫通孔９ａより、図１における紙面の奥側に位置しているので、第二貫通孔９ａの陰となっていて、図１には図示されていない。
同様に、第二突起部１０ｅおよび第三突起部１０ｆのうち、第二突起部１０ｅは、図１における紙面の手前に位置しているので図示されているが、第三突起部１０ｆは、第二突起部１０ｅより、図１における紙面の奥側に位置しているので、第二突起部１０ｅの陰となっていて、図１には図示されていない。

開口部１０ｃ内に素子本体５ａが収納され、素子本体５ａの第一貫通孔５ｆに第一突起部１０ｄが挿通され、さらに、第一凹部３ｆおよび第二貫通孔９ａに、第二突起部１０ｅが、第二凹部３ｇおよび第三貫通孔９ｂに第三突起部１０ｆが、それぞれ挿通されることで、冷却器３、スイッチング素子５、絶縁放熱部材９、および絶縁部材１０の相対位置がそれぞれ定められている。

中間端子部１０ｂは、導電率の優れた金属材料（例えば銅）で形成されており、冷却面３ａと水平方向に伸びた平面部１０ｇと、平面部１０ｇが冷却面３ａと垂直方向に曲折されて形成された垂直平面部１０ｈとを有し、平面部１０ｇの一部が絶縁部材本体１０ａに保持されることで中間端子部１０ｂ自身が所定の高さ、位置で保持されている。
この例の場合、絶縁部材本体１０ａと一体成形により構成されている。
また、平面部１０ｇは、スイッチング素子５のリード端子５ｂの位置、形状に応じた第四貫通孔１０ｊを有し、垂直平面部１０ｈは、Ｕ字形状に曲折されたベンド部１０ｋを有している。
第四貫通孔１０ｊにスイッチング素子５のリード端子５ｂが挿通され、リード端子５ｂと平面部１０ｇが半田付けされることにより、リード端子５ｂと絶縁部材１０の中間端子部１０ｂが電気的に接続されている。

固定部材１１は、板状の金属材料、例えばＳＵＳ（ステンレス鋼）材、で形成されており、弾性変形部１１ａと固定部１１ｂとで構成されている。
弾性変形部１１ａは、固定部１１ｂの一端から順に上方に曲折された第一曲折部１１ｃ、下方に曲折された第二曲折部１１ｄ、さらに、上方に曲折された第三曲折部１１ｅで構成されている。
固定部１１ｂは、冷却面３ａからプリント基板７の側へ所定距離隔てた位置における、冷却面３ａと水平をなす平面、に位置して形成されている。
固定部材１１は、第三曲折部１１ｅが絶縁部材１０の上面に圧接されることで弾性復元力が絶縁部材１０に作用し、絶縁部材１０を介してスイッチング素子５が冷却面３ａに押圧された状態で、冷却器３に、ボス部３ｅ１より内側に設けられたボス部３ｅ２、のねじ穴に螺合された締結具８２により、冷却器３に取り付けられている。
ボス部３ｅ２は、素子本体５ａの、リード端子５ｂが突出している面の側と反対の側に位置し、素子本体５ａよりも外側に設けられている。また、ボス部３ｅ２は、その先端位置が素子本体上面５ｈよりも高い位置になるように形成されている。

発熱部品６は、スイッチング素子５の導通により自己発熱する発熱部品本体６ａと発熱部品本体６ａから外方にＬ字状に突出した接続用端子６ｂとから構成されており、隙間緩衝部材１２を介して冷却面３ａに伝熱可能に当接されている。

隙間緩衝部材１２は、高い熱伝導率と所定の電気絶縁性を持つ材料（例えばグリース）で形成されている。

プリント基板７は、導電率の優れた金属材料（例えば銅）で形成されたパターン（図示なし）と電気絶縁性を有する樹脂材料（例えばエポキシ樹脂）で形成されており、発熱部品６の接続用端子６ｂ、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂ、締結具８１の数、大きさに応じた数、大きさの貫通孔が設けられている。
発熱部品６の接続用端子６ｂ、および絶縁部材１０の中間端子部１０ｂは、それぞれプリント基板７の各貫通孔に挿通された状態で半田付けされることで、それぞれプリント基板７と電気的に接続されている。

本実施の形態の電力変換装置によれば、スイッチング素子５と固定部材１１との間に、絶縁部材１０が設けられているので、スイッチング素子５の内部電極５ｃと固定部材１１との沿面距離を十分に確保することができ、絶縁強化の必要があっても、電気的に十分な絶縁をすることができる。

また、素子本体５ａが絶縁放熱部材９を介して冷却面３ａに当接されているので、
スイッチング素子５の内部電極５ｃと冷却器３との電気的な絶縁を確保しつつ、スイッチング素子５の熱を最短経路で冷却面３ａに伝えることができ、スイッチング素子５と冷却面３ａとの間の熱抵抗を低減することができる。

また、固定部材１１により、絶縁部材１０が素子本体５ａに、素子本体５ａが冷却面３ａに、それぞれ押圧されているので、スイッチング素子５、および絶縁部材１０自身の振動を抑制することができ、スイッチング素子５のリード端子５ｂと絶縁部材１０の中間端子部１０ｂとの接続部へのストレス、および絶縁部材１０の中間端子部１０ｂとプリント基板７との接続部へのストレス、をそれぞれ抑制することができる。
さらに、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂにベンド部１０ｋが設けられているので、自重方向のひずみをベンド部１０ｋで吸収することができ、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂとプリント基板７との接続部へのストレスを、より抑制することができる。

また、絶縁部材１０に中間端子部１０ｂを設け、スイッチング素子５のリード端子５ｂを絶縁部材１０の中間端子部１０ｂと接続し、中間端子部１０ｂをプリント基板７に接続しているので、
それぞれ放熱が必要な、高さの異なるスイッチング素子５と発熱部品６とが、同じ収納空間７３ａｓ内に混在し、発熱部品６の高さに合わせてプリント基板７が配置されている場合であっても、プリント基板７の高さやその他周辺部品の配置に応じて中間端子部１０ｂの形状を自由に変更することができ、スイッチング素子５や発熱部品６の放熱性の低下を防止しつつ、プリント基板７や発熱部品６を含む周辺部品の配置の自由度を向上することができる。

さらに、プリント基板７を、スイッチング素子５側と発熱部品６とに分割する必要性を、防止することができ、分割した際の基板間の接続部材や各基板の固定点の増加を防止することができ、小型化、低コスト化を実現することができる。
さらに、各部品の高さに応じて冷却面３ａの高さを変える必要がなく、冷却面３ａを扁平な１つの平面で形成することができ、冷却器３の簡素化の実現、延いては、小型化、低コスト化を実現することができる。

また、スイッチング素子５が、絶縁部材１０の開口部１０ｃ内に収容され、スイッチング素子５の第一貫通孔５ｆに、絶縁部材１０の第一突起部１０ｄが挿通され、かつ絶縁部材１０の第二突起部１０ｅ、第三突起部１０ｆが、絶縁放熱部材９の第二貫通孔９ａ、第三貫通孔９ｂおよび冷却器３の第一凹部３ｆ、第二凹部３ｇに、それぞれ挿通されることで、スイッチング素子５、絶縁放熱部材９、絶縁部材１０、固定部材１１の相対位置が決められているので、各部品間の位置ばらつきを抑制することができ、延いては、部品間の絶縁距離の設計値を抑制することができる。これにより、絶縁放熱部材９および絶縁部材１０の小型化、低コスト化を実現することができる。
特に、絶縁放熱部材９の第二貫通孔９ａ、第三貫通孔９ｂと、冷却器３の第一凹部３ｆ、第二凹部３ｇを同様の位置、大きさとし、これら第二貫通孔９ａ、第三貫通孔９ｂ、第一凹部３ｆ、第二凹部３ｇに、共通に、絶縁部材１０の第二突起部１０ｅ、第三突起部１０ｆを、挿通しているので、冷却器３、絶縁放熱部材９、スイッチング素子５、および絶縁部材１０の相互間の位置ばらつきの抑制効果は大である。

また、固定部材１１の固定部１１ｂが、素子本体上面５ｈよりも高い位置で冷却器３のボス部３ｅ２に固定されており、さらに、固定部材１１の第一曲折部１１ｃおよび第二曲折部１１ｄが固定部１１ｂよりも高い位置に形成されているので、冷却面３ａに対して、垂直方向の距離でスイッチング素子５の内部電極５ｃと固定部材１１との絶縁距離を確保することができる。これにより、ボス部３ｅ２と素子本体５ａとの冷却面３ａに対して、水平方向の距離を最小限に抑えることができ、固定部材１１の小型化、低コスト化および、冷却器の小型化、低コスト化を実現することができる。

なお、本実施の形態においては、冷却器３はアルミダイカスト成形により形成されているが、剛性の高い金属材料（例えば、鉄）で形成された板金により構成してもよい。この構成によって、剛性を低下させることなく、アルミダイカスト成形で形成するよりもコストを削減することができる。

また、スイッチング素子５のリード端子５ｂは、冷却面３ａと垂直方向に冷却面３ａとは反対方向に曲折しており、素子本体５ａよりも上方で絶縁部材１０の中間端子部１０ｂと電気的に接続されているが、リード端子５ｂの曲折をなくす、または、冷却面３ａ方向に曲折し、リード端子５ｂの位置に合わせて絶縁部材１０の中間端子部１０ｂを曲折させてもよく、リード端子５ｂと中間端子部１０ｂとが電気的に接続されていればよい。

また、絶縁部材１０に第二突起部１０ｅおよび第三突起部１０ｆを設け、これら第二突起部１０ｅおよび第三突起部１０ｆを、冷却器３の第一凹部３ｆおよび第二凹部３ｇに挿通しているが、絶縁部材１０側に貫通孔あるいは凹部を設け、冷却器３側に突起部を設けてもよい。
これによっても、同様の効果を得ることができる。

また、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂは、Ｕ字形状に曲折されたベンド部１０ｋを有しているがＶ字状やコの字形状に曲折されていてもよく。これによっても、同様の効果を得ることができる。

また、電力変換装置１の駆動回路は図示してないが、プリント基板７上に構成してもよいが、プリント基板７とは別に、冷却器３から離れた部位に構成してもよい。

次に、本実施の形態１の特徴的な技術を、列記する。

図１に例示のように、少なくとも１つのスイッチング素子５と、少なくとも１つの発熱部品６と、スイッチング素子５と発熱部品６とを電気的に接続する主回路配線板（プリント基板７、ほか）と、スイッチング素子５および発熱部品６を冷却する冷却面３ａを有した冷却器３を備えた電力変換装置において、
冷却面３ａは、段部を持たない１つの平面で形成され、
スイッチング素子５は、素子本体５ａと素子本体５ａから外方に突出するリード端子５ｂとを備えており、
素子本体５ａ上部に、絶縁部材１０を、素子本体５ａ下部に、優れた絶縁性および熱伝導性を有する絶縁放熱部材９を、それぞれ介して、絶縁部材１０の上部に設けられた固定部材１１の弾性復元力により、素子本体５ａ下部が冷却面３ａに伝熱可能に当接されると共に、
スイッチング素子５のリード端子５ｂ先端が、主回路配線板であるプリント基板７と電気的に接続されている。

図１に例示のように、冷却器３は、スイッチング素子５よりも外側に第一凹部３ｆ、第二凹部３ｇを備え、スイッチング素子５は、素子本体５ａ中央部に第一貫通孔５ｆを備え、絶縁部材１０は、第一貫通孔５ｆの位置、形状に応じた第一突起部１０ｄと、第一凹部３ｆ、第二凹部３ｇの位置、形状に応じた第二突起部１０ｅ、第三突起部１０ｆと、冷却面３ａ側に位置し、素子本体５ａの位置、形状に応じた開口部１０ｃと、を備えており、
絶縁部材１０の開口部１０ｃ内に素子本体５ａが収容され、素子本体５ａの第一貫通孔５ｆに絶縁部材１０の第一突起部１０ｄが嵌合されていると共に、冷却器３の第一凹部３ｆ及び第二凹部３ｇに絶縁部材１０の第二突起部１０ｅ、第三突起部１０ｆが各々嵌合されている。

図１に例示のように、絶縁放熱部材９は、第一凹部３ｆ及び第二凹部３ｇの位置、形状に応じた第二貫通孔９ａ、第三貫通孔９ｂを備えており、絶縁部材１０の第二突起部１０ｅ、第三突起部１０ｆが絶縁放熱部材９の第二貫通孔９ａ、第三貫通孔９ｂを貫通して、冷却器３の第一凹部３ｆ、第二凹部３ｇに各々嵌合されている。

図１に例示のように、固定部材１１は、絶縁部材１０よりも、図における上方で、冷却器３と締結具８１により固定されている。

図１に例示のように、絶縁部材１０は、絶縁部材本体１０ａと絶縁部材本体１０ａから外方に突出する中間端子部１０ｂとを備え、中間端子部１０ｂが、スイッチング素子５のリード端子５ｂと少なくとも１箇所で電気的に接続されていると共に、中間端子部１０ｂの先端が、主回路配線板であるプリント基板７と電気的に接続されている。

図１に例示のように、発熱部品６は、スイッチング素子５よりも高さが大きい、例えばトランス、リアクトル、等である。

図１に例示のように、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂは、少なくとも１箇所が、例えばベンド部１０ｋのように、曲折されている。

図１に例示のように、冷却器３は、冷却面３ａに対して垂直方向に延びた少なくとも１つの冷却フィン３ｃが冷却面３ａに対向する平面に設けられている。

図１に例示のように、冷却器３は冷却面３ａに対向する平面を有する少なくとも１つの密閉された流路３ｄを備え、流路３ｄには、少なくとも１つの流体入口（図示なし）と少なくとも１つの流体出口（図示なし）が設けられている。

図１に例示のように、スイッチング素子５、スイッチング素子５とは別の発熱部品６、およびスイッチング素子５および発熱部品６を冷却する冷却面３ａを有した冷却器３を備えた電力変換装置１において、
冷却面３ａは、扁平な面で形成されており、
スイッチング素子５および発熱部品６が、冷却面３ａの同じ面内に所定の距離を隔てて、並設されており、
スイッチング素子５は、素子本体５ａと、発熱部品６の端子６ｂと電気的に接続される端子５ｂとを備えており、
素子本体５ａの、冷却面３ａと反対の側に、絶縁部材１０が配設されており、
素子本体５ａの、冷却面３ａの側に、電気的絶縁性および熱伝導性を有する絶縁放熱部材９が当接されており、
自己の弾性復元力が、絶縁部材１０の冷却面３ａと反対の側に、作用する弾性の固定部材１１が設けられており、
発熱部品６は、絶縁部材１０の固定部材１１と反対の側に、配設されており、
固定部材１１の弾性復元力により、絶縁部材１０を介して、素子本体５ａが絶縁放熱部材９に圧接され、絶縁放熱部材９が冷却面３ａに圧接されている。

図１に例示のように、絶縁部材１０の冷却面３ａからの高さは、発熱部品６の冷却面３ａからの高さおよび固定部材１１の冷却面３ａから最も遠い部位の高さ、のいずれよりも低い。

図１に例示のように、スイッチング素子５の端子５ｂは、スイッチング素子５の発熱部品６の側に、配設され、発熱部品６の端子６ｂは、発熱部品６のスイッチング素子５の側に、配設されている。

図１に例示のように、冷却器３は、冷却面３ａのスイッチング素子５の側に、第一凹部３ｆを備え、スイッチング素子５は、素子本体５ａの中央部に、第一貫通孔５ｆを備え、絶縁部材１０は、第一貫通孔５ｆに対応した第一突起部１０ｄと、第一凹部３ｆに対応した第二突起部１０ｅと、冷却面３ａの側に素子本体５ａに対応した開口部１０ｃとを備え、絶縁部材１０の開口部１０ｃの中に素子本体５ａが収容され、素子本体５ａの第一貫通孔５ｆに絶縁部材１０の第一突起部１０ｄが嵌合され、冷却器３の第一凹部３ｆに絶縁部材１０の第二突起部１０ｅが嵌合されている。

図１に例示のように、絶縁放熱部材９は、第一凹部３ｆに対応した第二貫通孔９ａを備えており、絶縁部材１０の第二突起部１０ｅは、絶縁放熱部材９の第二貫通孔９ａを貫通して、冷却器３の第一凹部３ｆに嵌合されている。

図１に例示のように、固定部材１１は、絶縁部材１０よりも冷却面３ａから遠い位置で、冷却器３と締結具８２により固定されている。

図１に例示のように、発熱部品６は、隙間緩衝部材１２を介して冷却面３ａに搭載されている。

図１に例示のように、冷却器３には、冷却面３ａに対して垂直方向に延びた少なくとも１つの冷却フィン３ｃが、冷却面３ａと反対側の面に設けられている。

図１に例示のように、冷却器３は、冷却フィン３ｃと熱交換する流体が通る少なくとも１つの密閉された流路３ｄを備えている。

図１に例示のように、スイッチング素子５と発熱部品６とを、スイッチング素子５の端子５ｂと発熱部品６の端子６ｂとを介して、電気的に接続する主回路配線板（例えばプリント基板７）を備え、主回路配線板（例えばプリント基板７）と冷却面３ａとの間に、収納空間７３ａｓが形成されており、収納空間７３ａｓの中に、スイッチング素子５と発熱部品６と固定部材１１とが、水平方向に並べて、収納されている。

図１に例示のように、スイッチング素子５および発熱部品６は、各々個別に、主回路配線板（例えばプリント基板７）に電気的に接続されている。

図１に例示のように、スイッチング素子５の端子５ｂは、絶縁部材１０に保持された中間端子部１０ｂを介して、主回路配線板（例えばプリント基板７）に電気的に接続されている。

図１に例示のように、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂは、スイッチング素子５の端子５ｂと少なくとも１箇所で電気的に接続され、中間端子部１０ｂの先端は、主回路配線板（例えばプリント基板７）と電気的に接続されている。

図１に例示のように、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂは、少なくとも１箇所が、例えばベンド部１０ｋのように、曲折されている。

実施の形態２.
以下、実施の形態２を図３によって、実施の形態１と異なる部分を主体に説明し、実施の形態１と同一あるいは相当する部分についての説明は割愛する。
図３は、実施の形態２における電力変換装置の要部を例示する縦断側面図である。

図３に例示のように、本実施の形態２は、図１で例示したボス部３ｅ１、プリント基板７、および締結具８１を設ける必要がない事例である。
図３において、直線状の中間端子部１０ｂは、絶縁部材１０を樹脂で成形する際に、インサート成形により、絶縁部材１０に一体に設けられている。
スイッチング素子５と発熱部品６とは、図１に例示されているプリント基板７を使用することなく、直線状の中間端子部１０ｂによって、電気的に接続されるように構成されている。

発熱部品６の接続用端子６ｂは、絶縁部材１０の方向に直線状に延在し、当該接続用端子６ｂには、ねじ穴が設けられている。

絶縁部材１０は、絶縁部材本体１０ａと、絶縁部材本体１０ａの外方に、発熱部品６の方向に向けて突出した中間端子部１０ｂと、で構成されている。

中間端子部１０ｂは、冷却面３ａと平行をなして水平方向に延びた平板で形成されている。中間端子部１０ｂは、その一部が絶縁部材本体１０ａに保持されることで、中間端子部１０ｂ自身が、図における垂直方向の所定の高さ、および図における水平方向の所定の位置に、位置決めされている。
また、中間端子部１０ｂは、絶縁部材本体１０ａから突出した部分に、スイッチング素子５のリード端子５ｂの位置、形状に応じた第四貫通孔１０ｊ、および締結具８３の位置、形状に応じた第五貫通孔１０ｍを有しており、第四貫通孔１０ｊにスイッチング素子５のリード端子５ｂが挿通した状態で、リード端子５ｂと半田付けされると共に、リード端子５ｂの第五貫通孔１０ｍに締結具８３が挿通され、リード端子５ｂと発熱部品６の接続用端子６ｂとが接触した状態で接続用端子６ｂのねじ穴に締結具８３が螺合されることで、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂを介してスイッチング素子５と発熱部品６とが電気的に接続されている。

つまり、本実施の形態２においては、図１に例示のようなプリント基板７が使用されることなく、図３に例示のように、スイッチング素子５と発熱部品６とを電気的に接続する主回路配線板は、電気伝導率の優れた板金で構成されている。絶縁部材１０は、主回路配線板を絶縁材で覆うことによって構成された絶縁部材本体１０ａと、絶縁部材本体１０ａから主回路配線板を外方に一部突出させることで形成された中間端子部とを備え、中間端子部１０ｂの一端が、スイッチング素子５のリード端子５ｂと少なくとも１箇所で電気的に接続され、中間端子部１０ｂの他端が、発熱部品６の端子６ｂに電気的に接続されている。

本実施の形態の電力変換装置によれば、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂに、スイッチング素子５のリード端子５ｂ、および発熱部品６の接続用端子６ｂが、各々電気的に接続されているので、図１に例示されているプリント基板７を使用することなく、電力変換装置の主回路を構成できる。従って、図１に例示されているプリント基板７などの部品間を電気的に接続するための部品を新たに追加する必要がなく、実施の形態１に比べて小型化、低コスト化を図ることができる。
さらに、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂの先端が、発熱部品６の接続用端子６ｂに、締結具８３で固定されているので、中間端子部１０ｂの耐振性確保のための部品を新たに追加する必要がなく、より小型化、低コスト化を実現することができる。

なお、本実施の形態においては、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂは、冷却面３ａと平行をなして水平方向に直線状に延びた平板で形成されているが、発熱部品６の接続用端子６ｂの位置に応じて曲折させてもよい。

また、発熱部品６の接続用端子６ｂには、ねじ穴が設けられているが、リード端子５ｂ側にねじ穴を設けてもよい。

次に、本実施の形態２の特徴的な技術を、列記する。

図３に例示のように、絶縁部材１０の中間端子部１０ｂは、先端に、丸孔である第五貫通孔１０ｍが設けられ、第五貫通孔１０ｍを貫通して発熱部品６の接続用端子６ｂに螺着する締結具８３により、発熱部品６と電気的に接続されている。

図３に例示のように、スイッチング素子５の端子５ｂは、絶縁部材１０に保持された中間端子部１０ｂを介して、冷却面３ａと平行な空間領域内で、発熱部品６の端子６ｂに、電気的に接続されている。

図３に例示のように、 絶縁部材１０の中間端子部１０ｂは、冷却面３ａと平行を成して延在し、当該延在方向に剛性を有しており、締結具８３による螺着により、発熱部品６の端子に、電気的および機械的に接続されている。

なお、実施の形態１および実施の形態２で例示の本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、組み合わせ、変形、省略することができる。

１ 電力変換装置、２ 電力変換部、３ 冷却器、３ａ 冷却面、３ｂ 平面、
３ｃ 冷却フィン、３ｄ 流路、３ｅ１ ボス部、３ｅ２ ボス部、３ｆ 第一凹部、
３ｇ 第二凹部、４ カバー、５ スイッチング素子、５ａ 素子本体、
５ｂ リード端子、５ｃ 内部電極、５ｄ 樹脂部、５ｅ 切欠き、５ｆ 第一貫通孔、
５ｇ 素子本体下面、５ｈ 素子本体上面、６ 発熱部品、６ａ 発熱部品本体、
６ｂ 接続用端子、７ プリント基板、８１ 締結具、８２ 締結具、８３ 締結具、
９ 絶縁放熱部材、９ａ 第二貫通孔、９ｂ 第三貫通孔、１０ 絶縁部材、
１０ａ 絶縁部材本体、１０ｂ 中間端子部、１０ｃ 開口部、１０ｄ 第一突起部、
１０ｅ 第二突起部、１０ｆ 第三突起部、１０ｇ 平面部、１０ｈ 垂直平面部、
１０ｊ 第四貫通孔、１０ｋ ベンド部、１０ｍ 第五貫通孔、１１ 固定部材、
１１ａ 弾性変形部、１１ｂ 固定部、１１ｃ 第一曲折部、１１ｄ 第二曲折部、
１１ｅ 第三曲折部、１２ 隙間緩衝部材、７３ａｓ 収納空間

Claims (17)

1. スイッチング素子、前記スイッチング素子とは別の発熱部品、および前記スイッチング素子および前記発熱部品を冷却する冷却面を有した冷却器を備えた電力変換装置において、
   前記冷却面は、扁平な面で形成されており、
   前記スイッチング素子および前記発熱部品が、前記冷却面の同じ面内に所定の距離を隔てて、前記冷却面に対して水平方向に並設されており、
   前記スイッチング素子は、素子本体と、前記発熱部品の端子と電気的に接続される端子とを備えており、
   前記素子本体の、前記冷却面と反対の側に、絶縁部材が配設されており、
   前記素子本体の、前記冷却面の側に、電気的絶縁性および熱伝導性を有する絶縁放熱部材が当接されており、
   自己の弾性復元力が前記絶縁部材の前記冷却面と反対の側に作用する弾性の固定部材が、前記絶縁部材の、前記発熱部品と前記水平方向の反対の側に、配設されており、
   前記発熱部品は、前記絶縁部材の前記固定部材と前記水平方向の反対の側に、配設されており、
   前記弾性復元力により、前記絶縁部材を介して、前記素子本体が前記絶縁放熱部材に圧接され、前記絶縁放熱部材が前記冷却面に圧接されており、
   前記冷却器は、前記冷却面の前記スイッチング素子の側に、第一凹部を備え、
   前記スイッチング素子は、前記素子本体の中央部に、第一貫通孔を備え、
   前記絶縁部材は、前記第一貫通孔に対応した第一突起部と、前記第一凹部に対応した第二突起部と、前記冷却面の側に前記素子本体に対応した開口部とを備え、
   前記絶縁部材の前記開口部の中に前記素子本体が収容され、
   前記素子本体の前記第一貫通孔に前記絶縁部材の前記第一突起部が嵌合され、
   前記冷却器の前記第一凹部に前記絶縁部材の前記第二突起部が嵌合されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記絶縁部材の前記冷却面からの高さは、前記発熱部品の前記冷却面からの高さおよび前記固定部材の前記冷却面から最も遠い部位の高さ、のいずれよりも低い
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記スイッチング素子の前記端子は、前記スイッチング素子の前記発熱部品の側に、配設され、
   前記発熱部品の前記端子は、前記発熱部品の前記スイッチング素子の側に、配設されている
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記絶縁放熱部材は、前記第一凹部に対応した第二貫通孔を備えており、
   前記絶縁部材の前記第二突起部は、前記絶縁放熱部材の前記第二貫通孔を貫通して、前記冷却器の前記第一凹部に嵌合されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記固定部材は、前記絶縁部材よりも前記冷却面から遠い位置で、前記冷却器と締結具により固定されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記発熱部品は、隙間緩衝部材を介して前記冷却面に搭載されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記発熱部品は、トランスおよびリアクトルの何れか一である
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記冷却器には、前記冷却面に対して垂直方向に延びた少なくとも１つの冷却フィンが、前記冷却面と反対側の面に設けられている
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記冷却器は、前記冷却フィンと熱交換する流体が通る少なくとも１つの密閉された流路を備えている
   ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記スイッチング素子と前記発熱部品とを、前記スイッチング素子の前記端子と前記発熱部品の前記端子とを介して、電気的に接続する主回路配線板を備え、
    前記主回路配線板と前記冷却面との間に、収納空間が形成されており、
    前記収納空間の中に、前記スイッチング素子と前記発熱部品と前記固定部材とが収納されている
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
11. 前記スイッチング素子および前記発熱部品は、各々個別に前記主回路配線板に電気的に接続されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記スイッチング素子の前記端子は、前記絶縁部材に保持された中間端子部を介して、前記主回路配線板に電気的に接続されている
    ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の電力変換装置。
13. 前記絶縁部材の前記中間端子部は、前記スイッチング素子の前記端子と少なくとも１箇所で電気的に接続され、
    前記中間端子部の先端は、前記主回路配線板と電気的に接続されている
    ことを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
14. 前記絶縁部材の前記中間端子部は、少なくとも１箇所が曲折されている
    ことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の電力変換装置。
15. 前記主回路配線板がプリント基板で構成されている
    ことを特徴とする請求項１０から請求項１４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
16. 前記スイッチング素子の前記端子は、前記絶縁部材に保持された中間端子部を介して、前記冷却面と平行な空間領域内で、前記発熱部品の前記端子に、電気的に接続されている
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
17. 前記絶縁部材の前記中間端子部は、締結具により、前記発熱部品の前記端子に、電気的および機械的に接続されている
    ことを特徴とする請求項１６に記載の電力変換装置。

Images