JP6641463B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる電力変換装置に関する。
電力変換装置に用いられるパワー半導体モジュール、特にハイブリッド自動車や電気自動車に用いられるパワー半導体モジュールは流路形成体にパワー半導体モジュールを浸漬させて、パワー半導体モジュールの多くの面が冷却面として機能して冷却効率を向上させるように構成している（特許文献１）。
このような冷却方式を用いた場合、流路形成体に形成される流路に流れる冷媒の圧力によって、パワー半導体モジュールが流路形成体から抜け出てしまったり、その圧力がパワー半導体モジュールの端子に応力がかかり、電力変換装置の信頼性が低下してしまう。これに対する対策を講じる場合、電力変換装置が大型化や高コスト化となるおそれがある。
特開２０１４-７２９３９号公報
本発明の課題は、電力変換装置が大型化や高コスト化を抑制しながら、電力変換装置の信頼性を向上させることである。
本発明に係る電力変換装置は、パワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールを収納するとともに冷媒を流す流路を形成する流路形成体と、を備え、前記流路形成体は、当該流路形成体の一面から前記流路へと連通する第１開口を形成し、前記パワー半導体モジュールは、前記第１開口から前記流路へ挿入され、当該パワー半導体モジュールの前記流路への挿入方向に沿って形成されかつ前記流路形成体と対向する第１シール面と、前記挿入方向に沿って形成されかつ前記流路形成体と対向する第２シール面と、を形成する。
本発明により、電力変換装置が大型化や高コスト化を抑制しながら、電力変換装置の信頼性を向上させることができる。
電力変換装置１００の外観斜視図である。 図１に示す電力変換装置１００の分解斜視図である。 本実施形態のパワー半導体モジュール３００ａの斜視図である。 パワー半導体モジュール３００ａを流路形成体２００へ組付け、図３に示すＡ-Ａ断面の矢印方向からパワー半導体モジュール３００ａを切断した断面の断面図である。 比較例として、第２シール部材８０２が無い場合におけるパワー半導体モジュール３００ｄに掛かる力のうち冷媒圧力を説明するための図である。 比較例として、第２シール部材８０２が無い場合におけるパワー半導体モジュール３００ｄに掛かる力のうちパワー半導体モジュール３００ｄが流路形成体２００から抜き出る力を説明するための図である。 本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００ａに掛かる力のうち冷媒圧力を説明するための図である。 本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００ａに掛かる力のうちパワー半導体モジュール３００ａが流路形成体２００から抜き出る力を説明するための図である。 流路形成体２００に固定板５００が設けられた断面図である。 第２突出部３１１を有するパワー半導体モジュール３００ｅを説明するための図である。 第２突出部３１１を有するパワー半導体モジュール３００ｅに掛かる力のうち冷媒圧力を説明するための図である。 第２突出部３１１を有するパワー半導体モジュール３００ｅに掛かる力のうちパワー半導体モジュール３００ａが流路形成体２００から抜き出る力を説明するための図である。 流路形成体流２００の流路壁２０１がテーパー形状を成している実施形態の断面図である。 流路側壁３０４ａが第１放熱部３０５ａと第２放熱部３０５ｂに鈍角となるパワー半導体モジュール３００ｆに掛かる力のうち冷媒圧力を説明するための図である。 流路側壁３０４ａが第１放熱部３０５ａと第２放熱部３０５ｂに鈍角となるパワー半導体モジュール３００ｆに掛かる力のうちパワー半導体モジュール３００ａが流路形成体２００から抜き出る力を説明するための図である。 第１端子３２０と第２端子３２１を有したパワー半導体モジュール３００ｇを説明するための断面図である。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、電力変換装置１００の外観斜視図である。図２は、図１に示す電力変換装置１００の分解斜視図である。
パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃは、それぞれU相とV相とW相の交流電流を出力するインバータ回路を構成する。コンデンサモジュール２３０は、パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃに伝達される直流電流を平滑化する。
バスバー組体２４０は、コンデンサモジュール２３０からパワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃに直流電流を伝達する。バスバー組体２４０は、正極側バスバーと、負極側バスバーと、これら正極側バスバーと負極側バスバーを支持するモールド材と、により構成される。直流入力バスバー２５０Ｐ及び２５０Ｎは、バッテリとバスバー組体２４０とを電気的に接続する。
本実施形態における回路基板２６０は、パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃを制御する制御信号を生成する制御回路部と、パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃを駆動する駆動信号を生成するドライブ回路部と、を備える。なお、回路基板２６０は、制御回路部とドライブ回路部のいずれか一方のみ実装するようにしてもよい。
流路形成体２００は、一対の短辺壁部と一対の長辺壁部とを有する箱状の直方体である。流路形成体２００は、コンデンサモジュール２３０やパワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃ、バスバー組体２４０、直流入力バスバー２５０Ｐ及び２５０Ｎ、回路基板２６０等を収納する。
なお、流路形成体２００は、パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃを固定するのみで、コンデンサモジュール２３０等の他の部品が流路形成体２００とは異なる筐体に収納するようにしてもよい。
筐体下部カバー２２０は、流路形成体下面２００ａを覆うように組み付つけられる。これにより流路形成体２００の内部にある流路４００（図４参照）に流れる冷媒の水密を確保する。筐体上部カバー２７０は、流路形成体２００に各部品を収納した後に、流路形成体上面２００ｂを覆うように組み付つけられる。
冷媒流入用パイプ２１０ＩＮ及び冷媒流出用パイプ２１０ＯＵＴは、流路形成体２００の冷媒流入口２１１ＩＮ及び冷媒流出口２１１ＯＵＴへ挿入され、冷媒を流入または流出させる。
固定板５００は、パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃが流路形成体２００から脱落しないように、パワー半導体モジュール３００ａないし３００ｃを接触した状態で流路形成体２００に固定される。
図３は、本実施形態のパワー半導体モジュール３００ａの斜視図である。パワー半導体モジュール３００ｂ及びパワー半導体モジュール３００ｃは、パワー半導体モジュール３００ａと同様な構成であるので、説明を省略する。図４は、パワー半導体モジュール３００ａを流路形成体２００へ組付け、図３に示すＡ-Ａ断面の矢印方向からパワー半導体モジュール３００ａを切断した断面の断面図である。
パワー半導体モジュール３００ａの回路部は、直列回路を構成するパワー半導体素子（ＩＧＢＴ、ダイオード等）、導体部材、交流端子、直流正極端子及び直流負極端子等によって構成される。これらパワー半導体素子等は、樹脂材によって封止され、封止体３０３を形成する。
封止体３０３は、絶縁紙等を介してモジュールケース３０１の挿入口３０２から挿入され。封止体３０３は、モジュールケース３０１の内壁へ接合される。モジュールケース３０１は、側面より広い面を有する第１放熱部３０５ａ及び第２放熱部３０５ｂを有し、第１放熱部３０５ａと第２放熱部３０５ｂは互いに対向する。封止体３０３は、パワー半導体素子（ＩＧＢＴ、ダイオード等）が第１放熱部３０５ａ及び第２放熱部３０５bと対向した状態で配置される
・本実施形態では、第１放熱部３０５ａ及び第２放熱部３０５ｂに放熱用フィン３０５ｃが配置されている。また放熱用フィン３０５ｃは筒形状である必要は無く、別形状を成していても良く、または放熱用フィン３０５ｃが無い形状を成していても良い。
図４に示すように、流路形成体２００は、パワー半導体モジュール３００ａを収納するとともに冷媒を流す流路４００を形成する。また流路形成体２００は、当該流路形成体２００の一面４００ａから流路４００へと連通する第１開口４０１を形成している。
パワー半導体モジュール３００ａは、第１開口４０１から流路４００への挿入方向に沿って形成されかつ対向する第１シール面３０７を形成している。モジュールケース３０１は、第１シール部材８０１を組付けるための第１溝部３０６を設ける。第１溝部３０６内に、流路形成体２００の第１開口４０１から流路４００への挿入方向に沿って形成されかつ対向する第１シール面３０７が形成される。本実施体においては、第１溝部３０６内に第１シール面３０７が形成されているが、第１溝部３０６が無く、流路形成体と対向する他の面に第１シール面３０７が形成されていても良い。
またパワー半導体モジュール３００ａは、第１シール面３０７とは別に、流路形成体２００の第１開口４０１から流路４００への挿入方向に沿って形成されかつ対向する第２シール面３０９が形成される。本実施体においては、パワー半導体モジュール３００ａの放熱面である第１放熱部３０５ａ、第２放熱部３０５ｂ及び放熱用フィン３０５ｃを挟み、第１シール面３０７とは反対側に、第２溝部３０８が形成されている。第２シール部材８０２が、第２溝部３０８内に配置されている。第２溝部３０８内に流路形成体２００の第１開口４０１から流路４００への挿入方向に沿って形成されかつ対向する第２シール面３０９が形成される。
第１突出部３０４は、第１放熱部３０５ａや第２放熱部３０５ｂよりも突出して形成し、フランジとして機能する。さらに第２溝部３０８よりも第１溝部３０６の長さが大きくなるように、第１突出部３０４の一部に第１溝部３０６が形成される。
第１シール部材８０１は、第１シール面３０７と流路形成体２００に接触することによって水密を確保している。本実施体においては、第１溝部３０６内に第１シール面３０７が形成されているが、第１溝部３０６が無く、流路形成体と対向する他の面、例えば第１突出部３０４の側面が直接第１シール面３０７として形成されていても良い。また本実施形態において第１シール部材８０１は当該パワー半導体モジュール３００ａへ組みつけられているが、流路形成体２００に組みつけられた構造でも良い。
第２シール部材８０２は、第２シール面３０９と流路形成体２００に接触することによって水密を確保している。本実施形態においては、第２溝部３０８内に第２シール面３０９が形成されているが、第２溝部３０８が無く、流路形成体と対向する他の面に第２シール面３０９が形成されていても良い。また本実施形態において第２シール部材８０２は、当該パワー半導体モジュール３００ａへ組みつけられているが、流路形成体２００に組みつけられた構造でも良い。第２シール部材８０２を設けることにより、図４に示すように、パワー半導体モジュール底面３１０へ冷媒が流入しない構造を得られる。
図５（ａ）は、比較例として、第２シール部材８０２が無い場合におけるパワー半導体モジュール３００ｄに掛かる力のうち冷媒圧力を説明するための図である。図５（ｂ）は、比較例として、第２シール部材８０２が無い場合におけるパワー半導体モジュール３００ｄに掛かる力のうちパワー半導体モジュール３００ｄが流路形成体２００から抜き出る力を説明するための図である。
密閉容器中の流体は、容器の形状に関係なく、ある一点に力を及ぼすと容器表面の全ての単位面積の面素に、垂直で同じ大きさの内部の力が発生する性質がある。第２シール部材８０２が組付けられていないパワー半導体モジュール３００ｄが流路形成体２００に組付けられ、流路４００に冷媒が充満した場合、図５（ａ）に示すように、冷媒はパワー半導体モジュール底面３１０まで流入することになる。よって第１突出部３０４の流路側壁３０４ａ、第１放熱部３０５ａ、第２放熱部３０５ｂ、放熱用フィン３０５ｃ及び流路形成体２００の流路壁２０１に加え、パワー半導体モジュール底面３１０の各面に垂直で同じ大きさの力が発生する。
これら各面に発生する力を合算すると、図５（ｂ）に示すように、パワー半導体モジュール３００ｄには、流路形成体２００から抜き出る方向である流路側壁３０４ａ及びパワー半導体モジュール底面３１０に力が掛かることになる。
図６（ａ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００ａに掛かる力のうち冷媒圧力を説明するための図である。図６（ｂ）は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール３００ａに掛かる力のうちパワー半導体モジュール３００ａが流路形成体２００から抜き出る力を説明するための図である。図７は、流路形成体２００に固定板５００が設けられた断面図である。
第２シール部材８０２が組付けられているパワー半導体モジュール３００ａは、流路形成体２００に組付けられ、流路４００に冷媒が充満した場合、図６（ａ）に示すように、冷媒はパワー半導体モジュール底面３１０まで流入しないことになる。よって流路側壁３０４ａ、第１放熱部３０５ａ、第２放熱部３０５ｂ、放熱用フィン３０５ｃ及び流路壁２０１の各面に垂直で同じ大きさの力が発生する。これら各面に発生する力を合算すると、図６（ｂ）に示すように、パワー半導体モジュール３００ａには、流路形成体２００から抜き出る方向である流路側壁３０４ａに力が掛かることになる。
図５及び図６を比較すると、本実施形態である第２シール部材８０２が組付けられているパワー半導体モジュール３００ａよりも、第２シール部材８０２が組付けられていないパワー半導体モージュール３００ｄは、流路形成体２００から抜け出る力を多く受けることが分かる。そのため図７に示すように、パワー半導体モジュール３００ａが向けださないように設けられる固定板５００は、その厚さが大きくなることを抑制されたり、剛性が大きい高価な材料を用いる必要がなくなったりする。固定板５００が不要になる場合もある。
図８は、第２突出部３１１を有するパワー半導体モジュール３００ｅを説明するための図である。本実施形態においては、パワー半導体モジュール３００ａは第１突出部３０４が形成されているが、図８に示すように、第１突出部３０４とは別に、第２突出部３１１が形成されていても良い。
またこのとき、図８に示すように、第２突出部３１１の外周上に第２シール部材８０２を組付けるための第２溝部３０６及び第１シール面３０７が設けられていても良い。
図９（ａ）は、第２突出部３１１を有するパワー半導体モジュール３００ｅに掛かる力のうち冷媒圧力を説明するための図である。図９（ｂ）は第２突出部３１１を有するパワー半導体モジュール３００ｅに掛かる力のうちパワー半導体モジュール３００ａが流路形成体２００から抜き出る力を説明するための図である。
第２突出部３１１が形成されたパワー半導体モジュール３００ｅは流路形成体２００に組付けられ、流路４００に冷媒が充満した場合、図９（ａ）に示すように、流路側壁３０４ａ、第一放熱部３０５ａ、第二放熱部３０５ｂ、放熱用フィン３０５ｃ、流路壁２０１及び第２突出部３１１側の流路側壁３１１ａの各面に垂直で同じ大きさの力が発生する。これら各面に発生する力を合算すると、図９（ｂ）に示すように、パワー半導体モジュール３００ｅには、流路側壁３０４ａと流路側壁３１１ａに力が掛かることになる。
このとき流路側壁３１１ａの面積が流路側壁３０４ａの面積に近いほど、パワー半導体モジュール３００ｅは流路形成体２００から抜き出る方向である第１突出部側の流路側壁３０４ａに掛かる力が減少することになる。つまり、パワー半導体モジュール３００ｅを固定するための固定板５００は、流路側壁３０４ａに掛かる力が減少する分、剛性を下げることが可能となり、固定板５００の肥大化や高コスト化を防ぐことが可能となる。
また、流路側壁３１１ａの面積が流路側壁３０４ａの面積と同じある場合、流路側壁３１１ａに掛かる力と流路側壁３０４ａに掛かる力は同じ大きさになる。つまり、流路側壁３１１ａに掛かる力と流路側壁３０４ａに掛かる力の合力は０となるため、固定板５００が不要とすることが可能となる。
図１０は、流路形成体流２００の流路壁２０１がテーパー形状を成している実施形態の断面図である。
流路形成体２００を例えばダイキャスト等で製作する場合、流路形成体２００の素材を硬化後に型を抜くために、図１０に示すように流路形成体流２００の流路壁２０１はテーパー形状となる。
しかしながら、図１０に示すように、流路側壁３１１ａの面積が流路側壁３０４ａの面積よりも小さくなるだけであり、パワー半導体モジュール３００ｅは流路形成体２００から抜き出る方向である流路側壁３０４ａに掛かる力を減少させることは可能である。
よって流路形成体流２００の流路壁２０１はテーパー形状であっても、パワー半導体モジュール３００eを固定するための固定板５００は、流路側壁３０４ａに掛かる力が減少する分、剛性を下げることが可能となり、パワー半導体モジュール固定板５００の肥大化を防ぐことが可能となる。
図１１（ａ）は、流路側壁３０４ａが第１放熱部３０５ａと第２放熱部３０５ｂに鈍角となるパワー半導体モジュール３００ｆに掛かる力のうち冷媒圧力を説明するための図である。図１１（ｂ）は、流路側壁３０４ａが第１放熱部３０５ａと第２放熱部３０５ｂに鈍角となるパワー半導体モジュール３００ｆに掛かる力のうちパワー半導体モジュール３００ａが流路形成体２００から抜き出る力を説明するための図である。
本実施形態の流路側壁３０４ａは、図１１（ａ）に示すように、流路壁２０１、あるいは第１放熱部３０５ａ及び第２放熱部３０５ｂに対して垂直方向に平面を形成する必要は無く、流路壁２０１、あるいは第１放熱部３０５ａ及び第二放熱部３０５ｂに対して角度を有する平面を形成しても良い。角度を有するとは、例えば流路側壁３０４ａが第１放熱部３０５ａと第２放熱部３０５ｂに鈍角となる場合である。
流路側壁３０４ａが角度を有したパワー半導体モジュール３００ｆは、流路形成体２００に組付けられ、流路４００に冷媒が充満した場合、図１１（ａ）に示すように、流路側壁３０４ａ、第１放熱部３０５ａ、第２放熱部３０５ｂ、放熱用フィン３０５ｃ及び流路形成体流２００の流路壁２０１の各面に垂直で同じ大きさの力が発生する。これら各面に発生する力を合算すると、図１１（ｂ）に示すように、パワー半導体モジュール３００ｆには、流路形成体２００から抜き出る方向である流路側壁３０４ａに力が掛かることになる。
図１１（ｂ）に示すように、流路側壁３０４ａに掛かる力Ａを分解すると、力Ａｘ及び力Ａｙになる。このとき、パワー半導体モジュール３００ｆが流路形成体２００から抜き出る方向に働く力は、流路側壁３０４ａに掛かる力Ａを分解した力Ａｙとなる。分解された力Ａｙは力Ａよりも小さくなるため、パワー半導体モジュール３００ｆが流路形成体２００から抜き出る方向に働く力は減少することになる。
つまり流路側壁３０４ａが流路壁２０１、あるいは第１放熱部３０５ａ及び第２放熱部３０５ｂに対して角度（例えば鈍角）を有した平面を形成した場合、流路形成体２００から抜き出る方向に働く力を減少させることが可能となる。
図１２は、第１端子３２０と第２端子３２１を有したパワー半導体モジュール３００ｇを説明するための断面図である。
流路形成体２００は、第１開口４０１とは異なる第２開口４０２を形成されても良い。このとき第２開口４０２は、第１開口４０１とは異なる当該流路形成体２００の面に形成され、当該流路形成体２００の一面から流路４００へと連通するように形成される。
第１開口４０１とは異なる第２開口４０２を形成した流路形成体２００は、第１開口４０１から第１端子３２０が突出し、かつ第２開口４０２から第２端子３２１が突出するパワー半導体モジュール３００ｇを収納するとともに、冷媒を流す流路４００を形成する。図９（ａ）及び図９（ｂ）に説示された原理が図１２にも適用され、２面からそれぞれ第１端子３２０と第２端子３２１が突出する場合であっても、流路形成体２００から抜き出る方向に働く力を減少させることが可能となる。
１００…電力変換装置、２００…流路形成体、２００ａ…流路形成体下面、２００ｂ…流路形成体上面、２１０ＩＮ…冷媒流入用パイプ、２１０ＯＵＴ…冷媒流出用パイプ、２１１ＩＮ…冷媒流入口、２１１ＯＵＴ…冷媒流出口、２２０…筐体下部カバー、２３０…コンデンサモジュール、２４０…バスバー組体、２５０N…直流入力バスバー、２５０Ｐ…
直流入力バスバー、２６０…回路基板、２７０…筐体上部カバー、３００ａ…パワー半導体モジュール、３００ｂ…パワー半導体モジュール、３００ｃ…パワー半導体モジュール
、３００ｄ…パワー半導体モジュール、３００ｅ…パワー半導体モジュール、３０１…モジュールケース、３０２…挿入口、３０３…封止体、３０４…第１突出部、３０４ａ…流路側壁、３０５ａ…第１放熱部、３０５ｂ…第２放熱部、３０５ｃ…放熱用フィン、３０６…第１溝部、３０７…第１シール面、３０８…第２溝部、３０９…第２シール面、３１０…パワー半導体モジュール底面、３１１…第２突出部、３１１ａ…流路側壁、３２０…第１端子、３２１…第２端子、４００…流路、４００ａ…一面、４０１…第１開口、４０２…第２開口、５００…固定板、８０１…第１シール部材、８０２…第２シール部材

Claims (5)

  1. パワー半導体モジュールと、
    前記パワー半導体モジュールを収納するとともに冷媒を流す流路を形成する流路形成体と、を備え、
    前記流路形成体は、当該流路形成体の一面から前記流路へと連通する第１開口を形成し、
    前記パワー半導体モジュールは、
    前記第１開口から前記流路へ挿入され、
    当該パワー半導体モジュールの前記流路への挿入方向に沿って形成されかつ前記流路形成体と対向する第１シール面と、前記挿入方向に沿って形成されかつ前記流路形成体と対向する第２シール面と、を形成する電力変換装置。
  2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
    前記流路形成体と接触するとともに前記第１シール面側に配置される第１シール部材と、
    前記流路形成体と接触するとともに前記第２シール面側に配置される第２シール部材と、を備える電力変換装置。
  3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置であって、
    前記流路形成体は、前記第１開口とは異なる当該流路形成体の面に形成されかつ当該流路形成体の一面から前記流路へと連通する第２開口を形成し、
    前記パワー半導体モジュールは、前記第１開口から突出する第１端子と、前記第２開口から突出する第２端子と、を有する電力変換装置。
  4. 請求項１ないし３に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    前記パワー半導体モジュールは、放熱面を形成する本体部と、当該本体部から突出しかつ当該突出の先端面に前記第１シール面を形成する第１突出部を有する電力変換装置。
  5. 請求項４に記載の電力変換装置であって、
    前記パワー半導体モジュールは、当該本体部から突出しかつ当該突出の先端面に前記第２シール面を形成する第２突出部を有する電力変換装置。
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