JP6662011B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電流を交流電流に変換、或いは、交流電流を直流電流に変換する電力変換装置に関する。

この種の電力変換装置として、インバータ回路を構成するパワー半導体モジュールと、直流電流を平滑化するコンデンサモジュールと、これらパワー半導体モジュール及びコンデンサモジュールを含めた電子部品を内蔵するインバータ筐体とを備えた装置が知られている。
この電力変換装置のコンデンサモジュールを冷却する構造として、例えば特許文献１に記載の構造が知られている。

この特許文献１の構造は、コンデンサ筐体の底面に複数の穴を形成し、複数の突起を形成した金属板を、各突起が底面の穴に入り込むように底面に当接させている。そして、コンデンサ素子を収納したコンデンサ筐体に樹脂を充填することで、金属板の突起が樹脂に密着し、コンデンサ素子が樹脂に埋設された状態でコンデンサ筐体の底面に金属板を接合した構造とする。そして、コンデンサ素子で発生した熱が、樹脂を介して金属板に放熱されるようになっている。

特開２０１２−１９９３５０号公報

ところで、特許文献１のコンデンサモジュールの冷却構造を電力変換装置に採用する場合には、発熱したコンデンサ素子を放熱させる金属板をインバータ筐体の底面や内壁に接触させなければ、コンデンサ素子の冷却効率を高めることができない。このように、特許文献１の冷却構造を採用する場合には、インバータ筐体の底面や内壁に金属板を接触させるという、コンデンサモジュールの配置に制約がある。
本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、コンデンサモジュールの配置に制約をなくしながらコンデンサモジュールを効率良く冷却することができる電力変換装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る電力変換装置は、直流電流を交流電流に変換するパワー半導体モジュールと、パワー半導体モジュールを冷却する半導体用冷却器と、直流電流を平滑化するコンデンサモジュールと、コンデンサモジュールの冷却を、半導体用冷却器を利用して間接的に行う間接冷却部材と、パワー半導体モジュール、半導体用冷却器、コンデンサモジュール及び間接冷却部材を収容する筐体と、を備え、コンデンサモジュールを、コンデンサケースの内部に封止された樹脂部と、樹脂部に埋設されたコンデンサ素子と、を備え、間接冷却部材は、半導体用冷却器及びコンデンサケースに面接触状態で接合された伝熱部材とした。

本発明に係る電力変換装置によると、コンデンサモジュールの配置に制約をなくしながらコンデンサモジュールを効率良く冷却することができる。

本発明に係る第１実施形態の電力変換装置を示す斜視図である。 図１における平面Ａに沿う第１実施形態の電力変換装置の断面図である。 図２におけるIII−III線矢視図である。 本発明に係る第２実施形態の電力変換装置を示す断面図である。

次に、図面を参照して、本発明の第１及び第２実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す第１及び第２実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

［第１実施形態の電力変換装置］
以下、本発明の一態様に係る第１実施形態の電力変換装置について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１は、ＤＣ／ＡＣインバータとして使用される第１実施形態の電力変換装置１を示すものである。

電力変換装置１は、直方体形状の筐体２と、筐体２の長尺方向の一方の側壁から内部に貫通している冷却水供給管３及び排水管４と、筐体２の長尺方向の他方の側壁に設けられている入力コネクタ５、制御コネクタ６及び出力コネクタ７と、を備えている。
筐体２は、例えば熱伝導率の高いアルミニウムや、アルミニウム合金をダイカスト成形することで形成され、上部が開口した箱形状の筐体ケース８と、筐体ケース８の開口部を閉塞する蓋体９とで構成されている。

図２に示すように、筐体２の内部には、冷却器１０、パワー半導体モジュール１１、制御回路基板１２、コンデンサモジュール１３及び伝熱板１４が収納されている。
冷却器１０は、冷却水供給管３に接続する冷却水供給口１０ａが形成されており、供給された冷却水は内部の流路を通過して排水口１０ｂに流出する。そして、排水口１０ｂに排水管４が接続されている。

冷却器１０の上部の冷却面１０ｃにパワー半導体モジュール１１が接合されている。
パワー半導体モジュール１１は、外観が直方体形状の樹脂パッケージに、図示しない上アーム半導体チップ、上アーム用配線パターン部、上アーム配線用導体板、下アーム半導体チップ、下アーム用配線パターン部、下アーム配線用導体板及び接地用配線パターン部などが埋め込まれている。

制御回路基板１２は、パワー半導体モジュール１１に対してパルス幅変調信号などのゲート信号を供給する長方形板状の部材である。この制御回路基板１２は、パワー半導体モジュール１１の上方位置で、筐体ケース８の内壁に設けた支持突起１５に、制御回路基板１２の隅部が固定ボルト１６で固定されている。
コンデンサモジュール１３は、パワー半導体モジュール１１に供給される直流電流を平滑化する装置である。

このコンデンサモジュール１３は、開口部１７ａを有する箱形状のコンデンサケース１７と、コンデンサケース１７の内部に封止された樹脂部１８と、樹脂部１８に埋設されたコンデンサ素子１９と、を備えている。
筐体ケース８の内壁にはコンデンサモジュール１３を固定するための固定用段差２０が形成されている。

コンデンサモジュール１３は、コンデンサケース１７の開口部１７ａの外側に、固定用段差２０に当接するコンデンサ連結部２１が突出して設けられている。そして、開口部１７ａが筐体ケース８の底面８ａに対向するように向けたコンデンサモジュール１３を、コンデンサ連結部２１を筐体ケース８の固定用段差２０に当接し、コンデンサ連結部２１及び固定用段差２０を固定ボルト２２で固定することで、筐体ケース８内にコンデンサモジュール１３が配置される。

伝熱板１４は、銅、銅合金、或いはステンレス合金などを材料とした金属板であり、筐体ケースの底面８ａと冷却器１０の下面との間に挟まれた状態で配置された第１水平部１４ａと、第１水平部１４ａに連続して冷却器１０及びパワー半導体モジュール１１とコンデンサモジュール１３との間で立ち上がっている立上がり部１４ｂと、この立上がり部１４ｂに連続してコンデンサモジュール１３のコンデンサケース１７に面接触状態で当接している第２水平部１４ｃと、を備えている。

冷却器１０には冷却器固定部２３が形成されており、この冷却器固定部２３に貫通した固定ボルト２４が、伝熱板１４の第１水平部１４ａを通過して筐体ケース８の底面８ａにねじ込まれることで、冷却器１０が底面８ａに固定されるとともに、伝熱板１４の第１水平部１４ａが底面８ａと冷却器１０の下面との間に挟まれた状態で固定される。
また、伝熱板１４の第２水平部１４ｃは、固定ボルト２５が第２水平部１４ｃ及びコンデンサケース１７にねじ込まれることで、コンデンサケース１７に面接触状態で固定される。
伝熱板１４の立上がり部１４ｂには、複数の絶縁開口部２６が形成されている。
これら絶縁開口部２８には、一端がパワー半導体モジュール１１の端子１１ａに接続し、他端がコンデンサモジュール１３のコンデンサ素子１９に接続している複数の電気線２７ａ〜２７ｆが通過している。

［第１実施形態の電力変換装置の動作］
この状態で、外部のコンバータ（図示せず）から入力コネクタ５を介して直流電流が供給されると、コンデンサモジュール１３で直流電流の平滑化が行われる。制御回路基板１２には、制御コネクタ６から制御電圧が供給されており、この制御回路基板１２から例えばパルス幅変調信号でなるゲート信号がパワー半導体モジュール１１に供給されると、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相交流が出力コネクタ７を介して負荷に出力される。

このように、パワー半導体モジュール１１が動作状態となると、樹脂パッケージに埋め込まれている上アーム半導体チップ、下アーム半導体チップが発熱状態となる。
また、直流電流の平滑動作を行っているコンデンサモジュール１３は、樹脂部１８に埋設されているコンデンサ素子４２が発熱状態となる。
パワー半導体モジュール１１で発生した熱は、パワー半導体モジュール１１が冷却器１０の冷却面１０ｃに当接しているので、冷却器１０に熱伝導される。そして、冷却器１０に伝えられた熱は、冷却器１０の冷却水供給口１０ａから供給され排水口１０ｂから排出される冷却水により冷却される。

また、コンデンサ素子４２で発生した熱は、コンデンサ素子４２を埋設している樹脂部４１に伝わり、さらに、樹脂部４１を封止しているコンデンサケース１７に伝わる。
コンデンサケース１７に伝わったコンデンサ素子４２の熱は、コンデンサケース１７と冷却器１０とが伝熱板１４により熱的に接続されているので、冷却器１０の内部を冷却水が循環することで冷却される。このように、コンデンサケース１７が冷却されることで、コンデンサモジュール１３のコンデンサ素子４２を効率良く冷却していく。
ここで、本発明に係る半導体用冷却器が冷却器１０に対応し、本発明に係る金属板が伝熱板１４に対応している。

［第１実施形態の電力変換装置の効果］
次に、第１実施形態の電力変換装置１の効果について説明する。
コンデンサ素子１９で発生した熱は、コンデンサ素子１９を埋設している樹脂部１８を介してコンデンサケース１７に伝わり、このコンデンサケース１７と伝熱板１４を介して熱的に接続されている冷却器１０に伝わっていくので、コンデンサモジュール１３を効率良く冷却することができる。

また、第１実施形態の電力変換装置１は、コンデンサモジュール１３が筐体ケース８の底面８ａから離れた位置に配置されているが、伝熱板１４がコンデンサケース１７及び冷却器１０の間に接続することで、コンデンサモジュール１３を効率良く冷却することができる。したがって、筐体２内のコンデンサモジュール１３の配置に制約をなくすことができる。

また、伝熱板１４の第１水平部１４ａは、冷却器１０の下面と筐体ケース８の底面８ａとの間に挟まれた状態で固定されており、第１水平部１４ａの冷却面積が大きく設定されているので、コンデンサモジュール１３の冷却時間を大幅に短縮することができる。
さらに、パワー半導体モジュール１１とコンデンサ素子１９との間には、複数の電気線２７ａ〜２７ｆが接続されており、これら電気線２７ａ〜２７ｆは、パワー半導体モジュール１１及びコンデンサ素子１９の間を仕切っている伝熱板１４の立上がり部１４ｂに設けた複数の絶縁開口部２６を通過して配線されている。これにより、電気線２７ａ〜２７ｆを短尺な線とすることができるとともに配線作業を容易に行うことができるので、組み立てコストの低減化を図ることができる。

［第２実施形態の電力変換装置］
次に、本発明の一態様に係る第２実施形態の電力変換装置３０について、図４を参照して説明する。なお、図１から図３で示した第１実施形態の電力変換装置と同一構成部分には、同一符号を付して説明は省略する。
第２実施形態では、銅、銅合金、或いはステンレス合金などを材料とした金属板からなる伝熱板３１が使用されている。

この伝熱板３１は、筐体ケースの底面８ａと冷却器１０の下面との間に挟まれ、筐体ケース８の底面８ａに沿ってコンデンサモジュール１３の下方まで延在している第１水平部３１ａと、第１水平部３１ａに連続しており、コンデンサモジュール１３のパワー半導体モジュール１１に対向していない側面に沿って立ち上がっている立上がり部３１ｂと、この立上がり部３１ｃに連続してコンデンサモジュール１３のコンデンサケース１７に面接触状態で当接している第２水平部３１ｃと、を備えている。

伝熱板３１の第１水平部３１ａは、筐体ケース８の底面８ａと冷却器１０の下面との間に挟まれた状態で固定される。
伝熱板３１の第２水平部３１ｃは、固定ボルト２５が第２水平部３１ｃ及びコンデンサケース１７にねじ込まれることで、コンデンサケース１７に面接触状態で固定される。
したがって、第２実施形態の伝熱板３１は、パワー半導体モジュール１１及びコンデンサモジュール１３の間を仕切るような部材が延在していないとともに、立上がり部３１ｂ及び第２水平部３１ｃでコンデンサモジュール１３を支持している。
ここで、本発明に係る金属板が伝熱板３１に対応している。

［第２実施形態の電力変換装置の効果］
次に、第２実施形態の電力変換装置３０の効果について説明する。
コンデンサ素子１９の発熱は、コンデンサ素子１９を埋設している樹脂部１８を介してコンデンサケース１７に伝わり、このコンデンサケース１７と伝熱板３１を介して熱的に接続されている冷却器１０に伝わっていくので、コンデンサモジュール１３を効率良く冷却することができる。

また、コンデンサモジュール１３が筐体ケース８の底面８ａから離れた位置に配置されているが、伝熱板３１がコンデンサケース１７及び冷却器１０の間に接続することで、コンデンサモジュール１３を効率良く冷却することができ、筐体２内のコンデンサモジュール１３の配置に制約をなくすことができる。
また、伝熱板３１の第１水平部３１ａは、冷却器１０の下面からコンデンサモジュール１３の下方位置まで延在して筐体ケース８の底面８ａに接触しており、第１水平部３１ａの冷却面積が大きく設定されているので、コンデンサモジュール１３の冷却時間を大幅に短縮することができる。

１，３０ 電力変換装置
２ 筐体
３ 冷却水供給管
４ 排水管
５ 入力コネクタ
６ 制御コネクタ
７ 出力コネクタ
８ 筐体ケース
８ａ 底面
９ 蓋体
１０ 冷却器
１０ａ 冷却水供給口
１０ｂ 排水口
１０ｃ 冷却面
１１ パワー半導体モジュール
１１ａ 端子
１２ 制御回路基板
１３ コンデンサモジュール
１４ 伝熱板
１５ 支持突起
１６，２４，２５ 固定ボルト
１７ａ 開口部
１７ コンデンサケース
１８ 樹脂部
１９ コンデンサ素子
２０ 固定用段差
２１ コンデンサ連結部
２２ 固定ボルト
１４ａ 第１水平部
１４ｂ 立上がり部
１４ｃ 第２水平部
２３ 冷却器固定部
２６ 絶縁開口部
２７ａ〜２７ｆ 電気線
３０ 電力変換装置
３１ 伝熱板
３１ａ 第１水平部
３１ｂ 立上がり部
３１ｃ 第２水平部

Claims (4)

1. 直流電流を交流電流に変換する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冷却する半導体用冷却器と、
   前記直流電流を平滑化するコンデンサモジュールと、
   前記コンデンサモジュールの冷却を、前記半導体用冷却器を利用して間接的に行う間接冷却部材と、
   前記パワー半導体モジュール、前記半導体用冷却器、前記コンデンサモジュール及び前記間接冷却部材を収容する筐体と、を備え、
   前記コンデンサモジュールは、コンデンサケースの内部に封止された樹脂部と、
   前記樹脂部に埋設されたコンデンサ素子と、を備え、
   前記間接冷却部材は、前記半導体用冷却器及び前記コンデンサケースに面接触状態で接合された伝熱部材であることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記伝熱部材は、金属板であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記筐体は、アルミニウムや、アルミニウム合金で形成されており、
   前記金属板の前記半導体用冷却器側で接続する部位は、前記筐体の底面と前記半導体用冷却器の下面との間に挟み込まれていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記金属板が、前記パワー半導体モジュール及び前記コンデンサモジュールの間を仕切るように延在しており、
   前記パワー半導体モジュール及び前記コンデンサモジュールを接続される電気線が、前記金属板に形成した絶縁開口部を通過して配線されていることを特徴とする請求項２又は３記載の電力変換装置。

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