JP6717347B2

JP6717347B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6717347B2
Application number: JP2018139531A
Authority: JP
Inventors: 洋稲村; 秀晃立花
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-07-01
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP2018164400A

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却管とを積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置に関する。

電力変換装置として、特許文献１には、半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却管とを積層してなる半導体積層ユニットをケースに収容したものが開示されている。かかる構成において、半導体積層ユニットは、積層方向に加圧されながらケース内に収容される。それゆえ、ケースの壁部には高い剛性が求められる。そこで、特許文献１の発明は、ケースの壁部の強度を確保すべく、壁部の一部に肉厚部を設けている。

特開２０１３−２１８９３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、電力変換装置の大型化を防ぎつつ、ケースの強度を確保する観点から改善の余地がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、大型化を防ぎつつ、ケースの強度を確保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、直流電力を平滑化するコンデンサと、
交流電力の電流を検出する電流センサと、
上記コンデンサ及び上記電流センサを収容するケースと、を有し、
上記コンデンサと上記電流センサとは、金属製の第一隔壁を隔てて異なる領域に配置されており、
上記第一隔壁は、上記ケースに接続されており、
上記第一隔壁につながるよう形成された金属製のコンデンサ固定部を有し、
上記コンデンサは、上記コンデンサ固定部を介して上記第一隔壁に対して位置決めされており、
上記第一隔壁につながるよう形成された金属製のセンサ固定部を有し、
上記電流センサは、上記センサ固定部を介して上記第一隔壁に対して位置決めされており、
上記ケースに収容された半導体モジュールをさらに有し、
上記半導体モジュールと上記コンデンサとは、上記第一隔壁とつながるよう形成された第二隔壁を隔てて異なる領域に配置されており、
上記半導体モジュールと上記電流センサとは、上記第一隔壁及び上記第二隔壁とつながるよう形成された金属製の第三隔壁を隔てて異なる領域に配置されている、電力変換装置にある。

上記電力変換装置において、ケースには、第一隔壁が接続されている。それゆえ、ケースの強度を確保しつつ、ケースを薄く形成しやすい。すなわち、ケースの強度を維持しつつ、電力変換装置の小型化を図ることが可能となる。また、第一隔壁には、金属製のコンデンサ固定部と金属製のセンサ固定部とが接続されている。それゆえ、第一隔壁の強度を確保でき、これにより、更にケースの強度を確保できる。また、コンデンサは、コンデンサ固定部を介して第一隔壁に対して位置決めされているとともに、電流センサは、コンデンサ固定部を介して第一隔壁に対して位置決めされている。これにより、コンデンサと電流センサとを上記のように補強された第一隔壁に対して強固に位置決めでき、コンデンサと電流センサとが相対的に振動することを防止しやすく、電力変換装置全体として耐震性の向上を図ることができる。
また、参考発明として、半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却管とを積層してなる半導体積層ユニットと、
該半導体積層ユニットを収容するケースと、
該ケースに収容されると共に該ケースに固定される被固定部品とを有し、
上記ケースは、上記半導体積層ユニットに対して積層方向から対向する隔壁と、該隔壁から上記半導体積層ユニットと反対側へ向かって延びるように形成されたリブとを有し、
該リブは、上記被固定部品を固定する部品固定部を備えていることを特徴とする電力変換装置がある。
参考発明にかかる電力変換装置においては、ケースは、隔壁から半導体積層ユニットと反対側へ向かって延びるように形成されたリブを有する。そして、リブは、被固定部品を固定する部品固定部を備えている。それゆえ、リブによって隔壁の強度を確保しつつ、リブを被固定部品の固定部とすることができる。すなわち、リブが、隔壁の強度を補強する役割と、被固定部品を固定する役割とを果たすため、ケース内の構成要素を少なくすることとなり、電力変換装置の小型化を図ることができる。

以上のごとく、本態様の発明及び本参考発明によれば、大型化を防ぎつつ、ケースの強度を確保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。

実施例１における、電力変換装置の上面図。図１のII−II矢視断面図。図１のIII−III矢視断面図。実施例２における、電力変換装置の上面図。

本発明の電力変換装置は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車に使用することができる。
本明細書において、半導体モジュールと冷却管との積層方向を、単に「積層方向」という。また、冷却管の長手方向を適宜「横方向」といい、積層方向及び横方向に直交する方向を適宜「高さ方向」という。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例につき、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に示すごとく、半導体モジュール２と半導体モジュール２を冷却する冷却管３１とを積層してなる半導体積層ユニット１０と、半導体積層ユニット１０を収容するケース４と、ケース４に収容されると共にケース４に固定される被固定部品１００とを有する。ケース４は、半導体積層ユニット１０に対して積層方向Ｘから対向する隔壁５と、隔壁５から半導体積層ユニット１０と反対側へ向かって延びるように形成されたリブ６とを有する。リブ６は、被固定部品１００を固定する部品固定部７を備えている。本例においては、リブ６は、部品固定部７を複数個備えている。

本例の電力変換装置１は、直流電力と交流電力との間で電力変換するインバータである。電力変換装置１は、直流電力を平滑化する平滑コンデンサ１２と、交流電力の電流を検出する電流センサ１３とを、被固定部品１００として備えている。リブ６は、平滑コンデンサ１２を固定するコンデンサ固定部７１、及び、電流センサ１３を固定するセンサ固定部７２を、部品固定部７として備えている。

図１、図３に示すごとく、半導体積層ユニット１０の半導体モジュール２は、積層方向Ｘの両側から冷却管３１によって狭持されている。半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子やＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等のダイオードを内蔵してなる。また、半導体モジュール２は、図３に示すごとく、高さ方向Ｚにおいて互いに反対側に突出したパワー端子２１と制御端子２２とを有する。

図１に示すごとく、複数の冷却管３１は、積層方向Ｘに直交する横方向Ｙに長く、その長手方向の両端部において、隣り合う冷却管３１同士が変形可能な連結管３２によって連結され、１つの冷却器３を構成している。冷却器３は、アルミニウム等、熱伝導性に優れた金属からなる。冷却器３は、積層方向Ｘの端部に配設された冷却管３１の両端側において、冷却器３へ冷却媒体を導入する冷媒導入管３３と、冷却器３から冷却媒体を排出する冷媒排出管３４とが連結されている。冷媒導入管３３と冷媒排出管３４とは、積層方向Ｘへ突出形成されており、ケース４の外側に突出している。

図１〜図３に示すごとく、ケース４は、略長方形状の底壁４１と、底壁４１の端縁から底壁４１に垂直に立設された側壁４２とを有する。そして、ケース４は、底壁４１と反対側の端部が開口している。図１に示すごとく、側壁４２は、互いに対向する前方壁部４２１、後方壁部４２２と、前方壁部４２１と後方壁部４２２とをそれぞれの両端において連結する一対の側方壁部４２３、４２４とからなる。一対の側方壁部４２３、４２４は、互いに対向しており、かつ、前方壁部４２１及び後方壁部４２２に直交している。

一方の側方壁部４２３から、他方の側方壁部４２４側に向かって横方向Ｙに隔壁５が延設されている。隔壁５は、半導体積層ユニット１０の冷却器３における、冷媒導入管３３及び冷媒排出管３４と反対側の端部に配された冷却管３１である後端冷却管３１１と、積層方向Ｘに対向している。そして、隔壁５と後端冷却管３１１との間には、半導体積層ユニット１０を積層方向Ｘに加圧する加圧部材１１が配されている。

図３に示すごとく、隔壁５は、底壁４１から上方に立設されている。つまり、隔壁５は、側方壁部４２３及び底壁４１につながっている。隔壁５は、側方壁部４２３及び底壁４１と一体的に形成されていてもよい。隔壁５は、アルミニウム等の金属からなる。

図１に示すごとく、隔壁５の横方向Ｙにおける側方壁部４２４側の端部から、前方壁部４２１に向かって連結隔壁１４が延設されている。連結隔壁１４は、前方壁部４２１に接続されている。底壁４１と前方壁部４２１と側方壁部４２３と隔壁５と連結隔壁１４とによって囲まれているユニット収容部１０１に、半導体積層ユニット１０が配されている。

半導体積層ユニット１０と隔壁５との間に、加圧部材１１が、積層方向Ｘに圧縮して弾性変形した状態で配されている。加圧部材１１の付勢力によって、半導体積層ユニット１０が積層方向Ｘに加圧された状態となっている。加圧部材１１は、例えば、板バネ、コイルバネ、ゴム等の弾性部材によって構成することができる。

ケース４内におけるユニット収容部１０１以外の空間に、平滑コンデンサ１２と電流センサ１３とが配置されている。平滑コンデンサ１２と電流センサ１３とは、横方向Ｙに並んで配されている。平滑コンデンサ１２と電流センサ１３との間に、リブ６が形成されている。

図２、図３に示すごとく、部品固定部７は、底壁４１から高さ方向Ｚに隆起するように形成されている。すなわち、底壁４１における部品固定部７が設けられた部位は、底壁４１における部品固定部７が設けられていない部位よりも大きい厚みを有する。図１に示すごとく、部品固定部７は、隔壁５から後方壁部４２２に向かって積層方向Ｘに延設されている。部品固定部７は、隔壁５から後方壁部４２２まで連続的に形成されており、隔壁５と後方壁部４２２とをつないでいる。

リブ６における横方向Ｙの側方壁部４２４側の部品固定部７がコンデンサ固定部７１であり、側方壁部４２３側の部品固定部７がセンサ固定部７２である。すなわち、コンデンサ固定部７１とセンサ固定部７２とは、横方向Ｙに並んでいる。

平滑コンデンサ１２は、その外側に向かって突出するコンデンサ締結部１２１を有し、コンデンサ締結部１２１がコンデンサ固定部７１に、ボルト１２０によって締結固定されている。これにより、平滑コンデンサ１２がケース４に対して固定されている。なお、コンデンサ締結部１２１は、例えば、コンデンサケースの一部であってもよいし、コンデンサ素子に電気的に接続された端子であってもよい。
電流センサ１３は、その外側に向かって突出するセンサ締結部１３１を有し、センサ締結部１３１がセンサ固定部７２に、ボルト１３０によって締結固定されている。これにより、電流センサ１３がケース４に対して固定されている。

リブ６は、隣り合う部品固定部７（コンデンサ固定部７１、センサ固定部７２）の間を仕切る仕切板８を立設してなる。つまり、リブ６は、部品固定部７（コンデンサ固定部７１及びセンサ固定部７２）と仕切板８とによって構成されている。

仕切板８は、底壁４１におけるコンデンサ固定部７１とセンサ固定部７２との間から高さ方向Ｚに立設している。図２、図３に示すごとく、仕切板８は、底壁４１から高さ方向Ｚに隆起するように形成されている。仕切板８は、隔壁５と同じ高さを有する。図１に示すごとく、仕切板８は、隔壁５から後方壁部４２２まで連続的に形成されており、隔壁５と後方壁部４２２とをつないでいる。本例において、仕切板８は、積層方向Ｘに真っ直ぐ形成されている。

なお、半導体モジュール２は、インバータ回路を構成し、直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流モータへと供給する。平滑コンデンサ１２は、直流電源における一対の電極、及び、インバータ回路を構成する半導体モジュール２に接続される。電流センサ１３は、インバータ回路を構成する半導体モジュール２の出力側のパワー端子２１に接続されている。

次に、本例の作用効果について説明する。
上記電力変換装置１においては、ケース４は、隔壁５から半導体積層ユニット１０と反対側へ向かって延びるように形成されたリブ６を有する。そして、リブ６は、被固定部品１００を固定する部品固定部７を備えている。それゆえ、リブ６によって隔壁５の強度を確保しつつ、リブ６を被固定部品１００の固定部とすることができる。すなわち、リブ６が、隔壁５の強度を補強する役割と、被固定部品１００を固定する役割とを果たすため、ケース４内の構成要素を少なくすることとなり、電力変換装置１の小型化を図ることができる。

また、リブ６は、部品固定部７を複数個備えている。それゆえ、一つのリブ６の複数の部品固定部７によって、複数の被固定部品１００を固定することができるため、より電力変換装置１の小型化を図ることができる。

また、リブ６は、隣り合う部品固定部７の間を仕切る仕切板８を立設してなる。それゆえ、複数の被固定部品１００を一つのリブ６の仕切られた部品固定部７に固定することができるため、被固定部品１００の固定作業を容易にすることができる。また、仕切板８も隔壁５を補強するリブ６としての役割を果たすため、隔壁５の剛性を向上させることができる。

また、リブ６は、平滑コンデンサ１２を固定するコンデンサ固定部７１、及び、電流センサ１３を固定するセンサ固定部７２を、部品固定部７として備えている。それゆえ、半導体モジュール２と平滑コンデンサ１２と電流センサ１３が隣接する位置に配しやすくなる。その結果、これらの間の接続・配線を短くすることができると共に、電力変換装置１の小型化を図ることができる。

以上のごとく、本例によれば、大型化を防ぎつつ、ケースの強度を確保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。

（実施例２）
本例は、図４に示すごとく、複数の部品固定部７（コンデンサ固定部７１、センサ固定部７２）を、積層方向Ｘに並べた例である。本例においては、リブ６における、積層方向Ｘの前方壁部４２１側の部品固定部７がコンデンサ固定部７１であり、後方壁部４２２側の部品固定部７がセンサ固定部７２である。

本例の仕切板８は、高さ方向Ｚから見た形状がクランク形状を有する。すなわち、仕切板８は、積層方向Ｘに形成された第１仕切部８１、第３仕切部８３と、横方向に形成され、第１仕切部８１と第３仕切部８３との端部同士をつなぐ第２仕切部８２とからなる。

具体的には、第１仕切部８１は、リブ６の横方向Ｙにおける側方壁部４２３側の端部上に形成されている。第３仕切部８３は、リブ６の横方向Ｙにおける側方壁部４２４側の端部上に形成されている。第１仕切部８１と第３仕切部８３とは、積層方向Ｘにおける部品固定部７の略中央まで形成されている。そして、第１仕切部８１と第３仕切部８３との、互いに近い側の端部同士をつなぐように、第２仕切部８２が形成されている。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、積層方向Ｘに重なる位置に複数の部品固定部７（コンデンサ固定部７１、センサ固定部７２）が位置するので、横方向Ｙにおけるリブ６の幅を小さくすることができ、電力変換装置１の小型化を一層図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、被固定部品は、コンデンサ、電流センサ以外にも、例えばヒューズ等の他の部品であってもよい。

１電力変換装置
１０半導体積層ユニット
１００被固定部品
１１加圧部材
２半導体モジュール
３１冷却管
４ケース
５隔壁
６リブ
Ｘ積層方向

Claims

直流電力を平滑化するコンデンサ（１２）と、
交流電力の電流を検出する電流センサ（１３）と、
上記コンデンサ及び上記電流センサを収容するケース（４）と、を有し、
上記コンデンサと上記電流センサとは、金属製の第一隔壁（４０１）を隔てて異なる領域に配置されており、
上記第一隔壁は、上記ケースに接続されており、
上記第一隔壁につながるよう形成された金属製のコンデンサ固定部（７１）を有し、
上記コンデンサは、上記コンデンサ固定部を介して上記第一隔壁に対して位置決めされており、
上記第一隔壁につながるよう形成された金属製のセンサ固定部（７２）を有し、
上記電流センサは、上記センサ固定部を介して上記第一隔壁に対して位置決めされており、
上記ケースに収容された半導体モジュール（２）をさらに有し、
上記半導体モジュールと上記コンデンサとは、上記第一隔壁とつながるよう形成された第二隔壁（４０２）を隔てて異なる領域に配置されており、
上記半導体モジュールと上記電流センサとは、上記第一隔壁及び上記第二隔壁とつながるよう形成された金属製の第三隔壁（４０３）を隔てて異なる領域に配置されている、電力変換装置（１）。
内部に冷却媒体が流れる冷媒流路をさらに有し、上記コンデンサ固定部は、上記冷媒流路を、上記冷媒流路と上記コンデンサとの並び方向（Ｘ）に投影した領域の外側に位置しており、上記センサ固定部は、上記冷媒流路を、上記冷媒流路と上記電流センサとの並び方向（Ｘ）に投影した領域の範囲外に位置している、請求項１に記載の電力変換装置。
内部に冷却媒体が流れる冷媒流路を有し、上記冷媒流路は、上記ケースに接触しており、上記コンデンサ固定部及び上記センサ固定部は、上記冷媒流路に熱的に接触している、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
外部から上記冷媒流路に冷却媒体を導入する冷媒導入部（３３）を備え、上記コンデンサ固定部と上記冷媒導入部との間の距離は、上記センサ固定部と上記冷媒導入部との間の距離よりも小さい、請求項３に記載の電力変換装置。