JP6769535B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、ケース内の内部空間に発熱部品が収容されている電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等には、インバータ等の電力変換装置が搭載されている。特許文献１には、電力変換装置として、ケース内に、半導体モジュール等の電子部品を収容したものが開示されている。ケース内には、半導体モジュール以外にも、コンデンサ等の発熱部品が収容されている。また、上記電力変換装置は、車両全体の小型化、コスト低減を図ることを目的として、モータやトランスミッション等の車両部品に搭載されている。

特開２０１４−８２８２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電力変換装置は、モータ等に搭載されるため、以下の課題がある。
すなわち、上記電力変換装置は、モータ等から直接振動を受けるため、耐振性を向上させてケース内の電子部品を振動から保護する必要がある。

また、上記電力変換装置において、ケース内に収容された電子部品は、自らの発熱に加えてモータ等からも熱を受けるため、高温になりやすいという課題もある。

また、電力変換装置がモータ等に搭載されていない場合であっても、例えば車載用の電力変換装置において、耐振性、放熱性の向上は、重要な課題である。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、耐振性、及び、ケース内の発熱部品の放熱性を向上できる電力変換装置を提供しようとするものである。

参考発明として、スイッチング素子を内蔵した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器と、
上記半導体モジュール及び上記冷却器を収容する内部空間を備えた金属製のケースとを有し、
上記ケースは、第１ケース部材と第２ケース部材とを組み合わせて構成されていると共に、上記内部空間の外側において上記第１ケース部材と上記第２ケース部材とを連結固定する外側固定部と、上記内部空間において上記第１ケース部材と上記第２ケース部材とを連結固定する内側固定部と、該内側固定部から連続して形成されて上記内部空間を仕切る隔壁とを有し、
上記内部空間には、上記隔壁の壁面に沿って配置された発熱部品が収容されていることを特徴とする電力変換装置がある。
また、本発明の一態様は、電力変換回路を構成する半導体モジュールと、
上記半導体モジュールを冷却する冷媒流路が形成された冷却体と、
上記半導体モジュールに電気的に接続された第１発熱部品と、
上記半導体モジュール及び上記第１発熱部品とは異なる第２発熱部品と、
上記第１発熱部品と上記第２発熱部品との間を空間的に区画するとともに、上記冷媒流路に熱的に接触する金属製の隔壁と、
上記隔壁に接続される金属製の壁部材と、を備え、
上記壁部材は、上記第２発熱部品に沿って配されている、電力変換装置にある。

上記参考発明の電力変換装置において、ケースは、外側固定部に加えて、内部空間において第１ケース部材と第２ケース部材とを連結固定する内側固定部を有する。それゆえ、第１ケース部材と第２ケース部材とを、ケースの内部空間においても固定することができるため、ケースの剛性を向上させることができる。その結果、電力変換装置の耐振性を向上させることができる。

また、上記参考発明において、ケースは、内側固定部から連続して形成されて上記内部空間を仕切る隔壁を有する。さらに、上記内部空間には、隔壁の壁面に沿って配置された発熱部品が収容されている。それゆえ、発熱部品の熱を、隔壁、内側固定部を介してケースの外へ放熱することができ、発熱部品の放熱性を向上することができる。

以上のごとく、上記参考発明によれば、耐振性、及び、ケース内の発熱部品の放熱性を向上できる電力変換装置を提供することができる。
また、他の参考発明として、電力変換回路を構成する半導体モジュールと、
上記半導体モジュールを冷却する冷媒流路が形成された冷却体と、
上記冷媒流路に熱的に接触し、上記半導体モジュールを収容する金属製のケースと、
上記半導体モジュールに電気的に接続された第１発熱部品と、を備え、
上記ケースは、上記半導体モジュールと上記第１発熱部品とを空間的に区画するとともに上記冷媒流路に熱的に接触する金属製の隔壁を有する、電力変換装置がある。

実施例１における、電力変換装置の斜視図。 実施例１における、電力変換装置の上面図。 図２のIII−III線矢視断面図。 実施例１における、電力変換装置の一部断面斜視図。 実施例１における、第１ケース部材、及びそこに収容された部品を上から見た図。 実施例１における、第２ケース部材、及びそこに収容された部品の下から見た図。

上記電力変換装置は、例えば、電気自動車又はハイブリッド自動車に搭載され、直流電源と車両の駆動源としての三相交流回転電機との間の電力変換を行うもの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６を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図２、図３に示すごとく、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール１１と、半導体モジュール１１を冷却する冷却器２と、半導体モジュール１１及び冷却器２を収容する内部空間３００を備えた金属製のケース３とを有する。

図１、図３に示すごとく、ケース３は、第１ケース部材３１と第２ケース部材３２とを組み合わせて構成されている。図２、図３に示すごとく、ケース３は、内部空間３００の外側において第１ケース部材３１と第２ケース部材３２とを連結固定する外側固定部４と、内部空間３００において第１ケース部材３１と第２ケース部材３２とを連結固定する内側固定部５とを有する。また、図４、図５に示すごとく、ケース３は、内側固定部５から連続して形成されて内部空間３００を仕切る隔壁６を有する。内部空間３００には、隔壁６の壁面に沿って配置された発熱部品１２が収容されている。

図４、図５に示すごとく、内部空間３００には、隔壁６における発熱部品１２側と反対側の壁面に沿って配された電子部品１３が収容されている。本例において、発熱部品１２はリアクトルであり、電子部品１３は放電抵抗である。以下において、適宜、リアクトル１２、放電抵抗１３という。

図３〜図５に示すごとく、第１ケース部材３１は、略矩形状の第１底壁部３１１と、第１底壁部３１１の端縁から第１底壁部３１１の法線方向の一方に立設された略矩形筒状の第１側壁部３１２とを有する。第１ケース部材３１は、第１底壁部３１１と反対側に向って開口している。
なお、便宜上、以下において、第１底壁部３１１の法線方向を上下方向Ｚといい、上下方向Ｚにおける、第１ケース部材３１の開口側を上側、その反対側を下側という。

図３、図４、図６に示すごとく、第２ケース部材３２は、略矩形状の第２底壁部３２１と、第２底壁部３２１の端縁から上下方向Ｚに立設された略矩形筒状の第２側壁部３２２とを有する。第２側壁部３２２は、第２底壁部３２１の上方にも突出している。そして、第２ケース部材３２の上端部及び下端部は、上下方向Ｚに開口している。

図１、図３に示すごとく、第１ケース部材３１と第２ケース部材３２とは、第１側壁部３１２の上端と第２側壁部３２２の下端とが当接するように上下方向Ｚに重なっている。第１底壁部３１１、第１側壁部３１２、第２底壁部３２１、及び、第２側壁部３２２に囲まれた領域が、ケース３の内部空間３００である。

図３〜図５に示すごとく、内側固定部５は、第１ケース部材３１に設けられた第１ボス部５１と、第２ケース部材３２に設けられた第２ボス部５２と、第１ボス部５１と第２ボス部５２とを締結するボルト５３とからなる。第１ボス部５１は、第１底壁部３１１から上側に向って立設している。図３、図５に示すごとく、第１ボス部５１には、ボルト５３を螺合させるための雌ネジ孔が、上端面から下側に向って形成されている。

図３、図４、図６に示すごとく、第２ボス部５２は、第２底壁部３２１から下側に向って立設している。第２ボス部５２は、筒状に形成されていると共に、上端が第２底壁部３２１の上面側へ開口し、下端にボルト挿通孔を備えた底部５２１を有する。

図１、図２に示すごとく、第１ボス部５１と第２ボス部５２とは、上下方向Ｚに重なる位置に形成され、上下方向Ｚに互いに当接している。そして、ボルト５３を第２ボス部５２の底部５２１のボルト挿通孔に挿通し、第１ボス部５１の雌ネジ孔に螺合することによって、第１ボス部５１と第２ボス部５２とが締結されて、内側固定部５が構成されている。

図１〜図６に示すごとく、外側固定部４は、第１ケース部材３１に設けられた第１フランジ部４１と、第２ケース部材３２に設けられた第２フランジ部４２と、第１フランジ部４１と第２フランジ部４２とを締結するボルト４３及びナット４４とからなる。第１フランジ部４１は、第１側壁部３１２の上端部からケース３の外側に向って形成されており、第２フランジ部４２は、第２側壁部３２２の下端部からケース３の外側に向って形成されている。第１フランジ部４１及び第２フランジ部４２には、ボルト挿通孔が形成されている。

図１〜図３に示すごとく、第１フランジ部４１と第２フランジ部４２とは、上下方向Ｚに重なる位置に形成され、上下方向Ｚに互いに当接している。そして、ボルト４３を、第１フランジ部４１のボルト挿通孔及び第２フランジ部４２のボルト挿通孔に挿通し、ナット１０４に螺合することによって、第１フランジ部４１と第２フランジ部４２とが締結されて、外側固定部４が構成されている。外側固定部４は、ケース３における複数箇所に形成されている。

図３、図４、図６に示すごとく、内部空間３００における第２ケース部材３２の内側の領域に、半導体モジュール１１及び冷却器２が配置されている。冷却器２は複数の冷却管２１を備える。複数の冷却管２１は、複数の半導体モジュール１１と共に積層されて積層構造体１０を構成してなる。積層構造体１０における積層方向Ｘの一端には、積層構造体１０を積層方向Ｘに加圧する加圧部材７が配設されている。加圧部材７は、積層方向Ｘにおける積層構造体１０と反対側から支承部８によって支承されている。支承部８の少なくとも一部は内側固定部５によって構成されている。

積層構造体１０は、積層方向Ｘを第２底壁部３２１の長手方向と一致させて配されている。積層構造体１０は、第２ボス部５２における積層方向Ｘの一方側に配置されている。
なお、以下においては、適宜、積層方向Ｘにおける、第２ボス部５２に対して積層構造体１０が配された側を前方といい、その反対側を後方という。

積層構造体１０における半導体モジュール１１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、図３に示すごとく、半導体モジュール１１は、上側に突出した制御端子１１１を有する。半導体モジュール１１は、その両主面から一対の冷却管２１によって挟持されている。なお、図３以外の図面においては、制御端子の図示を省略している。

図４、図６に示すごとく、複数の冷却管２１は、積層方向Ｘ及び上下方向Ｚに直交する方向に長く、その長手方向の両端部において、隣り合う冷却管２１同士が変形可能な連結管２２によって連結されている。図３、図４、図６に示すごとく、冷却器２の前端に配された冷却管２１の前端面は、第２底壁部３２１から下側に向って立設された当接部３２３に当接している。冷却器２の前端に配された冷却管２１には、冷却媒体を導入するための冷媒導入管２３と、冷却媒体を排出するための冷媒排出管２４とが前方に向って突出形成されている。ケース３における冷媒導入管２３及び冷媒排出管２４の前方部には、冷媒導入管２３及び冷媒排出管２４に取り付けるホース等を通すための貫通孔３０１が形成されている。

冷媒導入管２３から導入された冷却媒体は、連結管２２を適宜通り、各冷却管２１に分配されると共にその長手方向に流通する。そして、各冷却管２１を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール１１との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷却媒体は、下流側の連結管２２を適宜通り、冷媒排出管２４に導かれ、冷却器２から排出される。

図３、図４、図６に示すごとく、積層方向Ｘにおいて、冷却器２の後方であって、第２ボス部５２の前方に加圧部材７が配されている。図６に示すごとく、本例において、加圧部材７は、弾性変形可能な板バネである。加圧部材７は、伝熱部材からなり、積層方向Ｘに圧縮された状態で配されている。図３、図６に示すごとく、加圧部材７の前端部は、冷却器２の後端面に当接している。なお、加圧部材７と冷却器２との間に、剛性の高い当接板を介在させてもよい。

図３、図４、図６に示すごとく、加圧部材７は、長手方向の両端部において、支承ピン７０を介して支承部８に当接している。支承ピン７０は、伝熱部材からなる。本例においては、第２ケース部材３２の第２ボス部５２が、加圧部材７の長手方向の一端部を支承する支承部８となっている。これにより、内側固定部５は、冷却器２に対して伝熱部材を介して接触している。つまり、第２ボス部５２は、冷却器２に対して、伝熱部材である支承ピン７０、加圧部材７を介して接触している。

図３に示すごとく、半導体モジュール１１の制御端子１１１は、第２底壁部３２１に形成された開口部３０２を貫通しており、第２底壁部３２１の上側に配された制御回路基板１４に接続されている。制御回路基板１４は、半導体モジュール１１のスイッチング動作を制御している。ケース３の上端は、蓋１００によって覆われている。蓋１００は、図示しないボルトによって、ケース３の上端に固定されている。なお、図３以外の図面においては、制御回路基板、蓋の図示を省略している。

図４、図５に示すごとく、第１ケース部材３１は、第１ボス部５１から延設された隔壁６を有する。隔壁６は、上下方向Ｚにおける第１ボス部５１の略全体から延設されている。また、隔壁６は、第１底壁部３１１から上側に向って立設している。

図５に示すごとく、上側から見たとき、隔壁６は、第１ボス部５１から後方に向って略直線状に延設されて第１側壁部３１２の一部に連結されている。また、隔壁６の一部からは、その壁面に直交する方向に延設された分岐壁６２が分岐している。分岐壁６２は、第１側壁部３１２にも連結されている。

図３〜図５に示すごとく、内部空間３００における第１ケース部材３１の内側の領域には、リアクトル１２、放電抵抗１３が配されている。リアクトル１２は、隔壁６及び分岐壁６２に沿って配されている。また、リアクトル１２の側面は、隔壁６の壁面及び分岐壁６２の壁面に対向配置されている。放電抵抗１３は、側面が、隔壁６のリアクトル１２側と反対側の壁面に対向するように、隔壁６に沿って配されている。つまり、隔壁６は、リアクトル１２と放電抵抗１３との間に介在している。

ケース３（内側固定部５、隔壁６を含む。）は、熱伝導性を有する伝熱部材からなる。そして、リアクトル１２は、隔壁６及び分岐壁６２、第１ボス部５１、第２ボス部５２、支承ピン７０、加圧部材７を介して冷却器２に熱的に接続されている。また、放電抵抗１３は、隔壁６、第１ボス部５１、第２ボス部５２、支承ピン７０、加圧部材７を介して、冷却器２に熱的に接続されている。

次に、本例の作用効果について説明する。
電力変換装置１において、ケース３は、外側固定部４に加えて、内部空間３００において第１ケース部材３１と第２ケース部材３２とを連結固定する内側固定部５を有する。それゆえ、第１ケース部材３１と第２ケース部材３２とを、ケース３の内部空間３００においても固定することができるため、ケース３の剛性を向上させることができる。その結果、電力変換装置１の耐振性を向上させることができる。

また、ケース３は、内側固定部５から連続して形成されて内部空間３００を仕切る隔壁６を有する。さらに、内部空間３００には、隔壁６の壁面に沿って配置されたリアクトル１２が収容されている。それゆえ、リアクトル１２の熱を、隔壁６、内側固定部５を介してケース３の外へ放熱することができ、リアクトル１２の放熱性を向上することができる。

また、内部空間３００には、隔壁６におけるリアクトル１２側と反対側の壁面に沿って配された放電抵抗１３が収容されている。それゆえ、リアクトル１２の熱が、耐熱性の低い放電抵抗１３に伝わることを抑制できる。これによって、放電抵抗１３にリアクトル１２の熱が伝わることによって放電抵抗１３に不具合が生じることを防止することができる。また、放電抵抗１３は、自らも発熱しているため、リアクトル１２からの受熱が加わると耐熱性の問題が生じやすくなるところ、隔壁６によってリアクトル１２からの熱を遮ることができるため、特に耐熱性の高い放電抵抗を用いる等の必要がない。その結果、放電抵抗１３の小型化、低コスト化を図ることができる。

また、内側固定部５は、冷却器２に対して伝熱部材（支承ピン７０、加圧部材７）を介して接触している。それゆえ、リアクトル１２の熱を、隔壁６、内側固定部５、そして伝熱部材（支承ピン７０、加圧部材７）を介して冷却器２に放熱することができる。

また、支承部８の少なくとも一部は内側固定部５によって構成されている。それゆえ、内側固定部５が、第１ケース部材３１と第２ケース部材３２とを連結する役割と、積層構造体１０を支承する役割とを果たすこととなる。よって、部品点数の削減、小型化を図ることができる。

以上のごとく、本例によれば、耐振性、及び、ケース内の発熱部品の放熱性を向上できる電力変換装置を提供することができる。

なお、内側固定部の形状、構造は、内部空間において第１ケース部材と第２ケース部材とを連結固定する構成を有していれば、上記実施例に示したものに限らず、種々の形態を採用することができる。

また、上記実施例において、内側固定部は、冷却器に対して伝熱部材を介して接触している例を示したが、内側固定部は冷却器に直接接触していてもよい。

また、上記実施例において、発熱部品はリアクトルであり、電子部品は放電抵抗としたがこれに限られない。また、発熱部品、電子部品は、それぞれ単数部品であっても、複数部品であってもよい。

１ 電力変換装置
１１ 半導体モジュール
１２ 発熱部品（リアクトル）
２ 冷却器
３ ケース
３００ 内部空間
３１ 第１ケース部材
３２ 第２ケース部材
４ 外側固定部
５ 内側固定部
６ 隔壁

Claims (1)

1. 電力変換回路を構成する半導体モジュール（１１）と、
   上記半導体モジュールを冷却する冷媒流路が形成された冷却体（２）と、
   上記半導体モジュールに電気的に接続された第１発熱部品（１３）と、
   上記半導体モジュール及び上記第１発熱部品とは異なる第２発熱部品（１２）と、
   上記第１発熱部品と上記第２発熱部品との間を空間的に区画するとともに、上記冷媒流路に熱的に接触する金属製の隔壁（６）と、
   上記隔壁に接続される金属製の壁部材（６２）と、を備え、
   上記壁部材は、上記第２発熱部品に沿って配されている、電力変換装置（１）。

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