JP6918225B2

JP6918225B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6918225B2
Application number: JP2020519217A
Authority: JP
Inventors: 優岸和田; 保彦北村; 高橋　宏明; 宏明高橋; 松岡　尚吾; 尚吾松岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2038-05-14
Also published as: US20210100129A1; CN112119579A; JPWO2019220485A1; CN112119579B; DE112018007612T5; WO2019220485A1; US11343942B2

Description

本願は、電子部品または発熱部材を効果的に放熱する電力変換装置に関するものである。

従来、電解コンデンサを冷却する場合、電解コンデンサ外周の金属ケースに沿うようにコンデンサ収容部を設け、このコンデンサ収容部の直下に冷却液流路を配置することによって電解コンデンサで発生した熱をコンデンサ収容部へ伝熱し、さらにコンデンサ収容部から冷却液に伝熱して冷却する技術がある。（例えば、特許文献１参照）また、回路基板に実装された電子部品とケース間に放熱グリスを塗布し、電子部品の発熱を放熱グリスへ伝熱し、さらにケースへ伝熱することで空気中へ放熱する技術がある。（例えば、特許文献２参照）

特開２０１６−１８２０３１号公報特開２０１４−１８７０６３号公報

上述のような特許文献１においては、電解コンデンサ外周の金属ケースとコンデンサ収容部との間のクリアランスが冷却性能に大きく影響する。例えば、組み立て寸法公差により電解コンデンサの金属ケースとコンデンサ収容部との間に空間が生まれ、熱抵抗が増加することになるため、効率のよい冷却方法とすることはできない。

また、特許文献２においては、電子部品とケースとの間に放熱グリスを塗布することによって特許文献１における熱抵抗の増加を抑制することができるが、ケースからの放熱経路は、空間しかないため、熱伝導性のよいアルミニウム等のケースを使用しても効率のよい冷却方法とすることはできない。
さらに、電子部品は、回路基板と電気的かつ機械的に接続され、また放熱グリスが硬化した後に電子部品はケースと機械的に接続されることになるため、このような接続状態で外部から振動を受けた場合、各接続箇所に応力が加わることになり、電気配線の断線、機械的な固定部の外れなど信頼性を損なうことになる。
本願は、上述のような問題を解決するための技術を開示するもので、電子部品および発熱部材を効率良く放熱させることができ、冷却性能を高めることができる電力変換装置を提供することを目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、各構成部材を支持する筐体と、この筐体の凸部上に固定され、電子部品が実装された基板と、前記筐体と基板との間に配置されたコンデンサと、前記筐体上に取り付けられ、コンデンサとともに電気回路を形成する複数の半導体素子と、前記筐体側に延長された放熱部を有し、前記コンデンサおよび前記半導体素子を前記基板に接続して電力を供給するバスバーと、前記筐体の下面に設けられ、前記筐体を冷却する冷却液を流す冷却液流路とを備えたものであって、前記バスバーの前記放熱部と前記筐体との間を熱的に結合する第一の熱伝導部材と、前記コンデンサと前記筐体との間を熱的に結合する第二の熱伝導部材と、前記半導体素子と前記筐体との間を熱的に結合する第三の熱伝導部材とを備え、前記バスバーと前記基板と前記コンデンサと前記半導体素子とをそれぞれ冷却するようにしたことを特徴とするものである。

本願の電力変換装置によれば、電子部品および発熱部材を効率良く放熱させることができ、冷却性能を高めることができる。これにより、電子部品の長寿命化および小型・高出力化を期待することができる。

実施の形態１に関する電力変換装置を示す正面図である。図１ＡにおけるＡ−Ａ線断面図である。図１ＡにおけるＢ−Ｂ線断面図である。実施の形態１におけるバスバーの形状を示す正面図である。図２ＡにおけるＡ−Ａ線断面図である。図２ＡにおけるＢ−Ｂ線断面図である。実施の形態２に関する電力変換装置を示す断面図である。実施の形態３に関する電力変換装置を示す断面図である。実施の形態４に関する電力変換装置を示す断面図である。

以下、実施の形態について、図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１Ａは、実施の形態１に関する電力変換装置を示す正面図、図１Ｂは、図１ＡにおけるＡ−Ａ線断面図、図１Ｃは、図１ＡにおけるＢ−Ｂ線断面図である。
図において、電力変換装置１００は、各構成部材を支持する筐体１０と、この筐体１０から上方に延長された凸部１０ａと、この凸部１０ａ上に固定され、電子部品が実装された基板２０と、基板２０を筐体１０の凸部１０ａ上に固定する固定部材３０と、筐体１０と基板２０との間に配置された複数のコンデンサ４０と、筐体１０上に取り付けられ、コンデンサ４０とともに電力変換装置１００の電気回路を形成する複数の半導体素子５０とを備えて構成されている。また、コンデンサ４０および半導体素子５０は、図示しない直流電源から電力を供給するためのバスバー６０が接続されている。さらに、筐体１０の下面には冷却液を流す冷却液流路７０が設けられている。

ここで、筐体１０の材料としては、基本的に熱伝導のよいアルミニウムが望ましいが、必要に応じて同一機能を有する他の材料（例えば、銅、ステンレス、合金）でもよい。
また、基板２０は、紙フェノール（ＸＰＣ）、紙エポキシ（ＦＲ−３）、ガラス・コンポジット（ＣＥＭ−３）、ガラス・エポキシ（ＦＲ−４）を用いることができ、連続使用温度、はんだ耐熱性、絶縁抵抗、比誘電率、誘電正接などの特性に応じて使い分けることができる。また、基板２０の両面にのみ配線パターンを有するもの、または何層にも配線パターンを有するものでもよい。特に、基板２０の配線パターンの厚みは、３５μｍ、７０μｍ、１０５μｍと様々である。さらに基板２０上には、電気的な接続が主目的であるスルーホール（ビアとも呼ばれる）が配置されているが、熱的な接続としても使用することができ、必要な位置に必要なサイズと数を配置することによって熱抵抗を減らし、熱を拡散することで放熱効果を高めることも可能である。

また、基板２０を筐体１０に固定する固定部材３０は、さまざまな金属およびサイズのねじを用いることができ、両者を固定することができれば、その他の固定方法を用いることもできる。
さらに、コンデンサ４０は、アルミ電解コンデンサまたは導電性高分子を用いたコンデンサ、もしくは電解液と導電性高分子の両方で構成されたハイブリッドのアルミ電解コンデンサまたはフィルムコンデンサ等が一般的に用いられるが、その他容量性の電子部品を用いてもよい。

また、半導体素子５０は、インバータまたはコンバータのパワー回路に用いられるスイッチング素子であり、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴが代表的なものである。また、半導体素子５０は、バスバー６０にはんだ付け、溶接またはネジ締結などによって接続される。
なお、半導体素子５０の使用個数は、インバータまたはコンバータの回路構成により種々変化することになる。

次に、本願の電力変換装置１００の要部を構成するバスバー６０を用いた冷却構造について説明する。
バスバー６０は、直流電源に接続されることから、図２に示すようにプラス側６０１とマイナス側６０２の２極構成で、この２極間は、ショート（短絡）が起きないようにバスバー６０に絶縁を施すか絶縁部材を用いて互いに絶縁されている。このようなバスバー６０は、銅材を用い、プレス、切削、レーザーなどの加工方法の組み合わせにより３次元的な立体に加工することが可能であり、任意の形状に形成することができる。なお、バスバー６０の材料としてアルミニウムなどの導電性金属を用いることもできる。
このバスバー６０には、バスバー６０の一部を筐体１０の方向に延長した放熱部６０ａが形成されており、この放熱部６０aの下端と筐体１０との間に第一の熱伝導部材８１が塗布されている。ここで、バスバー６０の放熱部６０a先端を筐体１０の平面に沿って延長することによって、伝熱量を大きくすることができる。なお、直流電源に接続されているバスバー６０は、電位を有するため、筐体１０との間に一定の空間距離をおいて絶縁性を確保するように設定されている。

ところで、第一の熱伝導部材８１としては、一般的にＴＩＭ（Thermal Interface Material）と呼ばれ、シート状のものあるいはグリス状のものなどさまざまなものが知られている。シート状のものは、サイズ、厚み、柔らかさなど用途に応じて使い分け、グリス状のものは硬化するタイプか否か、また硬化後の粘度、オイルブリードの影響などを踏まえて使い分けるとよい。材質としては、シリコン系、アクリル系、スチレン系などがある。

また、コンデンサ４０と筐体１０の間に第二の熱伝導部材８２が塗布されている。
この第二の熱伝導部材８２は、第一の熱伝導部材８１と同様に形状、特性、用途によりグリス状のものとシート状のものを使い分けることができるが、図１に示すように複数のコンデンサ４０と筐体１０の間に配置する場合は、例えばグリス状のものか、柔らかい弾性のあるシート状のものがよい。
理由としては、基板２０を筐体１０に固定する際に生じる組み立て寸法公差、言い換えると複数のコンデンサ４０の表面と筐体１０の平面間のそれぞれ異なる距離を吸収することができるためである。これにより、コンデンサ４０から第二の熱伝導部材８２の間の熱抵抗、また第二の熱伝導部材８２と筐体１０の間の熱抵抗をできる限り均一化することができ、つまりは複数のコンデンサ４０の排熱を同程度とすることができる。

なお、組み立て寸法公差が非常に大きい場合、コンデンサ４０と筐体１０とにシート状の第二の熱伝導部材８２を密着させるためには、シート厚みを大きくしなければならず、この結果、一部のコンデンサ４０に大きな応力が加わり、コンデンサ４０と基板２０との接続を分断し、あるいは基板２０の銅箔パターンを剥離、断線させるなどの恐れがある。
このような懸念が大きい場合は、グリス状のものを選ぶことで解消することができる。また、グリスが完全には硬化しないものを選定すると、冷却性能に影響しない範囲で微小な変位を許容することができ、外部からの振動に対しても吸収できる効果を期待することができる。

さらに、半導体素子５０は、自らの放熱面と筐体１０との間に第三の熱伝導部材８３が配置されている。
この第三の熱伝導部材８３は、第一の熱伝導部材８１、第二の熱伝導部材８２と同様に形状、特性、用途によりグリス状のものとシート状のものを使い分けることができる。
この第三の熱伝導部材８３を介して半導体素子５０の自己発熱またはバスバー６０から伝わる熱を筐体１０へ伝熱させることができる。
なお、バスバー６０のプラス側６０１とマイナス側６０２のそれぞれに第三の熱伝導部材８３を設けることによって冷却性能を均一化することができる。また、バスバー６０の冷却性能にアンバランスがある場合、冷却性能の低い極側の放熱部６０ａの数を増やしてアンバランスを解消することもできる。

これら第一の熱伝導部材８１、第二の熱伝導部材８２および第三の熱伝導部材８３によって半導体素子５０およびコンデンサ４０が発生する熱をそれぞれ筐体１０に伝達して放熱するとともに、さらに、筐体１０に隣接して設けられた冷却液流路７０に冷却液を流すことによって筐体１０全体を冷却することができる。冷却液としては、エチレングリコールを含むロング・ライフ・クーラント（Long Life Coolant：ＬＬＣ）が用いられるが、その他の冷却機能を有する液体を用いることもできる。

次に、実施の形態２について図３を用いて説明する。
図３は、実施の形態２に関する電力変換装置を示す断面図である。
図において、バスバー６０の放熱部６０aと筐体１０の凸部１０aの側面の間に第一の熱伝導部材８１が配置されている。その他の構成は、実施の形態１と同じであり、同一または相当する部分には同じ符号を付して説明を省略する。
このように筐体１０の凸部１０ａの側面に及んで第一の熱伝導部材８１を設けることにより、バスバー６０と筐体１０との間の熱抵抗を下げることができ、冷却性能を高めることができる。

次に、実施の形態３について図４を用いて説明する。
図４は、実施の形態３に関する電力変換装置を示す断面図である。
図において、第二の熱伝導部材８２が基板２０と筐体１０の間の距離の１／２まで浸漬されている。その他の構成は、実施の形態１と同じであり、同一または相当する部分には同じ符号を付して説明を省略する。
このようにバスバー６０の放熱部６０aの側面とコンデンサ４０の側面および筐体１０の凸部１０aの側面に第二の熱伝導部材８２を設けることによって、バスバー６０およびコンデンサ４０と筐体１０との間の熱抵抗を下げることができ、冷却性能をさらに高めることができる。
なお、第二の熱伝導部材８２に代えて第一の熱伝導部材８１を設けてもよい。

次に、実施の形態４について説明する。
図５は、実施の形態４に関する電力変換装置を示す断面図である。
図において、第二の熱伝導部材８２が基板２０と筐体１０の間のほぼ全部に浸漬されている。その他の構成は、実施の形態３と同じであり、同一または相当する部分には同じ符号を付して説明を省略する。
このようにバスバー６０の放熱部６０aの側面とコンデンサ４０の側面および筐体１０の凸部１０aの側面との間に第二の熱伝導部材８２を設けることによって、バスバー６０およびコンデンサ４０と筐体１０との間の熱抵抗を下げることができ、冷却性能を一層高めることができる。特に、基板２０に平行するバスバー６０の広い面からも放熱することができる利点もある。
なお、第二の熱伝導部材８２に代えて第一の熱伝導部材８１を設けてもよい。

以上のように、本願の実施の形態によれば、電力変換装置の冷却性能が大きくなり、このため、例えばコンデンサ４０の温度上昇（温度変化幅）を抑制することができ、長寿命化を図ることができる。また、基板２０または半導体素子５０への温度ストレスが軽減されることによって、例えば基板２０のはんだ付け部の品質を向上させることができ、半導体素子５０の部品の劣化を抑制することができ、長期に亘る信頼性を確保することができる。さらに、ヒートシンクとして機能する筐体１０を小型化・軽量化することができ、コスト削減にも寄与させることができる。

なお、本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

本願は、例えば製品内部で生成された直流電源または製品外部から供給される１２Ｖ系、２４Ｖ系、または４８Ｖ系バッテリーの直流電源など車載用の電力変換装置に好適である。

１０：筐体、２０：基板、３０：固定部材、４０：コンデンサ、
５０：半導体素子、６０：バスバー、６０a：放熱部、
７０：冷却液流路、８１：第一の熱伝導部材、
８２：第二の熱伝導部材、８３：第三の熱伝導部材

Claims

各構成部材を支持する筐体と、この筐体に固定され、電子部品が実装された基板と、前記筐体と前記基板との間に配置されたコンデンサと、前記筐体上に取り付けられ、前記コンデンサとともに電気回路を形成する複数の半導体素子と、前記筐体側に延長された放熱部を有し、前記コンデンサおよび前記半導体素子を前記基板に接続して電力を供給するバスバーと、前記筐体の下面に設けられ、前記筐体を冷却する冷却液を流す冷却液流路とを備えた電力変換装置であって、
前記バスバーの前記放熱部と前記筐体との間を熱的に結合する第一の熱伝導部材と、
前記コンデンサと前記筐体との間を熱的に結合する第二の熱伝導部材と、
前記半導体素子と前記筐体との間を熱的に結合する第三の熱伝導部材とを備え、
前記バスバーと前記基板と前記コンデンサと前記半導体素子とをそれぞれ冷却するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
前記第一の熱伝導部材と前記第二の熱伝導部材は、同じ材料であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記バスバーを前記半導体素子と少なくとも１箇所で接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記バスバーを前記基板と少なくとも１箇所で接続したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記基板には、前記コンデンサを複数実装したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記筐体は、前記基板側に延長された凸部を有し、前記凸部において前記基板を固定したことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記バスバーの放熱部を複数個所設けたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記バスバーは、プラス極とマイナス極の２極構成であり、それぞれに前記放熱部を設けたことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
前記バスバーは、プラス極とマイナス極の２極構成であり、前記放熱部の数がそれぞれ異なることを特徴とする請求項７または８に記載の電力変換装置。
前記バスバーの前記放熱部と前記コンデンサと前記筐体および前記筐体の前記凸部のそれぞれ複数の面との間に第一の熱伝導部材または第二の熱伝導部材を設けたことを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。