JP7099278B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。特に、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器を交互に積層した積層ユニットを備える電力変換装置に関する。
モータに電力を供給するインバータや電圧を変換する電圧コンバータでは、IGBTなどの発熱量の大きい半導体素子を他の回路とは別に集積し、集中的に冷却する構造が採用されることがある。そのような集積構造の一つに、発熱量の大きい半導体素子を収めた平板型のパワーカードと平板型の冷却器を交互に積層した積層ユニットが知られている。
積層ユニットは、パワーカードから冷却器へ熱が良く伝わるように、積層方向に圧力が加えられた状態でケースに取り付けられる。具体的には、積層ユニットの積層方向の端面とケースの底面から立設している支持部との間にバネが嵌挿され、そのバネが積層ユニットに圧力を加える。一方、多数のパワーカードと冷却器が積層されている場合、積層ユニットは、積層方向の長さのばらつきが大きくなる。積層方向の長さのばらつきは、積層ユニットを押付ける力を不均一にさせ、パワーカードから冷却器への熱伝導効率を悪化させる要因の一つとなる。この積層ユニットを押付ける力のばらつきを抑制するために、特許文献1では、バネと支持部との間にスペーサを配している。スペーサは、突出長さの異なる複数の凸部を有しており、スペーサの凸部とケースの支持部の凹部が嵌合する。それぞれの凸部はスペーサの異なる面に設けられている。特許文献1は、スペーサの向きを変え、スペーサの凸部と支持部の凹部の組み合わせを変えることでバネと支持部の間の距離を調整することができる技術を開示している。特許文献1では上記した支持部をストッパ部と称している。
特開2013-162541号公報
特許文献1に開示する電力変換装置では、スペーサの凸部と支持部の凹部が嵌合している。スペーサのケースに対する位置を固定するため、スペーサの凸部の側面と支持部の凹部の内側の面を当接させる。このため、スペーサの凸部の根元では、スペーサの直交する2面、すなわち、支持部との対向面と凸部の側面が支持部と当接する。
スペーサの凸部の根元に微小なフィレット(2平面の境界の湾曲面)が形成されることがある。このフィレットは、スペーサの製造工程で発生するものである。先に述べたように、スペーサの凸部の根元では、直交する2面が支持部と当接しているため、スペーサの凸部の根元にフィレットが発生すると、支持部の凹部の縁の角とフィレットが干渉する。先に述べたように、スペーサは積層ユニットを押付ける力を弾性部材から受けている。また、支持部の凹部は支持部の上面に形成されているため、バネ荷重が凹部に偏ると支持部が変形しやすい。このため、スペーサの凸部の根元のフィレットと支持部の凹部の角が干渉すると、支持部は、上側が倒れてスペーサから離れる方向に変形する。
支持部の上側がスペーサから離れる方向に変形すると、積層ユニットを押付ける力が小さくなる。本明細書では、スペーサの凸部の根元のフィレットと支持部の凹部の干渉による支持部の変形を抑制する電力変換装置を開示する。
本明細書が開示する電力変換装置は、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器を交互に積層した積層ユニットと、積層ユニットを収容するケースを備えている。また、この電力変換装置は、積層ユニットの積層方向の端面と、ケースの底面から立設している支持部との間に嵌挿されており、積層ユニットに積層方向の荷重を加えるバネと、支持部とバネの間に嵌挿されているスペーサを備えている。
この電力変換装置では、支持部のスペーサに対向する面と上面との角に切欠が設けられており、スペーサの支持部との対向面に、切欠に勘合する凸部が設けられている。また、対向面の凸部との境界であって凸部の底面側との境界に溝が設けられているとともに、対向面の溝より上方と支持部の間に隙間が確保されている。
上述した電力変換装置では、スペーサの対向面の凸部との境界であって凸部の底面側との境界に溝が設けられている。凸部が切欠に勘合すると、凸部の根元の底面側のフィレットは溝の中に位置することになる。このため、フィレットは支持部の切欠の縁の角と干渉しない。
上述した電力変換装置では、スペーサの対向面の溝より上方と支持部の間に隙間が確保されている。すなわち、スペーサの対向面は、溝より上方では支持部と当接していない。凸部の根元の左右側の境界のフィレットは、隙間に位置するため支持部の切欠の縁の角と干渉しない。すなわち、スペーサは、支持部の上側に荷重を偏らせることがない。本明細書が開示する電力変換装置は、スペーサの凸部の根元のフィレットと、支持部の切欠の縁の角との干渉を回避することで、支持部の変形を抑制することができる。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
実施例の電力変換装置の平面図である。 スペーサ周辺を示す拡大図である。 図2のIII-IIIの線における実施例の電力変換装置の部分断面図である。 スペーサの斜視図である。
図面を参照して実施例の電力変換装置2を説明する。実施例の電力変換装置2は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換するインバータである。電力変換装置2は、IGBTやダイオード(還流ダイオード)など、大電流を扱う多数の半導体素子を備える。それらの素子は、デジタル信号用の回路と異なり数十~数百アンペアの電流を流すため、デジタル信号用の回路より発熱量が格段に大きい。そこで、電力変換装置2は、発熱量の大きいIGBTなどの半導体素子を、デジタル信号用の回路から分離し集積した積層ユニット10を有する。
図1は、実施例の電力変換装置2の平面図である。図1に示すように、電力変換装置2は、ケース4と、積層ユニット10と、バネモジュール18と、スペーサ20を備えている。なお、本明細書及び図面では、積層ユニット10を加圧するバネモジュール18と、ケース4に設けられた支持部6と、その間に嵌挿されるスペーサ20に着目して説明する。このため、他の部品、例えば、大容量コンデンサやリアクトル、スイッチング素子の端子等は、説明と図示を省略する。
ケース4は、積層ユニット10とバネモジュール18、スペーサ20を収容する筐体である。ケース4は、X軸方向正側に底面から立設する2個の支持部6を有している。支持部6は略正方形の断面を有する柱状である。支持部6は、上面にX軸方向に延びている溝6aを有している。ケース4の2個の支持部6の構造は同一である。
積層ユニット10は、複数のパワーカード14と複数の冷却器12を含んでおり、パワーカード14と冷却器12を交互に積層したユニットである。パワーカード14は、2個の半導体素子14aと14b(図3参照)を樹脂でモールドしたパッケージである。パワーカード14に含まれる半導体素子を冷却するため、パワーカード14は、両側から冷却器12により挟まれている。
冷却器12は、その内部を冷媒が流れる。積層方向(図中のX軸方向)から見て、冷却器12はパワーカード14を挟んで両側に貫通孔を有しており、その貫通孔に連結管16が接続されている。連結管16は、隣接する冷却器の貫通孔同士を接続する。積層ユニット10のX軸方向負側の端の冷却器12には、冷媒供給管8aと冷媒排出管8bが接続されている。冷媒供給管8aと冷媒排出管8bは、ケース4の外へと伸びており、不図示の冷媒循環装置と連結される。冷媒供給管8aを介して電力変換装置2の外部から冷媒が積層ユニット10へ供給される。冷媒は各連結管16を通じて全ての冷却器12に分配される。冷媒は冷却器12の筐体内を流れる間に隣接するパワーカード14から熱を吸収する。冷却器12から出た冷媒は他方の連結管16と冷媒排出管8bを通じて外部へと排出される。
パワーカード14と冷却器12は、互いに幅広面を当接させることで熱伝導を行っている。この熱伝導を促進するため、積層ユニット10には、バネモジュール18により積層方向に荷重が加えられている。バネモジュール18は、圧力分散板や板バネを含んでいる。圧力分散板の幅広面は、冷媒供給管8aと接続する冷却器12と逆側の端の冷却器12の幅広面と当接し、積層方向に荷重を加える。バネモジュール18は、2個の板バネを有している。板バネが変形することでバネモジュール18は積層方向への荷重を発生させる。
バネモジュール18の板バネの変形量は、積層ユニット10の積層方向の長さと、ケース4の積層ユニット10を嵌挿する空間の長さにより決まる。積層ユニット10は、複数の冷却器12とパワーカード14が積層されているため、長さがばらつきやすい。このばらつきを吸収するため、バネモジュール18の板バネとケース4の支持部6の間にはスペーサ20が嵌挿されている。
図2を用いてスペーサ20と支持部6の詳細構造について説明する。図2は、図1におけるY軸方向正側のスペーサ20周辺の拡大図である。先に述べたように、スペーサ20は、バネモジュール18の板バネと当接している。このため、スペーサ20は、バネモジュール18から荷重Fを受けている。
スペーサ20は、凸部22と、第1対向面24と、第2対向面26を有している。第1対向面24と第2対向面26は、支持部6の荷重受け面6bと対向している。第2対向面26と荷重受け面6bは当接している。このため、バネモジュール18からスペーサ20が受けた荷重Fは、スペーサ20を介して支持部6へ伝わる。一方、図2に示すように、第1対向面24と支持部6の荷重受け面6bの間には隙間Sが確保されている。スペーサ20は、第1対向面24の中央部に凸部22を有している。凸部22のY軸方向の幅は、スペーサ20本体のY軸方向の幅の略半分である。凸部22のX軸方向の長さは、スペーサ20本体のX軸方向の長さの略3分の1である。
また、支持部6は、上面に溝6aを有している。溝6aは、支持部6の荷重受け面6bからその反対側の面まで貫通している。溝6aは、別言すれば、支持部6の荷重受け面6bと上面との角に設けられた切欠である。
スペーサ20の凸部22は、そのY軸方向の両面の一部を支持部6の溝6aの内側の面と当接させている。後述するが、凸部22の下側の面も溝6aの底面と当接している。すなわち、スペーサ20のケース4に対する位置は、凸部22と溝6aの嵌合により定まる。別言すれば、凸部22は、スペーサ20のケース4に対する位置決め構造に相当する。
図2に示すように、スペーサ20の凸部22の側面と第1対向面24はフィレットR1、R2でつながっている。先に述べたように第1対向面24と支持部6の荷重受け面6bの間には隙間Sが確保されている。このため、フィレットR1とR2は、隙間Sに納まる。すなわち、フィレットR1とR2は、支持部6の溝6aの縁の角と干渉しない。
図3を用いて、スペーサ20の溝28について説明する。図3は図2におけるIII-III線に沿った電力変換装置2の部分断面図である。なお、図3では、スペーサ20と積層ユニット10の位置関係を理解しやすくするため、スペーサ20と支持部6の断面図に積層ユニット10の一部を追加している。図3に示すように、スペーサ20は、ケース4の底面から立設している支持部6とバネモジュール18の板バネの間に嵌挿されている。先に述べたように、スペーサ20の上部には凸部22が設けられている。凸部22の下側の面は、支持部6の溝6aの底面と当接している。これにより、スペーサ20の支持部6に対する高さ方向の位置が固定される。スペーサ20は、下部に支持部6の荷重受け面6bと当接する第2対向面26を有している。第2対向面26の凸部22との底面側の境界には溝28が設けられている。
図3に示すように、凸部22の下側の根元にはフィレットR3が付いている。フィレットR3は、溝28の内部に位置している。別言すれば、フィレットR3は、溝28内に納まっている。このため、フィレットR3は、支持部6の溝6aの縁の角と干渉しない。このように、実施例の電力変換装置2では、スペーサ20に溝28と、第1対向面24を設けることで、スペーサ20の凸部22の根元に付されたフィレットR1~R3と溝6aの縁の角の干渉を回避することができる。フィレットR1~R3と溝6aとの干渉回避の効果については後述する。
スペーサ20は、第2対向面26の下方に、下側ほど支持部6から遠くなるように傾斜する斜面を有している。電力変換装置2の組立工程で、積層ユニット10とケース4の支持部6の間にスペーサ20を上方から嵌挿するときに、斜面がガイドとなる。
ここで、溝28と、スペーサ20がバネモジュール18から受ける荷重の高さ方向における位置関係について図3を用いて説明する。先に述べたように積層ユニット10にバネモジュール18が荷重を加えているため、その反力によりスペーサ20は、バネモジュール18の板バネから荷重を受けている。積層ユニット10は、パワーカード14の半導体素子14a、14bから発生する熱を冷却器12により冷却している。すなわち、バネモジュール18で積層方向に荷重を加えて冷却器12と当接させる必要がある部分は、パワーカード14の半導体素子14a、14bが配置されている部分である。半導体素子14a、14bが配置されていない部分は、冷却器12で冷却する必要はない。すなわち、半導体素子14a、14bが配置されていない部分には荷重を加える必要はない。
図3に示すように、スペーサ20では、溝28や、荷重受け面6bとの間に隙間を有する第1対向面24と、下方の斜面は、半導体素子14a、14bが配置されていない部分に設けられている。別言すれば、スペーサ20の支持部6と当接しない部分は、半導体素子14a、14bが配置されていない部分に設けられている。すなわち、半導体素子14a、14bが配置されている部分では、スペーサ20はバネモジュール18と当接し、スペーサ20の第2対向面26は支持部6の荷重受け面6bと当接している。スペーサ20は、高さ方向において半導体素子14a、14bが配置されている部分ではバネモジュール18の荷重Fをケース4の支持部6へ伝えることで、冷却器12にバネモジュール18の荷重をかけている。これにより、半導体素子14a、14bから発生する熱を冷却器12に効率的に伝えている。
スペーサ20の凸部22と支持部6の溝6aは、半導体素子14a、14bよりも高い位置にある。先に述べたように、支持部6の荷重受け面6bがスペーサ20の第2対向面26が当接し、バネモジュール18の反力を支えている。凸部22のフィレットR1~R3と溝6aの縁が干渉すると、反力がフィレットR1~R3と溝6aの縁との干渉部分に偏って加わってしまう。支持部6の上端付近に偏った荷重が加わると、支持部6が積層ユニット10から離れる方向に変形し易くする。支持部6の変形は、バネモジュール18が積層ユニット10に加える荷重を弱めてしまう。実施例の電力変換装置2では、フィレットR1~R3が溝6aの縁と干渉しない構造を有している。実施例の電力変換装置2は、支持部6の変形を抑制することができる。
図4を用いてスペーサ20の形状を説明する。図4はスペーサ20の形状を示す上方斜視図である。スペーサ20は、矩形断面が高さ方向に延びている矩形断面の柱状であり、上部に凸部22と第1対向面24を有している。下側の端部は斜面であり、斜面の上側に第2対向面26を有している。第1対向面24と第2対向面26は溝28で隔てられている。スペーサ20は、鉄等の金属で構成されており、例えば鋳造で製造される。このため、鋳造型からの取り外しやすさ等の要件から、スペーサ20の角部にはフィレットが発生する。凸部22の根元にはフィレットR1~R3が発生しており、下側のフィレットR3は、溝28の内部に発生している。なお、スペーサ20は金属の削り出しで製造してもよい。
本実施例の留意点を以下に述べる。支持部6の上面に設けられた溝6aは、荷重受け面6bからその反対側の面まで貫通している。溝6aは、荷重受け面6bの反対側の面まで貫通していなくてもよい。すなわち、溝6a(切欠)は、支持部6の荷重受け面6bと上面の角に設けられていればよい。
実施例の電力変換装置2のスペーサ20では、溝28が第1対向面24よりも深く設けられているが、本明細書に開示する技術は、これに限定されない。溝と第1対向面の深さは同じであってもよい。また、スペーサの個数や形状は、バネモジュールの形状や構造により異なる。支持部の位置や形状、また切欠の形状も、同様にバネモジュールの形状や構造により異なる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2:電力変換装置
4:ケース
6:支持部
6a:溝
6b:荷重受け面
8a:冷媒供給管
8b:冷媒排出管
10:積層ユニット
12:冷却器
14:パワーカード
14a、14b:半導体素子
16:連結管
18:バネモジュール
20:スペーサ
22:凸部
24:第1対向面
26:第2対向面
28:溝
R1~R3:フィレット
S:隙間
F:荷重

Claims (1)

  1. 半導体素子を収容したパワーカードと冷却器を交互に積層した積層ユニットと、
    前記積層ユニットを収容するケースであって、前記積層ユニットにおける前記パワーカードと前記冷却器との積層方向が、当該ケースの底面と平行になるように前記積層ユニットを収容しているケースと、
    前記積層ユニットの前記積層方向の端面と、前記底面から立設している支持部との間に嵌挿されており、前記積層ユニットに前記積層方向の荷重を加えるバネと、
    前記支持部と前記バネの間に嵌挿されているスペーサと、
    を備えており、
    前記支持部の前記スペーサに対向する面と上面との角に切欠が設けられており、
    前記スペーサの前記支持部との対向面に、前記切欠に勘合する凸部が設けられており、
    前記対向面の前記凸部との境界であって前記凸部の前記底面側との境界に溝が設けられているとともに、前記対向面の前記溝より上方と前記支持部の間に隙間が確保されている、電力変換装置。
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