JP7099278B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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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