JP7380428B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

車両用のインバータなどの大電力を取り扱う電力変換器においては、駆動時に大電力が流れて発熱するバスバー等を冷却する必要がある。そこで、バスバーを熱伝導性の高い伝熱シートを介して金属プレートと接触させ、金属プレートを介してバスバーを冷却することが考えられる。

例えば、特許文献１には、バスバーの冷却構造の一例として、バスバーを熱伝導性の高い伝熱絶縁シートを介して冷却部に密着させる固定具が開示されている。この固定具を用いることで、伝熱シートの位置ずれが抑制されるので、放熱性能の低下が抑制され、バスバーを適切に冷却することができる。

特開２００６－２７１０６３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された固定具においては、伝熱絶縁シートを位置決めするための機能がないため、伝熱絶縁シートの位置ずれの発生を確実に抑制することは難しいという課題がある。

本発明の目的は、より簡便な方法で伝熱絶縁シートの位置決めを行うことができる電力変換装置を提供することである。

本発明のある態様による電力変換装置は、入出力される電力を直流又は交流に変換する電力変換装置であって、電力の入出力に用いられるバスバーと、バスバーの固定面に形成される電気絶縁性を有する突出部とを備える電力変換器と、バスバーと接触するように設けられ、突出部が貫通するシート孔を有し、熱伝導性及び電気絶縁性を有する伝熱絶縁シートと、伝熱絶縁シートを挟むように電力変換器と締結され、突出部が貫通するプレート孔を有する金属製の固定プレートと、を備える。固定プレートには、伝熱絶縁シートを挟む側の面に、プレート孔と連通するとともにプレート孔よりも開口が大きな凹部が設けられる。

本発明の電力変換装置によれば、より簡便な方法で伝熱絶縁シートの位置決めを行うことができる。

図１は、本実施形態の電力変換装置の分解斜視図である。 図２は、固定プレートの上面及び下面の斜視図である。 図３は、固定プレートのプレート孔の近傍について上面側及び下面側から見た平面図である。 図４は、図１のＩＩ－ＩＩにおける電力変換装置の断面図である。 図５は、比較例の電力変換装置の断面図である。 図６は、伝熱シートが弾力変形しない材料により構成される場合の電力変換装置の断面図である。 図７は、伝熱シートが弾力変形する材料により構成される場合の電力変換装置の断面図である。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置１００の分解斜視図である。この図に示される電力変換装置１００においては、電力変換器１０の上面に伝熱シート２０が設けられており、伝熱シート２０の上に配置される固定プレート３０が電力変換器１０と締結されることで、伝熱シート２０が電力変換器１０と固定プレート３０との間に挟み込まれた状態で固定される。そして、固定プレート３０が冷却器（不図示）により冷却されることで、伝熱シート２０を介して電力変換器１０を冷却することができる。

電力変換器１０は、例えばインバータであって、直流電力と交流電力との変換を行う機器である。一例として、電力変換器１０は、電動車両に用いられる場合には、駆動系においてはバッテリから供給される直流電力をモータの駆動源となる交流電力に変換するとともに、発電系においては、モータにおいて回生された交流電力を、バッテリに充電するために直流電力に変換する。本実施形態の電力変換器１０においては、正極及び負極の端子（不図示）と接続される直流電力系統と、Ｕ相バスバー１１Ｕ、Ｖ相バスバー１１Ｖ、及び、Ｗ相バスバー１１Ｗと接続されるＵＶＷ相の三相交流電力系統との間での変換が行われる。

なお、以下では、ＵＶＷ相の区別をしない場合には、Ｕ相バスバー１１Ｕ、Ｖ相バスバー１１Ｖ、及び、Ｗ相バスバー１１Ｗを、単にバスバー１１と称するものとする。同様に、他の構成についても、同種の構成を区別しない場合には、符号に付されたアルファベットを省略するものとする。

バスバー１１は、矩形状で電気伝導性の高い金属部材である。バスバー１１は、樹脂などで構成されるターミナル１２の上において短手方向に並設された状態で、長手方向の一端が固定されている。また、バスバー１１は、ターミナル１２に固定されていない自由端である他端に接続孔を備え、これらの接続孔において接続される配線を介してモータの三相交流電力系統と接続される。

伝熱シート２０は、熱伝導性が高く、かつ、電気絶縁性の高い材料により構成されたシート状の部材である。伝熱シート２０は、樹脂や弾性重合体（エラストマー）により構成されており、一定の弾性を有する。伝熱シート２０は、ターミナル１２の上においてバスバー１１の表面と接触するように配置される。また、伝熱シート２０にはシート孔２１Ａ、２１Ｂが設けられており、シート孔２１Ａ、２１Ｂには、ターミナル１２に設けられる突出部１３Ａ、１３Ｂが貫通する。

固定プレート３０は、金属等で構成された熱伝導性の高い板状部材であって、伝熱シート２０の表面と接するように配置されるとともに、冷却器（不図示）により冷却可能に構成されている。固定プレート３０には、伝熱シート２０と同様に、ターミナル１２に設けられる突出部１３Ａ、１３Ｂが貫通するプレート孔３１Ａ、３１Ｂが設けられている。また、固定プレート３０には、長手方向の一端にボルト孔３２Ａ、３２Ｂが、他端にボルト孔３２Ｃ、３２Ｄが設けられている。

ボルト４１Ａ～４１Ｄは、固定プレート３０のボルト孔３２Ａ～３２Ｄを貫通した状態で、電力変換器１０に設けられたボルト締結孔１４Ａ～１４Ｄと締結される。これにより、固定プレート３０は、伝熱シート２０を挟み込んだ状態で、電力変換器１０に固定される。このように、ターミナル１２を固定プレート３０に対して締結することで、バスバー１１を覆うように設けられる伝熱シート２０は固定される。

以下では、ターミナル１２の突出部１３Ａ，１３Ｂ、及び、ボルト締結孔１４Ａ～１４Ｄに関連する詳細な説明を行う。

ターミナル１２の上面においては、Ｕ相バスバー１１ＵとＶ相バスバー１１Ｖとの間に突出部１３Ａが設けられ、Ｖ相バスバー１１ＶとＷ相バスバー１１Ｗとの間に突出部１３Ｂが設けられている。突出部１３Ａ、１３Ｂは、それぞれ、棒状の突起として形成されており、伝熱シート２０のシート孔２１Ａ、２１Ｂ、及び、固定プレート３０のプレート孔３１Ａ、３１Ｂを貫通する。

これにより、電力変換器１０に対する伝熱シート２０、及び、固定プレート３０の位置決めが行われる。従って、突出部１３Ａ、１３Ｂは位置決めピンとしての機能を備え、伝熱シート２０のシート孔２１Ａ、２１Ｂ、及び、固定プレート３０のプレート孔３１Ａ、３１Ｂは、位置決め孔の機能を備える。また、突出部１３Ａ、１３Ｂの外径は、伝熱シート２０のシート孔２１Ａ、２１Ｂ、及び、固定プレート３０のプレート孔３１Ａ、３１Ｂの開口径よりも小さく構成されている。

また、ターミナル１２のＵ相バスバー１１Ｕ側の端面から離間するように締結台１５Ａが設けられており、Ｗ相バスバー１１Ｗ側の端面から離間するように締結台１５Ｂが設けられている。締結台１５Ａ、１５Ｂは、電力変換器１０の底部１６と一体に構成されている。そして、締結台１５Ａには、バスバー１１の長手方向に並設されたボルト締結孔１４Ａ、１４Ｂが設けられ、締結台１５Ｂには、バスバー１１の長手方向に並設されたボルト締結孔１４Ｃ、１４Ｄが設けられている。ボルト締結孔１４Ａ～１４Ｄには、その内径に締結溝が設けられており、固定プレート３０のボルト孔３２Ａ～３２Ｄを貫通するボルト４１Ａ～４１Ｄと締結可能に構成されている。

このようにして、バスバー１１上に設けられた伝熱シート２０は、電力変換器１０と固定プレート３０との間において挟み込まれた状態で固定される。固定プレート３０は冷却器（不図示）により冷却されており、また、伝熱シート２０及び固定プレート３０の熱伝導性が高い。そのため、駆動時に大電力が流れて発熱するバスバー１１は、伝熱シート２０を介して冷却される。

図２は、固定プレート３０の上面及び下面を示す斜視図である。なお、固定プレート３０の下面は、伝熱シート２０と接触する側の面であり、図１においては視認することができない。図２（ａ）は固定プレート３０の上面の斜視図、図２（ｂ）は固定プレート３０の下面の斜視図である。

図２（ａ）に示されるように、固定プレート３０においては、中央寄りの位置に突出部１３が貫通するプレート孔３１Ａ、３１Ｂが設けれ、両端部にボルト孔３２Ａ～３２Ｄを貫通するボルト孔３２Ａ～３２Ｄが設けられている。

図２（ｂ）に示されるように、固定プレート３０の下面側においては、プレート孔３１Ａ、３１Ｂと連通し、プレート孔３１Ａ、３１Ｂよりも開口の大きな凹部３３Ａ、３３Ｂが設けられている。このような凹部３３Ａ、３３Ｂは、ザグリ孔と称されることもある。このように、固定プレート３０には、伝熱シート２０と接触する下面において凹部３３Ａ、３３Ｂが設けられている。

図３は、プレート孔３１Ａの周辺について固定プレート３０の上面側及び下面側から見た平面図である。図３（ａ）は固定プレート３０の上面図、図３（ｂ）は固定プレート３０の下面図である。なお、図３（ａ）においては、参考のために、点線で凹部３３Ａの輪郭が示されている。これらの図に示されるように、凹部３３Ａは、上下方向においてプレート孔３１Ａと同心円状に構成されており、その半径差（オフセット幅）はｄであるものとする。

本実施形態においては、プレート孔３１Ａ及び凹部３３Ａが円状に構成されたがこれに限らない。例えば、プレート孔３１Ａ及び凹部３３Ａは、矩形状に構成され、それらの開口が互いに所定の距離だけ離間するように（オフセットされるように）構成されてもよい。

図４は、図１のＩＩ－ＩＩにおける電力変換装置１００の断面図である。この断面図においては、電力変換器１０、伝熱シート２０、並びに、固定プレート３０について、突出部１３Ａによる位置決め箇所、及び、ボルト４１Ａによる締結箇所を含む断面が示されている。

ターミナル１２においてＵ相バスバー１１Ｕ及びＶ相バスバー１１Ｖの間に設けられる突出部１３Ａは、伝熱シート２０に設けられるシート孔２１Ａ、並びに、固定プレート３０に設けられる凹部３３Ａ及びプレート孔３１Ａを貫通する。そして、固定プレート３０に設けられたボルト孔３２Ａを貫通するボルト４１Ａが、締結台１５Ａに設けられるボルト締結孔１４Ａと締結する。このように、突出部１３Ａがシート孔２１Ａ及びプレート孔３１Ａを貫通することにより、伝熱シート２０及び固定プレート３０は、ターミナル１２（電力変換器１０）に対して位置決めされる。

ここで、バスバー１１と固定プレート３０とは接触しておらず、以下では両者の間の非接触距離について検討する。図示されるように、伝熱シート２０の上面において、伝熱シート２０のシート孔２１Ａの開口の上端から固定プレート３０の凹部３３Ａの開口の下端までの面内方向の距離、すなわち、凹部３３Ａとシート孔２１Ａとの半径の差を、非接触距離ａと称する。伝熱シート２０の積層方向の厚さであって、伝熱シート２０のバスバー１１との接触点からシート孔２１Ａの開口の上端までの上下方向の距離を、非接触距離ｂと称する。バスバー１１の上面から凹部３３Ａの底面（天井面）までの上下方向の距離を、非接触距離ｃと称する。

ここで、絶縁性を保つために、高電圧部品であるバスバー１１と、周囲に存在する導電性部品である固定プレート３０との間の非接触距離は、電力変換器１０の使用形態及び使用環境等によって定められる距離よりも長くなるように設計する必要がある。このように設計される距離として、沿面距離と空間絶縁距離とがある。

沿面距離は、非導電性物質（伝熱シート２０）に沿った、高電圧部品（バスバー１１）と導電性部品（固定プレート３０）との間の非接触距離であり、この図においては、ａ＋ｂに相当する。空間絶縁距離は、空間を介した、高電圧部品（バスバー１１）と導電性部品（固定プレート３０）との間の非接触距離であり、ｃに相当する。なお、伝熱シート２０の突出部１３Ａの反対側における沿面距離については、所望の沿面距離が確保されているものとして検討を省略する。

図５は、固定プレート３０に凹部３３Ａが設けられていない場合であって、図４と同じ位置における比較例としての電力変換装置１００’の断面図である。

この図に示されるように、凹部３３Ａが設けられていないことによって、Ｕ相バスバー１１Ｕから固定プレート３０までの非接触距離のうち沿面距離及び空間絶縁距離は、ともに、伝熱シート２０の厚さと等しくなる。この図においては、沿面距離はｂで示され、空間絶縁距離はｃ’として示されている。

すなわち、図４の例と比較すると、沿面距離は、凹部３３Ａとシート孔２１Ａとの内径差の距離ａだけ短くなり、空間絶縁距離は、凹部３３Ａの深さだけ短くなる。そのため、所定の沿面距離及び空間絶縁距離を確保するためには、伝熱シート２０を厚くする必要がある。

しかしながら、本実施形態では凹部３３Ａを設けることにより、プレート孔３１Ａによる位置決めの精度を悪化させることなく、沿面距離及び空間絶縁距離を確保できるため、電力変換装置１００の小型化を図ることができる。

さらに、伝熱シート２０が弾性を備えることにより、電力変換器１０と固定プレート３０との間で挟み込まれた状態において、挟み込まれる前の状態よりも沿面距離を長くすることが可能となる。これについて、図６及び図７を参照して説明する。

図６は、伝熱シート２０が弾性変形しない材料によって構成されている場合における電力変換装置１００の断面図であり、図７は、伝熱シート２０が弾性変形する材料によって構成されている場合における電力変換装置１００の断面図である。

図６に示されるように、伝熱シート２０が弾性を備えない場合においては、図４に示したように、点線の矢印で示すように、沿面距離はａ＋ｂとなる。

これに対して、図７に示されるように、伝熱シート２０が弾性を備える場合においては、固定プレート３０を電力変換器１０に締結することによって、伝熱シート２０は、締結時の応力によって変形する。これにより、伝熱シート２０は、凹部３３Ａ内へと盛り上がるように突出することで、点線矢印で示されるように沿面距離はより長くなる。

ここで、図６に示されるように、設計公差を最小として沿面距離（ａ＋ｂ）を設計したと仮定する。このような場合でも、図７に示されるように、固定プレート３０の締結後においては、伝熱シート２０が凹部３３Ａ内に盛り上がることで沿面距離が長くなるため、所定の沿面距離を確保できる。そのため、設計公差を最小としても締結後には所定の沿面距離を確保できるため、電力変換装置１００の小型化を図ることができる。

本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

本実施形態の電力変換装置１００によれば、電力変換器１０内で強電配線であるバスバー１１を冷却するための伝熱シート２０が、伝熱シート２０上に設けられる固定プレート３０で固定されている。そして、電力変換器１０が備える突出部１３が、伝熱シート２０のシート孔２１、及び、固定プレート３０のプレート孔３１を貫通する。

このように、位置決めを行う突出部１３、シート孔２１及びプレート孔３１が、電力変換器１０、伝熱シート２０及び固定プレート３０の面内に構成される。このように、位置決め機構が電力変換装置１００の部品内に設けられるため、位置決め機構の各部品間のクリアランスへの影響が抑制される。その結果、に電力変換装置１００の小型化を図りながら、各部品の位置決めを行うことができる。

また、固定プレート３０には、伝熱シート２０と接触する側の面に、プレート孔３１と連通し、プレート孔３１よりも開口が大きな凹部３３が設けられる。このような凹部３３が設けられることにより、プレート孔３１による位置決めの精度に影響を与えることなく、沿面距離を凹部３３とシート孔２１との径差ａだけ長くすることができるとともに、空間絶縁距離を凹部３３の深さだけ長くすることができる。その結果、伝熱シート２０の厚さｂをより薄くすることができるので、伝熱シート２０の熱伝導性の向上による冷却効率の上昇、及び、伝熱シート２０のコスト低減を図ることができる。

本実施形態の電力変換装置１００によれば、凹部３３の深さは、バスバー１１において確保されるべき空間絶縁距離から伝熱シート２０の厚さｂを減じた差よりも大きい。このように構成されることにより、コスト上の制約等により伝熱シート２０が薄くなり、バスバー１１と固定プレート３０とが接近する場合でも、凹部３３をより深く構成することで、空間絶縁距離を確保することができる。

本実施形態の電力変換装置１００によれば、固定プレート３０の面内方向において、凹部３３とプレート孔３１とは所定長だけ離間（オフセット）している。ここで、凹部３３とプレート孔３１との離間距離が一定でない場合であっても、沿面距離はその離間距離が最短である箇所において定まる。そのため、凹部３３とプレート孔３１とを等間隔で離間させることで、凹部３３において沿面距離を構成しない部分の加工を抑制することができる。その結果、固定プレート３０の不要な加工を抑制しながら、沿面距離を確保することができる。

本実施形態の電力変換装置１００によれば、プレート孔３１は開口が円状に構成され、凹部３３はプレート孔３１と同心円状の開口を有するように構成される。このようにすることで、凹部３３とプレート孔３１とを所定長だけ離間させることができるとともに、円以外の形状の凹部３３を形成する場合と比較すると加工時間が短縮されるので、固定プレート３０のコスト低減を図ることができる。

本実施形態の電力変換装置１００によれば、伝熱シート２０の面内方向におけるシート孔２１から固定プレート３０の凹部３３までの距離ａと、伝熱シート２０の厚さｂとの和は、バスバー１１において確保されるべき沿面距離よりも長い。そのため、例えば、シート孔２１から固定プレート３０の凹部３３までの距離ａを長くすることにより、沿面距離を確保しながら、伝熱シート２０の厚さｂを薄くすることができる。その結果、伝熱シート２０の熱伝導性の向上による冷却効率の上昇、及び、伝熱シート２０のコスト低減を図ることができる。

本実施形態の電力変換装置１００によれば、伝熱シート２０は、固定プレート３０がボルト４１を用いて電力変換器１０へと締結される場合に、弾性変形可能に構成されている。これにより、固定プレート３０により潰された伝熱シート２０が凹部３３内へと余剰としてはみ出ることで、伝熱シート２０が凹部３３Ａ内に盛り上がる。

その結果、例えば、設計公差を最小として沿面距離（ａ＋ｂ）を設計したとしても、締結時には沿面距離が長くなるため、所定の沿面距離を確保できる。そのため、設計公差を最小としても沿面距離が確保しやすくなるので、電力変換装置１００の小型化を図ることができる。

なお、上記各実施形態は、矛盾を生じない範囲の任意の組み合わせで相互に組み合わせることが可能である。

１０ 電力変換器
１１、１１Ｕ、１１Ｖ、１１Ｗ バスバー
１３、１３Ａ、１３Ｂ 突出部
２０ 伝熱シート
２１、２１Ａ、２１Ｂ シート孔
３０ 固定プレート
３１、３１Ａ、３１Ｂ プレート孔
３３、３３Ａ、３３Ｂ 凹部
１００ 電力変換装置

Claims (6)

1. 入出力される電力を直流又は交流に変換する電力変換装置であって、
   前記電力の入出力に用いられるバスバーと、前記バスバーの固定面に形成される電気絶縁性を有する突出部とを備える電力変換器と、
   前記バスバーと接触するように設けられ、前記突出部が貫通するシート孔を有し、熱伝導性及び電気絶縁性を有する伝熱絶縁シートと、
   前記伝熱絶縁シートを挟むように前記電力変換器と締結され、前記突出部が貫通するプレート孔を有する金属製の固定プレートと、を備え、
   前記固定プレートには、前記伝熱絶縁シートを挟む側の面に、前記プレート孔と連通するとともに前記プレート孔よりも開口が大きな凹部が設けられる、
   電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記凹部は、当該凹部の深さが前記バスバーにおいて確保されるべき空間絶縁距離から前記伝熱絶縁シートの厚さを減じた差よりも大きくなるように構成される、
   電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
   前記凹部は、前記固定プレートの面内方向において前記プレート孔から所定長だけ離間するように構成される、
   電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記プレート孔は、開口が円状に構成され、
   前記凹部は、開口が前記プレート孔と同心円状に構成される、
   電力変換装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記伝熱絶縁シートの面内方向における前記シート孔から前記固定プレートの前記凹部までの距離と、前記伝熱絶縁シートの厚さとの和は、前記バスバーにおいて確保されるべき沿面距離よりも長い、
   電力変換装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
   前記伝熱絶縁シートは、前記固定プレートが前記電力変換器へと締結される場合に作用する応力によって一部が変形して前記凹部へと突出するような弾性を備える、
   電力変換装置。

Images