JP7405671B2

JP7405671B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP7405671B2
Application number: JP2020061454A
Authority: JP
Inventors: 高志平尾; 健徳山; 典幸前川
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2023-12-26
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: JP2021164195A; CN115211021A; US20230135773A1; WO2021199578A1; DE112021000451T5

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置は様々な装置に組み込まれて利用され、需要の増大とともに要求される仕様も厳しくなっている。特許文献１には、スイッチング素子と、平滑コンデンサと、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路部品が実装された回路基板とを含む電力変換回路の構成部品が筐体に収容され、高圧端子を介して、入力された電力を変換して出力する電力変換装置において、前記高圧端子と前記回路基板は、同一平面領域に配置されている電力変換装置が開示されている。

国際公開第２０１５／０７５９７６号

特許文献１に記載されている発明では、電力変換装置の小型化に改善の余地がある。

本発明の第１の態様による電力変換装置は、スイッチング動作を行うパワーモジュールと、前記スイッチング動作に伴う電圧リプルを平滑化する平滑コンデンサと、前記パワーモジュールの駆動を制御する回路基板と、前記パワーモジュールおよび前記平滑コンデンサを収納する筐体と、前記パワーモジュールを前記筐体に固定するための第１固定部材と、前記平滑コンデンサを前記筐体に固定するための第２固定部材と、を備え、前記回路基板は、前記パワーモジュールと前記平滑コンデンサとの間に跨って配され、かつ前記第１固定部材および前記第２固定部材により支持され、前記第１固定部材および前記第２固定部材の少なくとも一方は、導電性材料で構成される。

本発明によれば、電力変換装置を小型化できる。

電力変換装置１の断面図図１のＩＩ－ＩＩ断面を示す断面図変形例１における電力変換装置１の断面図図３のＩＶ－ＩＶ断面を示す断面図変形例２における電力変換装置１の断面図変形例３における電力変換装置１の断面図

―第１の実施の形態―
以下、図１～図２を参照して、本発明に係る電力変換装置の第１の実施の形態を説明する。

図１は電力変換装置１の断面図、図２は図１のＩＩ－ＩＩ断面を示す断面図である。電力変換装置１は、パワーモジュール２と、回路基板３と、平滑コンデンサ４と、バスバー５と、流路形成体６と、筐体７と、第１固定部材１１と、第２固定部材１２とを備える。

電力変換装置１は、パワーモジュール２に内蔵されるパワー半導体素子のスイッチング動作により、直流から交流への変換、交流から直流への変換、周波数の変換、および電圧の変換のうち少なくとも１つを実行する。パワーモジュール２は、シリコンを母材とするＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や、炭化ケイ素を母材とするＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のパワー半導体素子を内蔵するモジュールである。パワーモジュール２は発熱が大きいので後述する冷却媒体により冷却される。

回路基板３は、たとえばプリント回路基板である。回路基板３には、パワーモジュール２のゲートを駆動するゲートドライブ回路や、各種機能を演算するマイクロプロセッサとその周辺回路が実装された基板である。回路基板３はパワーモジュール２や平滑コンデンサ４からのノイズの影響を受ける傾向にある。特に回路基板３に搭載されるマイクロプロセッサは、ノイズの影響を受けやすい。平滑コンデンサ４は、たとえばフィルムコンデンサや電解コンデンサである。平滑コンデンサ４は、パワーモジュール２に内蔵されるパワー半導体のスイッチングに伴う電圧リプルを平滑化する。

バスバー５は、電気配線のための板状の導体であり、材料は銅やアルミニウムである。バスバー５は、パワーモジュール２と平滑コンデンサ４とを電気的に接続する。バスバー５内の電位の異なる配線間は樹脂等により絶縁される。流路形成体６は、ロングライフクーラント等の冷却媒体を流す経路である。流路形成体６は、アルミニウムや樹脂で構成される。流路形成体６は、パワーモジュール２を挟み込むように配置され、流路形成体６の内部を流れる冷却媒体がパワーモジュール２を冷却する。筐体７は、パワーモジュール２や平滑コンデンサ４などの部材を収納する。筐体７の材料はアルミニウムである。

第１固定部材１１は、パワーモジュール２を筐体７に押し付けて固定する。第１固定部材１１は平板状であり、アルミニウムや鉄等の導電性材料で構成される。第１固定部材１１は、第２固定部材１２とともに回路基板３を支持する。第１固定部材１１は、板バネのように弾性力を有することが好ましく、弾性力を有することにより確実にパワーモジュール２を固定できる。なお第１固定部材１１と回路基板３との間には第１ボス１１Ａが配される。

第２固定部材１２は、平滑コンデンサ４を筐体７に押し付けて固定する。第２固定部材１２は平板状であり、アルミニウムや鉄等の導電性材料で構成される。第２固定部材１２は、第１固定部材１１とともに回路基板３を支持する。第２固定部材１２は、板バネのように弾性力を有することが好ましく、弾性力を有することにより確実に平滑コンデンサ４を固定できる。なお第２固定部材１２と回路基板３との間には第２ボス１２Ａが配される。第２固定部材１２は、第１固定部材１１と同一平面上に配される。すなわち第１ボス１１Ａの高さと、だい２ボス１２Ａの高さは略同一である。

なお図１では、図示下部から、パワーモジュール２および平滑コンデンサ４、第１固定部材１１および第２固定部材１２、回路基板３の順番に並んでいるが、重力方向との関係は不問である。すなわち、図１のいずれの方向を重力方向として設置されてもよい。

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電力変換装置１は、スイッチング動作を行うパワーモジュール２と、スイッチング動作に伴う電圧リプルを平滑化する平滑コンデンサ４と、パワーモジュール２の駆動を制御する回路基板３と、パワーモジュール２および平滑コンデンサ４を収納する筐体７と、パワーモジュール２を筐体７に固定する第１固定部材１１と、平滑コンデンサ４を筐体７に固定する第２固定部材１２と、を備える。回路基板３は、パワーモジュール２と平滑コンデンサ４の間を跨りかつ第１固定部材１１と第２固定部材１２により固定される。このように、第１固定部材１１と第２固定部材１２が回路基板３０だけでなく他の構成の固定を行うので、電力変換装置１の高さ方向の寸法、より厳密には電力変換装置１における回路基板３の厚み方向の寸法を小さくできる。

（２）電力変換装置１は、第１固定部材１１および第２固定部材１２が同一平面上に配置される。そのため第１ボス１１Ａおよび第２ボス１２Ａの高さを最低限とし、回路基板３を安定して支持できる。

（３）電力変換装置１は、パワーモジュール２と平滑コンデンサ４とを電気的に接続するバスバー５を備える。バスバー５は、第１固定部材１１および第２固定部材１２と同一平面上に配置される。そのため、電力変換装置１の高さ方向の寸法を小さくすることができる。

（４）電力変換装置１は、パワーモジュール２を冷却する冷却媒体の流路を形成する流路形成体６を備える。流路形成体６は、パワーモジュール２とともに第１固定部材１１により筐体７に固定される。そのため、冷却媒体の流路を設けるために固定部材を追加する必要がないので、電力変換装置１の高さ方向の寸法を小さく保つことができる。

（５）第１固定部材１１および第２固定部材１２は、導電性材料で構成される。そのため、第１固定部材１１および第２固定部材１２はその導電性により電磁シールドおよび接地となり、パワーモジュール２および平滑コンデンサ４が発するノイズを回路基板３から遮断できる。

（６）第１固定部材１１および第２固定部材１２は、弾性力を有する。そのため、パワーモジュール２および平滑コンデンサ４を強固に筐体７に固定できる。

（変形例１）
図３は、変形例１における電力変換装置１の断面図である。図３は第１の実施の形態における図１に相当する。本変形例では、回路基板３はシールド層３１を有する。シールド層３１は、回路基板３の内部に導電層であり、電位はグラウンドまたはフローティングである。

図４は、図３におけるＩＶ－ＩＶ断面を示す断面図であり、第１の実施の形態における図２に相当する。ただし図４ではシールド層３１の位置を破線で示している。シールド層３１は、図３および図４に示すように第１固定部材１１と第２固定部材１２との間に配される。そのため、第１固定部材１１と第２固定部材１２との間を通り抜けたノイズを遮断できる。

この変形例１によれば、第１の実施の形態における作用効果に加えて次の作用効果が得られる。
（７）回路基板３には導電層であるシールド層３１が備えられる。シールド層３１は、第１固定部材１１と第２固定部材１２との間に配される。そのため、第１固定部材１１および第２固定部材１２の間から漏れるノイズをシールド層３１により遮断できる。なお、シールド層３１を設ける代わりに、ノイズの影響を受けやすい部材を第１固定部材１１や第２固定部材１２の直上に配置してもよい。

（変形例２）
図５は、変形例２における電力変換装置１の断面図である。図５に示すように、電力変換装置１はバスバー５を備えなくてもよい。この場合には、パワーモジュール２および平滑コンデンサ４は、たとえば図７に示すように直接に接続されてもよい。

（変形例３）
図６は、変形例３における電力変換装置１の断面図である。パワーモジュール２および流路形成体６の高さの合計と、平滑コンデンサ４の高さとが一致しない場合には、図６に示すように筐体７の底部に段差を設けて、第１固定部材１１と第２固定部材１２とを同一平面状に配することが望ましい。たとえば筐体７の底部は特段の工夫をせずに平らにして、第１ボス１１Ａと第２ボス１２Ａの長さを異ならせることにより対処することも考えられる。しかしその場合にはボスが長くなり回路基板３の安定した保持に問題が生じるため好ましくない。

（その他の変形例）
上述した実施の形態では、第１固定部材１１および第２固定部材１２は弾性力を有した。しかし第１固定部材１１および第２固定部材１２が弾性力を有することは必須の構成ではなく、第１固定部材１１および第２固定部材１２の少なくとも一方が弾性力を有しなくてもよい。

上述した実施の形態では、第１固定部材１１および第２固定部材１２は導電性を有した。しかし第１固定部材１１および第２固定部材１２が導電性を有することは必須の構成ではなく、第１固定部材１１および第２固定部材１２の少なくとも一方が導電性を有しなくてもよい。

上述した実施の形態では、電力変換装置１は流路形成体６を備えた。しかし流路形成体６は電力変換装置１に必須の構成ではなく、電力変換装置１は流路形成体６を備えなくてもよい。その場合は電力変換装置１は、パワーモジュール２を筐体７の底部に密着させてもよいし、パワーモジュール２と筐体７との間に熱伝導率の高い金属を介在させてもよい。

上述した実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１ …電力変換装置
２ …パワーモジュール
３ …回路基板
３１ …シールド層
４ …平滑コンデンサ
５ …バスバー
６ …流路形成体
７ …筐体
１１ …第１固定部材
１２ …第２固定部材

Claims

スイッチング動作を行うパワーモジュールと、
前記スイッチング動作に伴う電圧リプルを平滑化する平滑コンデンサと、
前記パワーモジュールの駆動を制御する回路基板と、
前記パワーモジュールおよび前記平滑コンデンサを収納する筐体と、
前記パワーモジュールを前記筐体に固定するための第１固定部材と、
前記平滑コンデンサを前記筐体に固定するための第２固定部材と、を備え、
前記回路基板は、前記パワーモジュールと前記平滑コンデンサとの間に跨って配され、かつ前記第１固定部材および前記第２固定部材により支持され、
前記第１固定部材および前記第２固定部材の少なくとも一方は、導電性材料で構成される電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記第１固定部材および前記第２固定部材は導電性材料で構成され、
前記回路基板の表面には導電層であるシールド層が備えられ、
前記回路基板は、前記第１固定部材および前記第２固定部材とは前記回路基板の厚み方向に異なる位置に配され、
前記シールド層を前記厚み方向に射影すると、前記第１固定部材と前記第２固定部材との間の隙間に重なる電力変換装置。