JP7419951B2

JP7419951B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7419951B2
Application number: JP2020075654A
Authority: JP
Inventors: さおり菅
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2040-04-21
Also published as: JP2021175232A

Description

本開示は、電力変換を行う電力変換装置に関する。

特許文献１には、車両搭載の電力変換装置であって、制御回路基板と、半導体ユニットと、これらを収容するケースとを備える電力変換装置が記載されている。ケースは、第１収容空間と第２収容空間とを仕切る仕切部を有する。第１収容空間には、制御回路基板が配されており、第２収容空間には半導体ユニットが配されている。制御回路基板は仕切部に締結されている。

特開２０１５－７０６８２号公報

一般的に、ケースと制御回路基板とは、材質が異なるため、線膨張率も異なる。そのため、ケースと制御回路基板との変形量の差が生じ、仕切部に締結された制御回路基板がゆがむ恐れがある。

この事情に基づき、本開示の目的は、基板のゆがみを抑制できる電力変換装置を提供することである。

板状の基板と、電力変換をおこなう電力変換器と、基板および電力変換器を収容するケースと、を備え、ケースは、基板を収容する基板収容部、電力変換器を収容する変換器収容部、および基板収容部と変換器収容部とを仕切る仕切部を有し、基板は、少なくとも第１の締結部および第２の締結部によって基板収容部に締結され、基板と平行な方向をＸ方向とすると、基板収容部は変換器収容部よりもＸ方向の幅が大きく、Ｘ方向において、変換器収容部のうち対向する２つの面のうち一方の面よりも外側に第１の締結部が配置され、他方の面よりも外側に第２の締結部が配置され、第１の締結部および第２の締結部はＸ方向に並ぶ、電力変換装置。

本開示と反して、Ｘ方向において、変換器収容部のうち対向する２つの面よりも内側に締結部が位置する場合を考える。この場合、たとえば基板が変形した際、基板の変形に即してケースが変形するには、基板収容部に加え、変換器収容部も変形する必要がある。一方、本開示における電力変換装置は、Ｘ方向において、変換器収容部のうち対向する２つの面よりも外側に、締結部が位置する。そのため、基板が変形した際、基板収容部のみが変形すればよい。よって、線膨張率が異なる基板とケースとが変形したとしても、ケースの変形が基板に即しやすいため、基板のゆがみを抑制できる。

第１実施形態における、電力変換装置の構成部品の位置関係を模式的に示す断面図である。図１のＩＩ－ＩＩ断面図ある。図１のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。図１の締結部８０付近を拡大した拡大図である。

以下、本開示の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形例の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合わせることができる。そして、複数の実施形態及び変形例に記述された構成同士の明示されていない組み合わせも、以下の説明によって開示されているものとする。

図１～４に基づいて、電力変換装置１について説明する。電力変換装置１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車といった車両に搭載され、電力変換装置１の外部の直流電源（図示略）の直流電流を、走行用モータとしての三相交流モータ（図示略）に通電する交流電流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を生成する。

図１に示すごとく、電力変換装置１は、電力変換器、基板２０、コンデンサユニット４０、リアクトルユニット５０、およびこれらを収容するケース６０を備える。また、電力変換装置１はケース６０と基板２０とを締結する締結部８０を備える。

電力変換器は、電力変換装置１の電力変換を行う電子部品を含む。本実施形態において、電力変換器は半導体ユニット１０である。よって、以下では電力変換器のことを半導体ユニット１０と記載する。

半導体ユニット１０は、スイッチング素子１３が樹脂封止された半導体モジュール１１と、半導体モジュール１１の冷却を行う冷却器１２と、基板２０とスイッチング素子１３とを電気的に接続する端子１４と、を有する。図２に示すごとく、半導体ユニット１０は、複数の半導体モジュール１１と複数の冷却器１２とが積層されて形成される。ここで、複数の半導体モジュール１１と複数の冷却器１２とが積層される方向をＹ方向とする。半導体モジュール１１はＹ方向において２つの冷却器１２と接している。すなわち、半導体モジュール１１は、Ｙ方向に垂直な２面のうち、両面から冷却器１２によって冷却される。

スイッチング素子１３は電流が流されることで、オンオフが切り替わる。これによって、半導体モジュール１１は直流電源から入力された直流電流を、交流電流へ変換し、三相交流モータへ出力する。スイッチング素子１３は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴといった半導体素子が用いられる。ここで、ＩＧＢＴとはＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒの略である。また、ＭＯＳＦＥＴとは、Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ－ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒの略である。

端子１４が延出する方向をＺ方向とする。図１に示すごとく、基板２０は、Ｚ方向に垂直な板状部材である。基板２０は、端子１４を介して半導体モジュール１１に内蔵されたスイッチング素子１３と電気的に接続される。また、基板２０は、電力変換装置１の外部に配置された電子制御装置（ＥＣＵ）とも電気的に接続される。すなわち、基板２０は、ＥＣＵから入力されるトルク要求や各種センサにて検出された信号に基づいて、スイッチング素子１３へ駆動信号を出力する。基板２０の母材は樹脂によって形成される。

コンデンサユニット４０は、フィルタコンデンサ、平滑コンデンサ、コンデンサケースを有する（図示略）。フィルタコンデンサおよび平滑コンデンサは、コンデンサケース内に収容されている。これらのコンデンサには、フィルムを巻き回した形状のフィルムコンデンサが用いられている。フィルムの幅や巻き数、フィルムコンデンサの使用数量を調整することで、コンデンサの形状と個数が調整されている。そして、これらのコンデンサの配置を調整することで、コンデンサケースを所望の形状にすることを実現させている。

フィルタコンデンサは、直流電源から入力された直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサは、半導体モジュール１１を用いて昇圧された直流電圧を平滑化する。コンデンサユニット４０は、半導体ユニット１０に対して基板２０の反対側に配置されている。

リアクトルユニット５０は、リアクトルおよびリアクトルケースを有する（図示略）。リアクトルはリアクトルケース内に収容されている。リアクトルは、スイッチング素子１３のスイッチング動作に伴い、直流電源の直流電圧を昇圧する。リアクトルユニット５０は、半導体ユニット１０に対して基板２０の反対側に配置されている。

ケース６０は、基板２０を収容する基板収容部６１と、半導体ユニット１０、コンデンサユニット４０、およびリアクトルユニット５０を収容する変換器収容部６２と、を有する。また、基板収容部６１は、Ｚ方向に開口する基板側開口部６４を有する。また、変換器収容部６２は、Ｚ方向に開口する変換器側開口部６５を有する。基板収容部６１と変換器収容部６２とは、Ｚ方向に並んで配置される。

図３に示すごとく、基板収容部６１および変換器収容部６２は、Ｚ方向から見た際、矩形状である。また、変換器収容部６２は、Ｚ方向から見た際、Ｘ方向に延出する辺が短辺である。

図１に示すごとく、ケース６０は、基板側開口部６４の開口に取り付けられる基板側蓋部６６と、変換器側開口部６５に取り付けられる変換器側蓋部６７と、を有する。基板収容部６１と基板側蓋部６６とは、図示しないボルトによって締結される。同様に、変換器収容部６２と変換器側蓋部６７とは、図示しないボルトによって締結される。

また、ケース６０は、基板収容部６１と変換器収容部６２とを仕切る仕切部６３を有する。仕切部６３は板状部材であり、Ｚ方向に垂直な面を有する。仕切部６３と基板２０とは、Ｚ方向に対向して、平行に配置されている。本実施形態において、ケース６０は金属によって形成されている。具体的には、アルミダイカストによって形成されている。仕切部６３は、端子１４を通すための穴を有する（図示略）。基板収容部６１の板厚は、変換器収容部６２の板厚よりも小さい。

基板収容部６１は、仕切部６３と同一平面上に配置された基板収容底部６１２を有する。基板収容底部６１２は仕切部６３と平行な面を有する。また、基板収容底部６１２は、仕切部６３と隣接している。仕切部６３の板厚は、基板収容底部６１２の板厚よりも小さい。基板収容部６１は、Ｘ方向に垂直かつ基板２０とＸ方向に対向する内壁面である、第１基板収容側面６１３および第２基板収容側面６１４を有する。

半導体ユニット１０をはじめとして、コンデンサユニット４０やリアクトルユニット５０は、電力の変換を行う。そのため、電力の変換を行う過程で、熱が発生する。この熱がケース６０内を対流する空気を介して基板２０へと伝達されることを防止するため、仕切部６３が配置されている。仕切部６３が配置されることで、変換器収容部６２内の空気が、基板収容部６１内へと対流することを抑制できる。また、仕切部６３が配置されることで、半導体ユニット１０、コンデンサユニット４０、およびリアクトルユニット５０を固定する固定箇所（図示略）を増やすことができ、これらをケース６０内に安定して固定することができる。

図２に示すごとく、変換器収容部６２には半導体ユニット１０、リアクトルユニット５０、コンデンサユニット４０が配置されている。ここで、Ｙ方向およびＺ方向に垂直な方向をＸ方向とする。リアクトルユニット５０およびコンデンサユニット４０は、Ｘ方向に並んで配置されている。また、図１に示すごとく、半導体ユニット１０とリアクトルユニット５０とはＺ方向に並んで配置されている。半導体ユニット１０とコンデンサユニット４０とはＺ方向に並んで配置されている。変換器収容部６２は、Ｘ方向に垂直かつ、Ｘ方向においてコンデンサユニット４０よりもリアクトルユニット５０に近い位置に配置された内壁面であるリアクトル側面６２１を有する。また、変換器収容部６２は、Ｘ方向に垂直かつコンデンサユニット４０とＸ方向に対向する内壁面であるコンデンサ側面６２２を有する。リアクトル側面６２１とコンデンサ側面６２２とは平行であり、かつＸ方向に対向して配置されている。言い換えれば、リアクトル側面６２１およびコンデンサ側面６２２はＹ方向およびＺ方向に平行であり、かつＸ方向に並んで配置されている。

締結部８０は、締結台８１とボルト８２とを有する。締結台８１は、基板収容底部６１２と一体な、Ｚ方向に延出する突起状の部材として形成されている。具体的には、アルミダイカストによって、基板収容底部６１２と一体に形成されている。締結台８１にはねじ穴が形成されており、ボルト８２が締結台８１に挿入されることで、基板収容底部６１２および基板２０が締結される。ボルト８２は、締結台８１に対してＺ方向に挿入される。図３に示すごとく、複数の締結部８０のうち全ては、変換器収容部６２をＺ方向に投影した範囲の外に配置されている。本実施形態において、電力変換装置１は、締結部８０を４つ備える。

Ｘ方向において、締結部８０はリアクトル側面６２１およびコンデンサ側面６２２よりも外側に配置されている。すなわち、電力変換装置１をＺ方向から見た際、複数の締結部８０のうちＸ方向に並ぶ２つの間に、仕切部６３および変換器収容部６２が配置される。また、締結部８０は基板収容部６１の四隅に配置されている。

また、基板収容底部６１２はＺ方向にくぼんだくぼみ６１１を有する。本実施形態において、くぼみ６１１は基板収容底部６１２に４つ形成されている。４つのくぼみ６１１のそれぞれは、４つの締結部８０のそれぞれと、対になって配置されている。Ｘ方向において、くぼみ６１１は、締結部８０よりも仕切部６３に近い位置に配置されている。また、Ｘ方向において、複数のくぼみ６１１のうち全ては、Ｘ方向に並ぶ２つの締結部８０の間、かつ仕切部６３の外側に配置されている。図１に示すごとく、くぼみ６１１は、基板収容底部６１２に略Ｖ字状に形成されている。また、くぼみ６１１の形成された位置における基板収容底部６１２のＺ方向の板厚は、くぼみ６１１が形成されていない位置におけるＺ方向の板厚よりも小さい。くぼみ６１１のＺ方向の深さは、基板収容底部６１２のＺ方向の板厚の半分より大きくとも小さくともよい。

図３に示すごとく、基板収容部６１のＸ方向の幅は、変換器収容部６２のＸ方向の幅よりも大きい。具体的には、複数のくぼみ６１１のうち、Ｘ方向に並ぶ２つの間隔よりも、変換器収容部６２のＸ方向の幅のほうが小さい。ここで、基板収容部６１のＸ方向の幅とは、第１基板収容側面６１３と第２基板収容側面６１４とのＸ方向の距離である。また、変換器収容部６２のＸ方向の幅とは、リアクトル側面６２１とコンデンサ側面６２２とのＸ方向の距離である。また、基板収容部６１のＹ方向の幅は、変換器収容部６２のＹ方向の幅と同一である。ここで、基板収容部６１のＹ方向の幅とは、基板収容部６１のうち、Ｙ方向に垂直かつ基板２０とＹ方向に対向する２つの内壁面同士の、Ｙ方向の距離である。また、変換器収容部６２のＹ方向の幅とは、変換器収容部６２のうち、Ｙ方向に垂直かつ基板２０とＹ方向に対向する２つの内壁面同士の、Ｙ方向の距離である。

図４は、図１のうち、締結部８０付近を拡大した拡大図である。図４に示すごとく、くぼみ６１１とボルト８２のボルト中心８２２とのＸ方向の距離をボルト距離９１、くぼみ６１１と仕切部６３とのＸ方向の距離を仕切部距離９２とする。具体的には、ボルト距離９１とは、くぼみ６１１のうち、Ｚ方向に最もくぼむ位置とボルト中心８２２との距離である。また、仕切部距離９２とは、仕切部６３のうち、Ｘ方向において最もくぼみ６１１と近い位置と、くぼみ６１１のうち、Ｚ方向に最もくぼむ位置との距離である。ボルト距離９１は、仕切部距離９２よりも大きい。

電力変換装置１は、車両に搭載されるため、車両内の温度変化の影響を受ける。ここで、前述の通り、基板２０とケース６０とは材質が異なるため、線膨張率も異なる。よって、たとえば車両内のエンジンから発生する熱が、対流する空気を介して、電力変換装置１に伝達された場合、基板２０とケース６０とで変形量に差が生じ、基板２０がゆがむ恐れがある。基板２０がゆがむと、基板２０上のはんだにクラックが生じる恐れがある。よって、基板２０のゆがみを抑制する必要がある。

本実施形態における効果を以下に示す。ここで、本実施形態と反して、Ｘ方向において、リアクトル側面６２１およびコンデンサ側面６２２よりも内側に、締結部８０が位置する場合を考える。この場合、たとえば基板２０が変形した際、基板２０の変形に即してケース６０が変形するには、基板収容部６１に加え、変換器収容部６２も変形する必要がある。一方、本実施形態における電力変換装置１は、Ｘ方向において、リアクトル側面６２１およびコンデンサ側面６２２よりも外側に、締結部８０が位置する。そのため、基板２０が変形した際、基板収容部６１のみが変形すればよい。よって、線膨張率が異なる基板２０とケース６０とが変形したとしても、ケース６０の変形が基板２０に即しやすいため、基板２０のゆがみを抑制できる。

基板収容部６１は、締結部８０を介して基板２０と接続されている。そのため、基板２０のゆがみを抑制するには、基板収容部６１が基板２０の収縮に即して変形する必要がある。本実施形態においては、くぼみ６１１は、基板収容底部６１２のうち、Ｘ方向において、２つの締結部８０の間かつ仕切部６３の外側に設けられる。くぼみ６１１は、Ｚ方向にくぼんでいることから、基板収容底部６１２のくぼみ６１１以外の部分と比べ、Ｚ方向の厚さが小さい。そのため、くぼみ６１１がない場合と比べ、基板収容部６１の剛性が小さくなる。よって、基板収容部６１の変形は、基板２０の収縮により即したものになり、基板２０のゆがみをさらに抑制できる。

基板収容部６１は、締結台８１にボルト８２が挿入されることで基板２０と接続されている。そのため、基板２０のゆがみを抑制するためには、基板収容部６１が基板２０の収縮に即して変形する必要がある。ここで、基板２０が収縮した際の、くぼみ６１１のＹ方向周りの曲げモーメントを考える。ボルト８２は基板２０に垂直な方向に挿入される。よって、くぼみ６１１のＹ方向周りの曲げモーメントは、ボルト距離９１が大きいほど大きい。そこで、本実施形態においては、Ｘ方向において、ボルト距離９１は、仕切部距離９２よりも大きい。そのため、基板収容部６１の変形は、基板２０の収縮により即したものになり、基板２０のゆがみをさらに抑制できる。なお、上述した効果は、ボルト距離９１が大きいほど向上する。

（他の実施形態）
以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の実施形態も本開示の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

第１実施形態において、電力変換器として半導体ユニット１０を記載したが、本開示はこれに限るものではない。電力変換器は、リアクトルユニット５０でもよいし、コンデンサユニット４０でもよい。

第１実施形態において、基板収容底部６１２にはくぼみ６１１が形成されているが、本開示はこれに限るものではない。基板収容底部６１２にくぼみ６１１が形成されていなくともよい。また、基板収容部６１のうち、基板収容底部６１２以外の部分にくぼみ６１１が形成されていてもよい。

第１実施形態において、ボルト距離９１は仕切部距離９２よりも大きいが、本開示はこれに限るものではない。ボルト距離９１が、仕切部距離９２よりも小さくともよい。

第１実施形態において、締結台８１は突起状の部材であるが、本開示はこれに限るものではない。例えば、基板収容部６１に形成された段差を締結台８１としてもよい。

第１実施形態において、締結部８０は４つ配置されているが、本開示はこれに限るものではなく、締結部８０の数は複数であればよい。

第１実施形態において、締結台８１は基板収容底部６１２とアルミダイカストによって一体に形成されているが、本開示はこれに限るものではない。締結台８１は、基板収容底部６１２と別体に形成されてもよい。具体的には、締結台８１と基板収容底部６１２とが溶接によって固定されてもよいし、ボルトによって締結されてもよい。

第１実施形態において、締結台８１は基板収容底部６１２に配置されているが、本開示はこれに限るものではない。締結台８１は基板収容部６１のうち、基板収容底部６１２以外の部分に配置されてもよい。

第１実施形態において、締結部８０はボルト８２を有するが、本開示はこれに限るものではない。締結台８１に基板２０を固定する際にボルト８２を用いなくともよい。

第１実施形態において、複数の締結部８０のうち全ては、変換器収容部６２をＺ方向に投影した範囲の外に配置されているが、本開示はこれに限るものではない。複数の締結部８０のうち少なくとも２つが変換器収容部６２をＺ方向に投影した範囲の外に配置されていればよい。同様に、複数のくぼみ６１１のうち少なくとも２つが変換器収容部６２をＺ方向に投影した範囲の外に配置されていればよい。

第１実施形態において、基板収容部６１のＸ方向の幅は、変換器収容部６２のＸ方向の幅よりも大きいが、本開示はこれに限るものではない。基板収容部６１のＸ方向の幅が、変換器収容部６２のＸ方向の幅よりも小さくとも、基板収容部６１のＹ方向の幅が、変換器収容部６２のＹ方向の幅よりも大きければよい。

第１実施形態において、基板収容部６１は、Ｘ方向についてのみ変換器収容部６２よりも大きいが、本開示はこれに限るものではない。基板収容部６１が、Ｘ方向およびＹ方向の両方向について、変換器収容部６２より大きくてもよい。またこのとき、締結部８０およびくぼみ６１１が変換器収容部６２をＺ方向に投影した範囲の外に配置されると、第１実施形態において上述した基板２０のゆがみ抑制効果がより向上する。

第１実施形態において、複数のくぼみ６１１のうち、Ｘ方向に並ぶ２つの間隔よりも、変換器収容部６２のＸ方向の幅のほうが小さいが、本開示はこれに限るものではない。複数のくぼみ６１１のうち、Ｘ方向に並ぶ２つの間隔よりも、変換器収容部６２のＸ方向の幅のほうが大きくとも、複数のくぼみ６１１のうち、Ｙ方向に並ぶ２つの間隔よりも、変換器収容部６２のＹ方向の幅のほうが小さければよい。

第１実施形態において、基板収容部６１のどの位置においても、Ｘ方向の幅は、変換器収容部６２のＸ方向の幅よりも大きい。しかし、本開示はこれに限るものではない。基板収容部６１のＸ方向の幅が、変換器収容部６２のＸ方向の幅よりも大きい箇所が一部でも存在すればよい。

１…電力変換装置
１０電力変換器、２０基板、６０ケース、６１基板収容部、６１１くぼみ、６１２基板収容底部、６２変換器収容部、６３仕切部、８０締結部、８１締結台、８２ボルト。

Claims

板状の基板（２０）と、電力変換をおこなう電力変換器（１０）と、前記基板および前記電力変換器を収容するケース（６０）と、を備え、
前記ケースは、前記基板を収容する基板収容部（６１）、前記電力変換器を収容する変換器収容部（６２）、および前記基板収容部と前記変換器収容部とを仕切る仕切部（６３）を有し、
前記基板は、少なくとも第１の締結部（８０）および第２の締結部（８０）によって前記基板収容部に締結され、
前記基板と平行な方向をＸ方向とすると、
前記基板収容部は前記変換器収容部よりも前記Ｘ方向の幅が大きく、
前記Ｘ方向において、前記変換器収容部のうち対向する２つの面のうち一方の面（６２１）よりも外側に前記第１の締結部が配置され、他方の面（６２２）よりも外側に前記第２の締結部が配置され、
前記第１の締結部および前記第２の締結部は前記Ｘ方向に並ぶ、電力変換装置。
前記仕切部は、前記基板と平行に配置された板状部材であり、
前記基板収容部は、前記仕切部と同一平面上に配置された基板収容底部（６１２）を有し、
前記基板と垂直な方向をＺ方向とすると、
前記基板収容底部は、前記Ｚ方向にくぼんだ第１のくぼみ（６１１）および第２のくぼみ（６１１）を有し、
前記第１のくぼみは、前記Ｘ方向において、前記第１の締結部と前記仕切部の間に設けられ、
前記第２のくぼみは、前記Ｘ方向において、前記第２の締結部と前記仕切部の間に設けられ、
前記第１のくぼみおよび前記第２のくぼみは前記Ｘ方向に並ぶ、請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１の締結部は、前記基板収容部と一体に形成された第１の締結台（８１）と、前記第１の締結台に挿入されることで前記基板収容部および前記基板を締結する第１のボルト（８２）と、を有し、
前記第２の締結部は、前記基板収容部と一体に形成された第２の締結台（８１）と、前記第２の締結台に挿入されることで前記基板収容部および前記基板を締結する第２のボルト（８２）と、を有し、
前記第１のボルトおよび前記第２のボルトは前記基板に対して前記Ｚ方向に挿入されており、
前記Ｘ方向において、前記第１のくぼみのうち前記Ｚ方向に最もくぼむ位置と前記第１のボルトの中心との距離は、前記第１のくぼみのうち前記Ｚ方向に最もくぼむ位置と前記仕切部のうち前記Ｘ方向において前記第１のくぼみに最も近い位置との距離よりも大きく、
前記Ｘ方向において、前記第２のくぼみのうち前記Ｚ方向に最もくぼむ位置と前記第２のボルトの中心との距離は、前記第２のくぼみのうち前記Ｚ方向に最もくぼむ位置と前記仕切部のうち前記Ｘ方向において前記第２のくぼみに最も近い位置との距離よりも大きい、請求項２に記載の電力変換装置。