JPWO2015159621A1

JPWO2015159621A1 - 電力変換装置

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Publication number: JPWO2015159621A1
Application number: JP2016513673A
Authority: JP
Inventors: 英世鈴木; 桑野　盛雄; 盛雄桑野; 陽成原; 和志高橋
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-03-16
Also published as: WO2015159621A1; JP6393745B2

Abstract

電力変換装置の冷却性能を維持又は向上させながら、外部からの熱の影響を低減することである。本発明に係る電力変換装置（１）は、直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュール（１００）と、前記直流電力を平滑化するコンデンサモジュール（２００）と、前記パワー半導体モジュールを冷却する冷媒が通る第１流路（３０１）を形成する樹脂製の流路形成体（３００）と、前記コンデンサモジュールを収納する収納部を形成する金属製の筐体（４００）と、を備え、前記パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を収納する収納空間を形成する金属製のモジュールケース（３）と、を有し、前記筐体は、前記流路形成体の前記第１流路と連通する第２流路（４０２）を有する。

Description

本発明は直流電力を交流電力に変換しあるいは交流電力を直流電力に変換するために使用する電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる電力変換装置である。

電力変換装置は、例えば自動車に搭載され、同じく自動車に搭載された二次電池から直流電力を受け、走行用の回転トルクを発生する電動機に供給するための交流電力を発生する。また車の回生制動運転時には制動力を発生するために電動機は走行エネルギーに基づき交流電力を発生し、発生した交流電力は電力変換装置によって直流電力に変換され、上記二次電池に蓄電され、再び車両走行用などの電力として使用される。しかしながら、取り扱われる電力は年々増加し、かつ車への搭載性を高めるためには小型化が要求され、より効率的に電力変換時の損失起因の熱を管理し、また、できるだけ外部環境（エンジン等）からの影響を低減することが求められる。

特許文献１は、発熱部品であるパワー半導体モジュールとコンデンサモジュールを水路筐体内に収納して、両部品とも水路内の冷媒にて冷却する構成を開示する。

しかしながら、電力変換装置を構成する部品（例えばパワー半導体モジュールやコンデンサモジュール）を冷却する際に、外部からの熱の影響を考慮して、流路形成体を構成する必要がある。

特開２００９−２１９２７０号公報

そこで本発明の課題は、電力変換装置の冷却性能を維持又は向上させながら、外部からの熱の影響を低減することである。

上記課題を解決する為に、本発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュールと、前記直流電力を平滑化するコンデンサモジュールと、前記パワー半導体モジュールを冷却する冷媒が通る第１流路を形成する樹脂製の流路形成体と、前記コンデンサモジュールを収納する収納部を形成する金属製の筐体と、を備え、前記パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を収納する収納空間を形成する金属製のモジュールケースと、を有し、前記筐体は、前記流路形成体の前記第１流路と連通する第２流路を有する。

本発明によれば、電力変換装置の放熱性能を維持又は向上させながら、外部からの熱の影響を低減することができる。

本実施形態に係る電力変換装置１の分解斜視図である。図１に示された電力変換装置１を組み上げた場合に、図１の平面Ａにて切断した場合の断面図である。流路形成体３００を下面側から見た分解斜視図である。パワー半導体モジュール１００ａの外観斜視図である。パワー半導体モジュール１００ａの分解斜視図である。他の実施形態に係り、金属部材３１０Ａ及び３１０Ｂを埋め込んだ流路形成体３５０と金属部材３１０Ａ及び３１０Ｂを示す外観斜視図である。図６の平面Ｂで切断した場合の電力変換装置の断面図である。

本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置１の分解斜視図である。図２は、図１に示された電力変換装置１を組み上げた場合に、図１の平面Ａにて切断した場合の断面図である。図３は、流路形成体３００を下面側から見た分解斜視図である。

パワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆは、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を有する。本実施形態では、一つのパワー半導体モジュール１００ａは、３相交流電流を出力するインバータ回路のうち１つの相を出力するための上下アーム回路を構成する。例えば、パワー半導体モジュール１００ａがＵ相の上下アーム回路であり、パワー半導体モジュール１００ｂがＶ相の上下アーム回路であり、パワー半導体モジュール１００ｃがＷ相の上下アーム回路である。そしてパワー半導体モジュール１００ａないし１００ｃは、第１インバータ回路を構成する。

同様に、パワー半導体モジュール１００ｄがＵ相の上下アーム回路であり、パワー半導体モジュール１００ｅがＶ相の上下アーム回路であり、パワー半導体モジュール１００ｆがＷ相の上下アーム回路である。そしてパワー半導体モジュール１００ｄないし１００ｆは、第２インバータ回路を構成する。つまり本実施形態では、一つの電力変換装置１に２つのインバータ回路を備える。これら２つのインバータ回路は、それぞれ別々のモータを駆動してもよく、一つのモータを駆動してもよい。

コンデンサモジュール２００は、第１インバータ回路及び第２インバータ回路に供給される直流電力を平滑化する。コンデンサモジュール２００は、例えばフィルムコンデンサのようなコンデンサセル２０１と、このコンデンサセル２０１とモールドバスバー５００を電気的に接続するコンデンサ端子２０２と、コンデンサセル２０１を収納するコンデンサケース２０４と、コンデンサケース２０４内に充填される封止材２０３と、を有する。

モールドバスバー５００は、パワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆとコンデンサモジュール２００を電気的に接続する。伝導部材のバスバー（不図示）がモールド材５０３によりモールドされる。複数の第１端子５０１は、バスバーと接続されるとともにコンデンサ端子２０２とそれぞれ接続される。複数の第２端子５０２は、バスバーと接続されるとともにパワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆとそれぞれ接続される。

流路形成体３００は、パワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆのそれぞれを収納するための収納空間を形成する。図３に示されるように、第１流路３０１は、ぞれぞれの収納空間を繋ぐことによって形成される。第１流路３０１には冷却冷媒が流れ、パワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆは冷却冷媒と直接接触する。なお本実施形態においては流路形成体３００は流路を形成する部材として定義されたが、パワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆを収納するケースとして機能することも含むものである。

流路形成体３００の下面には、第１流路３０１と繋がる開口が形成される。蓋３０４は、この開口を塞ぐように流路形成体３００に固定される。蓋３０４には、第１流路入口３０２が第１流路３０１と対向する位置に形成され、第１流路入口３０２と第１流路３０１が繋がる。また蓋３０４には、第１流路出口３０３が第１流路３０１と対向する位置に形成され、第１流路出口３０３と第１流路３０１が繋がる。

さらに第１流路入口３０２近傍のシール性を向上させるために、蓋３０４には、貫通孔３０２ａと３０２ｂは、第１流路入口３０２を挟むように形成される。同様に第１流路出口３０３近傍のシール性を向上させるために、蓋３０４には、貫通孔３０３ａと３０３ｂが、第１流路出口３０３を挟むように形成される。

また蓋３０４には、凸部３０５がパワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆのそれぞれに対応して形成される。この凸部３０５は、後述する筐体４００の貫通孔４０６に嵌め合わされる。これにより、流路形成体３００が筐体４００に支持され、流路形成体３００の耐振動性が向上し、第１流路入口３０２や第１流路出口３０３のシール信頼性を向上させることができる。

本実施形態においては、流路形成体３００と蓋３０４は、樹脂材により形成される。

筐体４００は、コンデンサモジュール２００を収納する収納空間４０１を形成する収納部４０８を有する。また筐体４００は、図２に示されるように収納部４０１の下部に第２流路４０２を形成する。なお第２流路４０２は、コンデンサモジュール２００の側部を通るように形成されていても良い。

また筐体４００は、第２流路４０２と繋がる第２流路入口４０３と、第２流路４０２と繋がるとともに第１流路入口３０２と対向して形成される第２流路出口４０４と、を形成する。

第２流路４０２と収納部４０８を形成する筐体４００は熱伝導性の高い金属、例えばアルミニウム等により構成される。

さらに筐体４００は、収納部４０８の下部側方から突出するベース部４０７を有する。ベース部４０７は、流路形成体３００を保持し、かつ収納部４０８と一体に成形される。流路形成体３００がベース部４０７に固定されると、第１流路入口３０２及び第２流路出口４０４を介して第１流路３０１と第２流路４０２が連通する。

図４は、パワー半導体モジュール１００ａの外観斜視図である。図５は、パワー半導体モジュール１００ａの分解斜視図である。パワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆは、同一の構成と機能を有するため、代表としてパワー半導体モジュール１００ａについて説明する。

パワー半導体モジュール１００ａは、ＩＧＢＴやダイオード等のパワー半導体素子を内蔵する回路体２と、回路体２の一方の放熱面と対向する第１放熱部材４と、回路体２の他方の放熱面と対向する第２放熱部材５と、回路体２と第１放熱部材４又第２放熱部材５の間に配置される絶縁部材８と、回路体２及び絶縁部材８を収納するモジュールケース３と、を備える。

回路体２は、さらにパワー半導体素子とはんだ材等を介して接続される導体部材２Ｄと、導体部材２Ｄの一部を露出した状態でパワー半導体素子及び導体部材２Ｄを封止する樹脂封止材７と、直流電流や交流電流を伝達するパワー端子２Ａと、上アーム回路を構成するパワー半導体素子の制御信号を伝達する制御端子２Ｂと、下アーム回路を構成するパワー半導体素子の制御信号を伝達する制御端子２Ｃと、を備える。

モジュールケース３は、回路体２を挿入するための第１開口部３Ａと、第１放熱部材４によって塞がれる第２開口部３Ｂと、第２放熱部材５によって塞がれる第３開口部３Ｃと、を形成する。

第１放熱部材４及び第２放熱部材５は、いずれもピンフィンを形成する。また、第１放熱部材４及び第２放熱部材５とモジュールケース３は熱伝導性の高い金属、例えばアルミニウム等で構成され、これらの外面には、第１流路３０１を流れる冷媒が直接接触し、パワー半導体モジュール１００ａが冷却される。

パワー半導体モジュール１００ａの冷却対象は、パワー半導体素子を内蔵する回路体１２である。この回路体１２は、熱伝導性の高い金属製のモジュールケース３で覆われている。またモジュールケース３の外面は冷却冷媒に直接接触して冷却されているので、パワー半導体素子から冷却冷媒までの伝熱経路は高い熱伝導性が確保されている。一方で、第１流路３０１を形成するための流路形成体３００は、流路形成体３００とは異なる部品等への伝熱経路を確保する必要性は低い。そこで本実施形態では、流路形成体３００が樹脂材により構成される。

そして流路形成体３００は、樹脂材料の特性を活かし、外部からの熱を遮断することができる。ハイブリッド自動車や電気自動車用のパワー半導体モジュールは瞬時パワーが大きく、その場合の発熱を如何に早く熱交換できるかが重要となる。この観点からも樹脂材料で流路形成体３００を構成することで、パワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆの発熱を熱伝導性の高い伝熱経路を介して冷却冷媒に伝えることができ、かつ、外部からの熱影響を抑えることができ、結果、効率的に放熱することが可能となる。

一方、コンデンサモジュール２００はコンデンサセル２０１を備えるため熱容量が大きく、コンデンサモジュール２００を収納するスペースを冷却した方が効果的に放熱できるため、コンデンサモジュール２００の近傍には金属製の収納部４０８を含む筐体４００を設ける。

さらに本実施形態により以下の別の作用効果がある。

樹脂製の流路形成体３００で構成される第１流路３０１は、パワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆ近傍の冷却効率を向上させるために、冷媒の流速を管理する必要がある。またコンデンサモジュール２００は体積が大きくかつ重量が大きいため、耐振性を考慮すると、コンデンサモジュール２００する固定部材は強度が求められる。

アルミダイキャスト製の流路形成体の場合には、冷媒の流速を管理するため、鋳造後に、流路を形成するための後加工が必要となり、コスト面で不利であった。一方、コンデンサモジュール２００を格納する周辺においては寸法を厳格に管理する必要はなく、前述の冷媒の流速管理のような加工は不要である。そのため、パワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆを収納する箇所は精度良く成形可能な樹脂材で構成し、加工が発生しないか加工が少ない箇所は強度を考慮してアルミダイキャスト製とすれば、材料コストと加工コストを合計した部品コストを最適化でき、結果、安価な電力変換装置となる。

また、流路形成体３００と蓋３０４を樹脂製とすることにより、流路形成体３００と蓋３０４を接合する場合に、２次成形や溶融接合等を用いた接合が容易に可能であり、ネジ締結等の接合ならびにシールが不要となる。そして、電力変換装置の軽量化にも貢献できる。

また、筐体４００の別の製造方法として、第２流路４０２を構成する管状の中空部品を保持し、この中空部品を覆うようにして他の収納部４０８をアルミ鋳造により製作する。その後、アルミ鋳造に製作された部分の一部を加工して、第２流路入口４０３及び第２流路出口４０４を形成する。

また、コンデンサモジュール２００のコンデンサケース２０４が樹脂材料により構成される場合がある。その場合もコンデンサモジュール２００の熱容量は大きくなるとともにコンデンサセル２０１からの発熱経路の熱伝導率が高くなる。その点を考慮すると、コンデンサモジュール２００の近傍に配置される第２流路４０２は熱伝導率の良い金属材料等によって構成された方が効率の良い冷却が可能となる
また、モールドバスバー５００は、金属製の筐体４００から延びる支持部４１０によって支持される。この支持部４１０は、例えば筐体４００と同一材料の金属で構成される。また支持部４１０は、筐体４００と一体に成形されていてもよい。大電流が流れるモールドバスバー５００はパワー半導体モジュールと同様に発熱するが、熱伝導性の高い支持部４１０を介して放熱されるため、樹脂材料で流路形成体３００を構成したとしても、モールドバスバー５００を冷却することができる。

なお、本実施形態においては、ベース部４０７に形成された貫通孔４０６は、凸部３０５を貫通する孔であったが、凸部３０５と嵌め合う凹部であっても良い。また、ベース部４０７側が凸形状となり、流路形成体３００側が凹み形状となってもよい。つまりベース部４０７と流路形成体３００が互いに嵌め合う構造であれよい。

図６は、他の実施形態に係り、金属部材３１０Ａ及び３１０Ｂを埋め込んだ流路形成体３５０と金属部材３１０Ａ及び３１０Ｂを示す外観斜視図である。図７は、図６の平面Ｂで切断した場合の電力変換装置の断面図である。

図１ないし図５にて説示された流路形成体３００と異なるところは、樹脂製の流路形成体３５０にパワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆと接触する金属部材３１０Ａ及び３１０Ｂを備えることである。

金属部材３１０Ａは、モジュールケース３のフランジ部の一方側に形成された凹部に嵌め合わされる鋲３１１をパワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆ毎に設ける。同様に、金属部材３１０Ｂは、モジュールケース３のフランジ部の他方側に形成された凹部に嵌め合わされる鋲３１２をパワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆ毎に設ける。

また図７に示されるように、接地配線３１３Ａ及び３１３Ｂが流路形成体３００に埋設される。接地配線３１３Ａは、金属部材３１０Ａと金属製の固定部材３１４Ａと電気的に接続される。この固定部材３１４Ａは金属製の筐体４００と電気的に接続される。

同様に接地配線３１３Ｂは、金属部材３１０Ｂと金属製の固定部材３１４Ｂと電気的に接続される。この固定部材３１４Ｂは金属製の筐体４００と電気的に接続される。

これにより、樹脂製の流路形成体３００を用いた場合でも、パワー半導体モジュール１００ａないし１００ｆを流路形成体３００に固定し、流路形成体３００を金属ケース４００に固定すれば、安定した接地を行うことができる。

なお、金属部材３１０Ａと金属部材３１０Ｂのうち一方のみを用いても良いし、接地配線３１３Ａと接地配線３１３Ｂのうち一方のみを用いても良い。

以上、説示した実施形態は、必要に応じて組み合わせることができる。

１…電力変換装置、２…回路体、２Ａ…パワー端子、２Ｂ…制御端子、２Ｃ…制御端子、２Ｄ…導体部材、３…モジュールケース、３Ａ…第１開口部、３Ｂ…第２開口部、３Ｃ…第３開口部、４…第１放熱部材、５…第２放熱部材、７…樹脂封止材、８…絶縁部材、１００ａ〜１００ｆ…パワー半導体モジュール、２００…コンデンサモジュール、２０１…コンデンサセル、２０２…コンデンサ端子、２０３…封止材、２０４…コンデンサケース、３００…流路形成体、３０１…第１流路、３０２…第１流路入口、３０２ａ…貫通孔、３０２ｂ…貫通孔、３０３…第１流路出口、３０３ａ…貫通孔、３０３ｂ…貫通孔、３０４…蓋、３０５…凸部、３１０Ａ…金属部材、３１０Ｂ…金属部材、３１１…鋲、３１２…鋲、３１３Ａ…接地配線、３１３Ｂ…接地配線、３１４Ａ…固定部材、３１４Ｂ…固定部材、３５０…流路形成体、４００…筐体、４０１…収納空間、４０２…第２流路、４０３…第２流路入口、４０４…第２流路出口、４０６…貫通孔、４０７…ベース部、４０８…収納部、４１０…支持部、５００…モールドバスバー、５０１…第１端子、５０２…第２端子、５０３…モールド材

Claims

直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュールと、
前記直流電力を平滑化するコンデンサモジュールと、
前記パワー半導体モジュールを冷却する冷媒が通る第１流路を形成する樹脂製の流路形成体と、
前記コンデンサモジュールを収納する収納部を形成する金属製の筐体と、を備え、
前記パワー半導体モジュールは、パワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を収納する収納空間を形成する金属製のモジュールケースと、を有し、
前記筐体は、前記流路形成体の前記第１流路と連通する第２流路を有する電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置であって、
前記コンデンサモジュールは、コンデンサセルと、当該コンデンサセルを収納する樹脂製のコンデンサケースと、を有する電力変換装置。
請求項１または２に記載された電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールと前記コンデンサモジュールを電気的に接続するバスバーを備え、
前記筐体は、前記バスバーを支持するための金属製の支持部を有する電力変換装置。
請求項１ないし３に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記筐体は、前記流路形成体の一部と嵌め合う固定構造を形成するベース部を有する電力変換装置。
請求項４に記載された電力変換装置であって、
前記流路形成体は、前記モジュールケースと電気的に接続される配線部材を有し、
前記配線部材は、前記流路形成体に埋め込まれ、かつ前記ベース部と電気的に接続される電力変換装置。