WO2010090092A1

WO2010090092A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2010090092A1
Application number: PCT/JP2010/050912
Authority: WO
Inventors: 英世鈴木
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2010-08-12
Also published as: EP2395647A4; CN102308466A; JP5260347B2; EP2395647B1; EP2395647A1; US20120008286A1; CN102308466B; JP2010183750A

Abstract

　本発明に係る電力変換装置は、交流電力をモータに供給するパワーモジュール(300)と、パワーモジュール(300)の上方に配置され、かつ該パワーモジュール(300)を駆動する電子回路基板(22)と、パワーモジュール(300)を載置するパワーモジュール載置面を有し、パワーモジュール(300)と電子回路基板(22)とを収納する筐体(12)と、を備えた電力変換装置であって、パワーモジュール(300)は、電子回路基板(22)側に向かって突出して形成され、かつ電子回路基板(22)に形成された溝又は孔(352)と嵌め合う第１突出部(350)と、筐体(12)側に向かって突出して形成され、かつ筐体(12)に形成された溝又は孔(354)と嵌め合う第２突出部(351)と、を備え、第１突出部(350)と第２突出部(351)が筐体(12)のパワーモジュール載置面の略鉛直方向に揃って形成される。

Description

電力変換装置

　本発明は、車両の駆動用モータを制御する電力変換装置に関する。

　特許文献１には、複数の半導体モジュールを備える電力変換装置を正確かつ容易に組み立てるための技術が記載されている。具体的には、複数の半導体モジュールに対して一つの制御回路基板が設けられ、半導体モジュールには第１凸部が設けられ、制御回路基板に設けられた第１嵌入部に嵌め合うことで、互いに位置決めが行われるようになっている。

　しかしながら、半導体モジュールと制御回路基板を電力変換装置に組付ける際には更なる組立性の向上を図ることが求められている。

日本国特開２００５－０７３３７３号公報

　本発明の課題は、電力変換装置の組立性を向上させることである。

　本発明による電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換し、該交流電力をモータに供給するパワーモジュールと、パワーモジュールの上方に配置され、かつ該パワーモジュールを駆動する電子回路基板と、パワーモジュールを載置するパワーモジュール載置面を有し、パワーモジュールと電子回路基板とを収納する筐体と、を備えた電力変換装置であって、パワーモジュールは、電子回路基板側に向かって突出して形成され、かつ電子回路基板に形成された溝又は孔と嵌め合う第１突出部と、筐体側に向かって突出して形成され、かつ筐体に形成された溝又は孔と嵌め合う第２突出部と、を備え、第１突出部と第２突出部が前記筐体のパワーモジュール載置面の略鉛直方向に揃って形成される。

　本発明により、電力変換装置の組立性を向上させることができる。

図１は、半導体素子を複数備えた半導体モジュールの外観斜視図である。図２は、複数の半導体モジュール１０００Ａ～１０００Ｃに対して複数の制御基板２００１Ａ～２００１Ｃを設けた場合を示した図である。図３は、制御基板２００１の位置決め孔と筐体３００１の位置決め基準を同一線上に設けた模式図である。図４は、制御基板２００１の位置決め孔と筐体３００１の位置決め基準を同一線上に設けた模式図である。図５は、ハイブリッド自動車の制御ブロック図である。図６は、パワーモジュール３００に設けられた位置決め用に突出部付近の拡大図である。図７は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成の外観斜視図である。図８は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。図９は、電力変換装置２００の断面図（図７のＡ－Ａ断面基準）である。

　電力変換装置に使用される半導体モジュールは、直流電力の入力に対して、例えば３相の交流電力を出力する。この３相を出力するための回路部を、１つの半導体モジュールによるパッケージ化した場合、当該半導体モジュールの内蔵部品どうしの共通部分または各配線が簡略化される。しかし、当該共通部分または各配線のうちの１つでも問題があると、半導体モジュールそのものの機能が失われる。すなわち、電力変換装置としての製品の歩留まりが悪くなるおそれがある。また、３相のうち１相を構成する回路部を１つの半導体モジュールによるパッケージとした場合、製品の歩留まりは向上する。しかし、複数の半導体モジュールを制御するための制御基板は、重複する部分、例えば半導体モジュールと制御基板と接続する通信線等、を多数設ける必要があり、コストが増大するおそれがある。

　図１は、半導体素子を複数備えた半導体モジュールの外観斜視図である。本半導体モジュールは、内部半導体素子を冷却し且つ、実装するための金属ベース１００１を有する。ケース１００２は、金属ベース１００１の外縁付近に設けられている。また、ケース１００２は、電力入力端子１００３，出力端子１００４および制御用端子１００５が一体となるように成形されている。つまりケース１００２は、外部接続端子と内部半導体素子とのインターフェースとして機能する。

　突出部１１０１は、ケース１００２の上面に設けられる。この突出部１１０１は、制御用端子１００５と接続される制御基板と半導体モジュールとの位置決めとして機能する。

　凹部１１０２は、金属ベース１００１のケース１００２が設けられた側とは反対側面に形成される。この凹部１１０２は、半導体モジュールを収納するための筐体３００１と当該半導体モジュールとの位置決めとして機能する。

　図２（Ａ）は、複数の半導体モジュール１０００Ａ～１０００Ｃに対して複数の制御基板２００１Ａ～２００１Ｃを設けた場合を示した図である。複数の半導体モジュール１０００Ａ～１０００Ｃは、共通の筐体３００１上に設置される。複数の制御基板２００１Ａ～２００１Ｃは、それぞれ対応する半導体モジュールの上部に設置される。

　筐体３００１側に設けられた突出部３１０１Ａは前述した凹部１１０２に挿入され、半導体モジュール１０００Ａと筐体３００１との位置決めとして機能する。一方、制御基板２００１Ａは、位置決め孔２１０１Ａを有し、この位置決め孔２１０１Ａには、前述した突出部１１０１が挿入される、これにより、半導体モジュール１０００Ａと制御基板２００１Ａとの位置決めがなされる。半導体モジュール１０００Ｂ及び１０００Ｃと筐体３００１と制御基板２００１Ｂ及び２００１Ｃの位置決めも、前述と同様である。

　図２（Ａ）のような場合、筐体３００１と半導体モジュール１０００Ａと制御基板２００１Ａ間の位置決めと、筐体３００１と半導体モジュール１０００Ｂと制御基板２００１Ｂ間の位置決めとは独立している。つまり、筐体３００１と半導体モジュール１０００Ａと制御基板２００１Ａ間の位置決めのみを考慮すればよく、複数の制御基板２００１Ａ～２００１Ｃどうしの位置決めを考慮する必要がないので、組立てが容易である。

　一方、図２（Ｂ）は、コスト低減のために複数の制御基板が統合された場合を示した図である。

　制御基板２００１は、半導体モジュール１０００Ａ～１０００Ｃに設けられた突出部１１０１Ａ～１１０１Ｃを貫入するための位置決め孔２１０１Ａ～２１０１Ｃを有する。複数の突出部１１０１Ａ～１１０１Ｃが、それぞれに対応する位置決め孔２１０１Ａ～２１０１Ｃに挿入されるためには、図２（Ａ）の場合に比べて、位置決め孔２１０１Ａ～２１０１Ｃどうしの寸法公差を追加して考慮する必要がある。

　このように、寸法公差が累積的に増加すると、生産性が低下するおそれがある。

　そこで、本実施形態に係る半導体モジュールは、コスト増大を抑えながら、生産性を向上させることを目的とする。

　図３及び図４は制御基板２００１の位置決め孔と筐体３００１の位置決め基準を同一線上に設けた模式図である。

　図３に示すように、ケース１００２から上下に突出している位置決め１１１１は、ケース１００２と一体に形成されている。下側の位置決め１１１１は、金属ベース１００１に形成された孔１００１ａを貫通するように突出している。

　図４は、共通の筐体３００１上に図３に示した半導体モジュールを複数載置した場合を示す。ケース１００２の下側に突出した位置決め１１１１は、筐体３００１に形成された位置決め孔３１０２に挿入される。一方、ケース１００２の上側に突出した位置決め１１１１は、共通の制御基板２００１に形成された位置決め孔２１０１に挿入される。これにより半導体モジュールと制御基板２００１および筐体３００１との位置決めがなされる。

　なお、ここでは、上下に突出した位置決め１１１１を、制御基板２００１や筐体３００１に形成された貫通穴（位置決め孔２１０１，３１０２）に挿入して位置決めを行ったが、貫通穴に代えて前述した凹部１１０２の様な溝を形成しても良い。

　上下に突出した位置決め１１１１は制御基板位置決め用の突出部と筐体位置決め用の突出部間の寸法公差を相殺できるため、組立てを容易にする効果がある。また、位置決め１１１１は電力入力端子１００３，出力端子１００４および制御用端子１００５を一体成形したケース１００２から直接突出した場合のほうが前述の各接続部位の位置関係上、有利である。

　ここではモジュールから上下方向に同一基準をもった位置決めを用意したが、筐体から上方へ当該モジュールを貫通し、付随部品まで到達するものでも良く、その部材は金属棒のものでも良い。また、付随部品から下方へ該モジュールを貫通し、筐体まで到達するものでも良く、その部材は金属棒のものでも良い。もちろん、当該モジュールケースからではなく、同モジュールの金属ベースから上下方向に付加されたものでも良く、その部材は金属棒のものでも良い。

　本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成について、図５を用いて説明する。図５はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。

　本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。

　なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶、航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。

　図５において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０は１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ１９２，１９４を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。

　車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１１２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。

　前輪車軸１１４の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側及びモータジェネレータ１９４の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ１９２，１９４及び動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。

　モータジェネレータ１９２，１９４は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置１４０，１４２によって制御されることによりモータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ装置１４０，１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。

　本実施形態では、モータジェネレータ１９２及びインバータ装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４及びインバータ装置１４２からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン１２０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。

　また、本実施形態では、バッテリ１３６の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ１３６の充電ができる。

　バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ１３６からインバータ４３装置に直流電力が供給され、インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。前記インバータ装置４３はインバータ装置１４０や１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数，電力を制御する。例えばモータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置４３の制御機能はインバータ装置１４０や１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２や１９４の容量より小さいので、インバータ装置４３の最大変換電力がインバータ装置１４０や１４２より小さいが、インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０や１４２の回路構成と同じである。

　インバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置は、インバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を電力変換装置の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。

　またインバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール５００とインバータ装置１４０や１４２およびインバータ装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。

　図７～図９において、２００は電力変換装置、１０は上部ケース、１１は金属ベース板、１２は筐体、１３は冷却水入口配管、１４は冷却水出口配管、４２０はカバー、１６は下部ケース、１７は交流ターミナルケース、１８は交流ターミナル、１９は冷却水流路、２０は制御回路基板で制御回路１７２を保持している。２１は外部との接続のためのコネクタ、２２は駆動回路基板でドライバ回路１７４を保持している。３００はパワーモジュール（半導体モジュール部）で２個設けられており、それぞれのパワーモジュールにはインバータ回路が内蔵されている。７００は平板積層バスバー、８００はＯリング、３０４は金属ベース、１８８は交流コネクタ、３１４は直流正極端子、３１６は直流負極端子、５００はコンデンサモジュール、５０２はコンデンサケース、５０４は正極側コンデンサ端子、５０６は負極側コンデンサ端子、５１４はコンデンサセル、をそれぞれ表す。

　図７は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成の外観斜視図を示す。本実施形態に係る電力変換装置２００の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、前記筐体１２の短辺側の外周の１つに設けられた冷却水入口配管１３および冷却水出口配管１４と、前記筐体１２の上部開口を塞ぐための上部ケース１０と、前記筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６とを固定して形成されたものである。筐体１２の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。

　前記電力変換装置２００の長辺側の外周にはモータジェネレータ１９２や１９４との接続を助けるための２組の交流ターミナルケース１７が設けられる。交流ターミナル１８は、パワーモジュール３００とモータジェネレータ１９２、１９４とを電気的に接続して、該パワーモジュール３００から出力される交流電流を該モータジェネレータ１９２、１９４へ伝達する。

　コネクタ２１は、筐体１２に内蔵された制御回路基板２０に接続されており、外部からの各種信号を該制御回路基板２０に伝送する。直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０と直流（バッテリ）正極側接続端子部５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。ここで本実施形態では、コネクタ２１は、前記筐体１２の短辺側の外周面の一方側に設けられる。一方、直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０と直流（バッテリ）正極側接続端子部５１２は、前記コネクタ２１が設けられた面とは反対側の短辺側の外周面に設けられる。つまり、コネクタ２１と直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０が離れた配置となっている。これにより、直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０から筐体１２に侵入し、さらにコネクタ２１まで伝播するノイズを低減することでき、制御回路基板２０によるモータの制御性を向上させることができる。

　図８は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。

　図８に示すように、筐体１２の中ほどに冷却水流路１９が設けられ、該冷却水流路１９の上部には流れの方向に並んで２組の開口４００と４０２が形成されている。前記２組の開口４００と４０２がそれぞれパワーモジュール３００で塞がれる様に、２個のパワーモジュール３００が固定されている。図６に示すように、冷却水流路１９の上面には位置決め穴３５４が設けられており、パワーモジュール３００の裏面に設けられた位置決め用突出部３５１が位置決め穴３５４に挿入されることにより、パワーモジュール３００が冷却水流路１９の上面に固定される。なお、位置決め穴３５４は、他の構造体との関係で支障が無い限りは、貫通孔および凹部（溝）のいずれであっても良い。各パワーモジュール３００には放熱のためのフィン３０５が設けられており、各パワーモジュール３００のフィン３０５はそれぞれ前記冷却水流路１９の開口４００と４０２から冷却水の流れの中に突出している。

　前記冷却水流路１９の下側にはアルミ鋳造を行いやすくするための開口４０４が形成されており、前記開口４０４はカバー４２０で塞がれている。また前記冷却水流路１９の下側には補機用のインバータ装置４３が取り付けられている。補機用のインバータ装置４３はインバータ回路が内蔵されており、そのインバータ回路を構成しているパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールを有している。補機用のインバータ装置４３は前記内蔵している前記パワーモジュールの放熱金属面が前記冷却水流路１９の下面に対向するようにして、前記冷却水流路１９の下面に固定されている。また、パワーモジュール３００と筐体１２との間には、シールをするためのＯリング８００が設けられ、さらにカバー４２０と筐体１２との間にもＯリング８０２が設けられる。本実施形態ではシール材をＯリングとしているが、Ｏリングの代わりに樹脂材・液状シール・パッキンなどを代用しても良く、特に液状シールを用いた場合には電力変換装置２００の組立性を向上させることができる。

　さらに前記冷却水流路１９の下部には放熱作用を有する下部ケース１６が設けられている。前記下部ケース１６には、コンデンサモジュール５００が、コンデンサモジュール５００の金属材からなるケースの放熱面が前記下部ケース１６の面に対向するように、前記下部ケース１６の面に固定されている。この構造により冷却水流路１９の上面と下面とを利用して効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。

　冷却水入出口配管１３，１４からの冷却水が冷却水流路１９を流れることによって、併設されている２個のパワーモジュール３００が有する放熱フィンが冷却され、前記２個のパワーモジュール３００全体が冷却される。冷却水流路１９の下面に設けられた補機用のインバータ装置４３も同時に冷却される。

　さらに冷却水流路１９が設けられている筐体１２が冷却されることにより、筐体１２の下部に設けられた下部ケース１６が冷却され、この冷却によりコンデンサモジュール５００の熱が下部ケース１６および筐体１２を介して冷却水に熱的伝導され、コンデンサモジュール５００が冷却される。

　パワーモジュール３００の上方には、該パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続するための積層導体板７００が配置される。この積層導体板７００は、２つのパワーモジュール３００に跨って、２つのパワーモジュール３００の幅方向に幅広に構成されている。さらに、積層導体板７００は、コンデンサモジュール５００の正極側端子と接続される正極側導体板７０２と、負極側端子と接続される負極側導体板７０４と、該正極側端子と該負極側端子と間に配置される絶縁部材によって構成される。これにより積層導体板７００の積層面積を広げることができるので、パワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までの寄生インダクタンスの低減を図ることができる。また、一つの積層導体板７００を２つのパワーモジュール３００に載置した後、積層導体板７００とパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００との電気的な接続を行うことができるので、パワーモジュール３００を２つ備える電力変換装置であっても、その組立工数を抑えることができる。

　積層導体板７００の上方には制御回路基板２０と駆動回路基板２２とが配置され、駆動回路基板２２には図８に示すドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０には図８に示すＣＰＵを有する制御回路１７２が搭載される。また、駆動回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置され、金属ベース板１１は両基板２２，２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に駆動回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。このように筐体１２の中央部に冷却水流路１９を設け、その一方の側に車両駆動用のパワーモジュール３００を配置し、また他方の側に補機用のパワーモジュール４３を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また筐体中央部の冷却水流路１９の主構造を筐体１２と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却水流路１９は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで筐体１２と冷却水流路１９とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。

　駆動回路基板２２には、金属ベース板１１を通り抜けて、制御回路基板２０の回路群との接続を行う基板間コネクタ２３が設けられている。また、制御回路基板２０には外部との電気的接続を行うコネクタ２１が設けられている。コネクタ２１により電力変換装置の外の、例えばバッテリ１３６として車に搭載されているリチウム電池モジュールとの信号の伝送が行われ、リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が送られてくる。駆動回路基板２２には、前記制御回路基板２０に保持されている制御回路１７２との信号の授受を行うために前記基板間コネクタ２３が設けられている。図示を省略した信号線と基板間コネクタ２３とを介して制御回路基板２０からインバータ回路のスイッチングタイミングの信号が駆動回路基板２２に伝達され、駆動回路基板２２は駆動信号であるゲート駆動信号を発生し、パワーモジュールのゲート電極にそれぞれ印加する。

　筐体１２の上部と下部には開口が形成され、これら開口はそれぞれ上部ケース１０と下部ケース１６が例えばネジ等で筐体１２に固定されることにより塞がれる。筐体１２の中央に冷却水流路１９が設けられ、前記冷却水流路１９にパワーモジュール３００やカバー４２０を固定する。このようにして冷却水流路１９を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次に前記筐体１２の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール５００を取り付ける作業を行うことができる。このように中央に冷却水流路１９配置し、次に前記筐体１２の上部と下部の開口から必要な部品を固定する作業が行える構造をためしており、生産性が向上する。また冷却水流路１９を最初に完成させ、水漏れ試験の後その他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。

　図９は、電力変換装置２００の断面図（図７のＡ－Ａ断面基準）であり、基本的な構造は既に説明したとおりである。

　筐体１２の断面における上下方向の中央部には筐体１２と一体にアルミダイキャストで作られた冷却水流路１９（図９の点線部）が設けられ、冷却水流路１９の上面側に形成された開口にパワーモジュール３００（図９の一点鎖線部）が設置されている。図９の紙面に対して左側が冷却水の行き側の往路１９ａであり、紙面に対して右側が水路の折り返し側の復路１９ｂである。往路１９ａおよび復路１９ｂは、上述のとおりそれぞれ開口が設けられている。パワーモジュール３００には放熱のための金属ベース３０４が設けられており、金属ベース３０４は、往路１９ａおよび復路１９ｂの両方に跨るように前記開口を塞ぐ。前記金属ベース３０４には放熱のためのフィン３０５が設けられており、フィン３０５は前記開口から冷却水の流れのなかに突出する。また、冷却水流路１９の下面側には補機用のインバータ装置４３が固定されている。

　略中央が屈曲した板状の交流電力線１８６は、その一端がパワーモジュール３００の交流端子１５９と接続され、その他端が、電力変換装置２００内部から突出して交流コネクタを形成している。正極側コンデンサ端子５０４及び負極側コンデンサ端子５０６は、貫通孔４０６（図９の２点鎖線部）を介して、正極側導体板７０２及び負極側導体板７０４にそれぞれ電気的及び機械的に接続される。筐体１２の略中央を長方形の長辺方向に往復する冷却水流路１９が配置され、前記冷却水の流れ方向と略垂直の方向に、交流ターミナル１８と正極側コンデンサ端子５０４及び負極側コンデンサ端子５０６が配置される。そのため電気配線が整然と配置され、電力変換装置２００の小型化に繋がっている。積層導体板７００の正極側導体板７０２及び負極側導体板７０４、さらに交流側電力線１８６がパワーモジュール３００の外に突出して接続端子を形成しているため構造がたいへん簡単で、また他の接続導体が使用されていないため小型化になっている。この構造により生産性が向上し、信頼性も向上する。

　さらに前記貫通孔４０６は前記冷却水流路１９とは筐体１２内部の枠体で隔絶しており、かつ正極側導体板７０２及び負極側導体板７０４と正極側コンデンサ端子５０６及び負極側コンデンサ端子５０４との接続部が該貫通孔４０６内に存在するため、信頼性が向上する。

　発熱量の大きいパワーモジュール３００を、冷却水流路１９の一方の面に固定すると共にパワーモジュール３００のフィン３０５を冷却水流路１９の開口から水路内に突出させて効率良く冷却し、次に放熱量の大きい補機用インバータ装置４３を冷却水流路１９の他方の面で冷却し、さらに次に発熱量が大きいコンデンサモジュール５００を筐体１２および下部ケース１６を介して冷却する構造としている。このように放熱量の多さにあわせた冷却構造としているので、冷却効率や信頼性が向上すると共に、電力変換装置２００をより小型化することができる。

　さらに補機用インバータ装置４３を冷却水流路１９のコンデンサモジュール５００側面に固定しているので、補機用インバータ装置４３の平滑用コンデンサとしてコンデンサモジュール５００を使用でき、この場合配線距離が短くなる効果がある。また配線距離が短いことからインダクタンスを小さくできる効果がある。

　パワーモジュール３００の上方には、ドライバ回路１７４を実装した駆動回路基板２２が配置されている。パワーモジュール３００の上面には、図６に示されるように、位置決め用の突出部３５０が上方に伸び、また駆動回路基板２２にも同図に示す位置決め孔３５２が存在する。この位置決め孔３５２に前述の突出部３５０が挿入され、位置決めとして機能する。

　また、図６の一点鎖線に示すように、この突出部３５０の直下に、筐体１２への位置決め用の突出部３５１が設けられている。これにより、筐体１２が有する位置決め穴３５４が、パワーモジュール３００の位置決め基準であると同時に、駆動回路基板２２の位置決め基準となり得る。すなわち、２個のモジュール３００に１枚の駆動回路基板２２を容易に組立てることが容易となる。このため、駆動回路基板２２は重複した回路を排除でき、かつ基板面積を有効、最適に回路実装が可能となる。また、パワーモジュール３００は全てを一体化する必要がなく、複数個の使用が可能となり、一つのモジュールが有する機能に製造上の歩留まり等を考慮することで、部品コストの抑制を可能とした。

　なお、突出部３５０と突出部３５１は、金属製ではなく、電気伝導性が低い樹脂等で構成されることが望ましい。本実施形態においては、パワーモジュール３００の外縁に形成された樹脂製のケースに、突出部３５０と突出部３５１を形成する。なお、筐体１２側に突出する突出部３５１は、パワーモジュール３００の金属ベースを貫通するように形成される。これにより、パワーモジュール３００内で発生するスイッチングノイズが駆動回路基板２２に伝わることを防止できる。

　駆動回路基板２２は、ゲート端子３６０との接続部付近は回路配線パターンが集中する。そこで、突出部３５０と突出部３５１は、パワーモジュール３００内のスイッチング素子と接続されるゲート端子３６０が設けられたパワーモジュール３００の辺側を避けて、設けるようにする。これにより、駆動回路基板２２の回路配線パターンと位置決め孔３５２が干渉することを防止することができる。

　駆動回路基板２２の上方には放熱および電磁シールドの効果を高める金属ベース板１１を介在させて制御回路基板２０が配置されている。なお制御回路基板２０には図８に示した制御回路１７２が搭載されている。上部ケース１０を筐体１２に固定することによって、本実施形態に係る電力変換装置２００が構成される。

　上述のように、制御回路基板２０とパワーモジュール３００との間に駆動回路基板２２を配置しているので、制御回路基板２０からインバータ回路の動作タイミングが駆動回路基板２２に伝えられ、それに基づいて駆動回路基板２２でゲート信号が作られ、パワーモジュール３００のゲートにそれぞれ印加される。このように電気的な接続関係に沿って制御回路基板２０や駆動回路基板２２を配置しているので、電気配線が簡素化でき、電力変換装置２００の小型化に繋がる。また、駆動回路基板２２は、制御回路基板２０に対して、パワーモジュール３００やコンデンサモジュール５００よりも近い距離に配置される。そのため駆動回路基板２２から駆動回路基板２０までの配線距離は、他の部品（パワーモジュール３００等）と制御回路基板２０との配線距離よりも短くなる。よって直流正極側接続端子部５１２から伝わる電磁ノイズやＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作による電磁ノイズが、駆動回路基板２２から駆動回路基板２０までの配線に侵入することを抑えることができる。

　冷却水流路１９の一方の面にパワーモジュール３００を固定し、他方の面に補機用インバータ装置４３を固定することで、冷却水流路１９でパワーモジュール３００と補機用インバータ装置４３を同時に冷却する。この場合、パワーモジュール３００は放熱のためのフィンが冷却水流路１９の冷却水と直接、接するのでより冷却効果が大きい。さらに冷却水流路１９で筐体１２を冷却し、筐体１２に下部ケース１６や金属ベース板１１を固定することで下部ケース１６や金属ベース板１１を介して冷却する。下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００の金属ケースが固定されるので下部ケース１６と筐体１２を介してコンデンサモジュール５００が冷却される。さらに金属ベース板１１を介して制御回路基板２０や駆動回路基板２２を冷却する。さらに、下部ケース１６も熱伝導性の良い材料でできていて、コンデンサモジュール５００からの発熱を受け、筐体１９に熱を伝導し、冷却水流路１９の冷却水で放熱される。また、冷却水流路１９の下部ケース１６側である他方の側には、車内用エアコン，オイルポンプ，他用途のポンプ用として用いる、比較的小容量の補機用インバータ装置４３を設置する。この補機用インバータ装置４３からの発熱は、前記筐体１２の中間枠体を通して冷却水流路１９の冷却水で放熱される。このように中央に冷却水流路１９を設け、一方に金属ベース板１１を設け、他方に下部ケース１６を設けることで、電力変換装置２００を構成するのに必要な部品を発熱量に応じ、効率良く冷却することができる。また電力変換装置２００の内部に部品が整然と配置されることとなり、小型化が可能となる。

　電力変換装置の放熱機能を果たす放熱体は、第１に冷却水流路１９であるが、この他にも金属ベース板１１がその機能を奏している（放熱機能を果たすために金属ベース板１１を設けている）。金属ベース板１１は、電磁シールド機能を果たすとともに、制御回路基板２０や駆動回路基板２２からの熱を受けて、筐体１２に熱を伝導し、冷却水流路１９の冷却水で放熱される。

　このように、本実施形態に係る電力変換装置は、放熱体が３層の積層体を形成しており、すなわち、金属ベース板１１，冷却水流路１９，下部ケース１６という積層構造であり、これらの放熱体はそれぞれの発熱体（パワーモジュール３００，制御回路基板２０，駆動回路基板２２，コンデンサモジュール５００）に隣接して階層的に設置される。階層構造の中央部には、主たる放熱体である冷却水流路１９が存在し、金属ベース板１１と下部ケース１６は筐体１２を通して冷却水流路１９の冷却水に熱を伝える構造となっている。筐体１２内に３つの放熱体（冷却水流路１９，金属ベース板１１，下部ケース１６）が収容されて、放熱性を向上させるとともに薄型化，小型化に寄与している。また、冷却水流路を構成パワーモジュール３００に筐体１２への位置決め基準１１１を付与し、２つのモジュール位置を規定できれば駆動回路基板２２の実装も可能となり、重複回路の共通化，回路実装の自由度が高まり、安価でかつ小型化が実現できる。

　なお、上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願第２００９年第０２５４９９号（２００９年２月６日出願）

Claims

　直流電力を交流電力に変換し、該交流電力をモータに供給するパワーモジュールと、
　前記パワーモジュールの上方に配置され、かつ該パワーモジュールを駆動する電子回路基板と、
　前記パワーモジュールを載置するパワーモジュール載置面を有し、前記パワーモジュールと前記電子回路基板とを収納する筐体と、を備えた電力変換装置であって、
　前記パワーモジュールは、
　前記電子回路基板側に向かって突出して形成され、かつ前記電子回路基板に形成された溝又は孔と嵌め合う第１突出部と、
　前記筐体側に向かって突出して形成され、かつ前記筐体に形成された溝又は孔と嵌め合う第２突出部と、を備え、
　前記第１突出部と前記第２突出部が前記筐体の前記パワーモジュール載置面の略鉛直方向に揃って形成される電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置であって、
　前記パワーモジュールは複数備えられ、かつ当該複数のパワーモジュールは隣接して配置され、
　前記電子回路基板は、前記複数のパワーモジュールのそれぞれを駆動するための複数の電子回路部を単一の基板上に搭載する電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置であって、
　前記第１突出部と前記第２突出部は、一体に成形される電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置であって、
　前記第１突出部は樹脂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であって、
　前記パワーモジュールは、内蔵されたスイッチング素子を囲むケースを有し、
　前記前記第１突出部と前記第２突出部は、前記ケースと一体に形成される電力変換装置。
　請求項５に記載の電力変換装置であって、
　前記ケース、前記第１突出部及び前記第２突出部は、樹脂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であって、
　前記パワーモジュールは、内蔵されたスイッチング素子と電気的接続されるゲート端子を備え、
　前記第１突出部は、前記パワーモジュールの前記ゲート端子が設けられた辺側とは異なる辺側に設けられる電力変換装置。