WO2012108036A1

WO2012108036A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2012108036A1
Application number: PCT/JP2011/052888
Authority: WO
Inventors: 伸也佐々山
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2012-08-16
Also published as: KR20130122777A; US8953353B2; EP2675256B1; JP5516760B2; EP2675256A1; CN103348780B; JPWO2012108036A1; CN103348780A; EP2675256A4; KR101454142B1; US20130314966A1

Abstract

　内部に冷媒が流通する冷却流路（２１）を有する冷却器（２０）と、スイッチング素子（３２）が取り付けられたベースプレート（３１）と、電力素子（３４）の取り付けられた制御回路基板（３３）と、冷却器（２０）の冷却器下壁（２２）の上にベースプレート（３１）を固定すると共に、ベースプレート（３１）と離間して制御回路基板（３３）を支持する固定ピン（４０）と、を含む電力変換装置（１００）であって、固定ピン（４０）の上端部分（４１）は、ベースプレート（３１）と冷却器下壁（２２）とを貫通して冷却流路（２１）の中に達し、その冷却器下壁（２２）の第１の貫通部分（４２）が冷却器下壁（２２）に圧入され、固定ピン（４０）の支柱部分（４６）は冷却器下壁（２２）と反対方向に延びてその下部フランジ（４７）に制御回路基板（３３）が固定される。これにより、簡便な構成で電力変換装置を小型化することができる。

Description

電力変換装置

　　本発明は、電力変換装置の構成に関する。

　ハイブリッドと車両や電気自動車等の電動車両では、２００Ｖ程度の低電圧のバッテリからの直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータで６００Ｖ程度まで昇圧し、その昇圧した高電圧の直流電力をインバータによって三相交流電力に変換してモータを駆動して走行するものが多い。ＤＣ／ＤＣコンバータは、低電圧のバッテリからの直流電力をリアクトルに蓄電し、その蓄電した電力をＩＧＢＴ等のスイッチング素子によってスイッチングすることによって電圧を昇圧する形式のものが多く用いられている。スイッチング素子は発熱が大きいので、スイッチング素子を冷却するために、例えば、スイッチング素子を固定したベース板を放熱フィンが設けられた放熱板に取り付けてスイッチング素子で発生した熱を放熱させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

　ＤＣ／ＤＣコンバータは、発熱の大きなスイッチング素子と共に、コイルやトランス、コンデンサ等の電力素子やスイッチング素子の動作を制御する制御用の素子が必要となる。スイッチング素子は大きな発熱を伴うので内部を冷却水が流れる冷却器の上に取り付け、制御用の素子や、電力素子の搭載された制御回路基板は、ＤＣ／ＤＣコンバータを小型化するために冷却器の上に複数本の支柱を設け、この支柱によってベース板と平行に離間させて配置されることが多い（例えば、特許文献２参照）。この配置の場合、ベース基板と制御回路基板とが冷却器の上に二重に配置されるので設置スペースを小さくすることができる。また、この構造の場合、複数の支柱を介して制御回路基板で発生した熱を冷却器に逃がすことができるため、スイッチング素子、制御回路基板に取り付けられた各電力素子を冷却することができる。また、先に述べた特許文献１ではベース板に設けたボスの上に制御回路基板を固定し、スイッチング素子と制御回路基板とが二重に配置されるように構成し、省スペースとなるように構成されている。

特開２００２－０７６２５７号公報特開２００７－２６６５２７号公報

　特許文献２に記載された従来技術では、冷却板に取り付けた支柱によって制御回路基板を支持するように構成されているが、スイッチング素子が取り付けられたベース板の周辺の冷却器の上に支柱を設ける構造となっていることから、ＤＣ／ＤＣコンバータの大きさが大きくなってしまうという問題があった。また、特許文献１に記載された従来技術のパワーモジュールでは、ベース板に設けたボスの上に制御回路基板を固定するように構成しているので、ベース板の上のスイッチング素子を配置するスペースが限られてしまい、大きなスイッチング素子、或いは多数のスイッチング素子をベース板上に配置しようとすると、ベース板、或いはＤＣ／ＤＣコンバータ全体が大型化してしまうという問題があった。

　一方、スイッチング素子の大型化、大容量化によって制御回路基板に搭載される電力素子や制御用素子を流れる電流も大きくなり、その発熱量が大きくなってくる。特許文献１或いは、特許文献２に記載された従来技術では、制御回路基板の発熱を逃がすためには、ボス、或いは支柱の本数を増やして制御回路基板から冷却器に流れる熱の流路を大きくする必要がある。このためには、ベース板の周囲のみならず、例えば、ベース板の中央にボスや支柱を配置する構成が必要となる。このため、ベース板の上のボス、或いは支柱を配置する領域が大きくなり、スイッチング素子を配置するためのスペースが減少し、結果としてベース板が大型化し、ＤＣ／ＤＣコンバータが大型化してしまうという問題があった。

　本発明の目的は、簡便な構成で電力変換装置を小型化することを目的とする。

　本発明の電力変換装置は、内部に冷媒が流通する冷却流路を有する冷却器と、スイッチング素子が取り付けられたベースプレートと、電力素子の取り付けられた制御回路基板と、前記冷却器の冷却流路壁の上に前記ベースプレートを固定すると共に、前記ベースプレートと離間して前記制御回路基板を支持する固定ピンと、を含む電力変換装置であって、前記固定ピンの一端は、前記ベースプレートと前記冷却流路壁とを貫通して冷却流路の中に達し、その冷却流路壁の貫通部分で冷却流路壁と締結され、他端は、前記冷却流路壁と反対方向に延びてその先端に前記制御回路基板が固定されること、を特徴とする。

　本発明の電力変換装置において、前記電力変換装置は、トランスアクスルの上に搭載されたものであること、としても好適であるし、前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁に圧入されていること、としても好適であるし、前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁にねじ込み固定されていること、としても好適であるし、電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータであること、としても好適である。

　本発明の電力変換装置において、前記電力変換装置の前記ベースプレートと前記制御回路基板とは、前記トランスアクスルと前記冷却器との間に配置されていること、としても好適である。また、前記制御回路基板は、前記制御回路基板を貫通するボルトによって前記固定ピンの前記先端に固定されること、としても好適である。

　本発明は、簡便な構成で電力変換装置を小型化することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における電力変換装置の全体構成を示す説明図である。本発明の実施形態における電力変換装置の部分断面を示す説明図である。本発明の実施形態における電力変換装置のベースプレートのスイッチング素子搭載可能領域を示す平面図である。本発明の他の実施形態における電力変換装置の固定ピンの冷却流路壁への取り付け状態を示す説明図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１００は、ロワーケース１０、センターケース６０、アッパーケース７０の３つのケースを積み重ね、それぞれの間をボルト１５，６１で固定して一体としたものである。ロワーケース１０の下部フランジ１２はボルト１３によってトランスアクスル８０の上部に固定されている。

　ロワーケース１０の上部には冷却器２０が含まれている。冷却器２０は、冷却器下壁２２と冷却器上壁２３とロワーケース１０の側壁１１とによって囲まれた冷却流路２１と、冷却流路２１に冷媒を流入させる冷媒入口２４ａと冷却流路２１から冷媒を流出させる冷媒出口２４ｂとが設けられている。冷却器下壁２２は冷却流路壁である。スイッチング素子３２が表面に取り付けられたベースプレート３１は、固定ピン４０によって冷却器下壁２２の下面に固定されている。固定ピン４０の上側の先端は冷却流路２１の中まで延びている。コイル、コンデンサ等の電力素子３４が搭載された制御回路基板３３は固定ピン４０の下側に固定されている。スイッチング素子３２の一部と制御回路基板３３とはＤＣ／ＤＣコンバータ３０を構成する。制御回路基板３３とトランスアクスル８０との間には、トランスアクスル８０からの熱を遮断すると共に、異物がロワーケース１０の中に入らないようにするためのアンダーカバー１６がボルト１７によって取り付けられている。また、図２（ａ）に示すように、制御回路基板３３は、制御回路基板３３を貫通するボルト３５によって固定ピン４０の下側に固定されている。

　図２（ａ）に示すように、固定ピン４０は、冷却流路２１の中に突出する上端部分４１、冷却器下壁２２を貫通している第１の貫通部分４２、ベースプレート３１を貫通する第２の貫通部分４３、第１、第２の貫通部分４２，４３よりもその直径が大きい上部フランジ４４、上部フランジ４４よりも直径が小さく、上部フランジ４４から下方向に伸びる支柱部分４６、支柱部分４６の下端に設けられ、支柱部分４６よりもその直径が大きい下部フランジ４７を備えている。

　図２（ｂ）に示すように、一点鎖線Ａと一点鎖線Ｂとの間の部分の固定ピン４０の第１の貫通部分４２は、冷却器下壁２２に設けられた穴２２ａを貫通している。第１の貫通部分４２の外径は穴２２ａの内径よりも大きい締まり嵌めとなっており、固定ピン４０の第１の貫通部分４２は穴２２ａに圧入されている。また、一点鎖線Ｂと一点鎖線Ｃとの間の部分の固定ピン４０の第２の貫通部分４３は、ベースプレート３１に設けられた穴３１ａを貫通している。第２の貫通部分４３の外径は第１の貫通部分４２よりも大きく、第１の貫通部分４２と第２の貫通部分４３の間には段ができている。また、第１の貫通部分４２と同様、第２の貫通部分４３の外径は穴３１ａの内径よりも大きい締まり嵌めとなっており、固定ピン４０の第２の貫通部分４３は第１の貫通部分４２と同様、穴３１ａに圧入されている。固定ピン４０の上部フランジ４４は第２の貫通部分４３及び穴３１ａの内径よりも大きく、その上面がベースプレート３１の下面に密着するよう構成されている。また、ベースプレート３１の穴３１ａの周囲の冷却器下壁２２の側面には円環状の溝３６が設けられ、その中にＯリング３６ａが取り付けられている。同様に固定ピン４０の上部フランジ４４のベースプレート側面にも円環状の溝４８が設けられ、その中にＯリング４８ａが取り付けられている。固定ピン４０がベースプレート３１と冷却器下壁２２とに圧入されて第１の貫通部分４２が冷却器下壁２２に固定されると、ベースプレート３１は冷却器下壁２２と固定ピン４０の上部フランジ４４との間に挟みこまれて冷却器下壁２２の下面に固定される。この際、各Ｏリング３６ａ，４８ａが溝３６，４８の壁面と冷却器下壁２２、ベースプレート３１との間で押しつぶされて、穴２２ａ，３１ａを通って冷媒が漏れないようになる。

　以上のように構成された電力変換装置１００が動作すると、スイッチング素子３２で発生した熱は、スイッチング素子３２からベースプレート３１、冷却器下壁２２に伝達され、冷却器２０の冷却流路２１を流れる冷媒によって電力変換装置１００の外部に持ち去られる。また、制御回路基板３３に搭載された電力素子３４で発生した熱は、電力素子から制御回路基板３３、固定ピン４０の下部フランジ４７の下面から支柱部分４６を通って上端部分４１に達する。上端部分４１は冷却流路２１の中に突出しているので、上端部分４１に達した熱は冷媒によって電力変換装置１００の外部に持ち出される。このため、本実施形態では、従来技術に比べて効果的に制御回路基板３３、電力素子３４を冷却することができる。そして、このように効果的に制御回路基板３３、電力素子３４を冷却することができるので、図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の制御回路基板３３をトランスアクスル８０の側に配置して電力変換装置１００を小型化することができる。

　また、本実施形態の電力変換装置１００では、固定ピン４０はベースプレート３１を冷却器下壁２２に固定する機能と、制御回路基板３３をベースプレート３１から離間して支持する機能とを兼ね備えているため、ベースプレート３１を冷却器下壁２２に固定するためのボルトと制御回路基板３３を支持するための支柱とを別々に配置する必要がなくなる。このため、図３に示すように斜線を引いたスイッチング素子搭載可能領域３７を広く取ることができ、電力変換装置１００を小型化することができる。このスイッチング素子搭載可能領域３７は、ベースプレート３１の外周から固定ピン４０の上部フランジ４４の周囲の一点鎖線で示されたスイッチング素子搭載不可能領域を除外した領域である。更に、電力変換装置１００をトランスアクスル８０に直接固定した場合には、制御回路基板３３の共振を防止するために、支柱の本数を増加させることが必要となるが、本実施形態の固定ピン４０は、ベースプレート３１を冷却器下壁２２に固定する機能と制御回路基板３３をベースプレート３１から離間して支持する機能とを兼ね備えている上、上端部分４１が冷却流路２１の中に突出しているため、固定ピン４０の本数を増やしてもスイッチング素子搭載可能領域３７の減少が少なくてすむと共に、固定ピン４０の本数の増加により更に制御回路基板３３、電力素子３４の冷却を効果的に行うことができる。

　メンテナンスの際に、本実施形態の電力変換装置１００は、ロワーケース１０をトランスアクスル８０に固定しているボルト１３を取り外し、電力変換装置１００全体をトランスアクスル８０から取り外した後、下面のボルト１７を取りはずしてアンダーカバー１６を取り外し、制御回路基板３３を固定しているボルト３５を取り外せば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の制御回路基板３３の交換作業を容易に行うことができる。つまり、インバータの制御回路基板等が収容されているセンターケース６０、アッパーケース７０を上側から順次分解して取り外さなくとも、電力変換装置１００全体を一端トランスアクスル８０から取り外してひっくり返すことによって容易にＤＣ／ＤＣコンバータ３０の制御回路基板３３を交換することができる。また、インバータの制御回路基板等が収容されているセンターケース６０、アッパーケース７０を分解する必要がないので、メンテナンスの際にこれらのケースの中に異物が混入することを抑制することができる。

　以上説明した実施形態では、固定ピン４０の第１、第２の貫通部分４２，４３がそれぞれ冷却器下壁２２の穴２２ａ、ベースプレート３１の穴３１ａに圧入されていることとして説明したが、第１の貫通部分４２が穴２２ａに圧入され、第２の貫通部分４３と穴３１ａとの間に隙間があってもよい。

　以下、図４を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図１から図３を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図４に示す実施形態は、図２（ｂ）を参照して説明した実施形態の第１の貫通部分４２をネジ部５１とし、冷却器下壁２２の穴２２ａをネジ穴２２ｂとし、ベースプレート３１の穴３１ａと第２の貫通部分４３との間には僅かな隙間ができるように穴３１ａの直径が第２の貫通部分４３の直径よりも若干大きくなるように構成したものである。また、図４に示すように、本実施形態の固定ピン４０の上端部分４１の直径は、ネジ部５１の谷径よりも小さくなるように構成されている。

　本実施形態では、固定ピン４０のネジ部５１を冷却器下壁２２のネジ穴２２ｂにねじ込んでベースプレート３１を冷却器下壁２２と固定ピン４０の上部フランジ４４との間に挟みこんで固定し、各Ｏリング３６ａ，４８ａを潰すことによって冷媒がネジ穴２２ｂを通って漏れることを防止するように構成されている。

　本実施形態は、先に図１から図３を参照して説明した実施形態と同様の効果を奏する。更に、本実施形態は、制御回路基板３３を容易に交換できることに加えて、固定ピン４０のねじ込みを外すことによってベースプレート３１を取り外すことができるので、スイッチング素子３２が故障した場合でもインバータ等の収納されているセンターケース６０、アッパーケース７０を分解せずに容易にスイッチング素子３２の交換を行うことができる。

　１０　ロワーケース、１１　側壁、１２　下部フランジ、１３，１５，１７，３５，６１　ボルト、１６　アンダーカバー、２０　冷却器、２１　冷却流路、２２　冷却器下壁、２２ａ，３１ａ　穴、２２ｂ　ネジ穴、２３　冷却器上壁、２４ａ　冷媒入口、２４ｂ　冷媒出口、３０　ＤＣ／ＤＣコンバータ、３１　ベースプレート、３２　スイッチング素子、３３　制御回路基板、３４　電力素子、３６，４８　溝、３６ａ，４８ａ　Ｏリング、３７　スイッチング素子搭載可能領域、４０　固定ピン、４１　上端部分、４２　第１の貫通部分、４３　第２の貫通部分、４４　上部フランジ、４６　支柱部分、４７　下部フランジ、５１　ネジ部、６０　センターケース、７０　アッパーケース、８０　トランスアクスル、１００　電力変換装置。

Claims

　内部に冷媒が流通する冷却流路を有する冷却器と、
　スイッチング素子が取り付けられたベースプレートと、
　電力素子の取り付けられた制御回路基板と、
　前記冷却器の冷却流路壁の上に前記ベースプレートを固定すると共に、前記ベースプレートと離間して前記制御回路基板を支持する固定ピンと、を含む電力変換装置であって、
　前記固定ピンの一端は、前記ベースプレートと前記冷却流路壁とを貫通して冷却流路の中に達し、その冷却流路壁の貫通部分で冷却流路壁と締結され、他端は、前記冷却流路壁と反対方向に延びてその先端に前記制御回路基板が固定されること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置であって、
　前記電力変換装置は、トランスアクスルの上に搭載されたものであること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置であって、
　前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁に圧入されていること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項２に記載の電力変換装置であって、
　前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁に圧入されていること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置であって、
　電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータであること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項２に記載の電力変換装置であって、
　電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータであること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項４に記載の電力変換装置であって、
　電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータであること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項２に記載の電力変換装置であって、
　前記電力変換装置の前記ベースプレートと前記制御回路基板とは、前記トランスアクスルと前記冷却器との間に配置されていること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項４に記載の電力変換装置であって、
　前記電力変換装置の前記ベースプレートと前記制御回路基板とは、前記トランスアクスルと前記冷却器との間に配置されていること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項７に記載の電力変換装置であって、
　前記電力変換装置の前記ベースプレートと前記制御回路基板とは、前記トランスアクスルと前記冷却器との間に配置されていること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置であって、
　前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁にねじ込み固定されていること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項２に記載の電力変換装置であって、
　前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁にねじ込み固定されていること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項６に記載の電力変換装置であって、
　前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁にねじ込み固定されていること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項８に記載の電力変換装置であって、
　前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁にねじ込み固定されていること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項１に記載の電力変換装置であって、
　前記制御回路基板は、前記制御回路基板を貫通するボルトによって前記固定ピンの前記先端に固定されること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項２に記載の電力変換装置であって、
　前記制御回路基板は、前記制御回路基板を貫通するボルトによって前記固定ピンの前記先端に固定されること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項３に記載の電力変換装置であって、
　前記制御回路基板は、前記制御回路基板を貫通するボルトによって前記固定ピンの前記先端に固定されること、
　を特徴とする電力変換装置。
　請求項１２に記載の電力変換装置であって、
　前記制御回路基板は、前記制御回路基板を貫通するボルトによって前記固定ピンの前記先端に固定されること、
　を特徴とする電力変換装置。