WO2022070596A1 - 電力変換ユニットおよび電力変換装置、電力変換ユニットの検査方法 - Google Patents

電力変換ユニットおよび電力変換装置、電力変換ユニットの検査方法 Download PDF

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寿至 師岡
新太郎 武田
誠 阿部
央 上妻
欣也 中津
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a power conversion unit, a power conversion device, and a method for inspecting a power conversion unit.
  • a power conversion device When using a motor as a power source, a power conversion device is required to control the rotation of the motor.
  • the power conversion device is an indispensable device for improving the operating efficiency of the motor even in hybrid vehicles, electric vehicles, and other products.
  • the usage environment of power converters will also change. For example, the higher the altitude at which the power converter is used, the lower the air pressure.
  • Patent Documents 1 and 2 describe a method of arranging a heat sink in order to improve the heat dissipation of a switching element or a power module.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-56925 paragraph 0010, FIG. 1 (c), etc.
  • Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-287267 paragraph 0014, FIG. 3, etc.
  • Patent Document 1 aims at achieving both suppression of surge voltage, high heat dissipation of switching elements, and suppression of ringing.
  • a heat sink heat sink 3h, 4h in FIG. 1C of Patent Document 1
  • the switching element is connected to the switching element.
  • Patent Document 2 in order to reduce the stray inductance generated between the power modules, a heat sink of a conductor (cooling substrate 10b in FIG. 2 of Patent Document 2) is arranged on the back surface of the power module.
  • a heat sink of a conductor cooling substrate 10b in FIG. 2 of Patent Document 2
  • the heat dissipation method is shown in both documents 1 and 2, there is no description about the measures against partial discharge in a low pressure environment. Further, since the structure of the target device is different between the present invention and both Documents 1 and 2, the problem cannot be solved even if the disclosed contents are used, and a new method is required.
  • the present invention has been devised in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an inspection method for a power conversion unit, a power conversion device, and a power conversion unit capable of suppressing partial discharge in a low pressure environment.
  • the power conversion unit of the present invention has a cooling path arranged between an input side power conversion unit and an output side power conversion unit, which are separately installed on one side and the other side and are installed facing each other.
  • the input side power conversion unit and the output side power conversion unit include a mold resin filled in the space inside the housing in which the wiring plate is arranged, and switching provided in the space and covered with the mold resin.
  • the mold resin is an organopolysiloxane having a three-dimensional crosslinked structure after curing, and has an elasticity of 0.1 MPa or more at room temperature and a durometer of hardness after curing.
  • the value measured by type E is 10 or more.
  • the present invention it is possible to provide a power conversion unit, a power conversion device, and a method for inspecting a power conversion unit that can suppress partial discharge in a low pressure environment.
  • FIG. 1A is a sectional view taken along the line I-I of FIG. 1A of the power conversion unit according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG. 1A of the power conversion unit of another example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a cross-sectional equivalent view taken along the line II of FIG. 1A of the power conversion unit of the second embodiment.
  • FIG. 1A is a cross-sectional equivalent view taken along the line II of FIG. 1A of the power conversion unit of the third embodiment.
  • FIG. 1A is a cross-sectional equivalent view taken along the line II of FIG. 1A of the power conversion device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 1A shows a perspective view of the power conversion unit U according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view taken along the line I-I of FIG. 1A of the power conversion unit U according to the first embodiment of the present invention.
  • the power conversion unit U of the first embodiment includes an input side unit (input side power conversion unit) 14 on the input side and an output side unit (output side power conversion unit) 15 on the output side.
  • the power conversion unit U includes a switching element 1 (see FIG. 1B), a wiring plate 2, a resonance capacitor 3 (see FIG. 8), a smoothing capacitor 4 (see FIG. 8), a housing 5a and 5b, and housing lids 6a and 6b. It is configured to include parts similar to them.
  • the power conversion unit U has an outer shell formed by a housing 5a and a housing lid 6a on the input side and a housing 5b and a housing lid 6b on the output side. Since the input-side unit 14 and the output-side unit 15 have the same configuration, the components of the output-side output-side unit 15 are designated by the same reference numerals as those of the input-side unit 14, and a detailed description thereof will be given. Is omitted.
  • the power conversion unit U shown in FIG. 1B is provided with a wiring board 2 inside a housing 5a on the input side, a housing lid 6a, a housing 5b on the output side, and a housing lid 6b.
  • a switching element 1, a resonance capacitor 3 (see FIG. 8), a smoothing capacitor 4 (see FIG. 8), and the like are mounted on the wiring board 2. As shown in FIG. 1B, all the switching elements 1 are connected to the upper electrode plate 7.
  • a heat sink 12 having an insulating property is connected to the upper electrode plate 7.
  • the heat radiating plate 12 has an insulating property and has good thermal conductivity.
  • the heat sink 12 is wider than the upper electrode plate 7 (larger area).
  • the power conversion unit U has a power conversion unit having a power conversion function divided into an input side unit 14 on one side and an output side unit 15 on the other side, and is installed so as to face each other.
  • a cooling passage 11 formed by both units (14, 15) is arranged between the input side unit 14 and the output side unit 15 facing each other.
  • the cooling passage 11 is formed by an input side cooling passage 11a and an output side cooling passage 11b.
  • a cooling medium for cooling both units (14, 15) flows through the cooling passage 11.
  • An O-ring 10 (second sealing material) between the input side unit 14 and the output side unit 15 in order to prevent leakage from between the input side unit 14 and the output side unit 15 of the cooling medium flowing through the cooling passage 11. Is placed. By interposing the O-ring 10, leakage of the cooling medium from between the input / output side units 14 and 15 can be suppressed.
  • a lower electrode plate 8 is provided on both the input side (upper side of FIG. 1B) and the output side (lower side of FIG. 1B) on the surface in contact with the cooling passage 11. The lower electrode plate 8 may be provided in close proximity to the cooling passage 11. The lower electrode 8 has a ground potential.
  • a heat sink 12 is provided adjacent to the lower electrode 8.
  • An upper electrode plate 7 is provided adjacent to the heat sink 12.
  • a switching element 1 is electrically and thermally connected to and installed on the upper electrode plate 7. The terminal of the switching element 1 is connected to the upper electrode plate 7.
  • the switching element 1 is a heat generating component, and is in contact with the upper electrode plate 7 to conduct heat. The heat of the switching element 1 is conducted to the heat radiating plate 12 having an insulating property via the upper electrode plate 7, and is heat-exchanged with the cooling medium to remove heat.
  • FIG. 2 shows a view taken in the direction II of FIG. 1B in which the switching element 1, the upper electrode plate 7, and the heat radiating plate 12 are mounted.
  • the upper electrode plate 7 is wider than the switching element 1, and the switching element 1 is arranged in the center of the upper electrode plate 7.
  • the heat sink 12 is wider (larger in area) than the upper electrode plate 7, and the upper electrode plate 7 is arranged closer to the center away from the edge of the heat sink 12.
  • the insulation between the input side (upper side of FIG. 1B) and the output side (lower side of FIG. 1B) of the power conversion unit is ensured, and the heat of the switching element 1 can be easily dissipated to the cooling path 11.
  • the heat radiating plate 12 alumina is used in the first embodiment, but the heat radiating plate 12 is not particularly limited as long as it is a material having insulating properties and high heat radiating properties.
  • the material of the heat sink 12 other than alumina include aluminum nitride and silicon nitride as inorganic substances, and epoxy resin containing alumina and aluminum nitride as organic substances.
  • the switching element 1 In addition to the switching element 1, electronic components such as the resonance capacitor 3 and the smoothing capacitor 4 shown in FIG. 8 described later are mounted on the wiring plate 2 in order to perform power conversion. Input / output where the switching element 1, wiring board 2, resonance capacitor 3, smoothing capacitor 4, upper electrode plate 7, etc. on the input side (upper side of FIG. 1B) and the output side (lower side of FIG. 1B) shown in FIG. 1B are arranged.
  • the space p in the output side units 14 and 15 is filled with the mold resin 9 and solid-insulated.
  • the mold resin 9 is a silicone coating material that has fluidity in an uncured state and does not have fluidity after curing.
  • Silicone coating material is harder than silicone gel.
  • the silicone coating material is an organopolysiloxane having a three-dimensional crosslinked structure after curing, and the elastic modulus at room temperature is 0.1 MPa or more, and the hardness after curing is described in JIS K6253-3.
  • the measured value with the current durometer type E is 10 or more.
  • the measured values with the durometer type A and type D will be the hardness. Since the silicone gel is soft, the hardness cannot be measured with a durometer, and the hardness is measured by the needle insertion degree test shown in JIS K6249.
  • a silicone gel is used as the silicone-based mold resin.
  • silicone coating materials are less prone to defects that are electrical weaknesses such as air bubbles and peeling in a low-pressure environment. The reason is that the silicone coating material has self-adhesiveness and is excellent in adhesiveness.
  • the silicone gel is non-adhesive, peeling is likely to occur, and the peeling may generate bubbles.
  • the hardness of the silicone coating material is higher than that of the silicone gel, it is not easily deformed. Therefore, the silicone coating material has a property of being hard to be deformed, so that it is possible to suppress bubbles generated by peeling in a low pressure environment.
  • the silicone coating material has fluidity in the uncured state, and the viscosity in the uncured state is 20 Pa ⁇ s at room temperature from the viewpoint of castability during mold molding and degassing property that suppresses the generation of air bubbles during mold molding.
  • the following are preferred.
  • the mold resin 9 has a high viscosity, it is difficult to cast the mold resin 9 and degas the air remaining in the mold resin 9 at the time of molding. Therefore, air bubbles remain in the cured product, and the remaining air bubbles reduce the electrical insulation property and become an electrical weak point.
  • silicone coating materials There are two types of silicone coating materials, addition reaction type and condensation reaction type, but the addition reaction type is preferable.
  • the condensation reaction type a low molecular weight compound is produced during the curing reaction, which may cause the generation of bubbles. For the same reason, it is better that the silicone coating material has a small amount of low molecular weight siloxane compound.
  • the semiconductor element of the switching element 1 used in the power conversion unit U and the bonding wire for electrically connecting the semiconductor element to the wiring plate 2 are sealed with an epoxy resin or the like.
  • the lead 1w of the conductive portion see FIG. 1B. Therefore, in the switching element 1, it is not necessary to consider the breakage of the bonding wire, so that a silicone coating material can be used.
  • a silicone gel which is softer and has a lower elasticity than the silicone coating material is used in order to prevent the bonding wire from being damaged. By using the silicone gel for the mold resin 9, the force applied to the bonding portion between the bonding wire itself and the switching element 1 or the wiring plate 2 of the bonding wire is relaxed.
  • silicone coating material 184, SH850, SE1816CV, SE1817CVM (trade name) can be used in the products of Dow Toray Co., Ltd.
  • SE1816CV and SE1817CVM are preferably used.
  • Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. KE-1204, KE-1282, KE-109E, KE-1846, and KE-1886 (trade name) can be used.
  • the heat sink 12 having an insulating property is integrally molded with the housings 5a and 5b.
  • the integral molding facilitates manufacturing and shortens the manufacturing process of the power conversion unit U.
  • PPS glass fiber reinforced polyphenylene sulfide
  • the material is not particularly limited. Examples of other materials forming the housings 5a and 5b and the housing lids 6a and 6b include ABS resin, polyamide, epoxy resin, unsaturated polyester resin and the like.
  • the coefficient of linear expansion of the housing material is preferably close to the upper electrode plate 7, the lower electrode plate 8, and the heat sink 12 in order to prevent peeling and cracking from adjacent parts.
  • the space p in the housings 5a and 5b where the wiring board 2 is arranged is filled with the mold resin 9 to provide solid insulation, so that the space p inside the input / output side units 14 and 15 is insulated even if the atmospheric pressure drops. Sex can be maintained. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of partial discharge of electronic components such as the switching element 1 mounted on the wiring board 2.
  • FIG. 3 shows an I-I cross-sectional view of FIG. 1A of the power conversion unit U1 of another example of the first embodiment of the present invention.
  • the unfilled portion 13 of the mold resin 9 is formed in the space p in which the wiring board 2 is arranged.
  • Other configurations are the same as those of the power conversion unit U shown in FIGS. 1A and 1B, and are shown with the same reference numerals.
  • the power conversion unit U1 inserts the uncured mold resin 9 from the side where the wiring board 2 is located on both the input side and the output side, and reacts them to solidify them. At this time, the unfilled portion 13 may be formed by reducing the amount of the mold resin 9.
  • the unfilled portion 13 can receive the expansion of the mold resin 9 (acceptable).
  • FIG. 4 shows a diagram in which the power conversion unit U1 of the first embodiment is divided.
  • the power conversion units U1 and U have a configuration that can be divided into an input side unit 14 and an output side unit 15.
  • the input side unit 14 and the output side unit 15 are fixed by a bolt n1 (see FIG. 1A) with an O-ring 10 (see FIG. 3) interposed therebetween.
  • FIG. 5 shows an I-I cross-sectional equivalent view of FIG. 1A of the power conversion unit U2 of the second embodiment.
  • the power conversion unit U2 of the second embodiment has a configuration in which a hygroscopic agent 16 such as silica gel is arranged in an unfilled portion 13.
  • the other configurations are the same as those of the power conversion unit U1 of the other example of FIG. 3, and the same components are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the power conversion unit U2 is provided with a place 16b in which a hygroscopic agent 16 such as silica gel is put in the same space as the space p in which the mold resin 9 is filled.
  • the unfilled portion 13 is provided with a place 16b in which the hygroscopic agent 16 is put.
  • the hygroscopic agent 16 adsorbs the moisture in the space p, so that the moisture absorption of the mold resin 9 can be suppressed. Therefore, the insulating property of the mold resin 9 can be maintained. Therefore, the insulating property of the mold resin 9 is maintained, and the effect of suppressing partial discharge is maintained.
  • FIG. 6 shows an I-I cross-sectional equivalent view of FIG. 1A of the power conversion unit U3 of the third embodiment.
  • the power conversion unit U3 of the third embodiment is configured to maintain airtightness in the space p in which the wiring board 2 is arranged.
  • the other configurations are the same as those of the power conversion unit U1 of the other example of FIG. 3, and the same components are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the housing lid O-ring 17 first sealing material
  • the housing lid O-ring 17 is arranged at the portion where 6b is fitted.
  • the housing lid O-ring 17 By arranging the housing lid O-ring 17 between the housing lids 6a and 6b and the housings 5a and 5b, the inside of the housings 5a and 5b on the input / output side and the housing lids 6a and 6b Therefore, the airtightness of the space p is improved, so that the inflow of moisture into the power conversion unit U3 can be suppressed. Therefore, the hygroscopicity of the hygroscopic agent 16 such as silica gel and the mold resin 9 can be suppressed. As a result, the insulating property of the mold resin 9 is maintained, and the effect of suppressing partial discharge is maintained.
  • FIG. 7 shows an I-I cross-sectional equivalent view of FIG. 1A of the power conversion device S of the fourth embodiment.
  • the fourth embodiment is a configuration of a power conversion device S to which the power conversion unit U1 is applied.
  • the in-panel frame 18 (frame) is arranged in the power conversion unit U1 (FIG. 2).
  • the power conversion device S is provided with a grounded in-panel frame 18 on the outside of the input side unit 14 and the output side unit 15. Since the in-panel frame 18 is grounded, it is possible to prevent electric shock when the power conversion device S is touched.
  • the power conversion unit U1 can be used not only as a single unit but also by connecting a plurality of power conversion units U1 and installing them on the in-panel frame 18. As a result, it is possible to prevent electric shock when a plurality of power conversion units U1 are connected and touch the high voltage power conversion device S installed in the in-panel frame 18. Needless to say, the power conversion units U, U2, and U3 can be applied to the power conversion device S.
  • FIG. 8 shows an example of the circuit K of the fifth embodiment.
  • the circuit K used in the power conversion units U to U3 of the first to third embodiments will be described.
  • a switching element 1 and a smoothing capacitor 4 are arranged in the input side unit 14 on the input side and the output side unit 15 on the output side shown in FIG. 1B.
  • an IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor
  • GaN GaN
  • Si SiC
  • the resonance capacitor 3 is arranged in the input side unit 14, and the input side and the output side are connected via a high frequency transformer 19.
  • the cooling passage 11 between the input side unit 14 and the output side unit 15 of the power conversion unit, the electrons such as the switching element 1 of the input side unit 14 and the output side unit 15 are arranged in one cooling passage 11. It is possible to cool the parts. That is, in the power conversion units U to U3, it is possible to achieve both an insulating structure in which partial discharge does not occur even in a high altitude environment and a low pressure environment and a heat dissipation structure of heat generated from the switching element 1.
  • FIG. 9 shows a screening method for the power conversion unit U of the sixth embodiment.
  • the sixth embodiment shows a screening method for a power conversion unit U (U1, U2, U3).
  • the screening method for the power conversion unit U is performed as follows. After the silicone coating material formed as the power conversion unit U is cured (step S11 in FIG. 9), one or more barometric pressure cycles are applied to the power conversion unit U (step S12 in FIG. 9).
  • the atmospheric pressure cycle is to place the power conversion unit U in a low pressure environment from atmospheric pressure to atmospheric pressure and return it to atmospheric pressure again. This process is one cycle.
  • the atmospheric pressure and the holding time in a low pressure environment are not particularly limited and can be changed according to individual purposes.
  • the barometric pressure cycle needs to be added at least once. This is because the silicone coating material may peel off and bubbles may be generated by applying the stress of changing the atmospheric pressure to the power conversion unit U. Therefore, by adding one or more atmospheric pressure cycles, a bubble-generating product can be found.
  • the number of barometric pressure cycles is preferably 3 or more.
  • the change of the silicone coating material is visually observed with a camera and the presence or absence of air bubbles is confirmed.
  • the partial discharge start voltage is measured as an electric test. This is because the presence or absence of bubbles can be determined by the high or low of the partial discharge start voltage. For example, if the partial discharge start voltage is high, the insulation is high and the amount of bubbles is small, and if the partial discharge start voltage is low, the insulation is low and the amount of bubbles tends to be large.
  • the partial discharge start voltage drops, so that a defect can be confirmed.
  • Visual observation of the silicone coating material forming the power conversion unit U after the barometric pressure cycle or electrical testing on the power conversion unit U can be freely combined. For example, only the observation of the silicone coating material of the power conversion unit U may be carried out, only the measurement of the partial discharge start voltage of the power conversion unit U may be carried out, or both of them may be carried out. Since the partial discharge start voltage varies, it is preferable to measure three times or more.
  • Embodiments >> 1.
  • the power conversion units U to U3 described in the above embodiment are used as a converter.

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Abstract

本発明の電力変換ユニット(U)は、一方側と他方側とに分かれ対向して設置される入力側電力変換部(14)と出力側電力変換部(15)との間に配置される冷却路(11)を備え、入力側・出力側電力変換部(14、15)は、筐体(5a、5b)の内側の空間(p)に充填されるモールド樹脂(9)と、モールド樹脂(9)で覆われるスイッチング素子(1)およびスイッチング素子(1)に接続される上部電極板(7)および上部電極板(7)に接続される絶縁性を有する放熱板(12)と、冷却路(11)と近接して設けられる下部電極(8)とを備え、モールド樹脂(9)は、硬化後に三次元架橋構造を有するオルガノポリシロキサンであり、室温での弾性率は0.1MPa以上、かつ硬化後の硬度をデュロメータタイプEで測定したときの値が10以上のものである。

Description

電力変換ユニットおよび電力変換装置、電力変換ユニットの検査方法
 本発明は、電力変換ユニットおよび電力変換装置、電力変換ユニットの検査方法
に関する。
 近年の地球温暖化問題への意識の高まり、CO2排出量の削減のために、電動の乗り物として、エンジンとモータを動力源としたハイブリッド自動車や電気自動車の普及が急速に進んでいる。電動化によって動力は化石燃料を必要とするエンジンからモータに代わる。化石燃料を使用しないことで、CO2排出量が減り、地球温暖化の抑制に貢献することができる。
 モータを動力源とする場合、モータの回転を制御するための電力変換装置が必要となる。電力変換装置はハイブリッド自動車や電気自動車、その他の製品でもモータの稼働効率を良くするには必要不可欠な装置である。様々な分野でモータ駆動による電動化が進むと、電力変換装置の使用環境も変化してくる。例えば、電力変換装置が使用される標高が高くなると、気圧が低下する。
 パッシェンの法則より、気体は気圧が下がることで絶縁性能が低下することが知られている。絶縁性能が低下することで部分放電が起き易くなり、部分放電は絶縁破壊を引き起こす。よって、電力変換装置の信頼性を高めるには、低気圧環境下でも部分放電が起きないようにする対策が必要とされている。また、電力変換装置は稼働時にスイッチング素子、パワーモジュール等の電子部品が発熱するため、放熱も必要となる。
 スイッチング素子やパワーモジュールの放熱性を向上させるために、放熱板を配置する方法が特許文献1、2に記載されている。
特開2015-56925号公報(段落0010、図1(c)等) 特開2005-287267号公報(段落0014、図3等)
 ところで、特許文献1では、サージ電圧の抑制、スイッチング素子の高い放熱性およびリンギングの抑制の3つの両立を目的としている。放熱性のための放熱対策ではスイッチング素子に放熱板(特許文献1の図1(c)の放熱板3h、4h)を接続している。
特許文献2では、パワーモジュール間で発生する浮遊インダクタンスを減らすため、パワーモジュールの裏面に導体の放熱板(特許文献2の図2の冷却基板10b)を配置している。両文献1、2では放熱方法は示されているが、低気圧環境下での部分放電対策については記載がない。また、本発明と両文献1、2では対象とする装置の構造が異なっているため、開示内容を用いても課題は解決されず、新たな手法が必要となる。
 本発明は上記実状に鑑み創案されたものであり、低気圧環境下での部分放電を抑制できる電力変換ユニットおよび電力変換装置、電力変換ユニットの検査方法の提供を目的とする。
 前記課題を解決するため、本発明の電力変換ユニットは、一方側と他方側とに分かれ対向して設置される入力側電力変換部と出力側電力変換部との間に配置される冷却路を備え、前記入力側電力変換部及び前記出力側電力変換部は、配線板が配置される筐体の内側の空間に充填されるモールド樹脂と、前記空間内に設けられ前記モールド樹脂で覆われるスイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続され、前記モールド樹脂で覆われる上部電極板と、前記上部電極板に接続され、前記モールド樹脂で覆われる絶縁性を有する放熱板と、前記冷却路と接してまたは近接して設けられる下部電極と、を備え、前記モールド樹脂は、硬化後に三次元架橋構造を有するオルガノポリシロキサンであって、室温での弾性率は0.1MPa以上、かつ硬化後の硬度をデュロメータタイプEで測定したときの値が10以上のものである。
 本発明によれば、低気圧環境下での部分放電を抑制できる電力変換ユニットおよび電力変換装置、電力変換ユニットの検査方法を提供することができる。
本発明の実施形態1に係わる電力変換ユニットの斜視図。 発明の実施形態1の電力変換ユニットの図1AのI-I断面図。 スイッチング素子、上部電極板、放熱板の搭載状態の図1BのII方向矢視図。 本発明の実施形態1の他例の電力変換ユニットの図1AのI-I断面図。 実施形態1の電力変換ユニットを入力側ユニットと出力側ユニットとに分割した図。 実施形態2の電力変換ユニットの図1AのI-I断面相当図。 実施形態3の電力変換ユニットの図1AのI-I断面相当図。 実施形態4の電力変換装置の図1AのI-I断面相当図。 実施形態1~4の電力変換ユニットに適用される実施形態5の回路の一例を示す図。 実施形態6の電力変換ユニットのスクリーニング方法の流れを示す図。
 以下、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いて説明する。なお、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、発明の内容が下記具体的態様に限定されるものではない。本発明は、下記態様を含めて種々の態様に変形することが無論可能である。
<<実施形態1>>
 実施形態1では、上部電極板に絶縁性を有する放熱板を接続した電力変換ユニットについて説明する。
 図1Aに、本発明の実施形態1に係わる電力変換ユニットUの斜視図を示す。図1Bに、本発明の実施形態1の電力変換ユニットUの図1AのI-I断面図を示す。
 実施形態1の電力変換ユニットUは、入力側の入力側ユニット(入力側電力変換部)14と出力側の出力側ユニット(出力側電力変換部)15とを具備している。
 電力変換ユニットUは、スイッチング素子1(図1B参照)、配線板2、共振コンデンサ3(図8参照)、平滑コンデンサ4(図8参照)、筐体5a、5b、筐体蓋6a、6bおよびそれらに準じる部品を含んで構成されている。電力変換ユニットUは、入力側の筐体5aおよび筐体蓋6aと出力側の筐体5bおよび筐体蓋6bとで外郭が形成されている。
入力側ユニット14と出力側ユニット15とは、同様な構成であるから、出力側の出力側ユニット15の構成要素には、入力側ユニット14の符号と同じ符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
 図1Bに示す電力変換ユニットUは、入力側の筐体5a、筐体蓋6aと出力側の筐体5b、筐体蓋6bの内部に、配線板2が設けられている。配線板2には、スイッチング素子1、共振コンデンサ3(図8参照)、平滑コンデンサ4(図8参照)等が実装されている。
 図1Bに示すように、全てのスイッチング素子1は、上部電極板7に接続されている。
 上部電極板7には、絶縁性を有する放熱板12が接続されている。放熱板12は、絶縁性を有し、熱伝導性が良い。放熱板12は上部電極板7よりも幅広いものとしている(面積が広い)。これにより、上部電極板7から放熱板12に伝わった熱が幅広い放熱板12に広がり放熱され、スイッチング素子1の抜熱性、放熱性が向上する(詳細は後記)。
 電力変換ユニットUは、電力変換機能をもつ電力変換部を一方側の入力側ユニット14と他方側の出力側ユニット15とに分け、対向させて設置している。入力側ユニット14と出力側ユニット15とを対向させた間に、両ユニット(14、15)で形成される冷却路11を配置している。冷却路11は、入力側冷却路11aと出力側冷却路11bとで形成されている。
 冷却路11は、両ユニット(14、15)を冷却するための冷却媒体が流れる。
 冷却路11を流れる冷却媒体の入力側ユニット14と出力側ユニット15との間からの漏れを防ぐため、入力側ユニット14と出力側ユニット15との間にはOリング10(第2シール材)が配置されている。Oリング10が介在することで、入・出力側ユニット14、15間からの冷却媒体の漏れを抑制できる。
 冷却路11と接する面には、入力側(図1Bの上側)と出力側(図1Bの下側)の両方に下部電極板8を設けている。なお、下部電極板8は冷却路11と近接して設けてもよい。下部電極8は接地電位とする。
 下部電極8に隣接して放熱板12が設けられている。
 放熱板12に隣接して上部電極板7が設けられている。上部電極板7には、スイッチング素子1が電気的、熱的に接続されて設置されている。スイッチング素子1の端子が上部電極板7に接続されている。スイッチング素子1は、発熱部品であり、上部電極板7に接触して熱伝導される。スイッチング素子1の熱は、上部電極板7を介して、絶縁性を有する放熱板12へ伝導され、冷却媒体と熱交換され抜熱される。
 図2に、スイッチング素子1、上部電極板7、放熱板12の搭載状態の図1BのII方向矢視図を示す。
 上部電極板7はスイッチング素子1よりも幅広く、スイッチング素子1は上部電極板7の中央に配置してある。同じく放熱板12は上部電極板7よりも幅広く(面積が広く)、上部電極板7は放熱板12の辺縁から離れて中央寄りに配置している。これにより、上部電極板7と下部電極板8間(図1B参照)の沿面距離が長くなり、上部電極板7から下部電極板8間の絶縁性が向上する。
 これにより、電力変換部の入力側(図1Bの上側)と出力側(図1Bの下側)の絶縁性を確保し、更にスイッチング素子1の熱を冷却路11へ放熱しやすくなる。
 放熱板12としては、実施形態1ではアルミナを用いたが、絶縁性を有し放熱性が高い材料ならば特に限定されない。アルミナ以外の放熱板12の材料としては、無機物では窒化アルミニウム、窒化ケイ素が挙げられ、有機物ではアルミナや窒化アルミを含有するエポキシ樹脂が挙げられる。
 配線板2には、電力変換を行うために、スイッチング素子1に加えて、後記の図8に示す共振コンデンサ3、平滑コンデンサ4等の電子部品が実装されている。
 図1Bに示す入力側(図1Bの上側)と出力側(図1Bの下側)のスイッチング素子1、配線板2、共振コンデンサ3、平滑コンデンサ4、上部電極板7等が配置される入・出力側ユニット14、15内の空間pには、モールド樹脂9が充填され固体絶縁されている。モールド樹脂9としては、未硬化状態で流動性を有し、硬化後に流動性を持たないシリコーンコーティング材である。
 シリコーンコーティング材は、シリコーンゲルよりも硬い材料である。本明細書において、シリコーンコーティング材とは、硬化後に三次元架橋構造を有するオルガノポリシロキサンであり、室温での弾性率は0.1MPa以上、かつ硬化後の硬度がJIS K6253-3に記載されているデュロメータタイプEでの測定値が10以上のものである。
 シリコーンコーティング材の硬度が高くデュロメータタイプEで測定できない場合は、デュロメータタイプA及びタイプDでの測定値が硬度となる。なお、シリコーンゲルは柔らかいためデュロメータでの硬度測定ができず、硬度はJIS K6249で示している針入度試験で測定される。
 一般的に、シリコーン系のモールド樹脂にはシリコーンゲルが用いられる。シリコーンコーティング材はシリコーンゲルに比べて低気圧環境下において気泡や剥離といった電気的弱点となる欠陥が起きにくい。その理由としてシリコーンコーティング材は自己接着性を有しており、接着性に優れている。これに対して、シリコーンゲルは非接着性であるため剥離が起きやすく、剥離によって気泡が発生する可能性がある。
 さらに、シリコーンコーティング材の硬度はシリコーンゲルよりも高いため変形しにくい。このため、シリコーンコーティング材は、変形しにくい性質により、低気圧環境下において剥離によって生じる気泡を抑えることができる。
 シリコーンコーティング材は未硬化状態では流動性を有するものであり、型成形時における注型性と型成形時の気泡発生を抑える脱気性の点から、未硬化の状態の粘度は室温で20Pa・s以下のものが好ましい。モールド樹脂9が高粘度では、型成形時にモールド樹脂9の注型及びモールド樹脂9内に残る空気の脱気がしにくい。そのため硬化物内に気泡が残り、残った気泡により電気絶縁性が低下して電気的弱点部となる。
 シリコーンコーティング材には付加反応型と縮合反応型の2種類あるが付加反応型が好ましい。縮合反応型は硬化反応時に低分子量の化合物が生成され、気泡発生の要因となる可能性がある。同様な理由で、シリコーンコーティング材は低分子量のシロキサン化合物が少ないものの方が良い。
 電力変換ユニットUで使用するスイッチング素子1の半導体素子及び半導体素子を配線板2に電気的に接続するボンディングワイヤはエポキシ樹脂等で封止されている。電力変換ユニットUで、外部に露出しているのは導通部のリード1w(図1B参照)である。そのため、スイッチング素子1ではボンディングワイヤの破損を考慮する必要がないため、シリコーンコーティング材の使用が可能となっている。ボンディングワイヤが露出した構造のスイッチング素子1では、ボンディングワイヤの破損を防ぐために、シリコーンコーティング材よりも柔らかく低弾性体であるシリコーンゲルが用いられる。モールド樹脂9にシリコーンゲルを用いることで、ボンディングワイヤ自身とボンディングワイヤのスイッチング素子1や配線板2との接合部に加わる力が緩和される。
 シリコーンコーティング材としては、具体的には、ダウ・東レ株式会社の製品では、184、SH850、SE1816CV、SE1817CVM(商品名)を用いることができる。特に、SE1816CV、SE1817CVMが好ましく用いられる。信越化学工業株式会社の製品では、KE-1204、KE-1282、KE-109E、KE-1846、KE-1886(商品名)を用いることができる。
 絶縁性を有する放熱板12は筐体5a、5bと一体成形されている。一体成形することで、製造が容易になり、電力変換ユニットUの作製プロセスを短縮することができる。入・出力側の筐体5a、5bおよび入・出力側の筐体蓋6a、6bにはPPS(ガラス繊維強化ポリフェニレンスルフィド)を用いているが、材質は特に限定されない。筐体5a、5bおよび筐体蓋6a、6bを形成する他の材料としては、ABS樹脂、ポリアミド、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。筐体材料の線膨張係数は、隣接する部品からのはく離やクラックを防止するため、上部電極板7、下部電極板8、および放熱板12に近づけることが好ましい。
 配線板2が配置される筐体5a、5b内の空間pにモールド樹脂9を充填して固体絶縁したことで気圧が低下しても入・出力側ユニット14、15の内部の空間pの絶縁性が維持できる。そのため、配線板2に実装されるスイッチング素子1等の電子部品の部分放電の発生を抑えることができる。
 図3に、本発明の実施形態1の他例の電力変換ユニットU1の図1AのI-I断面図を示す。
 他例の電力変換ユニットU1は、配線板2が配置される空間p内に、モールド樹脂9の未充填部13を形成したものである。その他の構成は、図1A、図1Bに示す電力変換ユニットUと同様であり、同一の符号を付して示す。
 電力変換ユニットU1は、未硬化状態のモールド樹脂9を、入力側、出力側とも、配線板2がある側から入れていき、反応させて固化させる。この際、モールド樹脂9を少な目にすることで、未充填部13を形成してもよい。
 これにより、スイッチング素子1の発熱によってモールド樹脂9が膨張しても、未充填部13がモールド樹脂9の膨張を受け止められる(許容できる)。
 図4に、実施形態1の電力変換ユニットU1を分割した図を示す。
 電力変換ユニットU1、Uは、入力側ユニット14と出力側ユニット15とに分割できる構成である。入力側ユニット14と出力側ユニット15とは、Oリング10(図3参照)を挟んでボルトn1(図1A参照)で固定される。
 これにより、入力側ユニット14と出力側ユニット15との個々についての絶縁性の試験が可能である。そのため、絶縁不良時やメンテナンス時は不良品のみ廃棄することで廃棄物の削減につながる。
<<実施形態2>>
 図5に、実施形態2の電力変換ユニットU2の図1AのI-I断面相当図を示す。
 実施形態2の電力変換ユニットU2は、シリカゲル等の吸湿剤16を未充填部13に配置した構成である。これ以外の構成は、図3の他例の電力変換ユニットU1と同様であり、同様な構成要素には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
 電力変換ユニットU2は、モールド樹脂9が充填される空間pと同一空間内にシリカゲル等の吸湿剤16が入れられる場所16bを設けている。具体的には、未充填部13に吸湿剤16が入れられる場所16bを設けた。
 吸湿剤16が空間p内の湿気を吸着することで、モールド樹脂9の吸湿を抑制できる。そのため、モールド樹脂9の絶縁性を維持することができる。
 したがって、モールド樹脂9の絶縁性が保たれ、部分放電の抑止効果が維持される。
<<実施形態3>>
 図6に、実施形態3の電力変換ユニットU3の図1AのI-I断面相当図を示す。
 実施形態3の電力変換ユニットU3は、配線板2が配置される空間p内の気密性を保持する構成である。これ以外の構成は、図3の他例の電力変換ユニットU1と同様であり、同様な構成要素には同一の符号を付して示し、詳細な説明は省略する。
 電力変換ユニットU3は、入力側の筐体5aと筐体蓋6aが合わさる部分に筐体蓋Oリング17(第1シール材)を配置し、同様に、出力側の筐体5bと筐体蓋6bが合わさる部分に筐体蓋Oリング17を配置している。
 筐体蓋6a、6bと筐体5a、5bとの各間に筐体蓋Oリング17を配置することで、入・出力側の筐体5a、5bと筐体蓋6a、6bとの内部の空間pの気密性が向上する
 そのため、電力変換ユニットU3の内部への湿気の流入を抑制することができる。そのため、シリカゲル等の吸湿剤16およびモールド樹脂9の吸湿も抑制できる。
 これにより、モールド樹脂9の絶縁性が保たれ、部分放電の抑止効果が維持される。
<<実施形態4>>
 図7に、実施形態4の電力変換装置Sの図1AのI-I断面相当図を示す。
 実施形態4は、電力変換ユニットU1を適用した電力変換装置Sの構成である。
 実施形態4の電力変換装置Sは、電力変換ユニットU1(図2)に盤内フレーム18(フレーム)を配置している。
 電力変換装置Sは、入力側ユニット14と出力側ユニット15の外側に、接地された盤内フレーム18を設けている。盤内フレーム18が接地されていることで、電力変換装置Sに触れた際の感電が防止できる。
 また、電力変換ユニットU1は単体だけでなく、複数を接続して盤内フレーム18に設置して使用することも可能である。これにより、電力変換ユニットU1が複数接続して盤内フレーム18に設置した高電圧の電力変換装置Sに触れた際の感電が防止できる。
 なお、電力変換装置Sは、前記した電力変換ユニットU、U2、U3が適用できるのは勿論である。
<<実施形態5>>
 図8に、実施形態5の回路Kの一例を示す。
実施形態5では、実施形態1~3の電力変換ユニットU~U3に使用される回路Kについて説明する。
 図1Bに示す入力側の入力側ユニット14と出力側の出力側ユニット15には、スイッチング素子1と平滑コンデンサ4が配置されている。スイッチング素子1には例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、GaN、Si、SiC等が適用される。
 共振コンデンサ3は入力側ユニット14に配置され、入力側と出力側とは高周波トランス19を介して接続されている。
 以上の構成によれば、電力変換ユニットU~U3において、配線板2が配置される空間p内にモールド樹脂9を充填することで部分放電を抑えることができる。
 また、上部電極板7には、上部電極板7よりも幅広く絶縁性を有する放熱板12を接続することで上部電極板7と下部電極板8間の絶縁と放熱を両立することができる。
 更に、電力変換部の入力側ユニット14と出力側ユニット15との間に冷却路11を配置したことで、1つの冷却路11で入力側ユニット14および出力側ユニット15のスイッチング素子1等の電子部品を冷却することが可能となる。つまり、電力変換ユニットU~U3において、標高が高く低気圧環境下でも部分放電が起きない絶縁構造とスイッチング素子1から発する熱の放熱構造を両立できる。
<<実施形態6>>
 図9に、実施形態6の電力変換ユニットUのスクリーニング方法示す。
 実施形態6は、電力変換ユニットU(U1、U2、U3)のスクリーニング方法を示すものである。
 <スクリーニング方法>
 電力変換ユニットUのスクリーニング方法は以下のように行われる。
 電力変換ユニットUとして成形したシリコーンコーティング材が硬化した(図9のステップS11)後、電力変換ユニットUに1回以上の気圧サイクルを加える(図9のステップS12)。気圧サイクルとは、電力変換ユニットUを大気圧から大気圧よりも低気圧環境下に置き、再度大気圧に戻すことである。この過程を1サイクルとする。
 ここで、低気圧環境下の気圧及び保持時間は特に限定されず、個々の目的に合わせ変えることができる。ただし、気圧サイクルは1回以上加える必要がある。何故なら、電力変換ユニットUに気圧変化のストレスを加えることでシリコーンコーティング材が剥離し、気泡が発生する可能性があるためである。したがって、気圧サイクルを1サイクル以上加えることで、気泡発生品を見つけることができる。気圧サイクルの回数は、3サイクル以上が好ましい。
 電力変換ユニットUの気圧サイクル後、図9のステップS13に示すように、シリコーンコーティング材の変化をカメラや目視で観察し、気泡の有無を確認する。または、電気試験として部分放電開始電圧を測定する。部分放電開始電圧の高低で気泡の有無が判定できるからである。例えば、部分放電開始電圧が高ければ絶縁性が高く気泡量が少なく、部分放電開始電圧が低くければ絶縁性が低く気泡量が多い傾向がある。
 つまり、気圧サイクルを行うことで電力変換ユニットU内に気泡や剥離が生じた場合には部分放電開始電圧が低下することで不具合を確認することができる。
 気圧サイクル後の電力変換ユニットUを形成するシリコーンコーティング材の目視観察または電力変換ユニットUに対する電気試験は自由に組み合わせることができる。例えば、電力変換ユニットUのシリコーンコーティング材の観察のみ実施する、または電力変換ユニットUの部分放電開始電圧の測定のみ実施する、またはこれら両方を実施しても良い。部分放電開始電圧はばらつくため、3回以上の測定が好ましい。
 <スクリーニングの実施例1>
 電力変換ユニットUの低気圧環境の気圧は194hPaとして10分間保持し、電力変換ユニットUに対する気圧サイクルは5回実施した。その後、電力変換ユニットUを形成するシリコーンコーティング材(モールド樹脂9)の表面を目視で観察し、部分放電開始電圧は大気圧下で3回測定し、部分放電開始電圧は測定3回の平均値とする。
 <スクリーニングの実施例2>
 電力変換ユニットUの低気圧環境の気圧は194hPaとして10分間保持し、電力変換ユニットUに対する気圧サイクルは5回実施した。その後、シリコーンコーティング材(モールド樹脂9)の表面を目視で観察し、部分放電開始電圧は気圧サイクル時の低気圧環境と同じ194hPaで3回測定し、部分放電開始電圧は測定3回の平均値とする。
<<その他の実施形態>>
1.前記実施形態で説明した電力変換ユニットU~U3はコンバータとして用いられる。
2.前記実施形態等では、様々な構成を説明したが、これらの構成を適宜組み合わせて構成してもよい。
3.前記実施形態等で説明した構成は、一例を示したものであり、特許請求の範囲内で様々な形態、変形形態が可能である。
 1   スイッチング素子
 2   配線板
 3   共振コンデンサ
 4   平滑コンデンサ
 5a、5b 筐体
 6a、6b 筐体蓋
 7   上部電極板
 8   下部電極板(下部電極)
 9   モールド樹脂
 10  Oリング(第2シール材)
 11  冷却路
 12  放熱板
 13  未充填部(未充填空間)
 14  入力側ユニット(入力側電力変換部)
 15  出力側ユニット(出力側電力変換部)
 16  吸湿剤
 17  筐体蓋Oリング(第1シール材)
 18  盤内フレーム(フレーム)
 19  高周波トランス
 p   空間
 U、U1、U2、U3、U4 電力変換ユニット
 S   電力変換装置

Claims (19)

  1.  一方側と他方側とに分かれ対向して設置される入力側電力変換部と出力側電力変換部との間に配置される冷却路を備え、
     前記入力側電力変換部及び前記出力側電力変換部は、
     配線板が配置される筐体の内側の空間に充填されるモールド樹脂と、
     前記空間内に設けられ前記モールド樹脂で覆われるスイッチング素子と、
     前記スイッチング素子に接続され、前記モールド樹脂で覆われる上部電極板と、
     前記上部電極板に接続され、前記モールド樹脂で覆われる絶縁性を有する放熱板と、
     前記冷却路と接してまたは近接して設けられる下部電極と、を備え、
     前記モールド樹脂は、硬化後に三次元架橋構造を有するオルガノポリシロキサンであって、室温での弾性率は0.1MPa以上、かつ硬化後の硬度をデュロメータタイプEで測定したときの値が10以上のものである
     ことを特徴とする電力変換ユニット。
  2.  請求項1に記載の電力変換ユニットにおいて、
     前記モールド樹脂は、未硬化の状態の粘度が室温で20Pa・s以下のものである
     ことを特徴とする電力変換ユニット。
  3.  請求項1に記載の電力変換ユニットにおいて、
     前記モールド樹脂は、付加反応型の樹脂である
     ことを特徴とする電力変換ユニット。
  4.  請求項1に記載の電力変換ユニットにおいて、
     前記放熱板は、前記上部電極板よりも幅が広く、
     前記上部電極板は、前記放熱板の辺縁から離れて中央側寄りに配置されている
     ことを特徴とする電力変換ユニット。
  5.  請求項1に記載の電力変換ユニットにおいて、
     前記入力側電力変換部と前記出力側電力変換部とは分割して構成されている
     ことを特徴とする電力変換ユニット。
  6.  請求項1に記載の電力変換ユニットにおいて、
     前記下部電極は、接地電位とされている
     ことを特徴とする電力変換ユニット。
  7. 請求項1に記載の電力変換ユニットにおいて、
    前記スイッチング素子は、IGBT、MOSFET、GaN、Si、またはSiCが用いられている
    ことを特徴とする電力変換ユニット。
  8.  請求項1に記載の電力変換ユニットにおいて、
    前記空間内に、前記モールド樹脂が充填されていない未充填空間が形成されている
    ことを特徴とする電力変換ユニット。
  9. 請求項8に記載の電力変換ユニットにおいて、
    前記未充填空間内に吸湿剤が配置されている
    ことを特徴とする電力変換ユニット。
  10. 請求項1に記載の電力変換ユニットにおいて、
    前記放熱板と前記筐体とが一体成形されている
    ことを特徴とする電力変換ユニット。
  11.  請求項1に記載の電力変換ユニットにおいて、
    前記筐体と前記筐体に固定される筐体蓋との間に第1シール材が配置されている
    ことを特徴とする電力変換ユニット。
  12.  請求項5に記載の電力変換ユニットにおいて、
    前記入力側電力変換部と前記出力側電力変換部との間に第2シール材が配置されている
    ことを特徴とする電力変換ユニット。
  13.  請求項1に記載の電力変換ユニットにおいて、
     前記電力変換ユニットは、
     大気圧よりも気圧が低い環境下におかれ、再度大気圧に戻す気圧サイクルが行われ、かつ部分放電試験が実施されている
     ことを特徴とする電力変換ユニット。
  14.  請求項1から請求項13のうちの何れか一項に記載の電力変換ユニットを具備し、
     前記入力側電力変換部と前記出力側電力変換部との各筐体に固定される筐体蓋に接続され、かつ接地されるフレームを備えている
     ことを特徴とする電力変換装置。
  15.  請求項1から請求項13のうちのいずれか一項に記載の電力変換ユニットの検査方法であって、
     前記モールド樹脂を硬化した後に、前記電力変換ユニットを大気圧よりも気圧が低い環境下におき、再度大気圧に戻す気圧サイクルを加える工程と、
     前記気圧サイクルを加えた後に、前記モールド樹脂の状態を観察する工程と、を備える電力変換ユニットの検査方法。
  16.  請求項15に記載の電力変換ユニットの検査方法であって、
     前記モールド樹脂を硬化した後に、前記電力変換ユニットに部分放電試験を実施する工程を備える
     ことを特徴とする電力変換ユニットの検査方法。
  17.  請求項1から請求項13のうちのいずれか一項に記載の電力変換ユニットの検査方法であって、
     前記モールド樹脂を硬化した後に、前記電力変換ユニットを大気圧よりも気圧が低い環境下におき、再度大気圧に戻す気圧サイクルを加える工程と、
     前記モールド樹脂を硬化した後に、前記電力変換ユニットに部分放電試験を実施する工程を備える
     ことを特徴とする電力変換ユニットの検査方法。
  18.  請求項15記載の電力変換ユニットの検査方法において、
     前記気圧サイクルは、1回以上行われる
     ことを特徴とする電力変換ユニットの検査方法。
  19.  請求項17記載の電力変換ユニットの検査方法において、
     前記気圧サイクルは、1回以上行われる
     ことを特徴とする電力変換ユニットの検査方法。
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