WO2024004259A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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WO2024004259A1
WO2024004259A1 PCT/JP2023/005624 JP2023005624W WO2024004259A1 WO 2024004259 A1 WO2024004259 A1 WO 2024004259A1 JP 2023005624 W JP2023005624 W JP 2023005624W WO 2024004259 A1 WO2024004259 A1 WO 2024004259A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
casing
power module
power
heat shield
heat
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/005624
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
浩輝 松田
努 川水
Original Assignee
三菱重工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱重工業株式会社 filed Critical 三菱重工業株式会社
Publication of WO2024004259A1 publication Critical patent/WO2024004259A1/ja

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present disclosure relates to a power conversion device.
  • This application claims priority to Japanese Patent Application No. 2022-104470 filed in Japan on June 29, 2022, the contents of which are incorporated herein.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor device (power conversion device) in which a power module is covered with a heat shielding member.
  • a control board on which a circuit for controlling a power module is mounted is placed above a heat shielding member.
  • the heat shielding member has a flat part that covers the upper surface of the power module, and a pair of support legs that hang down from both ends of the flat part and cover the sides of the power module.
  • the lower end of the base plate is fixed in contact with the surface of the base plate. This suppresses heat from being transmitted from the power module to the control board, and when heat is transmitted to the heat shielding member, it is radiated to the outside from the lower end of the support leg via the base plate.
  • the power module may be cooled by a cooler via the base plate.
  • the heat shield plate since the heat shield plate is also cooled by the cooler via the base plate, the temperature of the entire power module increases, which may increase the load on the cooler.
  • the present disclosure has been made in order to solve the above-mentioned problems, and is a power source that can suppress the increase in load on the cooler while blocking heat transmitted from the power module to the control board with a simpler configuration.
  • the purpose is to provide a conversion device.
  • a power conversion device includes a casing, a capacitor housed in the casing, and a power module housed in the casing that converts a DC voltage from the capacitor into an AC voltage.
  • a cooler that cools the power module;
  • a control board that is housed in the casing with a gap between the power module and the control board that controls driving of the power module;
  • a heat shielding part disposed between the control board and the heat shielding part, the heat shielding part being in contact with the inner surface of the casing so that the inside of the casing is connected to the space where the power module is arranged and the control board.
  • the space is divided into two areas.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a power conversion device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a plan view of the power module according to the first embodiment of the present disclosure in the II-II line direction shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III shown in FIG. 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing a direction in which heat is conducted in a heat shielding portion according to the first embodiment of the present disclosure.
  • 4 is a cross-sectional view of a power conversion device according to a second embodiment of the present disclosure, and is a diagram corresponding to the portion shown in FIG. 3.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of a power conversion device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a plan view of the power module according to the first embodiment of the present disclosure in the II-II line direction shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III shown in FIG
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a power conversion device according to another embodiment of the present disclosure, and is a diagram corresponding to the portion shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a power conversion device according to another embodiment of the present disclosure, and is a diagram corresponding to the portion shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a power conversion device according to another embodiment of the present disclosure, and is a diagram corresponding to the portion shown in FIG. 3.
  • a power converter is a device that converts DC power into three-phase AC power or the like.
  • the power conversion device of this embodiment includes, for example, an inverter used in a system such as a power plant, an inverter used to drive a motor of an electric vehicle, etc.
  • the power converter 100 includes a casing 1, an external input conductor 2, a capacitor 3, a power converter 4, a cooler 5, a control board 6, and a heat shield 7. ing.
  • the casing 1, the cooler 5, the control board 6, and the heat shield part 7 are shown by two-dot chain lines due to space limitations.
  • the casing 1 forms the outer shell of the power converter 100.
  • the casing 1 in this embodiment is made of metal such as aluminum or synthetic resin, and has a rectangular parallelepiped shape.
  • the casing 1 has two side surfaces arranged back to back to each other.
  • the side facing one side will be referred to as the “input side side 1a”, and the side facing the other side will be referred to as the “output side side 1b".
  • An external input conductor 2 for inputting DC power is drawn out from the input side surface 1a.
  • the external input conductors 2 are a pair of electric conductors (bus bars) that supply DC power supplied from a power system or the like external to the power converter 100 to the capacitor 3.
  • the external input conductor 2 in this embodiment is made of metal containing copper or the like.
  • One end of the external input conductor 2 is connected to the capacitor 3, and the other end of the external input conductor 2 extends in a direction intersecting the input side surface 1a of the casing 1.
  • the capacitor 3 is a smoothing capacitor that stores charges input from the external input conductor 2 and suppresses voltage fluctuations associated with power conversion. Capacitor 3 is housed in casing 1. The DC voltage input from the external input conductor 2 is supplied to the power converter 4 via the capacitor 3.
  • the capacitor 3 has a main body 3a and a connecting conductor 3b.
  • the main body portion 3a is a portion that primarily functions as the smoothing capacitor described above.
  • the connecting conductor 3b is an electric conductor (bus bar) for transmitting power from the main body 3a to the power converter 4.
  • the connection conductor 3b is made of metal such as copper.
  • the connecting conductor 3b has a positive terminal 3p and a negative terminal 3n.
  • the positive terminal 3p constitutes the positive electrode of the capacitor 3, and is a current path connecting the main body portion 3a and the positive electrode of the power module 40.
  • the negative terminal 3n constitutes the negative electrode of the capacitor 3, and is a current path connecting the main body 3a and the negative electrode of the power module 40.
  • positive terminals 3p and negative terminals 3n are arranged side by side with an interval between them.
  • One end of each of the positive terminal 3p and the negative terminal 3n is connected to the main body 3a. Note that detailed illustration of the connection state between the positive terminal 3p and the negative terminal 3n and the main body portion 3a is omitted.
  • the other ends of the positive terminal 3p and the negative terminal 3n are connected to the power module 40.
  • the power converter 4 converts the voltage input from the capacitor 3.
  • Power converter 4 is housed in casing 1 .
  • the power converter 4 in this embodiment has three power modules 40 each responsible for outputting U-phase, V-phase, and W-phase output in order to output three-phase AC power. Therefore, the power conversion device 100 in this embodiment is a three-phase inverter including three power modules 40.
  • the power module 40 is a device that converts input power and outputs the converted power. As shown in FIGS. 2 and 3, the power module 40 includes a base plate 41, a circuit board 42, an external output conductor 43, a case 44, an insulating section 45, and a bonding wire Wb.
  • the base plate 41 is a flat member.
  • the base plate 41 has a front surface 41a and a back surface 41b located on the back side of the front surface 41a. That is, the front surface 41a and the back surface 41b of the base plate 41 are parallel to each other and are placed back to back.
  • the back surface 41b of the base plate 41 is fixed to the cooler 5 via a bonding material or the like (not shown).
  • copper is used for the base plate 41 in this embodiment.
  • the base plate 41 may be made of metal such as aluminum.
  • the circuit board 42 has an insulating plate 421, a front pattern 422, a power semiconductor element 423, and a back pattern 424.
  • the insulating plate 421 has a flat plate shape.
  • the insulating plate 421 has a first surface 421a and a second surface 421b located on the back side of the first surface 421a. That is, the first surface 421a and the second surface 421b of the insulating plate 421 are parallel to each other and back to back.
  • a back pattern 424 which is a pattern of copper foil or the like, is formed over one surface.
  • the back pattern 424 is fixed to the center of the front surface 41a of the base plate 41 via a bonding material S.
  • the insulating plate 421 in this embodiment is made of an insulating material such as ceramic, for example.
  • insulating material such as ceramic
  • paper phenol, paper epoxy, glass composite, glass epoxy, glass polyimide, fluororesin, etc. can be used as the insulating material forming the insulating plate 421.
  • the surface pattern 422 is a pattern of copper foil or the like that is formed on the first surface 421a of the insulating plate 421 and spreads in a plane.
  • the surface pattern 422 is formed, for example, by being fixed to the first surface 421a of the insulating plate 421 by bonding or the like and then etching or the like.
  • a plurality of surface patterns 422 are arranged on the first surface 421a of the insulating plate 421. These plurality of surface patterns 422 are arranged adjacent to each other with a gap in the direction in which the insulating plate 421 spreads.
  • a case will be described as an example in which three surface patterns 422 are arranged on the first surface 421a of the insulating plate 421.
  • these three surface patterns 422 will be referred to as a first surface pattern 422a, a second surface pattern 422b, and a third surface pattern 422c.
  • the first surface pattern 422a and the second surface pattern 422b are patterns for exchanging input and output of DC current with the capacitor 3, and correspond to an inlet portion or an outlet portion of a loop between PNs formed in the surface pattern 422. .
  • the other end of the positive terminal 3p of the capacitor 3 is connected to the first surface pattern 422a, and the other end of the negative terminal 3n of the capacitor 3 is connected to the second surface pattern 422b.
  • An external output conductor 43 for outputting the alternating current converted by the power semiconductor element 423 to a load (not shown) provided outside the power conversion device 100 is connected to the third surface pattern 422c.
  • the power semiconductor element 423 is a circuit element that converts power through a switching operation that turns on and off voltage and current.
  • the power semiconductor element 423 is, for example, a switching element such as an IGBT or a MOSFET. This embodiment shows, as an example, a case where a MOSFET is applied to a power semiconductor.
  • These four power semiconductor elements 423 are connected to the surface pattern 422 of the circuit board 42. Note that when an IGBT is used as the power semiconductor element 423, a diode that allows current to flow in the opposite direction to the IGBT needs to be arranged in parallel.
  • the four power semiconductor elements 423 in this embodiment are comprised of two first power semiconductor elements 423a and two second power semiconductor elements 423b.
  • the first power semiconductor element 423a is connected to the first surface pattern 422a.
  • the second power semiconductor element 423b is connected to the third surface pattern 422c.
  • the power semiconductor element 423 When the power semiconductor element 423 is a MOSFET, the power semiconductor element 423 has an input surface on which an input terminal (not shown) corresponding to a drain is formed, and an output surface on which an output terminal (not shown) corresponding to a source is formed. and a gate (not shown) corresponding to a control signal input terminal for controlling switching of the power semiconductor element 423.
  • the input surface of the power semiconductor element 423 is electrically connected to the surface pattern 422 via a bonding material.
  • One end of a bonding wire Wb serving as a conducting wire is electrically connected to the output surface of the power semiconductor element 423.
  • the bonding wire Wb is made of metal such as aluminum. That is, the surface patterns 422 formed on the first surface 421a are electrically connected to each other by wire bonding.
  • the input surface of the first power semiconductor element 423a is connected to the first surface pattern 422a.
  • One end of the bonding wire Wb is connected to the output surface of the first power semiconductor element 423a, and the other end of the bonding wire Wb is connected to the third surface pattern 422c.
  • the input surface of the second power semiconductor element 423b is connected to the third surface pattern 422c.
  • One end of the bonding wire Wb is connected to the output surface of the second power semiconductor element 423b, and the other end of the bonding wire Wb is connected to the second surface pattern 422b.
  • DC power is input to the first power semiconductor element 423a via the first surface pattern 422a
  • the second power semiconductor element 423b has a second surface pattern 422b and a second surface pattern 422b and a second power semiconductor.
  • DC power is input through the bonding wire Wb that connects the element 423b.
  • a control signal generated by a gate driving circuit board (not shown) provided outside the circuit board 42 is input to the power semiconductor element 423.
  • the power semiconductor element 423 performs switching according to this control signal. Note that when the power semiconductor element 423 is an IGBT, the power semiconductor element 423 has an input surface corresponding to a collector, an output surface corresponding to an emitter, and a gate corresponding to a control signal input terminal.
  • the bonding between the front surface 41a of the base plate 41 and the back surface pattern 424 formed on the second surface 421b of the insulating plate 421, the bonding between the power semiconductor element 423 and the front surface pattern 422, and the bonding between the back surface 41b of the base plate 41 and the cooler 5 As the bonding material S used for bonding, for example, solder, sintered material (powder of metal, etc.), etc. can be used.
  • the external output conductor 43 is an electric conductor (bus bar) for outputting the AC power converted by the power semiconductor element 423 to the outside of the power conversion device 100.
  • the external output conductor 43 is made of metal containing copper or the like.
  • One end of the external output conductor 43 is connected to the third surface pattern 422c on the circuit board 42.
  • the other end of the external output conductor 43 extends outward from the output side surface 1b of the casing 1.
  • the other end of the external output conductor 43 is connected to, for example, a current output wiring (not shown) connected to a load such as a motor.
  • the case 44 is a member that mechanically reinforces the external output conductor 43 and the connecting conductor 3b of the capacitor 3 while being fixed to the surface 41a of the base plate 41.
  • the case 44 is made of, for example, a synthetic resin material (insulating material).
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the case 44 may be made of a synthetic resin material other than PPS.
  • the case 44 is fixed to the surface 41a of the base plate 41 using, for example, adhesive.
  • the case 44 surrounds the circuit board 42 from the outside while covering the positive terminal 3p and negative terminal 3n of the connection conductor 3b and the external output conductor 43 from the outside. As shown in FIGS. 2 and 3, the case 44 surrounds the circuit board 42 in a direction along the surface 41a of the base plate 41. As shown in FIGS. Therefore, the case 44 defines a space in which the circuit board 42 is housed together with the base plate 41. In this embodiment, for convenience of explanation, this space in which the circuit board 42 is accommodated is referred to as a "potting space Rp.”
  • the insulating section 45 is an insulating member placed within the potting space Rp.
  • the potting space Rp is filled with a liquid potting material from the outside (potting) to seal the members exposed within the potting space Rp.
  • the potting material filled in the potting space Rp hardens over a predetermined period of time, and electrically insulates each member in the potting space Rp and between each member and the space outside the power module 40.
  • the insulating portion 45 is formed of this potting material.
  • the insulating part 45 in the potting space Rp is arranged so as to cover each surface of the circuit board 42, the bonding wire Wb, the external output conductor 43, and the connection conductor 3b of the capacitor 3.
  • the cooler 5 is a device that mainly cools the power module 40 of the power converter 4.
  • the cooler 5 is provided so as to be stacked on the casing 1, and is fixed and integrated with the casing 1.
  • the cooler 5 has a base 51 and radiation fins 52.
  • the base 51 and the radiation fins 52 are shown by dotted lines.
  • the base 51 has a plate shape.
  • the base portion 51 has a bonding surface 51a that is bonded to the back surface 41b of the base plate 41 in the power module 40 via a bonding material, and a heat dissipation surface 51b that faces opposite to the bonding surface 51a.
  • the joint surface 51a and the heat radiation surface 51b are parallel to each other and are placed back to back.
  • the radiation fins 52 are columnar members arranged in plural on the radiation surface 51b of the base 51. Each heat radiation fin 52 projects from the heat radiation surface 51b toward the side opposite to the power module 40 with the base 51 as the center.
  • a liquid refrigerant W such as water is introduced into the cooler 5 from the outside.
  • the heat radiation surface 51b of the base 51 and the radiation fins 52 are cooled by contacting with the liquid refrigerant W introduced from the outside.
  • the liquid refrigerant W is warmed by exchanging heat with the heat conducted from the power module 40 to the base 51 and the radiation fins 52, and at the same time cools the power module 40.
  • the control board 6 is a board that controls the driving of the power semiconductor element 423 and the like in the power module 40.
  • the control board 6 is housed in the casing 1 with a gap interposed between the control board 6 and the power module 40 .
  • the control board 6 is supported from the power module 40 side by, for example, bolts B fixed to the base plate 41 of the power module 40.
  • the bolts B are fastened to the base plate 41 and the control board 6, so that the control board 6 is positioned within the casing 1 with a gap between it and the power module 40.
  • the control board 6 and the power semiconductor element 423 are electrically connected by a signal line or the like (not shown).
  • the heat shield 7 suppresses heat from being transferred from the power module 40 to the control board 6.
  • the heat shield 7 is housed in the casing 1.
  • the heat shield section 7 is arranged between the power module 40 and the control board 6.
  • the heat shield section 7 in this embodiment is a heat shield plate 70 having a plate shape.
  • the heat shield plate 70 has an outer edge portion 70a as a surface corresponding to the thickness of the heat shield plate 70.
  • the outer edge portion 70a is in contact with the inner surface 10 of the casing 1 and the main body portion 3a of the capacitor 3.
  • the heat shield plate 70 in this embodiment makes contact with the side surface 13 of the inner surface 10 of the casing 1, thereby dividing the inside of the casing 1 into a first space R1 where the power module 40 is arranged and a second space R1 where the control board 6 is arranged. It is divided into a space R2.
  • a hole is formed in the heat shield plate 70, through which the above-mentioned bolt B connecting the base plate 41 and the control board 6 in the power module 40 is inserted, for example. By inserting the bolts B, the heat shield plate 70 is supported within the casing 1 from the power module 40 side.
  • the heat shield plate 70 is formed of a thermally conductive material having higher thermal conductivity in the in-plane direction of the heat shield plate 70 than in the thickness direction of the heat shield plate 70.
  • the heat shield plate 70 in this embodiment is made of graphene.
  • the heat shield plate 70 is formed, for example, by laminating a large number of sheet-shaped graphenes so as to have an outer edge portion 70a.
  • the heat in the heat shield plate 70 moves in the in-plane direction of the heat shield plate 70, and also moves to the main body part 3a through the outer edge part 70a that is in contact with the main body part 3a of the capacitor 3. That is, the heat transmitted from the first space R1 side where the power module 40 is arranged to the heat shield plate 70 is suppressed from moving to the second space R2 side by the heat shield plate 70. Further, this heat does not remain in the heat shield plate 70 but is conducted to the casing 1 and the main body portion 3a of the capacitor 3.
  • the circuit board 42 in the power module 40 includes a connecting conductor 3b for inputting the current from the main body 3a of the capacitor 3, and an external output conductor 43 for outputting the converted current to the outside of the power conversion device 100. It is connected. Therefore, for example, when arranging the heat shield part 7 connected to the cooler 5 inside the casing 1 and dividing the inside of the casing 1 into the first space R1 and the second space R2, the heat shield part 7 is connected to the first space R1 and the second space R2.
  • a complex shape that does not interfere with the conductor 3b and the external output conductor 43 may be adopted.
  • the heat shield section 7 that suppresses heat transfer from the power module 40 to the control board 6 is realized by a simple configuration such as the heat shield plate 70. Furthermore, the movement of heat from the first space R1 inside the casing 1 defined by the outer edge 70a of the heat shield plate 70 coming into contact with the inner surface 10 of the casing 1 and the main body 3a of the capacitor 3 to the second space R2 is suppressed. At the same time, the heat transmitted to the heat shield plate 70 moves to the casing 1 and the main body portion 3a of the capacitor 3. Thereby, the heat transmitted to the heat shield plate 70 can be released to components other than the cooler 5, such as the casing 1 and the main body portion 3a of the capacitor 3, without causing the heat to remain in the heat shield plate 70.
  • the load on the cooler 5 can be reduced compared to a configuration in which the cooler 5 directly cools the heat shield 7 .
  • the heat shield plate 70 is formed of a thermally conductive material having higher thermal conductivity in the in-plane direction than in the thickness direction, It is possible to further suppress the transfer of heat to the second space R2, and to further suppress the heat from remaining in the heat shield plate 70.
  • the heat shield 7 suppresses heat from being transferred from the power module 40 to the control board 6.
  • the heat shielding part 7 in this embodiment has a flat plate part 71 and a plurality of side wall plate parts 72.
  • the flat plate portion 71 has a plate shape.
  • the flat plate portion 71 is arranged in a gap between the power module 40 and the control board 6.
  • the flat plate portion 71 has an outer edge portion 71a as a surface corresponding to the thickness of the flat plate portion 71.
  • the side wall plate portion 72 has a plate shape.
  • the side wall plate part 72 in this embodiment is fixed to the top surface 11 of the inner surface 10 of the casing 1 while being connected to each of the four outer edges 71a of the flat plate part 71 so as to be integral with the flat plate part 71. ing.
  • the outer edge portion 72a of the side wall plate portion 72 is in contact with the top surface 11.
  • the four side wall plate parts 72 are housed in the casing 1 integrally with the flat plate part 71, and connect the flat plate part 71 and the top surface 11. Note that the top surface 11 and the side surface 13 described in the first embodiment are in a perpendicular relationship.
  • first space R1 where the power module 40 is placed
  • second space R2 where the control board 6 is placed.
  • the volume of the first space R1 in this embodiment is larger than the volume of the second space R2.
  • the four side wall plate parts 72 surround the control board 6 from the direction in which the flat plate part 71 extends. That is, the four side wall plate parts 72 surround the control board 6 from the in-plane direction of the flat plate part 71.
  • FIG. 5 only cross sections of two of the four side wall plate parts 72 facing each other with the control board 6 sandwiched therebetween are shown due to space limitations.
  • a hole is formed in the flat plate portion 71, through which the above-mentioned bolt B that connects the base plate 41 and the control board 6 in the power module 40 is inserted.
  • the flat plate portion 71 is supported within the casing 1 from the power module 40 side.
  • the flat plate portion 71 is formed of a thermally conductive material having higher thermal conductivity in the in-plane direction of the flat plate portion 71 than in the thickness direction of the flat plate portion 71.
  • the side wall plate portion 72 is formed of a thermally conductive material having higher thermal conductivity in the in-plane direction of the side wall plate portion 72 than in the thickness direction of the side wall plate portion 72 .
  • the flat plate part 71 and the side wall plate part 72 in this embodiment are formed of graphene.
  • FIG. 6 the direction in which the heat moves in the heat shield section 7 when heat is transferred from the power module 40 to the heat shield section 7 in this embodiment will be explained.
  • the movement of heat is shown by solid arrows.
  • the heat in the heat shield part 7 moves in the in-plane direction of the flat plate part 71 and the side wall plate part 72 of the heat shield part 7, and also flows into the casing through the outer edge part 72a of the side wall plate part 72 in contact with the top surface 11. Move to 1. That is, the heat transmitted from the first space R1 side where the power module 40 is arranged to the heat shielding part 7 is suppressed from moving to the second space R2 side by the flat plate part 71 and the side wall plate part 72. Further, this heat does not remain in the flat plate portion 71 and the side wall plate portion 72, but is conducted from the side wall plate portion 72 to the casing 1.
  • the heat shielding part 7 is constituted by the flat plate part 71 and the four side wall plate parts 72 that surround the control board 6 from the in-plane direction of the flat plate part 71 (the direction in which the flat plate part 71 spreads).
  • the outer edge portion 72a of each side wall plate portion 72 is connected to the top surface 11 of the inner surface 10 of the casing 1.
  • the flat plate part 71 and the side wall plate part 72 of the heat shielding part 7 are formed of a thermally conductive material having higher thermal conductivity in the in-plane direction than in the thickness direction. There is. Therefore, it is possible to further suppress the transfer of heat from the first space R1 to the second space R2, and to further suppress the heat from remaining in the heat shielding portion 7.
  • the heat shield plate 70 described in the first embodiment is not limited to a configuration formed of graphene, and may be formed of a material such as borophene, for example. Therefore, the heat shield plate 70 may be formed of a thermally conductive material having higher thermal conductivity in the in-plane direction than in the thickness direction.
  • the flat plate part 71 and the side wall plate part 72 in the heat shielding part 7 described in the second embodiment are not limited to the structure formed of graphene, and may be formed of a material such as borophene, for example. . Therefore, the heat shield plate 70, the flat plate part 71, and the side wall plate part 72 described in the embodiment are formed of a thermally conductive material having higher thermal conductivity in the in-plane direction than in the thickness direction. That's fine.
  • side wall plate portion 72 described in the second embodiment may be configured to abut against the side surface 13 on the inner surface 10 of the casing 1.
  • the power conversion device 100 described above may further include a gate driving substrate (not shown) that is disposed between the heat shield section 7 and the power module 40 and can control switching of the power semiconductor element 423.
  • the gate driving substrate is electrically connected to, for example, the gate of the power semiconductor element 423 and the control substrate 6 by a signal line or the like.
  • the gate drive board is formed with a hole through which the bolt B described above is inserted, and by inserting the bolt B into this hole, the gate drive board is moved from the power module 40 side within the casing 1. May be supported. Therefore, the heat shielding section 7 may have any configuration as long as it thermally protects the above-described control circuit from the power module 40 within the casing 1.
  • the power conversion device 100 may further include a current sensor 8 that is housed in the casing 1 and can detect the value of the current flowing through the external output conductor 43.
  • the current sensor 8 is a through-type current sensor (current transformer) that can measure a current value without contacting the external output conductor 43.
  • the current sensor 8 is arranged so as to surround a part of the outer surface of the external output conductor 43 while being in contact with the joint surface 51 a of the base 51 of the cooler 5 .
  • the outer edge 70a of the heat shield plate 70 described in the first embodiment may be in contact with the current sensor 8, for example.
  • the power conversion device 100 may be a device that performs power conversion using the power semiconductor element 423, such as a converter or a combination of an inverter and a converter.
  • the power conversion device 100 is a converter
  • an AC voltage is input from an external input power source (not shown) to the external output conductor 43
  • the power semiconductor element 423 on the circuit board 42 converts this AC voltage into a DC voltage, and generates power.
  • the structure may be such that the DC voltage from the semiconductor element 423 is output to the outside of the power conversion device 100 through the connection conductor 3b.
  • the power conversion device 100 includes a casing 1, a capacitor 3 housed in the casing 1, and a capacitor 3 housed in the casing 1, which converts a DC voltage from the capacitor 3 into an AC voltage.
  • a power module 40 a cooler 5 that cools the power module 40, a control board 6 that is housed in the casing 1 with a gap between the power module 40 and the control board 6 that controls the drive of the power module 40;
  • a heat shielding part 7 housed in the casing 1 and disposed between the power module 40 and the control board 6; the heat shielding part 7 comes into contact with the inner surface 10 of the casing 1;
  • the inside of the casing 1 is divided into a space where the power module 40 is placed and a space where the control board 6 is placed.
  • the power conversion device 100 according to the second aspect is the power conversion device 100 according to the first aspect, in which the heat shield section 7 is located between the power module 40 and the control board 6.
  • a heat shield plate 70 may be provided in the gap, and an outer edge 70a of the heat shield plate 70 may be in contact with the inner surface 10 of the casing 1.
  • the heat shield section 7 that can suppress the transfer of heat from the power module 40 to the control board 6 can be realized with a simple configuration such as the heat shield plate 70.
  • the power conversion device 100 according to the third aspect is the power conversion device 100 according to the second aspect, in which the heat shield plate 70 is configured to conduct heat in the thickness direction of the heat shield plate 70.
  • the heat shield plate 70 may be formed of a heat conductive material having a higher thermal conductivity in the in-plane direction than the heat shield plate 70.
  • the power conversion device 100 according to the fourth aspect is the power conversion device 100 according to the first aspect, in which the heat shield section 7 is located between the power module 40 and the control board 6.
  • the heat shield section 7 is located between the power module 40 and the control board 6.
  • the power conversion device 100 according to the fifth aspect is the power conversion device 100 according to the fourth aspect, in which the flat plate portion 71 and the side wall plate portion 72 are arranged such that the flat plate portion 71 and the side wall plate portion
  • the flat plate portion 71 and the side wall plate portion 72 may be formed of a thermally conductive material having a higher thermal conductivity in the in-plane direction than that of the plate portion 72 in the thickness direction.

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Abstract

本開示の電力変換装置は、ケーシングと、ケーシングに収容されたコンデンサと、ケーシングに収容され、コンデンサからの直流電圧を交流電圧に変換するパワーモジュールと、パワーモジュールを冷却する冷却器と、パワーモジュールと隙間を介した状態でケーシングに収容され、パワーモジュールの駆動を制御する制御基板と、ケーシングに収容され、パワーモジュールと制御基板との間に配置された遮熱部と、を備える。遮熱部は、ケーシングの内面に当接することで、ケーシング内をパワーモジュールが配置された空間と制御基板が配置された空間とに区画する。

Description

電力変換装置
　本開示は、電力変換装置に関する。
　本願は、２０２２年６月２９日に日本に出願された特願２０２２－１０４４７０号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　例えば特許文献１には、パワーモジュールが熱遮断部材によって覆われている半導体装置（電力変換装置）が開示されている。この半導体装置では、パワーモジュールを制御する回路を搭載した制御基板が熱遮断部材の上部に配置されている。
　熱遮断部材は、パワーモジュールの上面を覆う平坦部と、この平坦部の両端部からそれぞれ垂下してパワーモジュールの側面を覆う一対の支持脚部とを有しており、これら一対の支持脚部の下端部がベース板の表面に接触して固定されている。これにより、パワーモジュールから制御基板へ熱が伝わることを抑制するとともに、熱が熱遮断部材に伝わった際、支持脚部の下端部からベース板を介して外部へ放散されている。
特開２００５－３３３０７４号公報
　ところで、上記特許文献１に記載の半導体装置では、ケース内でのパワーモジュールとの干渉を避けるように熱遮断部材を配置する必要がある。この際、熱遮断部材のより簡易な構成が求められている。
　また、近年、パワーモジュールを有する電力変換装置の分野では、付加価値向上のためにパワー半導体素子の高電圧化・大電流化・高周波化・高速スイッチング化の機運が高まっている。それに伴って、パワーモジュールがより高温化する場合がある。
　上記特許文献１に記載のような半導体装置では、パワーモジュールがベース板を介して冷却器によって冷却されることがある。この場合、ベース板を介して熱遮断板も冷却器によって冷却されるため、パワーモジュール全体が高温化した結果、冷却器にかかる負荷が高まる場合がある。
　本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、より簡易な構成でパワーモジュールから制御基板へ伝わる熱を遮断しつつ、冷却器にかかる負荷が増大することを抑制可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本開示に係る電力変換装置は、ケーシングと、前記ケーシングに収容されたコンデンサと、前記ケーシングに収容され、前記コンデンサからの直流電圧を交流電圧に変換するパワーモジュールと、前記パワーモジュールを冷却する冷却器と、前記パワーモジュールと隙間を介した状態で前記ケーシングに収容され、前記パワーモジュールの駆動を制御する制御基板と、前記ケーシングに収容され、前記パワーモジュールと前記制御基板との間に配置された遮熱部と、を備え、前記遮熱部は、前記ケーシングの内面に当接することで、前記ケーシング内を前記パワーモジュールが配置された空間と前記制御基板が配置された空間とに区画する。
　本開示によれば、より簡易な構成でパワーモジュールから制御基板へ伝わる熱を遮断しつつ、冷却器にかかる負荷が増大することを抑制可能な電力変換装置を提供することができる。
本開示の実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示す斜視図である。 本開示の第一実施形態に係るパワーモジュールを図１に示すＩＩ－ＩＩ線方向で平面視した時の図である。 図２で示したＩＩＩ－ＩＩＩ線方向の断面図である。 本開示の第一実施形態に係る遮熱部の熱が伝導する方向を示した図である。 本開示の第二実施形態に係る電力変換装置の断面図であり、図３で示した部分に対応した図である。 本開示のその他の実施形態に係る電力変換装置の断面図であり、図３で示した部分に対応した図である。 本開示のその他の実施形態に係る電力変換装置の断面図であり、図３で示した部分に対応した図である。
　以下、添付図面を参照して、本開示による電力変換装置を実施するための形態を説明する。
［第一実施形態］
［電力変換装置］
　電力変換装置は、直流電力を三相交流電力等に変換する装置である。本実施形態の電力変換装置には、例えば、発電所等の系統で用いられるインバータや、電気自動車等の電動機の駆動に用いられるインバータ等が挙げられる。
　図１に示すように、電力変換装置１００は、ケーシング１と、外部入力導体２と、コンデンサ３と、電力変換部４と、冷却器５と、制御基板６と、遮熱部７とを備えている。なお、図１中では、紙面の都合上、ケーシング１、冷却器５、制御基板６、及び遮熱部７は、二点鎖線で示されている。
（ケーシング）
　ケーシング１は、電力変換装置１００の外殻を成している。本実施形態におけるケーシング１は、アルミ等の金属又は合成樹脂等により形成されており、直方体状を成している。ケーシング１は、互いに背合わせとなるように配置されている二つの側面を有している。
　以下、説明の便宜上、これら二つの側面のうち、一方側を向く側面を「入力側側面１ａ」と称し、他方側を向く側面を「出力側側面１ｂ」と称する。入力側側面１ａからは、直流電力を入力するための外部入力導体２が引き出されている。
（外部入力導体）
　外部入力導体２は、電力変換装置１００の外部の電力系統等から供給される直流電力をコンデンサ３へ供給する一対の電気導体（バスバー）である。本実施形態における外部入力導体２は、銅等を含む金属により形成されている。外部入力導体２の一端は、コンデンサ３に接続されており、外部入力導体２の他端は、ケーシング１の入力側側面１ａと交差する方向に延びている。
（コンデンサ）
　コンデンサ３は、外部入力導体２から入力された電荷を蓄えるとともに、電力変換に伴う電圧変動を抑えるための平滑コンデンサである。コンデンサ３は、ケーシング１に収容されている。外部入力導体２から入力された直流電圧は、コンデンサ３を経由して電力変換部４へ供給される。コンデンサ３は、本体部３ａと、接続導体３ｂとを有している。
　本体部３ａは、主として上述した平滑コンデンサの機能を発揮する部分である。接続導体３ｂは、本体部３ａから電力変換部４へ電力を伝えるための電気導体（バスバー）である。接続導体３ｂは、銅等の金属によって形成されている。接続導体３ｂは、正極側端子３ｐと、負極側端子３ｎとを有している。
　正極側端子３ｐは、コンデンサ３における正極を成しており、本体部３ａとパワーモジュール４０における正極とを接続する電流経路である。負極側端子３ｎは、コンデンサ３における負極を成しており、本体部３ａとパワーモジュール４０における負極とを接続する電流経路である。
　これら正極側端子３ｐ及び負極側端子３ｎは、間隔をあけて並んで配置されている。正極側端子３ｐ及び負極側端子３ｎのそれぞれの一端は、本体部３ａに接続されている。なお、正極側端子３ｐ及び負極側端子３ｎと、本体部３ａとの接続状態の詳細な図示は省略する。正極側端子３ｐ及び負極側端子３ｎのそれぞれの他端は、パワーモジュール４０に接続されている。
（電力変換部）
　電力変換部４は、コンデンサ３から入力された電圧を変換する。電力変換部４は、ケーシング１に収容されている。本実施形態における電力変換部４は、三相交流電力を出力するために、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相用の出力をそれぞれ担当する三つのパワーモジュール４０を有している。したがって、本実施形態における電力変換装置１００は、三つのパワーモジュール４０を備える三相インバータである。
　（パワーモジュール）
　パワーモジュール４０は、入力された電力を変換して出力する装置である。図２及び図３に示すように、パワーモジュール４０は、ベースプレート４１と、回路基板４２と、外部出力導体４３と、ケース４４と、絶縁部４５と、ボンディングワイヤＷｂとを備えている。
　ベースプレート４１は、平板状を成す部材である。ベースプレート４１は、表面４１ａと、この表面４１ａの裏側に位置する裏面４１ｂを有している。即ち、ベースプレート４１の表面４１ａと裏面４１ｂとは互いに平行をなした状態で背合わせになっている。ベースプレート４１の裏面４１ｂは、接合材等（図示省略）を介して、冷却器５に固定されている。本実施形態におけるベースプレート４１には、例えば銅が採用される。なお、ベースプレート４１には、アルミニウム等の金属が採用されてもよい。
　回路基板４２は、絶縁板４２１と、表面パターン４２２と、パワー半導体素子４２３と、裏面パターン４２４とを有している。
　絶縁板４２１は、平板状を成している。絶縁板４２１は、第一面４２１ａと、この第一面４２１ａの裏側に位置する第二面４２１ｂとを有している。即ち、絶縁板４２１の第一面４２１ａと第二面４２１ｂとは互いに平行をなした状態で背合わせになっている。絶縁板４２１の第二面４２１ｂには、銅箔等のパターンである裏面パターン４２４が一面に形成されている。当該裏面パターン４２４は、接合材Ｓを介してベースプレート４１の表面４１ａの中央に固定されている。
　本実施形態における絶縁板４２１は、例えばセラミック等の絶縁材料により形成されている。なお、絶縁板４２１を形成する絶縁材料としては、セラミック以外にも、紙フェノール、紙エポキシ、ガラスコンポジット、ガラスエポキシ、ガラスポリイミド、フッ素樹脂等を採用することができる。
　表面パターン４２２は、絶縁板４２１の第一面４２１ａに形成された平面状に広がる銅箔等のパターンである。表面パターン４２２は、例えば、絶縁板４２１の第一面４２１ａに接合等で固定された後、エッチング等がなされることにより形成される。
　表面パターン４２２は、絶縁板４２１の第一面４２１ａ上に複数配置されている。これら複数の表面パターン４２２は、絶縁板４２１が広がる方向で隙間を介して互いに隣接配置されている。本実施形態では、三つの表面パターン４２２が絶縁板４２１の第一面４２１ａ上に配置されている場合を一例として説明する。以下、説明の便宜上、これら三つの表面パターン４２２を第一表面パターン４２２ａ、第二表面パターン４２２ｂ、及び第三表面パターン４２２ｃと称する。
　第一表面パターン４２２ａ及び第二表面パターン４２２ｂは、コンデンサ３と直流電流の入出力をやり取りするためのパターンであり、表面パターン４２２に形成されるＰＮ間のループにおける入口部分もしくは出口部分に相当する。本実施形態では、第一表面パターン４２２ａにコンデンサ３における正極側端子３ｐの他端が接続されており、第二表面パターン４２２ｂにコンデンサ３における負極側端子３ｎの他端が接続されている。第三表面パターン４２２ｃには、パワー半導体素子４２３によって変換された交流電流を電力変換装置１００の外部に設けられた負荷（図示省略）へ出力するための外部出力導体４３が接続されている。
　パワー半導体素子４２３は、電圧や電流をオンオフするスイッチング動作により電力を変換する回路素子である。パワー半導体素子４２３は、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子である。本実施形態では、一例として、パワー半導体にＭＯＳＦＥＴを適用した場合を示している。これら四つのパワー半導体素子４２３は、回路基板４２の表面パターン４２２に接続されている。なお、パワー半導体素子４２３にＩＧＢＴを使用する場合は、ＩＧＢＴとは逆方向へ電流を流すダイオードを並列配置する必要がある。
　本実施形態における四つのパワー半導体素子４２３は、二つの第一パワー半導体素子４２３ａと、二つの第二パワー半導体素子４２３ｂとによって構成されている。第一パワー半導体素子４２３ａは、第一表面パターン４２２ａに接続されている。第二パワー半導体素子４２３ｂは、第三表面パターン４２２ｃに接続されている。
　パワー半導体素子４２３がＭＯＳＦＥＴの場合、パワー半導体素子４２３は、ドレインに相当する入力用端子（図示省略）が形成された入力面と、ソースに相当する出力用端子（図示省略）が形成された出力面と、パワー半導体素子４２３のスイッチングを制御するための制御信号入力用端子に相当するゲート（図示省略）とを有する。
　パワー半導体素子４２３の入力面は、表面パターン４２２に接合材を介して電気的に接続されている。パワー半導体素子４２３の出力面には、導線としてのボンディングワイヤＷｂの一端が電気的に接続されている。ボンディングワイヤＷｂは、アルミニウム等の金属によって形成されている。即ち、第一面４２１ａに形成された表面パターン４２２同士は、ワイヤボンディングによって電気的に接続されている。
　第一パワー半導体素子４２３ａの入力面は、第一表面パターン４２２ａに接続されている。一端が第一パワー半導体素子４２３ａの出力面に接続されたボンディングワイヤＷｂの他端は、第三表面パターン４２２ｃに接続されている。第二パワー半導体素子４２３ｂの入力面は、第三表面パターン４２２ｃに接続されている。一端が第二パワー半導体素子４２３ｂの出力面に接続されたボンディングワイヤＷｂの他端は、第二表面パターン４２２ｂに接続されている。
　第一パワー半導体素子４２３ａには、第一表面パターン４２２ａを介して直流電力が入力され、第二パワー半導体素子４２３ｂには、第二表面パターン４２２ｂ、及びこの第二表面パターン４２２ｂと第二パワー半導体素子４２３ｂとを接続するボンディングワイヤＷｂを介して直流電力が入力される。第一パワー半導体素子４２３ａと第二パワー半導体素子４２３ｂとがスイッチング動作を行うことにより、上記の直流電力が交流電力へ変換されて、第三表面パターン４２２ｃへ出力される。
　パワー半導体素子４２３には、回路基板４２の外部に設けられたゲート駆動用回路基板（図示省略）によって生成された制御信号が入力される。パワー半導体素子４２３は、この制御信号に従ってスイッチングを行う。なお、パワー半導体素子４２３がＩＧＢＴの場合、パワー半導体素子４２３は、コレクタに相当する入力面と、エミッタに相当する出力面と、制御信号入力用端子に相当するゲートとを有する。
　なお、ベースプレート４１の表面４１ａと絶縁板４２１の第二面４２１ｂに形成された裏面パターン４２４との接合、パワー半導体素子４２３と表面パターン４２２との接合、及び、ベースプレート４１の裏面４１ｂと冷却器５との接合に用いられる接合材Ｓには、例えば、半田や焼結材（金属等の粉末）等を採用することができる。
　外部出力導体４３は、パワー半導体素子４２３によって変換された後の交流電力を電力変換装置１００の外部へ出力するための電気導体（バスバー）である。外部出力導体４３は、銅等を含む金属により形成されている。外部出力導体４３の一端は、回路基板４２における第三表面パターン４２２ｃに接続されている。図１に示すように外部出力導体４３の他端は、ケーシング１の出力側側面１ｂよりも外側に延びている。外部出力導体４３の他端には、例えば、モータ等の負荷につながる電流出力用の配線（図示省略）が接続される。
　ケース４４は、ベースプレート４１の表面４１ａに固定された状態で、外部出力導体４３、及びコンデンサ３の接続導体３ｂを機械的に補強する部材である。ケース４４は、例えば、合成樹脂材料（絶縁材料）等により形成されている。本実施形態におけるケース４４を形成する材料には、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を採用することができる。なお、ＰＰＳ以外の合成樹脂材料を、ケース４４に採用してもよい。ケース４４は、ベースプレート４１の表面４１ａに、例えば接着剤等によって固定されている。
　ケース４４は、接続導体３ｂの正極側端子３ｐ及び負極側端子３ｎ、並びに外部出力導体４３を外側から覆った状態で、回路基板４２を外側から囲っている。図２及び図３に示すように、ケース４４は、ベースプレート４１の表面４１ａに沿う方向で、回路基板４２を周囲から囲むケース４４を成している。したがって、ケース４４は、ベースプレート４１とともに回路基板４２が収容される空間を画成している。本実施形態では、説明の便宜上、回路基板４２が収容されるこの空間を「ポッティング空間Ｒｐ」と称する。
　絶縁部４５は、ポッティング空間Ｒｐ内に配置されている絶縁部材である。ポッティング空間Ｒｐには、外部から液状のポッティング材が充填され（ポッティング）、ポッティング空間Ｒｐ内で露出する部材を封止する。ポッティング空間Ｒｐ内に充填されたポッティング材は、所定の時間がかけられることで硬化し、ポッティング空間Ｒｐ内における各部材間、及び各部材とパワーモジュール４０外部の空間とを電気的に絶縁する。
　本実施形態におけるポッティング材には、例えばシリコンゲルやエポキシ樹脂を用いることができる。なお、ポッティング材には、シリコンゲルやエポキシ樹脂以外の合成樹脂を採用してもよい。したがって、絶縁部４５は、このポッティング材によって形成されている。ポッティング空間Ｒｐ内における絶縁部４５は、回路基板４２、ボンディングワイヤＷｂ、外部出力導体４３、及びコンデンサ３の接続導体３ｂのそれぞれの表面を覆うように配置されている。
（冷却器）
　図１に示すように、冷却器５は、主として電力変換部４のパワーモジュール４０を冷却する装置である。冷却器５は、ケーシング１に積層されるように設けられており、ケーシング１に固定され一体化されている。冷却器５は、基部５１と、放熱フィン５２とを有している。なお、図３中では、基部５１及び放熱フィン５２は、点線で示されている。
　基部５１は、板状を成している。基部５１は、接合材を介して、パワーモジュール４０におけるベースプレート４１の裏面４１ｂに接合される接合面５１ａと、この接合面５１ａとは反対側を向く放熱面５１ｂとを有している。
　接合面５１ａと放熱面５１ｂとは、互いに平行を成した状態で背合わせになっている。放熱フィン５２は、基部５１の放熱面５１ｂに複数配置されている柱状を成す部材である。各放熱フィン５２は、基部５１を中心に、パワーモジュール４０とは反対の側へ放熱面５１ｂから突出している。
　冷却器５には、例えば、外部から水等の液冷媒Ｗが導入される。基部５１の放熱面５１ｂと、放熱フィン５２は、この外部から導入された液冷媒Ｗと接触することで冷却される。液冷媒Ｗは、パワーモジュール４０から基部５１及び放熱フィン５２へ伝導した熱と熱交換して温められると同時に、パワーモジュール４０を冷却する。
（制御基板）
　制御基板６は、パワーモジュール４０におけるパワー半導体素子４２３等の駆動を制御する基板である。制御基板６は、パワーモジュール４０と隙間を介した状態でケーシング１に収容されている。図２及び図３に示すように、制御基板６は、例えば、パワーモジュール４０におけるベースプレート４１に固定されたボルトＢ等によってパワーモジュール４０側から支持されている。本実施形態では、このボルトＢがベースプレート４１及び制御基板６に締結されることで、制御基板６がケーシング１内でパワーモジュール４０と隙間を介した状態で位置決めされている。なお、制御基板６とパワー半導体素子４２３とは、信号線等（図示省略）によって電気的に接続されている。
（遮熱部）
　遮熱部７は、パワーモジュール４０から制御基板６へ熱が伝わることを抑制する。遮熱部７は、ケーシング１に収容されている。遮熱部７は、パワーモジュール４０と制御基板６との間に配置されている。本実施形態における遮熱部７は、板状を成す遮熱板７０である。遮熱板７０は、この遮熱板７０の厚みの部分に相当する面としての外縁部７０ａを有している。外縁部７０ａは、ケーシング１の内面１０、及びコンデンサ３の本体部３ａに当接している。
　本実施形態における遮熱板７０は、ケーシング１の内面１０における側面１３に当接することで、ケーシング１内をパワーモジュール４０が配置された第一空間Ｒ１と、制御基板６が配置された第二空間Ｒ２とに区画している。なお、詳細な図示は省略するが、遮熱板７０には、例えば、パワーモジュール４０におけるベースプレート４１と制御基板６とを接続する上記のボルトＢが挿通する孔が形成されており、この孔にボルトＢが挿通することによって、遮熱板７０がケーシング１内でパワーモジュール４０側から支持されている。
　遮熱板７０は、この遮熱板７０の板厚方向への熱伝導率よりも遮熱板７０の面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されている。本実施形態における遮熱板７０は、グラフェンによって形成されている。具体的には、遮熱板７０は、例えば、シート状を成すグラフェンが多数積層されることによって外縁部７０ａを有するように形成されている。
　ここで、図４を用いて、本実施形態における遮熱板７０にパワーモジュール４０から熱が伝わった際、この遮熱板７０における熱が移動する方向を説明する。図４中では、熱が移動する様子を実線の矢印で示している。遮熱板７０中の熱は、この遮熱板７０の面内方向に移動するとともに、ケーシング１の内面１０における側面１３に当接した外縁部７０ａを通じてケーシング１に移動する。
　また、遮熱板７０中の熱は、この遮熱板７０の面内方向に移動するとともに、コンデンサ３の本体部３ａに当接した外縁部７０ａを通じて本体部３ａに移動する。つまり、パワーモジュール４０が配置された第一空間Ｒ１側から遮熱板７０に伝わった熱は、遮熱板７０によって第二空間Ｒ２側へ移動することが抑制される。また、この熱は、遮熱板７０に留まることがなく、ケーシング１及びコンデンサ３の本体部３ａに伝導する。
（作用・効果）
　パワーモジュール４０における回路基板４２には、コンデンサ３の本体部３ａからの電流を入力するための接続導体３ｂや、変換された電流を電力変換装置１００の外部へ出力するための外部出力導体４３が接続されている。そのため、例えば、ケーシング１内に冷却器５に接続された遮熱部７を配置して、ケーシング１内を第一空間Ｒ１と第二空間Ｒ２とに区画する際、遮熱部７をこれら接続導体３ｂ及び外部出力導体４３と干渉しないような複雑な形状を採用する場合がある。
　上記構成によれば、パワーモジュール４０から制御基板６へ熱が伝わることを抑制する遮熱部７が、遮熱板７０といった簡易な構成で実現されている。また、遮熱板７０の外縁部７０ａがケーシング１の内面１０及びコンデンサ３の本体部３ａに当接することで区画されるケーシング１内の第一空間Ｒ１から第二空間Ｒ２へ熱の移動が抑制されるとともに、遮熱板７０に伝わった熱は、ケーシング１及びコンデンサ３の本体部３ａへ移動する。これにより、遮熱板７０に伝わった熱を遮熱板７０に留まらせずに、この熱をケーシング１やコンデンサ３の本体部３ａ等の冷却器５とは異なる部品へ逃がすことができる。したがって、例えば、冷却器５が遮熱部７を直接的に冷却する構成と比較して、冷却器５にかかる負荷を低減させることができる。その結果、より簡易な構成でパワーモジュール４０から制御基板６へ伝わる熱を遮断しつつ、冷却器５にかかる負荷が増大することを抑制することができる。
　また、上記構成によれば、遮熱板７０が、板厚方向への熱伝導率よりも面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されているため、第一空間Ｒ１から第二空間Ｒ２へ熱が移動することをより抑制しつつ、遮熱板７０に熱が留まることをより抑制することができる。
［第二実施形態］
　次に、本開示に係る電力変換装置１００の第二実施形態について図５を参照して説明する。なお、以下に説明する第二実施形態では、上記の第一実施形態と共通する構成については図中に同符号を付してその説明を省略する。第二実施形態では、パワーモジュール４０における遮熱部７の構成が、第一実施形態で説明した構成と異なっている。
（遮熱部）
　遮熱部７は、パワーモジュール４０から制御基板６へ熱が伝わることを抑制する。本実施形態における遮熱部７は、平板部７１と、複数の側壁板部７２とを有している。
　平板部７１は、板状を成している。平板部７１は、パワーモジュール４０と制御基板６との間の隙間に配置されている。平板部７１は、この平板部７１の厚みの部分に相当する面としての外縁部７１ａを有している。側壁板部７２は、板状を成している。本実施形態における側壁板部７２は、平板部７１と一体を成すようにこの平板部７１における四つの外縁部７１ａのそれぞれに接続された状態で、ケーシング１の内面１０における天面１１に固定されている。側壁板部７２の外縁部７２ａは、天面１１に当接している。したがって、四つの側壁板部７２は、平板部７１と一体にケーシング１に収容されており、この平板部７１と天面１１とを接続している。なお、天面１１と第一実施形態で説明した側面１３とは、垂直の関係にある。
　四つの側壁板部７２のうち、隣り合う側壁板部７２同士は一体に接続されている。したがって、ケーシング１内の空間は、これら平板部７１と四つの側壁板部７２とによって、パワーモジュール４０が配置された第一空間Ｒ１と、制御基板６が配置された第二空間Ｒ２とに区画されている。本実施形態における第一空間Ｒ１の容積は、第二空間Ｒ２の容積よりも大きい。
　四つの側壁板部７２は、平板部７１の広がる方向から制御基板６を囲っている。即ち、四つの側壁板部７２は、平板部７１の面内方向から制御基板６を囲っている。図５中では、紙面の都合上、四つの側壁板部７２のうち、制御基板６を間に挟んだ状態で対向する二つの側壁板部７２の断面のみが示されている。
　なお、詳細な図示は省略するが、平板部７１には、例えば、パワーモジュール４０におけるベースプレート４１と制御基板６とを接続する上記のボルトＢが挿通する孔が形成されており、この孔にボルトＢが挿通することによって、平板部７１がケーシング１内でパワーモジュール４０側から支持されている。
　平板部７１は、この平板部７１の板厚方向への熱伝導率よりも平板部７１の面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されている。また、側壁板部７２は、この側壁板部７２の板厚方向への熱伝導率よりも側壁板部７２の面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されている。本実施形態における平板部７１及び側壁板部７２は、グラフェンによって形成されている。
　ここで、図６を用いて、本実施形態における遮熱部７にパワーモジュール４０から熱が伝わった際、この遮熱部７における熱が移動する方向を説明する。図６中では、熱が移動する様子を実線の矢印で示している。遮熱部７中の熱は、この遮熱部７の平板部７１及び側壁板部７２それぞれの面内方向に移動するとともに、天面１１に当接した側壁板部７２の外縁部７２ａを通じてケーシング１に移動する。つまり、パワーモジュール４０が配置された第一空間Ｒ１側から遮熱部７に伝わった熱は、平板部７１及び側壁板部７２によって第二空間Ｒ２側へ移動することが抑制される。また、この熱は、これら平板部７１及び側壁板部７２に留まることがなく、側壁板部７２からケーシング１に伝導する。
（作用・効果）
　上記構成では、平板部７１と、この平板部７１の面内方向（平板部７１の広がる方向）から制御基板６を囲む四つの側壁板部７２とによって遮熱部７が構成されている。各側壁板部７２の外縁部７２ａは、ケーシング１の内面１０における天面１１に接続されている。これにより、熱が対流することによって第一空間Ｒ１から第二空間Ｒ２へ移動することをより抑制することができる。
　また、上記構成によれば、遮熱部７の平板部７１及び側壁板部７２が、板厚方向への熱伝導率よりも面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されている。したがって、第一空間Ｒ１から第二空間Ｒ２へ熱が移動することをより抑制しつつ、遮熱部７に熱が留まることをより抑制することができる。
（その他の実施形態）
　以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
　なお、第一実施形態で説明された遮熱板７０は、グラフェンによって形成される構成に限定されることはなく、例えば、ボロフェン等の材料によって形成されてもよい。したがって、遮熱板７０は、板厚方向への熱伝導率よりも面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されていればよい。また、第二実施形態で説明した遮熱部７における平板部７１及び側壁板部７２は、グラフェンによって形成される構成に限定されることはなく、例えば、ボロフェン等の材料によって形成されてもよい。したがって、実施形態で説明した遮熱板７０、平板部７１、及び側壁板部７２は、板厚方向への熱伝導率よりも面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されていればよい。
　また、第二実施形態で説明された側壁板部７２は、ケーシング１の内面１０における側面１３に当接する構成であってもよい。
　また、上述した電力変換装置１００は、遮熱部７とパワーモジュール４０との間に配置され、パワー半導体素子４２３のスイッチングを制御可能なゲート駆動用基板（図示省略）を更に備えてもよい。ゲート駆動用基板は、例えば、パワー半導体素子４２３におけるゲート、及び制御基板６と信号線等によって電気的に接続されている。また、ゲート駆動用基板には、例えば、上記のボルトＢが挿通する孔が形成されており、この孔にボルトＢが挿通することによって、ゲート駆動用基板がケーシング１内でパワーモジュール４０側から支持されてもよい。
　したがって、遮熱部７は、上述した制御回路をケーシング１内でパワーモジュール４０から熱的に保護する構成であればよい。
　また、図７に示すように、電力変換装置１００は、ケーシング１に収容され、外部出力導体４３を流れる電流値を検出可能な電流センサ８を更に備えてもよい。電流センサ８は、外部出力導体４３と非接触状態で電流値を測定可能な貫通型電流センサ（カレントトランス）である。電流センサ８は、冷却器５における基部５１の接合面５１ａに当接した状態で、外部出力導体４３の一部の外面を取り囲むように配置されている。電力変換装置１００が電流センサ８を備えている場合、第一実施形態で説明した遮熱板７０の外縁部７０ａは、例えば、この電流センサ８に当接してもよい。
　なお、上記実施形態では、電力変換装置１００としてインバータを一例にして説明したが、電力変換装置１００はインバータに限定されることはない。電力変換装置１００は、例えば、コンバータや、インバータとコンバータとを組み合わせたもの等、パワー半導体素子４２３により電力変換を行う装置であってもよい。電力変換装置１００がコンバータの場合は、外部の入力電源（図示省略）から外部出力導体４３に交流電圧が入力されて回路基板４２におけるパワー半導体素子４２３がこの交流電圧を直流電圧に変換し、パワー半導体素子４２３からの直流電圧が接続導体３ｂを通じて電力変換装置１００の外部へ出力される構成であってもよい。
［付記］
　各実施形態に記載の電力変換装置は、例えば以下のように把握される。
　（１）第１の態様に係る電力変換装置１００は、ケーシング１と、前記ケーシング１に収容されたコンデンサ３と、前記ケーシング１に収容され、前記コンデンサ３からの直流電圧を交流電圧に変換するパワーモジュール４０と、前記パワーモジュール４０を冷却する冷却器５と、前記パワーモジュール４０と隙間を介した状態で前記ケーシング１に収容され、前記パワーモジュール４０の駆動を制御する制御基板６と、前記ケーシング１に収容され、前記パワーモジュール４０と前記制御基板６との間に配置された遮熱部７と、を備え、前記遮熱部７は、前記ケーシング１の内面１０に当接することで、前記ケーシング１内を前記パワーモジュール４０が配置された空間と前記制御基板６が配置された空間とに区画する。
　これにより、遮熱部７がケーシング１の内面１０に当接するといった簡易な構成で、遮熱部７によって区画されるケーシング１内の空間同士で熱が移動することを抑制することができる。また、遮熱部７に伝わった熱は、ケーシング１へ移動するため、この熱を遮熱板７０に留まらせずにケーシング１へ逃がすことができる。
　（２）第２の態様に係る電力変換装置１００は、前記第１の態様に係る電力変換装置１００であって、前記遮熱部７は、前記パワーモジュール４０と前記制御基板６との間の前記隙間に配置された遮熱板７０を有し、前記遮熱板７０の外縁部７０ａは、前記ケーシング１の前記内面１０に当接していてもよい。
　これにより、パワーモジュール４０から制御基板６へ熱が伝わることを抑制可能な遮熱部７を、遮熱板７０といった簡易な構成で実現することができる。
　（３）第３の態様に係る電力変換装置１００は、前記第２の態様に係る電力変換装置１００であって、前記遮熱板７０は、該遮熱板７０の板厚方向への熱伝導率よりも前記遮熱板７０の面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されていてもよい。
　これにより、遮熱板７０によって区画されるケーシング１内の空間同士で熱が移動することをより抑制しつつ、遮熱板７０に熱が留まることをより抑制することができる。
　（４）第４の態様に係る電力変換装置１００は、前記第１の態様に係る電力変換装置１００であって、前記遮熱部７は、前記パワーモジュール４０と前記制御基板６との間の前記隙間に配置された平板部７１と、前記平板部７１の外縁部７１ａと前記ケーシング１の前記内面１０とを接続することで、前記制御基板６を前記平板部７１の面内方向から囲む複数の側壁板部７２と、を有してもよい。
　これにより、熱の対流によって熱がパワーモジュール４０側の空間から制御基板６側の空間へ移動することをより抑制することができる。
　（５）第５の態様に係る電力変換装置１００は、前記第４の態様に係る電力変換装置１００であって、前記平板部７１及び前記側壁板部７２は、これら平板部７１及び側壁板部７２の板厚方向への熱伝導率よりもこれら平板部７１及び側壁板部７２の面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されていてもよい。
　これにより、遮熱部７によって区画されるケーシング１内の空間同士で熱が移動することをより抑制しつつ、遮熱部７の平板部７１及び側壁板部７２に熱が留まることをより抑制することができる。
　本開示によれば、より簡易な構成でパワーモジュールから制御基板へ伝わる熱を遮断しつつ、冷却器にかかる負荷が増大することを抑制可能な電力変換装置を提供することができる。
　１…ケーシング　１ａ…入力側側面　１ｂ…出力側側面　２…外部入力導体　３…コンデンサ　３ａ…本体部　３ｂ…接続導体　３ｐ…正極側端子　３ｎ…負極側端子　４…電力変換部　５…冷却器　６…制御基板　７…遮熱部　８…電流センサ　１０…内面　１１…天面　１３…側面　４０…パワーモジュール　４１…ベースプレート　４１ａ…表面　４１ｂ…裏面　４２…回路基板　４３…外部出力導体　４４…ケース　４５…絶縁部　５１…基部　５１ａ…接合面　５１ｂ…放熱面　５２…放熱フィン　７０…遮熱板　７０ａ，７１ａ，７２ａ…外縁部　７１…平板部　７２…側壁板部　１００…電力変換装置　４２１…絶縁板　４２１ａ…第一面　４２１ｂ…第二面　４２２…表面パターン　４２２ａ…第一表面パターン　４２２ｂ…第二表面パターン　４２２ｃ…第三表面パターン　４２３…パワー半導体素子　４２３ａ…第一パワー半導体素子　４２３ｂ…第二パワー半導体素子　４２４…裏面パターン　Ｂ…ボルト　Ｒ１…第一空間　Ｒ２…第二空間　Ｒｐ…ポッティング空間　Ｓ…接合材　Ｗ…液冷媒　Ｗｂ…ボンディングワイヤ

Claims (5)

  1. 　ケーシングと、
    　前記ケーシングに収容されたコンデンサと、
    　前記ケーシングに収容され、前記コンデンサからの直流電圧を交流電圧に変換するパワーモジュールと、
    　前記パワーモジュールを冷却する冷却器と、
    　前記パワーモジュールと隙間を介した状態で前記ケーシングに収容され、前記パワーモジュールの駆動を制御する制御基板と、
    　前記ケーシングに収容され、前記パワーモジュールと前記制御基板との間に配置された遮熱部と、
    　を備え、
    　前記遮熱部は、前記ケーシングの内面に当接することで、前記ケーシング内を前記パワーモジュールが配置された空間と前記制御基板が配置された空間とに区画する
    　電力変換装置。
  2. 　前記遮熱部は、前記パワーモジュールと前記制御基板との間の前記隙間に配置された遮熱板を有し、
    　前記遮熱板の外縁部は、前記ケーシングの前記内面に当接している
    　請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記遮熱板は、該遮熱板の板厚方向への熱伝導率よりも前記遮熱板の面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されている
    　請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記遮熱部は、
    　前記パワーモジュールと前記制御基板との間の前記隙間に配置された平板部と、
    　前記平板部の外縁部と前記ケーシングの前記内面とを接続することで、前記制御基板を前記平板部の面内方向から囲む複数の側壁板部と、
    　を有する
    　請求項１に記載の電力変換装置。
  5. 　前記平板部及び前記側壁板部は、これら平板部及び側壁板部の板厚方向への熱伝導率よりもこれら平板部及び側壁板部の面内方向への熱伝導率が高い熱伝導材によって形成されている
    　請求項４に記載の電力変換装置。
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