JP6593503B2

JP6593503B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6593503B2
Application number: JP2018161481A
Authority: JP
Inventors: 幸憲水野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2019-10-23
Anticipated expiration: 2034-10-14
Also published as: JP2019013142A

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続したコンデンサとを備える電力変換装置に関する。

直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを積層した積層体を備え、この積層体を、金属製のケースに収納したものが知られている（下記特許文献１参照）。

上記電力変換装置では、上記ケースに、板ばね等の加圧部材を収納してある。この加圧部材によって、積層体を積層方向に加圧している。これにより、半導体モジュールと冷却管との接触圧を確保しつつ、積層体をケース内に固定するよう構成されている。また、ケースには、半導体モジュールに接続したコンデンサを収納してある。

ケースは、外郭をなす外壁部と、ケース内に形成され上記外壁部に連結した隔壁部とを備える。この隔壁部によって、ケース内の空間を、上記コンデンサを収納するコンデンサ収納空間と、上記積層体を収納する積層体収納空間とに区画してある。隔壁部には、上記加圧部材の加圧力が加わっている。

上記コンデンサは、樹脂製のコンデンサケースと、該コンデンサケース内に配されたコンデンサ素子と、該コンデンサ素子をコンデンサケース内に封止する封止部材とを備える。このコンデンサを、上記コンデンサ収納空間に収納してある。コンデンサケースと上記ケースとの間には、隙間が形成されている（図１０参照）。

特開２０１３−５５８４０号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、コンデンサの冷却性能が充分に高くないという問題がある。すなわち、上述したように、上記電力変換装置では、コンデンサ素子を上記コンデンサケース内に封止してあり、このコンデンサケースと上記ケースとの間に隙間を形成してある。そのため、コンデンサ素子から発生した熱は、封止部材とコンデンサケースと隙間とを通って、金属製の上記ケースに伝わる。したがって、コンデンサ素子からケースまでの熱抵抗が大きく、コンデンサの冷却性能を充分に高めることができない。

また、上記電力変換装置は、隔壁部とコンデンサとの間に隙間があるため、上記加圧部材の加圧力を、上記隔壁部によって受け止める必要がある。そのため、上記加圧力によって変形しないように、隔壁部を厚く形成する必要がある。したがって、電力変換装置を軽量化しにくいという問題がある。また、隔壁部が厚いと、ケースを小型化しにくくなり、ひいては電力変換装置を小型化しにくくなる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、より小型化、軽量化できると共に、コンデンサの冷却効率を向上できる電力変換装置を提供しようとするものである。

（参考発明）
本発明の参考発明は、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを積層した積層体と、
上記半導体モジュールに接続したコンデンサと、
上記積層体を該積層体の積層方向に加圧する加圧部材と、
上記積層体と上記コンデンサと上記加圧部材とを収納する金属製のケースとを備え、
該ケースは、外郭をなす外壁部と、上記ケース内に形成され上記外壁部に連結した隔壁部とを有し、該隔壁部によって、上記ケース内の空間を、上記コンデンサを収納するコンデンサ収納空間と、上記積層体を収納する積層体収納空間とに区画してあり、
上記コンデンサは、上記コンデンサ収納空間に収納されたコンデンサ素子と、上記コンデンサ収納空間に充填され上記コンデンサ素子を封止する封止部材と、
上記コンデンサは、上記積層方向において上記積層体に隣り合う位置に設けられ、上記隔壁部のうち、上記積層体と上記コンデンサとの間に介在する介在隔壁部には、その厚さ方向に、上記加圧部材の加圧力が加わっており、
上記介在隔壁部は、上記外壁部のいずれの部位よりも、厚さが薄いことを特徴とする電力変換装置にある。

上記参考発明では、封止部材によって、上記コンデンサ収納空間を充填してある。
そのため、封止部材を、ケースの隔壁部や外壁部に接触させることができる。したがって、コンデンサ素子から発生した熱を、封止部材を介して、金属製のケースにすぐに伝えることができる。そのため、コンデンサ素子からケースまでの熱抵抗を小さくすることができ、コンデンサの冷却効率を高めることができる。

また、上記電力変換装置では、上記隔壁部のうち、コンデンサと積層体との間に介在する上記介在隔壁部を、上記外壁部のいずれの部位よりも薄くしてある。
そのため、ケースを小型化でき、かつ軽量化することができる。上記電力変換装置では、封止部材によってコンデンサ収納空間を充填してあるため、封止部材を介在隔壁部に接触させることができる。したがって、封止部材と介在隔壁部との間に隙間が存在しておらず、加圧部材の加圧力が介在隔壁部に加わっても、この加圧力を封止部材によって受け止めることができる。そのため、介在隔壁部を薄くすることができ、ケースの小型化および軽量化を達成することができる。

以上のごとく、上記参考発明によれば、より軽量化でき、小型化できると共に、コンデンサの冷却効率を向上できる電力変換装置を提供することができる。

本発明の一態様は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器とを有する構造体と、
上記半導体モジュールに接続したコンデンサと、
上記半導体モジュールのスイッチング動作を制御する制御回路基板と、
上記構造体と上記コンデンサと上記制御回路基板とを収容する、金属製のケースと、
上記ケース内の空間を、上記コンデンサを収納するコンデンサ収納空間と、その他の部品を収納する空間とに区画して、両空間の間に配置される第１隔壁部とを備え、
上記ケースの一部には上記冷却器が接触すると共に、
上記ケースの一部には上記第１隔壁部が接続されており、
上記制御回路基板の厚さ方向において、上記構造体を上記制御回路基板に投影した領域から外れた位置にて、上記制御回路基板を上記第１隔壁部に接続された第２隔壁部の一部に固定してある、電力変換装置にある。

実施例１における、電力変換装置の断面図であって、図２のI-I断面図。図１のII-II断面図。図１のIII-III断面図。図２のIV-IV断面図。実施例１における、ケース本体の分解斜視図。実施例１における、電力変換装置の回路図。実施例２における、電力変換装置の断面図。実施例３における、電力変換装置の断面図。実施例４における、電力変換装置の断面図。比較例における、電力変換装置の断面図。

上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置とすることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置に係る実施例について、図１〜図６を用いて説明する。図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、積層体１０と、コンデンサ３と、金属製のケース４と、加圧部材５とを備える。
積層体１０は、半導体素子２０（図６参照）を内蔵した複数の半導体モジュール２と、該半導体モジュール２を冷却する複数の冷却管１１とを積層してなる。コンデンサ３は、半導体モジュール２に接続している。

加圧部材５は、積層体１０を該積層体１０の積層方向（Ｘ方向）に加圧している。これにより、半導体モジュール２と冷却管１１との接触圧を確保しつつ、積層体１０をケース４内に固定している。
上記積層体１０とコンデンサ３と加圧部材５とは、ケース４に収納されている。

ケース４は、外郭をなす外壁部４１と、ケース４内に形成され外壁部４１に連結した隔壁部４２とを有する。この隔壁部４２によって、ケース４内の空間を、コンデンサ３を収納するコンデンサ収納空間Ｓ_Ｃと、積層体１０を収納する積層体収納空間Ｓ_Ｌとに区画している。

コンデンサ３は、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃに収納されたコンデンサ素子３０と、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃに充填され、コンデンサ素子３０を封止する封止部材３１とを備える。

コンデンサ３は、Ｘ方向において積層体１０に隣り合う位置に設けられている。隔壁部４２のうち、積層体１０とコンデンサ３との間に介在する介在隔壁部４２ａには、その厚さ方向（Ｘ方向）に、加圧部材５の加圧力Ｆが加わっている。
介在隔壁部４２ａは、外壁部４１のいずれの部位よりも、厚さが薄くなっている。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。

図６に示すごとく、本例では、複数の半導体モジュール２によってインバータ回路２００を構成してある。半導体モジュール２内の半導体素子２０（ＩＧＢＴ素子）をオンオフさせることにより、直流電源８１から供給される直流電力を交流電力に変換している。そして、得られた交流電力を用いて、三相交流モータ８２を駆動し、上記車両を走行させている。

上記コンデンサ３は、半導体モジュール２に接続している。このコンデンサ３を用いて、半導体モジュール２に加わる直流電圧を平滑化している。

図３、図４に示すごとく、本例の電力変換装置１は、隔壁部４２として、上記介在隔壁部４２ａと、底隔壁部４２ｂと、側方隔壁部４２ｃとを備える。底隔壁部４２ｂは、介在隔壁部４２ａに直交している。底隔壁部４２ｂは、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃの開口部１２とは反対側に設けられている。

また、側方隔壁部４２ｃは、介在隔壁部４２ａと側方隔壁部４２ｂとの双方に直交している。本例では、介在隔壁部４２ａと、底隔壁部４２ｂと、側方隔壁部４２ｂと、外壁部４１とによって囲まれた空間を、上記コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃとしてある。

介在隔壁部４２ａと底隔壁部４２ｂと側方隔壁部４２ｂとは、ケース４の外壁部４１のいずれの部位よりも、厚さが薄くなっている。

上述したように、本例では、隔壁部４２（４２ａ〜４２ｃ）によって、ケース４内の空間を、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃと積層体収納空間Ｓ_Ｌとに区画してある。積層体収納空間Ｓ_Ｌには、積層体１０の他に、制御回路基板６や、端子台１６が収納されている。

図３、図４に示すごとく、コンデンサ３は、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃに収納されたコンデンサ素子３０と、該コンデンサ素子３０をコンデンサ収納空間Ｓ_Ｃに封止する封止部材３１と、コンデンサ素子３０に接続した電極板３２，３３とを備える。コンデンサ素子３０は、いわゆるフィルムコンデンサである。

封止部材３１は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる。封止部材３１は、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃにおける、コンデンサ素子３０及び電極板３２，３３と、ケース４との間の隙間を充填している。これにより、コンデンサ素子３０及び電極板３２，３３を封止している。電極板３２，３３は、コンデンサ素子３０の電極面３５０，３５１に接続している。電極板３２，３３の一部は、封止部材３１から突出している。電極板３２，３３は、後述する直流バスバー３４と一体化している。

コンデンサ３を製造する際には、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃにコンデンサ素子３０を収納し、さらに、未硬化の封止部材３１を注入する。そして、熱を加えて、封止部材３１を硬化させる。このようにして、コンデンサ３は製造される。

一方、図４に示すごとく、本例では、Ｘ方向における積層体１０と介在隔壁部４２ａとの間に、上記加圧部材５を設けてある。本例の加圧部材５は板ばねである。この加圧部材５によって、積層体１０を、ケース４の外壁部４１ａに向けて加圧している。加圧部材５の加圧力Ｆは、介在隔壁部４２ａ及びコンデンサ３に加わっている。

Ｘ方向に隣り合う２つの冷却管１１は、該冷却管１１の長手方向（Ｙ方向）における両端部にて、連結管１７によって連結されている。また、複数の冷却管１１のうち、Ｘ方向における一端に位置する端部冷却管１１ａには、冷媒１５を導入するための導入管１３と、冷媒１５を導出するための導出管１４とが接続している。導入管１３から冷媒１５を導入すると、冷媒１５は、連結管１７を通って全ての冷却管１１を流れ、導出管１４から導出する。これにより、半導体モジュール２を冷却している。

図２に示すごとく、半導体モジュール２は、半導体素子２０を内蔵した本体部２１と、該本体部２１から突出したパワー端子２２と、制御端子２３とを備える。パワー端子２２には、直流電圧が加わる直流端子２３ｐ，２３ｎと、三相交流モータ８２（図６参照）に接続される交流端子２３ｃとがある。直流端子２３ｐ，２３ｎは、直流バスバー２３ｐ，２３ｎを介して、コンデンサ３に接続している。

制御端子２３は、制御回路基板６に接続している。この制御回路基板６によって、半導体素子２０（図６参照）のオンオフ動作を制御している。これにより、直流電源８１から供給される直流電力を交流電力に変換している。

図１に示すごとく、電力変換装置１は、直流電源８１（図６参照）に接続するための入力端子７１と、三相交流モータ８２に接続するための出力端子７２とを備える。入力端子７１は、コンデンサ３に接続している。また、半導体モジュール２の上記交流端子２２ｃには、交流バスバー７２０が接続している。この交流バスバー７２０の端部が、上記出力端子７２となっている。

図１、図４に示すごとく、ケース４内には、入力端子７１と出力端子７２とを載置する端子台１６を収納してある。端子台１６は樹脂製である。端子台１６は、Ｙ方向においてコンデンサ３に隣り合う位置に設けられている。

図１、図５に示すごとく、ケース４の外壁部４１には、コネクタ挿入孔４９が形成されている。コネクタ挿入孔４９は、Ｙ方向に貫通している。このコネクタ挿入孔４９に、コネクタ１８を挿入してある。コネクタ１８の入力コネクタ端子１８１は、電力変換装置１の入力端子７１に接続している。また、コネクタ１８の出力コネクタ端子１８２は、上記出力端子７２に接続している。このコネクタ１８を介して、電力変換装置１を、上記直流電源８１及び上記三相交流モータ８２に電気接続してある。

図２、図３に示すごとく、本例のケース４は、積層体１０及びコンデンサ３を収納するケース本体４０１と、該ケース本体４０１に取り付けられたカバー４０２，４０３とを備える。カバー４０２，４０３も、ケース４の外壁部４１を構成している。

図５に示すごとく、ケース本体４０１には、上記隔壁部４２の他に、複数の補強壁部４３が形成されている。この補強壁部４３によって、ケース４の剛性を高めている。これにより、加圧部材５（図４参照）の加圧力Ｆによってケース４が変形しないようにしてある。

また、ケース４の外壁部４１のうち、上記導入管１３及び導出管１４を設けた外壁部４１ａは、第１外壁部４１１と第２外壁部４１２とを重ねた二重構造になっている。第１外壁部４１１は、ケース４の内側に位置し、第２外壁部４１２は、ケース４の外側に位置している。第１外壁部４１１には、Ｘ方向に貫通した貫通穴４４が形成されている。この貫通孔４４を、第２外壁部４１２によって塞いでいる。第２外壁部４１２は、ボルト４８によって、第１外壁部４１１に固定されている。

図２に示すごとく、Ｙ方向に隣り合う２枚の補強壁４３ａ，４３ｂの、Ｙ方向における間隔Ｌは、冷却管１１のＹ方向長さよりも短い。そのため、電力変換装置１を製造する際に、２枚の補強壁４３ａ，４３ｂの間の隙間Ｇから、冷却管１１をケース４内に入れることはできない。したがって本例では、上記貫通穴４４から、冷却管１１をケース４内に入れるようにしてある。

本例の作用効果について説明する。図１、図３に示すごとく、本例では、封止部材３１によって、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃを充填してある。
そのため、封止部材３１を、ケース４の隔壁部４２や外壁部４１に接触させることができる。したがって、コンデンサ素子３０から発生した熱を、封止部材３１を介して、金属製のケース４にすぐに伝えることができる。そのため、コンデンサ素子３０からケース４までの熱抵抗を小さくすることができ、コンデンサ３の冷却効率を高めることができる。

また、本例では、上記隔壁部４２のうち、コンデンサ３と積層体１０との間に介在する介在隔壁部４２ａを、外壁部４１のいずれの部位よりも薄くしてある。
そのため、ケース４を小型化でき、かつ軽量化することができる。本例では、封止部材３１によってコンデンサ収納空間Ｓ_Ｃを充填してあるため、封止部材３１を介在隔壁部４２ａに接触させることができる。したがって、封止部材３１と介在隔壁部４２ａとの間に隙間が存在しておらず、加圧部材５の加圧力Ｆが介在隔壁部４２ａに加わっても、この加圧力Ｆを封止部材３１によって受け止めることができる。そのため、介在隔壁部４２ａを薄くすることができ、ケース４の小型化および軽量化を達成することができる。

仮に、図１０に示すごとく、コンデンサ素子９３０をコンデンサケース９９内に封止してコンデンサ９３を構成したとすると、コンデンサ９３を容易に収納できるようにするために、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃを若干大き目に形成する必要が生じる。そのため、コンデンサ９３とケース９４との間に隙間ｇが形成されてしまう。したがって、コンデンサ素子９３０から発生した熱は、封止部材９３１と、コンデンサケース９９と、隙間ｇとを通ってケース９４に伝わることになる。そのため、コンデンサ素子９３０からケース９４までの熱抵抗が大きくなり、コンデンサ９３の冷却効率を充分に高めにくくなる。

また、隙間ｇが形成されると、加圧部材９５の加圧力Ｆを、介在隔壁部９４２ａによって受け止める必要が生じる。そのため、加圧力Ｆによって変形しないように、介在隔壁部９４２ａを厚くする必要が生じる。したがって、ケース９４が大型化し、重量が重くなりやすい。

これに対して、図３に示すごとく、本例のように、封止部材３１によってコンデンサ収納空間Ｓ_Ｃを充填すれば、封止部材３１がケース４の隔壁部４２等に接触するため、コンデンサ素子３０から発生した熱は、封止部材３１を介してケース４にすぐに伝わるようになる。そのため、コンデンサ３の冷却効率を高めることができる。また、封止部材３１と介在隔壁部４２ａとの間に隙間が形成されないため、介在隔壁部４２ａに加わった、加圧部材５の加圧力Ｆを、封止部材３１によって受け止めることができる。そのため、介在隔壁部４２ａを薄くすることができ、ケース４を小型化および軽量化することができる。

また、図１、図３に示すごとく、本例では、介在隔壁部４２ａの他に、底隔壁部４２ｂおよび側方隔壁部４２ｃも、上記外壁部４１のいずれの部位よりも厚さを薄くしてある。
そのため、ケース４をより軽量化することができ、かつ小型化することができる。したがって、電力変換装置１を軽量化および小型化することができる。

また、図１、図３に示すごとく、本例では、外壁部４１として、Ｘ方向においてコンデンサ３よりも積層体１０から遠い位置に配された支持外壁部４１ｄを備える。コンデンサ３の封止部材３１は、支持外壁部４１ｄに接触している。
そのため、封止部材３１に加わった、加圧部材５の加圧力Ｆを、隔壁部４２よりも厚い支持外壁部４１ｄによって受け止めることができる。

以上のごとく、本発明によれば、より軽量化でき、小型化できると共に、コンデンサの冷却効率を向上できる電力変換装置を提供することができる。

なお、本例では図４に示すごとく、加圧部材５を、積層体１０と介在隔壁部４２ａとの間に設けたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、加圧部材５を、積層体１０と外壁部４１ａとの間に設けることもできる。この場合、加圧部材５によって、積層体１０を介在隔壁部４２ａに向けて加圧することになる。

（実施例２）
以下の実施例においては、図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例は、ケース４の形状を変更した例である。図７に示すごとく、本例では、２枚の外壁部４１ｂ，４１ｃを繋ぐように、介在隔壁部４２ａを形成してある。本例では、側方隔壁部４２ｃ（図１参照）は形成していない。

また、本例では、実施例１と同様に、底隔壁部４２ｂ（図３参照）を形成してある。上記介在隔壁部４２ａと、底隔壁部４２ｂと、３枚の外壁部４１ｂ，４１ｃ，４１ｄとによって囲まれた空間を、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃとしてある。ケース４内の全ての隔壁部４２（４２ａ，４２ｂ）は、外壁部４１よりも、厚さが薄くなっている。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施例３）
本例は、ケース４の形状を変更した例である。図８に示すごとく、本例のケース４は、２枚の側方隔壁部４２ｃを備える。この２枚の側方隔壁部４２ｃを繋ぐように、介在隔壁部４２ａを形成してある。

また、本例では、実施例１と同様に、底隔壁部４２ｂ（図３参照）を形成してある。上記介在隔壁部４２ａと、底隔壁部４２ｂと、２枚の側方隔壁部４２ｃと、支持外壁部４１ｄとによって囲まれた空間を、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃとしてある。ケース４内の全ての隔壁部４２（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ）は、外壁部４１よりも、厚さが薄くなっている。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施例４）
本例は、ケース４の形状を変更した例である。図９に示すごとく、本例のケース４は、２枚の側方隔壁部４２ｃを備える。この２枚の側方隔壁部４２ｃを繋ぐように、介在隔壁部４２ａを形成してある。また、本例のケース４は、介在隔壁部４２ａに平行な対向隔壁部４２ｄを有する。対向隔壁部４２ｄは、２枚の側方隔壁部４２ｃを繋ぐように形成されている。

また、本例では、実施例１と同様に、底隔壁部４２ｂ（図３参照）を形成してある。上記介在隔壁部４２ａと、底隔壁部４２ｂと、２枚の側方隔壁部４２ｃと、対向隔壁部４２ｄとによって囲まれた空間を、コンデンサ収納空間Ｓ_Ｃとしてある。ケース４内の全ての隔壁部４２（４２ａ〜４２ｄ）は、外壁部４１よりも、厚さが薄くなっている。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

１電力変換装置
１０積層体
１１冷却管
２半導体モジュール
２０半導体素子
３コンデンサ
３０コンデンサ素子
３１封止部材
４ケース
４１外壁部
４２隔壁部
４２ａ介在隔壁部
５加圧部材
Ｆ加圧力
Ｓ_Ｃコンデンサ収納空間
Ｓ_Ｌ積層体収納空間

Claims

半導体素子（２０）を内蔵した半導体モジュール（２）と、該半導体モジュールを冷却する冷却器とを有する構造体と、
上記半導体モジュールに接続したコンデンサ（３）と、
上記半導体モジュールのスイッチング動作を制御する制御回路基板（６）と、
上記構造体と上記コンデンサと上記制御回路基板とを収容する、金属製のケース（４）と、
上記ケース内の空間を、上記コンデンサを収納するコンデンサ収納空間（Ｓｃ）と、その他の部品を収納する空間とに区画して、両空間の間に配置される第１隔壁部（４２ａ）とを備え、
上記ケースの一部には上記冷却器が接触すると共に、
上記ケースの一部には上記第１隔壁部が接続されており、
上記制御回路基板の厚さ方向（Ｚ）において、上記構造体を上記制御回路基板に投影した領域から外れた位置にて、上記制御回路基板を上記第１隔壁部に接続された第２隔壁部（４２ｂ）の一部に固定してある、電力変換装置（１）。
上記コンデンサは、コンデンサ素子（３０）と、該コンデンサ素子を上記コンデンサ収納空間内に封止する封止部材（３１）とを備え、上記制御回路基板は締結部材によって上記第２隔壁部の一部に締結されており、その締結方向と、上記コンデンサ素子の電極面の法線方向とは一致している、請求項１に記載の電力変換装置。