JP2011182628A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力変換回路を構成する複数の電子部品(半導体モジュール21、コンデンサ22等)と、少なくとも一部の電子部品(半導体モジュール21)を冷却する冷却器3とを、ケース4内に収容してなる電力変換装置1。電子部品の少なくとも一部(半導体モジュール21)と冷却器3とは、これらが固定されるフレーム5と共に一体化されて一つの内部ユニット10を構成している。内部ユニット10は、フレーム5においてケース4に固定されている。フレーム5は、内部ユニット10を構成する電子部品の少なくとも一部(半導体モジュール21)を四方から囲むように形成されている。
【選択図】図1
Description
そして、これらの半導体モジュール921等の電子部品、冷却器93、制御回路基板96は、ケース94に固定され、ケース94内に密封されている。
仮に、単に下蓋941を廃止して、ケース94を、底部のあるケース本体と上蓋とによって構成すれば、シール面を一つにできるが、この場合は、メンテナンス性がさらに低下することとなるし、ケース94の剛性がさらに低下することにもなる。
上記電子部品の少なくとも一部と上記冷却器とは、これらが固定されるフレームと共に一体化されて一つの内部ユニットを構成し、
該内部ユニットは、上記フレームにおいて上記ケース内に固定され、
上記フレームは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品の少なくとも一部を四方から囲むように形成されていることを特徴とする電力変換装置にある(請求項1)。
そして、これによって、ケース自体の肉厚を特に大きくしたり、補強リブを形成したりしなくても、充分な剛性を得ることができるため、ケースの材料コストや製造コストを低減することができると共に、その重量を低減することが可能となる。
また、メンテナンス時においても、内部ユニットごとケースから取り出して、ケースの外でメンテナンスを行うことができるため、その作業性を向上させることができる。
この場合には、フレームの大型化を招くことなく、フレームの強度確保を容易に実現することができる。すなわち、例えば、フレームにおける前方壁部、後方壁部、側方壁部等の壁部そのものにユニット固定部を設けようとすると、その部分に凹みを設ける必要が生じ、フレームの強度低下を招くおそれがある。また、ユニット固定部をフレームの内側に設けると、フレームの各壁部が外側へシフトすることとなり、フレームの体格が大きくなってしまう。それゆえ、ユニット固定部をフレームの外側へ突出させることにより、フレームの大型化を招くことなく、フレームの強度確保を実現することができる。
この場合には、上記積層方向における上記フレームの強度を効果的に向上させることができる。すなわち、上記ユニット固定部を上記前方壁部及び上記後方壁部からそれぞれ突出して形成することにより、フレームを積層方向から上記ケースによって補強することとなる。これによって、上記加圧部材の反力に対するフレームの強度を、ケースによる効果的な補強によって向上させることができる。
この場合には、上記加圧部材をその両端縁において、押圧治具によって上記積層体側へ押し込みやすくなる。すなわち、加圧部材を弾性変形させる際に用いる押圧治具を配置するスペースを、上記凹み部において確保することができる。
この場合には、上記後方壁部における上記凹み部を形成した部分の強度低下を防ぐことができる。すなわち、上記凹み部を設けることによって、後方壁部の肉厚が部分的に小さくなり、強度低下を招くおそれがあるが、その部分に上記ユニット固定部或いは上記部品固定部を配置することにより、これらが補強材の役割をも果たすこととなり、後方壁部の強度低下を防ぐことができる。
この場合には、上記積層体を介して上記加圧部材の反力を受ける前方壁部の壁厚みをも大きくすることによって、上記フレームの強度を効果的に向上させることができる。
この場合には、上記前方壁部及び上記後方壁部の少なくとも一方の高い剛性を確保しつつフレームの軽量化を図ることができる。
この場合には、上記H型壁部の剛性をさらに向上させることができる。特に上記加圧部材の反力の方向に沿って形成されることとなる上記リブ部によって、上記加圧部材の反力に対する強度を向上させることができる。
この場合には、上記後方壁部の軽量化を図りつつ、その変形を防ぐことができる。すなわち、上記H型壁部は、そこを構成する素材を少なくした部分であるため、軽量化が図れるものの、比較的強度が低下しやすい。一方、上記後方壁部における上記支承部が当接する部分には、大きな荷重がかかる。それゆえ、このような部分を上記H型壁部に配置すると、フレームの変形を招きやすくなる。そこで、支承部を、上記H型壁部よりも上記側方壁部に近い側において上記後方壁部に当接させることによって、フレームの軽量化を図りつつ、フレームの変形を確実に防ぐことができる。
この場合には、充分な剛性を確保しつつ上記側方壁部の軽量化及び材料費の低減を図ることができる。
この場合には、上記制御回路基板と上記バスバーとを互いに干渉させることなく、上記フレームに固定することができる。また、上記制御回路基板と上記バスバーとの干渉を回避するようなレイアウトが不要となるため、省スペース化を図ることができる。また、弱電部品である上記制御回路基板と強電部品である上記バスバーとを上記フレームを挟んで反対側に配置することで、制御回路基板への電磁ノイズの影響を抑制することができる。
さらに、上記フレームの上下方向に基板固定部及びバスバー固定部を設けることにより、上記積層体及び上記加圧部材からフレームが受ける反力に対するフレームの強度を、制御回路基板及びバスバーによっても高めることができる。
この場合にも、強電部品であるコンデンサを、上記フレームを挟んで上記制御回路基板と反対側に配置することができるため、制御回路基板への電磁ノイズの影響を抑制することができる。さらに、上記フレームの上下方向に上記コンデンサ固定部を設けることにより、コンデンサによっても高めることができる。
この場合には、内部ユニットへの水の浸入を防ぐことができる。そして、この場合、フレームを含めて内部ユニット全体がケース内に密封されることとなるため、ケースのシール面を一箇所とすることができる。それゆえ、ケースの水密性を高めることができると共に、シール材を少なくすることができ、材料費の低減、シール材の塗布等の工数の低減を図ることができる。
この場合には、上記フレームによって、電子部品から生じる電磁ノイズを遮蔽することができる。上記ケースも導体によって構成されることが多いが、フレームとケースとによって、電子部品の電磁ノイズを二重で遮蔽することができる。また、上記フレームは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品の少なくとも一部を四方から囲むように形成されている。そのため、フレームによって、例えば半導体モジュールなど、電磁ノイズを発生しやすい電子部品を囲むことにより、少なくともフレームによって囲まれた四方への電磁ノイズの漏れを抑制することができる。
この場合には、上記コンデンサへ加わる外力を低減することができる。また、コンデンサから上記ケースへ伝わる振動を抑制することができ、ケースを介してコンデンサの振動が外部へ伝わることを抑制することができる。これにより、例えば、電力変換装置を搭載した車両において、コンデンサの振動に起因する不快音が車内に伝達することを抑制することができる。
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図1〜図19を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、図1に示すごとく、電力変換回路を構成する複数の電子部品(半導体モジュール21、コンデンサ22等)と、少なくとも一部の電子部品(本例においては半導体モジュール21)を冷却する冷却器3とを、ケース4内に収容してなる。
半導体モジュール21と冷却器3とは、これらが固定されるフレーム5と共に一体化されて一つの内部ユニット10を構成している。
内部ユニット10は、ケース4に固定されると共にケース4内に密封されている。
また、ケース4も、例えば、アルミニウム、鉄等の金属又は合金からなる。
なお、図2、図7に示すごとく、支承ピン14を配置する領域付近においては、側方壁部54の内向部542が他の部分よりも内側に突出している。
なお、前後や横などの表現も、同様に便宜的なものであることは言うまでもない。
基板固定部56は、前方壁部52と後方壁部53とのそれぞれから2本ずつ高さ方向Z(上方)へ突出形成されたボスによって構成されている。これらの基板固定部56にはネジ孔が形成されており、4個所の基板固定部56においてビス561によって制御回路基板56をフレーム5に固定してある(図13〜図15)。
コンデンサ固定部57は、前方壁部52と後方壁部53とのそれぞれから2本ずつ、基板固定部56とは反対側の高さ方向Z(下方)へ突出形成されたボスによって構成されている。これらのコンデンサ固定部57にはネジ孔が形成されており、4個所のコンデンサ固定部57においてボルト571によってコンデンサ22をフレーム5に固定してある。
端子台7は、フレーム5における一方の側方壁部54から外方へ突出形成された2本の支持アーム543に、ボルト544によって固定されている。
入出力端子71は、バスバーの一端に形成され、該バスバーの他端がコンデンサ22や半導体モジュール21に接続されている。
フレーム5は、図3、図14、図15に示すごとく、バスバーアッセンブリ72を固定するバスバー固定部58を複数有する。本例においては、バスバー固定部58は3個形成されている。そして、バスバー固定部8のうちの2個は、フレーム5の中央よりも端子台7に近い位置に配置されている。
また、図1に示すごとく、ケース4は、上方が開口したケース本体40と、該ケース本体40の開口部を閉塞する蓋体400とからなる。上記ユニット支承部41は、ケース本体40と一体成形されている。
次いで、フレーム5の内側に、図7、図10に示すごとく、複数の半導体モジュール21と複数の冷却管31とを積層してなる積層体11を配置する。なお、この段階より前に、複数の冷却管31は連結管32によって連結されていると共に冷媒導入管331及び冷媒排出管332が接合された冷却器3が既に組み立てられている。積層体11をフレーム5の内側に配置したとき、冷媒導入管331及び冷媒排出管332は、図7に示すごとく、フレーム5に形成した管用凹面522(図2、図6)に載置される。
次いで、加圧部材12の両端部付近を積層方向Xの前方へ、押圧治具によって押し込むことによって、加圧部材12を弾性変形させつつ、積層体11を圧縮する。加圧部材12を所定量変形させた時点で、加圧部材12の両端部とフレーム5の後方壁部53との間に、円柱状の支承ピン14を挿入する。その後、上記押圧治具を後方へ移動させながら加圧部材12から離すことにより、一対の支承ピン14が加圧部材12と後方壁部53との間に挟持された状態となる。この状態は、すなわち、加圧部材12の付勢力によって積層体11が積層方向に所定の圧力によって圧縮された状態でもある。
次いで、バスバー70を樹脂モールドしてなるバスバーアッセンブリ72をフレーム5に取り付けると共に、バスバー70を半導体モジュール21の主電極端子212に溶接する。また、バスバー70における出力端子71U、71V、71Wを端子台7に載置する。バスバーアッセンブリ72は、フレーム5の3箇所のバスバー固定部58において、ボルト581によって固定する。
また、コンデンサ22における一対のコンデンサ端子71P、71Nを端子台7に載置する。
以上により、内部ユニット10が完成する。
すなわち、ケース本体40に形成されたユニット支承部41の上面に、内部ユニット10の外郭を構成するフレーム5のユニット固定部51を載置する。このとき、冷却器3の冷媒導入管331及び冷媒排出管332に取り付けた環状パッキン333を、ケース本体40に形成された凹部44に嵌め込む。
この状態で、ボルト511を、ユニット固定部51に設けた挿通孔に挿通すると共にユニット支承部41に設けたネジ孔にねじ込むことによって、ケース本体40に内部ユニット10を固定する。
以上により、電力変換装置1を完成させる。
上記電力変換装置1においては、電子部品(半導体モジュール21、コンデンサ22等)と冷却器3とをフレーム5に固定し、これらの電子部品と冷却器3とフレーム5とを一体化した一つの内部ユニット10を構成している。そして、該内部ユニット10をケース4内に固定している。そのため、内部ユニット10がケース4の内部において梁の役割を果たし、ケース4の剛性を高めることができる。
そして、これによって、ケース4自体の肉厚を特に大きくしたり、補強リブを形成したりしなくても、充分な剛性を得ることができるため、ケース4の材料コストや製造コストを低減することができると共に、その重量を低減することが可能となる。
また、メンテナンス時においても、内部ユニット10ごとケース4から取り出して、ケース4の外でメンテナンスを行うことができるため、その作業性を向上させることができる。
また、内部ユニット10はケース4内に密封されている。すなわち、フレーム5を含めて内部ユニット10全体をケース4内に密封してあるため、シール面を一箇所とすることができる。
また、フレーム5は、導体からなり、複数の半導体モジュール21を四方から囲むように形成されているため、フレーム5によって、半導体モジュール21から生じる電磁ノイズを遮蔽することができる。ケース4も導体によって構成されているが、フレーム5とケース4とによって、半導体モジュール21の電磁ノイズを二重で遮蔽することができる。また、フレーム5は、半導体モジュール21を四方から囲むように形成されているため、電力変換装置1の四方への電磁ノイズの漏れを抑制することができる。
また、前方壁部52及び後方壁部53は、側方壁部54よりも、壁厚みが大きい。すなわち、図4、図5に示す板厚みt1、t2が、t1>t2である。これにより、加圧部材12の反力を受ける前方壁部52及び後方壁部53の剛性を高めることができると共に、加圧部材12の反力を直接受けない側方壁部54の軽量化を図ることができる。その結果、加圧部材12の反力に対抗するのに必要なフレーム5の剛性を確保しつつ、効果的にフレーム5の軽量化を図ることができる。
また、図5に示すごとく、側方壁部54は、断面略L字状のL型壁部によって構成してあるため、充分な剛性を確保しつつ側方壁部54の軽量化及び材料費の低減を図ることができる。
しかし、ユニット固定部51を制御回路基板6の外縁よりも外側に配置しておくことにより、このような不具合を招くおそれがない。
また、図3、図8に示すごとく、複数のバスバー固定部58のうちの2個は、フレーム5の中央よりも端子台7に近い位置に配置されている。これにより、バスバーアッセンブリ72をフレーム5に安定して固定することができると共に、端子台7に入出力端子71を安定して配置することができる。その結果、入出力端子71と外部端子との安定した接続状態を確保することができる。
本例は、図20〜図26に示すごとく、フレーム5に導電ワイヤー15を保持するワイヤー保持部59を設けた電力変換装置1の例である。
上記導電ワイヤー15は、少なくとも一方の端部がケース4内に配されている。本例においては、導電ワイヤー15は、ケース4内において、コンデンサ22と制御回路基板6との間を接続している。そして、この導電ワイヤー15を通じて、コンデンサ22にかかる電圧、すなわち電力変換装置1への入力電圧の信号を制御回路基板6へ送ることができるようにしてある。
導電ワイヤー15は、両端部を除いて樹脂によって被覆された被覆導線からなり、可撓性を有する。そして、導電ワイヤー15は、フレーム5の外側を通過して、制御回路基板6とコンデンサ22とを接続している。
また、ワイヤー保持部59は、導電ワイヤー15における制御回路基板6との接続部151と、略同等の横方向Yの位置に配置されている。
その他は、実施例1と同様である。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
本例は、図27〜図29に示すごとく、フレーム5におけるユニット固定部51が、前方壁部52及び後方壁部53からそれぞれ積層方向Xの外側へ突出して形成されている電力変換装置1の例である。
本例においては、ユニット固定部51は、図27に示すごとく、高さ方向Zから見た形状において、フレーム5の4つ角から斜め外方へ突出するように4個形成されていると共に、前方壁部52から前方へ突出するように1個形成されている。すなわち、本例において、フレーム5の4つ角に設けたユニット固定部51は、前方壁部52及び後方壁部53からそれぞれ積層方向Xの外側へ突出すると共に、一対の側方壁部54からそれぞれ横方向Yの外側へ突出している。また、前方壁部52に設けたユニット固定部51は、前方壁部52に設けた一対の管用凹部522の間、すなわち冷媒導入管331と冷媒排出管332との間に配置してある。
また、後方壁部53は、凹み部532を形成した部分の積層方向X外側に、部品固定部の一種である基板固定部56を設けてなる。
本例においても、前方壁部52及び後方壁部53は、側方壁部54よりも、壁厚みが大きい。また、前方壁部52及び後方壁部53の一部分は、実施例1(図2、図4参照)と同様に、H型壁部55によって構成してある。ただし、本例においては、H型壁部55は、図29に示すごとく、縦板部551及び連結部552に直交するリブ部553を、一対の縦板部551と連結部552との間に部分的に設けてなる。
また、側方壁部54は、その少なくとも一部を、実施例1(図2、図5参照)と同様に、L型壁部によって構成してある。
後方壁部53のH型壁部55は、その長手方向(横方向Y)の中央にリブ部553を設けてなる。
凹み部532には、加圧部材12の両端部121における支承ピン14によって支承される部分よりもさらに横方向Yの外側の端縁122と対向している。
前方壁部53におけるH型壁部55は、横方向Yの2か所にリブ部553を設けてなる。なお、前方壁部53におけるH型壁部55は、積層方向Xの前方へ突出している。
その他は、実施例1と同様である。
また、前方壁部52及び後方壁部53は、その少なくとも一部分を、H型壁部55によって構成し、H型壁部55はリブ部553を設けてなる。これにより、H型壁部55の剛性をさらに向上させることができる。特に加圧部材12の反力の方向に沿って形成されることとなるリブ部553によって、加圧部材12の反力に対する強度を向上させることができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
10 内部ユニット
11 積層体
21 半導体モジュール
22 コンデンサ
3 冷却器
31 冷却管
4 ケース
5 フレーム
6 制御回路基板
7 端子台
Claims (15)
- 電力変換回路を構成する複数の電子部品と、少なくとも一部の上記電子部品を冷却する冷却器とを、ケース内に収容してなる電力変換装置であって、
上記電子部品の少なくとも一部と上記冷却器とは、これらが固定されるフレームと共に一体化されて一つの内部ユニットを構成し、
該内部ユニットは、上記フレームにおいて上記ケース内に固定され、
上記フレームは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品の少なくとも一部を四方から囲むように形成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、上記内部ユニットは、スイッチング素子を内蔵してなる複数の半導体モジュールを上記電子部品として備え、上記冷却器は内部に冷媒流路を備える複数の冷却管を有し、該複数の冷却管と上記複数の半導体モジュールとを交互に積層してなる積層体が上記内部ユニットに含まれており、該内部ユニットは、上記積層体を積層方向に加圧する加圧部材を備え、上記フレームは、上記積層体における積層方向の両側に配された前方壁部及び後方壁部と、上記前方壁部と上記後方壁部とをその両端において連結する一対の側方壁部とを有し、上記加圧部材は、上記後方壁部と上記積層体における積層方向の後端との間に介設され、上記積層体における積層方向の他端は、上記前方壁部によって支承されており、かつ、上記後方壁部は、上記側方壁部よりも壁厚みが大きいことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項2に記載の電力変換装置において、上記フレームは、上記内部ユニットを上記ケースに固定するユニット固定部を複数有しており、該ユニット固定部は、上記フレームの外側へ突出して形成されていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項3に記載の電力変換装置において、上記ユニット固定部の少なくとも一部は、上記前方壁部及び上記後方壁部からそれぞれ上記積層方向の外側へ突出して形成されていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項2〜4のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記後方壁部は、その両端部において内側から凹んだ凹み部を有することを特徴とする電力変換装置。
- 請求項5に記載の電力変換装置において、上記後方壁部は、上記凹み部を形成した部分の積層方向外側に、上記内部ユニットを上記ケースに固定するユニット固定部、もしくは、上記内部ユニットを構成する上記電子部品を固定するための部品固定部を設けてなることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項2〜6のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記前方壁部及び上記後方壁部は、上記側方壁部よりも、壁厚みが大きいことを特徴とする電力変換装置。
- 請求項7に記載の電力変換装置において、上記前方壁部及び上記後方壁部の少なくとも一方は、その少なくとも一部分を、積層方向に垂直な一対の縦板部と該一対の縦板部の中央部においてこれらを連結する連結部とからなる断面略H字形状のH型壁部によって構成してあることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項8に記載の電力変換装置において、上記H型壁部は、上記縦板部及び上記連結部に直交するリブ部を、上記一対の縦板部と上記連結部との間に部分的に設けてなることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項2〜9のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記後方壁部は上記H型壁部を有し、上記加圧部材の両端部と上記後方壁部との間には、上記加圧部材を支承する一対の支承部がそれぞれ挟持されており、上記一対の支承部は、上記後方壁部に設けられた上記H型壁部よりも上記側方壁部に近い側において上記後方壁部に当接していることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項2〜10のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記側方壁部は、その少なくとも一部を、上記フレームの内側に面する主面を有する主壁部と、該主壁部における積層方向に直交する方向の一端から上記フレームの内側に向って突出した内向部とからなる断面略L字状のL型壁部によって構成してあることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項2〜11のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記複数の冷却管は長尺形状を有し、その長手方向の両端部付近において互いに連結され、上記冷却管と共に積層された上記半導体モジュールは、被制御電力が入出力される主電極端子と上記スイッチング素子を制御する制御電流が入力される制御端子とを、互いに反対方向へ突出形成してなると共に、積層方向及び上記冷却管の長手方向に直交する高さ方向に突出させており、上記フレームは、上記高さ方向の双方に解放され、かつ、上記制御端子が接続される制御回路基板を固定する基板固定部と、上記主電極端子が接続されるバスバーを固定するバスバー固定部とを、上記高さ方向の反対側に設けてなることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項12に記載の電力変換装置において、上記フレームは、上記高さ方向における上記バスバー固定部と同じ側に、コンデンサを固定するコンデンサ固定部を設けてなることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1〜13のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記内部ユニットは、上記ケース内に密封されていることを特徴とする電力変換装置。
- 請求項1〜14のいずれか一項に記載の電力変換装置において、上記フレームは、導体からなることを特徴とする電力変換装置。
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