JP2014064407A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐振性を向上させることができる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置１は、半導体モジュール６と冷却器７とを有する半導体ユニット５と、複数のコンデンサ素子とコンデンサケース２０とを有するコンデンサ装置２とを備えている。半導体モジュール６には、パワー端子６２が突出して形成されている。コンデンサケース２０は、底面部２１と側面部２２とを有し、底面部２１側とは反対側を開口してなる。側面部２２の一部には、段差部２３が設けられている。半導体ユニット５は、パワー端子６２の突出形成方向Ｙに直交する方向において、コンデンサケース２０の開口面２００に対向して配置されている。コンデンサ装置２は、段差部２３によって突出形成方向Ｙの高さが低い低背部２ａと低背部２ａよりも突出形成方向Ｙの高さが高い高背部２ｂとを有する。高背部２ｂには、パワー端子６２に接続されるコンデンサ端子４３１が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のコンデンサ素子を有するコンデンサ装置を備えた電力変換装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等には、インバータ等の電力変換装置が搭載されている。電力変換装置としては、例えば、半導体素子を含む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半導体ユニットと、複数のコンデンサ素子と該複数のコンデンサ素子を収容するコンデンサケースとを有するコンデンサ装置とを備えたものがある（特許文献１参照）。

このような電力変換装置において、例えば、コンデンサ装置のコンデンサケースは、底面部と該底面部から立設された側面部とを有すると共に底面部側とは反対側を開口してなる。また、半導体ユニットは、半導体モジュールのパワー端子の突出形成方向に直交する方向において、コンデンサケースの開口面に対向して配置されている。そして、コンデンサ装置に設けられたコンデンサ端子は、半導体ユニットにおける半導体モジュールのパワー端子に接続されている。

特開２００６−２９５９９７号公報

しかしながら、上記電力変換装置において、コンデンサ装置のコンデンサケースに端子等を配置するための段差部を設ける構成も考えられる。その場合、コンデンサケースに設けた段差部によってコンデンサ装置に低背側部分と高背側部分とが形成される。このとき、コンデンサ装置の高背側部分は、電力変換装置を搭載する車両等の振動の影響を受けやすい部分であり、振動による振れが他の部分よりも大きくなる。そのため、振動による振れによってコンデンサ装置の固定部分に応力が発生し、場合によっては固定部分の損傷や固定力の低下等の不具合が発生するおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、耐振性を向上させることができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一の態様は、半導体素子を含む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半導体ユニットと、
複数のコンデンサ素子と該複数のコンデンサ素子を収容するコンデンサケースとを有するコンデンサ装置とを備え、
上記半導体モジュールには、上記半導体素子に電気的に接続されるパワー端子が突出して形成されており、
上記コンデンサケースは、底面部と該底面部から立設された側面部とを有すると共に上記底面部側とは反対側を開口してなり、
上記側面部の一部には、段差部が設けられており、
上記半導体ユニットは、上記半導体モジュールの上記パワー端子の突出形成方向に直交する方向において、上記コンデンサケースの開口面に対向して配置されており、
上記コンデンサ装置は、上記段差部によって上記突出形成方向の高さが低い低背部と、該低背部よりも上記突出形成方向の高さが高い高背部とを有し、
該高背部には、上記半導体モジュールの上記パワー端子に接続されるコンデンサ端子が設けら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）。

上記電力変換装置において、コンデンサ装置は、コンデンサケースの側面部に設けられた段差部によって上記突出形成方向の高さが低い低背部と、該低背部よりも上記突出形成方向の高さが高い高背部とを有する。そして、コンデンサ装置において車両等の振動の影響を受けやすい高背部には、半導体ユニットにおける半導体モジュールのパワー端子に接続されるコンデンサ端子が設けられている。

すなわち、コンデンサ装置において振動による振れが他の部分よりも大きくなる高背部にコンデンサ端子を設け、該コンデンサ端子を半導体ユニットにおける半導体モジュールのパワー端子に接続している。そのため、コンデンサ装置の高背部における固定力を高めることができ、コンデンサ装置の耐振性を向上させることができる。これにより、振動による振れ（特に高背部の振れ）によってコンデンサ装置の固定部分に発生する応力を低減することができ、固定部分の損傷や固定力の低下等の不具合が発生することを防止することができる。

また、コンデンサケースに収容されたコンデンサ素子と半導体モジュールのパワー端子との間をコンデンサ端子が設けられたバスバ等の部材を用いて接続する構成とすれば、コンデンサ素子と半導体モジュールのパワー端子との間を１つのバスバ等の部材で直接的に接続することが可能となる。これにより、コンデンサ素子とパワー端子との間の熱抵抗を小さくすることができる。そして、発熱源であるコンデンサ素子に発生した熱を半導体モジュールを介して冷却器に効率よく放熱することができ、放熱性能を向上させることができる。

また、上述したように、コンデンサ装置（コンデンサ素子）と半導体モジュール（パワー端子）との間を１つのバスバ等の部材で直接的に接続することが可能となるため、両者を接続するバスバ等の部材において局部的に断面積が小さくなることを防止することができる。これにより、コンデンサ装置と半導体モジュールとの間のＥＳＬ（等価直列インダクタンス）を低減することができる。

このように、耐振性を向上させることができる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置を示す斜視図。 実施例１における、コンデンサ装置を示す斜視図。

上記電力変換装置において、上記コンデンサケースには、上記コンデンサ装置を被固定部に対して上記突出形成方向に固定するための複数の固定部が設けられていてもよい（請求項２）。
すなわち、コンデンサ装置を被固定部に対して上記突出形成方向に固定する構成の場合、車両等の振動によってコンデンサ装置の高背部が振れやすく、コンデンサ装置（コンデンサケース）の固定部に応力が発生しやすい。そのため、半導体モジュールのパワー端子に接続されるコンデンサ端子をコンデンサ装置の高背部に設けることによって耐振性を向上させるという上述の効果をより一層有効に発揮することができる。

また、上記複数のコンデンサ素子は、上記コンデンサケース内に充填されたポッティング材によって封止されており、上記コンデンサ端子は、上記ポッティング材の内部から上記コンデンサケースの上記開口面を介して外側に取り出して設けられていてもよい（請求項３）。
この場合には、コンデンサ端子を半導体モジュールのパワー端子に容易かつ確実に接続することができる。これにより、耐振性をより一層確実に向上させることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置にかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、半導体素子を含む半導体モジュール６と半導体モジュール６を冷却する冷却器７とを有する半導体ユニット５と、複数のコンデンサ素子と複数のコンデンサ素子を収容するコンデンサケース２０とを有するコンデンサ装置２とを備えている。

同図に示すごとく、半導体モジュール６には、半導体素子に電気的に接続されるパワー端子６２が突出して形成されている。コンデンサケース２０は、底面部２１と底面部２１から立設された側面部２２とを有すると共に底面部２１側とは反対側を開口してなる。側面部２２の一部には、段差部２３が設けられている。半導体ユニット５は、半導体モジュール６のパワー端子６２の突出形成方向Ｙに直交する方向において、コンデンサケース２０の開口面２００に対向して配置されている。

同図に示すごとく、コンデンサ装置２は、段差部２３によって突出形成方向Ｙの高さが低い低背部２ａと、低背部２ａよりも突出形成方向Ｙの高さが高い高背部２ｂとを有する。高背部２ｂには、半導体モジュール６のパワー端子６２に接続されるコンデンサ端子４３１が設けられている。
以下、これを詳説する。

図１に示すごとく、電力変換装置１において、半導体ユニット５は、複数の半導体モジュール６を備えている。各半導体モジュール６は、スイッチング素子等の半導体素子を内蔵する本体部６１を有する。本体部６１は、半導体素子等をエポキシ樹脂等の絶縁樹脂で封止することによって四角形板状に形成されている。

また、本体部６１には、スイッチング素子等の半導体素子に電気的に接続される３つのパワー端子６２が突出するようにして設けられている。３つのパワー端子６２のうち、２つのパワー端子６２は、後述するコンデンサ装置２の一対のコンデンサ端子４３１に接続されている。また、残りの１つのパワー端子６２は、図示を省略したが、バスバ等を介して三相モータに接続されている。

また、本体部６１には、スイッチング素子等の半導体素子に電気的に接続される複数の制御端子６３がパワー端子６２とは反対側に突出するようにして設けられている。制御端子６３は、図示を省略したが、スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路が形成された制御回路基板に接続されている。

同図に示すごとく、半導体ユニット５において、冷却器７は、半導体モジュール６を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路となる複数の冷却管７１を有する。半導体モジュール６と冷却管７１とは、本体部６１の主面に直交する方向において、交互に積層して配置されている。そして、各半導体モジュール６は、積層方向の両側から冷却管７１によって挟持されている。

また、隣り合う冷却管７１同士は、その両端部において変形可能な連結管７２によって連結されている。また、複数の冷却管７１のうち、積層方向の一端に配置された冷却管７１の両端部には、外部から冷媒を導入するための冷媒導入管７３と、外部に冷媒を排出するための冷媒排出管７４とが連結されている。

そして、冷却器７において、外部から冷媒導入管７３に導入された冷媒は、冷媒導入管７３側の連結管７２を通り、各冷却管７１内を流れる。各冷却管７１内を流れる冷媒は、半導体モジュール６との間で熱交換を行う。熱交換後の冷媒は、冷媒排出管７４側の連結管７２を通り、冷媒排出管７４から外部に排出される。

図１、図２に示すごとく、コンデンサ装置２において、コンデンサケース２０は、底面部２１と、その底面部２１から立設された側面部２２とを有する。側面部２２は、コンデンサケース２０内に収容された複数のコンデンサ素子（図示略）を取り囲むように四角形枠状に形成されている。また、コンデンサケース２０は、底面部２１側とは反対側を開口してなる開口面２００を有する。

また、側面部２２は、互いに対向する第１側壁部２２１及び第２側壁部２２２を有する。また、側面部２２は、第１側壁部２２１及び第２側壁部２２２が対向する方向（Ｘ方向）に直交する方向、すなわち半導体モジュール６のパワー端子６２が突出して形成されている方向（突出形成方向Ｙ）において、互いに対向する第３側壁部２２３及び第４側壁部２２４を有する。

また、側面部２２は、第１側壁部２２１と第３側壁部２２３との間に設けられ、側面部２２の一部に段差部２３を形成する２つの段差形成部２３１を有する。２つの段差形成部２３１のうち、一方の段差形成部２３１は、第２側壁部２２２に対向して配置されている。また、他方の段差形成部２３１は、第４側壁部２２４に対向して配置されている。そして、２つの段差形成部２３１は、側面部２２を内側に凹ませてなる段差部２３を形成している。

また、コンデンサケース２０内には、複数のコンデンサ素子（図示略）が収容されている。複数のコンデンサ素子は、コンデンサケース２０内に充填されたポッティング材２９によって封止されている。また、コンデンサケース２０の開口面２００には、ポッティング材２９を露出させてなるポッティング面２９０が形成されている。ポッティング材２９としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。

図１に示すごとく、コンデンサ装置２には、一対の電源入力端子４１１が設けられている。一対の電源入力端子４１１は、それぞれコンデンサケース２０のポッティング面２９０から引き出され、屈曲形成してなる板状のバスバ４１の先端部を構成している。そして、一対の電源入力端子４１１は、コンデンサケース２０の側面部２２の第４側壁部２２４側に配置されている。

同図に示すごとく、コンデンサ装置２には、一対の電源供給端子４２１が設けられている。一対の電源供給端子４２１は、一対の電源入力端子４１１と同様に、それぞれコンデンサケース２のポッティング面２９０から引き出され、屈曲形成してなる板状のバスバ４２の先端部を構成している。そして、一対の電源供給端子４２１は、コンデンサケース２０の側面部２２に設けられた段差部２３に配置されている。

また、一対の電源入力端子４１１は、外部に設けられた電源の正極側及び負極側にそれぞれ電気的に接続されている。また、一対の電源入力端子４１１は、一対の電源供給端子４２１に電気的に接続されている。また、一対の電源供給端子４２１は、他の電子機器に電気的に接続されており、一対の電源入力端子４１１に入力された電源の電力を供給することができるよう構成されている。また、一対の電源入力端子４１１及び一対の電源供給端子４２１は、コンデンサケース２０内のコンデンサ素子等に電気的に接続されている。

同図に示すごとく、コンデンサ装置２には、複数の半導体モジュール６に接続される一対のコンデンサ端子４３１が設けられている。一対のコンデンサ端子４３１は、コンデンサケース２のポッティング面２９０から引き出されたバスバ４３の一部を構成しており、コンデンサケース２０の開口面２００（ポッティング面２９０）から突出するように設けられている。また、一対のコンデンサ端子４３１は、コンデンサケース２０内のコンデンサ素子等に電気的に接続されている。また、各コンデンサ端子４３１は、半導体モジュール６のパワー端子６２に接続される複数の接続部４３２を有する。

同図に示すごとく、半導体ユニット５は、半導体モジュール６のパワー端子６２の突出形成方向Ｙに直交する方向（Ｚ方向）において、コンデンサケース２０の開口面２００（ポッティング面２９０）に対向して配置されている。また、半導体モジュール６の２つのパワー端子６２は、コンデンサ装置２の一対のコンデンサ端子４３１の接続部４３２に溶接等により接合されている。

図２に示すごとく、コンデンサケース２０の底面部２１には、コンデンサ装置２を被固定部（例えば、電力変換装置１の筐体等）に固定するための底面固定部（固定部）２４が設けられている。底面固定部２４は、外側に突出するように設けられている。また、底面固定部２４には、突出形成方向Ｙに貫通して形成され、ボルト等の締結部材を挿通させる固定用孔２４１が設けられている。

また、コンデンサケース２０において、側面部２２の第１側壁部２２１及び第２側壁部２２２には、コンデンサ装置２を被固定部に固定するための側面固定部（固定部）２５が設けられている。側面固定部２５は、外側に突出するように設けられている。また、側面固定部２５には、突出形成方向Ｙに貫通して形成され、ボルト等の締結部材を挿通させる固定用孔２５１が設けられている。
そして、コンデンサケース２０は、底面固定部２４及び側面固定部２５において、ボルト等の締結部材を用いて被固定部に対して突出形成方向Ｙに締結固定されている。

次に、本例のコンデンサ装置１における作用効果について説明する。
本例の電力変換装置１において、コンデンサ装置２は、コンデンサケース２０の側面部２２に設けられた段差部２３によって突出形成方向Ｙの高さが低い低背部２ａと、低背部２ａよりも突出形成方向Ｙの高さが高い高背部２ｂとを有する。そして、コンデンサ装置２において車両等の振動の影響を受けやすい高背部２ｂには、半導体ユニット５における半導体モジュール６のパワー端子６２に接続されるコンデンサ端子４３１が設けられている。

すなわち、コンデンサ装置２において振動による振れが他の部分よりも大きくなる高背部２ｂにコンデンサ端子４３１を設け、そのコンデンサ端子４３１を半導体ユニット５における半導体モジュール６のパワー端子６２に接続している。そのため、コンデンサ装置２の高背部２ｂにおける固定力を高めることができ、コンデンサ装置２の耐振性を向上させることができる。これにより、振動による振れ（特に高背部２ｂの振れ）によってコンデンサ装置２の固定部分（底面固定部２４、側面固定部２５）に発生する応力を低減することができ、固定部分の損傷や固定力の低下等の不具合が発生することを防止することができる。

また、コンデンサケース２０に収容されたコンデンサ素子と半導体モジュール６のパワー端子６２との間をコンデンサ端子４３１が設けられたバスバ４３を用いて接続している。すなわち、コンデンサ素子と半導体モジュール６のパワー端子６２との間を１つのバスバ４３で直接的に接続している。そのため、コンデンサ素子と半導体モジュール６のパワー端子６２との間の熱抵抗を小さくすることができる。これにより、発熱源であるコンデンサ素子に発生した熱を半導体モジュール６を介して冷却器７に効率よく放熱することができ、放熱性能を向上させることができる。

また、上述したように、コンデンサ装置２（コンデンサ素子）と半導体モジュール６（パワー端子６２）との間を１つのバスバ４３で直接的に接続している。そのため、両者を接続するバスバ４３において局部的に断面積が小さくなることを防止することができる。これにより、コンデンサ装置２と半導体モジュール６との間のＥＳＬ（等価直列インダクタンス）を低減することができる。

また、本例において、コンデンサケース２０には、コンデンサ装置２を被固定部に対して突出形成方向Ｙに固定するための複数の固定部（底面固定部２４、側面固定部２５）が設けられている。すなわち、本例のように、コンデンサ装置２を被固定部に対して突出形成方向Ｙに固定する構成の場合、振動によってコンデンサ装置２の高背部２ｂが振れやすく、コンデンサ装置２（コンデンサケース２０）の固定部（底面固定部２４、側面固定部２５）に応力が発生しやすい。そのため、半導体モジュール６のパワー端子６２に接続されるコンデンサ端子４３１をコンデンサ装置２の高背部２ｂに設けることによって耐振性を向上させるという上述の効果をより一層有効に発揮することができる。

また、複数のコンデンサ素子は、コンデンサケース２０内に充填されたポッティング材２９によって封止されており、コンデンサ端子４３１は、ポッティング材２９の内部からコンデンサケース２０の開口面２００を介して外側に取り出して設けられている。そのため、コンデンサ端子４３１を半導体モジュール６のパワー端子６２に容易かつ確実に接続することができる。これにより、耐振性をより一層確実に向上させることができる。

このように、本例によれば、耐振性を向上させることができる電力変換装置１を提供することができる。

１ 電力変換装置
２ コンデンサ装置
２ａ 低背部
２ｂ 高背部
２０ コンデンサケース
２００ 開口面
２１ 底面部
２２ 側面部
２３ 段差部
４３１ コンデンサ端子
５ 半導体ユニット
６ 半導体モジュール
６２ パワー端子
７ 冷却器
Ｙ 突出形成方向

Claims (3)

1. 半導体素子を含む半導体モジュール（６）と該半導体モジュール（６）を冷却する冷却器（７）とを有する半導体ユニット（５）と、
   複数のコンデンサ素子と該複数のコンデンサ素子を収容するコンデンサケース（２０）とを有するコンデンサ装置（２）とを備え、
   上記半導体モジュール（６）には、上記半導体素子に電気的に接続されるパワー端子（６２）が突出して形成されており、
   上記コンデンサケース（２０）は、底面部（２１）と該底面部（２１）から立設された側面部（２２）とを有すると共に上記底面部（２１）側とは反対側を開口してなり、
   上記側面部（２２）の一部には、段差部（２３）が設けられており、
   上記半導体ユニット（５）は、上記半導体モジュール（６）の上記パワー端子（６２）の突出形成方向（Ｙ）に直交する方向において、上記コンデンサケース（２０）の開口面（２００）に対向して配置されており、
   上記コンデンサ装置（２）は、上記段差部（２３）によって上記突出形成方向（Ｙ）の高さが低い低背部（２ａ）と、該低背部（２ａ）よりも上記突出形成方向（Ｙ）の高さが高い高背部（２ｂ）とを有し、
   該高背部（２ｂ）には、上記半導体モジュール（６）の上記パワー端子（６２）に接続されるコンデンサ端子（４３１）が設けられていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 請求項１に記載の電力変換装置（１）において、上記コンデンサケース（２０）には、上記コンデンサ装置（２）を被固定部に対して上記突出形成方向（Ｙ）に固定するための複数の固定部（２４、２５）が設けられていることを特徴とする電力変換装置（１）。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）において、上記複数のコンデンサ素子は、上記コンデンサケース（２０）内に充填されたポッティング材（２９）によって封止されており、上記コンデンサ端子（４３１）は、上記ポッティング材（２９）の内部から上記コンデンサケース（２０）の上記開口面（２００）を介して外側に取り出して設けられていることを特徴とする電力変換装置（１）。

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