JP2015012639A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】接続電子部品の冷却を効率的に行う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２１と半導体モジュール２１を冷却する冷却器２２とを積層してなる半導体積層ユニット２と、半導体モジュール２１とバスバー３を介して電気的に接続された接続電子部品（コンデンサ素子４）と、接続電子部品を収納する部品ケース５と、を備える。半導体積層ユニット２は、部品ケース５の外側面５０に冷却器２２を当接させた状態で配置されている。バスバー３の一部は、部品ケース５内に配置されていると共に接続電子部品と冷却器２２との間に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却器と電子部品とを備えた電力変換装置に関する。

半導体モジュールと冷却器とを積層してなる半導体積層ユニットと、コンデンサとを備えた電力変換装置において、半導体積層ユニットにおける冷却器によってコンデンサを冷却する構造としたものがある（特許文献１）。

特許文献１に開示された電力変換装置は、冷却器を、コンデンサのポッティング樹脂の表面（ポッティング面）又はコンデンサ端子に当接させている。これにより、半導体モジュールを冷却するための冷却器によって、コンデンサをも冷却できるよう構成されている。

特開２０１０−２５２４６１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電力変換装置では、コンデンサの冷却が不十分となるおそれがある。つまり、ポッティング面は平面度が低いため、冷却器をコンデンサのポッティング面に当接させた構成においては、冷却器とコンデンサとの接触面積を大きくし難い。また、冷却器をコンデンサ端子に当接させた構成においては、漏電を防ぐために冷却器とコンデンサ端子との間に絶縁材を介在させる。ところが、この絶縁材の表面の平面度が低いと、上記と同様に、冷却器とコンデンサ端子との接触面積が小さくなるおそれがある。なお、絶縁材を介在させずに冷却器をコンデンサ端子に接触させると、コンデンサ端子と冷却器とが電気的に通電して漏電を招くおそれがある。

上記のような問題は、コンデンサに限らず、半導体モジュールに接続される電子部品（接続電子部品）を上記の冷却器で冷却しようとする場合には、同様に生じ得る。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、接続電子部品の冷却を効率的に行う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。

本発明の一態様は、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積層してなる半導体積層ユニットと、
上記半導体モジュールとバスバーを介して電気的に接続された接続電子部品と、
該接続電子部品を収納する部品ケースと、を有し、
上記半導体積層ユニットは、上記部品ケースの外側面に上記冷却器を当接させた状態で配置されており、
上記バスバーの一部は、上記部品ケース内に配置されていると共に上記接続電子部品と上記冷却器との間に配置されていることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、半導体積層ユニットは、部品ケースの外側面に冷却器を当接させた状態で配置されている。ここで、部品ケースの外側面は、ポッティング面とは異なり、平面度を高くしやすい。それゆえ、冷却器と部品ケースとの間の接触面積を大きくしやすい。その結果、冷却器によって、上記接続電子部品を、上記部品ケースを介して効率的に冷却することができる。

また、上記バスバーの一部は、部品ケース内に配置されていると共に接続電子部品と冷却器との間に配置されている。これにより、バスバーが冷却器によって冷却されやすくなり、バスバーを介して上記接続電子部品の冷却が効率的に行われることとなる。また、バスバーと冷却器とを直接接触させていないので漏電のおそれはない。

以上のごとく、本発明によれば、接続電子部品の冷却を効率的に行う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、電力変換装置の断面図。 実施例１における、電力変換装置の平面図。 実施例１における、フィルムコンデンサの斜視図。 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。

上記電力変換装置は、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータ装置であって、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、電源電力を駆動用モータの駆動に必要な駆動用電力に変換することに用いることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、半導体モジュール２１と半導体モジュール２１を冷却する冷却器２２とを積層してなる半導体積層ユニット２と、半導体モジュール２１とバスバー３を介して電気的に接続された接続電子部品としてのコンデンサ素子４と、コンデンサ素子４を収納する部品ケース５と、を備える。半導体積層ユニット２は、部品ケース５の外側面５０に冷却器２２を当接させた状態で配置されている。バスバー３の一部は、部品ケース５内に配置されていると共にコンデンサ素子４と冷却器２２との間に配置されている。

半導体積層ユニット２は、冷却器２２を半導体モジュール２１の主面に当接させてなる。そして、冷却器２２における半導体モジュール２１と反対側の面を部品ケース５に当接させている。半導体モジュール２１は、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子を内蔵してなる。また、半導体モジュール２１は、半導体モジュール２１と冷却器２２との積層方向Ｘに直交する方向の一方（上方）に突出する主電極端子２１１を備える。この方向を、適宜「高さ方向Ｚ」という。さらに、積層方向Ｘと高さ方向Ｚとの双方に直交する方向を、適宜「横方向Ｙ」という。また、本明細書において、主電極端子２１１の突出方向を上方として説明するが、上下は特に限定されるものではなく、上下の表現は便宜的なものである。主電極端子２１１は、バスバー３を介してコンデンサ素子４と電気的に接続されている。

部品ケース５は、同図に示すごとく、矩形形状の底部５１とその各辺から上方に起立した４つの壁部５２とからなる。部品ケース５は、高さ方向Ｚの上方に開放した開口部５３を有する。部品ケース５内には、コンデンサ素子４が配置されており、その周囲にはエポキシ等からなるポッティング樹脂８が充填されている。

コンデンサ素子４は、図３に示すごとく、金属化フィルムを巻回して構成されたフィルムコンデンサ素子であって、巻回軸方向の一方の端面４０が冷却器２２を向くように配置されている。また、コンデンサ素子４の巻回軸方向における両側の端面４０には、それぞれバスバー３が接続されている。

コンデンサ素子４と冷却器２２との間に配置されたバスバー３の一部は、図１、図２に示すごとく、その主面が冷却器２２を向くように配置されている。つまり、部品ケース５内において、コンデンサ素子４における冷却器２２側の端面４０に接続されたバスバー３は、その主面の法線方向が積層方向Ｘを向くように配されている。バスバー３における部品ケース５内に配された部分は、コンデンサ素子４と共にポッティング樹脂８に埋設されている。そして、バスバー３におけるコンデンサ素子４と接続された部分と、冷却器３が接触した壁部５２との間は、ポッティング樹脂８が介在している。また、バスバー３は、コンデンサ素子４との接続部から部品ケース５の開口部５３側へ延設され、その一部がポッティング樹脂８から露出している。そして、バスバー３は、主電極端子２１１側に屈曲され、主電極端子２１１に当接する部分からさらに上方へ向かって屈曲している。そして、この部分が主電極端子２１１と重なり、溶接等によって接続されている。

なお、コンデンサ素子４の巻回軸方向における冷却器２２と反対側の端面４０に接続されたバスバー３も、その一部がポッティング樹脂８から露出して半導体モジュール２１における他方の主電極端子２１１に接続されている。

半導体積層ユニット２は、部品ケース５の外側面５０に冷却器２２を当接させた状態で配置されている。また、冷却器２２が当接した外側面５０の四隅には、柱状の支持部６が立設されている。そして、支持部６は、外側面５０に垂直な方向に延びるように、部品ケース５と一体的に形成されている。

半導体積層ユニット２の積層方向Ｘにおいて、部品ケース５と反対側の端部には、固定用部材７が設けられている。固定用部材７は、上述の４本の支持部６の先端部６１に固定されている。すなわち、固定用部材７の四隅に形成された孔部にそれぞれネジ６２を通し、それらのネジ６２を支持部６の先端部６１に設けられたネジ孔に螺合することにより、固定用部材７を４本の支持部６に固定してある。また、固定用部材７は、ネジ６２を締め付けることにより、半導体積層ユニット２を部品ケース５に押圧する。それにより、半導体モジュール２１と冷却器２２とが圧接され、また、冷却器２２が外側面５０に圧接される。そして、半導体積層ユニット２は、外側面５０と固定用部材７との間で狭持される。

なお、図示を省略したが、電力変換装置１は、コンデンサ素子４を収納した部品ケース５と半導体積層ユニット２とを有する構造体を、装置ケース内に収容して構成されている。

次に、本例の作用効果につき説明する。
本例の電力変換装置１は、半導体積層ユニット２が、部品ケース５の外側面５０に冷却器２２を当接させた状態で配置されている。ここで、部品ケース５の外側面５０は、ポッティング面８１とは異なり、平面度を高くしやすい。それゆえ、冷却器２２と部品ケース５との間の接触面積を大きくしやすい。その結果、冷却器２２によって、コンデンサ素子４を、部品ケース５を介して効率的に冷却することができる。

また、バスバー３の一部は、部品ケース５内に配置されていると共にコンデンサ素子４と冷却器２２との間に配置されている。これにより、バスバー３が冷却器２２によって冷却されやすくなり、バスバー３を介してコンデンサ素子４の冷却が効率的に行われることとなる。また、バスバー３と冷却器２２とを直接接触させていないので漏電のおそれはない。

また、コンデンサ素子４と冷却器２２との間に配置されたバスバー３の一部は、その主面が冷却器２２を向くように配置されている。これにより、バスバー３の冷却が効率的に行われる。その結果、バスバー３を介したコンデンサ素子４の冷却をより効率的に行うことができる。

また、フィルムコンデンサ素子であるコンデンサ素子４は、巻回軸方向の端面４０の一方が冷却器２２を向くように配置されている。これにより、冷却器２２とコンデンサ素子４全体との伝熱距離を短くすることができ、一層効率的にコンデンサ素子４を冷却することができる。

以上のごとく、本例によれば、コンデンサ素子の冷却を効率的に行う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２）
本例は、図４に示すごとく、部品ケース５内に複数のコンデンサ素子４を収納した例である。バスバー３は、上記複数のコンデンサ素子４を互いに接続する部分が、コンデンサ素子４と冷却器２との間に配置されている。本例において、複数のコンデンサ素子４は、平滑コンデンサ素子４１及びフィルタコンデンサ素子４２である。平滑コンデンサ素子４１は、インバータ回路部に入力される直流電圧を平滑化させるものであり、フィルタコンデンサ素子４２は、リプル電流を吸収して直流電源の電流を安定化させるものである。

図４においては、２つのコンデンサ素子４は、高さ方向Ｚに並んで配置されているが、これらは横方向Ｙに並んで配置されていてもよい。
また、平滑コンデンサ素子４１の冷却器２２と反対側の面の電極に接続されたバスバー（図示略）は、半導体モジュール２１の主電極端子２１１に接続されている。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、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。

本例の場合には、バスバー３を介して複数のコンデンサ素子４を効率的に冷却することができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図５に示すごとく、半導体積層ユニット２が、複数の半導体モジュール２１と複数の冷却器２２とを交互に積層してなる例である。積層方向Ｘの一端に配された冷却器２２が部品ケース５に面接触しており、積層方向Ｘの他端側に配された加圧部材２３によって、積層方向Ｘに加圧されると共に部品ケース５に押し付けられている。

積層方向Ｘに隣り合う冷却器２２は、その横方向Ｙの両端部付近において連結管（図示略）によって互いに連結されている。連結管は、積層方向Ｘに変形可能に構成されている。隣り合う一対の冷却器２２の間には、半導体モジュール２１が狭持される状態で配されている。

加圧部材２３は、弾性部材によって構成することができ、例えば、ゴム、弾性樹脂、板バネ、コイルばね、又はこれらの内の複数を組み合わせたものから形成することができる。加圧部材２３は半導体積層ユニット２と固定用部材７との間に介設されている。自由状態における加圧部材２３の積層方向Ｘの厚さは、冷却器２２と固定用部材７との幅よりも若干大きい。加圧部材２３は、ネジ６２を締め付けることにより、固定用部材７と冷却器２２とにより圧縮される。これにより、加圧部材２３に反力が生じて、半導体積層ユニット２が積層方向Ｘに加圧され、積層された半導体モジュール２１と冷却器２２、及び冷却管２２と部品ケース５、とが密着させられる。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、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。

本例の場合には、冷却器２２と半導体モジュール２１及び部品ケース５との間の接触圧を確保して、これらの間の接触面積を確保することができる。その結果、半導体モジュール２１及びコンデンサ素子４の冷却を効率的に行うことができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図６に示すごとく、部品ケース５が金属製であって、部品ケース５とバスバー３との間には、絶縁体８２が介在している例である。
すなわち、具体的には、外側面５０に冷却器２２が当接した壁部５２の内側面に絶縁体８２が塗布されている。絶縁体８２は、放熱グリス等の熱伝導性に優れた樹脂からなる。また、絶縁体８２として、樹脂に代えて、セラミック板等を配置してもよい。

絶縁体８２は、コンデンサ素子４、バスバー３、ポッティング樹脂８を部品ケース５内に配置する前に予め壁部５２の内側面に配設する。
なお、絶縁体８２は、部品ケース５の内側面の全面に形成してもよい。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、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。

本例の場合には、部品ケース５が金属製であるため、部品ケース５を介したコンデンサ素子４の冷却を効率的に行うことができる。また、金属製の部品ケース５とバスバー３との間に絶縁体８２を介在させていることにより、漏電を確実に防止することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、実施例１〜４においては、冷却器２２を、部品ケース５における壁部５２の外側面５０に当接させているが、底部５１の外側面５０に当接させてもよい。この場合は、コンデンサ素子４と底部５１との間にバスバー３が配置されるようにする。
また、実施例１〜４においては、接続電子部品としてコンデンサ素子を用いる例を示したが、接続電子部品として、リアクトル等、他の部品を用いた構成とすることもできる。

１ 電力変換装置
２ 半導体積層ユニット
２１ 半導体モジュール
２２ 冷却器
３ バスバー
４ コンデンサ素子（接続電子部品）
５ 部品ケース
５０ 外側面

Claims (7)

1. 半導体モジュール（２１）と該半導体モジュール（２１）を冷却する冷却器（２２）とを積層してなる半導体積層ユニット（２）と、
   上記半導体モジュール（２１）とバスバー（３）を介して電気的に接続された接続電子部品（４）と、
   該接続電子部品（４）を収納する部品ケース（５）と、を有し、
   上記半導体積層ユニット（２）は、上記部品ケース（５）の外側面（５０）に上記冷却器（２２）を当接させた状態で配置されており、
   上記バスバー（３）の一部は、上記部品ケース（５）内に配置されていると共に上記接続電子部品と上記冷却器（２２）との間に配置されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記接続電子部品（４）と上記冷却器（２２）との間に配置された上記バスバー（３）の一部は、その主面が上記冷却器（２２）を向くように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
3. 上記接続電子部品（４）は、コンデンサ素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記部品ケース（５）内には、上記接続電子部品（４）として、複数のコンデンサ素子（４）を収納してあり、上記バスバー（３）は、上記複数のコンデンサ素子（４）を互いに接続する部分が、上記接続電子部品と上記冷却器（２２）との間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置（１）。
5. 上記コンデンサ素子（４）は、金属化フィルムを巻回して構成されたフィルムコンデンサ素子であって、巻回軸方向の端面の一方が上記冷却器（２２）を向くように配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の電力変換装置（１）。
6. 上記半導体積層ユニット（２）は、複数の半導体モジュール（２１）と複数の上記冷却器（２２）とを交互に積層してなり、積層方向の一端に配された上記冷却器（２２）が上記部品ケース（５）に面接触しており、積層方向の他端側に配された加圧部材（８）によって、積層方向に加圧されると共に上記部品ケース（５）に押し付けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
7. 上記部品ケース（５）は金属製であって、該部品ケース（５）と上記バスバー（３）との間には、絶縁体（８２）が介在していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。

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