JP2015082951A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、半導体素子と冷却器とコンデンサ素子を備える電力変換装置に関し、コンデンサ素子の放熱効率を高める技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電力変換装置２は、半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器１２と、半導体素子と接続されているコンデンサ５と、それらを収容するケース３を備えている。ケース３は、半導体素子と冷却器を収容する冷却器収容空間Ｓｐ２とコンデンサ素子を収容するコンデンサ収容空間Ｓｐ１を区切る隔壁４を有している。コンデンサ５は、コンデンサ収容空間Ｓｐ１を画定する壁面であって隔壁４以外の壁面に絶縁スペーサ９を介して固定されており、コンデンサ収容空間Ｓｐ１を画定する壁面とコンデンサ５の間の空隙に樹脂７が充填されている。【選択図】図３

Description

本発明は、電圧コンバータやインバータなどの電力変換装置に関する。

電力変換装置は様々な場所で使われている。近年、ハイブリッド車が普及してきているが、ハイブリッド車（及び燃料電池車を含む電気自動車）もバッテリの直流電力を走行モータ駆動用の交流に変換する電力変換装置を搭載している。典型的な電力変換装置はパワートランジスタと呼ばれる半導体素子のスイッチングによって電力を変換する。半導体素子のスイッチングによる電流の脈動を抑制するため、あるいは、電圧変換回路の一部品として、電力変換装置はコンデンサ素子を備えることが多い。扱う電力が大きくなると、半導体素子もコンデンサ素子も発熱量が多くなる。それゆえ、大電力を扱う電力変換装置は、半導体素子等を冷却する冷却器も備える。大電力を扱う電力変換装置の典型がハイブリッド車や電気自動車の走行モータに電力を供給する車載インバータである。

そのような車載の電力変換装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の電力変換装置は、そのケースの収容空間が、半導体素子と冷却器を収容する冷却器収容空間とコンデンサ素子を収容するコンデンサ収容空間に分かれている。コンデンサ素子は、コンデンサ専用のケース（コンデンサケース）に収容され、そのコンデンサケースがコンデンサ収容空間に収容されている。即ち、コンデンサ素子は二重のケースに収容されている。

なお、特許文献１の技術では、コンデンサ素子は、封止部材によってコンデンサケース内に封止されている。コンデンサ素子の封止とは、例えば特許文献２に開示されているように、ケース内面とコンデンサ素子の間の空隙に樹脂を充填することで達成される。

特開２０１２−２１７３２２号公報 特開２０１２−１５１３７８号公報

特許文献１のようにコンデンサ素子を二重に収容するとコンデンサ素子の熱を放出し難くなる。本明細書は、半導体素子と冷却器とコンデンサ素子を備える電力変換装置に関し、コンデンサ素子の放熱効率を高める技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器と、半導体素子と接続されているコンデンサ素子と、半導体素子と冷却器とコンデンサ素子を収容する金属製のケースを備える。ケースは、半導体素子と冷却器を収容する冷却器収容空間と、コンデンサ素子を収容するコンデンサ収容空間を区切る隔壁を有している。この電力変換装置では、コンデンサ素子がコンデンサ収容空間を画定する壁面であって上記隔壁以外の壁面に絶縁スペーサを介して固定されており、コンデンサ収容空間を画定する壁面とコンデンサ素子の間の空隙に樹脂が充填されている。樹脂は、当初は流動性を有しているが、充填された後に固化するタイプのものが良い。即ち、コンデンサ素子周囲の樹脂は、前述したポッティングによるものが良い。なお、「コンデンサ収容空間を画定する壁面」には、コンデンサ収容空間の底部も含む。

上記の電力変換装置では、コンデンサ素子は一重のケース（電力変換装置のケース）に直接に収容されおり、しかもそのケース内壁面とコンデンサ素子の間に樹脂が充填されているので、コンデンサ素子からケースへ放熱性がよい。なお、コンデンサ素子を金属製のケースに収容するので絶縁対策が必要であるが、上記の電力変換装置では、絶縁スペーサを介してコンデンサ素子がケースに固定されており、コンデンサ素子が直接に金属ケースに接触したまま樹脂が充填されてしまうことはない。なお、絶縁スペーサは、典型的には樹脂で作られている。また、絶縁スペーサには、コンデンサ素子と嵌合する窪み、或いは、コンデンサ素子を位置決めするリブが設けられているとよい。

さらに、コンデンサ素子の電極が、絶縁スペーサに対向していることが好ましい。絶縁スペーサと対向している箇所以外では、コンデンサ素子が揺れることが起こり得るが、コンデンサ素子を固定している絶縁スペーサとの対向面は、ケースに接触することはない。絶縁スペーサとの対向面にコンデンサの電極を配置することでコンデンサ素子とケースとの間の絶縁性を確実に確保することができる。

一方、コンデンサ収容空間を画定する壁面に窪みを設けるとよい。さらに、その窪みに充填樹脂を入り込ませるとよい。アンカー効果により充填樹脂がコンデンサ収容空間から浮き上がることが防止される。なお、窪みの代わりに突部を設けても同様の効果が得られるが、突部を設けるには突部先端とコンデンサ素子の間に隙間を確保するためにコンデンサ収容空間を大きくしなければならず、空間効率が悪くなる。窪みを採用することによってコンデンサ収容空間の空間を効率よく利用することができる。

コンデンサ素子の冷却効果をさらに高める改良として、半導体素子とコンデンサ素子を接続するバスバを隔壁に沿って配索することが好適である。バスバとは、内部抵抗を減らすための導電部材であり、典型的には細長金属板状（あるいは棒状）の部材である。バスバには銅が使われることが多く、銅は熱伝導率が高い。そのようなバスバを隔壁に沿って配索することで、コンデンサ素子の熱がバスバを伝い、さらに隣接する隔壁に伝達され、ケース全体に拡がることになる。即ちバスバを上記のごとく配索することによってコンデンサ素子の放熱性を高めることができる。また、コンデンサ素子のバスバを金属ケースの隔壁に並走させることで、バスバに流れる電流から生じる磁界の一部をバスバと平行な上記隔壁で吸収することができ、インダクタンスを低減できる。その結果、損失を低減することができる。

本明細書が開示する技術によれば、半導体素子と冷却器とコンデンサ素子を備える電力変換装置において、コンデンサ素子の放熱効率を高めることができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換装置を含むハイブリッド車の電力系のブロック図である。 電力変換装置の上面図である。 図２のIII−III線における断面図である。 絶縁スペーサの斜視図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、ハイブリッド車に搭載され、バッテリの直流電力を交流に変換し、走行用モータに供給するデバイスである。まず、電力変換装置を含むハイブリッド車の電力系を説明する。

図１にハイブリッド車３０の電力系のブロック図を示す。メインバッテリ３１がシステムメインリレー３２を介して電力変換装置２に接続されている。電力変換装置２は、メインバッテリ３１の電力を昇圧する昇圧回路３３と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路３５が直列に接続された構成を有している。インバータ回路３５の出力が電力変換装置２の出力に相当し、モータ３７に供給される。モータ３７の出力トルクとエンジン３６の出力トルクは動力分配機構３８で合成あるいは分配されて車軸３９に伝達される。

電力変換装置２の回路構成を概説する。昇圧回路３３は、２個のパワートランジスタ２１ａ、２２ａの直列接続回路と、一端がその直列接続回路の中点に接続しており、他端は昇圧回路３３の入力端に接続しているリアクトル１６と、昇圧回路３３の入力端に並列に接続されているフィルタコンデンサ５ａで構成されている。各パワートランジスタにはダイオードが逆並列に接続されている。インバータ回路３５は、２個のパワートランジスタ２１ｂ、２２ｂの直列接続回路が３セット並列に接続されている。なお、図１ではいくつかのパワートランジスタへの符号は省略している。３セットの直列接続回路の中点から交流が出力される。各パワートランジスタ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂには、ダイオードが逆並列に接続されている。昇圧回路３３に含まれるパワートランジスタとインバータ回路に含まれるパワートランジスタはコントローラ３４からＰＷＭ信号を受けて作動する。昇圧回路３３とインバータ回路３５の構造は良く知られているので詳しい説明は省略する。

昇圧回路３３とインバータ回路３５の各素子は、走行用モータ３７に供給する大電流が流れるため発熱量が多い。発熱量の大きい素子の典型は、図１に示したパワートランジスタ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、フィルタコンデンサ５ａ、平滑化コンデンサ５ｂ、リアクトル１６である。なお、昇圧回路３３とインバータ回路３５はいずれも、２個のパワートランジスタの直列接続回路を含んでいる。インバータ回路３５は、直列接続回路を３セット備えている。直列接続回路の高電位側のパワートランジスタ２１ａ、２１ｂは上アームトランジスタと呼ばれ、低電位側のパワートランジスタ２２ａ、２２ｂは下アームトランジスタと呼ばれる。以下では、上アームトランジスタを符号２１で総称し、下アームトランジスタを符号２２で総称する。

昇圧回路３３とインバータ回路３５の間に、平滑化コンデンサ５ｂが並列に接続されている。平滑化コンデンサ５ｂは、インバータ回路３５に入力される電流の脈動を抑制する。図１によく示されているように、電力変換装置２は、上アームトランジスタ２１と下アームトランジスタ２２の直列接続回路を複数有しているが、いずれの直列接続回路も、フィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂと並列に接続されている。

電力変換装置２のケース内部のハードウエアレイアウトを説明する。図２は、電力変換装置２の上面図である（カバーの図示は省略している）。また、図３は、図２のIII−III線における断面図である。

電力変換装置２のケース３の内部は、３つの空間に区画されている。夫々、コンデンサ収容空間Ｓｐ１、冷却器収容空間Ｓｐ２、及び、基板収容空間Ｓｐ３）である。基板収容空間Ｓｐ３については図３を参照されたい。なお、ケース３は、アルミニウム製である。

冷却器収容空間Ｓｐ２には、積層ユニット１０とリアクトル１６が格納される。積層ユニット１０は、平板型の複数の冷却器１２と平板型の複数の半導体モジュール２０を交互に積層したデバイスである。積層ユニット１０の積層方向の一端はケース３の側壁内面に当接しており、他端は板バネ１５で押さえ付けられている。板バネ１５をはさんで積層ユニット１０の反対側にリアクトル１６が配置されている。

半導体モジュール２０について説明する。各半導体モジュール２０には２個のパワートランジスタが封止されている（図３参照）。２個のパワートランジスタは、樹脂パッケージ２３により封止されている。その２個のパワートランジスタは、上アームトランジスタ２１と下アームトランジスタ２２であり、それらは樹脂パッケージ２３の内部で直列に接続されている。なお、図示を省略しているが、半導体モジュール２０には、各パワートランジスタに逆並列に接続されるダイオードも封止されている。ダイオードは、図３においてパワートランジスタ２１、２２の後側に位置している。即ち、一つの半導体モジュール２０が一つの直列接続回路に相当する。

図３に示されているように、樹脂パッケージ２３の上端から３個の端子２０ａ、２０ｂ、及び、２０ｃが伸びている。端子２０ａは、パワートランジスタの直列接続回路の高電位側端子に相当し、端子２０ｂは、その低電位側端子に相当する。また、端子２０ｃは、直列接続回路の中点に相当する。端子２０ａ、２０ｂ、及び、２０ｃには夫々バスバが接続されるが、図２ではバスバの図示を省略している。図３では、端子２０ａ、２０ｂとフィルタコンデンサ５ａを接続するバスバ８ａ、８ｂが描かれている。それらのバスバについては後に説明する。なお、上アームトランジスタ２１と下アームトランジスタ２２の直列接続回路とフィルタコンデンサ５ａ、及び、平滑化コンデンサ５ｂが並列に接続されている点は、図１の回路図にも示されている。

また、樹脂パッケージ２３の下端からは、各パワートランジスタ２１、２２のゲートに通じるゲート端子２１ｄ、２２ｄが伸びている。ゲート端子２１ｄ、２２ｄは、冷却器収容空間Ｓｐ２から基板収容空間Ｓｐ３へと伸びており、基板収容空間Ｓｐ３に格納されているコントローラ３４（図１参照、コントローラ３４は図２、図３では図示を省略している）に接続している。

積層ユニット１０を構成する複数の冷却器１２には、冷媒供給管１３と冷媒排出管１４が貫通しており、冷媒供給管１３と冷媒排出管１４はケース３の外へと伸びている。各冷却器１２の内部は空洞であり、冷媒供給管１３を通じて外部から供給された冷媒は冷却器１２の内部を通り、冷媒排出管１４を通じて外部へ排出される。積層ユニット１０の一方の端の冷却器１２はケース３と接しており、各冷却器１２は、その両側に接している半導体パッケージ内のパワートランジスタ２１、２２を冷却するとともに、金属製のケース３を介してリアクトル１６とフィルタコンデンサ５ａ、平滑化コンデンサ５ｂを冷却する。

コンデンサ収容空間Ｓｐ１と冷却器収容空間Ｓｐ２は隔壁４で仕切られている。隔壁４は、ケース３の一部である。コンデンサ収容空間Ｓｐ１には、フィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂが収容される。フィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂは、樹脂製の絶縁スペーサ９に固定され、その絶縁スペーサ９がコンデンサ収容空間Ｓｐ１の底面３ｂに固定される。別言すれば、フィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂは、絶縁スペーサ９を介してコンデンサ収容空間Ｓｐ１の底面３ｂに固定される。図４に絶縁スペーサ９の斜視図を示す。絶縁スペーサ９は、トレイ形状であり、フィルタコンデンサ５ａを嵌め込む窪み９ａと、平滑化コンデンサ５ｂを嵌め込む窪み９ｂが設けられている。また、窪み９ａ、９ｂを囲むようにリブ９ｃが設けられている。フィルタコンデンサ５ａ（平滑化コンデンサ５ｂ）は、窪み９ａ（窪み９ｂ）に嵌め込まれ、さらに不図示のネジで固定される。また、絶縁スペーサ９をコンデンサ収容空間Ｓｐ１に設置する際、リブ９ｃがコンデンサ収容空間Ｓｐ１の底部の周囲と嵌合し、フィルタコンデンサ５ａ、平滑化コンデンサ５ｂとともに絶縁スペーサ９が位置決めされる。こうして、フィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂが確実に位置決めされるので、それらのコンデンサが金属製のケース３に接触してしまうことが防止される。なお、コンデンサ収容空間Ｓｐ１の底面３ｂは、コンデンサ収容空間Ｓｐ１を画定する壁面のうち、隔壁４以外の壁面に相当する。

図２と図３に戻って説明を続ける。フィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂは絶縁スペーサ９によって位置決めされており、金属製のケース３には直接には接触しない。また、コンデンサ収容空間Ｓｐ１の内部空間であってフィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂの周囲の空間にはポッティング樹脂７が充填されている。ポッティング樹脂７は絶縁体である。フィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂの上面（図中のＺ軸方向の上面）もポッティング樹脂７で覆われており、フィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂは、ポッティング樹脂７で封止されている。ポッティング樹脂７は、最初は流動性を有する樹脂を上記した空間に流し込み、その後固化させたものである。即ち、ポッティング樹脂７は、ポッティング加工により充填される。フィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂが絶縁スペーサ９とポッティング樹脂７で封止されることで、それらコンデンサの絶縁が確保される。コンデンサ収容空間Ｓｐ１を画定する壁面（コンデンサ収容空間Ｓｐ１を画定するケース３の側壁内面と、隔壁４の側面）には、窪み３ａ、４ａが設けられている。ポッティング加工の際、流動性の樹脂は窪み３ａ、４ｂにも流れ込む。窪み３ａ、４ａで樹脂が固化することによって、アンカー効果が生じ、固化したポッティング樹脂７がコンデンサ収容空間Ｓｐ１から浮き上がることが防止される。

フィルタコンデンサ５ａは、絶縁スペーサ９と対向する面に正負の電極６を備えている。その電極６と、半導体モジュール２０の端子２０ａ、２０ｂ（パワートランジスタの端子）をバスバ８ａ、８ｂが繋いでいる（図３参照）。なお、図２ではバスバの図示は省略している。バスバ８ａ、８ｂは、大電流を低抵抗で伝達するための導電部材であり、細長の銅板で作られている。バスバ８ａ、８ｂは、絶縁スペーサ９に対向している電極６から、ポッティング樹脂７の内部を通り、隔壁４に沿って上方へと伸びており、ポッティング樹脂７から外部へ出たところで半導体モジュール２０に向けて折れ曲がっている。バスバ８ａ、８ｂは、金属製の隔壁４に沿って平行に配索されており、フィルタコンデンサ５ａが発する熱の一部はバスバ８ａ、８ｂに伝わり、さらに近接する隔壁４に伝わり、ケース３の全体へと拡散していく。図示を省略しているが、平滑化コンデンサ５ｂの電極も絶縁スペーサ９と対向する面に設けられており、その電極と半導体モジュール２０の端子がバスバで接続されている。そのバスバも、バスバ８ａ、８ｂと同様に、隔壁４に沿って配索されている。

実施例の電力変換装置２の利点のいくつかを以下に列挙する。なお、以下では、フィルタコンデンサ５ａと平滑化コンデンサ５ｂをコンデンサ５と総称する。電力変換装置２では、コンデンサ５がポッティング樹脂７を介して電力変換装置の金属製のケース３に接している。コンデンサ５が発した熱は、ポッティング樹脂７を通じてケース３に伝達される。他方、ケース３には積層ユニット１０の冷却器１２が接しており、ケース３に伝達された熱は冷却器１２を流れる冷媒により、外部へと放出される。コンデンサ５からケース３への熱伝達効率を高めるため、コンデンサ収容空間Ｓｐ１を画定する壁面とコンデンサ５との隙間はできるだけ短くされる。そうするとコンデンサ５が金属製のケース３と接触する虞があるが、電力変換装置２では、コンデンサ５を保持する窪みを有する絶縁スペーサ９がコンデンサ５を正確に位置決めするので、コンデンサ５がケース３と接触することが防止される。なお、コンデンサ５の電極が絶縁スペーサ９と対向する位置に設けられている点も、コンデンサ５の電極がケース３に接触することを防止している。

コンデンサ５の発する熱はポッティング樹脂７を介してケース３に伝達するが、コンデンサ５の電極６に接続しているバスバ８ａ、８ｂが隔壁４に沿って配索されていることも、コンデンサ５の放熱に寄与する。また、コンデンサ５に接続しているバスバ８ａ、８ｂを金属製のケース３の隔壁４に並走させることで、バスバ８ａ、８ｂに流れる電流から生じる磁界の一部を隔壁４で吸収することができ、インダクタンスを低減できる。その結果、損失を低減することができる。

また、コンデンサ収容空間Ｓｐ１を画定する壁面には窪み３ａ、４ａが設けられており、この窪みにポッティング樹脂７が入り込むことでアンカー効果が生じ、ポッティング樹脂７がコンデンサ収容空間Ｓｐ１から浮き出てしまうことを防止する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。パワートランジスタ２１、２２が、半導体素子の一例に相当する。フィルタコンデンサ５ａ、平滑化コンデンサ５ｂがコンデンサ素子の一例に相当する。

コンデンサ素子の放熱効率を高めることのさらなる利点を説明する。大容量のコンデンサ素子としては、フィルム型のコンデンサ素子が適している。フィルム型のコンデンサ素子では、容量が同じ場合、フィルム膜厚が薄いほど、コンデンサ素子のサイズを小さくすることができる。しかし、フィルム膜厚を薄くすると蒸着膜間の距離が狭まり、耐電圧性能が下がってしまう。耐電圧性能は、温度が高いほど低下する。それゆえ、コンデンサ素子の放熱効率を高めることは、コンデンサ素子の環境温度範囲の上限を下げることにつながる。環境温度範囲の上限が下がれば、要求される高温特性の要求が緩和されるので、即ち、高温下における耐電圧性能の要求も緩和されるので、フィルム膜厚を薄くすることができ、結果、コンデンサ素子を小型化することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換装置
３：ケース
３ａ：窪み
３ｂ：底面
４：隔壁
５ａ：フィルタコンデンサ（コンデンサ素子）
５ｂ：平滑化コンデンサ（コンデンサ素子）
６：電極
７：ポッティング樹脂
８ａ、８ｂ：バスバ
９：絶縁スペーサ
９ａ、９ｂ：窪み
９ｃ：リブ
１０：積層ユニット
１２：冷却器
１３：冷媒供給管
１４：冷媒排出管
１５：板バネ
１６：リアクトル
２０：半導体モジュール
２１、２２：パワートランジスタ（半導体素子）
２３：樹脂パッケージ
３０：ハイブリッド車
３３：昇圧回路
３４：コントローラ
３５：インバータ回路
３６：エンジン
３７：モータ
Ｓｐ１：コンデンサ収容空間
Ｓｐ２：冷却器収容空間
Ｓｐ３：基板収容空間

Claims (5)

1. 半導体素子と、
   前記半導体素子を冷却する冷却器と、
   前記半導体素子と接続されているコンデンサ素子と、
   前記半導体素子と前記冷却器と前記コンデンサ素子を収容する金属製のケースであって、前記半導体素子と前記冷却器を収容する冷却器収容空間と前記コンデンサ素子を収容するコンデンサ収容空間を区切る隔壁が設けられているケースと、
   を備えており、
   前記コンデンサ素子が、前記コンデンサ収容空間を画定する壁面であって前記隔壁以外の壁面に絶縁スペーサを介して固定されており、
   前記コンデンサ収容空間を画定する壁面と前記コンデンサ素子の間の空隙に樹脂が充填されている、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記コンデンサ素子の電極が、前記絶縁スペーサに対向し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。
3. 前記絶縁スペーサに、前記コンデンサ素子と嵌合する窪み、或いは、前記コンデンサ素子を位置決めするリブが設けられてい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。
4. 前記コンデンサ収容空間を画定する壁面に窪みが設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記半導体素子と前記コンデンサ素子を接続するバスバが前記隔壁に沿って配索されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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