JP2015220920A - 電動車両用の電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、パワーカードと冷却器が交互に積層されている積層ユニットを備えた電力変換器に関し、ノイズ低減効果と冷却効果と耐荷重性をバランスよく満足する構造を提供する。【解決手段】電力変換器１００は、スイッチング素子を収容しているパワーカード３と冷却器２が交互に積層された積層ユニット１０と、金属製のハウジング５０を備える。パワーカード３は、冷却器２と対向する側面に、スイッチング素子と導通している放熱板３３を有する。冷却器２は、放熱板３３と対向する側面に開口２１を有している樹脂製の筐体２０と、その開口を塞いでいる金属製のカバープレート４を備える。放熱板３３とカバープレート４の間に絶縁体が挟まれているとともに、そのカバープレートがハウジングと導通している。【選択図】図６

Description

本発明は、電動車両に搭載され、走行用のモータに電力を供給する電力変換器に関する。

電動車両は、バッテリの電力を、走行用のモータを駆動するのに適した電力に変換する電力変換器を搭載している。そのような電力変換器には大電流が流れる。即ち、電力変換器が備える電力変換用のスイッチング素子に大電流が流れる。それゆえ、電力変換用のスイッチング素子は発熱量が大きい。発熱量が大きいスイッチング素子を含む電力変換器の一例は、バッテリの電力を交流に変換して走行用のモータに供給するインバータである。三相交流電力を生成するインバータは、少なくとも６個のスイッチング素子を必要とする。

一方、車載の電力変換器には小型化も求められる。そこで、発熱量の大きい複数のスイッチング素子を集約して効率よく冷却する技術が求められている。そのような技術の例が特許文献１−３に開示されている。特許文献１と２に開示された電力変換器は、スイッチング素子を収容した複数のパワーカードと複数の冷却器を備えた積層ユニットを採用する。パワーカードと冷却器は交互に積層されている。平板型の各パワーカードはその両面にスイッチング素子と導通している放熱板を備えている。スイッチング素子の電極に接続している端子の一部が幅広くなっており放熱板を兼ねている。これは、スイッチング素子の電極を通じてスイッチング素子の熱をパワーカードの外へ伝えるのに好都合だからである。その放熱板に冷却器が当接する。放熱板と冷却器の間には絶縁板が挟まれている場合もある。なお、冷媒には液体が用いられる。冷媒の典型は、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

特許文献３では、パワーカードと冷却器を交互に積層する代わりに、冷却器だけを積層したユニット採用する。その冷却器は、両側が開口した筐体を有する。その筐体の内部にパワーカードを配置する。内部にパワーカードを配置した筐体を重ねてユニットが構成されている。隣接する冷却器の開口同士が連結され、重ねられた筐体の内部全体が、冷媒が通る流路となる。即ち、冷却器に収容されたパワーカードの周りを冷媒が流れる。このユニットは、パワーカードと冷却器を積層するタイプと異なり、パワーカードに冷媒が直接触れるので高い冷却効果が期待できる。このユニットでは、冷却器の筐体は熱を伝える必要がないため、熱伝達率が高くない樹脂で作られている。ただし、特許文献３のユニットは、パワーカードの周りを液体の冷媒が流れるので、パワーカードの防水性を確保しなければならない課題がある。

電力変換器には、発熱とは別の課題もある。大電流が流れるスイッチング素子は、オンとオフのスイッチングに伴って高周波のノイズを発生する。特許文献１には、積層ユニットの構造を活用してスイッチング素子のノイズを低減する技術が開示されている。特許文献１の電力変換器では、パワーカードとともに積層されている金属製の冷却器の筐体を電力変換器のハウジングと導通させている。一般に、電力変換器に収められる回路の負極が電力変換器のハウジングと電気的に接続される。そして、自動車の場合、電力変換器を含む電子機器は、金属製のボディと導通している。ボディの電位がいわゆる電気的な「グランド」になる。そのようなグランドを本明細書ではボディグランドと称する。

特許文献１に開示された電力変換器の積層ユニットでは、パワーカードの放熱板と金属製の冷却器が絶縁体（誘電体）を挟んで対向している。前述したように、放熱板はスイッチング素子と導通しており、冷却器の筐体はボディグランドと導通している。それゆえ、放熱板と絶縁体と冷却器筐体が、ノイズをボディグランドへ導くバイパスコンデンサを構成する。特許文献１の技術は、積層ユニットの構造を利用してバイパスコンデンサを構築する。特許文献１には、変形例として、冷却器の金属製の筐体を樹脂層で覆う態様が開示されている。その変形例では、パワーカードの放熱板と冷却器の筐体と、それらの間に挟まれた樹脂層がバイパスコンデンサを構成する。

特開２００５−０７３３４２号公報 特開２０１３−１９８２５５号公報 特開２０１２−０１５１６７号公報

ノイズを低減することのできる積層ユニットとして、特許文献１には２種類の構造が開示されている。一つは、金属製の筐体の外側を樹脂で覆った冷却器とパワーカードを積層する積層ユニットである。パワーカードの放熱板と冷却器の筐体とそれらの間の樹脂層がバイパスコンデンサを構成する。別の一つは、樹脂で覆われていない金属製の冷却器とパワーカードを絶縁板を挟んで積層する積層ユニットである。パワーカードの放熱板と金属製の冷却器の筐体と絶縁板がバイパスコンデンサを構成する。

一方、パワーカードと冷却器の間の伝熱効率を高めるため、積層ユニットには積層方向に圧力（圧縮荷重）が加えられる。圧力は全部で数キロニュートンに及ぶ場合がある。即ち、積層ユニットには数キロニュートンの圧縮荷重が加えられる。薄い金属板で作られた冷却器の筐体は、大きな荷重により変形する虞がある。金属製の筐体の耐荷重性を高めようとすると、筐体の壁の厚みを大きくする必要がある。厚みの大きい金属筐体は、重量が嵩む上にコストも嵩む。

特許文献１に開示された別の冷却器のように、金属製の筐体の外側を樹脂で覆う構造を採用すれば、樹脂層を厚くして強度を確保することが考えられる。しかしながら、そうすると、積層ユニットのパワーカードと金属筐体の間の樹脂層が厚くなり、バイパスコンデンサの容量が小さくなってしまう。すなわち、ノイズ低減効果が小さくなってしまう。また、樹脂層の厚みを増すことは、パワーカードの冷却性能の低下につながる。

本明細書は上記課題に鑑みて創作された。本明細書が開示する技術は、パワーカードと冷却器が交互に積層されている積層ユニットを備えた電力変換器に関し、ノイズ低減効果と冷却効果と耐荷重性（強度）をバランスよく満足する構造を提供する。

本明細書が対象とする電力変換器は、パワーカードと冷却器が交互に積層された積層ユニットを備える。パワーカードにはスイッチング素子が収容されている。パワーカードの側面にはスイッチング素子と導通している放熱板が備えられている。パワーカードは、放熱板が冷却器と対向するように積層される。冷却器は、内部を液体の冷媒が通る樹脂製の筐体を有している。筐体は、積層ユニットの積層方向に平行な側壁が厚く、積層方向の荷重によく耐えるように作られている。一方、筐体の放熱板と対向する側面には大きな開口が設けられており、その開口を金属製のカバープレートが覆っている。即ち、カバープレートの裏面は冷媒に直接に触れる。冷却器は、カバープレートが絶縁板を挟んでパワーカードと対向するように積層されている。積層ユニットは、積層方向の圧力を受けつつハウジングに収められる。その圧力によりカバープレートと絶縁板と放熱板が密着する。この密着性と、カバープレートの裏面に冷媒が接触することで、パワーカードの高い冷却性が確保される。

また、カバープレートは電力変換器の金属製のハウジングと導通している。前述したように、電力変換器のハウジングはボディグランドと導通している。従って、放熱板と絶縁体とカバープレートがノイズ低減用のバイパスコンデンサを構成する。絶縁体の厚みは、冷却器の筐体の大きさや側壁の厚みに関わらずに薄くすることができる。それゆえ、大きい容量を有するバイパスコンデンサを実現することができる。

上述したように、本明細書が開示する電力変換器は、開口を有する樹脂製の筐体とその開口を塞ぐ金属製のカバープレートを有する冷却器がパワーカードと積層された積層ユニットを備える。そしてその積層ユニットのカバープレートがハウジングと導通している。上記特徴を備えた電力変換器は、ノイズ低減効果と冷却効果と耐荷重性（強度）の全てにおいて高い性能が期待できる。

上記の電力変換器は、積層方向で加えられる高い圧力（圧縮荷重）を利用して開口の封止を確保することができる。即ち、冷却器のカバープレートが開口の周囲の筐体側面にガスケットを介して当接しており、ハウジングから加えられる圧力によってカバープレートが筐体側面に押圧され、開口の封止が確保される。そのような電力変換器は、開口を封止しつつカバープレートを筐体に固定する専用部品が不要である。

複数の冷却器と複数のパワーカードが積層されている場合、電力変換器は次の構成を備えるとよい。冷却器は、積層方向の両側に開口を有しており、夫々の開口を塞ぐカバープレートを有している。各カバープレートがハウジングと導通している。一方、パワーカードはその両側に放熱板が配置されている。そして、カバープレートと放熱板が対向するように、冷却器とパワーカードが交互に積層されている。そのような構造を有する電力変換器は、パワーカードの両面が冷却されるとともに、パワーカードの両側にバイパスコンデンサが形成される。

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。

実施例の電力変換器を含む電気自動車の駆動系のブロック図である。 積層ユニットの斜視図である。 冷却器の分解斜視図である。 一対の冷却器とそれらの間に挟まれるパワーカードのアセンブリの斜視図である。 図４のアセンブリの分解図である。 図４のＶI−ＶI線に沿った断面図である。 電力変換器内のデバイスレイアウトを示す平面図である（カバーなし） 図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。 変形例の電力変換器の断面図である（図６に対応）。 別の変形例の電力変換器（その積層ユニット）の断面図である（図８に対応）。

図面を参照して実施例の電力変換器１００を説明する。実施例の電力変換器１００は、電気自動車２００に搭載され、バッテリの電力を交流に変換して走行用のモータに供給する。まず、電力変換器１００を含む電気自動車２００の駆動系を説明する。図１に駆動系のブロック図を示す。電力変換器１００は、システムメインリレー９６を介してメインバッテリ９５と接続されている。電力変換器１００は、メインバッテリ９５の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１６と、昇圧後の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１７を含む。なお、電圧コンバータ回路１６は、モータ９７が発生した電力（回生電力）を降圧する降圧動作も行うことができる。モータ９７が発生した交流の回生電力は、インバータ回路１７によって直流に変換された後に電圧コンバータ回路１６へ送られる。

電圧コンバータ回路１６は、２個のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路と、一端がその直列回路の中点に接続されており他端が入力側（バッテリ側）の高電位端子に接続されているリアクトル１３と、入力側の高電位端子と低電位端子の間に接続されているフィルタコンデンサ１４と、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。

電圧コンバータ回路１６は、メインバッテリ９５の電圧を昇圧してインバータ回路１７へ供給する動作（昇圧動作）と、インバータ回路１７の側から入力される直流の回生電力を降圧してメインバッテリ９５へ供給する動作（降圧動作）の双方を行うことができる。メインバッテリ９５の電圧は例えば３００ボルトであり、昇圧後の電圧は例えば６００ボルトである。昇圧動作には主にスイッチング素子Ｔ８が使われ、降圧動作には主にスイッチング素子Ｔ７が使われる。図１の電圧コンバータ回路はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号３ｄが示す破線矩形の範囲が、後述するパワーカード３ｄに収容される回路に相当する。

インバータ回路１７は、２個のスイッチング素子の直列回路を３セット有している（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、Ｔ３とＴ６）。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路は並列に接続されている。３セットの直列回路の高電位端が電圧コンバータ回路１６の高電位端に接続されており、低電位端は電圧コンバータ回路１６の低電位端に接続されている。３セットの直列回路の夫々の中点から交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。インバータ回路１７の交流出力は走行用のモータ９７に供給される。３セットの直列回路の夫々が、後述するパワーカード３ａ−３ｃに対応する。

電圧コンバータ回路１６とインバータ回路１７の間に平滑化コンデンサ１５が並列に接続されている。平滑化コンデンサ１５は、電圧コンバータ回路１６の出力電流の脈動を抑える。

スイッチング素子Ｔ１−Ｔ８は、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子Ｔ１−Ｔ８は、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。これらのスイッチング素子には、バッテリから供給される数十アンペアの電流が流れる。それゆえ、これらのスイッチング素子は発熱量が大きい。

電力変換器１００は、電圧コンバータ回路１６とインバータ回路１７の他に、コントローラ１８を備えている。コントローラ１８は、電力変換器１００の外部の上位コントローラ（不図示）からの指令を受けて、走行用のモータ９７が所望のパワーを出力するように各スイッチング素子を駆動する。図１において、コントローラ１８から各パワーカード（３ａ−３ｄ）へ伸びている矢印破線が各スイッチング素子へ与える駆動信号（ＰＷＭ信号）の信号線を表している。

電力変換器１００は電気自動車２００に搭載されている。電力変換器１００のハウジングは金属製であり、車両ボディと導通している。自動車のボディは補機と総称される電気機器のグランド電位に保持される。それゆえ、電力変換器１００のハウジングもグランド電位に保持される。そのグランド電位をボディグランドＧと称する。説明の便宜のため、ある部品をボディグランドＧの電位に保持されている別の部品と接続することも、「ボディグランドＧに接続する」と表現する。図１において、符号５０が付された破線矩形とボディグランドＧが線で結ばれている。図１では、符号５０が付された破線矩形は電力変換器１００のハウジングを意味している。なお、補機とは、メインバッテリ９５の出力電圧よりも遥かに低い電圧で動作する電気機器であり、例えば、ルームランプ、インストルメントパネルの照明、ナビゲーション装置、カーオーディオなどである。多くの場合、メインバッテリ９５の出力電圧は１００ボルト以上であり、補機の駆動電圧は１００ボルト未満である。

メインバッテリ９５の高電圧が加わる電圧コンバータ回路１６とインバータ回路１７は、ボディグランドＧから絶縁されている。但し、スイッチング素子Ｔ１−Ｔ８のスイッチング動作に伴う高周波ノイズは電磁波となって放散され、補機を含む様々な電気デバイスに影響を与える可能性がある。特に、スイッチング素子の高周波ノイズは、ラジオの音声を聞きづらくする。電力変換器１００では、スイッチング動作に伴う高周波ノイズをボディグランドＧへ導き、ノイズの影響を低減する。そのために、スイッチング素子の高電位側あるいは低電位側とボディグランドＧがバイパスコンデンサ１９で接続される。バイパスコンデンサ１９は、後述する積層ユニットの構造の特徴を利用して実現されており、一般の電気部品とは異なる。バイパスコンデンサについては後述する。なお、図１では、スイッチング素子Ｔ７とＴ８だけにバイパスコンデンサ１９を描いているが、他のスイッチング素子Ｔ１−Ｔ６の夫々にも同様のバイパスコンデンサが接続される。

電力変換器１００のハードウエア構成を説明する。電力変換器１００は、発熱量の大きいスイッチング素子Ｔ１−Ｔ８を集約して冷却する積層ユニット１０を備えている。図２に積層ユニット１０の斜視図を示す。図１のリアクトル１３やコンデンサ１４、１５などの他の部品については後述する。

積層ユニット１０は、複数のパワーカード３ａ−３ｄと複数の冷却器２ａ−２ｅで構成されている。パワーカード３ａ−３ｄと冷却器２ａ−２ｅは、交互に積層されている。以下、パワーカード３ａ−３ｄを区別なく表す場合はパワーカード３と表記する。冷却器２ａ−２ｅを区別なく表す場合は冷却器２と表記する。パワーカード３は、２個のスイッチング素子と２個のダイオードを樹脂でモールドしたパッケージである。２個のスイッチング素子はパッケージの中で直列に接続されている。また、パッケージの中で各スイッチング素子にダイオードが逆並列に接続されている。先に述べたように、電圧コンバータ回路１６に備えられた２個のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８と、それらに伴う２個のダイオードで構成される回路がパワーカード３ｄに収容されている。インバータ回路１７の２個のスイッチング素子Ｔ１とＴ４及びそれらに伴う２個のダイオードがパワーカード３ａに収容されている。同様に、インバータ回路１７の２個のスイッチング素子Ｔ２とＴ５（Ｔ３とＴ６）及びそれらに伴う２個のダイオードがパワーカード３ｂ（３ｃ）に収容されている。パワーカード３の内部構造は後に説明する。

図２とともに図３を参照して冷却器２を説明する。図３は、冷却器２の分解斜視図である。冷却器２は、内部を液体の冷媒が流れる筐体２０、２枚のカバープレート４、５、ガスケット２７、２８で構成されている。筐体２０は絶縁性の樹脂で作られており、カバープレート４、５は導電性の金属で作られている。カバープレート４、５は、例えばアルミニウムで作られている。

図３に示すように、筐体２０は複雑な形状を有しているが、そのような形状は樹脂の射出成形で低コストで製造できる。樹脂材料そのものも低コストである。筐体を樹脂で作ることは、コストの点で有利である。但し、樹脂は、アルミニウムなどの金属と比較して熱伝達率が低い。詳しくは次に述べるが、冷却器２は、開口２１と金属製のカバープレート４、５を採用することで、パワーカードの冷却性能を高める。

筐体２０の内部は冷媒が通る流路Ｐ２となる。積層方向（図中のＸ方向）からみたときの筐体２０の中央に大きな開口２１が設けられている。開口２１は、パワーカード３と対向する位置に設けられている。開口２１は、積層ユニット１０の積層方向（図中のＸ軸方向）の両側に設けられている。開口２１は、カバープレート４（５）で塞がれる。詳しくは、カバープレート４（５）は、ガスケット２７を挟んで、開口２１の周囲の筐体側面２４（２５）に当接し、開口２１を塞ぐ。ガスケット２７は例えばシリコンゴム製である。筐体２０の横方向（図中のＹ軸の方向）の両端に突出部２２が設けられており、カバープレート４は一対の突出部２２の間で筐体側面２４に密着する。筐体２０の積層方向の他方側では筐体２０に窪み２６が設けられており、カバープレート５はその窪み２６に嵌合するとともに、筐体側面２５に密着する。詳しくは後述するが、積層ユニット１０は積層方向の大きな圧力を受けつつ、電力変換器１００のハウジング５０の内部に保持される。その圧力がカバープレート４、５を筐体２０に押し付け、開口２１の封止が確保される。

積層方向（図中のＸ軸方向）からみて矩形のカバープレート４（５）の一角から延設棒４ａ（５ａ）が伸びている。延設棒４ａ（５ａ）は、カバープレート４（５）の一部であり、導電性の金属で作られている。図２に示されているように、延設棒４ａ（５ａ）は、突出部２２の上面へと伸びている。詳しくは図７と図８を参照しつつ後述するが、積層ユニット１０がハウジング５０に組み込まれる際、突出部２２の上面に押さえ板４１が取り付けられる。押さえ板４１と延設棒４ａ（５ａ）は接触する。押さえ板４１はハウジング５０に固定される。押さえ板４１と延設棒４ａ（５ａ）を介してカバープレート４（５）がハウジング５０（後述）と導通する。

カバープレート４（５）の裏面（筐体２０の内部を向く側）には複数のフィン２９が設けられている。カバープレート４（５）の裏面は筐体２０の内部に面しており、カバープレート４（５）の裏面は、筐体内部の流路Ｐ２を流れる冷媒に直接に接触する。パワーカード３の熱は樹脂製の筐体２０とは関係なく主にカバープレート４（５）とその裏面のフィン２９を通じて冷媒に放出される。

筐体２０には、積層方向（図中のＸ軸方向）から見て開口２１の両側（Ｙ軸方向の両側）に突出部２２が設けられている。突出部２２は、積層方向に突出している。突出部２２の内側には筐体２０を積層方向に貫通する貫通孔２３が形成されている。先に述べたように、積層ユニット１０では突出部２２が隣接する冷却器の筐体２０と当接する。そうして、隣接する冷却器２（筐体２０）の貫通孔２３同士が連通する。一方の突出部２２において連通した貫通孔２３が供給路Ｐ１を構成する。他方の突出部２２において連通した貫通孔２３が排出路Ｐ３を構成する。積層ユニット１０の一端にはカバー９１が当てられ、供給路Ｐ１と排出路Ｐ３の一端が塞がれる。供給路Ｐ１と排出路Ｐ３は、筐体内部の流路Ｐ２と連通している。後述するように、積層ユニット１０の端の一方の貫通孔２３には供給管４３が接続され、外部から冷媒を取り込む。その供給管４３と供給路Ｐ１を通じて全ての冷却器２に冷媒が分配される。冷媒は流路Ｐ２を流れる間にカバープレート４（５）とフィン２９を通じてパワーカード３の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は排出路Ｐ３と、積層方向の端の他方の貫通孔２３に接続されている排出管４５（後述）を通じてハウジング５０の外へと排出される。

先に述べたように、冷却器２の筐体２０は樹脂製である。図３に良く示されているように、筐体２０の突出部２２の壁厚Ｗｔは厚い。それゆえ、積層方向に対して高い強度を保持でき、積層方向の圧力に対して筐体２０の変形量を小さくすることができる。別言すれば、筐体２０は、積層ユニット１０に加わる積層方向の圧力に耐えるようにその壁厚Ｗｔが決められる。なお、突出部２２の先端面には別のガスケット２８が当てられ、隣接する冷却器の筐体２０との間が封止される。ガスケット２７による筐体２０とカバープレート４（５）の間の封止と、ガスケット２８による突出部２２と隣接する筐体２０の間の封止が同時に成立するように、ガスケット２７、２８の厚みが選定される。特に、積層ユニット１０に加えられる積層方向の圧力により、カバープレート４（５）が開口２１の周囲の側面２４（２５）に押し付けられ、開口２１の封止が確保される。カバープレート４（５）に充分な圧力が加わるように、ガスケット２７、２８の厚みが決定される。

一方、先に述べたように、筐体２０には、パワーカード３と対向する側面に開口２１が設けられており、その開口２１は金属製のカバープレート４（５）で封止される。パワーカード３の熱は、筐体２０の壁厚Ｗｔとは無関係に、カバープレート４（５）を通じて冷媒に吸収される。

次に、図４−図６を参照して、冷却器２とパワーカード３との関係、及び、パワーカード３の内部構造を説明する。図４に、一対の冷却器２ａ、２ｂと、それらの間に挟まれたパワーカード３ａで構成されるアセンブリの斜視図を示す。図５は、そのアセンブリの分解斜視図である。図６は、図４のVI−VI線に沿った断面図である。図４−図６に描かれている一対の冷却器２ａ、２ｂとパワーカード３ａは、図２の積層ユニット１０の一部に相当する。

パワーカード３ａは、その両側が、絶縁板６を挟んで冷却器２ａ、２ｂと隣接している。パワーカード３ａは平板型であり、その両側には放熱板３３、３６が露出している。一方の放熱板３６は、図５では隠れ見えないが、図６に描かれている。パワーカード３ａの内部には２個の半導体チップ３１が収容されており、２個の放熱板３３ａと３３ｂの夫々は、各半導体チップ３１と接続されている。

図６を参照して、パワーカード３ａの内部構造を説明する。パワーカード３ａは樹脂製のパッケージ３４の内部に２個の半導体チップ３１とスペーサ３２を封止したデバイスである。なお、２個の半導体チップ３１は、図中のＹ軸方向に沿って並んでいるため、図６では一つの半導体チップ３１のみが描かれている。他方の半導体チップとその周辺の構造は、図６と同じである。一つの半導体チップ３１の中には、図１のスイッチング素子とダイオードが実装されている。半導体チップ３１の一方の側面にはエミッタ電極が露出しており、他方の側面にはコレクタ電極が露出している。半導体チップ３１の両面の夫々には金属製のスペーサ３２が当接しており、一方のスペーサ３２の反対側には、放熱板３３が当接しており、他方のスペーサ３２の反対側には放熱板３６が当接している。放熱板３３はパッケージ３４の上面から上（Ｚ軸方向）へ伸びている端子３９と連続している。図６には描かれていないが、他方の放熱板３６は、パッケージ３４の上面から上へ伸びている別の端子３９と連続している。即ち、放熱板３３（３６）は、半導体チップ３１（スイッチング素子）の電極に接続する端子の一部である。別言すれば、半導体チップ３１（スイッチング素子）の端子の一部が放熱板３３（３６）を兼ねている。放熱板３３（３６）は、金属製であり、スペーサ３２を介して半導体チップ３１の電極と接触している。それゆえ、半導体チップ３１（スイッチング素子）の熱は放熱板３３（３６）へとよく伝わる。先に述べたように、冷却器のカバープレート４（５）も導電性を有する金属で作られている。放熱板３３、３６（半導体チップ３１の端子）と冷却器のカバープレート４（５）が導通しないように、それらの間に絶縁板６が配置されている。絶縁板６には熱伝達率の高い絶縁材料が選ばれる。絶縁板６は例えばセラミックスプレートである。絶縁板６は、また、誘電体でもある。絶縁板には、樹脂シートを用いてもよい。

なお、図示は省略しているが、放熱板３３は、２個の半導体チップ３１の夫々と導通しており、放熱板３６は、２個の半導体チップ３１の両方と導通している。放熱板３６を含む端子が、２個の半導体チップ３１（２個のスイッチング素子）を直列に接続する。

図５と図６によく示されているように、パワーカード３ａと冷却器２ａ、２ｂは、半導体チップ３１（スイッチング素子）と導通している放熱板３３（３６）が、冷却器のカバープレート４（５）と対向するように積層される。そして、カバープレート４（５）の裏面は、冷媒の流路に面している。また、カバープレート４（５）の裏面には、フィン２９が設けられている。その上、積層ユニット１０は積層方向に圧力を受けつつハウジング５０の保持される。即ち、放熱板３３（３６）と絶縁板６とカバープレート４（５）が密着する。そのような構造により、半導体チップ３１（スイッチング素子）の熱が効率よく冷媒に吸収される。

また、図６によく示されているように、カバープレート４（５）は、ガスケット２７を挟んで冷却器２の側面（開口２１の周囲の側面）に当接している。圧力によって、カバープレート４（５）はガスケット２７と筐体側面に強く押し付けられる。その結果として、開口２１が確実に封止される。このように、積層ユニット１０では、カバープレート４（５）を固定する専用の部品を要することなく、開口２１の封止を確保している。また、積層方向（Ｘ軸方向）に平行な筐体側壁の厚みＷｔ（図６参照）は、圧力に耐え得るように設定されている。

なお、筐体内部では、一方のカバープレート４から伸びるフィン２９と他方のカバープレート４、５から伸びるフィン２９との間に弾性板６１が配置されている。

詳しくは後述するが、金属製のカバープレート４（５）は、ボディグランドＧに接続される。図６の符号９２が、カバープレート４（５）が車両のボディ（ボディグランドＧ）と導通していることを表している。符号９２が示す導通線は、カバープレート４（５）に設けられた延設棒４ａ（５ａ）と、後述する押さえ板４１に対応する。先に述べたように、カバープレート４（５）は絶縁板６を挟んで放熱板３３（３６）と対向しており、その放熱板３３（３６）は、スイッチング素子の電極と導通している。絶縁板６は誘電体でもある。それゆえ、カバープレート４（５）と絶縁板６と放熱板３３（３６）はコンデンサを構成する。このコンデンサは、スイッチング素子の電極とボディグランドＧを接続する。即ち、このコンデンサが、図１で説明したバイパスコンデンサ１９に相当する。このコンデンサ（バイパスコンデンサ１９）は、半導体チップ３１（スイッチング素子）の電極の直近のポイントとボディグランドＧを接続する。それゆえ、スイッチング素子が発生する高周波ノイズは、他のデバイスへ伝搬する前にバイパスコンデンサを通じてボディグランドＧへ吸収される。バイパスコンデンサの容量は、カバープレート４（５）と放熱板３３（３６）の面積と、絶縁板６の厚みに依存する。特に、絶縁板６が薄いほど、容量は大きくなる。絶縁板６は、樹脂筐体２０の構造とは関係なく定めることができる。即ち、実施例の電力変換器１００では、冷却器の筐体の壁厚Ｗｔとは関係なく、バイパスコンデンサの容量を定めることができる。このことは、冷却器２の構造的強度とバイパスコンデンサの容量は独立して決めることができることを意味する。

次に、図７と図８を参照して、電力変換器１００のハウジング５０内の部品レイアウトを説明する。図７は、電力変換器１００をハウジング５０の上方から見た平面図である。図８は、図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。図７は電力変換器１００のカバーを外したときの図である。

積層ユニット１０は、ハウジング５０に設けられた支持壁５０ａと５０ｂの間に配置される。積層ユニット１０には、その一端と支持壁５０ｂとの間に嵌挿された板バネ４４により積層方向の圧力が加えられる。板バネ４４による荷重は、数キロニュートンにも及ぶ。この高い圧力により、冷却器２とパワーカード３が密着する。同時にこの高い圧力が、カバープレート４（５）とガスケット２７による開口２１の封止を確保する。圧力が大きいので、カバープレート４（５）を筐体２０に固定する他の固定手段は不要である。また、先に述べたように、冷却器の樹脂で作られた筐体２０は、その壁厚Ｗｔが大きく、高い圧力にも変形せずに耐えることができる。

積層ユニット１０の一端には、ハウジングの外から積層ユニット１０へ冷媒を供給する供給管４３と積層ユニット１０から冷媒を排出する排出管４５が接続されている。供給管４３と排出管４５は、それぞれ、前述した供給路Ｐ１と排出路Ｐ３と連通する。

積層ユニット１０の上面に押さえ板４１が当てられている。押さえ板４１は、その両端がボルト４６でハウジング５０に固定されている。押さえ板４１は、車両の走行中に積層ユニット１０が振動しないように、積層ユニット１０を上から押さえつける。図７と図８に良く示されているように、カバープレート４（５）から伸びる延設棒４ａ（５ｂ）が、冷却器の筐体と押さえ板４１の間に挟まれている。押さえ板４１は導電性の金属で作られている。即ち、カバープレート４（５）は、延設棒４ａ（５ａ）と押さえ板４１を介してハウジング５０と導通する。こうして、前述したバイパスコンデンサが形成される。また、図７と図８に示されているように、全てのカバープレート４（５）が延設棒４ａ（５ａ）で押さえ板４１と導通している。このことは、カバープレート４（５）と絶縁板６と放熱板３３（３６）で構成されるバイパスコンデンサが、積層ユニット１０に含まれる全てのスイッチング素子の電極近くに設けられることを意味する。そして、各パワーカード３の半導体チップ（スイッチング素子）のノイズがボディグランドＧによく伝達される。

ハウジング５０には、積層ユニット１０のほか、複数のコンデンサ素子４８とリアクトルユニット４９が収容される。コンデンサ素子４８のいくつかは、電圧コンバータ回路１６の低電圧側に接続されてフィルタコンデンサ１４（図１参照）を構成する。コンデンサ素子４８の残りは、電圧コンバータ回路１６の高電圧側に接続されて平滑化コンデンサ１５（図１参照）を構成する。電力変換器１００は、走行用モータに供給する大電流を扱うので、コンデンサ素子４８も体格が大きい。リアクトルユニット４９は、図１のリアクトル１３に相当する。

図８に示されているように、ハウジング５０には、底面と平行に仕切板５１が設けられている。仕切板５１の上に積層ユニット１０が配置され、仕切板５１の下側に制御基板５２が固定される。制御基板５２には、図１を参照して説明したコントローラ１８が実装されている。図示は省略しているが、図８とは別の断面において仕切板５１には孔が設けられている。その孔を通じて、パワーカード３から伸びる信号端子（不図示）が制御基板５２に接続している。その信号端子は、パワーカード内のスイッチング素子のゲートに繋がっている。信号端子を通じて制御基板５２（コントローラ１８）からスイッチング素子へ駆動信号（ＰＷＭ信号）が供給される。

電力変換器１００の特徴をまとめると以下の通りである。電力変換器１００は、積層ユニット１０を備えている。積層ユニット１０では、電力変換用のスイッチング素子を収容しているパワーカード３と冷却器２が交互に積層されている。パワーカード３は、スイッチング素子と導通している放熱板３３（３６）が冷却器２と対向するように配置されている。冷却器２は、内部を液体の冷媒が通る樹脂製の筐体２０と、金属製のカバープレート４（５）を有している。筐体２０には、積層ユニット１０において放熱板３３（３６）と対向する側面に開口２１が設けられている。カバープレート４（５）は、開口２１を塞いでいる。その積層ユニット１０は、積層方向に荷重が加えられつつ、金属製のハウジング５０に収容されている。放熱板３３（３６）とカバープレート４（５）は、絶縁板６を挟んで対向している。そして、カバープレート４（５）とハウジング５０が導通している。そのハウジング５０は車両のボディと導通している。放熱板３３（３６）と絶縁板６とカバープレート４（５）が、スイッチング素子のノイズをボディへ導くバイパスコンデンサを構成する。

筐体２０の開口２１とそれを塞ぐカバープレート４（５）がパワーカード３の冷却性能を高める。樹脂製の筐体２０の側壁の厚みＷｔが、積層方向の圧力に耐える構造を提供する。ボディグランドＧと導通しているカバープレート４（５）と、スイッチング素子の電極と導通している放熱板３３（３６）と、絶縁板６が、高容量のバイパスコンデンサを構成する。

次に、図９と図１０を参照して電力変換器１００の変形例を説明する。図９は、変形例の電力変換器１００ａの断面図である。図９の断面図は、図６の断面図に対応する。この変形例では、カバープレート１０４（１０５）をハウジング５０に導通させる導電部材１６１を積層ユニットの下に配置している。延設棒１０４ａ、１０５ａはカバープレート１０４（１０５）の下縁に設けられている。そして、その延設棒１０４ａと１０５ａの間に、導電部材１６１の本来から分岐する分岐プレート１６１ａが配置されている。分岐プレート１６１ａは、２回、直角に折れ曲がっており、延設棒１０４ａと１０５ａの夫々に対向している。分岐プレート１６１ａは、延設棒１０４ａと１０５ａの夫々と溶接されている。延設棒１０４ａ（１０５ａ）は、カバープレート１０４（１０５）の一部であるから、分岐プレート１６１ａを含む導電部材１６１は、その一端がカバープレート１０４（１０５）に溶接されていることになる。また、導電部材１６１の他端が、電力変換器１００ａのハウジング５０にボルト５４で固定されている。導電部材１６１が、一端がカバープレート１０４（１０５）に溶接されている接地部材の一例に相当する。

図１０は、別の変形例の電力変換器１００ｂの断面図である。図１０の断面図は、図８の断面図に対応する。この例では、カバープレート４（５）から伸びる延設棒４ａ（５ａ）が、ボルト４７によって、冷却器の筐体２０と一緒に、押さえ板１４１に固定されている。本変形例では、押さえ板１４１は、ハウジング５０の一部である。従って、本変形例では、一枚のカバープレート４（５）が、ボルト４７にて、筐体２０と一緒にハウジング５０に固定されている。図１０では、一つの冷却器２ｃのカバープレートだけが筐体と一緒に固定されている。幾つかの冷却器のカバープレートが筐体と一緒に固定されていてもよい。図１０の電力変換器１００ｂでは、積層ユニット１０がボルト４７にて強固にハウジング５０に固定される。従ってこの電力変換器１００ｂの積層ユニット１０は振動に強い。

図１０の変形例の電力変換器１００ｂでは、冷却器２ｃの延設部材４ａ（５ａ）は、その一端がカバープレート４（５）に接続しており、他端がボルト４７にて筐体２０と共にハウジング５０に固定されている。この延設部材４ａ（４ｂ）が、接地部材の一例に相当する。

変形例の電力変換器１００ａ、１００ｂは、上記説明したポイント以外は、実施例の電力変換器１００と同じである。変形例の電力変換器１００ａ、１００ｂも、電力変換器１００と同じ利点を有する。

実施例の電力変換器１００では、絶縁板６はパワーカード３から独立している。独立した絶縁板の代わりに、パワーカードの放熱板の表面に絶縁膜を形成してもよい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の冷却器２は、両側（Ｙ軸方向）に突出部２２を備えており、その突出部２２が隣接する冷却器２と接続される。本明細書が開示する技術は突出部を有さない冷却器を採用してもよい。その場合は、隣接する冷却器の貫通孔２３同士が別の連結管で接続される。連結管は、伸縮性を有するものがよい。連結管は、例えば、ベローズタイプが好適である。

実施例の電力変換器は、電圧コンバータ回路とインバータ回路の双方を備える。本明細書における電力変換器には、インバータ回路を含むが電圧コンバータ回路は含まないデバイスと、電圧コンバータ回路は含むがインバータ回路は含まないデバイスを含む。電力変換用のスイッチング素子は、パワー半導体素子と呼ばれることもある。スイッチング素子の典型は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴであるが、本明細書が開示する電力変換器は、他のタイプのトランジスタを使うものであってもよい。

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、２ａ−ｅ：冷却器
３、３ａ−３ｄ：パワーカード
４、５：カバープレート
４ａ、５ａ、１０４ａ、１０５ａ：延設棒
６：絶縁板
１０：積層ユニット
１３：リアクトル
１４、１５：コンデンサ
１６：電圧コンバータ回路
１７：インバータ回路
１８：コントローラ
１９：バイパスコンデンサ
２０：筐体
２１：開口
２２：突出部
２３：貫通孔
２４、２５：筐体側面
２７、２８：ガスケット
２６：窪み
２９：フィン
３１：半導体チップ
３２：スペーサ
３３、３３ａ、３３ｂ：３６：放熱板
３４：パッケージ
４１、１４１：押さえ板
４８：コンデンサ素子
４９：リアクトルユニット
５０：ハウジング
５０ａ、５０ｂ：支持壁
５１：仕切板
５２：制御基板
９５：メインバッテリ
９６：システムメインリレー
９７：モータ
１００、１００ａ、１００ｂ：電力変換器
１６１：導電部材
２００：電気自動車
Ｇ：ボディグランド
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３：冷媒流路
Ｔ１−Ｔ８：スイッチング素子

Claims (5)

1. 電力変換用のスイッチング素子を収容しているパワーカードと冷却器が交互に積層されている積層ユニットと、
   前記積層ユニットを、収容している金属製のハウジングと、
   を備えており、
   前記パワーカードは、前記冷却器と対向する側面に、前記スイッチング素子と導通している放熱板を有しており、
   前記冷却器は、内部を液体の冷媒が通る樹脂製の筐体であって前記放熱板と対向する側面に開口を有している筐体と、当該開口を塞いでいる金属製のカバープレートを備えており、
   前記放熱板と前記カバープレートの間に絶縁体が挟まれているとともに、当該カバープレートが前記ハウジングと導通している、
   ことを特徴とする電力変換器。
2. 前記冷却器のカバープレートは、前記開口の周囲の筐体側面にガスケットを介して当接しており、カバープレートが前記筐体側面に押圧されて前記開口の封止が確保されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記パワーカードは、積層方向の両側に放熱板が配置されており、前記冷却器は、積層方向の両側に開口を有しているとともに夫々の開口を塞ぐカバープレートを有している、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換器。
4. 一端が前記カバープレートに接続しており、他端がボルトで前記筐体と共に前記ハウジングに固定されている接地部材をさらに備え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器。
5. 一端が前記カバープレートに溶接されている接地部材をさらに備え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器。

Images