JP2020124071A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ簡素な構造で冷却性に優れた電力変換装置１を提供する。【解決手段】箱状をなす外側ケース２の中に同じく箱状をなす内側ケース３が収容されており、両者間に冷却液流路２７が形成されている。インバータ回路を構成する６個のパワーモジュール３１と３個のコンデンサ素子３２とがインバータユニット４として内側ケース３内に配置されており、端子部分を残して熱伝導性を有するポッティング材５が充填されている。パワーモジュール３１は、内側ケース３の互いに対向する側壁２２の内側面２２ａ，２２ｂに接合されており、コンデンサ素子３２を間に挟んで互いに対向して位置する。パワーモジュール３１とコンデンサ素子３２とは、Ｐ極側およびＮ極側のバスバー３３，３４によって接続されている。【選択図】図９

Description

この発明は、平滑コンデンサと複数の半導体スイッチング素子とからインバータ回路を構成した電力変換装置に関し、特に、冷却機構を備えた電力変換装置に関する。

例えばハイブリッド型自動車や電気自動車などで使用される電力変換装置にあっては、インバータ回路を構成するパワーモジュールとコンデンサ素子とをケース内に収容して小型化を図るとともに、何らかの冷却機構を設けることが望まれている。

特許文献１は、アルミニウム薄板をプレス成形することで上面に向かって開口する複数の溝状の凹部と下面に向かって開口する複数の溝状の凹部とを有する隔壁部材を形成し、上面に向かって開口する凹部にパワーモジュールとフィルムコンデンサとを交互に配置し、下面に向かって開口する凹部に冷却器を収容したパワー半導体装置を開示している。ケースとなる隔壁部材の上面は、封止樹脂を流し込むことによって封止した上で、上蓋によって覆われている。なお、冷却器の詳細は開示されていない。

特許文献２は、上面が開口した矩形状のケース内にコンデンサ素子を収容するとともにポッティング樹脂を充填し、このケースの一つの側壁の外側面に、冷却器と半導体モジュールとを積層した形で取り付けた電力変換装置を開示している。なお、冷却器の詳細は開示されていない。

特許文献３は、液冷式の電力変換装置を開示している。この電力変換装置は、冷却液が流れるケースに上面が開口したキャパシタ収容部が形成されており、ここに複数個のコンデンサ素子が並んで収容されている。ケースには、さらに、キャパシタ収容部の側方に３個のモジュール収容部が一列に並んで形成されており、これらモジュール収容部の中にパワーモジュールがそれぞれ収容されている。パワーモジュールは、側面にフィンを備えている。

特開２０１６−４６４９７号公報 特開２０１５−１２６３９号公報 特開２０１６−１６３４９８号公報

特許文献１の構成では、パワーモジュールやフィルムコンデンサの個々に対応して複数の冷却器が用いられているため、冷却器に冷却液を循環させる液冷式の構成にしようとすると、配管類を含めた冷却系統の構成が非常に複雑となる。また、ケースとなる隔壁部材の構成が複雑であり、工数やコストが嵩むものとなる。

特許文献２の構成では、半導体モジュールが一方の面のみで冷却されるため、冷却効果が低い。また、半導体モジュールおよびコンデンサ素子を複数具備する場合に、複数の冷却器が必要であり、特許文献１と同様に、液冷式とする場合には構成が複雑化する。さらに、ケースの外部にバスバーを導出して半導体モジュールとコンデンサ素子とを接続しているため、ＥＳＬ（等価直列インダクタンス）が大きくなり、半導体モジュールのスイッチング時のサージ電圧が高くなり易い。これにより、半導体モジュールが過電圧破壊しやすくなる。

特許文献３の構成では、ケースにキャパシタ収容部とモジュール収容部とをそれぞれ形成する必要があり、ケースの複雑化および大型化が生じやすい。また、コンデンサ素子側の冷却を含め、冷却液がどのように流れるのか具体的な開示がない。さらに、特許文献２と同じく、ケースの外部にバスバーを導出してパワーモジュールとコンデンサ素子とを接続しているため、ＥＳＬが大きくなる。

この発明は、複数のパワーモジュールとコンデンサ素子とを１つのケースに収容した電力変換装置において、ケースの小型化および簡素化を図るとともに、冷却液の通流によって効率良く冷却することを目的としている。

この発明に係る電力変換装置は、
一つの側面が開口面をなす箱状の内側ケースと、
上記内側ケースの上記開口面以外の面の外側を囲み、該内側ケースとの間に冷却液流路となる隙間を構成するとともに、冷却液入口と冷却液出口とを備えた外側ケースと、
上記内側ケースの中に配置されたコンデンサ素子と、
上記コンデンサ素子を間に挟むように対向して配置され、かつ上記内側ケースの互いに対向する一対の内側面にそれぞれ接合された複数のパワーモジュールと、
上記内側ケース内で上記コンデンサ素子と上記パワーモジュールとを接続した導体と、
上記コンデンサ素子、上記パワーモジュールおよび上記導体が端子部分を残して埋まるように上記内側ケースの中に充填された熱伝導性ポッティング材と、
を備えて構成されている。

このような構成では、冷却液入口から流入した冷却液が内側ケースの開口面以外の全ての面を囲む冷却液流路を通して流れ、これにより、内側ケース内部に収容されたパワーモジュールおよびコンデンサ素子が熱伝導性ポッティング材を介して冷却される。相対的に発熱量の大きな発熱部品であるパワーモジュールは、内側ケースの内側面に接合されているので、効果的に放熱され、コンデンサ素子に対する熱的影響が少なくなる。パワーモジュールで生じた熱の一部は、パワーモジュールに接続された導体を介してコンデンサ素子に移動しようとするが、導体の大部分は熱伝導性ポッティング材の中に埋まっており、冷却液による冷却作用を受けるため、コンデンサ素子への熱伝達が抑制される。

また、上記構成では、内側ケースおよび外側ケースがいずれも単純な構造となる。そして、複数のパワーモジュールがコンデンサ素子を間に挟むようにして配置されるので、内側ケースおよび外側ケースが小型のものとなる。

さらに、内側ケースの内部において導体がパワーモジュールとコンデンサ素子とを接続するので、ＥＳＬを比較的小さくするような導体配置が可能である。

好ましい一つの態様では、上記導体が平帯状をなしており、上記内側ケースの底面に沿って当該内側ケースの長手方向に延びる部分では、平帯状をなす上記導体の主面が上記内側ケースの上記底面に対し平行に配置されている。

このような構成では、パワーモジュールの熱により高温となる導体と、熱伝導性ポッティング材を介して該導体に対向する内側ケースの底面と、の間の実質的な熱交換面積が大きく得られ、導体から内側ケース（ひいては冷却液）への放熱が促進される。

また、好ましい一つの態様では、上記冷却液流路に接する上記内側ケースの外側面の少なくとも一部に、冷却フィンが設けられている。この冷却フィンによって内側ケースと冷却液との間の熱交換面積が拡大する。

また、この発明の他の一つの態様では、互いに隣接した上記コンデンサ素子と上記パワーモジュールとの間に断熱材が配置されている。この断熱材によって、互いに隣接するコンデンサ素子とパワーモジュールとの間が断熱される。そのため、相対的に高温となるパワーモジュールの熱が隣接するコンデンサ素子に直接的に作用することが少なくなり、コンデンサ素子の熱的損傷が抑制される。

パワーモジュールの数およびコンデンサ素子の数は任意であり、例えば電気的に並列接続される複数のコンデンサ素子を内側ケース内に一列に並べて配置することが可能である。具体的な一つの態様では、互いに対向して対となったパワーモジュールが、上記内側ケースの長手方向に沿って複数対配置されている。つまり、１つの箱状の内側ケース内に任意の数のパワーモジュールおよびコンデンサ素子を収容することが可能である。

この発明の一つの態様では、
上記パワーモジュールは、いずれも２つのスイッチング素子が１つのパッケージ内に含まれた「２ｉｎ１」形パワーモジュールであり、
上記内側ケースの互いに対向する一対の内側面のうちの一方に、上記内側ケースの長手方向に沿って３個の第１のパワーモジュールが並んで配置されており、
上記一対の内側面の他方に、上記第１のパワーモジュールとそれぞれ対向するように上記内側ケースの長手方向に沿って３個の第２のパワーモジュールが並んで配置されており、
上記第１のパワーモジュールによって第１のインバータ回路が構成され、上記第２のパワーモジュールによって第２のインバータ回路が構成されている。

すなわち、このような構成により、コンデンサ素子を共用しつつ個別に制御可能な２つのインバータ回路が１つのケース内にまとめられる。

この発明に係る電力変換装置によれば、ケース（内側ケースおよび外側ケース）の構造の複雑化がなく、小型に構成することができる。また、パワーモジュールおよびコンデンサ素子を効果的に冷却でき、コンデンサ素子の熱的損傷を抑制できる。さらに、ＥＳＬが大きくなることを回避することが可能である。

この発明に係る電力変換装置の第１実施例を示す斜視図。 ポッティング材充填前の内部構成を示す斜視図。 内側ケースとインバータユニットとを示す斜視図。 インバータユニットのみを示す斜視図。 インバータユニットを図４とは異なる方向から示す斜視図。 外側ケースの斜視図。 内側ケースの斜視図。 カバーの斜視図。 第１実施例の電力変換装置の横断面図。 第１実施例のバスバーのレイアウトを示す説明図。 第１実施例の電力変換装置の回路図。 断熱材を付加した第２実施例の電力変換装置の横断面図。 電力変換装置の第３実施例を示す斜視図。 ポッティング材充填前の内部構成を示す斜視図。 第２実施例のインバータユニットのみを示す斜視図。 第２実施例のインバータユニットを図１４とは異なる方向から示す斜視図。 第２実施例の電力変換装置の横断面図。 第２実施例のバスバーのレイアウトを示す説明図。 第２実施例の電力変換装置の回路図。

以下、この発明に係る電力変換装置の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１〜図１１は、例えば電気自動車やハイブリッド型自動車のモータ駆動装置の構成部品として用いられる電力変換装置１の第１実施例を示す。この電力変換装置１は、直流電力を三相交流電力に変換する図１１に示した回路構成のインバータ回路を構成している。第１実施例のインバータ回路は、直流電源側に設けられる平滑コンデンサＣと、６個の半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなど）Ｓ１〜Ｓ６と、を含んでおり、負荷となるモータＭを制御する。

図１は、第１実施例の電力変換装置１の外観を示している。この電力変換装置１は、直方体形状をなす外側ケース２と、図２，図９に示すように、外側ケース２の中に収容された同じく直方体形状をなす内側ケース３と、内側ケース３の中に配置されたインバータユニット４と、このインバータユニット４を埋め込むように内側ケース３の中に充填されて固化したポッティング材５（図１，図９参照）と、矩形の枠状をなすカバー６と、を備えている。

外側ケース２は、金属好ましくは熱伝導に優れた金属から形成されており、例えば、アルミニウム合金母材の切削加工あるいはアルミニウムダイキャストによって一体に形成されている。外側ケース２は、直方体を構成する６面の中の一つの側面が開口した箱状をなす。すなわち、外側ケース２は、図６に示すように、長手方向の両端の端面を構成する一対の端部壁１１と、互いに対向した一対の側面を構成する一対の側壁１２と、直方体の一つの側面に相当する一つの開口面１４と、この開口面１４に対向する一つの底壁１３と、を備えている。

なお、図示例では、底壁１３および開口面１４の幅（外側ケース２の長手方向に直交する方向に沿った寸法）が側壁１２の幅よりも大きな偏平な直方体をなしている。

一対の端部壁１１の中心部には、一方が冷却液入口となり他方が冷却液出口となる冷却液配管コネクタ１５がそれぞれ接続されている。これらの冷却液配管コネクタ１５は、外側ケース２の長手方向に沿って延びた円管状をなしており、図示せぬポンプを含む冷却液循環系に接続されている。

内側ケース３は、外側ケース２と同様に金属好ましくは熱伝導に優れた金属から形成されており、例えば、アルミニウム合金母材の切削加工あるいはアルミニウムダイキャストによって一体に形成されている。内側ケース３は、外側ケース２とほぼ相似形でかつ外側ケース２よりも小さな直方体形状をなし、外側ケース２と同じく直方体を構成する６面の中の一つの側面が開口した箱状に形成されている。すなわち、内側ケース３は、図７に示すように、長手方向の両端の端面を構成する一対の端部壁２１と、互いに対向した一対の側面を構成する一対の側壁２２と、直方体の一つの側面に相当する一つの開口面２４と、この開口面２４に対向する一つの底壁２３と、を備えている。一対の側壁２２および底壁２３の外側面には、内側ケース３の長手方向に沿って直線状に延びた冷却フィン２５が多数形成されている。例えば、側壁２２および底壁２３の全面に、等ピッチで多数の冷却フィン２５が並んで形成されている。

内側ケース３の開口面２４は、外側ケース２の開口面１４に対応した面にある。つまり、外側ケース２と内側ケース３とが組み合わされた状態では、外側ケース２の開口面１４の中に内側ケース３の開口面２４が位置する。そして、この開口面１４，２４を除く５面においては、内側ケース３と外側ケース２との間に、冷却液流路２７となる隙間が構成されている。換言すれば、外側ケース２が内側ケース３の開口面２４以外の５面の外側を囲っており、それぞれの面に冷却液流路２７を構成している。図９に示すように、内側ケース３のフィン２５は外側ケース２の内側面に近付くように突出しているが、冷却フィン２５先端は外側ケース２の内側面に接しておらず、冷却液が冷却フィン２５を横切って流れ得るように僅かな隙間が残存している。

矩形の枠状をなすカバー６は、外側ケース２の開口縁と内側ケース３の開口縁とに跨って設けられており、両者間に形成された冷却液流路２７の開口面を閉塞している。図８に示すように、カバー６は、開口面１４，２４の平面に沿った板状をなしている。例えば、一つの例では、カバー６は、外側ケース２および内側ケース３と同様の材質の金属板からなり、外周縁が外側ケース２の開口縁に溶接（あるいはロー付け）され、かつ内周縁が内側ケース３の開口縁に溶接（あるいはロー付け）されている。これにより、冷却液流路２７が密閉されていると同時に、内側ケース３と外側ケース２とが堅固に一体化されている。あるいは、カバー６を外側ケース２ならびに内側ケース３に対してネジ等で固定し、各々の接合面を、例えば、液体ガスケット等のシール材でもってシールするようにしてもよい。あるいはカバー６に相当する部分を内側ケース３と一体に形成し、外側ケース２の開口縁に溶接（あるいはロー付け）もしくはネジ止めするようにしてもよい。

内側ケース３内に収容されるインバータユニット４は、図４，図５に示すように、６個のパワーモジュール３１（３１Ａ〜３１Ｆ）と、３個のコンデンサ素子３２（３２Ａ〜３２Ｃ）と、これらのパワーモジュール３１とコンデンサ素子３２とを接続した導体である２つのバスバー３３，３４と、から構成されている。

パワーモジュール３１は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を偏平な矩形状の合成樹脂製パッケージ内に収容したものであり、第１実施例では、１つのパッケージ内に１つのスイッチング素子を有するいわゆる「１ｉｎ１」型のパワーモジュールが用いられている。そして、コレクタ端子およびエミッタ端子の一方にバスバー３３，３４が接続されており、他方に外部端子片３５（３５Ａ〜３５Ｆ）が設けられている。パワーモジュール３１のパッケージ部分においては、バスバー３３，３４と外部端子片３５とが一直線上に並ぶようにして設けられている。換言すれば、パッケージの互いに反対側となる２つの端部からそれぞれバスバー３３，３４と外部端子片３５とが反対方向へ延びている。

６個のパワーモジュール３１は、内側ケース３の互いに対向する一対の側壁２２の内側面２２ａ，２２ｂにそれぞれ接合されている。詳しくは、パワーモジュール３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃが一方の側壁２２の内側面２２ａ（図９参照）に内側ケース３の長手方向に並んで配置されており、パワーモジュール３１Ｄ，３１Ｅ，３１Ｆが他方の側壁２２の内側面２２ｂ（図９参照）に同じく内側ケース３の長手方向に並んで配置されている。そして、パワーモジュール３１Ａとパワーモジュール３１Ｄとは互いに対向して位置し、同様に、パワーモジュール３１Ｂとパワーモジュール３１Ｅとは互いに対向して位置し、パワーモジュール３１Ｃとパワーモジュール３１Ｆとは互いに対向して位置している。各々のパワーモジュール３１は、いずれも、外部端子片３５が開口面２４側へ向かい、パッケージから突出するバスバー３３，３４が底壁２３へ向かうような姿勢で配置されている。外部端子片３５は、最終的な組立状態において、図１に示すように、ポッティング材５の表面から外部へ突出している。

なお、パワーモジュール３１が具備するゲート信号用の端子については、図示省略してあるが、外部端子片３５と同様にポッティング材５の表面から外部へ露出するように構成されている。

パワーモジュール３１は、例えば、適宜な接着剤を用いて内側ケース３の内側面２２ａ，２２ｂに接着することができ、あるいは、内側ケース３の側壁２２を貫通するネジを用いて側壁２２に固定してもよい。あるいは、個々のパワーモジュール３１を側壁２２に直接に取り付けるのではなく、インバータユニット４を内側ケース３内の所定位置に配置した状態でポッティング材５を充填しかつ固化させることでパワーモジュール３１を固定することも可能である。

ここで、パワーモジュール３１を内側面２２ａ，２２ｂに固定せずに仮止めしたままポッティング材５を注入したとするとパワーモジュール３１と内側面２２ａ，２２ｂとの間にポッティング材５が流入して不可避的に薄い層が形成されてしまうことがあるが、本発明では、このように不可避的に生じるポッティング材５の薄い層が介在していても「接合」の概念に含まれるものとする。具体的には、このような不可避的に生じた層は１mm以下の厚さであることが望ましい。

一方の内側面２２ａに配置された３個のパワーモジュール３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃは、図１１に示すインバータ回路の上アーム，下アームのいずれかを構成する。ここでは、便宜上、これらのパワーモジュール３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃが上アームを構成するものとする。従って、他方の内側面２２ｂに配置された３個のパワーモジュール３１Ｄ，３１Ｅ，３１Ｆは、下アームを構成する。図１１から容易に理解できるように、上アームとなる３個のパワーモジュール３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃのエミッタ側となる外部端子片３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃと、下アームとなる３個のパワーモジュール３１Ｄ，３１Ｅ，３１Ｆのコレクタ側となる外部端子片３５Ｄ，３５Ｅ，３５Ｆと、は、電力変換装置１の外部において図示しない外部バスバーを介して適宜に接続された上で負荷となるモータＭにそれぞれ接続される。最も単純な例では、互いに対向して位置するパワーモジュール３１Ａの外部端子片３５Ａとパワーモジュール３１Ｄの外部端子片３５Ｄとが一つの相例えばＵ相の出力端子となるように互いに接続される。同様に、外部端子片３５Ｂと外部端子片３５ＥとがＶ相の出力端子となるように互いに接続され、外部端子片３５Ｃと外部端子片３５ＦとがＷ相の出力端子となるように互いに接続される。

コンデンサ素子３２は、図１１のインバータ回路における平滑コンデンサＣを構成するものであり、この実施例では、十分な容量を確保するために、３個のコンデンサ素子３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを備えている。これらのコンデンサ素子３２は、図９に示すように、内側ケース３の横断面形状に対応して長円形に偏平化した巻回型のフィルムコンデンサからなる。例えば、ポリプロピレンやポリエチレンテレフタレート等の樹脂フィルムを誘電体とし、金属箔ないし樹脂フィルムにコーティングにより形成される金属層を電極として、偏平なロール状に巻回した一般的な構成のフィルムコンデンサが用いられる。この巻回型のフィルムコンデンサは、軸方向の両端面の中心部にそれぞれ端子を備えている。そして、内側ケース３内において、３個のコンデンサ素子３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃが一列に並んで配置されている。換言すれば、各々のフィルムコンデンサにおけるフィルムの巻回の中心軸線が、内側ケース３の長手方向に沿っており、かつ一直線に整列している。なお、コンデンサ素子３２としては、例えば巻回したフィルムの外周面に沿った金属等からなる円筒形ケースを具備する構成であってもよいが、図示例では、放熱性を高めるために、コンデンサ素子３２は、ケースを具備していない。つまり、フィルムを巻回してなるフィルムコンデンサが、円筒形ケース内に収容されることなく内側ケース３の中に格納されている。

パワーモジュール３１とコンデンサ素子３２とを接続する２つのバスバー３３，３４は、内側ケース３の中でパワーモジュール３１やコンデンサ素子３２よりも底壁２３寄りに位置する。バスバー３３，３４は、銅などの金属材料を用いて偏平断面形状の平帯状に形成したもので、２つのバスバー３３，３４は、基本的に類似した形状を有している。

２つのバスバー３３，３４は、直流電源に接続されるもので、一方がＰ極、他方がＮ極となる。例えば、図５に示すように、一方のバスバー３３は、上アームとなる３個のパワーモジュール３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃに対応したＰ極バスバーであり、他方のバスバー３４は、下アームとなる３個のパワーモジュール３１Ｄ，３１Ｅ，３１Ｆに対応したＮ極バスバーである。

図１０は、バスバー３３，３４の構成を示す斜視図である。なお、パワーモジュール３１およびコンデンサ素子３２に対する接続部は簡略化して図示している。

図１０および図５に示すように、一方のバスバー３３は、内側ケース３の長手方向に沿って直線状に延びる主部３３ａと、この主部３３ａから内側ケース３の長手方向とは直交する方向に沿ってそれぞれ分岐して延びた３つのパワーモジュール用ブランチ部３３ｂと、偏平な主部３３ａの主面に直交するように主部３３ａからそれぞれ分岐して延びた３つのコンデンサ用ブランチ部３３ｃと、主部３３ａから内側ケース３の開口面２４へ向かって延びたＰ極端子部３３ｄと、を備えている。

主部３３ａは、内側ケース３の底壁２３の内側面つまり底面２３ａに近接して位置し、かつ底面２３ａと平行に内側ケース３の長手方向に沿って延びている。特に、偏平断面形状をなす主部３３ａの主面（幅の広い面）が底面２３ａに対して平行となるように配置されている。パワーモジュール用ブランチ部３３ｂは、主部３３ａの両端部および中央部の３箇所において、主部３３ａの主面に沿って、つまり底面２３ａと平行をなすように主部３３ａから分岐して延びており、かつ側壁２２の内側面２２ａに沿うように中間部で９０°折れ曲がり、先端部がパワーモジュール３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃにそれぞれ接続されている（図９参照）。

コンデンサ用ブランチ部３３ｃは、パワーモジュール用ブランチ部３３ｂにそれぞれ隣接した３箇所において、主部３３ａの主面と直交するように開口面２４へ向かう方向に延びており、それぞれの先端部が、コンデンサ素子３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃの一方の端面の中心部における端子に接続されている。Ｐ極端子部３３ｄは、互いに隣接する２つのコンデンサ素子３２Ａ，３２Ｂの間を通過し得る位置において主部３３ａから直交する方向に延びている。Ｐ極端子部３３ｄは、コンデンサ用ブランチ部３３ｃよりも長く形成されており、最終的な組立状態において、図１に示すように、先端部が外部端子片３５と同様にポッティング材５の表面から外部へ突出している。

他方のバスバー３４も基本的に同様の構成であり、内側ケース３の長手方向に沿って直線状に延びる主部３４ａと、この主部３４ａから内側ケース３の長手方向とは直交する方向に沿ってそれぞれ分岐して延びた３つのパワーモジュール用ブランチ部３４ｂと、偏平な主部３４ａの主面に直交するように主部３４ａからそれぞれ分岐して延びた３つのコンデンサ用ブランチ部３４ｃと、主部３４ａから内側ケース３の開口面２４へ向かって延びたＮ極端子部３４ｄと、を備えている。

主部３４ａは、内側ケース３の底壁２３の内側面つまり底面２３ａに近接して位置し、かつ底面２３ａと平行に内側ケース３の長手方向に沿って延びている。特に、偏平断面形状をなす主部３４ａの主面（幅の広い面）が底面２３ａに対して平行となるように配置されている。パワーモジュール用ブランチ部３４ｂは、主部３４ａの両端部および中央部の３箇所において、主部３４ａの主面に沿って、つまり底面２３ａと平行をなすように主部３４ａから分岐して延びており、かつ側壁２２の内側面２２ｂに沿うように中間部で９０°折れ曲がり、先端部がパワーモジュール３１Ｄ，３１Ｅ，３１Ｆにそれぞれ接続されている（図９参照）。

コンデンサ用ブランチ部３４ｃは、パワーモジュール用ブランチ部３４ｂにそれぞれ隣接した３箇所において、主部３４ａの主面と直交するように開口面２４へ向かう方向に延びており、それぞれの先端部が、コンデンサ素子３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃの他方の端面の中心部における端子に接続されている。Ｎ極端子部３４ｄは、互いに隣接する２つのコンデンサ素子３２Ｂ，３２Ｃの間を通過し得る位置において主部３４ａから直交する方向に延びている。Ｎ極端子部３４ｄは、コンデンサ用ブランチ部３４ｃよりも長く形成されており、最終的な組立状態において、図１に示すように、先端部が外部端子片３５と同様にポッティング材５の表面から外部へ突出している。

図５，図１０に示すように、一方のバスバー３３の主部３３ａと他方のバスバー３４の主部３４ａは、互いに平行となるように配置されており、一方のバスバー３３のパワーモジュール用ブランチ部３３ｂと他方のバスバー３４のパワーモジュール用ブランチ部３４ｂは、主部３３ａ，３４ａを中心として互いに反対方向へ延びている。換言すれば、主部３３ａ，３４ａは、図９に示すように底面２３ａのほぼ中央に位置し、ここから両側へパワーモジュール用ブランチ部３３ｂ，３４ｂが延びている。

上記のように構成されるインバータユニット４は、パワーモジュール３１の外部端子片３５およびＰ極端子部３３ｄならびにＮ極端子部３４ｄの先端部が開口面２４から突出した姿勢でもって内側ケース３の中に配置されている。そして、内側ケース３の中には、上記インバータユニット４が端子部分（つまり外部端子片３５およびＰ極端子部３３ｄならびにＮ極端子部３４ｄの先端部）を残して埋まるように、熱伝導性ならびに絶縁性を有するポッティング材５が充填されている（図１，図９参照）。このポッティング材５は、内側ケース３の内容積のほぼ全体に充填されている。

ポッティング材５としては、例えば回路基板用ポッティング材として一般に市販されているエポキシ系ポッティング材等を用いることができる。このポッティング材５は、未硬化時に適宜な流動性を有する液状をなし、充填ないし注入後に加熱炉等で加熱することにより硬化する。ポッティング材５として、主剤と硬化剤とを混合して用いる二液混合型のものであってもよい。

なお、ケース２，３の組立とポッティング材５の充填の２つの工程の順序は任意である。つまり、外側ケース２と内側ケース３とを組み立てた後に内側ケース３の中にインバータユニット４を配置するとともにポッティング材５の充填を行ってもよく、あるいは、内側ケース３内にインバータユニット４を配置してポッティング材５の充填を行った後に、この内側ケース３と外側ケース２とを組み立てるようにしてもよい。外側ケース２と内側ケース３とをカバー６の溶接ないしロー付けを介して一体化するようにした実施例の場合には、外側ケース２と内側ケース３とを一体化した後に、インバータユニット４の挿入およびポッティング材５の充填が行われる。

電力変換装置１として最終的に完成した状態においては、図１に示すように、パワーモジュール３１、コンデンサ素子３２およびバスバー３３，３４が、最小限必要な端子部分を除いて全てポッティング材５の中に埋まっている。また、図４，図９等に示すように、上アームおよび下アームとなる一対のパワーモジュール３１が略円筒形のコンデンサ素子３２を間に挟むように互いに対向して配置されている。詳しくは、互いに対向して対となったパワーモジュール３１が、内側ケース３の長手方向に沿って３対配置されている。そして、このようにインバータユニット４をポッティング材５とともに収容した内側ケース３は、外側ケース２との間に形成される冷却液流路２７によって開口面２４を除く５面が囲まれている。

上記のように構成された電力変換装置１にあっては、外側ケース２の冷却液配管コネクタ１５の一方を冷却液入口とし他方を冷却液出口として図外のポンプにより冷却液が強制的に通流する。冷却液入口から流入した冷却液は外側ケース２の端部壁１１と内側ケース３の端部壁２１との間の冷却液流路２７において放射状に拡がり、さらに、外側ケース２の側壁１２ならびに底壁１３と内側ケース３の側壁２２ならびに底壁２３との間の冷却液流路２７をこれらケース２，３の長手方向に沿って流れる。そして、他方の外側ケース２の端部壁１１と内側ケース３の端部壁２１との間の冷却液流路２７を介して冷却液出口へと流れ出る。つまり、冷却液は、外部端子片３５等が位置する開口面１４，２４を除いた５面に沿って流れ、これら５面に囲まれたインバータユニット４をポッティング材５とともに効果的に冷却する。特に、熱伝導性に優れたポッティング材５がインバータユニット４の各部に密着しており、内側ケース３を介して冷却液に確実に熱が伝達されるので、効果的な熱の回収がなされる。さらに内側ケース３が冷却フィン２５を備えることで内側ケース３と冷却液との間の熱交換面積が大きくなり、内側ケース３から冷却液への熱伝達が向上する。なお、ポッティング材５は、熱伝導に加えて、インバータユニット４と内側ケース３との間の絶縁にも寄与する。換言すれば、インバータユニット４と内側ケース３との間を絶縁しつつ熱伝導性が向上する。

さらに詳しく説明すると、コンデンサ素子３２に比較して高い温度となる発熱部品であるパワーモジュール３１が内側ケース３の側壁２２に接合されており、パワーモジュール３１の熱の多くが内側ケース３へ伝達して冷却液へと回収されるので、耐熱性が比較的低いフィルムコンデンサからなるコンデンサ素子３２へ伝達される熱が少なくなる。またパワーモジュール３１で生じた熱の一部は、バスバー３３，３４を介してコンデンサ素子３２へ移動しようとするが、これらバスバー３３，３４はポッティング材５の中に埋まっており、該ポッティング材５を介して冷却液による冷却作用を受ける。特に、バスバー３３，３４の主部３３ａ，３４ａが底壁２３の比較的近くに位置し、かつその主面が底面２３ａと平行となっているので、バスバー３３，３４から底壁２３へと効果的に放熱される。同様に、バスバー３３，３４の中で発熱部品に最も近いパワーモジュール用ブランチ部３３ｂ，３４ｂが側壁２２および底壁２３に沿うようにＬ字形に延びているので、パワーモジュール用ブランチ部３３ｂの温度が比較的低く維持され、バスバー３３，３４を介したコンデンサ素子３２への熱の移動が抑制される。

また、上記実施例の構成では、一対のパワーモジュール３１が中央のコンデンサ素子３２を挟んで対向配置され、かつそれぞれ互いに対向する側壁２２の内側面２２ａ，２２ｂに配置されているので、複数個（具体的には３個）のコンデンサ素子３２と複数個（具体的には６個）のパワーモジュール３１を含む電力変換装置１を小型に構成することができる。しかも、内側ケース３および外側ケース２のいずれも比較的に単純な形状で簡素な構造となる。従って、簡単な構造でかつ小型であるとともに、冷却性に優れた電力変換装置１が得られる。

さらに、上記構成では、パワーモジュール３１とコンデンサ素子３２とを接続するバスバー３３，３４がポッティング材５の中に位置し、かつＰ極およびＮ極のバスバーとなる２つのバスバー３３，３４が互いに隣接して並んで延びているので、スイッチング時のサージ電圧を左右するＥＳＬが比較的小さくなる。

次に、図１２は、第２実施例の電力変換装置１の横断面図を示している。この第２実施例は、基本的な構成は上述した第１実施例と変わりがないが、互いに隣接して位置するパワーモジュール３１とコンデンサ素子３２との間に、それぞれ断熱材４１が配置されている。断熱材４１は、例えば、パワーモジュール３１のパッケージの大きさに対応したシート状に形成したものを、パッケージの表面に予め接着してある。シート状に形成した断熱材４１をコンデンサ素子３２側に接着するようにしてもよい。断熱材４１としては、少なくともポッティング材５よりも熱伝導率が低いものであれば種々の材質のものを用いることができるが、例えば、各種エアロゲル（シリカエアロゲル、カーボンエアロゲル、アルミナエアロゲルなど）や、エアロゲルと他の材料との混合材料などを用いることができる。

このように断熱材４１を設けた第２実施例においては、コンデンサ素子３２に比較してパワーモジュール３１が高温となっている状況において、パワーモジュール３１から隣接するコンデンサ素子３２へと直接的に熱が伝わることが抑制される。そのため、耐熱性が比較的に低いコンデンサ素子３２の熱的損傷が抑制される。

次に、図１３〜図１９に基づいて、第３実施例の電力変換装置１０１を説明する。

この第３実施例の電力変換装置１０１は、図１９の回路図に示すように、第１の負荷Ｍ１を制御する第１のインバータ回路２０１と、第２の負荷Ｍ２を制御する第２のインバータ回路２０２と、を構成するものであり、第１のインバータ回路２０１は６個の半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を含み、第２のインバータ回路２０２は６個の半導体スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１６を含む。直流電源側に設けられる平滑コンデンサＣは、２つのインバータ回路２０１，２０２に共通となっている。なお、負荷Ｍ１，Ｍ２は、それぞれ個別のモータないしジェネレータであってもよく、あるいは、１つのモータにおける２つの巻線、などであってもよい。つまり、この第３実施例では、実質的に独立した２つのインバータ回路２０１，２０２が１つのケース内に納められている。

第３実施例の電力変換装置１０１の基本的な構成は第１実施例の電力変換装置１と類似しており、直方体形状をなす外側ケース２と、外側ケース２の中に収容された同じく直方体形状をなす内側ケース３と、内側ケース３の中に配置されたインバータユニット１０４と、このインバータユニット１０４を埋め込むように内側ケース３の中に充填されて固化したポッティング材５と、矩形の枠状をなすカバー６と、を備えている。第３実施例は、主にインバータユニット１０４の構成が第１実施例のインバータユニット４と異なっているので、以下では、第１実施例とは異なるインバータユニット１０４を主に説明し、特に変わりがない他の箇所の説明は省略する。

第３実施例のインバータユニット１０４は、図１５，図１６に示すように、６個のパワーモジュール１３１（１３１Ａ〜１３１Ｆ）と、３個のコンデンサ素子３２（３２Ａ〜３２Ｃ）と、これらのパワーモジュール１３１とコンデンサ素子３２とを接続した導体である２つのバスバー１３３，１３４と、から構成されている。コンデンサ素子３２については、第１実施例のものと特に変わりはない。

第３実施例におけるパワーモジュール１３１は、やはりＩＧＢＴ等のスイッチング素子を偏平な矩形状の合成樹脂製パッケージ内に収容したものであるが、第３実施例では、１つのパッケージ内に２つのスイッチング素子を有するいわゆる「２ｉｎ１」型のパワーモジュールが用いられている。つまり、上アームとなる半導体スイッチング素子と下アームとなる半導体スイッチング素子が１つのパッケージ内に含まれている。そして、パッケージの一方の端部に上アームのコレクタ端子および下アームのエミッタ端子が並んで設けられているとともに、パッケージの他方の端部に上下アームの中間接続点が設けられている。後述するように、上アームのコレクタ端子にはＰ極側のバスバー１３３が接続され、下アームのエミッタ端子にはＮ極側のバスバー１３４が接続されている。上下アームの中間接続点には、第１実施例の外部端子片３５と同様の形状をなす外部端子片１３５（１３５Ａ〜１３５Ｆ）が設けられている。パワーモジュール１３１のパッケージ部分においては、パッケージの互いに反対側となる２つの端部からそれぞれバスバー１３３，１３４と外部端子片１３５とが反対方向へ延びている。

ケース２，３に対するパワーモジュール１３１やコンデンサ素子３２の配置は、第１実施例と特に変わりがない。すなわち、６個のパワーモジュール１３１は、内側ケース３の互いに対向する一対の側壁２２の内側面２２ａ，２２ｂにそれぞれ接合されている。詳しくは、３個のパワーモジュール１３１Ａ，１３１Ｂ，１３１Ｃが一方の側壁２２の内側面２２ａに内側ケース３の長手方向に並んで配置されており、残りの３個のパワーモジュール１３１Ｄ，１３１Ｅ，１３１Ｆが他方の側壁２２の内側面２２ｂに同じく内側ケース３の長手方向に並んで配置されている。そして、パワーモジュール１３１Ａとパワーモジュール１３１Ｄとは互いに対向して位置し、同様に、パワーモジュール１３１Ｂとパワーモジュール１３１Ｅとは互いに対向して位置し、パワーモジュール１３１Ｃとパワーモジュール１３１Ｆとは互いに対向して位置している。各々のパワーモジュール１３１は、いずれも、外部端子片１３５が開口面２４側へ向かい、パッケージから突出するバスバー１３３，１３４が底壁２３へ向かうような姿勢で配置されている。外部端子片１３５は、最終的な組立状態において、図１３に示すように、ポッティング材５の表面から外部へ突出している。

一方の内側面２２ａに配置された３個のパワーモジュール１３１Ａ，１３１Ｂ，１３１Ｃは、図１９に示す第１のインバータ回路２０１を構成する。従って、これらのパワーモジュール１３１Ａ，１３１Ｂ，１３１Ｃの外部端子片１３５Ａ，１３５Ｂ，１３５Ｃが、それぞれ第１の負荷Ｍ１のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の出力端子となる。他方の内側面２２ｂに配置された３個のパワーモジュール１３１Ｄ，１３１Ｅ，１３１Ｆは、図１９に示す第２のインバータ回路２０２を構成する。従って、これらのパワーモジュール１３１Ｄ，１３１Ｅ，１３１Ｆの外部端子片１３５Ｄ，１３５Ｅ，１３５Ｆが、それぞれ第２の負荷Ｍ２のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の出力端子となる。

図１５，図１６に示すように、パワーモジュール１３１とコンデンサ素子３２とを接続する２つのバスバー１３３，１３４は、第１実施例のバスバー３３，３４よりもやや複雑な形状を有しており、２つのバスバー１３３，１３４が立体的に交差して組み合わされている。これらのバスバー１３３，１３４は、内側ケース３の中でパワーモジュール１３１やコンデンサ素子３２よりも底壁２３寄りに位置し、Ｎ極側バスバーであるバスバー１３４がＰ極側バスバーであるバスバー１３３よりも底壁２３に近い位置を通過している。なお、２つのバスバー１３３，１３４は、基本的に類似した形状を有している。

図１８は、バスバー１３３，１３４の構成を示す斜視図である。なお、パワーモジュール１３１およびコンデンサ素子３２に対する接続部は簡略化して図示している。

Ｐ極側のバスバー１３３は、内側ケース３の長手方向に沿って直線状に延びる主部１３３ａと、この主部１３３ａから内側ケース３の長手方向とは直交する方向に沿ってそれぞれ分岐して延びた６つのパワーモジュール用ブランチ部１３３ｂと、偏平な主部１３３ａの主面に直交するように主部１３３ａからそれぞれ分岐して延びた３つのコンデンサ用ブランチ部１３３ｃと、主部１３３ａから内側ケース３の開口面２４へ向かって延びたＰ極端子部１３３ｄと、を備えている。

主部１３３ａは、内側ケース３の底壁２３の内側面つまり底面２３ａに近接して位置し、かつ底面２３ａと平行に内側ケース３の長手方向に沿って延びている。特に、偏平断面形状をなす主部１３３ａの主面（幅の広い面）が底面２３ａに対して平行となるように配置されている。パワーモジュール用ブランチ部１３３ｂは、主部１３３ａの両端部および中央部の計６箇所において、主部１３３ａの主面に沿って、つまり底面２３ａと平行をなすように主部１３３ａから分岐して延びており、かつ側壁２２の内側面２２ａ，２２ｂに沿うように中間部で９０°折れ曲がり、先端部がパワーモジュール１３１Ａ，１３１Ｂ，１３１Ｃ，１３１Ｄ，１３１Ｅ，１３１Ｆにそれぞれ接続されている。つまりパワーモジュール用ブランチ部１３３ｂは、３個ずつ並んだパワーモジュール１３１の配置に対応して、３本ずつ互いに反対側へ延びている。

コンデンサ用ブランチ部１３３ｃは、パワーモジュール用ブランチ部１３３ｂにそれぞれ隣接した３箇所において、主部１３３ａの主面と直交するように開口面２４へ向かう方向に延びており、それぞれの先端部が、コンデンサ素子３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃの一方の端面の中心部における端子に接続されている。Ｐ極端子部１３３ｄは、互いに隣接する２つのコンデンサ素子３２Ａ，３２Ｂの間を通過し得る位置において主部１３３ａから直交する方向に延びている。Ｐ極端子部１３３ｄは、コンデンサ用ブランチ部１３３ｃよりも長く形成されており、最終的な組立状態において、図１３に示すように、先端部が外部端子片１３５と同様にポッティング材５の表面から外部へ突出している。

他方のバスバー１３４も基本的に同様の構成であり、内側ケース３の長手方向に沿って直線状に延びる主部１３４ａと、この主部１３４ａから内側ケース３の長手方向とは直交する方向に沿ってそれぞれ分岐して延びた６つのパワーモジュール用ブランチ部１３４ｂと、偏平な主部１３４ａの主面に直交するように主部１３４ａからそれぞれ分岐して延びた３つのコンデンサ用ブランチ部１３４ｃと、主部１３４ａから内側ケース３の開口面２４へ向かって延びたＮ極端子部１３４ｄと、を備えている。

主部１３４ａは、内側ケース３の底壁２３の内側面つまり底面２３ａに近接して位置し、かつ底面２３ａと平行に内側ケース３の長手方向に沿って延びている。特に、偏平断面形状をなす主部１３４ａの主面（幅の広い面）が底面２３ａに対して平行となるように配置されている。パワーモジュール用ブランチ部１３４ｂは、主部１３４ａの両端部および中央部の計６箇所において、主部１３４ａの主面に沿って、つまり底面２３ａと平行をなすように主部１３４ａから分岐して延びており、かつ側壁２２の内側面２２ａ，２２ｂに沿うように中間部で９０°折れ曲がり、先端部がパワーモジュール１３１Ａ，１３１Ｂ，１３１Ｃ，１３１Ｄ，１３１Ｅ，１３１Ｆにそれぞれ接続されている。つまりパワーモジュール用ブランチ部１３４ｂは、３個ずつ並んだパワーモジュール１３１の配置に対応して、３本ずつ互いに反対側へ延びている。

コンデンサ用ブランチ部１３４ｃは、パワーモジュール用ブランチ部１３４ｂにそれぞれ隣接した３箇所において、主部１３４ａの主面と直交するように開口面２４へ向かう方向に延びており、それぞれの先端部が、コンデンサ素子３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃの他方の端面の中心部における端子に接続されている。Ｎ極端子部１３４ｄは、互いに隣接する２つのコンデンサ素子３２Ｂ，３２Ｃの間を通過し得る位置において主部１３４ａから直交する方向に延びている。Ｎ極端子部１３４ｄは、コンデンサ用ブランチ部１３４ｃよりも長く形成されており、最終的な組立状態において、図１３に示すように、先端部が外部端子片１３５と同様にポッティング材５の表面から外部へ突出している。

一方のバスバー１３３の主部１３３ａと他方のバスバー１３４の主部１３４ａは、互いに平行となるように配置されており、底面２３ａのほぼ中央に位置している。一方のバスバー１３３の３本のパワーモジュール用ブランチ部１３３ｂは他方のバスバー１３４の主部１３４ａと立体的に交差し、同様に、バスバー１３４の３本のパワーモジュール用ブランチ部１３４ｂは、バスバー１３３の主部１３３ａと立体的に交差している。

上記のように構成されるインバータユニット１０４は、パワーモジュール１３１の外部端子片１３５およびＰ極端子部１３３ｄならびにＮ極端子部１３４ｄの先端部が開口面２４から突出した姿勢でもって内側ケース３の中に配置されている。そして、内側ケース３の中には、上記インバータユニット１０４が端子部分（つまり外部端子片１３５およびＰ極端子部１３３ｄならびにＮ極端子部１３４ｄの先端部）を残して埋まるように、熱伝導性ならびに絶縁性を有するポッティング材５が充填されている。

電力変換装置１として最終的に完成した状態においては、図１３に示すように、パワーモジュール１３１、コンデンサ素子３２およびバスバー１３３，１３４が、最小限必要な端子部分を除いて全てポッティング材５の中に埋まっている。また、第１実施例と同様に、一対のパワーモジュール１３１が略円筒形のコンデンサ素子３２を間に挟むように互いに対向して配置されている。詳しくは、互いに対向して対となったパワーモジュール１３１が、内側ケース３の長手方向に沿って３対配置されている。そして、このようにインバータユニット１０４をポッティング材５とともに収容した内側ケース３は、外側ケース２との間に形成される冷却液流路２７によって開口面２４を除く５面が囲まれている。

このような第３実施例によれば、前述した第１実施例と同様の利点が得られることに加えて、２つのインバータ回路２０１，２０２を非常に小型に構成することができる利点が得られる。

なお、この第３実施例の構成において、第２実施例と同様に断熱材４１を付加することも可能である。

１，１０１…電力変換装置
２…外側ケース
３…内側ケース
４，１０４…インバータユニット
５…ポッティング材
２５…冷却フィン
２７…冷却液流路
３１，１３１…パワーモジュール
３２…コンデンサ素子
３３，３４，１３３，１３４…バスバー
３５，１３５…外部端子片
４１…断熱材

Claims (6)

1. 一つの側面が開口面をなす箱状の内側ケースと、
   上記内側ケースの上記開口面以外の面の外側を囲み、該内側ケースとの間に冷却液流路となる隙間を構成するとともに、冷却液入口と冷却液出口とを備えた外側ケースと、
   上記内側ケースの中に配置されたコンデンサ素子と、
   上記コンデンサ素子を間に挟むように対向して配置され、かつ上記内側ケースの互いに対向する一対の内側面にそれぞれ接合された複数のパワーモジュールと、
   上記内側ケース内で上記コンデンサ素子と上記パワーモジュールとを接続した導体と、
   上記コンデンサ素子、上記パワーモジュールおよび上記導体が端子部分を残して埋まるように上記内側ケースの中に充填された熱伝導性ポッティング材と、
   を備えてなる電力変換装置。
2. 上記導体が平帯状をなしており、上記内側ケースの底面に沿って当該内側ケースの長手方向に延びる部分では、平帯状をなす上記導体の主面が上記内側ケースの上記底面に対し平行に配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記冷却液流路に接する上記内側ケースの外側面の少なくとも一部に、冷却フィンが設けられている、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 互いに隣接した上記コンデンサ素子と上記パワーモジュールとの間に断熱材が配置されている、請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 互いに対向して対となったパワーモジュールが、上記内側ケースの長手方向に沿って複数対配置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の電力変換装置。
6. 上記パワーモジュールは、いずれも２つのスイッチング素子が１つのパッケージ内に含まれた「２ｉｎ１」形パワーモジュールであり、
   上記内側ケースの互いに対向する一対の内側面のうちの一方に、上記内側ケースの長手方向に沿って３個の第１のパワーモジュールが並んで配置されており、
   上記一対の内側面の他方に、上記第１のパワーモジュールとそれぞれ対向するように上記内側ケースの長手方向に沿って３個の第２のパワーモジュールが並んで配置されており、
   上記第１のパワーモジュールによって第１のインバータ回路が構成され、上記第２のパワーモジュールによって第２のインバータ回路が構成されている、
   請求項１〜５のいずれかに記載の電力変換装置。

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