JP4947981B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面に絶縁層を介して半導体素子が搭載されるとともに、裏面に水冷用フィンが設けられた受熱部材と、水路を形成すべく前記水冷用フィンを覆うように前記受熱部材に取り付けられたカバーケースと、を備えた電力変換装置に係り、特に、ハイブリッド自動車（ＨＥV）等に好適な電力変換装置に関する。

従来のハイブリッド自動車（ＨＥV）は、内燃機関搭載自動車をベースにして、モータ及び該モータを駆動／制御するための電力変換装置を追加した構成が一般的である。すなわち、内燃機関−変速機−差動機構−車輪からなる内燃機関搭載自動車に対して、例えば、変速機の出力軸と差動機構の入力軸との間にモータの出力軸を連結するような構成である。

かかる構成のハイブリッド自動車においては、電力変換装置をエンジンルームに設置することが必要であるが、近年、エンジンルームに電力変換装置を設置するための大きなスペースをとることが難しくなってきている。

一方、車両等に用いられる電力変換装置は、通常、バッテリから直流電流を、ＩＧＢＴといった半導体スイッチング素子やフリーホイールダイオード等の半導体素子で構成されるインバータ回路を介して可変電圧／可変周波数の交流電流に変換して３相交流電動機を制御するようにされているが、その動作時には、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子やフリーホイールダイオード等の半導体素子の発熱量が大きいため、半導体素子を冷却する必要がある。

そのため、車載用電力変換装置として、例えば下記特許文献１に所載のように、小型で冷却能力の優れた冷却手段を付設したものが考えられている。かかる冷却手段を備えた電力変換装置は、表面（上面）に絶縁層（熱伝導性の良い絶縁シート）を介して複数個の半導体素子が搭載されるとともに、裏面に一体に設けられた平面視矩形の受熱部材と、水路を形成すべく水冷用フィンを覆うように受熱部材に取り付けられたカバーケース（受熱部材と平面視同形状）と、を備える。

カバーケースは、受熱部材の裏面（下面）に対接せしめられる対接部と、水冷用フィンが接触することなく嵌め込まれる水路用凹部と、を備え、前記受熱部材と前記カバーケース（の対接部）とが、例えば、その四隅でボルト類により水密的に締め付け固定されており、フィン部分（受熱部材とカバーケースの凹部との間）に水又はＬＬＣ等の液体を流して、受熱部材（半導体素子）を冷却するようになっている。

なお、ここでは、受熱部材は銅製（その表面にＮｉめっき）とされ、また、カバーケースはアルミダイカスト製とされている。

また、冷却手段としては、上記の他、下記特許文献２、３に所載のように、冷却用フィンを設けないで複数の水路を形成するもの等も知られている。

特開平１１−３４０３９３号公報 特開平７−１３０９２５号公報 特開平６−１６３７７０号公報

しかしながら、前記特許文献１に所載の電力変換装置では、受熱部材とカバーケースとが異種金属で構成［例えば、受熱部材が銅（表面にＮｉめっき）、また、カバーケースがアルミダイカスト（Ａｌ）］されていて、それらがボルト類で密着固定されている関係上、受熱部材とカバーケースとが電気的に導通して、それらの間に電位差が生じ、イオン化傾向が大のカバーケース（Ａｌ）からイオン化傾向が小の受熱部材（Ｎｉ）に電子を放出するので、カバーケース（Ａｌ）が酸化して、水路構成部分（フィン部分等）が腐食（電食）するという問題を生じることが明らかになった。

本発明は、前記した如くの問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、水冷用フィン付き受熱部材とカバーケースとで形成される水路に冷却水（液体）を流しても、水路構成部分に腐食を生じることがないようにされた電力変換装置を提供することにある。

前記の目的を達成すべく、本発明に係る電力変換装置の一つは、基本的には、表面に絶縁層を介して半導体素子が搭載されるとともに、裏面にフィンが設けられ、かつ銅製の受熱部材と、液体冷媒を流す流路を形成すべく前記フィンを覆うように前記受熱部材に取り付けられ、かつアルミニウム製のカバーケースと、を備え、前記カバーケースは、前記受熱部材の裏面に対接せしめられる対接部と、前記フィンが接触することなく嵌め込まれる流路用凹部と、を備えており、前記受熱部材の裏面と前記カバーケースの対接部との間に絶縁シートが介装されて、前記受熱部材と前記カバーケースの対接部とが絶縁されていることを特徴としている。

好ましい態様では、前記受熱部材と前記カバーケースとがボルトにより締め付け固定されるとともに、前記ボルトと前記受熱部材又はカバーケースとの間に絶縁カラーが介装される。

また、本発明に係る電力変換装置の他の一つは、表面に絶縁層を介して半導体素子が搭載されるとともに、裏面にフィンが設けられ、かつ銅製の受熱部材と、液体冷媒を流す流路を形成すべく前記フィンを覆うように前記受熱部材に取り付けられ、かつアルミニウム製のカバーケースと、を備えた電力変換装置であって、前記カバーケースにおける、少なくとも前記受熱部材に接触する部分に、アルマイト処理により絶縁層が形成されて、前記受熱部材と前記カバーケースの受熱部材に接触する部分とが絶縁されている。

前記のような構成とされた本発明に係る電力変換装置の好ましい態様においては、受熱部材とカバーケースとが絶縁されてそれらの電気的導通が遮断されるので、例えば、Ａｌからなるイオン化傾向が大のカバーケースからイオン化傾向が小の受熱部材（銅製でＮｉめっき）への電子の流れが断たれ、これにより、水冷用フィン付き受熱部材とカバーケースとで形成される水路に冷却水（液体）を流しても、水路構成部分の腐食を防止することができる。

また、受熱部材とカバーケースとを同種の金属材料で構成すること、あるいは、受熱部材とカバーケースの相互に対接する部分のうちの少なくとも一方に、対接相手の表面と同種の金属材料からなるめっき等の被覆層を形成することによっても、それらの部材間に電位差が生じ難くなり、前記の如くの電子の流れを断つことができるので、水路構成部分の腐食を防止することができる。

以下、本発明の電力変換装置の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す分解斜視図、図２は図１に示される電力変換装置の組み立て状態での要部断面図である。

本実施形態の電力変換装置１０も、前述した従来の電力変換装置と同様に、表面（上面）２１に絶縁層（熱伝導性の良い絶縁シート）２６を介して複数個の半導体素子２５が搭載されるとともに、裏面に水冷用フィン２２が一体に設けられた平面視矩形の受熱部材２０と、水路を形成すべく水冷用フィン２２を覆うように受熱部材２０に取り付けられたカバーケース３０（受熱部材２０と平面視同形状）と、を備える。

カバーケース３０は、受熱部材２０の裏面（下面）に対接せしめられる対接部３１、３１と、水冷用フィン２２が接触することなく嵌め込まれる水路用凹部３２と、を備えている。

そして、受熱部材２０の裏面と前記対接部３１、３１との間にシリコンゴム等からなる絶縁シート４０、４０が介装され、受熱部材２０とカバーケース３０とが前記絶縁シート４０、４０を挟んでその四隅で座金付きボルト５０により水密的に締め付け固定されている。なお、前記絶縁シート４０は、防水シール材としても働く。

また、受熱部材２０は銅製（その表面にＮｉめっき）とされ、また、カバーケース３０はアルミダイカスト製とされている。

上記に加え、本実施形態では、各ボルト５０と受熱部材２０との間で絶縁シート４０の上側に絶縁カラー５５が介装（ボルト５０外周に遊嵌）され、さらに、絶縁カラー５５の内周でボルト５０の外周に、ボルト軸力による絶縁カラー５５の座屈を防ぎ、絶縁シート４０の破壊及び水漏れを防止すべく座屈防止カラー５２が挿入されている。

なお、受熱部材２０の四隅には、絶縁カラー５５が挿入内嵌される穴２３が形成され、絶縁シート４０、４０の左右には、座屈防止カラー５２が挿入される穴４３が形成され、カバーケース３０の四隅には、ボルト５０が螺合せしめられる雌ねじ部３３が形成されている。

また、受熱部材２０とカバーケース３０（の水路用凹部３２）の左右には、図示はされていないが、例えば絶縁材料からなるカバー兼シール部材が接着等の手法により取り付けられ、受熱部材２０とカバーケース３０と前記カバー兼シール部材とで画成される空間が水路とされ、この水路において、流入口３６から導入される水又はＬＬＣ等の冷却水がフィン２２部分（受熱部材２０とカバーケース３０の凹部３２との間）を流れて流出口３７から導出され、再び導入口３６に戻されるように循環せしめられ、これによって、受熱部材２０（半導体素子２５）が冷却されるようになっている。

このような構成とされた電力変換装置１０においては、受熱部材２０とカバーケース３０との間に絶縁シート４０、４０が介装されるとともに、各ボルト５０と受熱部材２０との間に絶縁カラー５５を介装しているので、受熱部材２０とカバーケース３０とが絶縁されてそれらの電気的導通が遮断されるので、例えば、Ａｌからなるイオン化傾向が大のカバーケース３０からイオン化傾向が小の受熱部材２０（銅製でＮｉめっき）への電子の流れが断たれ、これにより、水路に冷却水（液体）を流しても、水路構成部分の腐食を防止することができる。

なお、受熱部材２０とカバーケース３０とを絶縁する手法としては、上記構成の他、図３、図４に示される如くに、受熱部材２０の裏面とカバーケース３０の対接部３１とを絶縁材料からなる接着剤６０で接着固定する方法、受熱部材２０の裏面とカバーケース３０の対接部３１とをシリコンゴム等からなる絶縁シートを介して接着剤で接着固定（絶縁シートの両面に接着剤を塗布）する方法、あるいは、カバーケース３０における、少なくとも受熱部材２０に接触する部分（対接部３１、３１）に、アルマイト処理等の表面処理により絶縁層を形成する方法等も考えられる。

また、水路の腐食を防止するには、受熱部材２０とカバーケース３０との間に電位差を生じないようにすればよいことから、それらを同種の金属材料（例えばアルミニウム）で構成すること、あるいは、受熱部材２０とカバーケース３０の相互に対接する部分のうちの少なくとも一方に、対接相手の表面と同種の金属材料からなるめっき等の被覆層を形成することによっても、それらの部材間に電位差が生じ難くなり、前記の如くの電子の流れを断つことができるので、水路の腐食を防止することができる。なお、受熱部材２０とカバーケース３０とをボルト（５０）で締結する場合は、ボルトを絶縁材料で作製するとよい。

本発明に係る電力変換装置の一実施形態を示す分解斜視図。 図１に示される電力変換装置の組み立て状態での要部断面図。 本発明に係る電力変換装置の他の実施形態の説明に供される分解斜視図。 図３に示される電力変換装置の組み立て状態での要部断面図。

符号の説明

１０、１１ 電力変換装置
２０ 受熱部材
２２ 水冷用フィン
２５ 半導体素子
３０ カバーケース
３１ 対接部
３２ 水路用凹部
３３ 雌ねじ部
４０ 絶縁シート
５０ ボルト
５２ 座屈防止カラー
５５ 絶縁カラー
６０ 接着剤

Claims (9)

1. 表面に絶縁層を介して半導体素子が搭載されるとともに、裏面にフィンが設けられ、かつ銅製の受熱部材と、液体冷媒を流す流路を形成すべく前記フィンを覆うように前記受熱部材に取り付けられ、かつアルミニウム製のカバーケースと、を備えた電力変換装置であって、
   前記カバーケースは、前記受熱部材の裏面に対接せしめられる対接部と、前記フィンが接触することなく嵌め込まれる流路用凹部と、を備えており、前記受熱部材の裏面と前記カバーケースの対接部との間に絶縁シートが介装されて、前記受熱部材と前記カバーケースの対接部とが絶縁されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記受熱部材と前記カバーケースとがボルトにより締め付け固定されるとともに、前記ボルトと前記受熱部材又はカバーケースとの間に絶縁カラーが介装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。
3. 表面に絶縁層を介して半導体素子が搭載されるとともに、裏面にフィンが設けられ、かつ銅製の受熱部材と、液体冷媒を流す流路を形成すべく前記フィンを覆うように前記受熱部材に取り付けられ、かつアルミニウム製のカバーケースと、を備えた電力変換装置であって、
   前記カバーケースにおける、少なくとも前記受熱部材に接触する部分に、アルマイト処理により絶縁層が形成されて、前記受熱部材と前記カバーケースの受熱部材に接触する部分とが絶縁されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 前記半導体素子は、複数個備えられ、かつ当該複数の半導体素子が、一体に形成された一枚の絶縁層に搭載されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記フィンは、前記受熱部材と一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記受熱部材は、その表面にＮｉメッキが施さ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。
7. 前記カバーケースには、前記液体冷媒を流路に流入するための流入口と前記液体冷媒を流路に流出するための流出口が形成され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。
8. 前記液体冷媒は、水又はＬＬＣであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記電力変換装置は、モータとエンジンを駆動源とするハイブリッド自動車におけるエンジンルームに配置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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