JP6191371B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、２個の電力変換器を有する電力変換装置に関する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ等の第１電力変換器と、インバータ等の第２電力変換器と、コンデンサ等の電子部品とを備え、これら２つの電力変換器と電子部品とを１つのケースに収容した電力変換装置が知られている（下記特許文献１参照）。

この電力変換装置では、上記ケースに、２個の電力変換装置の間に介在する仕切部を設けてある。仕切部の内部には、冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。この仕切部を用いて、第１電力変換器を冷却すると共に、ケース内全体の雰囲気温度を下げている。

上記仕切部は、ケースを構成する、互いに平行な２枚の壁部の間を繋ぐように形成されている。すなわち、上記電力変換装置では、ケース内のスペースが、仕切部によって、第１電力変換器を配するための空間と、第２電力変換器を配するための空間とに分けられている。また、上記電子部品（コンデンサ）は、第２電力変換器（インバータ）を配した空間内に設けられている。電子部品は、第２電力変換器に電気的に接続している。

特開２０１２−２１７３１６号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、ケース内に空きスペースができやすいという問題がある。すなわち、上記電力変換装置は、仕切部によって、ケース内が、第１電力変換器を設けた側の空間と、第２電力変換器を設けた側の空間とに二分されている。したがって、この２つの空間を別々に利用せざるを得ない。そのため、例えば、第１電力変換器の隣に空きスペースができたとしても、この空きスペースを、上記電子部品を配置するためのスペースとして利用しにくい。そのため、上記電力変換装置は、ケース内に無駄な空きスペースが生じやすく、全体として大型化しやすいという問題がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、ケース内に無駄なスペースが生じにくく、小型化しやすい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、第１電力変換器と第２電力変換器との２個の電力変換器と、
該電力変換器とは別体として設けられた電子部品と、
上記２個の電力変換器および上記電子部品を収容するケースとを備え、
該ケースは、上記２個の電力変換器の間に介在する仕切部を有し、該仕切部の内部に冷媒が流れる冷媒流路が形成され、上記仕切部によって上記第１電力変換器を冷却しており、
上記２個の電力変換器が重なり合う重複方向に対して直交する直交方向において、上記仕切部とケースの壁部との間に第１隙間を形成してあると共に、上記第１電力変換器と上記壁部との間に第２隙間を形成してあり、上記第１隙間と上記第２隙間とは上記重複方向に繋がっており、
上記電子部品の少なくとも一部が上記第２隙間に配されており、
上記第１電力変換器と上記電子部品との間に、上記仕切部に連結した遮熱板が介在しており、
上記仕切部は、上記冷媒流路に上記冷媒を導入するための導入口と、上記冷媒流路から上記冷媒を導出するための導出口とを有し、上記遮熱板は、上記直交方向において、上記導出口よりも上記導入口に近い位置にて上記仕切部に連結し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、仕切部とケースの壁部との間に上記第１隙間を形成してある。そのため、ケース内における、第１電力変換器を設けた側の空間と、第２電力変換器を設けた側の空間とが上記第１隙間によって繋がり、ケース内の２つの上記空間が別々にならずにすむ。したがって、第１電力変換器の隣に形成された上記第２隙間を、電子部品の一部を配置するスペースとして利用しやすくなる。そのため、ケース内の空きスペースが減り、ケース、すなわち電力変換装置全体を小型化することが可能になる。

また、仮に、上記第２隙間に電子部品の一部を単に配置しただけだとすると、第１電力変換器から発生する熱によって電子部品の温度が上昇し、寿命が低下する可能性が生じる。したがって、電子部品を第１電力変換器から遠ざける必要が生じ、ケースの小型化が困難になる。この問題を解決するため、上記電力変換装置では、第１電力変換器と電子部品との間に遮熱板を設けてある。これにより、第１電力変換器から生じた熱を遮熱板によって遮ることができ、電子部品の温度上昇を抑制することが可能になる。そのため、電子部品を第１電力変換器に近づけることができ、ケース内に無駄なスペースができにくくなる。そのため、電力変換装置全体をより小型化することが可能になる。

以上のごとく、本例によれば、ケース内に無駄なスペースが生じにくく、小型化しやすい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であって、図２のI-I断面図。 図１のII-II断面図。 図１のIII-III断面図。 図１のIV-IV断面図。 図１のV-V断面図。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 実施例１における、ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図。 実施例１における、電力変換装置の斜視図。 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。

上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための車載用電力変換装置とすることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置に係る実施例について、図１〜図８を用いて説明する。本例の電力変換装置１は、図１〜図３に示すごとく、第１電力変換器２ａと第２電力変換器２ｂとの２個の電力変換器２と、電子部品４と、ケース３とを備える。電子部品４は、電力変換器２とは別体として設けられている。ケース３に、２個の電力変換器２および電子部品４を収容してある。

図１に示すごとく、ケース３は、２個の電力変換器２の間に介在する仕切部５を有する。仕切部５の内部には、冷媒５０が流れる冷媒流路５１が形成されている。この仕切部５によって第１電力変換器２ａを冷却している。２個の電力変換器２が重なり合う重複方向（Ｚ方向）に対して直交する直交方向（Ｙ方向）において、仕切部５とケース３の壁部３１との間に第１隙間Ｇ１を形成してあると共に、第１電力変換器２ａと壁部３１との間に第２隙間Ｇ２を形成してある。第１隙間Ｇ１と第２隙間Ｇ２とは、Ｚ方向に繋がっている。

第２隙間Ｇ２には、電子部品４の一部が配されている。第１電力変換器２ａと電子部品４との間に、仕切部５に連結した遮熱板６が介在している。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。また、第１電力変換器２ａは、直流電源１２（図６、図７参照）の直流電圧を降圧して、低圧バッテリー１４（図７参照）を充電するためのＤＣ−ＤＣコンバータである。第２電力変換器２ｂは、直流電源１２から供給される直流電力を交流電力に変換して、三相交流モータ１３（図６参照）を駆動するためのインバータである。また、本例の電子部品４は、直流電圧を平滑化するためのコンデンサである。

図１、図４に示すごとく、本例の仕切部５は、ケース３と一体に形成されている。上述したように、ケース３内には、冷媒流路５１を形成してある。仕切部５の内部には、隔壁５６を設けてある。この隔壁５６によって、冷媒流路５１を、第１部分５１ａと第２部分５１ｂとに分けている。第１部分５１ａは、外部から導入された冷媒５０が最初に通る部位である。第２部分５１ｂは、第１部分５１ａを通った冷媒５０が流れる部位である。第１部分５１ａには、冷媒５０を導入するための導入口５８１が形成されている。また、第２部分５１ｂには、冷媒５０を導出するための導出口５９１が形成されている。導入口８５１には、第１導入管５８が取り付けられている。また、導出口５９１には、第１導出管５９が取り付けられている。

図５、図７に示すごとく、本例の第１電力変換器２ａは、複数のＭＯＳＦＥＴ２２０を内蔵したＭＯＳモジュール２２と、トランス２１と、２個のダイオード２３０を内蔵したダイオードモジュール２３と、チョークコイル２４と、フィルタコンデンサ２５と、コネクタ２６とを備える。図１に示すごとく、これらの部品は、ベースプレート２０に搭載されている。ベースプレート２０は、仕切部５に接している。ベースプレート２０を介して、第１電力変換器２ａを構成する各部品を冷却している。第１電力変換器２ａと遮熱板６との間には、断熱用のスペースＳが形成されている。

図７に示すごとく、ＭＯＳモジュール２２内のＭＯＳＦＥＴ２２０は、Ｈブリッジ回路を構成している。ＭＯＳＦＥＴ２２０をオンオフ動作することにより、直流電源１２（図６参照）の直流電圧を交流電圧に変換している。この交流電圧を、トランス２１を使って降圧するよう構成されている。トランス２１の出力電圧は、ダイオード２２０によって整流される。そして、整流後の直流電流をチョークコイル２４に流すことにより、リップル電流を除去すると共に、フィルタコンデンサ２５によって、ノイズ電圧を除去するよう構成してある。このようにして得られた直流電力を用いて、低圧バッテリー１４を充電している。

第１電力変換器２ａを構成する各部品の中では、トランス２１が最も発熱量が多い。本例では、トランス２１を、仕切部５（図４参照）のうち冷媒流路５１の第１部分５１ａを形成した部位に配してある。これにより、第１部分５１ａを流れる冷媒５０、すなわち、外部から導入されたばかりで温度が低い冷媒５０を用いて、トランス２１を冷却している。これによって、発熱量が多いトランス２１の冷却効率を高めるようにしてある。

一方、図１〜図３に示すごとく、本例の第２電力変換器２ｂは、複数の半導体モジュール１５と、該半導体モジュール１５を冷却する冷却管１４とを備える。半導体モジュール１５と冷却管１４とは、交互に積層され、積層体１００を構成している。半導体モジュール１５は、半導体素子１５０（図６参照）を内蔵した本体部１５５と、該本体部１５５から突出する制御端子１５１と、複数のパワー端子１６とを備える。図１に示すごとく、パワー端子１６には、直流電圧が加わる直流端子１６ａ，１６ｂと、交流出力端子１６ｃとがある。直流端子１６ａ，１６ｂは、図示しない直流バスバーによって、コンデンサ（電子部品４）の電極端子４５に接続している。また、交流出力端子１６ｃは、図示しない交流バスバーを介して、三相交流モータ１３（図６参照）に接続されている。

また、半導体モジュール１５の制御端子１５１は、制御回路基板１７に接続している。この制御回路基板１７を用いて、半導体モジュール１５をオンオフ動作させている。これにより、直流端子１６ａ，１６ｂに加わる直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧を、交流出力端子１６ｃから出力するよう構成してある。

図３に示すごとく、積層体１００の積層方向（Ｘ方向）に隣り合う２つの冷却管１４は、Ｙ方向における両端部において、それぞれ連結管１４５によって連結されている。また、複数の冷却管１４のうち、Ｘ方向おける一端に位置する冷却管１４ａには、冷媒５０を導入するための第２導入管３８と、冷媒５０を導出するための第２導出管３９とが接続している。第２導入管３８から冷媒５０を導入すると、冷媒５０は、連結管１４５を通って全ての冷却管１４を流れ、第２導出管３９から導出する。これにより、各半導体モジュール１５を冷却している。

図８に示すごとく、上記仕切部５に取り付けた第１導出管５９は、ホース１９によって、上記第２導入管３８に接続されている。すなわち、本例では、外部から第１導入管５８へ冷媒５０を導入し、仕切部５内の冷媒流路５１を流れて第１導出管５９から導出した冷媒５０を、ホース１９を通して第２導入管３８へ導入するよう構成してある。これにより、仕切部５と第２電力変換器２ｂとに別々に冷媒５０を導入しなくても済むようにしてある。なお、第２導出管３９から導出した冷媒５０は、図示しない冷却装置によって冷却され、再び第１導入管５８へ導入される。

図３に示すごとく、ケース３には、積層体１００を固定するための固定板３４を形成してある。固定板３４と積層体１００との間には、加圧部材３４０（板ばね）が配されている。この加圧部材３４０の加圧力を用いて、積層体１００を、ケース３の側壁３９０へ押圧している。これにより、半導体モジュール１５と冷却管１４との接触圧を確保しつつ、積層体１００をケース３内に固定している。

固定板３４に対して、加圧部材３４０を設けた側とは反対側には、昇圧用のリアクトル１１が配されている。リアクトル１１は、図６に示すごとく、第２電力変換器２ｂに含まれる複数の半導体モジュール１５のうち、昇圧回路２８０を構成する半導体モジュール１５ａに接続している。昇圧回路２８０の半導体モジュール１５ａをオンオフ動作させることにより、リアクトル１１を利用して、直流電源１２の電圧を昇圧するよう構成されている。また、昇圧後の電圧は、コンデンサＣによって平滑化される。そして、平滑した直流電圧を、第２電力変換器２ｂに含まれるインバータ回路２８０を用いて、交流電圧に変換する。これにより、三相交流モータ１３を駆動するよう構成されている。

コンデンサＣ（電子部品４）は、図１、図３に示すごとく、コンデンサ素子４２と、該コンデンサ素子４２を収容するコンデンサケース４１と、コンデンサ素子４２をコンデンサケース４１内に封止する封止部材４３とを備える。コンデンサ素子４２は、金属薄膜を表面に形成した絶縁フィルムを巻回してなるフィルムコンデンサ素子である。コンデンサ素子４２のＺ方向における両端面は、電極面４２１，４２２となっている。この電極面４２１，４２２に、バスバー４４が接続している。バスバー４４の先端は、電極端子４５となっている。電極端子４５は、封止部材４３の表面からＹ方向に突出している。

コンデンサケース４１は、開口部４１０を備える。開口部４１０は、Ｙ方向における、２つの電力変換器２ａ，２ｂ及び仕切部５を配した側を向いている。

図１、図３に示すごとく、第２電力変換器２ｂと壁部３１との間には、第３隙間Ｇ３が形成されている。図１に示すごとく、第１隙間Ｇ１と第２隙間Ｇ２と第３隙間Ｇ３とは、Ｚ方向に繋がっている。電子部品４（コンデンサＣ）は、第１隙間Ｇ１と第２隙間Ｇ２と第３隙間Ｇ３とに、それぞれ一部分が介在するように、ケース３内に配されている。

上述したように、第１電力変換器２ａと電子部品４との間には、遮熱板６が介在している。遮熱板６は、ケース３と一体に形成されており、仕切部５に連結されている。また、第１電力変換器２ａを構成する部品のうち、最も発熱量が多い部品であるトランス２１（最大発熱部品２１０）は、遮熱板６に隣り合う位置に配されている。

本例のケース３は、金属製である。遮熱板６と仕切部５は、ケース３と一体に形成されており、これらも金属からなる。このように、遮熱板６は、熱伝導率が高い材料から構成され、かつ仕切部５に連結している。これにより、遮熱板６を、仕切部５によって効果的に冷却できるようにしてある。

本例の作用効果について説明する。図１に示すごとく、本例においては、仕切部５とケース３の壁部３１との間に第１隙間Ｇ１を形成してある。そのため、ケース３内における、第１電力変換器２ａを設けた側の空間と、第２電力変換器２ｂを設けた側の空間とが第１隙間Ｇ１によって繋がり、ケース３内の２つの空間が別々にならずにすむ。したがって、第１電力変換器２ａの隣に形成された第２隙間Ｇ２を、電子部品４の一部を配置するスペースとして利用しやすくなる。そのため、ケース３内の無駄なスペースが減り、ケース３、すなわち電力変換装置１全体を小型化することが可能になる。

また、仮に、第２隙間Ｇ２に電子部品４の一部を単に配置しただけだとすると、第１電力変換器２ａから発生する熱によって電子部品４の温度が上昇し、寿命が低下する可能性が生じる。したがって、電子部品４を第１電力変換器２ａから遠ざける必要が生じ、ケース３内に無駄なスペースができやすくなる。この問題を解決するため、本例では、第１電力変換器２ａと電子部品４との間に遮熱板６を設けてある。これにより、第１電力変換器２ａから生じた熱を遮熱板６によって遮ることができ、電子部品４の温度上昇を抑制することが可能になる。そのため、電子部品４を第１電力変換器２ａに近づけることができ、ケース３内に無駄なスペースができにくくなる。そのため、電力変換装置１全体をより小型化することが可能になる。

また、本例では図１に示すごとく、電子部品４を、第１隙間Ｇ１と第２隙間Ｇ２と第３隙間Ｇ３とに、それぞれ一部分が介在するように、ケース３内に配してある。このようにすると、電子部品４の外形を大きくすることができる。そのため、例えば電子部品４としてコンデンサＣを用いた場合、その静電容量を増加させることが可能になる。

また、図４、図５に示すごとく、本例の遮熱板６は、Ｙ方向において、導出口５９１よりも導入口５８１に近い位置にて仕切部５に連結している。
そのため、外部から導入された直後の、比較的温度が低い冷媒５０が、遮熱板６の近傍を流れることになる。これにより、遮熱板６の冷却効率をより高めることが可能になる。

また、本例では図１に示すごとく、第１電力変換器２ａを構成する部品のうち、稼働時の発熱量が最も大きい最大発熱部品２１０を、遮熱板６に隣接する位置に設けてある。
そのため、最大発熱部品２１０を、仕切部５と遮熱板６との両方を用いて冷却することが可能になり、最大発熱部品２１０の冷却効率を高めることが可能になる。

また、本例では図７に示すごとく、第１電力変換器２ａはＤＣ−ＤＣコンバータである。ＤＣ−ＤＣコンバータは、トランス２１やチョークコイル２４のように発熱する部品が多く、冷却効率を上げることが特に望まれている。そのため、本例のように、仕切部５と遮熱板６を使って第１電力変換器２ａを冷却できるようにした場合の効果は大きい。

また、図６に示すごとく、本例の電子部品４は、直流電圧を平滑化するためのコンデンサＣである。
コンデンサＣは、温度が上昇すると寿命が特に低下しやすい部品である。そのため、本例のように、コンデンサＣと第１電力変換器２ａとの間に遮熱板６を配置し、コンデンサＣの温度上昇を抑制できるようにした場合の効果は大きい。

また、図１に示すごとく、本例では、コンデンサケース４１の開口部４１０が第１電力変換器２ａ側を向くように、コンデンサＣをケース３内に配してある。
このようにすると、コンデンサ素子４２と遮熱板６との間に、コンデンサケース４１の側壁が介在しなくなるため、遮熱板６による、コンデンサ素子４２の冷却効率を高めることができる。

以上のごとく、本例によれば、ケース内に無駄なスペースが生じにくく、小型化しやすい電力変換装置を提供することができる。

なお、本例では、電子部品４としてコンデンサＣを用いているが、本発明はこれに限るものではない。例えば、昇圧用のリアクトル１１（図２参照）を、電子部品４とすることができる。そして、図２、図３における、リアクトル１１を配置した位置に、コンデンサＣを配置することができる。

（実施例２）
以下の実施例においては、図面に用いた符号のうち、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。

本例は、電子部品４の形状を変更した例である。本例では、図９に示すごとく、電子部品４のＺ方向長さを短くしてある。そして、第１隙間Ｇ１と第２隙間Ｇ２とに、それぞれ一部が介在するように、電子部品４をケース３内に収容してある。また、実施例１と比べて、第２電力変換器２ｂのＹ方向長さを長くしてある。

その他、実施例１と同様の構成及び作用効果を備える。

（実施例３）
本例は、電子部品４の形状を変更した例である。図１０に示すごとく、本例では、第２隙間Ｇ２に、電子部品４（コンデンサＣ）の全体を配置してある。また、第１隙間Ｇ１には、外部機器と電力変換器２ａ，２ｂとを接続するためのコネクタ１９０を配置してある。電子部品４は、図示しないバスバーによって、第２電力変換器２ｂに電気接続されている。このバスバーは、コネクタ１９０と仕切部５との間を通っている。

その他、実施例１と同様構成及び作用効果を備える。

１ 電力変換装置
２ａ 第１電力変換器
２ｂ 第２電力変換器
３ ケース
４ 電子部品
５ 仕切部
５０ 冷媒
５１ 冷媒流路
６ 遮熱板
Ｇ１ 第１隙間
Ｇ２ 第２隙間

Claims (6)

1. 第１電力変換器（２ａ）と第２電力変換器（２ｂ）との２個の電力変換器（２）と、
   該電力変換器（２）とは別体として設けられた電子部品（４）と、
   上記２個の電力変換器（２）および上記電子部品（４）を収容するケース（３）とを備え、
   該ケース（３）は、上記２個の電力変換器（２）の間に介在する仕切部（５）を有し、該仕切部（５）の内部に冷媒（５０）が流れる冷媒流路（５１）が形成され、上記仕切部（５）によって上記第１電力変換器（２ａ）を冷却しており、
   上記２個の電力変換器（２ａ，２ｂ）が重なり合う重複方向に対して直交する直交方向において、上記仕切部（５）とケース（３）の壁部（３１）との間に第１隙間（Ｇ１）を形成してあると共に、上記第１電力変換器（２ａ）と上記壁部（３１）との間に第２隙間（Ｇ２）を形成してあり、上記第１隙間（Ｇ１）と上記第２隙間（Ｇ２）とは上記重複方向に繋がっており、
   上記電子部品（４）の少なくとも一部が上記第２隙間（Ｇ２）に配されており、
   上記第１電力変換器（２ａ）と上記電子部品（４）との間に、上記仕切部（５）に連結した遮熱板（６）が介在しており、
   上記仕切部（５）は、上記冷媒流路（５１）に上記冷媒（５０）を導入するための導入口（５８１）と、上記冷媒流路（５１）から上記冷媒（５０）を導出するための導出口（５９１）とを有し、上記遮熱板（６）は、上記直交方向において、上記導出口（５９１）よりも上記導入口（５８１）に近い位置にて上記仕切部（５）に連結していることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記直交方向において、上記第２電力変換器（２ｂ）と上記壁部（３１）との間に第３隙間（Ｇ３）を形成してあり、上記第１隙間（Ｇ１）と上記第２隙間（Ｇ２）と上記第３隙間（Ｇ３）とは上記重複方向に繋がっており、上記電子部品（４）は、上記第１隙間（Ｇ１）と上記第２隙間（Ｇ２）と上記第３隙間（Ｇ３）とに、それぞれ一部が存在するように、上記ケース（３）内に配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. 上記第１電力変換器（２ａ）を構成する部品のうち、稼働時の発熱量が最も大きい最大発熱部品（２１０）を、上記遮熱板（６）に隣接する位置に設けてあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記第１電力変換器（２ａ）は、直流電圧を変圧するＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 上記電子部品（４）は、直流電圧を平滑化するためのコンデンサ（Ｃ）であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 上記コンデンサ（Ｃ）は、コンデンサケース（４１）と、該コンデンサケース（４１）に収容されたコンデンサ素子（４２）と、該コンデンサ素子（４２）を封止する封止部材（４３）とを備え、上記コンデンサケース（４１）の開口部（４１０）が上記第１電力変換器（２ａ）側を向いていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置（１）。

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