JP6314784B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、ヒューズを備える電力変換装置に関する。

直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、外郭をなすケースと、該ケースに取り付けられた入力コネクタとを備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。上記ケース内には、半導体モジュールやコンデンサ等の電子部品が収納されている。上記電力変換装置は、上記入力コネクタを用いて、ケース内に収納された上記電子部品と、ケースの外側に配された直流電源とを電気接続するよう構成されている。

入力コネクタからは、上記直流電源に接続される入力ケーブルと、他の外部機器に接続される外部ケーブルとが延出している。上記電力変換装置は、上記入力ケーブルを介して直流電源から供給される直流電流の一部を、入力コネクタ内で分岐し、上記外部ケーブルを介して、上記外部機器に供給するよう構成されている。

入力コネクタ内には、ヒューズが配されている。ヒューズは、外部機器への電流の供給経路上に設けられており、過電流が流れると溶断するようになっている。このヒューズにより、外部機器を過電流から保護している。

特開２００９−２１８２６０号公報

しかしながら上記電力変換装置は、ヒューズ周辺に設けられた部材、例えばヒューズに接続した配線や、入力コネクタとケースとの間に配されたコネクタシール部等の寿命が短くなりやすいという問題がある。すなわち、外部機器を稼働させるとヒューズに電流が流れ、この電流によってヒューズが発熱する。上述したように、ヒューズは入力コネクタ内に設けられており、積極的に冷却できるようになっていない。そのため、ヒューズの温度が上昇しやすく、ヒューズ周辺に配された上記部材の温度も上昇しやすい。したがって、これらの部材の寿命が短くなりやすい。

また、上記電力変換装置は、ヒューズの温度が上昇しやすいため、ヒューズから発生した熱がケース内の他の電子部品に伝わり、この電子部品の温度が上昇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、ヒューズ周辺に配された部材の長寿命化を図ることができ、ヒューズから発生した熱による電子部品の温度上昇を抑制できる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、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールを冷却する冷却器と、
上記半導体モジュール及び上記冷却器を収容する金属製のケースと、
直流電源から上記半導体モジュールに供給される直流電流の一部を分岐して、上記ケースの外側に設けられた外部機器に供給するための電流分岐経路上に設けられ、上記ケース内に配されたヒューズとを備え、
該ケースは、上記冷却器に接触した冷却壁部を有し、
上記ヒューズは上記冷却壁部に固定され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、ケースに、上記冷却器に接触した冷却壁部を形成してある。そして、この冷却壁部に、上記ヒューズを固定してある。
そのため、冷却器によって冷却壁部を冷却することができ、この冷却壁部に固定されたヒューズをも冷却することができる。したがって、ヒューズの温度上昇を抑制でき、ヒューズ周辺に配された部材、例えばヒューズに接続した配線等の温度上昇を抑制できる。そのため、上記部材の長寿命化を図ることができる。また、ヒューズを冷却できるため、ヒューズから発生した熱がケース内の他の電子部品に伝わって、該電子部品の温度が上昇する問題を抑制できる。

以上のごとく、本発明によれば、ヒューズ周辺に配された部材の長寿命化を図ることができ、ヒューズから発生した熱による電子部品の温度上昇を抑制できる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３のI-I断面図。 実施例１における、電力変換装置の断面図であって、図３のII-II断面図。 図１のIII-III断面図。 図１のIV-IV断面図。 実施例１における、ヒューズを固定した冷却壁部の斜視図。 実施例１における、ヒューズの斜視図。 実施例１における、ヒューズ保持具の斜視図。 実施例１における、ヒューズを取り付けたヒューズ保持具の斜視図。 実施例１における、ケース本体部の斜視図。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 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、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１０を用いて説明する。図１、図２に示すごとく、本例の電力変換装置１は、半導体モジュール２と、冷却器３と、ヒューズ４と、金属製のケース５とを備える。

半導体モジュール２には、半導体素子２０（図１０参照）が内蔵されている。冷却器３は、半導体モジュール２を冷却している。また、半導体モジュール２と冷却器３とは、ケース５に収容されている。

図１０に示すごとく、ヒューズ４は、直流電源８から半導体モジュール２に供給される直流電流Ｉの一部を分岐して、ケース５の外側に設けられた外部機器８１に供給するための電流分岐経路１１上に設けられている。図１、図２に示すごとく、ヒューズ４は、ケース５内に配されている。
ケース５は、冷却器３に接触した冷却壁部５０を備える。上記ヒューズ４は、この冷却壁部５０に固定されている。

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、本例の外部機器８１は、車載エアコンである。

図１０に示すごとく、本例の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２と、コンデンサ６とを備える。複数の半導体モジュール２によって、インバータ回路２００が構成されている。コンデンサ６は、直流電源８の電圧を平滑化している。電力変換装置１は、半導体素子２０（ＩＧＢＴ素子）をスイッチング動作させることにより、直流電力を交流電力に変換するよう構成されている。本例では、得られた交流電力を用いて三相交流モータ８２を駆動し、上記車両を走行させている。

直流電源８から半導体モジュール２へ供給される直流電流Ｉの一部は分岐され、電流分岐経路１１を流れて、外部機器８１に供給される。この電流分岐経路１１上に、ヒューズ４が設けられている。外部機器８１に過電流が流れるとヒューズ４が溶断する。これにより、外部機器８１を過電流から保護している。

図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、入力端子７０と、出力端子７２と、外部端子７１とを備える。入力端子７０は、直流電源８（図１０参照）に接続される。出力端子７２は、三相交流モータ８２に接続される。また、外部端子７１は、上述した電流分岐経路１１上に形成されている。外部端子７１は、外部機器８１に接続される。これら入力端子７０と、出力端子７２と、外部端子７１とは、樹脂製の端子台７（図３参照）上に載置されている。

入力端子７０には、正入力端子７０ｐと負入力端子７０ｎとがある。また、外部端子７１には、正外部端子７１ｐと負外部端子７１ｎとがある。負入力端子７０ｎは負外部端子７１ｎと一体的に形成されている。また、正入力端子７０ｐは、第１配線１１１を介して、ヒューズ４の一方の電極４１ａに接続している。正外部端子７１ｐは、第２配線１１２を介して、ヒューズ４の他方の電極４１ｂに接続している。

図１、図３に示すごとく、ケース５には、コネクタ１８が取り付けられている。コネクタ１８内の端子１８０を、上記入力端子７０、出力端子７２、外部端子７１に接続してある。このコネクタ１８を介して、入力端子７０と直流電源８とを電気接続し、また、出力端子７２と三相交流モータ８２とを電気接続している。また、コネクタ１８を介して、外部端子７１と外部機器８１とを電気接続している。

ケース５には、コネクタ１８を挿入するためのコネクタ挿入孔５８が形成されている。このコネクタ挿入孔５８の周囲に、コネクタシール部１９が設けられている。このコネクタシール部１９によって、コネクタ１８とケース５との間をシールしてある。

図９に示すごとく、上記冷却壁部５０は、ケース５の内側に設けられた内側冷却壁部５０ａと、該内側冷却壁部５０ａよりもケース５の外側に設けられた外側冷却壁部５０ｂとからなる。内側冷却壁部５０ａには、該内側冷却壁部５０ａの厚さ方向（Ｘ方向）に貫通した貫通孔５２（５２ａ，５２ｂ）が形成されている。内側冷却壁部５０ａには、貫通孔５２（５２ａ，５２ｂ）が２つ形成されている。図２に示すごとく、一方の貫通孔５２ａは、Ｘ方向において冷却器３に隣り合う位置に形成されている。他方の貫通孔５２ｂ内には、ヒューズ４が配されている。これらの貫通孔５２を、外側冷却壁部５０ｂによって塞いである。冷却器３は、外側冷却壁部５０ｂに接触している。また、ヒューズ４は、外側冷却壁部５０ｂに固定されている。

図５に示すごとく、外側冷却壁部５０ｂは、上記２つの貫通孔５２ａ，５２ｂのうち一方の貫通孔５２ａ内に配される凸部５６を備える。この突部５６に、冷却器３が接触している。外側冷却壁部５０ｂには、後述する導入管１３及び導出管１４（図１参照）を挿通させるための管挿通孔５１１，５１２が形成されている。

ヒューズ４は、樹脂製のヒューズ保持具４０に保持されている。このヒューズ保持具４０を外側冷却壁部５０ｂにボルト固定してある。上述したように、ヒューズ４の一方の電極４１ａには第１配線１１１が接続し、他方の電極４１ｂには第２配線１１２が接続している。

外側冷却壁部５０ｂには、貫通孔５２をシールするためのシール部材５７（５７ａ，５７ｂ）が設けられている。本例では、シール部材５７を２つ設けてある。２つのシール部材５７のうち一方のシール部材５７ａは、凸部５６と管挿通孔５１１，５１２とを取り囲んでいる。また、他方のシール部材５７ｂは、ヒューズ保持具４０及びヒューズ４を取り囲んでいる。図１に示すごとく、これらのシール部材５７ａ，５７ｂは、内側冷却壁部５０ａと外側冷却壁部５０ｂとの間に介在している。個々のシール部材５７ａ，５７ｂによって、個々の貫通孔５２ａ，５２ｂの周囲をシールしている。

図６に示すごとく、本例のヒューズ４は、円柱状に形成されている。このヒューズ４の両端に、電極４１ａ，４１ｂが取り付けられている。電極４１ａ，４１ｂには、貫通部４１０が形成されている。

図７に示すごとく、ヒューズ保持具４０は、樹脂製の本体部４００と、該本体部４００に形成された凹部４２と、本体部４００から突出する雄螺子４３と、本体部４００を外側冷却壁部５０ｂに固定するための締結部４４とを備える。図８に示すごとく、凹部４２にヒューズ４を嵌入し、雄螺子４３を上記貫通部４１０に挿入してある。また、配線１１１，１１２の先端は丸端子１１９になっており、この丸端子１１９に雄螺子４３を挿入してある。そして、ナット４９を雄螺子４３に螺合させることにより、電極４１と丸端子１１９とを共締めし、これらを電気接続してある。

一方、図３、図４に示すごとく、ケース５は、ケース本体５０１と、該ケース本体５０１に取り付けられるカバー５０１，５０２とを備える。図９に示すごとく、ケース本体５０１は、隔壁部５９と、仕切壁部５４と、補強壁部５３とを備える。

隔壁部５９は、図１に示すごとく、ケース５内の空間を、コンデンサ６と半導体モジュール２と冷却器３とを収容する第１空間Ｓ１と、ヒューズ４を収容する第２空間Ｓ２とに区画している。第２空間Ｓ２には、ヒューズ４の他に、端子台７も収容されている。また、仕切壁部５４は、第１空間Ｓ１を、コンデンサ収容空間Ｓ１１とモジュール収容空間Ｓ１２とに区画している。コンデンサ収容空間Ｓ１１にはコンデンサ６が配され、モジュール収容空間Ｓ１２には、半導体モジュール２と冷却器３とが配される。また、補強壁部５３は、ケース５全体の剛性を高め、後述する加圧部材１６の加圧力によってケース５が変形することを抑制している。

図１、図２に示すごとく、本例では、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３０とを積層して、積層体１０を形成してある。この複数の冷却管３０によって、上記冷却器３が構成されている。

仕切壁部５４と積層体１０との間には、加圧部材１６（板ばね）が設けられている。この加圧部材１６によって積層体１０をＸ方向に加圧し、外側冷却壁部５０ｂに押し当てている。これにより、半導体モジュール２と冷却管３０との接触圧を確保しつつ、積層体１０をケース５内に固定している。また、冷却器３を外側冷却壁部５０ｂに接触させている。

図２に示すごとく、Ｘ方向において隣り合う２つの冷却管３０は、隔壁部５９の厚さ方向（Ｙ方向）における両端部にて、連結管３９によって連結されている。また、複数の冷却管３０のうち、Ｘ方向における一端に位置する端部冷却管３０ａに、冷媒１５を導入するための導入管１３と、冷媒１５を導出するための導出管１４とが接続している。導入管１３から冷媒１５を導入すると、冷媒１５は、連結管３９を通って全ての冷却管３０を流れ、導出管１４から導出する。これにより、半導体モジュール２を冷却するようになっている。

図３に示すごとく、半導体モジュール２は、半導体素子２０（図１０参照）を内蔵したモジュール本体部２１と、該モジュール本体部２１から突出したパワー端子２２と、制御端子２３とを備える。パワー端子２２には、直流電圧が加わる直流端子２２ａ，２２ｂと、三相交流モータ８２に接続される交流端子２２ｃとがある。直流端子２２ａ，２２ｂは、直流バスバー２３を介して、コンデンサ６のコンデンサ出力端子６４（図１参照）に接続している。また、交流端子２２ｃは、交流バスバー２４（図１参照）に接続している。交流バスバー２４の一部は上記出力端子７２になっている。

図３に示すごとく、制御端子２３は、制御回路基板１２に接続している。この制御回路基板１２によって、半導体素子２０のスイッチング動作を制御している。これにより、直流端子２２ａ，２２ｂから供給される直流電力を交流電力に変換し、交流端子２２ｃから出力するよう構成されている。

また、図３に示すごとく、Ｙ方向に隣り合う２枚の補強壁部５３ａ，５３ｂの間隔Ｌは、冷却管３０のＹ方向長さよりも短い。そのため、電力変換装置１を製造する際に、冷却管３０を、パワー端子２２の突出方向（Ｚ方向）に移動させて、この２枚の補強壁部５３ａ，５３ｂの隙間Ｇから、冷却管３０をケース５内に入れることはできない。したがって、本例では図９に示すごとく、ケース５の内壁部５０ａに貫通孔５２ａを形成してある。電力変換装置１の製造時には、冷却管３０をＸ方向に移動させ、貫通孔５２ａから、冷却管３０をケース５内に入れるようにしてある。

一方、図４に示すごとく、本例のケース５は、底壁部５５を備える。この底壁部５５と、仕切壁部５４と、隔壁部５９（図１参照）と、側壁部５１とによって囲まれたコンデンサ収納空間Ｓ１内に、コンデンサ６を収納してある。コンデンサ６は、コンデンサ素子６１と、該コンデンサ素子６１を封止する封止部材６２と、コンデンサ素子６１の電極面に取り付けられた金属板６５，６６とからなる。金属板６５，６６の一部は、Ｚ方向に延出し、封止部材６２から突出して、コンデンサ入力端子６３（図１参照）及びコンデンサ出力端子６４になっている。図１に示すごとく、コンデンサ入力端子６３は、入力端子７０に接続している。また、コンデンサ出力端子６４は、直流バスバー２３に接続している。

本例の作用効果について説明する。本例では図２に示すごとく、ケース５に、冷却器３に接触した冷却壁部５０を形成してある。そして、この冷却壁部５０に、ヒューズ４を固定してある。
そのため、冷却器３によって冷却壁部５０を冷却することができ、この冷却壁部５０に固定されたヒューズ４をも冷却することができる。したがって、ヒューズ４の温度上昇を抑制でき、ヒューズ４周辺に配された部材、例えばヒューズ４に接続した配線１１１，１１２や、コネクタシール部１９等の温度上昇を抑制できる。そのため、これらの部材の長寿命化を図ることができる。また、ヒューズ４を冷却できるため、ヒューズ４から発生した熱がコンデンサ６や制御回路基板１２等の電子部品に伝わって、これらの電子部品の温度が上昇する問題を抑制できる。

また、図１、図２に示すごとく、本例の冷却壁部５０は、ケース５の内側に配された内側冷却壁部５０ａと、該内側冷却壁部５０ａよりもケース５の外側に配された外側冷却壁部５０ｂとからなる。冷却器３は外側冷却壁部５０ｂに接触している。また、ヒューズ４は、外側冷却壁部５０ｂに固定されている。
この場合には、ヒューズ４の冷却効率をより向上させることができる。すなわち、図１１に示すごとく、冷却器３を外側冷却壁部５０ｂに接触させ、ヒューズ４を内側冷却壁部５０ａに固定することも可能であるが、このようにすると、ヒューズ４から冷却器３までの、熱伝導の経路が長くなりやすい。そのため、ヒューズ４の冷却効率が低下するおそれがある。しかしながら、本例のように、ヒューズ４を外側冷却壁部５０ｂに固定すれば、ヒューズ４から冷却器３までの、熱伝導の経路を短くすることができる。そのため、ヒューズ４をより効率的に冷却することができる。

また、図１、図２に示すごとく、本例では、ケース５内に、直流電源８と半導体モジュール２との間に接続したコンデンサ６を設けてある。また、ケース５内に隔壁部５９を設けてある。この隔壁部５９によって、ケース５内の空間を、コンデンサ６と半導体モジュール２と冷却器３とを配する第１空間Ｓ１と、ヒューズ４を配する第２空間Ｓ２とに区画してある。
そのため、隔壁部５９によって、ヒューズ４から発生した熱を遮蔽することができる。したがって、ヒューズ４から発生した熱がコンデンサ６や制御回路基板１２等の電子部品に伝わって、これらの電子部品の温度が上昇することを、より効果的に抑制することができる。

また、隔壁部５９を設けると、ヒューズ４から発生した放射ノイズを遮蔽することもできる。そのため、この放射ノイズが制御回路基板１２（図３参照）に伝わって、制御回路基板１２の動作に影響を与えることを抑制できる。

また、本例では、隔壁部５９を、ケース５と一体的に形成してある。そのため、部品点数を低減でき、電力変換装置１の製造コストを低減できる。

また、図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、直流電源８に接続される入力端子７０と、電流分岐経路１１上に形成され外部機器８１に接続される外部端子７１とを備える。これら入力端子７０と外部端子７１とは、上記第２空間Ｓ２に配されている。
そのため、入力端子７０および外部端子７１を、ヒューズ４の近傍に配置することができる。したがって、これらの端子７０，７１とヒューズ４とを繋ぐ配線１１１，１１２の長さを短くすることができる。そのため、この配線１１１，１１２から発生する熱を低減でき、この熱がコンデンサ６等に伝わって温度が上昇する不具合を抑制できる。また、配線１１１，１１２を短くすることにより、配線１１１，１１２から発生する放射ノイズの量を低減することができる。そのため、この放射ノイズが制御回路基板１２に伝わって、該制御回路基板１２の動作に影響を与えることを抑制できる。

以上のごとく、本例によれば、ヒューズ周辺に配された部材の長寿命化を図ることができ、ヒューズから発生した熱による電子部品の温度上昇を抑制できる電力変換装置を提供することができる。

なお、本例では、上記配線１１１，１１２を被覆導線によって構成したが、本発明はこれに限るものではなく、例えばバスバーによって構成してもよい。

（実施例２）
本例は、冷却壁部５０の構造を変更した例である。図１１に示すごとく、本例の冷却壁部５０は、実施例１と同様に、内側冷却壁部５０ａと、外側冷却壁部５０ｂとからなる。内側冷却壁部５０ａには、Ｘ方向において積層体１０に隣り合う位置に、貫通孔５２ａが形成されている。しかし、本例では実施例１とは異なり、内側冷却壁部５０ａに、ヒューズ４を外側冷却壁部５０ｂに固定するための貫通孔５２ｂは形成していない。本例では、ヒューズ４を、内側冷却壁部５０ａに固定してある。

本例の作用効果について説明する。本例では、内側冷却壁部５０ａに貫通孔５２を１個しか形成していないため、貫通孔５２をシールするためのシール部材５７も１個ですむ。そのため、部品点数を低減でき、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、冷却壁部５０の構造を変更した例である。図１２に示すごとく、本例では、実施例１、２の様に、内側冷却壁部５０ａと外側冷却壁部５０ｂとを重ね合わせた構造にしておらず、一枚の金属板によって冷却壁部５０を構成している。この冷却壁部５０に冷却器３が接触している。また、冷却壁部５０にヒューズ４を固定してある。

本例では、実施例１、２のように補強壁部５３を形成していない。そのため、電力変換装置１を製造する際に、Ｚ方向から、冷却器３をケース５内に収容することができる。そのため、実施例１、２のように、冷却器３を収容するための貫通孔５２ａを形成する必要がなく、この貫通孔５２ａを塞ぐための外側冷却壁部５０ｂも必要ない。したがって、冷却壁部５０の構造を簡素にすることができると共に、部品点数を低減でき、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。

１ 電力変換装置
１１ 電流分岐経路
２ 半導体モジュール
２０ 半導体素子
３ 冷却器
４ ヒューズ
５ ケース
５０ 冷却壁部
８ 直流電源
８１ 外部機器

Claims (4)

1. 半導体素子（２０）を内蔵した半導体モジュール（２）と、
   該半導体モジュール（２）を冷却する冷却器（３）と、
   上記半導体モジュール（２）及び上記冷却器（３）を収容する金属製のケース（５）と、
   直流電源（８）から上記半導体モジュール（２）に供給される直流電流の一部を分岐して、上記ケース（５）の外側に設けられた外部機器（８１）に供給するための電流分岐経路（１１）上に設けられ、上記ケース（５）内に配されたヒューズ（４）とを備え、
   該ケース（５）は、上記冷却器（３）に接触した冷却壁部（５０）を有し、
   上記ヒューズ（４）は上記冷却壁部（５０）に固定されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記冷却壁部（５０）は、上記ケース（４）の内側に配された内側冷却壁部（５０ａ）と、該内側冷却壁部（５０ａ）よりも上記ケース（４）の外側に配された外側冷却壁部（５０ｂ）とからなり、上記内側冷却壁部（５０ａ）には、該内側冷却壁部（５０ａ）の厚さ方向に貫通した貫通孔（５２）が形成され、上記外側冷却壁部（５０ｂ）によって上記貫通孔（５２）を塞いであり、上記冷却器（３０）は上記外側冷却壁部（５０ｂ）に接触し、上記ヒューズ（４）は上記外側冷却壁部（５０ｂ）に固定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. 上記ケース（５）内に、上記直流電源（８）と上記半導体モジュール（２）との間に接続したコンデンサ（６）を設けてあり、上記ケース（５）内の空間を、上記コンデンサ（６）と上記半導体モジュール（２）と上記冷却器（３）とを収容する第１空間（Ｓ１）と、上記ヒューズ（４）を収容する第２空間（Ｓ２）とに区画する隔壁部（５９）を備え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. 上記直流電源（８）に接続される入力端子（７０）と、上記電流分岐経路（１１）上に形成され上記外部機器（８１）に接続される外部端子（７１）とを備え、上記入力端子（７０）と上記外部端子（７１）とは、上記第２空間（Ｓ２）に配されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置（１）。

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