JP6429889B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に車両用の電力変換装置に関する。

特開２０１０−１１０１４３号で説明されている発明は、図５及び図６に示すような金属製の放熱ベース３０４により設けられる収納空間の中にパワー半導体素子を収納し、その放熱ベースが筐体１２の冷却ジャケット１９に、パワー半導体素子の収納部を水路側に突出させるように収納され、筐体１２の上下の開口部はそれぞれ上部カバー１０と下部カバー１６により閉じられる。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車の燃費向上のため、車両搭載部品の軽量化が求められており、電力変換装置の軽量化も求められている。軽量化に際しては、車両搭載部品に金属材料よりも軽量な樹脂材料を採用する場合がある。

一方で、電力変換装置においては、駆動用モータへの電力が入出力される強電系と、制御回路を駆動する弱電系が装置内に混在し、ノイズに対する対応を十分に考慮する必要がある。

特開２０１０−１１０１４３号公報

本発明が解決しようとする課題は、樹脂材料を用いた電力変換装置の耐ノイズ性を向上させることである。

本発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するための複数のパワー半導体モジュールと、それぞれの前記パワー半導体モジュールを制御するための制御回路基板と、複数の前記パワー半導体モジュールと前記制御回路基板を収納する筐体と、を備え、それぞれの前記パワー半導体モジュールは、スイッチング素子と、前記スイッチング素子を収納する収納空間を形成する金属製のモジュールケースと、を有し、前記筐体は、複数の前記パワー半導体モジュールを収納する樹脂ケースと、前記制御回路基板を収納する金属ケースと、前記樹脂ケースの収納空間と前記金属ケースの収納空間を隔てるように配置される金属ベースと、を含んで構成され、前記樹脂ケースは、複数の前記パワー半導体モジュールを冷却するための冷媒が流れる冷媒流路を形成し、複数の前記パワー半導体モジュールは、前記モジュールケースが前記冷媒流路内に突出するように、配置され、前記金属ベースは、複数の開口部が形成され、それぞれの開口部はそれぞれの前記パワー半導体モジュールに対応し、それぞれの前記パワー半導体モジュールは、それぞれの前記モジュールケースの前記収納空間と前記金属ケースの前記収納空間とが前記金属ベースのそれぞれの前記開口部を介して直接繋がるように、配置され、前記金属ケースと前記金属ベースと複数の前記モジュールケースは、電気的に接続されている。
本発明に係る別の電力変換装置は、金属製モジュールケースにパワー半導体素子が収納された複数のパワー半導体モジュールと、それぞれの前記パワー半導体素子の制御信号を出力する制御回路基板と、前記金属製モジュールケースを冷却する冷媒流路空間として前記金属製モジュールケースが配置される収納空間を区画する樹脂製ケースと、前記制御回路基板が配置される空間と前記冷媒流路空間とを隔てる金属ベースと、を備えた電力変換装置であって、前記金属ベースは、複数の開口部を有し、それぞれの開口部は、それぞれの前記パワー半導体モジュールに対応し、それぞれの前記パワー半導体素子が収納されるそれぞれの前記金属製モジュールケースのケースの内部を示す内部空間と前記制御回路基板が配置される空間とを直接連通し、それぞれの前記パワー半導体素子と前記制御回路基板とはそれぞれの前記開口部を介して接続される。

本発明により、樹脂材料を用いた電力変換装置の耐ノイズ性を向上させることができる。

本実施形態に係る電力変換装置１００の外観斜視図である。 図１の電力変換装置１００からトップカバー１１１を外した状態を示す斜視図である。 図２の制御基板３０と基板ベース３４を取り除いた電力変換装置１００の斜視図である。 図３に示した電力変換装置１００から直流側バスバー３５を除いた上面図である。 図１の平面Ａの矢印方向から見た電力変換装置１００の断面図である。 図１の平面Ｂの矢印方向から見た電力変換装置１００の断面図である。 金属ベース２０をトップカバー１１１が配置された側から概念図である。 他の実施形態に係る電力変換装置１００の断面図である。本実施形態の外観図は図１と同様である。

以下、本発明を実施するための形態を図面によって説明する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置１００の外観斜視図である。本実施形態に係る電力変換装置１００は、上部から下部に大きく三段構成になっており、上から、トップカバー１１１、ミドルケース１１２、樹脂ケース１２が組み合わされる。
トップカバー１１１は、金属により構成され、ミドルケース１１２の上部に配置される。またトップカバー１１１は、上方に向かって突出する信号コネクタ１２１を有する。信号コネクタ１２１とトップカバー１１１の隙間は必要に応じてシールされ、防水・防塵対策がとられる。

トップカバー１１１は、ミドルケース１１２との合わせ面にフランジ１０１を形成し、このフランジ１０１とミドルケース１１２と合わせ、シールすることができる。トップカバー１１１をミドルケース１１２に固定する方法は、ガスケット等を間に挟んでボルトで締結、もしくは接着材等を用いてボルトを使わずに接着してもよい。

ミドルケース１１２は、金属により構成され、トップカバー１１１と合わさることでその中に金属で覆われる収納空間１１９（図５にて後述）を形成する。この収納空間１１９の中には、制御基板３０、電流センサ３７、パワー半導体モジュール２の一部が収納される（図５にて後述）。
ミドルケース１１２は、電力変換装置１００本体を車両内の任意の場所に固定できるよう、固定用の固定部１１７が設けられる。固定部１１７の中央には固定用のボルト穴が形成される。

ミドルケース１１２は、その側面に強電の交流側インターフェース１１５（図４参照）と直流側インターフェース１１６を有している。交流側インターフェース１１５は、強電コネクタである交流端子を介してモータと接続される。直流側インターフェース１１６は、強電コネクタである直流側電源端子を介してバッテリへと接続される。

樹脂ケース１２は、ミドルケース１１２を挟んで、トップカバー１１１と対向する位置に配置される。樹脂の樹脂ケース１２とミドルケース１１２との接合は、例えば、ミドルケース１１２側の表面を化学処理もしくは機械的に租化し、そこに樹脂を射出成型することで可能となる。もしくは、それぞれを別々に形成して接着剤等で接合することができる。

樹脂ケース１２は、その内部にパワー半導体モジュール２を冷却するための流路を形成する。

図２は、図１の電力変換装置１００からトップカバー１１１を外した状態を示す斜視図である。

電流センサ３７には、電力変換装置１００からモータへ流れる三相交流電流が流れる三本の交流側バスバー３６が貫通しており、電流センサ３７はこの電流値を検知し、制御基板３０に伝える。

制御基板３０は、電力変換装置１００外部のモータや車両と情報を授受するための信号コネクタ１２１を備える。また制御基板３０は、モータに出力すべき電流値を計算し、その結果に応じてパワー半導体モジュール２のスイッチング素子を入り切りするタイミングを演算するモータ制御回路部と、その決まったタイミングに応じてスイッチング素子をオン・オフするゲート駆動回路部に別れている。ゲート駆動回路部にはパワー半導体モジュール２からの制御ピン１２２が貫通し電気的に接続されている。

基板ベース３４は、制御回路基板３０の下方を覆うように配置され、制御回路基板３０の電気的な接地と、その下部に配置されているバスバー等からのノイズを遮蔽する機能を持つ。

図３は、図２の制御基板３０と基板ベース３４を取り除いた電力変換装置１００の斜視図である。

直流側バスバー３５は、異なる極性の二枚の導体板を有する。二枚の導体板は、ある一定の厚さの絶縁層を介して積層される、二枚の導体板の表面を樹脂でモールドすることで二枚のバスバーが一体化される。また直流側バスバー３５は、コンデンサリード３５１と接続されるための広く平たくなった第１エリア３５Ａと、パワー半導体モジュール２の直流端子２Ａと接続されかつ第１エリア３５Ａよりも狭く形成される第２エリア３５Ｂと、により構成される。第２エリア３５Ｂでは、二枚の導体板のそれぞれの一部がモールド樹脂から突出して直流端子２Ａと接続される。

図４は、図３に示した電力変換装置１００から直流側バスバー３５を除いた上面図である。図５は、図１の平面Ａの矢印方向から見た電力変換装置１００の断面図である。図６は、図１の平面Ｂの矢印方向から見た電力変換装置１００の断面図である。図７は、金属ベース２０をトップカバー１１１が配置された側から概念図である。

ミドルケース１１２は、平滑コンデンサ３８と接続されるコンデンサリード３５１が貫通するための開口部２０２を形成する。

平滑コンデンサ３８自体もノイズ源となる可能性があることから、コンデンサリード３５１と開口部２０２の端との間に必要な絶縁距離を確保しつつ、開口部２０２のサイズが最小となることが望ましい。

パワー半導体モジュール２は、コンデンサリード３５１が突出しているエリアの隣に３つ並列に配置されており、一つのパワー半導体モジュール２は１相分の交流電流を出力するようにインバータ回路の上アーム及び下アームを有する。本実施形態に係るパワー半導体モジュールは、例えば、ＩＧＢＴとダイオードをスイッチング素子として内部に収納している。

図７に示されるように、ミドルケース１１２にこのパワー半導体モジュール２が樹脂ケース１１２側に向けて突出することができるよう、開口部２０１を設けてある。

図５に示されるように、筐体１０は、ミドルケース１１２と樹脂ケース１２から構成される。ミドルケース１１２は、金属ベース２０を底面として、トップカバー１１１と組み合わされることで内部に制御回路基板３０を収納する空間を形成する。基板ベース３４は、制御回路基板３０と直流側バスバー３５の間に配置され、制御回路基板３０を直流側バスバー３５から電磁遮蔽し、かつ、制御回路基板３０の接地は基板ベース３４を介してミドルケース１１２に接続される。

また図５に示されるように、金属ベース２０は、樹脂ケース１２が作る収納空間１１８とミドルケース１１２が作る収納空間１１９の間を隔てるように配置される。金属ベース２０は、ミドルケース１１２と合わさることで制御回路基板３０の収納空間１１９を形成し、他方の面は樹脂ケース１２と合わさることで樹脂ケース１２の収納空間１１８を形成する。
さらに図７に示されるように、金属ベース２０は、パワー半導体モジュール２、コンデンサリード３５１を貫通させる為の開口部２０１、および、電力変換装置１００本体の固定用の開口部２０３を有する。
パワー半導体モジュール２は、金属でできたモジュールケースを有し、その内部にスイッチング素子を収納するためのスイッチング素子収納部を形成する。またパワー半導体モジュール２は、金属ベース２０の開口部２０１を塞ぎつつスイッチング素子収納部を樹脂ケース１２側に突出させるように固定される。パワー半導体モジュール２が接続された状態の金属ベース２０が、樹脂ケース１２の開口側に合わさることで樹脂ケース１２の収納空間１１８に冷却水路を形成する。
図５に示されるように、樹脂ケース１２は、その内部にパワー半導体モジュール２を冷却するための流路１２０を形成する。つまり本実施形態においては、収納空間１１８が流路１２０を兼ねることになる。

樹脂ケース１２は、六面のうちの一面が開口されており、金属ベース２０はその開口側を塞ぐように合わさる。樹脂ケース１２と金属ベース２０の接合は、例えば、金属ベース２０側の表面を化学処理もしくは機械的に荒らし、そこに樹脂を射出成型することで可能となる。もしくは、それぞれを別々に形成して接着剤等で接合することができる。
こうすることで、パワー半導体モジュール２のモジュールケースは金属ベース２０に接地され、かつ、スイッチング素子や制御回路などインバータの電気的機能を有する部品はすべて金属でできた収納空間１１９内に収まる。

このように構成することで、電力変換装置１００の流路形成体を樹脂に置き換えつつも、耐ノイズ性を損なうことが抑制される。
また、直流側バスバー３５や平滑コンデンサ３８などを強制的に冷却する必要がある場合は、それらを絶縁材等を介して金属ベース２０に押し当てることで冷却することが可能となる。
金属ベース２０は、電力変換装置１００固定用の開口部２０３を設けており、この開口部２０３にボルトを通して車両内に電力変換装置１００本体を固定することができる。金属ベース２０は、電力変換装置１００本体を固定し振動等の条件に耐えることができる厚みを有している。電力変換装置１００の筐体１０の一部に樹脂を用いることで強度低下が懸念されるが、このように金属ベース２０を使って車両に固定することで、電力変換装置１００を車両に搭載する上で強度を確保することができる。同時に、この構成により電力変換装置１００自体のアースも確保される。

図６に示されるように、パワー半導体モジュール２は、外側に金属でできたモジュールケースを有しており、その表面には冷却用のフィンが形成されている。モジュールケース内にはＩＧＢＴ、ダイオード等のスイッチング素子が収納されている。
平滑コンデンサ３８は、フィルムコンデンサの場合、外装ケース３５３の中にコンデンサ素子３５２が収納され、樹脂をポッティングすることで固定されている。本実施形態では、コンデンサ素子３５２が金属ベース２０を介して制御回路基板３０を収納する収納空間１１９と対向する側に配置される。このように配置することで、平滑コンデンサ３８がノイズ源となる場合、そのノイズが制御基板３０に与える影響を低減させることができる。

外装ケース３５３は、一般的にＰＰＳ等の樹脂で作られることが多いが、インバータ外部へのノイズの影響をさらに低減することが必要な場合、アルミ等の金属で作ることも可能である。金属で外装ケース３５３を作る場合、その外縁部３５３ａは金属ベース２０と電気的に密接に合わさることで効果的にノイズを遮蔽することができる。
図８は、他の実施形態に係る電力変換装置１００の断面図である。本実施形態の外観図は図１と同様である。

本実施形態に係る樹脂ケース１５は、図５で説明した樹脂ケース１２と同様に収納空間１１８内部に有するが、金属ベース２２との接続する側の面に樹脂の壁１６を有する。金属ベース２２は、図７にて説明したパワー半導体モジュール２によって塞がれる開口部を形成する。そして壁１６は、金属ベース２２に形成された開口部と対向する位置に開口部を形成する。このように構成することにより、図５で示した例ほど強度や冷却を必要としない場合は、樹脂の使用量が多くすることができ、より軽量化を図ることができる。

２…パワー半導体モジュール、２Ａ…直流端子、１０…筐体、１２…樹脂ケース、１５…樹脂ケース、１６…壁、２０…金属ベース、２２…金属ベース、３０…制御回路基板、３４…基板ベース、３５…直流側バスバー、３５Ａ…第１エリア、３５Ｂ…第２エリア、３６…交流側バスバー、３７…電流センサ、３８…平滑コンデンサ、１００…電力変換装置、１０１…フランジ、１１１…トップカバー、１１２…ミドルケース、１１５…交流側インターフェース、１１６…直流側インターフェース、１１７…固定部、１１８…収納空間、１１９…収納空間、１２０…流路、１２１…信号コネクタ、１２２…制御ピン、２０１…開口部、２０２…開口部、２０３…開口部、３５１…コンデンサリード、３５２…コンデンサ素子、３５３…外装ケース、３５３ａ…外縁部

Claims (5)

1. 直流電力を交流電力に変換するための複数のパワー半導体モジュールと、
   それぞれの前記パワー半導体モジュールを制御するための制御回路基板と、
   複数の前記パワー半導体モジュールと前記制御回路基板を収納する筐体と、を備え、
   それぞれの前記パワー半導体モジュールは、スイッチング素子と、前記スイッチング素子を収納する収納空間を形成する金属製のモジュールケースと、を有し、
   前記筐体は、複数の前記パワー半導体モジュールを収納する樹脂ケースと、前記制御回路基板を収納する金属ケースと、前記樹脂ケースの収納空間と前記金属ケースの収納空間を隔てるように配置される金属ベースと、を含んで構成され、
   前記樹脂ケースは、複数の前記パワー半導体モジュールを冷却するための冷媒が流れる冷媒流路を形成し、
   複数の前記パワー半導体モジュールは、前記モジュールケースが前記冷媒流路内に突出するように、配置され、
   前記金属ベースは、複数の開口部が形成され、それぞれの開口部はそれぞれの前記パワー半導体モジュールに対応し、
   それぞれの前記パワー半導体モジュールは、それぞれの前記モジュールケースの前記収納空間と前記金属ケースの前記収納空間とが前記金属ベースのそれぞれの前記開口部を介して直接繋がるように、配置され、
   前記金属ケースと前記金属ベースと複数の前記モジュールケースは、電気的に接続されている電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサを収納する金属製のコンデンサケースと、を備え、
   前記平滑コンデンサは、前記樹脂ケースの収納空間に配置され、
   前記平滑コンデンサの端子は、前記金属ベースの複数の前記開口部とは異なる貫通孔を介して前記金属ケース側に突出し、
   前記コンデンサケースは、前記金属ベースに接続される電力変換装置。
3. 請求項１乃至２に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   前記金属ベースは、当該電力変換装置を車体側に固定するための固定部を有する電力変換装置。
4. 金属製モジュールケースにパワー半導体素子が収納された複数のパワー半導体モジュールと、
   それぞれの前記パワー半導体素子の制御信号を出力する制御回路基板と、
   前記金属製モジュールケースを冷却する冷媒流路空間として前記金属製モジュールケースが配置される収納空間を区画する樹脂製ケースと、
   前記制御回路基板が配置される空間と前記冷媒流路空間とを隔てる金属ベースと、を備えた電力変換装置であって、
   前記金属ベースは、複数の開口部を有し、それぞれの開口部は、それぞれの前記パワー半導体モジュールに対応し、それぞれの前記パワー半導体素子が収納されるそれぞれの前記金属製モジュールケースのケースの内部を示す内部空間と前記制御回路基板が配置される空間とを直接連通し、
   それぞれの前記パワー半導体素子と前記制御回路基板とはそれぞれの前記開口部を介して接続される電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置であって、
   直流電力を平滑化する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサを収納する金属製のコンデンサケースと、を備え、
   前記平滑コンデンサは、前記樹脂製ケースに形成された収納空間に配置され、
   前記平滑コンデンサの端子は、前記金属ベースの複数の前記開口部とは異なる貫通孔を介して、前記金属ベースに対して前記制御回路基板が配置される空間側に突出し、
   前記コンデンサケースは、前記金属ベースに接続される電力変換装置。

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