JP7103275B2 - 電力変換器 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換器に関する。

特許文献１に、電力変換用の半導体モジュールと冷却器が積層されている積層体がケースに収容されている電力変換器が開示されている。積層体は積層方向の一端（半導体モジュールと冷却器が積層されている方向の一端）の冷却器がケースの側壁の内面に当接しているとともに、他端から板バネで積層方向の荷重が加えられている。以下では、説明の便宜上、半導体モジュールと冷却器が積層されている方向を単純に「積層方向」と称する。

ケースの側壁の積層体に当接している部分の厚みが他の部分よりも大きく、その部分に温度センサが取り付けられている。温度センサは、ケースの側壁に当接している冷却器の温度を計測する。温度センサの計測値は、冷却器を流れる冷媒の温度の推定値として用いられる。温度センサの計測値に基づいて冷媒の流量が調整される。

特開２０１７－０８５８２２号公報

特許文献１に開示されている電力変換器では、ケースの側壁の内面に冷却器が当接している。それゆえ、冷却器に当接している側壁部分の熱はケース全体に拡散する。その結果、側壁に備えられている温度センサの計測値は、冷却器を流れる冷媒の温度とケースの温度の中間値となり、冷媒温度の推定値としては、精度が高くない。本明細書は、より精度の高い冷媒温度推定値を得られる構造を提供する。

本明細書が開示する電力変換器は、電力変換用の半導体モジュールと冷却器が積層されている積層体と、積層体を収容しているケースと、積層体を支持している支持壁と、温度センサと、板部材を備えている。積層体を支持している支持壁は、ケース内にて積層体の積層方向の一端の冷却器に当接している。温度センサは支持壁に取り付けられている。そして、板部材が、ケースの側壁と支持壁を連結している。板部材の厚みは、支持壁の厚みよりも薄い。

本明細書が開示する電力変換器では、積層体を支える支持壁とケースの側壁が薄い板部材で連結されている。それゆえ、従来の電力変換器よりも支持壁から側壁への熱の移動が抑えられる。従って支持壁に備えられている温度センサの計測値は、冷却器を流れる冷媒の温度に近くなる。すなわち、本明細書が開示する電力変換器は、冷却器を流れる冷媒温度の推定値の精度が従来よりも高い。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換器の平面図である。 電力変換器のケースの平面図である。 図１のIII－III線に沿った電力変換器の断面図である。

図面を参照して実施例の電力変換器２を説明する。図１に、電力変換器２の平面図を示す。図２は、上カバーを除いた電力変換器２の平面図である。電力変換器２は、電気自動車に搭載され、メインバッテリの電力を走行用のモータの駆動電力に変換するデバイスでる。

電力変換器２は、そのケース１０内に、積層体２０とセンサユニット１４を収容している。ケース１０には、積層体２０とセンサユニット１４のほかにも様々な部品が収容されているが、それらの図示は省略する。説明の便宜上、図中の座標系の＋Ｚ方向を「上」と定義する。

積層体２０は、複数の半導体モジュール３と複数の冷却器４が積層されたユニットである。半導体モジュール３は、電力変換用の半導体素子を収容している。電力変換用の半導体素子は、パワー素子とも呼ばれる。電力変換用の半導体素子は、具体的には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのスイッチング素子である。それらの半導体素子は、電圧コンバータやインバータにて、電圧を調整したり、直流を交流に変換するのに用いられる。それらの半導体素子は、大電流が流れるために発熱量が大きい。１個の半導体モジュール３には、２個の半導体素子が収容されている。半導体モジュール３の上面からはパワー端子が延びているが、その図示は省略した。半導体モジュール３の下面からは制御端子が延びている。制御端子については後述する。

半導体モジュール３と冷却器４は、いずれも扁平であり、互いの幅広面が対向するように配置されている。積層体２０では、それぞれの半導体モジュール３の両側に冷却器４が位置するように、複数の半導体モジュール３と複数の冷却器４が積層されている。別言すれば、複数の半導体モジュール３と複数の冷却器４が１個ずつ交互に積層されている。図中の座標系におけるＸ方向が、半導体モジュール３と冷却器４の積層方向に相当する。以下では、説明の便宜上、半導体モジュール３と冷却器４の積層方向を単純に「積層方向」と称する。図１では、積層方向の一端の冷却器には符号４ａを付し、他の冷却器４と区別する。積層方向の他端の冷却器には符号４ｂを付し、他の冷却器と区別する。ただし、いずれか１個の冷却器を区別無く表すときには冷却器４と表記する。

半導体モジュール３を挟んで隣り合っている冷却器４は連結管５ａ、５ｂで連結されている。冷却器４は、内部が冷媒流路になっているチューブであり、連結管５ａ、５ｂは、隣り合う冷却器４の冷媒流路を連通する。連結管５ａ、５ｂは、半導体モジュール３の両側に位置している。

積層方向の一端の冷却器４ａには、冷媒供給管６ａと冷媒排出管６ｂが連結されている。積層方向（図中のＸ方向）からみたとき、冷媒供給管６ａは連結管５ａと重なるように位置しており、冷媒排出管６ｂは連結管５ｂと重なるように位置している。冷媒供給管６ａと冷媒排出管６ｂはケース１０の側壁１８を貫通し、ケース１０の外へと延びている。冷媒供給管６ａと冷媒排出管６ｂには、不図示の冷媒循環装置が接続される。冷媒循環装置から送られた冷媒は冷媒供給管６ａと連結管５ａを通じて全ての冷却器４へ分配される。冷媒は、冷却器４の中を、連結管５ａから連結管５ｂへ向けて流れる。冷媒は冷却器４の中を流れる間に隣接する半導体モジュール３の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、連結管５ｂと冷媒排出管６ｂを通じて冷媒循環装置に戻される。冷媒は、水、あるいは、不凍液である。

積層体２０は、ケース１０に設けられた支持壁１２と支柱１９の間に配置されている。支柱１９と積層体２０の間には、板バネ２９が挟まれている。板バネ２９は、その中央が一端の冷却器４ｂに当接しているとともに、両端のそれぞれが支柱１９に当接している。板バネ２９は、積層体２０を積層方向に加圧する。板バネ２９の加圧によって、隣り合う冷却器４と半導体モジュール３が密着し、半導体モジュール３から冷却器４への熱伝達の効率が高められる。積層体２０の他方の端の冷却器４ａは、支持壁１２に当接している。支持壁１２は、板バネ２９に押される積層体２０を支える。

支持壁１２には、温度センサ１３が埋設されている。積層体２０の横にはセンサユニット１４が配置されており、温度センサ１３の信号線がセンサユニット１４につながっている。温度センサ１３の信号線は、センサユニット１４を介して制御基板３０（後述）に接続されている。制御基板３０には、冷媒の流量を決める制御回路が実装されている。温度センサ１３の計測値は、支持壁１２に当接している冷却器４ａを流れる冷媒の温度の推定値として用いられる。制御回路は、温度センサ１３の計測値に基づいて、冷媒の供給量を決める。制御回路は、温度センサ１３の計測値が高ければ、冷媒の供給量を増やし、温度センサ１３の計測値が低ければ冷媒の供給量を減らす。

図２に、図１から積層体２０を除いたケース１０の平面図を示す。ケース１０にはその内部空間を上下に二分する中仕切り板１１が設けられており、中仕切り板１１の積層体２０に対応する位置には貫通孔１１ａが設けられている。半導体モジュール３の下面は貫通孔１１ａに面する。また、積層体２０を支える支持壁１２は、貫通孔１１ａの縁に位置している。積層体２０を支える支柱１９も中仕切り板１１に設けられている。

図３に、図１のIII－III線に沿った断面図を示す。先に述べたように、半導体モジュール３には、半導体素子７が埋設されている。半導体素子７の制御端子３１が半導体モジュール３の下面から下方へ延びている。制御端子３１は貫通孔１１ａを通じて中仕切り板１１よりも下方へ延びている。中仕切り板１１の下方には、先に述べた制御基板３０が配置されており、半導体モジュール３の制御端子３１は制御基板３０に接続されている。制御基板３０に実装されている制御回路は、冷媒流量の調整だけでなく、上位制御装置から与えられる指令値に基づいて、半導体素子７の駆動信号を生成する。制御回路は、生成した駆動信号を、制御端子３１を通じて各半導体素子７へ送る。

制御基板３０の左端も中仕切り板１１に支えられているが、図３では、制御基板３０の左端は図示を省略した。また、図３では、右端の半導体モジュール３の半導体素子と制御端子にのみ符号７、３１を付し、他の半導体モジュール３の半導体素子と制御端子への符号は省略した。

先に述べたように、積層体２０の一端を支える支持壁１２は、ケース１０の中仕切り板１１の縁に配置されている。別言すれば、中仕切り板１１が、支持壁１２と側壁１８を連結している。図３に示すように、中仕切り板１１の厚みｔ１は、支持壁１２の厚みｔ２よりも薄い。また、中仕切り板１１の厚みｔ１は、ケース１０の側壁１８の厚みｔ３よりも薄い。

先に述べたように、温度センサ１３の計測値は、支持壁１２に当接している冷却器４ａを流れる冷媒の温度の推定値として用いられる。支持壁１２は、中仕切り板１１によってケース１０の側壁１８と連結されている。中仕切り板１１の厚みｔ２が大きいと、中仕切り板１１を通じて支持壁１２と側壁１８（すなわちケース１０の全体）の間で熱が移動し易くなる。その場合、支持壁１２の温度は冷却器４ａを流れる冷媒の温度から遠ざかってしまう。すなわち、支持壁１２に埋設されている温度センサ１３の計測値は、冷媒温度の推定値としては精度が低くなってしまう。一方、実施例の電力変換器２では、中仕切り板１１の厚みｔ１を支持壁１２の厚みｔ２よりも薄くすることで、支持壁１２から側壁１８（すなわちケース１０の全体）への熱の移動が抑えられる。支持壁１２の温度は、それに当接している冷却器４ａの温度に近くなる。すなわち、支持壁１２に埋設されている温度センサ１３の計測温度が冷媒温度に近くなる。実施例の電力変換器２は、冷却器を流れる冷媒温度の推定値の精度が従来よりも高い。それゆえ、半導体モジュール３の温度をより適切に調整することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。中仕切り板１１が、ケース１０の側壁１８と支持壁１２を連結する板部材の一例である。中仕切り板１１には、図２で示した貫通孔１１ａのほかにも、肉抜き用の孔が設けられていてもよい。中仕切り板１１と支持壁１２と側壁１８は、一体に作られていてもよいし、別々の部品であってもよい。例えば、中仕切り板１１と支持壁１２と側壁１８は、アルミニウムの射出成形で一体に作られていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換器
３：半導体モジュール
４、４ａ、４ｂ：冷却器
５ａ、５ｂ：連結管
６ａ：冷媒供給管
６ｂ：冷媒排出管
７：半導体素子
１０：ケース
１１：中仕切り板
１１ａ：貫通孔
１２：支持壁
１３：温度センサ
１４：センサユニット
１８：側壁
１９：支柱
２０：積層体
２９：板バネ
３０：制御基板

Claims (1)

1. 半導体モジュールと冷却器が積層されている積層体と、
   前記積層体を収容しているケースと、
   前記ケース内にて前記積層体の積層方向の一端の前記冷却器に当接しており、前記積層体を支持している支持壁と、
   前記支持壁に取り付けられている温度センサと、
   前記ケースの側壁と前記支持壁を連結しており、前記支持壁の厚みよりも薄い板部材と、
   を備えている、電力変換器。

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