JP7218828B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
この電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュール、電圧および電流を平滑化するコンデンサモジュール、直流入力コネクタ、交流出力コネクタ、冷却媒体が内部を循環する冷却器、収納空間を形成した筐体などを備えている。そして、筐体の収納空間に、コンデンサモジュール、直流入力コネクタ、交流出力コネクタを収納するとともに、筐体の外壁に収納空間に連通する開口部が形成されており、冷却器を接合したパワー半導体モジュールを、開口部から挿入して収納空間に配置した状態で開口部を冷却器で閉塞して固定する。
そして、冷却器の冷却室に冷却媒体を流すことで、スイッチング動作により発熱したパワー半導体モジュールを冷却している。
この特許文献1の電力変換装置は、開口部を閉塞して固定される冷却器を筐体の一部として使用しているので、製造コストの低減を図ることができる。
しかし、コンデンサモジュールの冷却を冷却器が筐体を介して行う構造では、電力変換の際の冷却効率が低下するおそれがある。
そこで、本発明は、コンデンサモジュールを確実に冷却することができる電力変換装置を提供することを目的としている。
また、以下に示す第1及び第2実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
以下、本発明の一態様に係る第1実施形態の電力変換装置について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面において符号X1,X2を第1方向の一方及び他方とし、符号Yを第1方向X1,X2に直交する第2方向とし、符号Z1,Z2を、第1方向X及び第2方向Yを含む仮想平面に直交する第3方向の一方及び他方としている。
図1は、DC/ACインバータとして使用される第1実施形態の電力変換装置1を示すものである。
電力変換装置1は、直方体形状の筐体2と、筐体2の長尺方向の一方の側壁から内部に貫通している冷却水供給管3及び排出管4と、筐体2の長尺方向の他方の側壁に設けられている入力コネクタ5、制御コネクタ6及び出力コネクタ7と、を備えている。
筐体2は、例えば熱伝導率の高いアルミニウムや、アルミニウム合金をダイカスト成形することで形成され、上部が開口した箱形状の筐体ケース8と、筐体ケース8の開口部を閉塞する蓋体9と、で構成されている。
筐体2の長尺方向の一方の側壁には冷却水供給管3を挿入する貫通孔2aと、排出管4を挿入する貫通孔2bが形成されている。
筐体2の内部には、図2に示すように、コンデンサモジュール10、パワー半導体モジュール11、制御回路基板12及び駆動回路基板13が収納されている。
コンデンサモジュール10は、パワー半導体モジュール11に供給される電圧および電流を平滑化する装置であり、図2及び図3に示すように、アルミダイキャストなどの金属材料で形成された直方体形状のコンデンサケース14と、このコンデンサケース14に埋設されたコンデンサ素子15と、コンデンサ素子15の周囲に位置した状態でコンデンサケース14に形成されている冷却水供給路16及び冷却水排出路17と、コンデンサ素子15に接続してコンデンサケース14から外部に突出して設けられている複数のコンデンサ端子18と、を備えている。
また、図3に示すように、コンデンサ端子18が設けられているコンデンサケース14の第1方向の一方X1の面には、第1折曲部18bに向けて突出して第2方向Yに延在している突起条14aが形成されている。
また、冷却水供給路16及び冷却水排出路17は、金属製の冷却管で形成されており、図4に示すように、冷却水供給路16は、コンデンサケース14の第1方向の他方X2を向く面で開口している外部供給接続口16aと、コンデンサケース14の第3方向の一方Z1を向く面で開口しているパワー半導体側供給接続口16bとを備えている。
図5に示すように、パワー半導体側供給接続口16bの開口周縁には周溝20aが形成され、周溝20aにOリングR1が装着されている。また、パワー半導体側排出接続口17bの開口周縁には周溝(不図示)が形成され、その周溝にOリングR1が装着されている。
ここで、パワー半導体側供給接続口16b及びパワー半導体側排出接続口17bが形成されているコンデンサケース14の第3方向の一方Z1を向く面を、パワー半導体接合面20と称する。
パワー半導体モジュール11は、図6及び図7に示すように、モジュール本体11Aと、モジュール本体11Aに一体に設けられ、コンデンサモジュール10に設けた冷却水供給路16及び冷却水排出路17に接続して冷却水が循環する冷却器11Bと、を備えている。
モジュール本体11Aは、直方体形状の樹脂パッケージ19と、樹脂パッケージの底面に配置された金属ベース板(不図示)とを備え、金属ベース板側に冷却器11Bが一体に設けられている。
樹脂パッケージ19には、図示しない3個のIGBTの上アーム半導体チップ、上アーム用配線パターン部、上アーム配線用導体板、下アーム半導体チップ、下アーム用配線パターン部、下アーム配線用導体板及び接地用配線パターン部などが埋め込まれているとともに、上アーム半導体チップ及び下アーム半導体チップが金属ベース板に接触している。
正極側端子21U,21V,21Wは、上アーム用配線パターン部を介して上アーム半導体チップのコレクタに接続しており、負極側端子22U,22V,22Wは、接地用配線パターン部と下アーム配線用導体板を介して下アーム半導体チップのエミッタに接続しており、出力端子23U,23V,23Wは、下アーム用配線パターン部と上アーム配線用導体板を介して上アーム半導体チップのエミッタ及び下アーム半導体チップのコレクタに接続している。
冷却器11Bは、図7に示すように、樹脂パッケージ19の底面に接合されており、この冷却器11Bの底壁11aには、冷却器11Bの内部に設けた冷却水循環路(不図示)に冷却水を供給するための入口である供給配管24と、冷却水循環路を通過した冷却水を排出するための出口である排出配管25と、が設けられている。
上記構成のパワー半導体モジュール11は、コンデンサケース14のパワー半導体接合面20に接合される。
この際、図4に示すように、コンデンサケース14のパワー半導体接合面20には、冷却器11Bの底壁11aと略同一形状の放熱シートHD2が敷設される。
そして、放熱シートHD2に底壁11aを面接触させた状態で、冷却器11Bの底壁11aに設けた供給配管24がパワー半導体側供給接続口16bから冷却水供給路16に挿入され、排出配管25がパワー半導体側排出接続口17bから冷却水排出路17に挿入される。
また、パワー半導体モジュール11の正極側端子21U,21V,21W及び負極側端子22U,22V,22Wが、コンデンサモジュール10の複数のコンデンサ端子18の端子部18dにねじで電気的に接続される。
なお、図示しないが、冷却器11Bの底壁11aに設けた排出配管25が冷却水排出路17に挿入されるときも、図示しないが、パワー半導体側排出接続口17bの開口周縁に装着したOリングR1が、冷却器11Bの底壁11aに押し潰されるとともに、排出配管25の周溝25aに装着したOリングR2が、冷却水排出路17の内壁に押し潰された状態となる。
図4に示すように、円柱形状の複数本の制御回路基板用支柱30と、制御回路基板用支柱30より高さが低い円柱形状の複数の駆動回路基板用支柱31とが、コンデンサケース14のパワー半導体接合面20の縁部から立ち上がって設けられている。
これら制御回路基板用支柱30及び駆動回路基板用支柱31は金属性の部材であり、頂部にねじ孔が形成されている。
図3に示すように、コンデンサケース14のパワー半導体接合面20に接合されたパワー半導体モジュール11の上方位置(第3方向の一方Z1)に、複数本の駆動回路基板用支柱31の頂部にねじ止めされた状態で駆動回路基板13が配置される。ここで、図示しないが、パワー半導体モジュール11の上アーム用リードフレーム28U,28V,28W、下アーム用リードフレーム29U,29V,29Wが駆動回路基板13のランドを有するスルーホール(不図示)に挿通され、各リードフレームとスルーホールの間が半田付けされる。
なお、本発明に記載されているパワー半導体用冷却器が冷却器11Bに対応し、本発明に記載されているコンデンサ冷媒流路が、冷却水供給路16及び冷却水排出路17に対応し、本発明に記載されている挿入配管が供給配管24及び排出配管25に対応し、本発明に記載されている冷媒配管が、冷却水供給管3及び排出管4に対応している。
図6で示したコンデンサモジュール10のパワー半導体接合面20にパワー半導体モジュール11を接合し、パワー半導体モジュール11の上方位置(第3方向の一方Z1)に制御回路基板12及び駆動回路基板13を組み付けた装置を筐体2に収容する。
この際、コンデンサケース14の外部供給接続口16a及び外部排出接続口17aを形成した側面を筐体2の内壁に近接させ、筐体2に形成した貫通孔2aに外部供給接続口16aを対応させ、貫通孔2bに外部排出接続口17aを対応させる。そして、筐体2の外部から冷却水供給管3を、貫通孔2aを通過して外部供給接続口16aに圧入により接続する。また、筐体2の外部から排出管4を、貫通孔2bを通過して外部排出接続口17aに圧入により接続する。
上記構成の電力変換装置1は、外部のコンバータ(図示せず)から入力コネクタ5を介して直流電流が供給されると、コンデンサモジュール10で電圧および電流の平滑化が行われる。
制御回路基板12には、制御コネクタ6から制御電圧が供給されており、この制御回路基板12から例えばパルス幅変調信号でなるゲート信号が駆動回路基板13に出力されると、駆動回路基板13がパワー半導体モジュール11に駆動信号を出力して、U相、V相及びW相の3相交流が出力コネクタ7を介して負荷に出力される。
電圧および電流の平滑化を行っているコンデンサモジュール10は、コンデンサケース14に埋設されたコンデンサ素子15が発熱状態となる。
これに対して、第1実施形態の電力変換装置1は、コンデンサモジュール10のコンデンサケース14が、金属材料で形成されているとともに、コンデンサケース14には冷却水供給路16及び冷却水排出路17が形成されているので、冷却水の循環でコンデンサケース14が直ぐに冷却されていく。このため、コンデンサケース14に埋設されているコンデンサ素子15を効率的に冷却することができる。
また、パワー半導体モジュール11が動作状態となると、樹脂パッケージ19に埋め込まれている上アーム半導体チップ、下アーム半導体チップが発熱状態となる。
また、パワー半導体モジュール11の冷却器11Bは、放熱シートHD2を介してコンデンサケース14のパワー半導体接合面20に面接触状態で接合され、冷却器11Bの熱はコンデンサケース14に直ぐに伝熱されていくので、樹脂パッケージに19埋め込まれている上アーム半導体チップ、下アーム半導体チップをさらに効率的に冷却することができる。
これに対して、コンデンサ端子18の第1折曲部18bは、放熱シートHD1を介してコンデンサケース14(突起条14a)に面接触状態で接合しており、コンデンサケース14がコンデンサ端子18を冷却することで、パワー半導体モジュール11の正極側端子21U,21V,21W及び負極側端子22U,22V,22Wとコンデンサ端子18との接続部も電力損失による発熱状態を防止することができる。
また、制御回路基板12は、コンデンサケース14のパワー半導体接合面20から立ち上がっている金属製の複数本の制御回路基板用支柱30に支持されて配置され、駆動回路基板13も、パワー半導体接合面20から立ち上がっている金属製の複数本の駆動回路基板用支柱31に支持されて配置されており、制御回路基板12及び駆動回路基板13の回路部品に熱が発生した場合も、その熱が金属製の制御回路基板用支柱30及び駆動回路基板用支柱31を介してコンデンサケース14に直ぐに伝熱されていく。したがって、制御回路基板12及び駆動回路基板13の回路部品に発生する発熱状態も防止することができる。
さらにまた、コンデンサケース14の内部に冷却水供給路16及び冷却水排出路17を形成したことで、コンデンサモジュール10の小型、軽量化を図ることができる。
なお、第1実施形態では、コンデンサケース14のパワー半導体接合面20とパワー半導体モジュール11の冷却器11Bとの間に放熱シートHD2を設けたが、シリコングリースなどの放熱グリースを使用しても同様の効果を奏することができる。
次に、図9は、本発明に係る第2実施形態の電力変換装置1の要部を示すものである。
第2実施形態のコンデンサモジュール10は、ポリフェニレン・サルファイト(PPS)樹脂などの合成樹脂を材料として形成された直方体形状のコンデンサケース35と、このコンデンサケース35に埋設されたコンデンサ素子(不図示)と、コンデンサケース35に埋設された冷却水供給路36及び冷却水排出路37と、を備えている。
冷却水供給路36は、円弧形状に曲がっている屈曲部36aを備えた金属製の配管で形成されている。
一方、コンデンサケース35のパワー半導体接合面20に設けた制御回路基板用支柱30には、外周の周方向に所定間隔をあけて複数の補強リブ38がパワー半導体接合面20から立ち上がって形成されている。また、パワー半導体接合面20に設けた駆動回路基板用支柱31にも、外周の周方向に所定間隔をあけて複数の補強リブ39がパワー半導体接合面20から立ち上がって形成されている。
また、円弧形状の屈曲部36aを設けた却水供給路36と、円弧形状の屈曲部37aを設けた冷却水排出路37を冷却水が流れる際の圧力損失を低減させることができ、コンデンサケース35の冷却効率を高めることができる。
また、コンデンサケース35のパワー半導体接合面20に設けた制御回路基板用支柱30の周囲を複数の補強リブ38で補強し、駆動回路基板用支柱31の周囲も複数の補強リブ39で補強していることから、パワー半導体モジュール11の上方位置に配置されている制御回路基板12及び駆動回路基板13を確実に支持することができる。
2 筐体
2a,2b 貫通孔
3 冷却水供給管
4 排出管
5 入力コネクタ
6 制御コネクタ
7 出力コネクタ
8 筐体ケース
9 蓋体
10 コンデンサモジュール
11 パワー半導体モジュール
11A モジュール本体
11B 冷却器
11a 底壁
12 制御回路基板
13 駆動回路基板
14 コンデンサケース
14a 突起条
15 コンデンサ素子
16 冷却水供給路
16a 外部供給接続口
16b パワー半導体側供給接続口
17 冷却水排出路
17a 外部排出接続口
17b パワー半導体側排出接続口
18 コンデンサ端子
18a 突出部
18b 第1折曲部
18c 第2折曲部
18d 端子部
19 樹脂パッケージ
20 パワー半導体接合面
20a 周溝
21U,21V,21W 正極側端子
22U,22V,22W 負極側端子
23U,23V,23W 出力端子
24 供給配管
25 排出配管
24a,25a 周溝
26 ねじ固定部
27 取付けねじ
28U,28V,28W 上アーム用リードフレーム
29U,29V,29W 下アーム用リードフレーム
30 制御回路基板用支柱
31 駆動回路基板用支柱
35 コンデンサケース
36 冷却水供給路
36a 屈曲部
37 冷却水排出路
37a 屈曲部
38,39 補強リブ
HD1 放熱シート
HD2 放熱シート
R1,R2 Oリング
Claims (9)
- 直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュールと、
電圧および電流を平滑化するコンデンサモジュールと、
前記パワー半導体モジュール及び前記コンデンサモジュールを収容する筐体と、を備え、
前記コンデンサモジュールは、金属材料、或いは合成樹脂で形成したコンデンサケースと、前記コンデンサケースに埋設されたコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子の周囲に位置して前記コンデンサケースに形成したコンデンサ冷媒流路と、前記コンデンサ素子に接続して前記コンデンサケースから外部に突出して前記パワー半導体モジュールのパワー半導体端子に接続するコンデンサ端子と、を備え、
前記パワー半導体モジュールは、パワー半導体冷媒流路を内部に設けたパワー半導体用冷却器が一体に設けられており、
前記コンデンサケース及び前記パワー半導体用冷却器が面接触状態で接合され、前記コンデンサ冷媒流路及び前記パワー半導体冷媒流路が直接接続されて冷却媒体が循環しており、
前記コンデンサ端子は、前記コンデンサケースの壁部から外部に延在する突出部と、前記突出部の先端から前記壁部に沿って延在する第1折曲部と、前記第1折曲部の先端から前記壁部に向けて延在する第2折曲部と、前記第2折曲部の先端に形成されて前記パワー半導体端子に接続する端子部と、を備えており、
前記コンデンサケースの壁部には、前記コンデンサ端子の前記第1折曲部に向けて突出し、前記第1折曲部に面接触状態で接合する突起条が形成されていることを特徴とする電力変換装置。 - 前記第1折曲部及び前記突起条が、放熱シートを介して接合されていることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記コンデンサ冷媒流路の接続口の周縁及び前記パワー半導体冷媒流路の接続口の周縁の一方に、第1のOリングを装着した周溝が形成され、
前記コンデンサケース及び前記パワー半導体用冷却器を面接触した状態で接合した際に、前記コンデンサ冷媒流路の接続口の周縁及び前記パワー半導体冷媒流路の接続口の周縁の他方が前記第1のOリングを押し潰した状態で前記コンデンサ冷媒流路及び前記パワー半導体冷媒流路が連通されることを特徴とする請求項1又は2記載の電力変換装置。 - 前記コンデンサ冷媒流路及び前記パワー半導体冷媒流路の一方に、挿入配管を外部に突出させて接続し、外部に突出した前記挿入配管の外周に第2のOリングが装着されており、
前記コンデンサ冷媒流路及び前記パワー半導体冷媒流路の他方に、前記他方の流路内壁で前記第2のOリングを押し潰した状態で前記挿入配管を挿入して前記コンデンサ冷媒流路及び前記パワー半導体冷媒流路が連通されることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の電力変換装置。 - 前記コンデンサケース及び前記パワー半導体用冷却器が、弾性を有する放熱シートを介して接合されていることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の電力変換装置。
- 前記コンデンサケース及び前記パワー半導体用冷却器が、放熱グリースを介して接合されていることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の電力変換装置。
- 前記コンデンサケースの前記パワー半導体用冷却器が接合されている接合面の周囲から複数本の金属製の支柱が立ち上がっており、前記パワー半導体モジュールの上方位置に、前記パワー半導体モジュールの駆動回路を実装した駆動回路基板と、前記パワー半導体モジュールの制御回路を実装した制御回路基板とが、前記複数本の金属製の支柱の先端で支持されて配置されていることを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の電力変換装置。
- 前記コンデンサケースに埋設されているコンデンサ冷媒流路を、円弧形状に曲がる屈曲部を有する金属製の配管で構成したことを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の電力変換装置。
- 前記コンデンサモジュールを前記筐体に収容した際に、前記コンデンサモジュールの前記コンデンサ冷媒流路の接続口を、前記筐体に形成した貫通孔に対応し、前記筐体の外部から前記貫通孔を通過した冷媒配管を、前記接続口に接続することを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の電力変換装置。
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