JP2014138445A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層ユニットとリアクトルを有する電力変換装置に関し、リアクトルの熱が他の電子部品に及ぼす影響を低減する。
【解決手段】電力変換装置は、積層ユニット１０と冷媒流路とリアクトル８と遮蔽板（側板２４）を備える。積層ユニット１０は、半導体素子を収めた平板型の半導体モジュール１４と平板型の冷却プレート１２ａを積層したデバイスである。遮蔽板（側板２４）は、リアクトル８と他の電子部品（例えばコンデンサモジュール４）の間に位置する。冷媒流路は遮蔽板を通過している。遮蔽板（側板２４）が、コンデンサモジュール４をリアクトル８の熱から保護する。
【選択図】図５

Description

本発明は、電圧コンバータやインバータなどの電力変換装置に関する。特に、発熱量の大きい部品を含んでいる電力変換装置に関する。

電気自動車は、バッテリの直流電力を、走行用モータの駆動に適した交流電力に変換する電力変換装置を備える。電力変換装置の典型は、インバータ、あるいは電圧コンバータである。電気自動車の電力変換装置は、大電力を扱うため、発熱量も大きい。他方、車両用のデバイスにはコンパクト性も求められる。電気自動車用の電力変換装置には、熱対策とコンパクト性の両立が求められる。

電力変換装置の中でも特に発熱量が大きいデバイスは、半導体素子（ＩＧＢＴなどのいわゆるパワートランジスタや、それに並列接続されるフリーホイールダイオードなどのパワー素子）と、リアクトルである。リアクトルは、よく知られているように、半導体素子とともに電圧変換回路を構成する。特許文献１には、半導体素子とリアクトルとそれらを冷却する冷却器をコンパクトに収めた電力変換装置が提案されている。その電力変換装置の冷却器は、平板の複数の冷却プレートを有しており、半導体素子を収めた複数の平板型の半導体モジュールと冷却プレートを交互に積層する。以下では、そのような積層体を積層ユニットと称する。積層ユニットは、複数の冷却プレートを貫通する２本の冷媒流路を有している。さらに、特許文献１の積層ユニットは、積層方向の端に位置する冷却プレートに、冷媒流路と直線的に並ぶ冷媒供給管と冷媒排出管が接続されている。冷媒供給管と冷媒排出管は平行に伸びており、それらのパイプの間にリアクトルが配置される。

また、特許文献２にも、積層ユニットとリアクトルの冷却に関する技術が開示されている。特許文献２の電力変換装置も、上述した冷媒供給管と冷媒排出管の付近にリアクトルを配置する。一方、電力変換装置はバッテリの出力電流を平滑化するために大容量のコンデンサを備えるが、特許文献２の技術では、リアクトルとコンデンサの間に受熱板を配置し、その熱を積層ユニットの冷却プレートで吸収する。具体的には、積層ユニットのなかの一対の冷却プレートの間に放熱板を挟み、放熱板と受熱板をヒートパイプで接続する。コンデンサの熱は受熱板に吸収され、次いでヒートパイプを通じて放熱板に移送され、さらには冷却プレートへと移送される。

特開２０１１−２２８４２６号公報 特開２００９−２６１１２５号公報

本明細書が開示する技術も、積層ユニットとリアクトルの冷却に関する。本明細書は、リアクトルの熱が他の電子部品に及ぼす影響を低減することのできる電力変換装置を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置も、積層ユニットと冷媒流路とリアクトルを備える。積層ユニットは、前述したように、半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと平板型の冷却プレートを積層したデバイスである。冷媒流路は、積層ユニットに冷媒を供給又は排出するパイプである。「冷媒流路」という呼称は、上述の冷媒供給管と冷媒排出管を含み、冷媒を通す管を総称するものである。なお、以下では、物理的な冷媒流路を示す場合には冷媒管との呼称を用いる場合がある。本明細書が開示する電力変換装置は、さらに、リアクトルと他の電子部品との間に挿入される遮蔽板を備える。そして、冷媒流路が、遮蔽板を通過している。すなわち、冷媒流路を通過する冷媒によって遮蔽板を冷却し、リアクトルの熱が遮蔽板の反対側に位置する他の電子部品に及ぼす影響を低減する。なお、他の電子部品の典型は、走行用のモータに供給する電力を蓄えるバッテリの電流を平滑化するコンデンサである。

遮蔽板は、冷媒流路の一部と一体成形されているとよい。例えばアルミニウムの射出成形などで冷媒流路の一部と遮蔽板を一体に製造することができる。一体成形することによって、冷媒流路を構成する冷媒管と遮蔽板の間の熱伝達効率が向上する。また、一体成形は、製造コストの点でも有利である。

「遮蔽板」は、単純な平板に限らない。複数の遮蔽板が連結されていてもよい。例えば、後に実施例にて例示するように、リアクトルの側方で他の電子部品への熱害を低減する第１遮蔽板（側板２４）と、リアクトルの上方でさらに別の電子部品への熱害を低減する第２遮蔽板（上板２３）が連結されていてもよい。なお、連結部位がブロック状であり、その内部に冷媒流路が形成されていることも好適である。また、遮蔽板は、リアクトルに接してこれを冷却するとともに、積層ユニットの積層方向の端面とも接しているとよい。積層ユニットは、遮蔽板と、別の支持体によって挟持支持される。遮蔽板は、積層ユニットにおける積層方向の端の冷却プレートでも冷却される。そのような遮蔽板は、積層ユニットの端に位置する冷却プレートと冷媒管（冷媒流路）の双方へ熱を移送することができるので、リアクトルを効率よく冷却することができる。

本明細書が開示する電力変換装置の詳細と、さらなる改良は、以下の実施例の項にて説明する。

実施例の電力変換装置の電気系のブロック図である。 実施例の電力変換装置の平面図である。 図１のIII−III線における断面図である。 図１のIV−IV線における断面図である。 積層ユニット、リアクトル、冷却ブロック、及び、コンデンサモジュールの位置関係を示す斜視図である。 別角度から見た冷却ブロックの斜視図である。 さらに別の角度から見た冷却ブロックの斜視図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置２を説明する。電力変換装置２は、電気自動車５０に搭載され、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した交流電力に変換するデバイスである。まず、図１を参照して電気自動車５０の全体の電気系（駆動系）を説明する。電力変換装置２は、バッテリ５１の出力電圧を昇圧した後、交流に変換する。即ち、電力変換装置２は、昇圧回路５４とインバータ回路５５を備える。昇圧回路５４では、２個のトランジスタ、２個のダイオード、及び、リアクトル８が図１に示す回路を構成する。図１に示す昇圧回路５４の構成は良く知られているので、詳しい説明は省略する。電気自動車５０の電力変換装置２は大電流を扱うため、トランジスタなどの半導体素子の発熱量が大きく、また、リアクトルは発熱量だけでなく、そのサイズも大きい。

昇圧回路５４の入力側には、バッテリ５１の出力電流を平滑化するためのコンデンサ５２が接続されており、昇圧回路５４の出力側、即ち、インバータ回路５５の入力側には、昇圧回路５４の出力電流を平滑化するためのコンデンサ５３が接続されている。コンデンサ５２、５３にも大電流が流れるため、それらのコンデンサも大容量であり、物理的な容積も大きい。

インバータ回路５５の出力はモータ５６に供給される。モータ５６の出力トルクはデファレンシャルギア５７を介して駆動輪５８へ伝達される。なお、図１では図示を省略しているが、電力変換装置２は、昇圧回路５４やインバータ回路５５のトランジスタを制御する制御回路も備える。その制御回路は、車速やアクセル開度に応じてバッテリ電圧の昇圧比やインバータ回路の出力周波数を決定し、それに応じたトランジスタ制御信号、すなわちＰＷＭ信号を生成する。

また、バッテリ５１には、昇圧回路５４とは別の降圧コンバータ５９が接続されている。降圧コンバータ５９は、バッテリ５１の電圧を補機に適した電圧へ降圧し、供給する。「補機」とは、ルームランプやカーナビゲーションなど、走行用の電力を蓄えるバッテリ５１の出力電圧よりも低い電圧で駆動するデバイスの総称である。

電力変換装置２のハードウエア構成を説明する。図２に、電力変換装置２の平面図を示す。符号３は、電力変換装置２の筐体を示している。筐体内に配置される主要な部品は、コンデンサモジュール４、積層ユニット１０、リアクトル８、冷却ブロック２０である。なお、特に冷却ブロック２０の構造については、上記部品のレイアウトを示した斜視図（図５）、及び、別の角度から見た冷却ブロック２０の斜視図（図６、図７）を使って後に具体的に説明する。

コンデンサモジュール４は、図１の回路上のコンデンサ５２、５３を含むモジュールである。具体的には、コンデンサモジュール４には、複数のコンデンサ素子がまとめられており、それらの一部が前述のコンデンサ５２に相当し、残部がコンデンサ５３に相当する。

積層ユニット１０は、バッテリの出力電流を扱う半導体素子を集約したデバイスである。具体的には、積層ユニット１０は、半導体素子を樹脂でモールドした複数の平板型の半導体モジュール１４と、複数の平板型の冷却プレート１２を積層したユニットである。一つの半導体モジュール１４には、上述した昇圧回路５４やインバータ回路５５に含まれるトランジスタやダイオード（図１参照）が１個〜数個ずつ樹脂でモールドされている。冷却プレート１２は、その内部を冷媒が通り、両側で接している半導体モジュール１４を冷却する。隣接する冷却プレート１２は２本の接続管１３ａ、１３ｂで接続されており、一方の接続管１３ａを通じて冷媒が供給され、他方の接続管１３ｂから排出される。なお、積層ユニット１０は、複数の半導体モジュール、複数の冷却プレート、及び、複数の接続管を有するが、図２では、一部の半導体モジュール、冷却プレート、及び、接続管については符号を省略している。

積層ユニット１０は、筐体３の壁面と冷却ブロック２０の間で挟持支持されている。筐体３の壁面と積層ユニット１０の間には板バネ５が挿入されており、この板バネ５によって、積層ユニット１０はその積層方向に加圧される。積層方向の圧力により、隣接する半導体モジュール１４と冷却プレート１２が密着し、両者間の熱伝達効率を高めている。

図３に、図２のIII−III線に沿った断面を示し、図４に図２のIV−IV線に沿った断面を示す。なお、図３と図４における符号３２が示す矩形は、制御基板を示している。制御基板３３は、昇圧回路５４やインバータ回路５５の制御回路が実装された基板である。図２では制御基板３３の図示を省略してある。また、リアクトル８と筐体３の間の支持構造は図示を省略している。図４に示すように、冷却ブロック２０は、上板２３と側板２４の連結部位に相当する。上板２３は、リアクトル８の上方にてリアクトル８と制御基板３３の間に位置している。側板２４は、リアクトル８の側方にてリアクトル８とコンデンサモジュール４との間に位置している。上板２３と側板２４も冷却ブロック２０の一部であり、アルミニウムで作られているため、流路Ｒ１を通る冷媒により冷却される。上板２３は、リアクトル８の熱が制御基板３３に影響しないようにリアクトル８の熱を遮断する。同様に、側板２４は、リアクトル８の熱がコンデンサモジュール４に影響しないようにリアクトル８の熱を遮断する。冷却ブロック２０と上板２３と側板２４は、遮蔽板に相当する。側板２４については図３も参照されたい。冷却ブロック２０は、複数の遮蔽板（上板２３、側板２４）の連結部位に相当し、「遮蔽板」の一部をなすが、説明の便宜上、「ブロック」という表現を用いる。

さらに、冷却ブロック２０の上板２３にはリアクトル８の上面に設けられた突部８ａが接しており、リアクトル８の熱は突部８ａを介して上板２３（即ち冷却ブロック２０）に積極的に吸収される。冷却ブロック２０は、突部８ａにてリアクトル８に固定されている。

冷却ブロック２０は、リアクトル８に支持されており、そのリアクトル８は、筐体３に固定されている。冷却ブロック２０は、また、積層ユニット１０の積層方向の一端を支える。詳しくは、冷却ブロック２０は、積層ユニット１０の一方の端部に位置する冷却プレート１２ａに直接に接して積層ユニット１０を支持する。冷却ブロック２０の内部にも冷媒の流路が形成されており、外部から供給された冷媒はまず筐体３の下側の空間（後述）を通り、次いで、冷却ブロック２０を通り、積層ユニット１０へ移動する。また、積層ユニット内で半導体モジュール１４を冷却した後の冷媒は、再び冷却ブロック２０を通り、さらに筐体３の下側の空間を通り、筐体外部へと排出される。冷却ブロック２０はアルミニウムあるいは銅で作られており、これに接しているリアクトル８の熱を冷媒へ伝達する。換言すれば、冷却ブロック２０はリアクトル８を冷却する。なお、前述したように、冷却ブロック２０も「遮蔽板」の一部である。

図３と図４を参照して、冷媒の流路について説明する。冷媒は、冷媒供給口６から供給され、冷媒排出口７から排出される。図３、図４に示すように、筐体３は上下に２つの空間に分割されており、図２は上側の空間における部品レイアウトを示している。下側の空間には、降圧コンバータ５９が配置され、その周りの空間Ｒ２に冷媒が流れる。冷媒供給口６は下側の空間Ｒ２に接続しており、冷媒供給口６から流入した冷媒は、まず空間Ｒ２にて降圧コンバータ５９を冷却する。次いで冷媒は、筐体３の上下の空間を連結する連結孔３１を通じて上側の空間に移動する。連結孔３１には冷媒管３２の一端が接続しており、冷媒管３２の他端は冷却ブロック２０の一部をなすエルボ管２１に接続している。上側の空間に移動した冷媒は冷媒管３２とエルボ管２１を通り、冷却ブロック２０の内部に移動する。冷却ブロック２０の内部にも冷媒流路Ｒ１が形成されている。冷媒流路Ｒ１は冷却ブロック２０の一面（後述するユニット支持面２０ａ）に開口している。ユニット支持面２０ａには積層ユニット１０が密着しており、冷媒流路Ｒ１は、積層ユニット１０の端部の冷却プレート１２ａ（図２参照）の開口に接続している。冷媒流路Ｒ１を通った冷媒は積層ユニット１０の冷却プレート１２ａへ流入し、次いで接続管１３ａを介して積層ユニット１０が有する全ての冷却プレート１２に拡がる。図３の符号Ｒ３は、冷却プレート１２内の冷媒流路を示している。

冷却ブロック２０を通った冷媒は、積層ユニット１０に供給される。冷却プレート１２を通過した冷媒は、再び冷却ブロック２０に戻る。冷却ブロック２０に戻った冷媒は、冷却ブロック２０の一部をなすエルボ管２２を通って下側の空間へと移動する。図４の符号３ａが示す部位が、下側の空間において還流した冷媒が通る流路を示している。符号３ａが示す部位を排出路と称する。下側の空間に戻った冷媒は、排出路３ａを通り、冷媒排出口７を通じて筐体外部へと排出される。

上記のごとく、電力変換装置２では、流入した冷媒は、筐体３の下側で降圧コンバータ５９を冷却し、次いで冷却ブロック２０に移動する。冷却ブロック２０ではリアクトル８を冷却するとともに、リアクトル８の熱が制御基板３３やコンデンサモジュール４に影響しないようにその熱を遮断する。熱の遮断には、遮蔽板（上板２３、側板２４、及び、冷却ブロック２０）が寄与する。その後、冷媒は積層ユニット１０に移動し、半導体モジュール１４内の半導体素子を冷却する。このように電力変換装置２では、冷媒を様々な箇所へ移動させ、複数の部品を冷却する。

次に、遮蔽板の一部である冷却ブロック２０の構造を詳しく説明する。図５は、積層ユニット１０、リアクトル８、冷却ブロック２０、及び、コンデンサモジュール４のレイアウトを示す斜視図である。なお、図５では、冷却ブロック２０とリアクトル８の位置関係がよく理解できるように、リアクトル８において、冷却ブロック２０で遮られて見えない部位を破線でしめしている。その他の部品については、陰線処理を施してある。図５によく示されているように、側板２４は、リアクトル８とコンデンサモジュール４の間に位置している。

図６に、冷却ブロック２０を異なる方向から見た斜視図を示す。図６は、図５の視点とは略反対方向から見た冷却ブロック２０の斜視図である。ユニット支持面２０ａは平坦であり、この面で積層ユニット１０を支持する。すなわち、ユニット支持面２０ａに、積層ユニット１０の積層方向端部の冷却プレート１２ａが直接に当接する。ユニット支持面２０ａには、冷媒流路Ｒ１とＲ４の端部が開口しており、それぞれが、積層ユニット１０の端に位置する冷却プレート１２ａの端面の開口と連通している。冷媒流路Ｒ４は、積層ユニット１０から排出される冷媒が通る流路である。

また、図７は、冷却ブロック２０をさらに別の視点からみた斜視図である。図７は、冷却ブロック２０を裏側から見た図に相当する。上板２３の裏側には、３本のリブ２５が設けられており、上板２３が補強されている。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示する技術は、特に、冷却ブロック２０に特徴がある。その特徴の一つは、以下の点である。即ち、冷却ブロック２０には冷媒が通っており、リアクトル８に接してこれを冷却する。同時に、冷却ブロック２０は、リアクトル８と他の電子部品との間に伸びる遮蔽板（上板２３、側板２４）を有しており、リアクトル８の熱が他の電子部品に及ぼす影響を低減する。他の電子部品の典型は、上記の制御基板３３とコンデンサモジュール４である。特にコンデンサは耐熱性が高くないため、本明細書が開示する遮蔽板が有効である。なお、冷却ブロック２０は、複数の遮蔽板（上板２３、側板２４）の連結部位に相当し、遮蔽板の一部である。

遮蔽板の一部である冷却ブロック２０の内部に冷媒流路が形成されている。従って、別言すれば、積層ユニット１０に冷媒を供給又は排出する冷媒流路が、遮蔽板を通過している。

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：電力変換装置
３：筐体
４：コンデンサモジュール
５：板バネ
６：冷媒供給口
７：冷媒排出口
８：リアクトル
８ａ：突部
１０：積層ユニット
１２、１２ａ：冷却プレート
１３ａ、１３ａ：接続管
１４：半導体モジュール
２０：冷却ブロック
２０ａ：ユニット支持面
２１、２２：エルボ管
２３：上板
２４：側板
２５：リブ
３１：連結孔
３２：冷媒管
３３：制御基板
５１：バッテリ
５２、５３：コンデンサ
５４：昇圧回路
５５：インバータ回路
５６：モータ
５９：降圧コンバータ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４：冷媒流路

Claims (5)

1. 半導体素子を収めた平板型の半導体モジュールと平板型の冷却プレートを積層した積層ユニットと、
   積層ユニットに冷媒を供給又は排出する冷媒流路と、
   リアクトルと、
   リアクトルと他の電子部品との間に挿入されている遮蔽板と、
   を備えており、
   冷媒流路が遮蔽板を通過していることを特徴とする電力変換装置。
2. 冷媒流路の一部が遮蔽板と一体成形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。
3. 遮蔽板が積層ユニットの積層方向の端面と接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 複数の連結された遮蔽板を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 遮蔽板が、リアクトルと接していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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