JP2008148530A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサエレメントから冷却器までの伝熱経路の熱抵抗を低減することができ、小形にして信頼性が向上できるインバータ装置を提供する。
【解決手段】本発明は、直流平滑回路を構成するコンデンサモジュール１と、三相インバータ又は単相インバータの全相若しくは一相分の逆変換回路を構成するパワー半導体モジュール２とを同一の筐体に収納したインバータ装置において、コンデンサモジュールは、複数のコンデンサエレメント７と、この複数のコンデンサエレメントを並列に接続すると共にその一部をコンデンサ正負端子５Ａ，６Ａとし、別の一部を伝熱部５Ｂ，６Ｂとした正負の結線導体５，６と、この正負の結線導体及び複数のコンデンサエレメントとから成るエレメント対を複数備え、かつ、結線導体の伝熱部と接触する電気絶縁性の放熱板８を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、コンデンサモジュールと、パワー半導体モジュールとを同一の筐体に収納したインバータ装置に関する。特に、電気自動車用など比較的装置容量が小さくかつ小形で高い信頼性が求められるインバータ装置として、直流平滑回路を構成するコンデンサモジュールと、三相インバータや単相インバータの全相若しくは一相分の逆変換回路を構成するパワー半導体モジュールとを同一の筐体に収納したインバータ装置に関する。

近年、エネルギー資源の有効活用や地球環境保護のためインバータ装置の重要性が大きくなると共にインバータ装置への小形化、高信頼性化のニーズも増している。インバータ装置の小形化と高信頼性化との両立を図るためには、主変換部のパワー半導体素子やコンデンサモジュールからの発熱による温度上昇を効率良く抑制することが不可欠である。

そのため、パワー半導体素子やコンデンサモジュールを冷却器に搭載して放熱することにより、温度上昇を抑制することが多い。その冷却器は通常比較的体格が大きく、装置内に占める体積割合も大きい。発熱量の増大、過酷環境下で使用することによる最高周囲温度の上昇、装置内部部品の高実装密度化など、温度条件が従来に増して厳しくなってきている。

温度上昇値を部品の許容値以下に制限するために、冷却器の効率向上を図ろうとすると、冷却器の体格が大きくなり、小形化の指向と相容れない結果となる。逆に、冷却器を小形化しようとすると、内部部品の温度上昇が過大なものとなり、信頼性の低下を招いたり、出力定格を下げることを余儀なくされる。出力／体積で相対化したパワー密度という指数で考えると、出力定格低下は、小形化に相反している。

例えばインバータ装置において、コンデンサモジュールのコンデンサケース外囲器を熱伝導率の大きい材料で形成したうえ、冷却器に搭載して放熱することで、コンデンサモジュールの温度上昇を抑制する方式が、特開２００５−１２９４０号公報（特許文献１）により知られている。

この従来のインバータ装置を、図１７〜図２０を用いて説明する。図１７に示したように、コンデンサモジュール１は、ケース４に複数のコンデンサエレメント７を収納した構成であり、ケース４内で各コンデンサエレメント７を並列接続することにより、所定の静電容量を確保している。

図１８に示したように、コンデンサエレメント７を正側導体５及び負側導体６で結線してコンデンサエレメント対を構成しており、図１７に示したコンデンサモジュール１は、このようなコンデンサエレメント対を複数個ケース４に収納して構成してある。なお、図１７の構成では、コンデンサエレメント対相互間はケース４の外側に設置した別の導体により並列接続される。

図１９に示したように、コンデンサモジュール１は、パワー半導体モジュール２と共に冷却器３に搭載され、インバータ装置として動作するときに各部品から発生する熱を冷却器３から放熱し、各部品の温度上昇を許容範囲になるよう抑制するようにしている。図１９の冷却器３は、空気冷却式のヒートシンクである。

図２０は、図１９のコンデンサモジュール１のコンデンサエレメント７の中央部の位置で切断した場合の断面を示しており、コンデンサエレメント７からの発熱は、図示しない封止絶縁層とケース４とを経由して冷却器３に伝達され、冷却器３から放熱される。ケース４は、熱伝導率の大きい材料、例えばアルミニウムのような金属で形成し、熱伝導による伝熱効率を向上させている。

しかしながら、上述した従来のインバータ装置には、次のような技術的課題があった。従来のインバータ装置では、図１９に示したように、コンデンサモジュール１の温度上昇抑制のため冷却器３を設けている。また、図２０に示したように、発熱部品であるコンデンサエレメント７から放熱部である冷却器３までの伝熱効率を良くするため、言い方を変えれば、伝熱経路の熱抵抗を小さくするため、ケース４を金属のような良熱伝導材で形成する配慮をしている。

ところが、このような工夫をしたとしても、コンデンサエレメント７と冷却器３との電気絶縁特性を保持することは必要不可欠である。そこで、ケース４を金属で形成した場合、コンデンサエレメント７とケース４との間隙に図示していない封止樹脂を充填することで必要な電気絶縁特性を保持させている。

この封止樹脂には、加熱硬化型のエポキシ樹脂若しくはウレタン樹脂が常用されている。加熱硬化前の比較的流動性がある状態でコンデンサエレメント７とケース４との間隙に充填される。しかしながら流動性があるといっても、ペースト状であり間隙が小さいと適切な充填ができない。そのため、充填部の封止樹脂層は絶縁性能面では過剰な厚さとせざるを得ない。

このように、従来のインバータ装置では、封止樹脂層の厚さを必要以上に大きくすることにより、封止樹脂層の熱抵抗値が看過できない大きな値となる。ケース４を良熱伝導材にするなどの配慮をしてもコンデンサエレメント７から冷却器３までの伝熱経路に存在する封止樹脂層の熱抵抗が大きいことにより、経路全体の熱抵抗も大きな値となる。その結果、伝熱効率を十分向上させることが難しいという問題点があった。
特開２００５−１２９４０号公報

本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたもので、コンデンサエレメントから冷却器までの伝熱経路の熱抵抗を低減することができ、小形にして信頼性が向上できるインバータ装置を提供することを目的とする。

本発明は、直流平滑回路を構成するコンデンサモジュールと、三相インバータ又は単相インバータの全相若しくは一相分の逆変換回路を構成するパワー半導体モジュールとを同一の筐体に収納したインバータ装置において、前記コンデンサモジュールは、複数のコンデンサエレメントと、この複数のコンデンサエレメントを並列に接続すると共にその一部をコンデンサ正負端子とし、別の一部を伝熱部とした正負の結線導体と、この正負の結線導体及び前記複数のコンデンサエレメントとから成るエレメント対を複数備え、かつ、前記結線導体の伝熱部と接触する電気絶縁性の放熱板を備えたインバータ装置を特徴とする。

また、本発明は、直流平滑回路を構成するコンデンサモジュールと、三相インバータ又は単相インバータの全相若しくは一相分の逆変換回路を構成するパワー半導体モジュールとを同一の筐体に収納したインバータ装置において、前記コンデンサモジュールは、複数のコンデンサエレメントと、この複数のコンデンサエレメントを並列に接続すると共にその一部をコンデンサ正負端子とし、別の一部を伝熱部とした正負の結線導体と、この正負の結線導体及び前記複数のコンデンサエレメントとから成るエレメント対を複数備え、前記コンデンサモジュールは、底面及び側壁を有する金属製のコンデンサケースに収容し、前記コンデンサケースの底面の表面における前記結線導体の伝熱部に対応する位置には電気絶縁性の表面パターンを形成し、絶縁材料で形成したコンデンサ端子台を前記コンデンサケース内に組み込んだインバータ装置を特徴とする。

本発明のインバータ装置によれば、コンデンサエレメントは結線導体及び放熱板を介して冷却器に熱的接続され、コンデンサエレメントから冷却器までの伝熱経路中に封止樹脂層のような高熱抵抗部が介在しない構造にして、伝熱経路の熱抵抗を小さくし、伝熱効率を向上させることで、小形化しても信頼性が向上できる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。

（第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態のインバータ装置について、図１〜図５を用いて説明する。図４、図５に示すように、３個のコンデンサエレメント７を正側導体５と負側導体６で並列接続してコンデンサエレメント対を構成している。正側導体５はボルト貫通穴を有する正側端子５Ａと伝熱部５Ｂとを有する形態に構成している。同様に、負側導体６は、負側端子６Ａと伝熱部６Ｂとを有する形態に構成している。

このように構成した３組のコンデンサエレメント７を、図２、図３に示すように、ケース４と放熱板８とから成る外囲器に収納する。ケース４は底の無い枠状の形態であり、材質は樹脂でよく、金属のような良熱伝導材とする必要はない。一方、放熱板８は、電気絶縁性があり、かつ良熱伝導性である材質とする必要があり、セラミックを使用している。

正側導体５、負側導体６それぞれに設けた伝熱部５Ｂ，６Ｂと、放熱板８とは低熱抵抗で接続するため、熱伝導性接着剤を用いて接着されている。

このように構成されたコンデンサモジュール１は、図１に示すように、従来と同様に三相インバータ又は単相インバータの全相若しくは一相分の逆変換回路を構成するパワー半導体モジュール２と共に冷却器３上に搭載することで、本実施の形態のインバータ装置を構成する。

本実施の形態のインバータ装置によれば、コンデンサエレメント７は結線導体５，６及び放熱板８を介して冷却器３に熱的接続され、各コンデンサエレメント７から冷却器３までの伝熱経路中に従来の封止樹脂層のような高熱抵抗部が介在しない構造であり、伝熱経路の熱抵抗が小さいため、伝熱効率を向上させることができ、小形にして信頼性の向上が図れる。

（第２の実施の形態）図６〜図８を用いて、本発明の第２の実施の形態のインバータ装置について説明する。本実施の形態は、コンデンサモジュール１の構成要素である放熱板８に特徴を有している。すなわち、図６、図７に示したように、本実施の形態では、放熱板８を、正側導体５及び負側導体６の伝熱部５Ｂ，６Ｂそれぞれに対応する位置に表面パターン８Ｂを有するセラミック基板８Ａで構成し、これをコンデンサケース４の底面に設置している。尚、本実施の形態において、図１〜図５に示した第１の実施の形態と共通する要素については共通の符号を付して示してある。

本実施の形態の場合、上記構成の放熱板８を用いてコンデンサモジュール１を構成し、これをパワー半導体モジュール２と共に冷却器３上に搭載したときの構成は、第１の実施の形態と同様に図１に示した外観となる。そして、その断面構造は、図８に示したように、正側導体５及び負側導体６の伝熱部５Ｂ，６Ｂそれぞれが放熱板８に対してその表面パターン８Ｂを介して熱的に接続されたものとなる。正側導体５、負側導体６に設けた伝熱部５Ｂ，６Ｂとセラミック基板８Ａに設けた表面パターン８Ｂとは、ハンダ材などの低熱抵抗接合材で接合している。

本実施の形態によれば、コンデンサエレメント７は結線導体５，６及び放熱板８を介して冷却器３に熱的接続され、各コンデンサエレメント７から冷却器３までの伝熱経路中に従来の封止樹脂層のような高熱抵抗部が介在しない構造であり、伝熱経路の熱抵抗が小さいため、伝熱効率を向上させることができ、小形にして信頼性の向上が図れる。また、結線導体５，６の伝熱部５Ｂ，６Ｂと放熱板８の表面パターン８Ｂとの間は低熱抵抗材にて接合しているので、伝熱経路の熱抵抗を小さくできると共に確実に固定でき、小形にして信頼性のいっそうの向上が図れる。

（第３の実施の形態）図９は、本発明の第３の実施の形態のインバータ装置において、コンデンサモジュール１を構成する放熱板８の断面図である。本実施の形態では、放熱板８を、表面に各コンデンサモジュール対の正側導体５及び負側導体６それぞれの伝熱部５Ｂ，６Ｂに対応する位置に設けた表面パターン８Ｂを有し、また、裏面に別の裏面パターン８Ｃを有するセラミック基板８Ａで構成したことを特徴とする。

本実施の形態の場合、上記の放熱板９を第２の実施の形態と同様に図６に示したように配置し、コンデンサモジュール１を構成する。そして、第１の実施の形態と同様に図１に示したようにコンデンサモジュール１、パワー半導体モジュール２と共に冷却器３上に搭載することでインバータ装置を構成する。

本実施の形態の場合、図７に示したように、放熱板８に裏面パターン８Ｃを形成しているので、図１に示したようにインバータ装置を組み上げたときに、裏面パターン８Ｃと冷却器３とを、同様にハンダ材などの低熱抵抗接合材で接合する。これにより、本実施の形態によれば、コンデンサエレメント７から冷却器３までの伝熱経路は、正側及び負側導体５，６、表面パターン８Ｂ及び裏面パターン８Ｃ、セラミック基板８Ａ及び低熱抵抗接合材となり、従来の封止樹脂層のような高熱抵抗部が介在することがないので、伝熱経路の熱抵抗を小さくでき、伝熱効率をいっそう向上させることができる。そしてこの結果として、本実施の形態によれば、冷却器３の体格を小さくすることができ、小形かつ高信頼性のインバータ装置を実現できる。

（第４の実施の形態）本発明の第４の実施の形態のインバータ装置について、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の第４の実施の形態のコンデンサモジュール１を構成する放熱板８の断面図である。

第２、第３の実施の形態では、放熱板８を、セラミック基板８Ａに表面パターン８Ｂを設け、あるいはセラミック基板８Ａに表面パターン８Ｃ、裏面パターン８Ｄを設けて構成していた。本実施の形態では、放熱板８として、金属基材８Ｅの表に電気絶縁層８Ｄを形成し、この電気絶縁層８Ｄの表面において上記の正側導体５、負側導体６に形成された伝熱部５Ｂ，６Ｂと対応する位置に表面パターン８Ｂを形成したものを採用することを特徴とする。この放熱板８において、表面パターン８Ｂには銅材、電気絶縁層８Ｄには薄いエポキシ樹脂、基材８Ｅには銅材、アルミニウム材のような良熱伝導性を有する金属材を使用する。

本実施の形態の場合、上記構造の放熱板８を採用し、第２の実施の形態と同様に図６、図８に示すようにコンデンサモジュール１を構成し、これを第１の実施の形態と同様に図１に示すようにパワー半導体モジュール２と共に冷却器３上に搭載することでインバータ装置を構成する。その場合、本実施の形態によれば、コンデンサエレメント７から冷却器３までの伝熱経路は、正側導体５及び負側導体６、表面パターン８Ｂ、薄い電気絶縁層８Ｄ、基材８Ｅ及び低熱接合材となり、従来の封止樹脂層のような高熱抵抗部が介在することなく構成でき、伝熱経路の熱抵抗を小さくでき、伝熱効率を向上させることができる。さらに、放熱板８の基材８Ｅを金属にすることで靭性を向上させ、信頼性をより向上させることができる。この結果として、本実施の形態によれば、冷却器の体格を小さくすることができ、小形かつ高信頼性のインバータ装置が実現できる。

尚、本実施の形態において、正側導体５、負側導体６、放熱板８の表面パターン８Ｅ及び基材８Ｅをすべて同種の材料、例えば銅材で形成することにより、接合される各部材が同種の材料であることから線膨張係数も同じになり、使用時の温度変化に対する熱変形量を同等にでき、接合部に加わる熱応力を小さい値にとどめることができる。そして、この結果として、接合部の信頼性をさらに向上させることができる。

（第５の実施の形態）本発明の第６の実施の形態のインバータ装置について、図１１、図１２を参照して説明する。図１１は、本実施の形態におけるコンデンサモジュール１の構成を示し、図１２はコンデンサモジュール１とパワー半導体モジュール２とを冷却器３上に搭載した本実施の形態のインバータ装置の構成を示している。

本実施の形態では、図１１に図示したように、放熱板８に締結固定用の取付穴８Ｆを形成している。また、図１２に図示したように、コンデンサモジュール１を、取付穴８の部分を利用して取付ボルト９にて冷却器３に締結固定している。

本実施の形態によれば、コンデンサモジュール１と冷却器３とをより強固に締結固定できる。そのため、使用時に機械振動などによる外力が加わっても、コンデンサモジュール１と冷却器３との接合部の信頼性をさらに向上させることができる。尚、コンデンサモジュール１の構成は第１の実施の形態〜第４の実施の形態のいずれに対しても同様に適用できる。

（第６の実施の形態）次に、本発明の第６の実施の形態を、図１３〜図１５を参照して説明する。図１３、図１４は本実施の形態のインバータ装置に採用するコンデンサエレメント対を示しており、図１５はこのコンデンサエレメント対を３個並設したコンデンサモジュール１を示している。

本実施の形態では、図１３、図１４に示すようにコンデンサ対における正側導体５、負側導体６各々に切り欠き５Ｃ，６Ｃを設け、複数個の伝熱部５Ｂ，６Ｂが形成されるように分割している。また、図１５に示すように、分割した伝熱部５Ｂ，６Ｂに対応するように、放熱板８の表面パターン８Ｂも複数個に分割して設置している。尚、本実施の形態では放熱板８に第５の実施の形態のものと同様に取付孔８Ｆが形成してあり、図１２に示したインバータ装置のように冷却器３上に締結ボルト９にて放熱板８を固定するようにしている。しかしながら、この取付孔８Ｆは必ずしも必要ではなく、放熱板８そのものは、分割された表面パターン８Ｂは別にして、図６に示したものと同様のものであってもよい。

本実施の形態によれば、使用時のコンデンサエレメント７の発熱による温度変化が生じ、正側導体５、負側導体６に熱応力による変形が発生しても、切り欠き５Ｃ，６Ｃの部分での応力緩衝効果が期待できる。正側導体５と負側導体６と表面パターン８Ｂ及び基材８Ｅが同種の材料でなくとも、正側導体５、負側導体６の伝熱部５Ｂ，６Ｂと、放熱板８の表面パターン８Ｂとの接合部に加わる熱応力も小さい値にとどめることができる。このような構成を採用しても、接合部の信頼性を向上させることができる。

（第７の実施の形態）本発明の第７の実施の形態のインバータ装置を、図１６を参照して説明する。図１６は本実施の形態のインバータ装置におけるコンデンサモジュール１の構成を示している。本実施の形態では、金属製の放熱板８を用いて４個の側壁８Ｇを底板と一体に形成し、ケース４の側壁を代用している。ケース４に設けた正側端子５Ａ、負側端子６Ａを保持する端子部には、別の端子台１０を組み込んでいる。

放熱板８については、本来の底板に相当する部分には図８に示した第４の実施の形態と同様に電気絶縁層８Ｄを形成し、その上に表面パターン８Ｂを形成することで正側導体５、負側導体６と放熱板８とを絶縁している。

本実施の形態にあっても、第２の実施の形態と同様に組立てることで、図１に示したインバータ装置を構成する。

本実施の形態によれば、放熱板８とケース４とを一体構造にしたことにより、樹脂で形成していたケース４の側壁部を金属性の側壁８Ｇとすることができ、側壁部の熱伝導率が良くなるので、ケース４の側壁からの放熱効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものでなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施の形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合、組み合わされた効果が得られる。さらに、上記各実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が省略されることで発明が抽出された場合には、その抽出された発明を実施する場合には省略部分が周知慣用技術で適宜補われるものである。

本発明の第１の実施の形態のコンデンサモジュールの分解構成図。 本発明の第１の実施の形態のコンデンサモジュールの構成図。 本発明の第１の実施の形態のコンデンサエレメント対の組立状態の図。 本発明の第１の実施の形態のコンデンサエレメント対の分解構成図。 本発明の第２の実施の形態のコンデンサモジュールの放熱板に相当する部分の断面図。 本発明の第３の実施の形態のコンデンサモジュールの放熱板に相当する部分の断面図。 本発明の第１、第２、第３の実施の形態のインバータ装置において、コンデンサモジュールとパワー半導体モジュールとを冷却器に搭載した状態を示した構成図。 本発明の第１、第２、第３の実施の形態のインバータ装置の、コンデンサモジュール部の断面を示した構成図。 本発明の第４の実施の形態のコンデンサモジュールの分解構成図。 本発明の第４の実施の形態のコンデンサモジュールの放熱板の部分の断面図。 本発明の第６の実施の形態のコンデンサモジュールの構成図。 本発明の第６の実施の形態のコンデンサモジュールとパワー半導体モジュールとを冷却器に搭載した状態を示した構成図。 本発明の第７の実施の形態のコンデンサエレメント対の組立状態の図。 本発明の第７の実施の形態のコンデンサエレメント対の分解構成図。 本発明の第７の実施の形態のコンデンサモジュールの分解構成図。 本発明の第８の実施の形態のコンデンサモジュールの分解構成図。 従来のインバータ装置のコンデンサモジュールの構成図。 従来のインバータ装置のコンデンサエレメント対の分解構成図。 従来のインバータ装置のコンデンサモジュールとパワー半導体モジュールとを冷却器に搭載した状態を示した構成図。 従来のインバータ装置のコンデンサモジュール部の断面を示した構成図。

符号の説明

１…コンデンサモジュール
２…パワー半導体モジュール
３…冷却器
４…ケース
５…正側導体
５Ａ…正側端子
５Ｂ…伝熱部
５Ｃ…切り欠き
６Ａ…負側導体
６Ｂ…伝熱部
６Ｃ…切り欠き
７…コンデンサエレメント
８…放熱板
８Ａ…セラミック基板
８Ｂ…表面パターン
８Ｃ…裏面パターン
８Ｄ…電気絶縁層
８Ｅ…基材
８Ｆ…取付穴
９…取付ボルト
１０…端子台

Claims (8)

1. 直流平滑回路を構成するコンデンサモジュールと、三相インバータ又は単相インバータの全相若しくは一相分の逆変換回路を構成するパワー半導体モジュールとを同一の筐体に収納したインバータ装置において、
   前記コンデンサモジュールは、複数のコンデンサエレメントと、この複数のコンデンサエレメントを並列に接続すると共にその一部をコンデンサ正負端子とし、別の一部を伝熱部とした正負の結線導体と、この正負の結線導体及び前記複数のコンデンサエレメントとから成るエレメント対を複数備え、かつ、前記結線導体の伝熱部と接触する電気絶縁性の放熱板を備えたことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記放熱板は、前記結線導体の伝熱部に対応する位置に表面パターンの形成されたセラミック基板であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記放熱板は、その片面には前記結線導体の伝熱部に対応する位置に表面パターンが形成され、その反対面には別の裏面パターンが形成されていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
4. 前記放熱板は、前記結線導体の伝熱部に対応する位置に表面パターンが形成され、基材が金属で電気絶縁層を有する金属基板であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ装置。
5. 前記結線導体と前記放熱板における表面パターン及び金属基板基材とを同種の材料で形成したことを特徴とする請求項４に記載のインバータ装置。
6. 前記放熱板の一部に、放熱板の締結固定用の取付穴を形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のインバータ装置。
7. 前記結線導体の伝熱部を複数部分に分割したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のインバータ装置。
8. 直流平滑回路を構成するコンデンサモジュールと、三相インバータ又は単相インバータの全相若しくは一相分の逆変換回路を構成するパワー半導体モジュールとを同一の筐体に収納したインバータ装置において、
   前記コンデンサモジュールは、複数のコンデンサエレメントと、この複数のコンデンサエレメントを並列に接続すると共にその一部をコンデンサ正負端子とし、別の一部を伝熱部とした正負の結線導体と、この正負の結線導体及び前記複数のコンデンサエレメントとから成るエレメント対を複数備え、
   前記コンデンサモジュールは、底面及び側壁を有する金属製のコンデンサケースに収容し、前記コンデンサケースの底面の表面における前記結線導体の伝熱部に対応する位置には電気絶縁性の表面パターンを形成し、
   絶縁材料で形成したコンデンサ端子台を前記コンデンサケース内に組み込んだことを特徴とするインバータ装置。

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