JP2015186344A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関する。特に、電動車両においてバッテリの電力を交流に変換して走行用のモータに供給する電力変換装置に関する。本明細書における「電動車両」には、走行用にモータを備えるがエンジンは備えない電気自動車、モータとともにエンジンを備えるハイブリッド車、及び、燃料電池車を含む。燃料電池車の場合、燃料電池セルが本明細書におけるバッテリに相当する。 The present invention relates to a power conversion device. In particular, the present invention relates to a power conversion device that converts battery power into alternating current and supplies it to a traveling motor in an electric vehicle. The “electric vehicle” in this specification includes an electric vehicle that includes a motor for traveling but does not include an engine, a hybrid vehicle that includes an engine together with a motor, and a fuel cell vehicle. In the case of a fuel cell vehicle, the fuel cell corresponds to the battery in this specification.
走行用のモータに電力を供給する電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備える。電動車両用の電力変換装置の中には、インバータ回路に加えて、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路を備えるものもある。走行用のモータは大出力であるため、インバータ回路や電圧コンバータ回路には耐電圧の高い半導体素子が多数採用される。電力変換に用いられる耐電圧の高い半導体素子は、通称パワー半導体素子（あるいはパワーデバイス）と呼ばれることがある。 A power conversion device that supplies power to a traveling motor includes an inverter circuit that converts DC power into AC power. Some power converters for electric vehicles include a voltage converter circuit that boosts the voltage of the battery in addition to the inverter circuit. Since a motor for traveling has a large output, a large number of semiconductor elements having a high withstand voltage are employed in an inverter circuit and a voltage converter circuit. A semiconductor element having a high withstand voltage used for power conversion is sometimes called a power semiconductor element (or power device).
大電流の導通と遮断を繰り返す半導体素子は発熱量が大きい。それゆえ、電力変換装置はパワー半導体素子（及びその周辺デバイス）を冷却する冷却器を備える。一方、車載装置にはコンパクト性も求められる。多数の半導体素子をコンパクトで効率よく冷却する技術として、複数のパワーカードと複数の冷却器を交互に積層した積層ユニットが知られている。なお、パワーカードとは、半導体素子を収容した扁平なモジュールである。パワーカードは、典型的には、半導体素子を樹脂で封止したモジュールである。 A semiconductor element that repeatedly conducts and cuts off a large current generates a large amount of heat. Therefore, the power conversion apparatus includes a cooler that cools the power semiconductor element (and its peripheral devices). On the other hand, compactness is also required for in-vehicle devices. As a technique for cooling a large number of semiconductor elements in a compact and efficient manner, a stacked unit in which a plurality of power cards and a plurality of coolers are alternately stacked is known. Note that a power card is a flat module containing a semiconductor element. The power card is typically a module in which a semiconductor element is sealed with resin.
特許文献１に上記した積層ユニットを採用した電力変換装置の一例が開示されている。特許文献１の電力変換装置では、冷却器とパワーカードを密着させて冷却効率を高めるために、積層ユニットをフレーム（ケース）に収容し、積層ユニットの積層方向の一端とフレーム内面との間に板バネを挿入する。板バネによって積層ユニットはその積層方向に加圧され、パワーカードと冷却器の密着性が高まる。密着性を高めることによって冷却効率が上がる。また、車両の振動から保護するため、積層ユニットは、弾性体を挟んでフレームの底と蓋の間で挟持されるとともに、フレームの対向する２つの側面の間で弾性体を挟んで挟持される。 Patent Document 1 discloses an example of a power conversion device that employs the above-described laminated unit. In the power conversion device of Patent Document 1, in order to increase the cooling efficiency by bringing the cooler and the power card into close contact with each other, the laminated unit is accommodated in a frame (case), and between the one end in the laminating direction of the laminated unit and the inner surface of the frame. Insert the leaf spring. The laminated unit is pressed in the laminating direction by the leaf spring, and the adhesion between the power card and the cooler is enhanced. Increasing the adhesion improves cooling efficiency. Further, in order to protect the vehicle from vibrations, the laminated unit is sandwiched between the bottom of the frame and the lid with the elastic body interposed therebetween, and is sandwiched with the elastic body between the two opposite side surfaces of the frame. .
説明の便宜上、積層ユニットの積層方向と直交する一つの方向を「横方向」と称し、積層方向と横方向の双方に直交する方向を「上下方向」と称する。特許文献１の積層ユニットは、板バネによって積層方向の圧力が加えられているとともに、横方向と上下方向が弾性体を挟んで挟持されている。横方向と上下方向は、挟持されているのみで、ボルト等では固定されていない。これは、次の理由による。従来、パワーカードと接する冷却器の筐体は熱伝導率の高いアルミニウム等の金属で作られていた。特許文献１の冷却器もアルミニウム等の金属で作られている（特許文献１、段落００３２）。アルミニウムの筐体は、プレス加工などでの成形が容易である一方、板材で作られた構造物であるので強度が低いという特徴を有している。従って、圧力が加わった状態で冷却器を強固にケースに固定することができない。それゆえ、板バネによって積層ユニットの全体を積層方向に加圧するという支持構造が採用されていた。 For convenience of explanation, one direction orthogonal to the stacking direction of the stacking unit is referred to as “lateral direction”, and a direction orthogonal to both the stacking direction and the horizontal direction is referred to as “vertical direction”. In the stacking unit of Patent Document 1, pressure in the stacking direction is applied by a leaf spring, and the horizontal direction and the vertical direction are sandwiched between elastic bodies. The horizontal direction and the vertical direction are only clamped and are not fixed with bolts or the like. This is due to the following reason. Conventionally, the casing of the cooler in contact with the power card has been made of a metal such as aluminum having a high thermal conductivity. The cooler of Patent Document 1 is also made of a metal such as aluminum (Patent Document 1, paragraph 0032). The aluminum casing is easy to be molded by press working or the like, but has a feature that the strength is low because it is a structure made of a plate material. Therefore, the cooler cannot be firmly fixed to the case in a state where pressure is applied. For this reason, a support structure has been adopted in which the entire laminated unit is pressed in the laminating direction by a leaf spring.
本明細書は、板バネによらずに積層ユニットをその積層方向に圧力を加えつつ固定することのできる電力変換装置を提供する。 This specification provides the power converter device which can fix a lamination | stacking unit, applying a pressure in the lamination direction, without using a leaf | plate spring.
本願の発明者らは、板バネによらない積層方向の加圧を実現するため、冷却器の筐体を樹脂で作るという発想を得た。樹脂製の筐体は射出成形で容易に作れる上に、筐体側壁の厚みを自由に決めることが可能となる。ボルトを固定できるように筐体側壁を厚くすることで冷却器自体をケースに強固に固定することが可能となる。なお、ボルトを螺合するナットを樹脂製の筐体に埋め込んでもよい。 The inventors of the present application have come up with the idea that the casing of the cooler is made of resin in order to realize pressurization in the stacking direction that does not depend on a leaf spring. The resin casing can be easily made by injection molding, and the thickness of the casing side wall can be freely determined. By thickening the case side wall so that the bolt can be fixed, the cooler itself can be firmly fixed to the case. A nut for screwing a bolt may be embedded in a resin casing.
本明細書が開示する電力変換装置の一態様では、積層ユニットの積層方向の両端の冷却器をボルトでケースに固定する。前述したように、冷却器の筐体を樹脂で作ることによって、ボルト固定が可能となる。前述したように積層ユニットはその積層方向に圧力を加えて冷却器とパワーカードの密着度を高めることが好ましいので、積層ユニットを積層方向に圧縮した状態で両端の冷却器が固定されるようにボルトの固定位置を定める。即ち、積層ユニットは、積層方向の両端で固定された冷却器の間で他の冷却器とパワーカードが積層方向に圧力を加えられる。そして、両端の冷却器を固定するボルトが、その圧力の反力を支える。それゆえ、板バネが不要となる。なお、本明細書が開示する技術は、積層ユニットの側端に補助的な板バネを備えることを排除するものではないことに留意されたい。 In one mode of the power conversion device disclosed in this specification, the coolers at both ends in the stacking direction of the stacking unit are fixed to the case with bolts. As described above, bolts can be fixed by making the casing of the cooler out of resin. As described above, it is preferable to increase the adhesion between the cooler and the power card by applying pressure in the stacking direction so that the coolers at both ends are fixed in a state where the stacking unit is compressed in the stacking direction. Determine the fixing position of the bolt. That is, in the stacking unit, pressure is applied in the stacking direction between the other coolers and the power card between the coolers fixed at both ends in the stacking direction. And the bolt which fixes the cooler of both ends supports the reaction force of the pressure. Therefore, a leaf spring is not necessary. It should be noted that the technique disclosed in this specification does not exclude the provision of an auxiliary leaf spring at the side end of the laminated unit.
本明細書が開示する電力変換装置では、積層方向の両端の冷却器が、積層方向と平行な筐体の第１側面にてケースにボルトで固定される。ただし、冷却器の一側面をボルトで固定するだけでは、冷却器は片持ち状態となり、他の冷却器とパワーカードに加える圧力の反力によって、ボルト固定されている側面（第１側面）の反対側で、両端の冷却器の間の距離が開いてしまう虞がある。積層方向の両端の各冷却器を、平行な二側面の夫々でボルト固定するのは冗長である。そこで、本明細書が開示する技術では、積層ユニットの積層方向の両端の冷却器を、積層方向と平行な筐体の側面（第１側面）にてケースにボルトで固定するとともに、第１側面と平行な筐体の別の側面（第２側面）に弾性部材を押し付けて冷却器を支持する。即ち、積層ユニットの積層方向の両端の冷却器を、第１側面にてボルトでケースに固定するとともに、弾性部材を挟んで第１側面と第２側面の間で挟持する、という固定構造を採用する。そのような支持構造により、積層ユニットを積層方向に加圧する板バネを不要とする。 In the power conversion device disclosed in the present specification, the coolers at both ends in the stacking direction are fixed to the case with bolts on the first side surface of the casing parallel to the stacking direction. However, just by fixing one side of the cooler with a bolt, the cooler cantilevered, and the side of the side (first side) where the bolt is fixed by the reaction force of the pressure applied to the other cooler and the power card. On the opposite side, the distance between the coolers at both ends may increase. It is redundant to fix each cooler at both ends in the stacking direction with two parallel side surfaces. Therefore, in the technology disclosed in this specification, the coolers at both ends in the stacking direction of the stacking unit are fixed to the case by bolts on the side surface (first side surface) of the casing parallel to the stacking direction, and the first side surface The elastic member is pressed against another side surface (second side surface) of the casing parallel to the cooling unit to support the cooler. In other words, the cooler at both ends in the stacking direction of the stacking unit is fixed to the case with bolts on the first side, and sandwiched between the first side and the second side with an elastic member in between. To do. Such a support structure eliminates the need for a leaf spring that pressurizes the stacked unit in the stacking direction.
なお、上記の固定構造は、積層ユニットの両端の冷却器が積層方向と交差する方向で挟持されているので、高い耐振動特性を有する。また、本明細書が開示する技術は、積層方向の少なくとも両端の冷却器が固定されていればよく、両端以外の冷却器が同様にボルト固定されることを除外するものではないことにも留意されたい。また、本明細書が開示する技術は、補助的なバネを積層ユニットの積層方向の端面に押し当てることを排除するものではないことに留意されたい。 Note that the above fixing structure has high vibration resistance because the coolers at both ends of the laminated unit are sandwiched in a direction intersecting the lamination direction. In addition, it should be noted that the technique disclosed in this specification is not limited to the case where the coolers at both ends in the stacking direction are fixed, and the coolers other than both ends are similarly bolted. I want to be. In addition, it should be noted that the technique disclosed in the present specification does not exclude pressing an auxiliary spring against the end surface in the stacking direction of the stacking unit.
樹脂製の筐体は容易に様々な形状に作ることができるので、ボルト以外の固定手段で端の冷却器をケースに固定することも好適である。例えば、積層方向の一端の冷却器の筐体にフックを設けるとともに、フックに係合する窪みをケースに設ける。積層方向の他端の冷却器はボルトで固定する。組み立て工程では、積層ユニットの一端の冷却器のフックをケースの窪みに係合させつつ、積層ユニットの他端側から圧力を加えて積層ユニットを圧縮する。その状態で他端の冷却器をボルト固定する。一方の冷却器をフックで固定することによって、組み立て工程を簡略化できる。 Since the resin casing can be easily formed into various shapes, it is also preferable to fix the cooler at the end to the case with fixing means other than bolts. For example, a hook is provided in the casing of the cooler at one end in the stacking direction, and a recess that engages with the hook is provided in the case. The cooler at the other end in the stacking direction is fixed with bolts. In the assembly process, the stack unit is compressed by applying pressure from the other end of the stack unit while engaging the hook of the cooler at one end of the stack unit with the recess of the case. In that state, the other end cooler is bolted. The assembly process can be simplified by fixing one of the coolers with a hook.
ところで、樹脂はアルミニウムなどの金属と比較して熱伝導率が低い。そこで、本明細書の冷却器は、積層方向に直交する筐体側板に開口が設けられる。その開口は、パワーカードと対向するように設けられる。そして、その開口を塞ぐように、樹脂よりも熱伝達率の高い金属板が取り付けられる。そして、その金属板とパワーカードを接触させる。なお、金属板と対向するパワーカード表面には絶縁板が取り付けられていてもよい。また、金属板には、好適には、アルミニウム、あるいは銅が用いられる。金属板の内側（筐体内部側）は、空洞であり、液体冷媒の流路になっている。金属板を介してパワーカードの熱が冷媒に吸収される。なお、パワーカードを挟んで隣接する冷却器の筐体同士が冷媒を通す連結管で連結されている。連結管は、積層方向からみたときにパワーカードの両側に位置する。積層ユニットの積層方向の端部に位置する冷却器には、一方の連結管に、外部から冷媒を供給する冷媒供給管が接続されており、他方の連結管に、冷却器から外部へ冷媒を排出する冷媒排出管が接続されている。冷媒供給管を通じて供給された冷媒は、積層方向からみたときに一列に並ぶ一連の連結管を通じて全ての冷却器に行き渡り、冷却器の内部を通過しながらパワーカードの熱を吸収し、そして、一列に並ぶ別の一連の連結管と冷媒排出管を通じて外部に排出される。積層ユニットの両端の冷却器は、パワーカードと対向しない側板には開口を有さずともよい。 By the way, the resin has a lower thermal conductivity than a metal such as aluminum. Therefore, the cooler of the present specification is provided with an opening in the casing side plate orthogonal to the stacking direction. The opening is provided to face the power card. Then, a metal plate having a higher heat transfer coefficient than that of the resin is attached so as to close the opening. Then, the metal plate is brought into contact with the power card. An insulating plate may be attached to the power card surface facing the metal plate. The metal plate is preferably made of aluminum or copper. The inner side of the metal plate (inside the housing) is a cavity and serves as a liquid refrigerant flow path. The heat of the power card is absorbed by the refrigerant through the metal plate. In addition, the housing | casing of the cooler adjacent on both sides of a power card is connected with the connecting pipe which lets a refrigerant pass. The connecting pipe is located on both sides of the power card when viewed from the stacking direction. The cooler located at the end of the stacking unit in the stacking direction is connected to one connecting pipe with a refrigerant supply pipe for supplying a refrigerant from the outside, and the other connecting pipe is supplied with the refrigerant from the cooler to the outside. A refrigerant discharge pipe for discharging is connected. The refrigerant supplied through the refrigerant supply pipe reaches all the coolers through a series of connecting pipes arranged in a row when viewed from the stacking direction, absorbs the heat of the power card while passing through the inside of the cooler, and Are discharged to the outside through another series of connecting pipes and refrigerant discharge pipes. The coolers at both ends of the laminated unit may not have openings in the side plates that do not face the power card.
本明細書が開示する技術は、複数の冷却器と複数のパワーカードが交互に積層された積層ユニットを有する電力変換装置に関し、積層ユニットを積層方向に加圧する板バネを不要とする。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。 The technology disclosed in this specification relates to a power conversion device including a stacked unit in which a plurality of coolers and a plurality of power cards are alternately stacked, and does not require a leaf spring that pressurizes the stacked unit in the stacking direction. Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be described in the following “DETAILED DESCRIPTION”.
図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。まず、積層ユニットを説明する。図１に、積層ユニット１０の斜視図を示す。積層ユニット１０は、電気自動車に搭載される電力変換装置の主要部品である。電力変換装置は、バッテリの直流電力を昇圧し、さらに交流に変換して走行用のモータに供給する。電力変換装置は、電圧を高める電圧コンバータ回路と、インバータ回路を含む。電圧コンバータ回路は、昇降圧コンバータであり、２個の半導体素子（ＩＧＢＴ）を含む。また、夫々のインバータ回路は６個の半導体素子を含む。電力変換装置は、合計８個の半導体素子を含む。夫々の半導体素子は、大きな電流を導通／遮断するので発熱量が大きい。なお、半導体素子の数は、車両の種類（電力変換装置の種類）によって異なっていてもよい。
A power converter according to an embodiment will be described with reference to the drawings. First, the laminated unit will be described. FIG. 1 shows a perspective view of the
積層ユニット１０は、上記した８個の半導体素子を集約して集中的に冷却するユニットである。積層ユニット１０では、４個のパワーカード２０と５個の冷却器２ａ−２ｅが交互に積層されている。図中のＸ軸方向が積層方向に相当する。なお、パワーカード２０と冷却器２の間には絶縁板９１が嵌挿されている。また、複数の冷却器２ａ−２ｅは同じ構造を有している。以下では、複数の冷却器２ａ−２ｅのいずれか一つを区別なく表す場合に「冷却器２」と表記する。
The stacked
図示は省略するが、１個のパワーカード２０に２個の半導体素子が収容されている。夫々のパワーカード２０は、２個の半導体素子を樹脂でモールドしたパッケージである。各パワーカード２０の内部で２個の半導体素子が直列に接続されている。各パワーカード２０からは３本の端子２９が伸びている。３本の端子２９の夫々は、半導体素子の直列回路の高電位側端子、低電位側端子、直列回路の中点の端子に相当する。パワーカード２０からは、上記３本の端子２９のほか、半導体素子（トランジスタ）のゲートに通じる端子（ゲート端子）が、端子２９の側面とは反対側の側面から伸びているが、その図示は省略している。
Although not shown, two semiconductor elements are accommodated in one
冷却器２ａ−２ｅの構造を概説する。詳しい構造は後に説明する。冷却器２の筐体１８は樹脂で作られている。パワーカード２０と対向する側板に開口Ｈ１が設けられており、その開口Ｈ１を金属板１３が塞いでいる。冷却器２は、内部が空洞であり、その空洞を液体の冷媒が通過する。冷媒は、典型的には、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。金属板１３を通じてパワーカード２０の熱が冷媒へと移送される。すなわち、パワーカード２０が冷却される。筐体１８の一方の側板には、積層方向からみて開口Ｈ１の両側に、積層方向に伸びる突出部１８ａが設けられている。別言すれば、突出部１８ａは、積層方向からみてパワーカード２０の両側に設けられている。突出部１８ａには、筐体１８を積層方向に貫通する冷媒孔Ｈ２が設けられている。突出部１８ａの高さ（突出部１８ａの図中Ｘ方向の長さ）は、概ね、パワーカード２０の厚みと２枚の絶縁板９１の厚みを加えた長さに相当する。一対の突出部１８ａの間にパワーカード２０が配置され、冷却器２が積層されると、冷却器２とパワーカード２０が接するとともに、冷却器２の突出部１８ａの先端が隣接する冷却器２の側面に当接し、冷媒孔Ｈ２同士が連通する。即ち、内側に冷媒孔Ｈ２が形成された突出部１８ａは、パワーカード２０を挟んで隣接する２個の冷却器２を接続する連結管に相当する。一方の連結管を通じて冷媒が冷却器２に送られ、他方の連結管を通じて冷却器２から冷媒が排出される。積層方向で一列にならぶ一群の冷媒孔Ｈ２は冷媒供給路Ｐ１を構成し、積層方向で一列に並ぶ別の一群の冷媒孔Ｈ２は冷媒排出路Ｐ３を構成する。積層ユニット１０の積層方向の端の冷却器２ｅには、開口Ｈ１と冷媒孔Ｈ２を塞ぐカバープレート２８が取り付けられている。図示を省略しているが、積層ユニット１０の積層方向の他方の端の冷却器２ａの一対の突出部１８ａには、冷媒供給管と、冷媒排出管が接続される。冷媒供給管によって積層ユニット１０の外部から供給される冷媒は、冷媒供給路Ｐ１を通じ、全ての冷却器２に分配される。冷媒は、冷却器２の内部を通過し、パワーカード２０から熱を吸収する。冷却器２を通過した冷媒は、冷媒排出路Ｐ３を通じ、冷媒排出管へと排出される。
The structure of the cooler 2a-2e will be outlined. The detailed structure will be described later. The
パワーカード２０と絶縁板９１の間、及び、冷却器２と絶縁板９１の間には伝熱性を高めるグリース（不図示）が塗布されている。また、グリースを薄く延ばしてパワーカード２０と冷却器２との密着性を高めるため、積層ユニット１０には、積層方向に数キロニュートンに相当する圧力（数百キログラムの荷重に相当する圧力）が加えられる。積層ユニット１０は、積層方向に圧力を加えられたまま、電力変換装置のケース内に固定される。加圧を伴う固定構造については後述する。
Grease (not shown) that enhances heat conductivity is applied between the
冷却器２の筐体１８は、突出部１８ａの壁厚が厚くなっており、積層方向の耐荷重性が高くなっている。筐体１８は射出成形法によって樹脂で作られる。突出部１８ａも筐体１８の一部として射出成形で作られる。射出成形法は複雑な形状を容易に作ることができるので、形状を複雑にして、積層方向の荷重に対して高い剛性を実現した筐体も容易に低コストで作ることができる。冷却器２は、従来はアルミニウムで作られていた筐体を樹脂で作ることによって、上記の利点を達成する。また、詳しくは後述するが、幾つかの冷却器には、筐体１８の壁内にナットが埋め込んである。そのナットを使って冷却器が電力変換装置のケースに固定される。樹脂製の筐体内にナットを埋め込むことも射出成形であれば容易に実現できる。
The
図２に、一対の冷却器２ａ、２ｂとその間に挟まれるパワーカード２０のレイアウトを示す。図２に描かれている一対の冷却器２ａ、２ｂとパワーカード２０は、図１の積層ユニット１０の一部に相当する。パワーカード２０の表面には放熱板２３が露出しており、その放熱板２３が絶縁板９１に接する。放熱板２３は、絶縁板９１を挟んで冷却器２の金属板１３と対向する。放熱板２３は、パワーカード２０の内部で半導体素子と接続しており、半導体素子の熱をパワーカード２０の表面へ移送する。なお、放熱板２３は、半導体素子を外部と電気的に接続する端子の一部であり、端子２９とも電気的に繋がっている。絶縁板９１は、放熱板２３と冷却器２の金属板１３の間を絶縁する。絶縁板９１には、熱伝導率の高い素材が用いられる。絶縁板９１が挟まれているが、熱力学的な見地からは、パワーカード２０と冷却器２は接触しているとみなすことができる。絶縁板９１は、例えばセラミックス製である。なお、セラミックスの中にも、熱伝導率が比較的に高いものがある。
FIG. 2 shows a layout of the pair of
前述したように、冷却器２の突出部１８ａは、連結管に相当し、その先端が隣接する冷却器２と接する。突出部１８ａの内側には冷媒を通す冷媒孔Ｈ２が設けられている。突出部１８ａの先端面において冷媒孔Ｈ２の周囲には溝１８ｃが設けられている。溝１８ｃにはガスケット９２が嵌め込まれている。ガスケット９２は、冷却器２が積層されたときに突出部１８ａの先端と、隣接する冷却器２（その筐体１８）の間を封止する。ガスケット９２の一例は、断面が円形のゴムリングである。ガスケット９２は、荷重を受けたときの反発力が高く、突出部１８ａの先端と筐体１８の間から冷媒が漏れないようにしっかりとそれらの間を封止する。なお、ガスケット９２を収める溝１８ｃも、筐体１８の一部として射出成形で作られる。溝１８ｃのような複雑な形状も射出成形法によれば低コストで設けることができる。
As described above, the protruding
次に、冷却器２の構造を説明する。図３は、冷却器２の分解斜視図である。前述したように、冷却器２の筐体１８は樹脂で作られている。積層方向（図中のＸ方向）からみたときの筐体１８の中央に開口Ｈ１が設けられている。開口Ｈ１は、パワーカード２０と対向する位置に設けられている。開口Ｈ１は、筐体１８の積層方向の両側に設けられている。開口Ｈ１は、金属板１３で塞がれる。開口Ｈ１と金属板１３の間は密閉される。
Next, the structure of the cooler 2 will be described. FIG. 3 is an exploded perspective view of the cooler 2. As described above, the
金属板１３について説明する。開口Ｈ１の内周には突起１８ｄ、１８ｅが設けられており、金属板１３は、突起１８ｄ、１８ｅに係止される。金属板１３のおもて面（露出する面）は、開口Ｈ１の周囲の筐体表面（側板１８ｂの表面）と面一になる。筐体の裏側の側板（突出部１８ａが設けられていない側板）にも開口Ｈ１が設けられているとともに、開口Ｈ１の内周に突起１８ｄ、１８ｅが設けられている。裏側の側板の開口Ｈ１に取り付けられる金属板１３についても同様である。
The
金属板１３の裏面（筐体内部側）には、複数のフィン１４が設けられている。開口Ｈ１に取り付けられた金属板１３の裏面は、冷媒流路に面しており、フィン１４は、冷媒に直接触れる。フィン１４は、パワーカード２０の熱を効率よく冷媒に伝える。金属板１３とフィン１４は、ともにアルミニウムで作られている。フィン１４は金属板１３の一部であり、フィン１４と金属板１３は、押出成形法によって同時に作られる。
A plurality of
また、筐体１８の内部で、一方の金属板１３のフィン１４の先端と他方の金属板１３のフィン１４の先端が対向する。積層方向で対向するフィンの間には仕切板１５が嵌挿される。仕切板１５は、積層方向で対向するフィンの間の空間を埋める。この構造は、冷却器２が積層方向の圧力を受けたときに金属板１３が撓むこと防止する。仕切板１５は、樹脂製であってもよいし、金属製であってもよい。樹脂製の仕切板１５は、筐体１８の一部として、射出成形で筐体１８と同時に作られるものであってもよい。
Further, inside the
冷却器２は、全体が空洞であり、内部を液体の冷媒が流れる。積層方向に並んだ一群の冷媒孔Ｈ２による貫通孔が冷媒供給路Ｐ１を構成し、積層方向に並んだ別の一群の冷媒孔Ｈ２による貫通孔が冷媒排出路Ｐ３を構成する。冷媒供給路Ｐ１を通じて冷媒が各冷却器２に分配される。冷却器２の内部の流路を通過する冷媒は、先に述べたように、金属板１３の裏面と複数のフィン１４とに接し、パワーカードの熱を吸収する。冷却器２を通過した冷媒は、冷媒排出路Ｐ３を通じて積層ユニット１０の外部へと排出される。
The entire cooler 2 is hollow, and a liquid refrigerant flows inside. A through hole formed by a group of refrigerant holes H2 arranged in the stacking direction forms the refrigerant supply path P1, and a through hole formed by another group of refrigerant holes H2 arranged in the stacking direction forms the refrigerant discharge path P3. The refrigerant is distributed to each cooler 2 through the refrigerant supply path P1. As described above, the refrigerant passing through the flow path inside the cooler 2 contacts the back surface of the
筐体１８の内部空間において開口Ｈ１と冷媒孔Ｈ２の間に、筐体１８の積層方向の一対の側板を連結する補強リブ１２が設けられている。補強リブ１２は、冷却器２が積層方向の圧力を受けたときに側板が撓むことを防止する。補強リブ１２は、筐体１８の内部の冷媒流路の中に設けられるので、冷媒の流れ方向に沿って平板形状に作られている。
Reinforcing
前述したように筐体１８は樹脂で作られるので、突出部１８ａにおける冷媒孔Ｈ２の周囲の壁厚を厚くしたり、側板１８ｂ、１８ｃの厚みを薄くしたり、補強リブ１２を形成したりすることも低コストで実現できる。一方、樹脂はアルミニウムや銅と比較して熱伝導率が低い。しかし冷却器２は、全てを樹脂で形成するのではなく、パワーカード２０と対向する位置に開口Ｈ１を設け、そこに金属板１３を嵌め込んでいる。パワーカード２０の熱を吸収する箇所に金属板１３を配置することで冷却効率の低下を防止する。
As described above, since the
次に、電力変換装置のケース内への積層ユニット１０の固定構造を説明する。図４に電力変換装置１００をそのケース上方からみた上面図を示し、図５に、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図を示す。図４は、電力変換装置１００のカバーを外したときの図であり、ケース内部の部品レイアウトを示している。図４では、積層ユニット１０の一方の端に位置する冷却器２ａに、冷媒供給管４１と冷媒排出管４２が接続されている。
Next, a structure for fixing the
ケース５には、積層ユニット１０の他、複数のコンデンサ４８や、リアクトル４７、及び、制御基板５２が収容される。コンデンサ４８は、昇降圧回路に用いたり、昇降圧回路が出力した電流の脈動を抑制するために備えられる。また、リアクトル４７は、昇降圧回路に用いられる。制御基板５２は、パワーカード２０に封止された半導体素子に供給する駆動信号（ＰＷＭ信号）を生成する。図示は省略しているが、制御基板５２には、パワーカード２０から伸びる信号端子が接続する。その信号端子は、パワーカード内の半導体素子のゲートに繋がっている。
In the
図５に良く示されているように、ケース５には、底面と平行に仕切板５１が設けられており、その仕切板５１の一方側に積層ユニット１０が固定され、他方側に制御基板５２が固定される。図５とは別の断面において仕切板５１には孔が設けられており、その孔を通じて積層ユニット１０のパワーカード２０から信号端子が伸びており、その先端が制御基板５２に接続される。
As shown well in FIG. 5, the
図５に良く示されているように、積層ユニット１０の積層方向の両端の冷却器２ａ、２ｅ、及び、中央の冷却器２ｃには、その筐体１８にナット５５が埋設されており、それら冷却器２ａ、２ｅ、２ｃはボルト５４ａ−５４ｃで仕切板５１（ケース５）に固定されている。即ち、積層ユニット１０は、冷却器２ａ、２ｃ、２ｅが、ケース底面に対向する側面にてボルトでケース５に固定される。説明の便宜上、冷却器の側面であってケース底面に対向する側面を下側面と称する。また、下側面と平行な他方の側面を冷却器の上側面と称する。なお、図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面であるが、図４のＡ−Ａ断面においても同様の構造を有している。即ち、積層ユニット１０は、積層方向に直交する方向の両側で冷却器２ａ、２ｃ、２ｅがボルトにてケース５に固定されている。別言すると、積層ユニット１０の冷却器２ａ、２ｃ、２ｅは、積層方向からみたときにパワーカード２０の両側でケース５にボルト５４ａ−５４ｃにて固定されている。
As well shown in FIG. 5,
図４と図５に示されている積層ユニット１０は、両端の冷却器２ａ、２ｅと中央の冷却器２ｃの下側面にて、積層方向に圧縮された状態で固定されている。即ち、仕切板５１に設けられた、ボルト５４ａと５４ｃを通す孔の位置が、積層ユニット１０が積層方向に圧縮された状態で両端の冷却器２ａ、２ｅが固定されるように定められている。それゆえ、積層ユニット１０をケース５に固定することによって、積層ユニット１０は積層方向に圧力が加えられた状態に保持される。そして、ボルト５４ａと５４ｃが、その圧力の反力を支える。
The
また、冷却器２ａ−２ｅの筐体１８の上側面に弾性シート４が押し付けられている。具体的には、弾性シート４の上から押さえ板３がボルト４３、４４でケース５に固定されている。より詳しくは、押さえ板３の一端がボルト４３によって、ケース５に設けられたリブ４５に固定されており、押さえ板３の他端がボルト４４によってケース５のリブ４６に固定されている。ボルト４３、４４を締めるにつれて、弾性シート４が冷却器２に押し付けられる。積層ユニット１０は、一側面（下側面）がボルト５４ａ−５４ｃによってケース５に固定され、その一側面とは反対側の側面（上側面）から弾性シート４が押し付けられ、上下の両側から挟持されて固定される。図４に良く示されているように、積層ユニット１０は積層方向に交差する方向の両側（Ｙ軸方向の両側）で弾性シート４が押し付けられている。
Further, the
上記したように、積層ユニット１０は、積層方向に圧力を加えられた状態でケース５に固定される。積層方向の両端の冷却器２ａ、２ｅ（及び中央の冷却器２ｃ）をケース５に固定することによって、その固定箇所（上記ボルト５４ａと５４ｃ）が、積層方向の圧力の反力を支持する。また、積層ユニット１０は、固定箇所とは反対側から弾性シート４を押し付けることによって、積層方向と直交する方向（Ｚ軸側）で挟持される。積層ユニット１０の一側面のボルト固定だけでは、圧力に充分に抗することができずに固定端の反対側にて両端の冷却器の間隔が大きくなってしまう虞がある。しかし、ボルトによる固定端の反対側から弾性シート４で押さえることによって、上記したデメリットを克服することができる。即ち、固定端の反対側で冷却器２ａと冷却器２ｅの間の距離が大きくなることが防止される。さらに、固定端の反対側から弾性シート４で押さえることによって、車両振動に対する耐性も高まる。
As described above, the stacked
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例では、積層ユニットの両端の冷却器をボルトにて固定した。固定手段は、ボルトに限られない。例えば、固定箇所の一方は、冷却器にフックを設け、そのフックと係合する窪みをケースに設けてもよい。あるいは、逆に、ケースにフックを設け、そのフックに係合する窪みを冷却器に設けてもよい。 Points to be noted regarding the technology described in the embodiments will be described. In the examples, the coolers at both ends of the laminated unit were fixed with bolts. The fixing means is not limited to a bolt. For example, one of the fixing points may be provided with a hook in the cooler and a recess that engages with the hook may be provided in the case. Or conversely, a hook may be provided in the case, and a recess that engages with the hook may be provided in the cooler.
また、積層ユニット１０は、両端の冷却器２ａ、２ｅだけでなく、中央の冷却器２ｃもケース５に固定されている。即ち、積層方向の中央の冷却器２ｃは、ボルト５４ｂで固定されることによってその位置が定まる。積層ユニット１０は両側から圧縮力を受けながら固定される。それゆえ、電力変換装置を量産した場合、両端の冷却器２ａ、２ｅだけがケースに固定されている場合と比較して、固定されていない中間の冷却器２ｂ、２ｄ及びパワーカード２０の位置のばらつきが小さくなる。パワーカード２０の端子が制御基板５２と接続されるので、パワーカード２０の位置のばらつきは小さい方がよい。
In the
実施例の電力変換装置は、積層ユニットをその積層方向に荷重するバネを不要とする。上記したボルト５４ａ、５４ｃが積層ユニット１０に加える圧力の反力を受け持つからである。ただし、本明細書が開示する技術は、補助的なバネを積層ユニットの積層方向の端面に押し当てることを排除するものではないことに留意されたい。
The power converter of the embodiment does not require a spring that loads the stacked unit in the stacking direction. This is because the above-described
実施例における積層ユニット１０は、冷却器とパワーカードが１個づつ交互に積層されていた。積層の態様は実施例の積層ユニットに限られない。例えば、一対の冷却器の間に２個のパワーカードを挟むように積層されていてもよい。また、パワーカード以外のデバイスが積層されていてもよい。また、積層される冷却器の個数は５個以上であってもよい。パワーカードも４個以上であってもよい。
In the
冷却器２ａ、２ｅの「下側面」が第１側面に相当し、「上側面」が「第２側面」に相当する。ボルト５４ａ、５４ｃが、積層方向の両端の冷却器の夫々をケースに固定する固定手段の一例に相当する。積層ユニット１０は、積層方向の両端の２個の冷却器２ａ、２ｅの間で他の冷却器とパワーカードが積層方向に圧力を加えられており、２個の冷却器の固定箇所（即ちボルト５４ａと５４ｃ）が圧力の反力を支えている。別言すれば、ボルト５４ａと５４ｃは、圧力の反力に抗する。
The “lower side surface” of the
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。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
２ａ−２ｅ：冷却器
３：押さえ板
４：弾性シート
５：ケース
１０：積層ユニット
１２：補強リブ
１３：金属板
１４：フィン
１５：仕切板
１８：筐体
１８ａ：突出部
１８ｂ：側板
１８ｃ：溝
１８ｄ、１８ｅ：突起
２０：パワーカード
２３：放熱板
２８：カバープレート
４３、４４：ボルト
４５、４６：リブ
４７：リアクトル
４８：コンデンサ
５１：仕切板
５２：制御基板
５４ａ−５４ｃ：ボルト
５５：ナット
９１：絶縁板
９２：ガスケット
１００：電力変換装置
Ｈ１：開口
Ｈ２：冷媒孔
Ｐ１：冷媒供給路
Ｐ３：冷媒排出路
2a-2e: Cooler 3: Presser plate 4: Elastic sheet 5: Case 10: Laminated unit 12: Reinforcement rib 13: Metal plate 14: Fin 15: Partition plate 18:
Claims (2)
半導体素子を収容した複数のパワーカードと、
前記複数の冷却器と前記複数のパワーカードが交互に積層されている積層ユニットと、
前記積層ユニットを収容するケースと、
を備えており、
前記積層ユニットの積層方向の両端の冷却器の夫々が、積層方向と平行な前記筐体の第１側面にて前記ケースに固定されているとともに前記第１側面と平行な筐体の第２側面に弾性部材が押し付けられており、
積層方向の両端の冷却器の間で他の冷却器とパワーカードが積層方向に圧力を加えられており、前記両端の冷却器の固定箇所が前記圧力の反力を支えている、
ことを特徴とする電力変換装置。 A plurality of coolers having a resin casing through which a refrigerant passes;
A plurality of power cards containing semiconductor elements;
A stacked unit in which the plurality of coolers and the plurality of power cards are alternately stacked;
A case for housing the laminated unit;
With
The coolers at both ends in the stacking direction of the stacking unit are fixed to the case at the first side surface of the casing parallel to the stacking direction and the second side surface of the casing parallel to the first side surface. The elastic member is pressed against
The other cooler and the power card are applied pressure in the stacking direction between the coolers at both ends in the stacking direction, and the fixing points of the coolers at both ends support the reaction force of the pressure,
The power converter characterized by the above-mentioned.
前記パワーカードと前記金属板が接触している、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。 The cooler is provided with an opening in a housing side plate facing the power card, and a metal plate is attached so as to close the opening.
The power card and the metal plate are in contact,
The power conversion apparatus according to claim 1.
Priority Applications (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2014
- 2014-03-24 JP JP2014060436A patent/JP2015186344A/en active Pending
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