(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーモジュールと、このパワーモジュールを冷却するヒートシンクと、前記パワーモジュールを覆うカバー体とを備える電力変換装置において、
前記パワーモジュールは、前記ヒートシンク上の載置される半導体モジュールと、この半導体モジュールを制御するための電気部品が実装されて当該半導体モジュールの上部に配置される制御基板とを備え、この制御基板を前記カバー体の天井部から吊り下げて支持するとともに、前記制御基板の下面に配置されて前記半導体モジュールから発生される電磁波を遮蔽するための遮蔽板を備え、前記遮蔽板は、前記カバー体の側面を構成する側壁部に沿って配置される遮蔽板側壁部を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御基板上に実装される重量の重い前記電気部品に近接した位置を支持したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記カバー体の天井部から下方に延びる複数の支柱と、前記制御基板の下面に当接配置されて前記半導体モジュールから発生される電磁波を遮蔽するための遮蔽板とを備え、この遮蔽板と前記支柱とで前記制御基板を挟持したことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記遮蔽板を前記カバー体に固定したことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換する電力変換装置に係り、特に、当該電力変換装置のレイアウト構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電車や自動車等の車両には、直流電源の直流電流を交流電流に変換し、駆動源たるモータ等の負荷に供給する電力変換装置が搭載されている。この種の電力変換装置では一般的に、半導体モジュール及び制御基板を有するパワーモジュールと、このパワーモジュールを冷却するヒートシンクとを備えて構成されており、自動車等の振動が大きく、設置スペースの限られた車両に搭載される場合には、制御基板への振動を抑制するとともに、装置の小型化を実現するレイアウト構造が模索されている。
このため、従来、ヒートシンク上に半導体モジュールを載置するとともに、ヒートシンクに立設された複数の制御基板支持台に制御基板を支持することで、この制御基板を半導体モジュールの上方に配置した技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０５０４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の構成では、制御基板がヒートシンク上に立設された複数の制御基板支持台により半導体モジュールの上方に配置されるため、これら制御基板支持台は、それぞれ半導体モジュールの外側位置に立設されることになる。このため、制御基板の面積は、制御基板支持台が取り付けられる取付部を設ける分、半導体モジュールよりも大きくなることにより、電力変換装置全体が大型化するといった問題がある。
更に、従来の構成では、制御基板支持台が立設される位置は、半導体モジュールの形状や接続端子の位置等により制約を受けるため、制御基板の振動を抑制する最適な位置で当該制御基板を支持することが難しく、制御基板の振動を十分に抑制することが困難であった。
そこで、本発明は、上述の課題に鑑みたものであり、装置の小型化を図るとともに、制御基板の振動を抑制できる電圧変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は、パワーモジュールと、このパワーモジュールを冷却するヒートシンクと、前記パワーモジュールを覆うカバー体とを備える電力変換装置において、前記パワーモジュールは、前記ヒートシンク上の載置される半導体モジュールと、この半導体モジュールを制御するための電気部品が実装されて当該半導体モジュールの上部に配置される制御基板とを備え、この制御基板を前記カバー体の天井部から吊り下げて支持するとともに、前記制御基板の下面に配置されて前記半導体モジュールから発生される電磁波を遮蔽するための遮蔽板を備え、前記遮蔽板は、前記カバー体の側面を構成する側壁部に沿って配置される遮蔽板側壁部を有することを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、制御基板をカバー体の天井部から吊り下げて支持しているため、この制御基板を半導体モジュールよりも大きく形成する必要はなく、その分、装置の小型化を図ることが可能となる。さらに、制御基板を支持する際に半導体モジュールの形状等による制約を受けないので、振動を抑える最適な位置で制御基板を自在に支持することができ、従って、制御基板の振動を抑制することができる。
【０００７】
この構成において、本発明は、前記制御基板上に実装される重量の重い前記電気部品に近接した位置を支持したことを特徴とする。この構成によれば、重量の重い電気部品に近接した位置を支持することで当該電気部品の共振を抑制することができ、制御基板の振動をより効果的に抑制できる。
【０００８】
また、本発明は、前記カバー体の天井部から下方に延びる複数の支柱と、前記制御基板の下面に当接配置されて前記半導体モジュールから発生される電磁波を遮蔽するための遮蔽板とを備え、この遮蔽板と前記支柱とで前記制御基板を挟持したことを特徴とする。この構成によれば、制御基板が遮蔽板と密着して支持されることにより、この制御基板の剛性が向上するため、当該制御基板の振動を抑制することができる。
【０００９】
また、本発明は、前記遮蔽板を前記カバー体に固定したことを特徴とする。この構成によれば、制御基板を支持するカバー体及び遮蔽板の剛性を向上させることができ、制御基板の振動をより効果的に抑制できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、制御基板をカバー体の天井部から吊り下げて支持しているため、この制御基板を半導体モジュールよりも大きく形成する必要はなく、その分、装置の小型化を図ることが可能となる。さらに、制御基板を支持する際に半導体モジュールの形状等による制約を受けないので、振動を抑える最適な位置で制御基板を自在に支持することができ、従って、制御基板の振動を抑制することができる。
また、本発明によれば、重量の重い電気部品に近接した位置を支持することで当該電気部品の共振を抑制することができ、制御基板の振動をより効果的に抑制できる。
また、本発明によれば、制御基板が遮蔽板と密着して支持されることにより、この制御基板の剛性が向上するため、当該制御基板の振動を抑制することができる。
また、本発明によれば、制御基板を支持するカバー体及び遮蔽板の剛性を向上させることができ、制御基板の振動をより効果的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態にかかる電力変換装置の側断面図である。
【図２】半導体モジュールを示す平面図である。
【図３】Ａは、制御基板の上面を示す平面図、Ｂは、制御基板の下面を示す平面図である。
【図４】Ａ〜Ｃは、電力変換装置の組付手順を説明する図である。
【図５】電力変換装置の変形例を示す側断面図である。
【図６】電力変換装置の変形例を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１は本実施形態に係る電力変換装置１０の側断面図である。
電力変換装置１０は、電車や自動車等の車両に搭載された直流電源の直流電流を交流電流に変換し、当該車両に搭載された動力源としての三相誘導モータ（図示略）に供給して駆動する車載用の装置であり、図１に示すように、ヒートシンク１１と、このヒートシンク１１上に載置されるパワーモジュール１３と、このパワーモジュール１３を覆うカバー体１５とを備える。
このカバー体１５は、ヒートシンク１１と協同してパワーモジュール１３の電気回路部分へのゴミや塵の入り込みを防止するものであり、耐熱性及び絶縁性を有する樹脂材から形成されている。カバー体１５は、天井部１５Ａと側壁部１５Ｂとを備え、底面が開放した箱状に形成されている。また、側壁部１５Ｂの下端には、上記天井部１５Ａと略水平に外方に延出するフランジ部１５Ｃを一体に備え、このフランジ部１５Ｃがねじ１７によりヒートシンク１１に取り付けられている。
【００１３】
ヒートシンク１１は、パワーモジュール１３が発生する熱を外部に放出して当該パワーモジュール１３を冷却する機能と、電力変換装置１０のベースプレートとしての機能とを有し、ボルト固定用の孔部（図示略）にボルトを通して車両に固定可能に構成されている。ヒートシンク１１は、例えば銅やアルミニウムなどの高熱伝導性を有する金属材料で構成されているが、熱伝導性が高く、パワーモジュール１３の重量に耐え得る剛性を実現できれば任意の材質を用いることができる。また、ヒートシンク１１の上面寸法は、パワーモジュール１３の底面よりも大きい寸法に設定され、この底面全体が接するに必要十分な大きさとされている。なお、ヒートシンク１１の下面に多数の放熱フィンを形成する構成としても良い。
【００１４】
パワーモジュール１３は、直流／交流変換をする電気回路を納めたモジュールであり、ヒートシンク１１上に載置されて当該ヒートシンク１１により冷却される半導体モジュール２０と、この半導体モジュール２０の上部に間隔を開けて配置され、当該半導体モジュールを駆動制御するための電気回路または電気部品が実装された制御基板３０とを備える。
半導体モジュール２０は、図２に示すように、耐熱性及び絶縁性を有する樹脂材から形成されるケーシング２１を備え、このケーシング２１には当該ケーシング２１をヒートシンク１１に固定するための孔部２１Ａと、横並びに３つの収容部２１Ｂとが形成されている。これら収容部２１Ｂには、それぞれスイッチング素子２２及びフライホイールダイオード２３が収容されており、各収容部２１Ｂに交流出力一相分の回路が形成される。本実施形態では、収容部２１Ｂが３つ設けられているため、半導体モジュール２０は三相インバータ回路を構成する。
また、各収容部２１Ｂに収容されたスイッチング素子２２及びフライホイールダイオード２３は樹脂材（図示略）により封止され、水分の浸入が防止されている。なお、スイッチング素子２２には、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等を用いることができる。
ケーシング２１には、各収容部２１Ｂにそれぞれ隣接する位置に一対の電極２４と、信号ピン２５とが設けられている。これら信号ピン２５は、図１に示すように、制御基板３０を貫通し、この制御基板３０上の電気回路（図示略）と電気的に接続されている。
【００１５】
制御基板３０は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、この制御基板３０の上面３０Ａ及び３０Ｂにそれぞれ電気部品が実装されて電気回路が形成されるプリント基板である。具体的には、制御基板３０の上面３０Ａには、上記電気部品として、外部機器との通信をするための通信線が接続されるコネクタ３１と、この制御基板３０内の電源を構成するトランス３２及び電解コンデンサ３３Ａ、３３Ｂと、半導体モジュール２０のスイッチング素子２２を駆動制御させるために、これらスイッチング素子２２との信号の送受信を司る制御ＩＣ３４Ａ〜３４Ｃが実装されている。これら制御ＩＣ３４Ａ〜３４Ｃは、車両側に搭載されているモータＥＣＵ（electronic control unit）が出力する制御信号に基づいて、スイッチング素子２２をスイッチング動作させる駆動回路を制御する。制御基板３０の下面３０Ｂには、各種抵抗器３５、３６に加え、他の電気部品３７、３８が実装されている。
また、制御基板３０には、この制御基板３０を固定するための孔部３０Ｃと、上述した信号ピン２５が貫通する貫通孔３０Ｄとが形成されている。この図３Ａ、Ｂでは、貫通孔３０Ｄの位置及び数についての記載を一部省略している。
制御基板３０は、半導体モジュール２０との制御信号の受け渡しをするために、半導体モジュール２０の信号ピン２５の先端２５Ａを当該制御基板３０の電気回路と、はんだ等の導電性接合材で連結している。また、制御基板３０は、信号ピン２５を通じて、外部から電圧を印加させている半導体モジュール２０を制御し、電流を交流電流へ変換することで車両に搭載された三相誘導モータの運転を制御している。
【００１６】
ところで、電力変換装置１０は、自動車のように振動が大きく、設置スペースの限られた車両に搭載されることが多い。制御基板３０は、振動に弱いため、この制御基板３０への振動を抑制するとともに、電力変換装置１０の小型化を実現するレイアウト構造が模索されている。
本実施形態では、制御基板３０は、図１に示すように、半導体モジュール２０の上方位置でカバー体１５の天井部１５Ａから吊り下げられて支持されている。具体的には、カバー体１５の天井部１５Ａには、この天井部１５Ａから下方に延びる複数の支柱４０が設けられ、この支柱４０に制御基板３０及び当該制御基板３０の下面３０Ｂに配置される遮蔽板５０とが支持されている。この遮蔽板５０は、半導体モジュール２０のスイッチング素子２２が動作する際に発生する電磁波を遮蔽するためのものであり、少なくとも制御基板３０と略同一の大きさを有する。なお、遮蔽板５０には、上記した信号ピン２５が当該遮蔽板５０に触れない程度の大きさの貫通孔（図示略）が形成されている。
【００１７】
支柱４０の上端には雌ねじ部（図示略）が形成されており、この雌ねじ部にカバー体１５の天井部１５Ａを貫通したねじ４１が取り付けられることで、支柱４０がカバー体１５の天井部１５Ａに固定される。また、支柱４０の下端には、支柱４０よりも縮径したねじ部４０Ａが形成されている。
一方、遮蔽板５０には、上記した支柱４０と対応する吊り下げ位置に、ねじ部４０Ａが貫通する貫通孔（図示略）が形成されるとともに、遮蔽板５０の下面に当該ねじ部４０Ａがねじ止めされるナット５５がロウ付け等によって固着されている。このため、遮蔽板５０に設けたナット５５に支柱４０のねじ部４０Ａをねじ込むことにより、制御基板３０は、支柱４０と遮蔽板５０とで挟持され、カバー体１５の天井部１５Ａから吊り下げられて支持される。
【００１８】
この構成によれば、制御基板３０をカバー体１５の天井部１５Ａから吊り下げて支持しているため、半導体モジュールの外側位置でヒートシンクに立設した支持台に制御基板を支持させる構成と比べて、この制御基板を半導体モジュールよりも大きく形成する必要はない。従って、電力変換装置１０自体の小型化を図ることが可能となる。
更に、制御基板３０をカバー体１５の天井部１５Ａから吊り下げる構成では、この制御基板３０の下方に位置する半導体モジュール２０の形状等による制約を受けることなく、制御基板３０の吊り下げ位置を決定することができる。
ここで、制御基板３０は、上述したように、各種の電気部品を実装して形成されている。この種の制御基板では、重量の重い電気部品が実装されている部分ほど共振が大きく、振動による影響が大きい。本構成では、図１に示すように、重量の重いトランス３２に近接した位置を支柱４０によって自在に支持することができるため、このトランス３２の共振を抑制することができ、制御基板３０の振動をより効果的に抑制できる。支柱４０とトランス３２との距離Ｌ１、Ｌ２は、近いほど振動を抑制する効果が高いため、本実施形態では、支柱４０は、トランス３２と短絡を生じさせない最短の距離位置で制御基板３０を支持している。
また、本実施形態では、半導体モジュール２０から制御基板３０に延びる信号ピン２５をトランス３２に近接した位置に配置することで、制御基板３０の振動抑制の向上を図っている。
【００１９】
また、遮蔽板５０は、制御基板３０と略平行に延びて当該制御基板３０に当接する当接部５４を備え、この当接部５４と支柱４０とで制御基板３０を狭持している。このため、制御基板３０は、遮蔽板５０の当接部５４と当接する部分で厚みが厚くなることで剛性が向上するため、制御基板３０の振動を抑制することができる。なお、遮蔽板５０は、制御基板３０の下面３０Ｂの電気部品が設けられた位置と対応する位置に、当接部５４よりも高さ方向に低くへこんだ凹部５１が形成されている。この凹部５１は、制御基板３０の下面３０Ｂの電気部品との干渉を避ける部位であり、プレス加工により一体に形成されている。本構成では、凹部５１を設けることにより、遮蔽板５０の強度を保持したまま板圧を薄くすることができるため、電力変換装置１０の軽量化を図ることが可能となる。
また、遮蔽板５０は、上記したカバー体１５に固定されている。具体的には、図１に示すように、遮蔽板５０は、側壁部５２と、この側壁部５２の下端から当接部５４と略水平に外方に延出するフランジ部５３とを一体に備えており、このフランジ部５３がカバー体１５とともにヒートシンク１１に固定されている。これにより、制御基板３０を支持するカバー体１５と遮蔽板５０とが支柱４０及びねじ１７により一体に形成されるため、これらカバー体１５及び遮蔽板の剛性を向上させることができ、制御基板３０の振動をより効果的に抑制することができる。この場合、側壁部５２は、カバー体１５の側壁部１５Ｂに沿って配置することにより、側壁部５２の剛性が向上し、制御基板３０の振動をより一層抑制することができる。
【００２０】
次に、図４を参照して、電力変換装置１０の組付手順を説明する。
まず、図４Ａに示すように、各収容部２１Ｂにスイッチング素子２２及びフライホイールダイオード２３を収容するとともに、これらスイッチング素子２２及びフライホイールダイオード２３に電気的に接続される信号ピン２５を配置し、収容部２１Ｂに樹脂材を流入させて封止して半導体モジュール２０を形成する。そして、この半導体モジュール２０をヒートシンク１１上にボルト（図示略）にて固定する。
次に、図４Ｂに示すように、ヒートシンク１１上に遮蔽板５０を載せる。この場合、遮蔽板５０は、フランジ部５３によって高さ方向の位置決めがなされ、水平方向の位置決めは、貫通孔に信号ピン２５を貫通させることで実行される。さらに、この遮蔽板５０の上に制御基板３０を載せ、この制御基板３０を貫通した信号ピン２５の先端２５Ａをはんだ等により制御基板３０の電気回路に接続する。
次に、図４Ｃに示すように、支柱４０を制御基板３０及び遮蔽板５０を貫通させた後、遮蔽板５０に設けられたナット５５にねじ込むことにより取り付ける。最後に、カバー体１５を遮蔽板５０の側壁部５２に沿って被せ、このカバー体１５と支柱４０とをねじ４１で固定するとともに、当該カバー体１５のフランジ部１５Ｃ及び遮蔽板５０のフランジ部５３をヒートシンク１１にねじ１７で固定する。
【００２１】
以上、説明したように、本実施形態によれば、パワーモジュール１３と、このパワーモジュール１３を冷却するヒートシンク１１と、パワーモジュール１３を覆うカバー体１５とを備える電力変換装置１０において、パワーモジュール１３は、ヒートシンク１１上の載置される半導体モジュール２０と、この半導体モジュール２０を制御するための電気部品が実装されて当該半導体モジュール２０の上部に配置される制御基板３０とを備え、この制御基板３０をカバー体１５の天井部１５Ａから吊り下げて支持したため、この制御基板３０を半導体モジュール２０よりも大きく形成する必要はなく、その分、電力変換装置１０の小型化を図ることが可能となる。さらに、制御基板３０を吊り下げる際に半導体モジュール２０の形状による制約を受けないので、振動を抑える最適な位置で制御基板３０を自在に支持することができ、従って、制御基板３０の振動を抑制することができる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、制御基板３０上に実装される重量の重いトランス３２に近接した位置を支持したため、このトランス３２の共振を抑制することができ、制御基板３０の振動をより効果的に抑制できる。
【００２３】
また、本実施形態によれば、カバー体１５の天井部１５Ａから下方に延びる複数の支柱４０と、制御基板３０の下面３０Ｂに当接配置されて半導体モジュール２０から発生される電磁波を遮蔽するための遮蔽板５０とを備え、この遮蔽板５０と支柱４０とで制御基板３０を挟持したため、制御基板３０が遮蔽板５０と密着して支持されることにより、この制御基板３０の剛性が向上し、当該制御基板３０の振動を抑制することができる。
【００２４】
また、本実施形態によれば、遮蔽板５０をカバー体１５に固定したため、制御基板３０を支持するカバー体１５及び遮蔽板５０の剛性を向上させることができ、制御基板３０の振動をより効果的に抑制できる。
【００２５】
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることは勿論である。例えば、図５に示すように、制御基板３０を支柱４０に変えてボルト４４で吊り下げても良い。この図５の電力変換装置７０では、上記ボルト４４を介して、カバー体１５の天井部１５Ａから制御基板３０が吊り下げられる点、制御基板３０に実装される部品（例えばトランス３２）の高さが低い点が、上記実施形態と異なり、それ以外は同一の構成を有するため、同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
この変形例では、カバー体１５の天井部１５Ａからボルト４４を介して制御基板３０を吊り下げているため、ボルト４４の締め込み量によって、制御基板３０と天井部１５Ａとの高さｈを適宜調整することができ、この高さｈが低い場合に特に有効となる。また、支柱４０及びねじ４１を使用しないことにより、部品点数が減り、組立て工数も削減でき、軽量かつ安価に製造することができる。
【００２６】
また、図６に別の変形例にかかる電力変換装置８０を示す。この変形例では、遮蔽板５０にナット５５を設ける代わりにねじ部５６を一体に形成した点で上記実施形態と異なる。上記実施形態と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
このねじ部５６は、遮蔽板５０に貫通孔をプレス加工する際に、遮蔽板５０の厚み方向に突出させた突出部を形成し、この突出部にねじを形成したものである。この構成では、突出部は貫通孔と同時にプレス加工で形成することができるため、ナット５５を遮蔽板５０に取り付けるものと比べて、部品点数が削減できるとともに組立て工数も削減でき、軽量かつ安価に製造することができる。さらに、ねじ部５６が形成される突出部を遮蔽板５０と一体に形成するため、この遮蔽板５０の剛性が向上し、ひいては、制御基板３０の振動抑制を図ることができる。
【符号の説明】
【００２７】
１０、７０、８０  電力変換装置
１１  ヒートシンク
１３  パワーモジュール
１５  カバー体
１５Ａ  天井部
１５Ｂ  側壁部
１５Ｃ  フランジ部
２０  半導体モジュール
２１Ｂ  収容部
２２  スイッチング素子
２３  フライホイールダイオード
２５  信号ピン
２５Ａ  先端
３０  制御基板
３０Ａ  上面
３０Ｂ  下面
３２  トランス（電気部品）
４０  支柱
５０  遮蔽板
５１  凹部
５２  側壁部
５３  フランジ部
５４  当接部
Ｌ１、Ｌ２  距離
【図１】
0005551048.tif 000002
【図２】
0005551048.tif 000003
【図３】
0005551048.tif 000004
【図４】
0005551048.tif 000005
【図５】
0005551048.tif 000006
【図６】
0005551048.tif 000007