(57)【要約】【課題】積層ユニットと、樹脂でモールドされたリアクトルを有する電力変換装置において、リアクトルを効果的に冷却する技術を提供する。【解決手段】電力変換装置２は、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールと平板型の複数の冷却プレートを交互に積層した積層ユニット２０と、樹脂でモールドされたリアクトル４と、積層ユニットとリアクトルを収容するケース１０と、積層ユニットに積層方向の荷重を加える板バネ３を備える。リアクトル４には、樹脂モールドの表面に一部が露出しており他部が樹脂に埋め込まれている伝熱板５が備えられている。ケース１０にリアクトル４が固定されている。積層ユニット２０がリアクトル４と隣接して配置されている。板バネ３が、積層ユニット２０とリアクトル４の間で、積層ユニットの積層方向端部の冷却プレート２１ａと、リアクトルの樹脂モールド表面に露出している伝熱板５の双方に接している。【選択図】図２
2014082840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールと平板型の複数の冷却プレートを交互に積層した積層ユニットと、
樹脂でモールドされたリアクトルと、
積層ユニットとリアクトルを収容するケースと、
積層ユニットに積層方向の荷重を加える弾性部材と、
を備えており、
リアクトルには、樹脂モールドの表面に一部が露出しており他部が樹脂に埋め込まれている伝熱板が備えられており、
ケースにリアクトルが固定されており、
積層ユニットがリアクトルと隣接して配置されており、
弾性部材が、積層ユニットとリアクトルの間で、積層ユニットの積層方向の端部の冷却プレートと、リアクトルの樹脂表面に露出している伝熱板の双方に接して嵌挿されている、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
伝熱板は、樹脂の内部でリアクトルのコイルに接近するように湾曲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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ回路と電圧コンバータ回路を含む電力変換装置に関する。特に、電気自動車の走行用モータを駆動するための電力変換装置に関する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や燃料電池車を含む。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車は、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した周波数の交流電力に変換するインバータ回路を備える。電気自動車の走行用モータは大出力であるため、電力変換装置が扱う電流も大きく、その発熱量は大きい。特に、スイッチング素子として用いられるトランジスタ（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ）や、そのトランジスタに逆並列に接続されるダイオードの発熱量が大きい。それら大電流を扱う半導体素子はパワー素子と呼ばれることがある。パワー素子を効果的に冷却すべく、半導体素子（パワー素子）を平板型の半導体モジュールに収め、複数の半導体モジュールと平板型の複数の冷却プレートを交互に積層する構造が提案されている（特許文献１〜３）。そのような積層体を本明細書では積層ユニットと称する。
【０００３】
また、電気自動車の中には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。電圧コンバータ回路は、リアクトル（コイルを用いた受動素子）を備えるが、リアクトルの発熱量も大きい。そこで、積層ユニットの冷却器を利用してリアクトルまで冷却する工夫が考案されている。積層ユニットは、冷却プレートに冷媒を送るパイプと半導体モジュール冷却後の冷媒を排出するパイプが、積層ユニットの一端の冷却プレートに接続される。特許文献１では、その２本のパイプと接するようにリアクトルが配置される。また、特許文献２では、２本のパイプの間で積層ユニット端部の冷却プレートに接するようにリアクトルが配置される。本明細書では、積層ユニットとリアクトルと備えたデバイスを備え、直流を交流に変換する回路（インバータ回路）、及び／又は、電圧を変換する回路（電圧コンバータ回路）を備えたデバイスを電力変換装置と総称する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２２８４２６号公報
【特許文献２】特開２０１１−２０００９０号公報
【特許文献３】特開２０１１−１６７０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
リアクトルは、樹脂でモールドされることがある。そうすると、リアクトルの熱が外部へ拡散し難くなる。樹脂でモールドされたリアクトルからは、導電線（典型的には細長金属板のバスバ）が延びており、他の電気部品と接続されるが、この場合、バスバが唯一の伝熱経路となって他の電気部品まで加熱してしまう虞がある。他方、積層ユニットの冷却効率を高めるために、冷却プレートと半導体モジュールが密着するように弾性部材で積層方向に荷重を加えることが望ましい（例えば特許文献３）。本明細書は、積層ユニットと樹脂でモールドされたリアクトルを有する電力変換装置において、積層ユニットを積層方向に荷重する弾性部材を活用して、積層ユニットでリアクトルを効果的に冷却する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する電力変換装置の一実施形態は、樹脂でモールドされたリアクトルに、樹脂モールドの表面に一部が露出しており他部が樹脂に埋め込まれている伝熱板が備えられている。そのリアクトルは、ケースに固定されている。積層ユニットは、リアクトルと隣接して配置されている。そして、弾性部材が、積層ユニットとリアクトルの間で、積層ユニットの積層方向端部の冷却プレートと、リアクトルの樹脂モールド表面に露出している伝熱板の双方に接して嵌挿されている。伝熱板と弾性部材は、典型的には金属板でよい。上記の構成により、伝熱板と弾性部材が伝熱経路となり、樹脂内のリアクトルの熱が積層ユニットの端部の冷却プレートへと移送される。リアクトルの熱を効果的に積層プレートへ移送し、リアクトルと他の部品を電気的に接続するバスバを通じて移動する熱量を小さくすることができる。
【０００７】
本明細書が開示する電力変換装置の一つの改良では、伝熱板が、樹脂の内部でリアクトルのコイルに接近するように湾曲している。伝熱板をリアクトルのコイルに近づけることによって、リアクトルの熱の移送効率を高めることができる。
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の電力変換装置の分解斜視図である。
【図２】電力変換装置の斜視図である。
【図３】図２のＸＹ平面における電力変換装置の断面図である。
【図４】電力変換装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して実施例の電力変換装置２を説明する。図１に、電力変換装置２の分解斜視図を示し、図２に電力変換装置２の斜視図を示す。図３に、図２の座標系におけるＸＹ平面での断面図を示す。なお、図２は、カバーを外した様子を示している。電力変換装置２は、走行用のモータを２個備える電気自動車に搭載され、バッテリの電力を昇圧後、交流に変換して２個のモータに供給するデバイスである。
【００１１】
電力変換装置２は、主要な部品として、積層ユニット２０とリアクトル４、及び、コンデンサユニット７を備える。電力変換装置２は、その他の主要部品として、積層ユニットに内蔵された半導体素子を制御する回路基板を備えるが、その図示と説明は省略する。また、図では、ケース内の部品のレイアウトが理解し易いように、ケース１０の深さを低く描いていることに留意されたい。また、電気自動車の電力系の説明は図４を参照して後述する。
【００１２】
積層ユニット２０は、半導体素子を樹脂でモールドした平板型の複数の半導体モジュール２２と、内部を冷媒が通る平板型の複数の冷却プレート２１を交互に積層したものである。図３に示すように、冷却プレート２１の内部は空洞であり、その長手方向の両端に貫通孔が設けられている。冷却プレート２１は、熱がよく伝わるように熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウムで作られている。隣接する冷却プレート２１の貫通孔が接続管で接続されている。また、積層体の一方の端の冷却プレート２１の貫通孔には、外部から冷媒を供給する供給管２３と、冷却プレート２１を通過し半導体モジュール２２を冷却した後の冷媒を外部に排出する排出管２４が取り付けられている。積層体の他端に面する貫通孔は閉鎖されている。なお、図では一つの冷却プレートと一つの半導体モジュールにのみ符号２１と２２を付し、他の冷却プレートと半導体モジュールには符号を省略していることに留意されたい。ただし、供給管２３と排出管２４が接続されている端部とは反対側の端部に位置する冷却プレートにのみ、特別に符号２１ａを付してある。
【００１３】
半導体モジュール２２に収められる半導体素子は、スイッチング素子として用いられるトランジスタとそのトランジスタと逆並列に接続されるダイオードである。それらの半導体素子には、バッテリから大電力が流れるため、発熱量が大きい。また、電力変換装置２は、多数の半導体素子を備える。そこで、積層ユニット２０にそれらの半導体素子を集約し、集中して冷却する。半導体モジュール２２から冷却プレート２１への伝熱効率を高めるため、積層ユニット２０は、積層方向に荷重されつつ、ケース１０に収容される。ケース１０は、例えばアルミニウムで作られている。なお、図３の断面図では、半導体モジュール内にモールドされる半導体素子の図示は省略している。
【００１４】
リアクトル４は、磁性体のコア１３にコイル１４を巻き付けた受動素子である（図３参照）。コア１３とコイル１４で構成されるリアクトル本体９は、樹脂８でモールドされており、外部から本体は見えない。樹脂モールド８には金属製の伝熱板５が埋め込んであり、その一部が樹脂モールド８の側面に露出している。リアクトル４の機能は後に改めて説明するが、電力変換装置２に備えられる電圧コンバータの一部品をなす。リアクトル４にも大電流が流れるため、リアクトル４も発熱量が大きい。リアクトル４は、側面下部に設けられた貫通孔４ａにボルトを通し、ケース１０の下面の固定孔１２に固定される。
【００１５】
積層ユニット２０は、ケース１０の側壁１０ｂと、リアクトル４の間で挟持支持される。積層ユニット２０は、その積層方向で挟持される。積層ユニット２０を支持する側壁１０ｂは、強度を確保するため、他の側壁よりも厚く作られている。なお、側壁１０ｂの左右のスリット１０ａは、冷媒の供給管２３と排出管２４を通すために設けられている。
【００１６】
側壁１０ｂとリアクトル４の間には、積層ユニット２０とともに金属製の板バネ３が挟持される。板バネ３は、積層ユニット２０とリアクトル４の間に嵌装され、積層ユニット２０に積層方向の荷重を加える。荷重の反力はリアクトル４が受ける。板バネ３は、リアクトル４の側面に露出した伝熱板５と、積層ユニット２０の端部の冷却プレート２１ａの双方に接するように配置される。図３に良く示されているように、伝熱板５は、リアクトル４の樹脂モールド８の表面に露出している露出部５ａと、樹脂モールド８の内部でリアクトル本体９（コイル１４）に近づくように湾曲している埋設湾曲部５ｂで構成される。
【００１７】
伝熱板５と板バネ３によるリアクトル本体９の冷却について説明する。リアクトル本体９が発した熱は、伝熱板５の埋設湾曲部５ｂから露出部５ａへと伝わり、さらに、露出部５ａで接している板バネ３へと伝わる。板バネ３は、積層ユニット２０の端部の冷却プレート２１ａにも接しているので、板バネ３に伝わった熱は、冷却プレート２１ａへと移送される。結局、リアクトル本体９の発した熱は、伝熱板５、板バネ３を介して冷却プレート２１ａ（積層ユニット２０に付随する冷却器）へと移送される。
【００１８】
リアクトル本体９はコンデンサユニット７とバスバ６で接続されるため、リアクトル本体９が発した熱はバスバ６を介してコンデンサユニット７へも伝わる。しかし、冷却プレート２１ａの方がコンデンサユニット７よりも温度が低いので、伝熱板５、板バネ３を介した冷却プレートへの熱移送量の方が、バスバ６を介した熱移送量よりも大きい。それゆえ、伝熱板５を有する電力変換装置２は、従来の装置よりも、バスバ６を介してコンデンサユニット７へ移送される熱量を小さくすることができる。
【００１９】
図４のブロック図を参照して、電力変換装置２を搭載する電気自動車９０の電力系を説明する。電気自動車９０は、走行用に２個のモータ６１、６２を有する。電力変換装置２は、バッテリ５２の出力電圧を昇圧するとともに、その直流電力を走行に適した周波数の交流電力に変換してモータ６１、６２に出力する。即ち、電力変換装置２は、電圧コンバータ回路５６と、２個のインバータ回路５７ａ、５７ｂを備える。また、電圧コンバータ回路５６の入力側と出力側に、電流平滑用のコンデンサ５３、５４が接続されている。コンデンサ５３、５４は、ハードウエア的には、図１〜図３に示したコンデンサユニット７に内蔵されている。
【００２０】
電圧コンバータ回路５６は、トランジスタ５８とダイオード５９の逆並列接続で構成されるスイッチング回路が２個直列に接続したスイッチング直列回路５１ｇと、リアクトル４で構成される。トランジスタは典型的にはＩＧＢＴであるが、ＭＯＳＦＥＴなど他のタイプのトランジスタで構成される場合もある。図３の電圧コンバータ回路５６の構成は、図中の左側（バッテリ側）から右側（インバータ回路側）に向けて電圧を昇圧することができ、また、図中の右側から左側に向けて電圧を降圧することができる。電圧コンバータ回路５６は、車両の減速エネルギを利用してモータが発電した電力をバッテリに適した電圧まで降圧する。なお、モータ６１、６２が発電した交流電力はインバータ回路５７ａ、５７ｂが直流に変換してから電圧コンバータ回路に入力される。図４に示す電圧コンバータ回路の構成はよく知られているので詳しい説明は省略する。
【００２１】
第１のインバータ回路５７ａは、電圧コンバータ回路５６のスイッチング直列回路５１ｇと同じ構成のスイッチング直列回路５１ａ、５１ｂ、５１ｃが３個並列に接続された構成を有している。第２のインバータ回路５７ｂも同様に、スイッチング直列回路５１ｄ、５１ｅ、５１ｆが３個並列に接続された構成を有している。それぞれのスイッチング直列回路の中間点から交流が出力される。図４のインバータ回路の構成もよく知られているので詳しい説明は省略する。
【００２２】
図４に示すそれぞれのスイッチング直列回路は、別言すれば、２個のトランジスタが直列に接続しているとともに、それぞれのトランジスタにダイオードが逆並列に接続した構成を有している。このスイッチング直列回路の一つひとつが、図１〜図３に示した複数の半導体モジュール２２の夫々に収められている。すなわち、図１〜図３に示した積層ユニット２０は、スイッチング直列回路５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ、５１ｆ、５１ｇを集積したデバイスである。また、図４に示したように、リアクトル４は、電圧コンバータ回路の一部品として使われる。
【００２３】
実施例で示した技術の利点と留意点を述べる。実施例の電力変換装置２は、本体が樹脂でモールドされたリアクトル４とケース側壁１０ｂの間で積層ユニット２０が板バネ３によって荷重されつつ挟持支持される。リアクトル４の樹脂モールド８には伝熱板５が埋設されており、その一部がリアクトル４（樹脂モールド８）の側面に露出している。リアクトル４と積層ユニット２０の間に嵌挿されて積層ユニット２０をその積層方向に荷重する板バネ３は、積層ユニット２０の端部の冷却プレート２１ａと伝熱板５の露出部５ａの双方に接する。伝熱板５の樹脂埋設部５ｂは樹脂モールド８の内部でリアクトル本体９（コイル１４）に近づくように湾曲している。リアクトル本体９が発した熱は、伝熱板５と板バネ３を介して冷却プレート２１ａへと移送される。それゆえ、リアクトル本体９とコンデンサユニット７を接続しているバスバ６を介してコンデンサユニット７へ伝わる熱を小さくすることができる。
【００２４】
板バネ３が弾性部材の一例に相当する。弾性部材は、板バネに限られず、コイルバネであってもよい。伝熱板５は、樹脂モールド８の内部でリアクトル本体９に接近するように湾曲しているが、伝熱板５は、コイル１４が絶縁されていれば、コイル１４に接していてもよい。
【００２５】
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。
【符号の説明】
【００２６】
２：電力変換装置
３：板バネ
４：リアクトル
５：伝熱板
６：バスバ
７：コンデンサユニット
８：樹脂モールド
１０：ケース
１０ａ：スリット
１０ｂ：側壁
１０ｃ：底面
１３：コア
１４：コイル
２０：積層ユニット
２１：冷却プレート
２２：半導体モジュール
２３：供給管
２４：排出管
５１ａ−５１ｆ：スイッチング直列回路
５２：バッテリ
５３、５４：コンデンサ
５６：電圧コンバータ回路
５７ａ、５７ｂ：インバータ回路
５８：トランジスタ
５９：ダイオード
９０：電気自動車
【図１】
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【図２】
2014082840.tif 000004
【図３】
2014082840.tif 000005
【図４】
2014082840.tif 000006