(57)【要約】【課題】絶縁耐圧が足りない電気機器を使用する際にも装置の大型化を抑制することができる車両用電力変換装置を提供することである。【解決手段】実施形態の車両用電力変換装置は、電気機器と、支持部材と、冷却器と、絶縁部材と、を持つ。電気機器は、車両に搭載される。支持部材は、前記電気機器が固定される。冷却器は、前記電気機器から熱を受けて放熱する。絶縁部材は、前記支持部材および冷却器の間に配置され、前記支持部材よりも外形状が大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された電気機器と、前記電気機器が固定された支持部材と、前記電気機器から熱を受けて放熱する冷却器と、前記支持部材および冷却器の間に配置され、前記支持部材よりも外形状が大きい絶縁部材と、を備えている車両用電力変換装置。
【請求項２】
前記絶縁部材と前記冷却器との間に配置される第二支持部材を備え、前記支持部材および第二支持部材は、前記絶縁部材を介して互いに接合されている請求項１に記載の車両用電力変換装置。
【請求項３】
前記第二支持部材は、前記絶縁部材よりもさらに大きい外形状を有している請求項２に記載の車両用電力変換装置。
【請求項４】
前記電気機器の主回路を介さず前記電気機器の端子と前記支持部材とを接続する抵抗経路を備えている請求項１から３の何れか一項に記載の車両用電力変換装置。
【請求項５】
前記絶縁部材を介さず前記支持部材と前記冷却器とを接続する第二抵抗経路をさらに備えている請求項４に記載の車両用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、車両用電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に搭載された半導体素子と、半導体素子が固定された受熱板と、受熱板から熱を受けて大気に放出する放熱部と、を備えた車両用電力変換装置が知られている。この車両用電力変換装置は、受熱板が放熱部に対して複数のビス等で着脱可能に取り付けられている。受熱板と放熱部との間には、受熱板と重なる熱伝導シートが介設される。これにより、半導体素子が発生する熱が受熱板および熱伝導シートを介して放熱部に伝達され、放熱部から大気に放熱される。
【０００３】
通常、半導体素子は絶縁耐圧性能を満たす。一方、絶縁耐圧性能を満たさない半導体素子を使用せざるを得ない場合もある。この場合、半導体素子が取り付く放熱部にも電圧がかかる。すなわち、熱伝導シートが絶縁性を有していても、受熱板と同サイズの熱伝導シートでは受熱板の外側で沿面距離が不足する。このため、放熱部は絶縁物を介して筐体に支持される。しかし、放熱部の周囲に絶縁物を追加すると、装置が大型化する場合があった。また、放熱部が接地されないので、放熱部のフィン部分を筐体から離して絶縁距離（空間距離）を取ることを要し、この点でも装置が大型化する場合があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−５０２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、絶縁耐圧が足りない電気機器を使用する際にも装置の大型化を抑制することができる車両用電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の車両用電力変換装置は、電気機器と、支持部材と、冷却器と、絶縁部材と、を持つ。電気機器は、車両に搭載される。支持部材は、前記電気機器が固定される。冷却器は、前記電気機器から熱を受けて放熱する。絶縁部材は、前記支持部材および冷却器の間に配置され、前記支持部材よりも外形状が大きい。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態の車両用電力変換装置の断面図。
【図２】実施形態の熱伝導絶縁シートを挟んだアルミブロックの平面図。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図。
【図４】実施形態の比較例の車両用電力変換装置の断面図。
【図５】実施形態の第一の変形例を示す回路図。
【図６】実施形態の第二の変形例を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態の車両用電力変換装置を、図面を参照して説明する。本実施形態では、車両用電力変換装置の一例として、機関車の車体の下方に搭載された車両用電力変換装置を示している。
【０００９】
図１に示すように、実施形態の車両用電力変換装置１は、筐体２と、パワーユニット３と、図示しない電気部品等と、を備えている。パワーユニット３は、冷却器４と、半導体モジュール（電気機器）５と、アルミブロック６と、フレーム１３と、図示しないフィルタコンデンサおよびゲートアンプ等と、を備えている。
【００１０】
筐体２は、車体１４の下方にマウントされ、車体１４および車輪等を介してアースされている。筐体２は、半導体モジュール５を配置する密閉空間ｋ１を形成するとともに、冷却器４のフィン部分４ａを配置する外気開放空間ｋ２を形成する。
冷却器４は、例えばアルミ合金で形成されたヒートシンクであり、パワーユニット３が発生する熱を受ける。冷却器４は、パワーユニット３から受けた熱をフィン部分４ａで放熱する。冷却器４は、放熱した熱を筐体２に形成された間口２ａを通じて外気に放出する。
【００１１】
フレーム１３は、冷却器４の外周部をマウントする枠状をなし、筐体２の隔壁２ｂに防水パッキン１２およびボルトナット等の連結具（不図示）を介して連結される。冷却器４およびフレーム１３は、前記連結具を介して筐体２にアースされている。
半導体モジュール５は、例えば、スイッチング素子であり、スイッチング動作を行うことで、入力電力を所定の出力電力に変換する。半導体モジュール５は、アルミブロック６にマウントされている。
【００１２】
図２、図３を併せて参照し、アルミブロック６は、厚板状の小アルミブロック（支持部材）９および同じく厚板状の大アルミブロック（第二支持部材）８の間に、熱伝導絶縁シート（絶縁部材、以下、単に絶縁シートという。）７を挟んで構成されている。小アルミブロック９は、図２に示す平面視で長方形状をなしている。以下、小アルミブロック９の図２中矢印Ｘで示す長辺方向をＸ方向、図２中矢印Ｙで示す短辺方向をＹ方向という。小アルミブロック９の厚さ方向（図２の奥行方向）の一側面には、複数の半導体モジュール５が固定されている。小アルミブロック９の厚さ方向の他側面は、冷却器４に絶縁シート７および大アルミブロック８を介して対向する対向面９ａとされている。
【００１３】
大アルミブロック８および熱伝導絶縁シート７は、それぞれ小アルミブロック９よりもＸ方向およびＹ方向に大きい平面視長方形状をなしている。詳しくは、絶縁シート７は、小アルミブロック９の対向面９ａよりもＸ方向およびＹ方向で略同等幅だけ大きい平面視長方形状をなしている。大アルミブロック８は、絶縁シート７よりもＹ方向で大きい平面視長方形状をなしている。
【００１４】
絶縁シート７は、熱をよく伝えながら絶縁ができ、かつ熱圧着により被着体に強固に接着されるものである。絶縁シート７は、例えば利昌工業株式会社製「ES-3245（商品名）」が挙げられる。絶縁シート７は、冷却器４および半導体モジュール５の間の熱伝導性を高めるため、厚さは２００μほどとされる。
【００１５】
小アルミブロック９および大アルミブロック８は、ビス等の締結具を用いることなく、絶縁シート７の接着力によって一体に接合されている。すなわち、小アルミブロック９および大アルミブロック８は、ビス等の導通部材を用いた結合ではない。よって、小アルミブロック９および大アルミブロック８が互いに重なる領域では、絶縁シート７を貫通する貫通孔等は存在しない。このため、小アルミブロック９および大アルミブロック８が互いに重なる領域での絶縁状態が保たれる。
【００１６】
小アルミブロック９の平面視の外側には、全周に渡って絶縁シート７の外周部が略一定幅で配置されている。これにより、小アルミブロック９の平面視の外側でも、全周に渡って沿面距離が確保されるので、大アルミブロック８との間の絶縁状態が保たれる。
【００１７】
絶縁シート７を被着体に圧着する際、比較的大型の冷却器４に対して絶縁シート７を圧着することは困難である。本実施形態では、小アルミブロック９および大アルミブロック８の間に絶縁シート７を挟んでこれらを熱圧着する。これにより、小アルミブロック９、大アルミブロック８および絶縁シート７を一体化した絶縁アルミブロック６を容易に形成することができる。小アルミブロック９、大アルミブロック８および絶縁シート７を一体のアルミブロック６とすることで、複数部品の取り扱いを容易にすることができる。
【００１８】
大アルミブロック８は、絶縁シート７よりもＹ方向の外側に、Ｘ方向で並ぶ複数のビス挿通孔１０を有している。複数のビス挿通孔１０には、それぞれ冷却器４と反対側からビス（不図示）が挿通される。これら複数のビスが冷却器４に形成されたナット穴（不図示）にそれぞれ螺入されることで、大アルミブロック８ひいてはアルミブロック６が冷却器４に固定される。
【００１９】
大アルミブロック８は、厚さ方向に貫通するビス挿通孔１０に替わり、厚さ方向で冷却器４側に開口する有底のナット穴を有してもよい。この場合、冷却器４に挿通されたビスが大アルミブロック８のナット穴に螺入されることで、大アルミブロック８ひいてはアルミブロック６が冷却器４に固定される。
【００２０】
小アルミブロック９は、厚さ方向で半導体モジュール５側に開口する有底のナット穴１１を有している。ナット穴１１は、例えばＸ方向に複数並んで設けられている。複数のナット穴１１には、それぞれ冷却器４と反対側からビス（不図示）が螺入される。これら複数のビスおよびナット穴１１により、複数の半導体モジュール５が小アルミブロック９ひいてはアルミブロック６に固定される。有底のナット穴１１を形成する都合上、小アルミブロック９は大アルミブロック８よりも厚さを有している。
【００２１】
アルミブロック６（大アルミブロック８）は、図示しない絶縁コンパウンドを介して冷却器４に取り付けられる。半導体モジュール５は、図示しない絶縁コンパウンドを介してアルミブロック６（小アルミブロック９）に取り付けられる。半導体モジュール５は、筐体２内の密閉空間ｋ１に配置される。半導体モジュール５は、外部からの影響を受けない密閉空間ｋ１に設置されるので、塵、埃、水等が付着することによる破損を回避しやすい。半導体モジュール５は、スイッチングにより電力を変換する際に発生する熱を冷却器４に伝達する。冷却器４は、フィン部分４ａが筐体２内の外気開放空間ｋ２に配置され、間口２ａを通じて筐体内部から筐体外部へ熱を放出する。
【００２２】
図４に示す比較例の車両用電力変換装置１５では、半導体モジュール５が冷却器４に直接固定される構成である。この構成では、半導体モジュール５の絶縁耐圧が足りない場合に、冷却器４を周囲から絶縁することを要する。図４の例では、冷却器４が絶縁物１６を介してフレーム１３に取り付けられている。このため、絶縁物１６の分だけフレーム１３が大型化し、フレーム１３を固定する筐体２も大型化するので、装置全体が大型化してしまう。また、冷却器４は非接地状態となるため、冷却器４のフィン部分４ａを筐体２から離して絶縁距離（空間距離）を取ることを要し、この点でも装置全体が大型化してしまう。
【００２３】
上記比較例に対し、本実施形態の車両用電力変換装置１では、半導体モジュール５が固定される小アルミブロック９と冷却器４との間に、小アルミブロック９の冷却器４との対向面９ａよりも全周に渡って外形状が大きい絶縁シート７を備えている。絶縁シート７が大きいので、絶縁シート７の外周部は、小アルミブロック９よりも外側に張り出して配置される。絶縁シート７が小アルミブロック９よりも外側に配置されるので、小アルミブロック９よりも外側に沿面距離が確保される。よって、小アルミブロック９と冷却器４とが重なる領域での絶縁性に加え、小アルミブロック９よりも外側の領域でも冷却器４との絶縁性が確保される。小アルミブロック９（および半導体モジュール５）と冷却器４との間の絶縁性が確保されるので、絶縁耐圧が足りない半導体モジュール５を使用した場合にも、冷却器４には電圧が印加されない。冷却器４に電圧が印加されないので、冷却器４と冷却器４を支持するフレーム１３との間の絶縁物が不要になる。その上で、冷却器４とフレーム１３等との間の導通（短絡）を抑止することができる。
【００２４】
また、小アルミブロック９（および半導体モジュール５）と冷却器４との間の絶縁性が確保されるので、冷却器４を筐体２に接地することができる。冷却器４を筐体２に接地することで、冷却器４と筐体２との間の絶縁距離（空間距離）の確保が不要になり、筐体２ひいては装置全体の小型化を図ることができる。
以上説明したように、本実施形態の車両用電力変換装置１によれば、絶縁耐圧が足りない半導体モジュール５を使用する際にも装置全体の大型化を抑制することができる。
【００２５】
また、本実施形態では、絶縁シート７と冷却器４との間に大アルミブロック８を配置している。小アルミブロック９および大アルミブロック８は、絶縁シート７を介して互いに接合され、絶縁シート７を挟んだアルミブロック６を一体に形成している。
これにより、小アルミブロック９、大アルミブロック８および絶縁シート７を一体のアルミブロック６として容易に取り扱うことが可能となる。この場合、冷却器４に絶縁シート７を直接設置する場合に比して、絶縁シート７を設置する際に取り扱う対象部品が小型になり、絶縁シート７の設置工程を容易にすることができる。
また、小アルミブロック９および大アルミブロック８に対し、半導体モジュール５および冷却器４をそれぞれ着脱可能とすると好ましい。この場合、絶縁耐圧が足りる半導体モジュール５を使用する場合に、一体のアルミブロック６を無くせば、冷却器４に半導体モジュール５を直接取り付ける態様となる。このため、半導体モジュール５の絶縁耐圧性能が異なる装置間で冷却器４を容易に流用することができる。
【００２６】
また、本実施形態では、大アルミブロック８は、絶縁シート７よりもさらに大きい外形状を有している。
これにより、絶縁シート７よりも外側に、大アルミブロック８を冷却器４に取り付けるための締結部等を配置可能となる。このため、大アルミブロック８を冷却器４に取り付けるための締結具等が小アルミブロック９からさらに離間する。よって、締結具等を通じた小アルミブロック９および冷却器４の間の導通を抑止することができる。
【００２７】
ここで、本実施形態の第一の変形例として、図５に示すように、半導体モジュール５の主回路を介さず半導体モジュール５の端子５ａと小アルミブロック９とを接続する抵抗経路１７を備えてもよい。
このように、半導体モジュール５の端子５ａと小アルミブロック９とを抵抗Ｒ３を有する抵抗経路１７でつなぐことで、絶縁シート７の熱伝導性を保ちつつ半導体モジュール５に電位差が偏ってかかることを抑制することができる。
すなわち、熱伝導性を考えると絶縁シート７は薄いとよいが、絶縁シート７が薄いと電気抵抗は小さくなる。すると、半導体モジュール５の内部抵抗Ｒ１と絶縁シート７の抵抗Ｒ２との差が大きくなり、半導体モジュール５の端子５ａにかかる電圧の大部分が半導体モジュール５にかかる。このため、半導体モジュール５にかかる電位差（負荷）が大きくなってしまう。
これに対し、半導体モジュール５と小アルミブロック９との間に別途の抵抗経路１７を追加することで、半導体モジュール５にかかる電位差を低減させることができる。
【００２８】
本実施形態の第二の変形例として、図６に示すように、絶縁シート７を介さず小アルミブロック９と冷却器４とを接続する第二抵抗経路１８をさらに備えてもよい。
このように、小アルミブロック９と冷却器４とを抵抗Ｒ４を有する第二抵抗経路１８でつなぐことで、第一の変形例の効果に加え、半導体モジュール５にかかる電位差をより調整しやすくなり、半導体モジュール５の負荷の管理を容易にすることができる。
【００２９】
なお、上述の実施形態では、支持部材および第二支持部材としてアルミブロックを例に説明したが、支持部材および第二支持部材はアルミブロックに限らない。例えば、支持部材および第二支持部材は、他の材料で形成してもよい。しかし、熱伝導性の高い材料としてアルミや銅等が好適である。変形例の抵抗経路は主回路端子に接続されるが、これに限らず、主回路端子に接続された導体に接続してもよい。
【００３０】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、車両用電力変換装置１は、車両に搭載された半導体モジュール５と、前記半導体モジュール５が固定された小アルミブロック９と、前記半導体モジュール５から熱を受けて放熱する冷却器４と、前記小アルミブロック９および冷却器４の間に配置され、前記小アルミブロック９の前記冷却器４よりも外形状が大きい絶縁シート７と、を持つことにより、絶縁耐圧が足りない半導体モジュール５を使用する際にも装置全体の大型化を抑制することができる。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３２】
１，１５…車両用電力変換装置、２…筐体、３…パワーユニット、４…冷却器、５…半導体モジュール（電気機器）、５ａ…端子、６…アルミブロック、７…熱伝導絶縁シート（絶縁部材）、８…大アルミブロック（第二支持部材）、９…小アルミブロック（支持部材）、９ａ…対向面、１３…フレーム、１４…車体、１６…絶縁物、１７…抵抗経路、１８…第二抵抗経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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