(57)【要約】【課題】本明細書は、電圧コンバータ回路に並列に接続されているコンデンサ素子を備える電力変換装置に関する。コンデンサ素子を収容するコンデンサケースと電力変換装置の筐体との間の熱伝導率を向上させるとともに、その高い熱伝導率が高振動環境下でも低下し難い構造を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電力変換装置２は、電圧コンバータ回路に並列に接続されるコンデンサ素子１３ａ、１３ｂと、コンデンサ素子を収容するコンデンサケース１２と、コンデンサケースを収容するとともに、電圧コンバータ回路を構成する積層ユニット４０を収容する金属製の筐体３を備える。コンデンサケース１２は、筐体３に設けられた収容部に放熱接着剤１５によって接着されているとともに、筐体３の底側と開口側でボルト１６ａ−１６ｃにて固定されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧コンバータ回路に並列に接続されているコンデンサ素子と、
前記コンデンサ素子を収容するコンデンサケースと、
前記コンデンサケースを収容するとともに、前記電圧コンバータ回路を構成する半導体素子を収容する金属製の筐体と、
を備えており、
前記コンデンサケースは、前記筐体に設けられた収容部に放熱接着剤によって接着されているとともに、前記筐体の底側と開口側でボルトにて固定されていることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧コンバータ回路やインバータ回路を含む電力変換装置に関する。特に、電動車両の走行用モータに電力を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、走行用のモータを備えるがエンジンは備えない電気自動車あるいは燃料電池車、及び、走行用にモータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車を含む。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は様々な場所で使われている。近年、ハイブリッド車が普及してきているが、ハイブリッド車（ハイブリッド車を含む電動車両）もバッテリの直流電力を走行用モータ駆動用の交流電力に変換する電力変換装置を搭載している。典型的な電力変換装置は、パワートランジスタと呼ばれる半導体素子のスイッチング動作によって電力を変換する。半導体素子のスイッチング動作による電流の脈動を抑制するため、あるいは、電圧コンバータ回路の一部品として、電力変換装置はコンデンサ素子を備えることが多い。走行用モータに電力を供給する電力変換装置は扱う電力が大きいので、半導体素子もコンデンサ素子も発熱量が多くなる。特に、大容量のコンデンサ素子は、サイズも大きくなる。他方、車載装置には小型化も求められる。即ち、電子部品のサイズが大きいと、電力変換装置の筐体内におけるレイアウトにも工夫が必要である。
【０００３】
そのような車載の電力変換装置の一例が特許文献１、２に開示されている。それらの文献に開示された電力変換装置では、コンデンサ素子は、専用のケース（コンデンサケース）に収容され、そのコンデンサケースが電力変換装置の筐体にボルト締結される。コンデンサケースは、筐体開口（上面）にてボルト締結される。なお、コンデンサケース内面とコンデンサ素子との間には、樹脂製の封止部材が充填される。また、特許文献２の電力変換装置は、筐体の内部空間が、半導体素子と冷却器を収容する冷却器収容空間とコンデンサ素子を収容するコンデンサ収容空間に分かれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−９５８１号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１７３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
コンデンサケースを筐体に単にボルト締結しただけでは、コンデンサケースと筐体の間に微視的な隙間が生じ、高い熱伝達特性が得られない。コンデンサケースと筐体の間に、熱伝導率の高い封止材を充填して熱伝達特性を高めることが考えられるが、車載器には継続的に振動が加わるため、封止材が剥がれる虞がある。
【０００６】
本明細書は、電圧コンバータ回路に並列に接続されるコンデンサ素子を備える電力変換装置に関する。本明細書が開示する電力変換装置は、コンデンサ素子を収容するコンデンサケースと電力変換装置の筐体との間の熱伝導率（熱伝達率）を向上させるとともに、その高い熱伝導率が持続的な振動環境下でも低下し難い構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する電力変換装置では、電圧コンバータ回路に並列に接続されるコンデンサ素子が専用のケース（コンデンサケース）に収容されており、そのコンデンサケースが電力変換装置の筐体にボルト締結されている。なお、電圧コンバータ回路を構成する半導体素子（コンデンサ素子と電気的に接続される素子）も筐体に収容される。半導体素子は、電圧コンバータ回路とインバータ回路を構成するスイッチング素子（トランジスタ）であり、典型的には、樹脂でモールドされる。電力変換装置はコンデンサ素子を収容するとともに、半導体素子を樹脂でモールドした複数のパワーカードと複数の冷却プレートを交互に積層した積層ユニットを収容する。
【０００８】
本明細書が開示する電力変換装置では、さらに、コンデンサケースは、筐体に設けられた収容部に放熱接着剤によって接着されているとともに、筐体の底側（下部）と開口側（上部）でボルトにて固定されている。コンデンサケースと筐体の隙間を単なる充填剤ではなく放熱接着剤を充填することで、コンデンサケースと筐体の間に高い熱伝導率を実現するとともに、それらを強固に固定する。なお、放熱接着剤とは、熱伝導接着剤とも呼ばれ、高い熱伝導率を有する材料で作られた接着剤である。例えば、シリコン、あるいは、熱伝導性エポシキなどを主材料とした接着剤が、これらに相当する。また、熱伝導率を高くするため、金属フィラー（小さい金属片）を混入することもある。
【０００９】
さらに、上記の電力変換装置は、コンデンサケースを、放熱接着剤で固定するだけでなく、筐体の底側（下部）と開口側（コンデンサケースを挿入する筐体開口側であり、別言すれば筐体の上部）でボルトにて固定する。なお、筐体は有底筒状であるため、「底側」は、「筐体の下部」と換言することができ、「開口側」は「筐体の上部」（底側とは反対側）と換言することができる。上記の電力変換装置はコンデンサケースをその上下にてボルト固定するので、高い耐振動性を有する。特許文献１、２に開示された電力変換装置ではコンデンサケースは筐体上部のみでボルト締結されているため、コンデンサケースは片持ち支持となり、締結箇所から最も遠いコンデンサケースの下部が振動し易くなる。これに対して本明細書が開示する電力変換装置では、コンデンサケースはその上下でボルト締結されるため、両持ち支持と等価となるので振動し難い。コンデンサケースが振動し難いので、コンデンサケースと筐体の間に充填された放熱接着剤が剥離し難くなる。即ち、本明細書が開示する電力変換装置は、コンデンサケースと筐体の間に高い熱伝導率が実現されるとともに、その高い熱伝導率が継続的に振動を受ける環境下でも低下し難い。
【発明の効果】
【００１０】
本明細書が開示する技術は、電圧コンバータ回路に並列に接続されるコンデンサ素子を備える電力変換装置に関し、コンデンサ素子を収容するコンデンサケースと電力変換装置の筐体との間の熱伝導率を向上させるとともに、その高い熱伝導率が継続的振動の環境下でも低下し難い構造を提供する。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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例の電力変換装置を含むハイブリッド車の電力系のブロック図である。
【図２】電力変換装置の上面図である。
【図３】図２のIII−III線における断面図である。
【図４】図２のIV−IV線における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、ハイブリッド車に搭載され、バッテリの直流電力を交流電力に変換し、走行用モータに供給するデバイスである。まず、電力変換装置を含むハイブリッド車の電力系を説明する。
【００１３】
図１にハイブリッド車３０の電力系のブロック図を示す。メインバッテリ３１がシステムメインリレー３２を介して電力変換装置２に接続されている。電力変換装置２は、メインバッテリ３１の電力を昇圧する電圧コンバータ回路３３と、昇圧後の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路３５を備えている。インバータ回路３５の出力が電力変換装置２の出力に相当し、モータ３７に供給される。モータ３７の出力トルクとエンジン３６の出力トルクは動力分配機構３８で合成あるいは分配されて車軸３９に伝達される。
【００１４】
電力変換装置２の回路構成を概説する。電圧コンバータ回路３３は、２個のパワートランジスタ２１ａ、２２ａの直列回路と、一端がその直列回路の中点に接続しており、他端は電圧コンバータ回路３３の入力端に接続しているリアクトル６と、電圧コンバータ回路３３の入力端に並列に接続されているフィルタコンデンサ５ａで構成されている。インバータ回路３５は、２個のパワートランジスタ２１ｂ、２２ｂの直列回路が３セット並列に接続されている回路構成を有する。なお、図１ではいくつかのパワートランジスタへの符号は省略している。３セットの直列回路の中点からＵＶＷ相の交流が出力される。各パワートランジスタ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂには、ダイオードが逆並列に接続されている。電圧コンバータ回路３３に含まれるパワートランジスタとインバータ回路に含まれるパワートランジスタはコントローラ基板３４からＰＷＭ信号を受けて作動する。電圧コンバータ回路３３とインバータ回路３５の構造は良く知られているので詳しい説明は省略する。
【００１５】
電圧コンバータ回路３３の出力端、換言すれば、インバータ回路３５の入力端に、平滑化コンデンサ５ｂが並列に接続されている。平滑化コンデンサ５ｂは、電圧コンバータ回路３３の出力電流、換言すればインバータ回路３５への入力電流に重畳する脈動成分を平滑化する。
【００１６】
電圧コンバータ回路３３とインバータ回路３５の各素子は、走行用モータ３７に供給する大電流が流れるため発熱量が多い。発熱量の大きい素子の典型は、図１に示したパワートランジスタ２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、フィルタコンデンサ５ａ、平滑化コンデンサ５ｂ、リアクトル６である。
【００１７】
電力変換装置２の筐体内部のハードウエアレイアウトを説明する。図２は、電力変換装置２の上面図である（カバーの図示は省略している）。また、図３は、図２のIII−III線における断面図である。図４は、図２のIV−IV線における断面図である。
【００１８】
電力変換装置２の筐体３の内部は、３つの空間に区画されている。夫々、コンデンサ収容空間Ｓｐ１、冷却器収容空間Ｓｐ２、及び、基板収容空間Ｓｐ３である。基板収容空間Ｓｐ３については図３、図４を参照されたい。なお、筐体３は、アルミニウム製である。
【００１９】
冷却器収容空間Ｓｐ２には、積層ユニット４０とリアクトルユニット４６が収容される。積層ユニット４０は、平板型の複数の冷却器４２と平板型の複数のパワーカード２０を交互に積層したデバイスである。積層ユニット４０の積層方向の一端は筐体３の側壁内面に当接しており、他端は板バネ４５で押さえ付けられている。板バネ４５をはさんで積層ユニット４０の反対側にリアクトルユニット４６が配置されている。リアクトルユニット４６は、図１の回路図におけるリアクトル６に対応する。なお、図４では、リアクトルユニット４６を二点破線の矩形で簡略化して描いてある。
【００２０】
パワーカード２０について説明する。各パワーカード２０には２個のパワートランジスタが封止されている。なお、図３に、パワーカード２０の断面が示されているので参照されたい。２個のパワートランジスタは、樹脂パッケージ２３により封止されている。その２個のパワートランジスタは、上アームトランジスタ２１と下アームトランジスタ２２であり、それらは樹脂パッケージ２３の内部で直列に接続されている。なお、図示を省略しているが、パワーカード２０には、各パワートランジスタに逆並列に接続されるダイオードも封止されている。ダイオードは、図３においてパワートランジスタ２１、２２の後側に位置している。一つのパワーカード２０が一つの直列回路に相当する。一つのパワーカード２０におけるパワートランジスタ２１、２２の直列回路が、図１の例えば電圧コンバータ回路のパワートランジスタ２１ａ、２２ａに相当する。あるいは、別の一つのパワーカード２０におけるパワートランジスタ２１、２２の直列回路が、図１のインバータ回路のパワートランジスタ２１ｂ、２２ｂに相当する。
【００２１】
図３に示されているように、樹脂パッケージ２３の上端から３個の端子２０ａ、２０ｂ、及び、２０ｃが伸びている。端子２０ａは、パワートランジスタの直列回路の高電位側端子に相当し、端子２０ｂは、その低電位側端子に相当する。また、端子２０ｃは、直列回路の中点に相当する。端子２０ａ、２０ｂ、及び、２０ｃには夫々バスバが接続されるが、図２ではバスバの図示を省略している。図３では、端子２０ａ、２０ｂとコンデンサ素子１３ｂを接続するバスバ８ａ、８ｂは描かれているが、端子２０ｃに接続されるバスバは図示を省略している。それらのバスバについては後に説明する。コンデンサ素子１３ｂは、図１の回路図における平滑化コンデンサ５ｂに相当する。コンデンサ素子１３ａは、図１の回路図におけるフィルタコンデンサ５ａに相当する。
【００２２】
また、樹脂パッケージ２３の下端からは、各パワートランジスタ２１、２２のゲートに通じるゲート端子２１ｄ、２２ｄが伸びている。ゲート端子２１ｄ、２２ｄは、冷却器収容空間Ｓｐ２から基板収容空間Ｓｐ３へと伸びており、基板収容空間Ｓｐ３に格納されているコントローラ基板３４に接続している。なお、コントローラ基板３４の図示は省略されている。
【００２３】
積層ユニット４０を構成する複数の冷却器４２には、冷媒供給管４３と冷媒排出管４４が貫通しており、冷媒供給管４３と冷媒排出管４４は筐体３の外へと伸びている。各冷却器４２の内部は空洞であり、冷媒供給管４３を通じて外部から供給された冷媒は冷却器４２の内部を通り、冷媒排出管４４を通じて外部へ排出される。積層ユニット４０の一方の端の冷却器４２は筐体３と接しており、各冷却器４２は、その両側に接しているパワーカード内のパワートランジスタ２１、２２を冷却するとともに、金属製の筐体３を介してリアクトルユニット４６（図１のリアクトル６）とコンデンサ素子１３ａ、１３ｂ（図１のフィルタコンデンサ５ａ、平滑化コンデンサ５ｂ）を冷却する。
【００２４】
筐体３のコンデンサ収容空間Ｓｐ１と冷却器収容空間Ｓｐ２は隔壁４で仕切られている。隔壁４は、筐体３の一部である。筐体３の内壁の一部と隔壁４により、容器状のコンデンサ収容空間Ｓｐ１が形成されている。
【００２５】
コンデンサ素子１３ａと１３ｂは、樹脂製のコンデンサケース１２に収容され、そのコンデンサケース１２がコンデンサ収容空間Ｓｐ１に収容される。コンデンサ素子１３ａ、１３ｂと、コンデンサケース１２を合わせてコンデンサユニット１０と称する。コンデンサ素子１３ａ、１３ｂは、コンデンサケース１２の中で、ポッティング樹脂１４で固定されている。別言すれば、コンデンサケース１２の内面とコンデンサ素子１３ａ、１３ｂの間の空間がポッティング樹脂１４で満たされている。コンデンサ素子１３ａ、１３ｂの上面もポッティング樹脂１４で覆われている。ポッティング樹脂１４は絶縁体である。ポッティング樹脂１４は、最初は流動性を有する樹脂を上記した空間に流し込み、その後固化させたものである。即ち、ポッティング樹脂１４は、ポッティング加工により充填される。
【００２６】
コンデンサ素子１３ｂは、筐体３の底面と平行な２面に電極を備えている。その電極と、パワーカード２０の端子２０ａ、２０ｂ（パワートランジスタの端子）をバスバ８ａ、８ｂが繋いでいる（図３参照）。なお、図２ではバスバの図示は省略している。また、図３では、バスバ８ａが断面で示されており、バスバ８ｂのコンデンサ素子１３ｂとの接続箇所は、バスバ８ａの陰に隠れて見えない。バスバ８ａ、８ｂは、ポッティング樹脂１４の内部を通り、コンデンサ素子１３ｂと接続している。バスバ８ａは、筐体３の底面に近い側において、コンデンサ素子１３ｂの電極と接続されている。バスバ８ｂは、筐体底面から遠い側において、コンデンサ素子１３ｂの電極と接続されている。バスバ８ａ、８ｂは、大電流を低抵抗で伝達するための導電部材であり、細長の銅板で作られている。コンデンサ素子１３ａは、不図示の別のバスバでコンデンサ素子１３ｂと同様に接続されている。
【００２７】
コンデンサユニット１０は、筐体３のコンデンサ収容空間Ｓｐ１に収容されるが、その際、コンデンサケース１２の周囲の空間が放熱接着剤１５で満たされる。別言すれば、コンデンサケース１２（コンデンサユニット）は、放熱接着剤１５で筐体３に固定されている。放熱接着剤１５は、優れた放熱特性を有する機能性接着剤である。その主成分は、例えばシリコン樹脂であり、その熱伝導率は、例えば４［Ｗ／ｍ・Ｋ］程度である。なお、放熱接着剤には、熱伝導率を高めるために、金属フィラーや非導電性フィラーを含むものもある。
【００２８】
コンデンサケース１２（コンデンサユニット１０）は、放熱接着剤１５で筐体３に固定されているだけでなく、３本のボルト１６ａ、１６ｂ、１６ｃでも筐体３に固定されている。図２−図４に示されているように、コンデンサケース１２は、筐体３の開口側にて、１本のボルト１６ａで固定されており、筐体３の底側にて２本のボルト１６ｂ、１６ｃで固定されている。なお、図４は、ボルト１６ｂを通る断面を示している。ここで、「開口側」とは、筐体３の開口を示している。「開口側」は、別言すると、コンデンサケース１２を挿入する側に相当する。なお、ボルト１６ａ−１６ｃによる３箇所の固定点は、その３箇所を結ぶ三角形内に、コンデンサユニット１０の重心が含まれるように選定されている。
【００２９】
上記したように、コンデンサケース１２（コンデンサユニット１０）は、放熱接着剤１５と、３本のボルト１６ａ−１６ｃという異なる２種類の固定手段で固定されている。この構造の利点を説明する。コンデンサケース１２を放熱接着剤１５で固定することによって、コンデンサ素子１３ａ、１３ｂの熱が筐体３へ効率よく拡散される。
【００３０】
一方、電力変換装置２は、車載用であり、走行中に継続的に振動を受ける。コンデンサケース１２（コンデンサユニット１０）は、放熱接着剤１５によって筐体３に固定されてはいるが、継続的な振動を受けると劣化し、放熱接着剤１５が剥離する虞がある。そこで、電力変換装置２では、コンデンサケース１２を３本のボルト１６ａ−１６ｃで固定し、振動を抑制する。特に、コンデンサケース１２を、その上部（筐体３の開口側）と下部（筐体３の底側）で固定することにより、コンデンサケース１２は上下の両側で支持されることになり、耐振動特性が高められる。すなわち、電力変換装置２は、継続的な振動を受ける環境下で長期間使われても、放熱接着剤１５がコンデンサケース１２あるいは筐体３の内面から剥離し難い。
【００３１】
電力変換装置２のそのほかの特徴を述べる。電力変換装置２では、バスバ８ａが隔壁４に沿って伸びている。コンデンサ素子１３ａ、１３ｂに接続しているバスバ８ａを金属製の筐体３の隔壁４に並走させることで、バスバ８ａに流れる電流から生じる磁界の一部を隔壁４で吸収することができ、インダクタンスを低減できる。その結果、電力変換装置の損失を低減することができる。
【００３２】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。パワートランジスタ２１、２２が、半導体素子の一例に相当する。パワートランジスタ２１ａ、２２ａが、電圧コンバータ回路を構成する半導体素子の一例に相当する。また、コンデンサケース１２は、金属製であってもよいし、樹脂製であってもよい。
【００３３】
コンデンサ素子の放熱効率を高めることのさらなる利点を説明する。大容量のコンデンサ素子としては、フィルム型のコンデンサ素子が適している。フィルム型のコンデンサ素子では、容量が同じ場合、フィルム膜厚が薄いほど、コンデンサ素子のサイズを小さくすることができる。しかし、フィルム膜厚を薄くすると蒸着膜間の距離が狭まり、耐電圧性能が下がってしまう。耐電圧性能は、温度が高いほど低下する。それゆえ、コンデンサ素子の放熱効率を高めることは、コンデンサ素子の環境温度範囲の上限を下げることにつながる。環境温度範囲の上限が下がれば、要求される高温特性の要求が緩和されるので、即ち、高温下における耐電圧性能の要求も緩和されるので、フィルム膜厚を薄くすることができ、結果、コンデンサ素子を小型化することができる。
【００３４】
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】
【００３５】
２：電力変換装置
３：筐体
４：隔壁
５ａ：フィルタコンデンサ
５ｂ：平滑化コンデンサ
６：リアクトル
８ａ、８ｂ：バスバ
１０：コンデンサユニット
１２：コンデンサケース
１３ａ、１３ｂ：コンデンサ素子
１４：ポッティング樹脂
１５：放熱接着剤
１６ａ−１６ｃ：ボルト
２０：パワーカード
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ：端子
２１、２１ａ、２１ｂ、２２、２２ａ、２２ｂ：パワートランジスタ（半導体素子）
２３：樹脂パッケージ
３０：ハイブリッド車
３１：メインバッテリ
３２：システムメインリレー
３３：電圧コンバータ回路
３４：コントローラ基板
３５：インバータ回路
３６：エンジン
３７：モータ
４０：積層ユニット
４２：冷却器
４３：冷媒供給管
４４：冷媒排出管
４５：板バネ
４６：リアクトルユニット
Ｓｐ１：コンデンサ収容空間
Ｓｐ２：冷却器収容空間
Ｓｐ３：基板収容空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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