(57)【要約】【課題】トランスアクスル等の振動がパワーモジュールを収容するケースに伝達された場合であっても、その振動を抑制するとともに、ケースに固定される制御基板における熱歪みの発生を抑制する。【解決手段】ケース２０内には、複数のパワーモジュールと複数の冷媒流路とが積層された積層ユニットが収容されている。制御基板５０は、樹脂製の固定部材６０を介してケース２０の取付面２４に取り付けられ、信号線によってパワーモジュールに接続される。固定部材６０の線膨張率は、ケース２０の線膨張率よりも制御基板５０の線膨張率に近い値である。固定部材６０には、制御基板５０を固定部材６０に固定するための第１固定部６４と、固定部材６０をケース２０に固定するための第２固定部６６と、が設けられている。第１固定部６４及び第２固定部６６は、固定部材６０において、それぞれ異なる位置に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換用のスイッチング素子を含む複数のパワーモジュールと、前記パワーモジュールを冷却する冷媒が流れる複数の冷媒流路とが積層された積層ユニットと、
前記積層ユニットを収容するケースと、
前記ケースの外側の表面に固定された樹脂製の固定部材と、
前記固定部材に固定されて前記固定部材を介して前記ケースに取り付けられ、前記複数のパワーモジュールに接続される制御基板と、
前記制御基板を前記固定部材に固定する第１固定部と、
前記固定部材を前記ケースに固定する第２固定部と、を有し、
前記固定部材の線膨張率は、前記ケースの線膨張率よりも前記制御基板の線膨張率に近い値であり、
前記第１固定部と前記第２固定部とは、前記固定部材において別々の位置に配置されている、
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、自動車に用いられる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンバータ回路やインバータ回路等の電圧変換回路は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車の動力源である駆動モータに供給される駆動電力の生成に用いられる。
【０００３】
一般的に、電気自動車やハイブリッド自動車では、駆動モータから大きな駆動トルクを確保するために大きな駆動電力が必要となってきている。そのため、駆動モータ向けの駆動電力を生成する電力変換回路においては、電力変換回路を構成するＩＧＢＴ等のスイッチング素子を含むパワーモジュールからの発熱が大きくなる傾向にある。そこで、電力変換回路を構成する複数のパワーモジュールを冷却することができるように、内部に冷媒が流れる複数の冷媒流路をパワーモジュールと積層した電力変換装置が提案されている。
【０００４】
特許文献１には、複数のパワーモジュールと複数の冷媒流路とが積層されたユニットと、当該ユニットをケース内で支持する金属製ブラケットと、を備えた電力変換装置が開示されている。また、特許文献２，３には、複数のパワーモジュールと複数の冷媒流路とが積層されたユニットと、当該ユニットを保持するフレームと、フレームの開口部を塞ぐ蓋板と、を備えた電力変換装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−５１８４８号公報
【特許文献２】特開２０１２−２３１５９１号公報
【特許文献３】特開２０１２−２１７３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、複数のパワーモジュールと複数の冷媒流路とが積層された積層ユニットを用いる場合、パワーモジュールの数を増やすことで、筺体の大型化を抑制しつつ比較的容易に出力を大きくすることが可能となる。また、エンジンルームにおけるスペースの有効活用の観点から、積層ユニットをトランスアクスル上に搭載することがある。
【０００７】
しかしながら、パワーモジュールの数を増やした場合、積層ユニットの質量が増加して積層ユニットの共振周波数が低下する。また、パワーモジュールの数の増加に応じて、パワーモジュールを制御する制御基板を大型化する必要があり、制御基板の大型化によって、制御基板の共振周波数も低下する。このような共振周波数の低下は、振動の振幅の増大を招く。積層ユニットを収容するケースには、パワーモジュールに接続される制御基板等が固定されており、その振幅の増大によって、制御基板等に発生する歪みが増大し、振動に対する強度の信頼性が低下する問題がある。特に、トランスアクスル上に積層ユニットを搭載した場合、自動車のボディに積層ユニットを搭載する場合と比べて、エンジンや路面からの振動が積層ユニットに伝わり易くなるため、その振動によって、制御基板等の部品に歪みやクラックが発生し易くなる。
【０００８】
積層ユニットの振動を抑制するために、積層ユニットを収容するケースの剛性を高くすることが有効である。しかしながら、そのケースには制御基板が固定され、ケースの剛性を高くすると、高温時や低温時において、制御基板とアルミケース等との線膨張率の差に起因する熱歪みが発生し、制御基板にはんだクラックが発生しやすくなる問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、トランスアクスル等の振動がパワーモジュールを収容するケースに伝達された場合であっても、その振動を抑制するとともに、ケースに固定される制御基板における熱歪みの発生を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明は、電力変換用のスイッチング素子を含む複数のパワーモジュールと、前記パワーモジュールを冷却する冷媒が流れる複数の冷媒流路とが積層された積層ユニットと、前記積層ユニットを収容するケースと、前記ケースの外側の表面に固定された樹脂製の固定部材と、前記固定部材に固定されて前記固定部材を介して前記ケースに取り付けられ、前記複数のパワーモジュールに接続される制御基板と、前記制御基板を前記固定部材に固定する第１固定部と、前記固定部材を前記ケースに固定する第２固定部と、を有し、前記固定部材の線膨張率は、前記ケースの線膨張率よりも前記制御基板の線膨張率に近い値であり、前記第１固定部と前記第２固定部とは、前記固定部材において別々の位置に配置されている、ことを特徴とする電力変換装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、振動減衰能が高い樹脂製の固定部材によって制御基板がケースに固定されているため、トランスアクスル等の振動がケースに伝達された場合も、ケースと制御基板とが一体となって振動を抑制することができる。また、固定部材の線膨張率が、ケースの線膨張率よりも制御基板の線膨張率に近い値であり、第１固定部と第２固定部とが固定部材において別々の位置に配置されているため、ケースの熱歪みが制御基板に伝達することを抑制し、制御基板における熱歪みの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の一例を示す斜視図である。
【図２】本実施形態に係る電力変換装置のケースの一例を示す斜視図である。
【図３】本実施形態に係る固定部材の一例を示す斜視図である。
【図４】本実施形態に係る電力変換装置のＡ−Ａ断面図である。
【図５】本実施形態に係る電力変換装置のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】比較例１に係る電力変換装置のＡ−Ａ断面図である。
【図７】比較例１に係る電力変換装置のＢ−Ｂ断面図である。
【図８】比較例２に係る電力変換装置のＡ−Ａ断面図である。
【図９】比較例２に係る電力変換装置のＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１から図５を参照して、本実施形態に係る電力変換装置について説明する。図１に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１０は、複数のパワーモジュールと複数の冷媒流路とが積層された図示しない積層ユニットと、その積層ユニットを収容する金属製（例えばアルミニウム製）のケース２０と、複数のパワーモジュールに接続される制御基板５０と、ケース２０と制御基板５０との間に設けられ、制御基板５０をケース２０に取り付けるための樹脂製の固定部材６０と、を備える。積層ユニットは、ケース２０内においてケース２０に固定されている。なお、ケース２０は、別の部品に積層されていてもよい。
【００１４】
図２に示すように、ケース２０は、固定部材６０が固定される取付面２４を有する。その取付面２４には、固定部材６０を介して制御基板５０が取り付けられる。取付面２４には、ケース２０内のパワーモジュールと制御基板５０とを接続する信号線３６を通すための開口部が形成されている。
【００１５】
図３に示すように、固定部材６０は平板状の形状を有し、制御基板５０とケース２０内のパワーモジュールとを接続する信号線３６を通すための開口部６２が形成されている。また、固定部材６０には、制御基板５０を固定部材６０に固定するための複数の第１固定部６４と、固定部材６０をケース２０の取付面２４に固定するための複数の第２固定部６６と、が設けられている。第１固定部６４及び第２固定部６６には、固定部材６０の厚さ方向にネジ穴及び貫通穴が形成されている。第１固定部６４及び第２固定部６６は、固定部材６０において、それぞれ異なる位置に配置されている。
【００１６】
本実施形態では、固定部材６０の線膨張率は、ケース２０の線膨張率よりも制御基板５０の基材の線膨張率に近い値となっている。一例として、ケース２０の線膨張率は２１．０（ｐｐｍ／℃）であり、制御基板５０の基材の線膨張率は１２．０（ｐｐｍ／℃）であり、固定部材６０の線膨張率は、１２．０〜２１．０（ｐｐｍ／℃）の間で、制御基板５０の基材の線膨張率に近い値（例えば１２．０〜１６．５（ｐｐｍ／℃））となっている。
【００１７】
図１に示すように、制御基板５０には、固定部材６０の第１固定部６４に対応する位置に貫通穴５２が形成されている。また、ケース２０の取付面２４には、固定部材６０の第２固定部６６の貫通穴に対応する位置に、ネジ穴が形成された支持部が設けられている。
【００１８】
そして、図１に示すように、ネジ部材７０を、制御基板５０の貫通穴５２と固定部材６０の第１固定部６４のネジ穴とに通し、制御基板５０をネジ部材７０によって固定部材６０に固定する。また、ネジ部材７０とは別のネジ部材を、固定部材６０の第２固定部６６の貫通穴と、ケース２０の取付面２４に設けられている図示しない支持部のネジ穴と、に通し、固定部材６０を当該別のネジ部材によってケース２０の取付面２４に固定する。このようにして、制御基板５０は、固定部材６０を介してケース２０の取付面２４に取り付けられる。
【００１９】
ここで、図４を参照して、ケース２０内に設置された積層ユニットについて説明する。図４は、図２のＡ−Ａ断面図である。なお、図４には、制御基板５０が固定部材６０を介してケース２０に取り付けられた状態が示されている。ケース２０内には、平型の複数のパワーモジュール３２と平型の複数の冷媒流路３４とが交互に積層された積層ユニット３０が設置されている。積層ユニット３０は、ケース２０の取付部２２に固定されている。なお、図示するように、バネ部材２８によって、積層ユニット３０を積層方向に付勢して固定することが好ましい。固定部材６０は、取付面２４から上方に延びる支持部２６によって支持されている。支持部２６にはネジ穴が形成されており、そのネジ穴とネジ部材とによって、固定部材６０が取付面２４に固定されている。
【００２０】
パワーモジュール３２は、スイッチング素子を内蔵している。パワーモジュール３２と制御基板５０とは、信号線３６によって接続されている。制御基板５０は、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御する。冷媒流路３４には、パワーモジュール３２を冷却する冷媒が流れる。また、リアクトルとコンデンサとを含むユニット４０がケース２０内に設置されている。例えば、パワーモジュール３２内のスイッチング素子と、リアクトルと、コンデンサとによって、バッテリの電圧を変換するコンバータや、直流を交流に変換するインバータ等の電力変換回路が構成される。
【００２１】
また、一例として、図示しない２本のパイプが、複数の冷媒流路３４を貫いており、複数の冷媒流路３４を、それらが平行に並ぶように支持している。２本のパイプと各冷媒流路３４とは内部で通じており、一方のパイプから供給される冷媒（例えば水）は、各冷媒流路３４を通り、他方のパイプから排出される。スイッチング素子を内蔵するパワーモジュール３２は、隣接する２つの冷媒流路３４の間に挟まれている。積層ユニット３０では、平型のパワーモジュール３２の両面を冷媒が通るので、スイッチング素子を効率良く冷却することができる。
【００２２】
次に、図４及び図５を参照して、電力変換装置１０の制振及び熱歪み抑制作用について説明する。図５は、図２のＢ−Ｂ断面図である。なお、図５には、制御基板５０が固定部材６０を介してケース２０に取り付けられた状態が示されている。
【００２３】
例えば、エンジンや路面からの振動がケース２０に伝達された場合、図４に示すように、ケース２０に固定された積層ユニット３０が上下方向（Ｘ方向）に振動する。このとき、積層ユニット３０の質量で決まる共振周波数で共振が発生し、振動の振幅が増大する。本実施形態では、ケース２０よりも振動減衰能が高い樹脂製の固定部材６０によって制御基板５０がケース２０に固定されているため、共振時には固定部材６０が制振効果を発揮し、積層ユニット３０の上下方向の振動を抑制する。その結果、振動による部品（例えば冷媒流路３４や信号線３６の接続部等）の破損を防止することが可能となる。
【００２４】
また、高温時には、図５に示すように、ケース２０が横方向（Ｙ方向）に熱膨張する。本実施形態では、固定部材６０がケース２０に直接固定されているため、ケース２０が熱膨張した場合、ケース２０との線膨張率の差に起因する熱歪みが固定部材６０に発生する。しかしながら、制御基板５０は、線膨張率が近い固定部材６０を介してケース２０に取り付けられており、また、制御基板５０と固定部材６０とは共締めによってケース２０に固定されているわけではなく、第１固定部６４及び第２固定部６６が、それぞれ異なる位置に配置されているため、ケース２０の熱歪みが制御基板５０に伝達し難い構造となっている。そのため、制御基板５０における熱歪みの発生を抑制し、はんだクラックの発生を抑制することが可能となる。
【００２５】
次に、比較例１，２について説明する。図６及び図７に比較例１に係る電力変換装置を示し、図８及び図９に比較例２に係る電力変換装置を示す。図６及び図８は、図４に対応する断面図であり、図７及び図９は、図５に対応する断面図である。
【００２６】
比較例１では、図６及び図７に示すように、制御基板５０は、ケース２０の取付面２４に直接固定されている。比較例１は本実施形態と異なり、共振時の振動を抑制する部材が設けられていない。そのため、図６に示すように、積層ユニット３０が共振によって上下方向（Ｘ方向）に振動すると、その振動は抑制されず、その振動によって、冷媒流路３４や信号線３６の接続部等の部品に歪みが発生し、部品が破損するおそれがある。また、図７に示すように、高温時にケース２０が横方向（Ｙ方向）に膨張すると、制御基板５０とケース２０との線膨張率の差に起因する熱歪みが発生し、制御基板５０にはんだクラックが発生するおそれがある。
【００２７】
この比較例１に対して、ケース２０の剛性を強化したものが比較例２である。比較例２においても、図８及び図９に示すように、制御基板５０は、ケース２０の取付面２４に直接固定されている。比較例２では、ケース２０の剛性を強化するために、取付部２２の厚さが、比較例１と比べて厚くなっている。このように、取付部２２の厚さを増大させることで、その取付部２２に固定されている積層ユニット３０の振動の振幅が低減される。しかしながら、ケース２０の剛性を高くすると、高温時において、制御基板５０とケース２０との線膨張率の差に起因する熱歪みが増大し、制御基板５０にはんだクラックが発生しやすくなる。
【００２８】
これに対して、本実施形態では、固定部材６０を介して制御基板５０をケース２０に取り付けることで、上述したように、積層ユニット３０の振動を抑制しつつ、制御基板５０における熱歪みの発生を抑制することが可能となる。そのため、例えば、より大出力を得るためにパワーモジュール３２の数を増やすとともに、エンジンルームのスペース確保の観点から振動がより大きくなる場所（例えばトランスアクスル上）に電力変換装置１０を設置する場合であっても、積層ユニット３０の振動を抑制し、制御基板５０等の部品における熱歪みの発生を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
１０  電力変換装置、２０  ケース、２２  取付部、２４  取付面、２６  支持部、３０  積層ユニット、３２  パワーモジュール、３４  冷媒流路、３６  信号線、４０  ユニット、５０  制御基板、６０  固定部材、６２  開口部、６４  第１固定部、６６  第２固定部、７０  ネジ部材。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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