電力変換装置および電気自動車
【課題】スイッチング素子を制御する回路基板の温度上昇を抑制することのできる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置１０は、リアクトル８、放熱板６ｂ、スイッチング素子ＳＷを収めたパワーモジュール２２と、冷却器２５、スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板３と断熱材３１を備える。冷却器２５は、パワーモジュール２２と一体化しており、ＰＥユニット２０を構成する。放熱板６ｂは、一端が冷却器２５に接続しており、リアクトル８の上部に位置する。断熱材３１は、放熱板６ｂと回路基板３との間に配置されている。放熱板６ｂと回路基板３との間に配置された断熱材３１が、リアクトルの熱による回路基板への影響を低減する。
【解決手段】電力変換装置１０は、リアクトル８、放熱板６ｂ、スイッチング素子ＳＷを収めたパワーモジュール２２と、冷却器２５、スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板３と断熱材３１を備える。冷却器２５は、パワーモジュール２２と一体化しており、ＰＥユニット２０を構成する。放熱板６ｂは、一端が冷却器２５に接続しており、リアクトル８の上部に位置する。断熱材３１は、放熱板６ｂと回路基板３との間に配置されている。放熱板６ｂと回路基板３との間に配置された断熱材３１が、リアクトルの熱による回路基板への影響を低減する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車が普及し、ＤＣコンバータやインバータなどの電力変換装置が電気自動車に搭載されるようになってきている。電気自動車の車両駆動用モータは大きなトルクを出力するため、必要とする電流も大きい。そのため、メインバッテリの電力をモータ駆動に適した電力に変換する電力変換装置も大電流を扱うことになり、発熱量が大きい。他方、車両用のデバイスにはコンパクト性も求められる。電気自動車用の電力変換装置には、熱対策とコンパクト性の両立が求められる。なお、電力変換装置は、典型的には、直流を交流に変換するインバータ、あるいは、インバータと、直流電力の電圧を異なる電圧に変換する電圧コンバータの組み合わせである。なお、本明細書における「電気自動車」には、ハイブリッド車と燃料電池車も含まれる。
【０００３】
電力変換装置の中でも特に発熱源となるのは、スイッチング素子（ＩＧＢＴなどのいわゆるパワートランジスタや、それに並列接続されるフリーホイールダイオードなどのパワー素子）と、リアクトルである。リアクトルは、よく知られているように、コイルを主体とする受動素子であり、電力変換装置にあっては、主に、パワートランジスタに入力される電流あるいはパワートランジスタの出力電流を平滑化するのに用いられる。大電流の電送経路は短い方がよいため、リアクトルはパワートランジスタなどの電子部品の近傍に配置される。
【０００４】
パワートランジスタなどの部品と比較するとリアクトルはサイズが大きく、コンパクト性と放熱性を両立するのに工夫を要する。例えば特許文献１には、パワートランジスタとリアクトルを一つのケースにコンパクトに収めるとともに、リアクトルのコアをケースに接触させ、リアクトルの熱をケースに効率良く伝達して放熱する技術が提案されている。また、特許文献２には、リアクトルをスイッチング素子よりも冷媒の流れの下流側に配置し、リアクトルとスイッチング素子で構成されるデバイス全体の冷却効率を改善する技術が提案されている。さらに、特許文献３には、パワートランジスタとリアクトルを別々のケースに収容し、それぞれに放熱用の金属板を配置することで冷却効率を高める技術が開示されている。また、特許文献４には、スイッチング素子とリアクトルとそれらを冷却する冷却器をコンパクトに収めた電力変換装置が提案されている。その電力変換装置の冷却器は、平型の複数の冷媒通路を有しており、スイッチング素子を収めた複数の平型のパワーモジュールと冷媒通路が交互に積層した構造を有している。リアクトルは、最外側の隣接する２枚の冷媒通路に挟まれている。即ち、その電力変換装置では、リアクトルと複数のパワーモジュールがそれぞれ平型の冷媒通路にサンドイッチされている。なお、スイッチング素子をパワーモジュールとして他の回路（スイッチング素子を制御する回路など）と別体にするのは、スイッチング素子を集中的に冷却するためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１１３５４０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７７７４７号公報
【特許文献３】特開２０１１−０７８２１７号公報
【特許文献４】特開２０１０−２２５７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、電気自動車、特に、ハイブリッド車の高性能化が進み、搭載されるモータも高出力になってきている。電力変換装置もさらに大電流化が進み、これに伴い、これまで以上に高い冷却能力が求められている。その一方で、車載機器にはさらなるコンパクト性も求められる。他方、電力変換装置は、パワートランジスタなどのスイッチング素子をパッケージ化したパワーモジュールの他、パワーモジュール内のスイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板を含む。回路基板は、パワーモジュールとの間の電力損失をできるだけ小さくするため、パワーモジュールの近傍に配置される（回路基板上の回路とスイッチング素子は、本来は一枚の基板上に実装することが好ましいが、発熱量の大きいスイッチング素子の冷却ために別々の基板に実装される）。電力変換装置全体をコンパクトにするため、回路基板は当然にリアクトルとも近接する。発明者らの検討によると、回路基板は、大きな発熱源とはならないが、パワーモジュールやリアクトルの発熱により雰囲気温度が上昇すると、回路基板への熱害も無視できなくなることが判明した。本明細書は、上記課題を解決する。本明細書が開示する技術は、電力変換装置において、スイッチング素子を制御する回路基板の温度上昇を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する技術は、冷却器がパワーモジュールだけでなくリアクトルと回路基板も冷却するが、リアクトルから冷却器への伝熱経路と回路基板から冷却器への伝熱経路を分離し、回路基板の周囲に熱が溜まり難くする。本明細書が開示する技術の一実施形態の電力変換装置は、リアクトルと、スイッチング素子を収めたパワーモジュールと、パワーモジュールと一体化している冷却器と、放熱板と、回路基板と、断熱材を備える。放熱板は、一端が冷却器に接続しているとともに、リアクトルの上部に位置する。放熱板は、リアクトルの輻射を受けるが、その熱は冷却器を通じて外部に放出される。スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板は、リアクトルと放熱板の上部に配置されている。さらに断熱材が、放熱板と回路基板との間に配置されている。放熱板と回路基板との間に配置した断熱材が、リアクトルからの熱輻射を受けた放熱板の熱の回路基板への影響を低減する。断熱材は、好ましくは、放熱板の回路基板側の面に設けられている。そのような配置は、リアクトルの熱を回路基板に届き難くする。なお、熱の伝達経路に関しては、主に部品を支持する部材が伝熱経路となり得るので、リアクトルを支持するブラケットが、上記の放熱板の機能を兼ね備えていてもよい。
【０００８】
本明細書が開示する電力変換装置は、傾斜した上面を有するドライブトレインと組み合わせて電気自動車に搭載されることにも利点がある。即ち、電力変換装置は、ＰＥユニットが低い側に位置しリアクトルが高い側に位置するように傾斜上面に固定されるとよい。リアクトルが高い側に位置すると、電力変換装置のケース内部の温かい空気はリアクトルの上方に集まる。しかし、上記の電力変換装置では、リアクトルの熱はリアクトルの下側から効率よく放熱されるので、ケース内部に残留する熱が少なくなり、リアクトル上方に熱がこもり難くなる。しかも、第２冷却器が電力変換装置の底部に位置するので、リアクトルやＰＥユニットとドライブトレインとの熱的干渉を遮断できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の電力変換装置の側面図である。
【図２】実施例の電力変換装置の平面図である。
【図３】ＰＥユニットの模式的斜視図である。
【図４】第１変形例の電力変換装置の側面図である。
【図５】第２変形例の電力変換装置の側面図である。
【図６】第３変形例の電力変換装置の側面図である。
【図７】第４変形例の電力変換装置の側面図である。
【図８】エンジンコンパートメント内のデバイスレイアウトを示す斜視図である。
【図９】電力変換装置を載せたドライブトレインの模式的側面図である。
【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１０を説明する。図１は側面図であるが、理解を助けるために、図１は、ケース４とそのカバー２を断面で描き（ハッチングを付してある）、ケース内部の部品は側面図として描いてある。図２は平面図であるが、電力変換装置１０の上方に位置するカバー２と回路基板３を取り外したところを描いてある。
【００１１】
電力変換装置１０は、電気回路的には、バッテリの電圧を変換する電圧コンバータと、直流を交流に変換するインバータからなる。電圧コンバータとインバータの電気回路は、具体的には、リアクトル８と、平滑化コンデンサ９と、複数のパワーモジュール２２の内部のスイッチング素子ＳＷと、パワーモジュール２２内のスイッチング素子ＳＷを制御する回路基板３で構成される。よく知られているように、リアクトルは、電力変換装置にあって、スイッチング素子とともに電圧変換回路を構成する。電圧コンバータもインバータも、パワートランジスタと還流ダイオードが並列接続したスイッチング回路を複数有する。スイッチング回路を構成するパワートランジスタや還流ダイオードがスイッチング素子ＳＷに相当する。一つ又は２つのスイッチング回路が一つの独立した基板に搭載され、それを一つのパワーモジュール２２と称する。なお、図１〜図３では、図面を理解し易くするために６個のパワーモジュールのみを描いてあるが、電力変換装置１０はさらに多くのパワーモジュールを備えていてもよい。電力変換装置１０を構成する他の部材としては、パワーモジュール２２を冷却する冷却器２５、第１ブラケット５、第２ブラケット６がある。冷却器２５は、リアクトル８、及び、回路基板３も冷却する。また、第１ブラケット５は、回路基板３、冷却器２５とパワーモジュール２２のユニット（ＰＥユニット）をケース４に対して支持する部材である。第２ブラケット６は、冷却器２５とリアクトル８を連結する部材である。なお、第２ブラケット６は、冷却器２５に対してリアクトル８を支持する。
【００１２】
冷却器２５とパワーモジュール２２は一体化しており、それをＰＥユニット２０と称する。ＰＥユニット２０について説明する。図３に、ＰＥユニット２０の模式的斜視図を示す。冷却器２５では、２本のパイプ２９ａ、２９ｂが、複数の平型の冷媒通路２１を貫いており、複数の冷媒通路２１（冷却プレート）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２９ａ、２９ｂと、夫々の冷媒通路２１は、内部で通じており、一方のパイプ２９ａから供給される冷媒は、各冷媒通路２１を通り、他方のパイプ２９ｂから排出される。冷媒は、典型的には水、あるいはＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）でよい。スイッチング素子ＳＷを収めたパワーモジュール２２は、隣接する２枚の冷媒通路２１の間に挟まれている。すなわち、ＰＥユニット２０は、平型の複数のパワーモジュール２２と冷却器２５の複数の平型冷媒通路２１が交互に積層されて構成されたものである。ＰＥユニット２０では、平型のパワーモジュール２２の両面を冷媒が通るので、スイッチング素子ＳＷを効率よく冷却することができる。なお、各パワーモジュール２２（スイッチング素子ＳＷ）からはリード線２２ａが伸びている。このリード線２２ａは、図１に示すように回路基板３に繋がっている。また、ＰＥユニット２０の後端に相当する平型冷媒通路を特に符号２１ｅで表す。
【００１３】
図１、図２に戻り電力変換装置１０の内部構造の説明を続ける。平滑化コンデンサ９、ＰＥユニット２０、及び、回路基板３は、第１ブラケット５に支持される。リアクトル８は第２ブラケット６に支持される。平滑化コンデンサ９、ＰＥユニット２０、回路基板３、及び、リアクトル８は、いずれかのブラケットに支持されてケース４に収容される。第１ブラケット５は、ケース４の上方に固定され、カバー２で上から押さえられて固定される。図２によく示されているように、平面視すると、第１ブラケット５は、ＰＥユニット２０とリアクトル８を囲んでいる。
【００１４】
図１に示すように、ＰＥユニット２０は、第１ブラケット５から下方に伸びる２本のステー５ｂに挟まれて固定される。すなわちＰＥユニット２０は、その上方から第１ブラケット５に支持される。図１において左側のステー２ｂとＰＥユニット２０の端部との間にはバネ１３が嵌挿されており、このバネ１３が、２本のステー５ｂの間でＰＥユニット２０を付勢し、固定している。なお、バネ１３は、冷媒通路２１とパワーモジュール２２を積層方向に押圧し、これによって冷媒通路２１とパワーモジュール２２はしっかりと密着することになり、パワーモジュール２２の熱がよく冷媒通路２１に伝達される。
【００１５】
回路基板３には、パワーモジュール２２内の素子を制御する回路が実装されている。回路基板３は、第１ブラケット５から上方に伸びるステー５ａによって、ＰＥユニット２０とリアクトル８の上方に支持される。図１に示されているように、パワーモジュール２２から伸びているリード線２２ａが回路基板３に繋がっている。
【００１６】
リアクトル８は、第２ブラケット６（放熱板）によって支持される。第２ブラケット６は、ステー６ａと覆い部６ｂから構成されており、第２ブラケット６の端部に相当するステー６ａの端部が、ＰＥユニット２０の積層体の端部冷媒通路２１ｅの端面に固定される。ステー６ａの先端に覆い部６ｂが連なっている。覆い部６ｂは、リアクトル８のほぼ上半分を覆っている。覆い部６ｂの天井からステー６ｃが伸びており、リアクトル８はそのステー６ｃによって支持されている。なお、リアクトル８は、平行に並んだ２個のコイル（巻き線は１本）とそれらを貫通する１本のコアで構成されている。
【００１７】
第１ブラケット５は、ステー５ａ、５ｂを含めて一枚の金属板からプレス加工で製造される。第２ブラケット６は、ステー６ａ、覆い部６ｂ、及び、ステー６ｃを含めて、一枚の金属板からプレス加工で製造される。
【００１８】
第２ブラケット６の覆い部６ｂの上面に断熱シート３１（断熱材）が貼着されている。別言すれば、回路基板３と第２ブラケット６の覆い部６ｂの間に断熱シート３１が配置される。断熱材は、例えばフェノールフォームで作られる。フェノールフォームの中でも特定の種（例えばＡ種フェノールフォームと呼ばれる材料）は、その熱熱伝導率が0.022［Ｗ／ｍＫ］以下である。この値は、乾燥空気の熱伝導率（0.0241［Ｗ／ｍＫ］）よりも小さく、断熱性能が非常に高い。
【００１９】
第２ブラケット６によって、ＰＥユニット２０とリアクトル８は、空隙を隔てて隣り合うように支持される。また、第１ブラケット５によって、ＰＥユニット２０の上方に回路基板３が支持される。図１によく示されているように、回路基板３は、リアクトル８の上方（覆い部６ｂの上方）に空隙及び断熱シート３１を隔てて配置される。また、図１によく示されているように、第２ブラケット６は、冷却器２５の端部冷媒通路２１ｅとリアクトル８に接しているだけで他の部材には接していない。また、リアクトル８は、第２ブラケット６の覆い部６ｂ（ステー６ｃ）とバスバー７（後述）に接しているだけで他の部材には接していない。
【００２０】
図２によく示されているように、ＰＥユニット２０とリアクトル８の側方に、４個の平滑化コンデンサ９が並んでいる。平滑化コンデンサ９は、リアクトル８を流れる電流を平滑化するためのものである。電圧の変換（昇圧、あるいは、降圧）は、リアクトル８に流れる電流をチョッピングすることによって達成される。チョッピングする毎にリアクトル８を流れる電流が脈動するが、平滑化コンデンサ９がその脈動を抑える。コンデンサ９も第１ブラケット５に支持されている。リアクトル８とコンデンサ９はバスバー７で電気的に接続されている。バスバー７は、リアクトル８の下方から出ており、リアクトル８の側方を通り、コンデンサ９に達している。
【００２１】
電力変換装置１０の構造の利点を説明する。電力変換装置１０の冷却器２５は、主としてパワーモジュール２２を冷却するが、それ以外にも回路基板３とリアクトル８も冷却する。回路基板３の熱は、第１ブラケット５を通じて冷却器２５へと伝わる。また、リアクトル８の熱は、第２ブラケット６を通じて冷却器２５へと伝わる。特に、第２ブラケット６は、リアクトル８の熱を放出する放熱板の役割を果たす。第２ブラケット６は、その一端が冷却器２５に連結しており、またその一部がリアクトル８の上部に位置している。なお、第１ブラケット５、第２ブラケット６は、ともに金属板で作られており熱伝導性がよい。第２ブラケット５と第２ブラケット６は相互に接触していないから、伝熱経路が交錯することがない。特に、リアクトル８の熱が、回路基板３まで伝わることはない。また、リアクトル８はその上方で回路基板３とも隣接するが、リアクトル８の上部は第２ブラケット６の覆い部６ｂで覆われているため、リアクトル８に熱せられた周囲の空気が回路基板３の周りへ流れていくことがない。さらに、リアクトル８とＰＥユニット２０の間の空隙も、リアクトル８からの伝熱経路と回路基板３からの伝熱経路を分離することに寄与している。
【００２２】
さらに、覆い部６ｂの上面には断熱シート３１が貼着されている。断熱シート３１（断熱材）が、第２ブラケット６（放熱板）と回路基板３との間に配置されている。より詳しくは、断熱シート３１は、第２ブラケット６の回路基板３側の面に取り付けられている。断熱シート３１は、覆い部６ｂ（第２ブラケット６）と回路基板３の間を熱的に遮断する。特に、覆い部６ｂ（第２ブラケット６）は、リアクトル８の熱を奪ってその温度が上昇するが、断熱シート３１が覆い部６ｂの輻射熱を遮断し、回路基板３に放射されることを防止する。このように電力変換装置１０では、リアクトル８と回路基板３の伝熱経路を分離しており、リアクトル８の熱が回路基板３に伝わり難い構造を実現している。即ち、上記した構造によって、回路基板３が熱的に保護される。
【００２３】
次に、電力変換装置の変形例を説明する。図４は、第１変形例の電力変換装置１１０の側面図である。この電力変換装置１１０は、図１の電力変換装置１０の構成に加え、リアクトル８と覆い部６ｂの内側との間に絶縁シート１１２を配置したものである。絶縁シート１１２を配置することによって、覆い部６ｂとリアクトル８の間の隙間を狭くすることができる。これによって、電力変換装置全体をコンパクトにすることができる。あるいは、覆い部６ｂとリアクトル８の間の隙間を狭くした分だけ、覆い部６ｂの厚みを厚くし、覆い部６ｂの熱伝導率を高めることができる。絶縁シート１１２は、熱伝導率の大きい材料で作られているとよい。
【００２４】
図５は、第２変形例の電力変換装置２１０の側面図である。この電力変換装置２１０は、第２ブラケット６の覆い部６ｂの全体を断熱シート２１３で覆っている。その他の構成は図１の電力変換装置１０と同じである。電力変換装置２０は、リアクトル８を支持しているとともに覆っている覆い部６ｂの全体をさらに断熱シート２３１で覆うことによって、リアクトル８の熱をできるだけ覆い部６ｂの外側に漏れないようにしている。なお、温度の高い空気は上方に移動しようとするので、リアクトル８の下方は覆い部６ｂ及び断熱シート２３１で覆わずともよい。さらに、本変形例では、リアクトル８の下面とケース４の底面の間に伝熱材を充填することも好適である。リアクトル８の熱を、第２ブラケット６だけでなく、伝熱材とケース４を使って発散することができる。
【００２５】
図６は、第３変形例の電力変換装置３１０の側面図である。この電力変換装置３１０では、断熱シート３３１を、覆い部６ｂの上面ではなく、回路基板３とリアクトル８の間に位置する第１ブラケット５の一部の下面に貼着している。その他の構成は図１の電力変換装置１０と同じである。断熱シート３３１を、回路基板３と覆い部６ｂの間であって第１ブラケット５の下面に貼着する構成であっても、覆い部６ｂの輻射熱を遮断できる。それによって、回路基板３を熱的に保護することができる。
【００２６】
図７は、第４変形例の電力変換装置４１０の側面図である。この電力変換装置４１０では、冷却器に対してリアクトル８を支持する第２ブラケット６（放熱板）の覆い部４０６ｂが、容器状にリアクトル８を覆っているのではなく、リアクトル８をコの字状に覆っている例である。その他の構成は図１の電力変換装置１０と同じである。断熱シート３１は、コの字状の覆い部４０６ｂの上面、即ち、回路基板３側の面に貼着されている。図７の実施形態によっても、回路基板３を熱的に保護する効果が期待できる。
【００２７】
図８、図９を参照して電力変換装置１０（あるいは、電力変換装置１１０、２１０、３１０）を搭載した自動車９０を説明する。自動車９０は、エンジンＥＧとモータを搭載したハイブリッド車である。自動車９０は、モータを駆動するため、電力変換装置１０（インバータ）を搭載する。電力変換装置１０は、エンジンＥＧ、ドライブトレイン５０とともに、エンジンコンパートメントＥＣ内に搭載される。エンジンＥＧとドライブトレイン５０は、ラジエータＲＴの後方に配置される。エンジンＥＧとドライブトレイン５０は、横方向に並んで配置される。ドライブトレイン５０の側方には、バッテリＢＴが配置される。ドライブトレイン５０は、２個のモータＭＧ１とＭＧ２、及び、動力源（エンジンとモータ）の出力を車軸に伝達するトランスミッションＴＭを内蔵している。トランスミッションＴＭには、エンジンＥＧの出力軸も係合している。図９に示すように、ドライブトレイン５０では、２個のモータＭＧ１、ＭＧ２の出力シャフト５１、５２、及び、トランスミッションＴＭのメインシャフト５３（エンジン出力軸に相当する）の合計３本の主たるシャフトが平行となっている。図９に示すように、モータＭＧ１はやや上方に位置する。２個のモータＭＧ１、ＭＧ２とトランスミッションＴＭは、３本のシャフトが車両の横方向（図中のＹ軸方向）に伸びる向きに配置される。２個のモータＭＧ１、ＭＧ２とトランスミッションＴＭのそのような配置により、ドライブトレイン５０は、車両前側（図中、Ｘ軸の正方向）が低く、車両後側（図中、Ｘ軸の負方向）が高くなっている傾斜上面５０ａを有している。その傾斜上面５０ａに電力変換装置１０が固定されている。電力変換装置１０は、ＰＥユニット２０が低い側（車両前側）に位置しリアクトル８が高い側（車両後側）に位置するように傾斜上面５０ａに固定される。そのため、冷却器２５へ冷媒を通すパイプ２９が、電力変換装置１０の車両前側の側面から飛び出している。パイプ２９には冷媒管５５が連結されている。冷媒管５５を通じて冷媒が冷却器２５へ供給され、また冷却器２５から排出される。
【００２８】
電力変換装置１０は、リアクトル８が高い側に位置し、その上に回路基板３が位置する。電力変換装置１０内で熱い空気は、上方へ移動する。ここで、前述したように、リアクトル８はその上部が第２ブラケット６の覆い部６ｂに覆われており、さらにその覆い部６ｂの上面に断熱シート３１（２３１、３３１）が配置されているので、リアクトル８が発する熱は覆い部６ｂの内側に留まり、その上方に位置する回路基板３の周りには達しない。従って、回路基板３が熱的に保護される。
【００２９】
実施例の電力変換装置に関する留意点を述べる。ＰＥユニット２０は第１ブラケット５によって上方から支持されており、リアクトル８は第２ブラケット６によって上方から支持されている。ＰＥユニット２０とリアクトル８は、それらの側方から支持されていてもよい。ＰＥユニット２０と回路基板３は、第１ブラケット５を介してケース４に支持されており、ケース４から熱的に分離されている。リアクトル８は第２ブラケット６によってＰＥユニット２０に対して支持されており、やはりケース４からは熱的に分離されている。
【００３０】
熱の伝達経路に関しては、主に部品を支持する部材が伝熱経路となり得る。そこで、実施形態の電力変換装置の一態様では、冷却器と回路基板を支持するブラケットと、リアクトルを支持するブラケットを完全に分離し、伝熱経路を分離する。さらに、リアクトルの熱を冷却器へ伝達するブラケットと回路部品との間に断熱材を配置し、リアクトルの熱を回路部品に伝わり難くする。実施例の技術は、２個のブラケットと断熱材を採用することによってリアクトルと回路基板との伝熱経路を分離し、回路基板の温度上昇を抑制する。なお、「ブラケット」とは、一般に、部品（この場合はリアクトルなど）を固定する部材を示す語である。明細書にて説明する形状の他は、その形状に特段の制約はないことに留意されたい。
【００３１】
本明細書が開示する電力変換装置の一態様は、リアクトルと、スイッチング素子を収めたパワーモジュールと、スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板を備える。ここでの「パワーモジュール」とは、電圧コンバータやインバータの回路の中から集中的に冷却したい素子（ＩＧＢＴや還流ダイオード）を他の制御回路から独立させた基板を意味する。実施形態の電力変換装置の一態様は、冷却器と、第１及び第２ブラケットを備える。冷却器はパワーモジュールと一体化している。これは、冷却すべき最重要素子がスイッチング素子だからである。以下、スイッチング素子を収めたパワーモジュールとそれを冷却する第１冷却器が一体化したユニットを、パワー素子ユニット、略してＰＥユニットと称する。第１ブラケットは、回路基板を支持しているとともに、回路基板の下方に位置するようにＰＥユニットを支持する。第２ブラケットは、一端が冷却器に固定されており、回路基板の下方に位置するようにリアクトルを支持しているとともに、リアクトルの上部を覆っている。ここで、第１ブラケットと第２ブラケットは直接には接していない。なお、以下では、第２ブラケットにおいてリアクトルの上部を覆っている部分を「覆い部」と称する。そして、一実施形態の電力変換装置は、覆い部とその上方に位置する回路基板との間に、断熱材が配置される。
【００３２】
一実施形態においては、回路基板の熱は、第１ブラケットを通じて冷却器へと伝わる。リアクトルの熱は、第２ブラケットを通じて冷却器へと伝わる。第１ブラケットと第２ブラケットは直接には接していないので、リアクトルの熱は回路基板への伝わり難くなる。また、リアクトルの熱によって周囲の空気も熱せられるが、第２ブラケットの覆い部がリアクトルの上部を覆っているので、加熱された空気は覆い部よりも上へは移動し難い。覆い部の上方には回路基板が配置されているが、リアクトルの熱によって加熱された空気は、回路基板には届き難い。その上さらに、回路基板と第２ブラケットの覆い部との間に断熱材を配したので、覆い部の輻射により回路基板が熱せられることが妨げられる。以上の構成により、回路基板の温度上昇が抑制される。
【００３３】
断熱材は、その熱伝導率が空気の熱伝導率（乾燥空気の場合で0.0241［Ｗ／ｍＫ］）よりも小さいものが好ましい。そのような断熱材の材料としては、例えば、フェノールフォームがある。
【００３４】
本明細書が開示する電力変換装置さらに別の実施形態は、覆い部の内側とリアクトルとの間に絶縁シートが配置されているとよい。絶縁シートを配置することによって、覆い部とリアクトルの間の隙間を狭くすることができる。これによって、電力変換装置全体をコンパクトにすることができる。あるいは、覆い部とリアクトルの間の隙間を狭くした分だけ、覆い部の厚みを厚くし、覆い部の熱伝導率を高めることができる。
【００３５】
冷却器の一態様は、複数の平型冷媒通路が平行に並んでいる構造を有している。そして、平型の複数のパワーモジュールの各々が、隣接する平型冷媒通路の間に挟まれており、積層体を構成している。このとき、第１ブラケットは、その積層体を両側から挟んで支持しているとよい。また、第２ブラケットの一端が、積層体の端に位置する平型冷媒通路に固定されているとよい。即ち、積層体の端に位置する平型冷媒通路が、リアクトルの冷却と回路基板の冷却に主に寄与する。他の平型冷媒通路は、パワー素子モジュール（スイッチング素子）の冷却専用とすることができる。パワー素子モジュールの冷却を担当する平型冷媒通路と、リアクトル／回路基板の冷却を担当する平型冷媒通路を分離することによって、伝熱シミュレーションが行い易くなり、熱的設計が容易になる。熱的設計が容易になるということは、精緻な熱的設計ができることを意味し、冷却効率向上が期待できる。
【００３６】
断熱シートの材料の一例としてフェノールフォームを挙げたが、断熱シートはこれに限られるものではない。断熱シートは、その熱伝導率が空気の熱伝導率よりも小さいことが望ましいが、本明細書が開示する技術は、熱伝導率が空気の熱伝導率よりも大きい断熱シートの利用を除外するものではない。
【００３７】
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】
【００３８】
２：カバー
３：回路基板
４：ケース
５：第１ブラケット
６：第２ブラケット
６ａ、６ｃ：ステー
６ｂ：覆い部（放熱板）
７：バスバー
８：リアクトル
９：平滑化コンデンサ
１０：電力変換装置
１３：バネ
２０：パワー素子ユニット（ＰＥユニット）
２１：冷媒通路
２２：パワーモジュール
２５：冷却器
３１、２３１、３３１：断熱シート（断熱材）
５０：ドライブトレイン
５０ａ：傾斜上面
９０：自動車
１１０、２１０、３１０：電力変換装置
１１２：絶縁シート
４０６：放熱板
ＥＣ：エンジンコンパートメント
ＥＧ：エンジン
ＭＧ１、ＭＧ２：モータ
ＴＭ：トランスミッション
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車が普及し、ＤＣコンバータやインバータなどの電力変換装置が電気自動車に搭載されるようになってきている。電気自動車の車両駆動用モータは大きなトルクを出力するため、必要とする電流も大きい。そのため、メインバッテリの電力をモータ駆動に適した電力に変換する電力変換装置も大電流を扱うことになり、発熱量が大きい。他方、車両用のデバイスにはコンパクト性も求められる。電気自動車用の電力変換装置には、熱対策とコンパクト性の両立が求められる。なお、電力変換装置は、典型的には、直流を交流に変換するインバータ、あるいは、インバータと、直流電力の電圧を異なる電圧に変換する電圧コンバータの組み合わせである。なお、本明細書における「電気自動車」には、ハイブリッド車と燃料電池車も含まれる。
【０００３】
電力変換装置の中でも特に発熱源となるのは、スイッチング素子（ＩＧＢＴなどのいわゆるパワートランジスタや、それに並列接続されるフリーホイールダイオードなどのパワー素子）と、リアクトルである。リアクトルは、よく知られているように、コイルを主体とする受動素子であり、電力変換装置にあっては、主に、パワートランジスタに入力される電流あるいはパワートランジスタの出力電流を平滑化するのに用いられる。大電流の電送経路は短い方がよいため、リアクトルはパワートランジスタなどの電子部品の近傍に配置される。
【０００４】
パワートランジスタなどの部品と比較するとリアクトルはサイズが大きく、コンパクト性と放熱性を両立するのに工夫を要する。例えば特許文献１には、パワートランジスタとリアクトルを一つのケースにコンパクトに収めるとともに、リアクトルのコアをケースに接触させ、リアクトルの熱をケースに効率良く伝達して放熱する技術が提案されている。また、特許文献２には、リアクトルをスイッチング素子よりも冷媒の流れの下流側に配置し、リアクトルとスイッチング素子で構成されるデバイス全体の冷却効率を改善する技術が提案されている。さらに、特許文献３には、パワートランジスタとリアクトルを別々のケースに収容し、それぞれに放熱用の金属板を配置することで冷却効率を高める技術が開示されている。また、特許文献４には、スイッチング素子とリアクトルとそれらを冷却する冷却器をコンパクトに収めた電力変換装置が提案されている。その電力変換装置の冷却器は、平型の複数の冷媒通路を有しており、スイッチング素子を収めた複数の平型のパワーモジュールと冷媒通路が交互に積層した構造を有している。リアクトルは、最外側の隣接する２枚の冷媒通路に挟まれている。即ち、その電力変換装置では、リアクトルと複数のパワーモジュールがそれぞれ平型の冷媒通路にサンドイッチされている。なお、スイッチング素子をパワーモジュールとして他の回路（スイッチング素子を制御する回路など）と別体にするのは、スイッチング素子を集中的に冷却するためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１１３５４０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７７７４７号公報
【特許文献３】特開２０１１−０７８２１７号公報
【特許文献４】特開２０１０−２２５７２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、電気自動車、特に、ハイブリッド車の高性能化が進み、搭載されるモータも高出力になってきている。電力変換装置もさらに大電流化が進み、これに伴い、これまで以上に高い冷却能力が求められている。その一方で、車載機器にはさらなるコンパクト性も求められる。他方、電力変換装置は、パワートランジスタなどのスイッチング素子をパッケージ化したパワーモジュールの他、パワーモジュール内のスイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板を含む。回路基板は、パワーモジュールとの間の電力損失をできるだけ小さくするため、パワーモジュールの近傍に配置される（回路基板上の回路とスイッチング素子は、本来は一枚の基板上に実装することが好ましいが、発熱量の大きいスイッチング素子の冷却ために別々の基板に実装される）。電力変換装置全体をコンパクトにするため、回路基板は当然にリアクトルとも近接する。発明者らの検討によると、回路基板は、大きな発熱源とはならないが、パワーモジュールやリアクトルの発熱により雰囲気温度が上昇すると、回路基板への熱害も無視できなくなることが判明した。本明細書は、上記課題を解決する。本明細書が開示する技術は、電力変換装置において、スイッチング素子を制御する回路基板の温度上昇を抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する技術は、冷却器がパワーモジュールだけでなくリアクトルと回路基板も冷却するが、リアクトルから冷却器への伝熱経路と回路基板から冷却器への伝熱経路を分離し、回路基板の周囲に熱が溜まり難くする。本明細書が開示する技術の一実施形態の電力変換装置は、リアクトルと、スイッチング素子を収めたパワーモジュールと、パワーモジュールと一体化している冷却器と、放熱板と、回路基板と、断熱材を備える。放熱板は、一端が冷却器に接続しているとともに、リアクトルの上部に位置する。放熱板は、リアクトルの輻射を受けるが、その熱は冷却器を通じて外部に放出される。スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板は、リアクトルと放熱板の上部に配置されている。さらに断熱材が、放熱板と回路基板との間に配置されている。放熱板と回路基板との間に配置した断熱材が、リアクトルからの熱輻射を受けた放熱板の熱の回路基板への影響を低減する。断熱材は、好ましくは、放熱板の回路基板側の面に設けられている。そのような配置は、リアクトルの熱を回路基板に届き難くする。なお、熱の伝達経路に関しては、主に部品を支持する部材が伝熱経路となり得るので、リアクトルを支持するブラケットが、上記の放熱板の機能を兼ね備えていてもよい。
【０００８】
本明細書が開示する電力変換装置は、傾斜した上面を有するドライブトレインと組み合わせて電気自動車に搭載されることにも利点がある。即ち、電力変換装置は、ＰＥユニットが低い側に位置しリアクトルが高い側に位置するように傾斜上面に固定されるとよい。リアクトルが高い側に位置すると、電力変換装置のケース内部の温かい空気はリアクトルの上方に集まる。しかし、上記の電力変換装置では、リアクトルの熱はリアクトルの下側から効率よく放熱されるので、ケース内部に残留する熱が少なくなり、リアクトル上方に熱がこもり難くなる。しかも、第２冷却器が電力変換装置の底部に位置するので、リアクトルやＰＥユニットとドライブトレインとの熱的干渉を遮断できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の電力変換装置の側面図である。
【図２】実施例の電力変換装置の平面図である。
【図３】ＰＥユニットの模式的斜視図である。
【図４】第１変形例の電力変換装置の側面図である。
【図５】第２変形例の電力変換装置の側面図である。
【図６】第３変形例の電力変換装置の側面図である。
【図７】第４変形例の電力変換装置の側面図である。
【図８】エンジンコンパートメント内のデバイスレイアウトを示す斜視図である。
【図９】電力変換装置を載せたドライブトレインの模式的側面図である。
【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１０を説明する。図１は側面図であるが、理解を助けるために、図１は、ケース４とそのカバー２を断面で描き（ハッチングを付してある）、ケース内部の部品は側面図として描いてある。図２は平面図であるが、電力変換装置１０の上方に位置するカバー２と回路基板３を取り外したところを描いてある。
【００１１】
電力変換装置１０は、電気回路的には、バッテリの電圧を変換する電圧コンバータと、直流を交流に変換するインバータからなる。電圧コンバータとインバータの電気回路は、具体的には、リアクトル８と、平滑化コンデンサ９と、複数のパワーモジュール２２の内部のスイッチング素子ＳＷと、パワーモジュール２２内のスイッチング素子ＳＷを制御する回路基板３で構成される。よく知られているように、リアクトルは、電力変換装置にあって、スイッチング素子とともに電圧変換回路を構成する。電圧コンバータもインバータも、パワートランジスタと還流ダイオードが並列接続したスイッチング回路を複数有する。スイッチング回路を構成するパワートランジスタや還流ダイオードがスイッチング素子ＳＷに相当する。一つ又は２つのスイッチング回路が一つの独立した基板に搭載され、それを一つのパワーモジュール２２と称する。なお、図１〜図３では、図面を理解し易くするために６個のパワーモジュールのみを描いてあるが、電力変換装置１０はさらに多くのパワーモジュールを備えていてもよい。電力変換装置１０を構成する他の部材としては、パワーモジュール２２を冷却する冷却器２５、第１ブラケット５、第２ブラケット６がある。冷却器２５は、リアクトル８、及び、回路基板３も冷却する。また、第１ブラケット５は、回路基板３、冷却器２５とパワーモジュール２２のユニット（ＰＥユニット）をケース４に対して支持する部材である。第２ブラケット６は、冷却器２５とリアクトル８を連結する部材である。なお、第２ブラケット６は、冷却器２５に対してリアクトル８を支持する。
【００１２】
冷却器２５とパワーモジュール２２は一体化しており、それをＰＥユニット２０と称する。ＰＥユニット２０について説明する。図３に、ＰＥユニット２０の模式的斜視図を示す。冷却器２５では、２本のパイプ２９ａ、２９ｂが、複数の平型の冷媒通路２１を貫いており、複数の冷媒通路２１（冷却プレート）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２９ａ、２９ｂと、夫々の冷媒通路２１は、内部で通じており、一方のパイプ２９ａから供給される冷媒は、各冷媒通路２１を通り、他方のパイプ２９ｂから排出される。冷媒は、典型的には水、あるいはＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）でよい。スイッチング素子ＳＷを収めたパワーモジュール２２は、隣接する２枚の冷媒通路２１の間に挟まれている。すなわち、ＰＥユニット２０は、平型の複数のパワーモジュール２２と冷却器２５の複数の平型冷媒通路２１が交互に積層されて構成されたものである。ＰＥユニット２０では、平型のパワーモジュール２２の両面を冷媒が通るので、スイッチング素子ＳＷを効率よく冷却することができる。なお、各パワーモジュール２２（スイッチング素子ＳＷ）からはリード線２２ａが伸びている。このリード線２２ａは、図１に示すように回路基板３に繋がっている。また、ＰＥユニット２０の後端に相当する平型冷媒通路を特に符号２１ｅで表す。
【００１３】
図１、図２に戻り電力変換装置１０の内部構造の説明を続ける。平滑化コンデンサ９、ＰＥユニット２０、及び、回路基板３は、第１ブラケット５に支持される。リアクトル８は第２ブラケット６に支持される。平滑化コンデンサ９、ＰＥユニット２０、回路基板３、及び、リアクトル８は、いずれかのブラケットに支持されてケース４に収容される。第１ブラケット５は、ケース４の上方に固定され、カバー２で上から押さえられて固定される。図２によく示されているように、平面視すると、第１ブラケット５は、ＰＥユニット２０とリアクトル８を囲んでいる。
【００１４】
図１に示すように、ＰＥユニット２０は、第１ブラケット５から下方に伸びる２本のステー５ｂに挟まれて固定される。すなわちＰＥユニット２０は、その上方から第１ブラケット５に支持される。図１において左側のステー２ｂとＰＥユニット２０の端部との間にはバネ１３が嵌挿されており、このバネ１３が、２本のステー５ｂの間でＰＥユニット２０を付勢し、固定している。なお、バネ１３は、冷媒通路２１とパワーモジュール２２を積層方向に押圧し、これによって冷媒通路２１とパワーモジュール２２はしっかりと密着することになり、パワーモジュール２２の熱がよく冷媒通路２１に伝達される。
【００１５】
回路基板３には、パワーモジュール２２内の素子を制御する回路が実装されている。回路基板３は、第１ブラケット５から上方に伸びるステー５ａによって、ＰＥユニット２０とリアクトル８の上方に支持される。図１に示されているように、パワーモジュール２２から伸びているリード線２２ａが回路基板３に繋がっている。
【００１６】
リアクトル８は、第２ブラケット６（放熱板）によって支持される。第２ブラケット６は、ステー６ａと覆い部６ｂから構成されており、第２ブラケット６の端部に相当するステー６ａの端部が、ＰＥユニット２０の積層体の端部冷媒通路２１ｅの端面に固定される。ステー６ａの先端に覆い部６ｂが連なっている。覆い部６ｂは、リアクトル８のほぼ上半分を覆っている。覆い部６ｂの天井からステー６ｃが伸びており、リアクトル８はそのステー６ｃによって支持されている。なお、リアクトル８は、平行に並んだ２個のコイル（巻き線は１本）とそれらを貫通する１本のコアで構成されている。
【００１７】
第１ブラケット５は、ステー５ａ、５ｂを含めて一枚の金属板からプレス加工で製造される。第２ブラケット６は、ステー６ａ、覆い部６ｂ、及び、ステー６ｃを含めて、一枚の金属板からプレス加工で製造される。
【００１８】
第２ブラケット６の覆い部６ｂの上面に断熱シート３１（断熱材）が貼着されている。別言すれば、回路基板３と第２ブラケット６の覆い部６ｂの間に断熱シート３１が配置される。断熱材は、例えばフェノールフォームで作られる。フェノールフォームの中でも特定の種（例えばＡ種フェノールフォームと呼ばれる材料）は、その熱熱伝導率が0.022［Ｗ／ｍＫ］以下である。この値は、乾燥空気の熱伝導率（0.0241［Ｗ／ｍＫ］）よりも小さく、断熱性能が非常に高い。
【００１９】
第２ブラケット６によって、ＰＥユニット２０とリアクトル８は、空隙を隔てて隣り合うように支持される。また、第１ブラケット５によって、ＰＥユニット２０の上方に回路基板３が支持される。図１によく示されているように、回路基板３は、リアクトル８の上方（覆い部６ｂの上方）に空隙及び断熱シート３１を隔てて配置される。また、図１によく示されているように、第２ブラケット６は、冷却器２５の端部冷媒通路２１ｅとリアクトル８に接しているだけで他の部材には接していない。また、リアクトル８は、第２ブラケット６の覆い部６ｂ（ステー６ｃ）とバスバー７（後述）に接しているだけで他の部材には接していない。
【００２０】
図２によく示されているように、ＰＥユニット２０とリアクトル８の側方に、４個の平滑化コンデンサ９が並んでいる。平滑化コンデンサ９は、リアクトル８を流れる電流を平滑化するためのものである。電圧の変換（昇圧、あるいは、降圧）は、リアクトル８に流れる電流をチョッピングすることによって達成される。チョッピングする毎にリアクトル８を流れる電流が脈動するが、平滑化コンデンサ９がその脈動を抑える。コンデンサ９も第１ブラケット５に支持されている。リアクトル８とコンデンサ９はバスバー７で電気的に接続されている。バスバー７は、リアクトル８の下方から出ており、リアクトル８の側方を通り、コンデンサ９に達している。
【００２１】
電力変換装置１０の構造の利点を説明する。電力変換装置１０の冷却器２５は、主としてパワーモジュール２２を冷却するが、それ以外にも回路基板３とリアクトル８も冷却する。回路基板３の熱は、第１ブラケット５を通じて冷却器２５へと伝わる。また、リアクトル８の熱は、第２ブラケット６を通じて冷却器２５へと伝わる。特に、第２ブラケット６は、リアクトル８の熱を放出する放熱板の役割を果たす。第２ブラケット６は、その一端が冷却器２５に連結しており、またその一部がリアクトル８の上部に位置している。なお、第１ブラケット５、第２ブラケット６は、ともに金属板で作られており熱伝導性がよい。第２ブラケット５と第２ブラケット６は相互に接触していないから、伝熱経路が交錯することがない。特に、リアクトル８の熱が、回路基板３まで伝わることはない。また、リアクトル８はその上方で回路基板３とも隣接するが、リアクトル８の上部は第２ブラケット６の覆い部６ｂで覆われているため、リアクトル８に熱せられた周囲の空気が回路基板３の周りへ流れていくことがない。さらに、リアクトル８とＰＥユニット２０の間の空隙も、リアクトル８からの伝熱経路と回路基板３からの伝熱経路を分離することに寄与している。
【００２２】
さらに、覆い部６ｂの上面には断熱シート３１が貼着されている。断熱シート３１（断熱材）が、第２ブラケット６（放熱板）と回路基板３との間に配置されている。より詳しくは、断熱シート３１は、第２ブラケット６の回路基板３側の面に取り付けられている。断熱シート３１は、覆い部６ｂ（第２ブラケット６）と回路基板３の間を熱的に遮断する。特に、覆い部６ｂ（第２ブラケット６）は、リアクトル８の熱を奪ってその温度が上昇するが、断熱シート３１が覆い部６ｂの輻射熱を遮断し、回路基板３に放射されることを防止する。このように電力変換装置１０では、リアクトル８と回路基板３の伝熱経路を分離しており、リアクトル８の熱が回路基板３に伝わり難い構造を実現している。即ち、上記した構造によって、回路基板３が熱的に保護される。
【００２３】
次に、電力変換装置の変形例を説明する。図４は、第１変形例の電力変換装置１１０の側面図である。この電力変換装置１１０は、図１の電力変換装置１０の構成に加え、リアクトル８と覆い部６ｂの内側との間に絶縁シート１１２を配置したものである。絶縁シート１１２を配置することによって、覆い部６ｂとリアクトル８の間の隙間を狭くすることができる。これによって、電力変換装置全体をコンパクトにすることができる。あるいは、覆い部６ｂとリアクトル８の間の隙間を狭くした分だけ、覆い部６ｂの厚みを厚くし、覆い部６ｂの熱伝導率を高めることができる。絶縁シート１１２は、熱伝導率の大きい材料で作られているとよい。
【００２４】
図５は、第２変形例の電力変換装置２１０の側面図である。この電力変換装置２１０は、第２ブラケット６の覆い部６ｂの全体を断熱シート２１３で覆っている。その他の構成は図１の電力変換装置１０と同じである。電力変換装置２０は、リアクトル８を支持しているとともに覆っている覆い部６ｂの全体をさらに断熱シート２３１で覆うことによって、リアクトル８の熱をできるだけ覆い部６ｂの外側に漏れないようにしている。なお、温度の高い空気は上方に移動しようとするので、リアクトル８の下方は覆い部６ｂ及び断熱シート２３１で覆わずともよい。さらに、本変形例では、リアクトル８の下面とケース４の底面の間に伝熱材を充填することも好適である。リアクトル８の熱を、第２ブラケット６だけでなく、伝熱材とケース４を使って発散することができる。
【００２５】
図６は、第３変形例の電力変換装置３１０の側面図である。この電力変換装置３１０では、断熱シート３３１を、覆い部６ｂの上面ではなく、回路基板３とリアクトル８の間に位置する第１ブラケット５の一部の下面に貼着している。その他の構成は図１の電力変換装置１０と同じである。断熱シート３３１を、回路基板３と覆い部６ｂの間であって第１ブラケット５の下面に貼着する構成であっても、覆い部６ｂの輻射熱を遮断できる。それによって、回路基板３を熱的に保護することができる。
【００２６】
図７は、第４変形例の電力変換装置４１０の側面図である。この電力変換装置４１０では、冷却器に対してリアクトル８を支持する第２ブラケット６（放熱板）の覆い部４０６ｂが、容器状にリアクトル８を覆っているのではなく、リアクトル８をコの字状に覆っている例である。その他の構成は図１の電力変換装置１０と同じである。断熱シート３１は、コの字状の覆い部４０６ｂの上面、即ち、回路基板３側の面に貼着されている。図７の実施形態によっても、回路基板３を熱的に保護する効果が期待できる。
【００２７】
図８、図９を参照して電力変換装置１０（あるいは、電力変換装置１１０、２１０、３１０）を搭載した自動車９０を説明する。自動車９０は、エンジンＥＧとモータを搭載したハイブリッド車である。自動車９０は、モータを駆動するため、電力変換装置１０（インバータ）を搭載する。電力変換装置１０は、エンジンＥＧ、ドライブトレイン５０とともに、エンジンコンパートメントＥＣ内に搭載される。エンジンＥＧとドライブトレイン５０は、ラジエータＲＴの後方に配置される。エンジンＥＧとドライブトレイン５０は、横方向に並んで配置される。ドライブトレイン５０の側方には、バッテリＢＴが配置される。ドライブトレイン５０は、２個のモータＭＧ１とＭＧ２、及び、動力源（エンジンとモータ）の出力を車軸に伝達するトランスミッションＴＭを内蔵している。トランスミッションＴＭには、エンジンＥＧの出力軸も係合している。図９に示すように、ドライブトレイン５０では、２個のモータＭＧ１、ＭＧ２の出力シャフト５１、５２、及び、トランスミッションＴＭのメインシャフト５３（エンジン出力軸に相当する）の合計３本の主たるシャフトが平行となっている。図９に示すように、モータＭＧ１はやや上方に位置する。２個のモータＭＧ１、ＭＧ２とトランスミッションＴＭは、３本のシャフトが車両の横方向（図中のＹ軸方向）に伸びる向きに配置される。２個のモータＭＧ１、ＭＧ２とトランスミッションＴＭのそのような配置により、ドライブトレイン５０は、車両前側（図中、Ｘ軸の正方向）が低く、車両後側（図中、Ｘ軸の負方向）が高くなっている傾斜上面５０ａを有している。その傾斜上面５０ａに電力変換装置１０が固定されている。電力変換装置１０は、ＰＥユニット２０が低い側（車両前側）に位置しリアクトル８が高い側（車両後側）に位置するように傾斜上面５０ａに固定される。そのため、冷却器２５へ冷媒を通すパイプ２９が、電力変換装置１０の車両前側の側面から飛び出している。パイプ２９には冷媒管５５が連結されている。冷媒管５５を通じて冷媒が冷却器２５へ供給され、また冷却器２５から排出される。
【００２８】
電力変換装置１０は、リアクトル８が高い側に位置し、その上に回路基板３が位置する。電力変換装置１０内で熱い空気は、上方へ移動する。ここで、前述したように、リアクトル８はその上部が第２ブラケット６の覆い部６ｂに覆われており、さらにその覆い部６ｂの上面に断熱シート３１（２３１、３３１）が配置されているので、リアクトル８が発する熱は覆い部６ｂの内側に留まり、その上方に位置する回路基板３の周りには達しない。従って、回路基板３が熱的に保護される。
【００２９】
実施例の電力変換装置に関する留意点を述べる。ＰＥユニット２０は第１ブラケット５によって上方から支持されており、リアクトル８は第２ブラケット６によって上方から支持されている。ＰＥユニット２０とリアクトル８は、それらの側方から支持されていてもよい。ＰＥユニット２０と回路基板３は、第１ブラケット５を介してケース４に支持されており、ケース４から熱的に分離されている。リアクトル８は第２ブラケット６によってＰＥユニット２０に対して支持されており、やはりケース４からは熱的に分離されている。
【００３０】
熱の伝達経路に関しては、主に部品を支持する部材が伝熱経路となり得る。そこで、実施形態の電力変換装置の一態様では、冷却器と回路基板を支持するブラケットと、リアクトルを支持するブラケットを完全に分離し、伝熱経路を分離する。さらに、リアクトルの熱を冷却器へ伝達するブラケットと回路部品との間に断熱材を配置し、リアクトルの熱を回路部品に伝わり難くする。実施例の技術は、２個のブラケットと断熱材を採用することによってリアクトルと回路基板との伝熱経路を分離し、回路基板の温度上昇を抑制する。なお、「ブラケット」とは、一般に、部品（この場合はリアクトルなど）を固定する部材を示す語である。明細書にて説明する形状の他は、その形状に特段の制約はないことに留意されたい。
【００３１】
本明細書が開示する電力変換装置の一態様は、リアクトルと、スイッチング素子を収めたパワーモジュールと、スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板を備える。ここでの「パワーモジュール」とは、電圧コンバータやインバータの回路の中から集中的に冷却したい素子（ＩＧＢＴや還流ダイオード）を他の制御回路から独立させた基板を意味する。実施形態の電力変換装置の一態様は、冷却器と、第１及び第２ブラケットを備える。冷却器はパワーモジュールと一体化している。これは、冷却すべき最重要素子がスイッチング素子だからである。以下、スイッチング素子を収めたパワーモジュールとそれを冷却する第１冷却器が一体化したユニットを、パワー素子ユニット、略してＰＥユニットと称する。第１ブラケットは、回路基板を支持しているとともに、回路基板の下方に位置するようにＰＥユニットを支持する。第２ブラケットは、一端が冷却器に固定されており、回路基板の下方に位置するようにリアクトルを支持しているとともに、リアクトルの上部を覆っている。ここで、第１ブラケットと第２ブラケットは直接には接していない。なお、以下では、第２ブラケットにおいてリアクトルの上部を覆っている部分を「覆い部」と称する。そして、一実施形態の電力変換装置は、覆い部とその上方に位置する回路基板との間に、断熱材が配置される。
【００３２】
一実施形態においては、回路基板の熱は、第１ブラケットを通じて冷却器へと伝わる。リアクトルの熱は、第２ブラケットを通じて冷却器へと伝わる。第１ブラケットと第２ブラケットは直接には接していないので、リアクトルの熱は回路基板への伝わり難くなる。また、リアクトルの熱によって周囲の空気も熱せられるが、第２ブラケットの覆い部がリアクトルの上部を覆っているので、加熱された空気は覆い部よりも上へは移動し難い。覆い部の上方には回路基板が配置されているが、リアクトルの熱によって加熱された空気は、回路基板には届き難い。その上さらに、回路基板と第２ブラケットの覆い部との間に断熱材を配したので、覆い部の輻射により回路基板が熱せられることが妨げられる。以上の構成により、回路基板の温度上昇が抑制される。
【００３３】
断熱材は、その熱伝導率が空気の熱伝導率（乾燥空気の場合で0.0241［Ｗ／ｍＫ］）よりも小さいものが好ましい。そのような断熱材の材料としては、例えば、フェノールフォームがある。
【００３４】
本明細書が開示する電力変換装置さらに別の実施形態は、覆い部の内側とリアクトルとの間に絶縁シートが配置されているとよい。絶縁シートを配置することによって、覆い部とリアクトルの間の隙間を狭くすることができる。これによって、電力変換装置全体をコンパクトにすることができる。あるいは、覆い部とリアクトルの間の隙間を狭くした分だけ、覆い部の厚みを厚くし、覆い部の熱伝導率を高めることができる。
【００３５】
冷却器の一態様は、複数の平型冷媒通路が平行に並んでいる構造を有している。そして、平型の複数のパワーモジュールの各々が、隣接する平型冷媒通路の間に挟まれており、積層体を構成している。このとき、第１ブラケットは、その積層体を両側から挟んで支持しているとよい。また、第２ブラケットの一端が、積層体の端に位置する平型冷媒通路に固定されているとよい。即ち、積層体の端に位置する平型冷媒通路が、リアクトルの冷却と回路基板の冷却に主に寄与する。他の平型冷媒通路は、パワー素子モジュール（スイッチング素子）の冷却専用とすることができる。パワー素子モジュールの冷却を担当する平型冷媒通路と、リアクトル／回路基板の冷却を担当する平型冷媒通路を分離することによって、伝熱シミュレーションが行い易くなり、熱的設計が容易になる。熱的設計が容易になるということは、精緻な熱的設計ができることを意味し、冷却効率向上が期待できる。
【００３６】
断熱シートの材料の一例としてフェノールフォームを挙げたが、断熱シートはこれに限られるものではない。断熱シートは、その熱伝導率が空気の熱伝導率よりも小さいことが望ましいが、本明細書が開示する技術は、熱伝導率が空気の熱伝導率よりも大きい断熱シートの利用を除外するものではない。
【００３７】
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】
【００３８】
２：カバー
３：回路基板
４：ケース
５：第１ブラケット
６：第２ブラケット
６ａ、６ｃ：ステー
６ｂ：覆い部（放熱板）
７：バスバー
８：リアクトル
９：平滑化コンデンサ
１０：電力変換装置
１３：バネ
２０：パワー素子ユニット（ＰＥユニット）
２１：冷媒通路
２２：パワーモジュール
２５：冷却器
３１、２３１、３３１：断熱シート（断熱材）
５０：ドライブトレイン
５０ａ：傾斜上面
９０：自動車
１１０、２１０、３１０：電力変換装置
１１２：絶縁シート
４０６：放熱板
ＥＣ：エンジンコンパートメント
ＥＧ：エンジン
ＭＧ１、ＭＧ２：モータ
ＴＭ：トランスミッション
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置であって、
リアクトルと、
スイッチング素子を収めたパワーモジュールと、
パワーモジュールと一体化している冷却器と、
一端が冷却器に接続しているとともに、リアクトルの上部に位置している放熱板と、
リアクトルと放熱板の上部に配置されており、スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板と、
放熱板と回路基板との間に配置されている断熱材と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
断熱材は、放熱板の回路基板側の面に設けられ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。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電力変換装置であって、バッテリの電力を走行用モータに適した電力に変換するための電力変換装置と、
傾斜した上面を有するドライブトレインと、
を備えており、
電力変換装置が、パワーモジュールと冷却器のユニットが低い側に位置しリアクトルが高い側に位置するように前記傾斜上面に固定されていることを特徴とする電気自動車。
【請求項１】
電力変換装置であって、
リアクトルと、
スイッチング素子を収めたパワーモジュールと、
パワーモジュールと一体化している冷却器と、
一端が冷却器に接続しているとともに、リアクトルの上部に位置している放熱板と、
リアクトルと放熱板の上部に配置されており、スイッチング素子を制御する回路を実装した回路基板と、
放熱板と回路基板との間に配置されている断熱材と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
断熱材は、放熱板の回路基板側の面に設けられ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。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電力変換装置であって、バッテリの電力を走行用モータに適した電力に変換するための電力変換装置と、
傾斜した上面を有するドライブトレインと、
を備えており、
電力変換装置が、パワーモジュールと冷却器のユニットが低い側に位置しリアクトルが高い側に位置するように前記傾斜上面に固定されていることを特徴とする電気自動車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１１０８５６（Ｐ２０１３−１１０８５６Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５４０９２（Ｐ２０１１−２５４０９２）
【出願日】平成２３年１１月２１日（２０１１．１１．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２１日（２０１１．１１．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]