電力変換装置及びそれを備えた移動体

【課題】電力変換装置の冷却性能の向上による電力変換装置の小型化にある。
【解決手段】熱伝導性を有する樹脂２２に、インバータケース１０内に配設された制御基板１５に複数実装されると共に、発熱量が異なる少なくとも２種類の電子部品のうち、発熱量の小さい電子部品及び制御基板１５と物理的に非接触状態で、発熱量の大きい電子部品或いは発熱量の大きい電子部品に設けられた放熱器２３を埋め込み、樹脂２２に熱伝達された発熱量の大きい電子部品の発熱をインバータケース１０に熱伝達する。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電動機に供給される電力を制御する電力変換装置及びそれを備えた移動体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、電動機を駆動源とする移動体、例えば電気自動車，ハイブリッド自動車などの電動車両においては、バッテリから電動機に供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置の小型化の検討が進められている。これは、電力変換装置の低価格化に伴う電動車両の低価格化，電力変換装置の軽量化に伴う電動車両の燃費の向上或いは一充電あたりの走行距離の向上，電動車両内における電力変換装置の実装スペースの縮小化などのためである。
【０００３】電力変換装置は、密閉容器内に配設された基板に半導体素子などの電子部品が実装されて構成されている。また、電力変換装置は、電子部品の一部が自己の動作によって発熱し、電子部品の表面限界温度を超えることから、その電子部品の発熱を冷却できるように構成されている。例えば送風機からの冷却空気を密閉容器内に循環させ、電子部品の発熱を冷却するものや、冷却流体を各電子部品に分散対流させ、電子部品の発熱を冷却するものなどがある。
【０００４】また、電子部品の冷却としては、従来より次の方法が知られている。例えば特開平８−１２５３６４号公報，特開２０００−５９０５８号公報に記載されたものでは、熱伝導性を有する部材を介して電子部品の表面に放熱部材を設け、電子部品の発熱を空気中に放熱している。特開平１１−２３８９８５号公報に記載されたものでは、複数の電子部品の表面に単一の放熱部材を設け、複数の電子部品の発熱を空気中に放熱している。特開平１０−２０９３５８号公報に記載されたものでは、熱伝導性を有する部材を介して電子部品が実装された基板の電子部品実装側とは反対側の面に冷却板を設け、電子部品の発熱を冷却板に伝達して冷却している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】電力変換装置の小型化においては、電子部品の発熱量が変わらないので、熱的条件が厳しくなり、高発熱量の電子部品から小発熱量の電子部品への熱影響が懸念される。小発熱量の電子部品への熱影響が大きい場合には、誤動作或いは寿命低下などに至る恐れもある。従って、電力変換装置における冷却性能の向上が望まれている。しかも、電力変換装置の小型化の観点から、電力変換装置を大型化或いは複雑化することなく実現できることが望ましい。
【０００６】しかしながら、送風機からの冷却空気を密閉容器内に循環させる或いは冷却流体を各電子部品に分散対流させるという従来の技術では、密閉容器内に冷却媒体を導くための機構を密閉容器に設けなければならず、電力変換装置の大型化或いは複雑化を招く。冷却流体を用いるものにあっては、流体の漏れを防止するための機構を密閉容器に設けなければならず、電力変換装置の更なる大型化或いは複雑化を招く。
【０００７】また、放熱部材を電子部品に設けるという従来の技術では、電子部品の発熱が密閉容器内部空間に伝熱し、密閉容器内部空間の温度を上昇させ、小発熱量の電子部品に熱影響を及ぼす。また、密閉容器内に放熱部材を設けるという従来の技術では、電力変換装置の大型化或いは複雑化を招く。さらに、高発熱量の複数の電子部品それぞれに放熱部材を設けるという従来の技術では、電力変換装置の更なる大型化或いは複雑化を招く。
【０００８】さらに、電子部品は発熱量に係わらず密閉容器内の基板に分散して実装されているので、複数の電子部品に単一の放熱部材を設けるという従来の技術では、高発熱量の電子部品の発熱が小発熱量の電子部品或いは非発熱の電子部品に伝達され易くなり、高発熱量の電子部品から小発熱量の電子部品或いは非発熱の電子部品への熱影響が避けられない。また、上記の従来の技術と同様に、放熱部材による電力変換装置の大型化或いは複雑化が避けられない。
【０００９】さらに、電子部品は発熱量に係わらず密閉容器内の同一の基板に実装されているので、基板の電子部品実装側とは反対側の面に冷却板を設けるという従来の技術では、高発熱量の電子部品の発熱が基板を介して小発熱量の電子部品或いは非発熱の電子部品に伝達されるので、高発熱量の電子部品から小発熱量の電子部品或いは非発熱の電子部品への熱影響が避けられない。
【００１０】本発明の代表的な目的は、小型化を図った電力変換装置及びそれを備えた移動体を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の基本的な特徴は、熱伝導性を有する絶縁樹脂を、密閉容器内に配設された基板に複数実装されると共に、発熱量が異なる少なくとも２種類の電子部品のうち、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも低い温度に上昇する電子部品及び基板と物理的に非接触状態で、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも高い温度に上昇する電子部品の一部分或いはその電子部品に設けられた放熱手段を埋め込み、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも高い温度に上昇する電子部品の発熱或いは放熱手段に熱伝達された発熱を密閉容器に熱伝達する絶縁部材に熱伝達することにある。
【００１２】絶縁樹脂は、熱伝導性を有する充填材が混入されたものであり、空気よりも熱伝導率が高いものである。具体的には、シリカ製或いはセラミックス製の粒子状或いは箔状の無機充填材がウレタン系樹脂或いはシリコン系樹脂に混入されたものであり、基板表面から１mm以上の間隔を空けて密閉容器内面と接触するように、密閉容器と基板との間に充填されている。自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも高い温度に上昇する電子部品自身或いはその電子部品に設けられた放熱手段は、基板表面から１mm以上の高さ寸法を有する。従って、上記のように絶縁樹脂を充填することによって、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも低い温度に上昇する電子部品及び基板と物理的に非接触状態で、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも高い温度に上昇する電子部品の一部分或いはその電子部品に設けられた放熱手段を絶縁樹脂に埋め込むことができる。
【００１３】自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも高い温度に上昇する電子部品としては、例えばコンデンサなどに代表される容量素子，レギュレータＩＣや変圧器などに代表される電圧制御用素子，マイコンチップに代表される演算処理用素子などがある。
【００１４】密閉容器は、熱放熱性を有する金属製のもの或いは絶縁樹脂が接触する壁に冷却手段が一体形成されたもの若しくは絶縁樹脂が接触する壁に冷却手段が取り付けられたものである。冷却手段は、冷却媒体を流通させる流路或いは熱放熱性を有する部材で構成されたものである。
【００１５】本発明によれば、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも高い温度に上昇する電子部品（発熱量の大きい電子部品）の発熱のほとんどは、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも低い温度に上昇する電子部品（発熱量の小さい電子部品）、基板及び密閉容器内部空間にはほとんど熱伝達されず、絶縁樹脂を介して密閉容器に効率よく熱伝達され、密閉容器から或いは冷却手段を介して外部に放熱される。従って、電力変換装置の冷却性能を向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。電力変換装置は、例えば電動機に供給される電力を制御するものであり、例えば交流電力を直流電力に変換する整流装置，直流電力を交流電力に変換するインバータ装置，整流装置とインバータ装置の組み合せであって、入力された直流電力を所望の直流電力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ装置などがある。
【００１７】本発明の実施例では、電動機を唯一の駆動源とする電気自動車，電動機及び内燃機関を駆動源とするハイブリッド自動車において、蓄電手段から出力された直流電力を交流電力に変換して電動機に供給するインバータ装置を例にとり説明する。尚、以下説明する本発明の実施例の構成は、インバータ装置に限らず、整流装置及びＤＣ−ＤＣコンバータ装置などにも適用できる。
【００１８】図１０乃至図１２は、本発明の実施例であるインバータ装置が適用される自動車の構成例を示す。図１０は、電動機を唯一の駆動源とする電気自動車の構成を示す。３９は車体である。車体３９の前部には、両端に車輪４０ａ，４０ｂを設けた車軸４２が回転可能に取り付けられている。すなわち前輪が取り付けられている。車体３９の後部には、両端に車輪４１ａ，４１ｂを設けた車軸４３が回転可能に取り付けられている。すなわち後輪が取り付けられている。車軸４２にはギア４４を介して電動機１が機械的に接続されている。電動機１にはインバータ装置１００が電気的に接続されており、バッテリ２０から供給された直流電力が三相交流電力に変換され供給される。インバータ装置１０には上位制御装置２１が電気的に接続されており、アクセルの踏込みに対応する指令信号などが入力される。
【００１９】図１１は、電動機及び内燃機関を駆動源とするハイブリッド自動車の構成を示す。ハイブリッド自動車は、内燃機関と電動機を切り替えて一方の車輪を駆動するものである。車軸４２にはギア４４を介して内燃機関３８が機械的に接続されている。内燃機関３８には電動機１が機械的に接続されている。この他の構成は前例と同様であり、その説明は省略する。
【００２０】図１２は、内燃機関を主駆動源とし、電動機を副駆動源（アシスト用）とする電動四駆式の自動車の構成を示す。電動四駆式の自動車は、一方の車輪を内燃機関で駆動し、他方の車輪を電動機で駆動するものである。車軸４２にはギア４４を介して内燃機関３８が機械的に接続されている。車軸４３にはギア４５を介して電動機１が機械的に接続されている。この他の構成は前例と同様であり、その説明は省略する。
【００２１】図９は、前述した自動車に搭載されたインバータ装置の回路構成を示す。本例のインバータ装置１００は、ＰＷＭ（パルス・ワイド・モジュレーション）信号に基づいて半導体素子のスイッチング動作（ＯＮ・ＯＦＦ動作）を制御し、バッテリ２０から出力された直流電力を交流電力に変換して電動機１に供給するパルス幅変調方式のものであり、パワーモジュール部１１０と制御部１２０から構成されている。
【００２２】このうち、パワーモジュール部１１０は、バッテリ２０から出力された直流電力を交流電力に変換する部分であり、パワー半導体素子、例えばＩＧＢＴ（インシュレーテッド・ゲート・バイポーラトランジスタ）を有するパワーモジュール３と、直流電力を一時的に蓄えるための容量素子であるコンデンサ１３を備えている。
【００２３】バッテリ２０から出力された直流電力は、直流用の端子台１２Ａ，直流用のブスバー１１Ａを介してパワーモジュール３に入力される。パワーモジュール３では、パワー半導体素子のスイッチング動作（ＯＮ・ＯＦＦ動作）によって入力された直流電力を三相交流電力に変換する。変換された三相交流電力は、交流用のブスバー１１Ｂ，交流用の端子台１２Ｂを介して電動機１に供給される。これにより、電動機１は駆動する。
【００２４】制御部１２０は、パワーモジュール３におけるパワー半導体素子のスイッチング動作（ＯＮ・ＯＦＦ動作）を制御する部分であり、ドライブ回路１４，センサ回路１６，計算機１７，制御電源１８及びインターフェース回路１９から構成されている。
【００２５】インターフェース回路１９は、アクセルの踏込みに対応する指令信号など上位制御装置２１から出力された指令信号を受信するものであり、上位制御装置２１から入力ポート４６を介して入力された指令信号を受信する通信用レシーバＩＣ１９Ａと、通信用レシーバＩＣ１９Ａから出力された信号を絶縁するフォトカプラ１９Ｂを備えている。センサ回路１６は、例えばバッテリ２０からインバータ装置１００に供給される直流電力値、インバータ装置１００から電動機１に供給される三相交流電力値、インバータ装置１００内の温度値などを検出するものである。
【００２６】計算機１７は、マイコンチップに代表される演算処理用素子で構成されたものであり、インターフェース回路１９から出力された信号、センサ回路１６から出力された検出信号値などに基づいて演算処理を行い、ＰＷＭ制御信号を出力するものである。ドライブ回路１４は、計算機１７から出力されたＰＷＭ制御信号を昇圧若しくは降圧し、パワーモジュール３におけるパワー半導体素子のスイッチング動作（ＯＮ・ＯＦＦ動作）をさせるべくドライブ信号として出力するものである。
【００２７】制御電源１８は、ドライブ回路１４，センサ回路１６，計算機１７及びインターフェース回路１９に駆動電力を供給するものであり、バッテリ２０から供給された直流電力の電圧値を昇圧或いは降圧させるための電圧制御用素子であるレギュレータＩＣと、レギュレータＩＣの出力を安定化させるための容量素子であるコンデンサと、バッテリ２０から絶縁した電源を作り出すための電圧制御用素子であり、一次巻線及び二次巻線を有するトランスと、トランスの一次巻線の電圧を二次巻線の電圧に基づいて変化させる手段と、トランスの二次巻線の出力を平滑化させるための整流素子及び容量素子であるダイオード及びコンデンサを備えている。
【００２８】次に、前述したインバータ装置１００の回路構成を適用した実際のインバータ装置１００の構成を説明する。
【００２９】図１，図２は、本発明の第１実施例であるインバータ装置の構成を示す。本実施例のインバータ装置１００は、密閉容器であるインバータケース１０の同一内部空間内にパワーモジュール部及び制御部が構成されている。インバータケース１０の底壁は他の部分よりも厚く形成されており、その部分には冷却器９，２４が形成されている。冷却器９はパワーモジュール部、冷却器２４は制御部にそれぞれ対応するものであり、冷却媒体、例えば冷却水，冷却空気を流通させるための流路である。
【００３０】インバータケース１０の内部空間の一方側には、パワーモジュール３，コンデンサ１３，直流用の端子台１２Ａとパワーモジュール３及びコンデンサ１３とを電気的に接続する直流用のブスバー１１Ａ，交流用の端子台１２Ｂとパワーモジュール３とを電気的に接続する交流用の端子台１１Ｂが配設されている。パワーモジュール３は、両面に積層銅箔が固着されると共に、片面に複数のパワー半導体素子２が半田付けされ、他面に金属基板５が半田付けされたセラミックス基板４をモジュールケース７で覆ったものである。
【００３１】モジュールケース７には、パワー半導体素子２と電気的に接続された端子が設けられており、インバータケース１０内に突出し、ブスバー１１Ａ，１１Ｂと電気的に接続されている。ブスバー１１Ａ，１１Ｂと電気的に接続された端子とパワー半導体素子２及びパワー半導体素子２同士の電気的な接続には、接続部材である金属ワイヤー６によるワイヤーボンディング方式が用いられている。モジュールケース７内においてセラミックス基板４のパワー半導体素子２側はシリコンゲルなど熱伝達率の小さい絶縁樹脂８によって封止されている。金属基板５はモジュールケース７の底部を密閉すると共に、冷却器９の形成位置に対応するインバータケース１０の底壁に固定されている。これにより、パワー半導体素子２の発熱はセラミックス基板４，金属基板５を介してインバータケース１０の冷却器９に熱伝達され、冷却器９を流通する冷却水によって冷却される。
【００３２】インバータケース１０の内部空間の他方側には、ドライブ回路１４，インターフェース回路１５，センサ回路１６，計算機１７及び制御電源１８の構成電子部品を実装した制御基板１５が配設されている。具体的には、制御基板１５の冷却器２４側面には、放熱器２３を有する計算機１７，制御電源１８を構成するレギュレータＩＣ１８Ａ，コンデンサ１８Ｂ，トランス１８Ｃを実装し、その本実施例では、発熱量の大きい電子部品を制御基板１５の冷却器２４側面に実装し、冷却器２４側とは反対側の面には、ドライブ回路１４を構成する半導体チップ，センサ回路１６を構成する半導体チップ，インターフェース回路１９を構成する通信用レシーバＩＣ１９Ａ，フォトカプラ１９Ｂを実装している。尚、実装面は同一であっても構わない。
【００３３】ドライブ回路１４，センサ回路１６，計算機１７，制御電源１８及びインターフェース回路１９を構成する電子部品は、自己の発熱量の大きさから２種類に別けることができる。すなわち計算機１７を構成する半導体チップ，制御電源１８を構成するレギュレータＩＣ１８Ａ，コンデンサ１８Ｂ，トランス１８Ｃのように、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度（例えば８５℃）よりも高い温度まで上昇する発熱量の大きい電子部品と、ドライブ回路１４，センサ回路１６を構成する半導体チップ，インターフェース回路１９を構成する通信用レシーバＩＣ１９Ａ，フォトカプラ１９Ｂのように、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも低い温度までしか上昇しない発熱量の小さい電子部品とに別けることができる。
【００３４】制御基板１５の冷却器２４側面とインバータケース１０との間の空間には、制御基板１５の表面から１mm以上の間隔を空けて、柔軟性，高熱伝導性及び絶縁性を有する樹脂２２が、インバータケース１０の底壁(冷却器２４が形成された壁)と物理的に接触した状態で充填されている。樹脂２２には、センサ回路１６及びドライブ回路１４を構成する半導体チップ、インターフェース回路１９を構成する通信用レシーバＩＣ１９Ａ，フォトカプラ１９Ｂ及び制御基板１５と物理的に非接触状態で、制御基板１５の冷却器２４側面に実装された制御電源１８のレギュレータＩＣ１８Ａ，コンデンサ１８Ｂ，トランス１８Ｃ及び計算機１７に設けられた放熱器２３の一部分が埋め込まれている。
【００３５】樹脂２２は、ウレタン系樹脂或いはシリコン系樹脂にシリカ製或いはセラミックス製の粒子状或いは箔状の無機充填材が混入されたものであり、空気よりも熱伝導率が高い。また、絶縁性を有する樹脂２２を用いるのは、樹脂２２に埋め込まれている電子部品間の短絡、樹脂２２に埋め込まれ、数ボルトから数百ボルトで動作する電子部品と自動車の筐体と同電位のインバータケース１０との間の短絡を防ぐためである。
【００３６】本実施例によれば、制御基板１５に実装された各種の電子部品のうち、発熱量の大きい電子部品の一部分及びその電子部品に設けられた放熱手段を樹脂２２に埋め込み、発熱量の小さい電子部品及び制御基板１５と樹脂２２とを物理的に非接触にしたので、発熱量の大きい電子部品の発熱は、発熱量の小さい電子部品及び制御基板１５にはほとんど熱伝達されず、樹脂２２を介して冷却器２４にほとんど熱伝達される。従って、発熱量の大きい電子部品の発熱を効率よく冷却することができるので、インバータ装置の冷却性能を向上させることができる。これにより、発熱量の小さい電子部品への熱影響を抑制することができるので、インバータ装置を小型化することができる。インバータ装置の小型化は、インバータ装置の低価格化や軽量化にもつながり、電気自動車やハイブリッド自動車の低価格化、燃費の向上或いは一充電あたりの走行距離の向上、インバータ装置の実装スペースの縮小化などにもつながる。
【００３７】また、本実施例によれば、発熱量の小さい電子部品への熱影響を抑制することができるので、発熱量の小さい電子部品の誤動作及び寿命低下によるインバータ装置の性能の低下及び寿命低下を抑制することができる。従って、インバータ装置を小型化しても信頼性を確保することができる。
【００３８】また、本実施例によれば、発熱量の大きい電子部品の発熱を冷却器２４に熱伝達する熱伝達部材として、電子部品の形状，大きさ及びインバータケース１０の内部空間の大きさに左右されることがなく、簡単に自己の形状や大きさを可変とすることができると共に、柔軟性を有する樹脂２２を用いたので、インバータ装置を大型化或いは複雑化させることがないし、発熱量の大きい電子部品が制御基板１５に分散して実装されていても、各電子部品毎に対応して熱伝達手段を施す必要がなく、発熱量の大きい電子部品をひとまとめにして簡単に熱伝達手段を施すことができる。尚、本実施例の熱伝達部材は、密閉性が要求されるものに対しては特に有効な手段である。
【００３９】また、本実施例によれば、発熱量の大きい電子部品の発熱を冷却器２４に熱伝達する熱伝達部材として、空気よりも熱伝導率の大きい樹脂２２、具体的にはシリカ製或いはセラミックス製の粒子状或いは箔状の無機充填材が混入された樹脂２２を用いたので、樹脂２２に熱伝達された熱がインバータケース１０の内部空間にほとんど熱伝達されることがない。従って、インバータ装置の冷却性能をさらに向上させることができる。また、インバータケース１０の内部空間から発熱量の小さい電子部品への熱影響を抑制することができるので、インバータ装置の性能の低下及び寿命低下をさらに抑制することができる。
【００４０】また、本実施例によれば、発熱量の高い電子部品を制御基板１５の冷却器２４側に実装し、その反対側に発熱量の小さい電子部品を実装したので、熱伝達構造を簡単に構成することができる。また、発熱量の小さい電子部品から発熱量の高い電子部品を遠ざけることができるので、発熱量の高い電子部品から発熱量の小さい電子部品への熱影響をさらに抑制することができ、インバータ装置の性能の低下及び寿命低下をさらに抑制することができる。さらに、発熱量の高い電子部品から冷却器２４までの熱伝達経路を短縮することができるので、発熱量の高い電子部品の発熱の逃げを抑制してその発熱を確実に冷却器２４に熱伝達させることができ、インバータ装置の冷却性能をさらに向上することができる。
【００４１】また、本実施例では、モジュールケース７及びコンデンサ１３を樹脂２２と物理的に接触させたので、パワーモジュール部の発熱はインバータケース１０の内部空間に熱伝達されることなく樹脂２２を介して冷却器２４に放熱される。従って、パワーモジュール部から制御部への熱影響を抑制することができる。これにより、インバータケース１０の内部の同一空間にパワーモジュール部及び制御部を構成することができると共に、パワーモジュール部及び制御部を密接させることができ、インバータ装置を小型化することができる。
【００４２】図３は、本発明の第２実施例であるインバータ装置の構成を示す。前例と同様の部分には同符号を付し、その説明を省略する。前述した第１実施例では、インバータケースの同一内部空間にパワーモジュール部及び制御部が設けられた例について説明した。これに対して本実施例では、インバータケース１０の内部空間が水平方向に２分割され、その一方側にパワーモジュール部、他方側に制御部が設けられている。尚、パワーモジュール部のコンデンサ１３は制御部と同じ内部空間に設けられている。このため、インバータケース１０は一つの密閉容器ではなく、複数の部材が組み合せによって形成されている。
【００４３】インバータケース１０は、冷却器９，２４が形成された底壁１０ａと、底部が金属基板５で密閉されていると共に、上部が開放され、かつ底壁１０ａの冷却器９と対応する位置に設けられたモジュールケース７と、モジュールケース７以外の底壁１０ａ部分を囲むように底壁１０ａに設けられた側壁１０ｂと、モジュールケース７の上部及び側壁１０ｂによって囲まれた部分の上部を覆う上壁１０ｃによって形成されている。モジュールケース７の制御部と対向する側壁は、インバータケース１０の内部空間を水平方向に２分割する敷居３４を兼ねている。モジュールケース７の制御部と対向する側壁を除く側壁は、側壁１０ｂと共にインバータケース１０の側壁を形成している。
【００４４】直流用の端子台１２Ａと電気的に接続された直流用のブスバー１１Ａはモジュールケース７の側壁を貫通し、インバータケース１０の制御部側の内部空間に突出し、コンデンサ１３と電気的に接続されていると共に、モジュールケース７の側壁に埋設された端子と電気的に接続されている。敷居３４の下部は、コンデンサ１３の下方を通って制御部側に延びている。敷居３４の下部の制御部側に延びた部分には、制御部とパワーモジュール部とを電気的に接続する配線３７が埋設されている。配線３７は、敷居３４の下部の制御部側に延びた部分の先端から樹脂２２の中を通って制御基板１５側に延び、制御基板１５と電気的に接続されている。
【００４５】本実施例によれば、インバータケース１０の一部をモジュールケース７を用いて構成したので、構成部品点数を減らすことができる。また、制御部とパワーモジュール部との電気的な接続を、敷居３４の下部の制御部側に延びた部分に埋設した配線３７を用いて行ったので、これまで制御部とパワーモジュール部との電気的な接続に用いていたコネクタなどの部品を減らすことができる。従って、インバータ装置の低価格化を図ることができる。
【００４６】また、本実施例によれば、インバータケース１０の一部をモジュールケース７を用いて構成したので、パワー半導体素子２を封止する絶縁樹脂８と樹脂２２とを同一の製造プロセスにおいて硬化することができる。従って、インバータ装置の製造プロセスを減らすことができる。これにより、インバータ装置の低価格化を図ることができる。
【００４７】図４は、本発明の第３実施例であるインバータ装置の構成を示す。前述した第１及び第２実施例では、パワーモジュール部と制御部を同一のインバータケースで構成する例について説明した。これに対して本実施例では、パワーモジュール部と制御部とを別々のケースで構成している。すなわち本実施例では、パワーモジュール部をインバータケース１０で構成し、制御部を制御基板用ケース２５で構成している。
【００４８】インバータケース１０の底壁には冷却器が形成されている。冷却器は、第１実施例で説明したものと同様に構成されている。インバータケース１０の内部空間にはパワーモジュール，コンデンサ及びブスバーが収納されている。パワーモジュール，コンデンサ及びブスバーは、第１実施例で説明したものと同様に構成されている。
【００４９】制御基板用ケース２５の底壁には冷却器２４が形成されている。本実施例の冷却器２４は、板状の放熱部材であると共に、制御基板用ケース２５の底壁の外周表面から下方側に突出するように、制御基板用ケース２５の底壁の外周表面に複数並設された放熱フィンである。制御基板用ケース２５の内部空間には制御基板１５が設けられている。制御基板１５には、ドライブ回路１４，インターフェース回路１９，センサ回路１６，計算機１７及び制御電源１８を構成する各種の電子部品が実装されている。制御基板１５に実装された各種の電子部品は、第１実施例で説明したものと同様に配置されている。
【００５０】制御基板１５と制御基板用ケース２５の底壁との間の空間には樹脂２２が充填されている。樹脂２２は、第１実施例で説明したものと同様のものであり、制御基板用ケース２５の底壁（冷却器２４が形成された壁）と物理的に接触した状態で充填されている。樹脂２２には、センサ回路１６及びドライブ回路１４を構成する半導体チップ、インターフェース回路１９を構成する通信用レシーバＩＣ１９Ａ，フォトカプラ１９Ｂ，制御基板１５と物理的に非接触状態で、制御基板１５の冷却器２４側面に実装された制御電源１８のレギュレータＩＣ１８Ａ，コンデンサ１８Ｂ，トランス１８Ｃ及び計算機１７に設けられた放熱器２３の一部分が埋め込まれている。制御部とパワーモジュール部との間は配線３７によって電気的に接続されている。
【００５１】本実施例によれば、パワーモジュール部と制御部とを別々のケースで構成、すなわちパワーモジュール部をインバータケース１０で構成し、制御部を制御基板用ケース２５で構成しているので、パワーモジュール部から制御部への熱影響を抑制することができ、インバータ装置の冷却性能を向上させることができる。
【００５２】また、本実施例によれば、パワーモジュール部と制御部とを別々のケースで構成しているので、制御部を小型化することができ、電気自動車やハイブリッド自動車内における制御部の配置性を向上させることができる。例えば車体前部のフロントグリルの内側、運低室内の座席の下又はダッシュボード内、トランクルーム内などへの取り付けが可能となる。
【００５３】図５は、本発明の第４実施例であるインバータ装置の構成を示す。本実施例は前述の第３実施例の改良例であり、冷却媒体である外気を冷却器２４に導くダクト２６を制御基板用ケース２５の底壁に設けたものである。ダクト２６は制御基板用ケース２５の底壁に対して取付可能に構成されている。このため、制御基板用ケース２５の底壁には、ダクト２６を水平方向両端から挟持して固定する金具２７が設けられている。また、制御基板用ケース２５の底壁には、ダクト２６との合体時の気密性を向上させると共に、ダクト２６に設けられた環状の凹凸部と合致する環状の凹凸部が形成されている。
【００５４】また、制御基板用ケース２５の底壁に形成された環状の凹凸部とダクト２６に形成された環状の凹凸部には、相対向する環状の凹部が形成されている。制御基板用ケース２５の底壁に形成された環状の凹部とダクト２６に形成された環状の凹部との間には、制御基板用ケース２５の底壁とタグト２６との間の気密性をさらに向上させるために、環状の凹部に沿ってゴム製の環状のＯリング２８が設けられている。
【００５５】本実施例によれば、冷却媒体を冷却器２４に導くダクト２６を設けたので、制御部の設置箇所の雰囲気に関わらず、外気などの冷却媒体を吸入し、冷却媒体を冷却器２４に導くことができる。従って、制御部の設置箇所の条件に左右されず常に制御部を冷却することができ、制御部の配置性及び冷却性能をさらに向上させることができる。
【００５６】図６は、本発明の第５実施例であるインバータ装置の構成を示す。本実施例は前述の第１実施例の改良例である。本実施例では、発熱量の大きい電子部品と熱的に接触する樹脂２２を、樹脂２２よりも熱伝導性の小さい樹脂から形成した板状の断熱ブロック３１で、発熱量の大きい電子部品の発熱量の大きさに応じて分離している。具体的には、発熱量の大きい電子部品のうち、最も発熱量の大きい電子部品（例えば計算機１７の放熱器２３）の周囲に存在する樹脂２２と、他の電子部品の周囲に存在する樹脂２２とを、樹脂２２よりも熱伝導性の小さい断熱ブロック３１で分離している。
【００５７】本実施例によれば、発熱量の大きい電子部品の発熱量の大きさに応じて断熱ブロック３１で樹脂２２を分離したので、発熱量の大きい電子部品の中でも発熱量の大きい電子部品の発熱は断熱ブロック３１によって遮断され、樹脂２２を介して発電量の大きい電子部品の中でも発熱量の小さい電子部品に熱伝達され難くなり、そのほとんどが樹脂２２を介して冷却器２４に熱伝達される。従って、発熱量の大きい電子部品の発熱を冷却器２４にさらに効率よく熱伝達することができるので、インバータ装置の冷却性能をさらに向上させることができる。
【００５８】図７は，本発明の第６実施例であるインバータ装置の構成を示す。本実施例では、冷却器９を下部に有するモジュールケース７と、上部に冷却器２４を有する制御基板用ケース２５とを、その両者間に空隙３２を設けて積層一体化構造としている。モジュールケース７内の構成は、前例で説明したものと同様である。制御基板用ケースは、第３実施例で説明したものを１８０度回転させたもの、すなわち上下反対になっており、その内部構成も第３実施例のものが上下反対になったものである。空隙３２は、モジュールケース７或いは制御基板用ケース２５のいずか一方に突起部を設けることにより形成することができる。本実施例では制御基板用ケース２５の下部に突起部３３を設けている。
【００５９】冷却器９は、冷却媒体を流通させるための流路であり、厚みのある壁材に形成され、モジュールケース７の下部を密閉する金属基板５に固着されている。冷却器２４は、板状の放熱部材であると共に、制御基板用ケース２５の上壁の外周表面から上方側に突出するように、制御基板用ケース２５の上壁の外周表面に複数並設された放熱フィンであり、第３実施例で説明したものと同様に構成されたものである。
【００６０】空隙３２には、モジュールケース７から空隙３２に突出した端子及び制御基板用ケース２５から空隙３２に突出したコネクタ３５と電気的に接続された電力用配線基板３６が設けられている。コネクタ３５は、モジュールケース３側と制御基板用ケース２５側とを電気的に接続するためのものであり、制御基板用ケース２５側に設けられた接続部材である。
【００６１】本実施例によれば、制御基板用ケース２５の下部に突起部３３を設け、この突起部３３を介してモジュールケース７と制御基板用ケース２５とを積層させたので、モジュールケース７と制御基板用ケース２５との間に空隙３２が形成されると共に、モジュールケース７と制御基板用ケース２５との接触面積を最小限とすることができる。従って、モジュールケース７と制御基板用ケース２５とを積層構造としても、発熱量の大きいパワーモジュール部から制御部への熱伝達を抑制することができる。
【００６２】また、本実施例によれば、モジュールケース７と制御基板用ケース２５とを積層して一体化したので、電気自動車やハイブリッド自動車などの駆動装置を小型化することができる。従って、電気自動車やハイブリッド自動車などを低価格にすることができる。
【００６３】さらに、本実施例によれば、モジュールケース７と制御基板用ケース２５との間の空隙３２に、モジュールケース７側と制御基板用ケース２５側とを電気的に接続するための電力用配線基板３６を配置したので、モジュールケース７と制御基板用ケース２５との間の電気的な配線が短くなり、インバータ装置を小型化することができると共に、低価格にすることができる。
【００６４】図８は、前述の第１乃至第６実施例のいずれかで説明したインバータ装置の自動車への取付例を示す。ここでは、制御基板用ケース２５の壁面に空冷式の冷却器２９、すなわち複数枚並設された放熱部材としての板状の放熱フィン３０が制御基板用ケース２５の壁面に対して垂直に設けられているインバータ装置の取付例を説明する。
【００６５】本実施例では、制御基板用ケース２５の壁面に設けられた放熱部材としての放熱フィン３０が自動車の移動面（地面）に対して垂直となるように、かつ外気の流入方向に対向するように、すなわち自動車の移動方向を向くように、制御基板用ケース２５を自動車に取り付けている。取り付け場所としては、外気の流入が可能な場所、例えばエンジンルームなどが好ましいが、運転席や荷台、車輪の一部の周囲を覆う車体部分に取り付けてもよい。
【００６６】本実施例によれば、制御基板用ケース２５の壁面に設けられた放熱部材としての板状の放熱フィン３０が自動車の移動面（地面）に対して垂直になるように、かつ外気の流入方向に対向するように、制御基板用ケース２５を自動車に取り付けたので、流入した外気が放熱部材としての板状の放熱フィン３０を自動車の移動面（地面）側から上方に向かって滑らかにながれるようになり、外気との熱交換効率を向上させることができる。従って、インバータ装置の冷却性能を向上されることができる。
【００６７】
【発明の効果】本発明によれば、電力変換装置の冷却性能を向上させることができるので、電力変換装置を小型化することができる。従って、小型化を図った電力変換装置及びそれを備えた移動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例であるインバータ装置の構成を示す断面図。
【図２】図１のII−II矢視断面図。
【図３】本発明の第２実施例であるインバータ装置の構成を示す断面図。
【図４】本発明の第３実施例であるインバータ装置の構成を示す断面図。
【図５】本発明の第４実施例であるインバータ装置の構成を示す断面図。
【図６】本発明の第５実施例であるインバータ装置の構成を示す断面図。
【図７】本発明の第６実施例であるインバータ装置の構成を示す断面図。
【図８】インバータ装置の自動車への取付例を示す立体平面。
【図９】インバータ装置の回路構成を示すブロック図。
【図１０】電気自動車の構成を示す平面図。
【図１１】ハイブリッド自動車の構成を示す平面図。
【図１２】電動四駆式自動車の構成を示す平面図。
【符号の説明】
１…電動機、２…パワー半導体素子、３…パワーモジュール、４…セラミックス基板、５…金属基板、６…金属ワイヤー、７…モジュールケース、８…絶縁樹脂、９，２４，２９…冷却器、１０…インバータケース、１１…ブスバー、１２…端子台、１３…コンデンサ、１４…ドライブ回路、１５…制御基板、１６…センサ回路、１７…計算機、１８…制御電源、１９…インターフェース回路、２０…バッテリ、２１…上位制御装置、２２…樹脂、２３…放熱器、２５…制御基板用ケース、２６…ダクト、２７…金具、２８…Ｏリング、３０…放熱フィン、３１…断熱ブロック、３２…空隙、３３…突起部、３４…敷居、３５…コネクタ、３６…配線基板、３７…配線。

【特許請求の範囲】
【請求項１】電力制御用の半導体素子を有するパワーモジュール部と、前記半導体素子の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、密閉容器と、前記密閉容器内に配設された基板と、前記基板に複数実装されると共に、発熱量の異なる少なくとも２種類の電子部品と、熱伝導性を有すると共に、前記発熱量の異なる少なくとも２種類の電子部品のうち、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも低い温度に上昇する電子部品及び前記基板と物理的に非接触状態で、前記発熱量の異なる少なくとも２種類の電子部品のうち、自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも高い温度に上昇する電子部品の一部分或いはその電子部品に設けられた放熱手段が埋め込まれ、かつ自己の発熱によって電子部品の表面限界温度よりも高い温度に上昇する電子部品の発熱或いは前記放熱手段に熱伝達された発熱を前記密閉容器に熱伝達する絶縁樹脂とを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】電力制御用の半導体素子を有するパワーモジュール部と、前記半導体素子の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、密閉容器と、前記密閉容器内に配設された基板と、前記基板に実装された複数の電子部品と、熱伝導性を有すると共に、前記基板表面から１mm以上の間隔を空けて前記密閉容器内面と接触するように、前記密閉容器と前記基板との間に充填された絶縁樹脂とを有し、前記樹脂は、前記複数の電子部品のうち、前記基板表面から１mm以上の高さ寸法を有する電子部品の一部分或いは電子部品に設けられた放熱手段を埋め込み、前記基板表面から１mm以上の高さ寸法を有する電子部品の発熱或いは前記放熱手段に熱伝達された発熱を前記密閉容器に熱伝達することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】電力制御用の半導体素子を有するパワーモジュール部と、前記半導体素子の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、密閉容器と、前記密閉容器内に配設された基板と、前記基板に実装されると共に、容量素子，電圧制御用素子，演算処理用素子を含む複数の電子部品と、熱伝導性を有すると共に、少なくとも前記容量素子，前記電圧可変用素子を除く前記複数の電子部品及び前記基板と物理的に非接触状態で、少なくとも前記容量素子，前記電圧制御用素子の一部分及び前記演算処理用素子に設けられた放熱手段が埋め込まれ、かつ少なくとも前記容量素子，前記電圧制御用素子の発熱及び前記放熱手段に熱伝達された前記演算処理用素子の発熱を前記密閉容器に熱伝達する絶縁樹脂とを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載された電力変換装置において、前記制御部を構成する前記密閉容器内に前記パワーモジュール部が構成されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】請求項４に記載された電力変換装置において、前記パワーモジュール部は、前記半導体素子を収納する容器と容量素子を有し、前記容器と前記容量素子は、前記絶縁樹脂と物理的に接触していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】請求項４に記載された電力変換装置において、前記密閉容器は、水平方向或いは上下方向に仕切られていると共に、その一方側に前記素子部が配置され、その他方側に前記制御部が配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】請求項１乃至３のいずれかに記載された電力変換装置において、前記制御部を構成する密閉容器とは別の密閉容器で前記パワーモジュール部を構成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】請求項７に記載された電力変換装置において、前記パワーモジュールを構成する密閉容器と前記制御部を構成する密閉容器は、水平方向或いは上下方向に近接或いは隣接して配置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】請求項１乃至８のいずれかに記載された電力変換装置において、前記絶縁樹脂は、空気よりも熱伝導率が高いものであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】請求項１乃至８のいずれかに記載された電力変換装置において、前記絶縁樹脂は、熱伝導性を有する充填材が混入されたものであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】請求項１乃至８のいずれかに記載された電力変換装置において、前記絶縁樹脂は、シリカ製或いはセラミックス製の粒子状或いは箔状の無機充填材がウレタン系樹脂或いはシリコン系樹脂に混入されたものであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】請求項１乃至８のいずれかに記載された電力変換装置において、前記絶縁樹脂は、前記絶縁樹脂に埋め込まれた電子部品の発熱量の大きさに応じて、前記絶縁樹脂よりも熱伝導率の小さい部材で分離されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１３】請求項１乃至８のいずれかに記載された電力変換装置において、前記絶縁樹脂に埋め込まれた電子部品のうち、発熱量の最も大きい電子部品の周囲に存在する前記絶縁樹脂とその他の電子部品の周囲に存在する前記絶縁樹脂は、前記絶縁樹脂よりも熱伝導率の小さい分離部材によって分離されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１４】請求項１乃至８のいずれかに記載された電力変換装置において、前記密閉容器は、熱放熱性を有する金属製のもの或いは前記絶縁樹脂が接触する壁に冷却手段が一体形成されたもの若しくは前記絶縁樹脂が接触する壁に冷却手段が取り付けられたものであって、前記冷却手段は、冷却媒体を流通させる流路或いは熱放熱性を有する部材で構成されたものであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１５】胴体と、前記胴体に回転可能に取り付けられた回転体と、前記回転体を駆動すると共に、外部電源或いは前記胴体に取り付けられた内部電源からの供給電力によって駆動される電動機と、前記電源から前記電動機に供給される電力を制御する電力変換装置とを備え、前記電力変換装置は、請求項１乃至１４のいずれかに記載された電力変換装置であることを特徴とする移動体。
【請求項１６】車体と、前記車体に回転可能に取け付けられた前後輪と、前記前後輪のいずれか一方を駆動する電動機と、前記電動機に供給される駆動電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置から前記電動機に供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置とを備え、前記電力変換装置は、請求項１乃至１４のいずれかに記載された電力変換装置であることを特徴とする移動体。
【請求項１７】車体と、前記車体に回転可能に取り付けられた前後輪と、前記前後輪のいずれか一方を駆動する内燃機関と、前記内燃機関に代わって前後輪のいずれか一方を駆動する電動機と、前記電動機に供給される駆動電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置から前記電動機に供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置とを備え、前記電力変換装置は、請求項１乃至１４のいずれかに記載された電力変換装置であることを特徴とする移動体。
【請求項１８】車体と、前記車体に回転可能に取り付けられた前後輪と、前記前後輪の一方を駆動する内燃機関と、前記前後輪の他方を駆動する電動機と、前記電動機に供給される駆動電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置から前記電動機に供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置とを備え、前記電力変換装置は、請求項１乃至１４のいずれかに記載された電力変換装置であることを特徴とする移動体。
【請求項１９】請求項１６乃至１８のいずれかに記載された移動体において、前記車体は、運転操作機器が収納された運転室，前記内燃機関が収納された機関室，物品を載置できる荷台，前記前後輪の少なくとも一部の周囲を覆う部分を有し、前記電力変換装置は、前記運転室，前記機関室，前記荷台，前記覆い部分のいずれかに取り付けられていることを特徴とする移動体。
【請求項２０】請求項１６乃至１８のいずれかに記載された移動体において、前記電力変換装置は、外面の一面に対してほぼ垂直に設けられ、かつ複数枚並設された板状の放熱部材を有すると共に、前記放熱部材が前記車体の移動方向を向き、かつ外気が前記放熱部材間を前記車体の移動面側から上方に向かって流れるように前記車体に取り付けられていることを特徴とする移動体。

【図１】