電力変換装置
【課題】ＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、スイッチング素子の冷却は放熱プレートへの放熱手段のみで、発熱量の大きいパワーＭＯＳＦＥＴなどを並べて配置する場合は効率よく放熱するためには熱抵抗の低減や水冷装置の冷却経路の複雑化などの課題があった。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の電圧変換するためのインダクタ素子に流れる電流を制御する複数のスイッチング素子を金属製のケースよりも伝熱特性が良い金属製の放熱体に伝熱性を有する絶縁材を介して金属製のケースに固定する。隣接するスイッチング素子との間で熱の流れが交錯するのが少なくなって熱干渉が少なくなることで、熱拡散が良くなりスイッチング素子冷却効率をより高めることができる。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の電圧変換するためのインダクタ素子に流れる電流を制御する複数のスイッチング素子を金属製のケースよりも伝熱特性が良い金属製の放熱体に伝熱性を有する絶縁材を介して金属製のケースに固定する。隣接するスイッチング素子との間で熱の流れが交錯するのが少なくなって熱干渉が少なくなることで、熱拡散が良くなりスイッチング素子冷却効率をより高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機等の負荷を駆動するための電力変換装置に係り、特に電力変換装置の回路系を構成する電力変換素子等の発熱構成部品の冷却性能を向上した電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やプラグインハイブリッド車は、高電圧蓄電池で車輪と連結された電動機を駆動するためのインバータ装置と、車両のライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池を搭載している。
【０００３】
このような車両においては、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータ装置を搭載している。
【０００４】
このような車両においては、車両全体の容積に対する室内の割合をできるだけ大きくし、居住性を良くすることが望まれている。インバータ装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、車室外のエンジンルームなど小さなスペースへの搭載が要求されている。
【０００５】
エンジンルーム内の温度環境は従来の使用環境より高いため、インバータ装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、水および混合物で構成される冷媒による冷却装置により冷却されることが必要であり、冷却効率が高く省スペース性の良い冷却方法および冷却機構が重要な技術要素となっている。この方法として、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子、トランス、チョークコイル、バスバーなどの発熱を放熱プレートに固体伝導により放熱する方式が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３００７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した特許文献１においては、樹脂形成品からなる樹脂プレートの表面を発熱部品に密着し、水冷装置で冷却される放熱プレートに放熱することでケース内の発熱部品を効率よく冷却できるものである。
【０００８】
しかしながら、この従来技術では、スイッチング素子の冷却は放熱プレートへの放熱手段のみで、発熱量の大きいパワーＭＯＳＦＥＴなどを並べて配置する場合は効率よく放熱するためには熱抵抗の低減や水冷装置の冷却経路の複雑化などの課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置において発熱部品であるスイッチング素子の効率的な放熱ができる放熱構造を備えた電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の特徴は、少なくとも電圧変換するためのインダクタ素子と、インダクタ素子に流れる電流を制御する複数のスイッチング素子が搭載される金属製のケースを備えた電力変換装置において、スイッチング素子は金属製のケースよりも伝熱特性が良い金属製の放熱体に伝熱性を有する絶縁材を介して金属製のケースに固定されている、というものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、放熱体は熱引きが良いので隣接するスイッチング素子との間で熱の流れが交錯するのが少なくなって熱干渉が少なくなり、そのため熱拡散が良くなることにより冷却流路の冷却範囲外に配置されたスイッチング素子の冷却効率をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明が適用される電力変換装置の外観斜視図である。
【図２】本発明が適用される電力変換装置の図１とは反対側から見た外観斜視図である。
【図３】インバータ装置の回路構成を説明する回路図である。
【図４】インバータ装置の分解斜視図である。
【図５】パワー半導体モジュールの外観斜視図である。
【図６】パワー半導体モジュールの断面図である。
【図７】インバータ装置を底面側から見た分解斜視図である。
【図８】ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の回路構成を示す回路図である。
【図９】ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の部品配置を示す分解斜視図である。
【図１０】インバータ装置とＤＣ−ＤＣコンバータ装置を組み付けた電力変換装置の断面図である。
【図１１】ＤＣ−ＤＣコンバータ装置のケース内の部品配置を示す構成図である。
【図１２】従来の降圧回路とパワー半導体モジュール構成を示す側断面図である。
【図１３】本発明を説明するための降圧回路とパワー半導体モジュールの側断面図である。
【図１４】本発明を適用したＤＣ−ＤＣコンバータ装置のコンデンサモジュールとスイッチン素子と制御基板を組み付けた組立体の斜視図である。
【図１５】図１４に示した組立体の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照して本発明を実施するための形態について説明するが、以下の説明においては本発明が適用される一例としての電力変換装置の構成の章と、本発明の実施例の章に分けて説明する。
【００１４】
先ず本発明が適用される電力変換装置の機械的な構造及び電力変換装置の回路的な構造を説明する。
【００１５】
≪電力変換装置の機械的、及び回路的な構成の説明≫
図１、２は、電力変換装置１の外観を示す斜視図であり、電力変換装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とインバータ装置２００とを一体化したものである。図１、２ではＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とインバータ装置２００とを分離した状態で示した。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は複数のボルト１１３によりインバータ装置２００のケース底面側に固定されている。
【００１６】
この電力変換装置１は電気自動車等に適用され、インバータ装置２００は車載の高電圧蓄電池からの電力により走行用電動機を駆動する。車両にはライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池が搭載されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行う。
【００１７】
後述するように、インバータ装置２００のケース１０の側壁内には冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。冷媒は入口配管１３から流路内に流入し、出口配管１４から流出する。流路が形成された側壁の下端には、流路の開口を塞ぐために下カバー４２０が固定されている。すなわち、図２の下カバー４２０の下方に冷媒流路が形成されている。そのため、ケース１０の底面側は下カバー４２０の部分がコの字状に突出し、底面部中央は凹部１０eとなっている。
【００１８】
一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース１１１はインバータ装置２００と対向する面に凹部１１１ｄ、及び凸部１１１ｃが形成されている。インバータ装置２００は、この凹部１１１ｄにケース１０の底面部分が嵌り込むようにＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００に固定される。
【００１９】
図３はインバータ装置２００の構成を説明する回路図であり、図３では半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してＩＧＢＴと記している。上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６とで、上下アームの直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この直列回路１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応して備えている。
【００２０】
これらの３相は、この実施の形態では走行用電動機に対応する電動機ジェネレータＭＧ１の電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のそれぞれの上下アームの直列回路１５０は、直列回路の中点部分である中間電極１６９から交流電流を出力する。この中間電極１６９は、交流端子１５９及び交流端子１８８を通して、電動機ジェネレータＭＧ１への交流電力線である交流バスバー８０２と接続される。
【００２１】
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は、正極端子１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６に電気的に接続されている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、負極端子１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側のコンデンサ端子５０４に電気的に接続されている。
【００２２】
上述のように、制御回路１７２は上位の制御装置からコネクタ２１を介して制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路１４０を構成する各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための制御信号である制御パルスを発生してドライバ回路１７４に供給する。
【００２３】
ドライバ回路１７４は、上記制御パルスに基づき、各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための駆動パルスを各相のＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０に供給する。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、ドライバ回路１７４からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力は電動機ジェネレータＭＧ１に供給される。
【００２４】
ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えている。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。ダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極１５５との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極１６５との間に電気的に接続されている。
【００２５】
スイッチング用パワー半導体素子としては金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。
【００２６】
コンデンサモジュール５００は、正極側のコンデンサ端子５０６と負極側のコンデンサ端子５０４と正極側の電源端子５０９と負極側の電源端子５０８とを備えている。バッテリ１３６からの高電圧の直流電力は、直流コネクタ１３８を介して、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６および負極側のコンデンサ端子５０４から、インバータ回路１４０へ供給される。
【００２７】
一方、交流電力からインバータ回路１４０によって変換された直流電力は、正極側のコンデンサ端子５０６や負極側のコンデンサ端子５０４からコンデンサモジュール５００に供給され、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８から直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に供給され、バッテリ１３６に蓄積される。
【００２８】
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンへの入力情報としては、電動機ジェネレータＭＧ１に対して要求される目標トルク値、直列回路１５０から電動機ジェネレータＭＧ１に供給される電流値、及び電動機ジェネレータＭＧ１の回転子の磁極位置がある。
【００２９】
目標トルク値は、図示しない上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０による検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、電動機ジェネレータＭＧ１に設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ（図示せず）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では電流センサ１８０は３相の電流値を検出する場合を例に挙げているが、２相分の電流値を検出するようにし、演算により３相分の電流を求めても良い。
【００３０】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいて電動機ジェネレータＭＧ１のｄ軸、ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸、ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸、ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸、ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ軸、ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。
【００３１】
そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００３２】
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。
【００３３】
また、制御回路１７２内のマイコンは、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、直列回路１５０を保護している。このため、制御回路１７２にはセンシング情報が入力されている。
【００３４】
例えば、各アームの信号用のエミッタ電極１５５及び信号用のエミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３２８３３０を過電流から保護する。
【００３５】
直列回路１５０に設けられた温度センサ（図示せず）からは直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。
【００３６】
図４は、インバータ装置２００の分解斜視図である。冷媒を流入するための入口配管１３と冷媒を流出するための出口配管１４が、ケース１０の同一側壁に配置されている。ケース１０内の底部側にはコの字形状に流路形成部１２ａ、１２ｂ、１２ｃが設けられている。尚、流路形成部１２ｃは流路形成部１２ａと平行に対向配置されており、図４では見えていない。
【００３７】
流路形成部１２ａ、１２ｂ、１２ｃには、後述する冷媒流路１９（図７参照）が形成されている。入口配管１３から流入した冷媒は、流路形成部１２ａ〜１２ｃ内の冷媒流路１９を流れて、出口配管１４から流出される。
【００３８】
互いに平行となっている流路形成部１２ａ、１２ｃには、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを冷媒流路内に装着するための開口部４００が複数形成されている。図４に示す例では、図示左側の設けられた流路形成部１２ａには、パワー半導体モジュール３００ａ、３００ｂが装着される２つの開口部４００が形成されている。
【００３９】
一方、図では見えないが、反対側に平行に設けられた流路形成部１２ｃにはパワー半導体モジュール３００ｃが装着される開口部４００が１つ形成されている。これらの開口４００は、流路形成部１２ａ、１２ｃにパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを固定することによって塞がれる。
【００４０】
図５、６は、パワー半導体モジュール３００ａを説明する図であり、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃはいずれも同じ構造なので代表してパワー半導体モジュール３００ａの構造を説明する。図５はパワー半導体モジュール３００ａの外観を示す斜視図であり、図６はパワー半導体モジュール３００ａを断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
【００４１】
尚、図５、６において信号端子３２５Ｕは、図３に開示したゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５に対応し、信号端子３２５Ｌは、図３に開示したゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５に対応する。また直流正極端子３１５Ｂは、図３に開示した正極端子１５７と同一のものであり、直流負極端子３１９Ｂは、図３に開示した負極端子１５８と同一のものである。また交流端子３２０Ｂは図３に開示した交流端子１５９と同じものである。
【００４２】
図６の断面図は、上下アームの直列回路１５０のＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６が配置される部分を示している。ＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６は、ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６に対して図面に垂直方向に並置されている。ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６は、導体板３１５と導体板３１８との間に挟まれるように固着されている。
【００４３】
同様に、ＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６は、導体板３１９と導体板３２０との間に挟まれるように固着されている。導体板３１５等は、その放熱面が露出した状態で第一封止樹脂３４８によって封止され、当該放熱面に絶縁シート３３３が熱圧着される。
【００４４】
第一封止樹脂３４８により封止されたモジュール一次封止体は、モジュールケース３０４の中に挿入され、絶縁シート３３３を挟んでＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース３０４の内面に熱圧着される。ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６と他面に底を有する筒形状をした冷却器である。モジュールケース３０４の内部に残存する空隙には、第二封止樹脂３５１が充填される。
【００４５】
モジュールケース３０４は電気伝導性を有する部材、例えばアルミ合金材料（Ａｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃ等）で構成され、かつ、つなぎ目の無い状態で一体に成形される。モジュールケース３０４は挿入口３０６以外に開口を設けない構造であり、挿入口３０６はフランジ３０４Ｂよって、その外周を囲まれている。
【００４６】
また、他の面より広い面を有する第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂがそれぞれ対向した状態で配置され、これらの放熱面に対向するようにして、各パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０、ダイオード１５６、ダイオード１６６）が配置されている。
【００４７】
当該対向する第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂと繋ぐ３つの面は、当該第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂより狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成される。モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要が無く、角が図６に示す如く曲面を成していても良い。
【００４８】
このような形状の金属製のケースを用いることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷媒が流れる冷媒流路１９内に挿入しても、冷媒に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できるため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。
【００４９】
また、対向した第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂに、フィン３０５がそれぞれ均一に形成される。さらに、第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂの外周には、厚みが極端に薄くなっている湾曲部３０４Ａが形成されている。湾曲部３０４Ａは、フィン３０５を加圧することで簡単に変形する程度まで厚みを極端に薄くしてあるため、モジュール一次封止体が挿入された後の生産性が向上する。
【００５０】
モジュールケース３０４の外部には、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための金属製の直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂ（１５７）と直流負極端子３１９Ｂ（１５８）がそれぞれ形成されている。
【００５１】
また、電動機ジェネレータＭＧ１に交流電力を供給するための金属製の交流配線３２０Ａが設けられており、その先端に交流端子３２０Ｂ（１５９）が形成されている。本実施形態では、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と接続され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と接続され、交流配線３２０Ａは導体板３２０と接続される。
【００５２】
モジュールケース３０４の外部にはさらに、ドライバ回路１７４と電気的に接続するための金属製の信号配線３２４Ｕおよび３２４Ｌが設けられており、その先端部に信号端子３２５Ｕ（１５４、１５５）と信号端子３２５Ｌ（１６４、１６５）がそれぞれ形成されている。本実施形態では、信号配線３２４ＵはＩＧＢＴ３２８と接続され、信号配線３２
４ＬはＩＧＢＴ３２８と接続される。
【００５３】
直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌは、樹脂材料で成形された配線絶縁部６０８によって相互に絶縁された状態で、補助モールド体６００として一体に成型される。配線絶縁部６０８は、各配線を支持するための支持部材としても作用し、これに用いる樹脂材料は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。これにより、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。
【００５４】
補助モールド体６００は、モジュール一次封止体と金属接合された後に、配線絶縁部６０８に設けられたネジ穴を貫通するネジ３０９によってモジュールケース３０４に固定される。接続部３７０におけるモジュール一次封止体と補助モールド体６００との金属接合には、たとえばＴＩＧ溶接などを用いることができる。
【００５５】
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、配線絶縁部６０８を間に挟んで対向した状態で互いに積層され、略平行に延びる形状を成している。こうした配置および形状とすることで、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流が、対向してかつ逆方向に流れる。これにより、電流が作る磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。なお、交流配線３２０Ａや信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌも、直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａと同様の方向に向かって延びている。
【００５６】
モジュール一次封止体と補助モールド体６００が金属接合により接続されている接続部３７０は、第二封止樹脂３５１によりモジュールケース３０４内で封止される。これにより、接続部３７０とモジュールケース３０４との間で必要な絶縁距離を安定的に確保することができるため、封止しない場合と比較してパワー半導体モジュール３００ａの小型化が実現できる。
【００５７】
図４に戻って、コの字形状に設けられた流路形成部１２ａ〜１２ｃによって囲まれた領域は、コンデンサモジュール５００を収納するための収納空間４０５を形成している。収納空間４０５に収納されたコンデンサモジュール５００は、流路形成部１２ａ〜１２ｃ内の冷媒流路を流れる冷媒によって冷やされる。このように、コンデンサモジュール５００は、冷媒流路が設けられた流路形成部１２ａ〜１２ｃによって囲まれるように配置されるため、効率良く冷却される。
【００５８】
また、コンデンサモジュール５００の外側面に沿って流路が形成されているので、流路やコンデンサモジュール５００やパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃとの配置が整然と整い、全体がより小型となる。また冷媒流路がコンデンサモジュール５００の長辺に沿って配置されており、冷媒流路に挿入固定されるパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃとの距離が略一定となるので、平滑コンデンサとパワー半導体モジュール回路との回路定数が３相の各相においてバランスし易くなり、スパイク電圧を低減し易い回路構成となる。本実施の形態では、冷媒としては水が最も適している。しかし、水以外であっても利用できる。
【００５９】
コンデンサモジュール５００の上方には、バスバーアッセンブリ８００が配置される。バスバーアッセンブリ８００は、交流バスバーや当該交流バスバーを保持する保持部材を備えており、さらに電流センサ１８０を保持している。流路形成部１２ａ〜１２ｃとケース１０とを一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却効果に加えて、ケース１０の機械的強度を強くする効果がある。また、インバータ装置２００全体の熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。もちろん、流路形成部１２ａ〜１２ｃをケース１０と別体で形成するようにしても構わない。
【００６０】
ドライバ回路基板２２は、バスバーアッセンブリ８００の上方に配置される。またドライバ回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置される。金属ベース板１１は、ケース１０に固定される。当該金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２及び制御回路基板２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共にドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。
【００６１】
さらに金属ベース板１１は、制御回路基板２０の機械的な共振周波数を高める作用を奏する。すなわち金属ベース板１１に制御回路基板２０を固定するためのねじ止め部を短い間隔で配置することが可能となり、機械的な振動が発生した場合の支持点間の距離を短くでき、共振周波数を高くできる。エンジン等から伝わる振動周波数に対して制御回路基板２０の共振周波数を高くできるので、振動の影響を受け難く、信頼性が向上する。蓋８は、金属ベース板１１に固定されて、制御回路基板２０を外部からの電磁ノイズから保護する。
【００６２】
本実施形態に係るケース１０は、流路形成部１２が収納された部分は略直方体の形状を為しているが、ケース１０の一側面側から突出収納部１０ｇが形成されている。当該突出収納部１０ｄには、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００から延ばされる端子１０２や、直流側のバスバーアッセンブリ９００や、抵抗器４５０が収納される。ここで抵抗器４５０は、コンデンサモジュール５００のコンデンサ素子に蓄えられた電荷を放電するための抵抗素子である。このようにバッテリ１３６とコンデンサモジュール５００との間の電気回路部品を突出収納部１０ｄに集約しているため、配線の複雑化を抑制することができ、装置全体の小型化に寄与することができる。
【００６３】
尚、蓋１８は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００から延ばされる端子１０２を接続するための作業用の窓１７を塞ぐための部材である。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、ケース１０の底面と対向する面に、端子１０２が貫通する開口部１０１が形成されている。
【００６４】
このように、インバータ装置２００の底部側に流路形成部１２を配置し、次にコンデンサモジュール５００、バスバーアッセンブリ８００、基板等の必要な部品を固定する作業を上から順次行えるように構成されており、生産性と信頼性が向上する。
【００６５】
図７は、ケース１０を下カバー４２０が設けられている底面側から見た図である。ケース１０は、４つの側壁１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを備える直方体形状を有している。ケース１０の底面側には、冷媒流路１９の開口部４０４が形成されている。コの字形状の冷媒流路１９は、直線状の３つの流路部（第１流路部１９ａ、第２流路部１９ｂ、第３流路部１９ｃ）から構成される。開口部４０４もコの字形状をしており、この開口部４０４は下カバー４２０によって塞がれる。下カバー４２０とケース１０の間には、シール部材４０９が設けられ気密性を保っている。
【００６６】
下カバー４２０には、第１流路部１９ａおよび第２流路部１９ｂと対向する位置に、冷媒流路１９とは反対の方向に向かって突出する３つの凸部４０６と１つの凸部４０７とが形成されている。３つの凸部４０６は、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃに対応して設けられている。
【００６７】
尚、第３流路部１９ｃに対応する位置に形成された凸部４０７は、冷媒流路１９の断面積を調整するために設けられたものであり、この部分にはパワー半導体モジュールは配置されない。凸部４０７は凸部４０６と同一形状である。符号１０ｅで示す部分は、コンデンサモジュール５００を収納する収納空間４０５（図４参照）の底部である。
【００６８】
冷媒は、矢印４１７で示すように入口配管１３に流入し、ケース１０の長手方向の辺に沿って形成された第１流路部１９ａ内を矢印４１８の方向に流れる。さらに、冷媒は、ケース１０の短手方向の辺に沿って形成された第２流路部１９ｂ内を、矢印４２１の方向に流れる。この第２流路部１９ｂは折り返し流路を形成する。
【００６９】
さらに、冷媒は、ケース１０の長手方向の辺に沿って形成された流路形成部１２の第３流路部１９ｃを流れる。第３流路部１９ｃは、コンデンサモジュール５００を挟んで第１流路部１９ａと平行に設けられている。冷媒は、矢印４２３で示すように出口配管１４から流出される。
【００７０】
第１流路部１９ａ、第２流路部１９ｂ、第３流路部１９ｃは、いずれも幅方向より深さ方向が大きく形成される。また、流路形成部１２には、ケース１０裏面に形成された開口部４０４と、複数の開口部４００とが対向するように形成されているので、アルミ鋳造により製造し易い構成になっている。
【００７１】
次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００について説明する。図８はＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の回路構成を示す図である。図８に示すように、本実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００では、双方向ＤＣ−ＤＣ対応としている。
【００７２】
そのために、降圧回路（ＨＶ回路）、昇圧回路（ＬＶ回路）は、ダイオード整流ではなく同期整流構成としている。また、ＨＶ/ＬＶ変換で高出力とするために、スイッチング素子への大電流部品の採用、平滑コイルの大型化を図っている。
【００７３】
具体的には、ＨＶ/ＬＶ側共に、リカバリーダイオードを持つＭＯＳＦＥＴを利用したＨブリッジ型・同期整流スイッチング回路構成（Ｈ１〜Ｈ４）とした。スイッチング制御にあっては、ＬＣ直列共振回路（Ｃｒ、Ｌｒ）を用いて高スイッチング周波数（100ｋＨｚ）でゼロクロススイッチングさせ、変換効率を向上させて熱損失を低減するようにした。ここで、スイッチング素子ＩＧＢＴはＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００を双方向に切り替えるための切り替え機能を有しているものである。
【００７４】
加えて、アクティブクランプ回路を設けて、降圧動作時の循環電流による損失を低減させ、ならびに、スイッチング時のサージ電圧発生を抑制してスイッチング素子の耐圧を低減させることで、回路部品の低耐圧化を図ることで装置を小型化している。
【００７５】
さらに、ＬＶ側の高出力を確保するために、全波整流型の倍電流（カレントダブラー）方式とした。尚、高出力化にあたり複数のスイッチング素子を並列同時作動させることで高出力を確保している。図８の例では、ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４、ＳＷＢ１〜ＳＷＢ４のように４素子並列とした。
【００７６】
また、スイッチング回路および平滑リアクトルの小型リアクトル（Ｌ１、Ｌ２）を、対称性を持たせるように２回路並列配置とすることで高出力化している。このように、小型リアクトルを２回路配置とすることで、大型リアクトル１台を配置させる場合に比べて、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置全体の小型化が可能となる。
【００７７】
図９、図１０および図１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００における部品配置を説明する図である。図９はＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の分解斜視図である。図１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とインバータ装置２００とを一体化した電力変換装置１の断面図である。図１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース内の部品配置を模式的に示した図である。
【００７８】
図９に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の回路部品は、金属製（例えば、アルミダイカスト製）のケース１１１内に収納されている。ケース１１１の開口部にはケースカバー１１２がボルト固定される。上述したように、ケース１１１の底面側に、インバータ装置２００のケース１０が固定される。
【００７９】
ケース１１１内の底面部分には、主トランス３３、インダクタ素子３４、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４が搭載されたパワー半導体モジュール３５、スイッチング素子３６が搭載されている昇圧回路基板３２、コンデンサ３８等が載置されている。主な発熱部品は、主トランス３３、インダクタ素子３４、パワー半導体モジュール３５およびスイッチング素子３６である。
【００８０】
なお、図８の回路図との対応を記載すると、主トランス３３はトランスＴｒに、インダクタ素子３４はカレントダブラーのリアクトルＬ１、Ｌ２に、スイッチング素子３６はスイッチング素子ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４、ＳＡＷＢ１〜ＳＷＢ４にそれぞれ対応している。昇圧回路基板３２には、図８のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２等も搭載されている。
【００８１】
図１１にあるように、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４の端子はケース上方へと延在しており、パワー半導体モジュール３５の上方に配置された降圧回路基板３１と接続されている。降圧回路基板３１はケース底面から上方に突出した複数の支持部材上に固定される。パワー半導体モジュール３５においては、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４は、パターンが形成された金属基板上に実装されており、金属基板の裏面側はケース底面に密着するように固定されている。スイッチング素子３６が実装される昇圧回路基板３２も同様の金属基板で構成されている。
【００８２】
制御回路基板３０には、昇圧回路や降圧回路に設けられたスイッチング素子を制御する制御回路が実装されている制御回路基板３０は金属製のベース板３７上に固定されている。ベース板３７はケース１１１の底面部から上方に突出した複数の支持部１１１ａに固定されている。これにより、制御回路基板３０は、ケース底面部に配置された発熱部品（主トランス３３、インダクタ素子３４やパワー半導体モジュール３５など）の上方に、ベース板３７を介して配置されることになる。
【００８３】
図１０および１１を参照して、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００に設けられた部品の配置について説明する。なお、図１０の断面図では、インバータ装置２００内に収納されている部品としては、流路形成部１２に装着されたパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃのみを示した。前述したように、インバータ装置２００のケース１０内には、各側壁１０ａ、１０ｂ、１０ｃに沿って流路形成部１２ａ〜１２ｃが設けられている。
【００８４】
側壁１０ａに沿った流路形成部１２ａには第１流路部１９ａが形成され、側壁１０ｂに沿った流路形成部１２ｂには第２流路部１９ｂが形成され、側壁１０ｃに沿った流路形成部１２ｃには第３流路部１９ｃが形成されている。第１流路部１９ａにはパワー半導体モジュール３００ａが挿入され、第３流路部１９ｃにはパワー半導体モジュール３００ｃが挿入されている。なお、図示していないが、パワー半導体モジュール３００ｂは第１流路部１９ａに挿入されている。
【００８５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース１１１は、ケース底部１１１ｂの外周面に凹部１１１ｄおよび凸部１１１ｃが形成されている。図１０に示すように、ケース１１１の凹部１１１ｄは、少なくともケース１０の底部外周面に設けられた凸部４０６に対向する領域に形成されている。すなわち、凹部１１１ｄは、凸部４０６を介して流路部１９ａ、１９ｂ、１９ｃに対向している。また、凸部１１１ｃは、ケース１０の底部外周面の凸部４０６によって囲まれた領域に対向するように形成されている。
【００８６】
図１０では図示を省略しているが、ケース１１１とケース１０との隙間には、熱伝導性能に優れたシール材（放熱シート、熱伝導性グリース）が設けられている。主トランス３３は第１流路部１９ａと対向するケース内周面に固定されている。一方、スイッチング素子３６と搭載する昇圧回路基板３２やコンデンサ３８は、第３流路部１９ｃと対向するケース内周面に固定されている。主トランス３３、昇圧回路基板３２、コンデンサ３８等はケース１１１の底面部にボルト４１等によりネジ止めされているが、ケース底部の肉厚の厚い領域、例えば凸部１１１ｃにネジ穴が形成されている。また、流路部１９ａ、１９ｂ、１９ｃと対向しないケース底面部にも部品を配置する場合には、その部分の肉厚を厚くしてケース１０と接触させることで、その部品の冷却効率の向上を図るようにしている。
【００８７】
ベース板３７はケース１１１に形成された支持部１１１ａ上にボルト固定されている、制御回路基板３０はベース板３７の上面に形成された凸部３７ａ上にボルト等により固定されている。ケース１１１の開口部にはケースカバー１１２が取り付けられ、ケース内部が密閉されている。
【００８８】
ケース１１１は、底面部（凹部１１１ｄや凸部１１１ｃなど）がインバータ装置２００のケース１０と熱的に接触しているため、ケース１０の流路部１９ａ〜１９ｃを流れる冷媒によって間接的に冷却されている。ケース底面部に部品を固定することにより、効果的に冷却が行われる。特に、発熱量の大きな部品に関しては、冷媒が直接接している下カバー４０２の凸部４０６が接触する領域に配置することで、冷却効果の向上を図ることができる。
【００８９】
また、ベース板３７は金属で形成されているので、制御回路基板３０で発生した熱は支持部１１１ａおよびケース１１１を介してケース１０へと伝達される。また、ベース板３７は、ケース底面部に設けられた発熱部品からの輻射熱の遮蔽部材として機能するとともに、銅材等を用いることでスイッチング素子からのスイッチング放射ノイズを遮蔽するシールドとしても機能する。
【００９０】
図１１の平面図は、ケース１１１の底面部に設けられた発熱部品の配置を示したものであり、ケースカバー１１２を外した状態を示す。破線はインバータ装置２００のケース１０に設けられた流路部１９ａ〜１９ｃの配置を示している。流路部１９ａ〜１９ｃは、ケース１１１の底面部に対してコの字形状に設けられており、第１流路部１９ａと第３流路部１９ｃとは平行に設けられている。入口配管１３から第１流路部１９ａに流入した冷媒は、第２流路部１９ｂ、第３流路部１９ｃの順に流れて、出口配管１４から流出する。
【００９１】
主トランス３３および２つのインダクタ素子３４は、第１流路部１９ａと対向するケース底面部に配置されている。また、降圧回路を構成するパワー半導体モジュール３５および降圧回路基板３１は、主に第１流路部１９ａと対向するケース底面部に配置されている。昇圧回路を構成するスイッチング素子３６および昇圧回路基板３２は、第３流路部１９ｃと対向するケース底面部に配置されている。このように、比較的発熱量の大きな部品を流路部１９ａ〜１９ｃと対向する位置に配置して冷却効率を高めるようにしている。
【００９２】
≪本発明の背景と本発明の実施例の説明≫
本発明はこのような一例として示した電力変換装置を発明の対象とするものであり、以下に本発明が必要となった背景と共に本発明の一実施例を詳細に説明するが、発明をより理解しやすくするため図１１乃至図１３は簡略化した構成を示している。
【００９３】
図１１にあるように、インバータ装置２００に形成した冷却通路である流路１９a、１９ｂ及び１９ｃはコンデンサモジュール５００を囲むように形成されるので、おのずとその流路形状や流路寸法に限界がある。具体的には、流路形状はコの字形状に形成され、且つその流路の寸法は幅方向の長さはあまり確保できず、高さ方向の長さを確保して冷媒の必要流量を得るようにしている。
【００９４】
したがって、図１１からわかるようにインバータ装置２００に重ねて固定されるDC−DCコンバータ装置１００のケース１１１内にある伝熱性絶縁シート４２に設けられるスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４は冷却通路１９aの流路方向に対して略直角に並べて配置されるようになる。
ここで、スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４以外に更にもう一個のスイッチング素子ＩＧＢＴも併せて配置されるようになっている。このスイッチング素子ＩＧＢＴはＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００を双方向に切り替えるための切り替え機能を有しているものである。
【００９５】
一般に、降圧回路３１のパワー半導体モジュール３５におけるスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４は大電力を処理するため発熱が大きなものとなる。そして、図１１にあるように流路１９ａによりスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴをできるだけ冷却できるように流路１９aの上側に降圧回路３１を配置している。
【００９６】
しかしながら、冒頭で説明したようにこの種の電力変換装置１はエンジンルームなどの小さなスペースへの搭載が要求されているため、できるだけコンパクトにまとめることが要請されている。
【００９７】
したがって、インバータ装置２００の小型化を図ろうとした場合、コンデンサモジュール５００の大きさが変わらない（小さくできたとしても限界がある。）とすると、流路１９a、１９ｂ及び１９ｃの幅を短くする必要がある。このため、降圧回路３１を冷却するために流路１９aの上側に降圧回路３１を配置するようにすると、流路部１９ａの冷却範囲ではスイッチング素子Ｈ３、スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが冷却範囲外となる。特に流路部１９ａの範囲から遠くに配置されているスイッチング素子Ｈ４やスイッチング素子ＩＧＢＴは他のスイッチング素子よりも温度がかなり高くなる傾向にある。
【００９８】
上記した挙動の説明を図１２に基づいて説明するが、図１２はスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが取り付けられた状態の断面であり、各構成部品を模式化して簡略にしている。
【００９９】
図１２において、アルミ合金等で形成されたケース１１１に該当するスイッチング素子収納筐体４３には熱伝導性の良い伝熱性絶縁シート４２を介してスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが取り付けられている。
【０１００】
具体的には、スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴは熱伝導性グリース及び／または放熱用シリコンゴムシートなどの熱伝導性の良い伝熱性絶縁シート４２を介してスイッチング素子収納筐体４３に個々にねじによって固定されている。また、スイッチング素子収納筐体４３は一般的なアルミダイカスト用の材料であるＡＤＣ１２タイプが使用されている。
【０１０１】
尚、スイッチング素子収納筐体４３は上述したようにＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース１１１と一体形成されるか、或いはケース１１１とは別体に作成してねじ等の固定手段によってケース１１１と一体にされても良いものである。
【０１０２】
このような構成において、各スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの熱の拡散状態を考えると、各スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが隣接しているため、各スイッチング素子の発熱による相互の熱干渉が大きく、熱の流れが隣接部分で交錯して旨く拡散出来ず熱が溜まりやすい傾向にある。
この場合、流路１９ａの冷却範囲内のスイッチング素子Ｈ１とスイッチング素子Ｈ２は流路１９ａを流れる冷媒によって熱が持ち去られるので温度はそれほど高くならないが、流路１９ａを外れて配置されたスイッチング素子Ｈ３、スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴは冷却範囲内に配置されたスイッチング素子Ｈ１及びスイッチング素子Ｈ２よりも温度が高くなり、熱的な悪影響を受けやすくなる。
【０１０３】
このような課題に対して、本発明は以下のような対応を提案するものである。図１３は本発明の典型的な一実施例を示しており、スイッチング素子収納筐体４３は図１２に示すものと同様のものである。
【０１０４】
そして、スイッチング素子収納筐体４３の内側には放熱体４１が収納されている。この放熱体４１はスイッチング素子収納筐体４３にぴったりと密着するように形成されているが、より伝熱性を向上するため両者の間には熱伝導性グリースが塗布されている。
【０１０５】
更に、スイッチング素子収納筐体４３の側壁部と放熱体４１の側壁部とはネジ４４によって強固に固定されている。もちろん、側壁部とスイッチング素子収納筐体４３の側壁部の間には熱移動を向上する熱伝導性グリースが塗布されている。尚、ネジ４４は防水性等を考慮してスイッチング素子収納筐体４３内で放熱体４１を一体的にねじ止め固定するようにしても良い。
【０１０６】
そして、放熱体４１の長手方向の上部にはスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが並列に並べられて載置されており、熱伝導性グリース及び／または放熱用シリコンゴムシートなどの熱伝導率の良い伝熱性絶縁シート４２を介して個々にねじによって固定されている。
【０１０７】
本実施例においては、スイッチング素子収納筐体４３は一般的なアルミダイカスト用の材料であるＡＤＣ１２タイプのものを使用し、放熱体４１は、一般的な放熱板の材料であるＡ６０６３タイプのものを使用する。スイッチング素子収納筐体４３はＡＤＣ１２タイプを使用しており、その熱伝導率は約９２Ｗ／ｍｋであり、放熱体４１はＡ６０６３タイプを使用しており、その熱伝導率は約２０９Ｗ／ｍｋである。
【０１０８】
したがって、各スイッチング素子で発生した熱は放熱体４１に伝わるが、放熱体４１は熱引きが良いので、隣接するスイッチング素子との間で熱の流れが交錯するのが少なくなって熱干渉が少なくなり、そのため熱拡散が良くなることにより流路１９ａによる冷却範囲外に配置されたスイッチング素子Ｈ３、スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの冷却効率をより高めることができる。
これにより、スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの温度が高くならずに熱による悪影響を抑制することが可能となる。
【０１０９】
ここで、スイッチング素子収納筐体４３を放熱体４１と同じ材料で製作するとかなり高くなるので実用的ではない。理由としては、発熱構成部品以外のところは冷却機能がそれほど必要なく、高い材料を使用する利点が少ないからである。
【０１１０】
以上が本発明の基本的な考え方であるが、次に本発明の考え方を適用した具体的な実施例を詳細に説明するが、図１４は降圧回路部分を主要素とする組立体を示し、図１５はその分解斜視図である。
【０１１１】
図１４において、参照番号４１は図１３で示した放熱体であり、この放熱体４１上にスイッチング素子やDC−DCコンバータ装置用のコンデンサモジュール４５、制御基板４６等が載置され、これらはネジ等によって一体的に固定されるとともに、この組立体はＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース１１１内にネジによって固定されるように構成されている。
【０１１２】
更に詳細に説明すると、図１５において所定厚さを有した外観が長方形状の放熱体４１はその中央部付近にスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴを受け入れる収納凹部４１Ｂが形成されており、この収納凹部４１Ｂに伝熱性絶縁シート４２が載置され、更にこの伝熱性絶縁シート４２の上にスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが並列に並べて載置されている。
【０１１３】
スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴは固定用の板バネ４７によって伝熱性絶縁シート４２に強く押しつけられており、板バネ４７はその一部が放熱体４１にねじ４８によって強固に固定されている。
【０１１４】
したがって、ねじ４８を支点として板バネ４７がスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴを伝熱性絶縁シート４２側に強く押圧している。
【０１１５】
また、コンデンサモジュール４５はコンデンサケース４９とこれに一体形成した取付部５０を備えており、コンデンサケース４９にコンデンサが収納されて樹脂等が充填固化されている。そして、取付部５０をネジによって放熱体４１に固定することでコンデンサモジュール４５と放熱体４１とを一体化している。
【０１１６】
したがって、コンデンサモジュール４５と放熱体４１との間にスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが位置することになる。
【０１１７】
そして、図１４の図示上で後端側には制御基板４６が位置しており、この制御基板４６の下側の両端には位置決めピン５１が植立しており、この位置決めピン５１は放熱体４１の後端側の位置決め孔（図示せず）に挿入され、その後ネジ５２によってコンデンサケース４９に固定される。
【０１１８】
ここで、放熱体４１、コンデンサモジュール４５、制御基板４６が組み上がった状態で、スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴのそれぞれの端子は制御基板４６の制御回路に接続されるようになっている。
【０１１９】
このようにしてなる組立体において、各スイッチング素子で発生した熱は放熱体４１に伝わるが、上述したように放熱体４１は熱引きが良いので、隣接するスイッチング素子との間で熱の流れが交錯するのが少なくなって熱干渉が少なくなり、そのため熱拡散が良くなることにより流路１９ａによる冷却範囲外に配置されたスイッチング素子Ｈ３、スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの冷却効率をより高めることができる。
【０１２０】
これにより、スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの温度が高くならずに熱による悪影響を抑制することが可能となる。このような構造によって組立体をコンパクトに構成することができると共に、組み上がった組立体をＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース１１１に組み付けるとことによって容易に取り付けることが可能となる。
【０１２１】
また、本発明の課題であるスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの冷却については熱引きが良い放熱体４１によって伝熱させることで、隣接するスイッチング素子との間で熱の流れが交錯するのが少なくなって熱干渉が少なくなり、そのため熱拡散が良くなることにより流路１９ａによる冷却範囲外に配置されたスイッチング素子Ｈ３、スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの冷却効率をより高めることができるものである。
【０１２２】
ここで、実施例においては放熱体４１について放熱材料用として熱伝導率が約２０９Ｗ／ｍｋのアルミニウムのＡ６０６３タイプを使用しているが、これに限定されずケース１１１より放熱特性が良ければ制限されないものである。
【０１２３】
また、実施例においては電力変換装置としてインバータ装置２００とＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００を一体化したものを示しているが、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００を単独に使用し、この、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００自体にインバータ装置２００に示したような冷却通路を形成するようにしたものであっても本発明は適用可能である。つまり、放熱体４１が固定される位置のケース１１１の反対側の壁面に冷却水通路を配置するようにしても良いものである。
【０１２４】
尚、以上の説明はＰＨＥＶあるいはＥＶ等の車両に搭載される電力変換装置を例に説明したが、本発明はこれらに限らず建設機械等の車両に用いられる電力変換装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１２５】
１０、１１１…ケース、１０ａ〜１０ｄ…側壁、１０ｆ、１１１ｆ…側面、１２…流路
形成部、１９…冷媒流路、１９ａ…第１流路部、１９ｂ…第２流路部、１９ｃ…第３流路
部、２０、３０…制御回路基板、３３…主トランス、３４…電圧変換用インダクタ素子、
３５…パワー半導体モジュール、３６…スイッチング素子、３７…ベース板。４１…放熱体、４２…伝熱性絶縁シート、４３…スイッチング素子収納筐体、４４…ねじ、４５…コンデンサモジュール、４６…制御基板、４７…板バネ、４８…取付部、４９…コンデンサケース、５０…ネジ、５１…位置決めピン、１００…ＤＣ−ＤＣコンバータ装置、１１１ａ…支持部、１１１ｂ…ケース底部、１１１ｃ、５２…ネジ、５３…端子、４０６…凸部、１１１ｄ…凹部、１２０…放熱シート、２００…インバータ装置、４０２…下カバー、Ｈ１〜Ｈ４、ＩＧＢＴ…スイッチング素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動機等の負荷を駆動するための電力変換装置に係り、特に電力変換装置の回路系を構成する電力変換素子等の発熱構成部品の冷却性能を向上した電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やプラグインハイブリッド車は、高電圧蓄電池で車輪と連結された電動機を駆動するためのインバータ装置と、車両のライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池を搭載している。
【０００３】
このような車両においては、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータ装置を搭載している。
【０００４】
このような車両においては、車両全体の容積に対する室内の割合をできるだけ大きくし、居住性を良くすることが望まれている。インバータ装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、車室外のエンジンルームなど小さなスペースへの搭載が要求されている。
【０００５】
エンジンルーム内の温度環境は従来の使用環境より高いため、インバータ装置やＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、水および混合物で構成される冷媒による冷却装置により冷却されることが必要であり、冷却効率が高く省スペース性の良い冷却方法および冷却機構が重要な技術要素となっている。この方法として、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子、トランス、チョークコイル、バスバーなどの発熱を放熱プレートに固体伝導により放熱する方式が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４３００７１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した特許文献１においては、樹脂形成品からなる樹脂プレートの表面を発熱部品に密着し、水冷装置で冷却される放熱プレートに放熱することでケース内の発熱部品を効率よく冷却できるものである。
【０００８】
しかしながら、この従来技術では、スイッチング素子の冷却は放熱プレートへの放熱手段のみで、発熱量の大きいパワーＭＯＳＦＥＴなどを並べて配置する場合は効率よく放熱するためには熱抵抗の低減や水冷装置の冷却経路の複雑化などの課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置において発熱部品であるスイッチング素子の効率的な放熱ができる放熱構造を備えた電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の特徴は、少なくとも電圧変換するためのインダクタ素子と、インダクタ素子に流れる電流を制御する複数のスイッチング素子が搭載される金属製のケースを備えた電力変換装置において、スイッチング素子は金属製のケースよりも伝熱特性が良い金属製の放熱体に伝熱性を有する絶縁材を介して金属製のケースに固定されている、というものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、放熱体は熱引きが良いので隣接するスイッチング素子との間で熱の流れが交錯するのが少なくなって熱干渉が少なくなり、そのため熱拡散が良くなることにより冷却流路の冷却範囲外に配置されたスイッチング素子の冷却効率をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明が適用される電力変換装置の外観斜視図である。
【図２】本発明が適用される電力変換装置の図１とは反対側から見た外観斜視図である。
【図３】インバータ装置の回路構成を説明する回路図である。
【図４】インバータ装置の分解斜視図である。
【図５】パワー半導体モジュールの外観斜視図である。
【図６】パワー半導体モジュールの断面図である。
【図７】インバータ装置を底面側から見た分解斜視図である。
【図８】ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の回路構成を示す回路図である。
【図９】ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の部品配置を示す分解斜視図である。
【図１０】インバータ装置とＤＣ−ＤＣコンバータ装置を組み付けた電力変換装置の断面図である。
【図１１】ＤＣ−ＤＣコンバータ装置のケース内の部品配置を示す構成図である。
【図１２】従来の降圧回路とパワー半導体モジュール構成を示す側断面図である。
【図１３】本発明を説明するための降圧回路とパワー半導体モジュールの側断面図である。
【図１４】本発明を適用したＤＣ−ＤＣコンバータ装置のコンデンサモジュールとスイッチン素子と制御基板を組み付けた組立体の斜視図である。
【図１５】図１４に示した組立体の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照して本発明を実施するための形態について説明するが、以下の説明においては本発明が適用される一例としての電力変換装置の構成の章と、本発明の実施例の章に分けて説明する。
【００１４】
先ず本発明が適用される電力変換装置の機械的な構造及び電力変換装置の回路的な構造を説明する。
【００１５】
≪電力変換装置の機械的、及び回路的な構成の説明≫
図１、２は、電力変換装置１の外観を示す斜視図であり、電力変換装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とインバータ装置２００とを一体化したものである。図１、２ではＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とインバータ装置２００とを分離した状態で示した。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は複数のボルト１１３によりインバータ装置２００のケース底面側に固定されている。
【００１６】
この電力変換装置１は電気自動車等に適用され、インバータ装置２００は車載の高電圧蓄電池からの電力により走行用電動機を駆動する。車両にはライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池が搭載されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行う。
【００１７】
後述するように、インバータ装置２００のケース１０の側壁内には冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。冷媒は入口配管１３から流路内に流入し、出口配管１４から流出する。流路が形成された側壁の下端には、流路の開口を塞ぐために下カバー４２０が固定されている。すなわち、図２の下カバー４２０の下方に冷媒流路が形成されている。そのため、ケース１０の底面側は下カバー４２０の部分がコの字状に突出し、底面部中央は凹部１０eとなっている。
【００１８】
一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース１１１はインバータ装置２００と対向する面に凹部１１１ｄ、及び凸部１１１ｃが形成されている。インバータ装置２００は、この凹部１１１ｄにケース１０の底面部分が嵌り込むようにＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００に固定される。
【００１９】
図３はインバータ装置２００の構成を説明する回路図であり、図３では半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してＩＧＢＴと記している。上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６とで、上下アームの直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この直列回路１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応して備えている。
【００２０】
これらの３相は、この実施の形態では走行用電動機に対応する電動機ジェネレータＭＧ１の電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のそれぞれの上下アームの直列回路１５０は、直列回路の中点部分である中間電極１６９から交流電流を出力する。この中間電極１６９は、交流端子１５９及び交流端子１８８を通して、電動機ジェネレータＭＧ１への交流電力線である交流バスバー８０２と接続される。
【００２１】
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は、正極端子１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６に電気的に接続されている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、負極端子１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側のコンデンサ端子５０４に電気的に接続されている。
【００２２】
上述のように、制御回路１７２は上位の制御装置からコネクタ２１を介して制御指令を受け、これに基づいてインバータ回路１４０を構成する各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための制御信号である制御パルスを発生してドライバ回路１７４に供給する。
【００２３】
ドライバ回路１７４は、上記制御パルスに基づき、各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための駆動パルスを各相のＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０に供給する。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、ドライバ回路１７４からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力は電動機ジェネレータＭＧ１に供給される。
【００２４】
ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えている。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。ダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極１５５との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極１６５との間に電気的に接続されている。
【００２５】
スイッチング用パワー半導体素子としては金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。
【００２６】
コンデンサモジュール５００は、正極側のコンデンサ端子５０６と負極側のコンデンサ端子５０４と正極側の電源端子５０９と負極側の電源端子５０８とを備えている。バッテリ１３６からの高電圧の直流電力は、直流コネクタ１３８を介して、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６および負極側のコンデンサ端子５０４から、インバータ回路１４０へ供給される。
【００２７】
一方、交流電力からインバータ回路１４０によって変換された直流電力は、正極側のコンデンサ端子５０６や負極側のコンデンサ端子５０４からコンデンサモジュール５００に供給され、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８から直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に供給され、バッテリ１３６に蓄積される。
【００２８】
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンへの入力情報としては、電動機ジェネレータＭＧ１に対して要求される目標トルク値、直列回路１５０から電動機ジェネレータＭＧ１に供給される電流値、及び電動機ジェネレータＭＧ１の回転子の磁極位置がある。
【００２９】
目標トルク値は、図示しない上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１８０による検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、電動機ジェネレータＭＧ１に設けられたレゾルバなどの回転磁極センサ（図示せず）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では電流センサ１８０は３相の電流値を検出する場合を例に挙げているが、２相分の電流値を検出するようにし、演算により３相分の電流を求めても良い。
【００３０】
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいて電動機ジェネレータＭＧ１のｄ軸、ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ軸、ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ軸、ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ軸、ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ軸、ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に変換する。
【００３１】
そして、マイコンは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
【００３２】
ドライバ回路１７４は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅したドライブ信号を、対応する下アームのＩＧＢＴ３３０のゲート電極に出力する。また、ドライバ回路１７４は、上アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。
【００３３】
また、制御回路１７２内のマイコンは、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、直列回路１５０を保護している。このため、制御回路１７２にはセンシング情報が入力されている。
【００３４】
例えば、各アームの信号用のエミッタ電極１５５及び信号用のエミッタ電極１６５からは各ＩＧＢＴ３２８とＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３２８３３０を過電流から保護する。
【００３５】
直列回路１５０に設けられた温度センサ（図示せず）からは直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには直列回路１５０の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０のスイッチング動作を停止させる。
【００３６】
図４は、インバータ装置２００の分解斜視図である。冷媒を流入するための入口配管１３と冷媒を流出するための出口配管１４が、ケース１０の同一側壁に配置されている。ケース１０内の底部側にはコの字形状に流路形成部１２ａ、１２ｂ、１２ｃが設けられている。尚、流路形成部１２ｃは流路形成部１２ａと平行に対向配置されており、図４では見えていない。
【００３７】
流路形成部１２ａ、１２ｂ、１２ｃには、後述する冷媒流路１９（図７参照）が形成されている。入口配管１３から流入した冷媒は、流路形成部１２ａ〜１２ｃ内の冷媒流路１９を流れて、出口配管１４から流出される。
【００３８】
互いに平行となっている流路形成部１２ａ、１２ｃには、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを冷媒流路内に装着するための開口部４００が複数形成されている。図４に示す例では、図示左側の設けられた流路形成部１２ａには、パワー半導体モジュール３００ａ、３００ｂが装着される２つの開口部４００が形成されている。
【００３９】
一方、図では見えないが、反対側に平行に設けられた流路形成部１２ｃにはパワー半導体モジュール３００ｃが装着される開口部４００が１つ形成されている。これらの開口４００は、流路形成部１２ａ、１２ｃにパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを固定することによって塞がれる。
【００４０】
図５、６は、パワー半導体モジュール３００ａを説明する図であり、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃはいずれも同じ構造なので代表してパワー半導体モジュール３００ａの構造を説明する。図５はパワー半導体モジュール３００ａの外観を示す斜視図であり、図６はパワー半導体モジュール３００ａを断面Ｄで切断して方向Ｅから見たときの断面図である。
【００４１】
尚、図５、６において信号端子３２５Ｕは、図３に開示したゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５に対応し、信号端子３２５Ｌは、図３に開示したゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５に対応する。また直流正極端子３１５Ｂは、図３に開示した正極端子１５７と同一のものであり、直流負極端子３１９Ｂは、図３に開示した負極端子１５８と同一のものである。また交流端子３２０Ｂは図３に開示した交流端子１５９と同じものである。
【００４２】
図６の断面図は、上下アームの直列回路１５０のＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６が配置される部分を示している。ＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６は、ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６に対して図面に垂直方向に並置されている。ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６は、導体板３１５と導体板３１８との間に挟まれるように固着されている。
【００４３】
同様に、ＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６は、導体板３１９と導体板３２０との間に挟まれるように固着されている。導体板３１５等は、その放熱面が露出した状態で第一封止樹脂３４８によって封止され、当該放熱面に絶縁シート３３３が熱圧着される。
【００４４】
第一封止樹脂３４８により封止されたモジュール一次封止体は、モジュールケース３０４の中に挿入され、絶縁シート３３３を挟んでＣＡＮ型冷却器であるモジュールケース３０４の内面に熱圧着される。ここで、ＣＡＮ型冷却器とは、一面に挿入口３０６と他面に底を有する筒形状をした冷却器である。モジュールケース３０４の内部に残存する空隙には、第二封止樹脂３５１が充填される。
【００４５】
モジュールケース３０４は電気伝導性を有する部材、例えばアルミ合金材料（Ａｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣ、Ａｌ−Ｃ等）で構成され、かつ、つなぎ目の無い状態で一体に成形される。モジュールケース３０４は挿入口３０６以外に開口を設けない構造であり、挿入口３０６はフランジ３０４Ｂよって、その外周を囲まれている。
【００４６】
また、他の面より広い面を有する第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂがそれぞれ対向した状態で配置され、これらの放熱面に対向するようにして、各パワー半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０、ダイオード１５６、ダイオード１６６）が配置されている。
【００４７】
当該対向する第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂと繋ぐ３つの面は、当該第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂより狭い幅で密閉された面を構成し、残りの一辺の面に挿入口３０６が形成される。モジュールケース３０４の形状は、正確な直方体である必要が無く、角が図６に示す如く曲面を成していても良い。
【００４８】
このような形状の金属製のケースを用いることで、モジュールケース３０４を水や油などの冷媒が流れる冷媒流路１９内に挿入しても、冷媒に対するシールをフランジ３０４Ｂにて確保できるため、冷却媒体がモジュールケース３０４の内部に侵入するのを簡易な構成で防ぐことができる。
【００４９】
また、対向した第１放熱面３０７Ａと第２放熱面３０７Ｂに、フィン３０５がそれぞれ均一に形成される。さらに、第１放熱面３０７Ａ及び第２放熱面３０７Ｂの外周には、厚みが極端に薄くなっている湾曲部３０４Ａが形成されている。湾曲部３０４Ａは、フィン３０５を加圧することで簡単に変形する程度まで厚みを極端に薄くしてあるため、モジュール一次封止体が挿入された後の生産性が向上する。
【００５０】
モジュールケース３０４の外部には、コンデンサモジュール５００と電気的に接続するための金属製の直流正極配線３１５Ａおよび直流負極配線３１９Ａが設けられており、その先端部に直流正極端子３１５Ｂ（１５７）と直流負極端子３１９Ｂ（１５８）がそれぞれ形成されている。
【００５１】
また、電動機ジェネレータＭＧ１に交流電力を供給するための金属製の交流配線３２０Ａが設けられており、その先端に交流端子３２０Ｂ（１５９）が形成されている。本実施形態では、直流正極配線３１５Ａは導体板３１５と接続され、直流負極配線３１９Ａは導体板３１９と接続され、交流配線３２０Ａは導体板３２０と接続される。
【００５２】
モジュールケース３０４の外部にはさらに、ドライバ回路１７４と電気的に接続するための金属製の信号配線３２４Ｕおよび３２４Ｌが設けられており、その先端部に信号端子３２５Ｕ（１５４、１５５）と信号端子３２５Ｌ（１６４、１６５）がそれぞれ形成されている。本実施形態では、信号配線３２４ＵはＩＧＢＴ３２８と接続され、信号配線３２
４ＬはＩＧＢＴ３２８と接続される。
【００５３】
直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌは、樹脂材料で成形された配線絶縁部６０８によって相互に絶縁された状態で、補助モールド体６００として一体に成型される。配線絶縁部６０８は、各配線を支持するための支持部材としても作用し、これに用いる樹脂材料は、絶縁性を有する熱硬化性樹脂かあるいは熱可塑性樹脂が適している。これにより、直流正極配線３１５Ａ、直流負極配線３１９Ａ、交流配線３２０Ａ、信号配線３２４Ｕおよび信号配線３２４Ｌの間の絶縁性を確保でき、高密度配線が可能となる。
【００５４】
補助モールド体６００は、モジュール一次封止体と金属接合された後に、配線絶縁部６０８に設けられたネジ穴を貫通するネジ３０９によってモジュールケース３０４に固定される。接続部３７０におけるモジュール一次封止体と補助モールド体６００との金属接合には、たとえばＴＩＧ溶接などを用いることができる。
【００５５】
直流正極配線３１５Ａと直流負極配線３１９Ａは、配線絶縁部６０８を間に挟んで対向した状態で互いに積層され、略平行に延びる形状を成している。こうした配置および形状とすることで、パワー半導体素子のスイッチング動作時に瞬間的に流れる電流が、対向してかつ逆方向に流れる。これにより、電流が作る磁界が互いに相殺する作用をなし、この作用により低インダクタンス化が可能となる。なお、交流配線３２０Ａや信号端子３２５Ｕ、３２５Ｌも、直流正極配線３１５Ａ及び直流負極配線３１９Ａと同様の方向に向かって延びている。
【００５６】
モジュール一次封止体と補助モールド体６００が金属接合により接続されている接続部３７０は、第二封止樹脂３５１によりモジュールケース３０４内で封止される。これにより、接続部３７０とモジュールケース３０４との間で必要な絶縁距離を安定的に確保することができるため、封止しない場合と比較してパワー半導体モジュール３００ａの小型化が実現できる。
【００５７】
図４に戻って、コの字形状に設けられた流路形成部１２ａ〜１２ｃによって囲まれた領域は、コンデンサモジュール５００を収納するための収納空間４０５を形成している。収納空間４０５に収納されたコンデンサモジュール５００は、流路形成部１２ａ〜１２ｃ内の冷媒流路を流れる冷媒によって冷やされる。このように、コンデンサモジュール５００は、冷媒流路が設けられた流路形成部１２ａ〜１２ｃによって囲まれるように配置されるため、効率良く冷却される。
【００５８】
また、コンデンサモジュール５００の外側面に沿って流路が形成されているので、流路やコンデンサモジュール５００やパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃとの配置が整然と整い、全体がより小型となる。また冷媒流路がコンデンサモジュール５００の長辺に沿って配置されており、冷媒流路に挿入固定されるパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃとの距離が略一定となるので、平滑コンデンサとパワー半導体モジュール回路との回路定数が３相の各相においてバランスし易くなり、スパイク電圧を低減し易い回路構成となる。本実施の形態では、冷媒としては水が最も適している。しかし、水以外であっても利用できる。
【００５９】
コンデンサモジュール５００の上方には、バスバーアッセンブリ８００が配置される。バスバーアッセンブリ８００は、交流バスバーや当該交流バスバーを保持する保持部材を備えており、さらに電流センサ１８０を保持している。流路形成部１２ａ〜１２ｃとケース１０とを一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却効果に加えて、ケース１０の機械的強度を強くする効果がある。また、インバータ装置２００全体の熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。もちろん、流路形成部１２ａ〜１２ｃをケース１０と別体で形成するようにしても構わない。
【００６０】
ドライバ回路基板２２は、バスバーアッセンブリ８００の上方に配置される。またドライバ回路基板２２と制御回路基板２０の間には金属ベース板１１が配置される。金属ベース板１１は、ケース１０に固定される。当該金属ベース板１１は、ドライバ回路基板２２及び制御回路基板２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共にドライバ回路基板２２と制御回路基板２０とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。
【００６１】
さらに金属ベース板１１は、制御回路基板２０の機械的な共振周波数を高める作用を奏する。すなわち金属ベース板１１に制御回路基板２０を固定するためのねじ止め部を短い間隔で配置することが可能となり、機械的な振動が発生した場合の支持点間の距離を短くでき、共振周波数を高くできる。エンジン等から伝わる振動周波数に対して制御回路基板２０の共振周波数を高くできるので、振動の影響を受け難く、信頼性が向上する。蓋８は、金属ベース板１１に固定されて、制御回路基板２０を外部からの電磁ノイズから保護する。
【００６２】
本実施形態に係るケース１０は、流路形成部１２が収納された部分は略直方体の形状を為しているが、ケース１０の一側面側から突出収納部１０ｇが形成されている。当該突出収納部１０ｄには、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００から延ばされる端子１０２や、直流側のバスバーアッセンブリ９００や、抵抗器４５０が収納される。ここで抵抗器４５０は、コンデンサモジュール５００のコンデンサ素子に蓄えられた電荷を放電するための抵抗素子である。このようにバッテリ１３６とコンデンサモジュール５００との間の電気回路部品を突出収納部１０ｄに集約しているため、配線の複雑化を抑制することができ、装置全体の小型化に寄与することができる。
【００６３】
尚、蓋１８は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００から延ばされる端子１０２を接続するための作業用の窓１７を塞ぐための部材である。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、ケース１０の底面と対向する面に、端子１０２が貫通する開口部１０１が形成されている。
【００６４】
このように、インバータ装置２００の底部側に流路形成部１２を配置し、次にコンデンサモジュール５００、バスバーアッセンブリ８００、基板等の必要な部品を固定する作業を上から順次行えるように構成されており、生産性と信頼性が向上する。
【００６５】
図７は、ケース１０を下カバー４２０が設けられている底面側から見た図である。ケース１０は、４つの側壁１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを備える直方体形状を有している。ケース１０の底面側には、冷媒流路１９の開口部４０４が形成されている。コの字形状の冷媒流路１９は、直線状の３つの流路部（第１流路部１９ａ、第２流路部１９ｂ、第３流路部１９ｃ）から構成される。開口部４０４もコの字形状をしており、この開口部４０４は下カバー４２０によって塞がれる。下カバー４２０とケース１０の間には、シール部材４０９が設けられ気密性を保っている。
【００６６】
下カバー４２０には、第１流路部１９ａおよび第２流路部１９ｂと対向する位置に、冷媒流路１９とは反対の方向に向かって突出する３つの凸部４０６と１つの凸部４０７とが形成されている。３つの凸部４０６は、パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃに対応して設けられている。
【００６７】
尚、第３流路部１９ｃに対応する位置に形成された凸部４０７は、冷媒流路１９の断面積を調整するために設けられたものであり、この部分にはパワー半導体モジュールは配置されない。凸部４０７は凸部４０６と同一形状である。符号１０ｅで示す部分は、コンデンサモジュール５００を収納する収納空間４０５（図４参照）の底部である。
【００６８】
冷媒は、矢印４１７で示すように入口配管１３に流入し、ケース１０の長手方向の辺に沿って形成された第１流路部１９ａ内を矢印４１８の方向に流れる。さらに、冷媒は、ケース１０の短手方向の辺に沿って形成された第２流路部１９ｂ内を、矢印４２１の方向に流れる。この第２流路部１９ｂは折り返し流路を形成する。
【００６９】
さらに、冷媒は、ケース１０の長手方向の辺に沿って形成された流路形成部１２の第３流路部１９ｃを流れる。第３流路部１９ｃは、コンデンサモジュール５００を挟んで第１流路部１９ａと平行に設けられている。冷媒は、矢印４２３で示すように出口配管１４から流出される。
【００７０】
第１流路部１９ａ、第２流路部１９ｂ、第３流路部１９ｃは、いずれも幅方向より深さ方向が大きく形成される。また、流路形成部１２には、ケース１０裏面に形成された開口部４０４と、複数の開口部４００とが対向するように形成されているので、アルミ鋳造により製造し易い構成になっている。
【００７１】
次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００について説明する。図８はＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の回路構成を示す図である。図８に示すように、本実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００では、双方向ＤＣ−ＤＣ対応としている。
【００７２】
そのために、降圧回路（ＨＶ回路）、昇圧回路（ＬＶ回路）は、ダイオード整流ではなく同期整流構成としている。また、ＨＶ/ＬＶ変換で高出力とするために、スイッチング素子への大電流部品の採用、平滑コイルの大型化を図っている。
【００７３】
具体的には、ＨＶ/ＬＶ側共に、リカバリーダイオードを持つＭＯＳＦＥＴを利用したＨブリッジ型・同期整流スイッチング回路構成（Ｈ１〜Ｈ４）とした。スイッチング制御にあっては、ＬＣ直列共振回路（Ｃｒ、Ｌｒ）を用いて高スイッチング周波数（100ｋＨｚ）でゼロクロススイッチングさせ、変換効率を向上させて熱損失を低減するようにした。ここで、スイッチング素子ＩＧＢＴはＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００を双方向に切り替えるための切り替え機能を有しているものである。
【００７４】
加えて、アクティブクランプ回路を設けて、降圧動作時の循環電流による損失を低減させ、ならびに、スイッチング時のサージ電圧発生を抑制してスイッチング素子の耐圧を低減させることで、回路部品の低耐圧化を図ることで装置を小型化している。
【００７５】
さらに、ＬＶ側の高出力を確保するために、全波整流型の倍電流（カレントダブラー）方式とした。尚、高出力化にあたり複数のスイッチング素子を並列同時作動させることで高出力を確保している。図８の例では、ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４、ＳＷＢ１〜ＳＷＢ４のように４素子並列とした。
【００７６】
また、スイッチング回路および平滑リアクトルの小型リアクトル（Ｌ１、Ｌ２）を、対称性を持たせるように２回路並列配置とすることで高出力化している。このように、小型リアクトルを２回路配置とすることで、大型リアクトル１台を配置させる場合に比べて、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置全体の小型化が可能となる。
【００７７】
図９、図１０および図１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００における部品配置を説明する図である。図９はＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の分解斜視図である。図１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とインバータ装置２００とを一体化した電力変換装置１の断面図である。図１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース内の部品配置を模式的に示した図である。
【００７８】
図９に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の回路部品は、金属製（例えば、アルミダイカスト製）のケース１１１内に収納されている。ケース１１１の開口部にはケースカバー１１２がボルト固定される。上述したように、ケース１１１の底面側に、インバータ装置２００のケース１０が固定される。
【００７９】
ケース１１１内の底面部分には、主トランス３３、インダクタ素子３４、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４が搭載されたパワー半導体モジュール３５、スイッチング素子３６が搭載されている昇圧回路基板３２、コンデンサ３８等が載置されている。主な発熱部品は、主トランス３３、インダクタ素子３４、パワー半導体モジュール３５およびスイッチング素子３６である。
【００８０】
なお、図８の回路図との対応を記載すると、主トランス３３はトランスＴｒに、インダクタ素子３４はカレントダブラーのリアクトルＬ１、Ｌ２に、スイッチング素子３６はスイッチング素子ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４、ＳＡＷＢ１〜ＳＷＢ４にそれぞれ対応している。昇圧回路基板３２には、図８のスイッチング素子Ｓ１、Ｓ２等も搭載されている。
【００８１】
図１１にあるように、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４の端子はケース上方へと延在しており、パワー半導体モジュール３５の上方に配置された降圧回路基板３１と接続されている。降圧回路基板３１はケース底面から上方に突出した複数の支持部材上に固定される。パワー半導体モジュール３５においては、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４は、パターンが形成された金属基板上に実装されており、金属基板の裏面側はケース底面に密着するように固定されている。スイッチング素子３６が実装される昇圧回路基板３２も同様の金属基板で構成されている。
【００８２】
制御回路基板３０には、昇圧回路や降圧回路に設けられたスイッチング素子を制御する制御回路が実装されている制御回路基板３０は金属製のベース板３７上に固定されている。ベース板３７はケース１１１の底面部から上方に突出した複数の支持部１１１ａに固定されている。これにより、制御回路基板３０は、ケース底面部に配置された発熱部品（主トランス３３、インダクタ素子３４やパワー半導体モジュール３５など）の上方に、ベース板３７を介して配置されることになる。
【００８３】
図１０および１１を参照して、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００に設けられた部品の配置について説明する。なお、図１０の断面図では、インバータ装置２００内に収納されている部品としては、流路形成部１２に装着されたパワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃのみを示した。前述したように、インバータ装置２００のケース１０内には、各側壁１０ａ、１０ｂ、１０ｃに沿って流路形成部１２ａ〜１２ｃが設けられている。
【００８４】
側壁１０ａに沿った流路形成部１２ａには第１流路部１９ａが形成され、側壁１０ｂに沿った流路形成部１２ｂには第２流路部１９ｂが形成され、側壁１０ｃに沿った流路形成部１２ｃには第３流路部１９ｃが形成されている。第１流路部１９ａにはパワー半導体モジュール３００ａが挿入され、第３流路部１９ｃにはパワー半導体モジュール３００ｃが挿入されている。なお、図示していないが、パワー半導体モジュール３００ｂは第１流路部１９ａに挿入されている。
【００８５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース１１１は、ケース底部１１１ｂの外周面に凹部１１１ｄおよび凸部１１１ｃが形成されている。図１０に示すように、ケース１１１の凹部１１１ｄは、少なくともケース１０の底部外周面に設けられた凸部４０６に対向する領域に形成されている。すなわち、凹部１１１ｄは、凸部４０６を介して流路部１９ａ、１９ｂ、１９ｃに対向している。また、凸部１１１ｃは、ケース１０の底部外周面の凸部４０６によって囲まれた領域に対向するように形成されている。
【００８６】
図１０では図示を省略しているが、ケース１１１とケース１０との隙間には、熱伝導性能に優れたシール材（放熱シート、熱伝導性グリース）が設けられている。主トランス３３は第１流路部１９ａと対向するケース内周面に固定されている。一方、スイッチング素子３６と搭載する昇圧回路基板３２やコンデンサ３８は、第３流路部１９ｃと対向するケース内周面に固定されている。主トランス３３、昇圧回路基板３２、コンデンサ３８等はケース１１１の底面部にボルト４１等によりネジ止めされているが、ケース底部の肉厚の厚い領域、例えば凸部１１１ｃにネジ穴が形成されている。また、流路部１９ａ、１９ｂ、１９ｃと対向しないケース底面部にも部品を配置する場合には、その部分の肉厚を厚くしてケース１０と接触させることで、その部品の冷却効率の向上を図るようにしている。
【００８７】
ベース板３７はケース１１１に形成された支持部１１１ａ上にボルト固定されている、制御回路基板３０はベース板３７の上面に形成された凸部３７ａ上にボルト等により固定されている。ケース１１１の開口部にはケースカバー１１２が取り付けられ、ケース内部が密閉されている。
【００８８】
ケース１１１は、底面部（凹部１１１ｄや凸部１１１ｃなど）がインバータ装置２００のケース１０と熱的に接触しているため、ケース１０の流路部１９ａ〜１９ｃを流れる冷媒によって間接的に冷却されている。ケース底面部に部品を固定することにより、効果的に冷却が行われる。特に、発熱量の大きな部品に関しては、冷媒が直接接している下カバー４０２の凸部４０６が接触する領域に配置することで、冷却効果の向上を図ることができる。
【００８９】
また、ベース板３７は金属で形成されているので、制御回路基板３０で発生した熱は支持部１１１ａおよびケース１１１を介してケース１０へと伝達される。また、ベース板３７は、ケース底面部に設けられた発熱部品からの輻射熱の遮蔽部材として機能するとともに、銅材等を用いることでスイッチング素子からのスイッチング放射ノイズを遮蔽するシールドとしても機能する。
【００９０】
図１１の平面図は、ケース１１１の底面部に設けられた発熱部品の配置を示したものであり、ケースカバー１１２を外した状態を示す。破線はインバータ装置２００のケース１０に設けられた流路部１９ａ〜１９ｃの配置を示している。流路部１９ａ〜１９ｃは、ケース１１１の底面部に対してコの字形状に設けられており、第１流路部１９ａと第３流路部１９ｃとは平行に設けられている。入口配管１３から第１流路部１９ａに流入した冷媒は、第２流路部１９ｂ、第３流路部１９ｃの順に流れて、出口配管１４から流出する。
【００９１】
主トランス３３および２つのインダクタ素子３４は、第１流路部１９ａと対向するケース底面部に配置されている。また、降圧回路を構成するパワー半導体モジュール３５および降圧回路基板３１は、主に第１流路部１９ａと対向するケース底面部に配置されている。昇圧回路を構成するスイッチング素子３６および昇圧回路基板３２は、第３流路部１９ｃと対向するケース底面部に配置されている。このように、比較的発熱量の大きな部品を流路部１９ａ〜１９ｃと対向する位置に配置して冷却効率を高めるようにしている。
【００９２】
≪本発明の背景と本発明の実施例の説明≫
本発明はこのような一例として示した電力変換装置を発明の対象とするものであり、以下に本発明が必要となった背景と共に本発明の一実施例を詳細に説明するが、発明をより理解しやすくするため図１１乃至図１３は簡略化した構成を示している。
【００９３】
図１１にあるように、インバータ装置２００に形成した冷却通路である流路１９a、１９ｂ及び１９ｃはコンデンサモジュール５００を囲むように形成されるので、おのずとその流路形状や流路寸法に限界がある。具体的には、流路形状はコの字形状に形成され、且つその流路の寸法は幅方向の長さはあまり確保できず、高さ方向の長さを確保して冷媒の必要流量を得るようにしている。
【００９４】
したがって、図１１からわかるようにインバータ装置２００に重ねて固定されるDC−DCコンバータ装置１００のケース１１１内にある伝熱性絶縁シート４２に設けられるスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４は冷却通路１９aの流路方向に対して略直角に並べて配置されるようになる。
ここで、スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４以外に更にもう一個のスイッチング素子ＩＧＢＴも併せて配置されるようになっている。このスイッチング素子ＩＧＢＴはＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００を双方向に切り替えるための切り替え機能を有しているものである。
【００９５】
一般に、降圧回路３１のパワー半導体モジュール３５におけるスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４は大電力を処理するため発熱が大きなものとなる。そして、図１１にあるように流路１９ａによりスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴをできるだけ冷却できるように流路１９aの上側に降圧回路３１を配置している。
【００９６】
しかしながら、冒頭で説明したようにこの種の電力変換装置１はエンジンルームなどの小さなスペースへの搭載が要求されているため、できるだけコンパクトにまとめることが要請されている。
【００９７】
したがって、インバータ装置２００の小型化を図ろうとした場合、コンデンサモジュール５００の大きさが変わらない（小さくできたとしても限界がある。）とすると、流路１９a、１９ｂ及び１９ｃの幅を短くする必要がある。このため、降圧回路３１を冷却するために流路１９aの上側に降圧回路３１を配置するようにすると、流路部１９ａの冷却範囲ではスイッチング素子Ｈ３、スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが冷却範囲外となる。特に流路部１９ａの範囲から遠くに配置されているスイッチング素子Ｈ４やスイッチング素子ＩＧＢＴは他のスイッチング素子よりも温度がかなり高くなる傾向にある。
【００９８】
上記した挙動の説明を図１２に基づいて説明するが、図１２はスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが取り付けられた状態の断面であり、各構成部品を模式化して簡略にしている。
【００９９】
図１２において、アルミ合金等で形成されたケース１１１に該当するスイッチング素子収納筐体４３には熱伝導性の良い伝熱性絶縁シート４２を介してスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが取り付けられている。
【０１００】
具体的には、スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴは熱伝導性グリース及び／または放熱用シリコンゴムシートなどの熱伝導性の良い伝熱性絶縁シート４２を介してスイッチング素子収納筐体４３に個々にねじによって固定されている。また、スイッチング素子収納筐体４３は一般的なアルミダイカスト用の材料であるＡＤＣ１２タイプが使用されている。
【０１０１】
尚、スイッチング素子収納筐体４３は上述したようにＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース１１１と一体形成されるか、或いはケース１１１とは別体に作成してねじ等の固定手段によってケース１１１と一体にされても良いものである。
【０１０２】
このような構成において、各スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの熱の拡散状態を考えると、各スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが隣接しているため、各スイッチング素子の発熱による相互の熱干渉が大きく、熱の流れが隣接部分で交錯して旨く拡散出来ず熱が溜まりやすい傾向にある。
この場合、流路１９ａの冷却範囲内のスイッチング素子Ｈ１とスイッチング素子Ｈ２は流路１９ａを流れる冷媒によって熱が持ち去られるので温度はそれほど高くならないが、流路１９ａを外れて配置されたスイッチング素子Ｈ３、スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴは冷却範囲内に配置されたスイッチング素子Ｈ１及びスイッチング素子Ｈ２よりも温度が高くなり、熱的な悪影響を受けやすくなる。
【０１０３】
このような課題に対して、本発明は以下のような対応を提案するものである。図１３は本発明の典型的な一実施例を示しており、スイッチング素子収納筐体４３は図１２に示すものと同様のものである。
【０１０４】
そして、スイッチング素子収納筐体４３の内側には放熱体４１が収納されている。この放熱体４１はスイッチング素子収納筐体４３にぴったりと密着するように形成されているが、より伝熱性を向上するため両者の間には熱伝導性グリースが塗布されている。
【０１０５】
更に、スイッチング素子収納筐体４３の側壁部と放熱体４１の側壁部とはネジ４４によって強固に固定されている。もちろん、側壁部とスイッチング素子収納筐体４３の側壁部の間には熱移動を向上する熱伝導性グリースが塗布されている。尚、ネジ４４は防水性等を考慮してスイッチング素子収納筐体４３内で放熱体４１を一体的にねじ止め固定するようにしても良い。
【０１０６】
そして、放熱体４１の長手方向の上部にはスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが並列に並べられて載置されており、熱伝導性グリース及び／または放熱用シリコンゴムシートなどの熱伝導率の良い伝熱性絶縁シート４２を介して個々にねじによって固定されている。
【０１０７】
本実施例においては、スイッチング素子収納筐体４３は一般的なアルミダイカスト用の材料であるＡＤＣ１２タイプのものを使用し、放熱体４１は、一般的な放熱板の材料であるＡ６０６３タイプのものを使用する。スイッチング素子収納筐体４３はＡＤＣ１２タイプを使用しており、その熱伝導率は約９２Ｗ／ｍｋであり、放熱体４１はＡ６０６３タイプを使用しており、その熱伝導率は約２０９Ｗ／ｍｋである。
【０１０８】
したがって、各スイッチング素子で発生した熱は放熱体４１に伝わるが、放熱体４１は熱引きが良いので、隣接するスイッチング素子との間で熱の流れが交錯するのが少なくなって熱干渉が少なくなり、そのため熱拡散が良くなることにより流路１９ａによる冷却範囲外に配置されたスイッチング素子Ｈ３、スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの冷却効率をより高めることができる。
これにより、スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの温度が高くならずに熱による悪影響を抑制することが可能となる。
【０１０９】
ここで、スイッチング素子収納筐体４３を放熱体４１と同じ材料で製作するとかなり高くなるので実用的ではない。理由としては、発熱構成部品以外のところは冷却機能がそれほど必要なく、高い材料を使用する利点が少ないからである。
【０１１０】
以上が本発明の基本的な考え方であるが、次に本発明の考え方を適用した具体的な実施例を詳細に説明するが、図１４は降圧回路部分を主要素とする組立体を示し、図１５はその分解斜視図である。
【０１１１】
図１４において、参照番号４１は図１３で示した放熱体であり、この放熱体４１上にスイッチング素子やDC−DCコンバータ装置用のコンデンサモジュール４５、制御基板４６等が載置され、これらはネジ等によって一体的に固定されるとともに、この組立体はＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース１１１内にネジによって固定されるように構成されている。
【０１１２】
更に詳細に説明すると、図１５において所定厚さを有した外観が長方形状の放熱体４１はその中央部付近にスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴを受け入れる収納凹部４１Ｂが形成されており、この収納凹部４１Ｂに伝熱性絶縁シート４２が載置され、更にこの伝熱性絶縁シート４２の上にスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが並列に並べて載置されている。
【０１１３】
スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴは固定用の板バネ４７によって伝熱性絶縁シート４２に強く押しつけられており、板バネ４７はその一部が放熱体４１にねじ４８によって強固に固定されている。
【０１１４】
したがって、ねじ４８を支点として板バネ４７がスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴを伝熱性絶縁シート４２側に強く押圧している。
【０１１５】
また、コンデンサモジュール４５はコンデンサケース４９とこれに一体形成した取付部５０を備えており、コンデンサケース４９にコンデンサが収納されて樹脂等が充填固化されている。そして、取付部５０をネジによって放熱体４１に固定することでコンデンサモジュール４５と放熱体４１とを一体化している。
【０１１６】
したがって、コンデンサモジュール４５と放熱体４１との間にスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴが位置することになる。
【０１１７】
そして、図１４の図示上で後端側には制御基板４６が位置しており、この制御基板４６の下側の両端には位置決めピン５１が植立しており、この位置決めピン５１は放熱体４１の後端側の位置決め孔（図示せず）に挿入され、その後ネジ５２によってコンデンサケース４９に固定される。
【０１１８】
ここで、放熱体４１、コンデンサモジュール４５、制御基板４６が組み上がった状態で、スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴのそれぞれの端子は制御基板４６の制御回路に接続されるようになっている。
【０１１９】
このようにしてなる組立体において、各スイッチング素子で発生した熱は放熱体４１に伝わるが、上述したように放熱体４１は熱引きが良いので、隣接するスイッチング素子との間で熱の流れが交錯するのが少なくなって熱干渉が少なくなり、そのため熱拡散が良くなることにより流路１９ａによる冷却範囲外に配置されたスイッチング素子Ｈ３、スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの冷却効率をより高めることができる。
【０１２０】
これにより、スイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの温度が高くならずに熱による悪影響を抑制することが可能となる。このような構造によって組立体をコンパクトに構成することができると共に、組み上がった組立体をＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース１１１に組み付けるとことによって容易に取り付けることが可能となる。
【０１２１】
また、本発明の課題であるスイッチング素子Ｈ１乃至スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの冷却については熱引きが良い放熱体４１によって伝熱させることで、隣接するスイッチング素子との間で熱の流れが交錯するのが少なくなって熱干渉が少なくなり、そのため熱拡散が良くなることにより流路１９ａによる冷却範囲外に配置されたスイッチング素子Ｈ３、スイッチング素子Ｈ４及びスイッチング素子ＩＧＢＴの冷却効率をより高めることができるものである。
【０１２２】
ここで、実施例においては放熱体４１について放熱材料用として熱伝導率が約２０９Ｗ／ｍｋのアルミニウムのＡ６０６３タイプを使用しているが、これに限定されずケース１１１より放熱特性が良ければ制限されないものである。
【０１２３】
また、実施例においては電力変換装置としてインバータ装置２００とＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００を一体化したものを示しているが、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００を単独に使用し、この、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００自体にインバータ装置２００に示したような冷却通路を形成するようにしたものであっても本発明は適用可能である。つまり、放熱体４１が固定される位置のケース１１１の反対側の壁面に冷却水通路を配置するようにしても良いものである。
【０１２４】
尚、以上の説明はＰＨＥＶあるいはＥＶ等の車両に搭載される電力変換装置を例に説明したが、本発明はこれらに限らず建設機械等の車両に用いられる電力変換装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１２５】
１０、１１１…ケース、１０ａ〜１０ｄ…側壁、１０ｆ、１１１ｆ…側面、１２…流路
形成部、１９…冷媒流路、１９ａ…第１流路部、１９ｂ…第２流路部、１９ｃ…第３流路
部、２０、３０…制御回路基板、３３…主トランス、３４…電圧変換用インダクタ素子、
３５…パワー半導体モジュール、３６…スイッチング素子、３７…ベース板。４１…放熱体、４２…伝熱性絶縁シート、４３…スイッチング素子収納筐体、４４…ねじ、４５…コンデンサモジュール、４６…制御基板、４７…板バネ、４８…取付部、４９…コンデンサケース、５０…ネジ、５１…位置決めピン、１００…ＤＣ−ＤＣコンバータ装置、１１１ａ…支持部、１１１ｂ…ケース底部、１１１ｃ、５２…ネジ、５３…端子、４０６…凸部、１１１ｄ…凹部、１２０…放熱シート、２００…インバータ装置、４０２…下カバー、Ｈ１〜Ｈ４、ＩＧＢＴ…スイッチング素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも電圧変換するためのインダクタ素子と、前記インダクタ素子に流れる電流を制御する複数のスイッチング素子が搭載される金属製のケースを備えた電力変換装置において、
前記スイッチング素子は、前記金属製のケースに固定された前記金属製のケースよりも伝熱特性が良い金属製の放熱体に伝熱性を有する絶縁材を介して固定されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記放熱体の上部には前記複数のスイッチング素子が並列に並べて載置されていること特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記ケースと前記放熱体はアルミニウム系の金属材料であり、前記放熱体を形成するアルミニウム系の金属材料の方が前記ケースを形成するアルミニウム系の金属材料より伝熱特性が良いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記放熱体が位置する前記ケースの反対側の壁面には冷却水が流れる通路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５】
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記放熱体の上部には前記絶縁材を介して前記複数のスイッチング素子が並べて載置され、前記複数のスイッチング素子の上部にはインダクタ素子であるコンデンサモジュールが載置されて前記放熱体と固定されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換装置において、
前記コンデンサモジュールと前記放熱体には制御基板が固定され、前記制御基板と前記複数のスイッチング素子とは前記放熱体と前記コンデンサモジュールの間を通る端子によって接続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６に記載の電力変換装置において、
前記放熱体には凹部が設けられ、この凹部に前記絶縁材と、前記放熱体が載置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
インバータケースに収納され、交流電流を出力する複数のパワー半導体モジュールが設
けられたインバータ装置と、前記インバータケースにネジ等の固定手段によって固定されるコンバータケースに収納される少なくとも電圧変換するためのインダクタ素子と、前記インダクタ素子に流れる電流を制御する複数のスイッチング素子を備えたＤＣ−ＤＣコンバータ装置と、を備えた電力変換装置において、
前記インバータケースには前記コンバータケースに熱的に接続された第１冷却通路と、前記第１冷却通路と平行に設けられた第２冷却通路と、前記第１及び第２の冷却通路を繋ぐ第３冷却通路が形成され、
前記コンバータケースには前記第１冷却通路をまたぐように配置された前記コンバータケースよりも伝熱特性が良い放熱体を固定し、前記複数のスイッチング素子を前記放熱体に伝熱性を有する絶縁材を介して固定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８に記載の電力変換装置において、
前記放熱体の上部には前記複数のスイッチング素子が並列に並べて載置されていること特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の電力変換装置において、
前記ケースと前記放熱体はアルミニウム系の金属材料であり、前記放熱体を形成するアルミニウム系の金属材料の方が前記ケースを形成するアルミニウム系の金属材料より伝熱特性が良いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電力変換装置において、
前記放熱体の上部には前記絶縁材を介して前記複数のスイッチング素子が並べて載置され、前記複数のスイッチング素子の上部にはインダクタ素子であるコンデンサモジュールが載置されて前記放熱体と固定されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電力変換装置において、
前記コンデンサモジュールと前記放熱体には制御基板が固定され、前記制御基板と前記複数のスイッチング素子とは前記放熱体と前記コンデンサモジュールの間を通る端子によって接続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１２に記載の電力変換装置において、
前記放熱体には凹部が設けられ、この凹部に前記絶縁材と、前記放熱体が載置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１】
少なくとも電圧変換するためのインダクタ素子と、前記インダクタ素子に流れる電流を制御する複数のスイッチング素子が搭載される金属製のケースを備えた電力変換装置において、
前記スイッチング素子は、前記金属製のケースに固定された前記金属製のケースよりも伝熱特性が良い金属製の放熱体に伝熱性を有する絶縁材を介して固定されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記放熱体の上部には前記複数のスイッチング素子が並列に並べて載置されていること特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記ケースと前記放熱体はアルミニウム系の金属材料であり、前記放熱体を形成するアルミニウム系の金属材料の方が前記ケースを形成するアルミニウム系の金属材料より伝熱特性が良いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記放熱体が位置する前記ケースの反対側の壁面には冷却水が流れる通路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５】
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記放熱体の上部には前記絶縁材を介して前記複数のスイッチング素子が並べて載置され、前記複数のスイッチング素子の上部にはインダクタ素子であるコンデンサモジュールが載置されて前記放熱体と固定されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換装置において、
前記コンデンサモジュールと前記放熱体には制御基板が固定され、前記制御基板と前記複数のスイッチング素子とは前記放熱体と前記コンデンサモジュールの間を通る端子によって接続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６に記載の電力変換装置において、
前記放熱体には凹部が設けられ、この凹部に前記絶縁材と、前記放熱体が載置されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
インバータケースに収納され、交流電流を出力する複数のパワー半導体モジュールが設
けられたインバータ装置と、前記インバータケースにネジ等の固定手段によって固定されるコンバータケースに収納される少なくとも電圧変換するためのインダクタ素子と、前記インダクタ素子に流れる電流を制御する複数のスイッチング素子を備えたＤＣ−ＤＣコンバータ装置と、を備えた電力変換装置において、
前記インバータケースには前記コンバータケースに熱的に接続された第１冷却通路と、前記第１冷却通路と平行に設けられた第２冷却通路と、前記第１及び第２の冷却通路を繋ぐ第３冷却通路が形成され、
前記コンバータケースには前記第１冷却通路をまたぐように配置された前記コンバータケースよりも伝熱特性が良い放熱体を固定し、前記複数のスイッチング素子を前記放熱体に伝熱性を有する絶縁材を介して固定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８に記載の電力変換装置において、
前記放熱体の上部には前記複数のスイッチング素子が並列に並べて載置されていること特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の電力変換装置において、
前記ケースと前記放熱体はアルミニウム系の金属材料であり、前記放熱体を形成するアルミニウム系の金属材料の方が前記ケースを形成するアルミニウム系の金属材料より伝熱特性が良いことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電力変換装置において、
前記放熱体の上部には前記絶縁材を介して前記複数のスイッチング素子が並べて載置され、前記複数のスイッチング素子の上部にはインダクタ素子であるコンデンサモジュールが載置されて前記放熱体と固定されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電力変換装置において、
前記コンデンサモジュールと前記放熱体には制御基板が固定され、前記制御基板と前記複数のスイッチング素子とは前記放熱体と前記コンデンサモジュールの間を通る端子によって接続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１２に記載の電力変換装置において、
前記放熱体には凹部が設けられ、この凹部に前記絶縁材と、前記放熱体が載置されていることを特徴とする電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−９４０２２（Ｐ２０１３−９４０２２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３５９９９（Ｐ２０１１−２３５９９９）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]