JP5314933B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置の中には、放熱効率の向上を図るために、基台部材に孔を設け、ここにセラミックス製の放熱部材を備えた半導体素子を、放熱部材を孔に挿入した状態で設け、基台部材の孔に冷媒を流して半導体素子を冷却する構造のものがある（特許文献１参照）。
特開２００７−１５９２５０号公報

しかしながら、上記従来の電力変換装置にあっては、半導体素子を装着するための厚肉で大型の基台部材が必要となるため装置全体が大型化するという問題がある。また、半導体素子の下側に設けた放熱部材を基台部材の孔に挿入するものであるため、冷媒の冷却通路を大きく確保できず冷却性能が十分に得られない問題がある。

そこで、この発明は、小型化することで冷却通路を大きく確保し十分な冷却性能を発揮することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、複数の半導体モジュール（例えば、実施形態におけるパワーモジュール４０ａ〜４０ｇ）を一体的に保持し、該半導体モジュールを放熱部材（例えば、実施形態におけるヒートシンク４１）を用いて放熱させる冷却装置（例えば、実施形態における冷却装置ＣＯ）を備えた電力変換装置であって、金属製のベースフレーム（例えば、実施形態におけるベースフレーム５０）に複数の開口部（例えば、実施形態における開口部５１）を設け、前記各半導体モジュールに各々放熱部材を一体的に取り付け、前記ベースフレームの一方の面に前記半導体モジュールを露出させ、前記ベースフレームの他方の面に前記放熱部材を露出させた状態で前記ベースフレームの各開口部に前記半導体モジュールを配置し、前記ベースフレームの前記開口部の内周縁と前記半導体モジュールの外周縁とを樹脂材料により一体固定してモジュールユニット（例えば、実施形態におけるモジュールユニットＭＵ）を形成し、前記モジュールユニットのベースフレームの他方の面側において、前記樹脂材料で形成された樹脂部（例えば、実施形態における樹脂部５５）により冷媒流路（例えば、実施形態における冷媒流路５７）を区画形成し、この樹脂部によって前記放熱部材に前記冷媒を直接的に接触可能な冷却装置の一部を構成したことを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記冷媒流路を、前記樹脂部と、この樹脂部に当接される流路ケース（例えば、実施形態におけるウォータージャケット３２）とで形成したことを特徴とする。
請求項３に記載した発明は、前記モジュールユニットの外周縁を、前記ベースフレームのフランジ部（例えば、実施形態におけるフランジ部５３）で構成し、該フランジ部に前記流路ケースを放熱部材側から液密に接合したことを特徴とする。
請求項４に記載した発明は、前記モジュールユニットを前記半導体モジュール側から覆うユニットケース（例えば、実施形態におけるユニットケース３１）を設け、前記ユニットケースと前記フランジ部とを液密に接合したことを特徴とする。

請求項５に記載した発明は、前記樹脂部内に電力の入出力用の板状導電部材（例えば、実施形態におけるバスバー５９）を埋設したことを特徴とする。
請求項６に記載した発明は、前記冷媒流路の流れ方向と垂直な方向の断面において、前記樹脂部は前記放熱部材における一方の面と他方の面とを挟み込むように、前記半導体モジュールの外周縁を前記ベースフレームの各開口部に固定することを特徴とする。
請求項７に記載した発明は、前記樹脂部と前記流路ケースとでラビリンス構造を形成したことを特徴とする。
請求項８に記載した発明は、前記ベースフレームに、前記一方の面側から突出する突出部（例えば、実施形態における固定用ボス５２）を複数形成し、前記突出部に前記半導体モジュールの駆動を制御する制御用基板（例えば、実施形態におけるゲートドライブ基板９）を保持したことを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、各半導体モジュールを放熱部材と共に一体化し金属製のベースフレームに固定したため小型化でき、その分だけ冷媒流路を大きく確保し十分な冷却性能を発揮することができると共に、半導体モジュールを組み合わせているため各半導体モジュール毎での交換が可能となり、歩留まりが向上し、コストダウンを図ることができる効果がある。また、金属製のベースフレームを用いているため強度剛性上有利となる。
更に、ベースフレームの開口部の内周縁と半導体モジュールの外周縁とを一体固定する樹脂材料を有効利用して冷媒流路を区画形成できるため、ベースフレームと樹脂部とが冷媒流路を閉塞する蓋及び冷媒流路の一部を兼ねることとなり、したがって、別部材を用いた場合のようにシール材や他の部材が必要なくなり、小型化を図ることができると共に部品点数を削減してコストダウンを図ることができる。
請求項２に記載した発明によれば、樹脂部に流路ケースを当接させるだけの簡単な構成でよいため、低コストに製造できるメリットがある。
請求項３に記載した発明によれば、流路ケースの取り付け強度を確保できる効果がある。
請求項４に記載した発明によれば、ユニットケースの取り付け強度を確保できる効果がある。
請求項５に記載した発明によれば、板状導電部材の保有する熱を樹脂部内に伝熱して板状導電部材の温度を低下させることができると共に、外部に露出させた場合に比較してユニットケース内の雰囲気温度を低減できるため、板状導電部材を小型化できる効果がある。
請求項６に記載した発明によれば、冷媒流路の流れ方向に影響を与えることなく、ベースフレームに対する半導体モジュールの保持強度を確保することができる効果がある。
請求項７に記載した発明によれば、ラビリンス構造により前記樹脂部と前記流路ケースとの液密性を高めることができる効果がある。
請求項８に記載した発明によれば、制御用基板を固定するために専用の固定具が必要なくなり、部品点数が削減でき、小型化を図ることができる効果がある。また、金属製のベースフレームに制御用基板を固定するため耐振動性能が向上する効果がある。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１はハイブリッド車両用のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）１を含む回路構成を示している。このハイブリッド車両はエンジン（図示せず）と、エンジンの機械的出力により駆動される発電機（ＧＥＮ）２と、発電機２の発電出力により充電される高圧系のバッテリ（ＢＡＴ）３と、バッテリ３の放電出力と発電機２の発電出力の少なくとも一方を用いて駆動輪（図示せず）を駆動するモータ（ＭＯＴ）４を備えている。

パワーコントロールユニット１は、バッテリ３から供給される電力により昇圧回路として機能するコンバータ７を介してモータ４を駆動すると共にモータ４を回生作動させた際の電力を降圧回路として機能するコンバータ７を介してバッテリ３に供給する第１インバータ（Ｔｒ／Ｍ ＰＤＵ）５と、発電機２により発生する電力を降圧回路として機能するコンバータ７を介してバッテリ３に供給し、あるいは発電機２により発生する電力でモータ４を駆動する第２インバータ（ＧＥＮ ＰＤＵ）６を備えている。
これらコンバータ７、第１インバータ５及び第２インバータ６は、制御基板（ＥＣＵ）８からの制御指令によりゲートドライブ基板（ＧＤＣＢ）９を介して駆動制御される。

第１インバータ５は、例えば、トランジスタのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を複数用いブリッジ接続してなるブリッジ回路５ａと平滑コンデンサ５ｂとを具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、この第１インバータ５にはモータ４とコンバータ７が接続されている。コンバータ７は、リアクトル７ａと２つのトランジスタのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）からなるチョッパ回路７ｂとを備え、第１インバータ５の入力側に設けた電圧変換装置であって、このチョッパ回路７ｂの下流側に２次平滑コンデンサ７ｃ、リアクトル７ａの上流側に１次平滑コンデンサ７ｄが各々並列接続されている。

コンバータ７と第１インバータ５との間には第１インバータ５と同様の構成を備えた第２インバータ６が正極側端子Ｐｔと負極側端子Ｎｔに接続され、この第２インバータ６に発電機２が接続されている。この第２インバータ６は、第１インバータ５と同様に、トランジスタのスイッチング素子を複数用いブリッジ接続してなるブリッジ回路６ａと平滑コンデンサ６ｂとを具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、この第２インバータ６には発電機２とコンバータ７が接続されている。この第２インバータ６は発電機２の出力電圧をコンバータ７により降圧してバッテリ３に充電を行ったり、第１インバータ５を経由してモータ４を駆動する。

第１インバータ５、第２インバータ６は、各相毎に対をなすハイ側，ロー側Ｕ相トランジスタＵＨ，ＵＬ及びハイ側，ロー側Ｖ相トランジスタＶＨ，ＶＬ及びハイ側，ロー側Ｗ相トランジスタＷＨ，ＷＬをブリッジ接続してなるブリッジ回路５ａ，６ａと、平滑コンデンサ５ｂ，６ｂとを備えている。各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨはコンバータ７の正極側端子Ｐｔに接続されてハイサイドアームを構成し、各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬはコンバータ７の負極側端子Ｎｔに接続されローサイドアームを構成しており、各相毎に対をなす各トランジスタＵＨ，ＵＬ及びＶＨ，ＶＬ及びＷＨ，ＷＬはコンバータ７に対して直列に接続されている。トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにして、ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬが各々接続されている。

コンバータ７のリアクトル７ａは、一端がバッテリ３に接続されてバッテリ電圧が印加されるものであり、チョッパ回路７ｂはこのリアクトル７ａの他端に接続される第１及び第２のスイッチング素子である第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２から構成されている。トランジスタＳ１，Ｓ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにして、各々ダイオードＤＳ１，ＤＳ２が接続されている。
そして、リアクトル７ａの一端はバッテリ３の正極側端子に接続され、リアクトル７ａの他端は、第１トランジスタＳ１のコレクタ及び第２トランジスタＳ２のエミッタに接続されている。第１トランジスタＳ１のエミッタはバッテリ３の負極側端子及びコンバータ７の負極側端子Ｎｔに接続されている。また、第２トランジスタＳ２のコレクタはコンバータ７の正極側端子Ｐｔに接続されている。

ここで、コンバータ７のトランジスタＳ２から第１インバータ５のトランジスタＷＨ間のバス及びこれに接続される第１インバータ５（コンバータ７）の正極側端子Ｐｔから第２インバータ６のトランジスタＷＨ間のバスがＰＯｕｔバスバー２０として構成されている。また、コンバータ７のトランジスタＳ１から第１インバータ５のトランジスタＷＬ間のバス及びこれに接続される第１インバータ５（コンバータ７）の負極側端子Ｎｔから第２インバータ６のトランジスタＷＬ間のバスがＮバスバー２１として構成されている。

また、第１インバータ５からモータ４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続される３本のバスがＯｕｔバスＴｒＵ２２、ＯｕｔバスＴｒＶ２３、ＯｕｔバスＴｒＷ２４を構成し、第２インバータ６から発電機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続される３本のバスがＯｕｔバスＧＥＮＵ２５、ＯｕｔバスＧＥＮＶ２６、ＯｕｔバスＧＥＮＷ２７を構成し、リアクトル７ａからコンバータ７の第１トランジスタＳ１と第２トランジスタＳ２との間に接続されるバスがＰＩＮバスバー２８を構成している。
ＯｕｔバスＴｒＵ２２、ＯｕｔバスＴｒＶ２３、ＯｕｔバスＴｒＷ２４、ＯｕｔバスＧＥＮＵ２５、ＯｕｔバスＧＥＮＶ２６、ＯｕｔバスＧＥＮＷ２７の各々には制御基板８に信号を送る電流センサ３０が接続されている。そして、第１インバータ５、第２インバータ６、コンバータ７の各トランジスタのゲートにゲートドライブ基板９からの信号線が接続されている。

図２〜図１０はパワーコントロールユニット１のハードウエア構成を示している。パワーコントロールユニット１は、例えばハイブリッド車両のエンジンルームに搭載されるもので、図２に示すように、上部には全体を覆うアルミダイキャスト製のユニットケース３１が設けられ、下部にウォータージャケット３２が設けられている。ユニットケース３１の開口部とウォータージャケット３２の周縁とが後述するベースフレーム５０を挟み込んで付き合わされ、両者がボルトＢにより固定されている。ウォータージャケット３２には冷媒の流入口３３が設けられ（図５参照）、ウォータージャケット３２の前面に冷媒の流出口３４が設けられている。この流入口３３と流出口３４が冷却装置ＣＯのポンプ等の機器類に接続されている。

図３はユニットケース３１及びウォータージャケット３２を鎖線で示した全体構成図である。同図に示すように、ユニットケース３１内には下から順にリアクトル７ａ、ウォータージャケット３２、７つのパワーモジュール４０ａ〜４０ｇ（図６参照）を固定したベースフレーム５０、複数のバスバー２０〜２８（図１参照）を一体としたバスバープレートコンポーネント２９、シールドプレート１１、ゲートドライブ基板９、制御基板８、コンデンサユニット１２が配置されている。

図４に示すように、基板３５上にはリアクトル７ａが設置され、このリアクトル７ａの上方に、アルミニウム製のウォータージャケット３２が配置されている。
図５に示すように、ウォータージャケット３２の上面のコーナ部には凹部３６が形成され、この凹部３６にリアクトル７ａから延びるＰＩＮバスバー２８用の端子と、Ｎバスバー２１用の端子が引き出されている。ウォータージャケット３２の上面には凹部３６の残りの部分に、蛇行する凹溝３７が形成されている。凹溝３７はまずＵ字状に曲がった後に凹部３６の手前まで折り返すような経路を形成している。経路の始端底部には流入口３３が形成され、経路の終端はケースの流出口３４に連通している。このウォータージャケット３２の蛇行する凹溝３７はベースフレーム５０に装着されたパワーモジュール４０ａ〜４０ｇ（図６参照）の各ヒートシンク４１（図７参照）に対応して、このヒートシンク４１を受け入れるようになっている。

図６はパワーモジュール４０ａ〜４０ｇをベースフレーム５０に装着した斜視図、図７はべースフレーム５０を下側から見た斜視図である。
図６、図７に示すように、ウォータージャケット３２の上方には、アルミダイキャスト製のベースフレーム５０が配置されている。このベースフレーム５０には開口部５１が７つ形成され、この開口部５１に７個のパワーモジュール４０ａ〜４０ｇが樹脂により固定されてモジュールユニットＭＵを構成している。ここで、パワーモジュール４０ａ〜４０ｇをベースフレーム５０に固定する樹脂で樹脂部５５が形成され、この樹脂部５５が縦壁５６を形成し、ウォータージャケット３２との間に冷媒流路５７を形成している。

各パワーモジュール４０ａ〜４０ｇはヒートシンク４１一体型のもので、前述した回路構成におけるコンバータ７の第１トランジスタＳ１と第２トランジスタＳ２を実装した１個のパワーモジュール４０ａと、第２インバータ６において、各々ハイサイド側とローサイド側とで対となったトランジスタＵＨ，ＵＬ、トランジスタＶＨ，ＶＬ、トランジスタＷＨ，ＷＬの３個のパワーモジュール４０ｂ，４０ｃ，４０ｄと、第１インバータ５において、各々ハイサイド側とローサイド側とで対となったトランジスタＵＨ，ＵＬ、トランジスタＶＨ，ＶＬ、トランジスタＷＨ，ＷＬの３個のパワーモジュール４０ｅ，４０ｆ，４０ｇとが図６の手前側から奥側へ順に装着されている。図７に示すように、ヒートシンク４１のフィン４２は冷媒が流れる冷媒流路５７に沿う方向に放熱面が配置されている。

図８に示すように、べースフレーム５０の上部には、各々板状のＰＯｕｔバスバー２０、Ｎバスバー２１、３枚のＯｕｔバスＴｒ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）２２，２３，２４と３枚のＯｕｔバスＧＥＮ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）２５，２６，２７、ＰＩＮバスバー２８を樹脂モールドで一体化したバスバープレートコンポーネント２９が配置されている。このバスバープレートコンポーネント２９の上部に、図９に示すように、更にこれを覆うようにシールドプレート１１が配置されている。

図１０に示すように、シールドプレート１１の上方にはベースフレーム５０に突出して設けた固定用ボス５２にゲートドライブ基板９が固定され、ゲートドライブ基板９の上部に制御基板８が配置されている。ここで、制御基板８はユニットケース３１（図３参照）側に固定されている。
そして、図３に示すように、制御基板８の上部にはユニットケース３１の内部に装着されるコンデンサユニット１２が配置されている。このコンデンサユニット１２は図１に示す第１インバータ５の平滑コンデンサ５ｂ、第２インバータ６の平滑コンデンサ６ｂ、コンバータ７の１次平滑コンデンサ７ｄ及び２次平滑コンデンサ７ｃをユニット化したもので、樹脂を用いたポッティングによりユニットケース３１内部に固定されている。

ここで、図１１はヒートシンク一体型のパワーモジュール、ここでは第１インバータ５のパワーモジュール４０ｆを示している。また、図１２は図１１における一つのトランジスタＶＬの配置部分におけるＡ−Ａ断面図である。

図１１、図１２において、パワーモジュール４０ｆは下部に複数の板状のフィン４２を一方向に配列したヒートシンク４１を備え、ヒートシンク４１の台座４３上にエポキシ樹脂からなる絶縁材４４を塗布し、ベースとなるバスバー４５を載置したものである。ベースとなるバスバー４５の上部には、ハンダ４６を介して、例えばトランジスタＶＬが載置され、トランジスタＶＬ上にはハンダ４７を介して上部のバスバー４８が積層されている。上部のバスバー４８には端部に接続片４９がＬ字状に立ち上げ形成されている（図１９参照）。これらベースとなるバスバー４５、トランジスタＶＬ、上部のバスバー４８が、上部のバスバー４８の接続片４９を露出させた状態で金型内でエポキシ樹脂により鋳ぐるまれてモールド部Ｍを形成し、ベースフレーム５０の開口部５１に装着されている。このバスバー４８はトランジスタＶＬのエミッタ側を示し、接続片４９がＮバスバー２１に接続されるものである。

図１３に示すように、ベースフレーム５０は外周囲にフランジ部５３を備え、内部には７個のパワーモジュールを装着するための７つの角形の開口部５１と、ウォータージャケット３２の凹部３６に対応する位置に逃げ孔５４が形成されている。各開口部５１は７個のパワーモジュール４０ａ〜４０ｇに対応して、ヒートシンク４１の台座４３よりも大きめに形成されている。

そして、図１４に示すように、各パワーモジュール４０ａ〜４０ｇをベースフレームの５０上面にモールド部Ｍを露出させ、ベースフレーム５０の裏面にヒートシンク４１を露出させた状態で各開口部５１に配置する。ここで、前述したように図１３の手前側の開口部５１には、１個のコンバータ７用のパワーモジュール４０ａを、その奥側には３個の第２インバータ６用のパワーモジュール４０ｂ〜４０ｄを、更に奥側には３個の第１インバータ５用のパワーモジュール４０ｆ〜４０ｇを配置する。

次に、図１５、図１６に示すように、ベースフレーム５０の開口部５１の内周縁と各パワーモジュール４０ａ〜４０ｇの外周縁との間の隙間Ｃ（図１２、図１４参照）を埋めるように樹脂材料を成形型内から供給し、ベースフレーム５０にパワーモジュール４０ａ〜４０ｇを樹脂材料により一体的にモールド固定して前述したモジュールユニットＭＵを形成する。
ここで、図１６に示すように、ベースフレーム５０の開口部５１の内周縁と各パワーモジュール４０ａ〜４０ｇの外周縁とを一体固定する樹脂材料は、モジュールユニットＭＵのベースフレーム５０の裏面において、樹脂材料で形成された樹脂部５５の縦壁５６によりウォータージャケット３２の凹溝３７と共に冷媒流路５７を区画形成し、樹脂部５５によってヒートシンク４１のフィン４２に冷媒を直接的に接触可能な冷却装置ＣＯの一部を構成している。

図１７はパワーモジュール４０ｃとパワーモジュール４０ｆとの断面図である。同図に示すように、冷媒の流れ方向と垂直な方向の断面において、冷却装置ＣＯの一部を構成する冷媒流路５７は樹脂部５５の縦壁５６と、この樹脂部５５の縦壁５６に当接されるウォータージャケット３２の凹溝３７とで紙面の表裏側に向かって形成されている。この場合には樹脂部５５の縦壁５６はヒートシンク４１のフィン４２の一方の面と他方の面とを挟み込むように、パワーモジュール４０ａ〜４０ｇの外周縁及びベースフレーム５０の開口部５１の内周縁の双方をコの字状に抜け止め固定している。

ここで、隣接するパワーモジュール４０ａ〜４０ｇ間では、樹脂部５５が隣同士でベースフレーム５０を包み込むように一体となっている。また、樹脂部５５の縦壁５６の下端部はウォータージャケット３２の上面に液密に接合されている。尚、鎖線で示すように、樹脂部５５が当接する部分に凹部３８を設け、対応する樹脂部５５に凸部５８を設け、この凸部５８を凹部３８に差し込み固定して液密性を高めるラビリンス構造としてもよい。この場合に凹部３８と凸部５８とを逆に配置してもよい。
尚、図１８に示すように、ウォータージャケット３２の上面をフラットにして樹脂部５５の縦壁５６をウォータージャケット３２の上面に向かって延ばし、その下端部をウォータージャケット３２の上面に液密に接合してもよい。

図１９はパワーモジュール４０ｆとパワーモジュール４０ｇとの断面図である。同図に示すように、冷媒流路５７の流れ方向に沿う方向の断面においては樹脂部５５の縦壁５６はベースフレーム５０の裏面で切除され、ヒートシンク４１のフィン４２の面に沿って矢印方向に流れる冷媒に流通抵抗を与えないようになっている。ここで、隣接するパワーモジュール４０ａ〜４０ｇ間では、樹脂部５５がベースフレーム５０を上面から覆うように隣同士で一体となっている。

ここで、図１３、図２０に示すように、ベースフレーム５０の上面にはウォータージャケット３２の凹部３６に対応する逃げ孔５４を除いた複数の開口部５１を取り囲む位置、及びベースフレーム５０の中央部分に断面円形状で金属製の固定用ボス５２が複数設けられている。この固定用ボス５２の周囲にもパワーモジュール４０ａ〜４０ｇのヒートシンク４１の台座４３と開口部５１との隙間Ｃ（図１２参照）に樹脂を流し込み際に樹脂材料が回り込むようになっており、図２１に示すように、固定用ボス５２の先端にゲートドライブ基板９がシールドプレート１１を挟み込んで（図９参照）保持固定されている。

そして、図２２にパワーモジュール４０ａ、４０ｂ、４０ｅの断面図として示すように、７個のパワーモジュール４０ａ〜４０ｇがベースフレーム５０に固定されたモジュールユニットＭＵのフランジ部、つまりベースフレーム５０のフランジ部５３にウォータージャケット３２の上面の周縁が液密に接合され、かつ、この接合部分に対応する位置にパワーモジュール４０ａ〜４０ｇのモールド部Ｍ側からユニットケース３１の周壁が液密に接合されている。
したがって、ユニットケース３１とベースフレーム５０のフランジ部５３、ベースフレーム５０のフランジ部５３とウォータージャケット３２とが重なり合う部分に２つのシール部ＳＥ１，ＳＥ２が整合するように設定されている。

ここで、図２３に示すように、パワーモジュール４０ａ〜４０ｇのヒートシンク４１の台座４３とベースフレーム５０の開口部５１との間を固定するために用いられた樹脂部５５に電力の入出力用のバスバー５９を埋設してもよい。また、このバスバー５９を埋設するのに替えて、図２４に示すように、樹脂部５５に溝６２を設け、ここにゲル６３を充填して、ゲル６３内にバスバー５９を配設するようにしてもよい。

上記実施形態によれば、図５、図１７、図１９に示すように、冷却装置ＣＯのポンプなどから送られる冷媒がウォータージャケット３２の流入口３３から入り、蛇行する冷媒流路５７を流れて流出口３４から流出する際に、パワーモジュール４０ａ〜４０ｇの各ヒートシンク４１のフィン４２において熱交換して、パワーモジュール４０ａ〜４０ｇを冷却する。これによって各パワーモジュール４０ｅ〜４０ｇの熱的負荷を軽減できる。

ここで、各パワーモジュール４０ａ〜４０ｇはヒートシンク４１と共に一体化されアルミダイキャスト製のベースフレーム５０に固定されているため小型化でき、その分だけ冷媒流路５７を大きく確保し十分な冷却性能を発揮することができる。各パワーモジュール４０ａ〜４０ｇの各々を開口部５１に装着して組み合わせている構成であるため、パワーモジュール４０ａ〜４０ｇの何れかに不具合があった場合には、その不具合のあるもののみを交換すればよいため、全てのパワーモジュール４０ａ〜４０ｇを交換する場合に比較して製造上での歩留まりが向上し、コストダウンを図ることができる。そして、パワーモジュールを増加したい場合には簡単に対応できる。更に、ベースフレーム５０はアルミダイキャスト製であるのでパワーモジュール４０ａ〜４０ｇの取付強度を十分に確保できる点で有利となる。

また、ベースフレーム５０の開口部５１の内周縁とパワーモジュール４０ａ〜４０ｇの外周縁を構成するヒートシンク４１の台座４３とを一体固定する樹脂材料により樹脂部５５を形成し、この樹脂部５５の縦壁５６を有効利用して冷媒流路５７を区画形成できるため、ベースフレーム５０と樹脂部５５とが冷媒流路５７を閉塞する蓋及び冷媒流路５７の一部を兼ねることとなる。したがって、別部材を用いた場合のようにシール材や他の部材が必要なくなり、小型化を図ることができると共に部品点数を削減してコストダウンを図ることができる。

そして、冷媒流路５７を、樹脂部５５の縦壁５６と、この樹脂部５５の縦壁５６に当接されるウォータージャケット３２の凹溝３７とで形成し、樹脂部５５の縦壁５６にウォータージャケット３２を当接させるだけの簡単な構成でよいため、低コストに製造できるメリットがある。尚、この当接部分を凹部３８と凸部５８とでラビリンス構造とした場合にはより一層液密性を高めることができる。

図２２に示すように、モジュールユニットＭＵの外周縁であるベースフレーム５０のフランジ部５３にウォータージャケット３２をヒートシンク４１のフィン４２側からシール部ＳＥ２で液密に接合したことにより、ウォータージャケット３２の取り付け強度を確保できる。更に、モジュールユニットＭＵをパワーモジュール４０ａ〜４０ｇのモールド部Ｍ側から覆うユニットケース３１を設け、ユニットケース３１の周壁とフランジ部５３とをシール部ＳＥ１で液密に接合したことで、ユニットケース３１の取り付け強度を確保できる。

とりわけ、ウォータージャケット３２のベースフレーム５０のフランジ部５３に当接する位置にあるシール部ＳＥ２と、ユニットケース３１の周壁がフランジ部５３に当接する位置にあるシール部ＳＥ１をフランジ部５３の表裏で整合させているため、シール部ＳＥ１、ＳＥ２が小さくて済み、面圧も確保し易くシール性能を高められる。また、シール部ＳＥ１とシール部ＳＥ２とを整合する位置に配置したため、これらをずらした位置に配置した場合に比較して、ウォータージャケット３２とユニットケース３１を小さくでき、装置の小型化に寄与できる。

冷却装置ＣＯの一部を構成する冷媒流路５７が、冷媒の流れ方向と垂直な方向の断面において、樹脂部５５の縦壁５６とこれに当接されるウォータージャケット３２との間に形成され、樹脂部５５の縦壁５６はヒートシンク４１のフィン４２の一方の面と他方の面とを挟み込むように、パワーモジュール４０ａ〜４０ｇの外周縁及びベースフレーム５０の開口部５１の内周縁の双方をコの字状に抜け止め固定している。したがって、冷媒流路５７の流れ方向に影響を与えることなく、ベースフレーム５０に対するパワーモジュール４０ａ〜４０ｇの保持強度を確保することができる。

図２３に示すように、樹脂部５５内にバスバー５９を埋設した場合には、バスバー５９の保有する熱を樹脂部５５内に伝熱してバスバー５９の温度を低下させることができると共に、外部に露出させた場合に比較してユニットケース３１内の雰囲気温度を低減できるため、バスバー５９を小型化できる。

更に、図２０に示すように、ベースフレーム５０の上面であって、ウォータージャケット３２の凹部３６に対応する逃げ孔５４を除いた複数の開口部５１を取り囲む位置、及びベースフレーム５０の中央部分に断面円形状で金属製の固定用ボス５２が複数設けられ、この固定用ボス５２の先端にゲートドライブ基板９が保持固定されているため、ゲートドライブ基板９を固定するために専用の固定具が必要なくなり、部品点数が削減でき、小型化を図ることができる。
また、アルミダイキャスト製のベースフレーム５０にゲートドライブ基板９を固定するため耐振動性能が向上し、ハイブリッド車両の電力変換装置として好適である。

尚、この発明は上述した実施形態に限られるものではなく、例えば、ハイブリッド車両に限られず、電気自動車の電力変換装置に適用できる。

この発明の実施形態の電力変換装置を含む回路図である。 この発明の電力変換装置の斜視図である。 図２の内部構造を示す斜視図である。 リアクトルの斜視図である。 リアクトル上にウォータージャケットを載置した斜視図である。 ウォータージャケット上にモジュールユニットを載置した斜視図である。 図３からウォータージャケットを外し下から見た斜視図である。 モジュールユニット上にバスバープレートコンポーネントを載置した斜視図である。 モジュールユニット上にシールドプレートを載置し斜視図である。 シールドプレート上にゲートドライブ基板、制御基板を載置した斜視図である。 パワーモジュールの斜視図である。 図１１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 パワーモジュールとベースフレームの斜視図である。 パワーモジュールとベースフレームのセット状態の斜視図である。 モジュールユニットの斜視図である。 図１５の図１２に相当する断面図である。 モジュールユニットの冷媒の流れ方向に垂直な方向の断面図である。 他の実施形態の図１７に相当する断面図である。 モジュールユニットの冷媒の流れ方向に沿う方向の断面図である。 固定用ボスの斜視図である。 ゲートドライブ基板を固定した斜視図である。 ユニットケースとウォータージャケットとベースフレームとのシール状態を示す断面図である。 バスバーを樹脂部のインサートした断面図である。 他の実施形態の図２３に相当する断面図である。

符号の説明

９ ゲートドライブ基板（制御用基板）
３１ ユニットケース
３２ ウォータージャケット（流路ケース）
４０ａ〜４０ｇ パワーモジュール（半導体モジュール）
４１ヒートシンク（放熱部材）
５０ ベースフレーム
５１ 開口部
５２ 固定用ボス（突出部）
５３ フランジ部
５５ 樹脂部
５７ 冷媒流路
５９ バスバー
ＣＯ 冷却装置
ＭＵ モジュールユニット

Claims (8)

1. 複数の半導体モジュールを一体的に保持し、該半導体モジュールを放熱部材を用いて放熱させる冷却装置を備えた電力変換装置であって、金属製のベースフレームに複数の開口部を設け、前記各半導体モジュールに各々放熱部材を一体的に取り付け、前記ベースフレームの一方の面に前記半導体モジュールを露出させ、前記ベースフレームの他方の面に前記放熱部材を露出させた状態で前記ベースフレームの各開口部に前記半導体モジュールを配置し、前記ベースフレームの前記開口部の内周縁と前記半導体モジュールの外周縁とを樹脂材料により一体固定してモジュールユニットを形成し、前記モジュールユニットのベースフレームの他方の面側において、前記樹脂材料で形成された樹脂部により冷媒流路を区画形成し、この樹脂部によって前記放熱部材に前記冷媒を直接的に接触可能な冷却装置の一部を構成したことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記冷媒流路を、前記樹脂部と、この樹脂部に当接される流路ケースとで形成したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記モジュールユニットの外周縁を、前記ベースフレームのフランジ部で構成し、該フランジ部に前記流路ケースを放熱部材側から液密に接合したことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記モジュールユニットを前記半導体モジュール側から覆うユニットケースを設け、前記ユニットケースと前記フランジ部とを液密に接合したことを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記樹脂部内に電力の入出力用の板状導電部材を埋設したことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の電力変換装置。
6. 前記冷媒流路の流れ方向と垂直な方向の断面において、前記樹脂部は前記放熱部材における一方の面と他方の面とを挟み込むように、前記半導体モジュールの外周縁を前記ベースフレームの各開口部に固定することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の電力変換装置。
7. 前記樹脂部と前記流路ケースとでラビリンス構造を形成したことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
8. 前記ベースフレームに、前記一方の面側から突出する突出部を複数形成し、前記突出部に前記半導体モジュールの駆動を制御する制御用基板を保持したことを特徴とする請求項１〜請求項７の何れかに記載の電力変換装置。

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