特開 2019-195260 インバータ制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-195260(P2019-195260A)

(43)【公開日】2019年11月7日

(54)【発明の名称】インバータ制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20191011BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2019-84060(P2019-84060)

(22)【出願日】2019年4月25日

(31)【優先権主張番号】特願2018-84582(P2018-84582)

(32)【優先日】2018年4月25日

(33)【優先権主張国】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000232302

【氏名又は名称】日本電産株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】300052246

【氏名又は名称】日本電産エレシス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118496

【弁理士】

【氏名又は名称】青山 耕三

(72)【発明者】

【氏名】石川 勇樹

(72)【発明者】

【氏名】岩上 直記

(72)【発明者】

【氏名】黒柳 均志

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA21

5H770BA02

5H770DA03

5H770DA41

5H770EA01

5H770PA17

5H770PA42

5H770QA06

5H770QA28

5H770QA31

(57)【要約】

【課題】
パワーモジュールユニットから効率的に放熱できるインバータ制御装置を提供する。
【解決手段】
筐体３１の一方側面３５に冷却冷媒の流入口２１と流出口２３を配置し、底面部３２に、筐体の一方側面から、それと対向する他方側面にほぼ直線状に延びる往路２５と、他方側面から一方側面に向けて底面部３２の対角線に沿って延びる復路２７とを形成する。そして、筐体底面部３２のほぼ中央部において往路２５と復路２７を交差させ、流路の全長を長くとることで、底面部のほぼ中央部においてパワーモジュールユニットからの放熱を効率的に行う。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属材料からなる筐体の底面部に冷却冷媒を流す流路が形成されたインバータ制御装置であって、
前記流路は前記筐体の第１側面に流入口と流出口を有し、該第１側面からその第１側面に対向する第２側面に至る往路と、該第２側面から該第１側面に至る復路とを有することを特徴とするインバータ制御装置。

【請求項2】

前記往路と前記復路が前記筐体の底面部で交差していることを特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。

【請求項3】

前記往路は前記第１側面から前記第２側面に略直線状に延び、前記復路は前記底面部の対角線に沿って延びることを特徴とする請求項２に記載のインバータ制御装置。

【請求項4】

前記底面部において両対角線に沿って延び、かつ、互いに交差するように形成された一対のリブを有し、該一対のリブの少なくとも１つのリブの内部に冷却冷媒を流通させる流路が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のインバータ制御装置。

【請求項5】

前記往路は前記筐体の高さ方向において前記復路よりも上部に位置していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。

【請求項6】

前記往路の略中央部において被冷却部材が冷却冷媒と接することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のインバータ制御装置。

【請求項7】

前記被冷却部材はモータに駆動電流を供給する、複数の電力用半導体素子を搭載してなるパワーモジュールユニットであることを特徴とする請求項６に記載のインバータ制御装置。

【請求項8】

前記流路の断面形状を所定径の円形としたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項にインバータ制御装置。

【請求項9】

前記筐体の底面部において該筐体と前記流路とが一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項にインバータ制御装置。

【請求項10】

インバータ制御装置であって、
金属材料からなる筐体の底面部に冷却冷媒を流す流路が形成され、
前記筐体の底面部には、リブが少なくとも一つ以上形成され、
前記リブは、前記筐体の第１側面から該第１側面とは異なる側面に延びており、かつ、該リブの内部に前記冷却冷媒を流通させる流路が形成されていることを特徴とするインバータ制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車載用の電力変換装置であるインバータ制御装置の構造に関する。

【背景技術】

【0002】

近年における環境対応車両として、電動モータを駆動源とする電気自動車、ハイブリッド自動車等が普及し始めている。これら電気自動車等には、バッテリからの直流電力を駆動モータへ供給する交流電力に変換し、モータ回転数、駆動トルク等を制御して車両の加減速を行うインバータ装置（電力変換装置）が搭載されている。

【0003】

車載用のインバータ装置も他の電子装置と同様、回路基板に実装される電子部品が高集積化され、さらなる加速性能を実現するための高出力化にともなって電子部品の発熱量も増大している。例えば特許文献１は、車載用の電力変換装置に使用される部品を冷却する流路構成を開示している。特許文献１では、コンデンサモジュールの周囲に第１〜第３流路を有し、第２流路と第３流路とを対向するように配置して、第１〜第３流路の各流路に、３相交流の各相電流を供給するための上下アームを構成するパワーモジュールをそれぞれ配置した構成をとっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許５５６３３８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

インバータ装置（電力変換装置）では、特に発熱量の多いパワー素子を使用したブリッジ回路等からパワーモジュールからの熱により基板の温度が上昇し、その影響を受けて、隣接するコンデンサ等の温度も上がる。特許文献１の電力変換装置は、パワーモジュールのみならず、電力変換装置に使用される他の部品をあわせて冷却するために、流路形成体の３つの側面に沿って冷却水が流れるようにコの字形状の流路を形成している。

【0006】

すなわち、特許文献１は、電力変換装置を構成する他の部品の冷却を兼ねるために、流路形成筐体の側面に沿って流路を設けている。その結果、流路に沿ってパワーモジュールを配置しても、インバータ装置において発熱量の多い素子に対して高い放熱効率を得ることができず、放熱効果が低いという問題がある。

【0007】

さらに特許文献１では、ハウジングの同一側面に３相交流インターフェイス、および冷却媒体の配管入口と出口が配置されているので、電気用の配線コードと冷媒供給用ホースとがハウジングの同一面において混在、集中し、配線および配管の作業効率が低下する原因となる。

【0008】

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インバータ制御装置における効率的な放熱を可能とする流路構造を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として以下の構成を備える。すなわち、本願の例示的な第１の発明に係るは、金属材料からなる筐体の底面部に冷却冷媒を流す流路が形成されたインバータ制御装置であって、前記流路は前記筐体の第１側面に流入口と流出口を有し、該第１側面からその第１側面に対向する第２側面に至る往路と、該第２側面から該第１側面に至る復路とを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、インバータ制御装置の面積が限られた筐体底面部において流路の全長を長くとることができ、底面部のほぼ中央部に配置されている発熱部からの放熱効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は本発明の実施形態に係るインバータ制御装置が搭載された車両の概略構成である。

【図2】図２は駆動モータとギアを組み合わせて一体化したインバータ制御装置の外観図である。

【図3】図３は本実施形態に係るインバータ制御装置を一方側面側から見たときの外観図である。

【図4】図４はインバータ制御装置を底面側から見たときの外観図である。

【図5a】図５ａはインバータ制御装置の筐体上部を取り除き、底部のみを部分的に示す斜視図である。

【図5b】図５ｂは、図５ａのＸ−Ｘ´矢視線とＹ−Ｙ´矢視線とに沿って筐体を縦方向に切断したときの往路と復路の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るインバータ制御装置が搭載された車両の概略構成である。図１において電動モータ１５は、例えば三相交流モータであって、車両の駆動力源である。電動モータ１５の回転軸は減速機６とディファレンシャルギア７に連結されており、電動モータ１５の駆動力（トルク）は、これら減速機６、ディファレンシャルギア７、ドライブシャフト（駆動軸）８を介して一対の車輪５ａ，５ｂに伝達される。

【0013】

インバータ制御装置１０のインバータ部２０は、電動モータ１５に駆動電力を供給するパワーモジュールユニット１３と、パワーモジュールユニット１３に駆動信号を出力するパワーモジュール制御部１２と、パワーモジュール制御部１２に制御信号を出力するインバータ制御部１１と、平滑用のコンデンサ１４とを備える。インバータ部２０は、車両全体の制御を司る制御装置３からの制御信号により制御される。

【0014】

パワーモジュールユニット１３は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のパワースイッチング素子を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に２個（上アームのパワースイッチング素子と下アームのパワースイッチング素子）、計６個のパワースイッチング素子を接続してなるブリッジ回路（電力変換回路）を有している。

【0015】

パワーモジュールユニット１３は、パワーモジュール制御部１２からの駆動信号（ＰＷＭ制御信号）により、パワースイッチング素子のオン／オフを切り替えることで、バッテリＢＴからの直流電力を交流電力（三相交流電力）に変換し、それにより電動モータ１５を駆動する。

【0016】

バッテリ（ＢＴ）は、車両の動力源である電気エネルギーの供給元であり、例えば、複数の二次電池で構成される。インバータ部２０には、バッテリ（ＢＴ）との接続部にコンデンサ１４が配置されている。コンデンサ１４は、高電位ライン（正極電位Ｂ＋）と低電位ライン（負極電位Ｂ−（ＧＮＤ））間に接続されており、バッテリＢＴからの入力電圧を平滑化する大容量の平滑コンデンサ（フィルムコンデンサ）である。

【0017】

図２は、インバータ制御装置１０の外観図であり、インバータ制御装置１０と電動モータ１５とギア７を組み合わせて一体化された状態を示している。インバータ制御装置１０の筐体３１は、例えばアルミダイキャストを成形してなる。インバータ制御装置１０は、外部バッテリ（図１のバッテリ（ＢＴ））からの高圧電流の入力部である高圧部１０ａと、駆動モータに駆動電流を供給するパワー部１０ｂとで構成される。

【0018】

高圧部１０ａとパワー部１０ｂは、筐体３１の内部において隔壁１８を介して分離されている。高圧部１０ａとパワー部１０ｂそれぞれの上面部は、例えばアルミニウム等の金属からなる平板状の部材であるカバー３９ａ，３９ｂで覆われる。

【0019】

次に、本実施形態に係るインバータ制御装置の流路構造について説明する。図３は、本実施形態に係るインバータ制御装置１０を一方の側面側から見たときの外観図であり、図４は、インバータ制御装置１０を底面側から見た外観図である。

【0020】

図４に示すようにインバータ制御装置１０の筐体３１の底面部３２には、冷却水、冷却液等の冷却冷媒を流通させる流路２０が形成されている。流路２０は、底面部３２において筐体３１と一体に形成されており、その断面形状が円形のパイプ状の通路である。断面を円形とすることで、流路における冷却冷媒の圧力損失を抑えることができる。例えば、毎分８リットルの冷却冷媒を流通させ、流路における圧力損失を５ｋｐａ以下にするため、流路の直径を１１ｍｍ程度にする。

【0021】

流路２０は、往路２５と復路２７からなる。往路２５は、図３、図４に示すように、筐体３１の一方側面（第１側面）３５に冷却冷媒の流入口２１を有し、一方側面３５からその一方側面３５に対向する他方側面（第２側面）３７に至る流路である。往路２５は、筐体３１の底面部３２において一方側面３５から他方側面３７にほぼ直線状に延びている。

【0022】

復路２７は、筐体３１の他方側面（第２側面）３７から一方側面（第１の側面）３５に至る流路であり、往路２５の流入口２１と同様、筐体３１の一方側面３５に冷却冷媒の流出口２３を有する。復路２７は筐体３１の底面部３２の対角線に沿って延びている。流路２０は、流入口２１と流出口２３以外は密閉状態となっている。

【0023】

なお、往路２５と復路２７を曲げずに直線状にすることで、筐体における往路２５と復路２７の流路作成のための穴明け加工成形が容易になる。

【0024】

図４に示すように往路２５と復路２７は、筐体３１の底面部３２のほぼ中央部Ａにおいて交差している。往路２５と復路２７を交差させることで、小型のインバータ制御装置１０では、面積が限られた筐体の底面部３２において流路２０の全長を長くとることができ、放熱効率を向上させることが可能となる。よって、インバータ制御装置１０の冷却冷媒は、図４において太線で示す経路Ｂ、すなわち、冷媒流路の上流側である往路２５の流入口２１より流入し、往路２５の末端部で方向転換して復路２７を流通した後、下流側であ
る流出口２３より流出する。

【0025】

また、インバータ制御装置１０の筐体３１の底面部３２には、機械的強度を増大させるため、底面部３２の周縁を囲むようにリブ４１が形成されている。さらに、底面部３２の両対角線に沿って２本のリブ４３，４５が形成されている。リブ４５は、底面部３２において復路２７が底面外部に突起することで形成されており、リブ４５の内部が冷却冷媒の流路（復路２７）となっている。

【0026】

このように、対角線に沿って走るリブ４５は、冷媒の流路と筐体底面部３２の機械的強度の補強部材とを兼ねているので、別途、補強用のリブを設ける必要がなく、筐体のコスト減を実現できる。

【0027】

また、電動モータ１５の駆動により、筐体３１が大きく振動することがある。筐体３１の振動により音が発生し、車両の搭乗席にまで音が伝わることがある。この音は、場合によっては、搭乗席にいる人間を不快にすることがある。この振動対策として、筐体３１には、リブ４１，４３，４５が形成されている。このリブ４１，４３，４５により、筐体３１の振動を抑制することができる。特に、リブ４５は、冷媒の流路と筐体３１の振動対策とを兼ねているので、別途、振動対策用のリブを設ける必要がなく、最小限のリブのみで筐体３１の振動を抑えることができる。

【0028】

なお、振動対策としてのリブ４５は、筐体３１の底面部３２において、筐体の一方側面３５から他方側面３７以外の側面（第３側面）に延びていればよい。即ち、リブ４５は、筐体３１の底面部３２において、筐体３１の一方側面３５から一方側面３５と異なる側面（第２側面、第３側面）に延びていればよい。また、リブ４５の延びる方向において、リブ４５の一部のみが冷媒の流路であってもよい。即ち、冷媒の流路の延長線上に冷媒の流路を含まないリブ４５が延びていても良い。さらに、リブ４５は、筐体の一方側面３５から他方側面３７に略直線状に延びていてもよいし、筐体３１の底面部３２の対角線に沿って延びていても良い。

【0029】

筐体３１の底面部３２に冷却冷媒を流す流路が形成されているインバータ制御装置１０には、振動対策として、前記筐体３１の底面部３２には、リブが少なくとも一つ以上形成されている。そして、前記リブは、前記筐体の第１側面から該第１側面とは異なる側面に延びており、かつ、該リブの内部に前記冷却冷媒を流通させる流路が形成されている。

【0030】

以下、インバータ制御装置の流路の構造について詳細に説明する。図５ａは、インバータ制御装置１０の筐体３１の上部分を取り除き、底部のみを部分的に示す斜視図である。インバータ制御装置１０において、上述した流路２０を流れる冷却冷媒による冷却対象（被冷却部材）は、主として、筐体３１内に収容されたパワーモジュールユニット１３（図５ａにおいて点線で示す。）である。

【0031】

パワーモジュールユニット１３は、筐体３１の内部の底部において、往路２５の直上であって、図４に示す底面部３２のほぼ中央部Ａに対応する位置に配置されている。パワーモジュールユニット１３は、発熱量の多い複数個のパワー素子からなるブリッジ回路等で構成されている。そのため、パワーモジュールユニット１３は、上記の位置において冷却冷媒と接することでパワー素子からの放熱（奪熱）が行われる。

【0032】

図５ｂは、図５ａのＸ−Ｘ´矢視線とＹ−Ｙ´矢視線とに沿って筐体３１を縦方向に切断して、インバータ制御装置１０の流路（往路２５と復路２７）の詳細構造を示す断面図である。図５ｂの白抜き矢印は、往路２５および復路２７における冷却冷媒の流れを示している。

【0033】

流入口２１より注入された冷却冷媒は、冷媒流路の上流側である往路２５を通過し、その間において、上記のように往路２５の直上に配置されたパワーモジュールユニット１３で発生した熱が冷却冷媒に伝導する。その後、冷却冷媒は、冷媒流路の下流側である復路２７を介して流出口２３より流出する。

【0034】

ここで、上流側にある往路２５と下流側にある復路２７の位置関係に着目すると、図５ｂに示すように、筐体３１の高さ方向（ｚ軸方向）において、往路２５と復路２７とに高度差Ｈを設けている。このように往路２５を復路２７よりも高い位置に配置することで、冷却冷媒を高位置から流入させて低位置に向けて滞りなく流通させることができ、かつ、流出口２３から効率的に取り出せる。その結果、流通経路（流路２０）における冷却冷媒の流れを円滑化できる。

【0035】

以上説明したように本実施の形態に係るインバータ制御装置では、筐体の一方側面に冷却冷媒の流入口と流出口を配置し、底面部を一方側面から、それと対向する他方側面にほぼ直線状に延びる往路と、他方側面から一方側面に向けて底面部の対角線に沿って延びる復路とが形成されている。さらに、筐体底面部のほぼ中央部において往路と復路を交差させる構成としている。

【0036】

このような流路構造により、冷却冷媒は往路の末端部で方向転換して復路を流通するので、面積が限られた筐体底面部において流路の全長を長くとることができる。その結果、底面部のほぼ中央部に配置されている発熱量の多いパワーモジュールユニットから効率的に除熱でき、放熱効率を向上できる。

【0037】

また、パワーモジュールユニットのみならず、他の発熱部品からの熱をより効率的に筐体の外部へ放熱することができ、インバータ制御装置全体の温度上昇を低減できる。

【0038】

さらには、流路の入口と出口を筐体の一方側面側に配置することで、車両内部のインバータ制御装置の搭載空間における冷媒供給用ホースの取り回しが容易になり、併せて、必要なホース長を短くすることができる。

【符号の説明】

【0039】

３ 制御装置
５ａ，５ｂ 車輪
６ 減速機
７ ディファレンシャルギア
８ ドライブシャフト（駆動軸）
１０ インバータ制御装置
１０ａ 高圧部
１０ｂ パワー部
１１ インバータ制御部
１２ パワーモジュール制御部
１３ パワーモジュールユニット
１４ 平滑用コンデンサ
１５ 電動モータ
２０ 流路
２１ 流入口
２３ 流出口
２５ 往路
２７ 復路
３２ 筐体の底面部
３５ 一方側面（第１側面）
３７ 他方側面（第２側面）
４３，４５ リブ
ＢＴ バッテリ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5a】

【図5b】