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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-06-20
(45)【発行日】2022-06-28
(54)【発明の名称】電力変換装置
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/48 20070101AFI20220621BHJP
   H02M 3/155 20060101ALI20220621BHJP
【FI】
H02M7/48 Z
H02M3/155 Y
【請求項の数】 9
(21)【出願番号】P 2021162826
(22)【出願日】2021-10-01
【審査請求日】2021-11-11
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100104433
【弁理士】
【氏名又は名称】宮園 博一
(74)【代理人】
【識別番号】100202728
【弁理士】
【氏名又は名称】三森 智裕
(72)【発明者】
【氏名】東 利亮
(72)【発明者】
【氏名】福地 瞬
【審査官】遠藤 尊志
(56)【参考文献】
【文献】特開2020-025430(JP,A)
【文献】特開2013-031250(JP,A)
【文献】特開2020-061831(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02M 7/00-7/98
H02M 3/00-3/44
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源から入力される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータ部と、
前記直流電力の電圧を異なる電圧に変換する直流直流コンバータ部と、
前記インバータ部および前記直流直流コンバータ部が配置される平板状の基台部とを備え、
前記インバータ部は、前記直流電力を前記交流電力に変換するスイッチング素子モジュールを含み、
前記直流直流コンバータ部は、直流直流コンバータ素子と、前記直流直流コンバータ素子が実装される直流直流コンバータ基板とを含み、
前記スイッチング素子モジュールは、前記平板状の基台部の表面または裏面に沿うように、前記基台部に取り付けられており、
前記直流直流コンバータ素子が実装される前記直流直流コンバータ基板は、前記平板状の基台部の表面または裏面に沿うように、前記基台部に取り付けられており、
前記直流直流コンバータ基板は、前記基台部に設けられた冷却流路を覆う蓋部に取り付けられている、電力変換装置。
【請求項2】
前記スイッチング素子モジュールは、前記平板状の基台部の裏面に沿うように、前記基台部に取り付けられており、
前記直流直流コンバータ素子が実装される前記直流直流コンバータ基板は、前記平板状の基台部の表面に沿うように、前記基台部に取り付けられている、請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記インバータ部は、第1インバータ部と第2インバータ部とを含み、
前記スイッチング素子モジュールは、前記第1インバータ部に含まれる第1スイッチング素子モジュールと、前記第2インバータ部に含まれる第2スイッチング素子モジュールと、を含み、
前記第1スイッチング素子モジュールおよび前記第2スイッチング素子モジュールは、前記平板状の基台部の表面または裏面に沿うように前記基台部に取り付けられている、請求項1または2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記インバータ部の入力側に配置され、前記直流電源から入力される前記直流電力を昇圧して前記インバータ部に供給する昇圧コンバータ部をさらに備え、
前記昇圧コンバータ部は、前記平板状の基台部の表面または裏面に沿うように、前記基台部に取り付けられている、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記昇圧コンバータ部は、昇圧用スイッチング素子モジュールと、リアクトルとを含み、
前記昇圧用スイッチング素子モジュールおよび前記リアクトルは、前記平板状の基台部の表面または裏面に沿うように、前記基台部に取り付けられている、請求項4に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記スイッチング素子モジュールは、前記平板状の基台部の裏面に沿うように、前記基台部に取り付けられており、
前記直流直流コンバータ基板、前記リアクトル、および、前記昇圧用スイッチング素子モジュールは、前記平板状の基台部の表面に沿うように、かつ、互いに隣り合うように、前記基台部に取り付けられている、請求項5に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記基台部は、冷却流路が形成される金属からなる冷却部本体部と、前記冷却部本体部の冷却流路を覆う金属からなる前記蓋部とを含み、
前記直流直流コンバータ基板は、前記蓋部に取り付けられている、請求項1~6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
【請求項8】
前記直流直流コンバータ素子は、コンバータ用スイッチング素子を含み、
前記コンバータ用スイッチング素子は、前記直流直流コンバータ基板の前記蓋部側の面において、熱伝導部材を介して前記蓋部に接触するように取り付けられている、請求項7に記載の電力変換装置。
【請求項9】
前記直流直流コンバータ基板に実装される前記直流直流コンバータ素子は、コンバータ用スイッチング素子、トランス、共振リアクトルおよび平滑リアクトルを含む、請求項1~8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、電力変換装置に関し、特に、直流直流コンバータ部を備える電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、直流直流コンバータ部を備える電力変換装置が知られている(たとえば、特許文献1参照)。
【0003】
上記特許文献1には、インバータ装置と、DC-DCコンバータ(直流直流コンバータ部)と、流路形成体とを備える車両が開示されている。インバータ装置は、上アームおよび下アームを構成する半導体モジュールなどを含む。DC-DCコンバータは、MOSFETや、MOSFETが実装される高電圧回路基板などを含む。流路形成体は、上面が段差形状を有する平板形状を有する。上記特許文献1では、半導体モジュールは、流路形成体の上面上に取り付けられている。DC-DCコンバータの高電圧回路基板は、流路形成体の側壁に取り付けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】国際公開第2015/163143号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献1では、DC-DCコンバータの高電圧回路基板が、流路形成体の側壁に取り付けられている。すなわち、高電圧回路基板が平板形状の流路形成体の上面に直交するように取り付けられている。このため、高電圧回路基板が流路形成体の上面および下面から突出するように配置されている。そのため、インバータ装置とDC-DCコンバータとを含む装置の高さが大きくなるという問題点がある。
【0006】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、高さが大きくなるのを抑制することが可能な電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による電力変換装置は、直流電源から入力される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給するインバータ部と、直流電力の電圧を異なる電圧に変換する直流直流コンバータ部と、インバータ部および直流直流コンバータ部が配置される平板状の基台部とを備え、インバータ部は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子モジュールを含み、直流直流コンバータ部は、直流直流コンバータ素子と、直流直流コンバータ素子が実装される直流直流コンバータ基板とを含み、スイッチング素子モジュールは、平板状の基台部の表面または裏面に沿うように、基台部に取り付けられおり、直流直流コンバータ素子が実装される直流直流コンバータ基板は、平板状の基台部の表面または裏面に沿うように、基台部に取り付けられており、直流直流コンバータ基板は、基台部に設けられた冷却流路を覆う蓋部に取り付けられている
【0008】
この発明の一の局面による電力変換装置では、上記のように、直流直流コンバータ素子が実装される直流直流コンバータ基板は、平板状の基台部の表面または裏面に沿うように、基台部に取り付けられている。これにより、直流直流コンバータ基板が、平板状の基台部の表面または裏面に沿うように基台部に取り付けられているので、直流直流コンバータ基板が基台部の表面または裏面に垂直な方向に沿って取り付けられる場合と異なり、電力変換装置の高さが大きくなるのを抑制することができる。なお、「電力変換装置の高さ」とは、基台部の表面および裏面に垂直な方向における高さを意味する。
【0009】
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、スイッチング素子モジュールは、平板状の基台部の裏面に沿うように、基台部に取り付けられており、直流直流コンバータ素子が実装される直流直流コンバータ基板は、平板状の基台部の表面に沿うように、基台部に取り付けられている。このように構成すれば、スイッチング素子モジュールと直流直流コンバータ素子とが異なる面に取り付けられるので、スイッチング素子モジュールと直流直流コンバータ素子とが同じ面に取り付けられる場合と異なり、基台部の表面および裏面の大きさが大きくなるのを抑制することができる。すなわち、電力変換装置の水平方向の大きさが大きくなるのを抑制することができる。なお、「電力変換装置の水平方向の大きさ」とは、基台部の表面または裏面に沿った方向の大きさを意味する。
【0010】
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、インバータ部は、第1インバータ部と第2インバータ部とを含み、スイッチング素子モジュールは、第1インバータ部に含まれる第1スイッチング素子モジュールと、第2インバータ部に含まれる第2スイッチング素子モジュールと、を含み、第1スイッチング素子モジュールおよび第2スイッチング素子モジュールは、平板状の基台部の表面または裏面に沿うように基台部に取り付けられている。このように構成すれば、第1スイッチング素子モジュールおよび第2スイッチング素子モジュールは、基台部の表面または裏面に沿うように基台部に取り付けられているので、インバータ部が2つ設けられている場合でも、電力変換装置の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【0011】
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、インバータ部の入力側に配置され、直流電源から入力される直流電力を昇圧してインバータ部に供給する昇圧コンバータ部をさらに備え、昇圧コンバータ部は、平板状の基台部の表面または裏面に沿うように、基台部に取り付けられている。このように構成すれば、昇圧コンバータ部も、基台部の表面または裏面に沿うように基台部に取り付けられているので、昇圧コンバータ部が設けられている場合でも、電力変換装置の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【0012】
この場合、好ましくは、昇圧コンバータ部は、昇圧用スイッチング素子モジュールと、リアクトルとを含み、昇圧用スイッチング素子モジュールおよびリアクトルは、平板状の基台部の表面または裏面に沿うように、基台部に取り付けられている。このように構成すれば、昇圧用スイッチング素子モジュールおよびリアクトルが、平板状の基台部の表面または裏面に沿うように基台部に取り付けられているので、昇圧用スイッチング素子モジュールおよびリアクトルが電力変換装置の高さ方向に積層される場合と異なり、電力変換装置の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【0013】
上記リアクトルを備える電力変換装置において、好ましくは、スイッチング素子モジュールは、平板状の基台部の裏面に沿うように、基台部に取り付けられおり、直流直流コンバータ基板、リアクトル、および、昇圧用スイッチング素子モジュールは、平板状の基台部の表面に沿うように、かつ、互いに隣り合うように、基台部に取り付けられている。このように構成すれば、スイッチング素子モジュールと、直流直流コンバータ基板、リアクトルおよび昇圧用スイッチング素子モジュールと、が異なる面に取り付けられるので、スイッチング素子モジュール、直流直流コンバータ基板、リアクトルおよび昇圧用スイッチング素子モジュールの全てが同じ面に取り付けられる場合と異なり、基台部の表面または裏面の大きさが大きくなるのを抑制することができる。
【0014】
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、基台部は、冷却流路が形成される金属からなる冷却部本体部と、冷却部本体部の冷却流路を覆う金属からなる蓋部とを含み、直流直流コンバータ基板は、蓋部に取り付けられている。このように構成すれば、直流直流コンバータ基板を、蓋部を介して、冷却流路を流れる冷却用液体により容易に冷却することができる。
【0015】
この場合、好ましくは、直流直流コンバータ素子は、コンバータ用スイッチング素子を含み、コンバータ用スイッチング素子は、直流直流コンバータ基板の蓋部側の面において、熱伝導部材を介して蓋部に接触するように取り付けられている。このように構成すれば、冷却流路を流れる冷却用液体によりコンバータ用スイッチング素子を容易に冷却することができる。また、ネジによりコンバータ用スイッチング素子を蓋部に取り付ける場合、ネジがねじ込まれる蓋部の部分を冷却部本体部の冷却流路に突出するように形成する必要があり、冷却流路を流れる冷却用液体の圧損が大きくなる。そこで、コンバータ用スイッチング素子を、熱伝導部材を介して蓋部に接触するように、直流直流コンバータ基板の蓋部側の面に取り付けることにより、冷却流路を流れる冷却用液体の圧損が大きくなるのを抑制することができる。
【0016】
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、直流直流コンバータ基板に実装される直流直流コンバータ素子は、コンバータ用スイッチング素子、トランス、共振リアクトルおよび平滑リアクトルを含む。このように構成すれば、コンバータ用スイッチング素子、トランス、共振リアクトルおよび平滑リアクトルの全てが平板状の基台部の表面または裏面に沿うように配置されるので、コンバータ用スイッチング素子、トランス、共振リアクトルおよび平滑リアクトルを含む電力変換装置の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、上記のように、電力変換装置の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
図1】一実施形態による電力変換装置の回路図である。
図2】一実施形態による電力変換装置の斜視図である。
図3】一実施形態による電力変換装置の側面図である。
図4】一実施形態による電力変換装置の上方側から見た分解斜視図である。
図5】一実施形態による電力変換装置の下側から見た分解斜視図である。
図6】一実施形態による電力変換装置の基台部の上面図である。
図7】一実施形態による電力変換装置の基台部の下面図である。
図8】一実施形態による電力変換装置の基台部の側面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【0020】
図1図8を参照して、本発明の一実施形態による電力変換装置100の構成について説明する。電力変換装置100は、たとえば、車両に搭載される。
【0021】
まず、図1を参照して、電力変換装置100の回路構成を説明する。電力変換装置100は、インバータ部10を備えている。インバータ部10は、直流電源200から入力される直流電力を交流電力に変換して負荷210に供給する。負荷210は、たとえば、モータである。電力変換装置100と直流電源200との間には、スイッチ201が設けられている。
【0022】
インバータ部10は、スイッチング素子モジュール11を含む。スイッチング素子モジュール11は、直流電力を交流電力に変換する。また、スイッチング素子モジュール11は、上アームを構成する半導体スイッチング素子Q1、Q2およびQ3と、下アームを構成する半導体スイッチング素子Q4、Q5およびQ6とを含む。
【0023】
インバータ部10は、第1インバータ部10aと第2インバータ部10bとを含む。スイッチング素子モジュール11は、第1インバータ部10aに含まれる第1スイッチング素子モジュール11aと、第2インバータ部10bに含まれる第2スイッチング素子モジュール11bと、を含む。また、負荷210は、第1負荷210aと第2負荷210bとを含む。第1インバータ部10aは、直流電源200から入力される直流電力を交流電力に変換して第1負荷210aに供給する。第2インバータ部10bは、直流電源200から入力される直流電力を交流電力に変換して第2負荷210bに供給する。
【0024】
電力変換装置100は、昇圧コンバータ部20を備えている。昇圧コンバータ部20は、インバータ部10の入力側に配置されている。昇圧コンバータ部20は、直流電源200から入力される直流電力を昇圧してインバータ部10に供給する。昇圧コンバータ部20は、昇圧用スイッチング素子モジュール21と、リアクトル22と含む。昇圧用スイッチング素子モジュール21は、昇圧用スイッチング素子Q11およびQ12を含む。昇圧用スイッチング素子Q11およびQ12は、各々、上アームおよび下アームを構成する。また、昇圧コンバータ部20は、コンデンサC1を含む。リアクトル22は、直流電源200の正側と、昇圧用スイッチング素子Q11と昇圧用スイッチング素子Q12との接続点と、の間に設けられている。コンデンサC1は、昇圧用スイッチング素子Q12に並列に設けられている。
【0025】
電力変換装置100は、コンデンサC2と抵抗Rとを備える。コンデンサC2と抵抗Rとは、昇圧コンバータ部20とインバータ部10との間に設けられている。コンデンサC2と抵抗Rとは、互いに並列に設けられている。
【0026】
電力変換装置100は、DCDCコンバータ部30を備えている。なお、DCDCコンバータ部30は、直流電力の電圧を異なる電圧に変換する。具体的には、DCDCコンバータ部30は、直流電源200からコネクタ1を介して入力される直流電力の電圧を降圧する。また、DCDCコンバータ部30は、降圧した電圧を出力端子2に供給する。なお、DCDCコンバータ部30は、特許請求の範囲の「直流直流コンバータ部」の一例である。
【0027】
次に、電力変換装置100の構造について説明する。
【0028】
本実施形態では、図2および図4に示すように、DCDCコンバータ部30は、直流直流コンバータ素子31と、直流直流コンバータ素子31が実装される直流直流コンバータ基板32とを備えている。直流直流コンバータ基板32は、平板形状を有する。直流直流コンバータ基板32に実装される直流直流コンバータ素子31は、コンバータ用スイッチング素子31a、トランス31b、共振リアクトル31cおよび平滑リアクトル31dを含む。コンバータ用スイッチング素子31aは、直流直流コンバータ基板32の裏面側(Z2側)に設けらている。トランス31b、共振リアクトル31cおよび平滑リアクトル31dは、直流直流コンバータ基板32を貫通するように設けられている。
【0029】
図5に示すように、スイッチング素子モジュール11は、内部に半導体スイッチング素子Q1~Q6(図1参照)が収納されている。半導体スイッチング素子Q1~Q6は、樹脂などの筐体に覆われている。図4に示すように、スイッチング素子モジュール11の後述する基台部50側(Z1側)には、蓋部12が配置されている。蓋部12は、たとえば、アルミニウムなどの熱伝導性の比較的高い金属により形成されている。蓋部12は、平板状の本体部12aと、基台部50に向かって突出する複数の柱部12bとを含む。柱部12bは、冷却流路51内に突出するように形成されている。柱部12bは、たとえば、角柱形状を有する。スイッチング素子モジュール11は、スイッチング素子モジュール11の表面に垂直な方向から見て、長方形形状を有する。
【0030】
図2図5に示すように、電力変換装置100は、基台部50を備えている。基台部50は、平板状である。基台部50は、インバータ部10およびDCDCコンバータ部30が配置される。また、基台部50は、たとえば、アルミニウムなどの熱伝導性の比較的高い金属により形成されている。基台部50は、基台部50の表面50a(表側の面(Z1側の面))および裏面50b(裏側の面(Z2側の面))に垂直な方向から見て、長方形形状を有する。
【0031】
図8に示すように、基台部50は、冷却用液体が流れ、表側に配置された表側流路51aと、表側流路51aに接続されて裏側に配置された裏側流路51bとを有する冷却流路51を含んでいる。
【0032】
また、冷却流路51は、基台部50内において表側流路51aおよび裏側流路51bを接続する接続流路51cを有している。
【0033】
本実施形態では、インバータ部10のスイッチング素子モジュール11は、平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられている。また、直流直流コンバータ素子31が実装される直流直流コンバータ基板32は、平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられている。
【0034】
具体的には、本実施形態では、スイッチング素子モジュール11は、平板状の基台部50の裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられている。また、直流直流コンバータ素子31が実装される直流直流コンバータ基板32は、平板状の基台部50の表面50aに沿うように、基台部50に取り付けられている。
【0035】
本実施形態では、第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bは、平板状の基台部50の裏面50bに沿うように基台部50に取り付けられている。具体的には、第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bは、第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bの長辺方向(X方向)に沿って、互いに隣り合うように配置されている。このように配置することで、基台部50のY方向幅を短くすることができるため、電力変換装置100を小型化することが可能となる。
【0036】
第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bは、負荷210へ電力を出力するインバータ出力端子を長手側に各々備えている。インバータ出力端子は、基台部50の長手方向の端部の少なくとも一方側に配置される。
【0037】
本実施形態では、昇圧コンバータ部20は、平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられている。具体的には、昇圧コンバータ部20は、基台部50の表面50aに取り付けられている。また、昇圧コンバータ部20は、平板状の基台部50の長手方向(X方向)に沿って、DCDCコンバータ部30に隣り合うように配置されている。
【0038】
本実施形態では、昇圧コンバータ部20は、昇圧用スイッチング素子モジュール21と、リアクトル22とを含む。そして、昇圧用スイッチング素子モジュール21およびリアクトル22は、平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられている。具体的には、直流直流コンバータ基板32、リアクトル22、および、昇圧用スイッチング素子モジュール21は、平板状の基台部50の表面50aに沿うように、かつ、互いに隣り合うように、基台部50に取り付けられている。なお、直流直流コンバータ基板32、リアクトル22、および、昇圧用スイッチング素子モジュール21は、この順で、基台部50の表面50aに取り付けられている。
【0039】
図5に示すように、昇圧用スイッチング素子モジュール21の基台部50側(Z2側)には、蓋部21aが配置されている。蓋部21aは、たとえば、アルミニウムや銅などの熱伝導性の比較的高い金属により形成されている。蓋部21aは、平板状の本体部21bと、基台部50に向かって突出する複数の柱部21cとを含む。柱部21cは、冷却流路51内に突出するように形成されている。柱部21cは、たとえば、円柱形状を有する。昇圧用スイッチング素子モジュール21は、昇圧用スイッチング素子モジュール21の表面に垂直な方向から見て、正方形形状を有する。蓋部21aは、昇圧用スイッチング素子モジュール21に一体的に設けられていてもよい。なお、柱部21cはフィンの機能(形状)を有していてもよい。
【0040】
リアクトル22の基台部50側(Z2側)には、蓋部22aが配置されている。蓋部22aは、たとえば、アルミニウムなどの熱伝導性の比較的高い金属により形成されている。蓋部22aは、本体部22bと、基台部50に向かって突出する複数のフィン22cとを含む。フィン22cは、冷却流路51内に突出するように形成されている。フィン22cは、冷却流路51に沿って延びるように形成されている。
【0041】
本実施形態では、図4および図5に示すように、基台部50は、冷却流路51が形成される金属からなる冷却部本体部52と、冷却部本体部52とともに冷却流路51を形成する金属からなる蓋部12、21a、22a、53とを含む。また、インバータ部10およびDCDCコンバータ部30は、基台部50の表側および裏側に配置される蓋部12、53に取り付けられている。具体的には、直流直流コンバータ基板32は、蓋部53に取り付けられている。具体的には、冷却流路51は、基台部50の表面50aと裏面50bとの両方に設けられている(図6および図7参照)。蓋部53は、基台部50の表面50aに設けられている冷却流路51を覆う。蓋部53は、長方形形状でかつ平板形状を有している。直流直流コンバータ基板32は、蓋部53の表面53bに沿うように配置されている。直流直流コンバータ基板32は、蓋部53に設けられる柱部53cに、たとえば、ネジにより取り付けられている。蓋部53は、冷却部本体部52に、たとえば、ネジにより取り付けられている。これにより、ネジを外すだけで、容易に、直流直流コンバータ基板32および直流直流コンバータ素子31を取り換えることができる。柱部53cは、図4のZ1側から平面視した場合に冷却流路51にオーバーラップしないように設けられている。このようにすることで、直流直流コンバータ基板32の耐振動性の向上が期待できる。または冷却流路51にオーバーラップするように柱部53cを設けることで、直流直流コンバータ基板32からの放熱経路が形成されるため、放熱性の向上が期待できる。
【0042】
蓋部53は、たとえば、アルミニウムなどの熱伝導性の比較的高い金属により形成されている。蓋部53には、冷却流路51内に突出するフィン53dが設けられている。フィン53dは、冷却流路51に沿って延びるように形成されている。
【0043】
また、蓋部12は、基台部50の裏面50bに設けられている冷却流路51を覆う。蓋部12は、2つ設けられている。蓋部12は、長方形形状でかつ平板形状を有している。第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bは、各々、蓋部12と一体的に設けられている。なお、蓋部12が、第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bとは別に用意され、蓋部12を、第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bに取り付けてもよい。
【0044】
また、蓋部21aは、基台部50の表面50aに設けられている冷却流路51を覆う。蓋部21aは、長方形形状でかつ平板形状を有している。昇圧用スイッチング素子モジュール21は、蓋部21aと一体的に設けられている。なお、蓋部21aが、昇圧用スイッチング素子モジュール21とは別に用意され、蓋部21aを昇圧用スイッチング素子モジュール21に取り付けてもよい。
【0045】
本実施形態では、図4に示すように、直流直流コンバータ素子31は、コンバータ用スイッチング素子31aを含む。そして、コンバータ用スイッチング素子31aは、直流直流コンバータ基板32の蓋部53側の面(Z2側の面)において、熱伝導部材33を介して蓋部53に接触するように取り付けられている。すなわち、蓋部53、熱伝導部材33およびコンバータ用スイッチング素子31aが、この順で積層される。コンバータ用スイッチング素子31aから発生する熱は、熱伝導部材33を介して蓋部53に放熱される。熱伝導部材33は、たとえば、セラミックのシートからなる。
【0046】
DCDCコンバータ部30は、コンデンサC1と接続されるコンデンサC1接続端子を備えている。コンデンサC1接続端子は、第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bのインバータ出力端子が配置される基台部50の長手方向の端部の少なくとも一方側とは反対の他方側に配置される。図2では、基台部50下方(Z2側)においてY方向紙面手前側に左からコンデンサC1およびC2が配置され、X方向紙面左側にDCDCコンバータ部30とコンデンサC1とが接続されている状態が示されている。このような端子配置にすることで、コンデンサC1の配置に際して第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bのインバータ出力端子を気にする必要がなく、コンデンサC1の基台部50への配置が容易になる。結果、電力変換装置100の小型化が可能となる。
【0047】
また、蓋部53には、孔部53aが設けられている。リアクトル22は、蓋部53の孔部53aを覆うように配置されている。すなわち、リアクトル22は、冷却流路51を覆うように配置される。リアクトル22から発生した熱は、冷却流路51を流れる冷却用液体に放熱される。リアクトル22は、たとえば、ネジにより蓋部53に取り付けられている。
【0048】
冷却部本体部52には、孔部52aが設けられている。昇圧用スイッチング素子モジュール21は、冷却部本体部52の孔部52aを覆うように配置されている。すなわち、昇圧用スイッチング素子モジュール21は、冷却流路51を覆うように配置される。昇圧用スイッチング素子モジュール21から発生した熱は、冷却流路51を流れる冷却用液体に放熱される。昇圧用スイッチング素子モジュール21は、たとえば、ネジにより冷却部本体部52に取り付けられている。昇圧用スイッチング素子モジュール21は、コンデンサC2と接続されるコンデンサC2接続端子を備えている。コンデンサC2接続端子は、第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bのインバータ出力端子が配置される基台部50の長手方向の端部の少なくとも一方側とは反対の他方側に配置される。図2では、基台部50下方(Z2側)においてY方向紙面手前側に左からコンデンサC1およびC2が配置され、X方向紙面右側に昇圧用スイッチング素子モジュール21とコンデンサC1とが接続されている状態が示されている。このような端子配置にすることで、コンデンサC1の配置に際して第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bのインバータ出力端子を気にする必要がなく、コンデンサC1の基台部50への配置が容易になる。結果、電力変換装置100の小型化が可能となる。より望ましくは、コンデンサC1接続端子とコンデンサC2接続端子は、基台部50の長手方向の端部の同一面側に配置する。
【0049】
図5に示すように、冷却部本体部52には、一対の孔部52bが設けられている。第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bは、各々、孔部52bを覆うように配置される。すなわち、第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bは、冷却流路51を覆うように配置される。スイッチング素子モジュール11から発生した熱は、冷却流路51を流れる冷却用液体に放熱される。
【0050】
図3に示すように、冷却流路51は、表側流路51aおよび裏側流路51bが交互に接続されて、冷却用液体が基台部50の表側の面および裏側の面を交互に通過するように形成されている。具体的には、冷却流路51は、表側(表面50a側)に配置され、表側流路51aとしての冷却流路511、515および519と、裏側(裏面50b側)に配置され、裏側流路51bとしての冷却流路513および517と、接続流路51cとしての冷却流路512、514、516および518と、を含んでいる。冷却流路51は、基台部50の長手方向(X方向)における一方端側から冷却用流体が流入され、他方端側に冷却用流体が流出されるように形成されている。
【0051】
冷却流路51は、冷却流路511、512、513、514、515、516、517、518および519が、この順で上流から下流に向けて接続されている。つまり、図3図6および図7に示すように、冷却流路51は、表側流路51aの冷却流路511から冷却用液体が流入し、接続流路51cの冷却流路512、裏側流路51bの冷却流路513、接続流路51cの冷却流路514、表側流路51aの冷却流路515、接続流路51cの冷却流路516、裏側流路51bの冷却流路517、接続流路51cの冷却流路518、および、表側流路51aの冷却流路519を通り、冷却用液体が流出する。冷却流路51の冷却用液体が流入する流入口及び冷却用液体が流出する流出口は基台部50の短手方向の中央に配置されてもよい。このように配置することで、図2に示す電力変換装置100において、DCDCコンバータ部30が配置される面が顧客装置に収まる際に上面に配置されるか、または下面に配置される場合のいずれにおいても、上記冷却用液体が流入する流入口及び冷却用液体が流出する流出口の位置が変わらないため、顧客の冷却用液体の配管配置変更が不要となる。
【0052】
また、冷却流路51から流出した冷却用液体は、放熱部60により放熱されて冷却される。また、放熱部60により冷却された冷却用液体は、ポンプ61により送液されて再び冷却流路51に流入する。放熱部60は、熱交換器を含み、外部の空気により冷却される。放熱部60は、たとえば、ラジエータである。なお、ポンプ61を冷却流路51の出口と放熱部60の間に配置して、放熱部60により放熱される前の冷却用液体をポンプ61により送液してもよい。また、冷却用液体は、たとえば、水、不凍液などの液体である。
【0053】
また、図3に示すように、インバータ部10は、基台部50の裏側に配置され、裏側流路51bを流れる冷却用液体により冷却される。具体的には、第1スイッチング素子モジュール11aと、第2スイッチング素子モジュール11bとは、基台部50の裏側に配置され、裏側流路51bを流れる冷却用液体により冷却される。
【0054】
また、DCDCコンバータ部30は、基台部50の表側に配置され、表側流路51aを流れる冷却用液体により冷却される。具体的には、コンバータ用スイッチング素子31aと、トランス31bと、共振リアクトル31cと、平滑リアクトル31dと、昇圧用スイッチング素子モジュール21と、リアクトル22とは、基台部50の表側に配置され、表側流路51aを流れる冷却用液体により冷却される。
【0055】
DCDCコンバータ部30は、リアクトル22からの熱干渉の影響を考慮して、直流直流コンバータ基板32に直流直流コンバータ素子31を配置してもよい。具体的には、コンバータ用スイッチング素子31aと、トランス31bと、共振リアクトル31cと、平滑リアクトル31dとのうち耐熱性の低い部品をリアクトルに近い側に配置することを避ける。
【0056】
DCDCコンバータ部30は、上記直流直流コンバータ素子31の他にヒューズ、コンデンサ、ホールセンサ素子等の部品が実装されており、これらの部品は、基台部50の表面50aに放熱部材を介して各々の発熱を放熱している。
【0057】
DCDCコンバータ部30のリアクトル22側の少なくとも一部は、リアクトル22からの熱干渉を低減するために、遮蔽カバーで覆われていてもよい。
【0058】
また、図8に示すように、接続流路51cは、角部が面取りされている。具体的には、接続流路51cの表側流路51aに接続する部分および裏側流路51bに接続する部分には、面取り部510が設けられている。このような構成とすることで、表側流路51a及び裏側流路51bに行き来する冷却用液体の圧力損失が抑制される。さらに、接続流路51cとの接続部分近傍の表側流路51aに凹部または凸部の流路調整部材を設けることにより、冷却用液体の流れが、裏側流路51bから接続流路51cを通じて表側流路51aへ進む際における、冷却用液体の圧力損失が抑制される。
【0059】
また、冷却流路51は、第1スイッチング素子モジュール11a、第2スイッチング素子モジュール11b、コンバータ用スイッチング素子31a、トランス31b、共振リアクトル31c、平滑リアクトル31d、昇圧用スイッチング素子モジュール21、および、リアクトル22のうち、熱耐性に基づく優先順位が高い部品から先に冷却するように、冷却用液体が流れるように形成されている。具体的には、冷却流路51は、熱耐性が比較的小さい昇圧用スイッチング素子モジュール21およびリアクトル22を、上流側で冷却するように流路が形成されている。または、冷却流路51は、第1スイッチング素子モジュール11a、第2スイッチング素子モジュール11b、コンバータ用スイッチング素子31a、トランス31b、共振リアクトル31c、平滑リアクトル31d、昇圧用スイッチング素子モジュール21、および、リアクトル22のうち、発熱量に基づき冷却する優先順位が高い部品を上流側に配置するように形成されている。
【0060】
また、冷却流路51は、昇圧用スイッチング素子モジュール21、第2スイッチング素子モジュール11b、リアクトル22、コンバータ用スイッチング素子31a、共振リアクトル31c、トランス31b、第1スイッチング素子モジュール11a、および、平滑リアクトル31dの順に冷却するように、冷却用液体が流れるように形成されている。
【0061】
図3図6および図7に示すように、昇圧用スイッチング素子モジュール21は、冷却流路511を流れる冷却用液体により冷却される。また、第2スイッチング素子モジュール11bは、冷却流路513を流れる冷却用液体により冷却される。また、共振リアクトル31c、コンバータ用スイッチング素子31a、トランス31bは、冷却流路515を流れる冷却用液体により冷却される。また、第1スイッチング素子モジュール11aは、冷却流路517を流れる冷却用液体により冷却される。また、平滑リアクトル31dは、冷却流路519を流れる冷却用液体により冷却される。
【0062】
[本実施形態の効果]
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【0063】
本実施形態では、上記のように、直流直流コンバータ素子31が実装される直流直流コンバータ基板32は、平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられている。これにより、直流直流コンバータ基板32が、平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように基台部50に取り付けられているので、直流直流コンバータ基板32が基台部50の表面50aまたは裏面50bに垂直な方向に沿って取り付けられる場合と異なり、電力変換装置100の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【0064】
本実施形態では、上記のように、スイッチング素子モジュール11は、平板状の基台部50の裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられており、直流直流コンバータ素子31が実装される直流直流コンバータ基板32は、平板状の基台部50の表面50aに沿うように、基台部50に取り付けられている。これにより、スイッチング素子モジュール11と直流直流コンバータ素子31とが異なる面に取り付けられるので、スイッチング素子モジュール11と直流直流コンバータ素子31とが同じ面に取り付けられる場合と異なり、基台部50の表面50aおよび裏面50bの大きさが大きくなるのを抑制することができる。すなわち、電力変換装置100の水平方向(X-Y平面に沿った方向)の大きさが大きくなるのを抑制することができる。
【0065】
本実施形態では、上記のように、第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bは、平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように基台部50に取り付けられている。これにより、第1スイッチング素子モジュール11aおよび第2スイッチング素子モジュール11bは、基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように基台部50に取り付けられているので、インバータ部10が2つ設けられている場合でも、電力変換装置100の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【0066】
本実施形態では、上記のように、昇圧コンバータ部20は、平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられている。これにより、昇圧コンバータ部20も、基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように基台部50に取り付けられているので、昇圧コンバータ部20が設けられている場合でも、電力変換装置100の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【0067】
本実施形態では、上記のように、昇圧用スイッチング素子モジュール21およびリアクトル22は、平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられている。これにより、昇圧用スイッチング素子モジュール21およびリアクトル22が、平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように基台部50に取り付けられているので、昇圧用スイッチング素子モジュール21およびリアクトル22が電力変換装置100の高さ方向に積層される場合と異なり、電力変換装置100の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【0068】
本実施形態では、上記のように、スイッチング素子モジュール11は、平板状の基台部50の裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられおり、直流直流コンバータ基板32、リアクトル22、および、昇圧用スイッチング素子モジュール21は、平板状の基台部50の表面50aに沿うように、かつ、互いに隣り合うように、基台部50に取り付けられている。これにより、スイッチング素子モジュール11と、直流直流コンバータ基板32、リアクトル22および昇圧用スイッチング素子モジュール21と、が異なる面に取り付けられるので、スイッチング素子モジュール11、直流直流コンバータ基板32、リアクトル22および昇圧用スイッチング素子モジュール21の全てが同じ面に取り付けられる場合と異なり、基台部50の表面50aまたは裏面50bの大きさが大きくなるのを抑制することができる。
【0069】
本実施形態では、上記のように、基台部50は、冷却流路51が形成される金属からなる冷却部本体部52と、冷却部本体部52の冷却流路51を覆う金属からなる蓋部53とを含み、直流直流コンバータ基板32は、蓋部53に取り付けられている。これにより、直流直流コンバータ基板32を、蓋部53を介して、冷却流路51を流れる冷却用液体により容易に冷却することができる。
【0070】
本実施形態では、上記のように、直流直流コンバータ素子31は、コンバータ用スイッチング素子31aを含み、コンバータ用スイッチング素子31aは、直流直流コンバータ基板32の蓋部53側の面において、熱伝導部材33を介して蓋部53に接触するように取り付けられている。これにより、冷却流路51を流れる冷却用液体によりコンバータ用スイッチング素子31aを容易に冷却することができる。また、ネジによりコンバータ用スイッチング素子31aを蓋部53に取り付ける場合、ネジがねじ込まれる蓋部53の部分を冷却部本体部52の冷却流路51に突出するように形成する必要があり、冷却流路51を流れる冷却用液体の圧損が大きくなる。そこで、コンバータ用スイッチング素子31aを、熱伝導部材33を介して蓋部53に接触するように、直流直流コンバータ基板32の蓋部53側の面に取り付けることにより、冷却流路51を流れる冷却用液体の圧損が大きくなるのを抑制することができる。
【0071】
本実施形態では、上記のように、直流直流コンバータ基板32に実装される直流直流コンバータ素子31は、コンバータ用スイッチング素子31a、トランス31b、共振リアクトル31cおよび平滑リアクトル31dを含む。これにより、コンバータ用スイッチング素子31a、トランス31b、共振リアクトル31cおよび平滑リアクトル31dの全てが平板状の基台部50の表面50aまたは裏面50bに沿うように配置されるので、コンバータ用スイッチング素子31a、トランス31b、共振リアクトル31cおよび平滑リアクトル31dを含む電力変換装置100の高さが大きくなるのを抑制することができる。
【0072】
[変形例]
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更(変形例)が含まれる。
【0073】
上記実施形態では、スイッチング素子モジュール11が基台部50の裏面50bに取り付けられ、直流直流コンバータ基板32が基台部50の表面50aに取り付けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、スイッチング素子モジュール11が基台部50の表面50aに取り付けられ、直流直流コンバータ基板32が基台部50の裏面50bに取り付けられていてもよい。また、スイッチング素子モジュール11と直流直流コンバータ基板32との両方が基台部50の表面50aに取り付けられていてもよい。また、スイッチング素子モジュール11と直流直流コンバータ基板32との両方が基台部50の裏面50bに取り付けられていてもよい。
【0074】
上記実施形態では、第1スイッチング素子モジュール11aと第2スイッチング素子モジュール11bとが、共に、基台部50の裏面50bに取り付けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、第1スイッチング素子モジュール11aと第2スイッチング素子モジュール11bとが、基台部50の異なる面に取り付けられていてもよい。
【0075】
上記実施形態では、昇圧コンバータ部20が基台部50の表面50aに取り付けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、昇圧コンバータ部20が基台部50の裏面50bに取り付けられていてもよい。
【0076】
上記実施形態では、昇圧用スイッチング素子モジュール21とリアクトル22とが、共に、基台部50の表面50aに取り付けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、昇圧用スイッチング素子モジュール21とリアクトル22とが、共に、基台部50の裏面50bに取り付けられていてもよい。また、昇圧用スイッチング素子モジュール21とリアクトル22とが、基台部50の異なる面に取り付けられていてもよい。
【0077】
上記実施形態では、基台部50が、冷却部本体部52と蓋部53とに分離される例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、基台部50が、冷却部本体部52と蓋部53とが分離されずに一体的に構成されていてもよい。
【0078】
上記実施形態では、直流直流コンバータ基板32に実装される直流直流コンバータ素子31は、コンバータ用スイッチング素子31a、トランス31b、共振リアクトル31cおよび平滑リアクトル31dを含む例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、直流直流コンバータ基板32に実装される直流直流コンバータ素子31が、これらの素子以外の素子を含んでいてもよい。
【符号の説明】
【0079】
10 インバータ部
10a 第1インバータ部
10b 第2インバータ部
11 スイッチング素子モジュール
11a 第1スイッチング素子モジュール
11b 第2スイッチング素子モジュール
20 昇圧コンバータ部
21 昇圧用スイッチング素子モジュール
22 リアクトル
30 DCDCコンバータ部(直流直流コンバータ部)
31 直流直流コンバータ素子
31a コンバータ用スイッチング素子
31b トランス
31c 共振リアクトル
31d 平滑リアクトル
33 熱伝導部材
50 基台部
50a 表面
50b 裏面
51 冷却流路
52 冷却部本体部
53 蓋部
100 電力変換装置
200 直流電源
210 負荷
【要約】
【課題】高さが大きくなるのを抑制することが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】この電力変換装置100では、スイッチング素子モジュール11は、平板状の基台部50の裏面50bに沿うように、基台部50に取り付けられおり、直流直流コンバータ素子31が実装される直流直流コンバータ基板32は、平板状の基台部50の表面50aに沿うように、基台部50に取り付けられている。
【選択図】図3
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8