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公開番号2021058050
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210408
出願番号2019181662
出願日20191001
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社デンソー
代理人個人,個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210312BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】制御回路の動作性能低下を抑制する電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置1は、第1基板8と、第2基板9と、複数の半導体モジュール4とを有する。第1基板及び第2基板は、第1基板の厚み方向に並んで配置されている。半導体モジュール4は、半導体素子5を有する。第1基板は、半導体素子の駆動電圧を作るトランス14を有し、第2基板は半導体素子の駆動状態を制御するマイコン17を有する。第1基板8と第2基板9との間には導電性の基板間ステー10が配置されており、トランス14及びマイコン17の少なくとも一方を、第1基板の厚み方向に投影した範囲内には、基板間ステー10の少なくとも一部が存在する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
第1基板(8)と、第2基板(9)と、複数の半導体モジュール(4)とを有する電力変換装置(1)であって、
前記第1基板及び前記第2基板は、前記第1基板の厚み方向(Z)に並んで配置されており、
前記半導体モジュールは、半導体素子(5)を有し、
前記第1基板は、前記半導体素子の駆動電圧を作る変圧器(14)を有し、
前記第2基板は前記半導体素子の駆動状態を制御する制御部(17)を有し、
前記第1基板と前記第2基板との間には導電性の基板間ステー(10)が配置されており、
前記変圧器及び前記制御部の少なくとも一方を、前記厚み方向に投影した範囲内には、前記基板間ステーの少なくとも一部が存在する、電力変換装置。
続きを表示(約 860 文字)【請求項2】
前記変圧器及び前記制御部を、前記厚み方向に投影した範囲内には、前記基板間ステーの少なくとも一部が存在する、請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記半導体モジュールは、前記第1基板と前記半導体素子とを接続する端子を有し、
前記変圧器を前記厚み方向に投影した範囲内には前記基板間ステーが存在し、
前記端子を前記厚み方向に投影した範囲内には、前記基板間ステーは存在しない、請求項1又は2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記第1基板と前記基板間ステーとを接続する複数の第1固定部(11、29、33)と、前記第2基板と前記基板間ステーとを接続する複数の第2固定部(12、30、33)と、を有し、
前記複数の第2固定部の数は、前記複数の第1固定部の数よりも多い、請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記第1基板及び前記第2基板は、前記基板間ステーに固定されており、
前記半導体モジュールを収容する熱伝導性のケース(2)を有し、
前記ケースは、前記電力変換装置外部の空気と接しており、
前記基板間ステーは、前記ケースに接続されている、請求項1〜4のいずれか1つに記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記基板間ステー及び前記変圧器は当接している、請求項1〜5のいずれか1つに記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記基板間ステーと前記変圧器とは、弾性体を介して当接している、請求項6に記載の電力変換装置。
【請求項8】
前記基板間ステーはくぼみ部(46)を有し、
前記変圧器を前記厚み方向に投影した範囲内には前記くぼみ部が存在し、
前記第1基板の厚み方向における前記くぼみ部と前記第1基板との間隔は、前記基板間ステーのうち、前記くぼみ部以外の部分と前記第1基板との間隔よりも大きい、請求項6又は7に記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
この明細書による開示は、電力変換装置に関する。
続きを表示(約 6,100 文字)【背景技術】
【0002】
直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、複数の電子回路基板と複数の半導体モジュールとを有するものが知られている。
【0003】
例えば特許文献1では、複数の電子回路基板は、互いの間に空間を設けながら厚み方向に積層配置されており、また、複数の電子回路基板の間には、電子回路基板における互いに対向する辺を構成する一対の端縁に沿って配された金属製の一対のステーが配置されている。複数の電子回路基板は、その端縁において、上記一対のステーに互いに固定されている。また、金属製の一対のステーは連結部を有している。
【0004】
複数の電子回路基板は、高圧系の電子回路基板と低圧系の電子回路基板とを有する。高圧系の電子回路基板は、複数の半導体モジュールをスイッチング駆動させるための駆動回路を有する。また、低圧系の電子回路基板は、半導体モジュールの駆動状態を制御するための制御回路を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2009−159767号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、複数の電子回路基板を積層配置すると、例えば一方の電子回路基板に変圧器が搭載された構成では、変圧器を流れる電流によって発生した磁束によって、他方の電子回路基板が備える制御回路でノイズが生じ、制御回路の動作性能が低下する虞がある。
【0007】
本実施形態はかかる問題点に鑑みてなされたもので、制御回路の動作性能低下を抑制する電力変換装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本実施形態の一態様は、第1基板(8)と、第2基板(9)と、複数の半導体モジュール(4)とを有する電力変換装置であって、
第1基板及び第2基板は、第1基板の厚み方向(Z)に並んで配置されており、
半導体モジュールは、半導体素子(5)を有し、
第1基板は、半導体素子の駆動電圧を作る変圧器(14)を有し、
第2基板は半導体素子の駆動状態を制御する制御部(17)を有し、
第1基板と第2基板との間には導電性の基板間ステー(10)が配置されており、
変圧器及び制御部の少なくとも一方を、第1基板の厚み方向に投影した範囲内には、基板間ステーの少なくとも一部が存在する、電力変換装置にある。
【0009】
上記態様によれば、変圧器及び制御部の少なくとも一方が、基板間ステーと厚み方向に並んでいる。そのため、基板間ステーによって、変圧器から制御部に向かって伝播する磁束を遮蔽できる。すなわち、基板間ステーを有さない場合と比べて、変圧器から発生する磁束によって制御部でノイズが生じることを抑制できる。したがって、制御部の動作性能が低下することを抑制できる。
【0010】
なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものにすぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0011】
第1実施形態における電力変換装置1の断面図。
第1実施形態における半導体モジュール4の平面図。
図1のIII−III断面図。
第1実施形態における第1基板8の平面図。
第1実施形態におけるトランス14の平面図。
第1実施形態における第2基板9の平面図。
第1実施形態における基板間ステー10の平面図。
第2実施形態における電力変換装置1の断面図。
図8のIX−IX断面図。
第2実施形態における基板間ステー10の平面図。
第3実施形態における電力変換装置1の断面図。
図11のXII−XII断面図。
他の実施形態における基板間ステー10の平面図。
他の実施形態における基板間ステー10の平面図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本開示の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせだけではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合わせることができる。そして、複数の実施形態及び変形例に記述された構成同士の明示されていない組み合わせも、以下の説明によって開示されているものとする。
【0013】
上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等に搭載するための、車載用電力変換装置とすることができる。
【0014】
(第1実施形態)
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。以下において、第1基板8の厚み方向をZ方向、複数の冷却器3と複数の半導体モジュール4とが積層し、かつZ方向と直行する方向をX方向、X方向及びZ方向の両方向に直行する方向をY方向と定義する。
【0015】
上記電力変換装置にかかる実施形態について、図1〜図7を用いて説明する。本例において、変圧器はトランス14、制御部はマイコン(マイクロコンピュータ、Micro computer)17である。よって以下では、変圧器のことをトランス14、制御部のことをマイコン17、と記載する。また、本例において、第1固定部は、基板側第1締結孔11、ステー側第1締結孔29、及びねじ33である。第2固定部は、基板側第2締結孔12、ステー側第2締結孔30、及びねじ33である。よって以下では、第1固定部のことを基板側第1締結孔11、ステー側第1締結孔29、及びねじ33と記載し、第2固定部のことを基板側第2締結孔12、ステー側第2締結孔30、及びねじ33と記載する。本例の電力変換装置1は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載する車載用電力変換装置である。
【0016】
図1は、電力変換装置1における各部品の配置を説明するための模式的な図である。図1に示すごとく、電力変換装置1は、構造体20と、第1基板8と、第2基板9と、基板間ステー10と、を有する。また、電力変換装置1は構造体20と、第1基板8と、第2基板9と、基板間ステー10とを収容するケース2を有する。ケース2は、熱伝導性を有する材料によって形成される。具体的には、アルミニウム等の金属によって形成される。ケース2は電力変換装置1の最外部に配置されており、電力変換装置1の外部空気と接している。
【0017】
構造体20は、複数の冷却器3と複数の半導体モジュール4とを有する。冷却器3は、熱伝導性の高い材料によって形成される。具体的にはアルミニウム等の金属によって形成される。冷却器3は扁平形状の管状体になっており、管内部には冷媒が流れる。
【0018】
図2は、半導体モジュール4の平面図である。半導体モジュール4は、1つの半導体素子5に1つの還流ダイオード39を逆並列に接続した素子カップル40を2つ有する。素子カップル40をY方向に2組並べて1つの半導体モジュール4とすることで、素子カップル40を1組で1つの半導体モジュール4とする場合と比べて、電力変換装置1の省スペース化を図ることができる。本例の電力変換装置1においては、半導体素子5はIGBTを用いているが、MOSFETといった他の半導体素子を用いても良い。また、電力変換装置1は図示しない直流電源21と接続されており、半導体素子5がスイッチング駆動することで、直流電源21の直流電圧は交流電圧に変換される。
【0019】
図1に示すごとく、複数の冷却器3と複数の半導体モジュール4とは積層されている。そのため、冷却器3はX方向の両面から半導体モジュール4に接している。よって、1つの半導体モジュール4で発生した熱は、2つの冷却器3の内部を流れる冷媒へと放熱され、その結果半導体モジュール4は冷却される。
【0020】
また、図3は電力変換装置1の断面図であり、図1のIII−III断面図である。電力変換装置1は、半導体モジュール4と第1基板8とを接続する端子7を有する。端子7は金属製の直線棒状体である。1つの半導体モジュール4は、2つの素子カップル40を有する。そのため、端子7は、2つの素子カップル40にそれぞれ接続される第1端子7aと、第2端子7bと、を有する。第1端子7aおよび第2端子7bは、絶縁距離を設けるため、Y方向に一定間隔をあけて配置される。
【0021】
図4は、第1基板8の平面図である。第1基板8は、半導体モジュール4をスイッチング駆動させるための駆動回路を有する高圧系の電子回路基板である。第1基板8は、トランス14と、コンデンサ15と、基板側第1締結孔11と、端子接続部22と、コネクタ16と、を有する。端子接続部22は、第1端子接続部22aと第2端子接続部22bと含む。また、第1基板8は、基板の周縁部である第1基板端部8aと、基板の中心部である第1基板中心部8bとを有する。
【0022】
図5は、トランス14の平面図である。トランス14は、コア25と、コア25を中心に巻かれた一次コイル23と二次コイル24と、によって形成されており、上記車両のECU(Engine Control Unit)の電圧を、半導体素子5を駆動する、より高い電圧へと変換するために用いられる。本実施形態における電力変換装置1は、一次コイル23及び二次コイル24の磁気飽和を防ぐため、一次コイル23及び二次コイル24内部のコア25にそれぞれ隙間26を設けている。ここで、一次コイル23及び二次コイル24で発生した磁束が、隙間26を飛び越えようとする際に、もれ磁束28が生じる。
【0023】
また、コンデンサ15は、電子回路を流れる伝導ノイズを除去する。コネクタ16は、第1基板8と第2基板9とを電気的に接続する。
【0024】
半導体モジュール4及び冷却器3は、X方向に積層して配置される。そのため、複数の第1端子7a及び複数の第2端子7bもX方向に並んで配置される。第1端子7a及び第2端子7bがX方向に並んで配置されると、それぞれの端子7a、7bに接続される第1端子接続部22a及び第2端子接続部22bも、第1基板8上で、X方向に並んで配置される。また、第1端子7a及び第2端子7bはY方向に一定距離を設けて配置されるため、第1端子接続部22a及び第2端子接続部22bも、Y方向に一定距離を設けて第1基板8上に配置される。トランス14は、第1端子接続部22a及び第2端子接続部22bがY方向に設けた一定距離の間に配置される。すなわち、第1基板8は、Y方向の各両端に第1端子7aもしくは第2端子7bを有し、Y方向の中心部にトランス14を有する。
【0025】
第1基板8は、第1端子接続部22a及び第2端子接続部22bを有することから、半導体モジュール4と近接する必要がある。そのため、図1に示すごとく、第1基板8は第2基板9と比べ、半導体モジュール4に近い位置に配置される。
【0026】
図6は、第2基板9の平面図である。第2基板9は、半導体素子5の駆動状態を制御するための制御回路を有する低圧系の電子回路基板である。本例の電力変換装置1は、高圧系の第1基板8及び低圧系の第2基板9を有する。そのため、1枚の電子回路基板が高圧系の電子回路と低圧系の電子回路との両方を備える場合と比べ、1枚当たりの電子回路基板の面積を小さくすることができる。よって、電力変換装置1のX方向及びY方向の長さを小さくすることができる。また、高圧系の電子回路と低圧系の電子回路とをそれぞれ別の基板に配置することで、高圧系の電子回路と低圧系の電子回路とが離間して配置されるため、第1基板8及び第2基板9の絶縁性を向上させることができる。第2基板9は、マイコン17と、コンデンサ15と、基板側第2締結孔12と、を有する。
【0027】
マイコン17は、ECUの指示を基に半導体素子5のスイッチング制御を行う。また、第2基板9は、基板の周縁部である第2基板端部9aと、基板の中心部である第2基板中心部9bとを有する。基板側第2締結孔12は、基板側端部第2締結孔12aと、基板側中心第2締結孔12bと、を有する。基板側端部第2締結孔12aは、第2基板端部9aに配置され、基板側中心第2締結孔12bは、第2基板中心部9bに配置される。基板側端部第2締結孔12aは、第2基板端部9aの外周縁に沿って並んでいる。基板側端部第2締結孔12aは、基板側中心第2締結孔12bよりも、第2基板9の外周縁に近い位置にある。
【0028】
第2基板9は、電力変換装置1の外部のECUと電気的に接続される。そのため、図1に示すごとく、第1基板8よりも、半導体モジュール4から遠い位置に配置される。
【0029】
図7は、基板間ステー10の平面図である。基板間ステー10は、導電性を有する材料によって構成される。具体的には、アルミニウム等の金属が用いられる。また、基板間ステー10はダイカストによって形成される。基板間ステー10は枠部18と、橋部19と、穴部45と、ステー側第2締結孔30と、を有する。
【0030】
ステー側第2締結孔30は、ステー側端部第2締結孔30aと、ステー側中心第2締結孔30bと、を有する。枠部18は、基板接触部42と、ケース接触部43と、脚部44と、を有する。基板接触部42は、ステー側第1締結孔29と、ステー側端部第2締結孔30aと、を有する。ケース接触部43は、ステー側第3締結孔31を有する。基板接触部42とケース接触部43とは、脚部44を介して接続されている。橋部19は、ステー側中心第2締結孔30bを有する。また、穴部45は、基板間ステー10のうち、金属が存在しない部分である。
(【0031】以降は省略されています)

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