CN103907278A - Dc-dc转换器装置和电力转换装置 - Google Patents

Dc-dc转换器装置和电力转换装置 Download PDF

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Abstract

在DC-DC转换装置中，开关元件的冷却仅利用向散热板进行散热的散热方式时，在将发热量大的功率MOSFET等排列配置的情况下，存在为了高效地进行散热而导致热阻降低和水冷装置的冷却路径复杂化等问题。将多个开关元件隔着绝缘件固定在金属制的箱体，该多个开关元件控制在用于进行DC-DC转换装置的电压转换的电感元件中流动的电流，该绝缘材料对传热特性比金属制的箱体优异的金属制的散热体具有传热性。与相邻的开关元件之间热量的流动交错的情况变少、热干扰变少，由此，热扩散变好，能够更加提高开关元件冷却效率。

Description

DC-DC转换器装置和电力转换装置
技术领域
本发明涉及用于驱动电动机等负载的电力转换装置，特别涉及提高了构成电力转换装置的电路系统的电力转换元件等发热构成部件的冷却性能的电力转换装置。
背景技术
电动汽车和插电式混合动力车装载有用于利用高电压蓄电池驱动与车轮连接的电动机的逆变装置，和用于使车辆的车灯和收音机等辅助设备动作的低电压蓄电池。
在这样的车辆中装载有从高电压蓄电池向低电压蓄电池进行电力转换或从低电压蓄电池向高电压蓄电池进行电力转换的DC-DC转换装置。
对于这样的车辆，期待室内的比例相对于整个车辆的容积尽量大，以改善车内空间舒适性。逆变装置和DC-DC转换装置被要求能够装载在车室外的发动机室等狭小的空间。
由于发动机室内的温度环境比现有的使用环境高，逆变装置和DC-DC转换装置需要通过利用由水和化合物构成的致冷剂的冷却装置被冷却，冷却效率高、节省空间的好的冷却方法和冷却机构成为重要的技术要素。作为该方法，已知有利用固体传导将DC-DC转换器的开关元件、变压器、扼流圈、汇流条等发出的热散热至散热板的方式。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4300717号公报
发明内容
发明所要解决的问题
在上述专利文献1中，使包括树脂形成品的树脂板的表面与发热部件紧贴，散热至被水冷装置冷却的散热板，由此能够高效地将箱体内的发热部件冷却。
但是，在该现有技术中，开关元件的冷却仅利用散热至散热板的散热方法，在将发热量大的功率MOSFET等排列配置的情况下，存在为了有效率地进行散热而热阻降低或水冷装置的冷却路径复杂化等问题。
本发明的目的在于，提供一种电力转换装置，该电力转换装置在DC-DC转换装置中具有能够高效地进行作为发热部件的开关元件的散热的散热结构。
用于解决问题的技术方案
本发明的特征在于，其是一种电力转换装置，具有金属制的箱体，该箱体至少搭载有用于电压转换的电感元件和控制在电感元件中流动的电流的多个开关元件，开关元件隔着绝缘件被固定在金属制的箱体，该绝缘件对传热特性比金属制的箱体优良的金属制的散热体具有传热性。
发明的效果
根据本发明，散热体的散热性能好，因此与相邻的开关元件之间热量的流动产生交错的情况变少，热干扰变少，因此热扩散变好，由此能够将配置在冷却流路的冷却范围外的开关元件的冷却效率进一步提高。
附图说明
图1是应用本发明的电力转换装置的外观立体图。
图2是应用本发明的电力转换装置的从与图1相反的一侧看时的外观立体图。
图3是说明逆变装置的电路结构的电路图。
图4是逆变装置的分解立体图。
图5是功率半导体模块的外观立体图。
图6是功率半导体模块的截面图。
图7是从底面侧看逆变装置时的分解立体图。
图8是表示DC-DC转换装置的电路结构的电路图。
图9是表示DC-DC转换装置的部件配置的分解立体图。
图10是组装有逆变装置和DC-DC转换装置的电力转换装置的截面图。
图11是表示DC-DC转换装置的箱体内的部件配置的结构图。
图12是表示现有的降压电路和功率半导体模块结构的侧截面图。
图13是用于说明本发明的降压电路和功率半导体模块的侧截面图。
图14是组装有应用本发明的DC-DC转换装置的电容器模块、开关元件和控制基板的组装体的立体图。
图15是图14所示的组装体的分解立体图。
具体实施方式
参照附图对用于实施本发明的方式进行说明，在以下的说明中，分为作为应用本发明的一个例子的电力转换装置的结构的部分和本发明的实施例的部分来进行说明。
首先对应用本发明的电力转换装置的机械结构和电力转换装置的电路结构进行说明。
《电力转换装置的机械和电路结构的说明》
图1、2是表示电力转换装置1的外观的立体图，电力转换装置1是将DC-DC转换装置100和逆变装置200一体化而形成的装置。在图1、2，将DC-DC转换装置100和逆变装置200以分离的状态进行表示。DC-DC转换装置100通过多个保持部件113被固定在逆变装置200的箱体底面侧。
该电力转换装置1应用于电动汽车等，逆变装置200通过来自车载的高电压蓄电池的电力驱动行驶用电动机。在车辆装载有用于使车灯和收音机等辅助设备工作的低电压蓄电池，DC-DC转换装置100从高电压蓄电池向低电压蓄电池进行电力转换或从低电压蓄电池向高电压蓄电池进行电力转换。
如后所述，在逆变装置200的箱体10的侧壁内形成有流动致冷剂的致冷剂流路。致冷剂从入口配管13流入流路内，从出口配管14流出。在形成有流路的侧壁的下端固定有用于堵塞流路的开口的下盖420。即，在图2的下盖420的下方形成有致冷剂流路。因此，箱体10的底面侧的下盖420的部分呈コ字形突出，底面部中央成为凹部10e。
另一方面，DC-DC转换装置100的箱体111在与逆变装置200相对的面形成有凹部111d和凸部111c。逆变装置200以箱体10的底面部分嵌入该凹部111d的方式固定在DC-DC转换装置100。
图3是说明逆变装置200的结构的电路图，在图3中，作为半导体元件使用绝缘栅型双极晶体管，以下略写为IGBT。由作为上臂动作的IGBT328和二极管156与作为下臂动作的IGBT330和二极管166构成上下臂的串联电路150。逆变电路140与要输出的交流电力的U相、V相、W相这3相对应地具有该串联电路150。
这3相在本实施方式中与对应于行驶用电动机的电动发电机MG1的电枢绕组的3相的各相绕组对应。3相各自的上下臂的串联电路150从作为串联电路的中点部分的中间电极169输出交流电流。该中间电极169通过交流端子159和交流端子188，与作为连接至电动发电机MG1的交流电力线的电流汇流条802连接。
上臂的IGBT328的集电极153经正极端子157与电容器模块500的正极侧的电容器端子506电连接。此外，下臂的IGBT330的发射极经负极端子158与电容器模块500的负极侧的电容器端子504电连接。
如上所述，控制电路172通过连接器21从上级控制装置接受控制指令，基于此产生控制脉冲，供给至驱动电路174，该控制脉冲是用于对构成各相串联电路150的上臂或下臂的IGBT328、IGBT330进行控制的控制信号，该各相的串联电路150构成逆变电路140。
驱动电路174基于上述控制脉冲将对构成各相的串联电路150的上臂或下臂的IGBT328、IGBT330进行控制的控制信号供给至各相的IGBT328和IGBT330。IGBT328和IGBT330基于来自驱动电路174的驱动脉冲，进行导通或断开动作，将从电池组136供给的直流电力转换为三相交流电力，该被转换后的电力被供给至电动发电机MG1。
IGBT328包括集电极153、信号用发射极155和栅极154。此外，IGBT330包括集电极163、信号用发射极165和栅极164。二极管156电连接于集电极153与发射极155之间。此外，二极管166电连接于集电极163与发射极165之间。
作为开关用功率半导体元件，也可以使用金属氧化物半导体型场效应晶体管(以下简称为MOSFET)，在这种情况下不需要二极管156和二极管166。作为开关用功率半导体元件，IGBT适合于直流电压比较高的情况，MOSFET适合于直流电压比较低的情况。
电容器模块500具有正极侧电容器端子506、负极侧电容器端子504、正极侧电源端子509和负极侧电源端子508。来自电池组136的高电压的直流电力通过直流连接器138，被供给至正极侧电源端子509和负极侧电源端子508，被从电容器模块500的正极侧电容器端子506和负极侧电容器端子504供给至逆变电路140。
另一方面，由逆变电路140从交流电力转换得到的直流电力从正极侧电容器端子506和负极侧电容器端子504被供给至电容器模块500，从正极侧电源端子509和负极侧电源端子508经直流连接器138被供给至电池组136，蓄积在电池组136。
控制电路172具有用于对IGBT328和IGBT330的开关定时进行运算处理的微型计算机(以下，写作“微机”)。作为输向微机的输入信息，具有对电动发电机MG1要求的目标扭矩值、从串联电路150向电动发电机MG1供给的电流值和电动发电机MG1转子的磁极位置。
目标扭矩值是基于从未图示的上级控制装置输出的指令信号的值。电流值是基于电流传感器180的检测信号检测出的值。磁极位置是基于从设置在电动发电机MG1的解析器等旋转磁极传感器(未图示)输出的检测信号检测出的值。在本实施方式中，列举电流传感器180检测3相电流值的情况，但是也可以检测2相的电流值，通过运算求取3相的电流。
控制电路172内的微机基于目标扭矩值对电动发电机MG1的d轴、q轴的电流指令值进行运算，基于该被运算得到的d轴、q轴的电流指令值与检测出的d轴、q轴的电流值的差，对d轴、q轴的电压指令值进行运算，将该运算得到的d轴、q轴的电压指令值基于检测出的磁极位置转换为U相、V相、W相的电压指令值。
而且，微机根据基于U相、V相、W相的电压指令值的基波(正弦波)与载波(三角波)的比较，生成脉冲状的调制波，将该生成的调制波作为PWM(脉冲宽度调制)信号输出至驱动电路174。
驱动电路174在驱动下臂时将使PWM信号放大而得到的驱动信号输出至对应的下臂的IGBT330的栅极。此外，驱动电路174在驱动上臂时将PWM信号的基准电位的电平移位至上臂的基准电位的电平，之后将PWM信号放大，将得到的信号作为驱动信号分别输出至对应的上臂的IGBT328的栅极。
此外，控制电路172内的微机进行异常检测(过电流、过电压、过温度等)，保护串联电路150。因此，对控制电路172输入传感信息。
例如，从各臂的信号用发射极155和信号用发射极165流至各IGBT328和IGBT330的发射极的电流的信息被输入对应的驱动部(IC)。由此，各驱动部(IC)进行过电流检测，在检测到过电流的情况下使对应的IGBT328、IGBT330的开关动作停止，保护对应的IGBT328、IGBT330免受过电流的影响。
从设置在串联电路150的温度传感器(未图示)向微机输入串联电路150的温度的信息。此外，向微机输入串联电路150的直流正极侧的电压的信息。微机基于这些信息进行过温度检测和过电压检测，在检测到过温度或过电压的情况下，使所有IGBT328、IGBT330的开关动作停止。
图4是逆变装置200的分解立体图。用于使致冷剂流入的入口配管13和用于使致冷剂流出的出口配管14配置在箱体10的同一侧壁。在箱体10内的底部侧呈？字形设置有流路形成部12a、12b、12c。其中，流路形成部12c与流路形成部12a平行地相对配置，在图4中看不见。
在流路形成部12a、12b、12c，形成有后述的致冷剂流路19(参照图7)。从入口配管13流入的致冷剂在流路形成部12a～12c内的致冷剂流路19流动，从出口配管14流出。
在相互平行的流路形成部12a、12c，形成有用于将功率半导体模块300a～300c安装在致冷剂流路内的多个开口部400。在图4所示的例子中，在设置于图示左侧的流路形成部12a，形成有安装功率半导体模块300a、300b的两个开口部400。
另一方面，虽然在图中看不见，但是在平行地设置于相反侧的流路形成部12c形成有安装功率半导体模块300c的一个开口部400。这些开口400通过将功率半导体模块300a～300c固定在流路形成部12a、12c而被堵塞。
图5、6是说明功率半导体模块300a的图，因为功率半导体模块300a～300c均为相同的结构，所以作为代表对功率半导体模块300a的结构进行说明。图5是表示功率半导体模块300a的外观的立体图，图6是将功率半导体模块300a在截面D截断且从方向E进行观察时的截面图。
另外，在图5、6，信号端子325U对应于在图3中图示的栅极154和信号用发射极155，信号端子325L对应于在图3中图示的栅极164和发射极165。此外，直流正极端子315B与在图3中图示的正极端子157相同，直流负极端子319B与在图3中图示的负极端子158相同。此外，交流端子320B与在图3中图示的交流端子159相同。
图6的截面图表示配置上下臂的串联电路150的IGBT328和二极管156的部分。IGBT330和二极管166相对于IGBT328和二极管156在与图面垂直的方向上排列配置。IGBT328和二极管156以被夹在导体板315与导体板318之间的方式被固定。
同样，IGBT330和二极管166以被夹在导体板319与导体板320之间的方式被固定。导体板315等以其散热面露出的状态被第一密封树脂348密封，在该散热面热压接绝缘片333。
由第一密封树脂348密封的模块一次密封体被插入模块盒304中，夹着绝缘片333被热压接在作为CAN型冷却器的模块盒304的内表面。此处，所谓的CAN型冷却器是形成为在一个面具有插入口306、在另一个面具有底的筒形的冷却器。在模块盒304的内部剩余的空隙中填充有第二密封树脂351。
模块盒304由具有电传导性的部件、例如铝合金材料(Al、AlSi、AlSiC、Al-C等)构成，且以没有接缝的状态一体地形成。模块盒304为在插入口306以外不设置开口的结构，插入口306被凸缘304B包围其外周。
此外，与其它面相比具有更宽的面的第一散热面307A和第二散热面307B分别以相对的状态配置，以与这些散热面相对的方式，配置各功率半导体元件(IGBT328、IGBT330、二极管156、二极管166)。
与该相对的第一散热面307A和第二散热面307B相连的三个面，以比该第一散热面307A和第二散热面307B窄的宽度构成密闭的面，在剩下的一边的面形成插入口306。模块盒304的形状不需要为标准的长方体，角部也可以形成为如图6所示那样的曲面。
通过使用这样的形状的金属制的箱体，即使将模块盒304插入流动水和油等致冷剂的致冷剂流路19内，也能够利用凸缘304B确保对致冷剂的密封，因此能够以简易的结构防止冷却介质侵入模块盒304的内部。
此外，在相对的第一散热面307A和第二散热面307B，分别均匀地形成有翅片305。进一步，在第一散热面307A和第二散热面307B的外周形成有厚度极薄的弯曲部304A。弯曲部304A使厚度极薄，薄至通过对翅片305加压能够简单地变形的程度，因此插入模块一次密封体后的生产性得到提高。
在模块盒304的外部，设置有用于与电容器模块500电连接的金属制的直流正极配线315A和直流负极配线319A，在其前端部分别形成有直流正极端子315B(157)和直流负极端子319B(158)。
此外，设置有用于向电动发电机MG1供给交流电力的金属制的交流配线320A，在其前端形成有交流端子320B(159)。在本实施方式中，直流正极端子315A与导体板315连接，直流负极配线319A与导体板319连接，交流配线320A与导体板320连接。
在模块盒304的外部进一步设置有用于与驱动电路174电连接的金属制的信号配线324U和324L，在其前端部分别形成有信号端子325U(154、155)和信号端子325L(164、165)。在本实施方式中，信号配线324U与IGBT328连接，信号配线324L与IGBT328连接。
直流正极配线315A、直流负极配线319A、交流配线320A、信号配线324U和信号配线324L以通过配线绝缘部608相互绝缘的状态作为辅助模制体600一体成形，该配线绝缘部608由树脂材料成形。配线绝缘部608还作为用于支承各配线的支承部件发挥作用，其中使用的树脂材料适用具有绝缘性的热固化性树脂或者热可塑性树脂。由此，能够确保直流正极配线315A、直流负极配线319A、交流配线320A、信号配线324U和信号配线324L之间的绝缘性，能够得到高密度配线。
辅助模制体600在与模块一次密封体金属接合之后、通过贯通在配线绝缘部608设置的螺纹孔的螺纹件309被固定在模块盒304。在连接部370的模块一次密封体与辅助模制体600的金属接合中，例如能够使用TIG熔接等。
直流正极配线315A与直流负极配线319A以将配线绝缘部608夹在其间相对的状态相互叠层，形成大致平行地延伸的形状。通过采用这样的配置和形状，在功率半导体元件的开关动作时瞬间流动的电流相对且在相反方向流动。由此，形成使电流造成的磁场相互抵消的作用，通过该作用能够实现低电感化。另外，交流配线320A和信号端子325U、325L也向与直流正极配线315A和直流负极配线319A相同的方向延伸。
通过金属接合连接模块一次密封体与辅助模制体600的连接部370被利用第二密封树脂351密封在模块盒304内。由此，连接部370与模块盒304之间能够稳定地确保必要的绝缘距离，因此与未密封的情况相比较能够实现功率半导体模块300a的小型化。
返回图4，由呈コ字形设置的流路形成部12a～12c包围的区域形成有用于收纳电容器模块500的收纳空间405。被收纳在收纳空间405的电容器模块500通过在流路形成部12a～12c内的致冷剂流路流动的致冷剂被冷却。这样，电容器模块500以被设置有致冷剂流路的流路形成部12a～12c包围的方式配置，因此被高效地冷却。
此外，沿电容器模块500的外侧面形成有流路，因此流路、电容器模块500和功率半导体模块300a～300c的配置整齐有序，整体而言更加小型化。此外，致冷剂流路沿电容器模块500的长边配置，与被插入固定在致冷剂流路的功率半导体模块300a～300c的距离大致一定，因此平滑电容器与功率半导体模块电路的电路常数在3相的各相容易平衡，成为容易降低尖峰电压的电路结构。在本实施方式中，作为致冷剂，水最合适。但是，在水以外也能够进行利用其它致冷剂。
在电容器模块500的上方配置有汇流条组件800。汇流条组件800具有交流汇流条和保持该交流汇流条的保持部件，而且保持有电流传感器180。通过利用铝材料的铸造将流路形成部12a～12c与箱体10制作为一体，不仅具有冷却效果，而且具有增强箱体10的机械强度的效果。此外，整个逆变装置200的热传导变好，冷却效率得到提高。当然也可以将流路形成部12a～12c与箱体10分开地形成。
驱动电路基板22配置在汇流条组件800的上方。此外，在驱动电路基板22与控制电路基板20之间配置有金属基底板11。金属基底板11被固定在箱体10。该金属基底板11发挥装载在驱动电路基板22和控制电路基板20的电路组的电磁屏蔽的功能，并且对驱动电路基板22和控制电路基板20产生的热进行散热，具有冷却的作用。
进一步，金属基底板11发挥提高控制电路基板20的机械共振频率的作用。即，能够以短的间隔配置用于将控制电路基板20固定在金属基底板11的螺纹固定部，能够缩短产生机械振动的情况下的支承点间的距离，能够提高共振频率。相对于从发动机等传递来的振动频率能够提高控制电路基板20的共振频率，因此不易受到振动的影响，可靠性得到提高。盖8被固定在金属基底板11，保护控制电路基板20免受来自外部的电磁噪声的影响。
本实施方式的箱体10的收纳流路形成部12的部分形成为大致长方体的形状，从箱体10的一个侧面侧形成有突出收纳部10g。在该突出收纳部10d，收纳从DC-DC转换装置100延伸的端子102、直流侧的汇流条组件900和电阻器450。此处，电阻器450是用于使蓄积在电容器模块500的电容器元件的电荷放电的电阻元件。由于这样将电池组136与电容器模块500之间的电路部件集成在突出收纳部10d，能够抑制配线的复杂化，能够有助于整个装置的小型化。
另外，盖18是用于堵塞窗17的部件，该窗17是用于连接从DC-DC转换装置100延伸的端子102的操作用的窗。另外，DC-DC转换装置100在与箱体10的底面相对的面形成有端子102所贯通的开口部101。
这样，在逆变装置200的底部侧配置流路形成部12，接着从上方起依次进行固定电容器模块500、汇流条组件800、基板等必需的部件的操作，以这样的方式构成，生产性和可靠性得到提高。
图7是从设置有下臂420的底面侧看箱体10时的图。箱体10具有包括四个侧壁10a、10b、10c、10d的长方体形状。
在箱体10的底面侧形成有致冷剂流路19的开口部404。コ字形的致冷剂流路19由直线状的三个流路部(第一流路部19a、第二流路部19b、第三流路部19c)构成。开口部404也为コ字形，该开口部404被下盖420堵塞。在下盖420与箱体10之间设置有密封部件409，保持气密性。
在下盖420，在与第一流路部19a和第二流路部19b相对的位置，形成有向与致冷剂流路19相反的方向突出的三个凸部406和一个凸部407。三个凸部406与功率半导体模块300a～300c对应地设置。
另外，在与第三流路部19c对应的位置形成的凸部407是为了调整致冷剂流路19的截面积而设置的，在该部分不配置功率半导体模块。凸部407与凸部406形状相同。以附图标记10e表示的部分是收纳电容器模块500的收纳空间405(参照图4)的底部。
致冷剂如箭头417所示那样流入入口配管13，在沿箱体10的长边方向的边形成的第一流路部19a内沿箭头418的方向流动。进一步，在沿箱体10的短边方向的边形成的第二流路部19b内沿箭头421的方向流动。该第二流路部19b形成折返流路。
进一步，致冷剂在沿箱体10的长边方向的边形成的流路形成部12的第三流路部19c流动。第三流路部19c夹着电容器模块500与第一流路部19a平行地设置。致冷剂如箭头423所示那样从出口配管14流出。
第一流路部19a、第二流路部19b、第三流路部19c均为深度方向比宽度方向形成得更大。此外，在流路形成部12，在箱体10背面形成的开口部404与多个开口部400以相对的方式形成，因此成为容易利用铝铸造进行制造的结构。
接着，对DC-DC转换装置100进行说明。图8是表示DC-DC转换装置100的电路结构的图。如图8所示，在本实施方式的DC-DC转换装置100中，为双方向DC-DC对应的结构。
因此，降压电路(HV电路)、升压电路(LV电路)不是二极管整流而是同步整流结构。此外，因为是利用HV/LV转换进行高输出，所以能够实现对开关元件采用大电流部件、平滑线圈的大型化。
具体而言，在HV/LV侧均为利用具有恢复二极管的MOSFET的H桥式·同步整流开关电路结构(H1～H4)。在开关控制中，使用LC串联共振电路(Cr、Lr)，以高开关频率(100kHz)进行过零开关，提高转换效率，降低热损失。此处，开关元件IGBT具有用于在双方向上对DC-DC转换装置100进行切换的切换功能。
而且，设置有源箝位电路，减少降压动作时的循环电流导致的损失，并且抑制开关时的电涌电压的产生，降低开关元件的耐压，由此实现电路部件的低耐压化，由此实现装置的小型化。
进一步，为了确保LV侧的高输出，采用全波整流型的倍电流(current doubler，倍流)方式。另外，在高输出化时，通过使多个开关元件并联同时动作，确保高输出。在图8的例子中，如SWA1～SWA4、SWB1～SWB4那样关联4个元件。
此外，通过将开关电路和平滑电抗器的小型电抗器(L1、L2)以使它们具有对称性的方式并联配置2个电路来实现高输出化。这样，通过将小型电抗器配置2个电路，与配置一台大型电抗器的情况相比，能够实现整个DC-DC转换装置的小型化。
图9、图10和图11是说明DC-DC转换装置100的部件配置的图。图9是DC-DC转换装置100的分解立体图。图10是将DC-DC转换装置100与逆变装置200一体化后的电力转换装置1的截面图。图11是示意性地表示DC-DC转换装置100的箱体内的部件配置的图。
如图9所示，DC-DC转换装置100的电路部件被收纳在金属制(例如，铸铝制)的箱体111内。在箱体111的开口部螺栓固定有箱体盖112。如上所述，在箱体111的底面侧固定有逆变装置200的箱体10。
在箱体111内的底面部分，装载有主变压器33、电感元件34、装载有开关元件H1～H4的功率半导体模块35、装载有开关元件36的升压电路基板32、电容器38等。主要的发热部件为主变压器33、电感元件34、功率半导体模块35和开关元件36。
另外，如果对应图8的电路图，则主变压器33对应于变压器Tr，电感元件34对应于倍流的电抗器L1、L2，开关元件36对应于开关元件SWA1～SWA4、SAWB1～SWB4。在升压电路基板32，还装载有图8的开关元件S1、S2等。
如图11所示，开关元件H1～H4的端子向箱体上方延伸，与配置在功率半导体模块35的上方的降压电路基板31连接。降压电路基板31被固定在从箱体底面向上方突出的多个支承部件上。在功率半导体模块35，开关元件H1～H4安装在形成有图案的金属基板上，金属基板的背面侧以与箱体底面紧贴的方式被固定。用于安装开关元件36的升压电路基板32也由相同的金属基板构成。
在控制电路基板30，安装有对设置在升压电路和降压电路的开关元件进行控制的控制电路的控制电路基板30，被固定在金属制的基底板37上。基底板37被固定在从箱体111的底面部向上方突出的多个支承部111a。由此，控制电路基板30隔着基底板37配置于在箱体底面部配置的发热部件(主变压器33、电感元件34和功率半导体模块35等)的上方。
参照图10和11，对设置在DC-DC转换装置100的部件的配置进行说明。其中，在图10的截面图中，作为被收纳在逆变装置200内的部件，仅表示安装在流路形成部12的功率半导体模块300a～300c。如上所述在逆变装置200的箱体10内，沿各侧壁10a、10b、10c设置有流路形成部12a～12c。
在沿侧壁10a设置的流路形成部12a形成有第一流路部19a，在沿侧壁10b设置的流路形成部12b形成有第二流路部19b，在沿侧壁10c设置的流路形成部12c形成有第三流路部19c。在第一流路部19a插入功率半导体模块300a，在第三流路部19c插入功率半导体模块300c。另外，虽然未图示，但是功率半导体模块300b被插入第一流路部19a。
DC-DC转换装置100的箱体111在箱体底部111b的外周面形成有凹部111d和凸部111c。如图10所示，箱体111的凹部111d至少在与设置在箱体10的底部外周面的凸部406相对的区域形成。即，凹部111d隔着凸部406与流路部19a、19b、19c相对。此外，凸部111c以与被箱体10的底部外周面的凸部406包围的区域相对的方式形成。
虽然在图10中省略图示，但是在箱体111与箱体10的间隙，设置有热传导性能优异的密封材料(散热片材、热传导性润滑脂)。主变压器33被固定在与第一流路部19a相对的箱体内周面。另一方面，装载有开关元件36的升压电路基板32、电容器38被固定在与第三流路部19c相对的箱体内周面。主变压器33、升压电路基板32、电容器38等在箱体111的底面部通过螺栓41等被螺纹固定，在箱体底部的壁厚较厚的区域，例如在凸部111c形成有螺纹孔。此外，在不与流路部19a、19b、19c相对的箱体底面部也配置部件的情况下，通过将其部分的壁厚加厚而与箱体10接触，实现其部件的冷却效率的提高。
基底板37被螺栓固定在形成于箱体111的支承部111a上，控制电路基板30通过螺栓等被固定在形成于基底板37的上表面的凸部37a上。在箱体111的开口部安装有箱体盖112，箱体内部被密闭。
箱体111的底面部(凹部111d和凸部111c等)与逆变装置200的箱体10热接触，因此通过在箱体10的流路部19a～19c中流动的致冷剂被间接冷却。通过将部件固定在箱体底面部能够有效地进行冷却。特别是对于发热量大的部件，通过配置在致冷剂直接接触的下盖402的凸部406所接触的区域，能够实现冷却效果的提高。
此外，因为基底板37由金属形成，所以在控制电路基板30产生的热通过支承部111a和箱体111传达至箱体10。此外，基底板37作为来自设置在箱体底面部的发热部件的辐射热的遮蔽部件发挥作用，并且还通过使用铜材等作为遮蔽来自开关元件的开关辐射噪声的屏蔽部件发挥作用。
图11的平面图是表示设置在箱体111的底面部的发热部件的配置的图，表示将箱体盖112卸下后的状态。虚线表示设置在逆变装置200的箱体10的流路部19a～19c的配置。流路部19a～19c相对于箱体111的底面部呈コ字形设置，第一流路部19a与第三流路部19c平行地设置。从入口配管13流入第一流路部19a的致冷剂，按第二流路部19b、第三流路部19c的顺序流动，从出口配管14流出。
主变压器33和两个电感元件34配置在与第一流路部19a相对的箱体底面部。此外，构成降压电路的功率半导体模块35和降压电路基板31主要配置在与第一流路部19a相对的箱体底面部。构成升压电路的开关元件36和升压电路基板32配置在与第三流路部19c相对的箱体底面部。这样，将发热量比较大的部件配置在与流路部19a～19c相对的位置，提高冷却效率。
《本发明的背景和本发明的实施例的说明》
本发明以作为这样的一个例子进行说明的电力转换装置作为发明的对象，以下对本发明的一个实施例与需要本发明的背景一起详细地进行说明，为了使发明更容易理解，图11至图13表示简化后的结构。
如图11所示，作为在逆变装置200形成的冷却通路的流路19a、19b和19c以包围电容器模块500的方式形成，因此自然在其流路形状和流路尺寸存在极限。具体而言，流路形状形成为コ字形，且其流路尺寸的宽度方向的长度不太能够确保，而是确保该流路尺寸的高度方向的长度以获得致冷剂的需要流量。
由此，如从图11能够明白的那样，传热性绝缘片42位于与逆变装置200重叠固定的DC-DC转换装置100的箱体111内，设置在该传热性绝缘片42的开关元件H1至开关元件H4相对于冷却通路19a的流路方向大致直角地排列配置。此处，在开关元件H1至开关元件H4以外还同时配置一个开关元件IGBT。该开关元件IGBT具有用于将DC-DC转换装置100在双方向切换的切换功能。
一般降压电路31的功率半导体模块35的开关元件H1至开关元件H4用于处理大电力，因此发热较大。而且，如图11所示那样在流路19a的上侧配置降压电路31，使得能够通过流路19a尽量冷却开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT。
但是，如在开头说明的那样，这种电力转换装置1被要求装载在发动机室等小的空间中，因此要求尽量紧凑地集中。
由此，在要实现逆变装置200的小型化的情况下，如果使电容器模块500的大小不变(即使能够变小也存在极限)，则需要缩短流路19a、19b和19c的宽度。因此，如果为了冷却降压电路31而将降压电路31配置在流路19a的上侧，则关于流路部19a的冷却范围，开关元件H3、开关元件H4和开关元件IGBT成为冷却范围外。特别是远离流路部19a的范围配置的开关元件H4和开关元件IGBT存在与其它开关元件相比温度大幅变高的趋势。
基于图12对上述的情况进行说明，图12是安装有开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT的状态的截面，将各构成部件示意性地进行简化。
在图12，在相当于由铝合金等形成的箱体111的开关元件收纳壳体43，隔着热传导性优异的传热性绝缘片42安装有开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT。
具体而言，开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT隔着热传导性润滑脂和/或散热用硅橡胶片等热传导性优异的传热性绝缘片42被单个地利用螺纹件固定在开关元件收纳壳体43。此外，开关元件收纳壳体43使用作为一般的铸铝用的材料的ADC12型。
另外，开关元件收纳壳体43如上述那样与DC-DC转换装置100的箱体111形成为一体，或者也可以与箱体111分开形成，利用螺纹件等固定部件与箱体111连成一体。
在这样的结构中，在考虑各开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT的热的扩散状态时，由于各开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT相邻，因此各开关元件的散热导致的相互的热干扰变大，热量的流动在相邻部分交错，不能顺利地扩散，存在热量容易积存的趋势。在这种情况下，流路19a的冷却范围内的开关元件H1和开关元件H2通过在流路19a流动的致冷剂而被带走热量，因此温度不那么高，但离开流路19a配置的开关元件H3、开关元件H4和开关元件IGBT与配置在冷却范围内的开关元件H1和开关元件H2相比温度更高，容易受到热的不良影响。
本发明针对这样的课题提出以下的应对方案。图13表示本发明的典型的一个实施例，开关元件收纳壳体43与图12所示的开关元件收纳壳体43相同。
而且，在开关元件收纳箱体43的内侧收纳有散热体41。该散热体41以与开关元件收纳壳体43很好地紧贴的方式形成，为了更加提高传热性而在两者之间涂敷有热传导性润滑脂。
进一步，开关元件收纳壳体43的侧壁部和散热体41的侧壁部被螺纹件44牢固地固定。当然，在侧壁部与开关元件收纳壳体43的侧壁部之间涂敷有提高热移动性的热传导性润滑脂。另外，考虑到防水性，螺纹件44也可以在开关元件收纳壳体43内对散热体41一体地进行螺纹固定。
而且，在散热体41的长度方向的上部，开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT并列地排列配置，隔着热传导性润滑脂和/或散热用硅橡胶片等热传导率优异的传热性绝缘片42单个地被螺纹件固定。
在本实施例中，开关元件收纳壳体43使用作为一般的铸铝用的材料的ADC12型材料，散热体41使用作为一般的散热板的材料的A6063型材料。开关元件收纳壳体43使用ADC12型材料，其热传导率为约92W/mk，散热体41使用A6063型材料，其热传导率为约209W/mk。
由此，在各开关元件产生的热传递至散热体41，因为散热体41的散热优异，所以与相邻的开关元件之间热的流动交错的情况变少，热干扰变少，因此热扩散变好，由此能够更加提高配置在流路19a的冷却范围外的开关元件H3、开关元件H4和开关元件IGBT的冷却效率。由此，开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT的温度不变高，能够抑制热的不良影响。
此处，如果利用与散热体41相同的材料制作开关元件收纳壳体43则变得很昂贵，因此不实用。其理由是，除了发热构成部件以外不需要那么高的冷却功能，使用昂贵材料的优点很小。
以上是本发明的基本观点，以下对适用本发明的观点的具体实施例进行详细说明，图14表示以降压电路部分为主要要素的组装体，图15是其分解立体图。
在图14，附图标记41是图13中所示的散热体，在该散热体41上载置开关元件和DC-DC转换装置用的电容器模块45、控制基板46等，它们由螺纹件等一体地固定，并且该组装体以被螺纹固定在DC-DC转换装置100的箱体111内的方式构成。
更详细而言，在图15，具有规定厚度的外观为长方形的散热体41在其中央部附近形成有收入开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT的收纳凹部41B，在该收纳凹部41B载置传热性绝缘片42，进一步在该传热性绝缘片42之上并列地排列配置开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT。
开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT被固定用的板簧47强力按压在传热性绝缘片42上，板簧47的一部分被螺纹件48牢固地固定于散热体41。
由此，以螺纹件48为支点，板簧47将开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT强力地向传热性绝缘片42侧按压。
此外，电容器模块45具有电容器箱体49和与它一体形成的安装部50，在电容器箱体49收纳电容器，填充树脂并使其固化等。而且，通过利用螺纹件将安装部50固定于散热体41，将电容器模块45与散热体41一体化。
由此，开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT位于电容器模块45与散热体41之间。
而且，在图14的图示中，控制基板46位于后端侧，在该控制基板46的下侧的两端立起设置有定位销51，该定位销51被插入散热体41的后端侧的定位孔(未图示)，之后被螺纹件52固定在电容器箱体49。
此处，在已组装了散热体41、电容器模块45、控制基板46的状态下，开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT的各自的端子与控制基板46的控制电路连接。
在这样的组装体中，在各开关元件产生的热量传递至散热体41，但是，因为如上所述散热体41的散热性能优异，所以与相邻的开关元件之间热量的流动交错的情况变少，热干扰变少，因此热扩散变好，由此能够更加提高配置在流路19a的冷却范围外的开关元件H3、开关元件H4和开关元件IGBT的冷却效率。
由此，开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT的温度不变高，能够抑制热的不良影响。根据这样的结构，能够紧凑地构成组装体，并且能够通过将组装后的组装体组装在DC-DC转换装置100的箱体111中而容易地进行安装。
此外，对作为本发明的课题的开关元件H1至开关元件H4和开关元件IGBT的冷却，通过利用散热性能优异的散热体41进行传热，与相邻的开关元件之间热量的流动交错的情况变少，热干扰变少，因此热扩散变好，由此能够更加提高配置在流路19a的冷却范围外的开关元件H3、开关元件H4和开关元件IGBT的冷却效率。
此处，在实施例中，关于散热体41，作为散热材料使用热传导率为约209W/mk的铝的A6063型材料，但并不限定于此，只要是与箱体111相比散热特性优异的材料，就能够没有限制地进行使用。
此外，在实施例中，作为电力转换装置说明将逆变装置200与DC-DC转换装置100一体化而得到的装置，但本发明还能够应用于单独使用DC-DC转换装置100，在该DC-DC转换装置100自身形成如逆变装置200所示的冷却通路的结构中。即，也可以在固定散热体41的位置的箱体111的相反侧的壁面配置冷却水通路。
另外，以上的说明以装载于PHEV或EV等车辆的电力转换装置为例进行了说明，本发明并不限定于此，还能够应用于建筑机械等车辆中使用的电力转换装置。
附图标记的说明
10、111……箱体；10a～10d……侧壁；10f、111f……侧面；12……流路形成部；19……致冷剂流路；19a……第一流路部；19b……第二流路部；19c……第三流路部；20、30……控制电路基板；33……主变压器；34……电压转换用电感元件；35……功率半导体模块；36……开关元件；37……基底板；41……散热体；42……传热性绝缘片；43……开关元件收纳壳体；44……螺纹件；45……电容器模块；46……控制基板；47……板簧；48……安装部；49……电容器箱体；50……螺纹件；51……定位销；100……DC-DC转换装置；111a……支承部；111b……箱体底部；111c、52……螺纹件；53……端子；406……凸部；111d……凹部；120……散热片；200……逆变装置；402……下盖；H1～H4、IGBT……开关元件。

Claims (4)

1.一种DC-DC转换装置，其特征在于，包括：
对电压进行转换的变压器；
控制在所述变压器中流动的电流的多个开关元件；
金属制的散热体；
收纳所述变压器、所述多个开关元件和所述散热体的金属制的箱体；和
用于使冷却致冷剂流动的致冷剂流路，
所述致冷剂流路配置在所述箱体的外表面，
所述散热体以该散热体的热传导率比所述箱体的热传导率高的方式形成，
所述散热体直接或隔着热传导部件地以夹着所述箱体与所述致冷剂流路相对的方式配置在所述箱体的内表面，
所述多个开关元件具有第一开关元件和第二开关元件，
在作为所述散热体的一个面的配置所述多个开关元件的面的法线方向上投影的情况下，
所述第一开关元件以该第一开关元件的投影部与所述致冷剂流路的投影部重叠的方式隔着绝缘部件配置在所述散热体上，
所述第二开关元件以该第二开关元件的投影部不与所述致冷剂流路的投影部重叠的方式隔着绝缘部件配置在所述散热体上。
2.如权利要求1所述的DC-DC转换装置，其特征在于：
所述变压器以该变压器夹着所述箱体与所述致冷剂流路相对的方式配置。
3.一种电力转换装置，其特征在于：
包括逆变装置和被固定在所述逆变装置的外表面的DC-DC转换装置，
所述逆变装置包括将直流电力转换为交流电力的功率模块和用于使冷却致冷剂流动的致冷剂流路，
所述DC-DC转换装置包括：对电压进行转换的变压器；控制在所述变压器中流动的电流的多个开关元件；金属制的散热体；和收纳所述变压器、所述多个开关元件和所述散热体的金属制的箱体，
所述功率模块被在所述制冷剂流路流动的冷却制冷剂冷却，
所述散热体以该散热体的热传导率比所述箱体的热传导率高的方式形成，
所述散热体直接或隔着热传导部件地以夹着所述箱体与所述致冷剂流路相对的方式配置在所述箱体的内表面，
所述多个开关元件具有第一开关元件和第二开关元件，
在作为所述散热体的一个面的配置所述多个开关元件的面的法线方向上投影的情况下，
所述第一开关元件以该第一开关元件的投影部与所述致冷剂流路的投影部重叠的方式隔着绝缘部件配置在所述散热体上，
所述第二开关元件以该第二开关元件的投影部不与所述致冷剂流路的投影部重叠的方式隔着绝缘部件配置在所述散热体上。
4.如权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于：
所述逆变装置包括用于将供给至所述功率模块的所述直流电力平滑化的电容器模块，
所述致冷剂流路具有第一流路和第二流路，
所述第一流路形成在所述电容器模块的侧部，
所述第二流路形成在处于所述电容器模块的侧部且夹着所述电容器模块与所述第一流路相对的位置，
在作为所述散热体的一个面的配置所述多个开关元件的面的法线方向上投影的情况下，
所述第一开关元件以该第一开关元件的投影部与所述第一流路的投影部重叠的方式配置，
所述第二开关元件以该第二开关元件的投影部与所述电容器模块的投影部重叠的方式配置。
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