JP2018022731A - パワーモジュール及びパワーコントロールユニット - Google Patents

Abstract

【課題】パワーモジュールを小型化しても熱による影響を低減することを目的とする。【解決手段】直流電力と交流電力とを相互に変換するパワーモジュールであって、第１スイッチング素子及び第１整流素子が載置され、交流電力の交流端子を備える第１導電板と、第２スイッチング素子と第２整流素子が載置され、直流電力の直流正極端子を備える第２導電板と、第１スイッチング素子と第１整流素子に接続され、直流電力の直流負極端子を備える第３導電板と、を備え、平面視において、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが隣接して配置されると共に、第１整流素子と第２整流素子とが隣接して配置される。【選択図】図４

Description

本発明は、電動自動車やハイブリッド自動車等に搭載されて電力の変換を行うパワーモジュールに関するものである。

電動自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置は、パワーモジュールやコンデンサ等の電子部品を備えている。これら各部品の大きさや形状により、電力変換装置の筐体が大型化してしまうという問題があった。

パワーモジュールは、スイッチング素子及び整流素子（ダイオード）と、これらを接続するバスバー等の導体からなる。前述のような問題に対して、例えば、各アームの第１および第２の配線層を絶縁基板の上にそれぞれ形成し、前記第１の配線層に前記スイッチング素子の一方の面を固定し、前記第２の配線層と前記スイッチング素子の他方の面との電気的接続を板状の導体でなし、前記板状の導体は第１と第２の接続部を有し、前記板状導体の第１の接続部が前記スイッチング素子の他方の面に固定され、前記板状導体の第２の接続部が前記第２の配線層に固定されるインバータ装置（特許文献１参照）が開示されている。

また、モジュール８の直流電力を供給する電源２の高電位側に接続され、パワー半導体素子の第一電極に接続された正電極フレーム１６ａ及び、電源２の低電位側に接続され、パワー半導体素子の第二電極に接続された負電極フレーム１６ｂと金属ベース２０ｂとの間に配置され、正電極フレーム１６ａ及び負電極フレーム１６ｂと金属ベース２０ｂとを容量結合するノイズバイパス手段７を備えた電力変換装置（特許文献２）が開示されている。

特開２００６−１０９５７６号公報 特開２０１３−１０６５０３号公報

特許文献１に記載の従来の技術は、上下各アームに複数のスイッチング素子及びダイオードを横方向に並べ、これらを板状の導体によって挟持して接続する構成により、パワーモジュールを薄型に形成している。

特に、バスバーや信号配線の接続におけるインダクタンス等を考慮して、特許文献２の図３のように、スイッチング素子とダイオードは、千鳥状に配列されることが一般的である。

一方で、スイッチング素子とダイオードとを千鳥状に配列した場合には、次のような課題がある。すなわち、隣接するスイッチング素子とダイオードに電流が集中すると、当該スイッチング素子と当該ダイオードが互いに熱の影響をうけて、局所的な過熱が生じることがあり、これを冷却するために過剰な冷却性能を確保しなければならなかった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、パワーモジュールを小型化しても熱による影響を低減することを目的とする。

本発明のある実施態様によると、直流電力と交流電力とを相互に変換するパワーモジュールであって、第１スイッチング素子及び第１整流素子が載置され、交流電力の交流端子を備える第１導電板と、第２スイッチング素子と第２整流素子が載置され、直流電力の直流正極端子を備える第２導電板と、第１スイッチング素子と第１整流素子に接続され、直流電力の直流負極端子を備える第３導電板と、を備え、平面視において、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが隣接して配置されると共に、第１整流素子と第２整流素子とが隣接して配置される。

上記態様によると、第１スイッチング素子及び第２整流素子に同時に通電することがないため、第１スイッチング素子及び第２整流素子を近接して配置しても互いに発熱することによる熱干渉を低減することができる。従って、これら第１、第２スイッチング素子及び第１、第２整流素子を近接して配置することができるので、パワーモジュールの熱による影響を低減しながら、パワーモジュールを小型化することができる。

本発明の実施形態のパワーコントロールユニットの機能ブロック図である。 本発明の実施形態のパワーコントロールユニットの断面図である。 本発明の実施形態のパワーモジュールの回路構成を示す説明図である。 本発明の実施形態のパワーモジュールの斜視図である。 本発明の実施形態のパワーモジュールの斜視透視図である。 本発明の実施形態のパワーモジュールの上面透視図である。 本実施形態のパワーモジュール２０の図６におけるＡ−Ａ断面図である。 本実施形態のパワーモジュール２０の図６におけるＢ−Ｂ断面図である。 本実施形態のモータロック状態のスイッチング素子及びダイオードの状態を示す説明図である。 本実施形態のモータロック状態のスイッチング素子及びダイオードの状態を示す説明図である。 本実施形態のモータロック状態のスイッチング素子及びダイオードの状態を示す説明図である。 本実施形態の変形例を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態のパワーコントロールユニット１の機能ブロック図である。

パワーコントロールユニット１は、電動車両又はプラグインハイブリッド車両に備えられ、蓄電装置（バッテリ）５の電力を回転電機（モータジェネレータ）６の駆動に適した電力に変換する。負荷としてのモータジェネレータ６は、パワーコントロールユニット１から供給される電力により駆動され、車両が駆動される。

パワーコントロールユニット１は、モータジェネレータ６の回生電力を直流電力に変換して、バッテリ５を充電する。また、パワーコントロールユニット１は、車両に備えられた急速充電用のコネクタ又は普通充電用のコネクタから電力が供給されることで、バッテリ５を充電する。

バッテリ５は、例えばリチウムイオン二次電池で構成される。バッテリ５は、パワーコントロールユニット１に直流電力を供給し、パワーコントロールユニット１から供給される直流電力により充電される。バッテリ５の電圧は例えば２４０Ｖ〜４００Ｖの間で変動し、それよりも高い電圧が入力されることで、バッテリ５が、充電される。

モータジェネレータ６は、例えば永久磁石同期電動機として構成される。モータジェネレータ６は、パワーコントロールユニット１から供給される交流電力により駆動されて、車両を駆動する。車両が減速するときは、モータジェネレータ６が回生電力を発生する。

パワーコントロールユニット１は、ケース２内に、コンデンサモジュール１０、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、充電装置４０、充電・ＤＣ／ＤＣコントローラ５０、リレーコントローラ６０及びインバータコントローラ７０が収装される。これら各部は、バスバー又は配線により電気的に接続される。

コンデンサモジュール１０は、複数のコンデンサ素子により構成される。コンデンサモジュール１０は、電圧を平滑化することで、ノイズの除去や電圧変動の抑制を行う。コンデンサモジュール１０は、第１バスバー１１と、第２バスバー１２と、電力配線１３とを備える。

第１バスバー１１は、パワーモジュール２０に接続される。第２バスバー１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、リレー６１、バッテリ５及び電動コンプレッサ（図示せず）に接続される。電力配線１３は、可撓性を有するケーブル（例えばリッツ線）により構成され、充電装置４０に接続される。第１バスバー１１と、第２バスバー１２と、電力配線１３とは、コンデンサモジュール１０の内部で正極と負極とを共用する。

パワーモジュール２０は、複数のスイッチング素子（パワー素子、図３参照）をＯＮ／ＯＦＦすることにより直流電力と交流電力とを相互に変換する。複数のスイッチング素子は、パワーモジュール２０に備えられるドライバ基板２１によりＯＮ／ＯＦＦが制御される。

パワーモジュール２０は、コンデンサモジュール１０の第１バスバー１１に接続される。第１バスバー１１は、正極及び負極からなる。パワーモジュール２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相からなる３相の出力バスバー２４を備える。出力バスバー２４は、電流センサ２２に接続される。電流センサ２２は、モータジェネレータ６側に三相の交流電力を出力するモータ側バスバー２５を備える。

インバータコントローラ７０は、車両のコントローラ（図示せず）からの指示及び電流センサ２２からのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流の検出結果に基づいて、パワーモジュール２０を動作させる信号をドライバ基板２１に出力する。ドライバ基板２１は、インバータコントローラ７０からの信号に基づいて、パワーモジュール２０を制御する。インバータコントローラ７０、ドライバ基板２１、パワーモジュール２０及びコンデンサモジュール１０により、直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータモジュールが構成される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ５から供給される直流電力の電圧を変換して、他の機器へと供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ５の直流電力（例えば４００Ｖ）を１２Ｖの直流電力に降圧する。降圧された直流電力は、車両に備えられるコントローラや照明、ファン等の電源として供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第２バスバー１２を介してコンデンサモジュール１０及びバッテリ５に接続される。

充電装置４０は、車両に備えられる充電用の外部コネクタから普通充電コネクタ８１を介して供給される商用電源（例えば交流１００Ｖや２００Ｖ）を直流電力（例えば５００Ｖ）に変換する。充電装置４０により変換された直流電力は、電力配線１３からコンデンサモジュール１０を介してバッテリ５に供給される。これによりバッテリ５が充電される。

充電・ＤＣ／ＤＣコントローラ５０は、パワーコントロールユニット１によるモータジェネレータ６の駆動及びバッテリ５の充電を制御する。具体的には、充電・ＤＣ／ＤＣコントローラ５０は、車両のコントローラからの指示に基づいて、充電装置４０による普通充電コネクタ８１を介したバッテリ５の充電、急速充電コネクタ６３を介したバッテリ５の充電及びモータジェネレータ６の駆動、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０による降圧を制御する。

リレーコントローラ６０は、充電・ＤＣ／ＤＣコントローラ５０の制御により、リレー６１の断続を制御する。リレー６１は、正側リレー６１ａ及び負側リレー６１ｂにより構成される。リレー６１は、充電用の外部コネクタから急速充電コネクタ６３を介して接続された場合に通電し、急速充電コネクタ６３から供給される直流電力（例えば５００Ｖ）を第２バスバー１２へと供給する。供給された直流電力によりバッテリ５が充電される。

図２は、本実施形態のパワーコントロールユニット１の構成ブロック図であり、パワーコントロールユニット１の側面から見た断面図である。

ケース２の内部では、コンデンサモジュール１０の周囲に、パワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０が配置される。

より具体的には、コンデンサモジュール１０は、ケース２の内部において、パワーモジュール２０と充電装置４０との間に配置される。コンデンサモジュール１０はＤＣ／ＤＣコンバータ３０に積層され、コンデンサモジュール１０の下方側にＤＣ／ＤＣコンバータ３０が配置される。充電装置４０は充電・ＤＣ／ＤＣコントローラ５０に積層され、充電・ＤＣ／ＤＣコントローラ５０の下方側に充電装置４０が配置される。

コンデンサモジュール１０の一方の側面には、第１バスバー１１が突出する。第１バスバー１１には、パワーモジュール２０の直流側のバスバー（正極バスバー２３ａ、負極バスバー２３ｂ、図４参照）が直接螺合等により接続される。パワーモジュール２０では、第１バスバー１１とは逆側に、Ｕ相バスバー２３ｕ、Ｖ相バスバー２３ｖ、Ｗ相バスバー２３ｗの３相からなる出力バスバー２４が突出する。

出力バスバー２４には、電流センサ２２が直接螺合等により接続される。電流センサ２２の下方側（図３参照）には、モータ側バスバー２５が突出する。モータ側バスバー２５は、パワーモジュール２０の出力バスバー２４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに直接接続され、３相の交流電力を出力する。モータ側バスバー２５は、ケース２から露出して構成され、ハーネス等によりモータジェネレータ６に接続される。

パワーモジュール２０の上面にはドライバ基板２１が積層される。ドライバ基板２１の上方には、インバータコントローラ７０とリレーコントローラ６０とが積層して配置される。

コンデンサモジュール１０の底面側には、第２バスバー１２が突出する。第２バスバー１２は、コンデンサモジュール１０の下方に積層して配置されるＤＣ／ＤＣコンバータ３０に直接螺合により接続される。第２バスバー１２は、正側リレー６１ａ及び負側リレー６１ｂへと接続される（図１参照）。

第２バスバー１２は、バッテリ５が接続されるバッテリ側コネクタ５１と、電動コンプレッサが接続されるコンプレッサ側コネクタ５２とに、バスバー１４を介して接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バスバー３１を介して車両側コネクタ８２に接続される。車両側コネクタ８２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が出力する直流電源を車両の各部に供給するハーネス等が接続される。

コンデンサモジュール１０の第１バスバー１１とは反対の側には、電力配線１３が突出する。電力配線１３は、可撓性を有する柔軟なケーブルであり、充電装置４０に接続される。充電装置４０は普通充電コネクタ８１にバスバー４１を介して接続される。

信号線コネクタ６５は、パワーコントロールユニット１のＤＣ／ＤＣコンバータ３０、充電装置４０、充電・ＤＣ／ＤＣコントローラ５０及びインバータコントローラ７０に接続される信号線を、ケース２の外部との間で接続する。

信号線コネクタ６５から充電・ＤＣ／ＤＣコントローラ５０へと信号線５５が接続される。信号線５５は、充電・ＤＣ／ＤＣコントローラ５０からリレーコントローラ６０に至る信号線６２と同梱されて、コンデンサモジュール１０の上面を通過して充電・ＤＣ／ＤＣコントローラ５０のコネクタ５６に接続される。コンデンサモジュール１０の上面には信号線５５及び信号線６２を支持するガイド部５８が形成される。

ケース２は、上ケース２ａと下ケース２ｂとにより構成される。下ケース２ｂには冷却水流路４が形成されている。冷却水流路４には冷却水が流通するように構成されており、冷却水流路４の冷却面４ａ上に載置されるパワーモジュール２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０及び充電装置４０を冷却する。

冷却水流路４は、パワーモジュール２０を冷却する第１冷却水流路４ｂ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を冷却する第２冷却水流路４ｃ及び充電装置４０を冷却する第３冷却水流路４ｄを備える。冷却水は、ケース２に備えられた冷却水入口から第１冷却水流路４ｂに流入し、第２冷却水流路４ｃ、第３冷却水流路４ｄを通過して、ケース２に備えられた冷却水出口から流出する。冷却水は、パワーコントロールユニット１の外に備えられるポンプやラジエター等により適切な温度及び流量に制御されて、冷却水流路４を流通する。

次に、パワーモジュール２０の構成を説明する。

図３は、本発明の実施形態のパワーモジュール２０の回路構成を示す説明図である。図４は、パワーモジュール２０の斜視図である。

パワーモジュール２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれに対応する上アーム、下アームの組からなる複数のスイッチング素子２８ｕ〜２９ｗと、それぞれのスイッチング素子２８ｕ〜２９ｗに並列に接続されるダイオード２０ｃと、これらスイッチング素子２８ｕ〜２９ｗ及びダイオード２０ｃとを包囲する樹脂モールド部２０ｂと、を備える。

より具体的には、パワーモジュール２０は、Ｕ相に対応するスイッチング素子２８ｕ、２９ｕ、Ｖ相に対応する２８ｖ、２９ｖ、Ｗ相に対応するスイッチング素子２８ｗ、２９ｗを備える。

パワーモジュール２０は、各スイッチング素子２８ｕ〜２９ｗに接続される正極バスバー２３ａ、負極バスバー２３ｂ、Ｕ相バスバー２３ｕ、Ｖ相バスバー２３ｖ、Ｗ相バスバー２３ｗを備える。各スイッチング素子２８ｕ〜２９ｗには、スイッチングを制御する信号が入出力される信号線２０ｄ、温度センサ、電流センサの信号が入出力される信号線２０ｅが接続される。これら信号線及びバスバーは、樹脂モールド部２０ｂの側方へと突出する。正極バスバー２３ａ及び負極バスバー２３ｂは、第１バスバー１１に接続される。Ｕ相バスバー２３ｕ、Ｖ相バスバー２３ｖ及びＷ相バスバー２３ｗは、電流センサ２２に接続される。なお、図３において、矩形の外枠が樹脂モールド部２０ｂの領域を示し、当該矩形の縁における白抜きの丸印は、各バスバー２３ａ、２３ｂ、２３ｕ〜ｗが樹脂モールド部２０ｂから露出した端子であることを示している。

図４に示すように、パワーモジュール２０は、薄板状の矩形形状に形成され、その長手方向の側面の一の辺から正極バスバー２３ａ、負極バスバー２３ｂが突出し、一の辺に対向する二の辺からＵ相バスバー２３ｕ、Ｖ相バスバー２３ｖ、Ｗ相バスバー２３ｗが突出する。信号線２０ｄ、２０ｅは、正極バスバー２３ａ、負極バスバー２３ｂが突出する一の辺、又は、Ｕ相バスバー２３ｕ、Ｖ相バスバー２３ｖ、Ｗ相バスバー２３ｗが突出する二の辺から、それぞれ各バスバーと同一方向に突出する。これら正極バスバー２３ａ及び負極バスバー２３ｂ、Ｕ相バスバー２３ｕ、Ｖ相バスバー２３ｖ及びＷ相バスバー２３ｗは、パワーモジュール２０の厚さ方向の略同位置の一から突出する。

図５及び図６は、本発明の実施形態のパワーモジュール２０の透視図である。図５は、パワーモジュール２０の斜視透視図を示す。図６は、パワーモジュールの上面透視図を示す。

パワーモジュール２０は、薄板状の形状であり、スイッチング素子２８ｕ〜２９ｗ及びダイオード２０ｃが整列して配列される。

図３に示す回路図での一つのスイッチング素子は一対のスイッチング素子により構成されており、図３に示す回路図での一つのダイオードは一対のダイオードにより構成されている。従って、図６においては、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相は、それぞれ、二つのスイッチング素子と二つのダイオードとからなる上アームと、二つのスイッチング素子と二つのダイオードとからなる下アームとから構成されている。これらスイッチング素子及びダイオードは、全てパワーモジュール２０内において同じ平面上に配列される。なお、ダイオード２０ｃの設置面積は、スイッチング素子の設置面積よりも小さく形成されている。これにより、バスバー等を通じて各スイッチング素子の熱伝導効率を高めることができる。

Ｕ相の上アーム（正極側）は、二つのスイッチング素子２８ｕ−１、２８ｕ−２及び二つのダイオード２０ｃ−ｕ１、２０ｃ−ｕ２から構成され、Ｕ相の下アーム（負極側）は、二つのスイッチング素子２９ｕ−１、２９ｕ−２及び二つのダイオード２０ｃ−ｕ３、２０ｃ−ｕ４から構成される。

二つのスイッチング素子２９ｕ−１、２９ｕ−２は、樹脂モールド部２０ｂの長手方向（バスバー及び信号線が突出する面と平行の方向、第１方向）に二つ並べて配置される。ダイオード２０ｃ−ｕ３、２０ｃ−ｕ４は、二つのスイッチング素子２９ｕ−１、２９ｕ−２の間に配置され、短手方向（バスバー及び信号線が突出しない両側面と平行の方向であって第１方向と直交する方向、第２方向）に二つ並べて配置される。

同様に、二つのスイッチング素子２８ｕ−１、２８ｕ−２は、樹脂モールド部２０ｂの長手方向に二つ並べて配置され、ダイオード２０ｃ−ｕ１、２０ｃ−ｕ２は、二つのスイッチング素子２８ｕ−１、２８ｕ−２の間に配置され、短手方向に二つ並べて配置される。

Ｕ相バスバー２３ｕは、樹脂モールド部２０ｂの側面から突出する端子部１００ｕを備える。二つのスイッチング素子２９ｕ−１、２９ｕ−２及び二つのダイオード２０ｃ−ｕ３、２０ｃ−ｕ４が、Ｕ相バスバー２３ｕ上に載置される（図７Ａ、図７Ｂ参照）。スイッチング素子２９ｕ−１、２９ｕ−２及びダイオード２０ｃ−ｕ３、２０ｃ−ｕ４は、Ｕ相バスバー２３ｕ及び負極バスバー２３ｂに挟持され、Ｕ相の下アームのスイッチング素子２９ｕとして、Ｕ相バスバー２３ｕと負極バスバー２３ｂとの間で電力の導通をスイッチングする。

Ｕ相バスバー２３ｕの端子部１００ｕは、二つのスイッチング素子２９ｕ−１、２９ｕ−２の間に置かれたダイオード２０ｃ−ｕ３、２０ｃ−ｕ４の位置から、樹脂モールド部２０ｂの外側方向に突出する。Ｕ相バスバー２３ｕの端子部１００ｕの長手方向の幅は、ダイオード２０ｃ−ｕ３、２０ｃ−ｕ４と略同じ幅に形成されている。

スイッチング素子２９ｕ−１、２９ｕ−２には、それぞれ信号線２０ｄ、２０ｅがボンディングワイヤ等により接続される。信号線２０ｄ、２０ｅは、Ｕ相バスバー２３ｕの端子部１００ｕの長手方向の両側に近接した位置で、樹脂モールド部２０ｂの外側方向に突出する。

さらに、Ｕ相において、二つのスイッチング素子２８ｕ−１、２８ｕ−２が長手方向（第３方向）に配置され、二つのダイオード２０ｃ−ｕ１、２０ｃ−ｕ２が短手方向（第４方向）に配置されて、それぞれ正極バスバー２３ａ上に載置される（図７Ａ、図７Ｂ参照）。スイッチング素子２８ｕ−１、２８ｕ−２及びダイオード２０ｃ−ｕ１、２０ｃ−ｕ２は、正極バスバー２３ａ及びＵ相バスバー２３ｕに挟持され、Ｕ相の上アームのスイッチング素子２８ｕとして、正極バスバー２３ａとＵ相バスバー２３ｕとの間で電力の導通をスイッチングする。

スイッチング素子２８ｕ−１、２８ｕ−２にはそれぞれ信号線２０ｄ、２０ｅが接続される。信号線２０ｄ、２０ｅは、Ｕ相バスバー２３ｕの端子部１００ｕが突設する面と対向する面側で、樹脂モールド部２０ｂの外側方向に突出する。

Ｖ相の上アーム（正極側）は、二つのスイッチング素子２８ｖ−１、２８ｖ−２及び二つのダイオード２０ｃ−ｖ１、２０ｃ−ｖ２から構成され、Ｖ相の下アーム（負極側）は、二つのスイッチング素子２９ｖ−１、２９ｖ−２及び二つのダイオード２０ｃ−ｖ３、２０ｃ−ｖ４から構成される。

二つのスイッチング素子２９ｖ−１、２９ｖ−２は、樹脂モールド部２０ｂの長手方向に二つ並べて配置される。ダイオード２０ｃ−ｖ３、２０ｃ−ｖ４は、二つのスイッチング素子２９ｖ−１、２９ｖ−２の間に配置され、短手方向に二つ並べて配置される。

同様に、二つのスイッチング素子２８ｖ−１、２８ｖ−２は、樹脂モールド部２０ｂの長手方向に二つ並べて配置され、ダイオード２０ｃ−ｖ１、２０ｃ−ｖ２は、二つのスイッチング素子２８ｖ−１、２８ｖ−２の間に配置され、短手方向に二つ並べて配置される。

Ｖ相バスバー２３ｖは、樹脂モールド部２０ｂの側面から突出する端子部１００ｖを備える。二つのスイッチング素子２９ｖ−１、２９ｖ−２及び二つのダイオード２０ｃ−ｖ３、２０ｃ−ｖ４が、Ｖ相バスバー２３ｖ上に載置される。スイッチング素子２９ｖ−１、２９ｖ−２及びダイオード２０ｃ−ｖ３、２０ｃ−ｖ４は、Ｖ相バスバー２３ｖ及び負極バスバー２３ｂに挟持され、Ｖ相の下アームのスイッチング素子２９ｖとして、Ｖ相バスバー２３ｖと負極バスバー２３ｂとの間で電力の導通をスイッチングする。

Ｖ相バスバー２３ｖの端子部１００ｖは、二つのスイッチング素子２９ｖ−１、２９ｖ−２との間に置かれたダイオード２０ｃ−ｖ３、２０ｃ−ｖ４の位置から、樹脂モールド部２０ｂの外側方向に突出する。Ｖ相バスバー２３ｖの端子部１００ｖの長手方向の幅は、ダイオード２０ｃ−ｖ３、２０ｃ−ｖ３と略同じ幅に形成されている。

スイッチング素子２９ｖ−１、２９ｖ−２には、それぞれ信号線２０ｄ、２０ｅが接続される。信号線２０ｄ、２０ｅは、Ｖ相バスバー２３ｖの端子部１００ｖの長手方向の両側に近接した位置で、樹脂モールド部２０ｂの外側方向に突出する。

Ｖ相において、二つのスイッチング素子２８ｖ−１、２８ｖ−２が長手方向（第３方向）に配置され、二つのダイオード２０ｃ−ｖ１、２０ｃ−ｖ２が短手方向（第４方向）に配置され、それぞれ正極バスバー２３ａ上に載置される。スイッチング素子２８ｖ−１、２８ｖ−２及びダイオード２０ｃ−ｖ１、２０ｃ−ｖ２は、正極バスバー２３ａ及びＶ相バスバー２３ｖに挟持され、Ｖ相の上アームのスイッチング素子２８ｖとして、正極バスバー２３ａとＶ相バスバー２３ｖとの間で電力の導通をスイッチングする。

スイッチング素子２８ｖ−１、２８ｖ−２にはそれぞれ信号線２０ｄ、２０ｅが接続される。信号線２０ｄ、２０ｅは、Ｖ相バスバー２３ｖの端子部１００ｖが突設する面と対向する面側で、樹脂モールド部２０ｂの外側方向に突出する。

Ｖ相のスイッチング素子２８ｖ−１、２８ｖ−２が置かれる箇所付近では、正極バスバー２３ａの端子部１２０ａ及び負極バスバー２３ｂの端子部１２０ｂが、樹脂モールド部２０ｂの外側方向に突出する。スイッチング素子２８ｖ−１、２８ｖ−２に接続される信号線２０ｄ、２０ｅは、正極バスバー２３ａの端子部１２０ａ及び負極バスバー２３ｂの端子部１２０ｂを避けて、樹脂モールド部２０ｂの長手方向にオフセットされて接続される。

Ｗ相の上アーム（正極側）は、二つのスイッチング素子２８ｗ−１、２８ｗ−２及び二つのダイオード２０ｃ−ｗ１、２０ｃ−ｗ２から構成され、Ｗ相の下アーム（負極側）は、二つのスイッチング素子２９ｗ−１、２９ｗ−２及び二つのダイオード２０ｃ−ｗ３、２０ｃ−ｗ４から構成される。

二つのスイッチング素子２９ｗ−１、２９ｗ−２は、樹脂モールド部２０ｂの長手方向に二つ並べて配置される。ダイオード２０ｃ−ｗ３、２０ｃ−ｗ４は、二つのスイッチング素子２９ｗ−１、２９ｗ−２の間に配置され、短手方向に二つ並べて配置される。

同様に、二つのスイッチング素子２８ｗ−１、２８ｗ−２は、樹脂モールド部２０ｂの長手方向に二つ並べて配置され、ダイオード２０ｃ−ｗ１、２０ｃ−ｗ２は、二つのスイッチング素子２８ｗ−１、２８ｗ−２の間に配置され、短手方向に二つ並べて配置される。

Ｗ相バスバー２３ｗは、樹脂モールド部２０ｂの側面から突出する端子部１００ｗを備える。二つのスイッチング素子２９ｗ−１、２９ｗ−２及び二つのダイオード２０ｃ−ｗ３、２０ｃ−ｗ４が、Ｗ相バスバー２３ｗ上に載置される。スイッチング素子２９ｗ−１、２９ｗ−２及びダイオード２０ｃ−ｗ３、２０ｃ−ｗ４は、Ｗ相バスバー２３ｗ及び負極バスバー２３ｂに挟持され、Ｗ相の下アームのスイッチング素子２９ｗとして、Ｗ相バスバー２３ｗと負極バスバー２３ｂとの間で電力の導通をスイッチングする。

Ｗ相バスバー２３ｗの端子部１００ｗは、二つのスイッチング素子２９ｗ−１、２９ｗ−２との間に置かれたダイオード２０ｃ−ｗ３、２０ｃ−ｗ４の位置から、樹脂モールド部２０ｂの外側方向に突出する。Ｗ相バスバー２３ｗの端子部１００ｗの長手方向の幅は、ダイオード２０ｃ−ｗ３、２０ｃ−ｗ４と略同じ幅に形成されている。

スイッチング素子２９ｗ−１、２９ｗ−２には、それぞれ信号線２０ｄ、２０ｅが接続される。信号線２０ｄ、２０ｅは、Ｗ相バスバー２３ｗの端子部１００ｗの長手方向の両側に近接した位置で、樹脂モールド部２０ｂの外側方向に突出する。

さらに、Ｗ相において、二つのスイッチング素子２８ｗ−１、２８ｗ−２が長手方向（第３方向）に配置され、二つのダイオード２０ｃ−ｗ１、２０ｃ−ｗ２が短手方向（第４方向）に配置され、それぞれ正極バスバー２３ａ上に載置される。スイッチング素子２８ｗ−１、２８ｗ−２及びダイオード２０ｃ−ｗ１、２０ｃ−ｗ２は、正極バスバー２３ａ及びＷ相バスバー２３ｗに挟持され、Ｗ相の上アームのスイッチング素子２８ｗとして、正極バスバー２３ａとＷ相バスバー２３ｗとの間で電力の導通をスイッチングする。

スイッチング素子２８ｗ−１、２８ｗ−２にはそれぞれ信号線２０ｄ、２０ｅが接続される。信号線２０ｄ、２０ｅは、Ｗ相バスバー２３ｗの端子部１００ｗが突設する面と対向する面側で、樹脂モールド部２０ｂの外側方向に突出する。

図７Ａ及び図７Ｂは、本実施形態のパワーモジュール２０の断面図であり、それぞれ図６におけるＡ−Ａ断面図及びＢ−Ｂ断面図を示す。

図７Ａに示すように、Ｕ相の上アームでは、スイッチング素子２８ｕ−１（及び２８ｕ−２）が正極バスバー２３ａとＵ相バスバー２３ｕとに挟持され、両バスバーに電気的に接続される。スイッチング素子２８ｕ−１には、信号線２０ｄ、２０ｅがボンディングワイヤを介して接続されている。Ｕ相の下アームでは、スイッチング素子２９ｕ−１（及び２９ｕ−２）が負極バスバー２３ｂとＵ相バスバー２３ｕとに挟持され、両バスバーに電気的に接続される。スイッチング素子２９ｕ−１には、信号線２０ｄ、２０ｅがボンディングワイヤを介して接続されている。

図７Ｂに示すように、Ｕ相の上アームでは、ダイオード２０ｃ−ｕ１、２０ｃ−ｕ２が正極バスバー２３ａとＵ相バスバー２３ｕとに挟持され、両バスバーに電気的に接続される。Ｕ相の下アームでは、ダイオード２０ｃ−ｕ３、２０ｃ−ｕ４が負極バスバー２３ｂとＵ相バスバー２３ｕとに挟持され、両バスバーに電気的に接続される。

図７Ａ及び図７Ｂに示したように、各スイッチング素子及びダイオードは薄型形状を有しており、それぞれが平面上に配置されて各バスバーに挟持される構成であるので、パワーモジュール２０を薄型に形成することができる。

次に、本実施形態のモータロック状態の動作について説明する。

本実施形態のパワーコントロールユニット１は、前述の図３のような回路構成であり、各スイッチング素子２８ｕ〜２９ｗをＯＮ／ＯＦＦすることによりＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の交流電力を出力して、モータジェネレータ６を駆動する。

ここで、例えば、車両が登坂路での発進や段差乗り越え等、モータジェネレータ６が大きなトルクを発生してるものの車速が０に等しい、すなわちモータジェネレータ６の回転速度が０となる状態を「モータロック状態」と呼ぶ。

モータロック状態では、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のいずれか一つから最大の電流がモータジェネレータ６に出力されることになる。この場合、当該相のスイッチング素子が最大の電流を出力するために、最も発熱する。

図８Ａ及び図８Ｂは、本実施形態のモータロック状態のスイッチング素子及びダイオードの状態を示す説明図である。

なお、以降は、モータロック状態においてＷ相に最大の電流が流れる場合を例に説明するが、他の相においても同様である。

Ｗ相で最大の電流が流れる状態では、Ｗ相の上アームのスイッチング素子２８ｗがＯＮとなり電流をＷ相に出力し、その他のスイッチング素子はＯＦＦとなる状態（以降、「第１の状態」と呼ぶ）に制御される（図８Ａに示す状態）。第１の状態では、Ｗ相の上アームのスイッチング素子２８ｗと、Ｕ相及びＶ相の上アームのダイオード２０ｃと、に等しく最大の電流が流れる。

次に、Ｕ相及びＷ相の下アームのスイッチング素子２９ｕ、２９ｗがＯＮとなりＵ相、Ｖ相からの電流を直流側の負極に出力し、その他のスイッチング素子はＯＦＦとなる状態（以降、「第２の状態」と呼ぶ）に制御される（図８Ｂに示す状態）。第２の状態では、Ｗ相の下アームのダイオード２０ｃと、Ｕ相及びＶ相の下アームのスイッチング素子２９ｕ、２９ｖと、に等しく最大の電流が流れる。

モータロック状態では、第１の状態と第２の状態が交互に繰り返される。このため、第１の状態では、Ｗ相の上アームのスイッチング素子２８ｗが最も発熱し、第２の状態ではＷ相の下アームのダイオード２０ｃが最も発熱する。Ｕ相及びＶ相の上アームのダイオード２０ｃと、Ｕ相及びＶ相の下アームのスイッチング素子２９ｕ、２９ｖとには、それぞれＷ相の略半分の電流が流れるので、これらの素子の発熱はＷ相のスイッチング素子２９ｗ又はＷ相のダイオード２０ｃの発熱よりも小さい。

このような状況において、例えば、スイッチング素子とダイオードとが互いに千鳥に配列されている場合は、最も発熱するスイッチング素子と最も発熱するダイオードとが面で隣り合うために、互いに熱の影響により素子の寿命の低下を起こすという問題がある。

これに対して、本実施形態では、図９に示すように、Ｗ相の上アームでは、スイッチング素子２８ｗを構成するスイッチング素子２８ｗ−１、２８ｗ−２の間に、ダイオード２０ｃ−ｗ１、２０ｃ−ｗ２を配置した。同様に、Ｗ相の下アームではスイッチング素子２９ｗを構成するスイッチング素子２９ｗ−１、２９ｗ−２の間に、ダイオード２０ｃ−ｗ３、２０ｃ−ｗ４を配置した。そして、これら上アーム、下アームを隣接して配置した。

このような構成により、モータロック状態において発熱する素子であるスイッチング素子２８ｗ−１、２８ｗ−２と、ダイオード２０ｃ−ｗ３、２０ｃ−ｗ４とは、面で近接することがなく、角が近接するので、互いに熱の影響を受けにくい。従って、モータロック状態により特定のスイッチング素子及びダイオードが加熱した場合であっても、素子同士の熱の影響を受けにくいので、熱干渉による寿命低下等を低減することができ、各素子を近接して配置することができる。また、熱干渉による局所過熱を防ぐことができるため、過剰な冷却性能を確保する必要もなく、コストを低減することができる。

なお、パワーモジュール２０は、図２に示すように、ケース２内に冷却水流路４が備えられ、冷却水流路４を流れる冷却水によって冷却される。ここで、冷却水流路４における冷却水の流れ方向は、パワーモジュール２０の長手方向としてもよいし、パワーモジュール２０の短手方向としてもよい。

図９において白抜き矢印に示すように、冷却水の流れ方向をパワーモジュール２０の短手方向とした場合は、素子により加熱される前の低温の冷却水が、上アームのスイッチング素子２８ｗ−１、２８ｗ−２、及び、ダイオード２０ｃ−ｕ１、２０ｃ−ｕ２を冷却水することとなる。前述のように、スイッチング素子２８ｗ−１、２８ｗ−２の組と２９ｗ−１、２９ｗ−２の組、及び、ダイオード２０ｃ−ｕ１、２０ｃ−ｕ２の組と、ダイオード２０ｃ−ｕ３、２０ｃ−ｕ４との組とは同時に発熱しないことから、常に低温の冷却水により、各素子を効率よく冷却することができる。

一方で、図９において黒塗り矢印で示すように、冷却水の流れ方向をパワーモジュール２０の長手方向としてもよい。このように構成した場合は、低温の冷却水がまずＷ相のスイッチング素子２８ｗ、２９ｗ及びダイオード２０ｃ−ｕ１〜ｕ４を冷却するので、モータロック状態においてＷ相に最大の電流が流れるような場合であっても、Ｗ相の上アームと下アームとの双方の素子を同時に効率よく冷却することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態は、直流電力と交流電力とを相互に変換するパワーモジュール２０に適用される。パワーモジュール２０は、第１スイッチング素子（下アームのスイッチング素子２９ｕ、２９ｖ、２９ｗ）及び第１整流素子（下アームのダイオード２０ｃ）が載置され、交流電力の交流端子（端子部１００ｕ、１００ｖ、１００ｗ）を備える第１導電板（Ｕ相バスバー２３ｕ、Ｖ相バスバー２３ｖ、Ｗ相バスバー２３ｗ）と、第２スイッチング素子（上アームのスイッチング素子２８ｕ、２８ｖ、２８ｗ）と第２整流素子（上アームのダイオード２０ｃ）が載置され、直流電力の直流正極端子（端子部１２０ａ）を備える第２導電板（正極バスバー２３ａ）と、第１スイッチング素子と第１整流素子に接続され、直流電力の直流負極端子（端子部１２０ｂ）を備える第３導電板（負極バスバー２３ｂ）と、を備える。

このパワーモジュール２０は、平面視において、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とが隣接して配置されると共に、第１整流素子と第２整流素子とが隣接して配置される。

具体的には、図５を参照すると、Ｕ相においては、第１スイッチング素子（下アームのスイッチング素子２９ｕ−１、２９ｕ−２）と、第２スイッチング素子（上アームのスイッチング素子２８ｕ−１、２８ｕ−２）とが隣接して配置さていれる。第１整流素子（下アームのダイオード２０ｃ−ｕ１、２０ｃ−ｕ２の組）と第２整流素子（上アームのダイオード２０ｃ−ｕ３、２０ｃ−ｕ４の組）とが隣接して配置されている。このような構成により、上アームを構成する各素子と下アームを構成する各素子とを近接して配置することができる。

本発明の実施形態は、このように構成するとによって、上アームと下アームとにおいて、第１スイッチング素子及び第２整流素子が同時に通電することがないので、第１スイッチング素子及び第２整流素子が互いに発熱することによる熱干渉を低減することができるので、スイッチング素子及び整流素子を近接して配置することができる。従って、パワーモジュール２０の熱による影響を低減しながら小型化することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

上記実施形態では、一つのスイッチング素子及び一つのダイオードの機能を、それぞれ二つのスイッチング素子により構成する例を示したがこれに限られない。図１０に示すように、一つのスイッチング素子及び一つのダイオードによって、一つのスイッチング素子及び一つのダイオードとして機能するように構成してもよい。

図１０に示すような構成において、スイッチング素子の隣にダイオードを配するように構成することで、前述の実施形態と同様に、モータロック状態において発熱する素子であるスイッチング素子とダイオードとは、面で近接することがなく、角で近接するので、互いに熱の影響を受けにくい。従って、モータロック状態により特定のスイッチング素子及びダイオードが加熱した場合であっても、素子同士の熱の影響を受けにくいので、熱干渉による寿命低下等の影響を防止して、パワーモジュールを小型化することができる。

また、上記実施形態では、下アームにおける第１スイッチング素子の配列である第１配列と、上アームおけるスイッチング素子の第３配列とは同一方向に形成されているがこれに限られない。例えば上アームスイッチング素子が配置される面と、下アームのスイッチング素子が配置される面とが角度をもって接するような形状であってもよい。同様に、下アームにおける第１整流素子の配列である第２配列と、上アームおける整流素子の第４配列とは、角度をもって接してもよい。

１ ：パワーコントロールユニット
２ ：ケース
４ ：冷却水流路
５ ：バッテリ
１０ ：コンデンサモジュール
１４ ：バスバー
２０ ：パワーモジュール
２０ｂ ：樹脂モールド部
２０ｃ ：ダイオード
２０ｄ、２０ｅ ：信号線
２３ａ ：正極バスバー
２３ｂ ：負極バスバー
２３ｕ ：Ｕ相バスバー
２３ｖ ：Ｖ相バスバー
２３ｗ ：Ｗ相バスバー
２８ｕ、２８ｖ、２８ｗ ：スイッチング素子
２９ｕ、２９ｖ、２９ｗ ：スイッチング素子
２９ｗ−１ ：スイッチング素子
３０ ：ＤＣ／ＤＣコンバータ
４０ ：充電装置
５０ ：ＤＣ／ＤＣコントローラ
７０ ：インバータコントローラ

Claims (6)

1. 直流電力と交流電力とを相互に変換するパワーモジュールであって、
   第１スイッチング素子及び第１整流素子が載置され、交流電力の交流端子を備える第１導電板と、
   第２スイッチング素子及び第２整流素子が載置され、直流電力の直流正極端子を備える第２導電板と、
   前記第１スイッチング素子と前記第１整流素子に接続され、直流電力の直流負極端子を備える第３導電板と、を備え、
   平面視において、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とが隣接して配置されると共に、前記第１整流素子と前記第２整流素子とが隣接して配置される
   パワーモジュール。
2. 請求項１に記載のパワーモジュールであって、
   前記第１スイッチング素子、前記第１整流素子、前記第２スイッチング素子及び前記第２整流素子は、それぞれ少なくとも２以上の素子から構成され、
   ２つの前記第１スイッチング素子の間に２つの前記第１整流素子が配置され、
   ２つの前記第２スイッチング素子の間に２つの前記第２整流素子が配置される
   パワーモジュール。
3. 請求項１又は２に記載のパワーモジュールであって、
   前記第１スイッチング素子及び前記第１整流素子と、前記第２スイッチング素子及び前記第２整流素子とは、それぞれ三相交流に対応した３組が備えられ、
   ３組の前記第１スイッチング素子及び前記第１整流素子が、一方向に配列され、
   ３組の前記第２スイッチング素子及び前記第２整流素子が、３組の前記第１スイッチング素子及び前記第１整流素子に隣接して、一方向に配列され、
   一の相の前記第１整流素子と他の相の前記第１スイッチング素子との間に、一の相の前記第１スイッチング素子が配置される
   パワーモジュール。
4. 請求項３に記載のパワーモジュールであって、
   一の相の前記第２整流素子と他の相の前記第２スイッチング素子との間に、一の相の前記第２スイッチング素子が配置される
   パワーモジュール。
5. 直流電力と交流電力とを相互に変換するパワーモジュールをケースに収装したパワーコントロールユニットであって、
   前記パワーモジュールは、
   第１スイッチング素子及び第１整流素子が載置され、交流電力の交流端子を備える第１導電板と、
   第２スイッチング素子及び第２整流素子が載置され、直流電力の直流正極端子を備える第２導電板と、
   前記第１スイッチング素子と前記第１整流素子に接続され、直流電力の直流負極端子を備える第３導電板と、を備え、
   平面視において、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とが隣接して配置されると共に、前記第１整流素子と前記第２整流素子とが隣接して配置され、
   前記ケースには前記パワーモジュールを冷却する冷却水流路を備え、
   前記冷却水流路には、前記第１整流素子及び前記第２整流素子の配列方向と同一の方向で冷却水が流通する
   パワーコントロールユニット。
6. 直流電力と交流電力とを相互に変換するパワーモジュールをケースに収装したパワーコントロールユニットであって、
   前記パワーモジュールは、
   第１スイッチング素子及び第１整流素子が載置され、交流電力の交流端子を備える第１導電板と、
   第２スイッチング素子及び第２整流素子が載置され、直流電力の直流正極端子を備える第２導電板と、
   前記第１スイッチング素子と前記第１整流素子に接続され、直流電力の直流負極端子を備える第３導電板と、を備え、
   平面視において、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とが隣接して配置されると共に、前記第１整流素子と前記第２整流素子とが隣接して配置され、
   前記ケースには前記パワーモジュールを冷却する冷却水流路を備え、
   前記冷却水流路には、前記第１整流素子及び前記第２整流素子の配列方向と直交する方向で冷却水が流通する
   パワーコントロールユニット。

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