JP6263311B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は直流電力を交流電力に変換しあるいは交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関し、特に車両に搭載されるのに適する電力変換装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車には、駆動用のモータを駆動及び制御する電力変換装置が設けられる。この電力変換装置は、車両の様々な位置に配置されるが、配置場所によっては、電力変換装置の高さ方向に小さくすることが求められたり、電力変換装置の幅方向に小さくすることが求められたりする。前者の代表的なケースは、電力変換装置が運転席や助手席に直下に配置されることである。

特開２０１３−０２７２１８号公報（特許文献１）には、３つのパワー半導体モジュールを一列に並べることにより、電力変換装置の高さの低減を図っている。

特開２０１３−２３３０５２号公報（特許文献２）に記載の電力変換装置は、２つのパワー半導体モジュールを一列に並べるかつ残り一つのパワー半導体モジュールを２つのパワー半導体モジュールの上方に配置している。

特許文献１及び特許文献２に記載された電力変換装置では、高性能な電力変換装置を維持しながら、電力変換装置の高さの低減を図ることが十分に考慮されていない。

特開２０１３−０２７２１８号公報 特開２０１３−２３３０５２号公報

本発明に係る電力変換装置は、高性能な電力変換装置を維持しながら、電力変換装置の高さの低減を図ることである。

本発明に係る電力変換装置は、Ｕ相交流電流を出力する第１パワー半導体モジュールと、Ｖ相交流電流を出力する第２パワー半導体モジュールと、Ｗ相交流電流を出力する第３パワー半導体モジュールと、前記Ｕ相交流電流と前記Ｖ相交流電流と前記Ｗ相交流電流を伝達又は検出する交流回路体と、を備え、前記第１パワー半導体モジュールと前記第２パワー半導体モジュールの配列方向に沿った方向を第１列と定義した場合、前記第３パワー半導体モジュールと前記交流回路体は、前記第１列と平行方向である第２列に沿って配置され、前記交流回路体は、前記第１列と直角方向であって前記第２パワー半導体モジュールと対向するとともに、前記第２列と平行方向であって前記第３パワー半導体モジュールと対向する空間に配置される。

本発明により、高性能な電力変換装置を維持しながら、電力変換装置の高さの低減を図ることができる。

本実施形態に係る電力変換装置の内部部品のうち、交流回路体１５０と、第１交流中継バスバー１０４と、第２交流中継バスバー１０５と、第３交流中継バスバー１０６と、その他の部品に関する分解斜視図である。 図１に示された電力変換装置の内部部品の斜視図である。 本実施形態に係る電力変換装置の内部部品の分解斜視図である。 図３に示された電力変換装置の内部部品の斜視図である。 第１パワー半導体モジュール１０１の外観斜視図である。 封止樹脂３３１を除した回路体３３０の分解斜視図である。

本発明に係る実施形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置の内部部品のうち、交流回路体１５０と、第１交流中継バスバー１０４と、第２交流中継バスバー１０５と、第３交流中継バスバー１０６と、その他の部品に関する分解斜視図である。図２は、図１に示された電力変換装置の内部部品の斜視図である。図３は、本実施形態に係る電力変換装置の内部部品の分解斜視図である。図４は、図３に示された電力変換装置の内部部品の斜視図である。

図３に示されるように、インバータ回路として、第１パワー半導体モジュール１０１と第２パワー半導体モジュール１０２と第３パワー半導体モジュール１０３が設けられる。例えば、第１パワー半導体モジュール１０１は、Ｕ相交流電流を出力するために、インバータ回路のＵ相の上アーム及び下アームを構成する複数のスイッチング素子を備える。同様に第２パワー半導体モジュール１０２は、Ｖ相交流電流を出力するために、インバータ回路のＶ相の上アーム及び下アームを構成する複数のスイッチング素子を備える。第３パワー半導体モジュール１０３は、Ｗ相交流電流を出力するために、インバータ回路のＷ相の上アーム及び下アームを構成する複数のスイッチング素子を備える。

図５は、第１パワー半導体モジュール１０１の外観斜視図である。第１パワー半導体モジュール１０１は、正極端子３１１と負極端子３１２を通して直流電力を入出力する。交流端子３１３は、交流電力を出力する。信号端子３１４及び３１５は、ドライバ回路からの制御信号を受ける。

封止樹脂３３１は、正極端子３１１の一部、負極端子３１２の一部、信号端子３１４及び３１５の一部、さらにスイッチング素子を封止する。ケース３４１は、封止樹脂３３１の一部を収納する。

ケース３４１は、第１フィン３４３ａを形成した第１放熱ベース部３４４ａと、この第１放熱ベース部３４４ａと対向して配置されかつ第２フィン３４３ｂを形成した第２放熱ベース部３４４ｂと、第１放熱ベース部３４４ａと第２放熱ベース部３４４ｂを接続する枠体３４２と、を備える。
枠体３４２は、第１放熱ベース部３４４ａと接続部３０５を介して接続される。第２放熱ベース部３４４ｂも同様に枠体３４２と接続される。

第１フィン３４３ａ及び第２フィン３４３ｂや第１放熱ベース部３４４ａ及び第２放熱ベース部３４４ｂは、熱伝導の良い材料のほうが好ましく、純アルミ材や純銅、銅合金などで形成される。枠体３４２は、生産性しやすく剛性のある材料のほうが好ましく、アルミダイカスト材やジュラルミンなどで形成される。
接続部３０５は、ＦＳＷやろう付けによって接合され、枠体３４２と第１放熱ベース部３４４ａ、枠体３４２と第２放熱ベース部３４４ｂをシールする。なおここでのシールは、Ｏリングや接着剤でもよい。

図６は、封止樹脂３３１を除した回路体３３０の分解斜視図である。回路体３３０は、インバータ回路の上アーム及び下アームを構成し、上アーム側半導体素子３２３と下アーム側半導体素子３２４を備える。

上アーム側半導体素子３２３は、ＩＧＢＴ３２１Ｕとダイオード３２２Ｕで構成される。ＩＧＢＴ３２１Ｕ及びダイオード３２２Ｕは、正極側導体板３３４および第１中間導体板３３５とはんだ３６０を介して接続される。

ＩＧＢＴ３２１Ｕは、ボンディングワイヤ３６３を介して信号端子３１４と接続され、信号端子３１４を介してドライバ回路から制御信号を受ける。

下アーム側半導体素子３２４は、ＩＧＢＴ３２１Ｌとダイオード３２２Ｌで構成される。ＩＧＢＴ３２１Ｌ及びダイオード３２２Ｌは、第２中間導体板３３６と負極側導体板３３７とはんだ３６０を介して接続される。

ＩＧＢＴ３２１Ｌは、ボンディングワイヤ３６３を介して信号端子３１５と接続され、信号端子３１５を介してドライバ回路から制御信号を受ける。

ＩＧＢＴ３２１Ｕ及びＩＧＢＴ３２１Ｌは、金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい。

第１中間導体板３３５は、はんだ３６１を介して第２中間導体板３３６と接続される。負極側導体板３３７は、中間直流負極端子３１６を備える。中間直流負極端子３１６は、はんだ３６２を介して負極端子３１２と接続される。

正極側導体板３３４は、正極端子３１１と接続される。第２中間導体板３３６は、交流端子３１３と接続される。交流端子３１３は、第１中間導体板３３５に形成されてもよい。正極側導体板３３４および第１中間導体板３３５および第２中間導体板３３６および負極側導体板３３７は、銅などで形成される。

図３に示されるように、交流回路体１５０は、交流バスバー１０７と、電流センサ１０９と、端子台１１０と、により構成される。交流バスバー１０７は、第１交流中継バスバー１０４と第２交流中継バスバー１０５と第３交流中継バスバー１０６のそれぞれに接続される。端子台１１０は、交流バスバー１０７と第１交流中継バスバー１０４等との接続部と対向する位置に配置され、接続の際の応力を受けたり、接続部の熱を後述する流路形成体１００へ伝達させたりする。電流センサ１０９は、交流バスバー１０７を貫通するように構成される。

流路形成体１００は、第１パワー半導体モジュール１０１を収納する第１収納部１１２と、第２パワー半導体モジュール１０２を収納する第２収納部１１３と、第３パワー半導体モジュール１０３を収納する第３収納部１１４と、を形成する。本実施形態においては、これら第１収納部１１２と第２収納部１１３と第３収納部１１４は、冷媒を流すための流路空間も兼ねているが、第１収納部１１２に冷媒を流す配管を接触させるように構成してもよい。

第１押さえ板１１７は、第１パワー半導体モジュール１０１及び第２パワー半導体モジュール１０２を流路形成体１００に押さえつける。第２押さえ板１１８は、第３パワー半導体モジュール１０３を流路形成体１００に押さえつける。

絶縁部材１１９は、第１押さえ板１１７及び第２押さえ板１１８が配置された空間と、第１交流中継バスバー１０４と第２交流中継バスバー１０５及び第３交流中継バスバー１０６が配置さえた空間との間に配置される。絶縁部材１１９は、第１押さえ板１１７等と第１交流中継バスバー１０４等との絶縁機能を有するとともに、第１交流中継バスバー１０４等で生じる熱を第１押さえ板１１７等を介して流路形成体１００へ伝達機能を有する。

直流電力を平滑化するコンデンサ１１６は、流路形成体１００に形成されたコンデンサ収納部１４０に収納される。

第１直流バスバー１１５ａは、コンデンサ１１６と接続される。本実施形態における第１直流バスバー１１５ａは、正極側バスバーと、負極側バスバーと、これら正極側バスバーと負極側バスバーとの間に配置される絶縁層と、により構成される。

第２直流バスバー１１５ｂは、第１直流バスバー１１５ａと第１パワー半導体モジュール１０１等と接続される。本実施形態における第２直流バスバー１１５ｂは、第１直流バスバー１１５ａと同様に、正極側バスバーと、負極側バスバーと、これら正極側バスバーと負極側バスバーとの間に配置される絶縁層と、により構成される。

接続部１１５ｄは、第１直流バスバー１１５ａの端子と第２直流バスバー１１５ｂの端子とにより構成される。この接続部１１５は、矢印Ａの方向から見た場合に、第１直流バスバー１１５ａの幅及び第２直流バスバー１１５ｂの幅よりも小さい幅で形成される。これにより、第１パワー半導体モジュール１０１と第２パワー半導体モジュール１０２と第３パワー半導体モジュール１０３の相互に流れるスイッチング時の還流電流が、第２直流バスバー１１５ｂに流れ易くなる。また、電源端子１１５ｃからのノイズを除去するノイズ除去用コンデンサ１４１に、第１パワー半導体モジュール１０１等のスイッチングノイズが混入することを抑制することができる。

また、直流バスバーを第１直流バスバー１１５ａと第２直流バスバー１１５ｂとを２つに分けかつ接続部１１５ｄを介して互いに接続されているので、コンデンサ１１６から第１パワー半導体モジュール１０１等までの接続公差を吸収しやすくなる。

３つのパワー半導体モジュールを一列に並べて配置すると、パワー半導体モジュールの３個分の長手寸法が電力変換装置の筐体のサイズに反映されるため、電力変換装置の所定一方向のサイズが大きくなり、配置効率も低下するため、結果として電力変換装置の大型化に繋がるおそれがある。

そこで本実施形態においては、図１及び図２に示されるように、第１パワー半導体モジュール１０１と第２パワー半導体モジュール１０２の配列方向に沿った方向を第１列１５１と定義した場合、第３パワー半導体モジュール１０３と交流回路体１５０は、第１列１５１と平行方向である第２列１５２に沿って配置される。また、交流回路体１５０は、第１列１５１と直角方向であって第２パワー半導体モジュール１０２と対向するとともに、第２列１５２と平行方向であって第３パワー半導体モジュール１０３と対向する空間１０８に配置される。

これにより、電力変換装置の長手方向及び高さ方向の小型化を図ることができる。また第１パワー半導体モジュール１０１と第２パワー半導体モジュール１０２と第３パワー半導体モジュール１０３のそれぞれに対する交流回路体１５０までの配線距離が均一化される傾向なり、交流配線の配線効率を向上させ、電力変換装置の小型化に寄与する。また交流配線の配線効率を向上させることは、交流配線の発熱量の低減を図ることができる。

また本実施形態に係る流路形成体１００は、第１パワー半導体モジュール１０１が流路に挟まれるように収納する第１収納部１１２と、第２パワー半導体モジュール１０２が流路に挟まれるように収納する第２収納部１１３と、第３パワー半導体モジュール１０３が流路に挟まれるように収納する第３収納部１１４と、を形成している。これにより、交流回路体１５０は、第１収納部１１２と第２収納部１１３と第３収納部１１４によって囲まれる位置に配置されるため、交流回路体１５０の冷却性能を大きく向上させることができる。

特に交流回路体１５０を構成する部品のうちの電流センサ１０９は、熱源から優先的に守る必要があるため、第１収納部１１２と第２収納部１１３と第３収納部１１４によって囲まれる位置に配置される。また、交流バスバー１０７は、流路形成体１００への熱的接触を大きくするために、流路形成体１００の所定の一面から他の一面に沿うように屈曲している。交流バスバー１０７の一部は、第１収納部１１２と第２収納部１１３と第３収納部１１４によって囲まれる位置から突出して、端子を形成する。

１００…流路形成体、１０１…第１パワー半導体モジュール、１０２…第２パワー半導体モジュール、１０３…第３パワー半導体モジュール、１０４…第１交流中継バスバー、１０５…第２交流中継バスバー、１０６…第３交流中継バスバー、１０７…交流バスバー、１０８…空間、１０９…電流センサ、１１０…端子台、１１２…第１収納部、１１３…第２収納部、１１４…第３収納部、１１５ａ…第１直流バスバー、１１５ｂ…第２直流バスバー、１１５ｄ…接続部、１１６…コンデンサ、１１７…第１押さえ板、１１８…第２押さえ板、１１９…絶縁部材、１４０…コンデンサ収納部１４０、１４１…ノイズ除去用コンデンサ、１５０…交流回路体、１５１…第１列、１５２…第２列、３０５…接続部、３１１…正極端子、３１２…負極端子、３１３…交流端子、３１４…信号端子、３１５…信号端子、３１６…中間直流負極端子、３２１Ｌ…ＩＧＢＴ、３２１Ｕ…ＩＧＢＴ、３２２Ｌ…ダイオード、３２２Ｕ…ダイオード、３２３…上アーム側半導体素子、３２４…下アーム側半導体素子、３３０…回路体、３３１…封止樹脂、３３３…絶縁シート、３３４…正極側導体板、３３５…第１中間導体板、３３６…第２中間導体板、３３７…負極側導体板、３４１…ケース、３４２…枠体、３４３ａ…第１フィン、３４３ｂ…第２フィン、３４４ａ…第１放熱ベース部、３４４ｂ…第２放熱ベース部、３５０…シール部、３５１…シール部材、３６０…はんだ、３６１…はんだ、３６２…はんだ、３６３…ボンディングワイヤ

Claims (5)

1. Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の交流電流を出力する３つのパワー半導体モジュールと、
   前記交流電流を伝達又は検出する交流回路体と、を備え、
   前記３つのパワー半導体モジュール及び前記交流回路体は、２行２列で区画される４領域のそれぞれの領域に配置される電力変換装置。
2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
   前記３つのパワー半導体モジュールは、Ｕ相交流電流を出力する第１パワー半導体モジュールと、Ｖ相交流電流を出力する第２パワー半導体モジュールと、Ｗ相交流電流を出力する第３パワー半導体モジュールと、で構成され、
   前記交流回路体は、前記Ｕ相交流電流と前記Ｖ相交流電流と前記Ｗ相交流電流を伝達又は検出し、
   前記第１パワー半導体モジュールと前記第２パワー半導体モジュールの配列方向に沿った方向を第１列と定義した場合、
   前記第３パワー半導体モジュールと前記交流回路体は、前記第１列と平行方向である第２列に沿って配置され、
   前記交流回路体は、前記第１列と直角方向であって前記第２パワー半導体モジュールと対向するとともに、前記第２列と平行方向であって前記第３パワー半導体モジュールと対向する空間に配置される電力変換装置。
3. 請求項２に記載された電力変換装置であって、
   冷媒を流れる流路を形成する流路形成体を備え、
   前記流路形成体は、前記第１パワー半導体モジュールを前記流路に挟まれるように収納する第１収納部と、前記第２パワー半導体モジュールを前記流路に挟まれるように収納する第２収納部と、前記第３パワー半導体モジュールを前記流路に挟まれるように収納する第３収納部と、を形成する電力変換装置。
4. 請求項２または３に記載された電力変換装置であって、
   前記交流回路体は、前記Ｕ相交流電流と前記Ｖ相交流電流と前記Ｗ相交流電流のうち少なくとも２つを検出する電流センサと、前記Ｕ相交流電流と前記Ｖ相交流電流と前記Ｗ相交流電流を伝達する交流バスバーを支持する端子台と、により構成される電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置であって、
   前記交流バスバーは、少なくともその一部が前記空間に納まるように配置される電力変換装置。

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