JP2002016202A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】断面積の増大なしにブスバーの温度上昇を低減
するとともに、実装作業性の向上が可能なインバータ装
置を提供すること。 【解決手段】ヘッダ２１，２２の間に扁平冷却チューブ
２３〜３４が並列配置され、扁平冷却チューブ２３〜３
４の間に半導体モジュール２００，３００，４００，５
００，６００，７００が介設される。ヘッダ２１の反扁
平冷却チューブ側に平滑コンデンサ８が配置され、平滑
コンデンサ８と半導体モジュールとを接続するブスバー
４１＋、４１−がヘッダ２１の頂面に固定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インバータ装置に
関し、詳しくは平滑コンデンサ付きの冷却流体間接冷却
型インバータ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ハイブリッド車、燃料電池車、純二次電
池車など電力を用いて走行する電気自動車では、構成が
堅牢、簡素で制御が容易な交流モータを用いるために、
直流電力と交流電力との間で双方向変換する大電力のイ
ンバータ装置特に三相インバータ装置が採用されてい
る。

【０００３】この種の大電力インバータ装置は、直交変
換を行うインバータ回路の他に、このインバータ回路の
一対の直流端子間に並列接続されて直流電源電圧の変動
を低減する平滑コンデンサ、並びに、平滑コンデンサの
端子（コンデンサ端子ともいうものとする）とインバー
タ回路を構成する半導体モジュールの直流端子とを接続
するブスバーとを有している。

【０００４】また、電気自動車用インバータ装置では、
インバータ回路の発熱が大きいために、冷却流体間接冷
却部材を用いてインバータ回路用の半導体モジュールを
冷却流体により間接冷却することが実用上必須となって
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た電気自動車用インバータ装置では、インバータ回路と
平滑コンデンサとを接続するブスバーに大電流が流れる
ため、その発熱がブスバーを通じてインバータ回路を構
成する半導体モジュールや平滑コンデンサの温度を増大
させるという問題があることがわかった。この問題の軽
減のためにブスバーの断面積を増大することも考えられ
るが、電気自動車では、重量低減が燃費の点で重要であ
るため、その発熱を問題となるレベル以下に減少させる
だけのブスバー断面積の増大は困難であった。

【０００６】また、上記したインバータ装置では、それ
を構成する半導体モジュール、平滑コンデンサ、ブスバ
ー、冷却流体間接冷却部材の高精度の位置合わせが実装
上の問題となっていた。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、断面積の増大なしにブスバーの温度上昇を低減す
るとともに、実装作業性の向上が可能なインバータ装置
を提供することを、その目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のインバー
タ装置は、ベースプレートと、インバータ回路を構成す
る半導体モジュールと、主面が前記半導体モジュールに
密着する扁平冷却チューブと、前記ベースプレートに直
立に固定されて前記扁平冷却チューブの両端に連結され
る一対のヘッダと、前記両ヘッダの一方を介して前記半
導体モジュールに隣接する位置に配設されて一端面が前
記ベースプレートに固定される平滑コンデンサと、前記
平滑コンデンサの他端面に配設されたコンデンサ端子と
前記半導体モジュールの直流端子とを接続するブスバー
とを備え、前記ブスバーは、前記半導体モジュールと前
記平滑コンデンサとの間の前記ヘッダに固定されるイン
バータ装置である。

【０００９】これにより、次の作用効果を奏することが
できる。

【００１０】まず、ブスバーはヘッダにより冷却される
ので、ブスバーの熱が半導体モジュールや平滑コンデン
サに伝達されてそれらを加熱することがない。

【００１１】次に、半導体モジュール内の電力用半導体
素子チップはブスバーに銅やアルミなどの良熱（及び電
気）伝導部材で接続されているので、電力用半導体素子
チップの熱をブスバーを通じてヘッダに吸収することに
より半導体モジュールの放熱効果を向上することができ
る。

【００１２】次に、平滑コンデンサの内部の電極もブス
バーに銅やアルミなどの良熱（及び電気）伝導部材で接
続されているので、平滑コンデンサの熱をブスバーを通
じてヘッダに吸収することにより半導体モジュールの放
熱効果を向上することができる。特に、平滑コンデンサ
は、一対の電極箔が樹脂セパレータを挟んで多重に巻回
された構造を有しているので、平滑コンデンサの径方向
中央部の放熱は容易ではない。これに対して、本構成で
は、平滑コンデンサの中央部の熱は、それぞれ良熱（電
気）伝導部材である電極箔、平滑コンデンサの端子（コ
ンデンサ端子）、ブスバーを通じてヘッダに流れること
ができるので、従来は冷却が容易ではなかった平滑コン
デンサの径方向中央部の温度を良好に低下させることが
できる。

【００１３】また、ベースプレートを通じてヘッダに熱
的に結合される平滑コンデンサの一端面とは逆側の平滑
コンデンサの部分をブスバーを通じて良好に冷却するこ
とができるので、平滑コンデンサの軸方向反ベースプレ
ート側の端部の過熱を防止することができるという利点
も生じる。

【００１４】更に、インバータ装置を収容するケース内
部の空気温度を低下させることができるので、ケース内
部の他の回路部品に対する熱的影響を軽減することもで
きる。

【００１５】その他、ブスバーの空間位置及び姿勢をヘ
ッダを通じてベースプレートに対して規定することがで
きるので、ブスバーに半導体モジュールと平滑コンデン
サとの位置合わせが容易となる。特に、半導体モジュー
ルと扁平冷却チューブとを固定する前に、あらかじめ半
導体モジュールをブスバーに固定する場合には、ブスバ
ーが半導体モジュールの固定部材として機能するため
に、半導体モジュール付きのブスバーをヘッダに固定す
るだけで半導体モジュールと扁平冷却チューブとの位置
合わせが実現でき、組み付け作業が容易となる。この利
点はとりわけ、インバータ回路を多数の半導体モジュー
ルを組み合わせて用いる場合に有利である。

【００１６】請求項２記載の構成によれば請求項１記載
のインバータ装置において更に、前記ブスバーは、低電
位側のブスバーであって、前記ヘッダに直結されること
を特徴としている。これにより、ブスバー（低電位側）
とヘッダとの間の熱抵抗を低減することができる。

【００１７】なお、平滑コンデンサの正極側の端子（コ
ンデンサ端子）とインバータ回路の高位側の直流端子と
を接続する高電位側のブスバーは、薄い電気絶縁フィル
ムを通じて低電位側のブスバーに隣接させることが好ま
しい。このようにすれば、平滑コンデンサの容量を増大
できるとともに、高電位側のブスバーは低電位側のブス
バーを通じてヘッダに良好に放熱することができる。も
ちろん、高電位側のブスバーを薄い電気絶縁フィルムを
通じて直接ヘッダの頂面に密着させて低電位側のブスバ
ーを介することなく放熱してもよい。この場合には、高
電位側のブスバーをヘッダに固定するのに樹脂スクリュ
ーを用いればよい。

【００１８】請求項３記載のインバータ装置は、ベース
プレートと、インバータ回路を構成する半導体モジュー
ルと、主面が前記半導体モジュールに密着する扁平冷却
チューブと、前記ベースプレートに直立に固定されて前
記扁平冷却チューブの両端に連結される一対のヘッダ
と、前記両ヘッダの一方を介して前記半導体モジュール
に隣接する位置に配設されて一端面が前記ベースプレー
トに固定される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサ
の他端面に配設されたコンデンサ端子と前記半導体モジ
ュールの直流端子とを接続するブスバーとを備え、前記
コンデンサの側面は、前記半導体モジュールと前記平滑
コンデンサとの間の前記ヘッダに当接されることを特徴
とするインバータ装置である。

【００１９】本構成によれば、平滑コンデンサはその側
面すなわち外周面からヘッダに良好に放熱することがで
きるので、平滑コンデンサの内部温度上昇を更に良好に
抑止することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明のインバータ装置の好適な
態様を以下の実施例を参照して説明する。

【００２１】

【実施例】（回路構成）図１は、電気自動車の走行モー
タ駆動制御用の三相インバータ回路装置の回路図であ
る。

【００２２】１は電池（直流電源）、２００〜７００は
それぞれ、寄生ダイオ−ドをフライホイールダイオ−ド
として利用するＮＭＯＳトランジスタからなる半導体モ
ジュールである。

【００２３】半導体モジュール２００はＵ相上アームを
構成し、半導体モジュール３００はＵ相下アームを構成
し、半導体モジュール４００はＶ相上アームを構成し、
半導体モジュール５００はＶ相下アームを構成し、半導
体モジュール６００はＷ相上アームを構成し、半導体モ
ジュール７００はＷ相下アームを構成している。

【００２４】２０１はＵ相上アームの正の直流電源端子
（ドレイン側）、２０２はＵ相上アームの交流出力端子
（ソース側）、３０１はＵ相下アームの交流出力端子
（ドレイン側）、３０２はＵ相下アームの負の直流端子
（ソース側）である。

【００２５】４０１はＶ相上アームの正の直流電源端子
（ドレイン側）、４０２はＶ相上アームの交流出力端子
（ソース側）、５０１はＶ相下アームの交流出力端子
（ドレイン側）、５０２はＶ相下アームの負の直流端子
（ソース側）である。

【００２６】６０１はＷ相上アームの正の直流電源端子
（ドレイン側）、６０２はＷ相上アームの交流出力端子
（ソース側）、７０１はＷ相下アームの交流出力端子
（ドレイン側）、７０２はＷ相下アームの負の直流端子
（ソース側）である。

【００２７】各正の直流端子２０１、４０１、６０１
は、平滑コンデンサ８の正極端子とともに電池１の正極
端子に接続され、各負の直流端子３０２、５０２、７０
２は、平滑コンデンサ８の負極端子ともに電池１の負極
端子に接続されている。Ｕ相交流出力端子２０２、３０
１は接続点２０３で接続され、Ｖ相交流出力端子４０
２、５０１は接続点４０３で接続され、Ｗ相交流出力端
子６０２、７０１は接続点６０３で接続されて三相交流
モータ２９の電機子巻線（図示せず）に給電している。

【００２８】１０はコントローラであり、各半導体素子
のゲート電極に制御電圧を出力するとともに、各半導体
素子の温度検出などを行っている。三相交流モータ９を
駆動する上記三相インバータ回路及び平滑コンデンサ８
の動作自体は周知であり、更に詳細な説明を省略する。 （半導体モジュールの構成）Ｕ相上アームの半導体モジ
ュール２００を図２（ａ）、図２（ｂ）を参照して以下
に説明する。図２（ａ）は分解斜視図、図２（ｂ）は全
体斜視図を示す。

【００２９】２０５は、正の直流電源端子（下アームの
場合は交流出力端子）２０１を有する金属伝熱板、２０
６は交流出力端子（下アームの場合は負の直流電源端
子）２０２を有する金属伝熱板、２０８は半導体素子
（電力用半導体素子チップ）２の制御電極端子である。
半導体素子２は金属伝熱板２０５上にハンダ付けされ、
金属伝熱板２０６が半導体素子２の上面にハンダ付けさ
れている。これらは、金属伝熱板２０５、２０６の外主
面を露出させ、端子２０１、２０２、２０８を突出させ
た状態で樹脂２０９により封止されて半導体モジュール
２００を構成している。

【００３０】他のアーム２００、３００、６００、７０
０も図２（ａ）、図２（ｂ）の構成を有している。Ｖ相
のアーム４００、５００は、図３に示す構成を採用し、
図２（ａ）、（ｂ）に対して、ＮＭＯＳトランジスタの
ドレイン電極とソース電極とを逆配置としている。

【００３１】なお、半導体素子２としてＩＧＢＴを採用
する場合は、別途フライホイールダイオードが必要とな
るが、これは図２（ａ）において半導体素子２２の右側
に並置して構成すれば良い。

【００３２】図３は半導体モジュール５００を示す。

【００３３】５０５は、交流出力端子（上アームの場合
は正の直流電源端子）５０１を有する金属放熱板、５０
６は負の直流電源端子（上アームの場合は交流出力端
子）５０２を有する金属放熱板、５０８は半導体素子
（電力用半導体素子チップ）の制御電極端子、５０９は
モールド樹脂である。半導体モジュール３００、７００
は、半導体モジュール５００と同じ構成を採用してい
る。

【００３４】（冷却系の説明）冷却系を図４〜図７を参
照して以下に説明する。図４にこの実施例のインバータ
装置の平面図を示し、図５にインバータ装置の側面図を
示し、図６にブスバー及び半導体モジュールを省略した
状態の平面図を示し、図６に平滑コンデンサと冷却系を
省略した状態の平面図を示す。

【００３５】２１、２２はヘッダ、２３〜３４は扁平冷
却チューブ、３５、３６は連結パイプ、４０はベースプ
レート、５１〜５３はスクリュー、５４〜５６はねじ穴
である。ヘッダ２１、２３は、互いに所定間隔を隔てて
平行に、かつ、ベースプレート４０に直立に立設されて
おり、ヘッダ２１、２３の下端には連結パイプ３５、３
６が固定されている。扁平冷却チューブ２３〜３４は、
両端がヘッダ２１、２２に冷却流体連通可能に固定され
ている。扁平冷却チューブ２３〜３４は互いに所定間隔
を隔てて平行配置され、扁平冷却チューブ２３〜３４の
主面は、ヘッダ２１、２２の主面及びベースプレート４
０の主面と直角に配置されている。扁平冷却チューブ２
３は、引き抜き法又は押し出し法で形成された扁平中空
アルミ成形部材からなる。これにより、連結パイプ３５
からヘッダ２１に入った冷却流体は扁平冷却チューブ２
３〜３４、ヘッダ２２、連結パイプ３６を通じて外部の
放熱器に送られる。半導体モジュール２００、３００、
４００、５００、６００、７００は、扁平冷却チューブ
２３〜３４の間の各隙間に配置され、各半導体モジュー
ルの両金属放熱板は薄い電気絶縁シート（図示せず）を
介して扁平冷却チューブ２３〜３４の主面に密着してい
る。なお、接地側の金属放熱板は扁平冷却チューブに密
着させてもよい。

【００３６】（平滑コンデンサの構成）平滑コンデンサ
８は、図６に示すように、それぞれ正負一対の端子（コ
ンデンサ端子）を２つの扁平円筒コンデンサからなり、
ヘッダ２１を挟んで扁平冷却チューブ２３〜３４と反対
側に配置され、平滑コンデンサ８の底面がベースプレー
ト４０上に固定され、平滑コンデンサ８の外側面の平坦
部がヘッダ２１の平坦な外側面に密着されている。

【００３７】（ブスバーの説明）それぞれ段差を有する
ブスバー４１＋、４１−が薄い絶縁樹脂フィルム４１I
を挟んで密着されて、ヘッダ２１の上方にベースプレー
ト４０と平行に延設されている。ブスバー４１＋及び平
滑コンデンサ８の正極端子は、それぞれ締結用のボルト
が嵌入される孔をもち、ブスバー４１＋はこのボルトに
より平滑コンデンサ８の正極端子に固定されている。同
様に、ブスバー４１−及び平滑コンデンサ８の負極端子
は、それぞれ締結用のボルトが嵌入される孔をもち、ブ
スバー４１−はこのボルトにより平滑コンデンサ８の負
極端子に固定されている。

【００３８】ブスバー４１−は、図５に示すように、平
滑コンデンサ８の負極端子に締結されて扁平冷却チュー
ブ２３〜３４側へベースプレート４０と平行に延設され
る基板部４１０と、基板部４１０の先端部からベースプ
レート４０へ向けて屈曲した屈曲部４１１と、屈曲部４
１１の先端部から扁平冷却チューブ２３〜３４の上方へ
ベースプレート４０と平行に延設される先端板部４１２
とを有し、先端板部４１２にはスクリュー５１〜５３が
螺入される貫通孔を有している。スクリュー５３はこの
貫通孔を貫通してヘッダ２１に形成されねじ穴５４〜５
６に螺入され、これにより、ブスバー４１−の先端板部
４１２はヘッダ２１の頂面に密着、固定されている。ブ
スバー４１−の先端板部４１２の先端は屈曲されて、図
７に示すように半導体モジュール、半導体モジュール３
００、５００、７００の負の直流端子３０２、５０２、
７０２に密着している。

【００３９】ブスバー４１＋は、図５に示すように、平
滑コンデンサ８の正極端子に締結されて扁平冷却チュー
ブ２３〜３４側へベースプレート４０と平行に延設され
る基板部４１３と、基板部４１３の先端部からベースプ
レート４０へ向けて屈曲した屈曲部４１４と、屈曲部４
１４の先端部から扁平冷却チューブ２３〜３４の上方へ
ベースプレート４０と平行に延設される先端板部４１５
とを有し、ブスバー４１＋の先端板部４１５の先端は屈
曲されて、図７に示すように、半導体モジュール２０
０、４００、６００の正の直流端子２０１、４０１、６
０１に密着している。４２はＵ相交流出力用のブスバ
ー、４３はＶ相交流出力用のブスバー、４４はＷ相交流
出力用のブスバーであり、それぞれ、半導体モジュール
２００、３００、４００、５００、６００、７００の上
方にてベースプレート４０と平行に延設されて、ブスバ
ー４２はＵ相交流出力端子２０２、３０１に、ブスバー
４３はＶ相交流出力端子４０２、５０１に、ブスバー４
４はＷ相交流出力端子６０２、７０１に密着している。

【００４０】（組み付け）この実施例では、半導体モジ
ュール２００、３００、４００、５００、６００、７０
０の各端子２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、
４０２、５０１、５０２、６０１、６０２、７０１、７
０２はブスバー４２〜４４に半田付けされる。各半導体
モジュールの金属放熱板に電気絶縁シートが貼着され
る。

【００４１】その後、各半導体モジュール２００、３０
０、４００、５００、６００、７００は、扁平冷却チュ
ーブ２３〜３４の間の隙間に挿入されて、スクリュー５
１〜５３をブスバー４１−の貫通孔を貫通させた後、ヘ
ッダ２１のねじ穴５４〜５６に螺入する。これにより、
この締結により半導体モジュールの位置決めがなされ、
組み付けが完了する。

【００４２】なお、扁平冷却チューブ２３〜３４との半
導体モジュールとの間の隙間をなくすために、グリスを
用いても良く、弾性挟持部材により扁平冷却チューブ２
３〜３４と半導体モジュール２００、３００、４００、
５００、６００、７００とのセットを扁平冷却チューブ
２３〜３４の弾性変形限界の範囲内で半導体モジュール
の厚さ方向に挟圧してもよい。

【００４３】扁平冷却チューブ２３〜３４の上端部は、
上方へ向かうにつれて半導体モジュールの厚さ方向の幅
が狭くなる形状に形成することが好ましい。これによ
り、扁平冷却チューブ２３〜３４間の隙間は上方に向か
うにつれて幅広となり、半導体モジュールの挿入が楽に
行える。

【００４４】この実施例では、半導体モジュールの端子
をあらかじめブスバーに半田付け（溶接やろう付けでも
よい）などで固定してから、扁平冷却チューブ２３〜３
４の隙間に挿入するので、ブスバーと半導体モジュール
との間の位置合わせを半導体モジュールの扁平冷却チュ
ーブ２３〜３４挿入後に行うのに比較して格段に容易と
なる。 （変形態様）ヘッダ２１、２２は、それぞれ扁平冷却チ
ューブ２３〜３４の端部が嵌入される開口部をもち、こ
の開口部に扁平冷却チューブ２３〜３４が挿入された
後、ヘッダ２１、２２と扁平冷却チューブ２３〜３４と
はろう付けされるが、ヘッダ２１、２２がヘッダ２１、
２２の上記開口部を囲む筒部をもつことができる。この
筒部は薄肉であるので、扁平冷却チューブ２３〜３４よ
りも容易に半導体モジュールの厚さ方向に弾性変形する
ことができ、半導体モジュール挟圧力を発生することが
できる。その他、この筒部を塑性変形させてもよい。 （変形態様）上記実施例では、半導体モジュールの端子
をあらかじめブスバーに半田付け（溶接やろう付けでも
よい）などで固定してから、扁平冷却チューブ２３〜３
４の隙間に挿入したが、扁平冷却チューブ２３〜３４の
間にあらかじめ介装された半導体モジュールをブスバー
に接続するようにしてもよい。 （変形態様）上記各実施例において、半導体モジュール
を挟圧する一対の扁平冷却チューブのうちの一方を、冷
却流体が流通する冷却配管とし、他方を金属中実として
もよい。このようにすればヒートシンク性能を向上する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインバータ装置を適用した電気自動車
の走行モータ駆動制御用の三相インバータ回路装置の一
実施例を示す回路図である。

【図２】（ａ）は図１に示す半導体モジュールの分解斜
視図である。（ｂ）は図１に示す半導体モジュールの斜
視図である。

【図３】図１に示す半導体モジュールの斜視図である。

【図４】図１に示すインバータ装置の平面図である。

【図５】図１に示すインバータ装置の側面図である。

【図６】図１に示すインバータ装置のブスバー及び半導
体モジュールを省略した冷却系の平面図である。

【図７】図１に示すインバータ装置の平滑コンデンサと
冷却系を省略した部分の平面図である。

【符号の説明】

４０ ベースプレート ２００ 半導体モジュール ３００ 半導体モジュール ４００ 半導体モジュール ５００ 半導体モジュール ６００ 半導体モジュール ７００ 半導体モジュール ２３〜３４ 扁平冷却チューブ ２１ ヘッダ ２２ ヘッダ ８ 平滑コンデンサ ４１＋ 高電位側のブスバー ４１− 低電位側のブスバー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ベースプレートと、 インバータ回路を構成する半導体モジュールと、 主面が前記半導体モジュールに密着する扁平冷却チュー
   ブと、 前記ベースプレートに直立に固定されて前記扁平冷却チ
   ューブの両端に連結される一対のヘッダと、 前記両ヘッダの一方を介して前記半導体モジュールに隣
   接する位置に配設されて一端面が前記ベースプレートに
   固定される平滑コンデンサと、 前記平滑コンデンサの他端面に配設されたコンデンサ端
   子と前記半導体モジュールの直流端子とを接続するブス
   バーと、 を備え、 前記ブスバーは、前記半導体モジュールと前記平滑コン
   デンサとの間の前記ヘッダに固定されることを特徴とす
   るインバータ装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のインバータ装置において、 前記ブスバーは、低電位側のブスバーであって、前記ヘ
   ッダに直結されることを特徴とするインバータ装置。
3. 【請求項３】ベースプレートと、 インバータ回路を構成する半導体モジュールと、 主面が前記半導体モジュールに密着する扁平冷却チュー
   ブと、 前記ベースプレートに直立に固定されて前記扁平冷却チ
   ューブの両端に連結される一対のヘッダと、 前記両ヘッダの一方を介して前記半導体モジュールに隣
   接する位置に配設されて一端面が前記ベースプレートに
   固定される平滑コンデンサと、 前記平滑コンデンサの他端面に配設されたコンデンサ端
   子と前記半導体モジュールの直流端子とを接続するブス
   バーと、 を備え、 前記コンデンサの側面は、前記半導体モジュールと前記
   平滑コンデンサとの間の前記ヘッダに当接されることを
   特徴とするインバータ装置。