JP2008099460A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体素子同士の熱干渉を低減することができる最適素子配置を実現することにより、素子の近接配置を可能にして、電力変換装置の更なる小型化を達成することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】半導体素子により形成された、複数の直流電圧源の各出力電圧からパルスを生成・合成する各パルス電圧発生部を有し、交流モータの駆動電圧を生成する電力変換装置において、各パルス電圧発生部１１，１２を、異なった直流電圧源に接続されたものが隣り合わせになるように配置した。各パルス電圧発生部１１，１２は、各直流電圧源の一方の電位側に、直流電圧源から負荷への電流経路を制御する第１半導体スイッチと負荷から直流電圧源への電流経路を制御する第２半導体スイッチを並列に接続して構成される。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、複数の直流電圧源に接続された電力変換装置に関する。

従来、大電力に対応した電力変換装置においては、使用する素子数が多いことから素子同士を近接して配置すると近接素子同士間に熱干渉が生じるため、素子同士を離して配置する必要があった。このような従来の電力変換装置として、「電力変換装置の制御方法、及びこれを用いて駆動される電気車両」（特許文献１参照）における電力変換装置が知られている。
図７は、従来の電力変換装置の回路図である。図７に示すように、電力変換装置１は、複数の半導体素子を組み合わせて形成されており、二つの直流電源２ａ，２ｂから入力した電力を変換して３相交流モータ３へ出力し、３相交流モータ３を駆動する。

第１の直流電源２ａと第２の直流電源２ｂの各負極は、共通の負極母線４に接続されている。この共通の負極母線４と３相交流モータ３の各相端子（即ち、誘導負荷の各相への出力端子）との間には、一般的に知られている３相インバータの下アームと同様に、半導体スイッチとダイオードの組５ａ，５ｂ，５ｃが接続される。第１の直流電源２ａの正極が接続される第１の正極母線６ａと３相交流モータ３の各相端子との間は、双方向の導通を制御可能な半導体スイッチの組７ａ，７ｂ，７ｃでそれぞれ接続する。また、第２の直流電源２ｂの正極が接続される第２の正極母線６ｂと３相交流モータ３の各相端子との間にも、双方向の導通を制御可能な半導体スイッチの組８ａ，８ｂ，８ｃをそれぞれ接続する。

第１の正極母線６ａと負極母線４の間には、各半導体スイッチのオン／オフに伴う電圧変動を抑制するために、平滑コンデンサ９ａを設ける。同様の目的で、第２の正極母線６ｂと負極母線４の間にも、平滑コンデンサ９ｂを設ける。
特開２００６−０３３９５５号公報

しかしながら、従来の電力変換装置１においては、半導体素子同士を離して配置する必要があったため、装置全体のサイズが大きくなってしまうことが避けられない。そこで、従来の電力変換装置１の回路構成において、半導体素子同士の熱干渉を低減することができる最適素子配置を提案する。
この発明の目的は、半導体素子同士の熱干渉を低減することができる最適素子配置を実現することにより、素子の近接配置を可能にして、電力変換装置の更なる小型化を達成することができる電力変換装置を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る電力変換装置は、半導体素子により形成された、複数の直流電圧源の各出力電圧からパルスを生成・合成する各パルス電圧発生部を有し、交流モータの駆動電圧を生成する電力変換装置において、前記各パルス電圧発生部を、異なった直流電圧源に接続されたものが隣り合わせになるように配置している。

この発明によれば、半導体素子により形成された、複数の直流電圧源の各出力電圧からパルスを生成・合成する各パルス電圧発生部を有し、交流モータの駆動電圧を生成する電力変換装置は、各パルス電圧発生部が、異なった直流電圧源に接続されたものが隣り合わせになるように配置されている。このため、半導体素子同士の熱干渉を低減することができる最適素子配置を実現することにより、素子の近接配置を可能にして、電力変換装置の更なる小型化を達成することができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施の形態に係る電力変換装置の実装状態における配置構成を示す平面説明図である。図１に示すように、電力変換装置１０は、二つの直流電圧源（図示しない）の一方の高電位側の給電線Ｐ１（Ｐ１バスバ）に接続された複数のパルス電圧発生部１１ａ，１１ｂ，…、及び他方の高電位側の給電線Ｐ２（Ｐ２バスバ）に接続された複数のパルス電圧発生部１２ａ，１２ｂ，…を有している。
各パルス電圧発生部１１，１２は、各直流電圧源の出力電圧からパルスを生成・合成することで３相交流モータ（図示しない）の駆動電圧を生成し、３相交流モータへ出力する。これにより、３相交流モータ、例えば、自動車用電動駆動機が駆動される。

この電力変換装置１０は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）１３や金属酸化半導体電界効果トランジスタ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳＦＥＴ）等の能動素子と、高速整流ダイオード（Ｆａｓｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｄｉｏｄｅｓ：ＦＲＤ）１４等の受動素子から構成されている。

パルス電圧発生部１１ａ，１１ｂ，…及びパルス電圧発生部１２ａ，１２ｂ，…は、それぞれ直流電圧源から負荷（３相交流モータ）への電流経路を制御する第１半導体スイッチと、負荷から直流電圧源への電流経路を制御する第２半導体スイッチを有している。給電線Ｐ１に接続された第１半導体スイッチ及び第２半導体スイッチと、給電線Ｐ２に接続された第１半導体スイッチ及び第２半導体スイッチは、それぞれ所謂３相インバータの上アームを構成し、共通負極線Ｎ（Ｎバスバ）に接続された第３半導体スイッチにより構成される下アームを共通としている。

そして、パルス電圧発生部１１ａ，１１ｂ，…とパルス電圧発生部１２ａ，１２ｂ，…は、給電線Ｐ１と給電線Ｐ２に沿って交互に、且つ、隣り合わせに並べて配置されている。即ち、給電線Ｐ１に接続されたパルス電圧発生部１１ａと給電線Ｐ２に接続されたパルス電圧発生部１２ａを隣接配置した１ブロックとして、給電線Ｐ１に接続されたパルス電圧発生部１１ｂと給電線Ｐ２に接続されたパルス電圧発生部１２ｂを隣接配置した１ブロックとして、パルス電圧発生部１１とパルス電圧発生部１２が交互に位置するように、それぞれ電気的一相分を構成する各ブロック１５ａ，１５ｂ，…が並列に配置されている。
このとき、隣接するブロック同士（例えば、ブロック１５ａとブロック１５ｂ）は、電気的に同一の相（例えば、Ｕ相とＵ相）或いは異なった相（例えば、Ｕ相とＶ相）の何れであっても良い。

このように、パルス電圧発生部１１ａ，１１ｂ，…とパルス電圧発生部１２ａ，１２ｂ，…は、それぞれ異なった直流電圧源に個別に接続されており、同時に作動することはない。つまり、同時に駆動しないアーム同士を隣り合わせで配置しているので、隣り合わせて配置された素子が同時に発熱することがない。このため、隣り合う素子同士における熱干渉を極力低減することができる最適素子配置が実現し、素子の近接配置を可能にして、電力変換装置の更なる小型化を達成することができる。

なお、複数のパルス電圧発生部（１１ａ，１１ｂ，…、１２ａ，１２ｂ，…）が接続されるのは、直流電圧源の高電位（一方の電位）側の給電線（Ｐ１，Ｐ２）に限らず、低電位（他方の電位）側の給電線でも良く、同様に、共通接続するのは、低電位側の給電線に限らず、高電位側の給電線でもよい。また、並列に配置された各ブロック１５ａ，１５ｂ，…において、隣接配置するパルス電圧発生部は、パルス電圧発生部１１とパルス電圧発生部１２の２個に限らず、３個以上でも良い。
図２は、１相分のブロックの実装形状を示す斜視説明図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に沿う断面説明図である。図４は、実装時におけるブロック配置状態を示す平面説明図である。

図２及び図３に示すように、パルス電圧発生部１１、パルス電圧発生部１２、及び第３半導体スイッチ（下アーム）を有する、電気的一相分を構成するブロック１５は、第１銅パターン１６、第２銅パターン１７、第３銅パターン１８、及び中継銅パターン１９，２０を有する基板２１により形成されている。基板２１は、給電線Ｐ１，Ｐ２が配置される側の上辺が共通負極線Ｎが配置される側の下辺より長い台形状に形成されており、第１銅パターン１６、第２銅パターン１７、及び第３銅パターン１８は、基板２１の相似形状に形成されている。

第１銅パターン１６には、パルス電圧発生部１１を構成するＩＧＢＴ１３ａとＦＲＤ１４ａが、第３銅パターン１８には、パルス電圧発生部１１を構成するＩＧＢＴ１３ｂとＦＲＤ１４ｂが、それぞれ配置されている。ＩＧＢＴ１３ａ、ＦＲＤ１４ａ、ＩＧＢＴ１３ｂ、ＦＲＤ１４ｂは、何れも、ボンディングワイヤ２２を用いたワイヤボンディングにより、中継銅パターン１９に接続されている。
第２銅パターン１６には、パルス電圧発生部１２を構成するＩＧＢＴ１３ｃとＦＲＤ１４ｃが、第３銅パターン１８には、パルス電圧発生部１２を構成するＩＧＢＴ１３ｄとＦＲＤ１４ｄが、それぞれ配置されている。ＩＧＢＴ１３ｃ、ＦＲＤ１４ｃ、ＩＧＢＴ１３ｄ、ＦＲＤ１４ｄは、何れも、ボンディングワイヤ２２を用いたワイヤボンディングにより、中継銅パターン２０に接続されている。

また、第１銅パターン１６は給電線Ｐ１に、第２銅パターン１６は給電線Ｐ２に、第３銅パターン１８の第３半導体スイッチを構成するＩＧＢＴ１３ｅ、ＦＲＤ１４ｅは共通負極線Ｎに、それぞれボンディングワイヤ２２を用いたワイヤボンディングにより接続されており、第３銅パターン１８には、ＡＣバスバ２３が接続されている。
つまり、給電線Ｐ１に接続されたパルス電圧発生部１１と給電線Ｐ２に接続されたパルス電圧発生部１２、即ち、上アームが、基板２１の上辺側に配置され、両パルス電圧発生部１１，１２に共通する第３半導体スイッチ、即ち、下アームが基板２１の下辺側に配置されている。

図４に示すように、実装時、基板２１の上辺側に上アームが、下辺側に下アームがそれぞれ配置された、電気的一相分を構成する各ブロック１５は、円環状に配置された共通負極線Ｎの外周に沿って一列に並んで配置される。つまり、共通負極線Ｎの外周囲には、複数（この例では１２個）のブロック１５、即ち、上下アーム一対ずつが、円環形状に配置されている。

なお、図示しないが、複数のブロック１５が円環状に配置された内側、即ち、共通負極線Ｎの内側には、スナバコンデンサ或いは平滑コンデンサを配置しても良い。コンデンサを配置することにより、各アーム−コンデンサ間のインダクタンスが均一化し、これに伴って、局部的なサージの発生を抑えることができる。また、コンデンサを多数並列接続しても、素子−コンデンサ間の距離を均一化することができるので、コンデンサに流れる電流の偏りを抑えることができる。

このように、共通負極線Ｎの外周囲に一対ずつが配置されて形成された、上下アームによる円環形状の外周部には、上アームが位置することになる。このため、電力変換装置１０は、配置形状を容易に円環状にすることができ、円環状に配置することで、電力変換装置１０の更なる小型化、及び半導体スイッチ間の電流バランスを向上させることができる。また、外周部に上アームが位置することで効率的に円環状に配置することができるので、円環状に配置した際の電力変換装置１０の更なる小型化が可能になる。

図５は、円環状に形成した電力変換装置をモータに搭載した状態の一例を示す平面説明図である。図５に示すように、円環状に形成した電力変換装置１０（図４参照）を３相交流モータ２４に搭載して、３相交流モータ２４と一体化するように組み合わせる。そして、ブロック１５の、異なる直流電圧源の高電位側に接続されたパルス電圧発生部１１，１２を、３相交流モータ２４のステータコイル２４ａの近傍に配置する。
つまり、３相交流モータ２４と電力変換装置１０を一体化するように組み合わせて形成した場合に、ブロック１５において発熱量が最も多い、直流電圧源の低電位側に接続された下アーム（図中、破線丸囲み部分参照）を、３相交流モータ２４において発熱量が多いステータコイル２４ａから離して配置する。これにより、３相交流モータ２４の内部温度分布を均一化することができる。

図６は、円環状に形成した電力変換装置をモータに搭載した状態における、ブロックとステータコイルの位置関係を示す平面説明図である。図６に示すように、隣り合って配置された、異なる電源のそれぞれの高電位側に接続されたパルス電圧発生部１１，１２の内で、最も発熱の低いパルス電圧発生部を、３相交流モータ２４のステータコイル２４ａに最も接近させて配置する。
つまり、異なる電源のそれぞれの高電位側に接続された上アームの内の、発熱の少ない方を、ステータコイル２４ａの直近に位置させる。これにより、３相交流モータ２４の内部で発熱の多いステータコイル２４ａと電力変換装置１０内で発熱の少ないパルス電圧発生部を近づけることができるので、３相交流モータ２４内部の温度分布を均一化することができる。

上述したように、この発明に係る電力変換装置は、半導体素子により形成された、複数の直流電圧源の各出力電圧からパルスを生成・合成する各パルス電圧発生部を有し、交流モータの駆動電圧を生成する電力変換装置において、前記各パルス電圧発生部を、異なった直流電圧源に接続されたものが隣り合わせになるように配置している。
また、前記各パルス電圧発生部は、前記各直流電圧源の一方の電位側に、直流電圧源から負荷への電流経路を制御する第１半導体スイッチと負荷から直流電圧源への電流経路を制御する第２半導体スイッチを並列に接続して構成されている。

また、前記複数の直流電圧源の一つの一方の電位側に接続された前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチと、前記複数の直流電圧源の他の一方の電位側に接続された前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチと、共通負極線に接続された第３半導体スイッチとにより、電気的一相分を構成している。
また、電気的一相分を構成するブロックを横に並べて円環状に配置している。
また、円環状に配置された前記各ブロックの外周部に、前記各パルス電圧発生部を配置している。

また、前記交流モータと一体的に組み合わせて形成し、前記各パルス電圧発生部を前記交流モータのステータコイルの近傍に配置している。
また、隣り合わせに配置された前記各パルス電圧発生部の内の発熱量の少ない方を、前記交流モータのステータコイルの近傍に配置している。
また、各ブロックにより形成される円環状部の内側にコンデンサを配置している。

このように、電力変換装置１０は、電気的一相分を構成するブロック１５を円環状に配置するが、その際、２個のハイサイドアームを半導体素子が交互に並ぶようにして近接配置すると共に、ハイサイドアームの内側にローサイドアームを配置する。また、円環状配置の中心部に、コンデンサを配置すると共に、中心部で直流バスバ電極を接続する。
即ち、電力変換装置１０は、電気的に同時に動作することがない２個のハイサイドアームと、常に動作する１個のローサイドアームを有しており、ハイサイドアームは、双方向ＳＷ回路を構成して素子数が多く、更に、各アーム共に半導体素子を複数個並列接続して電流容量を大きくしている。

この結果、熱干渉しない素子同士を近接配置するので、温度上昇を防ぎつつ装置全体を小型化することができる。また、ローサイド側は、素子が少ないこともあって、ハイサイド側程スペースを必要としないので、円環状部の内側に配置することによる単なるスペース削減だけでなく、バスバが均一に短くなることによって各素子毎の電流バランスが良好となり、更に、コンデンサ内の分布寄生インダクタンスが低減するので、コンデンサを小型化することができる。また、発電側と力行側の二つの電力変換回路を有する場合は、同様に、発電側と力行側の素子を交互は位置することにより、素子実装部の小型化とコンデンサの小型化を両立することができる。

この発明の一実施の形態に係る電力変換装置の実装状態における配置構成を示す平面説明図である。 １相分のブロックの実装形状を示す斜視説明図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面説明図である。 実装時におけるブロック配置状態を示す平面説明図である。 円環状に形成した電力変換装置をモータに搭載した状態の一例を示す平面説明図である。 円環状に形成した電力変換装置をモータに搭載した状態における、ブロックとステータコイルの位置関係を示す平面説明図である。 従来の電力変換装置の回路図である。

符号の説明

１０ 電力変換装置
１１，１１ａ，１１ｂ，…，１２，１２ａ，１２ｂ，… パルス電圧発生部
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ ＩＧＢＴ
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ ＦＲＤ
１５，１５ａ，１５ｂ，… ブロック
１６ 第１銅パターン
１７ 第２銅パターン
１８ 第３銅パターン
１９，２０ 中継銅パターン
２１ 基板
２２ ボンディングワイヤ
２３ ＡＣバスバ
２４ ３相交流モータ
２４ａ ステータコイル
Ｎ 共通負極線
Ｐ１，Ｐ２ 給電線

Claims (8)

1. 半導体素子により形成された、複数の直流電圧源の各出力電圧からパルスを生成・合成する各パルス電圧発生部を有し、交流モータの駆動電圧を生成する電力変換装置において、
   前記各パルス電圧発生部を、異なった直流電圧源に接続されたものが隣り合わせになるように配置した電力変換装置。
2. 前記各パルス電圧発生部は、前記各直流電圧源の一方の電位側に、直流電圧源から負荷への電流経路を制御する第１半導体スイッチと負荷から直流電圧源への電流経路を制御する第２半導体スイッチを並列に接続して構成される請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の直流電圧源の一つの一方の電位側に接続された前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチと、前記複数の直流電圧源の他の一方の電位側に接続された前記第１半導体スイッチ及び前記第２半導体スイッチと、共通負極線に接続された第３半導体スイッチとにより、電気的一相分を構成する請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 電気的一相分を構成するブロックを横に並べて円環状に配置した請求項３に記載の電力変換装置。
5. 円環状に配置された前記各ブロックの外周部に、前記各パルス電圧発生部を配置した請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記交流モータと一体的に組み合わせて形成し、前記各パルス電圧発生部を前記交流モータのステータコイルの近傍に配置した請求項５に記載の電力変換装置。
7. 隣り合わせに配置された前記各パルス電圧発生部の内の発熱量の少ない方を、前記交流モータのステータコイルの近傍に配置した請求項５または６に記載の電力変換装置。
8. 各ブロックにより形成される円環状部の内側にコンデンサを配置した請求項４から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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