JP2010011671A - Power convertor - Google Patents

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Masamitsu Inaba
政光 稲葉
Atsuo Nishihara
淳夫 西原
Koichi Hachiman
光一 八幡
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power convertor capable of suppressing heat generation in a drive circuit switching at a high speed even under a high-temperature environment. <P>SOLUTION: The power convertor includes: a power module 300; a metal base 304 which is disposed in contact with the power module 300 and radiates heat of a switching device; a drive circuit substrate 22 disposed on the opposite side to the metal base 304, sandwiching the power module 300; and a metal stay 350 forming a thermal transfer path between the drive circuit substrate 22 and the metal base 304. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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する。   The present invention relates to a power conversion device that converts DC power into AC power or converts AC power into DC power.

電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する機能を備えている。前記変換機能を果すため、電力変換装置は複数のスイッチング素子を有するインバータ回路を有しており、前記スイッチング素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより直流電力から交流電力へあるいは交流電力から直流電力への電力変換を行う。   The power converter is a function for converting DC power supplied from a DC power source into AC power for supplying an AC electric load such as a rotating electrical machine, or for supplying AC power generated by the rotating electrical machine to a DC power source. It has a function to convert to DC power. In order to perform the conversion function, the power conversion device includes an inverter circuit having a plurality of switching elements, and the switching elements repeat conduction operation and interruption operation, thereby switching from DC power to AC power or from AC power to DC power. Power conversion to.

前記スイッチング素子を駆動する回路では、高速スイッチングにより駆動電流が増大するため、回路を構成する電子部品が発熱し、動作温度を超えてしまう。この発熱を抑える技術が、特許文献1(特開2004−134491号公報)に記載されている。前記特許文献1によれば、枠状嵌合部と一体的に連続形成された伝熱用帯体が電子部品に接触し、発生する熱を壁体に放熱することが記載されている。   In the circuit for driving the switching element, the drive current increases due to the high-speed switching, so that the electronic components constituting the circuit generate heat and exceed the operating temperature. A technique for suppressing this heat generation is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-134491. According to Patent Document 1, it is described that a heat transfer strip formed integrally and continuously with a frame-shaped fitting portion comes into contact with an electronic component and dissipates generated heat to a wall body.

特開2004−134491号公報JP 2004-134491 A

車両に搭載される電力変換装置は工場内に設置される一般の産業機械の電力変換装置に比べ高い温度環境で使用される。このため前記スイッチング素子の駆動回路の発熱をできるだけ低減することが望ましい。   A power conversion device mounted on a vehicle is used in a higher temperature environment than a power conversion device of a general industrial machine installed in a factory. For this reason, it is desirable to reduce heat generation of the switching element drive circuit as much as possible.

そこで、本発明の目的は高温環境下で高速スイッチングする駆動回路の発熱を低減する電力変換装置を提供することである。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a power converter that reduces heat generation of a drive circuit that performs high-speed switching in a high-temperature environment.

本発明に係る電力変換装置の特徴は次のとおりである。バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換する複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、前記パワーモジュールに接触して配置され、前記スイッチング素子の熱を放熱する金属ベースと、前記パワーモジュールをはさんで前記金属ベースとは反対側に配置された前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路基板と、前記駆動回路基板と前記金属ベースの間の熱伝達経路をなす金属ステーとを有する電力変換装置である。   The characteristics of the power converter according to the present invention are as follows. A power module having a plurality of switching elements for converting a direct current supplied from a battery into an alternating current, a metal base disposed in contact with the power module and dissipating heat of the switching elements, and the power module A drive circuit board for controlling the switching operation of the plurality of switching elements arranged on the opposite side of the metal base, and a metal stay forming a heat transfer path between the drive circuit board and the metal base, It is a power converter device which has.

また、バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換する複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、前記パワーモジュールに接触して配置され、前記スイッチング素子の熱を放熱する金属ベースと前記パワーモジュールをはさんで前記金属ベースとは反対側に配置された前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路基板とを有し、前記パワーモジュールと前記駆動回路基板の間に熱伝導シートを挟み前記熱伝導シートと密着された放熱板を有する電力変換装置である。   A power module having a plurality of switching elements for converting a direct current supplied from a battery into an alternating current; a metal base disposed in contact with the power module and dissipating heat from the switching elements; and the power module. A drive circuit board for controlling the switching operation of the plurality of switching elements disposed on the opposite side of the metal base, and a heat conductive sheet between the power module and the drive circuit board. It is a power converter device which has a heat sink closely attached to the thermal conductive sheet.

本発明によれば、高温環境下で高速スイッチングする駆動回路の発熱を低減することができる。   According to the present invention, it is possible to reduce heat generation of a drive circuit that performs high-speed switching in a high temperature environment.

本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置はハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図1と図2を用いて説明する。図1はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図2は上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサモジュールを備えた電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。   A power converter according to an embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The power conversion device according to the embodiment of the present invention can be applied to a hybrid vehicle or a pure electric vehicle. As a representative example, control when the power conversion device according to the embodiment of the present invention is applied to a hybrid vehicle. A structure and the circuit structure of a power converter device are demonstrated using FIG. 1 and FIG. FIG. 1 is a diagram showing a control block of a hybrid vehicle. FIG. 2 shows an inverter apparatus including a series circuit of upper and lower arms and a control unit, a power conversion apparatus including a capacitor module connected to the DC side of the inverter apparatus, a battery, and a motor drive electric machine system including a motor generator. FIG.

本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。   The power conversion device according to the embodiment of the present invention is used in a vehicle-mounted power conversion device for a vehicle-mounted electrical system mounted on an automobile, in particular, a vehicle drive electrical system, and has a very severe mounting environment and operational environment. The inverter device will be described as an example. A vehicle drive inverter device is provided in a vehicle drive electrical system as a control device for controlling the drive of a vehicle drive motor, and a DC power supplied from an in-vehicle battery or an in-vehicle power generator constituting an in-vehicle power source is a predetermined AC power. Then, the AC power obtained is supplied to the vehicle drive motor to control the drive of the vehicle drive motor. Further, since the vehicle drive motor also has a function as a generator, the vehicle drive inverter device also has a function of converting the AC power generated by the vehicle drive motor into DC power according to the operation mode. Yes. The converted DC power is supplied to the on-vehicle battery.

なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶,航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。   The configuration of the present embodiment is optimal as a power conversion device for driving a vehicle such as an automobile or a truck. However, other power conversion devices such as a power conversion device such as a train, a ship, and an aircraft, and a factory facility are also included. Applicable to industrial power converters used as drive motor control devices, or household power conversion devices used in home solar power generation systems and motor control devices that drive household appliances It is.

図1において、ハイブリッド電気自動車(以下、「HEV」と記述する)110は1つの電動車両であり、2つの車両駆動用システムを備えている。その1つは、内燃機関であるエンジン120を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてHEVの駆動源として用いられる。もう1つは、モータジェネレータ192,194を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてHEVの駆動源及びHEVの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ192,194は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。   In FIG. 1, a hybrid electric vehicle (hereinafter referred to as “HEV”) 110 is one electric vehicle and includes two vehicle drive systems. One of them is an engine system that uses an engine 120 that is an internal combustion engine as a power source. The engine system is mainly used as a drive source for HEV. The other is an in-vehicle electric system using motor generators 192 and 194 as a power source. The in-vehicle electric system is mainly used as an HEV drive source and an HEV power generation source. The motor generators 192 and 194 are, for example, synchronous machines or induction machines, and operate as both a motor and a generator depending on the operation method.

車体のフロント部には前輪車軸114が回転可能に軸支されている。前輪車軸114の両端には1対の前輪112が設けられている。車体のリア部には後輪車軸(図示省略)が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には1対の後輪が設けられている。本実施形態のHEVでは、動力によって駆動される主輪を前輪112とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。   A front wheel axle 114 is rotatably supported at the front portion of the vehicle body. A pair of front wheels 112 are provided at both ends of the front wheel axle 114. A rear wheel axle (not shown) is rotatably supported on the rear portion of the vehicle body. A pair of rear wheels are provided at both ends of the rear wheel axle. The HEV of this embodiment employs a so-called front wheel drive system in which the main wheel driven by power is the front wheel 112 and the driven wheel to be driven is the rear wheel. You may adopt.

前輪車軸114の中央部には前輪側デファレンシャルギア(以下、「前輪側DEF」と記述する)116が設けられている。前輪車軸114は前輪側DEF116の出力側に機械的に接続されている。前輪側DEF116の入力側には変速機118の出力軸が機械的に接続されている。前輪側DEF116は、変速機118によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸114に分配する差動式動力分配機構である。変速機118の入力側にはモータジェネレータ192の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ192の入力側には動力分配機構122を介してエンジン120の出力側及びモータジェネレータ194の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ192,194及び動力分配機構122は、変速機118の筐体の内部に収納されている。   A front wheel side differential gear (hereinafter referred to as “front wheel side DEF”) 116 is provided at the center of the front wheel axle 114. The front wheel axle 114 is mechanically connected to the output side of the front wheel side DEF 116. The output shaft of the transmission 118 is mechanically connected to the input side of the front wheel side DEF 116. The front wheel side DEF 116 is a differential power distribution mechanism that distributes the rotational driving force that is shifted and transmitted by the transmission 118 to the left and right front wheel axles 114. The output side of the motor generator 192 is mechanically connected to the input side of the transmission 118. The output side of the engine 120 and the output side of the motor generator 194 are mechanically connected to the input side of the motor generator 192 via the power distribution mechanism 122. Motor generators 192 and 194 and power distribution mechanism 122 are housed inside the casing of transmission 118.

動力分配機構122は歯車123〜130から構成された差動機構である。歯車125〜128は傘歯車である。歯車123,124,129,130は平歯車である。モータジェネレータ192の動力は変速機118に直接に伝達される。モータジェネレータ192の軸は歯車129と同軸になっている。この構成により、モータジェネレータ192に対して駆動電力の供給が無い場合には、歯車129に伝達された動力がそのまま変速機118の入力側に伝達される。   The power distribution mechanism 122 is a differential mechanism composed of gears 123 to 130. The gears 125 to 128 are bevel gears. The gears 123, 124, 129, and 130 are spur gears. The power of motor generator 192 is directly transmitted to transmission 118. The shaft of the motor generator 192 is coaxial with the gear 129. With this configuration, when no driving power is supplied to the motor generator 192, the power transmitted to the gear 129 is directly transmitted to the input side of the transmission 118.

エンジン120の作動によって歯車123が駆動されると、エンジン120の動力は歯車123から歯車124に、次に、歯車124から歯車126及び歯車128に、次に、歯車126及び歯車128から歯車130にそれぞれ伝達され、最終的には歯車129に伝達される。モータジェネレータ194の作動によって歯車125が駆動されると、モータジェネレータ194の回転は歯車125から歯車126及び歯車128に、次に、歯車126及び歯車128から歯車130のそれぞれに伝達され、最終的には歯車129に伝達される。尚、動力分配機構122としては上述した差動機構に代えて、遊星歯車機構などの他の機構を用いても構わない。   When the gear 123 is driven by the operation of the engine 120, the power of the engine 120 is transferred from the gear 123 to the gear 124, then from the gear 124 to the gear 126 and the gear 128, and then from the gear 126 and the gear 128 to the gear 130. Each is transmitted and finally transmitted to the gear 129. When the gear 125 is driven by the operation of the motor generator 194, the rotation of the motor generator 194 is transmitted from the gear 125 to the gear 126 and the gear 128, and then from the gear 126 and the gear 128 to the gear 130, respectively. Is transmitted to the gear 129. As the power distribution mechanism 122, other mechanisms such as a planetary gear mechanism may be used instead of the above-described differential mechanism.

モータジェネレータ192,194は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置140,142によって制御されることによりモータジェネレータ192,194の駆動が制御される。インバータ装置140,142にはバッテリ136が電気的に接続されており、バッテリ136とインバータ装置140,142との相互において電力の授受が可能である。   The motor generators 192 and 194 are synchronous machines having a permanent magnet on the rotor, and the AC power supplied to the armature windings of the stator is controlled by the inverter devices 140 and 142, thereby the motor generators 192 and 194. Is controlled. A battery 136 is electrically connected to the inverter devices 140 and 142, and power can be exchanged between the battery 136 and the inverter devices 140 and 142.

本実施形態では、モータジェネレータ192及びインバータ装置140からなる第1電動発電ユニットと、モータジェネレータ194及びインバータ装置142からなる第2電動発電ユニットとの2つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、エンジン120からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第2電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第1電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第1電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第2電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。   In the present embodiment, the first motor generator unit composed of the motor generator 192 and the inverter device 140 and the second motor generator unit composed of the motor generator 194 and the inverter device 142 are provided. ing. That is, in the case where the vehicle is driven by the power from the engine 120, when assisting the driving torque of the vehicle, the second motor generator unit is operated as the power generation unit by the power of the engine 120 to generate power. The first electric power generation unit is operated as an electric unit by the obtained electric power. Further, in the same case, when assisting the vehicle speed of the vehicle, the first motor generator unit is operated by the power of the engine 120 as a power generation unit to generate power, and the second motor generator unit is generated by the electric power obtained by the power generation. Operate as an electric unit.

また、本実施形態では、バッテリ136の電力によって第1電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ192の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第1電動発電ユニット又は第2電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動力或いは車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ136の充電ができる。   In the present embodiment, the vehicle can be driven only by the power of the motor generator 192 by operating the first motor generator unit as an electric unit by the electric power of the battery 136. Furthermore, in the present embodiment, the battery 136 can be charged by generating power by operating the first motor generator unit or the second motor generator unit as the power generation unit by the power of the engine 120 or the power from the wheels.

バッテリ136はさらに補機用のモータ195を駆動するための電源としても使用される。補機としては例えばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ136から補機用インバータ装置43に直流電力が供給され、補機用インバータ装置43で交流の電力に変換されてモータ195に供給される。補機用インバータ装置43はインバータ装置140や142と同様の機能を持ち、モータ195に供給する交流の位相や周波数,電力を制御する。例えばモータ195の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ195はトルクを発生する。一方遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ195は発電機として作用し、モータ195は回生制動状態の運転となる。このような補機用インバータ装置43の制御機能はインバータ装置140や142の制御機能と同様である。モータ195の容量がモータジェネレータ192や194の容量より小さいので、補機用インバータ装置43の最大変換電力がインバータ装置140や142より小さいが、補機用インバータ装置43の回路構成は基本的にインバータ装置140や142の回路構成と同じである。   The battery 136 is also used as a power source for driving an auxiliary motor 195. The auxiliary machine is, for example, a motor that drives a compressor of an air conditioner or a motor that drives a hydraulic pump for control. DC power is supplied from the battery 136 to the auxiliary machine inverter unit 43, and the auxiliary machine inverter unit 43 It is converted into AC power and supplied to the motor 195. The auxiliary inverter device 43 has the same function as the inverter devices 140 and 142 and controls the phase, frequency, and power of the alternating current supplied to the motor 195. For example, the motor 195 generates torque by supplying AC power having a leading phase with respect to the rotation of the rotor of the motor 195. On the other hand, by generating the delayed phase AC power, the motor 195 acts as a generator, and the motor 195 is operated in a regenerative braking state. The control function of the auxiliary inverter device 43 is the same as the control function of the inverter devices 140 and 142. Since the capacity of the motor 195 is smaller than that of the motor generators 192 and 194, the maximum conversion power of the auxiliary inverter device 43 is smaller than the inverter devices 140 and 142, but the circuit configuration of the auxiliary inverter device 43 is basically an inverter. The circuit configuration of the devices 140 and 142 is the same.

インバータ装置140や142および補機用インバータ装置43さらにコンデンサモジュール500は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置は、インバータ装置140や142および補機用インバータ装置43さらにコンデンサモジュール500を電力変換装置の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。   The inverter devices 140 and 142, the auxiliary inverter device 43, and the capacitor module 500 are in an electrical close relationship. Furthermore, there is a common point that measures against heat generation are necessary. It is also desired to make the volume of the device as small as possible. From these points, the power conversion device described in detail below includes the inverter devices 140 and 142, the auxiliary inverter device 43, and the capacitor module 500 in the casing of the power conversion device. With this configuration, a small and highly reliable device can be realized.

またインバータ装置140や142および補機用インバータ装置43さらにコンデンサモジュール500を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール500とインバータ装置140や142および補機用インバータ装置43との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。   Further, by incorporating the inverter devices 140 and 142, the auxiliary inverter device 43, and the capacitor module 500 in one housing, it is effective in simplifying wiring and taking measures against noise. Further, the inductance of the connection circuit between the capacitor module 500, the inverter devices 140 and 142, and the auxiliary inverter device 43 can be reduced, the spike voltage can be reduced, the heat generation can be reduced, and the heat radiation efficiency can be improved.

次に、図2を用いてインバータ装置140や142あるいは補機用インバータ装置43の電気回路構成を説明する。尚、図1,図2に示す実施形態では、インバータ装置140や142あるいは補機用インバータ装置43をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置140や142あるいは補機用インバータ装置43は同様の構成で同様の作用をためし、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置140の説明を行う。   Next, the electric circuit configuration of the inverter devices 140 and 142 or the auxiliary inverter device 43 will be described with reference to FIG. In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the case where the inverter devices 140 and 142 or the auxiliary inverter device 43 are individually configured will be described as an example. Since the inverter devices 140 and 142 or the auxiliary inverter device 43 have the same function and the same function, the inverter device 140 will be described here as a representative example.

本実施形態に係る電力変換装置200はインバータ装置140とコンデンサモジュール500とを備え、インバータ装置140はインバータ回路144と制御部170とを有している。また、インバータ回路144は、上アームとして動作するIGBT328(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)及びダイオード156と、下アームとして動作するIGBT330及びダイオード166と、からなる上下アーム直列回路150を複数有し(図2の例では3つの上下アーム直列回路150,150,150)、それぞれの上下アーム直列回路150の中点部分(中間電極169)から交流端子159を通してモータジェネレータ192への交流電力線(交流バスバー)186と接続する構成である。また、制御部170はインバータ回路144を駆動制御するドライバ回路174と、ドライバ回路174へ信号線176を介して制御信号を供給する制御回路172と、を有している。   The power conversion device 200 according to the present embodiment includes an inverter device 140 and a capacitor module 500, and the inverter device 140 includes an inverter circuit 144 and a control unit 170. The inverter circuit 144 includes a plurality of upper and lower arm series circuits 150 including an IGBT 328 (insulated gate bipolar transistor) and a diode 156 that operate as an upper arm, and an IGBT 330 and a diode 166 that operate as a lower arm (FIG. 2). In this example, three upper and lower arm series circuits 150, 150, 150), an AC power line (AC bus bar) 186 from the middle point (intermediate electrode 169) of each upper and lower arm series circuit 150 to the motor generator 192 through the AC terminal 159, It is a configuration to connect. In addition, the control unit 170 includes a driver circuit 174 that drives and controls the inverter circuit 144 and a control circuit 172 that supplies a control signal to the driver circuit 174 via the signal line 176.

上アームと下アームのIGBT328や330は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部170から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ136から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ192の電機子巻線に供給される。上述のとおり、インバータ装置140はモータジェネレータ192が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。   The IGBTs 328 and 330 of the upper arm and the lower arm are switching power semiconductor elements, operate in response to a drive signal output from the control unit 170, and convert DC power supplied from the battery 136 into three-phase AC power. . The converted electric power is supplied to the armature winding of the motor generator 192. As described above, the inverter device 140 can also convert the three-phase AC power generated by the motor generator 192 into DC power.

本実施形態に係る電力変換装置200は図1に記載の如くインバータ装置140と142さらに補機用インバータ装置43とコンデンサモジュール500を有しているが、上述のとおりインバータ装置140と142さらに補機用インバータ装置43は同様の回路構成であるのでインバータ装置140を代表として記載し、インバータ装置142と補機用インバータ装置43は、既に上述したとおり省略した。   As shown in FIG. 1, the power conversion device 200 according to the present embodiment includes the inverter devices 140 and 142 and the auxiliary inverter device 43 and the capacitor module 500. As described above, the inverter devices 140 and 142 and the auxiliary device are included. Since the inverter device 43 has the same circuit configuration, the inverter device 140 is described as a representative, and the inverter device 142 and the auxiliary inverter device 43 are omitted as described above.

インバータ回路144は3相ブリッジ回路により構成されており、3相分の上下アーム直列回路150,150,150がそれぞれ、バッテリ136の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子314と直流負極端子316の間に電気的に並列に接続されている。ここで、上下アーム直列回路150はアームと呼称されており、上アーム側のスイッチング用パワー半導体素子328及びダイオード156と下アーム側のスイッチング用パワー半導体素子330及びダイオード166を備えている。   The inverter circuit 144 is configured by a three-phase bridge circuit, and a DC positive terminal 314 to which upper and lower arm series circuits 150, 150, 150 for three phases are electrically connected to the positive side and the negative side of the battery 136, respectively. And DC negative electrode terminal 316 are electrically connected in parallel. Here, the upper and lower arm series circuit 150 is called an arm, and includes an upper arm switching power semiconductor element 328 and a diode 156, and a lower arm switching power semiconductor element 330 and a diode 166.

本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてIGBT328や330を用いることを例示している。IGBT328や330は、コレクタ電極153,163,エミッタ電極(信号用エミッタ電極端子155,165),ゲート電極(ゲート電極端子154,164)を備えている。IGBT328,330のコレクタ電極153,163とエミッタ電極との間にはダイオード156,166が図示するように電気的に接続されている。ダイオード156,166は、カソード電極及びアノード電極の2つの電極を備えており、IGBT328,330のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がIGBT328,330のコレクタ電極に、アノード電極がIGBT328,330のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いてもよい。この場合は上アームのダイオード156や下アームのダイオード166は不要となる。   In the present embodiment, the use of IGBTs 328 and 330 as switching power semiconductor elements is exemplified. The IGBTs 328 and 330 include collector electrodes 153 and 163, emitter electrodes (signal emitter electrode terminals 155 and 165), and gate electrodes (gate electrode terminals 154 and 164). Diodes 156 and 166 are electrically connected between the collector electrodes 153 and 163 of the IGBTs 328 and 330 and the emitter electrode as shown. The diodes 156 and 166 have two electrodes, a cathode electrode and an anode electrode, and the cathode electrode serves as the collector electrode of the IGBTs 328 and 330 so that the direction from the emitter electrode to the collector electrode of the IGBTs 328 and 330 is the forward direction. The anode electrodes are electrically connected to the emitter electrodes of the IGBTs 328 and 330, respectively. A MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) may be used as the power semiconductor element for switching. In this case, the upper arm diode 156 and the lower arm diode 166 are not required.

上下アーム直列回路150は、モータジェネレータ192の電機子巻線の各相巻線に対応して3相分設けられている。3つの上下アーム直列回路150,150,150はそれぞれ、IGBT328のエミッタ電極とIGBT330の下アームのコレクタ電極163を接続する中間電極169,交流端子159を介してモータジェネレータ192へのU相,V相,W相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。上アームのIGBT328のコレクタ電極153は正極端子(P端子)157を介してコンデンサモジュール500の正極側コンデンサ電極に、下アームのIGBT330のエミッタ電極は負極端子(N端子)158を介してコンデンサモジュール500の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続(直流バスバーで接続)されている。各アームの中点部分(上アームのIGBT328のエミッタ電極と下アームのIGBT330のコレクタ電極との接続部分)にあたる中間電極169は、モータジェネレータ192の電機子巻線の対応する相巻線に交流コネクタ188を介して電気的に接続されている。   Upper and lower arm series circuit 150 is provided for three phases corresponding to each phase winding of the armature winding of motor generator 192. The three upper and lower arm series circuits 150, 150, and 150 are respectively connected to the U-phase and V-phase to the motor generator 192 via the intermediate electrode 169 that connects the emitter electrode of the IGBT 328 and the collector electrode 163 of the lower arm of the IGBT 330 and the AC terminal 159. , W phase is formed. The upper and lower arm series circuits are electrically connected in parallel. The collector electrode 153 of the upper arm IGBT 328 is connected to the positive capacitor electrode of the capacitor module 500 via the positive terminal (P terminal) 157, and the emitter electrode of the lower arm IGBT 330 is connected to the capacitor module 500 via the negative terminal (N terminal) 158. Are respectively electrically connected (connected by a DC bus bar). The intermediate electrode 169 corresponding to the middle point portion of each arm (the connection portion between the emitter electrode of the IGBT 328 of the upper arm and the collector electrode of the IGBT 330 of the lower arm) is connected to the corresponding phase winding of the armature winding of the motor generator 192 with an AC connector. It is electrically connected via 188.

コンデンサモジュール500は、IGBT328,330のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール500の正極側コンデンサ電極にはバッテリ136の正極側が、コンデンサモジュール500の負極側コンデンサ電極にはバッテリ136の負極側がそれぞれ直流コネクタ138を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール500は、上アームIGBT328のコレクタ電極153とバッテリ136の正極側との間と、下アームIGBT330のエミッタ電極とバッテリ136の負極側との間で接続され、バッテリ136と上下アーム直列回路150に対して電気的に並列接続される。   Capacitor module 500 is for configuring a smoothing circuit that suppresses fluctuations in DC voltage caused by the switching operation of IGBTs 328 and 330. The positive electrode side of the battery 136 is electrically connected to the positive electrode side capacitor electrode of the capacitor module 500, and the negative electrode side of the battery 136 is electrically connected to the negative electrode side capacitor electrode of the capacitor module 500 via the DC connector 138. Thus, the capacitor module 500 is connected between the collector electrode 153 of the upper arm IGBT 328 and the positive electrode side of the battery 136, and between the emitter electrode of the lower arm IGBT 330 and the negative electrode side of the battery 136. Electrically connected in parallel to the series circuit 150.

制御部170はIGBT328,330を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、IGBT328,330のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路172と、制御回路172から出力されたタイミング信号に基づいて、IGBT328,330をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成するドライブ回路174とを備えている。   The control unit 170 is for operating the IGBTs 328 and 330, and generates a timing signal for controlling the switching timing of the IGBTs 328 and 330 based on input information from other control devices or sensors. And a drive circuit 174 that generates a drive signal for switching the IGBTs 328 and 330 based on the timing signal output from the control circuit 172.

制御回路172はIGBT328,330のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と記述する)を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ192に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路150からモータジェネレータ192の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ192の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流検出部180から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ192に設けられた回転磁極センサ(不図示)から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では3相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、2相分の電流値を検出するようにしても構わない。   The control circuit 172 includes a microcomputer (hereinafter referred to as “microcomputer”) for calculating the switching timing of the IGBTs 328 and 330. The microcomputer receives as input information a target torque value required for the motor generator 192, a current value supplied to the armature winding of the motor generator 192 from the upper and lower arm series circuit 150, and a magnetic pole of the rotor of the motor generator 192. The position has been entered. The target torque value is based on a command signal output from a host controller (not shown). The current value is detected based on the detection signal output from the current detection unit 180. The magnetic pole position is detected based on a detection signal output from a rotating magnetic pole sensor (not shown) provided in the motor generator 192. In the present embodiment, the case where the current values of three phases are detected will be described as an example, but the current values for two phases may be detected.

制御回路172内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ192のd,q軸の電流指令値を演算し、この演算されたd,q軸の電流指令値と、検出されたd,q軸の電流値との差分に基づいてd,q軸の電圧指令値を演算し、この演算されたd,q軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてU相,V相,W相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、U相,V相,W相の電圧指令値に基づく基本波(正弦波)と搬送波(三角波)との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をPWM(パルス幅変調)信号としてドライバ回路174に出力する。   The microcomputer in the control circuit 172 calculates the d and q axis current command values of the motor generator 192 based on the target torque value, and the calculated d and q axis current command values and the detected d and q The voltage command values for the d and q axes are calculated based on the difference from the current value of the shaft, and the calculated voltage command values for the d and q axes are calculated based on the detected magnetic pole position. Convert to W phase voltage command value. Then, the microcomputer generates a pulse-like modulated wave based on the comparison between the fundamental wave (sine wave) and the carrier wave (triangular wave) based on the voltage command values of the U-phase, V-phase, and W-phase, and the generated modulation The wave is output to the driver circuit 174 as a PWM (pulse width modulation) signal.

ドライバ回路174は、下アームを駆動する場合、PWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのIGBT330のゲート電極に、上アームを駆動する場合、PWM信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからPWM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのIGBT328のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各IGBT328,330は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。   When driving the lower arm, the driver circuit 174 amplifies the PWM signal, and when the driver circuit 174 drives the upper arm to the gate electrode of the corresponding IGBT 330 of the lower arm, the driver circuit 174 sets the level of the reference potential of the PWM signal. After shifting to the level of the reference potential of the upper arm, the PWM signal is amplified and output as a drive signal to the gate electrode of the corresponding IGBT 328 of the upper arm. As a result, each IGBT 328, 330 performs a switching operation based on the input drive signal.

また、制御部170は、異常検知(過電流,過電圧,過温度など)を行い、上下アーム直列回路150を保護している。このため、制御部170にはセンシング情報が入力されている。例えば各アームの信号用エミッタ電極端子155,165からは各IGBT328,330のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部(IC)に入力されている。これにより、各駆動部(IC)は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するIGBT328,330のスイッチング動作を停止させ、対応するIGBT328,330を過電流から保護する。上下アーム直列回路150に設けられた温度センサ(不図示)からは上下アーム直列回路150の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路150の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのIGBT328,330のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路150(引いては、この回路150を含む半導体モジュール部)を過温度或いは過電圧から保護する。   In addition, the control unit 170 performs abnormality detection (overcurrent, overvoltage, overtemperature, etc.) to protect the upper and lower arm series circuit 150. For this reason, sensing information is input to the control unit 170. For example, information on the current flowing through the emitter electrodes of the IGBTs 328 and 330 is input to the corresponding drive units (ICs) from the signal emitter electrode terminals 155 and 165 of each arm. Thereby, each drive part (IC) detects overcurrent, and when overcurrent is detected, the switching operation of corresponding IGBT328,330 is stopped, and corresponding IGBT328,330 is protected from overcurrent. Information on the temperature of the upper and lower arm series circuit 150 is input to the microcomputer from a temperature sensor (not shown) provided in the upper and lower arm series circuit 150. In addition, voltage information on the DC positive side of the upper and lower arm series circuit 150 is input to the microcomputer. The microcomputer performs over-temperature detection and over-voltage detection based on the information, and when an over-temperature or over-voltage is detected, it stops the switching operation of all the IGBTs 328 and 330, and the upper and lower arm series circuit 150 (subtract) The semiconductor module portion including the circuit 150 is protected from overtemperature or overvoltage.

図2において、上下アーム直列回路150は、上アームのIGBT328及び上アームのダイオード156と、下アームのIGBT330及び下アームのダイオード166との直列回路であり、IGBT328,330はスイッチング用半導体素子である。インバータ回路144の上下アームのIGBT328,330の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ192の固定子巻線の電流は、ダイオード156,166によって作られる回路を流れる。   In FIG. 2, an upper and lower arm series circuit 150 is a series circuit of an upper arm IGBT 328 and an upper arm diode 156, and a lower arm IGBT 330 and a lower arm diode 166, and the IGBTs 328 and 330 are switching semiconductor elements. . The conduction and cut-off operations of the IGBTs 328 and 330 of the upper and lower arms of the inverter circuit 144 are switched in a fixed order, and the current of the stator winding of the motor generator 192 at this switching flows through a circuit formed by the diodes 156 and 166.

上下アーム直列回路150は、図示するように、Positive端子(P端子,正極端子)157,Negative端子(N端子158,負極端子)、上下アームの中間電極169からの交流端子159,上アームの信号用端子(信号用エミッタ電極端子)155,上アームのゲート電極端子154,下アームの信号用端子(信号用エミッタ電極端子)165,下アームのゲート電極端子164、を備えている。また、電力変換装置200は、入力側に直流コネクタ138を有し、出力側に交流コネクタ188を有して、それぞれのコネクタ138と188を通してバッテリ136とモータジェネレータ192にそれぞれ接続される。また、モータジェネレータへ出力する3相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に2つの上下アーム直列回路を並列接続する回路構成の電力変換装置であってもよい。   As shown in the figure, the upper and lower arm series circuit 150 includes a positive terminal (P terminal, positive terminal) 157, a negative terminal (N terminal 158, negative terminal), an AC terminal 159 from the intermediate electrode 169 of the upper and lower arms, and an upper arm signal. A terminal 155 for the signal (signal emitter electrode terminal), a gate electrode terminal 154 for the upper arm, a signal terminal (signal emitter electrode terminal for signal 165) for the lower arm, and a gate electrode terminal 164 for the lower arm. The power conversion device 200 has a DC connector 138 on the input side and an AC connector 188 on the output side, and is connected to the battery 136 and the motor generator 192 through the connectors 138 and 188, respectively. Further, as a circuit for generating an output of each phase of the three-phase alternating current to be output to the motor generator, a power conversion device having a circuit configuration in which two upper and lower arm series circuits are connected in parallel to each phase may be used.

次に、図1および図2に記載した電力変換装置200の全体構成について、図3〜図5及び図6を参照しながら以下説明する、尚図1乃至図2と同じ参照符号は同じ部品を示し、既に説明した内容については説明を省略する。図3は電力変換装置200の全体構成の外観斜視図である。   Next, the overall configuration of the power conversion device 200 described in FIGS. 1 and 2 will be described below with reference to FIGS. 3 to 5 and FIG. 6. The same reference numerals as those in FIGS. The description of the contents already shown is omitted. FIG. 3 is an external perspective view of the overall configuration of the power conversion device 200.

図4は本実施形態に係る電力変換装置200の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。図5は図3及び図4に示す電力変換装置のハウジングである筐体と前記筐体の内部に設けられた冷却水流路を示す説明図である。図6はパワーモジュールの上方から見た斜視図である。   FIG. 4 is a perspective view in which the entire configuration of the power conversion device 200 according to the present embodiment is disassembled into components. FIG. 5 is an explanatory view showing a casing which is a housing of the power conversion apparatus shown in FIGS. 3 and 4 and a cooling water flow path provided in the casing. FIG. 6 is a perspective view of the power module as viewed from above.

図3〜図5及び図6において、200は電力変換装置、10は上部ケース、11は金属ベース板、12は筐体、13は冷却水入口配管、14は冷却水出口配管、420はカバー、16は下部ケース、17は交流ターミナルケース、19は冷却水流路、20は制御回路基板で図2に示す制御回路172を保持している。21は外部との接続のためのコネクタ、22は駆動回路基板で図2に示すドライバ回路174を保持している。23は基板間コネクタで前記制御回路基板20に設けられた制御回路172と電気的に接続されるために設けられており、図2に示す信号線176の接続に使用される、尚信号線の図示は省略する。300はパワーモジュール(半導体モジュール部)で2個設けられており、302はパワーモジュールケース、304は金属ベース、314は直流正極端子、316は直流負極端子、49は鋳造肉盗み、500はコンデンサモジュール、502はコンデンサケース、504は負極側コンデンサ端子、506は正極側コンデンサ端子、514はコンデンサセル、をそれぞれ表す。   3 to 5 and 6, 200 is a power converter, 10 is an upper case, 11 is a metal base plate, 12 is a housing, 13 is a cooling water inlet pipe, 14 is a cooling water outlet pipe, 420 is a cover, Reference numeral 16 denotes a lower case, 17 denotes an AC terminal case, 19 denotes a cooling water flow path, and 20 denotes a control circuit board, which holds the control circuit 172 shown in FIG. 21 is a connector for connection with the outside, and 22 is a drive circuit board which holds the driver circuit 174 shown in FIG. An inter-board connector 23 is provided to be electrically connected to the control circuit 172 provided on the control circuit board 20, and is used to connect the signal line 176 shown in FIG. Illustration is omitted. 300 is a power module case, 302 is a power module case, 304 is a metal base, 314 is a DC positive terminal, 316 is a DC negative terminal, 49 is a cast meat stealer, 500 is a capacitor module , 502 denotes a capacitor case, 504 denotes a negative side capacitor terminal, 506 denotes a positive side capacitor terminal, and 514 denotes a capacitor cell.

本実施形態に係る電力変換装置200は、大きく構成要素を分けると、直流電力と交流電力との変換を行うパワーモジュール(半導体モジュール部)300と、直流電源の電圧平滑用のコンデンサモジュール500と、パワーモジュール300などを冷却するための冷却水流路19とから構成される。図3に示すように、本実施形態に係る電力変換装置200の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体12と、前記筐体12の短辺側の外周の1つに設けられた冷却水入口配管13および冷却水出口配管14と、前記筐体12の上部開口を塞ぐための上部ケース10と、前記筐体12の下部開口を塞ぐための下部ケース16とを固定して形成されたものである。前記電力変換装置200の長辺側の外周には図1に示されたモータジェネレータ192,194との接続を助けるための3組の交流ターミナルケース17が設けられている。筐体12の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。   The power conversion device 200 according to the present embodiment is roughly divided into components, a power module (semiconductor module unit) 300 that performs conversion between DC power and AC power, a capacitor module 500 for voltage smoothing of a DC power source, The cooling water channel 19 is used to cool the power module 300 and the like. As shown in FIG. 3, the external appearance of the power conversion device 200 according to the present embodiment is that the top surface or the bottom surface of the casing 12 is substantially rectangular and the cooling provided on one of the outer circumferences on the short side of the casing 12. The water inlet pipe 13 and the cooling water outlet pipe 14, the upper case 10 for closing the upper opening of the casing 12, and the lower case 16 for closing the lower opening of the casing 12 are fixedly formed. Is. Three sets of AC terminal cases 17 for assisting the connection with the motor generators 192 and 194 shown in FIG. 1 are provided on the outer periphery of the long side of the power converter 200. Since the shape of the bottom view or the top view of the housing 12 is substantially rectangular, it is easy to attach to the vehicle and to produce easily.

図4に示すように、筐体12の中ほどに冷却水流路19が設けられ、前記冷却水流路19の上部には流れの方向に並んで2組の開口部400と402が形成されている。前記2組の開口部400と402がそれぞれパワーモジュール300で塞がれる様に2個のパワーモジュール300が前記冷却水流路19の上面に固定されている。各パワーモジュール300には放熱のためのフィン305(図7)が設けられており、各パワーモジュール300のフィン305はそれぞれ前記冷却水流路19の開口部400と402から冷却水の流れの中に突出している。   As shown in FIG. 4, a cooling water flow path 19 is provided in the middle of the housing 12, and two sets of openings 400 and 402 are formed in the upper part of the cooling water flow path 19 side by side in the flow direction. . Two power modules 300 are fixed to the upper surface of the cooling water passage 19 so that the two sets of openings 400 and 402 are respectively closed by the power module 300. Each power module 300 is provided with fins 305 for heat dissipation (FIG. 7), and the fins 305 of each power module 300 are inserted into the cooling water flow from the openings 400 and 402 of the cooling water flow path 19, respectively. It protrudes.

前記冷却水流路19の下側にはアルミ鋳造を行いやすくするための開口部404が形成されており、前記開口部404(図5B)はカバー420で塞がれている。また前記冷却水流路19の下側には補機用インバータ装置43が取り付けられている。補機用インバータ装置43は、図2に示すインバータ回路144と同様の回路が内蔵されており、前記インバータ回路144を構成しているパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールを有している。補機用インバータ装置43(図1)は前記内蔵している前記パワーモジュールの放熱金属面が前記冷却水流路19の下面に対向するようにして、前記冷却水流路19の下面に固定されている。   An opening 404 for facilitating aluminum casting is formed below the cooling water channel 19, and the opening 404 (FIG. 5B) is closed by a cover 420. An auxiliary inverter device 43 is attached below the cooling water channel 19. The auxiliary inverter device 43 includes a circuit similar to the inverter circuit 144 shown in FIG. 2, and includes a power module including a power semiconductor element that constitutes the inverter circuit 144. The auxiliary inverter device 43 (FIG. 1) is fixed to the lower surface of the cooling water channel 19 such that the heat dissipation metal surface of the built-in power module faces the lower surface of the cooling water channel 19. .

さらに前記冷却水流路19の下部に放熱作用をためす下部ケース16が設けられ、前記下部ケース16にはコンデンサモジュール500が、コンデンサモジュール500の金属材からなるケースの放熱面が前記下部ケース16の面に対向するようにして前記下部ケース16の面に固定されている。この構造により冷却水流路19の上面と下面とを利用して効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。   In addition, a lower case 16 is provided in the lower part of the cooling water flow path 19 so as to dissipate heat. It is fixed to the surface of the lower case 16 so as to face the surface. With this structure, cooling can be efficiently performed using the upper surface and the lower surface of the cooling water channel 19, which leads to downsizing of the entire power conversion device.

入出口配管13,14からの冷却水が冷却水流路19を流れることによって、併設されている2個のパワーモジュール300が有する放熱フィンが冷却され、前記2個のパワーモジュール300全体が冷却される。冷却水流路19の下面に設けられた補機用インバータ装置43も同時に冷却する。   When the cooling water from the inlet / outlet pipes 13 and 14 flows through the cooling water flow path 19, the heat radiation fins of the two power modules 300 provided side by side are cooled, and the entire two power modules 300 are cooled. . The auxiliary inverter device 43 provided on the lower surface of the cooling water passage 19 is also cooled at the same time.

さらに冷却水流路19が設けられている筐体12が冷却されることにより、筐体12の下部に設けられた下部ケース16が冷却され、この冷却によりコンデンサモジュール500の熱が下部ケース16および筐体12を介して冷却水に熱的伝導され、コンデンサモジュール500が冷却される。   Further, the casing 12 provided with the cooling water flow path 19 is cooled, whereby the lower case 16 provided at the lower portion of the casing 12 is cooled, and by this cooling, the heat of the capacitor module 500 is transferred to the lower case 16 and the casing. The capacitor module 500 is cooled by being thermally conducted to the cooling water through the body 12.

詳細は後述するが、本実施形態では、パワーモジュール300の直流正極端子314,直流負極端子316は、コンデンサモジュール500の負極側コンデンサ端子504,正極側コンデンサ端子506にそれぞれ直接に電気的及び機械的に筐体12内で接続されている。   Although details will be described later, in this embodiment, the DC positive terminal 314 and the DC negative terminal 316 of the power module 300 are directly electrically and mechanically connected to the negative capacitor terminal 504 and the positive capacitor terminal 506 of the capacitor module 500, respectively. Is connected in the housing 12.

パワーモジュール300の上方には、2つのパワーモジュール300を覆うように制御回路基板20と駆動回路基板22とが配置され、駆動回路基板22には図2に示すドライバ回路174が搭載され、制御回路基板20には図2に示すCPUを有する制御回路172が搭載される。また、駆動回路基板22と制御回路基板20の間には金属ベース板11が配置され、金属ベース板11は両基板22,20に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に駆動回路基板22と制御回路基板20とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。   A control circuit board 20 and a drive circuit board 22 are arranged above the power module 300 so as to cover the two power modules 300, and the driver circuit 174 shown in FIG. A control circuit 172 having a CPU shown in FIG. Further, a metal base plate 11 is disposed between the drive circuit board 22 and the control circuit board 20, and the metal base plate 11 functions as an electromagnetic shield for a circuit group mounted on both the boards 22 and 20, and also the drive circuit board. The heat generated by the control circuit board 20 and the control circuit board 20 is released and cooled.

このように筐体12の中央部に冷却水流路19を設け、その一方の側に車両駆動用のパワーモジュール300を配置し、また他方の側に補機用のパワーモジュール43を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また筐体中央部の冷却水流路19の主構造を筐体12と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却水流路19は冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで筐体12と冷却水流路19とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。   As described above, the cooling water flow path 19 is provided in the central portion of the housing 12, the vehicle driving power module 300 is disposed on one side thereof, and the auxiliary power module 43 is disposed on the other side. Thus, cooling can be efficiently performed in a small space, and the entire power conversion device can be downsized. Further, by making the main structure of the cooling water channel 19 at the center of the casing by casting an aluminum material integrally with the casing 12, the cooling water channel 19 has the effect of increasing the mechanical strength in addition to the cooling effect. Further, by making the aluminum casting, the housing 12 and the cooling water flow path 19 are integrated with each other, heat conduction is improved, and cooling efficiency is improved.

駆動回路基板22には、金属ベース板11を通り抜けて、制御回路基板20の回路群との接続を行う基板間コネクタ712が設けられている。また、制御回路基板20には外部との電気的接続を行うコネクタ21が設けられている。コネクタ21により電力変換装置の外の、例えばバッテリ136(図1)として車に搭載されているリチウム電池モジュールとの信号の伝送が行われ、リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が送られてくる。前記制御回路基板20に保持されている制御回路172との信号の授受を行うために前記基板間コネクタ712が設けられており、図示を省略しているが図2に示す信号線176が設けられ、この信号線176と基板間コネクタ712を介して制御回路基板20からインバータ回路のスイッチングタイミングの信号が駆動回路基板22に伝達され、駆動回路基板22で駆動信号であるゲート駆動信号を発生し、パワーモジュールのゲート電極にそれぞれ印加される。   The drive circuit board 22 is provided with an inter-board connector 712 that passes through the metal base plate 11 and is connected to a circuit group of the control circuit board 20. The control circuit board 20 is provided with a connector 21 for electrical connection with the outside. The connector 21 transmits a signal to, for example, a lithium battery module mounted on the vehicle as a battery 136 (FIG. 1) outside the power conversion device, and a signal indicating the state of the battery or a lithium battery is transmitted from the lithium battery module. Signals such as charge status are sent. The board-to-board connector 712 is provided to send and receive signals to and from the control circuit 172 held on the control circuit board 20, and the signal line 176 shown in FIG. The signal of the switching timing of the inverter circuit is transmitted from the control circuit board 20 to the drive circuit board 22 through the signal line 176 and the board-to-board connector 712, and the drive circuit board 22 generates a gate drive signal as a drive signal. Each is applied to the gate electrode of the power module.

筐体12の上部と下部には開口が形成され、これら開口はそれぞれ上部ケース10と下部ケース16が例えばネジ等で筐体12に固定されることにより塞がれる。筐体12の中央に冷却水流路19が設けられ、前記冷却水流路19にパワーモジュール300やカバー420を固定する。このようにして冷却水流路19を完成させ、水路の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次に前記筐体12の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール500を取り付ける作業を行うことができる。このように中央に冷却水流路19配置し、次に前記筐体12の上部と下部の開口から必要な部品を固定する作業が行える構造をためしており、生産性が向上する。また冷却水流路19を最初に完成させ、水漏れ試験の後その他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。   Openings are formed in the upper part and the lower part of the housing 12, and these openings are closed by fixing the upper case 10 and the lower case 16 to the housing 12 with, for example, screws. A cooling water channel 19 is provided in the center of the housing 12, and the power module 300 and the cover 420 are fixed to the cooling water channel 19. In this way, the cooling water channel 19 is completed, and a water leak test of the water channel is performed. When the water leakage test is passed, the operation of attaching the substrate and the capacitor module 500 from the upper and lower openings of the housing 12 can be performed next. In this way, the cooling water flow path 19 is arranged in the center, and then the structure for performing the work of fixing the necessary parts from the upper and lower openings of the housing 12 is made, and the productivity is improved. Moreover, it becomes possible to complete the cooling water flow path 19 first and to attach other parts after the water leak test, which improves both productivity and reliability.

図5は冷却水流路19を有する筐体12のアルミ鋳造品を示す図であり、図5(A)は筐体12の斜視図、図5(B)は筐体12の上面図、図5(C)は筐体12の下面図である。図5に示す如く筐体12と前記筐体12の内部に設けられた冷却水流路19が一体に鋳造されている。筐体12の上面あるいは下面は略長方形の形状をためし、長方形の短辺の一方側筐体側面に冷却水を取り入れるための入口孔401が設けられ、同じ側面に出口孔403が設けられている。   5A and 5B are diagrams showing an aluminum cast product of the housing 12 having the cooling water flow path 19, FIG. 5A is a perspective view of the housing 12, FIG. 5B is a top view of the housing 12, and FIG. (C) is a bottom view of the housing 12. As shown in FIG. 5, the casing 12 and a cooling water flow path 19 provided in the casing 12 are integrally cast. The upper surface or the lower surface of the housing 12 has a substantially rectangular shape, and an inlet hole 401 for taking in cooling water is provided on the side surface of one side of the rectangular short side, and an outlet hole 403 is provided on the same side surface. Yes.

前記入口孔401から冷却水流路19に流入した冷却水は、矢印418の方向である長方形の長辺に沿って流れ、長方形の短辺の他方側側面の手前近傍で矢印421のように折り返し、再び長方形の長辺に沿って矢印422の方向に流れ、出口孔403から流出する。冷却水流路19の行き側と帰り側にそれぞれ2個ずつの開口部400と402とが形成されている。前記開口には後述する図13に示すパワーモジュール300がそれぞれ固定され、各パワーモジュール300の放熱のためのフィンがそれぞれの開口から冷却水の流れの中に突出する構造となっている。前記筐体12の流れの方向すなわち長辺の沿った方向にパワーモジュール300が並べて固定され、この固定により前記各パワーモジュール300により冷却水流路19の開口を完全に塞ぐことができるように、支持部410が筐体と一体成形されている。この支持部410は略中央に位置し、支持部410に対して冷却水の出入り口側の方に1つのパワーモジュール300が固定され、また前記支持部410に対して冷却水の折り返し側の方に他の1つのパワーモジュール300が固定される。図5(B)に示すねじ穴412は前記出入り口側のパワーモジュール300を冷却水流路19に固定するために使用され、この固定により開口部400が密閉される。またねじ穴414は前記折り返し側のパワーモジュール300を冷却水流路19に固定するために使用され、この固定により開口部402が密閉される。   The cooling water that has flowed into the cooling water channel 19 from the inlet hole 401 flows along the long side of the rectangle in the direction of the arrow 418, and is folded back as shown by the arrow 421 in the vicinity of the front side of the other side of the short side of the rectangle. It flows again in the direction of the arrow 422 along the long side of the rectangle and flows out from the outlet hole 403. Two openings 400 and 402 are formed on the outgoing side and the return side of the cooling water channel 19, respectively. A power module 300 shown in FIG. 13 to be described later is fixed to each of the openings, and fins for radiating heat of each power module 300 protrude from the respective openings into the flow of cooling water. The power modules 300 are fixed side by side in the flow direction of the casing 12, that is, along the long side, and the fixing is supported so that the opening of the cooling water flow path 19 can be completely closed by the power modules 300. Part 410 is formed integrally with the housing. The support portion 410 is located substantially at the center, and one power module 300 is fixed to the support portion 410 on the cooling water entrance / exit side, and also on the cooling water return side with respect to the support portion 410. Another one power module 300 is fixed. A screw hole 412 shown in FIG. 5B is used to fix the power module 300 on the entrance / exit side to the cooling water flow path 19, and the opening 400 is sealed by this fixing. The screw hole 414 is used to fix the folded-back power module 300 to the cooling water passage 19, and the opening 402 is sealed by this fixing.

前記出入り口側のパワーモジュール300は入口孔401からの冷たい冷却水と出口側に近いため暖められた冷却水で冷やされることとなる。一方前記折り返し側のパワーモジュール300は少し温められた冷却水により冷却されるが、出口孔403近くの冷却水より温度が低くなる。結果として折り返し冷却通路と2つのパワーモジュール300の配置関係は、2つのパワーモジュール300の冷却効率が均衡した状態となるメリットがある。   Since the power module 300 on the entrance / exit side is close to the cold coolant from the entrance hole 401 and the exit side, it is cooled by the warmed coolant. On the other hand, the folded power module 300 is cooled by the slightly warmed cooling water, but the temperature is lower than that of the cooling water near the outlet hole 403. As a result, the arrangement relationship between the folded cooling passage and the two power modules 300 has an advantage that the cooling efficiency of the two power modules 300 is balanced.

前記支持部410はパワーモジュール300の固定のために使用され、開口部400や402の密閉のために必要である。さらに前記支持部410は筐体12の強度の強化に大きな効果がある。冷却水流路19は上述の通り折り返し形状であり、行き側流路と帰り側流路を隔てる隔壁408が設けられ、この隔壁408が前記支持部410と一体に作られている。隔壁408は単に行き側流路と帰り側流路を隔てる作用の他に、筐体の機械的な強度を高める作用をしている。また折り返し通路間の熱の伝達通路としての作用をためし、冷却水の温度を均一化する作用をためす。冷却水の入口側と出口側との温度差が大きいと冷却効率のムラが大きくなる。ある程度の温度差は仕方ないが、前記隔壁408が前記支持部410と一体に作られていることで冷却水の温度差を抑える効果が有る。   The support 410 is used for fixing the power module 300 and is necessary for sealing the openings 400 and 402. Further, the support portion 410 has a great effect on strengthening the strength of the housing 12. The cooling water channel 19 has a folded shape as described above, and is provided with a partition 408 that separates the going-side channel and the returning-side channel, and the partition 408 is formed integrally with the support portion 410. The partition wall 408 not only simply separates the going-side flow path and the return-side flow path but also acts to increase the mechanical strength of the housing. Also, it acts as a heat transfer passage between the turn-back passages and makes the temperature of the cooling water uniform. If the temperature difference between the inlet side and the outlet side of the cooling water is large, uneven cooling efficiency increases. Although the temperature difference to some extent is unavoidable, the partition wall 408 is formed integrally with the support part 410, so that there is an effect of suppressing the temperature difference of the cooling water.

図5(C)は前記冷却水流路19の裏面を示しており、前記支持部410に対応した裏面に開口部404が形成されている。この開口部404は、筐体の鋳造により形成する前記支持部410と筐体12一体構造の歩留まりを向上するためのものである。開口部404の形成により、鋳造品では、前記支持部410と冷却水流路19の底部との二重構造が無くなり、鋳造し易く、生産性が向上する。   FIG. 5C shows the back surface of the cooling water channel 19, and an opening 404 is formed on the back surface corresponding to the support portion 410. The opening 404 is for improving the yield of the support unit 410 and the housing 12 integrated structure formed by casting the housing. The formation of the opening 404 eliminates the double structure of the support 410 and the bottom of the cooling water channel 19 in the cast product, facilitating casting and improving productivity.

前記冷却水流路19の側部と長方形の長辺との間に通路の上側と下側とを貫通する貫通孔406を形成している。前記冷却水流路19を挟んで両側に電気部品が取り付けられるため、前記両側の電気部品の電気的な接続が必要となる。貫通孔406は冷却水流路19の両側の電気部品の電気的な接続を行うための孔である。   A through-hole 406 is formed between the side of the cooling water passage 19 and the long side of the rectangle to penetrate the upper and lower sides of the passage. Since electrical components are attached to both sides of the cooling water channel 19, the electrical components on both sides must be electrically connected. The through hole 406 is a hole for electrically connecting the electrical components on both sides of the cooling water channel 19.

図5に示す筐体構造は鋳造生産特にアルミダイキャスト生産に適した構造をしている。すなわち冷却水流路19と筐体12との一体構造を完成に近い形状で製造できる効果がある。矢印421で示す水路の折り返し部分を開口部402の一部としていることで折り返し部分の一体鋳造が可能となった。すなわち開口部402にパワーモジュール300を固定することで折り返し通路が完成する。さらに折り返し通路を冷却に利用できることで、良い小型化が可能となっている。冷却水流路19周辺は開口面に対して略垂直であり、前記隔壁408の側面も略垂直である。このような形状とすることで、上面に開口部400および402にパワーモジュール300を固定子、裏面にカバー420を固定することで水路が完成する。この時点で水路の水漏れの検査を行い、次に部品の取り付けを行うことで不良品を早く取り除き生産性を向上できる効果がある。   The housing structure shown in FIG. 5 is suitable for casting production, particularly aluminum die casting production. That is, there is an effect that an integrated structure of the cooling water flow path 19 and the housing 12 can be manufactured in a shape close to completion. Since the folded portion of the water channel indicated by the arrow 421 is a part of the opening 402, the folded portion can be integrally cast. That is, the folding path is completed by fixing the power module 300 to the opening 402. Furthermore, since the return path can be used for cooling, good miniaturization is possible. The periphery of the cooling water channel 19 is substantially perpendicular to the opening surface, and the side surface of the partition wall 408 is also substantially perpendicular. By adopting such a shape, the water channel is completed by fixing the power module 300 to the openings 400 and 402 on the upper surface and the cover 420 to the rear surface. At this point, water leaks in the water channel are inspected, and then the parts are attached, so that defective products can be quickly removed and productivity can be improved.

冷却水流路19の上面開口にパワーモジュール300を固定し、裏面開口にカバー420を固定した状態を図6に示す。筐体12の長方形の1方の長辺側において、筐体12の外に交流電力線186および交流コネクタ188が突出している。なお、図7の断面図は電力変換装置200の交流コネクタ188側に、モータジェネレータ192や194の交流端子と前記交流コネクタ188とを繋ぐための交流ターミナルケース17を取り付けた状態を示している。   FIG. 6 shows a state where the power module 300 is fixed to the upper surface opening of the cooling water passage 19 and the cover 420 is fixed to the rear surface opening. An AC power line 186 and an AC connector 188 protrude outside the casing 12 on one long side of the rectangle of the casing 12. 7 shows a state in which an AC terminal case 17 for connecting the AC terminals of the motor generators 192 and 194 and the AC connector 188 is attached to the AC connector 188 side of the power conversion device 200.

次に、本実施形態に係る電力変換装置におけるパワーモジュール300の詳細構造について、図6〜図9を参照しながら以下説明する。   Next, the detailed structure of the power module 300 in the power conversion device according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS.

図6は本実施形態に関するパワーモジュールの上方からの斜視図である。図7は本実施形態に係るパワーモジュールと駆動回路基板22を各構成要素に分解した斜視図である。図8は本実施形態に関するパワーモジュールの断面図である。図9は本実施形態に関するパワーモジュールに放熱板700を組付けたときの斜視図である。   FIG. 6 is a perspective view from above of the power module according to the present embodiment. FIG. 7 is a perspective view in which the power module and the drive circuit board 22 according to this embodiment are disassembled into components. FIG. 8 is a cross-sectional view of the power module according to this embodiment. FIG. 9 is a perspective view when the heat radiating plate 700 is assembled to the power module according to the present embodiment.

図6〜図9を用いてパワーモジュール300の構造を説明する。   The structure of the power module 300 will be described with reference to FIGS.

上記図で、300はパワーモジュール(半導体モジュール部)、302はパワーモジュールケース、304は金属ベース、305はフィン(図8参照)、186は断面が略長方形の交流電力線、314は直流正極端子、316は直流負極端子、318は薄い絶縁材(絶縁紙)、326はIGBT、334は絶縁基板、327はダイオード、320は制御端子、342はパワーモジュールケース突起部、350はステー、700は放熱板、702は放熱板開口部、704は熱伝導シートをそれぞれ表す。   In the above figure, 300 is a power module (semiconductor module part), 302 is a power module case, 304 is a metal base, 305 is a fin (see FIG. 8), 186 is an AC power line having a substantially rectangular cross section, 314 is a DC positive terminal, 316 is a DC negative electrode terminal, 318 is a thin insulating material (insulating paper), 326 is an IGBT, 334 is an insulating substrate, 327 is a diode, 320 is a control terminal, 342 is a power module case protrusion, 350 is a stay, 700 is a heat sink , 702 represents a heat sink opening, and 704 represents a heat conductive sheet.

パワーモジュール300は、大きく分けて、例えば樹脂材料のパワーモジュールケース302内の配線を含めた半導体モジュール部と、金属材料、例えば、Cu,Al,AlSiCなどからなる金属ベース304と、外部との接続端子(直流正極端子314や制御端子320等)と、からなる。そして、外部と接続する端子として、パワーモジュール300は、モータと接続するためのU,V,W相の交流端子159と、コンデンサモジュール500と接続する直流正極端子314及び直流負極端子316とを有している。   The power module 300 is roughly divided into, for example, a semiconductor module portion including wiring in a power module case 302 made of a resin material, a metal base 304 made of a metal material such as Cu, Al, AlSiC, and the like, and connection to the outside. Terminals (DC positive terminal 314, control terminal 320, etc.). As terminals to be connected to the outside, the power module 300 has a U, V, W phase AC terminal 159 for connection to the motor, and a DC positive terminal 314 and a DC negative terminal 316 to be connected to the capacitor module 500. is doing.

また、半導体モジュール部は、絶縁基板334の上に上下アームのIGBT326,ダイオード327が設けられている。絶縁基板334はセラミック基板であっても良いし、さらに薄い絶縁シートであってもよい。金属ベース304は、冷却水流路に浸されて冷却水へ効率良く放熱するために、絶縁基板334の反対側にフィン305を有している。   In the semiconductor module section, upper and lower arms IGBTs 326 and diodes 327 are provided on an insulating substrate 334. The insulating substrate 334 may be a ceramic substrate or a thinner insulating sheet. The metal base 304 has fins 305 on the opposite side of the insulating substrate 334 in order to efficiently radiate heat to the cooling water by being immersed in the cooling water flow path.

なお、図8に示されたフィン305の形状はピン型であるが、他の実施形態として、冷却水の流れ方向に沿って形成されたストレート型であってもよい。フィン305の形状にストレート型を用いた場合には、冷却水を流すための圧力を低減させることができ、一方ピン型を用いた場合には冷却効率を向上させることができる。   The shape of the fin 305 shown in FIG. 8 is a pin type, but as another embodiment, a straight type formed along the flow direction of the cooling water may be used. When the straight type is used as the shape of the fin 305, the pressure for flowing the cooling water can be reduced. On the other hand, when the pin type is used, the cooling efficiency can be improved.

コンデンサモジュール500と接続する直流端子314と316は、図示例では絶縁基板334の中央部分において、接続すべき部位で半田又は超音波接合で固着され、直流端子314と316の間に薄い絶縁材318を介在させて両者の絶縁を取っている。   In the illustrated example, the DC terminals 314 and 316 connected to the capacitor module 500 are fixed by soldering or ultrasonic bonding at a portion to be connected in the central portion of the insulating substrate 334, and a thin insulating material 318 is provided between the DC terminals 314 and 316. Is used to insulate both.

絶縁基板334は、セラミックを挟んでその両側にCu又はAlの膜を形成したものであり、絶縁基板334の下側に半田によってフィン又はピン付き金属ベース304(Cu,Al又はAlSiC)が固着され、その上側には半田によってIGBT326やダイオード327が、半田又は超音波接合によって直流端子314,316が固着される。また、図6において、パワーモジュールの制御端子320が図示されているが、これらは、図2で説明した上・下アームのゲート電極端子154,164や、エミッタ電極端子155,165であり、IGBTのスイッチング動作を制御するための信号が印加される。   The insulating substrate 334 is formed by forming a Cu or Al film on both sides of a ceramic, and a metal base 304 (Cu, Al or AlSiC) with fins or pins is fixed to the lower side of the insulating substrate 334 by solder. On the upper side, the IGBT 326 and the diode 327 are fixed by solder, and the DC terminals 314 and 316 are fixed by solder or ultrasonic bonding. 6 shows the power module control terminal 320, which are the upper and lower arm gate electrode terminals 154 and 164 and the emitter electrode terminals 155 and 165 described in FIG. A signal for controlling the switching operation is applied.

パワーモジュールケース突起部342がパワーモジュールケース302上に複数個形成され、この突起部342内部にはステー350が挿入されている。ステー350は駆動回路基板22を支持すると同時に、駆動回路基板22が発生する熱をパワーモジュールケース302を介して金属ベースに伝導する役目がある。ステー350と駆動回路基板22はネジなどの固定手段721で固定されている。尚、ステー350は例えば真鍮,鉄,アルミなど熱伝導率の良い金属が望ましい。   A plurality of power module case protrusions 342 are formed on the power module case 302, and a stay 350 is inserted into the protrusion 342. The stay 350 supports the drive circuit board 22 and simultaneously conducts heat generated by the drive circuit board 22 to the metal base via the power module case 302. The stay 350 and the drive circuit board 22 are fixed by fixing means 721 such as screws. The stay 350 is preferably made of a metal having good thermal conductivity such as brass, iron, or aluminum.

また、図7において、パワーモジュール300と駆動回路基板22との間に、放熱板700と、熱伝導シート704が挟まれている。熱伝導シート704は駆動回路基板22に密着し、更に熱伝導シート704は放熱板700にも密着している。放熱板700は筐体12にも密着し、熱が筐体12側に流れる構造となっている。放熱板700は、例えば、アルミ,銅などの熱伝導率の良い金属が望ましい。   In FIG. 7, a heat radiating plate 700 and a heat conductive sheet 704 are sandwiched between the power module 300 and the drive circuit board 22. The heat conductive sheet 704 is in close contact with the drive circuit board 22, and the heat conductive sheet 704 is also in close contact with the heat sink 700. The heat radiating plate 700 is in close contact with the housing 12 and has a structure in which heat flows to the housing 12 side. The heat radiating plate 700 is preferably made of a metal having good thermal conductivity such as aluminum or copper.

図8は図6の一点鎖線AAの断面図である。ステー350はモジュールケース突起部342とモジュールケース302に挿入されている。ステー350は金属ベース304に接していてもよいが、図8のように出来る限りステー350と金属ベースは接していないことが望ましい。   8 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line AA in FIG. The stay 350 is inserted into the module case protrusion 342 and the module case 302. The stay 350 may be in contact with the metal base 304, but it is desirable that the stay 350 and the metal base are not in contact as much as possible as shown in FIG.

電力変換装置は安全上、金属ベース304とアースが繋がっており、ステー350と金属ベース304が接するとステー350がアース電位となり、駆動回路基板22の高電圧の制御端子320と近くなり、絶縁が保てなくなる。そこで、ステー350と金属ベース304をある一定の距離を離し、絶縁を保つ。また、EMC(Electro Magnetic Compatibility)の観点から、駆動回路基板22の固定手段721をグランドにするケースがあり、ステー350と金属ベースが接すると複数のグランドループ電流が流れ、EMC特性が悪くなるのを回避する理由もある。   For safety, the power conversion device is connected to the metal base 304 and the earth. When the stay 350 and the metal base 304 are in contact with each other, the stay 350 becomes the ground potential, and is close to the high voltage control terminal 320 of the drive circuit board 22. I can't keep it. Therefore, the stay 350 and the metal base 304 are separated by a certain distance to maintain insulation. Also, from the viewpoint of EMC (Electro Magnetic Compatibility), there are cases where the fixing means 721 of the drive circuit board 22 is grounded, and when the stay 350 and the metal base are in contact, a plurality of ground loop currents flow, and the EMC characteristics deteriorate. There is also a reason to avoid this.

すなわち、ステー350下部と金属ベース304のステー下方領域352は、駆動回路基板22の熱を金属ベース304に逃がすという意味では、出来るだけ近い方が望ましいが、絶縁という観点では一定の距離(例えば数ミリメートル)が望ましい。   In other words, the lower portion of the stay 350 and the stay lower region 352 of the metal base 304 are preferably as close as possible in terms of releasing the heat of the drive circuit board 22 to the metal base 304, but in terms of insulation, a certain distance (for example, several Mm) is desirable.

駆動回路基板22が発生する熱の放熱経路には2種類ある。ひとつは駆動回路基板22から熱伝導シート704,放熱板700を通って筐体12へ流れる第一の放熱経路730である。もうひとつは駆動回路基板22からステー350,ステー下方領域352を介して金属ベース304に流れる第二の放熱経路731である。当然、第一の放熱経路730だけ、あるいは第二の放熱経路731だけでも放熱効果はあるが、本実施形態のように両方の放熱経路がある方が、最も効果的である。   There are two types of heat dissipation paths for the heat generated by the drive circuit board 22. One is a first heat dissipation path 730 that flows from the drive circuit board 22 through the heat conductive sheet 704 and the heat dissipation plate 700 to the housing 12. The other is a second heat radiation path 731 that flows from the drive circuit board 22 to the metal base 304 via the stay 350 and the stay lower region 352. Naturally, only the first heat radiation path 730 or the second heat radiation path 731 has a heat radiation effect, but it is most effective to have both heat radiation paths as in this embodiment.

図9は2個のパワーモジュールに放熱板700と熱伝導シート704を組付けた場合のパワーモジュールの斜視図である。702はパワーモジュール突起部342との干渉を防ぐための放熱板開口部である。2個のパワーモジュールの内、一方のパワーモジュールがスイッチング動作し、他方が動作しない場合、放熱板700による放熱効果は更に良くなる。また、パワーモジュール突起部342とステー350が複数個あり、それらのモジュールケース302での配置は一定の間隔で均等に配置されたり、駆動回路基板22の熱分布に応じて配置されてもよい。例えば、駆動回路基板22のある領域に例えば電源回路用トランス706,ドライバIC708などの発熱部品が実装されている場合、この領域の近傍に放熱ステー350を複数個配置すれば、放熱効果が改善される。更に、この領域直下に熱伝導シート704と放熱板700を追加すれば、更なる放熱効果が期待できる。このような駆動回路基板22の発熱分布について、図10を用いて詳細を説明する。   FIG. 9 is a perspective view of the power module when the heat radiating plate 700 and the heat conductive sheet 704 are assembled to the two power modules. Reference numeral 702 denotes a radiator plate opening for preventing interference with the power module protrusion 342. When one of the two power modules performs a switching operation and the other does not operate, the heat dissipation effect by the heat dissipation plate 700 is further improved. In addition, there are a plurality of power module protrusions 342 and stays 350, and the module case 302 may be arranged evenly at regular intervals or according to the heat distribution of the drive circuit board 22. For example, when heat generating components such as a power circuit transformer 706 and a driver IC 708 are mounted in a certain area of the drive circuit board 22, the heat radiation effect can be improved by arranging a plurality of heat radiation stays 350 in the vicinity of this area. The Furthermore, if a heat conductive sheet 704 and a heat radiating plate 700 are added immediately below this region, a further heat radiating effect can be expected. Details of the heat distribution of the drive circuit board 22 will be described with reference to FIG.

図10は電子部品を実装した駆動回路基板22の平面図である。706は電源回路用トランス、708はパワーモジュール300のIGBT326のゲートを駆動するためのドライバIC、710は電源回路の平滑用電解コンデンサ、712は制御回路基板20と駆動回路基板22との基板間コネクタ、714は電源回路用1次側スイッチング素子のパワートランジスタ、718は交流端子159と干渉を避けるための交流端子用切欠部、722はパワーモジュール300の制御端子320を駆動回路基板に貫通させるための制御端子穴、724はコンデンサモジュール500の負極側コンデンサ端子504と正極側コンデンサ端子506との干渉を避けるための切欠部、721は駆動回路基板22とステー350とを固定するための固定手段である。   FIG. 10 is a plan view of the drive circuit board 22 on which electronic components are mounted. 706 is a power circuit transformer, 708 is a driver IC for driving the gate of the IGBT 326 of the power module 300, 710 is a smoothing electrolytic capacitor for the power circuit, and 712 is an inter-board connector between the control circuit board 20 and the drive circuit board 22. , 714 is a power transistor of the primary side switching element for the power supply circuit, 718 is an AC terminal notch for avoiding interference with the AC terminal 159, and 722 is for penetrating the control terminal 320 of the power module 300 into the drive circuit board. A control terminal hole 724 is a notch for avoiding interference between the negative-side capacitor terminal 504 and the positive-side capacitor terminal 506 of the capacitor module 500, and 721 is a fixing means for fixing the drive circuit board 22 and the stay 350. .

駆動回路基板22上に実装されている電子部品の内、電源回路用トランス706,ドライバIC708,パワートランジスタ714などは、他の電子部品に比べて発熱する部品であり、これら部品近傍の基板領域も発熱する。特に、駆動回路基板22を小型化するため、電源回路用トランス706を小型にするには、パワートランジスタ714を高速でスイッチングするため更に発熱は激しくなる。また、電力変換装置200を大電流出力にするため、IGBT326の素子面積を上げていくと、ドライバIC708の駆動電流が大きくなり、ドライバIC708の発熱が大きくなる。更に、電力変換装置200の制御を高精度化するためにキャリア周波数を上げると、ドライバICの駆動電流は更に大きくなり、発熱が大きくなる。これら発熱部品近傍の基板領域を効果的に放熱するため、発熱部品を実装している基板直下に熱伝導シートを密着させたり、発熱部品を実装している基板近傍に金属ステー350を配置することにより、基板の発熱を効果的に抑えることができる。   Among the electronic components mounted on the drive circuit board 22, the power circuit transformer 706, the driver IC 708, the power transistor 714, and the like are components that generate heat compared to other electronic components, and the board area in the vicinity of these components is also included. Fever. In particular, in order to reduce the size of the drive circuit board 22 and to reduce the size of the power circuit transformer 706, the power transistor 714 is switched at a high speed, so that the heat generation becomes more intense. Further, when the element area of the IGBT 326 is increased in order to make the power conversion device 200 output a large current, the drive current of the driver IC 708 increases and the heat generation of the driver IC 708 increases. Further, when the carrier frequency is increased in order to increase the accuracy of control of the power conversion device 200, the drive current of the driver IC further increases and heat generation increases. In order to effectively dissipate heat in the board area in the vicinity of these heat-generating components, a heat conductive sheet is closely attached directly under the board on which the heat-generating parts are mounted, or a metal stay 350 is disposed in the vicinity of the board on which the heat-generating parts are mounted. Thus, the heat generation of the substrate can be effectively suppressed.

ハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。It is a figure which shows the control block of a hybrid vehicle. 上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサからなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。1 shows a circuit configuration of an electric vehicle driving system including an inverter device including a series circuit of upper and lower arms and a control unit, a power conversion device including a capacitor connected to the DC side of the inverter device, a battery, and a motor generator. FIG. 本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成の外観斜視図である。It is an appearance perspective view of the whole composition of the power converter concerning the embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。It is the perspective view which decomposed | disassembled the whole structure of the power converter device which concerns on embodiment of this invention into each component. 本発明の実施形態に関する筐体、及び冷却水流路内の冷却水流れを示す図である。It is a figure which shows the housing | casing regarding embodiment of this invention, and the cooling water flow in a cooling water flow path. 本実施形態に関するパワーモジュールの上方からの斜視図である。It is a perspective view from the upper part of the power module regarding this embodiment. 本実施形態に係るパワーモジュールと駆動回路基板22を各構成要素に分解した斜視図である。It is the perspective view which decomposed | disassembled the power module and drive circuit board | substrate 22 which concern on this embodiment into each component. 本実施形態に関するパワーモジュールの断面図である。It is sectional drawing of the power module regarding this embodiment. 本実施形態に関するパワーモジュールに放熱板700を組付けたときの斜視図である。It is a perspective view when the heat sink 700 is assembled | attached to the power module regarding this embodiment. 本実施形態に関する駆動回路基板の平面図である。It is a top view of the drive circuit board concerning this embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

9 冷却部
10 上部ケース
11 金属ベース板
12 筐体
13 冷却水入口配管
14 冷却水出口配管
16 下部ケース
17 交流ターミナルケース
18 交流ターミナル
19 冷却水流路
20 制御回路基板
21 コネクタ
22 駆動回路基板
23,712 基板間コネクタ
43 補機用インバータ装置(パワーモジュールを含む)
49 鋳造肉盗み
110 ハイブリッド電気自動車
112 前輪
114 前輪車軸
116 前輪側DEF
118 変速機
120 エンジン
122 動力分配機構
123,124,125,126,127,128,129,130 歯車
136 バッテリ
138 直流コネクタ
140,142 インバータ装置
144 インバータ回路
150 上下アームの直列回路
153 上アームのコレクタ電極
154 上アームのゲート電極端子
155 上アームの信号用エミッタ電極端子
156 上アームのダイオード
157 正極(P)端子
158 負極(N)端子
159 交流端子
163 下アームのコレクタ電極
164 下アームのゲート電極端子
165 下アームの信号用エミッタ電極端子
166 下アームのダイオード
169 中間電極
170 制御部
172 制御回路
174 ドライバ回路
176,182 信号線
180 電流検出部
186 交流電力線
188 交流コネクタ
192,194 モータジェネレータ
195 モータ(補機用=エアコン,オイルポンプ,冷却ポンプ)
200 電力変換装置
300 パワーモジュール(半導体モジュール部)
302 パワーモジュールケース
304 金属ベース
305 フィン
308 U相交流バスバー
310 V相交流バスバー
312 W相交流バスバー
314 直流正極端子
315,507 正極導体板
316 直流負極端子
317,505 負極導体板
318 絶縁紙
320 パワーモジュール制御端子
326 IGBT
327 ダイオード
342 パワーモジュールケース突起部
334 絶縁基板
350 ステー
352 ステー下方領域
341 接合部(直流負極バスバー用)
400,402,404 開口部
401 入口孔
403 出口孔
406 貫通孔
408 隔壁
410 支持部
412,414 ねじ穴(パワーモジュール固定用)
416 ねじ穴(水路カバー固定用)
418 冷媒の流れ(流入方向)
420 カバー
421 冷媒の流れ(Uターン部)
422 冷媒の流れ(流出方向)
500 コンデンサモジュール
502 コンデンサケース
504 負極側コンデンサ端子
506 正極側コンデンサ端子
508 導電材
509,511 開口部(端子固定用)
700 放熱板
702 放熱板開口部
704 熱伝導シート
706 電源回路用トランス
708 ドライバIC
710 電解コンデンサ
714 パワートランジスタ
718 交流端子用切欠部
720,721 固定手段
722 制御端子穴
724 切欠部
730 第一の放熱経路
731 第二の放熱経路
9 Cooling section 10 Upper case 11 Metal base plate 12 Housing 13 Cooling water inlet pipe 14 Cooling water outlet pipe 16 Lower case 17 AC terminal case 18 AC terminal 19 Cooling water flow path 20 Control circuit board 21 Connector 22 Drive circuit boards 23 and 712 Inter-board connector 43 Auxiliary inverter device (including power module)
49 Cast Meat Stealing 110 Hybrid Electric Vehicle 112 Front Wheel 114 Front Wheel Axle 116 Front Wheel Side DEF
118 Transmission 120 Engine 122 Power distribution mechanism 123, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130 Gear 136 Battery 138 DC connector 140, 142 Inverter device 144 Inverter circuit 150 Upper and lower arm series circuit 153 Upper arm collector electrode 154 Upper arm gate electrode terminal 155 Upper arm signal emitter electrode terminal 156 Upper arm diode 157 Positive electrode (P) terminal 158 Negative electrode (N) terminal 159 AC terminal 163 Lower arm collector electrode 164 Lower arm gate electrode terminal 165 Lower arm signal emitter electrode terminal 166 Lower arm diode 169 Intermediate electrode 170 Control unit 172 Control circuit 174 Driver circuits 176 and 182 Signal line 180 Current detection unit 186 AC power line 188 AC connector 192 , 194 Motor generator 195 Motor (auxiliary equipment = air conditioner, oil pump, cooling pump)
200 Power converter 300 Power module (semiconductor module part)
302 Power module case 304 Metal base 305 Fin 308 U-phase AC bus bar 310 V-phase AC bus bar 312 W-phase AC bus bar 314 DC positive terminal 315, 507 Positive conductor plate 316 DC negative terminal 317, 505 Negative conductor plate 318 Insulating paper 320 Power module Control terminal 326 IGBT
327 Diode 342 Power module case protrusion 334 Insulating substrate 350 Stay 352 Stay lower region 341 Joint (for DC negative bus bar)
400, 402, 404 Opening 401 Inlet hole 403 Outlet hole 406 Through hole 408 Bulkhead 410 Supporting part 412, 414 Screw hole (for power module fixing)
416 Screw hole (for fixing the water channel cover)
418 Flow of refrigerant (inflow direction)
420 Cover 421 Flow of refrigerant (U-turn part)
422 Flow of refrigerant (outflow direction)
500 Capacitor module 502 Capacitor case 504 Negative electrode side capacitor terminal 506 Positive electrode side capacitor terminal 508 Conductive material 509, 511 Opening (for terminal fixing)
700 Heat sink 702 Heat sink opening
704 Thermal conductive sheet 706 Power supply circuit transformer 708 Driver IC
710 Electrolytic capacitor 714 Power transistor 718 Notch for AC terminal 720, 721 Fixing means 722 Control terminal hole 724 Notch
730 First heat dissipation path 731 Second heat dissipation path

Claims (14)

バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換する複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールに接触して配置され、前記スイッチング素子の熱を放熱する金属ベースと、
前記パワーモジュールをはさんで前記金属ベースとは反対側に配置された前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路基板と、
前記駆動回路基板と前記金属ベースの間の熱伝達経路をなす金属ステーとを有する電力変換装置。
A power module having a plurality of switching elements for converting a direct current supplied from a battery into an alternating current;
A metal base disposed in contact with the power module and dissipating heat of the switching element;
A drive circuit board for controlling the switching operation of the plurality of switching elements disposed on the opposite side of the metal base across the power module;
A power converter having a metal stay that forms a heat transfer path between the drive circuit board and the metal base.
請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記金属ベースと前記金属ステーが接している電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1,
A power conversion device in which the metal base is in contact with the metal stay.
請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記駆動回路基板と前記金属ベースとの間にパワーモジュールケースが配置され、
前記パワーモジュールケースは複数の突起部を有し、
前記複数の突起部は前記金属ステーが挿入されており、前記金属ステーが前記金属ベースまで延伸している電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1,
A power module case is disposed between the drive circuit board and the metal base,
The power module case has a plurality of protrusions,
The power conversion device in which the metal stay is inserted into the plurality of protrusions, and the metal stay extends to the metal base.
請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記金属ステーと前記金属ベースの間の距離は3mm以下である電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1,
The power conversion device wherein a distance between the metal stay and the metal base is 3 mm or less.
請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記金属ステーの材質は、真鍮,鉄,アルミのいずれかである電力変換装置。
The power conversion device according to claim 1,
The power converter is made of brass, iron, or aluminum.
請求項2に記載の電力変換装置であって、
前記複数の突起部は前記パワーモジュールケースに所定の間隔で配置されており、それに対応して前記金属ステーが前記突起部に挿入されている電力変換装置。
The power conversion device according to claim 2,
The plurality of protrusions are arranged at predetermined intervals on the power module case, and the metal stays are inserted into the protrusions correspondingly.
請求項3に記載の電力変換装置であって、
前記駆動回路基板は発熱部品と非発熱部品が実装され、前記複数の突起部は前記発熱部品の近傍に配置されており、それに対応して前記金属ステーが前記突起部に挿入されている電力変換装置。
The power conversion device according to claim 3,
The drive circuit board is mounted with a heat generating component and a non-heat generating component, and the plurality of protrusions are arranged in the vicinity of the heat generating component, and the metal stay is inserted into the protrusion correspondingly. apparatus.
バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換する複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールに接触して配置され、前記スイッチング素子の熱を放熱する金属ベースと、
前記パワーモジュールをはさんで前記金属ベースとは反対側に配置された前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路基板とを有し、
前記パワーモジュールと前記駆動回路基板の間に熱伝導シートを挟み、
前記熱伝導シートと密着された放熱板を有する電力変換装置。
A power module having a plurality of switching elements for converting a direct current supplied from a battery into an alternating current;
A metal base disposed in contact with the power module and dissipating heat of the switching element;
A drive circuit board for controlling switching operations of the plurality of switching elements disposed on the opposite side of the metal base across the power module;
A heat conductive sheet is sandwiched between the power module and the drive circuit board,
The power converter device which has a heat sink closely_contact | adhered with the said heat conductive sheet.
請求項8に記載の電力変換装置であって、
前記放熱板の一方側が該電力変換装置の筐体と接続されている電力変換装置。
The power conversion device according to claim 8, wherein
A power conversion device in which one side of the heat radiating plate is connected to a casing of the power conversion device.
請求項8に記載の電力変換装置であって、
前記駆動回路基板は発熱部品と非発熱部品が実装され、
前記熱伝導シートは前記発熱部品の近傍に設けられた電力変換装置。
The power conversion device according to claim 8, wherein
The drive circuit board is mounted with heat-generating components and non-heat-generating components,
The heat conductive sheet is a power conversion device provided in the vicinity of the heat generating component.
バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換する複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールに接触して配置され、前記スイッチング素子の熱を放熱する金属ベースと、
前記パワーモジュールをはさんで前記金属ベースとは反対側に配置された前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路基板と、
前記駆動回路基板と前記金属ベースの間の熱伝達経路をなす金属ステーとを有し、
前記パワーモジュールと前記駆動回路基板の間に熱伝導シートとを挟み、前記熱伝導シートと密着された放熱板を有する電力変換装置。
A power module having a plurality of switching elements for converting a direct current supplied from a battery into an alternating current;
A metal base disposed in contact with the power module and dissipating heat of the switching element;
A drive circuit board for controlling the switching operation of the plurality of switching elements disposed on the opposite side of the metal base across the power module;
A metal stay that forms a heat transfer path between the drive circuit board and the metal base;
A power converter having a heat sink sandwiched between the power module and the drive circuit board and in close contact with the heat conductive sheet.
バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換する複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの下方に開口部を有し、前記開口部に冷却媒体流路が設けられた筐体と、
前記パワーモジュールに接触して配置され、前記冷却媒体流路に突出したフィンを備えた金属ベースとを有し、
前記パワーモジュールをはさんで前記冷却媒体流路とは反対側に配置された前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路基板と、
前記駆動回路基板と前記冷却媒体流路の間の熱伝達経路をなす金属ステーとを有する電力変換装置。
A power module having a plurality of switching elements for converting a direct current supplied from a battery into an alternating current;
A housing having an opening below the power module and provided with a cooling medium flow path in the opening;
A metal base provided with fins arranged in contact with the power module and protruding into the cooling medium flow path;
A drive circuit board for controlling the switching operation of the plurality of switching elements disposed on the opposite side of the cooling medium flow path across the power module;
A power converter having a metal stay forming a heat transfer path between the drive circuit board and the cooling medium flow path.
バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換する複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールに接触して配置され、前記スイッチング素子の熱を放熱する金属ベースと、
前記パワーモジュールをはさんで前記金属ベースとは反対側に配置された前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路基板と、
前記駆動回路基板と前記金属ベースの間の熱伝達経路をなす金属ステーとを有し、
前記金属ステーと前記金属ベースの間の距離は3mm以下である電力変換装置。
A power module having a plurality of switching elements for converting a direct current supplied from a battery into an alternating current;
A metal base disposed in contact with the power module and dissipating heat of the switching element;
A drive circuit board for controlling the switching operation of the plurality of switching elements disposed on the opposite side of the metal base across the power module;
A metal stay that forms a heat transfer path between the drive circuit board and the metal base;
The power conversion device wherein a distance between the metal stay and the metal base is 3 mm or less.
バッテリから供給される直流電流を交流電流に変換する複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールに接触して配置され、前記スイッチング素子の熱を放熱する金属ベースと、
前記パワーモジュールをはさんで前記金属ベースとは反対側に配置された前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するための駆動回路基板と、
前記駆動回路基板と前記金属ベースの間の熱伝達経路をなす金属ステーとを有し、
前記金属ベースと前記金属ステーは熱的に導通され電気的には絶縁された電力変換装置。
A power module having a plurality of switching elements for converting a direct current supplied from a battery into an alternating current;
A metal base disposed in contact with the power module and dissipating heat of the switching element;
A drive circuit board for controlling the switching operation of the plurality of switching elements disposed on the opposite side of the metal base across the power module;
A metal stay that forms a heat transfer path between the drive circuit board and the metal base;
The power conversion device in which the metal base and the metal stay are thermally connected and electrically insulated.
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