JP2010136567A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】外径寸法の増加を抑えることができる電力変換器を提供する。
【解決手段】電力変換器に備えられた複数の半導体モジュール３が円の中心より円周方向に沿って放射状に配置され、かつ各半導体モジュールが斜めに傾いた配置として、互いに隣接する半導体モジュール３同士が重なり合っている配置としたことにより、外径寸法の増加を抑えて電力変換器１００の大型化を抑えることができる。したがって、本発明では、電力変換性能を低下させることなくコンパクト化を達成でき、よって電力変換器を収納する装置を小型にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールを放射状に配置してなる電力変換器に関する。

従来、電力変換器として、円筒形のインバータがある。この電力変換器において各パワーモジュール（半導体モジュール）に発生するサージ電圧に差が生じないようにするために、入力ケーブルを円筒の中心に置き、中心から放射状にパワーモジュールを配置することで、各パワーモジュールまでのインダクタンスを均一にした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、モータと同軸に繋ぐことを目的とする円筒形の多相型電力変換器の部品を配置する場合、パワーモジュールを同一平面状に配置しているが、パワーモジュールが直方体型であるために、複数のパワーモジュールは内周面で干渉しないように、同心円状に配置されていた。
特開平７−２４５９６８号公報

しかしながら、このような従来の技術では、パワーモジュールの数やサイズによりインバータの最小外径が決定されるため、多相化などでパワーモジュールの数が増えた場合にはデッドスペースが増えるとともにインバータ外径が増加するという問題があった。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、外径寸法の増加を抑えることができる電力変換器を提供することにある。

そこで、本発明の特徴は、電動駆動機に用いる電力変換器であって、複数の半導体モジュールが円の中心より円周方向に沿って放射状に配置され、互いに隣接する半導体モジュール同士が重なり合っていることを要旨とする。

また、本発明では、半導体モジュールは実装基板を備え、この実装基板が環状をなす設置平面を有するヒートシンクの前記設置平面に対して傾いた状態で配置され、このヒートシンクは、冷媒路を備えること構成とすることができる。

さらに、本発明では、上記実装基板が前記設置平面に対して傾いており、この実装基板における設置平面に近い側にパワー素子が実装され、実装基板における設置平面から遠い側に整流素子を配置することが好ましい。

また、本発明では、実装基板が設置平面に対して傾いており、この実装基板における設置平面に近く、かつ円の中心に近い側に一のパワー素子が実装され、実装基板における設置平面から遠く、かつ円の中心から離れた側に他のパワー素子が配置されている構成とすることができる。

さらに、本発明では、実装基板が設置平面に対して傾いており、この実装基板における設置平面に近い側にパワー素子へ駆動信号を入力する入力端子を備えることが好ましい。

また、本発明では、半導体モジュールが板状の２つの直流端子を備え、この直流端子が
設置平面に平行であることが好ましい。さらには、半導体モジュールの前記直流端子を半導体モジュールの中心線の近くに備える構成としてもよい。

半導体モジュールが設置平面に対して傾いており、半導体モジュールの上面で、設置平面に近い側に、半導体モジュールを行動させる駆動回路基板を設置した構成とすることが好ましい。また、発熱量の大きい部品が設置平面に近い位置に配置され、この設置平面に放熱フィンが設けられている構成としてもよい。

そして、本発明では、半導体モジュールが３６０°／（前記半導体モジュールの総数＋０．１〜１．０）毎に、前記円周方向に沿って配置され、円周方向に半導体モジュールが存在しない部分に冷媒路の出入口が配置されている構成することもできる。

さらに、本発明では、半導体モジュールのヒートシンクと接触面に凸部を設け、ヒートシンクの半導体モジュールとの接触面に凹溝が半径方向に沿って形成され、半導体モジュールがヒートシンクの外側から挿入されて固定されている構成としてもよい。

また、半導体モジュールのヒートシンクとの接触面に凸部を設け、ヒートシンクの半導体モジュールとの接触面に凹溝が半径方向に対して角度を有する方向に沿って形成され、凸部が凹溝に挿入された状態で固定されている構成としてもよい。

本発明によれば、半導体モジュール同士を重ねて配置することで外径を小さくでき、電力変換器の大型化を抑えることができる。

また、本発明によれば、半導体モジュールを傾けることによって半導体モジュール同士の段差が必要なくなるため、厚みを抑えながら、外径を小さくできる。また、本発明によれば、内周が小径化するので、低インダクタンス化できる。

さらに、本発明によれば、より冷却の必要が強いパワー素子の冷却性能を向上することができるので、冷却効率を向上できる。

本発明によれば、半導体モジュール内の電極プレートを小型化できるため、パワーモジュールを小型化しながら、パワー素子の冷却性能を向上させることができる。

また、本発明によれば、ドライバ基板部で比較的背が高くなる接続部を電力変換器設置平面に近い側の空きスペースに持ってくることにより、電力変換器全体の厚みを薄くすることができる。

さらに、本発明によれば、ＰＮ電極部品を共通化できるので、電力変換器を低コスト化することも可能である。

本発明によれば、隣り合う半導体モジュールのＰＮ端子の干渉を少なくできるので、組み付けを容易にすることができる。

さらに、本発明によれば、ドライバ基板部で比較的背が高くなる接続部を電力変換器設置平面に近い側の空きスペースに持ってくることにより、電力変換器全体の厚みを薄くすることができる。

また、電力変換器設置平面に近い側の空きスペースを利用してドライバ基板の冷却を行うことにより、ドライバ基板の寿命と信頼性を向上できる。

本発明によれば、各半導体モジュールの冷媒路を共通の形状にできるため、各半導体モジュール毎の温度のバラツキを抑制することができる。

また、本発明によれば、冷媒を流通させるリングを大きく取れるため、各半導体モジュール用冷媒路に流れる冷媒の流速が均一になるため、各半導体モジュール毎の温度のバラツキを抑制することができる。

本発明によれば、半導体モジュールの取り付けが容易になるため、電力変換器のサイズとコストを低減できる。半導体モジュールの固定と同時に半導体モジュールカバーが電磁遮蔽するため、動作信頼性を向上できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電力変換器を説明する。以下に説明する電力変換器は、本発明を、例えば自動車用電動駆動機を駆動するための電力変換器に適用したものである。
（電力変換器の概略構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換器１００を示している。この電力変換器１００は、複数の半導体モジュール３と、この半導体モジュール３を上面に載置する台座部１を備えた環状のヒートシンク２とを有している。

これら半導体モジュール３は、互いに隣接する同士が一部重なり合いながら同心円状に（円周方向に沿って）設置されている。

ヒートシンク２の下面には、複数のコンデンサ４が配置されている。半導体モジュール３の入力端子５とコンデンサ端子６は、Ｐ側Ｎ側がそれぞれＮ側バスバー７、Ｐ側バスバー８に接続されている。Ｐ側バスバー８、Ｎ側バスバー７は、図示しない電源もしくは電源につながるケーブル等に接続される。

また、半導体モジュール３の出力端子１０は、半導体モジュール３の入力端子５の反対側に設置され、図示しないモータなどに接続される。半導体モジュール３の上面において、ヒートシンク２に近い位置に半導体モジュール駆動用の駆動回路基板９が設置され、図示しない外部コントローラからの信号に基づき半導体モジュール３を駆動するようになっている。

従来では、モータと同軸につなぐことを目的とする円筒形の多相型電力変換器の部品を配置する場合、半導体モジュールを同一平面状に配置しているが、半導体モジュールが直方体型であるために、複数の半導体モジュールは内周面で干渉しないように、同心円状に配置されていた。このような構成の場合、電力変換器１００の外径が大きくなるとともに、電力変換器１００外周側の半導体モジュール３間にデッドスペースが生まれ、電力変換器１００自体が大きくなる。

しかし、本実施の形態では、半導体モジュール３が傾いて配置され、半導体モジュール３同士が電力変換器１００の内周側で一部重なるようにした。このような配置構造としたことにより、内周部での干渉は避けられるため、電力変換器１００を小径化することが可能である。また、半導体モジュール３の重なり範囲と傾け角を調整することにより、接続されるモータの外径に適した外径の電力変換器１００を構成することができる。また、半導体モジュール３を傾けたことにより生じるデッドスペースに駆動回路基板９を配置することにより、電力変換器１００を小型化できる。
（半導体モジュールの実施例１）
次に、図２を用いて本発明の電力変換器１００に用いる半導体モジュール３の実施例１を説明する。

図２に示すように、半導体モジュール３は、ベースプレート３１の上に絶縁層３２があり、その上に出力電極パターン３３、Ｐ側電極パターン３４、Ｎ側電極パターン３５が配置されている。

それぞれ、Ｐ側電極パターン３４にはＰ側端子３６が、Ｎ側電極パターン３５にはＮ側端子３７が、また出力電極パターン３３には出力端子３８が、半田付けや、溶接により電気的に接続されている。

図１に示すように、半導体モジュール３は、ベースプレート３１をヒートシンク２の台座部１と接触させることで冷却を行う。図５及び図６に示すように、台座部１を備えるヒートシンク２は、後述する冷媒路４０を内包する構造である。台座部１は、互いに隣接する半導体モジュール３同士は、上面から見て環状のヒートシンク２の内側位置で、互いに重なるようになっている。このため、台座部１と直接接触しておらず、他の部分よりも冷却効率が低い。

そこで、本実施の形態では、図２に示すように、半導体モジュール３が、出力電極パターン３３とＰ側電極パターン３４は半導体モジュール３上面から見て左側に配置され、これら電極パターン３３，３４の領域では冷却が必要となる。これに合わせて、図２に示すように、スイッチング素子３９は、ＩＧＢＴ（絶縁バイポーラトランジスタ）を左側に、ファースト・リカバリー・ダイオード（ＦＲＤ）やＦＷＤなどのような整流素子２０をスイッチング素子３９と反対側の例えば右側に設置する構成とした。
（半導体モジュールの実施例２）
図３を用いて本発明の電力変換器１００に用いる半導体モジュール３の実施例２を示す。実施例２では、ベースプレート３１の上に絶縁層３２があり、その上に出力電極パターン３３、Ｐ側電極パターン３４、Ｎ側電極パターン３５が配置される。それぞれＰ側電極パターン３４にはＰ側端子３６が、Ｎ側端子３５にはＮ側電極３７が、また出力電極パターン３３には出力電極３８が半田付けや、溶接により電気的に接続されている。半導体モジュール３はベースプレート３１を冷媒路４０を内包する台座部１に設置することで冷却を行うが、半導体モジュール３上面から見て（半導体モジュール３の出力電極３８を上にした場合）右下の部分は隣の半導体モジュール３と重なるため、台座部１と直接接触しておらず、他の部分よりも冷却効率が低い。そのため本実施例の半導体モジュール３は、比較的発熱量の少ない整流素子２０を半導体モジュール３上面からみて右下に設置し、その他のスイッチング素子３９などは右下以外の領域に設置する構成とした。また、駆動回路基板９を半導体モジュール３上面からみて左側に設置しやすいようにするために、駆動信号線入力用端子５１は半導体モジュール３上面から見て左側に配置する構成とした。
（半導体モジュールの実施例３）
図４を用いて本発明の電力変換器１００に用いる半導体モジュール３の実施例３を示す。半導体モジュール３のＰ側端子３６とＮ側端子３６のモジュールケース３０側は半導体モジュール底面と平行であり、Ｐ側端子３６とＮ側端子３７とＤＣバスバー７、８との接触面はヒートシンク２の底面２Ａと平行の構成とする。また、Ｐ側Ｎ側両端子３６、３７は半導体モジュール３の中心に近い位置に設置する。各半導体モジュール３のＰ側Ｎ側両端子は各々共通のＤＣバスバー７，８によって接続することが好ましいが、従来のようにＰ側Ｎ側両端子３６、３７が半導体モジュール３と平行の場合は、傾けて配置した際に、共通のＤＣバスバー７、８で接続することが困難になる。

一方、本実施の形態ではＰ側Ｎ側両端子３６、３７のＤＣバスバー接続部は、半導体モジュール３を傾けた状態でヒートシンク２の底面２Ａに対して平行する構成にすることで、ＤＣバスバー７、８との接続が容易になる。また、Ｐ側Ｎ側両端子３６、３７を半導体モジュール３の中心に近い位置に設置することにより、重なり合った半導体モジュール３のＰ側Ｎ側両端子の干渉を防げるため、組みつけが容易になるとともに、低インダクタンスとなる。

図５、図６を用いて、本実施の形態に係る電力変換器１００に用いるヒートシンク２の実施例を示す。図５はヒートシンク２の上面から見た図で、冷媒路４０が見やすいように、ヒートシンク２を透視した図である。台座部１を備えたヒートシンク２の中に、冷媒入力路４１、冷媒出力路４２、入力側冷媒リング４３、出力側冷媒リング４４、半導体モジュール下冷媒路４５をそれぞれ備え、入力側冷媒リング４３、出力側冷媒リング４４の断面積は半導体モジュール下冷媒路の断面積よりも十分大きい構成であり、各半導体モジュール下冷媒路４５に均一に冷媒が流れるようになっている。また、半導体モジュール下冷媒路４５は半導体モジュール設置面４６に沿うように、ヒートシンク２の底面に対して傾いた構成となっている。即ち、半導体モジュール下冷媒路４５は、台座部１の下面に沿うように配置されている。

図７を用いて本実施の形態に係る電力変換器１００に用いる半導体モジュール３の取り付け構造を説明する。半導体モジュール３の底面のベースプレート３１には、下方へ突出する固定用凸部５０を備え、半導体モジュール用の台座部1は固定用凸部５０と嵌合する
溝部５１を備える構成である。図に示すように半導体モジュールの凸部５０を溝部５１に嵌め合わせながら挿入することで容易に半導体モジュールをヒートシンク２に固定することができる。好適には、ベースプレート３１が半導体モジュール上面に対して凸となるように反っており、固定時に半導体モジュール３が均一な圧力でヒートシンク２に固定することができる。

図８を用いて本実施の形態に電力変換器１００に用いる半導体モジュール３の固定構造について説明する。本実施の形態では、半導体モジュールカバー６０を用いて、半導体モジュール３を台座部１に保持、固定する構成である。台座部１に設けた図示しない切り欠きと半導体モジュールカバー６０に設けた爪とを嵌合させることで、半導体モジュール３を台座部１に固定している。ここで、半導体モジュールカバー６０の構成材料としては、Ａｌ，Ｎｉ，Ｆｅなどの金属やこれらを含む合金を挙げることができる。また、半導体モジュール３の上面との接触面に対して凸となるように反らせて、容易に半導体モジュール３を確実に固定できるようにしてもよい。この半導体モジュールカバー６０は、駆動回路基板９やその他の部品を半導体モジュール３から発生する電磁ノイズから守る電磁遮蔽効果を得ることができる。
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

例えば、上記した実施の形態では、半導体モジュール３を、凸部５０を溝部５１の嵌合や、半導体モジュールカバー６０により、保持、固定する構成としたが、接着剤を用いて固定したり螺子止めする構成としても勿論よい。

本発明では、半導体モジュールが３６０°／（半導体モジュールの総数＋０．１〜１．０）毎に、前記円周方向に沿って配置され、円周方向に半導体モジュールが存在しない部分に冷媒路の出入口が配置されている構成することもできる。

本発明の実施の形態に係る電力変換器を示す斜視図である。 本実施の形態に適用される半導体モジュールの実施例１の平面図である。 本実施の形態に適用される半導体モジュールの実施例２の平面図である。 本実施の形態に適用される半導体モジュールの実施例３の斜視図である。 本実施の形態に係る電力変換器の冷媒路を示す説明図である。 本実施の形態に係る電力変換器の冷媒路を示す斜視図である。 （Ａ）は本実施の形態において半導体モジュールを台座部に取り付ける過程を示す側面図、（Ｂ）は台座部に半導体モジュールを取り付けた状態を円周方向で切った状態を示す説明図である。 本実施の形態に係る電力変換器の要部斜視図である。

符号の説明

１ 台座部
２ ヒートシンク
２Ａ 底面
３ 半導体モジュール
５ 入力端子
７ Ｎ側バスバー
８ Ｐ側バスバー
９ 駆動回路基板
１０ 出力端子
１１ ベースプレート
２０ 整流素子
３０ モジュールケース
３１ ベースプレート
３３ 出力電極パターン
３４ Ｐ側電極パターン
３５ Ｎ側電極パターン
３７ Ｎ側電極
３８ 出力端子
３８ 出力電極
３９ スイッチング素子
４０ 冷媒路
４１ 冷媒入力路
４２ 冷媒出力路
４３ 入力側冷媒リング
４４ 出力側冷媒リング
４５ 半導体モジュール下冷媒路
４６ 半導体モジュール設置面
５０ 凸部
５０ 固定用凸部
５１ 溝部
６０ 半導体モジュールカバー
１００ 電力変換器

Claims (12)

1. 電動駆動機に用いる電力変換器であって、
   複数の半導体モジュールが円の中心より円周方向に沿って放射状に配置され、互いに隣接する前記半導体モジュール同士が重なり合っていることを特徴とする電力変換器。
2. 前記半導体モジュールは実装基板を備え、
   前記実装基板が、環状をなす設置平面を有するヒートシンクの前記設置平面に対して傾いた状態で配置され、
   前記ヒートシンクは、冷媒路を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記実装基板が前記設置平面に対して傾いており、
   前記実装基板における前記設置平面に近い側にパワー素子が実装され、
   前記実装基板における前記設置平面から遠い側に整流素子を配置することを特徴とする請求項２の電力変換器。
4. 前記実装基板が前記設置平面に対して傾いており、
   前記実装基板における前記設置平面に近く、かつ前記円の中心に近い側に一のパワー素子が実装され、
   前記実装基板における前記設置平面から遠く、かつ前記円の中心から離れた側に他のパワー素子が配置されことを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。
5. 前記実装基板が前記設置平面に対して傾いており、
   前記実装基板における前記設置平面に近い側に前記パワー素子へ駆動信号を入力する入力端子を備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電力変換器。
6. 前記半導体モジュールが板状の２つの直流端子を備え、
   前記直流端子が前記設置平面に平行であることを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の電力変換器。
7. 前記半導体モジュールの前記直流端子を半導体モジュールの中心線の近くに
   備えることを特徴とする請求項２乃至６のいずれか一項に記載の電力変換器。
8. 前記半導体モジュールが前記設置平面に対して傾いており、
   前記半導体モジュールの上面で、前記設置平面に近い側に、前記半導体モジュールを行動させる駆動回路基板を設置したことを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれか一項に記載の電力変換器。
9. 発熱量の大きい部品が前記設置平面に近い位置に配置され、
   前記設置平面に放熱フィンが設けられていることを特徴とする電力変換器。
10. 前記半導体モジュールが３６０°／（前記半導体モジュールの総数＋０．１〜１．０）毎に、前記円周方向に沿って配置され、
    前記円周方向に半導体モジュールが存在しない部分に前記冷媒路の出入口が配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の電力変換器。
11. 前記半導体モジュールの前記ヒートシンクと接触面に凸部を設け、前記ヒートシンクの半導体モジュールとの接触面に凹溝が半径方向に沿って形成され、前記半導体モジュールが前記ヒートシンクの外側から挿入されて固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の電力変換器。
12. 前記半導体モジュールの前記ヒートシンクとの接触面に凸部を設け、前記ヒートシンクの前記半導体モジュールとの接触面に凹溝が半径方向に対して角度を有する方向に沿って形成され、前記凸部が前記凹溝に挿入された状態で固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の電力変換器。

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