JP2013121236A

JP2013121236A - 電力変換装置

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Publication number: JP2013121236A
Application number: JP2011267760A
Authority: JP
Inventors: Naozo Kubo; 尚三久保
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-17

Abstract

【課題】半導体モジュール及び電子部品モジュールを一体化して冷却性と組立作業性が向上した電力変換装置を提供する。
【解決手段】半導体モジュール２ａ〜２l及び電子部品モジュール３ａ〜３ｃは、ともに扁平な立方体を呈して、その扁平な長方形の側面にＰ端子１４ａ，１５ａ及びＮ端子１４ｂ，１５ｂが立設し、半導体モジュール２ａ〜２l及び電子部品モジュール３ａ〜３ｃを冷却管５の間に挟持して積層したとき、半導体モジュール２ａ〜２l及び電子部品モジュール３ａ〜３ｃにおける各Ｐ端子１４ａ，１５ａ及び各Ｎ端子１４ｂ，１５ｂのいずれか一方又は双方が積層方向の略一線上に位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、改良された積層型冷却構造を有する電力変換装置に関する。

電力変換装置は、インバータ回路を構成する半導体素子及び、半導体素子のスイッチングにより生じたリップル電流をバイパス通電して良好な交流電流となすコンデンサを必須構成要素としている。半導体素子とコンデンサは、電流の種類は異なるが共に大きな通電電流を有し、そのための発熱により高温となるのである。特に、コンデンサについては、発熱量が多いことに起因した性能低下や静電容量の追加に伴う容積増大の問題があり、コンデンサ収納ケースに水路を設けて水冷したり、半導体モジュールの発熱量をコンデンサまで伝導させたりという冷却手段が提案されている。

高温となった半導体素子とコンデンサを冷却する手段として提案されたものとして特許文献１がある。

特許文献１は、交流モータからなるモータ本体と、前記モータ本体の軸方向一方側に固定されて直流電源と前記モータ本体のステータコイルとの間の電力移動を制御するインバータ装置とを備え、前記インバータ装置は、前記直流電源と前記ステータコイルとの間に介設されて直交変換を行うインバータ回路を構成する所定数の半導体スイッチング素子と、前記インバータ回路の一対の直流端子間に接続された平滑コンデンサと、前記半導体スイッチング素子および前記平滑コンデンサに接して前記半導体スイッチング素子および前記平滑コンデンサを冷却する冷却体と、を有するインバータ搭載型回転電機において、前記平滑コンデンサは、径方向に延在する前記冷却体の一対の主面のうち、前記モータ本体に面する側のモータ側主面に固定され、前記半導体スイッチング素子は、前記冷却体の前記一対の主面のうち、前記モータ本体に面しない側の反モータ側主面に固定されているというものである。

特開２００４−８８９８３号公報

しかしながら、コンデンサ収納ケースに水路を設ける冷却手段においては、水路の確保に困難性があり、半導体モジュールの発熱量をコンデンサまで伝導させる冷却手段においては、半導体モジュールとコンデンサとの間を接続する部材が必要となり経済性に問題がある。

また、特許文献１の技術によれば、平滑コンデンサと半導体素子は冷却水路を挟んでその両側に分かれて配置されている。そのため、平滑コンデンサと半導体素子とを接続する導体が長くなり、導体のインダクタンスが大きくなる。その結果、スイッチングサージが大きくなって電力の変換性が低下するのである。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、半導体モジュール及び電子部品モジュールを一体化して冷却性と組立作業性が向上した電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、半導体モジュール及び電子部品モジュールを備え直流電源の直流電力を交流電力に変換して交流負荷に供給する電力変換装置において、ともに扁平な立方体形状を有する前記半導体モジュール及び前記電子部品モジュールのそれぞれの同一側面にはＰ端子及びＮ端子がそれぞれ立設され、前記半導体モジュール及び前記電子部品モジュールを冷却管の間に挟持して積層したとき、前記半導体モジュール及び前記電子部品モジュールにおける前記各Ｐ端子及び前記各Ｎ端子のいずれか一方又は双方が積層方向の略一線上に位置することを特徴とする
この構成によれば、半導体モジュール及び電子部品モジュールはそれぞれ同様の形状となり両者が一体に積層されるので、両者の冷却を効果的に実施することができる。そして、半導体モジュール及び電子部品モジュールの各Ｐ端子及び各Ｎ端子のいずれか一方又は双方が積層方向の略一線上に位置するので、バスバーとの接続・組み付け作業が同一工程で容易に実施でき製造コストの低減が図れるとともに、半導体チップとコンデンサとの距離が短縮され、またコンデンサとバスバーとの接続のインダクタンスが小さくなるので、サージが低下するという優れた効果を奏する。

請求項２に記載の発明は、前記半導体モジュールは、交流の各相に対応するものが連続しさらに全相に対応するものとして一群に積層され、前記電子部品モジュールは、連続して積層された前記半導体モジュール群の一方の端に積層されることを特徴とする。

この構成によれば、半導体モジュール及び電子部品モジュールの各Ｐ端子及び各Ｎ端子の位置を容易に略一線上に整列させることができ、バスバーとの接続・組み付け作業が同一工程で容易に実施でき製造コストの低減が図れるとともに、半導体チップとコンデンサとの距離が短縮され、またコンデンサとバスバーとの接続のインダクタンスが小さくなるので、サージが低下するという優れた効果を奏する。

請求項３に記載の発明は、前記半導体モジュール群の一方の端が、複数の前記冷却管のうち、冷媒入口に近い側のものであることを特徴とする。

この構成によれば、発熱量の比較的多い半導体モジュールの冷却を優先させることができる。

請求項４に記載の発明は、交流の各相に対応する前記半導体モジュールが連続して積層され、前記電子部品モジュールが、連続して積層された交流の各相の前記各半導体モジュール群の一方の端に積層されることを特徴とする。

この構成によれば、電子部品モジュールが各相の半導体モジュール群の間に分散して配置されるので、コンデンサ容量の増加要求に容易に応ずることができるとともに、コンデンサが各相の直近に配置されることから、各相のサージを効果的に低下させることができる。

請求項５に記載の発明は、前記電子部品モジュールが、平滑コンデンサのみを有するものであることを特徴とする。

この構成によれば、平滑コンデンサを効果的に冷却することができる。

請求項６に記載の発明は、前記電子部品モジュールが、抵抗とコンデンサからなるスナバ回路としてのものであることを特徴とする。

この構成によれば、スナバ回路を効果的に冷却することができる。

請求項７に記載の発明は、前記電子部品モジュールが、前記冷却管で挟持される面以外の面の外周に補強材が配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、挟持し積層した電子部品モジュールを強く圧縮することができるので、冷却効果が向上する。

本発明の電力変換装置の一実施形態の構成を示す正面図である。本発明の電力変換装置の他の実施形態の構成を示す正面図である。本発明の電力変換装置に用いる半導体モジュールの斜視図である。本発明の電力変換装置に用いる電子部品モジュール（平滑コンデンサ）の斜視図である。本発明の電力変換装置に用いる電子部品モジュール（スナバ回路）の斜視図である。本発明の電力変換装置の概略回路図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図６に示すように、電力変換装置２５は、電力変換装置２５の外部に設けられた蓄電池やＤＣ−ＤＣコンバータの出力等である直流電源２６の直流電力をＩＧＢＴ等の半導体チップ１１のスイッチング作用により三相交流電力に変換してモータ等の交流負荷２７へ給電するものである。

半導体モジュール２ａ〜２lは、図３に示すように、扁平な立方体形状のケース１３に半導体チップ１１と感温ダイオード１２等を収納し、それらを制御する信号の授受を行う信号ピン１５をケース１３の下面である扁平な長方形の面に立設させ、その面の対向面である上面の扁平な長方形の面には半導体チップ１１のコレクタに接続されるＰ端子１４ａ及び半導体チップ１１のエミッタに接続されるＮ端子１４ｂを立設させている。図１、図２及び図６に示すように、Ｐ端子１４ａはバスバー４ａ又は他の半導体モジュールのＮ端子に接続され、Ｎ端子１４ｂはバスバー４ｂ又は他の半導体モジュールのＰ端子に接続されている。また、信号ピン１５は半導体モジュール２ａ〜２lの下面側に設けられた制御基板に挿入されている。半導体チップ１１は、交流負荷２７の駆動電流や回生電流により発熱するので、半導体モジュール２ａ〜２lの冷却が必要となる。

電子部品モジュール３は、図４に示すように、扁平な立方体形状のケースに一又は複数のコンデンサ１７が搭載された基板１９を収納して樹脂等で封止したものである。このケースの冷却管５で挟持される面以外の面の外周は、基板に固定可能なアルミニュームなどの補強材１８で補強されている。電子部品モジュール３の上面の扁平な長方形の面にはコンデンサ１７の一方の極に接続されるＰ端子１６ａ及びコンデンサ１７の他方の極に接続されるＮ端子１６ｂが立設されている。なお、Ｐ端子１６ａ及びＮ端子１６ｂは、基板１９がメタル内蔵基板であるときは、内蔵メタルで形成されたものとしてもよい。図１、図２及び図６に示すように、Ｐ端子１６ａはバスバー４ａに接続され、Ｎ端子１６ｂは略直線状のバスバー４ｂに接続されている。電子部品モジュール３の外観形状は、ＰＮ端子の配置方向のケースの長さや信号ピン１５の有無による相違点を除けば、半導体モジュール２ａ〜２lの外観形状とほぼ同様である。コンデンサ１７は平滑コンデンサであり、半導体チップ１１のスイッチングにより生じたリップル電流をバイパス通電して発熱するので、電子部品モジュール３の冷却が必要となる。

電子部品モジュール２０は、図５に示すように、扁平な立方体形状のケースにコンデンサ２２と抵抗２３が直列接続で実装された基板２４を収納して樹脂等で封止したものである。このケースの冷却管５で挟持される面以外の面の外周は、基板に固定可能なアルミニュームなどの補強材１８で補強されている。電子部品モジュール２０の上面の扁平な長方形の面には抵抗２３の一方の極に接続されるＰ端子２１ａ及びコンデンサ２２の一方の極に接続されるＮ端子２１ｂが立設されている。図６に示すように、Ｐ端子２１ａはバスバー４ａに接続され、Ｎ端子２１ｂはバスバー４ｂに接続される。直列接続された抵抗２３とコンデンサ２２はスナバ回路として機能し、半導体チップ１１のスイッチングにより生じたスパイク状の高電圧を通電して発熱するので、電子部品モジュール２０の冷却が必要となる。

このような半導体モジュール２ａ〜２l、電子部品モジュール３及び電子部品モジュール２０を一体にして冷却する機構を備えた電力変換装置１、１０を、図１及び図２に基づいて説明する。

図１に示す電力変換装置１は、水等の冷媒を一方の冷媒管７の冷媒入口６から流入させ、他方の冷媒管９との間に架設した複数の冷却管５に流通させて、他方の冷媒管９の冷媒出口８から排出させる。各冷却管５の間には、半導体モジュールと電子部品モジュールを挟持させ両者を一体に積層して冷却する。半導体モジュール２ａ〜２lは、冷媒入口６に直近の冷却管５から六段目の冷却管５まで各段二個づつ順次連続して配置される。

すなわち、半導体モジュール２ａ及び半導体モジュール２ｂは直列接続されて三相交流のＵ相を生成する回路を構成し、半導体モジュール２ｃ及び半導体モジュール２ｄは半導体モジュール２ａ及び半導体モジュール２ｂにそれぞれ並列接続される。半導体モジュール２ｅ及び半導体モジュール２ｆは直列接続されて三相交流のＶ相を生成する回路を構成し、半導体モジュール２ｇ及び半導体モジュール２ｈは半導体モジュール２ｅ及び半導体モジュール２ｆにそれぞれ並列接続される。半導体モジュール２ｉ及び半導体モジュール２ｊは直列接続されて三相交流のＷ相を生成する回路を構成し、半導体モジュール２ｋ及び半導体モジュール２lは半導体モジュール２ｉ及び半導体モジュール２ｊにそれぞれ並列接続される。

電子部品モジュール３は、交流の三相に対応する半導体モジュール２ａ〜２lが連続して一群に積層された一方の端となる段に配置され積層される。電子部品モジュール３は、図１に示すように、冷媒入口６から最遠の段に設けることが、発熱量の比較的多い半導体モジュール２ａ〜２lを優先させる点で好ましいが、冷媒入口６に直近の段に設けることも可能である。

図２に示す電力変換装置１０は、水等の冷媒を一方の冷媒管７の冷媒入口６から流入させ、他方の冷媒管９との間に架設した複数の冷却管５に流通させて、他方の冷媒管９の冷媒出口８から排出させる。各冷却管５の間には、半導体モジュールと電子部品モジュールを挟持させ両者を一体に積層して冷却する。半導体モジュール２ａ〜２lは、冷媒入口６に直近の冷却管５から電子部品モジュール３ａ〜３ｃを介して交流の各相毎に連続して配置される。

すなわち、冷媒入口６に直近の冷却管５の段には電子部品モジュール３ａが配置されている。それに続く段には、半導体モジュール２ａ及び半導体モジュール２ｂが配置され、それらは直列接続されて三相交流のＵ相を生成する回路を構成し、次の段に配置される半導体モジュール２ｃ及び半導体モジュール２ｄは半導体モジュール２ａ及び半導体モジュール２ｂにそれぞれ並列接続されている。次の段には、電子部品モジュール３ｂが配置されている。それに続く段には、半導体モジュール２ｅ及び半導体モジュール２ｆが配置され、それらは直列接続されて三相交流のＶ相を生成する回路を構成し、次の段に配置される半導体モジュール２ｇ及び半導体モジュール２ｈは半導体モジュール２ｅ及び半導体モジュール２ｆにそれぞれ並列接続されている。次の段には、電子部品モジュール３ｃが配置されている。それに続く段には、半導体モジュール２ｉ及び半導体モジュール２ｊが配置され、それらは直列接続されて三相交流のＷ相を生成する回路を構成し、次の段に配置される半導体モジュール２ｋ及び半導体モジュール２lは半導体モジュール２ｉ及び半導体モジュール２ｊにそれぞれ並列接続されている。

図２の実施の形態では、電子部品モジュール３ａを冷媒入口６に直近の段に設けた例を示したが、電子部品モジュール３ａを冷媒入口６から最遠の段に設けて半導体モジュール２ａ及び半導体モジュール２ｂが冷媒入口６に直近の段に位置するようにしてもよい。したがって、半導体モジュール２ａ〜２lは、交流の各相に対応するものが連続して積層され、電子部品モジュール３ａ〜３ｃは、連続して積層された交流の各相の各半導体モジュール群の一方の端に積層されるのである。

電子部品モジュール２０は、図示しないが、各冷却管５の間で形成される各段に連続して積層される半導体モジュール群の両端であれば、いずれの段にも設置することができる。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態の電力変換装置１，１０によれば、半導体モジュール２ａ〜２l及び電子部品モジュール３ａ〜３ｃは、ともに扁平な立方体を呈して、その扁平な長方形の側面にＰ端子１４ａ，１５ａ及びＮ端子１４ｂ，１５ｂが立設し、半導体モジュール２ａ〜２l及び電子部品モジュール３ａ〜３ｃを冷却管５の間に挟持して積層したとき、半導体モジュール２ａ〜２l及び電子部品モジュール３ａ〜３ｃにおける各Ｐ端子１４ａ，１５ａ及び各Ｎ端子１４ｂ，１５ｂのいずれか一方又は双方が積層方向の略一線上に位置する。このように半導体モジュール２ａ〜２lと電子部品モジュール３ａ〜３ｃとが一体となって積層されるので、従来冷却が困難あるいは不十分であった電子部品モジュール３ａ〜３ｃの冷却を効果的に実施することができる。また、半導体モジュール２ａ〜２l及び電子部品モジュール３ａ〜３ｃの各Ｐ端子１４ａ，１５ａ及び各Ｎ端子１４ｂ，１５ｂのいずれか一方又は双方が積層方向の略一線上に位置するので、バスバー４ａ，４ｂとの接続・組み付け作業が同一工程で容易に実施でき製造コストの低減が図れるとともに、半導体チップ１１とコンデンサ１７との距離が短縮され、またコンデンサ１７とバスバー４ａ，４ｂ接続のインダクタンスが小さくなるので、サージが低下するという優れた効果を奏する。

尚、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々に変更を施すことが可能である。

１，１０，２５電力変換装置
２，２ａ〜２l 半導体モジュール
３，３ａ〜３ｃ電子部品モジュール
４ａ，４ｂバスバー
５冷却管
６冷媒入口
１４ａ，１６ａＰ端子
１４ｂ，１６ｂＮ端子
１７，２２コンデンサ
１８補強材
２３抵抗

Claims

半導体モジュール及び電子部品モジュールを備え直流電源の直流電力を交流電力に変換して交流負荷に供給する電力変換装置において、
ともに扁平な立方体形状を有する前記半導体モジュール及び前記電子部品モジュールのそれぞれの同一側面にはＰ端子及びＮ端子がそれぞれ立設され、
前記半導体モジュール及び前記電子部品モジュールを冷却管の間に挟持して積層したとき、
前記半導体モジュール及び前記電子部品モジュールにおける前記各Ｐ端子及び前記各Ｎ端子のいずれか一方又は双方が積層方向の略一線上に位置することを特徴とする電力変換装置。
前記半導体モジュールは、交流の各相に対応するものが連続しさらに全相に対応するものとして一群に積層され、前記電子部品モジュールは、連続して積層された前記半導体モジュール群の一方の端に積層されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記半導体モジュール群の一方の端は、複数の前記冷却管のうち、冷媒入口に近い側のものであることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記半導体モジュールは、交流の各相に対応するものが連続して積層され、前記電子部品モジュールは、連続して積層された交流の各相の前記各半導体モジュール群の一方の端に積層されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記電子部品モジュールは、平滑コンデンサのみを有するものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記電子部品モジュールは、抵抗とコンデンサからなるスナバ回路としてのものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記電子部品モジュールは、前記冷却管で挟持される面以外の面の外周に補強材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電力変換装置。