JP2013219967A - 電力変換装置 - Google Patents

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    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Abstract

【課題】簡易な構造でインダクタンスの低減を十分に図ることができる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵した本体部20を有する複数の半導体モジュール2を備えている。モジュールユニット11において、正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとは、本体部20の主面201、202同士を対向させた状態で配置されている。正極端子23、第1中間端子241、負極端子25及び第2中間端子242は、互いに同一の方向に突出されており、その方向は、対向方向Xに直交する突出方向である。モジュールユニット11を突出方向から透視した場合に、正極端子23から第1中間端子241へ向かう第1ベクトルV1と、第2中間端子242から負極端子25へ向かう第2ベクトルV2とは、対向方向Xに直交する直交方向Yのベクトル成分V12、V22の向きが互いに逆向きである。
【選択図】図4

Description

本発明は、半導体素子を有する複数の半導体モジュールを備えた電力変換装置に関する。
電気自動車、ハイブリッド自動車等には、駆動用モータを駆動させるため、電源からの直流電力を交流電力に変換する電力変換装置が搭載されている。
電力変換装置は、半導体モジュールに内蔵された半導体素子(スイッチング素子)の開閉を適宜制御することで電力変換を行っている。ところが、内部回路の配線等に起因するインダクタンスが存在するため、スイッチング素子の開閉に伴ってサージ電圧が発生する。このようなサージ電圧は、スイッチング素子に不具合が生じる原因となり得る。そのため、上述のインダクタンスを低減することが求められている。
例えば、特許文献1には、誘導導体上に2つの半導体モジュールを電流が流れる方向が互いに逆向きとなるように隣接して配置した電力変換装置が開示されている。
この電力変換装置によれば、半導体モジュールに電流が流れると、誘導導体には半導体モジュールに流れる電流とは逆向きの誘導電流が流れる。これにより、配線等に起因するインダクタンスの低減を図ることができる。
特開2010−287737号公報
しかしながら、特許文献1に開示された電力変換装置では、インダクタンスの低減を図るために、誘導電流を流すための誘導導体が必要となる。そのため、部品点数の増加、体格の大型化等の問題が生じる。また、誘導電流を利用する場合、誘導導体に誘導電流を誘起させやすい構造とする必要があり、インダクタンスを低減するために複雑な構造となる。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、簡易な構造でインダクタンスの低減を十分に図ることができる電力変換装置を提供しようとするものである。
本発明の一の態様は、スイッチング素子を内蔵した板状の本体部を有する複数の半導体モジュールを備え、
該複数の半導体モジュールには、電源の正極側に接続される正極側モジュールと、上記電源の負極側に接続される負極側モジュールとがあり、
上記正極側モジュールには、上記電源に接続される正極端子と、上記負極側モジュールに接続される第1中間端子とが上記本体部から突出形成されており、
上記負極側モジュールには、上記電源に接続される負極端子と、上記正極側モジュールに接続される第2中間端子とが上記本体部から突出形成されており、
上記第1中間端子と上記第2中間端子とは、中間バスバを介して接続されており、
該中間バスバを介して接続された隣り合う上記正極側モジュールと上記負極側モジュールとからなるモジュールユニットにおいて、上記正極側モジュールと上記負極側モジュールとは、上記本体部の主面同士を対向させた状態で配置されており、
両者の上記正極端子、上記第1中間端子、上記負極端子及び上記第2中間端子は、互いに同一又は反対の方向に突出されており、その方向は、上記両者の対向方向に直交する突出方向であり、
上記モジュールユニットを上記突出方向から透視した場合に、上記正極側モジュールの上記正極端子から上記第1中間端子へ向かう第1ベクトルと、上記負極側モジュールの上記第2中間端子から上記負極端子へ向かう第2ベクトルとは、上記対向方向に直交する直交方向のベクトル成分の向きが互いに逆向きであることを特徴とする電力変換装置にある(請求項1)。
上記電力変換装置において、上記モジュールユニットにおける正極側モジュールと負極側モジュールとは、本体部の主面同士を対向させた状態で配置されている。また、上記モジュールユニットを上記突出方向から透視した場合に、正極側モジュールの正極端子から第1中間端子へ向かう第1ベクトルと、負極側モジュールの第2中間端子から負極端子へ向かう第2ベクトルとは、上記対向方向に直交する直交方向のベクトル成分の向きが互いに逆向きである。
そのため、スイッチング素子のスイッチング動作の切り替え時において、正極側モジュールと中間バスバと負極側モジュールとを含んで形成される閉回路に電流が流れた場合に、対向して配置された正極側モジュールと負極側モジュールとに流れる電流の向きが上記直交方向において互いに逆向きとなるようにすることができる。すなわち、正極側モジュールの正極端子から本体部を介して第1中間端子まで流れる電流の向きと負極側モジュールの第2中間端子から本体部を介して負極端子まで流れる電流の向きとが上記直交方向において互いに逆向きとなる。
これにより、正極側モジュールと負極側モジュールとの間に生じる相互インダクタンスを低減する効果(相互インダクタンス効果)を十分に得ることができる。その結果、例えば従来のように誘導電流を流すための誘導電流を流すための誘導導体を必要とすることなく、簡易な構造でインダクタンスの低減を十分に図ることができる。特に、正極側モジュールと負極側モジュールとは、面積の大きい本体部の主面同士を対向させた状態、つまり両者の対向面積が大きくなるように配置されている。そのため、上述した相互インダクタンス効果を高めることができ、インダクタンスの低減をより一層図ることができる。
このように、簡易な構造でインダクタンスの低減を十分に図ることができる電力変換装置を提供することができる。
実施例1における、電力変換装置を示す説明図。 実施例1における、半導体モジュール及び冷却器を示す説明図。 実施例1における、半導体モジュールを示す説明図。 実施例1における、モジュールユニットを示す説明図。 実施例1における、モジュールユニットを示す断面説明図。 実施例1における、モジュールユニットを示す断面説明図。 実施例1における、電力変換回路を示す説明図。 実施例2における、モジュールユニットを示す説明図。 実施例2における、モジュールユニットを示す断面説明図。 実施例2における、モジュールユニットを示す断面説明図。 実施例3における、モジュールユニットを示す説明図。 実施例3における、モジュールユニットを示す断面説明図。 実施例3における、モジュールユニットを示す断面説明図。 実施例4における、モジュールユニットを示す断面説明図。 実施例5における、電力変換装置の一部を示す説明図。 実施例6における、電力変換装置を示す説明図。
上記電力変換装置において、上記半導体モジュールの上記本体部の主面とは、板状の該本体部の厚み方向に直交する面であり、面積が最も大きい面である。
また、上記正極側モジュール及び上記負極側モジュールの上記正極端子、上記第1中間端子、上記負極端子及び上記第2中間端子は、すべて同一の方向に突出されていてもよい。
また、上記モジュールユニットにおける上記正極側モジュールの上記本体部は、上記正極端子と上記第1中間端子との間を上記スイッチング素子を介して電気的に導通させるための導電部を有し、上記負極側モジュールの上記本体部は、上記負極端子と上記第2中間端子と間を上記スイッチング素子を介して電気的に導通させるための導電部を有する構成とすることができる(請求項2)。
この場合には、正極側モジュールの導電部と負極側モジュールの導電部とに流れる電流の向きが上記直交方向において互いに逆向きとなるようにすることができ、上述した相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。
また、上記導電部は、少なくとも一部が上記本体部の上記主面に露出している構成とすることができる(請求項3)。
この場合には、導電部が本体部の主面に露出しない構成に比べて、電流が逆向きに流れる正極側モジュール及び負極側モジュールの導電部同士を近接させることが可能となるため、上述したインダクタンス効果を高めることができる。また、導電部を露出させることによって放熱効果を高めることもできる。
また、上記モジュールユニットにおける上記正極側モジュールの上記本体部は、上記スイッチング素子の上記対向方向の両側に配置されると共に、上記正極端子と上記第1中間端子とにそれぞれ接続された一対の導電部を有し、上記負極側モジュールの上記本体部は、上記スイッチング素子の上記対向方向の両側に配置されると共に、上記負極端子と上記第2中間端子とにそれぞれ接続された一対の導電部を有する構成とすることができる(請求項4)。
この場合には、電流経路となる一対の導電部が本体部のスイッチング素子の対向方向の両側、すなわち本体部の両主面側に配置される。これにより、正極側モジュールの導電部と負極側モジュールの導電部との対向面積を大きくすることができ、上述した相互インダクタンス効果を高めることができる。
また、上記モジュールユニットにおける上記正極側モジュール及び上記負極側モジュールの上記本体部には、上記スイッチング素子と上記直交方向に並ぶようにダイオードが内蔵されており、上記正極側モジュールの上記スイッチング素子と上記負極側モジュールの上記ダイオードとが上記対向方向に対向して配置されており、上記正極側モジュールの上記ダイオードと上記負極側モジュールの上記スイッチング素子とが上記対向方向に対向して配置されている構成とすることができる(請求項5)。
この場合には、正極側モジュールの正極端子から負極側モジュールの負極端子までの電流経路を単純化することが可能となると共に、上述した相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。
なお、スイッチング素子とダイオードとは、上述したように別体で構成してもよいし、両者を一体化して構成してもよい。
また、上記モジュールユニットを上記突出方向から透視した場合に、上記正極側モジュールでは、上記スイッチング素子と上記正極端子とが上記対向方向に並んで配置されていると共に、上記ダイオードと上記第1中間端子とが上記対向方向に並んで配置されており、上記負極側モジュールでは、上記スイッチング素子と上記第2中間端子とが上記対向方向に並んで配置されていると共に、上記ダイオードと上記負極端子とが上記対向方向に並んで配置されている構成とすることができる(請求項6)。
この場合には、正極側モジュールの正極端子から負極側モジュールの負極端子までの電流経路をより単純化することが可能となると共に、上述した相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。
また、上記電力変換装置は、上記モジュールユニットを複数備え、隣り合う該モジュールユニット同士において、一方の該モジュールユニットの上記正極側モジュールと他方の上記モジュールユニットの上記負極側モジュールとは、上記本体部の主面同士を対向させた状態で配置されている構成とすることができる(請求項7)。
この場合には、一方のモジュールユニットの正極側モジュールと他方のモジュールユニットの負極側モジュールとに流れる電流の向きが上記直交方向において互いに逆向きとなるようにすれば、隣り合うモジュールユニット同士の間における相互インダクタンス効果も得られる。これにより、インダクタンスの低減をより一層図ることができる。
また、上記電力変換装置は、上記半導体モジュールを冷却する冷媒を流通させる冷媒流路を有する冷却器を備え、上記半導体モジュールと上記冷媒流路とは、上記対向方向において互いに積層されている構成とすることができる(請求項8)。
この場合には、冷却器の冷媒流路を流通する冷媒によって半導体モジュールを本体部の主面側から効率よく冷却することができる。
(実施例1)
上記電力変換装置にかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、図1〜図7に示すごとく、スイッチング素子211を内蔵した板状の本体部20を有する複数の半導体モジュール2を備えている。複数の半導体モジュール2には、電源81の正極側に接続される正極側モジュール2pと、電源81の負極側に接続される負極側モジュール2nとがある。
正極側モジュール2pには、電源81に接続される正極端子23と、負極側モジュール2nに接続される第1中間端子241とが本体部20から突出形成されている。負極側モジュール2nには、電源81に接続される負極端子25と、正極側モジュール2pに接続される第2中間端子242とが本体部20から突出形成されている。第1中間端子241と第2中間端子242とは、中間バスバ4cを介して接続されている。
中間バスバ4cを介して接続された隣り合う正極側モジュール2pと上記負極側モジュール2nとからなるモジュールユニット11において、正極側モジュール2pと上記負極側モジュール2nとは、本体部20の主面201、202同士を対向させた状態で配置されている。両者の正極端子23、第1中間端子241、負極端子25及び第2中間端子242は、互いに同一又は反対の方向に突出されており、その方向は、両者の対向方向Xに直交する突出方向Zである。
モジュールユニット11を突出方向Zから透視した場合に、正極側モジュール2pの正極端子23から第1中間端子241へ向かう第1ベクトルV1と、負極側モジュール2nの第2中間端子242から負極端子25へ向かう第2ベクトルV2とは、対向方向Xに直交する直交方向Yのベクトル成分V12、V22の向きが互いに逆向きである。
以下、これを詳説する。
図1に示すごとく、電力変換装置1は、複数の半導体モジュール2、半導体モジュール2を冷却するための冷却器3、複数のバスバ(後述する正極バスバ4a、負極バスバ4b、中間バスバ4c)、コンデンサ5等を備えており、これらを筐体等に収容して構成されている。
複数の半導体モジュール2は、3つの正極側モジュール2pと3つの負極側モジュール2nとにより構成されている。
図3に示すごとく、正極側モジュール2p及び負極側モジュール2nは、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)等からなるスイッチング素子211(図5、図6)と、そのスイッチング素子211に逆並列接続されたFWD(フリーホイールダイオード)等からなるダイオード212(図5、図6)とを有する。スイッチング素子211及びダイオード212は、絶縁樹脂等からなる板状の本体部20に内蔵されている。
同図に示すごとく、正極側モジュール2pは、正極端子23と第1中間端子241とを有する。正極端子23及び第1中間端子241は、本体部20から突出して形成されている。負極側モジュール2nは、負極端子25と第2中間端子242とを有する。負極端子25及び第2中間端子242は、本体部20から突出して形成されている。正極端子23、第1中間端子241、負極端子25及び第2中間端子242は、すべて同一の方向に突出している。
また、正極側モジュール2p及び負極側モジュール2nは、制御回路基板(図示略)に接続される複数の制御端子26を有する。複数の制御端子26は、本体部20から正極端子23、負極端子25、第1中間端子241及び第2中間端子242とは反対側に突出して設けられている。制御回路基板には、半導体モジュール2におけるスイッチング素子211(図5、図6)のスイッチング動作を制御する制御回路が形成されている。
図2に示すごとく、後述する中間バスバ4cを介して接続された隣り合う正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとは、1つのモジュールユニット11を構成している。本例では、3つのモジュールユニット11がある。
モジュールユニット11において、正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとは、本体部20の主面201、202同士を対向させた状態で積層配置されている。
また、隣り合うモジュールユニット11同士において、一方のモジュールユニット11の正極側モジュール2pと他方のモジュールユニット11の負極側モジュール2nとは、本体部20の主面201、202同士を対向させた状態で積層配置されている。すなわち、正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとが交互に積層配置されている。正極端子23と負極端子25とは、対向方向Xにおいて交互に一列に配置されている。第1中間端子241と第2中間端子242とは、対向方向Xにおいて交互に一列に配置されている。
図2に示すごとく、冷却器3は、半導体モジュール2を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路となる複数の冷却管31を有する。半導体モジュール2と冷却管31とは、対向方向Xにおいて交互に配置されている。各半導体モジュール2は、対向方向Xの両側から冷却管31によって挟持されている。
対向方向Xに隣り合う冷却管31同士は、その両端部において変形可能な連結管32によって連結されている。また、複数の冷却管31のうち、対向方向Xの一端に配置された冷却管31の両端部には、外部から冷媒を導入するための冷媒導入管33と、外部に冷媒を排出するための冷媒排出管34とが連結されている。
冷却器3において、外部から冷媒導入管33に導入された冷媒は、冷媒導入管33側の連結管32を通り、各冷却管31内を流れる。各冷却管31内を流れる冷媒は、半導体モジュール2との間で熱交換を行う。熱交換後の冷媒は、冷媒排出管34側の連結管32を通り、冷媒排出管34から外部に排出される。
なお、冷却器3内を流れる冷媒としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、HCFC123、HFC134a等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷媒を用いることができる。
以下、図4〜図6に示すごとく、モジュールユニット11における正極側モジュール2p及び負極側モジュール2nについて、さらに詳説する。
なお、図4は、モジュールユニット11における正極側モジュール2p、負極側モジュール2nを突出方向Zから透視したものである。なお、図4では、本体部20、正極端子23、第1中間端子241、負極端子25、第2中間端子242のみを示している。
また、図5、図6は、モジュールユニット11における正極側モジュール2p、負極側モジュール2n、両者の間に設けられた冷却管31について、突出方向Zに直交する方向の断面を示したものである。
図5(図6)に示すごとく、正極側モジュール2p及び負極側モジュール2nの本体部20は、上述したように、スイッチング素子211及びダイオード212を有する。スイッチング素子211とダイオード212とは、直交方向Yに並んで配置されている。また、正極側モジュール2pのスイッチング素子211と負極側モジュール2nのダイオード212とは、対向方向Xに対向して配置されている。また、正極側モジュール2pのダイオード212と負極側モジュール2nのスイッチング素子211とは、対向方向Xに対向して配置されている。
また、正極側モジュール2pの本体部20は、正極端子23と第1中間端子241との間をスイッチング素子211を介して電気的に導通させるための一対の導電部221、222を有する。また、負極側モジュール2nの本体部20は、負極端子25と第2中間端子242と間をスイッチング素子211を介して電気的に導通させるための一対の導電部221、222を有する。一対の導電部221、222は、スイッチング素子211及びダイオード212の対向方向Xの両側に配置されており、スイッチング素子211及びダイオード212に対して電気的に接続されている。また、一対の導電部221、222は、少なくとも一部が本体部20の両主面201、202にそれぞれ露出している。
同図に示すごとく、正極側モジュール2pの本体部20において、正極端子23と第1中間端子241とは、スイッチング素子211及びダイオード212の対向方向Xの両側に配置されている。正極端子23は、負極側モジュール2nから近い側に配置され、一方の導電部222に接続されている。第1中間端子241は、負極側モジュール2nから遠い側に配置され、他方の導電部221に接続されている。
また、正極側モジュール2pの本体部20において、正極端子23と第1中間端子241とは、直交方向Yにおいて異なる位置に配置されている。正極端子23は、スイッチング素子211に対して対向方向Xに並んで配置されている。第1中間端子241は、ダイオード212に対して対向方向Xに並んで配置されている。
同図に示すごとく、負極側モジュール2nの本体部20において、負極端子25と第2中間端子242とは、スイッチング素子211及びダイオード212の対向方向Xの両側に配置されている。負極端子25は、正極側モジュール2pから遠い側に配置され、一方の導電部221に接続されている。第2中間端子242は、正極側モジュール2pから近い側に配置され、他方の導電部222に接続されている。
また、負極側モジュール2nの本体部20において、負極端子25と第2中間端子242とは、直交方向Yにおいて異なる位置に配置されている。負極端子25は、ダイオード212に対して対向方向Xに並んで配置されている。第2中間端子242は、スイッチング素子211に対して対向方向Xに並んで配置されている。
図4に示すごとく、モジュールユニット11(正極側モジュール2p、負極側モジュール2n)を突出方向Zから透視した場合に、正極側モジュール2pの正極端子23を始点とし、第1中間端子241を終点とするベクトルを第1ベクトルV1とする。また、負極側モジュール2nの第2中間端子242を始点とし、負極端子25を終点とするベクトルを第2ベクトルV2とする。
また、第1ベクトルV1の対向方向Xのベクトル成分をV11、直交方向Yのベクトル成分をV12とする。また、第2ベクトルV1の対向方向Xのベクトル成分をV21、直交方向Yのベクトル成分をV22とする。
そうすると、第1ベクトルV1と第2ベクトルV2とは、直交方向Yのベクトル成分V12、V22の向きが互いに逆向きである。
図1に示すごとく、正極側モジュール2pの正極端子23は、共通の1つの正極バスバ4aに接続されている。負極側モジュール2nの負極端子25は、共通の1つの負極バスバ4bに接続されている。正極バスバ4a及び負極バスバ4bは、それぞれの一端がコンデンサ5の正極端子23及び負極端子25に接続されている。コンデンサ5の正極端子23及び負極端子25は、それぞれ電源81(図7)の正極側及び負極側に接続されている。
また、正極側モジュール2pの第1中間端子241と負極側モジュール2nの第2中間端子242とは、モジュールユニット11ごとに、共通の1つの中間バスバ4cに接続されている。すなわち、第1中間端子241と第2中間端子242とは、中間バスバ4cを介して接続されている。本例では、モジュールユニット11が3つあるため、中間バスバ4cも3つある。3つの中間バスバ4cは、電力変換装置1によって駆動させる三相交流モータ82(図7)のU相、V相、W相の各電極に接続されている(図示略)。
次に、電力変換装置1における電力変換回路について説明する。
図7に示すごとく、電力変換回路8は、電源81(直流電源81)、コンデンサ5、6つの半導体モジュール2(3つの正極側モジュール2p、3つの負極側モジュール2n)等によって構成されている。半導体モジュール2のうち、正極側モジュール2pは、上アーム側のスイッチング素子211とそのスイッチング素子211に逆並列接続された上アーム側のダイオード212とを有する。また、負極側モジュール2nは、下アーム側のスイッチング素子211とそのスイッチング素子211に逆並列接続された下アーム側のダイオード212とを有する。
正極側モジュール2pのスイッチング素子211は、正極バスバ4aに接続されている。また、負極側モジュール2nのスイッチング素子211は、負極バスバ4bに接続されている。また、中間バスバ4cは、三相交流モータ82に接続されている。
そして、半導体モジュール2におけるスイッチング素子211のスイッチング動作を制御することにより、電源81の直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を使って三相交流モータ82を駆動させる。
次に、本例の電力変換装置1における作用効果について説明する。
本例の電力変換装置1において、モジュールユニット11における正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとは、本体部20の主面201、202同士を対向させた状態で配置されている。また、モジュールユニットを突出方向Zから透視した場合に、正極側モジュール2pの正極端子23から第1中間端子241へ向かう第1ベクトルV1と、負極側モジュール2nの第2中間端子242から負極端子25へ向かう第2ベクトルV2とは、直交方向Yのベクトル成分V12、V22の向きが互いに逆向きである。
そのため、スイッチング素子211のスイッチング動作の切り替え時において、正極側モジュール2pと中間バスバ4cと負極側モジュール2nとを含んで形成される閉回路に電流が流れた場合に、対向して配置された正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとに流れる電流の向きが直交方向Yにおいて互いに逆向きとなるようにすることができる。すなわち、正極側モジュール2pの正極端子23から本体部20を介して第1中間端子241まで流れる電流の向きと負極側モジュール2nの第2中間端子242から本体部20を介して負極端子25まで流れる電流の向きとが直交方向Yにおいて互いに逆向きとなる。
具体的に説明すると、スイッチング素子211のスイッチング動作の切り替え時においては、電力変換装置1における回路に流れる電流は、その流れ方や大きさが変化する。このとき、電力変換装置1に形成される閉回路に着目すると、その閉回路に流れる電流の向きや大きさが変化する。本例では、正極側モジュール2pと中間バスバ4cと負極側モジュール2nとを含んで形成される閉回路A(図7参照)に着目して説明する。
例えば、正極側モジュール2p(上アーム側)のスイッチング素子211をオンからオフに切り替えると、三相交流モータ82の電流を維持する方向に負極側モジュール2n(下アーム側)のダイオード212を介して還流電流が流れる。この還流電流は、負極側モジュール2n(下アーム側)のダイオード212の順方向に流れる電流である。
次に、正極側モジュール2p(上アーム側)のスイッチング素子211をオフからオンに切り替えると、負極側モジュール2n(下アーム側)のダイオード212にリカバリ電流が流れる。リカバリ電流とは、ダイオードの順方向に電流が流れた後に逆電圧が印可されたとき、ダイオードの逆方向に流れる電流をいう。
ここで、図5は、正極側モジュール2pのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れを示したものである。電流iは、スイッチング素子211のスイッチングによって逐次変化する交流成分を示している。
電流iは、正極側モジュール2pの正極端子23、導電部222、スイッチング素子211、導電部221、第1中間端子241を順に流れる。そして、中間バスバ4c(図示略)を介して、負極側モジュール2nの第2中間端子242、導電部221、ダイオード212、導電部222、負極端子25の順に流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部221に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部221に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
図6は、図5と同様に、負極側モジュール2nのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れを示したものである。
電流iは、正極側モジュール2pの正極端子23、導電部222、ダイオード212、導電部221、第1中間端子241を順に流れる。そして、中間バスバ4c(図示略)を介して、負極側モジュール2nの第2中間端子242、導電部221、スイッチング素子211、導電部222、負極端子25の順に流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部222に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部222に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
これにより、正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとの間に生じる相互インダクタンスを低減する効果(相互インダクタンス効果)を十分に得ることができる。その結果、例えば従来のように誘導電流を流すための誘導電流を流すための誘導導体を必要とすることなく、簡易な構造でインダクタンスの低減を十分に図ることができる。特に、正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとは、面積の大きい本体部20の主面201、202同士を対向させた状態、つまり両者の対向面積が大きくなるように配置されている。そのため、上述した相互インダクタンス効果を高めることができ、インダクタンスの低減をより一層図ることができる。
また、本例において、モジュールユニット11における正極側モジュール2pの本体部20は、正極端子23と第1中間端子241との間をスイッチング素子211を介して電気的に導通させるための導電部221、222を有し、負極側モジュール2nの本体部20は、負極端子25と第2中間端子242と間をスイッチング素子211を介して電気的に導通させるための導電部221、222を有する。そのため、正極側モジュール2pの導電部221、222と負極側モジュール2nの導電部221、222とに流れる電流の向きが直交方向Yにおいて互いに逆向きとなるようにすることができ、上述した相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。
また、導電部221、222は、少なくとも一部が本体部20の主面201、202に露出している。そのため、導電部221、222が本体部20の主面201、202に露出しない構成に比べて、電流が逆向きに流れる正極側モジュール2p及び負極側モジュール2nの導電部221、222同士を近接させることが可能となるため、上述したインダクタンス効果を高めることができる。また、導電部221、222を露出させることによって放熱効果を高めることもできる。
また、モジュールユニット11における正極側モジュール2pの本体部20は、スイッチング素子211の対向方向Xの両側に配置されると共に、正極端子23と第1中間端子241とにそれぞれ接続された一対の導電部221、222を有する。また、負極側モジュール2nの本体部20は、スイッチング素子211の対向方向Xの両側に配置されると共に、負極端子25と第2中間端子242とにそれぞれ接続された一対の導電部221、222を有する。そのため、電流経路となる一対の導電部221、222が本体部20のスイッチング素子211の対向方向Xの両側、すなわち本体部20の両主面201、202側に配置される。これにより、正極側モジュール2pの導電部221、222と負極側モジュール2nの導電部221、222との対向面積を大きくすることができ、上述した相互インダクタンス効果を高めることができる。
また、モジュールユニット11における正極側モジュール2p及び負極側モジュール2nの本体部20には、スイッチング素子211と直交方向Yに並ぶようにダイオード212が内蔵されており、正極側モジュール2pのスイッチング素子211と負極側モジュール2nのダイオード212とが対向方向Xに対向して配置されており、正極側モジュール2pのダイオード212と負極側モジュール2nのスイッチング素子211とが対向方向Xに対向して配置されている。これにより、正極側モジュール2pの正極端子23から負極側モジュール2nの負極端子25までの電流経路を単純化することが可能となると共に、上述した相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。
また、モジュールユニット11を突出方向Zから透視した場合に、正極側モジュール2pでは、スイッチング素子211と正極端子23とが対向方向Xに並んで配置されていると共に、ダイオード212と第1中間端子241とが対向方向Xに並んで配置されており、負極側モジュール2nでは、スイッチング素子211と第2中間端子242とが対向方向Xに並んで配置されていると共に、ダイオード212と第1中間端子241とが対向方向Xに並んで配置されている。これにより、正極側モジュール2pの正極端子23から負極側モジュール2nの負極端子25までの電流経路をより単純化することが可能となると共に、上述した相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。
また、電力変換装置1は、モジュールユニット11を複数備え、隣り合うモジュールユニット11同士において、一方のモジュールユニット11の正極側モジュール2pと他方のモジュールユニット11の負極側モジュール2nとは、本体部20の主面201、202同士を対向させた状態で配置されている。そのため、一方のモジュールユニット11の正極側モジュール2pと他方のモジュールユニット11の負極側モジュール2nとに流れる電流の向きが直交方向Yにおいて互いに逆向きとなり、隣り合うモジュールユニット11同士の間における相互インダクタンス効果も得られる。これにより、インダクタンスの低減をより一層図ることができる。
また、電力変換装置1は、半導体モジュール2を冷却する冷媒を流通させる冷却管(冷媒流路)31を有する冷却器3を備え、半導体モジュール2と冷却管31とは、対向方向Xにおいて互いに積層されている。これにより、冷却器3の冷却管31を流通する冷媒によって半導体モジュール2を本体部20の主面201、202側から効率よく冷却することができる。
このように、本例によれば、簡易な構造でインダクタンスの低減を十分に図ることができる電力変換装置1を提供することができる。
(実施例2)
本例は、図8〜図10に示すごとく、半導体モジュール2の構成を変更した例である。
本例では、図8に示すごとく、負極側モジュール2nの本体部20において、負極端子25は、正極側モジュール2pから近い側に配置されている。第2中間端子242は、正極側モジュール2pから遠い側に配置されている。
また、第1ベクトルV1と第2ベクトルV2とは、直交方向Yのベクトル成分V12、V22の向きが互いに逆向きである。
その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
次に、本例の作用効果について説明する。
図9は、正極側モジュール2pのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れを示したものである。
電流は、正極側モジュール2pの正極端子23から中間バスバ4c(図示略)を介して負極側モジュール2nの負極端子25まで、図9に示すように流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部221に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部222に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
図10は、負極側モジュール2nのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れを示したものである。
電流は、正極側モジュール2pの正極端子23から中間バスバ4c(図示略)を介して負極側モジュール2nの負極端子25まで、図10に示すように流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部222に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部221に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
したがって、本例の場合も、上述した実施例1と同様に、正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとの間における相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。その結果、簡易な構造でインダクタンスの低減を十分に図ることができる。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
(実施例3)
本例は、図11〜図13に示すごとく、半導体モジュール2の構成を変更した例である。
本例では、図11、図12に示すごとく、正極側モジュール2pの本体部20は、スイッチング素子211及びダイオード212の対向方向Xの両側に配置された一対の導電部221、222に加えて、本体部20の負極側モジュール2nに近い側の主面202に露出すると共に、負極側モジュール2nから遠い側にある導電部221に接続された導電部223を有する。
また、正極側モジュール2pの本体部20において、正極端子23と第1中間端子241とは、対向方向Xにおいて同じ位置に配置されている。また、正極端子23と第1中間端子241とは、本体部20の負極側モジュール2nに近い側の主面202に露出した2つの導電部222、223にそれぞれ接続されている。また、正極端子23は、スイッチング素子211に対して対向方向Xに並んで配置されている。
同図に示すごとく、負極側モジュール2nの本体部20は、スイッチング素子211及びダイオード212の対向方向Xの両側に配置された一対の導電部221、222に加えて、本体部20の正極側モジュール2pに近い側の主面201に露出すると共に、正極側モジュール2pから遠い側にある導電部222に接続される導電部223を有する。
また、負極側モジュール2nの本体部20において、負極端子25と第2中間端子242とは、対向方向Xにおいて同じ位置に配置されている。また、負極端子25と第2中間端子242とは、本体部20の正極側モジュール2pに近い側の主面201に露出した2つの導電部221、223にそれぞれ接続されている。また、負極端子25は、ダイオード212に対して対向方向Xに並んで配置されている。
図11に示すごとく、第1ベクトルV1と第2ベクトルV2とは、対向方向Xのベクトル成分V11、V12がなく、直交方向Yのベクトル成分V12、V22のみである。そして、第1ベクトルV1と第2ベクトルV2とは、直交方向Yのベクトル成分V12、V22の向きが互いに逆向きである。
その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
次に、本例の作用効果について説明する。
図12は、正極側モジュール2pのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れを示したものである。
電流は、正極側モジュール2pの正極端子23から中間バスバ4c(図示略)を介して負極側モジュール2nの負極端子25まで、図12に示すように流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部221に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部221、222に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
図13は、負極側モジュール2nのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れを示したものである。
電流は、正極側モジュール2pの正極端子23から中間バスバ4c(図示略)を介して負極側モジュール2nの負極端子25まで、図13に示すように流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部221、222に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部222に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
したがって、本例の場合も、上述した実施例1と同様に、正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとの間における相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。その結果、簡易な構造でインダクタンスの低減を十分に図ることができる。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
(実施例4)
本例は、図14に示すごとく、半導体モジュール2の構成を変更した例である。
本例において、同図に示すごとく、半導体モジュール2(正極側モジュール2p、負極側モジュール2n)の本体部20には、スイッチング素子211とダイオード212とを一体化して構成した半導体素子部21が内蔵されている。
その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
次に、本例の作用効果について説明する。
図14は、正極側モジュール2pのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れを示したものである。負極側モジュール2nのスイッチング素子211をオフからオンに切り替えたときの電流iの流れも同様である。
電流は、正極側モジュール2pの正極端子23から中間バスバ4c(図示略)を介して負極側モジュール2nの負極端子25まで、図14に示すように流れる。ここで、直交方向Yに流れる電流iに着目すると、正極側モジュール2pの導電部221、222に流れる電流iの向きと負極側モジュール2nの導電部221、222に流れる電流iの向きとが互いに逆向きとなっている。
したがって、本例の場合も、上述した実施例1と同様に、正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとの間における相互インダクタンス効果を十分に得ることができる。その結果、簡易な構造でインダクタンスの低減を十分に図ることができる。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
(実施例5)
本例は、図15に示すごとく、モジュールユニット11の構成を変更した例である。
本例では、同図に示すごとく、正極側モジュール2p及び負極側モジュール2nを1つのユニットとするモジュールユニット11同士が並列に接続されている。
具体的には、一方のモジュールユニット11における正極側モジュール2pの第1中間端子241及び負極側モジュール2nの第2中間端子242と、他方のモジュールユニット11における正極側モジュール2pの第1中間端子241及び負極側モジュール2nの第2中間端子242とは、共通の1つの中間バスバ4cに接続されている。
また、一方のモジュールユニット11の正極側モジュール2pと他方のモジュールユニット11の負極側モジュール2nとは、本体部20の主面201、202同士を対向させた状態で配置されている。
なお、図15では、三相交流モータ82のU相の電極に接続されている中間バスバ4cについて図示したが、その他の三相交流モータ82のV相、W相の各電極に接続されている中間バスバ4cについても同様の構成となっている。
その他の基本的な構成は、実施例1と同様である。
本例の場合には、上述した実施例1と同様に、モジュールユニット11内における正極側モジュール2pと負極側モジュール2nとの間の相互インダクタンス効果だけでなく、隣り合うモジュールユニット11同士の間、すなわち一方のモジュールユニット11の正極側モジュール2pと他方のモジュールユニット11の負極側モジュール2nとの間における相互インダクタンス効果も得られる。これにより、インダクタンスの低減をより一層図ることができる。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
(実施例6)
本例は、図16に示すごとく、電力変換装置1の構成を変更した例である。
本例の電力変換装置1は、同図に示すごとく、2つの三相交流モータ82(図示略)を駆動させるタイプのものである。コンデンサ5の直交方向Yの両側には、それぞれ複数の半導体モジュール2、冷却器3、複数のバスバ(正極バスバ4a、負極バスバ4b、中間バスバ4c)等が配置されている。
コンデンサ5の直交方向Yの一方側に配置された半導体モジュール2の第1中間端子241及び第2中間端子242は、一方の三相交流モータ82の各電極に接続される中間バスバ4cに接続されている。また、コンデンサ5の直交方向Yの他方側に配置された半導体モジュール2の第1中間端子241及び第2中間端子242は、他方の三相交流モータ82の各電極に接続される中間バスバ4cに接続されている。
また、コンデンサ5の直交方向Yの一方側に配置された冷却器3の冷媒排出管34と、コンデンサ5の直交方向Yの他方側に配置された冷却器3の冷媒導入管33とは、接続管35によって接続されている。
その他、コンデンサ5の直交方向Yの両側にそれぞれ配置された半導体モジュール2、冷却器3、バスバ等の基本的な構成は、実施例1と同様である。
本例の場合には、コンデンサ5の直交方向Yの両側に半導体モジュール2を積層配置することにより、スペースの有効活用を図り、電力変換装置1の対向方向Xにおける小型化が可能となる。
その他の基本的な作用効果は、実施例1と同様である。
1 電力変換装置
11 モジュールユニット
2 半導体モジュール
2p 正極側モジュール
2n 負極側モジュール
20 本体部
201、202 主面
211 スイッチング素子
23 正極端子
241 第1中間端子
242 第2中間端子
25 負極端子
4c 中間バスバ
81 電源
1 第1ベクトル
12 ベクトル成分(第1ベクトルの直交方向のベクトル成分)
2 第2ベクトル
22 ベクトル成分(第2ベクトルの直交方向のベクトル成分)
X 対向方向
Y 直交方向
Z 突出方向

Claims (8)

  1. スイッチング素子(211)を内蔵した板状の本体部(20)を有する複数の半導体モジュール(2、2p、2n)を備え、
    該複数の半導体モジュール(2、2p、2n)には、電源(81)の正極側に接続される正極側モジュール(2p)と、上記電源(81)の負極側に接続される負極側モジュール(2n)とがあり、
    上記正極側モジュール(2p)には、上記電源(81)に接続される正極端子(23)と、上記負極側モジュール(2n)に接続される第1中間端子(241)とが上記本体部(20)から突出形成されており、
    上記負極側モジュール(2n)には、上記電源(81)に接続される負極端子(25)と、上記正極側モジュール(2p)に接続される第2中間端子(242)とが上記本体部(20)から突出形成されており、
    上記第1中間端子(241)と上記第2中間端子(242)とは、中間バスバ(4c)を介して接続されており、
    該中間バスバ(4c)を介して接続された隣り合う上記正極側モジュール(2p)と上記負極側モジュール(2n)とからなるモジュールユニット(11)において、上記正極側モジュール(2p)と上記負極側モジュール(2n)とは、上記本体部(20)の主面(201、202)同士を対向させた状態で配置されており、
    両者の上記正極端子(23)、上記第1中間端子(241)、上記負極端子(25)及び上記第2中間端子(242)は、互いに同一又は反対の方向に突出されており、その方向は、上記両者の対向方向(X)に直交する突出方向(Z)であり、
    上記モジュールユニット(11)を上記突出方向(Z)から透視した場合に、上記正極側モジュール(2p)の上記正極端子(23)から上記第1中間端子(241)へ向かう第1ベクトル(V1)と、上記負極側モジュール(2n)の上記第2中間端子(242)から上記負極端子(25)へ向かう第2ベクトル(V2)とは、上記対向方向(X)に直交する直交方向(Y)のベクトル成分(V12、V22)の向きが互いに逆向きであることを特徴とする電力変換装置(1)。
  2. 請求項1に記載の電力変換装置(1)において、上記モジュールユニット(11)における上記正極側モジュール(2p)の上記本体部(20)は、上記正極端子(23)と上記第1中間端子(241)との間を上記スイッチング素子(211)を介して電気的に導通させるための導電部(221、222)を有し、上記負極側モジュール(2n)の上記本体部(20)は、上記負極端子(25)と上記第2中間端子(242)と間を上記スイッチング素子(211)を介して電気的に導通させるための導電部(221、222)を有することを特徴とする電力変換装置(1)。
  3. 請求項2に記載の電力変換装置(1)において、上記導電部(221、222)は、少なくとも一部が上記本体部(20)の上記主面(201、202)に露出していることを特徴とする電力変換装置(1)。
  4. 請求項2又は3に記載の電力変換装置(1)において、上記モジュールユニット(11)における上記正極側モジュール(2p)の上記本体部(20)は、上記スイッチング素子(211)の上記対向方向(X)の両側に配置されると共に、上記正極端子(23)と上記第1中間端子(241)とにそれぞれ接続された一対の上記導電部(221、222)を有し、上記負極側モジュール(2n)の上記本体部(20)は、上記スイッチング素子(211)の上記対向方向(X)の両側に配置されると共に、上記負極端子(25)と上記第2中間端子(242)とにそれぞれ接続された一対の上記導電部(221、222)を有することを特徴とする電力変換装置(1)。
  5. 請求項4に記載の電力変換装置(1)において、上記モジュールユニット(11)における上記正極側モジュール(2p)及び上記負極側モジュール(2n)の上記本体部(20)には、上記スイッチング素子(211)と上記直交方向(Y)に並ぶようにダイオード(212)が内蔵されており、上記正極側モジュール(2p)の上記スイッチング素子(211)と上記負極側モジュール(2n)の上記ダイオード(212)とが上記対向方向(X)に対向して配置されており、上記正極側モジュール(2p)の上記ダイオード(212)と上記負極側モジュール(2n)の上記スイッチング素子(211)とが上記対向方向(X)に対向して配置されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
  6. 請求項5に記載の電力変換装置(1)において、上記モジュールユニット(11)を上記突出方向(Z)から透視した場合に、上記正極側モジュール(2p)では、上記スイッチング素子(211)と上記正極端子(23)とが上記対向方向(X)に並んで配置されていると共に、上記ダイオード(212)と上記第1中間端子(241)とが上記対向方向(X)に並んで配置されており、上記負極側モジュール(2n)では、上記スイッチング素子(211)と上記第2中間端子(242)とが上記対向方向(X)に並んで配置されていると共に、上記ダイオード(212)と上記負極端子(25)とが上記対向方向(X)に並んで配置されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置(1)において、上記モジュールユニット(11)を複数備え、隣り合う該モジュールユニット(11)同士において、一方の該モジュールユニット(11)の上記正極側モジュール(2p)と他方の上記モジュールユニット(11)の上記負極側モジュール(2n)とは、上記本体部(20)の主面(201、202)同士を対向させた状態で配置されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
  8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置(1)において、上記半導体モジュール(2、2p、2n)を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路(31)を有する冷却器(3)を備え、上記半導体モジュール(2、2p、2n)と上記冷媒流路(31)とは、上記対向方向(X)において互いに積層されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
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