JP2014082840A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インバータ回路と電圧コンバータ回路を含む電力変換装置に関する。特に、電気自動車の走行用モータを駆動するための電力変換装置に関する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や燃料電池車を含む。 The present invention relates to a power converter including an inverter circuit and a voltage converter circuit. In particular, the present invention relates to a power conversion device for driving a traveling motor of an electric vehicle. The “electric vehicle” in the present specification includes a hybrid vehicle and a fuel cell vehicle having both a motor and an engine.
電気自動車は、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した周波数の交流電力に変換するインバータ回路を備える。電気自動車の走行用モータは大出力であるため、電力変換装置が扱う電流も大きく、その発熱量は大きい。特に、スイッチング素子として用いられるトランジスタ(IGBTやMOSFET)や、そのトランジスタに逆並列に接続されるダイオードの発熱量が大きい。それら大電流を扱う半導体素子はパワー素子と呼ばれることがある。パワー素子を効果的に冷却すべく、半導体素子(パワー素子)を平板型の半導体モジュールに収め、複数の半導体モジュールと平板型の複数の冷却プレートを交互に積層する構造が提案されている(特許文献1〜3)。そのような積層体を本明細書では積層ユニットと称する。 An electric vehicle includes an inverter circuit that converts DC power of a battery into AC power having a frequency suitable for driving a motor. Since the motor for driving an electric vehicle has a large output, the current handled by the power conversion device is large and the amount of heat generated is large. In particular, the amount of heat generated by a transistor (IGBT or MOSFET) used as a switching element or a diode connected in reverse parallel to the transistor is large. These semiconductor elements that handle large currents are sometimes called power elements. In order to effectively cool a power element, a structure in which a semiconductor element (power element) is housed in a flat plate type semiconductor module and a plurality of semiconductor modules and a plurality of flat plate type cooling plates are alternately stacked has been proposed (patent) Literatures 1-3). Such a laminate is referred to herein as a laminate unit.
また、電気自動車の中にはバッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路を備えるものもある。電圧コンバータ回路は、リアクトル(コイルを用いた受動素子)を備えるが、リアクトルの発熱量も大きい。そこで、積層ユニットの冷却器を利用してリアクトルまで冷却する工夫が考案されている。積層ユニットは、冷却プレートに冷媒を送るパイプと半導体モジュール冷却後の冷媒を排出するパイプが、積層ユニットの一端の冷却プレートに接続される。特許文献1では、その2本のパイプと接するようにリアクトルが配置される。また、特許文献2では、2本のパイプの間で積層ユニット端部の冷却プレートに接するようにリアクトルが配置される。本明細書では、積層ユニットとリアクトルと備えたデバイスを備え、直流を交流に変換する回路(インバータ回路)、及び/又は、電圧を変換する回路(電圧コンバータ回路)を備えたデバイスを電力変換装置と総称する。
Some electric vehicles include a voltage converter circuit that boosts the voltage of the battery. Although the voltage converter circuit includes a reactor (passive element using a coil), the amount of heat generated by the reactor is also large. Therefore, a device has been devised for cooling to the reactor using the cooler of the laminated unit. In the laminated unit, a pipe for sending a refrigerant to the cooling plate and a pipe for discharging the refrigerant after cooling the semiconductor module are connected to the cooling plate at one end of the laminated unit. In
リアクトルは、樹脂でモールドされることがある。そうすると、リアクトルの熱が外部へ拡散し難くなる。樹脂でモールドされたリアクトルからは、導電線(典型的には細長金属板のバスバ)が延びており、他の電気部品と接続されるが、この場合、バスバが唯一の伝熱経路となって他の電気部品まで加熱してしまう虞がある。他方、積層ユニットの冷却効率を高めるために、冷却プレートと半導体モジュールが密着するように弾性部材で積層方向に荷重を加えることが望ましい(例えば特許文献3)。本明細書は、積層ユニットと樹脂でモールドされたリアクトルを有する電力変換装置において、積層ユニットを積層方向に荷重する弾性部材を活用して、積層ユニットでリアクトルを効果的に冷却する技術を提供する。 The reactor may be molded with resin. If it does so, it will become difficult to diffuse the heat of a reactor outside. A conductive wire (typically a long metal plate bus bar) extends from the resin-molded reactor and is connected to other electrical components. In this case, the bus bar is the only heat transfer path. There is a risk of heating even other electrical components. On the other hand, in order to increase the cooling efficiency of the stacked unit, it is desirable to apply a load in the stacking direction with an elastic member so that the cooling plate and the semiconductor module are in close contact (for example, Patent Document 3). The present specification provides a technology for effectively cooling a reactor with a laminated unit by using an elastic member that loads the laminated unit in a laminating direction in a power conversion device having a laminated unit and a resin molded reactor. .
本明細書が開示する電力変換装置の一実施形態は、樹脂でモールドされたリアクトルに、樹脂モールドの表面に一部が露出しており他部が樹脂に埋め込まれている伝熱板が備えられている。そのリアクトルは、ケースに固定されている。積層ユニットは、リアクトルと隣接して配置されている。そして、弾性部材が、積層ユニットとリアクトルの間で、積層ユニットの積層方向端部の冷却プレートと、リアクトルの樹脂モールド表面に露出している伝熱板の双方に接して嵌挿されている。伝熱板と弾性部材は、典型的には金属板でよい。上記の構成により、伝熱板と弾性部材が伝熱経路となり、樹脂内のリアクトルの熱が積層ユニットの端部の冷却プレートへと移送される。リアクトルの熱を効果的に積層プレートへ移送し、リアクトルと他の部品を電気的に接続するバスバを通じて移動する熱量を小さくすることができる。 One embodiment of the power conversion device disclosed in the present specification includes a heat transfer plate in which a part molded on the surface of the resin mold and the other part embedded in the resin is formed on a resin molded reactor. ing. The reactor is fixed to the case. The laminated unit is disposed adjacent to the reactor. And the elastic member is inserted between the laminated unit and the reactor in contact with both the cooling plate at the stacking direction end of the laminated unit and the heat transfer plate exposed on the resin mold surface of the reactor. The heat transfer plate and the elastic member may typically be metal plates. With the above configuration, the heat transfer plate and the elastic member serve as a heat transfer path, and the heat of the reactor in the resin is transferred to the cooling plate at the end of the laminated unit. The heat of the reactor can be effectively transferred to the laminated plate, and the amount of heat that moves through the bus bar that electrically connects the reactor and other components can be reduced.
本明細書が開示する電力変換装置の一つの改良では、伝熱板が、樹脂の内部でリアクトルのコイルに接近するように湾曲している。伝熱板をリアクトルのコイルに近づけることによって、リアクトルの熱の移送効率を高めることができる。 In one improvement of the power converter disclosed in this specification, the heat transfer plate is curved so as to approach the coil of the reactor inside the resin. By bringing the heat transfer plate closer to the reactor coil, the heat transfer efficiency of the reactor can be increased.
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be described in the following “DETAILED DESCRIPTION”.
図面を参照して実施例の電力変換装置2を説明する。図1に、電力変換装置2の分解斜視図を示し、図2に電力変換装置2の斜視図を示す。図3に、図2の座標系におけるXY平面での断面図を示す。なお、図2は、カバーを外した様子を示している。電力変換装置2は、走行用のモータを2個備える電気自動車に搭載され、バッテリの電力を昇圧後、交流に変換して2個のモータに供給するデバイスである。
A
電力変換装置2は、主要な部品として、積層ユニット20とリアクトル4、及び、コンデンサユニット7を備える。電力変換装置2は、その他の主要部品として、積層ユニットに内蔵された半導体素子を制御する回路基板を備えるが、その図示と説明は省略する。また、図では、ケース内の部品のレイアウトが理解し易いように、ケース10の深さを低く描いていることに留意されたい。また、電気自動車の電力系の説明は図4を参照して後述する。
The
積層ユニット20は、半導体素子を樹脂でモールドした平板型の複数の半導体モジュール22と、内部を冷媒が通る平板型の複数の冷却プレート21を交互に積層したものである。図3に示すように、冷却プレート21の内部は空洞であり、その長手方向の両端に貫通孔が設けられている。冷却プレート21は、熱がよく伝わるように熱伝導率の高い金属、例えばアルミニウムで作られている。隣接する冷却プレート21の貫通孔が接続管で接続されている。また、積層体の一方の端の冷却プレート21の貫通孔には、外部から冷媒を供給する供給管23と、冷却プレート21を通過し半導体モジュール22を冷却した後の冷媒を外部に排出する排出管24が取り付けられている。積層体の他端に面する貫通孔は閉鎖されている。なお、図では一つの冷却プレートと一つの半導体モジュールにのみ符号21と22を付し、他の冷却プレートと半導体モジュールには符号を省略していることに留意されたい。ただし、供給管23と排出管24が接続されている端部とは反対側の端部に位置する冷却プレートにのみ、特別に符号21aを付してある。
The
半導体モジュール22に収められる半導体素子は、スイッチング素子として用いられるトランジスタとそのトランジスタと逆並列に接続されるダイオードである。それらの半導体素子には、バッテリから大電力が流れるため、発熱量が大きい。また、電力変換装置2は、多数の半導体素子を備える。そこで、積層ユニット20にそれらの半導体素子を集約し、集中して冷却する。半導体モジュール22から冷却プレート21への伝熱効率を高めるため、積層ユニット20は、積層方向に荷重されつつ、ケース10に収容される。ケース10は、例えばアルミニウムで作られている。なお、図3の断面図では、半導体モジュール内にモールドされる半導体素子の図示は省略している。
The semiconductor element housed in the
リアクトル4は、磁性体のコア13にコイル14を巻き付けた受動素子である(図3参照)。コア13とコイル14で構成されるリアクトル本体9は、樹脂8でモールドされており、外部から本体は見えない。樹脂モールド8には金属製の伝熱板5が埋め込んであり、その一部が樹脂モールド8の側面に露出している。リアクトル4の機能は後に改めて説明するが、電力変換装置2に備えられる電圧コンバータの一部品をなす。リアクトル4にも大電流が流れるため、リアクトル4も発熱量が大きい。リアクトル4は、側面下部に設けられた貫通孔4aにボルトを通し、ケース10の下面の固定孔12に固定される。
The
積層ユニット20は、ケース10の側壁10bと、リアクトル4の間で挟持支持される。積層ユニット20は、その積層方向で挟持される。積層ユニット20を支持する側壁10bは、強度を確保するため、他の側壁よりも厚く作られている。なお、側壁10bの左右のスリット10aは、冷媒の供給管23と排出管24を通すために設けられている。
The
側壁10bとリアクトル4の間には、積層ユニット20とともに金属製の板バネ3が挟持される。板バネ3は、積層ユニット20とリアクトル4の間に嵌装され、積層ユニット20に積層方向の荷重を加える。荷重の反力はリアクトル4が受ける。板バネ3は、リアクトル4の側面に露出した伝熱板5と、積層ユニット20の端部の冷却プレート21aの双方に接するように配置される。図3に良く示されているように、伝熱板5は、リアクトル4の樹脂モールド8の表面に露出している露出部5aと、樹脂モールド8の内部でリアクトル本体9(コイル14)に近づくように湾曲している埋設湾曲部5bで構成される。
Between the
伝熱板5と板バネ3によるリアクトル本体9の冷却について説明する。リアクトル本体9が発した熱は、伝熱板5の埋設湾曲部5bから露出部5aへと伝わり、さらに、露出部5aで接している板バネ3へと伝わる。板バネ3は、積層ユニット20の端部の冷却プレート21aにも接しているので、板バネ3に伝わった熱は、冷却プレート21aへと移送される。結局、リアクトル本体9の発した熱は、伝熱板5、板バネ3を介して冷却プレート21a(積層ユニット20に付随する冷却器)へと移送される。
The cooling of the
リアクトル本体9はコンデンサユニット7とバスバ6で接続されるため、リアクトル本体9が発した熱はバスバ6を介してコンデンサユニット7へも伝わる。しかし、冷却プレート21aの方がコンデンサユニット7よりも温度が低いので、伝熱板5、板バネ3を介した冷却プレートへの熱移送量の方が、バスバ6を介した熱移送量よりも大きい。それゆえ、伝熱板5を有する電力変換装置2は、従来の装置よりも、バスバ6を介してコンデンサユニット7へ移送される熱量を小さくすることができる。
Since the
図4のブロック図を参照して、電力変換装置2を搭載する電気自動車90の電力系を説明する。電気自動車90は、走行用に2個のモータ61、62を有する。電力変換装置2は、バッテリ52の出力電圧を昇圧するとともに、その直流電力を走行に適した周波数の交流電力に変換してモータ61、62に出力する。即ち、電力変換装置2は、電圧コンバータ回路56と、2個のインバータ回路57a、57bを備える。また、電圧コンバータ回路56の入力側と出力側に、電流平滑用のコンデンサ53、54が接続されている。コンデンサ53、54は、ハードウエア的には、図1〜図3に示したコンデンサユニット7に内蔵されている。
With reference to the block diagram of FIG. 4, the electric power system of the
電圧コンバータ回路56は、トランジスタ58とダイオード59の逆並列接続で構成されるスイッチング回路が2個直列に接続したスイッチング直列回路51gと、リアクトル4で構成される。トランジスタは典型的にはIGBTであるが、MOSFETなど他のタイプのトランジスタで構成される場合もある。図3の電圧コンバータ回路56の構成は、図中の左側(バッテリ側)から右側(インバータ回路側)に向けて電圧を昇圧することができ、また、図中の右側から左側に向けて電圧を降圧することができる。電圧コンバータ回路56は、車両の減速エネルギを利用してモータが発電した電力をバッテリに適した電圧まで降圧する。なお、モータ61、62が発電した交流電力はインバータ回路57a、57bが直流に変換してから電圧コンバータ回路に入力される。図4に示す電圧コンバータ回路の構成はよく知られているので詳しい説明は省略する。
The
第1のインバータ回路57aは、電圧コンバータ回路56のスイッチング直列回路51gと同じ構成のスイッチング直列回路51a、51b、51cが3個並列に接続された構成を有している。第2のインバータ回路57bも同様に、スイッチング直列回路51d、51e、51fが3個並列に接続された構成を有している。それぞれのスイッチング直列回路の中間点から交流が出力される。図4のインバータ回路の構成もよく知られているので詳しい説明は省略する。
The
図4に示すそれぞれのスイッチング直列回路は、別言すれば、2個のトランジスタが直列に接続しているとともに、それぞれのトランジスタにダイオードが逆並列に接続した構成を有している。このスイッチング直列回路の一つひとつが、図1〜図3に示した複数の半導体モジュール22の夫々に収められている。すなわち、図1〜図3に示した積層ユニット20は、スイッチング直列回路51a、51b、51c、51d、51e、51f、51gを集積したデバイスである。また、図4に示したように、リアクトル4は、電圧コンバータ回路の一部品として使われる。
In other words, each switching series circuit shown in FIG. 4 has a configuration in which two transistors are connected in series and a diode is connected in antiparallel to each transistor. Each of the switching series circuits is housed in each of the plurality of
実施例で示した技術の利点と留意点を述べる。実施例の電力変換装置2は、本体が樹脂でモールドされたリアクトル4とケース側壁10bの間で積層ユニット20が板バネ3によって荷重されつつ挟持支持される。リアクトル4の樹脂モールド8には伝熱板5が埋設されており、その一部がリアクトル4(樹脂モールド8)の側面に露出している。リアクトル4と積層ユニット20の間に嵌挿されて積層ユニット20をその積層方向に荷重する板バネ3は、積層ユニット20の端部の冷却プレート21aと伝熱板5の露出部5aの双方に接する。伝熱板5の樹脂埋設部5bは樹脂モールド8の内部でリアクトル本体9(コイル14)に近づくように湾曲している。リアクトル本体9が発した熱は、伝熱板5と板バネ3を介して冷却プレート21aへと移送される。それゆえ、リアクトル本体9とコンデンサユニット7を接続しているバスバ6を介してコンデンサユニット7へ伝わる熱を小さくすることができる。
The advantages and points to be noted of the technology shown in the embodiments will be described. In the
板バネ3が弾性部材の一例に相当する。弾性部材は、板バネに限られず、コイルバネであってもよい。伝熱板5は、樹脂モールド8の内部でリアクトル本体9に接近するように湾曲しているが、伝熱板5は、コイル14が絶縁されていれば、コイル14に接していてもよい。
The
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
2:電力変換装置
3:板バネ
4:リアクトル
5:伝熱板
6:バスバ
7:コンデンサユニット
8:樹脂モールド
10:ケース
10a:スリット
10b:側壁
10c:底面
13:コア
14:コイル
20:積層ユニット
21:冷却プレート
22:半導体モジュール
23:供給管
24:排出管
51a−51f:スイッチング直列回路
52:バッテリ
53、54:コンデンサ
56:電圧コンバータ回路
57a、57b:インバータ回路
58:トランジスタ
59:ダイオード
90:電気自動車
2: Power converter 3: Leaf spring 4: Reactor 5: Heat transfer plate 6: Bus bar 7: Capacitor unit 8: Resin mold 10:
Claims (2)
樹脂でモールドされたリアクトルと、
積層ユニットとリアクトルを収容するケースと、
積層ユニットに積層方向の荷重を加える弾性部材と、
を備えており、
リアクトルには、樹脂モールドの表面に一部が露出しており他部が樹脂に埋め込まれている伝熱板が備えられており、
ケースにリアクトルが固定されており、
積層ユニットがリアクトルと隣接して配置されており、
弾性部材が、積層ユニットとリアクトルの間で、積層ユニットの積層方向の端部の冷却プレートと、リアクトルの樹脂表面に露出している伝熱板の双方に接して嵌挿されている、
ことを特徴とする電力変換装置。 A multi-layer unit in which a plurality of flat-plate semiconductor modules containing semiconductor elements and a plurality of flat-plate cooling plates are alternately stacked;
A reactor molded with resin;
A case for accommodating the laminated unit and the reactor;
An elastic member that applies a load in the stacking direction to the stacking unit;
With
The reactor is equipped with a heat transfer plate that is partly exposed on the surface of the resin mold and the other part embedded in the resin.
A reactor is fixed to the case,
The laminated unit is placed adjacent to the reactor,
The elastic member is inserted between the stacked unit and the reactor in contact with both the cooling plate at the end in the stacking direction of the stacked unit and the heat transfer plate exposed on the resin surface of the reactor.
The power converter characterized by the above-mentioned.
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