JP2015076933A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化することなく、電流センサの熱対策、絶縁距離確保が可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、電力変換装置は、受熱面および端面を有する冷却器１２と、スイッチング素子および電力端子を有し、冷却器の受熱面上に設置される半導体モジュール２２ａ、２４ａ、２６ａと、半導体モジュールの電力端子に接続され、電流を出力するバスバー３４ｗと、バスバーに流れる電流を検出する電流センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃと、半導体モジュール、冷却器、バスバー、および電流センサを覆う箱状の外ケース３０と、を備えている。電流センサは、冷却器の端面と外ケースとの間に配置され冷却器に熱的に接続されたセンサケース４２と、センサケース内に配置され、バスバーに流れる電流を検知する電子部品と、を備え、バスバーは、センサケースを貫通して延び、このセンサケースにより、冷却器と外ケースとの間に支持されている。【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、電流センサを有する電力変換装置に関する。

近年、自動車の燃費向上を目的とし、内燃機関とモータを併用したハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。また一方で、モータだけで走行可能な電気自動車の製品化も進んでいる。これら自動車を実現するためには、電池とモータ間に、直流電力から交流電力への変換および交流電力から直流電力への変換を行なう電力変換装置が必要となる。

一般に、車載用の電力変換装置（インバータ）等に使用する電力用の半導体モジュールは、数百アンペアを超える大電流を通電させる場合があり、その大電流を半導体モジュールから電動機へ通電するバスバーは、ジュール熱により高温になる。半導体モジュールから電動機へ流れる電流値を検出するための電流センサは、このバスバーを貫通させた状態で設置される。そのため、電流センサは、バスバーの発熱により高温にさらされるという問題がある。また、電流センサを構成するコアは、検出する電流の周波数が高い場合、鉄損により異常に発熱する場合がある。

そこで、電流センサを冷却器上に搭載することで、バスバーの発熱で生じる電流センサの熱を冷却器へ放熱して、ＡＣ出力に大電流を通電可能とした電力変換装置が提案されている。

特開２０１２−２５３９５４号公報

しかしながら、上述した電力変換装置では、電流センサを設置するためのスペースを冷却器上に確保する必要があり、冷却器を大きくする必要がある。また、別の課題として、半導体モジュールから電動機まで電流を通電するバスバーを、冷却器と金属ケースの間に配置する必要があり、絶縁距離確保のために冷却器と金属ケースを一定距離だけ離す必要がある。このことから、装置全体が大型化する。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、大型化することなく、電流センサの熱対策、絶縁距離確保が可能な電力変換装置を提供することにある。

実施形態によれば、電力変換装置は、受熱面および端面を有する冷却器と、スイッチング素子および電力端子を有し、前記冷却器の受熱面上に実装される半導体モジュールと、前記半導体モジュールの電力端子に接続され、電流を出力するバスバーと、前記バスバーに流れる電流を検出する電流センサと、前記半導体モジュール、冷却器、バスバー、および電流センサを覆う箱状の外ケースと、を備えている。電流センサは、前記冷却器の端面と外ケースとの間に配置され冷却器に熱的に接続されたセンサケースと、前記センサケース内に配置され、前記バスバーに流れる電流を検知する電子部品と、を備えている。バスバーは、前記センサケースを貫通して延び、前記センサケースにより、前記冷却器と外ケースとの間に支持されている。

図１は、実施形態に係る電力変換装置の等価回路を示す図。 図２は、前記電力変換装置の断面図。 図３は、前記電力変換装置の一部を示す斜視図。 図４は、図３の線Ａ−Ａに沿った前記電力変換装置の断面図。

以下に、図面を参照しながら、実施形態に係る半導体電力変換装置ついて詳細に説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置の等価回路図である。図１に示すように、電力変換装置１００は、負荷として接続された電動機１を駆動するものであって、直流電源２、昇圧回路３、平滑コンデンサ２０、インバータ回路４、制御回路５、電動機１へ供給される電流を検出する電流検出部６等を備えている。直流電源２から供給される電圧を昇圧回路３で昇圧して平滑コンデンサ２０に印加し、平滑コンデンサ２０から送られる直流電力がインバータ回路４により交流電力に変換されて、３相交流電力として電動機１に供給される。インバータ回路４は、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相インバータとして構成されている。

本実施形態において、インバータ回路４は、半導体素子としてのＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）並列接続した回路を１つのパッケージとするいわゆる１ｉｎ１構造の半導体モジュール（半導体装置）を複数個、直並列接続して構成されている。これら複数の半導体モジュールは、互いに同一構造、同一寸法に構成されている。インバータ回路４は、例えば、６個の半導体モジュール２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂで構成されている。インバータ回路４において、半導体モジュール２２ａ、２２ｂは、Ｕ相上下アームを構成し、半導体モジュール２４ａ、２４ｂは、Ｖ相上下アームを構成し、半導体モジュール２６ａ、２６ｂは、Ｗ相上下アームを構成している。

図１に示すように、制御回路５は、制御部９、昇圧回路３の電圧を検出する電圧検出部７、昇圧回路３を構成する半導体素子のゲートを駆動するゲート駆動部１０、平滑コンデンサ２０の電圧を検出する電圧検出部８、半導体モジュール２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂにおけるＩＧＢＴのゲートを駆動するゲート駆動部１１を備えている。

電動機１に電流を供給する際、電動機１に流れる電流を電流検出部６によって検出し、電流量に応じた電圧を制御部９に出力する。制御部９は、電流検出部６からフィードバックされた電圧に基づき、電動機１へ所望の電圧、電流、周波数を出力するための半導体素子を制御する信号を演算し、ゲート駆動部１１を介してＩＧＢＴをオン、オフ制御する。昇圧回路３は、電圧検出部７、８により、昇圧回路前と昇圧回路後の電圧を検出し、制御部９により、上記フィードバックされた電圧から所望の昇圧電圧となるよう、昇圧回路３を構成するスイッチング素子を制御するための信号を演算する。そして、制御部９は、演算結果に応じて、ゲート駆動部１１を介してＩＧＢＴをオン、オフ制御する。

図２は、電力変換装置を概略的に示す断面図、図３は、電力変換装置の一部を示す斜視図である。図２および図３に示すように、電力変換装置１００は、冷却器１２、冷却器１２上に固定された支持フレーム１４、および、冷却器１２上に載置され、支持フレームにより支持された複数の半導体モジュール（半導体装置）２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ、これらを囲む矩形枠状のインバータケース（外ケース）３０を備えている。冷却器１２は、平坦な矩形状の受熱面（冷却面）１８ａおよびこの受熱面と直交する端面（側面）１８ｂを有する扁平な直方体形状の冷却ブロック１８を有している。冷却ブロック１８は、例えば、アルミニウムで形成されている。また、冷却ブロック１８内には、水等の冷却媒体を流す冷媒流路が形成されている。

支持フレーム１４は、受熱面１８ａに対応する大きさの矩形状の外枠と、外枠間を延びる互いに平行な複数の連結梁とを一体に有し、これら外枠および連結梁により、例えば、２列に並んだ、それぞれ矩形状の設置空間部を形成している。支持フレーム１４には、複数の金属導電部材（主回路バスバー）が設けられている。主回路バスバー２６は、半導体モジュール２２ａ〜２６ｂの電力端子３２に電気的に接続される複数の接続端子２４、接続端子２４に電気的に接続される図示しない複数の入力端子、および接続端子２４に電気的に接続される３相の出力端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗ等を有している。各端子は、例えば、無酸素銅、アルミニウム等の導電金属板により、細長い帯状に形成されている。

支持フレーム１４は、例えば、インサートモールドにより、主回路バスバー２６および複数の端子と一体に樹脂、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等、により成形されている。支持フレーム１４は、例えば、複数のねじにより冷却ブロック１８に固定され、受熱面１８ａ上に位置している。３相の出力端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗは、支持フレーム１４から放熱面１８ａと平行に外方に延出し、更に、後述するセンサケースに向かって、直角に折り曲げられ、冷却ブロック１８の端面（側面）１８ｂに沿って下方に延びている。出力端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗは、冷却ブロック１８の端面とインバータケース３０の内面との間に位置し、これらの端面および内面にそれぞれ隙間を置いて対向している。

図２および図３に示すように、半導体モジュール２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂは、例えば、３個ずつ、２列に並んで支持フレーム１４に設置されている。各列において、３個の半導体モジュールは、支持フレーム１４の設置空間部内に配置され、各半導体モジュールの底面は、高熱伝導材料（絶縁材料）を介して冷却器１２の受熱面１８ａ上に設置されている。各半導体モジュールは、その両端面から突出する２つの電力端子３２およびその上面から上方に突出する複数の信号端子３６を有している。各半導体モジュールの電力端子３２は、接続端子２４に接触し、主回路バスバー２６に電気的に接続されている。

半導体モジュール２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂおよび装置全体の入出力および動作を制御する制御回路（制御回路基板）５は、支持フレーム１４とほぼ等しい大きさの矩形状に形成されている。制御回路５は、半導体モジュール２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ上に重ねて設置され、図示しない固定ねじ等により支持フレーム１４に取り付けられている。各半導体モジュールの信号端子３６は、制御回路５に電気的に接続されている。

図１に示すように、電動機１に流れる電流を電流検出部６は、バスバーを流れる、例えば、３相の出力端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗを流れる電流値をそれぞれ検出する３つの電流センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃを有している。図４は、電流センサの断面図である。

図２ないし図４に示すように、電流センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、冷却器１２と金属のインバータケース３０との間に配置され、冷却器１２の冷却ブロック１８に接触させ取り付けられる。電流センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、矩形箱状のセンサケース４２を有している。このセンサケース４２は、例えば、合成樹脂により形成され、３つのセンサに共通のケースとして構成されている。センサケース４２は、一対のブラケット４４を有し、これらのブラケットを冷却ブロック１８の端面（側面）１８ｂにねじ止めすることにより、冷却ブロックに取り付けられている。センサケース４２の一側面は、熱伝導樹脂、伝熱性接着剤、伝熱シート等の伝熱材４６を挟んで冷却ブロック１８の端面１８ｂに面接触している。センサケース４２の反対側の側面は、熱伝導樹脂、伝熱性接着剤、伝熱シート等の伝熱材４７を挟んでインバータケース３０の内面３０ａに接触している。これにより、センサケース４２は、冷却ブロック１８に熱的に接続されている。

半導体モジュールから電動機１へ電流を通電するバスバー、つまり、３相の出力端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗは、センサケース４２を貫通し、電動機１との接続部４８に接続される。出力端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗは、センサケース４２の側壁部を密に貫通することにより、センサケース４２によって、冷却ブロック１８とインバータケース３０との間の所定位置に保持されている。なお、電動機１へは、接続部４８から他のバスバー、あるいは、ケーブルにより配策される。

センサケース４２は、インサート成形により出力端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗと一体に成形してもよい。あるいは、センサケースを、出力端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗの位置で分割可能な２部材で構成し、これらの２部材間に出力端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗを挟み込んで保持する構成としてもよい。

電流センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃは、センサケース４２内に設置された共通の回路基板５０と、それぞれ出力端子３４ｕ、３４ｖ、３４ｗの周囲に隙間を置いて捲回された検出コア５２ａ、５２ｂ、５２ｃと、回路基板５０に実装されそれぞれ対応する検出コアに隣接して位置するホール素子５４ａ、５４ｂ、５４ｃと、回路基板５０に実装されたオペアンプ等の電子部品５５と、を有している。回路基板５０は、センサケース４２の冷却ブロック１８側の側壁内面上に取付けられ、冷却ブロック１８に隣接している。回路基板５０は、ハーネス５１を介して、制御回路５に電気的に接続されている。また、センサケース４２内は図示しない絶縁樹脂で満たされ、検出コア５２ａ、５２ｂ、５２ｃはこの絶縁樹脂により所定位置に保持されている。

なお、センサケース４２および回路基板５０は、３つのセンサに共通の構成に限らず、センサごとに独立したセンサケースおよび回路基板を用いても良い。また、電流センサは、検出コアとホール素子との組合わせに限らず、他のセンサを用いても良い。

上記のように構成された電力変換装置１００によれば、数百Ａを超える大電流をバスバー（出力端子）へ通電させた場合、バスバーはジュール熱により発熱するが、電流センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃは冷却器１２に接触して取り付けられているため、冷却器１２により冷却され、電流センサが発熱により壊れることを防止できる。また、電流センサを金属で形成されたインバータケース３０に接触して設けることにより、インバータケースを介して電流センサの熱を放熱することができ、電流センサを一層、冷却することが可能となる。

また、インバータ回路４から電動機１へ電流を通電する出力端子（バスバー）３４ｕ、３４ｖ、３４ｗは、電動機１との接続部４８により固定されるが、電力変換装置１００が振動の大きな用途に使用された場合、振動により出力端子が大きくたわむ場合がある。しかしながら、本実施形態によれば、電流センサのセンサケース４２を冷却器１２とインバータケース３０との間に取り付け、このセンサケース４２により出力端子を支持することで、振動による出力端子の大きなたわみを防止し、出力端子の絶縁距離を確保することができる。そのため、出力端子と冷却器１２との間、および出力端子とインバータケースとの間に、余計な絶縁距離をとる必要がなく、装置全体の小型化を図ることができる。更に、電流センサを、冷却器とインバータケースとの間の空きスペースに設置することにより、冷却器の受熱面上に専用の設置スペースを設ける必要がなく、冷却器の小型化および装置全体の小型化を図ることが可能となる。

電流センサ４０ａ、４０ｂ、４０ｃと冷却器１２との間に伝熱材４６を配置し、放熱性を向上させることで、出力端子に大電流が流れ発熱が大きくなった場合でも、電流センサを効率よく冷却し、電流センサの損傷を防止することができる。更に、電流センサのセンサケースとバスバーとを一体形成することで、バスバーのたわみを抑制し、振動による電流センサおよびバスバーの破損を防止することが可能となる。
以上のことから、大型化させずに、電流センサの熱対策、絶縁距離確保が可能な電力変換装置が得られる。

この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、電力変換装置の構成部材の寸法、形状、材質等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。半導体モジュールの設置数は、実施形態に限定されることなく、必要に応じて増減可能である。

１００…電力変換装置、１…電動機、５…制御回路、６…電流検出部、
１２…冷却器、１４…支持フレーム、１８…冷却ブロック、１８ａ…受熱面、
２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂ…半導体モジュール、
３４ｕ、３４ｖ、３４ｗ…出力端子（バスバー）、３０…インバータケース、
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ…電流センサ、４２…センサケース、
５２ａ、５２ｂ、５２ｃ…検出コア

Claims (5)

1. 受熱面および端面を有する冷却器と、
   スイッチング素子および電力端子を有し、前記冷却器の受熱面上に設置される半導体モジュールと、
   前記半導体モジュールの電力端子に接続され、電流を出力するバスバーと、
   前記バスバーに流れる電流を検出する電流センサと、
   前記半導体モジュール、冷却器、バスバー、および電流センサを覆う箱状の外ケースと、を備え、
   前記電流センサは、前記冷却器の端面と前記外ケースとの間に配置され前記冷却器に熱的に接続されたセンサケースと、前記センサケース内に配置され、前記バスバーに流れる電流を検知する電子部品と、を備え、
   前記バスバーは、前記センサケースを貫通して延び、前記センサケースにより、前記冷却器と外ケースとの間に支持されている電力変換装置。
2. 前記電流センサのセンサケースは、伝熱材を介して、前記冷却器に接合されている請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電流センサのセンサケースは、合成樹脂により前記バスバーと一体に成形されている請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記バスバーが取り付けられているとともに前記冷却器の受熱面上に配置された支持フレームを備え、前記半導体モジュールは、前記受熱面上に載置されているとともに前記電力端子は前記支持フレームに取り付けられたバスバーに電気的に接続され、
   前記バスバーは、前記放熱面からこの放熱面と平行に延出し、途中で前記センサケースに向けて屈曲し、前記センサケースを貫通して延びている請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記電流センサは、前記センサケース内で、前記冷却器に隣接して配置された回路基板を備え、前記電子部品は前記回路基板上に実装されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電力変換装置。