JP2015092827A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
直流電流を交流電流に変換するパワー半導体モジュール(300)と、前記直流電流を平滑化するコンデンサモジュール(500)と、冷却水を流す流路(19)を形成する流路形成体と、前記流路形成体を保持する筐体(12)と、を備え、
前記パワー半導体モジュール(300)と前記コンデンサモジュール(500)との間に前記流路形成体が配置され、前記流路(19)の側部と前記筐体(12)との間に貫通孔(406)が形成され、
前記コンデンサモジュール(500)は、コンデンサセル(514)と、前記コンデンサセル(514)の第1電極と接続される正極導体板(507)と、前記コンデンサセル(514)の第2電極と接続される負極導体板(505)と、前記正極導体板(507)と接続されるとともに前記貫通孔(406)を通って前記パワー半導体モジュール(300)と接続される正極側コンデンサ端子(506)と、前記負極導体板(505)と接続されるとともに前記貫通孔(406)を通って前記パワー半導体モジュール(300)と接続される負極側コンデンサ端子(504)と、前記正極側コンデンサ端子(506)及び負極側コンデンサ端子(504)を覆う端子カバー(520)と、を有し、前記端子カバー(520)の先端部は、前記貫通孔(406)まで延びる電力変換装置。
電気回路のインダクタンスの低減に係る工夫には次の3つの観点がある。第1の観点はパワーモジュールのインダクタンス低減である。第2の観点はコンデンサモジュールのインダクタンス低減である。第3の観点はパワーモジュールとコンデンサモジュールとの接続回路のインダクタンス低減である。上記観点1から観点3の全てを実施することが最も望ましい。しかし3つの観点の内1つの観点を実施することでも効果があり、さらに3つの観点の内の2つの観点を実施することでさらに好ましい効果がある。
電力変換装置の小型化に関する工夫を次の5つの観点で説明する。第1の観点は冷却水流路を電力変換装置の筐体の中ほどに配置し、前記冷却水流路の両面を利用して冷却することにより、電力変換装置の小型化を図ったことである。第2の観点は冷却水流路の側部と前記筐体との間にパワーモジュールとコンデンサモジュールとの電気的な接続を行うための空間を設けることにより、電力変換装置の小型化を図ったことである。第3の観点は冷却水流路の冷却水の流路方向に沿って2組のパワーモジュールを併設して配置したことで、電気配線が簡素化され、小型化が可能となったことである。第4の観点はパワーモジュールの構造的な改善である。第5の観点はコンデンサモジュールの構造的な改善である。上記観点のそれぞれにおいて効果があり、またこれらの観点を組み合わせて実施することで、さらに大きな効果を得ることができる。
以下に記載の実施形態では、冷却水流路の側部と筐体との間に貫通する空間を形成して、パワーモジュールとコンデンサモジュールとの接続を行っている。冷却水流路とは異なる位置に空間を形成し、この空間を介して上記接続を行っているので、冷却水の影響を受け難く、信頼性が向上する。
さらに、冷却部の筐体は、パワーモジュールの放熱フィンを冷却する冷却水通路のための冷却水空間の外に、パワーモジュールとコンデンサとを接続する直流接続端子構造を包囲する包囲空間を有し、この接続端子構造を筐体で被うことにより、電力変換装置の全体構造の簡易化、小型化が図られ、組立性も向上する。加えて、冷却水空間内の冷却水が、冷却部筐体を介して、コンデンサの冷却にも寄与することができる。
本実施形態に係る電力変換装置は、片側に放熱フィンを有するパワーモジュール(半導体モジュール)の内部にインバータ装置の上下アームの直列回路を収納し、パワーモジュールを冷却部内に挿入し、放熱フィンを冷却水で直接冷却する構造を備えている。また、冷却水の流路を形成する冷却部の筐体内にパワーモジュールと直流電源の平滑用コンデンサを内包するように積層する構成、すなわち、パワーモジュールとコンデンサとで水路を挟むサンドイッチ構造を採用することで、冷却効率が向上させることができ、冷却効率の向上により電力変換装置の小型化を図っている。
れている。前記開口には後述する図13に示すパワーモジュール300がそれぞれ固定され、各パワーモジュール300の放熱のためのフィンがそれぞれの開口から冷却水の流れの中に突出する構造となっている。前記筐体12の流れの方向すなわち長辺の沿った方向にパワーモジュール300が並べて固定され、この固定により前記各パワーモジュール300により冷却水流路19の開口を完全に塞ぐことができるように、支持部410が筐体と一体成形されている。この支持部410は略中央に位置し、支持部410に対して冷却水の出入り口側の方に1つのパワーモジュール300が固定され、また前記支持部410に対して冷却水の折り返し側の方に他の1つのパワーモジュール300が固定される。図5(B)に示す螺子穴412は前記出入り口側のパワーモジュール300を冷却水流路19に固定するために使用され、この固定により開口400が密閉される。また螺子穴414は前記折り返し側のパワーモジュール300を冷却水流路19に固定するために使用され、この固定により開口402が密閉される。
ュール500の運送途中での負極側コンデンサ端子504や正極側コンデンサ端子506
の保護となり、信頼性の向上や生産性の向上に繋がる。
11:金属ベース板 12:筐体
13:冷却水入口配管 14:冷却水出口配管
16:下部ケース 17:交流ターミナルケース
18:交流ターミナル 19:冷却水流路
20:制御回路基板 21:コネクタ
22:駆動回路基板 23:基板間コネクタ
43:インバータ(パワーモジュールを含む補機用)
49:鋳造肉盗み
110:ハイブリッド電気自動車 112:前輪
114:前輪車軸 116:前輪側DEF
118:変速機 120:エンジン
122:動力分配機構 123,124,125:歯車
126,127,128:歯車 129,130:歯車
136:バッテリ 138:直流コネクタ
140,142:インバータ装置 144:インバータ回路
150:上下アームの直列回路 153:上アームのコレクタ電極
154:上アームのゲート電極端子
155:上アームの信号用エミッタ電極端子
156:上アームのダイオード 157:正極(P)端子
158:負極(N)端子 159:交流端子
163:下アームのコレクタ電極 164:下アームのゲート電極端子
165:下アームの信号用エミッタ電極端子
166:下アームのダイオード 169:中間電極
170:制御部 172:制御回路
174:ドライバ回路 176:信号線
180:検出部 182:信号線
186:交流電力線 188:交流コネクタ
192,194:モータジェネレータ
195:モータ(補機用=エアコン、オイルポンプ、冷却ポンプ)
200:電力変換装置
300:パワーモジュール(半導体モジュール)
302:パワーモジュールケース 304:金属ベース
305:フィン
308:U相交流バスバー 310:V相交流バスバー
312:W相交流バスバー 314:直流正極端子
315:正極導体板 316:直流負極端子
317:負極導体板 318:絶縁紙
320:パワーモジュール制御端子
322:チップ保護用レジン又はシリコンゲル
324:交流バスバー保持用(位置決め)ピン
326:IGBT 328:上アーム用IGBT
329,331:導体 333,337:導体
330:下アーム用IGBT 334:絶縁基板
335:インダクタンス成分(等価回路)
336:ワイヤ 338:電流の流れ
339:接合部(直流正極バスバー用)
340:渦電流
341:接合部(直流負極バスバー用)
400,402,404:開口部 401:入口孔
403:出口孔 406:貫通孔
408:隔壁 410:支持部
412,414:ねじ穴(パワーモジュール固定用)
416:ねじ穴(水路カバー固定用)
418:冷媒の流れ(流入方向) 420:カバー
421:冷媒の流れ(Uターン部) 422:冷媒の流れ(流出方向)
500:コンデンサモジュール 502:コンデンサケース
504:負極側コンデンサ端子 505:負極導体板
506:正極側コンデンサ端子 507:正極導体板
508:導電材 509,511:開口部(端子固定用)
510:直流(バッテリ)負極側接続端子部
512:直流(バッテリ)正極側接続端子部
514:コンデンサセル 515:フィルムコンデンサ
516:端子 517:絶縁シート
518:端子 520:端子カバー
521:絶縁シート 522:充填材
532:補機用正極端子 534:補機用負極端子
600:コレクタ電流
602:ターンオン時ゲート電圧波形
604:ターンオン時コレクタ電圧波形
606:ターンオン時コレクタ電流波形
608:ダイオード 610:インダクタンス負荷
612:環流 614:電流ピーク
616:ミラー期間 618:電流の流れ(正極側)
620:電流の流れ(負極側)
622:ターンオフ時ゲート電圧波形
624:ターンオフ時コレクタ電流波形
626:ターンオフ時コレクタ電圧波形
628:電圧ピーク
電力を変換する上アーム回路及び下アーム回路を有する第1のパワーモジュール(300)と、流路(19)を形成する流路形成体と、を備え、
前記第1のパワーモジュール(300)は、前記上アーム回路を構成する第1半導体素子(328)と、前記下アーム回路を構成する第2半導体素子(330)と、前記第1半導体素子(328)及び前記第2半導体素子(330)を支持する第1金属ベース(304)と、を有し、
前記流路(19)は、第1流路と、前記第1流路に隣り合って配置される第2流路と、前記第1流路及び前記第2流路を繋ぐ折り返し流路と、により構成され、
前記流路形成体は、前記第1流路と前記第2流路とを隔てる隔壁(408)と、前記第1流路と繋がる第1開口(400)と、前記第2流路と繋がる第2開口(402)と、を形成し、
前記第1金属ベース(304)は、前記第1半導体素子(328)と対向する位置に形成された第1フィン(305)と、前記第2半導体素子(330)と対向する位置に形成された第2フィン(305)と、を有し、
更に、前記第1金属ベース(304)は、前記隔壁(408)を跨がり、前記第1のフィン(305)を前記第1開口(400)から突出させ、且つ前記第2フィン(305)を前記第2開口(402)から突出させると共に、当該第1開口(400)及び当該第2開口(402)を塞ぐように配置された電力変換装置。
前記第2のパワーモジュール(300)は、前記上アーム回路を構成する第3半導体素子(328)と、前記アーム回路を構成する第4半導体素子(330)と、前記第3半導体素子(328)及び前記第4半導体素子(330)を支持する第2金属ベース(304)と、を有し、
前記第2金属ベース(304)は、前記第3半導体素子(328)と対向する位置に形成された第3フィン(305)と、前記第4半導体素子(330)と対向する位置に形成された第4フィン(305)と、を有し、
更に、前記第2金属ベース(304)は、前記隔壁(408)を跨がり、前記第3のフィン(305)を前記第1開口(400)から突出させ、且つ前記第4フィン(305)を前記第2開口(402)から突出させると共に、当該第1開口(400)及び当該第2開口(402)を塞ぐように配置された電力変換装置。
前記正極導体板(315)及び前記負極導体板(317)は、絶縁材を介した積層構造で前記第1半導体素子(328)を挟んで前記第1金属ベース(304)と対向する位置に配置された電力変換装置。
前記第1パワーモジュールは、前記第1金属ベース(304)に実装されて前記第1半導体素子(328)に電力を伝達する第1導体(329)と、前記第1金属ベース(304)に実装されて前記第2半導体素子(330)に電力を伝達する第2導体(337)と、を有し、
前記正極導体板(315)と前記第1導体(329)との接続部(339)及び前記負極導体板(317)と前記第2導体(337)との接続部(341)は、前記第1流路及び前記第2流路よりも前記隔壁(408)に近い位置に配置された電力変換装置。
Claims (5)
- 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体モジュールと、
前記直流電流を平滑化するコンデンサモジュールと、
冷却水を流す流路を形成する流路形成体と、
前記流路形成体を保持する筐体と、を備え、
前記パワー半導体モジュールと前記コンデンサモジュールとの間に前記流路形成体が配置され、
前記流路の側部と前記筐体との間に貫通孔が形成され、
前記コンデンサモジュールは、コンデンサセルと、前記コンデンサセルの第1電極と接続される正極導体板と、前記コンデンサセルの第2電極と接続される負極導体板と、前記正極導体板と接続されるとともに前記貫通孔を通って前記パワー半導体モジュールと接続される正極側コンデンサ端子と、前記負極導体板と接続されるとともに前記貫通孔を通って前記パワー半導体モジュールと接続される負極側コンデンサ端子と、前記正極側コンデンサ端子及び負極側コンデンサ端子を覆う端子カバーと、を有し、
前記端子カバーの先端部は、前記貫通孔まで延びる電力変換装置。 - 請求項1に記載された電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールは、前記貫通孔と対向する正極端子と、前記貫通孔と対向する負極端子と、を有し、
前記正極側コンデンサ端子の端部は、前記正極端子と直接接続され、
前記負極側コンデンサ端子の端部は、前記負極端子と直接接続される電力変換装置。 - 請求項2に記載された電力変換装置であって、
前記正極端子、前記負極端子、前記正極側コンデンサ端子及び前記負極側コンデンサ端子は、それぞれ複数設けられ、
前記複数の正極端子は、前記複数の正極側コンデンサ端子と直接接続され、
前記複数の負極端子は、前記複数の負極側コンデンサ端子と直接接続される電力変換装置。 - 請求項1ないし3に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記流路形成体は、前記流路と繋がる開口部を設け、
前記パワー半導体モジュールは、フィンを有する金属製ベースを含んで構成され、
前記金属製ベースは、前記フィンが前記流路内に突出するように前記開口部を覆う電力変換装置。 - 請求項1ないし4に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記コンデンサモジュールは、前記コンデンサセルを収納するケースを有し、
前記端子カバーは、前記ケースと一体に形成される電力変換装置。
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