JP2016149910A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バスバーに寄生するインダクタンスをより低減できる電力変換装置を提供すること。【解決手段】複数の電子部品２と、該電子部品２を冷却する複数の冷却管３とを備える。電子部品２と冷却管３とは積層され、積層体１０を構成している。電子部品２には、半導体モジュール２ｍと、平滑コンデンサ２ｃと、リアクトル２ｒと、フィルタコンデンサ２ｆとがある。半導体モジュール２ｍと平滑コンデンサ２ｃとによって部品群５が形成されている。部品群５を構成する複数の電子部品２（２ｍ，２ｃ）は、冷却管３を介して互いに隣り合うように配されている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の電子部品と、該電子部品を冷却する複数の冷却管とを備え、電子部品と冷却管とを積層して積層体を構成した電力変換装置に関する。

直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、複数の電子部品と、該電子部品を冷却する複数の冷却管と、複数の電子部品を互いに電気接続するバスバーとを備え、上記電子部品と上記冷却管とを積層して積層体を構成したものが知られている（下記特許文献１参照）。

上記電子部品には、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続した平滑コンデンサと、リアクトルと、フィルタコンデンサとがある。上記複数の半導体モジュールのうち一部の半導体モジュールと、上記リアクトルとによって、昇圧回路が形成されている。上記フィルタコンデンサは、ノイズ電流を除去するために設けられており、上記リアクトルに接続している。

また、他の一部の半導体モジュールと、上記平滑コンデンサとにより、インバータ回路が構成されている。このインバータ回路により、直流電力を交流電力に変換し、得られた交流電力を用いて交流負荷を駆動するよう構成されている。

特開２００７−１７４７６０号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、上記バスバーに大きなインダクタンスが寄生することがあった。すなわち、上記電力変換装置では、半導体モジュール同士の間や、半導体モジュールと平滑コンデンサとの間に、リアクトルやフィルタコンデンサが介在する場合がある（図９、図１０参照）。この場合、半導体モジュールと平滑コンデンサとを接続するバスバーが、リアクルやフィルタコンデンサを跨ぐ必要が生じ、長くなってしまう。そのため、このバスバーに大きなインダクタンスが寄生しやすくなる。したがって、半導体モジュールをオンオフ動作させたときに、上記インダクタンスが原因となって、大きなサージが発生しやすくなる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、バスバーに寄生するインダクタンスをより低減できる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、複数の電子部品と、
該電子部品を冷却する複数の冷却管と、
上記複数の電子部品を互いに電気接続するバスバーとを備え、
上記電子部品と上記冷却管とを積層して積層体を構成してあり、
上記電子部品には、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続した平滑コンデンサと、昇圧回路を構成するリアクトルと、該リアクトルに接続したフィルタコンデンサとがあり、
上記半導体モジュールと上記平滑コンデンサとによって部品群が構成され、
該部品群を構成する複数の上記電子部品は、上記冷却管を介して互いに隣り合うように配されていることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、半導体モジュールと平滑コンデンサとによって上記部品群を構成してある。この部品群を構成する複数の電子部品（半導体モジュール及び平滑コンデンサ）は、冷却管を介して互いに隣り合うように配されている。
このようにすると、部品群を構成する複数の電子部品（半導体モジュール及び平滑コンデンサ）の間に、部品群に含まれないリアクトルやフィルタコンデンサが介在しなくなる。そのため、上記部品群を構成する半導体モジュールと平滑コンデンサとを互いに接近させることができる。したがって、バスバーのうち、半導体モジュールと平滑コンデンサとを繋ぐ部位を短くすることができ、この部位に寄生するインダクタンスを低減できる。そのため、半導体モジュールをオンオフ動作させたときに、上記インダクタンスが原因となって大きなサージが発生することを抑制できる。

以上のごとく、本発明によれば、バスバーに寄生するインダクタンスをより低減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、電力変換装置の断面図であって、図２のI-I断面図。 図１のII-II断面図。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 実施例２における、電力変換装置の断面図。 実施例３における、電力変換装置の断面図。 実施例４における、電力変換装置の断面図。 実施例５における、電力変換装置の断面図。 実施例５における、電力変換装置の回路図。 比較例１における、電力変換装置の断面図。 比較例２における、電力変換装置の断面図。

上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置とすることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置に係る実施例について、図１〜図３を用いて説明する。図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、複数の電子部品２と、複数の冷却管３と、バスバー４（４ｐ，４ｎ，４ｂ，４ｉ）とを備える。冷却管３は、電子部品３を冷却する。バスバー４は、複数の電子部品２を互いに電気接続している。電子部品２と冷却管３とは積層され、積層体１０を構成している。

電子部品２には、半導体モジュール２ｍと、平滑コンデンサ２ｃと、リアクトル２ｒと、フィルタコンデンサ２ｆとがある。半導体モジュール２ｍは、半導体素子２１（図３参照）を内蔵している。平滑コンデンサ２ｃは、半導体モジュール２ｍに接続しており、該半導体モジュール２ｍに加わる電圧を平滑化する。リアクトル２ｒは、昇圧回路１２を構成している。フィルタコンデンサ２ｆは、リアクトル２ｒに接続している。フィルタコンデンサ２ｆは、直流電源８（図３参照）から供給される直流電流Ｉに含まれるノイズ電流を除去するために設けられている。

バスバー４には、正極バスバー４ｐと、負極バスバー４ｎと、昇圧バスバー４ｂと、入力バスバー４ｉとがある。半導体モジュール２ｍと平滑コンデンサ２ｃとによって、部品群５が構成されている。
該部品群５を構成する複数の電子部品２（２ｍ，２ｃ）は、冷却管３を介して互いに隣り合うように配されている。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。

図１に示すごとく、半導体モジュール２ｍには、インバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉと、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂとがある。図３に示すごとく、インバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉと平滑コンデンサ２ｃとによって、インバータ回路１１が形成されている。また、リアクトル２ｒと昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂとによって、昇圧回路１２が形成されている。

本例では、昇圧回路１２を用いて、直流電源８の電圧を昇圧している。そして、昇圧した後、インバータ回路１１を用いて直流電力を交流電力に変換し、得られた交流電力を用いて、三相交流モータ８１を駆動している。これにより、上記車両を走行させている。

本例の電力変換装置１には、第１インバータ回路１１１と第２インバータ回路１１２とが形成されている。第１インバータ回路１１１と第２インバータ回路１１２とは、それぞれ別の三相交流モータ８１（８１ａ，８１ｂ）に接続している。また、本例の電力変換装置１は、第１平滑コンデンサ２ｃ_ａと第２平滑コンデンサ２ｃ_ｂとの、２個の平滑コンデンサ２ｃ（２ｃ_ａ，２ｃ_ｂ）を備えている。

図２に示すごとく、インバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉは、半導体素子２１（図３参照）を内蔵した本体部２２と、該本体部２２から突出したパワー端子２３と、制御端子２４とを備える。パワー端子２３には、直流電圧が加わる正極端子２３ｐ及び負極端子２３ｎと、三相交流モータ８１に接続される交流端子２３ａとがある。正極端子２３ｐには、正極バスバー４ｐが接続している。また、負極端子２３ｎには、負極バスバー４ｎが接続している。交流端子２３ａには、図示しない交流バスバーが接続される。
なお、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂも、インバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉと同様の構造になっている。

また、制御端子２４には、制御回路基板１９が接続している。この制御回路基板１９を用いて、半導体モジュール２ｍ（２ｍ_ｉ，２ｍ_ｂ）のオンオフ動作を制御している。

また、上述したように、本例の電力変換装置１は、バスバー４として、正極バスバー４ｐと、負極バスバー４ｎと、昇圧用バスバー４ｂと、入力バスバー４ｉとを備える。図１に示すごとく、入力バスバー４ｉは、フィルタコンデンサ２ｆの正端子２１０と、リアクトル２ｒの入力端子２３０とに接続している。また、昇圧用バスバー４ｂは、リアクトル２ｒの出力端子２４０と、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂの交流端子２３ａとに接続している。

正極バスバー４ｐは、全ての半導体モジュール２ｍの正極端子２３ｐと、平滑コンデンサ２ｃの正端子２５０とに接続している。また、負極バスバー４ｎは、全ての半導体モジュール２ｍの負極端子２３ｎと、平滑コンデンサ２ｃの負端子２６０と、フィルタコンデンサ２ｆの負端子２２０とに接続している。

入力バスバー４ｉの端部４１０と、負極バスバー４ｎの端部４２０とは、それぞれケース１３の外側に突出している。これらの端部４１０，４２０は、上記直流電源８（図３参照）に電気接続される。

一方、図１に示すごとく、積層体１０の積層方向（Ｘ方向）に隣り合う２つの冷却管３は、２個の連結管１７によって連結されている。連結管１７は、パワー端子２３の突出方向（Ｚ方向）とＸ方向との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）における、冷却管３の両端部に取り付けられている。

また、複数の冷却管３のうち、Ｘ方向における一端に位置する端部冷却管３ａには、冷媒１６を導入するための導入管１４と、冷媒１６を導出するための導出管１５とが取り付けられている。冷媒１６を導入管１４から導入すると、冷媒１６は、連結管１７を通って全ての冷却管３内を流れ、導出管１５から導出する。これにより、個々の電子部品２を冷却するようになっている。

また、ケース１３の第１壁部１３１と積層体１０との間には、加圧部材１８（板ばね）が介在している。この加圧部材１８を用いて、積層体１０を、ケース１３の第２壁部１３２へ向けて加圧している。これにより、電子部品２と冷却管３との間の接触圧を確保すると共に、積層体１０をケース１３内に固定している。

また、図１に示すごとく、本例では、複数の半導体モジュール２ｍのうち、Ｘ方向において導入管１４及び導出管１５から最も離れた位置に配された半導体モジュール２ｍを、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂとしている。そして、上記第１平滑コンデンサ２ｃ_ａを、冷却管３を介して、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂに隣り合う位置に配置してある。また、上記第２平滑コンデンサ２ｃ_ｂを、第１インバータ回路１１１（図３参照）を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉと、第２インバータ回路１１２を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉとの間に配置してある。

リアクトル２ｒは、冷却管３を介して、平滑コンデンサ２ｃ（第１平滑コンデンサ２ｃ_ａ）に隣り合う位置に配されている。また、フィルタコンデンサ２ｆは、冷却管３を介して、リアクトル２ｒに隣り合う位置に配されている。

本例の作用効果について説明する。図１に示すごとく、本例では、半導体モジュール２ｍと平滑コンデンサ２ｃとによって部品群５が構成されている。部品群５を構成する複数の電子部品２（２ｍ，２ｃ）は、冷却管３を介して互いに隣り合うように配されている。
このようにすると、部品群５を構成する複数の電子部品２（２ｍ，２ｃ）の間に、部品群５に含まれないリアクトル２ｒやフィルタコンデンサ２ｆが介在しなくなる。そのため、部品群５を構成する半導体モジュール２ｍと平滑コンデンサ２ｃとを互いに接近させることができる。したがって、正極バスバー４ｐ及び負極バスバー４ｎのうち、半導体モジュール２ｍと平滑コンデンサ２ｃとを繋ぐ部位を短くすることができ、該部位に寄生するインダクタンスを低減することができる。そのため、半導体モジュール２ｍをオンオフ動作させたときに、上記インダクタンスが原因となって大きなサージが発生することを抑制できる。

ここで仮に、図９、図１０に示すごとく、部品群９５を構成する複数の電子部品９２（９２ｃ，９２ｍ）が、冷却管９３を介して互いに隣り合っておらず、これらの間に、部品群９５に含まれないフィルタコンデンサ９２ｆが介在していたとすると、平滑コンデンサ９２ｃと半導体モジュール９２ｍとが離れてしまう。そのため、バスバー９４ｐ，９４ｎのうち、平滑コンデンサ９２ｃと半導体モジュール９２ｍとを繋ぐ部位９９が、フィルタコンデンサ９２ｆを跨ぐことになり、この部位９９にインダクタンスが寄生しやすくなる。したがって、半導体モジュール９２ｍをオンオフ動作させたときに、上記インダクタンスが原因となって、大きなサージが発生しやすくなる。

これに対して、図１に示すごとく、本例のように、部品群５を構成する複数の電子部品２（２ｃ，２ｍ）を、冷却管３を介して互いに隣り合うように配置すれば、平滑コンデンサ２ｃと半導体モジュール２ｍとを接近させることができる。そのため、バスバー４ｐ，４ｎのうち、平滑コンデンサ２ｃと半導体モジュール２ｍとを繋ぐ部位を短くすることができ、この部位に寄生するインダクタンスを低減できる。そのため、半導体モジュール２ｍをオンオフ動作させたときに大きなサージが発生することを抑制できる。

また、図１に示すごとく、本例の半導体モジュール２ｍには、上記インバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉと上記昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂとがある。上記平滑コンデンサ２ｃは、冷却管３を介して、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂに隣り合う位置に配されている。
そのため、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂと平滑コンデンサ２ｃとを近づけることができる。したがって、バスバー４ｐ，４ｎのうち、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂと平滑コンデンサ２ｃとを繋ぐ部位４９を短くすることができ、この部位４９に寄生するインダクタンスを低減できる。そのため、半導体モジュール２ｍをオンオフ動作させたときに大きなサージが発生することを抑制できる。

また、本例では図１に示すごとく、リアクトル２ｒを、冷却管３を介して平滑コンデンサ２ｃ（第１平滑コンデンサ２ｃ_ａ）に隣り合う位置に配置してある。そのため、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂと、平滑コンデンサ２ｃと、リアクトル２ｒとがこの順に配されることになる。したがって、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂとリアクトル２ｒとを近づけることができ、これらを接続する昇圧用バスバー４ｂの長さを短くすることができる。そのため、昇圧用バスバー４ｂに寄生するインダクタンスを低減できる。

また、本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、第１平滑コンデンサ２ｃ_ａと第２平滑コンデンサ２ｃ_ｂとの２個の平滑コンデンサ２ｃ（２ｃ_ａ，２ｃ_ｂ）を備える。上記第２平滑コンデンサ２ｃ_ｂは、第１インバータ回路１１１（図３参照）を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉと、第２インバータ回路１１２を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉとの間に配されている。
このようにすると、第１インバータ回路１１１を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉから第２平滑コンデンサ２ｃ_ｂまでの距離と、第２インバータ回路１１２を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉから第２平滑コンデンサ２ｃ_ｂまでの距離とを、略均等にすることができる。そのため、バスバー４（４ｐ，４ｎ）に寄生するインダクタンスを、個々のインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉについて略均等にすることができる。したがって、電力変換装置１を稼働したときに、一部のインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉにのみ大きなサージが加わることを抑制できる。

以上のごとく、本例によれば、バスバーに寄生するインダクタンスをより低減できる電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
以下の実施例においては、図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例は、電子部品２の配置位置を変更した例である。図４に示すごとく、本例では、平滑コンデンサ２ｃ（第１平滑コンデンサ２ｃ_ａ）と、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂと、リアクトル２ｒと、フィルタコンデンサ２ｆとを、この順に配置してある。

上記構成にすると、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂとリアクトル２ｒとを、より接近させることができる。そのため、これらを繋ぐ昇圧用バスバー４ｂをより短くすることができ、該昇圧用バスバー４ｂに寄生するインダクタンスをより低減できる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施例３）
本例は、電子部品２の配置位置を変更した例である。図５に示すごとく、本例では、昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂと、平滑コンデンサ２ｃ（第１平滑コンデンサ２ｃ_ａ）と、フィルタコンデンサ２ｆと、リアクトル２ｒとを、この順に配してある。

上記構成にした場合も、リアクトル２ｒと昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂとを、互いに比較的近い位置に配置することができる。そのため、これらリアクトル２ｒと昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂとを繋ぐ昇圧用バスバー４ｂの長さを比較的短くすることができ、該昇圧用バスバー４ｂに寄生するインダクタンスを低減することができる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施例４）
本例は、平滑コンデンサ２ｃの数を変更した例である。図６に示すごとく、本例では、平滑コンデンサ２ｃの数を一個にしてある。そして、この平滑コンデンサ２ｃを、第１インバータ回路１１１（図３参照）を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉと、第２インバータ回路１１２を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉとの間に配置してある。

上記構成にすると、平滑コンデンサ２ｃの数を一個にしているため、電子部品２の数を減らすことができ、電力変換装置１の製造コストを低減できる。また、電力変換装置１のＸ方向長さを短くすることができ、電力変換装置１を小型化することができる。

また、本例では上述したように、平滑コンデンサ２ｃを、第１インバータ回路１１１を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉと、第２インバータ回路１１２を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉとの間に配置している。そのため、第１インバータ回路１１１を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉから平滑コンデンサ２ｃまでの距離と、第２インバータ回路１１２を構成するインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉから平滑コンデンサ２ｃまでの距離とを、略均等にすることができる。そのため、バスバー４ｐ，４ｎに寄生するインダクタンスを、個々のインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉについて均等にすることができる。したがって、電力変換装置１を稼働したときに、一部のインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉにのみ大きなサージが加わることを抑制できる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施例５）
本例は、電子部品２の数を変更した例である。図７、図８に示すごとく、本例の電力変換装置１は、１個の平滑コンデンサ２ｃと、３個のインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉと、１個の昇圧用半導体モジュール２ｍ_ｂとを備える。図８に示すごとく、１個の平滑コンデンサ２ｃと３個のインバータ用半導体モジュール２ｍ_ｉとによって、インバータ回路１１を構成している。インバータ回路１１は、一個の三相交流モータ８１に接続している。

また、図７に示すごとく、実施例１と同様に、本例では、半導体モジール２ｍ及び平滑コンデンサ２ｃによって、部品群５が構成されている。部品群５を構成する複数の電子部品２（２ｍ，２ｃ）は、冷却管３を介して互いに隣り合うように配されている。

上記構成にすると、実施例１と同様に、半導体モジュール２ｍと平滑コンデンサ２ｃとを接近させることができる。そのため、バスバー４（４ｐ，４ｎ）のうち、半導体モジュール２ｍと平滑コンデンサ２ｃとを繋ぐ部位を短くすることができ、該部位に寄生するインダクタンスを低減することができる。したがって、半導体モジュール２ｍをオンオフ動作させたときに大きなサージが発生することを抑制できる。

１ 電力変換装置
１０ 積層体
２ 電子部品
２１ 半導体素子
２ｍ 半導体モジュール
２ｃ 平滑コンデンサ
２ｒ リアクトル
２ｆ フィルタコンデンサ
３ 冷却管
４ バスバー
５ 電子部品群

Claims (3)

1. 複数の電子部品（２）と、
   該電子部品（２）を冷却する複数の冷却管（３）と、
   上記複数の電子部品（２）を互いに電気接続するバスバー（４）とを備え、
   上記電子部品（２）と上記冷却管（３）とを積層して積層体（１０）を構成してあり、
   上記電子部品（２）には、半導体素子（２１）を内蔵した半導体モジュール（２ｍ）と、該半導体モジュール（２ｍ）に接続した平滑コンデンサ（２ｃ）と、昇圧回路（１２）を構成するリアクトル（２ｒ）と、該リアクトル（２ｒ）に接続したフィルタコンデンサ（２ｆ）とがあり、
   上記半導体モジュール（２ｍ）と上記平滑コンデンサ（２ｃ）とによって部品群（５）が構成され、
   該部品群（５）を構成する複数の上記電子部品（２，２ｍ，２ｃ）は、上記冷却管（３）を介して互いに隣り合うように配されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記半導体モジュール（２ｍ）には、インバータ回路（１１）を構成するインバータ用半導体モジュール（２ｍ_ｉ）と、上記リアクトル（２ｒ）と共に上記昇圧回路（１２）を構成する昇圧用半導体モジュール（２ｍ_ｂ）とがあり、上記平滑コンデンサ（２ｃ）は、上記冷却管（３）を介して、上記昇圧用半導体モジュール（２ｍ_ｂ）に隣り合う位置に配されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
3. 上記リアクトル（２ｒ）は、上記冷却管（３）を介して、上記平滑コンデンサ（２ｃ）又は上記昇圧用半導体モジュール（２ｍ_ｂ）に隣り合う位置に配されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置（１）。

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