JP2017022844A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書が開示する技術は、パワーモジュール２０と冷却器１０の積層ユニット８を備える電力変換装置に関し、パワーモジュール２０のパワー端子２６のインダクタンスを低減する。【解決手段】電力変換装置の積層ユニット８では、平板型の複数の冷却器１０が平行に配置されており、隣接する冷却器１０の間にパワーモジュール２０が挟まれている。パワーモジュール２０は、冷却器１０の積層方向と直交する方向に延びており、パワーモジュール２０の内部の半導体素子と導通している平板状のパワー端子２６を備えている。冷却器１０は、パワー端子２６と対向するように延びている金属板３１を備えている。金属板３１は、冷却器１０からパワー端子２６に沿って延びており、続いてＵ字に湾曲して冷却器１０に向けて延びており、冷却器１０に向けて延びている部分３１ａがパワー端子２６に近接している。【選択図】図４

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

例えば電気自動車は、直流電源の電力を走行用のモータを駆動する電力に変換する電力変換装置を備える。電力変換装置は、電力変換用の複数の半導体素子を含む。電力変換用の半導体素子は発熱量が大きい。発熱量の大きい複数の半導体素子を効率よく冷却する構造を備えた電力変換装置が例えば特許文献１に開示されている。その電力変換装置では、電力変換用の複数の半導体素子は複数の平板型のパワーモジュールに分散して収容される。電力変換装置は、平板型の複数の冷却器が平行に配置されている積層ユニットを備えており、隣接する冷却器の間に前記パワーモジュールが挟まれている。各パワーモジュールは両側から冷却器で効率よく冷却される。

一方、大電流を扱う電力変換装置では、半導体素子同士を接続する導体に生じるインダクタンス、及び、半導体素子と他の電子部品を接続する導体に生じるインダクタンスは小さい方が望ましい。特許文献１の電力変換装置では、パワーモジュールだけでなく、電力変換回路において半導体素子と接続されるコンデンサも積層ユニットに積層される。そのような構造を採用することにより、パワーモジュールとコンデンサの間の距離が短くなり、パワーモジュールに収容されている半導体素子とコンデンサを接続する導体の長さも短くなる。それゆえ、半導体素子とコンデンサを接続する導体のインダクタンスが小さくなる。以下、説明の便宜上、本明細書では、半導体素子同士を接続する導体、及び、半導体素子と他の電子部品を接続する導体をバスバと称する。

特開２０１３−１２１２３６号公報

インダクタンスを低減する手法には、バスバの長さを短くすることのほかに、平板状のバスバ（あるいはパワーモジュールから延びている平板状の端子）に別の金属板を平行に配置するという手法が知られている。バスバ（あるいは端子）を流れる電流に起因して発生する磁界がインダクタンスの原因であるが、バスバ（あるいは端子）に対して金属板を平行に配置すると、その金属板に渦電流が生じ、その結果、磁界が小さくなり、インダクタンスも小さくなる。本明細書が開示する技術は、上記した積層ユニットの構造的特徴を利用し、コンパクトなインダクタンス低減構造を備えた電力変換装置を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、半導体素子を収容した平板型のパワーモジュールと、積層ユニットを備えている。積層ユニットでは、平板型の複数の冷却器が平行に配置されており、隣接する冷却器の間にパワーモジュールが挟まれている。パワーモジュールは、冷却器の積層方向と直交する方向に延びており、パワーモジュールの内部の半導体素子と導通している平板状の端子を備えている。そして、冷却器は、その端子と対向するように延びている金属板を備えている。金属板は、冷却器から端子に沿って延びており、続いてＵ字に湾曲して冷却器に向けて延びている。金属板のＵ字の湾曲より先の部分が端子に近接している。

もともと、冷却器はパワーモジュールに隣接配置されている。本明細書が開示する電力変換装置では、その冷却器から、端子に沿って延びるインダクタンス低減用の金属板を設ける。金属板は、Ｕ字に湾曲しており、湾曲より先の部分がパワーモジュールの端子に近接している。本明細書が開示する電力変換装置は、パワーモジュールから延びる端子の近くに配置されている冷却器から金属板を延ばすことでインダクタンスを低減する。冷却器と端子の間の距離が短いので、金属板も短くて済み、インダクタンス低減用に付加する構造が小さくて済む。そして、Ｕ字の金属板は、インダクタンスを効果的に低減するように、その形状と端子に対する相対位置（特に、湾曲より先の部分の形状と相対位置）を調整することが可能である。本明細書が開示する技術は、積層ユニットを備えた電力変換装置に関し、コンパクトなインダクタンス低減構造を提供する。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。

実施例の電力変換装置を含む電気自動車のブロック図である。 実施例の電力変換装置の模式的斜視図である。 積層ユニットの正面図である。 図３のIV−IV線でカットした積層ユニットの断面図である（一部のみ）。

図面を参照して実施例の電力変換装置２を説明する。実施例の電力変換装置２は、電気自動車１００に搭載されている。その電力変換装置２は、バッテリの電力を、走行用のモータを駆動するための電力に変換するデバイスである。図１に、電力変換装置２を含む電気自動車１００のブロック図を示す。

電気自動車１００は、走行用に２個のモータ８３ａ、８３ｂを備える。２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、動力分配機構８５で合成／分配されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。

電力変換装置２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力変換装置２は、バッテリ８１の電圧を昇圧するコンバータ回路８７と、昇圧後の直流電力を交流電力に変換する２個のインバータ回路８８ａ、８８ｂを含む。インバータ回路８８ａは、モータ８３ａへ電力を供給し、インバータ回路８８ｂは、モータ８３ｂへ電力を供給する。

コンバータ回路８７は、２個のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路と、リアクトル９７と、フィルタコンデンサ９５と、２個のダイオードで構成されている。リアクトル９７は、一端がその直列回路の中点に接続されており他端が入力側（バッテリ側）の高電位端子に接続されている。フィルタコンデンサ９５は、入力側の高電位端子と低電位端子の間に接続されている。

コンバータ回路８７は、バッテリ８１の電圧を昇圧してインバータ回路８８ａ、８８ｂへ供給する動作（昇圧動作）と、インバータ回路８８ａ、８８ｂから入力される直流電力（回生電力）を降圧してバッテリ８１へ供給する動作（降圧動作）の双方を行うことができる。図１のコンバータ回路８７はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号ＰＭ７が示す破線矩形の範囲の直列回路が、後述する複数のパワーモジュール２０の一つに対応する。

インバータ回路８８ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、Ｔ３とＴ６）。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路ＰＭ１〜ＰＭ３の高電位側がコンバータ回路８７の高電位側の出力端に接続されており、３セットの直列回路の低電位側はコンバータ回路８７の低電位側の出力端に接続されている。３セットの直列回路ＰＭ１〜ＰＭ３のそれぞれの中点から交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。３セットの直列回路ＰＭ１〜ＰＭ３が、後述する複数のパワーモジュール２０のうちの３個に対応する。

インバータ回路８８ｂの構成はインバータ回路８８ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略している。インバータ回路８８ｂもインバータ回路８８ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。３セットの直列回路ＰＭ４〜ＰＭ６が、後述する複数のパワーモジュール２０のうちの別の３個に対応する。

インバータ回路８８ａ、８８ｂの入力端に平滑コンデンサ９６が並列に接続されている。平滑コンデンサ９６は、インバータ回路８８ａ、８８ｂに入力される直流電流に重畳しているノイズ（スイッチング動作に伴う電流の脈動）を除去する。

スイッチング素子Ｔ１−Ｔ８は、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。あるいは、将来的には異なるタイプのスイッチング素子が電力変換装置に用いられることもあり得る。また、ここでいうスイッチング素子は、大電流の電力を変換することに用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。

図２に、電力変換装置２の模式的斜視図を示す。なお、図２には、電力変換装置２のケース６に収容される部品のうち、積層ユニット８（詳しくは後述）のみを示しており、他の部品、例えば、図１のリアクトル９７、フィルタコンデンサ９５、平滑コンデンサ９６、及び、スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ８を制御する回路基板などは、図示を省略している。また、図２では、冷却器１０（詳しくは後述）が備えるインダクタ低減用の金属板も図示を省略している。さらに、図２では、理解を助けるため、積層ユニット８に含まれる複数のパワーモジュール２０のうち、一つのパワーモジュール２０を積層ユニット８から抜き出して描いてある。

図１で示した複数のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ８、及び、各スイッチング素子に対して逆並列に接続されるダイオードは、いくつかのパワーモジュール２０に分散配置される。具体的には、一つのパワーモジュール２０に２個のスイッチング素子と２個のダイオードが収容される。より詳しくは、２個のスイッチング素子と２個のダイオードは、樹脂製のパッケージ２１に封止される。２個のスイッチング素子は、パッケージ２１の内部で直列に接続されており、各スイッチング素子に対して一つのダイオードが逆並列に接続されている。パッケージ２１（パワーモジュール２０）は平板型である。

電力変換用のスイッチング素子は発熱量が大きい。そこで、パワーモジュール２０では、パッケージ２１の冷却器に対向する面に放熱板２３ａ、２３ｂを備えている。図２には表れていないが、放熱板２３ａ、２３ｂとは反対側のパッケージ２１の面にも放熱板２３ｃが露出している。放熱板２３ｃは、図４に現れている。以下、放熱板２３ａ、２３ｂ、２３ｃを区別なく示すときには、放熱板２３と表記する。

放熱板２３ａは、パッケージ２１の内部で一つのスイッチング素子の一方の電極（ドレイン電極）と接続されている。放熱板２３ｂは、パッケージ２１の内部で別のスイッチング素子の一方の電極（ソース電極）と接続されている。放熱板２３ｃは、パッケージ２１の内部で一つのスイッチング素子の他方の電極（ソース電極）と、別のスイッチング素子の他方の電極（ドレイン電極）と接続されている。すなわち、放熱板２３ｃは、２個のスイッチング素子を直列に接続する導体の役割を果たしている。別言すれば、３個の放熱板２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、それぞれ、２個のスイッチング素子の直列接続の高電位側の電極、中点の電極、及び、低電位側の電極と接続されている。放熱板２３はスイッチング素子の電極と接続しているのでスイッチング素子の熱を良く伝える。

さらに３個の放熱板２３のそれぞれは、パッケージ２１の一側面から延びている３本のパワー端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃのそれぞれとつながっている。３本のパワー端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、パッケージ内部の２個のスイッチング素子の直列接続の高電位側の端子、中点の端子、及び、低電位側の端子に相当する。３個のパワー端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃは平板型である。これは、端子の内部抵抗を下げ、送電の損失を抑えるとともに、流れる電流による発熱を抑制するためである。３個のパワー端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃは、不図示のバスバに接続され、他のパワーモジュールの端子、あるいは、リアクトルなどの別のデバイスと接続される。以下、３個のパワー端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃのいずれか１個の区別なく示すときにはパワー端子２６と表記する。

パッケージ２１の別の側面からは、ゲート端子２９が延びている。ゲート端子２９は、パッケージ２１の内部で２個のスイッチング素子のゲート電極に接続されている。

図２に示されているように、複数のパワーモジュール２０は、複数の冷却器１０と積層されている。各冷却器１０は、金属（アルミニウム）で作られている。また、各冷却器１０は平板型である。複数のパワーモジュール２０と複数の冷却器１０の積層体を以下では積層ユニット８と称する。複数のパワーモジュール２０と複数の冷却器１０は、一つずつ交互に積層されている。別言すれば、積層ユニット８は、金属製の平板型の複数の冷却器１０が平行に配置されており、隣接する冷却器１０の間にパワーモジュール２０が挟まれているデバイスである。なお、図２に示した座標系において、Ｘ軸が、複数のパワーモジュール２０と複数の冷却器１０の積層方向に相当する。後に参照する図３、図４においても、Ｘ軸が積層方向に相当する。

冷却器１０とパワーモジュール２０は、共に平板型であり、夫々の平坦面が対向するように積層されている。本実施例では、積層方向（Ｘ軸方向）の両端に冷却器１０が位置するように、６個のパワーモジュール２０に対して７個の冷却器１０を配置している。なお、図１のブロック図には、２個のスイッチング素子の直列回路が７セット描かれており、図２の積層ユニット８は、本来７個のパワーモジュールが必要であるが、図２では、一つのパワーモジュールとそれに対応する冷却器の図示を省略している。

パワーモジュール２０の両面にはスイッチング素子の電極と導通している放熱板２３が露出しており、冷却器１０は金属で作られている。放熱板２３と冷却器１０との間を絶縁するために、パワーモジュール２０と冷却器１０との間には絶縁板３０が挟まれる。絶縁板３０の両面にはグリスが塗布される。グリスは、パワーモジュール２０と絶縁板３０の間の微視的な隙間、及び、冷却器１０と絶縁板３０の間の微視的な隙間を埋め、パワーモジュール２０から冷却器１０への伝熱効率を高める。

複数の冷却器１０は、連結パイプ４ａ、４ｂにより連結されている。パワーモジュール２０と冷却器１０の積層方向（Ｘ軸方向）の一端の冷却器１０には、冷媒供給管３ａと冷媒排出管３ｂが連結されている。冷媒供給管３ａを通じて供給される冷媒は、連結パイプ４ａを通じて全ての冷却器１０に分配される。冷却器１０は中空の平板型であり、内部の空間を冷媒が通る。冷却器１０を通る冷媒は、冷却器１０に隣接するパワーモジュール２０から熱を吸収する。各冷却器１０を通った冷媒は、連結パイプ４ｂを通り、冷媒排出管３ｂから排出される。冷媒は、液体であり、典型的には水である。

積層ユニット８は、ケース６に収容される際、積層方向（Ｘ軸方向）の一端側に板バネ７が挿入される。この板バネ７により、冷却器１０とパワーモジュール２０と絶縁板３０に対して、積層方向の両側から所定の荷重が加えられる。積層ユニット８に加えられる総圧力（荷重）は、例えば３［ｋＮ］である。前述したように絶縁板３０の両面にはグリスが塗布されている。３［ｋＮ］という高い荷重によりグリスは薄く引き延ばされ、これにより、パワーモジュール２０から冷却器１０への伝熱効率（熱拡散効率）がさらに向上する。

図３に積層ユニット８の正面図を示す。図４に、図３のIV−IV線でカットした積層ユニット８の断面図を示す。なお、図４は、１個のパワーモジュール２０とその両側の冷却器１０のみを示している。図４の右側及び左側にも、パワーモジュール２０と冷却器１０が交互に続くことに留意されたい。図４に示すように、冷却器１０は、間に中板１５を挟んで２枚の外板１６を張り合わせて作られている。外板１６は、周縁が直角に折り曲がった盆形状をなしており、中板１５とそれぞれの外板１６の間に空間が形成される。その空間に波板状のフィン板１９が収められている。中板１５と外板１６の間の空間が、冷媒が通る流路となる。外板１６はアルミニウム板のプレス加工で作られる。中板１５とフィン板１９もアルミニウムのプレス加工で作られる。

中板１５とその両側の外板１６の接合部は、冷却器１０の外周部を一巡するフランジ１７を形成する。そのフランジにインダクタンス低減用の金属板３１が取り付けられている。先に述べたように、パワーモジュール２０は、冷却器１０との積層方向と直交する方向（Ｚ方向）に延びており、パワーモジュール２０の内部のスイッチング素子と導通している平板状の３個のパワー端子２６を備えている。それぞれの金属板３１は、それぞれのパワー端子２６と対向するように冷却器１０から延びている。図４に示されているように、金属板３１は、冷却器１０のフランジ１７からパワー端子２６に沿って延びており、続いてＵ字に湾曲して冷却器１０に向かって戻るように延びている。冷却器１０に向かって延びている部分３１ａがパワー端子２６に平行であり、かつ、近接している。また、パワーモジュール２０の両側の冷却器１０の其々から金属板３１が延びており、それらの金属板３１の湾曲より先の部分３１ａは、平板のパワー端子２６を両側で近接している。金属板３１は、冷却器１０の材料と同じアルミニウムで作られている。金属板３１はパワー端子２６には触れておらず、両者は絶縁状態にある。

図４を参照して、パワーモジュール２０の内部構造について説明する。パワーモジュール２０は、半導体チップ４１を樹脂製のパッケージ２１で封止したデバイスである。半導体チップ４１は、一つのスイッチング素子とダイオードを含んでおり、チップ内部でスイッチング素子とダイオードが逆並列に接続されている。図４の半導体チップ４１が、図１におけるスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ８のいずれかと、そのスイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードに相当する。半導体チップ４１は両面に電極を有しており、一方の電極は放熱板２３ｂに直接に接合しており、他方の電極は導電性のスペーサ４２を介して放熱板２３ｃと導通している。放熱板２３ｂは、パワー端子２６ｃとも連続しており、半導体チップ４１の電極と外部のデバイスを接続する端子の一部をなしている。図には示されていないが、放熱板２３ｃは、別のパワー端子とつながっている。半導体チップ４１の一方の面にはゲート電極が露出しており、そのゲート電極とゲート端子２９は、ワイヤで接続されている。パッケージ２１には２個の半導体チップが封止されており、図４の断面とは異なる断面において、別の半導体チップは、放熱板２３ａと放熱板２３ｃとに挟まれている。別の半導体チップと放熱板２３ａ、２３ｃとの構造的関係は、図４に示した半導体チップ４１と放熱板２３ｂ、２３ｃとの構造的関係と同じである。

金属板３１の機能を説明する。金属板３１は、パワー端子２６に電流が流れるときのインダクタンスを低減する。図示を省略しているが、パワー端子２６の先端にはバスバが接合され、半導体チップ４１は、パワー端子２６とバスバを介して他のデバイスまたは他のスイッチング素子と電気的に接続される。パワー端子２６に電流が流れるとその電流に起因してパワー端子２６の周囲に磁場が発生する。磁場が大きいほどインダクタンスも大きくなる。金属板３１は、平板のパワー端子２６と近接して平行に延びており、パワー端子２６が発する磁場によって金属板３１の内部に渦電流が生じる。この渦電流の発生によって磁場が弱まる。すなわち、パワー端子２６に対して近接し、かつ、平行となるように金属板３１を配置することによって、パワー端子２６のインダクタンスを低減できる。

金属板３１は、もともとパワーモジュール２０に隣接している冷却器１０に取り付けられているので、その長さは短くて済む。インダクタンスを低減する金属板３１を積層ユニット８の冷却器１０に設けることで、インダクタンスを低減する構造をコンパクトに実現することができる。

金属板３１はＵ字に湾曲している。湾曲の度合いを変えることで、金属板３１の形状とパワー端子２６に対する相対的な位置（特に、湾曲より先の部分３１ａ）を容易に調整することができる。例えば、パワー端子２６の上端にはバスバが接合されるが、パワー端子２６とバスバとの接合箇所の直近まで金属板３１の湾曲より先の部分３１ａがパワー端子２６と平行に延びるように、湾曲を調整することができる。そうすることで、金属板３１においてパワー端子２６と隣接する部位（湾曲より先の部分３１ａ）の面積をできるだけ大きくすることができる。金属板３１においてパワー端子２６と隣接する部位（湾曲より先の部分３１ａ）の面積が大きい方が、インダクタンス低減効果が大きい。また、湾曲の度合いを調整することで、金属板３１の湾曲より先の部分３１ａをパワー端子２６に近づけることができる。金属板３１においてパワー端子２６との距離が短い方が、インダクタンス低減効果が大きい。このように、金属板３１をＵ字に湾曲させることで、インダクタンス低減効果が大きくなるように、その形状と位置を容易に調整することが可能となる。

先に述べたように、金属板３１には渦電流が発生する。渦電流の発生により金属板３１の温度が上昇する。金属板３１は冷却器１０に取り付けられているので、金属板３１の温度上昇は、冷却器１０によって抑えられる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図４では一つの金属板３１について説明したが、一つの冷却器１０は６個の金属板３１を備えており、それぞれの金属板３１が、図４を参照しつつ説明した構造と利点を有している。金属板３１は、冷却器１０のフランジ１７に溶接やろう付けなどで接合される。あるいは、金属板３１は、冷却器１０の外板１６と一体であってもよい。すなわち、金属板３１は、冷却器１０の外板１６の縁から続いているように構成されていてもよい。また、図４に示した金属板３１のＵ字の湾曲形状は一例であり、金属板３１は、図４とは異なる湾曲形状を有していてもよい。金属板３１は、冷却器１０からパワー端子２６に沿って延びており、続いて冷却器１０に向かって戻るように湾曲していればよい。例えば、金属板は、Ｖ字に近いＵ字に湾曲していてもよい。

実施例では、３個のパワー端子２６のそれぞれに対して金属板３１が設けられている。Ｘ方向（積層方向）から見たときに３個のパワー端子２６と同時に重なる一つの幅広の金属板を冷却器１０に設けてもよい。実施例の半導体チップ４１が請求項における半導体素子の一例に相当する。３個のパワー端子２６が、請求項における端子の一例に相当する。

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。

２：電力変換装置
６：ケース
７：板バネ
８：積層ユニット
１０：冷却器
１５：中板
１６：外板
１７：フランジ
１９：フィン板
２０：パワーモジュール
２１：パッケージ
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ：放熱板
２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ：パワー端子
３０：絶縁板
３１：金属板
３１ａ：湾曲より先の部分
４１：半導体チップ（半導体素子）
４２：スペーサ
８１：バッテリ
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 半導体素子を収容した平板型のパワーモジュールと、
   平板型の複数の冷却器が平行に配置されており、隣接する冷却器の間に前記パワーモジュールが挟まれている積層ユニットと、
   を備えており、
   前記パワーモジュールは、前記冷却器の積層方向と直交する方向に延びており、前記パワーモジュールの内部の半導体素子と導通している平板状の端子を備えており、
   前記冷却器は、前記端子と対向するように延びている金属板を備えており、
   前記金属板は、前記冷却器から前記端子に沿って延びており、続いてＵ字に湾曲して前記冷却器に向けて延びており、Ｕ字の湾曲より先の部分が前記端子に近接していることを特徴とする電力変換装置。

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