JP2017099140A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】並列動作する２個の半導体モジュールとコンデンサが並列に接続されている電力変換装置に関し、コンデンサと夫々の半導体モジュールの間のインダクタンスを等しくする。【解決手段】２個のスイッチング素子の直列接続の正極端子２１ａ（２１ｂ）と負極端子２２ａ（２２ｂ）が半導体モジュール８ａ（８ｂ）の本体９から延びている。２個の半導体モジュール８ａ、８ｂは並んで配置されている。正極端子２１ａ、２１ｂは互いに近づくように湾曲しているとともに、２個の半導体モジュールの夫々の本体９から等距離の位置で接合している。負極端子２２ａ、２２ｂも互いに近づくように湾曲しているとともに、夫々の本体９から等距離の位置で接合している、コンデンサと正極端子２１ａ、２１ｂ（負極端子２２ａ、２２ｂ）を接続する正極バスバ３２（負極バスバ３３）は、正極端子２１ａ、２１ｂ（負極端子２２ａ、２２ｂ）同士の接合箇所に接続している。【選択図】図４

Description

本発明は、電力変換装置に関する。特に、２個のスイッチング素子の直列接続を収容した２個の半導体モジュールを備える電力変換装置に関する。

インバータや双方向ＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置は、２個のスイッチング素子の直列接続の組を複数用いることが多い。それゆえ、２個のスイッチング素子を収容した半導体モジュールがそのような電力変換装置に用いられる（例えば特許文献１）。各半導体モジュールの本体から、直列接続の高電位側端子と低電位側端子と中点端子が延びている。複数の半導体モジュールの高電位側端子が正極バスバによってコンデンサの一方の電極に接続され、低電位側端子が負極バスバによってコンデンサの他方の電力に接続される。コンデンサは、直列接続に流れる電流を平滑化するために接続される。バスバとは、低損失で電力を伝える金属板または金属棒である。

低損失であるとはいえ、バスバはインダクタンス（寄生インダクタンス）を有する。特許文献１では、バスバのインダクタンスを低減するため、平板状の正極バスバと負極バスバを対向させる。一方のバスバを流れる電流に起因して他方のバスバに磁界が発生し、その磁界が一方のバスバの磁界を減殺することで、インダクタンスが低減される。

特開２０１４−１１０４００号公報

ところで、スイッチング素子の負荷を軽減するために、２組の直列接続を並列に接続し、一方の直列接続のスイッチング素子と他方の直列接続の対応するスイッチング素子を同期させて同じ動作を行わせる場合がある。２組の直列接続はあたかも一つの直列接続のように機能する。電力を２組の直列接続で分担するので各スイッチング素子の負荷が軽減される。以下では、同期して同じ動作を行うことを並列動作と称する。先に述べた半導体モジュールを並列動作に用いる場合、２個の半導体モジュールの高電位側端子の夫々とコンデンサの一方の電極が正極バスバで接続され、低電位側端子の夫々とコンデンサの他方の電極が負極バスバで接続される。このとき、コンデンサから夫々の直列接続のスイッチング素子までの間のインダクタンスが異なると、ゲート発振と呼ばれる現象が生じ得る。コンデンサと夫々の半導体モジュール内のスイッチング素子までのハードウエア上の電流経路のわずかな相違がゲート発振の一因となり得る。本明細書は、２個の半導体モジュールとコンデンサが並列に接続されている電力変換装置に関し、夫々の半導体モジュール内部のスイッチング素子とコンデンサの間のインダクタンスの差を抑える技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、２個の半導体モジュールとコンデンサと正極バスバと負極バスバを備えている。各半導体モジュールは、２個のスイッチング素子の直列接続をその本体に収容している。直列接続の高電位側端子と低電位側端子と中点端子が本体から延びている。正極バスバは、コンデンサの一方の電極と半導体モジュールの高電位側端子を接続する。負極バスバは、コンデンサの他方の電極と半導体モジュールの低電位側端子を接続する。２個の半導体モジュールは並んで配置されている。２個の半導体モジュールの夫々の高電位側端子は、互いに近づくように湾曲しているとともに、２個の半導体モジュールの夫々の本体から等距離の位置で接合している。２個の半導体モジュールの夫々の低電位側端子も、互いに近づくように湾曲しており、２個の半導体モジュールの夫々の本体から等距離の位置で接合している。そして、正極バスバは高電位側端子同士の接合箇所に接続しており、負極バスバは低電位側端子同士の接合箇所に接続している。この電力変換装置は、高電位側端子と正極バスバとの接合箇所から夫々の半導体モジュールの本体までの電流経路がほぼ同じ長さとなり、低電位側端子と負極バスバとの接合箇所から夫々の半導体モジュールの本体までの電流経路もほぼ同じ長さとなる。それゆえ、コンデンサから各半導体モジュール内部のスイッチング素子までの間のインダクタンスがほぼ同じとなり、ゲート発振が生じ難くなる。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電力系のブロック図である。 インバータ回路用の半導体モジュールの斜視図である。 電圧コンバータ回路用の半導体モジュールの斜視図である（２個の半導体モジュールが離れた状態）。 電圧コンバータ回路用の半導体モジュールの斜視図である（２個の半導体モジュールが接続した状態）。 昇降圧回路用の２個の半導体モジュールの部分断面図である。 電力変換装置のケース内の部品レイアウトを示す平面図である（カバーを外した状態）。 図６のVII−VII線に沿った断面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、電気自動車に搭載されており、バッテリの電力を走行用モータの駆動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の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、２個の走行用モータ８３ａ、８３ｂを備える。それゆえ、電力変換装置２は、２組のインバータ回路１３ａ、１３ｂを備える。なお、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の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流電力に変換する２組のインバータ回路１３ａ、１３ｂを備えている。

電圧コンバータ回路１２は、一方の端子に印加された電圧を昇圧して他方の端子に出力する昇圧動作と、他方の端子に印加された電圧を降圧して一方の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能ないわゆる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。説明の便宜上、以下では、低電圧側の端子を入力端１４と称し、高電圧側の端子を出力端１５と称する。また、入力端１４の正極と負極を夫々、入力正極端１４ａと入力負極端１４ｂと称する。出力端１５の正極と負極を夫々、出力正極端１５ａと出力負極端１５ｂと称する。「入力端１４」、「出力端１５」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるので、出力端１５から入力端１４へ電力が流れる場合がある。

電圧コンバータ回路１２は、４個のトランジスタ６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、リアクトル４、フィルタコンデンサ３、各トランジスタに逆並列に接続されているダイオードで構成されている。２個のトランジスタ６ａ、７ａは直列に接続されており、残りの２個のトランジスタ６ｂ、７ｂも直列に接続されている。以下では、２個のトランジスタが直列に接続された回路を単純に直列接続と称する場合がある。また、以下では、直列接続の高電位側に位置するトランジスタ６ａ、６ｂを上アームトランジスタと称し、低電位側に位置するトランジスタ７ａ、７ｂを下アームトランジスタと称することがある。

２組の直列接続は並列に接続されている。２組の直列接続の高電位側Ｐａ、Ｐｂは出力正極端１５ａに接続されており、低電位側Ｎａ、Ｎｂは出力負極端１５ｂに接続されている。リアクトル４は、一端が入力正極端１４ａに接続されており、他端は、２組の直列接続のそれぞれの中点Ｑａ、Ｑｂに接続されている。フィルタコンデンサ３は、入力正極端１４ａと入力負極端１４ｂの間に接続されている。入力負極端１４ｂは、出力負極端１５ｂと直接に接続されている。

４個のトランジスタ６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂは、後述する回路基板に実装された駆動回路で駆動される。上アームトランジスタ６ａ、６ｂは、同じタイミングでオンとオフが切り換えられる。下アームトランジスタ７ａ、７ｂも、同じタイミングでオンとオフが切り換えられる。即ち、２個の上アームトランジスタ６ａ、６ｂは同じタイミングで同じ動作をするように駆動され、２個の下アームトランジスタ７ａ、７ｂも同じタイミングで同じ動作をするように駆動される。以下では、同じタイミングで同じ動作をすることを並列動作と称する。並列に接続された２組の直列接続を並列動作させることで、２組の直列接続はあたかも一つの直列接続のように動作する。

先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は、昇圧動作と降圧動作の双方を行うことができる。電圧コンバータ回路１２の昇圧動作とは、バッテリ８１の電圧を昇圧してインバータ回路１３ａ、１３ｂへ供給する動作である。電圧コンバータ回路１２の降圧動作とは、インバータ回路１３ａ、１３ｂから入力される直流電力（モータ８３ａ又は８３ｂが発生する回生電力）を降圧する動作である。なお、降圧された回生電力はバッテリ８１の充電に使われる。下アームトランジスタ７ａ、７ｂが昇圧動作に関与し、上アームトランジスタ６ａ、６ｂが降圧動作に関与する。

図１において、符号８ａが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール８ａに対応する。符号８ｂが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール８ｂに対応する。半導体モジュールは、２個のトランジスタの直列接続と、各トランジスタに逆並列に接続されているダイオードを収容したデバイスである。半導体モジュール８ａは、２個のトランジスタ６ａ、７ａの直列接続と、各トランジスタに逆並列に接続されたダイオードを収容している。半導体モジュール８ｂは、２個のトランジスタ６ｂ、７ｂの直列接続と、各トランジスタに逆並列に接続されたダイオードを収容している。半導体モジュールについては後述する。

インバータ回路１３ａ、１３ｂについて概説する。なお、図１では、インバータ回路１３ａ、１３ｂの具体的な回路構成の図示は省略しており、半導体モジュール８ｃ−８ｈ（後述）を破線矩形で模式的に表すだけにとどめている。半導体モジュール８ｃ−８ｈの夫々は、半導体モジュール８ａ、８ｂと同じく、２個のトランジスタの直列接続と、各トランジスタに逆並列に接続されたダイオードを収容している。

インバータ回路１３ａは、２個のトランジスタの直列接続を３組備えている。各トランジスタにはダイオードが逆並列に接続されている。半導体モジュール８ｃ、８ｄ、８ｅが３組の直列接続に対応する。３個の半導体モジュール８ｃ−８ｅは並列に接続されている。３個の半導体モジュール８ｃ−８ｅの高電位側と低電位側は、夫々、電圧コンバータ回路１２の出力正極端１５ａと出力負極端１５ｂに接続されている。夫々の半導体モジュールの中点端子から交流が出力される。

インバータ回路１３ｂはインバータ回路１３ａと同じ構成を備えている。即ちインバータ回路１３ｂは、３個の半導体モジュール８ｆ、８ｇ、８ｈを備えており、夫々の中点端子から交流が出力される。インバータ回路１３ａの交流出力はモータ８３ａに供給され、インバータ回路１３ｂの交流出力はモータ８３ｂに供給される。

出力正極端１５ａと出力負極端１５ｂの間には、平滑コンデンサ５が接続されている。平滑コンデンサ５は、全ての半導体モジュール８ａ−８ｈと並列に接続されている。即ち、平滑コンデンサ５は、全ての直列接続と並列に接続されている。別言すれば、電力変換装置２が備える８個の半導体モジュール８ａ−８ｈは、それらの高電位側が互いに接続されるとともに平滑コンデンサ５の一方の電極と接続され、低電位側も互いに接続されるとともに平滑コンデンサ５の他方の電極に接続される。平滑コンデンサ５は、電圧コンバータ回路１２からインバータ回路１３ａ、１３ｂに供給される電流を平滑化するために備えられている。

電圧コンバータ回路１２の説明を補足する。先に述べたように、上アームトランジスタ６ａ、６ｂは同じタイミングでオンとオフが切り換えられる。すなわち、２個の上アームトランジスタ６ａ、６ｂのゲートには同じタイミングのパルス信号（ＰＷＭ信号）が加えられる。このとき、ゲートエミッタ間の電圧が、２つの上アームトランジスタ６ａ、６ｂの間で異なるとゲート発振と呼ばれる現象が生じる。先に述べたように、図１の破線８ａ、８ｂは半導体モジュールを表す。そして、半導体モジュール内の電流経路は極めて短くインダクタンスが小さい。一方、半導体モジュールとコンデンサの間はバスバと呼ばれる細長金属板で接続される。バスバのインダクタンスは、半導体モジュール内の電流経路のインダクタンスと比較すると大きい。２組の直列接続とコンデンサが並列に接続された回路では、コンデンサと夫々の直列接続との間のインダクタンスに差があるとゲート発振が生じ易くなる。例えば、コンデンサと導通している一つのバスバから２本の枝が延びており、一方の枝が一方の直列接続と接続され、他方の枝が他方の直列接続と接続される態様では、コンデンサと夫々の直列接続との間のインダクタンスに差が生じる場合がある。バスバの枝が異なると、枝の長さの僅かな相違や、枝の位置における環境の相違に応じてから枝のインダクタンスが相違することがあるからである。すなわち、図１において、トランジスタ６ａ、７ａの直列接続の高電位側Ｐａと、トランジスタ６ｂ、７ｂの直列接続の高電位側Ｐｂの間（図中のＤ１が示す区間）のインダクタンスにより、ゲート発振が起こる可能性がある。同様に、トランジスタ６ａ、７ａの直列接続の低電位側Ｎａと、トランジスタ６ｂ、７ｂの直列接続の低電位側Ｎｂの間（図中のＤ２が示す区間）のインダクタンスにより、ゲート発振が起こる可能性がある。実施例の電力変換装置２は、ＰａとＰｂの間のインダクタンス、及び、ＮａとＮｂの間のインダクタンスが小さくなるようにハードウエアを工夫している。

まず、半導体モジュールの構造を説明する。先に述べたように、電力変換装置２は、８個の半導体モジュール８ａ−８ｈを備える。インバータ回路１３ａ、１３ｂに用いられる半導体モジュール８ｃ−８ｈは同じ構造を有している。電圧コンバータ回路１２に用いられる半導体モジュール８ａ、８ｂは、パワー端子の構造を除いて、半導体モジュール８ｃ−８ｈと同じ構造を有している。

インバータ回路１３ａ、１３ｂに用いられる半導体モジュール８ｃ−８ｈを代表して半導体モジュール８ｃを説明する。図２に、半導体モジュール８ｃの斜視図を示す。なお、説明の都合上、図中の座標系のＺ軸の正方向を「上」と称し、負方向を「下」と称する。「上」、「下」の定義は、以降の図でも同様とする。

半導体モジュール８ｃは、その本体９の内部に、２個のトランジスタと、２個のダイオードを収容している。本体９は樹脂で作られており、より正確には、本体９は、２個のトランジスタと、２個のダイオードを封止している。本体９の内部で２個のトランジスタは直列に接続されており、各トランジスタにダイオードが逆並列に接続されている。２個のトランジスタと２個のダイオードが、図１における破線８ｃで囲まれた範囲の回路に相当する。

本体９の上面９ａに３個のパワー端子（正極端子２１ｃ、負極端子２２ｃ、中点端子２３ｃ）が延びている。正極端子２１ｃは、本体９の内部のトランジスタの直列接続の高電位側と導通しており、負極端子２２ｃは、直列接続の低電位側と導通している。中点端子２３ｃは、直列接続の中点と導通している。即ち、正極端子２１ｃ、負極端子２２ｃ、中点端子２３ｃは、それぞれ、本体９の内部の直列接続の高電位側端子、低電位側端子、中点端子に相当する。本体９の下面９ｂからは、制御端子２９が延びている。制御端子２９は、各トランジスタのゲート電極に導通しているピン、チップ内の温度センサと導通しているピン、トランジスタ内を流れる電流を計測するためのセンスエミッタと導通しているピンなどを含む。半導体モジュール８ｃは扁平であり、その幅広面９ｃに放熱板２４が露出している。幅広面９ｃの反対側にも放熱板が露出している。半導体モジュール８ｄ−８ｈは、半導体モジュール８ｃと同じ構造を有しているので説明は省略する。

図３に電圧コンバータ回路１２に用いられる半導体モジュール８ａ、８ｂの斜視図を示す。図４に、互いの端子同士を接続した半導体モジュール８ａ、８ｂを示す。半導体モジュール８ａは、図１のトランジスタ６ａ、７ａと、各トランジスタに逆並列に接続されているダイオードを収容している。トランジスタ６ａ、７ａは本体９の内部で直列に接続されている。トランジスタ６ａ、７ａの直列接続の高電位側は正極端子２１ａと導通しており、低電位側は負極端子２２ａと導通しており、直列接続の中点は中点端子２３ａと導通している。半導体モジュール８ｂは、図１のトランジスタ６ｂ、７ｂと、各トランジスタに逆並列に接続されているダイオードを収容している。トランジスタ６ｂ、７ｂは本体９の内部で直列に接続されている。トランジスタ６ｂ、７ｂの直列接続の高電位側は正極端子２１ｂと導通しており、低電位側は負極端子２２ｂと導通しており、直列接続の中点は中点端子２３ｂと導通している。

半導体モジュール８ａ、８ｂは、正極端子２１ａ、２１ｂ、負極端子２２ａ、２２ｂの形状が半導体モジュール８ｃと異なる。図３、図４において、正極端子２１ａ、２１ｂ、負極端子２２ａ、２２ｂ以外の部位については説明を省略する。

後述するように、半導体モジュール８ａ−８ｈは、複数の冷却器と積層される。複数の半導体モジュール８ａ−８ｈと複数の冷却器は、それぞれの幅広面９ｃが冷却器と接するように、一つずつ交互に積層される。図４は冷却器と積層されたときの半導体モジュール８ａ、８ｂの位置関係を示している。ただし、図４では冷却器は図示していない。図４には、正極バスバ３２、負極バスバ３３一部も描かれている。正極バスバ３２は、複数の半導体モジュール８ａ−８ｈの正極端子と平滑コンデンサ５の一方の電極を接続するバスバである。負極バスバ３３は、複数の半導体モジュール８ａ−８ｈの負極端子と平滑コンデンサ５の他方の電極を接続するバスバである。正極バスバ３２、負極バスバ３３については後述する。

図５は、図中の座標系のＸＺ平面と平行であって正極端子２１ａ、２１ｂを通る平面で半導体モジュール８ａ、８ｂをカットした断面図である。２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの正極端子２１ａ、２１ｂは、互いに近づくように湾曲しており、２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の本体９から等距離の位置で接合している。図５の破線ＣＬが、２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の本体９から等距離の線を示している。半導体モジュール８ａの本体９から破線ＣＬまでの距離Ｗａと、半導体モジュール８ｂの本体９から破線ＣＬまでの距離Ｗｂは等しい。また、正極バスバ３２が、正極端子２１ａ、２１ｂ同士の接合箇所に接続している。正極端子２１ａ、２１ｂと正極バスバ３２は、溶接により接合している。正極端子２１ａは、半導体モジュール８ａの本体９の内部で上アームトランジスタに相当するトランジスタチップ１９ａのコレクタ電極に接続している。正極端子２１ｂは、半導体モジュール８ｂの本体９の内部で上アームトランジスタに相当するトランジスタチップ１９ｂのコレクタ電極に接続している。トランジスタチップ１９ａは図１のトランジスタ６ａに対応し、トランジスタチップ１９ｂは図１のトランジスタ６ｂに対応する。

負極端子２２ａ、２２ｂと負極バスバ３３の関係は、正極端子２１ａ、２１ｂと正極バスバ３２との関係と同じである。即ち、２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の負極端子２２ａ、２２ｂは、互いに近づくように湾曲しているとともに、２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の本体９から等距離の位置で接合している。そして、負極バスバ３３は、負極端子２２ａ、２２ｂ同士の接合箇所に接続している。負極端子２２ａ、２２ｂと負極バスバ３３は溶接により接合している。負極端子２２ａは、半導体モジュール８ａの本体９の内部で下アームトランジスタ（図１のトランジスタ７ａ）に相当するトランジスタチップのエミッタ電極に接続している。負極端子２２ｂは、半導体モジュール８ｂの本体９の内部で下アームトランジスタ（図１のトランジスタ７ｂ）に相当するトランジスタチップのエミッタ電極に接続している。なお、上アームトランジスタに相当するトランジスタチップのコレクタ電極は、２個のトランジスタチップの直列接続の高電位側に相当する。下アームトランジスタに相当するトランジスタチップのエミッタ電極は、直列接続の低電位側に相当する。上アームトランジスタに相当するトランジスタチップのエミッタ電極と下アームトランジスタに相当するトランジスタチップのコレクタ電極は接続しており、その接続点が直列接続の中点に相当する。

図５に示されているように、正極バスバ３２から夫々の半導体モジュール８ａ、８ｂの中のトランジスタチップ１９ａ、１９ｂまでの導電距離（電流経路の長さ）は等しくなる。同様に、負極バスバ３３から夫々の半導体モジュール８ａ、８ｂの中のトランジスタチップまでの導電距離も等しくなる。後述するように、正極バスバ３２は平滑コンデンサ５に相当するコンデンサ素子（後述するコンデンサ素子１０５ａ）の一方の電極に接続しており、負極バスバ３３はコンデンサ素子１０５ａの他方の電極に接続している。平滑コンデンサから２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の直列接続までの導電距離が等しくなる。それゆえ、平滑コンデンサから２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の直列接続までの電流経路におけるインダクタンスはほぼ等しくなる。即ち、図１における区間Ｄ１、Ｄ２のインダクタンスがほぼゼロとなる。

図６と図７を参照して、電力変換装置２のケース内の部品レイアウトと接続関係を説明する、図６は、電圧変換装置のケース内の平面図である（カバーを外した状態）。図７は、図６のVII−VII線に沿った断面図である。ケース９０の中には、フィルタコンデンサユニット１０３、リアクトルユニット１０４、積層ユニット３０、平滑コンデンサユニット１０５、回路基板５０などが収容されている。図６では回路基板の図示は省略している。

フィルタコンデンサユニット１０３の中に、図１で示したフィルタコンデンサ３に相当するコンデンサ素子が収容されている。リアクトルユニット１０４の中に、図１で示したリアクトル４に相当するリアクトル素子が収容されている。平滑コンデンサユニット１０５の中に、図１で説明した平滑コンデンサ５に相当するコンデンサ素子１０５ａ（図７参照）が収容されている。フィルタコンデンサ３、平滑コンデンサ５、リアクトル４には大電流が流れるため、それらに対応するハードウエアは体格が大きい。

平滑コンデンサユニット１０５に隣接して積層ユニット３０が配置されている。積層ユニット３０は、複数の冷却器３１と複数の半導体モジュール８ａ−８ｈが積層されたユニットである。図６では右端の冷却器だけに符号３１を付しており、残りの冷却器の符号は省略している。また、図６では、左側の半導体モジュール８ａ、８ｂと、右端の半導体モジュール８ｈにのみ、正極端子、負極端子、中点端子を示す符号２１ａ（２１ｂ、２１ｈ）、２２ａ（２２ｂ、２２ｈ）、２３ａ（２３ｂ、２３ｈ）を付しており、他の半導体モジュールにはそれらの符号を省略した。なお、正極端子、負極端子、中点端子を示す符号の英字には、その端子を有する半導体モジュールの符号の英字を対応させている。

積層ユニット３０では、複数の冷却器３１が平行に配置されており、隣り合う冷却器３１の間に半導体モジュール８ａ−８ｈの夫々が挟まれている。半導体モジュール８ａ−８ｈの構造は先に説明した通りであり、その本体には２個のトランジスタの直列接続が収容されている。

積層ユニット３０は、ケース９０に設けられた支持壁８９と、２本の支持柱８７の間に挿入されている。図示を省略しているが、支持柱８７と積層ユニット３０の間には板バネが挿入されており、その板バネにより、積層ユニット３０は半導体モジュールと冷却器の積層方向に加圧されつつ、ケース９０に支持されている。積層方向の加圧によって半導体モジュール８ａ−８ｈの夫々と冷却器３１の密着性が高まり、冷却性能が向上する。また、積層ユニット３０の一端には冷媒供給管９１と冷媒排出管９２が接続されており、それらの管はケース９０を貫通している。冷媒供給管９１から供給された冷媒は全ての冷却器３１に分配される。冷媒は各冷却器３１の内部を通過する間に隣接する半導体モジュール８ａ−８ｈから熱を吸収する。冷却器３１を通過した冷媒は、冷媒排出管９２を通じて電力変換装置２の外へと排出される。半導体モジュール８ａ−８ｈは平板型（カード型）であり、それぞれの幅広面９ｃ（図２、図３参照）が冷却器３１に接している。先に示したように、半導体モジュール８ａ−８ｈの幅広面９ｃには、放熱板２４が露出しており、その放熱板２４が冷却器３１に接する。また、積層方向の加圧により、放熱板２４と冷却器３１が密着する。これらの構造的特徴により、半導体モジュール８ａ−８ｈが効率よく冷却される。

図１の回路図を参照して説明したように、全ての半導体モジュール８ａ−８ｈの高電位側（正極端子２１ａ−２１ｈ）が互いに接続される。同様に、全ての半導体モジュール８ａ−８ｈの低電位側（負極端子２２ａ−２２ｈ）が互いに接続される。そして、半導体モジュール８ａ−８ｈの高電位側（正極端子２１ａ−２１ｈ）と低電位側（負極端子２２ａ−２２ｈ）の間に平滑コンデンサ５（平滑コンデンサユニット１０５）が並列に接続される。図６、図７に示されているように、全ての半導体モジュール８ａ−８ｈの正極端子２１ａ−２１ｈは、正極バスバ３２によって相互に接続されるとともに、平滑コンデンサユニット１０５の一方の電極に接続される。全ての半導体モジュール８ａ−８ｈの負極端子２２ａ−２２ｈは負極バスバ３３によって相互に接続されるとともに、平滑コンデンサユニット１０５の他方の電極に接続される。図２−図５を参照して説明したように、半導体モジュール８ａ、８ｂの正極端子２１ａ、２１ｂは、他の半導体モジュール８ｃ−８ｈの正極端子２１ｃ―２１ｈと形状が異なっている。同様に、半導体モジュール８ａ、８ｂの負極端子２２ａ、２２ｂは、他の半導体モジュール８ｃ−８ｈの負極端子２２ｃ―２２ｈと形状が異なっている。

半導体モジュール８ｃ−８ｈはインバータ回路に用いられ、それらの中点端子２３ｃ−２３ｈから交流が出力される。半導体モジュール８ｃ−８ｈの中点端子２３ｃ−２３ｈは、別のバスバを介して電力変換装置２の出力端子９３に接続される。

前述したように、半導体モジュール８ａ、８ｂは並列に接続され、電圧コンバータ回路で用いられる。半導体モジュール８ａ、８ｂの正極端子２１ａ、２１ｂは正極バスバ３２によって平滑コンデンサユニット１０５に接続され、負極端子２２ａ、２２ｂはバスバ４２によって平滑コンデンサユニットと１０５に接続されている。図７に示されているように、コンデンサ素子１０５ａの上面に一方の電極が位置しており、正極バスバ３２は、平滑コンデンサユニット１０５の内部でその電極に接続している。また、コンデンサ素子１０５ａの下面に他方の電極が位置しており、負極バスバ３３は、平滑コンデンサユニット１０５の内部でその電極に接続している。

半導体モジュール８ａ、８ｂの中点端子２３ａ、２３ｂは、バスバ３４によってリアクトルユニット１０４の一方の端子に接続される。こうして、半導体モジュール８ａ、８ｂの正極端子２１ａ、２１ｂ同士、負極端子２２ａ、２２ｂ同士、中点端子２３ａ、２３ｂ同士が接続される。リアクトルユニット１０４の他方の端子は、電力変換装置２の入力端子９４の正極に接続される。入力端子９４の正極（バスバ３５）と負極の間にフィルタコンデンサユニット１０３が接続される。なお、図６では、一部のバスバ（例えばフィルタコンデンサユニット１０３と平滑コンデンサユニット１０５を接続するバスバ）は図示を省略している。

図７に示されているように、回路基板５０は、半導体モジュール８ａの下面９ｂに対向するように、積層ユニット３０に隣接して配置されている。回路基板５０には、半導体モジュール８ａの制御端子２９が接続されている。なお、全ての半導体モジュール８ａ−８ｈの制御端子２９が回路基板５０に接続されている。回路基板５０には、半導体モジュール８ａ−８ｈのそれぞれに収容されているトランジスタ（トランジスタチップ）を駆動する駆動回路が実装されている。なお、先に述べたように、半導体モジュール８ａ、８ｂの上アームに相当するトランジスタは同じタイミングでオンとオフが切り換えられる。同様に、半導体モジュール８ａ、８ｂの下アームに相当するトランジスタは、同じタイミングでオンとオフが切り換えられる。従って回路基板５０には、半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の上アームトランジスタに同じ駆動信号を供給する駆動回路、及び、夫々の下アームトランジスタに同じ駆動信号を供給する駆動回路が実装されている。

本実施例の電力変換装置２の特徴をまとめると以下の通りである。電力変換装置２では、２個のトランジスタ６ａ、７ａ（６ｂ、７ｂ）の直列接続を収容した２個の半導体モジュール８ａ、８ｂが並列に動作する。夫々の半導体モジュールの本体９から、直列接続の高電位側端子（正極端子２１ａ、２１ｂ）と低電位側端子（負極端子２２ａ、２２ｂ）が延びている。２個の半導体モジュールは並んで配置されている。２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の正極端子２１ａ、２１ｂは、互いに近づくように湾曲しているとともに、２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の本体９から等距離の位置で接合している。コンデンサの一方の電極に接続している正極バスバ３２が、正極端子２１ａ、２１ｂの接合箇所に接続している。２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の負極端子２２ａ、２２ｂは、互いに近づくように湾曲しているとともに、２個の半導体モジュール８ａ、８ｂの夫々の本体９から等距離の位置で接合している。コンデンサの他方の電極に接続している負極バスバ３３が、負極端子２２ａ、２２ｂの接合箇所に接続している。上記の特徴により、コンデンサからそれぞれの半導体モジュール内の直列接続までの間の電流経路の距離がほぼ同じ長さとなり、コンデンサとそれぞれの直列接続の間のインダクタンスに差がなくなる。なお、回路基板５０には、電圧コンバータ回路１２に用いられる一方の半導体モジュール８ａのトランジスタと他方の半導体モジュール８ｂのトランジスタに同一の駆動信号を供給する制御回路が実装されており、その回路基板５０により、２個の半導体モジュール８ａ、８ｂのトランジスタは並列に動作する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のトランジスタ６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂが請求項の「スイッチング素子」の一例に相当する。実施例の正極端子２１ａ、２１ｂが請求項の「高電位側端子」の一例に相当し、負極端子２２ａ、２２ｂが請求項の「低電位側端子」の一例に相当する。

実施例では、電圧コンバータにおいて２組の直列接続（２個の半導体モジュール８ａ、８ｂ）を並列動作させる。本明細書が開示する技術は、インバータ回路の一つの交流出力用の直列接続を２個の半導体モジュールの並列接続で実現した電力変換装置に適用することもできる。その場合、インバータ回路にて並列動作させる２個の半導体モジュールを、実施例の半導体モジュール８ａ、８ｂのように構成すればよい。

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
３：フィルタコンデンサ
４：リアクトル
５：平滑コンデンサ
６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ：トランジスタ
８ａ−８ｈ：半導体モジュール
９：本体
１２：電圧コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
１９ａ、１９ｂ：トランジスタチップ
２１ａ−２１ｈ：正極端子
２２ａ−２２ｈ：負極端子
２３ａ−２３ｈ：中点端子
２９：制御端子
３０：積層ユニット
３１：冷却器
３２：正極バスバ
３３：負極バスバ
３４、３５、４２：バスバ
５０：回路基板
１００：電気自動車
１０３：フィルタコンデンサユニット
１０４：リアクトルユニット
１０５：平滑コンデンサユニット
１０５ａ：コンデンサ素子

Claims (1)

1. ２個のスイッチング素子の直列接続を本体に収容しており、前記直列接続の高電位側端子と低電位側端子と中点端子が前記本体から延びている２個の半導体モジュールと、
   コンデンサと、
   前記コンデンサの一方の電極と２個の前記半導体モジュールの高電位側端子を接続する正極バスバと、
   前記コンデンサの他方の電極と２個の前記半導体モジュールの低電位側端子を接続する負極バスバと、
   を備えており、
   ２個の前記半導体モジュールは並んで配置されており、
   ２個の前記半導体モジュールの夫々の前記高電位側端子は、互いに近づくように湾曲しているとともに、２個の前記半導体モジュールの夫々の前記本体から等距離の位置で接合しており、
   ２個の前記半導体モジュールの夫々の前記低電位側端子は、互いに近づくように湾曲しているとともに、２個の前記半導体モジュールの夫々の前記本体から等距離の位置で接合しており、
   前記正極バスバは、前記高電位側端子同士の接合箇所に接続しており、
   前記負極バスバは、前記低電位側端子同士の接合箇所に接続している、
   電力変換装置。

Images