JP2018046191A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書は、電力変換用の半導体素子を収容した複数の半導体モジュールと、内部に冷媒の流路が形成されており、半導体モジュールと交互に積層されている複数の冷却器を備えた電力変換装置を開示する。 The present specification relates to a power conversion system including a plurality of semiconductor modules containing semiconductor elements for power conversion, and a plurality of coolers in which refrigerant flow paths are formed and stacked alternately with the semiconductor modules. An apparatus is disclosed.
上記した半導体モジュールと冷却器を備えた電力変換装置が例えば特許文献1−3に開示されている。いずれの文献の電力変換装置も、電気自動車においてバッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換する。電気自動車の電力変換装置は大電力を扱うため、半導体モジュールの発熱量が大きく、夫々の半導体モジュールを両面から冷却することできる上記の電力変換装置は、冷却能力に優れている。 For example, Patent Literatures 1-3 disclose a power conversion device including the semiconductor module and the cooler described above. Any of the power conversion devices of any document converts the electric power of the battery into the driving electric power of the traveling motor in the electric vehicle. Since the power conversion device of an electric vehicle handles a large amount of power, the semiconductor module generates a large amount of heat, and the above power conversion device capable of cooling each semiconductor module from both sides has excellent cooling capacity.
特許文献2の電力変換装置は、急加速時や急発進時など、特定の半導体モジュールの一時的な発熱量の増大に対処すべく、複数の半導体モジュールと複数の冷却器の積層体の一部に、蓄熱体(ヒートマス)を挟んでいる。特許文献3の電力変換装置は、複数の半導体モジュールと複数の冷却器の積層体に蓄熱体を挟み込むとともに、その蓄熱体に別の発熱体を接触させ、半導体モジュールだけでなく、別の発熱体も冷却できるようになっている。なお、以下では、複数の半導体モジュールと複数の冷却器の積層体を積層ユニットと称する場合がある。
The power conversion device of
特許文献2の電力変換装置は、蓄熱体の近傍に位置する半導体モジュールは一時的に増大した熱量を蓄熱体に吸収させることができるが、蓄熱体から遠い半導体モジュールは蓄熱体を利用できない。熱量が一時的に増大する可能性のある半導体モジュールが積層ユニットの中に点在していると、夫々の半導体モジュールに対して蓄熱体を配置しなければならなくなり、積層ユニットの長さが増してしまう。蓄熱体を組み込む構造には改善の余地がある。
In the power conversion device of
本明細書が開示する電力変換装置は、電力変換用の半導体素子を収容した複数の半導体モジュールと、内部に冷媒の流路が形成されており半導体モジュールと交互に積層されている複数の冷却器と、蓄熱体を備えている。複数の半導体モジュールの夫々と蓄熱体が、伝熱部材で接続されている。即ち、本明細書が開示する電力変換装置は、一つの蓄熱体に複数の半導体モジュールを伝熱部材で接続する。そうすることで、複数の半導体モジュールが一つの蓄熱体を共通に利用することができる。積層ユニットのいくつもの蓄熱体を挟む必要がなくなり、積層ユニットの長さの増大を抑えることができる。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。 A power conversion device disclosed in the present specification includes a plurality of semiconductor modules that house semiconductor elements for power conversion, and a plurality of coolers in which coolant flow paths are formed and are stacked alternately with the semiconductor modules. And it has a heat storage. Each of the plurality of semiconductor modules and the heat storage body are connected by a heat transfer member. In other words, the power conversion device disclosed in this specification connects a plurality of semiconductor modules to one heat storage body by a heat transfer member. By doing so, a plurality of semiconductor modules can use one heat storage body in common. There is no need to sandwich a number of heat storage elements of the laminated unit, and an increase in the length of the laminated unit can be suppressed. Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be described in the following “DETAILED DESCRIPTION”.
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、電気自動車に搭載され、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。まず、電力変換装置2を含む電気自動車100の電気系統について説明する。図1は、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である。電力変換装置2は、バッテリ13の直流電力を昇圧した後に交流に変換し、走行用モータ15a、15bに供給する。電力変換装置2の直流端は、システムメインリレー14を介してバッテリ13に接続されており、交流端は、2個のモータ15a、15bに接続されている。
A
電気自動車100は、2個のモータ15a、15bの出力をギアボックス16で合成し、車軸17へ動力を伝達して走行する。電気自動車100は、車両の運動エネルギを使ってモータ15a、15bを車軸側から逆駆動し、発電することもできる。発電で得た電力でバッテリ13を充電する。車両の運動エネルギを利用して得た電力は回生電力と呼ばれることがある。
The
電力変換装置2は、バッテリ13の電圧を昇圧する電圧コンバータ12と、直流電力を交流電力に変換する2個のインバータ10a、10bを含む。電圧コンバータ12は、フィルタコンデンサ4、リアクトル5、2個のトランジスタ9a、9b、2個のダイオードを備えている。2個のトランジスタ9a、9bは、直列に接続されており、トランジスタ9a、9bの夫々に、ダイオードが逆並列に接続されている。トランジスタ9a、9bとダイオード、即ち、図1にて破線3aで囲まれている範囲が、後述する半導体モジュール3aに相当する。電圧コンバータ12は、バッテリ13の電圧を昇圧する機能のほか、インバータ10a、10bから送られてくる回生電力の電圧を降圧してバッテリ13へ供給する降圧機能も有しており、いわゆる、双方向DC−DCコンバータである。図1の電圧コンバータ12の回路構成はよく知られているので詳しい説明は省略する。
The
インバータ10aは、6個のトランジスタ9c−9hと、夫々のトランジスタに逆並列に接続されているダイオードを備えている。6個のトランジスタ9c−9hは、2個ずつ、直列に接続されている。トランジスタ9cと9d、9eと9f、9gと9hが、夫々直列に接続されている。3組の直列接続は、並列に接続されている。各直列接続の中点から交流が出力される。破線3b、3c、3dが、夫々、半導体モジュールに相当する。
The
インバータ10bは、インバータ10aと同じ構成を有している。即ち、インバータ10bも、3個の半導体モジュール3e、3f、3gを備えている。夫々の半導体モジュール3e−3gの中には、2個のトランジスタと2個のダイオードが含まれている。電圧コンバータ12とインバータ10a、10bの間に、平滑化コンデンサ6が並列に接続されている。トランジスタ9a−9h、及び、インバータ10bに内蔵されているトランジスタは、電力変換用のスイッチング素子に相当する。
The
7個の半導体モジュール3a−3gのトランジスタは、不図示のコントローラから駆動信号(PWM信号)を受けて作動する。以下、7個の半導体モジュール3a−3gのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール3と表記する。
The transistors of the seven
電力変換装置2のハードウエア構成を説明する。図2に、電力変換装置2の平面図を示す。なお、図2は、カバーを外し、筐体30の内部の部品レイアウトを示した平面図である。図3に電力変換装置2の正面図を示す。図3は、図2における右側の筐体壁をカットし、筐体30の内部の部品レイアウトを示した正面図である。
A hardware configuration of the
半導体モジュール3は、本体21の中に、2個のトランジスタと2個のダイオードを封止したパッケージである。本体21は、樹脂の射出成形で作られている。7個の半導体モジュール3は、8個の冷却器22とともに、積層ユニット20を構成する。図2では、積層ユニット20の両端の冷却器にのみ符号22を付し、他の冷却器には符号を省略した。積層ユニット20は、7個の半導体モジュール3(3a−3g)と8個の冷却器22を、一つずつ交互に積層した積層体である。冷却器22は、その内部に液体冷媒が通る流路が設けられている。一つの半導体モジュール3を挟んで隣接する一対の冷却器22は、2個の連結管23で接続されている。図2では、一つの連結管にのみ、符号23を付し、他の連結管には符号を省略した。連結管23により、全ての冷却器22が連通する。
The
図2において右端の冷却器22には、冷媒導入管34と冷媒排出管35が接続されている。隣接する一対の冷却器22を接続する2個の連結管23の一方は、積層方向(図中のX方向)からみて冷媒導入管34と重なるように位置しており、他方の連結管23は、冷媒排出管35と重なるように位置している。冷媒導入管34と冷媒排出管35は、筐体30に設けられた貫通孔30aを通り、一端が筐体30の外側に突き出ている。冷媒導入管34と冷媒排出管35には、不図示の冷媒循環装置が接続されている。冷媒導入管34を通じて供給される液体冷媒は、隣接する一対の冷却器22を連結する一方の連結管23を通じて全ての冷却器22に分配される。液体冷媒は、各冷却器22を通過する間に隣接する半導体モジュール3から熱を吸収し、他方の連結管23と冷媒排出管35を通じて電力変換装置2の外へ排出される(冷媒循環装置へと戻される)。液体冷媒は、例えば、LLC(Long Life Coolant)である。
In FIG. 2, a
各半導体モジュール3の上面から、3個のパワー端子25(正極端子25a、負極端子25b、中点端子25c)が延びている。各半導体モジュール3の下面から複数の制御端子27が延びている(図3参照)。各半導体モジュール3には、2個のトランジスタの直列接続が収容されており、正極端子25aは、半導体モジュール3の本体21の内部で、直列接続の高電位側に接続されている。負極端子25bは、本体21の内部で、直列接続の低電位側に接続されており、中点端子25cは、直列接続の中点に接続されている。各半導体モジュール3の正極端子25aと負極端子25bは、夫々、正極バスバ31、負極バスバ32を介して平滑化コンデンサ6と接続されている。図2では、各半導体モジュール3の中点端子25cの接続先は図示を省略した。図3では、中点端子25cに接続する出力バスバ39の一部のみを示してある。複数の半導体モジュール3a−3gの中点端子25cは、蓄熱体37を通過している。蓄熱体37については後述する。
Three power terminals 25 (a
制御端子27は、半導体モジュール3の内部の夫々のトランジスタのゲートにつながっているゲート端子、各トランジスタのセンスエミッタにつながっているセンスエミッタ端子、半導体モジュール3に内蔵されている温度センサにつながっているセンサ端子などである。制御端子は、積層ユニット20の下方に配置されている制御基板29に接続されている。制御基板29は、不図示の上位のコントローラからの指令を受け、各半導体モジュール3に収容されている各トランジスタへ駆動信号を供給する。
The
複数の半導体モジュール3と複数の冷却器22の積層ユニット20の積層方向の一端が筐体30に設けられた支持壁36に当接しており、他端は板バネ33を介して支持柱38に支持されている。板バネ33により、積層ユニット20は、その積層方向に荷重を受ける。積層方向の荷重により、冷却器22と半導体モジュール3が密着し、半導体モジュール3から冷却器22への熱伝達の効率が高められる。積層ユニット20の周囲に、フィルタコンデンサ4、リアクトル5、平滑化コンデンサ6が配置されている。それらと積層ユニット20との接続は、バスバ31、32を除いて図示を省略した。
One end of the stacking
蓄熱体37について説明する。図4は、積層ユニット20を、中点端子25cを横断するXZ平面でカットした断面図である。なお、図4では、積層ユニット20の途中のいくつかの冷却器22と半導体モジュール3c−3eは図示を省略した。まず、半導体モジュール3aの内部構造について説明する。半導体モジュール3aの内部では、2枚の放熱板41、44の間に、トランジスタチップ42とスペーサ43が挟まれている。2枚の放熱板41、44とスペーサ43は、電気と熱をよく伝達する銅で作られている。なお、冷却器22の内部には、フィン45が備えられている。フィン45は、冷却器22の両側板(半導体モジュールと接する側板)の内側に接している。
The
2枚の放熱板41、44とトランジスタチップ42とスペーサ43は、樹脂製の本体21に埋設されており、放熱板41、44の夫々の一方の幅広面が、本体21から露出している。図4では見えないが、本体21の紙面奥側に別のトランジスタチップが埋設されている。トランジスタチップ42と別のトランジスタが、図1のトランジスタ9a、9bに相当する。トランジスタチップ42は平板状であり、夫々の幅広面に、エミッタ電極とコレクタ電極が露出している。コレクタ電極が一方の放熱板41に接合されており、エミッタ電極がスペーサ43を介して他方の放熱板44に接合されている。放熱板41の一端に中点端子25cが接続している。すなわち、放熱板41は、トランジスタチップ42の熱を本体表面に移送するだけでなく、トランジスタチップ42のコレクタ電極を本体21の外部と導通するための導電経路の一部をなす。放熱板44は、図の紙面奥側で負極端子25bと接続されている。
The two
放熱板41には、図4の紙面奥側に位置する別のトランジスタチップのエミッタ電極も接続されている。従って、放熱板41は、2個のトランジスタチップを直列に接続する役割も担っている。半導体モジュール3の本体21の表面に露出している放熱板41、44は、それぞれ、冷却器22と接している。トランジスタチップ42、及び、本体21に封止されている別のトランジスタチップの熱は、放熱板41、44を介して冷却器22に吸収される。なお、冷却器22が導電性の物質で作られている場合には、放熱板41、44と冷却器22の間に絶縁板が挟まれる。他の半導体モジュール3b−3gも半導体モジュール3aと同じ内部構造を有している。
The
放熱板41を介してトランジスタチップ42と別のトランジスタチップと接続している中点端子25cに、蓄熱体37が接続している。全ての半導体モジュール3a−3gの中点端子25cが蓄熱体37と接続している。中点端子25cも、放熱板41と同じく、熱をよく通す銅で作られており、伝熱部材と表現してもよい部材である。従って別言すれば、複数の半導体モジュール3a−3gの夫々と蓄熱体37が伝熱部材(中点端子25cと放熱板41)で接続されていることになる。トランジスタチップ42と別のトランジスタチップが発生する熱量のうち、半導体モジュール3に隣接している冷却器22が吸収できない分は、伝熱部材(中点端子25cと放熱板41)を介して蓄熱体37が吸収する。
The
蓄熱体37は、例えば、ゼオライトやシリカ(酸化シリコン)などの物質や、銅などの金属で作られる。なお、銅などの導電性の金属を用いる場合には、中点端子25cと蓄熱体37の間に絶縁体が挟まれる。
The
蓄熱体37の利点を説明する。一つの蓄熱体37は、伝熱部材(中点端子25cと放熱板41)を介して複数の半導体モジュール3a−3gと熱的に接続されている。蓄熱体37は、半導体モジュール3a−3gのいずれかの発熱量が一時的に大きくなったとき、隣接する冷却器22で吸収しきれない熱量を一時的に受け入れる。蓄熱体37が受け入れた熱量は、半導体モジュール3a−3gの発熱量が下がり、冷却器22に吸熱余裕が生じたときに冷却器22で吸収される。
The advantage of the
また、図1に示すように、複数の半導体モジュール3a−3gは、電圧コンバータ12に用いられるもの(半導体モジュール3a)、モータ15a用のインバータ10aに用いられるもの(半導体モジュール3b−3d)、モータ15b用のインバータ10bに用いられるもの(半導体モジュール3e−3g)がある。半導体モジュール3a−3gは、異なる回路で用いられる半導体モジュールの集合であり、状況に応じて発熱の大きい半導体モジュールが異なる。発熱量の大きい半導体モジュールの熱量は、隣接する冷却器22のみならず、伝熱部材(中点端子25cと放熱板41)と蓄熱体37を介して、吸熱余裕のある別の冷却器22が吸収することができる。即ち、複数の半導体モジュール3a−3gと伝熱部材(中点端子25cと放熱板41)で接続されている蓄熱体37は、積層ユニット20で局所的に発生した熱量を均一化する方向に分散させる効果がある。
As shown in FIG. 1, the plurality of
上記したように、蓄熱体37は、積層ユニット20で発生する一時的に増大する熱量、あるいは、局所的に増大する熱量を受け入れる。そして、受け入れた熱量を、時間的に、あるいは、空間的に分散して冷却器22に移送する。それゆえ、複数の冷却器22は、全体で、積層ユニット20の時間的/空間的に平均的な発熱量を吸収できるだけの能力があればよい。冷却器22には、積層ユニット20の局所的あるいは、一時的な高発熱量を吸収する能力が不要となり、そのサイズを小型化することができる。
As described above, the
また、蓄熱体37は、積層ユニット20の中で冷却器22あるいは半導体モジュール3に挟まれているのではなく、積層ユニット20に隣り合うように配置される。従って、蓄熱体37は、積層ユニット20の長手方向の長さの増大を招かない、という利点がある。
Further, the
図5と図6を参照して、変形例の積層ユニット120を説明する。図5は、変形例の積層ユニット120を含む電力変換装置102の正面図(筐体30の一部の壁をカットした正面図)である。図6は、積層ユニット120の側面図である。積層ユニット120は、蓄熱体137を伴う。先の積層ユニット20では、蓄熱体37は、半導体モジュール3の本体21の内部でトランジスタチップ42に接している伝熱部材(中点端子25cと放熱板41)を介して半導体モジュール3(内部のトランジスタ)と熱的に接続されている。変形例の積層ユニット120は、隣接する半導体モジュール3と冷却器22の間に伝熱板136を挟み込み、その伝熱板136から枝部136aを延ばし、その枝部136aが蓄熱体137と接続している。別言すれば、変形例の積層ユニット120では、複数の半導体モジュール3の夫々に伝熱板136が接しており、その伝熱板136を介して複数の半導体モジュール3が一つの蓄熱体137と熱的に接続されている。この変形例では、伝熱板136の枝部136aの位置と形状を変えることで、蓄熱体137の配置に自由度を与えることができる。
With reference to FIG. 5 and FIG. 6, the
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の中点端子25cと放熱板41が、請求項の「伝熱部材」の一例に相当する。変形例の積層ユニット120における伝熱板136が、請求項の「伝熱部材」の別の例に相当する。
Points to be noted regarding the technology described in the embodiments will be described. The
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。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
2:電力変換装置
3、3a−3g:半導体モジュール
4:フィルタコンデンサ
5:リアクトル
6:平滑化コンデンサ
9a−9h:トランジスタ
10a、10b:インバータ
12:電圧コンバータ
13:バッテリ
14:システムメインリレー
15a、15b:走行用モータ
16:ギアボックス
17:車軸
20、120:積層ユニット
21:本体
22:冷却器
23:連結管
25a:正極端子
25b:負極端子
25c:中点端子
27:制御端子
29:制御基板
30:筐体
31:正極バスバ
32:負極バスバ
33:板バネ
34:冷媒導入管
35:冷媒排出管
36:支持壁
37、137:蓄熱体
39:出力バスバ
41、44:放熱板
42:トランジスタチップ
43:スペーサ
45:フィン
100:電気自動車
136:伝熱板
136a:枝部
2:
Claims (1)
内部に冷媒の流路が形成されており、前記半導体モジュールと交互に積層されている複数の冷却器と、
蓄熱体と、
を備えており、
前記複数の半導体モジュールの夫々と前記蓄熱体が伝熱部材で接続されている、電力変換装置。 A plurality of semiconductor modules containing semiconductor elements for power conversion;
A plurality of coolers in which a flow path of a refrigerant is formed and stacked alternately with the semiconductor module;
Thermal storage,
With
A power converter, wherein each of the plurality of semiconductor modules and the heat storage body are connected by a heat transfer member.
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