JP2019037049A5

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Publication number: JP2019037049A5
Application number: JP2017156257A
Authority: JP
Filing date: 2017-08-11
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2037-08-11

Description

本発明の一態様は、スイッチング素子（２０）を内蔵した半導体モジュール（２）と、該半導体モジュールを冷却する冷却管（１１）とを積層した積層体（１０）と、
上記半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化するコンデンサ（３）と、
上記スイッチング素子を流れる電流を測定する電流センサ（４）とを備え、
上記半導体モジュールには、上アーム側に配される上アーム半導体モジュール（２_U）と、下アーム側に配される下アーム半導体モジュール（２_L）とがあり、上記上アーム半導体モジュールと上記下アーム半導体モジュールとを、上記積層体の積層方向（Ｘ）に交互に積層してあり、
個々の上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子を内蔵した本体部（２１）と、該本体部から突出した複数のパワー端子（２２）とを有し、
該パワー端子の突出方向（Ｚ）と上記積層方向との双方に直交する直交方向（Ｙ）における、上記積層体の一方側に上記コンデンサを配置し、他方側に上記電流センサを配置してあり、
個々の上記半導体モジュールは、上記パワー端子として、上記スイッチング素子のコレクタ電極に接続した２本のコレクタ端子（２２ _C ）と、上記スイッチング素子のエミッタ電極に接続した１本のエミッタ端子（２２ _E ）とを有し、上記直交方向において、上記２本のコレクタ端子の間に上記エミッタ端子が配されている、電力変換装置（１）にある。

参考形態１における、電力変換装置の断面図。図１から正極バスバーを取り除いた図。図２から負極バスバーを取り除いた図。図１のIV-IV断面図。参考形態１における、電力変換装置の回路図。参考形態１における、半導体モジュールの平面図。図６のVII-VII断面図。参考形態１における、半導体モジュールの回路図。参考形態１における、スイッチング素子と還流ダイオードを別にした半導体モジュールの平面図。参考形態２における、電力変換装置の回路図。参考形態２における、半導体モジュールの平面図。参考形態２における、スイッチング素子と還流ダイオードを別にした半導体モジュールの平面図。実施形態１における、電力変換装置の断面図。図１３の要部拡大図。実施形態１における、半導体モジュールの平面図。実施形態１における、コレクタ端子とコレクタ側放熱板の平面図。実施形態１における、エミッタ端子とエミッタ側放熱板の平面図。実施形態１における、半導体モジュールの回路図。実施形態１における、電力変換装置の回路図。参考形態３における、電力変換装置の要部拡大断面図。参考形態３における、半導体モジュールの平面図。参考形態３における、半導体モジュールの回路図。参考形態４における、電力変換装置の回路図。比較形態１における、電力変換装置の断面図。比較形態２における、電力変換装置の一部の回路図。

（参考形態１）
上記電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。図１、図４に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、積層体１０と、コンデンサ３と、電流センサ４とを備える。積層体１０は、半導体モジュールと冷却管１１とを積層してなる。図５〜図７に示すごとく、半導体モジュール２は、スイッチング素子２０を内蔵している。

すなわち、図２５に示すごとく、従来のように、上アームスイッチング素子２０_Uと下アームスイッチング素子２０_Lとを同一の半導体モジュール２に内蔵させた場合、これら２個のスイッチング素子２０_U，２０_Lに対して、交流端子２２_Aが１本しか形成されなくなる。そのため、上アームスイッチング素子２０_Uをオンした場合も、下アームスイッチング素子２０_Lをオンした場合も、電流が常に１本の交流端子２２_Aに流れてしまい、この交流端子２２_Aが発熱して、電流センサ４等の温度が上昇しやすくなる。
これに対して、図５に示すごとく、本形態のように、上アームスイッチング素子２０_Uと下アームスイッチング素子２０_Lとを別々の半導体モジュール２に設ければ、上アームスイッチング素子２０_U用の交流端子２２_AUと、下アームスイッチング素子２０_L用の交流端子２２_ALとを、別々にすることができる。そのため、上アームスイッチング素子２０_Uをオンしたときには、上アーム側の交流端子２２_AUのみ電流が流れ、下アームスイッチング素子２０_Lをオンしたときには、下アーム側の交流端子２２_ALのみ電流が流れる。したがって、個々の交流端子２２_AU，２２_ALから発生する抵抗熱を低減でき、この熱が電流センサ４等に伝わって温度が上昇することを抑制できる。

以下の形態においては、図面に用いた符号のうち、参考形態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、参考形態１と同様の構成要素等を表す。

（参考形態２）
本形態は、半導体モジュール２の構成を変更した例である。図１０、図１１に示すごとく、本形態では、１個の半導体モジュール２に１個のスイッチング素子２０のみ内蔵させている。個々のスイッチング素子２０には、還流ダイオード２３が逆並列接続している。これらスイッチング素子２０と還流ダイオード２３とは、同一の半導体チップ２４に形成されている。

半導体モジュール２には、上アーム半導体モジュール２_Uと下アーム半導体モジュール２_Lとがある。本形態では、参考形態１と同様に、上アーム半導体モジュール２_Uと下アーム半導体モジュール２_Lとを、交互に積層してある（図１参照）。また、Ｙ方向における、積層体１０の一方側にコンデンサ３を配置し、他方側に電流センサ４を配置してある。
その他、参考形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態１）
本形態は、半導体モジュール２の構成を変更した例である。図１３、図１４に示すごとく、本形態では、上アーム半導体モジュール２_Uと下アーム半導体モジュール２_Lとの２種類の半導体モジュール２のうち、一方の半導体モジュール２（本形態では上アーム半導体モジュール２_U）は、２本の直流端子２２（正極端子２２_P）と、一本の交流端子２２_Aとを備える。また、他方の半導体モジュール２（本形態では下アーム半導体モジュール２_L）は、２本の交流端子２２_Aと、一本の直流端子２２（２２_N）を備える。

図１５に示すごとく、本形態の半導体モジュール２は、互いに並列に接続された２個のスイッチング素子２０を内蔵している。半導体モジュール２の本体部２１から、２本のコレクタ端子２２_Cと、１本のエミッタ端子２２_Eが突出している。エミッタ端子２２_Eは、Ｙ方向において、２本のコレクタ端子２２_Cの間に位置している。図１５〜図１７に示すごとく、本形態の半導体モジュール２は、参考形態１と同様に、コレクタ側放熱板２２０_Cと、エミッタ側放熱板２２０_Eとを備える。コレクタ側放熱板２２０_Cから、２本のコレクタ端子２２_Cが突出している。また、エミッタ側放熱板２２０_Eから、１本のエミッタ端子２２_Eが突出している。

また、下アーム半導体モジュール２_Lに形成された２本の交流端子２２_Aのうち、電流センサ４に近い側の交流端子２２_AAから、交流バスバー６が、Ｙ方向における電流センサ４側に延出している。
このようにすると、交流バスバー６のうち交流端子２２_Aと電流センサ４とを繋ぐ部分６９のＹ方向長さを短くすることができる。そのため、この部分６９から発生する熱を低減でき、電流センサ４の温度上昇をより抑制できる。
その他、参考形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（参考形態３）
本形態は、半導体モジュール２の構成を変更した例である。図２１に示すごとく、本形態の半導体モジュール２は、２本のエミッタ端子２２_Eと、１本のコレクタ端子２２_Cとを備える。コレクタ端子２２_Cは、２本のエミッタ端子２２_Eの間に配されている。

また、図２０に示すごとく、上アーム半導体モジュール２_Uの２本の交流端子２２_Aは、交流バスバー６によって連結されている。２本の交流端子２２_Aのうち、電流センサ４に近い側の交流端子２２_AAから、交流バスバー６が、Ｙ方向における電流センサ４側に延出している。
このようにすると、交流バスバー６のうち交流端子２２_Aと電流センサ４を繋ぐ部分６９の、Ｙ方向長さを短くすることができる。そのため、この部分６９から発生する熱を低減でき、電流センサ４の温度上昇をより抑制できる。
その他、参考形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（参考形態４）
本形態は、電力変換装置１の回路構成を変更した例である。図２３に示すごとく、本形態では、上アーム半導体モジュール２_Uと、下アーム半導体モジュール２_Lと、コンデンサ３３と、リアクトル８２とを用いて、昇圧回路１０１を構成してある。この昇圧回路１０１を用いて、直流電源８の電圧を昇圧し、この昇圧後の直流電力を出力端子８３，８４から出力するよう構成してある。
その他、参考形態１と同様の構成および作用効果を備える。

Claims

スイッチング素子（２０）を内蔵した半導体モジュール（２）と、該半導体モジュールを冷却する冷却管（１１）とを積層した積層体（１０）と、
上記半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化するコンデンサ（３）と、
上記スイッチング素子を流れる電流を測定する電流センサ（４）とを備え、
上記半導体モジュールには、上アーム側に配される上アーム半導体モジュール（２_U）と、下アーム側に配される下アーム半導体モジュール（２_L）とがあり、上記上アーム半導体モジュールと上記下アーム半導体モジュールとを、上記積層体の積層方向（Ｘ）に交互に積層してあり、
個々の上記半導体モジュールは、上記スイッチング素子を内蔵した本体部（２１）と、該本体部から突出した複数のパワー端子（２２）とを有し、
該パワー端子の突出方向（Ｚ）と上記積層方向との双方に直交する直交方向（Ｙ）における、上記積層体の一方側に上記コンデンサを配置し、他方側に上記電流センサを配置してあり、
個々の上記半導体モジュールは、上記パワー端子として、上記スイッチング素子のコレクタ電極に接続した２本のコレクタ端子（２２ _C ）と、上記スイッチング素子のエミッタ電極に接続した１本のエミッタ端子（２２ _E ）とを有し、上記直交方向において、上記２本のコレクタ端子の間に上記エミッタ端子が配されている、電力変換装置（１）。
個々の上記半導体モジュールは、互いに並列に接続された複数個の上記スイッチング素子を内蔵している、請求項１に記載の電力変換装置。
上記パワー端子には、上記コンデンサに接続する直流端子と、交流端子とがあり、該交流端子から出力される電流を上記電流センサによって測定しており、上記上アーム半導体モジュールと上記下アーム半導体モジュールとの２種類の上記半導体モジュールのうち、第１の半導体モジュールは、上記直流端子を複数本有し、第２の半導体モジュールは上記交流端子を複数本有し、上記第１の半導体モジュールに含まれる複数の上記直流端子を直流バスバー（５）によって連結してあり、上記複数の直流端子のうち上記コンデンサに近い側の上記直流端子から、上記直流バスバーが、上記直交方向における上記コンデンサ側に延出し、上記第２の半導体モジュールに含まれる複数の上記交流端子を交流バスバー（６）によって連結してあり、上記複数の交流端子のうち上記電流センサに近い側の上記交流端子から、上記交流バスバーが、上記直交方向における上記電流センサ側に延出している、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
上記スイッチング素子には還流ダイオード（２３）が逆並列接続しており、上記スイッチング素子と上記還流ダイオードとを同一の半導体チップ（２４）に形成してある、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。