JP2020137159A

JP2020137159A - Power converter

Info

Publication number: JP2020137159A
Application number: JP2019023420A
Authority: JP
Inventors: 奈津樹野澤; Natsuki Nozawa; 泰輔藁科; Taisuke Warashina; 皓一古川; Koichi Furukawa; 大介賀来; Daisuke Kaku
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-02-13
Filing date: 2019-02-13
Publication date: 2020-08-31

Abstract

To improve cooling performance in a power converter in which a capacitor and a semiconductor module are sandwiched between coolers arranged side by side.SOLUTION: A power converter 2 disclosed in this description comprises a plurality of coolers 3, a plurality of semiconductor modules 8, and a plurality of capacitor elements 4. The plurality of coolers 3 are arranged side by side. At least one semiconductor module 8 and at least one capacitor element 4 are sandwiched between any pair of adjacent coolers 3. By mixing the semiconductor modules 8 and the capacitor elements 4 in respective spaces among the coolers, temperature is made uniform throughout the plurality of coolers 3, and cooling efficiency improves, compared to a conventional power converter.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換器に関する。特に、電力変換用のスイッチング素子を収容している複数の半導体モジュールと複数のコンデンサとそれらを冷却する複数の冷却器を備えている電力変換器に関する。 The techniques disclosed herein relate to power converters. In particular, the present invention relates to a power converter including a plurality of semiconductor modules accommodating switching elements for power conversion, a plurality of capacitors, and a plurality of coolers for cooling them.

特許文献１−３に、複数の半導体モジュールと複数のコンデンサと複数の冷却器を備えている電力変換器が開示されている。いずれの電力変換器も、複数の冷却器は並んで配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールとコンデンサが挟まれている。 Patent Document 1-3 discloses a power converter including a plurality of semiconductor modules, a plurality of capacitors, and a plurality of coolers. In each power converter, a plurality of coolers are arranged side by side, and a semiconductor module and a capacitor are sandwiched between adjacent coolers.

特開２００５−３４１７３２号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-341732 特開２０１６−１４９９０８号公報JP-A-2016-149908 特開２０１６−１４９９０９号公報JP-A-2016-149909

特許文献１−３に開示されている電力変換器はいずれも、隣り合う冷却器の間には、半導体モジュールのみ、あるいは、コンデンサのみが挟まれている。半導体モジュールとコンデンサは発熱量が異なる。半導体モジュールとコンデンサの一方の発熱量に合わせて冷却器の冷媒の温度と流量を調整すると、半導体モジュールとコンデンサの他方にとっては冷媒の温度あるいは流量が適切でないことが生じ得る。半導体モジュールとコンデンサが別々の空間（別々の冷却器間空間）に配置されていると、冷却器の温度差が大きくなってしまい、効率的な冷却ができなくなる。 In each of the power converters disclosed in Patent Documents 1-3, only a semiconductor module or only a capacitor is sandwiched between adjacent coolers. Semiconductor modules and capacitors generate different amounts of heat. If the temperature and flow rate of the refrigerant in the cooler are adjusted according to the calorific value of one of the semiconductor module and the capacitor, it may occur that the temperature or flow rate of the refrigerant is not appropriate for the other of the semiconductor module and the capacitor. If the semiconductor module and the capacitor are arranged in separate spaces (spaces between separate coolers), the temperature difference between the coolers becomes large, and efficient cooling cannot be performed.

本明細書が開示する電力変換器は、複数の冷却器と複数の半導体モジュールと複数のコンデンサを備えている。複数の冷却器は並んで配置されており、隣り合う冷却器の間に少なくとも１個の半導体モジュールと少なくとも１個のコンデンサが配置されている。それぞれの冷却器間空間に半導体モジュールとコンデンサを混在させることで、複数の冷却器の全体で温度が一様になり、従来の電力変換器よりも冷却効率が向上する。 The power converter disclosed herein includes a plurality of coolers, a plurality of semiconductor modules, and a plurality of capacitors. A plurality of coolers are arranged side by side, and at least one semiconductor module and at least one capacitor are arranged between adjacent coolers. By mixing the semiconductor module and the capacitor in the space between each cooler, the temperature becomes uniform in the whole of the plurality of coolers, and the cooling efficiency is improved as compared with the conventional power converter.

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。 Details and further improvements to the techniques disclosed herein will be described in the "Modes for Carrying Out the Invention" section below.

電力変換器を含む電気自動車の電力系の回路図である。It is a circuit diagram of the electric power system of an electric vehicle including a power converter. 半導体モジュールの斜視図である。It is a perspective view of a semiconductor module. 電力変換器の平面図である。It is a top view of the power converter. 第１変形例の冷却器の平面図である。It is a top view of the cooler of the 1st modification. 第２変形例の冷却器の平面図である。It is a top view of the cooler of the 2nd modification. 第３変形例の冷却器の平面図である。It is a top view of the cooler of the 3rd modification.

図面を参照して実施例の電力変換器２を説明する。電力変換器２は、電気自動車１００に搭載される。図１に、電力変換器２を含む電気自動車１００の電力系の回路図を示す。電気自動車１００は、走行用のモータ９３ａ、９３ｂを備えている。電力変換器２は、バッテリ９１の直流電力を走行用のモータ９３ａ、９３ｂの駆動電力に変換するデバイスである。２個の走行用のモータ９３ａ、９３ｂの出力は、不図示のギアボックスで合成されて車軸（即ち駆動輪）へと伝達される。 The power converter 2 of the embodiment will be described with reference to the drawings. The power converter 2 is mounted on the electric vehicle 100. FIG. 1 shows a circuit diagram of a power system of an electric vehicle 100 including a power converter 2. The electric vehicle 100 includes motors 93a and 93b for traveling. The power converter 2 is a device that converts the DC power of the battery 91 into the driving power of the traveling motors 93a and 93b. The outputs of the two traveling motors 93a and 93b are combined by a gearbox (not shown) and transmitted to the axle (that is, the drive wheels).

電力変換器２は、不図示のシステムメインリレーを介してバッテリ９１と接続されている。電力変換器２は、バッテリ９１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂと、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備えている。インバータ回路１３ａがモータ９３ａの駆動電力を生成し、インバータ回路１３ｂがモータ９３ｂの駆動電力を生成する。モータ９３ａ、９３ｂはいずれも三相交流モータであり、インバータ回路１３ａ、１３ｂが出力する駆動電力も三相交流電力である。 The power converter 2 is connected to the battery 91 via a system main relay (not shown). The power converter 2 includes voltage converter circuits 12a and 12b that boost the voltage of the battery 91, and two sets of inverter circuits 13a and 13b that convert the boosted DC power into alternating current. The inverter circuit 13a generates the driving power of the motor 93a, and the inverter circuit 13b generates the driving power of the motor 93b. The motors 93a and 93b are both three-phase AC motors, and the drive power output by the inverter circuits 13a and 13b is also three-phase AC power.

電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂは並列に接続されている。電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂの夫々は、バッテリ側の端子に印加された電圧を昇圧してインバータ側の端子に出力する昇圧動作と、インバータ側の端子に印加された電圧を降圧してバッテリ側の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。バッテリ９１とインバータ回路１３ａ、１３ｂの間に複数の電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂを並列に接続することで、負荷を分散することができる。 The voltage converter circuits 12a and 12b are connected in parallel. Each of the voltage converter circuits 12a and 12b boosts the voltage applied to the terminal on the battery side and outputs it to the terminal on the inverter side, and steps down the voltage applied to the terminal on the inverter side to step down the voltage applied to the terminal on the inverter side. It is a bidirectional DC-DC converter that can perform both step-down operations that output to the terminals. The load can be distributed by connecting a plurality of voltage converter circuits 12a and 12b in parallel between the battery 91 and the inverter circuits 13a and 13b.

説明の便宜上、以下では、バッテリ側の端子を低電圧端１８と称し、インバータ側の端子を高電圧端１９と称する。低電圧端１８と高電圧端１９は、夫々、２個の電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂに共通である。低電圧端１８の正極と負極を夫々、低圧正極端１８ａと低圧負極端１８ｂと称する。高電圧端１９の正極と負極を夫々、高圧正極端１９ａと高圧負極端１９ｂと称する。 For convenience of explanation, in the following, the terminal on the battery side will be referred to as a low voltage end 18, and the terminal on the inverter side will be referred to as a high voltage end 19. The low voltage end 18 and the high voltage end 19 are common to the two voltage converter circuits 12a and 12b, respectively. The positive electrode and the negative electrode of the low voltage end 18 are referred to as a low voltage positive electrode end 18a and a low voltage negative electrode end 18b, respectively. The positive electrode and the negative electrode of the high voltage end 19 are referred to as a high voltage positive electrode end 19a and a high voltage negative electrode end 19b, respectively.

電圧コンバータ回路１２ａについて説明する。電圧コンバータ回路１２ａは、２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列接続、リアクトル１４、各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で構成されている。２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列接続は、高圧正極端１９ａと高圧負極端１９ｂの間に接続されている。リアクトル１４は、一端が低圧正極端１８ａに接続されており、他端はスイッチング素子９ａ、９ｂの直列接続の中点に接続されている。低圧負極端１８ｂは高圧負極端１９ｂと直接に接続されている。スイッチング素子９ｂが主に昇圧動作に関与し、スイッチング素子９ａが主に降圧動作に関与する。図１の電圧コンバータ回路１２ａ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。 The voltage converter circuit 12a will be described. The voltage converter circuit 12a is composed of two switching elements 9a and 9b connected in series, a reactor 14, and a diode connected in antiparallel to each switching element. The series connection of the two switching elements 9a and 9b is connected between the high voltage positive electrode end 19a and the high voltage negative voltage negative voltage end 19b. One end of the reactor 14 is connected to the low pressure positive electrode end 18a, and the other end is connected to the midpoint of the series connection of the switching elements 9a and 9b. The low voltage negative electrode end 18b is directly connected to the high voltage negative voltage end 19b. The switching element 9b is mainly involved in the step-up operation, and the switching element 9a is mainly involved in the step-down operation. Since the voltage converter circuit 12a of FIG. 1 is well known, detailed description thereof will be omitted. The circuit in the range of the broken line rectangle indicated by reference numeral 8a corresponds to the semiconductor module 8a described later.

電圧コンバータ回路１２ｂは、電圧コンバータ回路１２ａと同じ回路構造を有しており、リアクトル１４、２個のスイッチング素子９ｃ、９ｄの直列接続、スイッチング素子９ｃ、９ｄの夫々に逆並列に接続されているダイオードを備えている。なおリアクトル１４は、電圧コンバータ回路１２ａと兼用である。電圧コンバータ回路１２ｂは電圧コンバータ回路１２ａと同じ回路構造を有しているので詳しい説明は省略する。なお、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。 The voltage converter circuit 12b has the same circuit structure as the voltage converter circuit 12a, and is connected in series to the reactors 14, two switching elements 9c and 9d, and in antiparallel to each of the switching elements 9c and 9d. It has a diode. The reactor 14 is also used as the voltage converter circuit 12a. Since the voltage converter circuit 12b has the same circuit structure as the voltage converter circuit 12a, detailed description thereof will be omitted. The circuit in the range of the broken line rectangle indicated by reference numeral 8b corresponds to the semiconductor module 8b described later.

２個の電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂに共通の低圧正極端１８ａと低圧負極端１８ｂの間にフィルタコンデンサ１５が接続されている。２個の電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂに共通の高圧正極端１９ａと高圧負極端１９ｂの間に平滑コンデンサ１６が接続されている。 A filter capacitor 15 is connected between the low voltage positive electrode end 18a and the low voltage negative voltage end 18b common to the two voltage converter circuits 12a and 12b. A smoothing capacitor 16 is connected between the high-voltage positive end 19a and the high-voltage negative end 19b, which are common to the two voltage converter circuits 12a and 12b.

電圧コンバータ回路１２ａのスイッチング素子９ａ、９ｂと電圧コンバータ回路１２ｂのスイッチング素子９ｃ、９ｄはコントローラ１７によって制御される。コントローラ１７は、電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂの夫々の正極側のスイッチング素子９ａ、９ｃに同じデューティ比のＰＷＭ信号（駆動信号）を送る。コントローラ１７は、電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂの夫々の負極側のスイッチング素子９ｂ、９ｄに対しても同じデューティ比のＰＷＭ信号（駆動信号）を送る。 The switching elements 9a and 9b of the voltage converter circuit 12a and the switching elements 9c and 9d of the voltage converter circuit 12b are controlled by the controller 17. The controller 17 sends a PWM signal (drive signal) having the same duty ratio to the switching elements 9a and 9c on the positive electrode side of the voltage converter circuits 12a and 12b, respectively. The controller 17 also sends a PWM signal (drive signal) having the same duty ratio to the switching elements 9b and 9d on the negative electrode side of the voltage converter circuits 12a and 12b, respectively.

インバータ回路１３ａについて説明する。インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子９ｅ、９ｆの直列接続を３組有している。図１では左端のスイッチング素子のみに符号９ｅ、９ｆを付し、残りのスイッチング素子への符号は省略した。３組の直列接続は並列に接続されている。夫々の直列接続の中点から交流が出力される。３組の直列接続により、三相交流が出力される。インバータ回路１３ａが出力する三相交流はモータ９３ａに供給される。符号８ｃが示す破線矩形の範囲の回路が半導体モジュール８ｃに対応する。半導体モジュール８ｄ、８ｅは、半導体モジュール８ｃと同じ構造を有している。 The inverter circuit 13a will be described. The inverter circuit 13a has three sets of two switching elements 9e and 9f connected in series. In FIG. 1, reference numerals 9e and 9f are attached only to the leftmost switching element, and the reference numerals to the remaining switching elements are omitted. The three sets of series connections are connected in parallel. Alternating current is output from the midpoint of each series connection. Three-phase alternating current is output by connecting three sets in series. The three-phase alternating current output from the inverter circuit 13a is supplied to the motor 93a. The circuit in the range of the broken line rectangle indicated by reference numeral 8c corresponds to the semiconductor module 8c. The semiconductor modules 8d and 8e have the same structure as the semiconductor module 8c.

インバータ回路１３ｂはインバータ回路１３ａと同じ構造を有している。インバータ回路１３ｂは、２個のスイッチング素子の直列接続を３組備えており、夫々の直列接続が半導体モジュール８ｆ、８ｇ、８ｈに対応する。インバータ回路１３ａ、１３ｂの構造は良く知られているので詳しい説明は省略する。 The inverter circuit 13b has the same structure as the inverter circuit 13a. The inverter circuit 13b includes three sets of series connections of two switching elements, and each series connection corresponds to the semiconductor modules 8f, 8g, and 8h. Since the structures of the inverter circuits 13a and 13b are well known, detailed description thereof will be omitted.

半導体モジュール８ｃ−８ｈは、半導体モジュール８ａと同じ構造、即ち、２個のスイッチング素子９ｅ、９ｆの直列接続と、スイッチング素子９ｅ、９ｆの夫々に逆並列に接続されるダイオードで構成される回路構造を有している。 The semiconductor module 8c-8h has the same structure as the semiconductor module 8a, that is, a circuit structure composed of a series connection of two switching elements 9e and 9f and a diode connected to each of the switching elements 9e and 9f in antiparallel. have.

スイッチング素子９ａ−９ｆは、いずれもｎ型のトランジスタである。より具体的には、スイッチング素子９ａ−９ｆは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子９ａ−９ｆは、他の構造、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。スイッチング素子９ａ−９ｆが、電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂとインバータ回路１３ａ、１３ｂの主要部品であり、電力変換用のスイッチング素子と呼ぶことができる。 The switching elements 9a-9f are all n-type transistors. More specifically, the switching elements 9a-9f are IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). The switching element 9a-9f may have another structure, for example, a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). The switching elements 9a-9f are the main components of the voltage converter circuits 12a and 12b and the inverter circuits 13a and 13b, and can be called switching elements for power conversion.

図２に、半導体モジュール８ａの斜視図を示す。半導体モジュール８ａは、樹脂製のパッケージ８１の内部に２個の半導体チップ８２ａ、８２ｂが埋設されたデバイスである。パッケージ８１は扁平であり、幅広面８１１と幅狭面８１２を有している。幅狭面８１２は、幅広面８１１と交差する面である。半導体チップ８２ａは、図１のスイッチング素子９ａとこれに逆並列に接続されているダイオードを実現している。半導体チップ８２ｂは、図１のスイッチング素子９ｂとこれに逆並列に接続されているダイオードを実現している。半導体チップ８２ａ、８２ｂはパッケージ８１の内部で直列に接続されており、直列接続の正極側と負極側は、夫々、正極端子８３ａ、負極端子８３ｂと導通している。２個の半導体チップ８２ａ、８２ｂの直列接続の中点が中点端子８３ｃと導通している。 FIG. 2 shows a perspective view of the semiconductor module 8a. The semiconductor module 8a is a device in which two semiconductor chips 82a and 82b are embedded inside a resin package 81. The package 81 is flat and has a wide surface 811 and a narrow surface 812. The narrow surface 812 is a surface that intersects the wide surface 811. The semiconductor chip 82a realizes the switching element 9a of FIG. 1 and a diode connected to the switching element 9a in antiparallel. The semiconductor chip 82b realizes the switching element 9b of FIG. 1 and a diode connected to the switching element 9b in antiparallel. The semiconductor chips 82a and 82b are connected in series inside the package 81, and the positive electrode side and the negative electrode side of the series connection are electrically connected to the positive electrode terminal 83a and the negative electrode terminal 83b, respectively. The midpoint of the series connection of the two semiconductor chips 82a and 82b is conducting with the midpoint terminal 83c.

端子８３ａ−８３ｃが設けられている幅狭面８１２とは反対側の幅狭面から制御端子８４ａ、８４ｂが延びている。制御端子８４ａは、半導体チップ８２ａのスイッチング素子９ａのゲートや温度センサと導通する端子群であり、制御端子８４ｂは、半導体チップ８２ｂのスイッチング素子９ｂのゲートや温度センサと導通する端子群である。図示は省略しているが、パッケージ８１の幅広面８１１には放熱板が露出している。 Control terminals 84a and 84b extend from the narrow surface on the opposite side of the narrow surface 812 on which the terminals 83a-83c are provided. The control terminal 84a is a group of terminals conducting with the gate of the switching element 9a of the semiconductor chip 82a and the temperature sensor, and the control terminal 84b is a group of terminals conducting with the gate of the switching element 9b of the semiconductor chip 82b and the temperature sensor. Although not shown, the heat radiating plate is exposed on the wide surface 811 of the package 81.

図１から理解されるように、８個の半導体モジュール８ａ−８ｈは、平滑コンデンサ１６に対して並列に接続される。半導体モジュール８ａ−８ｈと平滑コンデンサ１６は、発熱量が大きい。電力変換器２では、半導体モジュール８ａ−８ｈと平滑コンデンサ１６を集中して冷却する構造を備えている。次に、電力変換器２のハードウエア構造を説明する。 As can be seen from FIG. 1, the eight semiconductor modules 8a-8h are connected in parallel to the smoothing capacitor 16. The semiconductor modules 8a-8h and the smoothing capacitor 16 generate a large amount of heat. The power converter 2 has a structure in which the semiconductor modules 8a-8h and the smoothing capacitor 16 are centrally cooled. Next, the hardware structure of the power converter 2 will be described.

平滑コンデンサ１６は、ハードウエアとしては複数のコンデンサ素子の並列接続で実現される。図３に電力変換器２の平面図を示す。電力変換器２は、図３に示した部品以外にも様々な部品を備えているが、それらの図示は省略する。また、半導体モジュール８ａ−８ｈはすべて同じ構造を有しているので、以下では、複数の半導体モジュール８ａ−８ｈを区別することなく、いずれも半導体モジュール８と表記する。 The smoothing capacitor 16 is realized by connecting a plurality of capacitor elements in parallel as hardware. FIG. 3 shows a plan view of the power converter 2. The power converter 2 includes various parts other than the parts shown in FIG. 3, but their illustrations are omitted. Further, since all the semiconductor modules 8a-8h have the same structure, the plurality of semiconductor modules 8a-8h are not distinguished below, and all of them are referred to as semiconductor modules 8.

電力変換器２は、複数の冷却器３と、複数の半導体モジュール８と、複数のコンデンサ素子４を備えている。冷却器３は、扁平形状を有しており、内部が冷媒の流路になっている。複数の冷却器３は、幅広面同士が対向するように、一列に並んで配置されている。隣り合う一対の冷却器３の間に、半導体モジュール８とコンデンサ素子４が１個ずつ挟まれている。図３に示されているように、いずれの隣り合う一対の冷却器の間にも、半導体モジュール８とコンデンサ素子４が１個ずつ挟まれている。 The power converter 2 includes a plurality of coolers 3, a plurality of semiconductor modules 8, and a plurality of capacitor elements 4. The cooler 3 has a flat shape, and the inside thereof is a flow path for the refrigerant. The plurality of coolers 3 are arranged side by side in a row so that the wide surfaces face each other. A semiconductor module 8 and a capacitor element 4 are sandwiched between a pair of adjacent coolers 3. As shown in FIG. 3, one semiconductor module 8 and one capacitor element 4 are sandwiched between any pair of adjacent coolers.

隣り合う冷却器３は、２個の連結管５ａ、５ｂで連結されている。図３では、左端の連結管にのみ、符号５ａ、５ｂを付し、残りの連結管には符号を省略した。連結管５ａは、隣り合う冷却器３の一方の端を連結しており、連結管５ｂは、一対の冷却器３の他方の端を連結している。連結管５ａ、５ｂは、隣り合う一対の冷却器３の内部の流路を連通する。連結管５ａ、５ｂは、冷却器３の並び方向（図中の座標系のＸ方向）からみて、半導体モジュール８とコンデンサ素子４を挟み込むように配置されている。 Adjacent coolers 3 are connected by two connecting pipes 5a and 5b. In FIG. 3, reference numerals 5a and 5b are attached only to the leftmost connecting pipe, and the reference numerals are omitted for the remaining connecting pipes. The connecting pipe 5a connects one end of the adjacent coolers 3, and the connecting pipe 5b connects the other ends of the pair of coolers 3. The connecting pipes 5a and 5b communicate with each other through the internal flow paths of the pair of adjacent coolers 3. The connecting pipes 5a and 5b are arranged so as to sandwich the semiconductor module 8 and the capacitor element 4 when viewed from the arrangement direction of the coolers 3 (the X direction of the coordinate system in the drawing).

複数の冷却器３の並び方向の一端の冷却器３（図３の左端の冷却器３）には、冷媒供給管６ａと冷媒排出管６ｂが連結されている。冷媒供給管６ａは、冷却器３の並び方向からみて、一方の連結管５ａと重なるように配置されている。冷媒排出管６ｂは、冷却器３の並び方向からみて、他方の連結管５ｂと重なるように配置されている。 A refrigerant supply pipe 6a and a refrigerant discharge pipe 6b are connected to a cooler 3 at one end in the arrangement direction of the plurality of coolers 3 (cooler 3 at the left end in FIG. 3). The refrigerant supply pipe 6a is arranged so as to overlap one of the connecting pipes 5a when viewed from the arrangement direction of the coolers 3. The refrigerant discharge pipe 6b is arranged so as to overlap the other connecting pipe 5b when viewed from the arrangement direction of the coolers 3.

冷媒供給管６ａと冷媒排出管６ｂには、不図示の冷媒循環装置が接続される。冷媒循環装置から送られる冷媒は、冷媒供給管６ａと一方の連結管５ａを通じて総ての冷却器３に分配される。冷媒は冷却器３の内部の流路を流れる間に隣接する半導体モジュール８とコンデンサ素子４から熱を吸収し、半導体モジュール８とコンデンサ素子４を冷却する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管５ｂと冷媒排出管６ｂを通じて冷媒循環装置に戻る。連結管５ａが連結管５ｂよりも冷媒流の上流側に位置する。冷媒は液体であり、具体的には、水、あるいは、不凍液である。冷媒循環装置には、冷媒の温度を計測する温度センサと流量を調整するポンプが備えられている。冷媒循環装置は、冷媒の温度と流量を適切に調整し、半導体モジュール８とコンデンサ素子４の温度を調整する。 A refrigerant circulation device (not shown) is connected to the refrigerant supply pipe 6a and the refrigerant discharge pipe 6b. The refrigerant sent from the refrigerant circulation device is distributed to all the coolers 3 through the refrigerant supply pipe 6a and one connecting pipe 5a. The refrigerant absorbs heat from the adjacent semiconductor module 8 and the condenser element 4 while flowing through the flow path inside the cooler 3, and cools the semiconductor module 8 and the condenser element 4. The heat-absorbed refrigerant returns to the refrigerant circulation device through the other connecting pipe 5b and the refrigerant discharge pipe 6b. The connecting pipe 5a is located on the upstream side of the refrigerant flow with respect to the connecting pipe 5b. The refrigerant is a liquid, specifically water or antifreeze. The refrigerant circulation device is equipped with a temperature sensor for measuring the temperature of the refrigerant and a pump for adjusting the flow rate. The refrigerant circulation device appropriately adjusts the temperature and flow rate of the refrigerant, and adjusts the temperatures of the semiconductor module 8 and the capacitor element 4.

電力変換器２では、いずれの隣り合う一対の冷却器３の間にも、１個の半導体モジュール８と１個のコンデンサ素子４が挟まれている。半導体モジュール８とコンデンサ素子４の発熱量が異なるが、上記の配置により、総ての冷却器３の温度のばらつきは小さくなる。特定の一対の冷却器３の間には半導体モジュールのみを挟み、別の特定の一対の冷却器３の間にはコンデンサ素子４を挟むと、複数の冷却器の温度のばらつきが大きくなる。その場合、半導体モジュール８が適切に冷却されるように冷媒の温度と流量を調整すると、コンデンサ素子４に対しては、冷却不十分あるいは過冷却となる可能性がある。逆に、コンデンサ素子４が適切に冷却されるように冷媒の温度と流量を調整すると、半導体モジュール８に対しては冷却不足あるいは過冷却となる可能性がある。実施例の電力変換器２では、複数の冷却器３の温度のばらつきが小さくなるので、半導体モジュール８とコンデンサ素子４を適切に冷却することができる。別言すれば、実施例の電力変換器２は、冷却効率が良い。 In the power converter 2, one semiconductor module 8 and one capacitor element 4 are sandwiched between any pair of adjacent coolers 3. Although the amount of heat generated by the semiconductor module 8 and the capacitor element 4 are different, the above arrangement makes the temperature variation of all the coolers 3 small. If only the semiconductor module is sandwiched between the specific pair of coolers 3 and the capacitor element 4 is sandwiched between the other specific pair of coolers 3, the temperature variation of the plurality of coolers becomes large. In that case, if the temperature and flow rate of the refrigerant are adjusted so that the semiconductor module 8 is appropriately cooled, the capacitor element 4 may be insufficiently cooled or supercooled. On the contrary, if the temperature and flow rate of the refrigerant are adjusted so that the capacitor element 4 is appropriately cooled, the semiconductor module 8 may be undercooled or supercooled. In the power converter 2 of the embodiment, since the temperature variation of the plurality of coolers 3 is small, the semiconductor module 8 and the capacitor element 4 can be appropriately cooled. In other words, the power converter 2 of the embodiment has good cooling efficiency.

図３の電力変換器２では、コンデンサ素子４が半導体モジュール８よりも冷媒の流れの上流側に配置されている。コンデンサ素子４が半導体モジュール８よりも発熱量が大きい場合には、そのような配置が適切である。 In the power converter 2 of FIG. 3, the capacitor element 4 is arranged on the upstream side of the flow of the refrigerant with respect to the semiconductor module 8. When the capacitor element 4 generates more heat than the semiconductor module 8, such an arrangement is appropriate.

それぞれのコンデンサ素子４は、正極端子４１ａと負極端子４１ｂを備えている。正極端子４１ａと負極端子４１ｂは、半導体モジュール８の正極端子８３ａ、負極端子８３ｂと同じ方向（図中の座標系の＋Ｚ方向）に延びている。先に述べたように、図１の回路において、平滑コンデンサ１６と半導体モジュール８は並列に接続される。すなわち、複数のコンデンサ素子４と複数の半導体モジュール８は並列に接続される。総ての半導体モジュール８の正極端子８３ａと総てのコンデンサ素子４の正極端子４１ａは、正極バスバ２１で接続される。総ての半導体モジュール８の負極端子８３ｂと総てのコンデンサ素子４の負極端子４１ｂは、負極バスバ２２で接続される。図３では、正極バスバ２１と負極バスバ２２は太線で描いてある。総ての正極端子８３ａと総ての正極端子４１ａは、正極バスバ２１によって最短距離で接続される。総ての負極端子８３ｂと総ての負極端子４１ｂは、負極バスバ２２によって最短距離で接続される。正極端子同士（負極端子同士）の接続距離が短いと、バスバが有する寄生インダクタンスが小さくなるという効果が得られる。 Each capacitor element 4 includes a positive electrode terminal 41a and a negative electrode terminal 41b. The positive electrode terminal 41a and the negative electrode terminal 41b extend in the same direction as the positive electrode terminal 83a and the negative electrode terminal 83b of the semiconductor module 8 (in the + Z direction of the coordinate system in the drawing). As described above, in the circuit of FIG. 1, the smoothing capacitor 16 and the semiconductor module 8 are connected in parallel. That is, the plurality of capacitor elements 4 and the plurality of semiconductor modules 8 are connected in parallel. The positive electrode terminals 83a of all the semiconductor modules 8 and the positive electrode terminals 41a of all the capacitor elements 4 are connected by the positive electrode bus bar 21. The negative electrode terminals 83b of all the semiconductor modules 8 and the negative electrode terminals 41b of all the capacitor elements 4 are connected by the negative electrode bus bar 22. In FIG. 3, the positive electrode bus bar 21 and the negative electrode bus bar 22 are drawn with thick lines. All the positive electrode terminals 83a and all the positive electrode terminals 41a are connected by the positive electrode bus bar 21 at the shortest distance. All the negative electrode terminals 83b and all the negative electrode terminals 41b are connected by the negative electrode bus bar 22 at the shortest distance. When the connection distance between the positive electrode terminals (negative electrode terminals) is short, the effect that the parasitic inductance of the bus bar becomes small can be obtained.

（第１変形例）図４に、第１変形例の電力変換器２ａの平面図を示す。電力変換器２ａでは、半導体モジュール８が冷媒供給管６ａに近い側に配置されており、コンデンサ素子４が冷媒排出管６ｂに近い側に配置されている。すなわち、電力変換器２ａでは、半導体モジュール８がコンデンサ素子４よりも冷媒流の上流側に配置されている。この配置は、半導体モジュール８の発熱量がコンデンサ素子４の発熱量よりも大きい場合に好適である。 (First Modified Example) FIG. 4 shows a plan view of the power converter 2a of the first modified example. In the power converter 2a, the semiconductor module 8 is arranged on the side close to the refrigerant supply pipe 6a, and the capacitor element 4 is arranged on the side close to the refrigerant discharge pipe 6b. That is, in the power converter 2a, the semiconductor module 8 is arranged on the upstream side of the refrigerant flow from the capacitor element 4. This arrangement is suitable when the heat generation amount of the semiconductor module 8 is larger than the heat generation amount of the capacitor element 4.

（第２変形例）図５に、第２変形例の電力変換器２ｂの平面図を示す。図５では、コンデンサ素子４と半導体モジュール８は簡略化して描いてあり、端子の図示は省略した。図５では、正極バスバと負極バスバの図示も省略した。理解を助けるため、コンデンサ素子４にはグレーのハッチングを施してあり、半導体モジュール８には斜線ハッチングを施してある。図４とは半導体モジュール８のサイズが異なるが、図５の半導体モジュール８も、電力変換用のスイッチング素子を収容している。また、図５では、右端のコンデンサ素子４と半導体モジュール８にのみ符号を付し、残りのコンデンサ素子４と半導体モジュール８には符号を省略した。図５の電力変換器２ｂは、実施例の電力変換器２よりも多くの半導体モジュールを備えている。図５の電力変換器２ｂの回路図は、図１の回路図ではなく別の回路図で表される。 (Second Modified Example) FIG. 5 shows a plan view of the power converter 2b of the second modified example. In FIG. 5, the capacitor element 4 and the semiconductor module 8 are drawn in a simplified manner, and the terminals are not shown. In FIG. 5, the illustration of the positive electrode bus bar and the negative electrode bus bar is also omitted. To aid understanding, the capacitor element 4 is hatched in gray and the semiconductor module 8 is hatched in diagonal lines. Although the size of the semiconductor module 8 is different from that of FIG. 4, the semiconductor module 8 of FIG. 5 also accommodates a switching element for power conversion. Further, in FIG. 5, only the rightmost capacitor element 4 and the semiconductor module 8 are designated by reference numerals, and the remaining capacitor elements 4 and semiconductor module 8 are omitted from the reference numerals. The power converter 2b of FIG. 5 includes more semiconductor modules than the power converter 2 of the embodiment. The circuit diagram of the power converter 2b of FIG. 5 is represented by another circuit diagram instead of the circuit diagram of FIG.

電力変換器２ｂも、複数の冷却器３と、複数の半導体モジュール８と、複数のコンデンサ素子４を備えている。複数の冷却器３は、扁平であり、互いの幅広面が対向するように並んで配置されている。隣り合う一対の冷却器３は、連結管５ａ、５ｂで接続されている。冷却器３は内部が冷媒の流路になっており、連結管５ａ、５ｂは、隣り合う一対の冷却器３の流路を連通する。いずれの隣り合う一対の冷却器３の間にも、３個のコンデンサ素子４と３個の半導体モジュール８が挟まれている。コンデンサ素子４は、複数の冷却器３の並び方向で一列に並んでいる。半導体モジュール８も、複数の冷却器３の並び方向で一列に並んでいる。第２変形例の電力変換器２ｂも、複数の冷却器３の温度ばらつきが小さくなる。 The power converter 2b also includes a plurality of coolers 3, a plurality of semiconductor modules 8, and a plurality of capacitor elements 4. The plurality of coolers 3 are flat and are arranged side by side so that their wide surfaces face each other. A pair of adjacent coolers 3 are connected by connecting pipes 5a and 5b. The inside of the cooler 3 is a flow path for the refrigerant, and the connecting pipes 5a and 5b communicate with the flow paths of the pair of adjacent coolers 3. Three condenser elements 4 and three semiconductor modules 8 are sandwiched between the pair of adjacent coolers 3. The condenser elements 4 are arranged in a row in the arrangement direction of the plurality of coolers 3. The semiconductor modules 8 are also arranged in a row in the arrangement direction of the plurality of coolers 3. The power converter 2b of the second modification also reduces the temperature variation of the plurality of coolers 3.

（第３変形例）図６に、第３変形例の電力変換器２ｃの平面図を示す。電力変換器２ｃは、第２変形例の電力変換器２ｂに対して、コンデンサ素子４と半導体モジュール８のＸ方向の並び方が相違する。Ｘ方向とは、複数の冷却器３の並び方向である。電力変換器２ｃのその他の構造は電力変換器２ｂの構造と同じである。電力変換器２ｃでも、いずれの隣り合う一対の冷却器３の間に、３個のコンデンサ素子４と３個の半導体モジュール８が挟まれている。 (Third Modified Example) FIG. 6 shows a plan view of the power converter 2c of the third modified example. In the power converter 2c, the arrangement of the capacitor element 4 and the semiconductor module 8 in the X direction is different from that of the power converter 2b of the second modification. The X direction is the direction in which the plurality of coolers 3 are arranged. Other structures of the power converter 2c are the same as those of the power converter 2b. In the power converter 2c as well, three condenser elements 4 and three semiconductor modules 8 are sandwiched between any pair of adjacent coolers 3.

複数のコンデンサ素子４と複数の半導体モジュール８は、冷却器３の並び方向においては、１個ずつ交互に並んでいる。電力変換器２ｃの全体では、複数のコンデンサ素子４と複数の半導体モジュール８が千鳥格子状に配置されている。第３変形例の電力変換器２ｃは、複数の冷却器３の温度ばらつきが一層小さくなる。 The plurality of capacitor elements 4 and the plurality of semiconductor modules 8 are alternately arranged one by one in the arrangement direction of the coolers 3. In the entire power converter 2c, a plurality of capacitor elements 4 and a plurality of semiconductor modules 8 are arranged in a houndstooth pattern. In the power converter 2c of the third modification, the temperature variation of the plurality of coolers 3 becomes smaller.

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示する技術は、隣り合う一対の冷却器の間に挟まれるコンデンサ素子の個数と半導体モジュールの個数に制限はない。また、複数の冷却器の積層数にも制限はない。本明細書が開示する電力変換器は、隣り合う一対の冷却器の間に、少なくとも１個の半導体モジュールと、少なくとも１個のコンデンサ（コンデンサ素子）が挟まれていればよい。 The points to be noted regarding the technique described in the examples will be described. The technique disclosed herein is not limited in the number of condenser elements and the number of semiconductor modules sandwiched between a pair of adjacent coolers. In addition, there is no limit to the number of stacked coolers. The power converter disclosed in the present specification may have at least one semiconductor module and at least one capacitor (capacitor element) sandwiched between a pair of adjacent coolers.

実施例の電力変換器２、２ａ−２ｃでは、いずれの隣り合う一対の冷却器の間にも、コンデンサ素子と半導体モジュールが挟まれている。本明細書が開示する技術は、一部の隣り合う一対の冷却器の間には、半導体モジュールのみ、あるいは、コンデンサのみが挟まれていてもよい。あるいは、一部の隣り合う冷却器の間に、半導体モジュールとコンデンサ以外のデバイスが挟まれていてもよい。例えば、一対の冷却器の間にリアクトルが挟まれていてもよい。本明細書が開示する電力変換器は、一部の隣り合う一対の冷却器の間に、少なくとも１個の半導体モジュールと少なくとも１個のコンデンサ（コンデンサ素子）が挟まれていればよい。 In the power converters 2 and 2a-2c of the embodiment, the capacitor element and the semiconductor module are sandwiched between any pair of adjacent coolers. In the technique disclosed herein, only a semiconductor module or only a capacitor may be sandwiched between a pair of adjacent coolers. Alternatively, a device other than the semiconductor module and the capacitor may be sandwiched between some adjacent coolers. For example, the reactor may be sandwiched between a pair of coolers. The power converter disclosed in the present specification may have at least one semiconductor module and at least one capacitor (capacitor element) sandwiched between a pair of adjacent coolers.

本明細書が開示する電力変換器２、２ａ−２ｃは、冷却性能が高いので、半導体モジュール内のスイッチング素子とコンデンサ素子は高負荷に耐えられる。このことは、電力変換器２、２ａ−２ｃが、電記自動車において電源電力を走行用モータの駆動電力に変換するデバイスに適用されときに動力性能の向上に貢献する。 Since the power converters 2 and 2a-2c disclosed in the present specification have high cooling performance, the switching element and the capacitor element in the semiconductor module can withstand a high load. This contributes to the improvement of power performance when the power converters 2 and 2a-2c are applied to a device that converts power supply power into driving power of a traveling motor in an electric vehicle.

本明細書が開示する電力変換器２、２ａ−２ｃは、冷却性能が高いので、コンデンサ素子に対する熱負荷が軽減される。このことは、フィルムコンデンサを用いる場合に、フィルムの薄膜化に貢献する。また、コンデンサ素子が冷却されるため、冷却されない場合と比較して寿命が延びる。 Since the power converters 2 and 2a-2c disclosed in the present specification have high cooling performance, the heat load on the capacitor element is reduced. This contributes to thinning the film when a film capacitor is used. Moreover, since the capacitor element is cooled, the life is extended as compared with the case where it is not cooled.

電力変換器は適用される製品のタイプに応じて半導体モジュールの個数が異なる。半導体モジュールの個数が増えるほど、容量の大きい平滑コンデンサ１６（図１参照）が必要となる。実施例の電力変換器は、半導体モジュールの数を増やす場合にコンデンサ素子の数も容易に増やすことができる。実施例で開示した技術は、電流容量の異なる複数タイプの電力変換器を製造する際のコスト低減に貢献する。 The number of semiconductor modules of a power converter varies depending on the type of product to which it is applied. As the number of semiconductor modules increases, a smoothing capacitor 16 (see FIG. 1) having a larger capacity is required. In the power converter of the embodiment, the number of capacitor elements can be easily increased when the number of semiconductor modules is increased. The technique disclosed in the examples contributes to cost reduction in manufacturing a plurality of types of power converters having different current capacities.

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。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or 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 techniques illustrated in the present specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.

２、２ａ−２ｃ：電力変換器
３：冷却器
４：コンデンサ素子
５ａ、５ｂ：連結管
６ａ：冷媒供給管
６ｂ：冷媒排出管
８、８ａ−８ｈ：半導体モジュール
９ａ−９ｆ：スイッチング素子
１２ａ、１２ｂ：電圧コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
１４：リアクトル
１５：フィルタコンデンサ
１６：平滑コンデンサ
１７：コントローラ
１８：低電圧端
１９：高電圧端
２１、２２：バスバ 2, 2a-2c: Power converter 3: Cooler 4: Capacitor element 5a, 5b: Connecting pipe 6a: Refrigerator supply pipe 6b: Refrigerator discharge pipe 8, 8a-8h: Semiconductor module 9a-9f: Switching element 12a, 12b : Voltage converter circuits 13a, 13b: Inverter circuit 14: Reactor 15: Filter capacitor 16: Smoothing capacitor 17: Controller 18: Low voltage end 19: High voltage end 21, 22: Bus bar

Claims

With multiple coolers arranged side by side,
Multiple semiconductor modules that house switching elements for power conversion,
With multiple capacitors
Is equipped with
A power converter in which at least one semiconductor module and at least one capacitor are sandwiched between adjacent coolers.