JP2020141540A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。 The techniques disclosed herein relate to power converters.
電力変換装置は、多数の発熱部品を含んでおり、それら発熱部品を冷却する冷却器を備えている。代表的な発熱部品は、電力変換用の半導体モジュール、リアクトル、コンデンサなどである。特許文献1、2の電力変換装置は、第1冷却器(複数)で複数の半導体モジュールを冷却し、第2冷却器でリアクトルやコンデンサを冷却する構造を採用している。複数の半導体モジュールと複数の第1冷却器は、1個ずつ交互に積層されており、積層ユニットを構成している。第2冷却器は、第1冷却器よりも大型で扁平であり、その一対の幅広面のそれぞれにリアクトルやコンデンサなどの発熱部品が接している。
The power conversion device includes a large number of heat-generating components, and includes a cooler for cooling the heat-generating components. Typical heat-generating components are semiconductor modules for power conversion, reactors, capacitors, and the like. The power conversion devices of
特許文献1、2の電力変換装置は、2種類の冷却器を備えており、装置を小型化することが難しい。本明細書は、複数の半導体モジュールと他の発熱部品を一種類の冷却器で冷却することで装置全体の小型化が期待できる電力変換装置を提供する。
The power conversion device of
本明細書が開示する電力変換装置は、複数の冷却パイプと複数の半導体モジュールと発熱部品を備えている。複数の冷却パイプの夫々は四角筒状あるいは八角筒状である。複数の冷却パイプは平行に延びている。複数の半導体モジュールは、複数の冷却パイプの並び方向に沿って配置されており、夫々が隣り合う冷却パイプに挟まれている。発熱部品は、複数の冷却パイプの並び方向及び延設方向の両方と交差する方向を向く冷却パイプの面に接触している。複数の冷却パイプは、並び方向を向く面(第1面)と、並び方向及び延設方向の両方と交差する方向を向く面(第2面)を有しており、半導体モジュールは複数の冷却パイプの第1面に接するように配置されており、発熱部品は第2面に接するように配置されている。本明細書が開示する電力変換装置は、複数の半導体モジュールと発熱部品を一種類の冷却器(四角筒あるいは八角筒の複数の冷却パイプ)で冷却することができるので、装置全体の小型化が期待できる。 The power conversion device disclosed in the present specification includes a plurality of cooling pipes, a plurality of semiconductor modules, and heat generating components. Each of the plurality of cooling pipes has a square cylinder shape or an octagonal cylinder shape. Multiple cooling pipes extend in parallel. The plurality of semiconductor modules are arranged along the arrangement direction of the plurality of cooling pipes, and are sandwiched between adjacent cooling pipes. The heat generating component is in contact with the surface of the cooling pipes facing in a direction intersecting both the arrangement direction and the extension direction of the plurality of cooling pipes. The plurality of cooling pipes have a surface facing the alignment direction (first surface) and a surface facing both the arrangement direction and the extension direction (second surface), and the semiconductor module has a plurality of cooling surfaces. It is arranged so as to be in contact with the first surface of the pipe, and the heat generating component is arranged so as to be in contact with the second surface. In the power conversion device disclosed in the present specification, a plurality of semiconductor modules and heat generating parts can be cooled by one type of cooler (multiple cooling pipes of a square cylinder or an octagonal cylinder), so that the entire device can be miniaturized. You can expect it.
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.
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2は、走行用に2個のモータを備える電気自動車に搭載されている。図1に、実施例の電力変換装置2を含む電気自動車100の電力系の回路図を示す。
The power conversion device of the embodiment will be described with reference to the drawings. The
実施例の電力変換装置2は電気自動車100に搭載され、メインバッテリ81の電力を走行用のモータ83a、83b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83a、83bに対応して、電力変換装置2は2セットのインバータ回路13a、13bを備えている。2個のモータ83a、83bの出力は、ギアボックス85で合成されて車軸86(即ち駆動輪)へと伝達される。
The electric
電力変換装置2は、メインバッテリ81と接続されている(後述するが、電力変換装置2は、サブバッテリ82とも接続されている)。電力変換装置2は、メインバッテリ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に変換する2セットのインバータ回路13a、13bと、降圧コンバータ27を備えている。
The
電圧コンバータ回路12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。説明の便宜上、以下では、バッテリ側(低電圧側)の端子を入力端18と称し、インバータ側(高電圧側)の端子を出力端19と称する。また、入力端18の正極と負極を夫々、入力正極端18aと入力負極端18bと称する。出力端19の正極と負極を夫々、出力正極端19aと出力負極端19bと称する。「入力端18」、「出力端19」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19から入力端18へ電力が流れる場合がある。
The
電圧コンバータ回路12は、2個のスイッチング素子9a、9bの直列回路、リアクトル7、フィルタコンデンサ5、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。リアクトル7は、一端が入力正極端18aに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ5は、入力正極端18aと入力負極端18bの間に接続されている。入力負極端18bは、出力負極端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12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。符号25a、25bは、半導体モジュール8aから延出しているパワー端子を示している。符号25aは、スイッチング素子9a、9bの直列回路の高電位側と導通しているパワー端子(正極端子25a)を示している。符号25bは、スイッチング素子9a、9bの直列回路の低電位側と導通しているパワー端子(負極端子25b)を表している。正極端子25a、負極端子25bという表記は、他の半導体モジュールでも用いる。
The
インバータ回路13a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。スイッチング素子9cと9d、スイッチング素子9eと9f、スイッチング素子9gと9hがそれぞれ直列回路を構成している。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セットの直列回路の高電位側の端子(正極端子25a)が電圧コンバータ回路12の出力正極端19aに接続されており、3セットの直列回路の低電位側の端子(負極端子25b)が電圧コンバータ回路12の出力負極端19bに接続されている。3セットの直列回路の中点から3相交流(U相、V相、W相)が出力される。3セットの直列回路の夫々が、後述する半導体モジュール8b、8c、8dに対応する。
The
インバータ回路13bの構成はインバータ回路13a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13bもインバータ回路13a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セットの直列回路の高電位側の端子が電圧コンバータ回路12の出力正極端19aに接続されており、3セットの直列回路の低電位側の端子が電圧コンバータ回路12の出力負極端19bに接続されている。各直列回路に対応するハードウエアを半導体モジュール8e、8f、8gと称する。
Since the configuration of the
インバータ回路13a、13bの入力端に平滑コンデンサ6が並列に接続されている。平滑コンデンサ6は、別言すれば、電圧コンバータ回路12の出力端19に並列に接続されている。平滑コンデンサ6は、電圧コンバータ回路12とインバータ回路13a、13bの間を流れる電流の脈動を除去する。
A
スイッチング素子9a−9h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。また、ここでいうスイッチング素子は、電力変換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。半導体モジュール8e−8gに含まれているスイッチング素子も同様である。
The
2セットのインバータ回路13a、13bの交流出力端には、それぞれのインバータ回路が出力する3相交流の電流を計測する電流センサ26が備えられている。電流センサの計測値は不図示のコントローラに送られる。コントローラは、電流センサ26の計測値をモニタしつつ、2セットのインバータ回路13a、13bの出力が目標電流に追従するように、スイッチング素子9a−9hを制御する。
At the AC output ends of the two sets of
図1において、破線8a−8gの夫々が半導体モジュールに相当する。電力変換装置2は、2個のスイッチング素子の直列回路を7セット備えている。ハードウエアとしては、直列回路を構成する2個のスイッチング素子、および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が一つのパッケージ(すなわち半導体モジュールの本体)に収容されている。以下では、半導体モジュール8a−8g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8と表記する。
In FIG. 1, each of the
7個の半導体モジュール(7セットの直列回路)の高電位側の端子(正極端子25a)が平滑コンデンサ6の正極電極に接続され、低電位側の端子(負極端子25b)が平滑コンデンサ6の負極電極に接続される。図1において、符号30が示す破線内の導電経路は、複数の半導体モジュール8の正極端子25aと平滑コンデンサ6の正極電極を相互に接続するバスバ(正極バスバ30)に対応する。符号40が示す破線内の導電経路は、複数の負極端子25bと平滑コンデンサ6の負極電極を相互に接続するバスバ(負極バスバ40)に対応する。
The high potential side terminal (
電圧コンバータ回路12の入力端18に降圧コンバータ27が接続されている。降圧コンバータ27は、メインバッテリ81の電圧を降圧してサブバッテリ82に供給する。サブバッテリ82は、車載の小電力機器に電力を供給する。車載の小電力機器とは、ルームランプやカーナビなど、メインバッテリ81の出力電圧よりもはるかに低い電圧で動作するデバイスを意味する。そのような小電力機器は補機と呼ばれる場合もある。サブバッテリ82の出力電圧は、典型的には12ボルトあるいは24ボルトである。図1では回路図は省略しているが、降圧コンバータ27は、トランスを使って入力端と出力端の絶縁を保持して変圧する絶縁型のコンバータである。
A step-
スイッチング素子9a−9h(半導体モジュール8)、リアクトル7、平滑コンデンサ6、降圧コンバータ27は、メインバッテリ81の大電力が流れるため、発熱量が大きい。電力変換装置2は、それら発熱部品を冷却する冷却器も備えている。次に、上記した発熱部品と冷却器のハードウエア構造について説明する。
The switching
図2に、電力変換装置2の平面図を示す。図3に、電力変換装置2の側面図を示す。図4に図2のIV−IV矢視断面図を示す。図2−4では、電力変換装置2の筐体は図示を省略している。また、以下では主に発熱部品と冷却器の構造について説明するので、図2−4では、コントローラを実現する制御基板など、いくつかの部品も図示と説明を省略する。
FIG. 2 shows a plan view of the
電力変換装置2は、複数の冷却パイプ51を有している冷却器50を備えている。冷却器50が、半導体モジュール8、リアクトル7、平滑コンデンサ6、降圧コンバータ27を冷却する。冷却器50は、電流センサ26と、端子台28(後述)も冷却する。
The
冷却器50は、図中の座標系のX方向に沿って延びる複数の冷却パイプ51を備えている。複数の冷却パイプ51は、それらの両端が一対の連結管52で連結されている。一対の連結管52は、複数の冷却パイプ51が平行になるようにそれらを支持している。隣り合う冷却パイプ51は、対向する面が平行となるように支持されている。複数の冷却パイプ51は、図中の座標系のY方向に並んでいる。隣り合う冷却パイプ51の間には隙間Gが確保されている(図2参照)。
The cooler 50 includes a plurality of cooling
一方の連結管52には冷媒供給口53aが設けられており、他方の連結管52には冷媒排出口53bが設けられている。図4に示すように、冷却パイプ51は、四角筒状であり、内部の空間に冷媒が通る。連結管52も内部が空洞であり、冷媒供給口53a(冷媒排出口53b)とそれぞれの冷却パイプ51を連通する。冷媒供給口53aから供給される冷媒は、一方の連結管52を通してすべての冷却パイプ51に分配される。冷却パイプ51を通過した冷媒は、他方の連結管52を通して冷媒排出口53bから排出される。
One connecting
先に述べたように、隣り合う冷却パイプ51の間には隙間Gが確保されている。その隙間Gに半導体モジュール8が配置されている。別言すれば、隣り合う冷却パイプ51の間に半導体モジュール8が挟まれている。半導体モジュール8は扁平であり、短手方向が冷却パイプ51の並び方向(図中の座標系のY方向)に一致する姿勢で隣り合う冷却パイプ51の間に挟まれている。図2に示されているように、冷却器50は、7個の隙間Gを有しており、それぞれの隙間Gに1個ずつ半導体モジュール8が挟まれている。複数の半導体モジュール8は、冷却パイプ51の並び方向(図中のY方向)に沿って配置されており、それぞれが隣り合う冷却パイプ51の間に挟まれている。それぞれの半導体モジュール8は、隣り合う2個の冷却パイプ51によって両面から冷却される。
As described above, a gap G is secured between the
冷却パイプ51は四角筒状であり、平行な一対の面51a、51b(図4参照)を有している。説明の便宜上、冷却パイプ51のY方向を向いている面を側面51a、51bと称し、+Z方向を向いている面を上面51cと称し、−Z方向を向いている面を下面51dと称する。図4では、右端の冷却パイプ51にて側面51aと下面51dが図示されており、左端の冷却パイプ51にて側面51bと上面51cが図示されており、残りの面には符号を付すことを省略した。すべての冷却パイプが側面51a、51bと上面51cと下面51dを有する。半導体モジュール8は、隣り合う冷却パイプ51の側面51a、51bの間に挟まれている。
The cooling
複数の冷却パイプ51の上面51cは一平面上に揃っており、その上面51cにコンデンサモジュール31とリアクトル7と端子台28が接している。コンデンサモジュール31には図1の平滑コンデンサ6が格納されている。コンデンサモジュール31から前述した正極バスバ30が枝状に延びており、それぞれの枝が半導体モジュール8の正極端子25aに接続されている。コンデンサモジュール31から前述した負極バスバ40が枝状に延びており、それぞれの枝が半導体モジュール8の負極端子25bに接続されている。枝状の正極バスバ30はコンデンサモジュール31の内部で連結されており、平滑コンデンサ6の一方の電極に接続されている。枝状の負極バスバ40もコンデンサモジュール31の内部で連結されており、平滑コンデンサ6の他方の電極に接続されている。
The
コンデンサモジュール31のほか、リアクトル7と端子台28も複数の冷却パイプ51の上面51cに接している。端子台28は、図1の2セットのインバータ回路13a、13bの交流出力端とモータ83a、83b(図1参照)から延びているパワーケーブルを接続するためのモジュールである。コンデンサモジュール31、リアクトル7、端子台28は、複数の冷却パイプ51の上面51cに接触し、冷却される。
In addition to the
複数の冷却パイプ51の下面51dも一平面上に揃っており、その下面51dに電流センサ26と降圧コンバータ27が接している。電流センサ26からは別のバスバが延びており、半導体モジュール8の下面から延びているパワー端子25cと接続されている。パワー端子25cは、半導体モジュール8に収容されている2個のスイッチング素子の直列回路の中点と導通している。
The
電流センサ26と降圧コンバータ27は、複数の冷却パイプ51の下面51dに接しており、冷却される。
The
以上説明したように、電力変換装置2では、複数の半導体モジュール8とその他の発熱部品(コンデンサモジュール31、リアクトル7、電流センサ26、降圧コンバータ27)が、複数の冷却パイプ51を有する一つの冷却器50で冷却される。冷却パイプ51は四角筒形状である。複数の冷却パイプ51は隙間Gを確保しつつ平行に延びている。複数の半導体モジュール8は、冷却パイプ51の並び方向(図中の座標系のY方向)に沿って一列に並んでおり、それぞれが隣り合う冷却パイプ51の間に挟まれている。半導体モジュール8は、冷却パイプ51の並び方向を向く面(側面51a、51b)に接して冷却される。
As described above, in the
いくつかの発熱部品(コンデンサモジュール31、リアクトル7、端子台28)は、冷却パイプ51の並び方向(Y方向)と延設方向(X方向)の両方向と交差する方向(Z方向)を向く面(上面51c)に接して冷却される。
Some heat-generating components (
その他の発熱部品(電流センサ26、降圧コンバータ27)は、冷却パイプ51のZ方向を向く別の面(下面51d)に接して冷却される。
The other heat-generating components (
以上のように、電力変換装置2では、1種類の冷却器50によって、複数の半導体モジュール8とそれら以外の別の発熱部品(コンデンサモジュール31、リアクトル7、端子台28など)を冷却することができる。それゆえ、電力変換装置2の全体のサイズを小さくできる可能性がある。
As described above, in the
また、隙間Gを隔てて平行に延びている複数の冷却パイプ51は、4方向の面がそれぞれ別々の発熱部品に接している。それぞれの冷却パイプ51の4面が冷却に用いられるので、冷却器50は空間効率がよい。また、冷却パイプ51の上面側の部品と下面側の部品を電気的に接続するバスバやケーブルを隣り合う冷却パイプ51の間の隙間Gに通すことができる。すなわち、隙間Gを確保しつつ平行に延びている複数の冷却パイプ51は、部品同士を接続するバスバやケーブルの配策にも有利である。また、隣り合う冷却パイプ51の間にバスバ等を通す場合、そのバスバも絶縁層を介して冷却パイプ51に接触させることで、バスバを冷却することができる。
Further, the plurality of cooling
図5に、変形例の電力変換装置2aの部分拡大断面図を示す。電力変換装置2aは冷却器60を備えている。冷却器60は、図中の座標系のX方向に平行に延びている複数の冷却パイプ61を備えている。図5は、冷却パイプ61の延設方向(X方向)に直交する平面で電力変換装置2aをカットした断面図である。
FIG. 5 shows a partially enlarged cross-sectional view of the
複数の冷却パイプ61のそれぞれは、八角筒状をなしている。冷却パイプ61の内部を冷媒が流れる。複数の冷却パイプ61は、側面61a、61bが平行となるように配置されている。隣り合う冷却パイプ61の間に半導体モジュール8が挟まれている。複数の冷却パイプ61の上面61cは一平面上に揃っており、その上面61cに別の発熱部品64が接している。複数の冷却パイプ61の下面61dも別の一平面上に揃っており、その下面61dに別の発熱部品65が接している。発熱部品64、65は、例えば実施例の電力変換装置2のリアクトル7、コンデンサモジュール31、端子台28、電流センサ26、降圧コンバータ27である。変形例の電力変換装置2aも、実施例の電力変換装置2と同様の効果を奏する。
Each of the plurality of cooling
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図5に示した八角筒状の冷却パイプ61は、角が切り落とされた四角筒状であると表現してもよい。冷却器50には、角が丸く面取りされた四角筒状の複数のパイプが用いられてもよい。
The points to be noted regarding the technique described in the examples will be described. The octagonal
複数の冷却パイプ51は、熱伝導率の高い材料(例えばアルミニウムあるいは銅)で作られているとよい。一方、部品の冷却に寄与しない連結管52、冷媒供給口53a、冷媒排出口53bは、熱伝導率の高くない材料(例えば樹脂)で作られているとよい。連結管52、冷媒供給口53a、冷媒排出口53bを通る際に冷媒の温度上昇を抑えることができる。
The plurality of cooling
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:電力変換装置
5:フィルタコンデンサ
6:平滑コンデンサ
7:リアクトル
8、8a−8g:半導体モジュール
9a−9h:スイッチング素子
12:電圧コンバータ回路
13a、13b:インバータ回路
25a:正極端子
25b:負極端子
25c:パワー端子
26:電流センサ
27:降圧コンバータ
28:端子台
30:正極バスバ
31:コンデンサモジュール
40:負極バスバ
50、60:冷却器
51、61:冷却パイプ
52:連結管
53a:冷媒供給口
53b:冷媒排出口
64、65:発熱部品
81:メインバッテリ
82:サブバッテリ
100:電気自動車
G:隙間
2, 2a: Power converter 5: Filter capacitor 6: Smoothing capacitor 7:
Claims (1)
複数の前記冷却パイプの並び方向に沿って配置されている電力変換用の複数の半導体モジュールであって夫々が隣り合う前記冷却パイプに挟まれている複数の半導体モジュールと、
前記並び方向及び前記冷却パイプの延設方向の両方と交差する方向を向く前記冷却パイプの面に接触している発熱部品と、
を備えている、電力変換装置。 Multiple cooling pipes in the shape of a square or octagon, which extend in parallel,
A plurality of semiconductor modules for power conversion arranged along the arrangement direction of the plurality of cooling pipes, each of which is sandwiched between adjacent cooling pipes, and a plurality of semiconductor modules.
A heat-generating component in contact with the surface of the cooling pipe facing a direction intersecting both the alignment direction and the extension direction of the cooling pipe.
Equipped with a power converter.
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