JP2020145317A

JP2020145317A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2020145317A
Application number: JP2019040890A
Authority: JP
Inventors: 高志柳; Takashi Yanagi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2020-09-10
Anticipated expiration: 2039-03-06
Also published as: JP7298198B2

Abstract

【課題】電力変換装置において、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータの半導体モジュールの温度上昇を抑制する【解決手段】電力変換装置であって、積層体を有する。前記積層体は、各半導体モジュールが複数の半導体モジュールのうちの２つに挟まれるように複数の前記冷却器と複数の前記半導体モジュールが積層されて、構成されている。複数の前記半導体モジュールが、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部を構成する少なくとも１つの昇圧半導体モジュールを有する。複数の前記冷却器のうちの前記昇圧半導体モジュールに接する少なくとも１つの隣接冷却器の前記昇圧半導体モジュールに対する接触面と反対側の面が、複数の前記半導体モジュールのいずれにも接していない。【選択図】図３

Description

本明細書に開示の技術は、電力変換装置に関する。

特許文献１に開示の電力変換装置は、複数の冷却器と複数の半導体モジュールが交互に積層されて構成された積層体を有している。積層体の両端部に冷却器が位置するように、複数の冷却器と複数の半導体モジュールが交互に積層されている。各半導体モジュールは、一対の冷却器によって挟まれている。各半導体モジュールは、スイッチング素子を内蔵している。各半導体モジュールが互いに接続されることによって、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路とインバータ回路が構成されている。昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ回路とインバータ回路が動作すると、各半導体モジュールが発熱する。各半導体モジュールは、両側から冷却器によって冷却される。これによって、各半導体モジュールの温度上昇が抑制される。

特開２００７−２６６６３４号公報

昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータでは、半導体モジュールで生じる発熱量が高い。このため、電力変換装置では、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータの半導体モジュールが、他の半導体モジュールよりも高温となり易い。本明細書では、電力変換装置において、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータの半導体モジュールの温度上昇を抑制する技術を提案する。

本明細書が開示する電力変換装置は、積層体と、冷媒供給管と、冷媒排出管を有する。前記積層体は、複数の冷却器と複数の半導体モジュールを有する。前記各半導体モジュールが前記複数の半導体モジュールのうちの２つに挟まれるように複数の前記冷却器と複数の前記半導体モジュールが積層されて、前記積層体が構成されている。前記冷媒供給管は、前記各冷却器に冷媒を供給する。前記冷媒排出管には、前記各冷却器から排出された冷媒が流入する。複数の前記半導体モジュールが、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部を構成する少なくとも１つの昇圧半導体モジュールを有する。複数の前記冷却器のうちの前記昇圧半導体モジュールに接する少なくとも１つの隣接冷却器の前記昇圧半導体モジュールに対する接触面と反対側の面が、複数の前記半導体モジュールのいずれにも接していない。

この電力変換装置では、昇圧半導体モジュールに接する隣接冷却器の昇圧半導体モジュールに対する接触面と反対側の面が、複数の半導体モジュールのいずれにも接していない。このため、隣接冷却器は片側から加熱される。このため、隣接冷却器内の冷媒の温度が上昇し難く、隣接冷却器は高い冷却性能を有する。したがって、隣接冷却器に接する昇圧半導体モジュールを効率的に冷却することができ、昇圧半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる。

電力制御回路の回路図。半導体モジュールの斜視図。電力変換装置の斜視図。電力変換装置の平面図。冷却器の斜視図。半導体モジュールの位置と熱抵抗の関係を示すグラフ。変形例の電力制御回路の回路図。変形例１の積層体の平面図。変形例２の積層体の平面図。変形例３の積層体の平面図。

図１は、電気自動車等の車両に搭載される電力制御回路１０を示している。車両は、走行用モータ１８を備えている。電力制御回路１０は、バッテリ１２の直流電力を交流電力に変換して走行用モータ１８に供給する。電力制御回路１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４とインバータ回路１６を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４は、バッテリ１２の出力電圧（直流電圧）を昇圧する。インバータ回路１６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４の出力電圧（昇圧された直流電圧）を交流電力に変換する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４は、高電位配線２０、低電位配線２２、中間配線２４、コンデンサ３０、リアクトル３２、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）３４ａ〜３４ｄ、及び、コンデンサ３６を有している。コンデンサ３０は、バッテリ１２の正極と負極の間に接続されている。中間配線２４は、リアクトル３２を介してバッテリ１２の正極に接続されている。低電位配線２２は、バッテリ１２の負極に接続されている。ＩＧＢＴ３４ａ、３４ｃは、コレクタが高電位配線２０側を向く向きで高電位配線２０と中間配線２４の間に接続されている。ＩＧＢＴ３４ｂ、３４ｄは、コレクタが中間配線２４側を向く向きで中間配線２４と低電位配線２２の間に接続されている。ＩＧＢＴ３４ａ〜３４ｄのそれぞれに対して並列にダイオードが接続されている。各ダイオードのアノードが対応するＩＧＢＴのエミッタに接続されており、各ダイオードのカソードが対応するＩＧＢＴのコレクタに接続されている。コンデンサ３６は、高電位配線２０と低電位配線２２の間に接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４は、バッテリ１２の正極と負極の間の電圧を昇圧し、昇圧した電圧を高電位配線２０と低電位配線２２の間に印加する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４は、高電位配線２０と低電位配線２２の間の電圧を降圧し、降圧した電圧をバッテリ１２の正極と負極の間に印加することもできる。

インバータ回路１６は、高電位配線２０、低電位配線２２、出力配線２６〜２８、及び、ＩＧＢＴ３４ｅ〜３４ｊを有している。出力配線２６〜２８は、走行用モータ１８に接続されている。ＩＧＢＴ３４ｅは、コレクタが高電位配線２０側を向く向きで高電位配線２０と出力配線２６の間に接続されている。ＩＧＢＴ３４ｇは、コレクタが高電位配線２０側を向く向きで高電位配線２０と出力配線２７の間に接続されている。ＩＧＢＴ３４ｉは、コレクタが高電位配線２０側を向く向きで高電位配線２０と出力配線２８の間に接続されている。ＩＧＢＴ３４ｆは、コレクタが出力配線２６側を向く向きで出力配線２６と低電位配線２２の間に接続されている。ＩＧＢＴ３４ｈは、コレクタが出力配線２７側を向く向きで出力配線２７と低電位配線２２の間に接続されている。ＩＧＢＴ３４ｊは、コレクタが出力配線２８側を向く向きで出力配線２８と低電位配線２２の間に接続されている。ＩＧＢＴ３４ｅ〜３４ｊのそれぞれに対して並列にダイオードが接続されている。各ダイオードのアノードが対応するＩＧＢＴのエミッタに接続されており、各ダイオードのカソードが対応するＩＧＢＴのコレクタに接続されている。

インバータ回路１６は、高電位配線２０と低電位配線２２の間に印加される直流電力を三相交流電力に変換し、三相交流電力を出力配線２６〜２８を介して走行用モータ１８に供給する。

図１に示すように、ＩＧＢＴ３４ａ、３４ｂの直列回路、ＩＧＢＴ３４ｃ、３４ｄの直列回路、ＩＧＢＴ３４ｅ、３４ｆの直列回路、ＩＧＢＴ３４ｇ、３４ｈの直列回路、及び、ＩＧＢＴ３４ｉ、３４ｊの直列回路のそれぞれは、半導体モジュール４０ａ〜４０ｅにより構成されている。なお、以下では、半導体モジュール４０ａ〜４０ｅをまとめて、半導体モジュール４０という場合がある。

図２は、半導体モジュール４０の構成を示している。図２に示すように、半導体モジュール４０は、絶縁樹脂４２、３つの主端子４４ａ〜４４ｃ、及び、複数の信号端子４６を有している。絶縁樹脂４２は、直列に接続された２つのＩＧＢＴ３４を内蔵している。３つの主端子４４ａ〜４４ｃと信号端子４６は、絶縁樹脂４２の側面から突出している。主端子４４ａ〜４４ｃは、絶縁樹脂４２の内部でＩＧＢＴ３４に接続されている。主端子４４ａは、高電位配線２０に接続される端子である。主端子４４ｂは、低電位配線２２に接続される端子である。主端子４４ｃは、中間配線２４または出力配線２６〜２８に接続される端子である。信号端子４６は、ＩＧＢＴ３４を制御するための端子である。信号端子４６は、ＩＧＢＴ３４のゲート端子や、ＩＧＢＴ３４の電流、温度等を検出する端子を含む。

図３、４は、半導体モジュール４０を集積した電力変換装置５０を示している。電力変換装置５０は、複数の冷却器５２ａ〜５２ｆと、上述した半導体モジュール４０ａ〜４０ｅを備えている。各冷却器５２は、扁平形状を有している。複数の冷却器５２と複数の半導体モジュール４０とが交互に積層されることで、積層体５１が構成されている。冷却器５２と半導体モジュール４０は、積層体５１の両端部に冷却器５２ａと冷却器５２ｆが位置するように積層されている。以下では、積層体５１の両端部に配置されている２つの冷却器５２ａ、５２ｆを端部冷却器という場合がある。また、両端部以外の位置に配置されている複数の冷却器５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ（すなわち、端部冷却器５２ａと端部冷却器５２ｆの間に配列されている複数の冷却器５２）を、中間冷却器という場合がある。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４の一部を構成する半導体モジュール４０ａは、端部冷却器５２ａとその隣の中間冷却器５２ｂの間に挟まれている。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４の一部を構成する半導体モジュール４０ｂは、端部冷却器５２ｆとその隣の中間冷却器５２ｅの間に挟まれている。インバータ回路１６の一部を構成する半導体モジュール４０ｃは、中間冷却器５２ｂと中間冷却器５２ｃの間に挟まれている。インバータ回路１６の一部を構成する半導体モジュール４０ｄは、中間冷却器５２ｃと中間冷却器５２ｄの間に挟まれている。インバータ回路１６の一部を構成する半導体モジュール４０ｅは、中間冷却器５２ｄと中間冷却器５２ｅの間に挟まれている。

図５に示すように、各冷却器５２の長手方向の両端部に、接続孔２４ａ、２４ｂが設けられている。各冷却器５２の内部には、接続孔２４ａと接続孔２４ｂとを連通する冷媒流路が形成されている。図３、４に示すように、各冷却器５２の接続孔２４ａに冷媒供給管６０が接続されており、各冷却器５２の接続孔２４ｂに冷媒排出管６２が接続されている。冷媒供給管６０と冷媒排出管６２は、図示しないポンプに接続されている。ポンプが作動すると、図３、４において矢印で示すように、冷媒供給管６０から各冷却器５２の内部の冷媒流路を通って冷媒排出管６２へ冷媒（本実施形態では冷却水）が流れる。各冷却器５２に冷媒が流れることで、半導体モジュール４０で生じる熱が冷媒に吸収され、半導体モジュール４０が冷却される。

図３、４に示すように、端部冷却器５２ａ、５２ｆは、片面でのみ半導体モジュール４０に接している。これに対し、中間冷却器５２ｂ〜５２ｅは、一対の半導体モジュール４０によって挟まれており、両面で半導体モジュール４０に接している。このため、各半導体モジュール４０と各冷却器５２を動作させたときに、端部冷却器５２ａ、５２ｆ内の冷媒は、中間冷却器５２ｂ〜５２ｅ内の冷媒よりも加熱され難い。このため、半導体モジュール４０ａ、４０ｂは、半導体モジュール４０ｃ〜４０ｅよりも効率的に冷却される。

図６は、端部冷却器と中間冷却器の冷却性能の差を実証するために行った実験の結果を示している。この実験では、図３、４と同様に複数の半導体モジュールと複数の冷却器を交互に積層した積層体において、各半導体モジュールを動作させながら各冷却器によって各半導体モジュールを冷却し、各半導体モジュールの熱抵抗を測定した。なお、この実験では、冷媒の流量を変化させて、冷媒の各流量において熱抵抗を測定した。また、この実験では、９個の半導体モジュールと１０個の冷却器を交互に積層した積層体を用いた。図６の横軸は、半導体モジュールの番号を表しており、この番号は積層体中における半導体モジュールの位置に対応している。半導体モジュール１と半導体モジュール９は、端部冷却器と中間冷却器に挟まれている。その他の半導体モジュール２〜８は、一対の中間冷却器に挟まれている。図６から明らかなように、冷媒の流量がいずれの場合でも、端部冷却器に接している半導体モジュール１、９の熱抵抗が、他の半導体モジュール２〜８の熱抵抗よりも低い。特に、冷媒の流量が少ない場合には、冷媒が加熱され易いので、冷却性能の差が顕著に表れる。このため、冷媒の流量が少ない場合には、半導体モジュール１、９の熱抵抗が、他の半導体モジュール２〜８の熱抵抗よりも格段に低くなる。このように、端部冷却器と中間冷却器に挟まれた半導体モジュール１、９に対する冷却性能は、中間冷却器と中間冷却器に挟まれた半導体モジュール２〜８に対する冷却性能よりも高くなる。

図３、４に示す実施形態の電力変換装置５０では、半導体モジュール４０ａ、４０ｂに対する冷却性能が、半導体モジュール４０ｃ〜４０ｅに対する冷却性能よりも高い。上述したように、半導体モジュール４０ａ、４０ｂはＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４に搭載されており、半導体モジュール４０ｃ〜４０ｅはインバータ回路１６に搭載されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４に搭載されている半導体モジュール４０ａ、４０ｂは、インバータ回路１６に搭載されている半導体モジュール４０ｃ〜４０ｅよりも消費電力が高い状態で使用される。このため、半導体モジュール４０ａ、４０ｂの発熱量は、半導体モジュール４０ｃ〜４０ｅの発熱量よりも高い。このため、実施形態の電力変換装置５０では、発熱量が高い半導体モジュール４０ａ、４０ｂを効率的に冷却することができる。これによって、半導体モジュール４０ａ、４０ｂの温度上昇を抑制することができ、半導体モジュール４０ａ、４０ｂの温度が半導体モジュール４０ｃ〜４０ｅの温度に対して極端に高くなることを防止することができる。すなわち、半導体モジュール４０ａ〜４０ｅの間での温度のばらつきを抑制することができる。したがって、実施形態の電力変換装置５０の構造によれば、一部の半導体モジュール４０が他の半導体モジュール４０よりも速く劣化することを防止することができ、電力変換装置５０を長寿命化することができる。

なお、図６に示されているように、積層体の中央部の半導体モジュール（例えば、半導体モジュール５）では、両端部を除く中央部よりも外側の半導体モジュール（例えば、半導体モジュール３、８）よりも熱抵抗が低くなる傾向にある。したがって、電力変換装置５０においては、半導体モジュール４０ａ、４０ｂの次に発熱量が高い半導体モジュール４０を、積層体の中央部に配置してもよい。

また、上記の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４から単一のインバータ回路１６に電力が供給された。しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４から複数のインバータ回路に電力を供給するようにしてもよい。この場合、各インバータ回路に搭載される各半導体モジュールを、中間冷却器と中間冷却器の間に挟まれるように配置することができる。

また、上記の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４が２つの半導体モジュール４０ａ、４０ｂを有していた。しかしながら、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４に搭載される半導体モジュール４０が１つであってもよい。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４に搭載される半導体モジュール４０を端部冷却器と中間冷却器の間に配置することで、その半導体モジュール４０を効率的に冷却することができる。

また、上記の実施形態では、電力制御回路１０が単一のＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４を有していた。しかしながら、図７に示すように、電力制御回路が２つのＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４ａ、１４ｂを有していてもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４ａ、１４ｂのそれぞれが、１つの半導体モジュール４０ｆ、４０ｇを有している。この場合、半導体モジュール４０ｆ、４０ｇを端部冷却器と中間冷却器の間に配置することができる。

なお、上記の実施形態では、端部冷却器５２ａ、５２ｆが、隣接冷却器（すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路１４の一部を構成する半導体モジュール４０ａ、４０ｂに接する冷却器）の一例である。隣接冷却器５２ａ、５２ｆの半導体モジュール４０ａ、４０ｂに対する接触面の反対側の面がいずれの半導体モジュールにも接していないことで、半導体モジュール４０ａ、４０ｂを効率的に冷却することが可能とされている。

次に、図８〜１０に示す変形例１〜３の積層体について説明する。なお、図８〜１０においては、参照符号４０ｘが昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部を構成する昇圧半導体モジュールを示し、参照符号４０ｙがインバータ回路の一部を構成する半導体モジュールを示し、参照符号５２ｘが昇圧半導体モジュールに隣接する隣接冷却器を示し、参照符号５２ｙがその他の冷却器を示す。

図８に示す変形例１の積層体では、２つの昇圧半導体モジュール４０ｘ（４０ｘ−１、４０ｘ−２）が半導体モジュール４０の中の両端に配置されている。図８の積層体は、昇圧半導体モジュール４０ｘに隣接する４つの隣接冷却器５２ｘ（５２ｘ−１〜５２ｘ−４）を有している。隣接冷却器５２ｘ−１、５２ｘ−４は、積層体の端部に位置しているので、その片面でのみ半導体モジュール４０と接している。したがって、隣接冷却器５２ｘ−１、５２ｘ−４は、昇圧半導体モジュール４０ｘ−１、４０ｘ−２を効率的に冷却することができる。また、隣接冷却器５２ｘ−２とその隣の冷却器５２ｙの間の領域９１、及び、隣接冷却器５２ｘ−３とその隣の冷却器５２ｙの間の領域９２には、半導体モジュール４０が配置されていない。すなわち、領域９１、９２は、空間となっている。このため、隣接冷却器５２ｘ−２、５２ｘ−３は、その片面でのみ半導体モジュール４０と接している。したがって、隣接冷却器５２ｘ−２、５２ｘ−３は、昇圧半導体モジュール４０ｘ−１、４０ｘ−２を効率的に冷却することができる。

図９に示す変形例２の積層体では、半導体モジュール４０の中で、２つの昇圧半導体モジュール４０ｘ（４０ｘ−１、４０ｘ−２）が並んでおり、６つの半導体モジュール４０ｙが並んでいる。図９の積層体は、昇圧半導体モジュール４０ｘに隣接する３つの隣接冷却器５２ｘ（５２ｘ−１〜５２ｘ−３）を有している。隣接冷却器５２ｘ−１は、積層体の端部に位置しているので、その片面でのみ半導体モジュール４０と接している。したがって、隣接冷却器５２ｘ−１は、昇圧半導体モジュール４０ｘ−１を効率的に冷却することができる。また、隣接冷却器５２ｘ−３とその隣の冷却器５２ｙの間の領域９３には、半導体モジュール４０が配置されていない。すなわち、領域９３は、空間となっている。このため、隣接冷却器５２ｘ−３は、その片面でのみ半導体モジュール４０と接している。したがって、隣接冷却器５２ｘ−３は、昇圧半導体モジュール４０ｘ−２を効率的に冷却することができる。

図１０に示す変形例３の積層体は、変形例２の積層体において、半導体モジュール４０ｙの列の中に一定間隔で領域９４を設けたものである。領域９４には、半導体モジュール４０が配置されていない。すなわち、領域９４は、空間となっている。領域９４を設けることで、各冷却器５２ｙの冷却性能を向上することができる。

なお、変形例１〜３（図８〜１０）において、領域９１〜９４に非発熱体により構成されたダミーモジュールを配置してもよい。また、領域９１〜９４を圧縮して、これらの両側の冷却器を接触させてもよい。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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さまざまに変形、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、単独あるいは各種の組み合わせによって技術有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わ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するものであり、そのうちの１つの目的を達成すること自体で技術有用性を持つものである。

１０：電力制御回路
１２：バッテリ
１４：ＤＣ−ＤＣコンバータ回路
１６：インバータ回路
１８：走行用モータ
２０：高電位配線
２２：低電位配線
２４：中間配線
２６：出力配線
２７：出力配線
２８：出力配線
３０：コンデンサ
３２：リアクトル
３６：コンデンサ
４０：半導体モジュール
５０：電力変換装置
５１：積層体
５２：冷却器
６０：冷媒供給管
６２：冷媒排出管

Claims

電力変換装置であって、
複数の冷却器と複数の半導体モジュールを有し、前記各半導体モジュールが前記複数の半導体モジュールのうちの２つに挟まれるように複数の前記冷却器と複数の前記半導体モジュールが積層されて構成された積層体と、
前記各冷却器に冷媒を供給する冷媒供給管と、
前記各冷却器から排出された冷媒が流入する冷媒排出管、
を有しており、
複数の前記半導体モジュールが、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の一部を構成する少なくとも１つの昇圧半導体モジュールを有し、
複数の前記冷却器のうちの前記昇圧半導体モジュールに接する少なくとも１つの隣接冷却器の前記昇圧半導体モジュールに対する接触面と反対側の面が、複数の前記半導体モジュールのいずれにも接していない、
電力変換装置。