JP2024003918A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減し、容易な構成で安価に二次側の半導体素子を冷却できる電力変換装置を提供する。【解決手段】直流電圧Ｖｉｎを交流電圧に変換する複数の半導体スイッチング素子４ａ～４ｄと、前記交流電圧を一次側から二次側へ伝達して出力する絶縁トランス２と、前記出力を整流する複数のダイオード５ａ、５ｂを含む整流回路５と、を備え、複数の半導体スイッチング素子４ａ～４ｄと、複数のダイオード５ａ、５ｂを同一パッケージに封止されたモジュールで構成した。【選択図】図３

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

電気自動車、あるいはハイブリッド自動車等の電動化車両には、高電圧のリチウムイオンバッテリから低電圧の鉛バッテリを充電するために、ＤＣ／ＤＣコンバータが搭載されている。高電圧からの保護を目的として、高電圧のリチウムイオンバッテリはシャーシ、あるいは低電圧系統からは絶縁されており、ＤＣ／ＤＣコンバータも一般的には絶縁トランスにより、高電圧の入力側と低電圧の出力側との絶縁が必要となる。その際に、直流の入力電圧を半導体素子等でスイッチングし、交流等の信号に変換して絶縁トランスの一次側に入力し、絶縁トランスの二次側の出力を、半導体素子等で整流して直流の出力電圧としている。

電動化車両のＤＣ／ＤＣコンバータの二次側に流れる電流は、数１００Ａ前後以上の電流が必要なことが多く、通常のガラスエポキシ基板では、銅厚が薄いため損失による温度上昇が大きく適用が困難である。そのため、例えば特許文献１では、配線として厚みのある銅板を用いて、その銅板に表面実装のディスクリートの半導体素子を実装し、銅板を冷却器に固定して大電流による配線の温度上昇を抑制すると共に、ディスクリートの半導体素子を冷却している。

特許第６５１６９１０号

銅板の上に実装したディスクリート半導体素子の冷却性を確保するには、銅板を冷却器に確実に固定する必要があり、配線としての銅板だけでなく、銅板を固定するねじ、あるいはブッシュが必要となり、部品点数が多く、材料のみでなく製造する上で高価になっていた。また、ディスクリート素子の入出力配線としての銅板の平面度、あるいは固定のための強度確保のために、銅板をインサート成型する必要があることもコスト増の要因となっていた。さらには、出力電流によっては、ディスクリートの半導体素子を複数並べる必要があり、銅板が大型化する。大型化する板金を固定するために、ねじ点数が増えてさらに銅板が大型化し、冷却の必要な面積が増えて、冷却器が高価になるという問題があった。特に、ディスクリート半導体素子を冷却する銅板に、冷却器との絶縁が必要な回路構成では、絶縁信頼性を確保しようとすると銅板と冷却器の間のグリス、あるいはギャップフィラーの厚みを増やす必要があって冷却性能が悪化し、さらにディスクリート半導体素子の増加あるいは銅板の大型化により、低コスト化の妨げとなっていた。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、部品点数を削減し、容易な構成で安価に二次側の半導体素子を冷却できる電力変換装置を提供することを目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、直流電源の直流電圧を交流電圧に変換する複数の半導体スイッチング素子と、前記交流電圧を一次側から二次側へ伝達して出力する絶縁トランスと、前記出力を整流する複数の整流素子を含む整流回路と、を備え、
前記複数の半導体スイッチング素子と前記複数の整流素子は、同一パッケージに封止されたモジュールで構成されていることを特徴とする。

本願に開示される電力変換装置によれば、部品点数を削減し、容易な構成で安価に二次側の半導体素子を冷却できる電力変換装置が得られる。

実施の形態１による電力変換装置の回路図である。 実施の形態１による電力変換装置のモジュールの内部構成を示す図である。 実施の形態１による電力変換装置の実装構造を示す図である。 実施の形態１による電力変換装置の実装構造を示す側面図である。 実施の形態２による電力変換装置の回路図である。 実施の形態２による電力変換装置の実装構造を示す側面図である。 実施の形態２による電力変換装置の実装構造を示す平面図である。 実施の形態２による電力変換装置の実装構造の別例を示す側面図である。

以下、本願による電力変換装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一または相当する部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力変換装置の回路構成図である。図１に示すように、電力変換装置１００は、直流電源１の直流電圧Ｖｉｎをトランス２で絶縁された二次側直流電圧に変換し、例えばバッテリ等の負荷３に直流電圧Ｖｏｕｔを出力する。

電力変換装置１００は、絶縁されたトランス２と、トランス２の一次巻線２ａに接続され、ソース・ドレイン間にダイオードが内蔵されたＭＯＳＦＥＴからなる半導体スイッチング素子４ａ～４ｄをフルブリッジ構成して、直流電源１の直流電圧Ｖｉｎを交流電圧に変換するインバータとしての単相インバータ４と、トランス２の二次巻線２ｂに接続され、半導体素子である整流素子としてのダイオード５ａ、５ｂを配置した整流回路５を備える。また、整流回路５の出力には出力平滑用の平滑リアクトル６と平滑コンデンサ７が接続され、負荷３へ直流電圧Ｖｏｕｔが出力される。トランス２は二次側がセンタータップ型であり、センタータップ端子はＧＮＤに接続され、それ以外の二次側端子は、ダイオード５ａ、５ｂのアノード端子にそれぞれ接続される。ダイオード５ａ、５ｂのカソード端子は、平滑リアクトル６に接続される。

上記においては、電力変換装置１００の例として、二次側がセンタータップ型のＤＣ／ＤＣコンバータの例を示したが、二次側がフルブリッジ構成でもよく、また、整流素子としてダイオードの例を示したが、ＭＯＳＦＥＴでもよい。更に、一次側がフルブリッジのＤＣ／ＤＣコンバータの例を示したが、フォワード型、あるいはフライバック型、ＬＬＣ型等、絶縁トランスを持つ絶縁型コンバータであれば何でもよい。なお、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄは、ＭＯＳＦＥＴに限らず、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の自己消弧型半導体スイッチング素子でもよい。整流素子がＭＯＳＦＥＴの場合も同様である。

次に、本実施の形態における一次側の半導体スイッチング素子４ａ～４ｄ、および二次側のダイオード５ａ、５ｂを同一パッケージに封止したモジュールの構成について、図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて説明する。なお、図２（ａ）および図２（ｂ）において、図１に対応する箇所には同一符号を用いて説明する。

図２（ａ）は、モジュール８の上面透視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の正面方向からの断面透視図である。図２によりモジュール８の断面構造を説明する。
半導体スイッチング素子４ａ～４ｄは、例えば、底面にドレインパッドを持ち、上面にそれぞれゲートパッド４０ａ～４０ｄ、およびソースパッド４１ａ～４１ｄを有する半導体チップである。半導体スイッチング素子４ａ～４ｄは、それぞれリードフレーム４２ａ～４２ｄに実装される。ダイオード５ａ、５ｂは、例えば、底面にカソードパッド、上面にアノードパッドを有し、リードフレーム４３に実装される。

符号４４、４５ａ～４５ｄ、４６ａ～４６ｄ、４７ａ、４７ｂは、リードフレームを示し、リードフレーム４３、４４、４２ａ～４２ｄ、４５ａ～４５ｄ、４６ａ～４６ｄ、４７ａ、４７ｂは、冷却板９と絶縁部材１０により絶縁されている。半導体スイッチング素子４ａ～４ｄ、ダイオード５ａ、５ｂ、リードフレーム４３、４４、４２ａ～４２ｄ、４５ａ～４５ｄ、４６ａ～４６ｄ、４７ａ、４７ｂ、冷却板９、および絶縁部材１０は、冷却板９のモジュール８の底面方向の面を露出させて樹脂１１によりモールドされる。また、リードフレーム４２ａ～４２ｄ、４３、４４、４５ａ～４５ｄ、４６ａ～４６ｄ、４７ａ、４７ｂは、モジュール８の上面方向に向かって折り曲げられ、外部端子を構成している。図２（ｂ）の断面透視図では、ボンディング等の接続配線は省略されている。

次に、図２（ａ）に示すモジュール８の上面透視図について説明する。
半導体スイッチング素子４ａのドレインパッドは、リードフレーム４２ａに実装され、リードフレーム４２ａは、例えばガラスエポキシ基板の配線パターン等を介して直流電源１の正極に接続される。半導体スイッチング素子４ａのソースパッド４１ａは、ワイヤボンディング４８ａでリードフレーム４２ｂと接続され、リードフレーム４２ｂは、ガラスエポキシ基板の配線パターン等を介して、トランス２の一次巻線２ａに接続される。
半導体スイッチング素子４ｂのドレインパッドは、リードフレーム４２ｂに実装される。半導体スイッチング素子４ｂのソースパッド４１ｂは、ワイヤボンディング４８ｂでリードフレーム４４に接続され、リードフレーム４４は、ガラスエポキシ基板の配線パターン等を介して、直流電源１の負極に接続される

半導体スイッチング素子４ｃのドレインパッドは、リードフレーム４２ｃに実装され、リードフレーム４２ｃは、ガラスエポキシ基板の配線パターン等を介して直流電源１の正極に接続される。
半導体スイッチング素子４ｃのソースパッド４１ｃは、ワイヤボンディング４８ｃでリードフレーム４２ｄと接続され、リードフレーム４２ｄは、ガラスエポキシ基板の配線パターン等を介して、トランス２の一次巻線２ａに接続される。
半導体スイッチング素子４ｄのドレインパッドは、リードフレーム４２ｄに実装される。半導体スイッチング素子４ｄのソースパッド４１ｄは、ワイヤボンディング４８ｄでリードフレーム４４に接続される。

また、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄのそれぞれのゲートパッド４０ａ～４０ｄは、ワイヤボンディング４９ａ～４９ｄにより、それぞれリードフレーム４５ａ～４５ｄに接続される。リードフレーム４５ａ～４５ｄは、ガラスエポキシ基板の配線パターンを介して、ガラスエポキシ基板に実装されているゲート回路に接続される。さらに、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄのゲート駆動用の基準電位が、それぞれのソースパッド４１ａ～４１ｄから、ワイヤボンディング５０ａ～５０ｄにより、それぞれリードフレーム４６ａ～４６ｄに接続される。リードフレーム４６ａ～４６ｄは、ガラスエポキシ基板の配線パターンを介して、ガラスエポキシ基板に実装されているそれぞれのゲート回路の基準電位に接続される。

上記においては、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄのゲート駆動用の基準電位が、ソースパッド４１ａ～４１ｄからワイヤボンディング５０ａ～５０ｄにより、それぞれリードフレーム４６ａ～４６ｄに接続される例を示したが、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄにソースパッド４１ａ～４１ｄとは別にゲート駆動用パッドをそれぞれ設け、それぞれのゲート駆動用パッドからワイヤボンディング５０ａ～５０ｄにより、それぞれリードフレーム４６ａ～４６ｄに接続してもよい。

ダイオード５ａは、アノードパッド５１ａからワイヤボンディング５２ａでリードフレーム４７ａと接続され、リードフレーム４７ａは、例えば半田付け、あるいは溶接等で、トランス２の二次巻線２ｂに接続される。また、ダイオード５ｂは、アノードパッド５１ｂからワイヤボンディング５２ｂでリードフレーム４７ｂと接続され、リードフレーム４７ｂは、例えば半田付け、あるいは溶接等で、トランス２の二次巻線２ｂに接続される。また、ダイオード５ａ、５ｂのカソードパッドは共通のリードフレーム４３に実装され、リードフレーム４３は、平滑リアクトル６に接続される。

ここで、リードフレーム４２ａ～４２ｄ、４４、４５ａ～４５ｄ、４６ａ～４６ｄは、一次側外部端子であり、リードフレーム４３、４７ａ、４７ｂは二次側外部端子となる。また、リードフレーム４２ａ、４２ｃ、４４は一次側外部端子の中において一次側直流入力端子となり、リードフレーム４２ｂ、４２ｄは一次側外部端子の中において一次側交流出力端子となる。更に、リードフレーム４７ａ、４７ｂは、二次側外部端子の中において二次側交流入力端子となり、リードフレーム４３は、二次側直流出力端子となる。

リードフレーム４２ｂ、４２ｄは、モジュール８の外側であるガラスエポキシ基板上で接続してもよいし、リードフレーム４４を跨ぐバスバーを実装してモジュール内部にて接続してもよい。また、ゲートのワイヤボンディング４９ａ～４９ｄは１本、ドレインのワイヤボンディングは３本の例を示したが、その本数に限るものではない。また、ワイヤボンディングではなくバスバーでも良い。

次に、本実施の形態の電力変換装置を収納する筐体への電力変換装置の実装方法を、図３（ａ）および図３（ｂ）を用いて説明する。図３（ａ）は、電力変換装置１００の実装構造を示す平面図であり、図３（ｂ）は、外部端子の接続関係を表す左側面図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）において、筐体１２には、電力変換装置１００の主な発熱部品であるモジュール８、トランス２、および平滑リアクトル６等を冷却する冷媒である冷却水の水路１３への入口１４と、水路１３からの出口１５が設けられている。なお、筐体１２は、水路１３を流れる冷却水により冷却器として機能し、モジュール８はこの冷却器の法線方向に積層されている。水路１３の投影面上には、モジュール８、トランス２、および平滑リアクトル６が実装されている。基板１６はモジュール８に重なるように実装される。このとき、トランス２、平滑リアクトル６の少なくとも一部に重なってもよい。モジュール８は、図２と共通の箇所は同一符号で表しており、インバータ４を構成する半導体スイッチング素子４ａ～４ｄ、整流回路５を構成するダイオード５ａ、５ｂのみ記載し、冷却板９、絶縁部材１０、およびボンディングワイヤ等は省略されている。

図３（ａ）において、インバータ４はモジュール８の左領域に、整流回路５はモジュール８の右側領域に実装されている。インバータ４を直流電源１に接続する外部端子となるリードフレーム４２ａ、４２ｃ、４４は、モジュール８の平滑リアクトル６と対向する側面に位置し、半導体スイッチング素子４ａ、４ｃのそれぞれのゲート端子となるリードフレーム４５ａ、４５ｃと共に、基板１６に設けられたスルーホールを通り、半田等にて基板１６に接続される。インバータ４をトランス２に接続する外部端子となるリードフレーム４２ｂ、４２ｄは、モジュール８のトランス２と対向する側面に位置し、半導体スイッチング素子４ｂ、４ｄのそれぞれのゲート端子となるリードフレーム４５ｂ、４５ｄと共に基板１６に設けられたスルーホールを通り、半田等にて基板１６に接続される。

整流回路５をトランス２に接続する外部端子であるリードフレーム４７ａ、４７ｂは、モジュール８のトランス２と対向する側面に位置しており、平滑リアクトル６に接続する外部端子であるリードフレーム４３は、モジュール８の平滑リアクトル６と対向する側面に位置している。トランス２の端子５３、５４、５５、５６は全てモジュール８側に位置し、インバータ４に接続する端子５３、５４は、基板１６に設けられたスルーホールを通り、半田等にて基板１６に接続され、基板１６上の配線１７を介して、モジュール８の外部端子であるリードフレーム４２ｂ、４２ｄとそれぞれ接続される。また、整流回路５に接続するトランス２の端子５５、５６は、モジュール８の外部端子であるリードフレーム４７ａ、４７ｂとそれぞれ対向するように配置され、例えば溶接等でリードフレーム４７ａ、４７ｂに接続される。

整流回路５を平滑リアクトル６に接続する外部端子であるリードフレーム４３は、モジュール８の平滑リアクトル６と対向する側面に位置しており、平滑リアクトル６の端子１８と例えば溶接等で接続される。

図４は、筐体１２と、水路１３、モジュール８、インバータ４、および整流回路５の位置関係を示している。筐体１２の内部に設けられた水路１３は扁平型の水路であり、水路１３の投影面上にモジュール８が配置され、グリス、あるいはギャップフィラー等の冷却部材１９を介して筐体１２に実装される。また、インバータ４を構成する半導体スイッチング素子４ａ～４ｄ、整流回路５を構成するダイオード５ａ、５ｂが、冷却部材１９および筐体１２を介して水路１３にて冷却される。

以上の実施の形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの一次側の半導体スイッチング素子４ａ～４ｄと二次側のダイオード５ａ、５ｂを同一パッケージに封止されたモジュール８にすることにより、ダイオード５ａ、５ｂがディスクリートのパッケージの際に必要であった、ディスクリートパッケージを実装するための板金、あるいは固定用のブッシュ、ねじ、板金の平面度あるいは強度を確保するためのインサート樹脂等の二次側固有の冷却構造にする必要がなくなり、部品点数を少なくすることができ、冷却構成を安価にすることができる。また、部品点数削減により小型化したことにより、冷却に必要な面積を削減でき、筐体１２を小型化することで安価にダイオード５ａ、５ｂを冷却することができる。

加えて、二次側のダイオード５ａ、５ｂと同様の半導体チップで、同様に冷却が必要な一次側の半導体スイッチング素子４ａ～４ｄと一体のモジュールにすることにより、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄと冷却板９を共有することができ、ダイオード５ａ、５ｂの冷却を低コスト化することができる。さらに、筐体１２との絶縁が必要な半導体スイッチング素子４ａ～４ｄと絶縁部材１０を共有することでダイオード５ａ、５ｂの筐体１２からの絶縁を低コスト化できる。

本実施の形態では、トランス２のセンタータップがＧＮＤに接続されており、ダイオード５ａ、５ｂは、ＧＮＤとは異なる電位にある回路構成例を示したが、トランス２のセンタータップが平滑リアクトル６に接続されており、ダイオード５ａ、５ｂのアノード端子がＧＮＤに接続する回路構成に適用してもよい。その場合、ダイオード５ａ、５ｂのアノードは冷却板９に接続していても良いため、ダイオード５ａ、５ｂのアノード端子が実装されるリードフレーム４７ａ、４７ｂの投影面上にある絶縁部材１０は不要となり、低コスト化が可能となる。

本実施の形態では、一次側の半導体スイッチング素子４ａ～４ｄがフルブリッジ回路を構成しているため、素子数が多く、ディスクリート半導体にて必要なチップ以外のパッケージ部分およびパッケージ間のクリアランスが不要となり、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄと二次側のダイオード５ａ、５ｂを同一パッケージに封止されたモジュール８とする小型化効果が高い。それにより、冷却に必要な面積を削減でき、冷却器を小型化できる。また、フルブリッジ回路は、一般的に大きな出力電力に対応できるため、大きな出力電力の用途にて二次側のダイオード５ａ、５ｂの冷却構造がよりコストアップの要因となる場合に、冷却構造の部品点数を少なくすることができ、冷却構成を安価にできる効果が高い。

本実施の形態では、二次側の整流素子として、ダイオード５ａ、５ｂを用いているため、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子に必要なゲート端子が不要であり、端子数が少ないため、モジュール８の外部端子が並ぶ長手方向の大きさが端子数に制約されることなく、モジュール８を小型化することができる。それにより、冷却に必要な面積を削減でき、冷却器を小型化できる。

本実施の形態では、モジュール８の外部端子であるリードフレーム４３、４４、４２ａ～４２ｄ、４５ａ～４５ｄ、４６ａ～４６ｄ、４７ａ、４７ｂが、モジュール８の側面２辺に並んでいるため、１辺に集めた際に問題となる強度、あるいは導通電流による発熱等による端子幅と外部端子間のクリアランスにて制約されることなく、モジュール８の長手方向を小型化することができる。また、リードフレーム、ボンディングワイヤを短くするために、通常は該当する外部端子の近くに半導体スイッチング素子４ａ～４ｄ、ダイオード５ａ、５ｂを配置するので、モジュール８の側面２辺に外部端子を配置することにより半導体スイッチング素子４ａ～４ｄ、ダイオード５ａ、５ｂの実装エリアを近づけることができる。それにより冷却に必要な面積を削減でき、冷却器を小型化できる。

さらに、本実施の形態では、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄにて構成されるインバータ４とダイオード５ａ、５ｂで構成される整流回路５とが並ぶ方向と、外部端子が並んでいる方向が同じ（即ち、モジュール８の長手方向）であるため、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄにて構成されるインバータ４に接続される外部端子であるリードフレーム４２ａ～４２ｄ、４４、４５ａ～４５ｄ、４６ａ～４６ｄを、インバータ４の近くに配置することができる。また、ダイオード５ａ、５ｂで構成される整流回路５に接続される外部端子であるリードフレーム４３、４７ａ、４７ｂを、整流回路５の近くに配置することができる。そのことにより、無駄な配線の引き回しによるモジュール８の大型化を抑制できると共に、配線が長くなることによるノイズ、あるいはサージも抑制できる。

さらに、本実施の形態では、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄにて構成されるインバータ４の直流電源１と接続される入力用の外部端子であるリードフレーム４２ａ、４２ｃ、４４がモジュール８の第１の側面（図２における下辺）にあり、インバータ４のトランス２の一次巻線２ａと接続される出力用の外部端子であるリードフレーム４２ｂ、４２ｄがモジュール８の第２の側面（図２における上辺）にある。また、ダイオード５ａ、５ｂで構成される整流回路５のトランス２の二次巻線２ｂと接続される入力用の外部端子であるリードフレーム４７ａ、４７ｂがモジュール８の第２の側面（図２における上辺）にあり、整流回路５の平滑リアクトル６と接続される出力用の外部端子であるリードフレーム４３がモジュール８の第１の側面（図２における下辺）にある。このため、インバータ４と整流回路５の入力用の外部端子、及び出力用の外部端子をモジュール８の異なる側面に配置することができ、モジュール８の長手方向を小型化できる。

また、リードフレーム、あるいはボンディングワイヤを短くするために、通常は該当する外部端子の近くに半導体スイッチング素子４ａ～４ｄ、ダイオード５ａ、５ｂを配置するので、モジュール８の側面２辺に外部端子を配置することにより、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄ、ダイオード５ａ、５ｂの実装エリアを近づけることができ、冷却に必要な面積を削減できると共に、冷却器を小型化できる。さらに、トランス２へ接続する外部端子であるリードフレーム４２ｂ、４２ｄ、４７ａ、４７ｂがモジュール８の第２の側面（図２における上辺）にあるので、トランス２との接続配線を短くして低コスト化できる。

本実施の形態では、モジュール８の外部端子であるリードフレーム４２ａ～４２ｄ、４３、４４、４５ａ～４５ｄ、４６ａ～４６ｄ、４７ａ、４７ｂが、モジュール８の側面２辺に並んでいる例を示したが、外部端子であるリードフレームの一部が短手方向に配置されていてもよい。例えば、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄにて構成されるインバータ４の直流電源１と接続される入力用の外部端子であるリードフレーム４２ａ、４２ｃ、４４がモジュール８の第３の側面（図２における左辺）にあり、ダイオード５ａ、５ｂで構成される整流回路５の平滑リアクトル６と接続される出力用の外部端子であるリードフレーム４３がモジュール８の第４の側面（図２における右辺）にあってもよい。直流電源１との接続インターフェースがモジュール８の図２において左方向に有る場合、あるいは平滑リアクトル６をモジュール８の図２において右方向に配置した場合に、モジュール８と直流電源１との接続インターフェース、あるいは平滑リアクトル６との接続配線を短くして低コスト化できる。

本実施の形態では、筐体１２と水路１３にて構成されたモジュール８を冷却する冷却器を有するため、例えば出力電力が大きい用途等において、半導体スイッチング素子４ａ～４ｄ、およびダイオード５ａ、５ｂの放熱性を向上させるためにリードフレーム４２ａ～４２ｄ、４３の大きさが制約されている場合は、リードフレーム４２ａ～４２ｄ、４３を小さくすることができ、モジュール８を小型化でき、筐体１２と水路１３にて構成される冷却器を小型化することができる。それにより、電力変換装置１００を低コスト化できる。

また、モジュール８のインバータ４と整流回路５が並ぶ方向に対して、垂直な方向に冷却水が流れるため、モジュール８のインバータ４と整流回路５は、互いの発熱により温度上昇する冷却水の影響を受けることがない。このため温度上昇を抑制することができ、モジュール８を小型化することができる。これにより、筐体１２と水路１３にて構成される冷却器を小型化することができ、電力変換装置１００を低コスト化できる。

さらに、トランス２、平滑リアクトル６の一部が水路１３の投影面外にあることにより、トランス２、平滑リアクトル６よりも高さに対する冷却面積が大きいために、水路１３にて冷却効率が高いモジュール８のインバータ４と整流回路５を優先的に水路１３に配置し、モジュール８を小型化することができ、筐体１２と水路１３にて構成される冷却器を小型化することができる。それにより、電力変換装置１００を低コスト化できる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２による電力変換装置について説明する。図５は、実施の形態２による電力変換装置の回路図である。
図５に示すように、実施の形態２による電力変換装置３００は、実施の形態１にて説明した電力変換装置１００に、例えば車両駆動用のモータ６０、６１をそれぞれ駆動するインバータ６２、６３を備えて構成される電力変換装置２００を組み合わせて構成されている。

直流電源１と並列に、直流入力電圧を安定させる入力コンデンサ６４が接続され、入力コンデンサ６４の正極側に昇圧リアクトル６５が接続されている。昇圧リアクトル６５の出力は、ハーフブリッジ化したスイッチング素子６６の中点に接続され、昇圧リアクトル６５とハーフブリッジ化したスイッチング素子６６により昇圧チョッパが構成されている。ハーフブリッジ化したスイッチング素子６６の出力は、平滑コンデンサ６７にて平滑される。平滑コンデンサ６７を入力として、インバータ６２が接続され、インバータ６２の三相出力線がモータ６０に接続される。また、インバータ６２と並列に、回生用のインバータ６３が接続され、三相線によりモータ６１が接続されている。昇圧リアクトル６５とハーフブリッジ化したスイッチング素子６６で構成される昇圧チョッパで電圧を上げることにより、同じ電力条件では、平滑コンデンサ６７からインバータ６２、６３までの配線、およびインバータ６２、６３からそれぞれのモータ６０、６１までの電流を小さくすることができる。これにより配線が細くでき、低コスト化および軽量化のメリットがある。ハーフブリッジ化したスイッチング素子６６は、例えば、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴである。

本実施の形態の電力変換装置３００を構成する電力変換装置１００のモジュール８の内部構造と、電力変換装置１００の実装構造は、それぞれ図２および図３と同であり、詳細説明は省略する。図６は、筐体１２と水路１３、電力変換装置１００のモジュール８、および電力変換装置２００の所要構成部材の位置関係を示しており、図４との違いのみを説明する図である。図４と同じ構成要素は、同一符号を用いて示している。

図６において、筐体１２には、例えば扁平型の水路１３が設けられており、筐体１２内の電力変換装置１００のモジュール８が実装されている第１面６８と並行する反対側の第２面６９に、グリス、あるいはギャップフィラー等の第２冷却部材７０を介してハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３が実装されている。図６では、入力コンデンサ６４および昇圧リアクトル６５、平滑コンデンサ６７は省略されている。ハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３はそれぞれモジュール化され、モジュール８のインバータ４と整流回路５が並ぶ方向と同一方向に並んでいる。また、ハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３は、モジュール８と同様の構造の冷却面を持ち、冷却面は第２冷却部材７０に対向している。なお、ハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３の並び順は一例であり、どのような並び順でも良い。また、水路１３の、筐体１２の第２面６９と対向する第３面７１には筐体１２の第２面６９の冷却能力を上げるためのフィン７２が配置されている。ハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３にて発生した熱は、第２冷却部材７０および筐体１２、フィン７２を介して、水路１３に放熱される。

図７は、水路１３とフィン７２、電力変換装置１００を構成するモジュール８、電力変換装置２００を構成するハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３の位置関係を示した平面図である。
ハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３の投影面上の水路１３にフィン７２があり、フィン７２の投影面上にモジュール８が配置される。冷却水は、入口１４から水路１３に入り、フィン７２がある領域を通って出口１５へと流れる。一般的に、電動化車両にて鉛バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータである電力変換装置１００よりも、電動化車両の動力となるモータ６０、６１を駆動する電力変換装置２００の方が、出力電力が大きいため、電力変換装置２００を構成するハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３を小型化するために、電力変換装置２００が実装される側の水路１３にフィン７２を設ける。

本実施の形態によれば、扁平型の水路１３の一方の第１面６８に電力変換装置１００を構成するモジュール８が、もう一方の第２面６９に電力変換装置２００を構成するハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３が実装されているため、水路１３の両面を冷却面として有効に使用することができるので、筐体１２と水路１３で構成される冷却器を小型化することができ、冷却器の低コスト化が可能となる。また、電力変換装置１００および電力変換装置２００のそれぞれに水路１３を設ける必要が無く、水路１３の低コスト化が可能となる。本実施の形態では、第２面６９に電力変換装置２００を構成するハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３が実装される例を示したが、入力コンデンサ６４、昇圧リアクトル６５、平滑コンデンサ６７を実装しても同様の効果がある。

また、電力変換装置１００を構成するモジュール８の冷却面と、電力変換装置２００を構成するハーフブリッジ化したスイッチング素子６６、インバータ６２、６３の冷却面が対向する方向に配置しているため、単純な構成である扁平型の水路１３の広い平面を冷却面として使用することができ、筐体１２と水路１３にて構成される冷却器の低コスト化が可能となる。

さらに、電力変換装置１００を構成するモジュール８のインバータ４と整流回路５が並ぶ方向と、電力変換装置２００を構成するハーフブリッジ化したスイッチング素子６６、インバータ６２、６３の並ぶ方向が同じであるため、モジュール８、およびハーフブリッジ化したスイッチング素子６６、インバータ６２、６３に必要な冷却面積の長手方向と、水路１３の長手方向を統一することができ、水路１３の冷却面積を削減し、筐体１２と水路１３にて構成される冷却器の低コスト化が可能となる。

さらに、電力変換装置１００を構成するモジュール８のインバータ４と整流回路５が並ぶ方向と、電力変換装置２００を構成するハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３の並ぶ方向に対して、垂直な方向に冷却水が流れるため、モジュール８のインバータ４と整流回路５、ハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３のそれぞれは、互いの発熱により温度上昇する冷却水の影響を受けず、温度上昇を抑制することができ、モジュール８、あるいはハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３を小型化することができる。これにより、筐体１２と水路１３にて構成される冷却器を小型化することができ、電力変換装置１００および電力変換装置２００を低コスト化することができる。

さらに、電力変換装置１００を構成するモジュール８が、フィン７２の投影面上に配置されていることにより、フィン７２が設けられていない側である電力変換装置１００を構成するモジュール８に対しても、フィン７２によって流速が上がった冷却水により、実装面の冷却能力が上がる。これにより、モジュール８をはじめとした、フィン７２の投影面上にある電力変換装置１００の発熱部品も小型化することができ、低コスト化することができる。

また、電力変換装置１００を構成するトランス２、あるいは平滑リアクトル６の一部が水路１３、あるいはフィン７２の投影面外にあることにより、トランス２、あるいは平滑リアクトル６よりも高さに対する冷却面積が大きいために扁平型の水路１３にて冷却効率が高いモジュール８のインバータ４と整流回路５、あるいはハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３を優先的に扁平型の水路１３に配置することができる。これにより、モジュール８、あるいはハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３を小型化することができる。従って、筐体１２と水路１３にて構成される冷却器を小型化することができ、電力変換装置１００および電力変換装置２００を低コスト化することができる。

本実施の形態では、扁平型の水路１３として、電力変換装置１００を冷却する水路と電力変換装置２００を冷却水路が同一の例を示したが、図８に示すように、水路１３に水路１３の平面と並行な面に筐体１２の仕切り７３を設けて水路１３を分割し、電力変換装置１００を構成するモジュール８を冷却する水路と電力変換装置２００を構成するハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３を冷却する水路が分かれていてもよい。

上記のように、モジュール８、およびハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３に最適な水路が適用できる構成においても、水路１３の両面を冷却面として有効に使用することにより、筐体１２と水路１３で構成される冷却器を小型化することができ、冷却器の低コスト化が可能となる。

本実施の形態では、電力変換装置１００を構成するモジュール８と電力変換装置２００を構成するハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３の投影面が重なっている例を示したが、投影面が重なっていない領域があってもよい。モジュール８と、ハーフブリッジ化したスイッチング素子６６、インバータ６２、６３との熱干渉が小さくなるため、温度上昇を抑制することができる。また、モジュール８、あるいはハーフブリッジ化したスイッチング素子６６とインバータ６２、６３を小型化することができ、筐体１２と水路１３にて構成される冷却器を小型化することができる。それにより、電力変換装置１００および電力変換装置２００を低コスト化することができる。

本実施の形態では、電力変換装置２００として、昇圧チョッパとインバータ６２、６３を用いた例を示したが、昇圧チョッパが無くてもよく、インバータが１つでもよい。また、電力変換装置２００は、車載充電器でもよい。その場合、車載充電器の入力は系統の交流電圧であり、出力が直流電源１に接続されるため、車載充電器の出力に電力変換装置２００を接続する構成となる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

以下、本開示の諸態様を付記として纏めて記載する。

（付記１）
直流電源の直流電圧を交流電圧に変換する複数の半導体スイッチング素子と、
前記交流電圧を一次側から二次側へ伝達して出力する絶縁トランスと、
前記出力を整流する複数の整流素子を含む整流回路と、を備え、
前記複数の半導体スイッチング素子と前記複数の整流素子は、同一パッケージに封止されたモジュールで構成されていることを特徴とする電力変換装置。
（付記２）
前記複数の半導体スイッチング素子は、フルブリッジ回路を構成していることを特徴とする付記１に記載の電力変換装置。
（付記３）
前記複数の整流素子は、ダイオードであることを特徴とする付記１または２に記載の電力変換装置。
（付記４）
前記モジュールは、前記複数の半導体スイッチング素子と前記複数の整流素子を冷却する冷却部材と、前記複数の半導体スイッチング素子と前記複数の整流素子の少なくとも何れか一方を前記冷却部材から絶縁する絶縁部材と、を有することを特徴とする付記１から３の何れか一項に記載の電力変換装置。
（付記５）
前記モジュールは、前記複数のスイッチング素子、前記複数の整流素子、及び外部回路とを接続する外部端子を有し、
前記外部端子は、前記モジュールの少なくとも２つの側面に配置されていることを特徴とする付記１から４の何れか一項に記載の電力変換装置。
（付記６）
前記外部端子は、前記複数のスイッチング素子と前記外部回路とを接続する一次側外部端子と、前記複数の整流素子と前記外部回路とを接続する二次側外部端子とを含んで構成され、前記一次側外部端子は、前記複数のスイッチング素子の実装領域を挟んで前記モジュールの両側面に配置され、前記二次側外部端子は、前記複数の整流素子の実装領域を挟んで前記モジュールの両側面に配置されることを特徴とする付記５に記載の電力変換装置。
（付記７）
前記一次側外部端子と前記二次側外部端子は、前記複数のスイッチング素子の実装領域と前記複数の整流素子の実装領域との並ぶ方向と同じ方向に配置されていることを特徴とする付記６に記載の電力変換装置。
（付記８）
前記一次側外部端子のうち、前記直流電源に接続される一次側直流入力端子は、前記モジュールの第１の側面に配置され、前記絶縁トランスに接続される一次側交流出力端子は、前記第１の側面の反対面に配置されていることを特徴とする付記６または７に記載の電力変換装置。
（付記９）
前記二次側外部端子のうち、前記絶縁トランスに接続される二次側交流入力端子は、前記モジュールの第２の側面に配置され、前記整流回路を介して負荷に接続される二次側直流出力端子は、前記第２の側面の反対面に配置されていることを特徴とする付記６または７に記載の電力変換装置。
（付記１０）
前記一次側外部端子のうち、前記絶縁トランスに接続される一次側交流出力端子と、前記二次側外部端子のうち、前記絶縁トランスに接続される二次側交流入力端子は、前記モジュールの同じ側面に配置されていることを特徴とする請求項６から９の何れか一項に記載の電力変換装置。
（付記１１）
前記電力変換装置は、前記モジュール、前記絶縁トランス、及び前記整流回路を冷却する冷却器を有することを特徴とする付記１から１０の何れか一項に記載の電力変換装置。
（付記１２）
前記電力変換装置は、第２の電力変換装置と組合せて構成され、前記冷却器の第１面に前記モジュールが実装され、前記第１面の反対面である第２面に前記第２の電力変換装置を構成する少なくとも１つ以上の発熱部品が実装されていることを特徴とする付記１１に記載の電力変換装置。
（付記１３）
前記発熱部品は、前記第２の電力変換装置を構成する複数の半導体スイッチング素子であることを特徴とする付記１２に記載の電力変換装置。
（付記１４）
前記モジュールの冷却面は、前記第２の電力変換装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の冷却面と前記冷却器を介して対向していることを特徴とする付記１３に記載の電力変換装置。
（付記１５）
前記電力変換装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の実装領域と前記複数の整流素子の実装領域の並ぶ方向は、前記第２の電力変換装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の並ぶ方向と同じであることを特徴とする付記１３に記載の電力変換装置。
（付記１６）
前記冷却器は、水路を有し、前記水路を流れる冷媒の流れる方向は、前記電力変換装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の実装領域と前記複数の整流素子の実装領域の並ぶ方向に対して垂直方向であることを特徴とする付記１１から１５の何れか一項に記載の電力変換装置。
（付記１７）
前記モジュールは、前記モジュールと前記冷却器とが積層される積層方向から見て、少なくともその一部が、前記第２の電力変換装置側の前記冷却器に設けられた冷却フィンの領域と重なることを特徴とする付記１２から１５の何れか一項に記載の電力変換装置。
（付記１８）
前記冷却器は、水路を有するとともに、前記絶縁トランス、または前記複数の整流素子の出力電流を平滑する平滑リアクトルは、前記モジュールと前記冷却器の積層される積層方向から見て、少なくともその一部が前記水路のある領域の外側にあることを特徴とする付記１１から１５、１７の何れか一項に記載の電力変換装置。

１ 直流電源、２ トランス、２ａ 一次巻線、２ｂ 二次巻線、３ 負荷、４ インバータ、４ａ～４ｄ 半導体スイッチング素子、５ 整流回路、５ａ、５ｂ ダイオード、６ 平滑リアクトル、７ 平滑コンデンサ、８ モジュール、９ 冷却板、１０ 絶縁部材、１１ 樹脂、１２ 筐体、１３ 水路、１４ 入口、１５ 出口、１６ 基板、１７ 配線、１８、５３～５６ 端子、１９ 冷却部材、４０ａ～４０ｄ ゲートパッド、４１ａ～４１ｄ ソースパッド、４２ａ～４２ｄ、４３、４４、４５ａ～４５ｄ、４６ａ～４６ｄ、４７ａ、４７ｂ リードフレーム、４８ａ～４８ｄ、４９ａ～４９ｄ、５０ａ～５０ｄ、５２ａ、５２ｂ ワイヤボンディング、５１ａ、５１ｂ アノードパッド、６０、６１ モータ、６２、６３ インバータ、６４ 入力コンデンサ、６５ 昇圧リアクトル、６６ スイッチング素子、６７ 平滑コンデンサ、６８ 第１面、６９ 第２面、７０ 第２冷却部材、７１ 第３面、７２ フィン、７３ 仕切り、１００、２００、３００ 電力変換装置、Ｖｉｎ、Ｖｏｕｔ 直流電圧。

Claims (18)

1. 直流電源の直流電圧を交流電圧に変換する複数の半導体スイッチング素子と、
   前記交流電圧を一次側から二次側へ伝達して出力する絶縁トランスと、
   前記出力を整流する複数の整流素子を含む整流回路と、を備え、
   前記複数の半導体スイッチング素子と前記複数の整流素子は、同一パッケージに封止されたモジュールで構成されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記複数の半導体スイッチング素子は、フルブリッジ回路を構成していることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の整流素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記モジュールは、前記複数の半導体スイッチング素子と前記複数の整流素子を冷却する冷却部材と、前記複数の半導体スイッチング素子と前記複数の整流素子の少なくとも何れか一方を前記冷却部材から絶縁する絶縁部材と、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
5. 前記モジュールは、前記複数のスイッチング素子、前記複数の整流素子、及び外部回路とを接続する外部端子を有し、
   前記外部端子は、前記モジュールの少なくとも２つの側面に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
6. 前記外部端子は、前記複数のスイッチング素子と前記外部回路とを接続する一次側外部端子と、前記複数の整流素子と前記外部回路とを接続する二次側外部端子とを含んで構成され、前記一次側外部端子は、前記複数のスイッチング素子の実装領域を挟んで前記モジュールの両側面に配置され、前記二次側外部端子は、前記複数の整流素子の実装領域を挟んで前記モジュールの両側面に配置されることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記一次側外部端子と前記二次側外部端子は、前記複数のスイッチング素子の実装領域と前記複数の整流素子の実装領域との並ぶ方向と同じ方向に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記一次側外部端子のうち、前記直流電源に接続される一次側直流入力端子は、前記モジュールの第１の側面に配置され、前記絶縁トランスに接続される一次側交流出力端子は、前記第１の側面の反対面に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
9. 前記二次側外部端子のうち、前記絶縁トランスに接続される二次側交流入力端子は、前記モジュールの第２の側面に配置され、前記整流回路を介して負荷に接続される二次側直流出力端子は、前記第２の側面の反対面に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
10. 前記一次側外部端子のうち、前記絶縁トランスに接続される一次側交流出力端子と、前記二次側外部端子のうち、前記絶縁トランスに接続される二次側交流入力端子は、前記モジュールの同じ側面に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
11. 前記電力変換装置は、前記モジュール、前記絶縁トランス、及び前記整流回路を冷却する冷却器を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
12. 前記電力変換装置は、第２の電力変換装置と組合せて構成され、前記冷却器の第１面に前記モジュールが実装され、前記第１面の反対面である第２面に前記第２の電力変換装置を構成する少なくとも１つ以上の発熱部品が実装されていることを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
13. 前記発熱部品は、前記第２の電力変換装置を構成する複数の半導体スイッチング素子であることを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
14. 前記モジュールの冷却面は、前記第２の電力変換装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の冷却面と前記冷却器を介して対向していることを特徴とする請求項１３に記載の電力変換装置。
15. 前記電力変換装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の実装領域と前記複数の整流素子の実装領域の並ぶ方向は、前記第２の電力変換装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の並ぶ方向と同じであることを特徴とする請求項１３に記載の電力変換装置。
16. 前記冷却器は、水路を有し、前記水路を流れる冷媒の流れる方向は、前記電力変換装置を構成する複数の半導体スイッチング素子の実装領域と前記複数の整流素子の実装領域の並ぶ方向に対して垂直方向であることを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
17. 前記モジュールは、前記モジュールと前記冷却器とが積層される積層方向から見て、少なくともその一部が、前記第２の電力変換装置側の前記冷却器に設けられた冷却フィンの領域と重なることを特徴とする請求項１２に記載の電力変換装置。
18. 前記冷却器は、水路を有すると共に、前記絶縁トランス、または前記複数の整流素子の出力電流を平滑する平滑リアクトルは、前記モジュールと前記冷却器の積層される積層方向から見て、少なくともその一部が前記水路のある領域の外側にあることを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。

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