JP4055042B2

JP4055042B2 - インバータ装置

Info

Publication number: JP4055042B2
Application number: JP2000195878A
Authority: JP
Inventors: 靖之大河内
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2008-03-05
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: JP2002016202A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ装置に関し、詳しくは平滑コンデンサ付きの冷却流体間接冷却型インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッド車、燃料電池車、純二次電池車など電力を用いて走行する電気自動車では、構成が堅牢、簡素で制御が容易な交流モータを用いるために、直流電力と交流電力との間で双方向変換する大電力のインバータ装置特に三相インバータ装置が採用されている。
【０００３】
この種の大電力インバータ装置は、直交変換を行うインバータ回路の他に、このインバータ回路の一対の直流端子間に並列接続されて直流電源電圧の変動を低減する平滑コンデンサ、並びに、平滑コンデンサの端子（コンデンサ端子ともいうものとする）とインバータ回路を構成する半導体モジュールの直流端子とを接続するブスバーとを有している。
【０００４】
また、電気自動車用インバータ装置では、インバータ回路の発熱が大きいために、冷却流体間接冷却部材を用いてインバータ回路用の半導体モジュールを冷却流体により間接冷却することが実用上必須となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した電気自動車用インバータ装置では、インバータ回路と平滑コンデンサとを接続するブスバーに大電流が流れるため、その発熱がブスバーを通じてインバータ回路を構成する半導体モジュールや平滑コンデンサの温度を増大させるという問題があることがわかった。この問題の軽減のためにブスバーの断面積を増大することも考えられるが、電気自動車では、重量低減が燃費の点で重要であるため、その発熱を問題となるレベル以下に減少させるだけのブスバー断面積の増大は困難であった。
【０００６】
また、上記したインバータ装置では、それを構成する半導体モジュール、平滑コンデンサ、ブスバー、冷却流体間接冷却部材の高精度の位置合わせが実装上の問題となっていた。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、断面積の増大なしにブスバーの温度上昇を低減するとともに、実装作業性の向上が可能なインバータ装置を提供することを、その目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載のインバータ装置は、ベースプレートと、インバータ回路を構成する半導体モジュールと、主面が前記半導体モジュールに密着する扁平冷却チューブと、前記ベースプレートに直立に固定されて前記扁平冷却チューブの両端に連結される一対のヘッダと、前記両ヘッダの一方を介して前記半導体モジュールに隣接する位置に配設されて一端面が前記ベースプレートに固定される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの他端面に配設されたコンデンサ端子と前記半導体モジュールの直流端子とを接続するブスバーとを備え、前記ブスバーは、前記半導体モジュールと前記平滑コンデンサとの間の前記ヘッダに固定されるインバータ装置である。
【０００９】
これにより、次の作用効果を奏することができる。
【００１０】
まず、ブスバーはヘッダにより冷却されるので、ブスバーの熱が半導体モジュールや平滑コンデンサに伝達されてそれらを加熱することがない。
【００１１】
次に、半導体モジュール内の電力用半導体素子チップはブスバーに銅やアルミなどの良熱（及び電気）伝導部材で接続されているので、電力用半導体素子チップの熱をブスバーを通じてヘッダに吸収することにより半導体モジュールの放熱効果を向上することができる。
【００１２】
次に、平滑コンデンサの内部の電極もブスバーに銅やアルミなどの良熱（及び電気）伝導部材で接続されているので、平滑コンデンサの熱をブスバーを通じてヘッダに吸収することにより半導体モジュールの放熱効果を向上することができる。特に、平滑コンデンサは、一対の電極箔が樹脂セパレータを挟んで多重に巻回された構造を有しているので、平滑コンデンサの径方向中央部の放熱は容易ではない。これに対して、本構成では、平滑コンデンサの中央部の熱は、それぞれ良熱（電気）伝導部材である電極箔、平滑コンデンサの端子（コンデンサ端子）、ブスバーを通じてヘッダに流れることができるので、従来は冷却が容易ではなかった平滑コンデンサの径方向中央部の温度を良好に低下させることができる。
【００１３】
また、ベースプレートを通じてヘッダに熱的に結合される平滑コンデンサの一端面とは逆側の平滑コンデンサの部分をブスバーを通じて良好に冷却することができるので、平滑コンデンサの軸方向反ベースプレート側の端部の過熱を防止することができるという利点も生じる。
【００１４】
更に、インバータ装置を収容するケース内部の空気温度を低下させることができるので、ケース内部の他の回路部品に対する熱的影響を軽減することもできる。
【００１５】
その他、ブスバーの空間位置及び姿勢をヘッダを通じてベースプレートに対して規定することができるので、ブスバーに半導体モジュールと平滑コンデンサとの位置合わせが容易となる。特に、半導体モジュールと扁平冷却チューブとを固定する前に、あらかじめ半導体モジュールをブスバーに固定する場合には、ブスバーが半導体モジュールの固定部材として機能するために、半導体モジュール付きのブスバーをヘッダに固定するだけで半導体モジュールと扁平冷却チューブとの位置合わせが実現でき、組み付け作業が容易となる。
この利点はとりわけ、インバータ回路を多数の半導体モジュールを組み合わせて用いる場合に有利である。
【００１６】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載のインバータ装置において更に、前記ブスバーは、低電位側のブスバーであって、前記ヘッダに直結されることを特徴としている。これにより、ブスバー（低電位側）とヘッダとの間の熱抵抗を低減することができる。
【００１７】
なお、平滑コンデンサの正極側の端子（コンデンサ端子）とインバータ回路の高位側の直流端子とを接続する高電位側のブスバーは、薄い電気絶縁フィルムを通じて低電位側のブスバーに隣接させることが好ましい。このようにすれば、平滑コンデンサの容量を増大できるとともに、高電位側のブスバーは低電位側のブスバーを通じてヘッダに良好に放熱することができる。もちろん、高電位側のブスバーを薄い電気絶縁フィルムを通じて直接ヘッダの頂面に密着させて低電位側のブスバーを介することなく放熱してもよい。この場合には、高電位側のブスバーをヘッダに固定するのに樹脂スクリューを用いればよい。
【００１８】
請求項３記載のインバータ装置は、ベースプレートと、インバータ回路を構成する半導体モジュールと、
主面が前記半導体モジュールに密着する扁平冷却チューブと、前記ベースプレートに直立に固定されて前記扁平冷却チューブの両端に連結される一対のヘッダと、前記両ヘッダの一方を介して前記半導体モジュールに隣接する位置に配設されて一端面が前記ベースプレートに固定される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの他端面に配設されたコンデンサ端子と前記半導体モジュールの直流端子とを接続するブスバーとを備え、前記コンデンサの側面は、前記半導体モジュールと前記平滑コンデンサとの間の前記ヘッダに当接されることを特徴とするインバータ装置である。
【００１９】
本構成によれば、平滑コンデンサはその側面すなわち外周面からヘッダに良好に放熱することができるので、平滑コンデンサの内部温度上昇を更に良好に抑止することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明のインバータ装置の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００２１】
【実施例】
（回路構成）
図１は、電気自動車の走行モータ駆動制御用の三相インバータ回路装置の回路図である。
【００２２】
１は電池（直流電源）、２００〜７００はそれぞれ、寄生ダイオ−ドをフライホイールダイオ−ドとして利用するＮＭＯＳトランジスタからなる半導体モジュールである。
【００２３】
半導体モジュール２００はＵ相上アームを構成し、半導体モジュール３００はＵ相下アームを構成し、半導体モジュール４００はＶ相上アームを構成し、半導体モジュール５００はＶ相下アームを構成し、半導体モジュール６００はＷ相上アームを構成し、半導体モジュール７００はＷ相下アームを構成している。
【００２４】
２０１はＵ相上アームの正の直流電源端子（ドレイン側）、２０２はＵ相上アームの交流出力端子（ソース側）、３０１はＵ相下アームの交流出力端子（ドレイン側）、３０２はＵ相下アームの負の直流端子（ソース側）である。
【００２５】
４０１はＶ相上アームの正の直流電源端子（ドレイン側）、４０２はＶ相上アームの交流出力端子（ソース側）、５０１はＶ相下アームの交流出力端子（ドレイン側）、５０２はＶ相下アームの負の直流端子（ソース側）である。
【００２６】
６０１はＷ相上アームの正の直流電源端子（ドレイン側）、６０２はＷ相上アームの交流出力端子（ソース側）、７０１はＷ相下アームの交流出力端子（ドレイン側）、７０２はＷ相下アームの負の直流端子（ソース側）である。
【００２７】
各正の直流端子２０１、４０１、６０１は、平滑コンデンサ８の正極端子とともに電池１の正極端子に接続され、各負の直流端子３０２、５０２、７０２は、平滑コンデンサ８の負極端子ともに電池１の負極端子に接続されている。Ｕ相交流出力端子２０２、３０１は接続点２０３で接続され、Ｖ相交流出力端子４０２、５０１は接続点４０３で接続され、Ｗ相交流出力端子６０２、７０１は接続点６０３で接続されて三相交流モータ２９の電機子巻線（図示せず）に給電している。
【００２８】
１０はコントローラであり、各半導体素子のゲート電極に制御電圧を出力するとともに、各半導体素子の温度検出などを行っている。三相交流モータ９を駆動する上記三相インバータ回路及び平滑コンデンサ８の動作自体は周知であり、更に詳細な説明を省略する。
（半導体モジュールの構成）
Ｕ相上アームの半導体モジュール２００を図２（ａ）、図２（ｂ）を参照して以下に説明する。図２（ａ）は分解斜視図、図２（ｂ）は全体斜視図を示す。
【００２９】
２０５は、正の直流電源端子（下アームの場合は交流出力端子）２０１を有する金属伝熱板、２０６は交流出力端子（下アームの場合は負の直流電源端子）２０２を有する金属伝熱板、２０８は半導体素子（電力用半導体素子チップ）２の制御電極端子である。半導体素子２は金属伝熱板２０５上にハンダ付けされ、金属伝熱板２０６が半導体素子２の上面にハンダ付けされている。これらは、金属伝熱板２０５、２０６の外主面を露出させ、端子２０１、２０２、２０８を突出させた状態で樹脂２０９により封止されて半導体モジュール２００を構成している。
【００３０】
他のアーム２００、３００、６００、７００も図２（ａ）、図２（ｂ）の構成を有している。Ｖ相のアーム４００、５００は、図３に示す構成を採用し、図２（ａ）、（ｂ）に対して、ＮＭＯＳトランジスタのドレイン電極とソース電極とを逆配置としている。
【００３１】
なお、半導体素子２としてＩＧＢＴを採用する場合は、別途フライホイールダイオードが必要となるが、これは図２（ａ）において半導体素子２２の右側に並置して構成すれば良い。
【００３２】
図３は半導体モジュール５００を示す。
【００３３】
５０５は、交流出力端子（上アームの場合は正の直流電源端子）５０１を有する金属放熱板、５０６は負の直流電源端子（上アームの場合は交流出力端子）５０２を有する金属放熱板、５０８は半導体素子（電力用半導体素子チップ）の制御電極端子、５０９はモールド樹脂である。半導体モジュール３００、７００は、半導体モジュール５００と同じ構成を採用している。
【００３４】
（冷却系の説明）
冷却系を図４〜図７を参照して以下に説明する。図４にこの実施例のインバータ装置の平面図を示し、図５にインバータ装置の側面図を示し、図６にブスバー及び半導体モジュールを省略した状態の平面図を示し、図６に平滑コンデンサと冷却系を省略した状態の平面図を示す。
【００３５】
２１、２２はヘッダ、２３〜３４は扁平冷却チューブ、３５、３６は連結パイプ、４０はベースプレート、５１〜５３はスクリュー、５４〜５６はねじ穴である。
ヘッダ２１、２３は、互いに所定間隔を隔てて平行に、かつ、ベースプレート４０に直立に立設されており、ヘッダ２１、２３の下端には連結パイプ３５、３６が固定されている。扁平冷却チューブ２３〜３４は、両端がヘッダ２１、２２に冷却流体連通可能に固定されている。扁平冷却チューブ２３〜３４は互いに所定間隔を隔てて平行配置され、扁平冷却チューブ２３〜３４の主面は、ヘッダ２１、２２の主面及びベースプレート４０の主面と直角に配置されている。扁平冷却チューブ２３は、引き抜き法又は押し出し法で形成された扁平中空アルミ成形部材からなる。これにより、連結パイプ３５からヘッダ２１に入った冷却流体は扁平冷却チューブ２３〜３４、ヘッダ２２、連結パイプ３６を通じて外部の放熱器に送られる。半導体モジュール２００、３００、４００、５００、６００、７００は、扁平冷却チューブ２３〜３４の間の各隙間に配置され、各半導体モジュールの両金属放熱板は薄い電気絶縁シート（図示せず）を介して扁平冷却チューブ２３〜３４の主面に密着している。なお、接地側の金属放熱板は扁平冷却チューブに密着させてもよい。
【００３６】
（平滑コンデンサの構成）
平滑コンデンサ８は、図６に示すように、それぞれ正負一対の端子（コンデンサ端子）を２つの扁平円筒コンデンサからなり、ヘッダ２１を挟んで扁平冷却チューブ２３〜３４と反対側に配置され、平滑コンデンサ８の底面がベースプレート４０上に固定され、平滑コンデンサ８の外側面の平坦部がヘッダ２１の平坦な外側面に密着されている。
【００３７】
（ブスバーの説明）
それぞれ段差を有するブスバー４１＋、４１−が薄い絶縁樹脂フィルム４１Iを挟んで密着されて、ヘッダ２１の上方にベースプレート４０と平行に延設されている。ブスバー４１＋及び平滑コンデンサ８の正極端子は、それぞれ締結用のボルトが嵌入される孔をもち、ブスバー４１＋はこのボルトにより平滑コンデンサ８の正極端子に固定されている。同様に、ブスバー４１−及び平滑コンデンサ８の負極端子は、それぞれ締結用のボルトが嵌入される孔をもち、ブスバー４１−はこのボルトにより平滑コンデンサ８の負極端子に固定されている。
【００３８】
ブスバー４１−は、図５に示すように、平滑コンデンサ８の負極端子に締結されて扁平冷却チューブ２３〜３４側へベースプレート４０と平行に延設される基板部４１０と、基板部４１０の先端部からベースプレート４０へ向けて屈曲した屈曲部４１１と、屈曲部４１１の先端部から扁平冷却チューブ２３〜３４の上方へベースプレート４０と平行に延設される先端板部４１２とを有し、先端板部４１２にはスクリュー５１〜５３が螺入される貫通孔を有している。スクリュー５３はこの貫通孔を貫通してヘッダ２１に形成されねじ穴５４〜５６に螺入され、これにより、ブスバー４１−の先端板部４１２はヘッダ２１の頂面に密着、固定されている。ブスバー４１−の先端板部４１２の先端は屈曲されて、図７に示すように半導体モジュール、半導体モジュール３００、５００、７００の負の直流端子３０２、５０２、７０２に密着している。
【００３９】
ブスバー４１＋は、図５に示すように、平滑コンデンサ８の正極端子に締結されて扁平冷却チューブ２３〜３４側へベースプレート４０と平行に延設される基板部４１３と、基板部４１３の先端部からベースプレート４０へ向けて屈曲した屈曲部４１４と、屈曲部４１４の先端部から扁平冷却チューブ２３〜３４の上方へベースプレート４０と平行に延設される先端板部４１５とを有し、ブスバー４１＋の先端板部４１５の先端は屈曲されて、図７に示すように、半導体モジュール２００、４００、６００の正の直流端子２０１、４０１、６０１に密着している。４２はＵ相交流出力用のブスバー、４３はＶ相交流出力用のブスバー、４４はＷ相交流出力用のブスバーであり、それぞれ、半導体モジュール２００、３００、４００、５００、６００、７００の上方にてベースプレート４０と平行に延設されて、ブスバー４２はＵ相交流出力端子２０２、３０１に、ブスバー４３はＶ相交流出力端子４０２、５０１に、ブスバー４４はＷ相交流出力端子６０２、７０１に密着している。
【００４０】
（組み付け）
この実施例では、半導体モジュール２００、３００、４００、５００、６００、７００の各端子２０１、２０２、３０１、３０２、４０１、４０２、５０１、５０２、６０１、６０２、７０１、７０２はブスバー４２〜４４に半田付けされる。各半導体モジュールの金属放熱板に電気絶縁シートが貼着される。
【００４１】
その後、各半導体モジュール２００、３００、４００、５００、６００、７００は、扁平冷却チューブ２３〜３４の間の隙間に挿入されて、スクリュー５１〜５３をブスバー４１−の貫通孔を貫通させた後、ヘッダ２１のねじ穴５４〜５６に螺入する。これにより、この締結により半導体モジュールの位置決めがなされ、組み付けが完了する。
【００４２】
なお、扁平冷却チューブ２３〜３４との半導体モジュールとの間の隙間をなくすために、グリスを用いても良く、弾性挟持部材により扁平冷却チューブ２３〜３４と半導体モジュール２００、３００、４００、５００、６００、７００とのセットを扁平冷却チューブ２３〜３４の弾性変形限界の範囲内で半導体モジュールの厚さ方向に挟圧してもよい。
【００４３】
扁平冷却チューブ２３〜３４の上端部は、上方へ向かうにつれて半導体モジュールの厚さ方向の幅が狭くなる形状に形成することが好ましい。これにより、扁平冷却チューブ２３〜３４間の隙間は上方に向かうにつれて幅広となり、半導体モジュールの挿入が楽に行える。
【００４４】
この実施例では、半導体モジュールの端子をあらかじめブスバーに半田付け（溶接やろう付けでもよい）などで固定してから、扁平冷却チューブ２３〜３４の隙間に挿入するので、ブスバーと半導体モジュールとの間の位置合わせを半導体モジュールの扁平冷却チューブ２３〜３４挿入後に行うのに比較して格段に容易となる。
（変形態様）
ヘッダ２１、２２は、それぞれ扁平冷却チューブ２３〜３４の端部が嵌入される開口部をもち、この開口部に扁平冷却チューブ２３〜３４が挿入された後、ヘッダ２１、２２と扁平冷却チューブ２３〜３４とはろう付けされるが、ヘッダ２１、２２がヘッダ２１、２２の上記開口部を囲む筒部をもつことができる。この筒部は薄肉であるので、扁平冷却チューブ２３〜３４よりも容易に半導体モジュールの厚さ方向に弾性変形することができ、半導体モジュール挟圧力を発生することができる。その他、この筒部を塑性変形させてもよい。
（変形態様）
上記実施例では、半導体モジュールの端子をあらかじめブスバーに半田付け（溶接やろう付けでもよい）などで固定してから、扁平冷却チューブ２３〜３４の隙間に挿入したが、扁平冷却チューブ２３〜３４の間にあらかじめ介装された半導体モジュールをブスバーに接続するようにしてもよい。
（変形態様）
上記各実施例において、半導体モジュールを挟圧する一対の扁平冷却チューブのうちの一方を、冷却流体が流通する冷却配管とし、他方を金属中実としてもよい。このようにすればヒートシンク性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインバータ装置を適用した電気自動車の走行モータ駆動制御用の三相インバータ回路装置の一実施例を示す回路図である。
【図２】（ａ）は図１に示す半導体モジュールの分解斜視図である。（ｂ）は図１に示す半導体モジュールの斜視図である。
【図３】図１に示す半導体モジュールの斜視図である。
【図４】図１に示すインバータ装置の平面図である。
【図５】図１に示すインバータ装置の側面図である。
【図６】図１に示すインバータ装置のブスバー及び半導体モジュールを省略した冷却系の平面図である。
【図７】図１に示すインバータ装置の平滑コンデンサと冷却系を省略した部分の平面図である。
【符号の説明】
４０ベースプレート
２００半導体モジュール
３００半導体モジュール
４００半導体モジュール
５００半導体モジュール
６００半導体モジュール
７００半導体モジュール
２３〜３４扁平冷却チューブ
２１ヘッダ
２２ヘッダ
８平滑コンデンサ
４１＋高電位側のブスバー
４１− 低電位側のブスバー

Claims

ベースプレートと、
インバータ回路を構成する半導体モジュールと、
主面が前記半導体モジュールに密着する扁平冷却チューブと、
前記ベースプレートに直立に固定されて前記扁平冷却チューブの両端に連結される一対のヘッダと、
前記両ヘッダの一方を介して前記半導体モジュールに隣接する位置に配設されて一端面が前記ベースプレートに固定される平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの他端面に配設されたコンデンサ端子と前記半導体モジュールの直流端子とを接続するブスバーと、
を備え、
前記ブスバーは、前記半導体モジュールと前記平滑コンデンサとの間の前記ヘッダに固定されることを特徴とするインバータ装置。
請求項１記載のインバータ装置において、
前記ブスバーは、低電位側のブスバーであって、前記ヘッダに直結されることを特徴とするインバータ装置。
ベースプレートと、
インバータ回路を構成する半導体モジュールと、
主面が前記半導体モジュールに密着する扁平冷却チューブと、
前記ベースプレートに直立に固定されて前記扁平冷却チューブの両端に連結される一対のヘッダと、
前記両ヘッダの一方を介して前記半導体モジュールに隣接する位置に配設されて一端面が前記ベースプレートに固定される平滑コンデンサと、
前記平滑コンデンサの他端面に配設されたコンデンサ端子と前記半導体モジュールの直流端子とを接続するブスバーと、
を備え、
前記コンデンサの側面は、前記半導体モジュールと前記平滑コンデンサとの間の前記ヘッダに当接されることを特徴とするインバータ装置。