JP4580997B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
冷却流路を内蔵する流路筐体(図12と図25に示す正面部入口水路226、背面部折り返し水路236、正面部折り返し水路227、正面部出口水路228等を形成する筐体)と、インバータ回路(図2と図3に示す44,45,46)の上下アームの直列回路(図2と図3に示す50)を内蔵したU相用とV相用とW相用の各半導体モジュール(図3に示す50U1,50U2、50V1,50V2、50W1,50W2,500)と、平滑用のコンデンサモジュール(390)と、直流コネクタ(図2と図9に示す38)と、交流コネクタ(88,89)と、を備え、
前記コンデンサモジュール(図9、図11及び図12に示す390)は側面および上面を有する直方体の形状を成し、
前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュール(500)は、第1と第2の放熱面(522,562)と前記第1と第2の放熱面の外周側を塞ぐ複数の側面(図15に示す512,508,516)とによって密閉された収納室が内部に形成され([0074]7〜12行、[0085]3〜4行)、
前記各半導体モジュールの前記側面の1つ(512)から直流正極端子(532)および直流負極端子(572)と交流端子(582)が突出し、前記第1と第2の放熱面(522,562)は前記各半導体モジュールの前記側面の1つ(512)より大きい形状を成しており([0076]1〜5行)、
前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室には、U相あるいはV相あるいはW相の上アームを構成する第1のパワー半導体(図3に示す52、図17に示す537)と、U相あるいはV相あるいはW相の下アームを構成する第2のパワー半導体(図3に示す62、図17に示す541)と、前記第1のパワー半導体と前記第2のパワー半導体とを直列に接続する中間導体(図2に示す69)と、が配置され、
前記第1のパワー半導体(52,537)は前記直流正極端子(532)と電気的に接続され、前記第2のパワー半導体(62,541)は前記直流負極端子(572)と電気的に接続されることにより、前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において前記上下アームの直列回路(50)が前記直流正極端子(532)と前記直流負極端子(572)とに接続され、
さらに前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において、前記中間導体(69)と前記交流端子(582)とが接続され、
前記コンデンサモジュール(390)の側面に沿って前記冷却流路(図12に示す半導体モジュール挿入水路237、水流253〜256を形成する流路、図25に示すコンデンサモジュール390の側面近傍に図示された矢印の流路)が配置されており、前記冷却流路を内蔵する前記流路筐体に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュール(図12に示す6個の500)をそれぞれ挿入するための前記冷却流路(237)につながる開口がそれぞれ形成され、前記開口に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールがそれぞれ載置(図10)され、
前記直流コネクタ(38)に対して前記コンデンサモジュール(390)および前記各半導体モジュール(500)がそれぞれ並列に接続され、前記交流コネクタ(88,89)には前記各半導体モジュール(500)の前記交流端子(59,582)が電気的に接続されており、
前記流路筐体の中央部分に前記コンデンサモジュール(390)を配置([0129]3〜4行、図12、図25、図26の図示構造)し、
前記直方体形状をもつコンデンサモジュール(390)の3つの側面に沿って配置された前記冷却流路の内で少なくとも2つの側面に沿う冷却流路内に、前記冷却流路に流れる冷媒の流れを前記第1の放熱面側と前記第2の放熱面側に沿わせるように、前記各半導体モジュール(500)が挿入されて載置される(図12、図25及び図26に示す冷却流路内の500)構成である。
冷却流路を内蔵する流路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵したU相用とV相用とW相用の各半導体モジュールと、平滑用のコンデンサモジュールと、直流コネクタと、を備え、前記コンデンサモジュールは側面および上面を有する直方体の形状を成し、前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールは、第1と第2の放熱面と前記第1と第2の放熱面の外周側を塞ぐ複数の側面とによって密閉された収納室が内部に形成され、前記各半導体モジュールの前記側面の1つから直流正極端子および直流負極端子と交流端子が突出し、前記第1と第2の放熱面は前記各半導体モジュールの前記側面の1つより大きい形状を成しており、さらに前記第1と第2の放熱面はそれぞれ放熱金属フィン(522,562、[0082])を有しており、前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室には、U相あるいはV相あるいはW相の上アームを構成する第1のパワー半導体と、U相あるいはV相あるいはW相の下アームを構成する第2のパワー半導体と、前記第1のパワー半導体と前記第2のパワー半導体とを直列に接続する中間導体と、が配置され、前記第1のパワー半導体は前記直流正極端子と電気的に接続され、前記第2のパワー半導体は前記直流負極端子と電気的に接続されることにより、前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において前記上下アームの直列回路が前記直流正極端子と前記直流負極端子とに接続され、さらに前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において、前記中間導体と前記交流端子とが接続され、前記コンデンサモジュールの側面に沿って前記冷却流路が配置されており、前記冷却流路を内蔵する前記流路筐体に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールをそれぞれ挿入するための前記冷却流路につながる開口がそれぞれ形成され、前記開口に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールがそれぞれ載置され、前記直流コネクタ(38)に対して前記コンデンサモジュール(図2に示すコンデンサ90の集合体)および前記各半導体モジュール(図2に示す50の各々)がそれぞれ並列に接続され、前記流路筐体の中央部分に前記コンデンサモジュール(390)を挿入するための挿入部を形成し([0129]3〜4行、図12、図25、図26の図示構造)、前記直方体形状をもつコンデンサモジュール(390)の3つの側面に沿って配置された前記冷却流路の内で少なくとも2つの側面に沿う冷却流路内に、前記冷却流路に流れる冷媒の流れを前記第1の放熱面側と前記第2の放熱面側に沿わせるように、前記各半導体モジュール(500)が挿入されて載置される(図12、図25及び図26に示す冷却流路内の500)構成である。
本実施形態に係る電力変換装置は、両側に冷却金属を備えた半導体モジュールの内部にインバータの上下アームの直列回路を収納し、半導体モジュールを冷却水内に挿入し嵌合し(スロットイン構造の採用)、両側の冷却金属を冷却水で冷却する構造を備えている。この構造により冷却効率が向上し、半導体モジュールの小型化が可能となる。また、具体的な構造として、両側の冷却金属の内側にそれぞれ絶縁シートあるいはセラミック板などの絶縁板である絶縁部材を設け、それぞれの絶縁部材に固定した導体金属の間に上下アームの直列回路を構成する上アームおよび下アームの半導体チップを挟み込んでいる。この構造で上アームおよび下アームの半導体チップの両面と冷却金属との間に良好な熱伝導路ができ、半導体モジュールの冷却効率は大きく向上する。
本実施形態に係る電力変換装置では、上述のとおり、半導体モジュールの冷却効率を大幅に改善でき、結果的に半導体チップの温度上昇を抑えることが可能となり、信頼性の改善に繋がる。
本実施形態に係る電力変換装置では、上述したとおり、半導体モジュールと冷却筐体とをそれぞれ別々に製造し、その後半導体モジュールを冷却筐体に固定する工程を行うようにすることが可能であり、電気系の製造ラインで半導体モジュールを製造することが可能となる。これにより生産性と信頼性が向上する。また、コンデンサモジュールも同様に他の製造工程で製造し、その後水路筐体に固定できるので、生産性が向上する。
次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置はハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図1と図2を用いて説明する。図1はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。図2は上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置、インバータ装置の直流側に接続されたコンデンサ、からなる電力変換装置と、バッテリと、モータジェネレータと、を備えた車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。
52:上アームのIGBT、53:上アームのコレクタ電極、54:上アームのゲート(ベース)電極端子、55:上アームの信号用エミッタ電極端子、56:上アームのダイオード、57:正極(P)端子、58:負極(N)端子、59:交流端子、62:下アームのIGBT、63:下アームのコレクタ電極、64:下アームのゲート電極端子、65:下アームの信号用エミッタ電極端子、66:下アームのダイオード、69:中間電極、70:制御部、72:制御回路(制御基板372に内蔵)、74:ドライバ回路(ドライバ基板386に内蔵)、76:信号線、80:検出部、82:信号線、86:交流電力線(出力バスバー)、88:交流コネクタ1、89:交流コネクタ2、90:コンデンサ(コンデンサモジュール390に内蔵)、91:交流コネクタ部フランジ、92,94:モータジェネレータ、
100:電力変換装置、112:上ケース、122:交流コネクタ用位置決め部、123:交流コネクタ搭載部、124:上ケースフランジ、142:下ケース、144:水路蓋、145:モジュール蓋1、146:モジュール蓋2、147:コンデンサモジュール挿入部、
212:水路筐体、214:水路筐体の本体部、224:水路筐体の正面部、226:正面部の入口水路、227:正面部の折り返し水路、228:正面部の出口水路、236:背面部の折り返し水路、237:半導体モジュール挿入水路、246:水路入口部、248:水路出口部、250,251,252,253:水流、254,255,256,257:水流、
372:制御基板(制御回路を内蔵)、373:制御IC1、374:制御IC2、386:ドライバ基板、387:ドライバIC、388:信号コネクタ、390:コンデンサモジュール、391:交流バスバー1、392:交流バスバー2、490:水路形成体1、491:水路形成体2、
500:半導体モジュール、501:半導体モジュール固定部、502:半導体モジュール位置決め部、507:モールド樹脂、508:サイドケース、512:トップケース、513:トップケースのモールドレジン充填部、516:ボトムケース、517:ボトムケースの嵌合部、522:放熱フィン(A側)、532:正極端子、534:正極側の導体板、535:上下アーム接続用導体板、536,538,540,542,544:はんだ層、537:IGBTチップ(上アーム用)、539:ダイオードチップ(上アーム用)、541:IGBTチップ(下アーム用)、543:ダイオードチップ(下アーム用)、
544:はんだ層、546:絶縁シート(A側)、548:はんだ層、549:はんだ層、550:はんだ層、552:信号用端子(上アーム用)、553:ゲート端子(上アーム用)、556:信号用端子(下アーム用)、557:ゲート端子(下アーム用)、562:放熱フィン(B側)、572:負極端子、582:交流端子、593:ゲートワイヤ(上アーム用)、596:絶縁シート(B側)、597:ゲートワイヤ(下アーム用)、751:はんだ接合部(IGBTコレクタ側)、752:はんだ接合部(ダイオードカソード側)、753:はんだ接合部(IGBTコレクタ側)、754:はんだ接合部(ダイオードカソード側)、756:はんだ接合部(IGBTエミッタ側)、757:はんだ接合部(IGBTエミッタ側)、758:はんだ接合部(ダイオードアノード側)、759:はんだ接合部(ダイオードアノード側)、760:はんだ接合部(上下アーム接続用)、
Claims (7)
- 冷却流路を内蔵する流路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵したU相用とV相用とW相用の各半導体モジュールと、平滑用のコンデンサモジュールと、直流コネクタと、交流コネクタと、を備え、
前記コンデンサモジュールは側面および上面を有する直方体の形状を成し、
前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールは、第1と第2の放熱面と前記第1と第2の放熱面の外周側を塞ぐ複数の側面とによって密閉された収納室が内部に形成され、
前記各半導体モジュールの前記側面の1つから直流正極端子および直流負極端子と交流端子が突出し、
前記第1と第2の放熱面は前記各半導体モジュールの前記側面の1つより大きい形状を成しており、
前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室には、U相あるいはV相あるいはW相の上アームを構成する第1のパワー半導体と、U相あるいはV相あるいはW相の下アームを構成する第2のパワー半導体と、前記第1のパワー半導体と前記第2のパワー半導体とを直列に接続する中間導体と、が配置され、
前記第1のパワー半導体は前記直流正極端子と電気的に接続され、前記第2のパワー半導体は前記直流負極端子と電気的に接続されることにより、前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において前記上下アームの直列回路が前記直流正極端子と前記直流負極端子とに接続され、
さらに前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において、前記中間導体と前記交流端子とが接続され、
前記コンデンサモジュールの側面に沿って前記冷却流路が配置されており、前記冷却流路を内蔵する前記流路筐体に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールをそれぞれ挿入するための前記冷却流路につながる開口がそれぞれ形成され、前記開口に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールがそれぞれ載置され、
前記直流コネクタに対して前記コンデンサモジュールおよび前記各半導体モジュールがそれぞれ並列に接続され、前記交流コネクタには前記各半導体モジュールの前記交流端子が電気的に接続されており、
前記流路筐体の中央部分に前記コンデンサモジュールを配置し、
前記直方体形状をもつコンデンサモジュールの3つの側面に沿って配置された前記冷却流路の内で少なくとも2つの側面に沿う冷却流路内に、前記冷却流路に流れる冷媒の流れを前記第1の放熱面側と前記第2の放熱面側に沿わせるように、前記各半導体モジュールが挿入されて載置されることを特徴とする電力変換装置。 - 冷却流路を内蔵する流路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵したU相用とV相用とW相用の各半導体モジュールと、平滑用のコンデンサモジュールと、直流コネクタと、を備え、
前記コンデンサモジュールは側面および上面を有する直方体の形状を成し、
前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールは、第1と第2の放熱面と前記第1と第2の放熱面の外周側を塞ぐ複数の側面とによって密閉された収納室が内部に形成され、
前記各半導体モジュールの前記側面の1つから直流正極端子および直流負極端子と交流端子が突出し、
前記第1と第2の放熱面は前記各半導体モジュールの前記側面の1つより大きい形状を成しており、さらに前記第1と第2の放熱面はそれぞれ放熱金属フィンを有しており、
前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室には、U相あるいはV相あるいはW相の上アームを構成する第1のパワー半導体と、U相あるいはV相あるいはW相の下アームを構成する第2のパワー半導体と、前記第1のパワー半導体と前記第2のパワー半導体とを直列に接続する中間導体と、が配置され、
前記第1のパワー半導体は前記直流正極端子と電気的に接続され、前記第2のパワー半導体は前記直流負極端子と電気的に接続されることにより、前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において前記上下アームの直列回路が前記直流正極端子と前記直流負極端子とに接続され、
さらに前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において、前記中間導体と前記交流端子とが接続され、
前記コンデンサモジュールの側面に沿って前記冷却流路が配置されており、前記冷却流路を内蔵する前記流路筐体に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールをそれぞれ挿入するための前記冷却流路につながる開口がそれぞれ形成され、前記開口に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールがそれぞれ載置され、
前記直流コネクタに対して前記コンデンサモジュールおよび前記各半導体モジュールがそれぞれ並列に接続されており、
前記流路筐体の中央部分に前記コンデンサモジュールを挿入するための挿入部を形成し、
前記直方体形状をもつコンデンサモジュールの3つの側面に沿って配置された前記冷却流路の内で少なくとも2つの側面に沿う冷却流路内に、前記冷却流路に流れる冷媒の流れを前記第1の放熱面側と前記第2の放熱面側に沿わせるように、前記各半導体モジュールが挿入されて載置されることを特徴とする電力変換装置。 - 冷却流路を内蔵する流路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵したU相用とV相用とW相用の各半導体モジュールと、平滑用のコンデンサモジュールと、直流コネクタと、を備え、
前記コンデンサモジュールは側面および上面を有する直方体の形状を成し、
前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールは、第1と第2の放熱面と前記第1と第2の放熱面の外周側を塞ぐ複数の側面とによって密閉された収納室が内部に形成され、
前記各半導体モジュールの前記側面の1つから直流正極端子および直流負極端子と交流端子が突出し、
前記第1と第2の放熱面は前記各半導体モジュールの前記側面の1つより大きい形状を成しており、さらに前記第1と第2の放熱面はそれぞれ放熱金属フィンを有しており、
前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室には、U相あるいはV相あるいはW相の上アームを構成する第1のパワー半導体と、U相あるいはV相あるいはW相の下アームを構成する第2のパワー半導体と、前記第1のパワー半導体と前記第2のパワー半導体とを直列に接続する中間導体と、が配置され、
前記第1のパワー半導体は前記直流正極端子と電気的に接続され、前記第2のパワー半導体は前記直流負極端子と電気的に接続されることにより、前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において前記上下アームの直列回路が前記直流正極端子と前記直流負極端子とに接続され、前記第1のパワー半導体と前記中間導体と前記第2のパワー半導体とを有する前記上下アームの直列回路は前記放熱金属フィンの投影面に対してループを形成するように配置されており、前記直流回路により前記放熱金属フィンに渦電流が誘起され、
さらに前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において、前記中間導体と前記交流端子とが接続され、
前記コンデンサモジュールの側面に沿って前記冷却流路が配置されており、前記冷却流路を内蔵する前記流路筐体に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールをそれぞれ挿入するための前記冷却流路につながる開口がそれぞれ形成され、前記開口に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールがそれぞれ載置され、
前記直流コネクタに対して前記コンデンサモジュールおよび前記各半導体モジュールがそれぞれ並列に接続されており、
前記流路筐体の中央部分に前記コンデンサモジュールを配置し、
前記直方体形状をもつコンデンサモジュールの3つの側面に沿って配置された前記冷却流路の内で少なくとも2つの側面に沿う冷却流路内に、前記冷却流路に流れる冷媒の流れを前記第1の放熱面側と前記第2の放熱面側に沿わせるように、前記各半導体モジュールが挿入されて載置されることを特徴とする電力変換装置。 - 冷却流路を内蔵する流路筐体と、インバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵したU相用とV相用とW相用の各半導体モジュールと、平滑用のコンデンサモジュールと、直流コネクタと、を備え、
前記コンデンサモジュールは側面および上面を有する直方体の形状を成し、
前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールは、第1と第2の放熱面と前記第1と第2の放熱面の外周側を塞ぐ複数の側面とによって密閉された収納室が内部に形成され、
前記各半導体モジュールの前記側面の1つから直流正極端子および直流負極端子と交流端子が突出し、
前記第1と第2の放熱面は前記各半導体モジュールの前記側面の1つより大きい形状を成しており、さらに前記第1と第2の放熱面はそれぞれ放熱金属フィンを有しており、
前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室には、U相あるいはV相あるいはW相の上アームを構成する第1のパワー半導体と、U相あるいはV相あるいはW相の下アームを構成する第2のパワー半導体と、前記第1のパワー半導体と前記第2のパワー半導体とを直列に接続する中間導体と、が配置され、
前記第1のパワー半導体は前記直流正極端子と電気的に接続され、前記第2のパワー半導体は前記直流負極端子と電気的に接続されることにより、前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において前記上下アームの直列回路が前記直流正極端子と前記直流負極端子とに接続され、
さらに前記各半導体モジュールの前記密閉された収納室において、前記中間導体と前記交流端子とが接続され、
前記コンデンサモジュールの側面に沿って前記冷却流路が配置されており、前記冷却流路を内蔵する前記流路筐体に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールをそれぞれ挿入するための前記冷却流路につながる開口がそれぞれ形成され、前記開口に前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールがそれぞれ載置され、
前記コンデンサモジュールは直流電力を受けるための直流端子と前記半導体モジュールと接続するためのDCバスバーとを有し、
前記コンデンサモジュールは、前記コンデンサモジュールの直流端子を介して前記直流コネクタから直流電力の供給を受け、前記コンデンサモジュールのDCバスバーを介して前記各半導体モジュールに直流電力をそれぞれ供給し、前記U相用とV相用とW相用の各半導体モジュールの交流端子から交流電力が出力され、
前記流路筐体の中央部分に前記コンデンサモジュールを挿入するための挿入部を形成し、
前記直方体形状をもつコンデンサモジュールの3つの側面に沿って配置された前記冷却流路の内で少なくとも2つの側面に沿う冷却流路内に、前記冷却流路に流れる冷媒の流れを前記第1の放熱面側と前記第2の放熱面側に沿わせるように、前記各半導体モジュールが挿入されて載置されることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置において、
前記直流電力を受けるための直流端子と前記半導体モジュールと接続するためのDCバスバーとは、前記コンデンサモジュールのそれぞれ異なる側面に対応して配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1乃至請求項5の内の1つに記載された電力変換装置において、
前記各半導体モジュールの前記第1と第2のパワー半導体を動作させるドライバ回路が前記コンデンサモジュールの上面に対して空間を介して配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1乃至請求項6の内の1つに記載された電力変換装置において、
前記各半導体モジュールの交流端子から交流電力を出力する交流バスバーは前記コンデンサモジュール上面に対して空間を介して配置されていることを特徴とする電力変換装置。
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