JP4651653B2

JP4651653B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4651653B2
Application number: JP2007268021A
Authority: JP
Inventors: 誠司石橋; 勝小林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2027-10-15
Also published as: JP2009100514A

Description

この発明は、パワーモジュールを用いたインバータ装置などの電力変換装置に関するものである。

例えば、内燃機関と電気モータの両方を駆動源として有するハイブリッド自動車、その他、電気モータを駆動源とし、電力を用いて走行する電気自動車では、交流モータが用いられるため、直流電力と交流電力との間で双方向変換する電力変換装置としてインバータ装置が採用されている。

インバータ装置は、パワーモジュール、電源端子、出力端子、直流電源電圧変動を低減する平滑コンデンサなどから構成されており、これらを接続する主回路配線を有している。また、大電力のインバータ装置では、パワーモジュールの発熱量が大きいため、パワーモジュールを冷却するための冷却器を有している。

一般的なインバータ装置においては、前記パワーモジュールや、主回路配線などを冷却器上面に平面的に並べて配置することが多い（例えば、特許文献１参照）。

また、インバータ装置を小形化するため、パワーモジュール、冷却器、主回路配線を立体的に配置するものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１６８２７８号公報（図２）特開２００５−７３３７４号公報（図４）

前記特許文献１に開示されている従来のインバータ装置では、パワーモジュールや、主回路配線などが、冷却器上面に平面的に並べて配置されるため、配置面積が大きくなり、装置の小形化が困難であるという課題があった。

また、特許文献２に開示されている従来のインバータ装置のように、パワーモジュール、冷却器、主回路配線を立体的に配置するものにおいては、配置面積を小さくすることはできるが、主回路配線と冷却器がそれぞれ別に配置されており、主回路配線の冷却が困難であるという課題があった。

この発明は、前記従来装置の課題を解決するためになされたもので、配置面積が小さく、装置の小形化を図ると共に、主回路配線の冷却を効果的に行うことができる電力変換装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る電力変換装置は、電力変換回路の一部を構成する第１及び第２のパワーモジュールと、前記第１及び第２のパワーモジュールを冷却する矩形状冷却器と、前記第１及び第２のパワーモジュールに対して電流を入出させる主回路配線を樹脂にて封止した主回路配線モジュールと、を備え、前記第１のパワーモジュールと前記第２のパワーモジュールとを前記矩形状冷却器の隣り合わない面に取り付けると共に、前記主回路配線モジュールを前記矩形状冷却器の前記第１及び第２のパワーモジュールと隣り合う面に取り付け、更に、前記主回路配線モジュールの主回路配線に接続される前記第１及び第２のパワーモジュールのそれぞれの電極接続部を、前記主回路配線の電極接続部と略平行に延設したものである。

この発明に係る電力変換装置によれば、パワーモジュールと主回路配線を、矩形状冷却器の隣り合う面に配置する構成にしたので、電力変換装置の配置面積が小さく、装置の小形化を図ると共に、主回路配線の冷却を効果的に行うことができる。

以下、この発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１、図２は第１の実施の形態に係る電力変換装置を説明する図で、図１は斜視図を示し、図２は分解斜視図を示している。なお、図１、図２に示す第１の実施の形態に係る電力変換装置は、２個のパワーモジュールを用いた電力変換装置を例示している。

これらの図において、パワーモジュール１０ａ、１０ｂは、冷却器１１の上面に図示しない締結具、例えばねじによって締結され、冷却されている。また、パワーモジュール１０ａ、１０ｂに対して電流を入出させる主回路配線を樹脂にて封止した主回路配線モジュール１２が、冷却器１１のパワーモジュール１０ａ、１０ｂの配置面と隣り合う面に、図示されない締結具、例えばねじによって締結されている。なお、冷却器１１は矩形状に形成されており、冷却器１１のパワーモジュール１０ａ、１０ｂや、主回路配線モジュール１２を配置しない面を利用して電力変換装置の筐体に固定されている。

パワーモジュール１０ａ、１０ｂからは、主回路配線モジュール１２の主回路配線に接続される電極１０ｃ、１０ｅがパワーモジュール１０ａ、１０ｂのそれぞれの側面から延設されており、この電極１０ｃ、１０ｅが主回路配線モジュール１２から延設されているＬ字形状の主回路電極１２ａ、１２ｂと図示しないねじによって締結されている。

第１の実施の形態に係る電力変換装置は、前記のように、パワーモジュール１０ａ、１０ｂと主回路配線モジュール１２が、矩形状冷却器１１の異なる面に配置されているため、前記従来技術において説明したパワーモジュールと主回路配線モジュールが、冷却器上面に平面的に並べて配置した場合に比べ、上面からの投影面積を大幅に低減することが可能となる。即ち、電力変換装置の配置面積が小さく、装置の小形化を図ると共に、主回路配線の冷却を効果的に行うことができる。

また、主回路配線モジュール１２は、主回路配線を樹脂により封止する構成としているので、絶縁に必要な距離を短縮することが可能であり、電力変換装置の更なる小形化が可能である。

また、主回路配線モジュール１２がねじによって冷却器１１に締結されているので、冷却器１１により主回路配線を冷却することが可能である。これにより、装置の大電力化、または、主回路配線の小形化、ひいては、電力変換装置の小形化が可能である。

更に、車両用電力変換装置などでは、高い耐振性が要求されるが、この実施の形態によれば、パワーモジュール１０ａ、１０ｂや、主回路配線モジュール１２の主回路配線を配置しない冷却器１１の面を、電力変換装置の筐体への固定面とすることにより、その他の部分に筐体との取り付け脚を設けた構造に比べ、高い耐振性の確保が可能となる。なお、パワーモジュール１０ａ、１０ｂや、主回路配線モジュール１２の主回路配線を配置しない冷却器１１の面を、電力変換装置の筐体と一体化しても、高い耐振性が確保できるだけでなく、部品種類の低減、締結部の減少による信頼性向上、生産性向上が可能となる。

実施の形態２．
次に、第２の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。図３、図４は第２の実施の形態に係る電力変換装置を説明する図で、図３は斜視図を示し、図４は分解斜視図を示している。なお、図３、図４に示す第２の実施の形態に係る電力変換装置も、第１の実施の形態と同様に、２個のパワーモジュールを用いた電力変換装置を例示している。

第２の実施の形態に係る電力変換装置においては、２個のパワーモジュール３０ａ、３０ｂのうち、パワーモジュール３０ａが、冷却器３１の上面に図示されない締結具、例えばねじによって締結され、パワーモジュール３０ｂが、冷却器３１の下面に図示されない締結具、例えばねじによって締結されている。パワーモジュール３０ａ、３０ｂは、それぞれ冷却器３１の上下面によって冷却されている。また、パワーモジュール３０ａ、３０ｂに対して電流を入出させる主回路配線を樹脂にて封止した主回路配線モジュール３２が、冷却器３１のパワーモジュール３０ａ、３０ｂの配置面と隣り合う面に、図示しない締結具、例えばねじによって締結されている。なお、冷却器３１は矩形状に形成されている。

パワーモジュール３０ａ、３０ｂからは、主回路配線モジュール３２の主回路配線に接続される電極３０ｃ、３０ｅがパワーモジュール３０ａ、３０ｂのそれぞれの側面からパワーモジュール３０ａ、３０ｂの主たる面と略平行に延設されており、この電極３０ｃ、３０ｅが主回路配線モジュール３２から延設されているＬ字形状の主回路電極３２ａ、３２ｂと溶接によって締結されている。

第２の実施の形態に係る電力変換装置は、前記のように、パワーモジュール３０ａを冷却器３１の上面に、また、パワーモジュール３０ｂを冷却器３１の下面に締結すると共に、矩形状冷却器１１の異なる面に主回路配線モジュール３２を配置しているので、第１の実施の形態に係る電力変換装置の構造よりさらに上面からの投影面積を低減することが可能となる。即ち、電力変換装置の配置面積が更に小さく、装置の小形化を図ると共に、主回路配線の冷却を効果的に行うことができる。

また、パワーモジュール３０ａ、３０ｂの電極３０ｃ、３０ｅを、パワーモジュール３０ａ、３０ｂの側面からパワーモジュール３０ａ、３０ｂの主たる面と略平行に延設することにより、パワーモジュール３０ａ、３０ｂの電極３０ｃ、３０ｅと、主回路配線モジュール３２の主回路電極３２ａ、３２ｂとを溶接にて締結する際、主回路配線モジュール３２の配置されている側の一方向からの溶接作業により、全ての電極３０ｃ、３０ｅ、３２ａ、３２ｂを溶接することが可能であり、生産性の向上を図ることが可能である。

更に、パワーモジュール３０ａ、３０ｂの電極３０ｃ、３０ｅと、主回路配線モジュール３２の主回路電極３２ａ、３２ｂとを溶接にて締結するので、ねじなどの締結具で締結するのに比べ、省スペース化が図れる効果がある。

実施の形態３．
次に、第３の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。図５、図６は第３の実施の形態に係る電力変換装置を説明する図で、図５は斜視図を示し、図６は分解斜視図を示している。なお、図５、図６に示す第３の実施の形態に係る電力変換装置も、第１あるいは第２の実施の形態と同様に、２個のパワーモジュールを用いた電力変換装置を例示している。

第３の実施の形態に係る電力変換装置においては、第２の実施の形態に係る電力変換装置と同様に、２個のパワーモジュール５０ａ、５０ｂのうち、パワーモジュール５０ａが冷却器５１の上面に図示しない締結具、例えばねじによって締結され、パワーモジュール５０ｂが冷却器５１の下面に図示しない締結具、例えばねじによって締結されている。パワーモジュール５０ａ、５０ｂは、それぞれ冷却器５１の上下面によって冷却されている。また、パワーモジュール５０ａ、５０ｂに対して電流を入出させる主回路配線を樹脂にて封止した主回路配線モジュール５２が、冷却器５１のパワーモジュール５０ａ、５０ｂの配置面と隣り合う面に図示しない締結具、例えばねじによって締結されている。なお、冷却器５１は矩形状に形成されている。

冷却器５１のパワーモジュール５０ａ、５０ｂや主回路配線モジュール５２が配置されていない面には、昇降圧チョッパなどの電圧変換のために用いられるリアクトル５３が配置されている。これら２個のパワーモジュール５０ａ、５０ｂの電極５０ｃ、５０ｅと、後述するように構成された主回路配線モジュール５２の電極５２ｐ、５２ｓ、及び主回路配線モジュール５２の電極５２ｓとリアクトル５３の電極５３ａがそれぞれ溶接によって接続されており、該電力変換装置は、所謂ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧チョッパ）として作動する。

第３の実施の形態に係る電力変換装置の主回路配線モジュール５２には、図７に示すように、直流電源の正極に接続されるＰ電極５２ｐと、直流電源の負極に接続されるＮ電極５２ｎと、リアクトルに接続されるＯＵＴ電極５２ｓが内蔵されており、これら３組の電極５２ｐ、５２ｎ、５２ｓは、それぞれ交差することなく、略同一平面上に配置されており、主回路配線モジュール５２の封止樹脂を挟み、冷却器５１に近接配置されている。

第３の実施の形態に係る電力変換装置よれば、主回路配線モジュール５２の３組の電極５２ｐ、５２ｎ、５２ｓが交差することなく略同一平面状に配置されているため、主回路配線モジュール５２の薄型化、ひいては電力変換装置の小形化が可能である。

また、主回路配線モジュール５２の３組の電極５２ｐ、５２ｎ、５２ｓが、冷却器５１に略等しく近接配置されているため、全ての主回路電極５２ｐ、５２ｎ、５２ｓを冷却することが可能となる。すなわち、冷却器５１によって、パワーモジュール５０ａ、５０ｂ、リアクトル５３、主回路配線モジュール５２の主回路電極５２ｐ、５２ｎ、５２ｓを冷却することが可能であり、これら部品の小形化によって、電力変換装置の小形化が可能となる。

実施の形態４．
次に、第４の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。図８、図９は第４の実施の形態に係る電力変換装置を説明する図で、図８は斜視図を示し、図９は分解斜視図を示している。

図８及び図９に示す電力変換装置は、６個のパワーモジュール８０ａ〜８０ｆと、パワーモジュール８０ａ〜８０ｆに対して電流を入出させる主回路配線モジュール８１が、冷却器８２に配置されている。６個のパワーモジュール８０ａ〜８０ｆのうち、パワーモジュール８０ａ〜８０ｃが冷却器８２の上面に図示しない締結具、例えばねじによって締結され、パワーモジュール８０ｄ〜８０ｆが冷却器８２の下面に図示しない締結具、例えばねじによって締結されている。パワーモジュール８０ａ〜８０ｆは、それぞれ冷却器８２の上下面によって冷却されている。そして、パワーモジュール８０ａ〜８０ｃの３個でいわゆる３相インバータを構成しており、これと、パワーモジュール８０ｄ〜８０ｆの３個で構成した３相インバータを並列に接続することにより、３相インバータの大容量化を行っている。

また、パワーモジュール８０ｄ〜８０ｆの下面には直流電源電圧を平滑する平滑コンデンサ８３が配置されており、これら６個のパワーモジュール８０ａ〜８０ｆと、平滑コンデンサ８３は、主回路配線モジュール８１の各電極に溶接によって接続されている。

この実施の形態に係る電力変換装置の主回路配線モジュール８１には、図１０に示すように、直流電源の正極に接続されるＰ電極８１ｐと、直流電源の負極に接続されるＮ電極８１ｎと、３相負荷のＵ相に接続されるＵ電極８１ｕ、３相負荷のＶ相に接続されるＶ電極８１ｖと、３相負荷のＷ相に接続されるＷ電極８１ｗが内蔵されている。また、主回路電極モジュール８１の内部は３層の立体構造となっており、冷却器８２に最も近接する層に３相負荷に接続されるＵ電極８１ｕ、Ｖ電極８１ｖ、Ｗ電極８１ｗが同一平面上に配置され、残りの２層には直流電源に接続されるＰ電極８１ｐと、Ｎ電極８１ｎが配置されている。また、Ｐ電極８１ｐとＮ電極８１ｎは、３相負荷に接続されるＵ電極８１ｕ、Ｖ電極８１ｖ、Ｗ電極８１ｗに比べ幅広であり、Ｐ電極８１ｐとＮ電極８１ｎは、互いに略平行で近接配置されている。

この実施の形態に係る電力変換装置によれば、３相共通のため放熱面積が大きいＰ電極８１ｐ、Ｎ電極８１ｎよりも、各相個別のため放熱面積が小さいＵ電極８１ｕ、Ｖ電極８１ｖ、Ｗ電極８１ｗを冷却器８２に最も近接して配置されており、最も冷却が困難な電極を効率よく冷却することが可能であり、電力変換装置の小形化が実現できる。

また、この実施の形態に係る電力変換装置よれば、Ｐ電極８１ｐと、Ｎ電極８１ｎとは略平行で近接配置されているため、配線のインダクタンスを低減することができ、パワーモジュール８０ａ〜８０ｆ内のスイッチング素子に発生するスイッチングサージを低減することが可能であり、スイッチング素子耐圧の低減、スイッチング損失の低減のほか、低損失化による電力変換装置の小形化が実現できる。

更に、この実施の形態に係る電力変換装置よれば、主回路電極が立体に配置されているため、主回路配線モジュール８１の内部で電極を交差することが可能であり、主回路配線モジュール８１の端子位置を自由に配置することが可能である。例えば、冷却器８２の上面に配置されたパワーモジュール８０ａ〜８０ｃと、冷却器８２の下面に配置されたパワーモジュール８０ｄ〜８０ｆを並列に接続する場合であって、主回路配線モジュール８１の内部の電極が平面状に配置されていた場合、図１１に示すように、冷却器８２の上面に配置されたパワーモジュール８０ａ〜８０ｃと、冷却器８２の下面に配置されたパワーモジュール８０ｄ〜８０ｆの電極配列を揃える必要がある。このため、冷却器８２の上面に配置されたパワーモジュール８０ａ〜８０ｃと、冷却器８２の下面に配置されたパワーモジュール８０ｄ〜８０ｆとでは、電極の配置を左右対称にする必要があった。つまり、１つの電力変換装置を構成するため、２種類のパワーモジュールが必要であり、部品点数の増加、ひいては電力変換装置のコスト増となっていた。しかし、この実施の形態のように、主回路電極が立体に配置されている場合、主回路配線モジュール８１の内部で電極を交差することが可能であり、図１２に示すように、冷却器８２の上側に配置されたパワーモジュール８０ａ〜８０ｃと、冷却器８２の下側に配置されたパワーモジュール８０ｄ〜８０ｆが、全く同一の形状であっても、パワーモジュールの並列接続が可能であり、部品数の削減、ひいては電力変換装置の低コスト化が実現できる。

更に、この実施の形態に係る電力変換装置は、パワーモジュール８０ａ〜８０ｆと、主回路配線モジュール８１と、冷却器８２のほか、直流電源電圧を平滑する平滑コンデンサ８３を同時に組み込んでいるが、パワーモジュール８０ａ〜８０ｆの端子と、主回路配線モジュール８１の主回路配線とを接続する際、平滑コンデンサ８３の端子も同時に接続することによって、生産性の向上のほか、接続場所の省スペース化が可能となる。

また、パワーモジュール８０ａ〜８０ｆや、主回路配線モジュール８１の主回路配線を配置しない冷却器８２の面を利用して、直流電源電圧を平滑する平滑コンデンサ８３を配置したので、平滑コンデンサ８３を冷却することが可能となり、平滑コンデンサ９３の小形化が可能となる。

この発明に係る電力変換装置は、内燃機関と電気モータの両方を駆動源として有するハイブリッド自動車、その他、電気モータを駆動源とし、電力を用いて走行する電気自動車に利用できる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の斜視図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の分解斜視図である。この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の斜視図である。この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の分解斜視図である。この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の斜視図である。この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の分解斜視図である。この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の主回路配線モジュールの内部構造図である。この発明の実施の形態４に係る電力変換装置の斜視図である。この発明の実施の形態４に係る電力変換装置の分解斜視図である。この発明の実施の形態４に係る主回路配線モジュールの内部構造図である。この発明の実施の形態４に係る電力変換装置の効果を説明する分解斜視図である。この発明の実施の形態４に係る電力変換装置の効果を説明する分解斜視図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂパワーモジュール
１０ｃ、１０ｅ電極
１１冷却器
１２主回路配線モジュール
１２ａ、１２ｂ主回路電極
３０ａ、３０ｂパワーモジュール
３０ｃ、３０ｅ電極
３１冷却器
３２主回路配線モジュール
３２ａ、３２ｂ主回路電極
５０ａ、５０ｂパワーモジュール
５０ｃ、５０ｅ電極
５１冷却器
５２主回路配線モジュール
５２ｐＰ電極
５２ｎＮ電極
５２ｓＯＵＴ電極
５３リアクトル
５３ａ電極
８０ａ〜８０ｆパワーモジュール
８１主回路配線モジュール
８１ｐＰ電極
８１ｎＮ電極
８１ｕＵ電極
８１ｖＶ電極
８１ｗＷ電極
８２冷却器
８３平滑コンデンサ

Claims

電力変換回路の一部を構成する第１及び第２のパワーモジュールと、
前記第１及び第２のパワーモジュールを冷却する矩形状冷却器と、
前記第１及び第２のパワーモジュールに対して電流を入出させる主回路配線を樹脂にて封止した主回路配線モジュールと、を備え、
前記第１のパワーモジュールと前記第２のパワーモジュールとを前記矩形状冷却器の隣り合わない面に取り付けると共に、前記主回路配線モジュールを前記矩形状冷却器の前記第１及び第２のパワーモジュールと隣り合う面に取り付け、
更に、前記主回路配線モジュールの主回路配線に接続される前記第１及び第２のパワーモジュールのそれぞれの電極接続部を、前記主回路配線の電極接続部と略平行に延設したことを特徴とする電力変換装置。
電圧変換に用いられるリアクトルを備え、前記リアクトルを、前記第１及び第２のパワーモジュールと前記主回路配線モジュールの取り付けられていない前記矩形状冷却器の面に取り付け、前記主回路配線モジュールの主回路配線に接続される前記リアクトルの電極接続部を、前記主回路配線の電極接続部と略平行に延設したことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１及び第２のパワーモジュールの電極に接続される前記主回路配線モジュールの電極と、前記リアクトルの電極に接続される前記主回路配線モジュールの電極を、交差することなく、略同一平面状に配置したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
３相インバータを構成する第１及び第２のパワーモジュールと、
前記第１及び第２のパワーモジュールを冷却する矩形状冷却器と、
前記第１及び第２のパワーモジュールに対して電流を入出させる主回路配線を樹脂にて封止した主回路配線モジュールと、を備え、
前記第１のパワーモジュールと前記第２のパワーモジュールとを前記矩形状冷却器の隣り合わない面に取り付けると共に、前記主回路配線モジュールを前記矩形状冷却器の前記第１及び第２のパワーモジュールと隣り合う面に取り付け、
更に、前記第２のパワーモジュールの前記矩形状冷却器への取り付け面に、直流電源電圧を平滑すると共に、前記第２のパワーモジュールに接続される平滑コンデンサを取り付け、
前記主回路配線モジュールの主回路配線に接続される前記第１及び弟２のパワーモジュールのそれぞれの電極接続部を、前記主回路配線の電極接続部と略平行に延設すると共に、前記平滑コンデンサの電極接続部を、前記第２のパワーモジュールの電極接続部と略平行に延設したことを特徴とする電力変換装置。
前記主回路配線モジュールに、直流電源の正極に接続されるＰ電極と、直流電源の負極に接続されるＮ電極と、３相負荷のＵ相に接続されるＵ電極、３相負荷のＶ相に接続されるＶ電極、及び３相負荷のＷ相に接続されるＷ電極と、を内蔵し、
前記Ｐ電極と、前記Ｎ電極と、前記Ｕ電極、Ｖ電極、Ｗ電極と、を３層の立体構造にしたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
前記Ｐ電極と前記Ｎ電極は、３相負荷に接続される前記Ｕ電極、Ｖ電極、Ｗ電極に比べ幅広であり、前記Ｐ電極と前記Ｎ電極は、互いに略平行で近接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。
前記第１のパワーモジュール、前記第２のパワーモジュール、及び前記主回路配線モジュールが取り付けられていない前記矩形状冷却器の面を、前記３相インバータの筐体との固定部にしたことを特徴とする請求項４〜６の何れか一項に記載の電力変換装置。