JP4934712B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
換装置に関する。
給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直
流電源に供給するための直流電力に変換する機能を備えている。前記変換機能を果すため
、電力変換装置はスイッチング素子を有するインバータ回路を有しており、前記スイッチ
ング素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより直流電力から交流電力へあるいは交
流電力から直流電力への前記電力変換を行う。
りスパイク電圧が発生する。このスパイク電圧を低減するために平滑コンデンサを設ける
と共に直流電気回路のインダクタンスを低減することが望ましい。インダクタンスを低減
することによりスパイク電圧を抑える技術が特許文献1(特開2002−34268号公
報)に記載されている。前記特許文献1によれば、平滑コンデンサとスイッチング素子間
の配線長さを短くすることでインダクタンスを低減し、スパイク電圧を小さくできる、と
記載されている。
車両駆動用回転電機に供給するための3相交流電力に変換する。車両駆動用回転電機の発
生トルクの要求が初期の物に比べ大きくなっている。このため電力変換装置が変換する電
力が大きくなる傾向にある。また車両に搭載される電力変換装置は工場内に設置される一
般の産業機械の電力変換装置に比べ高い温度環境で使用される。このため一般の電力変換
装置に比べ、車両用電力変換装置は電力変換装置自身が発生する熱をできるだけ低減する
ことが望まれている。電力変換装置自身が発生する熱の内、インバータ回路を構成するス
イッチング素子が発生する熱が大きな割合を占め、スイッチング素子の発熱をできるだけ
低減することが望ましい。
遮断状態への切り替り時に発熱量が増大するので、上記切り替り動作時の発熱を低減する
ことが望ましい。この発熱量を低減するためには上記スイッチング素子の前記切り替り動
作時間を短くすることが第1の対応策である。またスイッチング素子の上記スイッチング
動作を行う間隔を長くする、即ち単位時間当たりのスイッチング素子の動作回数を少なく
することにより総合的な発熱量を低減することが第2の対応策である。上記第2の対応策
においてスイッチング素子の上記スイッチング動作を行う間隔を非常に長くすることは制
御精度を低下させる可能性があり、単位時間当たりのスイッチング素子の動作回数を大き
く減らすには限界がある。
により、インバータ回路のスイッチング素子の切り替りに必要な時間を短くし、スイッチ
ング素子のスイッチング動作の一回あたりの発熱量を低減する技術が開示されている。
素子の切り替え動作時の発熱低減に対する配慮に欠ける面がある。
熱量の低減に繋がること及び低インダクタンス化を実現するための技術が記載されている
が、電力変換装置、特に車載用の電力変換装置では車載内部の空間が狭く、発熱量の低減
と共に電力変換装置のより小型化が望まれていて、この点で特許文献2には課題が存する
。
大にかかわらず装置の体積の増大をできるだけ抑えることが望ましい。例えば電力変換装
置の単位体積当たりの変換可能な最大電力の値が増大するように工夫することが望ましい
。このためには低インダクタンス化の実現と小型化の両立が望ましい。ここで小型化とは
電力変換装置の単位体積当たりの変換可能最大電力値の値をできるだけ大きくすることで
ある。
を提供することである。
車両駆動用モータに交流電流を出力する駆動用パワーモジュール(300)と、車両に搭載された補機用モータに交流電流を出力するための補機用パワーモジュール(43)と、電源から供給される直流電流を平滑化して、当該平滑化された直流電流を前記駆動用パワーモジュール及び前記補機用パワーモジュールに供給するコンデンサモジュール(500)と、正極導体板と、当該正極導体板に対して絶縁部材を介して対向する負極導体板とにより構成される直流電流伝達部(314,316)と、冷却媒体を流す流路を形成するための流路形成体(19)と、前記駆動用パワーモジュールと前記補機用パワーモジュールと前記コンデンサモジュールと前記直流電流伝達部と前記流路形成体とを内蔵する筐体(12)と、を備え、
前記筐体は、前記流路形成体が当該筐体内に配置されることにより、第1の領域と第2の領域に分けられるとともに、前記流路形成体の側部に前記第1の領域と前記第2の領域とを繋ぐ繋ぎ空間が形成され、かつ当該第2の領域側の当該筐体は開口する形状を成し、前記駆動用パワーモジュールは、前記第1の領域内であって前記流路形成体側に配置され、前記コンデンサモジュールは、前記第2の領域側の開口を塞ぐためのケース(16)に配置され、かつ前記ケースと前記コンデンサモジュールとの間に熱伝導路が形成され、前記直流電流伝達部は、前記繋ぎ空間を通って前記駆動用パワーモジュールと前記コンデンサモジュールを接続し、前記補機用パワーモジュールは、前記第2の領域内であって前記コンデンサモジュールとは所定空間を介して前記流路形成体側に配置され、かつ前記コンデンサモジュールから延びる補機用パワーモジュール端子(532,534)が当該所定空間を通って当該補機用パワーモジュールと接続される構成とする。
と共に電力変換装置の体積の増大を抑えることができ、電力変換装置の単位体積あたりの
最大変換電力の値を大きくできる。その他の効果は以下に説明の実施形態の説明の中で述
べる。
るが、まず、はじめに、本実施形態に係る電力変換装置における、改善改良すべき技術的
課題とこの技術的課題を解決するための技術の概要について説明する。
電気回路のインダクタンスの低減に係る工夫には次の3つの観点がある。第1の観点は
パワーモジュールのインダクタンス低減である。第2の観点はコンデンサモジュールのイ
ンダクタンス低減である。第3の観点はパワーモジュールとコンデンサモジュールとの接
続回路のインダクタンス低減である。上記観点1から観点3の全てを実施することが最も
望ましい。しかし3つの観点の内1つの観点を実施することでも効果があり、さらに3つ
の観点の内の2つの観点を実施することでさらに好ましい効果がある。
ワーモジュールはインバータ回路に使用される半導体素子のチップを内蔵しており、前記
パワーモジュールは直流電力を授受するための直流端子が設けられている。前記直流端子
から前記半導体素子までの直流導体は、正極用導体板と負極用導体板が絶縁材を挟んで重
ねられることによる積層構造を成している。この積層構造により、直流端子から半導体素
子までの電気回路のインダクタンスを大幅に低減することができる。
インバータ回路の下アーム用半導体チップとの直列回路を単位とし、前記直列回路が3組
並列に配置されている。以下の実施形態では、前記各直列回路へ直流電力を供給するため
の正極端と負極端とが接近して配置されている。直流電力供給するための前記正極端と負
極端とが接近して設けられているので、前記正極端から供給され、上アーム用半導体チッ
プと下アーム用半導体チップを通り、前記負極端に戻る電流の流れはループ形状に近い形
状となる。電流の流れがループ形状に近くなることにより、半導体チップの冷却用金属板
に渦電流が誘起され、この渦電流の誘起によりインダクタンスが低下する。以下の実施形
態では上アームと下アームからなる各直列回路へ直流電力を供給するための正極端と負極
端とが接近して設けられているのでインダクタンスを低減できる。
子と負極端子とを上アーム用半導体チップと下アーム用半導体チップとの中央部に配置し
、正極端子と負極端子の位置の一方側に上アーム用半導体チップを配置し、また他方側に
下アーム用半導体チップを配置している。このように中央から電流を供給し、一方側と他
方側に前記直列回路を配置することで、電流の流れがループ形状を形作り易くなる。この
ためインダクタンスをより低減できる特性を得ることができる。
極端子と負極端子間は積層構造の導体板が使用されているのでインダクタンスを低減でき
、さらに前記直列回路の内部は電流がループ形状を描いて流れるので、インダクタンスが
低減する。従ってパワーモジュールの直流端子から内部のインダクタンスを低減すること
ができる。
デンサモジュールには正極導体板と負極導体板を有する積層導体が設けられ、この積層導
体の平面部にコンデンサセルを複数個並列に配置し、各コンデンサセルの両端の電極を前
記正極導体板と負極導体板とに接続する構造としている。この構造によりコンデンサモジ
ュールの内部のインダクタンスを低減することができる。また後述する実施形態では前記
正極導体板と負極導体板を有する積層導体がコンデンサモジュールから外に積層状態で突
出して伸び、コンデンサモジュールの直流端子を形成している。内部の積層構造の導体板
が連続して伸びコンデンサモジュールの端子を形成しているので、インダクタンスを低減
することができる。
ンスの低減について説明する。以下の実施形態ではパワーモジュールとコンデンサモジュ
ールの端子はそれぞれ積層構造を成し、さらにこれらの端子が直接接続しているので、パ
ワーモジュールとコンデンサモジュールとの接続回路のインダクタンスを低減することが
できる。
しいが、直接接続しない場合でも、正極導体板と負極導体板からなる積層構造の導体板を
使用してパワーモジュールとコンデンサモジュールの直流端子を接続することでインダク
タンスを低減できる。
構造の導体板を使用した場合の接続部分において、各接続部分のインダクタンスを低減す
ることが望ましい。後述する実施形態では、接続部は、積層構造の正極と負極の導体板が
互いに反対方向に屈曲し、積層構造の各導体の内側面が開いて接続面となり、同様の形状
を成す接続相手の接続面と接続される。このような接続構造とすることで接続部分のイン
ダクタンスが非常に低くなり、パワーモジュールとコンデンサモジュールとの間のインダ
クタンスを大幅に低減できる。
電力変換装置の小型化に関する工夫を次の5つの観点で説明する。第1の観点は冷却水
流路を電力変換装置の筐体の中ほどに配置し、前記冷却水流路の両面を利用して冷却する
ことにより、電力変換装置の小型化を図ったことである。第2の観点は冷却水流路の側部
と前記筐体との間にパワーモジュールとコンデンサモジュールとの電気的な接続を行うた
めの空間を設けることにより、電力変換装置の小型化を図ったことである。第3の観点は
冷却水流路の冷却水の流路方向に沿って2組のパワーモジュールを併設して配置したこと
で、電気配線が簡素化され、小型化が可能となったことである。第4の観点はパワーモジ
ュールの構造的な改善である。第5の観点はコンデンサモジュールの構造的な改善である
。上記観点のそれぞれにおいて効果があり、またこれらの観点を組み合わせて実施するこ
とで、さらに大きな効果を得ることができる。
に冷却水流路を配置し、前記冷却水流路の両面を利用して冷却する構造を有している。こ
の構造により冷却効率が向上し、小型化に繋がる。さらにまた以下の実施形態では、冷却
水流路の一方の側にパワーモジュールを配置し、冷却水流路の他方の側にコンデンサモジ
ュールを配置することができ、パワーモジュールとコンデンサモジュールの冷却構造が必
要とする体積を小さくでき、結果として電力変換装置の小型化が可能となる。
、パワーモジュール内部の半導体素子を駆動するための駆動回路を配置することで、パワ
ーモジュールと駆動回路との接続の簡素化が図れ、小型化が可能となる。
路の他方の面に補機用のインバータ装置を設けることで、冷却効率が向上し、結果として
電力変換装置の小型化が可能となる。ここで補機用のインバータ装置とは例えば車両用エ
アーコンディショナーの駆動用モータのためのインバータ装置やオイルポンプ用モータの
ためのインバータ装置などである。さらに前記冷却水流路の他方の側に補機用のインバー
タ装置とコンデンサモジュールとを設けることで、前記コンデンサモジュールを車両駆動
用回転電機の平滑用コンデンサとして使用するのに加え、前記補記用インバータの平滑コ
ンデンサとしても使用できる。従って回路構成が簡素化され電力変換装置をより小型にす
ることが可能となる。
成し、前記一方の辺に垂直な方向における、流路の側部と筐体との間に、冷却水流路の一
方側空間と他方側空間とを繋ぐ穴すなわち貫通する空間を設け、前記空間を介して、冷却
水流路の一方側に設けられた電気部品と冷却水流路の他方側に設けられた電気部品との電
気接続を行う構造としている。この貫通する空間を介して必要な電気的接続を行うことが
でき、接続の簡素化が図れると共に電力変換装置の小型化が可能となる。
沿って冷却水流路を形成し、この冷却水流路の冷却水の流れの方向に2組のパワーモジュ
ールを並べて配置している。さらに前記2組のパワーモジュールの直流側端子と交流側端
子を、前記冷却水の流れの方向と垂直の方向に設けている。このような配置および構造に
より前記冷却水流路と筐体との間の空間を端子の配置に利用でき、電力変換装置を小型化
することができる。また2組のパワーモジュールの端子が2組のパワーモジュールの併設
方向と垂直方向にあり、お互いに干渉しあう可能性が少なく、小型化が可能となる。また
前述のように前記2組のパワーモジュールの直流側端子が前記冷却水流路と筐体との間に
位置するので、前記パワーモジュールの直流側端子の位置である冷却水流路と筐体との間
に、冷却水流路の一方側と他方側とを繋ぐ空間を形成することが可能となる。この空間を
介して冷却水流路の一方側の前記パワーモジュールの直流側端子とコンデンサモジュール
の直流側端子とを接続することができ、配線の簡素化が可能となることで電力変換装置の
小型化が実現できる。また信頼性も向上する。
モジュールは同様の構造を有している。各パワーモジュールにはインバータ回路の上アー
ムと下アームからなる直列回路を3相交流のU相とV相とW相とに対応させて設けている
。上記直列回路を併設して設けているので、各直列回路の半導体チップが整然と並べて配
置することが可能となり、パワーモジュールの小型化に繋がる。
層を介して固定され、パワーモジュールへの直流電力を供給するための直流導体が前記半
導体素子の上から供給される構造となっている。すなわち、半導体素子の一方側に放熱用
金属板が設けられ半導体素子の他方側に前記直流導体が配置される構造となっている。こ
の構造によりパワーモジュール自身が小型となり、電力変換装置の小型化に繋がる。
ルからさらに伸びて電力変換装置の交流出力端子として使用される。この構造により、組
立部品数が少なくなり、生産性の向上だけでなく、電力変換装置の小型化に繋がる。
モジュールは、積層構造の正極および負極導体板にコンデンサセルを複数個併設し、各コ
ンデンサセルの正極と負極を前記正極および負極導体板に電気的に接続する構造を有して
いる。コンデンサセルを固定した前記積層構造の導体板に複数個さらに併設する構成を有
しており、大きな容量のコンデンサモジュールを比較的小型の形状で作ることが可能とな
る。またコンデンサモジュールの小型化は電力変換装置の小型化に繋がる。
ンサを使用し、フィルムコンデンサの外周面が前記積層構造の導体板の面に対向するよう
に固定することで、コンデンサモジュール自身が小型化するのに加え、振動などに強い構
造となり、信頼性が向上する。
の幅方向にコンデンサセルの電極が配置される構造とすることで、コンデンサセルと前記
導体板との接続が容易となり、生産性が向上する。
に説明の実施形態は解決すると共に新たな効果を奏する。以下新たな、解決しようとする
課題についても説明する。
以下に記載の実施形態では、冷却水流路の側部と筐体との間に貫通する空間を形成して
、パワーモジュールとコンデンサモジュールとの接続を行っている。冷却水流路とは異な
る位置に空間を形成し、この空間を介して上記接続を行っているので、冷却水の影響を受
け難く、信頼性が向上する。
U相とV相とW相の交流バスバーをピン結合とすることで、モータジェネレータからの振
動による交流バスバーとパワーモジュール基板との半田付け固着に対する剥離への悪影響
を防止しており、電力変換装置の信頼性が向上する。さらにピン結合という簡易な結合手
法を用いることで作業性や組立性を向上させている。
さらに、冷却部の筐体は、パワーモジュールの放熱フィンを冷却する冷却水通路のため
の冷却水空間の外に、パワーモジュールとコンデンサとを接続する直流接続端子構造を包
囲する包囲空間を有し、この接続端子構造を筐体で被うことにより、電力変換装置の全体
構造の簡易化、小型化が図られ、組立性も向上する。加えて、冷却水空間内の冷却水が、
冷却部筐体を介して、コンデンサの冷却にも寄与することができる。
て延設され、接続部材を介在させずに直接に互いの接続端を接続する構成を採用すること
によって接続端子構造が簡単となり、小型化に貢献し、作業性、組立性の向上に繋がって
いる。
本実施形態に係る電力変換装置は、片側に放熱フィンを有するパワーモジュール(半導
体モジュール)の内部にインバータ装置の上下アームの直列回路を収納し、パワーモジュ
ールを冷却部内に挿入し、放熱フィンを冷却水で直接冷却する構造を備えている。また、
冷却水の流路を形成する冷却部の筐体内にパワーモジュールと直流電源の平滑用コンデン
サを内包するように積層する構成、すなわち、パワーモジュールとコンデンサとで水路を
挟むサンドイッチ構造を採用することで、冷却効率が向上させることができ、冷却効率の
向上により電力変換装置の小型化を図っている。
方形状の筐体の長辺に沿って伸びると共に再び筐体の長辺に沿って戻る形状をしている。
されており、冷却効率が向上する。またインバータ回路の上アームを構成するチップの位
置と下アームを構成するチップの位置がそれぞれ行きと帰りの前記冷却水流路と対応した
位置となっているので、冷却効率が向上する。この冷却効率の向上は信頼性の向上や装置
の小型化にも好影響を及ぼしている。以上の説明は、本発明の実施形態における効果や解
決される課題について説明したものである。本実施形態の詳細については以下に説明する
。
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
ブリッド自動車に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
されたコンデンサモジュールを備えた電力変換装置と、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。
載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境な
どが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ
装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備
えられ、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を
所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電
動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので
、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力
を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給され
る。
適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶、航空機などの電力変換装置
、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、
或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いら
れたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
の電動車両であり、2つの車両駆動用システムを備えている。その1つは、内燃機関であ
るエンジン120を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主とし
てHEVの駆動源として用いられる。もう1つは、モータジェネレータ192,194を
動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてHEVの駆動源及
びHEVの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ192,194は例えば同
期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので
、ここではモータジェネレータと記すこととする。
両端には1対の前輪112が設けられている。車体のリア部には後輪車軸(図示省略)が
回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端には1対の後輪が設けられている。本実施形
態のHEVでは、動力によって駆動される主輪を前輪112とし、連れ回される従輪を後
輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採
用しても構わない。
記述する)116が設けられている。前輪車軸114は前輪側DEF116の出力側に機
械的に接続されている。前輪側DEF116の入力側には変速機118の出力軸が機械的
に接続されている。前輪側DEF116は、変速機118によって変速されて伝達された
回転駆動力を左右の前輪車軸114に分配する差動式動力分配機構である。変速機118
の入力側にはモータジェネレータ192の出力側が機械的に接続されている。モータジェ
ネレータ192の入力側には動力分配機構122を介してエンジン120の出力側及びモ
ータジェネレータ194の出力側が機械的に接続されている。尚、モータジェネレータ1
92,194及び動力分配機構122は、変速機118の筐体の内部に収納されている。
〜128は傘歯車である。歯車123,124,129,130は平歯車である。モータ
ジェネレータ192の動力は変速機118に直接に伝達される。モータジェネレータ19
2の軸は歯車129と同軸になっている。この構成により、モータジェネレータ192に
対して駆動電力の供給が無い場合には、歯車129に伝達された動力がそのまま変速機1
18の入力側に伝達される。
車123から歯車124に、次に、歯車124から歯車126及び歯車128に、次に、
歯車126及び歯車128から歯車130にそれぞれ伝達され、最終的には歯車129に
伝達される。モータジェネレータ194の作動によって歯車125が駆動されると、モー
タジェネレータ194の回転は歯車125から歯車126及び歯車128に、次に、歯車
126及び歯車128から歯車130のそれぞれに伝達され、最終的には歯車129に伝
達される。尚、動力分配機構122としては上述した差動機構に代えて、遊星歯車機構な
どの他の機構を用いても構わない。
子の電機子巻線に供給される交流電力がインバータ装置140,142によって制御され
ることによりモータジェネレータ192,194の駆動が制御される。インバータ装置1
40,142にはバッテリ136が電気的に接続されており、バッテリ136とインバー
タ装置140,142との相互において電力の授受が可能である。
動発電ユニットと、モータジェネレータ194及びインバータ装置142からなる第2電
動発電ユニットとの2つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわち、
エンジン120からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルク
をアシストする場合には第2電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動
力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第1電動発電ユ
ニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシ
ストする場合には第1電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン120の動力によ
って作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第2電動発電ユニット
を電動ユニットとして作動させる。
ニットとして作動させることにより、モータジェネレータ192の動力のみによって車両
の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第1電動発電ユニット又は第2電動発電ユニ
ットを発電ユニットとしてエンジン120の動力或いは車輪からの動力によって作動させ
て発電させることにより、バッテリ136の充電ができる。
る。補機としては例えばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるい
は制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ136からインバータ43装置
に直流電力が供給され、インバータ装置43で交流の電力に変換されてモータ195に供
給される。前記インバータ装置43はインバータ装置140や142と同様の機能を持ち
、モータ195に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。例えばモータ195の
回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ195はトルクを
発生する。一方遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ195は発電機として作用
し、モータ195は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置43の制御機
能はインバータ装置140や142の制御機能と同様である。モータ195の容量がモー
タジェネレータ192や194の容量より小さいので、インバータ装置43の最大変換電
力がインバータ装置140や142より小さいが、インバータ装置43の回路構成は基本
的にインバータ装置140や142の回路構成と同じである。
500は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している
。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳
述する電力変換装置は、インバータ装置140や142およびインバータ装置43さらに
コンデンサモジュール500を電力変換装置の筐体内に内蔵している。この構成により、
小型で信頼性の高い装置が実現できる。
ール500を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。ま
たコンデンサモジュール500とインバータ装置140や142およびインバータ装置4
3との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の
低減や放熱効率の向上を図ることができる。
回路構成を説明する。尚、図1〜図2に示す実施形態では、インバータ装置140や14
2あるいはインバータ装置43をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。イ
ンバータ装置140や142あるいはインバータ装置43は同様の構成で同様の作用を為
し、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置140の説明
を行う。
500とを備え、インバータ装置140はインバータ回路144と制御部170とを有し
ている。また、インバータ回路144は、上アームとして動作するIGBT328(絶縁
ゲート型バイポーラトランジスタ)及びダイオード156と、下アームとして動作するI
GBT330及びダイオード166と、からなる上下アーム直列回路150を複数有し(
図2の例では3つの上下アーム直列回路150,150,150)、それぞれの上下アー
ム直列回路150の中点部分(中間電極169)から交流端子159を通してモータジェ
ネレータ192への交流電力線(交流バスバー)186と接続する構成である。また、制
御部170はインバータ回路144を駆動制御するドライバ回路174と、ドライバ回路
174へ信号線176を介して制御信号を供給する制御回路172と、を有している。
あり、制御部170から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ136から供給さ
れた直流電力を三相交流電力に変換する。この変換された電力はモータジェネレータ19
2の電機子巻線に供給される。上述のとおり、インバータ装置140はモータジェネレー
タ192が発生する三相交流電力を直流電力に変換することもできる。
2さらにインバータ装置43とコンデンサモジュール500を有しているが、上述のとお
りインバータ装置140と142さらにインバータ装置43は同様の回路構成であるので
インバータ装置140を代表として記載し、インバータ装置142とインバータ装置43
は、既に上述したとおり省略した。
直列回路150,150,150がそれぞれ、バッテリ136の正極側と負極側に電気的
に接続されている直流正極端子314と直流負極端子316の間に電気的に並列に接続さ
れている。ここで、上下アーム直列回路150はアームと呼称されており、上アーム側の
スイッチング用パワー半導体素子328及びダイオード156と下アーム側のスイッチン
グ用パワー半導体素子330及びダイオード166を備えている。
いることを例示している。IGBT328や330は、コレクタ電極153,163、エ
ミッタ電極(信号用エミッタ電極端子155,165)、ゲート電極(ゲート電極端子1
54,164)を備えている。IGBT328,330のコレクタ電極153,163と
エミッタ電極との間にはダイオード156,166が図示するように電気的に接続されて
いる。ダイオード156,166は、カソード電極及びアノード電極の2つの電極を備え
ており、IGBT328,330のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向
となるように、カソード電極がIGBT328,330のコレクタ電極に、アノード電極
がIGBT328,330のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。スイッチ
ング用パワー半導体素子としてはMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジス
タ)を用いてもよい、この場合はダイオード156やダイオード166は不要となる。
応して3相分設けられている。3つの上下アーム直列回路150,150,150はそれ
ぞれ、IGBT328のエミッタ電極とIGBT330のコレクタ電極163を接続する
中間電極169、交流端子159を介してモータジェネレータ192へのU相、V相、W
相を形成している。上下アーム直列回路同士は電気的に並列接続されている。上アームの
IGBT328のコレクタ電極153は正極端子(P端子)157を介してコンデンサモ
ジュール500の正極側コンデンサ電極に、下アームのIGBT330のエミッタ電極は
負極端子(N端子)158を介してコンデンサモジュール500の負極側コンデンサ電極
にそれぞれ電気的に接続(直流バスバーで接続)されている。各アームの中点部分(上ア
ームのIGBT328のエミッタ電極と下アームのIGBT330のコレクタ電極との接
続部分)にあたる中間電極169は、モータジェネレータ192の電機子巻線の対応する
相巻線に交流コネクタ188を介して電気的に接続されている。
生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジ
ュール500の正極側コンデンサ電極にはバッテリ136の正極側が、コンデンサモジュ
ール500の負極側コンデンサ電極にはバッテリ136の負極側がそれぞれ直流コネクタ
138を介して電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール500は、
上アームIGBT328のコレクタ電極153とバッテリ136の正極側との間と、下ア
ームIGBT330のエミッタ電極とバッテリ136の負極側との間で接続され、バッテ
リ136と上下アーム直列回路150に対して電気的に並列接続される。
やセンサなどからの入力情報に基づいて、IGBT328,330のスイッチングタイミ
ングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路172と、制御回路172から
出力されたタイミング信号に基づいて、IGBT328,330をスイッチング動作させ
るためのドライブ信号を生成するドライブ回路174とを備えている。
めのマイクロコンピュータ(以下、「マイコン」と記述する)を備えている。マイコンに
は入力情報として、モータジェネレータ192に対して要求される目標トルク値、上下ア
ーム直列回路150からモータジェネレータ192の電機子巻線に供給される電流値、及
びモータジェネレータ192の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不
図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流セン
サ180から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータ
ジェネレータ192に設けられた回転磁極センサ(不図示)から出力された検出信号に基
づいて検出されたものである。本実施形態では3相の電流値を検出する場合を例に挙げて
説明するが、2相分の電流値を検出するようにしても構わない。
d,q軸の電流指令値を演算し、この演算されたd,q軸の電流指令値と、検出されたd
,q軸の電流値との差分に基づいてd,q軸の電圧指令値を演算し、この演算されたd,
q軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてU相、V相、W相の電圧指令値に変
換する。そして、マイコンは、U相、V相、W相の電圧指令値に基づく基本波(正弦波)
と搬送波(三角波)との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調
波をPWM(パルス幅変調)信号としてドライバ回路174に出力する。
ブ信号として、対応する下アームのIGBT330のゲート電極に、上アームを駆動する
場合、PWM信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからP
WM信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのIGBT328のゲ
ート電極にそれぞれ出力する。これにより、各IGBT328,330は、入力されたド
ライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
直列回路150を保護している。このため、制御部170にはセンシング情報が入力され
ている。例えば各アームの信号用エミッタ電極端子155,165からは各IGBT32
8,330のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部(IC)に入力されて
いる。これにより、各駆動部(IC)は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には
対応するIGBT328,330のスイッチング動作を停止させ、対応するIGBT32
8,330を過電流から保護する。上下アーム直列回路150に設けられた温度センサ(
不図示)からは上下アーム直列回路150の温度の情報がマイコンに入力されている。ま
た、マイコンには上下アーム直列回路150の直流正極側の電圧の情報が入力されている
。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは
過電圧が検知された場合には全てのIGBT328,330のスイッチング動作を停止さ
せ、上下アーム直列回路150(引いては、この回路150を含む半導体モジュール)を
過温度或いは過電圧から保護する。
のダイオード156と、下アームのIGBT330及び下アームのダイオード166との
直列回路であり、IGBT328,330はスイッチング用半導体素子である。インバー
タ回路144の上下アームのIGBT328,330の導通および遮断動作が一定の順で
切り替わり、この切り替わり時のモータジェネレータ192の固定子巻線の電流は、ダイ
オード156,166によって作られる回路を流れる。
端子)157、Negative端子(N端子158、負極端子)、上下アームの中間電
極169からの交流端子159、上アームの信号用端子(信号用エミッタ電極端子)15
5、上アームのゲート電極端子154、下アームの信号用端子(信号用エミッタ電極端子
)165、下アームのゲート端子電極164、を備えている。また、電力変換装置200
は、入力側に直流コネクタ138を有し、出力側に交流コネクタ188を有して、それぞ
れのコネクタ138と188を通してバッテリ136とモータジェネレータ192にそれ
ぞれ接続される。また、モータジェネレータへ出力する3相交流の各相の出力を発生する
回路として、各相に2つの上下アーム直列回路を並列接続する回路構成の電力変換装置で
あってもよい。
を参照しながら以下説明する、尚図1乃至図2と同じ参照符号は同じ部品を示し、既に説
明した内容については説明を省略する。図3は電力変換装置200の全体構成の外観斜視
図である。図4は本実施形態に係る電力変換装置200の全体構成を各構成要素に分解し
た斜視図である。図5は図3及び図4に示す電力変換装置のハウジングである筐体と前記
筐体の内部に設けられた冷却水流路を示す説明図である。図6冷却水流路を筐体の底部側
から見た説明図である。図7は電力変換装置200を図6に示すA−Aの位置で断面し、
中央側を見た断面図である。
、12は筐体、13は冷却水入口配管、14は冷却水出口配管、420はカバー、16は
下部ケース、17は交流ターミナルケース、18は交流ターミナル、19は冷却水流路、
20は制御回路基板で図2に示す制御回路172を保持している。21は外部との接続の
ためのコネクタ、22は駆動回路基板で図2に示すドライバ回路174を保持している。
続されるために設けられており、図2に示す信号線176の接続に使用される、尚信号線
の図示は省略する。300はパワーモジュール(半導体モジュール部)で2個設けられて
おり、それぞれのパワーモジュールには図2に示すインバータ回路144が内蔵されてい
る。302はパワーモジュールケース、304は金属ベース、188は交流コネクタ、3
14は直流正極端子、316は直流負極端子、49:鋳造肉盗み、500はコンデンサモ
ジュール、502はコンデンサケース、504は正極側コンデンサ端子、506は負極側
コンデンサ端子、514はコンデンサセル、をそれぞれ表す。
電力との変換を行うパワーモジュール(半導体モジュール部)300と、直流電源の電圧
平滑用のコンデンサモジュール500と、パワーモジュール300などを冷却するための
冷却水流路19とから構成される。図3に示すように、本実施形態に係る電力変換装置2
00の外観は、上面あるいは底面が略長方形の筐体12と、前記筐体12の短辺側の外周
の1つに設けられた冷却水入口配管13および冷却水出口配管14と、前記筐体12の上
部開口を塞ぐための上部ケース10と、前記筐体12の下部開口を塞ぐための下部ケース
16とを固定して形成されたものである。前記電力変換装置200の長辺側の外周にはモ
ータジェネレータ192や194との接続を助けるための3組の交流ターミナルケース1
7が設けられている。筐体12の底面図あるいは上面図の形状を略長方形としたことで、
車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。
9の上部には流れの方向に並んで2組の開口400と402が形成されている。前記2組
の開口400と402がそれぞれパワーモジュール300で塞がれる様に2個のパワーモ
ジュール300が前記冷却水流路19の上面に固定されている。各パワーモジュール30
0には放熱のためのフィン305が設けられており、各パワーモジュール300のフィン
305はそれぞれ前記冷却水流路19の開口400と402から冷却水の流れの中に突出
している。
れており、前記開口404はカバー420で塞がれている。また前記冷却水流路19の下
側には補機用のインバータ装置43が取り付けられている。前記補機用のインバータ装置
43は、図2に示すインバータ回路144と同様の回路が内蔵されており、前記インバー
タ回路144を構成しているパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールを有している
。補機用のインバータ装置43は前記内蔵している前記パワーモジュールの放熱金属面が
前記冷却水流路19の下面に対向するようにして、前記冷却水流路19の下面に固定され
ている。
部ケース16にはコンデンサモジュール500が、コンデンサモジュール500の金属材
からなるケースの放熱面が前記下部ケース16の面に対向するようにして前記下部ケース
16の面に固定されている。この構造により冷却水流路19の上面と下面とを利用して効
率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。
ている2個のパワーモジュール300が有する放熱フィンが冷却され、前記2個のパワー
モジュール300全体が冷却される。冷却水流路19の下面に設けられた補機用のインバ
ータ装置43も同時に冷却する。
下部に設けられた下部ケース16が冷却され、この冷却によりコンデンサモジュール50
0の熱が下部ケース16および筐体12を介して冷却水に熱的伝導され、コンデンサモジ
ュール500が冷却される。
4、直流負極バスバー316は、コンデンサモジュール500の正極側コンデンサ端子5
04、負極側コンデンサ端子506にそれぞれ直接に電気的及び機械的に筐体12内で接
続されている。この接続のための貫通孔406が形成されている。
、駆動回路基板22には図2に示すドライバ回路174が搭載され、制御回路基板20に
は図2に示すCPUを有する制御回路172が搭載される。また、駆動回路基板22と制
御回路基板20の間には金属ベース板11が配置され、金属ベース板11は両基板22,
20に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に駆動回路基板22と制御回
路基板20とが発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。このように筐体19の
中央部に冷却水流路19を設け、その一方の側に車両駆動用のパワーモジュール300を
配置し、また他方の側に補機用のパワーモジュール43を配置することで、少ない空間で
効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。また筐体中央部の冷却水流
路19の主構造を筐体12と一体にアルミ材の鋳造で作ることにより、冷却水流路19は
冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造で作ることで筐体12
と冷却水流路19とが一体構造となり、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。
の接続を行う基板間コネクタ23が設けられている。また、制御回路基板20には外部と
の電気的接続を行うコネクタ21が設けられている。コネクタ21により電力変換装置の
外の、例えばバッテリ136として車に搭載されているリチウム電池モジュールとの信号
の伝送が行われ、リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充
電状態などの信号が送られてくる。前記制御回路基板20に保持されている制御回路17
2との信号の授受を行うために前記基板間コネクタ23が設けられており、図示を省略し
ているが図2に示す信号線176が設けられ、この信号線176と基板間コネクタ23を
介して制御回路基板20からインバータ回路のスイッチングタイミングの信号が駆動回路
基板22に伝達され、駆動回路基板22で駆動信号であるゲート駆動信号を発生し、パワ
ーモジュールのゲート電極にそれぞれ印加される。
部ケース16が例えばネジ等で筐体12に固定されることにより塞がれる。筐体12の中
央に冷却水流路19が設けられ、前記冷却水流路19にパワーモジュール300やカバー
420を固定する。このようにして冷却水流路19を完成させ、水路の水漏れ試験を行う
。水漏れ試験に合格した場合に、次に前記筐体12の上部と下部の開口から基板やコンデ
ンサモジュール500を取り付ける作業を行うことができる。このように中央に冷却水流
路19配置し、次に前記筐体12の上部と下部の開口から必要な部品を固定する作業が行
える構造を為しており、生産性が向上する。また冷却水流路19を最初に完成させ、水漏
れ試験の後その他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上す
る。
筐体12の斜視図、図5(B)は筐体12の上面図、図5(C)は筐体12の下面図であ
る。図5に示す如く筐体12と前記筐体12の内部に設けられた冷却水流路19が一体に
鋳造されている。筐体12の上面あるいは下面は略長方形の形状を為し、長方形の短辺の
一方側筐体側面に冷却水を取り入れるための入口孔401が設けられ、同じ側面に出口孔
403が設けられている。
方形の長辺に沿って流れ、長方形の短辺の他方側側面の手前近傍で矢印421のように折
り返し、再び長方形の長辺に沿って矢印422の方向に流れ、出口孔403から流出する
。冷却水流路19の行き側と帰り側にそれぞれ2個ずつの開口400と402とが形成さ
れている。前記開口には後述する図13に示すパワーモジュール300がそれぞれ固定さ
れ、各パワーモジュール300の放熱のためのフィンがそれぞれの開口から冷却水の流れ
の中に突出する構造となっている。前記筐体12の流れの方向すなわち長辺の沿った方向
にパワーモジュール300が並べて固定され、この固定により前記各パワーモジュール3
00により冷却水流路19の開口を完全に塞ぐことができるように、支持部410が筐体
と一体成形されている。この支持部410は略中央に位置し、支持部410に対して冷却
水の出入り口側の方に1つのパワーモジュール300が固定され、また前記支持部410
に対して冷却水の折り返し側の方に他の1つのパワーモジュール300が固定される。図
5(B)に示す螺子穴412は前記出入り口側のパワーモジュール300を冷却水流路1
9に固定するために使用され、この固定により開口400が密閉される。また螺子穴41
4は前記折り返し側のパワーモジュール300を冷却水流路19に固定するために使用さ
れ、この固定により開口402が密閉される。
に近いため暖められた冷却水で冷やされることとなる。一方前記折り返し側のパワーモジ
ュール300は少し温められた冷却水により冷却されるが、出口孔403近くの冷却水よ
りは温度が低くなる。結果として折り返し冷却通路と2つのパワーモジュール300の配
置関係は、2つのパワーモジュール300の冷却効率が均衡した状態となるメリットがあ
る。
02の密閉のために必要である。さらに前記支持部410は筐体12の強度の強化に大き
な効果がある。冷却水流路19は上述の通り折り返し形状であり、行き側流路と帰り側流
路を隔てる隔壁408が設けられ、この隔壁408が前記支持部410と一体に作られて
いる。隔壁408は単に行き側流路と帰り側流路を隔てる作用の他に、筐体の機械的な強
度を高める作用をしている。また折り返し通路間の熱の伝達通路としての作用を為し、冷
却水の温度を均一化する作用を為す。冷却水の入口側と出口側との温度差が大きいと冷却
効率のムラが大きくなる。ある程度の温度差は仕方ないが、前記隔壁408が前記支持部
410と一体に作られていることで冷却水の温度差を抑える効果が有る。
面に開口404が形成されている。この開口404は、筐体の鋳造により形成する前記支
持部410と筐体12一体構造の歩留まりを向上するためのものである。開口404の形
成により、鋳造品では、前記支持部410と冷却水流路19の底部との二重構造が無くな
り、鋳造し易く、生産性が向上する。
穴406を形成している。前記冷却水流路19を挟んで両側に電気部品が取り付けられる
ため、前記両側の電気部品の電気的な接続が必要となる。貫通孔406は冷却水流路19
の両側の電気部品の電気的な接続行うための孔である。
る。矢印421で示す水路の折り返し部分を開口402の一部としていることで折り返し
部分の一体鋳造が可能となった。すなわち開口402にパワーモジュール300を固定す
ることで折り返し通路が完成する。さらに折る返し通路を冷却に利用できることで、良い
小型化が可能となっている。冷却水流路19周辺は開口面に対して略垂直であり、前記隔
壁408の側面も略垂直である。このような形状とすることで、上面に開口400および
402にパワーモジュール300を固定子、裏面にカバー420を固定することで水路が
完成する。この時点で水路の水漏れの検査を行い、次に部品の取り付けを行うことで不良
品を早く取り除き生産性を向上できる効果がある。
0を固定した状態を図6に示す。筐体12の長方形の1方の長辺側において、筐体12の
外に交流電力線186および交流コネクタ188が突出している。なお、図7の断面図は
電力変換装置200の交流コネクタ188側に、モータジェネレータ192や194の交
流端子と前記交流コネクタ188とを繋ぐための交流ターミナルケース17を取り付けた
状態を示している。
おり、前記貫通孔406を通してパワーモジュール300の直流正極端子314と直流負
極端子316が見えている。破線で示した補機用インバータ装置43はこの後取り付けら
れる。また図6には冷却水入口配管13と冷却水出口配管14が螺子により固定されてい
る。図6の状態で水漏れ検査を実施できる。この検査に合格したものに、前記補機用イン
バータ装置43が取り付けられ、さらにコンデンサモジュール500が取り付けられる。
基本的な構造は図3から図6に基づいて、既に説明したとおりである。図3から図6に記
載した内容との相違点は、図7では、電力変換装置200の交流コネクタ188側に、モ
ータジェネレータ192の端子と交流コネクタ188とを接続するための交流ターミナル
ケース17を設けた点である。
ャストで作られた2つの冷却水流路19が設けられ、冷却水流路19の上面側に形成され
た開口にパワーモジュール300が設置されている。図7の左側が行き側の冷却水流路1
9で右側が折り返し側の冷却水流路19である。行き側および折り返し側の冷却水流路1
9は上述のとおりそれぞれ開口が設けられ、前記開口はパワーモジュール300の放熱の
ための金属ベース304で塞がれ、前記金属ベース304に設けられた放熱のためのフィ
ン305が冷却水の流れのなかに前記開口から突出している。前記冷却水流路19の下面
側には補機用のインバータ装置43が固定されている。
ュール300内部から伸びて交流コネクタ188を形成している。図7の右側には、直方
体形状すなわちバスバー形状の直流正極/負極端子314,316がそれぞれ配置されて
いる。また、筐体12内で冷却水流路19の右端側に貫通孔406が形成され、パワーモ
ジュール300の前記直流正極/負極端子314,316が、コンデンサモジュール50
0から伸びてきたコンデンサ正極/負極と直接に電気的及び機械的に接続している。筐体
12の略中央を長方形の長辺方向に往復する冷却水流路19が配置され、前記冷却水の流
れ方向と略垂直の方向に交流コネクタ188と直流正極/負極端子314、316が配置
される構造となっているので電気配線が整然と配置され、電力変換装置200の小型化に
繋がっている。さらにパワーモジュール300の直流側の正極/負極導体板315、31
7および交流側電力線186がパワーモジュール300の外に突出して接続端子を形成し
ているため構造がたいへん簡単で、また他の接続導体が使用されていないため小型化にな
っている。この構造により生産性が向上し、信頼性も向上する。パワーモジュール300
の直流正極/負極端子314、316とコンデンサモジュール500の負極側/正極側端
子504、506が接続する貫通孔406は、前記冷却水流路19とは筐体12内部の枠
体で隔絶している構造であり、信頼性が向上する。
。下部ケース16にはコンデンサモジュール500の金属製コンデンサケース502が固
定されている。前記下部ケース16は筐体12を介して冷却水流路19を流れる冷却水で
冷却されるため、コンデンサモジュール500の内部で発生した熱は前記下部ケース16
を通して放熱する。
パワーモジュール300のフィン305が冷却水流路19の開口から水路内に突出するよ
うにして効率良く冷却し、次に放熱量の大きい補機用インバータ装置43を冷却水流路1
9の他方の面で冷却し、さらに次に発熱量が大きいコンデンサモジュール500を筐体1
2および下部ケース16を介して冷却する構造としている。このように放熱量の多さにあ
わせた冷却構造としているので、冷却効率や信頼性が向上すると共に、電力変換装置20
0をより小型化することができる。
に固定しているので、補機用インバータ装置43の平滑用コンデンサとしてコンデンサモ
ジュール500を使用でき、この場合配線距離が短くなる効果がある。また配線距離が短
いことからインダクタンスを小さくできる効果がある。
さらに上方には、図2のドライバ回路174を保持した駆動回路基板22が配置され、さ
らにその上方には放熱および電磁シールドの作用をする金属ベース板11を介在させて制
御回路基板20がコネクタ21を付設して配置されている。なお制御回路基板20には図
2の制御回路172が搭載されている。上部ケース10を筐体12に固定することによっ
て、本実施形態に係る電力変換装置200が構成される。
を配置しているので、制御回路基板20からインバータ回路の動作タイミングが駆動回路
基板22に伝えられ、それに基づいて駆動回路基板22でゲート信号が作られ、パワーモ
ジュール300のゲートにそれぞれ印加される。このように電気的な接続関係に沿って制
御回路基板20や駆動回路基板22を配置しているので、電気配線が簡素化でき、電力変
換装置200の小型化に繋がる。
面にパワーモジュール300を固定し、他方の面に補機用インバータ装置43を固定する
ことで、冷却水流路19でパワーモジュール300と補機用インバータ装置43を同時に
冷却する。この場合、パワーモジュール300は放熱のためのフィンが冷却水流路19の
冷却水と直接、接するのでより冷却効果が大きい。さらに冷却水流路19で筐体12を冷
却し、筐体12に下部ケース16や金属ベース板11を固定することで下部ケース16や
金属ベース板11を介して冷却する。下部ケース16にはコンデンサモジュール500の
金属ケースが固定されるので下部ケース16と筐体12を介してコンデンサモジュール5
00が冷却される。さらに金属ベース板11を介して制御回路基板20や駆動回路基板2
2を冷却する。このように中央に冷却水流路19を設け、一方に金属ベース板11を設け
、他方に下部ケース16を設けることで、電力変換装置200を構成するのに必要な部品
を発熱量に応じ、効率良く冷却することができる。また電力変換装置200の内部に部品
が整然と配置されることとなり、小型化が可能となる。
テストを行うことが可能となり、テストを終えてから筐体12の上と下とから必要な部品
を固定できるので、生産性に優れている。
る電力変換装置の全体積層構成と冷却構造では、主たる発熱体であるパワーモジュール3
00は、冷却水流路19を流れる冷却水によって直接冷却され、発熱体であるコンデンサ
モジュール500は冷却水流路19を間にしてパワーモジュール300とサンドイッチ構
造となっており、このサンドイッチの積層構造によって電力変換装置の薄型化、小型化が
図られている。
も金属ベース板11がその機能を奏している(放熱機能を果たすために金属ベース板11
を設けている)。金属ベース板11は、電磁シールド機能を果たすとともに、制御回路基
板20や駆動回路基板22からの熱を受けて、筐体12に熱を伝導し、冷却水流路19の
冷却水で放熱される。さらに、下部ケース16も熱伝導性の良い材料でできていて、コン
デンサモジュール500からの発熱を受け、筐体19に熱を伝導し、冷却水流路19の冷
却水で放熱される。また、冷却水流路19の下部カバー15側である他方の側には、車内
用エアコン、オイルポンプ、他用途のポンプ用として用いる、比較的小容量の補機用イン
バータ装置43を設置してもよい。この補機用インバータ装置43からの発熱は、前記筐
体12の中間枠体を通して冷却水流路19の冷却水で放熱される。
、すなわち、金属ベース板11、冷却部9の冷却水流路19、下部ケース19という積層
構造であり、これらの放熱体はそれぞれの発熱体(パワーモジュール300、回路基板2
0,22、コンデンサモジュール500)に隣接して階層的に設置される。階層構造の中
央部には、主たる放熱体である冷却水流路19が存在し、金属ベース板11と下部ケース
16は筐体12を通して冷却水流路19の冷却水に熱を伝える構造となっている。筐体1
2内に3つの放熱体(冷却水流路19、金属ベース板11、下部ケース16)が収容され
て、放熱性を向上させるとともに薄型化、小型化に寄与している。
図9、図10及び図11を参照しながら以下説明する。図9は本実施形態に関する図3の
左側面を左側から見た左側面図である。図10は本実施形態に関する図3の右側面を右側
から見た右側面図である。図11は本実施形態に関する図3の背面を背面側から見た背面
図である。
を並列して設け、これらの配管13,14を通して冷却水を循環することによりパワーモ
ジュール300が金属ベース304を介して冷却されることになる。電磁シールド用の金
属ベース板11が筐体12の上縁部に配置され、その上部に上部ケース10が、その下部
に下部ケース16が固定されて、本実施形態の電力変換装置が一体的構造となっている。
ように、筐体12は熱伝導効率の良い材料が選定され、例えばアルミ材で作られている。
設けていることで、内部の冷却通路を長くできる効果がある。また電力変換装置200を
車に搭載し、冷却水を流すための配管接続作業において、入口配管13と出口配管14を
隣接して設けていることで、上記接続作業が行い易い効果がある。
0のコネクタ21が上部ケース10に設けられている。このコネクタ21は、図2に示す
制御部170が外部との信号を授受するための接続端子である。筐体12には、バッテリ
と接続する直流正極側接続端子510と直流負極側接続端子512が設けられており、こ
れらの接続端子510,512は、図2に示す直流コネクタ138に対応する。また、筐
体12からは交流電力線186が突出し、その先端が交流コネクタ188を形成している
。
タ21を設けているので、信頼性が向上すると共に、車に電力変換装置200を搭載する
際の作業性が向上する。
コネクタ188が設けられている。制御回路基板20からのコネクタ21と冷却水入口配
管13がそれぞれ図の左右に突設されている。また、筐体12には筐体材料を鋳造する際
の肉盗み49が形成されている。なお、図11の例では、図2に示す3つの上下アーム直
列回路からなる、U相、V相及びW相の交流電力線186を備えたパワーモジュール(半
導体モジュール)300が2つ併設された構造例を示している。
受とをそれぞれ筐体12の異なる側面で行っているので、作業性が向上すると共に、信頼
性が向上する。
いて、図12〜図14、及び図21を参照しながら以下説明する。図12は本実施形態に
関するパワーモジュールの上方からの斜視図である。図13は本実施形態に関するパワー
モジュールの下方からの斜視図である。図14は本実施形態に関するパワーモジュールの
断面図である。図21は本実施形態に関するパワーモジュールの平面図である。
記図で、300はパワーモジュール(半導体モジュール)、302はパワーモジュールケ
ース、304は金属ベース、305はフィン、186は断面が略長方形の交流電力線、3
14は直流正極端子、316は直流負極端子、318は薄い絶縁材、154/155はパ
ワーモジュール300の上アーム用IGBTの制御端子、164/165はパワーモジュ
ール300の下アーム用IGBTの制御端子、322はチップ保護用レジン又はシリコン
ゲル、324は交流バスバーとして作用する交流電力線の保持用ピン、326はIGBT
、328は上アーム用IGBT、330は下アーム用IGBT、156/166はダイオ
ード、334は絶縁基板、337は導体、をそれぞれ表す。
302内の配線を含めた半導体モジュールと、金属材料、例えば、Cu,Al,AlSi
Cなどからなる金属ベース304と、外部との接続端子と、からなる。そして、外部と接
続する端子として、パワーモジュール300は、モータと接続するためのU,V,W相の
交流コネクタ188と、コンデンサモジュール500と接続する直流正極端子314及び
直流負極端子316とを有している。また、半導体モジュールは、絶縁基板334の上に
上下アームのIGBT328,330、ダイオード156/166等が設けられて、レジ
ン又はシリコンゲル322によって保護されている。絶縁基板334はセラミック基板で
あっても良いし、さらに薄い絶縁シートであってもよい。金属ベース304は、冷却水流
路に浸されて冷却水へ効率良く放熱するために、絶縁基板334の反対側にフィンの形状
305を有している。
34の中央部分において、接続すべき部位で半田又は超音波接合で固着され(図14を参
照)、端子314と316の間に薄い絶縁材318を介在させて両者の絶縁を取って、直
流正極端子314を上にしてパワーモジュール300の右端にまで持ち来たらし、両導体
板と絶縁材318を捻って最終的に図21に示すようにコンデンサの端子部と接続する端
子部を一列上に形成する。
路を構成するIGBTやダイオードを内蔵した樹脂製のパワーモジュールケース302を
有し、金属ベース304の他方の面にフィン305が図13に示す如くロウ付けしている
。金属ベース304の一方の面には図14や図21に示す如く絶縁基板334が固定され
、絶縁基板334に薄い導体337が貼り付けられ、その上に上アーム用IGBT328
や上アーム用ダイオード156さらに下アーム用IGBT330や下アーム用ダイオード
166のチップが半田などにより固定されている。図14に示す如く、積層構造の直流正
極/負極端子314,316から絶縁材318を挟んだ積層構造の正極導体板315と負
極導体板317とにより略中央に導かれる。図14において積層状の導体板315と31
7の金属ベース304側、すなわち図14で直流端子側に上アームのチップが固定されて
おり、交流コネクタ188側に下アームのチップが固定されている。このように略中央か
ら直流電流を供給する構造とすることで、後述するようにインダクタンスを低減できる。
されている。また金属ベース304を挟んで下アームのチップと対応する位置にフィン3
05がロウ付けされている。図13や図14に示す如く上下アームにそれぞれ対応してフ
ィン305が設けられており、これらのフィン305は往復する冷却水流路19の開口か
ら水路内に突出する。金属ベース304のフィン305周辺の金属面は前記冷却水流路1
9に設けられた開口を閉じるために使用される。
接続され、前記交流電力線186はパワーモジュール300から外に突出してその先端部
が交流コネクタ188を形成する。パワーモジュールケース302からU相とV相とW相
に対応した交流電力線186が突出して伸び、交流コネクタ188を形成する状態を図1
2と図13に示す。
しながら説明する。断面が略直方体の交流電力線186は、図示例を参照すると、その右
端側で絶縁基板334の適宜の接続部位において半田等で固着されており、その左端側で
ある交流コネクタ188で、モータジェネレータ192からの接続端部と接続されている
(不図示)。交流電力線186の左端側は、自動車に搭載されたモータからの振動の影響
を受けることになる。交流電力線186は大電流に対応して断面が略直方体の強固な導体
であり、モータからの振動が交流電力線186を介して絶縁基板334の接続部位に伝わ
ることになると、当該接続部位の接続不良を引き起こす恐れがある。そこで、本実施形態
においては、図21に示されるように、この接続部位と交流コネクタ188の途中に交流
電力線186を保持する保持用ピン324を設けて、この保持用ピン324によってモー
タからの振動が直接に絶縁基板334との接続部位に伝わらないようにしている。
されており、この保持用ピン324に交流電力線186を挿通させて位置決めすることが
できる。さらに、保持用ピン324を交流電力線186(屈曲させた平板形状のバー)と
一体又は一体的構造にして、このピンをパワーモジュールケース302の穴に嵌入させて
位置決めしてもよい。要は、モータを含めた外部からの振動などによる応力を保持用ピン
324で受け止めて、交流電力線186と絶縁基板334との接続部位に外部応力の影響
を及ぼさないようにする構造であれば、ピンに限ることはない。図21の例では、各相の
交流電力線186にはそれぞれ2本のピンが設けられている。このピンは円柱ピンでもよ
く、また、十字型ピンであってもよい。
出した延在構造となっていて、モータ側からの接続部材端子と自由度をもって接続可能な
形状を構成している。この延在構造によって、交流電力線186の端子がパワーモジュー
ル300のケースに固定して収まっている従来例のものに比べて、交流コネクタ188と
パワーモジュール300の交流出力端とをつなぐ中間部材を不要として、交流電力線18
6が筐体の外部に突出しているのでモータ側接続部材端子との結合接続が容易となり作業
性が向上する。また部品数もへり、接続箇所が減るので信頼性が向上する。このように、
交流電力線186の突出した延在構造と保持用ピン324との関連構成が、外部からの応
力や振動による絶縁基板334への影響を防ぐとともに、モータ側接続部材端子との結合
接続を容易にするという相乗効果を引き起こしているのである。
あり、図14の図示例で、絶縁基板334の下側に半田によってフィン又はピン付き金属
ベース304(Cu,Al又はAlSiC)が固着され、その上側には半田によってIG
BT326やダイオード332が、半田又は超音波接合によって直流端子314,316
が固着される。また、図21において、パワーモジュールの制御端子154,155,1
64,165が図示されているが、これらは、図2で説明した上・下アームのゲート電極
端子154,164や、エミッタ電極端子155,165であり、IGBTのスイッチン
グ動作を制御するための信号が印加される。
、さらに説明すると、パワーモジュール300は、その断面構造をみると、図14に示さ
れるように、フィン305を備えた金属ベース304上に、上下両面をCu膜形成したセ
ラミックからなる絶縁基板334が半田付けされている。金属ベース304それ自身及び
フィン305は、高い熱伝導性を備え、放熱機能を有する。金属ベース304の上面Cu
膜上に、IGBT326とダイオード332等の発熱体が半田付けされて搭載されている
。
上下アーム直列回路が具体的にどのような配置で設置されているかを示す配置構成図とそ
の機能乃至作用を示す説明図である。ここで、パワーモジュールのインダクタンス低減に
ついて概説する。図20(A)をみると、パワーモジュール300の接続端子を構成する
直流正極端子314は正極導体板315と一体に作られており、上アームの上を通って延
び、導体329と接続するための接合部339を半田等により形成する。直流負極端子3
16は同様に負極導体板317と一体に作られており、上アームの上を通って延び、導体
337と接続するための接合部341を半田等により形成する。
つ左端側に隣接して配置されている(図20(A)を参照)。直流端子314や316と
接合部339や341との間の接続は、薄い絶縁材318を介して積層構造を成す正極導
体板315と負極導体板317とによって行われる。これら正極導体板315と負極導体
板317との互いの電流の向きは逆方向である(電流流れ338の矢印方向を参照)。図
20に示すIGBT328,330とダイオード327,332はそれぞれ並列接続され
た2組のアームが搭載していて上下アームに流れる電流を増大させている。また図20を
使用して後述するように、接合部339と接合部341は近接して配置されている。接合
部339と接合部341を接近して配置することにより、上記上下アームに流れるリカバ
リ電流が接合部339から円を描いて接合部341に至るようになる。この円を描く電流
により、金属ベース304に渦電流が誘起され、リカバリ電流に対するインダクタンスが
低減する。
図16〜図20と図21を用いて以下説明する。図16〜図20を使用して、リカバリ電
流とスパイク電圧との関係、さらに発熱、インダクタンス低減の効果について説明する。
0が3相の各相に対応して設けられている。通常の動作では上下アーム直列回路150の
上アームのIGBT328あるいは下アームのIGBT330のどちらかのIGBTが導
通している場合、他方のIGBTは遮断している。すなわち上下のIGBTが同時に導通
することが無い。このため上下IGBTを短絡的に流れる電流は存在しない。しかし、I
GBTを使用したインバータ回路あるいはMOSFETを使用したインバータ回路では上
下アーム直列回路150を短絡的に流れる電流が発生する。この電流は例えばリカバリ電
流と呼ばれる電流に起因する電流で、IGBTと並列に接続されたダイオード156やダ
イオード166に起因する電流である。なおMOSFETを使用したインバータ回路では
各MOSFETの内部にダイオード156やダイオード166と同等のダイオードが作ら
れているので現象としては同じである。以下代表してIGBTを使用した回路で説明する
。
IGBT326のうちの一つを示す。IGBT326のコレクタは逆方向接続のダイオー
ド156とモータジェネレータ192を介してバッテリ136の正極に接続され、下アー
ム用IGBT330のエミッタがバッテリ136の負極に接続されている。この回路にお
いて、図16(A)は下アーム用IGBT330が遮断状態でモータジェネレータ192
の固定子の還流電流がダイオード156を介して流れている状態を示している。
から浮遊インダクタンス335とモータジェネレータ192の固定子、下アーム用IGB
T330を介してバッテリ136の負極に至る電流が流れる。このとき上アーム用ダイオ
ード156は逆バイアスであるが、リカバリ電流614が流れ、モータジェネレータ19
2を流れる電流600に加え、リカバリ電流614が加算された状態でIGBTのコレク
タ電流として流れる。ここで上アーム用ダイオード156の蓄積キャリアがリカバリ電流
614として流れると蓄積キャリアが消滅し、ダイオード156に空乏層が作られ、電流
614が消滅する。下アーム用IGBT330のコレクタ電流は図16(C)に示すごとく
電流600のみとなる。
ており、図16(A)の状態が図17のグラフの時間軸のもっとも左の状態である。IG
BT330のゲートに駆動電圧が加えられると、ゲート電流が流れ始める。この電流によ
りゲート−エミッタ間容量とゲート−コレクタ間容量を充電し、これらが充電されるに従
い、下アーム用IGBT330のゲート電圧は増加する。上アーム用ダイオード156に
はモータジェネレータ192の還流電流が流れている。ゲート電圧602が、閾値Vth
1を越える時点t0から下アーム用IGBT330のコレクタ電流606が流れ始める。
ータジェネレータ192を流れる電流600の重畳された電流がIGBT330のコレク
タ電流602として流れる。時点t1以降IGBT330導通状態となり、コレクタとエ
ミッタ間電圧604は急激に減少する。IGBT330にはモータジェネレータ192を
流れる電流600にリカバリ電流614が加算された電流が流れるので、コレクタ電流6
06は電流600より大きいピーク電流614を持つ。一方、ダイオード156の蓄積キ
ャリアがなくなるとリカバリ電流614は無くなり、IGBT330のコレクタ電流60
6はモータジェネレータ192を流れる電流600となる。
るため、いわゆるターンオン損失が発生し、大きな熱がIGBT330に発生する。また
電流600にリカバリ電流614が加算されたコレクタ電流606の変化電流とインダク
タンス335とにより電圧が発生する。特にリカバリ電流614は上下アームを流れるの
で上下アームを通る直流回路のインダクタンス335でスパイク電圧が発生する。
おいて、あるいは制御状態において、上下アームのIGBTは同時に導通することが無い
が、上下アームを通る電流が流れる状態が、実際にはいろいろ生じる。
6と同じ番号を付したものは図16と同様の部品であり、同様の動作を為す。図18(A
)で下アーム用IGBT330は導通状態にあり、バッテリ136から浮遊インダクタン
ス335とモータジェネレータ192の固定子とを介してコレクタ電流が流れている。こ
のとき下アーム用IGBT330は導通状態であり、下アーム用IGBT330のコレク
タ電圧は図19のグラフ一点鎖線の左端のごとく低い。なお、グラフ624はコレクタ電
流の変化を示す。
22が閾値Vth2より小さくなると、コレクタ電流624は減少し始め、それと共にコ
レクタに加わる一点鎖線で示す電圧が上昇する。下アーム用IGBT330のコレクタ電
流が減少し始めると、その減少率di/dtと直流回路に存在するインダクタンス成分3
35によりスパイク電圧(L×di/dt)が発生し、下アーム用IGBT330のコレ
クタ電圧と上記スパイク電圧の合成ベクトルが、例えば直流正極端子314と直流負極端
子316との間などの直流回路に生じる電圧となる。IGBT330のコレクタ−エミッ
タ間にスパイク電圧が加わるため、コレクタ電圧は大きな電圧となる。
330コレクタ電圧に加わる626が上昇し、図19に一点鎖線で示すごとくピーク電圧
628を有する。次にIGBT330のチャネルが消滅するとコレクタ電流は流れなくな
り、図18(B)に示すように、モータジェネレータ192の電流はダイオード156を
介して還流することで維持される。
コレクタ電流変化であり、Δtはコレクタ電流が10%から90%まで減少する間の時間
、いわゆる切り替り動作時間である。前述したように、電流の時間変化率Δi/Δtが大
きくなると、IGBT330の回路に浮遊したインダクタンス335(インダクタンス成
分L)が存在するため、インダクタンス335に流れる電流の時間変化によってスパイク
電圧(L×Δi/Δt)が発生する。なおベクトル方向は省略している。このスパイク電
圧により、素子や装置に大きな電圧がかかり、電圧破壊の原因やノイズの原因となる。下
アーム用IGBT330のコレクタ電流とコレクタ電圧の積に基づいて損失すなわち熱が
発生する。
ト電圧の変化を緩やかにする。このことによりコレクタ電流の時間変化率Δi/Δtが小
さくなり、スパイク電圧が小さくなる。しかし発熱時間Δt+Tが長くなり、発熱量が大
きくなる。このため浮遊インダクタンス335(L値)を小さくし、インダクタンスLの
減少により時間変化率Δi/Δtを小さくしても大きなスパイク電圧が発生しない状態と
なり、時間変化率Δi/Δtを小さくすることにより、発熱期間T+Δtの時間を短くす
ることが望ましい。
単位時間当たりの発熱量を下げることが行われているが、制御応答性を考慮すると好まし
いことではない。すなわちIGBTのゲートを制御するPWM(パルスワイドモデュレー
ション)の周波数を低くすることが行われている。しかし制御の応答性や制御精度の点で
上記周波数を下げることは好ましくない。
に設計すれば20ナノヘンリ以下が実現できる。インダクタンス成分の減少により、時間
変化率Δi/Δtを大きくできる。またIGBT330などのスイッチング周波数(PW
Mの基本周波数)を大きくすることができる。例えば、スイッチング周波数を1kHz以
上、好ましくは10kHz以上することができる。切り替り動作時間(図19のΔt:コ
レクタ電流が90%から10%に減少する時間)を1μs以下、好ましくは0.5μs以
下、さらに好ましくは0.2μS以下とすることができる。このような特性を持つ電力変
換装置200においてはスパイク電圧を適正に抑え、さらに高性能の制御性を確保しつつ
発熱量を極めて少なくできる。それにより冷却水としてエンジン冷却水を使用できる可能
性がある。
て説明する。図21は既に説明の如く、パワーモジュール300の上面図であり、図20
は、図21において3相の内の1相に関する上下アーム直列回路150を代表として取り
上げ、インダクタンス低減の作用を説明する説明図である。なお図20は1つの相につい
て代表して説明するものであり、3相の内の他相についても同様のことが言える。図20
(A)は上下アーム直列回路150のチップの配置状態とダイオードのリカバリ電流の流
れを示す図、図20(B)はダイオードのリカバリ電流の流れる回路図、図20(C)は
金属ベース304に生じる誘導電流を示す。
のように、金属ベース304の裏面にフィン305を備えている。前記金属ベース304
の表面にはセラミック基板などの薄い絶縁材334が半田付けなどの手段で固定されてい
る。前記薄い絶縁材334の面に、例えば銅膜などで作られた導体329や導体331、
導体333、導体337が固定され、前記導体329には上アームを構成するIGBT3
28のチップとダイオード156のチップが電気的に並列接続された状態で、IGBTチ
ップのコレクタ面やダイオードチップのカソード面が導体329面に固定されている。ま
た前記導体333の面には下アームを構成するIGBT330のチップとダイオード16
6のチップが電気的に並列接続された状態で、IGBTチップのコレクタ面やダイオード
チップのカソード面が導体333の面に固定されている。
端子316と一体の負極導体板317とが絶縁材を介して積層構造を成しており、前記積
層構造の導体板が上アームの配置されている部分の上を通って略中央まで延び、前記正極
導体板315が前記導体329に接続部339で接続し、また負極導体板317が導体3
37と接続部341で接続している。前記接合部339と接合部341は、この実施形態
では、上アーム用導体329と下アーム用導体337の略中央部に接近して配置されてい
る。接合部339と接合部341を接近して配置することにより、前記上下アームに流れ
るリカバリ電流が接合部339から閉じた円を描いて接合部341にいたるように流れる
。このようにインバータ回路144のダイオードのリカバリ電流が円を描くように流れる
ことにより、金属ベース304に渦電流が誘起され、前記誘起された電流による磁束とリ
カバリ電流による磁束が相殺しあい、リカバリ電流に関するインダクタンスが低減する。
されている。端子AとBは絶縁基板334の略中央部で且つ左右の一方である右側(この
実施形態での例示)に隣接して配置されている。端子AとBは、図2に示す中間電極16
9に相当するものであって、ワイヤ336で接続されている。本実施形態のように接続部
339や接続部341が左右の一方に、また上アームと下アームの接続部が左右の他方に
配置されることで、リカバリ電流の流れが円を描き易くなり、インダクタンスの低減がよ
り大きくなる。
直流正極端子314から接合部339を通り、上アームのIGBT328あるいはダイオ
ード156を経て端子Aに至り、ワイヤ336を経て、端子Bから下アームのIGBT3
30あるいはダイオード166を経て端子接合部341に至り、接合部341から直流負
極端子316を巡るルートを形成している。この電流の流れ338は、円環状を形成して
おり、且つ接合部339と接合部341との距離を接近させて上記円ができるだけ閉じた
円となるようにしていることが特徴である。さらに、直流正極端子314と接合部339
の間、直流負極端子316と接合部341の間の導体は、図20で模式的に棒状に示した
が、実際は図21やその他の図で説明の通り、板状導体の積層構造であり、積層構造をし
ている正極導体板315と負極導体板317を流れる電流338がお互いに逆向きで略同
じ大きさであるので、互いに磁束を相殺し合い、インダクタンスが低減される。
記載のように、この電流によって誘起される渦電流340が金属ベース304を流れる。
す作用をするので、前記略円環状電流ルートのインダクタンスは低下する。また、接合部
339と接合部341との距離を接近させることによって、接合部339,341間が離
隔しているものとの対比で前記金属ベース304に誘導電流が流れ易くなり、前記インダ
クタンスがより小さくなる。
316と接合部339,341との間の並行導体配置および逆向き電流の形成によって、
この間で発生するインダクタンスを減少させることができ、リカバリ電流に関するパワー
モジュール300全体のインダクタンスを低減することができる。
、上下IGBTの短絡電流は流れない。しかしダイオード156やダイオード166には
リカバリ電流が流れ、このリカバリ電流はダイオードの極性に対して逆向きに流れるので
、ダイオードと導通状態にある上あるいは下IGBT328、330とで構成される直流
正極端子314と直流負極端子316間の直列回路にリカバリ電流が生じる。インバータ
のスイッチング動作による跳ね上がり電圧(スパイク電圧)の悪影響を低減するには直流
正極端子314と直流負極端子316間の直列回路全体でのインダクタンスの低減を考慮
することが必要であり、図20(A)の構造によりインダクタンスの低減が可能となる。
に概説する。過渡的な電圧上昇や半導体チップの大きな発熱は、インバータ回路を構成す
る上あるいは下アームのスイッチング動作時に発生するので、特にスイッチング動作時の
インダクタンスを低減し、跳ね上がり電圧(スパイク電圧)が低くなるようにし、それに
基づきスイッチング動作時を短くすることが望ましい。スイッチング動作時の跳ね上がり
電圧(スパイク電圧)として、単にIGBTなどのスイッチング素子を流れる電流変化を
考えるのでは十分とはいえない。過渡時にダイオードのリカバリ電流が発生し、このリカ
バリ電流に対する対策を行うことがさらに重要である。一例として下アームのダイオード
のリカバリ電流を例としてインダクタンス低減の作用を敷衍して機能的に説明する。
流であり、ダイオードの順方向状態でダイオード内に満たされたキャリアに起因すると考
えられる。インバータ回路を構成する上あるいは下アームの導通動作あるいは遮断動作が
所定の順に行われることでインバータ回路の交流端子には3相交流電力が発生する。上記
スイッチング動作において、モータジェネレータの固定子巻線の電流は、前記固定子巻線
の大きなインダクタンスにより、電流値を維持する方向にインバータを構成しているダイ
オードを介して還流電流が流れる。この還流電流はダイオードの順方向電流であり、ダイ
オード内部はキャリアで満たされる。次に、上アームとして動作している半導体チップ3
28が遮断状態から再び導通状態に切り替わると、下アームのダイオードに上述したキャ
リアに起因するリカバリ電流が流れる。定常的な動作では上下アーム直列回路のどちらか
が必ず遮断状態にあり、上下アームに短絡電流が流れることが無いが、過渡状態の電流例
えばダイオードのリカバリ電流は上下アームで構成する直列回路を流れる。この直列回路
を流れる電流が大きなスパイク電圧を発生する可能性がある。
に変化したとき、正極端子314からIGBT328、下アームダイオード166を通っ
て負極端子316に下アームダイオード166のリカバリ電流が流れる可能性がある。な
お、このとき、IGBT330は遮断状態にある。このリカバリ電流の流れをみると、図
20(A)に示すように、端子Pと接合部339、端子Nと接合部341間では導体が並
行して配置され、且つ逆向きの同一電流が流れる。そうすると、導体の間の空間では互い
の電流によって発生する磁界が打ち消し合うことになり、結果として電流経路のインダク
タンスが低下することとなる。いわゆる、上記の端子間の導体が接近して対抗して配置さ
れたラミネート状態にあることでインダクタンスの低減作用が生じる(ラミネート効果に
よるインダクタンス低減効果)。
状の経路が生じている。このループ形状経路を電流が流れることによって、金属ベース3
04に渦電流340が流れることとなり、この渦電流による磁界打ち消し効果によってル
ープ形状経路におけるインダクタンスの低減作用が生じる。
バリ電流が下アーム用IGBT330の導通に基づいて発生する可能性がある。この場合
も図20(B)を流れる電流に対して上述と同じ構成、作用で、インダクタンスが低減す
る。またIGBTを使用する代わりにMOSトランジスタを使用する場合、見掛け上はダ
イオードを使用しないが、MOSトランジスタの内部にはダイオード156や166が存
在しており、上述の説明内容と同じ現象が生じる。図20の構造および他の図を使用して
説明した構成はMOSトランジスタを使用した場合にも上述の作用、効果を生じる。
ネート配置による効果と渦電流による効果によってインダクタンスを低減することができ
る。スイッチング動作時のインダクタンスを低減することが重要であり、本実施形態の半
導体モジュールでは、上アームと下アームの直列回路を半導体モジュール内に収納してい
る。このため上下アーム直列回路を流れるダイオードのリカバリ電流に対して低インダク
タンス化が可能となるなど、過渡的な状態でのインダクタンス低減効果が大きい。インダ
クタンスが低減すれば、半導体モジュールで発生する誘起電圧は小さくなり、低損失の回
路構成を得ることができ、また、インダクタンスが小さいことによってスイッチング速度
の向上に繋げることができ、発熱期間の短縮が可能となる。
負極端子316の接続部が反対方向に屈曲し、積層構造の内側面が開いて他の直流配線と
の接続面を為している。この構造は接続部のインダクタンスの低減に非常に効果がある。
効果を奏する。また前記コンデンサモジュール500は生産性に優れ、さらに放熱効果が
大きい構造である。
ながら以下説明する。図22は本実施形態に関するコンデンサモジュールの外観構成を示
す斜視図である。図23は前記コンデンサモジュール500のパワーモジュール300と
の接続状態を説明する上方からの斜視図である。図24はインダクタンスを低減できる接
続部の構成を示す図である。図25は図22に示すコンデンサモジュール500の内部が
分るように、樹脂などの充填材522を充填する前の状態を示す斜視図である。図26は
さらにコンデンサモジュール500の詳細構造である積層導体にコンデンサセル514を
固定した構造を示す図である。
ス、504は負極側コンデンサ端子、506は正極側コンデンサ端子、510は直流(バ
ッテリ)負極側接続端子部、512は直流(バッテリ)正極側接続端子部、532は補機
用正極端子、534は補機用負極端子、514はコンデンサセル、をそれぞれ表す。
実施形態では4組、直流(バッテリ)負極側接続端子部510と直流(バッテリ)正極側
接続端子部512に対して電気的に並列に接続されている。前記負極導体505と正極導
体507には、複数個のコンデンサセル514の正極と負極がそれぞれ並列接続されるた
めの端子516と端子518が複数個設けられている。
ぞれ、正極となるフィルムと負極となるフィルムの2種の導電フィルムを絶縁フィルムを
挟んで巻回して作られているフィルムコンデンサ515を有している。巻回構造のフィル
ムコンデンサ515は、一方の端に前記正極フィルムと電気的に接続されている正極側の
導電材508が設けられ、他方の端に前記負極フィルムと電気的に接続されている負極側
の導電材508が設けられている。但し負極側の導電材508は、陰になり、図に表れて
いない。前記正極側および負極側の導電材508は半田あるいは蒸着により前記巻回され
たそれぞれのフィルムに接続されている。
507からなる積層の平面形状は細長い形状で、直方体に近い形状である。前記平面の短
い側の長さすなわち平面の幅は前記コンデンサセル514の巻回軸方向の長さに略近くな
っており、前記負極導体505と正極導体507からなる積層の短い側の端の両端に端子
516と端子518とがそれぞれ設けられている。図26では負極側の端子516と端子
518とが陰となりあらわれていない。前記負極導体505と正極導体507からなる積
層の両端に設けられた端子516と端子518は並列に配置された2個のコンデンサセル
514の両端の導電材508とそれぞれ半田あるいは溶接により接続される。
516,518の固着されるコンデンサの面が+電極)で他側端面が−電極であって、負
極導体505と正極導体507とから積層導体の平面部にフィルムコンデンサ515が配
置され、本実施形態はコンデンサ端子504,506側に向かった方向に2個配列された
例である。
図示の如く設けられている。2個のセルはそれぞれの一側端面が+電極であって、この+
電極が各端子516,518を通して正極側コンデンサ端子506に繋がる正極導体板5
07に接続される。コンデンサセル514の他側端面は−電極であり、この−電極は、正
極導体板507に絶縁シート517を介した負極導体板505に接続され、負極側コンデ
ンサ端子504に繋がる。また、図26で、正極導体板507は直流(バッテリ)正極側
接続端子部512に接続され、負極導体板505は直流(バッテリ)負極側接続端子部5
10に接続されて、最終的にバッテリに繋がる。
7を介して正極側コンデンサ端子506につながり、コンデンサセル514の負極が端子
(図26で背面側)と負極導体板505を介して負極側コンデンサ端子504につながる
。図示の例では、一対のコンデンサ端子504,506は2個のコンデンサセル514が
並列接続されている。一対のコンデンサ端子504,506が図示の例では4対設けられ
ているが、これらの縦列と横列のコンデンサセルの数は容量に応じて任意の数とすること
ができる。各端子504,506には、パワーモジュール300の直流正負極端子316
,314と直接にねじ固定できるように開口部509,511が形成されている。
絶縁シートを挟んで巻回することによりフィルムコンデンサ515を生産し、その両端に
導電材508を前記正極と負極に電気的に接続するようにして固定し、コンデンサセル5
14を生産する。
導体板には直立して伸びる正極側コンデンサ端子506と負極側コンデンサ端子504と
が一体に形成されている。前記積層構造の導体板は、幅がフィルムコンデンサ515の巻
回軸方向の長さに略等しく、長手方向の長さが並列に配置されたフィルムコンデンサ51
5の長さに略等しい、略長方形の平面を有している。前記平面に前記コンデンサセル51
4の外周面が対向するようにコンデンサセル514が複数個並列に配置され、それぞれの
両端が前記端子516や端子518にそれぞれ接続されることで、コンデンサのセル群が
作られる。前記の如く図26に示すコンデンサのセル群を生産する。このセル群は、正極
側コンデンサ端子506と一体に正極導体507とを一体に機械加工でき、さらに負極側
コンデンサ端子504と負極導体505とを一体に機械加工できる。これらを薄い絶縁材
を挟んで機械で積層構造に組み立てることができ、さらに複数のコンデンサセル514を
端子516や端子518に接続する工程も、端子516や端子518の両サイドに生産の
障害となるものが無いので、簡単に機械で製造できる。
でつくり、コンデンサケース502内に前記コンデンサのセル群を複数個挿入する。前記
各コンデンサセル514は、金属性コンデンサケース502の内側底面にコンデンサセル
514の外周面が対向するように配置される。図25に示す如く所定のコンデンサのセル
群が挿入され、絶縁性の樹脂からなる充填材522が充填されて図22に示すコンデンサ
モジュール500が作られる。前記コンデンサのセル群単位で生産し、次に前記コンデン
サのセル群を必要数コンデンサケース502に挿入してコンデンサモジュール500を作
ることで、車の機種に合せて利用するコンデンサのセル群の数を変えることで前記コンデ
ンサのセル群を共通に使用できる。
よるコンデンサモジュール500の仕様の違いに対し、前記コンデンサのセル群を共通に
使用でき、生産性に優れている効果がある。
うに配置されており、コンデンサセル514が発生する熱をコンデンサケース502を介
して放熱することができる。本実施形態のコンデンサモジュール500は良好な放熱特性
を有する。図8で説明の如くコンデンサケース502は下部ケース16に保持され、下部
ケース16および筐体12を介して冷却水流路19に熱が良好に伝えられ、良好な放熱特
性が得られる。
子504を有しているのみならず、補機用正極端子532と補機用負極端子を有しており
、これらの端子はそれぞれ直流(バッテリ)正極側接続端子部512と直流(バッテリ)
負極側接続端子部510に電気的に接続されている。このような補機用端子を持つことで
、コンデンサモジュール500を補機用にも併用できる。電力変換装置全体の機能として
車両駆動用のみならずその他の補機用の交流出力も取り出すことができ、機能向上となる
。
ュール500の運送途中での負極側コンデンサ端子504や正極側コンデンサ端子506
の保護となり、信頼性の向上や生産性の向上に繋がる。
構造について、図23を参照しながら以下説明する。図23は本実施形態に関するパワー
モジュールとコンデンサ部の結合構造を上方から見た斜視図である。
514が収納され、その負極側と正極側のコンデンサ端子504,506は、コンデンサ
ケース502の一側方に沿って配列されている。この当該一側方は、コンデンサ端子50
4,506がコンデンサセル514の上面より立ち上った位置に配置されているので、そ
の形状に対応してケースも立ち上げ形状となっている。
ジュール300の直流負極端子/正極端子314,316が配列されている。そして、パ
ワーモジュール300をコンデンサ500の上に据え付けると、直流負極端子/正極端子
314,316の端部が、他の接続体を介在させることなく、直接にコンデンサ端子50
4,506に相対向して設置することができる。
314と直流負極端子316は、パワーモジュールケース502から突出して形成されて
いる。そして、図22に図示するように、正極側コンデンサ端子506と負極側コンデン
サ端子504はコンデンサセル群の充填材522平面の側部から立ち上がった構造のL字
構造を形成しており、このL字構造のコンデンサ端子506,504がパワーモジュール
ケース302から突出したパワーモジュールの直流端子314,316に、電力変換装置
の組み立て時において、直接に当接してボルトで接続されることとなる。
態におけるパワーモジュール300とコンデンサモジュール500の端子構造はインダク
タンスを低減できる構造となっている。図24でインダクタンスの低減について説明する
。
00の直流負極端子316や直流正極端子314との接続部における電流の流れを示す。
00の直流負極端子316や直流正極端子314は、薄い絶縁材を挟んだ積層構造の導体
部と相手と接続するための接続部とから構成されており、前記導体部の端部はそれぞれ反
対方向に折り曲げられた形状を為し、積層構造の内側面が開いて、接続相手と接する接続
面を成している。
同士が接触し、前記接触面を介して正極および負極の導体を電流が流れる。図24には正
極側の電流の流れ618と負極側の電流の流れ620を示す。前記接触面での電流の分布
は接触面の状態により変わるが、中央の積層部から左右に開いて分布する電流は再び中央
部の積層部に戻る構造となっている。この左右に広がる電流と接続面を通過後再び中央の
積層部に戻る電流は、その大きさが等しく方向が反対であり、互いに発生する磁束が相殺
される。このため接続部のインダクタンスが非常に小さくなる。
スが大きいという課題があった。図24に示す構造を使用して接続すると接続部のインダ
クタンスが非常に小さくなる。本実施形態ではパワーモジュール300の直流端子とコン
デンサモジュール500の直流端子とを直接接続していて最適であるが、上述の説明で接
続部のインダクタンスが小さくなるので、直接接続する構造に限らず、別部材の積層構造
の接続導体を使用したとしても接続部のインダクタンスを低減する構造とすることで良好
な特性が得られる。
とによって、部品点数の減少をもたらし、組立作業性を向上することができ、小型化が図
られる。さらに、本実施形態では、従来技術におけるコンデンサモジュールとパワーモジ
ュールの端子同士を接続する中間部材の存在による浮遊インダクタンスが無くなることで
、スパイク電圧を低減でき、製品としての電力変換装置の信頼性を高めることに繋がる。
き、相手方の導体との接続面前後で電流の流れが折り返される構造となっているので、接
続面前後の電流の磁束が相殺され、接続部でのインダクタンスの増加を抑えることができ
る。端子接続部がこのような構造を有することで接続部のインダクタンスを低減できるの
で、パワーモジュール300とコンデンサモジュール500との直流端子を直接接続する
ことが最適であるが、仮に両端子間に別部材の積層導体を使用したとしても全体の回路の
インダクタンスの増大を押さえることができる。
11:金属ベース板 12:筐体
13:冷却水入口配管 14:冷却水出口配管
16:下部ケース 17:交流ターミナルケース
18:交流ターミナル 19:冷却水流路
20:制御回路基板 21:コネクタ
22:駆動回路基板 23:基板間コネクタ
43:インバータ(パワーモジュールを含む補機用)
49:鋳造肉盗み
110:ハイブリッド電気自動車 112:前輪
114:前輪車軸 116:前輪側DEF
118:変速機 120:エンジン
122:動力分配機構 123,124,125:歯車
126,127,128:歯車 129,130:歯車
136:バッテリ 138:直流コネクタ
140,142:インバータ装置 144:インバータ回路
150:上下アームの直列回路 153:上アームのコレクタ電極
154:上アームのゲート電極端子
155:上アームの信号用エミッタ電極端子
156:上アームのダイオード 157:正極(P)端子
158:負極(N)端子 159:交流端子
163:下アームのコレクタ電極 164:下アームのゲート電極端子
165:下アームの信号用エミッタ電極端子
166:下アームのダイオード 169:中間電極
170:制御部 172:制御回路
174:ドライバ回路 176:信号線
180:検出部 182:信号線
186:交流電力線 188:交流コネクタ
192,194:モータジェネレータ
195:モータ(補機用=エアコン、オイルポンプ、冷却ポンプ)
200:電力変換装置
300:パワーモジュール(半導体モジュール)
302:パワーモジュールケース 304:金属ベース
305:フィン
308:U相交流バスバー 310:V相交流バスバー
312:W相交流バスバー 314:直流正極端子
315:正極導体板 316:直流負極端子
317:負極導体板 318:絶縁紙
320:パワーモジュール制御端子
322:チップ保護用レジン又はシリコンゲル
324:交流バスバー保持用(位置決め)ピン
326:IGBT 328:上アーム用IGBT
329,331:導体 333,337:導体
330:下アーム用IGBT 334:絶縁基板
335:インダクタンス成分(等価回路)
336:ワイヤ 338:電流の流れ
339:接合部(直流正極バスバー用)
340:渦電流
341:接合部(直流負極バスバー用)
400,402,404:開口部 401:入口孔
403:出口孔 406:貫通孔
408:隔壁 410:支持部
412,414:ねじ穴(パワーモジュール固定用)
416:ねじ穴(水路カバー固定用)
418:冷媒の流れ(流入方向) 420:カバー
421:冷媒の流れ(Uターン部) 422:冷媒の流れ(流出方向)
500:コンデンサモジュール 502:コンデンサケース
504:負極側コンデンサ端子 505:負極導体板
506:正極側コンデンサ端子 507:正極導体板
508:導電材 509,511:開口部(端子固定用)
510:直流(バッテリ)負極側接続端子部
512:直流(バッテリ)正極側接続端子部
514:コンデンサセル 515:フィルムコンデンサ
516:端子 517:絶縁シート
518:端子 520:端子カバー
521:絶縁シート 522:充填材
532:補機用正極端子 534:補機用負極端子
600:コレクタ電流
602:ターンオン時ゲート電圧波形
604:ターンオン時コレクタ電圧波形
606:ターンオン時コレクタ電流波形
608:ダイオード 610:インダクタンス負荷
612:環流 614:電流ピーク
616:ミラー期間 618:電流の流れ(正極側)
620:電流の流れ(負極側)
622:ターンオフ時ゲート電圧波形
624:ターンオフ時コレクタ電流波形
626:ターンオフ時コレクタ電圧波形
628:電圧ピーク
Claims (8)
- 車両駆動用モータに交流電流を出力する駆動用パワーモジュールと、
車両に搭載された補機用モータに交流電流を出力するための補機用パワーモジュールと、
電源から供給される直流電流を平滑化して、当該平滑化された直流電流を前記駆動用パワーモジュール及び前記補機用パワーモジュールに供給するコンデンサモジュールと、
正極導体板と、当該正極導体板に対して絶縁部材を介して対向する負極導体板とにより構成される直流電流伝達部と、
冷却媒体を流す流路を形成するための流路形成体と、
前記駆動用パワーモジュールと前記補機用パワーモジュールと前記コンデンサモジュールと前記直流電流伝達部と前記流路形成体とを内蔵する筐体と、を備え、
前記筐体は、前記流路形成体が当該筐体内に配置されることにより、第1の領域と第2の領域に分けられるとともに、前記流路形成体の側部に前記第1の領域と前記第2の領域とを繋ぐ繋ぎ空間が形成され、かつ当該第2の領域側の当該筐体は開口する形状を成し、
前記駆動用パワーモジュールは、前記第1の領域内であって前記流路形成体側に配置され、
前記コンデンサモジュールは、前記第2の領域側の開口を塞ぐためのケースに配置され、かつ前記ケースと前記コンデンサモジュールとの間に熱伝導路が形成され、
前記直流電流伝達部は、前記繋ぎ空間を通って前記駆動用パワーモジュールと前記コンデンサモジュールを接続し、
前記補機用パワーモジュールは、前記第2の領域内であって前記コンデンサモジュールとは所定空間を介して前記流路形成体側に配置され、かつ前記コンデンサモジュールから延びる補機用パワーモジュール端子が当該所定空間を通って当該補機用パワーモジュールと接続される電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記コンデンサモジュールは、前記流路形成体側に開口を形成するコンデンサケースと、当該コンデンサケースに収納されたコンデンサセルと、当該コンデンサセルを封止するために当該コンデンサケース内に充填された封止材と、を有し、
前記直流電流伝達部を構成する前記正極導体板と前記負極導体板は、前記コンデンサケースの開口から露出する前記封止材から積層状態で突出し、前記駆動用パワーモジュールと接続される電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置において、
前記コンデンサモジュールの補機用パワーモジュール端子は、前記コンデンサケースの開口から露出する前記封止材から突出し、前記補機用パワーモジュールと接続される電力変換装置。 - 請求項1ないし3に記載のいずれかの電力変換装置において、
前記駆動用パワーモジュールは、インバータ回路を構成するスイッチング素子と、前記スイッチング素子が発生する熱を放熱するための金属ベース板と、を有し、
前記流路形成体は、前記第1の領域側に前記流路に繋がる開口を形成し、
前記駆動用パワーモジュールの金属ベース板は、前記流路形成体の開口を塞ぐように当該流路形成体に固定され、前記流路に流れる冷却冷媒に直接接触する電力変換装置。 - 請求項4に記載された電力変換装置において、
前記駆動用パワーモジュールの前記金属ベース板は、前記開口から前記流路に突出するフィンを有する電力変換装置。 - 請求項1ないし5に記載されたいずれかの電力変換装置において、
前記流路形成体は、前記第1の領域側に形成された第1開口部と、前記第2の領域側に形成された第2開口部とを形成し、
前記第2開口部は、当該第2開口部の少なくとも一部が前記1開口部と対向するように、前記冷却水流路に形成される電力変換装置。 - 請求項1ないし6に記載されたいずれかの電力変換装置において、
前記駆動用パワーモジュールを制御するための制御回路部を備え、
前記筐体は、前記第1の領域側を形成する当該筐体に開口を形成し、当該開口は金属製保持板によって塞がれ、
前記制御回路部は、前記金属製保持板に固定され、当該金属製保持板と当該制御回路部との間に熱伝導路が形成される電力変換装置。 - 請求項1に記載された電力変換装置において、
前記コンデンサモジュールは、前記流路形成体側に開口を形成するコンデンサケースと、当該コンデンサケースに収納されたコンデンサセルと、を有し、
前記コンデンサセルは、前記コンデンサケースの開口まで延ばされた前記直流電流伝達部と前記コンデンサケースの底面との間に配置され、かつ当該コンデンサセルは、当該コンデンサケースと熱伝導経路を形成する電力変換装置。
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