JP5158002B2 - Buck-boost converter - Google Patents

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Description

本発明は、車両に搭載され、直流電力の昇圧及び降圧を行う昇降圧コンバータに関する。   The present invention relates to a step-up / down converter that is mounted on a vehicle and performs step-up and step-down of DC power.

電気自動車やハイブリッド自動車等には、その動力源である交流モータを作動させるための交流電力を、直流電源から生成するためのインバータが搭載されている。そして、バッテリー電源の電圧を昇圧してインバータへ供給する、さらには、交流モータにおいて発電されると共にインバータにおいて直流電力に変換された高電圧の電力を降圧するために、昇降圧コンバータが、車両に搭載されている。   An electric vehicle, a hybrid vehicle, and the like are equipped with an inverter for generating AC power for operating an AC motor as a power source from a DC power source. Then, in order to step up the voltage of the battery power supply and supply it to the inverter, and further to step down the high voltage power generated in the AC motor and converted into DC power in the inverter, a step-up / down converter is applied to the vehicle. It is installed.

かかる昇降圧コンバータは、上記インバータと同様に、スイッチング動作を繰り返す半導体モジュールの温度上昇を抑制するために、冷却液を流通させる冷却管を半導体モジュールに接触配置してなる（特許文献１）。
また、冷却液は、ポンプによって冷却管内を含めた循環経路を循環する。そして、半導体モジュールと熱交換して温度上昇し、冷却管から排出された冷却液は、放熱手段において放熱した後、再度冷却管に導入され、半導体モジュールを冷却する。 Such a step-up / down converter has a cooling pipe through which a coolant flows in contact with the semiconductor module in order to suppress the temperature rise of the semiconductor module that repeats the switching operation, similarly to the inverter (Patent Document 1).
Further, the coolant circulates in a circulation path including the inside of the cooling pipe by a pump. Then, the temperature rises due to heat exchange with the semiconductor module, and the coolant discharged from the cooling pipe dissipates heat in the heat radiating means, and is then introduced into the cooling pipe again to cool the semiconductor module.

特開２００５−３３３００８号公報JP 2005-333008 A

しかしながら、例えば、上記ポンプに異常が生じたときには、冷却液の循環が停止し、冷却管内において冷却液が停滞することとなる。このような異常事態において、車両の通常走行も不能とする制御もある。しかし、この場合でも、突然車両走行が不能となると、車両の停止場所等によっては安全を確保できないなどの問題があるため、ある程度の走行は可能となるように設計してある。   However, for example, when an abnormality occurs in the pump, the circulation of the coolant is stopped and the coolant is stagnated in the cooling pipe. In such an abnormal situation, there is also control that disables normal traveling of the vehicle. However, even in this case, if the vehicle suddenly becomes impossible, there is a problem that safety cannot be ensured depending on the stop location of the vehicle, and therefore, the vehicle is designed to be able to travel to some extent.

そのため、この異常時の走行においても、昇降圧コンバータは作動することとなり、これを構成する半導体モジュールを、ある程度は冷却可能にしておく必要がある。
ところが、冷却液の循環が停止して冷却液が停滞したとき、冷却管内の液面が下がることがある。この場合、車両の姿勢や、加速、減速などの走行状態によっては、半導体モジュール内における発熱原である半導体素子やダイオードの位置に、冷却液が存在しなくなることもあり得る。このような場合には、半導体素子やダイオードの放熱効率が極端に低下してしまい、これらの素子の故障の原因となり、昇降圧コンバータの故障の原因となる。 For this reason, the step-up / step-down converter operates even when traveling in an abnormal state, and it is necessary to allow the semiconductor module constituting the converter to be cooled to some extent.
However, when the cooling liquid circulation stops and the cooling liquid stagnates, the liquid level in the cooling pipe may fall. In this case, depending on the posture of the vehicle and the running state such as acceleration and deceleration, the coolant may not exist at the position of the semiconductor element or the diode that is the heat generation source in the semiconductor module. In such a case, the heat dissipation efficiency of the semiconductor elements and diodes is extremely lowered, causing the failure of these elements and the failure of the buck-boost converter.

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、冷却管内の冷却液の液面が低下した際においても、半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる昇降圧コンバータを提供しようとするものである。   The present invention has been made in view of such a problem, and intends to provide a step-up / down converter capable of suppressing an increase in the temperature of a semiconductor module even when the liquid level of the cooling liquid in the cooling pipe is lowered. It is.

本発明は、車両に搭載され、直流電力の昇圧及び降圧を行う昇降圧コンバータであって、
被制御電流のオン、オフのスイッチングを行う半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却液を流通する冷却管とを有し、
上記半導体モジュールは、高電位側と低電位側とにそれぞれ少なくとも一つずつ配設されると共に、上記スイッチングを行う半導体素子と、該半導体素子に逆並列接続されたダイオードとを有し、
上記冷却管は、上記半導体モジュールの両面に接触配置されると共に、上記車両の前後方向にその長手方向を一致させており、
上記冷却管の長手方向に、上記高電位側の半導体モジュールと、上記低電位側の半導体モジュールとが並べて配置されており、
上記高電位側の半導体モジュールが上記車両の前方側、上記低電位側の半導体モジュールが上記車両の後方側にそれぞれ配置され、
上記高電位側の半導体モジュールにおいては、上記半導体素子が上記ダイオードよりも上記車両の前方側に配置され、上記低電位側の半導体モジュールにおいては、上記半導体素子が上記ダイオードよりも上記車両の後方側に配置されていることを特徴とする昇降圧コンバータにある（請求項１）。 The present invention is a step-up / down converter that is mounted on a vehicle and performs step-up and step-down of DC power,
A semiconductor module that performs on / off switching of the controlled current, and a cooling pipe that circulates a coolant that cools the semiconductor module,
The semiconductor module includes at least one each on a high potential side and a low potential side, and includes a semiconductor element that performs the switching, and a diode connected in reverse parallel to the semiconductor element,
The cooling pipe is arranged in contact with both surfaces of the semiconductor module, and the longitudinal direction of the cooling pipe is matched with the longitudinal direction of the vehicle.
In the longitudinal direction of the cooling pipe, the semiconductor module on the high potential side and the semiconductor module on the low potential side are arranged side by side,
The high-potential side semiconductor module is disposed on the front side of the vehicle, and the low-potential side semiconductor module is disposed on the rear side of the vehicle.
In the high-potential side semiconductor module, the semiconductor element is arranged on the front side of the vehicle with respect to the diode, and in the low-potential side semiconductor module, the semiconductor element is on the rear side of the vehicle with respect to the diode. The step-up / step-down converter is characterized in that the step-up / step-down converter is arranged in the above-described manner.

本発明の昇降圧コンバータにおいては、上記高電位側の半導体モジュールが上記車両の前方側、上記低電位側の半導体モジュールが上記車両の後方側にそれぞれ配置されている。これにより、例えば冷却液の流通が停止して、冷却管内に冷却液が停滞し、冷却液の液面が下がったときでも、半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる。そのメカニズムについて、以下に説明する。   In the step-up / down converter according to the present invention, the high-potential side semiconductor module is disposed on the front side of the vehicle, and the low-potential side semiconductor module is disposed on the rear side of the vehicle. Thereby, for example, even when the circulation of the cooling liquid is stopped, the cooling liquid is stagnated in the cooling pipe, and the liquid level of the cooling liquid is lowered, the temperature rise of the semiconductor module can be suppressed. The mechanism will be described below.

車両の動力源である回転電機を作動させる力行時には、昇降圧コンバータは、直流電力の昇圧を行うこととなり、主として、低電位側の半導体モジュールの半導体素子と高電位側の半導体モジュールのダイオードが発熱する。一方、回転電機によって発電された電力を回収する回生時には、昇降圧コンバータは、直流電力の降圧を行うこととなり、主として、高電位側の半導体モジュールの半導体素子と低電位側の半導体モジュールのダイオードが発熱する。ただし、ダイオードの発熱は、半導体素子の発熱に比べて小さく、主に発熱するのは半導体素子である。   During powering to operate the rotating electrical machine that is the power source of the vehicle, the step-up / step-down converter boosts DC power. Mainly, the semiconductor elements of the low-potential side semiconductor module and the diodes of the high-potential side semiconductor module generate heat. To do. On the other hand, at the time of regeneration for recovering the electric power generated by the rotating electrical machine, the step-up / step-down converter performs step-down of the DC power, and mainly the semiconductor element of the high-potential side semiconductor module and the diode of the low-potential side semiconductor module. Fever. However, the heat generation of the diode is smaller than the heat generation of the semiconductor element, and the semiconductor element mainly generates heat.

また、力行時における車両の状況を考えると、上り坂を上る状況、あるいは加速する状況がある。このとき、冷却管内の冷却液は、車両後方に偏ることとなる。
一方、回生時における車両の状況は、逆に、下り坂を下る状況、あるいは減速する状況がある。このとき、冷却管内の冷却液は、車両前方に偏ることとなる。 Further, when considering the situation of the vehicle during power running, there are situations where the vehicle climbs uphill or accelerates. At this time, the coolant in the cooling pipe is biased toward the rear of the vehicle.
On the other hand, the situation of the vehicle at the time of regeneration includes, on the contrary, a situation where the vehicle goes downhill or decelerates. At this time, the coolant in the cooling pipe is biased forward of the vehicle.

そこで、本発明においては、上記のごとく、高電位側の半導体モジュールが車両の前方側、低電位側の半導体モジュールが車両の後方側にそれぞれ配置されている。
これにより、低電位側の半導体モジュールの半導体素子が発熱する力行時に、冷却管内の冷却液が車両後方に偏り、高電位側の半導体モジュールの半導体素子が発熱する回生時に、冷却管内の冷却液が車両前方に偏る。すなわち、常に、発熱する半導体素子のある位置に、冷却液が移動することとなる。これにより、効果的に半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる。 Therefore, in the present invention, as described above, the high potential side semiconductor module is disposed on the front side of the vehicle, and the low potential side semiconductor module is disposed on the rear side of the vehicle.
As a result, when the semiconductor element of the low potential side semiconductor module generates heat, the coolant in the cooling pipe is biased toward the rear of the vehicle, and when the semiconductor element of the high potential side semiconductor module generates heat, the coolant in the cooling pipe is It is biased toward the front of the vehicle. That is, the cooling liquid always moves to a position where the semiconductor element that generates heat is located. Thereby, the temperature rise of a semiconductor module can be suppressed effectively.

なお、ダイオードの発熱に関しては、半導体素子と逆のパターンとなるが、上述のごとく、ダイオードの発熱は、半導体素子の発熱に比べて充分小さいため、その影響は小さい。   The heat generation of the diode has a pattern opposite to that of the semiconductor element. However, as described above, the heat generation of the diode is sufficiently smaller than the heat generation of the semiconductor element, and thus the influence is small.

また、高電位側の半導体モジュールにおいては、半導体素子がダイオードよりも車両の前方側に配置され、低電位側の半導体モジュールにおいては、半導体素子がダイオードよりも車両の後方側に配置されている。これにより、同時に発熱する、高電位側の半導体モジュールの半導体素子と低電位側の半導体モジュールのダイオード、或いは、高電位側の半導体モジュールのダイオードと低電位側の半導体モジュールの半導体素子が、隣り合わせにならない。そのため、昇圧時及び降圧時において、素子同士の熱干渉を低減することができる。また、特に発熱の大きい高電位側及び低電位側の半導体モジュールの半導体素子同士が冷却管の長手方向の両端に配置されることとなるため、放熱性を効果的に向上させることができる。   Further, in the semiconductor module on the high potential side, the semiconductor element is disposed on the front side of the vehicle with respect to the diode, and in the semiconductor module on the low potential side, the semiconductor element is disposed on the rear side of the vehicle with respect to the diode. Accordingly, the semiconductor element of the high potential side semiconductor module and the diode of the low potential side semiconductor module, or the diode of the high potential side semiconductor module and the semiconductor element of the low potential side semiconductor module, which generate heat simultaneously, are adjacent to each other. Don't be. Therefore, thermal interference between elements can be reduced at the time of step-up and step-down. In addition, since the semiconductor elements of the high potential side and low potential side semiconductor modules that generate particularly large heat are arranged at both ends in the longitudinal direction of the cooling pipe, the heat dissipation can be effectively improved.

以上のごとく、本発明によれば、冷却管内の冷却液の液面が低下した際においても、半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる昇降圧コンバータを提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a step-up / step-down converter capable of suppressing an increase in the temperature of a semiconductor module even when the liquid level of the cooling liquid in the cooling pipe is lowered.

実施例における、昇降圧コンバータの平面説明図。Plane explanatory drawing of the buck-boost converter in an Example. 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 実施例における、半導体モジュール及び冷却管の断面図。Sectional drawing of the semiconductor module and cooling pipe in an Example. 実施例における、昇降圧コンバータ及びインバータの回路図。The circuit diagram of the buck-boost converter and an inverter in an Example. 実施例における、上り坂を上る力行時の車両の説明図。Explanatory drawing of the vehicle at the time of the power running which goes uphill in an Example. 実施例における、力行時の冷却管内の冷却液の状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the state of the cooling fluid in the cooling pipe at the time of power running in an Example. 実施例における、下り坂を上る回生時の車両の説明図。Explanatory drawing of the vehicle at the time of regeneration which goes up a downhill in an Example. 実施例における、回生時の冷却管内の冷却液の状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the state of the cooling fluid in the cooling pipe at the time of regeneration in an Example. 比較例における、昇降圧コンバータの平面説明図。Plane explanatory drawing of the buck-boost converter in a comparative example. 図９のＢ−Ｂ線矢視断面図。FIG. 10 is a sectional view taken along line B-B in FIG. 9. 比較例における、力行時の冷却管内の冷却液の状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the state of the cooling fluid in the cooling pipe at the time of power running in a comparative example. 比較例における、回生時の冷却管内の冷却液の状態を示す説明図。Explanatory drawing which shows the state of the cooling fluid in the cooling pipe at the time of regeneration in a comparative example.

本発明において、上記半導体素子としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができ、上記ダイオードとしては、例えばフライホイールダイオードを用いることができる。
また、上記「半導体素子に逆並列接続」とは、例えば、半導体素子におけるエミッタとコレクタとの間にダイオードを接続し、その整流方向を、電流がエミッタからコレクタへ向かう方向となるように接続することを言う。
また、高電位側の半導体モジュールと低電位側の半導体モジュールとは、互いに一体化されていてもよい。 In the present invention, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) can be used as the semiconductor element, and a flywheel diode can be used as the diode.
The above-mentioned “antiparallel connection to the semiconductor element” means, for example, that a diode is connected between the emitter and the collector in the semiconductor element, and the rectification direction is connected so that the current is directed from the emitter to the collector. Say that.
The high potential side semiconductor module and the low potential side semiconductor module may be integrated with each other.

また、上記冷却液としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。   Examples of the coolant include natural refrigerants such as water and ammonia, water mixed with ethylene glycol antifreeze, fluorocarbon refrigerants such as fluorinate, chlorofluorocarbon refrigerants such as HCFC123 and HFC134a, methanol, alcohol, and the like. An alcohol-based refrigerant, a ketone-based refrigerant such as acetone, or the like can be used.

（実施例）
本発明の実施例にかかる昇降圧コンバータにつき、図１〜図８を用いて説明する。
本例の昇降圧コンバータ１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載され、直流電力の昇圧及び降圧を行うものであり、図１〜図３に示すごとく、被制御電流のオン、オフのスイッチングを行う半導体モジュール２と、該半導体モジュール２を冷却する冷却液Ｗを流通する冷却管３とを有する。 (Example)
A buck-boost converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The buck-boost converter 1 of this example is mounted on a vehicle such as an electric vehicle or a hybrid vehicle, and performs step-up and step-down of DC power. As shown in FIGS. 1 to 3, the controlled current is turned on / off. The semiconductor module 2 that performs switching and the cooling pipe 3 that circulates the coolant W that cools the semiconductor module 2 are provided.

半導体モジュール２は、高電位側と低電位側とにそれぞれ少なくとも一つずつ配設されると共に、スイッチングを行う半導体素子２１と、該半導体素子２１に逆並列接続されたダイオード２２とを有する。例えば、半導体素子２１としてはＩＧＢＴを用い、ダイオード２２としてはフライホイールダイオードを用いることができる。   The semiconductor module 2 includes at least one semiconductor element 21 on each of the high potential side and the low potential side, and includes a semiconductor element 21 that performs switching, and a diode 22 that is connected in reverse parallel to the semiconductor element 21. For example, an IGBT can be used as the semiconductor element 21 and a flywheel diode can be used as the diode 22.

冷却管３は、半導体モジュール２の両面に接触配置されると共に、車両の前後方向にその長手方向を一致させている。図１等に示す矢印Ｆが車両の前方を示す。
冷却管３の長手方向に、高電位側の半導体モジュール２Ｈと、低電位側の半導体モジュール２Ｌとが並べて配置されている。
そして、高電位側の半導体モジュール２Ｈが車両の前方側（矢印Ｆ側）、低電位側の半導体モジュール２Ｌが車両の後方側にそれぞれ配置されている。
また、高電位側の半導体モジュール２Ｈにおいては、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両の前方側に配置され、低電位側の半導体モジュール２Ｌにおいては、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両の後方側に配置されている。 The cooling pipe 3 is disposed in contact with both surfaces of the semiconductor module 2 and the longitudinal direction thereof coincides with the longitudinal direction of the vehicle. An arrow F shown in FIG. 1 and the like indicates the front of the vehicle.
In the longitudinal direction of the cooling pipe 3, a high potential side semiconductor module 2H and a low potential side semiconductor module 2L are arranged side by side.
The high potential side semiconductor module 2H is disposed on the front side (arrow F side) of the vehicle, and the low potential side semiconductor module 2L is disposed on the rear side of the vehicle.
In the semiconductor module 2H on the high potential side, the semiconductor element 21 is arranged on the front side of the vehicle with respect to the diode 22, and in the semiconductor module 2L on the low potential side, the semiconductor element 21 is on the rear side of the vehicle with respect to the diode 22. Is arranged.

本例においては、図１、図４に示すごとく、昇降圧コンバータ１を構成する半導体モジュール２は４個設けられており、互いに直列接続された高電位側の半導体モジュール２Ｈと低電位側の半導体モジュール２Ｌとが、２組並列に接続されている。そして、互いに直列接続された高電位側の半導体モジュール２Ｈと低電位側の半導体モジュール２Ｌとは、一対の冷却管３の間に、冷却管３の長手方向に沿って並んで配設されている。また、冷却管３と半導体モジュール２とが交互に積層されている。
なお、昇降圧コンバータ１を構成する半導体モジュール２は、４個に限らず、少なくとも２個設けられていればよく、高電位側の半導体モジュール２Ｈと低電位側の半導体モジュール２Ｌとが、少なくとも１組設けられていればよい。 In this example, as shown in FIGS. 1 and 4, four semiconductor modules 2 constituting the buck-boost converter 1 are provided, and a high-potential side semiconductor module 2H and a low-potential side semiconductor that are connected in series with each other. Two sets of modules 2L are connected in parallel. The high-potential-side semiconductor module 2H and the low-potential-side semiconductor module 2L connected in series with each other are arranged side by side along the longitudinal direction of the cooling pipe 3 between the pair of cooling pipes 3. . Further, the cooling pipes 3 and the semiconductor modules 2 are alternately stacked.
Note that the number of semiconductor modules 2 constituting the buck-boost converter 1 is not limited to four, and at least two semiconductor modules may be provided. At least one semiconductor module 2H on the high potential side and two semiconductor modules 2L on the low potential side are included. What is necessary is just to be provided.

積層された冷却管３は、長手方向の両端部において、連結管３１によって互いに連結されている。これにより、冷媒導入口３２１から導入された冷却液Ｗは、上流側の連結管３１を通じて各冷却管３に分配されて流通する。この間に、冷却液Ｗは、半導体モジュール２との間で熱交換を行い、下流側の連結管３１を通じて冷媒排出口３２２から排出される。また、温度上昇して排出された冷却液Ｗは、空冷等によって冷却され再度冷媒導入口３２１から冷却管３に導入される。この冷却液Ｗの循環は、循環ポンプによって行われる。
これにより、半導体モジュール２の冷却を行っている。 The stacked cooling pipes 3 are connected to each other by connecting pipes 31 at both ends in the longitudinal direction. Thereby, the coolant W introduced from the refrigerant introduction port 321 is distributed and distributed to each cooling pipe 3 through the connection pipe 31 on the upstream side. During this time, the coolant W exchanges heat with the semiconductor module 2 and is discharged from the refrigerant discharge port 322 through the downstream connecting pipe 31. Further, the coolant W discharged after the temperature rises is cooled by air cooling or the like, and is again introduced into the cooling pipe 3 from the refrigerant introduction port 321. The circulation of the coolant W is performed by a circulation pump.
Thereby, the semiconductor module 2 is cooled.

また、冷却液Ｗとしては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。
また、冷却管３は、例えばアルミニウム又はその合金によって構成されている。 Examples of the coolant W include natural refrigerants such as water and ammonia, water mixed with ethylene glycol antifreeze, fluorocarbon refrigerants such as fluorinate, chlorofluorocarbon refrigerants such as HCFC123 and HFC134a, methanol, alcohol, and the like. An alcohol-based refrigerant, a ketone-based refrigerant such as acetone, or the like can be used.
The cooling pipe 3 is made of, for example, aluminum or an alloy thereof.

半導体モジュール２は、図３に示すごとく、半導体素子２１とダイオード２２とを樹脂２５によってモールドしてなる。また、半導体素子２１とダイオード２２とは、一対の放熱板２４によって挟持されている。半導体素子２１と一方の放熱板２４との間、及びダイオード２２と一方の放熱板２４との間には、それぞれスペーサ２６が配設されている。また、半導体素子２１、ダイオード２２のそれぞれの両面、及びスペーサ２６の両面には、はんだなどの導電性及び熱伝導性を有する接合部材２７が配されている。   As shown in FIG. 3, the semiconductor module 2 is formed by molding a semiconductor element 21 and a diode 22 with a resin 25. Further, the semiconductor element 21 and the diode 22 are sandwiched between a pair of heat sinks 24. Spacers 26 are disposed between the semiconductor element 21 and the one heat sink 24 and between the diode 22 and the one heat sink 24, respectively. In addition, on both surfaces of the semiconductor element 21 and the diode 22 and on both surfaces of the spacer 26, bonding members 27 having conductivity such as solder and heat conductivity are disposed.

また、各放熱板２４は、その一方の表面を、半導体モジュール２の一対の主面に露出させるようにして配設されている。そして、一対の主面に露出した放熱板２４に対して、熱伝導性に優れた絶縁部材１１を介して、冷却管３を接触させている。これにより、半導体モジュール２は、半導体素子２１およびダイオード２２から発生した熱を、両主面から放熱することができるよう構成されている。   Further, each of the heat radiating plates 24 is disposed so that one surface thereof is exposed to the pair of main surfaces of the semiconductor module 2. And the cooling pipe 3 is made to contact with the heat sink 24 exposed to a pair of main surface through the insulating member 11 excellent in thermal conductivity. Thereby, the semiconductor module 2 is configured to dissipate heat generated from the semiconductor element 21 and the diode 22 from both main surfaces.

本例の昇降圧コンバータ１は、図４に示すごとく、直流電源５１と回転電機（三相交流モータージェネレータ）５２との間において、直流電力と交流電力との間の変換を行うインバータ５３と共に配線される。
昇降圧コンバータ１は、上述した複数の半導体モジュール２の他に、リアクトル１２を有する。リアクトル１２は、高電位側の半導体モジュール２Ｈと低電位側の半導体モジュール２Ｌとの間に一方の電極を接続し、他方の電極を直流電源５１の正極に接続している。 As shown in FIG. 4, the step-up / down converter 1 of this example is wired together with an inverter 53 that converts between DC power and AC power between a DC power source 51 and a rotating electrical machine (three-phase AC motor generator) 52. Is done.
The step-up / down converter 1 includes a reactor 12 in addition to the plurality of semiconductor modules 2 described above. In the reactor 12, one electrode is connected between the high potential side semiconductor module 2 </ b> H and the low potential side semiconductor module 2 </ b> L, and the other electrode is connected to the positive electrode of the DC power supply 51.

インバータ５３は上記半導体モジュール２と同様の構成を有する半導体モジュール２０を少なくとも６個備えている。
半導体モジュール２０は、インバータ５３において、高電位側、低電位側にそれぞれ少なくとも３個ずつ配置されている。このうち、高電位側の半導体モジュール２０は、直流電源５１の正極側に接続された正極電源線５０１に接続され、低電位側の半導体モジュール２０は、直流電源５１の負極側に接続された負極電源線５０２に接続されている。そして、高電位側の半導体モジュール２０と低電位側の半導体モジュール２０とが互いに直列に接続されており、三相のアームを形成している。また、各アームにおける一対の半導体モジュール２０の接続点から、三相交流モータージェネレータである回転電機５２の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電極とそれぞれ接続する出力線５０３が配線されている。
なお、インバータ５３を構成する半導体モジュール２０も、昇降圧コンバータ１を構成する半導体モジュール２と同様な冷却構造を有しているが、図示は省略してある。 The inverter 53 includes at least six semiconductor modules 20 having the same configuration as the semiconductor module 2 described above.
In the inverter 53, at least three semiconductor modules 20 are disposed on the high potential side and the low potential side, respectively. Among these, the semiconductor module 20 on the high potential side is connected to the positive power supply line 501 connected to the positive electrode side of the DC power supply 51, and the semiconductor module 20 on the low potential side is connected to the negative electrode side of the DC power supply 51. It is connected to the power line 502. The high potential side semiconductor module 20 and the low potential side semiconductor module 20 are connected to each other in series to form a three-phase arm. Also, output lines 503 are respectively connected from the connection points of the pair of semiconductor modules 20 in each arm to the electrodes of each phase (U phase, V phase, W phase) of the rotating electrical machine 52 that is a three-phase AC motor generator. ing.
The semiconductor module 20 constituting the inverter 53 also has a cooling structure similar to that of the semiconductor module 2 constituting the buck-boost converter 1, but is not shown in the figure.

そして、昇降圧コンバータ１は、高電位側の半導体モジュール２Ｈの高電位側電極が、インバータ５３の正極電源線５０１に接続し、低電位側の半導体モジュール２Ｌの低電位側電極が、インバータ５３の負極電源線５０２に接続するように配線されている。
また、昇降圧コンバータ１とインバータ５３との間における、正極電源線５０１と負極電源線５０２との間に、平滑コンデンサ５４が接続されている。さらに、直流電源５１と昇降圧コンバータ１との間には、直流電源５１に並列的に接続されたフィルタコンデンサ５５が配設されている。 In the buck-boost converter 1, the high potential side electrode of the high potential side semiconductor module 2H is connected to the positive power supply line 501 of the inverter 53, and the low potential side electrode of the low potential side semiconductor module 2L is connected to the inverter 53. It is wired to connect to the negative power supply line 502.
A smoothing capacitor 54 is connected between the positive power supply line 501 and the negative power supply line 502 between the buck-boost converter 1 and the inverter 53. Further, a filter capacitor 55 connected in parallel to the DC power supply 51 is disposed between the DC power supply 51 and the buck-boost converter 1.

このような回路構成によって、直流電源５１の直流電圧を昇降圧コンバータ１によって昇圧してインバータ５３へ送り、インバータ５３において直流電力を三相交流電力に変換して、回転電機５２を駆動して車両を加速等させる（力行）。一方、車両の減速時などにおいては、回転電機５２において発電された交流電力を、インバータ５３において直流電力に変換し、これを昇降圧コンバータ１において降圧して、直流電源５１に蓄電する（回生）。   With such a circuit configuration, the DC voltage of the DC power supply 51 is boosted by the step-up / down converter 1 and sent to the inverter 53. In the inverter 53, the DC power is converted into three-phase AC power, and the rotating electrical machine 52 is driven to drive the vehicle. Is accelerated (powering). On the other hand, when the vehicle is decelerated, the AC power generated by the rotating electrical machine 52 is converted into DC power by the inverter 53, which is stepped down by the buck-boost converter 1 and stored in the DC power source 51 (regeneration). .

そして、昇降圧コンバータ１においては、昇圧時（車両の加速時等）には、主に、被制御電流が、低電位側の半導体モジュール２Ｌにおける半導体素子２１と、高電位側の半導体モジュール２Ｈにおけるダイオード２２に流れ、これらが発熱する。一方、降圧時（車両の減速時等）には、主に、被制御電流が、高電位側の半導体モジュール２Ｈにおける半導体素子２１と、低電位側の半導体モジュール２Ｌにおけるダイオード２２に流れ、これらが発熱する。   In the step-up / step-down converter 1, during boosting (such as during vehicle acceleration), the controlled current is mainly controlled by the semiconductor element 21 in the low potential side semiconductor module 2L and the high potential side semiconductor module 2H. They flow to the diode 22 and generate heat. On the other hand, at the time of step-down (when the vehicle is decelerating, etc.), the controlled current mainly flows to the semiconductor element 21 in the semiconductor module 2H on the high potential side and the diode 22 in the semiconductor module 2L on the low potential side. Fever.

次に、本例の作用効果につき説明する。
本例の昇降圧コンバータ１においては、図１〜図３に示すごとく、高電位側の半導体モジュール２Ｈが車両の前方側（矢印Ｆ側）、低電位側の半導体モジュール２Ｌが車両の後方側にそれぞれ配置されている。これにより、例えば冷却液Ｗの流通が停止して、冷却管３内に冷却液Ｗが停滞し、冷却液Ｗの液面が下がったときでも、半導体モジュール２の温度上昇を抑制することができる。そのメカニズムについて、以下に説明する。 Next, the function and effect of this example will be described.
In the step-up / down converter 1 of this example, as shown in FIGS. 1 to 3, the high potential side semiconductor module 2 </ b> H is on the front side (arrow F side) of the vehicle, and the low potential side semiconductor module 2 </ b> L is on the rear side of the vehicle. Each is arranged. Thereby, for example, even when the circulation of the cooling liquid W is stopped, the cooling liquid W stagnates in the cooling pipe 3, and the liquid level of the cooling liquid W is lowered, an increase in the temperature of the semiconductor module 2 can be suppressed. . The mechanism will be described below.

回転電機５２を作動させる力行時には、昇降圧コンバータ１は、直流電力の昇圧を行うこととなり、上述のごとく、主として、低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１と高電位側の半導体モジュール２Ｈのダイオード２２が発熱する。一方、回転電機５２によって発電された電力を回収する回生時には、昇降圧コンバータ１は、直流電力の降圧を行うこととなり、上述のごとく、主として、高電位側の半導体モジュール２Ｈの半導体素子２１と低電位側の半導体モジュール２Ｌのダイオード２２が発熱する。ただし、ダイオード２２の発熱は、半導体素子２１の発熱に比べて小さく、主に発熱するのは半導体素子２１である。   At the time of powering that operates the rotating electrical machine 52, the step-up / step-down converter 1 boosts DC power, and as described above, mainly the semiconductor elements 21 of the low-potential side semiconductor module 2L and the high-potential side semiconductor module 2H. The diode 22 generates heat. On the other hand, at the time of regeneration for recovering the electric power generated by the rotating electrical machine 52, the step-up / step-down converter 1 performs step-down of the DC power, and as described above, mainly the semiconductor element 21 of the high-potential-side semiconductor module 2H and the low-voltage converter. The diode 22 of the semiconductor module 2L on the potential side generates heat. However, the heat generation of the diode 22 is smaller than that of the semiconductor element 21, and the semiconductor element 21 mainly generates heat.

また、力行時における車両４の状況を考えると、図５に示すような上り坂を上る状況、あるいは加速する状況である。このとき、図６に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗは、車両後方に偏ることとなる。
一方、回生時における車両４の状況は、逆に、図７に示すような下り坂を下る状況、あるいは減速する状況である。このとき、図８に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗは、車両前方に偏ることとなる。 Further, when considering the situation of the vehicle 4 during power running, it is a situation where the vehicle climbs uphill as shown in FIG. 5 or accelerates. At this time, as shown in FIG. 6, the coolant W in the cooling pipe 3 is biased toward the rear of the vehicle.
On the other hand, the situation of the vehicle 4 at the time of regeneration is, conversely, a situation where the vehicle goes downhill as shown in FIG. At this time, as shown in FIG. 8, the coolant W in the cooling pipe 3 is biased forward of the vehicle.

そこで、本発明においては、上記のごとく、高電位側の半導体モジュール２Ｈが車両４の前方側、低電位側の半導体モジュール２Ｌが車両４の後方側にそれぞれ配置されている。
これにより、低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１が発熱する力行時に、図６に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗが車両後方に偏り、高電位側の半導体モジュール２Ｈの半導体素子２１が発熱する回生時に、図８に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗが車両前方に偏る。すなわち、常に、発熱する半導体素子２１のある位置に、冷却液Ｗが移動することとなる。これにより、効果的に半導体モジュール２の温度上昇を抑制することができる。 Therefore, in the present invention, as described above, the high potential side semiconductor module 2H is disposed on the front side of the vehicle 4, and the low potential side semiconductor module 2L is disposed on the rear side of the vehicle 4, respectively.
As a result, as shown in FIG. 6, when the semiconductor element 21 of the low potential side semiconductor module 2L generates heat, the coolant W in the cooling pipe 3 is biased toward the rear of the vehicle, and the semiconductor element of the high potential side semiconductor module 2H. At the time of regeneration in which the heat is generated from 21, the coolant W in the cooling pipe 3 is biased forward of the vehicle as shown in FIG. That is, the coolant W always moves to a position where the semiconductor element 21 that generates heat is located. Thereby, the temperature rise of the semiconductor module 2 can be suppressed effectively.

なお、ダイオード２２の発熱に関しては、半導体素子２１と逆のパターンとなるが、上述のごとく、ダイオード２２の発熱は、半導体素子２１の発熱に比べて充分小さいため、その影響は小さい。   The heat generation of the diode 22 has a pattern opposite to that of the semiconductor element 21. However, as described above, the heat generation of the diode 22 is sufficiently smaller than the heat generation of the semiconductor element 21, and thus the influence thereof is small.

また、高電位側の半導体モジュール２Ｈにおいては、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両４の前方側（矢印Ｆ側）に配置され、低電位側の半導体モジュール２Ｌにおいては、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両４の後方側に配置されている。これにより、同時に発熱する、高電位側の半導体モジュール２Ｈの半導体素子２１と低電位側の半導体モジュール２Ｌのダイオード２２、或いは、高電位側の半導体モジュール２Ｈのダイオード２２と低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１が、隣り合わせにならない。そのため、昇圧時及び降圧時において、素子同士の熱干渉を低減することができる。また、特に発熱の大きい高電位側及び低電位側の半導体モジュール２の半導体素子２１同士が冷却管３の長手方向の両端に配置されることとなるため、放熱性を効果的に向上させることができる。   Further, in the semiconductor module 2H on the high potential side, the semiconductor element 21 is arranged on the front side (arrow F side) of the vehicle 4 relative to the diode 22, and in the semiconductor module 2L on the low potential side, the semiconductor element 21 is the diode 22. Rather than the rear side of the vehicle 4. Accordingly, the semiconductor element 21 of the high-potential-side semiconductor module 2H and the diode 22 of the low-potential-side semiconductor module 2L, or the diode 22 of the high-potential-side semiconductor module 2H and the low-potential-side semiconductor module 2L that generate heat simultaneously. The semiconductor elements 21 are not adjacent to each other. Therefore, thermal interference between elements can be reduced at the time of step-up and step-down. In addition, since the semiconductor elements 21 of the semiconductor module 2 on the high potential side and the low potential side that generate particularly large heat are disposed at both ends in the longitudinal direction of the cooling pipe 3, it is possible to effectively improve heat dissipation. it can.

以上のごとく、本例によれば、冷却管内の冷却液の液面が低下した際においても、半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる昇降圧コンバータを提供することができる。   As described above, according to this example, it is possible to provide a step-up / step-down converter capable of suppressing an increase in the temperature of a semiconductor module even when the liquid level of the coolant in the cooling pipe is lowered.

（比較例）
本例は、図９、図１０に示すごとく、低電位側の半導体モジュール２Ｌが車両の前方側（矢印Ｆ側）、高電位側の半導体モジュール２Ｈが車両の後方側にそれぞれ配置された昇降圧コンバータ９の例である。
また、低電位側及び高電位側のいずれの半導体モジュール２においても、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両の後方側に配置されている。
その他は、実施例１と同様である。 (Comparative example)
In this example, as shown in FIG. 9 and FIG. 10, the step-up / step-down pressure in which the low-potential-side semiconductor module 2L is disposed on the front side (arrow F side) of the vehicle and the high-potential-side semiconductor module 2H is disposed on the rear side of the vehicle. This is an example of the converter 9.
In both the low potential side and high potential side semiconductor modules 2, the semiconductor element 21 is disposed on the rear side of the vehicle with respect to the diode 22.
Others are the same as in the first embodiment.

かかる構成において、低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１が発熱する力行時に、図１１に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗが車両後方に偏り、高電位側の半導体モジュール２Ｈの半導体素子２１が発熱する回生時に、図１２に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗが車両前方に偏る。これに対して、本例の昇降圧コンバータ９においては、低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１は車両前方にあり、高電位側の半導体モジュール２Ｈの半導体素子２１は車両後方にある。
したがって、常に、発熱する半導体素子２１のある位置とは反対側に、冷却液Ｗが移動することとなる。そのため、冷却管３内における冷却液Ｗの液面が低いと、効果的に半導体モジュール２の冷却が行えず、半導体モジュール２の温度上昇を招き、故障の原因となるおそれがある。 In such a configuration, during powering in which the semiconductor element 21 of the low potential side semiconductor module 2L generates heat, as shown in FIG. 11, the coolant W in the cooling pipe 3 is biased toward the rear of the vehicle, and the semiconductor of the high potential side semiconductor module 2H. During regeneration in which the element 21 generates heat, the coolant W in the cooling pipe 3 is biased forward of the vehicle as shown in FIG. On the other hand, in the step-up / down converter 9 of this example, the semiconductor element 21 of the semiconductor module 2L on the low potential side is in the front of the vehicle, and the semiconductor element 21 of the semiconductor module 2H on the high potential side is in the rear of the vehicle.
Therefore, the coolant W always moves to the side opposite to the position where the semiconductor element 21 that generates heat is located. For this reason, if the liquid level of the cooling liquid W in the cooling pipe 3 is low, the semiconductor module 2 cannot be effectively cooled, and the temperature of the semiconductor module 2 is increased, which may cause a failure.

また、低電位側及び高電位側のいずれの半導体モジュール２においても、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両の後方側に配置されているため、上述のごとく力行時に同時に発熱する低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１と高電位側の半導体モジュール２Ｈのダイオード２２とが隣り合わせとなることとなる。そのため、昇圧時において、素子同士の熱干渉を招き、これらの素子の温度上昇を招くおそれがある。   Further, in both the low potential side and high potential side semiconductor modules 2, the semiconductor element 21 is disposed on the rear side of the vehicle with respect to the diode 22, so that the low potential side semiconductor that generates heat simultaneously during powering as described above. The semiconductor element 21 of the module 2L and the diode 22 of the semiconductor module 2H on the high potential side are adjacent to each other. For this reason, at the time of boosting, there is a risk of causing thermal interference between the elements and increasing the temperature of these elements.

これに対して、本発明の昇降圧コンバータ１は、上記のごとく、半導体モジュール２及び半導体素子２１、ダイオード２２の配置を工夫したことにより、半導体モジュール２の温度上昇を効果的に抑制することができる。   On the other hand, the buck-boost converter 1 of the present invention can effectively suppress the temperature rise of the semiconductor module 2 by devising the arrangement of the semiconductor module 2, the semiconductor element 21, and the diode 22 as described above. it can.

１ 昇降圧コンバータ
２ 半導体モジュール
２Ｈ 高電位側の半導体モジュール
２Ｌ 低電位側の半導体モジュール
２１ 半導体素子
２２ ダイオード
３ 冷却管 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Buck-boost converter 2 Semiconductor module 2H High potential side semiconductor module 2L Low potential side semiconductor module 21 Semiconductor element 22 Diode 3 Cooling tube

Claims (1)

車両に搭載され、直流電力の昇圧及び降圧を行う昇降圧コンバータであって、
被制御電流のオン、オフのスイッチングを行う半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却液を流通する冷却管とを有し、
上記半導体モジュールは、高電位側と低電位側とにそれぞれ少なくとも一つずつ配設されると共に、上記スイッチングを行う半導体素子と、該半導体素子に逆並列接続されたダイオードとを有し、
上記冷却管は、上記半導体モジュールの両面に接触配置されると共に、上記車両の前後方向にその長手方向を一致させており、
上記冷却管の長手方向に、上記高電位側の半導体モジュールと、上記低電位側の半導体モジュールとが並べて配置されており、
上記高電位側の半導体モジュールが上記車両の前方側、上記低電位側の半導体モジュールが上記車両の後方側にそれぞれ配置され、
上記高電位側の半導体モジュールにおいては、上記半導体素子が上記ダイオードよりも上記車両の前方側に配置され、上記低電位側の半導体モジュールにおいては、上記半導体素子が上記ダイオードよりも上記車両の後方側に配置されていることを特徴とする昇降圧コンバータ。 A buck-boost converter that is mounted on a vehicle and performs step-up and step-down of DC power,
A semiconductor module that performs on / off switching of the controlled current, and a cooling pipe that circulates a coolant that cools the semiconductor module,
The semiconductor module includes at least one each on a high potential side and a low potential side, and includes a semiconductor element that performs the switching, and a diode connected in reverse parallel to the semiconductor element,
The cooling pipe is arranged in contact with both surfaces of the semiconductor module, and the longitudinal direction of the cooling pipe is matched with the longitudinal direction of the vehicle.
In the longitudinal direction of the cooling pipe, the semiconductor module on the high potential side and the semiconductor module on the low potential side are arranged side by side,
The high-potential side semiconductor module is disposed on the front side of the vehicle, and the low-potential side semiconductor module is disposed on the rear side of the vehicle.
In the high-potential side semiconductor module, the semiconductor element is arranged on the front side of the vehicle with respect to the diode, and in the low-potential side semiconductor module, the semiconductor element is on the rear side of the vehicle with respect to the diode. A step-up / down converter characterized by being arranged in
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