JP5169092B2

JP5169092B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5169092B2
Application number: JP2007235774A
Authority: JP
Inventors: 靖之大河内
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: JP2009071935A

Description

本発明は、電源と負荷との間に配されて両者の間の電力を変換する電力変換部と、上記電源と上記電力変換部との間に配されて該電力変換部におけるスイッチングによる電源リップルを抑制するための平滑コンデンサとを有する電力変換装置に関する。

従来より、インバータやＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置として、半導体素子を内蔵する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から冷却するための複数の冷却管とを交互に積層してなる電力変換装置がある。電力変換装置には、半導体素子のスイッチングによる電源リップルを平滑化するための平滑コンデンサが配されている。そして、平滑コンデンサに蓄積された電荷を、電力変換装置の停止時に放電するための放電抵抗を設けた電力変換装置が開示されている（特許文献１）。

上記従来の電力変換装置においては、図８に示すごとく、放電抵抗９９は、電源９１と電力変換部９３との間において、平滑コンデンサ９４と並列に接続され、電源９１の正極側の電源線９０１と負極側の電源線９０２とを繋ぐように接続されている。
これにより、電力変換装置の停止時に、作業者がメンテナンス等する際に、平滑コンデンサに蓄積されていた電荷によって作業者が感電することを防いでいる。

上記放電抵抗は、電源と電力変換部とを遮断したときの電荷放電時以外にも、常時高電圧の電源に接続されているため、電力損失が発生しており、発熱対策も重要な課題である。
この課題に対し、特許文献１においては、上記放電抵抗として、低印加電圧時においては抵抗値が小さく、高印加電圧時においては抵抗値が大きくなる抵抗体であるＰＴＣサーミスタを用いることが提案されている。

しかしながら、放電抵抗としてＰＴＣサーミスタを用いても、放電抵抗の温度上昇を充分に抑制することは困難であり、何らかの冷却手段が必要である。また、放電抵抗を個別の部品として電力変換装置に組み込むことは、電力変換装置の小型化を妨げる要因となると共に、部品点数の増加に伴う生産性の低下にも繋がるという問題もある。また、放電抵抗の端子を電源線に接続する手段として、個別にケーブルやバスバー等を設ける必要があることも、小型化や生産性を妨げる要因となる。

特開２００６−０４２４９８号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、放電抵抗の冷却を効果的に行うことができると共に、小型化、生産性向上が容易な電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電源と負荷との間に配されて両者の間の電力を変換する電力変換部と、上記電源と上記電力変換部との間に配されて該電力変換部におけるスイッチングによる電源リップルを抑制するための平滑コンデンサとを有する電力変換装置であって、
該電力変換装置は、半導体素子を内蔵する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から冷却する複数の冷却管とを有し、
上記平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電するための放電抵抗が、上記電力変換部における同一相を構成する複数の上記半導体素子に対してそれぞれ並列して接続されるように複数配設され、該複数の放電抵抗は、上記平滑コンデンサと共に閉回路を構成するように配線されており、
かつ、上記放電抵抗は、上記半導体モジュールに内蔵されており、
上記放電抵抗に並列接続された上記半導体素子は、上記半導体モジュールの両主面にそれぞれ露出した一対の導電板の間に挟持された状態で、該一対の導電板に電気的に接続され、
上記放電抵抗は、上記一対の導電板の間に挟持され、該放電抵抗の両面は導電性および熱伝導性を有する接合部材を介して、該一対の導電板に電気的に接続されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置においては、上記放電抵抗が、上記電力変換部における同一相を構成する複数の上記半導体素子に対してそれぞれ並列して接続されるように複数配設されている。そして、該複数の放電抵抗は、上記平滑コンデンサと共に閉回路を構成するように配線されている。これにより、電力変換装置の停止時において、平滑コンデンサに蓄積された電荷を、放電抵抗において徐々に放電することができる。その結果、電力変換装置をメンテナンスする作業者の安全を確保することができる。

また、上記放電抵抗は、上記半導体モジュールに内蔵されている。これにより、放電抵抗は、半導体モジュールを両主面から冷却する冷却管によって、半導体素子と共に効果的に冷却することができる。
また、上記放電抵抗が上記半導体モジュールに内蔵されることにより、上記電力変換装置において、個別の部品として放電抵抗を搭載する必要がない。それ故、電力変換装置の小型化が容易となると共に、部品点数を削減して生産性を向上することができる。また、放電抵抗への配線を、半導体モジュールへの配線と別個に行う必要がないという点においても、電力変換装置の小型化、生産性の向上が容易となる。

以上のごとく、本発明によれば、放電抵抗の冷却を効果的に行うことができると共に、小型化、生産性向上が容易な電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明（請求項１）において、上記電力変換装置としては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。

また、上記半導体素子としては、例えばスイッチング素子の他に、該スイッチング素子におけるコレクタ−エミッタ間に接続され、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオード、或いは、これら双方の機能を併せ持つ、逆方向導通性を有する半導体素子等がある。
また、上記スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴ素子を用いることができる。また、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、上記逆方向導通性を有する半導体素子としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等がある。

特に、本発明においては、上記半導体素子は、逆方向導通性を有する半導体素子からなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記半導体素子の数を削減することができるため、半導体モジュールにおける放電抵抗の搭載スペースを充分に確保することができる。そして、半導体モジュールの小型化を図ることができると共に、電力変換装置の小型化を図ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図４を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、電源１１と負荷１２との間に配されて両者の間の電力を変換する電力変換部１３と、電源１１と電力変換部１３との間に配されて該電力変換部１３におけるスイッチングによる電源リップルを抑制するための平滑コンデンサ１４とを有する。

図２に示すごとく、電力変換装置１は、半導体素子２を内蔵する複数の半導体モジュール２０と、該半導体モジュール２０を両主面から冷却する複数の冷却管３とを有する。
そして、図１に示すごとく、平滑コンデンサ１４に蓄積された電荷を放電するための放電抵抗４が、電力変換部１３におけ同一相を構成する複数の半導体素子２に対してそれぞれ並列して接続されるように複数配設されている。そして、複数の放電抵抗４は、平滑コンデンサ１４と共に閉回路を構成するように配線されている。

電力変換装置１は、図１に示すごとく、電力変換部１３に、六個の半導体モジュール２０を備えている。半導体モジュール２０は、半導体素子２としてのＩＧＢＴ（Insurated Gate Bipolar Transistor）２ａとフライホイールダイオード２ｂとを備えている。ＩＧＢＴ２ａに対して、フライホイールダイオード２ｂは、逆方向に並列接続されている。
なお、上記電源１１は高電圧直流電源であり、上記負荷１２は回転電機（三相交流モータージェネレータ）である。

半導体モジュール２０は、電力変換部１３において、ハイサイド側、ローサイド側にそれぞれ三個ずつ配置されている。このうち、ハイサイド側の半導体モジュール２０は、電源１１の正極側に接続された正極電源線１０１に接続され、ローサイド側の半導体モジュール２０は、電源１１の負極側に接続された負極電源線１０２に接続されている。そして、ハイサイド側の半導体モジュール２０とローサイド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負荷１２の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電極とそれぞれ接続する出力線１０３が配線されている。

そして、電源１１と電力変換部１３との間における正極電源線１０１と負極電源線１０２とを接続するように、平滑コンデンサ１４が配設されている。
また、電源１１と平滑コンデンサ１４との間の正極電源線１０１には、リレー１５が介設されている。

上記三相のアームのうちの一相（たとえばＵ相）のアームにおけるハイサイド側の半導体モジュール２０とローサイド側の半導体モジュール２０とには、それぞれ放電抵抗４が内蔵されている。放電抵抗４は、各半導体モジュール２０において、ＩＧＢＴ２ａ及びフライホイールダイオード２ｂと並列に接続されている。これにより、ハイサイド側の半導体モジュール２０に内蔵された放電抵抗４と、ローサイド側の半導体モジュール２０に内蔵された放電抵抗４と、平滑コンデンサ１４との間に、一つの閉回路が構成されることとなる。
本例においては、上記三相のアームのうちの二相（たとえばＶ相、Ｗ相）の半導体モジュール２０には、放電抵抗４を内蔵していないが、これらにも放電抵抗４を内蔵してもよい。

放電抵抗４は、図３、図４に示すような状態で、半導体モジュール２０に内蔵されている。
すなわち、各半導体モジュール２０は、半導体素子２としてのＩＧＢＴ２ａ及びフライホイールダイオード２ｂと電極端子２２と信号端子２３と導電板２４と樹脂モールド２５とを備えている。樹脂モールド２５は、絶縁樹脂製であって、積層方向に潰れた矩形板状を呈している。ＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂとは、樹脂モールド２５内部に封入されている。

そして、所定の半導体モジュール２０（本例においてはＵ相の半導体モジュール２０）は、ＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂと並列するように、放電抵抗４を内蔵している。ＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂと放電抵抗４とは、一対の導電板２４によって挟持されている。ＩＧＢＴ２ａと一方の導電板２４との間、及びフライホイールダイオード２ｂと一方の導電板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、ＩＧＢＴ２ａ、フライホイールダイオード２ｂ、放電抵抗４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。

一対の導電板２４はそれぞれ一対の電極端子２２と接続されている。また、一方の導電板２４は、ＩＧＢＴ２ａのコレクタ電極及びフライホイールダイオード２ｂのカソードに電気的に接続され、他方の導電板２４は、ＩＧＢＴ２ａのエミッタ電極及びフライホイールダイオード２ｂのアノードに電気的に接続されている。また、ＩＧＢＴ２ａのゲート電極は、ボンディングワイヤ（図示略）を介して信号端子２３に電気的に接続されている。

また、放電抵抗４は、例えば金属被膜抵抗体、酸化金族被膜抵抗体、若しくは炭素被膜抵抗体からなる。この放電抵抗４を上記のごとく一対の導電板２４の間に介在させたことにより、一対の導電板２４の間を、例えば２０〜５０ｋΩの抵抗で接続したこととなる。

また、図４に示すごとく、一対の導電板２４は、その一方の表面を、半導体モジュール２０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導電板２４に対して、熱伝導性に優れた絶縁部材（図示略）を介して、冷却管３を接触させている（図２）。これにより、半導体モジュール２０は、半導体素子２及び放電抵抗４の熱を、両主面から放熱することができるよう構成されている。

冷却管３は、アルミニウム製であって、図３に示すごとく、積層方向に潰れた角筒状を呈している。冷却管３は、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を有する。電力変換装置１においては、複数の冷却管３を互いに略平行に配置して、隣合う冷却管３の間に、２枚の半導体モジュール２０を並べて配置している。
隣り合う冷却管３は、長手方向の両端部において、それぞれ連通管３１によって連結されている。

また、積層方向一端の冷却管３の長手方向の両端部には、積層方向の端面側に接続された導入管３２１と排出管３２２とを設けてある。そして、放熱装置（図示略）において冷却された冷却媒体は、導入管３２１を通じて直接あるいは連結管３１を介して、冷却媒体Ｗが各冷却管３に導入される。
そして、冷却媒体は、各冷却管３を流通する際に、冷却管３に接触配置された半導体モジュール２０と熱交換することにより、半導体モジュール２０を冷却する。すなわち、半導体モジュール２０に内蔵された半導体素子２及び放電抵抗４の熱を、冷却管３を流れる冷却媒体が受熱する。
このようにして半導体モジュール２０と熱交換を行った冷却媒体は、排出管３２２を通じて放熱装置に送り返される。

なお、冷却媒体としては、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。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、放電抵抗４が、電力変換部１３における同一相を構成する複数の半導体素子２に対してそれぞれ並列して接続されるように複数配設されている。そして、該複数の放電抵抗４は、平滑コンデンサ１４と共に閉回路を構成するように配線されている。これにより、電力変換装置１の停止時において、平滑コンデンサ１４に蓄積された電荷を、放電抵抗４において徐々に放電することができる。その結果、電力変換装置１をメンテナンスする作業者の安全を確保することができる。

すなわち、図１に示す電力変換回路において、リレー１５をオンしているとき、電力変換部１３には高電圧が印加されると共に、平滑コンデンサ１４にも高電圧が印加され、高い電荷が蓄積される。そして、リレー１５をオフしたとき、平滑コンデンサ１４に蓄電された高い電荷が電力変換部１３側へ流れ、放電抵抗４を流れることにより徐々に放電され、所定時間内（たとえば１０分以内）に、所定電圧値（たとえば４２Ｖ以下）となるようにすることができる。

また、放電抵抗４は、半導体モジュール２０に内蔵されている。これにより、放電抵抗４は、半導体モジュール２０を両主面から冷却する冷却管３によって、半導体素子２と共に効果的に冷却することができる。
すなわち、電力変換回路の駆動時には、電力変換部１３に高電圧が印加されており、放電抵抗４にも高電圧が印加された状態にあるため、放電抵抗４も半導体素子２と同様に発熱する。このように発熱する放電抵抗４が半導体モジュール２０に内蔵され、半導体素子２と同様に両面から冷却管３を介して強力に冷却されるため、放電抵抗４の発熱による温度上昇を防ぎ、発熱抵抗４の破損や周辺部品への熱害を防ぐことができる。

また、放電抵抗４が半導体モジュール２０に内蔵されることにより、電力変換装置１において、個別の部品として放電抵抗を搭載する必要がない。それ故、電力変換装置１の小型化が容易となると共に、部品点数を削減して生産性を向上することができる。また、放電抵抗４への配線を、半導体モジュール２０への配線と別個に行う必要がないという点においても、電力変換装置１の小型化、生産性の向上が容易となる。

以上のごとく、本例によれば、放電抵抗の冷却を効果的に行うことができると共に、小型化、生産性向上が容易な電力変換装置を提供しようとするものである。

（実施例２）
本例は、図５、図６に示すごとく、逆方向導通性を有する半導体素子２を内蔵した半導体モジュール２０を用いた電力変換装置１の例である。
上記逆方向導通性を有する半導体素子２は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）２ｃからなり、実施例１において示したＩＧＢＴ２ａの機能とフライホイールダイオード２ｂの機能とを併せ持つ素子である。それ故、半導体モジュール２０には、一つの半導体素子２（ＭＯＳＦＥＴ２ｃ）を搭載すればよい。

そして、半導体モジュール２０は、この半導体素子２（ＭＯＳＦＥＴ２ｃ）と並列するように、放電抵抗４を一対の導電板２４の間に配設している。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、半導体素子２の数を削減することができるため、半導体モジュール２０における放電抵抗４の搭載スペースを充分に確保することができる。そして、半導体モジュール２０の小型化を図ることができると共に、電力変換装置１の小型化を図ることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。
なお、上記逆方向導通性を有する半導体素子２としては、上記ＭＯＳＦＥＴ以外にも、たとえば、ＩＧＢＴ素子にフライホイールダイオード機能を取り込んだ複合素子を用いることもできる。

（実施例３）
本例は、図７に示すごとく、各相のアームのハイサイド側及びローサイド側を、それぞれ２個のＩＧＢＴ２ａ及び２個のフライホイールダイオード２ｂによって構成した例である。
上記実施例１、２においては、図１に示すごとく、電力変換回路における各相のアームのハイサイド側及びローサイド側を、それぞれ１個のＩＧＢＴ２ａと１個のフライホイールダイオード２ｂとによって構成した例を示したが、各相のアームのハイサイド側及びローサイド側を、それぞれ複数個のＩＧＢＴ２ａと複数個のフライホイールダイオード２ｂを並列接続して構成してもよい。

本例においては、各相のアームのハイサイド側及びローサイド側において、それぞれ２個ずつのＩＧＢＴ２ａ及びフライホイールダイオード２ｂを並列接続した。そして、本例の電力変換装置１においては、実施例１に示したＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂとを内蔵した半導体モジュール２０を、合計１２個用いて構成してある。

この場合において、同一相、同一サイド側において並列接続された複数のＩＧＢＴ２ａ及び複数のフライホイールダイオード２ｂのうち、必ずしも全てのＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂに対して放電抵抗４を並列接続する必要はなく、少なくとも一組のＩＧＢＴ２ａとフライホイールダイオード２ｂに、放電抵抗４を並列接続すればよい。
そこで、本例においては、図７に示すごとく、Ｕ相アームにおけるハイサイド側の一つの半導体モジュール２０とローサイド側の一つの半導体モジュール２０とに、それぞれ放電抵抗４を設けている。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

実施例１における、電力変換装置の回路図。実施例１における、電力変換装置の平面図。実施例１における、半導体モジュールの正面図。図３のＡ−Ａ線矢視断面図。実施例２における、半導体モジュールの正面図。図５のＢ−Ｂ線矢視断面図。実施例３における、電力変換装置の回路図。従来例における、電力変換装置の回路図。

符号の説明

１電力変換装置
１１電源
１２負荷
１３電力変換部
１４平滑コンデンサ
２半導体素子
２０半導体モジュール
３冷却管
４放電抵抗

Claims

電源と負荷との間に配されて両者の間の電力を変換する電力変換部と、上記電源と上記電力変換部との間に配されて該電力変換部におけるスイッチングによる電源リップルを抑制するための平滑コンデンサとを有する電力変換装置であって、
該電力変換装置は、半導体素子を内蔵する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを両主面から冷却する複数の冷却管とを有し、
上記平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電するための放電抵抗が、上記電力変換部における同一相を構成する複数の上記半導体素子に対してそれぞれ並列して接続されるように複数配設され、該複数の放電抵抗は、上記平滑コンデンサと共に閉回路を構成するように配線されており、
かつ、上記放電抵抗は、上記半導体モジュールに内蔵されており、
上記放電抵抗に並列接続された上記半導体素子は、上記半導体モジュールの両主面にそれぞれ露出した一対の導電板の間に挟持された状態で、該一対の導電板に電気的に接続され、
上記放電抵抗は、上記一対の導電板の間に挟持され、該放電抵抗の両面は導電性および熱伝導性を有する接合部材を介して、該一対の導電板に電気的に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、上記半導体素子は、逆方向導通性を有する半導体素子からなることを特徴とする電力変換装置。