JP5249365B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明の実施の形態1の全体構成を図1及び図2に示す。実施の形態1の電力変換装置400は、冷却器1の両面に3つずつの半導体モジュール2と1つずつの制御基板3をのせたパワーアセンブリ(ASSY)100を、平滑コンデンサユニット200の両面に各1組備え、これを筐体300に収納したものであり、合計12個の半導体モジュール2と、2つの冷却器1と、4つの制御基板3と1つの平滑コンデンサユニット200により4組の三相直交電力変換機能を有する電力変換装置であり、第1〜第4の三相出力107A,107B,107C,107Dが引出されている。冷却器1には冷却水入口103と、Uターン流路105を介して繋がる冷却水出口104が設けられている。
端子台4と対向する部分に配置され、出力制御回路15の指令により個別に動作する各半導体モジュール2を駆動する各駆動回路13は半導体モジュール2と対向する位置に分散配置されているが、各駆動回路13が各半導体モジュール2と対向して配置されているため、駆動回路13から半導体モジュール2への信号配線が最短にでき、外乱ノイズによるスイッチング誤動作の影響が軽減できる。出力制御回路15は、電流検出信号等、微弱かつ高精度を要求される各種センサとの信号インタフェース回路を含むが、ノイズ源かつ発熱源となる半導体モジュール2から離れた部分に搭載されており、耐ノイズ性及びインタフェース回路の温度特性の観点から制御基板内で最も良い環境の位置に配置されている。1つの基準電圧で動作する出力制御回路15と各半導体モジュール2の基準電圧で動作する駆動回路13間の基準電圧差を絶縁し、レベル変換する絶縁回路17も出力制御回路15と同じく半導体モジュール2の発熱による温度上昇影響の小さい位置に配置されており、絶縁回路17内にある使用最高温度が他の部品よりも低く熱弱点部品の1つである絶縁素子のフォトカプラの搭載位置としては最適であり、フォトカプラの使用温度範囲制約のため出力を抑制したり、冷却器1を大きくする必要が無いため、電力変換装置の小型化または大出力化により出力密度の向上が可能である。
。
本発明の実施の形態2の全体構成を図18及び図19に示す。実施の形態2の電力変換装置400は、筺体300に収容されたパワーアセンブリ100の片側面に平滑コンデンサユニット200を配置したものであり、直流入力101、三相出力107、冷却水入口103、及び冷却水出口104等を備えている。ここでは、実施の形態1のパワーアセンブリを元に、大容量の三相直交電力変換機能を1つのみ有する電力変換装置の例を示しており、パワーアセンブリが1組のみの場合の平滑コンデンサユニットの配置及び実施の形態1のパワーアセンブリを元に大容量の電力変換機能を実現する場合の構成について説明する。
続いて、本発明の実施の形態3の構成を説明する。実施の形態3の電力変換装置は実施の形態2の半導体モジュールに搭載されるスイッチング素子をワイドバンドギャップ素子に置き換えた場合の例である。SiCなどのワイドバンドギャップ素子では高温動作と高速スイッチングが可能なため、周辺部品の耐熱性と耐ノイズ性が課題であり、本実施の形態では実施の形態2の電力変換装置を元に、周辺部品の耐熱性と耐ノイズ性を向上するための構成について説明するが、本実施の形態はワイドバンドギャップ素子にのみ適用可能なものではなく、実施の形態1や2の電力変換装置にも適用可能な構成である。
続いて、本発明の実施の形態4の構成を説明する。実施の形態4の電力変換装置は実施の形態3と同様、半導体モジュールに搭載されるスイッチング素子をSiC製等のワイドバンドギャップ素子とした場合の例であるが、SiC等の製のワイドバンドギャップ半導体素子は現時点では従来のSi製の半導体素子よりも小さな素子しか製品化されておらず、複数素子を並列使用する必要があるほか、従来のSi製の半導体素子よりもON閾値電圧が低く、OFF時には負バイアスを印加しなければノイズにより誤ONする可能性があるなど、SiC製等のワイドバンドギャップ半導体素子を使用する際の駆動回路ならびに電源回路規模はSi製の半導体素子を用いた場合よりも現時点では大きい。そのため制御基板が大きくなり、実施の形態3のパワーアセンブリの構成では、回路規模の大きい制御基板の突出が電流検出器に対して非常に大きくなり、無効スペースが多く、電力変換装置の小型化が困難となる場合があった。本実施の形態では実施の形態3の電力変換装置を元に、回路規模が大きい制御基板を効率よく電力変換装置の筐体に収納するための構成について説明するが、本実施の形態はワイドバンドギャップ素子にのみ適用可能なものではなく、実施の形態1や2の電力変換装置にも適用可能な構成である。
2 半導体モジュール、
3 制御基板、
4 端子台、
5 制御基板保持台、
6 バスバー配線、
7 磁気検出素子、
8 制御端子、
9 入出力端子、
10A コンデンサ端子(正)、
10B コンデンサ端子(負)、
11 スイッチング素子、
11A スイッチング素子、
12 還流ダイオード、
12A 還流ダイオード、
13 駆動回路、
14 電流検出回路、
15 出力制御回路、
16 電源回路、
17 絶縁回路、
18 制御基板相互間を接続する配線、
19 絶縁用の壁
20 コンデンサケース、
21 コンデンサ素子、
23 電極面、
24 ケース開口部、
25 半導体モジュール搭載板、
26 冷却フィン、
27 端子受け、
28 第1基板と第3基板との配線、
29 第2基板と第3基板との配線、
30 電流検出器、
31 固定用構造、
32 三相モータ、
33 電気的接続構造、
34 絶縁材
35 半田付け、
36A 直流入力端子(正)
36B 直流入力端子(負)
38 交流入力端子、
39 高熱伝導絶縁シート、
40 切り欠き、
41 部品、
42 ブラケット、
43 電流検出回路、
44 電流検出基板、
45 ノイズ対策部品、
46 入力側、
47 出力側、
48A 切り欠き、
48B 切り欠き
49 配線、
50 溝、
51 熱拡散部材、
52 高熱伝導接着剤、
54 熱弱点部品または発熱最大部品、
56 高熱伝導樹脂製端子台、
57 金属接続部材、
58 絶縁材、
100 パワーアセンブリ、
101 直流入力、
103 冷却水入力、
104 冷却水出力、
105 冷却水Uターン流路、
107 三相出力、
107A〜D 第1〜第4の三相出力、
200 平滑コンデンサユニット、
300 筺体、
400 電力変換装置、
400A 本発明の電力変換装置、
400B 従来の電力変換装置、
Claims (26)
- 半導体素子を搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールを冷却するための冷却器と、前記半導体モジュールを制御する制御基板と、前記半導体モジュールの入力電流または出力電流を検出する電流検出器を備え、前記半導体モジュールは、前記冷却器の両面に配置されており、前記電流検出器は、前記冷却器の、前記半導体モジュールと接しない面に対向して配置され、少なくとも2つ以上の前記制御基板は、前記冷却器と前記半導体モジュールと前記電流検出器とを挟持するように配置され、前記電流検出器は、前記制御基板相互間を電気的に接続する配線を有することを特徴とする電力変換装置。
- 一端が前記冷却器に固定され、他端が前記電流検出器を保持する金属製ブラケットを備え、該金属製ブラケットの前記電流検出器を保持している端部が、前記電流検出器とこれに対向する前記制御基板との間に位置することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記電流検出器内部に電流検出機能を有する電流検出基板を備え、前記電流検出器に設けられた前記制御基板相互間を接続する配線の少なくとも一部は、前記電流検出基板上に形成され、前記電流検出基板上に形成された配線にノイズ対策部品が接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。
- 半導体素子を搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールを冷却するための冷却器と、前記半導体モジュールを制御する制御基板と、前記半導体モジュールと接続される入力配線または出力配線と電力変換装置の外部配線とを接続するための入力または出力端子台を備え、前記半導体モジュールは、前記冷却器の両面に配置されており、前記端子台は、前記冷却器の前記半導体モジュールと接しない面に対向して配置され、少なくとも2つ以上の前記制御基板が前記冷却器と前記半導体モジュールと前記端子台とを挟持するよう配置され、前記端子台は、少なくとも2つ以上の前記制御基板を機械的に保持すると共に、前記制御基板相互間を電気的に接続する配線および前記半導体モジュールの端子と接続されるバスバー配線を備え、前記バスバー配線は、その一部が前記制御基板と近接するように前記端子台と一体に配置され、前記制御基板の前記バスバー配線と近接する部分に磁気検出素子が設けられており、前記磁気検出素子と前記バスバー配線とにより電流検出器を構成していることを特徴とする電力変換装置。
- 前記制御基板の、半導体モジュールと相対する部分に前記半導体モジュールを駆動する駆動回路を備え、前記制御基板の、前記電流検出器または前記端子台と相対する部分に前記半導体モジュールを動作させ、電力変換装置の出力を制御する出力制御回路を備え、前記電流検出器または前記端子台に設けられた前記制御基板間を電気的に接続する配線により、前記駆動回路間相互間または前記駆動回路と前記出力制御回路間を接続したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 半導体素子を搭載した半導体モジュールと、この半導体モジュールを冷却するよう表裏に前記半導体モジュールを搭載した冷却器と、前記一方の半導体モジュールに対向して配置された第1の制御基板と、前記他方の半導体モジュールに対向して配置された第2の制御基板と、前記第2の制御基板の前記半導体モジュールと対向する面の反対側の面に対向するように配置された第3の制御基板と、前記冷却器の、前記半導体モジュールと接しない面に対向して配置され、前記半導体モジュールの入力電流または出力電流を検出する電流検出器または端子台とを備えた電力変換装置において、前記第1の制御基板と前記第2の制御基板にはそれぞれの制御基板と対向する前記半導体モジュールを駆動する駆動回路が搭載されており、前記第3の制御基板には前記半導体モジュールを動作させ電力変換装置の出力を制御する出力制御回路が搭載されており、前記電流検出器または端子台には、前記各制御基板相互間を電気的に接続する配線を備えたことを特徴とする電力変換装置。
- 前記電流検出器または前記端子台に設けられた前記制御基板相互間を接続する配線と前記制御基板間との接続態様が、前記半導体モジュールの制御端子と前記制御基板間との接続態様と同じになされていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記半導体モジュールと対向した前記制御基板に搭載される部品の中で、最高使用可能温度が最も低い部品または発熱が最も大きな部品またはその両方を、前記制御基板の、前記電流検出器または前記端子台と対向する部分に搭載したことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記半導体モジュールを構成する半導体素子の一部または全部が、バンドギャップ2.0eV以上の半導体によって構成されていることを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。
- 前記半導体モジュールを構成する前記半導体素子の一部または全部が、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドを材料としていることを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。
- 前記冷却器の第1の主面に入力配線の正極側と出力配線に電気的に接続される半導体モジュールが配置され、前記冷却器の第2の主面に入力配線の負極側と出力配線に電気的に接続される半導体モジュールが配置され、前記冷却器の第1の主面と第2の主面に配置された半導体モジュールが直列に接続され1つの電力変換回路を構成し、前記冷却器の第1の主面側には正極側の半導体モジュールを制御する正極側制御基板が搭載され、前記冷却器の第2の主面側には負極側の半導体モジュールを制御する負極側制御基板が搭載され、前記電流検出器または端子台に設けられた前記制御基板間を電気的に接続する配線によって、前記制御基板間が電気的に接続され、前記半導体モジュールを合わせて1つの電力変換機能を形成していることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記冷却器の両面に配置された前記半導体モジュールと前記制御基板との固定用構造の配列と、前記半導体モジュールと前記制御基板との電気的接続構造の配列と、前記制御基板と前記電流検出器または端子台間との電気的接続構造の配列のうちいずれか1つ以上は、前記冷却器の両面でそれぞれ同じ形状になされ、前記半導体モジュールと前記制御基板を、前記半導体モジュールの入出力端子が配置された面と平行な軸を中心に回転して配置した
ことを特徴とする請求項11に記載の電力変換装置。 - 前記冷却器の第1の主面及び第2の主面にそれぞれ配置された前記制御基板の、前記半導体モジュールに対向する位置に搭載された、前記半導体モジュールを駆動する駆動回路と、前記制御基板の一方の、前記電流検出器または端子台と対向する位置に搭載された、前記電流検出器で検出した電流値を用いて演算した結果によって前記半導体モジュールを動作させ電力変換装置の出力を制御するための出力制御回路と、さらに、前記制御基板のもう一方の、前記制御基板の前記電流検出器または端子台と対向する位置に搭載された、前記制御基板を動作させるために必要な電源回路とを備え、前記電流検出器または端子台に設けられた前記制御基板相互間を電気的に接続する配線によって、前記電源回路と前記駆動回路及び出力制御回路間との電源接続をおこない、また、前記出力制御回路と前記駆動回路間の信号接続を行うことを特徴とする請求項11に記載の電力変換装置。
- 前記冷却器の1つの主面に配置された前記半導体モジュールと前記制御基板により第1の電力変換機能をもたせ、また前記冷却器の第2の主面に配置された前記半導体モジュールと前記制御基板により第2の電力変換機能をもたせ、前記電流検出器または端子台に設けられた前記制御基板相互間を電気的に接続する配線によって前記第1及び第2のそれぞれの電力変換機能を構成する前記制御基板間が電気的に接続されており、前記第1の電力変換機能を構成する前記制御基板と、前記第2の電力変換機能を構成する前記制御基板のそれぞれの作動状態に合わせて互いの作動状態を変化させる機能を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 少なくとも2つ以上の電力変換機能を備えた電力変換装置で、1つの電力変換機能を構成する前記半導体モジュールと前記制御基板が前記冷却器の両面に分散配置されており、前記電流検出器または端子台に設けられた前記制御基板相互間を接続する配線により、分散配置された前記電力変換機能を持つ回路間を接続し、前記冷却器の両面に配置された前記半導体モジュールと前記制御基板により1つの電力変換機能を実現したことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記冷却器の両面に配置された前記半導体モジュールと前記制御基板のいずれかは、それぞれ固定用構造と電気的接続構造の配列が前記冷却器の両面で同じ形状になされており、前記半導体モジュールと前記制御基板を、前記冷却器と前記電流検出器または端子台の対向する面に対して垂直な方向に向いた軸を中心に回転して配置したことを特徴とする請求項14または15に記載の電力変換装置。
- 前記電流検出器または端子台に設けられた前記制御基板相互間を電気的に接続する配線が、前記電流検出器または端子台の中央に対して対称に略中央または略両端またはその両方に配置されたことを特徴とする請求項14〜16のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記半導体モジュールの入力電圧を平滑化するための平滑コンデンサユニットを備え、前記冷却器と前記半導体モジュールは、前記平滑コンデンサユニットと前記電流検出器または端子台とにより挟持されるとともに、前記平滑コンデンサユニットと前記半導体モジュールは電気的に直接接続されていることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記平滑コンデンサユニットはコンデンサ素子と、該コンデンサ素子と前記半導体モジュールとを接続するコンデンサ端子と、前記コンデンサ素子と前記コンデンサ端子の接続部及び前記コンデンサ素子を保護し絶縁機能を有するコンデンサケースとを備え、前記コンデンサケースは前記冷却器の、前記半導体モジュールと接しない面に対向した面に開口部を有し、前記コンデンサケースの高さが前記冷却器の両面に対向して配置された前記2枚の制御基板にそれぞれ搭載された部品の最高面間の距離よりもわずかに大きく、その差が電力変換装置に求められる絶縁距離を確保するものであることを特徴とする請求項18に記載の電力変換装置。
- 前記コンデンサ素子と前記コンデンサ端子の接合面である電極面は、前記冷却器の前記半導体モジュールと接する面と略水平方向に配置されたことを特徴とする請求項18または19に記載の電力変換装置。
- 前記冷却器は前記半導体モジュールを搭載する半導体モジュール搭載板と冷却フィンを備えており、前記2つの半導体モジュール搭載板により前記冷却フィンが挟持されており、前記2つの半導体モジュール搭載板と前記冷却フィン間がロウ付けにより接合されたことを特徴とする請求項1〜20のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 金属製接続部材を備えた樹脂製の端子台を介して前記半導体モジュールの端子と前記平滑コンデンサユニットの前記コンデンサ端子が締結されており、前記樹脂製の端子台が高熱伝導部材を介して前記冷却器に固定されており、前記冷却器の、前記半導体モジュールと接しない面が前記平滑コンデンサユニット側に延長されて前記コンデンサユニットの一部と前記冷却器が直接または高熱伝導部材を介して接触していることを特徴とする請求項18〜20のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記平滑コンデンサユニットは前記コンデンサ素子と、該コンデンサ素子と前記半導体モジュールとを接続する前記コンデンサ端子と、前記コンデンサ素子と前記コンデンサ端子の接続部及び前記コンデンサ素子を保護し絶縁機能を有する前記コンデンサケースとを備え、前記平滑コンデンサユニットは、前記制御基板と対向する位置に配置され、前記平滑コンデンサユニット内の前記コンデンサ素子が配置されたコンデンサ素子収納部の占有床面積は、前記制御基板の投影面積以下であり、前記コンデンサ端子は前記コンデンサケースの外部で前記冷却器の、前記半導体モジュールを搭載しない面と略平行に配置され、前記コンデンサ端子は少なくとも前記冷却器の、前記半導体モジュールを搭載しない面と略平行に配置された部分において正極と負極の間に絶縁材を介して近接配置されたことを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記コンデンサ素子と前記コンデンサ端子の接合のための前記電極面が、前記冷却器の、前記半導体モジュールと接する面と略平行に配置されたことを特徴とする請求項23に記載の電力変換装置。
- 前記冷却器は2つの半導体モジュール搭載板と前記冷却フィンを備え、該冷却フィンは、前記半導体モジュール搭載板により挟持されており、前記2つの半導体モジュール搭載板と前記冷却フィン間がロウ付けにより接合されたことを特徴とする請求項23または24に記載の電力変換装置。
- 前記平滑コンデンサユニットの両面にパワーアセンブリを備え、前記平滑コンデンサユニットの前記コンデンサケースは、前記制御基板と対向しない面に前記開口部を有していることを特徴とする請求項23〜25のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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