JP5531611B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流センサを有する電力変換装置に関する。

従来から、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置が知られている（下記特許文献１参照）。従来の電力変換装置は、図１０、図１１に示すごとく、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール９２と、該半導体モジュール９２を冷却する冷却チューブ９３とを積層して構成されている。個々の半導体モジュール９２は、スイッチング素子に導通したパワー端子９４と制御端子９６とを有する。

パワー端子９４には、図１０に示すごとく、直流電源の正極端子に接続される正極端子９４ａと、直流電源の負極端子に接続される負極端子９４ｂと、交流負荷に接続される交流端子９４ｃとがある。交流端子９４ｃにはバスバー９７が接続されている。また、正極端子９４ａと負極端子９４ｂにも、図示しない直流用バスバーが接続されている。

図１１に示すごとく、半導体モジュール９２の制御端子９６には、制御回路基板９８が接続されている。この制御回路基板９８によって、半導体モジュール９２内のスイッチング素子の動作を制御している。これにより、正極端子９４ａと負極端子９４ｂとの間に印加される直流電圧を三相交流電圧に変換し、交流端子９４ｃから出力する。

三相交流電流が流れる３本のバスバー９７Ｕ，９７Ｖ，９７Ｗのうち、２本のバスバー９７Ｕ，９７Ｖには電流センサ９５が取り付けられている。図１１に示すごとく、電流センサ９５は、接続配線９９によって制御回路基板９８に接続されており、この接続配線９９を通して制御回路基板９８にセンサ出力信号を送信している。制御回路基板９８は、電流センサ９５のセンサ出力信号を、スイッチング素子の動作制御に利用している。

特開２００５−３３２８６３号公報

しかしながら、従来の電力変換装置９１は、バスバー９７に流れる電流によって生じた抵抗熱や、半導体モジュール９２から発生した熱によって、電流センサ９５の温度が上昇するという問題があった。温度が上昇すると、電流センサ９５が壊れやすくなったり、測定値が不正確になったりしやすい。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、壊れにくく、測定値が正確な電流センサを有する電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した本体部を有し、上記スイッチング素子に導通したパワー端子と制御端子とが上記本体部から互いに反対方向へ突出した複数個の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数個の冷却チューブとを積層した積層体と、
上記パワー端子に流れる電流を測定する電流センサとを備え、
上記電流センサは、その少なくとも一部を、隣り合う２個の上記冷却チューブの間に介在させており、
上記電流センサは、上記パワー端子に流れる電流を検出する検出素子と、該検出素子に導通し該検出素子の出力信号を処理する回路部とを備え、該回路部は、隣り合う２個の上記冷却チューブの間に介在していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

本発明の作用効果について説明する。本発明では、電流センサの少なくとも一部を、隣り合う２個の冷却チューブの間に介在させている。これにより、電流センサをその両面から冷却チューブで冷却することが可能となる。そのため、温度上昇に伴って電流センサが壊れやすくなるという不具合を防止できる。また、電流センサの温度を一定に保ちやすくなるため、パワー端子に流れる電流を精確に測定することが可能になる。

以上のごとく、本発明によれば、壊れにくく、測定値が正確な電流センサを有する電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の断面図であって、図２のＢ−Ｂ断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 実施例２における、電力変換装置の断面図であって、図５のＤ−Ｄ断面図。 図４のＣ−Ｃ断面図。 実施例３における、電力変換装置の断面図であって、図７のＦ−Ｆ断面図。 図６のＥ−Ｅ断面図。 実施例４における、電力変換装置の平面図であって、図９のＨ矢視図。 図８のＧ−Ｇ断面図。 従来例における、電力変換装置の平面図であって、図１１のＪ矢視図。 図１０のＨ矢視図であって、冷却チューブの連結管を省略して描いたもの。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記冷却チューブは導電性材料から構成されていることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、隣接する半導体モジュールから放射される電磁ノイズを、冷却チューブによって遮蔽することができる。そのため、電流センサが電磁ノイズの影響を受けにくくなり、誤作動しにくくなる。

また、上記電流センサは、上記制御端子と同一方向に突出した信号端子を備え、該信号端子と上記制御端子とに、上記電流センサの出力信号を受け付けるとともに上記スイッチング素子の動作を制御する制御回路基板が接続されていることが好ましい（請求項３）。
このようにすると、電流センサと制御回路基板とを最短距離で接続することができる。そのため、電流センサと制御回路基板とを接続する配線を、積層体の周囲に引き回した場合（図１１参照）と比較して、積層体の周りに接続配線を配置するスペースを確保する必要がなくなるため、電力変換装置を小型化することができる。
また、半導体モジュールの制御端子と、電流センサの信号端子とが同一方向に突出しているため、制御回路基板に対して制御端子と信号端子とを同時に接続することができる。これらの接続工程は、はんだ付け等により自動的に行うことができるため、電力変換装置の製造コストを低減することが可能になる。

また、上記電流センサは、上記パワー端子に流れる電流を検出する検出素子と、該検出素子に導通した回路部とからなり、少なくとも該回路部は、隣り合う２個の上記冷却チューブの間に介在している。
電流センサの回路部は、温度上昇の影響を特に受けやすい部分であり、温度の上昇によって壊れたり、センサ出力を不安定にしたりしやすい部分である。そのため、少なくとも回路部を冷却チューブで挟んで冷却することにより、本発明の効果、すなわち、電流センサを壊れにくくし、かつ測定値を正確にできるという効果を十分に発揮させることができる。
なお、回路部は、検出素子の出力信号を処理する電気回路を備えた部位であり、例えば該出力信号を増幅する増幅回路を備える。

また、上記電流センサは、上記半導体モジュールと一体に形成されていることが好ましい（請求項４）。
このように、電流センサと半導体モジュールとを一体にすると、これらを別々に形成した場合よりもサイズを小さくすることができる。また、上記構成によると、積層体を製造する際に、電流センサと半導体モジュールを別々に積層する必要がなくなるので、作業性を向上させることができる。

また、上記冷却チューブは、所定間隔をおいて積層配置されており、隣り合う２個の上記冷却チューブの間に、上記半導体モジュールと上記電流センサとのいずれか一方が介在し、上記電流センサは、上記冷却チューブを介して隣接配置された上記半導体モジュールの上記パワー端子に流れる電流を測定するよう構成されていることが好ましい（請求項５）。
このようにすると、半導体モジュールの冷却効率を高めることができる。すなわち、発熱量が特に大きい半導体モジュールがある場合は、その半導体モジュールを挟む冷却チューブの温度が高くなりやすい。この冷却チューブに別の半導体モジュールを接触させると、更に温度が上昇して冷却効率が低下しやすくなる。そのため、温度が上昇しやすい冷却チューブに別の半導体モジュールを接触させず、発熱量の少ない電流センサを接触させることにより、冷却チューブの温度上昇を防止でき、半導体モジュールの冷却効率低下を防止することができる。

（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３を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、複数個の半導体モジュール２と、該半導体モジュール２を冷却する複数個の冷却チューブ３とを積層した積層体４を備える。個々の半導体モジュール２は、電力変換回路を構成するスイッチング素子２３を内蔵した本体部２０を有し、該スイッチング素子２３に導通したパワー端子２１と制御端子２２とが本体部２０から互いに反対方向へ突出している。
また、電力変換装置１は、パワー端子２１に流れる電流を測定する電流センサ５を備える。
電流センサ５は、その少なくとも一部を、隣り合う２個の冷却チューブ３の間に介在させている。
以下、詳説する。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッドカー等に搭載されるもので、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う。半導体モジュール２のパワー端子２１には、直流電源１１（図３参照）の正電極に接続された正極端子２１ａと、直流電源１１の負電極に接続された負極端子２１ｂと、交流端子２１ｃとがある。これらのパワー端子２１ａ〜２１ｃは、図示しないバスバーが接続されている。

また、図２に示すごとく、半導体モジュールの制御端子２２には、制御回路基板６が接続されている。この制御回路基板６によってスイッチング素子２３（ＩＧＢＴ素子）の動作制御をする。これにより、正極端子２１ａと負極端子２１ｂとの間に印加される直流電圧を交流に変換して、パワー端子２１ｃから交流電圧を出力する。

電流センサ５は、パワー端子２１ｃを取り囲む鉄製のコア５２と、パワー端子２１ｃに流れる電流を検出する検出素子５０と、該検出素子５０に導通した回路部５１とからなる。
検出素子５０はホール素子であり、パワー端子２１ｃの周囲に発生した磁界を検出することにより、パワー端子２１ｃに流れる電流の大きさを検出する。また、回路部５１は、検出素子５０の出力信号を処理する電気回路を備えた部位であり、例えば検出素子５０の出力信号を増幅する増幅回路等を備える。

コア５２はスリット５００（図１参照）を有しており、このスリット５００に検出素子５０が設けられている。また、検出素子５０と回路部５１とは、接続配線５０１によって接続されている。
図２に示すごとく、コア５２と、検出素子５０と、回路部５１とは、合成樹脂製の封止部５０２によって封止されている。センサ５は、コア５２と回路部５１とが直交しており、全体がＬ字状に形成されている。
センサ５を構成する部品、すなわちコア５２と、検出素子５０と、回路部５１とは、全て冷却チューブ３に挟持されている。

一方、図２に示すごとく、半導体モジュール２の本体部２０は、スイッチング素子２３やフライホイールダイオード（図示しない）に接続した３枚の電極板２０１ａ〜２０１ｃを封止している。これらの電極板２０１ａ〜２０１ｃは、図２では、重ねて描いてある。パワー端子２１ａ〜２１ｃは、それぞれ別の電極板２０１ａ〜２０１ｃに接続されている。
また、本体部２０は、パワー端子２１ａ，２１ｂの中央部分まで封止しているのに対し、パワー端子２１ｃは中央部分まで封止しておらず、このパワー端子２１ｃの周囲に凹状部２００が形成されている。この凹状部２００にコア５２が配置されている。

図１に示すごとく、本例では、３個のパワー端子２１ｃ（２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗ）が一組となって、三相交流電流が流れるようになっている。この場合、２個のパワー端子２１ｃの電流を測定すると、残りの１個の電流は測定しなくても算出できる。そのため、３個のパワー端子２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗのうち、２個のパワー端子２１Ｕ，２１Ｖのみに電流センサ５が取り付けられている。

一方、図１に示すごとく、複数個の冷却チューブ３は、連結管１５によって連結されている。冷媒を導入管１６へ導入すると、連結管１５を通って全ての冷却チューブ３に冷媒が流れ、導出管１７から導出する。これにより、半導体モジュール２及び電流センサ５を冷却することができる。冷却チューブ３は導電性材料から構成されている。本例では、冷却チューブ３はアルミニウムからなる。また、連結管１５、導入管１６、導出管１７もアルミニウムからなる。

図２に示すごとく、電流センサ５は、制御端子２２と同一方向に突出した信号端子５３を備え、信号端子５３と制御端子２２とに、電流センサ５の出力信号を受け付けるとともにスイッチング素子２３の動作を制御する制御回路基板６が接続されている。

次に、本例の電力変換装置１の回路の説明をする。図３に示すごとく、電力変換装置１は、インバータ部１０ａと、コンバータ部１０ｂとから構成されている。コンバータ部１０ｂによって直流電源１１の電圧を昇圧し、インバータ部１０ａによって交流に変換する。インバータ部１０ａによって得られた交流電力を使って、三相交流モータ１２を駆動し、車両を走行させる。インバータ部１０ａは、図３に示すごとく、複数個の半導体モジュール２から構成されている。個々の半導体モジュール２は、２個のスイッチング素子２３（ＩＧＢＴ素子）と２個のフリーホイールダイオード２４を有する。三相交流モータ１２に接続される３本の交流端子２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗのうち、２本の交流端子２１Ｕ，２１Ｖに電流センサ５が取り付けられている。

次に、本例の電力変換装置１の作用効果について説明する。
図１、図２に示すごとく、本例の電力変換装置１は、隣り合う２個の冷却チューブ３の間に電流センサ５を介在させている。これにより、電流センサ５をその両面から冷却チューブ３で冷却することが可能となる。そのため、温度上昇に伴って電流センサ５が壊れやすくなるという不具合を防止できる。また、電流センサ５の温度を一定に保ちやすくなるため、パワー端子２１に流れる電流を精確に測定することが可能になる。

また、本例では、冷却チューブ３は、導電性材料から構成されている。
このようにすると、隣接する半導体モジュール２から放射される電磁ノイズを、冷却チューブ３によって遮蔽することができる。そのため、電流センサ５が電磁ノイズの影響を受けにくくなり、誤作動しにくくなる。

また、図２に示すごとく、電流センサ５は、制御端子２２と同一方向に突出した信号端子５３を備え、信号端子５３と制御端子２２とに、制御回路基板６が接続されている。
このようにすると、電流センサ５と制御回路基板６とを最短距離で接続することができる。そのため、従来のように、電流センサ９５（図１１参照）と制御回路基板９８とを接続する配線９９を、積層体の周囲に引き回した場合と比較して、積層体の周りに配線９９を配置するスペース９９０（図１０参照）を確保する必要がなくなるため、電力変換装置を小型化することができる。
また、本例では、半導体モジュール２の制御端子２２と、電流センサ５の信号端子５３とが同一方向に突出しているため、制御回路基板６に対して制御端子２２と信号端子５３とを同時に接続することができる。これらの接続工程は、はんだ付け等により自動的に行うことができるため、電力変換装置１の製造コストを低減することが可能になる。

また、本例では、電流センサ５の回路部５１を冷却チューブ３で冷却している。回路部５１は、温度上昇の影響を特に受けやすい部分であり、温度の上昇によって壊れたり、センサ出力を不安定にしたりしやすい部分である。そのため、少なくとも回路部５１を冷却チューブ３で挟んで冷却することにより、本例の効果、すなわち、電流センサ５を壊れにくくし、かつ測定値を正確にできるという効果を十分に発揮させることができる。

以上のごとく、本例によれば、壊れにくく、測定値が正確な電流センサ５を有する電力変換装置１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、電流センサ５の構成を変更した例である。図４、図５に示すごとく、本例における電流センサ５は、パワー端子２１ｃを取り囲む鉄製のコア５２と、該コア５２に挟持され、パワー端子２１ｃに流れる電流を測定する検出素子５０（ホール素子）と、検出素子５０に導通した回路部５１とからなり、回路部５１は、隣り合う２個の冷却チューブ３の間に介在している。また、本例では、コア５２と検出素子５０とを冷却チューブ３で挟持せず、積層体４からパワー端子２１の突出側にはみ出した位置に設けている。
その他、実施例１と同様の構成を有する。

本例の作用効果について説明する。
本例では、コア５２と検出素子５０とを冷却チューブ３の間に配置していないため、図４に示すごとく、半導体モジュール２よりも積層方向の寸法が長いコア５２を用いることができる。
また、本例では冷却チューブ３で回路部５１を挟んで冷却している。上述したように、回路部５１は温度上昇の影響を特に受けやすい部分であるため、この回路部５１を冷却することにより、回路部５１を壊れにくくし、電流センサ５の測定値を正確にすることができる。
なお、回路部５１に比べて、コア５２や検出素子５０は耐熱性が比較的高い。そのため、コア５２と検出素子５０は冷却チューブ３で挟まなくてもよい。このようにすると、電流センサ５に不具合を生じさせずに、積層体４を小型化できる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、電流センサ５の構成を変更した例である。図６、図７に示すごとく、本例では、電流センサ５と半導体モジュール２とが一体になった一体化モジュール２ａを備える。一体化モジュール２ａは、合成樹脂からなる本体部２０を有し、この本体部２０に、スイッチング素子２３、コア５２、検出素子５０、回路部５１が封止されている。また、スイッチング素子２３に導通するパワー端子２１および制御端子２２と、回路部５１に導通する信号端子５３とが、本体部２０から突出している。

また、本例の電力変換装置１は、一体化モジュール２ａの他に、電流センサ５と一体化していない半導体モジュール２を備える。図６に示すごとく、本例では、２個の一体化モジュール２ａと、１個の半導体モジュール２とが一組になって、三相交流電流を出力するよう構成されている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。
このように、電流センサ５と半導体モジュール２を一体にすると、これらを別々に形成した場合よりもサイズを小さくすることができる。また、上記構成によると、積層体４を製造する際に、電流センサ５と半導体モジュール２を別々に積層する必要がなくなるので、作業性を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（実施例４）
本例は、電流センサ５の構成を変更した例である。図８、図９に示すごとく、本例では、冷却チューブ３は、所定間隔をおいて積層配置されており、隣り合う２個の冷却チューブ３の間に、半導体モジュール２と電流センサ５とのいずれか一方が介在し、電流センサ５は、冷却チューブ３を介して隣接配置された半導体モジュール２のパワー端子２１ｃに流れる電流を測定するよう構成されている。

本例の電流センサ５は、合成樹脂製の樹脂部５５を備える。この樹脂部５５は、半導体モジュール２の本体部２０と略同じ大きさになっている。樹脂部５５には、回路部５１が封止されている。コア５２と検出素子５０（ホール素子）は、樹脂部５５に封止されておらず、積層体４からパワー端子２１の突出側にはみ出した位置に配置されている。コア５２は、冷却チューブ３を介して隣接配置された半導体モジュール２のパワー端子２１ｃを取り囲んでいる。このコア５２におけるスリット５００に、検出素子５０が挟持されている。パワー端子２１ｃに電流が流れ、周囲に磁界が発生すると、検出素子５０がその磁界を検知する。これにより、パワー端子２１ｃに流れる電流の量を測定している。

図８に示すごとく、本例では、３個の半導体モジュール２を一組にし、三相交流電流を出力している。この３個の半導体モジュール２のうち、２個の半導体モジュール２のパワー端子２１Ｕ，２１Ｖに流れる電流を、電流センサ５によって測定している。電流を測定しない半導体モジュール２ｂには、回路部５１やスイッチング素子２３等を封止していないダミーモジュール８を隣接配置している。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。
上記構成にすると、半導体モジュール２の冷却効率を高めることができる。すなわち、図８に示すごとく、発熱量が特に大きい半導体モジュール２ｃがある場合は、その半導体モジュール２ｃを挟む冷却チューブ３ａの温度が高くなりやすい。この冷却チューブ３ａに別の半導体モジュール２を接触させると、更に温度が上昇して冷却効率が低下しやすくなる。そのため、温度が上昇しやすい冷却チューブ３ａには別の半導体モジュール２を接触させず、発熱量の少ない電流センサ５やダミーモジュール８を接触させることにより、冷却チューブ３ａの温度上昇を防止でき、半導体モジュール２ｃの冷却効率低下を防止することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
２０ 本体部
２１ パワー端子
２２ 制御端子
３ 冷却チューブ
４ 積層体
５ 電流センサ
６ 制御回路基板

Claims (5)

1. 電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した本体部を有し、上記スイッチング素子に導通したパワー端子と制御端子とが上記本体部から互いに反対方向へ突出した複数個の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数個の冷却チューブとを積層した積層体と、
   上記パワー端子に流れる電流を測定する電流センサとを備え、
   上記電流センサは、その少なくとも一部を、隣り合う２個の上記冷却チューブの間に介在させており、
   上記電流センサは、上記パワー端子に流れる電流を検出する検出素子と、該検出素子に導通し該検出素子の出力信号を処理する回路部とを備え、該回路部は、隣り合う２個の上記冷却チューブの間に介在していることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記冷却チューブは導電性材料から構成されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２において、上記電流センサは、上記制御端子と同一方向に突出した信号端子を備え、該信号端子と上記制御端子とに、上記電流センサの出力信号を受け付けるとともに上記スイッチング素子の動作を制御する制御回路基板が接続されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記電流センサは、上記半導体モジュールと一体に形成されていることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記冷却チューブは、所定間隔をおいて積層配置されており、隣り合う２個の上記冷却チューブの間に、上記半導体モジュールと上記電流センサとのいずれか一方が介在し、上記電流センサは、上記冷却チューブを介して隣接配置された上記半導体モジュールの上記パワー端子に流れる電流を測定するよう構成されていることを特徴とする電力変換装置。

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