JP5991255B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を内蔵する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管とを積層した積層体を備える電力変換装置に関する。

例えば、直流電力と交流電力との間で電力変換を行うため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冷却する複数の冷却管とを積層した積層体を備えたものが知られている（下記特許文献１参照）。

上記電力変換装置では、複数の冷却管のうち、積層体の積層方向における一端に位置する冷却管に、一対のパイプ（導入パイプ及び導出パイプ）を取り付けてある。また、積層方向に隣り合う２つの冷却管は、互いの間を冷媒が流れるように連結されている。上記導入パイプから冷媒を導入すると、冷媒は、個々の冷却管の内部を分流し、導出パイプから導出する。これにより、半導体モジュールを冷却するよう構成されている。

また、上記電力変換装置では、半導体モジュールを使って、互いに機能が異なる複数の電力変換回路を構成してある。電力変換回路としては、例えば、昇圧回路、インバータ回路、回生回路等がある。昇圧回路は、直流電圧を昇圧する回路である。インバータ回路は、昇圧した直流電圧を交流電圧に変換する。また、回生回路は、電力回生時に、交流電圧を直流電圧に変換し、バッテリーを充電するための回路である。

特開２００７−２８１５２２号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、半導体モジュール全体の冷却効率が必ずしも最適化されていないという問題がある。すなわち、例えばインバータ回路や昇圧回路は、動作頻度が比較的高いが、回生回路は動作頻度が低い。そのため、インバータ回路等の、動作頻度が高い電力変換回路を構成する半導体モジュールは、発熱量が多く、温度が高くなりやすい。また、動作頻度が低い電力変換回路の半導体モジュールは発熱量が低く、温度が低くなりやすい。半導体モジュール全体の冷却効率を最適化するためには、温度が高くなりやすい半導体モジュールほど強く冷却することが望ましいが、従来の電力変換装置は、このような工夫がされていなかった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、個々の半導体モジュールの冷却効率を適正化することができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷媒が流れる複数の冷却管とを積層した積層体と、
上記複数の冷却管のうち上記積層体の積層方向における一方の端部に位置する冷却管に接続した一対のパイプとを備え、
上記積層方向に隣り合う上記冷却管同士は、互いの間を上記冷媒が流れるよう連結されており、上記一対のパイプのうち一方のパイプから上記冷媒を導入することにより、該冷媒を個々の上記冷却管へ分流させ、他方の上記パイプから導出するよう構成され、
上記半導体モジュールは、それぞれ別の電力変換回路を構成する複数のグループに分けられており、該複数のグループは、上記積層方向に配列しており、
上記半導体モジュールの発熱量が高い上記グループほど、上記一対のパイプに近い位置に配されており、
上記半導体モジュールのスイッチング動作を制御する制御回路部を有し、上記複数のグループのうち、上記パイプに最も近い上記グループである近接グループは、上記半導体モジュールを３段以上積層して構成してあり、上記近接グループよりも上記パイプから遠い位置に配された上記グループである遠方グループは、上記半導体モジュールを２段以上積層して構成してあり、上記制御回路部は、個々の上記グループにおいて上記パイプから上記積層方向に最も離れた上記半導体モジュール以外であって、かつ上記積層体を構成する複数の上記半導体モジュールのうち上記パイプに最も近いもの以外の、特定の上記半導体モジュールに内蔵した温度センサを用いて、各上記グループの温度を検出し、その検出値を使って、各上記グループを構成する個々の上記半導体モジュールのスイッチング動作を制御することを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、上記半導体モジュールは、それぞれ別の電力変換回路を構成する複数のグループに分けられている。そして、半導体モジュールの発熱量が高いグループほど、上記一対のパイプに近い位置に配置してある。
そのため、個々の半導体モジュールの冷却効率を適正化することができる。すなわち、上記電力変換装置では、上記一方のパイプから冷媒を導入することにより、冷媒を、個々の冷却管に分流させ、他方のパイプから導出させている。これにより、冷媒と半導体モジュールとの間で熱交換を行い、半導体モジュールを冷却している。この構成では、パイプに近い位置に存在する冷却管ほど、冷媒の圧力損失が小さいため、冷媒が速く流れ、半導体モジュールの冷却効率が高い。
上記電力変換装置では、発熱量が高いグループほど、パイプに近い位置、すなわち冷却効率が高い位置に配置してある。そのため、発熱量が高いグループを構成する半導体モジュールを強く冷却できる。そのため、個々の半導体モジュールの冷却効率を適正化することができる。
また、上記電力変換装置は、半導体モジュールを小型化することができる。すなわち、小型の半導体モジュールは比較的発熱量が高いが、上記構成を採用すると、半導体モジュールを冷却しやすくなるため、小型の半導体モジュールでも使用することが可能になる。小型の半導体モジュールは安価であるため、これを使用することにより、電力変換装置の製造コストを下げることが可能になる。
また、上記構成を採用すると、半導体モジュールの温度を下げやすくなる。半導体モジュールは温度が低い方が損失を低減できるため、電力変換装置全体の電力ロスを減少させることが可能になる。

以上のごとく、本発明によれば、個々の半導体モジュールの冷却効率を適正化することができ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、電力変換装置の平面図であって、半導体モジュールのグループを表したもの。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 図１のIII-III断面図。 図１のIV-IV断面図。 図３のV矢視図。 図３のVI-VI断面図。 実施例１における、半導体モジュール内の詳細な構成を説明するための図。 実施例２における、電力変換装置の回路図。 実施例２における、電力変換装置の平面図。 実施例３における、電力変換装置の回路図。 実施例３における、電力変換装置の平面図。

上記電力変換装置は、例えば電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置とすることができる。

また、上記半導体モジュールのスイッチング動作を制御する制御回路部を有し、上記複数のグループのうち、上記パイプに最も近い上記グループである近接グループは、上記半導体モジュールを３段以上積層して構成してあり、上記近接グループよりも上記パイプから遠い位置に配された上記グループである遠方グループは、上記半導体モジュールを２段以上積層して構成してあり、上記制御回路部は、個々の上記グループにおいて上記パイプから上記積層方向に最も離れた上記半導体モジュール以外であって、かつ上記積層体を構成する複数の上記半導体モジュールのうち上記パイプに最も近いもの以外の、特定の上記半導体モジュールに内蔵した温度センサを用いて、各上記グループの温度を検出し、その検出値を使って、各上記グループを構成する個々の上記半導体モジュールのスイッチング動作を制御する。
したがって、各グループ内の半導体モジュールを冷却しやすくなる。そのため、半導体モジュールを小型化でき、低コスト化できると共に、半導体モジュールの損失を低減しやすくなる。すなわち、各グループにおいてパイプから積層方向に最も離れた半導体モジュールは、発熱量が低いグループに隣接しているため、温度が低くなりやすい。また、全ての半導体モジュールのうちパイプに最も近い半導体モジュールは、積層方向におけるパイプ側に隣の半導体モジュールが存在しないため、温度が低くなりやすい。そのため、仮に、この温度が低くなりやすい半導体モジュール内の温度センサを使って温度を検出したとすると、制御回路部が温度を低く認識してしまうため、グループ内の他の半導体モジュールの温度は高くても、それを反映したスイッチング制御ができなくなってしまう。つまり、半導体モジュールに流れる電流を低減する制御を、制御回路部が行わなくなる。そのため、半導体モジュールを適切に冷却できなくなる。
したがって、この、温度が低くなりやすい上記半導体モジュール以外の半導体モジュールに内蔵した温度センサを使って、温度を検出することにより、制御回路部が、グループ内の半導体モジュールの温度を高めに認識することが可能になる。したがって、制御回路部が、半導体モジュールに流れる電流を低減する制御を行うようになる。これにより、半導体モジュールを適切に冷却することが可能になる。

また、上記複数のグループの半導体モジュールに共通して接続するコンデンサを備え、上記一対のパイプに最も近い上記グループを構成する個々の上記半導体モジュールと上記コンデンサとの間の電流経路の長さは、いずれも、他の上記グループを構成する個々の上記半導体モジュールと上記コンデンサとの間の電流経路の最短距離よりも短いことが好ましい。
この場合には、パイプに最も近いグループ（近接グループ）を構成する半導体モジュールとコンデンサとの間の電流経路の長さが短いため、この電流経路につく寄生インダクタンスを小さくすることができる。そのため、近接グループを構成する半導体モジュールに加わるサージ電圧を小さくすることができる。近接グループ内の半導体モジュールは、動作頻度が高いため、サージ電圧によって素子が劣化するおそれが最も高いが、上記構成を採用すると、この近接グループ内の半導体モジュールに加わるサージ電圧を低減でき、信頼性を高めることができる。また、半導体モジュールのスイッチング速度を上げることが可能になるため、半導体素子を小型化及び低コスト化でき、また、損失を低減することが可能になる。

（実施例１）
上記電力変換装置に係る実施例について、図１〜図７を用いて説明する。図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３とを積層した積層体１０と、一対のパイプ４（４ａ，４ｂ）とを備える。半導体モジュール２は、半導体素子２４（図２参照）を内蔵している。冷却管３の内部には、冷媒１１が流れる。この冷却管３を使って、半導体モジュール２を冷却している。

一対のパイプ４ａ，４ｂは、複数の冷却管３のうち積層体１０の積層方向（Ｘ方向）における一方の端部に位置する冷却管３ａに接続している。
Ｘ方向に隣り合う冷却管３同士は、互いの間を冷媒１１が流れるよう連結されている。一方のパイプ４（導入パイプ４ａ）から冷媒１１を導入することにより、冷媒１１を個々の冷却管３へ分流させ、他方のパイプ４（導出パイプ４ｂ）から導出するよう構成されている。これにより、半導体モジュール２を冷却している。

半導体モジュール２は、それぞれ別の電力変換回路Ｃを構成する複数のグループＧ（Ｇ１〜Ｇ３）に分けられている。複数のグループＧ１〜Ｇ３は、Ｘ方向に配列している。
半導体モジュール２の発熱量が高いグループＧほど、一対のパイプ４ａ，４ｂに近い位置に配されている。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載される、車載用電力変換装置１である。

図２に示すごとく、個々の半導体モジュール２は、１個のＩＧＢＴ素子２４ａと、１個のフリーホイールダイオード２４ｂとを内蔵している。フリーホイールダイオード２４ｂは、ＩＧＢＴ素子２４ａに逆並列接続している。本例では、この半導体モジュール２を使って、インバータ回路Ｃ１と、昇圧回路Ｃ２と、回生回路Ｃ３との、３つの電力変換回路Ｃを構成してある。インバータ回路Ｃ１は、第１グループＧ１（図１参照）を構成する半導体モジュール２からなる。昇圧回路Ｃ２は、第２グループＧ２を構成する半導体モジュール２からなる。また、回生回路Ｃ３は、第３グループＧ３を構成する半導体モジュール２からなる。

本例では、昇圧回路Ｃ２を使って、直流電源１４の直流電圧を昇圧し、この昇圧後の直流電圧を、コンデンサ６によって平滑化している。また、本例では、インバータ回路Ｃ１を使って直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧を使って、三相交流モータ１５を駆動させている。これにより、上記車両を走行させている。車両を停止する際には、発電機１６によって発生した交流電力を、回生回路Ｃ３によって直流電力に変換し、直流電源１４を充電するよう構成されている。

これら３つの電力変換回路Ｃ（Ｃ１〜Ｃ３）のうち、半導体モジュール２の発熱量が最も高いのはインバータ回路Ｃ１であり、２番目に高いのは昇圧回路Ｃ２である。また、発熱量が最も低いのは回生回路Ｃ３である。電力を回生するのは、車両を停止する時のみなので、回生回路Ｃ３の動作頻度は低く、半導体モジュール２の発熱量も低い。

また、昇圧回路Ｃ２を使って直流電圧を昇圧するときは、昇圧回路Ｃ２の下アームＩＧＢＴ素子２４２のみをオンオフし、上アームＩＧＢＴ素子２４１はオフにする。上アームＩＧＢＴ素子２４１は、電力回生時のみオンになる。そのため、上アームＩＧＢＴ素子２４１は、下アームＩＧＢＴ素子２４２よりも発熱量が少ない。

一方、図３に示すごとく、本例の半導体モジュール２は、上記半導体素子２４を封止する本体部２０と、該本体部２０から突出した制御端子２１及びパワー端子２２を備える。制御端子２１には制御回路基板５（制御回路部５０）が接続している。この制御回路基板５によって、半導体モジュール２のスイッチング動作を制御している。また、パワー端子２２には、正極端子２２ａと、負極端子２２ｂと、交流端子２２ｃとがある。正極端子２２ａおよび負極端子２２ｂは、バスバー８（８ａ，８ｂ）を介して、コンデンサ６（図５、図６参照）に接続している。また、交流端子２２ｃにも、図示しない別のバスバーが接続される。

図１に示すごとく、制御端子２１の突出方向（Ｚ方向）とＸ方向との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）における、冷却管３の両端部に、連結管１３を取り付けてある。この連結管１３によって、Ｘ方向に隣り合う２つの冷却管３を、互いの間に冷媒１１が流れるように接続してある。

また、本例の電力変換装置１は、積層体１０を固定するためのフレーム７を備える。フレーム７は、アルミニウム等の金属からなり、積層体１０を収容する積層体収容部７０と、コンデンサ６を収容するコンデンサ収容部７１とを備える。コンデンサ６は、Ｚ方向から見たときに、一対のパイプ４ａ，４ｂの間に位置している。

フレーム７の側壁７３と積層体１０との間には、加圧部材１２（板ばね）が介在している。この加圧部材１２を使って、積層体１０をコンデンサ収容部７１へ向けて押圧している。これにより、半導体モジュール２と冷却管３との接触圧を維持しつつ、積層体１０をフレーム７内に固定している。

一方、図７に示すごとく、半導体モジュール２は、温度センサ２３を内蔵している。温度センサ２３は、複数個のダイオードを直列接続したものである。温度センサ２３には、制御端子２１が接続している。制御端子２１は、上述したように、制御回路基板５に接続している。制御回路基板５は、温度センサ２３を使って、半導体モジュール２の温度を測定する。そして、半導体モジュール２の温度が高くなりすぎた場合には、グループＧ内の全ての半導体モジュール２に流れる電流を低減させる制御等を行う。

一方、図１に示すごとく、グループＧには、パイプ４に最も近いグループＧである近接グループＧ１と、それよりもパイプ４から遠い位置に配された２つの遠方グループＧ２，Ｇ３とがある。上記制御回路基板５は、複数のグループＧ（Ｇ１〜Ｇ３）それぞれについて、半導体モジュール２のスイッチング動作を制御している。制御回路基板５は、個々のグループＧ１〜Ｇ３においてパイプ４からＸ方向に最も離れた半導体モジュール２ｆ，２ｉ，２ｍ以外であって、かつ全ての半導体モジュール２のうちパイプ４に最も近い半導体モジュール２ａ以外の、特定の半導体モジュール２ｅ，２ｈ，２ｋに内蔵した温度センサ２３を用いて、各グループＧの代表となる温度を検出する。温度を測定する半導体モジュール２は、半導体モジュール２ｂ〜２ｅ，２ｇ，２ｈ，２ｊ，２ｋから選択されたものである。

制御回路基板５は、例えば一方の遠方グループＧ２については、該遠方グループＧ２に含まれる複数の半導体モジュール２ｇ，２ｈ，２ｉのうち、Ｘ方向においてパイプ４から最も離れた半導体モジュール２ｉ以外の、特定の半導体モジュール２ｈに内蔵された温度センサ２３を用いて、遠方グループＧ２の代表となる温度を検出する。そして、その検出値を使って、遠方グループＧ２を構成する個々の半導体モジュール２のスイッチング動作を制御する。他方の遠方グループＧ３についても同様に、パイプ４から最も離れた半導体モジュール２ｍ以外の、特定の半導体モジュール２ｋを用いて、遠方グループＧ３の代表となる温度を検出する。

なお、本例では、遠方グループＧ２に含まれる複数の半導体モジュール２ｇ，２ｈ，２ｉのうち、パイプ４から最も離れた半導体モジュール２ｉの隣に位置する半導体モジュール２ｈを使って、温度を測定しているが、さらにその隣の半導体モジュール２ｇを使ってもよい。同様に、他方の遠方グループＧ３については、半導体モジュール２ｊを使ってもよい。

また、本例の半導体モジュール２には、冷媒１１の上流に位置する半導体モジュール２ａ’〜２ｍ’と、下流に位置する半導体モジュール２ａ〜２ｍとがあり、そのうち、冷媒１１の下流に位置する半導体モジュール２ｈ，２ｋに内蔵した温度センサ２３を使って、温度を測定している。これは、冷媒１１の下流の方が、温度が高くなりやすいため、半導体モジュール２の温度を厳しく検出できるからである。

また、制御回路基板５は、近接グループＧ１については、該近接グループＧ１に含まれる複数の半導体モジュール２ａ〜２ｆのうち、Ｘ方向においてパイプ４から最も離れた半導体モジュール２ｆと、パイプ４に最も近い半導体モジュール２ａ以外の、特定の半導体モジュール２ｅに内蔵された温度センサ２３を用いて、近接グループＧ１の代表となる温度を検出している。そして、その検出値を使って、近接グループＧを構成する個々の半導体モジュール２のスイッチング動作を制御している。

なお、本例では、近傍グループＧ１については、上記半導体モジュール２ｅを使って温度を検出しているが、上記２つの半導体モジュール２ａ，２ｆの間に存在する半導体モジュール２ｂ〜２ｅのいずれを用いてもよい。

一方、図５に示すごとく、半導体モジュール２の正極端子２２ａは、正極バスバー８ａを介して、コンデンサ６の正端子６１に電気接続している。正極バスバー８ａは、板状の本体部８０と、該本体部８０からＹ方向に延出し正極端子２２ａに接続する櫛歯状部８１と、本体部８０からＸ方向に延出しコンデンサ６の正端子６１に接続するコンデンサ接続部８２とを有する。

個々の半導体モジュール２の正極端子２２ａと、コンデンサ６の正端子６１との間に、電流が流れる。近接グループＧ１を構成する個々の半導体モジュール２（２ａ〜２ｆ）とコンデンサ６との電流経路Ｒ（Ｒ１〜Ｒ６）の長さは、いずれも、他のグループＧ２，Ｇ３を構成する個々の半導体モジュール２（２ｇ〜２ｍ）とコンデンサ６との間の電流経路Ｒ（Ｒ７〜Ｒ１２）の最短距離（Ｒ７の長さ）よりも短い。

また、図６に示すごとく、半導体モジュール２の負極端子２２ｂは、負極バスバー８ｂを介して、コンデンサ６の負端子６２と接続している。負極バスバー８ｂの構造は、正極バスバー８ａの構造と略同じであるので、説明を省略する。

本例の作用効果について説明する。図１に示すごとく、本例においては、半導体モジュール２は、それぞれ別の電力変換回路Ｃ（Ｃ１〜Ｃ３）を構成する複数のグループＧ（Ｇ１〜Ｇ３）に分けられている。そして、半導体モジュール２の発熱量が高いグループＧほど、一対のパイプ４に近い位置に配置してある。
そのため、個々の半導体モジュール２の冷却効率を適正化することができる。すなわち、本例の電力変換装置１では、導入パイプ４ａから冷媒１１を導入することにより、冷媒１１を、個々の冷却管３に分流させ、導出パイプ４ｂから導出させている。これにより、冷媒１１と半導体モジュール２との間で熱交換を行い、半導体モジュール２を冷却している。この構造では、パイプ４ａ，４ｂに近い位置に存在する冷却管３ほど、冷媒１１の圧力損失が小さいため、冷媒１１が速く流れ、半導体モジュール２の冷却効率が高い。
本例では、発熱量が高いグループＧほど、パイプ４に近い位置、すなわち冷却効率が高い位置に配置してある。そのため、発熱量が高いグループＧを構成する半導体モジュール２を強く冷却できる。そのため、個々の半導体モジュール２の冷却効率を適正化することができる。

また、本例では、半導体モジュール２を小型化することができる。小型の半導体モジュール２は比較的発熱量が高いが、本例では、半導体モジュール２を冷却しやすいため、小型の半導体モジュール２でも用いることができる。小型の半導体モジュール２は安価であるため、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、電力変換装置１を全体的に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の温度を下げやすくなる。半導体モジュール２は温度が低い方が損失を低減できるため、電力変換装置全体の電力ロスを減少させることが可能になる。

また、本例の制御回路基板５は、個々のグループＧにおいてパイプ４からＸ方向に最も離れた半導体モジュール２ｆ，２ｉ，２ｍ以外であって、かつ積層体１０を構成する複数の半導体モジュール２のうちパイプ４に最も近いもの２ａ以外の、特定の半導体モジュール２ｅ，２ｈ，２ｋに内蔵した温度センサ２３を用いて、各グループＧの代表となる温度を検出する。そして、その検出値を使って、各グループＧを構成する個々の半導体モジュール２のスイッチング動作を制御する。
このようにすると、各グループＧ内の半導体モジュール２を冷却しやすくなる。そのため、半導体モジュール２を小型化でき、低コスト化できると共に、半導体モジュール２の損失を低減しやすくなる。すなわち、各グループＧにおいてパイプ４からＸ方向に最も離れた半導体モジュール２ｆ，２ｉ，２ｍは、発熱量が低いグループＧに隣接しているため、温度が低くなりやすい。また、全ての半導体モジュール２のうちパイプ４に最も近い半導体モジュール２ａは、Ｘ方向におけるパイプ４側に隣の半導体モジュール２が存在しないため、温度が低くなりやすい。そのため、仮に、この温度が低くなりやすい半導体モジュール２ａ，２ｆ，２ｉ，２ｍ内の温度センサ２３を使って温度を検出したとすると、制御回路基板５が温度を低く認識してしまうため、グループＧ内の他の半導体モジュール２の温度は高くても、それを反映したスイッチング制御ができなくなってしまう。つまり、半導体モジュール２に流れる電流を低減する制御を、制御回路基板５が行わなくなる。そのため、半導体モジュール２を適切に冷却できなくなる。
したがって、この、温度が低くなりやすい上記半導体モジュール２ａ，２ｆ，２ｉ，２ｍ以外の半導体モジュール２ｂ〜２ｅ，２ｇ，２ｈ，２ｊ，２ｋに内蔵した温度センサ２３を使って、温度を検出することにより、制御回路基板５が、グループＧ内の半導体モジュール２の温度を高めに認識することが可能になる。したがって、制御回路基板５が、半導体モジュール２に流れる電流を低減する制御を行うようになる。これにより、半導体モジュール２を適切に冷却することが可能になる。

また、本例の半導体モジュール２には、冷媒１１の上流側に配された半導体モジュール２ａ’〜２ｍ’と、下流側に配された半導体モジュール２ａ〜２ｍとがある。本例では、下流側に配された半導体モジュール２ｅ，２ｈ、２ｋを用いて、温度を検出している。下流側に配された半導体モジュール２は、上流側に配された半導体モジュール２よりも温度が高いため、制御回路基板５が半導体モジュール２の温度を高めに認識することが可能になる。そのため、各グループＧ内の半導体モジュール２を冷却しやすくなる。

また、図５に示すごとく、本例では、近接グループＧ１を構成する個々の半導体モジュール２（２ａ〜２ｆ）とコンデンサ６との間の電流経路Ｒ（Ｒ１〜Ｒ６）の長さは、いずれも、他のグループＧ２，Ｇ３を構成する個々の半導体モジュール２（２ｇ〜２ｍ）とコンデンサ６との間の電流経路Ｒ（Ｒ７〜Ｒ１２）の最短距離よりも短い。
このようにすると、近接グループＧ１を構成する半導体モジュール２とコンデンサ６との間の電流経路Ｒの長さが短いため、この電流経路Ｒにつく寄生インダクタンスを小さくすることができる。そのため、近接グループＧ１を構成する半導体モジュール２に加わるサージ電圧を小さくすることができる。近接グループＧ１内の半導体モジュール２は、動作頻度が高いため、サージ電圧によって素子が劣化するおそれが最も高いが、上記構成によって、この近接グループＧ１内の半導体モジュール２に加わるサージ電圧を低減でき、信頼性を高めることができる。また、半導体モジュール２のスイッチング速度を上げることが可能になるため、半導体素子２４を小型化及び低コスト化でき、また、損失を低減することが可能になる。

以上のごとく、本例によれば、個々の半導体モジュールの冷却効率を適正化することができる電力変換装置を提供することができる。

なお、本例では、図１に示すごとく、フレーム７の側壁７３と積層体１０との間に加圧部材１２を設けたが、これに限るものではなく、コンデンサ収容部７１と積層体１の間に加圧部材１２を設けてもよい。この場合、積層体１０は、側壁７３に向けて押圧されることになる。

また、本例では、図３に示すごとく、半導体モジュール２を制御するための制御回路部５０として、制御端子２１に接続した制御回路基板５を用いたが、これに限るものではなく、外付けの制御回路装置を用いてもよい。

（実施例２）
本例は、電力変換装置１の回路構成を変更した例である。図８に示すごとく、本例では、半導体モジュール２を２つのグループＧ１，Ｇ２に分けてある。一方のグループＧ１の半導体モジュール２は第１インバータ回路Ｃ１を構成しており、他方のグループＧ２の半導体モジュール２は第２インバータ回路Ｃ２を構成している。本例では、三相交流モータ１５の消費電力が低いときは、第１インバータ回路Ｃ１のみを使って、三相交流モータ１５に交流電力を供給する。また、三相交流モータ１５の消費電力が高くなったときは、第１インバータ回路Ｃ１と第２インバータ回路Ｃ２との双方を用いて、三相交流モータ１５に交流電力を供給する。

このように構成してあるため、第１インバータ回路Ｃ１（一方のグループＧ１）を構成する半導体モジュール２は、第２インバータ回路Ｃ２（他方のグループＧ２）を構成する半導体モジュール２よりも動作頻度が高く、発熱量が高い。そのため、本例では図９に示すごとく、一方のグループＧ１をパイプ４に近い位置に配置し、他方のグループＧ２をパイプ４から遠い位置に配置してある。したがって、発熱量が高い、一方のグループＧ１を構成する半導体モジュール２を強く冷却できる。そのため、個々の半導体モジュール２の冷却効率を適正化できる。

その他は、実施例１と同様である。また、本例に関する図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

（実施例３）
本例は、電力変換装置１の回路構成を変更した例である。本例では、半導体モジュール２を２つのグループＧ（Ｇ１，Ｇ２）に分けてある。一方のグループＧ１は第１昇圧回路Ｃ１を構成しており、他方のグループＧ２は第２昇圧回路Ｃ２を構成している。これらの昇圧回路Ｃ１，Ｃ２は、インバータ装置１７に接続している。このインバータ装置１７によって、昇圧後の直流電圧を交流電圧に変換し、三相交流モータ１５を駆動させている。

三相交流モータ１５の消費電力が低いときは、第１昇圧回路Ｃ１のみを用いて、インバータ装置１７に直流電力を供給する。三相交流モータ１５の消費電力が高くなったときは、第１昇圧回路Ｃ１と第２昇圧回路Ｃ２の双方を用いて、インバータ装置１７に直流電力を供給する。

このように構成してあるため、第１昇圧回路Ｃ１（一方のグループＧ１）を構成する半導体モジュール２は、第２昇圧回路Ｃ２（他方のグループＧ２）を構成する半導体モジュール２よりも動作頻度が高く、発熱量が高い。そのため、本例では図１１に示すごとく、一方のグループＧ１をパイプ４に近い位置に配置し、他方のグループＧ２をパイプ４から遠い位置に配置してある。したがって、発熱量が高い、一方のグループＧ１を構成する半導体モジュール２を強く冷却できる。そのため、個々の半導体モジュール２の冷却効率を最適化することができる。

また、昇圧回路Ｃ１，Ｃ２を使って直流電圧を昇圧するときには、下アームＩＧＢＴ素子２４２をオンオフ動作し、上アームＩＧＢＴ素子２４１はオフにしておく。そのため、下アームＩＧＢＴ素子２４２を内蔵する半導体モジュール２は発熱しやすく、上アームＩＧＢＴ素子２４１を内蔵する半導体モジュール２は発熱しにくい。本例では図１１に示すごとく、制御回路基板５を使って半導体モジュール２ｅ’，２ｋ’の温度を検出している。これらの半導体モジュール２ｅ’，２ｋ’は、下アームＩＧＢＴ素子２４２を内蔵している。そのため制御回路基板５は、より発熱しやすい、下アームＩＧＢＴ素子２４２を内蔵した半導体モジュール２ｅ’，２ｋ’の温度を検出することができる。したがって、制御回路基板５は、各グループＧ１，Ｇ２内の半導体モジュール２の温度を高めに認識することができる。そのため、半導体モジュール２に流れる電流を低減する制御を制御回路基板５が行いやすくなり、半導体モジュール２を冷却しやすくなる。

その他は、実施例１と同様である。また、本例に関する図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

１ 電力変換装置
１０ 積層体
１１ 冷媒
２ 半導体モジュール
２４ 半導体素子
３ 冷却管
４ パイプ
Ｇ グループ

Claims (2)

1. 半導体素子（２４）を内蔵した複数の半導体モジュール（２）と、該半導体モジュール（２）を冷却する冷媒（１１）が流れる複数の冷却管（３）とを積層した積層体（１０）と、
   上記複数の冷却管（３）のうち上記積層体（１０）の積層方向における一方の端部に位置する冷却管（３）に接続した一対のパイプ（４，４ａ，４ｂ）とを備え、
   上記積層方向に隣り合う上記冷却管（３）同士は、互いの間を上記冷媒（１１）が流れるよう連結されており、上記一対のパイプ（４ａ，４ｂ）のうち一方のパイプ（４ａ）から上記冷媒（１１）を導入することにより、該冷媒（１１）を個々の上記冷却管（３）へ分流させ、他方の上記パイプ（４ｂ）から導出するよう構成され、
   上記半導体モジュール（２）は、それぞれ別の電力変換回路を構成する複数のグループ（Ｇ）に分けられており、該複数のグループ（Ｇ）は、上記積層方向に配列しており、
   上記半導体モジュール（２）の発熱量が高い上記グループ（Ｇ）ほど、上記一対のパイプ（４ａ，４ｂ）に近い位置に配されており、
   上記半導体モジュール（２）のスイッチング動作を制御する制御回路部（５，５０）を有し、上記複数のグループ（Ｇ）のうち、上記パイプ（４）に最も近い上記グループ（Ｇ）である近接グループ（Ｇ１）は、上記半導体モジュール（２）を３段以上積層して構成してあり、上記近接グループ（Ｇ１）よりも上記パイプ（４）から遠い位置に配された上記グループ（Ｇ）である遠方グループ（Ｇ２，Ｇ３）は、上記半導体モジュール（２）を２段以上積層して構成してあり、上記制御回路部（５，５０）は、個々の上記グループ（Ｇ）において上記パイプ（４）から上記積層方向に最も離れた上記半導体モジュール（２ｆ，２ｉ，２ｍ）以外であって、かつ上記積層体（１０）を構成する複数の上記半導体モジュール（２）のうち上記パイプ（４）に最も近いもの（２ａ）以外の、特定の上記半導体モジュール（２ｅ，２ｈ，２ｋ）に内蔵した温度センサ（２３）を用いて、各上記グループ（Ｇ）の温度を検出し、その検出値を使って、各上記グループ（Ｇ）を構成する個々の上記半導体モジュール（２）のスイッチング動作を制御することを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 請求項１に記載の電力変換装置（１）において、上記複数のグループ（Ｇ）の半導体モジュール（２）に共通して接続するコンデンサ（６）を備え、上記一対のパイプ（４ａ，４ｂ）に最も近い上記グループ（Ｇ１）を構成する個々の上記半導体モジュール（２）と上記コンデンサ（６）との間の電流経路（Ｒ１〜Ｒ６）の長さは、いずれも、他の上記グループ（Ｇ２，Ｇ３）を構成する個々の上記半導体モジュール（２）と上記コンデンサ（６）との間の電流経路（Ｒ７〜Ｒ１２）の最短距離よりも短いことを特徴とする電力変換装置（１）。

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