JP6371001B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、両面冷却型のパワーモジュールを備えた電力変換装置に関する。
近年、省エネのためにパワー半導体チップと呼ばれる半導体素子のスイッチングを利用した高効率な電力変換装置が電気自動車、鉄道、産業機器、電力機器等広い分野で利用されている。パワー半導体チップは、通電による発熱量が高く冷却する必要があり、導電材、放熱材とこれらの絶縁材を実装したパワーモジュールの形態で利用されるとともに、小型化が求められている。
パワーモジュールを小型化する構造として、パワー半導体チップの両面から冷却する両面冷却型パワーモジュール構造が電気自動車用途向けに提案されている。
特許文献１には、低インダクタンス化や低損失化のために、複数並列化した両面冷却型パワーモジュールやコンデンサを、積層化した正負極バスバーに接合した構造が開示されている。特許文献２には、複数並列化した両面冷却型パワーモジュールを円状に配置した構造が開示されている。特許文献３には、パワーモジュールや空冷用のフィンを円周状に配置してモータの側面に配置した構造が開示されている。
特開２０１４−１７１３４２号公報 特開２００４−２８２９０５号公報 実開平０５−０２５９８８２号公報
特許文献１や２のように、両面冷却型パワーモジュールを互いに対向するように一列に配置した構造では、絶縁材による密封が困難なパワーモジュールの端子間の絶縁距離（空間距離や沿面距離）の確保のため、電力変換装置の小型化が困難となる。
特許文献３のように、片面冷却型のパワーモジュールを円周状に設置し、端子を外周側に設置すると、空冷フィンの設置場所が小さくなるため、冷却効率のさらなる向上が期待される。充分な冷却効率が得られない課題があった。また、円周の法線方向に冷却風が必要なように空冷フィンを設置すると、電力変換装置をモータ側面に配置する際に側面方向の大きさが大きくなるという課題があった。
このように両面冷却型パワーモジュールでは高い冷却性能により小型化になっている一方で、コンデンサの小型化は困難となっており、コンデンサの設置構造に律速され、電力変換装置が大型化する課題があった。
国際規格ＩＥＣ６００７７−１に代表されるように、鉄道など高圧システムに適用する場合、電圧差が存在する端子間の絶縁距離が１０ｍｍ以上必要である。また、必要なコンデンサ容量が低圧システムよりも大きく、端子部の絶縁距離やコンデンサの体積に律速され、電力変換装置が大型化する課題があった。
本発明は上記課題に鑑み、小型化が可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために本発明に係る電力変換装置は、想定中心軸から放射状に配置され、断面形状が台形状である複数の水路と、水路に両面を狭持されるように水路間に配置されたパワーモジュールと、を備え、パワーモジュールは、想定中心軸に対して遠心方向側の端面に出力端子及び正負極端子が設けられ、隣り合うパワーモジュールは互いに表裏が反転していることを特徴とする。
本発明によれば、電力変換装置の小型化が可能となる。
本発明の一例であるパワーモジュールと冷却器の外観斜視図である。 本発明の一例である電力変換装置の回路図である。 本発明の一例であるパワーモジュールの斜視図である。 本発明の一例である第一絶縁材を取り除いたパワーモジュールの斜視図である。 本発明の一例であるパワーモジュールのＡＡ’の断面模式図である。 本発明の変形例であるパワーモジュールと冷却器の断面模式図である。 本発明の変形例であるパワーモジュールと冷却器の断面組立図である。 本発明の一例であるパワーモジュールとコンデンサの断面模式図である。 本発明の一例であるパワーモジュールとコンデンサの断面模式図である。 本発明の変形例であるパワーモジュールとコンデンサの断面模式図である。 本発明の変形例であるパワーモジュールとコンデンサの断面模式図である。 本発明の変形例である電力変換装置とモータに対し水路経路を示した断面模式図である。 本発明の一例である電力変換装置とモータに対し電気経路を示した断面模式図である。 本発明の変形例である電力変換装置とモータに対し電気経路を示した断面模式図である。
＜第１の実施形態＞
本発明に関するパワーモジュールの一例を図１から図５を用いて説明する。なお、図面及び実施例ではパワーモジュールとしてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いた例を取り上げるが、本発明はＭＯＳＦＥＴにも適用可能である。
図１に、本発明に関する電力変換装置の組立斜視図、図２に、本発明に関するインバータ回路を示す。本発明に係る電力変換装置は、想定中心軸から放射状に配置され、台形状の断面を有する複数の水路と、水路に両面を挟持されるように水路間に配置されたパワーモジュールとを備える。すなわち、直方体のパワーモジュール９０１Ｕ、９０１Ｖ、９０１Ｗに対し、断面形状が台形状である水路８００および８０１が環状に並べられている。
このように、パワーモジュールと、台形状の断面形状を有する水路と、を環状に並べ略円柱状に設置することにより、電力変換装置の小型化が可能となる。また、パワーモジュールの冷却器を水路とすることにより、空冷フィンと比較して冷却器の小型化が可能となり、冷却器の大きさに律速されることなくパワーモジュール９０１、９０２と同一円周に設置できる。さらに、水路８００、８０１を台形の断面形状とすることにより、パワーモジュール９０１、９０２の厚みばらつきを吸収できる。その結果、生産性が向上する。また、冷却効率の高いフィン部をパワーモジュール９０１、９０２の放熱面よりも広くすることで、位置ずれが生じても冷却性能を劣化させずに設置することが可能である。
パワーモジュール９０１Ｕ、９０１Ｖ、９０１Ｗは、図２に示す各相の上アームの１ｉｎ１回路を有する。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相で構成される電力変換装置は、直流電源を平滑するコンデンサ７００と、スイッチング素子であるＩＧＢＴ１０１とダイオード１０２とから構成されている。ここで、スイッチング素子であるＩＧＢＴがＭＯＳＦＥＴである場合には、ダイオード１０２を接続せずにＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを利用してもよい。スイッチング素子１０１は、各制御端子にゲート駆動回路２０からオン信号およびオフ信号に応じたゲート電圧が印加されることで、スイッチング動作する。オン信号およびオフ信号は、例えば、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって制御される。パワーモジュール９０２Ｕ、９０２Ｖ、９０２Ｗは、図２に示す各相の下アームの１ｉｎ１回路を有する。
パワーモジュールは、正負極端子及び出力端子を想定中心軸に対して遠心方向側の端面に有する。図３は、パワーモジュール９０１、９０２の斜視図である。短手方向の一方の端面から制御端子のゲート端子２１とセンスエミッタ端子２５、パワー端子のエミッタ端子２２とコレクタ端子２３が引き出されている。図１において、パワーモジュール９０１Ｕ、９０１Ｖ、９０１Ｗのエミッタ端子２２は正極端子２２Ｐ、コレクタ端子２３は出力端子２３ＡＣとして機能する。パワーモジュール９０２Ｕ、９０２Ｖ、９０２Ｗのエミッタ端子２２は出力端子２２ＡＣ、コレクタ端子２３は負極端子２３Ｎとして機能するように、隣り合うパワーモジュールの表裏を反転させ並べられている。ここで、各端子は、電力変換装置の想定中心軸に対して遠心方向側の端面に整列し並べられており、規格を満足する絶縁距離（空間および沿面距離）が確保されている。図示しないが、第一の絶縁材１０には凹凸形状が形成されており、沿面距離が確保されている。このように、正極端子又は負極端子と、出力端子は互いに緩衝しない領域に設けられている。
絶縁距離の確保が必要なパワーモジュールの正負極端子２２Ｐ、２３Ｎおよび出力端子２２ＡＣ、２３ＡＣを略円柱側面の外周の一方向から取り出す構造とすることにより、パワーモジュールと水路とを一列に並べた場合に比較してパワーモジュール部の設置体積を小さくできる。また、上下アームのパワーモジュール９０１、９０２を同一形状とし、パワーモジュールの表裏を反転させた際に、エミッタ端子とコレクタ端子とが左右対称となるようにすることで、正負極端子と出力端子とをほぼ同一の高さに設置でき、コンデンサ端子や出力端子の引き回しが容易になる。また、同一形状のパワーモジュールを用いることが可能となり、生産性が向上する。
また、図１において、パワーモジュールの（端子が設けられている面）は、水路よりも想定中心軸に対して遠心方向に突出している。つまり、パワーモジュール９０１と９０２の端子側は、水路８００と８０１よりも円周外側に突出しており、各端子と水路間は第一の絶縁材１０により、規格を満足する絶縁距離（空間および沿面距離）が設けられている。このように、パワーモジュール端子側については、第一の絶縁樹脂１０を水路よりも突出させることで、端子と水路間に必要な絶縁距離を確保できる。
パワーモジュール９０１と９０２の表面側放熱面４２および裏面側の放熱面４３（図示せず）は、パワーモジュール９０１と９０２の放熱面である。第一の絶縁材１０は、各端子２１、２２、２３、２５と放熱面４２、４３を除く領域に充填されている。また、パワーモジュール９０１と９０２は、冷却器８００と８０１に伝熱シート１３４（図示せず）を介し押圧状態で取り付けられている。
図４は、図３から第一の絶縁材１０を取り除いたものである。本実施形態では、搭載するパワー半導体デバイスとして、２枚のＩＧＢＴ１０１および２枚のダイオード１０２とを備えている。２枚のＩＧＢＴ１０１および２枚のダイオード１０２は、表裏に回路パターンとメタライズ層を有するエミッタ電極側のセラミックス基板１２とコレクタ電極側のセラミックス基板１３に挟まれた形態をとっている（理解を助けるために図示している）。ＩＧＢＴとダイオードの搭載数については、定格電流にあわせ変更することが可能である。なお、本明細書において、放熱性を有する金属基板からなる層をメタライズ層という。
図５は、図４の点線ＡＡ’部の断面図である。ＩＧＢＴ１０１のコレクタ電極およびダイオード１０２のカソード電極（図示せず）は、メタライズ１３３とセラミックス絶縁層１３２を有するセラミックス基板１３に設けられたコレクタ回路１３１に対し、金属接合部１１を介して電気的に接合されている。ＩＧＢＴ１０１のエミッタ電極１０２およびダイオード１０２のアノード電極（図示せず）は、メタライズ層１２３とセラミックス絶縁層１２２を有するセラミックス基板１２に設けられたエミッタ回路１２１に対し、金属接合部１１と突出部１２１Ａを介して電気的に接合されている。
また、セラミックス基板１２と１３のＩＧＢＴおよびダイオード搭載面の反対側には、放熱面４２と４３が形成されている。ＩＧＢＴ１０１のアクティブ部で発生した熱は、セラミックス基板１３を垂直方向に伝熱し水路８００で冷却される経路と、突出部１２１Ａからセラミックス基板１２を垂直方向に伝熱し水路８０１で冷却される経路の二つを持つ。表裏方向と二つの放熱経路を有するパワーモジュールを両面冷却型のパワーモジュールと定義する。
エミッタ回路１２１に設けた突出部１２１Ａは、第一の絶縁材１０の絶縁特性から決まるエミッタ回路１２１／コレクタ回路１３１間の絶縁距離を制御する機能を持つ。突出部１２１Ａは、接合プロセス時に自立できるように、設置面の幅や奥行きを厚みよりも大きい形状としている。次に、金属接合部１１よりも突出部１２１Ａの厚みを大きくし、接合時の傾きや厚みばらつきが小さくなるようにしている。さらに、組立性を向上するため、突出部１２１Ａのエミッタ電極１０２への設置面の幅や奥行きは、エミッタ電極１０２よりも小さくしている。
突出部１２１Ａには、低電気抵抗かつ低熱抵抗になるよう、熱伝導率の高い銅やアルミニウム、モリブデン、タングステン、カーボン、それらの合金、複合材を選択した方が望ましい。また、それらを組み合わせ、銅やアルミニウムに対する低熱膨張な中間層を設置してもよい。本実施形態では、中間層を省略した構造としている。
セラミックス絶縁層１２２、１３２は、第１の実施形態と同様に、絶縁耐圧が高い窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等が用いられる。特に、熱伝導率の高い窒化アルミニウムや窒化珪素が望ましい。セラミックス絶縁層１２２と１３２の厚さは、パワーモジュールに必要な絶縁特性にあわせ、０．１〜１．５ｍｍの範囲に設定される。この構造では、表裏のセラミックス絶縁層の厚さを同等にすることで、パワーモジュールの熱応力による変形を小さくすることができる。
ＩＧＢＴ１０１の主電極であるエミッタ電極１０２やコレクタ電極１０３を搭載するエミッタ回路１２１やコレクタ回路１３１には、電気抵抗が低い銅やアルミニウム、それらの合金が用いられる。回路よりも低熱膨張なセラミックス絶縁層との間に、低熱膨張で熱伝導率が高いモリブデンやタングステンやカーボン、それらの材料と銅やアルミニウムとの複合材からなる中間層を設置してもよい。本実施形態では、中間層を省略した構造としている。エミッタ回路１２１とコレクタ回路１３１の厚さは、必要な電流容量にあわせ、０．２〜２．０ｍｍの範囲に設定される。
メタライズ層１２３、１３３には、熱伝導率の高い銅やアルミニウム、それらの合金が用いられる。また、回路側と同様に、メタライズ層とセラミックス絶縁層間に低熱膨張で熱伝導率が高いモリブデンやタングステンやカーボン、それらの材料と銅やアルミニウムとの複合材からなる中間層を設置してもよい。本実施形態では、中間層を省略した構造としている。
回路部１２１、１３１とメタライズ層１２３、１３３は、例えばセラミックス１２２と１３２と強固な接合ができるロウ材を用いて接合される。この時、セラミックス絶縁層をはさんで、回路とメタライズ層の熱膨張率差とヤング率から求まる熱応力が等しくなるようにする方が望ましい。
第一の絶縁材１０は、例えば、接着性のあるノボラック、多官能、ビフェニル、フェノール型のエポキシ樹脂系、ビスマレイミドトリアジン系、シアネートエステル系を基にした樹脂を用いることができる。これらの樹脂に、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＢＮなどのセラミックスやゲル、ゴムなどのフィラーを含有させ、熱膨張係数を３〜２３ｐｐｍ／ＫとＩＧＢＴや回路１２１、１３１に近づけ、熱膨張係数の差を低減する。また、ヤング率を１〜数十ＧＰａの範囲に設定する。このような熱膨張係数やヤング率の樹脂を用いることにより、使用環境時の温度上昇に伴って発生する熱応力が大幅に低下するため、パワーモジュールの寿命を延ばすことが可能となる。
第一の絶縁材１０に上述の樹脂を用いで封止する前には、回路、端子、セラミックス絶縁層、メタライズ層、半導体チップ、金属接合部に対して第一の絶縁材１０と密着強度を向上する処理を施すことが望ましい。密着強度を向上する処理として、例えば、ポリアミドイミドやポリイミドなどの塗布膜を形成する手法が挙げられる。
エミッタ電極１０２、コレクタ電極１０３を接合する金属接合部１１は、例えば、はんだ材や微細金属粒子、酸化金属粒子を主体とした低温焼結接合材等が用いられる。はんだ材には、第一の絶縁材１０の硬化温度よりも融点が高い錫、ビスマス、亜鉛、金、アルミニウム等が主成分であるはんだを用いることができる。微細金属粒子には、凝集保護材で被覆された銀や銅の微粒子であり、特に、凝集保護材がはんだ材と同等の低温で脱離可能なものが適用可能である。酸化金属粒子には、酸化銀や酸化銅等のはんだ材と同等の低温で還元可能な酸化金属が適用可能である。微細銀粒子および微細銅粒子、酸化銀、酸化銅粒子を用いた場合には、金属接合部は焼結銀や焼結銅層となる。接合は、水素や不活性雰囲気中で２５０〜３５０℃まで加熱して行われる。
ＩＧＢＴのゲート電極とゲート端子２１は、電気抵抗が小さいＡｌやＣｕ製のワイヤやリボン等を用いて超音波接合する（図示せず）。
伝熱シート１２４、１３４には、シート状で熱伝導率が高い材料が用いられる。また、ヤング率がメタライズ層１３３や第一の絶縁材１０よりも低い材料を用いる。特に、高熱伝導な導電性の金属やカーボン系のシートが高熱伝導の点でより望ましい。さらに、アクリルやシリコーンやウレタン系の樹脂にカーボンフィラーを含有させることで、柔軟性を向上した構造にすることが可能である。また、メタライズ層１２３、１３３の表面を露出させるとともに、伝熱シート１２４、１３４をメタライズ層や冷却器の両方に対して、化学的、あるいは金属的な接合させず、押圧により密着させる設置構造とすることで、シートに発生する応力を低減することが可能になる。
伝熱シート１２４、１３４の外周部の第一の絶縁材と水路の間に第二の絶縁材６０２を設置して絶縁性を向上することが可能である。第二の絶縁材６０２についても化学的な、あるいは金属的な接合させず、押圧により密着させる設置構造とすることで、第二の絶縁材６０２に発生する応力を低減することが可能になる。第二の絶縁材６０２は、第一の絶縁材１０や伝熱シート１３４よりもヤング率が小さい材料が好ましい。このような材料には、アクリルやシリコーンやウレタン系の樹脂のほか、熱可塑性エラストマー、シリコーンゲル等がある。ヤング率は１ＭＰａ未満とした方が好ましい。このように、伝熱シートよりも十分やわらかくすることで、伝熱シートよりもやや厚く供給厚を設定すれば、押圧した際に伝熱シートに十分な押圧力が発生するまで圧縮するためである。
水路は、熱伝導率が高いアルミニウムや銅、あるいはそれらの合金が好ましく、鋳造や鍛造や切削により作製可能である。特に、アルミニウムやアルミニウム合金を用い、押し出し製法により作製することで、低コスト化が可能である。また、冷却水は直列に流す経路や並列に流す経路をジョイント部により形成できる。
また、水路は、パワーモジュールのコレクタ回路側に設けられた給水口と、前記パワーモジュールのエミッタ回路側に設けられた排水口と、を備え、冷却水がコレクタ回路側からエミッタ回路側へ流れることが好ましい。つまり、パワーモジュール９０１、９０２のコレクタ面を冷却する水路８００から入れて、パワーモジュール９０１、９０２のエミッタ面を冷却する水路８０１から出す経路が好ましい。図５に示すように、ＩＧＢＴ１０１の発熱減に近いエミッタ電極１０２とコレクタ電極１０３の面積は、コレクタ電極１０３の方が大きい。これにより、コレクタ側の熱抵抗の方が小さく、伝熱量が大きくなる。このため、冷却する水路８００から入れて、水路８０１から出す経路の方が、パワーモジュール９０１、９０２の両面の温度上昇差が小さくなるためである。水路８００と８０１のジョイントは、隣り合う水路同士で設置することで、対称面方向の水路８００と８０１で設置するよりも、ジョイント部の小型化が可能である。
＜第１の実施形態の変形例＞
第１の実施形態の変形例について図６を用いて説明する。
図６は、パワーモジュール９０１Ｕ、９０１Ｖ、９０１Ｗ、９０２Ｕ、９０２Ｖ、９０２Ｗと水路８００および８０１の組立部の断面図である。図６に係る電力変換装置は、想定中心軸の周囲にパワーモジュールの位置決め部８０９を備える。水路８００および８０１は、パワーモジュール９０１、９０２側に冷却フィンを設けており、中央部に肉厚部を有している。肉厚部には、ねじ穴が設けられており、ねじ８０８を用いてモジュール位置決め部８０９に対して皿バネ８０７を介して固定される。
モジュール位置決め部８０９には、モジュールを仮固定可能な凹部（嵌合部）が設けられており、水路を中心方向に移動させ、規定のトルク力を付与することで、パワーモジュール９０１Ｕ、９０１Ｖ、９０１Ｗ、９０２Ｕ、９０２Ｖ、９０２Ｗに所定の面圧を付与することができる。
モジュール位置決め部８０９の仮固定可能な嵌合部は凹部に限定されず、凸部であってもよい。嵌合部を凸部とする場合はモジュールに凹部を設けることで仮固定可能である。また、点状の突起としてもよい。固定方法についても、ねじに限らず楔やバネでもよい。また、水路８００および８０１を台形状の断面を有する二つの水路に分割して、その間に挟圧用の部材を挿入することも可能である。この場合も、押し出し製法を用いて、同一形状とすることで生産性が高まる。
＜第２の実施形態＞
本発明に関するパワーモジュールとコンデンサの接続構造の一例を図７と図８を用いて説明する。以下の実施形態においては、第１の実施形態と同様の構成については、説明を省略する。
図７は、本発明に関するパワーモジュール９０１Ｕ、９０１Ｖ、９０１Ｗ、９０２Ｕ、９０２Ｖ、９０２Ｗと水路とコンデンサ７００ａ、７００ｂ、７００ｃの組立部の断面図である。コンデンサ７００ａ〜７００ｃは、電解コンデンサ、フィルムキャパシタのどちらでもよく、複数のコンデンサセルが一つのパッケージに格納されていても良い。コンデンサは、水路に隣接するように、想定中心軸から放射状に配置されている。このように、本実施例においては、コンデンサをパワーモジュールよりも電力変換装置の想定中心軸に対して遠心方向側に配置している。パワーモジュールよりも体積の大きいコンデンサを外側に配置することにより、電力変換装置の小型化が可能となる。また、パワーモジュール９０１Ｕ、９０１Ｖ、９０１Ｗ、９０２Ｕ、９０２Ｖ、９０２Ｗとコンデンサ７００ａ〜７００ｃの位置関係を対称にしたために、コンデンサ７００ａ〜７００ｃの長寿命化が可能となる。
コンデンサ７００ａの正極端子７２２Ｐは、Ｕ相を構成するパワーモジュール９０１Ｕの正極端子２２Ｐ端子と、必要となる絶縁距離を確保し円内周側で接続されている。コンデンサ７００ａの負極端子７２３Ｎは、パワーモジュール９０２Ｕの負極端子２３Ｎ端子と、必要となる絶縁距離を確保し円内周側で接続されている。コンデンサ７００ｂはパワーモジュール９０１Ｖの正極端子２２Ｐ端子と９０２Ｖの負極端子２３Ｎ端子、コンデンサ７００ｃはパワーモジュール９０１Ｗの正極端子２２Ｐ端子と９０２Ｗの負極端子２３Ｎ端子と同様に接続される。パワーモジュールとコンデンサとを、このように接続することにより、コンデンサとパワーモジュールの距離を最短で接続でき、損失を小さくすることが可能となる。
コンデンサ７００ａ〜７００ｃの円外周側には、正極端子７１２Ｐが設けられている。各コンデンサの正極端子７１２Ｐは、還流用バスバー７１１Ｐと電気的に接続される。還流用バスバーは、コンデンサよりも、電力変換装置の想定中心軸に対して遠心方向側に配置されている。
図８は、コンデンサ７００ａ〜７００ｃの負極端子７１３Ｎと還流用バスバー７１１Ｎの接続形態を示す断面図である。各コンデンサ７００ａ〜７００ｃの負極端子７１３Ｎは、還流用バスバー７１１Ｎと電気的に接続されている。また、還流用バスバー７１１Ｎは、還流用バスバー７１１Ｐと必要な絶縁距離を高さ方向で確保し、対向された状態で設置される。図８では、図面平行方向に対向させているが、垂直方向に対向した状態で設置することも可能である。対向させることで低インダクタンス化が可能である。また、引き出し部である還流用バスバー７１１Ｐおよび７１１Ｎは、絶縁紙や樹脂部材の挿入や樹脂モールド等により必要な絶縁距離を確保することで、端子部７１２Ｐ、７１３Ｎよりも距離を近づけることが好ましい。
各コンデンサを還流用バスバー７１１Ｐ、７１１Ｎで接続することにより、コンデンサ容量を小さくすることが可能となる。また、還流用バスバーをコンデンサの外側に配置することにより、還流用バスバー７１１Ｐ、７１１Ｎでコンデンサ７００ａ〜７００ｃを外周側から支えることができ、コンデンサとパワーモジュールの接続部にかかる応力を低減できる。また、還流用バスバー７１１Ｐと７１１Ｎを環状に設置しているため、コンデンサやパワーモジュール自体の耐振性を向上することが可能となる。環状に設置した還流バスバーに入力電流をいれることが可能であり、入力端子を自由に設置することが可能となる。
＜第２の実施形態の変形例１＞
本発明に関するパワーモジュールとコンデンサの接続構造の変形例を図９と図１０を用いて説明する。
図９に示す変形例では、上記のコンデンサ７００ａ〜７００ｃに加えて、コンデンサ７０１ａ〜７０１ｃが設置されている点が異なる。コンデンサ７０１ａの正極端子７２２Ｐは、Ｖ相を構成するパワーモジュール９０１Ｖの正極端子２２Ｐ端子と、コンデンサ７０１ａの負極端子７２３Ｎは、Ｕ相を構成するパワーモジュール９０２Ｕの負極端子２３Ｎ端子と必要な絶縁距離を確保し、円内周側で接続されている。コンデンサ７０１ｂの正極端子７２２Ｐは、Ｗ相を構成するパワーモジュール９０１Ｗの正極端子２２Ｐ端子と、コンデンサ７０１ｂの負極端子７２３Ｎは、Ｖ相を構成するパワーモジュール９０２Ｖの負極端子２３Ｎ端子と、コンデンサ７０１ｃの正極端子７２２Ｐは、Ｕ相を構成するパワーモジュール９０１Ｕの正極端子２２Ｐ端子と、コンデンサ７０１ｃの負極端子７２３Ｎは、Ｗ相を構成するパワーモジュール９０２Ｗの負極端子２３Ｎ端子と、必要な絶縁距離を確保し円内周側で接続されている。
図９に示すように、各コンデンサ７００ａ〜７００ｃと７０１ａ〜７０１ｃの円外周部には７１２Ｐ端子が設けられており、還流用バスバー７１１Ｐと電気的に接続される。また、図１０に示すように、各コンデンサ７００ａ〜７００ｃと７０１ａ〜７０１ｃの円外周部には７１３Ｎ端子が設けられており、還流用バスバー７１１Ｎと電気的に接続される。
このように、コンデンサ７０１ａ〜７０１ｃを設置することにより、各コンデンサ容量を小さくすることができ、電力変換装置の小型化が可能となる。
＜第２の実施形態の変形例２＞
本発明に関するコンデンサの設置構造の変形例について図１１を用いて説明する。
図１１に示す変形例では、各コンデンサ７００ａ〜７００ｃと７０１ａ〜７０１ｃの間に水路８０２が設置されている点が異なる。水路８０２は、台形状若しくは略三角形状の断面を有しており、コンデンサ７００ａ〜７００ｃと７０１ａ〜７０１ｃの位置ずれが生じても設置しやすい形状となっている。
水路は還流用バスバー７１１Ｐと７１１Ｎと異なる高さの部分で筐体５００に固定されている。本実施形態では、筐体５００と水路８０２を別体としたが、一体化することも可能である。
水路を設置することで、コンデンサの導通損失等により発生する発熱を冷却できコンデンサの小型化や寿命の向上が可能となる。
＜第３の実施形態＞
本発明に係るパワーモジュールとモータの接続構造の一例について図１２と図１３を用いて説明する。
図１２は、本発明に関するパワーモジュールを用いた電力変換装置とモータの接続構造の冷却形態を表す断面図である。モータ４００の側面に電力変換装置６００が横置される。本実施形態に係る駆動装置は、回転電機（モータ）と、電力変換装置と、モータと電力変換装置の間に設けられた水路とを備える。電力変換装置は、モータの回転軸に対して、電力変換装置の想定中心軸が略平行となるように設置されている。
このように電力変換装置とモータとを配置することにより、電力変換装置６００とモータ４００の接続長さが大幅に短く出来るため、部品点数の削減による低コスト化や省メンテナンス性を実現できる。さらにはモータケーブルから放射される電磁ノイズを発生しないため、電子機器へのノイズの影響を抑制できる。
モータ４００には、回転軸４０１とこれを支える軸受け部（図示せず）が設けられたフレーム５０１に設置される。回転軸４０１の周囲にはロータ４０２が設置され、この外周部にはエアギャップを介してステータ４０３が設けられている。ロータ４０２はロータ鉄心とシャフトによって構成される。ステータ４０３には、ステータコイル４０４とステータ鉄心（図示せず）が設けられ、ステータコイル４０４に電流を流すことで磁界が発生し、ロータ４０２に電磁力が発生し回転する。ここで、モータ４００は、誘導モータもしくは永久磁石モータのどちらでもよく、永久磁石モータの場合は、ロータ４０２に永久磁石が用いられ、誘導モータの場合は、電気伝導率が高い導電性部材が用いられる。
ステータ４０３にはステータコイル４０４に電流を流すことで銅損が発生する。また、ステータコイル４０４に電流を流すことで発生する磁界によって、ステータ鉄心に鉄損が発生する。また、ロータ４０２には渦電流に起因する銅損が発生する。これらモータ４００で発生する発熱を冷却する必要がある。そこで、ロータ４０２やステータ４０３には、通気用のロータダクト４０２ａや４０３ａを設け、ファン８１０によって空気をモータ機内に循環させ、フレームダクトで外気と熱交換する。
ここでは、ロータよりも耐熱温度が低いステータ４０３を高効率で冷却するために、円周状に水路２００を設けている。水路２００は内壁２０１と外壁２０２と流路２０３から構成される。冷却水はジョイント２０８から入り、ジョイント２０９から排出される。それぞれのジョイントは、円周方向に設けられる。
ステータ４０３を水冷方式にしたため、空冷方式でロータ４０２と同時に冷却する場合と比較して、冷却系の最適化が可能となる。また、ファンにより生じる冷却風と筐体２００やステータ４０３で熱交換が可能となり、ロータ４０２の冷却効率が向上する。これらの水冷方式により、モータ４００の小型化が可能である。また、ロータの冷却を空冷ファンに変えて絶縁油をいれた油冷方式を採用することも可能である。モータの回転により絶縁油がロータ４０２や回転軸４０１を冷却するとともに、水路を内蔵した筐体や冷却されたステータにより絶縁油が熱交換することで高効率な冷却が可能となりモータを小型化することが可能である。
電力変換装置６００のモータ４００との設置側面部に水路３００を設けた。モータ４００の側面側の電力変換装置６００の筐体は水路により冷却されているため、モータ４００の回転軸４０１とこれを支える軸受け部（図示せず）が設けられたフレーム５０１の冷却効率を高めることが可能となる。高冷却化によりモータ４００の小型化が可能である。
電力変換装置とモータとの間に設けられた水路３００は、内壁３０１と外壁３０２と流路３０３から構成される。水路３００は、電力変換装置に設けられた水路から回転電機に設けられた水路へ冷却水が流れるように、電力変換装置に設けられた水路と回転電機に設けられた水路とを接続している。冷却水はジョイント３０８から入り、パワーモジュールを冷却する水路８００および８０１、コンデンサを冷却する水路８０２を通り、ジョイント３０９から排出される。冷却水が流れる経路は、耐熱温度が低い順であることが好ましい。すなわち、コンデンサ、パワーモジュール、モータの順に冷却することが好ましい。よって、本実施形態においては、冷却水はジョイント３０８から入り、ジョイント３０９、ジョイント２０８を通り、ジョイント２０９から排出される。また、パワーモジュール部の水路はコレクタ側を冷却する８００から入り、エミッタ側を冷却する８０１から出ることが好ましい。このとき、水路８００と８０１のジョイントは、隣り合う水路同士で設置することで、対称面方向の水路８００と８０１で設置するよりも、ジョイント部の干渉がなく小型化が可能である。
図１３は、本発明に関するパワーモジュールを用いた電力変換装置とモータの接続構造の電気経路を表す断面図である。ステータコイル４０４にはＵ、Ｖ、Ｗ相が存在する。ここでは、Ｕ相に相当するステータコイル４０４からモータ４００の入力端子４０４Ｕが円周方向に引き出されている。また、紙面奥行き方向でＶ相、Ｗ相に相当するステータコイル４０４からも入力端子４０４Ｖおよび４０４Ｗが引き出されている。入力端子４０４Ｕ、４０４Ｖ、４０４Ｗは、ステータコイル引き出し部では、絶縁部材４０７、モータ内部では絶縁部材４０６、筐体２００内では絶縁部材４０８を介して、端子間と筐体に対し絶縁されている。
電力変換装置６００のＵ相に相当するパワーモジュール９０１ＵのＡＣ端子２３ＡＣは、パワーモジュール９０２ＵのＡＣ端子２２ＡＣと、出力端子６０４Ｕで電気的に接続され、筐体５００に対して絶縁部材を介して天井方向に引き出される。同様に、Ｖ相、Ｗ相に相当するパワーモジュール９０１Ｖ、９０２Ｖ、９０１Ｗ、９０２Ｗからも、出力端子６０４Ｖと６０４Ｗが天井方向に引き出される。また、還流バスバー７１１Ｐおよび７１２Ｎは絶縁部材を介して天井方向に引き出される。
電力変換装置６００の出力端子６０４Ｕ、６０４Ｖ、６０４Ｗは、コネクタ３４０内でモータ４００の入力端子４０４Ｕ、４０４Ｖ、４０４Ｗと接続される。電力変換装置６００の７１１Ｐおよび７１２Ｎはコネクタ３６０により電源と接続される。
また、水路や電気の入出力部を一方向に設置したため設置しやすく、メンテナンススペースの小型化が可能である。電力変換装置６００とモータ４００の冷却水路を同一化したため、駆動装置全体の小型化が可能となる。特に、電力変換装置をモータ側面に設置する場合はギア等の機械部品がモータ側面に配置されるため、水路や電気の入出力部を上部に設けることで省スペース化が可能となる。
＜第３の実施形態の変形例＞
本発明に関するパワーモジュールとモータの接続構造の変形例について図１４を用いて説明する。
ここでは、モータ４００の入力端子４０４Ｕ、４０４Ｖ、４０４Ｗと電力変換装置６００の出力端子６０４Ｕ、６０４Ｖ、６０４Ｗの電気的な接続構造に違いがある。入力端子４０４Ｕは、ステータコイル円周内のＵ相で構成される領域から円周外部方向（モータ側面）に引き出され、電力変換装置６００の出力端子４０４Ｕとコネクタ３４０Ｕを介して電気的に接続される。入力端子４０４Ｖおよび４０４Ｗも、それぞれの相で構成される領域からにモータ側面から引き出され、電力変換装置６００の出力端子４０４Ｖや４０４Ｗとコネクタ３４０Ｖや３４０Ｗを介して電気的に接続される。
相毎に入力端子を引き出す構造にすることで、ステータコイル円周内の入力端子の引き回しが容易になるとともに、引き出し部領域にて、端子間を絶縁する部材が不要となり、組立性や信頼性が向上する。また、モータの極数に合わせて、パワーモジュール９０１や９０２の並列数を増加することができる。増加することで、モータ４００の入力端子４０４Ｕ、４０４Ｖ、４０４Ｗと電力変換装置６００の出力端子６０４Ｕ、６０４Ｖ、６０４Ｗの配線距離を最短化できる。
コネクタ部についても端子間を絶縁する部材が不要となり小型化が可能となる。また、筐体２００や５００内に接続部を収納することができ、小型化が図れる。
相毎で接続長さを小さくでき導通損失が減少し効率が向上する。また、相間の配線長の均一性が高まるため、電流バランスが向上する。特にデルタ結線の場合には、電流バランスが向上により、相間に発生する循環電流が抑制されることで導通損失が減少し効率が向上する。
本実施形態では、最も小さい体積でパワーモジュールを冷却可能な冷却器８００や８０１として水路を用いた。これに替えて空冷フィンを用いることも可能である。その場合は、水路に相当する領域に対しヒートパイプを内蔵したヒートシンクに替え、空冷フィンを筐体外部の高い部分に設置する方が好ましい。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０…第一の絶縁材、１１…金属接合部、１２…セラミックス基板、１３…セラミックス基板、１０１…ＩＧＢＴ、１０２…Ｄｉｏｄｅ、２０…ゲート駆動回路、２１…ゲート端子、２２…エミッタ端子、２３…コレクタ端子、２４…中間端子、２５…センスエミッタ端子、１２１…エミッタ回路、１３１…コレクタ回路、１２２…セラミックス絶縁層、１３２…セラミックス絶縁層、４２…放熱面、４３…放熱面、１２３…メタライズ層、１３３…メタライズ層、６０２…第二の絶縁材、１２４…伝熱シート、１３４…伝熱シート、４００…モータ、４０１…回転軸、４０２…ロータ、４０３…ステータ、４０４…ステータコイル、５００…筐体、６００…電源、７００…コンデンサ、８００…水路、８０１…水路、８０２…水路、６００…電力変換装置、９０１…パワーモジュール、９０２…パワーモジュール

Claims (13)

  1. 想定中心軸から放射状に配置され、断面形状が台形状である複数の水路と、
    前記水路に両面を狭持されるように前記水路間に配置されたパワーモジュールと、を備え、
    前記パワーモジュールは、前記想定中心軸に対して遠心方向側の端面に出力端子及び正負極端子が設けられ、
    隣り合う前記パワーモジュールは互いに表裏が反転していることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
    前記パワーモジュールの、前記想定中心軸に対して遠心方向側の端面は、前記水路よりも遠心方向に突出していることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
    前記正負極端子と前記出力端子とは、互いに緩衝しない領域に設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
    前記パワーモジュールの、前記想定中心軸に対して遠心方向側の端面は、前記水路よりも遠心方向に突出し、
    前記正負極端子と前記出力端子とは、互いに緩衝しない領域に設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置であって、前記パワーモジュールと嵌合する位置決め部を備えることを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置であって、
    前記水路は、前記パワーモジュールのコレクタ回路側に設けられた給水口と、前記パワーモジュールのエミッタ回路側に設けられた排水口と、を備え、冷却水はコレクタ回路側からエミッタ回路側へ流れることを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項１乃至４のいずれかに記載の電力変換装置であって、
    前記水路に隣接するように、前記想定中心軸から放射状に配置された複数のコンデンサを備えることを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項７に記載の電力変換装置であって、
    前記複数のコンデンサの外側に前記複数のコンデンサ同士を電気的に接続するバスバーを備えることを特徴とする。
  9. 請求項７又は８のいずれかに記載の電力変換装置であって、
    前記複数のコンデンサ間に冷却器を備えることを特徴とする電力変換装置。
  10. 請求項７に記載の電力変換装置であって、
    前記パワーモジュールが６つ設置されているときに、前記コンデンサが３つ又は６つ配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  11. 回転電機と、
    請求項１乃至１０の何れかに記載の電力変換装置と、
    前記回転電機と前記電力変換装置の間に配置された第２の水路と、を備え、
    前記電力変換装置は、前記回転電機の回転軸に対して、前記想定中心軸が略平行となるように設置されていることを特徴とする駆動装置。
  12. 請求項１１に記載の駆動装置であって、
    前記第２の水路は、前記電力変換装置に設けられた水路から前記回転電機に設けられた第３の水路へ冷却水が流れるように、前記水路と前記第３の水路とを接続していることを特徴とする駆動装置。
  13. 請求項１１又は１２に記載の駆動装置であって、
    前記回転電機の入力端子は相毎に引き出され、前記電力変換装置の出力端子と接続されることを特徴とする駆動装置。
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