JP6421055B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、直流電流を交流電流に変換するためのパワー半導体モジュール及び電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに交流電流を供給する電力変換装置に関する。
主に車載用の電力変換装置では、大電流を出力することができるものが求められている一方、小型化も要求されている。電力変換装置が大電流を出力しようとすると、パワー半導体モジュールに内蔵されるパワー半導体素子で発生する熱が大きくなり、パワー半導体モジュールや電力変換装置の熱容量を大きくしなければパワー半導体素子の耐熱温度に達してしまい、小型化の妨げとなる。そこで、パワー半導体素子を両面から冷却することにより冷却効率を向上させる両面冷却型パワー半導体モジュールとそれを用いた両面冷却型電力変換装置が開発されている。
このような構造の電力変換装置の例として、特許文献1には、インバータ回路のアームを構成するパワー半導体素子の両主面を板状のリードフレームで挟み込んでパワーモジュールを構成し、これを密閉する放熱ケースに内蔵して水路筐体に浸漬し、パワー半導体を両面から冷却するパワーモジュール構造が開示されている。
特開2005−057212号公報
近年、電力変換装置の車両への搭載位置によって電力変換装置に求められる体格も多様化しており、低背化の要求も増加している。特許文献1に係る電力変換装置は、シール部及びその周辺の取り付け部が低背構造化、小型化を妨げるという課題が存在する。電力変換装置の低背化と小型化の両立には、パワー半導体素子の冷却性能の向上が可能な両面冷却パワーモジュールを低背化する構造が求められている。
本発明の目的は、両面冷却型電力変換装置の低背化と小型化の両立を図ることである。
本発明に係るパワー半導体モジュールは、パワー半導体素子及び端子を有する回路体と、前記回路体を収納する収納空間を形成するケースと、を備え、前記ケースは、前記収納空間と対向して配置される第1放熱部と、前記収納空間を挟んで前記第1放熱部と対向して配置される第2放熱部と、前記第1放熱部の側部に配置されるとともに前記端子を貫通させる第1開口と、前記第1開口を囲んで形成されるシール面と、前記第2放熱部の側部に配置される基準面と、を有し、前記基準面は、前記基準面の垂直方向から投影した場合に、当該基準面の射影部と前記シール面の射影部とが重なるように、前記ケースの前記シール面が配置される面とは反対側の面に形成される。
両面冷却型電力変換装置の低背化と小型化の両立の両立を図ることできる。
インバータ装置の回路図である。 パワー半導体モジュールの斜視図である。 パワー半導体モジュールの断面図である。 パワー半導体モジュールの組み立て工程を示す分解断面図である。 パワー半導体モジュールの内蔵回路を示す等価回路図である。 パワー半導体モジュールを流路形成体に組み付ける工程を示す分解断面図である。 本実施構造の電力変換装置を示す断面図。 第二の実施例のパワー半導体モジュール300の断面図である。 第二の実施例のパワー半導体モジュール300を組み立てる工程を示す分解斜視図である。 第二の実施例のパワー半導体モジュール300の水路筐体への組み立てる工程を示す分解断面図である。
本発明に係る電力変換装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。
本実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能である。車両駆動用インバータ装置は、車載電源を構成する車載バッテリ或いは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機が発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶、航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
図1を用いてインバータ装置140の電気回路構成を説明する。
インバータ回路144は、上アームとして動作するIGBT328及びダイオード156と、下アームとして動作するIGBT330及びダイオード166と、からなる上下アーム直列回路150をモータジェネレータ192の電機子巻線の各相巻線に対応して3相(U相、V相、W相)分を設けている。それぞれの上下アーム直列回路150は、その中点部分(中間電極169)から交流端子159及び交流コネクタ188を通してモータジェネレータ192への交流電力線(交流バスバー)186と接続する。
上アームのIGBT328のコレクタ電極153は正極端子(P端子)157を介してコンデンサモジュール500の正極側のコンデンサの電極に、下アームのIGBT330のエミッタ電極は負極端子(N端子)158を介してコンデンサモジュール500の負極側にコンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
IGBT328は、コレクタ電極153と、ゲート電極154と、信号用エミッタ電極155を備えている。また、IGBT330は、コレクタ電極163と、ゲート電極164と、信号用エミッタ電極165を備えている。ダイオード156が、IGBT328と電気的に並列に接続されている。また、ダイオード166が、IGBT330と電気的に並列に接続されている。スイッチング用パワー半導体素子としてはMOSFET(金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ)を用いてもよいが、この場合はダイオード156やダイオード166は不要となる。コンデンサモジュール500は、正極側コンデンサ端子506と負極側コンデンサ端子504と直流コネクタ138を介して電気的に接続されている。なお、インバータ装置140は、直流正極端子314を介して正極側コンデンサ端子506と接続され、かつ直流負極端子316を介して負極側コンデンサ端子504と接続される。
なお、図1におけるゲート電極154および信号用エミッタ電極155は、後述する図2の信号接続端子327Uに対応する。図1におけるゲート電極164およびエミッタ電極165は、図2の信号接続端子327Lに対応する。図1における正極端子157は、図2の正極側端子315Dと同一のものである。図1における負極端子158は、図2の負極側端子319Dと同一のものである。図1における交流端子159は、図2の交流端子320Dと同一のものである。
続いて、図2乃至図4を用いて本実施形態に係るパワー半導体モジュール300及びそれを用いた両面冷却型電力変換装置299の実施形態を説明する。
図2(a)は、本実施形態に係るパワー半導体モジュール300の概略構成を示す外観斜視図である。図2(b)は、図2(a)の断面2Bにおける断面図である。図2(c)は、パワー半導体モジュール300の組み立て工程を示す分解断面図である。図2(d)は図2(c)に対応する回路構成図である。
パワー半導体モジュール300は、パワー半導体素子を内蔵した回路体302と、ケース枠体304と、放熱ベース307と、を備える。ケース枠体304は、回路体302を収納する収納空間306と、当該収納空間306と繋がる開口部306aを形成する。
ケース枠体304は、開口部306aが形成される側の面とは反対側の面に、フィンが形成された放熱部305aを有する。フィン放熱部305aは、収納空間306と対向して配置される。また、ケース枠体304は、放熱部305aの側部に形成される端子貫通孔311を有する。端子貫通孔311は、収納空間306と繋がり、収納空間306に配置された回路体302の端子を貫通させる。端子貫通孔311の周囲には、Oリング溝312が形成される。Oリング溝312は、端子貫通孔311を囲んで形成されるシール面309に形成される。
回路体302は、当該回路体302とケース枠体304との間に絶縁部材333を挟んで、ケース枠体304の収納空間306に収納される。回路体302は、パワー半導体素子として、IGBT328、330と、ダイオード156、166を有する。これらのパワー半導体素子は、放熱部305aと対向する位置に設けられ、放熱部305aのフィン間を流れる冷媒により放熱される。
パワー半導体素子328、156の一方の面側には、導体部315が配置され、他方の面側には、導体部318が配置される。パワー半導体素子330、166の一方の面側には、導体部320が配置され、他方の面側には、導体部319が配置される。上アーム回路を構成するIGBT328とダイオード156は、導体部315及び318によって平行に挟まれるようにして金属接合されている。下アーム回路を構成するIGBT330とダイオード166は、導体部320及び319によって平行に挟まれるようにして金属接合されている。
パワー半導体素子328、330、156、166と、導体部315、318、319、320は、樹脂封止材348によって封止される。導体部315、320、319の一部は、樹脂封止材348から突出し、それぞれ正極側端子315D、交流端子320D、負極側端子319Dを形成する。また、信号接続端子327U、327Lも樹脂封止材348から突出する。これらの端子は、樹脂封止材348から突出し、さらに略直角に屈曲して形成される。屈曲端子の先端は、端子貫通孔311を通ってケース枠体304の外部へ延出する。
収納空間306に回路体302を収納した状態で、ケース枠体304の開口部306aは、放熱ベース307によって塞がれる。放熱ベース307には、パワー半導体素子と対向する領域に、フィンを有する放熱部305bが形成される。放熱ベース307と回路体302の間には、絶縁部材333が配置される。放熱ベース307は、金属接合等によってケース枠体304に接合される。これにより、収納空間306の開口部306a側を密閉する。放熱ベース307は、ケース枠体304の開口部306aを塞ぐ蓋として機能するとともに、パワー半導体素子の発熱を冷媒に伝達する放熱部としても機能する。
放熱ベース307がケース枠体304に接合された状態において、放熱部305bの側部には、基準面308が形成される。基準面308は、ケース枠体304の一方側の面に形成される平坦な面である。基準面308は、シール面309と略平行に設けられる。基準面308は、当該基準面308の面内方向に対して垂直な方向から投影した場合に、基準面308の射影部とシール面309の射影部とが重なるように、形成される。基準面308とシール面309とは、ケース枠体304に対して両側に互いに対向して配置される関係となっている。このように、基準面308とシール面309とが垂直方向に重なっていることで、基準面308は、Oリング溝312に配置されるOリングを押しつぶす荷重を受ける面として機能する。
また、本実施例においては、放熱ベース307とケース枠体304との接合部は、シール面309と垂直方向に重なる基準面308内に設けられている。そのため、シール面309は、放熱ベース307をケース枠体304に接合する際の接合荷重を受ける面として機能する。シール面309は、後述する蓋313のような部材によりOリング溝312との間にシール部材を保持するため、高い剛性で形成される。したがって、シール面309は、放熱ベース307の接合時の荷重をしっかり支えることができる。
また、接合ツールを用いて放熱ベース307とケース枠体304とを接合する作業時においても、接続部近傍は、接続ツールと干渉する部分を設けず、平坦な基準面308となっているため、接合作業をしやすい。また、接合ツールとの干渉を回避するために過剰にスペースを設ける必要がなくなるため、パワー半導体モジュール全体の小型化、省面積化が達成できる。
放熱ベース307は、フィン305bが形成されている領域と、その周囲に形成されるケース枠体304との接合部付近の領域とでは、部材の厚さを変更することができる。例えば、フィン305bが形成されている領域における放熱ベースの厚さに比べて、ケース枠体304との接合部付近の領域における放熱ベースの厚さを薄くすることで、放熱性や製造組立性、信頼性を高くすることができる。
フィン305a及び305bは、電気伝導性を有する部材、例えばCu、Cu合金、Cu−C、Cu−CuOなどの複合材、あるいはAl、Al合金、AlSiC、Al−Cなどの複合材などから形成されている。
回路体302に用いる封止樹脂材348としては、例えばノボラック系、多官能系、ビフェニル系のエポキシ樹脂系を基とした樹脂を用いることができる。封止樹脂材348は、SiO2,Al2O3,AlN,BNなどのセラミックスやゲル、ゴムなどを含有させることで、熱膨張係数を導体部に近づけることができる。これにより、部材間の熱膨張係数差を低減でき、使用環境時の温度上昇にともない発生する熱応力が大幅に低下するため、パワー半導体モジュールの寿命をのばすことが可能となる。
パワー半導体素子と導体部とを接合する金属接合剤は、例えばSn合金系の軟ろう材(はんだ)やAl合金・Cu合金等の硬ろう材や金属のナノ粒子・マイクロ粒子を用いた金属焼結材を用いることができる。
図3は、パワー半導体モジュール300を流路形成体400に組み付ける工程を示す分解断面図である。流路形成体400には、流路空間405と、流路空間405と繋がる流路開口403を有する。パワー半導体モジュール300は、流路開口403を通って、流路空間405内に収納される。
流路形成体400は、流路空間405内に、モジュール受け面406が形成される。モジュール受け面406は、パワー半導体モジュール300の基準面308と当接する。また、流路形成体400は、モジュール受け面406よりも底部側に凹んでフィン305bが配置される空間を形成する。モジュール受け面406がフィン305bの形成領域の近傍まで形成されることで、流路形成体400が、パワー半導体モジュール300のフィン305b間を流れる冷媒のバイパス流を抑制することができる。そのため、流路形成体400の流路空間405の構造は、パワー半導体モジュール300の特にフィン305bの形状に沿って設計することが好ましい。
パワー半導体モジュール300を収納した状態で、流路開口403は、蓋413によって塞がれる。蓋413は、流路形成体400に形成されたOリング溝404に配置されたOリングによって、流路空間405を密閉する。蓋413は、パワー半導体モジュール300に対し、シール面309や放熱部305aが形成される側に配置される。放熱部305aに形成されたフィン間と蓋413で囲まれた空間には、放熱部305b側と同様に、冷媒が流通される。
蓋413には、端子開口413Aが形成される。パワー半導体モジュール300の端子は、端子開口413Aを貫通する。蓋413は、Oリング溝312に配置されるOリングを挟んでパワー半導体モジュール300を流路形成体400側に押圧する。蓋413とOリング溝312の間に挟持されたOリングにより気密されるため、放熱部305aの領域を流れる冷媒は、端子貫通孔311からパワー半導体モジュール300内部に漏れない。
蓋413により押圧されたパワー半導体モジュール300は、流路形成体406のモジュール受け面406によって支持される。このように、パワー半導体モジュール300は、流路形成体400と蓋413によって挟まれる形で押圧固定される。本実施形態のパワー半導体モジュールの構成によれば、蓋413側のシール構造と、基準面308とモジュール受け面406との当接面での固定配置構造と、を同時に実現することができる。したがって、電力変換装置全体の体格小型化を達成することができる。
図4は、図3の流路構造を適用した電力変換装置299の構成例を示す断面図である。電力変換装置299は、冷却流路が一体で形成された筐体である流路形成体400と、モールドバスバー700と、パワー半導体モジュール300と、コンデンサモジュール500と、制御基板200と、を備える。筐体を兼ねた流路形成体400には、パワー半導体モジュール300を挿入するための開口と、コンデンサモジュール500を挿入するための開口とを有する。
モールドバスバー700は、直流バスバー710及び交流バスバー709を絶縁性を有する樹脂材により封止したものである。直流バスバー710は、コンデンサモジュール500とパワー半導体モジュール300を電気的に接続する。直流バスバー710は、正極側のバスバーと負極側のバスバーを積層させた構造である。互いに逆極性の電流が正負極バスバーに流れ、磁界打消し効果による低インダクタンス化を図っている。
モールドバスバー700は、蓋413を挟んでパワー半導体モジュール300と対向して配置される。モールドバスバー700は、コンデンサモジュール500及びパワー半導体モジュール300に対して同じ側に配置される。
本実施形態の電力変換装置は、筐体を兼ねた流路形成体400により、パワー半導体モジュール300とコンデンサモジュール500を同時に冷却することが可能である。また、流路形成体400に直接モールドバスバー700を設置することで、モールドバスバー700の冷却も可能である。また、パワー半導体モジュール300とコンデンサモジュール500とは、同一階層に配置されるため、電力変換装置の低背化が達成できる。
図5(a)〜図5(c)を用いて、第二の実施例におけるパワー半導体モジュール300及び電力変換装置299を説明する。共通する構成要素については、実施例1と同じ符号であり、詳細な説明を省略する。
図5(a)は、パワー半導体モジュール300の分解斜視図である。図5(b)は、分解断面図である。図5(c)は、流路形成体400との組立工程を示す断面図である。実施例1に示した構造と異なる点は、ケース枠体304に端子貫通孔311を2箇所を設け、放熱部305aを挟んで両側からモジュール端子が突出する構造とした点である。
図5(a)に示されるように、直流電流を流す正極側端子315D及び負極側端子319Dは、パワー半導体モジュール300の一方側から突出し、交流電流を流す交流端子320Dは、他方側から突出する。例えば、パワー半導体モジュール300に対してコンデンサモジュール500が配置される側に、正極側端子315D及び負極側端子319Dを配置することで、配線インダクタンスの低減を図ることができる。
また、端子貫通孔311を2箇所設けたことに伴い、Oリング溝312も2箇所形成される。さらに、蓋413の端子開口413Aも2箇所形成される。シール面309は、放熱部305aの両側に形成される。
また、本実施例で用いられる蓋413には、フィン305aの突出長さに対応して、フィン305a側に凹部が形成されている。凹部をフィン305aの形状に合わせて設計することにより、フィン先端やフィン側部を流れるバイパス流を抑制することができる。これにより、冷却性能が向上し、パワー半導体モジュールの小型化が可能である。
本実施例のパワー半導体モジュール及び当該パワー半導体モジュールを用いた電力変換装置によれば、パワーモジュール端子を放熱部の両側から出力する構造となっているため、端子貫通孔の寸法やパワーモジュール端子の配置自由度を向上することができる。これにより、電力変換装置全体の小型・低背化や、配線インダクタンスの低減、信号端子と直流端子間の磁気的結合の抑制といった効果を達成することが可能となる。
138 直流コネクタ
140 インバータ装置
144 インバータ回路
150 上下アーム直列回路
153 コレクタ電極
154 ゲート電極
155 信号用エミッタ電極
156 ダイオード(上アーム)
157 正極端子(P端子)
158 負極端子(N端子)
159 交流端子
163 コレクタ電極
164 ゲート電極
165 信号用エミッタ電極
166 ダイオード(下アーム)
169 中間電極
186 交流電力線(交流バスバー)
188 交流コネクタ
192 モータジェネレータ
200 制御基板
300 パワー半導体モジュール
302 回路体
304 ケース枠体
305a 放熱部(フィン)
305b 放熱部(フィン)
306 収納空間
307 放熱ベース
308 基準面
309 シール面
311 端子貫通孔(第1開口)
312 Oリング溝
314 直流正極端子
315 導体部
315D 正極側端子
316 直流負極端子
318 導体部
319 導体部
319D 負極側端子
320 導体部
320D 交流端子
327L 信号接続端子
327U 信号接続端子
328 IGBT(上アーム)
330 IGBT(下アーム)
333 絶縁材料
348 樹脂封止材
400 流路形成体
403 流路開口
404 Oリング溝
405 流路空間
406 モジュール受け面
413 蓋
413A 端子開口
450 筐体蓋
500 コンデンサモジュール
504 負極側コンデンサ端子
506 正極側コンデンサ端子
700 モールドバスバー
709 交流バスバー
710 直流バスバー

Claims (4)

  1. パワー半導体素子及び端子を有する回路体と、前記回路体を収納する収納空間を形成するケースと、を備えたパワー半導体モジュールと、
    冷媒を流す流路空間と、当該流路空間に繋がる流路開口を形成する流路形成体と、
    前記流路開口を塞ぐ蓋と、を備えた電力変換装置であって、
    前記ケースは、前記収納空間と対向して配置される第1放熱部と、前記収納空間を挟んで前記第1放熱部と対向して配置される第2放熱部と、前記第1放熱部の側部に配置されるとともに前記端子を貫通させる第1開口と、前記第1開口を囲んで形成されるシール面と、前記第2放熱部の側部に配置される基準面と、を有し、
    前記基準面は、前記基準面の垂直方向から投影した場合に、当該基準面の射影部と前記シール面の射影部とが重なるように、前記ケースの前記シール面が配置される面とは反対側の面に形成され
    前記パワー半導体モジュールは、前記流路空間内に配置され、
    前記蓋は、前記シール面及び前記第1放熱部を覆うようにして、前記流路開口を塞ぎ、
    前記流路形成体は、前記パワー半導体モジュールの前記基準面と当接する受け面を有する電力変換装置
  2. 請求項1に記載の電力変換装置であって、
    前記ケースは、開口部を有するケース枠体と、金属製の放熱ベースと、を有し、
    前記ケース枠体の開口部は、前記放熱ベースによって塞がれ、
    前記放熱ベースは、前記ケースの前記第2放熱部を形成し、
    前記ケース枠体と前記放熱ベースの接合部は、前記基準面に形成される電力変換装置
  3. 請求項1又は2に記載の電力変換装置であって、
    前記端子は、直流を伝達する直流端子と、交流を伝達する交流端子と、を有し、
    前記第1開口は、前記直流端子及び前記交流端子が貫通される電力変換装置
  4. 請求項に記載の電力変換装置であって、
    前記端子は、直流を伝達する直流端子と、交流を伝達する交流端子と、を有し、
    前記ケースは、前記第1放熱部を挟んで前記第1開口とは反対側に配置される第2開口を有し、
    前記第1開口は、前記直流端子が貫通され、
    前記第2開口は、前記直流端子が貫通される電力変換装置
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