JP6557928B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、図７に示すように、複数の半導体素子によって構成される回路素子部１０１と、複数の回路素子部１０１を搭載する回路基板１０２と、回路基板１０２に接続される冷却器１０３と、を備える半導体装置１１０が知られている（例えば、特許文献１参照）。冷却器１０３には、長手方向（回路素子部１０１の配列方向）に沿って冷媒流路１１１が形成されている。回路素子部１０１は、冷媒流路１１１を流れる冷媒との間の熱交換によって冷却される。

特開２０１５−０７９８１９号公報

ところで、上記従来技術に係る半導体装置１１０においては、冷媒流路１１１の入口１１２に近い側（つまり上流側）の回路素子部１０１を冷却した冷媒が、冷媒流路１１１の出口１１３に近い側（つまり下流側）の回路素子部１０１を冷却する。したがって、冷媒流路１１１に沿って配列される複数の回路素子部１０１の数が増大すると、冷媒流路１１１の上流側と下流側との間で冷媒の温度勾配が大きくなり、回路素子部１０１の配列位置による冷却性能の変化が増大する可能性がある。冷媒流路１１１の上流側と下流側との間で冷媒の温度勾配が増大すると、冷媒流路１１１の上流側から下流側に向かうに伴い、回路素子部１０１を冷却し難くなる。その結果、各回路素子部１０１を均一に冷却することが困難となる。

また、複数の回路素子部１０１が複数相のモータに対する通電切替回路を構成する場合において、異なる相の回路素子部１０１が冷媒流路１１１に沿って配列されると、１つのモータの複数相のうちで冷却性能が変化する。その結果、各相の回路素子部１０１を均一に冷却することが困難となる。

本発明は、複数の素子を均一的かつ効率的に冷却し、複数の素子間における冷却性能の差が増大することを抑制することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る電力変換装置は、冷媒が流通する冷媒流路（例えば、実施形態での冷媒流路６６）と搭載面（例えば、実施形態での搭載面６５Ａ）とを有する放熱部（例えば、実施形態での放熱部６１）と、蓄電装置から供給される電力で力行動作が可能な第１のモータ（例えば、実施形態での第１モータ１２）に対して電力を授受する、ハイサイドアーム素子及びローサイドアーム素子からなる素子列が、前記第１のモータの複数相分、共通の前記搭載面に第１方向（例えば、実施形態での第１方向Ｄ１）に並んで配置された複数の第１の素子列（例えば、実施形態での素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１）と、前記第１のモータの力行用電力を発電可能な第２のモータ（例えば、実施形態での第２モータ１３）に対して電力を授受する、ハイサイドアーム素子及びローサイドアーム素子からなる素子列が、前記第２のモータの複数相分、共通の前記搭載面に前記第１方向に並んで配置された複数の第２の素子列（例えば、実施形態での素子列ＰＵ２，ＰＶ２，ＰＷ２）と、を備え、前記複数の第１の素子列と前記複数の第２の素子列は、共通の前記搭載面上において前記第１方向に交差する第２方向（例えば、実施形態での第２方向Ｄ２）で互いに向かい合う位置に配置され、前記冷媒流路は、前記第１方向に延びる第１流路（例えば、実施形態での第１流路７１）と、前記複数の第１の素子列及び前記複数の第２の素子列の各相に対応して前記第１流路から分岐するとともに、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向（例えば、実施形態での厚さ方向Ｅ）から見た平面視で前記第１の素子列及び前記第２の素子列に重なる位置で、前記第２方向に延在する複数の第１の分岐流路（例えば、実施形態での第１分岐流路７３ａ）と、を備え、それぞれの前記第１の分岐流路において、前記複数の第１の素子列は、前記複数の第２の素子列に対して、前記第２方向における前記第１の分岐流路の上流側に位置している。

（２）上記（１）に記載の電力変換装置では、前記複数の第１の素子列及び前記複数の第２の素子列における、前記ハイサイドアーム素子及び前記ローサイドアーム素子は、前記第１方向に並んで配置されてもよい。

（３）上記（１）又は（２）に記載の電力変換装置は、前記複数の第１の素子列又は前記複数の第２の素子対と電気的に接続される電圧変換器を備え、前記電圧変換器（例えば、実施形態での第３電力変換回路部３３）を構成するハイサイドアーム素子及びローサイドアーム素子（例えば、実施形態での第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２）が、前記搭載面における前記第２方向に並んで配置され、前記冷媒流路は、前記第１流路から分岐するとともに、前記平面視で前記電圧変換器の前記ハイサイドアーム素子と前記ローサイドアーム素子とに重なる位置で、前記第２方向に延在する第２の分岐流路（例えば、実施形態での第２分岐流路７３ｂ）をさらに備え、前記電圧変換器の前記ローサイドアーム素子は、前記電圧変換器の前記ハイサイドアーム素子に対して、前記第２方向における前記第２の分岐流路の上流側に位置してもよい。

上記（１）によれば、１系統の冷媒流路上に複数の電力変換回路部を配置する場合に比べて、電力変換回路部の増加に伴う冷媒流路の上流側と下流側との間での冷媒の温度勾配が増大するのを抑制できる。また、第１のモータ及び第２のモータの各々において、各相毎に分岐流路が設けられるので、各モータの複数相のうちで冷却性能が変化することを抑制し、複数相間における冷却性能を均一化することができる。

ここで、第１モータに対応する第１の素子列は、は、第２モータに対応する第２の素子列に比べて発熱し易い傾向にある。そのため、各第１の分岐流路において、第１の素子列を、第２の素子列よりも上流側に配置することで、冷媒と第１の素子列との温度差を確保しやすくなるため、第１の素子列及び第２の素子列を均一にかつ効率的に冷却することができ、複数の素子列間における冷却性能の差が増大することを抑制することができる。

上記（２）の場合、各分岐流路における第１の素子列及び第２の素子列の各々において、ハイサイドアーム素子及びローサイドアーム素子が第１方向に並んで配置されているので、ハイサイドアーム素子とローサイドアーム素子との間における冷却性能の差の増大を抑制することができる。

上記（３）の場合、電圧変換回路が電源側から複数の第１の素子列側へと昇圧する場合には、ハイサイドアーム素子に比べてローサイドアーム素子のスイッチングによる発熱がより大きくなる。また、電圧変換回路が複数の第２の素子列側から電源側へと降圧する場合には、ローサイドアーム素子に比べてハイサイドアーム素子のスイッチングによる発熱がより大きくなる。但し、昇圧と降圧とを比較すると電源の出力電流が入力電流に比べて大きい場合には、ハイサイドアーム素子に比べてローサイドアーム素子の発熱がより大きくなる。
第２の分岐流路において、ローサイドアーム素子がハイサイドアーム素子の上流側に配置されているため、冷媒とローサイドアーム素子との温度差を確保できる。その結果、ローサイドアーム素子を効率的に冷却できる。これにより電圧変換回路のハイサイドアーム素子及びローサイドアーム素子を均一的かつ効率的に冷却することができ、ハイサイドアーム素子及びローサイドアーム素子間における冷却性能の差が増大することを抑制することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を模式的に示す平面図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を模式的に示す分解斜視図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置を搭載する車両の一部の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置における第１放熱部の放熱ケースとパワーモジュールの複数の素子列とを模式的に示す平面図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置における第１放熱部及び第２放熱部の各々の放熱ケースと継手部とを示す分解斜視図であって、冷媒の流通経路を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置を搭載する車両の一部の構成を示す図である。 従来例に係る半導体装置の平面図である。

以下、本発明の電力変換装置の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

本実施形態による電力変換装置は、モータとバッテリとの間の電力授受を制御する。例えば、電力変換装置は、電動車両等に搭載されている。電動車両は、電気自動車、ハイブリッド車両、及び燃料電池車両等である。電気自動車は、バッテリを動力源として駆動する。ハイブリッド車両は、バッテリ及び内燃機関を動力源として駆動する。燃料電池車両は、燃料電池を駆動源として駆動する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１の構成を模式的に示す平面図である。図２は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１の構成を模式的に示す分解斜視図である。図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１を搭載する車両１０の一部の構成を示す図である。図４は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１における第１放熱部６１ａの放熱ケース６４とパワーモジュール２１の複数の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２とを模式的に示す平面図である。

＜車両＞
図３に示すように、車両１０は、電力変換装置１に加えて、バッテリ１１（ＢＡＴＴ）と、走行駆動用の第１モータ１２（ＭＯＴ）、発電用の第２モータ１３（ＧＥＮ）と、を備えている。
バッテリ１１は、バッテリケースと、バッテリケース内に収容される複数のバッテリモジュールと、を備えている。バッテリモジュールは、直列に接続される複数のバッテリセルを備えている。バッテリ１１は、電力変換装置１の直流コネクタ１ａに接続される正極端子ＰＢ及び負極端子ＮＢを備えている。正極端子ＰＢ及び負極端子ＮＢは、バッテリケース内において直列に接続される複数のバッテリモジュールの正極端及び負極端に接続されている。

第１モータ１２は、バッテリ１１から供給される電力によって回転駆動力（力行動作）を発生させる。第２モータ１３は、回転軸に入力される回転駆動力によって発電電力を発生させる。ここで、第２モータ１３には、内燃機関の回転動力が伝達可能に構成されている。例えば、第１モータ１２及び第２モータ１３の各々は、３相交流のブラシレスＤＣモータである。３相は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相である。第１モータ１２及び第２モータ１３の各々は、インナーロータ型である。各モータ１２，１３は、界磁用の永久磁石を有する回転子と、回転子を回転させる回転磁界を発生させるための３相のステータ巻線を有する固定子と、をそれぞれ備えている。第１モータ１２の３相のステータ巻線は、電力変換装置１の第１の３相コネクタ１ｂに接続されている。第２モータ１３の３相のステータ巻線は、電力変換装置１の第２の３相コネクタ１ｃに接続されている。

＜電力変換装置＞
電力変換装置１は、パワーモジュール２１と、リアクトル２２と、コンデンサユニット２３と、抵抗器２４と、第１電流センサ２５と、第２電流センサ２６と、第３電流センサ２７と、電子制御ユニット２８（ＭＯＴ ＧＥＮ ＥＣＵ）と、ゲートドライブユニット２９（Ｇ／Ｄ ＶＣＵ ＥＣＵ）と、を備えている。
パワーモジュール２１は、第１電力変換回路部３１と、第２電力変換回路部３２と、第３電力変換回路部３３と、を備えている。第１電力変換回路部３１は、第１の３相コネクタ１ｂによって第１モータ１２の３相のステータ巻線に接続されている。第１電力変換回路部３１は、バッテリ１１から第３電力変換回路部３３を介して入力される直流電力を３相交流電力に変換する。第２電力変換回路部３２は、第２の３相コネクタ１ｃによって第２モータ１３の３相のステータ巻線に接続されている。第２電力変換回路部３２は、第２モータ１３から入力される３相交流電力を直流電力に変換する。第２電力変換回路部３２によって変換された直流電力は、バッテリ１１及び第１電力変換回路部３１の少なくとも一方に供給することが可能である。

第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々は、ブリッジ接続される複数のスイッチング素子によって形成されるブリッジ回路を備えている。例えば、スイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、又はＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor）等のトランジスタである。例えば、ブリッジ回路においては、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬと、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームＶ相トランジスタＶＨ，ＶＬと、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームＷ相トランジスタＷＨ，ＷＬとが、それぞれブリッジ接続されている。本実施形態では、Ｕ、Ｖ、Ｗ相のそれぞれにおいて、ハイサイドアーム及びローサイドアームトランジスタ同士（例えば、Ｕ相のハイサイドアームトランジスタＵＨ及びローサイドアームトランジスタＵＬ同士）が、第１方向Ｄ１において隣り合って配置されている。

ハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨは、コレクタが正極端子ＰＩに接続されてハイサイドアームを構成している。各相においてハイサイドアームの各正極端子ＰＩは正極バスバー５０ｐに接続されている。
ローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬは、エミッタが負極端子ＮＩに接続されてローサイドアームを構成している。各相においてローサイドアームの各負極端子ＮＩは負極バスバー５０ｎに接続されている。

図１、図３に示すように、各相においてハイサイドアームの各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨのエミッタは、接続点ＴＩにおいてローサイドアームの各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬのコレクタに接続されている。
第１電力変換回路部３１の各相において接続点ＴＩは第１バスバー５１によって第１入出力端子Ｑ１に接続されている。第１入出力端子Ｑ１は、第１の３相コネクタ１ｂに接続されている。第１電力変換回路部３１の各相の接続点ＴＩは、第１バスバー５１、第１入出力端子Ｑ１、及び第１の３相コネクタ１ｂを介して第１モータ１２の各相のステータ巻線に接続されている。

第２電力変換回路部３２の各相において接続点ＴＩは第２バスバー５２によって第２入出力端子Ｑ２に接続されている。第２入出力端子Ｑ２は、第２の３相コネクタ１ｃに接続されている。第２電力変換回路部３２の各相の接続点ＴＩは、第２バスバー５２、第２入出力端子Ｑ２、及び第２の３相コネクタ１ｃを介して第２モータ１３の各相のステータ巻線に接続されている。ブリッジ回路は、各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのコレクタ−エミッタ間においてエミッタからコレクタに向けて順方向となるように接続されるダイオードを備えている。

第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々は、ゲートドライブユニット２９から各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬのゲートに入力されるスイッチング指令であるゲート信号に基づき、各相のトランジスタ対のオン（導通）／オフ（遮断）を切り替える。第１電力変換回路部３１は、バッテリ１１から第３電力変換回路部３３を介して入力される直流電力を３相交流電力に変換し、第１モータ１２の３相のステータ巻線への通電を順次転流させることで、３相のステータ巻線に交流のＵ相電流、Ｖ相電流、及びＷ相電流を通電する。第２電力変換回路部３２は、第２モータ１３の回転に同期がとられた各相のトランジスタ対のオン（導通）／オフ（遮断）駆動によって、第２モータ１３の３相のステータ巻線から出力される３相交流電力を直流電力に変換する。

第３電力変換回路部３３は、電圧コントロールユニット（ＶＣＵ）である。第３電力変換回路部３３は、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームのスイッチング素子を備えている。例えば、第３電力変換回路部３３は、ハイサイドアームの第１トランジスタＳ１及びローサイドアームの第２トランジスタＳ２を備えている。第１トランジスタＳ１は、コレクタが正極端子ＰＶに接続されてハイサイドアームを構成している。ハイサイドアームの正極端子ＰＶは正極バスバー５０ｐに接続されている。第２トランジスタＳ２は、エミッタが負極端子ＮＶに接続されてローサイドアームを構成している。ローサイドアームの負極端子ＮＶは負極バスバー５０ｎに接続されている。ハイサイドアームの第１トランジスタＳ１のエミッタはローサイドアームの第２トランジスタＳ２のコレクタに接続されている。第３電力変換回路部３３は、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の各々のコレクタ−エミッタ間においてエミッタからコレクタに向けて順方向となるように接続されるダイオードを備えている。

ハイサイドアームの第１トランジスタＳ１とローサイドアームの第２トランジスタＳ２との接続点は、第３バスバー５３によってリアクトル２２に接続されている。リアクトル２２の両端は、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の接続点と、バッテリ１１の正極端子ＰＢとに接続されている。リアクトル２２は、コイルと、コイルの温度を検出する温度センサとを備えている。温度センサは、信号線によって電子制御ユニット２８に接続されている。

第３電力変換回路部３３は、ゲートドライブユニット２９から第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の各々のゲートに入力されるスイッチング指令であるゲート信号に基づき、トランジスタ対のオン（導通）／オフ（遮断）を切り替える。

第３電力変換回路部３３は、昇圧時において、第２トランジスタＳ２がオン（導通）及び第１トランジスタＳ１がオフ（遮断）に設定される第１状態と、第２トランジスタＳ２がオフ（遮断）及び第１トランジスタＳ１がオン（導通）に設定される第２状態とを交互に切り替える。第１状態では、順次、バッテリ１１の正極端子ＰＢ、リアクトル２２、第２トランジスタＳ２、バッテリ１１の負極端子ＮＢへと電流が流れ、リアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。第２状態では、リアクトル２２に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル２２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生する。リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧はバッテリ電圧に重畳されて、バッテリ１１の端子間電圧よりも高い昇圧電圧が第３電力変換回路部３３の正極端子ＰＶと負極端子ＮＶとの間に印加される。

第３電力変換回路部３３は、回生時において、第２状態と、第１状態とを交互に切り替える。第２状態では、順次、第３電力変換回路部３３の正極端子ＰＶ、第１トランジスタＳ１、リアクトル２２、バッテリ１１の正極端子ＰＢへと電流が流れ、リアクトル２２が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。第１状態では、リアクトル２２に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル２２の両端間に起電圧（誘導電圧）が発生する。リアクトル２２に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧は降圧されて、第３電力変換回路部３３の正極端子ＰＶ及び負極端子ＮＶ間の電圧よりも低い降圧電圧がバッテリ１１の正極端子ＰＢと負極端子ＮＢとの間に印加される。

コンデンサユニット２３は、第１平滑コンデンサ４１と、第２平滑コンデンサ４２と、ノイズフィルタ４３と、を備えている。

第１平滑コンデンサ４１は、バッテリ１１の正極端子ＰＢと負極端子ＮＢとの間に接続されている。第１平滑コンデンサ４１は、第３電力変換回路部３３の回生時における第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２のオン／オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
第２平滑コンデンサ４２は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の正極端子ＰＩ及び負極端子ＮＩ間、並びに第３電力変換回路部３３の正極端子ＰＶ及び負極端子ＮＶ間に接続されている。第２平滑コンデンサ４２は、正極バスバー５０ｐ及び負極バスバー５０ｎを介して、複数の正極端子ＰＩ及び負極端子ＮＩ、並びに正極端子ＰＶ及び負極端子ＮＶに接続されている。第２平滑コンデンサ４２は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の各トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのオン／オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。第２平滑コンデンサ４２は、第３電力変換回路部３３の昇圧時における第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２のオン／オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。

ノイズフィルタ４３は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の正極端子ＰＩ及び負極端子ＮＩ間、並びに第３電力変換回路部３３の正極端子ＰＶ及び負極端子ＮＶ間に接続されている。ノイズフィルタ４３は、直列に接続される２つのコンデンサを備えている。２つのコンデンサの接続点は、車両１０のボディグラウンド等に接続されている。
抵抗器２４は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の正極端子ＰＩ及び負極端子ＮＩ間、並びに第３電力変換回路部３３の正極端子ＰＶ及び負極端子ＮＶ間に接続されている。

第１電流センサ２５は、第１電力変換回路部３１の各相の接続点ＴＩと第１入出力端子Ｑ１とを接続する第１バスバー５１に配置され、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各々の電流を検出する。第２電流センサ２６は、第２電力変換回路部３２の各相の接続点ＴＩと第２入出力端子Ｑ２とを接続する第２バスバー５２に配置され、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各々の電流を検出する。第３電流センサ２７は、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の接続点とリアクトル２２とを接続する第３バスバー５３に配置され、リアクトル２２に流れる電流を検出する。
第１電流センサ２５、第２電流センサ２６、及び第３電流センサ２７の各々は、信号線によって電子制御ユニット２８に接続されている。

電子制御ユニット２８は、第１モータ１２及び第２モータ１３の各々の動作を制御する。例えば、電子制御ユニット２８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵ等のプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、及びタイマー等の電子回路を備えるＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。なお、電子制御ユニット２８の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の集積回路であってもよい。例えば、電子制御ユニット２８は、第１電流センサ２５の電流検出値と第１モータ１２に対するトルク指令値に応じた電流目標値とを用いる電流のフィードバック制御等を実行し、ゲートドライブユニット２９に入力する制御信号を生成する。例えば、電子制御ユニット２８は、第２電流センサ２６の電流検出値と第２モータ１３に対する回生指令値に応じた電流目標値とを用いる電流のフィードバック制御等を実行し、ゲートドライブユニット２９に入力する制御信号を生成する。制御信号は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬをオン（導通）／オフ（遮断）駆動するタイミングを示す信号である。例えば、制御信号は、パルス幅変調された信号等である。

ゲートドライブユニット２９は、電子制御ユニット２８から受け取る制御信号に基づいて、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬを実際にオン（導通）／オフ（遮断）駆動するためのゲート信号を生成する。例えば、ゲートドライブユニット２９は、制御信号の増幅及びレベルシフト等を実行して、ゲート信号を生成する。
ゲートドライブユニット２９は、第３電力変換回路部３３の第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の各々をオン（導通）／オフ（遮断）駆動するためのゲート信号を生成する。例えば、ゲートドライブユニット２９は、第３電力変換回路部３３の昇圧時における昇圧電圧指令又は第３電力変換回路部３３の回生時における降圧電圧指令に応じたデューティー比のゲート信号を生成する。デューティー比は、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２の比率である。

図１、図２及び図４に示すように、パワーモジュール２１の第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々において、３相の各相に対応するハイサイドアームスイッチング素子及びローサイドアームスイッチング素子は素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２を形成している。第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々において、３相に対応する３つの素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１同士及び素子列ＰＵ２，ＰＶ２，ＰＷ２同士はそれぞれ第１方向Ｄ１に並んで配置されている。例えば、第１電力変換回路部３１において、ハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬの素子列ＰＵ１と、ハイサイドアーム及びローサイドアームＶ相トランジスタＶＨ，ＶＬの素子列ＰＶ１と、ハイサイドアーム及びローサイドアームＷ相トランジスタＷＨ，ＷＬの素子列ＰＷ１とは、順次に第１方向Ｄ１に並んで配置されている。例えば、第２電力変換回路部３２において、ハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬの素子列ＰＵ２と、ハイサイドアーム及びローサイドアームＶ相トランジスタＶＨ，ＶＬの素子列ＰＶ２と、ハイサイドアーム及びローサイドアームＷ相トランジスタＷＨ，ＷＬの素子列ＰＷ２とは、順次に第１方向Ｄ１に並んで配置されている。

第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々において、３相の各相に対応する素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２におけるハイサイドアームスイッチング素子とローサイドアームスイッチング素子とは第１方向Ｄ１に並んで配置されている。ハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬと、ハイサイドアーム及びローサイドアームＶ相トランジスタＶＨ，ＶＬと、ハイサイドアーム及びローサイドアームＷ相トランジスタＷＨ，ＷＬとの各々において、ハイサイドアームのトランジスタとローサイドアームのトランジスタとは第１方向Ｄ１に並んで配置されている。

第１電力変換回路部３１の３相に対応する３つの素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１と、第２電力変換回路部３２の３相に対応する３つの素子列ＰＵ２，ＰＶ２，ＰＷ２とは、各相毎に第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２で互いに向かい合う位置に配置されている。第１電力変換回路部３１のハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬの素子列ＰＵ１と第２電力変換回路部３２のハイサイドアーム及びローサイドアームＵ相トランジスタＵＨ，ＵＬの素子列ＰＵ２とは、第２方向Ｄ２で対向配置されている。第１電力変換回路部３１のハイサイドアーム及びローサイドアームＶ相トランジスタＶＨ，ＶＬの素子列ＰＶ１と第２電力変換回路部３２のハイサイドアーム及びローサイドアームＶ相トランジスタＶＨ，ＶＬの素子列ＰＶ２とは、第２方向Ｄ２で対向配置されている。第１電力変換回路部３１のハイサイドアーム及びローサイドアームＷ相トランジスタＷＨ，ＷＬの素子列ＰＷ１と第２電力変換回路部３２のハイサイドアーム及びローサイドアームＷ相トランジスタＷＨ，ＷＬの素子列ＰＷ２とは、第２方向Ｄ２で対向配置されている。

第３電力変換回路部３３のハイサイドアーム及びローサイドアームのスイッチング素子からなる素子列ＰＳは、第１方向Ｄ１において、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の隣に並んで配置されている。第３電力変換回路部３３のハイサイドアームの第１トランジスタＳ１は、第１方向Ｄ１における第２電力変換回路部３２の隣に並んで配置されている。第３電力変換回路部３３のローサイドアームの第２トランジスタＳ２は、第１方向Ｄ１における第１電力変換回路部３１の隣に並んで配置されている。第３電力変換回路部３３において、対を成すハイサイドアームの第１トランジスタＳ１とローサイドアームの第２トランジスタＳ２とは、第２方向Ｄ２で対向配置されている。

図２に示すように、電力変換装置１は、パワーモジュール２１の厚さ方向（第３方向）Ｅにおいてパワーモジュール２１を両側から挟み込む２つの放熱部６１と、継手部６２と、２つのシール部材６３と、を備えている。２つの放熱部６１は、第１放熱部６１ａ及び第２放熱部６１ｂである。放熱部６１は、放熱ケース６４と、放熱プレート６５と、を備えている。

放熱ケース６４の外形は、例えば矩形箱型に形成されている。放熱ケース６４は、冷媒が流通する冷媒流路６６を備えている。冷媒流路６６は、放熱ケース６４の内部において凹溝を画定する複数の壁部６７によって形成されている。冷媒流路６６は、第１放熱部６１ａの放熱ケース６４に形成される冷媒供給口６８ａ及び冷媒排出口６８ｂに接続されている。

冷媒供給口６８ａ及び冷媒排出口６８ｂは、放熱ケース６４の端部に形成されている。例えば、冷媒供給口６８ａ及び冷媒排出口６８ｂは、放熱ケース６４の第１方向Ｄ１における第１端部６４ａ及び第２端部６４ｂのうちの第１端部６４ａに形成されている。冷媒供給口６８ａ及び冷媒排出口６８ｂは、第１端部６４ａにおいて第２方向Ｄ２に並んで形成されている。第１放熱部６１ａの冷媒供給口６８ａ及び冷媒排出口６８ｂは、放熱ケース６４を厚さ方向Ｅに貫通する孔に接続されている。第２放熱部６１ｂの冷媒供給口６８ａ及び冷媒排出口６８ｂは、放熱ケース６４の内部を厚さ方向Ｅに延びる凹溝に接続されている。

図４に示すように、冷媒流路６６は、第１方向Ｄ１に延びる第１流路７１及び第２流路７２と、第１流路７１と第２流路７２との間で分岐して第２方向Ｄ２に延びる複数の分岐流路７３と、を備えている。
第１流路７１は、第１方向Ｄ１において、第１端部６４ａの冷媒供給口６８ａから第２端部６４ｂに向かって延びている。具体的に、第１流路７１は、冷媒供給口６８ａに接続される接続部７１ａと、分岐流路７３の並設方向（第１方向Ｄ１）に沿って直線状に延びる直線部７１ｂと、を有している。第１流路７１は、接続部７１ａの断面積（流通方向に直交する断面積）が直線部７１ｂの断面積よりも大きくなっている。

第２流路７２は、第１方向Ｄ１において、第２端部６４ｂから第１端部６４ａの冷媒排出口６８ｂに向かって延びている。具体的に、第２流路７２は、冷媒排出口６８ｂに接続される接続部７２ａと、分岐流路７３の並設方向（第１方向Ｄ１）に沿って直線状に延びる直線部７２ｂと、を有している。第２流路７２は、接続部７２ａの断面積が直線部７２ｂの断面積よりも大きくなっている。

複数の分岐流路７３は、第１流路７１及び第２流路７２を接続している。具体的に、分岐流路７３は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の３相に対応する３つの第１分岐流路７３ａと、第３電力変換回路部３３に対応する１つの第２分岐流路７３ｂと、を備えている。

第１分岐流路７３ａは、３相の各相に対応して第２方向Ｄ２で対向する第１電力変換回路部３１の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１と第２電力変換回路部３２の素子列ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２とに、平面視で重なる位置に設けられている。３相の各相において、第１分岐流路７３ａの上流部（第１流路７１側の部位）は、平面視で第１電力変換回路部３１の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１に重なる。第１分岐流路７３ａの下流部（第２流路７２側の部位）は、平面視で第２電力変換回路部３２の素子列ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２に重なる。

第１分岐流路７３ａは、上流端（第１流路７１との接続部分）及び下流端（第２流路７２との接続部分）の断面積が、中央部部分に比べて小さくなっている。具体的に、第１分岐流路７３ａの上流端及び下流端は、中央部分に比べて第１方向Ｄ１における流路幅が広くなっている。第１分岐流路７３ａの中央部分は、平面視で第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の全体に重なり合っている。第１分岐流路７３ａの上流端及び下流端は、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２に対して第２方向の外側に位置している。

第２分岐流路７３ｂは、第３電力変換回路部３３の１つの素子列ＰＳにおいて第２方向Ｄ２で対向するハイサイドアームの第１トランジスタＳ１とローサイドアームの第２トランジスタＳ２とに、平面視で重なる位置に設けられている。第２分岐流路７３ｂの上流部（第１流路７１側の部位）は、平面視でローサイドアームの第２トランジスタＳ２に重なる。第２分岐流路７３ｂの下流部（第２流路７２側の部位）は、平面視でハイサイドアームの第１トランジスタＳ１に重なる。なお、第２分岐流路７３ｂの平面視形状は、第１分岐流路７３ａと同等である。すなわち、第２分岐流路７３ｂの中央部分は、平面視で第３電力変換回路部３３の全体に重なり合っている。第１分岐流路７３ａの上流端及び下流端は、第３電力変換回路部３３に対して第２方向の外側に位置している。

上述した第１流路７１の直線部７１ｂの断面積ａは、分岐流路７３の上流端の断面積ｂよりも大きく形成されている。例えば、ａ≧２ｂである。

図２に示すように、放熱プレート６５の平面視外形は、放熱ケース６４とほぼ同一の大きさを有する板状に形成されている。放熱プレート６５は、放熱ケース６４の壁部６７に接続され、凹溝の開口端を閉塞することによって冷媒流路６６を密封する。放熱プレート６５の端部には、放熱ケース６４の冷媒供給口６８ａ及び冷媒排出口６８ｂの各々に臨んで連通する２つの貫通孔６５ａが形成されている。

放熱プレート６５における放熱ケース６４と反対側を向く面は、パワーモジュール２１を搭載する搭載面６５Ａを構成している。放熱プレート６５は、厚さ方向Ｅにおける搭載面６５Ａの反対側の表面６５Ｂ上にヒートシンクとして機能する複数のフィン（不図示）を備えている。複数のフィンは、放熱プレート６５が放熱ケース６４に組み付けられた状態で、各分岐流路７３内に配置されている。例えば、フィンの外形は、ストレート型よりも高密度に配置可能な波型又はピン型に形成されている。

継手部６２は、第１放熱部６１ａ及び第２放熱部６１ｂの間であって、平面視で冷媒供給口６８ａ及び冷媒排出口６８ｂ（貫通孔６５ａ）に重なり合う位置に配置されている。すなわち、継手部６２は、第１方向Ｄ１において、パワーモジュール２１の隣に並んで配置されている。継手部６２は、放熱プレート６５の対応する貫通孔６５ａの各々に臨んで連通する第１の冷媒流路６２ａ及び第２の冷媒流路６２ｂを備えている。

シール部材６３は、各放熱部６１（放熱プレート６５）と継手部６２との間にそれぞれ配置されている。シール部材６３には、シール部材６３を厚さ方向Ｅに貫通する貫通孔６３ａが形成されている。貫通孔６３ａは、放熱プレート６５に形成されている２つの貫通孔６５ａ及び継手部６２に形成されている２つの冷媒流路６２ａ，６２ｂの各々に臨んで連通する。シール部材６３は、放熱プレート６５の各貫通孔６５ａと、継手部６２の冷媒流路６２ａ，６２ｂと、のうち対応する貫通孔６５ａ及び冷媒流路６２ａ，６２ｂ同士を相互に接続して密封するように、放熱プレート６５と継手部６２との間をシールする。

放熱ケース６４の冷媒供給口６８ａ及び冷媒排出口６８ｂ、放熱プレート６５の貫通孔６５ａ、継手部６２の冷媒流路６２ａ，６２ｂ、並びにシール部材６３の貫通孔６３ａの各断面積ｃは、分岐流路７３の上流端の断面積ｂよりも小さく形成されている。例えば、ｂ／４≧ｃである。

図５は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１における第１放熱部６１ａ及び第２放熱部６１ｂの各々の放熱ケース６４と継手部６２とを示す分解斜視図であって、冷媒の流通経路を示す図である。なお、図４及び図５においては、冷媒の流れを矢印によって示している。
図４及び図５に示すように、外部から２つの放熱部６１に供給される冷媒は、先ず、第１放熱部６１ａの冷媒供給口６８ａを通過して（矢印Ｒ１参照）、第１放熱部６１ａの冷媒流路６６と継手部６２の第１の冷媒流路６２ａとに分岐して流入する。継手部６２の第１の冷媒流路６２ａを流れる冷媒は、第２放熱部６１ｂの冷媒供給口６８ａを通過して、第２放熱部６１ｂの冷媒流路６６に流入する（矢印Ｒ２参照）。

第１放熱部６１ａ及び第２放熱部６１ｂの各々の冷媒流路６６において、冷媒は第１流路７１を第１方向Ｄ１に第１端部６４ａから第２端部６４ｂに向って流れながら（矢印Ｒ３参照）、複数の分岐流路７３に分岐して流入する。複数の分岐流路７３を第２方向Ｄ２に第１流路７１から第２流路７２に向って流れる冷媒は、パワーモジュール２１の複数の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２，ＰＳを冷却する。具体的に、第１分岐流路７３ａを流れる冷媒は、先ず第１電力変換回路部３１の素子列ＰＵ１、ＰＶ１、ＰＷ１をそれぞれ冷却し、次に第２電力変換回路部３２の素子列ＰＵ２、ＰＶ２、ＰＷ２をそれぞれ冷却する（矢印Ｒ４参照）。第２分岐流路７３ｂを流れる冷媒は、第３電力変換回路部３３の素子列ＰＳにおいて、先ずローサイドアームの第２トランジスタＳ２を冷却し、次にハイサイドアームの第１トランジスタＳ１を冷却する（矢印Ｒ５参照）。

分岐流路７３を通過した冷媒は、第２流路７２に流入する。冷媒は第２流路７２を第２端部６４ｂから第１端部６４ａに向って流れて、冷媒排出口６８ｂに流入する（矢印Ｒ６参照）。第２放熱部６１ｂの冷媒排出口６８ｂを流れる冷媒は、継手部６２の第２の冷媒流路６２ｂを通過して、第１放熱部６１ａの冷媒排出口６８ｂに流入する（矢印Ｒ７参照）。第１放熱部６１ａの冷媒排出口６８ｂを通過する冷媒は、２つの放熱部６１から外部に排出される。

本実施形態の電力変換装置１では、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２が、第１流路７１から分岐した第１分岐流路７３ａに平面視で重なる構成とした。
この構成によれば、１系統の冷媒流路上に複数の電力変換回路部を配置する場合に比べて、電力変換回路部の増加に伴う冷媒流路の上流側と下流側との間での冷媒の温度勾配が増大するのを抑制できる。すなわち、電力変換回路部の数や発熱量等に応じて、分岐流路７３の数や断面積を調整することで、分岐流路７３上に配置される電力変換回路部３１〜３３の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２，ＰＳを均一的かつ効率的に冷却することができる。さらに、一つの分岐流路７３の流路長が長くなることを防ぎ、冷媒の圧力損失が増大することを抑制することができる。第１モータ１２及び第２モータ１３の各々において、各相に対応して第１分岐流路７３ａが設けられるので、各モータ１２，１３の複数相のうちで冷却性能が変化することを抑制し、複数相間における冷却性能を均一化することができる。

図６は、実施形態に係る電力変換装置１を搭載する車両１０の一部の構成を示す図である。
ここで、図６に示すように、第１モータ１２には、電力変換装置１で昇圧された電力及び、第２モータ１３で発電した電力が出力される。したがって、図４に示すように、第１モータ１２に対応する第１電力変換回路部３１の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１（図１等参照）は、第２モータ１３に対応する第２電力変換回路部３２の素子列ＰＵ２，ＰＶ２，ＰＷ２に比べて発熱し易い傾向にある。そのため、各第１分岐流路７３ａにおいて、第１電力変換回路部３１の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１を、第２電力変換回路部３２の素子列ＰＵ２，ＰＶ２，ＰＷ２よりも上流側に配置することで、冷媒と第１電力変換回路部３１との温度差を確保できる。その結果、第１電力変換回路部３１を効率的に冷却できる。これにより第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２を均一にかつ効率的に冷却することができ、複数の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２間における冷却性能の差が増大することを抑制することができる。
これらにより、例えば冷媒のポンプ容量及び冷媒温度に関連するラジエータの放熱性能等の所定の冷却性能において、第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の複数の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２を均一にかつ効率的に冷却することができる。

本実施形態では、各第１分岐流路７３ａにおける第１電力変換回路部３１及び第２電力変換回路部３２の各々の素子列ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１，ＰＵ２，ＰＶ２、ＰＷ２において、ハイサイドアームスイッチング素子とローサイドアームスイッチング素子とが第１方向Ｄ１に並んで配置されている。これによりハイサイドアームスイッチング素子とローサイドアームスイッチング素子との間における冷却性能の差の増大を抑制することができる。

本実施形態において、第３電力変換回路部３３の昇圧時には、ハイサイドアームの第１トランジスタＳ１に比べてローサイドアームの第２トランジスタＳ２による発熱がより大きくなる。また、第３電力変換回路部３３の回生時には、ローサイドアームの第２トランジスタＳ２に比べてハイサイドアームの第１トランジスタＳ１による発熱がより大きくなる。但し、昇圧時と回生時とを比較すると、バッテリ１１の出力許容電流又は出力許容電力が入力許容電流又は入力許容電力に比べて大きい場合には、ハイサイドアームの第１トランジスタＳ１に比べてローサイドアームの第２トランジスタＳ２による発熱がより大きくなる。
そこで、本実施形態では、第２分岐流路７３ｂにおいて、ローサイドアームの第２トランジスタＳ２が、ハイサイドアームの第１トランジスタＳ１の上流側に配置されている。そのため、冷媒とローサイドアームの第２トランジスタＳ２との温度差を確保できる。その結果、ローサイドアームの第２トランジスタＳ２を効率的に冷却できる。これにより第３電力変換回路部３３のハイサイドアームの第１トランジスタＳ１及びローサイドアームの第２トランジスタＳ２を均一的かつ効率的に冷却することができ、第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２間における冷却性能の差が増大することを抑制することができる。

以下、実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態において、電力変換装置１は、パワーモジュール２１を厚さ方向Ｅの両側から挟み込む２つの放熱部６１を備えるとしたが、これに限定されない。電力変換装置１は、パワーモジュール２１を搭載する１つの放熱部６１を備えてもよい。

なお、上述した実施形態において、電力変換装置１は車両１０に搭載されるとしたが、これに限定されず、他の機器に搭載されてもよい。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…電力変換装置、１０…車両、１１…バッテリ（蓄電装置）、１２…第１モータ（第１のモータ）、１３…第２モータ（第２のモータ）、２１…パワーモジュール、２２…リアクトル、３１…第１電力変換回路部、３２…第２電力変換回路部、３３…第３電力変換回路部（電圧変換器）、６１…放熱部、６２…継手部、６３…シール部材、６４…放熱ケース、６５…放熱プレート、６５Ａ…搭載面、６６…冷媒流路、７１…第１流路、７２…第２流路、７３…分岐流路、７３ａ…第１分岐流路（第１の分岐流路）、７３ｂ…第２分岐流路（第２の分岐流路）、ＰＵ１，ＰＶ１，ＰＷ１…素子列（第１の素子列）、ＰＵ２，ＰＶ２，ＰＷ２…素子列（第２の素子列）

Claims (3)

1. 冷媒が流通する冷媒流路と搭載面とを有する放熱部と、
   蓄電装置から供給される電力で力行動作が可能な第１のモータに対して電力を授受する、ハイサイドアーム素子及びローサイドアーム素子からなる素子列が、前記第１のモータの複数相分、共通の前記搭載面に第１方向に並んで配置された複数の第１の素子列と、
   前記第１のモータの力行用電力を発電可能な第２のモータに対して電力を授受する、ハイサイドアーム素子及びローサイドアーム素子からなる素子列が、前記第２のモータの複数相分、共通の前記搭載面に前記第１方向に並んで配置された複数の第２の素子列と、を備え、
   前記複数の第１の素子列と前記複数の第２の素子列は、共通の前記搭載面上において前記第１方向に交差する第２方向で互いに向かい合う位置に配置され、
   前記冷媒流路は、
   前記第１方向に延びる第１流路と、
   前記複数の第１の素子列及び前記複数の第２の素子列の各相に対応して前記第１流路から分岐するとともに、前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向から見た平面視で前記第１の素子列及び前記第２の素子列に重なる位置で、前記第２方向に延在する複数の第１の分岐流路と、を備え、
   それぞれの前記第１の分岐流路において、前記複数の第１の素子列は、前記複数の第２の素子列に対して、前記第２方向における前記第１の分岐流路の上流側に位置している電力変換装置。
   
2. 前記複数の第１の素子列及び前記複数の第２の素子列における、前記ハイサイドアーム素子及び前記ローサイドアーム素子は、前記第１方向に並んで配置されている請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の第１の素子列又は前記複数の第２の素子列と電気的に接続される電圧変換器を備え、
   前記電圧変換器を構成するハイサイドアーム素子及びローサイドアーム素子が、前記搭載面における前記第２方向に並んで配置され、
   前記冷媒流路は、前記第１流路から分岐するとともに、前記平面視で前記電圧変換器の前記ハイサイドアーム素子と前記ローサイドアーム素子とに重なる位置で、前記第２方向に延在する第２の分岐流路をさらに備え、
   前記電圧変換器の前記ローサイドアーム素子は、前記電圧変換器の前記ハイサイドアーム素子に対して、前記第２方向における前記第２の分岐流路の上流側に位置している請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。

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