JP6755294B2 - 電気自動車搭載用電力変換装置 - Google Patents

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

電気自動車、ハイブリッド自動車をはじめとする、車両走行に電動モータを用いる自動車が多く開発されている。これらの自動車では、従来のガソリンエンジン自動車で用いられていた制御回路用の補機用電池に加えて、走行用電動モータを動作させるための駆動用電池が備えられ、駆動用電池の出力を電動モータに適した電圧とするための電力変換装置が備えられている。

この電力変換装置は複数の半導体スイッチング素子からなる半導体モジュールとトランスとで主に構成される。半導体モジュールを形成する半導体スイッチング素子では、電極にワイヤが接続されており、異常動作等により過電流が生じた場合には、ワイヤは溶断される（特許文献１）。また、この溶断されたワイヤの金属成分に起因する不具合を回避するため、溶断金属を取り込む溝を備えた溶断機構付き半導体モジュールも提案されている（特許文献２）。

特開平８−２４２０４６号公報 特開２００７−３１７９７０号公報

半導体スイッチング素子のワイヤが過電流により溶断された場合、ワイヤは不連続となる。この不連続な部分にはその後も継続して電圧が印加され、アークの発生、周辺の封止樹脂の炭化が生じる場合があり、さらに炭化した部分に電流が印加されると発熱等が生じるという問題があった。

本願は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、発熱等の不具合を生じない過電流保護手段を備えた、信頼性の高い電力変換装置を得ることを目的とする。

本願の電気自動車搭載用電力変換装置は、高圧バッテリである電源と、溶断機構を有する半導体モジュールと、を備え、電源から供給される電力を変換して出力する電気自動車搭載用電力変換装置であって、半導体モジュールは、半導体スイッチング素子が樹脂で封止されて構成され、半導体モジュールの溶断機構は半導体モジュールを構成する半導体チップとリードフレームとを接続する前記樹脂中のワイヤを溶断するものであり、電源と前記半導体モジュールとの間に配置され、半導体モジュールと直列に接続された、電流を溶断可能なヒューズを備え、ヒューズの溶断時間は、半導体モジュールの溶断機構の溶断時間よりも短く、半導体モジュールの溶断機構の溶断時間は、半導体モジュールの溶断機構とヒューズとを除く電気自動車搭載用電力変換装置の主回路部品の溶断時間よりも短いことを特徴とするものである。

本願の電力変換装置は、発熱等の不具合を生じない過電流保護手段を備え、高い信頼性を得ることができる。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。 実施の形態１に係る電力変換装置に用いる半導体モジュールの一部の構成を示す断面図である。 従来の半導体モジュールの溶断機構での問題点を示す断面図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の各主回路部品の溶断特性を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の変形構成例を示す回路図である。

実施の形態の説明及び各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。

実施の形態１．
本実施の形態について、図１から図５を用いて説明する。本実施の形態においては、入力側電源である高圧バッテリ１と半導体モジュール１４との間にヒューズ２を配置した電力変換装置について述べる。

図１は本実施の形態の電力変換装置の構成を示す回路図である。図２は半導体モジュールの一部の構成を示す断面図、図３（ａ）〜（ｄ）は、半導体モジュールの溶断過程を示す断面図であり、従来のワイヤの溶断機構を有する半導体モジュールでの問題点を説明する図である。図４は本実施の形態に係る電力変換装置を構成する各主回路部品の溶断特性を示す図である。また、図５は本実施の形態に係る電力変換装置の変形構成例を示している。
なお、本実施の形態において、溶断とは、ヒューズ２のヒューズエレメント及び半導体モジュール１４のワイヤ２１等が溶融して電気的及び形態的に切断することを意味している。

＜電力変換装置の構成＞
本実施の形態においては電力変換装置として、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータであり、入力側よりも出力側で低電圧となる降圧型コンバータが用いられている。本実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータは、図１に示すように、入力側電源である高圧バッテリ１（入力電圧＝Ｖ_ｉ）、半導体モジュール１４、１次巻線と２次巻線とからなるトランス７、整流用ダイオード８、９と平滑リアクトル１０、平滑コンデンサ１１を備え、出力側負荷１２と低圧バッテリ１３（出力電圧＝Ｖ_０）に接続されている。また、本実施の形態では、半導体モジュール１４と入力側電源である高圧バッテリ１との間にヒューズ２が直列に接続されている。

半導体モジュール１４は、ワイヤ２１による溶断機構を備えた４つの半導体スイッチング素子３〜６を有し、半導体スイッチング素子３のソース電極と半導体スイッチング素子４のドレイン電極とをトランス７の１次巻線の一端に接続し、半導体スイッチング素子５のソース電極と半導体スイッチング素子６のドレイン電極とを１次巻線の他端に接続して形成される。
これらの半導体スイッチング素子３〜６を樹脂で封止して半導体モジュール１４とし、電力変換装置の制御部（図示せず）により動作を制御される。

なお、入力側電源である高圧バッテリ１からの電流が流れる回路上にある部品を主回路部品と呼ぶ。具体的には、本実施の形態のＤＣ−ＤＣコンバータの場合、ヒューズ２、半導体スイッチング素子３〜６、これらを実装する基板上に形成された配線パターン、トランス７の１次巻線及び各部品間を接続する接続配線等が含まれる。

＜電力変換装置の動作＞
本実施の形態の電力変換装置であるＤＣ−ＤＣコンバータは主に４モードの動作を行う。
モード１では、半導体スイッチング素子３、半導体スイッチング素子６が導通状態となり、半導体スイッチング素子４、半導体スイッチング素子５が非導通状態となる。この状態ではトランス７の１次巻線には、図１の上から下へ電流が流れ、２次巻線には、整流用ダイオード８の順方向に電流が流れる。

モード２では、すべての半導体スイッチング素子３〜６は非導通状態であり、２次巻線に電力は伝達されず、平滑リアクトル１０の自己誘導による電流のみとなる。
モード３では、モード１とは反対に、半導体スイッチング素子３、半導体スイッチング素子６が非導通状態となり、半導体スイッチング素子４、半導体スイッチング素子５が導通状態となる。この状態ではトランス７の１次巻線には、図１の下から上へ電流が流れ、２次巻線には、整流用ダイオード９の順方向に電流が流れる。

モード４では、再びすべての半導体スイッチング素子３〜６は非導通状態となり、２次巻線に電力は伝達されず、平滑リアクトル１０の自己誘導による電流のみとなる。
このモード１〜モード４を繰り返し、各モードの動作周期を調整することで、目的とする出力を得ることができる。

＜ヒューズについて＞
本実施の形態においては、ガラス管の中に亜鉛製のヒューズエレメントを有するガラス管ヒューズ２が用いられ、管内に消弧剤としてケイ砂ＳｉＯ_２を充填している。ヒューズ２の構成はこれに限定するものではなく、セラミック管ヒューズ２等も用いることができる。ヒューズエレメントは、銀、スズ等のように過電流に対する発熱に応じて溶融し、溶断することができる材料を用いることができる。また、消弧剤には、鉱石粉等も用いることができる。

なお、ヒューズエレメントの材質、本数、長さ、太さ、さらにはスパイラル巻き付け等の形状を調整することにより、溶断の容易さの尺度である溶断特性を調整することが可能である。溶断特性については、図４において詳細に説明するが、電流が印加された後、溶断されるまでの時間（溶断時間）で表すもので、溶断時間が短い方が容易に溶断することができることを示している。本実施の形態において、後述する半導体スイッチング素子３〜６の溶断機構と入力側電源である高圧バッテリ１に隣接するヒューズ２の調整及び選択が重要であり、溶断時間に基づいて溶断特性の調整を行った。

＜半導体モジュールの構成＞
本実施の形態の半導体モジュール１４の一部の断面図を図２に示す。
本実施の形態で用いた半導体モジュール１４は、４つの半導体スイッチング素子３〜６で構成されており、それらの一部の断面図を用いて半導体モジュール１４の構成を説明する。

図において、銅リード２６上に絶縁シート２５を介して配置された一方のリードフレーム２４に半導体チップ２２が導電性接着剤を介して固定されている。さらに半導体チップ２２の上面の電極部と他方のリードフレーム２４がワイヤ２１で接続されている。このワイヤ２１部分は、過電流による温度上昇により溶断され、半導体モジュール１４の溶断機構として機能する。

リードフレーム２４へのワイヤ２１の接続は、通常のワイヤーボンディングにより行うことができる。
リードフレーム２４へ接続するワイヤ２１は、本実施の形態においては金線を用いたが、これに限定するものではなく、アルミニウム線等も用いることができる。

図２には記載されていないが、半導体モジュール１４の銅リード２６は、放熱グリスを介して放熱フィンに固定され、電力変換装置内に取付けられている。
半導体チップ２２、ワイヤ２１、リードフレーム２４の表面は、シリコン樹脂からなる封止樹脂２３により覆われ保持されている。封止樹脂２３には、シリコン樹脂以外にエポキシ樹脂等も用いることができる。

＜半導体モジュールの溶断機構の問題点＞
ここで従来の半導体モジュール１４の溶断機構の問題点について説明する。
図３（ａ）〜（ｄ）は、半導体モジュール１４に過電流が印加され、半導体モジュールの溶断機構であるワイヤ２１が溶断される過程を示している。

図３（ａ）は、図２に示した半導体モジュール１４の一部と同じ構成であり、半導体チップ２２とリードフレーム２４を接続するワイヤ２１に電流が印加された状態を示している。なお、印加された電流を矢印２７で模擬的に示している。

図３（ｂ）は印加された過電流により、ワイヤ２１が溶断された状態を示している。この状態において、電力変換装置の入力側電源として高圧バッテリ１を用いている場合、図３（ｃ）に示すように、溶断部分には電圧が印加され続けて矢印２８で示した部分に電位差を生じ、図３（ｄ）で示すように、炭化され炭化部３０が形成される。

図３（ｄ）に示すように、炭化部３０は電気的抵抗体として示すことができ、ワイヤ２１から封止樹脂２３を経てリードフレーム２４へ接続する矢印２９で示した通電回路が形成される。炭化した封止樹脂２３の抵抗は、通常の導体と比べ少し高い抵抗値を有する。そのため、半導体モジュール１４に流れ続ける電流値は、この抵抗値に応じて低い値となり、ワイヤ２１が溶断された後も流れ続け、封止樹脂２３の炭化部３０では、発熱する場合がある。

＜電力変換装置での溶断機構＞
本実施の形態では、溶断時にアークによる炭化等の不具合を生じない、電力変換装置を提供するものである。
図４は、実施の形態１で用いた電力変換装置を構成する各部品及びヒューズ２の溶断特性を示す図であり、高圧バッテリ１からの入力を溶断するためのヒューズ２の溶断特性３１、図２及び図３で説明した半導体モジュール１４のワイヤ２１の溶断特性３２、ヒューズ２と半導体モジュール１４の溶断機構を除くその他の主回路部品の溶断特性３３を比較して示している。

溶断特性とは、印加した電流と、ワイヤ２１等の溶断機構が溶断されるまでの時間である溶断時間との関係に基づいて決められる溶断し易さである。図４は、縦軸は溶断時間、横軸は電流値を示しており、図中のプロットされる位置により溶断の難易を判断することができる。具体的には、下部分にプロットされるほど溶断時間が短く容易に溶断され、逆に、上部分にプロットされるほど溶断時間が長く溶断され難いことを示している。

本実施の形態においては、ヒューズ２の溶断時間が最も短く、続いて半導体モジュール１４の溶断機構、ヒューズ２と半導体モジュール１４の溶断機構とを除く主回路部品の順となっている。このことは、過電流に対してヒューズ２が最も先に溶断され、半導体モジュール１４の溶断機構、その他の主回路部品の順に溶断されることを示している。

溶断特性をこの順序とすることにより、過電流が発生した場合、まずヒューズ２により電流が溶断される。この電流の溶断は、１次的被害に対する保護動作ということができる。ヒューズ２の溶断動作に伴って電流、電圧は基本的には瞬時に溶断される。しかし、電力変換装置を構成する回路中に誘導性負荷が存在する場合には、電流は流れ続ける。この誘導性負荷による装置の損害は２次的被害と呼ぶことができる。
本実施の形態で用いた電力変換装置では、電力変換装置の２次的被害からの保護動作として、半導体モジュール１４の溶断機構により電流が溶断される。

従来の問題点として図３（ａ）〜（ｄ）で説明したように、１次的被害に対する保護動作として半導体スイッチング素子３〜６の溶断機構が、高電圧状態において溶断されると、アークが発生する可能性がある。そのため、発生したアークにより、ワイヤ２１の溶断部分の周囲では封止樹脂２３に炭化等の劣化が生じ、電力変換装置に修復不可能な損害を与える可能性があった。

しかし、本実施の形態の電力変換装置では、１次的被害に対する保護動作として、まずヒューズ２が溶断される。
誘導性負荷による電流が生じた場合には、これに続いて半導体モジュール１４の溶断機構が、２次的被害に対する溶断動作を実行する。この半導体モジュールでの溶断動作に先立ち、すでにヒューズ２により電気的に溶断されているため２次的被害の電圧値は高くなく、溶断によりアークは発生せず、炭化等の劣化が生じることはない。

以上のように、本実施の形態は、高圧バッテリ１からの入力を制限するヒューズ２が最も容易に溶断動作を行い、続いて半導体モジュール１４の溶断機構を構成するワイヤ２１、最後にヒューズ２と半導体モジュール１４の溶断機構を除く電力変換装置の主回路部品の順に、溶断動作を行うように構成されている。したがって、高電圧が印加される１次的被害に対しては、必ずヒューズ２による保護動作を行い、電圧値の低い２次的被害に対する保護動作が必要な場合には半導体モジュール１４の溶断機構が溶断動作を行う。

そのため、半導体モジュール１４のワイヤ２１が溶断された場合に、アークの発生による炭化等の劣化は生じることがなく、高い信頼性を有する電力変換装置を得ることができる。

本実施の形態においては、ヒューズ２、半導体モジュール１４の溶断機構であるワイヤ２１、その他の主回路部品の順に溶断が生じにくくなるように構成したが、半導体モジュール１４のワイヤ２１の溶断特性とその他の主回路部品の溶断特性の順序を入れ替えても、多くの場合、ほぼ同様の効果を得ることができる。ただし、２次的被害に対する保護動作をトランス７近傍で行った場合、高圧バッテリ１側に近接する半導体モジュール１４に電気的な被害を生じる場合がある。そのため、本実施の形態で示したように、半導体モジュール１４の溶断機構で２次的被害に対する保護動作を行うことで信頼性を高めることができる。

本実施の形態においては、ヒューズ２は、高圧バッテリ１の正極側に直列に接続されているが、これとは反対に負極側に接続されても同様の効果を有する。
また、本実施の形態においては、高圧バッテリ１と半導体モジュール１４との間にヒューズ２を配置したが、電力変換装置内ではなく、電力変換装置を設置した電動自動車の車体部分のような、電力変換装置の外部にヒューズ２を配置して高圧バッテリ１への電力供給を断つ構成としても同様の効果を得ることができる。

本実施の形態において、半導体スイッチング素子３〜６としてＭＯＳＦＥＴを用いたが、これに限定されるものではなく、例えばＩＧＢＴとダイオードを用いても同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、電力変換装置は絶縁型コンバータとしているが、これに限定するものではなく、非絶縁型コンバータであっても同様の効果を得ることができる。

本実施の形態では、入力側よりも出力側で低電圧となる降圧型コンバータを用いたが、これに限定するものではなく、入力側よりも出力側で高電圧となる昇圧型コンバータであっても同様の効果を得ることができる。この場合、２次側で高電圧となるため、図５に示すようにトランス７部分の後段にヒューズ２’を配置することで同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態においては、半導体モジュール１４に半導体スイッチング素子３〜６を用いた構成としたが、整流回路を適用することもできる。
図５に、半導体ダイオード８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂを整流用ダイオードとして用いた半導体モジュール１５を整流回路に適用した例を示す。ここでは、昇圧型コンバータでの構成を例として用いている。
この構成においては、半導体モジュール１５には、半導体スイッチング素子３〜６を用いた半導体モジュール１４と同様に、図２に示したワイヤ２１による溶断機構を適用することが重要であり、ヒューズ２’の溶断時間は半導体モジュール１５の溶断機構の溶断時間より短くすることが重要である。
この整流回路を用いた構成の電力変換装置においても高い信頼性を得ることができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 高圧バッテリ、２，２’ ヒューズ、３，４，５，６ 半導体スイッチング素子、７ トランス、８ 整流用ダイオード、８ａ，８ｂ 半導体ダイオード、９ 整流用ダイオード、９ａ，９ｂ 半導体ダイオード、１０ 平滑リアクトル、１１ 平滑コンデンサ、１２ 出力側負荷、１３ 低圧バッテリ、１４ 半導体モジュール、１５ 半導体モジュール、２１ ワイヤ、２２ 半導体チップ、２３ 封止樹脂、２４ リードフレーム、２５ 絶縁シート、２６ 銅リード、２７ 矢印、２８ 矢印、２９ 矢印、３０ 炭化部、３１ ヒューズの溶断特性、３２ ワイヤの溶断特性、３３ その他の主回路部品の溶断特性。

Claims (2)

1. 高圧バッテリである電源と、溶断機構を有する半導体モジュールと、を備え、
   前記電源から供給される電力を変換して出力する電気自動車搭載用電力変換装置であって、
   前記半導体モジュールは、半導体スイッチング素子が樹脂で封止されて構成され、前記半導体モジュールの溶断機構は前記半導体モジュールを構成する半導体チップとリードフレームとを接続する前記樹脂中のワイヤを溶断するものであり、
   前記電源と前記半導体モジュールとの間に配置され、前記半導体モジュールと直列に接続された、電流を溶断可能なヒューズを備え、
   前記ヒューズの溶断時間は、前記半導体モジュールの溶断機構の溶断時間よりも短く、
   前記半導体モジュールの溶断機構の溶断時間は、前記半導体モジュールの溶断機構と前記ヒューズとを除く前記電気自動車搭載用電力変換装置の主回路部品の溶断時間よりも短いことを特徴とする電気自動車搭載用電力変換装置。
2. 前記ヒューズが消弧剤を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車搭載用電力変換装置。

Images