JP6943212B2 - 電力変換器 - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、電力変換器に関する。特に、並列に接続されている2個の電圧コンバータと、電圧コンバータが出力する直流電力を交流に変換するインバータを備えている電力変換器に関する。
特許文献1、2に、2個の電圧コンバータと、2個のインバータを備えている電力変換器が開示されている。2個の電圧コンバータは並列に接続されている。インバータは、2個の電圧コンバータが出力する直流電力を、走行用のモータを駆動する交流電力に変換する。夫々の電圧コンバータは、電力変換用の複数のスイッチング素子とリアクトルを備えている。インバータも、電力変換用の複数のスイッチング素子を備えている。電力変換用のスイッチング素子とリアクトルは発熱量が大きい。
特許文献1には、発熱量の大きいスイッチング素子とリアクトルを冷却する第1冷却器と第2冷却器を備えている。全てのスイッチング素子は、第1冷却器とともに第1ユニットに集約されている。第2冷却器は、U字形状の流路を有する扁平な冷却器であり、その一方の幅広面に、2個のリアクトルとコンデンサが接している。
特許文献1の電力変換器のように、全てのスイッチング素子をひとつのユニットに集約してしまうと、ユニットが大きくなる。大きなユニットを含む複数の部品を空間効率良く配置することが難しくなる。また、特許文献1の電力変換器では、第2冷却器の一面だけを使っており、この点でも空間効率を高める余地がある。本明細書は、2個の電圧コンバータと、インバータを備える電力変換器において、スイッチング素子やリアクトルなどの発熱部品を冷却器とともに空間効率良く配置する技術を提供する。
本明細書が開示する電力変換器は、2個の電圧コンバータ(第1、第2電圧コンバータ)と、インバータと、第1冷却器と、第2冷却器を備えている。第1電圧コンバータは、複数の第1スイッチング素子と第1リアクトルを備えている。第2電圧コンバータは、複数の第2スイッチング素子と第2リアクトルを備えており、第1電圧コンバータと並列に接続されている。インバータは、複数の第3スイッチング素子を備えており、第1電圧コンバータ及び第2電圧コンバータが出力する直流電力を交流に変換する。第1冷却器は、冷媒入口と冷媒出口が同じ側に位置しており、U字形状の流路を有している。第1冷却器は扁平形状であり、対向する一対の幅広面を有している。複数の第1スイッチング素子と複数の第3スイッチング素子は、第2冷却器とともに第1ユニットに集約されている。複数の第2スイッチング素子は、第2ユニットに集約されている。そして、第1リアクトルが第1冷却器の一方の幅広面に接しているとともに、第2リアクトルと第2ユニットが第1冷却器の他方の幅広面に接している。第2リアクトルは、第2ユニットよりも冷媒入口に近い側で、流路のU字の両腕部分に対向するように配置されている。第1ユニットは、第1リアクトルよりも冷媒入口に近い位置で第1冷却器を挟んで第2リアクトルと対向するように配置されている。
本明細書が開示する電力変換器は、第一に、U字の流路を有する第1冷却器の両方の幅広面にデバイスを配置することで空間効率を高めている。第二に、複数の第1スイッチング素子と複数の第3スイッチング素子を第1ユニットに集約し、複数の第2スイッチング素子は別のユニット(第2ユニット)に集約する。複数のスイッチング素子を2個のユニットに分散し、第1ユニットのスイッチング素子は第2冷却器で冷却し、第2ユニットのスイッチング素子は別の冷却器(第1冷却器)で冷却する。全てのスイッチング素子を2個のユニットに分散させ、夫々を別の冷却器で冷却する構造を採用することで、複数のデバイスを空間効率よく配置することができる。
また、第1冷却器の片側に配置されている第2ユニットと第2リアクトルは、第2電圧コンバータの部品である。本明細書が開示する電力変換器を第2電圧コンバータが不要な自動車に適用する場合、第1冷却器の片側の部品(第2ユニットと第2リアクトル)を外せばよい。本明細書が開示する電力変換器は、一つの電圧コンバータで済む電力変換器に流用するのに都合がよい。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
図面を参照して実施例の電力変換器2を説明する。電力変換器2は、電気自動車100に搭載されている。図1に、電力変換器2を含む電気自動車100の電力系のブロック図を示す。電気自動車100は、2個の走行用のモータ11a、11bで走行する。
電力変換器2は、バッテリ8の直流電力をモータ11a、11bの駆動に適した交流に変換するデバイスである。電力変換器2は、2個の電圧コンバータ(第1電圧コンバータ9aと第2電圧コンバータ9b)と、2個のインバータ(第1インバータ10aと第2インバータ10b)を備えている。
第1電圧コンバータ9aについて説明する。第1電圧コンバータ9の低電圧端はバッテリ8に接続されており、高電圧端は第1インバータ10aと第2インバータ10bに接続されている。第1電圧コンバータ9aは、2個のスイッチング素子6a、6b、2個のダイオード7a、7b、リアクトル5aを備えている。2個のスイッチング素子6a、6bは直列に接続されており、第1電圧コンバータ9aの高電圧端の正極と負極の間に接続されている。スイッチング素子6aにダイオード7aが逆並列に接続されており、スイッチング素子6bにダイオード7bが逆並列に接続されている。2個のスイッチング素子6a、6bの直列接続の中点と、第1電圧コンバータ9aの低電圧端の正極の間にリアクトル5aが接続されている。第1電圧コンバータ9aの高電圧端の負極と、低電圧端の負極は直接に接続されている。
図1の第1電圧コンバータ9aは、低電圧端に印加された電圧を昇圧して高電圧端から出力する昇圧機能と、高電圧端に印加された電圧を降圧して低電圧端から出力する降圧機能を備えている。第1電圧コンバータ9aは、いわゆる双方向DC−DCコンバータである。スイッチング素子6aとダイオード7bが降圧動作に関与し、スイッチング素子6bとダイオード7aが昇圧動作に関与する。リアクトル5aは、一時的に電気エネルギを蓄える目的で接続されており、昇圧動作と降圧動作のいずれにも関与する。リアクトル5aとスイッチング素子6a、6bを備える第1電圧コンバータ9aは、チョッパ型の電圧コンバータである。第1電圧コンバータ9aの回路構成と動作はよく知られているので詳しい説明は省略する。
第2電圧コンバータ9bは、2個のスイッチング素子6c、6dと、2個のダイオード7c、7dと、リアクトル5bを備えている。第2電圧コンバータ9bの構成は第1電圧コンバータ9aの構成であるので、説明は省略する。第2電圧コンバータ9bは、第1電圧コンバータ9aと並列に接続されている。2個の電圧コンバータを並列に接続することで、個々の電圧コンバータの負荷を軽減することができる。別言すれば、2個の電圧コンバータを並列に接続することで、電力変換器の大容量化(高出力化)が可能になる。なお、2個の電圧コンバータの共通の低電圧端にコンデンサ3が接続されており、共通の高電圧端にコンデンサ4が接続されている。
第1インバータ10aについて説明する。第1インバータ10aの直流端は2個の電圧コンバータ9a、9bの共通の高電圧端に接続されている。第1インバータ10aの交流端は、モータ11aに接続されている。モータ11a、11bは、三相交流モータである。
第1インバータ10aは、6個のスイッチング素子6e−6jと、6個のダイオード7e−7jを備えている。6個のスイッチング素子6e−6jは、2個ずつ、直列に接続されている。3組の直列接続が並列に接続されている。6個のダイオード7e−7jのそれぞれは、6個のスイッチング素子6e−6jのそれぞれに逆並列に接続されている。6個のスイッチング素子6e−6jのそれぞれを適宜にオンオフすると、2個のスイッチング素子の直列接続の中点から交流が出力される。3組の直列接続の中点から、三相交流が出力される。
第2インバータ10bは、直流端が電圧コンバータ9a、9bの共通の高電圧端に接続されている。第2インバータ10bの交流端にはモータ11bが接続されている。第2インバータ10bは、第1インバータ10aと同じ構造であるので、図1では、具体的な構造の図示は省略した。第2インバータ10bも、6個のスイッチング素子と6個のダイオードを含んでいる。第2インバータ10bがスイッチング素子を適宜にオンオフすると、三相交流が出力される。
電圧コンバータ9a、9bのスイッチング素子とインバータ10a、10bのスイッチング素子は不図示のコントローラによって制御される。電力変換器2は、2個の電圧コンバータ9a、9bによってバッテリ8の電圧を昇圧する。昇圧された電圧の直流電力は、インバータ10a、10bによって、モータ11a、11bの駆動に適した交流電力に変換される。
次に、電力変換器2のハードウエア構成について説明する。第1電圧コンバータ9aのスイッチング素子6a、6bとダイオード7a、7bと、第1インバータ10aのスイッチング素子6e−6jとダイオード7e−7jと、第2インバータ10bのスイッチング素子とダイオードは、第1ユニット20に集約されている。
図2に、第1ユニット20の斜視図を示す。第1ユニット20は、複数の冷却器24と、複数の半導体モジュール21(21a、21b)が積層されたデバイスである。複数の冷却器24と複数の半導体モジュール21は、1個ずつ交互に積層されている。図2では、1個の半導体モジュール21bを抜き出して描いてある。一つの半導体モジュール21の中に、2個のスイッチング素子と2個のダイオードが収容されている。半導体モジュール21aに収容されているスイッチング素子は、第1電圧コンバータ9aのスイッチング素子6a、6bである。6個の半導体モジュール21bは、インバータ10a、10bに含まれるスイッチング素子を収容している。半導体モジュール21a、21bはダイオードも含まれるが、以下ではダイオードについては省略する。
図2において、第1ユニット20から抜き出されて描かれている半導体モジュール21bについて説明する。半導体モジュール21bには、2個の半導体チップ212a、212bが収容されている。1個の半導体チップ212a(212b)には、1個のスイッチング素子6g(6h)が実装されている。半導体モジュール21bの内部で半導体チップ212a、212bは、直列に接続されている。即ち、半導体モジュール21bの内部で、スイッチング素子6g、6hが直列に接続されている。なお、スイッチング素子6g(6h)には、ダイオード7g(7h)が逆並列に接続されている。即ち、半導体チップ212aには、スイッチング素子6gとダイオード7gが含まれており、半導体チップ212bには、スイッチング素子6hとダイオード7hが含まれている。
他の半導体モジュールも同様の構成を有している。図2には、6個の半導体モジュール21bが描かれている。3個の半導体モジュール21bが第1インバータ10aのスイッチング素子6e−6jとダイオードを収容しており、残り3個の半導体モジュール21bが第2インバータ10bのスイッチング素子とダイオードを収容している。
半導体モジュール21aは、第1電圧コンバータ9aに含まれるスイッチング素子6a、6bとダイオード7a、7bを収容している。第1電圧コンバータ9aに属する半導体モジュール21aと、インバータ10a、10bに属する半導体モジュール21bは、同一の形状、同一の特性を有している。以下では、半導体モジュール21a、21bを区別なく示すときには半導体モジュール21と称する。
半導体モジュール21は扁平であり、隣り合う半導体モジュール21と幅広面が対向するように配置されている。一つの幅狭面から3個のパワー端子213が延びており、反対側の幅狭面から制御端子214が延びている。3個のパワー端子213は、半導体モジュール21内部のスイッチング素子の直列接続の正極側と負極側と中点の夫々に導通している。制御端子214は、半導体モジュール21内部のスイッチング素子のゲート端子やセンスエミッタ端子や温度センサと導通する端子である。
第1ユニット20の説明に戻る。第1ユニット20は、複数の冷却器24を平行に配置し、隣り合う冷却器24の間に半導体モジュール21を挟み込んだ構造を有している。夫々の冷却器24は、内部が流路になっている。隣り合う冷却器24は、2個の連結パイプ25a、25bで接続されている。図のX軸方向からみて、連結パイプ25a、25bは、半導体モジュール21の両側に位置する。第1ユニット20の積層方向(X方向)の端の冷却器24には、冷媒供給管26aと冷媒排出管26bが取り付けられている。第1ユニット20の積層方向からみて、冷媒供給管26aは一方の連結パイプ25aと重なるように設けられている。冷媒排出管26bは、積層方向から見て、他方の連結パイプ25bと重なるように設けられている。冷媒供給管26aと冷媒排出管26bは、不図示の冷媒循環装置に接続される。冷媒供給管26aを通じて第1ユニット20に供給される冷媒は、連結パイプ25aを通じて全ての冷却器24に分配される。冷媒は、冷却器24を通過する間に隣接する半導体モジュール21から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、連結パイプ25bと冷媒排出管26bとを通じて第1ユニット20から排出され、冷媒循環装置に戻る。冷媒は、液体であり、具体的には、水、あるいは、不凍液(Long Life Coolant)である。
図3に、電力変換器2の断面図を示す。図3は、図中の座標系において、+Y軸側のケース側板をカットした電力変換器2の断面を示している。図4に、図3のIV−IV線に沿った断面図を示す。以下では、説明の便宜上、図3、図4の座標系において、+Z方向を「上」と定義する。
電力変換器2のケース50には、基板31、第1ユニット20、第2ユニット33、リアクトル5a、リアクトル5b、コンデンサモジュール32、冷却器40が収容されている。コンデンサモジュール32には、図1のコンデンサ3、4の夫々に対応するコンデンサ素子が収容されている。
図2では、半導体モジュール21の制御端子214は図中の下側に延びているのに対して、図3では、第1ユニット20に含まれる半導体モジュール21(21a、21b)の制御端子214が上側に位置していることに留意されたい(図2と図3で座標系の軸の向きが異なることに留意されたい)。図3では、半導体モジュール21aの制御端子にのみ、符号214を付し、残りの半導体モジュール21bの制御端子には符号を省略した。全ての半導体モジュール21の制御端子214は、第1ユニット20の上方に配置されている基板31に接続されている。基板31には、スイッチング素子を制御する制御回路が実装されており、制御回路は、制御端子214を通じてスイッチング素子を制御する。
第1ユニット20の下方に冷却器40が配置されている。冷却器40は扁平であり、上面40aと下面40bが幅広面に相当する。冷却器40の上面40a(一方の幅広面)にリアクトル5aが接しており、下面40b(他方の幅広面)にリアクトル5bと第2ユニット33が接している。即ち、冷却器40は、リアクトル5a、リアクトル5b、及び、第2ユニット33を冷却する。第2ユニット33は、図1の第2電圧コンバータ9bに含まれるスイッチング素子6c、6dとダイオード7c、7dを収容している。第2ユニット33の構造の詳細は説明を割愛する。
図4に、図3のIV−IV線に沿った断面、即ち、冷却器40をその幅広面と平行な平面でカットした断面を示す。冷却器40は、内部にU字形状の流路を有している。冷却器40の流路は、仕切板43によって、上流路44と下流路45に分かれている。上流路44と下流路45が、U字の腕の部分に相当する。上流路44と下流路45は、図中の右側の湾曲部分で連続している。
冷却器40の冷媒入口41と冷媒出口42は、ともに、冷却器40の同じ側(即ち一側面)に位置している。冷媒入口41から流入する冷媒は、上流路44を通り、180度反転して下流路45を流れる。冷媒は最後に冷媒出口42から排出される。冷媒入口41と冷媒出口42には、不図示の冷媒循環器が接続される。
図4には、リアクトル5a、リアクトル5b、第2ユニット33を仮想線で示してある。先に述べたように、リアクトル5aは、冷却器40の上面40aに接している。リアクトル5aと対向するように、冷却器40の上面の裏側には、フィン49cが設けられている。
冷却器40の下面40bには、リアクトル5bと第2ユニット33が接している。リアクトル5bは、第2ユニット33よりも冷媒入口41(冷媒出口42)に近い側に位置している。また、リアクトル5bは、上流路44と下流路45の双方、即ち、U字流路の両腕部分に対向するように配置されている。上流路44には、リアクトル5bと対向するように、下面40bの裏側にフィン49aが設けられている。
第2ユニット33は、リアクトル5bよりも冷媒入口41(冷媒出口42)から遠い側に位置している。上流路44には、第2ユニット33と対向するように、下面40bの裏面にフィン49bが設けられている。
図3、図4を参照して、冷却器40、第1ユニット20、第2ユニット33、リアクトル5a、リアクトル5bの配置についてまとめる。冷却器40の上面40a(一方の幅広面)にはリアクトル5aが接しており、下面40b(他方の幅広面)には、リアクトル5bと第2ユニット33が接している。リアクトル5bは、第2ユニット33よりも冷媒入口41(冷媒出口42)に近い側で、流路のU字の両腕部分(上流路44、下流路45)に対向するように位置している。第1ユニット20は、リアクトル5aよりも冷媒入口41(冷媒出口42)に近い位置で、冷却器40を挟んでリアクトル5bと対向するように位置している。
第2ユニット33に収容されているスイッチング素子6c、6dとリアクトル5bは、第2電圧コンバータ9bの部品である。第2ユニット33とリアクトル5bは、冷却器40の下面40bの側に配置されている。一方、第1電圧コンバータ9aの部品(スイッチング素子6a、6bとリアクトル5a)は、冷却器40の上面40aの側に配置されている。なお、第1ユニット20は、複数の冷却器24を備えており、第1ユニット20に含まれる半導体モジュール21は、それら冷却器24によって冷却される。第1ユニット20は、冷却器40には接していない。
上記のレイアウトの利点を説明する。電力変換器2は、第一に、U字の流路を有する扁平な冷却器40の両方の幅広面(上面40aと下面40b)にデバイスを配置することで、空間効率を高めている。第二に、複数のスイッチング素子を、第1ユニット20と第2ユニット33に分散配置している。具体的には、第1電圧コンバータ9aのスイッチング素子6a、6bと、第1インバータ10aのスイッチング素子6c−6f、及び、第2インバータ10bのスイッチング素子を、第1ユニット20に集約している。第1ユニット20では、複数の半導体モジュール21と複数の冷却器24が一つずつ交互に積層されており、夫々の半導体モジュール21は、その両面から冷却される。第2電圧コンバータ9bのスイッチング素子6c、6dは、第2ユニット33に集約されている。第2ユニット33は、冷却器40で冷却される。実施例の電力変換器2は、複数のスイッチング素子を2個のユニット(第1ユニット20と第2ユニット33)に分散し、第1ユニット20のスイッチング素子は複数の冷却器24で冷却し、第2ユニット33のスイッチング素子は冷却器40で冷却する。全てのスイッチング素子を2個のユニットに分散させることで、複数のデバイスを空間効率よく配置することができる。
また、第2電圧コンバータ9bの構成部品は全て冷却器40の下面40bの側に配置されている。第2電圧コンバータ9bは、第1電圧コンバータ9aと並列に接続されており、電力変換器2の許容電力を増加させる。仮に、電力変換器2を、比較的に低出力のモータを備える電気自動車に適用する場合、第2電圧コンバータ9bが不要の場合がある。そのような場合は、冷却器40の下面側の部品を取り外すだけで低出力の電気自動車に適用することができる。実施例の電力変換器2は、並列に接続された2個の電圧コンバータを必要とする自動車と、1個の電圧コンバータで足りる自動車の両方に適用するのに好都合である。別言すれば、実施例の電力変換器2は、単一の電圧コンバータで十分な電力変換器に容易に流用することができる。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。第1電圧コンバータ9aに含まれるスイッチング素子6a、6bが第1スイッチング素子の一例に相当する。第1電圧コンバータ9aのリアクトル5aが、第1リアクトルの一例に相当する。第2電圧コンバータ9bのスイッチング素子6c、6dが第2スイッチング素子の一例に相当する。第2電圧コンバータ9bのリアクトル5bが第2リアクトルの一例に相当する。第1インバータ10aに含まれるスイッチング素子6e−6jが第3スイッチング素子の一例に相当する。U字型の流路を有する冷却器40が第1冷却器の一例に相当する。第1ユニット20に含まれている複数の冷却器24が第2冷却器の一例に相当する。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2:電力変換器
3、4:コンデンサ
5a、5b:リアクトル
6a−6j:スイッチング素子
7a−7j:ダイオード
8:バッテリ
9a:第1電圧コンバータ
9b:第2電圧コンバータ
10a:第1インバータ
10b:第2インバータ
11a、11b:モータ
20:第1ユニット
21、21a、21b:半導体モジュール
24:冷却器
25a、25b:連結パイプ
26a:冷媒供給管
26b:冷媒排出管
31:基板
32:コンデンサモジュール
33:第2ユニット
40:冷却器
41:冷媒入口
42:冷媒出口
43:仕切板
44:上流路
45:下流路
49a−49c:フィン
50:ケース
100:電気自動車
212a、212b:半導体チップ
213:パワー端子
214:制御端子
3、4:コンデンサ
5a、5b:リアクトル
6a−6j:スイッチング素子
7a−7j:ダイオード
8:バッテリ
9a:第1電圧コンバータ
9b:第2電圧コンバータ
10a:第1インバータ
10b:第2インバータ
11a、11b:モータ
20:第1ユニット
21、21a、21b:半導体モジュール
24:冷却器
25a、25b:連結パイプ
26a:冷媒供給管
26b:冷媒排出管
31:基板
32:コンデンサモジュール
33:第2ユニット
40:冷却器
41:冷媒入口
42:冷媒出口
43:仕切板
44:上流路
45:下流路
49a−49c:フィン
50:ケース
100:電気自動車
212a、212b:半導体チップ
213:パワー端子
214:制御端子
Claims (1)
- 複数の第1スイッチング素子と第1リアクトルを備えている第1電圧コンバータと、
複数の第2スイッチング素子と第2リアクトルを備えており、前記第1電圧コンバータと並列に接続されている第2電圧コンバータと、
複数の第3スイッチング素子を備えており、前記第1電圧コンバータ及び前記第2電圧コンバータが出力する直流電力を交流に変換するインバータと、
冷媒入口と冷媒出口が同じ側に位置しており、U字形状の流路を有している扁平な第1冷却器と、
を備えており、
複数の前記第1スイッチング素子と複数の前記第3スイッチング素子は、第2冷却器を備える第1ユニットに集約されており、
複数の前記第2スイッチング素子は、第2ユニットに集約されており、
前記第1リアクトルが前記第1冷却器の一方の幅広面に接しているとともに、第2リアクトルと前記第2ユニットが前記第1冷却器の他方の幅広面に接しており、
前記第2リアクトルは、前記第2ユニットよりも前記冷媒入口に近い側で、前記流路のU字の両腕部分に対向するように配置されており、
前記第1ユニットは、前記第1リアクトルよりも前記冷媒入口に近い位置で前記第1冷却器を挟んで前記第2リアクトルと対向するように配置されている、電力変換器。
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