JP7074175B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、複数の半導体モジュールを備える電力変換装置に関する。
従来、複数の半導体モジュールを備える電力変換装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１では、２つのスイッチング素子を収納する複数の半導体モジュールを備える電力変換装置が開示されている。また、複数の半導体モジュールに並列に、コンデンサが設けられている。半導体モジュールは、各相毎に設けられている。また、コンデンサの正極端子と、複数の半導体モジュールの正極端子とがブスバー（以下、正側ブスバーという）により電気的に接続されている。また、２つのコンデンサの負極端子と、複数の半導体モジュールの負極端子とがブスバー（以下、負側ブスバーという）により電気的に接続されている。上記特許文献１では、正側ブスバーと負側ブスバーとは、共に、略Ｕ字形状を有する銅板により構成されている。また、正側ブスバーと負側ブスバーとは、それぞれ、各相の半導体モジュールに対して共通に一体的に設けられている。
特開２０１６－２１３９４５号公報
上記特許文献１に記載されているような従来の電力変換装置では、電力変換装置の容量を大きくするために、各相の半導体モジュールが並列に設けられる場合がある。また、並列に設けられる導体モジュールの数は、電力変換装置の容量に応じて多くなる。この場合、上記特許文献１に記載されているように、銅板からなる正側ブスバーと負側ブスバーとを、各々、各相の半導体モジュールに対して共通に一体的に設けると、正側ブスバーおよび負側ブスバーが大型化するとともに、重量が重くなる。このため、電力変換装置を組み立てる際の作業性が悪くなるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、半導体モジュールの数が大きくなった場合でも、組み立てる際の作業性が悪くなるのを抑制することが可能な電力変換装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の一の局面による電力変換装置は、半導体素子を内部に収納し、各相毎に複数個ずつ設けられる半導体モジュールと、半導体モジュールに電気的に接続される複数のコンデンサと、コンデンサの正極端子および半導体モジュールの正極端子に電気的に接続される平板形状の正極導体と、コンデンサの負極端子および半導体モジュールの負極端子に電気的に接続される平板形状の負極導体と、正極導体と複数のコンデンサとの間に設けられ、各相の半導体モジュールに共通の複数のヒューズと、複数のヒューズと複数のコンデンサの正極端子に電気的に接続され、アルミニウムにより構成されており、複数のヒューズと複数のコンデンサとに共通に設けられる平板形状のコンデンサ導体と、を備え、正極導体と負極導体との両方は、各相の半導体モジュールに共通に一体的に構成されているとともに、アルミニウムにより構成されている。
この発明の一の局面による電力変換装置では、上記のように、正極導体と負極導体とのうちの少なくとも一方は、各相の半導体モジュールのうちの少なくとも複数相の半導体モジュールに共通に一体的に構成されているとともに、アルミニウムにより構成されている。これにより、銅の比重よりもアルミニウムの比重の方が小さいので、正極導体と負極導体とのうちの少なくとも一方が軽量化される。その結果、半導体モジュールの数が大きくなったことに起因して、正極導体および負極導体が大型化した場合でも、正極導体と負極導体とのうちの少なくとも一方の重量の増加が抑制される。このため、半導体モジュールの数が大きくなった場合でも、組み立てる際の作業性が悪くなるのを抑制することができる。また、正極導体と負極導体とのうちの少なくとも一方がアルミニウムにより構成されているので、電力変換装置を軽量化することができる。
また、正極導体とコンデンサとの間に設けられ、各相の半導体モジュールに共通のヒューズをさらに備える。これにより、ヒューズが各相毎に別個に設けられている場合と比べて、ヒューズに流れる電流を低減することができる。その結果、ヒューズを小型化することができる。
また、コンデンサの正極端子に電気的に接続される平板形状のコンデンサ導体をさらに備え、ヒューズは、正極導体とコンデンサ導体とに接続されている。これにより、各相の半導体モジュールに共通のヒューズを、コンデンサ導体と正極導体とに対して容易に接続することができる。
また、正極導体と負極導体とのうちの少なくとも一方は、各相の半導体モジュールのうちの少なくとも複数相の半導体モジュールに共通に一体的に構成されているので、正極導体と負極導体とのうちの少なくとも一方を、各相毎に別個に設ける場合と異なり、部品点数が増加するのを抑制することができる。
また、正極導体と負極導体との両方は、各相の半導体モジュールに共通に一体的に構成されているとともに、アルミニウムにより構成されている。これにより、正極導体と負極導体との両方がアルミニウムにより構成されているので、正極導体と負極導体と合計の重量を軽量化することができる。その結果、組み立てる際の作業性が悪くなるのをより抑制することができる。また、電力変換装置をより軽量化することができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、正極導体と負極導体とは、共に、平板形状を有し、平板形状の正極導体と平板形状の負極導体とが積層されている。このように構成すれば、正極導体の電流が流れる方向と、負極導体の電流が流れる方向とを互いに逆方向にすることにより、正極導体および負極導体の寄生インダクタンスを低減することができる。
上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、半導体モジュールの出力端子に電気的に接続される出力導体をさらに備え、出力導体は、平板形状を有するとともにアルミニウムにより構成されており、かつ、各相毎に別個に設けられており、平板形状の正極導体と、平板形状の負極導体と、各相毎に別個に設けられている出力導体とが積層されている。このように構成すれば、正極導体と負極導体とのうちの少なくとも一方に加えて、出力導体もアルミニウムにより構成されているので、組み立てる際の作業性が悪くなるのをさらに抑制することができる。また、電力変換装置をさらに軽量化することができる。
本発明によれば、上記のように、半導体モジュールの数が大きくなった場合でも、組み立てる際の作業性が悪くなるのを抑制することができる。
本実施形態による電力変換装置の回路図である。 本実施形態による電力変換装置の半導体モジュールの回路図である。 本実施形態による電力変換装置の半導体モジュールの斜視図である。 本実施形態による半導体モジュールおよびラミネートブスバーの斜視図である。 本実施形態によるラミネートブスバーの分解斜視図である。 本実施形態によるラミネートブスバー、ヒューズおよびコンデンサの上面図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
図１～図６を参照して、本実施形態による電力変換装置１００の構成について説明する。
図１に示すように、電力変換装置１００は、整流部１０を備えている。整流部１０には、交流電力が入力される。整流部１０は、入力された交流電力を直流電力に変換する。
電力変換装置１００は、コンデンサＣを備えている。コンデンサＣは、整流部１０に変換された直流電力を平滑するように構成されている。また、コンデンサＣは、整流部１０と半導体モジュール２０との間に設けられている。コンデンサＣは、複数設けられている。複数のコンデンサＣは、互いに直列に接続されるとともに、直列に接続されたコンデンサＣ同士が、互いに並列に接続されている。
電力変換装置１００は、抵抗Ｒを備えている。抵抗Ｒは、複数設けられている。複数の抵抗Ｒは、互いに直列に接続されるとともに、直列に接続された抵抗Ｒ同士が、互いに並列に接続されている。また、直列に接続された抵抗Ｒと、直列に接続されたコンデンサＣとが並列に接続されている。
図２および図３に示すように、電力変換装置１００は、半導体モジュール２０を備えている。半導体モジュール２０は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２を内部に収納し、各相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）毎に複数個ずつ設けられる。たとえば、半導体モジュール２０は、各相毎に８個ずつ設けられる。
また、半導体モジュール２０は、Ｃ端子２１（コレクタ端子）と、Ｅ端子２２（エミッタ端子）と、出力端子２３と、ゲート端子２４とを含む。また、半導体モジュール２０に並列に、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２とが設けられている。なお、Ｃ端子２１およびＥ端子２２は、それぞれ、特許請求の範囲の「正極端子」および「負極端子」の一例である。
また、半導体モジュール２０のＣ端子２１に、コンデンサＣの正極端子Ｃｐ（図１参照）が電気的に接続されている。また、半導体モジュール２０のＥ端子２２に、コンデンサＣの負極端子Ｃｎ（図１参照）が電気的に接続されている。
また、図４に示すように、各相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）の半導体モジュール２０（２４個の半導体モジュール２０）は、Ｘ方向に４個、Ｙ方向に６個の行列状（４行×６列）に配置されている。また、２４個の半導体モジュール２０は、図示しないヒートシンクの表面上に配置されている。
ここで、本実施形態では、図５に示すように、電力変換装置１００は、コンデンサＣの正極端子Ｃｐおよび半導体モジュール２０のＣ端子２１に電気的に接続される正極導体３０（ブスバー）と、コンデンサＣの負極端子Ｃｎおよび半導体モジュール２０のＥ端子２２に電気的に接続される負極導体４０（ブスバー）と、を備えている。そして、正極導体３０と負極導体４０とのうちの少なくとも一方（本実施形態では、両方）は、各相の半導体モジュール２０のうちの少なくとも複数相（本実施形態では、全ての相）の半導体モジュール２０に共通に一体的に構成されているとともに、アルミニウムにより構成されている。
銅の比重は、アルミニウムの比重の３．３２倍である。また、銅の抵抗値はアルミニウムの抵抗値の０．６３倍である。これにより、所定の電流量を流すことが可能なように正極導体３０（負極導体４０）をアルミニウムにより形成した場合、正極導体３０（負極導体４０）を銅により形成する場合に比べて、正極導体３０（負極導体４０）の重量が約半分になる。
また、正極導体３０は、平板形状を有する。また、正極導体３０は、略矩形形状を有する。そして、正極導体３０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の半導体モジュール２０（２４個の半導体モジュール２０）を覆うように設けられている。また、正極導体３０は、２４個の半導体モジュール２０に対して、１つ設けられている。
また、正極導体３０には、２４個の半導体モジュール２０のＣ端子２１に接続される接続端子３１が設けられている。接続端子３１は、正極導体３０において、２４個の半導体モジュール２０のＣ端子２１に対応する位置（半導体モジュール２０のＣ端子２１の直上）に設けられている。
また、正極導体３０には、Ｅ端子２２および出力端子２３に対応する位置に円形状の孔部３２と、ゲート端子２４に対応する位置に四角形形状の孔部３３とが設けられている。Ｅ端子２２および出力端子２３は、孔部３２を介してＺ１方向側に露出する。ゲート端子２４は、孔部３３を介してＺ１方向側に露出する。
また、正極導体３０のＸ１方向側の端部３４は、段差形状を有する。つまり、正極導体３０は、Ｘ１方向側に延びた後、Ｚ１方向側に延び、その後、Ｘ１方向側に延びるように構成されている。
また、負極導体４０は、平板形状を有する。また、負極導体４０は、略矩形形状を有する。そして、負極導体４０は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の半導体モジュール２０（２４個の半導体モジュール２０）を覆うように設けられている。また、負極導体４０は、２４個の半導体モジュール２０に対して、１つ設けられている。
また、負極導体４０には、２４個の半導体モジュール２０のＥ端子２２に接続される接続端子４１が設けられている。接続端子４１は、負極導体４０において、２４個の半導体モジュール２０のＥ端子２２に対応する位置（半導体モジュール２０のＥ端子２２の直上）に設けられている。
また、負極導体４０には、Ｃ端子２１および出力端子２３に対応する位置に円形状の孔部４２と、ゲート端子２４に対応する位置に四角形形状の孔部４３とが設けられている。Ｃ端子２１および出力端子２３は、孔部４２を介してＺ１方向側に露出する。ゲート端子２４は、孔部４３を介してＺ１方向側に露出する。
また、本実施形態では、平板形状の正極導体３０と平板形状の負極導体４０とが積層されている。また、正極導体３０と負極導体４０との間には絶縁紙５０が配置されている。絶縁紙５０により、正極導体３０と負極導体４０とが絶縁されている。なお、図５では、負極導体４０の上に絶縁紙５０が配置されている状態が図示されている。絶縁紙５０には、接続端子４１、Ｃ端子２１、出力端子２３およびゲート端子２４を露出させる孔部５１が設けられている。
また、本実施形態では、電力変換装置１００は、半導体モジュール２０の出力端子２３に電気的に接続される出力導体６０（ブスバー）を備えている。出力導体６０は、平板形状を有するとともにアルミニウムにより構成されている。また、出力導体６０（出力導体６０ａ、出力導体６０ｂおよび出力導体６０ｃ）は、各相毎に別個に設けられている。
すなわち、Ｕ相の８個の半導体モジュール２０に対して、１つのＵ相の出力導体６０ａが設けられている。出力導体６０ａは、８個の半導体モジュール２０を覆うように設けられている。
また、出力導体６０ａには、２４個の半導体モジュール２０の出力端子２３に接続される接続端子６１が設けられている。接続端子６１は、出力導体６０ａにおいて、２４個の半導体モジュール２０の出力端子２３に対応する位置（半導体モジュール２０の出力端子２３の直上）に設けられている。
また、出力導体６０ａには、半導体モジュール２０のＣ端子２１、Ｅ端子２２およびゲート端子２４に対応する位置に、Ｚ方向から見て、略Ｔ字形状の孔部６２が設けられている。Ｃ端子２１、Ｅ端子２２およびゲート端子２４は、孔部６２からＺ１方向側に露出する。
また、出力導体６０ａのＸ２方向側の端部６３は、段差形状を有する。つまり、出力導体６０ａは、Ｘ２方向側に延びた後、Ｚ１方向側に延び、その後、Ｘ２方向側に延びるように構成されている。
なお、出力導体６０ｂおよび出力導体６０ｃの構成は、出力導体６０ａの構成と同様である。
そして、本実施形態では、平板形状の正極導体３０と、平板形状の負極導体４０と、各相毎に別個に設けられている出力導体６０とが積層されている。積層された正極導体３０、負極導体４０および出力導体６０によってラミネートブスバー７０（図４参照）が構成されている。また、負極導体４０、正極導体３０、および、出力導体６０が、この順で、Ｚ２方向側からＺ１方向側に向かって積層されている。また、負極導体４０と正極導体３０との間、および、正極導体３０と出力導体６０との間には、各々、絶縁紙５０が設けられている。
また、本実施形態では、図６に示すように、電力変換装置１００は、正極導体３０とコンデンサＣとの間に設けられ、各相の半導体モジュール２０に共通のヒューズ８０を備えている。ヒューズ８０は、並列に複数（本実施形態では、３つ）設けられている。また、ヒューズ８０は、複数のコンデンサＣおよび複数の抵抗Ｒに電気的に接続されている平板形状の導体９０（ブスバー）と正極導体３０とに接続されている。また、導体９０は、アルミニウムにより構成されている。また、導体９０は、複数のコンデンサＣおよび複数の抵抗Ｒに共通に設けられている。なお、導体９０は、特許請求の範囲の「コンデンサ導体」の一例である。
なお、ヒューズ８０が各相の半導体モジュール２０に共通に設けられている場合、ヒューズ８０が各相の半導体モジュール２０に別個に設けられている場合と比べて、１つのヒューズ８０に流れる電流が０．５倍になる。
［本実施形態の効果］
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
本実施形態では、上記のように、正極導体３０と負極導体４０とのうちの少なくとも一方（本実施形態では、両方）は、各相の半導体モジュール２０のうちの少なくとも複数相（本実施形態では全ての相）の半導体モジュール２０に共通に一体的に構成されているとともに、アルミニウムにより構成されている。これにより、銅の比重よりもアルミニウムの比重の方が小さいので、正極導体３０と負極導体４０とのうちの少なくとも一方が軽量化される。その結果、半導体モジュール２０の数が大きくなったことに起因して、正極導体３０および負極導体４０が大型化した場合でも、正極導体３０と負極導体４０とのうちの少なくとも一方の重量の増加が抑制される。このため、半導体モジュール２０の数が大きくなった場合でも、組み立てる際の作業性が悪くなるのを抑制することができる。また、正極導体３０と負極導体４０とのうちの少なくとも一方がアルミニウムにより構成されているので、電力変換装置１００を軽量化することができる。
また、正極導体３０と負極導体４０とのうちの少なくとも一方（本実施形態では、両方）は、各相の半導体モジュール２０のうちの少なくとも複数相（本実施形態では全ての相）の半導体モジュール２０に共通に一体的に構成されているので、正極導体３０と負極導体４０とのうちの少なくとも一方を、各相毎に別個に設ける場合と異なり、部品点数が増加するのを抑制することができる。
また、本実施形態では、上記のように、正極導体３０と負極導体４０との両方は、各相の半導体モジュール２０に共通に一体的に構成されているとともに、アルミニウムにより構成されている。これにより、正極導体３０と負極導体４０との両方がアルミニウムにより構成されているので、正極導体３０と負極導体４０と合計の重量を軽量化することができる。その結果、組み立てる際の作業性が悪くなるのをより抑制することができる。また、電力変換装置１００をより軽量化することができる。
また、本実施形態では、上記のように、正極導体３０と負極導体４０とは、共に、平板形状を有し、平板形状の正極導体３０と平板形状の負極導体４０とが積層されている。これにより、正極導体３０の電流が流れる方向と、負極導体４０の電流が流れる方向とを互いに逆方向にすることにより、正極導体３０および負極導体４０の寄生インダクタンスを低減することができる。
また、本実施形態では、上記のように、半導体モジュール２０の出力端子２３に電気的に接続される出力導体６０をさらに備え、出力導体６０は、平板形状を有するとともにアルミニウムにより構成されており、かつ、各相毎に別個に設けられており、平板形状の正極導体３０と、平板形状の負極導体４０と、各相毎に別個に設けられている出力導体６０とが積層されている。これにより、正極導体３０と負極導体４０とのうちの少なくとも一方に加えて、出力導体６０もアルミニウムにより構成されているので、組み立てる際の作業性が悪くなるのをさらに抑制することができる。また、電力変換装置１００をさらに軽量化することができる。
また、本実施形態では、上記のように、正極導体３０とコンデンサＣとの間に設けられ、各相の半導体モジュール２０に共通のヒューズ８０をさらに備える。これにより、ヒューズ８０が各相毎に別個に設けられている場合と比べて、ヒューズ８０に流れる電流を低減することができる。その結果、ヒューズ８０を小型化することができる。
また、本実施形態では、上記のように、ヒューズ８０は、正極導体３０と導体９０とに接続されている。これにより、各相の半導体モジュール２０に共通のヒューズ８０を、導体９０と正極導体３０とに対して容易に接続することができる。
［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、正極導体３０および負極導体４０の両方がアルミニウムにより構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、正極導体３０と負極導体４０とのうちの一方がアルミニウムにより構成され、他方が銅により構成されていてもよい。
また、上記実施形態では、正極導体３０（負極導体４０）が、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の全ての半導体モジュール２０に共通に一体的に構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、Ｕ相とＶ相の正極導体（負極導体）は共通に一体的に設けられ、Ｗ相の正極導体（負極導体）は、Ｕ相とＶ相の正極導体（負極導体）と別個に設けられていてもよい。
また、上記実施形態では、正極導体３０と負極導体４０との両方が、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の全ての半導体モジュール２０に共通に一体的に構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、正極導体３０と負極導体４０とのうちの一方が、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の半導体モジュール２０に共通に一体的に構成され、正極導体３０と負極導体４０とのうちの他方が、各相毎に別体に構成されていてもよい。
また、上記実施形態では、正極導体３０と、負極導体４０と、出力導体６０とによってラミネートブスバー７０が構成されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、正極導体３０と負極導体４０と出力導体６０とを、互いに絶縁距離の分、離間するように配置してもよい（ラミネート加工しないように構成してもよい）。
また、上記実施形態では、正極導体３０と、負極導体４０と、出力導体６０とが、平板形状を有する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、正極導体３０と、負極導体４０と、出力導体６０とが、平板形状以外の形状を有していてもよい。
また、上記実施形態では、複数のヒューズ８０が並列に設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、比較的容量の大きい１つのヒューズ８０を設けてもよい。
２０ 半導体モジュール
２１ Ｃ端子（半導体モジュールの正極端子）
２２ Ｅ端子（半導体モジュールの負極端子）
２３ （半導体モジュールの）出力端子
３０ 正極導体
４０ 負極導体
６０、６０ａ、６０ｂ、６０ｃ 出力導体
８０ ヒューズ
９０ 導体（コンデンサ導体）
１００ 電力変換装置
Ｃ コンデンサ
Ｃｐ （コンデンサの）正極端子
Ｃｎ （コンデンサの）負極端子
Ｑ１、Ｑ２ 半導体素子

Claims (3)

  1. 半導体素子を内部に収納し、各相毎に複数個ずつ設けられる半導体モジュールと、
    前記半導体モジュールに電気的に接続される複数のコンデンサと、
    前記コンデンサの正極端子および前記半導体モジュールの正極端子に電気的に接続される平板形状の正極導体と、
    前記コンデンサの負極端子および前記半導体モジュールの負極端子に電気的に接続される平板形状の負極導体と、
    前記正極導体と前記複数のコンデンサとの間に設けられ、前記各相の半導体モジュールに共通の複数のヒューズと、
    前記複数のヒューズと前記複数のコンデンサの前記正極端子に電気的に接続され、アルミニウムにより構成されており、前記複数のヒューズと前記複数のコンデンサとに共通に設けられる平板形状のコンデンサ導体と、を備え、
    前記正極導体と前記負極導体との両方は、前記各相の半導体モジュールに共通に一体的に構成されているとともに、アルミニウムにより構成されている、電力変換装置。
  2. 前記平板形状の正極導体と前記平板形状の負極導体とが積層されている、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記半導体モジュールの出力端子に電気的に接続される出力導体をさらに備え、
    前記出力導体は、平板形状を有するとともに前記アルミニウムにより構成されており、かつ、各相毎に別個に設けられており、
    前記平板形状の正極導体と、前記平板形状の負極導体と、前記各相毎に別個に設けられている前記出力導体とが積層されている、請求項１または２に記載の電力変換装置。
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