JP7078182B2 - Power converters and electric vehicles - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、電力変換用の複数のスイッチング素子を含んでいる電力変換器、および、その電力変換器を含んでいる電気自動車に関する。 The technology disclosed herein relates to a power converter that includes a plurality of switching elements for power conversion, and an electric vehicle that includes the power converter.
電力変換用のスイッチング素子は発熱量が大きい。電力変換用の複数のスイッチング素子とそれらを冷却する冷却器を備えている電力変換器が知られている。米国特許公開公報US2018/166357号公報には、一対の冷却器の間に複数のスイッチング素子(パワーモジュール)が挟まれている電力変換器が開示されている。また、日本国特許公開公報2017-152612号公報には、複数の冷却器が並んでおり、隣り合う冷却器の間にパワーモジュールが挟まれている電力変換器が開示されている。パワーモジュールには、電力変換用のスイッチング素子が収容されている。 The switching element for power conversion has a large amount of heat generation. A power converter having a plurality of switching elements for power conversion and a cooler for cooling them is known. U.S. Patent Publication No. US2018 / 166357 discloses a power converter in which a plurality of switching elements (power modules) are sandwiched between a pair of coolers. Further, Japanese Patent Publication No. 2017-152612 discloses a power converter in which a plurality of coolers are lined up and a power module is sandwiched between adjacent coolers. The power module contains a switching element for power conversion.
日本国特許公開公報2017-152612号公報は、複数の冷却器と複数のパワーモジュールが積層されている。積層されている幾つかのパワーモジュールのスイッチング素子が、走行用モータに三相交流電力を供給するインバータを構成する。別言すれば、1個の三相交流インバータを構成する複数のスイッチング素子が、一列に並んだ複数の冷却器の複数の隙間に分散配置されている。それゆえ、1個のインバータを構成するためのハードウエアが大きい。 Japanese Patent Publication No. 2017-152612 is a stack of a plurality of coolers and a plurality of power modules. The switching elements of several stacked power modules constitute an inverter that supplies three-phase AC power to the traveling motor. In other words, a plurality of switching elements constituting one three-phase AC inverter are distributed and arranged in a plurality of gaps of a plurality of coolers arranged in a row. Therefore, the hardware for configuring one inverter is large.
本明細書が開示する電力変換器は、三相交流インバータを構成する電力変換用の全てのスイッチング素子が一対の冷却器に挟まれている。この電力変換器は、一対の冷却器とその間に配置されている複数のスイッチング素子でインバータを実現することができる。本明細書が開示する技術は、インバータを小型化するのに適している。 In the power converter disclosed in the present specification, all the switching elements for power conversion constituting the three-phase AC inverter are sandwiched between a pair of coolers. This power converter can realize an inverter with a pair of coolers and a plurality of switching elements arranged between them. The techniques disclosed herein are suitable for miniaturizing inverters.
本明細書は、上記の電力変換器を用いた電気自動車も開示する。電力変換器は、電気自動車に搭載されており、インバータの出力端が走行用のモータに接続されている。電力変換器は、第1冷却器と第2冷却器の積層方向が水平方向を向くとともに車幅方向を向くように車載されている。そのような配置により、電力変換器の車幅方向の長さを短くすることができる。 The present specification also discloses an electric vehicle using the above-mentioned power converter. The power converter is mounted on an electric vehicle, and the output end of the inverter is connected to a traveling motor. The power converter is mounted on the vehicle so that the stacking direction of the first cooler and the second cooler faces the horizontal direction and the vehicle width direction. With such an arrangement, the length of the power converter in the vehicle width direction can be shortened.
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。 Details of the techniques disclosed herein and further improvements will be described in the "Modes for Carrying Out the Invention" below.
(第1実施例)図面を参照して第1実施例の電力変換器10を説明する。第1実施例の電力変換器10は電気自動車100に搭載されるデバイスである。図1に、電力変換器10を含む電気自動車100の電力系の回路図を示す。電力変換器10は、バッテリ101の電力を走行用のモータ102の駆動電力に変換する。
(First Example) The
電力変換器10の主要部品は三相交流インバータ11である。電力変換器10は、三相交流インバータ11のほか、バッテリ101の出力電流を平滑化する平滑コンデンサ8を備えている。また、図示は省略しているが、電力変換器10は、三相交流インバータ11の出力電流を計測する電流センサ、三相交流インバータ11のスイッチング素子(後述)を制御する制御基板を備えている。以下では、説明を簡単にするため、三相交流インバータ11を単純にインバータ11と称する。
The main component of the
インバータ11の入力端18がバッテリ101に接続されており、インバータ11の出力端19が走行用のモータ102に接続されている。インバータ11の入力端18は電力変換器10の入力端に相当し、インバータ11の出力端19は電力変換器10の出力端に相当する。
The
インバータ11は、6個のスイッチング素子2a-2fと、6個のダイオード3a-3fを含んでいる。スイッチング素子2a-2fは電力変換用のパワートランジスタである。具体的には、スイッチング素子2a-2fは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。スイッチング素子2a-2fは、IGBT以外のトランジスタであってもよい。
The
スイッチング素子2a、2bが直列に接続されており、スイッチング素子2c、2dが直列に接続されており、スイッチング素子2e、2fが直列に接続されている。ダイオード3a-3fのそれぞれは、スイッチング素子2a-2fのそれぞれに並列(逆並列)に接続されている。
The
インバータ11(電力変換器10)の正極入力端18aに接続されるスイッチング素子2a、2c、2eは、上スイッチング素子(あるいは上アームスイッチング素子)と呼ばれ、負極入力端18bに接続されるスイッチング素子2b、2d、2fは下スイッチング素子(あるいは下アームスイッチング素子)と呼ばれることがある。
The
スイッチング素子2a、2bが直列に接続され、スイッチング素子2c、2d(2e、2f)が直列に接続される。それぞれの直列接続の中点から交流が出力される。
The
スイッチング素子2a、2bのペアとダイオード3a、3bは後に説明する高出力パワーモジュール20aを構成する。同様に、スイッチング素子2c、2dのペアとダイオード3c、3dは高出力パワーモジュール20bを構成し、スイッチング素子2e、2fのペアとダイオード3e、3fは高出力パワーモジュール20cを構成する。なお、「高出力パワーモジュール20a-20c」との表記は、後に説明する低出力パワーモジュール20d-20fの出力よりも大きいパワーモジュールという意味である。
The pair of
図2に、電力変換器10の斜視図を示す。図3に電力変換器10の正面図を示す。図2は、電力変換器10の主要部品である高出力パワーモジュール20a-20cとそれらを冷却する冷却器41、42のみを示しており、電力変換器10のケース、前述した平滑コンデンサ8、電流センサ、制御基板などの図示は省略した。図2では、理解を助けるため、高出力パワーモジュール20aは第1冷却器41と第2冷却器42の間から取り外して描いてある。
FIG. 2 shows a perspective view of the
高出力パワーモジュール20a-20cは、一対の冷却器(第1冷却器41と第2冷却器42)に挟まれている。以下では、第1冷却器41と第2冷却器42を区別なく示すときには冷却器41、42と表記する場合がある。
The high
冷却器41、42は、扁平かつ長尺である。冷却器41、42は、長手方向の両端が連結管43a、43bで連結されている。連結管43a、43bは、第1冷却器41の内部空間と第2冷却器42の内部空間を連通する。冷却器41、42の内部空間は、冷媒が通る流路である。また、第1冷却器41の長手方向の両端には、冷媒供給口44aと冷媒排出口44bが設けられている。
The
冷媒供給口44aと一方の連結管43aは、冷却器41、42の積層方向(図中のX方向)において重なっている。冷媒排出口44bと他方の連結管43bも積層方向において重なっている。冷媒供給口44aと冷媒排出口44bは不図示の冷媒循環装置に連結される。冷媒供給口44aから供給される冷媒は第1冷却器41の内部を流れるとともに、連結管43aを通じて第2冷却器42の内部にも流れる。冷却器41、42を流れる間に冷媒は高出力パワーモジュール20a-20cから熱を吸収する。第1冷却器41を流れた冷媒は冷媒排出口44bを通じて冷媒循環装置に戻る。第2冷却器42を流れた冷媒は連結管43bと冷媒排出口44bを通じて冷媒循環装置に戻る。高出力パワーモジュール20a-20cは扁平な形状を有しており、一方の幅広面27に第1冷却器41が当接し、他方の幅広面28に第2冷却器42が当接する。高出力パワーモジュール20a-20cは、両方の幅広面27、28に冷却器が当接しており、両面から冷却される。冷却器41、42が用いる冷媒は液体であり、典型的には水あるいは不凍液である。
The
高出力パワーモジュール20aについて説明する。高出力パワーモジュール20aは、樹脂製のパッケージ21を有している。パッケージ21には半導体チップ30a、30bが埋設されている。半導体チップ30aには、図1で示したスイッチング素子2aとダイオード3aが実装されている。半導体チップ30bには、図1で示したスイッチング素子2bとダイオード3bが実装されている。半導体チップ30aの内部でスイッチング素子2aとダイオード3aが並列(逆並列)に接続されており、半導体チップ30bの内部でスイッチング素子2bとダイオード3bが並列(逆並列)に接続されている。半導体チップ30a(スイッチング素子2a)と半導体チップ30b(スイッチング素子2b)は、パッケージ21の内部で直列に接続されている。すなわち、高出力パワーモジュール20aは、スイッチング素子2a、2bの直列接続、および、スイッチング素子2a、2bのそれぞれに並列(逆並列)に接続されるダイオードを含む回路を構成する。
The high
3個のパワー端子22a、22b、22cがパッケージ21の上面から延びている。パワー端子22a、22bは、それぞれ、半導体チップ30a(スイッチング素子2a)と半導体チップ30b(スイッチング素子2b)の直列接続の正極と負極に接続されている。パワー端子22cは、直列接続の中点と接続されている。パワー端子22a、22bは、バッテリ101(図1参照)に接続される。パワー端子22cから交流が出力される。
Three
パッケージ21の下面からは、制御端子29a、29bが延びている。制御端子29aは、半導体チップ30a(スイッチング素子2a)のゲートやセンスエミッタと接続されている。制御端子29bは、半導体チップ30b(スイッチング素子2b)のゲートやセンスエミッタと接続されている。制御端子29a、29bは、不図示の制御基板に接続される。
半導体チップ30aは、スイッチング素子2aとダイオード3aが一体化されたRC-IGBT(Reverse Conductive Insulated Gate Bipolar Transistor)であってもよい。半導体チップ30bも同様にRC-IGBTであってもよい。
The
パッケージ21の幅広面27には放熱板24が露出している。放熱板24はパッケージ21の内部で半導体チップ30a、30bに接続されている。放熱板24は、第1冷却器41に接する。放熱板24を介して半導体チップ30a、30bの熱が第1冷却器41へ伝わる。図2では見えないが、パッケージ21の他方の幅広面28にも放熱板が露出しており、それら放熱板を介して半導体チップ30a、30bの熱が第2冷却器42へ伝わる。
The
高出力パワーモジュール20bの構造は高出力パワーモジュール20aの構造と同じである。すなわち、高出力パワーモジュール20bのパッケージ21には、半導体チップ30c(スイッチング素子2c、ダイオード3c)と、半導体チップ30d(スイッチング素子2d、ダイオード3d)が埋設されている(図3参照)。同様に、高出力パワーモジュール20cのパッケージ21には、半導体チップ30e(スイッチング素子2e、ダイオード3e)と、半導体チップ30f(スイッチング素子2f、ダイオード3f)が埋設されている(図3参照)。
The structure of the high
電力変換器10では、インバータ11(三相交流インバータ)を構成する全てのスイッチング素子2a-2fが第1冷却器41と第2冷却器42の間に挟まれている。スイッチング素子2a-2fは、冷却器41、42に対して熱的に接触している。別言すれば、スイッチング素子2a-2fは、3個のパッケージ21(高出力パワーモジュール20a-20c)に分散配置されており、パッケージを介して冷却器41、42と熱的に接触している。
In the
電力変換器10は、インバータ11を構成する全てのスイッチング素子2a-2fが第1冷却器41と第2冷却器42に挟まれている構造を有している。そのような構造により、小型なインバータを実現することができる。特に、実施例の電力変換器10の構造は、第1冷却器41と第2冷却器42の積層方向の長さの短いインバータを実現する。
The
(第2実施例)図4、図5を参照して第2実施例の電力変換器10aを説明する。電力変換器10aの回路構成は第1実施例の電力変換器10と同じである。すなわち、電力変換器10aも、主要部品は、電力変換用の6個のスイッチング素子2a-2fと6個のダイオード3a-3fを含んでいるインバータ11である(図1参照)。
(Second Example) The
図4は、電力変換器10aの斜視図であり、図5は電力変換器10aの正面図である。電力変換器10aでは、インバータ11を構成する全てのスイッチング素子2a-2fが、樹脂製の1個のパッケージ121に収容されている。パッケージ121は、高出力パワーモジュール120の本体である。高出力パワーモジュール120のパッケージ121に半導体チップ30a-30fが埋設されている。半導体チップ30a-30fは、第1実施例で説明した通りであり、半導体チップ30a-30fのそれぞれには、2個のスイッチング素子(例えば2aと2b)と2個のダイオード(例えば3aと3b)が実装されている。半導体チップ30a-30fのそれぞれの内部で、2個のスイッチング素子は直列に接続されており、2個のダイオードのそれぞれは2個のスイッチング素子のそれぞれに並列(逆並列)に接続されている。すなわち、パッケージ121には、3組の直列接続(2個のスイッチング素子の直列接続)が埋設されている。
FIG. 4 is a perspective view of the
高出力パワーモジュール20aパワーモジュール120は、パワー端子22a、22b、22c1、22c2、22c3を備えている。パワー端子22aは、パッケージ121の内部で3組の直列接続(2個のスイッチング素子の直列接続)の正極に接続されており、パワー端子22bは、3組の直列接続の負極に接続されている。パワー端子22c1は、パッケージ121の内部でスイッチング素子2a、2bの直列接続の中点に接続されている。パワー端子22c2(22c3)は、スイッチング素子2c、2d(2e、2f)の直列接続の中点に接続されている。パワー端子22a、22bは、それぞれ、バッテリ101の正極端と負極端のそれぞれに接続される。3個のパワー端子22c1、22c2、22c3のそれぞれから交流が出力される。すなわち、3個のパワー端子22c1、22c2、22c3から三相交流が出力される。
The high
第2実施例の電力変換器10aでも、第1冷却器41と第2冷却器42の間に、インバータ11を構成する全てのスイッチング素子2a-2fが挟まれている。スイッチング素子2a-2fは、1個のパッケージ121(1個の高出力パワーモジュール120)に収容されており、そのパッケージ121が一対の冷却器41、42に挟まれている。第2実施例の電力変換器10aの構造も、インバータ11の小型化に適している。図2と図4を比較すると明らかなとおり、6個のスイッチング素子2a-2fを一つのパッケージ121に収容することで、パワー端子の数を少なくすることができる。
Also in the
(第3実施例)図6-図8を参照して第3実施例の電力変換器10bを説明する。図6は、電力変換器10bを含む電気自動車100aの電力系の回路図を示す。電力変換器10bは、2個のインバータ11a、11bを備えている。インバータ11aは、バッテリ101の電力を走行用のモータ102aの駆動電力(三相交流電力)に変換する。インバータ11bは、バッテリ101の電力をエアコン用のモータ102bの駆動電力(三相交流電力)に変換する。インバータ11a、11bは、ともに三相交流インバータである。
(Third Example) The
走行用のモータ102aの駆動電力は30キロワット以上であり、エアコン用のモータ102bの駆動電力は10キロワット以下である。インバータ11aの出力は30キロワット以上であり、インバータ11bの出力は10キロワット以下である。
The drive power of the traveling
インバータ11aは、6個のスイッチング素子2a-2fと、6個のダイオード3a-3fで構成される。インバータ11aは、第1実施例のインバータ11と同じ構造である。2個のスイッチング素子2a、2bが直列に接続されており、ダイオード3a、3bは、それぞれ、スイッチング素子2a、2bのそれぞれに並列に接続されている。スイッチング素子2a、2bとダイオード3a、3bが高出力パワーモジュール20aを構成する。同様に、2個のスイッチング素子2c、2d(2e、2f)が直列に接続されており、ダイオード3c、3d(3e、3f)はそれぞれスイッチング素子2c、2d(2e、2f)のそれぞれに並列に接続されている。スイッチング素子2c、2dとダイオード3c、3dが高出力パワーモジュール20bを構成し、スイッチング素子2e、2fとダイオード3e、3fが高出力パワーモジュール20cを構成する。
The
インバータ11bは、6個のスイッチング素子4a-4fと、6個のダイオード5a-5fで構成される。先に述べたように、インバータ11bの出力はインバータ11aの出力よりも低い。それゆえ、スイッチング素子4a-4fの出力はスイッチング素子2a-2fの出力よりも低い。
The
2個のスイッチング素子4a、4bが直列に接続されており、ダイオード5a、5bはそれぞれスイッチング素子4a、4bのそれぞれに並列に接続されている。スイッチング素子4a、4bとダイオード5a、5bが低出力パワーモジュール20dを構成する。同様に、2個のスイッチング素子4c、4d(4e、4f)が直列に接続されており、ダイオード5c、5d(5e、5f)はそれぞれスイッチング素子4c、4d(4e、4f)のそれぞれに並列に接続されている。スイッチング素子4c、4dとダイオード5c、5dが低出力パワーモジュール20eを構成し、スイッチング素子4e、4fとダイオード5e、5fが低出力パワーモジュール20fを構成する。
Two switching
図7に、電力変換器10bの斜視図を示す。高出力パワーモジュール20a-20cは、第1冷却器41と第2冷却器42に挟まれている。この構造は、第1実施例の電力変換器10の構造と同じである(図2参照)。すなわち、電力変換器10bでも、インバータ11aを構成する全てのスイッチング素子2a-2fは、2個の冷却器41、42に挟まれており、冷却器41、42に熱的に接触している。
FIG. 7 shows a perspective view of the
低出力パワーモジュール20d-20fは、第1冷却器41に接している。低出力パワーモジュール20d-20fは、第1冷却器41の外側面であってスイッチング素子2a-2f(高出力パワーモジュール20a-20c)に対向している面の反対側の面に接している。
The low
図8に、図7のVIII-VIII線に沿った電力変換器10bの断面を示す。図8は、高出力パワーモジュール20aと低出力パワーモジュール20dを横断する断面を示している。図8では、図を見やすくするため、樹脂製のパッケージ21、21dは、断面を表すハッチングを省略してある。
FIG. 8 shows a cross section of the
高出力パワーモジュール20aの内部構造について説明する。樹脂製のパッケージ21に、放熱板24、25、半導体チップ30a、スペーサ26が埋設されている。パッケージ21には半導体チップ30bも埋設されているが、半導体チップ30bは図8の断面では見えない。先に述べたように、半導体チップ30aには、スイッチング素子2aとダイオード3aが実装されている。放熱板24の一面は、パッケージ21の一方の幅広面27から露出しており、放熱板25の一面は、パッケージ21の他方の幅広面28から露出している。放熱板25の裏面に半導体チップ30aの一面が接合されている。半導体チップ30aの反対側の面にはスペーサ26が接合されている。スペーサ26の反対側には放熱板24が接合されている。別言すれば、放熱板25は、半導体チップ30aに直接に接合されており、放熱板24は、スペーサ26を介して放熱板24に接合されている。半導体チップ30aは、両面から等しく熱を放出する。しかし、幅広面27の側では、スペーサ26を介して熱が放出される。それゆえ、高出力パワーモジュール20aのパッケージ21は、幅広面28の放熱量よりも幅広面27の放熱量が小さく、その幅広面27が第1冷却器41に接している。そして、第1冷却器41の反対側の面には、低出力パワーモジュール20dが接している。
The internal structure of the high
第2冷却器42は、一方の面のみにパワーモジュールが接しており、第1冷却器41は、両面のそれぞれにパワーモジュールが接している。それゆえ、第1冷却器41の熱的負荷が第2冷却器42の熱的負荷よりも高い。しかし、高出力パワーモジュール20aは、第2冷却器42へ伝える熱量よりも、第1冷却器41へ伝える熱量が小さい。それゆえ、第1冷却器41と第2冷却器42の熱的負荷の差が抑えられる。
The
低出力パワーモジュール20dの内部構造について説明する。低出力パワーモジュール20dの内部構造は、基本的に、高出力パワーモジュール20aの構造と同じである。樹脂製のパッケージ21dに、放熱板24、25、半導体チップ130a、スペーサ26が埋設されている。放熱板24、25の一面はパッケージ21dから露出している。放熱板24、25の間に、半導体チップ130aとスペーサ26が挟まれている。なお、半導体チップ130aには、スイッチング素子4aとダイオード5aが実装されており、それらは並列(逆並列)に接続されている。パッケージ21dには、スイッチング素子4bとダイオード5bが実装された半導体チップも埋設されているが、図8の断面ではその半導体チップは見えない。パッケージ21dの内部でスイッチング素子4a、4bは直列に接続されており、それぞれのスイッチング素子にダイオードが並列(逆並列)に接続されている。低出力パワーモジュール20e、20fの構造は、低出力パワーモジュール20dの構造と同じである。
The internal structure of the low
(第4実施例)図9と図10を参照して第4実施例の電力変換器10cを説明する。図9は、電力変換器10cの上面図であり、図10は、電力変換器10cの正面図である。電力変換器10cの回路構成は電力変換器10の回路構成と同じである(図1参照)。すなわち、電力変換器10cも、インバータ11を構成する6個のスイッチング素子2a-2fと6個のダイオード3a-3fを備えている。スイッチング素子2a-2fとダイオード3a-3fは、高出力パワーモジュール20gのパッケージ221に埋設されており、パッケージ221(高出力パワーモジュール20g)は、第1冷却器141と第2冷却器142に挟まれている。別言すれば、インバータ11を構成する全てのスイッチング素子2a-2fは、第1冷却器141と第2冷却器142に挟まれており、それらと熱的に接している。なお、図9では、スイッチング素子2c、2eは、スイッチング素子2aの下に位置するので見えない。同様に、スイッチング素子2d、2fは、スイッチング素子2bの下に位置するので見えない。図9、図10では、ダイオード3a-3fの図示は省略した。
(Fourth Example) The
図1に示されているように、スイッチング素子2a、2bの直列接続の中点から交流が出力され、スイッチング素子2c、2d(2e、2f)の直列接続の中点からも交流が出力される。説明の便宜のため、スイッチング素子2a、2bの直列接続の中点から出力される交流を第1相交流(U相交流)と称する。同様に、スイッチング素子2c、2dの直列接続の中点から出力される交流を第2相交流(V相交流)と称し、スイッチング素子2e、2fの直列接続の中点から出力される交流を第3相交流(W相交流)と称する。
As shown in FIG. 1, alternating current is output from the midpoint of the series connection of the
また、先に述べたように、インバータ11の正極入力端18aに接続されるスイッチング素子2a、2c、2eは、上スイッチング素子と呼ばれ、負極入力端18bに接続されるスイッチング素子2b、2d、2fは、下スイッチング素子と呼ばれる。説明の便宜のため、第1相交流を出力するスイッチング素子2a、2bをそれぞれ第1上スイッチング素子2a、第1下スイッチング素子2bと称する。同様に、第2相交流を出力するスイッチング素子2c、2dをそれぞれ第2上スイッチング素子2c、第2下スイッチング素子2dと称し、第3相交流を出力するスイッチング素子2e、2fをそれぞれ第3上スイッチング素子2e、第3下スイッチング素子2fと称する。
Further, as described above, the
図9、図10の太い矢印線は、冷媒の流れを示している。冷媒は、図中の座標系のY軸に沿って流れる。図10に示されているように、冷媒の流れ方向に沿って第1上スイッチング素子2aと第1下スイッチング素子2bが並んでいる。同様に、冷媒の流れ方向に沿って第2上スイッチング素子2cと第2下スイッチング素子2dが並んでおり、冷媒の流れ方向に沿って第3上スイッチング素子2eと第3下スイッチング素子2fが並んでいる。第1上スイッチング素子2aと第1下スイッチング素子2bのペア、第2上スイッチング素子2cと第2下スイッチング素子2dのペア、および、第3上スイッチング素子2eと第3下スイッチング素子2fのペアが、流れ方向に直交する方向(Z方向)で並んでいる。
The thick arrow lines in FIGS. 9 and 10 indicate the flow of the refrigerant. The refrigerant flows along the Y axis of the coordinate system in the figure. As shown in FIG. 10, the first
スイッチング素子2a-2fの上記の並びは、次の理由により、モータ102(図1参照)がロックしたときに特定のスイッチング素子に対する冷却性能が下がるリスクを低減する。ここで、「モータのロック」とは、電力変換器(インバータ)がモータに電力を供給しているにもかかわらずモータが回転しないことを意味する。
The above arrangement of the
三相交流モータがロックすると、第i相の上スイッチング素子と第j相の下スイッチング素子に電流が集中する。電流が集中するスイッチング素子は過負荷となり、発熱量が増大する。ここで、iとjは必ず異なる。すなわち、例えば、第1上スイッチング素子2aと第2下スイッチング素子2d(あるいは第3下スイッチング素子2f)に電流が集中する。図10の配置によると、第1上スイッチング素子2aと第2下スイッチング素子2d(あるいは第3下スイッチング素子2f)は、冷媒の流れ方向からみて、異なる位置に配置されている。仮に、発熱量の大きい第1上スイッチング素子2aと第2下スイッチング素子2d(あるいは第3下スイッチング素子2f)が冷媒の流れ方向で並んでいると、冷媒の下流側のスイッチング素子に対する冷却能力が下がってしまう。図10の配置では、そのような状況を回避することができる。すなわち、図10の配置は、モータがロックしたときに特定のスイッチング素子に対する冷却能力が下がるリスクを低減できる。
When the three-phase AC motor locks, the current concentrates on the upper switching element of the i-phase and the lower switching element of the j-phase. The switching element in which the current is concentrated becomes overloaded, and the amount of heat generated increases. Here, i and j are always different. That is, for example, the current is concentrated on the first
(第5実施例)図11と図12を参照して第5実施例の電力変換器10dを説明する。図11は、電力変換器10dの上面図であり、図12は、電力変換器10dの正面図である。電力変換器10dの回路構成は電力変換器10cの回路構成と同じである。電力変換器10dは、スイッチング素子2a-2fの並びが電力変換器10cと異なる。電力変換器10dでも、スイッチング素子2a-2fは、電力変換器10cの場合の呼称を用いる。すなわち、符号2aは第1上スイッチング素子を表し、符号2bは第1下スイッチング素子を表す。スイッチング素子2a-2fは、高出力パワーモジュール20hのパッケージ321に収容されており、高出力パワーモジュール20h(スイッチング素子2a-2f)が冷却器141、142に挟まれている。スイッチング素子2a-2fは、冷却器141、142に熱的に接している。
(Fifth Example) The
第5実施例の電力変換器10dでは、第1上スイッチング素子2a、第2上スイッチング素子2c、第3上スイッチング素子2eが冷媒の流れ方向(Y方向)に沿って並び、第1下スイッチング素子2b、第2下スイッチング素子2d、第3下スイッチング素子2fが冷媒の流れ方向に沿って並んでいる。そして、第1上スイッチング素子2a、第2上スイッチング素子2c、第3上スイッチング素子2eの組と、第1下スイッチング素子2b、第2下スイッチング素子2d、第3下スイッチング素子2fの組が、冷媒の流れ方向に交差する方向(Z方向)に並んでいる。
In the
第4実施例で説明したように、モータがロックした場合、第i上スイッチング素子と第j下スイッチング素子に電流が集中する。図12に示す配置では、第i上スイッチング素子と第j下スイッチング素子が冷媒の流れ方向で重ならない。それゆえ、第5実施例の電力変換器10dも、モータがロックしたときに特定のスイッチング素子に対する冷却性能が下がるリスクを低減できる。
As described in the fourth embodiment, when the motor is locked, the current concentrates on the i-first switching element and the j-lower switching element. In the arrangement shown in FIG. 12, the upper switching element i and the lower j lower switching element do not overlap in the flow direction of the refrigerant. Therefore, the
(電気自動車の実施例1)次に、上記した電力変換器を用いた電気自動車の実施例について説明する。図13に、電力変換器10eを搭載した電気自動車110aの斜視図を示す。電気自動車110aのフロントコンパートメント111には、走行用のモータ112が配置されている。モータ112の上に、電力変換器10eが搭載されている。なお、電力変換器10eとモータ112の電気的な関係は、図1の回路構造と同じであり、電力変換器10eの出力端がモータ112に接続される。
(Example 1 of an electric vehicle) Next, an example of an electric vehicle using the above-mentioned power converter will be described. FIG. 13 shows a perspective view of an
電力変換器10eは、冷却器41、42、3個の高出力パワーモジュール20a-20cを備えている。図13の右上に、ケースから外した電力変換器10e(すなわち、冷却器41、42、高出力パワーモジュール20a-20cのアセンブリ)を示してある。冷却器41、42、3個の高出力パワーモジュール20a-20cの構造は、図2で示した通りである。電気自動車110aでは、冷却器41、42の積層方向(図中の座標系のX方向)が水平方向を向いているとともに、車幅方向を向いている。電力変換器10eは、冷却器41、42の積層方向の長さが短い。それゆえ、電気自動車110aにおいて、電力変換器10eは車幅方向の長さを短くすることができる。
The
(電気自動車の実施例2)図14に、電力変換器10fを搭載した電気自動車110bの斜視図を示す。図14の右上に、ケースから外した電力変換器10f(すなわち、冷却器41、42、高出力パワーモジュール20a-20cのアセンブリ)を示してある。電気自動車110bのフロントコンパートメント111には、走行用のモータ112が配置されている。モータ112の上に、電力変換器10fが搭載されている。電力変換器10fとモータ112の電気的な関係は、図1の回路構造と同じであり、電力変換器10fの出力端がモータ112に接続されている。
(Example 2 of an electric vehicle) FIG. 14 shows a perspective view of an
電力変換器10fは、冷却器41、42、3個の高出力パワーモジュール20a-20cを備えている。冷却器41、42、3個の高出力パワーモジュール20a-20cの構造は、図2で示した通りである。電気自動車110bでは、冷却器41、42の積層方向(図中の座標系のX方向)が鉛直方向を向いている。電力変換器10fは、冷却器41、42の積層方向の長さが短い。それゆえ、電気自動車110bにおいて、電力変換器10f鉛直方向の長さを短くすることができる(すなわち高さを低くすることができる)。
The
なお、電力変換器10e、10fは、先に述べた電力変換器10、10a-10dのいずれであってもよい。本明細書における「電気自動車」は、走行用のモータを備えている自動車を意味する。従って、本明細書における「電気自動車」には、走行用モータの電源として燃料電池を備える車、および、走行用のモータとともにエンジンを備えるハイブリッド車が含まれる。
The
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。インバータでは、電流容量を増やすため、複数のスイッチング素子を並列に接続し、同期してオンオフすることがある。例えば、図1の回路図において、1個のスイッチング素子2aに代えて2個のスイッチング素子の並列回路を配置する場合がある。他のスイッチング素子2b-2fのそれぞれに対しても、2個のスイッチング素子の並列回路を配置すると、インバータは合計12個のスイッチング素子で構成される。その場合、インバータを構成する全てのスイッチング素子(12個のスイッチング素子)が、2個の冷却器の間に配置されていれば、実施例の電力変換器と同じ利点が得られる。
The points to be noted regarding the techniques described in the examples will be described. In an inverter, in order to increase the current capacity, a plurality of switching elements may be connected in parallel and turned on and off in synchronization. For example, in the circuit diagram of FIG. 1, a parallel circuit of two switching elements may be arranged instead of one
第3実施例の電力変換器10bでは、低出力のスイッチング素子4a-4fは、3個の低出力パワーモジュール20d-20fに分散配置されており、それら低出力パワーモジュール20d-20fが第1冷却器41に接している。低出力のスイッチング素子4a-4fは、1個の低出力パワーモジュールのパッケージに集中配置されており、その低出力パワーモジュールが第1冷却器41に接していてもよい。
In the
本明細書が開示する電力変換器は、インバータを構成する全てのスイッチング素子が冷却器の間に挟まれており、全てのスイッチング素子は一対の冷却器に熱的に接している。インバータを構成する全てのスイッチング素子は、1個のパッケージに収容されており、そのパッケージが一対の冷却器に挟まれていてよい。あるいは、インバータを構成する全てのスイッチング素子は、複数のパッケージに分散配置されており、それら複数のパッケージが一対の冷却器に挟まれていてもよい。 In the power converter disclosed in the present specification, all the switching elements constituting the inverter are sandwiched between the coolers, and all the switching elements are in thermal contact with the pair of coolers. All the switching elements constituting the inverter are housed in one package, and the package may be sandwiched between a pair of coolers. Alternatively, all the switching elements constituting the inverter may be distributed and arranged in a plurality of packages, and the plurality of packages may be sandwiched between a pair of coolers.
低出力パワーモジュール20d-20fのスイッチング素子4a-4fが「別のスイッチング素子」の一例に相当する。
The switching
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、請求の範囲を限定するものではない。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。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples exemplified above. The technical elements described herein or in the drawings exhibit their technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques exemplified in the present specification or the drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.
Claims (7)
全ての前記スイッチング素子が1個のパッケージに収容されている、または、全ての前記スイッチング素子が複数個のパッケージに分散して収容されており、
前記第1冷却器の外側面であって前記スイッチング素子に対向している面の反対側の面に、
(1)前記三相交流インバータよりも最高出力電力の小さい低出力インバータを構成する電力変換用の全ての別のスイッチング素子を収容している1個の低出力パワーモジュールが接している、または、
(2)全ての前記別のスイッチング素子が分散配置されている複数の低出力パワーモジュールが接している、電力変換器。 All the switching elements for power conversion that make up the three-phase AC inverter are sandwiched between the first cooler and the second cooler.
All the switching elements are housed in one package, or all the switching elements are distributed and housed in a plurality of packages.
On the outer surface of the first cooler, which is opposite to the surface facing the switching element,
(1) One low-output power module accommodating all the other switching elements for power conversion constituting the low-output inverter having a smaller maximum output power than the three-phase AC inverter is in contact with or is in contact with the one.
(2) A power converter to which a plurality of low-output power modules in which all the other switching elements are distributed and arranged are in contact with each other .
前記第1面の放熱量が前記第2面の放熱量よりも小さい、請求項1に記載の電力変換器。 The package has a first surface in contact with the first cooler and a second surface in contact with the second cooler.
The power converter according to claim 1 , wherein the heat dissipation amount of the first surface is smaller than the heat dissipation amount of the second surface.
直列に接続されており、第1相電流を生成する第1上スイッチング素子および第1下スイッチング素子と、
直列に接続されており、第2相電流を生成する第2上スイッチング素子および第2下スイッチング素子と、
直列に接続されており、第3相電流を生成する第3上スイッチング素子および第3下スイッチング素子と、
を含んでおり、
前記第1および第2冷却器を流れる冷媒の流れ方向に沿って前記第1上スイッチング素子と前記第1下スイッチング素子が並んでおり、
前記流れ方向に沿って前記第2上スイッチング素子と前記第2下スイッチング素子が並んでおり、
前記流れ方向に沿って前記第3上スイッチング素子と前記第3下スイッチング素子が並んでおり、
前記第1上スイッチング素子と前記第1下スイッチング素子のペア、前記第2上スイッチング素子と前記第2下スイッチング素子のペア、および、前記第3上スイッチング素子と前記第3下スイッチング素子のペアが、前記流れ方向に直交する方向で並んでいる、
請求項1または2に記載の電力変換器。 The switching element is
The first upper switching element and the first lower switching element, which are connected in series and generate the first phase current,
The second upper switching element and the second lower switching element, which are connected in series and generate a second phase current,
The third upper switching element and the third lower switching element, which are connected in series and generate a third phase current,
Includes
The first upper switching element and the first lower switching element are lined up along the flow direction of the refrigerant flowing through the first and second coolers.
The second upper switching element and the second lower switching element are lined up along the flow direction.
The third upper switching element and the third lower switching element are lined up along the flow direction.
The pair of the first upper switching element and the first lower switching element, the pair of the second upper switching element and the second lower switching element, and the pair of the third upper switching element and the third lower switching element , Lined up in a direction orthogonal to the flow direction,
The power converter according to claim 1 or 2 .
直列に接続されており、第1相電流を生成する第1上スイッチング素子および第1下スイッチング素子と、
直列に接続されており、第2相電流を生成する第2上スイッチング素子および第2下スイッチング素子と、
直列に接続されており、第3相電流を生成する第3上スイッチング素子および第3下スイッチング素子と、
を含んでおり、
前記第1および第2冷却器を流れる冷媒の流れ方向に沿って前記第1上スイッチング素子と前記第2上スイッチング素子と前記第3上スイッチング素子が並んでおり、
前記流れ方向に沿って前記第1下スイッチング素子と前記第2下スイッチング素子と前記第3下スイッチング素子が並んでおり、
前記第1上スイッチング素子と前記第2上スイッチング素子と前記第3上スイッチング素子のセットと、前記第1下スイッチング素子と前記第2下スイッチング素子と前記第3下スイッチング素子のセットが、前記流れ方向に直交する方向で並んでいる、
請求項1または2に記載の電力変換器。 The switching element is
The first upper switching element and the first lower switching element, which are connected in series and generate the first phase current,
The second upper switching element and the second lower switching element, which are connected in series and generate a second phase current,
The third upper switching element and the third lower switching element, which are connected in series and generate a third phase current,
Includes
The first upper switching element, the second upper switching element, and the third upper switching element are arranged along the flow direction of the refrigerant flowing through the first and second coolers.
The first lower switching element, the second lower switching element, and the third lower switching element are lined up along the flow direction.
The flow of the first upper switching element, the second upper switching element, the set of the third upper switching element, the first lower switching element, the second lower switching element, and the third lower switching element. Lined up in directions perpendicular to the direction,
The power converter according to claim 1 or 2 .
前記三相交流インバータの出力端が走行用のモータに接続されており、
前記積層方向が車幅方向を向くように配置されている、電気自動車。 It is an electric vehicle provided with the power converter according to claim 6 .
The output end of the three-phase AC inverter is connected to a traveling motor.
An electric vehicle arranged so that the stacking direction faces the vehicle width direction.
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