JP7151614B2

JP7151614B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7151614B2
Application number: JP2019086403A
Authority: JP
Inventors: 和基坂本; 友久佐野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2022-10-12
Anticipated expiration: 2039-04-26
Also published as: JP2020184809A

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続したコンデンサとを備える電力変換装置に関する。

従来から、ＩＧＢＴ等の半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続したコンデンサとを備える電力変換装置が知られている（下記特許文献１参照）。上記コンデンサは、複数のコンデンサ素子と、該コンデンサ素子に接続した複数のバスバーと、これらを封止する封止部とを備える。上記半導体モジュール等によって、直流電源の電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路とが形成されている。

コンデンサ素子には、直流電源に含まれるノイズを除去するフィルタ用コンデンサ素子と、昇圧後の直流電圧を平滑化する平滑用コンデンサ素子とがある。また、バスバーには、フィルタ用コンデンサ素子の正電極に接続したフィルタ用正バスバーと、平滑用コンデンサ素子の正電極に接続した平滑用正バスバーと、個々のコンデンサ素子の負電極に接続した負バスバーとがある。

フィルタ用正バスバー及び負バスバーは、直流電源に電気接続される電源接続端子と、該電源接続端子に導通し封止部内にてコンデンサ素子に接続した素子接続部と、電源接続端子に導通し半導体モジュール以外の電子部品に電気接続される部品接続端子とを備える。直流電源から電源接続端子に供給された電流の一部を分岐し、上記部品接続端子を介して上記電子部品へ供給するよう構成されている。上記電力変換装置では、電源接続端子と部品接続端子との間の電流経路をなす部品電流経路部を、上記封止部によって封止してある。

特開２０１４－４５０３５号公報

上記電力変換装置では、上記部品電流経路部を封止部によって封止してあるため、部品電流経路部から発生する熱によって、封止部の内部の温度が上昇しやすい。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、封止部の内部の温度上昇をより抑制できるコンデンサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、直流電源（８）の電圧を昇圧する昇圧回路（１０）と、該昇圧回路によって昇圧した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（１１）とが形成された電力変換装置（１）であって、
半導体素子（２０）を内蔵した半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュールに接続したコンデンサ（３）とを備え、
該コンデンサは、複数のコンデンサ素子（４）と、該コンデンサ素子に接続した複数のバスバー（５）と、個々の該バスバーの一部および上記コンデンサ素子を封止する封止部（６）とを有し、
上記コンデンサ素子には、上記直流電源に含まれるノイズを除去するフィルタ用コンデンサ素子（４_F）と、上記昇圧回路によって昇圧された直流電圧を平滑化する平滑用コンデンサ素子（４_S）とがあり、
上記バスバーには、上記フィルタ用コンデンサ素子の正電極に接続したフィルタ用正バスバー（５_FP）と、上記平滑用コンデンサ素子の正電極に接続した平滑用正バスバー（５_SP）と、個々の上記コンデンサ素子の負電極に接続した負バスバー（５_N）とがあり、上記平滑用正バスバー及び上記負バスバーは上記半導体モジュールに接続しており、
上記フィルタ用正バスバー及び上記負バスバーは、上記直流電源に接続される電源接続端子（５１）と、該電源接続端子と導通し上記封止部内にて上記コンデンサ素子に接続した素子接続部（５２）と、上記電源接続端子と導通し上記半導体モジュール以外の電子部品（８１、１６）に電気接続される部品接続端子（５３）とを備え、上記直流電源から上記電源接続端子へ供給された電流の一部を分岐し、上記部品接続端子を介して上記電子部品へ供給するよう構成され、
上記フィルタ用正バスバーと上記負バスバーとの少なくとも一方は、上記電源接続端子と上記部品接続端子との間の電流経路をなす部品電流経路部（５４）の全ての部位が、上記封止部から露出しており、
上記負バスバーの上記電源接続端子である負電源接続端子（５１ _N ）と上記半導体モジュールとの間に流れる電流（Ｉ ₁ ）は、上記負電源接続端子と上記電子部品との間に流れる電流（Ｉ ₂ ）よりも多く、上記負電源接続端子から上記半導体モジュールまでの電流経路長（Ｌ ₁ ）は、上記負電源接続端子から上記部品接続端子までの電流経路長（Ｌ ₂ ）よりも短い、電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、フィルタ用正バスバーと負バスバーとの少なくとも一方は、上記部品電流経路部の全ての部位が封止部から露出している。
そのため、電流によって部品電流経路部が発熱しても、封止部の内部の温度が上昇することを抑制できる。

以上のごとく、上記態様によれば、封止部の内部の温度上昇をより抑制できるコンデンサを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

参考形態１における、電力変換装置の断面図であって、図２のI-I断面図。図１のII-II断面図。図１から負バスバー及びリアクトルを取り除いた図。参考形態１における、コンデンサの平面図。参考形態１における、コンデンサの斜視図。図５の要部拡大図。参考形態１における、電力変換装置の回路図。実施形態１における、コンデンサの斜視図。実施形態２における、コンデンサの斜視図。実施形態２における、電力変換装置の断面図。比較形態１における、コンデンサの斜視図。

（参考形態１）
上記電力変換装置に係る参考形態について、図１～図７を参照して説明する。図１～図３に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、半導体モジュール２と、コンデンサ３とを備える。これらの部品等によって、図７に示すごとく、直流電源８の電圧を昇圧する昇圧回路１０と、昇圧した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路１１とを形成してある。

半導体モジュール２は、半導体素子２０（本形態ではＩＧＢＴ：図７参照）を内蔵している。コンデンサ３は、図４、図５に示すごとく、複数のコンデンサ素子４と、該コンデンサ素子４に接続した複数のバスバー５と、封止部６とを備える。封止部６は、個々のバスバー５の一部とコンデンサ素子４とを封止している。

図４、図７に示すごとく、コンデンサ素子４には、フィルタ用コンデンサ素子４_Fと、平滑用コンデンサ素子４_Sとがある。フィルタ用コンデンサ素子４_Fは、直流電源８に含まれるノイズを除去するコンデンサ素子４である。また、平滑用コンデンサ素子４_Sは、昇圧回路１０によって昇圧された直流電圧を平滑化するコンデンサである。

図４、図７に示すごとく、バスバー５には、フィルタ用正バスバー５_FPと、平滑用正バスバー５_SPと、負バスバー５_Nとがある。フィルタ用正バスバー５_FPは、フィルタ用コンデンサ素子４_Fの正電極４１（４１_F）に接続している。平滑用正バスバー５_SPは、平滑用コンデンサ素子４_Sの正電極４１（４１_S）に接続している。負バスバー５_Nは、フィルタ用コンデンサ素子４_F及び平滑用コンデンサ素子４_Sの負電極４２（４２_F，４２_S）に接続している。

図２、図４に示すごとく、平滑用正バスバー５_SP及び負バスバー５_Nは、半導体モジュール２に接続したモジュール接続板部５５を備える。

図４～図６に示すごとく、フィルタ用正バスバー５_FP及び負バスバー５_Nは、電源接続端子５１と、素子接続部５２と、部品接続端子５３とを備える。電源接続端子５１は、直流電源８に接続される端子である。素子接続部５２は、電源接続端子５１と導通し、封止部６内にてコンデンサ素子４に接続している。部品接続端子５３は、電源接続端子５１と導通しており、半導体モジュール２以外の電子部品８１（図７参照）に電気接続される端子である。図６に示すごとく、直流電源８から電源接続端子５１へ供給された電流Ｉの一部を分岐し、部品接続端子５３を介して電子部品８１へ供給するよう構成されている。

本形態のフィルタ用正バスバー５_FPは、電源接続端子５１と部品接続端子５３との間の電流経路をなす部品電流経路部５４の全ての部位が、封止部６から露出している。

本形態の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。図７に示すごとく、本形態では、半導体モジュール２等を用いて、上述した昇圧回路１０とインバータ回路１１とを構成してある。昇圧回路１０によって直流電源８の電圧を昇圧し、インバータ回路１１によって、昇圧した直流電力を交流電力に変換している。そして、得られた交流電力を用いて三相交流モータ８２を駆動し、上記車両を走行させている。

また、上述したように、本形態では、直流電源８から供給された電流Ｉの一部を分岐して、電子部品８１へ供給している。本形態の電子部品８１は、ＤＣ－ＤＣコンバータである。このＤＣ－ＤＣコンバータを用いて、直流電源８の電圧を降圧し、低圧バッテリ８３を充電している。

図２に示すごとく、半導体モジュール２は、上記半導体素子２０（図７参照）を内蔵した本体部２３と、該本体部２３から突出したパワー端子２１と、制御端子２２とを備える。パワー端子２１には、直流電圧が加えられる正極端子２１_P及び負極端子２１_Nと、交流電力を出力する交流端子２１_Aとがある。正極端子２１_Pは、平滑用正バスバー５_SPのモジュール接続板部５５_SPに接続している。負極端子２１_Nは、負バスバー５_Nのモジュール接続板部５５_Nに接続している。また、制御端子２２は、制御回路基板１７に接続している。この制御回路基板１７を用いて、半導体モジュール２のスイッチング動作を制御している。

図１～図３に示すごとく、本形態では、複数の半導体モジュール２と、該半導体モジュール２を冷却する複数の冷却管１２とを積層して積層体１３を構成してある。積層体１３の積層方向（Ｘ方向）に隣り合う２本の冷却管１２は、連結管７２によって連結されている。図２に示すごとく、連結管７２は、冷却管１２の長手方向（Ｙ方向）における、冷却管１２の両端に配されている。

図３に示すごとく、複数の冷却管１２のうち、Ｘ方向における一端に位置する端部冷却管１２_aには、冷媒７を導入するための導入管１８と、冷媒７を導出するための導出管１９とが接続している。導入管１８から冷媒７を導入すると、冷媒７は連結管７２を通って全ての冷却管１２を流れ、導出管１９から導出する。これにより、個々の半導体モジュール２を冷却している。

また、図３に示すごとく、電力変換装置１のケース１４内には、加圧部材１５（板ばね）が配されている。この加圧部材１５を用いて、積層体１３をＸ方向に加圧している。これにより、半導体モジュール２と冷却管１２との接触圧を確保しつつ、積層体１３をケース１４内に固定している。

図４、図５に示すごとく、コンデンサ３は、コンデンサケース３１と、該コンデンサケース３１に収納されたフィルタ用コンデンサ素子４_Fおよび平滑用コンデンサ素子４_Sと、これらのコンデンサ素子４に接続したバスバー５（フィルタ用正バスバー５_FP、平滑用正バスバー５_SP、負バスバー５_N）と、封止部６とを備える。

フィルタ用正バスバー５_FPは、直流電源８に接続される電源接続端子５１_Pと、封止部６内にてフィルタ用コンデンサ素子４_Fの正電極４１_Fに接続した素子接続部５２_FPと、電子部品８１に電気接続される部品接続端子５３_Pと、電源接続端子５１_Pと部品接続端子５３_Pとの間の電流経路をなす部品電流経路部５４_Pとを備える。フィルタ用コンデンサ素子４_Fの部品電流経路部５４_Pは、その全ての部位が、封止部６から露出している。

平滑用正バスバー５_SPは、平滑用コンデンサ素子４_Sの正電極４１_Sに接続した素子接続部５２_SPと、半導体モジュール２に接続したモジュール接続板部５５_SPとを備える。

また、負バスバー５_Nは、直流電源８に接続される電源接続端子５１_Nと、封止部６内にてフィルタ用コンデンサ素子４_F及び平滑用コンデンサ素子４_Sの負電極４２に接続した素子接続部５２_Nと、電子部品８１に電気接続される部品接続端子５３_Nと、電源接続端子５１_Nと部品接続端子５３_Nとの間の電流経路をなす部品電流経路部５４_Nとを備える。負バスバー５_Nの部品電流経路部５４_Nの一部は、封止部６内に封止されている。また、負バスバー５_Nは、半導体モジュール２に接続したモジュール接続板部５５_Nを備える。

図５に示すごとく、コンデンサケース３１には端子台３１０が形成されている。この端子台３１０に、部品接続端子５３_P，５３_Nを載置してある。

図１に示すごとく、電力変換装置１は、昇圧回路１０を構成するリアクトル１６を備える。リアクトル１６の一方の端子１６１は、リアクトル用バスバー７１を介して、フィルタ用正バスバー５_FPの部品接続端子５３_Pに接続している。なお、リアクトル１６も、半導体モジュール以外の電子部品８１でもあり、部品接続端子５３_Pは、このリアクトル１６にも電気的に接続されている。また、リアクトル１６の他方の端子１６２は、図示しない導電部材を介して、昇圧用半導体モジュール２_Bの交流端子２１_Aに接続している。

本形態の作用効果について説明する。図５、図６に示すごとく、本形態では、フィルタ用正バスバー５_FPの部品電流経路部５４（５４_P）を、封止部６から露出させてある。
そのため、電流Ｉが流れて部品電流経路部５４_Pが発熱しても、封止部６の内部の温度が上昇することを抑制できる。

図１１に、比較形態の電力変換装置のコンデンサ３０を示す。このコンデンサ３０においては、フィルタ用正バスバー５_FPの電源接続端子５１_Pと部品接続端子５３_Pとの間に形成された部品電流経路部５４_Pと、負バスバー５_Nの電源接続端子５１_Nと部品接続端子５３_Nとの間に形成された部品電流経路部５４_Nとを、両方とも、封止部６によって封止している。そのため、これらの部品電流経路部５４_P，５４_Nに電流が流れて発熱したときに、封止部６内の温度が上昇しやすい。
これに対して、本形態では、図５、図６に示すごとく、フィルタ用正バスバー５_FPの部品電流経路部５４_Pを封止部６から露出させているため、封止部６の温度上昇を抑制できる。

なお、本形態では、フィルタ用正バスバー５_FPと負バスバー５_Nとのうち、フィルタ用正バスバー５_FPのみ、部品電流経路部５４_Pを封止部６から露出させているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、図示を省略するが、フィルタ用正バスバー５_FPの部品電流経路部５４_Pと、負バスバー５_Nの部品電流経路部５４_Nとを、両方とも、封止部６から露出させても良い。また、負バスバー５_Nの部品電流経路部５４_Nのみを封止部６から露出させても良い。

以上のごとく、上記態様によれば、封止部の内部の温度上昇をより抑制できるコンデンサを提供することができる。

以下の形態においては、図面に用いた符号のうち、参考形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、参考形態１と同様の構成要素等を表す。

（実施形態１）
本形態は、コンデンサ３の構成を変更した例である。本形態では、負バスバー５_N（図８参照）の電源接続端子５１である負電源接続端子５１_Nと、半導体モジュール２との間に流れる電流Ｉ₁は、負電源接続端子５１_Nと電子部品８１との間に流れる電流Ｉ₂よりも多い。本形態では図８に示すごとく、負電源接続端子５１_Nから半導体モジュール２までの電流経路長Ｌ₁を、負電源接続端子５１_Nから部品接続端子５３_Nまでの電流経路長Ｌ₂よりも短くしてある。

より詳しくは、本形態の負電源接続端子５１_Nは、負バスバー５_Nの素子接続部５２_N（図２、図４参照）に連結しており、封止部６から突出している。負電源接続端子５１_Nは、モジュール接続板部５５_Nに隣り合う位置に形成されている。

本形態の作用効果について説明する。上述したように、負電源接続端子５１_Nと半導体モジュール２との間に流れる電流Ｉ₁は、負電源接続端子５１_Nと電子部品８１との間に流れる電流Ｉ₂よりも多い。そのため、負バスバー５_Nのうち、負電源接続端子５１_Nと半導体モジュール２との間の電流Ｉ₁の経路になる部位は発熱しやすい。しかしながら、本形態では、この電流経路長Ｌ₁を短くしているため、発熱量を抑制できる。そのため、この電流Ｉ₁の経路になる部位が封止部６に封止されていても、封止部６内の温度上昇を抑制できる。
その他、参考形態１と同様の構成および作用効果を備える。

なお、上記電流Ｉ₁とは、半導体モジュール２が複数個存在する場合は、個々の半導体モジュール２に流れる電流の総量を意味する。また、上記電流経路長Ｌ₁とは、個々の半導体モジュール２と電源接続端子５１_Nとの電流経路長のうち、最も短い長さを意味する。

（実施形態２）
本形態は、コンデンサ３の構成を変更した例である。本形態では、実施形態１と同様に、図９に示すごとく、負電源接続端子５１_Nと半導体モジュール２との間に流れる電流Ｉ₁は、負電源接続端子５１_Nと電子部品８１との間に流れる電流Ｉ₂よりも多い。また、負電源接続端子５１_Nから半導体モジュール２までの電流経路長Ｌ₁は、負電源接続端子５１_Nから部品接続端子５３_Nまでの電流経路長Ｌ₂よりも短い。

図９、図１０に示すごとく、本形態では、負電源接続端子５１_Nを、負バスバー５_Nのモジュール接続板部５５_Nに形成してある。
そのため、負電源接続端子５１_Nから半導体モジュール２までの電流経路長Ｌ₁を、より短くすることができる。そのため、発熱量をより抑制できる。また、負バスバー５_Nのうち、電流Ｉ₁が流れる部位を封止部６から露出させることができる。そのため、封止部６の温度上昇をより抑制することができる。
その他、参考形態１と同様の構成および作用効果を備える。

上記実施形態においては、「半導体モジュール以外の電子部品に電気接続される部品接続端子」における「電子部品」として、ＤＣ－ＤＣコンバータ及びリアクトルを適用する形態を示したが、これに限られるものではなく、半導体モジュール以外の種々の電子部品を適用することができる。また、ここでいう電子部品には、リアクトルのような単一部品も、ＤＣ－ＤＣコンバータのような複数の部品からなる複合電子部品（すなわち電気機器等）とすることもできる。また、部品接続端子には、複数の電子部品（例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータとリアクトルとの双方）が接続された構成とすることもでき、一つの電子部品（例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータのみ、或いは、リアクトルのみ等）が接続された構成とすることもできる。

１電力変換装置
３コンデンサ
４コンデンサ素子
５_FP フィルタ用正バスバー
５_SP 平滑用正バスバー
５_N 負バスバー
５１電源接続端子
５３部品接続端子
５４部品電流経路部
６封止部

Claims

直流電源（８）の電圧を昇圧する昇圧回路（１０）と、該昇圧回路によって昇圧した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（１１）とが形成された電力変換装置（１）であって、
半導体素子（２０）を内蔵した半導体モジュール（２）と、
該半導体モジュールに接続したコンデンサ（３）とを備え、
該コンデンサは、複数のコンデンサ素子（４）と、該コンデンサ素子に接続した複数のバスバー（５）と、個々の該バスバーの一部および上記コンデンサ素子を封止する封止部（６）とを有し、
上記コンデンサ素子には、上記直流電源に含まれるノイズを除去するフィルタ用コンデンサ素子（４_F）と、上記昇圧回路によって昇圧された直流電圧を平滑化する平滑用コンデンサ素子（４_S）とがあり、
上記バスバーには、上記フィルタ用コンデンサ素子の正電極に接続したフィルタ用正バスバー（５_FP）と、上記平滑用コンデンサ素子の正電極に接続した平滑用正バスバー（５_SP）と、個々の上記コンデンサ素子の負電極に接続した負バスバー（５_N）とがあり、上記平滑用正バスバー及び上記負バスバーは上記半導体モジュールに接続しており、
上記フィルタ用正バスバー及び上記負バスバーは、上記直流電源に接続される電源接続端子（５１）と、該電源接続端子と導通し上記封止部内にて上記コンデンサ素子に接続した素子接続部（５２）と、上記電源接続端子と導通し上記半導体モジュール以外の電子部品（８１、１６）に電気接続される部品接続端子（５３）とを備え、上記直流電源から上記電源接続端子へ供給された電流の一部を分岐し、上記部品接続端子を介して上記電子部品へ供給するよう構成され、
上記フィルタ用正バスバーと上記負バスバーとの少なくとも一方は、上記電源接続端子と上記部品接続端子との間の電流経路をなす部品電流経路部（５４）の全ての部位が、上記封止部から露出しており、
上記負バスバーの上記電源接続端子である負電源接続端子（５１ _N ）と上記半導体モジュールとの間に流れる電流（Ｉ ₁ ）は、上記負電源接続端子と上記電子部品との間に流れる電流（Ｉ ₂ ）よりも多く、上記負電源接続端子から上記半導体モジュールまでの電流経路長（Ｌ ₁ ）は、上記負電源接続端子から上記部品接続端子までの電流経路長（Ｌ ₂ ）よりも短い、電力変換装置。
上記負電源接続端子は、上記負バスバーのうち上記封止部から露出し上記半導体モジュールに接続した部位であるモジュール接続板部（５５）に設けられている、請求項１に記載の電力変換装置。