JP7156319B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

この明細書における開示は、電力変換装置に関する。
特許文献1は、電力変換装置を開示している。電力変換装置は、半導体モジュールと、ダミーモジュールと、冷媒が流通する流路を有する熱交換部を複数含む冷却器と、を備えている。ダミーモジュールは、半導体モジュールとともに並んで配置されている。熱交換部は、半導体モジュールおよびダミーモジュールのそれぞれを両面側から挟むように配置されている。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。
特開2005-332863号公報
特許文献1において、電力変換回路は、コンデンサ(たとえば平滑コンデンサ)に電気的に接続される。コンデンサの温度は、リップル電流などによる自己発熱、電力変換装置を構成する半導体モジュールの発熱などにより上昇する。温度上昇により、コンデンサの寿命は短くなる。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、電力変換装置にはさらなる改良が求められている。
開示されるひとつの目的は、コンデンサの寿命が長い電力変換装置を提供することにある。
ここに開示された電力変換装置は、
電力変換回路を構成する少なくともひとつの半導体素子(51)と、半導体素子に電気的に接続された複数の主端子(55)と、を有する半導体モジュール(50)を複数備える半導体モジュール群(50Gr)と、
半導体素子を有していない少なくともひとつのダミーモジュール(60)と、
冷媒が流通する流路をそれぞれ備え、半導体モジュールおよびダミーモジュールを含む複数のモジュールと交互に積層され、積層方向において、半導体モジュールおよびダミーモジュールのそれぞれを両面側から挟むように配置された複数の熱交換部(71)を有する冷却器(70)と、
コンデンサ(30)と、
コンデンサと主端子とを電気的に接続する少なくともひとつのバスバー(100)と、を備えている。
そして、ダミーモジュールは、少なくともひとつの金属体(61)と、金属体に連なっており、バスバーに接続された少なくともひとつのダミー端子(63)と、を有し、
金属体は、ダミーモジュールにおいて熱交換部により挟まれる面の少なくとも一部をなしており、
ダミー端子は、バスバーにおけるコンデンサの接続部に対して、バスバーに接続されたすべての主端子よりも近い位置で、バスバーに接続されている。
開示された電力変換装置は、ダミーモジュールを備えている。ダミーモジュールの金属体は、熱交換部による挟まれる面の少なくとも一部をなしている。ダミー端子は、金属体に連なっており、バスバーに接続されている。よって、流路を有する熱交換部により金属体が冷やされ、ダミー端子を介してバスバーの温度も低下する。これにより、金属体、ダミー端子、およびバスバーを介してコンデンサを冷却し、コンデンサの温度上昇を抑制することができる。この結果、コンデンサの寿命が長い電力変換装置を提供することができる。
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、及び効果は、後続の詳細な説明、及び添付の図面を参照することによってより明確になる。
第1実施形態に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。 電力変換装置の構造を示す部分断面図である。 ケース内部の構造を示すX1方向から見た平面図である。 図2のIV-IV線に沿う断面図である。 ダミー端子側から見たダミーモジュールの平面図である。 X1方向から見たダミーモジュールの平面図である。 半導体モジュールと出力バスバーとの接続を示す図である。 半導体モジュールおよびダミーモジュールと負極バスバーとの接続を示す図である。 半導体モジュールおよびダミーモジュールと正極バスバーとの接続を示す図である。 第2実施形態に係る電力変換装置の構造を示す断面図である。 第3実施形態に係る電力変換装置において、ダミーモジュールを示す平面図である。 第4実施形態に係る電力変換装置において、ダミーモジュールを示す平面図である。 X1方向から見たダミーモジュールの平面図である。 変形例を示す平面図である。
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的に及び/又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。以下に示す電力変換装置は、回転電機を駆動源とする移動体に適用可能である。移動体は、たとえば電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、燃料電池車(FCV)などの車両、ドローンなどの飛行体、船舶、建設機械、農業機械である。
(第1実施形態)
先ず、図1に基づき、電力変換装置が適用される車両の駆動システムの概略構成について説明する。
<車両の駆動システム>
図1に示すように、車両の駆動システム1は、直流電源2と、モータジェネレータ3と、電力変換装置4を備えている。
直流電源2は、充放電可能な二次電池で構成された直流電圧源である。二次電池は、たとえばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池である。モータジェネレータ3は、三相交流方式の回転電機である。モータジェネレータ3は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。モータジェネレータ3は、回生時に発電機として機能する。電力変換装置4は、直流電源2とモータジェネレータ3との間で電力変換を行う。
<電力変換装置の回路構成>
次に、図1に基づき、電力変換装置4の回路構成について説明する。電力変換装置4は、電力変換回路とコンデンサを少なくとも備えている。本実施形態の電力変換装置4は、平滑コンデンサ5と、インバータ6と、制御回路13と、駆動回路14を備えている。インバータ6が電力変換回路に相当し、平滑コンデンサ5がコンデンサに相当する。
平滑コンデンサ5は、主として、直流電源2から供給される直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサ5は、高電位側の電力ラインであるPライン7と低電位側の電力ラインであるNライン8との間に接続されている。Pライン7は直流電源2の正極に接続され、Nライン8は直流電源2の負極に接続されている。平滑コンデンサ5の正極は、直流電源2とインバータ6との間において、Pライン7に接続されている。同じく負極は、直流電源2とインバータ6との間において、Nライン8に接続されている。
インバータ6は、DC-AC変換回路である。インバータ6は、三相分の上下アーム回路9を備えて構成されている。上下アーム回路9は、上アーム9Uと、下アーム9Lをそれぞれ有している。上アーム9Uと下アーム9Lは、上アーム9UをPライン7側として、Pライン7とNライン8との間で直列接続されている。上アーム9Uと下アーム9Lとの接続点は、出力ライン10を介して、モータジェネレータ3における対応する相の巻線3aに接続されている。インバータ6は、6つのアームを有している。
各アームは、スイッチング素子であるMOSFET11と、ダイオード12を有している。ダイオード12は、還流のため、MOSFET11に逆並列に接続されている。ダイオード12は、MOSFET11の寄生ダイオード(ボディダイオード)でもよいし、寄生ダイオードとは別に設けられてもよい。MOSFET11及びダイオード12は、半導体基板に形成されている。MOSFET11及びダイオード12が形成された半導体基板(半導体チップ)が、半導体素子に相当する。
本実施形態において、MOSFET11は、nチャネル型である。MOSFET11において、ドレインが高電位側の主電極であり、ソースが低電位側の主電極である。MOSFET11は、たとえばSi(シリコン)、Siよりもバンドギャップが大きいワイドバンドギャップの半導体基板に形成されている。ワイドバンドギャップの半導体として、たとえばSiC(シリコンカーバイド)、GaN(ガリウムナイトライド)、ダイヤモンドがある。本実施形態のMOSFET11は、SiC基板に形成されている。
上アーム9Uにおいて、ドレインがPライン7に接続されている。下アーム9Lにおいて、ソースがNライン8に接続されている。上アーム9U側のソースと、下アーム9L側のドレインが、互いに接続されている。ダイオード12のアノードは対応するMOSFET11のソースに接続され、カソードはドレインに接続されている。
インバータ6は、制御回路13によるスイッチング制御にしたがって、直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータジェネレータ3へ出力する。これにより、モータジェネレータ3は、所定のトルクを発生するように駆動する。インバータ6は、車両の回生制動時、車輪からの回転力を受けてモータジェネレータ3が発電した三相交流電圧を、制御回路13によるスイッチング制御にしたがって直流電圧に変換し、Pライン7へ出力する。このように、インバータ6は、直流電源2とモータジェネレータ3との間で双方向の電力変換を行う。
制御回路13は、MOSFET11を動作させるための駆動指令を生成し、駆動回路14に出力する。制御回路13は、図示しない上位ECUから入力されるトルク要求、各種センサにて検出された信号に基づいて、駆動指令を生成する。各種センサとして、たとえば電流センサ、回転角センサ、電圧センサがある。電流センサは、各相の巻線3aに流れる相電流を検出する。回転角センサは、モータジェネレータ3の回転子の回転角を検出する。電圧センサは、平滑コンデンサ5の両端電圧を検出する。電力変換装置4は、これらの図示しないセンサを備えている。制御回路13は、駆動指令としてPWM信号を出力する。制御回路13は、たとえばマイコン(マイクロコンピュータ)を備えて構成されている。ECUは、Electronic Control Unitの略称である。PWMは、Pulse Width Modulationの略称である。
駆動回路14は、制御回路13の駆動指令に基づいて、対応するアームのMOSFET11のゲートに駆動電圧を供給する。駆動回路14は、駆動電圧の印加により、対応するMOSFET11を駆動、すなわちオン駆動、オフ駆動させる。駆動回路14は、ドライバと称されることがある。本実施形態では、ひとつのアームに対して、ひとつの駆動回路14を設けている。
電力変換装置4は、電力変換回路として、コンバータをさらに備えてもよい。コンバータは、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するDC-DC変換回路である。コンバータは、直流電源2と平滑コンデンサ5との間に設けられる。コンバータは、たとえばリアクトルと上記した上下アーム回路9を備えて構成される。さらに電力変換装置4は、直流電源2からの電源ノイズを除去するフィルタコンデンサを備えてもよい。フィルタコンデンサは、直流電源2とコンバータとの間に設けられる。
電力変換装置4が、制御回路13を備える例を示したが、これに限定されない。たとえば制御回路13の機能を上位ECUにもたせることで、制御回路13を備えない構成としてもよい。アームごとに駆動回路14を設ける例を示したが、これに限定されない。たとえば、ひとつの上下アーム回路9に対して、ひとつの駆動回路14を設けてもよい。
<電力変換装置の構造>
次に、図2~図7に基づき、電力変換装置4の概略構造について説明する。以下では、積層体40の積層方向をX方向と示す。X方向に直交し、主端子55の延設方向をZ方向と示す。X方向およびZ方向に直交する方向をY方向と示す。
図2では、ケース20の内部を示すために、ケース20を断面で示し、その他の要素を平面で示している。図2では、便宜上、回路基板90およびバスバー100を省略している。図3は、ケース内部の構造を示すX1方向から見た平面図である。図3では、便宜上、積層体40として半導体モジュール50(50HU)を示している。図4は、図2のIV-IV線に沿う断面図である。図4では、便宜上、コンデンサモジュール30について端子34のみを示し、また、熱交換部71を簡略化して図示している。図5および図6は、ダミーモジュール60を示す平面図である。
図2、図3などに示すように、電力変換装置4は、ケース20と、コンデンサモジュール30と、半導体モジュール50、ダミーモジュール60、および冷却器70を含んで構成される積層体40と、加圧部材80と、回路基板90と、バスバー100を備えている。電力変換装置4は、上記要素以外にも、図示しない入力端子台、出力端子台などを備えている。
ケース20は、電力変換装置4を構成する他の要素を収容すべく、箱状をなしている。ケース20は、たとえばアルミダイカストによる成形体である。本実施形態のケース20は、略直方体状をなしている。ケース20は、複数の部材(たとえば2つ)を組み付けることで構成される。ケース20は、導入管72が挿通される貫通孔21と、排出管73が挿通される貫通孔22を有している。貫通孔21、22は、ケース20において共通の側面に設けられている。貫通孔21、22は、ケース20の側面において内外を貫通し、内面と外面とに開口している。貫通孔21、22は、たとえばバイトによる研削によって形成されている。複数の部材によって内外を貫通する開口部が形成される場合、開口部が貫通孔21、22に相当する。
貫通孔21の壁面と導入管72との間、貫通孔22の壁面と排出管73との間には、貫通孔21、22周りを水密にシールする図示しないシール部材がそれぞれ配置されている。シール部材として、グロメットなどの弾性部材、シール用の接着材などを用いることができる。
ケース20は、支持部23を有している。支持部23は、X方向において、半導体モジュール50、ダミーモジュール60、および熱交換部71による積層体40を支持する。支持部23は、加圧部材80によってX方向に押圧された積層体40を支持する。本実施形態では、ケース20が、支持部23として、内面から突出する凸部を有している。支持部23は、たとえばケース20の上壁に設けられている。
コンデンサモジュール30は、図3に示すように、コンデンサケース31と、コンデンサ素子32と、封止樹脂体33と、端子34を備えている。コンデンサモジュール30が、コンデンサに相当する。コンデンサケース31は、樹脂材料や金属材料を用いて形成されており、一面が開口する箱状をなしている。コンデンサ素子32は、コンデンサケース31内に収容(配置)されている。コンデンサ素子32は、上記した平滑コンデンサ5を構成する。コンデンサ素子32としては、たとえばフィルムコンデンサ素子を採用することができる。コンデンサケース31に収容されるコンデンサ素子32の数は特に限定されない。ひとつのみでもよいし、複数でもよい。
封止樹脂体33は、コンデンサ素子32を封止するように、コンデンサケース31内に配置されている。封止樹脂体33を構成する樹脂は、たとえばコンデンサケース31の開口面近傍まで充填されている。樹脂材料としては、たとえばエポキシ系樹脂を採用することができる。
端子34は、コンデンサモジュール30において、バスバー100に接続される外部接続用の端子部である。端子34は、たとえば、コンデンサ素子32の金属電極に接続された板状の金属部材のうち、封止樹脂体33から外に突出した部分である。端子34を含む金属部材は、コンデンサ側のバスバーと称されることがある。端子34は、正極バスバー100Pに接続される正極端子34Pと、負極バスバー100Nに接続される負極端子34Nを有している。正極端子34Pがコンデンサの正極に相当し、負極端子34Nがコンデンサの負極に相当する。正極端子34Pは、正極側の金属部材の本体部(図示略)を介して、コンデンサ素子32の正極側の金属電極に接続されている。負極端子34Nは、負極側の金属部材の本体部(図示略)を介して、コンデンサ素子32の負極側の金属電極に接続されている。
端子34のそれぞれは、封止樹脂体33の外に突出し、Z方向に延びている。端子34は、突出先端がX方向に屈曲し、この屈曲部が対応するバスバー100に接続されるようになっている。コンデンサモジュール30は、上記端子34とは別に、コンデンサ素子32を直流電源2に接続するための図示しない端子(以下、入力端子と示す)を備えている。この入力端子は、たとえば、端子34を含む金属部材の一部として構成されている。入力端子は、図示しない入力端子台を介して、直流電源2に接続される。
上記したコンデンサモジュール30は、ケース20において支持部23が設けられた壁部とは反対の壁部、たとえば底壁上に配置されている。図2に示すように、Z方向からの平面視において、積層体40の直下にコンデンサモジュール30が配置されている。
積層体40は、図2および図4に示すように、半導体モジュール50と、ダミーモジュール60と、冷却器70の熱交換部71とを備えて構成されている。
半導体モジュール50は、図2~図4に示すように、半導体素子51と、封止樹脂体52と、ヒートシンク53、54と、主端子55と、信号端子56を備えている。半導体素子51は、上記したインバータ6(電力変換回路)を構成する。半導体素子51は、シリコン(Si)、シリコンよりもバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体などを材料とする半導体基板に、素子が形成されてなる。ワイドバンドギャップ半導体としては、たとえばシリコンカーバイド(SiC)、窒化ガリウム(GaN)、酸化ガリウム(Ga)、ダイヤモンドがある。半導体素子51は、半導体チップと称されることがある。
半導体素子51には、インバータ6を構成するMOSFET11(スイッチング素子)が形成されている。半導体素子51は、自身の板厚方向における両面に、図示しない主電極を有している。具体的には、主電極として、表面側にソース電極を有し、裏面側にドレイン電極を有している。半導体素子51において、ソース電極の形成面には、信号端子56用の電極であるパッド(図示略)が形成されている。半導体素子51の板厚方向は、X方向に略平行である。
封止樹脂体52は、半導体素子51を封止している。封止樹脂体52は、たとえばエポキシ系樹脂を材料とし、トランスファモールド、ポッティング等により成形されている。
ヒートシンク53、54は、半導体素子51を挟むように配置され、半導体素子51と電気的に接続されている。ヒートシンク53、54は、半導体素子51の生じた熱を外部に放熱するための放熱部材である。ヒートシンク53、54は、主電極と主端子55とを電気的に中継する配線部材である。ヒートシンク53、54としては、たとえばCu、Cu合金などを材料とする金属板、DBC(Direct Bonded Copper)基板などを採用することができる。表面に、NiやAuなどのめっき膜を備えてもよい。
ヒートシンク53は、はんだ等の図示しない接合材を介して、半導体素子51のドレイン電極に接続されている。ヒートシンク54は、図示しない接合材を介して、半導体素子51のソース電極に接続されている。本実施形態では、上記したパッドと信号端子56とを接続するボンディングワイヤの高さを確保すべく、ソース電極とヒートシンク54との間にターミナル57が介在している。ターミナル57としては、ヒートシンク53、54と同様の材料を用いることができる。ターミナル57は、金属ブロックと称されることがある。ターミナル57に代えて、ヒートシンク54に凸部を設けてもよい。
ヒートシンク53、54の内面は半導体素子51の実装面である。ヒートシンク53、54の外面は、封止樹脂体52から露出している。半導体素子51の板厚方向において、ヒートシンク53、54は封止樹脂体52から露出している。半導体モジュール50は、半導体素子51の板厚方向、すなわちX方向の両面側から熱交換部71により挟まれる。
主端子55は、主電極と電気的に接続された外部接続用の端子である。信号端子56は、パッドと電気的に接続された外部接続用の端子である。主端子55と信号端子56とは、相反する方向に延設されている。主端子55はZ方向においてコンデンサモジュール30側に延設され、信号端子56は回路基板90側に延設されている。
主端子55は、ヒートシンク53を介してドレイン電極に接続された正極端子55DPおよび出力端子55DSと、ヒートシンク54を介してソース電極に接続された負極端子55SNおよび出力端子55SSを有している。正極端子55DPは正極バスバー100Pに接続される端子であり、負極端子55SNは負極バスバー100Nに接続される端子である。出力端子55DS、55SSは、同一相の上アーム9Uと下アーム9Lとを接続するとともに、出力バスバー101に接続される端子である。
半導体モジュール50のそれぞれは、ひとつのドレイン端子とひとつのソース端子との計2本の主端子55を備えている。2本の主端子55は、主端子55の延設方向および半導体素子51の板厚方向に直交する方向に並んで配置されている。図3および図4に示すように、封止樹脂体52からの突出長さは、ドレイン端子(55DP、55DS)のほうが、ソース端子(55SN、55SS)よりも長い。
電力変換装置4は、半導体モジュール群50Grを備えている。半導体モジュール群50Grは、インバータ6を構成する複数の半導体モジュール50を備えている。半導体モジュール群50Grは、U相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50HU、50LUと、V相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50HV、50LVと、W相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50HW、50LWを備えている。半導体モジュール50HU、50HV、50HWが各相において上アーム9Uを構成し、半導体モジュール50LU、50LV、50LWが各相において下アーム9Lを構成する。
半導体モジュール50HU、50HV、50HWにおいて、ドレイン端子は正極端子55DPであり、ソース端子は出力端子55SSである。半導体モジュール50LU、50LV、50LWにおいて、ドレイン端子は出力端子55DSであり、ソース端子は負極端子55SNである。
ダミーモジュール60は、上下アーム回路9、ひいてはインバータ6(電力変換回路)を構成しないモジュールである。ダミーモジュール60は、半導体素子51を有していない。図4、図5、図6などに示すように、ダミーモジュール60は、金属体61と、封止樹脂体62と、ダミー端子63を備えている。
金属体61は、Cu、アルミニウムなどの熱伝導性が良好な金属材料を用いて、たとえば板状、ブロック状に形成されている。金属体61は、ダミーモジュール60において熱交換部71による挟まれる面の少なくとも一部をなすように配置されている。封止樹脂体62は、金属体61を封止している。封止樹脂体62は、封止樹脂体52同様、トランスファモールド、ポッティング等により成形されている。金属体61は、熱交換部71による挟まれる面の少なくとも一部をなすように、その一部が封止樹脂体62から露出している。ダミー端子63は、金属体61に連なっている、ダミー端子63は、主端子55同様、バスバー100に接続されている。ダミー端子63は、封止樹脂体52の外に突出し、主端子55と同一の方向に延設されている。
本実施形態において、金属体61は、正極側の金属体61Pと、負極側の金属体61Nを有している。2つの金属体61(61P、61N)は、いずれも略直方体状をなしている。金属体61P、61Nは、互いに同じ構造をなしており、Y方向に並んで配置されている。封止樹脂体62は、金属体61P、61Nを一体的に保持している。封止樹脂体62は、熱交換部71による挟まれる面として、一面62aと裏面62bを有している。裏面62bは、一面62aとは反対の面である。金属体61P、61Nの厚みは、封止樹脂体62の厚みと略等しくされている。金属体61Pが第1金属体に相当し、金属体61Nが第2金属体に相当する。一面62aが第1面に相当し、裏面62bが第2面に相当する。
金属体61P、61Nは、ともに、一面62aおよび裏面62bのそれぞれにおいて露出している。金属体61は、露出面61aを有している。露出面61aは、たとえば一面62a、裏面62bに対して略面一とされている。露出面61aは平面略矩形状をなしており、長辺がZ方向に略平行、短辺がY方向に略平行となっている。ダミーモジュール60は、一面62a側に2つの露出面61aを有し、裏面62b側にも2つの露出面61aを有している。2つの露出面61aは、X方向からの平面視において互いに重なる位置関係にある。金属体61(61P、61N)の表面のうち、露出面61a以外の面は、封止樹脂体62によって封止(被覆)されている。
ダミー端子63は、正極側のダミー端子63Pと、負極側のダミー端子63Nを有している。ダミー端子63Pは、正極バスバー100Pに接続される端子であり、金属体61Pに連なっている。ダミー端子63Nは、負極バスバー100Nに接続される端子であり、金属体61Nに連なっている。ダミー端子63P、63Nは、対応する金属体61P、61Nにおいてコンデンサモジュール30側の面に連なり、Z方向に延設されている。ダミー端子63P、63Nは、半導体モジュール50が有する2本の主端子55同様、Y方向に並んで配置されている。封止樹脂体62からの突出長さは、ダミー端子63Pのほうがダミー端子63Nよりも長い。ダミー端子63Pが第1ダミー端子に相当し、ダミー端子63Nが第2ダミー端子に相当する。
以上のように、本実施形態のダミーモジュール60は、バスバー100に接続されるダミー端子63を有している。ダミー端子63Pが半導体モジュール50のドレイン側の主端子55(55DP、55DS)に対応し、ダミー端子63Nがソース側の主端子55(55SN、55SS)に対応している。ダミーモジュール60は、X方向において、半導体モジュール50とほぼ同じ長さ、すなわち厚みを有している。ダミーモジュール60は、半導体モジュール50と並んで配置されている。本実施形態では、電力変換装置4が、ダミーモジュール60をひとつ備えている。
冷却器70は、熱伝導性に優れた金属材料、たとえばアルミニウム系の材料を用いて形成されている。冷却器70は、熱交換部71と、導入管72と、排出管73と、絶縁部材74を備えている。熱交換部71は、ケース20に収容されている。熱交換部71は、全体として扁平形状の管状体となっている。熱交換部71は、たとえば、一対のプレート(金属製薄板)の少なくとも一方を、プレス加工によってX方向に膨らんだ形状に加工する。その後、一対のプレートの外周縁部同士を、かしめなどによって固定するとともに、ろう付けなどによって全周で互いに接合する。これにより、一対のプレート間に冷媒が流通可能な流路が形成され、熱交換部71として用いることが可能となる。
熱交換部71は、半導体モジュール50およびダミーモジュール60を含む複数のモジュールと交互に積層されている。このように、半導体モジュール50、ダミーモジュール60、および熱交換部71の積層体40が形成されている。モジュール(半導体モジュール50およびダミーモジュール60と熱交換部71はX方向に並んで配置されている。積層体40の積層方向は、X方向である。半導体モジュール50のそれぞれは、X方向において熱交換部71により挟まれている。ダミーモジュール60も、X方向において熱交換部71により挟まれている。積層体40において、X方向の両端は熱交換部71とされている。積層方向が、並び方向に相当する。
導入管72および排出管73のそれぞれは、ケース20の内外にわたって配置されている。導入管72および排出管73のそれぞれは、ひとつの部材により構成されてもよいし、複数の部材を連結してなる構成としてもよい。導入管72および排出管73は、熱交換部71のそれぞれに連結されている。図示しないポンプによって冷媒を導入管72に供給することにより、積層された熱交換部71内の流路に冷媒が流れる。これにより、積層体40を構成する半導体モジュール50のそれぞれが、冷媒によって冷却される。同様に、ダミーモジュール60も冷媒によって冷却される。熱交換部71のそれぞれを流れた冷媒は、排出管73介して排出される。冷媒としては、水やアンモニアなどの相変化する冷媒や、エチレングリコール系などの相変化しない冷媒を用いることができる。
絶縁部材74は、熱交換部71と半導体モジュール50、ダミーモジュール60との間に介在し、両者を電気的に分離している。絶縁部材74としては、たとえば、セラミック板、グリスやゲル状の熱伝導部材、およびそれらの組み合わせを採用することができる。冷却器70は、さらに図示しない固定部材を有してもよい。固定部材は、導入管72および/または排出管73を、貫通孔21、22の形成されたケース20の側壁と熱交換部71との間で、ケース20に固定する。固定部材としては、たとえばクランプを採用することができる。
加圧部材80は、弾性部材81と、支持部材82と、当接プレート83を有している。弾性部材81は、ケース20において貫通孔21、22の形成された側壁とは反対の側壁(以下、対向壁と示す)と、積層体40との間に設けられている。この弾性部材81により、積層体40はケース20内において一定の位置に保持される。本実施形態では、弾性部材81として、湾曲形成された板ばねを採用している。弾性部材81としては、金属製のばね以外に、ゴムなどの弾性変形により加圧力を発生するものを採用することができる。
支持部材82は、弾性部材81とケース20の対向壁との間に設けられている。加圧部材80は、2本の支持部材82を有している。2本の支持部材82は、Y方向において離間して設けられている。2本の支持部材82により、弾性部材81の両端が支持されている。弾性部材81は、Y方向の中央において積層体40を押圧する。支持部材82は、たとえばケース20において支持部23と同じ側の壁部に固定されている。弾性部材81は、壁部(ケース20)から浮いた位置に支持されている。
当接プレート83は、平板状をなしている。当接プレート83は、弾性部材81と積層体40との間に配置されている。当接プレート83は、積層体40の一端をなす熱交換部71に面接触している。積層体40の他端をなす熱交換部71が支持部23によって支持された状態で、弾性部材81は、当接プレート83を介して積層体40を押圧している。
回路基板90は、図示を省略するが、樹脂などの絶縁基材に配線が配置された配線基板、配線基板に実装された電子部品、コネクタなどを備えている。実装された電子部品と配線により回路が構成されている。回路基板90には、上記した制御回路13および駆動回路14が構成されている。
図3および図4に示すように、回路基板90は、積層体40に対してコンデンサモジュール30とは反対側に配置されている。たとえば積層体40に対してコンデンサモジュール30側を下側とすると、回路基板90は、積層体40の上側に配置されている。Z方向の平面視において、回路基板90は積層体40、特に半導体モジュール50と重なるように配置されている。積層体40が備える半導体モジュール50の信号端子56は、回路基板90に接続されている。
バスバー100は、コンデンサモジュール30と半導体モジュール50とを電気的に接続する配線部材である。バスバー100は、板状の金属部材である。バスバー100は、はんだ接合、抵抗溶接、レーザ溶接などにより、対応する端子に接続されている。図3、図4などに示すように、バスバー100は、上記したPライン7を構成する正極バスバー100Pと、Nライン8を構成する負極バスバー100Nを有している。
正極バスバー100Pは、コンデンサモジュール30の正極端子34P、半導体モジュール50の正極端子55DP、およびダミーモジュール60のダミー端子63Pのそれぞれに接続されている。負極バスバー100Nは、コンデンサモジュール30の負極端子34N、半導体モジュール50の負極端子55SN、およびダミーモジュール60のダミー端子63Nのそれぞれに接続されている。本実施形態では、正極バスバー100Pと負極バスバー100Nとの大部分が、板厚方向において対向している。バスバー100の板厚方向は、Z方向に略平行である。Z方向において、正極バスバー100Pがコンデンサモジュール30側に配置され、負極バスバー100Nが積層体40側に配置されている。
バスバー100(100P、100N)は、複数の貫通孔102と、一部の貫通孔102の周辺に設けられた接続部103を有している。貫通孔102は、バスバー100を板厚方向に貫通している。接続部103は、バスバー100において貫通孔102の周辺に設けられている。接続部103は、たとえば貫通孔102の壁面に連なり、バスバー100に対して略90度の角度を有して屈曲している。
正極バスバー100Pには、半導体モジュール50のドレイン側の主端子55(55DP、55DS)およびダミーモジュール60の正極側のダミー端子63Pに対応する複数の貫通孔102が設けられている。上記したように、エミッタ側の主端子55(55SN、55SS)が短いため、積層体40から離れた位置にある正極バスバー100Pには、エミッタ側の主端子55(55SN、55SS)に対応する貫通孔は設けられていない。本実施形態では、ひとつの端子に対してひとつの貫通孔102が設けられている。接続部103は、正極端子55DPおよびダミー端子63Pに対応して設けられている。正極端子55DPおよびダミー端子63Pのそれぞれは、対応する貫通孔102に挿入された状態で、接続部103に接続されている。正極端子55DPおよびダミー端子63Pは、たとえば貫通孔102を挿通している。
出力端子55DSが挿入される貫通孔102は、正極バスバー100Pと出力端子55DSとの接触を避ける、すなわち電気的な絶縁を確保するために設けられている。本実施形態の正極バスバー100Pは、6つのドレイン側の主端子55およびひとつのダミー端子63(93P)に対応して、7つの貫通孔102を有している。また、3つの正極端子55DPおよびひとつのダミー端子63Pに対応して4つの接続部103を有している。7つの貫通孔102は、所定ピッチでX方向に並んでいる。
負極バスバー100Nには、半導体モジュール50のすべての主端子55およびすべてのダミー端子63に対応する数の貫通孔102が設けられている。本実施形態では、ひとつの端子に対してひとつの貫通孔102が設けられている。接続部103は、負極端子55SNおよび負極側のダミー端子63Nに対応して設けられている。負極端子55SNおよびダミー端子63Nのそれぞれは、対応する貫通孔102に挿入された状態で、接続部103に接続されている。負極端子55SNおよびダミー端子63Nは、貫通孔102を挿通してもよいし、先端が貫通孔102内に配置されてもよい。
正極端子55DPおよび出力端子55DS、55SSが挿入される貫通孔102は、負極バスバー100Nと正極端子55DPおよび出力端子55DS、55SSそれぞれとの接触を避ける、すなわち電気的な絶縁を確保するために設けられている。ドレイン端子である正極端子55DPおよび出力端子55DSは、対応する貫通孔102を挿通している。ソース端子である出力端子55SSは、貫通孔102を挿通してもよいし、先端が貫通孔102内に配置されてもよい。
本実施形態の負極バスバー100Nは、すべての主端子55およびすべてのダミー端子63に対応して14個の貫通孔102を有している。また、3つの負極端子55SNおよびひとつのダミー端子63Nに対応して4つの接続部103を有している。
出力バスバー101は、半導体モジュール50と図示しない出力端子台とを電気的に接続する配線部材である。出力バスバー101は、板状の金属部材である。出力バスバー101は、はんだ接合、抵抗溶接、レーザ溶接などにより、対応する出力端子55DS、55SSに接続されている。出力バスバー101の一部分は、Z方向からの平面視において積層体40およびバスバー100と重なっており、この重なり部分から、積層体40の積層方向(X方向)に対して直交する方向(Y方向)に延びている。出力バスバー101の重なり部分は、Z方向において、バスバー100よりも積層体40側に配置されている。
図7に示すように、出力バスバー101は、U相の出力バスバー101Uと、V相の出力バスバー101Vと、W相の出力バスバー101Wを有している。出力バスバー101Uに、U相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50の出力端子55DS、55SSが接続されている。出力バスバー101Vに、V相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50の出力端子55DS、55SSが接続されている。出力バスバー101Wに、W相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50の出力端子55DS、55SSが接続されている。
出力バスバー101は、複数の貫通孔104と、一部の貫通孔104の周辺に設けられた接続部105を有している。貫通孔104は、出力バスバー101を板厚方向(Z方向)に貫通している。接続部105は、出力バスバー101において貫通孔104の周辺に設けられている。接続部105は、接続部103同様、たとえば貫通孔104の壁面に連なり、出力バスバー101に対して略90度の角度を有して屈曲している。
出力バスバー101Uは、2つの半導体モジュール50HU、50LUが有する4本の主端子55がそれぞれ挿通される4つの貫通孔104と、出力端子55DS、55SSが接続される2つの接続部105を有している。同様に、出力バスバー101Vは、2つの半導体モジュール50HV、50LVが有する4本の主端子55がそれぞれ挿通される4つの貫通孔104と、出力端子55DS、55SSが接続される2つの接続部105を有している。出力バスバー101Wは、2つの半導体モジュール50HW、50LWが有する4本の主端子55がそれぞれ挿通される4つの貫通孔104と、出力端子55DS、55SSが接続される2つの接続部105を有している。
バスバー100(100P、100N)と出力バスバー101は、バスバーモジュールとして図示しない保持部材により一体化された構造をなしてもよい。
<積層体を構成するモジュールの配置>
次に、図2および図4に基づき、積層体40を構成する各モジュール50、60の配置について説明する。
電力変換装置4が備える半導体モジュール50HU、50HV、50HW、50LU、50LV、50LWは、X方向に並んでいる。これら6つの半導体モジュール50は、X方向に沿って一列で配置されている。同相の上下アーム回路9を構成する2つの半導体モジュール50は、X方向において互に隣り合って配置されている。図2に示すように、貫通孔21、22の形成されたケース20の側壁側から、半導体モジュール50HU、半導体モジュール50LU、半導体モジュール50HV、半導体モジュール50LV、半導体モジュール50HW、半導体モジュール50LWの順に配置されている。すなわち、U相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50、V相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50、W相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50の順に配置されている。半導体モジュール50LWが、貫通孔21、22の形成されたケース20の側壁からもっとも離れた位置に配置されている。
図2に示すように、ダミーモジュール60は、ケース20における貫通孔21、22の形成された側壁に対して、すべての半導体モジュール50よりも近い位置に配置されている。換言すれば、ダミーモジュール60は、冷却器70における冷媒の導入口に対して、すべての半導体モジュール50よりも近い位置に配置されている。ダミーモジュール60は、半導体モジュール50HUの手前に配置されている。ダミーモジュール60は、冷媒の導入口に対してもっとも近い熱交換部71により挟まれている。
<各端子の配置>
次に、図2、図4、図7~図9に基づき、端子34、主端子55、ダミー端子63Nの配置、すなわち対応するバスバー100および出力バスバー101との接続位置について説明する。
コンデンサモジュール30の端子34は、コンデンサケース31の側壁の近傍から、封止樹脂体33の外に突出している。図2に示すように、端子34は、コンデンサケース31において、貫通孔21、22側の側壁の近傍に配置されている。正極端子34Pの突出部分および負極端子34Nの突出部分は、Y方向に並んで配置され、コンデンサケース31のY方向中心に対して線対称配置となっている。
Z方向からの平面視において、端子34は、貫通孔21、22、すなわち冷却器70における冷媒の導入口に対して、積層体40よりも近い位置に配置されている。端子34は、支持部23と貫通孔21、22の形成された側壁との間に配置されている。このような位置で、端子34のそれぞれは、図4に示すように対応するバスバー100に接続されている。
図7~図9に示すように、6つの半導体モジュール50において、ドレイン端子である正極端子55DPおよび出力端子55DSは、X方向に沿って一列に並んでいる。同様に、ソース端子である負極端子55SNおよび出力端子55SSも、X方向に沿って一列に並んでいる。このように、複数の主端子55は2列配置となっている。
ダミー端子63Pは、ドレイン端子である正極端子55DPおよび出力端子55DSとともに、一列に並んでいる。図4、図7~図9に示すように、ケース20における貫通孔21、22の形成された側壁側から、ダミー端子63P、正極端子55DP、出力端子55DS、正極端子55DP、出力端子55DS、正極端子55DP、出力端子55DSの順に並んでいる。同様に、ダミー端子63Nは、ソース端子である負極端子55SNおよび出力端子55SSとともに、一列に並んでいる。ケース20における貫通孔21、22の形成された側壁側から、ダミー端子63N、出力端子55SS、負極端子55SN、出力端子55SS、負極端子55SN、出力端子55SS、負極端子55SNの順に並んでいる。
図7~図9は、積層体40を構成するモジュールの端子とバスバーとの接続位置を示している。図7~図9では、便宜上、貫通孔102、104と接続部103、105を省略している。また、複数の端子のうち、バスバーに接続される端子について明確化のためにハッチングを付与している。
図7は、出力バスバー101と主端子55との接続位置を示している。主端子55のうち、出力端子55DS、55SSが出力バスバー101に接続されている。出力バスバー101に接続される主端子55は、千鳥配置となっている。ダミーモジュール60のダミー端子63は、出力バスバー101には接続されない。出力バスバー101(101U、101V、101W)は、出力端子55DS、55SSに対応する2つの接続部105を有している。2つの接続部105は、4つの貫通孔104において、対角位置の2つの貫通孔104の周辺に設けられている。
図8は、負極バスバー100Nと、主端子55、ダミー端子63との接続位置を示している。主端子55のうち、ソース端子である負極端子55SNが負極バスバー100Nに接続されている。ダミー端子63のうち、負極側のダミー端子63Nが負極バスバー100Nに接続されている。一列に並んだ7本の端子55SN、55SS、63Nは、ひとつおきに負極バスバー100Nに接続されている。図4に示すように、X方向に並んだ7つの貫通孔102に対して、ひとつおきに接続部103が設けられている。
ダミー端子63Nは、コンデンサモジュール30の負極端子34Nと負極バスバー100Nとの接続位置に対して、すべての負極端子55SN、ひいてはすべての主端子55よりも近い位置で、負極バスバー100Nに接続されている。ダミー端子63Nは、負極端子55SNよりも負極端子34Nの接続部に近い位置で、負極バスバー100Nに接続されている。
図9は、正極バスバー100Pと、主端子55、ダミー端子63との接続位置を示している。主端子55のうち、ドレイン端子である正極端子55DPが正極バスバー100Pに接続されている。ダミー端子63のうち、正極側のダミー端子63Pが正極バスバー100Pに接続されている。上記したように、複数のモジュール50、60において、半導体モジュール50HUの隣にダミーモジュール60が配置されている。正極端子55DPに対応する3つの接続部103は、貫通孔102に対してひとつおきに設けられている。X方向において、ダミー端子63Pに対応する接続部105(貫通孔104)は、U相の正極端子55DPに対応する接続部103(貫通孔102)の隣に設けられている。
ダミー端子63Pは、コンデンサモジュール30の正極端子34Pと正極バスバー100Pとの接続位置に対して、すべての正極端子55DP、ひいてはすべての主端子55よりも近い位置で、正極バスバー100Pに接続されている。ダミー端子63Pは、正極端子55DPよりも正極端子34Pの接続部に近い位置で、正極バスバー100Pに接続されている。
<第1実施形態のまとめ>
本実施形態の電力変換装置4は、ダミーモジュール60を備えている。ダミーモジュール60の金属体61は、熱交換部71により挟まれる面の少なくとも一部をなしている。よって、流路を有する熱交換部71により、金属体61が冷やされる。ダミーモジュール60のダミー端子63は、金属体61に連なるとともに、バスバー100に接続されている。よって、金属体61が冷やされると、ダミー端子63を介してバスバー100の温度も低下する。このように、金属体61、ダミー端子63、およびバスバー100を介してコンデンサモジュール30を冷却し、コンデンサモジュール30(コンデンサ素子32)の温度上昇を抑制することができる。この結果、コンデンサモジュール30の寿命が長い電力変換装置4を提供することができる。
さらに本実施形態では、ダミー端子63は、バスバー100における端子34の接続部に対して、バスバー100に接続されたすべての主端子55よりも近い位置で、バスバー100に接続されている。バスバー100におけるダミー端子63の接続部と端子34の接続部との間に、主端子55の接続部が設けられていない。発熱体である半導体素子51を備えた半導体モジュール50が、ダミーモジュール60とコンデンサモジュール30との間の伝熱経路に設けられていないため、ダミーモジュール60による冷却効果が、コンデンサモジュール30に作用しやすい。これにより、コンデンサモジュール30の温度上昇を効果的に抑制することができる。
さらに本実施形態では、ダミーモジュール60が、冷却器70における冷媒の導入口、すなわち導入管72の入り口に対してもっとも近い熱交換部71により挟まれている。もっとも近い熱交換部71とは、冷媒の流れる流路においてもっとも近い熱交換部71である。導入口にもっとも近い熱交換部71には、半導体モジュール50と熱交換をする前の冷媒が流れる。ダミーモジュール60は、すべての半導体モジュール50よりも流路の上流側に配置されている。よって、ダミーモジュール60の冷却効果を高めることができる。これにより、コンデンサモジュール30の温度上昇を効果的に抑制することができる。
さらに本実施形態では、ダミーモジュール60が、2つの金属体61P、61Nを備えており、これら金属体61P、61Nは封止樹脂体62により一体的に保持されている。そして、封止樹脂体62において熱交換部71による挟まれる面から、金属体61P、61Nがそれぞれ露出している。樹脂封止構造を採用することで、2つの金属体61P、61Nを共通する一対の熱交換部71に対して位置決めしやすい。積層体40を構成しやすくなる。
また、金属体61Pに連なるダミー端子63Pが正極バスバー100Pに接続され、金属体61Nに連なるダミー端子63Nが負極バスバー100Nに接続されている。これにより、正極バスバー100P、負極バスバー100Nの両方を通じてコンデンサモジュール30を冷却することができる。これにより、コンデンサ素子32全体を冷却することができる。
さらに本実施形態では、図5に示したように、金属体61Pが、封止樹脂体62の一面62aおよび裏面62bのそれぞれから露出している。金属体61Nが、封止樹脂体62の一面62aおよび裏面62bのそれぞれから露出している。金属体61P、61Nのそれぞれが、X方向両側に露出面61aを有している。金属体61P、61Nのそれぞれが一面62a側の熱交換部71と熱交換するとともに、裏面62b側の熱交換部71と熱交換することができる。よって、ダミーモジュール60の冷却効果を高め、ひいては、コンデンサモジュール30の温度上昇を効果的に抑制することができる。
さらに、本実施形態では、積層体40を構成する複数のモジュール50、60において、ダミーモジュール60を端に配置している。これにより、図4に示すように、回路基板90をZ方向の平面視においてダミーモジュール60と重なる位置に配置しなくてもよい。ダミーモジュール60は、信号端子を備えていない。回路基板90は、信号端子56を備えた半導体モジュール50と重なる位置に配置されている。よって、外力の印加にともなう回路基板90の振動を抑制することができる。
(第2実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、コンデンサモジュール30の端子34が、積層体40よりも冷媒の導入口に近い例を示した。これに代えて、端子34を冷媒の導入口から離れた位置に配置してもよい。
図10は、本実施形態の電力変換装置4を示しており、図4に対応している。コンデンサモジュール30の端子34(34P、34N)は、Z方向からの平面視において、積層体40と重なる位置に配置されている。具体的には、積層方向(X方向)において、積層体40の中間(途中)の位置に、端子34が配置されている。中間の位置とは、複数のモジュール50、60の両端よりも内側の位置である。
図10に示すように、本実施形態でも、バスバー100における端子34の接続部に対して、ダミー端子63の接続部がもっともちかくなるように、ダミーモジュール60が配置されている。積層体40は、2つのダミーモジュール60を備えている。2つのダミーモジュール60は、U相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50HU、50LUと、V相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50HV、50LVとの間に配置されている。X方向において、端子34は、2つのダミーモジュール60のダミー端子63の間で、バスバー100に接続されている。
このように、端子34およびダミーモジュール60の配置が異なる以外は、先行実施形態の構成と同様である。
<第2実施形態のまとめ>
本実施形態では、半導体モジュール50HUが、冷媒の導入口にもっとも近い熱交換部71により挟まれている。冷えた冷媒を活用できる点では、先行実施形態に示す構成のほうが好ましい。それ以外の点については、先行実施形態と同等の効果を奏することができる。
たとえば、端子34が冷媒の導入口から離れていても、ダミー端子63は、バスバー100における端子34の接続部に対して、バスバー100に接続されたすべての主端子55よりも近い位置で、バスバー100に接続されている。ダミーモジュール60による冷却効果が、コンデンサモジュール30に作用しやすいため、コンデンサモジュール30の温度上昇を効果的に抑制することができる。
端子34およびダミーモジュール60(ダミー端子63)の配置は、上記した例に限定されない。V相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50HV、50LVと、W相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50HW、50LWとの間に配置してもよい。ダミーモジュール60は、相間に配置するのが好ましい。
ダミーモジュール60の数は2つに限定されない。3つ以上のダミーモジュール60を備える構成としてもよい。本実施形態に示したように、端子34の接続部をX方向において挟むように2つのダミーモジュール60(ダミー端子63)を配置すると、コンデンサモジュール30の温度上昇を抑制しつつ、積層体40の体格増大を抑制することができる。
(第3実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、金属体61が、ダミーモジュール60において熱交換部71により挟まれる両面をなしていた。これに代えて、熱交換部71により挟まれる両面のうち、一方のみをなすようにしてもよい。
図11は、本実施形態の電力変換装置4において、ダミーモジュール60を示している。図11は、図5に対応している。ダミーモジュール60は、先行実施形態同様、2つの金属体61P、61Nを備えている。金属体61P、61Nは、封止樹脂体62の一面62aから露出しており、裏面62bからは露出していない。金属体61P、61Nは、一面62aから露出する露出面61aを有している。それ以外の構成は、先行実施形態と同じである。本実施形態のダミーモジュール60を、先行実施形態に記載の電力変換装置4に適用することができる。
<第3実施形態のまとめ>
本実施形態では、ダミーモジュール60が片面冷却構造となっている。金属体61(61P、61N)は主として一面62a側の熱交換部71により冷却される。これにより、金属体61、ダミー端子63、およびバスバー100を介してコンデンサモジュール30を冷却し、コンデンサモジュール30(コンデンサ素子32)の温度上昇を抑制することができる。
金属体61が一面62aのみから露出する例を示したが、裏面62bのみから露出する構成としてもよい。
(第4実施形態)
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、2つの金属体61P、61Nが、互いに同じ面に露出していた。これに代えて、金属体61Pが熱交換部71による挟まれる両面のうちのひとつに露出し、金属体61Nが他のひとつに露出するようにしてもよい。
図12および図13は、本実施形態の電力変換装置4において、ダミーモジュール60を示している。図12は図5に対応し、図13は図6に対応している。ダミーモジュール60は、先行実施形態同様、2つの金属体61P、61Nを備えている。金属体61Pは、封止樹脂体62の一面62aのみから露出している。金属体61Nは、封止樹脂体62の裏面62bのみから露出している。
金属体61Pは、厚肉部610Pと、厚肉部610Pに連なり、厚肉部610PよりもX方向の長さである厚みが薄い薄肉部611Pを有している。ダミー端子63Pは、厚肉部610Pに連なっている。厚肉部610Pと薄肉部611Pは、Y方向に並んで設けられている。厚肉部610Pの外面と薄肉部611Pの外面とが、略面一で連なり、一面62a側の露出面61aをなしている。
同様に、金属体61Nは、厚肉部610Nと、厚肉部610Nに連なり、厚肉部610NよりもX方向の長さである厚みが薄い薄肉部611Nを有している。ダミー端子63Nは、厚肉部610Nに連なっている。厚肉部610Nと薄肉部611Nは、Y方向に並んで設けられている。厚肉部610Nの外面と薄肉部611Nの外面とが、略面一で連なり、裏面62b側の露出面61aをなしている。
Z方向からの平面視において、金属体61P、61Nは略L字状をなしている。金属体61P、61Nは、たとえば異形条の金属板である。金属体61P、61Nは、互いに同じ構造をなしており、Z軸周りに2回対称の配置となっている。積層体40の積層方向(X方向)において、金属体61Pの厚肉部610Pと金属体61Nの薄肉部611Nとが対向している。また、金属体61Pの薄肉部611Pと金属体61Nの厚肉部610Nとが対向している。
金属体61P、61Nの間には、電気的な絶縁を確保するためのギャップが設けられている。本実施形態では、ギャップに封止樹脂体62が配置されている。封止樹脂体62に代えて、たとえば樹脂製のスペーサを金属体61P、61N間に予め固定しておき、この構造体を樹脂封止してもよい。それ以外の構成は、先行実施形態と同じである。本実施形態のダミーモジュール60を、先行実施形態に記載の電力変換装置4に適用することができる。
<第4実施形態のまとめ>
本実施形態では、金属体61Pが一面62aに露出し、金属体61Nが裏面62bに露出することで、ダミーモジュール60が両面冷却構造となっている。金属体61P、61Nは、互いに別の面で露出している。金属体61Pは、主として一面62a側の熱交換部71と熱交換し、金属体61Nは、主として裏面62b側の熱交換部71と熱交換することができる。これにより、ダミーモジュール60の冷却効果を高め、ひいては、コンデンサモジュール30の温度上昇を効果的に抑制することができる。
さらに本実施形態では、金属体61P、61Nが、厚肉部610P、610Nと、薄肉部611P、611Nを有している。そして、一方の厚肉部が他方の薄肉部と対向するように、金属体61P、61Nが配置されている。これにより、金属体61Pの厚肉部610Pと薄肉部611Pとが、一面62a側の露出面61aをなしている。同様に、金属体61Nの厚肉部610Nと薄肉部611Nとが、裏面62b側の露出面61aをなしている。よって、ひとつの金属体61が、封止樹脂体62の一方の面のみに露出する構成でありながら、ダミーモジュール60の体格(サイズ)は変えずに、露出面61aを大きくすることができる。これにより、ダミーモジュール60の冷却効果をさらに高めることができる。
金属体61が一面62aから露出し、金属体61Nが裏面62bから露出する例を示したが、これに限定されない。金属体61が裏面62bから露出し、金属体61Nが一面62aから露出する構成としてもよい。
金属体61P、61Nが、厚肉部610P、610Nと、薄肉部611P、611Nを有する例を示したが、これに限定されない。金属体61P、61Nが、厚肉部610P、610Nに相当する部分のみを有してもよい。この場合、露出面61aを大きくすることはできないものの、一面62a側の熱交換部71と裏面62b側の熱交換部71とを活用することができる。
(他の実施形態)
この明細書及び図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された部品及び/又は要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品及び/又は要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品及び/又は要素の置き換え、又は組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。
明細書及び図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書及び図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書及び図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。
制御回路13及び駆動回路14は、少なくともひとつのコンピュータを含む制御システムによって提供される。制御システムは、ハードウェアである少なくともひとつのプロセッサ(ハードウェアプロセッサ)を含む。ハードウェアプロセッサは、下記(i)、(ii)、又は(iii)により提供することができる。
(i)ハードウェアプロセッサは、ハードウェア論理回路である場合がある。この場合、コンピュータは、プログラムされた多数の論理ユニット(ゲート回路)を含むデジタル回路によって提供される。デジタル回路は、プログラム及び/又はデータを格納したメモリを備える場合がある。コンピュータは、アナログ回路によって提供される場合がある。コンピュータは、デジタル回路とアナログ回路との組み合わせによって提供される場合がある。
(ii)ハードウェアプロセッサは、少なくともひとつのメモリに格納されたプログラムを実行する少なくともひとつのプロセッサコアである場合がある。この場合、コンピュータは、少なくともひとつのメモリと、少なくともひとつのプロセッサコアとによって提供される。プロセッサコアは、たとえばCPUと称される。メモリは、記憶媒体とも称される。メモリは、プロセッサによって読み取り可能な「プログラム及び/又はデータ」を非一時的に格納する非遷移的かつ実体的な記憶媒体である。
(iii)ハードウェアプロセッサは、上記(i)と上記(ii)との組み合わせである場合がある。(i)と(ii)とは、異なるチップの上、又は共通のチップの上に配置される。
すなわち、制御回路13及び駆動回路14が提供する手段及び/又は機能は、ハードウェアのみ、ソフトウェアのみ、又はそれらの組み合わせにより提供することができる。
電力変換回路(インバータ6)を構成するスイッチング素子は、MOSFET11に限定されない。たとえば、IGBTを用いてもよい。
すべての半導体モジュール50が一列に配置される例を示した。換言すれば、一対の熱交換部71の間に、ひとつの半導体モジュール50が配置される例を示した。これに限定されない。たとえば、一対の熱交換部71の間に、同じ相を構成する2つの半導体モジュール50を配置し、電力変換装置4が備える半導体モジュール50を二列配置としてもよい。この場合、ダミーモジュール60も、半導体モジュール50に合わせて二列配置するのが好ましい。
ひとつの半導体モジュール50によりひとつのアームを構成する例を示したが、これに限定されない。図14に示す変形例では、半導体モジュール50が一相分の上下アーム回路9を構成する半導体素子51を備えている。図示する半導体モジュール50は、U相の上下アーム回路9を構成する半導体モジュール50Uであり、先行実施形態に記載した2つの半導体モジュール50HU、50LUをひとつにまとめたものである。半導体モジュール50は、主端子55として、正極端子55P、負極端子55N、出力端子55Sを備えている。3本の主端子55は、Y方向に並んで配置されている。
ダミーモジュール60は、上記した金属体61P、金属体61Nに加えて、金属体61Sを備えている。金属体61Sには、ダミー端子63Sが連なっている。各相の正極端子55Pとダミー端子63PとがX方向に並んで配置されており、これら端子55P、63Pは正極バスバー100Pに接続される。各相の負極端子55Nとダミー端子63NとがX方向に並んで配置されており、これら端子55N、63Nは負極バスバー100Nに接続される。各相の出力端子55Sとダミー端子63SとがX方向に並んで配置されている。ダミー端子63Sは、出力バスバー101のひとつに接続される。主端子55に合わせたダミー端子63の配置とすることで、バスバー100および出力バスバー101との接続が容易となる。
図14では、ダミーモジュール60が、主端子55に合わせて3つの金属体61(61P、61N、61S)を備える例を示したが、これに限定されない。金属体61P、61Nのみを備えてもよい。
積層体40の直下にコンデンサモジュール30が配置される例を示したが、これに限定されない。たとえば積層体40に対してY方向にずれた位置にコンデンサモジュール30を配置してもよい。
バスバー100の配置も、上記した例に限定されない。たとえばコンデンサモジュール30側に正極バスバー100Pを配置し、積層体40側に負極バスバー100Nを配置したが、逆の配置としてもよい。
バスバー100、出力バスバー101において、ひとつの端子につき、ひとつの貫通孔102、104を設ける例を示したが、これに限定されない。少なくとも一部の貫通孔を、複数の端子が挿入されるように設けてもよい。
ダミーモジュール60は、少なくともひとつの金属体61と、金属体61に連なっており、バスバー100に接続された少なくともひとつのダミー端子63と、を有し、金属体61が、ダミーモジュール60において熱交換部71により挟まれる面の少なくとも一部をなすように構成されていればよい。たとえば、ダミーモジュール60が、金属体61およびダミー端子63をひとつのみ備えてもよい。ダミー端子63はバスバー100のひとつに接続される。よって、金属体61、ダミー端子63、およびバスバー100を介して、コンデンサモジュール30(コンデンサ素子32)の温度上昇を抑制することができる。
1…駆動システム、2…直流電源、3…モータジェネレータ、3a…巻線、4…電力変換装置、5…平滑コンデンサ、6…インバータ、7…Pライン、8…Nライン、9…上下アーム回路、9L…下アーム、9U…上アーム、10…出力ライン、11…MOSFET、12…ダイオード、13…制御回路、14…駆動回路、20…ケース、21、22…貫通孔、23…支持部、30…コンデンサモジュール、31…コンデンサケース、32…コンデンサ素子、33…封止樹脂体、34…端子、34N…負極端子、34P…正極端子、40…積層体、50、50HU、50HV、50HW、50LU、50LV、50LW、50U…半導体モジュール、50Gr…半導体モジュール群、51…半導体素子、52…封止樹脂体、53、54…ヒートシンク、55…主端子、55DP、55P…正極端子、55SN、55N…負極端子、55DS、55SS、55S…出力端子、56…信号端子、57…ターミナル、60…ダミーモジュール、61、61N、61P……金属体、61a…露出面、610N、610P…厚肉部、611N、611P…薄肉部、62…封止樹脂体、62a…一面、62b…裏面、63、63N、63P、63S…ダミー端子、70…冷却器、71…熱交換部、72…導入管、73…排出管、74…絶縁部材、80…加圧部材、81…弾性部材、82…支持部材、83…当接プレート、90…回路基板、100…バスバー、100P…正極バスバー、100N…負極バスバー、101、101U、101V、101W…出力バスバー、102、104…貫通孔、103、105…接続部

Claims (8)

  1. 電力変換回路を構成する少なくともひとつの半導体素子(51)と、前記半導体素子に電気的に接続された複数の主端子(55)と、を有する半導体モジュール(50)を複数備える半導体モジュール群(50Gr)と、
    前記半導体素子を有していない少なくともひとつのダミーモジュール(60)と、
    冷媒が流通する流路をそれぞれ備え、前記半導体モジュールおよび前記ダミーモジュールを含む複数のモジュールと交互に積層され、積層方向において、前記半導体モジュールおよび前記ダミーモジュールのそれぞれを両面側から挟むように配置された複数の熱交換部(71)を有する冷却器(70)と、
    コンデンサ(30)と、
    前記コンデンサと前記主端子とを電気的に接続する少なくともひとつのバスバー(100)と、を備え、
    前記ダミーモジュールは、少なくともひとつの金属体(61)と、前記金属体に連なっており、前記バスバーに接続された少なくともひとつのダミー端子(63)と、を有し、
    前記金属体は、前記ダミーモジュールにおいて前記熱交換部により挟まれる面の少なくとも一部をなしており、
    前記ダミー端子は、前記バスバーにおける前記コンデンサの接続部に対して、前記バスバーに接続されたすべての前記主端子よりも近い位置で、前記バスバーに接続されている電力変換装置。
  2. 前記ダミーモジュールは、前記冷却器における前記冷媒の導入口に対してもっとも近い前記熱交換部により挟まれている請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記ダミーモジュールは、前記金属体を封止する封止樹脂体(62)を有し、
    前記ダミー端子は、前記封止樹脂体の外に突出して前記バスバーに接続され、
    前記金属体は、前記封止樹脂体における前記熱交換部により挟まれる両面の少なくともひとつから露出している請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
  4. 前記半導体モジュール群は、前記主端子として、複数の正極端子(55DP、55P)と、複数の負極端子(55SN、55N)と、有し、
    前記コンデンサは、正極および負極を有し、
    前記バスバーは、前記コンデンサの正極と前記正極端子とに接続された正極バスバー(100P)と、前記コンデンサの負極と前記負極端子とに接続された負極バスバー(100N)と、を有し、
    前記ダミーモジュールは、前記金属体として、第1金属体(61P)と、前記第1金属体と電気的に分離された第2金属体(61N)と、有するとともに、前記ダミー端子として、前記第1金属体に連なり、前記封止樹脂体の外に突出して前記正極バスバーに接続された第1ダミー端子(63P)と、前記第2金属体に連なり、前記封止樹脂体の外に突出して前記負極バスバーに接続された第2ダミー端子(63N)と、を有し、
    前記第1金属体および前記第2金属体のそれぞれは、前記封止樹脂体における前記熱交換部により挟まれる両面の少なくともひとつから露出している請求項3に記載の電力変換装置。
  5. 前記封止樹脂体は、前記両面のひとつである第1面(62a)と、前記両面の他のひとつであり、前記第1面とは反対の面である第2面(62b)と、を有し、
    前記第1面および前記第2面のそれぞれにおいて、前記第1金属体と前記第2金属体とがともに露出している請求項4に記載の電力変換装置。
  6. 前記封止樹脂体は、前記両面のひとつである第1面(62a)と、前記両面の他のひとつであり、前記第1面とは反対の面である第2面(62b)と、を有し、
    前記第1面および前記第2面のうち、前記第1面には前記第1金属体のみが露出し、前記第2面には前記第2金属体のみが露出している請求項4に記載の電力変換装置。
  7. 前記第1金属体および前記第2金属体は、厚肉部(610P、610N)と、前記厚肉部に連なり、前記厚肉部よりも前記積層方向の厚みが薄い薄肉部(611P、611N)と、をそれぞれ有し、
    前記積層方向において、前記第1金属体の厚肉部(610P)が前記第2金属体の薄肉部(611N)と対向し、前記第1金属体の薄肉部(611P)が前記第2金属体の厚肉部(610N)と対向するように、前記第1金属体および前記第2金属体が配置され、
    前記第1金属体の厚肉部および薄肉部が前記第1面から露出し、前記第2金属体の厚肉部および薄肉部が前記第2面から露出している請求項6に記載の電力変換装置。
  8. 前記封止樹脂体は、前記両面のひとつである第1面(62a)と、前記両面の他のひとつであり、前記第1面とは反対の面である第2面(62b)と、を有し、
    前記第1金属体および前記第2金属体は、前記第1面および前記第2面のうち、前記第1面のみから露出している請求項4に記載の電力変換装置。
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