JP7193003B2 - 電力変換器 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換用のスイッチング素子を収容している複数のパワーモジュールとコンデンサを含んでいる電力変換器に関する。

電力変換用のスイッチング素子を収容した複数のパワーモジュールを備えた電力変換器が知られている。例えば、特開２０１１－１５１９９２号公報、特開２０１７－９９１４０号公報（文献１）にそのような電力変換器が開示されている。

文献１の電力変換器は、複数のパワーモジュールに接続されるコンデンサも備えている。複数のパワーモジュールは第１方向（Ｘ方向）に沿って積層されている。それぞれのパワーモジュールは、第１方向に交差する第２方向（Ｙ方向）を向く側面に正極端子と負極端子を備えている。コンデンサは、第１方向と第２方向の双方に交差する第３方向（Ｚ方向）で複数のパワーモジュールと隣り合うように配置されている。コンデンサの正電極と複数のパワーモジュールの正極端子は正極バスバで接続されており、コンデンサの負電極と複数のパワーモジュールの負極端子は負極バスバで接続されている。

複数のパワーモジュールの端子（正極端子又は負極端子）はパワーモジュールの積層方向に並ぶ。パワーモジュールの端子とコンデンサが近いとバスバと端子の接合が難しくなる。それゆえ、文献１の電力変換器では、パワーモジュールの端子は第２方向を向く側面に設けられており、パワーモジュールとコンデンサは第３方向で並び、端子はコンデンサから離れている。本明細書は、複数のパワーモジュールの端子とコンデンサを近づけることと、端子とバスバの接合を容易に接合できることの両立を図る技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換器は、複数のパワーモジュール、コンデンサ、正極バスバ、負極バスバを備えている。それぞれのパワーモジュールは、電力変換用のスイッチング素子を収容している。複数のパワーモジュールは、第１方向（Ｘ方向）に沿って積層されている。コンデンサは、第１方向（Ｘ方向）に交差する第２方向（Ｙ方向）で複数のパワーモジュールの隣りに配置されている。

それぞれのパワーモジュールは、コンデンサと対向している側面に正極端子と負極端子を有している。正極端子はパワーモジュールの内部でスイッチング素子の正極に接続されており、負極端子はスイッチング素子の負極に接続されている。正極端子と負極端子は第１方向（Ｘ方向）と第２方向（Ｙ方向）の両方に交差する第３方向（Ｚ方向）で並んでいる。正極端子の先端と負極端子の先端はパワーモジュールの側面（正極端子と負極端子が設けられている側面）に平行である。

コンデンサは、第３方向（Ｚ方向）における一方の端面に正電極を備えており他方の端面に負電極を備えている。

正極バスバは、正電極に接合されている正極ベース板と、正極ベース板から第３方向（Ｚ方向）に折れ曲がっている正極フランジを備えている。正極フランジが複数のパワーモジュールの正極端子と接合されている。負極バスバは、負電極に接合されている負極ベース板と、負から第３方向（Ｚ方向）に折れ曲がっている負極フランジを備えている。負極フランジが複数のパワーモジュールの負極端子と接合されている。正極フランジと負極フランジが、第３方向（Ｚ方向）でコンデンサから離れる方向に延びている。

上記の構造によると、コンデンサは正極端子と負極端子が設けられた側面に隣り合う。コンデンサは正極端子と負極端子の近くに位置する。

一方、正極フランジと正極端子の接合箇所は第３方向でコンデンサの隣りに位置し、負極フランジと負極端子の接合箇所は反対側でコンデンサの隣りに位置する。正極端子の接合箇所と負極端子の接合箇所がコンデンサの両側のそれぞれに分散するため接合作業が容易になる。本明細書が開示する電力変換器は、複数のパワーモジュールの端子とコンデンサを近づけることと、端子とバスバの接合を容易に接合できることの両立を図ることができる。

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。

第１実施例の電力変換器を含む電気自動車の回路図である。 電力変換器の斜視図である。 電力変換器の分解図である。 電力変換器の断面図である。 第２実施例の電力変換器の断面図である。

（第１実施例）図面を参照して第１実施例の電力変換器を説明する。第１実施例の電力変換器は電気自動車に搭載されるデバイスである。電力変換器は、バッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換する。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、バッテリ８２、電力変換器２、走行用の２個のモータ８３ａ、８３ｂを備えている。モータ８３ａ、８３ｂの出力軸はギアセット８５に連結されている。ギアセット８５は車軸８６にも連結されている。ギアセット８５は、モータ８３ａ、８３ｂの出力トルクを合成して車軸８６に伝達する。

電力変換器２は、バッテリ８２の出力電力（直流電力）を、モータ８３ａ、８３ｂの駆動電力（交流電力）に変換する。電力変換器２の入力正極端１８ａにバッテリ８２の正極が接続されており、入力負極端１８ｂにバッテリ８２の負極が接続される。

入力端１８にはコンデンサ６が接続されている。コンデンサ６は、入力電流（入力電圧）のリプルを抑制するために備えられている。電力変換器２の入力正極端１８ａが電力供給正バスバ６１でコンデンサ６の正電極６ａと接続されており、入力負極端１８ｂが電力供給負バスバ６２でコンデンサ６の負電極６ｂに接続されている。バスバとは、内部抵抗の小さい導電部材であり、典型的には金属棒で作られている。

電力変換器２は、２個のインバータ回路１３ａ、１３ｂを備えている。インバータ回路１３ａ、１３ｂのそれぞれの直流端はコンデンサ６に並列に接続されている。インバータ回路１３ａの交流端がモータ８３ａに接続されており、インバータ回路１３ｂの交流端がモータ８３ｂに接続されている。

インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。スイッチング素子９ａと９ｂ、スイッチング素子９ｃと９ｄ、スイッチング素子９ｅと９ｆがそれぞれ直列回路を構成している。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。

直列回路のスイッチング素子９ａ、９ｂを交互にオンオフすると、直列回路の中点から交流が出力される。３セットの直列回路のそれぞれから交流が出力される。符号８ａが示す破線矩形の範囲の回路が、後述するパワーモジュール８ａに対応する。符号１７ａ、１７ｂは、パワーモジュール８ａから延出している端子を示している。符号１７ａは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の高電位側と導通している端子（正極端子１７ａ）を示している。符号１７ｂは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の低電位側と導通している端子（負極端子１７ｂ）を示している。次に説明するように、正極端子１７ａ、負極端子１７ｂという表記は、他のパワーモジュールでも用いる。

図１では図示していないが、パワーモジュール８ａは中点端子１７ｃも備えている。中点端子１７ｃは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の中点と導通している。正極端子１７ａ、負極端子１７ｂ、中点端子１７ｃは、後に図３を用いて説明する。また、以下では、正極端子１７ａ、負極端子１７ｂ、中点端子１７ｃを合わせて端子１７と総称する場合がある。

スイッチング素子９ｃ、９ｄの直列回路（および各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオード）がパワーモジュール８ｂを構成する。スイッチング素子９ｅ、９ｆの直列回路（および各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオード）がパワーモジュール８ｃを構成する。パワーモジュール８ｂ、８ｃの構成は、パワーモジュール８ａの構成と同じである。パワーモジュール８ｂ、８ｃも、パワーモジュール８ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路の高電位側、低電位側、中点のそれぞれと導通している正極端子１７ａ、負極端子１７ｂ、中点端子１７ｃを備えている（中点端子１７ｃは不図示）。

スイッチング素子９ａ－９ｆは、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また、ここでいうスイッチング素子は、電力変換に用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。

インバータ回路１３ｂは、インバータ回路１３ａと同じ構造を有しており、３個のパワーモジュール８ｄ－８ｆを含んでいる。パワーモジュール８ｄ－８ｆのそれぞれの構造は、パワーモジュール８ａと同じであるため、図１では、パワーモジュール８ｄ－８ｆとそれらの接続関係を簡略化して描いてある。

図１において、破線８ａ－８ｆの夫々がパワーモジュールに相当する。電力変換器２は、２個のスイッチング素子の直列回路を６セット備えている。ハードウエアとしては、直列回路を構成する２個のスイッチング素子、および各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードが一つのパッケージ（パワーモジュールのパッケージ）に収容されている。以下では、パワーモジュール８ａ－８ｆのいずれか一つを区別なく示すときにはパワーモジュール８と表記する。

４個のパワーモジュール（４セットの直列回路）の高電位側の端子（正極端子１７ａ）がコンデンサ６の正電極６ａに接続され、低電位側の端子（負極端子１７ｂ）がコンデンサ６の負電極６ｂに接続される。図１において、符号３０が示す破線内の導電経路は、複数のパワーモジュール８の正極端子１７ａとコンデンサ６の正電極６ａを接続するバスバ（正極バスバ３０）に対応する。符号４０が示す破線内の導電経路は、複数の負極端子１７ｂとコンデンサ６の負電極６ｂを接続するバスバ（負極バスバ４０）に対応する。次に、複数のパワーモジュール８と正極バスバ３０、負極バスバ４０の構造について説明する。

図２に電力変換器２のハードウエアの斜視図を示す。図２は、正極バスバ３０と負極バスバ４０で接続された積層ユニット２０とコンデンサ６のアセンブリの斜視図であり、電力変換器２の残りの部品の図示は省略されている。積層ユニット２０は、先に述べたパワーモジュール８（８ａ－８ｆ）と複数の冷却器２１を積層したデバイスである。図３に、電力変換器２の分解図を示す。図３は、先に述べたアセンブリの分解図であり、図３でも、電力変換器２の残りの部品の図示は省略されている。図中の座標系のＸ方向がパワーモジュール８（８ａ－８ｆ）の積層方向に相当する。以降の図でも、Ｘ方向が積層方向に相当する。

図２と図３を参照しつつ、電力変換器２のハードウエア、特に、上記したアセンブリについて説明する。複数のパワーモジュール８（８ａ－８ｆ）は、複数の冷却器２１とともに積層ユニット２０を構成している。パワーモジュール８ａ－８ｆは全て同じ形状であるので、図２では、代表して左端のパワーモジュールにのみ、符号８を付し、他のパワーモジュールには符号を省略した。図２では、代表して左端の冷却器にのみ、符号２１を付し、残りの冷却器には符号を省略した。

複数のパワーモジュール８と複数の冷却器２１は、１個ずつ交互に積層されている。パワーモジュール８は扁平形状であり、その幅広面が冷却器２１に当接している。

図中の左端の冷却器２１には、冷媒供給口２２ａと冷媒排出口２２ｂが設けられている。隣接する冷却器２１同士は、２個の連結管２３ａ、２３ｂで接続されている。図２、図３では、左端の連結管２３ａ、２３ｂにのみ、符号を付し、残りの連結管では符号を省略した。冷却器２１は、内部が空洞（冷媒流路）になっており、連結管２３ａ、２３ｂは、隣り合う冷却器２１の冷媒流路を連通する。

一方の連結管２３ａは、積層方向からみて冷媒供給口２２ａと重なるように位置している。他方の連結管２３ｂは、積層方向からみて冷媒排出口２２ｂと重なるように位置している。冷媒供給口２２ａと冷媒排出口２２ｂには、不図示の冷媒循環装置が接続される。冷媒供給口２２ａから供給される冷媒は、一方の連結管２３ａを通じて全ての冷却器２１に分配される。冷媒は冷却器２１を通る間に隣接するパワーモジュール８から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管２３ｂと冷媒排出口２２ｂを通じて積層ユニット２０から排出される。各パワーモジュール８は、その両側から冷却されるので、積層ユニット２０は、パワーモジュール８に対する冷却性能が高い。

パワーモジュール８の本体は、スイッチング素子とダイオードを収容しているパッケージである。パッケージは樹脂で作られている。各パワーモジュール８のパッケージの一つの幅狭面である側面８１から正極端子１７ａと負極端子１７ｂと中点端子１７ｃが延びている。図２と図３では、左端のパワーモジュール８の側面にのみ、符号８１を付し、残りのパワーモジュール８の同じ側面に対しては符号を省略した。図では、中点端子１７ｃに接続されるバスバは図示を省略した。

複数のパワーモジュール８の積層方向（図中のＸ方向）に直交するＹ方向で、複数のパワーモジュール８の隣にコンデンサ６が配置されている。別言すれば、複数のパワーモジュール８の側面８１に対向するようにコンデンサ６が配置されている。パワーモジュール８のコンデンサ６に対向する側面８１から３個の端子１７（正極端子１７ａ、負極端子１７ｂ、中点端子１７ｃ）が延びている。３個の端子１７は、図中の座標系のＺ方向に沿って並んでいる。また、３個の端子１７のそれぞれは幅広板で作られており、先端の幅広面が側面８１に平行になっている。

コンデンサ６は、＋Ｙ方向を向いている端面に正電極６ａが設けられているとともに、反対方向（－Ｙ方向）を向く端面に負電極６ｂが設けられている。コンデンサ６は、正電極６ａと負電極６ｂがＹ方向を向く姿勢で配置されている。

正極バスバ３０は、コンデンサ６の正電極６ａに対向する正極ベース板３１と、正極ベース板３１から－Ｚ方向にＬ字に折れ曲がっている正極フランジ３２を有している。正極ベース板３１が、コンデンサ６の正電極６ａに接合される。正極フランジ３２は、複数のパワーモジュール８の正極端子１７ａの先端の平坦面に対して平行である。それぞれの正極端子１７ａには、延長板１９の一端が接合される。延長板１９の他端は正極バスバ３０の正極フランジ３２に接合される。別言すれば、複数のパワーモジュール８の正極端子１７ａのそれぞれは、延長板１９を介して正極バスバ３０の正極フランジ３２に接合している。

負極バスバ４０は、コンデンサ６の負電極６ｂに対向する負極ベース板４１と、負極ベース板４１から＋Ｚ方向にＬ字に折れ曲がっている負極フランジ４２を有している。負極ベース板４１が、コンデンサ６の負電極６ｂに接合される。負極フランジ４２は、複数のパワーモジュール８の負極端子１７ｂの先端と対向しており、負極端子１７ｂに接合されている。

正極バスバ３０の正極フランジ３２と負極バスバ４０の負極フランジ４２は、コンデンサ６から離れる方向に延びている。別言すれば、正極フランジ３２と負極フランジ４２は、互いに離れる方向に延びている。

図４に、電力変換器２の断面図を示す。図４は、複数のパワーモジュール８の積層方向（Ｘ方向）に直交する平面で電力変換器２をカットした断面図である。図４では、積層ユニット２０などの部品を収容するハウジング５０も図示してある。図４では、パワーモジュール８の中点端子１７ｃに接続されるバスバと、その他いくつかの部品は図示を省略した。

積層ユニット２０は、ハウジング５０の仕切板５３に固定されている。積層ユニット２０の下方には基板５４が配置されている。基板５４はボルト５２でハウジングに固定されている。パワーモジュール８の下面から複数の制御端子が延びており、制御端子は基板５４に接続している。基板５４には、パワーモジュール８に収容されているスイッチング素子の制御回路が実装されている。

先に述べたように、パワーモジュール８の負極端子１７ｂには負極バスバ４０の負極フランジ４２が接合されており、正極端子１７ａには延長板１９の一端が接合されている。延長板１９はＺ方向に延びており、他端が正極バスバ３０の正極フランジ３２に接合されている。正極バスバ３０の正極ベース板３１はコンデンサ６の正電極６ａに接続されており、負極バスバ４０の負極ベース板４１はコンデンサ６の負電極６ｂに接合されている。別言すれば、正極端子１７ａは延長板１９と正極バスバ３０を介してコンデンサ６の正電極６ａに接続されており、負極端子１７ｂは負極バスバ４０を介してコンデンサ６の負電極６ｂに接続されている。

正極バスバ３０と負極バスバ４０はコンデンサ６よりもさらに上方へと延びている。Ｙ方向でコンデンサ６の隣りにはバスバモジュール６０が配置されている。バスバモジュール６０は、コンデンサ６に対してパワーモジュール８とは反対側に配置されている。バスバモジュール６０は、板である。バスバモジュール６０は、ボルト５１でハウジング５０に固定されている。

バスバモジュール６０には、電力供給正バスバ６１、電力供給負バスバ６２が取り付けられている。正極バスバ３０の先端が電力供給正バスバ６１に接合されており、負極バスバ４０の先端が電力供給負バスバ６２に接合されている。先に述べたように、電力供給正バスバ６１、電力供給負バスバ６２は、電力変換器２の入力端１８（図１参照）とコンデンサ６を接続するバスバである。図４によく示されているように、コンデンサ６は、正極バスバ３０と負極バスバ４０に接合されており、その正極バスバ３０と負極バスバ４０で支持されている。正極バスバ３０と負極バスバ４０の一端（上端）はバスバモジュール６０を介してハウジング５０に支持されている。正極バスバ３０と負極バスバ４０の他端（下端）は、積層ユニット２０の複数のパワーモジュール８を介してハウジング５０に支持されている。コンデンサ６自体は直接にはハウジング５０に触れておらず、バスバ３０、４０などを介して間接的にハウジング５０に支持される。コンデンサ６は、直接にはハウジング５０に接していないが、両側を正極バスバ３０と負極バスバ４０で支持されているので耐振動特性がよい。

上記した構造の利点を説明する。コンデンサ６は、正極端子１７ａと負極端子１７ｂに対向するように配置されている。それゆえ、コンデンサ６が正極端子１７ａと負極端子１７ｂに近くなり、正極端子１７ａと負極端子１７ｂを短くすることができる。また、正極バスバ３０の正極フランジ３２がコンデンサ６から離れるように延びており、負極バスバ４０の負極フランジ４２は、反対側でコンデンサ６から離れるように延びている。正極フランジ３２と正極端子１７ａの接合、および、負極フランジ４２と負極端子１７ｂの接合が容易にできる。正極フランジ３２と正極端子１７ａは延長板１９を介して接合される。

なお、正極端子１７ａと正極フランジ３２は延長板１９を介さずに接合され、負極端子１７ｂと負極フランジ４２が延長板１９を介して接合されてもよい。

図２、図３に示されているように、複数のパワーモジュール８とコンデンサ６は、Ｙ方向に沿って見て重なっている。

複数のパワーモジュール８とコンデンサ６は、ハウジング５０に収容されている。複数のパワーモジュール８はハウジング５０に固定されている。ハウジング５０には、板状のバスバモジュール６０も固定されている。バスバモジュール６０は、複数のパワーモジュール８とは反対側でコンデンサ６に隣り合う。正極バスバ３０と負極バスバ４０の上端はバスバモジュール６０に固定される。正極バスバ３０と負極バスバ４０の下端は複数のパワーモジュール８に固定される。コンデンサ６は、正極バスバ３０、負極バスバ４０、パワーモジュール８、バスバモジュール６０を介してハウジング５０に支持される。バスバモジュール６０は、コンデンサ６を支持しているので、支持板と呼ぶことができる。

バスバモジュール６０には、電源の電力をコンデンサ６に供給する電力供給正バスバ６１と電力供給負バスバ６２が取り付けられている。正極バスバ３０は電力供給正バスバ６１に接合されており、負極バスバ４０は電力供給負バスバ６２に接合されている。

（第２実施例）図５に、第２実施例の電力変換器２ａの断面図を示す。第２実施例の電力変換器２ａは、正極バスバ３０ａの正極ベース板３１と負極バスバ４０ａの負極ベース板４１が短い。正極ベース板３１は、コンデンサ６の正電極６ａの下部を覆っており、負極ベース板４１は負電極６ｂの下部を覆っている。コンデンサ６の正電極６ａの上部には別の正極バスバ３５が接合されており、負電極６ｂの上部には別の負極バスバ４５が接続されている。別の正極バスバ３５の上部はバスバモジュール６０の電力供給正バスバ６１に接合されており、別の負極バスバ４５の上部はバスバモジュール６０の電力供給負バスバ６２に接合されている。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。バスバモジュール６０が支持板の一例に相当する。図中の座標系のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のそれぞれが、第１方向、第２方向、第３方向に対応する。

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、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。

Claims (4)

1. 電力変換用のスイッチング素子を収容している複数のパワーモジュールであって第１方向に沿って積層されている複数のパワーモジュールと、
   前記第１方向に交差する第２方向で複数の前記パワーモジュールの隣りに配置されているコンデンサと、
   複数の前記パワーモジュールと前記コンデンサを接続している正極バスバおよび負極バスバと、
   前記第１方向と前記第２方向の両方に交差する第３方向に延びている複数の延長板と、
   を備えており、
   それぞれの前記パワーモジュールの前記コンデンサと対向している側面に正極端子と負極端子が設けられており、前記正極端子と前記負極端子は前記第３方向で並んでおり、
   前記正極端子の先端と前記負極端子の先端は、前記側面に平行であり、
   前記コンデンサは、前記第３方向における一方の端面に正電極を備えており他方の端面に負電極を備えており、
   前記正極バスバと前記負極バスバと前記延長板は、次の２通りの構造、すなわち、
   （構造１）
   前記正極バスバは、前記正電極に接合されている正極ベース板と、前記正極ベース板から前記第３方向に折れ曲がっている正極フランジを備えており、
   前記負極バスバは、前記負電極に接合されている負極ベース板と、前記負極ベース板から前記第３方向に折れ曲がっており複数の前記パワーモジュールの前記負極端子と接合される負極フランジを備えており、
   それぞれの前記正極端子はそれぞれの前記延長板を介して前記正極フランジに接続されている、
   （構造２）
   前記正極バスバは、前記正電極に接合されている正極ベース板と、前記正極ベース板から前記第３方向に折れ曲がっており複数の前記パワーモジュールの前記正極端子と接合される正極フランジを備えており、
   前記負極バスバは、前記負電極に接合されている負極ベース板と、前記負極ベース板から前記第３方向に折れ曲がっている負極フランジを備えており、
   それぞれの前記負極端子はそれぞれの前記延長板を介して前記負極フランジに接続されている、
   の一方の構造を備えており、
   前記正極フランジと前記負極フランジは、前記第３方向で前記コンデンサから離れる方向に延びている、電力変換器。
2. 複数の前記パワーモジュールと前記コンデンサが前記第２方向に沿って見て重なっている、請求項１に記載の電力変換器。
3. 複数の前記パワーモジュールと前記コンデンサを収容するハウジングと、
   前記ハウジングに支持されており、前記第２方向にて前記パワーモジュールとは反対側で前記コンデンサの隣りに配置されている支持板と、
   を備えており、
   前記正極バスバまたは前記正電極に接続される別の正極バスバが前記支持板に固定されており、
   前記負極バスバまたは前記負電極に接続される別の負極バスバが前記支持板に固定されており、
   前記コンデンサは、前記支持板と前記パワーモジュールと前記正極バスバと前記負極バスバを介して前記ハウジングに支持されている、請求項１または２に記載の電力変換器。
4. 前記支持板には、電源の電力を前記コンデンサに供給する電力供給正バスバと電力供給負バスバが取り付けられており、前記正極バスバが前記電力供給正バスバに接合されており、前記負極バスバが前記電力供給負バスバに接合されている、請求項３の電力変換器。

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