JP7196808B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両は、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置を搭載している。下記特許文献１には、この種の電力変換装置の一例が開示されている。この電力変換装置は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、半導体モジュールを制御する制御回路基板と、を備え、半導体モジュールの制御端子が制御回路基板に電気的に接続されるように構成されている。

特開２０１７－１３９９３５号公報

この電力変換装置の組付けの際、半導体モジュールの制御端子を制御回路基板に貫通するように設けられた端子挿入孔に挿入して接合する必要がある。このとき、半導体モジュールの制御端子と制御回路基板の端子挿入孔とを互いに位置合わせする作業を要するため組付け作業が面倒である。とりわけ半導体モジュールの数が増えると、このような問題がより顕著になる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールと制御回路基板を備える電力変換装置の組付け性を向上させるのに有効な技術を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
半導体素子（１１）を内蔵した半導体モジュール（１０）と、
上記半導体モジュールを制御する制御回路基板（２０）と、
上記半導体モジュールと上記制御回路基板との間で電気信号（Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ）の無線通信を行う無線通信部（３０，１３０）と、
を備え、
上記無線通信部は、上記制御回路基板に上記半導体モジュールと対向するように設けられた第１通信機（３１）と、上記半導体モジュールに上記制御回路基板と対向するように設けられた第２通信機（３２）と、を有し、
上記第１通信機と上記第２通信機は、これらを直線的に結ぶ経路上に遮蔽物が介在しないように配置されている、電力変換装置（１，１０１）、
にある。

上記電力変換装置において、半導体モジュールと制御回路基板との間での電気信号の送受信を、無線通信部を利用した無線通信で行うことができる。このため、半導体モジュールと制御回路基板を、半導体モジュールの制御端子を介して有線接続する必要がない。それゆえ、電力変換装置の組付け時に、半導体モジュールと制御回路基板との有線接続のための作業を省略できる。

以上のごとく、上記態様によれば、半導体モジュールと制御回路基板を備える電力変換装置の組付け性を向上させるのに有効な技術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。

実施形態１の電力変換装置の断面図。 図１のII-II線矢視断面図。 実施形態１の電力変換装置のインバータ回路図。 図１において制御回路基板と半導体モジュールとの間の送受信構造を示す模式図。 図４の変更例に係る模式図。 実施形態２の電力変換装置について図１に対応した断面図。

以下、電力変換装置の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

なお、実施形態を説明するための図面において、特に断わらない限り、半導体モジュールを構成する半導体素子の厚み方向である第１方向を矢印Ｘで示し、第１方向に直交する第２方向を矢印Ｙで示し、第１方向及び第２方向の両方に直交する第３方向を矢印Ｚで示すものとする。

（実施形態１）
図１に示されるように、実施形態１の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール１０と、複数の半導体モジュール１０を制御する制御回路基板２０と、各半導体モジュールと制御回路基板２０との間で電気信号の無線通信を行う無線通信部３０と、コンデンサ４０と、を備えている。

この電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、直流の電源電力を駆動用モータの駆動に必要な交流電力に変換するインバータとして用いられる。

各半導体モジュール１０は、直流電力を交流電力に変換するための半導体素子１１と、複数のパワー端子１２と、を備えている。半導体素子１１は、各半導体モジュール１０の本体部１０ａに内蔵されている。半導体素子１１として典型的には、ＩＧＢＴ（すなわち、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（すなわち、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等の任意のスイッチング素子が使用される。パワー端子１２は、各半導体モジュール１０において半導体素子１１を内蔵している本体部１０ａから下方へ延出している。

電力変換装置１は、各半導体モジュール１０を冷却する冷却器６を備えている。冷却器６は、いずれも冷媒が流れる複数の冷却管７と、複数の冷却管７に共通の流入ヘッダー部に接続された流入管８と、複数の冷却管７に共通の流出ヘッダー部に接続された流出管９（図２参照）と、を有する。

冷媒として、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。

冷却器６と複数の半導体モジュール１０とによって積層モジュール５が構成されている。この積層モジュール５において、半導体素子１１の厚み方向である第１方向Ｘを制御回路基板２０の延在面Ｐに沿った積層方向として冷却器６の複数の冷却管７のそれぞれと半導体モジュール１０の複数のそれぞれが積層方向に交互に積層して配置されている。このような配置では、半導体素子１１の厚み方向と積層方向が一致する関係にある。また、半導体モジュール１０の本体部１０ａのうち半導体素子１１に平行な面を主面としたとき、この主面の法線方向が厚み方向及び積層方向と一致する関係にある。このような配置を「積層配置」ということもできる。

このとき、各半導体モジュール１０は、隣接する２つの冷却管７によって第１方向Ｘの両側から挟み込まれて加圧部材（図示省略）によって挟み込み方向に加圧されるように構成されている。これにより、各半導体モジュール１０は、２つの冷却管７を流れる冷媒との間の熱交換によって冷却される。

なお、半導体モジュール１０の数は限定されるものではなく適宜に変更が可能である。半導体モジュール１０の数に応じて冷却器６の冷却管７の数を設定するのが好ましい。

制御回路基板２０は、半導体素子１１のスイッチング動作（オンオフ動作）を制御するように構成されている。この制御回路基板２０は、各半導体モジュール１０の上方に空間２ａを隔てて対向配置されており、第１方向Ｘと第１方向Ｘに対する直交方向である第２方向Ｙとによって定まる平面に沿って延在するように構成されている。この制御回路基板２０の上面２０ａには、各半導体モジュール１０の制御のためのコントローラとしてのＥＣＵ２１が設けられている。

無線通信部３０は、制御回路基板２０に第３方向Ｚについて半導体モジュール１０と対向するように設けられた第１通信機３１と、各半導体モジュール１０に第３方向Ｚについて制御回路基板２０と対向するように設けられた第２通信機３２と、を有する。

この無線通信部３０は、第１通信機３１と第２通信機３２との間での双方向通信が可能となるように構成されている。即ち、第１通信機３１が電気信号（「無線周波数信号」ともいう。）を放射する送信機になるとき、第２通信機３２はこの信号を受信する受信機になる。一方で、第２通信機３２が電気信号を放射する送信機になるとき、第１通信機３１はこの信号を受信する受信機になる。

無線通信部３０は、第１通信機３１と第２通信機３２の間での電気信号の送受信が邪魔されるのを防ぐために、第１通信機３１と第２通信機３２を直線的に結ぶ経路上に別部材や壁などの遮蔽物が介在しないように構成されるのが好ましい。

収容体２は、有底箱状のケース３と、このケース３の開口部を覆うカバー４と、を有する。ケース３には、複数の半導体モジュール１０を含む積層モジュール５と、無線通信部３０と、コンデンサ４０を含む複数の発熱部品と、が収容されている。カバー４のうち複数の半導体モジュール１０と対向する箇所には、制御回路基板２０が取付けられている。カバー４の裏面４ａに複数のボス部４ｂが設けられており、これら複数のボス部４ｂに制御回路基板２０が固定されている。収容体２のケース３及びカバー４はいずれも、熱伝導の良い材料、所謂「熱引き」の良い金属材料によって構成されるのが好ましい。

図２に示されるように、各半導体モジュール１０は、本体部１０ａの下面から第３方向Ｚの一方向に互いに平行に突出した３つのパワー端子１２を有する。３つのパワー端子１２は、正極端子１２Ｐと、負極端子１２Ｎと、出力端子１２Ａと、に分類される。一方で、これら３つのパワー端子１２の配置や突出方向については、特に限定されるものではない。

積層配置された各半導体モジュール１０の本体部１０ａには、２つの半導体素子１１が内蔵されている。本体部１０ａのうち制御回路基板２０に対向する上面１０ｂに２つの第２通信機３２が第２方向Ｙに並ぶように取付けられている。２つの第２通信機３２のうちの一方が１つの第１通信機３１との間で無線通信を行い、２つの第２通信機３２のうちの他方が別の１つの第１通信機３１との間で無線通信を行うように構成されている。

なお、第１通信機３１と第２通信機３２が同数であるのが好ましいが、必要に応じて、第１通信機３１の数と第２通信機３２の数が異なるようにしてもよい。

図３に示されるように、電力変換装置１のインバータ回路は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のレグを備え、３相のレグが電源Ｂの正極側と負極側に互いに並列接続されている。各レグは、各半導体モジュール１０の本体部１０ａに内蔵され、且つ互いに直列接続された上アーム素子１１ｕと下アーム素子１１ｄとによって形成されている。上アーム素子１１ｕが正極端子１２Ｐを介して電源Ｂの正極に電気的に接続され、下アーム素子１１ｄが負極端子１２Ｎを介して電源Ｂの負極に電気的に接続されている。各レグにおける、上アーム素子１１ｕと下アーム素子１１ｄとの接続点が、出力端子１２Ａを介してモータＭの３つの電極にいずれかに電気的に接続されている。また、各半導体素子１１にはフライホイールダイオードが逆並列接続されている。

図４の送受信構造に示されるように、制御回路基板２０には、ドライブＩＣ２２が設けられており、このドライブＩＣ２２が導電部材２３によってＥＣＵ２１に電気的に接続されている。これに対して、各半導体モジュール１０は、温度センサや電流センサなどのセンサ類からなる検出部１３と導電部材１４によって電気的に接続されている。

ここで、ドライブＩＣ２２は、ＥＣＵ２１からの制御信号Ｓａに基づいて、電気信号であるゲート信号Ｓｂを出力する。このゲート信号Ｓｂは、送信機としての第１通信機３１から受信機としての第２通信機３２まで無線通信によって伝送され、さらに第２通信機３２から半導体素子１１のゲート端子に伝送される。これにより、ゲート信号Ｓｂによって半導体素子１１をオンオフ駆動する。

検出部１３は、検出情報を電気信号である検出信号Ｓｃとして出力する。この検出信号Ｓｃは、導電部材１４によって半導体モジュール１０に伝送され、さらに第２通信機３２に伝送される。そして、この検出信号Ｓｃは、送信機としての第２通信機３２から受信機としての第１通信機３１まで無線通信によって伝送され、さらに第１通信機３１からＥＣＵ２１に伝送される。

次に、実施形態１の作用効果について説明する。

上記電力変換装置１において、各半導体モジュール１０と制御回路基板２０との間での電気信号（ゲート信号Ｓｂ、検出信号Ｓｃ）の送受信を、無線通信部３０を利用した無線通信で行うことができる。このため、各半導体モジュール１０と制御回路基板２０を、各半導体モジュール１０の制御端子を介して有線接続する必要がない。それゆえ、電力変換装置１の組付け時に、各半導体モジュール１０と制御回路基板２０との有線接続のための作業を省略できる。

また、複数の半導体モジュール１０を積層配置して各半導体モジュール１０の制御端子を制御回路基板２０に有線接続する構造の場合、組付け時の公差の影響によって制御端子の位置ズレを生じ易く組付け作業が難しいという問題があるが、このような問題も生じない。

従って、上述の実施形態１によれば、半導体モジュール１０と制御回路基板２０を備える電力変換装置１の組付け性を向上させるのに有効な技術を提供することができる。

また、制御端子を介して各半導体モジュール１０と制御回路基板２０を有線接続する場合、電力変換装置１の組付け後に、各半導体モジュール１０と制御回路基板２０との相対変位によって制御端子に応力が発生することが懸念されるが、上記電力変換装置１は、制御端子による有線接続を廃止することでこのような懸念が不要であり、耐振性に優れている。

とりわけ、上記電力変換装置１のように、半導体モジュール１０を収容するケース３とは別部材であるカバー４に制御回路基板２０が取付けられた構造において、制御端子を介して各半導体モジュール１０と制御回路基板２０を有線接続する場合には、各半導体モジュール１０と制御回路基板２０との間の位置ズレを補正する補正作業が難しい。そこで、実施形態１のように、制御端子による有線接続を廃止して補正作業自体を不要とすれば、組付け性を向上させ、且つ制御端子に応力が発生するのを防ぐことによるメリットが大きい。

また、上述の実施形態１によれば、積層配置される半導体モジュール１０と制御回路基板２０との間の無線通信に適した電力変換装置１を提供できる。

なお、上述の実施形態１に特に関連する変更例では、図５の送受信構造に示されるように、半導体モジュール１０にドライブＩＣ２２を設けるようにしてもよい。このドライブＩＣ２２が導電部材２３によって半導体素子１１に電気的に接続されている。

この場合、ＥＣＵ２１が電気信号である制御信号Ｓａを出力すると、この制御信号Ｓａは、送信機としての第１通信機３１から受信機としての第２通信機３２まで無線通信によって伝送され、さらに第２通信機３２から半導体モジュール１０のドライブＩＣ２２に伝送される。このとき、ドライブＩＣ２２は、ＥＣＵ２１からの制御信号Ｓａに基づいてゲート信号Ｓｂを出力する。このゲート信号Ｓｂは、導電部材２４によって半導体素子１１のゲート端子に伝送される。

検出部１３から出力された検出信号Ｓｃは、導電部材２５によって半導体素子１１からドライブＩＣ２２に伝送され、さらに第２通信機３２に伝送される。そして、この検出信号Ｓｃは、送信機としての第２通信機３２から受信機としての第１通信機３１まで無線通信によって伝送され、さらに第１通信機３１からＥＣＵ２１に伝送される。

上述の変更例よれば、各半導体モジュール１０と制御回路基板２０との間での電気信号（制御信号Ｓａ、検出信号Ｓｃ）の送受信を、無線通信部３０を利用した無線通信で行うことができる。

以下、上記の実施形態１に関連する他の実施形態について図面を参照しつつ説明する。他の実施形態において、実施形態１の要素と同一の要素には同一の符号を付しており、当該同一の要素についての説明を省略する。

（実施形態２）
図６に示されるように、実施形態２の電力変換装置１０１は、複数の半導体モジュール１０の配置方向について、実施形態１の電力変換装置１のものと相違している。

この電力変換装置１０１では、半導体素子１１の厚み方向である第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙを制御回路基板２０の延在面Ｐに沿った並置方向として、半導体モジュール１０の複数が並置方向に並んで配置されている。このような配置では、半導体素子１１の厚み方向と並置方向が互いに直交する関係にある。また、半導体モジュール１０の本体部１０ａの法線方向が並置方向と直交する関係にある。このような配置を「平面配置」ということもできる。

そして、無線通信部１３０は、制御回路基板２０の下面２０ｂに取付けられた複数の第１通信機３１と、平面配置された各半導体モジュール１０の本体部１０ａの上面１０ｂに取付けられた複数の第２通信機３２と、を有する。

電力変換装置１０１は、ケース３の隔壁３ａを隔てた下方に、複数の半導体モジュール１０を冷却するための冷却器６を備えている。この冷却器６において、冷媒が流れる空間６ａの上流側に流入管８が接続され、この空間６ａの下流側に流出管９が接続されている。

この電力変換装置１０１において、制御回路基板２０と各半導体モジュール１０との間の送受信構造として、図４に示される送受信構造と図５に示される送受信構造のいずれかを採用することができる。

その他の構成は実施形態１の電力変換装置１と同様である。

上述の実施形態２の電力変換装置１０１によれば、複数の半導体モジュール１０を平面配置して各半導体モジュール１０の制御端子を制御回路基板２０に有線接続する構造の場合、隣接する２つの半導体モジュール１０の間の第２方向Ｙの間隔が大きくなる影響によって制御端子の位置ズレが生じ易く組付け作業が難しいという問題があるが、このような問題が生じない。

また、上述の実施形態２によれば、平面配置される半導体モジュール１０と制御回路基板２０との間の無線通信に適した電力変換装置１０１を提供できる。

その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

なお、上記電力変換装置１０１において、例えば、半導体モジュール１０の冷却を要しない場合や冷却器６に代わる冷却要素を使用する場合には、冷却器６を省略することもできる。

本発明は、上述の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の応用や変形が考えられる。例えば、上述の実施形態を応用した次の各形態を実施することもできる。

上述の実施形態では、ケース３を覆うカバー４に制御回路基板２０を取付ける場合について例示したが、これに代えて、ケース３に制御回路基板２０を取付ける構造を採用することもできる。

上述の実施形態では、無線通信部３０，１３０の第１通信機３１と第２通信機３２との間で双方向通信が可能な構造について例示したが、これに代えて、第１通信機３１と第２通信機３２との間で片方向通信のみが可能な構造を採用することもできる。

上述の実施形態では、無線通信部３０，１３０について、第１通信機３１を制御回路基板２０の下面２０ｂに取付け、第２通信機３２を半導体モジュール１０の本体部１０ａの上面１０ｂに取付ける場合について例示したが、第１通信機３１及び第２通信機３２を取付ける箇所は限定されるものではない。例えば、第１通信機３１を制御回路基板２０の上面２０ａに取付けたり、第２通信機３２を半導体モジュール１０の本体部１０ａの側面に取付けたりしてもよい。

１，１０１…電力変換装置、３…ケース、４…カバー、６…冷却器、７…冷却管、１０…半導体モジュール、１１…半導体素子、２０…制御回路基板、３０，１３０…無線通信部、３１…第１通信機、３２…第２通信機、Ｐ…延在面、Ｓａ…制御信号（電気信号），Ｓｂ…ゲート信号（電気信号）、Ｓｃ…検出信号（電気信号）、Ｘ…第１方向（厚み方向）、Ｙ…第２方向（直交方向）

Claims (5)

1. 半導体素子（１１）を内蔵した半導体モジュール（１０）と、
   上記半導体モジュールを制御する制御回路基板（２０）と、
   上記半導体モジュールと上記制御回路基板との間で電気信号（Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ）の無線通信を行う無線通信部（３０，１３０）と、
   を備え、
   上記無線通信部は、上記制御回路基板に上記半導体モジュールと対向するように設けられた第１通信機（３１）と、上記半導体モジュールに上記制御回路基板と対向するように設けられた第２通信機（３２）と、を有し、
   上記第１通信機と上記第２通信機は、これらを直線的に結ぶ経路上に遮蔽物が介在しないように配置されている、電力変換装置（１，１０１）。
2. 上記第２通信機は、上記半導体モジュールに内蔵されている複数の上記半導体素子のそれぞれに対応するように複数設けられ、上記第１通信機は、複数の上記第２通信機のそれぞれにそれぞれが対応するように複数設けられている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記半導体モジュールを収容するケース（３）と、上記ケースを覆うカバー（４）と、を備え、上記カバーのうち上記半導体モジュールと対向する箇所に上記制御回路基板が取付けられている、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 上記半導体モジュールを冷却する冷却器（６）を備え、上記半導体素子の厚み方向（Ｘ）を上記制御回路基板の延在面（Ｐ）に沿った積層方向として上記冷却器の複数の冷却管（７）のそれぞれと上記半導体モジュールの複数のそれぞれが上記積層方向に交互に積層して配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 上記半導体素子の厚み方向（Ｘ）に対する直交方向（Ｙ）を上記制御回路基板の延在面（Ｐ）に沿った並置方向として上記半導体モジュールの複数が上記並置方向に並んで配置されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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