JPH09233818A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】体格の小型軽量化及び部品点数や配線工数の削
減を図るとともに、装置の動作信頼性や寿命を向上可能
なパワーモジュールを提供する。 【解決手段】ＤＣ−ＡＣ変換用のブリッジ回路（Ｈ形ブ
リッジ回路）２００を構成する４個のスイッチング素子
７〜１０と、ブリッジ回路２００に直流電源電圧を給電
する昇圧型力率改善回路１００の半導体回路部分を構成
するリアクトル電流断続用のスイッチング素子６及びリ
アクトル放電用の逆流防止ダイオ−ド５とをヒートシン
ク付の配線基板に実装し、更に必要個数の主回路端子台
をこの配線基板に実装してこれら主回路端子台と各スイ
ッチング素子６〜１０の主端子とを接続し、また更に制
御用コネクタを配線基板に実装してこの制御用コネクタ
の各ターミナルを各スイッチング素子６〜１０の制御端
子に個別に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＤＣ−ＡＣコンバ
ータやＤＣ−ＤＣコンバータなどの電力変換装置（パワ
ーコンバータ）に関する。本発明の電力変換装置は、例
えば電気自動車用の充電装置に適用される。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車の充電装置として好適な従来
のＡＣ−ＤＣコンバータ装置の一例を図９を参照して説
明する。このＡＣ−ＤＣコンバータ装置は、昇圧型力率
改善回路１００とブリッジ回路（本明細書ではＨ形ブリ
ッジ回路ともいう）２００とを有する。

【０００３】１は商用電源、２ａは第１の整流器モジュ
ール、３は第１のリアクトル、４は第１の平滑コンデン
サ、５ａは逆流防止ダイオ−ド、６ａ〜１０ａはＩＧＢ
Ｔからなるスイッチング素子、１１ａ〜１４ａはフライ
ホイールダイオ−ド、１５はトランス、１６ａは第２の
整流器モジュール、１７は第２のリアクトル、１８は第
２の平滑コンデンサ、１９は負荷、２０は制御回路、２
１は第１の電流センサ、２２は第２の電流センサであ
る。

【０００４】昇圧型力率改善回路１００において、制御
回路２０は、第１のリアクトル３に流れる電流を第１の
電流センサ２１で検出して入力し、この電流波形が第１
の整流器２ａから出力される整流電圧の波形と相似にな
るように、かつ、第１の平滑コンデンサ４の電位が所定
の値となるように、ＩＧＢＴ６ａを断続制御している。

【０００５】ブリッジ回路２００において、制御回路２
０は、負荷１９に流れる負荷電流を第２の電流センサ２
２で検出して入力し、この負荷電流が所定値となるよう
にＩＧＢＴ７ａ〜１０ａを断続制御してトランス１５に
必要な高周波電力を供給する。トランス１５に供給され
た高周波電力は、第２の整流器１６ａで整流された後
に、第２のリアクトル１７と第２の平滑コンデンサ１８
からなる平滑回路で平滑された後、負荷１９に給電され
る。フライホイールダイオ−ド１１ａ〜１４ａはＩＧＢ
Ｔ７ａ〜１０ａがターンオフした直後にトランスの１次
巻線及びもれインダクタンスから放出される磁気エネル
ギを電流の形で放出する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の昇圧型
力率改善回路１００とフルブリッジ型のＤＣーＤＣコン
バータを組み合わせたＡＣーＤＣコンバータ装置では、
第１の整流器２ａ、第２の整流器１６ａ、昇圧型力率改
善回路１００のスイッチング素子６ａ及び逆流防止ダイ
オ−ド５ａ、ブリッジ回路２００のスイッチング素子７
ａ〜１０ａ及びフライホイールダイオ−ド１１ａ〜１４
ａをそれぞれ個別に半導体素子で構成し、これらをブス
バーやワイヤー等の配線部品で接続して構成していた。
ＥＶ用充電装置のような大電力用途ではこれら半導体素
子の冷却性の向上のため、ヒートシンクや冷却フィンの
ような冷却構造を各半導体素子に個別に設けることが必
要であり、これらヒートシンクや冷却フィンに充分な冷
媒が当たるように各半導体素子を配置する必要があっ
た。

【０００７】しかし、各素子の電力損失（発熱量）がそ
れぞれ異なり、また、各素子の配置位置などの影響によ
り各素子の有効放熱抵抗がそれぞれ異なるために各素子
のチップ温度が異なることになり、最も条件の悪い素子
のチップ温度が増大してしまい、過酷な動作条件下で素
子温度が最高許容温度に接近してしまうという問題があ
った。更に、素子特性のばらつき、配線不良による配線
インピーダンスのアンバランスなどのなんらかの要因で
どれかの素子が過熱する可能性が考慮され、それに対し
て対策を施すことが要望された。

【０００８】その他、上記した従来の装置では、ブスバ
ーやワイヤー等の部品を必要とするので、部品点数の増
加、配線及び配線作業のための必要スペースの増大、被
水などからの配線の保護に必要性、装着及び配線のため
の工数の増大などの不具合を招くという問題もあった。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、体格の小
型軽量化及び工数の削減を図るとともに、装置の動作信
頼性や耐環境性を向上した電力変換装置を提供すること
をその目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の電力変換
装置は、ＤＣ−ＡＣ変換用のブリッジ回路（Ｈ形ブリッ
ジ回路）を構成する４個のスイッチング素子と、前記ブ
リッジ回路に直流電源電圧を給電する昇圧型力率改善回
路の半導体回路部分を構成するリアクトル電流断続用の
スイッチング素子及びリアクトル放電用の逆流防止ダイ
オ−ドとをヒートシンク付の配線基板に実装し、更に必
要個数の主回路端子台をこの配線基板に実装してこれら
主回路端子台と各スイッチング素子の主端子とを接続
し、また更に制御用コネクタを配線基板に実装してこの
制御用コネクタの各ターミナルを各スイッチング素子の
制御端子に個別に接続している。

【００１０】このようにすれば、スイッチング素子やダ
イオードなどの最高許容温度に厳しい制限がある半導体
素子が共通の配線基板に一体に配置され、共通のヒート
シンクを通じて冷却される。すなわち、半導体素子のチ
ップサイズが従来の装置と同じとしても、負荷が大きい
半導体素子での熱抵抗は下がるので、負荷が大きい半導
体素子での温度上昇は抑制される。

【００１１】また、素子不良や配線不良や絶縁不良など
が生じてどれかの素子の発熱（抵抗電力損失）が異常に
増大しても、各素子は、熱容量が大きく放熱性も良好な
共通のヒートシンクに放熱するので、この大発熱素子の
過熱を防止してその性能劣化を抑止し、装置の信頼性の
向上及び寿命の向上を図ることができる。また、ブスバ
ーやワイヤー等の部品を減らせ、配線及び配線作業のた
めの必要スペースを削減でき、装着及び配線のための工
数の削減も実現でき、装置の小型軽量化も実現できる。

【００１２】請求項２記載の電力変換装置は、請求項１
記載の装置において更に、ハイサイドのスイッチング素
子（以下、ハイサイド素子ともいう）及びローサイドの
スイッチング素子（以下、ローサイド素子ともいう）を
ＩＧＢＴ又はバイポーラトランジスタ並びにそれと並列
接続されるフライホイールダイオ−ドで構成する。ＩＧ
ＢＴやバイポーラトランジスタは逆導通用にフライホイ
ールダイオ−ドを必要とするので、一層の配線工数及び
必要スペースの削減を図ることができる。

【００１３】請求項３記載の電力変換装置は、請求項１
又は２記載の装置において更に、昇圧型力率改善回路の
前段に配設されて交流電圧を整流する整流器（全波整流
器を含む）も上記ヒートシンク付の配線基板に実装し、
更にこれら整流器の入出力用の主回路端子台もこの配線
基板に実装するので、整流機能を追加するとともに、装
置の信頼性の一層の向上を図り、工数及び体格の一層の
削減を図ることができる。

【００１４】請求項４記載の電力変換装置は、請求項１
乃至３のいずれか記載の装置において更に、ブリッジ回
路の後段に通常はトランスを介して配設されて交流電圧
を整流する整流器を上記ヒートシンク付の配線基板に実
装し、更にこの整流器の入出力用の主回路端子台もこの
配線基板に実装するので、整流機能を追加するととも
に、装置の信頼性の一層の向上を図り、工数及び体格の
一層の削減を図ることができる。

【００１５】

【発明を実施する形態】

（実施例１）本発明の電力変換装置をＥＶ用主バッテリ
充電用の充電装置として用いられるＡＣ−ＤＣコンバー
タに適用した実施例を図１〜図２を参照して説明する。
図１はこのＡＣ−ＤＣコンバータの回路図を示し、図２
はその電力変換装置（以下、パワーモジュールともい
う）の模式斜視図を示す。

【００１６】このＡＣ−ＤＣコンバータは、昇圧型力率
改善回路１００とブリッジ回路（本明細書ではＨ形ブリ
ッジ回路ともいう）２００と、それらの内部のトランジ
スタを断続制御する制御回路２０とを有する。商用電源
１から全波整流回路（第１の整流器）２の交流入力端に
印加された交流電圧は全波整流されて昇圧型力率改善回
路１００に入力され、昇圧型力率改善回路１００から出
力される直流電圧はブリッジ回路２００にて高周波電圧
に変換されてトランス１５に入力され、トランス１５の
出力は、全波整流回路（第２の整流器）１６で全波整流
され、第２のリアクトル１７及び第２の平滑コンデンサ
１８で構成される平滑回路にて平滑、直流電圧となって
負荷１９に印加される。

【００１７】昇圧型力率改善回路１００は、第１のリア
クトル３、第１の平滑コンデンサ４、逆流防止ダイオ−
ド５、ＩＧＢＴ（リアクトル電流断続用スイッチング素
子）６からなる。全波整流回路２の高位出力端子は第１
のリアクトル３及び逆流防止ダイオード５を通じて第１
の平滑コンデンサ４の高位端子を充電し、その低位端子
は接地されている。逆流防止ダイオード５のアノードは
ＩＧＢＴ６のコレクタに接続され、そのエミッタは接地
されている。

【００１８】昇圧型力率改善回路１００の動作を説明す
ると、制御回路２０は、第１のリアクトル３に流れる電
流を第１の電流センサ２１で検出して入力し、この電流
の波形が第１の整流器２から出力される整流電圧と相似
波形に近づくように、かつ、第１の平滑コンデンサ４の
電位が所定の一定値となるように、ＩＧＢＴ６を断続制
御する。ＩＧＢＴ６が導通されると第１のリアクトル３
に通電されてそれに磁気エネルギが蓄積され、ＩＧＢＴ
６が遮断されると第１のリアクトル３に蓄積される磁気
エネルギにより逆起電力が生じて電流が逆流防止ダイオ
ード５を通じて第１の平滑コンデンサ４に給電される。

【００１９】ブリッジ回路（Ｈ形ブリッジ回路）２００
は、ＩＧＢＴ（ハイサイドのスイッチング素子）７、９
及びＩＧＢＴ（ローサイドのスイッチング素子）８、１
０からなる。ＩＧＢＴ７、８は直列接続されており、Ｉ
ＧＢＴ７はその上アーム（ハイサイドのスイッチング素
子）を構成し、ＩＧＢＴ８はその下アーム（ローサイド
のスイッチング素子）を構成する。同様に、ＩＧＢＴ
９、１０は直列接続されており、ＩＧＢＴ９はその上ア
ーム（ハイサイドのスイッチング素子）を構成し、ＩＧ
ＢＴ１０はその下アーム（ローサイドのスイッチング素
子）を構成する。ＩＧＢＴ７、８の直列接続点とＩＧＢ
Ｔ９、１０の直列接続点とはトランス１５の入力端子に
個別に接続されている。

【００２０】ブリッジ回路２００の動作を説明すると、
制御回路２０は、負荷１９に流れる負荷電流を第２の電
流センサ２２で検出して入力し、この負荷電流が所定値
となるようにＩＧＢＴ７〜１０をオン・オフ制御して、
トランス１５に必要な高周波電力を供給する。ブリッジ
回路２００は、よく知られているように、第１の位相期
間においてＩＧＢＴ７、１０をオンさせ、ＩＧＢＴ８、
９をオフさせてトランス１５の一次コイルに一方向へ通
電し、次の第２の位相期間においてＩＧＢＴ７、１０を
オフさせ、ＩＧＢＴ８、９をオンさせてトランス１５の
一次コイルに他方向へ通電する。制御回路２０からＩＧ
ＢＴ７〜１０の各ゲートに印加されるゲート電圧のキャ
リヤ周波数は所定の一定値とされ、上記負荷電流の制御
は上記通電を行う期間と、ＩＧＢＴ７〜１０をオフして
上記通電を行わない期間の比率すなわちデューティ比を
制御して調節される。ＩＧＢＴ７〜１０がターンオフし
た後にトランスの１次巻線及びもれインダクタンスの磁
気エネルギはフライホイールダイオ−ド１１〜１４を通
じて電流の形で放出される。

【００２１】本実施例の特徴は、上記ＡＣ−ＤＣコンバ
ータのスイッチング回路部を構成するＩＧＢＴ６〜１０
とそれらの主端子に接続されるダイオード５、１１〜１
４をパワースイッチングモジュール２３として一体に構
成した点にある。このパワースイッチングモジュール２
３は、図１に示すように、ターミナル（第３の主回路端
子台）２６、ターミナル（第１の主回路端子台）２７、
ターミナル（第２の主回路端子台）２８、ターミナル
（第４の主回路端子台）２４、ターミナル（第５の主回
路端子台）２５を有し、更に、制御用ターミナル３２〜
３６をもつ制御用コネクタ３１（図２参照）を有してい
る。

【００２２】パワースイッチングモジュール２３の外形
を図２に示す。銅やアルミニウム等を主素材とするプレ
ートからなるヒートシンク３０上には図示しないアルミ
ナ系の絶縁配線基板が接合されており、この絶縁配線基
板上には、上記したＩＧＢＴ６〜１０及びダイオード
５、１１〜１４、ターミナル２４〜２８、制御用コネク
タ３１が実装され、これらは上記配線基板上又はその内
部で配線されている。

【００２３】２９は上記配線基板上にモールドされて上
記各実装部品を保護、固定する角形のモールド樹脂部で
あり、モールド樹脂部２９の上面の周縁部には、ターミ
ナル２４〜２８の上面が露出し、更に制御用コネクタ３
１の嵌合部分が露出して構成されている。特に、この実
施例では、モジュールの入力側のターミナル２６〜２８
と出力側のターミナル２４〜２５とはモールド樹脂部２
９の上面の互いに対向する一対の辺に別々に位置してお
り、配線が容易となっている。

【００２４】本実施例によれば、昇圧型力率改善回路１
００とブリッジ回路２００とを一体化して共通のヒート
シンク３０を設けたので、負荷が大きい半導体素子での
温度上昇が抑制され、その結果、一部素子に大電流が流
れる事態が生じてもその過熱を抑止し、更に配線の簡素
の簡素化も実現して全体として装置の信頼性を向上す
る。

【００２５】（実施例２）他の実施例を図３を参照して
説明する。本実施例では、図１に示す昇圧型力率改善回
路１００とブリッジ回路２００の他に商用電源側の全波
整流回路（第１の整流器）２もパワースイッチングモジ
ュール３２として一体化している。

【００２６】このパワースイッチングモジュール３２の
外形を図４に示す。ターミナル（第６、第７の主回路端
子台）４１、４２は全波整流回路２の交流入力端子を構
成し、ターミナル（第８の主回路端子台）４３は全波整
流回路２の直流出力端子（整流電圧出力端子）を構成し
ている。 （実施例３）他の実施例を図５を参照して説明する。

【００２７】本実施例では、図１に示す昇圧型力率改善
回路１００とブリッジ回路２００の他にトランス２次側
の第２の全波整流回路（第２の整流器）１６もパワース
イッチングモジュール３３として一体化している。この
パワースイッチングモジュール３３の外形を図６に示
す。ターミナル（第９、第１０の主回路端子台）５１、
５２は全波整流回路１６の交流入力端子を構成し、ター
ミナル（第１１、第１２の主回路端子台）５３、５４は
全波整流回路１６の直流出力端子（整流電圧出力端子）
を構成している。

【００２８】（実施例４）他の実施例を図７を参照して
説明する。本実施例では、図３に示す昇圧型力率改善回
路１００とブリッジ回路２００と全波整流回路２の他に
トランス２次側の第２の全波整流回路（第２の整流器）
１６もパワースイッチングモジュール３４として一体化
している。このパワースイッチングモジュール３４の外
形を図８に示す。図８において、３９はヒートシンク３
０上に接合された絶縁配線基板であり、この上に各半導
体素子などが実装されている。

【００２９】なお、ブリッジ回路構成の全波整流回路
２、１６の代わりに半波整流器を採用することも当然可
能である。また、ターミナル２４〜２８は図示しない上
記配線基板に立設した導体ピンに置換してもよい。ま
た、上記配線基板を樹脂モールドする代わりにセラミッ
クケースなどに封止してもよい。更に、モールド樹脂部
２９と制御用コネクタ３１とを一体に樹脂成形すること
もできる。すなわち、上記配線基板から制御用のターミ
ナル（ピン）を並べて立ち上げた状態でインサート成形
すれば、制御用コネクタ一体型のパワースイッチングモ
ジュールを構成することができる。更にスイッチング素
子として、ＩＧＢＴを用いて説明したが、ＭＯＳＦＥＴ
やバイポーラトランジスタ等のスイッチング素子でもよ
い。更に、上記各実施例において、制御回路２０も一体
にモジュール化できることは当然である。

【００３０】実施例２〜４のようにすれば、装置の小型
化、配線工数の低減、信頼性の一層の向上を図ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電力変換装置をなすパワースイッチン
グモジュールを用いたＡＣ−ＤＣコンバータの実施例１
を示す回路図である。

【図２】図１のパワースイッチングモジュールの外形を
示す模式斜視図である。

【図３】本発明の電力変換装置をなすパワースイッチン
グモジュールを用いたＡＣ−ＤＣコンバータの実施例２
を示す回路図である。

【図４】図３のパワースイッチングモジュールの外形を
示す模式斜視図である。

【図５】本発明の電力変換装置をなすパワースイッチン
グモジュールを用いたＡＣ−ＤＣコンバータの実施例３
を示す回路図である。

【図６】図５のパワースイッチングモジュールの外形を
示す模式斜視図である。

【図７】本発明の電力変換装置をなすパワースイッチン
グモジュールを用いたＡＣ−ＤＣコンバータの実施例４
を示す回路図である。

【図８】図７のパワースイッチングモジュールの外形を
示す模式斜視図である。

【図９】従来のＥＶ充電用の充電装置に適用されるＡＣ
−ＤＣコンバータのを示す回路図である。

【符号の説明】

２４〜２８はターミナル（第１〜第５の主回路端子
台）、６はＩＧＢＴ（リアクトル電流断続用スイッチン
グ素子）、１００は昇圧型力率改善回路、５は逆流防止
ダイオ−ド、２００はブリッジ回路、７、９はブリッジ
回路２００のハイサイドのスイッチング素子、８、１０
はブリッジ回路２００のローサイドのスイッチング素
子、３１は制御用コネクタ、３０はヒートシンク。１１
〜１４はフライホイールダイオ−ド、４１〜４３はター
ミナル（第６〜第８の主回路端子台）、２は全波整流回
路（第１の整流器）、５１〜５４はターミナル（第９〜
第１２の主回路端子台）、１６は全波整流回路（第２の
整流器）。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１〜第５の主回路端子台と、 高位側主端子が前記第１の主回路端子台に接続され、低
   位側主端子が前記第２の主回路端子台に接続されて昇圧
   型力率改善回路のリアクトル電流を断続するリアクトル
   電流断続用スイッチング素子と、 アノードが前記第１の主回路端子台に接続され、カソー
   ドが第３の主回路端子台に接続される逆流防止ダイオ−
   ドと、 高位側主端子が前記第３の主回路端子台に接続され、低
   位側主端子が前記第４、第５の主回路端子台に個別に接
   続される一対のハイサイドのスイッチング素子と、 低位側主端子が前記第２の主回路端子台に接続され、高
   位側主端子が前記第４、第５の主回路端子台に個別に接
   続されて、前記ハイサイドのスイッチング素子とともに
   ブリッジ回路を構成する一対のローサイドのスイッチン
   グ素子と、 前記各スイッチング素子の制御端子に個別に接続される
   制御用のターミナルを有する制御用コネクタと、 前記主回路端子台、各スイッチング素子、逆流防止ダイ
   オ−ド及び制御用コネクタが実装される共通の配線基板
   と、 前記配線基板に電気絶縁可能に接合されるヒートシンク
   と、 を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】前記ブリッジ回路を構成する前記スイッチ
   ング素子はそれぞれ、 コレクタが前記高位側主端子を構成し、エミッタが前記
   低位側主端子を構成するＩＧＢＴ又はバイポーラトラン
   ジスタと、 前記エミッタにアノードが接続され、前記コレクタにカ
   ソードが接続され、前記各ＩＧＢＴ又はバイポーラトラ
   ンジスタに個別に並列接続されるフライホイールダイオ
   −ドとからなる請求項１記載の電力変換装置。
3. 【請求項３】第６〜第８の主回路端子台と、 一対の交流入力端子が前記第６、第７の主回路端子台に
   個別に接続され、低位直流出力端子が前記第２の主回路
   端子台に接続され、高位直流出力端子が前記第８の主回
   路端子台に接続される第１の整流器と、 を備え、前記第６〜第８の主回路端子台及び第１の整流
   器は、前記共通の配線基板に実装される請求項１又は２
   記載の電力変換装置。
4. 【請求項４】第９〜第１２の主回路端子台と、 一対の交流入力端子が前記第９、第１０の主回路端子台
   に個別に接続され、一対の直流出力端子が前記第１１、
   第１２の主回路端子台に個別に接続される第２の整流器
   と、 を備え、前記第９〜第１２の主回路端子台及び第２の整
   流器は、前記共通の配線基板に実装される請求項１乃至
   ３のいずれか記載の電力変換装置。