WO2021048944A1 - 電力変換器および電気自動車 - Google Patents

電力変換器および電気自動車 Download PDF

Info

Publication number
WO2021048944A1
WO2021048944A1 PCT/JP2019/035656 JP2019035656W WO2021048944A1 WO 2021048944 A1 WO2021048944 A1 WO 2021048944A1 JP 2019035656 W JP2019035656 W JP 2019035656W WO 2021048944 A1 WO2021048944 A1 WO 2021048944A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
switching element
power converter
power
cooler
switching elements
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/035656
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
昌孝 出口
Original Assignee
株式会社デンソー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社デンソー filed Critical 株式会社デンソー
Priority to PCT/JP2019/035656 priority Critical patent/WO2021048944A1/ja
Priority to JP2021545026A priority patent/JP7078182B2/ja
Publication of WO2021048944A1 publication Critical patent/WO2021048944A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
    • H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a power converter that includes a plurality of switching elements for power conversion, and an electric vehicle that includes the power converter.
  • the switching element for power conversion has a large amount of heat generation.
  • a power converter having a plurality of switching elements for power conversion and a cooler for cooling them is known.
  • U.S. Patent Publication No. US2018 / 166357 discloses a power converter in which a plurality of switching elements (power modules) are sandwiched between a pair of coolers.
  • Japanese Patent Publication No. 2017-152612 discloses a power converter in which a plurality of coolers are lined up and a power module is sandwiched between adjacent coolers. The power module contains a switching element for power conversion.
  • Japanese Patent Publication No. 2017-152612 is a stack of a plurality of coolers and a plurality of power modules.
  • the switching elements of several stacked power modules constitute an inverter that supplies three-phase AC power to the traveling motor.
  • a plurality of switching elements constituting one three-phase AC inverter are dispersedly arranged in a plurality of gaps of a plurality of coolers arranged in a row. Therefore, the hardware for configuring one inverter is large.
  • This specification also discloses an electric vehicle using the above power converter.
  • the power converter is mounted on an electric vehicle, and the output end of the inverter is connected to a traveling motor.
  • the power converter is mounted on the vehicle so that the stacking direction of the first cooler and the second cooler faces the horizontal direction and the vehicle width direction. With such an arrangement, the length of the power converter in the vehicle width direction can be shortened.
  • the power converter 10 of the first embodiment will be described with reference to the drawings.
  • the power converter 10 of the first embodiment is a device mounted on the electric vehicle 100.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of a power system of an electric vehicle 100 including a power converter 10.
  • the power converter 10 converts the electric power of the battery 101 into the driving electric power of the traveling motor 102.
  • the main component of the power converter 10 is the three-phase AC inverter 11.
  • the power converter 10 includes a three-phase AC inverter 11 and a smoothing capacitor 8 that smoothes the output current of the battery 101.
  • the power converter 10 includes a current sensor that measures the output current of the three-phase AC inverter 11 and a control board that controls a switching element (described later) of the three-phase AC inverter 11. ..
  • the three-phase AC inverter 11 will be simply referred to as an inverter 11.
  • the input end 18 of the inverter 11 is connected to the battery 101, and the output end 19 of the inverter 11 is connected to the traveling motor 102.
  • the input end 18 of the inverter 11 corresponds to the input end of the power converter 10, and the output end 19 of the inverter 11 corresponds to the output end of the power converter 10.
  • the inverter 11 includes 6 switching elements 2a-2f and 6 diodes 3a-3f.
  • the switching element 2a-2f is a power transistor for power conversion.
  • the switching element 2a-2f is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
  • the switching element 2a-2f may be a transistor other than the IGBT.
  • Switching elements 2a and 2b are connected in series, switching elements 2c and 2d are connected in series, and switching elements 2e and 2f are connected in series.
  • Each of the diodes 3a-3f is connected in parallel (opposite parallel) to each of the switching elements 2a-2f.
  • the switching elements 2a, 2c, and 2e connected to the positive input end 18a of the inverter 11 (power converter 10) are called upper switching elements (or upper arm switching elements), and are connected to the negative input end 18b.
  • 2b, 2d, and 2f are sometimes called lower switching elements (or lower arm switching elements).
  • Switching elements 2a and 2b are connected in series, and switching elements 2c and 2d (2e, 2f) are connected in series. Alternating current is output from the midpoint of each series connection.
  • the pair of switching elements 2a and 2b and the diodes 3a and 3b constitute the high output power module 20a described later.
  • the pair of switching elements 2c and 2d and the diode 3c and 3d form a high output power module 20b
  • the pair of switching elements 2e and 2f and the diode 3e and 3f form a high output power module 20c.
  • the notation "high output power module 20a-20c" means a power module larger than the output of the low output power module 20d-20f, which will be described later.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the power converter 10.
  • FIG. 3 shows a front view of the power converter 10.
  • FIG. 2 shows only the high output power modules 20a-20c which are the main components of the power converter 10 and the coolers 41 and 42 for cooling them, and shows the case of the power converter 10, the smoothing capacitor 8 described above, and the current. Illustrations of sensors, control boards, etc. are omitted.
  • the high output power module 20a is drawn removed from between the first cooler 41 and the second cooler 42 to help understanding.
  • the high output power module 20a-20c is sandwiched between a pair of coolers (first cooler 41 and second cooler 42).
  • first cooler 41 and second cooler 42 are shown without distinction, they may be referred to as coolers 41 and 42.
  • the coolers 41 and 42 are flat and long. Both ends of the coolers 41 and 42 in the longitudinal direction are connected by connecting pipes 43a and 43b.
  • the connecting pipes 43a and 43b communicate the internal space of the first cooler 41 and the internal space of the second cooler 42.
  • the internal space of the coolers 41 and 42 is a flow path through which the refrigerant passes.
  • a refrigerant supply port 44a and a refrigerant discharge port 44b are provided at both ends of the first cooler 41 in the longitudinal direction.
  • the refrigerant supply port 44a and one connecting pipe 43a overlap in the stacking direction (X direction in the figure) of the coolers 41 and 42.
  • the refrigerant discharge port 44b and the other connecting pipe 43b also overlap in the stacking direction.
  • the refrigerant supply port 44a and the refrigerant discharge port 44b are connected to a refrigerant circulation device (not shown).
  • the refrigerant supplied from the refrigerant supply port 44a flows inside the first cooler 41 and also flows inside the second cooler 42 through the connecting pipe 43a.
  • the refrigerant absorbs heat from the high output power modules 20a-20c while flowing through the coolers 41 and 42.
  • the refrigerant that has flowed through the first cooler 41 returns to the refrigerant circulation device through the refrigerant discharge port 44b.
  • the refrigerant flowing through the second cooler 42 returns to the refrigerant circulation device through the connecting pipe 43b and the refrigerant discharge port 44b.
  • the high-power power module 20a-20c has a flat shape, and the first cooler 41 comes into contact with one of the wide surfaces 27, and the second cooler 42 comes into contact with the other wide surface 28.
  • the high-power power module 20a-20c has a cooler in contact with both wide surfaces 27 and 28, and is cooled from both sides.
  • the refrigerant used by the coolers 41 and 42 is a liquid, typically water or antifreeze.
  • the high output power module 20a will be described.
  • the high output power module 20a has a resin package 21.
  • Semiconductor chips 30a and 30b are embedded in the package 21.
  • the switching element 2a and the diode 3a shown in FIG. 1 are mounted on the semiconductor chip 30a.
  • the switching element 2b and the diode 3b shown in FIG. 1 are mounted on the semiconductor chip 30b.
  • the switching element 2a and the diode 3a are connected in parallel (opposite parallel) inside the semiconductor chip 30a, and the switching element 2b and the diode 3b are connected in parallel (opposite parallel) inside the semiconductor chip 30b.
  • the semiconductor chip 30a (switching element 2a) and the semiconductor chip 30b (switching element 2b) are connected in series inside the package 21. That is, the high-output power module 20a constitutes a circuit including a diode connected in series to the switching elements 2a and 2b and connected in parallel (anti-parallel) to each of the switching elements 2a and
  • Three power terminals 22a, 22b, 22c extend from the upper surface of the package 21.
  • the power terminals 22a and 22b are connected to the positive electrode and the negative electrode of the semiconductor chip 30a (switching element 2a) and the semiconductor chip 30b (switching element 2b) connected in series, respectively.
  • the power terminal 22c is connected to the midpoint of the series connection.
  • the power terminals 22a and 22b are connected to the battery 101 (see FIG. 1). Alternating current is output from the power terminal 22c.
  • Control terminals 29a and 29b extend from the lower surface of the package 21.
  • the control terminal 29a is connected to the gate and sense emitter of the semiconductor chip 30a (switching element 2a).
  • the control terminal 29b is connected to a gate or a sense emitter of the semiconductor chip 30b (switching element 2b).
  • the control terminals 29a and 29b are connected to a control board (not shown).
  • the semiconductor chip 30a may be an RC-IGBT (Reverse Conductive Insulated Gate Bipolar Transistor) in which a switching element 2a and a diode 3a are integrated.
  • the semiconductor chip 30b may be an RC-IGBT.
  • the heat radiating plate 24 is exposed on the wide surface 27 of the package 21.
  • the heat radiating plate 24 is connected to the semiconductor chips 30a and 30b inside the package 21.
  • the heat radiating plate 24 is in contact with the first cooler 41.
  • the heat of the semiconductor chips 30a and 30b is transferred to the first cooler 41 via the heat radiating plate 24.
  • heat radiating plates are also exposed on the other wide surface 28 of the package 21, and the heat of the semiconductor chips 30a and 30b is transferred to the second cooler 42 through these heat radiating plates.
  • the structure of the high output power module 20b is the same as the structure of the high output power module 20a. That is, the semiconductor chip 30c (switching element 2c, diode 3c) and the semiconductor chip 30d (switching element 2d, diode 3d) are embedded in the package 21 of the high output power module 20b (see FIG. 3). Similarly, the semiconductor chip 30e (switching element 2e, diode 3e) and the semiconductor chip 30f (switching element 2f, diode 3f) are embedded in the package 21 of the high output power module 20c (see FIG. 3).
  • all the switching elements 2a-2f constituting the inverter 11 are sandwiched between the first cooler 41 and the second cooler 42.
  • the switching elements 2a-2f are in thermal contact with the coolers 41 and 42.
  • the switching elements 2a-2f are distributed and arranged in three packages 21 (high output power modules 20a-20c), and are in thermal contact with the coolers 41 and 42 via the packages. ..
  • the power converter 10 has a structure in which all the switching elements 2a-2f constituting the inverter 11 are sandwiched between the first cooler 41 and the second cooler 42. With such a structure, a small inverter can be realized.
  • the structure of the power converter 10 of the embodiment realizes an inverter having a short length in the stacking direction of the first cooler 41 and the second cooler 42.
  • the power converter 10a of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the circuit configuration of the power converter 10a is the same as that of the power converter 10 of the first embodiment. That is, the main component of the power converter 10a is the inverter 11 including six switching elements 2a-2f and six diodes 3a-3f for power conversion (see FIG. 1).
  • FIG. 4 is a perspective view of the power converter 10a
  • FIG. 5 is a front view of the power converter 10a.
  • the power converter 10a all the switching elements 2a-2f constituting the inverter 11 are housed in one resin package 121.
  • Package 121 is the main body of the high output power module 120.
  • the semiconductor chips 30a-30f are embedded in the package 121 of the high output power module 120.
  • the semiconductor chips 30a-30f are as described in the first embodiment, and each of the semiconductor chips 30a-30f has two switching elements (for example, 2a and 2b) and two diodes (for example, 3a and 3b). Is implemented.
  • each of the two diodes is connected in parallel (inverse parallel) to each of the two switching elements. That is, three sets of series connections (series connection of two switching elements) are embedded in the package 121.
  • the high output power module 20a power module 120 includes power terminals 22a, 22b, 22c1, 22c2, and 22c3.
  • the power terminal 22a is connected to the positive electrode of three sets of series connection (series connection of two switching elements) inside the package 121, and the power terminal 22b is connected to the negative electrode of three sets of series connection. ..
  • the power terminal 22c1 is connected to the midpoint of the series connection of the switching elements 2a and 2b inside the package 121.
  • the power terminal 22c2 (22c3) is connected to the midpoint of the series connection of the switching elements 2c and 2d (2e, 2f).
  • the power terminals 22a and 22b are connected to the positive end and the negative end of the battery 101, respectively. Alternating current is output from each of the three power terminals 22c1, 22c2, and 22c3. That is, three-phase alternating current is output from the three power terminals 22c1, 22c2, and 22c3.
  • the switching elements 2a-2f constituting the inverter 11 are sandwiched between the first cooler 41 and the second cooler 42.
  • the switching element 2a-2f is housed in one package 121 (one high output power module 120), and the package 121 is sandwiched between a pair of coolers 41 and 42.
  • the structure of the power converter 10a of the second embodiment is also suitable for miniaturization of the inverter 11. As is clear from comparing FIGS. 2 and 4, the number of power terminals can be reduced by accommodating the six switching elements 2a-2f in one package 121.
  • FIG. 6 shows a circuit diagram of a power system of an electric vehicle 100a including a power converter 10b.
  • the power converter 10b includes two inverters 11a and 11b.
  • the inverter 11a converts the electric power of the battery 101 into the driving electric power (three-phase AC electric power) of the traveling motor 102a.
  • the inverter 11b converts the electric power of the battery 101 into the driving electric power (three-phase AC electric power) of the motor 102b for the air conditioner.
  • the inverters 11a and 11b are both three-phase AC inverters.
  • the driving power of the traveling motor 102a is 30 kW or more, and the driving power of the air conditioner motor 102b is 10 kW or less.
  • the output of the inverter 11a is 30 kW or more, and the output of the inverter 11b is 10 kW or less.
  • the inverter 11a is composed of 6 switching elements 2a-2f and 6 diodes 3a-3f.
  • the inverter 11a has the same structure as the inverter 11 of the first embodiment.
  • the two switching elements 2a and 2b are connected in series, and the diodes 3a and 3b are connected in parallel to the switching elements 2a and 2b, respectively.
  • Switching elements 2a and 2b and diodes 3a and 3b form a high output power module 20a.
  • two switching elements 2c and 2d (2e, 2f) are connected in series, and diodes 3c and 3d (3e, 3f) are parallel to each of the switching elements 2c and 2d (2e, 2f), respectively. It is connected.
  • the switching elements 2c and 2d and the diodes 3c and 3d form the high output power module 20b
  • the switching elements 2e and 2f and the diodes 3e and 3f form the high output power module 20c.
  • the inverter 11b is composed of 6 switching elements 4a-4f and 6 diodes 5a-5f. As described above, the output of the inverter 11b is lower than the output of the inverter 11a. Therefore, the output of the switching element 4a-4f is lower than the output of the switching element 2a-2f.
  • Switching elements 4a and 4b are connected in series, and diodes 5a and 5b are connected in parallel to each of the switching elements 4a and 4b, respectively.
  • Switching elements 4a and 4b and diodes 5a and 5b constitute a low output power module 20d.
  • two switching elements 4c and 4d (4e, 4f) are connected in series, and diodes 5c and 5d (5e, 5f) are connected in parallel to each of the switching elements 4c and 4d (4e, 4f), respectively. It is connected.
  • the switching elements 4c and 4d and the diodes 5c and 5d form the low output power module 20e
  • the switching elements 4e and 4f and the diodes 5e and 5f form the low output power module 20f.
  • FIG. 7 shows a perspective view of the power converter 10b.
  • the high output power module 20a-20c is sandwiched between the first cooler 41 and the second cooler 42.
  • This structure is the same as the structure of the power converter 10 of the first embodiment (see FIG. 2). That is, even in the power converter 10b, all the switching elements 2a-2f constituting the inverter 11a are sandwiched between the two coolers 41 and 42, and are in thermal contact with the coolers 41 and 42.
  • the low output power module 20d-20f is in contact with the first cooler 41.
  • the low output power module 20d-20f is in contact with the outer surface of the first cooler 41, which is opposite to the surface facing the switching element 2a-2f (high output power module 20a-20c).
  • FIG. 8 shows a cross section of the power converter 10b along the line VIII-VIII of FIG.
  • FIG. 8 shows a cross section across the high output power module 20a and the low output power module 20d.
  • the resin packages 21 and 21d omit the hatching representing the cross section.
  • the heat radiating plates 24 and 25, the semiconductor chip 30a, and the spacer 26 are embedded in the resin package 21.
  • the semiconductor chip 30b is also embedded in the package 21, but the semiconductor chip 30b is not visible in the cross section of FIG.
  • the semiconductor chip 30a is mounted with the switching element 2a and the diode 3a.
  • One surface of the heat radiating plate 24 is exposed from one wide surface 27 of the package 21, and one surface of the heat radiating plate 25 is exposed from the other wide surface 28 of the package 21.
  • One side of the semiconductor chip 30a is bonded to the back surface of the heat radiating plate 25.
  • a spacer 26 is bonded to the opposite surface of the semiconductor chip 30a.
  • a heat radiating plate 24 is joined to the opposite side of the spacer 26.
  • the heat radiating plate 25 is directly bonded to the semiconductor chip 30a, and the heat radiating plate 24 is bonded to the heat radiating plate 24 via the spacer 26.
  • the semiconductor chip 30a emits heat equally from both sides. However, on the side of the wide surface 27, heat is released through the spacer 26. Therefore, in the package 21 of the high output power module 20a, the heat dissipation amount of the wide surface 27 is smaller than the heat dissipation amount of the wide surface 28, and the wide surface 27 is in contact with the first cooler 41.
  • the low output power module 20d is in contact with the surface of the first cooler 41 on the opposite side.
  • the second cooler 42 has a power module in contact with only one surface, and the first cooler 41 has a power module in contact with both sides. Therefore, the thermal load of the first cooler 41 is higher than the thermal load of the second cooler 42. However, the high output power module 20a transfers a smaller amount of heat to the first cooler 41 than the amount of heat transferred to the second cooler 42. Therefore, the difference in thermal load between the first cooler 41 and the second cooler 42 is suppressed.
  • the internal structure of the low output power module 20d will be explained.
  • the internal structure of the low output power module 20d is basically the same as that of the high output power module 20a.
  • the heat radiating plates 24 and 25, the semiconductor chip 130a, and the spacer 26 are embedded in the resin package 21d. One side of the heat radiating plates 24 and 25 is exposed from the package 21d.
  • the semiconductor chip 130a and the spacer 26 are sandwiched between the heat radiating plates 24 and 25.
  • a switching element 4a and a diode 5a are mounted on the semiconductor chip 130a, and they are connected in parallel (opposite parallel).
  • a semiconductor chip on which a switching element 4b and a diode 5b are mounted is also embedded in the package 21d, but the semiconductor chip cannot be seen in the cross section of FIG.
  • the switching elements 4a and 4b are connected in series inside the package 21d, and a diode is connected in parallel (anti-parallel) to each switching element.
  • the structures of the low output power modules 20e and 20f are the same as the structures of the low output power modules 20d.
  • FIG. 9 is a top view of the power converter 10c
  • FIG. 10 is a front view of the power converter 10c.
  • the circuit configuration of the power converter 10c is the same as the circuit configuration of the power converter 10 (see FIG. 1). That is, the power converter 10c also includes six switching elements 2a-2f and six diodes 3a-3f constituting the inverter 11.
  • the switching element 2a-2f and the diode 3a-3f are embedded in the package 221 of the high output power module 20 g, and the package 221 (high output power module 20 g) is sandwiched between the first cooler 141 and the second cooler 142. It has been.
  • the switching elements 2a-2f constituting the inverter 11 are sandwiched between the first cooler 141 and the second cooler 142, and are in thermal contact with them.
  • the switching elements 2c and 2e are not visible because they are located below the switching element 2a.
  • the switching elements 2d and 2f are invisible because they are located below the switching element 2b.
  • the diode 3a-3f is not shown.
  • alternating current is output from the midpoint of the series connection of the switching elements 2a and 2b, and alternating current is also output from the midpoint of the series connection of the switching elements 2c and 2d (2e, 2f). ..
  • the alternating current output from the midpoint of the series connection of the switching elements 2a and 2b is referred to as a first phase alternating current (U phase alternating current).
  • the alternating current output from the midpoint of the series connection of the switching elements 2c and 2d is called the second phase alternating current (V-phase alternating current), and the alternating current output from the midpoint of the series connection of the switching elements 2e and 2f is the second. It is called 3-phase alternating current (W-phase alternating current).
  • the switching elements 2a, 2c, and 2e connected to the positive electrode input end 18a of the inverter 11 are called upper switching elements, and the switching elements 2b, 2d, which are connected to the negative electrode input end 18b, 2f is called a lower switching element.
  • the switching elements 2a and 2b that output the first phase alternating current are referred to as the first upper switching element 2a and the first lower switching element 2b, respectively.
  • the switching elements 2c and 2d that output the second phase AC are referred to as the second upper switching element 2c and the second lower switching element 2d, respectively
  • the switching elements 2e and 2f that output the third phase AC are referred to as the third upper switching elements, respectively. It is referred to as a switching element 2e and a third lower switching element 2f.
  • the thick arrow lines in FIGS. 9 and 10 indicate the flow of the refrigerant.
  • the refrigerant flows along the Y axis of the coordinate system in the figure.
  • the first upper switching element 2a and the first lower switching element 2b are arranged along the flow direction of the refrigerant.
  • the second upper switching element 2c and the second lower switching element 2d are lined up along the flow direction of the refrigerant
  • the third upper switching element 2e and the third lower switching element 2f are lined up along the flow direction of the refrigerant. I'm out.
  • the pair of the first upper switching element 2a and the first lower switching element 2b, the pair of the second upper switching element 2c and the second lower switching element 2d, and the pair of the third upper switching element 2e and the third lower switching element 2f Lined up in a direction (Z direction) orthogonal to the flow direction.
  • the current concentrates on the upper switching element of the i-phase and the lower switching element of the j-phase.
  • the switching element in which the current is concentrated becomes overloaded, and the amount of heat generated increases.
  • i and j are always different. That is, for example, the current is concentrated on the first upper switching element 2a and the second lower switching element 2d (or the third lower switching element 2f).
  • the first upper switching element 2a and the second lower switching element 2d (or the third lower switching element 2f) are arranged at different positions when viewed from the flow direction of the refrigerant.
  • the cooling capacity for the switching element on the downstream side of the refrigerant is increased. It goes down. With the arrangement of FIG. 10, such a situation can be avoided. That is, the arrangement of FIG. 10 can reduce the risk that the cooling capacity for a specific switching element is reduced when the motor is locked.
  • FIG. 11 is a top view of the power converter 10d
  • FIG. 12 is a front view of the power converter 10d.
  • the circuit configuration of the power converter 10d is the same as the circuit configuration of the power converter 10c.
  • the arrangement of the switching elements 2a-2f is different from that of the power converter 10c.
  • the switching elements 2a-2f use the names used in the case of the power converter 10c. That is, the reference numeral 2a represents the first upper switching element, and the reference numeral 2b represents the first lower switching element.
  • the switching element 2a-2f is housed in the package 321 of the high output power module 20h, and the high output power module 20h (switching element 2a-2f) is sandwiched between the coolers 141 and 142.
  • the switching elements 2a-2f are in thermal contact with the coolers 141 and 142.
  • the first upper switching element 2a, the second upper switching element 2c, and the third upper switching element 2e are arranged along the flow direction (Y direction) of the refrigerant, and the first lower switching element. 2b, the second lower switching element 2d, and the third lower switching element 2f are arranged along the flow direction of the refrigerant. Then, the set of the first upper switching element 2a, the second upper switching element 2c, and the third upper switching element 2e, and the set of the first lower switching element 2b, the second lower switching element 2d, and the third lower switching element 2f are formed. They are lined up in a direction (Z direction) that intersects the flow direction of the refrigerant.
  • the power converter 10d of the fifth embodiment can also reduce the risk that the cooling performance for a specific switching element is lowered when the motor is locked.
  • FIG. 13 shows a perspective view of the electric vehicle 110a equipped with the power converter 10e.
  • a traveling motor 112 is arranged in the front compartment 111 of the electric vehicle 110a.
  • a power converter 10e is mounted on the motor 112.
  • the electrical relationship between the power converter 10e and the motor 112 is the same as the circuit structure of FIG. 1, and the output end of the power converter 10e is connected to the motor 112.
  • the power converter 10e includes coolers 41, 42, and three high-output power modules 20a-20c.
  • the power converter 10e that is, the coolers 41, 42 and the assembly of the high output power modules 20a-20c removed from the case is shown.
  • the structures of the coolers 41, 42, and the three high-power power modules 20a-20c are as shown in FIG.
  • the stacking directions of the coolers 41 and 42 (the X direction of the coordinate system in the drawing) are oriented in the horizontal direction and are oriented in the vehicle width direction.
  • the power converter 10e has a short length in the stacking direction of the coolers 41 and 42. Therefore, in the electric vehicle 110a, the power converter 10e can shorten the length in the vehicle width direction.
  • FIG. 14 shows a perspective view of an electric vehicle 110b equipped with a power converter 10f.
  • the power converter 10f that is, the coolers 41, 42 and the assembly of the high output power modules 20a-20c removed from the case is shown in the upper right of FIG.
  • a traveling motor 112 is arranged in the front compartment 111 of the electric vehicle 110b.
  • a power converter 10f is mounted on the motor 112. The electrical relationship between the power converter 10f and the motor 112 is the same as the circuit structure of FIG. 1, and the output end of the power converter 10f is connected to the motor 112.
  • the power converter 10f includes coolers 41, 42, and three high-output power modules 20a-20c.
  • the structures of the coolers 41, 42, and the three high-power power modules 20a-20c are as shown in FIG.
  • the stacking direction of the coolers 41 and 42 faces the vertical direction.
  • the power converter 10f has a short length in the stacking direction of the coolers 41 and 42. Therefore, in the electric vehicle 110b, the length of the power converter 10f in the vertical direction can be shortened (that is, the height can be lowered).
  • the power converters 10e and 10f may be any of the power converters 10, 10a and 10d described above.
  • the term "electric vehicle” means a vehicle equipped with a motor for traveling. Therefore, the “electric vehicle” in the present specification includes a vehicle equipped with a fuel cell as a power source for the traveling motor and a hybrid vehicle equipped with an engine together with the traveling motor.
  • an inverter in order to increase the current capacity, a plurality of switching elements may be connected in parallel and turned on and off in synchronization.
  • a parallel circuit of two switching elements may be arranged instead of one switching element 2a. If a parallel circuit of two switching elements is arranged for each of the other switching elements 2b-2f, the inverter is composed of a total of 12 switching elements. In that case, if all the switching elements (12 switching elements) constituting the inverter are arranged between the two coolers, the same advantages as those of the power converter of the embodiment can be obtained.
  • the low output switching elements 4a-4f are distributed and arranged in three low output power modules 20d-20f, and these low output power modules 20d-20f are first cooled. It is in contact with the vessel 41.
  • the low-power switching elements 4a-4f are centrally arranged in the package of one low-power power module, and the low-power power module may be in contact with the first cooler 41.
  • all the switching elements constituting the inverter are sandwiched between the coolers, and all the switching elements are in thermal contact with the pair of coolers. All the switching elements constituting the inverter are housed in one package, and the package may be sandwiched between a pair of coolers. Alternatively, all the switching elements constituting the inverter may be distributed and arranged in a plurality of packages, and the plurality of packages may be sandwiched between a pair of coolers.
  • the switching element 4a-4f of the low output power module 20d-20f corresponds to an example of "another switching element".

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

複数のスイッチング素子を含んでいる電力変換器（三相交流インバータ）を小型する技術を提供する。本明細書が開示する電力変換器は、三相交流インバータを構成する電力変換用の全てのスイッチング素子が一対の冷却器に挟まれている。この電力変換器は、一対の冷却器とその間に配置されている複数のスイッチング素子でインバータを実現することができる。本明細書が開示する技術は、インバータを小型化するのに適している。

Description

電力変換器および電気自動車
　本明細書が開示する技術は、電力変換用の複数のスイッチング素子を含んでいる電力変換器、および、その電力変換器を含んでいる電気自動車に関する。
　電力変換用のスイッチング素子は発熱量が大きい。電力変換用の複数のスイッチング素子とそれらを冷却する冷却器を備えている電力変換器が知られている。米国特許公開公報ＵＳ２０１８／１６６３５７号公報には、一対の冷却器の間に複数のスイッチング素子（パワーモジュール）が挟まれている電力変換器が開示されている。また、日本国特許公開公報２０１７－１５２６１２号公報には、複数の冷却器が並んでおり、隣り合う冷却器の間にパワーモジュールが挟まれている電力変換器が開示されている。パワーモジュールには、電力変換用のスイッチング素子が収容されている。
　日本国特許公開公報２０１７－１５２６１２号公報は、複数の冷却器と複数のパワーモジュールが積層されている。積層されている幾つかのパワーモジュールのスイッチング素子が、走行用モータに三相交流電力を供給するインバータを構成する。別言すれば、１個の三相交流インバータを構成する複数のスイッチング素子が、一列に並んだ複数の冷却器の複数の隙間に分散配置されている。それゆえ、１個のインバータを構成するためのハードウエアが大きい。
　本明細書が開示する電力変換器は、三相交流インバータを構成する電力変換用の全てのスイッチング素子が一対の冷却器に挟まれている。この電力変換器は、一対の冷却器とその間に配置されている複数のスイッチング素子でインバータを実現することができる。本明細書が開示する技術は、インバータを小型化するのに適している。
　本明細書は、上記の電力変換器を用いた電気自動車も開示する。電力変換器は、電気自動車に搭載されており、インバータの出力端が走行用のモータに接続されている。電力変換器は、第１冷却器と第２冷却器の積層方向が水平方向を向くとともに車幅方向を向くように車載されている。そのような配置により、電力変換器の車幅方向の長さを短くすることができる。
　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。 第１実施例の電力変換器の斜視図である。 第１実施例の電力変換器の正面図である。 第２実施例の電力変換器の斜視図である。 第２実施例の電力変換器の正面図である。 第３実施例の電力変換器を含む電気自動車の回路図である。 第３実施例の電力変換器の斜視図である。 図７のVIII－VIII線に沿った断面図である。 第４実施例の電力変換器の上面図である。 第４実施例の電力変換器の正面図である。 第５実施例の電力変換器の上面図である。 第５実施例の電力変換器の正面図である。 実施例の電力変換器を搭載した電気自動車の斜視図である（電気自動車の第１実施例）。 実施例の電力変換器を搭載した電気自動車の斜視図である（電気自動車の第２実施例）。
　（第１実施例）図面を参照して第１実施例の電力変換器１０を説明する。第１実施例の電力変換器１０は電気自動車１００に搭載されるデバイスである。図１に、電力変換器１０を含む電気自動車１００の電力系の回路図を示す。電力変換器１０は、バッテリ１０１の電力を走行用のモータ１０２の駆動電力に変換する。
　電力変換器１０の主要部品は三相交流インバータ１１である。電力変換器１０は、三相交流インバータ１１のほか、バッテリ１０１の出力電流を平滑化する平滑コンデンサ８を備えている。また、図示は省略しているが、電力変換器１０は、三相交流インバータ１１の出力電流を計測する電流センサ、三相交流インバータ１１のスイッチング素子（後述）を制御する制御基板を備えている。以下では、説明を簡単にするため、三相交流インバータ１１を単純にインバータ１１と称する。
　インバータ１１の入力端１８がバッテリ１０１に接続されており、インバータ１１の出力端１９が走行用のモータ１０２に接続されている。インバータ１１の入力端１８は電力変換器１０の入力端に相当し、インバータ１１の出力端１９は電力変換器１０の出力端に相当する。
　インバータ１１は、６個のスイッチング素子２ａ－２ｆと、６個のダイオード３ａ－３ｆを含んでいる。スイッチング素子２ａ－２ｆは電力変換用のパワートランジスタである。具体的には、スイッチング素子２ａ－２ｆは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子２ａ－２ｆは、ＩＧＢＴ以外のトランジスタであってもよい。
　スイッチング素子２ａ、２ｂが直列に接続されており、スイッチング素子２ｃ、２ｄが直列に接続されており、スイッチング素子２ｅ、２ｆが直列に接続されている。ダイオード３ａ－３ｆのそれぞれは、スイッチング素子２ａ－２ｆのそれぞれに並列（逆並列）に接続されている。
　インバータ１１（電力変換器１０）の正極入力端１８ａに接続されるスイッチング素子２ａ、２ｃ、２ｅは、上スイッチング素子（あるいは上アームスイッチング素子）と呼ばれ、負極入力端１８ｂに接続されるスイッチング素子２ｂ、２ｄ、２ｆは下スイッチング素子（あるいは下アームスイッチング素子）と呼ばれることがある。
　スイッチング素子２ａ、２ｂが直列に接続され、スイッチング素子２ｃ、２ｄ（２ｅ、２ｆ）が直列に接続される。それぞれの直列接続の中点から交流が出力される。
　スイッチング素子２ａ、２ｂのペアとダイオード３ａ、３ｂは後に説明する高出力パワーモジュール２０ａを構成する。同様に、スイッチング素子２ｃ、２ｄのペアとダイオード３ｃ、３ｄは高出力パワーモジュール２０ｂを構成し、スイッチング素子２ｅ、２ｆのペアとダイオード３ｅ、３ｆは高出力パワーモジュール２０ｃを構成する。なお、「高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃ」との表記は、後に説明する低出力パワーモジュール２０ｄ－２０ｆの出力よりも大きいパワーモジュールという意味である。
　図２に、電力変換器１０の斜視図を示す。図３に電力変換器１０の正面図を示す。図２は、電力変換器１０の主要部品である高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃとそれらを冷却する冷却器４１、４２のみを示しており、電力変換器１０のケース、前述した平滑コンデンサ８、電流センサ、制御基板などの図示は省略した。図２では、理解を助けるため、高出力パワーモジュール２０ａは第１冷却器４１と第２冷却器４２の間から取り外して描いてある。
　高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃは、一対の冷却器（第１冷却器４１と第２冷却器４２）に挟まれている。以下では、第１冷却器４１と第２冷却器４２を区別なく示すときには冷却器４１、４２と表記する場合がある。
　冷却器４１、４２は、扁平かつ長尺である。冷却器４１、４２は、長手方向の両端が連結管４３ａ、４３ｂで連結されている。連結管４３ａ、４３ｂは、第１冷却器４１の内部空間と第２冷却器４２の内部空間を連通する。冷却器４１、４２の内部空間は、冷媒が通る流路である。また、第１冷却器４１の長手方向の両端には、冷媒供給口４４ａと冷媒排出口４４ｂが設けられている。
　冷媒供給口４４ａと一方の連結管４３ａは、冷却器４１、４２の積層方向（図中のＸ方向）において重なっている。冷媒排出口４４ｂと他方の連結管４３ｂも積層方向において重なっている。冷媒供給口４４ａと冷媒排出口４４ｂは不図示の冷媒循環装置に連結される。冷媒供給口４４ａから供給される冷媒は第１冷却器４１の内部を流れるとともに、連結管４３ａを通じて第２冷却器４２の内部にも流れる。冷却器４１、４２を流れる間に冷媒は高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃから熱を吸収する。第１冷却器４１を流れた冷媒は冷媒排出口４４ｂを通じて冷媒循環装置に戻る。第２冷却器４２を流れた冷媒は連結管４３ｂと冷媒排出口４４ｂを通じて冷媒循環装置に戻る。高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃは扁平な形状を有しており、一方の幅広面２７に第１冷却器４１が当接し、他方の幅広面２８に第２冷却器４２が当接する。高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃは、両方の幅広面２７、２８に冷却器が当接しており、両面から冷却される。冷却器４１、４２が用いる冷媒は液体であり、典型的には水あるいは不凍液である。
　高出力パワーモジュール２０ａについて説明する。高出力パワーモジュール２０ａは、樹脂製のパッケージ２１を有している。パッケージ２１には半導体チップ３０ａ、３０ｂが埋設されている。半導体チップ３０ａには、図１で示したスイッチング素子２ａとダイオード３ａが実装されている。半導体チップ３０ｂには、図１で示したスイッチング素子２ｂとダイオード３ｂが実装されている。半導体チップ３０ａの内部でスイッチング素子２ａとダイオード３ａが並列（逆並列）に接続されており、半導体チップ３０ｂの内部でスイッチング素子２ｂとダイオード３ｂが並列（逆並列）に接続されている。半導体チップ３０ａ（スイッチング素子２ａ）と半導体チップ３０ｂ（スイッチング素子２ｂ）は、パッケージ２１の内部で直列に接続されている。すなわち、高出力パワーモジュール２０ａは、スイッチング素子２ａ、２ｂの直列接続、および、スイッチング素子２ａ、２ｂのそれぞれに並列（逆並列）に接続されるダイオードを含む回路を構成する。
　３個のパワー端子２２ａ、２２ｂ、２２ｃがパッケージ２１の上面から延びている。パワー端子２２ａ、２２ｂは、それぞれ、半導体チップ３０ａ（スイッチング素子２ａ）と半導体チップ３０ｂ（スイッチング素子２ｂ）の直列接続の正極と負極に接続されている。パワー端子２２ｃは、直列接続の中点と接続されている。パワー端子２２ａ、２２ｂは、バッテリ１０１（図１参照）に接続される。パワー端子２２ｃから交流が出力される。
　パッケージ２１の下面からは、制御端子２９ａ、２９ｂが延びている。制御端子２９ａは、半導体チップ３０ａ（スイッチング素子２ａ）のゲートやセンスエミッタと接続されている。制御端子２９ｂは、半導体チップ３０ｂ（スイッチング素子２ｂ）のゲートやセンスエミッタと接続されている。制御端子２９ａ、２９ｂは、不図示の制御基板に接続される。
　半導体チップ３０ａは、スイッチング素子２ａとダイオード３ａが一体化されたＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse Conductive Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよい。半導体チップ３０ｂも同様にＲＣ－ＩＧＢＴであってもよい。
　パッケージ２１の幅広面２７には放熱板２４が露出している。放熱板２４はパッケージ２１の内部で半導体チップ３０ａ、３０ｂに接続されている。放熱板２４は、第１冷却器４１に接する。放熱板２４を介して半導体チップ３０ａ、３０ｂの熱が第１冷却器４１へ伝わる。図２では見えないが、パッケージ２１の他方の幅広面２８にも放熱板が露出しており、それら放熱板を介して半導体チップ３０ａ、３０ｂの熱が第２冷却器４２へ伝わる。
　高出力パワーモジュール２０ｂの構造は高出力パワーモジュール２０ａの構造と同じである。すなわち、高出力パワーモジュール２０ｂのパッケージ２１には、半導体チップ３０ｃ（スイッチング素子２ｃ、ダイオード３ｃ）と、半導体チップ３０ｄ（スイッチング素子２ｄ、ダイオード３ｄ）が埋設されている（図３参照）。同様に、高出力パワーモジュール２０ｃのパッケージ２１には、半導体チップ３０ｅ（スイッチング素子２ｅ、ダイオード３ｅ）と、半導体チップ３０ｆ（スイッチング素子２ｆ、ダイオード３ｆ）が埋設されている（図３参照）。
　電力変換器１０では、インバータ１１（三相交流インバータ）を構成する全てのスイッチング素子２ａ－２ｆが第１冷却器４１と第２冷却器４２の間に挟まれている。スイッチング素子２ａ－２ｆは、冷却器４１、４２に対して熱的に接触している。別言すれば、スイッチング素子２ａ－２ｆは、３個のパッケージ２１（高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃ）に分散配置されており、パッケージを介して冷却器４１、４２と熱的に接触している。
　電力変換器１０は、インバータ１１を構成する全てのスイッチング素子２ａ－２ｆが第１冷却器４１と第２冷却器４２に挟まれている構造を有している。そのような構造により、小型なインバータを実現することができる。特に、実施例の電力変換器１０の構造は、第１冷却器４１と第２冷却器４２の積層方向の長さの短いインバータを実現する。
　（第２実施例）図４、図５を参照して第２実施例の電力変換器１０ａを説明する。電力変換器１０ａの回路構成は第１実施例の電力変換器１０と同じである。すなわち、電力変換器１０ａも、主要部品は、電力変換用の６個のスイッチング素子２ａ－２ｆと６個のダイオード３ａ－３ｆを含んでいるインバータ１１である（図１参照）。
　図４は、電力変換器１０ａの斜視図であり、図５は電力変換器１０ａの正面図である。電力変換器１０ａでは、インバータ１１を構成する全てのスイッチング素子２ａ－２ｆが、樹脂製の１個のパッケージ１２１に収容されている。パッケージ１２１は、高出力パワーモジュール１２０の本体である。高出力パワーモジュール１２０のパッケージ１２１に半導体チップ３０ａ－３０ｆが埋設されている。半導体チップ３０ａ－３０ｆは、第１実施例で説明した通りであり、半導体チップ３０ａ－３０ｆのそれぞれには、２個のスイッチング素子（例えば２ａと２ｂ）と２個のダイオード（例えば３ａと３ｂ）が実装されている。半導体チップ３０ａ－３０ｆのそれぞれの内部で、２個のスイッチング素子は直列に接続されており、２個のダイオードのそれぞれは２個のスイッチング素子のそれぞれに並列（逆並列）に接続されている。すなわち、パッケージ１２１には、３組の直列接続（２個のスイッチング素子の直列接続）が埋設されている。
　高出力パワーモジュール２０ａパワーモジュール１２０は、パワー端子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ１、２２ｃ２、２２ｃ３を備えている。パワー端子２２ａは、パッケージ１２１の内部で３組の直列接続（２個のスイッチング素子の直列接続）の正極に接続されており、パワー端子２２ｂは、３組の直列接続の負極に接続されている。パワー端子２２ｃ１は、パッケージ１２１の内部でスイッチング素子２ａ、２ｂの直列接続の中点に接続されている。パワー端子２２ｃ２（２２ｃ３）は、スイッチング素子２ｃ、２ｄ（２ｅ、２ｆ）の直列接続の中点に接続されている。パワー端子２２ａ、２２ｂは、それぞれ、バッテリ１０１の正極端と負極端のそれぞれに接続される。３個のパワー端子２２ｃ１、２２ｃ２、２２ｃ３のそれぞれから交流が出力される。すなわち、３個のパワー端子２２ｃ１、２２ｃ２、２２ｃ３から三相交流が出力される。
　第２実施例の電力変換器１０ａでも、第１冷却器４１と第２冷却器４２の間に、インバータ１１を構成する全てのスイッチング素子２ａ－２ｆが挟まれている。スイッチング素子２ａ－２ｆは、１個のパッケージ１２１（１個の高出力パワーモジュール１２０）に収容されており、そのパッケージ１２１が一対の冷却器４１、４２に挟まれている。第２実施例の電力変換器１０ａの構造も、インバータ１１の小型化に適している。図２と図４を比較すると明らかなとおり、６個のスイッチング素子２ａ－２ｆを一つのパッケージ１２１に収容することで、パワー端子の数を少なくすることができる。
　（第３実施例）図６－図８を参照して第３実施例の電力変換器１０ｂを説明する。図６は、電力変換器１０ｂを含む電気自動車１００ａの電力系の回路図を示す。電力変換器１０ｂは、２個のインバータ１１ａ、１１ｂを備えている。インバータ１１ａは、バッテリ１０１の電力を走行用のモータ１０２ａの駆動電力（三相交流電力）に変換する。インバータ１１ｂは、バッテリ１０１の電力をエアコン用のモータ１０２ｂの駆動電力（三相交流電力）に変換する。インバータ１１ａ、１１ｂは、ともに三相交流インバータである。
　走行用のモータ１０２ａの駆動電力は３０キロワット以上であり、エアコン用のモータ１０２ｂの駆動電力は１０キロワット以下である。インバータ１１ａの出力は３０キロワット以上であり、インバータ１１ｂの出力は１０キロワット以下である。
　インバータ１１ａは、６個のスイッチング素子２ａ－２ｆと、６個のダイオード３ａ－３ｆで構成される。インバータ１１ａは、第１実施例のインバータ１１と同じ構造である。２個のスイッチング素子２ａ、２ｂが直列に接続されており、ダイオード３ａ、３ｂは、それぞれ、スイッチング素子２ａ、２ｂのそれぞれに並列に接続されている。スイッチング素子２ａ、２ｂとダイオード３ａ、３ｂが高出力パワーモジュール２０ａを構成する。同様に、２個のスイッチング素子２ｃ、２ｄ（２ｅ、２ｆ）が直列に接続されており、ダイオード３ｃ、３ｄ（３ｅ、３ｆ）はそれぞれスイッチング素子２ｃ、２ｄ（２ｅ、２ｆ）のそれぞれに並列に接続されている。スイッチング素子２ｃ、２ｄとダイオード３ｃ、３ｄが高出力パワーモジュール２０ｂを構成し、スイッチング素子２ｅ、２ｆとダイオード３ｅ、３ｆが高出力パワーモジュール２０ｃを構成する。
　インバータ１１ｂは、６個のスイッチング素子４ａ－４ｆと、６個のダイオード５ａ－５ｆで構成される。先に述べたように、インバータ１１ｂの出力はインバータ１１ａの出力よりも低い。それゆえ、スイッチング素子４ａ－４ｆの出力はスイッチング素子２ａ－２ｆの出力よりも低い。
　２個のスイッチング素子４ａ、４ｂが直列に接続されており、ダイオード５ａ、５ｂはそれぞれスイッチング素子４ａ、４ｂのそれぞれに並列に接続されている。スイッチング素子４ａ、４ｂとダイオード５ａ、５ｂが低出力パワーモジュール２０ｄを構成する。同様に、２個のスイッチング素子４ｃ、４ｄ（４ｅ、４ｆ）が直列に接続されており、ダイオード５ｃ、５ｄ（５ｅ、５ｆ）はそれぞれスイッチング素子４ｃ、４ｄ（４ｅ、４ｆ）のそれぞれに並列に接続されている。スイッチング素子４ｃ、４ｄとダイオード５ｃ、５ｄが低出力パワーモジュール２０ｅを構成し、スイッチング素子４ｅ、４ｆとダイオード５ｅ、５ｆが低出力パワーモジュール２０ｆを構成する。
　図７に、電力変換器１０ｂの斜視図を示す。高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃは、第１冷却器４１と第２冷却器４２に挟まれている。この構造は、第１実施例の電力変換器１０の構造と同じである（図２参照）。すなわち、電力変換器１０ｂでも、インバータ１１ａを構成する全てのスイッチング素子２ａ－２ｆは、２個の冷却器４１、４２に挟まれており、冷却器４１、４２に熱的に接触している。
　低出力パワーモジュール２０ｄ－２０ｆは、第１冷却器４１に接している。低出力パワーモジュール２０ｄ－２０ｆは、第１冷却器４１の外側面であってスイッチング素子２ａ－２ｆ（高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃ）に対向している面の反対側の面に接している。
　図８に、図７のVIII－VIII線に沿った電力変換器１０ｂの断面を示す。図８は、高出力パワーモジュール２０ａと低出力パワーモジュール２０ｄを横断する断面を示している。図８では、図を見やすくするため、樹脂製のパッケージ２１、２１ｄは、断面を表すハッチングを省略してある。
　高出力パワーモジュール２０ａの内部構造について説明する。樹脂製のパッケージ２１に、放熱板２４、２５、半導体チップ３０ａ、スペーサ２６が埋設されている。パッケージ２１には半導体チップ３０ｂも埋設されているが、半導体チップ３０ｂは図８の断面では見えない。先に述べたように、半導体チップ３０ａには、スイッチング素子２ａとダイオード３ａが実装されている。放熱板２４の一面は、パッケージ２１の一方の幅広面２７から露出しており、放熱板２５の一面は、パッケージ２１の他方の幅広面２８から露出している。放熱板２５の裏面に半導体チップ３０ａの一面が接合されている。半導体チップ３０ａの反対側の面にはスペーサ２６が接合されている。スペーサ２６の反対側には放熱板２４が接合されている。別言すれば、放熱板２５は、半導体チップ３０ａに直接に接合されており、放熱板２４は、スペーサ２６を介して放熱板２４に接合されている。半導体チップ３０ａは、両面から等しく熱を放出する。しかし、幅広面２７の側では、スペーサ２６を介して熱が放出される。それゆえ、高出力パワーモジュール２０ａのパッケージ２１は、幅広面２８の放熱量よりも幅広面２７の放熱量が小さく、その幅広面２７が第１冷却器４１に接している。そして、第１冷却器４１の反対側の面には、低出力パワーモジュール２０ｄが接している。
　第２冷却器４２は、一方の面のみにパワーモジュールが接しており、第１冷却器４１は、両面のそれぞれにパワーモジュールが接している。それゆえ、第１冷却器４１の熱的負荷が第２冷却器４２の熱的負荷よりも高い。しかし、高出力パワーモジュール２０ａは、第２冷却器４２へ伝える熱量よりも、第１冷却器４１へ伝える熱量が小さい。それゆえ、第１冷却器４１と第２冷却器４２の熱的負荷の差が抑えられる。
　低出力パワーモジュール２０ｄの内部構造について説明する。低出力パワーモジュール２０ｄの内部構造は、基本的に、高出力パワーモジュール２０ａの構造と同じである。樹脂製のパッケージ２１ｄに、放熱板２４、２５、半導体チップ１３０ａ、スペーサ２６が埋設されている。放熱板２４、２５の一面はパッケージ２１ｄから露出している。放熱板２４、２５の間に、半導体チップ１３０ａとスペーサ２６が挟まれている。なお、半導体チップ１３０ａには、スイッチング素子４ａとダイオード５ａが実装されており、それらは並列（逆並列）に接続されている。パッケージ２１ｄには、スイッチング素子４ｂとダイオード５ｂが実装された半導体チップも埋設されているが、図８の断面ではその半導体チップは見えない。パッケージ２１ｄの内部でスイッチング素子４ａ、４ｂは直列に接続されており、それぞれのスイッチング素子にダイオードが並列（逆並列）に接続されている。低出力パワーモジュール２０ｅ、２０ｆの構造は、低出力パワーモジュール２０ｄの構造と同じである。
　（第４実施例）図９と図１０を参照して第４実施例の電力変換器１０ｃを説明する。図９は、電力変換器１０ｃの上面図であり、図１０は、電力変換器１０ｃの正面図である。電力変換器１０ｃの回路構成は電力変換器１０の回路構成と同じである（図１参照）。すなわち、電力変換器１０ｃも、インバータ１１を構成する６個のスイッチング素子２ａ－２ｆと６個のダイオード３ａ－３ｆを備えている。スイッチング素子２ａ－２ｆとダイオード３ａ－３ｆは、高出力パワーモジュール２０ｇのパッケージ２２１に埋設されており、パッケージ２２１（高出力パワーモジュール２０ｇ）は、第１冷却器１４１と第２冷却器１４２に挟まれている。別言すれば、インバータ１１を構成する全てのスイッチング素子２ａ－２ｆは、第１冷却器１４１と第２冷却器１４２に挟まれており、それらと熱的に接している。なお、図９では、スイッチング素子２ｃ、２ｅは、スイッチング素子２ａの下に位置するので見えない。同様に、スイッチング素子２ｄ、２ｆは、スイッチング素子２ｂの下に位置するので見えない。図９、図１０では、ダイオード３ａ－３ｆの図示は省略した。
　図１に示されているように、スイッチング素子２ａ、２ｂの直列接続の中点から交流が出力され、スイッチング素子２ｃ、２ｄ（２ｅ、２ｆ）の直列接続の中点からも交流が出力される。説明の便宜のため、スイッチング素子２ａ、２ｂの直列接続の中点から出力される交流を第１相交流（Ｕ相交流）と称する。同様に、スイッチング素子２ｃ、２ｄの直列接続の中点から出力される交流を第２相交流（Ｖ相交流）と称し、スイッチング素子２ｅ、２ｆの直列接続の中点から出力される交流を第３相交流（Ｗ相交流）と称する。
　また、先に述べたように、インバータ１１の正極入力端１８ａに接続されるスイッチング素子２ａ、２ｃ、２ｅは、上スイッチング素子と呼ばれ、負極入力端１８ｂに接続されるスイッチング素子２ｂ、２ｄ、２ｆは、下スイッチング素子と呼ばれる。説明の便宜のため、第１相交流を出力するスイッチング素子２ａ、２ｂをそれぞれ第１上スイッチング素子２ａ、第１下スイッチング素子２ｂと称する。同様に、第２相交流を出力するスイッチング素子２ｃ、２ｄをそれぞれ第２上スイッチング素子２ｃ、第２下スイッチング素子２ｄと称し、第３相交流を出力するスイッチング素子２ｅ、２ｆをそれぞれ第３上スイッチング素子２ｅ、第３下スイッチング素子２ｆと称する。
　図９、図１０の太い矢印線は、冷媒の流れを示している。冷媒は、図中の座標系のＹ軸に沿って流れる。図１０に示されているように、冷媒の流れ方向に沿って第１上スイッチング素子２ａと第１下スイッチング素子２ｂが並んでいる。同様に、冷媒の流れ方向に沿って第２上スイッチング素子２ｃと第２下スイッチング素子２ｄが並んでおり、冷媒の流れ方向に沿って第３上スイッチング素子２ｅと第３下スイッチング素子２ｆが並んでいる。第１上スイッチング素子２ａと第１下スイッチング素子２ｂのペア、第２上スイッチング素子２ｃと第２下スイッチング素子２ｄのペア、および、第３上スイッチング素子２ｅと第３下スイッチング素子２ｆのペアが、流れ方向に直交する方向（Ｚ方向）で並んでいる。
　スイッチング素子２ａ－２ｆの上記の並びは、次の理由により、モータ１０２（図１参照）がロックしたときに特定のスイッチング素子に対する冷却性能が下がるリスクを低減する。ここで、「モータのロック」とは、電力変換器（インバータ）がモータに電力を供給しているにもかかわらずモータが回転しないことを意味する。
　三相交流モータがロックすると、第ｉ相の上スイッチング素子と第ｊ相の下スイッチング素子に電流が集中する。電流が集中するスイッチング素子は過負荷となり、発熱量が増大する。ここで、ｉとｊは必ず異なる。すなわち、例えば、第１上スイッチング素子２ａと第２下スイッチング素子２ｄ（あるいは第３下スイッチング素子２ｆ）に電流が集中する。図１０の配置によると、第１上スイッチング素子２ａと第２下スイッチング素子２ｄ（あるいは第３下スイッチング素子２ｆ）は、冷媒の流れ方向からみて、異なる位置に配置されている。仮に、発熱量の大きい第１上スイッチング素子２ａと第２下スイッチング素子２ｄ（あるいは第３下スイッチング素子２ｆ）が冷媒の流れ方向で並んでいると、冷媒の下流側のスイッチング素子に対する冷却能力が下がってしまう。図１０の配置では、そのような状況を回避することができる。すなわち、図１０の配置は、モータがロックしたときに特定のスイッチング素子に対する冷却能力が下がるリスクを低減できる。
　（第５実施例）図１１と図１２を参照して第５実施例の電力変換器１０ｄを説明する。図１１は、電力変換器１０ｄの上面図であり、図１２は、電力変換器１０ｄの正面図である。電力変換器１０ｄの回路構成は電力変換器１０ｃの回路構成と同じである。電力変換器１０ｄは、スイッチング素子２ａ－２ｆの並びが電力変換器１０ｃと異なる。電力変換器１０ｄでも、スイッチング素子２ａ－２ｆは、電力変換器１０ｃの場合の呼称を用いる。すなわち、符号２ａは第１上スイッチング素子を表し、符号２ｂは第１下スイッチング素子を表す。スイッチング素子２ａ－２ｆは、高出力パワーモジュール２０ｈのパッケージ３２１に収容されており、高出力パワーモジュール２０ｈ（スイッチング素子２ａ－２ｆ）が冷却器１４１、１４２に挟まれている。スイッチング素子２ａ－２ｆは、冷却器１４１、１４２に熱的に接している。
　第５実施例の電力変換器１０ｄでは、第１上スイッチング素子２ａ、第２上スイッチング素子２ｃ、第３上スイッチング素子２ｅが冷媒の流れ方向（Ｙ方向）に沿って並び、第１下スイッチング素子２ｂ、第２下スイッチング素子２ｄ、第３下スイッチング素子２ｆが冷媒の流れ方向に沿って並んでいる。そして、第１上スイッチング素子２ａ、第２上スイッチング素子２ｃ、第３上スイッチング素子２ｅの組と、第１下スイッチング素子２ｂ、第２下スイッチング素子２ｄ、第３下スイッチング素子２ｆの組が、冷媒の流れ方向に交差する方向（Ｚ方向）に並んでいる。
　第４実施例で説明したように、モータがロックした場合、第ｉ上スイッチング素子と第ｊ下スイッチング素子に電流が集中する。図１２に示す配置では、第ｉ上スイッチング素子と第ｊ下スイッチング素子が冷媒の流れ方向で重ならない。それゆえ、第５実施例の電力変換器１０ｄも、モータがロックしたときに特定のスイッチング素子に対する冷却性能が下がるリスクを低減できる。
　（電気自動車の実施例１）次に、上記した電力変換器を用いた電気自動車の実施例について説明する。図１３に、電力変換器１０ｅを搭載した電気自動車１１０ａの斜視図を示す。電気自動車１１０ａのフロントコンパートメント１１１には、走行用のモータ１１２が配置されている。モータ１１２の上に、電力変換器１０ｅが搭載されている。なお、電力変換器１０ｅとモータ１１２の電気的な関係は、図１の回路構造と同じであり、電力変換器１０ｅの出力端がモータ１１２に接続される。
　電力変換器１０ｅは、冷却器４１、４２、３個の高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃを備えている。図１３の右上に、ケースから外した電力変換器１０ｅ（すなわち、冷却器４１、４２、高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃのアセンブリ）を示してある。冷却器４１、４２、３個の高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃの構造は、図２で示した通りである。電気自動車１１０ａでは、冷却器４１、４２の積層方向（図中の座標系のＸ方向）が水平方向を向いているとともに、車幅方向を向いている。電力変換器１０ｅは、冷却器４１、４２の積層方向の長さが短い。それゆえ、電気自動車１１０ａにおいて、電力変換器１０ｅは車幅方向の長さを短くすることができる。
　（電気自動車の実施例２）図１４に、電力変換器１０ｆを搭載した電気自動車１１０ｂの斜視図を示す。図１４の右上に、ケースから外した電力変換器１０ｆ（すなわち、冷却器４１、４２、高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃのアセンブリ）を示してある。電気自動車１１０ｂのフロントコンパートメント１１１には、走行用のモータ１１２が配置されている。モータ１１２の上に、電力変換器１０ｆが搭載されている。電力変換器１０ｆとモータ１１２の電気的な関係は、図１の回路構造と同じであり、電力変換器１０ｆの出力端がモータ１１２に接続されている。
　電力変換器１０ｆは、冷却器４１、４２、３個の高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃを備えている。冷却器４１、４２、３個の高出力パワーモジュール２０ａ－２０ｃの構造は、図２で示した通りである。電気自動車１１０ｂでは、冷却器４１、４２の積層方向（図中の座標系のＸ方向）が鉛直方向を向いている。電力変換器１０ｆは、冷却器４１、４２の積層方向の長さが短い。それゆえ、電気自動車１１０ｂにおいて、電力変換器１０ｆ鉛直方向の長さを短くすることができる（すなわち高さを低くすることができる）。
　なお、電力変換器１０ｅ、１０ｆは、先に述べた電力変換器１０、１０ａ－１０ｄのいずれであってもよい。本明細書における「電気自動車」は、走行用のモータを備えている自動車を意味する。従って、本明細書における「電気自動車」には、走行用モータの電源として燃料電池を備える車、および、走行用のモータとともにエンジンを備えるハイブリッド車が含まれる。
　実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。インバータでは、電流容量を増やすため、複数のスイッチング素子を並列に接続し、同期してオンオフすることがある。例えば、図１の回路図において、１個のスイッチング素子２ａに代えて２個のスイッチング素子の並列回路を配置する場合がある。他のスイッチング素子２ｂ－２ｆのそれぞれに対しても、２個のスイッチング素子の並列回路を配置すると、インバータは合計１２個のスイッチング素子で構成される。その場合、インバータを構成する全てのスイッチング素子（１２個のスイッチング素子）が、２個の冷却器の間に配置されていれば、実施例の電力変換器と同じ利点が得られる。
　第３実施例の電力変換器１０ｂでは、低出力のスイッチング素子４ａ－４ｆは、３個の低出力パワーモジュール２０ｄ－２０ｆに分散配置されており、それら低出力パワーモジュール２０ｄ－２０ｆが第１冷却器４１に接している。低出力のスイッチング素子４ａ－４ｆは、１個の低出力パワーモジュールのパッケージに集中配置されており、その低出力パワーモジュールが第１冷却器４１に接していてもよい。
　本明細書が開示する電力変換器は、インバータを構成する全てのスイッチング素子が冷却器の間に挟まれており、全てのスイッチング素子は一対の冷却器に熱的に接している。インバータを構成する全てのスイッチング素子は、１個のパッケージに収容されており、そのパッケージが一対の冷却器に挟まれていてよい。あるいは、インバータを構成する全てのスイッチング素子は、複数のパッケージに分散配置されており、それら複数のパッケージが一対の冷却器に挟まれていてもよい。
　低出力パワーモジュール２０ｄ－２０ｆのスイッチング素子４ａ－４ｆが「別のスイッチング素子」の一例に相当する。
　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 (9)

  1. 　三相交流インバータを構成する電力変換用の全てのスイッチング素子が第１冷却器と第２冷却器に挟まれている、電力変換器。
  2. 　全ての前記スイッチング素子が１個のパッケージに収容されている、または、全ての前記スイッチング素子が複数個のパッケージに分散して収容されている、請求項１に記載の電力変換器。
  3. 　前記第１冷却器の外側面であって前記スイッチング素子に対向している面の反対側の面に、
    　（１）前記三相交流インバータよりも最高出力電力の小さい低出力インバータを構成する電力変換用の全ての別のスイッチング素子を収容している１個の低出力パワーモジュール、が接している、または、
    　（２）全ての前記別のスイッチング素子が分散配置されている複数の低出力パワーモジュールが接している、請求項２に記載の電力変換器。
  4. 　前記パッケージは、前記第１冷却器に接している第１面と、前記第２冷却器に接している第２面を有しており、
    　前記第１面の放熱量が前記第２面の放熱量よりも小さい、請求項３に記載の電力変換器。
  5. 　前記スイッチング素子は、
    　直列に接続されており、第１相電流を生成する第１上スイッチング素子および第１下スイッチング素子と、
    　直列に接続されており、第２相電流を生成する第２上スイッチング素子および第２下スイッチング素子と、
    　直列に接続されており、第３相電流を生成する第３上スイッチング素子および第３下スイッチング素子と、
    を含んでおり、
    　前記第１および第２冷却器を流れる冷媒の流れ方向に沿って前記第１上スイッチング素子と前記第１下スイッチング素子が並んでおり、
    　前記流れ方向に沿って前記第２上スイッチング素子と前記第２下スイッチング素子が並んでおり、
    　前記流れ方向に沿って前記第３上スイッチング素子と前記第３下スイッチング素子が並んでおり、
    　前記第１上スイッチング素子と前記第１下スイッチング素子のペア、前記第２上スイッチング素子と前記第２下スイッチング素子のペア、および、前記第３上スイッチング素子と前記第３下スイッチング素子のペアが、前記流れ方向に直交する方向で並んでいる、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換器。
  6. 　前記スイッチング素子は、
    　直列に接続されており、第１相電流を生成する第１上スイッチング素子および第１下スイッチング素子と、
    　直列に接続されており、第２相電流を生成する第２上スイッチング素子および第２下スイッチング素子と、
    　直列に接続されており、第３相電流を生成する第３上スイッチング素子および第３下スイッチング素子と、
    を含んでおり、
    　前記第１および第２冷却器を流れる冷媒の流れ方向に沿って前記第１上スイッチング素子と前記第２上スイッチング素子と前記第３上スイッチング素子が並んでおり、
    　前記流れ方向に沿って前記第１下スイッチング素子と前記第２下スイッチング素子と前記第３下スイッチング素子が並んでおり、
    　前記第１上スイッチング素子と前記第２上スイッチング素子と前記第３上スイッチング素子のセットと、前記第１下スイッチング素子と前記第２下スイッチング素子と前記第３下スイッチング素子のセットが、前記流れ方向に直交する方向で並んでいる、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換器。
  7. 　前記第１冷却器と前記第２冷却器の積層方向が鉛直方向を向くように配置されている、請求項１から６に記載の電力変換器。
  8. 　前記第１冷却器と前記第２冷却器の積層方向が水平方向を向くように配置されている、請求項１から６に記載の電力変換器。
  9. 　請求項８に記載されている電力変換器を備えている電気自動車であり、
    　前記三相交流インバータの出力端が走行用のモータに接続されており、
    　前記積層方向が車幅方向を向くように配置されている、電気自動車。
PCT/JP2019/035656 2019-09-11 2019-09-11 電力変換器および電気自動車 WO2021048944A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2019/035656 WO2021048944A1 (ja) 2019-09-11 2019-09-11 電力変換器および電気自動車
JP2021545026A JP7078182B2 (ja) 2019-09-11 2019-09-11 電力変換器および電気自動車

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2019/035656 WO2021048944A1 (ja) 2019-09-11 2019-09-11 電力変換器および電気自動車

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021048944A1 true WO2021048944A1 (ja) 2021-03-18

Family

ID=74866242

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/035656 WO2021048944A1 (ja) 2019-09-11 2019-09-11 電力変換器および電気自動車

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP7078182B2 (ja)
WO (1) WO2021048944A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010161852A (ja) * 2009-01-07 2010-07-22 Denso Corp 電力変換装置
JP2014220916A (ja) * 2013-05-08 2014-11-20 株式会社デンソー 電力変換装置
JP2017195687A (ja) * 2016-04-19 2017-10-26 株式会社デンソー 電力変換装置
JP2018022846A (ja) * 2016-08-05 2018-02-08 株式会社デンソー 半導体装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010161852A (ja) * 2009-01-07 2010-07-22 Denso Corp 電力変換装置
JP2014220916A (ja) * 2013-05-08 2014-11-20 株式会社デンソー 電力変換装置
JP2017195687A (ja) * 2016-04-19 2017-10-26 株式会社デンソー 電力変換装置
JP2018022846A (ja) * 2016-08-05 2018-02-08 株式会社デンソー 半導体装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP7078182B2 (ja) 2022-05-31
JPWO2021048944A1 (ja) 2021-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6097557B2 (ja) 電力変換装置
US7333331B2 (en) Power unit device and power converter device
JP5407275B2 (ja) 電力変換装置
JP6296888B2 (ja) 電力変換装置
WO2014083976A1 (ja) インバータ装置
WO2012070129A1 (ja) 積層型冷却器
JP5241688B2 (ja) 電力変換装置
JP6136760B2 (ja) 電力変換装置
JP6969502B2 (ja) 電力変換器
JP6977682B2 (ja) 回転電機ユニット
US20200068749A1 (en) Cooling structure of power conversion device
US11864323B2 (en) Driver board assemblies and methods of forming a driver board assembly
JP6459904B2 (ja) 電力変換装置
JP4452605B2 (ja) 半導体装置
JP7078182B2 (ja) 電力変換器および電気自動車
US11916491B2 (en) Electric power converter
JP2019122064A (ja) 電力変換装置
JP2018046191A (ja) 電力変換装置
JP7163778B2 (ja) 半導体装置
JP7136139B2 (ja) 電力変換器
JP7287300B2 (ja) 電力変換装置
WO2023058381A1 (ja) 電力変換装置
US20230328938A1 (en) Power module
WO2023063086A1 (ja) 電力変換装置
JP6680393B2 (ja) 電力変換装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19945385

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021545026

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19945385

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1