(57)【要約】【課題】複数の半導体モジュールと他の発熱部品を一種類の冷却器で冷却することで装置全体の小型化が期待できる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置２は、複数の冷却パイプ５１と複数の半導体モジュール８と発熱部品を備えている。複数の冷却パイプ５１の夫々は四角筒状あるいは八角筒状である。複数の冷却パイプ５１は隙間を確保しつつ平行に延びている。複数の半導体モジュール８のそれぞれは隣り合う冷却パイプ５１に挟まれている。リアクトル７などの発熱部品は、複数の冷却パイプ５１の並び方向及び延設方向の両方と交差する方向を向く冷却パイプ５１の面に接触している。本明細書が開示する電力変換装置２は、複数の半導体モジュール８と発熱部品（リアクトル７など）を一種類の冷却器（四角筒の複数の冷却パイプ５１）で冷却することができるので、装置全体の小型化が期待できる。【選択図】図２
2020141540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
四角筒状あるいは八角筒状の複数の冷却パイプであって平行に延びている複数の冷却パイプと、
複数の前記冷却パイプの並び方向に沿って配置されている電力変換用の複数の半導体モジュールであって夫々が隣り合う前記冷却パイプに挟まれている複数の半導体モジュールと、
前記並び方向及び前記冷却パイプの延設方向の両方と交差する方向を向く前記冷却パイプの面に接触している発熱部品と、
を備えている、電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、多数の発熱部品を含んでおり、それら発熱部品を冷却する冷却器を備えている。代表的な発熱部品は、電力変換用の半導体モジュール、リアクトル、コンデンサなどである。特許文献１、２の電力変換装置は、第１冷却器（複数）で複数の半導体モジュールを冷却し、第２冷却器でリアクトルやコンデンサを冷却する構造を採用している。複数の半導体モジュールと複数の第１冷却器は、１個ずつ交互に積層されており、積層ユニットを構成している。第２冷却器は、第１冷却器よりも大型で扁平であり、その一対の幅広面のそれぞれにリアクトルやコンデンサなどの発熱部品が接している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１５２６１２号公報
【特許文献２】特開２０１５−０４２１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１、２の電力変換装置は、２種類の冷却器を備えており、装置を小型化することが難しい。本明細書は、複数の半導体モジュールと他の発熱部品を一種類の冷却器で冷却することで装置全体の小型化が期待できる電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する電力変換装置は、複数の冷却パイプと複数の半導体モジュールと発熱部品を備えている。複数の冷却パイプの夫々は四角筒状あるいは八角筒状である。複数の冷却パイプは平行に延びている。複数の半導体モジュールは、複数の冷却パイプの並び方向に沿って配置されており、夫々が隣り合う冷却パイプに挟まれている。発熱部品は、複数の冷却パイプの並び方向及び延設方向の両方と交差する方向を向く冷却パイプの面に接触している。複数の冷却パイプは、並び方向を向く面（第１面）と、並び方向及び延設方向の両方と交差する方向を向く面（第２面）を有しており、半導体モジュールは複数の冷却パイプの第１面に接するように配置されており、発熱部品は第２面に接するように配置されている。本明細書が開示する電力変換装置は、複数の半導体モジュールと発熱部品を一種類の冷却器（四角筒あるいは八角筒の複数の冷却パイプ）で冷却することができるので、装置全体の小型化が期待できる。
【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の電力変換装置を含む電気自動車の回路図である。
【図２】電力変換装置の平面図である。
【図３】電力変換装置の側面図である。
【図４】図２のIV−IV矢視断面図である。
【図５】変形例の電力変換装置の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置２は、走行用に２個のモータを備える電気自動車に搭載されている。図１に、実施例の電力変換装置２を含む電気自動車１００の電力系の回路図を示す。
【０００９】
実施例の電力変換装置２は電気自動車１００に搭載され、メインバッテリ８１の電力を走行用のモータ８３ａ、８３ｂの駆動電力に変換するデバイスである。２個の走行用のモータ８３ａ、８３ｂに対応して、電力変換装置２は２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備えている。２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、ギアボックス８５で合成されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。
【００１０】
電力変換装置２は、メインバッテリ８１と接続されている（後述するが、電力変換装置２は、サブバッテリ８２とも接続されている）。電力変換装置２は、メインバッテリ８１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂと、降圧コンバータ２７を備えている。
【００１１】
電圧コンバータ回路１２は、バッテリ側の端子に印加された電圧を昇圧してインバータ側の端子に出力する昇圧動作と、インバータ側の端子に印加された電圧を降圧してバッテリ側の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。説明の便宜上、以下では、バッテリ側（低電圧側）の端子を入力端１８と称し、インバータ側（高電圧側）の端子を出力端１９と称する。また、入力端１８の正極と負極を夫々、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂと称する。出力端１９の正極と負極を夫々、出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂと称する。「入力端１８」、「出力端１９」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるので、出力端１９から入力端１８へ電力が流れる場合がある。
【００１２】
電圧コンバータ回路１２は、２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路、リアクトル７、フィルタコンデンサ５、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で構成されている。リアクトル７は、一端が入力正極端１８ａに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ５は、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂの間に接続されている。入力負極端１８ｂは、出力負極端１９ｂと直接に接続されている。スイッチング素子９ｂが主に昇圧動作に関与し、スイッチング素子９ａが主に降圧動作に関与する。図１の電圧コンバータ回路１２はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号８ａが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール８ａに対応する。符号２５ａ、２５ｂは、半導体モジュール８ａから延出しているパワー端子を示している。符号２５ａ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パワー端子（正極端子２５ａ）を示している。符号２５ｂ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パワー端子（負極端子２５ｂ）を表している。正極端子２５ａ、負極端子２５ｂという表記は、他の半導体モジュールでも用いる。
【００１３】
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９ｃと９ｄ、スイッチング素子９ｅと９ｆ、スイッチング素子９ｇと９ｈ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。３セットの直列回路の高電位側の端子（正極端子２５ａ）が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子（負極端子２５ｂ）が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。３セットの直列回路の中点から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。３セットの直列回路の夫々が、後述する半導体モジュール８ｂ、８ｃ、８ｄに対応する。
【００１４】
インバータ回路１３ｂの構成はインバータ回路１３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略している。インバータ回路１３ｂもインバータ回路１３ａと同様に、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。３セットの直列回路の高電位側の端子が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。各直列回路に対応するハードウエアを半導体モジュール８ｅ、８ｆ、８ｇと称する。
【００１５】
インバータ回路１３ａ、１３ｂの入力端に平滑コンデンサ６が並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、別言すれば、電圧コンバータ回路１２の出力端１９に並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３ａ、１３ｂの間を流れる電流の脈動を除去する。
【００１６】
スイッチング素子９ａ−９ｈ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。半導体モジュール８ｅ−８ｇに含まれているスイッチング素子も同様である。
【００１７】
２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂの交流出力端には、それぞれのインバータ回路が出力する３相交流の電流を計測する電流センサ２６が備えられている。電流センサの計測値は不図示のコントローラに送られる。コントローラは、電流センサ２６の計測値をモニタしつつ、２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂの出力が目標電流に追従するように、スイッチング素子９ａ−９ｈを制御する。
【００１８】
図１において、破線８ａ−８ｇの夫々が半導体モジュールに相当する。電力変換装置２は、２個のスイッチング素子の直列回路を７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（すなわち半導体モジュールの本体）に収容されている。以下では、半導体モジュール８ａ−８ｇのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール８と表記する。
【００１９】
７個の半導体モジュール（７セットの直列回路）の高電位側の端子（正極端子２５ａ）が平滑コンデンサ６の正極電極に接続され、低電位側の端子（負極端子２５ｂ）が平滑コンデンサ６の負極電極に接続される。図１において、符号３０が示す破線内の導電経路は、複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａと平滑コンデンサ６の正極電極を相互に接続するバスバ（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２５ｂと平滑コンデンサ６の負極電極を相互に接続するバスバ（負極バスバ４０）に対応する。
【００２０】
電圧コンバータ回路１２の入力端１８に降圧コンバータ２７が接続されている。降圧コンバータ２７は、メインバッテリ８１の電圧を降圧してサブバッテリ８２に供給する。サブバッテリ８２は、車載の小電力機器に電力を供給する。車載の小電力機器とは、ルームランプやカーナビなど、メインバッテリ８１の出力電圧よりもはるかに低い電圧で動作するデバイスを意味する。そのような小電力機器は補機と呼ばれる場合もある。サブバッテリ８２の出力電圧は、典型的には１２ボルトあるいは２４ボルトである。図１では回路図は省略しているが、降圧コンバータ２７は、トランスを使って入力端と出力端の絶縁を保持して変圧する絶縁型のコンバータである。
【００２１】
スイッチング素子９ａ−９ｈ（半導体モジュール８）、リアクトル７、平滑コンデンサ６、降圧コンバータ２７は、メインバッテリ８１の大電力が流れるため、発熱量が大きい。電力変換装置２は、それら発熱部品を冷却する冷却器も備えている。次に、上記した発熱部品と冷却器のハードウエア構造について説明する。
【００２２】
図２に、電力変換装置２の平面図を示す。図３に、電力変換装置２の側面図を示す。図４に図２のIV−IV矢視断面図を示す。図２−４では、電力変換装置２の筐体は図示を省略している。また、以下では主に発熱部品と冷却器の構造について説明するので、図２−４では、コントローラを実現する制御基板など、いくつかの部品も図示と説明を省略する。
【００２３】
電力変換装置２は、複数の冷却パイプ５１を有している冷却器５０を備えている。冷却器５０が、半導体モジュール８、リアクトル７、平滑コンデンサ６、降圧コンバータ２７を冷却する。冷却器５０は、電流センサ２６と、端子台２８（後述）も冷却する。
【００２４】
冷却器５０は、図中の座標系のＸ方向に沿って延びる複数の冷却パイプ５１を備えている。複数の冷却パイプ５１は、それらの両端が一対の連結管５２で連結されている。一対の連結管５２は、複数の冷却パイプ５１が平行になるようにそれらを支持している。隣り合う冷却パイプ５１は、対向する面が平行となるように支持されている。複数の冷却パイプ５１は、図中の座標系のＹ方向に並んでいる。隣り合う冷却パイプ５１の間には隙間Ｇが確保されている（図２参照）。
【００２５】
一方の連結管５２には冷媒供給口５３ａが設けられており、他方の連結管５２には冷媒排出口５３ｂが設けられている。図４に示すように、冷却パイプ５１は、四角筒状であり、内部の空間に冷媒が通る。連結管５２も内部が空洞であり、冷媒供給口５３ａ（冷媒排出口５３ｂ）とそれぞれの冷却パイプ５１を連通する。冷媒供給口５３ａから供給される冷媒は、一方の連結管５２を通してすべての冷却パイプ５１に分配される。冷却パイプ５１を通過した冷媒は、他方の連結管５２を通して冷媒排出口５３ｂから排出される。
【００２６】
先に述べたように、隣り合う冷却パイプ５１の間には隙間Ｇが確保されている。その隙間Ｇに半導体モジュール８が配置されている。別言すれば、隣り合う冷却パイプ５１の間に半導体モジュール８が挟まれている。半導体モジュール８は扁平であり、短手方向が冷却パイプ５１の並び方向（図中の座標系のＹ方向）に一致する姿勢で隣り合う冷却パイプ５１の間に挟まれている。図２に示されているように、冷却器５０は、７個の隙間Ｇを有しており、それぞれの隙間Ｇに１個ずつ半導体モジュール８が挟まれている。複数の半導体モジュール８は、冷却パイプ５１の並び方向（図中のＹ方向）に沿って配置されており、それぞれが隣り合う冷却パイプ５１の間に挟まれている。それぞれの半導体モジュール８は、隣り合う２個の冷却パイプ５１によって両面から冷却される。
【００２７】
冷却パイプ５１は四角筒状であり、平行な一対の面５１ａ、５１ｂ（図４参照）を有している。説明の便宜上、冷却パイプ５１のＹ方向を向いている面を側面５１ａ、５１ｂと称し、＋Ｚ方向を向いている面を上面５１ｃと称し、−Ｚ方向を向いている面を下面５１ｄと称する。図４では、右端の冷却パイプ５１にて側面５１ａと下面５１ｄが図示されており、左端の冷却パイプ５１にて側面５１ｂと上面５１ｃが図示されており、残りの面には符号を付すことを省略した。すべての冷却パイプが側面５１ａ、５１ｂと上面５１ｃと下面５１ｄを有する。半導体モジュール８は、隣り合う冷却パイプ５１の側面５１ａ、５１ｂの間に挟まれている。
【００２８】
複数の冷却パイプ５１の上面５１ｃは一平面上に揃っており、その上面５１ｃにコンデンサモジュール３１とリアクトル７と端子台２８が接している。コンデンサモジュール３１には図１の平滑コンデンサ６が格納されている。コンデンサモジュール３１から前述した正極バスバ３０が枝状に延びており、それぞれの枝が半導体モジュール８の正極端子２５ａに接続されている。コンデンサモジュール３１から前述した負極バスバ４０が枝状に延びており、それぞれの枝が半導体モジュール８の負極端子２５ｂに接続されている。枝状の正極バスバ３０はコンデンサモジュール３１の内部で連結されており、平滑コンデンサ６の一方の電極に接続されている。枝状の負極バスバ４０もコンデンサモジュール３１の内部で連結されており、平滑コンデンサ６の他方の電極に接続されている。
【００２９】
コンデンサモジュール３１のほか、リアクトル７と端子台２８も複数の冷却パイプ５１の上面５１ｃに接している。端子台２８は、図１の２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂの交流出力端とモータ８３ａ、８３ｂ（図１参照）から延びているパワーケーブルを接続するためのモジュールである。コンデンサモジュール３１、リアクトル７、端子台２８は、複数の冷却パイプ５１の上面５１ｃに接触し、冷却される。
【００３０】
複数の冷却パイプ５１の下面５１ｄも一平面上に揃っており、その下面５１ｄに電流センサ２６と降圧コンバータ２７が接している。電流センサ２６からは別のバスバが延びており、半導体モジュール８の下面から延びているパワー端子２５ｃと接続されている。パワー端子２５ｃは、半導体モジュール８に収容されている２個のスイッチング素子の直列回路の中点と導通している。
【００３１】
電流センサ２６と降圧コンバータ２７は、複数の冷却パイプ５１の下面５１ｄに接しており、冷却される。
【００３２】
以上説明したように、電力変換装置２では、複数の半導体モジュール８とその他の発熱部品（コンデンサモジュール３１、リアクトル７、電流センサ２６、降圧コンバータ２７）が、複数の冷却パイプ５１を有する一つの冷却器５０で冷却される。冷却パイプ５１は四角筒形状である。複数の冷却パイプ５１は隙間Ｇを確保しつつ平行に延びている。複数の半導体モジュール８は、冷却パイプ５１の並び方向（図中の座標系のＹ方向）に沿って一列に並んでおり、それぞれが隣り合う冷却パイプ５１の間に挟まれている。半導体モジュール８は、冷却パイプ５１の並び方向を向く面（側面５１ａ、５１ｂ）に接して冷却される。
【００３３】
いくつかの発熱部品（コンデンサモジュール３１、リアクトル７、端子台２８）は、冷却パイプ５１の並び方向（Ｙ方向）と延設方向（Ｘ方向）の両方向と交差する方向（Ｚ方向）を向く面（上面５１ｃ）に接して冷却される。
【００３４】
その他の発熱部品（電流センサ２６、降圧コンバータ２７）は、冷却パイプ５１のＺ方向を向く別の面（下面５１ｄ）に接して冷却される。
【００３５】
以上のように、電力変換装置２では、１種類の冷却器５０によって、複数の半導体モジュール８とそれら以外の別の発熱部品（コンデンサモジュール３１、リアクトル７、端子台２８など）を冷却することができる。それゆえ、電力変換装置２の全体のサイズを小さくできる可能性がある。
【００３６】
また、隙間Ｇを隔てて平行に延びている複数の冷却パイプ５１は、４方向の面がそれぞれ別々の発熱部品に接している。それぞれの冷却パイプ５１の４面が冷却に用いられるので、冷却器５０は空間効率がよい。また、冷却パイプ５１の上面側の部品と下面側の部品を電気的に接続するバスバやケーブルを隣り合う冷却パイプ５１の間の隙間Ｇに通すことができる。すなわち、隙間Ｇを確保しつつ平行に延びている複数の冷却パイプ５１は、部品同士を接続するバスバやケーブルの配策にも有利である。また、隣り合う冷却パイプ５１の間にバスバ等を通す場合、そのバスバも絶縁層を介して冷却パイプ５１に接触させることで、バスバを冷却することができる。
【００３７】
図５に、変形例の電力変換装置２ａの部分拡大断面図を示す。電力変換装置２ａは冷却器６０を備えている。冷却器６０は、図中の座標系のＸ方向に平行に延びている複数の冷却パイプ６１を備えている。図５は、冷却パイプ６１の延設方向（Ｘ方向）に直交する平面で電力変換装置２ａをカットした断面図である。
【００３８】
複数の冷却パイプ６１のそれぞれは、八角筒状をなしている。冷却パイプ６１の内部を冷媒が流れる。複数の冷却パイプ６１は、側面６１ａ、６１ｂが平行となるように配置されている。隣り合う冷却パイプ６１の間に半導体モジュール８が挟まれている。複数の冷却パイプ６１の上面６１ｃは一平面上に揃っており、その上面６１ｃに別の発熱部品６４が接している。複数の冷却パイプ６１の下面６１ｄも別の一平面上に揃っており、その下面６１ｄに別の発熱部品６５が接している。発熱部品６４、６５は、例えば実施例の電力変換装置２のリアクトル７、コンデンサモジュール３１、端子台２８、電流センサ２６、降圧コンバータ２７である。変形例の電力変換装置２ａも、実施例の電力変換装置２と同様の効果を奏する。
【００３９】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図５に示した八角筒状の冷却パイプ６１は、角が切り落とされた四角筒状であると表現してもよい。冷却器５０には、角が丸く面取りされた四角筒状の複数のパイプが用いられてもよい。
【００４０】
複数の冷却パイプ５１は、熱伝導率の高い材料（例えばアルミニウムあるいは銅）で作られているとよい。一方、部品の冷却に寄与しない連結管５２、冷媒供給口５３ａ、冷媒排出口５３ｂは、熱伝導率の高くない材料（例えば樹脂）で作られているとよい。連結管５２、冷媒供給口５３ａ、冷媒排出口５３ｂを通る際に冷媒の温度上昇を抑えることができる。
【００４１】
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、特許請求の範囲を限定するものではない。特許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。
【符号の説明】
【００４２】
２、２ａ：電力変換装置
５：フィルタコンデンサ
６：平滑コンデンサ
７：リアクトル
８、８ａ−８ｇ：半導体モジュール
９ａ−９ｈ：スイッチング素子
１２：電圧コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
２５ａ：正極端子
２５ｂ：負極端子
２５ｃ：パワー端子
２６：電流センサ
２７：降圧コンバータ
２８：端子台
３０：正極バスバ
３１：コンデンサモジュール
４０：負極バスバ
５０、６０：冷却器
５１、６１：冷却パイプ
５２：連結管
５３ａ：冷媒供給口
５３ｂ：冷媒排出口
６４、６５：発熱部品
８１：メインバッテリ
８２：サブバッテリ
１００：電気自動車
Ｇ：隙間
【図１】
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【図２】
2020141540.tif 000004
【図３】
2020141540.tif 000005
【図４】
2020141540.tif 000006
【図５】
2020141540.tif 000007