(57)【要約】【課題】本明細書は、並んで配置されている冷却器の間にコンデンサと半導体モジュールが挟まれている電力変換器に関し、冷却性能を向上する。【解決手段】本明細書が開示する電力変換器２は、複数の冷却器３と、複数の半導体モジュール８と、複数のコンデンサ素子４を備えている。複数の冷却器３は、並んで配置されている。いずれの一対の隣り合う冷却器３の間にも、少なくとも１個の半導体モジュール８と、少なくとも１個のコンデンサ素子４が挟まれている。それぞれの冷却器間空間に半導体モジュール８とコンデンサ素子４を混在することで、複数の冷却器３の全体で温度が一様になり、従来の電力変換器よりも冷却効率が向上する。【選択図】図３
2020137159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
並んで配置されている複数の冷却器と、
電力変換用のスイッチング素子を収容している複数の半導体モジュールと、
複数のコンデンサと、
を備えており、
隣り合う前記冷却器の間に少なくとも１個の前記半導体モジュールと少なくとも１個の前記コンデンサが挟まれている、電力変換器。
【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、電力変換器に関する。特に、電力変換用のスイッチング素子を収容している複数の半導体モジュールと複数のコンデンサとそれらを冷却する複数の冷却器を備えている電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１−３に、複数の半導体モジュールと複数のコンデンサと複数の冷却器を備えている電力変換器が開示されている。いずれの電力変換器も、複数の冷却器は並んで配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールとコンデンサが挟まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３４１７３２号公報
【特許文献２】特開２０１６−１４９９０８号公報
【特許文献３】特開２０１６−１４９９０９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１−３に開示されている電力変換器はいずれも、隣り合う冷却器の間には、半導体モジュールのみ、あるいは、コンデンサのみが挟まれている。半導体モジュールとコンデンサは発熱量が異なる。半導体モジュールとコンデンサの一方の発熱量に合わせて冷却器の冷媒の温度と流量を調整すると、半導体モジュールとコンデンサの他方にとっては冷媒の温度あるいは流量が適切でないことが生じ得る。半導体モジュールとコンデンサが別々の空間（別々の冷却器間空間）に配置されていると、冷却器の温度差が大きくなってしまい、効率的な冷却ができなくなる。
【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器は、複数の冷却器と複数の半導体モジュールと複数のコンデンサを備えている。複数の冷却器は並んで配置されており、隣り合う冷却器の間に少なくとも１個の半導体モジュールと少なくとも１個のコンデンサが配置されている。それぞれの冷却器間空間に半導体モジュールとコンデンサを混在させることで、複数の冷却器の全体で温度が一様になり、従来の電力変換器よりも冷却効率が向上する。
【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】電力変換器を含む電気自動車の電力系の回路図である。
【図２】半導体モジュールの斜視図である。
【図３】電力変換器の平面図である。
【図４】第１変形例の冷却器の平面図である。
【図５】第２変形例の冷却器の平面図である。
【図６】第３変形例の冷却器の平面図である。
【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器２を説明する。電力変換器２は、電気自動車１００に搭載される。図１に、電力変換器２を含む電気自動車１００の電力系の回路図を示す。電気自動車１００は、走行用のモータ９３ａ、９３ｂを備えている。電力変換器２は、バッテリ９１の直流電力を走行用のモータ９３ａ、９３ｂ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９３ａ、９３ｂの出力は、不図示のギアボックスで合成されて車軸（即ち駆動輪）へと伝達される。
【０００９】
電力変換器２は、不図示のシステムメインリレーを介してバッテリ９１と接続されている。電力変換器２は、バッテリ９１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂ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を備えている。インバータ回路１３ａがモータ９３ａの駆動電力を生成し、インバータ回路１３ｂがモータ９３ｂの駆動電力を生成する。モータ９３ａ、９３ｂはいずれも三相交流モータであり、インバータ回路１３ａ、１３ｂが出力する駆動電力も三相交流電力である。
【００１０】
電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂは並列に接続されている。電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂの夫々は、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。バッテリ９１とインバータ回路１３ａ、１３ｂの間に複数の電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂを並列に接続することで、負荷を分散することができる。
【００１１】
説明の便宜上、以下では、バッテリ側の端子を低電圧端１８と称し、インバータ側の端子を高電圧端１９と称する。低電圧端１８と高電圧端１９は、夫々、２個の電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂに共通である。低電圧端１８の正極と負極を夫々、低圧正極端１８ａと低圧負極端１８ｂと称する。高電圧端１９の正極と負極を夫々、高圧正極端１９ａと高圧負極端１９ｂと称する。
【００１２】
電圧コンバータ回路１２ａについて説明する。電圧コンバータ回路１２ａは、２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列接続、リアクトル１４、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。２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列接続は、高圧正極端１９ａと高圧負極端１９ｂの間に接続されている。リアクトル１４は、一端が低圧正極端１８ａに接続されており、他端はスイッチング素子９ａ、９ｂの直列接続の中点に接続されている。低圧負極端１８ｂは高圧負極端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１２ａ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。
【００１３】
電圧コンバータ回路１２ｂは、電圧コンバータ回路１２ａと同じ回路構造を有しており、リアクトル１４、２個のスイッチング素子９ｃ、９ｄの直列接続、スイッチング素子９ｃ、９ｄの夫々に逆並列に接続されているダイオードを備えている。なおリアクトル１４は、電圧コンバータ回路１２ａと兼用である。電圧コンバータ回路１２ｂは電圧コンバータ回路１２ａと同じ回路構造を有しているので詳しい説明は省略する。なお、符号８ｂ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８ｂに対応する。
【００１４】
２個の電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂに共通の低圧正極端１８ａと低圧負極端１８ｂの間にフィルタコンデンサ１５が接続されている。２個の電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂに共通の高圧正極端１９ａと高圧負極端１９ｂの間に平滑コンデンサ１６が接続されている。
【００１５】
電圧コンバータ回路１２ａのスイッチング素子９ａ、９ｂと電圧コンバータ回路１２ｂのスイッチング素子９ｃ、９ｄはコントローラ１７によって制御される。コントローラ１７は、電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂの夫々の正極側のスイッチング素子９ａ、９ｃに同じデューティ比のＰＷＭ信号（駆動信号）を送る。コントローラ１７は、電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂの夫々の負極側のスイッチング素子９ｂ、９ｄに対しても同じデューティ比のＰＷＭ信号（駆動信号）を送る。
【００１６】
インバータ回路１３ａについて説明する。インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子９ｅ、９ｆの直列接続を３組有している。図１では左端のスイッチング素子のみに符号９ｅ、９ｆを付し、残りのスイッチング素子への符号は省略した。３組の直列接続は並列に接続されている。夫々の直列接続の中点から交流が出力される。３組の直列接続により、三相交流が出力される。インバータ回路１３ａが出力する三相交流はモータ９３ａに供給される。符号８ｃが示す破線矩形の範囲の回路が半導体モジュール８ｃに対応する。半導体モジュール８ｄ、８ｅは、半導体モジュール８ｃと同じ構造を有している。
【００１７】
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いる。インバータ回路１３ｂは、２個のスイッチング素子の直列接続を３組備えており、夫々の直列接続が半導体モジュール８ｆ、８ｇ、８ｈに対応する。インバータ回路１３ａ、１３ｂの構造は良く知られているので詳しい説明は省略する。
【００１８】
半導体モジュール８ｃ−８ｈは、半導体モジュール８ａと同じ構造、即ち、２個のスイッチング素子９ｅ、９ｆの直列接続と、スイッチング素子９ｅ、９ｆの夫々に逆並列に接続されるダイオードで構成される回路構造を有している。
【００１９】
スイッチング素子９ａ−９ｆは、いずれもｎ型のトランジスタである。より具体的には、スイッチング素子９ａ−９ｆは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子９ａ−９ｆは、他の構造、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。スイッチング素子９ａ−９ｆが、電圧コンバータ回路１２ａ、１２ｂとインバータ回路１３ａ、１３ｂの主要部品であり、電力変換用のスイッチング素子と呼ぶことができる。
【００２０】
図２に、半導体モジュール８ａの斜視図を示す。半導体モジュール８ａは、樹脂製のパッケージ８１の内部に２個の半導体チップ８２ａ、８２ｂが埋設されたデバイスである。パッケージ８１は扁平であり、幅広面８１１と幅狭面８１２を有している。幅狭面８１２は、幅広面８１１と交差する面である。半導体チップ８２ａは、図１のスイッチング素子９ａとこれに逆並列に接続されているダイオードを実現している。半導体チップ８２ｂは、図１のスイッチング素子９ｂとこれに逆並列に接続されているダイオードを実現している。半導体チップ８２ａ、８２ｂはパッケージ８１の内部で直列に接続されており、直列接続の正極側と負極側は、夫々、正極端子８３ａ、負極端子８３ｂと導通している。２個の半導体チップ８２ａ、８２ｂの直列接続の中点が中点端子８３ｃと導通している。
【００２１】
端子８３ａ−８３ｃが設けられている幅狭面８１２とは反対側の幅狭面から制御端子８４ａ、８４ｂが延びている。制御端子８４ａは、半導体チップ８２ａのスイッチング素子９ａのゲートや温度センサと導通する端子群であり、制御端子８４ｂは、半導体チップ８２ｂのスイッチング素子９ｂのゲートや温度センサと導通する端子群である。図示は省略しているが、パッケージ８１の幅広面８１１には放熱板が露出している。
【００２２】
図１から理解されるように、８個の半導体モジュール８ａ−８ｈは、平滑コンデンサ１６に対して並列に接続される。半導体モジュール８ａ−８ｈと平滑コンデンサ１６は、発熱量が大きい。電力変換器２では、半導体モジュール８ａ−８ｈと平滑コンデンサ１６を集中して冷却する構造を備えている。次に、電力変換器２のハードウエア構造を説明する。
【００２３】
平滑コンデンサ１６は、ハードウエアとしては複数のコンデンサ素子の並列接続で実現される。図３に電力変換器２の平面図を示す。電力変換器２は、図３に示した部品以外にも様々な部品を備えているが、それらの図示は省略する。また、半導体モジュール８ａ−８ｈはすべて同じ構造を有しているので、以下では、複数の半導体モジュール８ａ−８ｈを区別することなく、いずれも半導体モジュール８と表記する。
【００２４】
電力変換器２は、複数の冷却器３と、複数の半導体モジュール８と、複数のコンデンサ素子４を備えている。冷却器３は、扁平形状を有しており、内部が冷媒の流路になっている。複数の冷却器３は、幅広面同士が対向するように、一列に並んで配置されている。隣り合う一対の冷却器３の間に、半導体モジュール８とコンデンサ素子４が１個ずつ挟まれている。図３に示されているように、いずれの隣り合う一対の冷却器の間にも、半導体モジュール８とコンデンサ素子４が１個ずつ挟まれている。
【００２５】
隣り合う冷却器３は、２個の連結管５ａ、５ｂで連結されている。図３では、左端の連結管にのみ、符号５ａ、５ｂを付し、残りの連結管には符号を省略した。連結管５ａは、隣り合う冷却器３の一方の端を連結しており、連結管５ｂは、一対の冷却器３の他方の端を連結している。連結管５ａ、５ｂは、隣り合う一対の冷却器３の内部の流路を連通する。連結管５ａ、５ｂは、冷却器３の並び方向（図中の座標系のＸ方向）からみて、半導体モジュール８とコンデンサ素子４を挟み込むように配置されている。
【００２６】
複数の冷却器３の並び方向の一端の冷却器３（図３の左端の冷却器３）には、冷媒供給管６ａと冷媒排出管６ｂが連結されている。冷媒供給管６ａは、冷却器３の並び方向からみて、一方の連結管５ａと重なるように配置されている。冷媒排出管６ｂは、冷却器３の並び方向からみて、他方の連結管５ｂと重なるように配置されている。
【００２７】
冷媒供給管６ａと冷媒排出管６ｂには、不図示の冷媒循環装置が接続される。冷媒循環装置から送られる冷媒は、冷媒供給管６ａと一方の連結管５ａを通じて総ての冷却器３に分配される。冷媒は冷却器３の内部の流路を流れる間に隣接する半導体モジュール８とコンデンサ素子４から熱を吸収し、半導体モジュール８とコンデンサ素子４を冷却する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管５ｂと冷媒排出管６ｂを通じて冷媒循環装置に戻る。連結管５ａが連結管５ｂよりも冷媒流の上流側に位置する。冷媒は液体であり、具体的には、水、あるいは、不凍液である。冷媒循環装置には、冷媒の温度を計測する温度センサと流量を調整するポンプが備えられている。冷媒循環装置は、冷媒の温度と流量を適切に調整し、半導体モジュール８とコンデンサ素子４の温度を調整する。
【００２８】
電力変換器２では、いずれの隣り合う一対の冷却器３の間にも、１個の半導体モジュール８と１個のコンデンサ素子４が挟まれている。半導体モジュール８とコンデンサ素子４の発熱量が異なるが、上記の配置により、総ての冷却器３の温度のばらつきは小さくなる。特定の一対の冷却器３の間には半導体モジュールのみを挟み、別の特定の一対の冷却器３の間にはコンデンサ素子４を挟むと、複数の冷却器の温度のばらつきが大きくなる。その場合、半導体モジュール８が適切に冷却されるように冷媒の温度と流量を調整すると、コンデンサ素子４に対しては、冷却不十分あるいは過冷却となる可能性がある。逆に、コンデンサ素子４が適切に冷却されるように冷媒の温度と流量を調整すると、半導体モジュール８に対しては冷却不足あるいは過冷却となる可能性がある。実施例の電力変換器２では、複数の冷却器３の温度のばらつきが小さくなるので、半導体モジュール８とコンデンサ素子４を適切に冷却することができる。別言すれば、実施例の電力変換器２は、冷却効率が良い。
【００２９】
図３の電力変換器２では、コンデンサ素子４が半導体モジュール８よりも冷媒の流れの上流側に配置されている。コンデンサ素子４が半導体モジュール８よりも発熱量が大きい場合には、そのような配置が適切である。
【００３０】
それぞれのコンデンサ素子４は、正極端子４１ａと負極端子４１ｂを備えている。正極端子４１ａと負極端子４１ｂは、半導体モジュール８の正極端子８３ａ、負極端子８３ｂと同じ方向（図中の座標系の＋Ｚ方向）に延びている。先に述べたように、図１の回路において、平滑コンデンサ１６と半導体モジュール８は並列に接続される。すなわち、複数のコンデンサ素子４と複数の半導体モジュール８は並列に接続される。総ての半導体モジュール８の正極端子８３ａと総てのコンデンサ素子４の正極端子４１ａは、正極バスバ２１で接続される。総ての半導体モジュール８の負極端子８３ｂと総てのコンデンサ素子４の負極端子４１ｂは、負極バスバ２２で接続される。図３では、正極バスバ２１と負極バスバ２２は太線で描いてある。総ての正極端子８３ａと総ての正極端子４１ａは、正極バスバ２１によって最短距離で接続される。総ての負極端子８３ｂと総ての負極端子４１ｂは、負極バスバ２２によって最短距離で接続される。正極端子同士（負極端子同士）の接続距離が短いと、バスバが有する寄生インダクタンスが小さくなるという効果が得られる。
【００３１】
（第１変形例）図４に、第１変形例の電力変換器２ａの平面図を示す。電力変換器２ａでは、半導体モジュール８が冷媒供給管６ａに近い側に配置されており、コンデンサ素子４が冷媒排出管６ｂに近い側に配置されている。すなわち、電力変換器２ａでは、半導体モジュール８がコンデンサ素子４よりも冷媒流の上流側に配置されている。この配置は、半導体モジュール８の発熱量がコンデンサ素子４の発熱量よりも大きい場合に好適である。
【００３２】
（第２変形例）図５に、第２変形例の電力変換器２ｂの平面図を示す。図５では、コンデンサ素子４と半導体モジュール８は簡略化して描いてあり、端子の図示は省略した。図５では、正極バスバと負極バスバの図示も省略した。理解を助けるため、コンデンサ素子４にはグレーのハッチングを施してあり、半導体モジュール８には斜線ハッチングを施してある。図４とは半導体モジュール８のサイズが異なるが、図５の半導体モジュール８も、電力変換用のスイッチング素子を収容している。また、図５では、右端のコンデンサ素子４と半導体モジュール８にのみ符号を付し、残りのコンデンサ素子４と半導体モジュール８には符号を省略した。図５の電力変換器２ｂは、実施例の電力変換器２よりも多くの半導体モジュールを備えている。図５の電力変換器２ｂの回路図は、図１の回路図ではなく別の回路図で表される。
【００３３】
電力変換器２ｂも、複数の冷却器３と、複数の半導体モジュール８と、複数のコンデンサ素子４を備えている。複数の冷却器３は、扁平であり、互いの幅広面が対向するように並んで配置されている。隣り合う一対の冷却器３は、連結管５ａ、５ｂで接続されている。冷却器３は内部が冷媒の流路になっており、連結管５ａ、５ｂは、隣り合う一対の冷却器３の流路を連通する。いずれの隣り合う一対の冷却器３の間にも、３個のコンデンサ素子４と３個の半導体モジュール８が挟まれている。コンデンサ素子４は、複数の冷却器３の並び方向で一列に並んでいる。半導体モジュール８も、複数の冷却器３の並び方向で一列に並んでいる。第２変形例の電力変換器２ｂも、複数の冷却器３の温度ばらつきが小さくなる。
【００３４】
（第３変形例）図６に、第３変形例の電力変換器２ｃの平面図を示す。電力変換器２ｃは、第２変形例の電力変換器２ｂに対して、コンデンサ素子４と半導体モジュール８のＸ方向の並び方が相違する。Ｘ方向とは、複数の冷却器３の並び方向である。電力変換器２ｃのその他の構造は電力変換器２ｂの構造と同じである。電力変換器２ｃでも、いずれの隣り合う一対の冷却器３の間に、３個のコンデンサ素子４と３個の半導体モジュール８が挟まれている。
【００３５】
複数のコンデンサ素子４と複数の半導体モジュール８は、冷却器３の並び方向においては、１個ずつ交互に並んでいる。電力変換器２ｃの全体では、複数のコンデンサ素子４と複数の半導体モジュール８が千鳥格子状に配置されている。第３変形例の電力変換器２ｃは、複数の冷却器３の温度ばらつきが一層小さくなる。
【００３６】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。本明細書が開示する技術は、隣り合う一対の冷却器の間に挟まれるコンデンサ素子の個数と半導体モジュールの個数に制限はない。また、複数の冷却器の積層数にも制限はない。本明細書が開示する電力変換器は、隣り合う一対の冷却器の間に、少なくとも１個の半導体モジュールと、少なくとも１個のコンデンサ（コンデンサ素子）が挟まれていればよい。
【００３７】
実施例の電力変換器２、２ａ−２ｃでは、いずれの隣り合う一対の冷却器の間にも、コンデンサ素子と半導体モジュールが挟まれている。本明細書が開示する技術は、一部の隣り合う一対の冷却器の間には、半導体モジュールのみ、あるいは、コンデンサのみが挟まれていてもよい。あるいは、一部の隣り合う冷却器の間に、半導体モジュールとコンデンサ以外のデバイスが挟まれていてもよい。例えば、一対の冷却器の間にリアクトルが挟まれていてもよい。本明細書が開示する電力変換器は、一部の隣り合う一対の冷却器の間に、少なくとも１個の半導体モジュールと少なくとも１個のコンデンサ（コンデンサ素子）が挟まれていればよい。
【００３８】
本明細書が開示する電力変換器２、２ａ−２ｃは、冷却性能が高いので、半導体モジュール内のスイッチング素子とコンデンサ素子は高負荷に耐えられる。このことは、電力変換器２、２ａ−２ｃが、電記自動車において電源電力を走行用モータの駆動電力に変換するデバイスに適用されときに動力性能の向上に貢献する。
【００３９】
本明細書が開示する電力変換器２、２ａ−２ｃは、冷却性能が高いので、コンデンサ素子に対する熱負荷が軽減される。このことは、フィルムコンデンサを用いる場合に、フィルムの薄膜化に貢献する。また、コンデンサ素子が冷却されるため、冷却されない場合と比較して寿命が延びる。
【００４０】
電力変換器は適用される製品のタイプに応じて半導体モジュールの個数が異なる。半導体モジュールの個数が増えるほど、容量の大きい平滑コンデンサ１６（図１参照）が必要となる。実施例の電力変換器は、半導体モジュールの数を増やす場合にコンデンサ素子の数も容易に増やすことができる。実施例で開示した技術は、電流容量の異なる複数タイプの電力変換器を製造する際のコスト低減に貢献する。
【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−２ｃ：電力変換器
３：冷却器
４：コンデンサ素子
５ａ、５ｂ：連結管
６ａ：冷媒供給管
６ｂ：冷媒排出管
８、８ａ−８ｈ：半導体モジュール
９ａ−９ｆ：スイッチング素子
１２ａ、１２ｂ：電圧コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
１４：リアクトル
１５：フィルタコンデンサ
１６：平滑コンデンサ
１７：コントローラ
１８：低電圧端
１９：高電圧端
２１、２２：バスバ
【図１】
2020137159.tif 000003
【図２】
2020137159.tif 000004
【図３】
2020137159.tif 000005
【図４】
2020137159.tif 000006
【図５】
2020137159.tif 000007
【図６】
2020137159.tif 000008