(57)【要約】【課題】電力変換回路のパワー損失を抑制して発熱量を小さくし、車両走行中の走行風で冷却できる簡易な構成の冷却手段を備えた車載電力変換装置を得ることである。【解決手段】車載電力変換装置Ａ１  は、ワイドバンドギャップ半導体素子の複数の半導体スイッチ１２と複数の還流ダイオード１３をブリッジ回路を成すよう組合わせた電力変換回路をケース１０ｃ内に収納したインバータモジュール１０に放熱板２を有する放熱器１を接続して設け、電力変換回路の発熱を車両の走行風で冷却するように構成し、電力変換効率の高効率化を図り、冷却機構を簡素化して部品点数の大幅削減、信頼性の向上を図っている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワイドバンドギャップ半導体素子を用いた複数の半導体スイッチと複数の還流ダイオードとをブリッジ回路を成すように組合わせ、外部からの制御信号により各半導体スイッチを駆動して直交流変換をする電力変換回路をケース内に収納し、複数枚の放熱板を有する放熱器を上記ケースに接続して取付け、電力変換回路からの発熱を、車両走行時の走行風を放熱器へ送ることにより冷却するように構成した車載電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換回路へ制御信号を送る制御ユニットを電力変換回路のケースと一体に構成したことを特徴とする請求項１に記載の車載電力変換装置。
【請求項３】
前記放熱器に対し走行風を導入する通風手段を車両内に配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の車載電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体素子を変換素子とする電力変換手段の温度上昇を簡易な構成の冷却手段で冷却するようにした車載電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の電気自動車における走行用モータの駆動電力及びその回生電力を変換する電力変換装置は、従来Ｓｉ（珪素）半導体を変換素子として用いているため、大電力化、高速スイッチング化に伴って、その制御回路と共に温度上昇が大きくなり、温度上昇を有効に抑制するための冷却機構を必要としている。大電力化、高速スイッチング化に対応してエネルギの低損失化を図るため、Ｓｉ半導体の変換素子をＳｉＣ半導体とした電力変換装置が公知である。
【０００３】
その一例として、特許文献１に「インバータ」の発明が開示されている。この文献によるインバータは、ＦＥＴ構造の変換素子を用いたインバータにおいて、変換素子をＳｉＣＪＦＥＴで形成したというものである。又、変換素子の帰還ダイオードとしてＳｉＣショットキーダイオードをさらに含んでいる。ＳｉＣのＪＦＥＴは、キャリア密度、キャリア移動度が高いので、損失が小さく、スイッチング周波数が数ＧＨｚまで可能とされている。
【０００４】
他の一例として、特許文献２に「電力半導体モジュール」の発明が開示されている。この文献による電力変換モジュールは、少なくとも１つのスイッチング素子と、ＳｉＣ半導体の２以上のショットキーバリアダイオードを直列に接続したものをスイッチング素子と逆並列に接続して構成されている。そして、このダイオードにより高耐圧、高効率化を図っている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２２４８６７号公報
【特許文献２】
特開２００１−２４５４７９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した２つの特許文献の「インバータ」、「電力半導体モジュール」では、ＦＥＴ変換素子にＳｉＣＪＦＥＴ半導体、還流ダイオードにＳｉＣ半導体のショットキーバリアダイオードを用いることによりそれぞれ電力変換の高効率化、パワー損失の低減化を図っている。しかし、このような電力変換の高効率化を図るため高温動作が可能なＳｉＣ半導体を電力変換装置に使用したとしても、複数個の半導体を使用しているため、その温度上昇は放置できる程度ではなく、冷却機構を必ず必要とする。
【０００７】
従来のＳｉ半導体を用いた電力変換装置に比較すると、ＳｉＣ半導体を用いた電力変換装置では、高効率で高温動作が可能であるから、電力変換装置の冷却機構は簡素化できる。しかし、上記２つの特許文献１、２ではいずれの電力変換装置も、ＳｉＣ半導体ＦＥＴ、ＳｉＣ半導体ダイオードを用いた場合の電力変換が高効率化されることについて説明しているだけであり、冷却機構については全く言及していない。
【０００８】
この発明は、上記の問題点に留意して、電力変換回路のパワー損失を抑制して発熱量を小さくし、車両走行中の走行風で冷却できる簡易な構成の冷却手段を備えた車載電力変換装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決する手段として、ワイドバンドギャップ半導体素子を用いた複数の半導体スイッチと複数の還流ダイオードとをブリッジ回路を成すように組合わせ、外部からの制御信号により各半導体スイッチを駆動して直交流変換をする電力変換回路をケース内に収納し、複数枚の放熱板を有する放熱器を上記ケースに接続して取付け、電力変換回路からの発熱を、車両走行時の走行風を放熱器へ送ることにより冷却するように構成した車載電力変換装置としたのである。
【００１０】
上記の構成としたこの発明の車載電力変換装置は、電気自動車の走行モータへバッテリから大電流を供給するような電源回路に用いられ、直交流変換作用及び回生電力の変換作用を行なう。電力変換回路の複数の半導体スイッチにはワイドバンドギャップ半導体素子が用いられており、スイッチング動作における損失抵抗が小さいためパワー損失が小さく、電力変換の効率が高い。ワイドバンドギャップ半導体素子としては、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンド等のいずれかを採用することができる。
【００１１】
このような半導体素子は、パワー損失が小さいため発熱量も、例えば従来のＳｉ半導体素子に比較すると極めて小さく、又Ｓｉ半導体素子の動作温度以上（周囲温度１５０℃〜）でのスイッチング動作が可能なため、冷却手段は従来の水冷機構のような複雑なものは不要であり、簡易な空冷機構とすることができるのである。そして、この空冷機構は、空冷用ファンによるものではなく、車両走行によって生じる走行風を放熱器の放熱板に接触させるだけの簡易な機構としている。
【００１２】
【実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は（ａ）車載電力変換装置の主断面図、（ｂ）インバータ回路の図を示す。図示のように、車載電力変換装置Ａ１  は、（ａ）図に示すように、放熱器１とインバータモジュール１０とドライバユニット２０とをこの記載の順に上下に重ねて一体に結合して備えている。
【００１３】
放熱器１は、複数枚の放熱板２を放熱基板３と直交して設け、各放熱板２と放熱板２との間は風が流通し易い適宜のスペース４を置いて設けられている。この放熱器１の上方には図示しないダクトの先端に設けられるデイフューザ５から矢印ｆで示す走行風が送られて来るようになっている。放熱板２の大きさ、厚さ及びスペース４の寸法は後述する電力変換回路からの発熱量に応じて適宜に設定される。又、放熱器１の材質は、例えばアルミ合金等の熱伝導率の高いものを用いる。
【００１４】
インバータモジュール１０は、ケース１０ｃ内に回路基板１１が設けられ、この回路基板１１の上に複数の半導体スイッチ１２と、複数の還流用ダイオード１３とが設けられ、回路基板１１の両端部付近の適宜位置に入力側の電力線１４と出力側の電力線１５とが接続されて形成されている。
【００１５】
複数の半導体スイッチ１２と複数の還流用ダイオード１３とは、（ｂ）図に示すようにブリッジ回路を成すように組合わされて、インバータ回路を形成している。図中では、６つの半導体スイッチ１２ａ〜１２ｆと、６つの還流用ダイオード１３ａ〜１３ｆとが用いられているが、これらを代表して１２、１３の符号を使用して説明する。半導体スイッチ１２は、ワイドバンドギャップ半導体素子が用いられており、図示の例ではＳｉＣ半導体素子を用いたＳｉＣＭＯＳＦＥＴが採用されているが、他にもＧａＮ、ダイヤモンド等の半導体素子を採用することもできる。
【００１６】
ＳｉＣ半導体素子は、従来のＳｉ半導体素子がキャリア密度、キャリア移動度が低いため損失が大きく、スイッチング素子としてのオン抵抗が大きいとされるのに対し、キャリア密度、キャリア移動度が高いので、低損失のパワーデバイスとして利用でき、インバータ回路に好適である。
【００１７】
インバータ回路を駆動する場合、後述する外部のドライバユニット２０からの制御信号が半導体スイッチ１２のゲート端子に送られると、スイッチが導通し、これらの制御信号のタイミングを適宜制御することにより入力側の電力線１４から送り込まれる直流電流ＤＣを３相交流電流ＡＣに変換して出力側の電力線１５から送り出し、直交流変換が行なわれる。
【００１８】
ドライバユニット２０は、これも回路基板２１上に半導体スイッチ２２やダイオード２３、又図示しないコンデンサ、抵抗等が取付けられて制御信号を出力する制御回路が形成され、ケース２０ｃ内に収納されている。このドライバユニット２０へは、図示しない主制御部（ＥＣＵ）から上記半導体スイッチ１２のいずれかを駆動すべきタイミングに従って制御信号が送られて来るようになっており、これに基づいて半導体スイッチ１２へ駆動のための制御信号をドライバユニット２０から送り出して上述したインバータ回路の駆動が行なわれる。
【００１９】
なお、ドライバユニット２０は、図２の（ａ）図に示す第１実施形態のように、放熱器１、インバータモジュール１０と一体型に構成することもできるし、（ｂ）図に示す第２実施形態のように、放熱器１、インバータモジュール１０とは別体に形成することもできる。但し、この場合はドライバユニット２０は制御ライン１６を外部接続してインバータモジュール１０を駆動することとなる。
【００２０】
図３に電気自動車の走行用モータＭへバッテリから電源を供給する電源回路の例を示す。上述した放熱器１、インバータモジュール１０を含む第１、第２実施形態の車載電力変換装置Ａ１  、Ａ２  をそのまま適用した例である。図示の電源回路は、バッテリＢからの直流電流を電磁リレーＲＬ  を介してインバータＩｎ  へ送り、そこで変換された３相交流電流をモータＭへ送るように構成されている。電磁リレーＲＬ  は半導体スイッチを内蔵するコネクタを用いてもよい。
【００２１】
図示のインバータＩｎ  は、図１の（ｂ）図に示すインバータと同じであり、走行モータＭへの通電はドライバユニット２０からの制御信号をインバータＩｎ  へ送り、このユニットで電圧、温度を監視しながら加速、減速を制御するようになっている。このような電源回路では走行モータＭへ通電される電流は数十Ａ以上の大電流であり、従来のＳｉ半導体スイッチでは電力損失が大きいが、ワイドバンドギャップ半導体素子としてＳｉＣ半導体スイッチを用いることにより発熱を抑制して大電流を通電することができ、このためインバータモジュール１０の電力変換の高効率化を図ることができる。
【００２２】
又、ＳｉＣ半導体スイッチは、Ｓｉ半導体素子の動作温度以上（周囲の温度１５０℃〜）でのスイッチング動作が可能であるため、従来のような複雑な水冷式の冷却機構は不要であり、上述した簡易な構成の冷却機構を採用している。
【００２３】
上記のように構成した２つの実施形態の車載電力変換装置Ａ１  、Ａ２  は、電気自動車の走行用モータのような大電流で負荷を駆動する必要のある車載電源回路で、直流電流を交流電流に変換し、かつ回生電流をバッテリに戻すのに利用される。インバータモジュール１０による直交流変換作用は、前述したように、ドライバユニット２０からの制御信号によって行なわれ、その作用は従来のインバータと基本的に同じ原理で行なわれる。
【００２４】
インバータモジュール１０で直交流変換が行なわれる際に、インバータ回路を構成する半導体スイッチ１２は、ワイドバンドギャップ半導体素子であるＳｉＣ半導体が用いられているため、直交流変換の際のパワー損失が小さく、従って半導体スイッチ１２からの発熱も、従来のＳｉ半導体スイッチを用いた場合に比較すると小さく抑制される。しかし、発熱が抑制されるとしても冷却は必要であり、その冷却は上記放熱器１により行なわれる。
【００２５】
放熱器１へは、図４に示すように、車両の走行中は走行風ｆがディフューザ５から送られて来るため、この走行風ｆにより冷却が行なわれる。そして、インバータモジュール１０による直交流変換では、車両走行時に走行速度が増速されるに従ってより大きい電流が流れ、発熱も電流が大きくなるにつれて増大する。しかし、走行速度が増すにつれて走行風も大きくなり、走行風ｆによる冷却効果も増大する。従って、大熱量発生時にはこれに対応する速度で車両が動いているため、強制空冷用ファンを用いることなく、上記のような簡易な構成の走行風による空冷電力変換装置とすることにより空冷することができることとなる。
【００２６】
なお、上記実施形態では車載電力変換装置は電気自動車の走行モータへの電源回路に使用することを前提として説明したが、このような走行モータ以外のモータ用の電源回路に利用することも勿論可能である。その場合は、車載電力変換装置からの発熱はそれぞれ異なるから、その電源回路からの発熱量に応じて放熱器の放熱板の大きさ、枚数、スペース間隔を適宜に設定すればよい。又、通風手段は必ずしもダクト、ディフューザによらなくても、何らかの導入手段で放熱器へ走行風が送られるようにすればよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、この発明の車載電力変換装置はワイドバンドギャップ半導体素子の複数の半導体スイッチを有する電力変換回路をケースに収納し、このケースに放熱器を接続して車両の走行風で電力変換回路の発熱を冷却するようにしたから、電気自動車の走行モータへの電源回路のような大電流を高効率で直交流変換するのに用いることができ、簡易な冷却機構を採用することができるため、電力変換装置の信頼性の向上と部品点数の大幅削減が可能となり、電気自動車のコスト低減と軽量化に伴う燃費向上を実現することができるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の車載電力変換装置の（ａ）主断面図、（ｂ）インバータモジュールの電気回路図
【図２】（ａ）第１実施形態の車載電力変換装置の外観斜視図、（ｂ）第２実施形態の車載電力変換装置の外観斜視図
【図３】電気自動車の走行モータ用電源回路の系統図
【図４】冷却機構の模式図
【符号の説明】
１  放熱器
２  放熱板
３  放熱基板
４  スペース
５  ディフューザ
１０  インバータモジュール
１１  回路基板
１２  半導体スイッチ
１３  還流ダイオード
１４、１５  電力線
２０  ドライバユニット
２１  回路基板
Ａ１  、Ａ２    車載電力変換装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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