(57)【要約】【課題】本明細書は、電流センサ素子を収容した複数のパワーモジュール（ＰＭ）を含む積層体と、その電流センサ素子の信号を処理する信号処理回路を実装した制御基板を有する電力変換装置において、装置を小型化する技術を提供する。【解決手段】電力変換装置２は、電流センサ素子３７を収容している複数のＰＭと、複数の冷却器と、制御基板２５と中継基板２２を備えている。制御基板２５は、電流センサ素子３７に電力を供給するとともに、電流センサ素子３７の信号を処理する信号処理回路が実装されている。中継基板２２は、ＰＭと冷却器の積層体２０の側方に配置されており、積層体２０に沿って延びている。制御基板２５と中継基板２２が第１電力線２４によって接続されており、第１電力線２４によって中継基板２２に伝送された電力を各ＰＭの電流センサ素子３７に分配する第２電力線３８ａ、３８ｂが中継基板２２と各ＰＭの間を接続している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を収容しているとともに、当該半導体素子に流れる電流を計測する電流センサ素子を収容している複数のパワーモジュールと、
前記複数のパワーモジュールの夫々と交互に積層されている複数の冷却器と、
各電流センサ素子に電力を供給するとともに、前記電流センサ素子の信号を処理する信号処理回路が実装されている制御基板と、
前記パワーモジュールと前記冷却器の積層体の側方に配置されており、前記積層体に沿って当該積層体の積層方向に延びている中継基板と、
を備えており、
前記制御基板と前記中継基板が第１電力線によって接続されており、前記第１電力線によって前記中継基板に伝送された電力を各パワーモジュールの電流センサ素子に分配する第２電力線が前記中継基板と各パワーモジュールの間を接続していることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、典型的には、コンバータ回路、又は、インバータ回路、あるいは、その双方を含むデバイスである。コンバータ回路やインバータ回路の主要部品は、電力変換用の半導体素子である。電力変換用の半導体素子は、典型的にはパワートランジスタであり、パワー素子と呼ばれることもある。
【０００３】
一般に、コンバータ回路やインバータ回路は多数の半導体素子を含む。電力変換用の半導体素子は発熱量が大きい。多数の半導体素子を集約して効率良く冷却する構造が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の電力変換装置は、半導体素子を収容した複数のパワーモジュールと複数の冷却器を一つずつ交互に積層した積層体を備える。各パワーモジュールはその両側から効率よく冷却される。
【０００４】
特許文献１のパワーモジュールは、半導体素子を流れる電流を計測する電流センサ素子もそのパッケージに収容している。パワーモジュールと冷却器の積層体に隣接して、電流センサ素子の信号を処理する信号処理回路を実装した制御基板が配置されており、各パワーモジュールと制御基板が信号線で接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１３５７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
電流センサ素子は最低３本の信号線を必要とする。２本は電力用であり、１本は計測値を伝える信号用である。特許文献１の電力変換装置では、各パワーモジュールと制御基板が少なくとも３本の信号線で接続されている。積層体に積層されるパワーモジュールが多くなると、積層体と制御基板の間を接続する信号線の数が増える。制御基板に接続される信号線の数が増えると、制御基板が大型化する。本明細書は、電流センサ素子を収容した複数のパワーモジュールを含む積層体と、その電流センサ素子の信号を処理する信号処理回路を実装した制御基板を有する電力変換装置において、装置を小型化する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書が開示する電力変換装置は、複数のパワーモジュールと複数の冷却器と制御基板と中継基板を備える。各パワーモジュールは、半導体素子と電流センサ素子を収容している。電流センサ素子は、半導体素子に流れる電流を計測するために備えられている。複数の冷却器は、複数のパワーモジュールの夫々と交互に積層されている。制御基板は、各電流センサ素子に電力を供給するとともに、各電流センサ素子の信号を処理する信号処理回路を実装している。中継基板は、複数のパワーモジュールと複数の冷却器の積層体の側方に配置されており、その積層体に沿って積層体の積層方向に延びている。この電力変換装置では、制御基板と中継基板が第１電力線によって接続されている。また、第１電力線によって中継基板に伝送された電力を各パワーモジュールの電流センサ素子に分配する第２電力線が中継基板と各パワーモジュールへの間を接続している。
【０００８】
本明細書が開示する電力変換装置では、電流センサ素子へ電力を供給するための信号線は、制御基板と中継基板の間では最低２本あればよい。従って、各パワーモジュールに収容されている電流センサ素子と制御基板を直接に接続する場合に比べて、制御基板に接続される信号線の数を減らすことができ、装置の小型化が図れる。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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例の電力変換装置のブロック図である。
【図２】電力変換装置の一部斜視図である。
【図３】積層体の正面図である。
【図４】積層体の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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は、電気自動車に搭載され、バッテリの電力をモータ駆動に適した電力に変換するデバイスである。図１に、電力変換装置２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、２個のモータ８３ａ、８３ｂを備える。２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、動力分配機構８５で合成／分配されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。
【００１１】
電力変換装置２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力変換装置２は、バッテリ８１の電圧を昇圧するコンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流電力に変換する２個のインバータ回路１３ａ、１３ｂを含む。インバータ回路１３ａは、モータ８３ａへ電力を供給し、インバータ回路１３ｂは、モータ８３ｂへ電力を供給する。
【００１２】
コンバータ回路１２は、２個のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路と、一端がその直列回路の中点に接続されており他端が入力側（バッテリ側）の高電位端子に接続されているリアクトル７と、入力側の高電位端子と低電位端子の間に接続されているフィルタコンデンサ５と、各スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８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。
【００１３】
コンバータ回路１２は、バッテリ８１の電圧を昇圧してインバータ回路１３ａ、１３ｂへ供給する動作（昇圧動作）と、インバータ回路１３ａ、１３ｂから入力される直流電力（回生電力）を降圧してバッテリ８１へ供給する動作（降圧動作）の双方を行うことができる。昇圧の場合はスイッチング素子Ｔ８が主に貢献し、降圧の場合はスイッチング素子Ｔ７が主に貢献する。図１のコンバータ回路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ＰＭ７が示す破線矩形の範囲の回路が、後述するパワーモジュールＰＭ７に対応する。リアクトル７を通る電流を計測する電流センサＳ７も、破線矩形の中、即ち、パワーモジュールＰＭ７に実装されている。
【００１４】
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（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、Ｔ３とＴ６）。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がコンバータ回路１２の高電位側の出力端に接続されており、３セットの直列回路の低電位側はコンバータ回路１２の低電位側の出力端に接続されている。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、破線矩形で囲まれている。夫々の破線矩形が、後述するパワーモジュールＰＭ１、ＰＭ２、ＰＭ３に対応する。各破線矩形の中に、電流センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３が図示されている。即ち、電流センサＳ１−Ｓ３は、夫々、パワーモジュールＰＭ１−ＰＭ３の夫々の中に実装されている。電流センサＳ１−Ｓ３は、夫々、対応するパワーモジュールＰＭ１−ＰＭ３の中のスイッチング素子を流れる電流を計測する。
【００１５】
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。各直列回路が後述するパワーモジュールＰＭ４、ＰＭ５、ＰＭ６に対応する。各パワーモジュールＰＭ４−ＰＭ６の夫々に、内部のスイッチング素子を流れる電流を計測する電流センサＳ４−Ｓ６が配置されている。
【００１６】
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、コンバータ回路１２の出力端に並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、コンバータ回路１２の出力電流に重畳しているノイズ（スイッチング動作に伴う電流の脈動）を除去する。
【００１７】
スイッチング素子Ｔ１−Ｔ８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。あるいは、将来的には異なるタイプのスイッチング素子が電力変換装置に用いられることもあり得る。また、ここでいうスイッチング素子は、大電流の電力を変換すること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。
【００１８】
電力変換装置２には、各スイッチング素子に駆動信号（ＰＷＭ信号）を供給する制御回路８も備えられている。先に述べた電流センサＳ１−Ｓ７の計測信号は制御回路８に送られる。制御回路８は、電流センサＳ１−Ｓ７の計測値を使って、各スイッチング素子に流れる電流が目標電流に追従するようにフィードバック制御を行う。即ち、制御回路８には、電流センサＳ１〜Ｓ７の信号を処理する信号処理回路が含まれている。図１における記号「ＰＷＭｘ」が示す線は、パワーモジュールＰＭｘ（ｘ＝１〜７）にＰＭＷ信号を供給する信号線を示している。また、記号「Ｓｘ」が示す線は、電流センサＳｘ（ｘ＝１〜７）の計測値を伝える信号線を示している。図１では、それらの信号線を簡略化して示してある。
【００１９】
電力変換装置２のハードウエア構造を説明する。図２に、電力変換装置２の一部斜視図を示す。図２は、先に述べたパワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ７と、冷却器２１ａ〜２１ｈを積層した積層体２０の斜視図である。電力変換装置２は、ハードウエアとして、他に、リアクトル７を収容したリアクトルユニットや、コンデンサ（フィルタコンデンサ５、平滑コンデンサ６）を収容したコンデンサユニットなどを有するが、それらの図示は省略する。以下では、複数のパワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ７を総称する場合にはパワーモジュールＰＭｘと表記し、複数の冷却器２１ａ〜２１ｈを総称する場合には冷却器２１ｘと表記する場合がある。
【００２０】
先に述べたように、積層体２０は、複数のパワーモジュールＰＭｘと、複数の冷却器２１ｘを一つずつ交互に積層したものである。図中のＸ軸方向が積層方向に相当する。以下では、説明の便宜上、図中の座標系のＺ軸正方向を「上」と称し、Ｚ軸負方向を「下」と称する。
【００２１】
積層体２０は、複数の冷却器２１ｘを貫通する冷媒供給管８７と冷媒排出管８８を備えている。冷却器２１ｘの内部は冷媒が通る流路になっており、冷媒供給管８７によって、外部から供給される冷媒が各冷却器２１ｘに分配される。冷媒は各冷却器２１ｘを通過する間に隣接するパワーモジュールＰＭｘから熱を吸収する。各冷却器を通過した冷媒は、冷媒排出管８８に集められ、電力変換装置２の外部へと排出される。冷媒は、水、あるいは、不凍液である。各パワーモジュールＰＭｘはカードタイプであり、その両側に冷却器２１ｘが接していることで効果的に冷却される。
【００２２】
各パワーモジュールＰＭｘの上部には、２セットの信号線２６ａ、２６ｂが伸びている。２セットの信号線２６ａ、２６ｂは、パワーモジュールＰＭｘの内部で、２個の半導体チップ（後述）と接続されている。２セットの信号線２６ａ、２６ｂは、積層体２０の上部に配置されている制御基板２５に接続されている。図１では、積層体２０が見えやすいように、制御基板２５を仮想線で描いてある。制御基板２５には、図１に示した制御回路８が実装されている。
【００２３】
積層体２０の側方に中継基板２２が配置されている。中継基板２２は、積層体２０の積層方向と直交する方向で、積層体２０の側方に配置されている。中継基板２２は、各パワーモジュールＰＭｘに収容されている電流センサ素子と制御基板２５を電気的に繋ぐために備えられている。中継基板２２は、積層体２０に沿って、その積層方向（図中のＸ軸方向）に延びている。
【００２４】
以下では、図２とともに、図３と図４を参照して、積層体２０と中継基板２２と制御基板２５の関係を説明する。図３は、積層体２０の正面図である。正面図とは、積層方向（図中のＸ軸方向）から見た図である。図３では、パワーモジュールＰＭ１の内部構造が理解できるように、樹脂パッケージ３０は輪郭だけを示してある。パワーモジュールＰＭ２−ＰＭ７の構造は、パワーモジュールＰＭ１と同じである。また、図３では、冷却器２１ｘと冷媒供給管８７と冷媒排出管８８は仮想線で描いてある。図４は、中継基板２２の側から見た積層体２０の側面図である。図４では、積層体２０の一部の図示を省略している。また、図４では、冷却器２１ｆ、２１ｇと、パワーモジュールＰＭ６は、端子板２３と信号線２４に隠れて見えない。
【００２５】
図３に示すように、中継基板２２からパワーモジュールＰＭ１に向けて接続枝板２９が伸びている。接続枝板２９の中を信号線３８ａ〜３８ｃが通っている。信号線３８ａ〜３８ｃは、パワーモジュールＰＭ１の内部の電流センサ素子３７と接続されている。パワーモジュールＰＭ１の内部の電流センサ素子３７が、図１に示した電流センサＳ１に対応する。なお、他のパワーモジュールＰＭ２〜ＰＭ７にも同様に電流センサ素子３７が実装されており、夫々の電流センサ素子３７が、図１の電流センサＳ２〜Ｓ７の夫々に対応する。
【００２６】
ここで、図３を参照して、パワーモジュールＰＭ１の内部構造を説明する。パワーモジュールＰＭ１は、２個の半導体チップ３１ａ、３１ｂと、電流センサ素子３７を樹脂パッケージ３０でモールドしたデバイスである。半導体チップ３１ａが図１のブロック図のスイッチング素子Ｔ１に相当し、半導体チップ３１ｂがスイッチング素子Ｔ２に相当する。
【００２７】
樹脂パッケージ３０の上端から、先に述べた信号線２６ａ、２６ｂが伸びている。信号線２６ａは、樹脂パッケージ３０の内部で半導体チップ３１ａに接続されている。信号線２６ｂは、樹脂パッケージ３０の内部で半導体チップ３１ｂに接続されている。信号線２６ａは、半導体チップ３１ａのゲートにＰＷＭ信号を送る信号線、チップ内のセンスエミッタの信号を伝送する信号線、チップ内の温度センサの信号を伝送する信号線などである。信号線２６ｂも同様である。
【００２８】
樹脂パッケージ３０の下端から、パワー端子３２、３４、３６が伸びている。パワー端子３２は、樹脂パッケージ３０の内部で、半導体チップ３１ａの一方の表面に露出しているコレクタ電極と接続されている。半導体チップ３１ａの他方の表面にはエミッタ電極が露出しており、そのエミッタ電極には導電板３３が接続されている。導電板３３の一端がパワー端子３４と接続されている。パワー端子３４は、一部が樹脂パッケージ３０の下端から外部へ延びているとともに、樹脂パッケージ３０の内部で、半導体チップ３１ｂの一方の表面に露出しているコレクタ端子と接続されている。半導体チップ３１ｂの他方の表面に露出しているエミッタ電極には導電板３５が接続されている。導電板３５には、パワー端子３６が接続されている。パワー端子３２、３４、３６、導電板３３、３５は、放熱板も兼ねており、その一部は樹脂パッケージ３０の表面に露出している。
【００２９】
先に述べたように、半導体チップ３１ａが図１のスイッチング素子Ｔ１に対応し、半導体チップ３１ｂがスイッチング素子Ｔ２に相当する。パワー端子３２、３４、３６と、導電板３３、３５によって、半導体チップ３１ａ、３１ｂが直列に接続される。そして、導電板３３とパワー端子３４が、２個の半導体チップ３１ａ、３１ｂ（即ち、２個のスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２）の直列接続の中点に相当する。そのパワー端子３４に電流センサ素子３７が近接配置されている。電流センサ素子３７は、具体的にはホール素子であり、パワー端子３４を流れる電流に起因して生じる磁界を計測する。パワー端子３４を流れる電流と磁界の大きさは比例関係にあり、磁界の大きさからパワー端子３４を流れる電流の大きさを特定することができる。電流センサ素子３７は、２個のスイッチング素子の直列接続の中点から出力される電流を計測する。別言すれば、電流センサ素子３７は、パワーモジュールＰＭ１の内部の半導体素子を流れる電流を計測する。
【００３０】
樹脂パッケージ３０は、パワー端子３４に沿って突出する突出部３０ａを有しており、電流センサ素子３７は、その突出部３０ａの内部でパワー端子３４に近接配置されている。突出部３０ａの外側に、先に述べた接続枝板２９が接しており、その内部を通って信号線３８ａ〜３８ｃが電流センサ素子３７に接続されている。
【００３１】
信号線３８ａと３８ｂは、電流センサ素子３７に供給する電力を送るための電力線である。信号線３８ｃは、電流センサ素子３７の計測データを伝送するための信号線である。
【００３２】
他のパワーモジュールＰＭ２〜ＰＭ７もパワーモジュールＰＭ１と同じ内部構造を有している。７個の全てのパワーモジュールＰＭ１〜ＰＭ７は、電流センサ素子３７を備えている。即ち、積層体２０には、７個の電流センサ素子３７が含まれることになる。中継基板２２から、各パワーモジュールＰＭｘへ接続枝板２９が伸びており、各接続枝板２９の中を、３本の信号線３８ａ〜３８ｃが通っている。即ち、中継基板２２から積層体２０へ、合計２１本の信号線が伸びていることになる。
【００３３】
中継基板２２の積層体２０とは反対側には、端子板２３が伸びており、その端子板２３の上端から複数の別の信号線２４（２４ａ、２４ｂ）が伸びている。なお、端子板２３も、中継基板２２の一部である。信号線２４は、積層体２０の上に配置されている制御基板２５と接続されている。図４に示すように、信号線２４は、全部で９本である。信号線２４は、７本の計測データ伝送線２４ａと、２本の電力線２４ｂ（正極線と負極線）で構成される。７本の計測データ伝送線２４ａの夫々が、７個の電流センサ素子３７の夫々の計測データを制御基板２５に伝える。制御基板２５と接続されている２本の電力線２４ｂは、７個の電流センサ素子３７を駆動するための電力をまとめて制御基板から伝送する。電力線２４ｂによって中継基板２２に伝送された電力は、中継基板２２の内部で、各接続枝板２９の信号線３８ａ、３８ｂに分配される。
【００３４】
制御基板２５には、電流センサ素子３７（図１の電流センサＳ１〜Ｓ７）の信号を処理する信号処理回路が実装されている。７個の電流センサ素子３７と中継基板２２の間は２１本の信号線３８で接続されているが、中継基板２２と制御基板２５の間を接続する信号線の数は９本だけで済む。これは、制御基板２５と中継基板２２の間の電力線が、電力線２４ｂの２本だけであるのに対して、中継基板２２と各パワーモジュールＰＭｘの間が２本の電力線（信号線３８ａ、３８ｂ）で接続されており、中継基板２２と積層体２０は合計１４本の電力線で接続されるからである。中継基板２２を備えることで、電流センサ素子３７に関して、制御基板２５に接続される信号線の数を減らすことができる。制御基板２５に接続される信号線の数を減らせることが、制御基板２５の大きさを抑制すること、ひいては、電力変換装置２の体格を小さくすることに寄与する。
【００３５】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。制御基板２５と中継基板２２を接続している電力線２４ｂが、第１電力線に相当する。中継基板２２と各パワーモジュールＰＭｘの間を接続しており、電力を中継基板２２から電流センサ素子３７に送る信号線３８ａ、３８ｂが、第２電力線に相当する。
【００３６】
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】
【００３７】
２：電力変換装置
５、６：コンデンサ
７：リアクトル
８：制御回路
１２：コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
２０：積層体
２１ａ−２１ｈ：冷却器
２２：中継基板
２３：端子板（中継基板）
２４、２６ａ、２６ｂ：信号線
２４ｂ：信号線（第１電力線）
２５：制御基板
２９：接続枝板
３０：樹脂パッケージ
３０ａ：突出部
３１ａ、３１ｂ：半導体チップ（半導体素子）
３２、３４、３６：パワー端子
３３、３５：導電板
３７：電流センサ素子
３８ａ、３８ｂ：信号線（第２電力線）
３８ｃ：信号線
１００：電気自動車
ＰＭ１−ＰＭ７：パワーモジュール
Ｓ１−Ｓ７：電流センサ
Ｔ１−Ｔ８：スイッチング素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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