(57)【要約】  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。
2021048944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【発明の概要】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【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】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。
【図２】第１実施例の電力変換器の斜視図である。
【図３】第１実施例の電力変換器の正面図である。
【図４】第２実施例の電力変換器の斜視図である。
【図５】第２実施例の電力変換器の正面図である。
【図６】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。
【図７】第３実施例の電力変換器の斜視図である。
【図８】図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。
【図９】第４実施例の電力変換器の上面図である。
【図１０】第４実施例の電力変換器の正面図である。
【図１１】第５実施例の電力変換器の上面図である。
【図１２】第５実施例の電力変換器の正面図である。
【図１３】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）。
【図１４】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）。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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）。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
（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）。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
（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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
（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。
【００５３】
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。
【００５４】
（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。
【００５５】
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）。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年6月24日(2021.6.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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冷却器に挟まれており、
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おり、
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、電力変換器。
【請求項２】
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１に記載の電力変換器。
【請求項３】
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または２に記載の電力変換器。
【請求項４】
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または２に記載の電力変換器。
【請求項５】
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４のいずれか１項に記載の電力変換器。
【請求項６】
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４のいずれか１項に記載の電力変換器。
【請求項７】
請求項６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。
【国際調査報告】
2021048944.tif 000017
2021048944.tif 000018
2021048944.tif 000019
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