JP2011135725A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電流センサを有する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter having a current sensor.
従来から、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置が知られている(下記特許文献1参照)。従来の電力変換装置は、図10、図11に示すごとく、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール92と、該半導体モジュール92を冷却する冷却チューブ93とを積層して構成されている。個々の半導体モジュール92は、スイッチング素子に導通したパワー端子94と制御端子96とを有する。
Conventionally, a power converter that performs power conversion between DC power and AC power is known (see
パワー端子94には、図10に示すごとく、直流電源の正極端子に接続される正極端子94aと、直流電源の負極端子に接続される負極端子94bと、交流負荷に接続される交流端子94cとがある。交流端子94cにはバスバー97が接続されている。また、正極端子94aと負極端子94bにも、図示しない直流用バスバーが接続されている。
As shown in FIG. 10, the
図11に示すごとく、半導体モジュール92の制御端子96には、制御回路基板98が接続されている。この制御回路基板98によって、半導体モジュール92内のスイッチング素子の動作を制御している。これにより、正極端子94aと負極端子94bとの間に印加される直流電圧を三相交流電圧に変換し、交流端子94cから出力する。
As shown in FIG. 11, a
三相交流電流が流れる3本のバスバー97U,97V,97Wのうち、2本のバスバー97U,97Vには電流センサ95が取り付けられている。図11に示すごとく、電流センサ95は、接続配線99によって制御回路基板98に接続されており、この接続配線99を通して制御回路基板98にセンサ出力信号を送信している。制御回路基板98は、電流センサ95のセンサ出力信号を、スイッチング素子の動作制御に利用している。
Of the three
しかしながら、従来の電力変換装置91は、バスバー97に流れる電流によって生じた抵抗熱や、半導体モジュール92から発生した熱によって、電流センサ95の温度が上昇するという問題があった。温度が上昇すると、電流センサ95が壊れやすくなったり、測定値が不正確になったりしやすい。
However, the
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、壊れにくく、測定値が正確な電流センサを有する電力変換装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a power conversion device having a current sensor that is hard to break and has an accurate measurement value.
本発明は、電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した本体部を有し、上記スイッチング素子に導通したパワー端子と制御端子とが上記本体部から互いに反対方向へ突出した複数個の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数個の冷却チューブとを積層した積層体と、
上記パワー端子に流れる電流を測定する電流センサとを備え、
上記電流センサは、その少なくとも一部を、隣り合う2個の上記冷却チューブの間に介在させていることを特徴とする電力変換装置にある(請求項1)。
The present invention includes a main body having a built-in switching element constituting a power conversion circuit, and a plurality of semiconductor modules in which a power terminal and a control terminal conducted to the switching element protrude in opposite directions from the main body. A laminated body in which a plurality of cooling tubes for cooling the semiconductor module are laminated;
A current sensor for measuring the current flowing through the power terminal,
The current sensor is in a power converter characterized in that at least a part of the current sensor is interposed between two adjacent cooling tubes.
本発明の作用効果について説明する。本発明では、電流センサの少なくとも一部を、隣り合う2個の冷却チューブの間に介在させている。これにより、電流センサをその両面から冷却チューブで冷却することが可能となる。そのため、温度上昇に伴って電流センサが壊れやすくなるという不具合を防止できる。また、電流センサの温度を一定に保ちやすくなるため、パワー端子に流れる電流を精確に測定することが可能になる。 The function and effect of the present invention will be described. In the present invention, at least a part of the current sensor is interposed between two adjacent cooling tubes. Thereby, it becomes possible to cool a current sensor from the both surfaces with a cooling tube. Therefore, it is possible to prevent a problem that the current sensor is easily broken as the temperature rises. In addition, since the temperature of the current sensor is easily kept constant, it is possible to accurately measure the current flowing through the power terminal.
以上のごとく、本発明によれば、壊れにくく、測定値が正確な電流センサを有する電力変換装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a power conversion device that includes a current sensor that is not easily broken and has an accurate measurement value.
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記冷却チューブは導電性材料から構成されていることが好ましい(請求項2)。
このようにすると、隣接する半導体モジュールから放射される電磁ノイズを、冷却チューブによって遮蔽することができる。そのため、電流センサが電磁ノイズの影響を受けにくくなり、誤作動しにくくなる。
A preferred embodiment of the present invention described above will be described.
In the present invention, it is preferable that the cooling tube is made of a conductive material.
If it does in this way, the electromagnetic noise radiated | emitted from the adjacent semiconductor module can be shielded with a cooling tube. For this reason, the current sensor is not easily affected by electromagnetic noise, and is unlikely to malfunction.
また、上記電流センサは、上記制御端子と同一方向に突出した信号端子を備え、該信号端子と上記制御端子とに、上記電流センサの出力信号を受け付けるとともに上記スイッチング素子の動作を制御する制御回路基板が接続されていることが好ましい(請求項3)。
このようにすると、電流センサと制御回路基板とを最短距離で接続することができる。そのため、電流センサと制御回路基板とを接続する配線を、積層体の周囲に引き回した場合(図11参照)と比較して、積層体の周りに接続配線を配置するスペースを確保する必要がなくなるため、電力変換装置を小型化することができる。
また、半導体モジュールの制御端子と、電流センサの信号端子とが同一方向に突出しているため、制御回路基板に対して制御端子と信号端子とを同時に接続することができる。これらの接続工程は、はんだ付け等により自動的に行うことができるため、電力変換装置の製造コストを低減することが可能になる。
In addition, the current sensor includes a signal terminal protruding in the same direction as the control terminal, and receives a signal output from the current sensor and controls the operation of the switching element at the signal terminal and the control terminal. It is preferable that the substrate is connected (claim 3).
If it does in this way, a current sensor and a control circuit board can be connected by the shortest distance. Therefore, it is not necessary to secure a space for arranging the connection wiring around the laminated body, as compared with the case where the wiring connecting the current sensor and the control circuit board is routed around the laminated body (see FIG. 11). Therefore, the power conversion device can be reduced in size.
Moreover, since the control terminal of the semiconductor module and the signal terminal of the current sensor protrude in the same direction, the control terminal and the signal terminal can be connected to the control circuit board at the same time. Since these connection steps can be automatically performed by soldering or the like, the manufacturing cost of the power conversion device can be reduced.
また、上記電流センサは、上記パワー端子に流れる電流を検出する検出素子と、該検出素子に導通した回路部とからなり、少なくとも該回路部は、隣り合う2個の上記冷却チューブの間に介在していることが好ましい(請求項4)。
電流センサの回路部は、温度上昇の影響を特に受けやすい部分であり、温度の上昇によって壊れたり、センサ出力を不安定にしたりしやすい部分である。そのため、少なくとも回路部を冷却チューブで挟んで冷却することにより、本発明の効果、すなわち、電流センサを壊れにくくし、かつ測定値を正確にできるという効果を十分に発揮させることができる。
なお、回路部は、検出素子の出力信号を処理する電気回路を備えた部位であり、例えば該出力信号を増幅する増幅回路を備える。
The current sensor includes a detection element that detects a current flowing through the power terminal and a circuit unit that is electrically connected to the detection element. At least the circuit unit is interposed between two adjacent cooling tubes. (Claim 4).
The circuit part of the current sensor is a part that is particularly susceptible to an increase in temperature, and is a part that is likely to break due to a rise in temperature or to make the sensor output unstable. Therefore, by cooling at least the circuit portion with the cooling tube, the effect of the present invention, that is, the effect that the current sensor is hardly broken and the measured value can be accurately obtained can be sufficiently exhibited.
The circuit unit is a part including an electric circuit that processes the output signal of the detection element, and includes, for example, an amplifier circuit that amplifies the output signal.
また、上記電流センサは、上記半導体モジュールと一体に形成されていることが好ましい(請求項5)。
このように、電流センサと半導体モジュールとを一体にすると、これらを別々に形成した場合よりもサイズを小さくすることができる。また、上記構成によると、積層体を製造する際に、電流センサと半導体モジュールを別々に積層する必要がなくなるので、作業性を向上させることができる。
The current sensor is preferably formed integrally with the semiconductor module.
Thus, when the current sensor and the semiconductor module are integrated, the size can be reduced as compared with the case where they are formed separately. Moreover, according to the said structure, when manufacturing a laminated body, it becomes unnecessary to laminate | stack a current sensor and a semiconductor module separately, Therefore Workability | operativity can be improved.
また、上記冷却チューブは、所定間隔をおいて積層配置されており、隣り合う2個の上記冷却チューブの間に、上記半導体モジュールと上記電流センサとのいずれか一方が介在し、上記電流センサは、上記冷却チューブを介して隣接配置された上記半導体モジュールの上記パワー端子に流れる電流を測定するよう構成されていることが好ましい(請求項6)。
このようにすると、半導体モジュールの冷却効率を高めることができる。すなわち、発熱量が特に大きい半導体モジュールがある場合は、その半導体モジュールを挟む冷却チューブの温度が高くなりやすい。この冷却チューブに別の半導体モジュールを接触させると、更に温度が上昇して冷却効率が低下しやすくなる。そのため、温度が上昇しやすい冷却チューブに別の半導体モジュールを接触させず、発熱量の少ない電流センサを接触させることにより、冷却チューブの温度上昇を防止でき、半導体モジュールの冷却効率低下を防止することができる。
The cooling tubes are stacked and arranged at a predetermined interval, and either one of the semiconductor module or the current sensor is interposed between two adjacent cooling tubes, and the current sensor is It is preferable that the current flowing in the power terminal of the semiconductor module arranged adjacent to the cooling tube through the cooling tube is measured.
If it does in this way, the cooling efficiency of a semiconductor module can be raised. That is, when there is a semiconductor module that generates a particularly large amount of heat, the temperature of the cooling tube that sandwiches the semiconductor module tends to increase. When another semiconductor module is brought into contact with this cooling tube, the temperature further rises and the cooling efficiency tends to decrease. For this reason, the temperature of the cooling tube can be prevented from rising and the cooling efficiency of the semiconductor module can be prevented from lowering by contacting a current sensor with a small amount of heat without contacting another semiconductor module with the cooling tube where the temperature tends to rise. Can do.
(実施例1)
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図1〜図3を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、図1、図2に示すごとく、複数個の半導体モジュール2と、該半導体モジュール2を冷却する複数個の冷却チューブ3とを積層した積層体4を備える。個々の半導体モジュール2は、電力変換回路を構成するスイッチング素子23を内蔵した本体部20を有し、該スイッチング素子23に導通したパワー端子21と制御端子22とが本体部20から互いに反対方向へ突出している。
また、電力変換装置1は、パワー端子21に流れる電流を測定する電流センサ5を備える。
電流センサ5は、その少なくとも一部を、隣り合う2個の冷却チューブ3の間に介在させている。
以下、詳説する。
Example 1
A power converter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The
At least a part of the
The details will be described below.
本例の電力変換装置1は、電気自動車やハイブリッドカー等に搭載されるもので、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う。半導体モジュール2のパワー端子21には、直流電源11(図3参照)の正電極に接続された正極端子21aと、直流電源11の負電極に接続された負極端子21bと、交流端子21cとがある。これらのパワー端子21a〜21cは、図示しないバスバーが接続されている。
The
また、図2に示すごとく、半導体モジュールの制御端子22には、制御回路基板6が接続されている。この制御回路基板6によってスイッチング素子23(IGBT素子)の動作制御をする。これにより、正極端子21aと負極端子21bとの間に印加される直流電圧を交流に変換して、パワー端子21cから交流電圧を出力する。
Further, as shown in FIG. 2, the
電流センサ5は、パワー端子21cを取り囲む鉄製のコア52と、パワー端子21cに流れる電流を検出する検出素子50と、該検出素子50に導通した回路部51とからなる。
検出素子50はホール素子であり、パワー端子21cの周囲に発生した磁界を検出することにより、パワー端子21cに流れる電流の大きさを検出する。また、回路部51は、検出素子50の出力信号を処理する電気回路を備えた部位であり、例えば検出素子50の出力信号を増幅する増幅回路等を備える。
The
The
コア52はスリット500(図1参照)を有しており、このスリット500に検出素子50が設けられている。また、検出素子50と回路部51とは、接続配線501によって接続されている。
図2に示すごとく、コア52と、検出素子50と、回路部51とは、合成樹脂製の封止部502によって封止されている。センサ5は、コア52と回路部51とが直交しており、全体がL字状に形成されている。
センサ5を構成する部品、すなわちコア52と、検出素子50と、回路部51とは、全て冷却チューブ3に挟持されている。
The
As shown in FIG. 2, the
Components constituting the
一方、図2に示すごとく、半導体モジュール2の本体部20は、スイッチング素子23やフライホイールダイオード(図示しない)に接続した3枚の電極板201a〜201cを封止している。これらの電極板201a〜201cは、図2では、重ねて描いてある。パワー端子21a〜21cは、それぞれ別の電極板201a〜201cに接続されている。
また、本体部20は、パワー端子21a,21bの中央部分まで封止しているのに対し、パワー端子21cは中央部分まで封止しておらず、このパワー端子21cの周囲に凹状部200が形成されている。この凹状部200にコア52が配置されている。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the
The
図1に示すごとく、本例では、3個のパワー端子21c(21U,21V,21W)が一組となって、三相交流電流が流れるようになっている。この場合、2個のパワー端子21cの電流を測定すると、残りの1個の電流は測定しなくても算出できる。そのため、3個のパワー端子21U,21V,21Wのうち、2個のパワー端子21U,21Vのみに電流センサ5が取り付けられている。
As shown in FIG. 1, in this example, the three
一方、図1に示すごとく、複数個の冷却チューブ3は、連結管15によって連結されている。冷媒を導入管16へ導入すると、連結管15を通って全ての冷却チューブ3に冷媒が流れ、導出管17から導出する。これにより、半導体モジュール2及び電流センサ5を冷却することができる。冷却チューブ3は導電性材料から構成されている。本例では、冷却チューブ3はアルミニウムからなる。また、連結管15、導入管16、導出管17もアルミニウムからなる。
On the other hand, as shown in FIG. 1, the plurality of
図2に示すごとく、電流センサ5は、制御端子22と同一方向に突出した信号端子53を備え、信号端子53と制御端子22とに、電流センサ5の出力信号を受け付けるとともにスイッチング素子23の動作を制御する制御回路基板6が接続されている。
As shown in FIG. 2, the
次に、本例の電力変換装置1の回路の説明をする。図3に示すごとく、電力変換装置1は、インバータ部10aと、コンバータ部10bとから構成されている。コンバータ部10bによって直流電源11の電圧を昇圧し、インバータ部10aによって交流に変換する。インバータ部10aによって得られた交流電力を使って、三相交流モータ12を駆動し、車両を走行させる。インバータ部10aは、図3に示すごとく、複数個の半導体モジュール2から構成されている。個々の半導体モジュール2は、2個のスイッチング素子23(IGBT素子)と2個のフリーホイールダイオード24を有する。三相交流モータ12に接続される3本の交流端子21U,21V,21Wのうち、2本の交流端子21U,21Vに電流センサ5が取り付けられている。
Next, the circuit of the
次に、本例の電力変換装置1の作用効果について説明する。
図1、図2に示すごとく、本例の電力変換装置1は、隣り合う2個の冷却チューブ3の間に電流センサ5を介在させている。これにより、電流センサ5をその両面から冷却チューブ3で冷却することが可能となる。そのため、温度上昇に伴って電流センサ5が壊れやすくなるという不具合を防止できる。また、電流センサ5の温度を一定に保ちやすくなるため、パワー端子21に流れる電流を精確に測定することが可能になる。
Next, the effect of the
As shown in FIGS. 1 and 2, the
また、本例では、冷却チューブ3は、導電性材料から構成されている。
このようにすると、隣接する半導体モジュール2から放射される電磁ノイズを、冷却チューブ3によって遮蔽することができる。そのため、電流センサ5が電磁ノイズの影響を受けにくくなり、誤作動しにくくなる。
Moreover, in this example, the cooling
In this way, the electromagnetic noise radiated from the
また、図2に示すごとく、電流センサ5は、制御端子22と同一方向に突出した信号端子53を備え、信号端子53と制御端子22とに、制御回路基板6が接続されている。
このようにすると、電流センサ5と制御回路基板6とを最短距離で接続することができる。そのため、従来のように、電流センサ95(図11参照)と制御回路基板98とを接続する配線99を、積層体の周囲に引き回した場合と比較して、積層体の周りに配線99を配置するスペース990(図10参照)を確保する必要がなくなるため、電力変換装置を小型化することができる。
また、本例では、半導体モジュール2の制御端子22と、電流センサ5の信号端子53とが同一方向に突出しているため、制御回路基板6に対して制御端子22と信号端子53とを同時に接続することができる。これらの接続工程は、はんだ付け等により自動的に行うことができるため、電力変換装置1の製造コストを低減することが可能になる。
As shown in FIG. 2, the
In this way, the
In this example, since the
また、本例では、電流センサ5の回路部51を冷却チューブ3で冷却している。回路部51は、温度上昇の影響を特に受けやすい部分であり、温度の上昇によって壊れたり、センサ出力を不安定にしたりしやすい部分である。そのため、少なくとも回路部51を冷却チューブ3で挟んで冷却することにより、本例の効果、すなわち、電流センサ5を壊れにくくし、かつ測定値を正確にできるという効果を十分に発揮させることができる。
In this example, the
以上のごとく、本例によれば、壊れにくく、測定値が正確な電流センサ5を有する電力変換装置1を提供することができる。
As described above, according to this example, it is possible to provide the
(実施例2)
本例は、電流センサ5の構成を変更した例である。図4、図5に示すごとく、本例における電流センサ5は、パワー端子21cを取り囲む鉄製のコア52と、該コア52に挟持され、パワー端子21cに流れる電流を測定する検出素子50(ホール素子)と、検出素子50に導通した回路部51とからなり、回路部51は、隣り合う2個の冷却チューブ3の間に介在している。また、本例では、コア52と検出素子50とを冷却チューブ3で挟持せず、積層体4からパワー端子21の突出側にはみ出した位置に設けている。
その他、実施例1と同様の構成を有する。
(Example 2)
In this example, the configuration of the
In addition, the configuration is the same as that of the first embodiment.
本例の作用効果について説明する。
本例では、コア52と検出素子50とを冷却チューブ3の間に配置していないため、図4に示すごとく、半導体モジュール2よりも積層方向の寸法が長いコア52を用いることができる。
また、本例では冷却チューブ3で回路部51を挟んで冷却している。上述したように、回路部51は温度上昇の影響を特に受けやすい部分であるため、この回路部51を冷却することにより、回路部51を壊れにくくし、電流センサ5の測定値を正確にすることができる。
なお、回路部51に比べて、コア52や検出素子50は耐熱性が比較的高い。そのため、コア52と検出素子50は冷却チューブ3で挟まなくてもよい。このようにすると、電流センサ5に不具合を生じさせずに、積層体4を小型化できる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
The effect of this example will be described.
In this example, since the
In the present example, the cooling
In addition, compared with the
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
(実施例3)
本例は、電流センサ5の構成を変更した例である。図6、図7に示すごとく、本例では、電流センサ5と半導体モジュール2とが一体になった一体化モジュール2aを備える。一体化モジュール2aは、合成樹脂からなる本体部20を有し、この本体部20に、スイッチング素子23、コア52、検出素子50、回路部51が封止されている。また、スイッチング素子23に導通するパワー端子21および制御端子22と、回路部51に導通する信号端子53とが、本体部20から突出している。
(Example 3)
In this example, the configuration of the
また、本例の電力変換装置1は、一体化モジュール2aの他に、電流センサ5と一体化していない半導体モジュール2を備える。図6に示すごとく、本例では、2個の一体化モジュール2aと、1個の半導体モジュール2とが一組になって、三相交流電流を出力するよう構成されている。
その他、実施例1と同様の構成を備える。
Moreover, the
In addition, the same configuration as that of the first embodiment is provided.
本例の作用効果について説明する。
このように、電流センサ5と半導体モジュール2を一体にすると、これらを別々に形成した場合よりもサイズを小さくすることができる。また、上記構成によると、積層体4を製造する際に、電流センサ5と半導体モジュール2を別々に積層する必要がなくなるので、作業性を向上させることができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を備える。
The effect of this example will be described.
Thus, when the
In addition, the same functions and effects as those of the first embodiment are provided.
(実施例4)
本例は、電流センサ5の構成を変更した例である。図8、図9に示すごとく、本例では、冷却チューブ3は、所定間隔をおいて積層配置されており、隣り合う2個の冷却チューブ3の間に、半導体モジュール2と電流センサ5とのいずれか一方が介在し、電流センサ5は、冷却チューブ3を介して隣接配置された半導体モジュール2のパワー端子21cに流れる電流を測定するよう構成されている。
Example 4
In this example, the configuration of the
本例の電流センサ5は、合成樹脂製の樹脂部55を備える。この樹脂部55は、半導体モジュール2の本体部20と略同じ大きさになっている。樹脂部55には、回路部51が封止されている。コア52と検出素子50(ホール素子)は、樹脂部55に封止されておらず、積層体4からパワー端子21の突出側にはみ出した位置に配置されている。コア52は、冷却チューブ3を介して隣接配置された半導体モジュール2のパワー端子21cを取り囲んでいる。このコア52におけるスリット500に、検出素子50が挟持されている。パワー端子21cに電流が流れ、周囲に磁界が発生すると、検出素子50がその磁界を検知する。これにより、パワー端子21cに流れる電流の量を測定している。
The
図8に示すごとく、本例では、3個の半導体モジュール2を一組にし、三相交流電流を出力している。この3個の半導体モジュール2のうち、2個の半導体モジュール2のパワー端子21U,21Vに流れる電流を、電流センサ5によって測定している。電流を測定しない半導体モジュール2bには、回路部51やスイッチング素子23等を封止していないダミーモジュール8を隣接配置している。
その他、実施例1と同様の構成を備える。
As shown in FIG. 8, in this example, three
In addition, the same configuration as that of the first embodiment is provided.
本例の作用効果について説明する。
上記構成にすると、半導体モジュール2の冷却効率を高めることができる。すなわち、図8に示すごとく、発熱量が特に大きい半導体モジュール2cがある場合は、その半導体モジュール2cを挟む冷却チューブ3aの温度が高くなりやすい。この冷却チューブ3aに別の半導体モジュール2を接触させると、更に温度が上昇して冷却効率が低下しやすくなる。そのため、温度が上昇しやすい冷却チューブ3aには別の半導体モジュール2を接触させず、発熱量の少ない電流センサ5やダミーモジュール8を接触させることにより、冷却チューブ3aの温度上昇を防止でき、半導体モジュール2cの冷却効率低下を防止することができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。
The effect of this example will be described.
With the above configuration, the cooling efficiency of the
In addition, the same effects as those of the first embodiment are obtained.
1 電力変換装置
2 半導体モジュール
20 本体部
21 パワー端子
22 制御端子
3 冷却チューブ
4 積層体
5 電流センサ
6 制御回路基板
DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記パワー端子に流れる電流を測定する電流センサとを備え、
上記電流センサは、その少なくとも一部を、隣り合う2個の上記冷却チューブの間に介在させていることを特徴とする電力変換装置。 A plurality of semiconductor modules each having a main body including a switching element constituting a power conversion circuit, wherein a power terminal and a control terminal electrically connected to the switching element protrude in opposite directions from the main body; and the semiconductor module A laminated body in which a plurality of cooling tubes for cooling is laminated;
A current sensor for measuring the current flowing through the power terminal,
The power conversion device according to claim 1, wherein at least a part of the current sensor is interposed between two adjacent cooling tubes.
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