JP2013223384A - Power conversion apparatus and vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置及び車両に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a vehicle.
近年、低炭素社会を実現すべく、動力源としてエンジンとモータを併用するハイブリッド自動車や動力源としてモータのみを用いる電気自動車の研究開発が盛んに行われている。これらハイブリッド自動車や電気自動車は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の車載バッテリから出力される直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータを備えている。 In recent years, in order to realize a low-carbon society, research and development of hybrid vehicles using both an engine and a motor as a power source and electric vehicles using only a motor as a power source have been actively conducted. These hybrid vehicles and electric vehicles include an inverter that converts DC power output from an in-vehicle battery such as a nickel metal hydride battery or a lithium ion battery into AC power and supplies the AC power to the motor.
このインバータは、下記特許文献1に記載されているように、平滑コンデンサを有するコンデンサモジュールと、上アーム用及び下アーム用のパワー半導体素子(例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ:IGBTなど)の直列回路を有するパワー半導体モジュールとが電気的且つ機械的に接合された構成となっている。
As described in
上記構成のインバータにおいて、コンデンサモジュールとパワー半導体モジュールとの間の配線インダクタンス(詳細にはパワー半導体素子が実装された絶縁基板と平滑コンデンサとの間の配線インダクタンス)は、サージ電圧の発生要因として従来から注目されており、この配線インダクタンスを如何にして小さくするかが、インバータの高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現するに当たっての大きな課題となっていた。 In the inverter configured as described above, the wiring inductance between the capacitor module and the power semiconductor module (specifically, the wiring inductance between the insulating substrate on which the power semiconductor element is mounted and the smoothing capacitor) has conventionally been a cause of surge voltage. Therefore, how to reduce the wiring inductance has been a major issue in realizing high-speed switching, low loss, and improved reliability of the inverter.
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現可能な電力変換装置及びその電力変換装置を備えた車両を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the situation mentioned above, and aims at providing the vehicle provided with the power converter device which can implement | achieve high-speed switching, low loss, and a reliability improvement, and the power converter device. .
上記目的を達成するために、本発明では、電力変換装置に係る第1の解決手段として、直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、前記直流電源の正極端子に接続される正極端子パターン、前記直流電源の負極端子に接続される負極端子パターン及び前記負荷に接続される出力端子パターンが形成され、上アーム用及び下アーム用の半導体素子が実装された絶縁基板を備え、一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された平滑コンデンサが前記絶縁基板上に1つ以上実装されている、という手段を採用する。 In order to achieve the above object, in the present invention, as a first solving means related to a power converter, in a power converter that converts DC power output from a DC power source into AC power and supplies the AC power to a load, the DC converter A positive electrode terminal pattern connected to the positive electrode terminal of the power supply, a negative electrode terminal pattern connected to the negative electrode terminal of the DC power supply, and an output terminal pattern connected to the load are formed, and the semiconductor elements for the upper arm and the lower arm are formed. A means is adopted in which one or more smoothing capacitors, each having a mounted insulating substrate, one end connected to the positive terminal pattern and the other end connected to the negative terminal pattern, are mounted on the insulating substrate. .
また、本発明では、電力変換装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された外付けコンデンサが前記絶縁基板に1つ以上外付けされている、という手段を採用する。 Further, in the present invention, as a second solving means relating to the power converter, in the first solving means, an external capacitor having one end connected to the positive terminal pattern and the other end connected to the negative terminal pattern Adopts a means in which one or more are attached to the insulating substrate.
一方、本発明では、車両に係る第1の解決手段として、充電可能な直流電源と、動力源として使用されるモータと、前記直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給する電力変換装置と、を備え、前記電力変換装置は、前記直流電源の正極端子に接続される正極端子パターン、前記直流電源の負極端子に接続される負極端子パターン及び前記モータに接続される出力端子パターンが形成され、上アーム用及び下アーム用の半導体素子が実装された絶縁基板を備え、一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された平滑コンデンサが前記絶縁基板上に1つ以上実装されている、という手段を採用する。 On the other hand, in the present invention, as a first solving means relating to a vehicle, a rechargeable DC power source, a motor used as a power source, and a DC power output from the DC power source are converted into AC power to convert the motor And the power converter is connected to the positive terminal pattern connected to the positive terminal of the DC power source, the negative terminal pattern connected to the negative terminal of the DC power source, and the motor. And a smoothing capacitor having an insulating substrate on which semiconductor elements for upper and lower arms are mounted, one end connected to the positive terminal pattern and the other end connected to the negative terminal pattern Adopts a means that at least one is mounted on the insulating substrate.
また、本発明では、車両に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記電力変換装置では、一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された外付けコンデンサが前記絶縁基板に1つ以上外付けされている、という手段を採用する。 According to the present invention, as the second solving means relating to the vehicle, in the first solving means, in the power conversion device, one end is connected to the positive terminal pattern and the other end is connected to the negative terminal pattern. Further, one or more external capacitors are externally attached to the insulating substrate.
本発明によれば、半導体素子が実装された絶縁基板と平滑コンデンサとの間の配線インダクタンスが大幅に低減されるので、電力変換装置の高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現できる。 According to the present invention, since the wiring inductance between the insulating substrate on which the semiconductor element is mounted and the smoothing capacitor is greatly reduced, it is possible to realize high-speed switching, low loss, and improved reliability of the power converter.
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
最初に、本実施形態に係る電力変換装置の理解を容易とするために、従来の電力変換装置(インバータ)の一般的な構成とその課題について図4を用いて説明する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, in order to facilitate understanding of the power conversion device according to the present embodiment, a general configuration and problems of a conventional power conversion device (inverter) will be described with reference to FIG.
図4(a)は、従来のインバータ10の回路構成図である。このインバータ10は、直流電源100から出力される直流電力を例えば三相交流電力(U相、V相、W相)に変換して負荷200に供給するものであり、コンデンサモジュール20及びパワー半導体モジュール30から構成されている。
FIG. 4A is a circuit configuration diagram of the
コンデンサモジュール20は、正極側入力端子21と、負極側入力端子22と、正極側出力端子23と、負極側出力端子24と、平滑コンデンサ25とを備えている。正極側入力端子21は、直流電源100の正極端子に接続され、負極側入力端子22は、直流電源100の負極端子に接続されている。正極側出力端子23は、コンデンサモジュール20の内部で正極側入力端子21に接続され、負極側出力端子24は、コンデンサモジュール20の内部で負極側入力端子22に接続されている。
The
平滑コンデンサ25は、コンデンサモジュール20の内部で、一端が正極側入力端子21及び正極側出力端子23に接続され、他端が負極側入力端子22及び負極側出力端子24に接続されている。つまり、平滑コンデンサ25は、直流電源100に対して並列接続されている。
The
パワー半導体モジュール30は、正極側入力端子31と、負極側入力端子32と、U相出力端子33と、V相出力端子34と、W相出力端子35と、上アーム用のパワー半導体素子36a、36b、36cと、下アーム用のパワー半導体素子36d、36e、36fと、上アーム用の還流ダイオード37a、37b、37cと、下アーム用の還流ダイオード37d、37e、37fとを備えている。
The
正極側入力端子31は、コンデンサモジュール20の正極側出力端子23に接続され、負極側入力端子32は、コンデンサモジュール20の負極側出力端子24に接続されている。U相出力端子33、V相出力端子34及びW相出力端子35は、それぞれ負荷200に接続されている。
The
上アーム用のパワー半導体素子36a、36b、36cと、下アーム用のパワー半導体素子36d、36e、36fとは、例えばIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)であり、ペアとなる上アーム用と下アーム用のパワー半導体素子が直列接続されて三つの直列回路を構成している。つまり、パワー半導体素子36aと36dの直列回路と、パワー半導体素子36bと36eの直列回路と、パワー半導体素子36cと36fの直列回路との三つである。
The
詳細には、例えばパワー半導体素子36aと36dの直列回路に着目すると、パワー半導体素子36aのエミッタ端子とパワー半導体素子36dのコレクタ端子とが接続されている。パワー半導体素子36bと36eの直列回路と、パワー半導体素子36cと36fの直列回路についても同様な接続形態である。
Specifically, for example, focusing on the series circuit of the
これら上アーム用と下アーム用のパワー半導体素子からなる三つの直列回路は、パワー半導体モジュール30の内部で、それぞれ正極側入力端子31と負極側入力端子32との間に並列接続されている。詳細には、例えばパワー半導体素子36aと36dの直列回路に着目すると、パワー半導体素子36aのコレクタ端子が正極側入力端子31に接続され、パワー半導体素子36dのエミッタ端子が負極側入力端子32に接続されている。
The three series circuits including the power semiconductor elements for the upper arm and the lower arm are connected in parallel between the
パワー半導体素子36bと36eの直列回路と、パワー半導体素子36cと36fの直列回路についても同様な接続形態である。つまり、これら上アーム用と下アーム用のパワー半導体素子からなる三つの直列回路は、直流電源100及び平滑コンデンサ25に対して並列接続されている。
The series circuit of the
また、パワー半導体素子36aと36dの直列回路の中点部分は、U相出力端子33に接続され、パワー半導体素子36bと36eの直列回路の中点部分は、V相出力端子34に接続され、パワー半導体素子36cと36fの直列回路の中点部分は、W相出力端子35に接続されている。
The midpoint portion of the series circuit of the
上アーム用の還流ダイオード37a、37b、37cは、それぞれ上アーム用のパワー半導体素子36a、36b、36cに並列接続され、下アーム用の還流ダイオード37d、37e、37fは、それぞれ下アーム用のパワー半導体素子36d、36e、36fに並列接続されている。詳細には、例えば還流ダイオード37aに着目すると、アノード端子がパワー半導体素子36aのエミッタ端子に接続され、カソード端子がパワー半導体素子36aのコレクタ端子に接続されている。他の還流ダイオード37b〜37fについても同様である。
The upper arm free-
なお、本来ならば、パワー半導体モジュール30には、各パワー半導体素子36a〜36fのゲート端子にスイッチング制御信号(例えばPWM信号)を入力するための外部信号入力端子が設けられているが、説明の便宜上、図4(a)では図示を省略している。
Originally, the
図4(b)は、パワー半導体モジュール30が備えているパワー半導体素子実装用の絶縁基板40の平面図である。この図に示すように、絶縁基板40(例えば窒化アルミ板)の表層には、例えば銅またはアルミ等からなる各種の導体パターン、すなわち、正極側入力端子31を介して直流電源100の正極端子に接続される正極端子パターン41と、負極側入力端子32を介して直流電源100の負極端子に接続される負極端子パターン42と、U相出力端子33を介して負荷200に接続される出力端子パターン43と、第1の導体パターン44と、第2の導体パターン45とが形成されている。
FIG. 4B is a plan view of an
この絶縁基板40上において、第1の導体パターン44の上面に半田を介して上アーム用のパワー半導体素子36aが実装され、第2の導体パターン45の上面に半田を介して下アーム用のパワー半導体素子36dが実装されている。また、正極端子パターン41と第1の導体パターン44は、アルミワイヤ46よって接続され、パワー半導体素子36aと第2の導体パターン45は、アルミワイヤ47によって接続され、パワー半導体素子36dと負極端子パターン42は、アルミワイヤ48によって接続され、第2の導体パターン45と出力端子パターン43は、アルミワイヤ49によって接続されている。
On the
このように、絶縁基板40上には、図4(a)で示した、パワー半導体素子36aと36dの直列回路が形成されている。なお、正極側入力端子31と絶縁基板40の正極端子パターン41は、パワー半導体モジュール30の内部で、不図示のアルミワイヤによって接続されている。同様に、負極側入力端子32と絶縁基板40の負極端子パターン42も、パワー半導体モジュール30の内部で、不図示のアルミワイヤによって接続されており、U相出力端子33と絶縁基板40の出力端子パターン43も、不図示のアルミワイヤによって接続されている。
Thus, on the
また、図4(b)では、1つの絶縁基板40上に、パワー半導体素子36aと36dの直列回路のみが形成されている場合を例示したが、パワー半導体モジュール30は、同様な構成でパワー半導体素子36bと36eの直列回路が形成された絶縁基板と、パワー半導体素子36cと36fの直列回路が形成された絶縁基板も備えている。また、1つの絶縁基板40上に、パワー半導体素子36aと36dの直列回路と、パワー半導体素子36bと36eの直列回路と、パワー半導体素子36cと36fの直列回路との三つが形成されていても良い。また、図4(b)では、パワー半導体素子36a、36dのそれぞれに並列接続される還流ダイオード37a、37dを省略している。
4B illustrates the case where only the series circuit of the
上記構成のインバータ10において、コンデンサモジュール20とパワー半導体モジュール30との間の配線インダクタンス(詳細には平滑コンデンサ25と絶縁基板40との間の配線インダクタンス)は、サージ電圧の発生要因として従来から注目されており、この配線インダクタンスを如何にして小さくするかが、インバータ10の高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現するに当たっての大きな課題となっていた。
In the
本実施形態に係る電力変換装置は、上記のような従来のインバータ10の課題を解決して、高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現するものである。以下では、本発明の第1及び第2実施形態に係る電力変換装置について図面を参照しながら説明するが、説明の便宜上、図4に示す従来のインバータ10と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略するものとする。
The power conversion device according to the present embodiment solves the problems of the
〔第1実施形態〕
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る電力変換装置であるインバータ1の回路構成図である。この図に示すように、第1実施形態に係るインバータ1は、従来のインバータ10(図4(a)参照)と比較して、コンデンサモジュール20が削除されて、パワー半導体モジュール30(以下、従来と区別するために符号を30’とする)の正極側入力端子31が、直接、直流電源100の正極端子に接続され、パワー半導体モジュール30’の負極側入力端子32が、直接、直流電源100の負極端子に接続され、さらに、平滑コンデンサ38がパワー半導体モジュール30’の内部に設けられている点で異なっている。
[First Embodiment]
Fig.1 (a) is a circuit block diagram of the
詳細には、図1(b)に示すように、一端が絶縁基板40(以下、従来と区別するために符号を40’とする)の正極端子パターン41に接続され、他端が絶縁基板40’の負極端子パターン42に接続された平滑コンデンサ38(例えばチップコンデンサ)が絶縁基板40’上に1つ以上実装されている。
Specifically, as shown in FIG. 1B, one end is connected to a positive
また、図1(b)では、正極端子パターン41に凸部が形成されていると共に、負極端子パターン42に凹部が形成されており、正極端子パターン41の凸部が、負極端子パターン42の凹部に挿入された形でパターン形成されている。このようなパターン形状とすることで、平滑コンデンサ38の実装個数(並列接続個数)を増やすことができる。なお、必要な平滑コンデンサ38の実装個数を確保できさえすれば、正極端子パターン41及び負極端子パターン42の形状は自由に設定できる。
Further, in FIG. 1B, the positive
このような構成のインバータ1によれば、平滑コンデンサ38と絶縁基板40’との間の配線インダクタンスが大幅に低減されるので、インバータ1の高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現できる。また、コンデンサモジュール20が不要となるので、インバータ1の小型化を実現できる。
According to the
〔第2実施形態〕
図2は、本発明の第2実施形態に係る電力変換装置であるインバータ2の回路構成図である。この図に示すように、第2実施形態に係るインバータ2は、第1実施形態に係るインバータ1と比較して、直流電源100とパワー半導体モジュール30’との間に、コンデンサモジュール20を接続した点で異なっている。つまり、第2実施形態に係るインバータ2では、一端が絶縁基板40’の正極端子パターン31に接続され、他端が絶縁基板40’の負極端子パターン32に接続された外付けコンデンサ(平滑コンデンサ25)が絶縁基板40’に1つ以上外付けされている。
[Second Embodiment]
FIG. 2 is a circuit configuration diagram of an
第1実施形態に係るインバータ1では、パワー半導体モジュール30’への直流入力電圧が高圧になってくると、チップコンデンサの容量が小さくなってしまい、平滑コンデンサ38の実装個数を増やしても必要十分な容量を得られなくなる。この場合には、第2実施形態に係るインバータ2のように、パワー半導体モジュール30’の内部にチップコンデンサである平滑コンデンサ38を実装し、且つ容量不足分を外付けコンデンサ(平滑コンデンサ25)で補う構成とする。
In the
これにより、還流ダイオード37a〜37fのリカバリによる電荷Qrrを、パワー半導体モジュール30’内の平滑コンデンサ38により供給できるようになり、インバータ2においてサージ電圧及びノイズ発生源となるリカバリサージの発生を大幅に抑えることができる。
As a result, the charge Qrr due to the recovery of the free-wheeling
〔適用例〕
図3は、上述したインバータ1或いは2を車両(ここでは電気自動車)に適用した例を示す図である。この図に示すように、本実施形態に係る電気自動車300は、上述したインバータ1(或いは2)、車載バッテリ301、バッテリチャージャ302、接続先切替器303、モータ304、モータECU(Electric Control Unit)305及びバッテリECU306から構成されている。
[Application example]
FIG. 3 is a diagram illustrating an example in which the above-described
車載バッテリ301は、直列接続された複数の電池セル(例えば、リチウムイオン電池セルやニッケル水素電池セル等)で構成され、例えば数百ボルトの高圧の直流電力を出力する充電可能な直流電源である。この車載バッテリ301の両端子(正極端子及び負極端子)は、接続先切替器303に接続されている。
The in-
バッテリチャージャ302は、車載バッテリ301の充電時に、電気自動車300の外部に設置された交流電源400に接続される充電回路であり、バッテリECU306による制御の下、交流電源400から供給される交流電力を所定電圧値の直流電力に変換して接続先切替器303に出力する。
The
接続先切替器303は、バッテリECU306による制御の下、車載バッテリ301の両端子の接続先を、充電時にはバッテリチャージャ302の両出力端子に切替え、放電時(モータ304の駆動時)にはインバータ1(或いは2)の両入力端子(インバータ1の場合には、パワー半導体モジュール30’の正極側入力端子31及び負極側入力端子32、インバータ2の場合には、コンデンサモジュール20の正極側入力端子21及び負極側入力端子22)に切替える。
Under the control of the
インバータ1(或いは2)は、モータECU305から各パワー半導体素子36a〜36fのゲート端子に入力されるPWM信号に応じてスイッチング動作を行うことにより、車載バッテリ301から接続先切替器303を介して入力される高圧の直流電力を、三相交流電力に変換してモータ304に出力する。モータ304は、電気自動車300の動力源として用いられる例えば三相交流モータであり、インバータ1(或いは2)から供給される三相交流電力に応じて回転する。なお、モータ304は、不図示のトランスミッションや車軸などを介して車輪を回転駆動する。
The inverter 1 (or 2) is input from the in-
モータECU305は、バッテリECU306と通信可能に接続されており、バッテリECU306からモータ304の駆動要求を受けた時(車載バッテリ301の接続先がインバータ1(或いは2)に切替わった時)に、インバータ1(或いは2)に供給すべきPWM信号を生成する。なお、このモータECU305は、上位ECU(図示省略)とも通信可能に接続されており、上位ECUから送信される運転情報(例えばアクセルの踏込み量等)に応じてPWM信号のデューティ比及び周波数を変化させることにより、モータ304の回転状態を制御する。
The
バッテリECU306は、車載バッテリ301の充放電制御を行う電子制御装置であり、接続先切替器303を制御して、車載バッテリ301の接続先を、充電時にはバッテリチャージャ302に、放電時にはインバータ1(或いは2)に切替える。このバッテリECU306は、車載バッテリ301の充電時には、車載バッテリ301の電圧状態を監視しながらバッテリチャージャ302を制御することで、車載バッテリ301が適正な電圧値まで充電されるようにする。
The
以上、本発明の第1及び第2実施形態に係るインバータ1、2とそれの適用例について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。例えば、上記適用例では、インバータ1或いは2を電気自動車300に適用する例を説明したが、本発明はハイブリッド車やプラグインハイブリッド車などのように、充電可能な直流電源と、動力源として使用されるモータとを備える車両に広く適用することができる(勿論、車両以外の用途にも適用できる)。
The
1、2、10…インバータ(電力変換装置)、20…コンデンサモジュール、30、30’…パワー半導体モジュール、25、38…平滑コンデンサ、40、40’…絶縁基板、100…直流電源、200…負荷、300…電気自動車
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記直流電源の正極端子に接続される正極端子パターン、前記直流電源の負極端子に接続される負極端子パターン及び前記負荷に接続される出力端子パターンが形成され、上アーム用及び下アーム用の半導体素子が実装された絶縁基板を備え、
一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された平滑コンデンサが前記絶縁基板上に1つ以上実装されていることを特徴とする電力変換装置。 In a power conversion device that converts DC power output from a DC power source into AC power and supplies it to a load,
A positive terminal pattern connected to the positive terminal of the DC power source, a negative terminal pattern connected to the negative terminal of the DC power source, and an output terminal pattern connected to the load are formed. It has an insulating substrate on which the element is mounted,
One or more smoothing capacitors having one end connected to the positive terminal pattern and the other end connected to the negative terminal pattern are mounted on the insulating substrate.
動力源として使用されるモータと、
前記直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給する電力変換装置と、を備え、
前記電力変換装置は、
前記直流電源の正極端子に接続される正極端子パターン、前記直流電源の負極端子に接続される負極端子パターン及び前記モータに接続される出力端子パターンが形成され、上アーム用及び下アーム用の半導体素子が実装された絶縁基板を備え、
一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された平滑コンデンサが前記絶縁基板上に1つ以上実装されていることを特徴とする車両。 Rechargeable DC power supply,
A motor used as a power source;
A power conversion device that converts DC power output from the DC power source into AC power and supplies the motor to the motor, and
The power converter is
A positive terminal pattern connected to the positive terminal of the DC power source, a negative terminal pattern connected to the negative terminal of the DC power source, and an output terminal pattern connected to the motor are formed, and semiconductors for the upper arm and the lower arm It has an insulating substrate on which the element is mounted,
One or more smoothing capacitors having one end connected to the positive terminal pattern and the other end connected to the negative terminal pattern are mounted on the insulating substrate.
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