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JP4293246B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、入力電力を所定の電力に変換して出力する電力変換装置にかかり、特に、ハイブリッド電気自動車に用いられ、電気モータの駆動を行うための電力変換装置に関する。
従来から、ハイブリッド電気自動車等に用いられる電気モータを駆動するため、電力変換装置が用いられている。電力変換装置は、大電流を流すパワー半導体を備えて発熱が大きい。このため、電力変換装置を効率的に冷却することが重要である。
特許文献１（特開２００２−２７０７４８号公報）には、ベース板に、樹脂絶縁層を介して、内部に流通路を有する導体部材を接続させ、この導体部材を回路パターンの導体として、これにパワー半導体素子を半田接合した半導体モジュールが開示されている。また、各導体部材の流通路は絶縁配管で連結することにより、絶縁配管に冷却水を流すように構成した電力変換装置が開示されている。
特開２００２−２７０７４８号公報
そこで本発明は、電力変換装置の小型化を図ることを目的とする。
さらに、本発明は、電力変換装置の低インダクタンス化を図ることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換装置は、第１スイッチング素子を有する第１パワー半導体モジュールと、第２スイッチング素子を有する第２パワー半導体モジュールと、第１流路部と、当該第１流路と略平行に設けられる第２流路部と、当該第１流路部と当該第２流路部とを接続する流路接続部とにより構成される流路形成体と、前記第１パワー半導体モジュール及び前記第２パワー半導体モジュールに入力される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュールと、前記コンデンサモジュールと前記第１パワー半導体モジュールと前記第２パワー半導体モジュールを電気的に接続するためのＤＣバスバーと、を備え、前記コンデンサモジュールは、前記第１流路部と前記第２流路部との間に挟まれて配置され、かつ当該第１流路部との第１接触面と、当該第２流路部との第２接触面とを有し、前記第１パワー半導体モジュールは、前記第１流路部を介して前記コンデンサモジュールとは反対側に設置され、かつ前記第１スイッチング素子は、その主面と前記第１接触面とが略平行になるように設置され、前記第２パワー半導体モジュールは、前記第２流路部を介して前記コンデンサモジュールとは反対側に設置され、かつ前記第２スイッチング素子は、その主面と前記第２接触面とが略平行になるように設置され、前記第１流路部は、その幅方向の長さがその高さ方向の長さよりも小さくなるように形成され、前記第２流路部は、その幅方向の長さがその高さ方向の長さよりも小さくなるように形成され、前記ＤＣバスバーは、前記第１流路部及び前記第２流路部の側部を通って、前記第１パワー半導体モジュールと前記第２パワー半導体モジュールと前記コンデンサモジュールを接続する。
本発明によれば、組立性を向上させた電力変換装置を提供することができる。また、電力変換装置の小型化を図ることができる。また、電子部品冷却の自由度を高めることができる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（ハイブリッド自動車システム）
代表的なハイブリッド電気自動車１の構成を図１に示す。また、電力変換装置１００，３００の電気回路構成を図２に示す。
本実施例のハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」という。）１は、１つの電動車両であり、２つの車両駆動用システムを備えている。その１つは、内燃機関であるエンジン１０を動力源としたエンジンシステムである。エンジンシステムは、主としてＨＥＶの駆動源として用いられる。もう１つは、モータジェネレータ３０，４０を動力源とした車載電機システムである。車載電機システムは、主としてＨＥＶの駆動源及びＨＥＶの電力発生源として用いられる。
車体（図示省略）のフロント部には前輪車軸３が回転可能に軸支されている。前輪車軸３の両端には１対の前輪２が設けられている。車体のリア部には後輪車軸（図示省略）が回転可能に軸支されている。後輪車軸の両端に、１対の後輪（図示省略）が設けられている。本実施例のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪２とし、連れ回される従輪を後輪とする、いわゆる前輪駆動方式を採用しているが、この逆、すなわち後輪駆動方式を採用しても構わない。
前輪車軸３の中央部には前輪側デファレンシャルギア（以下、「前輪側ＤＥＦ」と記述する）４が設けられている。前輪車軸３は前輪側ＤＥＦ４の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ４の入力側には変速機２０の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ４は、変速機２０によって変速されて伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸３に分配する差動式動力分配機構である。変速機２０の入力側にはモータジェネレータ３０の出力側が機械的に接続されている。モータジェネレータ３０の入力側には、動力分配機構５０を介して、エンジン１０の出力側及びモータジェネレータ４０の出力側が機械的に接続されている。
なお、モータジェネレータ３０，４０及び動力分配機構５０は、変速機２０の筐体の内部に収納されている。
動力分配機構５０は、歯車５１〜５８から構成された差動機構である。歯車５３〜５６はかさ歯車である。歯車５１，５２，５７，５８は平歯車である。モータジェネレータ
３０の動力は、変速機２０に直接に伝達される。モータジェネレータ３０の軸は、歯車
５７と同軸になっている。この構成により、モータジェネレータ３０に対して駆動電力の供給が無い場合には、歯車５７に伝達された動力がそのまま変速機２０の入力側に伝達される。エンジン１０の作動によって歯車５１が駆動されると、エンジン１０の動力は歯車５１から歯車５２に、次に、歯車５２から歯車５４及び歯車５６に、次に、歯車５４及び歯車５６から歯車５８にそれぞれ伝達され、最終的には、歯車５７に伝達される。モータジェネレータ４０の作動によって歯車５３が駆動されると、モータジェネレータ４０の回転は、歯車５３から歯車５４及び歯車５６に、次に、歯車５４及び歯車５６から歯車５８のそれぞれ伝達され、最終的には歯車５７に伝達される。
なお、動力分配機構５０としては、上記差動機構に代えて遊星歯車機構などの他の機構を用いても構わない。
モータジェネレータ３０，４０は、回転子に永久磁石を備えた同期機であり、固定子の電機子巻線３１，４１に供給される交流電力が電力変換装置１００，３００によって制御されることにより駆動が制御される。電力変換装置１００，３００には、バッテリ６０が電気的に接続されており、バッテリ６０と電力変換装置１００，３００との相互において電力の授受が可能である。
本実施例では、モータジェネレータ３０及び電力変換装置１００からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ４０及び電力変換装置３００からなる第２電動発電ユニットとの２つを備え、運転状態に応じてそれらを使い分けている。すなわちエンジン１０からの動力によって車両を駆動している場合において、車両の駆動トルクをアシストする場合には第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。また、同様の場合において、車両の車速をアシストする場合には第１電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１０の動力によって作動させて発電させ、その発電によって得られた電力によって第２電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させる。
また、本実施例では、バッテリ６０の電力によって第１電動発電ユニットを電動ユニットとして作動させることにより、モータジェネレータ３０の動力のみによって車両の駆動ができる。
さらに、本実施例では、第１電動発電ユニット又は第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１０の動力または車輪からの動力によって作動させて発電させることにより、バッテリ６０の充電ができる。
（電力変換装置の回路構成）
次に、図２を参照しながら、電力変換装置１００，３００の電気回路構成を説明する。
なお、本実施例では、電力変換装置１００，３００をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明するが、電力変換装置１００，３００を１つにまとめて１つのインバータ装置ユニットとして構成してもよい。
また、本実施例では、電力系と信号系との区別がし易いように、電力系を実線で、信号系を点線でそれぞれ図示している。
電力変換装置１００，３００は、パワー半導体モジュール１０１，コンデンサモジュール１０２及び制御装置１０３を備えている。
パワー半導体モジュール１０１は、電力変換用主回路を構成するものであり、複数のスイッチング用パワー半導体素子を備えている。複数のスイッチング用パワー半導体素子は、制御装置１０３から出力された駆動信号を受けて動作し、バッテリ６０から供給された直流電力を三相交流電力に変換する。
変換された電力は、モータジェネレータ３０，４０の電機子巻線３１，４１に供給される。電力変換用主回路は、３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の直列回路がそれぞれバッテリ６０の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されている。直列回路はアームとも呼ばれ、上アーム側のスイッチング用パワー半導体素子及び下アーム側のスイッチング用パワー半導体素子から構成されている。
本実施例では、スイッチング用パワー半導体素子として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）１１１を用いている。ＩＧＢＴ１１１は、コレクタ電極，エミッタ電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＩＧＢＴ１１１のコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード１１２が電気的に接続されている。ダイオード１１２は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ１１１のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ１１１のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ１１１のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴ１１１の代わりに、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極，ソース電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。
なお、ＭＯＳＦＥＴは、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えている。このため、ＩＧＢＴのように、外付けのダイオード１１２を設ける必要はない。
アームは、モータジェネレータ３０，４０の電機子巻線３１，４１の各相巻線に対応して３相分（合計６アーム）設けられている。３つの相はそれぞれ、上アーム側のＩＧＢＴ１１１のエミッタ電極及び下アーム側のＩＧＢＴ１１１のコレクタ電極が中間電極１２０を介して電気的に直列に接続されることにより構成されている。各相の上アーム側の
ＩＧＢＴ１１１のコレクタ電極は、正極側電極１３０を介して、コンデンサモジュール
１０２の正極側コンデンサ電極１７１に電気的接続されている。また、各相の下アーム側のＩＧＢＴ１１１のエミッタ電極は、負極側電極１４０を介して、コンデンサモジュール１０２の負極側コンデンサ電極１７２に電気的に接続されている。
各アームの中点部分（上アーム側のＩＧＢＴ１１１のエミッタ電極と下アーム側の
ＩＧＢＴ１１１のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極１２０は、モータジェネレータ３０，４０の電機子巻線３１，４１の対応する相巻線に電気的に接続されている。本実施例では、後で詳細に述べるが、１相（２アーム）を１つの電気回路装置（半導体装置）１１０によって構成している。
コンデンサモジュール１０２は、ＩＧＢＴ１１１のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を平滑化するためのものである。コンデンサモジュール１０２の正極側コンデンサ電極１７１には、バッテリ６０の正極側が電気的に接続されている。また、コンデンサモジュール１０２の負極側コンデンサ電極１７２には、バッテリ６０の負極側が電気的に接続されている。これにより、コンデンサモジュール１０２は、パワー半導体モジュール１０１の直流側（入力側）とバッテリ６０との間において、パワー半導体モジュール１０１の直流側（３相のそれぞれの正極側電極１３０と負極側電極１４０との間）とバッテリ６０のそれぞれに対して電気的に並列に接続されることになる。
制御装置１０３は、ＩＧＢＴ１１１を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサ等からの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ１１１のスイッチングタイミングを制御するためのタイミング信号を生成する制御回路と、制御回路から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ１１１をスイッチング動作させるためのドライブ信号を生成する駆動回路とを備えている。
制御回路は、マイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）によって構成されている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ３０，４０に対して要求される目標トルク値、パワー半導体モジュール１０１からモータジェネレータ３０，４０の電機子巻線３１，４１に供給される電流値、及びモータジェネレータ３０，４０の回転子の磁極位置が入力されている。
目標トルク値は、上位制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ１９４から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ３０，４０に設けられた回転磁極センサ３２，４２から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施例では２相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、３相分の電流値を検出するようにしても構わない。
マイコンは、目標トルク値に基づいてｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号として駆動回路に出力する。駆動回路には、各相の上下アームに対応して６つのＰＷＭ信号がマイコンから出力される。マイコンから出力されるタイミング信号としては矩形波信号などの他の信号を用いても構わない。
駆動回路は、複数の電子回路部品を１つに集積した集積回路、いわゆるＩＣ
（Integrated Circuit）によって構成されている。本実施例では、各相の上下アームのそれぞれに対して１個のＩＣを設ける場合（１in１）を例に挙げて説明するが、各相に対応して１個のＩＣを設ける（２in１）、或いは全てのアームに対応して１個のＩＣを設ける（６in１）ようにしても構わない。
駆動回路は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する下アームのＩＧＢＴ１１１のゲート電極に、上アームを駆動する場合、PWM信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、これをドライブ信号として、対応する上アームのＩＧＢＴ１１１のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ１１１は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
また、制御装置１０３は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、パワー半導体モジュール１０１を保護している。このため、制御装置１０３には、センシング情報が入力されている。例えば、各アームのセンサリード配線１６３からは、各ＩＧＢＴ111のエミッタ電極に流れる電流の情報が制御装置１０３に入力されている。これにより、制御装置１０３は過電流検知を行い、過電流が検知された場合には対応するＩＧＢＴ１１１のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ１１１を過電流から保護する。
パワー半導体モジュール１０１に設けられた温度センサ１０４からは、パワー半導体モジュール１０１の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンにはパワー半導体モジュール１０１の直流正極側の電圧の情報が入力されている。マイコンは、それらの情報に基づいて過温度検知及び過電圧検知を行い、過温度或いは過電圧が検知された場合には全てのＩＧＢＴ１１１のスイッチング動作を停止させ、パワー半導体モジュール
１０１を過温度または過電圧から保護する。
（パワー半導体モジュールの構成）
図１０は、本実施例の電力変換装置に用いられる代表的なパワー半導体モジュール101の構造図である。半導体チップ（ＩＧＢＴ１１１，ダイオード１１２）とその端子との接続を含めて示している。
パワー半導体モジュール１０１は、銅等で構成された金属ベース９４４の一方に、樹脂ケース９４６が搭載されている。また、樹脂ケース９４６の内部において、金属ベース
９４４には、複数のＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２が実装されている。
複数のＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２の組は、ＰＷＭ制御を行うため、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相に分けられる。本図では、各アームにつき、２組のＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２が並列接続で実装されている。これは、単一の半導体チップだけでは流せない量の大電流を流すためである。また、各相につき、直流端子である正極端子側に接続される上アームと、直流端子である負極端子側に接続される下アームの２組のＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２が実装されている。このため、本図のパワー半導体モジュール１０１には、ＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２の組が、合計で１２組存在する。
直流端子となる正極端子ＩＴ１Ｐ及び負極端子ＩＴ１Ｎは、樹脂ケースの内部において、絶縁シート９４８を介した積層構造を有している。このような積層構造を有することにより、直流配線部におけるインダクタンスを低減させることができる。
また、これらの直流端子は、ＩＧＢＴ１１１またはダイオード１１２にボンディングワイヤ９５０により電気的に接続される。ただし、ボンディングワイヤ９５０に代えて、金属板を用いて接続することも可能である。金属板を用いることにより、ボンディングワイヤ９５０を用いた場合と比較して、信頼性を維持しつつ大電流を流すことが可能になる。また、配線部におけるインダクタンスを低減することができる。
また、パワー半導体モジュールには、ゲート基板からの制御信号を入力するため、ゲートピン９５２が設けられている。ゲートピン９５２は、各ＩＧＢＴ１１１のゲート端子に接続されている。
ＩＧＢＴ１１１及びダイオード１１２は、窒化アルミ（ＡｌＮ）等の絶縁基板９５６上に搭載されている。窒化アルミ（ＡｌＮ）は、良好な熱伝導性を有するため、好んで用いられる。また、窒化アルミ（ＡｌＮ）に代えて、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を用いることも可能である。窒化ケイ素（ＳｉＮ）は靭性が高いため、絶縁基板９５６を薄く形成することができる。
絶縁基板９５６には、金属ベース９４４側には、Ｎｉメッキした銅などで全面パターンが形成され、チップ（ＩＧＢＴ１１１，ダイオード１１２）側にはＮｉメッキした銅などで配線パターンが形成されている。絶縁基板９５６の両面に金属を貼り付けることにより、チップと金属ベース９４４とのはんだ付けを可能にするとともに、絶縁基板９５６を金属で挟んだサンドイッチ構造としている。
このような構成により、温度変化したときに熱膨張係数の差による変形を防いでいる。このサンドイッチ構造を採用した結果、絶縁基板９５６を薄くすると、スイッチング時にチップ９５２側の配線パターンに流れる電流変化に応じて、金属ベース９４４側の全面パターンに誘導されるうず電流が多くなる。結果として、絶縁基板９５６上の配線パターンの寄生インダクタンスを低減することができ、パワー半導体モジュール１０１の低インダクタンス化に寄与する。
樹脂ケース９４６の内部にはシリコーン樹脂が設けられ（図示なし）、シリコーン樹脂により、ＩＧＢＴ１１１，ダイオード１１２、及び、ボンディングワイヤ９５０は覆われることになる。なお、シリコーン樹脂に代えて、レジンを用いることもできる。この上に、樹脂カバー（図示なし）を被せることにより、パワー半導体モジュール１０１が完成する。樹脂カバーの上に、後述するゲート基板２０１が搭載されることになる。
（実施例１）
実施例１の電力変換装置の分解構成図を図３に示す。また、本実施例の電力変換装置の上からみた断面構成図を図４に示す。
まず、本実施例における電力変換装置１００の構成を説明する。
ゲート基板２０１は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子を駆動制御するための駆動回路を備える。
パワー半導体モジュール１０１は、複数のスイッチング素子を備え、これらのスイッチング素子は、ゲート基板２０１からの制御信号に基づいて、オン／オフ制御される。このような制御により、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子との間に印加された直流電圧は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相の交流電圧へと変換される。
冷却ジャケット２０５は、発熱量の多いスイッチング素子を冷却するため、水等の冷媒を流す通路を備える。２つの冷却ジャケット２０５のうち一方には、外部からの冷媒の入口となる流路入口部２１５が設けられ、また、他方には、外部への出口となる流路出口部２１６が設けられている。
本実施例の電力変換装置１００では、ゲート基板２０１，パワー半導体モジュール101，冷却ジャケット２０５は、それぞれ２つ設けられている。ただし、それぞれ複数個備えたものであれば、２つのものに限られず、３つ以上設けられているものであっても良い。
コンデンサモジュール１０２は、複数のコンデンサが組み合わさって構成されている。コンデンサモジュール１０２は、金属ケース２２０を有しており、この金属ケース２２０の内部に複数のコンデンサが設けられている。また、金属ケース２２０の表面には、冷却ジャケット２０５との接触部において、コンデンサモジュール１０２による発熱を効果的に放出するため、放熱シート２２２が設けられている。本実施例では、金属ケース２２０の両面に２つの冷却ジャケット２０５が接触するため、金属ケース２２０の両面に放熱シート２２２が設けられている。
ＤＣバスバー２３０は、パワー半導体モジュール１０１の直流端子（正極端子及び負極端子）とコンデンサモジュール１０２の直流端子（正極端子及び負極端子）との間を電気的に接続するものである。正極端子に接続される正極バスバーと負極端子に接続される負極バスバーは、それぞれ絶縁体を介して積層させる構成を採用することにより、ＤＣバスバー２３０におけるインダクタンスを低減させることができる。
通路接続部材２４０は、２つの冷却ジャケット２０５の各通路の間を接続するものである。通路接続部材２４０が２つの冷却ジャケット２０５に接続されることにより、冷媒通路が完成することになる。通路接続部材２４０は、アルミニウム等の金属により形成される。特に、振動による影響を防止するためには、金属等の硬質部材で形成することが好ましい。ただし、取付け易さを優先させる場合には、軟質素材であるゴムホース等を用いることもできる。
制御基板２４４は、外部の上位制御装置からの指令に基づいて、ゲート基板２０１に制御信号を伝達させるための制御回路を備える。制御基板２４４は、制御回路が形成されるプリント基板からなる。また、制御回路の発熱を放出するため、必要に応じて、アルミニウム等の金属からなる放熱板２４５を備えるものであっても良い。この場合、放熱板245の上に、制御回路が実装されたプリント基板を搭載した二重構造となる。
筐体２５０は、アルミニウム等の金属からなり、ゲート基板２０１，パワー半導体モジュール１０１，冷却ジャケット２０５，通路接続部材２４０，ＤＣバスバー２３０、及び、制御基板２４４の各構成要素は、この筐体２５０の内部に収容される。また、カバー
２６０は、アルミニウム等の金属からなり、筐体２５０に固定される。
次に、本実施例における電力変換装置１００の組立方法について説明する。
まず、ゲート基板２０１をパワー半導体モジュール１０１に搭載する。このとき、パワー半導体モジュール１０１のゲートピン９５２は、ゲート基板２０１の制御信号出力部に電気的に接続される。
ゲート基板２０１が搭載されたパワー半導体モジュール１０１を、冷却ジャケット205に搭載する。冷却ジャケット２０５には、冷媒の通路が形成されているが、パワー半導体モジュール１０１が搭載される前には、通路は完成していない。すなわち、パワー半導体モジュール１０１が搭載されることになる側面は、外部に露出した状態になっている。このため、冷却ジャケット２０５にパワー半導体モジュール１０１が搭載されることにより、露出部がパワー半導体モジュール１０１により覆われ、通路が完成する。本実施例では、上記構造を採用した直接冷却構造を有するが、特にこれに限られず、単独で通路が完成した構造を備えた冷却ジャケットを用いるものであっても良い。
また、パワー半導体モジュール１０１と冷却ジャケット２０５の間はＯリング２５２
（図５参照）によってシールされる。ただし、シール方法はこれに限られず、液状シール材や溶接等によってシールするものであっても良い。
コンデンサモジュール１０２の金属ケース２２０の両面において、放熱シート２２２を設ける。この放熱シート２２２を介して、２つの冷却ジャケット２０５を金属ケース220の両面に接触させる。冷却ジャケット２０５は支柱２２８を備えており、上下にある支柱２２８に挟み込むように、コンデンサモジュール１０２を収容する。このとき、冷却ジャケット２０５とコンデンサモジュール１０２の金属ケース２２０との間は、複数のネジにより固定される。ただし、固定方法はこれに限られず、ネジ止めの代わりに、溶接等により固定するものであっても良い。
この結果、２つのパワー半導体モジュール１０１は、それぞれのパワー半導体モジュール１０１に設けられたスイッチング素子の主面が略平行になるように設置されることになる。すなわち、２つのパワー半導体モジュール１０１を縦に配置し、その間に冷媒が流れる通路とコンデンサモジュール１０２を設けた構成により、電力変換装置１００の小型化を図ることが可能になる。
ＤＣバスバー２３０は、コンデンサモジュール１０２の上部に配置される。ＤＣバスバー２３０は、正極バスバー及び負極バスバーを有し、それぞれ、コンデンサモジュール
１０２の直流端子（正極端子及び負極端子）とパワー半導体モジュール１０１の直流端子（正極端子及び負極端子）との間を電気的に接続する。これらのバスバーと端子との接続部は、ネジにより固定される。ただし、溶接等の方法によって固定するものでも良い。
次に、通路接続部材２４０を２つの冷却ジャケット２０５に接続する。通路接続部材
２４０と冷却ジャケット２０５との接続部における分解拡大図を図５に示す。
通路接続部材２４０は、冷却ジャケット２０５に接続される先端部にフランジ２４８を有する。また、通路接続部材２４０と冷却ジャケット２０５との間には、Ｏリング２５２が介在されている。このＯリング２５２を介して、フランジ２４８を冷却ジャケット205に接触させる。その後、冷却ジャケット２０５にフランジ２４８をネジ２５６で止めることにより、通路接続部材２４０と冷却ジャケット２０５を確実に固定する。なお、本図では、通路接続部材２４０と冷却ジャケット２０５はネジ２５６により固定される構成を採用しているが、これに代えて、溶接等により固定することも可能である。
次に、上記のとおり組み立てた構成部品を筐体２５０の内部に入れる。これらの構成部品は、筐体２５０の内部において、ネジ止め等により固定される。
ＤＣバスバー２３０の上部において、制御基板２４４を筐体２５０の内部に固定する。制御基板２４４は、制御回路による発熱を放出するための放熱板２４５を有しており、この放熱板２４５が筐体２５０の内部に形成された棚部２６２に配置される。放熱板２４５と棚部２６２は、ネジ等を用いて固定する。
最後に、カバー２６０を筐体２５０にネジ止めにより固定することにより、電力変換装置１００が完成する。
以上のような構成により、本実施例によれば、電力変換装置の小型化を図りつつ、組立性を向上させることができる。
（実施例２）
実施例２の電力変換装置の分解構成図を図６に示す。
本実施例の基本構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の部分についての説明は省略する。
本実施例の電力変換装置は、実施例１の電力変換装置が有する各構成部品に加えて、
ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０を備えている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０は、所定の直流電圧を昇圧または降圧させるために設けられる。図６に示されるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０には、通路接続部材２４０が貫通しており、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０からの発熱を効果的に冷却できる構成となっている。
ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０も発熱するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０を電力変換装置１００に内蔵する場合には、通路接続部材２４０に接触させることにより、ＤＣ−
ＤＣコンバータ２７０の放熱効率を向上させることが可能になる。
図７に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０の拡大構成図を示す。
ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０は、リアクトル２７２と、制御回路が搭載された制御回路基板２７４とを有する。リアクトル２７２は樹脂封止されている。また、リアクトル272を封止した樹脂は、通路接続部材２４０の一部を覆うことにより、通路接続部材２４０と一体化した構成を有する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０では、リアクトル２７２からの発熱が大きいため、リアクトル２７２の封止樹脂で通路接続部材を覆うような一体構成とすることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０の発熱を通路接続部材２４０において効率的に冷却することが可能になる。
なお、本図では、通路接続部材２４０が樹脂により覆われているが、特にこのような構造に限らない。ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０をそのまま通路接続部材２４０に固定するものであってもよい。
（実施例３）
実施例３の電力変換装置の分解構成図を図９に示す。
本実施例の基本構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の部分についての説明は省略する。
本実施例の電力変換装置１００は、筋交い板２８０を有する。筋交い板２８０は２枚の金属板を備え、その２枚の金属板は中央部２８２で固定されている。中央部を基準として、２枚の金属板は、その間隔を変更できるように構成されている。
本実施例では、補強材として用いられる筋交い板２８０が、２つの冷却ジャケット205に接続される。このような筋交い板２８０を用いることにより、各構成物の固定強度を向上できるため、振動に対する耐性を向上させることが可能になる。
本実施例の電力変換装置１００の組立方法は、ゲート基板２０１，パワー半導体モジュール１０１，冷却ジャケット２０５，ＤＣバスバー２３０、及び、通路接続部材２４０を組み立てるところまでは、実施例１と同じである。
上記構成要素を実装した後、筋交い板２８０を２つの冷却ジャケット２０５にネジ止め等により固定する。その後、筐体２５０の内部に入れ、放熱板２４５を備えた制御基板
２４４を搭載し、カバー２６０を筐体２５０に固定する点は、実施例１と同じである。
本実施例の電力変換装置によれば、小型化及び組立性の向上を図ることができるとともに、さらに耐振性を向上させることが可能になる。
（実施例４）
実施例４の電力変換装置の断面構成図を図８に示す。冷媒の入口部２１５及び冷媒の出口部２１６がある側面から見て、電力変換装置１００の内部を透視した図になっている。ここでも、上記実施例と同様の部分についての説明は省略し、上記実施例と異なる部分のみ説明する。
本実施例では、２つの冷却ジャケット２０５の間に配置する電子部品として、コンデンサモジュール１０２の代わりに、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０を採用したものである。
支柱２２８に支えられたＤＣ−ＤＣコンバータ２７０は、その向かい合う両面において、２つの冷却ジャケット２０５にて挟み込まれた構成を有している。このような構成により、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０をより効果的に冷却することが可能になる。
コンデンサモジュール１０２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７０を挟んだ冷却ジャケット２０５の上方において、筐体２５０に設けられた棚部２６１に配置されている。パワー半導体モジュール１０１の上部から延びたＤＣバスバー２３０は、コンデンサモジュール
１０２が配置された上方へと延びて、コンデンサモジュール１０２と電気的に接続される。
コンデンサモジュール１０２よりＤＣ−ＤＣコンバータ２７０の放熱効率を優先させたい場合には、本実施例のような構成を採用することがより望ましい。
本実施例の電力変換装置によれば、小型化及び組立性の向上を図ることができるとともに、電子部品冷却の自由度を高めることが可能になる。
以上、本発明の内容を実施例に基づいて詳細に説明したが、本発明の範囲は、特にこれらに限られるものではなく、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない範囲内で適宜変更可能である。
例えば、上記実施例では、２つのパワー半導体モジュールを縦に配置することにより電力変換装置の小型化を図ったが、これに代えて、２つのパワー半導体モジュールを横に配置し、２つのパワー半導体モジュールを同一平面上に配置した構成を採用することもできる。
また、上記実施例では、２つの冷却ジャケットの間に配置する電子部品として、コンデンサモジュール、または、ＤＣ−ＤＣコンバータが採用されることを説明した。ただし、これらに代えて、他の電子部品を２つの冷却ジャケットの間に配置することも可能である。
本発明の電力変換装置が用いられる代表的なハイブリッド電気自動車の構成図である。 本発明の電力変換装置の代表的な回路構成図である。 実施例１の電力変換装置の分解構成図である。 実施例１の電力変換装置の上からみた断面構成図である。 通路接続部材と冷却ジャケットの接続部の分解拡大図である。 実施例２の電力変換装置の分解構成図である。 本発明の電力変換装置に内蔵されるＤＣ−ＤＣコンバータの拡大構成図である。 実施例４の電力変換装置の断面構成図である。 実施例３の電力変換装置の分解構成図である。 本発明の電力変換装置に用いられる代表的なパワー半導体モジュールの構造図である。
符号の説明
１００ 電力変換装置
１０１ パワー半導体モジュール
１０２ コンデンサモジュール
２０１ ゲート基板
２０５ 冷却ジャケット
２１５ 入口部
２１６ 出口部
２２２ 放熱シート
２３０ ＤＣバスバー
２４０ 通路接続部材
２４４ 制御基板
２４５ 放熱板
２５０ 筐体
２５２ Ｏリング
２６０ カバー
２７０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２７２ リアクトル
２８０ 筋交い板

Claims (8)

  1. 第１スイッチング素子を有する第１パワー半導体モジュールと、
    第２スイッチング素子を有する第２パワー半導体モジュールと、
    第１流路部と、当該第１流路と略平行に設けられる第２流路部と、当該第１流路部と当該第２流路部とを接続する流路接続部とにより構成される流路形成体と、
    前記第１パワー半導体モジュール及び前記第２パワー半導体モジュールに入力される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュールと、
    前記コンデンサモジュールと前記第１パワー半導体モジュールと前記第２パワー半導体モジュールを電気的に接続するためのＤＣバスバーと、を備え、
    前記コンデンサモジュールは、前記第１流路部と前記第２流路部との間に挟まれて配置され、かつ当該第１流路部との第１接触面と、当該第２流路部との第２接触面とを有し、
    前記第１パワー半導体モジュールは、前記第１流路部を介して前記コンデンサモジュールとは反対側に設置され、かつ前記第１スイッチング素子は、その主面と前記第１接触面とが略平行になるように設置され、
    前記第２パワー半導体モジュールは、前記第２流路部を介して前記コンデンサモジュールとは反対側に設置され、かつ前記第２スイッチング素子は、その主面と前記第２接触面とが略平行になるように設置され、
    前記第１流路部は、その幅方向の長さがその高さ方向の長さよりも小さくなるように形成され、
    前記第２流路部は、その幅方向の長さがその高さ方向の長さよりも小さくなるように形成され、
    前記ＤＣバスバーは、前記第１流路部及び前記第２流路部の側部を通って、前記第１パワー半導体モジュールと前記第２パワー半導体モジュールと前記コンデンサモジュールを接続する電力変換装置。
  2. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
    前記ＤＣバスバーは、正極バスバーと、負極バスバーと、当該正極バスバーと当該負極バスバーとの間に挟まれる絶縁体とで構成される電力変換装置。
  3. 請求項１に記載された電力変換装置であって、
    前記第１流路部及び前記第２流路部は、それぞれ開口部を備え、当該開口部がそれぞれ前記第１パワー半導体モジュールと前記第２パワー半導体モジュールに塞がれることによって、冷却水が流れる流路が形成される電力変換装置。
  4. 請求項１記載の電力変換装置において、
    前記コンデンサモジュールは、複数のコンデンサを備えており、
    前記複数のコンデンサの正極端子及び負極端子は、それぞれ、外部直流電源の正極端子及び負極端子に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項１記載の電力変換装置において、
    前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を制御するための制御回路が搭載された制御基板を有し、
    前記制御基板は、前記ＤＣバスバーの上に配置されていることを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項５記載の電力変換装置において、
    前記制御基板は、金属板と、該金属板の上に搭載され、前記制御回路が形成されたプリント基板と、から構成されていることを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項６記載の電力変換装置において、
    さらに、筐体を有し、
    前記制御基板の前記金属板は、前記筐体に接続されることにより、前記制御回路による発熱を該筐体へ放出させるものであることを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項１記載の電力変換装置において、
    前記コンデンサモジュールは、金属ケースで周囲を囲まれており、
    前記第１冷却ジャケットとの接触面において、前記金属ケースには放熱シートが設けられていることを特徴とする電力変換装置。
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