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JP5738794B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に係り、特にエンジンとモータを駆動源としたハイブリッド車、電気自動車やプラグインハイブリッド車複数の電力変換装置に関する。
電気自動車やプラグインハイブリッド車は、高電圧蓄電池と低電圧蓄電池を搭載している。高電圧蓄電池は、車両駆動用のモータを駆動するための電力変換装置に電力を供給する。低電圧蓄電池は、車両のライトやラジオなどの補機に電力を供給する。このような車両は、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行うＤＣＤＣコンバータ装置を搭載している。
このような車両においては、車両全体の容積に対する室内の割合をできるだけ大きくし、居住性を良くすることが望まれている。このため、電力変換装置やＤＣＤＣコンバータ装置は、車室外のとりわけエンジンルームの、できるだけ小さなスペースに搭載されることが望まれている。また、電力変換装置やＤＣＤＣコンバータ装置は、車両へ取付けた後の接続端子との配線を容易にするため、外部接続端子をできるだけ１面、または２面に集中して配置することが望まれている。例えば、以下の特許文献１では、ＤＣＤＣコンバータ装置をインバータ装置の側面へ併設し、各外部接続端子を上面へ配置することによって、外部接続端子に対する良好な組み付け作業性を確保することが提案されている。
特開２００４−３０４９２３号公報
本発明が解決しようとする課題は、電力変換装置の小型化を図ることである。また一方で、本発明が解決しようとする課題は、複数の電力変換装置を一体化した一体型電力変換装置の小型化と、電力変換装置内部の配線接続距離を短くすることである。
上記課題を解決するために、本発明に係る一体型電力変換装置は、パワー半導体モジュールと、所定の直流電圧を異なる直流電圧に変換するＤＣＤＣコンバータと、前記直流電圧を平滑化するとともに前記パワー半導体モジュール及び前記ＤＣＤＣコンバータに当該平滑化された直流電圧を供給するコンデンサモジュールと、冷媒を流す流路を形成する流路形成体と、前記パワー半導体モジュールと前記ＤＣＤＣコンバータと前記コンデンサモジュールと前記流路形成体を収納するケースと、前記直流電流を伝達する第１直流コネクタと、を備え、前記パワー半導体モジュールは、前記流路形成体を挟んで前記ＤＣＤＣコンバータと対向する位置に配置され、前記直流コネクタは、前記ケースの所定の一面側に配置され、前記ケースの所定の一面は、前記パワー半導体モジュールと前記流路形成体と前記ＤＣＤＣコンバータの配列方向に沿うように形成され、前記コンデンサモジュールは、前記ケースの所定の一面と前記流路形成体との間に配置されるとともに前記直流コネクタと接続される。
本発明により、電力変換装置の小型化を図ることができる。また一方で、本発明により、複数の電力変換装置を一体化した一体型電力変換装置の小型化と、電力変換装置内部の配線接続距離を短くすることができる。
ハイブリッド自動車のシステムを示すシステム図である。 図１に示す電気回路の構成を示す回路図である。 電力変換装置２００の外観斜視図である。 電力変換装置２００を分解した斜視図である。 図４のＡ−Ａ断面の矢印方向から見た断面図である。 図４のＢ−Ｂ断面の矢印方向から見た断面図である。 図７（ａ）は、本実施形態の第１パワー半導体モジュール３００ａの斜視図である。図７（ｂ）は、本実施形態の第１パワー半導体モジュール３００ａを断面Ｃで切断して、矢印方向から見たときの断面図を模式的に示した図である。 第一パワー半導体モジュール３００ａの内臓回路構成を示す回路図である。 電力変換装置２００の直流電力の流れを示した図である。 電力変換装置２００の交流電力の流れを示した図である。 コンデンサモジュール５００の外観を示す図である分解斜視図である。 コンデンサモジュール５００の外観を示す図である斜視図である。 ＤＣＤＣコンバータ１００における内臓回路構成の一例を示す回路図である。 ＤＣＤＣコンバータ１００における内臓回路構成を示す回路図である。 ＤＣＤＣコンバータ１００の部品の配置を説明するための図である。 ケース１０へのＤＣＤＣコンバータ１００の組付けを説明する図である。 ＤＣＤＣコンバータ１００の電力の流れを説明する図である。
以下に説明する本発明が適用された実施の形態に記載の電力変換装置およびこの装置を使用したシステムは、製品化のために解決することが望ましい色々な課題を解決している。これら実施の形態が解決している色々な課題の一つに、上述の発明が解決しようとする課題の欄に記載した電力変換装置内部の配線接続距離を短くすることに係る課題があり、また上述の発明の効果の欄に記載した電力変換装置内部の配線接続距離を短くする効果に止まらず、上記課題や効果以外に色々な課題を解決し、色々な効果を達成することができる。
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、ハイブリッド自動車（以下「ＨＥＶ」と記述する）の制御ブロックを示す図である。
エンジンＥＧＮおよびモータジェネレータＭＧ１は車両の走行用トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ１は回転トルクを発生するだけでなく、モータジェネレータＭＧ１に外部から加えられる機械エネルギーを電力に変換する機能を有する。
エンジンＥＧＮの出力側の出力トルクは動力分配機構ＴＳＭを介してモータジェネレータＭＧ１に伝達され、動力分配機構ＴＳＭからの回転トルクあるいはモータジェネレータＭＧ１が発生する回転トルクは、トランスミッションＴＭおよびデファレンシャルギアＤＥＦを介して車輪に伝達される。一方、回生制動の運転時には、車輪から回転トルクがモータジェネレータＭＧ１に伝達され、供給されてきた回転トルクに基づいて交流電力を発生する。発生した交流電力は後述するように電力変換装置２００により直流電力に変換され、高圧用のバッテリ１３６を充電し、充電された電力は再び走行エネルギーとして使用される。
次に電力変換装置２００について説明する。インバータ回路１４０は、バッテリ１３６と直流コネクタ１３８を介して電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ回路１４０との相互において電力の授受が行われる。モータジェネレータＭＧ１をモータとして動作させる場合には、インバータ回路１４０は直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６から供給された直流電力に基づき交流電力を発生し、交流コネクタ１８８を介してモータジェネレータＭＧ１に供給する。モータジェネレータＭＧ１とインバータ回路１４０からなる構成は電動発電ユニットとして動作する。
なお、電力変換装置２００は、インバータ回路１４０に供給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５００を備えている。
電力変換装置２００は、上位の制御装置から指令を受けたりあるいは上位の制御装置に状態を表すデータを送信したりするための通信用のコネクタ２１を備えている。電力変換装置２００は、コネクタ２１から入力される指令に基づいて制御回路１７２でモータジェネレータＭＧ１の制御量を演算し、さらにモータとして運転するか発電機として運転するかを演算し、演算結果に基づいて制御パルスを発生し、その制御パルスをドライバ回路１７４へ供給する。ドライバ回路１７４は、供給された制御パルスに基づいて、インバータ回路１４０を制御するための駆動パルスを発生する。
図２は、インバータ装置２００の構成を説明する回路ブロック図である。なお、図２では半導体素子として絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを使用しており、以下略してＩＧＢＴと記す。上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８及びダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０及びダイオード１６６とで、上下アームの直列回路１５０が構成される。インバータ回路１４０は、この直列回路１５０を、出力しようとする交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応して備えている。
これらの３相は、この実施の形態では走行用モータに対応するモータジェネレータＭＧ１の電機子巻線の３相の各相巻線に対応している。３相のそれぞれの上下アームの直列回路１５０は、直列回路の中点部分である中間電極１６９から交流電流を出力する。この中間電極１６９は、交流端子１５９及び交流コネクタ１８８を通して、モータジェネレータＭＧ１への交流電力線である交流バスバ８０２と接続される。
上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は、正極端子１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６に電気的に接続されている。また、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は、負極端子１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側のコンデンサ端子５０４に電気的に接続されている。
ドライバ回路１７４は、各相の直列回路１５０の上アームあるいは下アームを構成するＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０を制御するための駆動パルスを各相のＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０に供給する。ＩＧＢＴ３２８やＩＧＢＴ３３０は、ドライバ回路１７４からの駆動パルスに基づき、導通あるいは遮断動作を行い、バッテリ１３６から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この変換された電力はモータジェネレータＭＧ１に供給される。
ＩＧＢＴ３２８は、コレクタ電極１５３と、信号用エミッタ電極１５５と、ゲート電極１５４を備えている。また、ＩＧＢＴ３３０は、コレクタ電極１６３と、信号用のエミッタ電極１６５と、ゲート電極１６４を備えている。ダイオード１５６が、コレクタ電極１５３とエミッタ電極１５５との間に電気的に接続されている。また、ダイオード１６６が、コレクタ電極１６３とエミッタ電極１６５との間に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金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ（以下略してＭＯＳＦＥＴと記す）を用いてもよい、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴは直流電圧が比較的高い場合に適していて、ＭＯＳＦＥＴは直流電圧が比較的低い場合に適している。
コンデンサモジュール５００は、正極側のコンデンサ端子５０６と負極側のコンデンサ端子５０４と正極側の電源端子５０９と負極側の電源端子５０８とを備えている。バッテリ１３６からの高電圧の直流電力は、直流コネクタ１３８を介して、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８に供給され、コンデンサモジュール５００の正極側のコンデンサ端子５０６および負極側のコンデンサ端子５０４から、インバータ回路１４０へ供給される。
一方、交流電力からインバータ回路１４０によって変換された直流電力は、正極側のコンデンサ端子５０６や負極側のコンデンサ端子５０４からコンデンサモジュール５００に供給され、正極側の電源端子５０９や負極側の電源端子５０８から直流コネクタ１３８を介してバッテリ１３６に供給され、バッテリ１３６に蓄積される。
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８及びＩＧＢＴ３３０のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンへの入力情報としては、モータジェネレータＭＧ１に対して要求される目標トルク値、直列回路１５０からモータジェネレータＭＧ１に供給される電流値、及びモータジェネレータＭＧ１の回転子の磁極位置がある。
上位の制御装置からコネクタ２１を介して受けた制御信号は、インターフェースケーブル１０２を経由し、ＤＣＤＣコンバータ１００へ配信される。また、直流コネクタ１３８を介して受けた直流電圧は、コンデンサモジュール５００のＤＣＤＣ端子５１０を経由し、ＤＣＤＣコンバータ１００に配信される。
また第１基板７１０は、ドライバ回路１７４と、制御回路１７２と、電流センサ１８０を実装している。
図３は、電力変換装置２００の外観を示す斜視図である。図４は、電力変換装置２００のケース１０の内部構成を説明するために、電力変換装置２００を分解した斜視図である。
本実施形態に係る電力変換装置２００は、直流コネクタ１３８と、交流コネクタ１８８と、ＬＶ（Low Voltage）コネクタ９１０とを備える。ＬＶコネクタ９１０は、前記直流コネクタ１３８とは異なる直流電圧であるとともにＤＣＤＣコンバータ１００で降圧された直流電圧を伝達する。直流コネクタ１３８、交流コネクタ１８８及びＬＶコネクタ９１０は、ケース１０の所定の平面１０ａに配置される。なお平面１０ａは、本実施形態においてはケース１０の上面に対応する。つまり組立作業者が、車両のボンネットの開口側から平面１０ａを見ることができるように、平面１０ａは配置される。これにより、電力変換装置２００を車両取付け後、直流コネクタ１３８、交流コネクタ１８８及びＬＶコネクタ９１０を容易に接続することができ、作業性の向上が望める。
図４に示されるように、コンデンサモジュール５００は、ケース１０内の上部に配置される。インバータ回路１４０を構成する複数の第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃは、ケース１０の一方の側面側に配置される。第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃは、コンデンサモジュール５００に対して略垂直に配置される。ＤＣＤＣコンバータ１００は、ケース１０の他方の側面側に配置される。
本実施形態においては、第１基板７１０は、制御回路１７２、ドライブ回路１７４、電流センサ１８０及びコネクタ２１を搭載する。なお、制御回路１７２や電流センサ１８０やコネクタ２１を第１基板７１０に搭載することは必須ではなく、搭載スペース等に応じて、これらの部品を第１基板７１０から分離してもよい。第１基板７１０は、その実装面が第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃに対して平行になるように配置される。
上面側カバー３は、ケース１０の上面方向の開口部を覆うようにボルトによって固定される。また第１側面カバー９０４は、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃが収納されている側の開口部を覆うようにボルトによって固定される。第１側面カバー９０４は、コネクタ２１と対向する領域に、コネクタ２１を貫通させるための貫通孔９０６を形成する。これにより、コネクタ２１周りの配線を短くすることができるため、ノイズの影響を低減することができる。また弱電系であるコネクタ２１が、強電系である直流コネクタ１３８や交流コネクタ１８８やＬＶコネクタ９１０が配置された面とは異なる面に配置されるため、ノイズの影響を低減することができる。
第２側面カバー９０５は、ＤＣＤＣコンバータ１００が収納される側の開口部を覆うようにボルト固定される。
図５は、図４の理解を助けるための図であり、図３の断面Ａの矢印方向から見た断面図である。
流路形成体１９は、ケース１０の中央部近傍であって、ＤＣＤＣコンバータ１００側に僅かに近づいて配置されるとともにケース１０の下部側に配置される。また流路形成体１９は、第１流路１９ａと第２流路１９ｂを形成する。第１流路１９ａと第２流路１９ｂは、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃとＤＣＤＣコンバータ１００の配列方向Ｄに沿って並べて配置される。第１流路１９ａは、ＤＣＤＣコンバータ１００よりも第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃに近くに配置されかつ第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃと対向して配置される。第２流路１９ｂは、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃよりもＤＣＤＣコンバータ１００に近くに配置されかつＤＣＤＣコンバータ１００と対向して形成される。
第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃは、第１流路１９ａと接するように配置される。また、ＤＣＤＣコンバータ１００は、第２流路１９ｂと接するように配置される。つまり第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃは、流路形成体１９を挟んでＤＣＤＣコンバータ１００と対向する位置に配置される。
直流コネクタ１３８は、ケース１０の所定の平面１０ａ側に配置される。この所定の平面１０ａは、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃと流路形成体１９とＤＣＤＣコンバータ１００の配列方向Ｄに沿うように形成される。つまり所定の平面１０ａは、配列方向Ｄと平行に形成される。そしてコンデンサモジュール５００は、ケース１０の所定の平面１０ａと流路形成体１９との間に配置されるとともに直流コネクタ１３８と接続される。
これにより、コンデンサモジュール５００と直流コネクタ１３８との配線が短くすることができるとともに、コンデンサモジュール５００から出力される直流電力を伝達する配線も極めて短くすることができる。
また、コンデンサモジュール５００は、第１流路１９ａと、第２流路１９ｂを跨ぐように配置される。
これにより、本実施形態における電力変換装置２００の主な発熱部品である、コンデンサモジュール５００と、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃと、ＤＣＤＣコンバータ１００を冷媒によって冷却することが可能となり、耐久性能の向上が望める。
さらに、ケース１０に対して、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃと、コンデンサモジュール５００と、ＤＣＤＣコンバータ１００を、それぞれ異なる３方向から組付ける構造となるため、組立性、分解性の向上が望める。
また、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃと、ＤＣＤＣコンバータ１００は、それぞれ、ケース１０の外部インターフェースが配置されている上面に隣接する長手方向の辺の、側面方向から組付けられるため、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃと交流コネクタ１８８との接続距離、及び、ＤＣＤＣコンバータ１００と、ＬＶコネクタとの接続距離を短くすることが可能となる。
よって、電力変換装置２００内部の電気的接続距離を短くすることが可能となるため、装置の小型化、軽量化、耐ノイズ性能の向上が望める。
ケース１０は、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを収納する第１凹部８５０を有する。第１凹部８５０は、底面を流路形成体１９により形成されかつ側面の一部をコンデンサモジュール５００を収納するための壁８５０ａによって形成される。
ケース１０は、コンデンサモジュール５００を収納する第２凹部８５１を有する。第２凹部８５１は、底面を流路形成体１９及び壁８５０ａにより形成されかつ側面の一部を第１基板７１０を収納するための壁８５１ａによって形成される。
壁８５１ｂは、コンデンサモジュール５００を収納する空間とＤＣＤＣコンバータ１００を収納する空間の双方を形成する。
第１基板７１０は、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを挟んで第１凹部８５０の底面と対向する位置に配置される。さらに第１基板７１０は、壁８５１ａにより支持され、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃが収納された第１凹部８５０に蓋をするように取付けられる。
これにより、第１基板７１０は壁８５０ａ又は壁８５１ａを介して流路形成体１９と熱的に接続することができ、第１基板７１０を冷却することができる。また、図４に示されるように、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃと第１基板７１０との間に、電流センサ１８０を実装するためのスペースを確保することが容易に可能となる。よって、電力変換装置２００内部のスペースを無駄なく有効的に活用することができるため、小型化、軽量化の向上が望める。
第１凹部８５０と第２凹部８５１は、それぞれ収納する部品に応じて大きさが異なる。それにより、組立て作業時の誤組付けの判別が容易になり、誤組付け防止が可能になる。本実施形態においては、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃ側の第１凹部８５０を第２凹部８５１よりも深く形成している。
図６は、流路形成体１９を説明するための図であり、図３の断面Ｂの矢印方向から見た断面斜視図である。
冷媒を流入するための入口配管１３と、冷媒を流出するための出口配管１４が、ケース１０の同一側面上に配置される。流路形成体１９は、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃが配置された方向に向かって形成された第１開口部１９ｃと、ＤＣＤＣコンバータ１００が配置された方向に向かって形成された第２開口部１９ｄとを形成する。
第１開口部１９ｃは、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃを搭載したベース板３０１により塞がれる。ベース板３０１は、第１流路１９ａを流れる冷媒と直接接触する。またベース板３０１は、第１パワー半導体モジュール３００ａと対向して形成されるフィン３０２ａと、第１パワー半導体モジュール３００ｂと対向して形成されるフィン３０２ｂと、第１パワー半導体モジュール３００ｃと対向して形成されるフィン３０２ｃとを有する。
冷媒は、矢印で示す流れ方向４１７の方向に、入口配管１３を通って、ケース１０の長手方向の辺に沿って形成された第１流路１９ａ内を流れ方向４１８のように流れる。また、冷媒は、流れ方向４２１のように、ケース１０の短手方向の辺に沿って形成された流路部を、流れ方向４２１のように流れ、折り返し流路を形成する。また、冷媒は、流れ方向４２２のように、ケース１０の長手方向の辺に沿って形成された第２流路１９ｂ流れる。第２流路１９ｂは第１流路１９ａと対向する位置に設けられる。さらに、冷媒は、流れ方向４２３のように、出口配管１４を通って流出する。本実施形態では、冷媒としては水が最も適している。しかし水以外の空気等であっても利用できるので、以下冷媒と記す。
また、第１流路１９ａと第２流路１９ｂは、ケース１０の長手方向の辺に沿って、互いに対向するように形成されているので、アルミ鍛造により製造しやすい構成になっている。
図７を用いて、インバータ回路１４０に使用される第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの構成を説明する。第１パワー半導体モジュール３００ａにはＵ相の直列回路１５０が設けられ、第１パワー半導体モジュール３００ｂにはＶ相の直列回路１５０が設けられ、第１パワー半導体モジュール３００ｃにはＷ相の直列回路１５０が設けられている。上記第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃはいずれも同じ構造であり、代表して第１パワー半導体モジュール３００ａの構造を説明する。
なお図７において、信号端子３２５Ｕは、図２に開示したゲート電極１５４および信号用エミッタ電極１５５に対応し、信号端子３２５Ｌは、図２に開示したゲート電極１６４およびエミッタ電極１６５に対応する。また、直流正極端子３１５Ｂは、図２に開示した正極端子１５７と同一のものであり、直流負極端子３１９Ｂは、図２に開示した負極端子１５８と同一のものである。また、交流端子３２０Ｂは、図２に開示した交流端子１５９と同じものである。
図７（ａ）は、本実施形態の第１パワー半導体モジュール３００ａの斜視図である。図７（ｂ）は、本実施形態の第１パワー半導体モジュール３００ａを断面Ｃの矢印方向から見た断面図を模式的に示した例である。
図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、第１パワー半導体モジュール３００ａは、直列回路１５０を構成する半導体素子（ＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０、ダイオード１５６、ダイオード１６６）を、一体モールド成形した樹脂部材３５０で覆ったものである。樹脂部材３５０は、例えば高Ｔｇトランスファー樹脂等で構成され、かつ、つなぎ目の無い状態で一体に成形される。
樹脂部材３５０の一つの側面からは、コンデンサモジュール５００と接続する直流正極端子３１５Ｂおよび直流負極端子３１９Ｂと、モータと接続するためのＵ、Ｖ、Ｗ相の交流端子３２０Ｂが突出している。また、正極端子３１５Ｂ等が突出する側面と対向する側面からは、信号端子３２５Ｕおよび信号端子３２５Ｌが突出している。樹脂部材３５０の内部には、配線を含めた半導体モジュール部を有している。
図７（ｂ）に示すように、半導体モジュール部は、絶縁基板３３４の上に上下アームのＩＧＢＴ３２８、ＩＧＢＴ３３０、ダイオード１５６、ダイオード１６６等が設けられて、前述の樹脂部材３５０によって保護されている。絶縁基板３３４は、セラミック基板であっても良いし、さらに薄い絶縁シート、またはＳｉＮであってもよい。
直流正極端子３１５Ｂおよび直流負極端子３１９Ｂは、絶縁基板３３４上の回路配線パターン３３４ｋと接続するための接続端３１５ｋ及び接続端３１９ｋを有する。また、接続端３１５ｋ及び接続端３１９ｋは、回路配線パターン３３４ｋとの接合面を形成するために、その先端部が屈曲している。接続端３１５ｋ及び接続端３１９ｋと回路配線パターン３３４ｋとは、はんだなどを介して接続されるか、もしくは直接金属同士を超音波溶接により接続される。
絶縁基板３３４は、例えば金属ベース３０４の上にはんだ３３７ａを介して固定される。はんだ３３７ａは、ベタパターン３３４ｒと接合される。上アーム用のＩＧＢＴ３２８と上アーム用のダイオード１５６及び下アーム用のＩＧＢＴ３３０や下アーム用のダイオード１６６は、はんだ３３７ｂにより回路配線パターン３３４ｋに固定される。回路配線パターン３３４ｋと半導体素子との接続は、ボンディングワイヤ３７１により為される。
図８は、第１パワー半導体モジュール３００ａの内部回路構成を示す回路図である。上アーム側のＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極と上アーム側のダイオード１５６のカソード電極は、導体板３１５を介して接続される。導体板３１５には直流正極端子３１５Ｂが接続されている。ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と上アーム側のダイオード１５６のアノード電極は、導体板３１８を介して接続される。ＩＧＢＴ３２８のゲート電極１５４には、３つの信号端子３２５Ｕが並列に接続されている。ＩＧＢＴ３２８の信号用エミッタ電極１５５には、信号端子３３６Ｕが接続されている。
一方、下アーム側のＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極としたアーム側のダイオード１６６のカソード電極は、導体板３２０を介して接続される。導体板３２０には交流端子３２０Ｂが接続されている。ＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極と下アーム側のダイオード１６６のアノード電極は、導体板３１９を介して接続される。導体板３１９には直流負極端子３１９Ｂが接続されている。ＩＧＢＴ３３０のゲート電極１６４には、３つの信号端子３２５Ｌが並列に接続されている。ＩＧＢＴ３３０の信号用エミッタ電極１６５には、信号端子３３６Ｌが接続されている。
図９、図１０を用いて、本実施形態における電力変換装置２００の電力の流れを説明する。図９は、本実施形態における電力変換装置２００の直流電力の流れを示した斜視図である。直流電力の流れに無関係な構成部品は省略されている。バッテリ１３６から供給された直流電力は、直流コネクタ１３８を介して、電力変換装置２００へ入力される。
直流コネクタ１３８から入力された直流電力は、コンデンサモジュール５００を通って平滑化された後、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃへ直流電力を伝達するためのコンデンサ端子５０４および５０６と、ＤＣＤＣコンバータ１００へ直流電力を伝達するためのＤＣＤＣ端子５１０へ供給される。なお、ＤＣＤＣコンバータ１００へ到達した後の電力の流れについては後述する。
直流電力は、コンデンサ端子５０４および５０６を通過後、直流バスバ５０４ａおよび５０６ａを介して、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの直流正極端子３１５Ｂおよび直流負極端子３１９Ｂから、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃのインバータ回路１４０へ入力される。
直流バスバ５０４ａと直流バスバ５０６ａは、絶縁部材を介した積層状態で構成される。また直流バスバ５０４ａと直流バスバ５０６ａは、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃが配置され面や直流コネクタ１３８が配置された平面１０ａとは異なる平面１０ｂに沿って配置される。平面１０ｂは、入口配管１３と出口配管１４が配置された面と対向する。これにより、平面１０ｂを有効に利用することができ、電力変換装置２００の小型化に繋がる。また、直流バスバ５０４ａと直流バスバ５０６ａから放射される電磁ノイズから電力変換装置２００内にある部品を保護することができる。
図１０は、本実施形態における電力変換装置２００の交流電力の流れを示した斜視図である。交流電力の流れに無関係な構成部品は省略されている。
インバータ回路１４０にて、交流へ変換された電力は、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃの交流端子３２０Ｂから、交流バスバ８０２を介して、交流コネクタ１８８へと伝達される。交流コネクタ１８８から出力されて交流電力は、モータジェネレータＭＧ１へと伝えられ、車両の走行用トルクを発生する。
なお、ここでは、バッテリ１３６に蓄えられた電力が、モータジェネレータＭＧ１へ到達するまでの流れを例として示した。モータジェネレータＭＧ１が、外部から加えられた機械エネルギーを電力に変換して、バッテリ１３６へ蓄える発電機として動作する場合は、上述の説明とは逆の流れで電力が伝えられるものとする。
交流バスバ８０２は、第１パワー半導体モジュール３００ａ〜３００ｃが配置され面や直流コネクタ１３８が配置された平面１０ａとは異なる平面１０ｂに沿って配置される。これにより、平面１０ｂを有効に利用することができ、電力変換装置２００の小型化に繋がる。また、交流バスバ８０２から放射される電磁ノイズから電力変換装置２００内にある部品を保護することができる。
図１１、図１２は、コンデンサモジュール５００を説明する図であり、図１１は、コンデンサモジュール５００と直流コネクタ１３８を抜き出した分解斜視図である。図１２は、理解を助けるために、直流コネクタ１３８およびコンデンサモジュール５００の樹脂部品を表示しない状態の斜視図である。
コンデンサモジュール５００は、コンデンサバスバ５０１と複数のコンデンサ素子５００ａおよびＹコンデンサ４０から形成される。複数のコンデンサ素子５００ａは、コンデンサバスバ５０１に並列接続されている。なお、コンデンサモジュール５００は、１以上のコンデンサ素子５００ａで構成されている。
Ｙコンデンサ４０は、複数の端子を有するとともにそれら複数の端子のうち一つが電気的に接地されているコンデンサにより構成される。Ｙコンデンサ４０はノイズ対策として設けられているものであり、複数のコンデンサ素子５００ａと並列に接続されている。
コンデンサバスバ５０１には、複数のコンデンサ素子５００ａが接続される。コンデンサバスバ５０１は、正極バスバ５０１Ｐと、負極バスバ５０１Ｎとコンデンサバスバ樹脂５０１Ｍとから成る。本実施形態では、正極バスバ５０１Ｐと負極バスバ５０１Ｎを重ね合わせ、コンデンサバスバ樹脂５０１Ｍにて一体成形する構成としているが、正極バスバ５０１Ｐと負極バスバ５０１Ｎの間に絶縁シートを挟むように積層させる構成としてもよい。
コンデンサバスバ樹脂５０１Ｍは、裏側に、コンデンサ素子５００ａの形に沿った形状を設けており、また、前述の第１凹部８５０の底部にも、コンデンサ素子５００ａの形に沿った形状が設けてある。
複数のコンデンサ素子５００ａは、これらの、コンデンサバスバ樹脂５０１Ｍおよび第１凹部８５０底部に設けられた形状によって、コンデンサバスバ樹脂５０１Ｍと、第１凹部８５０の間に挟まれて固定される。
正極バスバ５０１Ｐおよび負極バスバ５０１Ｎには、複数のコンデンサ素子５００ａの正極側および負極側の端子を貫通させるための穴が設けられており、コンデンサ素子５００ａの端子がバスバを貫通した状態で、溶接することによって、複数のコンデンサ素子５００ａと正極側バスバおよび負極側バスバとが接続される。
直流コネクタ１３８は、一端は、バッテリ１３６へと繋がるコネクタと接続される端子を有しており、もう一端は、コンデンサモジュール５００の正極側電源端子５０９および負極側電源端子５０８へと接続される。また、直流コネクタの中央部には、ノイズ対策としてＸコンデンサ４３が設けられている。
次に、ＤＣＤＣコンバータ１００について説明する。図１３及び図１４は、ＤＣＤＣコンバータ１００の回路構成を示す図である。
図１３の例では、降圧及び昇圧を行う双方向ＤＣＤＣコンバータ対応としている。そのために、１次側の降圧回路（ＨＶ回路）、２次側の昇圧回路（ＬＶ回路）は、ダイオード整流ではなく同期整流構成としている。また、ＨＶ／ＬＶ変換で高出力とするために、スイッチング素子に大電流部品を採用し、かつ、平滑コイルの大型化を図っている。
具体的には、ＨＶ／ＬＶ側共に、リカバリーダイオードを持つＭＯＳＦＥＴを利用したＨブリッジ型・同期整流スイッチング回路構成（Ｈ１〜Ｈ４）とした。スイッチング制御にあっては、ＬＣ直列共振回路（Ｃｒ、Ｌｒ）を用いて高スイッチング周波数（１００kHz）でゼロクロススイッチングさせ、変換効率を向上させて熱損失を低減するようにした。加えて、アクティブクランプ回路を設けて、降圧動作時の循環電流による損失を低減させ、ならびに、スイッチング時のサージ電圧発生を抑制してスイッチング素子の耐圧を低減させることで、回路部品の低耐圧化を図ることで装置を小型化している。
さらに、ＬＶ側の高出力を確保するために、全波整流型の倍電流（カレントダブラー）方式とした。なお、高出力化にあたり、複数のスイッチング素子を並列同時作動させることで高出力を確保している。図１３の例では、ＳＷＡ１〜ＳＷＡ４、ＳＷＢ１〜ＳＷＢ４のように４素子並列とした。また、スイッチング回路および平滑リアクトルの小型リアクトル（Ｌ１、Ｌ２）を、対称性を持たせるように２回路並列配置とすることで高出力化している。このように、小型リアクトルを２回路配置とすることで、大型リアクトル１台を配置させる場合に比べて、ＤＣＤＣコンバータ全体の小型化が可能となる。
図１３の回路構成図の下部に、降圧回路および昇圧回路用の駆動回路および動作検出回路、インバータ装置経由で上位の制御装置との通信機能を担う制御回路部を実装した第２基板７１１を示す。上位の制御装置との通信をインバータ装置経由とすることにより、インバータ装置とＤＣＤＣコンバータを一体化した構成、インバータ装置単体の構成の各場合でも、上位の制御装置との通信インターフェースは共通化が可能となる。
図１４の例では、１次側の降圧回路（ＨＶ回路）は、図１３の例と同様にフルブリッジとし、２次側のＬＶ回路は、ダイオード整流構成としている。本実施形態においては、図１４の回路構成を採用している。
図１５は、ＤＣＤＣコンバータ１００における部品配置を説明する図であり、ＤＣＤＣコンバータ１００のみを表示した正面図である。
図１５に示すように、ＤＣＤＣコンバータ１００の回路部品は、金属製（例えば、アルミダイカスト製）のベース板３７に取付けられている。具体的には、主トランス３３、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４が搭載された第２パワー半導体モジュール３５、第２基板７１１、コンデンサ、サーミスタ等が載置されている。第２基板７１１には、インプットフィルタと、アウトプットフィルタと、マイコンと、トランスと、第１基板７１０と通信するインターフェースケーブル１０２を接続するコネクタ等が実装されている。主な発熱部品は、主トランス３３、インダクタ素子３４および第２パワー半導体モジュール３５である。
なお、図１４の回路図との対応を記載すると、主トランス３３はトランスＴｒに、インダクタ素子３４はカレントダブラーのリアクトルＬ１、Ｌ２にそれぞれ対応している。
第２基板７１１は、ベース板３７から上方に突出した複数の支持部材上に固定される。第２パワー半導体モジュール３５においては、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４は、パターンが形成された金属基板上に実装されており、金属基板の裏面側はベース板３７の表面に密着するように固定されている。
このように、本実施形態におけるＤＣＤＣコンバータ１００の回路部品は、全て、ベース板３７に取付けられるようになっており、ＤＣＤＣコンバータ１００を一つのモジュールとして、ケース１０へ取付けることが可能となる。これにより、電力変換装置２００の組立て作業性の向上が望める。
図１６は、ＤＣＤＣコンバータ１００部を分解した状態の斜視図である。
ＤＣＤＣコンバータ１００のベース板３７が、ケース１０に収納された第２流路１９ｂを塞ぐように、ケース１０へ取付けられることにより、ベース板３７は、冷却流路１９の壁の一部を形成する。ケース１０とベース板３７の間には、シール部材４０９が設けられ気密性を保っている。
またベース板３７は、ケース１０におけるＤＣＤＣコンバータ１００の収納空間の底面に配置され、ベース板３７の一部が第２流路１９ｂと繋がる開口を塞いでいる。このベース板３７における第２流路１９ｂと対向する領域に、主トランス３３、ダイオード９１３、チョークコイル９１１等の発熱部品が配置されている。これにより、これら発熱部品が第２流路１９ｂに流れる冷媒によって効率良く冷却される。
これにより、第２パワー半導体モジュール３５内のＭＯＳＦＥＴの温度上昇を抑えることができ、ＤＣＤＣコンバータ１００の性能を発揮しやすくする。また、主トランス３３の巻線の温度上昇を抑えることができ、ＤＣＤＣコンバータ１００の性能を発揮しやすくなる。
図１７は、ＤＣＤＣコンバータ１００における電力の流れを示した図である。コンデンサモジュール５００のＤＣＤＣ端子５１０から供給された直流電力は、第２パワー半導体モジュール３５に入力され、所定の電圧へ降圧される。ここで、第２パワー半導体モジュール３５は、第２基板７１１とベース板３７の間に配置されているため、本来であれば不可視であるが、理解を助けるために、第２パワー半導体モジュール３５を表示している。第２パワー半導体モジュール３５にて、降圧された電力は、コイル９１２を通過し、主トランス３３へ至る。
その後、主トランス３３から出力された電力は、ダイオード９１３にて整流された後、チョークコイル９１１を介して、ＬＶコネクタとの接続端子９１０ａへ到達する。さらに、接続端子９１０ａにて、ＬＶコネクタ９１０とボルト固定されることによって、電力変換装置２００の外部へ、ＤＣＤＣコンバータ１００で変換した電力を出力する。
本実施形態では、前述の通り、ＤＣＤＣコンバータ１００をＬＶコネクタ９１０が配置されたケース１０の上面と隣接する長手方向の側面方向から組付けられる。これにより、ＤＣＤＣコンバータ１００の接続端子９１０ａとＬＶコネクタ９１０の接続距離を短くすることが可能となる。
なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。例えば、上述した実施の形態では、ＰＨＥＶあるいはＥＶ等の車両に搭載される電力変換装置を例に説明したが、本発明はこれらに限らず建設機械等の車両に用いられる電力変換装置にも適用することができる。
３ 上面側カバー
１０ ケース
１０ａ、１０ｂ 平面
１３ 入口配管
１４ 出口配管
１９ 流路形成体
１９ａ 第１流路
１９ｂ 第２流路
１９ｃ 第１開口部
１９ｄ 第２開口部
２１ コネクタ
３３ 主トランス
３５ 第２パワー半導体モジュール
３７、３０１ ベース板
４０ Ｙコンデンサ
４３ Ｘコンデンサ
１００ ＤＣＤＣコンバータ
１０２ インターフェースケーブル
１３６ バッテリ
１３８ 直流コネクタ
１４０ インバータ回路
１５０ 上下アームの直列回路
１５３、１６３ コレクタ電極
１５４ ゲート電極端子
１５５ 信号用エミッタ電極
１５６、１６６、９１３ ダイオード
１５７ 正極端子
１５８ 負極端子
１５９、３２０Ｂ 交流端子
１６４ ゲート電極
１６５ エミッタ電極
１６９ 中間電極
１７２ 制御回路
１７４ ドライバ回路
１８０ 電流センサ
１８８ 交流コネクタ
２００ 電力変換装置
３００ａ〜３００ｃ 第１パワー半導体モジュール
３０２ａ〜３０２ｃ フィン
３０４ 金属ベース
３１５Ｂ 直流正極端子
３１５ｋ、３１９ｋ 接続端
３１９Ｂ 直流負極端子
３２５Ｌ、３２５Ｕ 信号端子
３２８、３３０ ＩＧＢＴ
３３４ 絶縁基板
３３４ｋ 回路配線パターン
３３４ｒ ベタパターン
３３７ａ、３３７ｂ はんだ
３５０ 樹脂部材
３７１ ボンディングワイヤ
４１７、４１８、４２１、４２２、４２３ 流れ方向
５００ コンデンサモジュール
５００ａ コンデンサ素子
５０１ コンデンサバスバ
５０１Ｎ 負極バスバ
５０１Ｍ コンデンサバスバ樹脂
５０１Ｐ 正極バスバ
５０４ 負極側コンデンサ端子
５０４ａ、５０６ａ 直流バスバ
５０６ 正極側コンデンサ端子
５０８ 負極側電源端子
５０９ 正極側電源端子
５１０ ＤＣＤＣ端子
７１０ 第１基板
７１１ 第２基板
８０２ 交流バスバ
８５０ 第１凹部
８５０ａ、８５１ａ、８５１ｂ 壁
８５１ 第２凹部
９０４ 第１側面カバー
９０５ 第２側面カバー
９１０ ＬＶコネクタ
９１０ａ 接続端子
９１１ チョークコイル
９１２ コイル
Ｄ 配列方向
ＤＥＦ デファレンシャルギア
ＥＧＮ エンジン
ＨＥＶ ハイブリッド自動車
ＭＧ１ モータジェネレータ
ＴＭ トランスミッション
ＴＳＭ 動力分配機構

Claims (8)

  1. 直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールと、
    所定の直流電圧を異なる直流電圧に変換するＤＣＤＣコンバータと、
    前記直流電圧を平滑化するとともに前記パワー半導体モジュール及び前記ＤＣＤＣコンバータに当該平滑化された直流電圧を供給するコンデンサモジュールと、
    冷媒を流す流路を形成する流路形成体と、
    前記パワー半導体モジュールと前記ＤＣＤＣコンバータと前記コンデンサモジュールと前記流路形成体を収納するケースと、
    前記直流電流を伝達する第１直流コネクタと、を備え、
    前記パワー半導体モジュールは、前記流路形成体を挟んで前記ＤＣＤＣコンバータと対向する位置に配置され、
    前記直流コネクタは、前記ケースの所定の一面側に配置され、
    前記ケースの所定の一面は、前記パワー半導体モジュールと前記流路形成体と前記ＤＣＤＣコンバータの配列方向に沿うように形成され、
    前記コンデンサモジュールは、前記ケースの所定の一面と前記流路形成体との間に配置されるとともに前記直流コネクタと接続される電力変換装置。
  2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
    前記交流電流を伝達する交流コネクタと、
    前記異なる直流電圧を伝達する第２直流コネクタと、を備え、
    前記交流コネクタ及び前記第２直流コネクタは、前記ケースの前記所定の一面側に配置される電力変換装置。
  3. 請求項１又は２に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    前記流路形成体の前記流路は、第１流路と第２流路とを有し、
    前記第１流路と前記第２流路は、前記パワー半導体モジュールと前記ＤＣＤＣコンバータの配列方向に沿って並べて配置され、
    前記第１流路は、前記ＤＣＤＣコンバータよりも前記パワー半導体モジュールに近くに配置されかつ前記パワー半導体モジュールと対向して配置され、
    前記第２流路は、前記パワー半導体モジュールよりも前記ＤＣＤＣコンバータに近くに配置されかつ前記ＤＣＤＣコンバータと対向して形成され、
    前記コンデンサモジュールは、前記第１流路及び前記第２流路を跨ぐように配置される電力変換装置。
  4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
    前記ＤＣＤＣコンバータは、
    高電圧電源側に接続される高電圧側スイッチング素子と、
    低電圧電源側に接続される低電圧側半導体素子と、
    トランス回路と、
    前記高電圧側スイッチング素子と前記低電圧側半導体素子と前記トランス回路を実装するベース板と、を備え、
    前記ベース板は、前記流路形成体に接続され、
    前記高電圧側スイッチング素子と前記低電圧側半導体素子と前記トランス回路は、前記第２流路に沿って配置される電力変換装置。
  5. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
    前記パワー半導体素子を駆動するための駆動電圧を出力するドライバ回路と、
    前記ドライバ回路を実装した基板と、を備え、
    前記ケースは、前記パワー半導体モジュールを収納する第１凹部を形成し、
    前記第１凹部は、底面を前記流路形成体により形成されかつ側面の一部を前記コンデンサモジュールを収納するための壁によって形成され、
    前記基板は、前記パワー半導体モジュールを挟んで前記第１凹部の底面と対向する位置に配置され、
    さらに前記基板は、前記コンデンサモジュールと収納するための壁により支持される電力変換装置。
  6. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
    前記ドライバ回路を制御する制御信号を出力する制御回路と、
    外部からの信号を受信する信号用コネクタと、を備え、
    前記基板は、前記制御回路及び前記信号用コネクタをさらに実装し、
    前記ケースは、前記信号用コネクタと対向する面に、当該信号用コネクタを貫通する貫通孔を形成する電力変換装置。
  7. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
    前記パワー半導体素子を駆動するための駆動電圧を出力するドライバ回路と、
    前記ドライバ回路を制御する制御信号を出力する制御回路と、
    外部からの信号を受信する信号用コネクタと、
    前記ドライバ回路と前記制御回路と前記信号用コネクタを実装した基板と、を備え、
    前記ケースは、前記信号用コネクタと対向する面に、当該信号用コネクタを貫通する貫通孔を形成する電力変換装置。
  8. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
    前記ケースは、前記コンデンサモジュールを収納するための第２凹部を形成し、
    前記第２凹部は、底面を流路形成体により形成され、
    前記第１凹部と前記第２凹部はそれぞれ異なる深さとなる電力変換装置。
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