JP2007174759A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部の温度上昇を効果的に抑制すると共に、メンテナンスがし易く、正常な動作を確保することができる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール２１と、半導体モジュール２１を冷却する冷却器２２とを含む主回路部２と、半導体モジュール２１の信号端子２１１に電気的に接続され、半導体モジュール２１を制御する制御回路部３と、半導体モジュール２１の主電極端子２１２に接続され、半導体モジュール２１に対して電流を入出させるバスバー４１と、バスバー４１を介して主電極端子２１２に接続されたコンデンサ４２とを有するパワー配線部４とを有する電力変換装置１。制御回路部３は主回路部２の上方に配置してあり、パワー配線部４は主回路部２の下方に配置してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールを用いたインバータ装置等の電力変換装置に関する。

例えば、内燃機関と電気モータの両方を駆動源として有するハイブリッド自動車、その他、電気モータを駆動源として備えた自動車等では、直流電力と交流電力との間で双方向変換する大容量のインバータを必要とする。そのため、このインバータを含む電力変換装置が種々開発されてきた。

インバータ回路（電力変換回路）は、ＩＧＢＴ素子等を内蔵した半導体モジュールを用いて構成するが、上記のごとく大容量であるため、発熱量も大きい。そのため、電力変換装置は、上記半導体モジュールを冷却する冷却器を組み込んで構成する。

また、電力変換装置は、半導体モジュールに対して電流を入出させるパワー配線部と、半導体モジュールを制御する制御回路部とを有する。
そして、パワー配線部に流れる大電流に起因する電磁ノイズの影響を、制御回路部に与えないようにするために、図４に示すごとく、主回路部９２を、パワー配線部９４と制御回路部９３との間に配置した電力変換装置９が開示されている（特許文献１）。そして、該電力変換装置９においては、制御回路部９３を主回路部９２の下方に配置し、パワー配線部９４を主回路部９２の上方に配置している（特許文献１における図１、図５参照）。なお、パワー配線部９４は、バスバー９４１によって主回路部９２と接続されたコンデンサ９４２及びリアクトル９４３を有する。

しかしながら、制御回路部９３が主回路部９２の下方に配されていると、制御回路部９３のメンテナンスを行うことが極めて困難となるおそれがある。即ち、制御回路部９３は、弱電流によって動作する精密な電子部品を搭載した制御回路基板によって構成されるため、電子部品の交換等のメンテナンスが必要となる場合がある。かかる場合に、制御回路部９３が主回路部９２の下方に配されていると、上記のメンテナンスを容易に行うことができないという問題がある。

また、上記制御回路部９３への外部からの電源供給を行うためのコネクタは、相手方のコネクタとの接続等の作業性の観点から、電力変換装置９における上部位置に配置することが望ましい。しかしながら、制御回路部９３が主回路部９２の下方にあると、コネクタと制御回路部９３との位置が遠くなってしまい、両者をつなぐケーブルを長くする必要が生ずる。そして、ケーブルが主回路部９２の近傍等を通過するように配線せざるを得なくなり、ケーブルを通じて制御回路部９３へ供給される制御回路用電流が、主回路部９２に流れる大電流の影響を受けるおそれがある。これにより、制御回路部９３の正常な動作を確保することが困難となるおそれがあるという問題もある。

更に、パワー配線部９４が電力変換装置９の上部位置に配されていると、電力変換装置９の内部の上方部分の温度が上昇してしまうという問題がある。即ち、パワー配線部９４には大電流が流れるため発熱量が大きい。しかし、パワー配線部９４におけるコンデンサ９４２等には、主回路部９２の冷却器のように直接冷却する手段がない。そのため、パワー配線部９４の発熱は、電力変換装置９のケース（図示略）内におけるコンデンサ９４２等の周囲の空気に放熱される。これにより、パワー配線部９４の周囲の空気の温度が上昇する。ここで、パワー配線部９４がケース内の上部位置に配されていると、ケース内の上部位置に高温の空気が滞留し、局部的な温度上昇を招くおそれがある。

また、重量の大きいパワー配線部９４が電力変換装置９の上部位置に配されることにより、電力変換装置９の重心が高くなり、エンジンルーム等に設置されたときに、不安定となるおそれがある。

特開２００５−０７３３７４号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、内部の温度上昇を効果的に抑制すると共に、メンテナンスがし易く、正常な動作を確保することができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器とを含む主回路部と、
上記半導体モジュールの信号端子に電気的に接続され、上記半導体モジュールを制御する制御回路部と、
上記半導体モジュールの主電極端子に接続され、上記半導体モジュールに対して電流を入出させるバスバーと、該バスバーを介して上記主電極端子に接続されたコンデンサとを有するパワー配線部とを有し、
上記制御回路部は、上記主回路部の上方に配置してあり、
上記パワー配線部は、上記主回路部の下方に配置してあることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置においては、上記制御回路部が上記主回路部の上方に配置してある。そのため、制御回路部のメンテナンスを容易に行うことができる。制御回路部は、弱電流によって動作する精密な電子部品を搭載した制御回路基板によって構成されるため、電子部品の交換等のメンテナンスが必要となる場合がある。かかる場合に、制御回路部が主回路部の上方に配されていることにより、上記のメンテナンスを容易に行うことができる。

また、上記制御回路部への外部からの電源供給を行うためのコネクタは、相手方のコネクタとの接続等の作業性の観点から、電力変換装置における上部位置に配置することが望ましい。そこで、制御回路部が主回路部の上方にあることにより、コネクタと制御回路部との位置を近付けることができ、両者をつなぐケーブル等を短くすることができる。そのため、制御回路部へ供給される電源にノイズが入ることを防ぐことができる。特に、ケーブル等が主回路部の近傍等を通過しないように配線することが可能となるため、制御回路部へ供給される制御回路用電流が、主回路部に流れる大電流の影響を受けることを防ぐことができる。これにより、制御回路部の正常な動作を確保することができ、ひいては電力変換装置の正常な動作を確保することができる。

また、パワー配線部が主回路部の下方に配されているため、電力変換装置の内部の温度上昇を効果的に抑制することができる。即ち、パワー配線部には大電流が流れるため発熱量が大きいが、パワー配線部におけるコンデンサ等には、主回路部の冷却器のように直接冷却する手段がない。そのため、パワー配線部の発熱は、電力変換装置内におけるコンデンサ等の周囲の空気に放熱される。これにより、パワー配線部の周囲の空気の温度が上昇し、この高温となった温度が上昇し、主回路部における冷却器の近傍を通過する。このとき、高温の空気が冷却器によって冷却される。それ故、電力変換装置の内部の温度上昇を効果的に抑制することができる。

また、重量の大きいパワー配線部が電力変換装置の下部位置に配されることにより、電力変換装置を低重心とすることができる。これにより、電力変換装置をエンジンルーム等に安定して設置することができる。

以上のごとく、本発明によれば、内部の温度上昇を効果的に抑制すると共に、メンテナンスがし易く、正常な動作を確保することができる電力変換装置を提供することができる。

本発明（請求項１）の電力変換装置において、上記パワー配線部におけるバスバーは、例えば三相の交流モータに連結される。そして、パワー配線部は、制御すべき電流を半導体モジュールに入力すると共に半導体モジュールから出力する。また、パワー配線部は、バスバーを介して主電極端子に接続されるコンデンサを含み、該コンデンサとしては、例えば、スナバコンデンサ、平滑コンデンサ、フィルタコンデンサ等がある。

また、上記電力変換装置としては、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流の生成に用いることができる。
また、上記半導体モジュールは、例えばＩＧＢＴ素子等の半導体素子を内蔵してなり、電力変換回路の一部を構成する。

また、上記冷却器の上下方向の中心は、上記電力変換装置の上下方向の中心よりも上方に位置していることが好ましい（請求項２）。
この場合には、電力変換装置における上部の温度上昇を一層効果的に抑制することができ、制御回路部の正常な動作を一層効果的に確保することができる。

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、主回路部２と制御回路部３とパワー配線部４とを有する。
主回路部２は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール２１と、該半導体モジュール２１を冷却する冷却器２２とを含む。
制御回路部３は、上記半導体モジュール２１の信号端子２１１に電気的に接続され、上記半導体モジュール２１を制御する。
パワー配線部４は、半導体モジュール２１の主電極端子２１２に接続され、上記半導体モジュール２１に対して電流を入出させるバスバー４１と、該バスバー４１を介して主電極端子２１２に接続されたコンデンサ４２とを有する。

そして、制御回路部３は主回路部２の上方に配置してあり、パワー配線部４は主回路部２の下方に配置してある。
また、冷却器２２の上下方向の中心Ｃは、電力変換装置１の上下方向の中心Ｄよりも上方に位置している。ここで、上記中心Ｃは、冷却器２２の上端２２ｔと下端２２ｂとの間を高さ方向に二等分する位置であり、上記中心Ｄは電力変換装置１のケース１０の上端１０ｔと下端１０ｂとの間を高さ方向に二等分する位置である。

本例の電力変換装置１は、図３に示すごとく、昇圧コンバータ部（ＤＣ−ＤＣコンバータ）１１とインバータ部１２とを有するインバータ回路１００を構成した自動車用のインバータである。即ち、電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータ５１に通電する駆動電流の生成に用いることができる。

上記昇圧コンバータ部１１及びインバータ部１２には、ＩＧＢＴ素子２１３とダイオード２１４とを内蔵した半導体モジュール２１がそれぞれ複数配設されている。半導体モジュール２１は、制御回路部３による制御によりスイッチング動作を行い、主電極端子２１２に入出する被制御電流を制御する。

昇圧コンバータ部１１には、入力電圧を昇圧するためのリアクトル４３が配設されている。
また、昇圧コンバータ部１１の外部電源５２側には、フィルタコンデンサ４２１が接続されている。該フィルタコンデンサ４２１は、直流の外部電源５２から昇圧コンバータ部１１に入力される電源電流に含まれるリプル電流を吸収して、電源電流を安定化する。

また、昇圧コンバータ部１１とインバータ部１２との間には、平滑コンデンサ４２２が接続されている。平滑コンデンサ４２２は、断続電流となる昇圧コンバータ部１１の出力電流を平滑化して、安定した直流電流をインバータ部１２に入力させる。
また、インバータ部１２には、スナバコンデンサ４２３が配設されている。スナバコンデンサ４２３は、半導体モジュール２１のスイッチング動作時に発生する電圧サージを抑制して、過電圧による半導体モジュール２１の破損を防止している。
また、インバータ部１２には、パワー配線部４のバスバー４１を介して、三相の交流モータ５１が接続され、インバータ部１２によって生成された駆動電流を交流モータ５１に供給する。

図１に示すごとく、主回路部２を構成する半導体モジュール２１は、半導体素子を内蔵したモジュール本体部２１０と、該モジュール本体部２１０から突出させた主電極端子２１２と、該主電極端子２１２の突出方向と略１８０度異なる方向へ突出させた信号端子２１１とよりなる。そして、モジュール本体部２１０は、その主面に放熱板を露出させてある（図示略）。

冷却器２２は、図１、図２に示すごとく、モジュール本体部２１０を両面から挟持するように配置される冷却管２２１を複数有している。本例では、隣り合う冷却管２２１の間に２つの半導体モジュール２１を並べて挟持させている。そして、全体的には、冷却管２２１と半導体モジュール２１の列とを交互に積層して上記主回路部２を構成している。これにより、すべての半導体モジュール２１は、その両主面を冷却管２２１により挟持された状態となる。

各冷却管２２１は、その内部に冷媒流路２２２を有しており、これに冷却媒体を流通させることができるよう構成してある。また、複数の冷却管２２１の両端をそれぞれ連結するように蛇腹構造或いはダイアフラム構造を設けた連結パイプ２２３を配置し、２箇所のヘッダ部２２４を形成してある。また、該２箇所のヘッダ部２２４の端部には、冷却器２２の積層方向の一端に配された冷却管２２１に接続された冷媒導入口２２５と冷媒排出口２２６とがそれぞれ設けてある。

そして、冷却管２２１内に冷却媒体を流通させることにより、モジュール本体部２１０を両面から冷却することができる。また、図１に示すごとく、各半導体モジュール２１は、冷却管２２１の長手方向（水平方向）に対して略直角の互いに異なる方向に主電極端子２１２と信号端子２１１とがそれぞれ突出するように配置される。即ち、主電極端子２１２を下方に、信号端子２１１を上方に、それぞれ突出させる。

そして、信号端子２１１には、主回路部２の上方に配置された制御回路部３の制御回路基板３１が接続されている。
また、主電極端子２１２には、主回路部２の下方に配置されたパワー配線部４のバスバー４１が接続されている。バスバー４１には、その下方に配されたスナバコンデンサ４２３、フィルタコンデンサ４２１、及び平滑コンデンサ４２２が接続されている。図１はフィルタコンデンサ４２１と平滑コンデンサ４２２を別体として設けた例であるが、これらを一体としてパッケージすることも可能である。

また、上記冷却器２２における積層方向の端部であって、冷媒導入口２２５と冷媒排出口２２６との間の空間には、リアクトル４３が配設されている。
また、ケース１０の上部の側面には、外部電源から制御回路部３への電源供給のためのコネクタ１４が配設されている。即ち、コネクタ１４は、制御回路部３と同等の高さ位置に配置している。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、制御回路部３が主回路部２の上方に配置してある。そのため、制御回路部３のメンテナンスを容易に行うことができる。制御回路部３は、弱電流によって動作する精密な電子部品を搭載した制御回路基板３１によって構成されるため、電子部品の交換等のメンテナンスが必要となる場合がある。かかる場合に、制御回路部３が主回路部２の上方に配されていることにより、上記のメンテナンスを容易に行うことができる。

また、制御回路部３への外部からの電源供給を行うためのコネクタ１４は、相手方のコネクタとの接続等の作業性の観点から、電力変換装置１における上部位置に配置されている。そこで、制御回路部３が主回路部２の上方にあることにより、コネクタ１４と制御回路部３との位置を近付けることができ、両者をつなぐケーブルを短くすることができる。そのため、制御回路部３へ供給される電源にノイズが入ることを防ぐことができる。特に、ケーブルが主回路部２の近傍等を通過しないように配線することが可能となるため、制御回路部３へ供給される制御回路用電流が、主回路部２に流れる大電流の影響を受けることを防ぐことができる。これにより、制御回路部３の正常な動作を確保することができ、ひいては電力変換装置１の正常な動作を確保することができる。

また、パワー配線部４が主回路部２の下方に配されているため、電力変換装置１の内部の温度上昇を効果的に抑制することができる。即ち、パワー配線部４には大電流が流れるため発熱量が大きいが、パワー配線部４におけるコンデンサ４２には、主回路部２の冷却器２２のように直接冷却する手段がない。そのため、パワー配線部４の発熱は、電力変換装置１のケース１０内におけるコンデンサ４２の周囲の空気に放熱される。これにより、パワー配線部４の周囲の空気の温度が上昇し、この高温となった温度が上昇し、主回路部２における冷却器２２の近傍を通過する。このとき、高温の空気が冷却器２２によって冷却される。それ故、電力変換装置１の内部の温度上昇を効果的に抑制することができる。

また、重量の大きいパワー配線部４が電力変換装置１の下部位置に配されることにより、電力変換装置１を低重心とすることができる。これにより、電力変換装置１をエンジンルーム等に安定して設置することができる。

また、冷却器２２の上下方向の中心Ｃは、電力変換装置１の上下方向の中心Ｄよりも上方に位置しているため、電力変換装置１における上部の温度上昇を一層効果的に抑制することができ、制御回路部３の正常な動作を一層効果的に確保することができる。

以上のごとく、本例によれば、内部の温度上昇を効果的に抑制すると共に、メンテナンスがし易く、正常な動作を確保することができる電力変換装置を提供することができる。

実施例における、電力変換装置の縦断面説明図。 図１のＡ−Ａ断面説明図。 実施例における、電力変換回路の説明図。 従来例における、電力変換装置の斜視説明図。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ 主回路部
２１ 半導体モジュール
２１１ 信号端子
２１２ 主電極端子
２２ 冷却器
３ 制御回路部
４ パワー配線部
４１ バスバー
４２ コンデンサ

Claims (2)

1. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器とを含む主回路部と、
   上記半導体モジュールの信号端子に電気的に接続され、上記半導体モジュールを制御する制御回路部と、
   上記半導体モジュールの主電極端子に接続され、上記半導体モジュールに対して電流を入出させるバスバーと、該バスバーを介して上記主電極端子に接続されたコンデンサとを有するパワー配線部とを有し、
   上記制御回路部は、上記主回路部の上方に配置してあり、
   上記パワー配線部は、上記主回路部の下方に配置してあることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記冷却器の上下方向の中心は、上記電力変換装置の上下方向の中心よりも上方に位置していることを特徴とする電力変換装置。

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