本発明の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以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る電力変換装置は、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車に適用可能であるが、代表例として、本発明の実施形態に係る電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。
A power converter according to an embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The power conversion device according to the embodiment of the present invention can be applied to a hybrid vehicle or a pure electric vehicle. As a representative example, the power conversion device according to the embodiment of the present invention is applied to a hybrid vehicle. The control configuration and the circuit configuration of the power converter will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a diagram showing a control block of a hybrid vehicle.
本発明の実施形態に係る電力変換装置では、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられ、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用インバータ装置を例に挙げて説明する。車両駆動用インバータ装置は、車両駆動用電動機の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する車載バッテリあるいは車載発電装置から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力を車両駆動用電動機に供給して車両駆動用電動機の駆動を制御する。また、車両駆動用電動機は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置は運転モードに応じ、車両駆動用電動機の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は車載バッテリに供給される。
The power conversion device according to the embodiment of the present invention is used in a vehicle-mounted power conversion device for a vehicle-mounted electrical system mounted on an automobile, in particular, a vehicle drive electrical system, and has a very severe mounting environment and operational environment. The inverter device will be described as an example. A vehicle drive inverter device is provided in a vehicle drive electrical system as a control device that controls the drive of a vehicle drive motor, and a DC power supplied from an onboard battery or an onboard power generator constituting an onboard power source is a predetermined AC power. Then, the AC power obtained is supplied to the vehicle drive motor to control the drive of the vehicle drive motor. Further, since the vehicle drive motor also has a function as a generator, the vehicle drive inverter device also has a function of converting the AC power generated by the vehicle drive motor into DC power according to the operation mode. Yes. The converted DC power is supplied to the on-vehicle battery.
図１において、ハイブリッド電気自動車（以下、「ＨＥＶ」と記述する）１１０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１２０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１９２，１９４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の駆動源およびＨＥＶの電力発生源として用いられる。モータジェネレータ１９２，１９４は例えば同期機あるいは誘導機であり、運転方法によりモータとしても発電機としても動作するので、ここではモータジェネレータと記すこととする。
In FIG. 1, a hybrid electric vehicle (hereinafter referred to as “HEV”) 110 is one electric vehicle and includes two vehicle drive systems. One of them is an engine system that uses an engine 120 that is an internal combustion engine as a power source. The engine system is mainly used as a drive source for HEV. The other is an in-vehicle electric system using motor generators 192 and 194 as a power source. The in-vehicle electric system is mainly used as an HEV drive source and an HEV power generation source. The motor generators 192 and 194 are, for example, synchronous machines or induction machines, and operate as both a motor and a generator depending on the operation method.
車体のフロント部には前輪車軸１１４が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１４の両端には１対の前輪１１２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。後輪車軸の両端には１対の後輪が設けられている。本実施形態のＨＥＶでは、動力によって駆動される主輪を前輪１１２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。
A front wheel axle 114 is rotatably supported at the front portion of the vehicle body. A pair of front wheels 112 are provided at both ends of the front wheel axle 114. A rear wheel axle (not shown) is rotatably supported on the rear portion of the vehicle body. A pair of rear wheels are provided at both ends of the rear wheel axle. The HEV of this embodiment employs a so-called front wheel drive system in which the main wheel driven by power is the front wheel 112 and the driven wheel to be driven is the rear wheel. You may adopt.
前輪車軸１１４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）１１６が設けられている。前輪車軸１１４は前輪側ＤＥＦ１１６の出力側に機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６の入力側には変速機１１８の出力軸が機械的に接続されている。前輪側ＤＥＦ１１６は、変速機１１８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１１４に分配する差動式動力分配機構である。変速機１１８の入力側にはモータジェネレータ１９２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１９２の入力側には動力分配機構１２２を介してエンジン１２０の出力側およびモータジェネレータ１９４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１９２，１９４および動力分配機構１２２は、変速機１１８の筐体の内部に収納されている。
A front wheel side differential gear (hereinafter referred to as “front wheel side DEF”) 116 is provided at the center of the front wheel axle 114. The front wheel axle 114 is mechanically connected to the output side of the front wheel side DEF 116. The output shaft of the transmission 118 is mechanically connected to the input side of the front wheel side DEF 116. The front wheel side DEF 116 is a differential power distribution mechanism that distributes the rotational driving force that is shifted and transmitted by the transmission 118 to the left and right front wheel axles 114. The output side of the motor generator 192 is mechanically connected to the input side of the transmission 118. The output side of the engine 120 and the output side of the motor generator 194 are mechanically connected to the input side of the motor generator 192 via the power distribution mechanism 122. Motor generators 192 and 194 and power distribution mechanism 122 are housed inside the casing of transmission 118.
モータジェネレータ１９２，１９４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に供給される交流電力がインバータ装置１４０，１４２によって制御されることによりモータジェネレータ１９２，１９４の駆動が制御される。インバータ装置１４０，１４２にはバッテリ１３６が電気的に接続されており、バッテリ１３６とインバータ装置１４０，１４２との相互において電力の授受が可能である。
The motor generators 192 and 194 are synchronous machines having a permanent magnet on the rotor, and the AC power supplied to the armature windings of the stator is controlled by the inverter devices 140 and 142, thereby the motor generators 192 and 194. Is controlled. A battery 136 is electrically connected to the inverter devices 140 and 142, and power can be exchanged between the battery 136 and the inverter devices 140 and 142.
本実施形態では、モータジェネレータ１９２およびインバータ装置１４０からなる第１電動発電ユニットと、モータジェネレータ１９４およびインバータ装置１４２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１２０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１２０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１２０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。
In this embodiment, two motor generator units, a first motor generator unit composed of a motor generator 192 and an inverter device 140, and a second motor generator unit composed of a motor generator 194 and an inverter device 142, are used depending on the operating state. ing. That is, in the case where the vehicle is driven by the power from the engine 120, when assisting the driving torque of the vehicle, the second motor generator unit is operated as the power generation unit by the power of the engine 120 to generate power. The first electric power generation unit is operated as an electric unit by the obtained electric power. Further, in the same case, when assisting the vehicle speed of the vehicle, the first motor generator unit is operated by the power of the engine 120 as a power generation unit to generate power, and the second motor generator unit is generated by the electric power obtained by the power generation. Operate as an electric unit.
また、本実施形態では、バッテリ１３６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１９２の動力のみによって車両の駆動ができる。さらに、本実施形態では、第１電動発電ユニットまたは第２電動発電ユニットを発電ユニットとしてエンジン１２０の動力あるい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１３６の充電ができる。
In the present embodiment, the vehicle can be driven only by the power of the motor generator 192 by operating the first motor generator unit as an electric unit by the electric power of the battery 136. Further, in the present embodiment, the battery 136 can be charged by generating power by operating the first motor generator unit or the second motor generator unit as a power generation unit by the power of the engine 120 or the power from the wheels.
バッテリ１３６はさらに補機用のモータ１９５を駆動するための電源としても使用される。補機としてはたとえばエアコンディショナーのコンプレッサを駆動するモータ、あるいは制御用の油圧ポンプを駆動するモータであり、バッテリ１３６からインバータ装置４３に直流電力が供給され、インバータ装置４３で交流の電力に変換されてモータ１９５に供給される。インバータ装置４３はインバータ装置１４０，１４２と同様の機能を持ち、モータ１９５に供給する交流の位相や周波数、電力を制御する。たとえばモータ１９５の回転子の回転に対し進み位相の交流電力を供給することにより、モータ１９５はトルクを発生する。一方、遅れ位相の交流電力を発生することで、モータ１９５は発電機として作用し、モータ１９５は回生制動状態の運転となる。このようなインバータ装置４３の制御機能はインバータ装置１４０，１４２の制御機能と同様である。モータ１９５の容量がモータジェネレータ１９２，１９４の容量より小さいので、インバータ装置４３の最大変換電力がインバータ装置１４０，１４２より小さいが、インバータ装置４３の回路構成は基本的にインバータ装置１４０，１４２の回路構成と同じである。
The battery 136 is also used as a power source for driving an auxiliary motor 195. The auxiliary machine is, for example, a motor that drives a compressor of an air conditioner or a motor that drives a hydraulic pump for control. DC power is supplied from the battery 136 to the inverter device 43 and is converted into AC power by the inverter device 43. To the motor 195. The inverter device 43 has the same function as the inverter devices 140 and 142 and controls the phase, frequency, and power of alternating current supplied to the motor 195. For example, the motor 195 generates torque by supplying AC power having a leading phase with respect to the rotation of the rotor of the motor 195. On the other hand, by generating the delayed phase AC power, the motor 195 acts as a generator, and the motor 195 is operated in a regenerative braking state. The control function of the inverter device 43 is the same as the control function of the inverter devices 140 and 142. Since the capacity of the motor 195 is smaller than the capacity of the motor generators 192 and 194, the maximum conversion power of the inverter device 43 is smaller than the inverter devices 140 and 142, but the circuit configuration of the inverter device 43 is basically the circuit of the inverter devices 140 and 142. Same as the configuration.
インバータ装置１４０、インバータ装置１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００は電気的に密接な関係にある。さらに発熱に対する対策が必要な点が共通している。また装置の体積をできるだけ小さく作ることが望まれている。これらの点から以下で詳述する電力変換装置は、インバータ装置１４０，１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を電力変換装置の筐体内に内蔵している。この構成により、小型で信頼性の高い装置が実現できる。
The inverter device 140, the inverter device 142, the inverter device 43, and the capacitor module 500 are in an electrical close relationship. Furthermore, there is a common point that measures against heat generation are necessary. It is also desired to make the volume of the device as small as possible. From these points, the power conversion device described in detail below includes the inverter devices 140 and 142, the inverter device 43, and the capacitor module 500 in the casing of the power conversion device. With this configuration, a small and highly reliable device can be realized.
また、インバータ装置１４０、インバータ装置１４２およびインバータ装置４３さらにコンデンサモジュール５００を一つの筐体に内蔵することで、配線の簡素化やノイズ対策で効果がある。またコンデンサモジュール５００とインバータ装置１４０、インバータ装置１４２およびインバータ装置４３との接続回路のインダクタンスを低減でき、スパイク電圧を低減できると共に、発熱の低減や放熱効率の向上を図ることができる。
Further, by incorporating the inverter device 140, the inverter device 142, the inverter device 43, and the capacitor module 500 in one housing, it is effective in simplifying wiring and taking measures against noise. Further, the inductance of the connection circuit between the capacitor module 500 and the inverter device 140, the inverter device 142, and the inverter device 43 can be reduced, the spike voltage can be reduced, and the heat generation and the heat radiation efficiency can be reduced.
次に、図２を用いてインバータ装置１４０、インバータ装置１４２あるいはインバータ装置４３の電気回路構成を説明する。尚、図１〜図２に示す実施形態では、インバータ装置１４０、インバータ装置１４２あるいはインバータ装置４３をそれぞれ個別に構成する場合を例に挙げて説明する。インバータ装置１４０、インバータ装置１４２あるいはインバータ装置４３は同様の構成で同様の作用をなし、同様の機能を有しているので、ここでは、代表例としてインバータ装置１４０の説明を行う。
Next, the electric circuit configuration of the inverter device 140, the inverter device 142, or the inverter device 43 will be described with reference to FIG. In the embodiment illustrated in FIGS. 1 to 2, the case where the inverter device 140, the inverter device 142, or the inverter device 43 is individually configured will be described as an example. Since the inverter device 140, the inverter device 142, or the inverter device 43 has the same configuration and performs the same function and has the same function, the inverter device 140 will be described here as a representative example.
本実施形態に係る電力変換装置２００は、インバータ装置１４０とコンデンサモジュール５００とを備え、インバータ装置１４０はインバータ回路１４４と制御部１７０とを有している。また、インバータ回路１４４は、上アームとして動作するＩＧＢＴ３２８（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）およびダイオード１５６と、下アームとして動作するＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６と、からなる上下アーム直列回路１５０を複数有し（図２の例では３つの上下アーム直列回路１５０）、それぞれの上下アーム直列回路１５０の中点部分（中間電極１６９）から交流端子１５９を通してモータジェネレータ１９２への交流電力線（交流バスバー）１８６と接続する構成である。また、制御部１７０はインバータ回路１４４を駆動制御するドライバ回路１７４と、ドライバ回路１７４へ信号線１７６を介して制御信号を供給する制御回路１７２と、を有している。
The power conversion device 200 according to the present embodiment includes an inverter device 140 and a capacitor module 500, and the inverter device 140 includes an inverter circuit 144 and a control unit 170. Further, the inverter circuit 144 includes a plurality of upper and lower arm series circuits 150 including an IGBT 328 (insulated gate bipolar transistor) and a diode 156 that operate as an upper arm, and an IGBT 330 and a diode 166 that operate as a lower arm (FIG. 2). In this example, three upper and lower arm series circuits 150) are connected to an AC power line (AC bus bar) 186 from the middle point (intermediate electrode 169) of each upper and lower arm series circuit 150 through an AC terminal 159 to the motor generator 192. is there. In addition, the control unit 170 includes a driver circuit 174 that drives and controls the inverter circuit 144 and a control circuit 172 that supplies a control signal to the driver circuit 174 via the signal line 176.
上アームと下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０は、スイッチング用パワー半導体素子であり、制御部１７０から出力された駆動信号を受けて動作し、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する。この変換された電力はモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される。
The IGBTs 328 and 330 of the upper arm and the lower arm are switching power semiconductor elements, operate in response to a drive signal output from the control unit 170, and convert DC power supplied from the battery 136 into three-phase AC power. . The converted electric power is supplied to the armature winding of the motor generator 192.
インバータ回路１４４は３相ブリッジ回路により構成されており、３相分の上下アーム直列回路１５０，１５０，１５０がそれぞれ、バッテリ１３６の正極側と負極側に電気的に接続されている直流正極端子３１４と直流負極端子３１６の間に電気的に並列に接続されている。
The inverter circuit 144 is configured by a three-phase bridge circuit, and a DC positive terminal 314 to which upper and lower arm series circuits 150, 150, 150 for three phases are electrically connected to the positive side and the negative side of the battery 136, respectively. And DC negative electrode terminal 316 are electrically connected in parallel.
本実施形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ３２８，３３０を用いることを例示している。ＩＧＢＴ３２８，３３０は、コレクタ電極１５３，１６３、エミッタ電極（信号用エミッタ電極端子１５５，１６５）、ゲート電極（ゲート電極端子１５４，１６４）を備えている。ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極１５３，１６３とエミッタ電極との間にはダイオード１５６，１６６が図示するように電気的に接続されている。ダイオード１５６，１６６は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ３２８，３３０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ＩＧＢＴ３２８，３３０のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ３２８，３３０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、この場合はダイオード１５６やダイオード１６６は不要となる。
In the present embodiment, the use of IGBTs 328 and 330 as switching power semiconductor elements is exemplified. The IGBTs 328 and 330 include collector electrodes 153 and 163, emitter electrodes (signal emitter electrode terminals 155 and 165), and gate electrodes (gate electrode terminals 154 and 164). Diodes 156 and 166 are electrically connected between the collector electrodes 153 and 163 of the IGBTs 328 and 330 and the emitter electrode as shown. The diodes 156 and 166 have two electrodes, a cathode electrode and an anode electrode. The cathode electrode serves as the collector electrode of the IGBTs 328 and 330 so that the direction from the emitter electrode to the collector electrode of the IGBTs 328 and 330 is the forward direction. The anode electrodes are electrically connected to the emitter electrodes of the IGBTs 328 and 330, respectively. A MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) may be used as the switching power semiconductor element. In this case, the diode 156 and the diode 166 are not necessary.
上下アーム直列回路１５０は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の各相巻線に対応して３相分設けられている。３つの上下アーム直列回路１５０はそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応し、ＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極とＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極１６３とを接続する中間電極１６９、交流端子１５９を介してモータジェネレータ１９２へのＵ相、Ｖ相、Ｗ相を形成している。上下アーム直列回路は電気的に並列接続されている。上アームのＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３は正極端子（Ｐ端子）１５７を介してコンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極に、下アームのＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極は負極端子（Ｎ端子）１５８を介してコンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にそれぞれ電気的に接続（直流バスバーで接続）されている。各アームの中点部分（上アームのＩＧＢＴ３２８のエミッタ電極と下アームのＩＧＢＴ３３０のコレクタ電極との接続部分）にあたる中間電極１６９は、モータジェネレータ１９２の電機子巻線の対応する相巻線に、交流端子１５９および交流コネクタ１８８を介して電気的に接続されている。
Upper and lower arm series circuit 150 is provided for three phases corresponding to each phase winding of the armature winding of motor generator 192. The three upper and lower arm series circuits 150 correspond to the U-phase, V-phase, and W-phase, respectively, and are connected to the motor generator 192 via the intermediate electrode 169 that connects the emitter electrode of the IGBT 328 and the collector electrode 163 of the IGBT 330 and the AC terminal 159. U phase, V phase, and W phase are formed. The upper and lower arm series circuits are electrically connected in parallel. The collector electrode 153 of the upper arm IGBT 328 is connected to the positive capacitor electrode of the capacitor module 500 via the positive terminal (P terminal) 157, and the emitter electrode of the lower arm IGBT 330 is connected to the capacitor module 500 via the negative terminal (N terminal) 158. Are respectively electrically connected (connected by a DC bus bar). An intermediate electrode 169 corresponding to the middle point portion of each arm (the connection portion between the emitter electrode of the IGBT 328 of the upper arm and the collector electrode of the IGBT 330 of the lower arm) is connected to the corresponding phase winding of the armature winding of the motor generator 192 by alternating current. The terminals 159 and the AC connector 188 are electrically connected.
コンデンサモジュール５００は、ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制する平滑回路を構成するためのものである。コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の正極側が、コンデンサモジュール５００の負極側コンデンサ電極にはバッテリ１３６の負極側がそれぞれ直流コネクタ１３８を介して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５００は、上アームＩＧＢＴ３２８のコレクタ電極１５３とバッテリ１３６の正極側との間と、下アームＩＧＢＴ３３０のエミッタ電極とバッテリ１３６の負極側との間で接続され、バッテリ１３６と上下アーム直列回路１５０に対して電気的に並列接続される。
Capacitor module 500 is for configuring a smoothing circuit that suppresses fluctuations in DC voltage caused by the switching operation of IGBTs 328 and 330. The positive electrode side of the battery 136 is electrically connected to the positive electrode side capacitor electrode of the capacitor module 500, and the negative electrode side of the battery 136 is electrically connected to the negative electrode side capacitor electrode of the capacitor module 500 via the DC connector 138. Thus, the capacitor module 500 is connected between the collector electrode 153 of the upper arm IGBT 328 and the positive electrode side of the battery 136, and between the emitter electrode of the lower arm IGBT 330 and the negative electrode side of the battery 136. Electrically connected in parallel to the series circuit 150.
制御部１７０はＩＧＢＴ３２８，３３０を作動させるためのものであり、他の制御装置やセンサなどからの入力情報に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０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１７２と、制御回路１７２から出力されたタイミング信号に基づいて、ＩＧＢＴ３２８，３３０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ドライブ回路１７４とを備えている。
The control unit 170 is for operating the IGBTs 328 and 330, and generates a timing signal for controlling the switching timing of the IGBTs 328 and 330 based on input information from other control devices or sensors. And a drive circuit 174 that generates a drive signal for switching the IGBTs 328 and 330 based on the timing signal output from the control circuit 172.
制御回路１７２は、ＩＧＢＴ３２８，３３０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。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ１９２に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路１５０からモータジェネレータ１９２の電機子巻線に供給される電流値、およびモータジェネレータ１９２の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の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１８０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１９２に設けられた回転磁極センサ（不図示）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。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
The control circuit 172 includes a microcomputer (hereinafter referred to as “microcomputer”) for calculating the switching timing of the IGBTs 328 and 330. The microcomputer receives as input information a target torque value required for the motor generator 192, a current value supplied from the upper and lower arm series circuit 150 to the armature winding of the motor generator 192, and a magnetic pole of the rotor of the motor generator 192. The position has been entered. The target torque value is based on a command signal output from a host controller (not shown). The current value is detected based on the detection signal output from the current sensor 180. The magnetic pole position is detected based on a detection signal output from a rotating magnetic pole sensor (not shown) provided in the motor generator 192. In the present embodiment, the case where the current values of three phases are detected will be described as an example, but the current values for two phases may be detected.
制御回路１７２内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ１９２の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）信号としてドライバ回路１７４に出力する。
The microcomputer in the control circuit 172 calculates the d and q axis current command values of the motor generator 192 based on the target torque value, and the calculated d and q axis current command values and the detected d and q The voltage command values for the d and q axes are calculated based on the difference from the current value of the shaft, and the calculated voltage command values for the d and q axes are calculated based on the detected magnetic pole position. Convert to W phase voltage command value. Then, the microcomputer generates a pulse-like modulated wave based on a comparison between the fundamental wave (sine wave) and the carrier wave (triangular wave) based on the voltage command values of the U phase, V phase, and W phase, and the generated modulation wave The wave is output to the driver circuit 174 as a PWM (pulse width modulation) signal.
ドライバ回路１７４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ＩＧＢＴ３３０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ＩＧＢＴ３２８のゲート電極にそれぞれ出力する。これにより、各ＩＧＢＴ３２８，３３０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。
When driving the lower arm, the driver circuit 174 amplifies the PWM signal, and when the driver circuit 174 drives the upper arm to the gate electrode of the corresponding IGBT 330 of the lower arm, the driver circuit 174 sets the level of the reference potential of the PWM signal. After shifting to the level of the reference potential of the upper arm, the PWM signal is amplified and output as a drive signal to the gate electrode of the corresponding IGBT 328 of the upper arm. As a result, each IGBT 328, 330 performs a switching operation based on the input drive signal.
また、制御部１７０は、異常検知（過電流、過電圧、過温度など）を行い、上下アーム直列回路１５０を保護している。このため、制御部１７０にはセンシング情報が入力されている。たとえば、各アームの信号用エミッタ電極端子１５５，１６５からは各ＩＧＢＴ３２８，３３０のエミッタ電極に流れる電流の情報が、対応する駆動部（ＩＣ）に入力されている。これにより、各駆動部（ＩＣ）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ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、対応するＩＧＢＴ３２８，３３０を過電流から保護する。上下アーム直列回路１５０に設けられた温度センサ（不図示）からは上下アーム直列回路１５０の温度の情報がマイコンに入力されている。また、マイコンには上下アーム直列回路１５０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およ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ＩＧＢＴ３２８，３３０のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路１５０（引いては、この回路１５０を含む半導体モジュール）を過温度或いは過電圧から保護する。
In addition, the control unit 170 performs abnormality detection (overcurrent, overvoltage, overtemperature, etc.) to protect the upper and lower arm series circuit 150. For this reason, sensing information is input to the control unit 170. For example, information on the current flowing through the emitter electrodes of the IGBTs 328 and 330 is input to the corresponding drive units (ICs) from the signal emitter electrode terminals 155 and 165 of each arm. Thereby, each drive part (IC) detects overcurrent, and when overcurrent is detected, the switching operation of corresponding IGBT328,330 is stopped, and corresponding IGBT328,330 is protected from overcurrent. Information on the temperature of the upper and lower arm series circuit 150 is input to the microcomputer from a temperature sensor (not shown) provided in the upper and lower arm series circuit 150. In addition, voltage information on the DC positive side of the upper and lower arm series circuit 150 is input to the microcomputer. The microcomputer performs over-temperature detection and over-voltage detection based on such information, and when an over-temperature or over-voltage is detected, stops the switching operation of all the IGBTs 328 and 330, and the upper and lower arm series circuit 150 (subtract) The semiconductor module including the circuit 150 is protected from overtemperature or overvoltage.
インバータ回路１４４の上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０の導通および遮断動作が一定の順で切り替わり、この切り替わり時にモータジェネレータ１９２の固定子巻線に発生する電流は、ダイオード１５６，１６６を含む回路を流れる。
The conduction and cut-off operations of the IGBTs 328 and 330 of the upper and lower arms of the inverter circuit 144 are switched in a certain order, and the current generated in the stator winding of the motor generator 192 at this switching flows through a circuit including the diodes 156 and 166.
上下アーム直列回路１５０は、図示するように、Ｐｏｓｉｔｉｖｅ端子（Ｐ端子、正極端子）１５７、Ｎｅｇａｔｉｖｅ端子（Ｎ端子、負極端子）１５８、上下アームの中間電極１６９に接続されている交流端子１５９、上アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１５５、上アームのゲート電極端子１５４、下アームの信号用端子（信号用エミッタ電極端子）１６５、下アームのゲート端子電極１６４、を備えている。また、電力変換装置２００は、入力側に直流コネクタ１３８を有し、出力側に交流コネクタ１８８を有して、それぞれのコネクタ１３８と１８８を通してバッテリ１３６とモータジェネレータ１９２にそれぞれ接続される。また、モータジェネレータへ出力する３相交流の各相の出力を発生する回路として、各相に２つの上下アーム直列回路を並列接続するようにした回路構成の電力変換装置であってもよい。
The upper and lower arm series circuit 150 includes a positive terminal (P terminal, positive terminal) 157, a negative terminal (N terminal, negative terminal) 158, an AC terminal 159 connected to the intermediate electrode 169 of the upper and lower arms, as shown in the figure. An arm signal terminal (signal emitter electrode terminal) 155, an upper arm gate electrode terminal 154, a lower arm signal terminal (signal emitter electrode terminal) 165, and a lower arm gate terminal electrode 164 are provided. The power conversion device 200 has a DC connector 138 on the input side and an AC connector 188 on the output side, and is connected to the battery 136 and the motor generator 192 through the connectors 138 and 188, respectively. Further, as a circuit for generating an output of each phase of the three-phase alternating current to be output to the motor generator, a power conversion device having a circuit configuration in which two upper and lower arm series circuits are connected in parallel to each phase may be used.
図３〜図７において、２００は電力変換装置、１０は上部ケース、１１は金属ベース板、１２は筐体、１３は冷却水入口配管、１４は冷却水出口配管、４２０は下カバー、１６は下部ケース、１７は交流ターミナルケース、１８は交流ターミナル、１９Ａは冷却ジャケット、１９は冷却ジャケット１９Ａ内の冷却水流路、２０は制御回路基板で制御回路１７２を保持している。２１は外部との接続のためのコネクタ、２２は駆動回路基板でドライバ回路１７４を保持している。３００はパワーモジュール（半導体モジュール部）で２個設けられており、それぞれのパワーモジュールにはインバータ回路１４４が内蔵されている。７００は積層導体板、８００はＯリング、３０４は金属ベース、１８８は交流コネクタ、３１４は直流正極端子、３１６は直流負極端子、５００はコンデンサモジュール、５０２はコンデンサケース、５０４は正極側コンデンサ端子、５０６は負極側コンデンサ端子、５１４はコンデンサセル、をそれぞれ表す。
3-7, 200 is a power converter, 10 is an upper case, 11 is a metal base plate, 12 is a housing, 13 is a cooling water inlet pipe, 14 is a cooling water outlet pipe, 420 is a lower cover, 16 is The lower case, 17 is an AC terminal case, 18 is an AC terminal, 19A is a cooling jacket, 19 is a cooling water passage in the cooling jacket 19A, and 20 is a control circuit board that holds the control circuit 172. Reference numeral 21 denotes a connector for connection to the outside, and reference numeral 22 denotes a drive circuit board that holds a driver circuit 174. Two power modules (semiconductor module units) 300 are provided, and an inverter circuit 144 is built in each power module. 700 is a laminated conductor plate, 800 is an O-ring, 304 is a metal base, 188 is an AC connector, 314 is a DC positive terminal, 316 is a DC negative terminal, 500 is a capacitor module, 502 is a capacitor case, 504 is a positive capacitor terminal, Reference numeral 506 denotes a negative side capacitor terminal, and 514 denotes a capacitor cell.
図３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成の外観斜視図を示す。本実施形態に係る電力変換装置２００は、上面あるいは底面が略長方形の筐体１２と、筐体１２の短辺側の外周の１つに設けられた冷却水入口配管１３および冷却水出口配管１４と、筐体１２の上部開口を塞ぐための上部ケース１０と、筐体１２の下部開口を塞ぐための下部ケース１６とを有する。筐体１２の底面あるいは上面の形状を略長方形としたことで、車両への取り付けが容易となり、また生産し易い効果がある。
FIG. 3 is an external perspective view of the overall configuration of the power conversion device according to the embodiment of the present invention. The power conversion device 200 according to this embodiment includes a casing 12 having a substantially rectangular top or bottom surface, and a cooling water inlet pipe 13 and a cooling water outlet pipe 14 provided on one of the outer circumferences on the short side of the casing 12. And an upper case 10 for closing the upper opening of the housing 12 and a lower case 16 for closing the lower opening of the housing 12. Since the shape of the bottom surface or the top surface of the housing 12 is substantially rectangular, it is easy to attach to the vehicle and to produce easily.
電力変換装置２００の長辺側の外周にはモータジェネレータ１９２や１９４との接続に用いる２組の交流ターミナルケース１７が設けられる。交流ターミナル１８は、パワーモジュール３００とモータジェネレータ１９２、１９４とを電気的に接続するために用いられる。パワーモジュール３００から出力される交流電流は、交流ターミナル１８を介して、モータジェネレータ１９２、１９４へ伝達される。
Two sets of AC terminal cases 17 used for connection to the motor generators 192 and 194 are provided on the outer periphery of the long side of the power conversion device 200. AC terminal 18 is used to electrically connect power module 300 and motor generators 192 and 194. The AC current output from the power module 300 is transmitted to the motor generators 192 and 194 via the AC terminal 18.
コネクタ２１は、筐体１２に内蔵された制御回路基板２０に接続されている。外部からの各種信号は、コネクタ２１を介して制御回路基板２０に伝送される。直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０と直流（バッテリ）正極側接続端子部５１２は、バッテリ１３６とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続する。ここで本実施形態では、コネクタ２１は、筐体１２の短辺側の外周面の一方側に設けられる。一方、直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０と直流（バッテリ）正極側接続端子部５１２は、コネクタ２１が設けられた面とは反対側の短辺側の外周面に設けられる。つまり、コネクタ２１と直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０が離れた配置となっている。これにより、直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０から筐体１２に侵入し、さらにコネクタ２１まで伝播するノイズを低減することでき、制御回路基板２０によるモータの制御性を向上させることができる。
The connector 21 is connected to a control circuit board 20 built in the housing 12. Various signals from the outside are transmitted to the control circuit board 20 via the connector 21. The direct current (battery) negative electrode side connection terminal portion 510 and the direct current (battery) positive electrode side connection terminal portion 512 electrically connect the battery 136 and the capacitor module 500. Here, in the present embodiment, the connector 21 is provided on one side of the outer peripheral surface on the short side of the housing 12. On the other hand, the direct current (battery) negative electrode side connection terminal portion 510 and the direct current (battery) positive electrode side connection terminal portion 512 are provided on the outer peripheral surface on the short side opposite to the surface on which the connector 21 is provided. That is, the connector 21 and the direct current (battery) negative electrode side connection terminal portion 510 are arranged apart from each other. As a result, noise that enters the housing 12 from the direct current (battery) negative electrode side connection terminal portion 510 and propagates to the connector 21 can be reduced, and the controllability of the motor by the control circuit board 20 can be improved.
図４は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を各構成要素に分解した斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view in which the entire configuration of the power conversion device according to the embodiment of the present invention is disassembled into components.
図４に示すように、筐体１２の中ほどには、内部に冷却水流路１９が形成される冷却ジャケット１９Ａが設けられ、冷却ジャケット１９Ａの上面には流れの方向に並んで２組の開口４００と４０２が形成されている。２組の開口４００と４０２を塞ぐように２個のパワーモジュール３００が冷却ジャケット１９Ａの上面に固定されている。各パワーモジュール３００には放熱のためのフィン３０５（図７参照）が設けられており、各パワーモジュール３００のフィン３０５（図７参照）はそれぞれ冷却ジャケット１９Ａの開口４００と４０２から冷却水流路１９中に突出している。パワーモジュール３００を筐体１２に固着する構造は後述する。
As shown in FIG. 4, a cooling jacket 19A in which a cooling water flow path 19 is formed is provided in the middle of the housing 12, and two sets of openings are arranged on the upper surface of the cooling jacket 19A along the flow direction. 400 and 402 are formed. Two power modules 300 are fixed to the upper surface of the cooling jacket 19A so as to close the two sets of openings 400 and 402. Each power module 300 is provided with fins 305 (see FIG. 7) for heat dissipation, and the fins 305 (see FIG. 7) of each power module 300 are respectively connected to the cooling water channel 19 from the openings 400 and 402 of the cooling jacket 19A. It protrudes inside. A structure for fixing the power module 300 to the housing 12 will be described later.
冷却ジャケット１９Ａの下面にはアルミ鋳造を行いやすくするための開口４０４が形成されており、開口４０４は下カバー４２０で塞がれている。また冷却ジャケット１９Ａの下面には補機用のインバータ装置４３が取り付けられている。補機用のインバータ装置４３は、図２に示すインバータ回路１４４と同様の回路を内蔵しており、インバータ回路１４４を構成しているパワー半導体素子を内蔵したパワーモジュールを有している。補機用のインバータ装置４３は、内蔵しているパワーモジュールの放熱金属面が冷却水流路１９の下面に対向するようにして、冷却ジャケット１９Ａの下面に固定されている。また、パワーモジュール３００と筐体１２との間には、シールをするためのＯリング８００が設けられ、さらに下カバー４２０と筐体１２との間にもＯリング８０２が設けられる。本実施形態ではシール材をＯリングとしているが、Ｏリングの代わりに樹脂材・液状シール・パッキンなどを代用しても良く、特に液状シールを用いた場合には電力変換装置２００の組立性を向上させることができる。
An opening 404 for facilitating aluminum casting is formed on the lower surface of the cooling jacket 19A, and the opening 404 is closed by the lower cover 420. An auxiliary inverter 43 is attached to the lower surface of the cooling jacket 19A. The auxiliary inverter device 43 includes a circuit similar to the inverter circuit 144 shown in FIG. 2, and includes a power module including a power semiconductor element constituting the inverter circuit 144. The auxiliary inverter device 43 is fixed to the lower surface of the cooling jacket 19 </ b> A so that the heat dissipating metal surface of the built-in power module faces the lower surface of the cooling water passage 19. Further, an O-ring 800 for sealing is provided between the power module 300 and the housing 12, and an O-ring 802 is also provided between the lower cover 420 and the housing 12. In this embodiment, the sealing material is an O-ring, but a resin material, a liquid seal, a packing, or the like may be used instead of the O-ring. In particular, when the liquid seal is used, the power converter 200 can be easily assembled. Can be improved.
さらに冷却ジャケット１９Ａの下方には、下部ケース１６が設けられ、下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００が設けられている。コンデンサモジュール５００は、その金属製ケースの放熱面が下部ケース１６の底板内面に接するように、下部ケース１６の底板内面に固定されている。この構造により、冷却ジャケット１９Ａの上面と下面とを利用して、パワーモジュール３００およびインバータ装置４３を効率良く冷却することができ、電力変換装置全体の小型化に繋がる。
Further, a lower case 16 is provided below the cooling jacket 19A, and a capacitor module 500 is provided in the lower case 16. Capacitor module 500 is fixed to the inner surface of the bottom plate of lower case 16 such that the heat dissipation surface of the metal case is in contact with the inner surface of the bottom plate of lower case 16. With this structure, the power module 300 and the inverter device 43 can be efficiently cooled using the upper surface and the lower surface of the cooling jacket 19A, which leads to a reduction in the size of the entire power conversion device.
冷却水入出口配管１３，１４からの冷却水が冷却水流路１９を流れることによって、併設されている２個のパワーモジュール３００が有する放熱フィンが冷却され、２個のパワーモジュール３００全体が冷却される。冷却ジャケット１９Ａの下面に設けられた補機用のインバータ装置４３も同時に冷却する。
When the cooling water from the cooling water inlet / outlet pipes 13 and 14 flows through the cooling water flow path 19, the radiation fins of the two power modules 300 provided are cooled, and the entire two power modules 300 are cooled. The The auxiliary inverter device 43 provided on the lower surface of the cooling jacket 19A is also cooled at the same time.
さらに冷却水流路１９が設けられている筐体１２が冷却されることにより、筐体１２の下部に設けられた下部ケース１６が冷却され、コンデンサモジュール５００の熱が下部ケース１６および筐体１２を介して冷却水に熱的に伝導され、コンデンサモジュール５００が冷却される。
Further, the casing 12 provided with the cooling water flow path 19 is cooled, so that the lower case 16 provided at the lower part of the casing 12 is cooled, and the heat of the capacitor module 500 causes the lower case 16 and the casing 12 to be cooled. The capacitor module 500 is cooled by being thermally conducted to the cooling water.
パワーモジュール３００の上方には、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とを電気的に接続するための積層導体板７００が配置される。この積層導体板７００は、２つのパワーモジュール３００に跨って、２つのパワーモジュール３００の幅方向に幅広に構成されている。さらに、積層導体板７００は、コンデンサモジュール５００の正極側端子と接続される正極側導体板７０２と、負極側端子と接続される負極側導体板７０４と、正極側端子と負極側端子と間に配置される絶縁部材によって構成される。これにより積層導体板７００の積層面積を広げることができるので、パワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までの寄生インダクタンスの低減を図ることができる。また、一つの 積層導体板７００を２つのパワーモジュール３００に載置した後、積層導体板７００とパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００との電気的な接続を行うことが出来るので、パワーモジュール３００を２つ備える電力変換装置であっても、その組立工数を抑えることができる。
A laminated conductor plate 700 for electrically connecting the power module 300 and the capacitor module 500 is disposed above the power module 300. The laminated conductor plate 700 is configured to be wide in the width direction of the two power modules 300 across the two power modules 300. Further, the laminated conductor plate 700 includes a positive electrode side conductor plate 702 connected to the positive electrode side terminal of the capacitor module 500, a negative electrode side conductor plate 704 connected to the negative electrode side terminal, and the positive electrode side terminal and the negative electrode side terminal. It is comprised by the insulating member arrange | positioned. As a result, the laminated area of the laminated conductor plate 700 can be increased, so that the parasitic inductance from the power module 300 to the capacitor module 500 can be reduced. In addition, since one laminated conductor plate 700 is placed on the two power modules 300, the laminated conductor plate 700, the power module 300, and the capacitor module 500 can be electrically connected. Even if it is a power converter provided, the assembly man-hour can be suppressed.
積層導体板７００の上方には制御回路基板２０と駆動回路基板２２とが配置されている。駆動回路基板２２には図２に示すドライバ回路１７４が搭載され、制御回路基板２０には図２に示すＣＰＵを有する制御回路１７２が搭載されている。また、駆動回路基板２２と制御回路基板２０との間には金属ベース板１１が配置されている。金属ベース板１１は、両基板２２，２０に搭載される回路群の電磁シールドの機能を奏すると共に、駆動回路基板２２と制御回路基板２０とに発生する熱を逃がし、冷却する作用を有している。このように筐体１２の中央部に冷却ジャケット１９Ａを設け、その一方の側に車両駆動用のパワーモジュール３００を配置し、また他方の側に補機用のパワーモジュール４３を配置することで、少ない空間で効率良く冷却でき、電力変換装置全体の小型化が可能となる。冷却ジャケット１９Ａを、筐体１２と一体にアルミ鋳造で作ることにより、冷却ジャケット１９Ａは冷却効果に加え機械的強度を強くする効果がある。またアルミ鋳造により筐体１２と冷却ジャケット１９Ａとを一体成形構造としたので、熱伝導が良くなり冷却効率が向上する。
A control circuit board 20 and a drive circuit board 22 are disposed above the laminated conductor plate 700. A driver circuit 174 shown in FIG. 2 is mounted on the drive circuit board 22, and a control circuit 172 having a CPU shown in FIG. 2 is mounted on the control circuit board 20. A metal base plate 11 is disposed between the drive circuit board 22 and the control circuit board 20. The metal base plate 11 functions as an electromagnetic shield for a circuit group mounted on both the boards 22 and 20 and also has an action of releasing and cooling the heat generated in the drive circuit board 22 and the control circuit board 20. Yes. In this way, the cooling jacket 19A is provided at the center of the housing 12, the power module 300 for driving the vehicle is disposed on one side thereof, and the power module 43 for auxiliary machines is disposed on the other side. Cooling can be efficiently performed in a small space, and the entire power conversion device can be downsized. By making the cooling jacket 19A integrally with the housing 12 by aluminum casting, the cooling jacket 19A has an effect of increasing the mechanical strength in addition to the cooling effect. Further, since the casing 12 and the cooling jacket 19A are integrally formed by aluminum casting, heat conduction is improved and cooling efficiency is improved.
駆動回路基板２２には、金属ベース板１１を通り抜けて、制御回路基板２０の回路群との接続を行う基板間コネクタ２３が設けられている。また、制御回路基板２０には外部との電気的接続を行うコネクタ２１が設けられている。コネクタ２１を利用して、電力変換装置の外部に設けた車載バッテリ１３６、すなわちリチウム電池モジュールとの間で信号の伝送が行われる。リチウム電池モジュールから電池の状態を表す信号やリチウム電池の充電状態などの信号が制御回路基板２０に送られてくる。図２に示す信号線１７６（図４では不図示）が基板間コネクタ２３に結線され、制御回路基板２０からインバータ回路のスイッチングタイミング信号が駆動回路基板２２に伝達され、駆動回路基板２２はゲート駆動信号を発生してパワーモジュールのそれぞれのゲート電極に印加する。
The drive circuit board 22 is provided with an inter-board connector 23 that passes through the metal base plate 11 and is connected to a circuit group of the control circuit board 20. The control circuit board 20 is provided with a connector 21 for electrical connection with the outside. The connector 21 is used to transmit a signal to and from the in-vehicle battery 136 provided outside the power converter, that is, a lithium battery module. A signal representing the state of the battery and a signal such as the state of charge of the lithium battery are sent from the lithium battery module to the control circuit board 20. A signal line 176 (not shown in FIG. 4) shown in FIG. 2 is connected to the board-to-board connector 23, and a switching timing signal of the inverter circuit is transmitted from the control circuit board 20 to the drive circuit board 22. The drive circuit board 22 is gate-driven. A signal is generated and applied to each gate electrode of the power module.
筐体１２の上端部と下端部には開口が形成されている。これら開口は、それぞれ上部ケース１０と下部ケース１６を、例えばネジやボルト等の締結部品で筐体１２に固定することにより塞がれる。筐体１２の高さ方向の中央には、内部に冷却水流路１９が設けられる冷却ジャケット１９Ａが形成されている。冷却ジャケット１９Ａの上面開口をパワーモジュール３００で覆い、下面開口を下カバー４２０で覆うことにより、冷却ジャケット１９Ａの内部に冷却水流路１９が形成される。組み立て途中に冷却水流路１９の水漏れ試験を行う。水漏れ試験に合格した場合に、次に筐体１２の上部と下部の開口から基板やコンデンサモジュール５００を取り付ける作業を行うことができる。このように筐体１２の中央に冷却ジャケット１９Ａを配置し、次に筐体１２の上端部と下端部の開口から必要な部品を固定する作業が行える構造を採用しており、生産性が向上する。また冷却水流路１９を最初に完成させ、水漏れ試験の後その他の部品を取り付けることが可能となり、生産性と信頼性の両方が向上する。
Openings are formed in the upper end and lower end of the housing 12. These openings are closed by fixing the upper case 10 and the lower case 16 to the housing 12 with fastening parts such as screws and bolts, for example. A cooling jacket 19 </ b> A in which a cooling water channel 19 is provided is formed in the center of the casing 12 in the height direction. By covering the upper surface opening of the cooling jacket 19A with the power module 300 and covering the lower surface opening with the lower cover 420, the cooling water channel 19 is formed inside the cooling jacket 19A. A water leakage test of the cooling water passage 19 is performed during the assembly. When the water leak test is passed, the work of attaching the substrate and the capacitor module 500 from the upper and lower openings of the housing 12 can be performed next. In this way, the cooling jacket 19A is arranged in the center of the housing 12, and then a structure that allows the necessary parts to be fixed from the openings at the upper and lower ends of the housing 12 is adopted, thereby improving productivity. To do. Moreover, it becomes possible to complete the cooling water flow path 19 first and to attach other parts after the water leak test, which improves both productivity and reliability.
図５は冷却ジャケット１９Ａを有する筐体１２のアルミ鋳造品に冷却水入口配管と出口配管を取付けた図であり、図５（ａ）は筐体１２の斜視図、図５（ｂ）は筐体１２の上面図、図５（ｃ）は筐体１２の下面図である。図５に示す如く、筐体１２には、内部に冷却水流路１９が形成される冷却ジャケット１９Ａが一体に鋳造されている。平面視形状が略長方形である筐体１２の短辺の一方側側面には、冷却水を取り入れるための冷却水入口配管１３と冷却水入口配管１４とが設けられている。
FIG. 5 is a view in which a cooling water inlet pipe and an outlet pipe are attached to an aluminum casting of the casing 12 having a cooling jacket 19A. FIG. 5 (a) is a perspective view of the casing 12, and FIG. FIG. 5C is a top view of the body 12, and FIG. As shown in FIG. 5, a cooling jacket 19 </ b> A in which a cooling water passage 19 is formed is integrally cast in the housing 12. A cooling water inlet pipe 13 and a cooling water inlet pipe 14 for taking in cooling water are provided on one side surface of the short side of the housing 12 having a substantially rectangular shape in plan view.
冷却水入口配管１３から冷却水流路１９に流入した冷却水は、矢印４１８の方向である長方形の長辺に沿って流れ、長方形の短辺の他方側の側面の手前近傍で矢印４２１ａおよび４２１ｂのように折り返し、再び長方形の長辺に沿って矢印４２２の方向に流れ、不図示の出口孔から冷却水入口配管１４へ流出する。冷却ジャケット１９Ａの上面には４つの開口４００および４０２が空けられている。開口４００は、冷却水の往路と復路にそれぞれ１個ずつ設けられている。開口４０２も同様である。開口４００、４０２にはパワーモジュール３００がそれぞれ固定され、各パワーモジュール３００の放熱用フィンがそれぞれの開口から冷却水の流れの中に突出する。冷却水の流れの方向すなわち筐体１２の長辺の沿った方向に並ぶ２組のパワーモジュール３００は、例えばＯリング８００などのシール材を介して冷却ジャケット１９Ａの開口を水密に塞ぐように固定される。
The cooling water that has flowed into the cooling water channel 19 from the cooling water inlet pipe 13 flows along the long side of the rectangle in the direction of the arrow 418, and in the vicinity of the front side of the other side of the short side of the rectangle, the arrows 421a and 421b. Then, it flows again in the direction of the arrow 422 along the long side of the rectangle, and flows out from the outlet hole (not shown) to the cooling water inlet pipe 14. Four openings 400 and 402 are opened on the upper surface of the cooling jacket 19A. One opening 400 is provided for each of the outward and return paths of the cooling water. The opening 402 is the same. The power modules 300 are fixed to the openings 400 and 402, respectively, and the heat radiation fins of the power modules 300 protrude into the cooling water flow from the respective openings. Two sets of power modules 300 arranged in the direction of the flow of the cooling water, that is, the direction along the long side of the housing 12 are fixed so as to block the opening of the cooling jacket 19A through a sealing material such as an O-ring 800, for example. Is done.
冷却ジャケット１９Ａは、筐体周壁１２Ｗの中段を横断して筐体１２と一体成形されている。冷却ジャケット１９Ａの上面には４つの開口４００および４０２が、下面には１つの開口４０４が設けられている。開口４００および４０２のそれぞれの周囲には、パワーモジュール取り付け面４１０Ｓが設けられている。取り付け面４１０Ｓの開口４００と４０２の間の部分を支持部４１０と呼ぶ。支持部４１０に対して冷却水の出入り口側の方に１つのパワーモジュール３００が固定され、支持部４１０に対して冷却水の折り返し側の方に他の１つのパワーモジュール３００が固定される。
The cooling jacket 19A is integrally formed with the casing 12 across the middle stage of the casing peripheral wall 12W. Four openings 400 and 402 are provided on the upper surface of the cooling jacket 19A, and one opening 404 is provided on the lower surface. Around each of the openings 400 and 402, a power module mounting surface 410S is provided. A portion between the openings 400 and 402 of the attachment surface 410S is referred to as a support portion 410. One power module 300 is fixed toward the inlet / outlet side of the cooling water with respect to the support part 410, and another one power module 300 is fixed toward the return side of the cooling water with respect to the support part 410.
図５（ｂ）に示すボルト孔４１２とボルト貫通孔４１２Ａは、冷却水出入り口側のパワーモジュール３００を取り付け面４１０Ｓに固定するために用いられ、この固定により開口４００が密閉される。ボルト孔４１４とボルト貫通孔４１４Ａは、冷却水折り返し側のパワーモジュール３００を取り付け面４１０Ｓに固定するために用いられ、この固定により開口４０２が密閉される。このように冷却水流路１９の往路と復路の両方を跨ぐように各パワーモジュール３００を配置することで、インバータ回路１４４を金属ベース３０４の上に高密度で集積できるため、パワーモジュール３００の小型化が可能となり電力変換装置２００の小型化にも大きく寄与する。
The bolt hole 412 and the bolt through hole 412A shown in FIG. 5B are used to fix the power module 300 on the cooling water inlet / outlet side to the mounting surface 410S, and the opening 400 is sealed by this fixing. The bolt hole 414 and the bolt through hole 414A are used for fixing the power module 300 on the cooling water return side to the mounting surface 410S, and the opening 402 is sealed by this fixing. By arranging the power modules 300 so as to straddle both the forward path and the return path of the cooling water flow path 19 in this way, the inverter circuit 144 can be integrated on the metal base 304 at a high density. Therefore, the power conversion apparatus 200 can be greatly reduced in size.
出入り口側のパワーモジュール３００は、冷却水入口配管１３からの冷たい冷却水と、出口側に近く発熱部品からの熱によって暖められた冷却水とにより冷やされることとなる。一方、折り返し側のパワーモジュール３００は、少し温められた冷却水および、出口孔４０３近くの冷却水よりは少し冷えた状態の冷却水によって冷却される。結果として折り返し冷却通路と２つのパワーモジュール３００の配置関係は、２つのパワーモジュール３００の冷却効率が均衡した状態となるメリットがある。
The power module 300 on the inlet / outlet side is cooled by the cold cooling water from the cooling water inlet pipe 13 and the cooling water heated near the outlet side by the heat from the heat generating components. On the other hand, the folded-back power module 300 is cooled by a slightly warmed cooling water and a cooling water that is slightly cooler than the cooling water near the outlet hole 403. As a result, the arrangement relationship between the folded cooling passage and the two power modules 300 has an advantage that the cooling efficiency of the two power modules 300 is balanced.
支持部４１０はパワーモジュール３００の固定のために使用され、開口４００や４０２の密閉のために必要である。さらに支持部４１０は筐体１２の強度の強化に大きな効果がある。冷却水流路１９は上述の通り折り返し形状であり、流路の往路と流路の復路を隔てる隔壁４０８が設けられ、この隔壁４０８が支持部４１０と一体に作られている。隔壁４０８は、流路の往路と流路の復路を隔てる部材であるが、筐体１２の機械的な強度を高める機能を有している。また流路の復路内の冷却水の熱を、流路の往路内の冷却水に熱伝達して冷却水の温度を均一化する機能も有している。冷却水の入口側と出口側との温度差が大きいと冷却効率のムラが大きくなる。ある程度の温度差は仕方ないが、この隔壁４０８が支持部４１０と一体に作られていることで冷却水の温度差を抑える効果が有る。
The support portion 410 is used for fixing the power module 300 and is necessary for sealing the openings 400 and 402. Further, the support portion 410 has a great effect on strengthening the strength of the housing 12. The cooling water channel 19 has a folded shape as described above, and is provided with a partition wall 408 that separates the forward path of the channel and the return path of the channel, and this partition wall 408 is formed integrally with the support portion 410. The partition wall 408 is a member that separates the forward path of the flow path from the return path of the flow path, and has a function of increasing the mechanical strength of the housing 12. In addition, the heat of the cooling water in the return path of the flow path is transferred to the cooling water in the forward path of the flow path to make the temperature of the cooling water uniform. If the temperature difference between the inlet side and the outlet side of the cooling water is large, uneven cooling efficiency increases. Although the temperature difference to some extent is unavoidable, the partition wall 408 is formed integrally with the support portion 410, so that there is an effect of suppressing the temperature difference of the cooling water.
以上説明したように、冷却ジャケット１９Ａが筐体１２の中段位置で筐体１２を横断して設けられているので、冷却ジャケット１９Ａは筐体１２の強度部材として機能する。加えて、支持部４１０および隔壁４０８は冷却ジャケット１９Ａ、ひいては筐体１２の強度部材として機能する。
As described above, since the cooling jacket 19 </ b> A is provided across the housing 12 at the middle position of the housing 12, the cooling jacket 19 </ b> A functions as a strength member of the housing 12. In addition, the support portion 410 and the partition 408 function as the cooling jacket 19 </ b> A and eventually the strength member of the housing 12.
図５（ｃ）は冷却ジャケット１９Ａの裏面を示しており、支持部４１０に対応した裏面に開口４０４が形成されている。この開口４０４は、筐体の鋳造により形成する支持部４１０と筐体１２とを一体成形する際の歩留まりを向上するためのものである。開口４０４の形成により、支持部４１０と冷却水流路１９の底部との二重構造が無くなり、鋳造し易く、生産性が向上する。
FIG. 5C shows the back surface of the cooling jacket 19 </ b> A, and an opening 404 is formed on the back surface corresponding to the support portion 410. This opening 404 is for improving the yield when the support portion 410 formed by casting the casing and the casing 12 are integrally formed. The formation of the opening 404 eliminates the double structure of the support portion 410 and the bottom portion of the cooling water channel 19, facilitates casting, and improves productivity.
また、冷却水流路１９の側部外側には貫通穴４０６が形成される。冷却水流路１９を挟んで両側に設置される電気部品（パワーモジュール３００およびコンデンサモジュール５００）同士が、この貫通穴４０６を介して接続される。
Further, a through hole 406 is formed on the outer side of the cooling water passage 19. Electrical components (the power module 300 and the capacitor module 500) installed on both sides of the cooling water channel 19 are connected via the through hole 406.
筐体１２は、冷却ジャケット１９Ａと一体構造として製造できるので、鋳造生産、特にアルミダイキャスト生産に適している。
Since the housing 12 can be manufactured as an integral structure with the cooling jacket 19A, it is suitable for casting production, particularly aluminum die casting production.
ジャケット１９Ａの上面開口にパワーモジュール３００を固定し、さらに裏面開口に下カバー４２０を固定した状態を図６に示す。筐体１２の長方形の一方の長辺側において、筐体１２の外に交流電力線１８６および交流コネクタ１８８が突出している。
FIG. 6 shows a state where the power module 300 is fixed to the upper surface opening of the jacket 19A and the lower cover 420 is fixed to the rear surface opening. On one long side of the rectangle of the housing 12, an AC power line 186 and an AC connector 188 protrude from the housing 12.
図６において、筐体１２の長方形の他方の長辺側内部に貫通孔４０６が形成されており、貫通孔４０６を通してパワーモジュール３００と接続される積層導体板７００の一部が見えている。補機用インバータ装置４３は、直流正極側接続端子部５１２が接続された筐体１２の側面の近傍に配置される。また、この補機用インバータ装置４３の下方（冷却水流路１９がある側とは反対側）にコンデンサモジュール５００が配置される。補機用正極端子４４と補機用負極端子４５は、下方（コンデンサモジュール５００が配置された方向）に突出し、コンデンサモジュール５００側の補機用正極端子５３２と補機用負極端子５３４にそれぞれ接続される。これにより、コンデンサモジュール５００から補機用インバータ装置４３までの配線距離が短くなるので、コンデンサモジュール５００側の補機用正極端子５３２および補機用負極端子５３４から金属製の筐体１２を介して制御回路基板２０に侵入するノイズを低減することができる。
In FIG. 6, a through hole 406 is formed inside the other long side of the rectangle of the housing 12, and a part of the laminated conductor plate 700 connected to the power module 300 through the through hole 406 can be seen. The auxiliary inverter device 43 is disposed in the vicinity of the side surface of the housing 12 to which the DC positive electrode side connection terminal portion 512 is connected. Further, a capacitor module 500 is disposed below the auxiliary inverter device 43 (on the side opposite to the side where the cooling water flow path 19 is present). The auxiliary machine positive terminal 44 and the auxiliary machine negative terminal 45 protrude downward (in the direction in which the capacitor module 500 is disposed), and are connected to the auxiliary machine positive terminal 532 and the auxiliary machine negative terminal 534 on the capacitor module 500 side, respectively. Is done. As a result, the wiring distance from the capacitor module 500 to the auxiliary device inverter 43 is shortened, so that the auxiliary device positive terminal 532 and the auxiliary device negative terminal 534 on the capacitor module 500 side through the metal casing 12. Noise that enters the control circuit board 20 can be reduced.
また、補機用インバータ装置４３は冷却水流路１９とコンデンサモジュール５００との隙間に配置され、さらに補機用インバータ装置４３の高さは下カバー４２０の高さと同程度となっている。そのため、補機用インバータ装置４３を冷却するとともに電力変換装置２００の高さの増加を抑えることができる。
In addition, the auxiliary inverter device 43 is disposed in the gap between the coolant channel 19 and the capacitor module 500, and the auxiliary inverter device 43 is approximately as high as the lower cover 420. Therefore, the auxiliary inverter device 43 can be cooled and an increase in the height of the power conversion device 200 can be suppressed.
また、図６に示すように、冷却水入口配管１３と冷却水出口配管１４が螺子により固定されている。図６の状態で冷却水流路１９の水漏れ検査を実施できる。この検査に合格したものに、上記補機用インバータ装置４３が取り付けられ、さらにコンデンサモジュール５００が取り付けられる。
Moreover, as shown in FIG. 6, the cooling water inlet piping 13 and the cooling water outlet piping 14 are being fixed with the screw. In the state of FIG. 6, the water leakage inspection of the cooling water channel 19 can be performed. The auxiliary inverter device 43 is attached to the one that has passed this inspection, and the capacitor module 500 is further attached.
図７は、電力変換装置２００の断面図（図６のＡ−Ａ断面基準）であり、基本的な構造は図３から図６に基づいて、既に説明したとおりである。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the power conversion device 200 (AA cross-section reference of FIG. 6), and the basic structure is as already described based on FIGS.
筐体１２の断面における上下方向の中央部には筐体１２と一体にアルミダイキャストで作られた冷却ジャケット１９Ａ（図７の点線部）が設けられ、冷却ジャケット１９Ａの上面側に形成された開口にパワーモジュール３００（図７の一点鎖線部）が設置されている。図７の紙面に対して左側が冷却水の往路１９aであり、紙面に対して右側が水路の折り返し側の復路１９ｂである。往路１９ａおよび復路１９ｂの上方には、上述のとおりそれぞれ開口が設けられ、開口は、パワーモジュール３００の放熱のための金属ベース３０４により往路１９aおよび復路１９ｂの両方に跨るように塞がれ、金属ベース３０４に設けられた放熱用フィン３０５が冷却水の流れのなかに開口から突出する。また、冷却水流路１９の下面側には補機用のインバータ装置４３が固定されている。
A cooling jacket 19A (indicated by a dotted line in FIG. 7) made of aluminum die-casting integrally with the housing 12 is provided at the center in the vertical direction in the cross section of the housing 12, and is formed on the upper surface side of the cooling jacket 19A. The power module 300 (the chain line portion in FIG. 7) is installed in the opening. The left side with respect to the paper surface of FIG. 7 is the forward path 19a of the cooling water, and the right side with respect to the paper surface is the return path 19b on the return side of the water channel. As described above, the openings are respectively provided above the forward path 19a and the return path 19b, and the openings are blocked by the metal base 304 for heat dissipation of the power module 300 so as to straddle both the forward path 19a and the return path 19b. A heat radiation fin 305 provided on the base 304 protrudes from the opening in the flow of the cooling water. In addition, an auxiliary inverter device 43 is fixed to the lower surface side of the cooling water passage 19.
略中央が屈曲した板状の交流電力線１８６は、その一端がパワーモジュール３００の交流端子１５９と接続され、その他端が、電力変換装置２００内部から突出して交流コネクタを形成している。正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６は、貫通孔４０６（図７の２点鎖線部）を介して、正極側導体板７０２および負極側導体板７０４にそれぞれ電気的および機械的に接続される。筐体１２に設けた冷却水流路１９内の冷却水の流れ方向と略垂直の方向に、交流コネクタ１８８と正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６が配置される。そのため電気配線が整然と配置され、電力変換装置２００の小型化に繋がっている。積層導体板７００の正極側導体板７０２、負極側導体板７０４、および交流側電力線１８６がパワーモジュール３００の外に突出して接続端子を形成している。そのため、電気的接続構造がたいへん簡単で、また他の接続導体が使用されていないため小型化になっている。この構造により生産性が向上し、信頼性も向上する。
One end of the plate-like AC power line 186 bent substantially at the center is connected to the AC terminal 159 of the power module 300, and the other end protrudes from the power converter 200 to form an AC connector. The positive electrode side capacitor terminal 504 and the negative electrode side capacitor terminal 506 are electrically and mechanically connected to the positive electrode side conductor plate 702 and the negative electrode side conductor plate 704, respectively, through a through hole 406 (two-dot chain line portion in FIG. 7). The An AC connector 188, a positive-side capacitor terminal 504, and a negative-side capacitor terminal 506 are arranged in a direction substantially perpendicular to the flow direction of the cooling water in the cooling water flow path 19 provided in the housing 12. Therefore, the electrical wiring is arranged in an orderly manner, which leads to a reduction in size of the power conversion device 200. The positive electrode side conductor plate 702, the negative electrode side conductor plate 704, and the AC side power line 186 of the multilayer conductor plate 700 project outside the power module 300 to form connection terminals. Therefore, the electrical connection structure is very simple, and the size is reduced because no other connection conductor is used. This structure improves productivity and improves reliability.
さらに貫通孔４０６は冷却水流路１９とは筐体１２内部の枠体で隔絶しており、かつ正極側導体板７０２および負極側導体板７０４と正極側コンデンサ端子５０６および負極側コンデンサ端子５０４との接続部が貫通孔４０６内に存在するため、信頼性が向上する。
Further, the through hole 406 is isolated from the cooling water flow path 19 by a frame inside the housing 12, and the positive side conductor plate 702 and the negative side conductor plate 704, the positive side capacitor terminal 506, and the negative side capacitor terminal 504 are connected. Since the connecting portion exists in the through hole 406, the reliability is improved.
以上説明した冷却構造では、発熱量の大きいパワーモジュール３００を冷却ジャケット１９Ａの一方の面に固定し、パワーモジュール３００のフィン３０５を冷却水流路１９内に突出させて、パワーモジュール３００を効率良く冷却する。次に放熱量の大きい補機用インバータ装置４３を冷却ジャケット１９Ａの他方の面で冷却する。さらに次に発熱量が大きいコンデンサモジュール５００を筐体１２および下部ケース１６を介して冷却する。このように放熱量の多さにあわせた冷却構造としているので、冷却効率や信頼性が向上すると共に、電力変換装置２００をより小型化することができる。
In the cooling structure described above, the power module 300 having a large calorific value is fixed to one surface of the cooling jacket 19A, and the fins 305 of the power module 300 are protruded into the cooling water flow path 19 to efficiently cool the power module 300. To do. Next, the auxiliary inverter device 43 having a large heat radiation amount is cooled on the other surface of the cooling jacket 19A. Further, the capacitor module 500 having the next largest heat generation amount is cooled via the housing 12 and the lower case 16. Thus, since it is set as the cooling structure match | combined with much heat dissipation, while cooling efficiency and reliability improve, the power converter device 200 can be reduced more in size.
さらに補機用インバータ装置４３を、冷却ジャケット１９Ａのコンデンサモジュール５００に面する底面に固定しているので、補機用インバータ装置４３の平滑用コンデンサとしてコンデンサモジュール５００を使用する際、配線距離が短くなる効果がある。また配線距離が短いことからインダクタンスを小さくできる効果がある。
Further, since the auxiliary inverter device 43 is fixed to the bottom surface of the cooling jacket 19A facing the capacitor module 500, when the capacitor module 500 is used as a smoothing capacitor of the auxiliary inverter device 43, the wiring distance is short. There is an effect. In addition, since the wiring distance is short, the inductance can be reduced.
パワーモジュール３００の上方には、ドライバ回路１７４を実装した駆動回路基板２２が配置され、さらに駆動回路基板２２の上方には、放熱および電磁シールドの効果を高める金属ベース板１１を隔てて制御回路基板２０が配置されている。なお制御回路基板２０には図２に示した制御回路１７２が搭載されている。上部ケース１０を筐体１２に固定することによって、本実施形態に係る電力変換装置２００が構成される。
A drive circuit board 22 on which a driver circuit 174 is mounted is disposed above the power module 300. Further, a control circuit board is disposed above the drive circuit board 22 with a metal base plate 11 that enhances the effects of heat dissipation and electromagnetic shielding. 20 is arranged. The control circuit board 20 is mounted with the control circuit 172 shown in FIG. By fixing the upper case 10 to the housing 12, the power conversion device 200 according to the present embodiment is configured.
上述のように、制御回路基板２０とパワーモジュール３００との間に駆動回路基板２２を配置しているので、制御回路基板２０からインバータ回路の動作タイミングが駆動回路基板２２に伝えられ、それに基づいて駆動回路基板２２でゲート信号が作られ、パワーモジュール３００のゲートにそれぞれ印加される。このように電気的な接続関係に沿って制御回路基板２０や駆動回路基板２２を配置しているので、電気配線が簡素化でき、電力変換装置２００の小型化に繋がる。また、駆動回路基板２２は、制御回路基板２０に対して、パワーモジュール３００やコンデンサモジュール５００よりも近い距離に配置される。そのため駆動回路基板２２から駆動回路基板２０までの配線距離は、他の部品（パワーモジュール３００等）と制御回路基板２０との配線距離よりも短くなる。よって直流正極側接続端子部５１２から伝わる電磁ノイズやＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチング動作による電磁ノイズが、駆動回路基板２２から制御回路基板２０までの配線に侵入することを抑えることができる。
As described above, since the drive circuit board 22 is arranged between the control circuit board 20 and the power module 300, the operation timing of the inverter circuit is transmitted from the control circuit board 20 to the drive circuit board 22, and based on that. A gate signal is generated by the drive circuit board 22 and applied to each gate of the power module 300. Since the control circuit board 20 and the drive circuit board 22 are thus arranged along the electrical connection relationship, the electrical wiring can be simplified and the power converter 200 can be downsized. The drive circuit board 22 is disposed at a distance closer to the control circuit board 20 than the power module 300 and the capacitor module 500. Therefore, the wiring distance from the drive circuit board 22 to the drive circuit board 20 is shorter than the wiring distance between other components (such as the power module 300) and the control circuit board 20. Therefore, electromagnetic noise transmitted from the DC positive electrode side connection terminal portion 512 and electromagnetic noise due to the switching operation of the IGBTs 328 and 330 can be prevented from entering the wiring from the drive circuit board 22 to the control circuit board 20.
冷却ジャケット１９Ａの一方の面にパワーモジュール３００を固定し、他方の面に補機用インバータ装置４３を固定することで、冷却水流路１９を流れる冷却水でパワーモジュール３００と補機用インバータ装置４３を同時に冷却する。この場合、パワーモジュール３００は放熱のためのフィンが冷却水流路１９の冷却水と直接、接するのでより冷却効果が大きい。さらに冷却水流路１９を流れる冷却水で筐体１２を冷却するとともに、筐体１２に固定した下部ケース１６および金属ベース板１１を冷却する。下部ケース１６にはコンデンサモジュール５００の金属ケースが固定されるので、下部ケース１６と筐体１２を介してコンデンサモジュール５００が冷却水で冷却される。さらに金属ベース板１１を介して制御回路基板２０や駆動回路基板２２を冷却する。下部ケース１６も熱伝導性の良い材料でできていて、コンデンサモジュール５００からの発熱を受け、筐体１２に熱を伝導し、伝熱された熱は冷却水流路１９の冷却水で放熱される。また、冷却ジャケット１９Ａの下面には、車内用エアコン、オイルポンプ、他用途のポンプ用として用いる、比較的小容量の補機用インバータ装置４３を設置する。この補機用インバータ装置４３からの発熱は、筐体１２の中間枠体を通して冷却水流路１９の冷却水で放熱される。このように筺体１２の中央に冷却ジャケット１９Ａを設け、冷却ジャケット１９Ａの一方、すなわち上方に金属ベース板１１を設け、他方、すなわち下方側に下部ケース１６を設けることで、電力変換装置２００を構成するのに必要な部品を発熱量に応じ、効率良く冷却することができる。また電力変換装置２００の内部に部品が整然と配置されることとなり、小型化が可能となる。
The power module 300 is fixed to one surface of the cooling jacket 19A and the auxiliary device inverter device 43 is fixed to the other surface, whereby the power module 300 and the auxiliary device 43 are connected with the cooling water flowing through the cooling water passage 19. Cool at the same time. In this case, the power module 300 has a greater cooling effect because the fins for heat dissipation are in direct contact with the cooling water in the cooling water passage 19. Further, the casing 12 is cooled by the cooling water flowing through the cooling water passage 19, and the lower case 16 and the metal base plate 11 fixed to the casing 12 are cooled. Since the metal case of the capacitor module 500 is fixed to the lower case 16, the capacitor module 500 is cooled with cooling water via the lower case 16 and the housing 12. Further, the control circuit board 20 and the drive circuit board 22 are cooled via the metal base plate 11. The lower case 16 is also made of a material having good thermal conductivity, receives heat generated from the capacitor module 500, conducts heat to the housing 12, and the heat transferred is dissipated by the cooling water in the cooling water passage 19. . A relatively small-capacity auxiliary inverter device 43 that is used for an in-vehicle air conditioner, an oil pump, and a pump for other purposes is installed on the lower surface of the cooling jacket 19A. The heat generated from the auxiliary inverter device 43 is radiated by the cooling water in the cooling water passage 19 through the intermediate frame of the housing 12. In this way, the cooling jacket 19A is provided in the center of the housing 12, the metal base plate 11 is provided on one side of the cooling jacket 19A, that is, the upper side, and the lower case 16 is provided on the other side, that is, the lower side, thereby configuring the power conversion device 200. It is possible to efficiently cool the parts necessary for the heat generation according to the heat generation amount. Also, the components are neatly arranged inside the power conversion device 200, and the size can be reduced.
電力変換装置の放熱機能を果たす放熱体は、第１に冷却水流路１９であるが、この他にも金属ベース板１１がその機能を奏している。金属ベース板１１は、電磁シールド機能を果たすとともに、制御回路基板２０や駆動回路基板２２からの熱を受けて、筐体１２に熱を伝導し、冷却水流路１９の冷却水で放熱される。
The heat radiator that performs the heat radiation function of the power conversion device is first the cooling water flow path 19, but the metal base plate 11 also has that function. The metal base plate 11 performs an electromagnetic shielding function, receives heat from the control circuit board 20 and the drive circuit board 22, conducts heat to the housing 12, and is radiated by the cooling water in the cooling water flow path 19.
このように、本実施形態に係る電力変換装置は、放熱体が３層の積層体、すなわち、金属ベース板１１、冷却水流路１９（冷却ジャケット１９Ａ）、下部ケース１６という積層構造を有している。これらの放熱体はそれぞれの発熱体（パワーモジュール３００、制御回路基板２０、駆動回路基板２２、コンデンサモジュール５００）に隣接して階層的に設置される。階層構造の中央部には、主たる放熱体である冷却水流路１９が存在し、金属ベース板１１と下部ケース１６は筐体１２を通して冷却水流路１９の冷却水に熱を伝える構造となっている。筐体１２内に３つの放熱体（冷却水流路１９、金属ベース板１１、下部ケース１６）が収容されて、放熱性を向上させるとともに薄型化、小型化に寄与している。
As described above, the power conversion device according to the present embodiment has a laminated structure in which the radiator is a three-layered structure, that is, the metal base plate 11, the cooling water channel 19 (cooling jacket 19A), and the lower case 16. Yes. These heat radiators are installed in a hierarchy adjacent to the respective heat generators (power module 300, control circuit board 20, drive circuit board 22, and capacitor module 500). In the center of the hierarchical structure, there is a cooling water flow path 19 that is a main radiator, and the metal base plate 11 and the lower case 16 are structured to transmit heat to the cooling water in the cooling water flow path 19 through the housing 12. . Three radiators (cooling water channel 19, metal base plate 11, and lower case 16) are accommodated in the casing 12, thereby improving heat dissipation and contributing to reduction in thickness and size.
図８(ａ)は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の上方斜視図であり、図８(ｂ)は、当該パワーモジュール３００の上面図である。図９は、本実施形態に関するパワーモジュール３００の直流端子の分解斜視図である。図１０は、直流バスバーの構造を分かりやすくするため、パワーモジュールケース３０２を一部透明にした断面図である。図９(ａ)は、パワーモジュール３００の構成部品である金属ベース３０４および３つの上下アーム直列回路のうち１つを抜き出した図である。図９(ｂ)は、金属ベース３０４、回路配線パターンおよび絶縁基板３３４の分解斜視図である。
FIG. 8A is an upper perspective view of the power module 300 according to the present embodiment, and FIG. 8B is a top view of the power module 300. FIG. 9 is an exploded perspective view of a DC terminal of the power module 300 according to the present embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view in which the power module case 302 is partially transparent in order to make the structure of the DC bus bar easier to understand. FIG. 9A is a diagram in which one of the metal base 304 and three upper and lower arm series circuits that are components of the power module 300 is extracted. FIG. 9B is an exploded perspective view of the metal base 304, the circuit wiring pattern, and the insulating substrate 334.
図８(ａ)において、３０２はパワーモジュールケース、３０４は金属ベース、３０５はフィン（図１０参照）、３１４ａは直流正極端子接続部、３１６ａは直流負極端子接続部、３１８は絶縁紙（図９参照）、３２０Ｕ／３２０Ｌはパワーモジュールの制御端子、３２８は上アーム用のＩＧＢＴ、３３０は下アーム用のＩＧＢＴ、１５６／１６６はダイオード、３３４は絶縁基板（図１０参照）、３３４ｋは絶縁基板３３４上の回路配線パターン（図１０参照）、３３４ｒは絶縁基板３３４下のベタパターン３３７（図１０参照）をそれぞれ表す。
8A, 302 is a power module case, 304 is a metal base, 305 is a fin (see FIG. 10), 314a is a DC positive terminal connection, 316a is a DC negative terminal connection, and 318 is an insulating paper (FIG. 9). 320U / 320L is the control terminal of the power module, 328 is the IGBT for the upper arm, 330 is the IGBT for the lower arm, 156/166 is the diode, 334 is the insulating substrate (see FIG. 10), 334k is the insulating substrate 334 Upper circuit wiring patterns (see FIG. 10) and 334r represent solid patterns 337 (see FIG. 10) under the insulating substrate 334, respectively.
パワーモジュール３００は、主に、例えば樹脂材料のパワーモジュールケース３０２内の配線を含めた半導体モジュール部と、金属材料例えばＣｕ，Ａｌ，ＡｌＳｉＣなどからなる金属ベース３０４と、外部との接続端子(直流正極端子３１４や制御端子３２０Ｕ等)と、から構成される。そして外部と接続する端子として、パワーモジュール３００は、モータと接続するためのＵ，Ｖ，Ｗ相の交流端子１５９と、コンデンサモジュール５００と接続する直流正極端子３１４および直流負極端子３１６（図９参照）とを有している。
The power module 300 mainly includes, for example, a semiconductor module portion including wiring in a power module case 302 made of a resin material, a metal base 304 made of a metal material such as Cu, Al, AlSiC, and the like, and a connection terminal (DC). Positive electrode terminal 314 and control terminal 320U). As terminals to be connected to the outside, the power module 300 includes a U, V, W phase AC terminal 159 for connection to the motor, a DC positive terminal 314 and a DC negative terminal 316 for connection to the capacitor module 500 (see FIG. 9). ).
絶縁基板３３４の上に、上下アームのＩＧＢＴ３２８，３３０、ダイオード１５６，１６６等が半田付けされ、パワーモジュールケース３０２で囲まれた領域はレジンまたはシリコンゲル(不図示)によって封止保護されている。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であってもよい。後述するように熱伝導に優れる方が好ましいことから、窒化アルミニウムや窒化珪素等の熱伝導率の高い材料を選択・使用することが望ましい。
The IGBTs 328 and 330 of the upper and lower arms, the diodes 156 and 166, etc. are soldered on the insulating substrate 334, and the region surrounded by the power module case 302 is sealed and protected by a resin or silicon gel (not shown). The insulating substrate 334 may be a ceramic substrate or a thinner insulating sheet. As described later, since it is preferable to have excellent heat conduction, it is desirable to select and use a material having high heat conductivity such as aluminum nitride or silicon nitride.
図８(ｂ)は、金属ベース３０４に固着された熱伝導性の良いセラミックからなる絶縁基板３３４の上に、上下アーム直列回路が具体的にどのような配置で設置されているかを示す配置構成図である。図８(ｂ)に示すＩＧＢＴ３２８，３３０とダイオード３２７、３３２はそれぞれ２つのチップを並列接続して上アーム、下アームを構成し、上下アームに通電可能な電流容量を増やしている。
FIG. 8B shows an arrangement configuration showing the specific arrangement of the upper and lower arm series circuits on the insulating substrate 334 made of ceramic with good thermal conductivity fixed to the metal base 304. FIG. The IGBTs 328 and 330 and the diodes 327 and 332 shown in FIG. 8B respectively connect two chips in parallel to form an upper arm and a lower arm, and increase the current capacity that can be supplied to the upper and lower arms.
図９に示すように、パワーモジュール３００に内蔵された直流端子３１３は、絶縁紙３１８を挟んで、直流負極端子３１６、直流正極端子３１４の積層構造を有する(図９の点線部) 。直流負極端子３１６、直流正極端子３１４の端部は、互いに反対方向に屈曲され、積層導体板７００とパワーモジュール３００とを電気的に接続するための負極接続部３１６ａおよび正極接続部３１４ａを形成している。積層導体板７００との接続部３１４ａおよび３１６ａがそれぞれ２つ設けられることにより、負極接続部３１６ａおよび正極接続部３１４ａから３つの上下アーム直列回路までの平均距離がほぼ等しくなるので、パワーモジュール３００内の寄生インダクタンスのバラツキを低減することができる。
As shown in FIG. 9, the DC terminal 313 built in the power module 300 has a laminated structure of a DC negative terminal 316 and a DC positive terminal 314 with an insulating paper 318 interposed therebetween (dotted line portion in FIG. 9). The ends of the direct current negative electrode terminal 316 and the direct current positive electrode terminal 314 are bent in opposite directions to form a negative electrode connection portion 316a and a positive electrode connection portion 314a for electrically connecting the laminated conductor plate 700 and the power module 300. ing. By providing two connection portions 314a and 316a with the multilayer conductor plate 700, the average distances from the negative electrode connection portion 316a and the positive electrode connection portion 314a to the three upper and lower arm series circuits are substantially equal. The parasitic inductance variation can be reduced.
直流正極端子３１４、絶縁紙３１８、直流負極端子３１６を積層して組み立てたときに、負極接続部３１６ａと正極接続部３１４ａが互いに反対方向に屈曲した構造となる。絶縁紙３１８は、負極接続部３１６ａに沿って曲げ、正極、負極の端子の絶縁沿面距離を確保する。絶縁紙３１８は、耐熱が必要なときは、ポリイミドやメタ系アラミド繊維、トラッキング性を高めたポリエステルなどを複合したシートを用いる。また、ピンフォールなどの欠陥を考慮して、信頼性を高めるときは２枚重ねする。また、破れたり、裂けたりすることを防ぐために、コーナ部にアールを設けたり、端子のエッジが絶縁紙に触れないよう、打ち抜き時のダレ面を絶縁紙に面する方向にする。本実施例では、絶縁物として絶縁紙を用いたが、他の例として、端子に絶縁物をコーティングしてもよい。寄生インダクタンスを低減するため、例えば、６００Ｖ耐圧のパワーモジュールのときは、正極、負極間の距離を０．５ｍｍ以下とし、絶縁紙の厚さは、その半分以下とする。
When the DC positive electrode terminal 314, the insulating paper 318, and the DC negative electrode terminal 316 are stacked and assembled, the negative electrode connecting portion 316a and the positive electrode connecting portion 314a are bent in opposite directions. The insulating paper 318 is bent along the negative electrode connecting portion 316a to ensure the insulating creepage distance between the positive and negative terminals. As the insulating paper 318, when heat resistance is required, a sheet in which polyimide, meta-aramid fiber, polyester having improved tracking properties, or the like is used is used. In addition, in consideration of defects such as pin fall, two sheets are stacked to increase reliability. Also, in order to prevent tearing or tearing, the corners are rounded or the sag surface at the time of punching faces the insulating paper so that the edge of the terminal does not touch the insulating paper. In this embodiment, insulating paper is used as the insulator, but as another example, the terminal may be coated with the insulator. In order to reduce the parasitic inductance, for example, in the case of a power module with a withstand voltage of 600 V, the distance between the positive electrode and the negative electrode is 0.5 mm or less, and the thickness of the insulating paper is half or less.
直流正極端子３１４および直流負極端子３１６は、回路配線パターン３３４ｋと接続するための接続端３１４ｋ、３１６ｋを有する。それぞれの接続端３１４ｋ、３１６ｋは、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）に対して２つ設けられている。これにより、後述するように、各相のアーム毎に、２つの小ループ電流経路を形成した回路配線パターンと接続することができる。また、各接続端３１４ｋ、３１６ｋは、回路配線パターン３３４ｋの方向に向かって突出し、かつ回路配線パターン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３１４ｋ、３１６ｋと回路配線パターン３３４ｋは、半田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。
The DC positive terminal 314 and the DC negative terminal 316 have connection ends 314k and 316k for connecting to the circuit wiring pattern 334k. Two connection ends 314k and 316k are provided for each phase (U, V, W phase). As a result, as will be described later, each arm of each phase can be connected to a circuit wiring pattern in which two small loop current paths are formed. Each connection end 314k, 316k protrudes in the direction of the circuit wiring pattern 334k, and its tip is bent to form a joint surface with the circuit wiring pattern 334k. The connection ends 314k and 316k and the circuit wiring pattern 334k are connected via solder or the like, or the metals are directly connected to each other by ultrasonic welding.
パワーモジュール３００、特に金属ベース３０４は、温度サイクルによって膨張および収縮する。この膨張および収縮によって、接続端３１４ｋ、３１６ｋと回路配線パターン３３４ｋの接続部は、亀裂または破断するおそれが生じる。そこで、本実施形態に係るパワーモジュール３００では、図９に示すように、直流正極端子３１４と直流負極端子３１６が積層されることにより形成される積層平面部３１９が、絶縁基板３３４を搭載した側の金属ベース３０４の平面に対して、略平行となるように構成されている。これにより、積層平面部３１９は、前述の膨張および収縮により発生する金属ベース３０４の反り返りに対応した反り返り動作が可能となる。そのため、積層平面部３１９に一体に形成された接続端３１４ｋ、３１６ｋの剛性は、金属ベース３０４の反り返りに対して、小さくすることができる。したがって、接続端３１４ｋ、３１６ｋと回路配線パターン３３４ｋとの接合面の垂直方向に加わる応力を緩和することができ、この接合面の亀裂または破断を防止することができる。
The power module 300, particularly the metal base 304, expands and contracts due to the temperature cycle. Due to the expansion and contraction, the connection portion between the connection ends 314k and 316k and the circuit wiring pattern 334k may be cracked or broken. Therefore, in the power module 300 according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, the laminated flat surface portion 319 formed by laminating the DC positive electrode terminal 314 and the DC negative electrode terminal 316 is the side on which the insulating substrate 334 is mounted. The metal base 304 is configured to be substantially parallel to the plane. As a result, the laminated flat surface portion 319 can perform a warping operation corresponding to the warping of the metal base 304 caused by the above-described expansion and contraction. Therefore, the rigidity of the connection ends 314k and 316k formed integrally with the laminated flat surface portion 319 can be reduced with respect to the warp of the metal base 304. Therefore, the stress applied in the vertical direction of the joint surface between the connection ends 314k and 316k and the circuit wiring pattern 334k can be relieved, and the joint surface can be prevented from cracking or breaking.
なお、本実施形態に係る積層平面部３１９は、金属ベース３０４の幅方向および奥行き方向の両方の反り返りに対応して反り返り動作が可能となるように、積層平面部３１９の幅方向の長さを１３０ｍｍ、奥行き方向の長さを１０ｍｍとして、奥行き方向の長さを大きめにしている。また、直流正極端子３１４と直流負極端子３１６のそれぞれの積層平面部３１９の厚さは、反り返り動作をしやすいように１ｍｍと比較的薄く設定されている。
In addition, the lamination plane part 319 according to the present embodiment has the width in the width direction of the lamination plane part 319 so that the metal base 304 can be bent in response to both the width direction and the depth direction of the metal base 304. The length in the depth direction is increased to 130 mm and the length in the depth direction to 10 mm. In addition, the thickness of each of the laminated flat surface portions 319 of the DC positive electrode terminal 314 and the DC negative electrode terminal 316 is set to be relatively thin as 1 mm so as to facilitate the warping operation.
図１０に示されるように、金属ベース３０４の一方の表面には、インバータ回路を構成するＩＧＢＴやダイオードが実装されるとともに、金属ベース３０４の周縁には樹脂製のパワーモジュールケース３０２が設けられている。冷却水流路１９を流れる冷却水へ効率良く放熱するために、絶縁基板３３４の実装面とは反対側の金属ベース裏面に複数の放熱のフィン、すなわち複数の放熱ピン３０５を有している。図１０（ａ）、図１２に示す如く、金属ベース３０４には、上下アームにそれぞれ対応するように２組のフィン群３０５Ｇが設けられている。各放熱フィン群３０５Ｇは複数の放熱フィン３０５を有する。この実施の形態の電力変換装置では、一対のパワーモジュール３００の４つの放熱フィン群３０５Ｇが、往復する冷却水流路１９の上方の開口４００，４０２から水路内にそれぞれ突出する。金属ベース３０４の放熱フィン群３０５Ｇ周囲の金属面は、Ｏリング８００を介して、冷却ジャケット１９Ａに設けられた開口４００，４０２を閉じるために使用される。
As shown in FIG. 10, an IGBT and a diode constituting an inverter circuit are mounted on one surface of the metal base 304, and a resin power module case 302 is provided on the periphery of the metal base 304. Yes. In order to efficiently dissipate heat to the cooling water flowing through the cooling water channel 19, a plurality of heat radiation fins, that is, a plurality of heat radiation pins 305 are provided on the back surface of the metal base opposite to the mounting surface of the insulating substrate 334. As shown in FIGS. 10A and 12, the metal base 304 is provided with two sets of fin groups 305G so as to correspond to the upper and lower arms, respectively. Each radiating fin group 305 </ b> G has a plurality of radiating fins 305. In the power conversion device of this embodiment, the four radiating fin groups 305G of the pair of power modules 300 protrude into the water channel from the openings 400 and 402 above the reciprocating cooling water channel 19, respectively. The metal surface around the radiating fin group 305 </ b> G of the metal base 304 is used to close the openings 400 and 402 provided in the cooling jacket 19 </ b> A via the O-ring 800.
図１３に示すように、各放熱フィン群３０５Ｇにおいて、放熱ピン３０５は千鳥状に配列されている。放熱ピン３０５を格子状に配列する場合に比べて、冷却水流路における圧損を低減しつつ、冷却水を効果的に各ピンに接触させて冷却能力を向上させることができる。
As shown in FIG. 13, in each radiation fin group 305G, the radiation pins 305 are arranged in a staggered manner. Compared with the case where the heat radiation pins 305 are arranged in a lattice pattern, the cooling capacity can be improved by effectively bringing the cooling water into contact with each pin while reducing the pressure loss in the cooling water flow path.
後で詳細に説明するように、フィン３０５は、銅を素材として鍛造により金属ベース３０４と一体成型されている。この製造方法では、パワーモジュール３００の生産性が向上するとともに、金属ベース３０４からフィン３０５までの熱伝導率が向上し、ＩＧＢＴおよびダイオードの放熱性を向上させることができる。また、後で詳細に説明するように、銅を素材として鍛造により製作した金属ベース３０４のビッカース硬度が６０以上となるような設計をすることで、温度サイクルによって生ずる金属ベース３０４のラチェット変形を抑制し、金属ベース３０４と筐体１２とのシール性を向上させることができる。
As will be described in detail later, the fin 305 is integrally formed with the metal base 304 by forging using copper as a raw material. In this manufacturing method, the productivity of the power module 300 is improved, the thermal conductivity from the metal base 304 to the fins 305 is improved, and the heat dissipation of the IGBT and the diode can be improved. In addition, as will be described in detail later, by designing the metal base 304 made by forging copper as a raw material to have a Vickers hardness of 60 or more, the ratchet deformation of the metal base 304 caused by the temperature cycle is suppressed. In addition, the sealing performance between the metal base 304 and the housing 12 can be improved.
金属ベース３０４の一方の面には、絶縁基板３３４が固定され、絶縁基板３３４上には半田３３７より、上アーム用のＩＧＢＴ３２８と上アーム用のダイオード１５６、および下アーム用のＩＧＢＴ３３０や下アーム用のダイオード１６６を有するチップが固定される。
An insulating substrate 334 is fixed to one surface of the metal base 304, and an upper arm IGBT 328 and an upper arm diode 156, and a lower arm IGBT 330 and a lower arm are fixed on the insulating substrate 334 by solder 337. The chip having the diode 166 is fixed.
図１１(ａ)に示すように、上下アーム直列回路１５０は、上アーム回路１５１、下アーム回路１５２、これら上下アーム回路１５１，１５２を結線するための端子３７０、および交流電力を出力するための交流端子１５９を備えている。また、図１１(ｂ)に示すように、上アーム回路１５１は、金属ベース３０４の上に、回路配線パターン３３４ｋを形成した絶縁基板３３４を設け、回路配線パターン３３４ｋの上にＩＧＢＴ３２８、ダイオード１５６を実装して構成されている。
As shown in FIG. 11A, the upper and lower arm series circuit 150 includes an upper arm circuit 151, a lower arm circuit 152, a terminal 370 for connecting the upper and lower arm circuits 151 and 152, and an AC power for output. An AC terminal 159 is provided. Further, as shown in FIG. 11B, the upper arm circuit 151 includes an insulating substrate 334 on which a circuit wiring pattern 334k is formed on a metal base 304, and an IGBT 328 and a diode 156 are provided on the circuit wiring pattern 334k. Implemented and configured.
ＩＧＢＴ３２８およびダイオード１５６は、それらの裏面側の電極と、回路配線パターン３３４ｋとが、半田により接合される。絶縁基板３３４は、回路配線パターン面とは反対側の面（裏面）が、パターンの無い、いわゆるベタパターンを形成している。この絶縁基板３３４の裏面のベタパターンと、金属ベース３０４とが、半田で接合されている。下アーム回路１５２も上アームと同様に、金属ベース３０４の上に配置された絶縁基板３３４と、この絶縁基板３３４の上に配線された回路配線パターン３３４ｋと、この回路配線パターン３３４ｋの上に実装されたＩＧＢＴ３３０、ダイオード１６６とを備えている。
The IGBT 328 and the diode 156 have their back side electrodes and the circuit wiring pattern 334k joined together by solder. The insulating substrate 334 forms a so-called solid pattern having no pattern on the surface (back surface) opposite to the circuit wiring pattern surface. The solid pattern on the back surface of the insulating substrate 334 and the metal base 304 are joined by solder. Similarly to the upper arm, the lower arm circuit 152 is mounted on the insulating substrate 334 disposed on the metal base 304, the circuit wiring pattern 334k wired on the insulating substrate 334, and the circuit wiring pattern 334k. IGBT 330 and diode 166 are provided.
ＩＧＢＴ３３０およびダイオード１６６の裏面側の電極も、回路配線パターン３３４ｋと半田で接合される。なお、本実施形態における各相の各アームは、ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６を並列接続した一組の回路部を２組並列に接続して構成される。要求される回路部の組数は、モータ１９２に通電される電流量によって決定される。本実施形態に係るモータ１９２に通電される電流よりも大電流が必要な場合には、回路部を３組、もしくはそれ以上を並列接続して構成される。逆に、モータを小さい電流で駆動することができる場合には、各相の各アームは、回路部を一組のみで構成される。
The electrodes on the back side of the IGBT 330 and the diode 166 are also joined to the circuit wiring pattern 334k by solder. In addition, each arm of each phase in the present embodiment is configured by connecting two sets of circuit units in which IGBT 328 and diode 156 are connected in parallel to each other in parallel. The required number of sets of circuit units is determined by the amount of current supplied to the motor 192. When a current larger than the current supplied to the motor 192 according to the present embodiment is required, three circuit units or more are connected in parallel. On the other hand, when the motor can be driven with a small current, each arm of each phase is configured by only one set of circuit units.
図１１(ｂ)を用いてパワーモジュール３００の電流経路を説明する。パワーモジュール３００の上アーム回路１５１に流れる電流の経路を以下に示す。
（１）不図示の直流正極端子３１４から接続導体部３７１Ｕ、（２）接続導体部３７１Ｕから素子側接続導体部３７２Ｕを介して上アーム用ＩＧＢＴ３２８および上アーム用ダイオード１５６の一方側電極（素子側接続導体部３７２Ｕと接続された側の電極）、（３）上アーム用ＩＧＢＴ３２８および上アーム用ダイオード１５６の他方側電極からワイヤ３３６を介して接続導体部３７３Ｕ、（４）接続導体部３７３Ｕから結線端子３７０の接続部３７４Ｕ、３７４Ｄを介して接続導体部３７１Ｄ を流れる。なお、前述のように上アームは、ＩＧＢＴ３２８とダイオード１５６を並列接続した回路部を２組並列に接続して構成される。よって、上記(２)の電流経路において、電流は、素子側接続導体部３７２Ｕにて２つに分岐され、分岐された電流は２組の回路部へそれぞれ流れる。
A current path of the power module 300 will be described with reference to FIG. A path of a current flowing through the upper arm circuit 151 of the power module 300 is shown below.
(1) One side electrode (element side) of the IGBT 328 for the upper arm and the diode 156 for the upper arm through the connecting conductor portion 371U from the DC positive terminal 314 (not shown) and (2) the connecting conductor portion 371U through the element side connecting conductor portion 372U. (3) Connection conductor portion 373U from the other electrode of upper arm IGBT 328 and upper arm diode 156 via wire 336, (4) Connection from connection conductor portion 373U The connection conductor portion 371D flows through the connection portions 374U and 374D of the terminal 370. As described above, the upper arm is configured by connecting two sets of circuit units in which IGBT 328 and diode 156 are connected in parallel, in parallel. Therefore, in the current path of (2) above, the current is branched into two at the element side connection conductor portion 372U, and the branched current flows to the two sets of circuit portions.
パワーモジュール３００の下アーム回路１５２に流れる電流経路を以下に示す。
（１）接続導体部３７１Ｄから素子側接続導体部３７２Ｄを介して下アーム用ＩＧＢＴ３３０および上アーム用ダイオード１６６の一方側電極（素子側接続導体部３７２Ｄと接続された側の電極）、（２）下アーム用ＩＧＢＴ３３０および下アーム用ダイオード１６６の他方側電極からワイヤ３３６を介して接続導体部３７３Ｄ、（３）接続導体部３７３Ｄから不図示の直流負極端子３１６ を流れる。なお、上アームと同様に下アームは、ＩＧＢＴ３３０とダイオード１６６を並列接続した回路部を２組並列に接続して構成されるので、上記(１)の電流経路において、電流は、素子側接続導体部３７１Ｄにて２つに分岐され、分岐された電流は２組の回路部へそれぞれ流れる。
A current path flowing in the lower arm circuit 152 of the power module 300 is shown below.
(1) One side electrode of the lower arm IGBT 330 and the upper arm diode 166 from the connection conductor portion 371D through the element side connection conductor portion 372D (the electrode on the side connected to the element side connection conductor portion 372D), (2) The other side electrodes of the lower arm IGBT 330 and the lower arm diode 166 flow through the connection conductor portion 373D via the wire 336, and (3) the DC negative electrode terminal 316 (not shown) flows from the connection conductor portion 373D. Since the lower arm is configured by connecting two sets of circuit units in which the IGBT 330 and the diode 166 are connected in parallel in the same manner as the upper arm, in the current path of (1) above, the current is the element side connecting conductor. It is branched into two at the section 371D, and the branched current flows to two sets of circuit sections.
ここで、上アーム回路のＩＧＢＴ３２８(およびダイオード１５６)と不図示の直流正極端子３１４とを接続するための接続導体部３７１Ｕは、絶縁基板３３４の一辺の略中央部付近に配置される。そして、ＩＧＢＴ３２８(およびダイオード１５６)は、接続導体部３７１Ｕが配設された絶縁基板３３４の一辺側とは反対側である他辺側の近傍に実装される。また、本実施形態においては、２つ備えられた接続導体部３７３Ｕは、前述の接続導体部３７１Ｕを挟んで、かつ絶縁基板３３４の一辺側に一列に配置される。
Here, the connection conductor portion 371U for connecting the IGBT 328 (and the diode 156) of the upper arm circuit and the DC positive terminal 314 (not shown) is disposed near the substantially central portion of one side of the insulating substrate 334. The IGBT 328 (and the diode 156) is mounted in the vicinity of the other side opposite to the one side of the insulating substrate 334 on which the connection conductor portion 371U is disposed. In the present embodiment, the two connecting conductor portions 373U are arranged in a row on one side of the insulating substrate 334 with the connecting conductor portion 371U described above interposed therebetween.
このような回路パターンおよび実装パターン、すなわち、絶縁基板３３４上の回路配線パターンを、概ねＴ字形状の配線パターンと、概ねＴ字の縦棒（３７１Ｕ）の両側に、２つの配線パターン（３７１Ｕ）とし、接続端３７１Ｕ、３７３Ｕから端子を実装することで、ＩＧＢＴ３２８のスイッチング時の過渡的な電流経路は、図１１(ｂ)の矢印３５０（破線）に示すようなＭ字状の電流経路、すなわち２つの小ループ電流経路となる（矢印の方向は下アームターンオン時）。この２つの小ループ電流経路の周辺には、図１１(ｂ)の矢印３５０Ｈ方向(実線)の磁界３５０Ｈが発生する。この磁界３５０Ｈによって、絶縁基板３３４の下方に配置された金属ベース３０４に、誘導電流、いわゆる渦電流３４０が誘導される。この渦電流３４０は、前述の磁界３５０Ｈを打ち消す方向の磁界３４０Ｈを発生させ、上アーム回路で生じる寄生インダクタンスを低減させることができる。
Such a circuit pattern and a mounting pattern, that is, a circuit wiring pattern on the insulating substrate 334, has two wiring patterns (371U) on both sides of a substantially T-shaped wiring pattern and a substantially T-shaped vertical bar (371U). By mounting the terminals from the connection ends 371U and 373U, a transient current path at the time of switching of the IGBT 328 is an M-shaped current path as shown by an arrow 350 (broken line) in FIG. It becomes two small loop current paths (the direction of the arrow is when the lower arm is turned on). A magnetic field 350H in the direction of arrow 350H (solid line) in FIG. 11B is generated around these two small loop current paths. The magnetic field 350H induces an induced current, so-called eddy current 340, in the metal base 304 disposed below the insulating substrate 334. The eddy current 340 generates a magnetic field 340H in a direction that cancels the magnetic field 350H, and can reduce the parasitic inductance generated in the upper arm circuit.
上述の２つの小ループ電流は、絶縁基板３３４上に流れる電流同士が打ち消し合うような２つのＵターン電流である。このため、図１１(ｂ)の磁界３５０Ｈに示すように、パワーモジュール３００の内部に、より小さいループ磁界ができるため、寄生インダクタンスを低減できる。さらに、スイッチング時に生ずる磁界ループが小さく、パワーモジュール内部に磁界ループを閉じ込めることができるため、パワーモジュールの外の筐体への誘導電流を低減し、制御回路基板上の回路の誤動作や、電力変換装置の外部への電磁ノイズも防止できる。
The two small loop currents described above are two U-turn currents such that currents flowing on the insulating substrate 334 cancel each other. For this reason, as shown by a magnetic field 350H in FIG. 11B, a smaller loop magnetic field is generated inside the power module 300, and thus the parasitic inductance can be reduced. In addition, the magnetic field loop that occurs during switching is small, and the magnetic field loop can be confined inside the power module, reducing the induced current to the case outside the power module, malfunctioning of the circuit on the control circuit board, and power conversion Electromagnetic noise to the outside of the device can also be prevented.
下アーム回路も前述の上アーム回路と同様な回路配線パターンおよび実装パターンとを有する。すなわち、下アーム回路のＩＧＢＴ３３０(およびダイオード１６６)と不図示の直流負極端子３１６とを接続するための接続導体部３７１Ｄは、絶縁基板３３４の一辺の略中央部付近に配置される。そして、ＩＧＢＴ３３０(およびダイオード１６６)は、接続導体部３７１Ｄが配設された絶縁基板３３４の一辺側とは反対の他辺側の近傍に実装される。また、本実施形態においては、２つ備えられた接続導体部３７３Ｄは、前述の接続導体部３７１Ｄを挟んで、かつ絶縁基板３３４の一辺側に一列に配置される。
The lower arm circuit also has a circuit wiring pattern and a mounting pattern similar to the upper arm circuit described above. That is, the connection conductor portion 371D for connecting the IGBT 330 (and the diode 166) of the lower arm circuit and the DC negative electrode terminal 316 (not shown) is disposed near the substantially central portion of one side of the insulating substrate 334. The IGBT 330 (and the diode 166) is mounted in the vicinity of the other side opposite to the one side of the insulating substrate 334 on which the connection conductor portion 371D is disposed. In the present embodiment, the two connecting conductor portions 373D are arranged in a row on one side of the insulating substrate 334 with the connecting conductor portion 371D interposed therebetween.
このような回路配線パターンおよび実装パターンとすることにより、下アーム回路側においても、前述の寄生インダクタンスを低減させる効果を奏する。なお、本実施形態において、各相の各アームの電流経路の入口は、例えば２つの接続導体部３７３Ｕに挟まれた接続導体部３７１Ｕとなり、一方電流経路の出口は、２つの接続導体部３７３Ｕとなっている。しかし、これら入口と出口が逆となっても、各相の各アームにおいて前述の小ループ電流経路が形成される。そのため、前述の同様に、各相の各アームの寄生インダクタンス低減および電磁ノイズ防止を図ることができる。
By using such a circuit wiring pattern and a mounting pattern, the above-described parasitic inductance is also reduced on the lower arm circuit side. In the present embodiment, the entrance of the current path of each arm of each phase is, for example, the connection conductor part 371U sandwiched between the two connection conductor parts 373U, while the exit of the current path is the two connection conductor parts 373U. It has become. However, even if these inlets and outlets are reversed, the aforementioned small loop current path is formed in each arm of each phase. Therefore, as described above, it is possible to reduce the parasitic inductance of each arm of each phase and prevent electromagnetic noise.
図１４に示すように、絶縁基板３３４のインバータ回路実装面には回路配線パターン３５１が形成されており、その回路配線パターン３５１にチップ下半田３５０を介してＩＧＢＴ３２８などのパワースイッチング素子が接合されている。また、その絶縁基板３３４の裏面側にも、半田付けパターン３５２が形成されており、その半田付けパターン３５２に接合半田３５３を介して、絶縁基板３３４が金属ベース３０４上に接合されている。ＩＧＢＴ３２８などで発生した熱は、ＩＧＢＴ３２８などのパワースイッチング素子、チップ下半田３５０、回路配線パターン３５１、絶縁基板３３４、半田付けパターン３５２、接合半田３５３を経由して金属ベース３０４と放熱ピン３０５に伝導して冷却水流路１９内の冷却水に放熱される。
As shown in FIG. 14, a circuit wiring pattern 351 is formed on the inverter circuit mounting surface of the insulating substrate 334, and a power switching element such as an IGBT 328 is joined to the circuit wiring pattern 351 through the under-chip solder 350. Yes. Also, a soldering pattern 352 is formed on the back surface side of the insulating substrate 334, and the insulating substrate 334 is bonded to the metal base 304 via the bonding solder 353 with the soldering pattern 352. Heat generated in the IGBT 328 or the like is conducted to the metal base 304 and the heat dissipation pin 305 via the power switching element such as the IGBT 328, the under-chip solder 350, the circuit wiring pattern 351, the insulating substrate 334, the soldering pattern 352, and the bonding solder 353. Then, heat is radiated to the cooling water in the cooling water passage 19.
（ラチェット変形）
金属ベース３０４の熱膨張率は絶縁基板３３４の熱膨張率よりも大きいので、高温時には、図１５に示すように、金属ベース３０４の伸びが絶縁基板３３４の伸びよりも大きい。高温時には、絶縁基板３３４と金属ベース３０４を接続する接合半田３５３が軟らかくなるため、伸び量の差は、接合半田３５３のせん断変形によって吸収される。この結果、金属ベース３０４に反りは発生しにくい。一方、低温時には、金属ベース３０４の収縮量が絶縁基板３３４の収縮量より大きくなり、また、接合半田３５３のせん断変形量が小さくなる。そのため、金属ベース３０４と絶縁基板３３４の縮み量の差が接合半田３５３で吸収仕切れず、金属ベース３０４は、絶縁基板３３４側に凸となる形状に湾曲する。このとき、金属ベース３０４には、曲げモーメントと同時に引張り力が作用するため、最大応力はその絶縁基板３３４との接合面に生じる。金属ベース３０４の降伏応力が上記最大応力よりも大きければ、金属ベース３０４の変形量は弾性変形可能な範囲内であり、温度サイクルを繰り返してもその都度元の形状に戻ることができる。しかし、上記最大応力が金属ベース３０４の降伏応力を超えた場合には、その金属ベース３０４は塑性変形する。塑性変形が発生すると、金属ベース３０４が再び高温になっても、元の形状に戻るような曲げ力が働かず、せん断変形して曲がった金属ベース３０４に沿う位置に絶縁基板３３４が半田３５３で固定される。
(Ratchet deformation)
Since the thermal expansion coefficient of the metal base 304 is larger than the thermal expansion coefficient of the insulating substrate 334, the elongation of the metal base 304 is larger than the elongation of the insulating substrate 334 at a high temperature as shown in FIG. When the temperature is high, the bonding solder 353 that connects the insulating substrate 334 and the metal base 304 becomes soft, so that the difference in elongation is absorbed by the shear deformation of the bonding solder 353. As a result, the metal base 304 is unlikely to warp. On the other hand, at a low temperature, the shrinkage amount of the metal base 304 is larger than the shrinkage amount of the insulating substrate 334, and the shear deformation amount of the bonding solder 353 is small. Therefore, the difference in shrinkage between the metal base 304 and the insulating substrate 334 is not absorbed and partitioned by the bonding solder 353, and the metal base 304 is curved into a shape that protrudes toward the insulating substrate 334. At this time, since a tensile force acts simultaneously with the bending moment on the metal base 304, the maximum stress is generated on the joint surface with the insulating substrate 334. If the yield stress of the metal base 304 is larger than the maximum stress, the deformation amount of the metal base 304 is within a range in which it can be elastically deformed, and can return to its original shape each time the temperature cycle is repeated. However, when the maximum stress exceeds the yield stress of the metal base 304, the metal base 304 is plastically deformed. When plastic deformation occurs, even if the metal base 304 becomes high temperature again, a bending force that returns to the original shape does not work, and the insulating substrate 334 is soldered at the position along the metal base 304 that is bent due to shear deformation. Fixed.
以上説明したように、金属ベース３０４には、低温時に絶縁基板３３４側が凸形状に湾曲するような塑性変形が発生する。金属ベース３０４の塑性変形は、温度サイクルを繰り返すと蓄積され、次第に変形量が大きくなる。このようなメカニズムで発生する現象をラチェット変形と呼ぶ。金属ベース３０４の熱負荷サイクル（温度サイクル）に起因してラチェット現象が発生すると、絶縁基板３３４が損傷してパワーモジュール３００が故障するおそれがある。そこで、パワーモジュールにおいては、このようなラチェット変形を防止する必要がある。
As described above, the metal base 304 undergoes plastic deformation such that the insulating substrate 334 side is curved in a convex shape at low temperatures. The plastic deformation of the metal base 304 is accumulated when the temperature cycle is repeated, and the amount of deformation gradually increases. A phenomenon generated by such a mechanism is called ratchet deformation. When the ratchet phenomenon occurs due to the thermal load cycle (temperature cycle) of the metal base 304, the insulating substrate 334 may be damaged, and the power module 300 may fail. Therefore, in the power module, it is necessary to prevent such ratchet deformation.
（ラチェット変形の防止対策）
ラチェット変形を防止するためには、金属ベース３０４の変形を固定しない、言い換えると、塑性変形させないことが有効である。そのため、金属ベース３０４の硬度を高くして降伏応力を超えないようにすることが効果的である。
(Ratchet deformation prevention measures)
In order to prevent ratchet deformation, it is effective not to fix the deformation of the metal base 304, in other words, not to cause plastic deformation. Therefore, it is effective to increase the hardness of the metal base 304 so as not to exceed the yield stress.
ＨＥＶ１１０は、通常、−４０〜１２５℃の範囲の環境下で使用されるので、この実施の形態で想定する温度サイクルを、低温側下限温度−４０℃、高温側上限温度＋１２５℃と想定する。また、パワーモジュール３００の金属ベース３０４の材質を銅とし、厚みを３ｍｍとする。上記温度サイクルで金属ベース３０４に熱負荷を与えた場合の最大応力は、以下のように算出することができる。
Since HEV110 is normally used in the environment of -40-125 degreeC, the temperature cycle assumed in this embodiment assumes low temperature side minimum temperature -40 degreeC and high temperature side upper limit temperature +125 degreeC. The material of the metal base 304 of the power module 300 is copper and the thickness is 3 mm. The maximum stress when a thermal load is applied to the metal base 304 in the temperature cycle can be calculated as follows.
３ｍｍの金属ベース３０４に絶縁基板３３４を接合した状態での弾性応力を解析した。１２５℃から−４０℃の温度変化に伴って、金属ベース３０４の最大応力は１５０ＭＰａであった。金属ベース３０４の変形が、上記温度サイクルの中間温度で中立状態になるものと仮定すると、高温側に圧縮、低温側に引張り応力として均等に分配すれば、低温時の金属ベース３０４に加えられる最大応力は７５ＭＰａとなる。
The elastic stress in the state where the insulating substrate 334 is bonded to the 3 mm metal base 304 was analyzed. With a temperature change from 125 ° C. to −40 ° C., the maximum stress of the metal base 304 was 150 MPa. Assuming that the deformation of the metal base 304 becomes a neutral state at the intermediate temperature of the above temperature cycle, the maximum applied to the metal base 304 at a low temperature is provided by compressing to the high temperature side and evenly distributing the tensile stress to the low temperature side. The stress is 75 MPa.
（金属ベース材質について）
図１６は、横軸を降伏応力、縦軸をビッカース硬さとしたグラフである。図１６からわかるように、金属材料のビッカース硬さと降伏応力は相関がある。上述したとおり、温度サイクルに伴って金属ベース３０４に発生する最大応力は７５ＭＰａである。したがって、図１６のグラフから、鍛造後のビッカース硬度が６０以上となる材料を選択すれば、ラチェット変形を防止できることが分る。
(About metal base materials)
FIG. 16 is a graph with the horizontal axis representing yield stress and the vertical axis representing Vickers hardness. As can be seen from FIG. 16, there is a correlation between the Vickers hardness of the metal material and the yield stress. As described above, the maximum stress generated in the metal base 304 with the temperature cycle is 75 MPa. Accordingly, it can be seen from the graph of FIG. 16 that if a material having a Vickers hardness of 60 or more after forging is selected, ratchet deformation can be prevented.
金属ベース３０４の材料としては、できるだけ熱伝導率の高いものが望ましい。冷却能力を向上させるため、たとえば、無酸素銅ないしタフピッチ銅を使用するのが好ましい。従来の金属ベースは、通常、圧延により作製されるので、その加工硬化により硬度が高くなっている。したがって、素材そのもので評価する限りでは、ラチェット変形を防止できる。しかし、金属ベース３０４の放熱ピン３０５は、従来、金属ベース３０４の裏面にロウ付けで固着されて突設されている。放熱ピン３０５を金属ベース３０４にロウ付けする際、６００〜７００℃程度に加熱する必要がある。純度の高い無酸素銅ないしタフピッチ銅を使用すると、金属ベース３０５が焼きなまされ、硬度がビッカース硬度４０前後に下がってしまう。
As a material for the metal base 304, a material having as high a thermal conductivity as possible is desirable. In order to improve the cooling capacity, it is preferable to use, for example, oxygen-free copper or tough pitch copper. Since the conventional metal base is usually produced by rolling, the hardness is increased by work hardening. Therefore, ratchet deformation can be prevented as long as the material itself is evaluated. However, the heat radiating pins 305 of the metal base 304 are conventionally fixedly attached to the back surface of the metal base 304 by brazing. When brazing the heat dissipation pin 305 to the metal base 304, it is necessary to heat to about 600 to 700 ° C. If high-purity oxygen-free copper or tough pitch copper is used, the metal base 305 is annealed, and the hardness decreases to around Vickers hardness 40.
特開２００７−２９５７６５号公報には、上記のラチェット変形を防止するため、高温時に硬度が低下し難い銅合金を金属ベースの材料として使用することが提案されている。具体的には、スズ、コバルト、亜鉛、ニッケル、りんなどの元素が合計１％程度添加されている銅材について記載されている。この銅材の熱伝導率は３００Ｗ／ｍ℃以下であり、純度の高い無酸素銅ないしタフピッチ銅の熱伝導率よりも低くく、そのため、冷却能力が低下してしまう。また、放熱ピンを金属ベースにロウ付けする構造では、放熱ピンと金属ベースの間に挟まれるロウ材の熱伝導率が小さく、ロウ材層の熱抵抗が大きくなることが問題となる。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-295765 proposes to use a copper alloy whose hardness does not easily decrease at a high temperature as a metal base material in order to prevent the ratchet deformation. Specifically, it describes a copper material to which elements such as tin, cobalt, zinc, nickel, and phosphorus are added in a total amount of about 1%. The thermal conductivity of this copper material is 300 W / m ° C. or lower, which is lower than the thermal conductivity of high-purity oxygen-free copper or tough pitch copper, and therefore the cooling capacity is lowered. Further, in the structure in which the radiating pins are brazed to the metal base, there is a problem that the thermal conductivity of the brazing material sandwiched between the radiating pins and the metal base is small and the thermal resistance of the brazing material layer is increased.
したがって、本実施形態のようにパワーモジュール３００を直接水冷する構造においては、−４０〜１２５℃の温度サイクルでも金属ベース３０４がラチェット変形を発生させることなく、同時に、金属ベース３０４や放熱ピン３０５による冷却性能の向上を達成することが課題である。
Therefore, in the structure in which the power module 300 is directly water-cooled as in the present embodiment, the metal base 304 does not cause ratchet deformation even at a temperature cycle of −40 to 125 ° C. Achieving improved cooling performance is a challenge.
そこで、本発明者等は、ビッカース硬度６０以上を確保しつつ、無酸素銅などの純度の高い銅材で金属ベース３０４と放熱ピン３０５を形成するのに最適な製造方法を鋭意研究し、以下のような知見を得た。すなわち、放熱ピン３０５を鍛造により金属ベース３０４に一体成型すれば、鍛造時の加工硬化によりビッカース硬度が６０を超えることを見出した。
Therefore, the present inventors have earnestly studied an optimum manufacturing method for forming the metal base 304 and the heat dissipation pin 305 with a high purity copper material such as oxygen-free copper while ensuring a Vickers hardness of 60 or more, and The following knowledge was obtained. That is, it has been found that if the heat dissipation pin 305 is integrally formed on the metal base 304 by forging, the Vickers hardness exceeds 60 due to work hardening during forging.
図１７に示すように、金属ベース３０４と放熱ピン３０５は、鍛造による加工硬化により、切断断面に鍛流線９００の現れる金属材料に変質する。この現象は、放熱ピン鍛造型で素材を鍛造する際、金属結晶の流動により発生するものである。ビッカース硬度６０は、図１６に示すグラフによれば、降伏応力としては８０ＭＰａに相当して、−４０〜１２５℃の使用環境における温度サイクルに十分耐え得ることが分る。また、金属ベース３０４と放熱ピン３０５は同一材料で一体成型されるので、ロウ付け接合部が介在することがなく、熱伝導率の低下を招来しない。すなわち、従来よりも熱伝導率を向上させて放熱特性の向上が期待できる。
As shown in FIG. 17, the metal base 304 and the heat dissipation pin 305 are transformed into a metal material in which the forged line 900 appears in the cut section by work hardening by forging. This phenomenon occurs due to the flow of metal crystals when forging a material with a radiating pin forging die. According to the graph shown in FIG. 16, the Vickers hardness 60 corresponds to 80 MPa as the yield stress, and it can be understood that the Vickers hardness 60 can sufficiently withstand a temperature cycle in a use environment of −40 to 125 ° C. In addition, since the metal base 304 and the heat radiation pin 305 are integrally formed of the same material, there is no brazing joint, and the thermal conductivity does not decrease. That is, it can be expected that the heat conductivity is improved by improving the thermal conductivity as compared with the prior art.
（金属ベースの厚さ）
ラチェット変形を防止するためには、金属ベース３０４を厚くすることにより、温度サイクルにより発生する応力を低減することもできる。しかしながら、素材の厚みによるラチェット変形防止対策では、金属ベースの厚さと接合半田３５３の温度サイクル寿命を示す図１８から分かるように、絶縁基板３３４と金属ベース３０４を接合する半田３５３の熱疲労寿命が短くなってしまう。この理由は、温度サイクルにより発生するせん断応力は、金属ベース３０４が厚いほど大きくなるからである。この実施の形態のＨＥＶ１１０では、−４０〜１２５℃の温度サイクル寿命を１０００回以上とするため、図１８に示す相関特性によれば、板厚は３ｍｍ〜４ｍｍが適していることが分かる。そこで、本実施形態では金属ベース３０４の厚さを３ｍｍとした。
(Metal base thickness)
In order to prevent ratchet deformation, the stress generated by the temperature cycle can be reduced by increasing the thickness of the metal base 304. However, in the ratchet deformation prevention measure depending on the thickness of the material, the thermal fatigue life of the solder 353 that joins the insulating substrate 334 and the metal base 304 is reduced as can be seen from FIG. 18 showing the thickness of the metal base and the temperature cycle life of the joint solder 353. It will be shorter. This is because the shear stress generated by the temperature cycle increases as the metal base 304 becomes thicker. In HEV110 of this embodiment, since the temperature cycle life of −40 to 125 ° C. is 1000 times or more, it is understood that the plate thickness is 3 mm to 4 mm according to the correlation characteristics shown in FIG. Therefore, in this embodiment, the thickness of the metal base 304 is 3 mm.
このように半田３５３の温度サイクルに基づいて板厚を３ｍｍとした場合、冷却水流路内の水圧による金属ベース３０４の変形量を許容値以内に抑え、かつ、ビッカース硬度６０を満足できるか否かについて、以下、図３０（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
In this way, when the plate thickness is 3 mm based on the temperature cycle of the solder 353, whether or not the deformation amount of the metal base 304 due to the water pressure in the cooling water flow path is kept within an allowable value, and whether or not the Vickers hardness 60 can be satisfied. Will be described below with reference to FIGS. 30 (a) and 30 (b).
図３０（ａ）は横軸に金属ベース３０４の面積を、縦軸に板厚をとったグラフである。図３０（ｂ）は横軸に面積を、縦軸にビッカース硬度をとり、板厚３ｍｍ、５ｍｍをパラメータとして描いたグラフである。なお、横軸の面積は、冷却水流路の開口を閉鎖するに必要な金属ベース３０４の面積である。面積が大きいほど、また、冷却水流路の圧力が高いほど、金属ベース３０４の応力が大きくなる。ここでは、水圧０．２ＭＰａとし、金属ベース３０４の許容変形量を０．５ｍｍとして計算した。
FIG. 30A is a graph in which the horizontal axis represents the area of the metal base 304 and the vertical axis represents the plate thickness. FIG. 30B is a graph in which the horizontal axis indicates the area, the vertical axis indicates the Vickers hardness, and the plate thickness is 3 mm and 5 mm as parameters. In addition, the area of a horizontal axis is an area of the metal base 304 required in order to close the opening of a cooling water flow path. The greater the area and the higher the pressure in the cooling water flow path, the greater the stress on the metal base 304. Here, the calculation was performed assuming that the water pressure was 0.2 MPa and the allowable deformation amount of the metal base 304 was 0.5 mm.
図３０（ａ）から、板厚３ｍｍで水圧０．２ＭＰａに耐える面積を求めると、概ね２００００ｍｍ２である。図３０（ｂ）の板厚３ｍｍの線図によれば、面積２００００ｍｍ２におけるビッカース硬度は６０以上であることが分かる。
以上より、半田３５３の熱疲労条件から決定した板厚３ｍｍの金属ベース３０４を使用する場合、鍛造後の金属ベース３０４のビッカース硬度が６０以上を満足すれば、水圧０．２ＭＰａによる金属ベース３０４の変形量を０．５ｍｍ以内に抑えることができ、水漏れ性能も十分であることがわかる。
From FIG. 30 (a), an area that can withstand a water pressure of 0.2 MPa with a plate thickness of 3 mm is approximately 20000 mm 2. From the diagram of the plate thickness of 3 mm in FIG. 30 (b), it can be seen that the Vickers hardness in an area of 20000 mm 2 is 60 or more.
From the above, when the metal base 304 having a thickness of 3 mm determined from the thermal fatigue condition of the solder 353 is used, if the Vickers hardness of the metal base 304 after forging satisfies 60 or more, the metal base 304 with a water pressure of 0.2 MPa is used. It can be seen that the amount of deformation can be suppressed to within 0.5 mm, and the water leakage performance is sufficient.
（放熱ピンの寸法形状について）
放熱ピン３０５の形状寸法は、冷却水流路１９内に流通する冷却水の圧力損失を所定値以内に抑えつつ冷却性能を確保するように決定する。冷却性能は、ピン高さ（ピン長さ）が大きいほど、また直径が小さいほど向上する。銅材料を使用して鍛造で多数の放熱ピンを金属ベースの裏面から、効率よく成型するための高さ:直径の比率は、１：４が限界である。そこで、本実施の形態では、直径が約２ｍｍで高さが約８ｍｍの円柱形状の放熱ピン３０５とした。なお、ロウ付けで金属ベース３０４の一方の面に放熱ピンを突設する従来のピン形状も、直径（２ｍｍ）：高さ（８ｍｍ）＝１：４の比率でもあり、冷却性能を十分に満足する寸法である。
(Dimensions and shape of heat dissipation pin)
The shape and size of the radiating pins 305 are determined so as to ensure the cooling performance while suppressing the pressure loss of the cooling water flowing in the cooling water channel 19 within a predetermined value. The cooling performance improves as the pin height (pin length) increases and the diameter decreases. The height: diameter ratio for efficiently forming a large number of heat dissipation pins from the back surface of the metal base by forging using a copper material is limited to 1: 4. Therefore, in the present embodiment, a cylindrical heat radiation pin 305 having a diameter of about 2 mm and a height of about 8 mm is used. It should be noted that the conventional pin shape in which a heat radiating pin protrudes from one surface of the metal base 304 by brazing is also in a ratio of diameter (2 mm): height (8 mm) = 1: 4 and sufficiently satisfies the cooling performance. It is a size to do.
図３１（ａ）、（ｂ）を参照して、直径２ｍｍ、高さ８ｍｍのピンフィンによる冷却性能が十分に満足する寸法であることを説明する。図３１（ａ）は、横軸にピン高さを、縦軸に等価熱伝達率をとり、ピン直径を２ｍｍとした場合のグラフである。グラフ３１ａは、圧力損失を許容上限値に設定した場合、グラフ３１ｂは、ピン間間隙を許容下限値に設定した場合のグラフである。圧力損失の許容上限値は、冷却系のポンプ容量、流路断面積などに依存して決定される。ピン間間隙の許容下限値は、ピンフィンを千鳥状に配置した場合に、冷却水流路に流入することが予想される最大寸法のゴミがピン間に詰まらないような値であり、かつ、圧損が許容値以下となるような値として決定される。ピン間間隙は、千鳥状に配置したピンフィンの冷却水の流れ方向に対して直交する方向の間隙、および流れ方向に対して斜め方向の間隙である。
With reference to FIGS. 31A and 31B, it will be described that the cooling performance by the pin fin having a diameter of 2 mm and a height of 8 mm is sufficiently satisfied. FIG. 31A is a graph when the horizontal axis represents the pin height, the vertical axis represents the equivalent heat transfer coefficient, and the pin diameter is 2 mm. The graph 31a is a graph when the pressure loss is set to the allowable upper limit value, and the graph 31b is a graph when the inter-pin gap is set to the allowable lower limit value. The allowable upper limit value of the pressure loss is determined depending on the pump capacity of the cooling system, the cross-sectional area of the flow path, and the like. The allowable lower limit of the pin-to-pin gap is such that when the pin fins are arranged in a staggered manner, the maximum size dust that is expected to flow into the cooling water flow path is not clogged between the pins, and the pressure loss is It is determined as a value that is below the allowable value. The inter-pin gap is a gap in a direction orthogonal to the flow direction of the cooling water of the pin fins arranged in a staggered manner, and a gap in a direction oblique to the flow direction.
図３１（ａ）のグラフ３１ａ、３１ｂの交点をＫ３１とするとき、交点Ｋ３１よりも左側のグラフ３１ａより上の領域は、圧力損失が許容上限値を超えている。交点Ｋ３１よりも右側のグラフ３１ｂより上の領域は、ピン間隙間が許容下限値を越えており圧力損失が許容上限値を超えている。したがって、グラフ３１ａと３１ｂの交点Ｋ３１におけるピン高さ、すなわち８ｍｍとすれば等価熱伝達率が最も高くなることが分かる。
When the intersection of the graphs 31a and 31b in FIG. 31A is K31, the pressure loss in the region above the graph 31a on the left side of the intersection K31 exceeds the allowable upper limit value. In the region above the graph 31b on the right side of the intersection K31, the inter-pin gap exceeds the allowable lower limit value, and the pressure loss exceeds the allowable upper limit value. Therefore, it can be seen that the equivalent heat transfer coefficient becomes the highest when the pin height at the intersection K31 of the graphs 31a and 31b, that is, 8 mm.
ピン高さを８ｍｍとしたとき、ピン直径を２ｍｍとするのが最適である。図３１（ｂ）を参照して検討する。図３１（ｂ）は、横軸にピン直径を、縦軸に等価熱伝達率をとり、ピン高さ７ｍｍ、８ｍｍをパラメータとして描いたグラフである。ピン高さ８ｍｍのグラフ３１ｃでは、ピン直径２ｍｍにおいて等価熱伝達率がほぼピーク値を示す。したがって、直径２ｍｍ、高さ８ｍｍに設定したピンフィンは熱伝導効率の観点から理想的な値（最適値）であることが分かる。
When the pin height is 8 mm, the pin diameter is optimally 2 mm. This will be discussed with reference to FIG. FIG. 31B is a graph in which the horizontal axis represents the pin diameter, the vertical axis represents the equivalent heat transfer coefficient, and the pin height is 7 mm and 8 mm as parameters. In the graph 31c with a pin height of 8 mm, the equivalent heat transfer coefficient has a substantially peak value at a pin diameter of 2 mm. Therefore, it can be seen that the pin fin set to 2 mm in diameter and 8 mm in height is an ideal value (optimum value) from the viewpoint of heat conduction efficiency.
温度サイクルにより金属ベース３０４が膨張、収縮して絶縁基板３３４が変形する場合には、回路配線パターン３５１とバッテリ１３６を電気的に接続する直流正極端子３１４や直流負極端子３１６との間の接合部に亀裂あるいは破断の発生するおそれがある。しかしながら、本実施形態に係るパワーモジュール３００では、図５、図８、図９に示すように、直流正極端子３１４と直流負極端子３１６が絶縁基板３３４や金属ベース３０４に対面する平面状の積層状態に構成されている。このため、これら端子３１４、３１６の回路配線パターン３５１との接合部に当接させる端部電極は、温度サイクルにより変形する絶縁基板３３４や金属ベース３０４に追従することができる。この結果、これら端子３１４、３１６を薄くするなどして剛性を小さく設定することにより、その接合面の垂直方向に加わる応力が緩和され、接合面の亀裂や破断が発生するのをより確実に防止することができる。
When the metal base 304 expands and contracts due to the temperature cycle and the insulating substrate 334 is deformed, the junction between the DC positive terminal 314 and the DC negative terminal 316 that electrically connects the circuit wiring pattern 351 and the battery 136. There is a risk of cracking or breaking. However, in the power module 300 according to the present embodiment, as illustrated in FIGS. 5, 8, and 9, a planar stacked state in which the DC positive terminal 314 and the DC negative terminal 316 face the insulating substrate 334 and the metal base 304. It is configured. Therefore, the end electrodes brought into contact with the joint portions of the terminals 314 and 316 with the circuit wiring pattern 351 can follow the insulating substrate 334 and the metal base 304 which are deformed by the temperature cycle. As a result, by setting these terminals 314 and 316 thin, for example, by setting the rigidity small, the stress applied in the vertical direction of the joint surface is relieved, and the joint surface is more reliably prevented from cracking or breaking. can do.
本実施形態のコンデンサモジュール５００の詳細構造について、図１９乃至図２１を参照しながら以下説明する。図１９は本実施形態に関するコンデンサモジュールの外観構成を示す斜視図である。図２０は、図１９に示すコンデンサモジュール５００の内部が分かるように、樹脂などの充填材５２２を充填する前の状態を示す斜視図である。図２１はさらにコンデンサモジュール５００の詳細構造である積層導体にコンデンサセル５１４を固定した構造を示す図である。
The detailed structure of the capacitor module 500 of the present embodiment will be described below with reference to FIGS. FIG. 19 is a perspective view showing an external configuration of the capacitor module according to this embodiment. FIG. 20 is a perspective view showing a state before filling with a filler 522 such as a resin so that the inside of the capacitor module 500 shown in FIG. 19 can be seen. FIG. 21 is a diagram showing a structure in which the capacitor cell 514 is fixed to the laminated conductor, which is a detailed structure of the capacitor module 500.
図１９乃至図２１において、５００はコンデンサモジュール、５０２はコンデンサケース、５０４は負極側コンデンサ端子、５０６は正極側コンデンサ端子、５１０は直流（バッテリ）負極側接続端子部、５１２は直流（バッテリ）正極側接続端子部、５３２は補機用正極端子、５３４は補機用負極端子、５１４はコンデンサセル、をそれぞれ表す。
19 to 21, 500 is a capacitor module, 502 is a capacitor case, 504 is a negative side capacitor terminal, 506 is a positive side capacitor terminal, 510 is a direct current (battery) negative side connection terminal portion, and 512 is a direct current (battery) positive electrode. Side connection terminal portions 532 are positive terminals for auxiliary machines, 534 are negative terminals for auxiliary machines, and 514 is a capacitor cell.
図１９および図２１に示されるように、負極導体板５０５と正極導体板５０７とからなる積層導体板が複数組、本実施形態では４組、直流（バッテリ）負極側接続端子部５１０と直流（バッテリ）正極側接続端子部５１２に対して電気的に並列に接続されている。負極導体板５０５と正極導体板５０７には、複数個のコンデンサセル５１４の正極と負極がそれぞれ並列接続されるための端子５１６と端子５１８が複数個設けられている。
As shown in FIGS. 19 and 21, a plurality of laminated conductor plates composed of a negative electrode conductor plate 505 and a positive electrode conductor plate 507, four in this embodiment, a direct current (battery) negative electrode side connection terminal portion 510 and a direct current ( Battery) It is electrically connected in parallel to the positive electrode side connection terminal portion 512. The negative electrode plate 505 and the positive electrode plate 507 are provided with a plurality of terminals 516 and terminals 518 for connecting the positive and negative electrodes of the plurality of capacitor cells 514 in parallel.
図２１に示されるように、コンデンサモジュール５００の蓄電部の単位構造体であるコンデンサセル５１４は、片面にアルミなどの金属を蒸着したフィルムを２枚積層し巻回して、２枚の金属フィルムの各々を正極、負極としたフィルムコンデンサ５１５で構成する。正極、負極の電極は、巻回した軸面がそれぞれ、正極、負極電極となり、スズなどの導電体５０８を吹き付けて製造される。
As shown in FIG. 21, a capacitor cell 514, which is a unit structure of the power storage unit of the capacitor module 500, is formed by laminating and winding two films each having a metal such as aluminum deposited thereon and winding them. Each is constituted by a film capacitor 515 having a positive electrode and a negative electrode. The positive and negative electrodes are manufactured by spraying a conductor 508 such as tin, with the wound shaft surfaces being the positive electrode and the negative electrode, respectively.
また、図２１に示されるように、負極導体板５０５と正極導体板５０７は、薄板状の幅広導体で構成し、絶縁紙５１７を介して積層した積層構造を採用し、寄生インダクタンスを低減する。積層導体の端部には、コンデンサセルの電極５０８と接続するための端子５１６、５１８が設けられている。端子５１６、５１８は、２個のコンデンサセル５１４の電極５０８と、半田あるいは溶接により電気的に接続される。半田装置による半田付け作業もしくは溶接機による溶接作業が行いやすくなるように、また、コンデンサセルの検査がしやすくなるように、すなわち、端子５１６、５１８と接続される電極面がセルの外側になるように、コンデンサセルを配置するとともに、導体板の構造を設計して、１つのコンデンサセル群を構成している。このようなコンデンサセル群を用いることにより、コンデンサセル群の数を増減することにより、要求されるコンデンサ容量に対応することができる。その結果、多種多様のコンデンサモジュールに共通のコンデンサセルを使用することができ、量産に適したコンデンサモジュールとすることが可能となる。寄生インダクタンスを低減するため、また、放熱のためにも、端子５１６、５１８をそれぞれ複数設けるのが好ましい。
Further, as shown in FIG. 21, the negative electrode conductor plate 505 and the positive electrode conductor plate 507 are constituted by thin plate-like wide conductors and adopt a laminated structure in which they are laminated via insulating paper 517 to reduce parasitic inductance. Terminals 516 and 518 for connecting to the electrode 508 of the capacitor cell are provided at the end of the laminated conductor. Terminals 516 and 518 are electrically connected to electrodes 508 of two capacitor cells 514 by soldering or welding. In order to facilitate the soldering operation by the soldering apparatus or the welding operation by the welding machine, and to facilitate the inspection of the capacitor cell, that is, the electrode surface connected to the terminals 516 and 518 is outside the cell. Thus, the capacitor cells are arranged and the structure of the conductor plate is designed to constitute one capacitor cell group. By using such a capacitor cell group, the required capacitor capacity can be accommodated by increasing or decreasing the number of capacitor cell groups. As a result, a common capacitor cell can be used for a wide variety of capacitor modules, and a capacitor module suitable for mass production can be obtained. In order to reduce the parasitic inductance and to dissipate heat, it is preferable to provide a plurality of terminals 516 and 518, respectively.
薄板状の幅広導体である負極導体板５０５と正極導体板５０７の一方の端部には、積層導体板７００と接続するための負極側コンデンサ端子５０４、正極側コンデンサ端子５０６が設けられている。負極導体５０５と正極導体５０７の他方の端部には、バッテリ電力を受電する端子に接続する直流負極側接続端子５１０、直流正極側接続端子５１２が設けられている。
A negative electrode side capacitor terminal 504 and a positive electrode side capacitor terminal 506 for connection to the laminated conductor plate 700 are provided at one end of a negative electrode conductor plate 505 and a positive electrode conductor plate 507 which are thin plate-like wide conductors. At the other end of the negative electrode conductor 505 and the positive electrode conductor 507, a direct current negative electrode side connection terminal 510 and a direct current positive electrode side connection terminal 512 that are connected to a terminal that receives battery power are provided.
図２０に示すコンデンサモジュール５００は、２個のコンデンサセルを１単位とするコンデンサセル群を４列縦に配置して合計８個のコンデンサセル５１４で構成している。コンデンサモジュール５００の外部との接続端子として、積層導体板７００と接続する４対の正負コンデンサ端子５０４、５０６と、バッテリ電力を受電する直流正負極側接続端子５１０および５１２と、補機用インバータのパワーモジュールに給電する補機用正負極端子５３２および５３４とが用いられている。正負コンデンサ端子５０４，５０６には開口部５０９，５１１が形成され、パワーモジュール３００の直流正負極端子３１６，３１４がボルト固定できるように、開口部５０９，５１１の裏側にナットが溶接されている。
A capacitor module 500 shown in FIG. 20 includes a total of eight capacitor cells 514 in which four capacitor cell groups each having two capacitor cells as one unit are arranged vertically. As connection terminals to the outside of the capacitor module 500, four pairs of positive and negative capacitor terminals 504 and 506 connected to the multilayer conductor plate 700, DC positive and negative electrode side connection terminals 510 and 512 for receiving battery power, and an auxiliary machine inverter Auxiliary positive and negative terminals 532 and 534 for supplying power to the power module are used. Openings 509 and 511 are formed in the positive and negative capacitor terminals 504 and 506, and nuts are welded to the back sides of the openings 509 and 511 so that the DC positive and negative terminals 316 and 314 of the power module 300 can be bolted.
コンデンサケース５０２は、端子カバー５２０を備え、端子の位置を決めるとともに、電力変換装置の筐体との絶縁をとる。また、コンデンサケース５０２は、セル群の位置決めのための、仕切りがセル群とセル群の間に設ける。コンデンサケース５０２の材料としは、熱伝導性に優れた材料を用い、コンデンサセル群とコンデンサセル群の間の仕切りに放熱用の熱伝導性のよい材料を埋め込んでもよい。
The capacitor case 502 includes a terminal cover 520, determines the position of the terminal, and insulates the casing of the power converter. The capacitor case 502 is provided with a partition between the cell groups for positioning the cell groups. As a material of the capacitor case 502, a material having excellent thermal conductivity may be used, and a material having good thermal conductivity for heat dissipation may be embedded in a partition between the capacitor cell group.
コンデンサモジュール５００では、コンデンサセル内部のフィルム上に蒸着された金属薄膜、内部導体（端子）の電気抵抗により、スイッチング時にリップル電流が流れると発熱する。コンデンサセルの耐湿のため、コンデンサセル、内部導体（端子）は、コンデンサケース５０２に樹脂で含浸（モールド）する。このため、コンデンサセルや内部導体は、樹脂を介してコンデンサケース５０２と密着した状態となり、コンデンサセルの発熱がケースに伝わりやすい構造になる。さらに本構造では、負極導体板５０５、正極導体板５０７とコンデンサセルの５０８と端子５１６、５１８を直接接続するため、コンデンサセルの発熱が負極、正極導体に直接伝わり、幅広導体によりモールド樹脂へ熱が伝わりやすい構造となる。このため、図７のように、コンデンサケース５０２から下部ケース１６、下部ケース１６から筐体１２さらに冷却水流路１９へ熱が良好に伝わり、放熱性を確保できる。
In the capacitor module 500, heat is generated when a ripple current flows during switching due to the electrical resistance of the metal thin film and the internal conductor (terminal) deposited on the film inside the capacitor cell. For the moisture resistance of the capacitor cell, the capacitor cell and the inner conductor (terminal) are impregnated (molded) with resin in the capacitor case 502. For this reason, the capacitor cell and the internal conductor are in close contact with the capacitor case 502 through the resin, and the heat generated by the capacitor cell is easily transmitted to the case. Furthermore, in this structure, since the negative electrode conductor plate 505, the positive electrode conductor plate 507, the capacitor cell 508, and the terminals 516 and 518 are directly connected, the heat generated in the capacitor cell is directly transmitted to the negative electrode and the positive electrode conductor, and heat is applied to the mold resin by the wide conductor. The structure is easy to communicate. For this reason, as shown in FIG. 7, heat is transferred well from the capacitor case 502 to the lower case 16, from the lower case 16 to the housing 12, and further to the cooling water flow path 19, thereby ensuring heat dissipation.
図２０に示すように、本実施形態では、負極導体板５０５および正極導体板５０７の積層構造を４列縦に独立して配置してコンデンサモジュールを構成している。これら４列の負極導体５０５および正極導体５０７を一体の幅広導体板として、全てのコンデンサセル５１４をこの幅広導体板に接続する構成としてもよい。これにより、部品点数を削減することができ、生産性を向上させることができるとともに、全てのコンデンサセル５１４の静電容量を略均等に使用することができ、コンデンサモジュール５００全体の部品寿命を伸ばすことができる。さらに、幅広導体板を使用することで、寄生インダクタンスを低減することができる。
As shown in FIG. 20, in the present embodiment, a laminated structure of a negative electrode conductor plate 505 and a positive electrode conductor plate 507 is independently arranged vertically in four rows to constitute a capacitor module. The four rows of negative electrode conductors 505 and positive electrode conductors 507 may be configured as an integral wide conductor plate, and all capacitor cells 514 may be connected to the wide conductor plate. As a result, the number of components can be reduced, productivity can be improved, and the capacitances of all capacitor cells 514 can be used substantially evenly, thereby extending the component life of the entire capacitor module 500. be able to. Furthermore, parasitic inductance can be reduced by using a wide conductor plate.
図２２(ａ)は、本実施形態に係る電力変換装置２００において、コンデンサモジュール５００、積層導体板７００、および２つのパワーモジュール３００のみを抜き出した斜視図である。図２２(ｂ)は、積層導体板７００の分解斜視図である。
FIG. 22A is a perspective view in which only the capacitor module 500, the laminated conductor plate 700, and the two power modules 300 are extracted from the power conversion device 200 according to the present embodiment. FIG. 22B is an exploded perspective view of the laminated conductor plate 700.
図２２(ａ)に示されるように、２つのパワーモジュール３００は、各々の交流端子１５９を一側にそろえて、並設される。これら交流端子１５９と反対側に、２つのパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００との電気的な接続部が設けられている。この２つのパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００との電気的な接続は、平板上の積層導体板７００によって行われる。
As shown in FIG. 22A, the two power modules 300 are arranged side by side with the AC terminals 159 aligned on one side. On the side opposite to these AC terminals 159, electrical connection portions between the two power modules 300 and the capacitor module 500 are provided. Electrical connection between the two power modules 300 and the capacitor module 500 is performed by a laminated conductor plate 700 on a flat plate.
下部ケース１６上に固定されたコンデンサケース５０２内には、多数のコンデンサセル５１４（不図示）が収納され、コンデンサモジュール５００の正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６は、コンデンサケース５０２の一方の長辺に沿って配列されている。正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６の上端部の正極接続部および負極接続部５０４ｃ，５０６ｂは、コンデンサセル５１４の上面より突き出た位置に配置されている。
A large number of capacitor cells 514 (not shown) are accommodated in the capacitor case 502 fixed on the lower case 16, and the positive electrode side capacitor terminal 504 and the negative electrode side capacitor terminal 506 of the capacitor module 500 are connected to one side of the capacitor case 502. It is arranged along the long side. The positive electrode connection portion and the negative electrode connection portions 504 c and 506 b at the upper ends of the positive electrode side capacitor terminal 504 and the negative electrode side capacitor terminal 506 are arranged at positions protruding from the upper surface of the capacitor cell 514.
パワーモジュール３００と接続される積層導体板７００は、２つのパワーモジュール３００を覆うように配置される。そして、正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６は、コンデンサケース５０２の開口面から立ち上がった構造のＬ字構造を形成しており、このＬ字構造の正極側コンデンサ端子５０４および負極側コンデンサ端子５０６の上端部の正極接続部５０６ｂおよび負極接続部５０４ｃが、電力変換装置２００の組み立て時において、積層導体板７００に直接に当接してボルトで接続されることとなる。
The laminated conductor plate 700 connected to the power module 300 is disposed so as to cover the two power modules 300. The positive-side capacitor terminal 504 and the negative-side capacitor terminal 506 form an L-shaped structure that rises from the opening surface of the capacitor case 502. The L-shaped positive-side capacitor terminal 504 and the negative-side capacitor terminal The positive electrode connecting portion 506b and the negative electrode connecting portion 504c at the upper end of 506 are in direct contact with the laminated conductor plate 700 and connected with bolts when the power converter 200 is assembled.
図２２(ｂ)に示されるように、この積層導体板７００は、平板状の正極側導体板７０２および負極側導体板７０４と、これら正極側導体板７０２と負極側導体板７０４に挟まれる絶縁シート７０６により構成されている。すなわち積層導体板７００は積層構造として形成されているので、パワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までの寄生インダクタンスの低減を図ることができる。
As shown in FIG. 22B, this laminated conductor plate 700 is composed of a flat positive electrode side conductor plate 702 and a negative electrode side conductor plate 704, and an insulation sandwiched between the positive electrode side conductor plate 702 and the negative electrode side conductor plate 704. The sheet 706 is configured. That is, since the laminated conductor plate 700 is formed as a laminated structure, the parasitic inductance from the power module 300 to the capacitor module 500 can be reduced.
図２２(ａ)および図８(ｂ)に示すように、複数の上アーム制御端子３２０Ｕは、パワーモジュール３００のＡ辺側（図８（ｂ）参照）の中央部付近に寄せて配置される。すなわち、Ｕ相制御ピンをＶ相制御ピンに寄せ、Ｗ相制御ピンをＶ相制御ピンに寄せ、パワーモジュール３００のＡ辺側の中央部付近に一列に上アーム制御端子３２０Ｕが配置されている。そして、積層導体板７００は、この複数の上アーム制御端子３２０Ｕを貫通するための透孔７０５を有し、この透孔７０５の両脇においても、正極側導体板７０２と負極側導体板７０４とが積層されている。これらの構成により、負極側導体板７０４と正極側導体板７０２との積層面積を広げることができ、さらにパワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までの寄生インダクタンスの低減を図ることができる。
As shown in FIGS. 22A and 8B, the plurality of upper arm control terminals 320U are arranged close to the central portion on the side A (see FIG. 8B) of the power module 300. . That is, the U-phase control pin is brought closer to the V-phase control pin, the W-phase control pin is brought closer to the V-phase control pin, and the upper arm control terminals 320U are arranged in a row near the central portion on the A side of the power module 300. . The laminated conductor plate 700 has through holes 705 for penetrating the plurality of upper arm control terminals 320U, and the positive electrode side conductor plate 702 and the negative electrode side conductor plate 704 are provided on both sides of the through hole 705. Are stacked. With these configurations, the lamination area of the negative electrode side conductor plate 704 and the positive electrode side conductor plate 702 can be increased, and further, the parasitic inductance from the power module 300 to the capacitor module 500 can be reduced.
図８(ｂ)に示すパワーモジュール３００のＡ辺側の中央部付近、すなわち上アーム制御端子３２０Ｕ付近にボス３２１を配置する。このボス３２１に、ドライバ回路１７４が実装された駆動回路基板２２を固定するとともに、上アーム制御端子３２０Ｕを駆動回路基板２２に形成された孔に貫通させる。その後、駆動回路基板２２上の端子とアーム制御端子３２０Ｕとを溶接等により接合させる。このような構成により、上アーム制御端子３２０Ｕと駆動回路基板２２上の端子との接合部が、ボス３２１に対して近い距離となるので、車両走行時における耐振動が向上する。
A boss 321 is arranged in the vicinity of the central portion on the A side of the power module 300 shown in FIG. 8B, that is, in the vicinity of the upper arm control terminal 320U. The drive circuit board 22 on which the driver circuit 174 is mounted is fixed to the boss 321, and the upper arm control terminal 320 </ b> U is passed through a hole formed in the drive circuit board 22. Thereafter, the terminal on the drive circuit board 22 and the arm control terminal 320U are joined by welding or the like. With such a configuration, the joint portion between the upper arm control terminal 320U and the terminal on the drive circuit board 22 is a short distance from the boss 321, so that vibration resistance during vehicle travel is improved.
駆動回路基板２２は積層導体板７００の上方に配置される。そこで、図２２(ｂ)に示すように、積層導体板７００は、駆動回路基板２２側に負極側導体板７０４を備え、一方、パワーモジュール３００側に正極側導体板７０２を備える。これにより、高電圧となる正極導体板７０２と駆動回路基板２２との間には、低電圧の負極導体板７０４および絶縁シート７０６が存在し、駆動回路基板２２が高電圧に触れることを防止させることができる。
The drive circuit board 22 is disposed above the laminated conductor plate 700. Therefore, as shown in FIG. 22B, the laminated conductor plate 700 includes a negative-side conductor plate 704 on the drive circuit board 22 side, and a positive-side conductor plate 702 on the power module 300 side. As a result, the low voltage negative electrode conductor plate 704 and the insulating sheet 706 are present between the high voltage positive electrode conductor plate 702 and the drive circuit board 22 to prevent the drive circuit board 22 from being exposed to the high voltage. be able to.
図２２(ｂ)に示すように、正極側導体板７０２は、２つのパワーモジュール３００の上方にまたがって配置され、さらに２つのパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とを結線する。同様に、負極導体板７０４は、２つのパワーモジュール３００の上方にまたがって配置され、さらに２つのパワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００とを結線する。これにより、積層導体板７００が幅広になるので、パワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までの寄生インダクタンスを低減させることができる。また、１つのパワーモジュールに対して、コンデンサモジュール５００の接続箇所が４組存在するため、寄生インダクタンスを低減できる。また、２つのパワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００への接続導体を２つのパワーモジュール３００間で共有化することによって、電力変換装置２００全体の部品点数を少なくすることができ、生産性を向上させることができる。
As shown in FIG. 22 (b), the positive conductor plate 702 is disposed over the two power modules 300, and further connects the two power modules 300 and the capacitor module 500. Similarly, the negative electrode conductor plate 704 is disposed over the two power modules 300, and further connects the two power modules 300 and the capacitor module 500. Thereby, since the laminated conductor plate 700 becomes wide, the parasitic inductance from the power module 300 to the capacitor module 500 can be reduced. In addition, since there are four connection locations of the capacitor module 500 for one power module, the parasitic inductance can be reduced. Further, by sharing the connection conductor from the two power modules 300 to the capacitor module 500 between the two power modules 300, the number of parts of the entire power conversion device 200 can be reduced, and the productivity can be improved. Can do.
図８に示すように、パワーモジュール３００は、正極側接続部３１４ａと負極側接続部３１６ａを一組として、パワーモジュール３００の一辺側に一組の接続部３１４ａ、３１６ａが配置され、その反対側の辺に他の一組の接続部３１４ａ、３１６ａが配置される。積層導体板７００は、これら二組の接続部３１４ａ、３１６ａの上方にまたがって配置され、さらに各接続部３１４ａ、３１６ａとボルトにより接続される。これにより、コンデンサモジュール５００から供給される直流電流が、一組の接続部３１４ａ、３１６ａ側に集中することが無くなるため、すなわち、二組の接続部３１４ａ、３１６ａに直流電流が分散されることになるため、パワーモジュール３００からコンデンサモジュール５００までのインダクタンスを低減させることができる。
As shown in FIG. 8, the power module 300 includes a positive electrode side connection portion 314a and a negative electrode side connection portion 316a as a set, and a pair of connection portions 314a and 316a are arranged on one side of the power module 300, and the opposite side. Another set of connection portions 314a and 316a is arranged on the side of the. The laminated conductor plate 700 is disposed over the two sets of connection portions 314a and 316a, and is further connected to the connection portions 314a and 316a by bolts. As a result, the direct current supplied from the capacitor module 500 is not concentrated on the pair of connection portions 314a and 316a, that is, the direct current is distributed to the two sets of connection portions 314a and 316a. Therefore, the inductance from the power module 300 to the capacitor module 500 can be reduced.
前述したように、コンデンサモジュール５００には、複数のコンデンサセル５１４が内蔵されている。本実施形態においては、２つのコンデンサセル５１４でコンデンサセル群を構成し、このコンデンサセル群を４組設けている。さらに各組に対応した幅広導体(正極導体板５０７および負極導体板５０５)を備えている。図２０に示されるように、負極側コンデンサ端子５０４および正極側コンデンサ端子５０６は、それぞれの幅広導体に一つずつ接続される。本実施形態においては、これらすべての負極コンデンサ端子５０４および正極コンデンサ端子５０６を、一組の積層導体板７００に電気的に接続させる。これにより、２つのパワーモジュール３００に対して、全てのコンデンサセル５１４が電気的に接続される関係となり、全てのコンデンサセル５１４の静電容量を略均等に使用することができ、コンデンサモジュール５００全体の部品寿命を伸ばすことができる。また、この一組の積層導体板７００を用いることにより、コンデンサモジュール５００内部を、２つのコンデンサセル５１４で構成されるコンデンサセル群ごとに分割させて構成させることができ、モータ１９２の電流容量に合わせて、コンデンサセル群を構成するコンデンサセル５１４の単位数を容易に変更させることができる。
As described above, the capacitor module 500 has a plurality of capacitor cells 514 built therein. In this embodiment, two capacitor cells 514 constitute a capacitor cell group, and four sets of the capacitor cell groups are provided. Further, wide conductors (positive conductor plate 507 and negative conductor plate 505) corresponding to each set are provided. As shown in FIG. 20, the negative-side capacitor terminal 504 and the positive-side capacitor terminal 506 are connected to the respective wide conductors one by one. In the present embodiment, all these negative capacitor terminals 504 and positive capacitor terminals 506 are electrically connected to a set of laminated conductor plates 700. As a result, all the capacitor cells 514 are electrically connected to the two power modules 300, and the capacitances of all the capacitor cells 514 can be used substantially evenly. Can extend the service life of parts. Further, by using this set of laminated conductor plates 700, the inside of the capacitor module 500 can be divided for each capacitor cell group constituted by two capacitor cells 514, and the current capacity of the motor 192 can be increased. In addition, the number of units of the capacitor cells 514 constituting the capacitor cell group can be easily changed.
積層導体板７００を構成する正極側導体板７０２と負極側導体板７０４は、寄生インダクタンスを小さくするために、それらの隙間距離をできるだけ小さくすることが望ましい。例えば、積層導体板７００に、パワーモジュール３００とコンデンサモジュール５００を結線するための曲げ構造部が存在する場合には、その曲げ構造部には、平板部よりも大きい隙間距離が生じてしまい、寄生インダクタンスが大きくなってしまう。
It is desirable that the positive electrode side conductor plate 702 and the negative electrode side conductor plate 704 constituting the laminated conductor plate 700 have a gap distance as small as possible in order to reduce the parasitic inductance. For example, when the laminated conductor plate 700 has a bent structure portion for connecting the power module 300 and the capacitor module 500, a larger gap distance than that of the flat plate portion is generated in the bent structure portion. Inductance will increase.
そこで、本実施形態に係るパワーモジュール３００の正極側接続部３１４a、負極側接続部３１６a、およびコンデンサモジュール５００の正極側接続部５０４ｃ、負極側接続部５０６ｂは、略同一平面上に配置されるように構成する。これにより、平板状の積層導体板７００を用いることができるため、正極側導体板７０２と負極側導体板７０４の隙間距離を小さくして、寄生インダクタンスを低減させることができる。
Therefore, the positive electrode side connection portion 314a and the negative electrode side connection portion 316a of the power module 300 according to the present embodiment, and the positive electrode side connection portion 504c and the negative electrode side connection portion 506b of the capacitor module 500 are arranged on substantially the same plane. Configure. Thereby, since the flat laminated conductor plate 700 can be used, the gap distance between the positive electrode side conductor plate 702 and the negative electrode side conductor plate 704 can be reduced, and the parasitic inductance can be reduced.
図２３(ａ)は、図２２に示すパワーモジュール３００と積層導体板７００の接続箇所３８０（図２２(ａ)参照）の拡大図を示している。
FIG. 23A shows an enlarged view of a connection portion 380 (see FIG. 22A) between the power module 300 and the laminated conductor plate 700 shown in FIG.
図２３(ａ)に示されるように、負極側接続部３１６ａおよび正極側接続部３１４ａは、直流正極端子３１４および直流負極端子３１６の端部を反対方向に屈曲させて構成され、これら負極側接続部３１６ａおよび正極側接続部３１４ａに対して、積層した積層導体板７００の負極導体板７０４、正極導体板７０２をそれぞれ接続する。これにより、ＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチング時に瞬時に流れる負極側の電流は、図２３（ａ）に示す電流経路３８２のようになるため、負極導体板の接続部７０４ａと負極側接続部３１６ａとの間でＵターン電流が形成される。したがって、負極側導体板７０４の接続部７０４ａの周りに発生する磁束と負極側接続部３１６ａの周りに発生する磁束が打ち消し合うので、インダクタンスの低減を図ることができる。
As shown in FIG. 23 (a), the negative electrode side connecting portion 316a and the positive electrode side connecting portion 314a are configured by bending the ends of the DC positive electrode terminal 314 and the DC negative electrode terminal 316 in the opposite directions. The negative electrode conductor plate 704 and the positive electrode conductor plate 702 of the laminated conductor plate 700 are connected to the part 316a and the positive electrode side connection part 314a, respectively. As a result, the current on the negative electrode side that instantaneously flows during switching of the IGBTs 328 and 330 becomes like a current path 382 shown in FIG. 23A, and therefore, the connection between the connection portion 704a of the negative electrode conductor plate and the negative electrode side connection portion 316a. A U-turn current is formed. Therefore, since the magnetic flux generated around the connection portion 704a of the negative electrode side conductor plate 704 and the magnetic flux generated around the negative electrode side connection portion 316a cancel each other, the inductance can be reduced.
一方、正極導体板の接続部７０２ａの電流は、図２３（ａ）に示されるような電流経路３８４を通る。この正極導体板の接続部７０２ａの上方には負極導体板７０４が配置されているため、正極導体板の接続部７０２ａの電流方向と、負極導体板７０４の電流方向とが逆方向となり、それぞれの電流によって生じる磁束が打ち消しあうことになる。その結果、正極導体板の接続部７０２ａの寄生インダクタンスを低減することができる。
On the other hand, the current of the positive electrode conductor plate connection portion 702a passes through a current path 384 as shown in FIG. Since the negative electrode conductor plate 704 is disposed above the connection portion 702a of the positive electrode conductor plate, the current direction of the connection portion 702a of the positive electrode conductor plate and the current direction of the negative electrode conductor plate 704 are opposite to each other. The magnetic flux generated by the current will cancel out. As a result, the parasitic inductance of the connecting portion 702a of the positive conductor plate can be reduced.
また、図２３(ａ)に示されるように、絶縁紙３１８と絶縁シート７０６は、上下方向に重なる領域を有するようにそれぞれ配置される。さらに、ボルト等により積層導体板７００を負極側接続部３１６ａおよび正極側接続部３１４ａに固定した場合に、絶縁紙３１８と絶縁シート７０６は、積層導体板７００と正極側接続部３１４ａによって挟まれることがない領域、つまり圧縮応力が加わらない領域を有するように配置される。これにより、接続部における正極と負極間との絶縁、具体的には正極側接続部３１４ａと負極導体板７０４との絶縁を確保することができる。
In addition, as shown in FIG. 23A, the insulating paper 318 and the insulating sheet 706 are arranged so as to have regions overlapping in the vertical direction. Furthermore, when the laminated conductor plate 700 is fixed to the negative electrode side connecting portion 316a and the positive electrode side connecting portion 314a with bolts or the like, the insulating paper 318 and the insulating sheet 706 are sandwiched between the laminated conductor plate 700 and the positive electrode side connecting portion 314a. It arrange | positions so that it may have an area | region which does not have, ie, an area | region where a compressive stress is not applied. Thereby, the insulation between the positive electrode and the negative electrode in the connection part, specifically, the insulation between the positive electrode side connection part 314a and the negative electrode conductor plate 704 can be ensured.
図２３(ｂ)は、積層導体板７００の接続箇所３９０の拡大図(図２２(ａ)参照)を示す。
図２３(ｂ)に示されるように、コンデンサモジュール５００の正極側接続部５０６ｂおよび負極側接続部５０４ｃは、それぞれ反対方向に屈曲させて構成され、それぞれの上面に積層導体板７００の正極導体板７０２および負極導体板７０４をそれぞれ接続する。これにより、ＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチング時に瞬時に流れる負極側の電流は、図２３(ｂ)に示す電流経路３９２のようになるため、負極導体板７０４の接続部７０４ｃとコンデンサモジュール５００の負極側接続部５０４ｃとの間でＵターン電流が形成される。したがって、負極導体板７０４の接続部７０４ａの周りに発生する磁束と負極側接続部５０４ｃの周りに発生する磁束が打ち消し合うので、インダクタンスの低減を図ることができる。
FIG. 23B shows an enlarged view (see FIG. 22A) of the connection portion 390 of the laminated conductor plate 700. FIG.
As shown in FIG. 23 (b), the positive electrode side connecting portion 506b and the negative electrode side connecting portion 504c of the capacitor module 500 are configured to be bent in opposite directions, and the positive electrode conductor plate of the multilayer conductor plate 700 is formed on the upper surface thereof. 702 and the negative electrode conductor plate 704 are connected to each other. As a result, the current on the negative electrode side that instantaneously flows during switching of the IGBTs 328 and 330 becomes like a current path 392 shown in FIG. 23B, so that the connection portion 704c of the negative electrode conductor plate 704 and the negative electrode side connection of the capacitor module 500 are connected. A U-turn current is formed with the portion 504c. Therefore, since the magnetic flux generated around the connection portion 704a of the negative electrode conductor plate 704 and the magnetic flux generated around the negative electrode side connection portion 504c cancel each other, the inductance can be reduced.
同様に、ＩＧＢＴ３２８、３３０のスイッチング時に瞬時に流れる正極側の電流は、図２１(ｂ)に示されるような電流経路３９４を通る。すなわち、正極導体板の接続部７０２ｂとコンデンサモジュール５００の正極側接続部５０６ｂとの間でＵターン電流が形成される。したがって、正極側導体板７０２の接続部７０２ｂの周りに発生する磁束と正極側接続部５０６ｂの周りに発生する磁束が打ち消し合うので、インダクタンスの低減を図ることができる。
Similarly, the current on the positive electrode side that instantaneously flows during switching of the IGBTs 328 and 330 passes through a current path 394 as shown in FIG. That is, a U-turn current is formed between the connecting portion 702 b of the positive electrode conductor plate and the positive electrode side connecting portion 506 b of the capacitor module 500. Therefore, since the magnetic flux generated around the connection portion 702b of the positive electrode side conductor plate 702 and the magnetic flux generated around the positive electrode side connection portion 506b cancel each other, the inductance can be reduced.
また、図２３(ｂ)に示されるように、絶縁シート５１７と絶縁シート７０６は、上下方向に重なる領域を有するようにそれぞれ配置される。さらに、ボルト等により積層導体板７００をコンデンサモジュール５００の正極側接続部５０６ｂおよび負極側接続部５０４ｃに固定した場合に、絶縁シート５１７と絶縁シート７０６は、積層導体板７００と正極側接続部５０６ｂによって挟まれることがない領域、つまり圧縮応力が加わらない領域を有するように配置される。これにより、接続部における正極と負極間との絶縁、具体的には正極側接続部５０６ｂと負極導体板７０４との絶縁を確保することができる。
Further, as shown in FIG. 23B, the insulating sheet 517 and the insulating sheet 706 are respectively arranged so as to have regions overlapping in the vertical direction. Furthermore, when the laminated conductor plate 700 is fixed to the positive electrode side connecting portion 506b and the negative electrode side connecting portion 504c of the capacitor module 500 with bolts or the like, the insulating sheet 517 and the insulating sheet 706 are connected to the laminated conductor plate 700 and the positive electrode side connecting portion 506b. It arrange | positions so that it may have the area | region which is not pinched | interposed by, ie, the area | region where a compressive stress is not added. Thereby, the insulation between the positive electrode and the negative electrode in the connection part, specifically, the insulation between the positive electrode side connection part 506b and the negative electrode conductor plate 704 can be ensured.
以上説明した実施の形態による電力変換装置によれば、次のような作用効果を奏することができる。
（１）放熱ピン３０５を金属ベース３０４と一体で鍛造により製作するようにした。その結果、放熱ピン数が多い場合、ロウ付けにより放熱ピン３０５を金属ベース３０４に固着するよりも、工数を低減してコストを低減することができる。
（２）放熱ピン３０５を千鳥状に配列すれば、冷却水流路１９内を流れる冷却水が効率よく接触し、金属ベース３０４を効果的に冷却することができる。放熱ピン群３０５Ｇの形成領域を小さくすることができ、パワーモジュール３００をコンパクトにすることができる。
According to the power converter device by embodiment described above, there can exist the following effects.
(1) The heat dissipating pin 305 is manufactured integrally with the metal base 304 by forging. As a result, when the number of radiating pins is large, the number of man-hours can be reduced and the cost can be reduced rather than fixing the radiating pins 305 to the metal base 304 by brazing.
(2) If the radiating pins 305 are arranged in a staggered manner, the cooling water flowing in the cooling water flow path 19 comes into contact efficiently, and the metal base 304 can be effectively cooled. The formation area of the radiating pin group 305G can be reduced, and the power module 300 can be made compact.
（３）複数の放熱ピン３０５をひとかたまりとせず、複数の放熱ピン３０５で構成される放熱ピン群３０５Ｇを一対設けるようにした。大面積に複数の放熱ピン３０５を一括して形成する場合に比べて、鍛造時のプレス圧力を小さくすることができ、小型のプレス機を使用して製造コストをより低減することができる。
（４）鍛造後のビッカース硬度が６０以上となる銅材を使用することにより、温度サイクルによって生ずるラチェット変形を抑制し、冷却ジャケット１９Ａの取付け面４１０Ｓとの間のシール性を向上させることができる。ラチェット変形を抑制することにより、絶縁基板３３４自体の破損や端子３１４、３１６との接合部の破損を防止できる。また、冷却水流路１９のシール性が損なわれることがない。
(3) A plurality of heat radiating pins 305 are not provided as a group, but a pair of heat radiating pin groups 305G each including a plurality of heat radiating pins 305 are provided. Compared with the case where a plurality of heat radiation pins 305 are collectively formed in a large area, the pressing pressure at the time of forging can be reduced, and the manufacturing cost can be further reduced by using a small press.
(4) By using a copper material having a Vickers hardness of 60 or more after forging, ratchet deformation caused by a temperature cycle can be suppressed, and the sealing performance between the mounting surface 410S of the cooling jacket 19A can be improved. . By suppressing the ratchet deformation, it is possible to prevent damage to the insulating substrate 334 and damage to the joints with the terminals 314 and 316. Further, the sealing performance of the cooling water channel 19 is not impaired.
（５）以上の作用効果を奏する電力変換装置２００にあっては、インバータ回路１４４を高密度にして高出力化を図りつつ、パワーモジュール３００をコンパクトに、かつ低コストで構築することができる。また、パワーモジュール３００，ひいては電力変換装置の寿命の延長と信頼性の向上を図ることができる。
(5) In the power conversion device 200 having the above-described effects, the power module 300 can be constructed in a compact and low-cost manner while achieving high output by increasing the density of the inverter circuit 144. Further, it is possible to extend the life and improve the reliability of the power module 300, and thus the power converter.
以上の第１実施形態をさらに具体的に説明する。
ＨＥＶ１１０に車載するパワーモジュール３００の絶縁基板３３４の冷却用金属ベース３０４としては、銅以外の不純物元素の混入率が０．３重量％未満の高純度の無酸素銅ないしタフピッチ銅を採用して、放熱ピン３０５を鍛造により一体成型する。この金属ベース３０４の板厚としては、３ｍｍ以上４ｍｍ以下に設定する一方、放熱ピン３０５としては、７ｍｍ以上８ｍｍ以下の高さで１．７５ｍｍ以上３ｍｍ以内の径を有する断面円形の柱状ピン形状の寸法形状に成型する。このように作製した金属ベース３０４と放熱ピン３０５は、ビッカース硬度６０以上でラチェット変形の生じない寸法形状にすることができるとともに、熱伝導率３００Ｗ／ｍ℃以上を確保して、優れた冷却能力を発揮することができる。このため、パワーモジュール３００に実装されるパワースイッチング素子のＩＧＢＴ３２８として、１２．５ｍｍ×１４ｍｍという大型のチップサイズを選択することができ、インバータ回路１４４を高密度化しつつ所定の冷却性能を担保することができる。
なお、ＩＧＢＴ３２８の大きさは１２．５ｍｍ×１４ｍｍに限定されるものではない。
The above first embodiment will be described more specifically.
As the cooling metal base 304 of the insulating substrate 334 of the power module 300 mounted on the HEV 110, high-purity oxygen-free copper or tough pitch copper having a mixing ratio of impurity elements other than copper of less than 0.3% by weight is adopted. The heat radiation pin 305 is integrally formed by forging. The plate thickness of the metal base 304 is set to 3 mm or more and 4 mm or less, while the heat radiating pin 305 has a height of 7 mm or more and 8 mm or less and a columnar pin shape with a circular section having a diameter of 1.75 mm or more and 3 mm or less. Mold to size and shape. The metal base 304 and the heat radiating pin 305 thus manufactured can have a Vickers hardness of 60 or more and a dimension and shape that does not cause ratchet deformation, and have a thermal conductivity of 300 W / m ° C. or more and an excellent cooling capacity. Can be demonstrated. For this reason, a large chip size of 12.5 mm × 14 mm can be selected as the IGBT 328 of the power switching element mounted on the power module 300, and a predetermined cooling performance is ensured while increasing the density of the inverter circuit 144. Can do.
Note that the size of the IGBT 328 is not limited to 12.5 mm × 14 mm.
（第２実施形態）
図２４は本発明に係る車両用電力変換装置の第２実施形態を示す図である。第２実施形態は第１実施形態と略同様に構成されている。同様の構成要素には同一の符号を付して特徴部分を説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 24 is a diagram showing a second embodiment of the vehicular power converter according to the present invention. The second embodiment is configured in substantially the same way as the first embodiment. The same components are denoted by the same reference numerals and the characteristic portions will be described.
金属ベース３０４と放熱ピン３０５を鍛造により作製する場合、鍛造型と金属素材との滑りを良くするためにカーボン粉を使用する。そのため、金属ベースの表面が荒れて、表面粗さが低下することがある。また、鍛造後の加工精度により金属ベースに反りやうねり（以下、平坦度と呼ぶ）が生じる。
When the metal base 304 and the heat dissipation pin 305 are produced by forging, carbon powder is used to improve the slip between the forging die and the metal material. For this reason, the surface of the metal base may become rough, and the surface roughness may decrease. Further, warping and undulation (hereinafter referred to as flatness) occur in the metal base due to processing accuracy after forging.
そこで、第２実施形態では、表面粗さと平坦度を改善する目的で、金属ベース３０４の裏面に設けた放熱ピン群３０５Ｇの周囲領域９０２をフライス加工することにより、その領域の表面粗さを改善する。放熱ピン群３０５Ｇの周囲領域９０２は、冷却ジャケット１９Ａの取付け面４１０Ｓに当接され、冷却水流路１９の開口４００、４０２をＯリング８００によりシールする面である。したがって、領域９０２の表面粗さが粗い場合には、金属ベース３０４による開口の水密性が低下するおそれがある。上記フライス加工により金属ベース３０４の領域９０２の表面粗さが改善され、鍛造法により放熱フィンを金属ベースと一体に成型しても、金属ベース３０４による開口４００，４０２の水密性に影響を与えることがない。
なお、周囲領域９０２をフライス加工としたが、少なくともＯリング８００との接触面をフライス加工すればよい。
Therefore, in the second embodiment, for the purpose of improving the surface roughness and flatness, the peripheral area 902 of the heat dissipation pin group 305G provided on the back surface of the metal base 304 is milled to improve the surface roughness of the area. To do. A peripheral region 902 of the radiating pin group 305G is a surface that is in contact with the mounting surface 410S of the cooling jacket 19A and seals the openings 400 and 402 of the cooling water passage 19 with the O-ring 800. Accordingly, when the surface roughness of the region 902 is rough, the water tightness of the opening by the metal base 304 may be lowered. The surface roughness of the region 902 of the metal base 304 is improved by the milling process, and the watertightness of the openings 400 and 402 by the metal base 304 is affected even if the heat radiation fin is integrally formed with the metal base by the forging method. There is no.
Although the peripheral region 902 is milled, at least the contact surface with the O-ring 800 may be milled.
金属ベース３０４に絶縁基板３３４を接合する接合半田３５３は、金属ベース３０４の素子実装面９０４の平面方向に一定の厚さに溶融塗布するのが好ましい。半田３５３を溶融塗布することにより、半田内でボイド（空孔）の発生を抑制するためである。半田３５３を溶融塗布するため、素子実装面９０４の表面粗さが小さいほど、半田３５３による絶縁基板３３４の接合性がよい。そのため、放熱ピン３０５の形成面側の領域９０２だけでなく、素子実装面９０４もフライス加工し、その表面粗さを改善するのが好ましい。カーボンにより荒された素子実装面９０４の表面粗さが小さくなると、溶融塗布された半田により絶縁基板３３４が金属ベース３０４に固く結合され、パワーモジュールの信頼性が向上する。
The bonding solder 353 for bonding the insulating substrate 334 to the metal base 304 is preferably melt-applied to a constant thickness in the plane direction of the element mounting surface 904 of the metal base 304. This is to prevent the generation of voids (holes) in the solder by melt-coating the solder 353. Since the solder 353 is melt-coated, the smaller the surface roughness of the element mounting surface 904, the better the bondability of the insulating substrate 334 with the solder 353. Therefore, it is preferable to mill not only the region 902 on the formation surface side of the heat radiation pin 305 but also the element mounting surface 904 to improve the surface roughness. When the surface roughness of the element mounting surface 904 roughened by carbon is reduced, the insulating substrate 334 is firmly bonded to the metal base 304 by the melt-applied solder, and the reliability of the power module is improved.
このように第２実施形態によれば、上述第１実施形態による作用効果に加えて次のような作用効果を奏することができる。
（１）金属ベース３０４の取り付面領域９０２をフライス加工して表面粗さや平坦度を改善している。したがって、Ｏリング８００による金属ベース３０４に対するシール性能が向上し、冷却水流路１９からの冷却水の漏れを信頼性高く防止することができる。
（２）金属ベース３０４の素子実装面９０４をフライス加工して表面粗さや平坦度を改善している。したがって、絶縁基板３３４に金属ベース３０４を接合する接合半田３５３の溶融塗布性が向上し、絶縁基板３３４の接合寿命が延び、パワーモジュールの信頼性と寿命を向上できる。
As described above, according to the second embodiment, the following operational effects can be obtained in addition to the operational effects of the first embodiment.
(1) The mounting surface region 902 of the metal base 304 is milled to improve surface roughness and flatness. Therefore, the sealing performance with respect to the metal base 304 by the O-ring 800 is improved, and leakage of the cooling water from the cooling water channel 19 can be prevented with high reliability.
(2) The device mounting surface 904 of the metal base 304 is milled to improve surface roughness and flatness. Therefore, the melt application property of the bonding solder 353 for bonding the metal base 304 to the insulating substrate 334 is improved, the bonding life of the insulating substrate 334 is extended, and the reliability and life of the power module can be improved.
（第３実施形態）
図２５は本発明に係る車両用電力変換装置の第３実施形態を示す図である。第３実施形態では、金属ベース３０４と放熱ピン３０５を金属粉末射出成型法（Metal Injection Molding）により一体成型する。金属粉末射出成型法では、金属粉末を樹脂バインダと混合して射出成型した後に、焼成することにより成型品を得る。第３実施形態の金属ベース３０４は、高純度の銅粉末を樹脂バインダと共に型内に射出成型して焼成する。図２５に示すように、樹脂バインダを焼成して生成されるカーボン９０１が金属ベース３０４内に残留する。放熱ピン３０５は図示を省略している。
(Third embodiment)
FIG. 25 is a diagram showing a third embodiment of the vehicle power converter according to the present invention. In the third embodiment, the metal base 304 and the heat radiating pins 305 are integrally molded by a metal powder injection molding method (Metal Injection Molding). In the metal powder injection molding method, a metal powder is mixed with a resin binder, injection molded, and then fired to obtain a molded product. The metal base 304 of the third embodiment is formed by injection-molding high-purity copper powder into a mold together with a resin binder and firing it. As shown in FIG. 25, carbon 901 generated by baking the resin binder remains in the metal base 304. The illustration of the heat radiation pin 305 is omitted.
通常の鋳造により成型した場合には、加工硬化による硬度の向上は望めないが、金属粉末射出成型法を採用した場合には、残留カーボン９０１の働きにより金属ベース３０４の硬度が高くなり、プレス等の後に加工を施さなくてもビッカース硬度６０以上を得ることができる。
In the case of molding by normal casting, improvement in hardness due to work hardening cannot be expected, but when the metal powder injection molding method is adopted, the hardness of the metal base 304 becomes high due to the function of the residual carbon 901, and press etc. A Vickers hardness of 60 or more can be obtained without processing after the step.
金属粉末射出成型法により製作した金属ベース３０４は、鍛造よりも寸法精度を高くできるため、上述第２実施形態のような機械加工を施さなくても、加工表面を高精度な面精度で作製することができる。
Since the metal base 304 manufactured by the metal powder injection molding method can have higher dimensional accuracy than forging, the processed surface can be manufactured with high surface accuracy without performing machining as in the second embodiment. be able to.
第３の本実施形態においては、上述第１実施形態による作用効果に加えて次の作用効果を奏する。
（１）金属ベース３０４と放熱ピン３０５を金属粉末射出成型法により作製したので、Ｏリング８００との接触面や接合半田３５３との接合面を、そのまま高精度に平坦な面に形成することができる。そのため、フライス加工することなく、金属ベース３０４によるシール性と、接合半田による絶縁基板３３４の接合性を向上することができ、製造コストを低減することができる。
In the third embodiment, the following operational effects are obtained in addition to the operational effects of the first embodiment.
(1) Since the metal base 304 and the radiating pin 305 are produced by the metal powder injection molding method, the contact surface with the O-ring 800 and the bonding surface with the bonding solder 353 can be formed on a flat surface with high accuracy as it is. it can. Therefore, the sealing performance by the metal base 304 and the bonding performance of the insulating substrate 334 by bonding solder can be improved without milling, and the manufacturing cost can be reduced.
以上説明した実施形態による金属ベース３０４と放熱フィン３０５を次のように変形してもよい。
（１）上記実施形態では、図１３に示すように、放熱ピン３０５を千鳥状に配列したが、図２６に示すように、放熱ピン３０５を格子状に整列配列しても良い。冷却水流路１９の冷却水の流れる方向に放熱ピン３０５が並列されていることから、流通抵抗を千鳥状に配列するよりも小さくして放熱ピン３０５に冷却水を接触させることができる。この結果、冷却水の循環効率を高めて冷却能力を向上させることができる。
The metal base 304 and the heat radiation fin 305 according to the embodiment described above may be modified as follows.
(1) In the above embodiment, as shown in FIG. 13, the heat dissipation pins 305 are arranged in a staggered manner, but as shown in FIG. 26, the heat dissipation pins 305 may be arranged in a lattice shape. Since the heat radiating pins 305 are arranged in parallel in the direction in which the cooling water flows in the cooling water flow path 19, the cooling water can be brought into contact with the heat radiating pins 305 by making the flow resistance smaller than arranging them in a staggered manner. As a result, the cooling water circulation efficiency can be increased and the cooling capacity can be improved.
（２）図２７に示すように、断面が楕円形となる柱状の放熱ピン３０６を、放熱ピン３０６の断面形状における長径が冷却水流路１９内の冷却水の流れる方向と平行になるように配列することができる。断面楕円の放熱ピン３０６の扁平方向を冷却水の流れ方向に合わせて配列することにより、冷却水の流通抵抗をより小さくできる。また、放熱ピン３０６の冷却水に接触する面積を大きくすることができる。この結果、冷却能力をより向上させることができる。
(2) As shown in FIG. 27, column-shaped heat radiation pins 306 having an elliptical cross section are arranged so that the major axis in the cross-sectional shape of the heat radiation pins 306 is parallel to the flowing direction of the cooling water in the cooling water channel 19. can do. By arranging the flat direction of the heat dissipation pin 306 having an elliptical cross section in accordance with the flow direction of the cooling water, the flow resistance of the cooling water can be further reduced. In addition, the area of the heat radiation pin 306 that contacts the cooling water can be increased. As a result, the cooling capacity can be further improved.
（３）図２８に示すように、放熱平板３０７を、冷却水流路１９の冷却水の流れる方向と平行になるように並列してもよい。放熱ピン３０５、３０６を千鳥状あるいは格子状に配列する場合よりも、流通抵抗を小さくしつつ冷却水を接触させる面積を大きくすることができる。この結果、冷却水の循環効率を高めつつ冷却能力をより向上させることができる。なお、放熱ピン３０５と同様に、放熱平板３０７の厚さを２ｍｍ、高さを８ｍｍとすれば、厚さ：高さ＝１：４の比率となり、鍛造により製造することのできる限界比率であり最適な寸法である。
(3) As shown in FIG. 28, the heat radiating plate 307 may be arranged in parallel so as to be parallel to the direction in which the cooling water flows in the cooling water passage 19. Compared with the case where the radiating pins 305 and 306 are arranged in a staggered pattern or a grid pattern, the area where the cooling water is brought into contact can be increased while reducing the flow resistance. As a result, the cooling capacity can be further improved while improving the circulation efficiency of the cooling water. As with the heat dissipation pin 305, if the thickness of the heat dissipation flat plate 307 is 2 mm and the height is 8 mm, the ratio of thickness: height = 1: 4, which is a limit ratio that can be manufactured by forging. It is the optimal dimension.
（４）図１７に示したように、放熱ピン３０５はストレートピンであったが、図２９に示すように、金属ベース３０４から突設方向に先細り形状のテーパピンとしてもよい。テーパピンの付け根部の径は太くなり、放熱ピン３０８の強度を向上させることができる。また、冷却水との接触面積を大きくすることができる。この結果、冷却水の循環速度を上昇させることにより放熱ピン３０８が変形して損傷してしまうことを回避することができ、冷却能力の向上を容易に行い得るようにすることができる。
(4) Although the heat dissipation pin 305 is a straight pin as shown in FIG. 17, it may be a taper pin that is tapered from the metal base 304 in the projecting direction as shown in FIG. The diameter of the base portion of the taper pin is increased, and the strength of the heat dissipation pin 308 can be improved. Further, the contact area with the cooling water can be increased. As a result, it is possible to avoid the heat dissipation pin 308 from being deformed and damaged by increasing the circulation rate of the cooling water, and the cooling capacity can be easily improved.
本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施することができる。したがって、各実施形態と変形例の一つ、もしくは複数を組み合わせることも可能である。変形例をどのように組み合わせることも可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various forms within the scope of the technical idea. Therefore, it is also possible to combine each embodiment and one or a plurality of modified examples. Any combination of the modified examples is possible.
以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。
The above description is merely an example, and the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment.
