JP2019146377A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】構成の複雑化及び大型化を抑制しながら、所望の冷却性能を確保する。【解決手段】電力変換装置1は、積層体90と、冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bと、支持部材85と、電力変換モジュール82と、を備える。積層体90は、複数の半導体モジュール81と、複数の冷却体83とが交互に積層されて配置されている。冷却体83は、冷媒が流通する冷媒流路を備えている。冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bは、Y軸方向において半導体モジュール81に対して相互の反対側に配置され、複数の冷却体83をX軸方向に接続して、冷媒流路とともに冷媒が流通する冷却流路を形成する。電力変換モジュール82は、支持部材85の内側において積層体90と一体的に設けられ、X軸方向の両側から冷却体83によって挟み込まれるとともに、Y軸方向における冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bの間に配置され、降圧動作を行う。【選択図】図1
Description
本発明は、電力変換装置に関する。
従来、冷媒流路を介して対向配置される第1及び第2の放熱板の各々に取り付けられるパワードライブユニット及びDC−DCコンバータを備える電装ユニットが知られている(例えば、特許文献1参照)。この電装ユニットにおいて、車両駆動用のモータを制御するインバータなどから成るパワードライブユニットと、モータの電源であるバッテリの電圧を補機駆動用に降圧するDC−DCコンバータとは、別体に構成され、冷媒流路を交差方向の両側から挟み込むように対向配置されている(例えば、特許文献1参照)。
また、従来、複数の交流モータの駆動用として、所定方向に積層して配置された複数の半導体モジュールを備えるパワーコントロールユニットが知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、従来、複数の交流モータの駆動用として、所定方向に積層して配置された複数の半導体モジュールを備えるパワーコントロールユニットが知られている(例えば、特許文献2参照)。
ところで、上記従来技術に係る電装ユニットにおいて、パワードライブユニット及びDC−DCコンバータは、互いの対向面のみに各放熱板を備え、各々の単一の表面のみが冷媒によって冷却されるだけなので、冷却性能を向上させることが困難であり、所望の冷却性能を確保するために必要となる構成が大型化又は複雑化するおそれがある。しかも、上記従来技術に係るパワーコントロールユニットのように複数の半導体モジュールが積層されることによって放熱性が低下し易い構成においては、所望の冷却性能を確保することが困難になるおそれがある。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、構成の複雑化及び大型化を抑制しながら、所望の冷却性能を確保することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
(1)本発明の一態様に係る電力変換装置は、スイッチング素子(例えば、実施形態での各トランジスタUH,VH,WH,S1,UL,VL,WL,S2)を有して電力変換回路(例えば、実施形態での第1電力変換回路部31、第2電力変換回路部32、及び第3電力変換回路部33)を構成する複数の半導体モジュール(例えば、実施形態での半導体モジュール81)と、冷媒が流通する流路(例えば、実施形態での冷媒流路83a)を有する複数の冷却体(例えば、実施形態での冷却体83)と、が積層されて配置された積層体(例えば、実施形態での積層体90)と、前記積層体を積層方向(例えば、実施形態でのX軸方向)の両側から挟み込んで支持する支持部材(例えば、実施形態での支持部材85)と、前記支持部材の内側において、前記積層方向の両側から前記冷却体によって挟み込まれるとともに、前記電力変換回路の入力電圧に対して降圧動作を行う電力変換モジュール(例えば、実施形態での電力変換モジュール82)と、を備える。
(1)本発明の一態様に係る電力変換装置は、スイッチング素子(例えば、実施形態での各トランジスタUH,VH,WH,S1,UL,VL,WL,S2)を有して電力変換回路(例えば、実施形態での第1電力変換回路部31、第2電力変換回路部32、及び第3電力変換回路部33)を構成する複数の半導体モジュール(例えば、実施形態での半導体モジュール81)と、冷媒が流通する流路(例えば、実施形態での冷媒流路83a)を有する複数の冷却体(例えば、実施形態での冷却体83)と、が積層されて配置された積層体(例えば、実施形態での積層体90)と、前記積層体を積層方向(例えば、実施形態でのX軸方向)の両側から挟み込んで支持する支持部材(例えば、実施形態での支持部材85)と、前記支持部材の内側において、前記積層方向の両側から前記冷却体によって挟み込まれるとともに、前記電力変換回路の入力電圧に対して降圧動作を行う電力変換モジュール(例えば、実施形態での電力変換モジュール82)と、を備える。
(2)上記(1)に記載の電力変換装置では、前記電力変換モジュールは、前記積層方向から見て、互いに重ならないように、及び前記積層方向と交差する方向に並ぶように配置される、複数の電子素子(例えば、実施形態でのトランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71)を備えてもよい。
(3)上記(2)に記載の電力変換装置では、前記複数の電子素子は、前記積層方向の直交方向から見て、前記積層方向において互いにずれた位置に配置される複数の前記電子素子を備えてもよい。
(4)上記(2)又は(3)に記載の電力変換装置では、前記電力変換モジュールは、前記複数の電子素子を封止する封止体(例えば、実施形態での第2の樹脂モールド体M2)を備え、前記電力変換モジュールの前記積層方向の端部に配置される前記電子素子は、前記封止体の前記積層方向の端面(例えば、実施形態での第1端面M2A及び第2端面M2B)から露出する露出部(例えば、実施形態での冷却面82a)を備えてもよい。
(5)上記(2)から(4)の何れか1つに記載の電力変換装置では、前記電力変換モジュールは、前記積層方向において前記複数の電子素子の各々に対して相互の反対側に配置される複数の冷却板(例えば、実施形態での第1の冷却板89a及び第2の冷却板89b)を備えてもよい。
(6)上記(5)に記載の電力変換装置では、前記複数の冷却板の各々における前記積層方向の厚さは、前記複数の電子素子の各々における前記積層方向の厚さ及び位置に応じて形成されてもよい。
(7)上記(5)又は(6)に記載の電力変換装置では、前記電力変換モジュールは、 前記積層方向における前記冷却板と前記電子素子との間に配置されるとともに、前記積層方向に弾性変形して前記冷却板及び前記電子素子に接触する熱伝導性の弾性部材(例えば、実施形態での弾性部材97)を備えてもよい。
上記(1)によれば、電力変換モジュールは、複数の半導体モジュールと同様に、積層方向の両側から冷却体によって冷却されるので、構成の複雑化及び大型化を抑制しながら、所望の冷却性能を確保することができる。さらに、支持部材によって積層体及び電力変換モジュールの両方を支持するので、複数の冷却体に加えて構成が複雑化することを抑制しながら、複数の半導体モジュール及び電力変換モジュールを適正に冷却することができる。
上記(2)の場合、複数の電子素子における各々の発熱によって相互に温度上昇が助長されてしまうことを抑制し、電力変換モジュールを積層方向の両側から挟み込む複数の冷却体による冷却効率を向上させることができる。
上記(3)の場合、電力変換モジュールを積層方向の両側から挟み込む複数の冷却体の何れかに複数の電子素子の発熱が集中することを抑制し、複数の冷却体による冷却効率を向上させることができる。
上記(4)の場合、封止体によって不純物の侵入及び放射ノイズの外部伝搬を抑制しながら、露出部を備えることによって電子素子に対する冷却体の冷却効率を向上させることができる。
上記(5)の場合、電力変換モジュールの内部における複数の電子素子の各々に対する熱伝導性を向上させることができる。
上記(6)の場合、各冷却板の厚さが各電子素子の厚さ及び位置に応じて適正化されることにより、電力変換モジュールの内部において複数の電子素子の各々と冷却体との間で熱伝導性が低下することを抑制することができる。また、複数の電子素子の各々における熱的な状態(例えば、発熱量、冷却体との間の熱伝導性など)に応じて、冷却板の厚さを適切に形成することができる。
上記(7)の場合、冷却板及び電子素子に接触する熱伝導性の弾性部材を備えるので、電力変換モジュールの内部において複数の電子素子の各々と冷却体との間で熱伝導性が低下することを抑制することができる。弾性部材は積層方向に弾性変形するので、電力変換モジュールの内部の積層方向における電子素子及び冷却板の位置の誤差が増大することを抑制することができる。
以下、本発明の電力変換装置の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施形態による電力変換装置は、モータと第1バッテリとの間の電力授受を制御するとともに、第1バッテリの電圧の第2バッテリに対する降圧を制御する。例えば、電力変換装置は、電動車両等に搭載されている。電動車両は、電気自動車、ハイブリッド車両、及び燃料電池車両等である。電気自動車は、第1バッテリを動力源として駆動する。ハイブリッド車両は、第1バッテリ及び内燃機関を動力源として駆動する。燃料電池車両は、燃料電池を動力源として駆動する。
図1は、本発明の実施形態に係る電力変換装置1の構成を模式的に示す平面図である。図2は、本発明の実施形態に係る電力変換装置1を搭載する車両10の一部の構成を示す図である。図3は、本発明の実施形態に係る電力変換装置1のDC−DCコンバータ30の構成を示す図である。
<車両>
図2に示すように、車両10は、電力変換装置1に加えて、第1バッテリ11(BATT)と、走行駆動用の第1モータ12(MOT)、発電用の第2モータ13(GEN)と、第2バッテリ14と、補機類15と、を備えている。
第1バッテリ11は、例えば、車両10の動力源である高圧のバッテリである。第1バッテリ11は、バッテリケースと、バッテリケース内に収容される複数のバッテリモジュールと、を備えている。バッテリモジュールは、直列に接続される複数のバッテリセルを備えている。第1バッテリ11は、電力変換装置1の直流コネクタ1aに接続される正極端子PB及び負極端子NBを備えている。正極端子PB及び負極端子NBは、バッテリケース内において直列に接続される複数のバッテリモジュールの正極端及び負極端に接続されている。
図2に示すように、車両10は、電力変換装置1に加えて、第1バッテリ11(BATT)と、走行駆動用の第1モータ12(MOT)、発電用の第2モータ13(GEN)と、第2バッテリ14と、補機類15と、を備えている。
第1バッテリ11は、例えば、車両10の動力源である高圧のバッテリである。第1バッテリ11は、バッテリケースと、バッテリケース内に収容される複数のバッテリモジュールと、を備えている。バッテリモジュールは、直列に接続される複数のバッテリセルを備えている。第1バッテリ11は、電力変換装置1の直流コネクタ1aに接続される正極端子PB及び負極端子NBを備えている。正極端子PB及び負極端子NBは、バッテリケース内において直列に接続される複数のバッテリモジュールの正極端及び負極端に接続されている。
第1モータ12は、第1バッテリ11から供給される電力によって回転駆動力(力行動作)を発生させる。第2モータ13は、回転軸に入力される回転駆動力によって発電電力を発生させる。ここで、第2モータ13には、内燃機関の回転動力が伝達可能に構成されている。例えば、第1モータ12及び第2モータ13の各々は、3相交流のブラシレスDCモータである。3相は、U相、V相、及びW相である。第1モータ12及び第2モータ13の各々は、インナーロータ型である。各モータ12,13は、界磁用の永久磁石を有する回転子と、回転子を回転させる回転磁界を発生させるための3相のステータ巻線を有する固定子と、をそれぞれ備えている。第1モータ12の3相のステータ巻線は、電力変換装置1の第1の3相コネクタ1bに接続されている。第2モータ13の3相のステータ巻線は、電力変換装置1の第2の3相コネクタ1cに接続されている。
第2バッテリ14は、例えば、車両10の車載機器などの補機類を駆動する低圧のバッテリである。第2バッテリ14は、電力変換装置1のDC−DCコンバータ30を介して第1バッテリ11に接続されている。第2バッテリ14は、DC−DCコンバータ30から出力される電圧、つまり第1バッテリ11の出力電圧が降圧されて得られる電圧が印加される。
補機類15は、第2バッテリ14から出力される電圧、つまり補機類15の作動電圧によって駆動される。補機類15は、例えば、各種の電装機器などである。
補機類15は、第2バッテリ14から出力される電圧、つまり補機類15の作動電圧によって駆動される。補機類15は、例えば、各種の電装機器などである。
<電力変換装置>
電力変換装置1は、パワーモジュール21と、リアクトル22と、コンデンサユニット23と、抵抗器24と、第1電流センサ25と、第2電流センサ26と、第3電流センサ27と、電子制御ユニット28(MOT GEN ECU)と、ゲートドライブユニット29(G/D VCU ECU)と、DC−DCコンバータ30と、を備えている。
パワーモジュール21は、第1電力変換回路部31と、第2電力変換回路部32と、第3電力変換回路部33と、を備えている。第1電力変換回路部31は、第1の3相コネクタ1bによって第1モータ12の3相のステータ巻線に接続されている。第1電力変換回路部31は、第1バッテリ11から第3電力変換回路部33を介して入力される直流電力を3相交流電力に変換する。第2電力変換回路部32は、第2の3相コネクタ1cによって第2モータ13の3相のステータ巻線に接続されている。第2電力変換回路部32は、第2モータ13から入力される3相交流電力を直流電力に変換する。第2電力変換回路部32によって変換された直流電力は、第1バッテリ11及び第1電力変換回路部31の少なくとも一方に供給することが可能である。
電力変換装置1は、パワーモジュール21と、リアクトル22と、コンデンサユニット23と、抵抗器24と、第1電流センサ25と、第2電流センサ26と、第3電流センサ27と、電子制御ユニット28(MOT GEN ECU)と、ゲートドライブユニット29(G/D VCU ECU)と、DC−DCコンバータ30と、を備えている。
パワーモジュール21は、第1電力変換回路部31と、第2電力変換回路部32と、第3電力変換回路部33と、を備えている。第1電力変換回路部31は、第1の3相コネクタ1bによって第1モータ12の3相のステータ巻線に接続されている。第1電力変換回路部31は、第1バッテリ11から第3電力変換回路部33を介して入力される直流電力を3相交流電力に変換する。第2電力変換回路部32は、第2の3相コネクタ1cによって第2モータ13の3相のステータ巻線に接続されている。第2電力変換回路部32は、第2モータ13から入力される3相交流電力を直流電力に変換する。第2電力変換回路部32によって変換された直流電力は、第1バッテリ11及び第1電力変換回路部31の少なくとも一方に供給することが可能である。
第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々は、ブリッジ接続される複数のスイッチング素子によって形成されるブリッジ回路を備えている。例えば、スイッチング素子は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、又はMOSFET(Metal Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor)等のトランジスタである。例えば、ブリッジ回路においては、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームU相トランジスタUH,ULと、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームV相トランジスタVH,VLと、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームW相トランジスタWH,WLとが、それぞれブリッジ接続されている。
ハイサイドアームの各トランジスタUH,VH,WHは、コレクタが正極バスバーPIに接続されてハイサイドアームを構成している。各相においてハイサイドアームの各正極バスバーPIは、コンデンサユニット23の正極バスバー50pに接続されている。
ローサイドアームの各トランジスタUL,VL,WLは、エミッタが負極バスバーNIに接続されてローサイドアームを構成している。各相においてローサイドアームの各負極バスバーNIは、コンデンサユニット23の負極バスバー50nに接続されている。
ローサイドアームの各トランジスタUL,VL,WLは、エミッタが負極バスバーNIに接続されてローサイドアームを構成している。各相においてローサイドアームの各負極バスバーNIは、コンデンサユニット23の負極バスバー50nに接続されている。
各相においてハイサイドアームの各トランジスタUH,VH,WHのエミッタは、接続点TIにおいてローサイドアームの各トランジスタUL,VL,WLのコレクタに接続されている。
第1電力変換回路部31の各相において接続点TIを形成する第1バスバー51は第1入出力端子Q1に接続されている。第1入出力端子Q1は、第1の3相コネクタ1bに接続されている。第1電力変換回路部31の各相の接続点TIは、第1バスバー51、第1入出力端子Q1、及び第1の3相コネクタ1bを介して第1モータ12の各相のステータ巻線に接続されている。
第1電力変換回路部31の各相において接続点TIを形成する第1バスバー51は第1入出力端子Q1に接続されている。第1入出力端子Q1は、第1の3相コネクタ1bに接続されている。第1電力変換回路部31の各相の接続点TIは、第1バスバー51、第1入出力端子Q1、及び第1の3相コネクタ1bを介して第1モータ12の各相のステータ巻線に接続されている。
第2電力変換回路部32の各相において接続点TIを形成する第2バスバー52は第2入出力端子Q2に接続されている。第2入出力端子Q2は、第2の3相コネクタ1cに接続されている。第2電力変換回路部32の各相の接続点TIは、第2バスバー52、第2入出力端子Q2、及び第2の3相コネクタ1cを介して第2モータ13の各相のステータ巻線に接続されている。
ブリッジ回路は、各トランジスタUH,UL,VH,VL,WH,WLのコレクタ−エミッタ間においてエミッタからコレクタに向けて順方向となるように接続されるダイオードを備えている。
ブリッジ回路は、各トランジスタUH,UL,VH,VL,WH,WLのコレクタ−エミッタ間においてエミッタからコレクタに向けて順方向となるように接続されるダイオードを備えている。
第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々は、ゲートドライブユニット29から各トランジスタUH,VH,WH,UL,VL,WLのゲートに入力されるスイッチング指令であるゲート信号に基づき、各相のトランジスタ対のオン(導通)/オフ(遮断)を切り替える。第1電力変換回路部31は、第1バッテリ11から第3電力変換回路部33を介して入力される直流電力を3相交流電力に変換し、第1モータ12の3相のステータ巻線への通電を順次転流させることで、3相のステータ巻線に交流のU相電流、V相電流、及びW相電流を通電する。第2電力変換回路部32は、第2モータ13の回転に同期がとられた各相のトランジスタ対のオン(導通)/オフ(遮断)駆動によって、第2モータ13の3相のステータ巻線から出力される3相交流電力を直流電力に変換する。
第3電力変換回路部33は、電圧コントロールユニット(VCU)である。第3電力変換回路部33は、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームのスイッチング素子を備えている。例えば、第3電力変換回路部33は、ハイサイドアームの第1トランジスタS1及びローサイドアームの第2トランジスタS2を備えている。
第1トランジスタS1は、コレクタが正極バスバーPVに接続されてハイサイドアームを構成している。ハイサイドアームの正極バスバーPVは、コンデンサユニット23の正極バスバー50pに接続されている。第2トランジスタS2は、エミッタが負極バスバーNVに接続されてローサイドアームを構成している。ローサイドアームの負極バスバーNVは、コンデンサユニット23の負極バスバー50nに接続されている。コンデンサユニット23の負極バスバー50nは、第1バッテリ11の負極端子NBに接続されている。ハイサイドアームの第1トランジスタS1のエミッタはローサイドアームの第2トランジスタS2のコレクタに接続されている。第3電力変換回路部33は、第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2の各々のコレクタ−エミッタ間においてエミッタからコレクタに向けて順方向となるように接続されるダイオードを備えている。
ハイサイドアームの第1トランジスタS1とローサイドアームの第2トランジスタS2との接続点を形成する第3バスバー53は、リアクトル22に接続されている。リアクトル22の両端は、第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2の接続点と、第1バッテリ11の正極端子PBとに接続されている。リアクトル22は、コイルと、コイルの温度を検出する温度センサとを備えている。温度センサは、信号線によって電子制御ユニット28に接続されている。
第3電力変換回路部33は、ゲートドライブユニット29から第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2の各々のゲートに入力されるスイッチング指令であるゲート信号に基づき、トランジスタ対のオン(導通)/オフ(遮断)を切り替える。
第3電力変換回路部33は、昇圧時において、第2トランジスタS2がオン(導通)及び第1トランジスタS1がオフ(遮断)に設定される第1状態と、第2トランジスタS2がオフ(遮断)及び第1トランジスタS1がオン(導通)に設定される第2状態とを交互に切り替える。第1状態では、順次、第1バッテリ11の正極端子PB、リアクトル22、第2トランジスタS2、第1バッテリ11の負極端子NBへと電流が流れ、リアクトル22が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。第2状態では、リアクトル22に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル22の両端間に起電圧(誘導電圧)が発生する。リアクトル22に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧はバッテリ電圧に重畳されて、第1バッテリ11の端子間電圧よりも高い昇圧電圧が第3電力変換回路部33の正極バスバーPVと負極バスバーNVとの間に印加される。
第3電力変換回路部33は、回生時において、第2状態と、第1状態とを交互に切り替える。第2状態では、順次、第3電力変換回路部33の正極バスバーPV、第1トランジスタS1、リアクトル22、第1バッテリ11の正極端子PBへと電流が流れ、リアクトル22が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。第1状態では、リアクトル22に流れる電流が遮断されることに起因する磁束の変化を妨げるようにしてリアクトル22の両端間に起電圧(誘導電圧)が発生する。リアクトル22に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧は降圧されて、第3電力変換回路部33の正極バスバーPV及び負極バスバーNV間の電圧よりも低い降圧電圧が第1バッテリ11の正極端子PBと負極端子NBとの間に印加される。
コンデンサユニット23は、第1平滑コンデンサ41と、第2平滑コンデンサ42と、ノイズフィルタ43と、を備えている。
第1平滑コンデンサ41は、第1バッテリ11の正極端子PBと負極端子NBとの間に接続されている。第1平滑コンデンサ41は、第3電力変換回路部33の回生時における第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2のオン/オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
第2平滑コンデンサ42は、第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々の正極バスバーPI及び負極バスバーNI間、並びに第3電力変換回路部33の正極バスバーPV及び負極バスバーNV間に接続されている。第2平滑コンデンサ42は、正極バスバー50p及び負極バスバー50nを介して、複数の正極バスバーPI及び負極バスバーNI、並びに正極バスバーPV及び負極バスバーNVに接続されている。第2平滑コンデンサ42は、第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々の各トランジスタUH,UL,VH,VL,WH,WLのオン/オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。第2平滑コンデンサ42は、第3電力変換回路部33の昇圧時における第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2のオン/オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
第2平滑コンデンサ42は、第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々の正極バスバーPI及び負極バスバーNI間、並びに第3電力変換回路部33の正極バスバーPV及び負極バスバーNV間に接続されている。第2平滑コンデンサ42は、正極バスバー50p及び負極バスバー50nを介して、複数の正極バスバーPI及び負極バスバーNI、並びに正極バスバーPV及び負極バスバーNVに接続されている。第2平滑コンデンサ42は、第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々の各トランジスタUH,UL,VH,VL,WH,WLのオン/オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。第2平滑コンデンサ42は、第3電力変換回路部33の昇圧時における第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2のオン/オフの切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
ノイズフィルタ43は、第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々の正極バスバーPI及び負極バスバーNI間、並びに第3電力変換回路部33の正極バスバーPV及び負極バスバーNV間に接続されている。ノイズフィルタ43は、直列に接続される2つのコンデンサを備えている。2つのコンデンサの接続点は、車両10のボディグラウンド等に接続されている。
抵抗器24は、第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々の正極バスバーPI及び負極バスバーNI間、並びに第3電力変換回路部33の正極バスバーPV及び負極バスバーNV間に接続されている。
抵抗器24は、第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々の正極バスバーPI及び負極バスバーNI間、並びに第3電力変換回路部33の正極バスバーPV及び負極バスバーNV間に接続されている。
第1電流センサ25は、第1電力変換回路部31の各相の接続点TIを成し、第1入出力端子Q1と接続される第1バスバー51に配置され、U相、V相、及びW相の各々の電流を検出する。第2電流センサ26は、第2電力変換回路部32の各相の接続点TIを成すとともに第2入出力端子Q2と接続される第2バスバー52に配置され、U相、V相、及びW相の各々の電流を検出する。第3電流センサ27は、第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2の接続点を成すとともにリアクトル22と接続される第3バスバー53に配置され、リアクトル22に流れる電流を検出する。
第1電流センサ25、第2電流センサ26、及び第3電流センサ27の各々は、信号線によって電子制御ユニット28に接続されている。
第1電流センサ25、第2電流センサ26、及び第3電流センサ27の各々は、信号線によって電子制御ユニット28に接続されている。
電子制御ユニット28は、第1モータ12及び第2モータ13の各々の動作を制御する。例えば、電子制御ユニット28は、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、CPU等のプロセッサ、プログラムを格納するROM(Read Only Memory)、データを一時的に記憶するRAM(Random Access Memory)、及びタイマー等の電子回路を備えるECU(Electronic Control Unit)である。なお、電子制御ユニット28の少なくとも一部は、LSI(Large Scale Integration)等の集積回路であってもよい。例えば、電子制御ユニット28は、第1電流センサ25の電流検出値と第1モータ12に対するトルク指令値に応じた電流目標値とを用いる電流のフィードバック制御等を実行し、ゲートドライブユニット29に入力する制御信号を生成する。例えば、電子制御ユニット28は、第2電流センサ26の電流検出値と第2モータ13に対する回生指令値に応じた電流目標値とを用いる電流のフィードバック制御等を実行し、ゲートドライブユニット29に入力する制御信号を生成する。制御信号は、第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々の各トランジスタUH,VH,WH,UL,VL,WLをオン(導通)/オフ(遮断)駆動するタイミングを示す信号である。例えば、制御信号は、パルス幅変調された信号等である。
ゲートドライブユニット29は、電子制御ユニット28から受け取る制御信号に基づいて、第1電力変換回路部31及び第2電力変換回路部32の各々の各トランジスタUH,VH,WH,UL,VL,WLを実際にオン(導通)/オフ(遮断)駆動するためのゲート信号を生成する。例えば、ゲートドライブユニット29は、制御信号の増幅及びレベルシフト等を実行して、ゲート信号を生成する。
ゲートドライブユニット29は、第3電力変換回路部33の第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2の各々をオン(導通)/オフ(遮断)駆動するためのゲート信号を生成する。例えば、ゲートドライブユニット29は、第3電力変換回路部33の昇圧時における昇圧電圧指令又は第3電力変換回路部33の回生時における降圧電圧指令に応じたデューティー比のゲート信号を生成する。デューティー比は、第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2の比率である。
ゲートドライブユニット29は、第3電力変換回路部33の第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2の各々をオン(導通)/オフ(遮断)駆動するためのゲート信号を生成する。例えば、ゲートドライブユニット29は、第3電力変換回路部33の昇圧時における昇圧電圧指令又は第3電力変換回路部33の回生時における降圧電圧指令に応じたデューティー比のゲート信号を生成する。デューティー比は、第1トランジスタS1及び第2トランジスタS2の比率である。
図2及び図3に示すように、DC−DCコンバータ30は、直流コネクタ1aを介して第1バッテリ11の正極端子PB及び負極端子NBに接続される第1正極バスバー60p1及び第1負極バスバー60n1を備えている。DC−DCコンバータ30は、第2バッテリ14の正極端子及び負極端子に接続される第2正極バスバー60p2及び第2負極バスバー60n2を備えている。
DC−DCコンバータ30は、第1ヒューズ61と、第1入力コンデンサ62と、入力フィルタ63と、第2入力コンデンサ64と、ブリッジ回路65と、第1及び第2コンデンサ66,67と、トランス68と、第1及び第2ダイオード69,70と、チョークコイル71と、出力コンデンサ72と、第2ヒューズ73と、を備えている。
DC−DCコンバータ30は、第1ヒューズ61と、第1入力コンデンサ62と、入力フィルタ63と、第2入力コンデンサ64と、ブリッジ回路65と、第1及び第2コンデンサ66,67と、トランス68と、第1及び第2ダイオード69,70と、チョークコイル71と、出力コンデンサ72と、第2ヒューズ73と、を備えている。
第1ヒューズ61は、第1バッテリ11の正極端子PB側において第1正極バスバー60p1に接続されている。第1ヒューズ61は、例えば短絡等の異常時において過電流を遮断する。
第1入力コンデンサ62は、第1正極バスバー60p1及び第1負極バスバー60n1の間において第1ヒューズ61に直列に接続されている。第1入力コンデンサ62は、第1バッテリ11からの入力電圧を平滑化する。
入力フィルタ63は、第1入力コンデンサ62と第2入力コンデンサ64との間に接続されている。入力フィルタ63は、例えば、共通のコアを有する2つのチョークコイルから成るコモンモードフィルタである。入力フィルタ63は、コモンモードのノイズ電流を除去する。
第2入力コンデンサ64は、ブリッジ回路65の正極端子65p及び負極端子65nの間に接続されている。第2入力コンデンサ64は、ブリッジ回路65のスイッチング動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
第1入力コンデンサ62は、第1正極バスバー60p1及び第1負極バスバー60n1の間において第1ヒューズ61に直列に接続されている。第1入力コンデンサ62は、第1バッテリ11からの入力電圧を平滑化する。
入力フィルタ63は、第1入力コンデンサ62と第2入力コンデンサ64との間に接続されている。入力フィルタ63は、例えば、共通のコアを有する2つのチョークコイルから成るコモンモードフィルタである。入力フィルタ63は、コモンモードのノイズ電流を除去する。
第2入力コンデンサ64は、ブリッジ回路65の正極端子65p及び負極端子65nの間に接続されている。第2入力コンデンサ64は、ブリッジ回路65のスイッチング動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
ブリッジ回路65は、ブリッジ接続される4つのスイッチング素子を備えている。スイッチング素子は、例えば、MOSFET等のトランジスタである。ブリッジ回路65においては、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアーム第1トランジスタQH1,QL1と、対を成すハイサイドアーム及びローサイドアーム第2トランジスタQH2,QL2とが、それぞれブリッジ接続されている。
ハイサイドアームの各トランジスタQH1,QH2は、ドレインが正極端子65pに接続されてハイサイドアームを構成している。ローサイドアームの各トランジスタQL1,QL2は、ソースが負極端子65nに接続されてローサイドアームを構成している。ハイサイドアームの各トランジスタQH1,QH2のソースは、ローサイドアームの各トランジスタQL1,QL2のドレインに接続されている。
ブリッジ回路65は、正極端子65p及び負極端子65nの間に印加される直流電力を交流電力に変換し、トランス68の1次側コイル68aへの通電を順次転流させることで、1次側コイル68aに交流電流を通電する。
ハイサイドアームの各トランジスタQH1,QH2は、ドレインが正極端子65pに接続されてハイサイドアームを構成している。ローサイドアームの各トランジスタQL1,QL2は、ソースが負極端子65nに接続されてローサイドアームを構成している。ハイサイドアームの各トランジスタQH1,QH2のソースは、ローサイドアームの各トランジスタQL1,QL2のドレインに接続されている。
ブリッジ回路65は、正極端子65p及び負極端子65nの間に印加される直流電力を交流電力に変換し、トランス68の1次側コイル68aへの通電を順次転流させることで、1次側コイル68aに交流電流を通電する。
第1コンデンサ66は、ブリッジ回路65の正極端子65pとボディグラウンドとの間に接続されている。第2コンデンサ67は、ブリッジ回路65の負極端子65nとボディグラウンドとの間に接続されている。
トランス68は、1次側コイル68a及び2次側コイル68bを備えている。
1次側コイル68aは、ブリッジ回路65のハイサイドアーム及びローサイドアーム第1トランジスタQH1,QL1の接続点と、ブリッジ回路65のハイサイドアーム及びローサイドアーム第2トランジスタQH2,QL2の接続点との間に接続されている。
2次側コイル68bは、第1ダイオード69のアノードと、第2ダイオード70のアノードとの間に接続されている。2次側コイル68bの中間タップは、第2負極バスバー60n2に接続されている。
トランス68は、1次側コイル68aの交流電力によって2次側コイル68bに誘導起電力を発生させ、1次側コイル68aに印加される電圧を降圧して2次側コイル68bに誘起電圧を発生させる。
1次側コイル68aは、ブリッジ回路65のハイサイドアーム及びローサイドアーム第1トランジスタQH1,QL1の接続点と、ブリッジ回路65のハイサイドアーム及びローサイドアーム第2トランジスタQH2,QL2の接続点との間に接続されている。
2次側コイル68bは、第1ダイオード69のアノードと、第2ダイオード70のアノードとの間に接続されている。2次側コイル68bの中間タップは、第2負極バスバー60n2に接続されている。
トランス68は、1次側コイル68aの交流電力によって2次側コイル68bに誘導起電力を発生させ、1次側コイル68aに印加される電圧を降圧して2次側コイル68bに誘起電圧を発生させる。
第1ダイオード69及び第2ダイオード70は、トランス68の2次側コイル68bの誘導起電力を整流する。第1ダイオード79及び第2ダイオード80のカソードは、チョークコイル71に接続されている。
チョークコイル71は、第1ダイオード79及び第2ダイオード80のカソードと、第2ヒューズ73との間に接続されている。出力コンデンサ72は、チョークコイル71と第2負極バスバー60n2との間に接続されている。チョークコイル71及び出力コンデンサ72は、第2バッテリ14への出力電圧を平滑化する。
第2ヒューズ73は、第2バッテリ14の正極側において第2正極バスバー60p2に接続されている。第2ヒューズ73は、例えば短絡等の異常時において過電流を遮断する。
チョークコイル71は、第1ダイオード79及び第2ダイオード80のカソードと、第2ヒューズ73との間に接続されている。出力コンデンサ72は、チョークコイル71と第2負極バスバー60n2との間に接続されている。チョークコイル71及び出力コンデンサ72は、第2バッテリ14への出力電圧を平滑化する。
第2ヒューズ73は、第2バッテリ14の正極側において第2正極バスバー60p2に接続されている。第2ヒューズ73は、例えば短絡等の異常時において過電流を遮断する。
図4は、本発明の実施形態に係る電力変換装置1の一部の構成を示す分解斜視図である。図5は、本発明の実施形態に係る電力変換装置1の一部の構成を図1に示すY軸方向から見た図である。図6は、本発明の実施形態に係る電力変換装置1のDC−DCコンバータ30の一部の構成を示す断面図(図1に示すY軸方向に対する断面図)である。
図1、図4、及び図5に示すように、電力変換装置1は、複数の半導体モジュール81と、電力変換モジュール82と、複数の冷却体83と、複数の管状部材84と、支持部材85と、接続プレート86と、ばね部材87と、カバー88と、を備えている。
図1、図4、及び図5に示すように、電力変換装置1は、複数の半導体モジュール81と、電力変換モジュール82と、複数の冷却体83と、複数の管状部材84と、支持部材85と、接続プレート86と、ばね部材87と、カバー88と、を備えている。
複数の半導体モジュール81の各々は、例えば、上述した第1、第2、及び第3電力変換回路部31,32,33におけるハイサイドアーム及びローサイドアームのスイッチング素子によって形成される素子列を備えている。
第1電力変換回路部31において、ハイサイドアーム及びローサイドアームU相トランジスタUH,ULは素子列PU1を形成し、ハイサイドアーム及びローサイドアームV相トランジスタVH,VLは素子列PV1を形成し、ハイサイドアーム及びローサイドアームW相トランジスタWH,WLは素子列PW1を形成している。
第2電力変換回路部32において、ハイサイドアーム及びローサイドアームU相トランジスタUH,ULは素子列PU2を形成し、ハイサイドアーム及びローサイドアームV相トランジスタVH,VLは素子列PV2を形成し、ハイサイドアーム及びローサイドアームW相トランジスタWH,WLは素子列PW2を形成している。
第3電力変換回路部33において、ハイサイドアームの第1トランジスタS1及びローサイドアームの第2トランジスタS2は素子列PSを形成している。
第1電力変換回路部31において、ハイサイドアーム及びローサイドアームU相トランジスタUH,ULは素子列PU1を形成し、ハイサイドアーム及びローサイドアームV相トランジスタVH,VLは素子列PV1を形成し、ハイサイドアーム及びローサイドアームW相トランジスタWH,WLは素子列PW1を形成している。
第2電力変換回路部32において、ハイサイドアーム及びローサイドアームU相トランジスタUH,ULは素子列PU2を形成し、ハイサイドアーム及びローサイドアームV相トランジスタVH,VLは素子列PV2を形成し、ハイサイドアーム及びローサイドアームW相トランジスタWH,WLは素子列PW2を形成している。
第3電力変換回路部33において、ハイサイドアームの第1トランジスタS1及びローサイドアームの第2トランジスタS2は素子列PSを形成している。
例えば、各半導体モジュール81において、各素子列PU1,PV1,PW1,PU2,PV2,PW2,PSは、電気的絶縁性の樹脂材料を用いたモールド成型により形成される第1の樹脂モールド体M1の内部に固定されている。各素子列PU1,PV1,PW1,PU2,PV2,PW2に接続される正極バスバーPI、負極バスバーNI、第1バスバー51又は第2バスバー52、及び制御電極70aと、素子列PSに接続される正極バスバーPV、負極バスバーNV、第3バスバー53、及び制御電極70bとは、第1の樹脂モールド体M1の外部に突出している。各制御電極70a,70bは、各素子列PU1,PV1,PW1,PU2,PV2,PW2,PSのゲートとゲートドライブユニット29とを接続している。
例えば、各バスバーPI,NI,PV,NV,51,52,53は、第1の樹脂モールド体M1からZ軸の負方向に突出し、各制御電極70a,70bは、第1の樹脂モールド体M1からZ軸の正方向に突出している。
例えば、各バスバーPI,NI,PV,NV,51,52,53は、第1の樹脂モールド体M1からZ軸の負方向に突出し、各制御電極70a,70bは、第1の樹脂モールド体M1からZ軸の正方向に突出している。
各半導体モジュール81において、後述する冷却体83に接触する冷却面(図示略)は第1の樹脂モールド体M1の表面から外部に露出している。各半導体モジュール81の冷却面は、例えば、第1の樹脂モールド体M1の内部において各素子列PU1,PV1,PW1,PU2,PV2,PW2,PSに接続される絶縁基板に設けられる導電体の表面である。絶縁基板は、例えば、DCB(Direct Copper Bonding)基板である。DCB基板は、セラミックス基板と、セラミックス基板の厚さ方向の両面に設けられる2つの銅板とを備えている。2つ銅板は、セラミックス基板を厚さ方向の両側から挟み込むとともに、セラミックス基板によって電気的に絶縁されている。
電力変換モジュール82は、例えば、上述したDC−DCコンバータ30を構成する全ての電子部品を固定する第2の樹脂モールド体M2を備えている。第2の樹脂モールド体M2は、電気的絶縁性の樹脂材料を用いたモールド成型により形成されている。第2の樹脂モールド体M2は、DC−DCコンバータ30を構成する全ての電子部品を、樹脂材料によって固定している。DC−DCコンバータ30の第1正極バスバー60p1及び第1負極バスバー60n1、第2正極バスバー60p2及び第2負極バスバー60n2、並びに制御電極70cは、第2の樹脂モールド体M2の外部に突出している。制御電極70cは、ブリッジ回路65の各トランジスタQH1,QL1,QH2,QL2のゲートとゲートドライブユニット29とを接続している。
例えば、各バスバー60p1,60n1,60p2,60n2は、第2の樹脂モールド体M2からZ軸の負方向に突出し、制御電極70cは、第2の樹脂モールド体M2からZ軸の正方向に突出している。
例えば、各バスバー60p1,60n1,60p2,60n2は、第2の樹脂モールド体M2からZ軸の負方向に突出し、制御電極70cは、第2の樹脂モールド体M2からZ軸の正方向に突出している。
図6に示すように、電力変換モジュール82において、後述する冷却体83に接触する冷却面82aは第2の樹脂モールド体M2の表面から外部に露出している。電力変換モジュール82の冷却面82aは、例えば、第2の樹脂モールド体M2の内部に固定される所定の電子素子に接する冷却板89の表面である。冷却板89は、例えば、所定の電子素子が配置されるDCB基板などの絶縁基板に設けられる導電体(銅板)などである。
電力変換モジュール82は、例えば、上述したDC−DCコンバータ30を構成する複数の電子素子のうち、所定の複数の電子素子によって形成される素子列を備えている。所定の複数の電子素子は、例えば、相対的に発熱量が大きい電子素子であって、ブリッジ回路65の各トランジスタQH1,QL1,QH2,QL2から成るトランジスタモジュールTMと、トランス68と、チョークコイル71と、などである。トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71は、素子列PQを形成している。
トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71は、図6に示すX軸方向(後述する積層方向)から見て、互いに重ならないように、及びX軸方向と直交するY軸方向に並ぶように配置されている。トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71は、Y軸方向から見て、X軸方向に互いにずれた位置に配置されている。例えば、トランジスタモジュールTMは相対的にX軸の正方向側にずれた位置に配置され、第1の冷却板89(89a)に接続されている。トランス68及びチョークコイル71は、相対的にX軸の負方向側にずれた位置に配置され、第2の冷却板89(89b)に接続されている。
トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71は、図6に示すX軸方向(後述する積層方向)から見て、互いに重ならないように、及びX軸方向と直交するY軸方向に並ぶように配置されている。トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71は、Y軸方向から見て、X軸方向に互いにずれた位置に配置されている。例えば、トランジスタモジュールTMは相対的にX軸の正方向側にずれた位置に配置され、第1の冷却板89(89a)に接続されている。トランス68及びチョークコイル71は、相対的にX軸の負方向側にずれた位置に配置され、第2の冷却板89(89b)に接続されている。
第1の冷却板89a及び第2の冷却板89bは、X軸方向において、DC−DCコンバータ30を構成する複数の電子素子の各々を間に挟んで、相互の反対側(つまり、X軸方向における各電子素子の両側)に配置されている。第1の冷却板89aは、X軸の正方向側における電力変換モジュール82の端部に配置され、第2の樹脂モールド体M2の表面(第1端面M2A)から外部に露出する表面(つまり冷却面82a)を備えている。第2の冷却板89bは、X軸の負方向側における電力変換モジュール82の端部に配置され、第2の樹脂モールド体M2の表面(第2端面M2B)から外部に露出する表面(つまり冷却面82a)を備えている。
図1、図4、図5、及び図6に示すように、複数の冷却体83の各々の外形は、例えば、矩形箱型に形成されている。各冷却体83の内部には、冷媒が流通する冷媒流路83aが形成されている。複数の冷却体83の各々は、複数の管状部材84(例えば、冷媒供給管84a及び冷媒排出管84b)によって積層方向(X軸方向)に接続されている。各冷却体83の冷媒流路83aと、冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bの各内部流路ISとは、相互に通じており、冷媒が流通する冷却流路Fを形成している。
各冷却体83は、各半導体モジュール81又は電力変換モジュール82が搭載される搭載面を備えている。各冷却体83は、厚さ方向における搭載面の反対側の内面(つまり、冷媒流路83aを形成する壁面の一部)上にヒートシンクとして機能する複数のフィン(図示略)を備えている。
各冷却体83は、各半導体モジュール81又は電力変換モジュール82が搭載される搭載面を備えている。各冷却体83は、厚さ方向における搭載面の反対側の内面(つまり、冷媒流路83aを形成する壁面の一部)上にヒートシンクとして機能する複数のフィン(図示略)を備えている。
複数の半導体モジュール81及び複数の冷却体83は、X軸方向に交互に積層されて積層体90を形成している。複数の冷却体83を積層方向(X軸方向)に接続する冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bは、積層方向に直交するY軸方向において、複数の半導体モジュール81を間に挟んで、相互の反対側(つまり、Y軸方向における積層体90の両側)に配置されている。冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bは、例えば、X軸の負方向において、積層体90の端部を成す冷却体83の端面83Aから外方に向かって突出している。
電力変換モジュール82は、例えば、積層体90と一体的に設けられ、X軸の正方向において、積層体90の端部を成す冷却体83の端面83Bに接するように配置されている。X軸の正方向は、冷媒供給管84aの内部流路ISにおける冷媒の流通方向(つまり上流側から下流側に向かう方向)である。電力変換モジュール82は、積層方向の両側から2つの冷却体83によって挟み込まれるとともに、積層方向に直交するY軸方向において、冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bの間に配置されている。電力変換モジュール82を挟み込む2つの冷却体83は、積層体90の冷却体83と同様に、冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bによって積層方向に接続されている。
電力変換モジュール82は、例えば、積層体90と一体的に設けられ、X軸の正方向において、積層体90の端部を成す冷却体83の端面83Bに接するように配置されている。X軸の正方向は、冷媒供給管84aの内部流路ISにおける冷媒の流通方向(つまり上流側から下流側に向かう方向)である。電力変換モジュール82は、積層方向の両側から2つの冷却体83によって挟み込まれるとともに、積層方向に直交するY軸方向において、冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bの間に配置されている。電力変換モジュール82を挟み込む2つの冷却体83は、積層体90の冷却体83と同様に、冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bによって積層方向に接続されている。
支持部材85は、積層体90と、積層体90と一体的に設けられる電力変換モジュール82及び冷却体83と、を支持する。支持部材85の外形は、例えば、矩形枠状に形成されている。支持部材85は、X軸方向に離れて配置されるとともにY軸方向に平行な第1端部91及び第2端部92と、Y軸方向に離れて配置されるとともにX軸方向に平行な第3端部93及び第4端部94とが、一体的に配置されることによって、矩形枠状に形成されている。支持部材85は、X軸方向及びY軸方向に直交するZ軸方向の両端部に、支持部材85の内側の貫通孔に通じてZ軸方向に向かって開口する第1開口部85a及び第2開口部85bが設けられている。
支持部材85の第1端部91には、X軸方向から見て積層体90並びに電力変換モジュール82及び冷却体83の少なくとも一部を外部に露出させるように、X軸方向から見て積層体90並びに電力変換モジュール82及び冷却体83と重なる位置に第1開放部91aが形成されている。例えば、第1開放部91aは、第1端部91のZ軸方向の端面上におけるY軸方向の中央部からZ軸方向の内方(つまり支持部材85の厚さ方向)に向かって切り欠かれることによって形成されている切り欠き形状の空間である。
第1開放部91aには、後述する接続プレート86と、ばね部材87と、カバー88の一部とが配置されている。
第1開放部91aには、後述する接続プレート86と、ばね部材87と、カバー88の一部とが配置されている。
支持部材85の第2端部92には、積層体90から突出する冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bが配置される2つの第2開放部92a,92aが形成されている。例えば、各第2開放部92aは、第2端部92のZ軸方向の端面上におけるY軸方向に離れた2つの位置(つまり、X軸方向から見て冷媒供給管84a及び冷媒排出管84bの各々に重なる位置)からZ軸方向の内方(つまり支持部材85の厚さ方向)に向かって切り欠かれることによって形成されている切り欠き形状の空間である。
支持部材85の第3端部93及び第4端部94の各々には、Y軸方向から見て積層体90並びに電力変換モジュール82及び冷却体83の少なくとも一部を外部に露出させるように、Y軸方向から見て積層体90並びに電力変換モジュール82及び冷却体83と重なる位置に第3開放部93a及び第4開放部94aの各々が形成されている。例えば、第3開放部93a及び第4開放部94aの各々は、第3端部93及び第4端部94の各々のZ軸方向の端面上におけるX軸方向の中央部からZ軸方向の内方(つまり支持部材85の厚さ方向)に向かって切り欠かれることによって形成されている切り欠き形状の空間である。
接続プレート86は、支持部材85の第1端部91の第1開放部91aに配置され、例えば、電力変換モジュール82に対してX軸の正方向側で接する冷却体83に積層されている。
ばね部材87は、支持部材85の第1端部91の第1開放部91aに配置され、接続プレート86及びカバー88によってX軸方向(つまり積層方向)の両側から挟み込まれている。例えば、ばね部材87の外形は、自然状態においてX軸方向に湾曲する板状に形成されている。ばね部材87は、Y軸方向Dの中央部が接続プレート86に接触した状態で両端部がカバー88によってX軸の負方向に冷却体83に向かって押し込まれるように弾性変形している。弾性変形しているばね部材87は、Y軸方向の中央部においてX軸の負方向に向かう復元力によって、接続プレート86、冷却体83、電力変換モジュール82、及び積層体90を、支持部材85の第2端部92に押し込むように弾性的に支持している。
カバー88は、支持部材85の第1端部91に固定されるY軸方向の両端部と、第1端部91の第1開放部91aに配置されるようにX軸の負方向に突出する中央部と、を備えている。カバー88の中央部は、第1開放部91aにおいて、ばね部材87のY軸方向の両端部をX軸の負方向に冷却体83に向かって押し込んでいる。
ばね部材87は、支持部材85の第1端部91の第1開放部91aに配置され、接続プレート86及びカバー88によってX軸方向(つまり積層方向)の両側から挟み込まれている。例えば、ばね部材87の外形は、自然状態においてX軸方向に湾曲する板状に形成されている。ばね部材87は、Y軸方向Dの中央部が接続プレート86に接触した状態で両端部がカバー88によってX軸の負方向に冷却体83に向かって押し込まれるように弾性変形している。弾性変形しているばね部材87は、Y軸方向の中央部においてX軸の負方向に向かう復元力によって、接続プレート86、冷却体83、電力変換モジュール82、及び積層体90を、支持部材85の第2端部92に押し込むように弾性的に支持している。
カバー88は、支持部材85の第1端部91に固定されるY軸方向の両端部と、第1端部91の第1開放部91aに配置されるようにX軸の負方向に突出する中央部と、を備えている。カバー88の中央部は、第1開放部91aにおいて、ばね部材87のY軸方向の両端部をX軸の負方向に冷却体83に向かって押し込んでいる。
上述したように、本実施形態の電力変換装置1によれば、電力変換モジュール82は、複数の半導体モジュール81と同様に、積層方向の両側から冷却体83によって冷却されるので、構成の複雑化及び大型化を抑制しながら、所望の冷却性能を確保することができる。さらに、支持部材85によって積層体90及び電力変換モジュール82の両方を支持するので、複数の冷却体83及び複数の管状部材84に加えて構成が複雑化することを抑制しながら、複数の半導体モジュール81及び電力変換モジュール82を適正に冷却することができる。
さらに、支持部材85には、Z軸方向に向かって開口する第1開口部85a及び第2開口部85bが設けられているので、複数の半導体モジュール81及び電力変換モジュール82の各バスバーPI,NI,PV,NV,51,52,53,60p1,60n1,60p2,60n2及び各制御電極70a,70b,70cを、各開口部85a,85bを通して突出させることができる。各バスバーPI,NI,PV,NV,51,52,53,60p1,60n1,60p2,60n2は、所定の組み合わせで積層方向に並んだ状態で同じ方向(例えば、Z軸の負方向)に突出するので、相互の接続又は外部の機器との接続などにおいて溶接などの接合作業を行う場合であっても、作業効率を向上させることができる。また、各制御電極70a,70b,70cは、同じ方向(例えば、Z軸の正方向)に突出するので、ゲートドライブユニット29などの機器との接続作業を効率的に行うことができる。
また、例えば、支持部材85に第1開口部85a及び第2開口部85bが形成されていない場合に比べて、支持部材85を軽量化することができる。
また、例えば、支持部材85に第1開口部85a及び第2開口部85bが形成されていない場合に比べて、支持部材85を軽量化することができる。
さらに、電力変換モジュール82において、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71などの相対的に発熱量が大きい電子素子は、X軸方向(積層方向)から見て、互いに重ならないように、及びX軸方向と直交するY軸方向に並ぶように配置されている。これにより、複数の電子素子における各々の発熱によって相互に温度上昇が助長されてしまうことを抑制し、電力変換モジュール82を積層方向の両側から挟み込む複数の冷却体83による冷却効率を向上させることができる。
さらに、電力変換モジュール82において、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71などの相対的に発熱量が大きい電子素子は、Y軸方向から見て、積層方向に互いにずれた位置に配置されている。これにより、電力変換モジュール82を積層方向の両側から挟み込む冷却体83の何れかに複数の電子素子の発熱が集中することを抑制し、冷却体83による冷却効率を向上させることができる。
さらに、電力変換モジュール82において、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71などの相対的に発熱量が大きい電子素子は、Y軸方向から見て、積層方向に互いにずれた位置に配置されている。これにより、電力変換モジュール82を積層方向の両側から挟み込む冷却体83の何れかに複数の電子素子の発熱が集中することを抑制し、冷却体83による冷却効率を向上させることができる。
さらに、電力変換モジュール82は、DC−DCコンバータ30を構成する全ての電子部品を固定する第2の樹脂モールド体M2を備えるので、不純物の侵入を抑制するとともに、ブリッジ回路65のスイッチング動作に伴う放射ノイズの外部への伝搬を抑制することができる。
さらに、電力変換モジュール82において、冷却体83に接触する冷却面82aは第2の樹脂モールド体M2の表面から外部に露出しているので、冷却体83による冷却効率を向上させることができる。
さらに、電力変換モジュール82において、DC−DCコンバータ30を構成する複数の電子素子の各々を間に挟んで積層方向の両側に配置される第1及び第2の冷却板89a,89bを備えるので、電力変換モジュール82の内部における複数の電子素子の各々に対する熱伝導性(つまり放熱性)を向上させることができる。
さらに、電力変換モジュール82において、冷却体83に接触する冷却面82aは第2の樹脂モールド体M2の表面から外部に露出しているので、冷却体83による冷却効率を向上させることができる。
さらに、電力変換モジュール82において、DC−DCコンバータ30を構成する複数の電子素子の各々を間に挟んで積層方向の両側に配置される第1及び第2の冷却板89a,89bを備えるので、電力変換モジュール82の内部における複数の電子素子の各々に対する熱伝導性(つまり放熱性)を向上させることができる。
以下、実施形態の変形例について説明する。
上述した実施形態において、電力変換モジュール82に備えられる複数の冷却板89の各々における積層方向の厚さは、DC−DCコンバータ30を構成する複数の電子素子の各々における積層方向の厚さ及び位置に応じて形成されてもよい。図7は、本発明の実施形態の第1変形例に係る電力変換装置1のDC−DCコンバータ30の一部の構成を示す断面図(図1に示すY軸方向に対する断面図)である。
上述した実施形態において、電力変換モジュール82に備えられる複数の冷却板89の各々における積層方向の厚さは、DC−DCコンバータ30を構成する複数の電子素子の各々における積層方向の厚さ及び位置に応じて形成されてもよい。図7は、本発明の実施形態の第1変形例に係る電力変換装置1のDC−DCコンバータ30の一部の構成を示す断面図(図1に示すY軸方向に対する断面図)である。
第1変形例に係る電力変換装置1の電力変換モジュール82において、第1及び第2の冷却板89a,89bの各々は、積層方向に所定の電子素子に向かって突出する突出部を備えている。所定の電子素子は、例えば、DC−DCコンバータ30を構成する複数の電子素子のうち、相対的に発熱量が大きい電子素子であって、素子列PQを構成するトランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71などである。
例えば、第1の冷却板89aは、X軸の負方向にトランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々に向かって突出する第1、第2、及び第3突出部95a,95b,95cを備えている。例えば、第2の冷却板89bは、X軸の正方向にトランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々に向かって突出する第4、第5、及び第6突出部96a,96b,96cを備えている。
例えば、第1の冷却板89aは、X軸の負方向にトランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々に向かって突出する第1、第2、及び第3突出部95a,95b,95cを備えている。例えば、第2の冷却板89bは、X軸の正方向にトランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々に向かって突出する第4、第5、及び第6突出部96a,96b,96cを備えている。
第1及び第4突出部95a,96aの積層方向の厚さは、電力変換モジュール82内におけるトランジスタモジュールTMの積層方向の厚さ及び位置に応じて形成されている。第1及び第4突出部95a,96aの積層方向の厚さは、電力変換モジュール82内におけるトランス68の積層方向の厚さ及び位置に応じて形成されている。第3及び第6突出部95c,96cの積層方向の厚さは、電力変換モジュール82内におけるチョークコイル71の積層方向の厚さ及び位置に応じて形成されている。
例えば、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々は、電力変換モジュール82内における積層方向の中央部に配置され、第1、第2、及び第3突出部95a,95b,95cの各々に接続されている。トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々は、積層方向において、第4、第5、及び第6突出部96a,96b,96cの各々との間に所定の間隔を置いて配置されている。
電力変換モジュール82は、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々と第4、第5、及び第6突出部96a,96b,96cの各々との間に配置される熱伝導性の弾性部材97を備えている。弾性部材97は、例えば、金属材料から成る板ばねなどである。弾性部材97は、積層方向に伸縮可能に弾性変形して、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々と第4、第5、及び第6突出部96a,96b,96cの各々とに接触している。弾性変形状態の弾性部材97は、積層方向の復元力によって、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々をX軸の正方向に第1、第2、及び第3突出部95a,95b,95cの各々に向かって押し込む。
例えば、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々は、電力変換モジュール82内における積層方向の中央部に配置され、第1、第2、及び第3突出部95a,95b,95cの各々に接続されている。トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々は、積層方向において、第4、第5、及び第6突出部96a,96b,96cの各々との間に所定の間隔を置いて配置されている。
電力変換モジュール82は、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々と第4、第5、及び第6突出部96a,96b,96cの各々との間に配置される熱伝導性の弾性部材97を備えている。弾性部材97は、例えば、金属材料から成る板ばねなどである。弾性部材97は、積層方向に伸縮可能に弾性変形して、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々と第4、第5、及び第6突出部96a,96b,96cの各々とに接触している。弾性変形状態の弾性部材97は、積層方向の復元力によって、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々をX軸の正方向に第1、第2、及び第3突出部95a,95b,95cの各々に向かって押し込む。
この第1変形例によれば、各突出部95a,95b,95c,96a,96b,96cの積層方向の厚さが、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々の厚さ及び位置に応じて適正化されることにより、電力変換モジュール82の内部における熱伝導性の低下を抑制することができる。また、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々における熱的な状態(例えば、発熱量、冷却体83との間の熱伝導性など)に応じて、第1及び第2の冷却板89a,89bの各々の厚さを適切に形成することができる。
さらに、トランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々と第4、第5、及び第6突出部96a,96b,96cの各々との間に配置される熱伝導性の弾性部材97を備えるので、電力変換モジュール82の内部における熱伝導性が低下することを抑制することができる。熱伝導性の弾性部材97は積層方向に弾性変形するので、電力変換モジュール82の内部の積層方向におけるトランジスタモジュールTM、トランス68、及びチョークコイル71の各々の位置の誤差が増大することを抑制することができる。
なお、上述した実施形態において、第2の樹脂モールド体M2の表面(第1端面M2A又は第2端面M2B)から外部に露出する冷却面82aは、第1の冷却板89a又は第2の冷却板89bの表面であるとしたが、これに限定されない。
例えば、冷却面82aは、積層方向における電力変換モジュール82の端部に配置される所定の電子素子の表面であってもよい。図8は、本発明の実施形態の第2変形例に係る電力変換装置1のDC−DCコンバータ30の一部の構成を示す断面図(図1に示すY軸方向に対する断面図)である。
例えば、冷却面82aは、積層方向における電力変換モジュール82の端部に配置される所定の電子素子の表面であってもよい。図8は、本発明の実施形態の第2変形例に係る電力変換装置1のDC−DCコンバータ30の一部の構成を示す断面図(図1に示すY軸方向に対する断面図)である。
第2変形例に係る電力変換装置1の電力変換モジュール82において、第1及び第2の冷却板89a,89bの各々は、積層方向に所定の電子素子に向かって突出する突出部を備えている。所定の電子素子は、例えば、DC−DCコンバータ30を構成する複数の電子素子のうち、相対的に発熱量が大きいとともに、相対的に小さな電子素子であって、素子列PQを構成するトランジスタモジュールTMなどである。
例えば、第1の冷却板89aは、X軸の負方向にトランジスタモジュールTMに向かって突出する第1突出部95aを備えている。第2の冷却板89bは、X軸の正方向にトランジスタモジュールTMに向かって突出する第4突出部96aを備えている。第1及び第4突出部95a,96aの積層方向の厚さは、電力変換モジュール82内におけるトランジスタモジュールTMの積層方向の厚さ及び位置に応じて形成されている。
例えば、トランジスタモジュールTMは、電力変換モジュール82内における積層方向の中央部に配置され、第1突出部95aに接続されている。トランジスタモジュールTMは、積層方向において、第4突出部96aとの間に所定の間隔を置いて配置されている。
電力変換モジュール82は、トランジスタモジュールTMと第4突出部96aとの間に配置される熱伝導性の弾性部材97を備えている。弾性部材97は、例えば、金属材料から成る板ばねなどである。弾性部材97は、積層方向に伸縮可能に弾性変形して、トランジスタモジュールTMと第4突出部96aとに接触している。弾性変形状態の弾性部材97は、積層方向の復元力によって、トランジスタモジュールTMをX軸の正方向に第1突出部95aに向かって押し込む。
例えば、第1の冷却板89aは、X軸の負方向にトランジスタモジュールTMに向かって突出する第1突出部95aを備えている。第2の冷却板89bは、X軸の正方向にトランジスタモジュールTMに向かって突出する第4突出部96aを備えている。第1及び第4突出部95a,96aの積層方向の厚さは、電力変換モジュール82内におけるトランジスタモジュールTMの積層方向の厚さ及び位置に応じて形成されている。
例えば、トランジスタモジュールTMは、電力変換モジュール82内における積層方向の中央部に配置され、第1突出部95aに接続されている。トランジスタモジュールTMは、積層方向において、第4突出部96aとの間に所定の間隔を置いて配置されている。
電力変換モジュール82は、トランジスタモジュールTMと第4突出部96aとの間に配置される熱伝導性の弾性部材97を備えている。弾性部材97は、例えば、金属材料から成る板ばねなどである。弾性部材97は、積層方向に伸縮可能に弾性変形して、トランジスタモジュールTMと第4突出部96aとに接触している。弾性変形状態の弾性部材97は、積層方向の復元力によって、トランジスタモジュールTMをX軸の正方向に第1突出部95aに向かって押し込む。
DC−DCコンバータ30を構成する複数の電子素子のうち、相対的に発熱量が大きいとともに、相対的に大きな電子素子は、第2の樹脂モールド体M2の表面(第1端面M2A又は第2端面M2B)から外部に露出する表面を有している。例えば、トランス68は、X軸方向の両端面68A,68Bを、冷却面82aとして、第2の樹脂モールド体M2の表面(第1端面M2A又は第2端面M2B)から外部に露出させている。例えば、チョークコイル71は、X軸方向の両端面71A,71Bを、冷却面82aとして、第2の樹脂モールド体M2の表面(第1端面M2A又は第2端面M2B)から外部に露出させている。
この第2変形例によれば、相対的に発熱量が大きい大型の電子素子は、冷却体83によって直接に冷却されるので、冷却効率を向上させることができる。
なお、上述した実施形態において、電力変換装置1は車両10に搭載されるとしたが、これに限定されず、他の機器に搭載されてもよい。
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1…電力変換装置、10…車両、11…第1バッテリ、12…第1モータ、13…第2モータ、14…第2バッテリ、21…パワーモジュール、22…リアクトル、29…ゲートドライブユニット、30…DC−DCコンバータ、31…第1電力変換回路部(電力変換回路)、32…第2電力変換回路部(電力変換回路)、33…第3電力変換回路部(電力変換回路)、60p1…第1正極バスバー、60n1…第1負極バスバー、60p2…第2正極バスバー、60n2…第2負極バスバー、68…トランス(電子素子)、71…チョークコイル(電子素子)、81…半導体モジュール、82…電力変換モジュール、82a…冷却面(露出部)、83…冷却体、83a…冷媒流路(流路)、84a…冷媒供給管、84b…冷媒排出管、85…支持部材、89a…第1の冷却板、89b…第2の冷却板、90…積層体、97…弾性部材、M2…第2の樹脂モールド体(封止体)、M2A…第1端面、M2B…第2端面、NI,NV…負極バスバー、PI,PV…正極バスバー、PU1,PV1,PW1,PU2,PV2,PW2,PS,PQ…素子列、TM…トランジスタモジュール(電子素子)、UH,VH,WH,S1…ハイサイドアームの各トランジスタ(スイッチング素子)、UL,VL,WL,S2…ローサイドアームの各トランジスタ(スイッチング素子)
Claims (7)
- スイッチング素子を有して電力変換回路を構成する複数の半導体モジュールと、冷媒が流通する流路を有する複数の冷却体と、が積層されて配置された積層体と、
前記積層体を積層方向の両側から挟み込んで支持する支持部材と、
前記支持部材の内側において、前記積層方向の両側から前記冷却体によって挟み込まれるとともに、前記電力変換回路の入力電圧に対して降圧動作を行う電力変換モジュールと、
を備える、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記電力変換モジュールは、
前記積層方向から見て、互いに重ならないように、及び前記積層方向と交差する方向に並ぶように配置される、複数の電子素子を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記複数の電子素子は、
前記積層方向の直交方向から見て、前記積層方向において互いにずれた位置に配置される複数の前記電子素子を備える、
ことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記電力変換モジュールは、前記複数の電子素子を封止する封止体を備え、
前記電力変換モジュールの前記積層方向の端部に配置される前記電子素子は、前記封止体の前記積層方向の端面から露出する露出部を備える、
ことを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の電力変換装置。 - 前記電力変換モジュールは、前記積層方向において前記複数の電子素子の各々に対して相互の反対側に配置される複数の冷却板を備える、
ことを特徴とする請求項2から請求項4の何れか1項に記載の電力変換装置。 - 前記複数の冷却板の各々における前記積層方向の厚さは、前記複数の電子素子の各々における前記積層方向の厚さ及び位置に応じて形成されている、
ことを特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記電力変換モジュールは、
前記積層方向における前記冷却板と前記電子素子との間に配置されるとともに、前記積層方向に弾性変形して前記冷却板及び前記電子素子に接触する熱伝導性の弾性部材を備える、
ことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の電力変換装置。
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