JP3641807B2 - 電力変換装置の変換部 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車などの移動体に搭載するインバータなどの電力変換装置の半導体素子を用いた変換部の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電気自動車、バッテリフォークリフトなどの車両には電力変換装置が使用され、その変換素子には半導体が用いられている。これら車両の電源は一般には一定電圧を供給するバッテリがもちいられているので、電力変換装置には一定の直流電圧を可変直流電圧に変換するものや、可変周波数の単相または多相交流に変換するものなどがある。ここでは、直流電圧を三相交流に変換するものを例として以下の説明を行うが、この発明はこれに限るものではない。
【０００３】
図４は，特許文献１に開示されたものと類似の直流電源６を三相交流に変換して三相交流モータ等の交流負荷７を駆動する電力変換装置を示す回路ブロック図、図５はその構造を説明するための構造説明図である。
図４において、スイッチングパワーモジュール（変換部とも言う）ｌは，電気自動車を例にすると，車両を始動または加速する際には，バッテリである直流電源６の放電出力を直流から三相交流に変換して三相交流モータ７を駆動し、車両を回生制動する際には，三相交流モータ７からの回生電力を三相交流から直流に変換してバッテリ６に戻す。スイッチングパワーモジュールｌには，直流／交流の電力変換を行うトランジスタや ＩＧＢＴ，Ｍ○Ｓ ＦＥＴ等のスイッチング素子２と，フリーホイールダイオード３と，スイッチング時にスイッチング素子２に発生するサージを抑制するためのスナバコンデンサ４と，スイッチング素子２を駆動する駆動回路部５とが内蔵されている。
【０００４】
ここで，スナバコンデンサ４に要求される主な特性は，周波数特性が良好であることであり，一般的にフイルムコンデンサが使用される。また，平滑用コンデンサ８はスイッチング時における直流電源６の電圧変動を抑制し，電圧の跳ね上がり等を平滑するものであり，十分大きな静電容量が必要となるため，一般的に，容易に大きな静電容量が得られるアルミ電解コンデンサが使用される。
特許文献１では，内部抵抗が小さく，周波数特性が良好であって，かつ固体の誘電体を使用しているコンデンサとしてセラミックコンデンサを使用することが開示されている。しかし、セラミックコンデンサは，コスト高で重量が重く，割れやショート故障等の問題があり，自動車等の環境で使用するのは好ましくない。
また，制御回路部９はスイッチングパワーモジュール１内の駆動回路部５に制御信号を出力してスイッチング素子２を制御するものである。尚，駆動回路部５と制御回路部９の内部構成は，この発明と直接関係がないので詳細な説明は省略する。
また，ラインバイパスコンデンサ１１は，スイッチング時に発生する浮遊容量によるノイズをシャシＧＮＤ（シャシグランド）９９にバイパスして低減させるものである。また，直流電源６をオフする時には、平滑コンデンサ８に蓄積された電荷を消費する放電抵抗１０により回路の電源ラインがいつまでも高電圧に維持されるのを防止している。
【０００５】
また，図５は，図４の電力変換装置の構成図である。図５において，ケース１２には，スイッチングパワーモジュール１と，複数個の平滑用コンデンサ８と，平滑コンデンサ８の電荷を消費する放電抵抗１０と，ノイズ対策用ラインバイパスコンデンサ１１と，スナバコンデンサ４を搭載したスナバコンデンサ基板１３と，制御回路部９を搭載する制御回路基板１４とが格納されている。スイッチングパワーモジュール１と平滑用コンデンサ８との接続には，銅バスバーや銅プレート等をもちいた配線板１５が使用され，放電抵抗１０と共にネジ１６にて固定されるとともに電気的にも接続される。また，一般的に，スナバコンデンサ基板１３はスイッチングパワーモジュール１上の直流入力配線２０（Ｐ，Ｎ）及び交流出力配線２１（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の近傍，ラインバイパスコンデンサ１１は直流入力配線２０（Ｐ，Ｎ）に配置されネジ１６にて固定及び電気的に接続される。また，スイッチングパワーモジュール１のパッケージは，直流入力配線２０（Ｐ，Ｎ）や交流出力配線２１（Ｕ，Ｖ，Ｗ），駆動回路基板接続配線２２をインサート成形した樹脂ケースと，ベース板１８とから構成されている。
【０００６】
スイッチングパワーモジュール１のパッケージ内には，スイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３を搭載するセラミック基板等の絶縁基板１９と，駆動回路部５を搭載する駆動回路基板１７とが格納されている。スイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３は，ベース板１８上に，導体パターン付きの絶縁基板１９を介して半田等の接着部材にて固定されており，直流入力配線２０（Ｐ，Ｎ）や交流出力配線２１（Ｕ，Ｖ，Ｗ），駆動回路基板接続配線２２とは，ワイヤボンディング等の接続導体２３により接続されている。また，駆動回路基板１７と駆動回路基板接続配線２２とは，半田等にて電気的に接続されている。また，絶縁基板１９と駆動回路基板１７との間にはゲル状充填材２４が充填されており，その上部にはエポキシ等の樹脂が充填される場合もある。尚，上記ゲル状充填材２４は，湿気や塵壌などによりスイッチング素子２が故障または誤動作しないよう，スイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３及び接続導体２３を保護するものである。また，ケース１２には，空冷や水冷，油冷等にてスイッチング素子２を冷却する冷却部材２５が取付けられ，スイッチング素子２から発生するジュール熱を，絶縁基板１９及びベース板１８を介して冷却部材２５に放熱させることでスイッチング素子２が冷却される。尚，制御回路基板１４の取付け，固定方法等についての詳細は本発明と関係がないので説明を省略する。
【０００７】
ゲル状充填材２４は，振動と熱収縮の際に接続導体の接合部にストレスを与えるので，自動車等の使用環境に耐えるのは困難であった。
また，冷却性能を確保するためには，全てのスイッチング素子とフリーホイールダイオードが実装されたベース板１８の平面度をある規定値以下にし，これら電力変換素子を確実にネジ固定する必要があり、ベース板１８の少なくとも四隅をネジ固定するか，図示しない大掛かりな板バネにて固定していた。このために高コストとなるという課題があった。
平滑用コンデンサ８は，上記スイッチング素子に供給すべき直流電源出力を平滑するに十分な大きな静電容量を持たせるため、一般的にサイズが大きく、その端子位置は上部方向に設けられる。一方、半導体スイッチング素子の端子位置は下方に設けられているものが多い。その結果半導体スイッチング素子の端子と平滑用コンデンサの端子との間の配線は長くならざるを得ない。また、平滑用コンデンサにアルミ電解コンデンサを使用した場合，その内部抵抗が大きいため，スイッチング時に発生する直流電流のリップル分により平滑用コンデンサの内部発熱が大きくなる。この発熱を抑制するには，平滑用コンデンサを上記冷却部材１８にて冷却するか，さらに静電容量を大きくして一定の熱損失に対する上昇温度を低くする必要があって、やはりコストを高くする。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−３３３４７６号公報（段落０００２〜０００８、図３、図４、）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力変換装置の変換部は，３相の上下アームに少なくとも１個ずつスイッチング素子とフリーホイールダイオードが必要であるので，計１２個の電力変換素子が絶縁基板を介してベース板に実装される。このような構成では，スイッチング素子またはフリーホイールダイオードのいずれか１つの不良でも，変換部として正常に機能しないので，歩留まりが悪く，結果として高コストとなるという課題があった。
また，従来の電力変換装置の変換部では，平滑用コンデンサの面積及び体積が大きく，さらに，大容量の平滑コンデンサに蓄積された電荷を短時間で消費するためには，大容量の放電抵抗が必要になり，装置全体のサイズが大きくなってしまうという課題があった。
【００１０】
この発明は，上記のような問題点を解決するためになされたものであり，小型でかつ信頼性の高い電力変換装置を得るとともに,低コスト化,組み立ての容易化を図ったものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明による電力変換装置の変換部は、直流電源に並列接続された平滑用コンデンサ、
互いに直列接続された２つの半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続されたフライホイールダイオードとを含み、前記半導体スイッチング素子の直列接続されたものの一端が前記直流電源の正側に、他の一端が負側に接続され、前記互いに直列接続された接続点が交流出力の端子となるとともに、前記２つの半導体スイッチング素子を配置した位置の中央に１つの取り付け穴を有する素子モジュール、
前記スイッチング素子を駆動する駆動回路部、
前記駆動回路部に制御信号を出力する制御回路部，
複数の前記素子モジュールのそれぞれを前記１つの取り付け穴に挿入したそれぞれ１本のネジでとりつけた冷却部材を備えたものである。
【００１３】
また、前記素子モジュールを前記１本のネジで前記冷却部材に均等に押しつける平板状の電磁遮蔽板を備えたものである。
【００１４】
また、前記平滑用コンデンサは，フイルムコンデンサとしたものである。
【００１５】
また、前記平滑用コンデンサは前記素子モジュールに隣接して配置された平滑用コンデンサ基板に取り付けられたものである。
【００１６】
また、前記平滑用コンデンサ基板に配置され、前記直流電源に接続されたラインバイパスコンデンサを備えたものである。
【００１７】
また、前記平滑用コンデンサ基板に配置され、前記平滑用コンデンサに並列に接続された放電用抵抗を備えたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下，この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。以下の説明では，三相交流モータ等を駆動する３相インバータに関する実施形態を述べるが，本発明は多相のインバータやＤＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換装置に対しても適用可能である。なお，図中、従来技術と共通する部分については同一の符号を用い、その詳細な説明を省略する。
図１は，この発明の実施の形態１による電力変換装置の変換部を示す回路ブロック図である。電力変換装置としては使用目的に応じて出力電圧や電流あるいはモータの回転速度などの検出部を含むが、この発明は変換部についての発明であり検出部は関係が少ないので図示説明を省略している。図において、１はこの発明による変換部で、交流出力の各相の上下のアームの２つの半導体スイッチング素子（以下スイッチング素子）２と、このスイッチング素子のそれぞれに逆並列接続された２つのフリーホイールダイオード３とが樹脂封止により一体モジュール化されて素子モジュール２６として構成されている。平滑用コンデンサ８はフイルムコンデンサをもちい、かつ、変換部lに内蔵している。また，図４に示したスナバコンデンサ４は後述する理由により、この発明では廃止することが出来る。駆動回路部５と、制御回路部９と、ラインバイパスコンデンサ１１、放電抵抗１０は変換部１に内蔵している。
【００１９】
また，図２は，図１の素子モジュール２６の構造を示す構造図であり，１つのスイッチング素子２と１つのフリーホイールダイオード３が半田等の接着部材にて固定されたベース板１８が２組取り付けられている。２組のスイッチング素子２は互いに直列接続され、接続点は交流出力端子となる。２組（１対）で交流出力１相分を構成しており，２つのスイッチング素子２の中央に固定用の貫通穴４０が設けられている。
また，図３は，図１の電力変換装置の変換部の構造と、素子モジュール２６の構造とを説明する構造図である。素子モジュール２６では、内部のスイッチング素子２と逆並列接続するフリーホイールダイオード３との接続線，モジュール直流入力配線２９やモジュール交流出力配線３０，駆動回路基板接続配線２２とは，ワイヤボンディング等の接続導体２３により接続され，エポキシ樹脂２７にて封止されている。素子モジュール２６は，電磁遮蔽板２８を介してネジ４６により均等に冷却部材２５に固定されている。素子モジュール２６のモジュール直流入力配線２９は電力変換装置の直流入力配線２０と平滑用コンデンサ基板３１の双方へネジ４７により，また、素子モジュール２６のモジュール交流出力配線３０は電力変換装置の交流出力配線２１とネジ４８により電気接続されるとともに固定されている。１７は駆動回路部５を収納した駆動回路基板で素子モジュール２６の上部（ネジ４６を避けた位置）に駆動回路基板接続配線２２により保持されている。
【００２０】
平滑用コンデンサ８と放電抵抗１０とラインバイパスコンデンサ１１は，平滑コンデンサ基板３１に半田等の接着部材にて固定している。
従来の図４において、スイッチングパワーモジュール１と平滑用コンデンサ８とを接続していた配線板１５及びネジ１６は廃止し，また，スナバコンデンサ基板１３は廃止している。
図１から図３に示した素子モジュール２６は，製作工程の内の、エポキシ樹脂２７で封止する工程の前に、上下アームごとのスイッチング素子２とフリーホイールダイオード３を検査することができ，製作工程の早い段階で不良を判別することができる。また，エポキシ樹脂２７で封止した後の検査で，上下アーム単位で不良を判断できるので，不良を発見したとき上下１アーム単位で交換すればよく、不良発生率を大幅に改善できる。また，素子モジュール２６のスイッチング素子２とフリーホイールダイオード３及び接続導体２３はエポキシ樹脂２７で完全に固定されているので，ヒートサイクル性，耐震性が格段に向上しており，自動車等の使用環境を満足できる。また，素子モジュール２６のベース板１８は，１つのスイッチング素子と１つのフリーホイルダイオードとを取り付けているだけなので従来の大きさの ｌ／６以下になっているので，冷却性能を確保するための平面要求度が緩和でき，また，面積が小さいので中央部1箇所の固定でも冷却に必要な押さえ力を満足させることができる。従来では，ベース板１８の少なくとも四隅をネジ固定するか，大掛かりな板バネにて固定していたが，素子モジュール２６の中央部に固定用貫通穴４０を設けることにより，中央部１箇所を電磁遮蔽板２８を介してネジ固定するだけとなり，装置の小型化及びコストを大幅に低減することができる。
【００２１】
平滑用コンデンサ８には汎用的な基板実装品の小型フィルムコンデンサを，直流電源平滑に必要な静電容量確保のため，複数個並列接続している。これら複数個の小型フイルムコンデンサが平滑用コンデンサ基板３１に実装され，平滑用コンデンサ基板３１を固定するネジ４６にてモジュール直流入力配線２９と直流入力配線２０へ電気的に接続されている。
フイルムコンデンサはアルミ電解コンデンサに比べて高周波抵抗分が約１／１０程度であることから，従来のアルミ電解コンデンサに比べて大幅に静電容量を小さくすることができる。また，固体の誘電体を使用しているため，シール劣化に伴う電解液漏れの心配がなく動作寿命が長い。アルミ電解コンデンサは内部抵抗が大きく，コンデンサ自体の発熱抑制のために静電容量を大きくする必要があったが，フイルムコンデンサを使用することにより，電力変換装置の小型・高信頼性化が実現できる。また，静電容量が数百μＦまで減少しているので，放電抵抗１０は小形の基板実装品が使用可能となり，平滑用コンデンサ基板３１への実装が可能となる。
【００２２】
また，平滑用コンデンサ８を変換部１に内蔵することでスイッチング素子２と平滑用コンデンサ８間の配線インダクタンスを低減し，平滑用コンデンサ８に周波数特性の良好なフィルムコンデンサを使用することにより，スイッチング時に発生するサージをスイッチング素子２の近傍で抑制することができるため，従来必要であったスナバコンデンサ４及びスナバコンデンサ基板１３を廃止することができる。また，平滑コンデンサ基板３１にシャシＧＮＤ９９を設けるだけでラインバイパスコンデンサ１１の回路が成立するので，回路を大型化せずにラインバイパスコンデンサ１１を内蔵することができる。
【００２３】
なお，上記実施の形態で，ベース板１８と冷却部材２５との密着性をより高める方法として、電磁遮蔽板２８の形状をバネ構造にしてもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の電力変換装置の変換部は、交流ラインの１相に接続される２つの半導体スイッチング素子を収納した素子モジュールを備えているので、素子故障に対する歩留まりを向上することが出来るとともに、複数の素子モジュールはそれぞれが１本のネジで冷却部材に取り付けられているので、組み立て保守が容易である。
【００２６】
また、平板状の電磁遮蔽板をもちいているので安価である。
【００２７】
また、平滑コンデンサとしてフィルムコンデンサをもちいているので、小型化されるとともに、周波数特性の向上によりスナバコンデンサを省略することが出来る。
【００２８】
また、平滑用コンデンサは、素子モジュールに隣接して配置され、かつ、平滑コンデンサ基板に取り付けることにより、その端子の方向が素子の端子と同方向になるように配置されているので配線が短縮される。
【００２９】
また、直流電源に接続されたラインバイパスコンデンサを変換部内に内蔵しているので小型化出来る。
【００３０】
また、平滑コンデンサの電荷を放電する放電抵抗を変換部内に内蔵するので小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施形態１による電力変換装置の変換部を示す回路ブロック図である。
【図２】 図１の素子モジュールを示す構成図である。
【図３】 図１の電力変換装置の変換部を示す構成図である。
【図４】 従来の電力変換装置を示す回路ブロック図である。
【図５】 図４の電力変換装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ スイッチングパワーモジュール（変換部）、
２ スイッチング素子、 ３ フリーホイールダイオード、
４ スナバコンデンサ、 ５ 駆動回路部、
６ 直流電源、 ７ 交流負荷、
８ 平滑用コンデンサ、 ９ 制御回路部、
１０ 放電抵抗、 １１ ラインバイパスコンデンサ、
１２ ケース、 １３ スナバコンデンサ基板、
１４ 制御回路基板、 １５ 配線板、
１６、４６、４７、４８ ネジ、
１７ 駆動回路基板、 １８ ベース板、
１９ 絶縁基板、 ２０ 直流入力配線、
２１ 交流出力配線、 ２２ 駆動回路基板接続配線、
２３ 接続導体、 ２４ ゲル状充填材、
２５ 冷却部材、 ２６ 素子モジュール、
２７ エポキシ樹脂、 ２８ 電磁遮蔽板、
２９ モジュール直流入力配線、 ３０ モジュール交流出力配線、
３１ 平滑コンデンサ基板、 ４０ 取り付け穴、
９９ シャシＧＮＤ。

Claims (6)

1. 直流電源に並列接続された平滑用コンデンサ、
   互いに直列接続された２つの半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続されたフライホイールダイオードとを含み、前記半導体スイッチング素子が直列接続されたものの一端が前記直流電源の正側に、他の一端が負側に接続され、前記互いに直列接続された接続点が交流出力の端子となるとともに、前記２つの半導体スイッチング素子を配置した位置の中央に１つの取り付け穴を有する素子モジュール、
   前記半導体スイッチング素子を駆動する駆動回路部、
   前記駆動回路部に制御信号を出力する制御回路部，
   複数の前記素子モジュールのそれぞれを前記１つの取り付け穴に挿入したそれぞれ１本のネジでとりつけた冷却部材を備えたことを特徴とする電力変換装置の変換部。
2. 前記素子モジュールを前記１本のネジで前記冷却部材に均等に押しつける平板状の電磁遮蔽板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の変換部。
3. 上記平滑用コンデンサは，フイルムコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の変換部。
4. 前記平滑用コンデンサは前記素子モジュールに隣接して配置された平滑用コンデンサ基板に取り付けられたことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置の変換部。
5. 前記平滑用コンデンサ基板に配置され、前記直流電源に接続されたラインバイパスコンデンサを備えたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置の変換部。
6. 前記平滑用コンデンサ基板に配置され、前記平滑用コンデンサに並列に接続された放電用抵抗を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置の変換部。

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