JP5960824B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、インバータや電圧コンバータなどの電力変換装置に関する。特に、電気自動車の走行用モータを駆動するのに適した電力変換装置に関する。本明細書における電気自動車は、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や燃料電池車を含む。モータに電力を供給するバッテリはリチウムイオンバッテリなどの化学電池でもよいし、燃料電池でもよい。 The technology disclosed in this specification relates to a power conversion device such as an inverter or a voltage converter. In particular, the present invention relates to a power conversion device suitable for driving a traveling motor of an electric vehicle. The electric vehicle in this specification includes a hybrid vehicle and a fuel cell vehicle including both a motor and an engine. The battery that supplies power to the motor may be a chemical cell such as a lithium ion battery or a fuel cell.
インバータや電圧コンバータなどの電力変換装置は、所望の電流/電圧を生成するために多数のスイッチング素子(半導体素子)を備える。スイッチング素子には、一般的に、トランジスタ、MOSFET、IGBTなどが用いられる。また、電力変換装置は、スイッチング素子への入力電流あるいはスイッチング素子からの出力電流を平滑化するためにコンデンサを備えることも多い。スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続され、スイッチング回路を構成する。 A power conversion device such as an inverter or a voltage converter includes a large number of switching elements (semiconductor elements) in order to generate a desired current / voltage. Generally, a transistor, MOSFET, IGBT, or the like is used as the switching element. In addition, the power conversion device often includes a capacitor to smooth the input current to the switching element or the output current from the switching element. A diode is connected to the switching element in antiparallel to form a switching circuit.
電力変換装置では、コンデンサに複数のスイッチング素子が並列に接続される。例えばインバータでは、3相(UVW)の夫々を制御するために、1相に対して2個のスイッチング素子を直列に接続し、計6個のスイッチング素子がコンデンサに並列に接続される。なお、直列接続された2個のスイッチング素子において、高電圧側のスイッチング素子は上アームと呼ばれ、低電圧側のスイッチング素子は下アームと呼ばれることがある。電気自動車の駆動用モータに電力を供給する電力変換装置では、流れる電流が大きい場合、1相の上アーム(及び下アーム)を2個以上のスイッチング素子の並列接続で構成することがある。 In a power converter, a plurality of switching elements are connected in parallel to a capacitor. For example, in an inverter, in order to control each of three phases (UVW), two switching elements are connected in series for one phase, and a total of six switching elements are connected in parallel to a capacitor. Of the two switching elements connected in series, the switching element on the high voltage side may be referred to as the upper arm, and the switching element on the low voltage side may be referred to as the lower arm. In a power converter that supplies power to a drive motor of an electric vehicle, when a flowing current is large, an upper arm (and a lower arm) of one phase may be configured by connecting two or more switching elements in parallel.
電気抵抗を小さくするために、コンデンサとスイッチング素子の接続にはバスバと呼ばれる金属プレートが用いられる。その場合、並列の複数のスイッチング素子が一つのバスバでコンデンサと接続されることがある。例えば、特開2000−60126号公報(特許文献1)にそのような回路構成を有する電力変換装置(インバータ)が開示されている。特許文献1の技術は、UVW3相の各相の上アーム(及び下アーム)を3個のスイッチング素子で構成する。従って3相の上アームの合計で9個のスイッチング素子が並列にコンデンサに接続される。一つのバスバが、9個のスイッチング素子を並列に接続し、コンデンサから夫々のスイッチング素子に電流が流れる。特許文献1の技術では、相の間の干渉を低減するため、バスバにおいて隣接する相の間にスリットを設ける。また、特許文献1の技術では、電流経路の共通化によって、同じ相の複数のスイッチング素子の間の電流のばらつきを抑制する。 In order to reduce the electrical resistance, a metal plate called a bus bar is used to connect the capacitor and the switching element. In that case, a plurality of parallel switching elements may be connected to the capacitor by one bus bar. For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2000-60126 (Patent Document 1) discloses a power conversion device (inverter) having such a circuit configuration. In the technique of Patent Document 1, the upper arm (and lower arm) of each phase of the UVW3 phase is configured by three switching elements. Accordingly, a total of nine switching elements of the upper arms of the three phases are connected to the capacitor in parallel. One bus bar connects nine switching elements in parallel, and a current flows from the capacitor to each switching element. In the technique of Patent Document 1, a slit is provided between adjacent phases in the bus bar in order to reduce interference between phases. Moreover, in the technique of Patent Document 1, variation in current between a plurality of switching elements of the same phase is suppressed by sharing a current path.
しかしながら、特許文献1の技術では、電流経路の共通化により、スイッチング素子の間のサージ電圧が増大してしまう。本明細書は、電流アンバランスの改善によるサージ電圧の抑制ではなく、別のアプローチでコンデンサと複数のスイッチング素子を接続するバスバにおけるサージ電圧を抑制する技術を提供する。 However, in the technique of Patent Document 1, the surge voltage between the switching elements increases due to the common current path. This specification provides a technique for suppressing a surge voltage in a bus bar connecting a capacitor and a plurality of switching elements by another approach, instead of suppressing a surge voltage by improving current imbalance.
本明細書が開示する技術は、1相に対して2個以上のスイッチング素子の並列接続を用いる電力変換装置に着目する。そのような複数のスイッチング素子は、コンデンサに並列に接続されるとともに同相で駆動されるスイッチング素子である。別言すれば、同じ駆動信号で(PWM信号)で駆動されるスイッチング素子である。従来、そのような複数のスイッチング素子には、できるだけ太い共通のバスバでコンデンサと複数のスイッチング素子を接続するのがよいと考えられていた。バスバが太いほど、インダクタンスが小さくなるからである。例えば、コンデンサと2個のスイッチング素子を別々のバスバで接続すると、1本のバスバに流れる電流は半減するが、1本当たりの太さが細くなってしまうため、インダクタンスが増大する。それゆえ、1本のバスバで2個のスイッチング素子に共通に電流を供給する場合と比較してサージ電圧は大きくなると考えられていた。しかしながら、電流の減少によるサージ電圧減少への寄与度が、インダクタンスの増大によるサージ電圧増大への寄与度を上回る場合がある。そこで、コンデンサと少なくとも2個のスイッチング素子を接続するバスバに、夫々のスイッチング素子との接続点の間からコンデンサに向かって延びるスリットを設ける。即ち、コンデンサからスイッチング素子への電流経路を途中から2つに分岐させる。共通のバスバにスリットを設けることで、バスバの太さを十分に確保した上で、電流経路を分岐させることができる。分岐前のバスバの部分を共通路と称する。単位長さ当たりのインダクタンスは、分岐路の方が共通路よりも大きいが、分岐路を流れる電流は共通路を流れる電流の半分となる(スイッチング素子が2個の場合)。分岐路のインダクタンスは共通路のインダクタンスの2倍にはならないため、トータルのサージ電圧はスリットなしの場合のサージ電圧よりも小さくなる。なお、本明細書が開示する技術はコンデンサと3個以上のスイッチング素子を並列に接続するバスバにも適用可能である。 The technology disclosed in this specification focuses on a power conversion device that uses a parallel connection of two or more switching elements for one phase. The plurality of switching elements are switching elements that are connected in parallel to the capacitor and driven in the same phase. In other words, the switching element is driven by the same drive signal (PWM signal). Conventionally, it has been considered that a capacitor and a plurality of switching elements should be connected to such a plurality of switching elements with a common bus bar as thick as possible. This is because the thicker the bus bar, the smaller the inductance. For example, when a capacitor and two switching elements are connected by separate bus bars, the current flowing through one bus bar is halved, but the thickness per one is reduced, and the inductance increases. Therefore, it has been considered that the surge voltage is increased as compared with the case where a current is commonly supplied to two switching elements with one bus bar. However, the contribution to the surge voltage reduction due to the decrease in current may exceed the contribution to the surge voltage increase due to the increase in inductance. Therefore, a slit extending from the connection point between each switching element to the capacitor is provided in the bus bar connecting the capacitor and at least two switching elements. That is, the current path from the capacitor to the switching element is branched into two from the middle. By providing a slit in the common bus bar, the current path can be branched while sufficiently securing the thickness of the bus bar. The portion of the bus bar before branching is called a common path. The inductance per unit length is larger in the branch path than in the common path, but the current flowing through the branch path is half of the current flowing through the common path (when there are two switching elements). Since the inductance of the branch path does not become twice the inductance of the common path, the total surge voltage is smaller than the surge voltage without the slit. The technology disclosed in this specification can also be applied to a bus bar in which a capacitor and three or more switching elements are connected in parallel.
コンデンサと複数のスイッチング素子を接続する場合、スイッチング素子に近いバスバの部分は元々分岐している場合がある。例えば、スイッチング素子の端子が平行に並んでいる場合、バスバの端部は夫々の端子に向けて分岐する。本明細書が開示する技術は、元々の分岐点からコンデンサへ向けてスリットを設ける。本明細書では、バスバの共通部分をベースプレートと称し、ベースプレートからそれぞれのスイッチング素子へ延びている部分を腕部と称する。スリットは、ベースプレートにおける腕部の付け根の間に設けられている。スリットは長ければ長いほどよい。バスバの一例は、次の構成を有している。バスバは、スイッチング素子側の縁からコンデンサに向かって延びるスリットが設けられたベースプレートと、スリットの両側でベースプレートから夫々のスイッチング素子へ延びる腕部を備えている。腕部の幅は、スリットの両側におけるベースプレートの幅よりも短い。電力変換装置の一態様では、同相で駆動される2個のスイッチング素子の夫々が、2個の半導体モジュールの夫々に収容されている。2個の半導体モジュールを含む3個以上の半導体モジュールが積層されている。夫々の半導体モジュールは、積層方向と交差する第1方向に並ぶ複数の端子を備えている。バスバのベースプレートは、上記第1方向で複数の端子の隣に位置しており、スリットの両側でベースプレートから延びている夫々の腕部は、積層されている半導体モジュールの端子の間へと延びており、複数の端子の一つと接続している。本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。 When a capacitor and a plurality of switching elements are connected, the portion of the bus bar that is close to the switching elements may be originally branched. For example, when the terminals of the switching elements are arranged in parallel, the end of the bus bar branches toward each terminal. The technology disclosed in this specification provides a slit from the original branch point to the capacitor. In this specification, the common part of the bus bar is referred to as a base plate, and the part extending from the base plate to each switching element is referred to as an arm part. The slit is provided between the bases of the arms in the base plate. The longer the slit, the better. An example of the bus bar has the following configuration. The bus bar includes a base plate provided with a slit extending from the edge on the switching element side toward the capacitor, and arms extending from the base plate to the respective switching elements on both sides of the slit. The width of the arm is shorter than the width of the base plate on both sides of the slit. In one aspect of the power converter, each of the two switching elements driven in the same phase is accommodated in each of the two semiconductor modules. Three or more semiconductor modules including two semiconductor modules are stacked. Each semiconductor module includes a plurality of terminals arranged in a first direction intersecting with the stacking direction. The base plate of the bus bar is located next to the plurality of terminals in the first direction, and the arm portions extending from the base plate on both sides of the slit extend between the terminals of the stacked semiconductor modules. And connected to one of a plurality of terminals. Details of the technology disclosed in this specification and further improvements will be described in the embodiments of the present invention.
実施例の電力変換装置の好ましい特徴のいくつかを列挙する。実施例の電力変換装置では、バスバが、同相で駆動される複数のスイッチング素子の夫々に別々の電流経路を与えることによって、サージ電圧を低減する。それゆえ、バスバは、電流が共通に流れる部分のインダクタンスが、夫々のスイッチング素子に対して電流が別々に流れる部分のインダクタンスよりも小さい方がよい。あるいは、バスバは、電流が共通に流れる部分の長さが、夫々のスイッチング素子に対して電流が別々に流れる部分の長さよりも短いのがよい。 Some of the preferable characteristics of the power converter of an Example are enumerated. In the power converter of the embodiment, the bus bar reduces the surge voltage by providing separate current paths to the plurality of switching elements driven in the same phase. Therefore, in the bus bar, it is preferable that the inductance of the portion where the current flows in common is smaller than the inductance of the portion where the current flows separately for each switching element. Alternatively, in the bus bar, the length of the portion where the current flows in common is preferably shorter than the length of the portion where the current flows separately for each switching element.
電流が別々に流れる部分には同じ大きさの電流が流れることが好ましい。それゆえ、バスバは、コンデンサと夫々のスイッチング素子の間のインダクタンスが等しいのがよい。また、バスバの一部は、コンデンサに沿って配索されている。 It is preferable that the same current flows in the portions where the current flows separately. Therefore, the bus bar should have the same inductance between the capacitor and each switching element. A part of the bus bar is routed along the capacitor.
(第1実施例)図面を参照して第1実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力を走行用モータの駆動に適した交流電力に変換するデバイスである。まず、図1を参照して電力変換装置2の回路構成を説明する。 (First Embodiment) A power converter according to a first embodiment will be described with reference to the drawings. The power conversion apparatus according to the embodiment is a device that is mounted on an electric vehicle and converts DC power of a battery into AC power suitable for driving a traveling motor. First, the circuit configuration of the power converter 2 will be described with reference to FIG.
電力変換装置2は、昇圧コンバータ3とインバータ4を含むデバイスである。昇圧コンバータ3は、システムメインリレー92を介して高出力のバッテリ91と接続している。昇圧コンバータ3は、バッテリ91の出力電圧をモータ駆動に適した電圧まで昇圧する。バッテリ91の出力電圧は例えば300ボルトであり、昇圧コンバータ3の出力は例えば600ボルトである。昇圧コンバータ3の出力端は平滑化コンデンサ9を介してインバータ4と接続されている。平滑化コンデンサ9は、インバータ4の入力電流を平滑化するために備えられている。インバータ4は、入力された直流電力を所定の周波数の3相交流に変換してモータ94へ出力する。
The power conversion device 2 is a device including a boost converter 3 and an inverter 4. Boost converter 3 is connected to high-
車輪を駆動するためのモータ94の定格出力は数十キロワットである。モータ94の定格出力を60キロワット、バッテリ91の出力を300ボルト、インバータ4の入力電圧を600ボルトすると、昇圧コンバータ3には最大200アンペアの電流が流れ、インバータ4には最大100アンペアの電流が流れる。昇圧コンバータ3もインバータ4も複数のスイッチング素子(後述)を備えるが、それらのスイッチング素子には大きな電流が流れることになる。
The rated output of the
昇圧コンバータ3もインバータ4も、複数のスイッチング素子を備えている。昇圧コンバータ3は、フィルタコンデンサ81とリアクトル82と4個のスイッチング素子(高電圧側スイッチング素子6a、6bと、低電圧側スイッチング素子7a、7b)、及び4個のダイオード8で構成されている。スイッチング素子は典型的にはIGBTである。並列に接続されている高電圧側のスイッチング素子6a、6bは、理論的には一つのスイッチング素子で代替できるが、一つのスイッチング素子に流れる電流を小さくするために複数のスイッチング素子を並列接続して使っている。低電圧側スイッチング素子7a、7bも同様である。一般に昇圧コンバータ(昇降圧コンバータ)は、一つの高電圧側のスイッチング素子と一つの低電圧側のスイッチング素子の直列接続で構成することができるが、昇圧コンバータ3は、高電圧側スイッチング素子と低電圧側スイッチング素子の直列接続のセットを2セット並列に用いる。高電圧側のスイッチング素子6a、6bは理論的には一つのスイッチング素子として動作するものであり、それらには同じ位相の駆動指令が与えられ、同じタイミングで動作する。低電圧側のスイッチング素子7a、7bも同様である。並列の高電圧側スイッチング素子6a、6bには、コントローラ93から同じ駆動信号(PWM信号)が供給される。同様に、並列の低電圧側スイッチング素子7a、7bにもコントローラ93から同じ駆動信号(PWM信号)が供給される。
Both boost converter 3 and inverter 4 include a plurality of switching elements. The step-up converter 3 includes a
前述したように、昇圧コンバータ3には最大200アンペアの電流が流れるが、2個のスイッチング素子の並列接続を用いることで、一つのスイッチング素子に流れる電流を最大100アンペアに抑えている。昇圧コンバータ3の物理的な構造として、直列に接続される一つの高電圧側のスイッチング素子と一つの低電圧側スイッチング素子が、還流ダイオードとともに一つのモールドにパッケージ化される。以下では、スイッチング素子の直列接続と還流ダイオードのパッケージを半導体モジュールと称する。図1において、高電圧側スイッチング素子6aと低電圧側スイッチング素子7aとそれらの還流ダイオード8が半導体モジュール5aに収められ、高電圧側スイッチング素子6bと低電圧側スイッチング素子7bとそれらの還流ダイオード8が半導体モジュール5bに収められる。
As described above, a maximum current of 200 amperes flows through the boost converter 3, but by using a parallel connection of two switching elements, the current flowing through one switching element is suppressed to a maximum of 100 amperes. As a physical structure of boost converter 3, one switching element on the high voltage side and one switching element on the low voltage side connected in series are packaged together with a free wheel diode in one mold. Hereinafter, a series connection of switching elements and a package of freewheeling diodes are referred to as a semiconductor module. In FIG. 1, a high voltage
インバータ4の回路構成は、よく知られているように、高電圧側スイッチング素子と低電圧側スイッチング素子の直列接続が3セット並列に接続した構成を有している。なお、各スイッチング素子には還流ダイオード8が並列に接続している。インバータ4でも、物理的な構成として、直列に接続される一つの高電圧側のスイッチング素子と一つの低電圧側スイッチング素子が、還流ダイオードとともに一つのモールドにパッケージ化される。インバータ4においても一つのパッケージを半導体モジュールと称する。高電圧側スイッチング素子6cと低電圧側スイッチング素子7cとそれらの還流ダイオード8が半導体モジュール5cに収められ、高電圧側スイッチング素子6dと低電圧側スイッチング素子7dとそれらの還流ダイオード8が半導体モジュール5dに収められ、高電圧側スイッチング素子6eと低電圧側スイッチング素子7eとそれらの還流ダイオード8が半導体モジュール5eに収められる。半導体モジュール5c、5d、及び、5eの出力がそれぞれ3相交流のU相、V相、及び、W相に対応する。
As is well known, the circuit configuration of the inverter 4 has a configuration in which three sets of high voltage side switching elements and low voltage side switching elements are connected in parallel. Each switching element is connected with a
図1から明らかなとおり、高電圧側スイッチング素子と低電圧側スイッチング素子のセットはいずれもコンデンサ9(平滑化コンデンサ)と並列に接続している。ハードウエア構成として、5個の半導体モジュール5a−5eとコンデンサ9は一つのユニットを構成する。以下、そのユニットをパワーアセンブリ10と称する。
As is apparent from FIG. 1, the set of the high voltage side switching element and the low voltage side switching element are both connected in parallel with the capacitor 9 (smoothing capacitor). As a hardware configuration, the five
図2に、パワーアセンブリ10の斜視図を示す。半導体モジュール5a−5eは、平板型であり、平板型の冷却プレート95と交互に積層される。なお、図2では一つの冷却プレートにのみ符号95を付し、他の冷却プレートには符号を省略していることに留意されたい。隣接する冷却プレート95は短いパイプで接続される。端の冷却プレートには冷媒の供給管と排出管が接続され、外部から冷媒が供給される。冷却プレートの内部は冷媒の通路となっており、冷媒は短いパイプを通じて全ての冷却プレートに行き亘る。半導体モジュール5a−5eの各々は冷却プレートに挟まれ、両側から冷却される。半導体モジュール5a−5eに収められたスイッチング素子と還流ダイオードは発熱量が大きいため、冷却プレート95によって集中的に冷却される。平板型の半導体モジュール5a−5eと平板型の冷却プレート95の積層体を半導体積層ユニット19と称する。また、半導体モジュール5a−5eの任意の一つを示すときには「半導体モジュール5」と称する。
FIG. 2 shows a perspective view of the
全ての半導体モジュール5a−5eはコンデンサ9と並列に接続される。半導体モジュール5とコンデンサ9は、平板のバスバ21、31、41、及び、51で接続される。半導体モジュール5a−5e、コンデンサ9、及び、バスバ21−51がパワーアセンブリ10を構成する。図3にパワーアセンブリ10の分解斜視図を示し、図4Aにパワーアセンブリ10の平面図を示し、図4Bにパワーアセンブリ10の正面図を示す。図4Bでは、一番手前の冷却プレートの図示を省略するとともに、半導体モジュール5aの内部の回路も示している。また、図の座標系においてZ軸は鉛直上方に相当する。
All the
半導体モジュール5の上部からは3本の平板型の端子12a、12b、及び、12cが延びている。なお、図では、一つの半導体モジュールにのみ、端子を示す符号12a、12b、及び、12cを付し、他の半導体モジュールには符号の図示を省略していることに留意されたい。図4Bから理解されるように、半導体モジュール5aの端子12aは高電圧側スイッチング素子6aのコレクタ(ソース)に接続しており、端子12bは低電圧側のスイッチング素子7aのエミッタ(ドレイン)に接続している。即ち、端子12aと12bは夫々、2個のスイッチング素子の直列接続で構成される回路の高電圧側と低電圧側の端子に相当する。端子12cは、直列接続された2個のスイッチング素子の中間接続点に接続している。また、半導体モジュール5の下側からは制御端子83a、83bが延びている。制御端子83aは高電圧側スイッチング素子6aのゲートに接続しており、制御端子83bは低電圧側のスイッチング素子7aのゲートに接続している。制御端子83a、83bは、コントローラ93(図1参照)から延びるケーブルと接続しており、制御端子83a、83bを介してスイッチング素子の駆動信号(PWM信号)がコントローラ93から供給される。
Three
全ての半導体モジュール5a−5eがコンデンサ9と並列に接続されるが、半導体モジュール5aと5bがバスバ21と31によってコンデンサ9と接続され、半導体モジュール5c−5eがバスバ41と51によってコンデンサ9と接続される。
All the
前述したように、半導体モジュール5aと5bに内蔵されるスイッチング素子6aと6bは同相で駆動されるスイッチング素子である。同様に、半導体モジュール5aと5bに内蔵されるスイッチング素子7aと7bも同相で駆動されるスイッチング素子である。図4Bからよく理解されるように、バスバ21はスイッチング素子6aと6bのコレクタ電極(ソース電極)をコンデンサ9と並列に接続し、バスバ31はスイッチング素子7aと7bのエミッタ電極(ドレイン)をコンデンサ9と並列に接続する。
As described above, the
バスバ21と31について説明する。以下の説明については特に図3を参照されたい。バスバ21は、ベースプレート22と、ベースプレート22のスイッチング素子側の縁からそれぞれのスイッチング素子(スイッチング素子を収めた半導体モジュール)に向けて伸びている腕部24a、24bと、ベースプレート22のコンデンサ側の縁からコンデンサ9に向けて伸びているリム25で構成されている。腕部24a、24bの先端がそれぞれスイッチング素子6aと6b(半導体モジュール5aと5bの端子12a)に接続しており、リム25がコンデンサ9の一方の電極9aに接続している。ベースプレート22は、2つの腕部24a、24bの根元の間からコンデンサ9に向かって延びるスリット23を有している。コンデンサ9から供給される電流は、ベースプレート22のスリット手前まで共通に流れ、スリット23によって夫々のスイッチング素子に向けて分けられ、さらに腕部24a、24bを通じてそれぞれのスイッチング素子に流れる。
The bus bars 21 and 31 will be described. See especially FIG. 3 for the following description. The
スリット23の両側の部分と腕部24a、24bの相違を説明する。腕部24a、24bは、平行に並んでいる半導体モジュール5a、5bの夫々の端子12aと接続すべく、ベースプレート22から分かれた部分である。これに対してスリット23は、もともと1枚の板であったベースプレート22に設けられたものである。図4Aによく示されているように、腕部24a、24bの幅は、スリット23の両側におけるベースプレートの幅よりも短い。
The difference between the portions on both sides of the
図4Bによく示されているように、バスバの一部は、コンデンサ9に沿って配索されている。本実施例の場合、特に、バスバ31は、コンデンサ9に沿って、コンデンサ9の点面まで配索される。
4B, a part of the bus bar is routed along the
バスバ31も基本的にバスバ21と同じ構造を有する。バスバ31は、ベースプレート32と、2本の腕部34a、34bと、リム35を有している。2本の腕部34aと34bはその先端が夫々スイッチング素子7aと7b(スイッチング素子を収めた半導体モジュール5a、5b)に接続する。リム35はコンデンサ9の他方の電極9bに接続する。ベースプレート32のスイッチング素子側の縁において、2本の腕部34a、34bの付け根の間からコンデンサ9に向けてスリット33が設けられている。スリット33は、スイッチング素子7a、7bから流れる電流を分ける。スイッチング素子7a、7bから流れた電流は、スリットの両側を夫々通過し、スリット33の先(コンデンサ9の側)で合流する。
The
バスバ21(31)のスリット23(33)は、コンデンサ9から流れる電流の経路を分ける。即ち、スリット22(32)の両側で電流経路が分割される。バスバ21(31)はインダクタンスを有するが、局所的にみると、スリットの左右で独立してインダクタンスを有する。また、2本の腕部24a、24bもそれぞれがインダクタンスを有する。インダクタンスを有するバスバ21の等価回路を図5に示し、バスバ21の形状に等価回路を重ねたものを図6に示す。等価回路は二点鎖線で表してある。また、図6では冷却プレート95の図示は省略している。バスバ21のインダクタンスは、2個のスイッチング素子のそれぞれに向かう電流が共通に流れる部分のインダクタンスLcと、スリットの両側で夫々のスイッチング素子に向けて電流が流れる部分のインダクタンスLsa、Lsb、及び、腕部24a、24bがそれぞれ有するインダクタンスLaa、Labに分けて考えることができる。
The slit 23 (33) of the bus bar 21 (31) divides the path of the current flowing from the
一般に、サージ電圧dVは、次の(1)式で表せる。 Generally, the surge voltage dV can be expressed by the following equation (1).
ここで、Lはインダクタンスを表し、dI/dtは電流変化率を表す。コンデンサ9からスイッチング素子6aまでの間のバスバ21によるインダクタンスはLc、Lsa、Laaであり、スイッチング素子6bまでのインダクタンスはLc、Lsa、Labであるから、コンデンサ9とスイッチング素子6aの間のサージ電圧dVaと、コンデンサ9とスイッチング素子6bの間のサージ電圧dVbは次の(2)式で表すことができる。
Here, L represents inductance, and dI / dt represents current change rate. Since the inductance by the
(2)式において、Icは共通部分のインダクタンスLcを流れる電流を示しており、dIc/dtは、電流Icの変化率を示している。同様に、Iaは腕部24aを流れる電流を示しており、dIa/dtは電流Iaの変化率を示している。また、Ibは腕部24bを流れる電流を示しており、dIb/dtは電流Ibの変化率を示している。なお、Ic=Ia+Ibである。スイッチング素子6aと6bに流れる電流が等しいとすると、夫々に流れる電流Ia、Ibは、共通部分を流れる電流の半分である。スリット23の両側のインダクタンスLsa、Lsbは、スリット23がない場合の対応領域のインダクタンスの2倍には達しないから、夫々のスイッチング素子に加わるサージ電圧dVa、dVbは、スリット23がない場合のサージ電圧よりも小さくなる。
In the equation (2), Ic indicates the current flowing through the common portion inductance Lc, and dIc / dt indicates the rate of change of the current Ic. Similarly, Ia indicates the current flowing through the
第1実施例の電力変換装置2の利点と留意点を述べる。電力変換装置2は、コンデンサ9と、コンデンサ9に並列接続される2個のスイッチング素子6a、6bと、バスバ21を備える。2個のスイッチング素子6a、6bは、同相(同じ駆動信号)で駆動される。バスバ21は夫々のスイッチング素子6a、6bとの接続点の間(腕部24aと25bの間のベースプレート22の縁)からコンデンサ9に向かって延びるスリット23を有する。スリット23が夫々のスイッチング素子6a、6bに流れる電流経路を分けるので、サージ電圧が抑制できる。
Advantages and points to be noted of the power conversion device 2 of the first embodiment will be described. The power conversion device 2 includes a
2個のスイッチング素子6a、6bはそれぞれ半導体モジュール5a、5bに収められており、半導体モジュール5a、5bからはスイッチング素子6a、6bに繋がる端子12aが延びている。それゆえ、上記したバスバの構造は次のように表すこともできる。電力変換装置2は、同相で駆動されるスイッチング素子6a、6bの夫々を収めた半導体モジュール5a、5bと、コンデンサ9と、バスバ21を備える。バスバ21は、コンデンサ9と夫々の半導体モジュール5a、5bを並列に接続する。バスバ21は夫々の半導体モジュール5a、5bの端子12aとの接続点の間(腕部24aと25bの間のベースプレート22の縁)からコンデンサ9に向かって延びるスリット23を有する。スリット23が夫々の半導体モジュール5a、5bに流れる電流経路を分けるので、サージ電圧が抑制できる。
The two
スイッチング素子6aと6bの電流が共通に流れる電流経路のインダクタンスが小さい方が好ましいので、電流が共通に流れる部分のインダクタンスLcが、電流が別々に流れる部分のインダクタンス(Lsa+Laa、あるいは、Lsb+Lab)よりも小さいことが好ましい。また、同じ理由で、電流が共通に流れる部分の長さが、夫々のスイッチング素子に対して電流が別々に流れる部分の長さよりも短いことが好ましい。図6は、バスバ21の各部の長さも示してある。リム25を含むベースプレート22の長さをWbaseで表し、スリット23の長さをWsで表し、腕部24a、24bの長さをWaで表す、ベースプレート22の長さWbaseのうち、電流が共通に流れる部分の長さはWcである。電流が共通に流れる部分の長さWcが別々に流れる部分の長さWs+Waよりも短いことが好ましい。
Since it is preferable that the inductance of the current path through which the currents of the
さらに、スイッチング素子6aと6bは並列であり同相で駆動されるので電流が等しく流れることが好ましい。そのためには、夫々のスイッチング素子6a、6bに対応する電流経路のインダクタンスLsa+Laa、及び、Lsb+Labが等しいことが好ましい。本明細書が開示する技術は、同相で駆動される2個のスイッチング素子をコンデンサに並列に接続するバスバに限られず、同相で駆動される3個以上のスイッチング素子をコンデンサンに並列に接続するバスバに対しても有効である。
Furthermore, since the
バスバ21に関する上記の説明は、スリット33を有し、同相で駆動されるスイッチング素子7aと7bをコンデンサ9に対して並列に接続するバスバ31についても成立する。なお、インバータ4の半導体モジュール5c−5eをコンデンサ9と並列に接続するバスバ41、51は、異なる相で駆動されるスイッチング素子6c−6e、7c−7eをコンデンサ9に接続する。従ってバスバ41、51は、バスバ21、31とは事情が異なる。
The above description regarding the
(第2実施例)続いて、図7と図8を参照して第2実施例の電力変換装置を説明する。第2実施例の電力変換装置2aの部分的なブロック図を図7に示す。図7は、電力変換装置2aのインバータ4aを示しており、昇圧コンバータの図示は省略している。インバータ4aはU相の出力を生成するスイッチング回路71と、V相の出力を生成するスイッチング回路72と、W相の出力を生成するスイッチング回路73を含む。それぞれのスイッチング回路は、理論的には2個のスイッチング素子の直列接続で構成することができるが、インバータ4aでは、2個のスイッチング回路の直列接続を3セット並列につないで一つのスイッチング回路を構成する。スイッチング回路71では、同相で駆動されるスイッチング素子6j、6k、6mと、同じく同相で駆動されるスイッチング素子7j、7k、7mがそれぞれ直列に接続している。高電圧側のスイッチング素子6jと低電圧側のスイッチング素子7jが一つの半導体モジュール5jに収められ、高電圧側のスイッチング素子6kと低電圧側のスイッチング素子7kが一つの半導体モジュール5kに収められ、高電圧側のスイッチング素子6mと低電圧側のスイッチング素子7mが一つの半導体モジュール5mに収められる。
(Second Embodiment) Next, a power conversion apparatus according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. A partial block diagram of the
図8は、コンデンサ9と半導体モジュール5j、5k、5mとそれらの接続するバスバ121、122で構成されるパワーアセンブリ10aの部分平面図である。バスバ121は、コンデンサ9と、3個のスイッチング素子6j、6k、6m(半導体モジュール5j、5k、5m)のそれぞれを並列に接続する。第1実施例におけるバスバ21は、同相で駆動される2個のスイッチング素子を並列に接続するバスバであったが、第2実施例におけるバスバ121は、同相で駆動される3個のスイッチング素子を並列に接続する。バスバ121は、ベースプレート122と、ベースプレート122の縁から夫々のスイッチング素子6j、6k、6m(半導体モジュール5j、5k、5m)に向けて延びる腕部124a、124b、及び124cを有する。ベースプレート122には、腕部の付け根の間からコンデンサに向けて延びるスリット123a、123bが設けられている。スリット123a、123bによって、同相で駆動されるスイッチング素子6j、6k、6mには、バスバの途中から別々に電流が流れる。このバスバ121も第1実施例のバスバ21と同様の効果を奏する。
FIG. 8 is a partial plan view of the power assembly 10a including the
図9に、バスバの変形例を示す。バスバ221は、ベースプレート222から斜めに延びる腕部224aと224bを有する。図示を省略しているが、腕部224aと224bの先端には同相で駆動されるスイッチング素子が夫々接続される。バスバ221は、2本の腕部224aと224bの付け根の間からコンデンサ9に向かって延びるスリット223を有している。図9に良く示されているように、スリット223はやや湾曲している。スリット223の形状は、2個のスイッチング素子の夫々に向けて別々に電流が流れる領域のインダクタンス(Lsa+LaaとLsb+Lab)が等しくなるように決定される。スリット223よりもコンデンサ9に近い部分では電流は共通に流れる。その部分のインダクタンスをLcとすると、コンデンサ9から一方のスイッチング素子までの間のインダクタンス(Lc+Lsa+Laa)と、コンデンサ9から他方のスイッチング素子までのインダクタンス(Lc+Lsb+Lab)が等しくなる。バスバ221は、コンデンサ9と夫々のスイッチング素子との間のインダクタンスが等しく、それゆえ、一方の側でサージ電圧が大きくなることがない。
FIG. 9 shows a modification of the bus bar. The
図10に、さらに別のバスバの変形例を示す。図10に示すバスバ321は、コンデンサとインバータのスイッチング素子を並列に接続するバスバである。このバスバ321は、U、V、Wの各相のスイッチング回路が2個のスイッチング素子の並列接続で構成されるインバータに適用される。バスバ321は、べースプレート322と、6本の腕部324a−324fを有している。腕部324aと324bは、U相の出力を生成する同相の2個のスイッチング素子の夫々と接続する。腕部324cと324dは、V相の出力を生成する同相の2個のスイッチング素子の夫々と接続する。腕部324eと324fは、W相の出力を生成する同相の2個のスイッチング素子の夫々と接続する。腕部324aと324bの間にはスリット323aが設けられ、腕部324cと324dの間にもスリット323bが設けられ、腕部324eと324fの間にもスリット323cが設けられる。相の異なるスイッチング素子と接続する腕部(例えば腕部324bと324c)の間にはスリットは形成されない。また、スリット323aは中央のスリット323b寄りに設けられる。また、スリット323cも中央のスリット323b寄りに設けられる。バスバ323では、スリットを偏って設けることによって、コンデンサから同相のスイッチング素子の夫々へ流れる電流の大きさを異ならしめている。例えば、腕部324aと324bは同相のスイッチング素子の夫々と接続する。しかし、腕部324aを流れる電流の大きさと、腕部324bを流れる電流の大きさは異なる。他方、腕部324aを流れる電流には、腕部324cを流れる別相の電流の干渉が小さく、腕部324bを流れる電流には腕部324cを流れる別相の電流の干渉が大きい。スリット323aの位置と形状は、別の相の電流からの干渉を考慮して、腕部324aに発生するサージ電圧と腕部324bに発生するサージ電圧が等しくなるように定められる。同等に、スリット323cの位置と形状は、別の相の電流からの干渉を考慮して、腕部324eに発生するサージ電圧と腕部324fに発生するサージ電圧が等しくなるように定められる。
FIG. 10 shows still another modification of the bus bar. A
図11に、バスバの第3の変形例を示す。図11に示すバスバ421は、2つの腕部の根元の間からコンデンサ9に向かって延びるスリット423を有している。バスバ421は、その一部がコンデンサ9に沿って延びており、次いで、半導体モジュールの端子12aへ向かって屈曲している。スリット423も、一部がコンデンサ9に沿っており、残りは半導体モジュールの端子12aに向かって延びている。別言すれば、スリット423は、バスバ421においてコンデンサ9と平行に延びている部分にまで続いている。バスバ全体の形状やスリットの形状に依存するが、スリットを長くすることによって、電流が共通に流れる部分のインダクタンスを、夫々のスイッチング素子に対して電流が別々に流れる部分のインダクタンスよりも小さくすることができる場合がある。
FIG. 11 shows a third modification of the bus bar. The
本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して詳細に説明した。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、開示された追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された電力変換装置を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。 Representative and non-limiting specific examples of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. This detailed description is intended merely to present those skilled in the art with the details for practicing the preferred embodiments of the present invention and is not intended to limit the scope of the invention. Also, the disclosed additional features and inventions can be used separately from or in conjunction with other features and inventions to provide further improved power conversion devices.
また、上記の詳細な説明で開示された特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属請求項に記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。 Further, the combinations of features and steps disclosed in the above detailed description are not indispensable when practicing the present invention in the broadest sense, and are only for explaining representative specific examples of the present invention. It is described. Moreover, various features of the representative embodiments described above, as well as various features of those set forth in the independent and dependent claims, are described herein in providing additional and useful embodiments of the invention. They do not have to be combined in the specific examples or in the order listed.
本明細書及び/又は請求の範囲に記載された全ての特徴は、実施例及び/又は請求の範囲に記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびに請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびに請求の範囲に記載された特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。 All the features described in this specification and / or the claims are independent of the configuration of the features described in the examples and / or the claims. As a limitation to the matter, it is intended to be disclosed individually and independently of each other. Furthermore, all numerical ranges and descriptions regarding groups or groups are intended to disclose intermediate configurations as a limitation to the specific matters described in the original disclosure and claims.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
Claims (5)
コンデンサに並列接続されるとともに同相で駆動される少なくとも2個のスイッチング素子と、
前記コンデンサと夫々のスイッチング素子を接続するバスバと、
を備えており、
前記バスバは、スイッチング素子側の縁から前記コンデンサに向かって延びるスリットが設けられたベースプレートと、前記スリットの両側で前記ベースプレートから夫々のスイッチング素子へ延びる腕部を備えており、前記腕部の幅は、前記スリットの両側における前記ベースプレートの幅よりも短く、
前記2個のスイッチング素子の夫々が、2個の半導体モジュールの夫々に収容されているとともに、前記2個の半導体モジュールを含む3個以上の半導体モジュールが積層されており、
夫々の半導体モジュールは、積層方向と交差する第1方向に並ぶ複数の端子を備えており、
前記バスバの前記ベースプレートは、前記第1方向で前記複数の端子の隣に位置しており、
前記スリットの両側で前記ベースプレートから延びている夫々の前記腕部は、隣接する前記半導体モジュールの端子の間へと延びており、複数の端子の一つと接続している、
ことを特徴とする電力変換装置。 A capacitor,
At least two switching elements connected in parallel to the capacitor and driven in phase;
A bus bar connecting the capacitor and each switching element;
With
The bus bar includes a base plate provided with a slit extending from the edge on the switching element side toward the capacitor, and arm portions extending from the base plate to the respective switching elements on both sides of the slit, and the width of the arm portion It is rather short than the width of the base plate on both sides of the slit,
Each of the two switching elements is housed in each of the two semiconductor modules, and three or more semiconductor modules including the two semiconductor modules are stacked,
Each semiconductor module includes a plurality of terminals arranged in a first direction intersecting the stacking direction,
The base plate of the bus bar is located next to the plurality of terminals in the first direction;
Each of the arms extending from the base plate on both sides of the slit extends between adjacent terminals of the semiconductor module, and is connected to one of a plurality of terminals.
The power converter characterized by the above-mentioned.
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