JP6036585B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、変圧回路に接続した変圧バスバーと、インバータ回路に接続した交流出力バスバーとを有する電力変換装置に関する。

例えば直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、半導体素子を内蔵した複数個の半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続した複数本のバスバーとを備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。この電力変換装置では、上記半導体モジュールを用いて、直流電源の電圧を変圧する変圧回路と、変圧後の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とを構成してある。

上記バスバーには、変圧回路を構成する半導体モジュールに接続した変圧バスバーと、インバータ回路を構成する半導体モジュールに接続した交流出力バスバーとがある。それぞれのバスバーには電流センサが取り付けられている。

特開２０１０−１１５０６１号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、変圧バスバーと交流出力バスバーとの２種類のバスバーのうち、一方のバスバーの温度が特に上昇しやすいという問題がある。すなわち、変圧回路とインバータ回路とは、流れる電流の量が互いに異なるため、変圧回路に接続した変圧バスバーと、インバータ回路に接続した交流出力バスバーとは、電流密度が互いに異なる。そのため、電流密度が高いバスバーは、抵抗熱がより多く発生して温度が上昇しやすい。バスバーの温度が上昇すると、このバスバーの電流を測定する電流センサに熱が伝わり、該電流センサの温度が上昇して寿命が短くなる。

また、上記電力変換装置は、電流密度が高くなりやすいバスバーの温度上昇を抑制するために、このバスバーの通電断面積を大きくしたり、電流センサの温度上昇を抑制するために、上記バスバーと電流センサとのクリアランスを拡大したりする必要がある。そのため、電力変化装置が大型化したり、製造コストが上昇したりしやすい。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、電流密度が高いバスバーの温度上昇を抑制でき、製造コストの低減および小型化が可能な電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、半導体素子を内蔵した本体部からパワー端子が突出した複数の半導体モジュールと、
上記パワー端子に接続した複数本のバスバーとを備え、
上記複数の半導体モジュールは、各々の上記パワー端子を同一方向に向けた状態で積層されており、
上記半導体モジュールによって、直流電源の電圧を変圧する変圧回路と、変圧した直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とを構成してあり、
上記複数本のバスバーは、それぞれの一部を封止した封止部材によって一体化されており、上記バスバーには、上記変圧回路を構成する上記半導体モジュールに接続した変圧バスバーと、上記インバータ回路を構成する上記半導体モジュールに接続した交流出力バスバーとがあり、上記変圧バスバーと上記交流出力バスバーとは、電流密度が互いに異なり、
上記パワー端子の突出方向から見たときに、上記変圧バスバーと上記交流出力バスバーとが、上記封止部材内において交差していることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、複数本のバスバーを封止部材によって封止し、一体化してある。そして、上記突出方向から見たときに、上記変圧バスバーと交流出力バスバーとが、封止部材内において交差するよう構成してある。
そのため、変圧バスバーと交流出力バスバーとを、封止部材内において互いに接近させることができる。したがって、これら２種類のバスバーのうち、電流密度が高く温度が相対的に高くなりやすいバスバーから、電流密度が低く温度が相対的に低くなりやすいバスバーへ、封止部材を介して熱が伝達されやすくなる。つまり、電流密度が高いバスバーを、電流密度が低いバスバーを使って冷却することが可能になる。そのため、電流密度が高いバスバーから電流センサに伝わる熱の量を低減でき、該電流センサの温度上昇を抑制することができる。したがって、電流センサの寿命が低下する不具合を抑制できる。

また、上記電力変換装置は、電流密度が高いバスバーを冷却できるため、このバスバーと電流センサとのクリアランスを狭くすることができる。そのため、電力変換装置を小型化しやすい。また、上記電力変換装置は、電流密度が高くなりやすいバスバーの通電断面積を無理に大きくする必要がないため、バスバーを小型化できる。そのため、電力変換装置をより小型化できると共に、製造コストの低減が可能になる。

以上のごとく、本発明によれば、電流密度が高いバスバーの温度上昇を抑制でき、製造コストの低減および小型化が可能な電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の平面図。 実施例１における、バスバーモジュールの一部透視斜視図。 実施例１における、バスバーモジュールの拡大平面図。 図１のIV-IV断面図。 図１のV-V断面図 図１の要部拡大図。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 実施例２における、電力変換装置の要部拡大平面図。

上記変圧バスバーと上記交流出力バスバーとが交差している部位において、上記変圧バスバーと上記交流出力バスバーとの少なくとも一方のバスバーは、その主表面が他方のバスバーに対向していることが好ましい。
この場合には、一方のバスバーの主表面が他方のバスバーに対向しているため、これら２種類のバスバーの間で熱の伝導が起きやすくなる。そのため、電流密度が高いバスバーの温度上昇を効果的に抑制できる。
なお、上記「主表面」とは、バスバーにおける該当箇所の面のうち最も面積が大きい面を意味する。

（実施例１）
上記電力変換装置に係る実施例について、図１〜図７を用いて説明する。図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２と、複数本のバスバー４，５とを備える。半導体モジュール２は、半導体素子２０（図７参照）を内蔵した本体部２１と、該本体部２１から突出したパワー端子２２とを有する。バスバー４，５は、パワー端子２２に接続している。また、本例では、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３とを交互に積層して、積層体１０を構成してある。

図７に示すごとく、半導体モジュール２によって、直流電源７の電圧を変圧する変圧回路１１と、変圧した直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路１２とを構成してある。

図２、図６に示すごとく、複数本のバスバー４，５は、それぞれの一部を封止する封止部材６によって一体化されている。バスバー４，５には、変圧回路１１を構成する半導体モジュール２ｂに接続した変圧バスバー４と、インバータ回路１２を構成する半導体モジュール２ａに接続した交流出力バスバー５とがある。変圧バスバー４と交流出力バスバー５とは、電流密度が互いに異なる。
そして、パワー端子２２の突出方向（Ｚ方向）から見たときに、変圧バスバー４と交流出力バスバー５とが、封止部材６内において交差するよう構成されている。

本例の電力変換装置１は、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。

図７に示すごとく、本例の変圧回路１１は、直流電源７の直流電圧を昇圧するための昇圧回路１１ａである。この昇圧回路１１ａによって昇圧した直流電圧を、インバータ回路１２を使って交流電圧に変換し、三相交流モータ７１を駆動するよう構成されている。また、本例の電力変換装置１は、回生回路１３を有する。走行中の車両を制動する際に、発電機７７を使って発電し、得られた交流電力を回生回路１３によって直流電力に変換して、直流電源７を充電するよう構成されている。回生回路１３も、上記半導体モジュール２によって形成されている。

図６に示すごとく、回生回路１３を構成する半導体モジュール２ｃに、回生バスバー８（８ａ〜８ｃ）が接続している。本例では、これら３本の回生バスバー８（８ａ〜８ｃ）と、上記変圧バスバー４と、３本の交流出力バスバー５（５ａ〜５ｃ）とを、封止部材６によって封止し、バスバーモジュール６０を構成してある。

本例における、変圧バスバー４の電流密度は、交流出力バスバー５の電流密度の１／４程度である。そのため、変圧バスバー４は抵抗熱があまり発生せず、温度が上昇しにくい。交流出力バスバー５は、電流密度が高いため、抵抗熱が発生して温度が上昇しやすい。また、回生バスバー８の電流密度は、交流出力バスバー５の半分程度である。そのため、回生バスバー８も、温度があまり高くならない。

一方、本例の電力変換装置１は、図１、図４、図５に示すごとく、積層体１０を収容するケース１７を備える。このケース１７に、平滑コンデンサ７３と、昇圧用のリアクトル７２と、フィルタコンデンサ７８と、制御回路基板７９が収容されている。

また、半導体モジュール２は、それぞれ３本のパワー端子２２と、制御端子２３とを備える。図５、図６に示すごとく、パワー端子２２には、直流電圧が加わる正極端子２２ａおよび負極端子２２ｂと、交流端子２２ｃとがある。正極端子２２ａおよび負極端子２２ｂは、図示しない直流用バスバーを介して、平滑コンデンサ７３に電気接続している。交流端子２２ｃには、上記バスバー４，５，８が接続している。また、制御端子２３は、制御回路基板７９に接続している。この制御回路基板７９によって、半導体モジュール２のスイッチング動作を制御している。

また、図１に示すごとく、ケース１７内には、加圧部材１８（板ばね）が設けられている。この加圧部材１８を用いて、積層体１０を積層方向（Ｘ方向）へ押圧し、ケース壁部１７０に押し当てている。これにより、半導体モジュール２と冷却管３との接触圧を確保しつつ、積層体１０をケース１７内に固定している。

Ｘ方向に隣り合う２つの冷却管３同士は、Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）における両端にて、連結管１９によって連結されている。また、複数の冷却管３のうち、Ｘ方向における一端に位置する冷却管３には、冷媒１６を導入するための導入管１４と、冷媒１６を導出するための導出管１５とを接続してある。導入管１４から冷媒１６を導入すると、冷媒１６は連結管１９を通って全ての冷却管３内を流れ、導出管１５から導出する。これにより、半導体モジュール２を冷却するよう構成されている。

図６に示すごとく、複数の半導体モジュール２のうち、インバータ回路１２を構成する半導体モジュール２ａは、Ｘ方向において、導入管１４及び導出管１５から最も離れた位置に配されている。また、変圧回路１１を構成する半導体モジュール２ｂは、インバータ回路１２を構成する半導体モジュール２ａよりも、導入管１４及び導出管１５に近い位置に配されている。そして、回生回路１３を構成する半導体モジュール２ｃは、変圧回路１１を構成する半導体モジュール２ｂよりも、導入管１４及び導出管１５に近い位置に配されている。

一方、本例では図１に示すごとく、交流出力バスバー５ａ〜５ｃに、導電板５１をそれぞれ接続してある。そして、ケース１７のコネクタ挿入孔１７１（図５参照）から図示しないコネクタを挿入して、このコネクタを導電板５１に接続するよう構成されている。導電板５１には、電流センサ５２を取り付けてある。電流センサ５２を用いて、交流出力バスバー５に流れる電流を検出している。

また、回生バスバー８にも同様に、導電板８１を接続してある。この導電板８１に、図示しないコネクタを接続するよう構成されている。導電板８１には、電流センサ８２を取り付けてある。この電流センサ８２を用いて、回生バスバー８を流れる電流を検出している。

図２に示すごとく、交流出力バスバー５は、半導体モジュール２のパワー端子２２に接続するモジュール接続側部分５３と、導電板５１に接続する導電板接続側部分５５と、これらモジュール接続側部分５３および導電板接続側部分５５を繋ぐ連結部５４とを備える。連結部５４は、封止部材６によって封止されている。

モジュール接続側部分５３の主面Ｓ４は、Ｘ方向に直交している。連結部５４は、封止部材６中において、斜め方向に延出するよう折り曲げられている。また、導電板接続側部分５５は、連結部５４からＺ方向に突出し、その先端５５０がＹ方向に突出している。この先端５５０に、上述した導電板５１をボルト締結するよう構成されている。

回生バスバー８も同様の構造をしている。すなわち、本例の回生バスバー８は、半導体モジュール２のパワー端子２２に接続するモジュール接続側部分８３と、導電板８１に接続する導電板接続側部分８５と、これらモジュール接続側部分８３および導電板接続側部分８５を繋ぐ連結部８４とを備える。連結部８４は、封止部材６によって封止されている。

また、変圧バスバー４は、半導体モジュール２のパワー端子２２に接続するモジュール接続側部分４０と、該モジュール接続側部分４０に連なり上記積層方向（Ｘ方向）に延びる積層方向延出部４１と、該積層方向延出部４１から上記幅方向（Ｙ方向）に延びる幅方向延出部４２と、該幅方向延出部４２からＸ方向における交流出力バスバー５側に延びるリアクトル接続部４３とを有する。積層方向延出部４１は、その主表面Ｓ１がＺ方向に直交する第１部分４１ａと、主表面Ｓ２がＹ方向に直交する第２部分４１ｂとを有する。Ｚ方向から見たときに、変圧バスバー４の第１部分４１ａと、交流出力バスバー５の連結部５４とが交差するよう構成されている。

幅方向延出部４２の主面Ｓ３は、Ｘ方向に直交している。また、リアクトル接続部４３の先端４３０には、図４に示すごとく、リアクトル７２の端子７２０が接続する。リアクトル接続部４３には、電流センサ４４が取り付けられている。

本例の作用効果について説明する。図１に示すごとく、本例では、変圧バスバー４と交流出力バスバー５とを封止部材６によって封止し、一体化してある。そして、Ｚ方向から見たときに、変圧バスバー４と交流出力バスバー５とが、封止部材６内において交差するよう構成してある。
そのため、変圧バスバー４と交流出力バスバー５とを封止部材６において互いに接近させることができる。したがって、電流密度が高く温度が高くなりやすい交流出力バスバー５から、電流密度が低く温度が低くなりやすい変圧バスバー４へ、封止部材６を介して熱伝達されやすくなる。つまり、温度が相対的に高くなりやすい交流出力バスバー５を、温度が相対的に低くなりやすい変圧バスバー４を使って冷却することが可能になる。そのため、交流出力バスバー５から電流センサ５２に伝わる熱の量を低減でき、該電流センサ５２の温度上昇を抑制することが可能になる。したがって、電流センサ５２の寿命が低下する不具合を抑制できる。

また、本例の電力変換装置１は、電流密度が高い交流出力バスバー５を冷却できるため、この交流出力バスバー５と電流センサ５２とのクリアランスを狭くすることができる。そのため、電力変換装置１を小型化しやすくなる。また、本例の電力変換装置１は、交流出力バスバー５の通電断面積を無理に大きくする必要がないため、交流出力バスバー５を小型化できる。そのため、電力変換装置１をより小型化できると共に、製造コストの低減が可能になる。

また、本例では図２に示すごとく、変圧バスバー４と交流出力バスバー５とが交差している部位において、変圧バスバー４の主表面Ｓ１は、交流出力バスバー５に対向している。
そのため、交流出力バスバー５から発生した熱を、変圧バスバー４が受け取りやすくなる。したがって、交流出力バスバー５の温度上昇をより効果的に抑制できる。

また、上記構成にすると、上記主表面Ｓ１をＹ方向に直交させた場合と比較して、変圧バスバー４と交流出力バスバー５とが交差している部位における、封止部材６のＺ方向長さを短くすることができる。そのため、バスバーモジュール６０をより小型化することが可能になる。

また、図６に示すごとく、本例では、複数の冷却管３のうちＸ方向における一端に位置する冷却管３ａに、導入管１４と導出管１５とを取り付けてある。Ｘ方向に隣り合う冷却管３同士は、Ｙ方向における両端部にて、互いの間に冷媒１６が流れるよう連結されている。そして、変圧回路１１を構成する半導体モジュール２ｂは、インバータ回路１２を構成する半導体モジュール２ａよりも、Ｘ方向において導入管１４および導出管１５に近い位置に配されている。
このようにすると、温度が高くなりやすい交流出力バスバー５を、変圧バスバー４を使って、より冷却しやすくなる。すなわち、上述のように冷却管３ａに導入管１４および導出管１５を取り付け、Ｘ方向に隣り合う冷却管３同士を連結した場合、導入管１４から冷媒１６を導入すると、冷媒１６は、連結した部位を通って複数の冷却管３に分かれて流れ、導出管１５から導出する。そのため、導入管１４及び導出管１５に近い冷却管３ほど冷媒１６の圧力損失が低く、冷媒１６が速く流れ、冷却効率が高くなる。したがって、導入管及び導出管に近い位置に、変圧回路１１を構成する半導体モジュール２ｂを配置することにより、この半導体モジュール２ｂの冷却効率を高めることができ、該半導体モジュール２ｂに接続する変圧バスバー４も効率的に冷却することができる。そのため、温度が高くなりやすい交流出力バスバー５から、変圧バスバー４へ熱伝導が起きやすくなり、交流出力バスバー５をより効果的に冷却することが可能になる。

また、図６に示すごとく、本例の変圧バスバー４は、積層方向延出部４１と、幅方向延出部４２と、リアクトル接続部４３とを備える。積層方向延出部４１は、Ｘ方向に延出しており、Ｚ方向から見たときに交流出力バスバー５と交差している。幅方向延出部４２は、積層方向延出部４１からＹ方向に延出している。リアクトル接続部４３は、幅方向延出部４２からＸ方向における交流出力バスバー５側に延出している。リアクトル接続部４３の先端にリアクトル７２が接続される。
このようにすると、交流出力バスバー５と変圧バスバー４とのノイズ干渉を抑制しやすくなる。すなわち、変圧バスバー４には、連結部５４と略平行であり該連結部５４と誘導結合しやすい部位（幅方向延出部４２）が形成されている。そのため、仮に幅方向延出部４２を連結部５４に近い位置に形成したとすると、幅方向延出部４２を流れる電流によって該幅方向延出部４２の周囲に発生した交流磁界を受けて、連結部５４にノイズ電流が誘起されやすくなる。また、連結部５４に交流電流が流れると、その周囲に交流磁界が発生するため、この影響を受けて、幅方向延出部４２にもノイズ電流が誘起されやすくなる。しかしながら、本例では、幅方向延出部４２に連なるリアクトル接続部４３をＸ方向における交流出力バスバー５側に延出できるほど、幅方向延出部４２を交流出力バスバー５から遠ざけてある。そのため、幅方向延出部４２と連結部５４とが誘導結合しにくくなり、これらにノイズ電流が発生しにくくなる。

以上のごとく、本例によれば、電流密度が高いバスバーの温度上昇を抑制でき、製造コストの低減および小型化が可能な電力変換装置を提供することができる。

なお、本例では、交流出力バスバー５の方が変圧バスバー４よりも電流密度が高くなっているが、これが逆になっても良い。すなわち、変圧バスバー４の方が交流出力バスバー５よりも電流密度が高くなるよう構成されていても良い。

また、本例では、図２に示すごとく、交流出力バスバー５と変圧バスバー４とが交差している部位において、変圧バスバー４のみが、その主面Ｓ１を交流出力バスバー５に対向させているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、交流出力バスバー５の主面を変圧バスバー４に対向させてもよい。また、変圧バスバー４の主面を交流出力バスバー５に対向させ、かつ交流出力バスバー５の主面を変圧バスバー４に対向させても良い。

また、本例では図６に示すごとく、Ｚ方向から見たときに変圧バスバー４と交流出力バスバー５とが交差しており、回生バスバー８と変圧バスバー４とは交差していないが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、Ｚ方向から見たときに、回生バスバー８と交流出力バスバー５とが両方とも、変圧バスバー４と交差するよう構成してもよい。このようにすれば、変圧バスバー４を使って、交流出力バスバー５と回生バスバー８とを両方とも冷却することが可能になる。

（実施例２）
本例は、各回路１１〜１３をそれぞれ構成する半導体モジュール２と、導入管１４および導出管１５との位置関係を変更した例である。図８に示すごとく、本例では、導入管１４および導出管１５を、Ｘ方向におけるリアクトル接続部４３側に位置する冷却管３ｂに取り付けてある。そして、インバータ回路１２を構成する半導体モジュール２ａを、導入管１４および導出管１５に最も近い位置に配してある。また、変圧回路１１を構成する半導体モジュール２ｂを、インバータ回路１２を構成する半導体モジュール２ａよりも、導入管１４および導出管１５から遠い位置に設けてある。さらに、回生回路１３を構成する半導体モジュール２ｃを、変圧回路１１を構成する半導体モジュール２ｂよりも、導入管１４および導出管１５から遠い位置に設けてある。また、本例では実施例１と同様に、交流出力バスバー５は、変圧バスバー４よりも電流密度が高くなっている。

上記構成にすると、インバータ回路１２を構成する半導体モジュール２ａの冷却効率を高めることができる。すなわち、導入管１４および導出管１５に近い冷却管３は、冷媒１６の圧力損失が少なく、冷媒１６の速度が速いため、冷却効率が高い。そのため、インバータ回路１２用の半導体モジュール２ａを導入管１４および導出管１５に近い位置に設けることにより、この半導体モジュール２ａの冷却効率を高めることができる。そのため、この半導体モジュール２ａに接続した交流出力バスバー５を冷却しやすくなる。

その他は、実施例１と同様である。また、本例に関する図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

１ 電力変換装置
１１ 変圧回路
１２ インバータ回路
２ 半導体モジュール
２０ 半導体素子
２１ 本体部
２２ パワー端子
３ 冷却管
４ 変圧バスバー
５ 交流出力バスバー
６ 封止部材

Claims (4)

1. 半導体素子（２０）を内蔵した本体部（２１）からパワー端子（２２）が突出した複数の半導体モジュール（２）と、
   上記パワー端子（２２）に接続した複数本のバスバー（４，５）とを備え、
   上記複数の半導体モジュール（２）は、各々の上記パワー端子（２２）を同一方向に向けた状態で積層されており、
   上記半導体モジュール（２）によって、直流電源（７）の電圧を変圧する変圧回路（１１）と、変圧した直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路（１２）とを構成してあり、
   上記複数本のバスバー（４，５）は、それぞれの一部を封止した封止部材（６）によって一体化されており、上記バスバー（４，５）には、上記変圧回路（１１）を構成する上記半導体モジュール（２）に接続した変圧バスバー（４）と、上記インバータ回路（１２）を構成する上記半導体モジュール（２）に接続した交流出力バスバー（５）とがあり、上記変圧バスバー（４）と上記交流出力バスバー（５）とは、電流密度が互いに異なり、
   上記パワー端子（２２）の突出方向から見たときに、上記変圧バスバー（４）と上記交流出力バスバー（５）とが、上記封止部材（６）内において交差していることを特徴とする電力変換装置。
2. 上記変圧バスバー（４）と上記交流出力バスバー（５）とが交差している部位において、上記変圧バスバー（４）と上記交流出力バスバー（５）との少なくとも一方のバスバーは、その主表面が他方のバスバーに対向していることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
3. 上記複数の半導体モジュール（２）と、該半導体モジュール（２）を冷却する複数の冷却管（３）とを積層してあり、該複数の冷却管（３）のうち上記半導体モジュール（２）の積層方向における一端に位置する上記冷却管（３ａ）には、冷媒（１６）を導入するための導入管（１４）と、上記冷媒（１６）を導出するための導出管（１５）とが取り付けられ、上記積層方向に隣り合う上記冷却管（３）同士は、互いの間に上記冷媒（１６）が流れるよう連結されており、上記変圧バスバー（４）は上記交流出力バスバー（５）よりも上記電流密度が低く、上記変圧回路（１１）を構成する上記半導体モジュール（２）は、上記インバータ回路（１２）を構成する上記半導体モジュール（２）よりも、上記積層方向において上記導入管（１４）および上記導出管（１５）に近い位置に配されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記変圧バスバー（４）は、上記複数の半導体モジュール（２）の積層方向に延出し上記突出方向から見たときに上記交流出力バスバー（５）と交差する積層方向延出部（４１）と、該積層方向延出部（４１）に連なり上記積層方向と上記突出方向との双方に直交する幅方向に延出する幅方向延出部（４２）と、該幅方向延出部（４２）から上記積層方向における上記交流出力バスバー（５）側へ延出しその先端にリアクトル（７２）が接続するリアクトル接続部（４３）とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置（１）。

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