JP6354433B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続した制御回路基板とを備え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半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続し上記半導体素子のスイッチング動作を制御する制御回路基板とを備えるものがある（下記特許文献１参照）。

上記半導体モジュールは、直流電源の正電極に接続される正極端子と、直流電源の負電極に接続される負極端子と、交流負荷に接続される交流端子とを備える。上記電力変換装置は、上記制御回路基板によって上記半導体素子をスイッチング動作させることにより、上記直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を用いて、上記交流負荷を駆動するよう構成されている。

上記制御回路基板には、正極端子と負極端子との間の電圧を測定する電圧測定回路が形成されている。上記電力変換装置は、上記電圧測定回路を用いて上記電圧を測定し、その測定結果を、上記半導体素子の動作制御等に利用している。

上記正極端子には、直流電流の経路となるバスバーが溶接されている。このバスバーにワイヤーを接続してある。また、制御回路基板には、電圧測定回路に導通したコネクタが設けられている。上記ワイヤーをコネクタに接続することにより、上記電圧測定回路と上記正極端子とを電気接続するよう構成されている。

特開２０１０−１２３４５２３号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、正極端子と電圧測定回路とを接続するために、ワイヤーおよびコネクタが必要となるため、部品点数が多くなりやすいという問題がある。そのため、電力変換装置の製造コストが上昇しやすくなる。また、ワイヤーを引き回すための空間を確保する必要があるため、電力変換装置が大型化しやすくなる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、部品点数を低減でき、低コスト化できると共に、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半導体モジュールと、
該半導体モジュールに接続し上記半導体素子のスイッチング動作を制御する制御回路基板とを備え、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵した本体部と、該本体部から突出し上記制御回路基板に接続した複数の基板接続端子と、上記本体部から突出した複数本のパワー端子とを有し、該複数本のパワー端子には、直流電圧が加わる正極端子及び負極端子と、交流負荷に接続される交流端子とがあり、
上記制御回路基板には、上記正極端子と上記負極端子との間の電圧を測定する電圧測定回路を形成してあり、
上記基板接続端子として、上記本体部内において上記負極端子に接続しその先端が上記電圧測定回路に接続した負側接続端子と、上記本体部内において上記正極端子に接続しその先端が上記電圧測定回路に接続した正側接続端子とを備えることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置の半導体モジュールは、上記基板接続端子として上記正側接続端子を備える。正側接続端子は、半導体モジュールの上記本体部内において正極端子に接続し、その先端が電圧測定回路に接続している。
そのため、ワイヤーやコネクタ等を用いなくても、正極端子と電圧測定回路とを電気接続することが可能となる。したがって、部品点数を削減でき、電力変換装置の製造コストを低減することができる。また、ワイヤーを引き回す空間を確保する必要がなくなるため、電力変換装置を小型化することができる。

以上のごとく、本発明によれば、部品点数を低減でき、低コスト化できると共に、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、電力変換装置の断面図であって、図２のI-I断面図。 図１のII-II断面図。 図１のIII-III断面図。 図１のIV-IV断面図。 実施例１における、半導体モジュールの回路図。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 実施例１における、正側接続端子を備える半導体モジュールの平面図。 図７のVIII-VIII断面図。 図７のIX-IX断面図。 実施例１における、正側接続端子を備えない半導体モジュールの平面図。 図３の要部拡大図。 図１１のXII-XII断面図。 図１２の要部拡大図。 実施例２における、電力変換装置の断面図。 参考例における、電力変換装置の断面図であって、図１６のXV-XV断面図。 図１５のXVI-XVI断面図。

上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための車載用電力変換装置とすることができる。

（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１３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、半導体モジュール２と制御回路基板３とを備える。半導体モジュール２は、半導体素子２０（図６参照）を内蔵している。制御回路基板３は、半導体モジュール２に接続しており、半導体素子２０のスイッチング動作を制御している。

半導体モジュール２は、半導体素子２０を内蔵した本体部２１と、該本体部２１から突出し制御回路基板３に接続した複数の基板接続端子２３と、本体部２１から突出した複数本のパワー端子２２とを有する。複数本のパワー端子２２には、直流電源８（図６参照）の直流電圧が加わる正極端子２２ａ及び負極端子２２ｂと、交流負荷８３に接続される交流端子２２ｃとがある。

図３、図６に示すごとく、制御回路基板３には、正極端子２２ａと負極端子２２ｂとの間の電圧を測定する電圧測定回路３０が形成されている。
電力変換装置１は、基板接続端子２３として、負側接続端子２３ｂと正側接続端子２３ａとを備える。負側接続端子２３ｂは、本体部２１内において負極端子２２ｂに接続し（図９参照）、その先端が電圧測定回路３０に接続している。また、正側接続端子２３ａは、本体部２１内において正極端子２２ａに接続し（図８参照）、その先端が電圧測定回路３０に接続している。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド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５に示すごとく、本例の半導体モジュール２は、２個の半導体素子２０（ＩＧＢＴ素子）を内蔵している。基板接続端子２３には、上記正側接続端子２３ａの他に、ダイオード２９に接続したアノード端子２３Ａ及びカソード端子２３Ｋと、ＩＧＢＴ素子のゲート端子２３Ｇと、センスエミッタ２３Ｓｅと、ケルビンエミッタ２３Ｋｅとがある。アノード端子２３Ａとカソード端子２３Ｋは、半導体モジュール２の温度を測定するために用いられる。センスエミッタ２３Ｓｅは、ＩＧＢＴ素子のエミッタ電流の一部を取り出して測定するために用いられる。また、ケルビンエミッタ２３Ｋｅは、ゲート端子２３Ｇに対する基準電位を取り出すために用いられる。下アーム側ＩＧＢＴ素子のケルビンエミッタ２３Ｋｅは、上記負側接続端子２３ｂとなっている。

図２に示すごとく、本例では、複数の半導体モジュール２と、複数の冷却管１１とを積層して積層体１０を構成してある。複数の半導体モジュール２のうち、積層体１０の積層方向（Ｘ方向）における一端に位置する端部半導体モジュール２ａに、上記正側接続端子２３ａおよび負側接続端子２３ｂを形成してある。端部半導体モジュール２ａ以外の半導体モジュール２には、正側接続端子２３ａを形成していない。また、図３に示すごとく、基板接続端子２３の突出方向（Ｚ方向）から見たときに、端部半導体モジュール２ａは、Ｘ方向において制御回路基板３の端縁３１に隣り合う位置に配されている。

個々の半導体モジュール２に形成された複数の基板接続端子２３は、Ｚ方向とＸ方向との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）に配列している。端部半導体モジュール２ａに形成された複数の基板接続端子２３のうち、Ｙ方向における一端に位置する基板接続端子２３を、上記正側接続端子２３ａとしてある。また、Ｙ方向における他端に位置する基板接続端子２３を、上記負側接続端子２３ｂとしてある。

図７〜図９に示すごとく、端部半導体モジュール２ａは、正極放熱板２８ａと、負極放熱板２８ｂと、交流放熱板２８ｃとの、３枚の放熱板２８を備える。これら３枚の放熱板２８は、各々の表面が露出した状態で、本体部２１に封止されている。正極放熱板２８ａは正極端子２２ａと連結しており、負極放熱板２８ｂは負極端子２２ｂと連結している。また、交流放熱板２８ｃは、交流端子２２ｃと連結している。正極放熱板２８ａと交流放熱板２８ｃとの間に、上アーム側半導体素子２０ａが介在している。また、負極放熱板２８ｂと交流放熱板２８ｃとの間に、下アーム側半導体素子２０ｂが介在している。

図８に示すごとく、正側接続端子２３ａと、正極放熱板２８ａと、正極端子２２ａとは一体的に形成されている。正側接続端子２３ａは、正極放熱板２８ａを介して、正極端子２２ａに接続されている。正側接続端子２３ａは、半導体モジュール２の製造時において、放熱板２８及び半導体素子２０を金型に入れ、これらを樹脂成型する際に、正側放熱板２８ａを金型内に固定するために用いられる。正側接続端子２３ａの先端部２３０は、その基端部２３９よりも細く形成されている。先端部２３０の外径は、他の基板接続端子２３の外径と略等しい。

図９に示すごとく、負側接続端子２３ｂは、ワイヤー２３８によって、負極放熱板２８ｂに接続されている。負側接続端子２３ｂは、ワイヤー２３８と負側放熱板２８ｂとを介して、負極端子２２ｂに接続されている。

また、図１０に示すごとく、端部半導体モジュール２ａ以外の半導体モジュール２は、正側接続端子２３ａを根元付近で切り取ってある。端部半導体モジュール２ａと、その他の半導体モジュール２は、正側接続端子２３ａ以外の部位は、全て同一である。

一方、図６に示すごとく、本例では、複数の半導体モジュール２を用いて、インバータ回路２００を形成している。制御回路基板３を用いて、半導体モジュール２内の半導体素子２０のスイッチング動作を制御している。これにより、直流電源８１から供給される直流電力を交流電力に変換し、交流負荷８３（三相交流モータ）を駆動させている。これにより、車両を走行させている。

制御回路基板３には、上述した電圧測定回路３０が形成されている。電圧測定回路３０は、絶縁抵抗５と、増幅回路３９と、マイコン３８とからなる。正側接続端子２３ａと負側接続端子２３ｂとは、それぞれ電圧測定回路３０に接続している。正側接続端子２３ａと負側接続端子２３ｂとの間の電圧、すなわち正極端子２２ａと負極端子２２ｂとの間の電圧を、絶縁抵抗５及び増幅回路３９を介して、マイコン３８によって測定するよう構成されている。そして、その測定値を、半導体素子２０の動作を制御する際に利用している。

また、図６に示すごとく、本例の電力変換装置１は、正極端子２２ａと負極端子２２ｂとの間に接続したコンデンサ１２を備える。このコンデンサ１２によって、正極端子２２ａと負極端子２２ｂとの間に加わる直流電圧を平滑化している。

制御回路基板３には、コンデンサ１２に蓄えられた電荷を放電するための、複数の放電抵抗４が実装されている。放電抵抗４は、正側接続端子２３ａと負側接続端子２３ｂとに接続している。つまり、本例では、コンデンサ１２に蓄えられた電荷を、正側接続端子２３ａと負側接続端子２３ｂとを介して放電抵抗４に流し、放電している。放電抵抗４とコンデンサ１２との間には、スイッチ等が設けられていない。そのため、電力変換装置１を使用している状態では、コンデンサ１２に蓄えられた電荷は、放電抵抗４を常に流れる。したがって、何らかの原因でリレー１５０，１５１がオフになった時でも、コンデンサ１２に蓄えられた電荷は、短時間で放電される。これにより、感電事故等が起きないようにしてある。

図３に示すごとく、複数の放電抵抗４は、Ｙ方向に配列している。放電抵抗４は、Ｘ方向において、端部半導体モジュール２ａ（図２参照）の基板接続端子２３と、制御回路基板３の端縁３１との間に配されている。複数の放電抵抗４のうち、Ｙ方向における一端に位置する放電抵抗４ａは、正側接続端子２３ａに電気接続されている。また、Ｙ方向における他端に位置する放電抵抗４ｂは、負側接続端子２３ｂに電気接続されている。

また、複数の放電抵抗４は、Ｚ方向から見たときに、冷却管１１と重なり合う位置に配されている。上述したように、電力変換装置１を稼働している間は、コンデンサ１２に蓄えられた電荷を、常に放電抵抗４に流すようにしてある。そのため、電力変換装置１を稼働している間は、放電抵抗４は常に発熱する。したがって、放電抵抗４を冷却管１１に近い位置に配置することにより、この冷却管１１を利用して、放電抵抗４を冷却するようにしてある。

本例では、複数の冷却管１１のうちＸ方向における一端に位置する端部冷却管１１ａ（図２参照）に対して、Ｚ方向に重なり合う位置に、放電抵抗４を配置してある。端部冷却管１１ａは、片側のみ半導体モジュール２と接触しているため、その内部に流れる冷媒１６の温度は比較的低い。したがって本例のように、複数の放電抵抗４を、Ｚ方向において端部冷却管１１ａと重なり合う位置に配置すれば、放電抵抗４を効果的に冷却することが可能となる。

図１１、図１２に示すごとく、制御回路基板３の表面３２には、金属薄膜からなる抵抗側放熱層３６を形成してある。この金属薄膜によって、配線３６０等も形成してある。抵抗側放熱層３６上に放電抵抗４を載置し、はんだ付けしてある。抵抗側放熱層３６は、コンデンサ１２の放電電流が流れる経路をなしている。また、抵抗側放熱層３６は、放電抵抗４から発生した熱を伝導させて、放電抵抗４を冷却する役割も有する。

図１２に示すごとく、制御回路基板３の、冷却管１１側の表面３３には、金属薄膜からなる冷却管側放熱層３７が形成されている。制御回路基板３には、Ｚ方向に貫通するスルーホール３５が形成されている。図１３に示すごとく、スルーホール３５の内周面には、めっき層３５１が形成されている。放電抵抗４から発生した抵抗熱は、抵抗側放熱層３６、めっき層３５１、冷却管側放熱層３７を伝導し、冷却管１１に伝わる。これにより、放電抵抗４を効果的に冷却するようにしてある。

図２に示すごとく、端部冷却管１１ａには、冷媒１６を導入するための導入管１３と、冷媒１６を排出するための導出管１４とが取り付けられている。また、Ｘ方向に隣り合う２つの冷却管１１は、Ｙ方向における両端にて、連結管１５によって連結されている。冷媒１６を導入管１３に導入すると、冷媒１６は連結管１５を通って全ての冷却管１１を流れ、導出管１４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。

本例では図２、図４に示すごとく、積層体１０に対してＸ方向に隣り合う位置に、加圧部材１７（板ばね）を設けてある。この加圧部材１７によって、積層体１０を、ケース６の壁部６１に向けて加圧している。これにより、半導体モジュール２１と冷却管１１との接触圧を確保しつつ、積層体１０をケース６内に固定している。

図４に示すごとく、コンデンサ１２は、コンデンサ素子１２１と、該コンデンサ素子１２１を封止する封止部材１２２と、コンデンサ素子１２１の電極面に接続された金属板１２３，１２４とを備える。金属板１２３，１２４の一部は封止部材１２２から突出して、接続端子１２５，１２６となっている。この接続端子１２５，１２６と、半導体モジュール２の正極端子２２ａ（図１参照）及び負極端子２２ｂとを、図示しないバスバーによって接続してある。

本例の作用効果について説明する。図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、基板接続端子２３として正側接続端子２３ａを備える。正側接続端子２３ａは、半導体モジュール２の本体部２１内において正極端子２２ａに接続し、その先端が電圧測定回路３０に接続している。
そのため、ワイヤーやコネクタ等を用いなくても、正極端子２２ａと電圧測定回路３０とを電気接続することが可能となる。したがって、部品点数を削減でき、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。また、ワイヤーを引き回す空間を確保する必要がなくなるため、電力変換装置１を小型化することができる。

また、本例では図２に示すごとく、複数の半導体モジュール２のうち、Ｘ方向における一端に位置する端部半導体モジュール２ａに、正側接続端子２３ａ及び負側接続端子２３ｂを形成してある。図３に示すごとく、Ｚ方向から見たときに、端部半導体モジュール２ａは、Ｘ方向において制御回路基板３の端縁３１に隣り合う位置に配されている。
そのため図３に示すごとく、正側接続端子２３ａ及び負側接続端子２３ｂに接続される放電抵抗４等の部品を、端部半導体モジュール２ａの基板接続端子２３と、上記端縁３１との間の領域に配置することができる。したがって、制御回路基板３の上記領域を有効活用することができる。

また、本例では図２に示すごとく、端部半導体モジュール２ａに形成された複数の基板接続端子２３のうち、Ｙ方向における一端に位置する基板接続端子２３を、正側接続端子２３ａとしてある。
そのため図３に示すごとく、放電抵抗４等の部品を複数個、直列接続して制御回路基板３に実装し、正側接続端子２３ａに接続する場合、この複数個の部品を、Ｙ方向における一端側、すなわち正側接続端子２３ａを設けた側から、他端側に向けて、並べることができる。そのため、端部半導体モジュール２ａの基板接続端子２３と上記端縁３１との間の領域を、Ｙ方向における一端側から他端側まで有効活用することができる。

また、本例では、正側接続端子２３ａと負側接続端子２３ｂとの間に、複数の放電抵抗４を直列接続してある。そして、これら複数の放電抵抗４をＹ方向において一列に配列してある。そのため、端部半導体モジュール２ａ（図２参照）の基板接続端子２３と、上記端縁３１との間の領域のように、Ｘ方向幅が狭い領域であっても、複数の放電抵抗４を配置することができる。そのため、制御回路基板３の上記領域を有効活用することができる。

また、本例では図２、図３に示すごとく、放電抵抗４を、Ｚ方向から見たときに、冷却管１１と重なり合う位置に配置してある。
そのため、放電抵抗４を冷却１１に近い位置に配することができ、この冷却管１１を用いて、放電抵抗４を効果的に冷却することが可能となる。

以上のごとく、本例によれば、部品点数を低減でき、低コスト化できると共に、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２）
以下の実施例においては、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。

本例は、半導体モジュール２の構成を変更した例である。図１４に示すごとく、本例では、上アーム半導体素子２０ａ（図５参照）と下アーム半導体素子２０ｂとを、それぞれ別の半導体モジュール２に封止してある。上アーム半導体素子２０ａは、上アーム半導体モジュール２ａに封止され、下アーム半導体素子２０ｂは、下アーム半導体モジュール２ｂに封止されている。

上アーム半導体モジュール２ａには、正側接続端子２３ａを形成してある。また、下アーム半導体モジュール２ｂには、負側接続端子２３ｂを形成してある。
その他、実施例１と同様の構成及び作用効果を備える。

（参考例）
本例は、半導体モジュール２の構成を変更した例である。図１５、図１６に示すごとく、本例では、インバータ回路２００（図６参照）を構成する全ての半導体素子２０を、１個の半導体モジュール２内に封止してある。この半導体モジュール２の本体部２１から、正極端子２２ａと、負極端子２２ｂと、３本の交流端子２２ｃとが突出している。また、本体部２１から複数の基板接続端子２３が突出している。この複数の基板接続端子２３のうち一部の基板接続端子２３を、正側接続端子２３ａとしてある。また、他の一部の基板接続端子２３を、負側接続端子２３ｂとしてある。

また、本例の電力変換装置１は、１個の冷却器１１０を備える。冷却器１１０内には、冷媒１６が流れる流路１１１が形成されている。この１個の冷却器１１０を用いて、半導体モジュール２を冷却するよう構成されている。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

１ 電力変換装置
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
２２ａ 正極端子
２２ｂ 負極端子
２２ｃ 交流端子
２３ 基板接続端子
２３ａ 正側接続端子
２３ｂ 負側接続端子
３ 制御回路基板
３０ 電圧測定回路

Claims (4)

1. 半導体素子（２０）を内蔵した半導体モジュール（２）と、
   該半導体モジュール（２）に接続し上記半導体素子（２０）のスイッチング動作を制御する制御回路基板（３）とを備え、
   上記半導体モジュール（２）は、上記半導体素子（２０）を内蔵した本体部（２１）と、該本体部（２１）から突出し上記制御回路基板（３）に接続した複数の基板接続端子（２３）と、上記本体部（２１）から突出した複数本のパワー端子（２２）とを有し、該複数本のパワー端子（２２）には、直流電圧が加わる正極端子（２２ａ）及び負極端子（２２ｂ）と、交流負荷（８３）に接続される交流端子（２２ｃ）とがあり、
   上記制御回路基板（３）には、上記正極端子（２２ａ）と上記負極端子（２２ｂ）との間の電圧を測定する電圧測定回路（３０）を形成してあり、
   上記基板接続端子（２３）として、上記本体部（２１）内において上記負極端子（２２ｂ）に接続しその先端が上記電圧測定回路（３０）に接続した負側接続端子（２３ｂ）と、上記本体部（２１）内において上記正極端子（２２ａ）に接続しその先端が上記電圧測定回路（３０）に接続した正側接続端子（２３ａ）とを備え、
   複数の上記半導体モジュール（２）と、該半導体モジュール（２）を冷却する複数の冷却管（１１）とを積層した積層体（１０）を構成してあり、上記複数の半導体モジュール（２）のうち、上記積層体（１０）の積層方向における一端に位置する端部半導体モジュール（２ａ）に、上記正側接続端子（２３ａ）および上記負側接続端子（２３ｂ）を形成してあり、上記基板接続端子（２３）の突出方向から見たときに、上記端部半導体モジュール（２ａ）は、上記積層方向において上記制御回路基板（３）の端縁（３１）に隣り合う位置に配されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 個々の上記半導体モジュール（２）に形成された上記複数の基板接続端子（２３）は、上記突出方向と上記積層方向との双方に直交する幅方向に配列しており、上記端部半導体モジュール（２ａ）に形成された上記複数の基板接続端子（２３）のうち上記幅方向における一端に位置する上記基板接続端子（２３）が、上記正側接続端子（２３ａ）とされ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. 上記正極端子（２２ａ）と上記負極端子（２２ｂ）との間に電気的に接続したコンデンサ（１２）を備え、上記正側接続端子（２３ａ）および上記負側接続端子（２３ｂ）を介して上記コンデンサ（１２）に蓄えられた電荷を放電する複数の放電抵抗（４）を、上記制御回路基板（３）に実装してあり、上記複数の放電抵抗（４）は互いに直列接続されており、上記積層方向における、上記端部半導体モジュール（２ａ）に形成された上記基板接続端子（２３）と上記端縁（３１）との間の位置に、上記複数の放電抵抗（４）が設けられ、該複数の放電抵抗（４）は上記幅方向において一列に配列していることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記複数の放電抵抗（４）のうち少なくとも一部の上記放電抵抗（４）は、上記突出方向から見たときに上記冷却管（１１）と重なり合う位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置（１）。

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