JP7124530B2 - power converter - Google Patents
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Description
本発明は、直流電源による電圧を変圧しつつ、直流電流を交流電流に変換する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter that converts a DC current into an AC current while transforming a voltage from a DC power supply.
上述した電力変換装置の一例が、例えば特許文献1に示されている。特許文献1の電力変換装置では、半導体素子を封止した複数の半導体モジュールと冷却管とを積層した積層体がケース内に収容される。積層体は、ケースの底面に固定されるとともに、その固定される側の反対側から、各半導体モジュールのパワー端子(正極端子、負極端子、交流端子)を突出させ、それらパワー端子を、バスバーを介してコンデンサやリアクトルなどに電気的に接続している。
An example of the power conversion device described above is disclosed in
ここで、電力変換装置は、車両などへの搭載性の向上を図るため、低背化や小型化の要求が高まっている。電力変換装置を低背化や小型化すると、半導体モジュール、コンデンサ、リアクトルなどの動作時に発熱する部品同士の間隔が狭まる。その結果、発熱する部品間において、相互に発熱の影響を受けやすくなり(熱干渉)、十分な放熱を行い難くなるという問題が生じる。 Here, there is an increasing demand for a power conversion device to be made low profile and small in order to improve mountability on a vehicle or the like. When a power conversion device is made low-profile or small-sized, the distance between components that generate heat during operation, such as semiconductor modules, capacitors, and reactors, is narrowed. As a result, there arises a problem that the heat-generating components become susceptible to heat generation (thermal interference), making it difficult to sufficiently dissipate heat.
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、電力変換装置を低背化や小型化しても、発熱部品間の熱干渉を抑制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。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above points, and it is an object of the present invention to provide a power conversion device capable of suppressing heat interference between heat-generating components even when the power conversion device is made low-profile and small-sized. aim.
上記目的を達成するために、本発明による電力変換装置(5)は、直流電源による電圧を変圧しつつ、直流電流を交流電流に変換するものであって、
電力変換装置を構成する複数の電気部品を収容するケース(100)と、
複数の電気部品の内、動作時に発熱する複数の発熱部品(102、110、120)を冷却する冷却機構と、を備え、
複数の発熱部品の内、少なくとも第1の発熱部品(110)と第2の発熱部品(120)は、ケースの深さ方向と直交する方向に沿って、ケース内に配置されるとともに、それぞれの発熱部品から突出するパワー端子(114、130)を有し、
第1および第2の発熱部品のパワー端子を接続するバスバー(136)をさらに備え、
第1の発熱部品のパワー端子が突出する部位と、第2の発熱部品のパワー端子が突出する部位とは、各々の発熱部品の深さ方向における中心線を挟んで反対側に設けられ、第1の発熱部品のパワー端子の突出方向と第2の発熱部品のパワー端子の突出方向とが逆方向であり
第1の発熱部品は、パワー半導体素子を内蔵した本体部からパワー端子が突出する半導体モジュールであり、
第2の発熱部品は、リアクトルであり、
半導体モジュールは、パワー端子が突出する面と対向する面から突出する制御端子を有し、
リアクトルのパワー端子は、断面が長辺と短辺からなり、長辺に当たる面がバスバーの一端と接合されるとともに、短辺に当たる面が、半導体モジュールの制御端子と対向する向きに設けられることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a power conversion device (5) according to the present invention converts a DC current to an AC current while transforming a voltage from a DC power supply,
a case (100) that houses a plurality of electrical components that make up the power conversion device;
a cooling mechanism for cooling a plurality of heat-generating components (102, 110, 120) that generate heat during operation among the plurality of electrical components,
Among the plurality of heat-generating components, at least the first heat-generating component (110) and the second heat-generating component (120) are arranged in the case along a direction orthogonal to the depth direction of the case, and having power terminals (114, 130) protruding from the heat-generating component;
further comprising a bus bar (136) connecting power terminals of the first and second heat generating components;
The portion where the power terminal of the first heat-generating component protrudes and the portion where the power terminal of the second heat-generating component projects are provided on opposite sides of the center line in the depth direction of each heat-generating component. The direction of projection of the power terminal of the first heat-generating component is opposite to the direction of projection of the power terminal of the second heat-generating component.
The first heat-generating component is a semiconductor module in which a power terminal protrudes from a main body containing a power semiconductor element,
the second heat-generating component is a reactor,
The semiconductor module has control terminals protruding from a surface opposite to the surface from which the power terminals protrude,
The power terminal of the reactor has a cross section consisting of a long side and a short side, and the surface corresponding to the long side is joined to one end of the bus bar, and the surface corresponding to the short side is provided facing the control terminal of the semiconductor module. Characterized by
このように、本発明による電力変換装置は、動作時に発熱する複数の発熱部品を冷却する冷却機構を備えている。このため、動作時に第1および第2の発熱部品が発熱しても、その発熱自体を緩和することが可能になる。 Thus, the power converter according to the present invention includes a cooling mechanism that cools a plurality of heat-generating components that generate heat during operation. Therefore, even if the first and second heat generating components generate heat during operation, the heat generation itself can be mitigated.
上記のように、第1および第2の発熱部品は冷却機構によって冷却されるが、それでも動作時に発熱しなくなる訳ではない。一方の発熱部品で熱が発生すると、その熱は、伝熱しやすいパワー端子およびバスバーを通じて、他の発熱部品へ伝えられる。しかし、本発明による電力変換装置では、第1および第2の発熱部品のパワー端子の少なくとも一方は、互いに対向する側以外から突出するとともに、第1および第2の発熱部品のパワー端子の突出方向が異なるように設けられる。このため、第1および第2の発熱部品が、ケースの深さ方向と直交する方向に沿って、前記ケース内に配置されていても、第1および第2の発熱部品のパワー端子を接続するバスバーの長さを長く取ることが可能になる。その結果、第1および第2の発熱部品間における伝熱を抑えることができ、熱干渉を抑制することができる。 Although the first and second heat-generating components are cooled by the cooling mechanism as described above, this does not mean that they do not generate heat during operation. When heat is generated in one heat-generating component, the heat is transferred to the other heat-generating component through the power terminals and bus bars, which are easy to conduct heat. However, in the power converter according to the present invention, at least one of the power terminals of the first and second heat-generating components protrudes from a side other than the side facing each other, and the direction in which the power terminals of the first and second heat-generating components protrude is are provided differently. Therefore, even if the first and second heat generating components are arranged in the case along the direction perpendicular to the depth direction of the case, the power terminals of the first and second heat generating components can be connected. It is possible to increase the length of the busbar. As a result, heat transfer between the first and second heat generating components can be suppressed, and thermal interference can be suppressed.
さらに、本発明による電力変換装置では、第1の発熱部品のパワー端子が突出する部位と、第2の発熱部品のパワー端子が突出する部位とは、各々の発熱部品の深さ方向における中心線を挟んで反対側に設けられ、第1の発熱部品のパワー端子の突出方向と第2の発熱部品のパワー端子の突出方向とが逆方向である。このため、それぞれのパワー端子からの輻射熱によるケース内部の局所的な温度上昇も抑えることができる。 Furthermore, in the power converter according to the present invention , the portion where the power terminal of the first heat generating component protrudes and the portion where the power terminal of the second heat generating component protrudes are located on the center line of each heat generating component in the depth direction. and the power terminals of the first heat-generating component and the power terminals of the second heat-generating component protrude in opposite directions. Therefore, local temperature rise inside the case due to radiant heat from each power terminal can be suppressed.
上記括弧内の参照番号は、本開示の理解を容易にすべく、後述する実施形態における具体的な構成との対応関係の一例を示すものにすぎず、なんら発明の範囲を制限することを意図したものではない。 The reference numbers in parentheses above merely indicate an example of correspondence with specific configurations in the embodiments described later in order to facilitate the understanding of the present disclosure, and are not intended to limit the scope of the invention. It's not what I did.
また、上述した特徴以外の、特許請求の範囲の各請求項に記載した技術的特徴に関しては、後述する実施形態の説明及び添付図面から明らかになる。 In addition, technical features described in each claim of the scope of claims other than the features described above will become apparent from the description of the embodiments and the accompanying drawings, which will be described later.
以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置を図面を参照して説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、たとえば電気自動車(EV)やハイブリッド自動車(HV)などの車両に適用可能である。以下では、ハイブリッド自動車に適用される例について説明する。 A power converter according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The power converter according to this embodiment is applicable to vehicles such as electric vehicles (EV) and hybrid vehicles (HV). An example applied to a hybrid vehicle will be described below.
<車両の駆動システム>
先ず、図1に基づき、電力変換装置5が適用される車両の駆動システム1の概略構成について説明する。図1に示すように、車両の駆動システム1は、直流電源2と、モータジェネレータ3、4と、直流電源2とモータジェネレータ3、4との間で電力変換を行う電力変換装置5を備えている。
<Vehicle drive system>
First, based on FIG. 1, a schematic configuration of a
直流電源2は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの充放電可能な二次電池である。モータジェネレータ3、4は、三相交流方式の回転電機である。モータジェネレータ3は、図示しないエンジンにより駆動されて発電する発電機(オルタネータ)、及び、エンジンを始動させる電動機(スタータ)として機能する。モータジェネレータ4は、車両の走行駆動源、すなわち電動機として機能する。また、回生時には発電機として機能する。車両は、走行駆動源として、エンジン及びモータジェネレータ4を備えている。
The
<電力変換装置の回路構成>
次に、電力変換装置5の回路構成について説明する。図1に示すように、電力変換装置5は、コンバータ6と、インバータ7、8と、制御回路部9と、平滑コンデンサC1と、フィルタコンデンサC2などを備えている。コンバータ6及びインバータ7、8は、電力変換部である。コンバータ6は、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するDC-DC変換部であり、インバータ7、8は、DC-AC変換部である。これら電力変換部は、上下アーム回路10をそれぞれ備えている。
<Circuit Configuration of Power Converter>
Next, the circuit configuration of the
上下アーム回路10は、スイッチング素子Q1、Q2と、ダイオードD1、D2を有している。本実施形態では、スイッチング素子Q1、Q2として、nチャネル型のIGBTを採用している。上アーム10Uは、スイッチング素子Q1に、還流用のダイオードD1が逆並列に接続されてなる。下アーム10Lは、スイッチング素子Q2に、還流用のダイオードD2が逆並列に接続されてなる。なお、スイッチング素子Q1、Q2は、IGBTに限定されない。たとえばMOSFETを採用することもできる。ダイオードD1、D2としては、寄生ダイオードを用いることもできる。
The upper and
上アーム10Uと下アーム10Lは、上アーム10UをVHライン12H側として、VHライン12HとNライン13との間で直列接続されている。高電位側の電力ラインであるPライン12は、上記したVHライン12Hに加えて、VLライン12Lを有している。VLライン12Lは、直流電源2の正極端子に接続されている。VLライン12LとVHライン12Hとの間にコンバータ6が設けられており、VHライン12Hの電位は、VLライン12Lの電位以上とされる。Nライン13は、直流電源2の負極に接続されており、低電位側の電力ラインであって、接地ラインとも称される。このように、高電位側と低電位側の電力ライン間で上アーム10Uと下アーム10Lが直列接続されて、上下アーム回路10が構成されている。後述する半導体モジュール110は、それぞれ、1つの上下アーム回路10を含むものである。
The upper arm 10U and the
なお、スイッチング素子Q1のコレクタ電極がVHライン12Hに接続され、スイッチング素子Q2のエミッタ電極がNライン13に接続されている。スイッチング素子Q1のエミッタ電極と、スイッチング素子Q2のコレクタ電極が接続されている。
A collector electrode of the switching element Q1 is connected to the
フィルタコンデンサC2は、VLライン12LとNライン13との間に接続されている。フィルタコンデンサC2は、直流電源2に並列に接続されている。フィルタコンデンサC2は、たとえば直流電源2からの電源ノイズを除去する。フィルタコンデンサC2は、平滑コンデンサC1よりも低電圧側に配置されるため、低圧側コンデンサとも称される。なお、Nライン13及びVLライン12Lの少なくとも一方には、直流電源2とフィルタコンデンサC2との間に、図示しないシステムメインリレー(SMR)が設けられている。
Filter capacitor C2 is connected between
コンバータ6は、上記した上下アーム回路10と、リアクトルR1を有している。上下アーム回路10は、VHライン12HとNライン13との間に接続されている。リアクトルR1の一端はVLライン12Lに接続され、他端は、昇圧配線14を介して、上アーム10U及び下アーム10Lの接続点に接続されている。すなわち、VLライン12Lと上下アーム回路10の接続点との間に、リアクトルR1が配置されている。
The
コンバータ6は、制御回路部9によるスイッチング制御にしたがって、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換する。コンバータ6は、直流電源2から供給される直流電圧を昇圧する機能を有している。また、平滑コンデンサC1の電荷を用いて直流電源2を充電する降圧機能も有している。
The
平滑コンデンサC1は、VHライン12HとNライン13との間に接続されている。平滑コンデンサC1は、コンバータ6とインバータ7、8との間に設けられており、コンバータ6及びインバータ7、8と並列に接続されている。平滑コンデンサC1は、たとえばコンバータ6で昇圧された直流電圧を平滑化し、その直流電圧の電荷を蓄積する。平滑コンデンサC1の両端間の電圧が、モータジェネレータ3、4を駆動するための直流の高電圧となる。平滑コンデンサC1の両端間の電圧は、フィルタコンデンサC2の両端間の電圧以上とされる。平滑コンデンサC1は、フィルタコンデンサC2よりも高電圧側に配置されるため高圧側コンデンサとも称される。
Smoothing capacitor C1 is connected between
インバータ7は、平滑コンデンサC1を介してコンバータ6に接続されている。インバータ7は、上記した上下アーム回路10を3組有している。すなわち、インバータ7は、三相分の上下アーム回路10を有している。U相の上下アーム回路10の接続点は、モータジェネレータ3の固定子に設けられたU相巻線に接続されている。同様に、V相の上下アーム回路10の接続点は、モータジェネレータ3のV相巻線に接続されている。W相の上下アーム回路10の接続点は、モータジェネレータ3のW相巻線に接続されている。各相の上下アーム回路10の接続点は、相ごとに設けられた出力配線15を介して対応する相の巻線に接続されている。
インバータ7は、制御回路部9によるスイッチング制御にしたがって、直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータジェネレータ3へ出力する。これにより、モータジェネレータ3は、所定のトルクを発生するように駆動される。また、インバータ7は、エンジンの出力を受けてモータジェネレータ3が発電した三相交流電圧を、制御回路部9によるスイッチング制御にしたがって直流電圧に変換し、VHライン12Hへ出力することもできる。このように、インバータ7は、コンバータ6とモータジェネレータ3との間で双方向の電力変換を行なう。
同様に、インバータ8も、平滑コンデンサC1を介してコンバータ6に接続されている。インバータ8も、上記した上下アーム回路10を3組有している。すなわち、インバータ8は、三相分の上下アーム回路10を有している。U相の上下アーム回路10の接続点は、モータジェネレータ4の固定子に設けられたU相巻線に接続されている。V相の上下アーム回路10の接続点は、モータジェネレータ4のV相巻線に接続されている。W相の上下アーム回路10の接続点は、モータジェネレータ4のW相巻線に接続されている。各相の上下アーム回路10の接続点は、相ごとに設けられた出力配線15を介して対応する相の巻線に接続されている。
Similarly, inverter 8 is also connected to
インバータ8は、制御回路部9によるスイッチング制御にしたがって、直流電圧を三相交流電圧に変換し、モータジェネレータ4へ出力する。これにより、モータジェネレータ3は、所定のトルクを発生するように駆動される。また、インバータ8は、車両の回生制動時、車輪からの回転力を受けてモータジェネレータ4が発電した三相交流電圧を、制御回路部9によるスイッチング制御にしたがって直流電圧に変換し、VHライン12Hへ出力することもできる。このように、インバータ8は、コンバータ6とモータジェネレータ4との間で双方向の電力変換を行なう。
Inverter 8 converts the DC voltage into a three-phase AC voltage and outputs the three-phase AC voltage to
制御回路部9は、たとえばマイコン(マイクロコンピュータ)を備えて構成されている。制御回路部9は、インバータ7,8のスイッチング素子を動作させるための駆動指令を生成し、図示しない駆動回路部(ドライバ)に出力する。制御回路部9は、具体的には、駆動指令としてPWM信号を出力する。制御回路部9は、図示しない上位ECUから入力されるトルク要求や各種センサにて検出された信号に基づいて、駆動指令を生成する。
The control circuit section 9 is configured with, for example, a microcomputer. The control circuit unit 9 generates a drive command for operating the switching elements of the
各種センサとしては、モータジェネレータ3、4の各相の巻線に流れる相電流を検出する電流センサ、モータジェネレータ3、4の回転子の回転角を検出する回転角センサ、平滑コンデンサC1の両端電圧、すなわちVHライン12Hの電圧を検出する電圧センサ、フィルタコンデンサC2の両端電圧、すなわちVLライン12Lの電圧を検出する電圧センサ、昇圧配線14に設けられ、リアクトルR1を流れる電流を検出する電流センサ、リアクトルR1の温度を検出する温度センサなどがある。電力変換装置5は、これらの図示しないセンサを有している。
The various sensors include a current sensor for detecting the phase current flowing through each phase winding of the
なお、駆動回路部は、制御回路部9からの駆動指令に基づいて駆動信号を生成し、対応する上下アーム回路10のスイッチング素子Q1、Q2のゲート電極に出力する。これにより、スイッチング素子Q1、Q2を駆動、すなわちオン駆動、オフ駆動させる。本実施形態では、駆動回路部が上下アーム回路10ごとに設けられている。
The drive circuit section generates a drive signal based on a drive command from the control circuit section 9 and outputs it to the gate electrodes of the switching elements Q1 and Q2 of the corresponding upper and
<電力変換装置の構造>
次に、図2および図3を参照して、本実施形態に係る電力変換装置5の構造について説明する。図2は、電力変換装置5の横断面図であり、図3は、図2におけるIII-III線に沿った断面図である。なお、以下の説明において、電力変換装置5の深さ方向をZ方向、Z方向に直交し、複数の半導体モジュール110と冷却管106との積層方向をX方向と示す。また、Z方向及びX方向の両方向に直交する方向をY方向と示す。
<Structure of power converter>
Next, the structure of the
電力変換装置5は、図2、図3に示すように、主として、コンデンサユニット102、冷却管106と半導体モジュール110との積層体104、リアクトルユニット120、端子台134、および、制御回路基板140などから構成される。これらの構成部品が、ケース100内に収容される。ケース100は、アッパーカバー100a、メインケース100b、ロアケース100c、ロアカバー100dにより構成される。
2 and 3, the
コンデンサユニット102は、全体として、略直方体の形状を呈し、上述した平滑コンデンサC1およびフィルタコンデンサC2を含む。例えば、コンデンサユニット102は、複数のフィルムコンデンサをケース内に収容してなるものである。コンデンサユニット102は、ねじ締結などによってメインケース100bに固定される。
図2、図3においては、コンデンサユニット102内のフィルタコンデンサC2の正極側端子(パワー端子)に接続されたバスバー128が、コンデンサユニット102のリアクトルユニット120側の側面から突出して、リアクトルユニット120内のリアクトルR1の一方のパワー端子126に接続されることしか図示していない。しかし、実際には、フィルタコンデンサC2の正極側端子以外の、平滑コンデンサC1およびフィルタコンデンサC2の各端子が、図示しないバスバーを介して、半導体モジュール110のパワー端子(正極端子、負極端子)などに接続される。それらのバスバーは、フィルタコンデンサC2の正極側端子に接続されたバスバーと同様に、コンデンサユニット102のリアクトルユニット120側(積層体104側)の側面から突出するように設けられる。バスバーは、銅などの導電性に優れる金属板材を、たとえばプレス加工して形成されたものである。
2 and 3, a
積層体104を構成する各半導体モジュール110は、上述したように、1つの上下アーム回路10を含むものである。すなわち、1つの半導体モジュール110は、上アーム10Uを構成するスイッチング素子Q1と還流用ダイオードD1、および下アーム10Lを構成するスイッチング素子Q2と還流用ダイオードD2とを内蔵している。上述したように、上下アーム回路10は、コンバータ6とインバータ7、8とにおいてそれぞれ用いられる。コンバータ6およびインバータ7、8の上下アーム回路10は、すべて、半導体モジュール110としてモジュール化されている。
Each
各々の半導体モジュール110は、上アーム10Uおよび下アーム10Lを構成する半導体チップを封止樹脂体によって封止したものである。この半導体モジュール110からは、図2、図3に示すように、Z方向において対向する両端面から制御端子112とパワー端子114とが突出している。より具体的には、制御回路基板140に近い側の上面から複数の制御端子112が突出し、その上面と反対側の下面から複数のパワー端子114が突出する。
Each
制御端子112として、各半導体モジュール110において、上アーム10Uおよび下アーム10Lからそれぞれ5本の制御端子112が突出している。これら5本の制御端子112は、ゲート電極用、エミッタ電極の電位を検出するケルビンエミッタ用、電流センス用、半導体チップの温度を検出する温度センサ(感温ダイオード)のアノード電位用とカソード電位用として用いられる。各々の半導体モジュール110から突出した制御端子112は、図3に示すように、制御回路基板140を貫通した状態で、制御回路基板140に締結される。
As the
一方、パワー端子114としては、各々の半導体モジュール110において、3本のパワー端子114が突出している。これら3本のパワー端子は、VHライン12Hに接続される正極端子、Nライン13に接続される負極端子、および、リアクトルR1やモータジェネレータ3、4の各相への出力配線15に接続される交流端子である。
On the other hand, as the
冷却管106は、熱伝導性に優れた金属材料、たとえばアルミニウム系材料を用いて形成される。例えば、一対のプレート(金属製薄板)の少なくとも一方を、プレス加工によってX方向に膨らんだ形状に加工する。その後、一対のプレートの外周縁部同士を、かしめなどによって固定するとともに、ろう付けなどによって全周で互いに接合する。これにより、一対のプレート間に冷媒が流通可能な流路が形成され、冷却管106として用いることが可能となる。
本実施形態では、動作時に発熱する半導体モジュール110を冷却するため、半導体モジュール110と冷却管106とを交互に積層して、積層体104を形成する。積層体104には、積層された複数の冷却管106の流路と連通する2本の冷却パイプ108が設けられる。図示しないポンプによって冷媒を一方の冷却パイプ108に供給することによって、積層された冷却管106内の流路に冷媒が流れる。これにより、積層体104の各々の半導体モジュール110が冷媒によって冷却される。
In this embodiment, in order to cool the
さらに、本実施形態では、冷媒が、ロアケース100cとロアカバー100dとの間に形成される密閉空間を流れるように構成されている。上述した積層体104の冷却管106と、ロアケース100cとロアカバー100dとの密閉空間に冷媒を流すために、例えば、積層体104に設けた一方の冷却パイプ108を、ケース100外部に設けたコネクタ(図示せず)によって、ロアケース100cとロアカバー100dとの間に形成される空間に連通させてもよい。または、ケース100内において、積層体104における流路とロアケース100cとロアカバー100dとの間に形成される空間とを連通させてもよい。あるいは、積層体104の冷媒流路と、ロアケース100cとロアカバー100dとの間に形成される空間を独立した2系統とし、図示しないポンプから、2系統へそれぞれ冷媒を供給してもよい。このように、本実施形態に係る電力変換装置5は、冷媒を、積層体104の冷却管106およびロアケース100cとロアカバー100dとの間に形成される密閉空間を流動させる冷却機構を備えている。
Furthermore, in the present embodiment, the refrigerant is configured to flow through the sealed space formed between the
積層体104とメインケース100bに設けられた第1仕切壁118との間には、弾性部材116が設けられている。この弾性部材116によって積層体104がメインケース100bの内壁に押圧される。この結果、積層体104は、ケース100内の一定の位置に保持される。
An
リアクトルユニット120は、コンデンサユニット102と同様に、全体として、略直方体の形状を呈し、リアクトルR1を含むものである。リアクトルユニット120は、ロアケース100cに設けられた第2仕切壁122と、第3仕切壁124とに挟持された状態で、ケース100に固定される。
リアクトルユニット120は、パワー端子として、第1端子126及び第2端子130をそれぞれ有している。第1端子126は、フィルタコンデンサC2の正極端子とバスバー128を介して電気的に接続される端子である。第2端子130は、コンバータ6を構成する半導体モジュール110のパワー端子(交流端子)と、後述する端子台134に形成されたバスバー136を介して電気的に接続される端子である。
The
図3に示すように、第1端子126および第2端子130は、第2および第3仕切壁122、124との間のリアクトルユニット120の上面から、Z方向に沿って制御回路基板140に向かって突出している。第1端子126および第2端子130の突出高さは、図3に示すように、積層体104の半導体モジュール110の上面よりも低くなっている。従って、リアクトルユニット120の第1端子126および第2端子130をX方向に投影した場合、半導体モジュール110の上面から突出する制御端子112と、リアクトルユニット120の上面から突出する第1端子126および第2端子130とが重ならない位置関係となっている。
As shown in FIG. 3, the
また、リアクトルユニット120の第1端子126および第2端子130は、図2に示すように、ともに断面が略長方形となっている。その略長方形の断面の長辺に当たる面が、第1端子126および第2端子130における主面として、上述したバスバー128、136の一端と接合される。第1端子126および第2端子130は、ともに、それぞれの主面の方向がX方向と平行となり、Y方向に平行な方向である、積層体104の各半導体モジュール110の制御端子112の配列方向と直交するように、リアクトルユニット120に設けられている。
Moreover, as shown in FIG. 2, both the
さらに、リアクトルユニット120には、リアクトルR1の温度を検出する温度センサが設けられている。その温度センサに接続された接続端子132が、リアクトルユニット120の上面から、Z方向に沿って伸びている。温度センサの接続端子132は、図3に示すように、制御回路基板140を貫通した状態で、制御回路基板140に締結される。
Further,
リアクトルユニット120を挟持する第2仕切壁122および第3仕切壁124は、図2および図3に示すように、内部に空洞122a、124aが形成されている。リアクトルユニット120が載置されるロアケース100cの下方部分には、ロアケース100cとロアカバー100dとの間に隙間125が形成されている。第2仕切壁122の空洞122aと第3仕切壁124の空洞124aとは、ロアケース100cとロアカバー100dとの間の隙間125を介して連通されている。さらに、図示していないが、ロアケース100cとロアカバー100dとの間の隙間125は、コンデンサユニット102が載置されるロアケース100cの下方部分まで延びており、コンデンサユニット102は図示しない放熱シート等を介してロアケース100cに当接している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
このため、上述した冷却機構によって、冷媒を、積層体104の冷却管106およびロアケース100cとロアカバー100dとの間に形成される密閉空間内を流動させたとき、その冷媒によって、半導体モジュール110に加え、リアクトルユニット120およびコンデンサユニット102も冷却される。特に、リアクトルユニット120に関しては、リアクトルユニット120を挟持する第2仕切壁122および第3仕切壁124にそれぞれ冷媒が流れる空洞122a、124aを設けているので、より効果的にリアクトルユニット120を冷却することができる。
Therefore, when the cooling mechanism described above causes the coolant to flow in the sealed space formed between the cooling
端子台134は、複数の半導体モジュール110のパワー端子に接続される複数のバスバー136や複数の端子、これらを保持するハウジング、ハウジング内に設けられ、各半導体モジュール110のパワー端子に流れる電流を検出する電流センサなどを備えている。端子台134には、モータジェネレータ3、4と接続するための接続端子が設けられている。図示しないケース100の開口部を介して、端子台134の接続端子が、モータジェネレータ3,4の三相巻線と接続される。
The
制御回路基板140には、上記した、制御回路部9や、駆動回路部が形成されている。すなわち、制御回路基板140は、プリント基板にマイコンを含む各種の電子部品が実装されたものである。制御回路基板140には、上位ECUなどと接続するためのコネクタも実装されている。
The
<電力変換装置の技術的特徴>
次に、本実施形態に係る電力変換装置5の技術的特徴について説明する。搭載性の向上などのため、電力変換装置5を低背化や小型化しようとすると、半導体モジュール110を有する積層体104、コンデンサユニット102、リアクトルユニット120などの動作時に発熱する部品同士の間隔が狭まることになる。その結果、発熱する部品間において、相互に発熱の影響を受けやすくなり(熱干渉)、それぞれ、十分な放熱を行い難くなるという問題が生じる。
<Technical features of the power converter>
Next, technical features of the
このような問題に対して、本実施形態に係る電力変換装置5では、動作時に発熱する複数の発熱部品(半導体モジュール110、リアクトルR1、コンデンサC1、C2)を冷却する冷却機構を備えている。このため、動作時にこれらの発熱部品が発熱しても、その発熱自体を緩和することができる。
To address such a problem, the
ただし、冷却機構によって発熱部品を冷却しても、動作時に発熱しなくなる訳ではない。例えば、発熱部品としての半導体モジュール110とリアクトルユニット120とはパワー端子およびバスバーを通じて接続されており、一方の発熱部品が発熱すると、その熱は、伝熱しやすいパワー端子およびバスバーを通じて、他の発熱部品へ伝えられる。しかし、本実施形態に係る電力変換装置5では、半導体モジュール110およびリアクトルユニット120のそれぞれのパワー端子114、130の少なくとも一方は、半導体モジュール110とリアクトルユニット120とが互いに対向する側以外から突出するとともに、それぞれのパワー端子114、130の突出方向が異なるように設けられる。より具体的には、バスバーを介して相互に接続される半導体モジュール110とリアクトルユニット120のそれぞれのパワー端子114、130は、逆方向に突出している。ただし、必ずしも逆方向に突出させる必要はなく、例えば、リアクトルユニット120のパワー端子を、電力変換装置5の深さ方向(Z方向)に沿った面を有する側面から突出させてもよい。
However, even if the heat-generating component is cooled by the cooling mechanism, it does not mean that heat is not generated during operation. For example, the
その結果、半導体モジュール110とリアクトルユニット120のパワー端子114、130を接続するバスバーの長さを長く取ることが可能になる。その結果、半導体モジュール110とリアクトルユニット120との間における伝熱を抑えることができ、熱干渉を抑制することができる。
As a result, it is possible to increase the length of the bus bar that connects the
さらに、本実施形態に係る電力変換装置5では、半導体モジュール110とリアクトルユニット120のそれぞれのパワー端子114、130の少なくとも一方は、互いに対向する側以外から突出するとともに、それぞれのパワー端子114、130が異なる方向に突出するので、それぞれのパワー端子114、130からの輻射熱によるケース100内部の局所的な温度上昇も抑えることができる。
Furthermore, in the
このようなパワー端子の突出方向の関係は、半導体モジュール110とリアクトルユニット120だけに限られない。例えば、上述したように、半導体モジュール110とコンデンサユニット102のそれぞれのパワー端子の突出方向も異なっているので、同様の効果を奏することができる。さらに、コンデンサユニット102からのパワー端子の突出方向が、半導体モジュール110のパワー端子の突出方向と逆方向となるように、X-Y平面(Z方向に直交する平面)を持つ、コンデンサユニット102の上面からパワー端子を突出させてもよい。なお、複数の発熱部品のうち、半導体モジュール110と比較して、リアクトルユニット120及びコンデンサユニット102の発熱は小さいため、リアクトルユニット120とコンデンサユニット102のパワー端子は、それぞれ突出方向を同一方向としても構わない。
Such a relationship in the direction in which the power terminals protrude is not limited to
リアクトルユニット120および/またはコンデンサユニット102の側面からパワー端子を突出させる場合には、その突出部位を、リアクトルユニット120および/またはコンデンサユニット102のZ方向における中心線を基準とし、半導体モジュール110のパワー端子114から離れる側に設けることが好ましい。つまり、半導体モジュール110のパワー端子114は、半導体モジュール110のZ方向における中心線よりも、図3において下側に設けられているので、リアクトルユニット120および/またはコンデンサユニット102のパワー端子は、それぞれのZ方向における中心線よりも上側に設けることが好ましい。この場合、一方の発熱部品のパワー端子が突出する部位と、他方の発熱部品のパワー端子が突出する部位とは、各々の発熱部品のZ方向における中心線を挟んで反対側に設けられることになる。これにより、半導体モジュール110のパワー端子114と、リアクトルユニット120および/またはコンデンサユニット102のパワー端子とを接続するバスバーの長さを、極力、長く取ることが可能になる。なお、図2、3に示す構成では、一方の発熱部品のパワー端子が突出する部位と、他方の発熱部品のパワー端子が突出する部位とは、各々の発熱部品のZ方向における中心線を挟んで反対側に設けられている。
When the power terminals protrude from the side surfaces of
また、本実施形態に係る電力変換装置5では、リアクトルユニット120が、第2仕切壁122,第3仕切壁124、およびリアクトルユニット120が載置されるケース100の内面の3面から冷却される。逆に言えば、本実施形態に係る電力変換装置5では、半導体モジュール110とリアクトルユニット120のパワー端子を同じ側の下面から同じ方向に突出させていないので、リアクトルユニット120の下面も冷却対象とすることができる。このように、冷却機構は、半導体モジュール110からパワー端子114が突出する下面と同じ側のリアクトルユニット120の下面も冷却するので、ケース100内部の局所的な温度上昇をより効果的に抑えることができる。
In addition, in the
また、本実施形態に係る電力変換装置5では、リアクトルユニット120から突出するパワー端子(第1端子126および第2端子130)をX方向に投影した場合、半導体モジュール110の上面から突出する制御端子112とは重ならない位置関係となっている。つまり、半導体モジュール110の制御端子112と、リアクトルユニット120のパワー端子とは、Z方向において、異なる高さ範囲に設けられている。このため、リアクトルユニット120のパワー端子に電流が流れることで発生する磁束によるノイズ成分が、半導体モジュール110の制御端子112に到達しにくくなる。その結果、半導体モジュール110の制御端子112を介して送信される各種の信号に、リアクトルユニット120由来のノイズが重畳されにくくすることができる。
Further, in the
さらに、本実施形態に係る電力変換装置5では、リアクトルユニット120の第1端子126および第2端子130は、それぞれの主面の方向(X方向)が、ともに、積層体104の各半導体モジュール110の制御端子112の配列方向(Y方向)と直交するように、リアクトルユニット120に設けられている。換言すれば、リアクトルユニット120の第1端子126および第2端子130は、主面と直交する側面が、複数の半導体モジュール110のそれぞれの制御端子112と対向する向きに設けられている。
Furthermore, in the
リアクトルユニット120の第1端子126および第2端子130に電流が流れたとき、その電流によって発生する磁束は、その多くが主面から放射される。本実施形態では、第1端子126および第2端子130の主面と直交する側面が、複数の半導体モジュール110の制御端子112と対向しているので、半導体モジュール110の制御端子112へ向かう磁束の量を少なくすることができる。従って、この点からも、半導体モジュール110の制御端子112を介して送信される各種の信号に、リアクトルユニット120由来のノイズが重畳されにくくすることができる。
When a current flows through
また、本実施形態による電力変換装置5では、リアクトルR1の温度を検出する温度センサに接続された接続端子132が、制御回路基板140を貫通した状態で、制御回路基板140に締結される。このように、温度センサと制御回路基板との接続のためにハーネス等を用いていないので、組付けが容易になるとともに、製造コストを低減することができる。
Further, in the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能なものである。 Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various modifications without departing from the gist of the present invention. is.
例えば、上述した実施形態では、複数の発熱部品を冷却するための冷却機構として、冷媒を用いた水冷機構を採用した。しなしながら、冷却機構として、空冷機構を用いてもよい。 For example, in the above-described embodiments, a water cooling mechanism using a refrigerant is adopted as a cooling mechanism for cooling a plurality of heat-generating components. However, an air cooling mechanism may be used as the cooling mechanism.
また、上述した実施形態に係る電力変換装置5では、端子台134に設けられたバスバー136を用いて、リアクトルユニット120と半導体モジュール110のパワー端子を接続した。しかしながら、端子台134から独立したバスバーによって、リアクトルユニット120と半導体モジュール110のパワー端子を接続してもよい。
Moreover, in the
また、上述した実施形態に係る電力変換装置5では、リアクトルユニット120の冷却面を3面としたが、その冷却面は1面であっても、2面であってもよい。あるいは、パワー端子を突出させる上面以外の5面を冷却面としてもよい。
Further, in the
また、上述した実施形態に係る電力変換装置5では、ケース100を、アッパーカバー100a、メインケース100b、ロアケース100c、ロアカバー100dの4つの部品で構成したが、ケース100を構成する部品は3つであっても、2つであってもよい。あるいは、5つ以上の部品で構成してもよい。
Further, in the
また、本実施形態に係る電力変換装置5では、コンバータ6は、1組のリアクトルR1と上下アーム回路10を備えるものであったが、複数組のリアクトルR1と上下アーム回路10を備えてもよい。複数組のリアクトルR1と上下アーム回路10が設けられる場合、それらは互いに並列接続される。そして、モータジェネレータ3,4を駆動するために平滑コンデンサC1に充電する必要がある電圧の大きさに応じて、駆動する組の数が切り替えられる。この場合、リアクトルユニット120は、複数のリアクトルを積層した状態で内蔵する。その際、複数のリアクトル間に、半導体モジュール110と同様に、冷却管を介在させてもよい。そして、積層された複数のリアクトルのパワー端子は、リアクトルユニットから同じ方向に突出する。
Further, in the
1:駆動システム、2:直流電源、3、4:モータジェネレータ、5:電力変換装置、6:コンバータ、7、8:インバータ、9:制御回路部、10:上下アーム回路、10L:下アーム、10U:上アーム、12:Pライン、13:Nライン、14:昇圧配線、15:出力配線、100:ケース、100a:アッパーカバー、100b:メインケース、100c:ロアケース、100d:ロアカバー、102:コンデンサユニット、104:積層体、106:冷却管、108:冷却パイプ、110:半導体モジュール、112:制御端子、114:パワー端子、116:弾性部材、118:第1仕切壁、120:リアクトルユニット、122:第2仕切壁、124:第3仕切壁、134:端子台、140:制御回路基板 1: drive system, 2: DC power supply, 3, 4: motor generator, 5: power converter, 6: converter, 7, 8: inverter, 9: control circuit unit, 10: upper and lower arm circuit, 10L: lower arm, 10U: upper arm, 12: P line, 13: N line, 14: boost wiring, 15: output wiring, 100: case, 100a: upper cover, 100b: main case, 100c: lower case, 100d: lower cover, 102: capacitor Unit 104: Laminate 106: Cooling pipe 108: Cooling pipe 110: Semiconductor module 112: Control terminal 114: Power terminal 116: Elastic member 118: First partition wall 120: Reactor unit 122 : second partition wall 124: third partition wall 134: terminal block 140: control circuit board
Claims (5)
前記電力変換装置を構成する複数の電気部品を収容するケース(100)と、
前記複数の電気部品の内、動作時に発熱する複数の発熱部品(102、110、120)を冷却する冷却機構と、を備え、
前記複数の発熱部品の内、少なくとも第1の発熱部品(110)と第2の発熱部品(120)は、前記ケースの深さ方向と直交する方向に沿って、前記ケース内に配置されるとともに、それぞれの発熱部品から突出するパワー端子(114、130)を有し、
前記第1および第2の発熱部品のパワー端子を接続するバスバー(136)をさらに備え、
前記第1の発熱部品のパワー端子が突出する部位と、前記第2の発熱部品のパワー端子が突出する部位とは、各々の発熱部品の深さ方向における中心線を挟んで反対側に設けられ、前記第1の発熱部品のパワー端子の突出方向と前記第2の発熱部品のパワー端子の突出方向とが逆方向であり
前記第1の発熱部品は、パワー半導体素子を内蔵した本体部からパワー端子が突出する半導体モジュールであり、
前記第2の発熱部品は、リアクトルであり、
前記半導体モジュールは、前記パワー端子が突出する面と対向する面から突出する制御端子(112)を有し、
前記リアクトルのパワー端子は、断面が長辺と短辺からなり、長辺に当たる面が前記バスバーの一端と接合されるとともに、短辺に当たる面が、前記半導体モジュールの前記制御端子と対向する向きに設けられる電力変換装置。 A power conversion device (5) that converts a DC current to an AC current while transforming a voltage from a DC power supply,
a case (100) housing a plurality of electrical components that constitute the power conversion device;
a cooling mechanism for cooling a plurality of heat-generating components (102, 110, 120) that generate heat during operation among the plurality of electrical components;
Among the plurality of heat-generating components, at least a first heat-generating component (110) and a second heat-generating component (120) are arranged in the case along a direction perpendicular to the depth direction of the case. , having power terminals (114, 130) protruding from their respective heat-generating components;
further comprising a bus bar (136) connecting power terminals of the first and second heat generating components;
The portion where the power terminal of the first heat-generating component protrudes and the portion where the power terminal of the second heat-generating component protrudes are provided on opposite sides of the center line in the depth direction of each heat-generating component. , a direction in which the power terminal of the first heat-generating component protrudes is opposite to a direction in which the power terminal of the second heat-generating component protrudes.
The first heat-generating component is a semiconductor module in which a power terminal protrudes from a main body portion containing a power semiconductor element,
the second heat-generating component is a reactor,
The semiconductor module has a control terminal (112) protruding from a surface opposite to the surface from which the power terminal protrudes,
The power terminal of the reactor has a cross section consisting of long sides and short sides, and the surface corresponding to the long side is joined to one end of the bus bar, and the surface corresponding to the short side faces the control terminal of the semiconductor module. A power converter provided .
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