JP7230735B2 - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Description

本開示は、車両用電力変換装置に関する。

従来、特許文献１に開示されたスイッチング電源回路がある。スイッチング電源回路は、複数の昇圧回路を備えている。各昇圧回路は、リアクトルとダイオードとスイッチ素子とを有している。そして、スイッチング電源回路は、各リアクトル、各スイッチ素子及び各ダイオードの少なくともいずれかの特性が相互に異なる。

特許第４８４４６９６号公報

ところで、従来技術ではないが、コンバータには、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とを備え、バッテリの電圧を昇圧する技術が考えられる。このようなコンバータでは、上下アームスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いることが考えられる。しかしながら、この場合、大電流領域での損失が大きくなるという問題がある。

本開示は、上記問題点に鑑みなされたものであり、低損失な車両用電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本開示は、
バッテリの電圧を昇圧して、インバータを介してモータへ供給するコンバータを含む車両用電力変換装置であって、
コンバータは、
複数の上アームスイッチング素子（１２ａ～１２ｃ）を有し、複数の上アームスイッチング素子の少なくとも一つがＭＯＳＦＥＴである上アーム（１２）と、
上アームスイッチング素子と直接接続された下アームスイッチング素子（１３ａ～１３ｈ）がＩＧＢＴである下アーム（１３）と、
一方の端子がバッテリと接続され、他方の端子が上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との間に導電部材を介して接続され、電気エネルギーを蓄積且つ放出可能なリアクトル（１１、１１ａ、１１ｂ）と、を備え、
上アームは、上アームスイッチング素子として、ＭＯＳＦＥＴである第１上アーム素子に加えて、第１上アーム素子とは異なる他スイッチング素子を有しており、
ＭＯＳＦＥＴは、他スイッチング素子よりも、リアクトルに近い位置に配置されていることを特徴とする。

このように、本開示は、車両に搭載され、バッテリの電圧を昇圧するコンバータを含んでいる。バッテリの電圧を昇圧する車両用のコンバータは、昇圧比５０％以上で使用することが多いため、下アームスイッチング素子への負担が大きく、且つ、非昇圧～低昇圧比の領域では上アームスイッチング素子の導通時間が長くなる。

しかしながら、本開示では、下アームスイッチング素子がＩＧＢＴであるため、大電流域で低損失とすることができる。また、本開示は、上アームスイッチング素子の少なくとも一つがＭＯＳＦＥＴであるため、導通損失を下げることができる。さらに、本開示は、これによって、燃費を向上させることができる。

なお、特許請求の範囲、及びこの項に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態におけるコンバータの概略構成を示す回路図である。 第１実施形態におけるコンバータの処理動作を示す波形図である。 第１実施形態におけるコンバータの上アームと下アームの動作を示す図面である。 第２実施形態におけるコンバータの概略構成を示す回路図である。 ＲＣ－ＩＧＢＴのＶｆ特性を示す図面である。 第３実施形態におけるパワーモジュールの概略構成を示す平面透視図である。 第４実施形態におけるコンバータの概略構成を示す回路図である。 第５実施形態におけるコンバータの概略構成を示す回路図である。 第５実施形態におけるコンバータの概略構成を示す平面図である。 第６実施形態におけるコンバータの概略構成を示す平面図である。 第７実施形態におけるコンバータの概略構成を示す平面図である。 第８実施形態におけるコンバータの概略構成を示す平面図である。 第９実施形態におけるパワーモジュールの概略構成を示す平面透視図である。

以下において、図面を参照しながら、本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を参照し適用することができる。

（第１実施形態）
本実施形態の車両用電力変換装置に関して、図１、図２、図３を参照しつつ説明する。本実施形態では、車両用電力変換装置をコンバータ１０ａに適用した例を採用する。コンバータ１０ａは、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載可能に構成されている。よって、コンバータ１０ａは、車載用コンバータ１０ａや、車載用電力変換装置１０ａと言い換えることができる。

図１に示すように、本実施形態では、一例として、バッテリ２０、インバータ３０、制御部５０と電気的に接続されたコンバータ１０ａを採用している。詳述すると、コンバータ１０ａは、入力端子ＶＬ１、ＶＬ２がバッテリ２０と電気的に接続されており、出力端子ＶＨ１、ＶＨ２がインバータ３０と電気的に接続されている。

なお、本開示の車両用電力変換装置は、インバータ３０を備えていてもよい。つまり、本開示の車両用電力変換装置は、コンバータ１０ａとインバータ３０が一体的に構成されたものであってもよい。一体的に構成されているとは、例えば、コンバータ１０ａやインバータ３０などがケース内に配置された構造体となっていることである。

本実施形態では、一例として、昇圧モードに加えて、降圧モード及び非昇圧モードを行うことが可能なコンバータ１０ａを採用している。コンバータ１０ａは、昇圧モード時、直流電源であるバッテリ２０の電圧を昇圧して、昇圧した電圧をインバータ３０に供給する。さらに、後程説明するが、インバータ３０は、モータジェネレータ４０に電気的に接続されている。このため、コンバータ１０ａは、バッテリ２０の電圧を昇圧して、インバータ３０を介してモータジェネレータ４０へ供給する。

一方、コンバータ１０ａは、降圧モード時、インバータ３０から出力された直流電圧を降圧して、降圧した電圧をバッテリ２０に供給する。つまり、モータジェネレータ４０の回生によって出力される交流電圧は、インバータ３０で直流電圧に変換されてコンバータ１０ａに供給される。そして、コンバータ１０ａは、直流電圧で降圧してバッテリ２０に供給する。なお、モータジェネレータ４０からインバータ３０へと出力される交流電圧は、モータジェネレータ４０において発電される電圧である。

バッテリ２０は、モータジェネレータ４０のエネルギー貯蔵手段としての２次電池を採用することができる。また、バッテリ２０は、例えば、複数の電池セルの直列接続体としての組電池を採用することができる。

インバータ３０は、モータジェネレータ４０に電気的に接続されている。インバータ３０は、昇圧後の直流電力を交流電力に変換する。インバータ３０は、コンバータ１０ａで昇圧された直流電圧を交流電圧（三相交流）に変換し、この三相交流でモータジェネレータ４０を駆動する。インバータ３０は、この交流電圧を用いて、モータジェネレータ４０を駆動させ、車両を走行させることができる。

モータジェネレータ４０は、特許請求の範囲におけるモータに相当する。モータジェネレータ４０は、車両の走行時に駆動輪を駆動させる駆動源として用いられるとともに、ブレーキを踏んだりアクセルを緩めたりする減速時に駆動輪の回転力で回転して回生エネルギーを発生させる発電機として用いられる。

制御部５０は、後程説明する第１上スイッチング部Ｓ１１、第２上スイッチング部Ｓ１２、第１下スイッチング部Ｓ２１、第２下スイッチング部Ｓ２２のスイッチング動作を制御する。

ここで、コンバータ１０ａの構成及び動作に関して説明する。図１に示すように、コンバータ１０ａは、リアクトル１１、上アーム１２、下アーム１３、ノイズ抑制コンデンサ１４、平滑コンデンサ１５などを備えている。

しかしながら、コンバータ１０ａは、ノイズ抑制コンデンサ１４、平滑コンデンサ１５を備えていなくてもよい。つまり、本開示の車両用電力変換装置は、ノイズ抑制コンデンサ１４、平滑コンデンサ１５を備えていなくてもよい。また、本開示の車両用電力変換装置は、リアクトル１１、上アーム１２、下アーム１３、ノイズ抑制コンデンサ１４、平滑コンデンサ１５、インバータ３０が一体的に構成されたものであってもよい。さらに、本開示の車両用電力変換装置は、ノイズ抑制コンデンサ１４、平滑コンデンサ１５を含まず、リアクトル１１、上アーム１２、下アーム１３、インバータ３０が一体的に構成されたものであってもよい。

リアクトル１１は、一方の端子がバッテリと電気的に接続され、他方の端子が上アーム１２のスイッチング部Ｓ１１、Ｓ１２と下アーム１３のスイッチング部Ｓ２１、Ｓ２２との間に電気的に接続されている。リアクトル１１は、電気エネルギーを蓄積及び放出可能に構成されている。なお、上アーム１２のスイッチング部Ｓ１１、Ｓ１２は、後程説明する第１上スイッチング部Ｓ１１と第２上スイッチング部Ｓ１２に相当する。下アーム１３のスイッチング部Ｓ２１、Ｓ２２は、後程説明する第１下スイッチング部Ｓ２１と第２下スイッチング部Ｓ２２に相当する。

上アーム１２は、上アームスイッチング素子に相当する第１上アーム素子１２ａと、第２上アーム素子１２ｂとを有している。

第１上アーム素子１２ａは、第１上スイッチング部Ｓ１１と、還流ダイオードとしての第１上ダイオード部Ｄ１１とを含んでいる。第１上アーム素子１２ａは、ＭＯＳＦＥＴを採用する。よって、第１上アーム素子１２ａは、ＭＯＳＦＥＴの第１上スイッチング部Ｓ１１と、寄生ダイオードである第１上ダイオード部Ｄ１１とを備えているとも言える。このため、第１上アーム素子１２ａは、第１上スイッチング部Ｓ１１と別体の還流ダイオードが必要ない。

第１上スイッチング部Ｓ１１は、ドレインが高電位ラインに接続され、ソースが第１下スイッチング部Ｓ２１のコレクタに接続され、ゲートが制御部５０に接続されている。なお、ＭＯＳＦＥＴは、Ｓｉを主成分として構成されたもの、ＳｉＣを主成分として構成されたもの、ＧａＮを主成分として構成されたものなどを採用することができる。

第２上アーム素子１２ｂは、第２上スイッチング部Ｓ１２と、還流ダイオードとしての第２上ダイオード部Ｄ１２とを含んでいる。第２上アーム素子１２ｂは、ＩＧＢＴを採用する。第２上スイッチング部Ｓ１２は、コレクタが高電位ラインに接続され、エミッタが第２下スイッチング部Ｓ２２のコレクタに接続され、ゲートが制御部５０に接続されている。なお、第２下スイッチング部Ｓ２２は、Ｓｉを主成分として構成されたものを採用することができる。また、第２上アーム素子１２ｂは、ＭＯＳＦＥＴやＲＣ－ＩＧＢＴであっても採用することができる。

このように、上アーム１２は、複数の上アーム素子１２ａ、１２ｂのみを有し、複数の上アーム素子１２ａ、１２ｂの少なくとも一つがＭＯＳＦＥＴで構成されている。言い換えると、上アーム１２は、複数のスイッチング部と、各スイッチング部に並列に設けられた還流ダイオードのみを有しており、少なくとも一つのスイッチング部がＭＯＳＦＥＴのスイッチング部の構成を成している。このため、上アーム１２は、第１上スイッチング部Ｓ１１に対してショットキーバリアダイオードなどの他の素子が並列に接続された構成よりも部品点数を減らすことができる。つまり、ＭＯＳＦＥＴである第１上アーム素子１２ａは、別チップのショットキーバリアダイオードが並列に接続されていない。なお、上アーム素子の全てがスイッチング部と還流ダイオードのみを有している構成に限定されるものではなく、一部の上アーム素子は、還流ダイオードを有さないＩＧＢＴのみで構成されてもよい。また、上アーム１２は、スイッチング部とダイオード部の数が同じか、もしくは、スイッチング部の数よりもダイオード部の数の方が少ないと好ましい。

なお、本実施形態では、一例として、二つの上アーム素子１２ａ、１２ｂを備えた例を採用している。しかしながら、本開示は、これに限定されず、三つ以上の上アーム素子を備えていてもよい。

下アーム１３は、下アームスイッチング素子に相当する第１下アーム素子１３ａと、第２下アーム素子１３ｂとを有している。第１下アーム素子１３ａは、第１下スイッチング部Ｓ２１と、還流ダイオードとしての第１下ダイオード部Ｄ２１とを含んでいる。同様に、第２下アーム素子１３ｂは、第２下スイッチング部Ｓ２２と、還流ダイオードとしての第２下ダイオード部Ｄ２２とを含んでいる。第１下アーム素子１３ａと第２下アーム素子１３ｂは、同様の構成を有している。よって、以下においては、両素子１３ａ、１３ｂで区別する必要がない場合、第１下アーム素子１３ａを用いて説明する。

第１下アーム素子１３ａは、ＲＣ－ＩＧＢＴを採用する。よって、第１下アーム素子１３ａは、第１下スイッチング部Ｓ２１と第１下ダイオード部Ｄ２１とが同一のチップに設けられている。このため、第１下アーム素子１３ａは、第１下スイッチング部Ｓ２１と別体の還流ダイオードが必要ない。

第１下スイッチング部Ｓ２１は、コレクタが第１上スイッチング部Ｓ１１のソースに接続され、エミッタが低電位ラインに接続され、ゲートが制御部５０に接続されている。第２下スイッチング部Ｓ２２は、コレクタが第２上スイッチング部Ｓ１２のエミッタに接続され、エミッタが低電位ラインに接続され、ゲートが制御部５０に接続されている。

このように、下アーム１３は、第１下スイッチング部Ｓ２１が第１上スイッチング部Ｓ１１と直列接続されており、第２下スイッチング部Ｓ２２が第２上スイッチング部Ｓ１２と直列接続されている。よって、下アーム１３は、上アーム素子１２ａ、１２ｂと直接接続された下アーム素子１３ａ、１３ｂがＩＧＢＴで構成されていると言える。また、コンバータ１０ａは、上アーム素子１２ａ、１２ｂと、上アーム素子１２ａ、１２ｂと直列接続された下アーム素子１３ａ、１３ｂとの対を複数有しているとも言える。

なお、上アーム素子１２ａ、１２ｂは、高電位側素子と言い換えることができる。これに対して、下アーム素子１３ａ、１３ｂは、低電位側素子と言い換えることができる。

ノイズ抑制コンデンサ１４は、一方の端子がリアクトル１１とバッテリ２０との間に電気的に接続され、他方の端子がグランドに電気的に接続されている。ノイズ抑制コンデンサ１４は、バッテリ２０からの電源ノイズを抑制又は除去する。

平滑コンデンサ１５は、直列接続されている上アーム１２と下アーム１３の直列接続体と、並列接続されている。平滑コンデンサ１５は、昇圧した電圧を平滑化する。つまり、平滑コンデンサ１５は、インバータ３０に供給される電圧を平滑化する。

ここで、コンバータ１０ａの昇圧モードと降圧モードと非昇圧モード時の動作に関して、一例を用いて説明する。

まず、昇圧モードに関して説明する。制御部５０は、上スイッチング部Ｓ１１、Ｓ１２をオフにし、下スイッチング部Ｓ２１、Ｓ２２をオンする。このようにすると、バッテリ２０からリアクトル１１に電流が流れ、リアクトル１１にエネルギーが蓄えられる。その後、制御部５０は、上スイッチング部Ｓ１１、Ｓ１２をオンし、下スイッチング部Ｓ２１、Ｓ２２をオフする。このようにすると、リアクトル１１に蓄えられたエネルギーが開放され、リアクトル１１から上スイッチング部Ｓ１１、Ｓ１２、上ダイオード部Ｄ１１、Ｄ１２を通り端子ＶＨ１の方へ電流が流れる。制御部５０は、これを繰り返し実行する。

ところで、車載用のコンバータ１０ａは、図２に示すように、昇圧比５０％以上で使用することが多い。そこで、コンバータ１０ａは、下アーム素子１３ａ、１３ｂとして、例えばＩＧＢＴと当該ＩＧＢＴと逆並列に接続される還流ダイオードを内蔵し大電流域で低損失なＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse Conducting IGBT）を採用している。このため、コンバータ１０ａは、大電流域で低損失とすることができる。なお、ＲＣ－ＩＧＢＴのかわりに、ＩＧＢＴを採用しても、同様の効果を得ることができる。

次に、降圧モードに関して説明する。制御部５０は、下スイッチング部Ｓ２１、Ｓ２２をオフにした状態で、上スイッチング部Ｓ１１、Ｓ１２をオンする。このようにすると、モータジェネレータ４０側からリアクトル１１に電流が流れ、リアクトル１１にエネルギーが蓄えられる。その後、制御部５０は、下スイッチング部Ｓ２１、Ｓ２２をオフにしたまま、上スイッチング部Ｓ１１、Ｓ１２をオフする。このようにすると、リアクトル１１に蓄えられたエネルギーが解放され、リアクトル１１からバッテリ２０へ電流が流れる。そのため、バッテリ２０は、充電される。

次に、非昇圧モード（スルーモード）に関して説明する。非昇圧モードは、バッテリ２０の直流電圧を昇圧することなく出力するモードである。制御部５０は、図３に示すように、下スイッチング部Ｓ２１、Ｓ２２をオフし、上スイッチング部Ｓ１１、Ｓ１２をオンし続ける。このようにすると、バッテリ２０から電流が、リアクトル１１を通り、下スイッチング部Ｓ２１、Ｓ２２、及び上ダイオード部Ｄ１１、Ｄ１２を流れて出力される。制御部５０は、下スイッチング部Ｓ２１、Ｓ２２をオフし続けるため昇圧されない。

燃費に効く領域では、制御部５０は、非昇圧モードで動作させることが多い。コンバータ１０ａは、第１上アーム素子１２ａにＭＯＳＦＥＴを採用しているため、導通損失を下げることができる。これによって、コンバータ１０ａは、燃費を向上させることができる。また、コンバータ１０ａは、通損失を下げることができるため、第１上アーム素子１２ａにＭＯＳＦＥＴを採用していない場合よりも、省電力化できる。なお、燃費に効く領域とは、非昇圧～低昇圧比の領域である。

以上、本開示の好ましい実施形態について説明した。しかしながら、本開示は、上記実施形態に何ら制限されることはなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能である。以下に、本開示のその他の形態として、第２～第９実施形態に関して説明する。上記実施形態及び第２～第９実施形態は、夫々単独で実施することも可能であるが、適宜組み合わせて実施することも可能である。本開示は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。

（第２実施形態）
図４、図５を用いて、本実施形態の車両用電力変換装置に関して説明する。本実施形態は、制御部５０の構成、及び上アーム素子１２ａ、１２ｂの駆動方法が第１実施形態と異なる。さらに、本実施形態では、第２上アーム素子１２ｂ１として、ＲＣ－ＩＧＢＴを採用している点が第１実施形態と異なる。ＲＣ－ＩＧＢＴである第２上アーム素子１２ｂ１は、第２上スイッチング部Ｓ１２１と、還流ダイオードとしての第２上ダイオード部Ｄ１２１とを含んでいる。

制御部５０は、第１駆動部５１と第２駆動部５２とを備えている。第１駆動部５１は、第１上スイッチング部Ｓ１１を駆動する。一方、第２駆動部５２は、第２上スイッチング部Ｓ１２１を駆動する。つまり、第１駆動部５１は、第１上アーム素子１２ａであるＭＯＳＦＥＴを駆動するものである。一方、第２駆動部５２は、第１駆動部５１とは異なり、第２上アーム素子１２ｂ１であるＲＣ－ＩＧＢＴを駆動するものである。

よって、制御部５０は、第１上アーム素子１２ａと第２上アーム素子１２ｂ１とを別々に駆動することができる。例えば、制御部５０は、第１駆動部５１によって第１上アーム素子１２ａのみを駆動して、第２駆動部５２による第２上アーム素子１２ｂ１の駆動を停止させる駆動方法や、この逆の駆動方法を行うことができる。

図５に示すように、ＲＣ－ＩＧＢＴは、ゲート電圧Ｖｇが掛かるとＶｇ＝０と比べてＶｆが悪化する特性を持つ。そこで、コンバータ１０ａは、上アーム１２に電流を流す際、第１駆動部５１にて第１上アーム素子１２ａへゲート電圧を印加してオンし、第２駆動部５２にて第２上アーム素子１２ｂ１へゲート電圧を印加せずに、電流を流した方が駆動損失を低減することができる。例えば、制御部５０は、非昇圧モード時などに、下スイッチング部Ｓ２１、Ｓ２２をオフし、上スイッチング部Ｓ１１、Ｓ１２１をオンし続ける際に、第１上スイッチング部Ｓ１１のみをオンし続け、第２上スイッチング部Ｓ１２１をオフする。これによって、本実施形態のコンバータ１０ａは、上記実施形態よりも駆動損失を低減することができる。当然ながら、本実施形態は、上記実施形態と同様の効果も奏することができる。

なお、上アーム１２は、第１上アーム素子１２ａに加えて、ＭＯＳＦＥＴである上アーム素子を備えていてもよい。この場合、第１駆動部５１は、第１上アーム素子１２ｂと、第１上アーム素子１２ｂとは異なるＭＯＳＦＥＴである上アーム素子に共通に設けられていてもよい。また、上アーム１２は、第２上アーム素子１２ｂに加えて、ＭＯＳＦＥＴではない上アーム素子を備えていてもよい。この場合、第２駆動部５２は、第２上アーム素子１２ｂと、第２上アーム素子１２ｂとは異なるＭＯＳＦＥＴではない上アーム素子に共通に設けられていてもよい。

（第３実施形態）
図６を用いて、本実施形態の車両用電力変換装置に関して説明する。特に、本実施形態では、車両用電力変換装置におけるパワーモジュール１００に関して説明する。本実施形態は、第１上アーム素子１２ａと第１下アーム素子１３ａとがパッケージ化されている点が第１実施形態と異なる。

第１上アーム素子１２ａは、ＭＯＳＦＥＴを採用する。そして、第１上アーム素子１２ａは、第１上スイッチング部Ｓ１１と、寄生ダイオードである第１上ダイオード部Ｄ１１とを備えている。一方、第１下アーム素子１３ａは、ＲＣ－ＩＧＢＴを採用する。そして、第１下アーム素子１３ａは、第１下スイッチング部Ｓ２１と、第１下ダイオード部Ｄ２１とを備えている。このように、パワーモジュール１００は、ＭＯＳＦＥＴとＲＣ‐ＩＧＢＴとが一つのパッケージとして構成されていると言える。このため、パワーモジュール１００は、第１上スイッチング部Ｓ１１と別体の上アームのダイオードや、第１下スイッチング部Ｓ２１と別体のダイオードが必要ない。

パワーモジュール１００は、第１上アーム素子１２ａと第１下アーム素子１３ａに加えて、対を成す導電性部材と、複数の端子と、絶縁部材とを含んでいる。絶縁部材は、絶縁性の樹脂材料であり、第１上アーム素子１２ａと、第１下アーム素子１３ａと、各導電性部材の一部と、各端子の一部を一体的に覆っている。絶縁部材は、第１上アーム素子１２ａや第１下アーム素子１３ａなど、覆っている部位を保護することができる。

各導電性部材は、第１上アーム素子１２ａと第１下アーム素子１３ａとを挟み込む位置に配置され、第１上アーム素子１２ａの電極及び第１下アーム素子１３ａの電極と電気的に接続されている。各導電性部材は、端子及び放熱部材と機能する。端子は、第１上アーム素子１２ａの電極、及び第１下アーム素子１３ａの電極と電気的に接続されており、一部が絶縁部材から露出している。

パワーモジュール１００は、導電性部材及び端子における絶縁部材から露出した部位が、パワーモジュール１００の外部に設けられた装置と電気的に接続可能に構成されている。例えば、パワーモジュール１００は、端子における絶縁部材から露出した部位が制御部５０と電気的に接続され、導電性部材及び端子における絶縁部材から露出した部位がインバータ３０と電気的に接続されている。

このようなパワーモジュール１００を備えた車両用電力変換装置は、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、パワーモジュール１００は、ＭＯＳＦＥＴである第１上アーム素子１２ａと、ＲＣ－ＩＧＢＴである第１下アーム素子１３ａの組み合わせでパッケージ化することで、パッケージサイズを小型化することができる。つまり、ＲＣ－ＩＧＢＴは、ＩＧＢＴとダイオードとが別体となったものよりもサイズが小さい。よって、パワーモジュール１００は、上アームのＭＯＳＦＥＴとダイオード、及び下アームのＩＧＢＴとダイオードをパッケージ化したパワーモジュールよりも小型化することができる。このように、車両用電力変換装置は、パワーモジュール１００を小型化することができるため、コストを低減することができる。

なお、本実施形態では、第２上アーム素子１２ｂと第２下アーム素子１３ｂに関しても、第１上アーム素子１２ａと第１下アーム素子１３ａと同様にパッケージ化されていてもよい。また、車両用電力変換装置は、三つ以上の上アーム素子と下アーム素子を備えている場合、各上アーム素子と各下アーム素子が、第１上アーム素子１２ａと第１下アーム素子１３ａと同様にパッケージ化されていてもよい。

（第４実施形態）
図７を用いて、本実施形態の車両用電力変換装置に関して説明する。本実施形態は、上アーム１２と下アーム１３の構成が第１実施形態と異なる。

コンバータ１０ｂは、上アーム素子として、第１上アーム素子１２ａ、第２上アーム素子１２ｂに加えて、上アームスイッチング素子に相当する第３上アーム素子１２ｃを備えている。第３上アーム素子１２ｃは、第２上アーム素子１２ｂと同様の構成を有しており、第３上スイッチング部Ｓ１３と、還流ダイオードとしての第３上ダイオード部Ｄ１３とを含んでいる。第３上スイッチング部Ｓ１３は、ドレインが高電位ラインに接続され、ソースが第３下スイッチング部Ｓ２３のコレクタに接続され、ゲートが制御部５０に接続されている。第３上アーム素子１２ｃは、第２上アーム素子１２ｂと同様、ＭＯＳＦＥＴやＲＣ－ＩＧＢＴであっても採用することができる。

また、コンバータ１０ｂは、下アーム素子として、第１下アーム素子１３ａ、第２下アーム素子１３ｂに加えて、下アームスイッチング素子に相当する第３下アーム素子１３ｃを備えている。第３下アーム素子１３ｃは、第２下アーム素子１３ｂと同様の構成を有しており、第３下スイッチング部Ｓ２３と、還流ダイオードとしての第３下ダイオード部Ｄ２３とを含んでいる。第３下スイッチング部Ｓ２３は、コレクタが第３上スイッチング部Ｓ１３のソースに接続され、エミッタが低電位ラインに接続され、ゲートが制御部５０に接続されている。本実施形態は、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第５実施形態）
図８、図９を用いて、本実施形態の車両用電力変換装置に関して説明する。本実施形態は、対をなす上アーム素子１２ａ、１２ｂと下アーム素子１３ａ、１３ｂの相が複数相備えている点が第１実施形態と異なる。また、本実施形態は、各アーム素子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂと、リアクトル１１ａ、１１ｂとの位置関係が第１実施形態と異なる。

コンバータ１０ｃは、第１相として、第１リアクトル１１ａと、上アームスイッチング素子に相当する第１上アーム素子１２ａと、下アームスイッチング素子に相当する第１下アーム素子１３ａとを備えている。第１上アーム素子１２ａと第１下アーム素子１３ａの構成は、第１実施形態と同様である。第１リアクトル１１ａは、一方の端子がバッテリと電気的に接続され、他方の端子が第１上アーム素子１２ａの第１上スイッチング部Ｓ１１と第１下アーム素子１３ａの第１下スイッチング部Ｓ２１との間に電気的に接続されている。詳述すると、第１リアクトル１１ａは、バスバを介して、第１上アーム素子１２ａ、第１下アーム素子１３ａと電気的に接続されている。バスバは、特許請求の範囲における導電部材に相当する。

また、コンバータ１０ｃは、第２相として、第２リアクトル１１ｂと、上アームスイッチング素子に相当する第２上アーム素子１２ｂと、下アームスイッチング素子に相当する第２下アーム素子１３ｂとを備えている。第２上アーム素子１２ｂと第２下アーム素子１３ｂの構成は、第１実施形態と同様である。第２リアクトル１１ｂは、一方の端子がバッテリと電気的に接続され、他方の端子が第２上アーム素子１２ｂの第２上スイッチング部Ｓ１２と第２下アーム素子１３ｂの第２下スイッチング部Ｓ２２との間に電気的に接続されている。詳述すると、第２リアクトル１１ｂは、バスバを介して、第２上アーム素子１２ｂ、第２下アーム素子１３ｂと電気的に接続されている。

第１リアクトル１１ａと第２リアクトル１１ｂとは、例えば、同一のケースに一体的に配置されている。図９では、第１リアクトル１１ａと第２リアクトル１１ｂとが一体的にケースに配置された簡略図を示している。

図９に示すように、コンバータ１０ｃは、各アーム素子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂが、冷却器２００に挟み込まれている。各アーム素子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂは、動作することで発熱するが、冷却器２００で冷却することができる。なお、冷却器２００は、例えば、特開２０１８－１０１６６６号公報に記載されたものなどを採用することができる。

さらに、図９に示すように、コンバータ１０ｃは、ＭＯＳＦＥＴである第１上アーム素子１２ａが、他のアーム素子１２ｂ、１３ａ、１３ｂよりもリアクトル１１ａ、１１ｂに近い位置に配置されている。このため、コンバータ１０ｃは、第１上アーム素子１２ａと第１リアクトル１１ａとを接続しているバスバの長さを短くすることができる。つまり、コンバータ１０ｃは、第１上アーム素子１２ａが他のアーム素子１２ｂ、１３ａ、１３ｂよりもリアクトル１１ａ、１１ｂから遠い位置に配置されている場合よりもバスバの長さを短くすることができる。よって、コンバータ１０ｃは、第１上アーム素子１２ａが他のアーム素子１２ｂ、１３ａ、１３ｂよりもリアクトル１１ａ、１１ｂから遠い位置に配置されている場合よりも損失を低減することができる。つまり、コンバータ１０ｃは、バスバが短くなることで、バスバの電気抵抗が小さくなり、導通損失が低減できる。また、本実施形態は、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、各アーム素子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂと、リアクトル１１ａ、１１ｂとの位置関係は、第１～第４、第７～第９実施形態であっても適用することができる。

（第６実施形態）
図１０を用いて、本実施形態の車両用電力変換装置に関して説明する。本実施形態は、各アーム素子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂと、リアクトル１１ａ、１１ｂとの位置関係が第５実施形態と異なる。

図１０に示すように、コンバータ１０ｄは、ＭＯＳＦＥＴである第１上アーム素子１２ａが、他のアーム素子１２ｂ、１３ａ、１３ｂよりもリアクトル１１ａ、１１ｂから遠い位置に配置されている。このため、コンバータ１０ｄは、第１上アーム素子１２ａが、リアクトル１１ａ、１１ｂから発せられた熱の影響を受けることを低減することができる。つまり、コンバータ１０ｄは、第１上アーム素子１２ａが他のアーム素子１２ｂ、１３ａ、１３ｂよりもリアクトル１１ａ、１１ｂに近い位置に配置されている場合よりも、熱の影響を低減することができる。このように、コンバータ１０ｄは、第１上アーム素子１２ａをリアクトル１１ａ、１１ｂから遠ざけることで熱害を抑制することができる。また、本実施形態は、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、各アーム素子１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂと、リアクトル１１ａ、１１ｂとの位置関係は、第１～第４、第７～第９実施形態であっても適用することができる。

（第７実施形態）
図１１を用いて、本実施形態の車両用電力変換装置に関して説明する。本実施形態は、下アーム素子１３ｄ、１３ｅの構成が第１実施形態と異なる。

コンバータ１０ｅは、下アーム１３として、下アームスイッチング素子に相当する第１下アーム素子１３ｄと第２下アーム素子１３ｅとを有している。第１下アーム素子１３ｄは、第１下スイッチング部Ｓ２４と、還流ダイオードとしての第１下ダイオード部Ｄ２４とを含んでいる。同様に、第２下アーム素子１３ｅは、第２下スイッチング部Ｓ２５と、還流ダイオードとしての第２下ダイオード部Ｄ２５とを含んでいる。第１下アーム素子１３ｄと第２下アーム素子１３ｅは、同様の構成を有している。

第１下アーム素子１３ｄ及び第２下アーム素子１３ｅは、ＩＧＢＴを採用する。第１下スイッチング部Ｓ２４は、コレクタが第１上スイッチング部Ｓ１１のソースに接続され、エミッタが低電位ラインに接続され、ゲートが制御部５０に接続されている。第２下スイッチング部Ｓ２５は、コレクタが第２上スイッチング部Ｓ１２のエミッタに接続され、エミッタが低電位ラインに接続され、ゲートが制御部５０に接続されている。

このように、本実施形態は、下アーム素子１３ｄ、１３ｅとしてＲＣ－ＩＧＢＴではなくＩＧＢＴを採用しても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第８実施形態）
図１２を用いて、本実施形態の車両用電力変換装置に関して説明する。本実施形態は、上アーム素子１２ａ、１２ｂの個数（素子数）と、下アーム素子１３ｆ、１３ｇ、１３ｈの個数とを相違させている点が第７実施形態と異なる。また、本実施形態は、上アーム１２の構成が第７実施形態と異なる。

コンバータ１０ｆは、上アーム１２として、第１上アーム素子１２ａと第２上アーム素子１２ｂとを有している。ここでは、第１上アーム素子１２ａと第２上アーム素子１２ｂの両方がＭＯＳＦＥＴである例を採用する。つまり、上アーム１２は、上アームスイッチング素子が全てＭＯＳＦＥＴである。

上記のように、制御部５０は、燃費に効く領域では非昇圧モードで動作させることが多い。この場合、制御部５０は、図３に示すように、下スイッチング部Ｓ２６、Ｓ２７、Ｓ２８をオフし、上スイッチング部Ｓ１１、Ｓ１２をオンし続ける。コンバータ１０ｆは、第１上アーム素子１２ａと第２上アーム素子１２ｂの両方がＭＯＳＦＥＴを採用しているため、上アームスイッチング素子としてＩＧＢＴを含む場合よりも、導通損失を下げることができる。これによって、コンバータ１０ｆは、上アームスイッチング素子としてＩＧＢＴを含む場合よりも、燃費を向上させることができる。また、コンバータ１０ｆは、上アームスイッチング素子としてＩＧＢＴを含む場合よりも、省電力化できる。

また、コンバータ１０ｆは、下アーム１３として、下アームスイッチング素子に相当する第１下アーム素子１３ｆと第２下アーム素子１３ｇと第３下アーム素子１３ｈとを有している。

第１下アーム素子１３ｆは、第１下スイッチング部Ｓ２６と、還流ダイオードとしての第１下ダイオード部Ｄ２６とを含んでいる。第２下アーム素子１３ｇは、第２下スイッチング部Ｓ２７と、還流ダイオードとしての第２下ダイオード部Ｄ２７とを含んでいる。第３下アーム素子１３ｈは、第３下スイッチング部Ｓ２８と、還流ダイオードとしての第３下ダイオード部Ｄ２８とを含んでいる。各下アーム素子１３ｆ～１３ｈは、上記実施形態の第１下アーム素子１３ｄと同様の構成である。

このように、コンバータ１０ｆは、上アーム素子１２ａ、１２ｂは、下アーム素子１３ｆ～１３ｈよりも素子数が少ない。本実施形態では、一例として、二つの上アーム素子１２ａ、１２ｂと、三つの下アーム素子１３ｆ～１３ｈとを備えたコンバータ１０ｆを採用している。

本実施形態は、第７実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、コンバータ１０ｆは、電流負荷の高い下アーム１３の下アーム素子のみ素子数を増やすことで、大電流化と低損失化を両立させることができる。また、コンバータ１０ｆは、コスト増加を最小限に抑えつつ、大電流化と低損失化を両立させることができる。

なお、コンバータ１０ｆは、下アーム素子１３ｆ～ｈとしＲＣ－ＩＧＢＴを採用することもできる。また、コンバータ１０ｆは、上アーム１２の素子数が、下アーム１３の素子数よりも少なくければよい。よって、コンバータ１０ｆは、上アーム１２に三つ以上の上アーム素子を備えていてもよく、下アーム１３に四つ以上の下アーム素子を備えていてもよい。

（第９実施形態）
図１３を用いて、本実施形態の車両用電力変換装置に関して説明する。特に、本実施形態では、車両用電力変換装置におけるパワーモジュール１１０に関して説明する。パワーモジュール１１０は、上感温ダイオード１６ａ、下感温ダイオード１６ｂを備えている点がパワーモジュール１００と異なる。なお、パワーモジュール１１０は、下感温ダイオード１６ｂを備えていなくてもよい。

例えば、パワーモジュールは、上アームのスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）と、上アームのダイオードと、下アームのスイッチング素子と、下アームのダイオードをパッケージ化したものが考えられる（比較例）。このようなパワーモジュールでは、上アームのＭＯＳＦＥＴ及びダイオードに温度センサ（例えば感温ダイオード）を設けて両素子の温度を測定するか、いずれか一方の温度センサを設けて他方の温度を推測することが考えられる。また、両素子の近傍にサーミスタを設けて、温度を測定することも考えられる。

しかしながら、この場合、両素子に温度センサを設けることでコストアップとなったり、推測誤差によって正確に温度を測定することができない可能性がある。測定誤差が生じる場合、パワーモジュールでは、測定誤差を見込んで素子サイズを大型化することが考えられる。この場合、パワーモジュールは、素子サイズを大型化することでコストが増大してしまう。また、パワーモジュールでは、測定誤差を見込んで出力をダウンさせることが考えられる。

パワーモジュール１１０は、パワーモジュール１００と同様に、第１上アーム素子１２ｄと第１下アーム素子１３ｉとがパッケージ化されたものである。第１上アーム素子１２ｄは、ＭＯＳＦＥＴを採用する。そして、第１上アーム素子１２ｄは、第１上スイッチング部と、寄生ダイオードである第１上ダイオード部とを備えている。一方、第１下アーム素子１３ｉは、ＲＣ－ＩＧＢＴを採用する。このように、パワーモジュール１１０は、比較例と異なり、第１上アーム素子１２ｄと別体の上アームのダイオードや、第１下アーム素子１３ｉと別体のダイオードが必要ない。

なお、第２上アーム素子と第２下アーム素子や、その他の上アーム素子と下アーム素子に関しても、第１上アーム素子１２ｄと第１下アーム素子１３ｉと同様の構成を有しており、且つ、同様にパッケージ化されている。よって、以下の説明は、第２上アーム素子と第２下アーム素子や、その他の上アーム素子と下アーム素子にも適用できる。

パワーモジュール１１０は、第１上アーム素子１２ｄが上感温ダイオード１６ａを有している。上感温ダイオード１６ａは、第１上アーム素子１２ｄの温度を測定するために設けられている。つまり、上感温ダイオード１６ａは、第１上アーム素子１２ｄの第１上スイッチング部と第１上ダイオード部の温度を測定するために設けられていると言える。上感温ダイオード１６ａは、第１上アーム素子１２ｄが動作することによって発熱した場合の第１上アーム素子１２ｄの温度を測定するために設けられているとも言える。

また、上感温ダイオード１６ａは、制御部５０に電気的に接続されている。このため、制御部５０は、第１上アーム素子１２ｄの温度、すなわち、第１上スイッチング部と第１上ダイオード部を取得することができる。制御部５０は、第１上アーム素子１２ｄの温度が所定の閾値温度に達すると、第１上アーム素子１２ｄの駆動を停止する。この閾値温度は、第１上アーム素子１２ｄに異常を生じさせる温度に達する可能性がある温度が設定される。これによって、パワーモジュール１１０は、熱によって第１上アーム素子１２ｄに異常が生じることを抑制でき、第１上アーム素子１２ｄを保護することができる。

さらに、本実施形態では、下感温ダイオード１６ｂを有した第１下アーム素子１３ｉを一例として採用している。下感温ダイオード１６ｂは、第１下アーム素子１３ｉの温度を測定するために設けられている。つまり、下感温ダイオード１６ｂは、第１下アーム素子１３ｉのＲＣ－ＩＧＢＴの温度を測定するために設けられていると言える。下感温ダイオード１６ｂは、第１下アーム素子１３ｉが動作することによって発熱した場合の第１下アーム素子１３ｉの温度を測定するために設けられているとも言える。

また、下感温ダイオード１６ｂは、制御部５０に電気的に接続されている。このため、制御部５０は、第１下アーム素子１３ｉの温度を取得することができる。制御部５０は、第１下アーム素子１３ｉの温度が所定の閾値温度に達すると、第１下アーム素子１３ｉの駆動を停止する。この閾値温度は、第１下アーム素子１３ｉに異常を生じさせる温度に達する可能性がある温度が設定される。これによって、パワーモジュール１１０は、熱によって第１下アーム素子１３ｉに異常が生じることを抑制でき、第１下アーム素子１３ｉを保護することができる。

このようなパワーモジュール１１０を備えた車両用電力変換装置は、第１実施形態及び第３実施形態と同様の効果を奏することができる。さらに、パワーモジュール１１０は、比較例よりも感温ダイオードの数を減らすことができ、コストを低減することができる。また、パワーモジュール１１０は、温度を推測する比較例よりも正確に温度を測定することができる。また、パワーモジュール１１０は、比較例よりも素子サイズの小型化できるため、コストが増大したり、出力がダウンすることを抑制できる。なお、本実施形態は、他の実施形態にも適用できる。

上記のように、上アーム１２は、複数の上アームスイッチング素子の少なくとも一つ（例えば第１上アーム素子１２ａなど）がＭＯＳＦＥＴである。このＭＯＳＦＥＴは、ＳｉＣやＧａＮなどのワイドバンドギャップ半導体を主成分として構成されていると好ましい。コンバータは、上アームスイッチング素子のＭＯＳＦＥＴとして、ワイドバンドギャップ半導体を主成分として構成されたものを採用することで、ＭＯＳＦＥＴがＳｉを主成分として構成されている場合よりも、導通損失を下げることができる。よって、コンバータは、ワイドバンドギャップ半導体を主成分として構成されたＭＯＳＦＥＴを採用することで、非昇圧モード時において、Ｓｉを主成分として構成されたＭＯＳＦＥＴを用いる場合よりも、燃費を向上させることができる。また、このコンバータは、ワイドバンドギャップ半導体を主成分として構成されたＭＯＳＦＥＴを採用することで、Ｓｉを主成分として構成されたＭＯＳＦＥＴを用いる場合よりも省電力化できる。

１０ａ～１０ｆ…コンバータ、１１…リアクトル、１１ａ…第１リアクトル、１１ｂ…第２リアクトル、１２…上アーム、１３…下アーム、１２ａ～１２ｄ，１２ｂ１…第１上アーム素子、Ｓ１１～Ｓ１３，Ｓ１２１…第１上スイッチング部、Ｄ１１～Ｄ１３，Ｄ１２１…第１上ダイオード部、１３ａ，１３ｄ，１３ｆ，１３ｉ…第１下アーム素子、Ｓ２Ｓ２４，Ｓ２６…第１下スイッチング部、Ｄ２１，Ｄ２４，Ｄ２６…第１下ダイオード部、１３ｂ，１３ｅ，１３ｇ…第２下アーム素子、Ｓ２２，Ｓ２５，Ｓ２７…第２下スイッチング部、Ｄ２２，Ｄ２５，Ｄ２７…第２下ダイオード部、１３ｃ，１３ｈ…第３下アーム素子、Ｓ２３，Ｓ２８…第３下スイッチング部、Ｄ２３，Ｄ２８…第３下ダイオード部、１６ａ…上感温ダイオード、１６ｂ…下感温ダイオード、１４…ノイズ抑制コンデンサ、１５…平滑コンデンサ、２０…バッテリ、３０…インバータ、４０…モータジェネレータ、５０…制御部、５１…第１駆動部、５２…第２駆動部、１００，１１０…パワーモジュール、２００…冷却器

Claims (9)

1. バッテリの電圧を昇圧して、インバータを介してモータへ供給するコンバータを含む車両用電力変換装置であって、
   前記コンバータは、
   複数の上アームスイッチング素子（１２ａ～１２ｄ、１２ｂ１）を有し、複数の前記上アームスイッチング素子の少なくとも一つがＭＯＳＦＥＴである上アーム（１２）と、
   前記上アームスイッチング素子と直接接続された下アームスイッチング素子（１３ａ～１３ｉ）がＩＧＢＴである下アーム（１３）と、
   一方の端子が前記バッテリと接続され、他方の端子が前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子との間に導電部材を介して接続され、電気エネルギーを蓄積且つ放出可能なリアクトル（１１、１１ａ、１１ｂ）と、を備え、
   前記上アームは、前記上アームスイッチング素子として、前記ＭＯＳＦＥＴである第１上アーム素子に加えて、前記第１上アーム素子とは異なる他スイッチング素子を有しており、
   前記ＭＯＳＦＥＴは、前記他スイッチング素子よりも、前記リアクトルに近い位置に配置されている車両用電力変換装置。
2. バッテリの電圧を昇圧して、インバータを介してモータへ供給するコンバータを含む車両用電力変換装置であって、
   前記コンバータは、
   複数の上アームスイッチング素子（１２ａ～１２ｄ、１２ｂ１）を有し、複数の前記上アームスイッチング素子の少なくとも一つがＭＯＳＦＥＴである上アーム（１２）と、
   前記上アームスイッチング素子と直接接続された下アームスイッチング素子（１３ａ～１３ｉ）がＩＧＢＴである下アーム（１３）と、
   一方の端子が前記バッテリと接続され、他方の端子が前記上アームスイッチング素子と前記下アームスイッチング素子との間に導電部材を介して接続され、電気エネルギーを蓄積且つ放出可能なリアクトル（１１、１１ａ、１１ｂ）と、を備え、
   前記上アームは、前記上アームスイッチング素子として、前記ＭＯＳＦＥＴである第１上アーム素子に加えて、前記第１上アーム素子とは異なる他スイッチング素子を有しており、
   前記ＭＯＳＦＥＴは、前記他スイッチング素子よりも、前記リアクトルから遠い位置に配置されている車両用電力変換装置。
3. 前記上アームスイッチング素子と、前記上アームスイッチング素子と直列接続された前記下アームスイッチング素子との対を複数有し、
   前記上アームは、前記上アームスイッチング素子として、少なくとも一つの前記ＭＯＳＦＥＴと、少なくとも一つの前記ＩＧＢＴとを有し、
   さらに、前記ＭＯＳＦＥＴを駆動する第１駆動部（５１）と、前記第１駆動部とは異なり、前記上アームスイッチング素子である前記ＩＧＢＴを駆動する第２駆動部（５２）と、を備えている請求項１または２に記載の車両用電力変換装置。
4. 前記下アームは、前記下アームスイッチング素子である前記ＩＧＢＴとして、ＲＣ‐ＩＧＢＴを備えている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
5. 前記ＭＯＳＦＥＴと前記ＲＣ‐ＩＧＢＴとは、一つのパッケージとして構成されている請求項４に記載の車両用電力変換装置。
6. 前記上アームスイッチング素子は、温度センサ（１６ａ）を有している請求項１乃至５のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
7. 前記下アームは、複数の前記下アームスイッチング素子を有しており、
   前記上アームスイッチング素子は、前記下アームスイッチング素子よりも素子数が少ない請求項１乃至６のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
8. 前記ＭＯＳＦＥＴは、ワイドバンドギャップ半導体を主成分として構成されている請求項１乃至７のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
9. 前記上アームは、前記上アームスイッチング素子が全てＭＯＳＦＥＴである請求項１乃至８のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。

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