JP7243582B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明の第2の態様に係る電力変換装置は、コンデンサ素子と、パワー半導体モジュールと、正極バスバ及び負極バスバとを備える。コンデンサ素子は、バッテリから供給される直流電圧を平滑化する。パワー半導体モジュールは、半導体スイッチング素子と、正極パワー端子と、負極パワー端子とを含み、コンデンサ素子からの直流電力を交流電力に変換する。正極バスバ及び負極バスバは、コンデンサ素子とパワー半導体モジュールとの間で直流電力を伝達する。パワー半導体モジュールは、コンデンサ素子と対向しない表面であるパワー端子配置面を含む。正極パワー端子及び負極パワー端子は、パワー端子配置面から突出するように配置されている。正極バスバ及び負極バスバは、正極バスバ及び負極バスバの少なくとも一方がコンデンサ素子の非電極面に沿って延びた後に合流し、その後にバスバ並走区間において並走している。正極バスバは、バスバ並走区間において負極バスバと並走した後、正極パワー端子の基端から先端に向けて正極パワー端子に沿って延びている。負極バスバは、バスバ並走区間において正極バスバと並走した後、負極パワー端子の基端から先端に向けて負極パワー端子に沿って延びている。パワー半導体モジュールは、略直方体形状を有し、コンデンサ素子と対向する表面であるコンデンサ対向面を含む。パワー端子配置面は、コンデンサ対向面と隣り合う面の1つである。正極バスバ及び負極バスバの何れか一方が、コンデンサ対向面とこれに対向するコンデンサ素子の表面との間に介在している。パワー半導体モジュールは、交流パワー端子を含む。電力変換装置は、パワー半導体モジュールを冷却する冷却器と、交流パワー端子に接続される交流バスバと、交流バスバに取り付けられた電流センサとをさらに備える。冷却器は、コンデンサ対向面の反対側に位置するパワー半導体モジュールの第2モジュール表面に接する第2モジュール接触面を有する第2冷却部を含む。第2冷却部は、第2モジュール接触面の反対側の表面において、交流バスバに第4絶縁体を介して接している。
図1~図6を参照して、本発明の実施の形態1及びその変形例について説明する。
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置10の要部の構成を表した斜視図である。図2は、図1中のパワー端子24p、24n、24o周りの部位Aの拡大図である。電力変換装置10は、一例として、図示省略するモータジェネレータを含む駆動源を備える電動車両に搭載されている。
図3は、図1中のC-C線断面(並び方向Bから見た時のパワー端子24pの位置の断面)を模式的に示す図である。パワーモジュール22は、コンデンサ素子32と対向するモジュール表面22bと、モジュール表面22bの反対側(換言すると、コンデンサ素子32から遠い側)に位置するモジュール表面22cとを有する。パワー端子24p及びパワー端子24n(図2参照)は、それぞれ、モジュール表面22cから突出するように配置されている。なお、モジュール表面22b及び22cは、それぞれ、本発明に係る「コンデンサ対向面」及び「パワー端子配置面」の一例に相当する。
図4(A)及び図4(B)は、それぞれ、実施の形態1に対する第1比較例及び第2比較例に係るバスバ配置を表した模式図である。これらの第1及び第2比較例と対比しつつ、実施の形態1のバスバ配置の効果について説明する。
一方、本実施形態に係る電力変換装置10によれば、Pバスバ40pは、コンデンサ素子32の非電極面32aに沿ってNバスバ40nに向けて延びた後にNバスバ40nと合流し、かつ、その後はバスバ並走区間42においてNバスバ40nと並走している。このようなバスバ配置によれば、第1及び第2比較例と比べて、バスバ40p、40nがコンデンサ素子32からパワー端子24p、24nに向かう過程においてバスバ40p、40nの単走区間を効果的に短くすることができる。そして、このようなバスバ配置手法によれば、仮にパワーモジュール22のモジュール表面22bとコンデンサ素子32の非電極面32aとの距離を図3に示す例と比べて長くしたとしても、バスバ40p、40n(バスバ並走区間)は長くなるが単走区間は長くならない。したがって、パワーモジュール22とコンデンサ素子32との位置関係の自由度を制限せずに単走区間の短縮を図れる。
また、本実施形態のバスバ配置によれば、図3に示すバスバ並走区間42、及び、パワー端子24p、24nとバスバ40p、40nとの接続部において、インダクタンスを打ち消し合う効果が得られ、その結果として、パワーモジュール22とコンデンサ素子32との間のループインダクタンスを低減できる。より詳細には、ここでいうループインダクタンスは、パワーモジュール22内の半導体スイッチング素子からパワー端子24n、Nバスバ40n、コンデンサ素子32、Pバスバ40p及びパワー端子24pを順に通過した後に再び半導体スイッチング素子に戻るように形成される電流経路のループインダクタンスのことである。
以上のように、本実施形態のバスバ配置によれば、電力変換装置10のケース内のパワーモジュール22とコンデンサ素子32の位置関係の選択の自由度を低下させることなく単走区間を短くしつつ、パワーモジュール22とコンデンサ素子32との間の電流経路のループインダクタンスを低減させることができる。
付け加えると、図3に示す例では、バスバ並走区間42は、Pバスバ40pとNバスバ40nとがモジュール表面22aに沿って並走する「モジュール並走区間」を含む。図5中の記号「Ipm」は、回生制動時にパワーモジュール22内をパワー端子24pに向けて流れる電流(パワーモジュール22内の電流の一部に相当)の向きを示している。図5に示すように、この電流Ipmの向きは、モジュール並走区間においてPバスバ40pを流れる電流Ipbの向きと逆になる。これにより、モジュール並走区間においてパワーモジュール22とPバスバ40pとの間でインダクタンスを打ち消し合う効果が得られる。この効果も、上記ループインダクタンスの低減に繋がる。また、このような効果は、モジュール並走区間におけるNバスバ40nとパワーモジュール22との間においても、パワー端子24nからパワーモジュール22内に流入した電流の向きがNバスバ40nを流れる電流の向きと逆になるので同様に得られる。また、ここで説明した効果は、力行時にも同様に得られる。
実施の形態1では、図3に示すように、Pバスバ40pがコンデンサ素子32の非電極面32aに沿って延びた後にNバスバ40nと合流している。しかしながら、図3に示す例におけるPバスバ40pとNバスバ40nの配置を逆にし、Nバスバ40nが非電極面32aに沿って延びた後にPバスバ40pと合流するバスバ配置が採用されてもよい。このようにPバスバとNバスバの配置を逆にしてもよい点は、以下に説明する各実施の形態及び各変形例についても同様である。
次に、図7を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。図7は、実施の形態2に係る電力変換装置50の特徴部を表した模式図である。この電力変換装置50は、以下に説明する点において、実施の形態1の電力変換装置10と相違している。
次に、図8を参照して、本発明の実施の形態3について説明する。図8は、実施の形態3に係る電力変換装置60の特徴部を表した模式図である。この電力変換装置60は、以下に説明する点において、実施の形態2の電力変換装置50と相違している。
次に、図9~図11を参照して、本発明の実施の形態4及びその変形例について説明する。
図9は、実施の形態4に係る電力変換装置70の要部の構成を表した平面図(コンデンサ素子32の電極面32nの側から見た図)である。図10は、図9中のG-G線断面(並び方向Bから見た時のパワー端子24pの位置の断面)を模式的に示す図である。電力変換装置70は、以下に説明する点において、実施の形態1の電力変換装置10と相違している。
以上説明したように、図9、10に示すようなユニット配置を前提とする本実施形態のバスバ配置によっても、実施の形態1と同様に、Pバスバ72pが非電極面32aに沿って延びた後にNバスバ72nと合流し、かつ、その後はバスバ並走区間74においてNバスバ72nと並走している。また、本実施形態においても、パワー端子24p、24nは、コンデンサ素子32と対向しないモジュール表面22cに配置されている。そして、並走後には、Pバスバ72pは基端24p1から先端24p2に向けて延び、Nバスバ72nは基端24n1から先端24n2に向けて延びている。これにより、電力変換装置70のケース内のパワーモジュール22とコンデンサ素子32の位置関係の選択の自由度を低下させることなく単走区間を短くしつつ、パワーモジュール22とコンデンサ素子32との間の電流経路のループインダクタンスを低減させることができる。
図11は、実施の形態4に対する変形例に係るバスバ配置を表した模式図である。この変形例では、図11に示すように、コンデンサ素子32の向きが図10に示す例と相違しており、非電極面32aではなく電極面32pがパワーモジュール22のモジュール表面(コンデンサ対向面)22aと対向している。そのうえで、本変形例では、Nバスバ76nが非電極面32aに沿って延びた後にPバスバ76pと合流し、その後にバスバ並走区間74において並走している。
次に、図12及び図13を参照して、本発明の実施の形態5について説明する。図12は、実施の形態5に係る電力変換装置80が備える冷却器82の構成例を示す模式図である。電力変換装置80は、以下に説明する点において、実施の形態4の電力変換装置70と相違している。なお、図12では、コンデンサユニット30、Pバスバ92p及びNバスバ92nの図示が省略されている。
次に、図14を参照して、本発明の実施の形態6について説明する。図14は、パワー端子24oの位置における実施の形態6に係る電力変換装置100の要部の断面を模式的に示す図である。電力変換装置100は、以下に説明する点において、実施の形態4の電力変換装置70(図10参照)と相違している。
モジュール接触面90bは本発明に係る「第2モジュール接触面」の一例に相当し、絶縁体106は本発明に係る「第4絶縁体」の一例に相当する。
20 パワー半導体ユニット
22 パワー半導体モジュール(パワーモジュール)
22a モジュール表面(図10では、コンデンサ対向面)
22b モジュール表面(図3では、コンデンサ対向面)
22c モジュール表面(パワー端子配置面)
24n 負極パワー端子
24o 交流パワー端子
24p 正極パワー端子
30 コンデンサユニット
32 コンデンサ素子
32a コンデンサ素子の非電極面
32n コンデンサ素子の負極側の電極面
32p コンデンサ素子の正極側の電極面
40n、44n、48n、72n、76n、92n 負極バスバ(Nバスバ)
40p、44p、48p、52p、62p、72p、76p、92p 正極バスバ(Pバスバ)
42、46、74、94 バスバ並走区間
54 絶縁体(第1絶縁体)
64 絶縁体(第2絶縁体)
82 冷却器
88 第1冷却部
88b モジュール接触面(第1モジュール接触面)
90 第2冷却部
90b モジュール接触面(第2モジュール接触面)
96 絶縁体(第3絶縁体)
102 交流バスバ(Oバスバ)
104 電流センサ
106 絶縁体(第4絶縁体)
Claims (5)
- バッテリから供給される直流電圧を平滑化するコンデンサ素子と、
半導体スイッチング素子と、正極パワー端子と、負極パワー端子とを含み、前記コンデンサ素子からの直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュールと、
前記コンデンサ素子と前記パワー半導体モジュールとの間で直流電力を伝達する正極バスバ及び負極バスバと、
を備える電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールは、前記コンデンサ素子と対向しない表面であるパワー端子配置面を含み、
前記正極パワー端子及び前記負極パワー端子は、前記パワー端子配置面から突出するように配置され、
前記正極バスバ及び前記負極バスバは、前記正極バスバ及び前記負極バスバの少なくとも一方が前記コンデンサ素子の非電極面に沿って延びた後に合流し、その後にバスバ並走区間において並走し、
前記正極バスバは、前記バスバ並走区間において前記負極バスバと並走した後、前記正極パワー端子の基端から先端に向けて前記正極パワー端子に沿って延びており、
前記負極バスバは、前記バスバ並走区間において前記正極バスバと並走した後、前記負極パワー端子の基端から先端に向けて前記負極パワー端子に沿って延びており、
前記パワー半導体モジュールは、略直方体形状を有し、前記コンデンサ素子と対向する表面であるコンデンサ対向面を含み、
前記パワー端子配置面は、前記コンデンサ対向面の反対側に位置し、
前記バスバ並走区間は、前記パワー半導体モジュールの表面のうちで最も広い面の1つであって前記コンデンサ対向面と前記パワー端子配置面との間に位置する第1モジュール表面に沿っているモジュール並走区間を含み、
前記パワー半導体モジュールは、前記第1モジュール表面とその反対側に位置するモジュール表面とを繋ぐ辺の長さが、前記第1モジュール表面を構成する各辺の長さよりも短くなるように形成されている
ことを特徴とする電力変換装置。 - バッテリから供給される直流電圧を平滑化するコンデンサ素子と、
半導体スイッチング素子と、正極パワー端子と、負極パワー端子とを含み、前記コンデンサ素子からの直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュールと、
前記コンデンサ素子と前記パワー半導体モジュールとの間で直流電力を伝達する正極バスバ及び負極バスバと、
を備える電力変換装置であって、
前記パワー半導体モジュールは、前記コンデンサ素子と対向しない表面であるパワー端子配置面を含み、
前記正極パワー端子及び前記負極パワー端子は、前記パワー端子配置面から突出するように配置され、
前記正極バスバ及び前記負極バスバは、前記正極バスバ及び前記負極バスバの少なくとも一方が前記コンデンサ素子の非電極面に沿って延びた後に合流し、その後にバスバ並走区間において並走し、
前記正極バスバは、前記バスバ並走区間において前記負極バスバと並走した後、前記正極パワー端子の基端から先端に向けて前記正極パワー端子に沿って延びており、
前記負極バスバは、前記バスバ並走区間において前記正極バスバと並走した後、前記負極パワー端子の基端から先端に向けて前記負極パワー端子に沿って延びており、
前記パワー半導体モジュールは、略直方体形状を有し、前記コンデンサ素子と対向する表面であるコンデンサ対向面を含み、
前記パワー端子配置面は、前記コンデンサ対向面と隣り合う面の1つであり、
前記正極バスバ及び前記負極バスバの何れか一方が、前記コンデンサ対向面とこれに対向する前記コンデンサ素子の表面との間に介在しており、
前記パワー半導体モジュールは、交流パワー端子を含み、
前記電力変換装置は、
前記パワー半導体モジュールを冷却する冷却器と、
前記交流パワー端子に接続される交流バスバと、
前記交流バスバに取り付けられた電流センサと、
をさらに備え、
前記冷却器は、前記コンデンサ対向面の反対側に位置する前記パワー半導体モジュールの第2モジュール表面に接する第2モジュール接触面を有する第2冷却部を含み、
前記第2冷却部は、前記第2モジュール接触面の反対側の表面において、前記交流バスバに第4絶縁体を介して接している
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記電力変換装置は、前記パワー半導体モジュールを冷却する冷却器をさらに備え、
前記冷却器は、前記コンデンサ対向面に接する第1モジュール接触面を有する第1冷却部を含み、
前記第1冷却部は、前記第1モジュール接触面の反対側の表面において、前記正極バスバ及び前記負極バスバの前記何れか一方に第3絶縁体を介して接している
ことを特徴とする請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記正極バスバは、前記バスバ並走区間において、前記負極バスバに第1絶縁体を介して接している
ことを特徴とする請求項1から3の何れか1つに記載の電力変換装置。 - 前記正極バスバ及び前記負極バスバの少なくとも一方は、前記コンデンサ素子の前記非電極面に第2絶縁体を介して接している
ことを特徴とする請求項1から4の何れか1つに記載の電力変換装置。
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