JP2013223384A - 電力変換装置及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現する。
【解決手段】直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、前記直流電源の正極端子に接続される正極端子パターン、前記直流電源の負極端子に接続される負極端子パターン及び前記負荷に接続される出力端子パターンが形成され、上アーム用及び下アーム用の半導体素子が実装された絶縁基板を備え、一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された平滑コンデンサが前記絶縁基板上に１つ以上実装されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置及び車両に関する。

近年、低炭素社会を実現すべく、動力源としてエンジンとモータを併用するハイブリッド自動車や動力源としてモータのみを用いる電気自動車の研究開発が盛んに行われている。これらハイブリッド自動車や電気自動車は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の車載バッテリから出力される直流電力を交流電力に変換してモータに供給するインバータを備えている。

このインバータは、下記特許文献１に記載されているように、平滑コンデンサを有するコンデンサモジュールと、上アーム用及び下アーム用のパワー半導体素子（例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：ＩＧＢＴなど）の直列回路を有するパワー半導体モジュールとが電気的且つ機械的に接合された構成となっている。

特開２０１０−６３３５５号公報

上記構成のインバータにおいて、コンデンサモジュールとパワー半導体モジュールとの間の配線インダクタンス（詳細にはパワー半導体素子が実装された絶縁基板と平滑コンデンサとの間の配線インダクタンス）は、サージ電圧の発生要因として従来から注目されており、この配線インダクタンスを如何にして小さくするかが、インバータの高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現するに当たっての大きな課題となっていた。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現可能な電力変換装置及びその電力変換装置を備えた車両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、本発明では、電力変換装置に係る第１の解決手段として、直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、前記直流電源の正極端子に接続される正極端子パターン、前記直流電源の負極端子に接続される負極端子パターン及び前記負荷に接続される出力端子パターンが形成され、上アーム用及び下アーム用の半導体素子が実装された絶縁基板を備え、一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された平滑コンデンサが前記絶縁基板上に１つ以上実装されている、という手段を採用する。

また、本発明では、電力変換装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された外付けコンデンサが前記絶縁基板に１つ以上外付けされている、という手段を採用する。

一方、本発明では、車両に係る第１の解決手段として、充電可能な直流電源と、動力源として使用されるモータと、前記直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給する電力変換装置と、を備え、前記電力変換装置は、前記直流電源の正極端子に接続される正極端子パターン、前記直流電源の負極端子に接続される負極端子パターン及び前記モータに接続される出力端子パターンが形成され、上アーム用及び下アーム用の半導体素子が実装された絶縁基板を備え、一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された平滑コンデンサが前記絶縁基板上に１つ以上実装されている、という手段を採用する。

また、本発明では、車両に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記電力変換装置では、一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された外付けコンデンサが前記絶縁基板に１つ以上外付けされている、という手段を採用する。

本発明によれば、半導体素子が実装された絶縁基板と平滑コンデンサとの間の配線インダクタンスが大幅に低減されるので、電力変換装置の高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現できる。

第１実施形態に係る電力変換装置であるインバータ１の回路構成図（ａ）と、パワー半導体モジュール３０’が備えているパワー半導体素子実装用の絶縁基板４０’の平面図（ｂ）である。 第２実施形態に係る電力変換装置であるインバータ２の回路構成図である。 電気自動車に対するインバータ１或いは２の適用例を示す図である。 一般的なインバータ１０の回路構成図（ａ）と、パワー半導体モジュール３０が備えているパワー半導体素子実装用の絶縁基板４０の平面図（ｂ）である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
最初に、本実施形態に係る電力変換装置の理解を容易とするために、従来の電力変換装置（インバータ）の一般的な構成とその課題について図４を用いて説明する。

図４（ａ）は、従来のインバータ１０の回路構成図である。このインバータ１０は、直流電源１００から出力される直流電力を例えば三相交流電力（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に変換して負荷２００に供給するものであり、コンデンサモジュール２０及びパワー半導体モジュール３０から構成されている。

コンデンサモジュール２０は、正極側入力端子２１と、負極側入力端子２２と、正極側出力端子２３と、負極側出力端子２４と、平滑コンデンサ２５とを備えている。正極側入力端子２１は、直流電源１００の正極端子に接続され、負極側入力端子２２は、直流電源１００の負極端子に接続されている。正極側出力端子２３は、コンデンサモジュール２０の内部で正極側入力端子２１に接続され、負極側出力端子２４は、コンデンサモジュール２０の内部で負極側入力端子２２に接続されている。

平滑コンデンサ２５は、コンデンサモジュール２０の内部で、一端が正極側入力端子２１及び正極側出力端子２３に接続され、他端が負極側入力端子２２及び負極側出力端子２４に接続されている。つまり、平滑コンデンサ２５は、直流電源１００に対して並列接続されている。

パワー半導体モジュール３０は、正極側入力端子３１と、負極側入力端子３２と、Ｕ相出力端子３３と、Ｖ相出力端子３４と、Ｗ相出力端子３５と、上アーム用のパワー半導体素子３６ａ、３６ｂ、３６ｃと、下アーム用のパワー半導体素子３６ｄ、３６ｅ、３６ｆと、上アーム用の還流ダイオード３７ａ、３７ｂ、３７ｃと、下アーム用の還流ダイオード３７ｄ、３７ｅ、３７ｆとを備えている。

正極側入力端子３１は、コンデンサモジュール２０の正極側出力端子２３に接続され、負極側入力端子３２は、コンデンサモジュール２０の負極側出力端子２４に接続されている。Ｕ相出力端子３３、Ｖ相出力端子３４及びＷ相出力端子３５は、それぞれ負荷２００に接続されている。

上アーム用のパワー半導体素子３６ａ、３６ｂ、３６ｃと、下アーム用のパワー半導体素子３６ｄ、３６ｅ、３６ｆとは、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であり、ペアとなる上アーム用と下アーム用のパワー半導体素子が直列接続されて三つの直列回路を構成している。つまり、パワー半導体素子３６ａと３６ｄの直列回路と、パワー半導体素子３６ｂと３６ｅの直列回路と、パワー半導体素子３６ｃと３６ｆの直列回路との三つである。

詳細には、例えばパワー半導体素子３６ａと３６ｄの直列回路に着目すると、パワー半導体素子３６ａのエミッタ端子とパワー半導体素子３６ｄのコレクタ端子とが接続されている。パワー半導体素子３６ｂと３６ｅの直列回路と、パワー半導体素子３６ｃと３６ｆの直列回路についても同様な接続形態である。

これら上アーム用と下アーム用のパワー半導体素子からなる三つの直列回路は、パワー半導体モジュール３０の内部で、それぞれ正極側入力端子３１と負極側入力端子３２との間に並列接続されている。詳細には、例えばパワー半導体素子３６ａと３６ｄの直列回路に着目すると、パワー半導体素子３６ａのコレクタ端子が正極側入力端子３１に接続され、パワー半導体素子３６ｄのエミッタ端子が負極側入力端子３２に接続されている。

パワー半導体素子３６ｂと３６ｅの直列回路と、パワー半導体素子３６ｃと３６ｆの直列回路についても同様な接続形態である。つまり、これら上アーム用と下アーム用のパワー半導体素子からなる三つの直列回路は、直流電源１００及び平滑コンデンサ２５に対して並列接続されている。

また、パワー半導体素子３６ａと３６ｄの直列回路の中点部分は、Ｕ相出力端子３３に接続され、パワー半導体素子３６ｂと３６ｅの直列回路の中点部分は、Ｖ相出力端子３４に接続され、パワー半導体素子３６ｃと３６ｆの直列回路の中点部分は、Ｗ相出力端子３５に接続されている。

上アーム用の還流ダイオード３７ａ、３７ｂ、３７ｃは、それぞれ上アーム用のパワー半導体素子３６ａ、３６ｂ、３６ｃに並列接続され、下アーム用の還流ダイオード３７ｄ、３７ｅ、３７ｆは、それぞれ下アーム用のパワー半導体素子３６ｄ、３６ｅ、３６ｆに並列接続されている。詳細には、例えば還流ダイオード３７ａに着目すると、アノード端子がパワー半導体素子３６ａのエミッタ端子に接続され、カソード端子がパワー半導体素子３６ａのコレクタ端子に接続されている。他の還流ダイオード３７ｂ〜３７ｆについても同様である。

なお、本来ならば、パワー半導体モジュール３０には、各パワー半導体素子３６ａ〜３６ｆのゲート端子にスイッチング制御信号（例えばＰＷＭ信号）を入力するための外部信号入力端子が設けられているが、説明の便宜上、図４（ａ）では図示を省略している。

図４（ｂ）は、パワー半導体モジュール３０が備えているパワー半導体素子実装用の絶縁基板４０の平面図である。この図に示すように、絶縁基板４０（例えば窒化アルミ板）の表層には、例えば銅またはアルミ等からなる各種の導体パターン、すなわち、正極側入力端子３１を介して直流電源１００の正極端子に接続される正極端子パターン４１と、負極側入力端子３２を介して直流電源１００の負極端子に接続される負極端子パターン４２と、Ｕ相出力端子３３を介して負荷２００に接続される出力端子パターン４３と、第１の導体パターン４４と、第２の導体パターン４５とが形成されている。

この絶縁基板４０上において、第１の導体パターン４４の上面に半田を介して上アーム用のパワー半導体素子３６ａが実装され、第２の導体パターン４５の上面に半田を介して下アーム用のパワー半導体素子３６ｄが実装されている。また、正極端子パターン４１と第１の導体パターン４４は、アルミワイヤ４６よって接続され、パワー半導体素子３６ａと第２の導体パターン４５は、アルミワイヤ４７によって接続され、パワー半導体素子３６ｄと負極端子パターン４２は、アルミワイヤ４８によって接続され、第２の導体パターン４５と出力端子パターン４３は、アルミワイヤ４９によって接続されている。

このように、絶縁基板４０上には、図４（ａ）で示した、パワー半導体素子３６ａと３６ｄの直列回路が形成されている。なお、正極側入力端子３１と絶縁基板４０の正極端子パターン４１は、パワー半導体モジュール３０の内部で、不図示のアルミワイヤによって接続されている。同様に、負極側入力端子３２と絶縁基板４０の負極端子パターン４２も、パワー半導体モジュール３０の内部で、不図示のアルミワイヤによって接続されており、Ｕ相出力端子３３と絶縁基板４０の出力端子パターン４３も、不図示のアルミワイヤによって接続されている。

また、図４（ｂ）では、１つの絶縁基板４０上に、パワー半導体素子３６ａと３６ｄの直列回路のみが形成されている場合を例示したが、パワー半導体モジュール３０は、同様な構成でパワー半導体素子３６ｂと３６ｅの直列回路が形成された絶縁基板と、パワー半導体素子３６ｃと３６ｆの直列回路が形成された絶縁基板も備えている。また、１つの絶縁基板４０上に、パワー半導体素子３６ａと３６ｄの直列回路と、パワー半導体素子３６ｂと３６ｅの直列回路と、パワー半導体素子３６ｃと３６ｆの直列回路との三つが形成されていても良い。また、図４（ｂ）では、パワー半導体素子３６ａ、３６ｄのそれぞれに並列接続される還流ダイオード３７ａ、３７ｄを省略している。

上記構成のインバータ１０において、コンデンサモジュール２０とパワー半導体モジュール３０との間の配線インダクタンス（詳細には平滑コンデンサ２５と絶縁基板４０との間の配線インダクタンス）は、サージ電圧の発生要因として従来から注目されており、この配線インダクタンスを如何にして小さくするかが、インバータ１０の高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現するに当たっての大きな課題となっていた。

本実施形態に係る電力変換装置は、上記のような従来のインバータ１０の課題を解決して、高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現するものである。以下では、本発明の第１及び第２実施形態に係る電力変換装置について図面を参照しながら説明するが、説明の便宜上、図４に示す従来のインバータ１０と同一の構成要素には同一符号を付して説明を省略するものとする。

〔第１実施形態〕
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置であるインバータ１の回路構成図である。この図に示すように、第１実施形態に係るインバータ１は、従来のインバータ１０（図４（ａ）参照）と比較して、コンデンサモジュール２０が削除されて、パワー半導体モジュール３０（以下、従来と区別するために符号を３０’とする）の正極側入力端子３１が、直接、直流電源１００の正極端子に接続され、パワー半導体モジュール３０’の負極側入力端子３２が、直接、直流電源１００の負極端子に接続され、さらに、平滑コンデンサ３８がパワー半導体モジュール３０’の内部に設けられている点で異なっている。

詳細には、図１（ｂ）に示すように、一端が絶縁基板４０（以下、従来と区別するために符号を４０’とする）の正極端子パターン４１に接続され、他端が絶縁基板４０’の負極端子パターン４２に接続された平滑コンデンサ３８（例えばチップコンデンサ）が絶縁基板４０’上に１つ以上実装されている。

また、図１（ｂ）では、正極端子パターン４１に凸部が形成されていると共に、負極端子パターン４２に凹部が形成されており、正極端子パターン４１の凸部が、負極端子パターン４２の凹部に挿入された形でパターン形成されている。このようなパターン形状とすることで、平滑コンデンサ３８の実装個数（並列接続個数）を増やすことができる。なお、必要な平滑コンデンサ３８の実装個数を確保できさえすれば、正極端子パターン４１及び負極端子パターン４２の形状は自由に設定できる。

このような構成のインバータ１によれば、平滑コンデンサ３８と絶縁基板４０’との間の配線インダクタンスが大幅に低減されるので、インバータ１の高速スイッチング化、低損失化及び信頼性向上を実現できる。また、コンデンサモジュール２０が不要となるので、インバータ１の小型化を実現できる。

〔第２実施形態〕
図２は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置であるインバータ２の回路構成図である。この図に示すように、第２実施形態に係るインバータ２は、第１実施形態に係るインバータ１と比較して、直流電源１００とパワー半導体モジュール３０’との間に、コンデンサモジュール２０を接続した点で異なっている。つまり、第２実施形態に係るインバータ２では、一端が絶縁基板４０’の正極端子パターン３１に接続され、他端が絶縁基板４０’の負極端子パターン３２に接続された外付けコンデンサ（平滑コンデンサ２５）が絶縁基板４０’に１つ以上外付けされている。

第１実施形態に係るインバータ１では、パワー半導体モジュール３０’への直流入力電圧が高圧になってくると、チップコンデンサの容量が小さくなってしまい、平滑コンデンサ３８の実装個数を増やしても必要十分な容量を得られなくなる。この場合には、第２実施形態に係るインバータ２のように、パワー半導体モジュール３０’の内部にチップコンデンサである平滑コンデンサ３８を実装し、且つ容量不足分を外付けコンデンサ（平滑コンデンサ２５）で補う構成とする。

これにより、還流ダイオード３７ａ〜３７ｆのリカバリによる電荷Ｑｒｒを、パワー半導体モジュール３０’内の平滑コンデンサ３８により供給できるようになり、インバータ２においてサージ電圧及びノイズ発生源となるリカバリサージの発生を大幅に抑えることができる。

〔適用例〕
図３は、上述したインバータ１或いは２を車両（ここでは電気自動車）に適用した例を示す図である。この図に示すように、本実施形態に係る電気自動車３００は、上述したインバータ１（或いは２）、車載バッテリ３０１、バッテリチャージャ３０２、接続先切替器３０３、モータ３０４、モータＥＣＵ(Electric Control Unit)３０５及びバッテリＥＣＵ３０６から構成されている。

車載バッテリ３０１は、直列接続された複数の電池セル（例えば、リチウムイオン電池セルやニッケル水素電池セル等）で構成され、例えば数百ボルトの高圧の直流電力を出力する充電可能な直流電源である。この車載バッテリ３０１の両端子（正極端子及び負極端子）は、接続先切替器３０３に接続されている。

バッテリチャージャ３０２は、車載バッテリ３０１の充電時に、電気自動車３００の外部に設置された交流電源４００に接続される充電回路であり、バッテリＥＣＵ３０６による制御の下、交流電源４００から供給される交流電力を所定電圧値の直流電力に変換して接続先切替器３０３に出力する。

接続先切替器３０３は、バッテリＥＣＵ３０６による制御の下、車載バッテリ３０１の両端子の接続先を、充電時にはバッテリチャージャ３０２の両出力端子に切替え、放電時（モータ３０４の駆動時）にはインバータ１（或いは２）の両入力端子（インバータ１の場合には、パワー半導体モジュール３０’の正極側入力端子３１及び負極側入力端子３２、インバータ２の場合には、コンデンサモジュール２０の正極側入力端子２１及び負極側入力端子２２）に切替える。

インバータ１（或いは２）は、モータＥＣＵ３０５から各パワー半導体素子３６ａ〜３６ｆのゲート端子に入力されるＰＷＭ信号に応じてスイッチング動作を行うことにより、車載バッテリ３０１から接続先切替器３０３を介して入力される高圧の直流電力を、三相交流電力に変換してモータ３０４に出力する。モータ３０４は、電気自動車３００の動力源として用いられる例えば三相交流モータであり、インバータ１（或いは２）から供給される三相交流電力に応じて回転する。なお、モータ３０４は、不図示のトランスミッションや車軸などを介して車輪を回転駆動する。

モータＥＣＵ３０５は、バッテリＥＣＵ３０６と通信可能に接続されており、バッテリＥＣＵ３０６からモータ３０４の駆動要求を受けた時（車載バッテリ３０１の接続先がインバータ１（或いは２）に切替わった時）に、インバータ１（或いは２）に供給すべきＰＷＭ信号を生成する。なお、このモータＥＣＵ３０５は、上位ＥＣＵ（図示省略）とも通信可能に接続されており、上位ＥＣＵから送信される運転情報（例えばアクセルの踏込み量等）に応じてＰＷＭ信号のデューティ比及び周波数を変化させることにより、モータ３０４の回転状態を制御する。

バッテリＥＣＵ３０６は、車載バッテリ３０１の充放電制御を行う電子制御装置であり、接続先切替器３０３を制御して、車載バッテリ３０１の接続先を、充電時にはバッテリチャージャ３０２に、放電時にはインバータ１（或いは２）に切替える。このバッテリＥＣＵ３０６は、車載バッテリ３０１の充電時には、車載バッテリ３０１の電圧状態を監視しながらバッテリチャージャ３０２を制御することで、車載バッテリ３０１が適正な電圧値まで充電されるようにする。

以上、本発明の第１及び第２実施形態に係るインバータ１、２とそれの適用例について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。例えば、上記適用例では、インバータ１或いは２を電気自動車３００に適用する例を説明したが、本発明はハイブリッド車やプラグインハイブリッド車などのように、充電可能な直流電源と、動力源として使用されるモータとを備える車両に広く適用することができる（勿論、車両以外の用途にも適用できる）。

１、２、１０…インバータ（電力変換装置）、２０…コンデンサモジュール、３０、３０’…パワー半導体モジュール、２５、３８…平滑コンデンサ、４０、４０’…絶縁基板、１００…直流電源、２００…負荷、３００…電気自動車

Claims (4)

1. 直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置において、
   前記直流電源の正極端子に接続される正極端子パターン、前記直流電源の負極端子に接続される負極端子パターン及び前記負荷に接続される出力端子パターンが形成され、上アーム用及び下アーム用の半導体素子が実装された絶縁基板を備え、
   一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された平滑コンデンサが前記絶縁基板上に１つ以上実装されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された外付けコンデンサが前記絶縁基板に１つ以上外付け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。
3. 充電可能な直流電源と、
   動力源として使用されるモータと、
   前記直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換して前記モータに供給する電力変換装置と、を備え、
   前記電力変換装置は、
   前記直流電源の正極端子に接続される正極端子パターン、前記直流電源の負極端子に接続される負極端子パターン及び前記モータに接続される出力端子パターンが形成され、上アーム用及び下アーム用の半導体素子が実装された絶縁基板を備え、
   一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された平滑コンデンサが前記絶縁基板上に１つ以上実装されていることを特徴とする車両。
4. 前記電力変換装置では、一端が前記正極端子パターンに接続され、他端が前記負極端子パターンに接続された外付けコンデンサが前記絶縁基板に１つ以上外付けされていることを特徴とする請求項３に記載の車両。

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