JP4106061B2 - パワーユニット装置及び電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば燃料電池式自動車、ハイブリッド式自動車などに搭載される交流モータの制御装置などとして好ましく用いることができるパワーユニット装置及び電力変換装置に関するものである。

例えば内燃機関と蓄電池を併用するハイブリッド車など、蓄電池や燃料電池等の直流電源を用いる電気自動車におけるモータを駆動制御するためのインバータ装置は、電力を変換するパワー半導体素子と、これを制御する制御基板、平滑コンデンサ、及びヒートシンクが主な構成要素であり、これら各要素の組立体を小型化するために、電力を変換するパワー半導体素子を内部に包含するパワーモジュールを、モータ軸と直交する面に複数並べて配置し、この面をヒートシンクとし、パワーモジュールから発生する熱を奪熱し冷却しているものがある（例えば特許文献１参照。）。

特開２００４−２９７８４７号公報（第１頁、図１）

上記従来技術では、複数のパワーモジュールを一つのヒートシンクに搭載するために、ヒートシンクが大型化し、比較的小型のパワーモジュールや周辺構成部材と比較すると、ヒートシンクは過大なサイズと重量となり、組立て時にヒートシンクだけのために製造ラインを長尺化したり、耐荷重を増強させなければならないといった非標準的な特別の対応が必要となり、空間制限が厳しく、かつ軽作業を対象とした電子機器の製造現場では対応が困難になる場合もあるという課題があった。

この発明は上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、小型化が可能で組立て時の設備や労力に特別の対応が不要となり、組立てが容易で製造面での汎用性に優れたパワーユニット装置を提供することを目的としている。

この発明によるパワーユニット装置は、第１の受熱部及びこの第１の受熱部と反対側に形成された第２の受熱部を有するヒートシンクと、上記第１の受熱部に密着された１相分の直交変換及び／または交直変換を担うパワー半導体素子を内包するパワーモジュールと、上記第２の受熱部に密着された上記半導体素子のリップル電流を抑制する平滑コンデンサと、これらパワーモジュール、ヒートシンク、及び平滑コンデンサを一体化する固定手段、上記パワー半導体素子を制御するゲート制御回路基板と、このゲート制御回路基板を保持するホルダとを備え、上記固定手段は、上記パワーモジュール、ヒートシンク、及び平滑コンデンサの略中央部を貫通して挿通された１本の貫通ボルトからなり、上記貫通ボルトによって、上記パワーモジュール、ヒートシンク、及び平滑コンデンサを圧接状態で一体化するとともに、上記ホルダを上記パワーモジュールの上記ヒートシンクとは反対側の面に、上記固定手段により一体化してなるものである。

この発明においては、パワーモジュール、ヒートシンク、及び平滑コンデンサを一体化する固定手段は、上記パワーモジュール、ヒートシンク、及び平滑コンデンサの略中央部を貫通して挿通された１本の貫通ボルトからなり、上記貫通ボルトによって、上記パワーモジュール、ヒートシンク、及び平滑コンデンサを圧接状態で一体化したので、組立が容易で、放熱効果を高めることができる。また、ヒートシンクを発熱源のパワーモジュールに個別に密着したことで、相間の冷却性能が均質化される。そして、ゲート制御基板を保持するホルダを上記パワーモジュールの上記ヒートシンクとは反対側の面に、上記固定手段により一体化することにより、構成を簡素化し小型化することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるパワーユニット装置の外観を概略的に示すもので、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は側面図である。図２は図１に示すパワーユニット装置の内部構成と、該パワーユニット装置を６台用いて２台の３相交流回転電機（以下、単にモータと呼ぶ）を制御するように構成された電力変換装置を示す概略系統図である。なお、各図を通じて同一符号は同一もしくは相当部分を示すものとする。

図において、パワーユニット装置１００は、第１の受熱部６１及びその反対側に形成された第２の受熱部６２を有するヒートシンク６と、上記第１の受熱部６１に密着された１相分の直交変換（力行時）及び交直変換（回生時）を担うパワー半導体素子５０を内包するパワーモジュール５と、上記第２の受熱部６２に密着された上記パワーモジュールのリップル電流を抑制する平滑コンデンサ７と、ゲート制御回路基板８を保持するホルダ１４と、これら平滑コンデンサ７、ヒートシンク６、パワーモジュール５、及びホルダ１４を貫通して一体化するための固定手段１６を構成する貫通ボルト１６ａ及びナット１６ｂを備えている。

上記ヒートシンク６は、箱型状の例えば銅、アルミニウムなど熱伝導率に優れた材料を用いた密閉容器により形成され、この例では外部から容器内に、作動流体、例えば水、水溶液などの冷却液を流入、流出させるためのニップル６３、６４が設けられている。平滑コンデンサ７の図１（ｃ）の上下両面部には絶縁部材１３が配設され、ヒートシンク６に対して絶縁部材１３を介して密着させている。ゲート制御回路基板８はホルダ１４に固定ネジ１５を用いて固定されている。なお、図１（ａ）では、固定ネジ及び、回路パターン、回路部品などの図示を省略している。

上記パワーモジュール５、ヒートシンク６、平滑コンデンサ７、絶縁部材１３、及びホルダ１４には貫通ボルト１６ａを通すために略中央部に図示省略している挿通穴が設けられている。そして貫通ボルト１６ａは、ホルダ１４に埋め込まれたナット１６ｂに対してねじ締結され、パワーモジュール５、ヒートシンク６、平滑コンデンサ７、絶縁部材１３、及びホルダ１４を挟み込み、密着（圧接）した状態で一体化して一相分のパワーユニット装置１００を構成している。なお、ホルダ１４が金属の場合、該ホルダ１４に貫通ボルト１６ａに螺合するめねじを螺設することでナット１６ｂを省くこともできる。

なお、上記パワーモジュール５に内包されたパワー半導体素子５０は、図２の破線で囲んで示すように、力行時に機能するＩＧＢＴ１、及びフライホイールダイオード２からなる一対のパワー半導体素子５０Ａ、並びに回生時に機能するＩＧＢＴ３、及びフライホイールダイオード４からなる他の一対のパワー半導体素子５０Ｂからなり、これらの２対のパワー半導体素子５０Ａ、５０Ｂが一体化されて、力行と回生の機能の最小単位を構成している。

そして、電源電池１１のＰ極あるいはＮ極に接続する導電部材１８１、１８２と接続する主端子の接続部５１、５２、及びモータ９に接続するための接続部５３、ゲート制御回路基板８に接続するためのゲート制御信号端子５４が外部に導出されている。なお、図２では、ゲート制御信号端子５４、及び該ゲート制御信号端子５４とゲート制御回路基板８を結ぶ配線は図示を省略している。また、以下パワー半導体素子５０Ａ、５０Ｂを区別する必要がないときは便宜上単にパワー半導体素子５０と呼ぶこととする。

この実施の形態１においては、１つのパワーモジュール５毎に、必要な平滑コンデンサ７、及びＩＧＢＴ１、３のゲートを制御するゲート制御回路基板８を、共に１つのヒートシンク６にユニット状に一体構成し、１相分のパワーユニット装置１００を構成し、２台のモータ９、１０に対しパワーユニット装置１００を各相毎に３基並列に接続して構成された電力変換装置２００を２台用いて制御するように構成されている。なお、図２に例示した電力変換装置２００の回路構成は従来公知のものであり、公知技術を特別な制限なく用いることができる。

そして、電源電池１１と電力変換装置２００との間には電源電池１１の電圧を昇圧するＤＣＤＣコンバータ１２が設けられている。ＤＣＤＣコンバータ１２は、インダクタ１２１、２つの高周波スイッチ１２３、及び転流ダイオード１２４を用いて構成されている。上記高周波スイッチ１２３と転流ダイオード１２４は一つのパッケージで形成されたパワーモジュール１２２の形態で実装されており、ＤＣＤＣコンバータ１２を構成するこれらインダクタ１２１、及びパワーモジュール１２２も電力変換部と同様にそれぞれヒートシンク６により個別に冷却される。

上記平滑コンデンサ７の二つの電極にそれぞれ接続された接続部７１、７２はパワーモジュール５の主端子の接続部５１、５２と共に導電部材１８１、１８２に共締めされて接合され、図示しない別の導体により電源電池１１のＰ極、Ｎ極と並列に接続される。なお、図２中の黒い丸印（●）部はパワーモジュール５と平滑コンデンサ７の電極部と、導電部材１８１、１８２との接続部を示しており、例えばネジ締結により電気的な導通が図られている。導電部材１８１、１８２は一部モールド樹脂により絶縁保持されて一体化された伝導部材１８を構成しており、ヒートシンク６の側面部にモールド樹脂の部分で固定されている（図示省略）。パワーモジュール５のモータ９または１０側と電力を導通させる主端子の接続部５３はパワーモジュール５の側面から突出されている。

次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。電源電池１１と接続されるＤＣＤＣコンバータ１２では、高周波スイッチ１２３をＯＮとしてインダクタ１２１に電流を流しエネルギを蓄える。この高周波スイッチ１２３のゲート駆動は図示しない制御回路によりＯＮ／ＯＦＦを制御される。さらに高周波スイッチ１２３をＯＦＦとし、インダクタ１２１に蓄えられたエネルギを転流ダイオード１２４を通して所望の電圧まで昇圧させる。昇圧するのは、同じ電力であれば、電圧を昇圧すれば、電流を抑制でき、発熱ロスを低減することが可能で、電力供給系統の効率を向上させることができるためである。

昇圧された電圧は二つのモータ９、１０を駆動制御する電力変換装置２００に接続される。ＩＧＢＴ１、３のゲートを制御するゲート制御回路基板８により、例えばＰＷＭ制御信号としてＩＧＢＴ１、３に伝達され、モータ９と１０に必要な正負のトルクあるいは正逆の回転数を発生させる。このＰＷＭ制御により各相のＩＧＢＴ１、３がＯＮ／ＯＦＦを繰り返す際に、電源電池１１側の電力伝導系統に電流の偏流が生じ、電源電池１１の寿命の低下を招くことになる。この偏流成分を抑制するために、パワーモジュール５のＰＮ電極間に平滑コンデンサ７を並列に接続して電源電池１１の寿命の延伸が図られている。

上記動作に伴い、特にパワーモジュール５のパワー半導体素子５０からは相当の熱を発生するが、パワーモジュール５自体をヒートシンク６の第１の受熱面６１に密着ないしは圧接させ、同じく発熱する平滑コンデンサ７をヒートシンク６の反対側の第２の受熱面６２に密着させているので、奪熱され、パワー半導体素子５０、平滑コンデンサ７共に所定の許容温度以下に保持される。

上記のように、実施の形態１によれば、パワーユニット装置１００は、１相毎に平滑コンデンサ７、ヒートシンク６、パワーモジュール５、及びゲート制御回路基板８を保持するホルダ１４が１本の貫通ボルト１６ａで一体化してユニット化されているので、必要な相数のパワーユニット装置１００をスペースに応じて組み立てればよく、組立が容易で、放熱効果も高めることができる。また、ヒートシンク６をパワーモジュール５毎に搭載するようにしたので、小型化でき、組立て時の設備や労力に特別の対応が不要となり、従来の電子機器の組立ての内容を踏襲することができ、製造面での汎用性に優れる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による電力変換装置の要部を概念的に示す構成図である。なお、この実施の形態２は、上記実施の形態１による図１に示す１相分のパワーユニット装置１００を３基用いて、１台の３相モータを駆動制御するときの一台分の電力変換装置を構成したものである。図において、電力変換装置２００は、３台のパワーユニット装置１００を放射状に略等角度間隔に配置され、円環状の伝導体２１１、２１２により、各パワーユニット装置１００の導電部材（図１の１８１、１８２）と図示しないネジ締結により接続され、伝導体２１１、２１２の端子部２１１ａ、２１２ａと図示しない電源電池のＰ極とＮ極とが導通される。

また、各パワーユニット装置１００のモータ側と電力を導通させる主端子の接続部（図１の５３）も円弧状の伝導体２１３Ｕ、２１３Ｖ、２１３Ｗにより図示しないネジ締結でそれぞれ接続され、端子部２１３Ｕａ、２１３Ｖａ、２１３Ｗａが図２に示すモータ９または１０のコイルと導通される。上記伝導体２１１、２１２、２１３Ｕ、２１３Ｖ、２１３Ｗは、モールド樹脂により一体的に絶縁保持され一点鎖線で示す電力伝導部材２１０を構成しており、端子部２１１ａ、２１２ａ、２１３Ｕａ、２１３Ｖａ、２１３Ｗａが露出されている。さらにパワーユニット装置１００のヒートシンク（図１の６）のニップル（同６３、６４）には、隣り合うパワーユニット装置１００のニップルと冷却液を通水するホース２２０により順次直列に接続され、その端部が外部の図示しないポンプ、放熱器が介装された冷却水経路とループ状に接続され、ヒートシンク６の内部を図示しない冷却液が循環される。

上記のように構成された実施の形態２においては、上記実施の形態１の効果のほか、さらにヒートシンクと発熱源のパワーモジュールとが１相毎に個別に密着・圧接されていることで、相間の冷却性能が均質化されるとともに、パワーユニット装置１００を円周上に等角度で配置したことで、電力変換装置２００をコンパクトにできる他、サージ電圧の発生も相間で均等にできる効果が得られる。また、相数に応じて必要なパワーユニット装置１００を組み付ければよいので、レイアウトの自由度が高まる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３による電力変換装置の要部を概念的に示す構成図である。なお、この実施の形態３は、上記実施の形態２の電力変換装置が図１に示すパワーユニット装置を円周上に等角度で３基配置したのに対し、直線上に３基配置したものに相当する。図において、パワーユニット装置１００は直線状に略等間隔に配置され、電源電池と導通する真直状のＰ極とＮ極の伝導体２１１、２１２により、パワーユニット装置１００の一部である導電部材（図１の１８１、１８２）と図示しないネジ締結により接続される。またパワーモジュールのモータ側と電力を導通させる主端子の接続部（図１の５３）も電力伝導部材２１０の内部に一体的に埋設し、図示しないネジ締結で接続されモータ９または１０のコイルと導通される。

また、パワーユニット装置１００のヒートシンク６に設けられたニップル（図１の６３、６４）には、隣り合うパワーユニット装置１００のニップルと冷却液を通水するホース２２０が順次直列に接続され、その端部が外部に設けられた図示省略しているポンプ、放熱器が介装された冷却水経路とループ状に接続され、ヒートシンク６の内部を図示しない冷却液が循環される。

上記のように構成された実施の形態３においては、ヒートシンク６がパワーモジュール５毎に搭載されているので、小型化でき、組立て時の設備や労力に特別の対応が不要となり、従来の電子機器の組立てラインなどの方式を踏襲することができ、製造面での汎用性に優れる。また複数のパワーユニット装置１００を必要な相数に応じて搭載でき、許容できる空間に沿った配置が可能となり、レイアウトの自由度が高まる。さらにヒートシンク６を発熱源のパワーモジュール５に個別に圧接することで、相間の冷却性能が均質化されるとともに等間隔でパワーユニット装置１００を配置することで、サージ電圧の発生も相間で均等にできる。

ところで、上記実施の形態の説明では、平滑コンデンサ７、ヒートシンク６、パワーモジュール５の固定手段１６として１本の貫通ボルト１６ａとナット１６ｂを用いたが、これに限定されるものではなく、中心部を貫通させることが困難な場合など、例えば外周部で固定するなど、要するにこれらを一体的に密着ないしは圧接状態で固定できるものであればよい。また、ゲート制御回路基板８を平滑コンデンサ７、ヒートシンク６、パワーモジュール５と共にホルダ１４を用いて一体的に固定したが、例えばゲート制御回路基板８は別体構成でもよい。

さらに、上記実施の形態２及び３は、この発明のパワーユニット装置１００を用いて構成した電力変換装置の一例に過ぎず、構成方法はこれらの形態に限定されるものではないことは言うまでもない。また、ヒートシンク６は、蒸発潜熱により冷却するヒートパイプを構成するものでも差し支えない。その場合には、ニップル６３、６４やポンプ（図示省略）などは不要にできる。また、パワー半導体素子５０として、力行時に機能するＩＧＢＴ１、及びフライホイールダイオード２からなる一対のパワー半導体素子５０Ａ、並びに回生時に機能するＩＧＢＴ３、及びフライホイールダイオード４からなる他の一対のパワー半導体素子５０Ｂを内包した合計２対のパワー半導体素子を備えたものについて説明したが、パワー半導体素子の種類や数はこれに限定されるものではなく、例えば用途によって、何れか一対のパワー半導体素子を内包したものでも同様の効果が期待できる。その他、この発明の精神の範囲内で種々の変形や変更ができることは当然である。

この発明の実施の形態１によるパワーユニット装置の外観を概略的に示すもので、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は側面図である。 図１に示すパワーユニット装置の内部構成と、該パワーユニット装置を６台用いて２台のモータを制御するように構成した電力変換装置を示す概略系統図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の要部を概念的に示す構成図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置の要部を概念的に示す構成図である。

符号の説明

１ ＩＧＢＴ（力行）、 ２ フライホイールダイオード（力行）、 ３ ＩＧＢＴ（回生）、 ４ フライホイールダイオード（回生）、 ５ パワーモジュール、 ５０（５０Ａ、５０Ｂ） パワー半導体素子、 ５１、５２、５３ 接続部、 ５４ ゲート制御信号端子、 ６ ヒートシンク、 ６１ 第１の受熱部、 ６２ 第２の受熱部、 ６３、６４ ニップル、 ７ 平滑コンデンサ、 ７１、７２ 接続部、 ８ ゲート制御回路基板、 ９、１０ モータ、 １１ 電源電池、 １２ ＤＣＤＣコンバータ、 １２１ インダクタ、 １２２ パワーモジュール、 １２３ 高周波スイッチ、 １２４ 転流ダイオード、 １３ 絶縁部材、 １４ ホルダ、 １５ 固定ネジ、 １６ 固定手段、 １６ａ 貫通ボルト、 １６ｂ ナット、 １８ 伝導部材、 １８１、１８２ 導電部材、 １００ パワーユニット装置、 ２００ 電力変換装置、 ２１０ 電力伝導部材、 ２１１、２１２ 伝導体、 ２１１ａ、２１２ａ 端子部、 ２１３Ｕ、２１３Ｖ、２１３Ｗ 伝導体、 ２１３Ｕａ、２１３Ｖａ、２１３Ｗａ 端子部、 ２２０ ホース。

Claims (4)

1. 第１の受熱部及びこの第１の受熱部とは反対側に形成された第２の受熱部を有するヒートシンクと、上記第１の受熱部に密着された１相分の直交変換及び／または交直変換を担うパワー半導体素子を内包するパワーモジュールと、上記第２の受熱部に密着された上記パワー半導体素子のリップル電流を抑制する平滑コンデンサと、これらパワーモジュール、ヒートシンク、及び平滑コンデンサを一体化する固定手段と、上記パワー半導体素子を制御するゲート制御回路基板と、このゲート制御回路基板を保持するホルダとを備え、上記固定手段は、上記パワーモジュール、ヒートシンク、及び平滑コンデンサの略中央部を貫通して挿通された１本の貫通ボルトからなり、上記貫通ボルトによって、上記パワーモジュール、ヒートシンク、及び平滑コンデンサを圧接状態で一体化するとともに、上記ホルダを上記パワーモジュールの上記ヒートシンクとは反対側の面に、上記固定手段により一体化してなることを特徴とするパワーユニット装置。
2. 上記ヒートシンクは、内部に作動流体を通流するように形成された箱型の容器からなることを特徴とする請求項１に記載のパワーユニット装置。
3. 上記請求項１または請求項２に記載のパワーユニット装置を制御対象に応じて複数個用い、それらを円周上に略等角度で配設してなることを特徴とする電力変換装置。
4. 上記請求項１または請求項２に記載のパワーユニット装置を制御対象に応じて複数個用い、それらを直線上に略等間隔で配設してなることを特徴とする電力変換装置。

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