JP4567570B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関するものであり、比較的容量の大きい電力変換装置、特にハイブリッド自動車や電気自動車で使用される電力変換装置に関する。

モーターでエンジンをアシストするハイブリッド自動車や水素をエネルギー源としてモーターの出力のみで走行する電気自動車は、高い燃費性能を有し、また、環境負荷を低減できるというメリットを有し、現在、開発が進められているものである。

ハイブリッド自動車が実用化された当初は、エンジン車に比べ、モーターの出力が低いことから、加速性能などに見られる自動車としての力強さが弱いという問題があった。これを改善してモーターの高出力化が図られ、従来のエンジン車に匹敵するほどの力強さが得られるようになった。現在はＳＵＶ（Ｓｐｏｒｔ Ｕｔｉｌｉｔｙ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等のより高出力を要する車に走行用のモーターが搭載されつつあることから、今後もさらなる走行用のモーターの高出力化が求められることがうかがえる。

モーターを搭載する自動車は、車載バッテリに充電した電力によりモーターを回転させる。高い燃費性能を得るためには、運転状況に合わせてモーターのトルクと回転数を調整する必要があり、バッテリの直流電力を運転状況に合わせた交流電力に変換することによってモーターのトルクと回転数の調整を実現している。このバッテリの直流電力を交流電力に変換する役割を担うのが車載用インバータ（以下電力変換装置と称する）である。先に述べたモーターの高出力化にともなって、車載用の電力変換装置の大電力化が求められている。

車載用の電力変換装置として、半導体モジュールを用いた構成の電力変換装置が、例えば、特許文献１に開示されている。この例は２つの電力変換装置を搭載する例であるが、一方の電力変換装置では、３相出力のうちの１相分を担うスイッチング素子を樹脂封止した半導体モジュールを３個用いる構成が開示されている。

特開２００４−２５４３５８号公報（第３−４頁、図２）

車載用の電力変換装置の大電力化に際しては、個々の半導体モジュールの大電力化を図る方法が考えられるが、半導体素子の大電力化には限界があるため、複数の半導体モジュールを電気的に並列接続し大電力化を図ることになる。

半導体モジュールを並列接続するには、並列接続される半導体のモジュールの同極性を有する主端子間を接続する必要がある。そのために、主端子間を接続するためのバスバーが必要となり、そのバスバーを配置するために電力変換装置の容積が増大するという問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、大電力化の求められる電力変換装置において、複数の半導体モジュールを並列接続して用いる場合でも、コンパクトにできる電力変換装置を提供することを目的としている。

本発明に係る電力変換装置は、電力変換回路における各相が、複数の半導体モジュールを電気的に並列接続してなる電力変換装置において、
上記半導体モジュールはそれぞれ、スイッチング素子と該スイッチング素子が配線により接続された複数の主端子とを有し、
上記半導体モジュール相互の同一極性の主端子同士を直接接触させて接続したものである。

本発明に係る電力変換装置によれば、大電力化の求められる電力変換装置において、複数の半導体モジュールを並列接続して用いる場合でも、コンパクトな電力変換装置を提供することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る電力変換装置の実施の形態１を説明するための平面図である。図２（ａ）は、半導体モジュールの平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の半導体モジュールに対応する回路図である。

図２に示したように、半導体モジュール１ａは、ＡＣ出力端子（以下、ＡＣ端子と称す）２ａ、陽極直流入力端子（以下、Ｐ端子と称す）２ｂ、陰極入力端子（以下、Ｎ端子と称す）２ｃ、上アーム側ＩＧＢＴ３ａ、下アーム側ＩＧＢＴ３ｂ、上アーム側ＦＷＤ４ａ、下アーム側ＦＷＤ４ｂ、ヒートスプレッダ６を備え、ＩＧＢＴ３ａとＦＷＤ４ａとＡＣ端子２ａ及びＩＧＢＴ３ｂとＦＷＤ４ｂとＮ端子２ｃはそれぞれワイヤボンド５で電気的に接続されて、モールド樹脂８によりモールドされている。図２（ｂ）の回路は典型的な電力変換装置の１相分に相当するスイッチング素子である。電力変換装置には３相分のスイッチング素子が搭載され、Ｐ端子２ｂ、Ｎ端子２ｃにそれぞれバッテリの正極、負極が接続され、各相のＡＣ端子２ａは負荷（ハイブリッド自動車の場合はモーター）に接続される。そして、各スイッチング素子を高速で開閉し、そのタイミングを制御することで、負荷に所望の交流電力を供給する。

図１は、図２で説明した半導体モジュールを２個並列接続した図である。半導体モジュール１ａと半導体モジュール１ｂは２つで１相分の回路を形成しており、図に示すように鏡面対称面７に対して主端子の組（Ｐ端子２ｂ、Ｎ端子２ｃ及びＡＣ端子２ａ）の同極の主端子同士が鏡面対象の関係になっている。このような構造にすることで、主端子の組（Ｐ端子２ｂ、Ｎ端子２ｃ及びＡＣ端子２ａ）の同極の主端子同士が直接接して接続されるので、主端子間をつなぐバスバーを設ける必要がなくなり、半導体モジュール１ａ，１ｂを並列接続して大容量化した電力変換装置をコンパクトにすることができる。

また、さらに、鏡面対称面７に対してパワー部の配線が鏡面対象の関係になっているので、配線を短くすることができる。

実施の形態２．
図３乃至図５は、本発明に係る電力変換装置の実施の形態２を説明する平面図である。図３（ａ）に示したように、一つの半導体モジュール１から主端子の組（Ｐ端子２ｂ、Ｎ端子２ｃ及びＡＣ端子２ａ）が２組設けられており、それらが図２（ｂ）に示すように同極の主端子同士が鏡面対象となるように配置され、直接接して接続される。これによりバスバーを用いずに複数の半導体モジュールを並列接続することとができ、大容量化した電力変換装置をコンパクトにすることができる。

本実施の形態２においては、図３及び図４に示したように、矩形または正方形、扇形などの半導体モジュール１に主端子の組が２組設けられ、同極の主端子同士が鏡面対象となるように配置され、直接接して接続されるような変形例も考えられる。

本実施の形態２の説明では主端子の組が２組の場合を取り上げて説明したが、主端子の組の数はこれに制限されるものではない。また、主端子の組の数によって種々の半導体モジュールの形や配置が可能である。

実施の形態３．
図６は、本発明に係る電力変換装置の実施の形態３を説明する側面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。図６（ａ）に示したように、半導体モジュール１から突き出した主端子２を、半導体モジュール近傍で直角に曲げ、半導体モジュール上方で、図６（ｂ）に示すような多点で溶接をはじめとする金属接合９により接続する。

上記実施の形態１及び２において、通常、主端子間の接続は機械締結が用いられることが一般的であるが、本実施の形態３のように、金属接合９による接合とすることで、機械締結の場合に比べ、ネジのスペース等が省略されるため、電力変換装置の容積をさらに小さくできる。

なお、図６に、半導体モジュール１から突き出した主端子２を、半導体モジュール近傍で直角に曲げた形状の例を示したが、本発明の主端子の形状は、図６の主端子の形状に制限されるものではない。

本発明に係る電力変換装置は、比較的容量の大きい電力変換装置、特にハイブリッド自動車や電気自動車で使用される電力変換装置に有効に利用できる。

本発明に係る電力変換装置の実施の形態１を説明するための平面図である。 半導体モジュールの平面図（ａ）及び半導体モジュールに対応する回路図（ｂ）である。 本発明に係る電力変換装置の実施の形態２を説明する平面図である。 本発明に係る電力変換装置の実施の形態２の変形例を説明する平面図である。 本発明に係る電力変換装置の実施の形態２の変形例を説明する平面図である。 本発明に係る電力変換装置の実施の形態３を説明する側面図（ａ）及び正面図（ｂ）である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ 半導体モジュール、２ａ ＡＣ端子（主端子）、
２ｂ Ｐ端子（主端子）、２ｃ Ｎ端子（主端子）、３ａ 上アーム側ＩＧＢＴ、
３ｂ 下アーム側ＩＧＢＴ、４ａ 上アーム側ＦＷＤ、４ｂ 下アーム側ＦＷＤ、
５ ワイヤーボンド、７ 鏡面対称面、８ モールド樹脂、９ 溶接部。

Claims (3)

1. 電力変換回路における各相が、複数の半導体モジュールを電気的に並列接続してなる電力変換装置において、
   上記半導体モジュールはそれぞれ、スイッチング素子と該スイッチング素子が配線により接続された複数の主端子とを有し、
   上記半導体モジュール相互の同一極性の主端子同士を直接接触させて接続したことを特徴とする電力変換装置。
2. 上記半導体モジュールはそれぞれ、上記主端子の組を複数組有し、上記半導体モジュール相互の上記同一極性の主端子同士が鏡面対象に配列されていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 上記同一極性の主端子同士の接続が、金属接合によることを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。

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