JP6500735B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関する。特に、複数の半導体モジュールと、複数の冷却器が平行に配置されており隣接する冷却器の間に夫々の半導体モジュールを挟んでいる積層冷却ユニットを備えた電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter. In particular, the present invention relates to a power conversion device including a plurality of semiconductor modules and a stacked cooling unit in which a plurality of coolers are disposed in parallel and sandwiching the respective semiconductor modules between adjacent coolers.
電圧コンバータやインバータなどの電力変換装置は発熱量の大きい複数のスイッチング素子を備える。複数のスイッチング素子は、一つあるいは数個ずつ半導体モジュールに収容されている。複数の半導体モジュールを効率よく冷却する構造として、複数の冷却器が平行に配置された積層冷却ユニットが知られている。積層冷却ユニットは、隣接する冷却器の間に各半導体モジュールを挟んでいる。そのような積層冷却ユニットを備えた電力変換装置が例えば特許文献1―4に開示されている。 A power converter such as a voltage converter or an inverter includes a plurality of switching elements that generate a large amount of heat. The plurality of switching elements are accommodated in the semiconductor module one by one or several. As a structure for efficiently cooling a plurality of semiconductor modules, a stacked cooling unit in which a plurality of coolers are arranged in parallel is known. The stacked cooling unit sandwiches each semiconductor module between adjacent coolers. For example, Patent Documents 1 to 4 disclose a power converter including such a stacked cooling unit.
大電力が流れる電力変換装置では、半導体モジュールの端子と他の部品は、バスバと呼ばれる細長金属板(細長金属棒)で接続される。スイッチング素子のスイッチングスピードの高速化に伴い、サージ電圧の抑制が課題となっている。サージ電圧は、スイッチング素子と導通している導電経路のインダクタンスを低減することで抑制できる。特許文献1、2では、バスバのインダクタンスを抑制する技術も提案されている。特許文献1の技術では、各半導体モジュールの正極端子に接続される平板状のバスバ(正バスバ)と、負極端子に接続される平板状のバスバ(負バスバ)を対向させる。正バスバと負バスバには互いに反対方向の電流が流れる。夫々のバスバの電流に起因する磁界が相殺し、インダクタンスが抑制される。特許文献2の技術では、正バスバが負極端子と接触せずに交差した後に正極端子と接続するように配置される。あるいは、負バスバが正極端子と接触せずに交差した後に負極端子と接続するように配置される。正極端子と負極端子と正バスバ(負バスバ)と半導体モジュール本体内のスイッチング素子によって、電流の高周波成分にとっての閉ループが形成される。電流の高周波成分の経路を短くすることで、スイッチング素子と導通している導電経路(バスバと端子)のインダクタンスを低減する。
In the power conversion device through which a large amount of power flows, the terminals of the semiconductor module and other parts are connected by an elongated metal plate (an elongated metal rod) called a bus bar. With the increase in switching speed of switching elements, suppression of surge voltage has become an issue. The surge voltage can be suppressed by reducing the inductance of the conductive path conducted to the switching element. In
特許文献1の技術は正バスバと負バスバを接近させてインダクタンスを低減する。特許文献2の技術は、正極端子と負バスバ(あるいは、負極端子と正バスバ)を接近させてインダクタンスを低減する。いずれの技術も、極性の異なる導電部品(バスバまたは端子)を接近させてインダクタンスを低減する。極性の異なる導電部品を接近させると、短絡防止の配慮が必要となる。極性の異なる導電部品の間には、それらの間の電圧に応じた沿面距離を確保しなければならない。本明細書は、極性の同じ導電部品を使ってスイッチング素子と導通している導電経路(バスバと端子)のインダクタンスを低減する技術を提供する。
The technique of Patent Document 1 reduces the inductance by bringing the positive bus bar and the negative bus bar close to each other. The technique of
本明細書が開示する電力変換装置は、複数の半導体モジュールと、それらを冷却する積層冷却ユニットと、バスバを備える。各半導体モジュールは、スイッチング素子を収容している本体と、本体内でそのスイッチング素子と導通しており本体の外へ延びている平板状の端子を備えている。積層冷却ユニットは、複数の冷却器が平行に配置されており、隣接する冷却器の間に各半導体モジュールを挟んでいる。バスバは、夫々の半導体モジュールの端子に接続されている。そのバスバは、ベース板と、接続部と、対向部を備えている。ベース板は、複数の貫通孔を有しているとともに各貫通孔に各半導体モジュールの端子が貫通している。接続部は、導電性を有しており、ベース板の貫通孔の縁から延びており、端子に接続されている。対向部は、ベース板の貫通孔の縁から接続部とは逆方向へ延びており、端子の平坦面から距離を隔てて平坦面に対向している。この電力変換装置では、対向部はバスバを介して端子と導通しているので対向部とバスバは同電位である。しかし、対向部自体は、端子と距離を隔てて対向している。高周波の電流は導体の表面を伝わる性質があるため、互いに対向している端子と対向部の夫々の表面を電流が流れる。それらの電流に起因する磁界が相殺し、バスバと端子のインダクタンスが低減される。本明細書が開示する技術は、端子に接続されているバスバにその端子と対向する対向部を設けることで、同電位の端子と対向部の間でインダクタンスを低減する。本明細書が開示する技術は、異極の導電部材同士を近接させることなくスイッチング素子に導通している導電経路(バスバと端子)のインダクタンスを低減する。 A power converter disclosed in the present specification includes a plurality of semiconductor modules, a stacked cooling unit that cools them, and a bus bar. Each semiconductor module includes a main body accommodating the switching element, and a flat plate-like terminal electrically connected to the switching element in the main body and extending out of the main body. In the stacked cooling unit, a plurality of coolers are arranged in parallel, and each semiconductor module is sandwiched between adjacent coolers. The bus bar is connected to the terminal of each semiconductor module. The bus bar includes a base plate, a connection portion, and an opposing portion. The base plate has a plurality of through holes and the terminals of the semiconductor modules pass through the through holes. The connection portion is conductive, extends from the edge of the through hole of the base plate, and is connected to the terminal. The facing portion extends from the edge of the through hole of the base plate in the opposite direction to the connecting portion, and faces the flat surface at a distance from the flat surface of the terminal . In this power conversion device, since the opposing part is electrically connected to the terminal through the bus bar, the opposing part and the bus bar have the same potential. However, the facing portion itself faces the terminal at a distance. Since the high frequency current has the property of being transmitted on the surface of the conductor, the current flows on the surfaces of the opposing terminal and the opposing portion. The magnetic fields resulting from those currents cancel each other, reducing the inductance of the bus bar and the terminals. The technology disclosed in the present specification reduces the inductance between the terminal of the same potential and the opposite portion by providing the bus bar connected to the terminal with the opposite portion facing the terminal. The technology disclosed in the present specification reduces the inductance of the conductive paths (bus bars and terminals) conducted to the switching elements without bringing the conductive members of different polarities close to each other.
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 The details and further improvement of the technology disclosed in the present specification will be described in the following "Forms for Carrying Out the Invention".
図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は電気自動車に搭載されており、走行用モータの駆動電力を出力する。図1に、電力変換装置2を含む電気自動車100の電力系のブロック図を示す。電気自動車100は、2個の走行用モータ83a、83bを備える。それゆえ、電力変換装置2は、2セットのインバータ回路13a、13bを備える。なお、2個のモータ83a、83bの出力は、動力分配機構85で合成/分配されて車軸86(即ち駆動輪)へと伝達される。
A power converter according to an embodiment will be described with reference to the drawings. The power conversion device of the embodiment is mounted on an electric vehicle and outputs driving power of a traveling motor. FIG. 1 shows a block diagram of a power system of an
電力変換装置2は、システムメインリレー82を介してバッテリ81と接続されている。電力変換装置2は、バッテリ81の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路12と、昇圧後の直流電力を交流に変換する2セットのインバータ回路13a、13bを含む。
電圧コンバータ回路12は、一方の端子(低電圧端)に印加された電圧を昇圧して他方の端子(高電圧端)に出力する昇圧する動作と、他方の端子(高電圧端)に印加された電圧を降圧して一方の端子(低電圧端)に出力する降圧動作の双方を行うことできるいわゆる双方向DC−DCコンバータである。説明の便宜上、以下では、低電圧端を入力端18と称し、高電圧端を出力端19と称する。また、入力端18の正極と負極を夫々、入力正極端18aと入力負極端18bと称する。出力端19の正極と負極を夫々、出力正極端19aと出力負極端19bと称する。「入力端18」、「出力端19」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路12は双方向DC−DCコンバータであるので、出力端19から入力端18へ電力が流れる場合がある。
The
電圧コンバータ回路12は、2個のスイッチング素子T7、T8の直列回路、リアクトル7、フィルタコンデンサ5、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。直列回路の高電位側は出力正極端19aに接続されており、低電位側は出力負極端19bに接続されている。リアクトル7は、一端が入力正極端18aに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ5は、入力正極端18aと入力負極端18bの間に接続されている。入力負極端18bは、出力負極端19bと直接に接続されている。
The
先に述べたように、電圧コンバータ回路12は、昇圧動作と降圧動作の双方を行うことができる。電圧コンバータ回路12の昇圧動作とは、バッテリ81の電圧を昇圧してインバータ回路13a、13bへ供給する動作である。電圧コンバータ回路12の降圧動作とは、インバータ回路13a、13bから入力される直流電力(モータ83a又は83bが発生する回生電力)を降圧する動作である。なお、降圧された回生電力はバッテリ81の充電に使われる。昇圧動作にはスイッチング素子T8が主に貢献し、降圧動作の場合はスイッチング素子T7が主に貢献する。図1の電圧コンバータ回路12はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号8gが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール8gに対応する。符号25a、25bは、半導体モジュール8gから延出している端子を示している。符号25aは、スイッチング素子T7、T8の直列回路の高電位側の電極と接続されている端子(正極端子25a)を示している。符号25bは、スイッチング素子T7、T8の直列回路の低電位側の電極と接続されている端子(負極端子25b)を表している。次に説明するように、正極端子25a、負極端子25bという表記は、他の半導体モジュールでも用いる。
As mentioned above, the
インバータ回路13aは、2個のスイッチング素子の直列回路が3セット並列に接続された構成を有している(T1とT4、T2とT5、T3とT6)。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。3セットの直列回路の高電位側の端子(正極端子25a)が電圧コンバータ回路12の出力正極端19aに接続されており、3セットの直列回路の低電位側の端子(負極端子25b)が電圧コンバータ回路12の出力負極端19bに接続されている。3セットの直列回路の中点から3相交流(U相、V相、W相)が出力される。3セットの直列回路の夫々が、後述する半導体モジュール8a、8b、8cに対応する。
The
インバータ回路13bの構成はインバータ回路13aと同じであるため、図1では具体的な回路の図示を省略している。インバータ回路13bもインバータ回路13aと同様に、2個のスイッチング素子の直列回路が3セット並列に接続された構成を有している。各直列回路に対応するハードウエアを半導体モジュール8d、8e、8fと称する。
Since the configuration of the
インバータ回路13a、13bの入力端に平滑コンデンサ6が並列に接続されている。平滑コンデンサ6は、別言すれば、電圧コンバータ回路12の出力端19に並列に接続されている。平滑コンデンサ6は、電圧コンバータ回路12の出力端19から出力される電流の脈動を除去する。
The smoothing
スイッチング素子T1−T8は、トランジスタであり、典型的にはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であるが、他のトランジスタ、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)であってもよい。また、ここでいうスイッチング素子は、電力変換に用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。 The switching elements T1 to T8 are transistors, and are typically IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), but may be other transistors, for example, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). Moreover, the switching element here is used for power conversion, and may be called a power semiconductor element.
図1において、破線8a−8gの夫々が半導体モジュールに相当する。電力変換装置2は、2個のスイッチング素子の直列回路を7セット備えている。ハードウエアとしては、2個のスイッチング素子の直列回路、およびこれに付随するダイオードが一つの半導体モジュールに収容されている。以下では、半導体モジュール8a−8gのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール8と表記する。
In FIG. 1, each of
図1において、符号30が示す破線内の導電経路は、複数の半導体モジュール8の正極端子25aと平滑コンデンサ6を接続するバスバ(Pバスバ)に対応する。符号40が示す破線内の導電経路は、複数の負極端子25bと平滑コンデンサ6を接続するバスバ(Nバスバ)に対応する。Pバスバ30、Nバスバ40については後述する。
In FIG. 1, the conductive paths in the broken line indicated by
次に、電力変換装置2のハードウエア構成を説明する。図2に、電力変換装置2の平面図を示す。図2は、カバーを外した電力変換装置2の平面図であり、ケース90の内部に収容された部品のレイアウトが示されている。ケース90の中には、フィルタコンデンサユニット105、リアクトルユニット107、積層冷却ユニット20、平滑コンデンサユニット106などが収容されている。積層冷却ユニット20は複数の半導体モジュール8を収容している。これらの部品のほか、図示は省略するが、積層冷却ユニット20の下方には回路基板が収容されている。ケース90の中には他の部品も収容されているが、それらの図示と説明は省略する。
Next, the hardware configuration of the
フィルタコンデンサユニット105の中に、図1で示したフィルタコンデンサ5に相当するコンデンサ素子が収容されている。リアクトルユニットと107の中に、図1で示したリアクトル7に相当するリアクトルデバイスが収容されている。平滑コンデンサユニット106の中に、図1で説明した平滑コンデンサ6に相当するコンデンサ素子が収容されている。フィルタコンデンサ5、平滑コンデンサ6、リアクトル7には大電流が流れるため、それらに対応するハードウエアの体格が大きい。
In the
平滑コンデンサユニット106に隣接して積層冷却ユニット20が配置されている。積層冷却ユニット20は、複数の冷却器22が平行に配置されたユニットであり、隣接する冷却器22の間に各半導体モジュール8を挟んでいる。図2、及び、以降の図では、複数の半導体モジュールのうち、一つのみに符号8を付し、他の半導体モジュールへは符号を省略した。冷却器22についても同様である。
A
各半導体モジュール8には2個のスイッチング素子(半導体素子)が収容されている。積層冷却ユニット20は、ケース90に設けられた支持壁89と、2本の支持柱87の間に挿入されている。図示を省略しているが、支持柱87と積層冷却ユニット20の間には板バネが挿入されており、その板バネにより、積層冷却ユニット20はその積層方向に加圧されつつ、ケース90に支持される。積層方向の加圧によって半導体モジュール8と冷却器22の密着性が高まり、冷却性能が向上する。また、積層冷却ユニット20の一端には冷媒供給管23と冷媒排出管24が接続されており、それらの管の先端はケース90を貫通し、ケース90の外に開いている。冷媒供給管23から供給された冷媒は全ての冷却器22に分配される。冷媒は冷却器22の内部を通過する間に隣接する半導体モジュール8から熱を吸収する。冷却器22を通過した冷媒は、冷媒排出管24を通じて電力変換装置2の外へと排出される。半導体モジュール8は平板型(カード型)であり、それぞれの平坦面が冷却器22によって冷却される。積層冷却ユニット20は、隣接する冷却器22の間に半導体モジュール8を挟み込む構造によって、各半導体モジュール8に収容されているスイッチング素子を効率よく冷却することができる。
Each
各半導体モジュール8の本体21に収容されている2個のスイッチング素子は、本体21の内部で直列に接続されている。本体21は、樹脂で作られたパッケージである。スイッチング素子の直列接続の高電位側の端子(正極端子25a)、低電位側の端子(負極端子25b)、及び、中点の端子(中点端子25c)が、本体21からZ方向に延びている。正極端子25a、負極端子25b、中点端子25cはいずれも平板状である。正極端子25a、負極端子25b、及び、中点端子25cは、半導体モジュール8の本体21の内部でスイッチング素子と導通している。また、正極端子25a、負極端子25b、及び、中点端子25cは、半導体モジュール8の本体21の外へ延びている。複数の半導体モジュール8の正極端子25aは、積層冷却ユニット20の冷却器22の積層方向に並んでいる。積層方向は、図の座標系におけるX方向である。複数の半導体モジュール8の負極端子25b、中点端子25cも同様に積層方向(X方向)に並んでいる。
The two switching elements accommodated in the
図1の回路図を参照して説明したように、1個の半導体モジュール8は昇圧回路に用いられ、6個の半導体モジュール8は2セットのインバータ回路に用いられる。図1を参照して説明したように、複数の半導体モジュール8の正極端子25aは、Pバスバ30により平滑コンデンサ6の一方の電極と接続され、負極端子25bはNバスバ40により平滑コンデンサ6の他方の電極と接続される。半導体モジュール8の中点端子25cには、交流出力を外部へ伝達するためのバスバが接続されているが、そのバスバと、そのバスバの先端に接続されているコネクタ端子台の図示は省略している。
As described with reference to the circuit diagram of FIG. 1, one
先に述べたように、平滑コンデンサ6は、電圧コンバータ回路12とインバータ回路13a、13bの間に並列に接続されている。平滑コンデンサ6は、全ての半導体モジュール8と接続されることになる。Pバスバ30とNバスバ40が、平滑コンデンサ6(平滑コンデンサユニット106)と複数の半導体モジュール8を電気的に接続している。Pバスバ30は、ベース板31と複数の枝部32で構成されている。Pバスバ30の構造については後に詳しく説明する。
As described above, the smoothing
なお、各半導体モジュール8は、本体21の端子25a、25b、25cとは反対側に制御端子を備えており、その制御端子は不図示の回路基板と接続されている。制御端子は、スイッチング素子のゲート電極につながっており、回路基板は、スイッチング素子に与えるゲート信号を生成する。
Each
図3を参照して平滑コンデンサユニット106と積層冷却ユニット20とPバスバ30の関係を説明する。なお、図3は、電力変換装置2において、平滑コンデンサユニット106と積層冷却ユニット20とバスバのアセンブリを取り出した斜視図である。図3では、Nバスバ40の図示は省略した。さらに、図4に、平滑コンデンサユニット106から露出している部分のPバスバ30の斜視図を示す。
The relationship between the smoothing
Pバスバ30を、説明の都合上、ベース板31と複数の枝部32に分ける。ベース板31は、平滑コンデンサユニット106から積層冷却ユニット20へ向けて延びており、図中の座標系でXY平面に広がっている板部材である。複数の枝部32は、ベース板31の積層冷却ユニット20に近い端から延びており、途中でYZ平面と平行になるように折れ曲がっている。複数の枝部32は、図中の座標系においてX方向に並んでいる。複数の枝部32の夫々の先端が、対応する半導体モジュール8の正極端子25aに接合されている。図4では、夫々の半導体モジュール8から延びている正極端子25aを仮想線で描いてある。正極端子25aも平板状であり、その平坦面が平板状のPバスバ30の枝部32の先端と接続されている。
The
Pバスバ30の各枝部32の先端から対向部33が延びている。対向部33は、各半導体モジュール8の正極端子25aに対して設けられている。対向部33は、枝部32の正極端子25aと接合している面とは反対の面に接合されている。対向部33は、正極端子25aの延設方向に沿って、Pバスバ30から半導体モジュール8の本体21に向かって延びている。対向部33は平板状であり、正極端子25aの平坦面に近接してこれと対向している。対向部33は、正極端子25aの平坦面から距離を隔てて平坦面に対向している。対向部33はPバスバ30と同じく銅で作られており、導電性である。従って、対向部33は、Pバスバ30を介して正極端子25aと導通しており、正極端子25aと同電位である。ただし、対向部33は、距離を隔てて正極端子25aと対向しており、対向部33自体は正極端子25aに直接には触れていない。次に、対向部33の機能について説明する。
An opposing
対向部33は、Pバスバ30と正極端子25aが有するインダクタンス(寄生インダクタンス)を低減する目的で備えられている。対向部33には、近接している正極端子25aを流れる電流が発する磁界によって渦電流が発生する。その渦電流に起因する磁界は正極端子25aを流れる電流に起因する磁界を相殺する。この相殺によってインダクタンスが低減される。これに加えて、渦電流とは別に、対向部33の表面を流れる電流に起因する磁界が、対向部33と対向する正極端子25aの表面を流れる電流に起因する磁界を相殺することによってもインダクタンスが低減される。図5に、一つの半導体モジュール8の正極端子25aとそれに接続するPバスバ30(枝部32)のXZ平面における断面を示す。スイッチング素子のスイッチング動作に起因して生じる高周波電流は導体の表面を伝わることが知られている。図5に示した矢印は高周波電流の伝播経路を示している。半導体モジュール8の本体21の内部で生じた高周波電流は、正極端子25aの表面を伝わり、Pバスバ30の表面を介して対向部33の表面へと伝わる。対向部33の表面へと伝播した高周波電流は図の紙面奥側でPバスバ30の表面へと戻り、さらには平滑コンデンサ6へと伝わる。図5の矢印A1とA2が示すように、正極端子25aの表面を伝わる高周波電流の向きA1と対向部33の表面を伝わる高周波電流の向きA2は互いに逆方向である。なお、電流の向きは紙面に垂直な方向の成分、及び、対向部33からPバスバ30に戻る成分も有するが、高周波電流の少なくとも一部は対向部33の表面と正極端子25aの表面で互いに逆向きとなる。電流が互いに逆向きであるので、互いの電流に起因して生じる磁界の向きも逆向きとなり、磁界の一部は相殺される。電流に起因して生じる磁界の一部が相殺されることで、Pバスバ30と正極端子25aのインダクタンスが低減される。別言すれば、対向部33は、半導体モジュール8の近傍でスイッチング素子に導通している導電経路(Pバスバ30と正極端子25a)の寄生インダクタンスを低減する。Nバスバ40も同様の対向部を備えており、Pバスバ30に関する上記の説明は、Nバスバ40についても成立する。枝部の構成や平滑コンデンサユニット106との接続関係についても、Nバスバ40はPバスバ30と同様の構造を備えている。
The facing
渦電流の発生によるインダクタンス低減効果は、対向部33と正極端子25aが導通していなくとも得られる。一方、スイッチング動作に起因して生じる高周波電流が正極端子25aの表面と対向部33の表面を流れることによって得られるインダクタンス低減効果は、正極端子25aと対向部33が導通していることで得られる。
The inductance reduction effect due to the generation of the eddy current can be obtained even if the facing
次に、図6−図9を参照してバスバの変形例(第1変形例)を説明する。図6は、変形例のPバスバ130とNバスバ140と積層冷却ユニット20と平滑コンデンサユニット106のアセンブリを示している。図7は、変形例のPバスバ130とNバスバ140を積層冷却ユニット20及び平滑コンデンサユニット106から分離した分解図を示している。なお、図7において、Pバスバ130の電極接続部139、及び、Nバスバ140の電極接続部149は、本来は平滑コンデンサユニット106の中に挿通される部分である。これらの電極接続部139、149が、平滑コンデンサユニット106の中でコンデンサ素子の電極と接続している。図8は、アセンブリの部分拡大図である。図9は、図中の座標系におけるXZ平面と平行な平面で正極端子25aとその周辺をカットした断面図である。
Next, a modification (first modification) of the bus bar will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows an assembly of the
Pバスバ130の平板状のベース板131には複数の貫通孔131aが設けられている。各貫通孔131aに各半導体モジュール8の正極端子25aが貫通している。各貫通孔131aの縁から接続部132が延びている。接続部132は、正極端子25aに沿って、半導体モジュール8の本体21から遠ざかる方向に延びている。Pバスバ130の各接続部132が、対応する正極端子25aと接続される。また、各貫通孔131aの縁から対向部133が延びている。対向部133は、接続部132とは反対に、半導体モジュール8の本体21へ向かう方向へ延びている(図9参照)。図9によく示されているように、対向部133はPバスバ130を介して正極端子25aと導通しているが、対向部133は距離を隔てて正極端子25aと対向しており、対向部133そのものは正極端子25aと直接には接していない。対向部133は、正極端子25aと直接に接することなく、正極端子25aの平坦面に近接してこれと対向している。図9のレイアウトにおいても、正極端子25aの表面を流れる高周波電流のZ方向成分(端子延設方向成分)と対向部133の表面を流れる高周波電流のZ方向成分は互いに逆向きとなる。夫々の高周波電流に起因する磁界の一部が相殺する。その結果、Pバスバ130と正極端子25aのインダクタンスが低減される。
A plurality of through
Nバスバ140にも対向部143が備えられており、その役割は、Pバスバ130の対向部133と同様である。Nバスバ140について概説する。Nバスバ140のベース板141には複数の貫通孔141aが設けられており、各貫通孔141aに各半導体モジュール8の負極端子25bが貫通している。貫通孔141aの周囲の構造はPバスバ130の貫通孔131aの周囲の構造と同じである。即ち、貫通孔141aの縁から接続部142が延びており、その接続部132が負極端子25bと接続している。また、貫通孔141aの縁から対向部143が延びている。対向部143は負極端子25bの延設方向(図中のZ方向)に沿って、半導体モジュール8の本体21に向かって延びている。対向部143は、距離を隔てて負極端子25bと近接して対向している。Nバスバ140の対向部143も、Pバスバ130の対向部133と同様に、Nバスバ140と負極端子25bのインダクタンスの低減に貢献する。
The
図8、図9に示されているように、Nバスバ140の平板状のベース板141には別の貫通孔141bが設けられており、その貫通孔141bを正極端子25aが貫通している。Pバスバ130のベース板131とNバスバ140のベース板141も対向している。Pバスバ130とNバスバ140には互いに逆向きの電流が流れるので、夫々のバスバのベース板131、141が対向していることで、互いの電流に起因する磁界が相殺する。夫々のバスバのベース板131、141が対向していることもインダクタンス低減に貢献する。
As shown in FIG. 8 and FIG. 9, another through
また、前述したように、接続部132は、正極端子25aに沿って、半導体モジュール8の本体21から遠ざかる方向に延びており、対向部133は、接続部132とは反対に、本体21へ向かう方向へ延びている(図9参照)。接続部132と正極端子25aは溶接により接続される。接続部132が本体21から遠ざかる方向に延びていることは、接続部132が本体21へ向かう方向に延びている場合と比較して、接続部132を正極端子25aに溶接する作業が容易である。また、接続部132が本体21から遠ざかる方向に延びており、対向部133が本体21へ向かう方向へ延びているので、接続部132の溶接の際に対向部133が邪魔をすることがない。
Further, as described above, the
図10−図12を参照して、バスバのさらに別の変形例を説明する。図10−図12は、バスバと端子の接続部分の断面図である。図10の変形例(第2変形例)は、図9のPバスバ130に絶縁層135を加えたものである。絶縁層135は、対向部133と正極端子25aの間に挟まれている。絶縁層135は、対向部133と正極端子25aの間の隙間を一定に保つために挿入されている。先に述べたように、対向部133と正極端子25aは同電位であるが、対向部133と正極端子25aが直接に接触してしまうと、夫々の表面に互いに逆向きの電流が流れなくなるのでインダクタンス低減効果が低下してしまう。絶縁層135は、対向部133と正極端子25aが直接に接することなく、狭い間隔を保持して対向するように備えられている。Nバスバ140の対向部と負極端子の間にも絶縁層が挟まれていてもよい。
Still another modification of the bus bar will be described with reference to FIGS. 10 to 12 are cross-sectional views of the connection portion of the bus bar and the terminal. A modification (second modification) of FIG. 10 is obtained by adding an insulating
極性の異なる導電部材を対向させてインダクタンスを低減する構造との対比を説明する。今、正極端子25aと極性の異なる導電部材、例えば、Nバスバ140から延びている対向部が正極端子25aと絶縁層を隔てて対向している構造を想定する。絶縁層を隔てているので、正極端子25aとNバスバ140の対向部が短絡することはない。ただし、極性の異なる部材が近接配置される場合には、両者の電位差に応じた沿面距離を両者の間に確保しなければならない。実施例の電力変換装置の場合には、同電位の部材同士を近接させるので、沿面距離を考慮しないで済むという利点がある。
The contrast with a structure in which conductive members having different polarities face each other to reduce the inductance will be described. Now, it is assumed that the
図11の変形例(第3変形例)のPバスバ230は、対向部233の構造が第1変形例のPバスバ130と異なる。Pバスバ230は、ベース板131を有している。ベース板131には、複数の貫通孔131aが設けられており、各貫通孔131aに各半導体モジュール8の正極端子25aが通じている。各貫通孔131aの縁から接続部132が延びている。接続部132は、半導体モジュール8の本体21から遠ざかる方向に延びている。また、各貫通孔131aの縁から対向部233が延びている。対向部233は、正極端子25aの延設方向に沿って、Pバスバ230のベース板131から本体21へ向かって延びている。対向部233は、正極端子25aに直接に接することなく、距離を隔てて正極端子25aと対向している。
The
対向部233も、第1変形例の対向部133と同様に、インダクタンスを低減する。対向部233は、ベース板131の貫通孔131aを塞いでいた部分の一部が折り曲げられて形成されている。貫通孔131aと対向部233は、ベース板131の材料である金属板をプレス加工して作られる。貫通孔131aと対向部233を1回のプレス加工で形成することができるので、第3変形例のPバスバ230は低コストで製造することができる。図示は省略しているが、Nバスバ140の対向部も同様に作られている。
Similarly to the facing
図12の変形例(第4変形例)のPバスバ330は、対向部333の構造が第1変形例のPバスバ130と異なる。Pバスバ330は、ベース板131を有している。ベース板131には、複数の貫通孔131aが設けられており、各貫通孔131aに各半導体モジュール8の正極端子25aが貫通している。各貫通孔131aの縁から接続部132が延びている。接続部132は、半導体モジュール8の本体21から遠ざかる方向に延びている。また、各貫通孔131aの縁から対向部333が延びている。対向部333は、正極端子25aの延設方向に沿って延びている。対向部333は、先の第1変形例と異なり、半導体モジュール8の本体21から遠ざかる方向に延びている。対向部333は、正極端子25aに直接に接することなく、距離を隔てて正極端子25aに近接してこれと対向している。
The
先に述べたように、高周波電流は導体の表面を伝播する。正極端子25aと対向する対向部333の表面を流れる高周波電流の一部の成分は、正極端子25aの表面を伝播する高周波電流の向きと異なる。向きが異なる電流が発生する磁界の一部が相殺する。電流に起因して発生する磁界の一部が相殺されることで、正極端子25aとPバスバ330のインダクタンスが低減される。半導体モジュール8の本体21から遠ざかる方向に延びている対向部333は、第1−第3実施例の対向部ほどではないが、インダクタンス低減効果が期待できる。図示は省略しているが、Nバスバ140の対向部も同様に作られている。
As mentioned earlier, high frequency current propagates on the surface of the conductor. The component of a part of the high frequency current flowing on the surface of the facing
実施例で説明した構造の特徴のいくつかを列挙する。対向部33(133−333)は、正極端子25aの延設方向に沿って、半導体モジュール8の本体21へ向かって延びているとよい。電流の高周波成分は、正極端子25aの表面では本体21から先端に向かって伝わる。一方、正極端子25aと対向している対向部33(133―333)の表面においては、電流の高周波成分は本体21へ向かう方向に流れる。即ち、正極端子25aの表面を伝わる電流の方向と対向部33(133―333)の表面を伝わる電流の方向が互いに逆向きとなる。従って、端子表面を伝わる電流に起因する磁界と対向部の表面を伝わる電流に起因する電流が効果的に相殺し、インダクタンスが低減される。Nバスバに備えられている対向部と負極端子についても同様である。
Some of the features of the structures described in the examples are listed. The facing portion 33 (133-333) may extend toward the
さらにPバスバ230は、次の構造を備えている。Pバスバ230は、ベース板131と、接続部132を備える。ベース板131は、複数の貫通孔131aを有しているとともに各貫通孔に正極端子25aが貫通している。接続部132は、各貫通孔の縁から正極端子25aに沿って本体21から遠ざかる方向に延びているとともに正極端子25aと接続されている。対向部233は貫通孔の縁から端子の延設方向に沿って本体へ向かって延びている。その対向部233は、ベース板の貫通孔を塞いでいた部分が折り曲げられて形成されている。この構造は、対向部を低コストで実現できる利点がある。
Furthermore, the
実施例とその変形例の技術に関する留意点を述べる。実施例の電力変換装置は、半導体モジュール8の正極端子25a(負極端子25b)と同電位の対向部33(133−333)を使ってバスバと正極端子25a(負極端子25b)のインダクタンス(寄生インダクタンス)を低減する。正極端子(あるいはPバスバ)と異なる電位の導電体を近接させてインダクタンスを低減する場合、短絡が生じないように、正極端子(あるいはPバスバ)とその導電体が接触しないようは配慮が必要である。本明細書が開示する技術は、正極端子(あるいはPバスバ)と同電位の導電体(対向部)を用いる。それゆえ、仮に接触しても、インダクタンス低減効果は小さくなるが、極性の異なる部材の短絡を生じることはない。本明細書が開示する技術は、正極端子(あるいはPバスバ)と異なる電位の導電体を使ってインダクタンスを低減する技術と比較して、実現が容易である。
Points to be noted regarding the technology of the embodiment and its modification will be described. The power conversion device of the embodiment uses the opposing portion 33 (133-333) having the same potential as the
また、本明細書が開示する技術は、バスバから対向部を延ばすという簡単な構造で実現できる。その構造は、狭い空間で実現できる。それゆえ、本明細書が開示する技術は、隣接する半導体モジュールの端子間の隙間が狭い積層冷却ユニットを有する電力変換装置に好適な技術である。 In addition, the technology disclosed in the present specification can be realized with a simple structure of extending the opposite part from the bus bar. The structure can be realized in a narrow space. Therefore, the technology disclosed in the present specification is a technology suitable for a power conversion device having a stacked cooling unit in which the gap between the terminals of adjacent semiconductor modules is narrow.
第1−第4変形例のバスバは、ベース板に設けられた貫通孔の縁から接続部が延びており、接続部が延びている縁とは反対側の縁から対向部が延びている。対向部は、接続部と同じ側で縁から延びていても良い。 In the bus bar of the first to fourth modifications, the connecting portion extends from the edge of the through hole provided in the base plate, and the opposite portion extends from the edge opposite to the edge where the connecting portion extends. The opposite part may extend from the edge on the same side as the connection.
実施例では中点端子25cに接続されるバスバについては説明を省略した。中点端子25cに接続されるバスバに対向部を設けてもよい。
In the embodiment, the description of the bus bar connected to the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 As mentioned above, although the specific example of this invention was described in detail, these are only an illustration and do not limit a claim. The art set forth in the claims includes various variations and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of application. In addition, the techniques exemplified in the present specification or the drawings can simultaneously achieve a plurality of purposes, and achieving one of the purposes itself has technical utility.
2:電力変換装置
5:フィルタコンデンサ
6:平滑コンデンサ
7:リアクトル
8、8a−8g:半導体モジュール
12:電圧コンバータ回路
13a、13b:インバータ回路
20:積層冷却ユニット
21:本体
22:冷却器
25a:正極端子
25b:負極端子
25c:中点端子
30、130、230、330:Pバスバ
31、131:ベース板
32:枝部
33、133、143、233、333:対向部
40、140:Nバスバ
100:電気自動車
105:フィルタコンデンサユニット
106:平滑コンデンサユニット
107:リアクトルユニット
131a:貫通孔
132、142:接続部
135:絶縁層
139、149:電極接続部
141:ベース板
141a、141b:貫通孔
T1−T8:スイッチング素子
2: Power converter 5: Filter capacitor 6: Smoothing capacitor 7:
Claims (3)
複数の冷却器が平行に配置されており、隣接する冷却器の間に前記半導体モジュールを挟んでいる積層冷却ユニットと、
夫々の前記半導体モジュールの前記端子に接続されているバスバと、
を備えており、
前記バスバは、
複数の貫通孔を有しているとともに各貫通孔に各半導体モジュールの前記端子が貫通しているベース板と、
前記貫通孔の縁から延びており、前記端子に接続されている接続部と、
前記貫通孔の縁から前記接続部とは逆方向へ延びており、前記端子の平坦面から距離を隔てて前記平坦面に対向している導電性の対向部と、
を備えている、電力変換装置。 A main body containing a switching element, and a plurality of semiconductor modules each including a flat plate-like terminal electrically connected to the switching element in the main body and extending to the outside of the main body;
A stacked cooling unit in which a plurality of coolers are arranged in parallel and sandwiching the semiconductor module between adjacent coolers;
A bus bar connected to the terminals of each of the semiconductor modules;
Equipped with
The bus bar is
A base plate having a plurality of through holes and through which the terminals of each semiconductor module pass through each through hole;
A connecting portion extending from an edge of the through hole and connected to the terminal;
A conductive counter portion extending from the edge of the through hole in the opposite direction to the connection portion and facing the flat surface at a distance from the flat surface of the terminal ;
A power converter device.
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