特開 2022-142115 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022142115

(43)【公開日】2022-09-30

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20220922BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021042132

(22)【出願日】2021-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】長井 彰平

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770DA03

5H770DA41

5H770PA17

5H770PA42

5H770PA43

5H770QA01

5H770QA06

5H770QA08

5H770QA22

(57)【要約】

【課題】本明細書は、サイズの小さい電力変換装置を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する電力変換装置は、半導体モジュールと、コンデンサと、冷却器を備える。半導体モジュールは、電力変換用の半導体素子を有しているとともに、半導体素子と導通している入力端子がモジュール表面に配置されている。コンデンサは、コンデンサ端子が配置されているとともにモジュール表面に対向しているコンデンサ表面を有している。冷却器は、半導体モジュールとコンデンサの間に配置されている。接続部材は、入力端子とコンデンサ端子を電気的に接続している。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力変換用の半導体素子を有しているとともに、前記半導体素子と導通している入力端子がモジュール表面に配置されている半導体モジュールと、
コンデンサ端子が配置されているとともに前記モジュール表面に対向しているコンデンサ表面を有しているコンデンサと、
前記半導体モジュールと前記コンデンサの間に配置されている冷却器と、
前記入力端子と前記コンデンサ端子を電気的に接続している接続部材と、
を備えている、電力変換装置。

【請求項2】

前記冷却器は、前記半導体モジュールの側から前記コンデンサの側まで貫通している溝または孔を有しており、前記半導体モジュールと前記冷却器と前記コンデンサの積層方向からみて、前記溝または前記孔と、前記入力端子が重なっている、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記孔または前記溝に絶縁材が満たされている、請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記積層方向からみて、前記半導体モジュールの中央に前記半導体素子が配置されており、前記溝または前記孔は前記半導体素子の外側に配置されている、請求項２または３に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記半導体モジュールと前記コンデンサが前記冷却器に固定されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記入力端子は正極入力端子と負極入力端子を含んでおり、
前記コンデンサ端子は正極コンデンサ端子と負極コンデンサ端子を含んでおり、
前記接続部材は前記正極入力端子と前記正極コンデンサ端子を電気的に接続する正極接続部材と、前記負極入力端子と前記負極コンデンサ端子を電気的に接続する負極接続部材を含んでおり、
前記正極接続部材と前記負極接続部材が重なっている、請求項１から５のいずれか１項に記載の電極変換器。

【請求項7】

前記半導体素子は、三相交流インバータを構成する６個のスイッチング素子を含んでおり、
前記三相交流インバータの出力端子が前記モジュール表面に配置されており、
前記出力端子に電気的に接続される出力部材が前記冷却器に配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、電力変換用の半導体素子を収容した複数の半導体モジュールと他の電気デバイスを備えている電力変換装置が開示されている。電力変換装置は、複数の半導体モジュールと電気デバイスを冷却する複数の冷却器も備える。複数の半導体モジュールと複数の冷却器は１個ずつ交互に積層されている。他の電気デバイスも冷却器に接している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１４１５４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の電力変換装置では、半導体モジュールの端子が、半導体モジュールと冷却器の積層方向と交差する方向に延びている。また、半導体モジュールの端子と他のデバイスを電気的に接続する接続部材の周りに無駄空間がある。それゆれ特許文献１の電力変換装置は、収容するのに大きな空間が必要とされる。本明細書は、サイズの小さい電力変換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する電力変換装置は、半導体モジュールと、コンデンサと、冷却器を備える。半導体モジュールは、電力変換用の半導体素子を有しているとともに、半導体素子と導通している入力端子がモジュール表面に配置されている。コンデンサは、コンデンサ端子が配置されているとともにモジュール表面に対向しているコンデンサ表面を有している。冷却器は、半導体モジュールとコンデンサの間に配置されている。接続部材は、入力端子とコンデンサ端子を電気的に接続している。

【0006】

本明細書が開示する電力変換装置では、半導体モジュールと冷却器とコンデンサが積層されており、半導体モジュールの入力端子が冷却器に面しており、コンデンサ端子も冷却器に面している。それゆえ、端子の周囲に無駄な空間が無い。また、入力端子とコンデンサ端子を電気的に接続する接続部材も冷却器に沿って配置できるため、接続部材の周囲にも無駄な空間が無い。本明細書が開示する技術によれば、サイズの小さい電力変換装置を実現できる。半導体モジュールと冷却器とコンデンサの積層体から接続部材が突出していないため、本明細書が開示する電力変換装置は、例えば電気自動車のフロントコンパートメントなどに空間効率よく収容することができる。

【0007】

冷却器は、半導体モジュールの側からコンデンサの側まで貫通している溝または孔を有しており、半導体モジュールと冷却器とコンデンサの積層方向からみて、溝または孔と、入力端子が重なっているとよい。冷却器を半導体素子の冷却に集中させることができる。

【0008】

冷却器の孔または溝に絶縁材が満たされているとよい。接続部材と冷却器の間の絶縁を確実に確保できる。また、半導体モジュールとコンデンサが冷却器に固定されていてもよい。

【0009】

半導体モジュールと冷却器とコンデンサの積層方向からみて、半導体モジュールの中央に半導体素子が配置されており、溝または孔は、半導体素子の外側に配置されているとよい。半導体素子が中央に配置され、接続部材が通過する溝または孔が半導体素子の外側に位置することで、孔または溝が冷却効率（半導体素子に対する冷却効率）に与える影響を抑えることができる。

【0010】

入力端子は正極入力端子と負極入力端子を含んでおり、コンデンサ端子は正極コンデンサ端子と負極コンデンサ端子を含んでいる場合がある。接続部材は正極入力端子と正極コンデンサ端子を電気的に接続する正極接続部材と、負極入力端子と負極コンデンサ端子を電気的に接続する負極接続部材を含んでいる場合がある。その場合、正極接続部材と負極接続部材が重なっているとよい。正極接続部材に発生する磁界と負極接続部材が発生する磁界が相殺し、接続部材のインダクタンスが低減される。なお、正極接続部材の一部と負極接続部材の一部が重なっていれば、インダクタンス低減の効果が期待できる。

【0011】

半導体モジュールに含まれている半導体素子は、三相交流インバータを構成する６個のスイッチング素子を含んでいる場合がある。この場合、三相交流インバータの出力端子がモジュール表面に配置されており、冷却器に、出力端子に電気的に接続される出力部材が配置されているとよい。出力端子の回りにも無駄な空間がなく、電力変換装置のサイズがさらに小さくできる。

【0012】

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。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】電力変換装置の回路の模式的な構成図である。

【図2】第１実施例の電力変換装置の斜視図である。

【図3】第１実施例の電力変換装置の分解斜視図である。

【図4】電力変換装置の平面図である。

【図5】図４のＶ－Ｖ線に沿った電力変換装置の断面図である。

【図6】第２実施例の電力変換装置の冷却器の斜視図である。

【図7】第３実施例の電力変換装置の接続部材の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

（第１実施例）図面を参照して第１実施例の電力変換装置２を説明する。図１に、電力変換装置２の模式的な構成図を示す。電力変換装置２は、半導体モジュール１０とコンデンサ２０と冷却器３０を備えている。半導体モジュール１０は、６個のスイッチング素子１４を備えている。６個のスイッチング素子１４は、半導体素子の一種である。６個のスイッチング素子１４は、インバータ回路を構成する。半導体モジュール１０は、入力端子（正極入力端子１２ａと負極入力端子１２ｂ）に入力された直流電力を交流電力に変換し、出力端子１３から出力する。以下では説明の便宜上、正極入力端子１２ａと負極入力端子１２ｂを合わせて入力端子１２と称する場合がある。

【0015】

入力端子１２にはコンデンサ２０が接続される。コンデンサ２０は正極コンデンサ端子２１ａと負極コンデンサ端子２１ｂを有している。正極コンデンサ端子２１ａと正極入力端子１２ａが正極接続部材４１で接続され、負極コンデンサ端子２１ｂと負極入力端子１２ｂが負極接続部材４２で接続される。以下では説明の便宜上、正極コンデンサ端子２１ａと負極コンデンサ端子２１ｂを合わせてコンデンサ端子２１と称する場合がある。コンデンサ端子２１には、バスバ９０を通じて直流電源（不図示）が接続される。直流電源の電力が、バスバ９０と接続部材（正極接続部材４１と負極接続部材４２）を通じて半導体モジュール１０に供給される。

【0016】

半導体モジュール１０（スイッチング素子１４）とコンデンサ２０は発熱する。電力変換装置２は、半導体モジュール１０とコンデンサ２０を冷却する冷却器３０を備えている。冷却器３０は、半導体モジュール１０とコンデンサ２０に接している。

【0017】

図２に電力変換装置２の外観を示し、図３に電力変換装置２の分解図を示す。説明の便宜上、図中の座標系の＋Ｚ方向を「上」と定義する。

【0018】

半導体モジュール１０、冷却器３０、コンデンサ２０は、この順で積層されている。別言すれば、半導体モジュール１０とコンデンサ２０の間に冷却器３０が配置されている。半導体モジュール１０はネジ９１で冷却器３０に固定され、コンデンサ２０はネジ９２で冷却器３０に固定される。半導体モジュール１０（スイッチング素子１４）は、冷却器３０の上面で冷却され、コンデンサ２０は冷却器３０の下面で冷却される。

【0019】

半導体モジュール１０は、板状であり、内部に６個のスイッチング素子１４が実装されている。図２、図３では、２個のスイッチング素子に符号１４を付し、残りのスイッチング素子には符号を省略した。半導体モジュール１０の下面１０ａには、入力端子１２と出力端子１３が配置されている。

【0020】

コンデンサ２０は、コンデンサ素子２２、正極コンデンサ端子２１ａ、負極コンデンサ端子２１ｂを備えている。正極コンデンサ端子２１ａはコンデンサ２０の上面２０ａに配置されており、負極コンデンサ端子２１ｂはコンデンサ２０の下面に配置されている。

【0021】

冷却器３０は、側面に冷媒口３１ａ、３１ｂを有している。冷媒口３１ａから冷媒が供給される。供給された冷媒は冷却器３０の内部に拡がり、半導体モジュール１０とコンデンサ２０を冷却する。半導体モジュール１０とコンデンサ２０の熱を吸収した冷媒は冷媒口３１ｂから排出される。

【0022】

冷却器３０は、半導体モジュール１０の側からコンデンサ２０の側に貫通する溝３２、３３を備えている。溝３２は、入力端子１２に対向する位置に配置されている。入力端子１２には、正極接続部材４１と負極接続部材４２が固定される。正極接続部材４１は、半導体モジュール１０の正極入力端子１２ａとコンデンサ２０の正極コンデンサ端子２１ａを電気的に接続する。負極接続部材４２は、負極入力端子１２ｂと負極コンデンサ端子２１ｂを電気的に接続する。

【0023】

溝３２は絶縁材５１で満たされる。正極接続部材４１と負極接続部材４２は、絶縁材５１に沿うようにＵ字に屈曲している。正極コンデンサ端子２１ａはコンデンサ２０の上面に配置されており、正極接続部材４１は、絶縁材５１の三面に沿っている。負極コンデンサ端子２１ｂはコンデンサ２０の下面に配置されているため、負極接続部材４２は正極接続部材４１よりも下方まで延びている。

【0024】

溝３３は出力端子１３に対向する位置に配置されている。出力端子１３には、出力部材４３が固定される。溝３３には絶縁材５２が満たされる。絶縁材５２の二面に沿うように、出力部材４３はＬ字に屈曲している。出力端子１３は冷却器３０に対向しており、電力変換装置２の外側から見えないが、Ｌ字形状の出力部材４３が電力変換装置２の側面に露出する。出力部材４３は絶縁材５２とともに冷却器３０に固定されている。別言すれば、出力部材４３と絶縁材５２は冷却器３０の一部である。

【0025】

図４に、電力変換装置２の平面図を示す。図４は、半導体モジュール１０と冷却器３０とコンデンサ２０の積層方向からみた図に相当する。図４でも、２個のスイッチング素子に符号１４を付し、残りのスイッチング素子には符号を省略した。

【0026】

冷却器３０は溝３２、３３を有しており、先に述べたように、積層方向からみて、溝３２と入力端子１２が重なっており、溝３３と出力端子１３が重なっている。溝３２には絶縁材５１が満たされており、溝３３には絶縁材５２が満たされている。また、積層方向からみて、６個のスイッチング素子１４は半導体モジュール１０の中央に配置されており、入力端子１２と出力端子１３はスイッチング素子１４の外側に配置されている。

【0027】

図４のＶ－Ｖ線に沿った電力変換装置２の断面を図５に示す。図５は、正極接続部材４１を通る平面で電力変換装置２をカットした断面を示している。冷却器３０は、内部が空洞であり、その空洞に冷媒が流れる。図５から理解されるように、冷却器３０はスイッチング素子１４と対向しているが、入力端子１２と出力端子１３に対向する範囲には溝３２、３３が設けられている。冷却器３０はスイッチング素子１４に対向する範囲に集中しており、スイッチング素子１４を効率よく冷却することができる。逆に言えば、絶縁材５１と５２がスイッチング素子１４と対向する範囲から外れているので、絶縁材５１、５２がスイッチング素子１４の冷却に及ぼす影響を抑えることができる。

【0028】

入力端子１２と出力端子１３は半導体モジュール１０の下面１０ａに設けられており、正極コンデンサ端子２１ａはコンデンサ２０の上面２０ａに設けられている。そして、半導体モジュール１０の下面１０ａとコンデンサ２０の上面２０ａが対向しているとともに、それらの間に冷却器３０が挟まれている。正極入力端子１２ａと正極コンデンサ端子２１ａを電気的に接続する正極接続部材４１は冷却器３０に沿って（冷却器３０の絶縁材５１に沿って）延びており、正極接続部材４１の周囲に無駄な空間がない。図５では、負極接続部材４２を仮想線で描いてある。負極コンデンサ端子２１ｂはコンデンサ２０の下面に配置されており、負極接続部材４２は冷却器３０とコンデンサ２０に沿って延びている。負極接続部材４２の周囲にも無駄な空間がない。電力変換装置２は、接続部材４１、４２の周囲に無駄な空間が生じないのでサイズが小さい。また、出力部材４３も冷却器３０（絶縁材５２）に沿って延びており、出力部材４３の周囲にも無駄な空間がない。出力部材４３の配策も、電力変換装置２のサイズを小さくすることに寄与する。

【0029】

半導体モジュール１０は板状であり、冷却器３０とコンデンサ２０は扁平である。半導体モジュール１０と冷却器３０とコンデンサ２０のそれぞれの幅広面が対向するようにそれら３個のデバイスが積層されているため、電力変換装置２の外観はほぼ直方体である。さらに、接続部材（正極接続部材４１と負極接続部材４２）や出力部材４３が冷却器３０に沿って配策されており、電力変換装置２の直方体形状から部材が突出していない。接続部材４１、４２や出力部材４３を含めた電力変換装置２の外観がほぼ直方体であるので、電力変換装置２を収容するスペースに無駄な空間が生じない。

【0030】

接続部材４１、４２と冷却器３０の間に絶縁材５１が配置されており、出力部材４３と冷却器３０の間に絶縁材５２が配置されている。絶縁材５１は、接続部材４１、４２と冷却器３０の間の絶縁を強化する。絶縁材５２は、出力部材４３と冷却器３０の間の絶縁を強化する。

【0031】

（第２実施例）第２実施例の電力変換装置を説明する。第２実施例の電力変換装置は、冷却器１３０の形状が第１実施例の電力変換装置２の冷却器３０と異なる。冷却器１３０の斜視図を図６に示す。冷却器１３０以外のデバイスは図示を省略する。冷却器１３０は、第１実施例の溝３２の代わりに孔１３２を備えている。孔１３２は、半導体モジュール１０の側からコンデンサ２０の側に貫通する。入力端子とコンデンサ端子を電気的に接続する接続部材は孔１３２を通る。孔は、絶縁材で満たされる。第２実施例の電力変換装置もサイズが小さい。第２実施例の電力変換装置では、接続部材が露出しないので、安全性が高い。

【0032】

（第３実施例）第３実施例の電力変換装置を説明する。第３実施例の電力変換装置は、正極接続部材と負極部材が実施例のものと相違する。図７に正極接続部材１４１と負極接続部材１４２の斜視図を示す。正極接続部材１４１と負極接続部材１４２以外のデバイスの図示は省略する。

【0033】

正極接続部材１４１は、平板状の小片１４１ａを備えており、負極接続部材１４２は、平板状の小片１４２ａを備えている。正極接続部材１４１と負極接続部材１４２は、絶縁板１４３を挟んでオーバーラップする。正極接続部材１４１の小片１４１ａが負極接続部材１４２とオーバーラップし、負極接続部材１４２の小片１４２ａは正極接続部材１４１とオーバーラップする。小片１４１ａ、１４２ａが、正極接続部材１４１と負極接続部材１４２の重複範囲を拡げている。正極接続部材１４１を流れる電流の方向と負極接続部材１４２を流れる電流の方向は互いに逆方向になる。オーバーラップしている範囲で互いに逆方向に流れる電流は、それらの電流が発生する磁界を相殺し、両方の接続部材のインダクタンスを低減する。正極接続部材１４１の一部と負極接続部材１４２の一部がオーバーラップしていることで、両者のインダクタンスが低減される。

【0034】

実施例の技術に関する留意点を述べる。実施例のスイッチング素子１４が半導体素子の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、スイッチング素子１４以外の半導体素子を備えた電力変換装置に適用することができる。

【0035】

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。

【符号の説明】

【0036】

２：電力変換装置 １０：半導体モジュール １２：入力端子 １３：出力端子 １４：スイッチング素子 ２０：コンデンサ ２１：コンデンサ端子 ３０、１３０：冷却器 ３２、３３：溝 ４１、１４１：正極接続部材 ４２、１４２：負極接続部材 ４３：出力部材 ５１、５２：絶縁材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】