JP5158002B2 - 昇降圧コンバータ - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載され、直流電力の昇圧及び降圧を行う昇降圧コンバータに関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等には、その動力源である交流モータを作動させるための交流電力を、直流電源から生成するためのインバータが搭載されている。そして、バッテリー電源の電圧を昇圧してインバータへ供給する、さらには、交流モータにおいて発電されると共にインバータにおいて直流電力に変換された高電圧の電力を降圧するために、昇降圧コンバータが、車両に搭載されている。

かかる昇降圧コンバータは、上記インバータと同様に、スイッチング動作を繰り返す半導体モジュールの温度上昇を抑制するために、冷却液を流通させる冷却管を半導体モジュールに接触配置してなる（特許文献１）。
また、冷却液は、ポンプによって冷却管内を含めた循環経路を循環する。そして、半導体モジュールと熱交換して温度上昇し、冷却管から排出された冷却液は、放熱手段において放熱した後、再度冷却管に導入され、半導体モジュールを冷却する。

特開２００５−３３３００８号公報

しかしながら、例えば、上記ポンプに異常が生じたときには、冷却液の循環が停止し、冷却管内において冷却液が停滞することとなる。このような異常事態において、車両の通常走行も不能とする制御もある。しかし、この場合でも、突然車両走行が不能となると、車両の停止場所等によっては安全を確保できないなどの問題があるため、ある程度の走行は可能となるように設計してある。

そのため、この異常時の走行においても、昇降圧コンバータは作動することとなり、これを構成する半導体モジュールを、ある程度は冷却可能にしておく必要がある。
ところが、冷却液の循環が停止して冷却液が停滞したとき、冷却管内の液面が下がることがある。この場合、車両の姿勢や、加速、減速などの走行状態によっては、半導体モジュール内における発熱原である半導体素子やダイオードの位置に、冷却液が存在しなくなることもあり得る。このような場合には、半導体素子やダイオードの放熱効率が極端に低下してしまい、これらの素子の故障の原因となり、昇降圧コンバータの故障の原因となる。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、冷却管内の冷却液の液面が低下した際においても、半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる昇降圧コンバータを提供しようとするものである。

本発明は、車両に搭載され、直流電力の昇圧及び降圧を行う昇降圧コンバータであって、
被制御電流のオン、オフのスイッチングを行う半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却液を流通する冷却管とを有し、
上記半導体モジュールは、高電位側と低電位側とにそれぞれ少なくとも一つずつ配設されると共に、上記スイッチングを行う半導体素子と、該半導体素子に逆並列接続されたダイオードとを有し、
上記冷却管は、上記半導体モジュールの両面に接触配置されると共に、上記車両の前後方向にその長手方向を一致させており、
上記冷却管の長手方向に、上記高電位側の半導体モジュールと、上記低電位側の半導体モジュールとが並べて配置されており、
上記高電位側の半導体モジュールが上記車両の前方側、上記低電位側の半導体モジュールが上記車両の後方側にそれぞれ配置され、
上記高電位側の半導体モジュールにおいては、上記半導体素子が上記ダイオードよりも上記車両の前方側に配置され、上記低電位側の半導体モジュールにおいては、上記半導体素子が上記ダイオードよりも上記車両の後方側に配置されていることを特徴とする昇降圧コンバータにある（請求項１）。

本発明の昇降圧コンバータにおいては、上記高電位側の半導体モジュールが上記車両の前方側、上記低電位側の半導体モジュールが上記車両の後方側にそれぞれ配置されている。これにより、例えば冷却液の流通が停止して、冷却管内に冷却液が停滞し、冷却液の液面が下がったときでも、半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる。そのメカニズムについて、以下に説明する。

車両の動力源である回転電機を作動させる力行時には、昇降圧コンバータは、直流電力の昇圧を行うこととなり、主として、低電位側の半導体モジュールの半導体素子と高電位側の半導体モジュールのダイオードが発熱する。一方、回転電機によって発電された電力を回収する回生時には、昇降圧コンバータは、直流電力の降圧を行うこととなり、主として、高電位側の半導体モジュールの半導体素子と低電位側の半導体モジュールのダイオードが発熱する。ただし、ダイオードの発熱は、半導体素子の発熱に比べて小さく、主に発熱するのは半導体素子である。

また、力行時における車両の状況を考えると、上り坂を上る状況、あるいは加速する状況がある。このとき、冷却管内の冷却液は、車両後方に偏ることとなる。
一方、回生時における車両の状況は、逆に、下り坂を下る状況、あるいは減速する状況がある。このとき、冷却管内の冷却液は、車両前方に偏ることとなる。

そこで、本発明においては、上記のごとく、高電位側の半導体モジュールが車両の前方側、低電位側の半導体モジュールが車両の後方側にそれぞれ配置されている。
これにより、低電位側の半導体モジュールの半導体素子が発熱する力行時に、冷却管内の冷却液が車両後方に偏り、高電位側の半導体モジュールの半導体素子が発熱する回生時に、冷却管内の冷却液が車両前方に偏る。すなわち、常に、発熱する半導体素子のある位置に、冷却液が移動することとなる。これにより、効果的に半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる。

なお、ダイオードの発熱に関しては、半導体素子と逆のパターンとなるが、上述のごとく、ダイオードの発熱は、半導体素子の発熱に比べて充分小さいため、その影響は小さい。

また、高電位側の半導体モジュールにおいては、半導体素子がダイオードよりも車両の前方側に配置され、低電位側の半導体モジュールにおいては、半導体素子がダイオードよりも車両の後方側に配置されている。これにより、同時に発熱する、高電位側の半導体モジュールの半導体素子と低電位側の半導体モジュールのダイオード、或いは、高電位側の半導体モジュールのダイオードと低電位側の半導体モジュールの半導体素子が、隣り合わせにならない。そのため、昇圧時及び降圧時において、素子同士の熱干渉を低減することができる。また、特に発熱の大きい高電位側及び低電位側の半導体モジュールの半導体素子同士が冷却管の長手方向の両端に配置されることとなるため、放熱性を効果的に向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、冷却管内の冷却液の液面が低下した際においても、半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる昇降圧コンバータを提供することができる。

実施例における、昇降圧コンバータの平面説明図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例における、半導体モジュール及び冷却管の断面図。 実施例における、昇降圧コンバータ及びインバータの回路図。 実施例における、上り坂を上る力行時の車両の説明図。 実施例における、力行時の冷却管内の冷却液の状態を示す説明図。 実施例における、下り坂を上る回生時の車両の説明図。 実施例における、回生時の冷却管内の冷却液の状態を示す説明図。 比較例における、昇降圧コンバータの平面説明図。 図９のＢ−Ｂ線矢視断面図。 比較例における、力行時の冷却管内の冷却液の状態を示す説明図。 比較例における、回生時の冷却管内の冷却液の状態を示す説明図。

本発明において、上記半導体素子としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができ、上記ダイオードとしては、例えばフライホイールダイオードを用いることができる。
また、上記「半導体素子に逆並列接続」とは、例えば、半導体素子におけるエミッタとコレクタとの間にダイオードを接続し、その整流方向を、電流がエミッタからコレクタへ向かう方向となるように接続することを言う。
また、高電位側の半導体モジュールと低電位側の半導体モジュールとは、互いに一体化されていてもよい。

また、上記冷却液としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。

（実施例）
本発明の実施例にかかる昇降圧コンバータにつき、図１〜図８を用いて説明する。
本例の昇降圧コンバータ１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載され、直流電力の昇圧及び降圧を行うものであり、図１〜図３に示すごとく、被制御電流のオン、オフのスイッチングを行う半導体モジュール２と、該半導体モジュール２を冷却する冷却液Ｗを流通する冷却管３とを有する。

半導体モジュール２は、高電位側と低電位側とにそれぞれ少なくとも一つずつ配設されると共に、スイッチングを行う半導体素子２１と、該半導体素子２１に逆並列接続されたダイオード２２とを有する。例えば、半導体素子２１としてはＩＧＢＴを用い、ダイオード２２としてはフライホイールダイオードを用いることができる。

冷却管３は、半導体モジュール２の両面に接触配置されると共に、車両の前後方向にその長手方向を一致させている。図１等に示す矢印Ｆが車両の前方を示す。
冷却管３の長手方向に、高電位側の半導体モジュール２Ｈと、低電位側の半導体モジュール２Ｌとが並べて配置されている。
そして、高電位側の半導体モジュール２Ｈが車両の前方側（矢印Ｆ側）、低電位側の半導体モジュール２Ｌが車両の後方側にそれぞれ配置されている。
また、高電位側の半導体モジュール２Ｈにおいては、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両の前方側に配置され、低電位側の半導体モジュール２Ｌにおいては、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両の後方側に配置されている。

本例においては、図１、図４に示すごとく、昇降圧コンバータ１を構成する半導体モジュール２は４個設けられており、互いに直列接続された高電位側の半導体モジュール２Ｈと低電位側の半導体モジュール２Ｌとが、２組並列に接続されている。そして、互いに直列接続された高電位側の半導体モジュール２Ｈと低電位側の半導体モジュール２Ｌとは、一対の冷却管３の間に、冷却管３の長手方向に沿って並んで配設されている。また、冷却管３と半導体モジュール２とが交互に積層されている。
なお、昇降圧コンバータ１を構成する半導体モジュール２は、４個に限らず、少なくとも２個設けられていればよく、高電位側の半導体モジュール２Ｈと低電位側の半導体モジュール２Ｌとが、少なくとも１組設けられていればよい。

積層された冷却管３は、長手方向の両端部において、連結管３１によって互いに連結されている。これにより、冷媒導入口３２１から導入された冷却液Ｗは、上流側の連結管３１を通じて各冷却管３に分配されて流通する。この間に、冷却液Ｗは、半導体モジュール２との間で熱交換を行い、下流側の連結管３１を通じて冷媒排出口３２２から排出される。また、温度上昇して排出された冷却液Ｗは、空冷等によって冷却され再度冷媒導入口３２１から冷却管３に導入される。この冷却液Ｗの循環は、循環ポンプによって行われる。
これにより、半導体モジュール２の冷却を行っている。

また、冷却液Ｗとしては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。
また、冷却管３は、例えばアルミニウム又はその合金によって構成されている。

半導体モジュール２は、図３に示すごとく、半導体素子２１とダイオード２２とを樹脂２５によってモールドしてなる。また、半導体素子２１とダイオード２２とは、一対の放熱板２４によって挟持されている。半導体素子２１と一方の放熱板２４との間、及びダイオード２２と一方の放熱板２４との間には、それぞれスペーサ２６が配設されている。また、半導体素子２１、ダイオード２２のそれぞれの両面、及びスペーサ２６の両面には、はんだなどの導電性及び熱伝導性を有する接合部材２７が配されている。

また、各放熱板２４は、その一方の表面を、半導体モジュール２の一対の主面に露出させるようにして配設されている。そして、一対の主面に露出した放熱板２４に対して、熱伝導性に優れた絶縁部材１１を介して、冷却管３を接触させている。これにより、半導体モジュール２は、半導体素子２１およびダイオード２２から発生した熱を、両主面から放熱することができるよう構成されている。

本例の昇降圧コンバータ１は、図４に示すごとく、直流電源５１と回転電機（三相交流モータージェネレータ）５２との間において、直流電力と交流電力との間の変換を行うインバータ５３と共に配線される。
昇降圧コンバータ１は、上述した複数の半導体モジュール２の他に、リアクトル１２を有する。リアクトル１２は、高電位側の半導体モジュール２Ｈと低電位側の半導体モジュール２Ｌとの間に一方の電極を接続し、他方の電極を直流電源５１の正極に接続している。

インバータ５３は上記半導体モジュール２と同様の構成を有する半導体モジュール２０を少なくとも６個備えている。
半導体モジュール２０は、インバータ５３において、高電位側、低電位側にそれぞれ少なくとも３個ずつ配置されている。このうち、高電位側の半導体モジュール２０は、直流電源５１の正極側に接続された正極電源線５０１に接続され、低電位側の半導体モジュール２０は、直流電源５１の負極側に接続された負極電源線５０２に接続されている。そして、高電位側の半導体モジュール２０と低電位側の半導体モジュール２０とが互いに直列に接続されており、三相のアームを形成している。また、各アームにおける一対の半導体モジュール２０の接続点から、三相交流モータージェネレータである回転電機５２の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電極とそれぞれ接続する出力線５０３が配線されている。
なお、インバータ５３を構成する半導体モジュール２０も、昇降圧コンバータ１を構成する半導体モジュール２と同様な冷却構造を有しているが、図示は省略してある。

そして、昇降圧コンバータ１は、高電位側の半導体モジュール２Ｈの高電位側電極が、インバータ５３の正極電源線５０１に接続し、低電位側の半導体モジュール２Ｌの低電位側電極が、インバータ５３の負極電源線５０２に接続するように配線されている。
また、昇降圧コンバータ１とインバータ５３との間における、正極電源線５０１と負極電源線５０２との間に、平滑コンデンサ５４が接続されている。さらに、直流電源５１と昇降圧コンバータ１との間には、直流電源５１に並列的に接続されたフィルタコンデンサ５５が配設されている。

このような回路構成によって、直流電源５１の直流電圧を昇降圧コンバータ１によって昇圧してインバータ５３へ送り、インバータ５３において直流電力を三相交流電力に変換して、回転電機５２を駆動して車両を加速等させる（力行）。一方、車両の減速時などにおいては、回転電機５２において発電された交流電力を、インバータ５３において直流電力に変換し、これを昇降圧コンバータ１において降圧して、直流電源５１に蓄電する（回生）。

そして、昇降圧コンバータ１においては、昇圧時（車両の加速時等）には、主に、被制御電流が、低電位側の半導体モジュール２Ｌにおける半導体素子２１と、高電位側の半導体モジュール２Ｈにおけるダイオード２２に流れ、これらが発熱する。一方、降圧時（車両の減速時等）には、主に、被制御電流が、高電位側の半導体モジュール２Ｈにおける半導体素子２１と、低電位側の半導体モジュール２Ｌにおけるダイオード２２に流れ、これらが発熱する。

次に、本例の作用効果につき説明する。
本例の昇降圧コンバータ１においては、図１〜図３に示すごとく、高電位側の半導体モジュール２Ｈが車両の前方側（矢印Ｆ側）、低電位側の半導体モジュール２Ｌが車両の後方側にそれぞれ配置されている。これにより、例えば冷却液Ｗの流通が停止して、冷却管３内に冷却液Ｗが停滞し、冷却液Ｗの液面が下がったときでも、半導体モジュール２の温度上昇を抑制することができる。そのメカニズムについて、以下に説明する。

回転電機５２を作動させる力行時には、昇降圧コンバータ１は、直流電力の昇圧を行うこととなり、上述のごとく、主として、低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１と高電位側の半導体モジュール２Ｈのダイオード２２が発熱する。一方、回転電機５２によって発電された電力を回収する回生時には、昇降圧コンバータ１は、直流電力の降圧を行うこととなり、上述のごとく、主として、高電位側の半導体モジュール２Ｈの半導体素子２１と低電位側の半導体モジュール２Ｌのダイオード２２が発熱する。ただし、ダイオード２２の発熱は、半導体素子２１の発熱に比べて小さく、主に発熱するのは半導体素子２１である。

また、力行時における車両４の状況を考えると、図５に示すような上り坂を上る状況、あるいは加速する状況である。このとき、図６に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗは、車両後方に偏ることとなる。
一方、回生時における車両４の状況は、逆に、図７に示すような下り坂を下る状況、あるいは減速する状況である。このとき、図８に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗは、車両前方に偏ることとなる。

そこで、本発明においては、上記のごとく、高電位側の半導体モジュール２Ｈが車両４の前方側、低電位側の半導体モジュール２Ｌが車両４の後方側にそれぞれ配置されている。
これにより、低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１が発熱する力行時に、図６に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗが車両後方に偏り、高電位側の半導体モジュール２Ｈの半導体素子２１が発熱する回生時に、図８に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗが車両前方に偏る。すなわち、常に、発熱する半導体素子２１のある位置に、冷却液Ｗが移動することとなる。これにより、効果的に半導体モジュール２の温度上昇を抑制することができる。

なお、ダイオード２２の発熱に関しては、半導体素子２１と逆のパターンとなるが、上述のごとく、ダイオード２２の発熱は、半導体素子２１の発熱に比べて充分小さいため、その影響は小さい。

また、高電位側の半導体モジュール２Ｈにおいては、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両４の前方側（矢印Ｆ側）に配置され、低電位側の半導体モジュール２Ｌにおいては、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両４の後方側に配置されている。これにより、同時に発熱する、高電位側の半導体モジュール２Ｈの半導体素子２１と低電位側の半導体モジュール２Ｌのダイオード２２、或いは、高電位側の半導体モジュール２Ｈのダイオード２２と低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１が、隣り合わせにならない。そのため、昇圧時及び降圧時において、素子同士の熱干渉を低減することができる。また、特に発熱の大きい高電位側及び低電位側の半導体モジュール２の半導体素子２１同士が冷却管３の長手方向の両端に配置されることとなるため、放熱性を効果的に向上させることができる。

以上のごとく、本例によれば、冷却管内の冷却液の液面が低下した際においても、半導体モジュールの温度上昇を抑制することができる昇降圧コンバータを提供することができる。

（比較例）
本例は、図９、図１０に示すごとく、低電位側の半導体モジュール２Ｌが車両の前方側（矢印Ｆ側）、高電位側の半導体モジュール２Ｈが車両の後方側にそれぞれ配置された昇降圧コンバータ９の例である。
また、低電位側及び高電位側のいずれの半導体モジュール２においても、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両の後方側に配置されている。
その他は、実施例１と同様である。

かかる構成において、低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１が発熱する力行時に、図１１に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗが車両後方に偏り、高電位側の半導体モジュール２Ｈの半導体素子２１が発熱する回生時に、図１２に示すごとく、冷却管３内の冷却液Ｗが車両前方に偏る。これに対して、本例の昇降圧コンバータ９においては、低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１は車両前方にあり、高電位側の半導体モジュール２Ｈの半導体素子２１は車両後方にある。
したがって、常に、発熱する半導体素子２１のある位置とは反対側に、冷却液Ｗが移動することとなる。そのため、冷却管３内における冷却液Ｗの液面が低いと、効果的に半導体モジュール２の冷却が行えず、半導体モジュール２の温度上昇を招き、故障の原因となるおそれがある。

また、低電位側及び高電位側のいずれの半導体モジュール２においても、半導体素子２１がダイオード２２よりも車両の後方側に配置されているため、上述のごとく力行時に同時に発熱する低電位側の半導体モジュール２Ｌの半導体素子２１と高電位側の半導体モジュール２Ｈのダイオード２２とが隣り合わせとなることとなる。そのため、昇圧時において、素子同士の熱干渉を招き、これらの素子の温度上昇を招くおそれがある。

これに対して、本発明の昇降圧コンバータ１は、上記のごとく、半導体モジュール２及び半導体素子２１、ダイオード２２の配置を工夫したことにより、半導体モジュール２の温度上昇を効果的に抑制することができる。

１ 昇降圧コンバータ
２ 半導体モジュール
２Ｈ 高電位側の半導体モジュール
２Ｌ 低電位側の半導体モジュール
２１ 半導体素子
２２ ダイオード
３ 冷却管

Claims (1)

1. 車両に搭載され、直流電力の昇圧及び降圧を行う昇降圧コンバータであって、
   被制御電流のオン、オフのスイッチングを行う半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却液を流通する冷却管とを有し、
   上記半導体モジュールは、高電位側と低電位側とにそれぞれ少なくとも一つずつ配設されると共に、上記スイッチングを行う半導体素子と、該半導体素子に逆並列接続されたダイオードとを有し、
   上記冷却管は、上記半導体モジュールの両面に接触配置されると共に、上記車両の前後方向にその長手方向を一致させており、
   上記冷却管の長手方向に、上記高電位側の半導体モジュールと、上記低電位側の半導体モジュールとが並べて配置されており、
   上記高電位側の半導体モジュールが上記車両の前方側、上記低電位側の半導体モジュールが上記車両の後方側にそれぞれ配置され、
   上記高電位側の半導体モジュールにおいては、上記半導体素子が上記ダイオードよりも上記車両の前方側に配置され、上記低電位側の半導体モジュールにおいては、上記半導体素子が上記ダイオードよりも上記車両の後方側に配置されていることを特徴とする昇降圧コンバータ。

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