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JP6372433B2 - Power converter - Google Patents

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JP6372433B2 JP2015137536A JP2015137536A JP6372433B2 JP 6372433 B2 JP6372433 B2 JP 6372433B2 JP 2015137536 A JP2015137536 A JP 2015137536A JP 2015137536 A JP2015137536 A JP 2015137536A JP 6372433 B2 JP6372433 B2 JP 6372433B2
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Description

本発明は、電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device.

例えば電気自動車は、直流電源の電力を走行用のモータを駆動する電力に変換する電力変換装置を備える。電力変換装置は、電力変換用の複数の半導体素子を含む。電力変換用の半導体素子は発熱量が大きい。発熱量の大きい複数の半導体素子を効率よく冷却する構造を備えた電力変換装置が例えば特許文献1に開示されている。その電力変換装置では、電力変換用の複数の半導体素子は複数の平板型のパワーモジュールに分散して収容される。電力変換装置は、平板型の複数の冷却器が平行に配置されている積層ユニットを備えており、隣接する冷却器の間に前記パワーモジュールが挟まれている。各パワーモジュールは両側から冷却器で効率よく冷却される。   For example, an electric vehicle includes a power converter that converts electric power of a DC power source into electric power that drives a motor for traveling. The power conversion device includes a plurality of semiconductor elements for power conversion. A semiconductor element for power conversion generates a large amount of heat. For example, Patent Document 1 discloses a power conversion device having a structure for efficiently cooling a plurality of semiconductor elements that generate a large amount of heat. In the power conversion device, a plurality of semiconductor elements for power conversion are distributed and accommodated in a plurality of flat plate type power modules. The power converter includes a stacked unit in which a plurality of flat plate-shaped coolers are arranged in parallel, and the power module is sandwiched between adjacent coolers. Each power module is efficiently cooled by a cooler from both sides.

一方、大電流を扱う電力変換装置では、半導体素子同士を接続する導体に生じるインダクタンス、及び、半導体素子と他の電子部品を接続する導体に生じるインダクタンスは小さい方が望ましい。特許文献1の電力変換装置では、パワーモジュールだけでなく、電力変換回路において半導体素子と接続されるコンデンサも積層ユニットに積層される。そのような構造を採用することにより、パワーモジュールとコンデンサの間の距離が短くなり、パワーモジュールに収容されている半導体素子とコンデンサを接続する導体の長さも短くなる。それゆえ、半導体素子とコンデンサを接続する導体のインダクタンスが小さくなる。以下、説明の便宜上、本明細書では、半導体素子同士を接続する導体、及び、半導体素子と他の電子部品を接続する導体をバスバと称する。   On the other hand, in a power conversion apparatus that handles a large current, it is desirable that the inductance generated in the conductor connecting the semiconductor elements and the inductance generated in the conductor connecting the semiconductor element and other electronic components are small. In the power conversion device of Patent Document 1, not only the power module but also a capacitor connected to the semiconductor element in the power conversion circuit is stacked in the stacked unit. By adopting such a structure, the distance between the power module and the capacitor is shortened, and the length of the conductor connecting the semiconductor element accommodated in the power module and the capacitor is also shortened. Therefore, the inductance of the conductor connecting the semiconductor element and the capacitor is reduced. Hereinafter, for convenience of explanation, in this specification, a conductor connecting semiconductor elements and a conductor connecting a semiconductor element and other electronic components are referred to as a bus bar.

特開2013−121236号公報JP2013-121236A

インダクタンスを低減する手法には、バスバの長さを短くすることのほかに、平板状のバスバ(あるいはパワーモジュールから延びている平板状の端子)に別の金属板を平行に配置するという手法が知られている。バスバ(あるいは端子)を流れる電流に起因して発生する磁界がインダクタンスの原因であるが、バスバ(あるいは端子)に対して金属板を平行に配置すると、その金属板に渦電流が生じ、その結果、磁界が小さくなり、インダクタンスも小さくなる。本明細書が開示する技術は、上記した積層ユニットの構造的特徴を利用し、コンパクトなインダクタンス低減構造を備えた電力変換装置を提供する。   In addition to shortening the length of the bus bar, the method of reducing the inductance includes a method of arranging another metal plate in parallel with the flat bus bar (or the flat terminal extending from the power module). Are known. The magnetic field generated due to the current flowing through the bus bar (or terminal) is the cause of the inductance, but if a metal plate is placed parallel to the bus bar (or terminal), an eddy current is generated in the metal plate, and as a result. The magnetic field is reduced and the inductance is also reduced. The technology disclosed in the present specification provides a power conversion device having a compact inductance reduction structure using the structural features of the above-described laminated unit.

本明細書が開示する電力変換装置は、半導体素子を収容した平板型のパワーモジュールと、積層ユニットを備えている。積層ユニットでは、平板型の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パワーモジュールが挟まれている。パワーモジュールは、冷却器の積層方向と直交する方向に延びており、パワーモジュールの内部の半導体素子と導通している平板状の端子を備えている。そして、冷却器は、その端子と対向するように延びている金属板を備えている。金属板は、冷却器から端子に沿って延びており、続いてU字に湾曲して冷却器に向けて延びている。金属板のU字の湾曲より先の部分が端子に近接している。   The power conversion device disclosed in the present specification includes a flat plate type power module containing a semiconductor element and a stacked unit. In the laminated unit, a plurality of flat plate type coolers are arranged in parallel, and a power module is sandwiched between adjacent coolers. The power module extends in a direction orthogonal to the stacking direction of the coolers, and includes a flat terminal that is electrically connected to a semiconductor element inside the power module. And the cooler is provided with the metal plate extended so that the terminal may be opposed. The metal plate extends from the cooler along the terminal, and then curves in a U shape and extends toward the cooler. The part ahead of the U-shaped curve of the metal plate is close to the terminal.

もともと、冷却器はパワーモジュールに隣接配置されている。本明細書が開示する電力変換装置では、その冷却器から、端子に沿って延びるインダクタンス低減用の金属板を設ける。金属板は、U字に湾曲しており、湾曲より先の部分がパワーモジュールの端子に近接している。本明細書が開示する電力変換装置は、パワーモジュールから延びる端子の近くに配置されている冷却器から金属板を延ばすことでインダクタンスを低減する。冷却器と端子の間の距離が短いので、金属板も短くて済み、インダクタンス低減用に付加する構造が小さくて済む。そして、U字の金属板は、インダクタンスを効果的に低減するように、その形状と端子に対する相対位置(特に、湾曲より先の部分の形状と相対位置)を調整することが可能である。本明細書が開示する技術は、積層ユニットを備えた電力変換装置に関し、コンパクトなインダクタンス低減構造を提供する。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。   Originally, the cooler is disposed adjacent to the power module. In the power conversion device disclosed in the present specification, a metal plate for inductance reduction extending along the terminal is provided from the cooler. The metal plate is curved in a U shape, and a portion ahead of the curve is close to the terminal of the power module. The power conversion device disclosed in the present specification reduces inductance by extending a metal plate from a cooler disposed near a terminal extending from a power module. Since the distance between the cooler and the terminal is short, the metal plate can be short and the structure added for inductance reduction can be small. The U-shaped metal plate can be adjusted in shape and relative position with respect to the terminal (particularly, the shape and relative position of the part ahead of the curve) so as to effectively reduce the inductance. The technology disclosed in this specification relates to a power conversion device including a multilayer unit, and provides a compact inductance reduction structure. Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be described in the following “DETAILED DESCRIPTION”.

実施例の電力変換装置を含む電気自動車のブロック図である。It is a block diagram of the electric vehicle including the power converter device of an Example. 実施例の電力変換装置の模式的斜視図である。It is a typical perspective view of the power converter device of an Example. 積層ユニットの正面図である。It is a front view of a lamination | stacking unit. 図3のIV−IV線でカットした積層ユニットの断面図である(一部のみ)。It is sectional drawing of the lamination | stacking unit cut | disconnected by the IV-IV line of FIG.

図面を参照して実施例の電力変換装置2を説明する。実施例の電力変換装置2は、電気自動車100に搭載されている。その電力変換装置2は、バッテリの電力を、走行用のモータを駆動するための電力に変換するデバイスである。図1に、電力変換装置2を含む電気自動車100のブロック図を示す。   A power converter 2 according to an embodiment will be described with reference to the drawings. The power conversion device 2 according to the embodiment is mounted on the electric vehicle 100. The power conversion device 2 is a device that converts battery power into power for driving a traveling motor. FIG. 1 shows a block diagram of an electric vehicle 100 including the power conversion device 2.

電気自動車100は、走行用に2個のモータ83a、83bを備える。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。   The electric vehicle 100 includes two motors 83a and 83b for traveling. The outputs of the two motors 83a and 83b are combined / distributed by the power distribution mechanism 85 and transmitted to the axle 86 (that is, drive wheels).

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の電圧を昇圧するコンバータ回路87と、昇圧後の直流電力を交流電力に変換する2個のインバータ回路88a、88bを含む。インバータ回路88aは、モータ83aへ電力を供給し、インバータ回路88bは、モータ83bへ電力を供給する。   The power conversion device 2 is connected to a battery 81 via a system main relay 82. The power conversion device 2 includes a converter circuit 87 that boosts the voltage of the battery 81 and two inverter circuits 88a and 88b that convert the boosted DC power into AC power. The inverter circuit 88a supplies power to the motor 83a, and the inverter circuit 88b supplies power to the motor 83b.

コンバータ回路87は、2個のスイッチング素子T7、T8の直列回路と、リアクトル97と、フィルタコンデンサ95と、2個のダイオードで構成されている。リアクトル97は、一端がその直列回路の中点に接続されており他端が入力側(バッテリ側)の高電位端子に接続されている。フィルタコンデンサ95は、入力側の高電位端子と低電位端子の間に接続されている。   The converter circuit 87 includes a series circuit of two switching elements T7 and T8, a reactor 97, a filter capacitor 95, and two diodes. Reactor 97 has one end connected to the midpoint of the series circuit and the other end connected to a high potential terminal on the input side (battery side). The filter capacitor 95 is connected between the high potential terminal and the low potential terminal on the input side.

コンバータ回路87は、バッテリ81の電圧を昇圧してインバータ回路88a、88bへ供給する動作(昇圧動作)と、インバータ回路88a、88bから入力される直流電力(回生電力)を降圧してバッテリ81へ供給する動作(降圧動作)の双方を行うことができる。図1のコンバータ回路87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PM7が示す破線矩形の範囲の直列回路が、後述する複数のパワーモジュール20の一つに対応する。   The converter circuit 87 boosts the voltage of the battery 81 and supplies it to the inverter circuits 88 a and 88 b (boost operation), and steps down the DC power (regenerative power) input from the inverter circuits 88 a and 88 b to the battery 81. Both supply operation (step-down operation) can be performed. Since the converter circuit 87 of FIG. 1 is well known, detailed description thereof is omitted. Note that the series circuit in the range of the broken-line rectangle indicated by the symbol PM7 corresponds to one of the plurality of power modules 20 described later.

インバータ回路88a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PM1〜PM3の高電位側がコンバータ回路87の高電位側の出力端に接続されており、3セットの直列回路の低電位側はコンバータ回路87の低電位側の出力端に接続されている。3セットの直列回路PM1〜PM3のそれぞれの中点から交流(U相、V相、W相)が出力される。3セットの直列回路PM1〜PM3が、後述する複数のパワーモジュール20のうちの3個に対応する。   The inverter circuit 88a has a configuration in which three sets of series circuits of two switching elements are connected in parallel (T1 and T4, T2 and T5, T3 and T6). A diode is connected in antiparallel to each switching element. The high potential side of the three sets of series circuits PM1 to PM3 is connected to the output terminal on the high potential side of the converter circuit 87, and the low potential side of the three sets of series circuits is connected to the output terminal on the low potential side of the converter circuit 87. Has been. An alternating current (U phase, V phase, W phase) is output from the midpoint of each of the three sets of series circuits PM1 to PM3. Three sets of series circuits PM1 to PM3 correspond to three of a plurality of power modules 20 described later.

インバータ回路88bの構成はインバータ回路88a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88bもインバータ回路88a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。3セットの直列回路PM4〜PM6が、後述する複数のパワーモジュール20のうちの別の3個に対応する。   Since the configuration of the inverter circuit 88b is the same as that of the inverter circuit 88a, a specific circuit is not shown in FIG. Similarly to the inverter circuit 88a, the inverter circuit 88b has a configuration in which three sets of series circuits of switching elements are connected in parallel. Three sets of series circuits PM4 to PM6 correspond to another three of a plurality of power modules 20 described later.

インバータ回路88a、88bの入力端に平滑コンデンサ96が並列に接続されている。平滑コンデンサ96は、インバータ回路88a、88bに入力される直流電流に重畳しているノイズ(スイッチング動作に伴う電流の脈動)を除去する。   A smoothing capacitor 96 is connected in parallel to the input terminals of the inverter circuits 88a and 88b. The smoothing capacitor 96 removes noise (current pulsation accompanying switching operation) superimposed on the direct current input to the inverter circuits 88a and 88b.

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。あるいは、将来的には異なるタイプのスイッチング素子が電力変換装置に用いられることもあり得る。また、ここでいうスイッチング素子は、大電流の電力を変換すること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-T8 are transistors, typically IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), but may be other transistors, for example, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors). Alternatively, in the future, different types of switching elements may be used in the power conversion device. The switching element here is used to convert a large amount of electric power, and is sometimes called a power semiconductor element.

図2に、電力変換装置2の模式的斜視図を示す。なお、図2には、電力変換装置2のケース6に収容される部品のうち、積層ユニット8(詳しくは後述)のみを示しており、他の部品、例えば、図1のリアクトル97、フィルタコンデンサ95、平滑コンデンサ96、及び、スイッチング素子T1〜T8を制御する回路基板などは、図示を省略している。また、図2では、冷却器10(詳しくは後述)が備えるインダクタ低減用の金属板も図示を省略している。さらに、図2では、理解を助けるため、積層ユニット8に含まれる複数のパワーモジュール20のうち、一つのパワーモジュール20を積層ユニット8から抜き出して描いてある。   In FIG. 2, the typical perspective view of the power converter device 2 is shown. 2 shows only the laminated unit 8 (details will be described later) among the components housed in the case 6 of the power conversion device 2, and other components such as the reactor 97 and the filter capacitor in FIG. 95, the smoothing capacitor 96, and the circuit board for controlling the switching elements T1 to T8 are not shown. In FIG. 2, the metal plate for reducing the inductor provided in the cooler 10 (described later in detail) is also omitted. Further, in FIG. 2, one power module 20 is drawn from the stacked unit 8 out of the plurality of power modules 20 included in the stacked unit 8 to help understanding.

図1で示した複数のスイッチング素子T1〜T8、及び、各スイッチング素子に対して逆並列に接続されるダイオードは、いくつかのパワーモジュール20に分散配置される。具体的には、一つのパワーモジュール20に2個のスイッチング素子と2個のダイオードが収容される。より詳しくは、2個のスイッチング素子と2個のダイオードは、樹脂製のパッケージ21に封止される。2個のスイッチング素子は、パッケージ21の内部で直列に接続されており、各スイッチング素子に対して一つのダイオードが逆並列に接続されている。パッケージ21(パワーモジュール20)は平板型である。   The plurality of switching elements T <b> 1 to T <b> 8 shown in FIG. 1 and diodes connected in antiparallel to each switching element are distributed in several power modules 20. Specifically, two switching elements and two diodes are accommodated in one power module 20. More specifically, the two switching elements and the two diodes are sealed in a resin package 21. The two switching elements are connected in series inside the package 21, and one diode is connected in antiparallel to each switching element. The package 21 (power module 20) is a flat plate type.

電力変換用のスイッチング素子は発熱量が大きい。そこで、パワーモジュール20では、パッケージ21の冷却器に対向する面に放熱板23a、23bを備えている。図2には表れていないが、放熱板23a、23bとは反対側のパッケージ21の面にも放熱板23cが露出している。放熱板23cは、図4に現れている。以下、放熱板23a、23b、23cを区別なく示すときには、放熱板23と表記する。   A switching element for power conversion generates a large amount of heat. Therefore, the power module 20 includes heat radiation plates 23a and 23b on the surface of the package 21 that faces the cooler. Although not shown in FIG. 2, the heat radiating plate 23c is also exposed on the surface of the package 21 opposite to the heat radiating plates 23a and 23b. The heat sink 23c appears in FIG. Hereinafter, when the heat sinks 23a, 23b, and 23c are shown without distinction, they are referred to as the heat sink 23.

放熱板23aは、パッケージ21の内部で一つのスイッチング素子の一方の電極(ドレイン電極)と接続されている。放熱板23bは、パッケージ21の内部で別のスイッチング素子の一方の電極(ソース電極)と接続されている。放熱板23cは、パッケージ21の内部で一つのスイッチング素子の他方の電極(ソース電極)と、別のスイッチング素子の他方の電極(ドレイン電極)と接続されている。すなわち、放熱板23cは、2個のスイッチング素子を直列に接続する導体の役割を果たしている。別言すれば、3個の放熱板23a、23b、23cは、それぞれ、2個のスイッチング素子の直列接続の高電位側の電極、中点の電極、及び、低電位側の電極と接続されている。放熱板23はスイッチング素子の電極と接続しているのでスイッチング素子の熱を良く伝える。   The heat dissipation plate 23 a is connected to one electrode (drain electrode) of one switching element inside the package 21. The heat sink 23 b is connected to one electrode (source electrode) of another switching element inside the package 21. The heat radiating plate 23 c is connected to the other electrode (source electrode) of one switching element and the other electrode (drain electrode) of another switching element inside the package 21. That is, the heat sink 23c plays the role of a conductor that connects two switching elements in series. In other words, the three heat sinks 23a, 23b, and 23c are respectively connected to the high-potential side electrode, the midpoint electrode, and the low-potential side electrode of the series connection of the two switching elements. Yes. Since the heat radiating plate 23 is connected to the electrodes of the switching element, the heat radiating plate 23 conducts heat of the switching element well.

さらに3個の放熱板23のそれぞれは、パッケージ21の一側面から延びている3本のパワー端子26a、26b、26cのそれぞれとつながっている。3本のパワー端子26a、26b、26cは、パッケージ内部の2個のスイッチング素子の直列接続の高電位側の端子、中点の端子、及び、低電位側の端子に相当する。3個のパワー端子26a、26b、26cは平板型である。これは、端子の内部抵抗を下げ、送電の損失を抑えるとともに、流れる電流による発熱を抑制するためである。3個のパワー端子26a、26b、26cは、不図示のバスバに接続され、他のパワーモジュールの端子、あるいは、リアクトルなどの別のデバイスと接続される。以下、3個のパワー端子26a、26b、26cのいずれか1個の区別なく示すときにはパワー端子26と表記する。   Further, each of the three heat radiating plates 23 is connected to each of the three power terminals 26 a, 26 b, 26 c extending from one side surface of the package 21. The three power terminals 26a, 26b, and 26c correspond to a high-potential side terminal, a midpoint terminal, and a low-potential side terminal of two switching elements in the package connected in series. The three power terminals 26a, 26b, and 26c are flat plate types. This is because the internal resistance of the terminal is lowered to suppress power transmission loss and to suppress heat generation due to the flowing current. The three power terminals 26a, 26b, and 26c are connected to a bus bar (not shown), and are connected to terminals of other power modules or another device such as a reactor. Hereinafter, when any one of the three power terminals 26a, 26b, and 26c is shown without distinction, it is referred to as a power terminal 26.

パッケージ21の別の側面からは、ゲート端子29が延びている。ゲート端子29は、パッケージ21の内部で2個のスイッチング素子のゲート電極に接続されている。   A gate terminal 29 extends from another side surface of the package 21. The gate terminal 29 is connected to the gate electrodes of the two switching elements inside the package 21.

図2に示されているように、複数のパワーモジュール20は、複数の冷却器10と積層されている。各冷却器10は、金属(アルミニウム)で作られている。また、各冷却器10は平板型である。複数のパワーモジュール20と複数の冷却器10の積層体を以下では積層ユニット8と称する。複数のパワーモジュール20と複数の冷却器10は、一つずつ交互に積層されている。別言すれば、積層ユニット8は、金属製の平板型の複数の冷却器10が平行に配置されており、隣接する冷却器10の間にパワーモジュール20が挟まれているデバイスである。なお、図2に示した座標系において、X軸が、複数のパワーモジュール20と複数の冷却器10の積層方向に相当する。後に参照する図3、図4においても、X軸が積層方向に相当する。   As shown in FIG. 2, the plurality of power modules 20 are stacked with the plurality of coolers 10. Each cooler 10 is made of metal (aluminum). Each cooler 10 is a flat plate type. Hereinafter, a stacked body of the plurality of power modules 20 and the plurality of coolers 10 is referred to as a stacked unit 8. The plurality of power modules 20 and the plurality of coolers 10 are alternately stacked one by one. In other words, the laminated unit 8 is a device in which a plurality of metal flat plate-like coolers 10 are arranged in parallel and the power module 20 is sandwiched between adjacent coolers 10. In the coordinate system shown in FIG. 2, the X axis corresponds to the stacking direction of the plurality of power modules 20 and the plurality of coolers 10. 3 and 4 referred later, the X axis corresponds to the stacking direction.

冷却器10とパワーモジュール20は、共に平板型であり、夫々の平坦面が対向するように積層されている。本実施例では、積層方向(X軸方向)の両端に冷却器10が位置するように、6個のパワーモジュール20に対して7個の冷却器10を配置している。なお、図1のブロック図には、2個のスイッチング素子の直列回路が7セット描かれており、図2の積層ユニット8は、本来7個のパワーモジュールが必要であるが、図2では、一つのパワーモジュールとそれに対応する冷却器の図示を省略している。   The cooler 10 and the power module 20 are both flat plate types and are laminated so that their flat surfaces face each other. In the present embodiment, the seven coolers 10 are arranged for the six power modules 20 so that the coolers 10 are positioned at both ends in the stacking direction (X-axis direction). In the block diagram of FIG. 1, seven sets of series circuits of two switching elements are depicted, and the stacked unit 8 of FIG. 2 originally requires seven power modules, but in FIG. An illustration of one power module and a corresponding cooler is omitted.

パワーモジュール20の両面にはスイッチング素子の電極と導通している放熱板23が露出しており、冷却器10は金属で作られている。放熱板23と冷却器10との間を絶縁するために、パワーモジュール20と冷却器10との間には絶縁板30が挟まれる。絶縁板30の両面にはグリスが塗布される。グリスは、パワーモジュール20と絶縁板30の間の微視的な隙間、及び、冷却器10と絶縁板30の間の微視的な隙間を埋め、パワーモジュール20から冷却器10への伝熱効率を高める。   The heat radiation plate 23 electrically connected to the electrodes of the switching element is exposed on both surfaces of the power module 20, and the cooler 10 is made of metal. Insulating plate 30 is sandwiched between power module 20 and cooler 10 in order to insulate between heat sink 23 and cooler 10. Grease is applied to both surfaces of the insulating plate 30. The grease fills the microscopic gap between the power module 20 and the insulating plate 30 and the microscopic gap between the cooler 10 and the insulating plate 30, and heat transfer efficiency from the power module 20 to the cooler 10. To increase.

複数の冷却器10は、連結パイプ4a、4bにより連結されている。パワーモジュール20と冷却器10の積層方向(X軸方向)の一端の冷却器10には、冷媒供給管3aと冷媒排出管3bが連結されている。冷媒供給管3aを通じて供給される冷媒は、連結パイプ4aを通じて全ての冷却器10に分配される。冷却器10は中空の平板型であり、内部の空間を冷媒が通る。冷却器10を通る冷媒は、冷却器10に隣接するパワーモジュール20から熱を吸収する。各冷却器10を通った冷媒は、連結パイプ4bを通り、冷媒排出管3bから排出される。冷媒は、液体であり、典型的には水である。   The plurality of coolers 10 are connected by connecting pipes 4a and 4b. A refrigerant supply pipe 3 a and a refrigerant discharge pipe 3 b are connected to the cooler 10 at one end in the stacking direction (X-axis direction) of the power module 20 and the cooler 10. The refrigerant supplied through the refrigerant supply pipe 3a is distributed to all the coolers 10 through the connection pipe 4a. The cooler 10 is a hollow flat plate type, and the refrigerant passes through the internal space. The refrigerant passing through the cooler 10 absorbs heat from the power module 20 adjacent to the cooler 10. The refrigerant passing through each cooler 10 passes through the connection pipe 4b and is discharged from the refrigerant discharge pipe 3b. The refrigerant is a liquid, typically water.

積層ユニット8は、ケース6に収容される際、積層方向(X軸方向)の一端側に板バネ7が挿入される。この板バネ7により、冷却器10とパワーモジュール20と絶縁板30に対して、積層方向の両側から所定の荷重が加えられる。積層ユニット8に加えられる総圧力(荷重)は、例えば3[kN]である。前述したように絶縁板30の両面にはグリスが塗布されている。3[kN]という高い荷重によりグリスは薄く引き延ばされ、これにより、パワーモジュール20から冷却器10への伝熱効率(熱拡散効率)がさらに向上する。   When the stacked unit 8 is accommodated in the case 6, the leaf spring 7 is inserted into one end side in the stacking direction (X-axis direction). A predetermined load is applied to the cooler 10, the power module 20, and the insulating plate 30 from both sides in the stacking direction by the leaf spring 7. The total pressure (load) applied to the laminated unit 8 is, for example, 3 [kN]. As described above, grease is applied to both surfaces of the insulating plate 30. The grease is thinly stretched by a high load of 3 [kN], thereby further improving the heat transfer efficiency (heat diffusion efficiency) from the power module 20 to the cooler 10.

図3に積層ユニット8の正面図を示す。図4に、図3のIV−IV線でカットした積層ユニット8の断面図を示す。なお、図4は、1個のパワーモジュール20とその両側の冷却器10のみを示している。図4の右側及び左側にも、パワーモジュール20と冷却器10が交互に続くことに留意されたい。図4に示すように、冷却器10は、間に中板15を挟んで2枚の外板16を張り合わせて作られている。外板16は、周縁が直角に折り曲がった盆形状をなしており、中板15とそれぞれの外板16の間に空間が形成される。その空間に波板状のフィン板19が収められている。中板15と外板16の間の空間が、冷媒が通る流路となる。外板16はアルミニウム板のプレス加工で作られる。中板15とフィン板19もアルミニウムのプレス加工で作られる。   FIG. 3 shows a front view of the laminated unit 8. FIG. 4 shows a cross-sectional view of the laminated unit 8 cut along line IV-IV in FIG. FIG. 4 shows only one power module 20 and the coolers 10 on both sides thereof. It should be noted that the power module 20 and the cooler 10 continue alternately on the right side and the left side of FIG. As shown in FIG. 4, the cooler 10 is made by laminating two outer plates 16 with an intermediate plate 15 interposed therebetween. The outer plate 16 has a tray shape whose peripheral edge is bent at a right angle, and a space is formed between the middle plate 15 and each outer plate 16. A corrugated fin plate 19 is accommodated in the space. A space between the middle plate 15 and the outer plate 16 becomes a flow path through which the refrigerant passes. The outer plate 16 is made by pressing an aluminum plate. The intermediate plate 15 and the fin plate 19 are also made by pressing aluminum.

中板15とその両側の外板16の接合部は、冷却器10の外周部を一巡するフランジ17を形成する。そのフランジにインダクタンス低減用の金属板31が取り付けられている。先に述べたように、パワーモジュール20は、冷却器10との積層方向と直交する方向(Z方向)に延びており、パワーモジュール20の内部のスイッチング素子と導通している平板状の3個のパワー端子26を備えている。それぞれの金属板31は、それぞれのパワー端子26と対向するように冷却器10から延びている。図4に示されているように、金属板31は、冷却器10のフランジ17からパワー端子26に沿って延びており、続いてU字に湾曲して冷却器10に向かって戻るように延びている。冷却器10に向かって延びている部分31aがパワー端子26に平行であり、かつ、近接している。また、パワーモジュール20の両側の冷却器10の其々から金属板31が延びており、それらの金属板31の湾曲より先の部分31aは、平板のパワー端子26を両側で近接している。金属板31は、冷却器10の材料と同じアルミニウムで作られている。金属板31はパワー端子26には触れておらず、両者は絶縁状態にある。   The joint between the middle plate 15 and the outer plates 16 on both sides forms a flange 17 that goes around the outer periphery of the cooler 10. A metal plate 31 for reducing inductance is attached to the flange. As described above, the power module 20 extends in the direction (Z direction) orthogonal to the stacking direction with the cooler 10 and is in the form of a flat plate that is electrically connected to the switching element inside the power module 20. Power terminal 26 is provided. Each metal plate 31 extends from the cooler 10 so as to face each power terminal 26. As shown in FIG. 4, the metal plate 31 extends from the flange 17 of the cooler 10 along the power terminal 26, and then extends so as to be bent into a U shape and return toward the cooler 10. ing. A portion 31 a extending toward the cooler 10 is parallel to and close to the power terminal 26. Metal plates 31 extend from the coolers 10 on both sides of the power module 20, and portions 31 a ahead of the curvature of the metal plates 31 are close to the flat power terminals 26 on both sides. The metal plate 31 is made of the same aluminum as the material of the cooler 10. The metal plate 31 does not touch the power terminal 26, and both are in an insulated state.

図4を参照して、パワーモジュール20の内部構造について説明する。パワーモジュール20は、半導体チップ41を樹脂製のパッケージ21で封止したデバイスである。半導体チップ41は、一つのスイッチング素子とダイオードを含んでおり、チップ内部でスイッチング素子とダイオードが逆並列に接続されている。図4の半導体チップ41が、図1におけるスイッチング素子T1〜T8のいずれかと、その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に相当する。半導体チップ41は両面に電極を有しており、一方の電極は放熱板23bに直接に接合しており、他方の電極は導電性のスペーサ42を介して放熱板23cと導通している。放熱板23bは、パワー端子26cとも連続しており、半導体チップ41の電極と外部のデバイスを接続する端子の一部をなしている。図には示されていないが、放熱板23cは、別のパワー端子とつながっている。半導体チップ41の一方の面にはゲート電極が露出しており、そのゲート電極とゲート端子29は、ワイヤで接続されている。パッケージ21には2個の半導体チップが封止されており、図4の断面とは異なる断面において、別の半導体チップは、放熱板23aと放熱板23cとに挟まれている。別の半導体チップと放熱板23a、23cとの構造的関係は、図4に示した半導体チップ41と放熱板23b、23cとの構造的関係と同じである。   The internal structure of the power module 20 will be described with reference to FIG. The power module 20 is a device in which a semiconductor chip 41 is sealed with a resin package 21. The semiconductor chip 41 includes one switching element and a diode, and the switching element and the diode are connected in antiparallel within the chip. The semiconductor chip 41 in FIG. 4 corresponds to one of the switching elements T1 to T8 in FIG. 1 and a diode connected in antiparallel to the switching element. The semiconductor chip 41 has electrodes on both sides, one electrode is directly joined to the heat sink 23 b, and the other electrode is electrically connected to the heat sink 23 c through a conductive spacer 42. The heat sink 23b is also continuous with the power terminal 26c and forms a part of a terminal for connecting the electrode of the semiconductor chip 41 and an external device. Although not shown in the figure, the heat sink 23c is connected to another power terminal. A gate electrode is exposed on one surface of the semiconductor chip 41, and the gate electrode and the gate terminal 29 are connected by a wire. Two semiconductor chips are sealed in the package 21, and another semiconductor chip is sandwiched between the heat radiating plate 23a and the heat radiating plate 23c in a cross section different from the cross section of FIG. The structural relationship between another semiconductor chip and the heat sinks 23a and 23c is the same as the structural relationship between the semiconductor chip 41 and the heat sinks 23b and 23c shown in FIG.

金属板31の機能を説明する。金属板31は、パワー端子26に電流が流れるときのインダクタンスを低減する。図示を省略しているが、パワー端子26の先端にはバスバが接合され、半導体チップ41は、パワー端子26とバスバを介して他のデバイスまたは他のスイッチング素子と電気的に接続される。パワー端子26に電流が流れるとその電流に起因してパワー端子26の周囲に磁場が発生する。磁場が大きいほどインダクタンスも大きくなる。金属板31は、平板のパワー端子26と近接して平行に延びており、パワー端子26が発する磁場によって金属板31の内部に渦電流が生じる。この渦電流の発生によって磁場が弱まる。すなわち、パワー端子26に対して近接し、かつ、平行となるように金属板31を配置することによって、パワー端子26のインダクタンスを低減できる。   The function of the metal plate 31 will be described. The metal plate 31 reduces inductance when a current flows through the power terminal 26. Although not shown, a bus bar is bonded to the tip of the power terminal 26, and the semiconductor chip 41 is electrically connected to another device or another switching element via the power terminal 26 and the bus bar. When a current flows through the power terminal 26, a magnetic field is generated around the power terminal 26 due to the current. The larger the magnetic field, the greater the inductance. The metal plate 31 extends in parallel with the flat power terminal 26, and an eddy current is generated inside the metal plate 31 by the magnetic field generated by the power terminal 26. Generation of this eddy current weakens the magnetic field. That is, the inductance of the power terminal 26 can be reduced by arranging the metal plate 31 so as to be close to and parallel to the power terminal 26.

金属板31は、もともとパワーモジュール20に隣接している冷却器10に取り付けられているので、その長さは短くて済む。インダクタンスを低減する金属板31を積層ユニット8の冷却器10に設けることで、インダクタンスを低減する構造をコンパクトに実現することができる。   Since the metal plate 31 is originally attached to the cooler 10 adjacent to the power module 20, the length thereof can be short. By providing the metal plate 31 for reducing the inductance in the cooler 10 of the laminated unit 8, the structure for reducing the inductance can be realized in a compact manner.

金属板31はU字に湾曲している。湾曲の度合いを変えることで、金属板31の形状とパワー端子26に対する相対的な位置(特に、湾曲より先の部分31a)を容易に調整することができる。例えば、パワー端子26の上端にはバスバが接合されるが、パワー端子26とバスバとの接合箇所の直近まで金属板31の湾曲より先の部分31aがパワー端子26と平行に延びるように、湾曲を調整することができる。そうすることで、金属板31においてパワー端子26と隣接する部位(湾曲より先の部分31a)の面積をできるだけ大きくすることができる。金属板31においてパワー端子26と隣接する部位(湾曲より先の部分31a)の面積が大きい方が、インダクタンス低減効果が大きい。また、湾曲の度合いを調整することで、金属板31の湾曲より先の部分31aをパワー端子26に近づけることができる。金属板31においてパワー端子26との距離が短い方が、インダクタンス低減効果が大きい。このように、金属板31をU字に湾曲させることで、インダクタンス低減効果が大きくなるように、その形状と位置を容易に調整することが可能となる。   The metal plate 31 is curved in a U shape. By changing the degree of bending, the shape of the metal plate 31 and the relative position with respect to the power terminal 26 (particularly, the portion 31a ahead of the bending) can be easily adjusted. For example, the bus bar is joined to the upper end of the power terminal 26, but curved so that the portion 31 a ahead of the curvature of the metal plate 31 extends in parallel with the power terminal 26 to the point where the power terminal 26 and the bus bar are joined. Can be adjusted. By doing so, the area of the metal plate 31 adjacent to the power terminal 26 (the portion 31a ahead of the curve) can be made as large as possible. In the metal plate 31, the inductance reduction effect is greater when the area of the portion adjacent to the power terminal 26 (the portion 31a ahead of the curve) is larger. Further, by adjusting the degree of bending, the portion 31 a ahead of the bending of the metal plate 31 can be brought closer to the power terminal 26. The shorter the distance from the power terminal 26 in the metal plate 31, the greater the inductance reduction effect. In this way, by bending the metal plate 31 in a U shape, the shape and position can be easily adjusted so that the inductance reduction effect is increased.

先に述べたように、金属板31には渦電流が発生する。渦電流の発生により金属板31の温度が上昇する。金属板31は冷却器10に取り付けられているので、金属板31の温度上昇は、冷却器10によって抑えられる。   As described above, an eddy current is generated in the metal plate 31. The temperature of the metal plate 31 rises due to the generation of eddy current. Since the metal plate 31 is attached to the cooler 10, the temperature rise of the metal plate 31 is suppressed by the cooler 10.

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図4では一つの金属板31について説明したが、一つの冷却器10は6個の金属板31を備えており、それぞれの金属板31が、図4を参照しつつ説明した構造と利点を有している。金属板31は、冷却器10のフランジ17に溶接やろう付けなどで接合される。あるいは、金属板31は、冷却器10の外板16と一体であってもよい。すなわち、金属板31は、冷却器10の外板16の縁から続いているように構成されていてもよい。また、図4に示した金属板31のU字の湾曲形状は一例であり、金属板31は、図4とは異なる湾曲形状を有していてもよい。金属板31は、冷却器10からパワー端子26に沿って延びており、続いて冷却器10に向かって戻るように湾曲していればよい。例えば、金属板は、V字に近いU字に湾曲していてもよい。   Points to be noted regarding the technology described in the embodiments will be described. Although one metal plate 31 has been described in FIG. 4, one cooler 10 includes six metal plates 31, and each metal plate 31 has the structure and advantages described with reference to FIG. 4. doing. The metal plate 31 is joined to the flange 17 of the cooler 10 by welding or brazing. Alternatively, the metal plate 31 may be integrated with the outer plate 16 of the cooler 10. That is, the metal plate 31 may be configured to continue from the edge of the outer plate 16 of the cooler 10. Further, the U-shaped curved shape of the metal plate 31 shown in FIG. 4 is an example, and the metal plate 31 may have a curved shape different from that in FIG. The metal plate 31 may extend from the cooler 10 along the power terminal 26 and then be bent so as to return toward the cooler 10. For example, the metal plate may be curved in a U shape close to a V shape.

実施例では、3個のパワー端子26のそれぞれに対して金属板31が設けられている。X方向(積層方向)から見たときに3個のパワー端子26と同時に重なる一つの幅広の金属板を冷却器10に設けてもよい。実施例の半導体チップ41が請求項における半導体素子の一例に相当する。3個のパワー端子26が、請求項における端子の一例に相当する。   In the embodiment, a metal plate 31 is provided for each of the three power terminals 26. A single wide metal plate that overlaps with the three power terminals 26 when viewed from the X direction (stacking direction) may be provided in the cooler 10. The semiconductor chip 41 of the embodiment corresponds to an example of a semiconductor element in the claims. The three power terminals 26 correspond to an example of terminals in the claims.

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。   Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.

2:電力変換装置
6:ケース
7:板バネ
8:積層ユニット
10:冷却器
15:中板
16:外板
17:フランジ
19:フィン板
20:パワーモジュール
21:パッケージ
23、23a、23b、23c:放熱板
26、26a、26b、26c:パワー端子
30:絶縁板
31:金属板
31a:湾曲より先の部分
41:半導体チップ(半導体素子)
42:スペーサ
81:バッテリ
100:電気自動車
2: Power conversion device 6: Case 7: Leaf spring 8: Laminated unit 10: Cooler 15: Middle plate 16: Outer plate 17: Flange 19: Fin plate 20: Power module 21: Packages 23, 23a, 23b, 23c: Radiator 26, 26a, 26b, 26c: Power terminal 30: Insulating plate 31: Metal plate 31a: Part ahead of curve 41: Semiconductor chip (semiconductor element)
42: Spacer 81: Battery 100: Electric vehicle

Claims (3)

半導体素子を収容した平板型のパワーモジュールと、
平板型の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パワーモジュールが挟まれている積層ユニットと、
を備えており、
前記パワーモジュールは
前記冷却器の積層方向と直交する方向に延びており、前記パワーモジュールの内部の半導体素子と導通している平板状のパワー端子と、
前記半導体素子と導通しているゲート端子、
を備えており、
前記冷却器は、前記パワー端子と対向するように延びている金属板を備えており、
前記金属板は、前記冷却器から前記パワー端子に沿って延びており、続いてU字に湾曲して前記冷却器に向けて延びており、U字の湾曲より先の部分が前記パワー端子に近接していることを特徴とする電力変換装置。
A flat power module containing a semiconductor element;
A plurality of flat plate-type coolers are arranged in parallel, and a laminated unit in which the power module is sandwiched between adjacent coolers;
With
The power module,
A planar power terminal extending in a direction perpendicular to the stacking direction of the cooler and electrically connected to a semiconductor element inside the power module ;
A gate terminal in conduction with the semiconductor element;
With
The cooler includes a metal plate extending to face the power terminal ,
The metal plate extends from the cooler along the power terminal , subsequently curves in a U-shape and extends toward the cooler, and a portion ahead of the U-shape is connected to the power terminal . A power converter characterized by being close to each other.
前記パワーモジュールが、前記半導体素子を封止する樹脂製のパッケージを備えており、The power module includes a resin package for sealing the semiconductor element;
前記パワー端子が、前記パッケージの一側面から延びており、The power terminal extends from one side of the package;
前記ゲート端子が、前記一側面とは別の前記パッケージの側面から延びている、The gate terminal extends from a side surface of the package different from the one side surface;
請求項1の電力変換装置。The power conversion device according to claim 1.
前記金属板のU字の湾曲より先の前記部分が、前記パワー端子に対して平行に延びていることを特徴とする請求項1または2の電力変換装置。The power converter according to claim 1 or 2, wherein the portion of the metal plate ahead of the U-shaped curve extends in parallel to the power terminal.
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