JP6721066B2

JP6721066B2 - Power converter

Info

Publication number: JP6721066B2
Application number: JP2019009034A
Authority: JP
Inventors: 崇広田; 林　哲也; 林　　哲也; 賢太郎秦; 卓下村; 大津川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2020-07-08
Anticipated expiration: 2033-11-20
Also published as: JP2019062739A

Description

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

大電流を流すことができるパワー半導体より構成されるパワーモジュールと、パワー半導体の駆動制御を行う駆動回路基板との間にパワーモジュール冷却用の冷却器を設けることで、パワーモジュールの発熱から熱的に弱い駆動回路を保護する電力変換装置が知られている（特許文献１の［００５１］〜及び図８〜１２の実施形態３参照）。 By providing a cooler for cooling the power module between the power module composed of the power semiconductor capable of flowing a large current and the drive circuit board for controlling the drive of the power semiconductor, the heat generated from the power module is thermally removed. There is known a power conversion device that protects a weak drive circuit (see [0051] of Patent Document 1 and Embodiment 3 of FIGS. 8 to 12).

特開２０１２−１０５４１９号公報JP 2012-105419 A

上記従来技術では、平滑コンデンサについてもパワーモジュールからの熱的保護を行うために、パワーモジュールとの間に冷却器及び駆動回路を配置する構造とされている。しかしながら、平滑コンデンサは大電流が流れる強電部品であるため、その電流が作る磁界の影響によってインダクタンスが大きくなり、パワーモジュールのスイッチング損失が大きくなるという問題がある。 In the above-mentioned conventional technique, a cooling device and a drive circuit are arranged between the smoothing capacitor and the power module in order to protect the smoothing capacitor from heat. However, since the smoothing capacitor is a high-current component through which a large current flows, there is a problem that the inductance increases due to the influence of the magnetic field generated by the current, and the switching loss of the power module increases.

本発明が解決しようとする課題は、パワーモジュールのスイッチング損失を抑制できる電力変換装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a power conversion device capable of suppressing switching loss of a power module.

本発明は、パワー半導体を含むパワーモジュール、平滑コンデンサ、パワー半導体を駆動する駆動回路部品が実装された回路基板及びパワーモジュールを冷却する冷却器を筐体に収容した電力変換装置において、パワーモジュールの高圧端子部と、平滑コンデンサの高圧端子部とをパワーモジュール及び平滑コンデンサの主面に沿って重ね合わせるとともに、パワーモジュールの高圧端子部と平滑コンデンサの高圧端子部とを筐体の底面と冷却器との間に配置し、冷却器を筐体と電気的に絶縁することによって上記課題を解決する。 The present invention relates to a power module including a power module including a power semiconductor, a smoothing capacitor, a circuit board on which drive circuit components for driving the power semiconductor are mounted, and a cooler for cooling the power module in a housing . The high-voltage terminal part and the high-voltage terminal part of the smoothing capacitor are superposed along the main surfaces of the power module and the smoothing capacitor, and the high-voltage terminal part of the power module and the high-voltage terminal part of the smoothing capacitor are attached to the bottom surface of the housing and the cooler. The above-mentioned problem is solved by disposing the cooler and the cooler to electrically insulate the cooler from the case .

本発明によれば、強電部品であるパワーモジュールの高圧端子部と平滑コンデンサの高圧端子部が重ね合わされるので、これらの電流が作る磁界の影響が打ち消し合い、インダクタンスが小さくなるので、パワーモジュールのスイッチング損失を低減することができる。 According to the present invention, since the high-voltage terminal portion of the power module, which is a high-voltage component, and the high-voltage terminal portion of the smoothing capacitor are superposed on each other, the influence of the magnetic fields generated by these currents cancels each other out, and the inductance is reduced. Switching loss can be reduced.

本発明の一実施の形態に係る電力変換装置を適用したモータ制御システムを示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows the motor control system to which the power converter device which concerns on one embodiment of this invention is applied. 本発明の一実施の形態に係る電力変換装置の筐体内部を示す正面図である。It is a front view which shows the inside of the housing|casing of the power converter device which concerns on one embodiment of this invention. 図２の側面図である。FIG. 3 is a side view of FIG. 2. 本発明の他の実施の形態に係る電力変換装置の筐体内部を示す正面図である。It is a front view which shows the inside of the housing|casing of the power converter device which concerns on other embodiment of this invention. 本発明のさらに他の実施の形態に係る電力変換装置の筐体内部を示す正面図である。It is a front view which shows the inside of the housing|casing of the power converter device which concerns on other embodiment of this invention.

図１は、本例の電力変換装置３０を直流−三相交流変換装置として具現化したものをモータ制御システム１に適用した実施形態を示す電気回路図である。詳細な図示は省略するが、本例のモータ制御システム１は、電気自動車の走行駆動装置のほか、交流無停電電源装置等にも適用することができる。本例のモータ制御システム１を電気自動車、ハイブリッド車両、燃料電池自動車に適用する場合は、図１に示す三相の交流負荷２０が走行駆動用モータに相当し、二次電池などで構成される直流電源１０が走行駆動用バッテリに相当する。 FIG. 1 is an electric circuit diagram showing an embodiment in which a power control device 30 of this example is embodied as a DC-three-phase AC conversion device and applied to a motor control system 1. Although detailed illustration is omitted, the motor control system 1 of the present example can be applied to an AC uninterruptible power supply device as well as a traveling drive device of an electric vehicle. When the motor control system 1 of this example is applied to an electric vehicle, a hybrid vehicle, and a fuel cell vehicle, the three-phase AC load 20 shown in FIG. 1 corresponds to a drive motor and is composed of a secondary battery or the like. The DC power supply 10 corresponds to a drive battery.

本例のモータ制御システム１は、直流電源１０と、三相の交流負荷２０と、直流電源１０の直流電力を三相交流電力に変換するインバータ３０とを備える。直流電源１０は、たとえばリチウムイオン電池などの二次電池、太陽電池、燃料電池、ＰＦＣ（力率改善，Power factor correction）コンバータなどで構成することができる。交流負荷２０に回生機能がある場合には、交流負荷２０の交流電力をインバータ３０により直流電力に変換し、直流電源１０を充電するように構成してもよい。 The motor control system 1 of the present example includes a DC power supply 10, a three-phase AC load 20, and an inverter 30 that converts the DC power of the DC power supply 10 into three-phase AC power. The DC power supply 10 can be composed of, for example, a secondary battery such as a lithium-ion battery, a solar cell, a fuel cell, a PFC (Power Factor Correction) converter, or the like. When the AC load 20 has a regenerative function, the AC power of the AC load 20 may be converted into DC power by the inverter 30 and the DC power supply 10 may be charged.

インバータ３０は、上アーム回路３１，３３，３５と、下アーム回路３２，３４，３６と、平滑コンデンサ３７と、コントローラ３８とを含み、直流電源１０の直流電力を三相交流電力に変換して、これを三相の交流負荷２０に供給する。上アーム回路３１，３３，３５は、パワーデバイスとしてのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５と、ダイオードＤ１、Ｄ３、Ｄ５とをそれぞれ並列に接続した回路を主要な構成とする。下アーム回路３２，３４，３６は、同じくパワーデバイスとしてのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６と、ダイオードＤ２、Ｄ４、Ｄ６とをそれぞれ並列に接続した回路を主要な構成とする。 The inverter 30 includes upper arm circuits 31, 33 and 35, lower arm circuits 32, 34 and 36, a smoothing capacitor 37, and a controller 38, and converts the DC power of the DC power supply 10 into three-phase AC power. This is supplied to the three-phase AC load 20. The upper arm circuits 31, 33, and 35 mainly have a circuit in which switching elements Q1, Q3, and Q5 as power devices and diodes D1, D3, and D5 are connected in parallel, respectively. Each of the lower arm circuits 32, 34, 36 mainly has a circuit in which switching elements Q2, Q4, Q6 as power devices and diodes D2, D4, D6 are connected in parallel.

本例では、２つのスイッチング素子Ｑ１とＱ２，Ｑ３とＱ４，Ｑ５とＱ６をそれぞれ直列に接続した３対の回路が、電源線Ｐ及び電源線Ｎとの間に接続されることにより、直流電源１０に並列に接続され、各対のスイッチング素子Ｑ１とＱ２，Ｑ３とＱ４，Ｑ５とＱ６を接続する各接続中間点と、三相の交流負荷２０の三相入力部とがそれぞれ電気的に接続されている。すなわち本例のインバータ３０は、上アーム回路３１と下アーム回路３２、上アーム回路３３と下アーム回路３４、上アーム回路３５と下アーム回路３６が、それぞれ対になって直列に接続され、上アーム回路３１と下アーム回路３２との接続中間点と交流負荷２０のＵ相が接続され、上アーム回路３３と下アーム回路３４との接続中間点と交流負荷２０のＶ相が接続され、上アーム回路３５と下アーム回路３６との接続中間点と交流負荷２０のＷ相が接続されている。 In this example, three pairs of circuits in which two switching elements Q1 and Q2, Q3 and Q4, Q5 and Q6 are respectively connected in series are connected between the power supply line P and the power supply line N, so that a DC power supply is obtained. 10 are connected in parallel, and each connection intermediate point that connects each pair of switching elements Q1 and Q2, Q3 and Q4, Q5 and Q6, and the three-phase input section of the three-phase AC load 20 are electrically connected to each other. Has been done. That is, in the inverter 30 of this example, an upper arm circuit 31 and a lower arm circuit 32, an upper arm circuit 33 and a lower arm circuit 34, and an upper arm circuit 35 and a lower arm circuit 36 are connected in series in pairs, respectively. The connection intermediate point between the arm circuit 31 and the lower arm circuit 32 is connected to the U phase of the AC load 20, and the connection intermediate point between the upper arm circuit 33 and the lower arm circuit 34 is connected to the V phase of the AC load 20. The midpoint of connection between the arm circuit 35 and the lower arm circuit 36 is connected to the W phase of the AC load 20.

これら上アーム回路及び下アーム回路３１〜３６は、コントローラ３８により高周波でスイッチング制御される。コントローラ３８は、上アーム回路３１及び下アーム回路３２を交互にＯＮ／ＯＦＦして、オン時間比率を増減させて、インバータ３０からの出力を制御する。上アーム回路３１は、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１及びゲート駆動回路で構成され、スイッチング素子Ｑ１のドレイン電極はダイオードＤ１のカソード端子に接続され、スイッチング素子Ｑ１のソース電極はダイオードＤ１のアノード端子に接続されている。またスイッチング素子Ｑ１のゲート電極は、ゲート駆動回路を介してコントローラ３８に接続されている。他の上アーム回路及び下アーム回路３２〜３６の各端子も同様の構成でコントローラ３８に接続されている。 The upper arm circuit and the lower arm circuits 31 to 36 are switching-controlled at a high frequency by the controller 38. The controller 38 alternately turns ON/OFF the upper arm circuit 31 and the lower arm circuit 32 to increase/decrease the ON time ratio, and controls the output from the inverter 30. The upper arm circuit 31 includes a switching element Q1, a diode D1 and a gate drive circuit. The drain electrode of the switching element Q1 is connected to the cathode terminal of the diode D1 and the source electrode of the switching element Q1 is connected to the anode terminal of the diode D1. Has been done. The gate electrode of the switching element Q1 is connected to the controller 38 via a gate drive circuit. The terminals of the other upper arm circuits and lower arm circuits 32 to 36 are also connected to the controller 38 with the same configuration.

本例のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としては、ワイドギャップ半導体デバイス（ＳｉＣデバイス、ＧａＮデバイス、ダイヤモンドデバイス）またはＳｉデバイスであって、たとえば、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、ＭＯＳＦＥＴ又は絶縁ゲートパイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を用いることができる。また本例の各ダイオードＤ１〜Ｄ６としては、たとえばＦＲＤ（高速整流素子，ＦａｓｔＲｅｃｏｖｅｒｙＤｉｏｄｅ）、ＳＢＤ（ショットキーバリアダイオード，ＳｃｈｏｔｔｋｙＢａｒｒｉｅｒＤｉｏｄｅ）などを用いることができる。 The switching elements Q1 to Q6 of this example are wide-gap semiconductor devices (SiC devices, GaN devices, diamond devices) or Si devices, for example, junction field effect transistors (JFET), MOSFETs or insulated gate bipolar transistors. (IGBT) can be used. Further, as each of the diodes D1 to D6 of this example, for example, FRD (fast rectifying element, Fast Recovery Diode), SBD (Schottky barrier diode, Schottky Barrier Diode) or the like can be used.

本例のインバータ３０は、１つの平滑コンデンサ３７を有し、電源線Ｐ及び電源線Ｎとの間に、対をなす上アーム回路と下アーム回路３１と３２，３３と３４，３５と３６に対してそれぞれ並列に接続されている。なお、本例のインバータ３０では、コンデンサ容量が大きい１つの平滑コンデンサ３７を設けたが、対をなす３つの上アーム回路と下アーム回路３１と３２，３３と３４，３５と３６のそれぞれに対して１つずつ、都合３つの平滑コンデンサ３７を設けてもよい。この場合に３つの平滑コンデンサをトランスファモールド等により１つの平滑コンデンサモジュールとしてもよい。後述するインバータ３０のレイアウトに応じて適宜選択することができる。 The inverter 30 of the present example has one smoothing capacitor 37, and is provided between the power supply line P and the power supply line N in an upper arm circuit and a lower arm circuit 31 and 32, 33 and 34, 35 and 36 which form a pair. Are connected in parallel to each other. In addition, in the inverter 30 of the present example, one smoothing capacitor 37 having a large capacitance is provided, but for each of the three upper arm circuits and the lower arm circuits 31 and 32, 33 and 34, 35 and 36 that form a pair. Alternatively, three smoothing capacitors 37 may be provided, one for each. In this case, three smoothing capacitors may be made into one smoothing capacitor module by transfer molding or the like. It can be appropriately selected according to the layout of the inverter 30 described later.

以上が本例のインバータ３０の電気的構成であり、本発明の実施形態に共通するものであるが、次にインバータ３０の構成部品の外形形状やレイアウトその他の機械的構造について説明する。以下の説明において「上下」又は「鉛直」といった方向を示す場合は、本例のインバータ３０が車両や無停電電源装置に装着された状態における方向を意味するものとする。以下に説明する筐体３９の内部における配置構造は、各実施形態により相違するので実施形態ごとに説明する。 The above is the electrical configuration of the inverter 30 of this example, which is common to the embodiments of the present invention. Next, the external shape and layout of the components of the inverter 30 and other mechanical structures will be described. In the following description, when a direction such as “up/down” or “vertical” is indicated, it means the direction in a state where the inverter 30 of this example is mounted on the vehicle or the uninterruptible power supply. The arrangement structure inside the housing 39, which will be described below, differs depending on each embodiment, and will be described for each embodiment.

《第１実施形態》
図２は、本例のインバータ３０の筐体３９の内部を示す正面図、図３は同じく側面図である。本例のインバータ３０は、上述した平滑コンデンサ３７と、上アーム回路及び下アーム回路３１〜３６がモジュール化されたパワーモジュール４０と、冷却器４２が筐体３９に収容され、さらにコントローラ３８を構成するプリント回路基板ＰＣＢやプリント配線基板ＰＷＢなどの回路基板４１も筐体３９内に収容されている。図２，図３に示すように本例の筐体３９は、上面が開口した略直方体形状とされ、筐体３９の４つの側壁面を構成する筐体側面３９１と、筐体３９の底壁面を構成する蓋体底面３９２とを有し、絶縁性材料により構成されている。なお、筐体３９の上面開口に蓋体を設けてもよい。 <<1st Embodiment>>
FIG. 2 is a front view showing the inside of the housing 39 of the inverter 30 of this example, and FIG. 3 is a side view of the same. In the inverter 30 of this example, the smoothing capacitor 37 described above, the power module 40 in which the upper arm circuit and the lower arm circuits 31 to 36 are modularized, the cooler 42 are housed in the housing 39, and the controller 38 is further configured. A circuit board 41 such as a printed circuit board PCB or a printed wiring board PWB is also housed in the housing 39. As shown in FIGS. 2 and 3, the housing 39 of the present example has a substantially rectangular parallelepiped shape with an open top surface, and housing side surfaces 391 that form four side wall surfaces of the housing 39 and a bottom wall surface of the housing 39. And a lid bottom surface 392 that configures the above. A lid may be provided in the upper opening of the casing 39.

平滑コンデンサ３７は、直流電源１０からの高圧電力が供給される一対の高圧端子部３７１と、この高圧端子部３７１に電気的に接続されてパワーモジュール４０と電気的に接続するための接続部３７２とを有する。図２及び図３には一つの高圧端子部３７１を示すが、図１の電源線Ｐ，Ｎが一対の高圧端子部３７１の図示しない接続部に接続される。本例の平滑コンデンサ３７は容量が大きい一つのコンデンサ体で構成されているので、図２及び図３に示すように筐体３９の底面３９２の全体にわたってボス部などを介して固定されている。 The smoothing capacitor 37 is provided with a pair of high-voltage terminal portions 371 to which high-voltage power is supplied from the DC power supply 10, and a connection portion 372 electrically connected to the high-voltage terminal portions 371 and electrically connected to the power module 40. Have and. Although FIG. 2 and FIG. 3 show one high voltage terminal portion 371, the power supply lines P and N of FIG. 1 are connected to a connection portion (not shown) of the pair of high voltage terminal portions 371. Since the smoothing capacitor 37 of this example is composed of one capacitor body having a large capacity, as shown in FIGS. 2 and 3, the smoothing capacitor 37 is fixed over the entire bottom surface 392 of the housing 39 via a boss or the like.

本例のパワーモジュール４０は、１つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と１つのダイオードＤ１〜Ｄ６を内蔵し、内部において図１に示すとおりの並列配線がされた、略直方体形状のトランスファモールドで構成されている。そして、一つのパワーモジュール４０の上面には、直流電源１０からの高圧電力が供給される高圧端子部と、対をなす上アーム回路又は下アーム回路３１と３２，３３と３４，３５と３６と電気的に接続するための高圧端子部と、図１に示す交流負荷２０のＵ相，Ｖ相，Ｗ相にそれぞれ接続される高圧端子部が、モールドから露出するように設けられている。これらの高圧端子部は、一つのパワーモジュール４０において互いに絶縁されて設けられているが、本例ではこれらを総称して、図２及び図３に高圧端子部４０１で示す。 The power module 40 of this example includes one switching element Q1 to Q6 and one diode D1 to D6, and is composed of a substantially rectangular parallelepiped transfer mold in which parallel wirings are formed as shown in FIG. There is. Then, on the upper surface of one power module 40, a high-voltage terminal portion to which high-voltage power is supplied from the DC power supply 10 and a pair of upper arm circuits or lower arm circuits 31, 32, 33, 34, 35, 36 are formed. A high-voltage terminal portion for electrical connection and a high-voltage terminal portion respectively connected to the U-phase, V-phase, and W-phase of the AC load 20 shown in FIG. 1 are provided so as to be exposed from the mold. These high-voltage terminal portions are provided so as to be insulated from each other in one power module 40, but in this example, they are collectively referred to as a high-voltage terminal portion 401 in FIGS. 2 and 3.

また、この高圧端子部４０１に電気的に接続されて平滑コンデンサ３７と電気的に接続するための接続部４０２がモールドの一方の側面から突出して設けられ、さらにスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の駆動信号を入力するために回路基板４１と電気的に接続される駆動信号入力端子部４０３がモールドの他方の側面から突出して設けられている。本例では６つのパワーモジュール４０を有する。パワーモジュール４０としてトランスファモールドで樹脂成形されたパワーモジュールを採用することで、モジュール自体を薄型とすることが可能となり、インバータ３０を小型化することができる。また、本例のようにパワーモジュール４０が冷却器４２の鉛直方向下側に実装される場合には、放熱用グリースなどの潤滑剤を使用しないため、熱性能の悪化を防ぐことができ、熱に強いインバータ３０を提供することができる。 Further, a connection portion 402 electrically connected to the high voltage terminal portion 401 and electrically connected to the smoothing capacitor 37 is provided so as to project from one side surface of the mold, and further, drive signals for the switching elements Q1 to Q6 are supplied. A drive signal input terminal portion 403 electrically connected to the circuit board 41 for input is provided so as to project from the other side surface of the mold. In this example, there are six power modules 40. By adopting a power module resin-molded by transfer molding as the power module 40, the module itself can be made thin and the inverter 30 can be miniaturized. Further, when the power module 40 is mounted on the lower side of the cooler 42 in the vertical direction as in the present example, a lubricant such as heat-dissipating grease is not used, so that deterioration of thermal performance can be prevented. It is possible to provide a highly resistant inverter 30.

なお、詳細な図示は省略するが、各パワーモジュール４０のモールドの底部には取付部が設けられ、図２及び図３に示すように平滑コンデンサ３７の上面に一列に配置されたうえで取付部の通孔にボルト等を挿通させて締め付けることにより、平滑コンデンサ３７の上面に固定される。また図２に示すように、平滑コンデンサ３７の接続部３７２は、図において右側から突出して下側に折り曲げられ、パワーモジュール４０の接続部４０２も同様に右側に突出して下側に折り曲げられ、これら一対の接続部３７２，４０２は導電性を有するボルト４４で締め付けることにより両者は電気的に接続されている。後述する実施形態も同様に、平滑コンデンサ３７の接続部３７２とパワーモジュール４０の接続部４０２との接続手段は図示するボルト４４にのみ限定されず、導電性を有する材料による溶接など従来公知の手段を用いることができる。 Although not shown in detail, an attachment portion is provided at the bottom of the mold of each power module 40, and the attachment portions are arranged on the upper surface of the smoothing capacitor 37 in a line as shown in FIGS. 2 and 3. The smoothing capacitor 37 is fixed to the upper surface by inserting a bolt or the like into the through hole and tightening it. As shown in FIG. 2, the connecting portion 372 of the smoothing capacitor 37 projects from the right side and is bent downward, and the connecting portion 402 of the power module 40 also projects rightward and is bent downward. The pair of connecting portions 372, 402 are electrically connected to each other by tightening with a bolt 44 having conductivity. Similarly in the embodiments described later, the connecting means between the connecting portion 372 of the smoothing capacitor 37 and the connecting portion 402 of the power module 40 is not limited to the bolt 44 shown in the figure, and conventionally known means such as welding using a conductive material. Can be used.

パワーモジュール４０の駆動信号入力端子部４０３は、図２に示すように接続部４０２とは反対に図において左側に突出して上側に折り曲げられ、回路基板４１の接続端子に電気的に接続されている。 As shown in FIG. 2, the drive signal input terminal portion 403 of the power module 40 projects leftward in the drawing and is bent upward as opposed to the connection portion 402, and is electrically connected to the connection terminal of the circuit board 41. ..

本例の冷却器４２は、銅、アルミニウム、ニッケルのような熱伝導性が良好な材料であって電磁波シールド性が良好な材料から構成され、放熱面積を大きくするために内部に複数の通孔が形成されている。なお、銅、アルミニウム、ニッケルは、電磁波の反射損失及び吸収損失の何れも大きくシールド性が高い材料である。特にアルミニウムのような成形時の材料流動性に富んだ材料を用いて押出成形などにより形成すると、冷却器４２の厚さを薄くすることができ、パワーモジュール４０と回路基板４１とを接続する駆動信号配線の長さを極力短くすることができる。なお、冷却器４２は空冷式、水冷式のどちらであってもよい。本例の冷却器４２は、図２及び図３に示すように、６つのパワーモジュール４０が一列に並んだ上面の、表面に絶縁処理が施された高圧端子部４０１に、はんだなどの接続手段（同図にはんだ部４３にて示す。）により固定されている。 The cooler 42 of this example is made of a material having a good thermal conductivity and a good electromagnetic wave shielding property such as copper, aluminum and nickel, and has a plurality of through holes to increase the heat radiation area. Are formed. It should be noted that copper, aluminum, and nickel are materials having large reflection loss and absorption loss of electromagnetic waves and high shield properties. In particular, when a material having a high fluidity at the time of molding, such as aluminum, is formed by extrusion molding or the like, the thickness of the cooler 42 can be reduced, and a drive for connecting the power module 40 and the circuit board 41 can be achieved. The length of the signal wiring can be made as short as possible. The cooler 42 may be either an air cooling type or a water cooling type. As shown in FIGS. 2 and 3, the cooler 42 of the present example has a connecting means such as solder to the high-voltage terminal portion 401 on the upper surface of which the six power modules 40 are arranged in a line, the surface of which has been subjected to an insulation treatment. (Solder 43 is shown in the figure).

本例の回路基板４１は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲート電極に駆動信号を出力する駆動回路部品が実装されたプリント回路基板ＰＣＢやプリント配線基板ＰＷＢで構成され、図示しないボス部等を介して冷却器４２の上面に固定されている。 The circuit board 41 of this example is composed of a printed circuit board PCB or a printed wiring board PWB on which drive circuit components for outputting drive signals are mounted on the gate electrodes of the switching elements Q1 to Q6, and via a boss portion (not shown) or the like. It is fixed to the upper surface of the cooler 42.

以上のように、本例のインバータ３０では、図２及び図３に示すように、直流電源１０からの高圧電力が供給される平滑コンデンサ３７と、同じく高圧電力が供給されるパワーモジュール４０を、電磁波シールド性に富んだ材料で構成された冷却器４２の下面側に配置する一方で、電磁波ノイズの影響を受け易い駆動回路部品が実装された回路基板４１を冷却器４２の上面側に配置する。これにより、平滑コンデンサ３７又はパワーモジュール４０にて強電による電磁波ノイズが発生しても、これが冷却器４２によって反射または吸収されるので、回路基板４１に実装された駆動回路部品への影響を抑制することができ、駆動回路の誤作動を低減することができる。 As described above, in the inverter 30 of this example, as shown in FIGS. 2 and 3, the smoothing capacitor 37 to which the high voltage power from the DC power source 10 is supplied and the power module 40 to which the high voltage power is similarly supplied are The cooler 42, which is made of a material having a high electromagnetic wave shielding property, is arranged on the lower surface side of the cooler 42, while the circuit board 41 on which the drive circuit components susceptible to electromagnetic wave noise are mounted is arranged on the upper surface side of the cooler 42. .. As a result, even if electromagnetic noise due to strong electric power is generated in the smoothing capacitor 37 or the power module 40, this is reflected or absorbed by the cooler 42, so that the influence on the drive circuit components mounted on the circuit board 41 is suppressed. Therefore, the malfunction of the drive circuit can be reduced.

また本例のインバータ３０では、冷却器４２と平滑コンデンサ３７の間にパワーモジュール４０を配置しているので、パワーモジュール４０の冷却面となる高圧端子部４０１と、平滑コンデンサ３７の内部に設けられた高圧端子部３７１とを、パワーモジュール４０及び平滑コンデンサ３７の主面に沿って重ね合わせることが可能となる。このため、これらの電流が作る磁界の影響が打ち消し合い、インダクタンスが小さくなるので、パワーモジュール４０のスイッチング損失が低減することになる。 Further, in the inverter 30 of this example, since the power module 40 is arranged between the cooler 42 and the smoothing capacitor 37, it is provided inside the smoothing capacitor 37 and the high-voltage terminal portion 401 serving as the cooling surface of the power module 40. The high voltage terminal portion 371 can be superposed along the main surfaces of the power module 40 and the smoothing capacitor 37. For this reason, the influences of the magnetic fields generated by these currents cancel each other out, and the inductance becomes small, so that the switching loss of the power module 40 is reduced.

また本例のインバータ３０では、電気自動車などに搭載される車載用電力変換装置であれば筐体３９を車両本体に接地して車両本体と同電位にするとともに、パワーモジュール４０の高圧端子部４０１と、平滑コンデンサ３７の高圧端子部３７１とを、筐体３９の底面３９２と冷却器４２との間に配置する。これにより、ノイズ源となる高圧端子部４０１，３７１が、筐体３９の底面３９２と作る容量結合の大きさをバランスさせることができ、コモンモードノイズの大きさを低減させることができる。すなわち、平滑コンデンサ３７やパワーモジュール４０などの強電部品が筐体３９との間で形成する容量結合がアンバランスであるとコモンモードノイズが発生するという問題があるが、本例では、パワーモジュール４０や平滑コンデンサ３７といった強電部品の電流を通電させる高圧端子部４０１及び接続部３７２の、直流電源１０のＰ端子（正極）に接続される側の高圧端子部と、Ｎ端子（負極）に接続される側の高圧端子部とのそれぞれが、電位の基準となる筐体３９との間で形成する容量結合の大きさがバランスするので、駆動時に生じるコモンモードノイズの大きさを低減させることが可能となる。 In addition, in the inverter 30 of the present example, in the case of a vehicle-mounted power conversion device mounted in an electric vehicle or the like, the housing 39 is grounded to the vehicle body so as to have the same potential as the vehicle body, and the high voltage terminal portion 401 of the power module 40. And the high-voltage terminal portion 371 of the smoothing capacitor 37 are arranged between the bottom surface 392 of the housing 39 and the cooler 42. This makes it possible to balance the magnitude of capacitive coupling created by the high-voltage terminal portions 401 and 371, which are noise sources, with the bottom surface 392 of the housing 39, and reduce the magnitude of common mode noise. That is, there is a problem that common mode noise occurs when the capacitive coupling formed between the high-power components such as the smoothing capacitor 37 and the power module 40 with the housing 39 is unbalanced. However, in this example, the power module 40 is used. Of the high-voltage terminal portion 401 and the connection portion 372 for energizing the current of high-power components such as the smoothing capacitor 37 and the smoothing capacitor 37, and the high-voltage terminal portion on the side connected to the P terminal (positive electrode) of the DC power supply 10 and the N terminal (negative electrode). Since the magnitude of the capacitive coupling formed between each of the high-voltage terminal portions on the side of the drive circuit and the housing 39 that serves as a reference for the potential is balanced, the magnitude of common mode noise generated during driving can be reduced. Becomes

また本例のインバータ３０では、冷却器４２の冷却面とパワーモジュール４０の被冷却面とをはんだ部４３によって熱的に接合し、パワーモジュール４０の被冷却面を冷却器４２の冷却面に対して鉛直方向下側に配置したので、必然的に重量のある平滑コンデンサ３７が筐体３９の底面３９２側に配置される。このため、筐体３９の重心が低くなって安定するので、平滑コンデンサ３７を支持するボス部を小さくすることができ、インバータ３０全体を小型化することができる。ちなみに、冷却効果を得るパワーモジュール４０の被冷却面と冷却器４２の冷却面との接合には、上述したとおりはんだなどの金属接合がされていることが望ましく、またパワーモジュール４０は樹脂で封止成形されたトランスファモールドタイプであることが望ましい。この場合、パワーモジュール４０は、パワーモジュール内部に絶縁基板を内在したものであっても、絶縁基板を内在せず冷却器４２とパワーモジュール４０との間に絶縁基板を介在させるものであっても、ともに冷却効果を得ることができる。この種の絶縁基板は、窒化珪素やアルミナなどの材料により構成される基板が望ましいが、これに限定される趣旨ではない。また、はんだ部４３の接合に用いるはんだ材料は、パワーモジュール４０の内部に使用されているものと比較して融点が低いものであることが実装工程上、望ましいといえる。 Further, in the inverter 30 of this example, the cooling surface of the cooler 42 and the cooled surface of the power module 40 are thermally joined by the solder portion 43, and the cooled surface of the power module 40 is connected to the cooling surface of the cooler 42. Therefore, the heavy-weight smoothing capacitor 37 is inevitably arranged on the bottom surface 392 side of the housing 39. Therefore, the center of gravity of the casing 39 is lowered and stabilized, so that the boss portion that supports the smoothing capacitor 37 can be made small, and the inverter 30 as a whole can be made compact. By the way, as described above, it is desirable that the cooling surface of the power module 40 and the cooling surface of the cooler 42 be joined by metal such as solder as described above, and the power module 40 is sealed with resin. It is preferable that the transfer mold is a statically molded transfer mold type. In this case, the power module 40 may have an insulating substrate inside the power module or may have no insulating substrate and the insulating substrate is interposed between the cooler 42 and the power module 40. Both can obtain a cooling effect. This type of insulating substrate is preferably a substrate made of a material such as silicon nitride or alumina, but is not limited to this. Further, it can be said that it is desirable in the mounting process that the solder material used for joining the solder portions 43 has a lower melting point than that used in the power module 40.

また本例のインバータ３０では、パワーモジュール４０の接続部４０２と平滑コンデンサ３７の接続部３７２は、図２に示すように右側面から導出される一方で、パワーモジュール４０の駆動信号入力端子部４０３は左側面から導出されている。すなわち、高圧電力が供給される接続部４０２，３７２と、そのノイズの影響を受ける駆動信号入力端子部４０３は、パワーモジュール４０の対向する両側面からそれぞれ導出されているので、接続部４０２，３７２が駆動信号入力端子部４０３に及ぼすノイズの影響を抑制することができる。 Further, in the inverter 30 of the present example, the connection portion 402 of the power module 40 and the connection portion 372 of the smoothing capacitor 37 are led out from the right side surface as shown in FIG. 2, while the drive signal input terminal portion 403 of the power module 40. Is derived from the left side. That is, since the connection portions 402 and 372 to which high-voltage power is supplied and the drive signal input terminal portion 403 affected by the noise thereof are derived from the opposite side surfaces of the power module 40, respectively, the connection portions 402 and 372. The influence of noise on the drive signal input terminal portion 403 can be suppressed.

さらに本例のインバータ３０では、パワーモジュール４０の接続部４０２及び平滑コンデンサ３７の接続部３７２は図２に示すように下側に向かって折り曲げられる一方で、駆動信号入力端子部４０３は上側に向かって折り曲げられている。すなわち、パワーモジュール４０の接続部４０２及び平滑コンデンサ３７の接続部３７２と、駆動信号入力端子部４０３は互いに逆方向に折り曲げて導出されているので、接続部４０２，３７２及び駆動信号入力端子部４０３それぞれが作る磁界の渦が平面状で重なることがなくなり、これによっても接続部４０２，３７２が駆動信号入力端子部４０３に及ぼすノイズの影響を低減させることができる。 Further, in the inverter 30 of this example, the connection portion 402 of the power module 40 and the connection portion 372 of the smoothing capacitor 37 are bent downward as shown in FIG. 2, while the drive signal input terminal portion 403 is directed upward. Is bent. That is, since the connection portion 402 of the power module 40, the connection portion 372 of the smoothing capacitor 37, and the drive signal input terminal portion 403 are led out by being bent in opposite directions, the connection portions 402 and 372 and the drive signal input terminal portion 403. The vortices of the magnetic fields created by them do not overlap each other in a planar shape, and this also reduces the influence of noise that the connection portions 402 and 372 exert on the drive signal input terminal portion 403.

また本例のインバータ３０では、パワーモジュール４０の接続部４０２及び平滑コンデンサ３７の接続部３７２は図２に示すように下側に向かって折り曲げられる一方で、冷却器４２の冷却面は水平に延在している。これにより、パワーモジュール４０の接続部４０２と平滑コンデンサ３７の接続部３７２とをボルト４４で締め付けた時に生じる応力が、パワーモジュール４０の被冷却面と冷却器４２の冷却面との接合面であるはんだ部に及ぼす影響を低減させることができる。その結果、はんだ部４３の接合面にクラックが生じるなどの不具合が抑制され、熱性能がよい冷却構造を有するインバータ３０を提供することができる。 In addition, in the inverter 30 of this example, the connection portion 402 of the power module 40 and the connection portion 372 of the smoothing capacitor 37 are bent downward as shown in FIG. 2, while the cooling surface of the cooler 42 extends horizontally. Existence As a result, the stress generated when the connection portion 402 of the power module 40 and the connection portion 372 of the smoothing capacitor 37 are tightened with the bolts 44 is the joint surface between the cooled surface of the power module 40 and the cooling surface of the cooler 42. The influence on the solder part can be reduced. As a result, it is possible to provide the inverter 30 having a cooling structure that suppresses defects such as cracks on the joint surface of the solder portion 43 and has good thermal performance.

また本例のインバータ３０では、図３に示すように、６つのパワーモジュール４０は冷却器４２の冷却面に一列に配置されているので、複数のパワーモジュール４０を有する場合であっても、高圧電力が供給されるパワーモジュール４０の接続部４０２と、この影響を受ける駆動信号入力端子部４０３とが冷却器４２を隔てて分離されることになる。これにより、接続部４０２，３７２が駆動信号入力端子部４０３に及ぼすノイズの影響を低減することができる。 Further, in the inverter 30 of this example, as shown in FIG. 3, since the six power modules 40 are arranged in a line on the cooling surface of the cooler 42, even if a plurality of power modules 40 are provided, high voltage The connection portion 402 of the power module 40 to which power is supplied and the drive signal input terminal portion 403 affected by this are separated by the cooler 42. As a result, the influence of noise exerted on the drive signal input terminal portion 403 by the connection portions 402 and 372 can be reduced.

《第２実施形態》
図４は、第２実施形態に係るインバータ３０の筐体３９の内部を示す正面図である。本例のインバータ３０は、上述した第１実施形態のインバータ３０に比べ、筐体３９に対する平滑コンデンサ３７、パワーモジュール４０、冷却器４２及び回路基板４１の配置順序が異なる。すなわち、本例のインバータ３０では、筐体３９の底面３９２から上方に向かって、回路基板４１、冷却器４２、パワーモジュール４０、平滑コンデンサ３７の順に積層して配置されている。また、上述した第１実施形態のパワーモジュール４０はトランスファモールドで構成したが、本例のパワーモジュール４０はパッケージ型モジュールで構成されている点で異なる。その他の構成については上述した第１実施形態と同様であるためその説明をここに援用する。 <<Second Embodiment>>
FIG. 4 is a front view showing the inside of the housing 39 of the inverter 30 according to the second embodiment. The inverter 30 of this example is different from the above-described inverter 30 of the first embodiment in the arrangement order of the smoothing capacitor 37, the power module 40, the cooler 42, and the circuit board 41 with respect to the housing 39. That is, in the inverter 30 of this example, the circuit board 41, the cooler 42, the power module 40, and the smoothing capacitor 37 are laminated in this order from the bottom surface 392 of the housing 39 upward. Further, the power module 40 of the above-described first embodiment is configured by transfer molding, but the power module 40 of this example is different in that it is configured by a package type module. Since other configurations are similar to those of the above-described first embodiment, the description thereof is incorporated herein.

本例のパッケージ型パワーモジュール４０は、図４に示すようにパッケージング４０４内に半導体チップ４０５が内蔵され、当該半導体チップ４０５の端子がパッケージング４０４から露出する高圧端子部４０１に接続され、さらにパッケージング４０４の内部が絶縁性ゲル材４０６によって封止されている。本例のパッケージ型パワーモジュール４０と冷却器４２との接合は、第１実施形態と同様にはんだ部４３にて接合してもよいし、これに代えてグリースを用いていてもよい。なお、パッケージ型パワーモジュール４０の被冷却面が絶縁されている場合を除いては、パワーモジュール４０と冷却器４２との間に、絶縁性を有する窒化珪素やアルミナなどの絶縁基板やシリコンシートなどの絶縁材を介在させる必要がある。 In the packaged power module 40 of this example, a semiconductor chip 405 is built in a packaging 404 as shown in FIG. 4, and the terminals of the semiconductor chip 405 are connected to a high voltage terminal portion 401 exposed from the packaging 404. The inside of the packaging 404 is sealed with an insulating gel material 406. The package type power module 40 of this example and the cooler 42 may be joined by the solder portion 43 as in the first embodiment, or grease may be used instead of this. Except when the surface to be cooled of the package type power module 40 is insulated, an insulating substrate such as silicon nitride or alumina having an insulating property or a silicon sheet is provided between the power module 40 and the cooler 42. It is necessary to interpose the insulating material.

本例のインバータ３０では、上述した第１実施形態と同様に、直流電源１０からの高圧電力が供給される平滑コンデンサ３７と、同じく高圧電力が供給されるパワーモジュール４０を、電磁波シールド性に富んだ材料で構成された冷却器４２の上面側に配置する一方で、電磁波ノイズの影響を受け易い駆動回路部品が実装された回路基板４１を冷却器４２の下面側に配置する。これにより、平滑コンデンサ３７又はパワーモジュール４０にて強電による電磁波ノイズが発生しても、これが冷却器４２によって反射または吸収されるので、回路基板４１に実装された駆動回路部品への影響を抑制することができ、駆動回路の誤作動を低減することができる。 In the inverter 30 of this example, the smoothing capacitor 37 to which the high-voltage power is supplied from the DC power supply 10 and the power module 40 to which the high-voltage power is similarly supplied have a high electromagnetic wave shielding property as in the first embodiment. While being arranged on the upper surface side of the cooler 42 made of the same material, the circuit board 41 on which the drive circuit components susceptible to electromagnetic noise are mounted is arranged on the lower surface side of the cooler 42. As a result, even if electromagnetic noise due to strong electric power is generated in the smoothing capacitor 37 or the power module 40, this is reflected or absorbed by the cooler 42, so that the influence on the drive circuit components mounted on the circuit board 41 is suppressed. Therefore, the malfunction of the drive circuit can be reduced.

《第３実施形態》
図５は、第３実施形態に係るインバータ３０の筐体３９の内部を示す正面図である。本例のインバータ３０は、上述した第１実施形態のインバータ３０に比べ、パワーモジュール４０と平滑コンデンサ３７が冷却器４２の上面に沿って並んで配置されている点が異なる。また、冷却器４２は、その電位が筐体３９の電位に対して異なる電位になるように配置されている点が異なる。さらに、筐体３９の底面３９２から上方に向かって、回路基板４１、冷却器４２、パワーモジュール４０及び平滑コンデンサ３７の順に積層して配置されている点が相違する。その他の構成については上述した第１実施形態と同様であるためその説明をここに援用する。 <<Third Embodiment>>
FIG. 5 is a front view showing the inside of the housing 39 of the inverter 30 according to the third embodiment. The inverter 30 of the present example is different from the inverter 30 of the first embodiment described above in that the power module 40 and the smoothing capacitor 37 are arranged side by side along the upper surface of the cooler 42. Further, the cooler 42 is different in that the cooler 42 is arranged such that its potential is different from that of the casing 39. Further, the circuit board 41, the cooler 42, the power module 40, and the smoothing capacitor 37 are stacked in this order from the bottom surface 392 of the housing 39 upward, and are different. Since other configurations are similar to those of the above-described first embodiment, the description thereof is incorporated herein.

本例のインバータ３０では、平滑コンデンサ３７とパワーモジュール４０とを冷却器４２の上面に沿って並べて配置するため、上述した第１実施形態や第２実施形態のインバータ３０に比べてより高い冷却効果を得ることができる。その結果、インバータ３０の熱性能が向上し、部品の小型化が可能となる。 In the inverter 30 of the present example, the smoothing capacitor 37 and the power module 40 are arranged side by side along the upper surface of the cooler 42, so that a higher cooling effect than the inverter 30 of the above-described first embodiment or second embodiment is provided. Can be obtained. As a result, the thermal performance of the inverter 30 is improved and the parts can be downsized.

また本例のインバータ３０において、パワーモジュール４０は、その放熱性能を向上させるためにはんだ部４３を介して冷却器４２と接合されるが、これにより、高圧端子部４０１と冷却器４２との距離は、高圧端子部４０１と筐体３９との距離よりも小さくなる。そのため、冷却器４２が筐体３９と同電位であると、冷却器４２とパワーモジュール４０又は平滑コンデンサ３７の高圧端子部４０１，３７１によって形成される容量結合に差が生じコモンモードノイズが発生するという問題がある。そこで、本例のインバータ３０では、冷却器４２が筐体３９と同電位にならないように、冷却器４２と筐体３９とを電気的に絶縁して機械的に締結することで、コモンモードノイズの影響を低減させることが可能となる。 Further, in the inverter 30 of the present example, the power module 40 is joined to the cooler 42 via the solder portion 43 in order to improve the heat dissipation performance thereof, and thus the distance between the high voltage terminal portion 401 and the cooler 42 is increased. Is smaller than the distance between the high voltage terminal portion 401 and the housing 39. Therefore, when the cooler 42 has the same potential as the housing 39, a difference occurs in the capacitive coupling formed by the cooler 42 and the high-voltage terminal portions 401 and 371 of the power module 40 or the smoothing capacitor 37, and common mode noise occurs. There is a problem. Therefore, in the inverter 30 of the present example, the cooler 42 and the housing 39 are electrically insulated and mechanically fastened to each other so that the cooler 42 does not have the same potential as the housing 39. It is possible to reduce the influence of.

上記インバータ３０は本発明に係る電力変換装置に相当する。 The inverter 30 corresponds to the power conversion device according to the present invention.

１…モータ制御システム
１０…直流電源
２０…交流負荷
３０…インバータ（電力変換装置）
３１，３３，３５…上アーム回路
３２，３４，３６…下アーム回路
Ｑ１〜Ｑ６…スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６…ダイオード
Ｐ，Ｎ…電源線
３７…平滑コンデンサ
３７１…高圧端子部
３７２…接続部
３８…コントローラ
３９…筐体
３９１…側面
３９２…底面
４０…パワーモジュール
４０１…高圧端子部
４０２…接続部
４０３…駆動信号入力端子部
４０４…パッケージング
４０５…半導体チップ
４０６…ゲル材
４１…回路基板
４２…冷却器
４３…はんだ部 1... Motor control system 10... DC power supply 20... AC load 30... Inverter (power converter)
31, 33, 35... Upper arm circuits 32, 34, 36... Lower arm circuits Q1-Q6... Switching elements D1-D6... Diodes P, N... Power supply line 37... Smoothing capacitor 371... High-voltage terminal part 372... Connection part 38... Controller 39... Housing 391... Side surface 392... Bottom surface 40... Power module 401... High voltage terminal portion 402... Connection portion 403... Drive signal input terminal portion 404... Packaging 405... Semiconductor chip 406... Gel material 41... Circuit board 42... Cooling Container 43... Solder part

Claims

A power module including at least one power semiconductor;
A smoothing capacitor electrically connected to the power module,
A circuit board on which drive circuit components for driving the power semiconductor are mounted,
A cooler for cooling the power module,
In a power conversion device having a bottom surface and a side surface, and a housing that houses the power module, the smoothing capacitor, the circuit board, and the cooler ,
The high-voltage terminal portion of the power module and the high-voltage terminal portion of the smoothing capacitor are superposed along the main surfaces of the power module and the smoothing capacitor ,
A high-voltage terminal portion of the power module and a high-voltage terminal portion of the smoothing capacitor are arranged between the bottom surface of the housing and the cooler,
A power converter in which the cooler is electrically insulated from the housing .

The circuit board is arranged on the first surface side of the cooler, and the power module and the smoothing capacitor are arranged on the second surface side of the cooler opposite to the first surface side. The power converter according to.

The power conversion device according to claim 2, wherein the power module is arranged between the cooler and the smoothing capacitor.

The cooling surface of the cooler and the cooled surface of the power module are in thermal contact with each other,
Power converter according to any one of claims 1 to 3 disposed vertically lower side of the cooling surface of the cooling surface said cooler of said power module.

The power module has a connection portion for connecting to a high voltage terminal portion of the smoothing capacitor, and a drive signal input terminal portion for inputting a drive signal to the power semiconductor from the circuit board,
Wherein the drive signal input terminal portion and the connecting portion, a power converter according to any one of claims 1 to 4 which is derived from each of opposite surfaces of the power module.

The power conversion device according to claim 5 , wherein the connection portion and the drive signal input terminal portion are led out by bending in opposite directions.

The power conversion device according to claim 5 or 6 , wherein the connecting portion is bent in a direction non-parallel to the cooling surface of the cooler.

The power converter according to any one of claims 1 to 7, wherein the cooler is arranged such that its potential is different from that of the casing.

Has multiple power modules,
Wherein the plurality of power modules, a power converter according to any one of claims 1 to 8 arranged in a row in the cooling surface of the cooler.