JP2007151331A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工作コストの低減を図りつつ、平滑用コンデンサ基板と直流入力配線との接続部の発熱を抑制できる、信頼性の高い電力変換装置を得る
【解決手段】スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子２と、スイッチング素子を駆動する駆動回路部４と、スイッチング素子に供給する直流電源６の電圧変動を抑制する平滑用コンデンサ８と、駆動回路部に制御信号を出力してスイッチング素子を制御する制御回路部５とを備えた電力変換装置において、平滑用コンデンサ８を実装した平滑用コンデンサ基板２０の正極（Ｐ）及び負極（Ｎ）の各直流入力配線接続部に金属クリップ２３を取り付け、金属クリップ２３を介して、直流電源６へ接続される直流入力配線１４に、平滑用コンデンサ基板２０の各直流入力配線接続部を接続するよう構成した。
【選択図】図２

Description

この発明は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を備えた電力変換装置に関するものである。

直流電源を三相交流に変換して三相交流モータ等の交流負荷を駆動する従来の電力変換装置の一例として、例えば、特開２０００−３３３４７６号公報（以下、特許文献１と称す。）に示されるものがある。この特許文献１に示される電力変換装置は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子と、このスイッチング素子を駆動する駆動回路部と、スイッチング素子に供給する電源の電圧変動を抑制する平滑用コンデンサと、駆動回路部に制御信号を出力してスイッチング素子を制御する制御回路部とを備えて構成されている。具体的な部品の構成例としては、例えば、主要部はケース内にスイッチングパワーモジュールとして収納されており、このスイッチングパワーモジュールは、銅などで構成されたベース上に、スイッチング素子及びフリーホイールダイオードを搭載するセラミック基板等の絶縁基板が配置され、これらを収納する樹脂部が同じくベース上に形成され、この樹脂部には、直流入力配線（Ｐ、Ｎ）と交流出力配線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）と駆動制御回路基板接続配線とがインサート成形されている。セラミック基板の上方に、平滑用コンデンサを実装した平滑用コンデンサ基板が配置され、樹脂部にインサート成形された直流入力配線（Ｐ、Ｎ）の接続部に、ねじ止めにより電気的に接続されている。更にその上部には、駆動回路部及び制御回路部が両面に組み込まれた駆動制御回路基板が、樹脂部にインサート成形された駆動制御回路基板接続配線に半田付けによって固定されて構成されている。

特開２０００−３３３４７６号公報

上述の特許文献１に示された従来の電力変換装置では、平滑用コンデンサ基板と樹脂部にインサート成形された直流入力配線との接続部は、ねじによって直接平滑用コンデンサ基板を直流入力配線に締め付けて固定されている。通常、この接続部分には数十Ａ程度の大電流が流れる場合があるので、この発熱により、長期間使用しているうちに平滑用コンデンサ基板の樹脂部が劣化して、ねじの締め付けトルクが低下してくる場合がある。
ねじの締め付けトルクが低下すると、締付部で異常発熱を起こし、それが更に樹脂部の劣化を促進させるという問題点があった。

また、このような従来技術の課題を解決するために、本出願人は、平滑用コンデンサ基板の正極（Ｐ）直流入力配線接続部及び負極（Ｎ）直流入力配線接続部に金属ブッシュを取り付けるという技術を提案している（特願２００４−１４５１４１、出願日：２００４年５月１４日）が、これにおいても、金属ブッシュの圧入作業や半田付け作業等の工作作業に時間を要するため、工作コストがかかるという問題点がある。

この発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたものであり、工作コストの低減を図りつつ、平滑用コンデンサ基板と直流入力配線との接続部の発熱を抑制できる、信頼性の高い電力変換装置を得ることを目的としている。

この発明に係わる電力変換装置は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路部と、前記スイッチング素子に供給する直流電源の電圧変動を抑制する平滑用コンデンサと、前記駆動回路部に制御信号を出力して前記スイッチング素子を制御する制御回路部とを備えた電力変換装置において、前記平滑用コンデンサを実装した平滑用コンデンサ基板の正極及び負極の各直流入力配線接続部に金属クリップを取り付け、該金属クリップを介して、前記直流電源へ接続される直流入力配線に、前記各直流入力配線接続部を接続し、前記平滑用コンデンサと前記スイッチング素子間の導通を可能としたものである。

この発明の電力変換装置によれば、平滑用コンデンサ基板の正極（Ｐ）及び負極（Ｎ）の各直流入力配線接続部を、金属クリップを介して直流入力配線に接続するようにしたので、長期間使用しても平滑用コンデンサ基板の樹脂部が劣化してねじの締め付けトルクが低下してしまうことがなく、従って、この接続部分で異常発熱を起こすのを防止することができると共に、圧入作業や半田付け作業等を必要としていた金属ブッシュ取り付け構造と比較して、工作性に優れ、工作コストの低減が可能となる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１の電力変換装置を、図１〜図４を参照して説明する。なお、図中同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。
図１はこの発明の実施の形態１による電力変換装置の回路ブロック図である。
図１に示すように、実施の形態１の電力変換装置は、スイッチング動作により電力変換を行うスイッチング素子２を有するスイッチングパワーモジュール１を備えており、直流電源６からの直流電力を三相交流に変換して三相交流モータ等の三相交流負荷７に供給するものである。
これを電気自動車に利用した場合を例にとると、車両を始動または加速する際には、バッテリである直流電源６の放電出力を直流から三相交流に変換して三相交流モータである交流負荷７を駆動する。また、車両を回生制動する際には、交流負荷７からの回生電力を三相交流から直流に変換してバッテリである直流電源６に戻す。

スイッチングパワーモジュール１は、直流から三相交流へ電力変換を行うトランジスタやＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子２と、このスイッチング素子２に逆並列接続され、三相交流から直流へ電力変換を行うフリーホイールダイオード３との組が２組直列に接続されて１アームをなし、三相分として３アームでひとつのブリッジを構成している。そして、アームの一端が直流電源６の正極（Ｐ）に、他端が負極（Ｎ）に接続され、直列接続された二つのスイッチング素子２の接続点が、交流出力の端子となっている。
また、スイッチング素子２に供給する直流電源６の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑する平滑用コンデンサ８が直流電源６に並列に接続されている。
更に、スイッチング素子２を駆動する駆動回路部４と、駆動回路部４に制御信号を出力してスイッチング素子２を制御する制御回路部５とを備えている。
なお、駆動回路部４及び制御回路部５は、三相交流モータ等の交流負荷７を駆動及び制御する一般的な回路であるため、詳細図示及び説明は省略する。

図２は、図１の電力変換装置の内部構成を示す断面図である。
図２において、ケース９内のスイッチングパワーモジュール１は、例えば銅で構成されたベース板１２と、このベース板１２上に設けられてスイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３を搭載するセラミック等でできた絶縁基板１３と、ベース板１２上に設けられて絶縁基板１３を収納する樹脂部２１と、樹脂部２１にインサート成型された直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）、交流出力配線１５（Ｕ、Ｖ、Ｗ）、及び駆動制御回路基板接続配線１６と、駆動回路部４と制御回路部５が両面に組み込まれた駆動制御回路基板１０と、絶縁基板１３と駆動制御回路基板１０との間に取り付けられ、平滑用コンデンサ８を実装した平滑用コンデンサ基板２０と、絶縁基板１３と平滑用コンデンサ基板２０との間に充填されたシリコン系ゲルからなるゲル状充填材１８とを備えている。

このゲル状充填材１８は、湿気や塵埃などによりスイッチング素子２が故障または誤動作しないように、スイッチング素子２、フリーホイールダイオード３及び接続導体１７を保護する役目を持っている。

ケース９には、空冷、水冷、油冷等でスイッチング素子２を冷却する冷却部材１９が取り付けられている。スイッチング素子２から発生するジュール熱は、絶縁基板１３及びベース１６を介して冷却部材１９に放熱されて、スイッチング素子２は冷却される。

なお、スイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３は、図では１組のみ見えているが、２組を１セットとして、図の紙面に垂直方向にＵ、Ｖ、Ｗと三相分並置されており、これに対応する平滑用コンデンサ８と平滑用コンデンサ基板２０に接続される直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）とが、同じく三相分、交流出力Ｕ、Ｖ、Ｗ各相に対応させて紙面に垂直方向に分割配置されている。また、直流入力配線１４は、平滑用コンデンサ基板２０との接続部では各相に分割配置されているが、樹脂部２１の内部で組み替えて、スイッチングパワーモジュール１の端子として外部に現れる部分ではＰとＮの２端子としてよい。

スイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３は、ベース板１２上に設けられた導体パターン付きの絶縁基板１３に、半田等の接着部材で固定されている。
直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）、交流出力配線１５（Ｕ、Ｖ、Ｗ）及び駆動制御回路基板接続配線１６は、ワイヤボンディング等の接続導体１７により、スイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３と接続されている。また、駆動制御回路基板１０と駆動制御回路基板接続配線１６とは、半田等にて電気的に接続されている。

平滑用コンデンサ８は、複数個のコンデンサが並列接続されて構成されている。これら複数個のコンデンサは平滑用コンデンサ基板２０の絶縁基板１３側の面に実装されている。尚、コンデンサとしてはセラミックコンデンサやフィルムコンデンサ、アルミ電解コンデンサ等を使用する。

また、平滑用コンデンサ８はジュール熱により自己発熱するので、この発熱を放熱させるために、平滑用コンデンサ基板２０の、平滑用コンデンサ８の実装面とは反対側の面に、銅ベタパターンを設けている。実際に電流を流したときに、電流が集中する平滑用コンデンサ基板２０の直流入力配線接続部には比較的大きな熱が発生するが、この熱も銅ベタパターンにより放熱させることができる。また、この銅ベタパターンは、直流電源のＧＮＤ（Ｎ）に電気的に接続し、直流電源ＧＮＤ（Ｎ）の全面アースにすることで、電力変換時にスイッチング素子２から発生する放射ノイズを駆動回路部５及び制御回路部６に伝達させない、電磁シールド板の役目も兼ねている。

次に、この発明の実施の形態１の主要部である平滑用コンデンサ基板２０の取り付け部について図３、図４を用いて説明する。
平滑用コンデンサ基板２０の正極（Ｐ）直流入力配線接続部及び負極（Ｎ）直流入力配線接続部には、基板クリープによる軸力低下防止と、平滑用コンデンサ基板２０−直流入力配線１４間に流れる大電流対応のため、金属クリップ２３が取り付けられている。
図３は金属クリップ２３の形状の一例を示す図である。
図３の形状例では、金属クリップ２３は、平滑用コンデンサ基板２０の各正極（Ｐ）直流入力配線接続部及び各負極（Ｎ）直流入力配線接続部を挟み込むと同時に、金属クリップ２３に設けられた円筒部分２３ａが、平滑用コンデンサ基板裸穴２８に通される。
また、金属クリップ２３に設けられた突起部２３ｂは、平滑用コンデンサ基板２０に形成されたスルーホール２９に圧接され、金属クリップ２３のがたつき防止と、平滑用コンデンサ基板２０の正極（Ｐ）直流入力配線接続部及び負極（Ｎ）直流入力配線接続部と、金属クリップ２３との電気的接続を図っている。

平滑用コンデンサ基板２０と直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）との固定は、金属クリップ２３に設けられた円筒部分２３ａにねじ１１を通し、このねじ１１を直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）のねじ部、および／または、樹脂部２１にねじ締めすることにより固定される。
このようにして、平滑用コンデンサ８は、平滑用コンデンサ基板２０の正極（Ｐ）直流入力配線接続部及び負極（Ｎ）直流入力配線接続部に取り付けられた金属クリップ２３を介して、直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）と電気的に接続される。
図４は、図３に示す金属クリップを平滑用コンデンサ基板２０に取り付けた状態を示す図である。

以上のように、この発明の実施の形態１の電力変換装置によれば、平滑用コンデンサを実装した平滑用コンデンサ基板の正極（Ｐ）側及び負極（Ｎ）側の各直流入力配線接続部に金属クリップを取り付けて、平滑用コンデンサ基板を直接ねじで締め付けるのではなく、金属クリップを介して直流入力配線に接続するようにしたので、長期間使用しても平滑用コンデンサ基板の樹脂部が劣化してねじの締め付けトルクが低下することがなく、従って、この部分で異常発熱を起こすのを防止することができると共に、従来の、圧入作業や半田付け作業等を必要としていた金属ブッシュ取り付け構造と比較して、工作性に優れ工作コストの低減が可能な、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。

また、平滑用コンデンサ基板に実装する平滑用コンデンサと、平滑用コンデンサ基板に接続される直流入力配線とを、交流出力の各相に対応させて分割配置したので、交流出力Ｕ、Ｖ、Ｗ各相でのスイッチング素子と平滑用コンデンサとの配線インダクタンスが大幅に低減され、スイッチング時に発生するサージを大幅に抑制することができる。
また、スイッチング時に流れる過渡電流の経路が最短になるため、スイッチングノイズも低減される。

更にまた、平滑用コンデンサ基板に銅ベタパターンを形成し、この銅ベタパターンにより金属クリップの取り付け部に発生する熱を放熱させるようにしたので、使用時に平滑用コンデンサからの発熱や金属クリップ取り付け部での発熱を、簡単な構成で放熱させることができる。
また、この銅ベタパターンは直流電源のＧＮＤ（Ｎ）側に接続されているので、電磁シールドとしての効果も期待できる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２について、図５、図６を用いて説明する。
図５はこの発明の実施の形態２における電力変換装置の内部構成を示す断面図、図６はリードタイプの平滑用コンデンサを実装する平滑用コンデンサ基板の一例を示すである。
なお、図中、図１〜図４との同一符号は、同一または相当部分を示し、詳細説明は省略する。
実施の形態２の電力変換装置は、平滑用コンデンサをスイッチング素子の上方に重ねて配置するのではなく、横方向に並べた場合の構成例であり、スイッチング素子部をモジュール化したものを示している。平滑用コンデンサの種類が、例えばフィルムコンデンサのような場合は、一般的にセラミックコンデンサよりサイズが大きいので、そのような場合の配置構成の一例である。

図５において、トランスファパワーモジュール２４は、ベース板１２上に絶縁基板１３を介してスイッチング素子２及びフリーホイールダイオード３を搭載し、これらの素子とトランスファパワーモジュール直流入力配線２６（Ｐ、Ｎ）及びトランスファパワーモジュール交流出力配線２７（Ｕ、Ｖ、Ｗ）及び駆動制御回路基板接続配線１６とを接続導体１７にて接続し、これら全体を樹脂部２１にてインサート成型したものである。
このトランスファパワーモジュール２４には、１相分の素子、配線が内蔵されており、本電力変換装置では、Ｕ、Ｖ、Ｗ相に各１個使用するため、３個のトランスファパワーモジュール２４が搭載される。

シールド板２５は、電力変換時にトランスファパワーモジュール２４内の素子から発生する放射ノイズを駆動回路部４及び制御回路部５に伝達させないようにするとともに、ねじ１１を使用してトランスファパワーモジュール２４を均一に押さえる役目を持ち、これによりトランスファパワーモジュール２４で発生する熱を冷却部材１９に確実に伝達させ、放熱させるようにしている。

平滑用コンデンサ８は、複数個のリードタイプのコンデンサが並列接続されて構成されている。なお、図では、例えばフィルムコンデンサのように、実施の形態１に比べてサイズが大きいコンデンサを例示しているが、平滑用コンデンサの種類としては、セラミックコンデンサやアルミ電解コンデンサ等でもよい。

図６は平滑用コンデンサ基板２０の平面図であり、図５に示す平滑用コンデンサ基板２０の上面を上方から見た図を、９０度時計方向へ回転させて拡大表示したものである。
図中に一点鎖線で示す矩形部は平滑用コンデンサ８の実装位置であり、リード取り付け部２０ａにコンデンサのリード部が取り付けられる。また、網掛けで示す部分は基板配線パターン２０ｂである。
基板の片面に正極（Ｐ）、反対面に（図示を省略しているが）負極（Ｎ）の基板配線パターンを形成しており、電流容量の確保と配線インダクタンスの低減のため、面積の広い銅のベタパターンで形成している。

また、先に説明したように、トランスファパワーモジュール２４は三相分並置されているので、平滑用コンデンサ８もそれに対応させて図のように三相に分割配置し、また、直流入力配線接続部（Ｐ，Ｎ）も三相に分割配置している。
従って、図５には現れていないが、平滑用コンデンサ基板２０の直流入力配線接続部（Ｐ，Ｎ）に接続される直流入力配線１４も、交流出力Ｕ、Ｖ、Ｗ各相に対応させて分割配置している。但し、インサート成型している樹脂部２１の内部で組み替えて、スイッチングパワーモジュール１の端子として外部に現れる部分ではＰとＮの２端子としてよい。

この実施の形態２の特徴とするところは、実施の形態１と同様に、平滑用コンデンサ基板２０の正極（Ｐ）及び負極（Ｎ）の各直流入力配線接続部に、基板クリープによる軸力低下防止と、平滑用コンデンサ基板２０−トランスファパワーモジュールの直流入力配線２６間に流れる大電流対応のため、金属クリップ２３を設けている点である。

この金属クリップ２３の形状及び平滑用コンデンサ基板２０への取り付け方法は、上述の実施の形態１の図３、図４と同様である。
すなわち、金属クリップ２３に設けられた円筒部分２３ａが平滑用コンデンサ基板裸穴２８に通される。また、金属クリップ２３に設けられた突起部２３ｂが平滑用コンデンサ基板スルーホール２９に圧接され、金属クリップ２３のがたつき防止と、平滑用コンデンサ基板２０の正極（Ｐ）直流入力配線接続部及び負極（Ｎ）直流入力配線接続部と、金属クリップ２３との電気的接続を図っている。

平滑用コンデンサ基板２０と、トランスファパワーモジュールの直流入力配線２６（Ｐ、Ｎ）及び直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）との固定は、金属クリップ２３に設けられた円筒部分２３ａにねじ11を通し、このねじ１１によって、トランスファパワーモジュール２４の直流入力配線２６と共に、樹脂部２１にインサート成型された直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）へねじ締めする。あるいは、ねじ１１を、トランスファパワーモジュール２４の直流入力配線２６と直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）のねじ部を通して、樹脂部２１にねじ締めすることにより固定する。
これによって、平滑用コンデンサ８は、平滑用コンデンサ基板２０の正極（Ｐ）直流入力配線接続部及び負極（Ｎ）直流入力配線接続部に取り付けられた金属クリップ２３により、トランスファパワーモジュールの直流入力配線２６（Ｐ、Ｎ）及び直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）と電気的に接続される。

以上のように、平滑用コンデンサをスイッチング素子の横方向に並べて配置した実施の形態２の電力変換装置においても、実施の形態１と同様に、平滑用コンデンサ基板を直接ねじで締め付けるのではなく、金属クリップを介して直流入力配線に接続するようにしたので、長期間使用しても平滑用コンデンサ基板の樹脂部が劣化してねじの締め付けトルクが低下することがなく、従って、この部分で異常発熱を起こすのを防止することができると共に、従来、必要としていた金属ブッシュの圧入作業や半田付け作業等を不要とし、工作性に優れ工作コストの低減が可能な、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。

また、平滑用コンデンサ基板２０に実装する平滑用コンデンサ８と、平滑用コンデンサ基板２０に接続される直流入力配線１４（Ｐ、Ｎ）とを交流出力Ｕ、Ｖ、Ｗ各相に分割配置することにより、交流出力Ｕ、Ｖ、Ｗ各相でのスイッチング素子２と平滑用コンデンサ８の配線インダクタンスが大幅に低減され、スイッチング時に発生するサージを大幅に抑制することができる。
また、スイッチング時に流れる過渡電流の経路が最短になるため、スイッチングノイズも低減することができる。

この発明は、電気自動車等の移動体に搭載するインバータなどの電力変換装置や、その他の電力変換装置に幅広く適用できる。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の回路ブロック図である。 図１の電力変換装置の内部構成を示す断面図である。 金属クリップの形状の一例を示す図である。 図３の金属クリップを平滑用コンデンサ基板に取り付けた状態を示す図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置の内部構成を示す断面図である。 リードタイプの平滑用コンデンサを実装する平滑用コンデンサ基板の一例を示す図である。

符号の説明

１：スイッチングパワーモジュール ２：スイッチング素子
３：フリーホイールダイオード ４：駆動回路部 ５：制御回路部
６：直流電源 ７：交流負荷 ８：平滑用コンデンサ ９：ケース
１０：駆動制御回路基板 １１：ねじ １２：ベース板
１３：絶縁基板 １４：直流入力配線 １５：交流出力配線
１６：駆動制御回路基板接続配線 １７：接続導体 １８：ゲル状充填材
１９：冷却部材 ２０：平滑用コンデンサ基板 ２１：樹脂部
２３：金属クリップ ２４：トランスファパワーモジュール
２５：シールド板 ２６：トランスファパワーモジュール直流入力配線
２７：トランスファパワーモジュール交流出力配線
２８：平滑用コンデンサ基板裸穴 ２９：平滑用コンデンサ基板スルーホール

Claims (5)

1. スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する駆動回路部と、前記スイッチング素子に供給する直流電源の電圧変動を抑制する平滑用コンデンサと、前記駆動回路部に制御信号を出力して前記スイッチング素子を制御する制御回路部とを備えた電力変換装置において、前記平滑用コンデンサを実装した平滑用コンデンサ基板の正極及び負極の各直流入力配線接続部に金属クリップを取り付け、該金属クリップを介して、前記直流電源へ接続される直流入力配線に、前記各直流入力配線接続部を接続し、前記平滑用コンデンサと前記スイッチング素子間の導通を可能としたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記金属クリップは、前記平滑用コンデンサ基板の直流入力配線接続部に形成された貫通穴に挿入される円筒部と、前記直流入力配線接続部を挟持する突起部を有し、前記円筒部を前記貫通穴に挿入後、該円筒部にねじを通し、該ねじが、前記直流入力配線、および／又は、前記直流入力配線をインサート成型した樹脂部に螺合して、前記平滑用コンデンサ基板と前記直流入力配線とを固定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記平滑用コンデンサ基板の各直流入力配線接続部にスルーホールが形成され、前記スルーホールに前記金属クリップの突起部が圧接されるよう構成したことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記平滑用コンデンサと、前記直流入力配線接続部に接続する直流入力配線とを、交流出力の相数に合わせて複数個用意し、前記交流出力の各相に対応させて分割配置したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記平滑用コンデンサ基板に銅ベタパターンを形成し、前記銅ベタパターンにより前記金属クリップの取り付け部に発生する熱を放熱させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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