JP2008079479A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサと電子回路ユニットの間のインダクタンスが増大してしまうことがない電力変換器を提供する。
【解決手段】電源に接続され、同軸配置された２つの端子からなる筒状端子部１３を有するコンデンサ１１と、モータ１６に接続され、筒状端子部１３を介して接続された複数のパワーデバイス１２とを有する。各パワーデバイス１２と筒状端子部１３の接続部からコンデンサ１１までのインダクタンスを均一にした。コンデンサ１１が、筒状端子部１３と、陰極と陽極を備え巻回して形成された誘電体部材１９と、陰極と陽極から筒状端子部１３を接続する電流リード２０と筒状端子部１３を固定する絶縁性の絶縁ホルダ２８と、絶縁ホルダ２８を固定するコンデンサケース１１ａを有し、−側電流リード及び＋側電流リードが、渦巻状又は円周状に交互に配置される。
【選択図】図１

Description

この発明は、電力変換器に関し、特に、自動車用電動駆動機を駆動するための電力変換器に関する。

従来、電力変換器である「半導体装置」（特許文献１参照）が知られている。この「半導体装置」は、円周上に配置されたバスバーと、このバスバー上の円周方向の複数箇所に配置され、半導体素子が搭載された複数の電子回路ユニットとを備え、この電子回路ユニットにバスバーを介して車載バッテリからの電流を供給するインバータ装置であって、各電子回路ユニットに上面に開口する円弧状のスリットをそれぞれ設け、この各スリットにリング状の補助バスバーを挿入してバスバーの面の上方に配置し、この補助バスバーをバスバーと共に車載バッテリからの電流供給経路とした。

つまり、円環状のバスバーを、電源又はバッテリからパワーモジュールまでの電流経路とすることにより、小型、且つ、低インダクタンスのインバータユニットを実現している。
特開２００５−００５４３１号公報

しかしながら、従来の「半導体装置」においては、コンデンサやパワートランジスタ等を含む電子回路ユニットの接続部の表面積が小さいため、コンデンサと電子回路ユニットの間のインダクタンスが増大してしまうことが避けられなかった。
この発明の目的は、コンデンサと電子回路ユニットの間のインダクタンスが増大してしまうことがない電力変換器を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明に係る電力変換器は、電源に接続され、同軸配置された２つの筒状端子部を有するコンデンサと、電動駆動機に接続され、前記筒状端子部を介して接続された複数のパワーデバイスとを有している。

この発明によれば、電源に接続されたコンデンサは、同軸配置された２つの筒状端子部を有し、この筒状端子部を介して、電動駆動機に接続された複数のパワーデバイスがコンデンサに接続される。このため、コンデンサと電子回路ユニットの間のインダクタンスが増大してしまうことがない。

以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
図１は、この発明の第１実施の形態に係る電力変換器の斜視図である。図１に示すように、電力変換器１０は、コンデンサ１１及び複数のパワーデバイス１２を有している。コンデンサ１１は、巻回された誘電体部材をコンデンサケース１１ａにより覆って円柱状に形成されており、軸方向一端側の端面に突設された円筒状の筒状端子部１３を有している。各パワーデバイス１２は、それぞれパワーデバイスＰＮ端子１４を有しており、このパワーデバイスＰＮ端子１４を介して、コンデンサ１１と接続されている。

各パワーデバイス１２の出力部であるパワーデバイス出力端子１５には、モータ１６が接続されており、電源（図示しない）から引き出された入力バスバー１７が、コンデンサ１１の入力端子１８に接続されている。電力変換器１０は、入力バスバー１７を介して入力した電力を変換してモータ１６へ出力し、モータ１６、例えば、自動車用電動駆動機を駆動する。
図２は、図１のコンデンサの内部構造を示す斜視説明図である。なお、図において、コンデンサのケースや蓋等は表示を省略しており、巻回された誘電体部材は実際より厚くし巻数も大幅に少なく表示している（図３，４，９においても同様である）。

図２に示すように、筒状端子部１３は、外側に位置するＰ側端子（外側端子）１３ａと、内側に位置するＮ側端子（内側端子）１３ｂを有しており、それぞれ内径が異なる円筒状に形成されて同軸に配置されている。つまり、コンデンサ１１と複数のパワーデバイス１２は、同軸配置された２つの端子（Ｐ側端子１３ａ及びＮ側端子１３ｂ）を介して接続されている。
巻回して円筒状に形成された誘電体部材１９は、それぞれの面に陽極と陰極（図示しない）を有しており、陽極と陰極のそれぞれには複数の電流リード２０のそれぞれの一端が接続され、複数の電流リード２０のそれぞれの他端は、Ｐ側端子１３ａとＮ側端子１３ｂにそれぞれ接続されている。

Ｐ側端子１３ａ及びＮ側端子１３ｂは、円筒状に形成され同軸に配置されていることにより、端子部の幅が広く、且つ、両端子１３ａ，１３ｂが向き合った状態になるため、インダクタンスが大きく低減される。また、各パワーデバイス１２と筒状端子部１３の接続部からコンデンサ１１までのインダクタンスが均一である。このため、各パワーデバイス１２に印加されるサージ電圧の偏りが無くなり、動作信頼性が向上する。そして、Ｐ側端子１３ａ及びＮ側端子１３ｂの各部分間のインダクタンスを考えると、低く、且つ、均一であるため、複数ある電流リード２０は、Ｐ側端子１３ａ又はＮ側端子１３ｂの各外径に沿って円周上に分散配置される。

図３は、図２の電流リードを拡大して示す斜視図である。図４は、図２の電流リードの他の配置例を示す斜視図である。図３に示すように、電流リード２０は、誘電体部材１９の陽極に接続される陽極（＋側）リード２０ａ、絶縁リード２０ｂ、及び誘電体部材１９の陰極に接続される陰極（−側）リード２０ｃからなり、絶縁リード２０ｂを挟んで陽極リード２０ａと陰極リード２０ｃが略平行に配置されることにより、電流リード２０自体のインダクタンスも低減されている。また、図４に示すように、電流リード２０を、陽極リード２０ａと陰極リード２０ｃを交互に配置した構成にすれば、絶縁リード２０ｂを必要としないため、安価に製造することができる。

なお、この実施の形態におけるコンデンサとしては、例えば、Ｐ側端子とＮ側端子が同方向に取り出すことが容易なアルミ電解コンデンサが好適であるが、その他のフィルムコンデンサやセラミックコンデンサ等を用いてもよい。
図５は、この実施の形態において用いられる好適なコンデンサの例（その１）を示す説明図である。図６は、この実施の形態において用いられる好適なコンデンサの例（その２）を示す説明図である。図７は、この実施の形態において用いられる好適なコンデンサの例（その３）を示す説明図である。

図５に示すように、コンデンサ２５が、例えば、フィルムコンデンサのように、誘電体部材の巻回軸の上下面に端子部が形成される場合には、コンデンサケース２６に対し、内側に円筒状のＰ側端子２７ａを、外側に、円筒状部と外向きフランジ状の円環状部が一体化したＮ側端子２７ｂを、それぞれ形成し、Ｎ側端子２７ｂの外側に、絶縁性を有する部材からなる絶縁ホルダ２８を備えても良い。このＮ側端子２７ｂは、Ｐ側端子２７ａの外側全面を覆って形成されている。絶縁ホルダ２８は、電流リード２０と筒状端子部１３を固定する端子固定部材として機能し、コンデンサケース２６により、絶縁ホルダ２８が固定される。

図６に示すように、コンデンサ３０は、筒状端子部１３の外側端子（例えば、Ｎ側端子２７ｂ）の外面側全域にわたって放熱フィン３１を備えている。この放熱フィン３１は、筒状端子部１３の内側端子（例えば、Ｐ側端子２７ａ）の内面側又は外側端子（例えば、Ｎ側端子２７ｂ）の外面側の何れか一方又は両方に備えてもよい。また、放熱フィン３１を、コンデンサ外周部、例えば、コンデンサ２５のＮ側端子２７ｂ（図５参照）の外側面部に装着することにより、強度向上と放熱向上を両立することができる。コンデンサケース３２内に、積層セラミックコンデンサ（図示しない）を放射状に複数配置しても、同様の構成を有することができる。

図７に示すように、コンデンサ３５を、コンデンサケース３６の内側に円筒状のＰ側端子３７ａを、Ｐ側端子３７ａの更に内側にＮ側端子３７ｂを、それぞれ配置して形成することにより、即ち、コンデンサケース３６、Ｐ側端子３７ａ、Ｎ側端子３７ｂを、記載順に外側から同心円状に配置することにより、コンデンサケース３６自体を絶縁ホルダ無しで固定することができる。
（第２実施の形態）

図８は、この発明の第２実施の形態に係る電力変換器の斜視図である。図９は、図８のコンデンサの斜視図である。なお、図８においては、２個の筒状端子部の内、コンデンサの一端に形成された一方の筒状端子部のみ図示しており、コンデンサの他端に形成された他方の筒状端子部は図示を省略している。
図８及び図９に示すように、電力変換器４０は、両端に筒状端子部４１，４２を備えたコンデンサ４３（図９参照）と、コンデンサ４３の内側及び外側にそれぞれ配置された複数個のパワーデバイス４４及び複数個のパワーデバイス４５を有している。その他の構成及び作用は、第１実施の形態に係る電力変換器１０と同様である。

つまり、コンデンサ４３は、巻回して円筒状に形成された誘電体部材４３ａの軸方向両側、即ち、コンデンサ両端部に突設された端子部４１，４２（図９参照）を有しており、恰も、コンデンサ１１（図２参照）を、誘電体部材１９を共通として背中合わせにした形状に形成されている（図９参照）。
このコンデンサ４３を挟んで、コンデンサ４３の径方向内側に複数個のパワーデバイス４４が円環状に、コンデンサ４３の径方向外側に複数個のパワーデバイス４５が円環状に、それぞれ配置され、同時に、円環状に配置された複数個のパワーデバイス４４と複数個のパワーデバイス４５が、コンデンサ４３の径方向内側及び外側に同心円状に配置されている。

そして、コンデンサ４３と、複数個のパワーデバイス４４及び複数個のパワーデバイス４５は、パワーデバイスＰＮ端子４６，４７を介して接続され、パワーデバイス４５は、パワーデバイス出力端子４８によりモータ４９に接続されている。コンデンサ４３の入力端子５０には、バッテリ等の電源ユニット（図示しない）から引き出された入力バスバー（図示しない）が接続される。パワーデバイスＰＮ端子４６，４７は、平板状に形成されて、電力変換器４０の半径方向内側と外側に並ぶ、パワーデバイス４５の配列方向に沿った略平行な二重円環状に配置されている。

このように、コンデンサ４３の両端に筒状端子部４１，４２を設けて、筒状端子部の面積を増やすことにより、複数のパワーデバイス４４及び複数のパワーデバイス４５とコンデンサ４３の接続面積が広くなり、低インダクタンス接続が可能になる。また、コンデンサ４３の内外周に複数のパワーデバイス４４及び複数のパワーデバイス４５を配置することにより、モータ（電動駆動機）４９の回転軸方向長さを短くすることができる。
（第３実施の形態）

図１０は、この発明の第３実施の形態に係る電力変換器の斜視図である。図１０に示すように、電力変換器５０は、両端に筒状端子部４１，４２を備えたコンデンサ４３（図９参照）と、コンデンサ４３の両端側にそれぞれ配置された複数個のパワーデバイス５１及び複数個のパワーデバイス５２を有している。その他の構成及び作用は、第１実施の形態に係る電力変換器１０と同様である。
つまり、コンデンサ４３は、巻回して円筒状に形成された誘電体部材４３ａの軸方向両側、即ち、コンデンサ両端部に突設された端子部４１，４２を有しており、恰も、コンデンサ１１（図２参照）を、誘電体部材１９を共通として背中合わせにした形状を有している（図９参照）。

このコンデンサ４３を挟んで、コンデンサ４３の軸方向一端側に、複数個のパワーデバイス５１がコンデンサ４３の外周に沿う円環状に、コンデンサ４３の軸方向他端側に、複数個のパワーデバイス５２がコンデンサ４３の外周に沿う円環状に、それぞれ配置されている。そして、コンデンサ４３と、複数個のパワーデバイス５１及び複数個のパワーデバイス５２は、パワーデバイスＰＮ端子５３，５４を介して接続され、パワーデバイス５１はパワーデバイス出力端子５５により、パワーデバイス５２はパワーデバイス出力端子５６により、それぞれモータ４９に接続されている。コンデンサ４３の入力端子５７には、バッテリ等の電源ユニット（図示しない）から引き出された入力バスバー（図示しない）が接続される。

このように、パワーデバイス５１，５２の配置を、モータ４９の形に応じて電力変換器４０（図８参照）や電力変換器５０（図１０参照）のように選択することにより、最適な電動駆動機を構成することができる。
上述したように、コンデンサが、筒状端子部と、陰極及び陽極を備え巻回して形成された誘電体部材と、陰極及び陽極から筒状端子部を接続する電流リードと筒状端子部を固定する絶縁性の端子固定部材（絶縁ホルダ）と、端子固定部材を固定するケース（コンデンサケース）を有し、陰極に接続された−側電流リードと陽極に接続された＋側電流リードを渦巻状又は円周状に交互に配置する。これにより、コンデンサの幅広い場所から出た電流リードが筒状端子部に接続されるので、各パワーデバイスからコンデンサまでのインダクタンスが均一になり、また、電流のアンバランスも避けることができる。

また、上記構成において、−側電流リードと＋側電流リードを、絶縁部材を介して重ねて配置することにより、コンデンサ内の＋側と−側両方の電流リードが重なるので、コンデンサ自体のインダクタンスを低減することができる。
また、上記構成において、電流リードを誘電体部材の巻回軸方向上下両側に配置することにより、多数のパワーデバイスとの間で低インダクタンス接続を行うことができる。
また、上記構成において、陰極を成す陰極箔と陽極を成す陽極箔の面積よりも誘電体部材の面積の方を大きくすることにより、陽極と陰極の沿面距離を確保することができるため、＋側電流リードと−側電流リードの絶縁を容易に取ることができる。

また、コンデンサは、筒体により形成され、筒体の内側面に筒状端子部の一方を備える、即ち、コンデンサが中空であり内周面に端子部を備えることにより、中心軸を有効に使えると共に小型化することができる。また、筒体からなるコンデンサの軸方向両端に筒状端子部を備えることにより、コンデンサの軸方向に、パワーデバイスを低インダクタンスで接続することができるので、電力変換器の外径を小さくすることができる。

また、このコンデンサの外径をＲ２、筒状端子部の外径をＲ１としたとき、Ｒ２とＲ１の関係を、０．５×Ｒ２＜Ｒ１＜Ｒ２とすることにより、コンデンサの外周寄りに端子部が位置するので、端子部の面積が大きくなってパワーデバイスとの接続面積も増加し、パワーデバイスとコンデンサ間を低インダクタンス化することができる。また、筒体からなるコンデンサの外周面に筒状端子部の一方を備えることにより端子部面積が広く取れるので、コンデンサやパワーデバイスの放熱が向上する。
また、コンデンサが筒体或いは柱体により形成され、筒体或いは柱体の内周面及び外周面の少なくとも一方にパワーデバイスを複数配置することにより、電力変換器の軸方向長さを短くすることができる。また、このコンデンサの筒体或いは柱体の軸方向一端及び両端の少なくとも一方にパワーデバイスを複数配置することにより、電力変換器の外径を小さくすることができる。

また、パワーデバイスが、変換器半径方向内側と外側に並んで配置されたＰ端子とＮ端子を備えることにより、パワーデバイス自体のインダクタンスを低減することができる。また、パワーデバイスがＰ端子とＮ端子を備え、Ｐ端子の曲率を筒状端子部の内側端子の径、Ｎ端子の曲率を筒状端子部の内側端子の径とし、それぞれが一定の空間を持って重なって配置され筒状端子部に接続されることにより、筒状端子部の曲率とパワーデバイス端子部の曲率が同じになるので、パワーデバイスとコンデンサの接続信頼性が向上する。

また、筒状端子部の内側端子及び外側端子の少なくとも一方が、熱伝導性の良い絶縁部材を介して冷却部に接続されることにより、筒状端子部を放熱部材として活用することができるので、電力変換器の冷却能力が向上する。また、筒状端子部の外側端子（Ｐ側端子）と内側端子（Ｎ側端子）のそれぞれの厚みを異ならせることにより、外側端子と内側端子の内の厚みが厚い方を強度部材として利用することができるので、耐震動性が向上する。また、筒状端子部の内側端子の内側と外側端子の外側の少なくとも一方に放熱フィンを備えることにより、端子部が向かい合う、端子部とは逆の片面に放熱フィンが配置されることになり、低インダクタンス、且つ、高放熱状態にすることができる。

この発明の第１実施の形態に係る電力変換器の斜視図である。 図１のコンデンサの内部構造を示す斜視説明図である。 図２の電流リードを拡大して示す斜視図である。 図２の電流リードの他の配置例を示す斜視図である。 この実施の形態において用いられる好適なコンデンサの例（その１）を示す説明図である。 この実施の形態において用いられる好適なコンデンサの例（その２）を示す説明図である。 この実施の形態において用いられる好適なコンデンサの例（その３）を示す説明図である。 この発明の第２実施の形態に係る電力変換器の斜視図である。 図８のコンデンサの斜視図である。 この発明の第３実施の形態に係る電力変換器の斜視図である。

符号の説明

１０，４０，５０ 電力変換器
１１，２５，３０，３５，４３ コンデンサ
１１ａ，２６，３２，３６ コンデンサケース
１２，４４，４５，５１，５２ パワーデバイス
１３，４１，４２ 筒状端子部
１３ａ，２７ａ，３７ａ Ｐ側端子
１３ｂ，２７ｂ，３７ｂ Ｎ側端子
１４，４６，４７，５３，５４ パワーデバイスＰＮ端子
１５，４８，５５，５６ パワーデバイス出力端子
１６，４９ モータ
１７ 入力バスバー
１８，５０，５７ 入力端子
１９，４３ａ 誘電体部材
２０ 電流リード
２０ａ 陽極リード
２０ｂ 絶縁リード
２０ｃ 陰極リード
２８ 絶縁ホルダ
３１ 放熱フィン

Claims (16)

1. 電源に接続され、同軸配置された２つの端子からなる筒状端子部を有するコンデンサと、
   前記筒状端子部を介して前記コンデンサに接続されると共に電動駆動機に接続される複数のパワーデバイスと
   を有する電力変換器。
2. 前記各パワーデバイスと前記筒状端子部の接続部から前記コンデンサまでのインダクタンスを均一にした請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記コンデンサが、前記筒状端子部と、陰極及び陽極を備え巻回して形成された誘電体部材と、前記陰極及び前記陽極から前記筒状端子部を接続する電流リードと前記筒状端子部を固定する絶縁性の端子固定部材と、前記端子固定部材を固定するケースとを有し、
   前記陰極に接続された−側電流リード及び前記陽極に接続された＋側電流リードが、渦巻状又は円周状に交互に配置される請求項１または２に記載の電力変換器。
4. 前記−側電流リードと前記＋側電流リードが、絶縁部材を介し重なて配置される請求項３に記載の電力変換器。
5. 前記電流リードが、前記誘電体部材の巻回軸方向両側に配置される請求項３または４に記載の電力変換器。
6. 前記陰極を成す陰極箔と前記陽極を成す陽極箔の面積よりも前記誘電体部材の面積の方が大きい請求項３から５のいずれか一項に記載の電力変換器。
7. 前記コンデンサが筒体により形成され、前記筒体の内側面に前記筒状端子部の一方を備える請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換器。
8. 前記コンデンサが筒体により形成され、前記筒体の軸方向両端に前記筒状端子部を備える請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換器。
9. 前記コンデンサが筒体或いは柱体により形成され、前記コンデンサの外径をＲ２、前記筒状端子部の外径をＲ１としたとき、Ｒ２とＲ１の関係を、０．５×Ｒ２＜Ｒ１＜Ｒ２とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換器。
10. 前記コンデンサが筒体或いは柱体により形成され、前記筒体或いは柱体の内周面及び外周面の少なくとも一方に前記パワーデバイスを複数配置する請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換器。
11. 前記コンデンサが筒体或いは柱体により形成され、前記筒体或いは柱体の軸方向一端及び両端の少なくとも一方に前記パワーデバイスを複数配置する請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力変換器。
12. 前記パワーデバイスが、変換器半径方向内側と外側に並んで配置されたＰ端子とＮ端子を備える請求項１から１１のいずれか一項に記載の電力変換器。
13. 前記パワーデバイスがＰ端子とＮ端子を備え、前記Ｐ端子の曲率を前記筒状端子部の内側端子の径、前記Ｎ端子の曲率を前記筒状端子部の内側端子の径とし、それぞれが一定の空間を持って重なって配置され前記筒状端子部に接続される請求項１から１２のいずれか一項に記載の電力変換器。
14. 前記筒状端子部の内側端子及び外側端子の少なくとも一方が、熱伝導性の良い絶縁部材を介して冷却部に接続される請求項１から１３のいずれか一項に記載の電力変換器。
15. 前記筒状端子部の内側端子と外側端子は厚みが異なる請求項１から１４のいずれか一項に記載の電力変換器。
16. 前記筒状端子部の内側端子の内側と外側端子の外側の少なくとも一方に放熱フィンを備える請求項１から１５のいずれか一項に記載の電力変換器。

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