JP2009232564A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動を抑制した生産性に優れた電力変換装置を提供すること。
【解決手段】複数の半導体素子を有する主回路部２と、主回路部２と電気的に接続されたコンデンサ３及びリアクトル４とを有する電力変換装置１。コンデンサ３とリアクトル４とは、一つのケース５に収容されると共にケース５内に充填された樹脂６に埋設されている。樹脂６はウレタンであることが好ましい。コンデンサ３及びリアクトル４は、それぞれの電極端子３１、４１を除く本体全体が樹脂６に埋設されていることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサ及びリアクトルを内蔵した電力変換装置に関する。

例えば、内燃機関と電気モータの両方を駆動源として有するハイブリッド自動車、その他、電気モータを駆動源として備えた自動車等においては、直流電力と交流電力との間で双方向変換する大容量のインバータを必要とする。そのため、このインバータを含む電力変換装置が種々開発されてきた。

かかる電力変換装置は、例えば、電源から供給される直流電力の電圧を昇圧するための昇圧回路を備え、この昇圧回路の一部を構成するリアクトルを内蔵するものがある。また、電力変換回路を構成する半導体素子のスイッチング動作に起因して流れるリプル電流を抑制するために、昇圧回路と主回路との間に配線されるコンデンサが、電力変換装置に内蔵されることもある（特許文献１）。

図４に示すごとく、コンデンサ３とリアクトル４とは、電力変換装置９における異なる位置にそれぞれ個別に配設され、互いに異なるケース５３、５４内に配設されている。そして、コンデンサ３及びリアクトル４は、それぞれのケース５３、５４内において、耐振性、放熱性、耐湿性等のために、樹脂６３、６４に埋設されている。

特に、耐振性については、コンデンサ３やリアクトル４に流れる不連続な電流や脈流の電流に起因して発生する振動を樹脂６３、６４によって吸収して、外部への振動伝達を抑制するよう構成されている。すなわち、コンデンサ３やリアクトル４に電流が流れることにより発生した熱により、これらを埋設している樹脂６３、６４が例えば６０〜７０℃の高温となる。そうすると、樹脂６３、６４を構成する分子が動きやすくなり、これらの分子がコンデンサ３やリアクトル４からの振動を吸収して、振動エネルギーを熱エネルギーに変換する。このようにして、電力変換装置９の作動時の温度において、樹脂６３、６４が制振効果を発揮することで、コンデンサ３及びリアクトル４の振動に起因する電力変換装置９の振動を抑制している。

特開２００７−１７４７６０号公報

しかしながら、リアクトル４は比較的発熱しやすいため、これを取り巻く樹脂６４による制振効果は発揮されやすいが、コンデンサ３は比較的発熱しにくく、これを取り巻く樹脂６３による制振効果が得られにくいという問題がある。
すなわち、上記従来の電力変換装置９においては、コンデンサ３とリアクトル４とをそれぞれ異なるケース５３、５４内において、個別に樹脂に埋設しているため、コンデンサ３とリアクトル４との制振効果にばらつきが生じる。そして、両方の樹脂５３、５４が充分に高温となるまでの間、振動が外部に伝わってしまうという問題がある。

また、図５、図６に示すごとく、コンデンサ３とリアクトル４とをそれぞれ異なるケース５３、５４に収容し、樹脂６３、６４に埋設させる場合には、その製造工程が多くなる。すなわち、図５に示すごとく、主回路部２を収容する本体用ケース５２内に形成したケース５４内にリアクトル４を配置すると共にケース５４内に樹脂６４を充填してリアクトル４を埋設する。その一方で、他のケース５３内にコンデンサ３を配置すると共にケース５３内に樹脂６３を充填してコンデンサ３を埋設する。その後、主回路部２と共にリアクトル４を収容した本体用ケース５２と、コンデンサ３を収容したケース５４とを互いに組み付けて、図４に示すごとく電力変換装置９を組み立てる。

このように、コンデンサ３とリアクトル４とを、互いに異なるケース５３、５４内において樹脂６３、６４に埋設する必要があるため、製造工程が多く、生産性の点においても不利である。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、振動を抑制した生産性に優れた電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、複数の半導体素子を有する主回路部と、該主回路部と電気的に接続されたコンデンサ及びリアクトルとを有する電力変換装置において、
上記コンデンサと上記リアクトルとは、一つのケースに収容されると共に該ケース内に充填された樹脂に埋設されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置においては、上記コンデンサと上記リアクトルとが、一つのケースに収容されると共に該ケース内に充填された樹脂に埋設されている。そのため、コンデンサとリアクトルとの少なくとも一方が発熱することにより、これらを埋設する樹脂が高温となる。これにより制振効果を発揮しやすくなった樹脂によってコンデンサとリアクトルとの双方の振動を効果的に抑制することができる。

たとえば、コンデンサの発熱が小さく、リアクトルの発熱が大きい場合において、両者を収容した一つのケースに充填されている樹脂は、リアクトルによって加熱され高温となる。その結果、この樹脂の制振効果が発揮されやすくなり、リアクトルの振動のみならず、コンデンサの振動をも吸収して、振動を減衰させることができる。
その結果、電力変換装置の全体として、振動を効果的に抑制することができる。

また、上記電力変換装置を製造する際にも、上記コンデンサと上記リアクトルとを、一つのケース内に配置すると共に該ケース内に樹脂を注入すればよいため、製造工程を少なくすることができ、生産性を向上することができる。

以上のごとく、本発明によれば、振動を抑制した生産性に優れた電力変換装置を提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等における、直流電源と、駆動用或いは回生用の交流モータとの間の電力変換に用いることができる。
また、上記ケース内に収容される上記コンデンサ及び上記リアクトルは、それぞれ一個ずつでもよいし、複数個であってもよい。また、上記ケースには、上記コンデンサ及び上記リアクトル以外の電子部品等を配置してもよい。

また、上記樹脂はウレタンであることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記樹脂の制振効果が向上し、一層振動を抑制した電力変換装置を得ることができる。
なお、上記樹脂として、ウレタン以外にも、例えばポリ塩化ビニル、フッ素樹脂等を用いることも可能である。

また、上記コンデンサ及び上記リアクトルは、それぞれの電極端子を除く本体全体が上記樹脂に埋設されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、コンデンサ及びリアクトルの振動を一層効果的に抑制することができる。また、コンデンサ及びリアクトルの耐湿性、放熱性も向上させることができる。

本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、複数の半導体素子を有する主回路部２と、該主回路部２と電気的に接続されたコンデンサ３及びリアクトル４とを有する。
コンデンサ３とリアクトル４とは、一つのケース５に収容されると共に該ケース５内に充填されたウレタンからなる樹脂６に埋設されている。
コンデンサ３及びリアクトル４は、それぞれの電極端子３１、４１を除く本体３０、４０全体が樹脂６に埋設されている。

上記半導体素子としては、制御信号によってオンオフ制御されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等からなるスイッチング素子がある。スイッチング素子が例えばＩＧＢＴからなる場合には、その正極側と負極側とに逆並列接続されたダイオードも上記半導体素子として、主回路部２の一部を構成する。

また、半導体素子は、一個或いは複数個を、各種端子と共にモジュール化された半導体モジュール２１に内蔵されている。図１に示すごとく、半導体モジュール２１は、一方の辺から被制御電流を入出する主電極端子２２を突出形成し、反対側の辺から半導体素子を制御する信号電流を入出する信号端子２３を突出形成している。

また、複数の半導体モジュール２１は、これらを冷却するための複数の冷却管２４と、交互に積層されている。そして、各半導体モジュール２１は、その両主面から冷却管２４によって冷却されるよう構成されている。冷却管２４は、その内部に流通させる水などの冷却媒体と半導体素子とを熱交換させることにより、半導体素子を冷却することができる。

複数の半導体モジュール２１における主電極端子２２及び信号端子２３は、それぞれ同一の方向に突出している。そして、複数の半導体モジュール２１の主電極端子２２は、主回路部２における、コンデンサ３及びリアクトル４に近い側に配設された電力バスバー１１に接続されている。
また、主回路部２における、コンデンサ３及びリアクトル４と反対側に制御回路基板１２が配設され、該制御回路基板１２に、複数の半導体モジュール２１の信号端子２３が接続されている。

また、コンデンサ３は、互いに並列接続された複数のコンデンサ素子を一体化したものとすることができる。そして、各コンデンサ素子としては、例えば、金属化フィルムを巻回してなるフィルムコンデンサ素子を用いることができる。また、コンデンサ３は、主回路部２の半導体素子のスイッチングに起因して発生するリプル電流を吸収するためのフィルタコンデンサとすることができる。

本例の電力変換装置１を製造するに当たっては、図２に示すごとく、一つのケース５における所定位置にコンデンサ３及びリアクトル４を配置すると共に、ケース５内に液状の樹脂６を流し込む。ここで、コンデンサ３及びリアクトル４をケース５内に配置した後に樹脂６を流し込んでもよいし、樹脂６を流し込んだ後にコンデンサ３及びリアクトル４をケース内５の樹脂６の中に埋没させてもよい。
ただし、図３に示すごとく、コンデンサ３の電極端子３１及びリアクトル４の電極端子４１は、樹脂６の外部に露出するようにする。

次いで、ケース５内に充填された樹脂６を、熱処理等を行うことにより硬化させる。
これにより、コンデンサ３及びリアクトル４を一つのケース５内に一緒に収容すると共に該ケース５内に充填された樹脂６に埋設された状態の複合モジュール１０が得られる。
そして、この複合モジュール１０を主回路部２に対して、電気的に接続すると共に構造的に固定することにより、図１に示すごとく、電力変換装置１を得る。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、コンデンサ３とリアクトル４とが、一つのケース５に収容されると共に該ケース５内に充填された樹脂６に埋設されている。そのため、コンデンサ３とリアクトル４との少なくとも一方が発熱することにより、これらを埋設する樹脂６が高温となる。これにより制振効果を発揮しやすくなった樹脂６によってコンデンサ３とリアクトル４との双方の振動を効果的に抑制することができる。

具体的には、本例においては、コンデンサ３の発熱が小さく、リアクトル４の発熱が大きいため、両者を収容した一つのケース５に充填されている樹脂６は、主にリアクトル４によって加熱され高温となる。その結果、この樹脂６の制振効果が発揮されやすくなり、リアクトル４の振動のみならず、コンデンサ３の振動をも吸収して、振動を減衰させることができる。
その結果、電力変換装置１の全体として、振動を効果的に抑制することができる。

また、電力変換装置１を製造する際にも、図２、図３に示すごとく、コンデンサ３とリアクトル４とを、一つのケース５内に配置すると共に該ケース５内に樹脂６を注入すればよいため、製造工程を少なくすることができ、生産性を向上することができる。

また、樹脂６はウレタンであるため、樹脂６の制振効果が向上し、電力変換装置１の振動を一層抑制することができる。
また、コンデンサ３及びリアクトル４は、それぞれの電極端子３１、４１を除く本体全体が樹脂６に埋設されているため、コンデンサ３及びリアクトル４の振動を一層効果的に抑制することができる。また、コンデンサ３及びリアクトル４の耐湿性、放熱性も向上させることができる。

以上のごとく、本例によれば、振動を抑制した生産性に優れた電力変換装置を提供することができる。

実施例における、電力変換装置の断面説明図。 実施例における、ケース内にコンデンサとリアクトルを配置すると共に樹脂を充填する工程を示す斜視説明図。 実施例における、ケース内において樹脂に埋設されたコンデンサ及びリアクトルの複合モジュールの斜視説明図。 従来例における、電力変換装置の断面説明図。 従来例における、ケース内にリアクトルを配置すると共に樹脂を充填する工程を示す斜視説明図。 従来例における、ケース内にコンデンサを配置すると共に樹脂を充填する工程を示す斜視説明図。

符号の説明

１ 電力変換装置
２ 主回路部
３ コンデンサ
４ リアクトル
５ ケース
６ 樹脂

Claims (3)

1. 複数の半導体素子を有する主回路部と、該主回路部と電気的に接続されたコンデンサ及びリアクトルとを有する電力変換装置において、
   上記コンデンサと上記リアクトルとは、一つのケースに収容されると共に該ケース内に充填された樹脂に埋設されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記樹脂はウレタンであることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２において、上記コンデンサ及び上記リアクトルは、それぞれの電極端子を除く本体全体が上記樹脂に埋設されていることを特徴とする電力変換装置。

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