JP2014053390A - コンデンサモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】インダクタンスの小さいコンデンサモジュールを提供する。
【解決手段】本明細書が開示するコンデンサモジュール２は、隣接する２個のフィルムコンデンサ３ａ、３ｂと、フィルムコンデンサと外部の装置を電気的に接続するバスバ６を備える。２個のフィルムコンデンサは、両端に電極４、５を備え、側面を隣接させて配置されている。バスバ（負極バスバ６）は、その端部が夫々のフィルムコンデンサの一端側の電極（負電極５）に接続しているとともに、２個のフィルムコンデンサの間を通ってコンデンサの他端側へと延びている。このコンデンサモジュール２では、バスバ６を流れる電流の方向がコンデンサ内を流れる電流の方向と逆方向となる。それゆえ、コンデンサを流れる電流の変化に起因する誘導磁界と、バスバを流れる電流の変化に起因する誘導磁界が相互に打ち消しあってインダクタンスが低減される。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のフィルムコンデンサを含むコンデンサモジュールに関する。

大容量のコンデンサが必要な場合、複数のコンデンサを並列に接続して大容量を実現することがある。本明細書では、複数のコンデンサを並列に接続したユニットをコンデンサモジュールと称する。例えば、電気自動車の電力系に用いられるコンデンサには大容量が要求されるため、コンデンサモジュールが採用される。なお、コンデンサとしては、典型的には、フィルムコンデンサが用いられる。

大容量のフィルムコンデンサは発熱量が大きくなるため、熱を拡散させるための技術が求められる。例えば特許文献１には、中空四角柱の巻芯にフィルムを巻回したコンデンサを有するコンデンサモジュールであって、巻芯の端部をケースと接続し、コンデンサ内部の熱を、巻芯を通じてケースへと拡散させる技術が開示されている。

ところで、大電流を流すにはワイヤなどの柔軟な導電体の代わりに電気抵抗が小さい薄板長尺の金属部材が導電体として用いられることがある。そのような薄板長尺の金属部材は、一般に「バスバ」と呼ばれる。大容量のコンデンサモジュールにもバスバが用いられることがある。薄板長尺状の金属製のバスバは熱伝導率が高いので、バスバを熱拡散経路として利用する技術が提案されている（例えば特許文献２）。

特許文献２に開示されたコンデンサモジュールは、巻芯にフィルムが巻回されたコンデンサを有し、バスバを巻芯に熱的に接続する構造を備えている。コンデンサ内部で発生した熱は、巻芯とバスバを通じてコンデンサ外部へと拡散される。

特開２０１２−００９４９９号公報 特開２００８−３１１２５２号公報

発熱の低減とは別に、コンデンサには、インダクタンスが小さい方がよい、という課題もある。本明細書は、バスバを利用してコンデンサのインダクタンスを低減する技術を提供する。

本明細書が開示するコンデンサモジュールの一実施形態は、隣接する２個のフィルムコンデンサと、フィルムコンデンサと外部の装置を電気的に接続するバスバを備える。２個のフィルムコンデンサは、両端に電極を備え、側面を隣接させて配置されている。ここで、「側面」とは、両端の電極の間の面を意味する。バスバは、その端部が夫々のフィルムコンデンサの一端側の電極に接続しているとともに、２個のフィルムコンデンサの間を通ってコンデンサの他端側へと延びている。

以下では、説明を簡単にするため、「フィルムコンデンサ」を単純に「コンデンサ」と称する場合がある。

上記のコンデンサモジュールでは、バスバを流れる電流の方向がコンデンサ内を流れる電流の方向と逆方向となる。それゆえ、コンデンサを流れる電流の変化に起因する誘導磁界と、バスバを流れる電流の変化に起因する誘導磁界が相互に打ち消しあってインダクタンスが低減される。

コンデンサモジュールが有するフィルムコンデンサは２個に限定されず、３個以上を備えていてもよい。３個以上のフィルムコンデンサのうちの少なくとも２個が、上記したようなバスバとの構造を備えていればよい。３個以上のフィルムコンデンサを有するコンデンサモジュールの例は発明の詳細な説明にて説明する。

上記のコンデンサモジュールでは、２個のコンデンサの間を伝熱性の高いバスバが通っている。従って、そのバスバは、コンデンサの熱を外部に逃がす伝熱路としても機能する。それゆえ、上記の構造を有するコンデンサモジュールは、放熱性にも優れる。放熱性の観点からは、バスバが、２個のフィルムコンデンサの間で、その２個のフィルムコンデンサの夫々と接していることが望ましい。さらに、コンデンサモジュールを２個のフィルムコンデンサの積層方向から見たときに、バスバが、フィルムコンデンサの中央部分を避けて配索されていることが好ましい。そのような構造を採用することで、２個のコンデンサの間に熱がこもり難くなる。

本明細書が開示する技術によれば、インダクタンスを低減したコンデンサモジュールを提供することができる。

コンデンサモジュールの分解斜視図である。 コンデンサモジュールの側面図である。 積層方向からみたときのコンデンサモジュールの平面図である。 変形例のコンデンサモジュールの平面図である。 第２実施例のコンデンサモジュールの側面図である。

図面を参照して実施例のコンデンサモジュールを説明する。図１に、コンデンサモジュール２の分解斜視図を示す。コンデンサモジュール２は、２個のコンデンサ（フィルムコンデンサ）３ａ、３ｂを並列に接続したデバイスである。コンデンサモジュール２は、例えば、電気自動車のモータ駆動系の電気回路において、インバータの入力側に並列に接続され、電流を平滑化する。電気自動車の電気回路は大電流を扱うため、平滑化用のコンデンサにも大容量が求められる。コンデンサモジュール２は、複数のコンデンサ３ａ、３ｂを並列に接続し、大容量を実現している。

図２にコンデンサモジュール２の側面図を示し、図３にコンデンサモジュール２の平面図を示す。なお、図３は、コンデンサモジュール２を、２個のコンデンサ３ａ、３ｂの積層方向から見たときの平面図である（従って、図３では、コンデンサ３ａの下側にコンデンサ３ｂが位置する）。

コンデンサ３ａ、３ｂは、金属製のフィルムを積層した積層型フィルムコンデンサである。図１において、座標系のＺ軸方向に金属製のフィルムが積層されている。コンデンサ３ａ、３ｂは、概ね直方体であり、図中のＸ方向の両端に電極４、５が備えられている。

コンデンサモジュール２は、２個のコンデンサ３ａ、３ｂを、電極の向きを揃え、側面が隣接するように配置されている。隣接する２個のコンデンサ３ａ、３ｂの間を負極バスバ６が通っている。バスバは、コンデンサ３ａ、３ｂと外部のデバイス（例えばインバータ）を電気的に接続するための金属製の薄板長尺の導電体である。負極バスバ６は、コンデンサの一端側に位置する負電極５と接する端子板６ａと、端子板６ａから延びる導電部６ｂを備えている。コンデンサ３ａ、３ｂの正電極４には、正極バスバ７が接続している。正極バスバ７も、正電極４に接する端子板７ａと、端子板７ａから延びる導電部７ｂを備えている。

図２に示されているように、コンデンサ３ａ、３ｂの両端は、正極バスバ７の端子板７ａと負極バスバ６の端子板６ａで挟まれている。負極バスバ６の導電部６ｂが、コンデンサ３ａ、３ｂの間を、それらのコンデンサの負極端側から正極端側に向けて延びている。なお、負極バスバ６は、正電極４、及び、正極バスバ７から絶縁されている。電流は、正極バスバ７の導電部７ｂ、端子板７ａを通じて正電極４に供給され、コンデンサ３ａ、３ｂの内部を通り、負電極５から、負極バスバ６の端子板６ａ、導電部６ｂを通じて他のデバイスへと流れる。図２に示すように、コンデンサ３ａ、３ｂの内部は正電極４から負電極５へ向けて、即ち図中の左から右へと流れる。矢印Ｙａがコンデンサ内を流れる電流の向きを示している。他方、２個のコンデンサ３ａ、３ｂに挟まれている負極バスバ６の導電部６ｂでは、電流は図中の右から左へと流れる。図中の矢印Ｙｂが、導電部６ｂにおいて電流の流れる向きを示している。矢印ＹａとＹｂが示すように、コンデンサ内部と、コンデンサと平行に延びる負極バスバ６（導電部６ｂ）とでは電流の流れる向きが互いに逆向きとなる。コンデンサ３ａ、３ｂに流れる電流が変化すると、電流の周囲に誘導磁場が発生するが、コンデンサ内部とバスバ（導電部６ｂ）では電流の向きが逆であるため、それぞれの誘導磁場も互いに逆向きとなり、相互に打ち消しあう。誘導磁場がインダクタンス（交流抵抗成分）の原因となるが、その誘導磁場が相殺されるため、コンデンサモジュール２ではインダクタンスが低減される。特に、コンデンサモジュール２では、２個のコンデンサ３ａ、３ｂを流れる電流の大きさと負極バスバ６（導電部６ｂ）を流れる電流の大きさが等しいため、誘導磁場の相殺効果が大きく、インダクタンスの低減効果が大きい。

図１、図３に示されているように、負極バスバ６では、端子板６ａから２本の導電部６ｂが延びている。２本の導電部６ｂは、図３の平面視においてコンデンサの中央部分（符号Ｃが示す領域）を避けるように配設されている。導電部６ｂは、コンデンサ３ａ、３ｂの夫々の側面に接しているが、導電部６ｂの厚みの分だけ、領域Ｃには隙間ができる。コンデンサは、電流を流すと発熱するが、対向するコンデンサの間の中央部分に空隙が設けられることによって、熱がこもることが抑制される。また、コンデンサの熱は、コンデンサに接している負極バスバ６を通じて、コンデンサの外部へと拡散する。２個のコンデンサ３ａ、３ｂの間でそれらコンデンサに接するように配設された負極バスバ６は、コンデンサの熱を拡散させる効果も奏する。

なお、負極バスバの代わりに正極バスバが２個のコンデンサの間を通っている構成であっても、インダクタンス抑制効果と熱拡散効果を有することに留意されたい。

図４を参照して、コンデンサモジュールの変形例を説明する。図４（Ａ）から（Ｃ）に、変形例のコンデンサモジュール２ａ、２ｂ、２ｃの平面図を示す。これらの変形例は、負極バスバ６の導電部６ｂのレイアウトに特徴がある。図４（Ａ）に示すコンデンサモジュール２ａでは、コンデンサ３ｂ（３ａ）の負電極５に接する端子板６ａから２本の導電部６ｂが延びているが、その導電部６ｂは、コンデンサの反対側に位置する正電極４の手前で合流する。図４（Ａ）の平面図において、端子板６ａと２本の導電部６ｂが三角形をなすが、コンデンサ３ｂ（３ａ）の中央部分（符号Ｃが示す部分）が、その三角形の内側に位置する。このように、コンデンサモジュール２ａでも、平面視したときにバスバの導電部６ｂがコンデンサ中央部分Ｃを避けるように配索されているので、コンデンサの中央部分Ｃに熱がこもり難い。

図４（Ｂ）に示すコンデンサモジュール２ｂの場合、端子板６ａの略中央から１本の導電部６ｂが延びており、その導電部６ｂが平面視におけるコンデンサ中央部分Ｃの手前で２本に分岐している。２本に分岐した導電部６ｂは、コンデンサの反対側の端部（正電極４側の端部）からコンデンサ外部へと延びている。図４（Ｂ）に示すように、この変形例においても、平面視したときにバスバの導電部６ｂがコンデンサ中央部分Ｃを避けるように配索されているので、コンデンサの中央部分Ｃに熱がこもり難い。

図４（Ｃ）に示すコンデンサモジュール２ｃの場合、端子板６ａから２本の導電部６ｂが、コンデンサの反対側の端部（正電極４側の端部）に向かって平行に延びている。２本の導電部６ｂは、平面視においてコンデンサ３ｂ（３ｃ）の中央部分Ｃを挟んで延びている。コンデンサモジュール２ｃでは、さらに、２本の導電部６ｂを連結する補強部６ｃを有しているが、補強部６ｃも、平面視においてコンデンサの中央部分Ｃを避けるように延びている。このコンデンサモジュール２ｃの場合も、平面視したときにバスバの導電部６ｂがコンデンサ中央部分Ｃを避けるように配索されているので、コンデンサの中央部分Ｃに熱がこもり難い。

次に、図５を参照して第２実施例のコンデンサモジュール２ｄを説明する。このコンデンサモジュール２ｄは、４個のコンデンサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを有する。４個のコンデンサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、１本の負極バスバ６と１本の正極バスバ７によって並列に接続される。コンデンサ３ａと３ｂは互いに隣接するように配置され、それらコンデンサの負電極５には端子板６ａ１が接続される。端子板６ａ１の中央から導電部６ｂ１が延びており、その導電部６ｂ１は、隣接する２個のコンデンサ３ａ、３ｂの間を、負電極５とは反対側に位置する正電極４へ向けて延びている。また、コンデンサ３ｃと３ｄは互いに隣接するように配置され、それらコンデンサの負電極５には端子板６ａ２が接続される。端子板６ａ２の中央から導電部６ｂ２が延びており、その導電部６ｂ２は、隣接する２個のコンデンサ３ｃ、３ｄの間を、負電極５とは反対側に位置する正電極４へ向けて延びている。導電部６ｂ１と６ｂ２は、最終的に１本に合流する。端子板６ａ１、６ａ２、導電部６ｂ１、６ｂ２が負極バスバ６を構成する。なお、負極バスバ６の導電部６ｂ１、６ｂ２は、正電極４とは絶縁されている。

４個のコンデンサ３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの正電極４には、端子板７ａが接続され、その端子板７ａから導電部７ｂが延びている。導電部７ｂと端子板７ａが正極バスバ７を構成する。正極バスバ７を通じて供給される電流は４個のコンデンサ３ａ−３ｄの正電極４に供給され、それぞれのコンデンサの内部を図中の左から右へ流れる。電流は、負電極５から出て負極バスバ６へと流れる。負極バスバ６の導電部６ｂ１、６ｂ２では、電流は図中の右から左へと流れる。２個のコンデンサ３ａ、３ｂを流れる電流に起因する誘導磁場は、それらのコンデンサの間を通る導電部６ｂ１を流れる電流に起因する誘導磁場と相殺される。同様に、２個のコンデンサ３ｃ、３ｄを流れる電流に起因する誘導磁場は、それらのコンデンサの間を通る導電部６ｂ２を流れる電流に起因する誘導磁場と相殺される。それゆえ、第２実施例のコンデンサモジュール２ｄにおいても、誘導磁場が相殺され、インダクタンスが抑制される。

また、負極バスバ６の導電部６ｂ１はコンデンサ３ａ、３ｂの側面に接しており、導電部６ｂ２はコンデンサ３ｃ、３ｄの側面に接している（負極バスバ６とコンデンサ３ａ、３ｂの側面、及び、コンデンサ３ｃ、３ｄの側面は絶縁されている）。コンデンサ３ａ、３ｂが発する熱は、導電部６ｂ１を通して外部に拡散する。また、コンデンサ３ｃ、３ｄが発する熱は、導電部６ｂ２を通して外部に拡散する。第２実施例のコンデンサモジュール２ｄも、コンデンサが発する熱が拡散し易く、コンデンサの温度上昇が抑制される。

実施例で説明したコンデンサモジュールの留意点を述べる。実施例では、負極バスバが、コンデンサの一端の電極に接続されているとともに、隣接するコンデンサの間を通って他端側へと延びている。負極バスバに代えて、正極バスバがコンデンサの一端の電極に接続されているとともに、隣接するコンデンサの間を通って他端側へと延びていてもよい。そのような構成であっても、インダクタンス抑制効果と熱拡散効果を発揮する。

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。

２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ：コンデンサモジュール
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ：コンデンサ
４：正電極
５：負電極
６：負極バスバ
６ａ、６ａ１、６ａ２：端子板
６ｂ、６ｂ１、６ｂ２：導電部
６ｃ：補強部
７：正極バスバ
７ａ：端子板
７ｂ：導電部

Claims (3)

1. 両端に電極を有する２個のフィルムコンデンサが側面を隣接させて配置されており、
   フィルムコンデンサと外部の装置を電気的に接続するバスバが、夫々のフィルムコンデンサの一端側の電極に接続しているとともに、２個のフィルムコンデンサの間を通って他端側へと延びていることを特徴とするコンデンサモジュール。
2. 前記バスバは、２個のフィルムコンデンサの間で、当該２個のフィルムコンデンサの夫々と接していることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサモジュール。
3. コンデンサモジュールを２個のフィルムコンデンサの積層方向から見たときに、前記バスバは、フィルムコンデンサの中央部分を避けて配索されていることを特徴とする請求項２に記載のコンデンサモジュール。

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