JP2015076933A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】大型化することなく、電流センサの熱対策、絶縁距離確保が可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、電力変換装置は、受熱面および端面を有する冷却器12と、スイッチング素子および電力端子を有し、冷却器の受熱面上に設置される半導体モジュール22a、24a、26aと、半導体モジュールの電力端子に接続され、電流を出力するバスバー34wと、バスバーに流れる電流を検出する電流センサ40a、40b、40cと、半導体モジュール、冷却器、バスバー、および電流センサを覆う箱状の外ケース30と、を備えている。電流センサは、冷却器の端面と外ケースとの間に配置され冷却器に熱的に接続されたセンサケース42と、センサケース内に配置され、バスバーに流れる電流を検知する電子部品と、を備え、バスバーは、センサケースを貫通して延び、このセンサケースにより、冷却器と外ケースとの間に支持されている。【選択図】図2
Description
この発明の実施形態は、電流センサを有する電力変換装置に関する。
近年、自動車の燃費向上を目的とし、内燃機関とモータを併用したハイブリッド車の普及が急速に進んでいる。また一方で、モータだけで走行可能な電気自動車の製品化も進んでいる。これら自動車を実現するためには、電池とモータ間に、直流電力から交流電力への変換および交流電力から直流電力への変換を行なう電力変換装置が必要となる。
一般に、車載用の電力変換装置(インバータ)等に使用する電力用の半導体モジュールは、数百アンペアを超える大電流を通電させる場合があり、その大電流を半導体モジュールから電動機へ通電するバスバーは、ジュール熱により高温になる。半導体モジュールから電動機へ流れる電流値を検出するための電流センサは、このバスバーを貫通させた状態で設置される。そのため、電流センサは、バスバーの発熱により高温にさらされるという問題がある。また、電流センサを構成するコアは、検出する電流の周波数が高い場合、鉄損により異常に発熱する場合がある。
そこで、電流センサを冷却器上に搭載することで、バスバーの発熱で生じる電流センサの熱を冷却器へ放熱して、AC出力に大電流を通電可能とした電力変換装置が提案されている。
しかしながら、上述した電力変換装置では、電流センサを設置するためのスペースを冷却器上に確保する必要があり、冷却器を大きくする必要がある。また、別の課題として、半導体モジュールから電動機まで電流を通電するバスバーを、冷却器と金属ケースの間に配置する必要があり、絶縁距離確保のために冷却器と金属ケースを一定距離だけ離す必要がある。このことから、装置全体が大型化する。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、大型化することなく、電流センサの熱対策、絶縁距離確保が可能な電力変換装置を提供することにある。
実施形態によれば、電力変換装置は、受熱面および端面を有する冷却器と、スイッチング素子および電力端子を有し、前記冷却器の受熱面上に実装される半導体モジュールと、前記半導体モジュールの電力端子に接続され、電流を出力するバスバーと、前記バスバーに流れる電流を検出する電流センサと、前記半導体モジュール、冷却器、バスバー、および電流センサを覆う箱状の外ケースと、を備えている。電流センサは、前記冷却器の端面と外ケースとの間に配置され冷却器に熱的に接続されたセンサケースと、前記センサケース内に配置され、前記バスバーに流れる電流を検知する電子部品と、を備えている。バスバーは、前記センサケースを貫通して延び、前記センサケースにより、前記冷却器と外ケースとの間に支持されている。
以下に、図面を参照しながら、実施形態に係る半導体電力変換装置ついて詳細に説明する。なお、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る電力変換装置の等価回路図である。図1に示すように、電力変換装置100は、負荷として接続された電動機1を駆動するものであって、直流電源2、昇圧回路3、平滑コンデンサ20、インバータ回路4、制御回路5、電動機1へ供給される電流を検出する電流検出部6等を備えている。直流電源2から供給される電圧を昇圧回路3で昇圧して平滑コンデンサ20に印加し、平滑コンデンサ20から送られる直流電力がインバータ回路4により交流電力に変換されて、3相交流電力として電動機1に供給される。インバータ回路4は、例えば、U相、V相、W相の3相インバータとして構成されている。
図1は、第1の実施形態に係る電力変換装置の等価回路図である。図1に示すように、電力変換装置100は、負荷として接続された電動機1を駆動するものであって、直流電源2、昇圧回路3、平滑コンデンサ20、インバータ回路4、制御回路5、電動機1へ供給される電流を検出する電流検出部6等を備えている。直流電源2から供給される電圧を昇圧回路3で昇圧して平滑コンデンサ20に印加し、平滑コンデンサ20から送られる直流電力がインバータ回路4により交流電力に変換されて、3相交流電力として電動機1に供給される。インバータ回路4は、例えば、U相、V相、W相の3相インバータとして構成されている。
本実施形態において、インバータ回路4は、半導体素子としてのIGBT(insulated gate bipolar transistor)とFWD(Free Wheeling Diode)並列接続した回路を1つのパッケージとするいわゆる1in1構造の半導体モジュール(半導体装置)を複数個、直並列接続して構成されている。これら複数の半導体モジュールは、互いに同一構造、同一寸法に構成されている。インバータ回路4は、例えば、6個の半導体モジュール22a、22b、24a、24b、26a、26bで構成されている。インバータ回路4において、半導体モジュール22a、22bは、U相上下アームを構成し、半導体モジュール24a、24bは、V相上下アームを構成し、半導体モジュール26a、26bは、W相上下アームを構成している。
図1に示すように、制御回路5は、制御部9、昇圧回路3の電圧を検出する電圧検出部7、昇圧回路3を構成する半導体素子のゲートを駆動するゲート駆動部10、平滑コンデンサ20の電圧を検出する電圧検出部8、半導体モジュール22a、22b、24a、24b、26a、26bにおけるIGBTのゲートを駆動するゲート駆動部11を備えている。
電動機1に電流を供給する際、電動機1に流れる電流を電流検出部6によって検出し、電流量に応じた電圧を制御部9に出力する。制御部9は、電流検出部6からフィードバックされた電圧に基づき、電動機1へ所望の電圧、電流、周波数を出力するための半導体素子を制御する信号を演算し、ゲート駆動部11を介してIGBTをオン、オフ制御する。昇圧回路3は、電圧検出部7、8により、昇圧回路前と昇圧回路後の電圧を検出し、制御部9により、上記フィードバックされた電圧から所望の昇圧電圧となるよう、昇圧回路3を構成するスイッチング素子を制御するための信号を演算する。そして、制御部9は、演算結果に応じて、ゲート駆動部11を介してIGBTをオン、オフ制御する。
図2は、電力変換装置を概略的に示す断面図、図3は、電力変換装置の一部を示す斜視図である。図2および図3に示すように、電力変換装置100は、冷却器12、冷却器12上に固定された支持フレーム14、および、冷却器12上に載置され、支持フレームにより支持された複数の半導体モジュール(半導体装置)22a、22b、24a、24b、26a、26b、これらを囲む矩形枠状のインバータケース(外ケース)30を備えている。冷却器12は、平坦な矩形状の受熱面(冷却面)18aおよびこの受熱面と直交する端面(側面)18bを有する扁平な直方体形状の冷却ブロック18を有している。冷却ブロック18は、例えば、アルミニウムで形成されている。また、冷却ブロック18内には、水等の冷却媒体を流す冷媒流路が形成されている。
支持フレーム14は、受熱面18aに対応する大きさの矩形状の外枠と、外枠間を延びる互いに平行な複数の連結梁とを一体に有し、これら外枠および連結梁により、例えば、2列に並んだ、それぞれ矩形状の設置空間部を形成している。支持フレーム14には、複数の金属導電部材(主回路バスバー)が設けられている。主回路バスバー26は、半導体モジュール22a〜26bの電力端子32に電気的に接続される複数の接続端子24、接続端子24に電気的に接続される図示しない複数の入力端子、および接続端子24に電気的に接続される3相の出力端子34u、34v、34w等を有している。各端子は、例えば、無酸素銅、アルミニウム等の導電金属板により、細長い帯状に形成されている。
支持フレーム14は、例えば、インサートモールドにより、主回路バスバー26および複数の端子と一体に樹脂、例えば、ポリフェニレンサルファイド(PPS)等、により成形されている。支持フレーム14は、例えば、複数のねじにより冷却ブロック18に固定され、受熱面18a上に位置している。3相の出力端子34u、34v、34wは、支持フレーム14から放熱面18aと平行に外方に延出し、更に、後述するセンサケースに向かって、直角に折り曲げられ、冷却ブロック18の端面(側面)18bに沿って下方に延びている。出力端子34u、34v、34wは、冷却ブロック18の端面とインバータケース30の内面との間に位置し、これらの端面および内面にそれぞれ隙間を置いて対向している。
図2および図3に示すように、半導体モジュール22a、22b、24a、24b、26a、26bは、例えば、3個ずつ、2列に並んで支持フレーム14に設置されている。各列において、3個の半導体モジュールは、支持フレーム14の設置空間部内に配置され、各半導体モジュールの底面は、高熱伝導材料(絶縁材料)を介して冷却器12の受熱面18a上に設置されている。各半導体モジュールは、その両端面から突出する2つの電力端子32およびその上面から上方に突出する複数の信号端子36を有している。各半導体モジュールの電力端子32は、接続端子24に接触し、主回路バスバー26に電気的に接続されている。
半導体モジュール22a、22b、24a、24b、26a、26bおよび装置全体の入出力および動作を制御する制御回路(制御回路基板)5は、支持フレーム14とほぼ等しい大きさの矩形状に形成されている。制御回路5は、半導体モジュール22a、22b、24a、24b、26a、26b上に重ねて設置され、図示しない固定ねじ等により支持フレーム14に取り付けられている。各半導体モジュールの信号端子36は、制御回路5に電気的に接続されている。
図1に示すように、電動機1に流れる電流を電流検出部6は、バスバーを流れる、例えば、3相の出力端子34u、34v、34wを流れる電流値をそれぞれ検出する3つの電流センサ40a、40b、40cを有している。図4は、電流センサの断面図である。
図2ないし図4に示すように、電流センサ40a、40b、40cは、冷却器12と金属のインバータケース30との間に配置され、冷却器12の冷却ブロック18に接触させ取り付けられる。電流センサ40a、40b、40cは、矩形箱状のセンサケース42を有している。このセンサケース42は、例えば、合成樹脂により形成され、3つのセンサに共通のケースとして構成されている。センサケース42は、一対のブラケット44を有し、これらのブラケットを冷却ブロック18の端面(側面)18bにねじ止めすることにより、冷却ブロックに取り付けられている。センサケース42の一側面は、熱伝導樹脂、伝熱性接着剤、伝熱シート等の伝熱材46を挟んで冷却ブロック18の端面18bに面接触している。センサケース42の反対側の側面は、熱伝導樹脂、伝熱性接着剤、伝熱シート等の伝熱材47を挟んでインバータケース30の内面30aに接触している。これにより、センサケース42は、冷却ブロック18に熱的に接続されている。
半導体モジュールから電動機1へ電流を通電するバスバー、つまり、3相の出力端子34u、34v、34wは、センサケース42を貫通し、電動機1との接続部48に接続される。出力端子34u、34v、34wは、センサケース42の側壁部を密に貫通することにより、センサケース42によって、冷却ブロック18とインバータケース30との間の所定位置に保持されている。なお、電動機1へは、接続部48から他のバスバー、あるいは、ケーブルにより配策される。
センサケース42は、インサート成形により出力端子34u、34v、34wと一体に成形してもよい。あるいは、センサケースを、出力端子34u、34v、34wの位置で分割可能な2部材で構成し、これらの2部材間に出力端子34u、34v、34wを挟み込んで保持する構成としてもよい。
電流センサ40a、40b、40cは、センサケース42内に設置された共通の回路基板50と、それぞれ出力端子34u、34v、34wの周囲に隙間を置いて捲回された検出コア52a、52b、52cと、回路基板50に実装されそれぞれ対応する検出コアに隣接して位置するホール素子54a、54b、54cと、回路基板50に実装されたオペアンプ等の電子部品55と、を有している。回路基板50は、センサケース42の冷却ブロック18側の側壁内面上に取付けられ、冷却ブロック18に隣接している。回路基板50は、ハーネス51を介して、制御回路5に電気的に接続されている。また、センサケース42内は図示しない絶縁樹脂で満たされ、検出コア52a、52b、52cはこの絶縁樹脂により所定位置に保持されている。
なお、センサケース42および回路基板50は、3つのセンサに共通の構成に限らず、センサごとに独立したセンサケースおよび回路基板を用いても良い。また、電流センサは、検出コアとホール素子との組合わせに限らず、他のセンサを用いても良い。
上記のように構成された電力変換装置100によれば、数百Aを超える大電流をバスバー(出力端子)へ通電させた場合、バスバーはジュール熱により発熱するが、電流センサ40a、40b、40cは冷却器12に接触して取り付けられているため、冷却器12により冷却され、電流センサが発熱により壊れることを防止できる。また、電流センサを金属で形成されたインバータケース30に接触して設けることにより、インバータケースを介して電流センサの熱を放熱することができ、電流センサを一層、冷却することが可能となる。
また、インバータ回路4から電動機1へ電流を通電する出力端子(バスバー)34u、34v、34wは、電動機1との接続部48により固定されるが、電力変換装置100が振動の大きな用途に使用された場合、振動により出力端子が大きくたわむ場合がある。しかしながら、本実施形態によれば、電流センサのセンサケース42を冷却器12とインバータケース30との間に取り付け、このセンサケース42により出力端子を支持することで、振動による出力端子の大きなたわみを防止し、出力端子の絶縁距離を確保することができる。そのため、出力端子と冷却器12との間、および出力端子とインバータケースとの間に、余計な絶縁距離をとる必要がなく、装置全体の小型化を図ることができる。更に、電流センサを、冷却器とインバータケースとの間の空きスペースに設置することにより、冷却器の受熱面上に専用の設置スペースを設ける必要がなく、冷却器の小型化および装置全体の小型化を図ることが可能となる。
電流センサ40a、40b、40cと冷却器12との間に伝熱材46を配置し、放熱性を向上させることで、出力端子に大電流が流れ発熱が大きくなった場合でも、電流センサを効率よく冷却し、電流センサの損傷を防止することができる。更に、電流センサのセンサケースとバスバーとを一体形成することで、バスバーのたわみを抑制し、振動による電流センサおよびバスバーの破損を防止することが可能となる。
以上のことから、大型化させずに、電流センサの熱対策、絶縁距離確保が可能な電力変換装置が得られる。
以上のことから、大型化させずに、電流センサの熱対策、絶縁距離確保が可能な電力変換装置が得られる。
この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、電力変換装置の構成部材の寸法、形状、材質等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。半導体モジュールの設置数は、実施形態に限定されることなく、必要に応じて増減可能である。
例えば、電力変換装置の構成部材の寸法、形状、材質等は、前述した実施形態に限定されることなく、設計に応じて種々変更可能である。半導体モジュールの設置数は、実施形態に限定されることなく、必要に応じて増減可能である。
100…電力変換装置、1…電動機、5…制御回路、6…電流検出部、
12…冷却器、14…支持フレーム、18…冷却ブロック、18a…受熱面、
22a、22b、24a、24b、26a、26b…半導体モジュール、
34u、34v、34w…出力端子(バスバー)、30…インバータケース、
40a、40b、40c…電流センサ、42…センサケース、
52a、52b、52c…検出コア
12…冷却器、14…支持フレーム、18…冷却ブロック、18a…受熱面、
22a、22b、24a、24b、26a、26b…半導体モジュール、
34u、34v、34w…出力端子(バスバー)、30…インバータケース、
40a、40b、40c…電流センサ、42…センサケース、
52a、52b、52c…検出コア
Claims (5)
- 受熱面および端面を有する冷却器と、
スイッチング素子および電力端子を有し、前記冷却器の受熱面上に設置される半導体モジュールと、
前記半導体モジュールの電力端子に接続され、電流を出力するバスバーと、
前記バスバーに流れる電流を検出する電流センサと、
前記半導体モジュール、冷却器、バスバー、および電流センサを覆う箱状の外ケースと、を備え、
前記電流センサは、前記冷却器の端面と前記外ケースとの間に配置され前記冷却器に熱的に接続されたセンサケースと、前記センサケース内に配置され、前記バスバーに流れる電流を検知する電子部品と、を備え、
前記バスバーは、前記センサケースを貫通して延び、前記センサケースにより、前記冷却器と外ケースとの間に支持されている電力変換装置。 - 前記電流センサのセンサケースは、伝熱材を介して、前記冷却器に接合されている請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記電流センサのセンサケースは、合成樹脂により前記バスバーと一体に成形されている請求項1又は2に記載の電力変換装置。
- 前記バスバーが取り付けられているとともに前記冷却器の受熱面上に配置された支持フレームを備え、前記半導体モジュールは、前記受熱面上に載置されているとともに前記電力端子は前記支持フレームに取り付けられたバスバーに電気的に接続され、
前記バスバーは、前記放熱面からこの放熱面と平行に延出し、途中で前記センサケースに向けて屈曲し、前記センサケースを貫通して延びている請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記電流センサは、前記センサケース内で、前記冷却器に隣接して配置された回路基板を備え、前記電子部品は前記回路基板上に実装されている請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013210595A JP2015076933A (ja) | 2013-10-07 | 2013-10-07 | 電力変換装置 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101582825B1 (ko) * | 2015-06-30 | 2016-01-07 | 정현아 | 태양전지 모니터링장치 |
US11757349B2 (en) | 2021-03-25 | 2023-09-12 | Ford Global Technologies, Llc | Liquid cooled current sensor assemblies |
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2013
- 2013-10-07 JP JP2013210595A patent/JP2015076933A/ja active Pending
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