JP2017204981A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、集磁コアを伴わずにバスバに隣接配置されている磁電変換素子を含む電流センサを搭載した電力変換装置に関し、リアクトルが発生する磁束の影響を低減し、バスバを流れる電流を精度よく計測する技術を提供する。
【解決手段】電力変換装置１０は、リアクトル４とバスバ１６と電流センサ５を備える。電流センサ５は、集磁コアを伴わずにバスバに隣接配置されている磁電変換素子１５を含む。磁電変換素子１５は、リアクトル４が発生する磁束が磁電変換素子１５の感磁方向と直交する方向に磁電変換素子を貫くように配置されている。そのような配置により、リアクトル４が発生する磁界は磁電変換素子１５に計測されない。
【選択図】図２

Description

本発明は、リアクトルと、バスバを流れる電流センサを備えている電力変換装置に関する。

電力変換装置は、所定の出力電流が達成されているか否かをチェックするために、バスバを流れる電流を計測する電流センサを備えることが多い。なお、バスバとは、細長金属板（又は細長金属棒）で作られた導電部材である。典型的な電流センサは、磁電変換素子でバスバを流れる電流が発生する磁束を計測し、計測した磁束の大きさに所定の係数を乗じて電流値を得る。以下では、説明を簡単にするため、便宜上、「バスバを流れる電流が発生する磁束」を単純に「バスバの磁束」と称する。

以前は磁電変換素子が計測する磁束を増幅するため、Ｃ字形状の集磁コアを用いていた。Ｃ字形状の集磁コアは、バスバを囲むように配置され、Ｃ字のスリット部分に磁電変換素子が配置される。しかし、近年は磁電変換素子の精度が向上し、集磁コアを伴わずに磁電変換素子だけで構成される電流センサが提案されている。

一方、複数のバスバが平行に延びている場合、電流計測対象のバスバに隣接配置された磁電変換素子が、隣の非計測対象のバスバの磁束も感知してしまい、電流の計測精度が低下する虞があった。特許文献１には、隣接する非計測対象のバスバの磁束の影響を低減する技術が提案されている。特許文献１に開示された電流センサは、平行に延びる２本のバスバの一方を流れる電流を計測する。電流非計測対象のバスバは細長い断面を有している。磁電変換素子は、その感磁方向が、電流計測対象のバスバの側面と平行になるように配置される。同時に、磁電変換素子は、その感磁面が、電流非計測対象のバスバの幅広の側面と対向するとともに、感磁方向が電流非計測対象のバスバの側面と直交するように配置される。電流計測対象のバスバの磁束は垂直に感磁面を貫くが、電流非計測対象のバスバの磁束は感磁面に対して平行となる。それゆえ、磁電変換素子は電流非計測対象のバスバの磁束を計測しない。磁電変換素子の計測結果に基づいて得られる電流値は、電流計測対象のバスバの電流を正確に表すことになる。

特開２０１５−１３２４９９号公報

電力変換装置の中には、リアクトルを備えるタイプがある。リアクトルは、コイルを備えているので、周囲に比較的に強い磁束を生じさせる。リアクトルを備える電力変換装置の内部に集磁コアを伴わない電流センサを組み込むと、磁電変換素子がリアクトルの発生する磁束を計測してしまい、バスバを流れる電流の計測精度が低下してしまう。本明細書は、集磁コアを伴わずにバスバに隣接配置されている磁電変換素子を含む電流センサを搭載した電力変換装置に関し、リアクトルが発生する磁束の影響を低減し、バスバを流れる電流を精度よく計測する技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、リアクトルとバスバと電流センサを備える。電流センサは、集磁コアを伴わずにバスバに隣接配置されている磁電変換素子を含む。磁電変換素子は、リアクトルが発生する磁束が磁電変換素子の感磁方向と直交する方向に磁電変換素子を貫くように配置されている。上記した配置により、リアクトルが発生する磁界は磁電変換素子に計測されない。上記の配置を実現した電力変換装置の電流センサは、リアクトルが発生する磁界の影響を低減し、バスバを流れる電流を精度よく計測することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換装置を含む電気自動車の電力系の回路ブロック図である。 電力変換装置のケース内部品レイアウトを示す平面図である。 図２のIII−III線に沿った断面図である。 磁電変換素子の別の配置の例を示す断面図である。 ３相交流を計測する電流センサの磁電変換素子の配置の例を示す平面図である。 ３本のバスバと２個の磁電変換素子の位置関係を示す斜視図である。 リアクトルと磁電変換素子の別の配置の例を示す平面図である。 図７のVIII−VIII線に沿った断面図である。 別の形状のリアクトルとバスバと磁電変換素子の配置の例を示す平面図である。 図９のX−X線に沿った断面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置１０を説明する。電力変換装置１０は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力を走行用のモータの駆動に適した交流電力に変換する。図１に、電力変換装置１０を含む電気自動車の電力系の回路ブロック図を示す。

先に述べたように、電力変換装置１０は、バッテリ２の直流電力を走行用のモータ８の駆動に適した交流電力に変換する。電力変換装置１０は、コンバータ回路１２とインバータ回路１３を含む。バッテリ２の直流電力は、コンバータ回路１２で昇圧された後、インバータ回路１３によって交流に変換される。電気自動車は、運転者がブレーキペダルを踏んだとき、車両の慣性力を利用してモータ８で発電する。すなわち、モータ８は、発電機としても機能する。インバータ回路１３は、発電で得られた交流電力を直流電力に変換することもできる。このとき、コンバータ回路１２は、インバータ回路１３から送られる直流電力を降圧してバッテリ２に供給する。すなわち、コンバータ回路１２は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。コンバータ回路１２とインバータ回路１３の間に、平滑コンデンサ７が並列に接続されている。

コンバータ回路１２は、フィルタコンデンサ３、リアクトル４、２個のトランジスタ６ａ、６ｂ、各トランジスタに逆並列に接続されているダイオード（還流ダイオード）、及び、電流センサ５を備える。電流センサ５は、リアクトル４を流れる電流を計測する。

インバータ回路１３は、２個のトランジスタの直列接続を３組備える（トランジスタ６ｃ−６ｈ）。各トランジスタ６ｃ−６ｈには、還流ダイオードが逆並列に接続されている。３組の直列接続は並列に接続されている。３組の直列接続の中点から３相交流が出力される。インバータ回路１３の出力側には各相の電流を計測する電流センサ７ａ−７ｃが取り付けられている。図１のコンバータ回路１２とインバータ回路１３の回路構成は良く知られているので詳しい説明は割愛する。

電流センサ５、７ａ−７ｃの計測データはコントローラ９に送られる。コントローラ９は、各電流センサ５、７ａ−７ｃの計測データに基づいて、出力が目標に追従するように、各トランジスタ６ａ−６ｈを駆動する。

図２に、電力変換装置１０のケース内の部品レイアウトを示す。２個のトランジスタの直列接続は、各トランジスタに並列接続された還流ダイオードとともに樹脂パッケージに封止されている。その樹脂パッケージをパワーカード１９（１９ａ−１９ｄ）と称する。コンバータ回路１２の２個のトランジスタ６ａ、６ｂはパワーカード１９ｄに収容されている。インバータ回路１３のトランジスタ６ｃ、６ｄは、パワーカード１９ａに収容されている。トランジスタ６ｅ、６ｆの直列接続と、トランジスタ６ｇ、６ｈの直列接続は、夫々、パワーカード１９ｂ、１９ｃに収容されている。４個のパワーカード１９ａ−１９ｄは、５個の冷却プレート２１とともに積層され、積層ユニット２０を構成する。パワーカード１９ａ−１９ｄと冷却プレート２１の積層体は、積層方向の一端がケース１１の内壁に押し付けられ、他端が板バネ２２によって加圧され、ケース１１に固定されている。

パワーカード１９ａ−１９ｃの夫々の端子にはバスバ１８ａ−１８ｃが接続されている。バスバ１８ａ−１８ｃは、パワーカード１９ａ−１９ｃの夫々の内部で２個のトランジスタの直列接続の中点と導通している。即ち、３本のバスバ１８ａ−１８ｃを通じて３相交流が出力される。バスバ１８ａに対して、磁電変換素子１７ａが隣接配置されている。バスバ１８ｂに対して磁電変換素子１７ｂが隣接配置されており、バスバ１８ｃに対して磁電変換素子１７ｃが隣接配置されている。磁電変換素子１７ａ−１７ｃは、それぞれ、図１の電流センサ７ａ−７ｃの主要部品である。電流センサ７ａ−７ｃは、集磁コアを伴わずにバスバに隣接配置されている磁電変換素子１７ａ−１７ｃを備える。

積層ユニット２０の積層方向に隣接してリアクトル４が配置されている。リアクトル４は、リング状のコア２４と、コア２４の２か所に巻回されたコイル２３ａ、２３ｂで構成されている。２個のコイル２３ａ、２３ｂは、電気的には直列に接続されており、一つのコイルとして機能する。リアクトル４とパワーカード１９ｄ（コンバータ回路１２のトランジスタ６ａ、６ｂを収容したパワーカード）の端子をつなぐバスバ１６には、図１の電流センサ５の主要部品である磁電変換素子１５が隣接配置されている。電流センサ５は、集磁コアを伴わずにバスバに隣接配置されている磁電変換素子１５を備える。

電力変換装置１０のケース１１の内部には、他に、フィルタコンデンサ３と平滑コンデンサ７を封止したコンデンサユニット２５が収容されている。コンデンサ３、７の接続先の図示は省略した。リアクトル４のコイル２３ｂの端子の接続先も図示を省略した。また、バスバ１６、１８ａ−１８ｃと接続されている端子以外のパワーカード１９ａ−１９ｄの端子の接続先も図示を省略した。図１のコントローラ９を実装した回路基板は、図２に示した部品群の上方に配置される。ここで、「上方」とは、図中の座標系のＺ軸の正方向に相当する。

先に述べたように、電流センサ５は磁電変換素子１５を備えており、電流センサ７ａ−７ｃは、夫々、磁電変換素子１７ａ−１７ｃを備えている。磁電変換素子１５、１７ａ−１７ｃは、隣接するバスバを流れる電流が発生する磁束を計測する。電流センサは不図示のセンサ回路を備えており、そのセンサ回路が、磁電変換素子の計測値に所定の係数を乗じ、対応するバスバを流れる電流の大きさを特定する。以下、説明の便宜上、「バスバを流れる電流が発生する磁束」を単純に「バスバが発する磁束」と表記することがある。

磁電変換素子は、電流計測対象のバスバが発する磁束の他に、別のデバイスが発する磁束も計測してしまう場合がある。電流計測対象のバスバ以外のデバイスが発する磁束はノイズとなり、電流センサの計測精度を低下させる。リアクトル４はコイル２３ａ、２３ｂを備えており、コンバータ回路１２の特性上、大きな電流が流れるため、強い磁界（磁束）を生じる。バスバ１６を流れる電流を計測する電流センサ５の磁電変換素子１５は、リアクトル４の近くに位置するので、リアクトル４から強い影響を受ける虞がある。実施例の電力変換装置１０は、磁電変換素子１５の配置を工夫し、リアクトル４から受ける影響を低減する。

磁電変換素子１５の配置について説明する。なお、磁電変換素子は、特定の方向の磁束を計測する。その方向は、感磁方向と呼ばれる。磁電変換素子は、感磁方向と直交する方向の磁束は感知しない。

図３に、図２のIII−III線に沿った断面図を示す。図３では、リアクトル４と磁電変換素子１５とバスバ１６の位置関係に着目しており、コンデンサユニット２５その他の部品の図示は省略した。図３において、コイル２３ａ、２３ｂの内部に描かれた矢印線Ａ１は、コイル２３ａ、２３ｂに流れる電流の向きを表している。この電流に起因して、リアクトル４の外側には、紙面に垂直な方向の磁界（磁束）が発生する。符号Ａ２が、リアクトル４が発生する磁界（磁束）を表している。円の中心に黒点が描かれた図形は、磁束の向きが紙面奥側から手前側であることを表しており、円の内部に交差する線が描かれた図形は、磁束の向きが紙面手前側から奥側であることを表している。なお、コア２４の内部にも磁束が発生するが、コア内部の磁束は図示を省略した。以降の図でも、コア内部に発生する磁束の図示は省略する。

バスバ１６と磁電変換素子１５の周囲では、リアクトル４が発生する磁束は、紙面に垂直（図中の座標系でＸ軸に平行）となる。一方、磁電変換素子１５は、その感磁方向（矢印線Ａ３）が、図中の座標系のＹ方向を向くように配置されている。磁電変換素子１５は、リアクトル４が発生する磁束が感磁方向（矢印線Ａ３）と直交する方向に磁電変換素子１５を貫くように配置されている。一方、磁電変換素子１５は、電流計測対象のバスバ１６が発する磁界（磁束）が、その感磁方向（矢印線Ａ３）に沿って磁電変換素子１５を貫くように配置されている。図３において楕円の矢印線Ａ４が、バスバ１６が発する磁束の向きを表している。別言すれば、磁電変換素子１５は、電流計測対象のバスバ１６を横断する断面において、バスバ１６の一つの側面に対向するように配置されるとともに、その感磁方向（矢印線Ａ３）が、上記一つの側面と平行になるように配置される。

上記の配置により、磁電変換素子１５は、リアクトル４が発生する磁束の影響を抑えつつ、リアクトル４に沿って延びるバスバ１６が発生する磁束を最大限に計測することができる。上記の配置により、磁電変換素子１５を利用した電流センサ５を搭載した電力変換装置１０は、リアクトル４が発生する磁束の影響を低減しつつ、バスバ１６を流れる電流を精度よく計測することができる。

磁電変換素子１５の別の配置の例を、図４を参照して説明する。図４は、磁電変換素子１５の配置以外は図３と同じである。符号Ａ２が示す図形が、リアクトル４が発生する磁束の向きを示している。バスバ１６と磁電変換素子１５の周囲では、リアクトル４が発生する磁束は、紙面に対して垂直方向を向く。磁電変換素子１５は、バスバ１６に隣接配置されているとともに、その感磁方向（矢印線Ａ５）がＺ軸方向を向くように配置されている。磁電変換素子１５は、リアクトル４が発生する磁束（符号Ａ２）が、その感磁方向（矢印線Ａ５）と直交する方向に磁電変換素子１５を貫通するように配置されている。また、磁電変換素子１５は、バスバ１６が発生する磁束（楕円矢印線Ａ４）が、感磁方向（矢印線Ａ５）と平行に磁電変換素子１５を貫通するように配置されている。図４の配置でも、図３の場合と同様に、リアクトル４が発生する磁束の影響を低減しつつ、バスバ１６を流れる電流を精度よく計測することができる。

図２に示したように、交流出力用の３本のバスバ１８ａ−１８ｃの夫々にも磁電変換素子１７ａ−１７ｃが隣接配置されている。磁電変換素子１７ａ−１７ｃは、夫々、図１の電流センサ７ａ−７ｃの主要部品である。磁電変換素子１７ａ−１７ｃの感磁方向は、リアクトル４が発生する磁束の方向と直交しない。そこで、電流センサ７ａ−７ｃでは、磁電変換素子１７ａ−１７ｃが計測したデータを補正し、電流計測の精度を高める。電流センサ７ａ−７ｃの回路（不図示）は、リアクトル４のコイルを流れる電流の大きさと、リアクトル４が発生する磁界が各磁電変換素子１７ａ−１７ｃに与える影響との関係を示した補正係数を記憶している。先に述べたように、リアクトル４を流れる電流は、電流センサ５（磁電変換素子１５）により正確に計測することができる。電流センサ７ａ−７ｃは、電流センサ５により得られた電流値から、その電流値に対応する補正係数を決定し、決定した補正係数に基づいて、磁電変換素子１７ａ−１７ｃの計測値を補正する。リアクトル４が発生する磁束（ノイズ磁界）の影響を受ける電流センサ７ａ−７ｃは、上記した補正によって、リアクトル４が発生する磁束の影響を低減する。

先の実施例では、交流出力用のバスバ１８ａ−１８ｃの電流を計測する電流センサ７ａ−７ｃは、補正係数を用いて精度を高めた。交流出力用のバスバの電流を計測する電流センサの磁電変換素子を、先の磁電変換素子１５のように配置し、電流計測精度を高めることも好適である。図５に、リアクトル４の近傍を通るように交流出力用のバスバ３１ａ−３１ｃを配置した場合の平面図を示す。並行に延びる３本のバスバ３１ａ―３１ｃのうち、両側のバスバ３１ａ、３１ｃに、夫々、磁電変換素子３２、３３が隣接配置されている。バスバ３１ｂには磁電変換素子（即ち電流センサ）は配置していない。３相交流の和は常にゼロであるから、バスバ３１ｂを流れる電流は、２本のバスバ３１ａ、３１ｃを流れる電流の値から推定することができる。もちろんバスバ３１ｂに、別の磁電変換素子（別の電流センサ）を配置してもよい。

図５において、矢印線Ａ６、Ａ７が、リアクトル４が発生する磁束を表している。磁電変換素子３２、３３の近傍では、リアクトル４が発生する磁束は、図中の座標系のＸ方向を向く。一方、磁電変換素子３２、３３は、その感磁方向（矢印線Ａ８）がＹ方向を向くように配置されている。別言すれば、磁電変換素子３２、３３は、リアクトル４が発生する磁束が磁電変換素子３２、３３の感磁方向（矢印線Ａ８）と直交する方向にその磁電変換素子を貫くように配置されている。図５の配置を実現した電力変換装置も、ノイズ磁界（リアクトル４が発生する磁束）の影響を低減しつつ、交流計測用のバスバの電流を高精度で計測することができる。

なお、図６に示すように、バスバ３１ａ、３１ｃには切欠３４が設けられており、磁電変換素子３２、３３は、切欠３４の内側に配置される。切欠３４によってバスバの断面積が小さくなり、そこでの電流密度が高まる。電流密度が高まると、磁電変換素子３２、３３が計測する磁束が大きくなり、電流計測精度がさらに向上する。

図２から図５で例示した配置は、次のように表現することができる。バスバは、リアクトル４に隣接し、コイル２３ａ、２３ｂの軸線方向に沿って延びている。電流センサの磁電変換素子１５、３２、３３は、コイルの側方でバスバに隣接配置されている。磁電変換素子１５、３２、３３は、その感磁方向がコイルの軸線（図中のＸ方向）と直交する方向を向くように配置されている。コイルの側方では、コイル（リアクトル４）が発生する磁束（ノイズ磁束）はコイルの軸線方向を向く。それゆえ、感磁方向がコイル軸線と直交するように磁電変換素子を配置すれば、リアクトル４が発生する磁束（ノイズ磁束）の影響を低減することができる。

磁電変換素子は、コイルの側方とは別の場所へ配置しても、ノイズ磁束を低減できる場合がある。図７、図８を参照して、リアクトル４と磁電変換素子４７の配置の別の例を説明する。図８は、図７のVIII−VIII線に沿った断面を示している。以下では、リアクトルとバスバと磁電変換素子の関係に着目して説明する。それゆえ、電力変換装置のその他の部品は図示と説明を省略する。

図７のリアクトル４４は、環状のコア４６と、コア４６の２か所に平行に巻回されたコイル４５ａ、４５ｂを備えている。コイル４５ａ、４５ｂは、直列に接続されており、電気回路としては一つのコイルとして機能する。環状のコア４６は、コイル４５ａ、４５ｂの間で２個のコアブロック４６ａ、４６ｂに分割されている。２個のコアブロック４６ａ、４６ｂは、ギャップＧを挟んで対向している。なお、コアブロック４６ａ、４６ｂは、射出成形の樹脂で封止されており、その相対的な位置関係が保持される。図では、コアブロックを覆う樹脂の図示は省略した。

リアクトル４４は、ギャップＧをはさんで漏れ磁束を生じる。図７の符号Ａ１０、Ａ１１が、リアクトル４４が周囲へ発生する磁束（ノイズ磁束）を表している。バスバ４８は、コア４６のギャップＧに対向するように延びている。電流センサの主要部品である磁電変換素子４７も、ギャップＧに対向する位置に配置されている。磁電変換素子４７の周囲では、ノイズ磁束はＹ方向を向いている（矢印線Ａ１０）。一方、磁電変換素子４７は、その感磁方向（矢印線Ａ１２）が、Ｘ方向を向くように配置されている。別言すれば、磁電変換素子４７は、リアクトル４４が発生する磁束が磁電変換素子４７の感磁方向（矢印線Ａ１２）と直交する方向にその磁電変換素子４７を貫くように配置されている。また、磁電変換素子４７は、その感磁方向（矢印線Ａ１５）が、バスバ４８を一巡する磁束線の楕円（矢印楕円線Ａ１３）の接線方向と一致するように配置されている。上記の配置を実現した電力変換装置も、リアクトル４４が発生する磁束（ノイズ磁束）の影響を低減しつつ、高い精度でバスバを流れる電流を計測することができる。

これまで説明した電力変換装置のリアクトルは、環状のコアと、電気的には一つのコイルとして機能する２個のコイルを備えていた。本明細書が開示する技術は、そのようなリアクトルに限られない。図９と図１０を参照して、別の形状のリアクトルの場合の磁電変換素子の配置の例を説明する。図９、図１０においても、リアクトルとバスバと磁電変換素子以外のデバイスは図示を省略する。

図９、１０のリアクトルは、一つのコイル５５と、コイル５５の内外を覆うコア５６を有している。コア５６は、金型内で磁性体の粉末を射出成形して作られる。図９は、コイル軸線方向（図中の座標系のＺ方向）からみたリアクトル５４の平面図である。図１０は、図９のX−X線に沿った断面図である。符号Ａ１４が示す図形が、リアクトル５４が発生する磁束を表している。リアクトル５４が発生する磁束は、図中のＺ軸方向（即ち、コイル５５の軸線方向）を向く。図中の矢印線Ａ１５が、バスバ５８に隣接配置された磁電変換素子５７の感磁方向を表している。磁電変換素子５７は、リアクトル５４が発生する磁束が磁電変換素子５７の感磁方向と直交する方向に磁電変換素子５７を貫くように配置されている。矢印線Ａ１６は、バスバ５８が発生する磁束を表している。磁電変換素子５７は、バスバ５８が発生する磁束が感磁方向に沿って磁電変換素子５７を貫くように配置されている。図９、図１０に示す配置を実現した電力変換装置も、リアクトル５４が発生する磁束の影響を低減しつつ、リアクトル５４の隣に延びるバスバを流れる電流を高い精度で計測することができる。

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：バッテリ
３：フィルタコンデンサ
４、４４、５４：リアクトル
５、７ａ−７ｃ：電流センサ
６ａ−６ｈ：トランジスタ
７：平滑コンデンサ
８：モータ
９：コントローラ
１０：電力変換装置
１１：ケース
１２：コンバータ回路
１３：インバータ回路
１５、１７ａ−１７ｃ、３２、３３、４７、５７：磁電変換素子
１６、１８ａ−１８ｃ、４８、５８：バスバ
１９ａ−１９ｄ：パワーカード
２０：積層ユニット
２１：冷却プレート
２２：板バネ
２３ａ、２３ｂ、４５ａ、４５ｂ、５５：コイル
２４、４６、５６：コア
３１ａ−３１ｃ：バスバ

Claims (1)

1. リアクトルと、
   バスバと、
   集磁コアを伴わずに前記バスバに隣接配置されている磁電変換素子を含む電流センサと、
   を備えており、
   前記磁電変換素子は、前記リアクトルが発生する磁束が前記磁電変換素子の感磁方向と直交する方向に当該磁電変換素子を貫くように配置されている、電力変換装置。

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