JP5669677B2 - 電力変換装置および電力変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

図１は、インバータをはじめとする電力変換装置の構成を示す図である。図１の電力変換装置２は、３相のコンバータであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のパワートランジスタＭ１_Ｕ〜Ｍ１_Ｗ、Ｍ２_Ｕ〜Ｍ２_Ｗが内蔵されたパワーモジュール４と、パワートランジスタＭ１_Ｕ〜Ｍ１_Ｗ、Ｍ２_Ｕ〜Ｍ２_Ｗを駆動するゲートドライブ回路６、電解コンデンサである平滑化コンデンサＣ１ならびにスナバ回路８を備える。図１には、Ｕ相のみが示され、Ｖ相、Ｗ相は省略される。

特開平１０−２２５１４０号公報 特開２００４−１１２９９９号公報

上側電源ラインＬＰおよび下側電源ラインＬＮは、それぞれ電源５の陽極、陰極に接続される。パワーモジュール４は、各相ごとに、上側電源ラインＬＰと下側電源ラインＬＮの間に順に直列に設けられたハイサイドトランジスタＭ１と、ローサイドトランジスタＭ２を含む。Ｕ相に着目すると、ハイサイドトランジスタＭ１_Ｕがオンのとき、Ｕ相の出力ＯＵＴＵはハイレベルとなり、ローサイドトランジスタＭ２_Ｕがオンのとき、Ｕ相の出力ＯＵＴＵはローレベルとなる。

ゲートドライブ回路６が生成するパワートランジスタＭ１、Ｍ２それぞれに対する制御信号Ｇ１、Ｇ２にノイズが重畳すると、パワートランジスタＭ１、Ｍ２が意図せずに動作するおそれがある。この対策として、平滑化コンデンサＣ１やスナバ回路８は、パワーモジュール４の直近に配置することが望ましい。

一方でパワーモジュール４および電解コンデンサである平滑化コンデンサＣ１は、電力変換装置２の動作状態において発熱する。したがって、これらが近接して配置されると、相互に熱的に影響を及ぼし、双方の温度が上昇する要因となりうる。過度の温度上昇は、電解コンデンサやパワーモジュールの寿命に影響するため望ましくない。

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ノイズやサージを対策しつつ、温度上昇を抑制可能な電力変換装置の提供にある。

本発明のある態様は、負荷に電力を供給する電力変換装置に関する。電力変換装置は、上側電源ラインおよび下側電源ラインと、上側電源ラインと下側電源ラインの間に電気的に接続されるひとつの電解コンデンサと、上側電源ライン、下側電源ラインそれぞれと電気的に接続される上側電源端子、下側電源端子を有するとともに、上側電源端子と下側電源端子の間に設けられた少なくともひとつのパワートランジスタを内蔵するパワーモジュールと、少なくともひとつのパワートランジスタを駆動するゲートドライブ回路と、上側電源ラインおよび下側電源ラインと電気的に接続されるスナバ回路と、その第１面にパワーモジュールが実装され、その第２面にゲートドライブ回路およびスナバ回路の構成部品が実装される第１基板と、その第１面に電解コンデンサが実装される第２基板と、上側電源ラインの一部をなすとともに、第２基板を第１基板と実質的に平行に、かつ所定の間隔を隔てて支持する第１ブスバーと、下側電源ラインの一部をなすとともに、第２基板を第１基板と実質的に平行に、かつ所定の間隔を隔てて支持する第２ブスバーと、を備える。

この態様によると、パワーモジュールが実装される第１基板と、電解コンデンサが実装される第２基板を、第１、第２ブスバーを利用して平行に間隔を隔てて配置することにより、電解コンデンサとパワーモジュールの熱的な距離を遠ざけることができ、温度上昇を抑制することができる。電解コンデンサは物理的にはパワーモジュールと離れた位置に実装されるが、ブスバーを介して接続されるために電気的には近い位置に配置されており、またスナバ回路の構成部品は第１基板上に実装されているため、パワーモジュールとの電気的な距離は非常に近い。したがって、電解コンデンサおよびスナバ回路によって、ノイズやサージに対しても対策がされている。

第１および第２ブスバーはそれぞれ、その一端が第１基板と電気的、機械的に接続される第１支持部材と、その一端が第１基板と電気的、機械的に接続される接続される第２支持部材と、第１支持部材の他端および第２支持部材の他端に電気的、機械的に接続され、第１、第２支持部材によって第１基板と実質的に平行に支持されるプレートと、を含んでもよい。第１、第２ブスバーそれぞれのプレートは、第１基板と実質的に平行な同一平面内に支持され、第２基板は、第１、第２ブスバーそれぞれのプレートの上に設けられてもよい。

第１ブスバーのプレートと、第２ブスバーのプレートは、同一平面内に所定の間隔を隔てて配置されてもよい。

第１ブスバーのプレートと、第２ブスバーのプレートは、同一平面内に、絶縁体を介して密着して配置されてもよい。

本発明の別の態様は、電力変換モジュールに関する。この電力変換モジュールは、上述の電力変換装置を複数備える。複数の電力変換装置それぞれに設けられる第１ブスバーのプレートは一体に構成され、複数の電力変換装置それぞれに設けられる第２ブスバーのプレートは一体に構成されてもよい。
複数の電力変換装置でブスバーのプレートを共有することにより、複数の電力変換装置間で、平滑化用の電解コンデンサを共有することができるという利点がある。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ノイズやサージを対策しつつ、温度上昇を抑制できる。

インバータをはじめとする電力変換装置の構成を示す図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。 電力変換装置の一部分の斜視図である。 実施の形態に係る電力変換モジュールを備える重機もしくは搬器の構成を示す図である。 図４の電力変換モジュールの一部を示す斜視図である。

図２（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る電力変換装置２の構成を示す図である。図２（ａ）は電力変換装置２の平面図、図２（ｂ）、（ｃ）は、電力変換装置２の側面図である。図３は、電力変換装置２の一部分の斜視図である。

電力変換装置２は、図示しない負荷に電力を供給する。電力変換装置２の等価回路図は、たとえば図１で説明した通りである。

電力変換装置２は、上側電源ラインＬＰ、下側電源ラインＬＮ、平滑化用の電解コンデンサＣ１、パワーモジュール４、ゲートドライブ回路６、スナバ回路８、第１基板２０、第２基板２２、第１ブスバー２４、第２ブスバー２６を備える。はじめに図１を参照し、各部材の電気的な接続関係を説明する。

図１に示すように上側電源ラインＬＰ、下側電源ラインＬＮには、電源５から、上側電源電圧ＶＤＤと下側電源電圧ＶＳＳが供給される。平滑化用の電解コンデンサＣ１は、上側電源ラインＬＰと下側電源ラインＬＮの間に電気的に接続される。電解コンデンサＣ１は、ひとつであってもよいが、容量が大きくなると体積が大きくなるため、複数の電解コンデンサＣ１を並列に接続することにより大容量を実現している。

パワーモジュール４は、上側電源ラインＬＰと電気的に接続される上側電源端子Ｐ、下側電源ラインＬＮと電気的に接続される下側電源端子Ｎを有するとともに、上側電源端子Ｐと下側電源端子Ｎの間に設けられた少なくともひとつのパワートランジスタＭ１、Ｍ２を内蔵する。パワーモジュール４は、単相であってもよいし、多相であってもよく、その相数は限定されない。

ゲートドライブ回路６は、パワーモジュール４を構成するパワートランジスタＭ１、Ｍ２を駆動する。スナバ回路８は、パワートランジスタＭ１、Ｍ２をスイッチングさせる際に生ずる過渡的な高電圧を吸収する保護回路であり、上側電源ラインＬＰおよび下側電源ラインＬＮおよび出力端子ＯＵＴと電気的に接続される。たとえば図１の構成例では、キャパシタＣ２がＣスナバを、抵抗Ｒ１、Ｒ２、キャパシタＣ３、Ｃ４、ダイオードＤ１、Ｄ２がＲＣＤスナバを形成する。なおスナバ回路８の構成は特に限定されず、任意の構成でよい。

続いて図２（ａ）〜（ｃ）を参照し、各部材の電気的、機械的な接続関係を説明する。図２（ａ）〜（ｃ）において上側電源ラインＬＰ、下側電源ラインＬＮは省略されている。

第１基板２０の第１面Ｓ１にはパワーモジュール４が実装され、それと反対の第２面Ｓ２にはゲートドライブ回路６およびスナバ回路８の構成部品Ｃ２〜Ｃ４、Ｒ１、Ｒ２、Ｄ１、Ｄ２が実装される。第２面Ｓ２におけるゲートドライブ回路６や、スナバ回路８の構成部品の配置は特に限定されない。パワーモジュール４の第１面Ｓ１と反対側の表面には、放熱用のヒートシンク１０が密着され、熱的に結合されている。

第２基板２２の第１面Ｓ３には、複数の電解コンデンサＣ１が実装される。第１ブスバー２４は、上側電源ラインＬＰの一部をなすとともに、第２基板２２を第１基板２０と実質的に平行に、かつ所定の間隔ｄを隔てて支持する。間隔ｄは、第１基板２０の第２面Ｓ２に実装される回路部品の高さ、および各部品の放熱性を考慮して決めればよい。

第２ブスバー２６は、下側電源ラインＬＮの一部をなすとともに、第２基板２２を第１基板２０と実質的に平行に、かつ所定の間隔ｄを隔てて支持する。

詳しくは図３に示されるように、第１ブスバー２４は、第１支持部材２４ａ、第２支持部材２４ｂ、プレート２４ｃを備える。当然ながら第１支持部材２４ａ、第２支持部材２４ｂ、プレート２４ｃはいずれも導体である。第１支持部材２４ａおよびプレート２４ｃは、クランク状、もしくは「コの字」型に折り曲げられた導体のプレートであり、それぞれの一端は第１基板２０の第１面Ｓ１に形成された、上側電源ラインＬＰをなす配線パターン（不図示）と電気的、機械的に接続される。プレート２４ｃは、第１支持部材２４ａおよび第２支持部材２４ｂそれぞれの他端に電気的、機械的に接続され、それらによって第１基板２０と実質的に平行に支持される。第２ブスバー２６は、第１ブスバー２４と同様に構成される。第１ブスバー２４、第２ブスバー２６それぞれのプレート２４ｃ、２６ｃは、第１基板２０と実質的に平行な同一平面内に支持される。支持部材２４ａ、２４ｂ、２６ａ、２６ｂの配置は特に限定されない。第１ブスバー２４のプレート２４ｃと、第２ブスバー２６のプレート２６ｃは、同一平面内に所定の間隔Ｌを隔てて配置され、互いに絶縁されている。

図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、第２基板２２は、第１ブスバー２４、第２ブスバー２６それぞれのプレート２４ｃ、２６ｃの上に設けられる。第２基板２２には、上側電源ラインＬＰの一部である配線パターン（不図示）が形成されており、第１ブスバー２４と電気的に接続される。同様に、第２基板２２には下側電源ラインＬＮの一部である配線パターン（不図示）が形成されており、第２ブスバー２６と電気的に接続される。電解コンデンサＣ１は、第２基板２２に形成される上側電源ラインＬＰの配線パターンと、下側電源ラインＬＮの配線パターンと電気的に接続される。

以上が電力変換装置２の構成である。続いてその動作、利点を説明する。
ゲートドライブ回路６によってパワーモジュール４のパワートランジスタＭ１、Ｍ２が駆動される。
電解コンデンサＣ１は物理的にはパワーモジュール４と離れた位置に実装されるが、ブスバー２４、２６を介して接続されるために電気的には近い位置に配置されていると言える。なぜならブスバーのインピーダンスは、プリント基板上の配線パターンのインピーダンスに比べて十分に小さいからである。またスナバ回路８の構成部品は、第１基板２０の第２面Ｓ２に実装されるため、第１面Ｓ１に実装されるパワーモジュール４との電気的な距離は近い。したがって、電解コンデンサＣ１およびスナバ回路８の両方を、パワーモジュール４に対して電気的に近い位置に配置することができ、サージやノイズによってパワートランジスタＭ１、パワートランジスタＭ２が誤動作するのを防止することができる。

パワートランジスタＭ１、Ｍ２を駆動することにより、パワーモジュール４は発熱する。その一部はヒートシンク１０によって放散されるが、残りの熱はパワーモジュール４に蓄積され、パワーモジュール４の温度が上昇する。また、電解コンデンサＣ１も、電荷が充放電されることにより発熱する。ところが、実施の形態に係る電力変換装置２においては、電解コンデンサＣ１とパワーモジュール４が物理的に離れた位置に配置されており、相互の熱的な影響が低減されている。

すなわち電解コンデンサＣ１に着目すると、その熱は、電解コンデンサＣ１の上方の空間に放出される。それに加えて電解コンデンサＣ１は、第２基板２２を介して第１ブスバー２４、第２ブスバー２６と接続されるため、第１ブスバー２４および第２ブスバー２６が、電解コンデンサＣ１のヒートシンクとして機能することが期待される。特に実施の形態では、プレート２４ｃおよびプレート２６ｃの全面積が、第１基板２０および第２基板２２と同程度であるため、効果的に放熱できる。

パワーモジュール４は、ヒートシンク１０によって放熱される上、第１基板２０と第２基板２２の間の空間を流れる空気によって冷却することができる。また、プレート２４ｃおよびプレート２６ｃも、第１基板２０と第２基板２２の間の空間を流れる空気によって冷却することができる。すなわち、第１基板２０と第２基板２２の間の空間は、空気の流路となるため、電力変換装置２全体を効果的に冷却できる。

ここで第１支持部材２４ａ、２６ａ、第２支持部材２４ｂ、２６ｂは、プレート２４ｃ、プレート２６ｃよりも狭い幅で形成されていることにも留意すべきである。これにより支持部材２４ａ、２６ａ、２４ｂ、２６ｂによって空気の流れが妨げられることなく、効果的に冷却できる。

このように、実施の形態に係る電力変換装置２によれば、電解コンデンサＣ１およびパワーモジュール４が効果的に冷却できる上に、それらの距離が離れていることから、パワーモジュール４の発熱によって電解コンデンサＣ１が加熱されたり、反対に電解コンデンサＣ１の発熱によってパワーモジュール４が加熱されるのを防止できる。これにより、パワーモジュール４や電解コンデンサＣ１をはじめとする部品の寿命を延ばすことができる。

図４は、実施の形態に係る電力変換モジュール３を備える重機もしくは搬器の構成を示す図である。図５は、図４の電力変換モジュール３の一部を示す斜視図である。たとえばフォークリフトやクレーン車をはじめとする重機や搬器（以下、重機１と総称する）は、荷役用の油圧ポンプを駆動するモータ４０と、自走のための車輪用のモータ４２を有する。したがって、これらの重機１には、２系統の電力変換装置が必要となる。

電力変換モジュール３は、２つのモータ４０、４２を駆動するための電力変換装置２ａ、２ｂを備え、ひとつのボード７上にモジュール化されている。電力変換装置２ａ、２ｂそれぞれの構成は、上述した電力変換装置２と基本的に同じ構成を有する。電力変換モジュール３において特徴的なのは、複数の電力変換装置２ａ、２ｂそれぞれに設けられる第１ブスバー２４のプレート２４ｃは、一枚のプレートとして一体に構成される。同様に、電力変換装置２ａ、２ｂそれぞれの第２ブスバー２６のプレート２６ｃも、一枚のプレートとして一体に構成される。

この電力変換モジュール３によれば、電力変換装置２ａ、２ｂそれぞれにおいて、上述の効果を得られるとともに、全体として以下の効果を得ることができる。

多くの用途において、２つのモータ４０、４２が同時に駆動されることはまれであり、電力変換装置２ａ、２ｂの一方が動作中、他方は休止状態となる。したがって電力変換装置２ａが動作中は、電力変換装置２ａが発する熱は、プレート２４ｃ、２６ｃの電力変換装置２ａの部分のみでなく、電力変換装置２ｂの部分によって放熱することができる。すなわち、電力変換装置２ａ、２ｂの同じ極性のプレートが、一枚で構成されるため、プレート２４ｃ、プレート２６ｃによる放熱効果が増大される。

また、電力変換装置２ａ、２ｂそれぞれに設けられた電解コンデンサＣ１が、互いに共有されるという利点もある。すなわち、電力変換装置２ａが動作中、電力変換装置２ａ側の電解コンデンサＣ１に加えて、電力変換装置２ｂ側に設けられた電解コンデンサＣ１も、電源ラインＬＰ、ＬＮ間の電圧変動を抑制するように機能するため、電解コンデンサＣ１の実効的な容量値が２倍となる。

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

実施の形態では、第１ブスバー２４が、第１支持部材２４ａ、第２支持部材２４ｂ、プレート２４ｃに分けて構成され、それらが電気的、機械的に接続される場合を説明したが、それらは、ひとつの導体として一体形成されてもよい。この場合、複数の部材を溶着してもよいし、一枚の導体プレートを折り曲げることにより第１ブスバー２４を形成してもよい。第２ブスバー２６も同様である。

実施の形態では、プレート２４ｃとプレート２６ｃを間隔Ｌを隔てて配置する場合を説明したが、それらの間に絶縁体を挟み込んだ状態で密着して配置されてもよい。この場合、プレート２４ｃとプレート２６ｃが、機械的にはあたかも一枚のプレートとして機能するため、振動しにくくなるという利点がある。

実施の形態では、電力変換モジュール３が２つの電力変換装置２を備える場合を説明したが、より多くの電力変換装置２をモジュール化してもよい。

以上、本発明を実施例にもとづいて説明した。本発明は上記実施形態に限定されず、種々の設計変更が可能であり、様々な変形例が可能であること、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは、当業者に理解されるところである。

２…電力変換装置、３…電力変換モジュール、Ｍ１，Ｍ２…パワートランジスタ、４…パワーモジュール、６…ゲートドライブ回路、８…スナバ回路、１０…ヒートシンク、ＬＰ…上側電源ライン、ＬＮ…下側電源ライン、２０…第１基板、２２…第２基板、２４…第１ブスバー、２４ａ…第１支持部材、２４ｂ…第２支持部材、２４ｃ…プレート、２６…第２ブスバー、２６ａ…第１支持部材、２６ｂ…第２支持部材、２６ｃ…プレート、Ｃ１…電解コンデンサ、Ｓ１…第１面、Ｓ２…第２面、Ｓ３…第１面。

Claims (5)

1. 負荷に電力を供給する電力変換装置であって、
   上側電源ラインおよび下側電源ラインと、
   前記上側電源ラインと前記下側電源ラインの間に電気的に接続される少なくともひとつの電解コンデンサと、
   前記上側電源ライン、前記下側電源ラインそれぞれと電気的に接続される上側電源端子、下側電源端子を有するとともに、前記上側電源端子と前記下側電源端子の間に設けられた少なくともひとつのパワートランジスタを内蔵するパワーモジュールと、
   前記少なくともひとつのパワートランジスタを駆動するゲートドライブ回路と、
   前記上側電源ラインおよび前記下側電源ラインと電気的に接続されるスナバ回路と、
   その第１面に前記パワーモジュールが実装され、その第２面に前記ゲートドライブ回路および前記スナバ回路の構成部品が実装される第１基板と、
   その第１面に前記電解コンデンサが実装される第２基板と、
   前記上側電源ラインの一部をなすとともに、前記第２基板を前記第１基板と実質的に平行に、かつ所定の間隔を隔てて支持する第１ブスバーと、
   前記下側電源ラインの一部をなすとともに、前記第２基板を前記第１基板と実質的に平行に、かつ所定の間隔を隔てて支持する第２ブスバーと、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１ブスバーおよび第２ブスバーはそれぞれ、
   その一端が前記第１基板と電気的、機械的に接続される第１支持部材と、
   その一端が前記第１基板と電気的、機械的に接続される接続される第２支持部材と、
   前記第１支持部材の他端および前記第２支持部材の他端に電気的、機械的に接続され、前記第１、第２支持部材によって前記第１基板と実質的に平行に支持されるプレートと、
   を含み、
   前記第１、第２ブスバーそれぞれの前記プレートは、前記第１基板と実質的に平行な同一平面内に支持され、
   前記第２基板は、前記第１、第２ブスバーそれぞれの前記プレートの上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１ブスバーの前記プレートと、前記第２ブスバーの前記プレートは、同一平面内に所定の間隔を隔てて配置されることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１ブスバーの前記プレートと、前記第２ブスバーの前記プレートは、同一平面内に、絶縁体を介して密着して配置されることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
5. 請求項２から３のいずれかに記載の電力変換装置を複数備え、
   複数の前記電力変換装置それぞれに設けられる前記第１ブスバーの前記プレートは一体に構成され、
   複数の前記電力変換装置それぞれに設けられる前記第２ブスバーの前記プレートは一体に構成されることを特徴とする電力変換モジュール。

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