JP7052531B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関する。
ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両には、電力変換装置が搭載されてモータ等の駆動に用いられている。このような電力変換装置は、例えば、インバータを構成する半導体モジュールと、冷却媒体が流通する冷却器と、平滑化用のコンデンサを含むコンデンサモジュールと、制御基板と、これらを収容するケース等を備えている。その際、各モジュールの構成やケース内における配置等を工夫して、装置全体をよりコンパクトにすることが検討されている。
例えば、特許文献１には、車両用の電力変換装置に用いられるコンデンサモジュールにおいて、コンデンサのケースに取り付けられ制御回路が実装される第１回路基板と、コンデンサの電圧検出回路が実装される第２回路基板とを、別体に設けた構成が提案されている。第２回路基板は、例えば、第１回路基板が取り付けられた側面とは反対側のケースの側面に取り付けられる。
特開２０１６－７３０９６号公報
特許文献１のコンデンサモジュールは、コンデンサの高圧が印加される第２回路基板を、第１回路基板とは別体に設けることで、第１回路基板の絶縁パターンを省略し、体格が大きくなるのを抑制している。第２回路基板には、また、コンデンサに並列に接続される放電抵抗が実装される。放電抵抗は、コンデンサに蓄積された電荷を放電するための抵抗であり、例えば、車両のイグニッションオフ時に、コンデンサの内部電荷を徐々に放電することで、インバータの交換等を安全に行えるようにしている。
ところで、放電抵抗は、電気エネルギを熱エネルギに変換して、電荷を放電しているため、常に高温状態にある。その場合、特許文献１の構成では、次のような問題が生じる。すなわち、コンデンサのケースの側面に対向して、放電抵抗が実装された第２回路基板が配置されており、コンデンサ素子と放電抵抗とが近接しているために、放電抵抗の発熱の影響を受ける受熱面積が相対的に大きくなる。これにより、コンデンサ素子の劣化が早くなり、寿命が短くなるおそれがあった。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、コンパクトな構成を維持しながら、放電抵抗の発熱の影響による部品の劣化を抑制し、長寿命化が可能な電力変換装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、
ケース（Ｃ）内に、
電力変換回路を構成する半導体モジュール（２）と、
上記半導体モジュールを冷却するための冷却器（３）と、
上記半導体モジュールと電気的に接続されたコンデンサモジュール（４）と、
上記コンデンサモジュールに蓄積された電荷を放電するための放電抵抗（５１）が実装された放電抵抗基板（５）と、
上記半導体モジュールの動作を制御する制御回路基板（６）と、を収容する電力変換装置（１）であって、
上記コンデンサモジュールは、上記コンデンサモジュールの外壁面（４０Ａ）を構成するコンデンサケース（４０）内に、電流を平滑化するためのコンデンサ（４１、４２）を収容して構成され、
上記放電抵抗基板は、上記外壁面から外方へ延出する基板固定部（４３）に取り付けられて、上記外壁面と上記制御回路基板との間において、上記外壁面及び上記制御回路基板から離れて位置し、かつ上記制御回路基板に対して垂直に配置されている、電力変換装置にある。
上記構成の電力変換装置は、放電抵抗を実装した放電抵抗基板が、制御回路基板と独立に設けられ、コンデンサモジュールとの間に制御回路基板と垂直に配置されるので、制御回路基板が大型化することがなく、電気的接続を保ちながらケース内のスペースを利用してコンパクトに収容することができる。また、放電抵抗基板は、コンデンサモジュールとも制御回路基板とも離れて位置するので、放電抵抗の発熱の影響を小さくできる。したがって、コンデンサモジュールを構成するコンデンサ素子が、放電抵抗からの受熱により温度上昇して劣化するのを抑制することができる。
以上のごとく、上記態様によれば、コンパクトな構成を維持しながら、放電抵抗の発熱の影響による部品の劣化を抑制し、長寿命化が可能な電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態１における、電力変換装置の全体構成図。 実施形態１における、電力変換装置の主要部を示す概略図で、コンデンサモジュールの幅方向の側面図。 実施形態１における、電力変換装置の主要部を示す概略図で、コンデンサモジュールの長手方向の側面図及び平面図。 実施形態１における、電力変換装置の主要部を示す斜視図。 実施形態１における、電力変換装置の電力変換回路図。 実施形態１における、電力変換装置の全体構成を示す分解斜視図。 実施形態１における、電力変換装置の放電抵抗基板の取付構造例を示す要部斜視図。
（実施形態１）
電力変換装置に係る実施形態について、図１～図７を参照して説明する。
図１に示すように、本形態における電力変換装置１は、ケースＣ内に、電力変換回路を構成する半導体モジュール２と、半導体モジュール２を冷却するための冷却器３と、半導体モジュール２と電気的に接続されたコンデンサモジュール４と、コンデンサモジュール２に蓄積された電荷を放電するための放電抵抗５１が実装された放電抵抗基板５と、半導体モジュール２の動作を制御する制御回路基板６と、を収容して構成される。
図２、図３に示すように、放電抵抗基板５は、コンデンサモジュール４の外壁面としての頂壁面４０Ａと制御回路基板６との間において、頂壁面４０Ａ及び制御回路基板６から離れて位置し、かつ制御回路基板６に対して垂直に配置されている。
また、放電抵抗基板５は、ケースＣと冷却器３との間において、ケースＣの内壁面（例えば、図１参照）Ｃ１１と平行に配置される。冷却器３は、コンデンサモジュール４と制御回路基板６との間に配置される。
図４に示すように、コンデンサモジュール４は、頂壁面４０Ａを構成するコンデンサケース４０内に、電流を平滑化するためのコンデンサとしてのフィルタコンデンサ４１、平滑コンデンサ４２を収容して構成される。放電抵抗基板５は、頂壁面４０Ａから外方へ延出する基板固定部４３に取り付けられる。
電力変換装置１は、さらに、コンデンサモジュール４に接続されてコンデンサ電圧を検出するための電圧検出端子１３を有している。電圧検出端子１３は、放電抵抗基板５と制御回路基板６との間において、放電抵抗基板５と平行に延びている（例えば、図３参照）。
なお、本形態では、制御回路基板６に対し垂直方向に延在する放電抵抗基板５の延在方向（例えば、図３上図の上下方向）をＺ方向とし、これと直交する方向のうち、半導体モジュール２及びコンデンサモジュール４の長手方向（例えば、図３上下図の左右方向）をＸ方向とする。また、半導体モジュール２及びコンデンサモジュール４の幅方向（例えば、図３下図の上下方向）をＹ方向とする。
以下に、電力変換装置１の各部構成及び回路構成について、さらに詳細に説明する。
図５に回路構成例を示すように、本形態の電力変換装置１は、昇圧用のコンバータ１１及び交流変換用のインバータ１２を備え、バッテリＢの高圧直流電力を昇圧して三相（すなわち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電力に変換する。
このような電力変換装置１は、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車等の電動車両に適用されて、車両走行用のモータＭに電力を供給するための装置として用いられる。
コンバータ１１の入力側及び出力側には、フィルタコンデンサ４１、平滑コンデンサ４２がそれぞれ設けられる。フィルタコンデンサ４１は、バッテリＢからコンバータ１１への入力電流を平滑化して電流変動を抑制しており、平滑コンデンサ４２は、昇圧後のインバータ１２への入力電流を平滑化して電流変動を抑制する。
また、フィルタコンデンサ４１、平滑コンデンサ４２と並列に、放電抵抗５１が設けられる。放電抵抗５１は、装置停止時等にコンデンサの内部電荷を放電する。
バッテリＢは、例えば、車載用のメインバッテリであり、リチウムイオン電池等にて構成される。コンバータ１１は、昇圧用のリアクトルＬと半導体モジュール２を含み、インバータ１２は、三相の半導体モジュール２（すなわち、２Ｕ、２Ｖ、２Ｗ）を含んで構成される。半導体モジュール２は、上下アームとなる２つのスイッチング素子が直列接続された構成であり、スイッチング素子のオンオフは、制御回路基板６からの信号によって制御される。
スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（すなわち、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（すなわち、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等の任意のスイッチング素子とすることができる。各スイッチング素子には、ダイオードが並列接続される。
コンデンサ４１の正極側端子及び負極側端子は、電圧検出端子１３ａ、１３ｂにそれぞれ接続され、コンデンサ４２の正極側端子及び負極側端子は、電圧検出端子１３ｃ、１３ｄにそれぞれ接続されている。電圧検出端子１３ａ～１３ｄは、制御回路基板６に接続されており、電圧検出端子１３ａ～１３ｄの検出信号は、制御回路基板６に形成される電圧検出回路６に取り込まれる。また、インバータ１２の出力側に電流センサ１４が設けられ、各相の出力電流を検出して、制御回路基板６に出力する。
図６に装置構成例を示すように、ケースＣは、Ｚ方向に三分割されて構成されており、概略矩形筒状の第１ケースＣ１と、第１ケースＣ１の一端側（すなわち、Ｚ方向の下端側）の開口に覆着される、概略矩形容器状の第２ケースＣ２と、第１ケースＣ１の他端側（すなわち、Ｚ方向の上端側）の開口に覆着される、概略平板状のカバーＣ３とを有する。第１ケースＣ１、第２ケースＣ２及びカバーＣ３は、例えば、熱伝導性の良好な金属にて構成され、一体的に結合されて箱状のケースＣとなる。
第１ケースＣ１の内側には、半導体モジュール２と冷却器３とが一体化されたパワーユニットＵと、入力端子台１５が配置される。Ｚ方向において、パワーユニットＵとカバーＣ３との間には、制御回路基板６が配置され、制御回路基板６の基板面６１は、カバーＣ３の平坦な頂面及び第２ケースＣ２の底面と概略平行な水平面となっている。
第２ケースＣ２の内側には、コンデンサモジュール４と、出力端子台１６が配置される。また、図示しないリアクトルＬ等が収容される。
上記図４において、コンデンサモジュール４は、その外壁面を構成するコンデンサケース４０内に、フィルタコンデンサ４１と平滑コンデンサ４２とを収容して構成される。コンデンサケース４０とフィルタコンデンサ４１及び平滑コンデンサ４２との間には、例えば、絶縁用樹脂が充填されて絶縁封止される。ここでは、例えば、フィルタコンデンサ４１は、１つのコンデンサ素子にて構成され、平滑コンデンサ４２は、２つのコンデンサ素子にて構成されている。
コンデンサケース４０は、頂壁面４０Ａとなる外壁面に、放電抵抗基板５が取り付けられる基板固定部４３を有する。放電抵抗基板５の基板面５２には、図示しない複数の放電抵抗５１が実装されている。放電抵抗５１は、例えば、チップ抵抗等である。
フィルタコンデンサ４１及び平滑コンデンサ４２は、コンデンサケース４０の長手方方向（すなわち、Ｘ方向）の両端部に離れて収容される。フィルタコンデンサ４１側のコンデンサケース４０の外壁面近傍には、入力バスバ４４及び中継バスバ４７が取り付けられ、平滑コンデンサ４２側のコンデンサケース４０の外壁面近傍には、正極側バスバ４５及び負極側バスバ４６が取り付けられる。
入力バスバ４４と、正極側バスバ４５及び負極側バスバ４６は、コンデンサケース４０の頂壁面４０Ａに対して同じ側に設けられる。また、基板固定部４３は、頂壁面４０Ａの概略中央部に配置される。なお、これらの配置は一例であり、適宜変更することができる。
上記図３において、入力バスバ４４は、コンデンサケース４０の頂壁面４０ＡからＹ方向に延出しており、入力端子台１５（例えば、図６参照）と接続される。正極側バスバ４５及び負極側バスバ４６は、頂壁面４０Ａの側方の近傍に並設されてＸ方向に延びており、Ｚ方向の上方に位置するパワーユニットと対向している。正極側バスバ４５及び負極側バスバ４６は、パワーユニットＵの半導体モジュール２から突出する正極側端子２１及び負極側端子２２と（例えば、図２参照）、それぞれ溶接等により接続される。
また、正極側バスバ４５及び負極側バスバ４６には、放電抵抗基板５に搭載される放電抵抗５１の正極側端子及び負極側端子が、それぞれ接続される。中継バスバ４７は、コンデンサケース４０の頂壁面４０Ａと反対側の外壁面から、Ｚ方向に延出して、図示しないリアクトルＬの入力端子及び出力端子と接続される。
パワーユニットＵは、半導体モジュール２と偏平形状の冷却菅３３とが、Ｘ方向に交互に積層されて構成される。冷却菅３３の両端は、Ｙ方向に平行配設される一対の冷却配管３１、３２に接続される。これら冷却配管３１、３２と冷却菅３３とにより冷却器３が構成される。半導体モジュール２は、冷却菅３３と積層される平板状の本体部に、複数のスイッチング素子を内蔵し、Ｚ方向下方に突出する正極側端子２１及び負極側端子２２と、交流端子２３を有する。また、Ｚ方向上方に突出する制御端子２４によって（例えば、図２参照）、制御回路基板６に接続される。
図７に示すように、基板固定部４３は、例えば、頂壁面４０Ａから垂直方向に立ち上がる偏平容器形状であり、開口する側面を覆うように放電抵抗基板５が配置されてボルト等により固定される。基板固定部４３の頂面には、複数の電圧検出端子１３ａ～１３ｄを支持する端子保持部４３Ａが設けられる。電圧検出端子１３ａ～１３ｄは、コンバータ１１及びインバータ１２に入力される高圧電圧を検出するための信号ピンであり、正極側バスバ４５、負極側バスバ４６、入力バスバ４４と接続されると共に、Ｚ方向に延出して制御回路基板６に接続される（例えば、図２参照）。
基板固定部４３は、コンデンサケース４０の頂壁面４０Ａと一体に設けられる。あるいは、別体に設けた基板固定部４３を、コンデンサケース４０に取り付けて一体化してもよい。このように、コンデンサケース４０の外壁面に基板固定部４３を設けることで、放電抵抗基板５の位置決め及び取り付けが容易になり、ケースＣ内の所望の位置に放電抵抗基板５を配置することが可能になる。
なお、放電抵抗基板５の配置や形状は、特に限定されるものではなく、ケースＣ内に形成される空間の大きさや、ケースＣ内のパワーユニットＵ、コンデンサモジュール４及び制御回路基板６との位置関係に応じて、適宜変更することができる。また、それに応じて基板固定部４３の配置や形状も適宜変更される。
例えば、図３において、パワーユニットＵの側方の空間高さに応じて、基板固定部４３及び放電抵抗基板５を、より偏平な横長の長方形状としてもよいし、逆に、より正方形に近い長方形状としてもうよい。頂壁面４０Ａにおける基板固定部４３の取付位置も、ケースＣ内の空間に応じて、例えば、よりパワーユニットＵに近い中央部側に配置してもよいし、あるいは、端部側に配置してもよい。
上記図６において、ケースＣ内には、パワーユニットＵを取り囲むように、コンデンサモジュール４、入力端子台１５、出力端子台１６が配置される。パワーユニットＵの冷却器３を構成する一対の冷却配管３１、３２は、パワーユニットＵの外部の冷却媒体循環流路と接続されて、半導体モジュール２を冷却すると共に、周囲に配置される部品を冷却することができる。冷却配管３１、３２の一方は、冷却媒体の導入配管となり、もう一方は導出配管となる。
入力端子台１５は、図示しないワイヤを介して外部のバッテリＢに接続されて、電力変換回路に電源を供給する。出力端子台１６は、電力変換回路にて変換された三相交流電力を出力する出力端子１６ａ～１６ｃを備え、図示しないワイヤを介して外部のモータＭに接続される。出力端子台１６には、各相の出力電流を検出する電流センサ１４が内蔵されており、図示しない電流検出端子により制御回路基板６と接続される。
上記図１において、第１ケースＣ１と第２ケースＣ２とは、対向するフランジ部をボルト等で固定することにより結合される。このとき、コンデンサモジュール４は、第２ケースＣ２の底壁及び側壁に近接して配置され、基板固定部４３及び放電抵抗基板５は、Ｚ方向に突出して、第１ケースＣ１内に位置する。基板固定部４３は、第１ケースＣ１の内側壁Ｃ１１と平行に近接して位置し、放電抵抗基板５は、基板固定部４３の内側に平行に位置して、パワーユニットＵの冷却配管３１と対向している。
上記構成による作用効果について、以下に説明する。
このように、放電抵抗基板５の基板面５２が、コンデンサモジュール４の頂壁面４０Ａ及び制御回路基板６の基板面６１から離れて、それぞれと垂直な方向に延在するように、独立に設けられる。これにより、互いの電気的接続を保ちながら、放電抵抗基板５に実装される放電抵抗５１を、コンデンサモジュール４を構成するコンデンサ素子から遠ざけることができる。したがって、放電抵抗５１からの受熱によるコンデンサ素子の温度上昇を抑制し、コンデンサ素子の劣化を抑制して、長寿命化を図ることができる。
また、基板固定部４３に保持された放電抵抗基板５を、第１ケースＣ１の内側壁Ｃ１１とパワーユニットＵとの間に平行に配置することで、ケースＣ内の隙間空間を有効利用することができる。しかも、内側壁Ｃ１１に近接することで、ケースＣからの放熱性が向上すると共に、パワーユニットＵの冷却配管３１、３２の側方に配置されることで、冷却器３による冷却効果が得られる。これらにより、放電抵抗５１から発生する熱を放出しやすくなり、コンデンサ素子の温度上昇を抑制する効果をさらに高めることができる。
その場合に、パワーユニットＵの冷却器３を間に挟んで、コンデンサモジュール４及び制御回路基板６が設置されるようにすると、放電抵抗基板５を、ケースＣ及び冷却器３に対して最も近接配置することができる。したがって、放電抵抗５１から発生する熱がより放出しやすくなり、コンデンサ素子の温度上昇を抑制する効果をさらに高めることができる。
さらに、基板固定部４３が放電抵抗基板５を保持する構成とすることで、ケースＣ内において、放電抵抗基板５を所望の位置に固定することができる。また、基板固定部４３がコンデンサケース４０の頂壁面４０Ａに設けられることで、内側壁Ｃ１１や冷却器３との絶縁距離を容易に確保することができる。
また、電圧検出端子１３ａ～１３ｄを放電抵抗基板５の延在方向に配置し、基板固定部４３にこれらを支持する端子保持部４３Ａを設けることで、ケースＣ内にコンパクトに収容することができる。
これにより、ケースＣ内の空間を有効活用でき、あるいは、ケースＣ内の空間体積を最小限として装置の小型化が可能になる。
上記構成の電力変換装置１を作動させる場合には、上記図５において、制御回路基板６からの信号により、コンバータ１１となる半導体モジュール２を駆動して、バッテリＢの直流電圧を昇圧する。このときの入力電圧及び昇圧後電圧は電圧検出端子１３により検出することができ、所望の昇圧後電圧となるように、半導体モジュール２のスイッチング素子がオンオフ駆動される。スイッチングで生じたバッテリＢ－コンバータ１１間の電流変動は、フィルタコンデンサ４１により平滑化される。
また、インバータ１２からの出力電流が所望の三相交流電流となるように、電流センサ１４により検出される電流及び周波数に基づいて、各相のスイッチング素子のオンオフをフィードバック制御する。このときスイッチングで生じた昇圧後の電流変動は、平滑コンデンサ４２により平滑化される。
一方、図示しないイグニッションスイッチのオフ等により、電力変換装置１による動作が停止したときには、コンデンサモジュール４のフィルタコンデンサ４１及び平滑コンデンサ４２に蓄積された電荷は、放電抵抗５１により放電され、安全な電圧まで低下する。
その過程において放電抵抗５１から発生する熱は、上述した構成により、効率よくケースＣ外に放出される。また、コンデンサモジュール４の受熱面積を小さくすることで、コンデンサ素子の温度上昇が抑制される。したがって、装置全体の体格を大きくすることなく、コンデンサモジュール４を保護することができ、コンパクトで高寿命な電力変換装置１を実現できる。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、上記各実施形態では、ハイブリッド自動車、電気自動車等を例示して説明したが、電動車両に限るものではなく、他の交流負荷へ電力供給するための電力変換装置であってもよい。
Ｃ ケース
１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
３ 冷却器
４ コンデンサモジュール
４０Ａ 頂壁面（外壁面）
４３ 基板固定部
５ 放電抵抗基板
５１ 放電抵抗
６ 制御回路基板
４３ 基板固定部

Claims (4)

  1. ケース（Ｃ）内に、
    電力変換回路を構成する半導体モジュール（２）と、
    上記半導体モジュールを冷却するための冷却器（３）と、
    上記半導体モジュールと電気的に接続されたコンデンサモジュール（４）と、
    上記コンデンサモジュールに蓄積された電荷を放電するための放電抵抗（５１）が実装された放電抵抗基板（５）と、
    上記半導体モジュールの動作を制御する制御回路基板（６）と、を収容する電力変換装置（１）であって、
    上記コンデンサモジュールは、上記コンデンサモジュールの外壁面（４０Ａ）を構成するコンデンサケース（４０）内に、電流を平滑化するためのコンデンサ（４１、４２）を収容して構成され、
    上記放電抵抗基板は、上記外壁面から外方へ延出する基板固定部（４３）に取り付けられて、上記外壁面と上記制御回路基板との間において、上記外壁面及び上記制御回路基板から離れて位置し、かつ上記制御回路基板に対して垂直に配置されている、電力変換装置。
  2. 上記放電抵抗基板は、上記ケースと上記冷却器との間において、上記ケースの内壁面（Ｃ１１）と平行に配置される、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 上記冷却器は、上記コンデンサモジュールと上記制御回路基板との間に配置される、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 上記コンデンサモジュールに接続されてコンデンサ電圧を検出するための電圧検出端子（１３）を有しており、上記電圧検出端子は、上記放電抵抗基板と上記制御回路基板との間において、上記放電抵抗基板と平行に延びている、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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