JP2006230156A

JP2006230156A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2006230156A
Application number: JP2005043691A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Tawara; 友彦田原; Toshinori Yamane; 敏則山根
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-21
Filing date: 2005-02-21
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】平滑コンデンサに耐圧以上の電圧が印加された場合に、平滑コンデンサを保護することのできる電力変換装置を提供する。
【解決手段】直流電力を供給する直流電源１３に接続され、直流電源１３からの直流電力をスイッチングにより３相交流電力に変換するトランジスタ１と、直流電源１３に並列に接続され、直流電力を平滑するセラミックコンデンサ５と、トランジスタ１の動作を制御する制御回路部３と、セラミックコンデンサ５に直列に接続され、セラミックコンデンサ５を過電流から保護する保護手段とを備えたものである。
【選択図】図２

Description

この発明は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を備えた電力変換装置に関する。

従来の電力変換装置は、直流から三相交流に電力変換を行うスイッチング素子であるトランジスタと、トランジスタを駆動する駆動回路部と、トランジスタに供給する直流電源の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑する平滑コンデンサと、駆動回路部に制御信号を出力してトランジスタを制御する制御回路部とを備えている。ここで、平滑コンデンサは、セラミックコンデンサで構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３３３４７６号公報

従来の電力変換装置では、スイッチング素子等の異常が発生した場合に、平滑コンデンサに耐圧以上の電圧が印加されて平滑コンデンサが短絡された状態に陥り、過電流が流れることによって平滑コンデンサが過剰に発熱するという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、その目的は、平滑コンデンサに耐圧以上の電圧が印加されて過電流が流れた場合に、平滑コンデンサを過電流から速やかに保護することのできる電力変換装置を提供することである。

この発明に係る電力変換装置は、直流電力を供給する電力供給部に接続され、電力供給部からの直流電力をスイッチングにより交流電力に変換するスイッチング素子と、電力供給部に並列に接続され、直流電力を平滑する平滑コンデンサと、スイッチング素子の動作を制御する制御回路部と、平滑コンデンサに直列に接続され、平滑コンデンサを過電流から保護する保護手段とを備えたものである。

この発明の電力変換装置によれば、平滑コンデンサに保護手段を接続したことにより、平滑コンデンサに耐圧以上の電圧が印加されて過電流が流れた場合に、平滑コンデンサに流れる電流を遮断することができるので、平滑コンデンサを過電流から速やかに保護することができ、過剰な発熱を防止することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。なお、以下の実施の形態では、電力変換装置が電気自動車に取り付けられている場合を例として説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す分解斜視図である。また、図２は、図１の電力変換装置のインバータ回路１２を周辺機器とともに示すブロック図である。
図１および図２において、この電力変換装置のインバータ回路１２は、スイッチング素子であるトランジスタ１を有するパワーモジュール２と、トランジスタ１の動作を制御する制御回路部３と、平滑コンデンサであるセラミックコンデンサ５が実装された単層の配線パターンを有する平滑コンデンサ基板６とから構成されている。

この電力変換装置は、パワーモジュール２と、制御回路部３が搭載された制御基板４と、平滑コンデンサ基板６と、スイッチングにより発生した熱を外部に放出するヒートシンク７と、ヒートシンク７に取り付けられたインサートケース８とを備えている。

パワーモジュール２は、スイッチングによって直流電力を３相交流電力に変換するトランジスタ１と、３相交流電力を直流電力に変換するフライホイールダイオード９と、トランジスタ１およびフライホイールダイオード９の温度を検出する図示しない温度センサとが金属製のケース内に樹脂で封止されて形成されている。
ここで、１個のトランジスタ１と１個のフライホイールダイオード９とで、スイッチング素子部１０が構成されている。

平滑コンデンサ基板６には、トランジスタ１に供給される直流電力の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がりを平滑する５個のセラミックコンデンサ５と、それぞれのセラミックコンデンサ５に直列に接続され、過電流による自己発熱によって溶断する保護手段である電流ヒューズ１１とが実装されている。５個のセラミックコンデンサ５は、それぞれが互いに電気的に並列接続されている。

なお、図２において、５個のセラミックコンデンサ５および５個の電流ヒューズ１１は、それぞれをまとめて一つずつ示されている。
平滑コンデンサ基板６には、配線パターン上であってセラミックコンデンサ５および電流ヒューズ１１の取り付けに支障しない部分のレジストがはがされて、はんだが盛りつけられている。

パワーモジュール２は、金属製の底面が熱伝導性のグリスを介してヒートシンク７に接した状態でインサートケース８内に取り付けられている。平滑コンデンサ基板６は、ヒートシンク７上でパワーモジュール２に隣接してインサートケース８内に取り付けられている。パワーモジュール２の上部には、制御基板４が取り付けられている。

インバータ回路１２には、電力供給部である直流電源１３が接続されている。直流電源１３から供給された直流電力は、インバータ回路１２で３相交流電力に変換され、インバータ回路１２に接続された発電電動機１４に出力される。

インバータ回路１２において、６個のスイッチング素子部１０は、２個のスイッチング素子部１０が互いに直列に接続され、互いに直列に接続された２個のスイッチング素子部１０が、直流電源１３に３組並列に接続されている。ここで、互いに直列に接続された２個のスイッチング素子部１０の接続点が、それぞれ発電電動機１４の入力端子に接続されている。
電流ヒューズ１１が直列に接続されたセラミックコンデンサ５は、直流電源１３に並列に接続されている。また、トランジスタ１および温度センサは、制御回路部３に接続されている。

以下、上記構成の電力変換装置についての動作を説明する。
直流電源１３から入力された直流電力は、セラミックコンデンサ５によって電圧変動が抑制され、跳ね上がり等が平滑される。平滑された直流電力は、制御回路部３によって制御されるトランジスタ１のスイッチングにより、３相交流電力に変換される。３相交流電力は、発電電動機１４に出力される。
スイッチング素子部１０の温度は、随時温度センサによって検出され、制御回路部３に温度信号として出力される。制御回路部３は、スイッチング素子部１０の温度が所定の値を超えた場合には、スイッチング動作を抑止する。

また、電気自動車を回生制動する場合には、発電電動機１４で発生した３相交流電力は、フライホイールダイオード９で直流電力に変換されて、直流電源１３に戻される。
ここで、スイッチング素子部１０等の異常により、セラミックコンデンサ５に耐圧以上の電圧が印加され、セラミックコンデンサ５が短絡された状態に陥って過電流が流れた場合には、過電流によって電流ヒューズ１１が溶断し、セラミックコンデンサ５に流れる電流は遮断される。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置によれば、スイッチング素子部１０等の異常により、セラミックコンデンサ５に耐圧以上の電圧が印加され、セラミックコンデンサ５が短絡された状態に陥って過電流が流れた場合でも、電流ヒューズ１１が溶断してセラミックコンデンサ５に流れる電流を遮断するので、セラミックコンデンサ５を過電流から速やかに保護することができ、過剰な発熱を防止することができる。

また、セラミックコンデンサ５と電流ヒューズ１１とを分割して設けたので、それぞれのメンテナンスおよび部品の交換を容易にすることができる。
また、平滑コンデンサ基板６の配線パターン上にはんだが盛りつけられていることにより、配線パターンが外気に触れる面積が増大するので、平滑コンデンサ基板６を冷却することができ、さらにセラミックコンデンサ５の加熱を防止することができる。

なお、上記実施の形態１では、保護手段として電流ヒューズ１１を用いて説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、保護手段は、過電流による周囲の温度上昇によって溶断し、セラミックコンデンサ５に流れる電流を遮断する温度ヒューズであってもよい。

実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置のインバータ回路１２Ａを周辺機器とともに示すブロック図である。
図３において、セラミックコンデンサ５には、過電流による自己発熱によって自己の抵抗値が上昇する正特性サーミスタ１５が直列に接続されている。その他の構成については、実施の形態１と同様であり、その説明は省略する。

以下、上記構成の電力変換装置についての動作を説明する。なお、実施の形態１と同様の動作については、説明を省略する。
スイッチング素子部１０等の故障により、セラミックコンデンサ５に耐圧以上の電圧が印加され、セラミックコンデンサ５が短絡された状態に陥って過電流が流れた場合には、過電流によって正特性サーミスタ１５の抵抗値が上昇し、セラミックコンデンサ５に流れる電流を減少させる。

この発明の実施の形態２に係る電力変換装置によれば、スイッチング素子部１０等の異常により、セラミックコンデンサ５に耐圧以上の電圧が印加され、セラミックコンデンサ５が短絡された状態に陥って過電流が流れた場合でも、正特性サーミスタ１５の抵抗値が上昇し、セラミックコンデンサ５に流れる電流を減少させるので、セラミックコンデンサ５を過電流から速やかに保護することができ、過剰な発熱を防止することができる。

なお、上記実施の形態１および２では、スイッチング素子としてトランジスタ１を用いて説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いてもよい。
また、電力供給部は、上記実施の形態１および２で示した直流電源１３に限定されるものではなく、交流電力を直流電力に変換するコンバータであってもよい。
また、上記実施の形態１および２において、セラミックコンデンサ５は、高さ方向に積層されていてもよい。このものの場合、平滑コンデンサ基板６の面積を縮小することができる。

また、上記実施の形態１および２では、平滑コンデンサとしてセラミックコンデンサ５を用いて説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、振動が少なく、また周囲の温度が高くならない箇所においては、フィルムコンデンサを用いてもよい。

また、平滑コンデンサ基板６の配線パターンは、上記実施の形態１および２に示した単層のものに限定されるものではなく、配線パターンは２層以上であってもよい。このものの場合、配線に用いられる銅箔の面積を増やすことができ、配線のインピーダンスを減少させることができるので、平滑コンデンサ基板６の温度上昇を抑制することができ、さらにセラミックコンデンサ５の加熱を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す分解斜視図である。図１の電力変換装置のインバータ回路を周辺機器とともに示すブロック図である。この発明の実施の形態２に係る電力変換装置のインバータ回路を周辺機器とともに示すブロック図である。

符号の説明

１トランジスタ（スイッチング素子）、３制御回路部、５セラミックコンデンサ（平滑コンデンサ）、１１電流ヒューズ（保護手段）、１３直流電源（電力供給部）、１５正特性サーミスタ（保護手段）。

Claims

直流電力を供給する電力供給部に接続され、前記電力供給部からの前記直流電力をスイッチングにより交流電力に変換するスイッチング素子と、
前記電力供給部に電気的に並列接続され、前記直流電力を平滑する平滑コンデンサと、
前記スイッチング素子の動作を制御する制御回路部と、
前記平滑コンデンサに直列に接続され、前記平滑コンデンサを過電流から保護する保護手段と
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
前記平滑コンデンサは、セラミックコンデンサで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記平滑コンデンサは、複数個の前記セラミックコンデンサを電気的に並列接続して構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記セラミックコンデンサは、積層されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
前記保護手段は、前記過電流による自己発熱によって溶断し、前記電力供給部と前記平滑コンデンサとの接続を遮断する電流ヒューズであることを特徴とする請求項１から請求項４に記載の電力変換装置。
前記保護手段は、前記過電流による周囲の温度上昇によって溶断し、前記電力供給部と前記平滑コンデンサとの接続を遮断する温度ヒューズであることを特徴とする請求項１から請求項４に記載の電力変換装置。
前記保護手段は、前記過電流による自己発熱によって自己の抵抗値が上昇し、前記平滑コンデンサに流れる前記過電流を抑制する正特性サーミスタであることを特徴とする請求項１から請求項４に記載の電力変換装置。