JP2008079479A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電力変換器に関し、特に、自動車用電動駆動機を駆動するための電力変換器に関する。 The present invention relates to a power converter, and more particularly to a power converter for driving an electric drive for an automobile.
従来、電力変換器である「半導体装置」(特許文献1参照)が知られている。この「半導体装置」は、円周上に配置されたバスバーと、このバスバー上の円周方向の複数箇所に配置され、半導体素子が搭載された複数の電子回路ユニットとを備え、この電子回路ユニットにバスバーを介して車載バッテリからの電流を供給するインバータ装置であって、各電子回路ユニットに上面に開口する円弧状のスリットをそれぞれ設け、この各スリットにリング状の補助バスバーを挿入してバスバーの面の上方に配置し、この補助バスバーをバスバーと共に車載バッテリからの電流供給経路とした。 Conventionally, a “semiconductor device” (see Patent Document 1), which is a power converter, is known. This “semiconductor device” includes a bus bar arranged on the circumference, and a plurality of electronic circuit units arranged at a plurality of locations in the circumferential direction on the bus bar and mounted with semiconductor elements. Inverter devices that supply current from the on-vehicle battery via the bus bar, and each electronic circuit unit is provided with an arc-shaped slit that opens on the upper surface, and a ring-shaped auxiliary bus bar is inserted into each of the slits. The auxiliary bus bar is used as a current supply path from the in-vehicle battery together with the bus bar.
つまり、円環状のバスバーを、電源又はバッテリからパワーモジュールまでの電流経路とすることにより、小型、且つ、低インダクタンスのインバータユニットを実現している。
しかしながら、従来の「半導体装置」においては、コンデンサやパワートランジスタ等を含む電子回路ユニットの接続部の表面積が小さいため、コンデンサと電子回路ユニットの間のインダクタンスが増大してしまうことが避けられなかった。
この発明の目的は、コンデンサと電子回路ユニットの間のインダクタンスが増大してしまうことがない電力変換器を提供することである。
However, in the conventional “semiconductor device”, since the surface area of the connection part of the electronic circuit unit including the capacitor and the power transistor is small, it is inevitable that the inductance between the capacitor and the electronic circuit unit increases. .
An object of the present invention is to provide a power converter in which the inductance between the capacitor and the electronic circuit unit does not increase.
上記目的を達成するため、この発明に係る電力変換器は、電源に接続され、同軸配置された2つの筒状端子部を有するコンデンサと、電動駆動機に接続され、前記筒状端子部を介して接続された複数のパワーデバイスとを有している。 In order to achieve the above object, a power converter according to the present invention is connected to a power source and is connected to a capacitor having two cylindrical terminal portions arranged coaxially and an electric drive unit, and is connected via the cylindrical terminal portion. And a plurality of power devices connected to each other.
この発明によれば、電源に接続されたコンデンサは、同軸配置された2つの筒状端子部を有し、この筒状端子部を介して、電動駆動機に接続された複数のパワーデバイスがコンデンサに接続される。このため、コンデンサと電子回路ユニットの間のインダクタンスが増大してしまうことがない。 According to the present invention, the capacitor connected to the power supply has two cylindrical terminal portions arranged coaxially, and a plurality of power devices connected to the electric drive machine are capacitors via the cylindrical terminal portions. Connected to. For this reason, the inductance between the capacitor and the electronic circuit unit does not increase.
以下、この発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
(第1実施の形態)
図1は、この発明の第1実施の形態に係る電力変換器の斜視図である。図1に示すように、電力変換器10は、コンデンサ11及び複数のパワーデバイス12を有している。コンデンサ11は、巻回された誘電体部材をコンデンサケース11aにより覆って円柱状に形成されており、軸方向一端側の端面に突設された円筒状の筒状端子部13を有している。各パワーデバイス12は、それぞれパワーデバイスPN端子14を有しており、このパワーデバイスPN端子14を介して、コンデンサ11と接続されている。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view of a power converter according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
各パワーデバイス12の出力部であるパワーデバイス出力端子15には、モータ16が接続されており、電源(図示しない)から引き出された入力バスバー17が、コンデンサ11の入力端子18に接続されている。電力変換器10は、入力バスバー17を介して入力した電力を変換してモータ16へ出力し、モータ16、例えば、自動車用電動駆動機を駆動する。
図2は、図1のコンデンサの内部構造を示す斜視説明図である。なお、図において、コンデンサのケースや蓋等は表示を省略しており、巻回された誘電体部材は実際より厚くし巻数も大幅に少なく表示している(図3,4,9においても同様である)。
A
FIG. 2 is an explanatory perspective view showing the internal structure of the capacitor shown in FIG. In the figure, the case, the lid, etc. of the capacitor are not shown, and the wound dielectric member is thicker than the actual one and the number of turns is significantly reduced (the same applies to FIGS. 3, 4 and 9). Is).
図2に示すように、筒状端子部13は、外側に位置するP側端子(外側端子)13aと、内側に位置するN側端子(内側端子)13bを有しており、それぞれ内径が異なる円筒状に形成されて同軸に配置されている。つまり、コンデンサ11と複数のパワーデバイス12は、同軸配置された2つの端子(P側端子13a及びN側端子13b)を介して接続されている。
巻回して円筒状に形成された誘電体部材19は、それぞれの面に陽極と陰極(図示しない)を有しており、陽極と陰極のそれぞれには複数の電流リード20のそれぞれの一端が接続され、複数の電流リード20のそれぞれの他端は、P側端子13aとN側端子13bにそれぞれ接続されている。
As shown in FIG. 2, the
The
P側端子13a及びN側端子13bは、円筒状に形成され同軸に配置されていることにより、端子部の幅が広く、且つ、両端子13a,13bが向き合った状態になるため、インダクタンスが大きく低減される。また、各パワーデバイス12と筒状端子部13の接続部からコンデンサ11までのインダクタンスが均一である。このため、各パワーデバイス12に印加されるサージ電圧の偏りが無くなり、動作信頼性が向上する。そして、P側端子13a及びN側端子13bの各部分間のインダクタンスを考えると、低く、且つ、均一であるため、複数ある電流リード20は、P側端子13a又はN側端子13bの各外径に沿って円周上に分散配置される。
Since the P-
図3は、図2の電流リードを拡大して示す斜視図である。図4は、図2の電流リードの他の配置例を示す斜視図である。図3に示すように、電流リード20は、誘電体部材19の陽極に接続される陽極(+側)リード20a、絶縁リード20b、及び誘電体部材19の陰極に接続される陰極(−側)リード20cからなり、絶縁リード20bを挟んで陽極リード20aと陰極リード20cが略平行に配置されることにより、電流リード20自体のインダクタンスも低減されている。また、図4に示すように、電流リード20を、陽極リード20aと陰極リード20cを交互に配置した構成にすれば、絶縁リード20bを必要としないため、安価に製造することができる。
FIG. 3 is an enlarged perspective view showing the current lead of FIG. FIG. 4 is a perspective view showing another arrangement example of the current leads of FIG. As shown in FIG. 3, the
なお、この実施の形態におけるコンデンサとしては、例えば、P側端子とN側端子が同方向に取り出すことが容易なアルミ電解コンデンサが好適であるが、その他のフィルムコンデンサやセラミックコンデンサ等を用いてもよい。
図5は、この実施の形態において用いられる好適なコンデンサの例(その1)を示す説明図である。図6は、この実施の形態において用いられる好適なコンデンサの例(その2)を示す説明図である。図7は、この実施の形態において用いられる好適なコンデンサの例(その3)を示す説明図である。
As the capacitor in this embodiment, for example, an aluminum electrolytic capacitor in which the P-side terminal and the N-side terminal can be easily taken out in the same direction is suitable, but other film capacitors, ceramic capacitors, etc. may be used. Good.
FIG. 5 is an explanatory view showing an example (part 1) of a suitable capacitor used in this embodiment. FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example (part 2) of a suitable capacitor used in this embodiment. FIG. 7 is an explanatory view showing an example (part 3) of a suitable capacitor used in this embodiment.
図5に示すように、コンデンサ25が、例えば、フィルムコンデンサのように、誘電体部材の巻回軸の上下面に端子部が形成される場合には、コンデンサケース26に対し、内側に円筒状のP側端子27aを、外側に、円筒状部と外向きフランジ状の円環状部が一体化したN側端子27bを、それぞれ形成し、N側端子27bの外側に、絶縁性を有する部材からなる絶縁ホルダ28を備えても良い。このN側端子27bは、P側端子27aの外側全面を覆って形成されている。絶縁ホルダ28は、電流リード20と筒状端子部13を固定する端子固定部材として機能し、コンデンサケース26により、絶縁ホルダ28が固定される。
As shown in FIG. 5, when the
図6に示すように、コンデンサ30は、筒状端子部13の外側端子(例えば、N側端子27b)の外面側全域にわたって放熱フィン31を備えている。この放熱フィン31は、筒状端子部13の内側端子(例えば、P側端子27a)の内面側又は外側端子(例えば、N側端子27b)の外面側の何れか一方又は両方に備えてもよい。また、放熱フィン31を、コンデンサ外周部、例えば、コンデンサ25のN側端子27b(図5参照)の外側面部に装着することにより、強度向上と放熱向上を両立することができる。コンデンサケース32内に、積層セラミックコンデンサ(図示しない)を放射状に複数配置しても、同様の構成を有することができる。
As shown in FIG. 6, the
図7に示すように、コンデンサ35を、コンデンサケース36の内側に円筒状のP側端子37aを、P側端子37aの更に内側にN側端子37bを、それぞれ配置して形成することにより、即ち、コンデンサケース36、P側端子37a、N側端子37bを、記載順に外側から同心円状に配置することにより、コンデンサケース36自体を絶縁ホルダ無しで固定することができる。
(第2実施の形態)
As shown in FIG. 7, the
(Second Embodiment)
図8は、この発明の第2実施の形態に係る電力変換器の斜視図である。図9は、図8のコンデンサの斜視図である。なお、図8においては、2個の筒状端子部の内、コンデンサの一端に形成された一方の筒状端子部のみ図示しており、コンデンサの他端に形成された他方の筒状端子部は図示を省略している。
図8及び図9に示すように、電力変換器40は、両端に筒状端子部41,42を備えたコンデンサ43(図9参照)と、コンデンサ43の内側及び外側にそれぞれ配置された複数個のパワーデバイス44及び複数個のパワーデバイス45を有している。その他の構成及び作用は、第1実施の形態に係る電力変換器10と同様である。
FIG. 8 is a perspective view of a power converter according to the second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a perspective view of the capacitor of FIG. In FIG. 8, only one cylindrical terminal portion formed at one end of the capacitor is shown in the two cylindrical terminal portions, and the other cylindrical terminal portion formed at the other end of the capacitor. Is not shown.
As shown in FIGS. 8 and 9, the
つまり、コンデンサ43は、巻回して円筒状に形成された誘電体部材43aの軸方向両側、即ち、コンデンサ両端部に突設された端子部41,42(図9参照)を有しており、恰も、コンデンサ11(図2参照)を、誘電体部材19を共通として背中合わせにした形状に形成されている(図9参照)。
このコンデンサ43を挟んで、コンデンサ43の径方向内側に複数個のパワーデバイス44が円環状に、コンデンサ43の径方向外側に複数個のパワーデバイス45が円環状に、それぞれ配置され、同時に、円環状に配置された複数個のパワーデバイス44と複数個のパワーデバイス45が、コンデンサ43の径方向内側及び外側に同心円状に配置されている。
That is, the
A plurality of
そして、コンデンサ43と、複数個のパワーデバイス44及び複数個のパワーデバイス45は、パワーデバイスPN端子46,47を介して接続され、パワーデバイス45は、パワーデバイス出力端子48によりモータ49に接続されている。コンデンサ43の入力端子50には、バッテリ等の電源ユニット(図示しない)から引き出された入力バスバー(図示しない)が接続される。パワーデバイスPN端子46,47は、平板状に形成されて、電力変換器40の半径方向内側と外側に並ぶ、パワーデバイス45の配列方向に沿った略平行な二重円環状に配置されている。
The
このように、コンデンサ43の両端に筒状端子部41,42を設けて、筒状端子部の面積を増やすことにより、複数のパワーデバイス44及び複数のパワーデバイス45とコンデンサ43の接続面積が広くなり、低インダクタンス接続が可能になる。また、コンデンサ43の内外周に複数のパワーデバイス44及び複数のパワーデバイス45を配置することにより、モータ(電動駆動機)49の回転軸方向長さを短くすることができる。
(第3実施の形態)
Thus, by providing the cylindrical
(Third embodiment)
図10は、この発明の第3実施の形態に係る電力変換器の斜視図である。図10に示すように、電力変換器50は、両端に筒状端子部41,42を備えたコンデンサ43(図9参照)と、コンデンサ43の両端側にそれぞれ配置された複数個のパワーデバイス51及び複数個のパワーデバイス52を有している。その他の構成及び作用は、第1実施の形態に係る電力変換器10と同様である。
つまり、コンデンサ43は、巻回して円筒状に形成された誘電体部材43aの軸方向両側、即ち、コンデンサ両端部に突設された端子部41,42を有しており、恰も、コンデンサ11(図2参照)を、誘電体部材19を共通として背中合わせにした形状を有している(図9参照)。
FIG. 10 is a perspective view of a power converter according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, the
That is, the
このコンデンサ43を挟んで、コンデンサ43の軸方向一端側に、複数個のパワーデバイス51がコンデンサ43の外周に沿う円環状に、コンデンサ43の軸方向他端側に、複数個のパワーデバイス52がコンデンサ43の外周に沿う円環状に、それぞれ配置されている。そして、コンデンサ43と、複数個のパワーデバイス51及び複数個のパワーデバイス52は、パワーデバイスPN端子53,54を介して接続され、パワーデバイス51はパワーデバイス出力端子55により、パワーデバイス52はパワーデバイス出力端子56により、それぞれモータ49に接続されている。コンデンサ43の入力端子57には、バッテリ等の電源ユニット(図示しない)から引き出された入力バスバー(図示しない)が接続される。
A plurality of
このように、パワーデバイス51,52の配置を、モータ49の形に応じて電力変換器40(図8参照)や電力変換器50(図10参照)のように選択することにより、最適な電動駆動機を構成することができる。
上述したように、コンデンサが、筒状端子部と、陰極及び陽極を備え巻回して形成された誘電体部材と、陰極及び陽極から筒状端子部を接続する電流リードと筒状端子部を固定する絶縁性の端子固定部材(絶縁ホルダ)と、端子固定部材を固定するケース(コンデンサケース)を有し、陰極に接続された−側電流リードと陽極に接続された+側電流リードを渦巻状又は円周状に交互に配置する。これにより、コンデンサの幅広い場所から出た電流リードが筒状端子部に接続されるので、各パワーデバイスからコンデンサまでのインダクタンスが均一になり、また、電流のアンバランスも避けることができる。
As described above, by selecting the arrangement of the
As described above, the capacitor fixes the cylindrical terminal portion, the dielectric member formed by winding with the cathode and the anode, and the current lead and the cylindrical terminal portion that connect the cylindrical terminal portion from the cathode and the anode. Insulating terminal fixing member (insulating holder) and a case (capacitor case) for fixing the terminal fixing member, the negative current lead connected to the cathode and the positive current lead connected to the anode are spiral Alternatively, they are alternately arranged in a circumferential shape. As a result, since the current leads from a wide area of the capacitor are connected to the cylindrical terminal portion, the inductance from each power device to the capacitor becomes uniform, and current imbalance can be avoided.
また、上記構成において、−側電流リードと+側電流リードを、絶縁部材を介して重ねて配置することにより、コンデンサ内の+側と−側両方の電流リードが重なるので、コンデンサ自体のインダクタンスを低減することができる。
また、上記構成において、電流リードを誘電体部材の巻回軸方向上下両側に配置することにより、多数のパワーデバイスとの間で低インダクタンス接続を行うことができる。
また、上記構成において、陰極を成す陰極箔と陽極を成す陽極箔の面積よりも誘電体部材の面積の方を大きくすることにより、陽極と陰極の沿面距離を確保することができるため、+側電流リードと−側電流リードの絶縁を容易に取ることができる。
Further, in the above configuration, by arranging the − side current lead and the + side current lead so as to overlap each other through the insulating member, both the + side current lead and the − side current lead in the capacitor are overlapped, so that the inductance of the capacitor itself is reduced. Can be reduced.
Further, in the above configuration, by arranging the current leads on both the upper and lower sides in the winding axis direction of the dielectric member, low inductance connection can be made with a large number of power devices.
In the above configuration, the creeping distance between the anode and the cathode can be secured by increasing the area of the dielectric member relative to the area of the cathode foil forming the cathode and the anode foil forming the anode. Insulation between the current lead and the negative current lead can be easily taken.
また、コンデンサは、筒体により形成され、筒体の内側面に筒状端子部の一方を備える、即ち、コンデンサが中空であり内周面に端子部を備えることにより、中心軸を有効に使えると共に小型化することができる。また、筒体からなるコンデンサの軸方向両端に筒状端子部を備えることにより、コンデンサの軸方向に、パワーデバイスを低インダクタンスで接続することができるので、電力変換器の外径を小さくすることができる。 In addition, the capacitor is formed of a cylindrical body, and has one of the cylindrical terminal portions on the inner side surface of the cylindrical body. That is, the capacitor is hollow and the terminal portion is provided on the inner peripheral surface, so that the central axis can be used effectively. In addition, the size can be reduced. In addition, by providing cylindrical terminal portions at both ends of the cylindrical capacitor, the power device can be connected with low inductance in the axial direction of the capacitor, so that the outer diameter of the power converter is reduced. Can do.
また、このコンデンサの外径をR2、筒状端子部の外径をR1としたとき、R2とR1の関係を、0.5×R2<R1<R2とすることにより、コンデンサの外周寄りに端子部が位置するので、端子部の面積が大きくなってパワーデバイスとの接続面積も増加し、パワーデバイスとコンデンサ間を低インダクタンス化することができる。また、筒体からなるコンデンサの外周面に筒状端子部の一方を備えることにより端子部面積が広く取れるので、コンデンサやパワーデバイスの放熱が向上する。
また、コンデンサが筒体或いは柱体により形成され、筒体或いは柱体の内周面及び外周面の少なくとも一方にパワーデバイスを複数配置することにより、電力変換器の軸方向長さを短くすることができる。また、このコンデンサの筒体或いは柱体の軸方向一端及び両端の少なくとも一方にパワーデバイスを複数配置することにより、電力変換器の外径を小さくすることができる。
Further, when the outer diameter of this capacitor is R2 and the outer diameter of the cylindrical terminal portion is R1, the relationship between R2 and R1 is 0.5 × R2 <R1 <R2, so that the terminal is closer to the outer periphery of the capacitor. Since the portion is located, the area of the terminal portion is increased, the connection area with the power device is increased, and the inductance between the power device and the capacitor can be reduced. Further, by providing one of the cylindrical terminal portions on the outer peripheral surface of the capacitor made of a cylindrical body, the terminal portion area can be increased, so that the heat radiation of the capacitor and the power device is improved.
In addition, the capacitor is formed of a cylinder or a column, and a plurality of power devices are arranged on at least one of the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the cylinder or the column, thereby shortening the axial length of the power converter. Can do. Further, the outer diameter of the power converter can be reduced by arranging a plurality of power devices on at least one of one end and both ends in the axial direction of the cylinder or column of the capacitor.
また、パワーデバイスが、変換器半径方向内側と外側に並んで配置されたP端子とN端子を備えることにより、パワーデバイス自体のインダクタンスを低減することができる。また、パワーデバイスがP端子とN端子を備え、P端子の曲率を筒状端子部の内側端子の径、N端子の曲率を筒状端子部の内側端子の径とし、それぞれが一定の空間を持って重なって配置され筒状端子部に接続されることにより、筒状端子部の曲率とパワーデバイス端子部の曲率が同じになるので、パワーデバイスとコンデンサの接続信頼性が向上する。 In addition, since the power device includes the P terminal and the N terminal arranged side by side on the inner side and the outer side in the converter radial direction, the inductance of the power device itself can be reduced. The power device includes a P terminal and an N terminal, and the curvature of the P terminal is the diameter of the inner terminal of the cylindrical terminal portion, and the curvature of the N terminal is the diameter of the inner terminal of the cylindrical terminal portion. By being overlapped and connected to the cylindrical terminal portion, the curvature of the cylindrical terminal portion and the curvature of the power device terminal portion become the same, so the connection reliability between the power device and the capacitor is improved.
また、筒状端子部の内側端子及び外側端子の少なくとも一方が、熱伝導性の良い絶縁部材を介して冷却部に接続されることにより、筒状端子部を放熱部材として活用することができるので、電力変換器の冷却能力が向上する。また、筒状端子部の外側端子(P側端子)と内側端子(N側端子)のそれぞれの厚みを異ならせることにより、外側端子と内側端子の内の厚みが厚い方を強度部材として利用することができるので、耐震動性が向上する。また、筒状端子部の内側端子の内側と外側端子の外側の少なくとも一方に放熱フィンを備えることにより、端子部が向かい合う、端子部とは逆の片面に放熱フィンが配置されることになり、低インダクタンス、且つ、高放熱状態にすることができる。 In addition, since at least one of the inner terminal and the outer terminal of the cylindrical terminal part is connected to the cooling part via an insulating member having good thermal conductivity, the cylindrical terminal part can be used as a heat dissipation member. The cooling capacity of the power converter is improved. Also, by making the thicknesses of the outer terminal (P side terminal) and the inner terminal (N side terminal) of the cylindrical terminal portion different, the thicker one of the outer terminal and the inner terminal is used as the strength member. As a result, the vibration resistance is improved. In addition, by providing a radiation fin on at least one of the inner side of the inner terminal and the outer side of the cylindrical terminal part, the terminal part faces, and the radiation fin is arranged on one side opposite to the terminal part, Low inductance and high heat dissipation can be achieved.
10,40,50 電力変換器
11,25,30,35,43 コンデンサ
11a,26,32,36 コンデンサケース
12,44,45,51,52 パワーデバイス
13,41,42 筒状端子部
13a,27a,37a P側端子
13b,27b,37b N側端子
14,46,47,53,54 パワーデバイスPN端子
15,48,55,56 パワーデバイス出力端子
16,49 モータ
17 入力バスバー
18,50,57 入力端子
19,43a 誘電体部材
20 電流リード
20a 陽極リード
20b 絶縁リード
20c 陰極リード
28 絶縁ホルダ
31 放熱フィン
10, 40, 50
Claims (16)
前記筒状端子部を介して前記コンデンサに接続されると共に電動駆動機に接続される複数のパワーデバイスと
を有する電力変換器。 A capacitor connected to a power source and having a cylindrical terminal portion comprising two terminals arranged coaxially;
A power converter comprising: a plurality of power devices connected to the capacitor via the cylindrical terminal portion and connected to an electric drive.
前記陰極に接続された−側電流リード及び前記陽極に接続された+側電流リードが、渦巻状又は円周状に交互に配置される請求項1または2に記載の電力変換器。 The capacitor includes the cylindrical terminal portion, a dielectric member formed by being provided with a cathode and an anode, a current lead connecting the cylindrical terminal portion from the cathode and the anode, and the cylindrical terminal portion. An insulating terminal fixing member for fixing, and a case for fixing the terminal fixing member;
The power converter according to claim 1 or 2, wherein a negative current lead connected to the cathode and a positive current lead connected to the anode are alternately arranged in a spiral shape or a circumferential shape.
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