JP2009044920A - 電力変換ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換ユニットのさらなる小型化を実現する。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータの入力側に設けられたフィルタ用コンデンサＣ１と、インバータの入力側に設けられた平滑用コンデンサＣ２及びスナバ用コンデンサＣ３とを共通のコンデンサパッケージ５２内に収容することで、これらのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を収容するパッケージが一体化されている。さらに、コンデンサパッケージ５２（フィルタ用コンデンサＣ１と平滑用コンデンサＣ２との間）に伝熱抑制スリット５４を形成することで、フィルタ用コンデンサＣ１と平滑用コンデンサＣ２との間の伝熱が抑制される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換ユニットに関し、特に、ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータとを備える電力変換ユニットに関する。

従来、電力変換ユニットを備える電動機駆動システムとして、直流電源としてのバッテリと、バッテリからの直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータからの直流電力を交流に変換して出力するインバータと、インバータからの交流電力を受けて回転駆動するモータと、バッテリとＤＣ−ＤＣコンバータとの間に並列に設けられたフィルタ用コンデンサと、ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータとの間に並列に設けられた平滑用コンデンサと、を備えるものが提案されている（例えば下記特許文献１）。この電動機駆動システムにおいては、バッテリに蓄えられた電気エネルギを利用してモータを回転駆動することができるとともに、モータの回生運転によりモータの運動エネルギの一部を発電電力に変換してバッテリに回収することもできる。

特開２００６−２６４４７３号公報 特許第３２２１２７０号公報 特開２００１−３２６１３１号公報 特開２０００−１６４７６９号公報

ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータとを備える電力変換ユニットにおいては、ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータとを共通の筐体内に収容してモジュール化することで、電力変換ユニットの小型化を図ることが可能となる。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力側及びインバータの入力側のそれぞれにコンデンサ（例えばフィルタ用コンデンサ及び平滑用コンデンサ）が設けられている場合は、これらのコンデンサが設けられる分、電力変換ユニットが大型化するため、電力変換ユニットのさらなる小型化が要求される。

本発明の目的は、電力変換ユニットのさらなる小型化を図ることにある。

本発明に係る電力変換ユニットは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る電力変換ユニットは、直流電源からの直流電力が入力され、該入力された直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータからの直流電力が入力され、該入力された直流電力を交流に変換して出力するインバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力側に設けられた第１のコンデンサと、インバータの入力側に設けられた第２のコンデンサと、を備える電力変換ユニットであって、第１のコンデンサと第２のコンデンサとが共通のパッケージ内に収容されていることを要旨とする。

本発明の一態様では、第１のコンデンサと第２のコンデンサとが異なる耐熱性能を有することが好適である。

本発明の一態様では、前記共通のパッケージには、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間の伝熱を抑制する伝熱抑制手段が設けられていることが好適である。この態様では、前記伝熱抑制手段としてスリットが第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間に設けられていることが好適である。また、この態様では、前記伝熱抑制手段として断熱部材が第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間に設けられていることが好適である。これらの態様によれば、共通のパッケージ内に収容された第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間の伝熱を抑制することで、第１のコンデンサと第２のコンデンサのそれぞれについて、その耐熱温度を超えない範囲でその性能を十分に発揮させることができる。

本発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力側に設けられた第１のコンデンサとインバータの入力側に設けられた第２のコンデンサとが共通のパッケージ内に収容されていることで、電力変換ユニットのさらなる小型化を図ることができる。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換ユニットを備える電動機駆動システムの概略構成を示す図である。本実施形態に係る電動機駆動システムは、図示するように、充放電可能な直流電源としての二次電池３１と、二次電池３１からの直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ３２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の入力側に設けられたフィルタ用コンデンサＣ１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２からの直流電力を交流に変換して出力するインバータ３４，３６と、インバータ３４，３６の入力側（ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の出力側）に設けられた平滑用コンデンサＣ２及びスナバ用コンデンサＣ３と、インバータ３４，３６からの交流電力を受けて回転駆動可能なモータジェネレータ３８，３９と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット４０とを備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ３２と、インバータ３４，３６と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の入力側のフィルタ用コンデンサＣ１と、インバータ３４，３６の入力側の平滑用コンデンサＣ２及びスナバ用コンデンサＣ３とを含んで本実施形態に係る電力変換ユニットが構成され、二次電池３１とモータジェネレータ３８，３９との間で電力変換が行われる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３２は、インバータ３４，３６の正側ラインＰＬと負側ラインＳＬに対してソース側とシンク側となるように直列接続された２個のパワートランジスタ（スイッチング素子）Ｑ１，Ｑ２と、このパワートランジスタＱ１，Ｑ２に各々逆並列接続された２個のダイオードＤ１，Ｄ２と、一端が二次電池３１の一端（正側端子）に接続されるとともに他端がパワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に接続されたリアクトルＬとを備える。パワートランジスタＱ１はリアクトルＬの他端とＤＣ−ＤＣコンバータ３２の出力端（インバータ３４，３６の正側ラインＰＬ）との間に配置されており、パワートランジスタＱ２はリアクトルＬの他端と二次電池３１の他端（負側端子）との間に配置されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ３２では、パワートランジスタＱ２をオンすると、二次電池３１とリアクトルＬとパワートランジスタＱ２とを結ぶ短絡回路が形成され、二次電池３１から流れる直流電流に応じてリアクトルＬにエネルギが一時的に蓄積される。この状態でパワートランジスタＱ２をオンからオフすると、リアクトルＬに蓄積されたエネルギは、ダイオードＤ１を介して平滑用コンデンサＣ２に蓄えられる。その際に、平滑用コンデンサＣ２の直流電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の出力電圧）については、二次電池３１の直流電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の入力電圧）よりも高くすることができる。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２をオンオフ駆動するスイッチング動作により、入力された二次電池３１からの直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して（昇圧して）インバータ３４，３６へ出力する昇圧コンバータとして機能することができる。一方、このＤＣ−ＤＣコンバータ３２で平滑用コンデンサＣ２の電荷を用いて二次電池３１を充電することもでき、その際には降圧コンバータとして機能する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の入力側には、フィルタ用コンデンサＣ１が二次電池３１と並列に設けられている。より具体的には、フィルタ用コンデンサＣ１の一端は二次電池３１の正側端子及びリアクトルＬの一端に接続され、フィルタ用コンデンサＣ１の他端は二次電池３１の負側端子に接続されている。パワートランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作時には、リアクトルＬを流れる電流にリプル成分が生じる。フィルタ用コンデンサＣ１を二次電池３１と並列に設けることで、リアクトルＬを流れる電流は、二次電池３１の電流（直流成分）にフィルタ用コンデンサＣ１の電流（リプル成分）が重畳されたものとなるため、二次電池３１の電流変動が抑制される。なお、フィルタ用コンデンサＣ１の耐熱温度Ｔ１（耐熱性能）は、平滑用コンデンサＣ２の耐熱温度Ｔ２（耐熱性能）と異なり、例えば平滑用コンデンサＣ２の耐熱温度よりも高い（Ｔ１＞Ｔ２）。

インバータ３４は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに並列接続された複数（図１では３本）のアーム６２，６４，６６を備える。アーム６２は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに直列接続された１対のパワートランジスタ（スイッチング素子）Ｑ１１，Ｑ１２と、パワートランジスタＱ１１，Ｑ１２のそれぞれと逆並列接続された１対のダイオードＤ１１，Ｄ１２とを含む。同様に、アーム６４は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに直列接続された１対のパワートランジスタＱ１３，Ｑ１４と、パワートランジスタＱ１３，Ｑ１４のそれぞれと逆並列接続された１対のダイオードＤ１３，Ｄ１４とを含み、アーム６６は、正側ラインＰＬと負側ラインＳＬとの間で互いに直列接続された１対のパワートランジスタＱ１５，Ｑ１６と、パワートランジスタＱ１５，Ｑ１６のそれぞれと逆並列接続された１対のダイオードＤ１５，Ｄ１６とを含む。モータジェネレータ３８のコイル（３相コイル）３８Ｕ，３８Ｖ，３８Ｗは、Ｙ（スター）結線されており、各アーム６２，６４，６６の中点とそれぞれ接続されている。インバータ３４は、パワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６のスイッチング動作により、入力されたＤＣ−ＤＣコンバータ３２からの直流電力を１２０°ずつ位相が異なる３相交流に変換してモータジェネレータ３８の３相コイル３８Ｕ，３８Ｖ，３８Ｗへ供給する。これによって、モータジェネレータ３８を回転駆動させることができる。一方、このインバータ３４でモータジェネレータ３８の３相コイル３８Ｕ，３８Ｖ，３８Ｗの交流電力を直流に変換してＤＣ−ＤＣコンバータ３２へ供給することもできる。

インバータ３６も、インバータ３４と同様の構成であり、パワートランジスタＱ２１，Ｑ２２及びダイオードＤ２１，Ｄ２２を含むアーム７２と、パワートランジスタＱ２３，Ｑ２４及びダイオードＤ２３，Ｄ２４を含むアーム７４と、パワートランジスタＱ２５，Ｑ２６及びダイオードＤ２５，Ｄ２６を含むアーム７６とを備える。Ｙ（スター）結線されたモータジェネレータ３９の３相コイル３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗは、各アーム７２，７４，７６の中点とそれぞれ接続されている。インバータ３６も、パワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６のスイッチング動作により、入力されたＤＣ−ＤＣコンバータ３２からの直流電力を１２０°ずつ位相が異なる３相交流に変換してモータジェネレータ３９の３相コイル３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗへ供給することで、モータジェネレータ３９を回転駆動させることができる。一方、このインバータ３６でモータジェネレータ３９の３相コイル３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗの交流電力を直流に変換してＤＣ−ＤＣコンバータ３２へ供給することもできる。なお、インバータ３４，３６の入力側には、パワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１〜Ｑ２６のターンオフ時に発生するサージ電圧を吸収するために、スナバ用コンデンサＣ３が平滑用コンデンサＣ２と並列に設けられている。平滑用コンデンサＣ２の容量は、スナバ用コンデンサＣ３の容量と比較して、十分大きく設定されている。

電子制御ユニット４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２のパワートランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング動作を制御してＤＣ−ＤＣコンバータ３２の電圧変換比（昇圧比）を制御する。さらに、電子制御ユニット４０は、インバータ３４のパワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６のスイッチング動作を制御してモータジェネレータ３８の駆動制御を行い、インバータ３６のパワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６を制御してモータジェネレータ３９の駆動制御を行う。

図２に示すように、フィルタ用コンデンサＣ１、平滑用コンデンサＣ２、スナバ用コンデンサＣ３、ＤＣ−ＤＣコンバータ３２（リアクトルＬ、パワートランジスタＱ１，Ｑ２）、インバータ３４（パワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６）、及びインバータ３６（パワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６）は、共通の筐体４２内に収容されていることでモジュール化されている。これによって、電力変換ユニットの小型化を図ることができる。ただし、図２では、説明の便宜上、電気配線の図示を省略している。ここでの筐体４２は、金属（例えばアルミニウム）等の導電材料で構成されていることで、内部に収容した電子部品を外部に対してシールドする機能も果たしている。筐体４２には、冷却液（冷却水）等の冷媒が流れる冷媒流路４４が形成されている。冷媒流路４４を流れる冷却液によって、筐体４２内に収容されたＤＣ−ＤＣコンバータ３２（リアクトルＬ、パワートランジスタＱ１，Ｑ２）の冷却を行うことができる。さらに、冷媒流路４４を流れる冷却液によって、筐体４２内に収容されたインバータ３４（パワートランジスタＱ１１〜Ｑ１６）、及びインバータ３６（パワートランジスタＱ２１〜Ｑ２６）の冷却も行うことができる。

本実施形態では、図２，３に示すように、フィルタ用コンデンサＣ１と平滑用コンデンサＣ２とスナバ用コンデンサＣ３とを共通のコンデンサパッケージ５２内に収容することで、これらのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３を収容するパッケージを一体化（１パッケージ化）している。図３に示す構成例では、例えばフィルムコンデンサにより構成されたフィルタ用コンデンサＣ１と平滑用コンデンサＣ２とスナバ用コンデンサＣ３とが互いに間隔をおいて共通の外装ケース５２ａ内に収容されており、これらのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３が外装ケース５２ａ内に充填されたポッティング樹脂材５２ｂにより覆われていることで封止されている。これによって、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の構成の小型化を図ることができ、電力変換ユニットのさらなる小型化を図ることができる。

ただし、複数種類のコンデンサを共通のパッケージ内に収容すると、これらのコンデンサ間で熱が伝わりやすくなる。各コンデンサについては、その耐熱温度を超えない範囲でその性能を十分に発揮することが要求されるが、各コンデンサの耐熱温度が異なる場合は、耐熱温度の高いコンデンサから耐熱温度の低いコンデンサへ熱が伝わることで、耐熱温度の高いコンデンサの温度も耐熱温度の低いコンデンサに合わせて使用する必要がある。その場合は、耐熱温度の高いコンデンサがその性能を十分に発揮できなくなる。

これに対して本実施形態では、図３に示すように、共通のコンデンサパッケージ５２内に収容されたコンデンサ間の伝熱を抑制するために、コンデンサパッケージ５２（外装ケース５２ａ）に伝熱抑制スリット５４を形成している。ここでの伝熱抑制スリット５４は、フィルタ用コンデンサＣ１と平滑用コンデンサＣ２との間に配置されている。この伝熱抑制スリット５４（空気層）により、フィルタ用コンデンサＣ１と平滑用コンデンサＣ２との間の伝熱が抑制される。そのため、耐熱温度の高いコンデンサ（例えばフィルタ用コンデンサＣ１）を耐熱温度の低いコンデンサ（例えば平滑用コンデンサＣ２）から熱的に分離することができ、耐熱温度の高いフィルタ用コンデンサＣ１から耐熱温度の低い平滑用コンデンサＣ２へ伝わる熱が抑制される。したがって、耐熱温度の高いフィルタ用コンデンサＣ１の温度を耐熱温度の低い平滑用コンデンサＣ２に合わせて使用する必要がなくなる。つまり、平滑用コンデンサＣ２を耐熱温度Ｔ２まで使用することができるとともに、フィルタ用コンデンサＣ１を耐熱温度Ｔ１（Ｔ１＞Ｔ２）まで使用することができる。その結果、耐熱温度が異なるフィルタ用コンデンサＣ１及び平滑用コンデンサＣ２のそれぞれについて（ＤＣ−ＤＣコンバータ３２の入力側に設けられたコンデンサとインバータ３４，３６の入力側に設けられたコンデンサのそれぞれについて）、その耐熱温度を超えない範囲でその性能を十分に発揮させることができる。

本実施形態では、共通のコンデンサパッケージ５２内に収容されたコンデンサ間の伝熱を抑制するために、コンデンサパッケージ５２内に断熱層（断熱部材）を配設することもできる。例えばフィルタ用コンデンサＣ１と平滑用コンデンサＣ２との間に断熱層を配置することで、フィルタ用コンデンサＣ１と平滑用コンデンサＣ２との間の伝熱を抑制することができる。また、平滑用コンデンサＣ２とスナバ用コンデンサＣ３とで耐熱温度が異なる場合は、平滑用コンデンサＣ２とスナバ用コンデンサＣ３との間に伝熱抑制スリット５４や断熱層を配設することが好ましい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の実施形態に係る電力変換ユニットを備える電動機駆動システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換ユニットの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換ユニットの概略構成を示す図である。

符号の説明

３１ 二次電池、３２ ＤＣ−ＤＣコンバータ、３４，３６ インバータ、３８，３９ モータジェネレータ、４０ 電子制御ユニット、４２ 筐体、４４ 冷媒流路、５２ コンデンサパッケージ、５２ａ 外装ケース、５２ｂ ポッティング樹脂材、５４ 伝熱抑制スリット、Ｃ１ フィルタ用コンデンサ、Ｃ２ 平滑用コンデンサ、Ｃ３ スナバ用コンデンサ、Ｌ リアクトル、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１〜Ｑ２６ パワートランジスタ。

Claims (5)

1. 直流電源からの直流電力が入力され、該入力された直流電力を異なる電圧値の直流電力に変換して出力するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   ＤＣ−ＤＣコンバータからの直流電力が入力され、該入力された直流電力を交流に変換して出力するインバータと、
   ＤＣ−ＤＣコンバータの入力側に設けられた第１のコンデンサと、
   インバータの入力側に設けられた第２のコンデンサと、
   を備える電力変換ユニットであって、
   第１のコンデンサと第２のコンデンサとが共通のパッケージ内に収容されている、電力変換ユニット。
2. 請求項１に記載の電力変換ユニットであって、
   第１のコンデンサと第２のコンデンサとが異なる耐熱性能を有する、電力変換ユニット。
3. 請求項１または２に記載の電力変換ユニットであって、
   前記共通のパッケージには、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間の伝熱を抑制する伝熱抑制手段が設けられている、電力変換ユニット。
4. 請求項３に記載の電力変換ユニットであって、
   前記伝熱抑制手段としてスリットが第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間に設けられている、電力変換ユニット。
5. 請求項３に記載の電力変換ユニットであって、
   前記伝熱抑制手段として断熱部材が第１のコンデンサと第２のコンデンサとの間に設けられている、電力変換ユニット。

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