JP2010110129A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波コモン電流が装置の筐体内で流れる電流経路を限定することにより、信号機器等へのノイズを軽減する車両用電力変換装置を提供する。
【解決手段】スイッチング動作する半導体素子と、前記半導体素子の一端側に取り付けられた受熱ブロックと、前記半導体素子および前記受熱ブロックを含むユニットと、前記ユニットが着脱可能に収納される筐体と、前記ユニットが前記筐体と対向する両側に設けられ、前記ユニットの着脱時に軌道から外れないように保持すると共に、前記ユニットと前記筐体の間を電気的に接続するガイドと、前記筐体と接続されたアース座とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半導体素子を用いた車両用電力変換装置に関する。

車両に設けられている電力変換装置は、単相交流を３相交流に変換して出力することでモータを駆動している。このような電力変換装置では、コンバータとインバータがユニット化されている。そして、電力変換装置を構成するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などの半導体素子は、高速スイッチング動作するため、高周波成分を含んだ電流はユニットを筐体に固定するために設けられたフランジやフレームを介して筐体に流れ出る。そして、筐体には、筐体内に流れ出た高周波コモン電流をアース線に取り出すためのアース座が設けられている。

特許文献１には、電力変換装置から放出される高周波電流が通信設備、信号設備に与える影響を軽減するために、平滑コンデンサと筐体を絶縁し、平滑コンデンサのケースと筐体を抵抗器で接続することにより高周波電流を抑制する構成について記載されている。
特開２００３−３０９９０２号公報

しかしながら、特許文献１には、筐体に流れ出る高周波電流を抑制する構成は記載されているが、通信設備、信号設備への影響を回避するために、電流経路を限定する構成について具体的な記載はない。また、車両用電力変換装置で用いられているアース方法では、装置の筐体の不特定な箇所を高周波電流が伝わる。そのため、高周波コモン電流が装置に接続されている艤装配線にノイズとして重畳し、他の信号機器等に対し大きな弊害となる。

そこで、この発明は、高周波コモン電流が装置の筐体内で流れる電流経路を限定することにより、信号機器等へのノイズを軽減する車両用電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る車両用電力変換装置は、スイッチング動作する半導体素子と、前記半導体素子の一端側に取り付けられた受熱ブロックと、前記半導体素子および前記受熱ブロックを含むユニットと、前記ユニットが着脱可能に収納される筐体と、前記ユニットが前記筐体と対向する両側に設けられ、前記ユニットの着脱時に軌道から外れないように保持すると共に、前記ユニットと前記筐体の間を電気的に接続するガイドと、前記筐体と接続されたアース座とを有する。

本発明によれば、高周波コモン電流が装置の筐体内に流れる電流経路を限定することにより、信号機器等へのノイズを軽減することができる。

図面を参照して、本実施形態について説明する。

図１は本実施形態に係る車両用電力変換装置１の主回路構成を示す回路図である。車両用電力変換装置１には、トランス２で降圧された単相交流が艤装配線３を介して入力される。車両用電力変換装置１は、単相交流を直流に変換するコンバータ４と直流を３相交流に変換するインバータ５を有している。車両用電力変換装置１は、インバータ５に接続された艤装配線３ａを介してモータ６に対して３相交流を出力することでモータ６を駆動させている。

図２は、本実施形態に係る車両用電力変換装置１の上面図である。図３は、図２における車両用電力変換装置１のＡ−Ａ断面図である。図４は、図２における車両用電力変換装置１のＢ矢視図である。

車両用電力変換装置１は、上記説明したコンバータ４およびインバータ７をユニット７に一体として設けている。図２に示すように、筐体１７には、ユニット７が着脱可能として設けられている。また、筐体１７の所定位置には、アース座２５が設けられている。ガイド２１は、ユニット７の着脱方向に沿ってユニット７の側面２６と接するように設けられている。また、筐体１７の内部には、ユニット７で半導体素子８が発した熱を冷却するための電動送風機１４が設けられている。

また、図３および図４に示すように、高速スイッチング動作する発熱体であるＩＧＢＴなどの半導体素子８は、車両用電力変換装置１における受熱ブロック９の下方である半導体取付面１０に取り付けられている。半導体素子８により発せられた熱は、受熱ブロック９を介して、受熱ブロック９の上側である半導体取付面１０とは反対面に設けられた放熱部１１に伝播する。電動送風機１４の送風口にはダクト１２が設けられている。放熱部１１はダクト１２内に収納されている。また、ダクト１２は、筐体１７に対して開口１３を有する。

したがって、電動送風機１４は、開口１３に対してダクトを通して送風し、放熱部１１を排熱する。受熱ブロック９の外周にはフランジ１５が設けられている。フランジ１５には、フレーム１６が取り付けられている。フレーム１６が筐体１７に取付ネジ１８によって固定されるため、ユニット７は、筐体１７に対して固定される。また、ガイド２１がユニット７の筐体と対向する両側に設けられている。ガイド２１は、ユニット７を筐体１７に対して着脱する際に軌道から外れないように保持する。

図５は、図１に示す状態でユニット７を筐体１７から引き出した状態を示す車両用電力変換装置１の上面図である。図６は、図５における車両用電力変換装置１のＡ−Ａ断面図である。ユニット７は、メンテナンス性を考慮して、車両用電力変換装置１の枕木方向Ｘに対して、車側方向Ｙに引き出せるように配置されている。そのため、メンテナンス者は、ユニット７を車側方向Ｙに沿って引き出せる。

また、メンテナンス者は、ユニット７を引き出す際、取付ボルト１８をはずし、車側方向Ｙに沿って引き出す。筐体１７には、ガイド２１が車側方向Ｙに沿ってユニット７の両端に設けられているため、ユニット７はガイド２１に沿って引き出される。したがって、メンテナンス者は、ユニット７をスムーズに引き出せる。

図７は、図２における車両用電力変換装置１のＢ矢視図である。また筐体１７に流れ出る電流の流れを示している。

半導体素子８は、高速スイッチング動作によって高周波成分を含んだ電流（以下、高周波コモン電流２２と称す）を出力する。高周波コモン電流２２は、半導体素子８と受熱ブロック９の間に設けられた浮遊コンデンサ２３そして受熱ブロック９のフランジ１５からフレーム１６を介して、筐体１７に流れ出る。筐体１７に流れ出た高周波コモン電流２２は、車両用電力変換装置１から車両アース線２４に取り出すための筐体１７の所定位置に設けられたアース座２５に流れ出る。

次に、第１の実施形態について説明する。図８は、第１の実施形態に係る車両用電力変換装置１の上面図である。図９は、図８における車両用電力変換装置１のＤ矢視図である。

図８および図９に示すように、ユニット７の側面２６とガイド２１は構造的に接触するように配置されている。ユニット７の側面２６とガイド２１は電気的に接続した状態となる。また、半導体素子８で発生した高周波コモン電流２２は、以下に示す経路でアース座２５まで流れる。

ここで、半導体素子８、これに接続された受熱ブロック９の周囲のフランジ１５、フレーム１６は金属で構造的、電気的に接続された状態となっている。そして、フレーム１６には、ガイド２１が接続されている。そのため、高周波コモン電流２２は、半導体８と受熱ブロック９の間の浮遊コンデンサ２３、フレーム１６、ガイド２１を通じて筐体１７に流れ出る。そして、高周波コモン電流２２は、筐体１７の所定位置に設けられたアース座２５に流れ出る。

フレーム１６とガイド２１が接続されていない場合、図７で説明したように、高周波コモン電流２２は、半導体８と受熱ブロック９の間の浮遊コンデンサ２３、フレーム１６、
ユニット取付ボルト１８を介して筐体１７へ流れ出る。したがって、第１の実施形態の構成により、筐体１７全体に高周波コモン電流２２が流れ出ること防止し、直接アース座２５に流れ込む高周波コモン電流２２が増加する。そのため、艤装配線３、３ａに重畳するノイズを低減することができる。

次に、第２の実施形態について説明する。図１０は、第２の実施形態に係る車両用電力変換装置１の上面図である。図１１は、図１０における車両用電力変換装置１のＥ矢視図である。

第２の実施形態では、第１の実施形態で説明したフレーム１６とガイド２１を接続した状態から、さらに、ユニット７の両側に設けられているガイド２１を互いに電気的導体２７で接続している。また、電気的導体２７は、筐体１７がアルミ材であれば、電気的特性上の抵抗値が小さい銅材が用いられる。

したがって、ユニット７を挟んでアース座２５から遠い位置のガイド２１から流れ出る高周波コモン電流２２は、電気的導体２７を通って逆側のガイド２１に流れ出るため、ガイド２１間で筐体１７へ流れ出にくくなる。そして、高周波コモン電流２２は、アース座２５から近い位置のガイド２１から限定された筐体１７の経路を辿ってアース座２５へ流れ出る。したがって、艤装配線３、３ａに重畳するノイズを低減することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。図１２は、第３の実施形態に係る車両用電力変換装置１の上面図である。図１３は、図１２における車両用電力変換装置１のＦ矢視図である。

第３の実施形態では、第２の実施形態で説明した状態から、さらに、ユニット７の両側に設けられているガイド２１のうちアース座２５から近いガイド２１とアース座２５を互いに電気的導体２７ａで接続している。第３の実施形態は、第２の実施形態の構成を基にしているが、第１の実施形態の構成を基にした場合であっても同様である。

電気的導体２７ａに用いられる材料は、上記説明した電気的導体２７と同様である。アース座２５から近い位置のガイド２１から流れ出る高周波コモン電流２２は、電気的導体２７ａを介してアース座２５へ流れ出る。したがって、高周波コモン電流２２は、ガイド２１間で筐体１７へ流れ出にくくなる。高周波コモン電流２２は、筐体１７内の限定された経路を辿ってアース座２５へ流れ出るため、艤装配線３、３ａに重畳するノイズを低減することができる。

次に、第４の実施形態について説明する。図１４は、第４の実施形態に係る車両用電力変換装置１の上面図である。図１５は、図１４における車両用電力変換装置１のＧ矢視図である。

第４の実施形態では、第２の実施形態で説明した状態から、ユニット７の両側に設けられているガイド２１のうちアース座２５から近いガイド２１とアース座２５が水平の位置関係となるように配置している。つまり、アース座２５から最も近いガイド２１とアース座２５の距離が最短となるように、アース座２５が筐体１７に設けられている。第４の実施形態は、第２の実施形態の構成を基にしているが、第１の実施形態の構成を基にした場合であっても同様である。

第４の実施形態により、ガイド２１からアース座２５までの距離が短くなると、高周波コモン電流２２が流れる筐体１７の経路の抵抗値は距離に応じて小さくなる。したがって、ガイド２１からアース座２５までの最短距離でアース座２５に流れ込む高周波コモン電流２２が増加する。したがって、艤装配線３、３ａに重畳するノイズを低減することができる。

次に、第５の実施形態について説明する。図１６は、第５の実施形態に係る車両用電力変換装置１の上面図である。図１７は、図１６における車両用電力変換装置１のＨ矢視図である。

第５の実施形態では、第４の実施形態で説明した構成で１つの筐体１７内に複数（第５の実施形態では２つ）のユニット７ａ、ユニット７ｂが着脱可能に設けられている場合である。第５の実施形態は、第４の実施形態の構成を基にしているが、第１の実施形態から第３の実施形態の構成のうちいずれかを基にした場合であっても同様である。

ここでは、筐体１７に設けられたアース座２５から近い位置にユニット７ａ、遠い位置にユニット７ｂが配置されている場合について説明する。ユニット７ａは、両側に接するガイド２１が電気的導体２７によって接続されている。したがって、ユニット７を挟んでアース座２５から最も遠い位置のガイド２１から流れ出る高周波コモン電流２２は、電気的導体２７を通って逆側のガイド２１に流れ出る。ユニット７ｂについても同様である。

ユニット７ａ、ユニット７ｂについて設けられたガイド２１のうち隣り合ったガイド２１同士が電気的導体２７ｂで接続される。ユニット７ｂと接し、電気的導体２７ｂが接続されたガイド２１に流れ出た高周波コモン電流２２は、電気的導体２７ｂを介してユニット７ａと接するガイド２１に流れ出る。したがって、ユニット７ｂから流れ出る高周波コモン電流２２はユニット７ａ側に流れ出るため、筐体１７には流れ出にくくなる。

結果として、ユニット７ａおよびユニット７ｂから流れ出る高周波コモン電流２２は、限定された筐体１７の経路を辿ってアース座２５へ流れ出る。したがって、艤装配線３、３ａに重畳するノイズを低減することができる。アース座２５は、ユニット７ａ、ユニット7ｂの間など筐体１７の任意の位置に、ユニット７ａ、ユニット7ｂそれぞれのガイド２１からの距離が最短となるように設けることができる。アース座２５は、筐体１７に複数設けてもよい。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置の主回路構成を示す回路図。 本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置の上面図。 本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置の断面図。 本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置の正面図。 本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置の上面図。 本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置の断面図。 本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置の正面図。 本発明の第１の実施形態に係る車両用電力変換装置の上面図。 本発明の第１の実施形態に係る車両用電力変換装置の正面図。 本発明の第２の実施形態に係る車両用電力変換装置の上面図。 本発明の第２の実施形態に係る車両用電力変換装置の正面図。 本発明の第３の実施形態に係る車両用電力変換装置の上面図。 本発明の第３の実施形態に係る車両用電力変換装置の正面図。 本発明の第４の実施形態に係る車両用電力変換装置の上面図。 本発明の第４の実施形態に係る車両用電力変換装置の正面図。 本発明の第５の実施形態に係る車両用電力変換装置の上面図。 本発明の第５の実施形態に係る車両用電力変換装置の正面図。

符号の説明

１…車両用電力変換装置、２…トランス、３…艤装配線、３ａ…艤装配線、４…コンバータ、５…インバータ、６…モータ、７…ユニット、８…半導体素子、９…受熱ブロック、１０…半導体素子取付面、１１…放熱部、１２…ダクト、１３…開口、１４…電動送風機、１５…フランジ、１６…フレーム、１７…筐体、１８…取付ボルト、２１…ガイド、２２…高周波コモン電流、２３…浮遊コンデンサ、２４…車両アース線、２５…アース座、２６…ユニット側面、２７…電気的導体、２７ａ…電気的導体、２７ｂ…電気的導体。

Claims (5)

1. スイッチング動作する半導体素子と、
   前記半導体素子の一端側に取り付けられた受熱ブロックと、
   前記半導体素子および前記受熱ブロックを含むユニットと、
   前記ユニットが着脱可能に収納される筐体と、
   前記ユニットが前記筐体と対向する両側に設けられ、前記ユニットの着脱時に軌道から外れないように保持すると共に、前記ユニットと前記筐体の間を電気的に接続するガイドと、
   前記筐体と接続されたアース座と、
   を有することを特徴とする車両用電力変換装置。
2. 前記ユニットの両側に設けられた前記ガイドを互いに接続する第１の導電体とを有することを特徴とする請求項１記載の車両用電力変換装置。
3. 前記ガイドと前記アース座とを接続する第２の導電体とを有することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
4. 前記アース座は、前記アース座に近い側に設けられた前記ガイドからの距離が最短距離となる位置に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
5. 前記ユニットが複数併設されている場合、前記ユニットに設けられた前記ガイドを複数の前記ユニット間で接続する第３の導電体とを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。

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