JP2013009540A

JP2013009540A - 電力変換装置

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Publication number: JP2013009540A
Application number: JP2011141332A
Authority: JP
Inventors: Shinji Usami; 伸二宇佐見; Masaichi Tako; 方一多湖; Atsuyuki Hiruma; 淳之蛭間
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2013-01-10
Anticipated expiration: 2031-06-27
Also published as: JP5708298B2; US20120326507A1

Abstract

【課題】複数のインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３を単一の基板に搭載する場合、熱によって過大な応力が加わるおそれがあること。
【解決手段】ケースＣＡ内に、電源用基板４０および変換用基板４２，４４，４６が収納されている。電源用基板４０には、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３の共通の電源装置（平滑コンデンサ１８等）が搭載されている。変換用基板４２にはインバータＩＮＶ１が搭載され、変換用基板４４にはインバータＩＮＶ２が搭載され、変換用基板４６にはインバータＩＮＶ３が搭載される。変換用基板４２，４４，４６は一列に配置され、これらは接続部材５０によって接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、車載主機用電源の電力を車載補機に供給するための電力変換回路を備える電力変換装置に関する。

たとえば下記特許文献１には、複数の電力変換回路を搭載する装置が提案されている。

特開２００２−３４５２５２号公報

ところで、複数の電力変換回路が車載補機に電力を供給するための電力変換回路である場合、それらの配置スペースに制約を受けやすいことなどから小型化が望まれる。ここで、複数の電力変換回路を小型化するうえでは、これらを単一の基板に構成することが有効である。ただし、この場合、各電力変換回路の発熱が大きくなることから、基板に過大な応力が加わるおそれがある。

本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、車載主機用電源の電力を車載補機に供給するための電力変換回路を備える新たな電力変換装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、車載主機用電源の電力を車載補機に供給するための電力変換回路を備える電力変換装置において、前記車載補機は、第１の車載補機および第２の車載補機を備え、前記電力変換回路は、前記第１の車載補機および前記第２の車載補機のそれぞれに電力を供給する第１の電力変換回路および第２の電力変換回路を備え、前記第１の電力変換回路および前記第２の電力変換回路のそれぞれが形成された各別の変換用基板である第１の変換用基板および第２の変換用基板と、前記第１の変換用基板および前記第２の変換用基板の一方から他方へと電力を供給するために前記第１の変換用基板および前記第２の変換用基板間を接続する接続手段と、を備えることを特徴とする。

上記発明では、配置スペースの制約等から小型化が望まれる上記変換用基板を、敢えて第１の電力変換回路および第２の電力変換回路のそれぞれ毎に各別に形成した。これにより、１つの変化用基板における発熱量を低減することができることから、基板に過度の応力が加わることを好適に抑制することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記第１の変換用基板および前記第２の変換用基板を収納するケースをさらに備え、前記ケースには、前記第１の電力変換回路および前記第２の電力変換回路のそれぞれを対応する車載補機のそれぞれに接続するための各別のコネクタが取り付けられており、前記コネクタは、前記ケースの同一の側面に設けられていることを特徴とする。

第１の電力変換回路および第２の電力変換回路のそれぞれのコネクタをケースの１つの側面に設ける場合には、各別の側面に設ける場合と比較して、電力変換回路の配置が対向する一対の側面の一方側に偏りやすく、ひいては熱の発生箇所が上記一方側に偏りやすい。このため、各別の側面に設ける場合と比較して、変換用基板の放熱を促進するうえで不利となりやすい。この点、上記発明では、変換用基板を各別の基板とすることで、コネクタをケースの１つの側面に設けることによる放熱性能の低下を好適に補償することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記主機用電源の電力を前記第１の電力変換回路および前記第２の電力変換回路に供給するための共通の電源装置が形成される電源用基板と、前記第１の変換用基板、前記第２の変換用基板および前記電源用基板を収納するケースとをさらに備え、前記第１の変換用基板および前記第２の変換用基板と前記電源用基板とが一列に配置されて且つ、前記電源用基板は、前記ケースの端部に配置されていることを特徴とする。

上記発明では、電源用基板からの電力を第１の変換用基板および第２の変換用基板のうちの電源用基板に隣接する方から隣接しない方へと順次伝播させることができる。このため、電源用基板上における電力供給用の配線のパターンを容易に実現することができる。また、電源用基板に取り付ける接続手段の数を低減することができるため、大きくなりやすい電源用基板の大きさを極力小さくすることができる。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、前記第１の電力変換回路および前記第２の電力変換回路は、互いに相違するスイッチング周波数によってスイッチング操作されるものであることを特徴とする。

第１の電力変換回路および第２の電力変換回路のスイッチング周波数が相違する場合、それら電力変換回路同士で電源装置を共有することで、各別の電源装置を設ける場合の各電源装置の電力供給能力の和（定格出力の和）よりも小さい電力供給能力でそれら電力変換回路への電力を賄うことができることが発明者らによって見出されている。上記発明は、こうした点に鑑みた設定とすることで、電源装置の小型化を可能とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記第１の変換用基板および前記第２の変換用基板を収納するケースをさらに備え、前記ケースの表面には、前記第１の変換用基板と前記第２の変換用基板との対向方向に直交する方向に延びる放熱板が形成されていることを特徴とする。

上記発明では、放熱板の配置を上記のように設定することで、対向方向に延びる場合と比較して、放熱板による第１の変換用基板および第２の変換用基板の放熱性能を均質化しやすい。

一実施形態にかかるシステム構成図。同実施形態にかかる電力変換ユニットの構成を示す図。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかる電力変換装置をハイブリッド車に適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。

図示される高電圧バッテリ２０は、端子電圧がたとえば百Ｖ程度となるリチウムイオン２次電池やニッケル水素２次電池等の２次電池である。高電圧バッテリ２０の負極電位は、車体から絶縁されている。詳しくは、たとえば高電圧バッテリ２０の両端に一対のコンデンサを接続し、それらの接続点を車体に接続するなどすることで、高電圧バッテリ２０の正極電位および負極電位間の中央値が車体電位と等しくなるような設定がなされている。

高電圧バッテリ２０は、一対の電源ラインＬｐ，Ｌｎに接続されており、電源ラインＬｐ，Ｌｎは、電源装置ＰＳＣに接続されている。電源装置ＰＳＣは、電源ラインＬｐ，Ｌｎのそれぞれに接続されるノーマルモードチョークコイル１６と平滑コンデンサ１８とを備えて構成されている。

電源装置ＰＳＣには、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３が並列接続されている。ここで、インバータＩＮＶ１は、車載空調装置に搭載されるヒータ１０に３相交流を印加するためのものである。また、インバータＩＮＶ２は、車載空調装置に搭載されるブロアファンの電動機１２に、３相交流電圧を印加するためのものである。さらに、インバータＩＮＶ３は、車載内燃機関のシリンダブロック内の冷却水を冷却させるウォータポンプに搭載される電動機１４に、３相交流電圧を印加するためのものである。なお、上記ヒータ１０は、電熱器であるが、本実施形態では、上記インバータＩＮＶ２，ＩＮＶ３と同様の３相インバータによって駆動可能に設計されている。

このように、電源装置ＰＳＣは、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３によって共有されている。これは、各インバータ毎に電源装置を搭載する場合の各電源装置（平滑コンデンサ）に必要な静電容量よりも、電源装置を共有した場合に必要な静電容量の方が小さくなるとの知見に基づくものである。ただし、必要な静電容量を低減するためには、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３のそれぞれのスイッチング周波数ｆｓ１、ｆｓ２、ｆｓ３を互いに相違させる必要がある。このため、本実施形態では、これらスイッチング周波数ｆｓ１，ｆｓ２，ｆｓ３を互いに相違させている。

なお、上記インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３や電源装置ＰＳＣは、金属性の単一のケースＣＡに収納されており、車載負荷（電動機１２，１４やヒータ１０）は、ケースＣＡに対して外付けされている。これは、ケースＣＡを小型化し、車両衝突時等においても損傷を受けにくいところに配置することを１つの目的としてなされた設定である。

上記ケースＣＡ内には、さらに、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３のそれぞれの操作信号を生成してインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３のそれぞれに出力するマイコン３２，３４，３６と、各負荷（補機）の制御量についての外部から入力される指令値をマイコン３２，３４，３６に割り振って出力するマイコン３０とが収納されている。これにより、外部から入力される指令値のうち対応するものがマイコン３２，３４，３６のそれぞれに入力されると、マイコン３２，３４，３６のそれぞれでは、割り振られた指令値とするための操作量としてのインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３の各相の電圧を操作する。これは、たとえば各相電圧と三角波形状のキャリアとの大小比較に応じてインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３の操作信号を生成することで行うことができる。
なお、マイコン３０では、外部から入力される指令値を、フォトカプラ等の絶縁手段を介して受信する。また、上記マイコン３０と電源装置ＰＳＣは、電源用基板４０に搭載されており、インバータＩＮＶ１とマイコン３２とは変換用基板４２に搭載されており、インバータＩＮＶ２とマイコン３４とは変換用基板４４に搭載されており、インバータＩＮＶ３とマイコン３６とは変換用基板４６に搭載されている。

図２に、本実施形態にかかるケースＣＡの構造と、ケースＣＡ内への電源用基板４０や変換用基板４２，４４，４６等の収容態様とを示す。

図２（ａ）に示されるように、ケースＣＡには、電源用基板４０と変換用基板４２，４４，４６とが互いに隙間を有するようにして１列に配置されている。ここで、電源用基板４０と変換用基板４２との間や、変換用基板４２と変換用基板４４との間、さらには変換用基板４４と変換用基板４６との間は、接続部材５０を介して電気的に接続されている。ここで、接続部材５０は、隣接する２つの基板の端部のそれぞれにはめ込まれる導電部材である。

詳しくは、電源用基板４０および変換用基板４２間の接続部材５０は、電源装置ＰＳＣの出力端子（平滑コンデンサ１８の正極側および負極側）に接続される一対の電源経路と、インバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３のそれぞれの操作信号を生成するための指令値が送信される信号伝播経路とを備える。また、変換用基板４２および変換用基板４４間の接続部材５０は、電源装置ＰＳＣの出力端子（平滑コンデンサ１８の正極側および負極側）に接続される一対の電源経路と、インバータＩＮＶ２，ＩＮＶ３のそれぞれの操作信号を生成するための指令値が送信される信号伝播経路とを備える。さらに、変換用基板４４および変換用基板４６間の接続部材５０は、電源装置ＰＳＣの出力端子（平滑コンデンサ１８の正極側および負極側）に接続される一対の電源経路と、インバータＩＮＶ３のそれぞれの操作信号を生成するための指令値が送信される信号伝播経路とを備える。

上記ケースＣＡの一側面には、樹脂製のコネクタ６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ，６０ｅが一列に形成されている。ここで、コネクタ６０ａは、上記ＥＣＵ２２と電源用基板４０（インターフェース３０）とを接続するための手段であり、電源用基板４０に対向するように配置されている。また、コネクタ６０ｂは、上記一対の電源ラインＬｐ，Ｌｎと電源用基板４０の電源装置ＰＳＣとを接続するための手段であり、電源用基板４０に対向するように配置されている。また、コネクタ６０ｃは、ヒータ１０と変換用基板４２（インバータＩＮＶ１）とを接続するための手段であり、変換用基板４２に対向するように配置されている。さらに、コネクタ６０ｄは、ブロアの電動機１２と変換用基板４４（インバータＩＮＶ２）とを接続するための手段であり、変換用基板４４に対向するように配置されている。加えて、コネクタ６０ｅは、ウォータポンプの電動機１４と変換用基板４６（インバータＩＮＶ３）とを接続するための手段であり、変換用基板４６に対向するように配置されている。

図２（ｂ）に、ケースＣＡの表面を示す。図示されるように、ケースＣＡには、コネクタ６０ａ〜６０ｅの配置方向に沿って放熱板（リブ６２ａ，６２ｂ）が形成されている。リブ６２ａ，６２ｂは、周囲の気体との間の熱交換を促進すべく、周囲の気体との接触面積を拡大するための手段である。

上記のように、本実施形態において、コネクタ６０ａ〜６０ｅをケースＣＡの一側面に配置したのは、ケースＣＡを車載システムに取り付ける際の作業性を向上させるためである。すなわち、ケースＣＡの互いに対向する一対の側面のそれぞれにコネクタが存在する場合には、ケースを車載システムに取り付けるに際し、いずれの側面に形成されるコネクタへの接続作業を行うかに応じてケースＣＡの支持態様を変更するなどの必要が生じやすく、ひいては作業性が低下するおそれがある。

また、本実施形態において、電源用基板４０や変換用基板４２，４４，４６を各別の基板としたのは、以下の理由による。まず第１に、基板にはそりが生じる傾向があり、特に、電源用基板４０や変換用基板４２，４４，４６に形成される部材を１つの基板に搭載する場合には、基板の表面積が大きくなるため、そりが顕著に生じやすくなる。基板にそりが生じると、基板内の配線や電子機器間の絶縁破壊の回避を狙って基板表面をモールド材等によって覆ったとしても、これがはがれ、ひいては絶縁破壊の回避機能が低下するおそれがある。

第２に、基板の放熱性を向上させるためである。特に、本実施形態では、コネクタ６０ａ〜６０ｅを、ケースＣＡの一側面に限って形成したために、発熱量が大きくなるパワースイッチング素子（インバータＩＮＶ１〜ＩＮＶ３）がケースＣＡの一側面側に偏ることとなり、ひいてはこの部分での発熱量が大きくなる。このため、基板を分割することで単一基板とする場合と比較して放熱性を高める。特に、基板同士の間に隙間を設けたり、基板間の接続を放熱性の高い接続部材５０としたりすることで、基板を分割したことによる放熱性の向上効果がより顕著となる。

なお、各変換用基板４２，４４，４６に搭載されるインバータＩＮＶ１，ＩＮＶ２，ＩＮＶ３の共通の電源装置ＰＳＣを電源用基板４０に搭載することで、変換用基板４２，４４，４６の放熱性をさらに向上させることができる。すなわち、平滑コンデンサ１８の体格等から、電源用基板４０に搭載される部材については、変換用基板４２，４４，４６に搭載される部材よりも高い部材が存在するため、図２（ｂ）に示したように、電源用基板４０部分のリブ６２ｂは、変換用基板４２，４４，４６部分のリブ６２ａと比較してケースＣＡから放射状に延びる長さが短く設定される。このため、電源装置ＰＳＣを各変換用基板４２，４４，４６に各別に搭載する場合、変換用基板４２，４４，４６部分のリブ６２ａの上記長さが短くなり、ひいては変換用基板４２，４４，４６の放熱性の低下を招く。

また、上記リブ６２ａを各変換用基板４２，４４，４６の配列方向（基板同士が対向する方向）に直交するように形成することで、各変換用基板４２，４４，４６の冷却能力を同等とすることができる。

さらに、上記電源装置ＰＳＣを搭載する電源用基板４０をケースＣＡの端部とすることで、電源用基板４０を極力小型化することが容易となる。これに対し、電源用基板４０をケースＣＡの中央とする場合、平滑コンデンサ１８の正極および負極のそれぞれに接続される電源ラインを電源用基板４０の一対の端部のそれぞれに設けられる接続部材５０に接続する必要があるため、電源用基板４０が大型化しやすい。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

「接続部材について」
隣接する基板のそれぞれについての基板間が対向する端部にはめ込まれる導電部材に限らない。たとえば、各基板の配線領域にハンダ付けされるボンディングワイヤ等の配線であってもよい。

「ケースについて」
ケースとしては、基板が一列に配置されるものに限らず、たとえば２列に配置されるものであってもよい。この場合、配線の干渉を回避する上では、コネクタを６面体のケースの対向する一対の側面に形成することが望ましい。

ケースとしては、６面体にかぎらず、たとえば楕円形状としてもよい。
ケースとしては、単一のケースからなるものに限らず、たとえば電源用基板４０を収納するケース、変換用基板４２を収納するケース、変換用基板４４を収納するケース、および変換用基板４６を収納するケースのそれぞれを各別のケースとして且つ、これらのケースの側面にこれらケース同士を互いに連結可能とする手段を備えるものであってもよい。この場合、各基板の放熱性能をさらに高めることができる。

「コネクタについて」
６面体のケースの１面に全コネクタを配置するものに限らない。たとえば、互いに対向する側面に形成されるものであってもよい。この場合、インバータと対向する一対の面の一方との距離（の平均値）と他方との距離（の平均値）との差を低減することができるため、熱の発生箇所の偏りを緩和することができる。

また、樹脂製とする代わりに、金属製としてもよい。この場合、コネクタ部分の放熱性能を向上させることが容易となる。

「電源用基板について」
電源用基板の配置としては、ケースの端部に限らない。

また、電源用基板としては、マイコン３０のみを備えるものに限らず、マイコン３２，３４，３６についても備えるものであってもよい。

「変換用基板について」
１つのケースに収納される変換用基板の数としては、３つに限らず、２つであってもよく、また４つ以上であってもよい。

また、変換用基板のスイッチング素子の操作信号を生成する手段を搭載してもよいことについては、「電源用基板について」の欄に記載したとおりである。

「放熱板について」
電源用基板が収納される部分のリブ６２ｂを、それ以外のリブ６２ａよりも小さくするものに限らない。たとえば、電源装置ＰＳＣを構成する平滑コンデンサ１８等を小型化することができるなら、ケースＣＡの寸法を極力小さくしつつリブを最大化したとしても、リブ６２ａ，６２ｂを同じ大きさにできる可能性がある。

リブ６２ａ，６２ｂとしては、変換用基板の配列方向に直交する方向に延びるものに限らず、たとえば変化用基板の配列方向に延びるものであってもよい。

「電力変換回路について」
３相インバータに限らない。たとえばヒータ１０については、１相のインバータであってもよい。またたとえば、ブロアファンの電動機１２として５相電動機を用いるなら、インバータとしては５相インバータとなる。

なお、直流電圧源の正極および負極のそれぞれと補機の端子とを選択的に接続するスイッチング素子を備える直流交流変換回路にも限らない。

「そのほか」
変換用基板毎に、搭載される電力変換回路のスイッチング周波数を相違させるものに限らない。
ハイブリッド車に限らず、たとえば車載主機に供給されるエネルギの貯蔵手段として、電気エネルギを出力する手段（２次電池、燃料電池）のみを備えるものであってもよい。この場合であっても、ブロアファンやヒータ等の複数の車載補機の電源をこの貯蔵手段とする場合等にあっては、本発明の適用が有効である。

４０，４２，４４，４６…基板、６０ａ〜６０ｅ…コネクタ、ＰＳＣ…電源装置、ＣＡ…ケース。

Claims

車載主機用電源の電力を車載補機に供給するための電力変換回路を備える電力変換装置において、
前記車載補機は、第１の車載補機および第２の車載補機を備え、
前記電力変換回路は、前記第１の車載補機および前記第２の車載補機のそれぞれに電力を供給する第１の電力変換回路および第２の電力変換回路を備え、
前記第１の電力変換回路および前記第２の電力変換回路のそれぞれが形成された各別の変換用基板である第１の変換用基板および第２の変換用基板と、
前記第１の変換用基板および前記第２の変換用基板の一方から他方へと電力を供給するために前記第１の変換用基板および前記第２の変換用基板間を接続する接続手段と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記第１の変換用基板および前記第２の変換用基板を収納するケースをさらに備え、
前記ケースには、前記第１の電力変換回路および前記第２の電力変換回路のそれぞれを対応する車載補機のそれぞれに接続するための各別のコネクタが取り付けられており、
前記コネクタは、前記ケースの同一の側面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記主機用電源の電力を前記第１の電力変換回路および前記第２の電力変換回路に供給するための共通の電源装置が形成される電源用基板と、
前記第１の変換用基板、前記第２の変換用基板および前記電源用基板を収納するケースとをさらに備え、
前記第１の変換用基板および前記第２の変換用基板と前記電源用基板とが一列に配置されて且つ、前記電源用基板は、前記ケースの端部に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
前記第１の電力変換回路および前記第２の電力変換回路は、互いに相違するスイッチング周波数によってスイッチング操作されるものであることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
前記第１の変換用基板および前記第２の変換用基板を収納するケースをさらに備え、
前記ケースの表面には、前記第１の変換用基板と前記第２の変換用基板との対向方向に直交する方向に延びる放熱板が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。