JP2013198350A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リアクトルとコンデンサを備えた電力変換装置においてバスバを通じたリアクトルからコンデンサへの熱伝達を抑制する。
【解決手段】電力変換装置５は、リアクトル１４とコンデンサ１３を接続するバスバ３１、３２を備える。リアクトル側のバスバ３１が、絶縁性の伝熱部材３６を介してケース４１ａと接触している。バスバ３１、３２は、リアクトル１４から出て上方へ折れ曲がり、次いで水平に折れ曲がり、さらに下方へ折れ曲がってフィルタコンデンサ１３に繋がっており、水平部分３１ａで伝熱部材３６を介して上ケース４１ａと接触している。
【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、リアクトルとコンデンサを備える電力変換装置に関する。

インバータやコンバータなどの電力変換装置は、リアクトルとコンデンサとスイッチング素子で構成される昇圧回路あるいは降圧回路を含むことが多い。典型的な昇圧回路（あるいは降圧回路）では、リアクトルとコンデンサは直列に接続されている。より具体的には、昇圧回路（あるいは降圧回路）は、リアクトルとコンデンサの接続点が入力端に繋がっており、リアクトルの他端がスイッチング素子に繋がっており、コンデンサの他端がグランドに繋がっている回路構成を有している。昇圧回路あるいは降圧回路でリアクトルとセットで用いられるコンデンサはフィルタコンデンサと呼ばれることがある。

リアクトルもコンデンサも共に発熱するが、特にリアクトルは発熱量が多い。他方、コンデンサはリアクトルと比較すると耐熱性が低い。

近年、ハイブリッド車を含む電気自動車の開発が盛んであり、モータのパワーコントロールユニットは高容量化／コンパクト化の傾向にある。コンパクト化に伴ってリアクトルとコンデンサは近接配置されるようになり、リアクトルの熱がコンデンサに影響を及ぼさないように、リアクトルとコンデンサの間の遮熱技術が検討されている。

例えば特許文献１には、リアクトルとコンデンサの間に遮熱部材を配置するとともに、リアクトルとコンデンサを樹脂などの絶縁性伝熱材で覆う技術が開示されている。絶縁性熱伝材には例えばエポシキ系樹脂が用いられる。リアクトルとコンデンサは大電流が流れるため、バスバと呼ばれる導電性の高い金属細棒状の導電部材で接続されるが、特許文献１の技術はバスバも含めて伝熱材で覆ってしまう。特許文献１の技術は、遮熱部材と伝熱材でコンデンサをリアクトルの熱から保護する。

特開２０１０−２３３２９４号公報

特許文献１の技術は、バスバを含めて伝熱材で覆い、熱を拡散させる。しかしながら、リアクトルとコンデンサを樹脂などの伝熱材で覆わない場合もある。他方、バスバは金属細棒状であるため熱伝導率が高く、バスバがリアクトルからコンデンサへの熱伝達経路の一つとなる。本明細書は、リアクトルとコンデンサを備えた電力変換装置においてバスバを通じたリアクトルからコンデンサへの熱伝達を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する技術を具現化した電力変換装置の一態様は、リアクトルとコンデンサを接続しているバスバが、絶縁性の伝熱部材を介してケースと接触している。そのような構成を採用することで、リアクトルからバスバを伝わる熱の一部はコンデンサへ伝わらずケースへと拡散する。リアクトルからコンデンサへ伝わる熱量を抑制することができる。

本明細書が開示する電力変換装置の別の態様は、電力変換装置のケースが上ケースと下ケースに分かれている。そして、リアクトルとコンデンサは下ケースに固定されており、バスバは伝熱部材を介して上ケースと接触している。この構成は、リアクトルとコンデンサを固定している下ケースとは別体の上ケースにバスバの熱を拡散させる。従ってコンデンサへの伝熱がより一層抑制できる。さらに、上ケースは、下ケースに対する蓋に相当する。すなわち、上記の構成によると、上ケースを外すとリアクトル、コンデンサ及びバスバが露出することになり、組み付け性やメンテナンス性に優れている。

本明細書が開示する電力変換装置のさらに別の態様では、バスバは、リアクトルから延びて上方へ折れ曲がり、次いで水平に折れ曲がり、さらに下方へ折れ曲がってコンデンサに繋がっており、水平部分で伝熱部材を介して上ケースと接触している。通常は電気抵抗を小さくするためにバスバは短い方がよい。しかしながら、本明細書が開示する新規な電力変換装置の一態様では、リアクトルとコンデンサを最短でつなぐようにバスバを配索するのではなく、上方へ迂回してでも上ケースとの接触を図りコンデンサへの伝熱を抑えることにより、電力変換装置のトータルの性能を向上させる。

また、バスバの水平部分が上ケースと近接して平行に並ぶことにより、バスバのインダクタンスを低減する付加的な効果も期待できる。通常、ケース（上ケースと下ケース）は、アルミニウムなどの導電材料で作られる。バスバにはリアクトルから交流電流が流れることになるが、バスバに流れる交流に起因してバスバと平行な部分において上ケースに誘導磁界が発生する。誘導磁界はバスバに流れる電流が発生する磁界を打ち消すように作用し、その結果インダクタンスが低減される。

さらに、バスバは、リアクトルから延びているリアクトル側バスバと、コンデンサから延びているコンデンサ側バスバがボルト止めされて構成されており、リアクトル側バスバが伝熱部材を介してケースと接触しているとよい。ボルト止めされている場所が熱溜りとなるが、その熱溜りよりもリアクトル側で熱の一部をケースに拡散させることによって、ボルト周辺、ひいては、コンデンサに伝わる熱量が低減される。

伝熱部材は弾性を有するシート状であるとよい。リアクトル、コンデンサ、及びバスバが下ケースに固定され、上ケースを後から閉じる態様の場合、バスバと上ケースとの寸法公差を確保する必要がある。伝熱部材として弾性を有するシート状の部材を採用することによって、バスバと上ケースとの隙間にばらつきが生じても伝熱部材を介した接触を確保できる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例のハイブリッド車の電力系のブロック図である。 パワーコントロールユニット（一部）の上面図である。 図２のIII−III矢視に相当する断面図である。 バスバの斜視図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、ハイブリッド車に搭載されるパワーコントロールユニットである。そのパワーコントロールユニットは、メインバッテリの電力を昇圧した後に交流に変換してモータへ出力する回路と、メインバッテリの電力を降圧して別の電気デバイスへ供給する回路を備える。

パワーコントロールユニットの説明に先立って、ハイブリッド車の電力系を概説する。図１にハイブリッド車２の電力系のブロック図を示す。ハイブリッド車２は、走行用の駆動源として、モータ８とエンジン６を備えている。モータ８の出力トルクとエンジン６の出力トルクは、動力分配機構７で適宜に分配／合成され、車軸９（即ち車輪）へ伝達される。なお、図１は、本明細書が開示する技術の説明に要する部品だけを表しており、説明に関係のない一部の部品は図示を省略していることに留意されたい。

モータ８を駆動するための電力はメインバッテリ３から供給される。メインバッテリ３の出力電圧は、例えば３００ボルトである。また、ハイブリッド車２は、メインバッテリ３の他に、カーナビゲーション装置やルームランプなど、メインバッテリ３の出力電圧よりも低い電圧で駆動するデバイス群に電力を供給するための補機バッテリ２４も備える。図１では、メインバッテリ３の出力電圧よりも低い電圧で駆動するデバイス群を「補機２５」と総称している。なお、パワーコントロールユニット５の大電流系回路を除く信号処理回路（ＰＷＭ生成回路など）も補機の一種である。また、「メインバッテリ」との呼称は、「補機バッテリ」と区別するための便宜上のものである。以下、説明を簡略化するため、パワーコントロールユニット５を「ＰＣＵ５」と称することがある。

メインバッテリ３は、システムメインリレー４を介してＰＣＵ５に接続される。システムメインリレー４は、メインバッテリ３と車両の駆動系を接続したり切断したりするスイッチである。システムメインリレー４は、上位コントローラ（不図示）により切り換えられる。

ＰＣＵ５は、メインバッテリ３とモータ８の間に介在する電子回路である。ＰＣＵ５は、メインバッテリ３の電圧をモータ８の駆動に適した電圧（例えば６００ボルト）まで昇圧する第１コンバータ回路１２、昇圧後の直流電力を交流に変換するインバータ回路２１、メインバッテリ３の電力を補機２５の駆動に適した電圧（例えば１２ボルト）に降圧する第２コンバータ回路１８を含む。

なお、ハイブリッド車２は、エンジン６の駆動力、あるいは車両の減速エネルギを利用してモータ８で発電することもできる。モータ８が発電する場合、インバータ回路２１が交流を直流に変換し、さらに第１コンバータ回路１２がメインバッテリ３よりも僅かに高い電圧まで降圧し、メインバッテリ３へ供給する。

第１コンバータ回路１２は、フィルタコンデンサ１３とリアクトル１４、及び、２個のスイッチング回路２３ａを主とする回路である。スイッチング回路２３ａは、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路で構成される。より詳しくは、第１コンバータ回路１２の構成は次の通りである。リアクトル１４とフィルタコンデンサ１３は直列に接続され、その接続点が第１コンバータ回路１２の入力に相当する。フィルタコンデンサ１３の他端はグランドに接続している。リアクトル１４の他端は直列に接続された２個のスイッチング素子の接続点に接続している。そのような回路構成は昇降圧コンバータとして良く知られている。

インバータ回路２１は、モータ８のＵ、Ｖ、Ｗの各相の交流電流を生成すべくスイッチングを繰り返す６個のスイッチング回路２３ｂを主とする回路である。スイッチング回路２３ｂも、ＩＧＢＴとダイオードの逆並列回路で構成される。

第１コンバータ回路１２のスイッチング回路２３ａとインバータ回路２１のスイッチング回路２３ｂを構成するＩＧＢＴとダイオード、及びその周辺回路は、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）としてパッケージ化されている。なお、本明細書では、そのようなパッケージについては、説明を省略する。

第１コンバータ回路１２の高電圧側（即ちインバータ回路側）には平滑化コンデンサ１６が第１コンバータ回路１２と並列に接続されている。平滑化コンデンサ１６は、インバータ回路２１に入力される電流を平滑化するために挿入されている。なお、第１コンバータ回路１２のスイッチング回路２３ａの高電位側や、インバータ回路２１のスイッチング回路２３ｂの高電位側の電線をＰ線と称する。これに対し、第１コンバータ回路１２とインバータ回路２１の低電位側の電線をＮ線と称する。Ｎ線はグランドＧに接続している。メインバッテリ３からモータ８へは大電流が供給されるので、その大電流が流れるフィルタコンデンサ１３とリアクトル１４は特に発熱量が大きい。

ＰＣＵ５では、さらに、メインバッテリ３の電圧を降圧する第２コンバータ回路１８も、システムメインリレー４を介してメインバッテリ３と接続されている。図１に示されているように、第２コンバータ回路１８は、補機２５に電力を供給するとともに、補機バッテリ２４を充電する。補機バッテリ２４は、メインバッテリ３から電力が供給されない場合（例えばシステムメインリレー４が開放されている場合）に補機２５へ電力を供給するために備えられている。

次に、ＰＣＵ５のハードウエア構成を説明する。図２に、ＰＣＵ５の一部（リアクトル１４とフィルタコンデンサ１３に関係する部分）の平面図を示し、図３に図２のIII−III矢視に相当する断面図を示す。ただし、図２と図３では、スイッチング回路２３ｂを構成するＩＧＢＴとダイオードを収めたＩＰＭなど、一部ハードウエアの図示を省略していることに留意されたい。また、図３では、第２コンバータユニット５２の内部の図示を省略している。第２コンバータユニット５２は、前述した第２コンバータ回路１８を収めた筐体である。

ＰＣＵ５のケース４１は、上ケース４１ａと下ケース４１ｂに２分割されている。上ケース４１ａ、下ケース４１ｂのいずれもアルミニウムで作られており、導電性である。図２では上ケース４１ａの図示を省略している。ケース４１の内部には、フィルタコンデンサ１３、平滑化コンデンサ１６、リアクトル１４、及び、前述のＩＰＭ（不図示）が主たるユニットとして格納されている。ケース４１には他に、前述したスイッチング回路２３ａ、２３ｂのためのＰＷＭ信号を生成する基板ユニットや、電子部品などを冷却する冷却器が格納されるが、その図示は省略している。

リアクトル１４は、図３に示すように、コア１５ａ、コア１５ａに捲回されたコイル１５ｂ、及び、コア１５ａを覆う樹脂１５ｃで構成される。コア１５ａは、磁性体の鉄粉を焼成したものである。樹脂１５ｃの下側が下ケース４１ｂに固定される。図示を省略しているが、より具体的には樹脂１５ｃはボルトにて下ケース４１ｂに固定される。

リアクトル１４に隣接するようにフィルタコンデンサ１３が配置される。リアクトル１４とフィルタコンデンサ１３の間で下ケース４１ｂの底から上方に向けて遮蔽板４１ｃが立設している。遮蔽板４１ｃは、リアクトル１４が発する熱が直接にフィルタコンデンサ１３に伝わることを防いでいる。なお、リアクトル１４とフィルタコンデンサ１３はいずれも下ケース４１ｂに固定される。

リアクトル１４のコイル１５ｂの一端１４ａにはリアクトル正極バスバ３１（リアクトル側バスバ）が接続されており、コイル１５ｂの他端１４ｂにはリアクトル負極バスバ３４が接続されている。図示を省略しているが、リアクトル負極バスバ３４はグランドＧに接続している。なお、「バスバ」は抵抗値の低い金属棒状の部材であり、大電流を流すための導電部材を意味する。

図１のブロック図からも明らかなとおり、リアクトル１４の一端１４ａはフィルタコンデンサ１３に接続している。ハードウエア的には、図２と図３に示すように、リアクトル１４の一端１４ａで接続しているリアクトル正極バスバ３１と、フィルタコンデンサ１３から延びているコンデンサ側バスバ３２が、ボルト３８で連結されている。なお、図示を省略しているが、ボルト３８には、メインバッテリ３から電力を供給するバスバも接続される。コンデンサ側バスバ３２は、途中から分岐端３２ａが延びており、その分岐端３２ａがフィルタコンデンサ１３の一方の電極に接続している。フィルタコンデンサ１３の他方の電力はグランドＧに接続している。コンデンサ側バスバ３２の他端は、分岐端３２ａから更に下方へ延びており、ＤＣコンバータ側バスバ３５とボルト３９で接続している。

図４に、リアクトル正極バスバ３１（リアクトル側バスバ３１）とコンデンサ側バスバ３２の斜視図を示す。リアクトル正極バスバ３１の一端はリアクトル１４のコイルの一端１４ａと接続している（図４の符号Ｐａが示す箇所）。リアクトル正極バスバ３１とコイルの一端１４ａは溶接にて接合している。リアクトル正極バスバ３１は、コイルの一端１４ａから水平方向に延び、次いで上方に折れ曲がり、次いで水平に折れ曲がり、さらに下方へ折れ曲がってコンデンサ側バスバ３２と接続している。リアクトル正極バスバ３１とコンデンサ側バスバ３２の接続点Ｐｂは、フィルタコンデンサ１３の上方である。コンデンサ側バスバ３２は、フィルタコンデンサ１３に沿って下方へと延びており、途中で分岐端３２ａがフィルタコンデンサ１３の側方へと回り込んでいる。分岐端３２ａは、フィルタコンデンサ１３の端部電極（メタリコン電極）に接続している。コンデンサ側バスバ３２はさらに下方へ延びており、フィルタコンデンサ１３の下側に回り込み、そこでＤＣコンバータ側バスバ３５とボルト３９を介して接続している（図４の符号Ｐｃが示す箇所）。なお、各図におけるＸＹが水平面を示しており、Ｚ軸が鉛直方向を示している。

リアクトル正極バスバ３１の最上方の水平部分３１ａの上に伝熱部材３６が配置されており、その伝熱部材３６は上ケース４１ａと接している（図３参照）。即ち、リアクトル正極バスバ３１は伝熱部材３６を介して上ケース４１ａと接している。伝熱部材３６は絶縁材でもある。伝熱部材３６は、例えばシリコンゴム製であり、絶縁性と伝熱性に優れている。また、伝熱部材３６は適度な弾力があり、上ケース４１ａを下ケース４１ｂに被せる際、伝熱部材３６はリアクトル正極バスバ３１と上ケース４１ａとの間で縮み、リアクトル正極バスバ３１と上ケース４１ａの双方に密着する。

リアクトル１４にはモータを駆動する大電流が流れるため、発熱量が大きい。リアクトル１４を構成するコイル１５ｂは平角線で作られており、また、コイル１５ｂに電気的に接続するバスバも細板状であるため、熱が伝達し易い。図３によく示されているように、リアクトル正極バスバ３１は一旦上方に折れ曲がり、次に水平方向に折れ曲がっている。その水平部分３１ａが伝熱部材３６を介して上ケース４１ａと接している。リアクトル１４の熱は、リアクトル正極バスバ３１とコンデンサ側バスバ３２を介してフィルタコンデンサ１３に伝わるが、一部の熱は水平部分３１ａから伝熱部材３６を介して上ケース４１ａに放出される。即ち、バスバを介してリアクトル１４からフィルタコンデンサ１３へ伝わる熱量が抑制される。水平部分３１ａはフィルタコンデンサ１３から比較的に離れているため、上ケース４１ａから下ケース４１ｂへと迂回してコンデンサ１３に伝わる熱量も多くはない。図３、図４に良く示されているように、リアクトルの一端１４ａとフィルタコンデンサ１３の電極を最短距離で繋ぐにはリアクトル正極バスバ３１を上方へ迂回させる必要はない。しかし本明細書が開示する技術は、上ケース４１ａの近傍を通るようにバスバを迂回させ、バスバと上ケース４１ａを、伝熱部材３６を介して接触させる。そのような構造により、リアクトル１４からフィルタコンデンサ１３へ伝わる熱量を抑制し、フィルタコンデンサ１３を熱的に保護する。

さらに、リアクトルの熱を上ケース４１ａに伝える水平部分３１ａは、リアクトル正極バスバ３１とコンデンサ側バスバ３２の接続点であるボルト３８よりもリアクトル側に位置している。ボルト３８は熱を溜めやすいが、ボルト３８よりもリアクトル側でバスバが上ケース４１ａと接しているので、ボルト３８に達する前に熱を上ケース４１ａへ拡散させることができる。ボルト３８に熱量が溜まるのを抑制することにより、リアクトル１４からフィルタコンデンサ１３に伝わる熱量をより一層効果的に抑制している。

さらに、水平部分３１ａは上ケース４１ａの天板の近傍を平行に延びている。上ケース４１ａはアルミニウムで導電性である。バスバにはリアクトル１４を通じて交流が流れる。バスバを流れる電流の変化に起因して上ケース４１ａには誘導磁界が発生する。その誘導磁界はバスバを流れる電流が発生する磁界の一部を相殺する。バスバを流れる電流が発生する磁界の一部が相殺されるため、上記の構造は、バスバのインダクタンスを低減するという付加的な効果も得られる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ハイブリッド車
３：メインバッテリ
４：システムメインリレー
５：パワーコントロールユニット（電力変換装置）
６：エンジン
８：モータ
１２：コンバータ回路
１３：フィルタコンデンサ
１４：リアクトル
１５ｂ コイル
１６：平滑化コンデンサ
１８：コンバータ回路
２１：インバータ回路
２３ａ、２３ｂ：スイッチング回路
２４：補機バッテリ
２５：補機
３１：リアクトル正極バスバ（リアクトル側バスバ）
３１ａ 水平部分
３２：コンデンサ側バスバ
３２ａ：分岐端
３６：伝熱部材
３８、３９：ボルト
４１：ケース
４１ａ：上ケース
４１ｂ：下ケース
５２：コンバータユニット

Claims (5)

1. リアクトルとコンデンサを接続しているバスバが、絶縁性の伝熱部材を介してケースと接触していることを特徴とする電力変換装置。
2. ケースは上ケースと下ケースに分かれており、
   リアクトルとコンデンサは下ケースに固定されており、
   バスバは伝熱部材を介して上ケースと接触し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。
3. バスバは、リアクトルから延びて上方へ折れ曲がり、次いで水平に折れ曲がり、さらに下方へ折れ曲がってコンデンサに繋がっており、水平部分で伝熱部材を介して上ケースと接触し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。
4. 前記バスバは、リアクトルから延びているリアクトル側バスバと、コンデンサから延びているコンデンサ側バスバがボルト止めされて構成されており、リアクトル側バスバが伝熱部材を介してケースと接触していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 伝熱部材は弾性を有するシート状であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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