JP2014039384A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力化を図り、高容量のコンデンサ素子を搭載しても、小型化が可能であり、かつ、耐振動性あるいは耐衝撃性に優れたものとする。
【解決手段】ケース部材１０１内に、主トランス１０４、低電圧回路基板１０７およびコンデンサモジュール１０が収納されている。コンデンサケース１１内には、平滑コンデンサ素子１２、ノイズフィルタ用コンデンサ素子１３および共振コンデンサ素子１４が収納されている。コンデンサケース１１の外周側壁には、コンデンサケース１１の底部に対してほぼ垂直に立ち上げた状態で、高電圧回路基板４０が取り付けられ、高電圧回路基板４０は、パワー半導体モジュール３５、３６とコンデンサケース１１に跨って設けられている。
【選択図】図６

Description

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置に関する。

電気自動車やプラグインハイブリッド車は、動力駆動用の高電圧蓄電池でモータ駆動するためのインバータ装置および車両のライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池を備えている。このような車両には、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータ装置が搭載されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、高電圧の直流電流を交流電流に変換する高電圧側スイッチング回路、交流高電圧を交流低電圧に変換するトランス、低電圧交流電圧を直流電流に変換する低電圧スイッチング回路を備えている。また、高電圧側スイッチング回路に入力される入力電流を平滑にするための平滑コンデンサ素子およびノイズフィルタ用コンデンサ素子等の機能の異なるコンデンサ素子を備えている。

従来のＤＣ−ＤＣコンバータ装置として、トランス、高電圧側スイッチング回路および低電圧側スイッチング回路を構成する電子部品を配線基板上に実装し、この配線基板を、放熱フィンを有する冷却ブロックに固定した構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１４３２１５号公報

上記特許文献１では、１枚の配線基板上に、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置を構成するすべての電子部品を配置する構造であるため、広い収納用スペースが必要とされる。また、大出力とするためには、コンデンサ素子等の電子部品として大容量ものを用いる必要があるが、このようにすると、電子部品の重量が増大し、耐振動性あるいは耐衝撃性が低下する。

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、トランスと、トランスの一次側に接続された共振コンデンサ素子と、共振コンデンサ素子を介してトランスの一次側に接続された高電圧側スイッチング回路部と、トランスの二次側に接続された低電圧側スイッチング回路部と、トランス、共振コンデンサ素子、高電圧側スイッチング回路部および低電圧側スイッチング回路部を収納するケース部材と、を備える。
高電圧側スイッチング回路部は、複数のパワー半導体モジュールと、複数のパワー半導体モジュールの各スイッチング素子がブリッジ回路に接続される配線を有するブリッジ回路基板と、ブリッジ回路に入力される直流電流を平滑化する平滑コンデンサ素子と、ノイズフィルタ用コンデンサ素子と、を備える。
平滑コンデンサ素子およびノイズフィルタ用コンデンサ素子はコンデンサケース内に収納され、複数のパワー半導体モジュールはケース部材の底部内面に配置され、コンデンサケースはパワー半導体モジュールの上方に配置され、ブリッジ回路基板は、コンデンサケースの底部と交差する方向に、コンデンサケースとパワー半導体モジュールとに跨るように立ち上げて配置されている。

本発明によれば、ブリッジ回路基板を、コンデンサケースの底部と交差する方向に、立ち上げて配置したので、収納スペースを小さくすることができる。また、平滑コンデンサ素子およびノイズフィルタ用コンデンサ素子をコンデンサケース内に収納したので、耐振動性あるいは耐衝撃性の向上を図ることができる。

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置を備える電力変換装置の外観斜視図。 ＤＣーＤＣコンバータ装置の回路構成の一実施の形態を示す図。 本発明の一実施の形態としてのＤＣ−ＤＣコンバータ装置の分解斜視図。 図３に図示されたＤＣ−ＤＣコンバータ装置に収納された高電圧モジュールの分解斜視図。 図３に図示された高電圧モジュールのＶ−Ｖ線断面図 図４に図示されたコンデンサモジュールの外観斜視図。 コンデンサモジュールの平面図。

［電力変換装置］
以下、図面を参照して、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置を備える電力変換装置の外観斜視図である。
電力変換装置１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とインバータ装置２００とを一体化したものであり、図１ではＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とインバータ装置２００とを分離した状態で示されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、複数のボルトによりインバータ装置２００のケース上面側に固定されている。

電力変換装置１は、電気自動車やプラグインハイブリッド車等の車両に適用され、インバータ装置２００は車載の高電圧蓄電池からの電力により走行用モータを駆動する。車両にはライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧蓄電池が搭載されており、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、高電圧蓄電池から低電圧蓄電池への電力変換または低電圧蓄電池から高電圧蓄電池への電力変換を行う。

インバータ装置２００のケース２０１にはインバータ装置２００内の発熱部品の冷却のため、冷媒が流れる冷却流路２０４が形成されている。冷媒は入口配管２０２から流路内に流入し、出口配管２０３から流出する。一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース部材１０１は、その底面部がインバータ装置２００と対向して固定される。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、インバータ装置２００が固定された状態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の底面部も、冷却流路２０４の一部を構成する。すなわち、冷却流路２０４の上面側の壁面となっている。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、冷却流路２０４内を流通する冷媒により直接冷却される。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００のケース部材１０１の底面部と、インバータ装置２００の上面部の間には、冷却流路２０４の冷媒が漏れ出ないように、Ｏリングなどのシール（図示せず）が設けられている。

本実施の形態では、冷媒としては不凍液と水を１：１で混合したものが一般的に適している。しかし、それ以外の冷媒を用いることもできる。
上記インバータ装置２００とＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００とを冷却する冷却装置は、一実施の形態として示したものであり、他に、空気等の冷却気体を用いた冷却装置等を用いても差し支えはない。また、インバータ装置２００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００と共に構成される電力変換装置の一実施の形態を示すものであり、形状・構造等は、種々、変形して適用が可能である。

［ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の回路構成］
次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００について説明する。図２はＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００の回路構成の一実施の形態を示す図である。
図２に示すように、本発明の一実施の形態として示すＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、双方向ＤＣーＤＣコンバータである。このＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、高電圧側スイッチング回路部１０６と、低圧側スイッチング回路部１５０と、高電圧側スイッチング回路部１０６と低圧側スイッチング回路部１５０との間に設けられたトランス（Ｔｒ）１０４とを備えている。高電圧側スイッチング回路部１０６と低圧側スイッチング回路部１５０は、制御回路基板１０８に設けた制御回路部ＣＲＴによりスイッチ制御が行われる。

高電圧側スイッチング回路部１０６は、Ｈブリッジ型スイッチング回路として接続されたＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）Ｈ１〜Ｈ４と、平滑コンデンサＣｎと、ノイズフィルタ用コンデンサ素子Ｃｙ１、Ｃｙ２と、共振コンデンサ素子Ｃｒと、共振コイルＬｒと、チョークコイルＬｃと、シャント抵抗Ｒｉと、ゲート抵抗Ｒと、ＩＧＢＴスイッチＨｏとを備える。

Ｈブリッジ型スイッチング回路の入力側には、高電圧側スイッチング回路部１０６に入力される入力電流を平滑にするための平滑コンデンサ素子Ｃｎおよびノイズフィルタ用コンデンサ素子Ｃｙ1、Ｃｙ２が接続されている。
主トランスＴｒの一次側には、共振回路を構成する共振コンデンサ素子Ｃｒおよび共振コイルＬrが直列に接続されている。
ＩＧＢＴスイッチＨ0には、シャント抵抗ＲｉおよびチョークコイルＬｃが接続されている。制御回路部ＣＴＲにより、シャント抵抗Ｒｉの両端の電位差を測定し、高電圧系の電流を検出することができる。チョークコイルＬｃは、高電圧電源ＨＶ（−）とシャント抵抗Ｒｉとの間に配置されており、ノーマルモードフィルタとして機能する。
ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｈ1〜Ｈ4およびＳ１〜Ｓ４のゲート端子には、ゲート抵抗Ｒが接続されている。

スイッチング制御にあっては、ＬＣ回路（Ｃｒ、Ｌｒ）を用いて高スイッチング周波数（100ｋＨｚ）でゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）させ、スイッチング損失を低減し変換効率を向上するようにした。また、双方向動作（降圧モード動作と昇圧モード動作）に対応して、降圧モード動作時にオンし、昇圧モード動作時にオフする切り替えスイッチとしてＩＧＢＴスイッチＨ０を設けている。

低電圧側スイッチング回路部１５０は、低電圧側での高出力を確保するために、同期整流回路を構成するＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）Ｓ３，Ｓ４と、アクティブクランプ回路を構成するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、ＭＯＳＦＥＴ Ｓ１〜Ｓ２のゲート抵抗Ｒと、全波整流型の倍電流（カレントダブラー）として構成されたリアクトルＬ１，Ｌ２と、抵抗Ｒｓと、コンデンサＣｏとを備える。

スイッチング回路および平滑リアクトルの小型リアクトル（Ｌ１，Ｌ２）を、対称性を持たせるように２回路並列配置とすることで高出力化している。このように、小型リアクトルを２回路配置とすることで、大型リアクトル１台を配置させる場合に比べて、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置全体の小型化が可能となる。加えて、還流ダイオードを持つＭＯＳＦＥＴ Ｓ１，Ｓ２を用いたアクティブクランプ回路を設けて、スイッチング時のサージ電圧発生を抑制してスイッチング素子の耐圧を低減させることで、回路部品の低耐圧化を図り、装置を小型化している。

［ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の構造］
図３は、本発明の一実施の形態としてのＤＣ−ＤＣコンバータ装置の分解斜視図である。
ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、金属製（例えば、アルミダイカスト製）のケース部材１０１を有する。
ケース部材１０１内には、上述した主トランス１０４、インダクタ素子１０５、高電圧側スイッチング回路部を構成する高電圧モジュール１０６、低電圧側スイッチング回路部１５０等が収納されている。
ＡＣバスバー１１０は、ケース部材１０１の底面部から上方に突出した複数の支持部（図示せず）にボルトにより固定され、高電圧モジュール１０６と主トランス１０４の間を電気的に接続する。主な発熱部品は、主トランス１０４、インダクタ素子１０５、およびスイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４、Ｓ１〜Ｓ４である。

図２の回路図との対応を記載すると、主トランス１０４は主トランスＴｒに、インダクタ素子１０５はカレントダブラのリアクトルＬ１，Ｌ２に対応している。

高電圧モジュール１０６は、後述する如く、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４であるパワー半導体モジュール３５，３６、後述するコンデンサモジュール１０、およびスイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４をブリッジ回路に接続する配線が形成された高電圧回路基板、すなわちブリッジ回路基板４０を含む。高電圧回路基板４０には、チョークコイルＬｃおよびシャント抵抗Ｒｉが実装されている。つまり、高電圧回路基板４０には、図２に点線で囲まれた領域内の電子部品の中、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４を除く電子部品が実装されている。

低電圧回路基板１０７には、図２のアクティブクランプ回路のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２と、同期整流回路のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４も搭載されており、図２の点線で囲まれた領域内の電子部品がすべて実装されている。図示はしないが、低電圧回路基板１０７に実装されたスイッチング素子Ｓ1〜Ｓ4は、その一面が金属基板に圧接されており、金属基板の他面は、金属製のケース部材１０１の底部に密着して固定されている。

主トランス１０４、インダクタ素子１０５、高電圧モジュール１０６、および低電圧回路基板１０７は、ケース部材１０１の底部に固定されており、主トランス１０４、インダクタ素子１０５および低電圧回路基板１０７の上部に、金属製のベース板１０９が取り付けられる。ベース板１０９は、高電圧モジュール１０６を覆わない大きさ形状である。ベース板１０９は、ケース部材１０１内において、ケース部材１０１の底部における周縁部に設けられたボス部（図示せず）等にボルト等の締結部材によって固定される。これにより、低電圧回路基板１０７（特に、スイッチング素子Ｓ1〜Ｓ4）、主トランス１０４、インダクタ素子１０５等の発熱量が大きい部品から発生される熱は、ベース板１０９を介してケース部材１０１から放熱され、冷却される。

ベース板１０９の上部には、制御回路基板１０８が配置されている。
制御回路基板１０８は、ケース部材１０１の底部とほぼ平行に配置されている。制御回路基板１０８と高電圧モジュール１０６との間にベース板１０９が介在しないので、制御回路基板１０８と高電圧モジュール１０６との電気的な接続が容易となっている。制御回路基板１０８には、高電圧側スイッチング回路部１０６に設けられたスイッチング素子Ｈ1〜Ｈ４および低電圧側スイッチング回路部１５０に設けられたスイッチング素子Ｓ1〜Ｓ４を制御する制御回路部ＣＴＲが設けられている。制御回路基板１０８は、金属製のベース板１０９の上面に形成された凸部にボルト等の締結部材により固定されている。

ベース板１０９により、制御回路基板１０８の機械的な共振周波数を高める作用を持たせている。
すなわち、ベース板１０９に制御回路基板１０８を固定するためのねじ止め部を短い間隔で配置して制御回路基板１０８の支持点間の距離を短くしている。これにより、エンジン等から伝わる振動周波数に対して制御回路基板１０８の共振周波数を高くして、振動の影響を受け難くすることができる。

ベース板１０９は、また、ケース部材１０１の底部に設けられた発熱部品からの輻射熱の遮蔽部材として機能するとともに、スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４、Ｓ１〜Ｓ４からのスイッチング放射ノイズを遮蔽するシールドとしても機能する。

また、ケース部材１０１の開口部には、ボルト等の締結部材によりケースカバー１０２が取り付けられる。ケースカバー１０２は、アルミニウム等の金属部材により形成されており、ベース板１０９および制御回路基板１０８が収納されたケース部材１０１の開口を塞いで、内部を密閉する。

ケース部材１０１の底部の側面には雌ねじ１０１ａが設けられている。雌ねじ１０１ａには、低電圧蓄電池の（−）端子と同じ電位である車体のシャーシ等に取り付けるための締結部材が螺合される。このため、雌ねじ１０１ａは、ＧＮＤ端子としての機能を有している。
また、ケース部材１０１の底部を貫通して、内部から突き出す雄ねじ１２０が設けられている。雄ねじ１２０は、ケース部材１０１とは絶縁されており、低電圧蓄電池の（＋）端子と同じ電位の部位に締結される。このため、雄ねじ１２０は、正極端子としての機能を有している。

信号コネクタ１２１、（＋）電線１２２、（−）電線１２３はインバータ装置２００に接続され、インバータ装置２００の信号コネクタ及び高電圧コネクタ（図示せず）から車両の制御装置と高電圧蓄電池にそれぞれ電気的に接続される。

［高電圧モジュール］
図４は、図３に図示されたＤＣ−ＤＣコンバータ装置に収納された高電圧モジュール１０６の分解斜視図である。
高電圧モジュール１０６は、高電圧回路基板４０、コンデンサモジュール１０、パワー半導体モジュール３５、３６、金属ベース（ベース部材）３０、板ばね３３および温度センサ３４から構成されている。パワー半導体モジュール３５は、図２のＭＯＳＦＥＴ Ｈ１〜Ｈ４に対応し、また、パワー半導体モジュール３６は、図２のＩＧＢＴスイッチＨ０に対応する。

金属ベース３０は、例えば、アルミダイカスト等により形成され、ケース部材１０１の底部内面にねじ等の締結部材により固定される。金属ベース３０には、上部に凹部３０ａが形成されており、凹部３０ａ内にパワー半導体モジュール３５、３６が配置されている。パワー半導体モジュール３５、３６は、その上方に配置された板ばね３３により圧接されて、熱伝導性の良い絶縁シート３１を介して金属ベース３０の凹部底面に接触している。板ばね３３は、ねじ等の締結部材によりケース部材１０１の底部に固定されている。

金属ベース３０として、例えば、Ａ６０６３のような熱伝導率が高い材料を用いることにより、ケース部材１０１を、例えば、ＡＤＣ１２タイプのような一般的なアルミダイカスト用材料を用いることが可能となる。これにより、金属ベース３０を装着せず、ケース部材１０１全体を熱伝導率が高い材料で形成する場合に比し、材料費を安価にすることができる。

ケース部材１０１の内部底面と金属ベース３０との間、金属ベース３０と絶縁シート３１の間、絶縁シート３１とパワー半導体モジュール３５、３６の間には熱伝導性グリース（図示せず）が塗布されている。上述した如く、ケース部材１０１の底面部は、インバータ装置２００と共に冷却流路２０４を構成しており、パワー半導体モジュール３５、３６等の発熱部材から発生した熱は、冷却流路２０４を循環する冷媒によって冷却される。

温度センサ３４は金属ベース３０にねじ等の締結部材より固定されている。温度センサ３４は、ハーネスにより、図３に図示された制御回路基板１０８に接続されている。温度センサ３４は、金属ベース３０を介してパワー半導体モジュール３５、３６の温度を検出し、その検出信号を制御回路基板１０８に構成された制御回路部ＣＴＲに送信する。制御回路部ＣＴＲは、温度センサ３４から送信される温度情報に基づいて異常発生の有無を判断し、異常有りと判断された場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００からの出力を制限する等の保護制御を行う。

図５は、図３に図示された高電圧モジュール１０６のＶ−Ｖ線断面図である。但し、図５においては、樹脂２５は図示を省略されている。
コンデンサモジュール１０は、パワー半導体モジュール３５、３５を圧接する板ばね３３の上方に、この板ばね３３と僅かな空隙を存して配置される。コンデンサモジュール１０は、コンデンサ素子１２，１３Ａ，１３Ｂ、１４を収容するコンデンサケース１１を有し、このコンデンサケース１１の側部に設けた複数の取付部１１ａを介してねじ等の締結部材により金属ベース３０に取り付けられる。
すなわち、ケース部材１０１の底部内面に金属ベース３０が熱伝導性グリースを介して密着して配置され、金属ベース３０の凹部３０ａ内に熱伝導性のよい絶縁シート３１を介してパワー半導体モジュール３５、３６が配置されている。金属ベース３０の凹部３０ａの底面と絶縁シート３１との間および絶縁シート３１とパワー半導体モジュール３５、３６との間には熱伝導性グリースが塗布さている。パワー半導体モジュール３５、３６は、板ばね３３により押圧されて、絶縁シート３１に圧接されている。板ばね３３の上方に、板ばね３３と空隙をあけてコンデンサモジュール１０のコンデンサケース１１の底面が配置されている。

詳細は後述するが、コンデンサモジュール１０のコンデンサケース１１内には、平滑コンデンサ素子１２（図２のＣｎに対応する。以下、同様）、ノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａ、１３Ｂ（Ｃｙ１，Ｃｙ２）および共振コンデンサ素子１４（Ｃｒ）が収納されている。複数のコンデンサ素子は、コンデンサケース１１に充填された封止用の樹脂２５で固化されている。
図４も参照すると、コンデンサケース１１の長手方向（図５の紙面と垂直の方向であり、図７の左右方向）に延在する一側面には、高電圧回路基板４０が設けられている。すなわち、高電圧回路基板４０は、ねじ等の締結部材により、金属ベース３０に取り付けられている。高電圧回路基板４０は、ケース部材１０１の底部にほぼ垂直に立ち上げて配置されており、金属ベース３０の凹部３０ａ内に配置されたパワー半導体モジュール３５、３６に対応する位置からコンデンサケース１１の側面の上端部の位置に跨って設けられている。高電圧回路基板４０は、金属ベース３０の下端面近傍からコンデンサケース１１の上端部に至る寸法とすることにより、高電圧回路基板４０の面積を大きくし、ケース部材１０１の内部スペースを有効に活用している。

図５に図示されるように、高電圧回路基板４０には、パワー半導体モジュール３５のリード端子３５ａが接続されている。図５には図示されていないが、４つのパワー半導体モジュール３６の１２個のリード端子３６ａ（図４参照）も高電圧回路基板４０に接続されている。高電圧回路基板４０がパワー半導体モジュール３５、３６と対向する面には、図４に詳細を示すリード端子ガイド５０が取り付けられている。パワー半導体モジュール３５、３６のリード端子３５ａ，３６ａは、高電圧回路基板４０に設けられた端子孔４０ａに挿通され、半田付けされる。

リード端子ガイド５０は、パワー半導体モジュール３５、３６の各リード端子３５ａ，３６ａを高電圧回路基板４０の端子孔４０ａに挿通する際、リード端子３５ａ，３６ａのガイドとしての機能を有するものである。図４を参照すると、リード端子ガイド５０は高電圧回路基板４０の長手方向の幅と略同等の長さで延在し、パワー半導体モジュール３５，３６の１５個のリード端子３５ａ，３６ａをガイドする１５個の半円錐ガイド面を有する。パワー半導体モジュール３５、３６の各リード端子３５ａ，３６ａは、リード端子ガイド５０の円錐ガイド面に沿って端子孔４０ａに容易に挿入することができる。このため、パワー半導体モジュール３５、３６の各リード端子３５ａ，３６ａと、高電圧回路基板４０の端子孔４０ａとの間に多少位置ずれがある場合であっても、リード端子３５ａ，３６ａが引っかかることなく、効率的に作業を行うことができる。

上述したように、高電圧回路基板４０に接続された４個のパワー半導体モジュール３６のスイッチング素子Ｈ1〜Ｈ４は、高電圧回路基板４０に設けられた配線により、Ｈブリッジ回路として接続される。
図４を参照すると、高電圧回路基板４０には、上部側に複数のコネクタピンを有するコネクタ４１が実装されている。コネクタ４１の各コネクタピンは、ケース部材１０１の底部とほぼ平行に配置され、かつ、高電圧回路基板４０とはほぼ垂直に配置された制御回路基板１０８（図３参照）に設けられたピン孔に挿通され、半田付けされている。制御回路基板１０８に設けられた制御回路部ＣＴＲ（図２参照）とパワー半導体モジュール３５、３６とはコネクタ４１により電気的に接続され、制御回路部ＣＴＲによりパワー半導体モジュール３５のスイッチング制御およびパワー半導体モジュール３６のオン・オフ制御が行われる。

高電圧回路基板４０には、チョークコイル４２（図２のＬc）が実装されている。チョークコイル４２は、高電圧電源の（＋）または（−）とＨブリッジ回路の間に電気的に接続され、ノーマルモードフィルタとして機能する。

高電圧回路基板４０には、図２に示したように、パワー半導体モジュール３５、３６のゲート端子と制御回路基板１０８の間に電気的に接続されたゲート抵抗Ｒが実装されている。ゲート抵抗Ｒには、制御回路基板１０８からゲート電圧が出力される。ゲート抵抗Ｒを、制御回路基板１０８に設けずに、高電圧回路基板４０に設け、ゲート端子の側近に配置することにより、外部からのノイズの影響による誤動作などを抑えることが出来る。

高電圧回路基板４０には、ゲート抵抗Ｒの他にも高電圧系の回路部品（図示せず）が実装されている。実装される回路部品は、スイッチング回路部品や、高電圧の電流や電圧をモニタするための回路部品等がある。

コンデンサモジュール１０には、図２で符号１５，１５Ａ、１６〜２０で示す複数のバスバーが取り付けられている。これらのバスバーは、コンデンサケース１１内に収納された平滑コンデンサ素子１２、ノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａ、１３Ｂ（Ｃｙ１，Ｃｙ２）および共振コンデンサ素子１４（Ｃｒ）を、高電圧回路基板４０、あるいは、所定端子に接続するために使用される。
次に、コンデンサモジュール１０の詳細を説明する。

［コンデンサモジュール］
図６は、図４に図示されたコンデンサモジュール１０の外観斜視図であり、図７は、コンデンサモジュール１０の平面図である。なお、図６、７においては、樹脂２５は図示を省略されている。
コンデンサケース１１は、導電性金属部材により形成されており、底部に対してほぼ垂直に立ち上げられた外周側壁を有する。コンデンサケース１１は、その外周側壁の内面により、内部が３つのコンデンサ収納室１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに仕切られている。中央に位置するコンデンサ収納室１１ｂ内には、３つの平滑コンデンサ素子１２（図２のＣnに対応）が並列に接続されて収納されている。３つの平滑コンデンサ素子１２は、同形状、同サイズであり、コンデンサケース１１の幅方向（図７の上下方向）に直線状に配列されている。

コンデンサ収納室１１ｂの一方側に配置されたコンデンサ収納室１１ｃ内には、２つのノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａ、１３Ｂ（Ｃｙ１，Ｃｙ２）が収納されている。２つのノイズフィルタ用コンデンサ素子１３の一方は、（＋）極性用、他方は（−）極性用であり、２つの素子は同形状、同サイズであり、コンデンサケース１１の幅方向に直交する長手方向（図７の左右方向）に直線状に配列されている。コンデンサ収納室１１ｂの他方側に配置されたコンデンサ収納室１１ｄ内には、４つの共振コンデンサ素子１４（Ｃｒ）が並列に接続されて収納されている。４つの共振コンデンサ素子１４は、同形状、同サイズであり、コンデンサケース１１の幅方向に直交する長手方向（図７の左右方向）に直線状に配列されている。

コンデンサ収納室１１ｂ内に収納された３つの平滑コンデンサ素子１２は、コンデンサ素子３個で大きな容量を確保し、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の高出力化を可能としている。図７において、平滑コンデンサ素子１２の（＋）端子は右側に、（−）端子は左側に位置する。平滑コンデンサ素子１２の（＋）端子は、図７において、第４のバスバー１５の右辺からケース底面に折り曲って設けられた端部１５ａに並列に接続されている。第４のバスバー１５は、コンデンサケース１１の幅方向を横断して延出され、その先端部１５ｂが高電圧回路基板４０側に突き出している。この先端部１５ｂは、高電圧回路基板４０に電気的に接続されている（図５参照）。

平滑コンデンサ素子１２の（−）端子は、図７において、第５のバスバー１８の左辺からケース底面に折り曲って設けられた端部１８ａに並列に接続されている。第５のバスバー１８（図５、図７参照）は、コンデンサケース１１の幅方向を横断して延出され、その先端部１８ｂが高電圧回路基板４０側に突き出して高電圧回路基板４０に電気的に接続されている（図５参照）。

コンデンサ収納室１１ｃ内に収納された２つのノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａ、１３Ｂの中の一方のノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａは、その（＋）端子が第１のバスバー１５Ａに接続されている。第１のバスバー１５Ａは、ねじ等の締結部材により第４のバスバー１５の第３の端子部１５ｃに接続されている。第１のバスバー１５Ａと第４のバスバー１５の第３の端子部１５ｃとを接続するねじ等の締結部材により、図３に示す（＋）電線１２２も、第１のバスバー１５Ａと第４のバスバー１５に電気的に接続される。

他方のノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ｂは、その（−）端子が第２のバスバー１６に接続されている。第２のバスバー１６の一端部１６ａは、ねじ等の締結部材により図３に示す（−）電線１２３に接続される。（＋）電線１２２および（−）電線１２３は、それぞれ図２の端子ＨＶ＋，ＨＶ−に相当し、インバータ装置２００を経由して高電圧蓄電池に電気的に接続される。また、第２のバスバー１６は、コンデンサケース１１の幅方向を横断して延出され、その先端部１６ｂが高電圧回路基板４０側に突き出して高電圧回路基板４０に電気的に接続される。

ノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａの（−）端子（図７の上側）およびノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ｂの（＋）端子（図７の上側）は、第３のバスバー１７により接続されている。第３のバスバー１７の一端部１７ａは、コンデンサケース１１の側部に形成された取付部１１ａ（図６参照）に重ねられ、ねじ等の締結部材によりコンデンサケース１１と共に金属ベース３０に固定され、ケース部材１０１に接続される。これにより、第３のバスバー１７がケース部材１０１と同じＧＮＤ電位となり、ノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａ、１３Ｂは、ノイズフィルタ素子として機能する。

コンデンサ収納室１１ｄ内に収納された４つの共振コンデンサ素子１４には、第６のバスバー１９と第７のバスバー２０が電気的に接続される。第６のバスバー１９の一端部は、高電圧回路基板４０側に延出され、高電圧回路基板４０に電気的に接続される。また、第７のバスバー２０の端子部２０ａは、図２に示す共振コイルＬｒと電気的に接続される。

また、コンデンサケース１１には、第８のバスバー２１が取り付けられている。第８のバスバー２１は、コンデンサケース１１の幅方向を横断して延出され、その一端部２１ａが高電圧回路基板４０と電気的に接続される。第８のバスバー２１の他の端子部２１ｂは、図３に示すＡＣバスバー１１０と電気的に接続される。したがって、第８のバスバー２１とＡＣバスバー１１０とを経由して高電圧回路基板４０と主トランス１０４とが接続される。したがって、第８のバスバー２１は、コンデンサケース１１内に収納されるいずれかのコンデンサ素子に接続するためのバスバーではない。

ＡＣバスバー１１０は樹脂で絶縁された入力と出力の２系統の導体（図示せず）から構成されている。高電圧回路基板４０のＨブリッジ回路で交流に変換された高電圧の電流は、第６のバスバー１９から共振コンデンサ素子１４を通り、第７のバスバー２０から共振コイルＬｒと図３に示すＡＣバスバー１１０の入力側の導体を経由して主トランス１０４の一次側コイルに流れる。主トランス１０４の一次側コイルを通った電流は、ＡＣバスバー１１０の出力側の導体を経由し、第８のバスバー２１を通り、高電圧モジュール内のＨブリッジ回路に戻る。

上記本発明の一実施の形態によれば下記の効果を奏する。
（１）高電圧回路基板４０を、ケース部材１０１の底部、換言すれば、コンデンサケース１１の底部にほぼ垂直に立ち上げて配置し、制御回路基板１０８を、高電圧回路基板４０にほぼ垂直に配置した。このため、ケース部材１０１の面積を小さくすることができる。ケース部材１０１の高さは、主トランス１０４等の部品を収納しており、これらの部品の高さ以上とする必要がある。このため、高電圧回路基板４０をケース部材１０１の底部にほぼ垂直に立ち上げて配置することにより、ケース部材１０１のスペースを有効活用して、ケース部材１０１、換言すれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置全体を小型化することができる。

（２）平滑コンデンサ素子１２、ノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａ、１３Ｂおよび共振コンデンサ素子１４をコンデンサケース１１内にそれぞれ設けたコンデンサ室１１ｂ、１１ｃ、１１ｄに収納した。このため、耐振動性あるいは耐衝撃性を向上することができる。

（３）平滑コンデンサ素子１２および共振コンデンサ素子１４を、それぞれ、複数のコンデンサ素子により構成するようにした。このため、小型のコンデンサ素子を用いることが可能となり、コンデンサケース１１を、すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置全体を小型化することができる。

（４）高電圧回路基板４０は、金属ベース３０の下端面近傍からコンデンサケース１１の上端部に亘る幅（高さ）として、高電圧回路基板４０の面積を大きくしている。これにより、ケース部材１０１の内部スペースを有効に活用している。

（５）パワー半導体モジュール３５のゲート端子に接続されるゲート抵抗Ｒを、コンデンサモジュール１０の近傍に配置される高電圧回路基板４０に設けた。このため、ゲート抵抗Ｒを制御回路基板１０８に設ける場合に比し、外部からのノイズの影響による誤動作などを抑えることが出来る。

（６）低電圧回路基板１０７、主トランス１０４、インダクタ素子１０５の上部に、金属製のベース板１０９を配置した。これにより、低電圧回路基板１０７、主トランス１０４、インダクタ素子１０５等の発熱量が大きい部品から発生される熱を、ベース板１０９を介してケース部材１０１から放熱して、冷却することができる。

（７）ベース板１０９に制御回路基板１０８を固定するためのねじ止め部を短い間隔で配置して、制御回路基板１０８の支持点間の距離を短くしている。これにより、エンジン等から伝わる振動周波数に対して制御回路基板１０８の共振周波数を高くして、振動の影響を受け難くすることができる。
（８）また、ベース板１０９は、ケース部材１０１の底部に設けられた発熱部品からの輻射熱の遮蔽部材として機能するとともに、スイッチング素子Ｈ1〜Ｈ４、Ｓ1〜Ｓ４からのスイッチング放射ノイズを遮蔽するシールドとしても機能する。

（９）高電圧回路基板４０がパワー半導体モジュール３５、３６と対向する面に、リード端子ガイド５０が取り付けられている。これにより、パワー半導体モジュール３５、３６の各リード端子を高電圧回路基板４０の端子孔に挿通する工程の効率を向上することができる。

（１０）金属ベース３０として熱伝導率が高い材料を用い、ケース部材１０１として一般的なアルミダイカスト用材料を用いている。これにより、金属ベース３０を装着せず、ケース部材１０１全体を熱伝導率が高い材料で形成する場合に比し、材料費を安価にすることができる。

なお、上記一実施の形態では、コンデンサケース１１内に、平滑コンデンサ素子１２、ノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａ、１３Ｂおよび共振コンデンサ素子１４を収納した構造として例示した。しかし、共振コンデンサ素子１４を、ケース部材１０１内の別の位置に配置したり、別のケース内に収容したりするようにしてもよい。

上記一実施の形態では、平滑コンデンサ素子１２、および共振コンデンサ素子１４を、それぞれ、複数個のコンデンサ素子により構成した。しかし、平滑コンデンサ素子１２および共振コンデンサ素子１４の一方または両方を１個のコンデンサ素子により構成するようにしてもよい。

上記一実施の形態では、共振コイルＬrは、コンデンサケース１１内に収納されない構造として例示した。しかし、共振コイルＬrをコンデンサケース１１内に収納するようにすることもできる。このように、コンデンサケース１１内に収納する電子部品の種類、数は、任意に変更することが可能であり、要は、コンデンサケース１１内に、少なくとも、平滑コンデンサ素子１２、ノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａ、１３Ｂを収納するようにしたものであればよい。

上記一実施の形態では、パワー半導体モジュール３５、３５を、金属ベース３０を介してケース部材１０１に熱伝導する構造で例示したが、金属ベース３０を用いずにケース部材１０１に熱伝導するようにしてもよい。

上記一実施の形態では、コンデンサケース１１の外周側壁を底部に対してほぼ垂直に立ち上げ、この外周側壁の中の一側壁に対向するように高電圧回路基板４０を金属ケース３０を介して取り付けた構造として例示した。
しかし、コンデンサケース１１の外周側壁および／または高電圧回路基板４０を、高電圧回路基板４０の底部に対して傾斜して立ち上げるようにしてもよく、必ずしも、高電圧回路基板４０の底部に対して垂直に立ち上げる必要はない。また、高電圧回路基板４０は、コンデンサケース１１に取り付ける構造でなくてもよい。

上記一実施の形態では、高電圧回路基板４０にパワー半導体モジュール３５、３６のリード端子をガイドするためのリード端子ガイド５０を設けた構造で例示したが、リード端子ガイド５０は必ずしも必要ではない。

コンデンサケース１１内に収納される平滑コンデンサ素子１２、ノイズフィルタ用コンデンサ素子１３Ａ、１３Ｂおよび共振コンデンサ素子１４、それぞれの個数、配置は、上記一実施の形態に限定されるものではなく、任意に、変更することが可能である。
また、各コンデンサ素子１２、１３、１４を高電圧回路基板４０や、他の電子部品に接続する第１〜第７のバスバー１５〜２０および高電圧回路基板４０と主トランス１０４を接続するＡＣバスバー１１０の個数、形状、取付け位置等も任意に変更することが可能である。

上記一実施の形態では、インバータ装置２００に一体化され電力変換装置１を構成するＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００として例示した。しかし、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ装置１００は、インバータ装置以外の装置に一体化したり、あるいは、単独で所定の取付位置に装着したりすることができるものである。また、上記一実施の形態では、電気自動車やプラグインハイブリッド車等の車両に搭載される電力変換装置を例に説明したが、本発明はこれらに限らず建設機械等の車両に用いられる電力変換装置にも適用することができる。

その他、本発明は、本発明の趣旨の範囲内において、種々、変形して適用することが可能であり、要は、複数のパワー半導体素子を有するパワー半導体モジュールと、パワー半導体素子がブリッジ回路に接続される配線を有するブリッジ回路基板と、平滑コンデンサ素子と、ノイズフィルタ用コンデンサ素子と、を備え、平滑コンデンサ素子およびノイズフィルタ用コンデンサ素子をコンデンサケース内に収納し、ブリッジ回路基板を、コンデンサケースの底部と交差する方向に、コンデンサケースとパワー半導体モジュールとに跨るように立ち上げて配置したものであればよい。

１０ コンデンサモジュール
１１ コンデンサケース
１２ 平滑コンデンサ素子（Ｃｎ）
１３Ａ、１３Ｂ ノイズフィルタ用コンデンサ素子（Ｃｙ１，ｃｙ２）
１４ 共振コンデンサ素子（Ｃｒ）
１５、１５Ａ、１６〜２１ バスバー
３０ 金属ベース（ベース部材）
３３ 板ばね
３５、３６ パワー半導体モジュール（Ｈ１〜Ｈ４、Ｈ０）
４０ 高電圧回路基板（ブリッジ回路基板）
４１ コネクタ
４２ チョークコイル（Ｌｃ）
５０ リード端子ガイド
１００ ＤＣ−ＤＣコンバータ装置
１０１ ケース部材
１０２ ケースカバー
１０４ 主トランス（Ｔｒ）
１０５ インダクタ素子（Ｌ１、Ｌ２）
１０６ 高電圧モジュール（高電圧側スイッチング回路部）
１０７ 低電圧回路基板
１０８ 制御回路基板
１０９ ベース板
１１０ ＡＣバスバー
１５０ 低電圧側スイッチング回路部
２００ インバータ装置
ＣＴＲ 制御回路部
Ｒ ゲート抵抗
Ｒｉ シャント抵抗
Ｌｒ 共振コイル

Claims (15)

1. トランスと、
   前記トランスの一次側に接続された共振コンデンサ素子と、
   前記共振コンデンサ素子を介して前記トランスの一次側に接続された高電圧側スイッチング回路部と、
   前記トランスの二次側に接続された低電圧側スイッチング回路部と、
   前記トランス、前記共振コンデンサ素子、前記高電圧側スイッチング回路部および前記低電圧側スイッチング回路部を収納するケース部材と、を備え、
   前記高電圧側スイッチング回路部は、複数のパワー半導体モジュールと、前記複数のパワー半導体モジュールの各スイッチング素子をブリッジ回路として接続するための配線を有するブリッジ回路基板と、前記ブリッジ回路に入力される直流電流を平滑化する平滑コンデンサ素子と、ノイズフィルタ用コンデンサ素子と、を備え、
   前記平滑コンデンサ素子および前記ノイズフィルタ用コンデンサ素子をコンデンサケース内に収納し、
   前記複数のパワー半導体モジュールを前記ケース部材の底部内面に配置し、
   前記コンデンサケースを前記パワー半導体モジュールの上方に配置し、
   前記ブリッジ回路基板を、前記コンデンサケースの底部と交差する方向に、前記コンデンサケースと前記パワー半導体モジュールとに跨るように立ち上げて配置したことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
2. 請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
   前記平滑コンデンサ素子および前記ノイズフィルタ用コンデンサ素子は、前記コンデンサケースの内面に形成したそれぞれの収納室に配設されていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
3. 請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
   前記共振コンデンサ素子は、前記コンデンサケースの内面に形成した収納室に配設されていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
4. 請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
   さらに、前記パワー半導体モジュールと前記ケース部材の底部との間に配置されたベース部材を備え、前記各パワー半導体モジュールは、その一面が前記ベース部材に圧接されていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
5. 請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
   さらに、前記ノイズフィルタ用コンデンサと前記ブリッジ回路との間に設けられたチョークコイルを備え、前記チョークコイルは、前記ブリッジ回路基板に設けられていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
6. 請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
   さらに、前記各パワー半導体モジュールのゲート端子に電気的に接続されたゲート抵抗を備え、前記各ゲート抵抗は、前記ブリッジ回路基板に設けられていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
7. 請求項６に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
   さらに、前記トランスと前記低電圧側スイッチング回路部の上部に、少なくとも、前記ブリッジ回路基板の上部に対応する一部を開放して配置されたベース板と、前記ベース板の上部に配置され、前記ベース板の前記一部を介して前記ブリッジ回路基板に接続され、前記ゲート抵抗にゲート電圧を出力する制御回路部を有する制御回路基板と、を備えることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
8. 請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
   前記各パワー半導体モジュールは、前記ブリッジ回路基板側に向けて配置されたリード端子を有し、前記ブリッジ回路基板には、前記リード端子を挿通する貫通孔が設けられ、前記ブリッジ回路基板が前記パワー半導体モジュールと対向する面に、前記リード端子を前記貫通孔に案内するためのリード端子ガイドが設けられていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
9. 請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
   前記コンデンサケース内に収納された前記平滑コンデンサ素子および前記ノイズフィルタ用コンデンサ素子は、それぞれ、複数個であることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
10. 請求項９に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
    さらに、前記ノイズフィルタ用コンデンサ素子の１つに一端部が接続され、他端部が前記ブリッジ回路および外部装置に接続された第１のバスバーと、前記ノイズフィルタ用コンデンサ素子の他の１つに一端部が接続され、他端部が前記ブリッジ回路および外部装置に接続された第２のバスバーと、前記ノイズフィルタ用コンデンサ素子の前記１つと前記他の１つとの間に一端部が接続され、他端部がＧＮＤ電位の部位に接続された第３のバスバーと、を備えることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
11. 請求項１０に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
    さらに、前記各平滑コンデンサ素子の一方の電極に一端部が接続され、他端部が前記ブリッジ回路基板に接続された第４のバスバーと、前記各平滑コンデンサ素子の他方の電極に一端部が接続され、他端部が前記ブリッジ回路基板に接続された第５のバスバーと、を備えることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
12. 請求項１１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
    前記第４のバスバーは前記第１のバスバーに接続される第３の端部を有することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
13. 請求項３に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
    前記コンデンサケース内に収容された前記共振コンデンサ素子は、複数個であり、隣接して並置されていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
14. 請求項１３に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
    さらに、前記共振コンデンサ素子と共に共振回路を構成する共振コイルと、前記各共振コンデンサ素子の一方の電極に一端部が接続され、他端部が前記ブリッジ回路基板に接続された第６のバスバーと、前記各共振コンデンサ素子の他方の電極に一端部が接続され、他端部が前記共振コイルに接続された第７のバスバーと、を備えることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
15. 請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ装置において、
    前記トランスに接続された交流バスバーと、前記交流バスバーに一端部が接続され、他端部が前記ブリッジ回路基板に接続された第８のバスバーと、を備え、前記第８のバスバーは前記コンデンサケースに取り付けられていることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ装置。

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