JP2014093881A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力変換装置に過電流が流れた際には通電経路を遮断することができ、かつ、通電経路のインダクタンスの増加を抑制できる技術を提供する。
【解決手段】
電力変換装置４０は、パワー素子１１のオンとオフとを切り替えて交流と直流との間で電力を変換する。その電力変換装置４０は、パワー素子１１の端子に接続された通電経路１１１を備える。通電経路１１１は、その一部にヒューズ部２１を有する。ヒューズ部２１での通電経路１１１の断面積は、ヒューズ部２１に隣接する隣接部１２０の通電経路の断面積よりも小さい。ヒューズ部２１は、ヒューズ部２１を隣接部１２０と同一構造とした場合にヒューズ部２１に生じる磁束の密度と比較して、ヒューズ部２１に生じる磁束の密度を低減する構造を有している。
【選択図】図７

Description

本明細書に開示の技術は、電力変換装置に関する。

インバータやコンバータ等の電力変換装置では、通電経路に過電流が流れた際に通電経路を遮断するためのヒューズ部が設けられていることがある。特許文献１の電力変換装置では、半導体素子のパワー端子がバスバーに接続されている。その電力変換装置では、バスバーにヒューズ部が形成されている。ヒューズ部の断面積は、バスバーの他の部分の断面積よりも小さくされている。このため、通電経路に過電流が流れると、ヒューズ部が溶断して通電経路が遮断される。

特開２０１２−２９４５９号公報

特許文献１の電力変換装置では、バスバーのヒューズ部の断面積が、バスバーの他の部分の断面積よりも小さい。このため、ヒューズ部には大きな寄生インダクタンスが生じ、通電経路のインダクタンスが増加する。その結果、半導体素子をオン／オフする際のサージ電圧が高くなる。これにより、パワー素子がサージ電圧によって破壊する虞が生じる。

本明細書は上記の課題を解決する技術を開示する。本明細書では、電力変換装置に過電流が流れた際には通電経路を遮断することができ、かつ、通電経路のインダクタンスの増加を抑制できる技術を提供する。

本明細書は、電力変換装置を開示する。その電力変換装置は、パワー素子のオンとオフとを切り替えて交流と直流との間で電力を変換する。その電力変換装置は、パワー素子の端子に接続された通電経路を備える。通電経路は、その一部にヒューズ部を有する。ヒューズ部での通電経路の断面積は、ヒューズ部に隣接する隣接部の通電経路の断面積よりも小さい。ヒューズ部は、ヒューズ部を隣接部と同一構造とした場合にヒューズ部に生じる磁束の密度と比較して、ヒューズ部に生じる磁束の密度を低減する構造を有している。

上記の電力変換装置では、通電経路に過電流が流れた際には、断面積が小さいヒューズ部が溶断されて通電経路を遮断することができる。また、上記の電力変換装置のヒューズ部は、ヒューズ部を隣接部と同一構造とした場合にヒューズ部に生じる磁束の密度と比較して、ヒューズ部に生じる磁束の密度を低減する構造を有している。これにより、ヒューズ部の寄生インダクタンスを低減することができ、通電経路のインダクタンスを低減することができる。上記の電力変換装置では、通電経路に過電流が流れた際には通電経路を遮断することができる一方、パワー素子のオン／オフによって発生するサージ電圧を抑制することができる。

実施例１の電力変換装置のヒューズ部を示す断面図である。 図１のII−II断面での断面図である。 図１のIII−III断面での断面図である。 実施例２の電力変換装置のヒューズ部を示す断面図である。 図４のＶ−Ｖ断面での断面図である。 図４のＶI−ＶI断面での断面図である。 実施例３の電力変換装置のヒューズ部を示す断面図である。 図７のＶIII−ＶIII断面での断面図である。 実施例３の電力変換装置の他の形態のヒューズ部を示す断面図である。 電力変換装置の全体の構成を示す回路図である。

以下、本明細書で開示する実施例の技術的特徴の幾つかを記す。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。

（特徴１） 本明細書で開示する電力変換装置では、ヒューズ部の単位長さ当たりの表面積は、ヒューズ部に隣接する隣接部の通電経路の単位長さ当たりの表面積よりも大きくてもよい。

上記の電力変換装置では、ヒューズ部の単位長さ当たりの表面積は、ヒューズ部に隣接する隣接部の通電経路の単位長さ当たりの表面積よりも大きい。このため、表皮効果が発生した際に、ヒューズ部の表面に近い部分を流れる電流の密度を低くすることができる。このため、ヒューズ部の単位長さ当たりの表面積が、隣接部の単位長さ当たりの表面積と同一である場合と比較して、ヒューズ部の寄生インダクタンスを低減することができる。これにより、通電経路のインダクタンスを効果的に低減することができる。

（特徴２） 本明細書で開示する電力変換装置では、ヒューズ部の表面に位置する材料の透磁率は、隣接部の表面に位置する材料の透磁率よりも低くてもよい。

パワー素子をオン／オフすると、通電経路に電流が流れる状態と流れない状態とに切り替わる。このため、通電経路では、表皮効果によって通電経路の表層部に電流が多く流れる。上記の電力変換装置では、ヒューズ部の表面に位置する材料の透磁率が、ヒューズ部に隣接する隣接部の表面に位置する材料の透磁率よりも低くされている。このため、ヒューズ部の表面に位置する材料の透磁率が、隣接部の表面に位置する材料の透磁率と同一である場合と比較して、ヒューズ部の寄生インダクタンスを効果的に低減することができる。これにより、通電経路のインダクタンスを低減することができる。

実施例１の電力変換装置４０は、３相のインバータである。図１０に示すように、電力変換装置４０は上アーム１１１、１１３、１１５と、下アーム１１２、１１４、１１６とを有する。上アーム１１１、１１３、１１５の上端は、それぞれ直流電源５２の正極に接続されている。下アーム１１２、１１４、１１６の下端は、それぞれ直流電源５２の負極に接続されている。上アーム１１１の下端と下アーム１１２の上端とは接続部３７において接続されている。同様に、上アーム１１３の下端と下アーム１１４の上端とは接続部３８において接続されている。上アーム１１５の下端と下アーム１１６と上端とは接続部３９において接続されている。接続部３７、３８、３９は、それぞれモータ４２のＶ、Ｕ、Ｗ相の各入力端子と接続されている。

上アーム１１１、１１３、１１５には、それぞれパワー素子１１、１３、１５が配置されている。下アーム１１２、１１４、１１６には、それぞれパワー素子１２、１４、１６が配置されている。また、パワー素子１１〜１６のそれぞれと並列にフリーホイールダイオード３１〜３６が配置されている。上アーム１１１と下アーム１１２により、上下アーム（１１１、１１２）が形成されている。同様に、上アーム１１３と下アーム１１４により、上下アーム（１１３、１１４）が形成されている。上アーム１１５と下アーム１１６により、上下アーム（１１５、１１６）が形成されている。各上下アーム（１１１、１１２）、（１１３、１１４）、（１１５、１１６）と並列にコンデンサ５０が配置されている。

電力変換装置４０は、パワー素子１１〜１６のオンとオフとを切り替えて直流電源５２の直流電流を３相の交流電流に変換する。３相の交流電流はモータ４２に供給される。電力変換装置４０の作動時には、上アーム１１１のパワー素子１１と、下アーム１１２のパワー素子１２とは交互にオン／オフされる。パワー素子１１がオンしているときには、上アーム１１１には直流電源の５２の正極からモータ４２のＶ相の入力端子に向かって電流が流れる。すなわち、パワー素子１１がオンしているときには、上アーム１１１には図１０の上方向から下方向に向かって電流が流れる。一方、パワー素子１１がオフしているときは、上アーム１１１には電流が流れない。すなわち、電力変換装置４０の作動時には、上アーム１１１に電流が流れる状態と、上アーム１１１に電流が流れない状態とが交互に繰り返される。このため、電力変換装置４０の作動時には、上アーム１１１に表皮効果が発生する。表皮効果は、後述するヒューズ部２１と隣接部１２０の両方において生じる。表皮効果によって上アーム１１１の表面に近い部分に電流が多く流れる。

図１０に示すように、上アーム１１１、１１３、１１５には、ヒューズ部２１、２３、２５が形成されている。下アーム１１２、１１４、１１６には、ヒューズ部２２、２４、２６が形成されている。ヒューズ部２１、２３、２５は、パワー素子１１、１３、１５に対して直流電源５２の正極側に位置している。ヒューズ部２２、２４、２６は、パワー素子１２、１４、１６に対して直流電源５２の負極側に位置している。

例えば、パワー素子１２のオープン故障等が発生した場合等には、上アーム１１１のパワー素子１１と、下アーム１１２のパワー素子１２とが同時にオンする。この場合、上下アーム（１１１、１１２）が短絡し上アーム１１１に過電流が流れる。上アーム１１１に過電流が流れると、ヒューズ部２１が溶断する。同様に、各アーム１１２〜１１６に過電流が流れると、各ヒューズ部２２〜２６のそれぞれが溶断する。各ヒューズ部２１〜２６は、過電流が流れた際に溶断するように予め設計されている。ヒューズ部２１が溶断すると、アーム１１１に電流が流れない状態となる。同様に、各ヒューズ部２２〜２６が溶断すると、各アーム１１２〜１１６に電流が流れない状態となる。

次にヒューズ部２１の構成について説明する。ただし、ヒューズ部２２〜２６の構成はヒューズ部２１の構成と同一であるので説明を省略する。図１に示すように、ヒューズ部２１は上アーム１１１に形成されている。以下の説明では、上アーム１１１のうちのヒューズ部２１が形成されていない部分であり、ヒューズ部２１に隣接する部分を隣接部１２０と呼ぶ。図２、図３に示すように、ヒューズ部２１での上アーム１１１の断面積は、隣接部１２０での断面積よりも小さい。図２に示すように、本実施例のヒューズ部２１は、断面における各部分が同一の材料で形成されている。

本実施例の説明では、ヒューズ部のうちの上アーム１１１の表面に位置する部分を表層部１２８と呼ぶ。また、ヒューズ部２１のうちの表層部１２８の内側に位置する部分を深層部１２６と呼ぶ。ヒューズ部２１の表層部１２８と深層部１２６とは、導電性を有する材料により形成されている。ヒューズ部２１の表層部１２８と深層部１２６とを形成する材料として、例えばＡｌ（アルミニウム）が使用できる。また、ヒューズ部２１の表層部１２８と深層部１２６とを形成する材料は、Ｃｕ（銅）であってもよい。

隣接部１２０は、上アーム１１１の表面に位置する部分である表層部１２４と、表層部１２４の内側に位置する部分である深層部１２２とを有する。隣接部１２０の深層部１２２を形成している材料は、ヒューズ部の表層部１２８及び深層部１２６を形成している材料と同一の材料である。

隣接部１２０の表層部１２４は、ＮｉからなるＮｉ層である。表層部１２４（即ち、Ｎｉ層）は、例えばＮｉメッキによって形成することができる。ヒューズ部２１の表層部１２８を形成している材料（例えばＡｌ）の透磁率は、隣接部１２０の表層部１２４を形成している材料（即ちＮｉ）の透磁率よりも低い。このため、本実施例の電力変換装置４０では、ヒューズ部２１の表層部１２８の透磁率は、隣接部１２０の表層部１２４の透磁率よりも低い。

本実施例の電力変換装置４０では、ヒューズ部２１の断面積は、隣接部１２０の断面積よりも小さい。このため、上アーム１１１に過電流が流れた場合には、ヒューズ部２１が溶断して上アーム１１１の通電を遮断することができる。

また、隣接部１２０の表面にはＮｉ層（表層部１２４）が形成されている。このため、隣接部１２０と他の配線等との半田付を行う際に、隣接部１２０と半田との接合力を向上することができる。

また、先述したように、電力変換装置４０の使用時には、ヒューズ部２１に表皮効果が発生する。このため、ヒューズ部２１の表層部１２８には、深層部１２６と比較して電流が多く流れる。本実施例の電力変換装置４０では、ヒューズ部２１の表層部１２８を形成する材料の透磁率が、隣接部１２０の表層部１２４を形成する材料の透磁率よりも低い。つまり、ヒューズ部２１の表面に位置する材料の透磁率が、隣接部１２０の表面に位置する材料の透磁率よりも低い。このため、ヒューズ部２１の表面に位置する材料の透磁率が、隣接部１２０の表面に位置する材料の透磁率と同一である場合と比較して、ヒューズ部２１に生じる磁束の密度を低減することができる。このため、ヒューズ部２１で生じる寄生インダクタンスを低減することができ、上アーム１１１のインダクタンスを低減することができる。その結果、パワー素子１１のオン／オフによって発生するサージ電圧を抑制することができる。

本実施例において、仮に、ヒューズ部の表面にＮｉ層を形成して隣接部と同一構造としたとすると、ヒューズ部の表面にＮｉ層を形成しない場合と比較して、ヒューズ部２１に生じる磁束の密度は大きくなる。すなわち、本実施例の電力変換装置４０は、ヒューズ部２１を隣接部１２０と同一構造とし、断面積のみを隣接部１２０よりも小さくした場合と比較して、ヒューズ部２１に生じる磁束の密度が低減されている。

次に、本実施例のヒューズ部２１及び隣接部１２０を製造する方法について説明する。ヒューズ部２１及び隣接部１２０を製造には、上アーム１１１の長さに対応する長さのＡｌ配線を用いる。まず、Ａｌ配線の表面をＮｉメッキしてＮｉ層を形成する。次に、Ｎｉ層を形成されたＡｌ配線のうちのヒューズ部２１を形成する部分の表面を切削加工する。切削加工によって、ヒューズ部２１とする部分の上アーム１１１の断面積を減少させる。切削加工ではＡｌ配線の表面からＮｉ層の深さを超えた深さまでの材料を除去する。

上アーム１１１のうちの材料を除去された部分がヒューズ部２１となる。また、上アーム１１１のうちの材料が除去されていない部分であり、かつヒューズ部２１に隣接している部分が隣接部１２０となる。また、隣接部１２０のうち、Ｎｉ層の部分が表層部１２４となり、Ａｌ配線の部分が深層部１２２となる。なお、ヒューズ部２１となる部分の材料を除去する方法はエッチング等であってもよい。

また、ヒューズ部２１及び隣接部１２０を製造する他の方法として、以下の方法を用いてもよい。まず、Ａｌ配線のうちのヒューズ部２１となる部分の表面の材料を除去して断面積を減少させる。断面積が減少した部分がヒューズ部２１となる。次に、Ａｌ配線のうちの材料を除去されていない部分の表面をＮｉメッキしてＮｉ層を形成する。Ａｌ配線のうちのＮｉ層が形成された部分が隣接部１２０となる。隣接部１２０のうち、Ｎｉ層の部分が表層部１２４となり、Ａｌ配線の部分が深層部１２２となる。

実施例２のヒューズ部１５０は、実施例１のヒューズ部２１と同様に、上アーム１１１に形成されている（図４）。図５に示すように、ヒューズ部１５０は、上アーム１１１の表面に面して位置している表層部２０４と、表層部２０４の内部に位置している深層部２０２とを有している。ヒューズ部１５０の深層部２０２を形成している材料は、導電性を有する材料である。ヒューズ部１５０の深層部２０２を形成する材料として、例えばＡｌが使用できる。ヒューズ部１５０の表層部２０４を形成している材料は、導電性を有する材料である。また、ヒューズ部１５０の表層部２０４を形成している材料の透磁率は、後述する隣接部１４０の表層部１３４を形成している材料（例えばＡｌ）の透磁率よりも低い。ヒューズ部１５０の表層部２０４を形成する材料として、例えばＣｕが使用できる。

本実施例の隣接部１４０は、図６に示すように断面の全体が単一の材料で形成されている。本実施例の説明では、隣接部１４０のうちの上アーム１１１の表面に位置する部分を表層部１３４と呼ぶ。また、隣接部１４０のうちの表層部１３４の内側に位置する部分を深層部１３２と呼ぶ。隣接部１４０の表層部１３４及び深層部１３２を形成している材料は、ヒューズ部１５０の深層部２０２を形成している材料と同一の材料（例えばＡｌ）である。

本実施例の電力変換装置４０では、ヒューズ部１５０の表層部２０４を形成している材料の透磁率が、隣接部１４０の表層部１３４を形成している材料の透磁率よりも低い。すなわち、ヒューズ部１５０の表面に位置する材料の透磁率が、隣接部１４０の表面に位置する材料の透磁率よりも低い。このため、ヒューズ部１５０の表面に位置する材料の透磁率が、隣接部１４０の表面に位置する材料の透磁率と同一である場合と比較して、ヒューズ部１５０の寄生インダクタンスを低減することができる。これにより、上アーム１１１のインダクタンスを低減することができる。

次に、本実施例のヒューズ部１５０及び隣接部１４０の製造方法を説明する。まず、図４上側に位置する隣接部１４０と、図４下側に位置する隣接部１４０とをＡｌによって形成する。次に、図４上側に位置する隣接部１４０と、図４下側に位置する隣接部１４０との間を、銅クラッドアルミ線（ＣＣＡＷ）で電気的に接続する。すなわち、銅クラッドアルミ線の一端を図４上側の隣接部１４０に接合し、他端を図７下側の隣接部１４０に接合する。銅クラッドアルミ線からなる部分がヒューズ部１５０となる。

実施例３の隣接部１４０は、実施例２の隣接部１４０と同一の構造を有する。すなわち、図７に示すように断面の全体が単一の材料で形成されている。

実施例３のヒューズ部１７０は、図７、図８に示すように、微小な断面積を有する複数の細配線２１２を有する。隣接部１４０及びヒューズ部１７０は、導電性をもつ材料で形成されている。隣接部１４０及びヒューズ部１７０を形成する材料として、例えばＡｌが使用できる。各細配線２１２の一端は図７上側の隣接部１４０に接続され、各細配線２１２の他端は図７下側の隣接部１４０に接続されている。複数の細配線２１２は、それぞれ、図７上側の隣接部１４０と、図７下側の隣接部１４０とを電気的に接続している。すなわち、複数の細配線２１２は、互いに並列な通電経路を形成している。図８に示すように、複数の細配線２１２は図８左右方向に一列に並んで配置されている。複数の細配線２１２は互いに間隔を空けて配置されている。各細配線２１２の表面には絶縁塗料（不図示）がコーティングされている。すなわち各細配線２１２は互いに絶縁されている。

ヒューズ部１７０に表皮効果が発生すると、ヒューズ部１７０の表層部（各細配線２１２の表層部を合わせた部分）に電流が多く流れる。上記したように、ヒューズ部１７０は、複数の細配線２１２からなる。また、ヒューズ部１７０の通電経路の単位長さ当たりの表面積（各細配線２１２の表面積を合わせた面積）は、隣接部１４０の通電経路の単位長さ当たりの表面積よりも大きくされている。このため、ヒューズ部１７０に表皮効果が発生した際に、ヒューズ部１７０の表層部を流れる電流の密度を低くすることができる。このため、ヒューズ部１７０に生じる寄生インダクタンスを低減することができる。これにより、上アーム１１１のインダクタンスを低減することができる。

本実施例のヒューズ部１７０及び隣接部１４０の製造方法を説明する。まず、図７上側の隣接部１４０と、図７下側の隣接部１４０とをＡｌ線により形成する。次に、図７上側の隣接部１４０と、図７下側の隣接部１４０との間を、複数の細いＡｌ線によって電気的に接続する。すなわち、複数の細いＡｌ線のそれぞれの一端を図７上側の隣接部１４０に接合し、他端を図７下側の隣接部１４０に接合する。複数の細いＡｌ線のそれぞれが各細配線２１２となる。複数の細配線２１２からなる部分がヒューズ部１７０となる。

また、本実施例のヒューズ部１７０及び隣接部１４０は、Ａｌ線を切削加工して形成することもできる。すなわち、Ａｌ線のヒューズ部１７０となる部分を切削加工する。切削加工によって、ヒューズ部１７０となる部分から、複数の細配線２１２となる部分以外の材料を除去する。これにより、ヒューズ部１７０となる部分のうち、材料を除去された後に残った部分が複数の細配線２１２となる。また、Ａｌ線のうち、複数の細配線２１２からなる部分がヒューズ部１７０となる。また、Ａｌ線のうち、ヒューズ部１７０に隣接する部分が隣接部１４０となる。

また、本実施例のヒューズ部１７０及び隣接部１４０は、エッチングによって製造することもできる。エッチングによって、ヒューズ部１７０となる部分から、複数の細配線２１２となる部分以外の材料を除去する。これにより、ヒューズ部１７０となる部分のうち、材料を除去された後に残った部分が複数の細配線２１２となる。また、Ａｌ線のうち、ヒューズ部１７０に隣接する部分が隣接部１４０となる。

図９に示すように、実施例３の他の形態での細配線２２２の断面形状は円形である。図９の左右方向に複数の細配線２２２が配置されており、上下方向にも複数の細配線２２２が配置されている。各細配線２２２の周囲は絶縁塗料２２４によってコーティングされている。なお、細配線２２２の断面形状は円形以外の他の形状であってもよい。細配線２２２の断面形状は例えば六角形であってもよい。

上記の実施例では、電力変換装置４０はインバータであった。しかし、電力変換装置４０は、交流と直流との間で電力を変換する他の装置であってもよい。電力変換装置４０は、例えばコンバータであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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、出願時の請求項に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の目的を同時に達成し得るものであり、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。

１１〜１６ パワー素子
２１〜２６ ヒューズ部
３１〜３６ フリーホイールダイオード
３７〜３９ 接続部
４０ 電力変換装置
４２ モータ
５０ コンデンサ
５２ 直流電源
１１１〜１０６ アーム
１２０、１４０ 隣接部
１２２ 隣接部の深層部
１２４ 隣接部の表層部
１２６ ヒューズ部の深層部
１２８ ヒューズ部の表層部
１３２ 隣接部の深層部
１３４ 隣接部の表層部
１５０、１７０ ヒューズ部
２０２ ヒューズ部の深層部
２０４ ヒューズ部の表層部
２１２ 細配線

Claims (3)

1. パワー素子のオンとオフとを切り替えて交流と直流との間で電力を変換する電力変換装置であり、
   パワー素子の端子に接続された通電経路を備え、
   通電経路は、
   その一部にヒューズ部を有し、
   ヒューズ部での通電経路の断面積は、ヒューズ部に隣接する隣接部の通電経路の断面積よりも小さく、
   ヒューズ部は、
   ヒューズ部を隣接部と同一構造とした場合にヒューズ部に生じる磁束の密度と比較して、ヒューズ部に生じる磁束の密度を低減する構造を有している、電力変換装置。
2. ヒューズ部の単位長さ当たりの表面積は、ヒューズ部に隣接する隣接部の通電経路の単位長さ当たりの表面積よりも大きい、請求項１の電力変換装置。
3. ヒューズ部の表面に位置する材料の透磁率は、隣接部の表面に位置する材料の透磁率よりも低い、請求項１又は２の電力変換装置。

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