JP2014171284A

JP2014171284A - 電力変換装置

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Publication number: JP2014171284A
Application number: JP2013040709A
Authority: JP
Inventors: Junpei Kusukawa; 順平楠川; Hiroshi Kamitsuma; 央上妻; Kinya Nakatsu; 欣也中津; Koji Sasaki; 康二佐々木; Toshiya Sato; 俊也佐藤
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: JP5852975B2; WO2014132710A1

Abstract

【課題】電力変換装置の開発スピードを向上する。
【解決手段】電力変換装置は、絶縁外装被覆で覆われて絶縁外装被覆から一対の端子が突設されたフィルムコンデンサと、フィルムコンデンサが固定される台座を備えている。台座は、底面とは反対側の面から底面に向かって凹んでいる凹部であってフィルムコンデンサを配置する台座側コンデンサ収容凹部と、台座側コンデンサ収容凹部の底部から底面まで貫通する一対の端子用貫通孔とを有し、フィルムコンデンサは、台座側コンデンサ収容凹部と一部が当接した状態で第１凹部との間の空間に充填された絶縁封止材により台座に固定され、一対の端子は、一対の端子用貫通孔を介し底面から台座の外部に突出して導体板の回路に電気的に接続されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、フィルムコンデンサ及びそれを用いたインバータ装置等の電力変換装置に関する。

インバータ装置を代表とする電力変換装置が、各種家電製品をはじめ、産業機器、電力機器、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）等の自動車機器等にも応用展開されている。ＨＥＶ、ＥＶに使用されるインバータ装置は、低燃費化、低電費化と小スペース化実現のため、装置の高電圧化と小型高密度化が求められている。これらインバータ装置は、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子を内蔵したパワー半導体モジュール、バスバー、コイル等の他、直流電力を平滑化させるためのコンデンサ等の部品から成り立っている。特にＨＥＶ、ＥＶ用インバータ装置のコンデンサとしては、使用される電圧が数百ボルトと高いため、高耐圧なフィルムコンデンサが主として使用されるケースが多い。

フィルムコンデンサは、金属が蒸着された有機誘電体フィルムを２枚重ねて巻回した巻回体と、巻回体の両端面に形成した集電電極（メタリコン電極）とを有するフィルムコンデンサ素子、および、両端の集電電極にそれぞれ接続された一対の端子を備えている。ＨＥＶ、ＥＶ用インバータ装置では、上記のように端子が接続されたフィルムコンデンサ素子を樹脂ケース内に収納し、樹脂ケースとフィルムコンデンサ素子との空間を絶縁封止樹脂（ポッティング樹脂）で封止し、コンデンサモジュールとして製作される（特許文献１参照）。

特開２０１２−１６１２４２号公報

車種や出力容量等によって種々のインバータ装置を用意する必要がある。また、フィルムコンデンサ素子を収納する樹脂ケースをインバータの機種毎に専用に設計して、機種毎専用のコンデンサモジュールを製造する必要があった。そのため、インバータ装置の開発スピードが向上し難くなるとともに、コスト増となるおそれがあった。

請求項１に記載の電力変換装置は、直流電力を交流電力とを相互に変換するパワー半導体モジュールと、絶縁外装被覆で覆われて絶縁外装被覆から一対の端子が突設された直流電力を平滑化するフィルムコンデンサと、パワー半導体モジュールとフィルムコンデンサとを電気的に接続する回路が形成された板状の導体板と、フィルムコンデンサが固定される台座と、パワー半導体モジュールを収容するパワー半導体収容部と、台座に固定されたフィルムコンデンサを収容する筐体側コンデンサ収容部を有し、パワー半導体モジュールを固定するとともに、導体板の板面と台座の底面とを向かい合わせた状態で導体板と台座とを固定する筐体とを備え、台座は、底面とは反対側の面から底面に向かって凹んでいる凹部であってフィルムコンデンサを配置する台座側コンデンサ収容凹部と、台座側コンデンサ収容凹部の底部から底面まで貫通する一対の端子用貫通孔とを有し、フィルムコンデンサは、台座側コンデンサ収容凹部と一部が当接した状態で第１凹部との間の空間に充填された絶縁封止材により台座に固定され、一対の端子は、一対の端子用貫通孔を介し底面から台座の外部に突出して導体板の回路に電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置の開発スピードを向上できる。

第１の実施の形態の電力変換装置（インバータ装置）の外観を示す斜視図である。インバータ装置の分解図である。フィルムコンデンサの外観斜視図である。導体板、台座、フィルムコンデンサ、およびパワー半導体モジュールの筐体への取り付け状態を模式的に示す断面図である。台座の上面側から見た台座の斜視図である。台座の底面側から見た台座の斜視図である。第２の実施の形態の導体板、台座、フィルムコンデンサ、およびパワー半導体モジュールの筐体への取り付け状態を模式的に示す断面図である。台座の上面側から見た第２の実施の形態の台座の斜視図である。台座の底面側から見た第２の実施の形態の台座の斜視図である。第３の実施の形態の導体板、台座、フィルムコンデンサ、およびパワー半導体モジュールの筐体への取り付け状態を模式的に示す断面図である。台座の上面側から見た第３の実施の形態の台座の斜視図である。台座の底面側から見た第３の実施の形態の台座の斜視図である。比較例１についての電力変換装置の主回路部分の断面構造を示す図である。比較例２についての電力変換装置の主回路部分の断面構造を示す図である。振動解析の結果を示す図である。振動解析の結果を示す図である。耐湿性試験の結果を示す図である。

−−−第１の実施の形態−−−
図１〜６を参照して、本発明による電力変換装置の第１の実施の形態を説明する。本実施の形態の電力変換装置は、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）に限らず、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）あるいは電気自動車（ＥＶ）等の車両に搭載される電力変換装置にも適用でき、さらには、建設機械等の車両に用いられる電力変換装置にも適用できる。

図１は、本実施の形態の電力変換装置（インバータ装置）１００の外観を示す斜視図であり、図２は、インバータ装置１００の分解図である。インバータ装置１００は、上蓋１１０と、交流バスバー１２０と、ゲート・制御基板１３０と、直流バスバー１４０と、基板ベース１５０と、導体板１６０とを備えている。また、インバータ装置１００は、台座１０と、複数個のフィルムコンデンサ１と、水路／ケース（筐体）２０と、パワー半導体モジュール２１と、下蓋１７０とを備えている。

インバータ装置１００は、上蓋１１０と、水路／ケース２０と、下蓋１７０とを有するインバータケース内に、インバータ装置１００を構成する各部が収納されている。水路／ケース２０は、後述するようにフィルムコンデンサ１やパワー半導体モジュール２１を収容するケースである。以下の説明では、水路／ケース２０を単に筐体２０と呼ぶ。上蓋１１０は、筐体２０の上蓋である。下蓋１７０は、筐体２０の下蓋であり、パワー半導体モジュール２１を冷却するための冷媒（たとえば水）が流れる水路を仕切る水路仕切板１７１が取り付けられ、筐体２０内への冷媒の出入口１７２が設けられている。上蓋１１０、水路／ケース２０、および下蓋１７０の材質は、たとえばアルミニウムである。

パワー半導体モジュール２１は、パワー半導体素子により構成されるインバータ回路の上下アームの直列回路を内蔵したモジュールであり、交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相に対応して備えられている。フィルムコンデンサ１は、直流電力を平滑化するためのコンデンサであり、台座１０に固定された状態で、台座１０とともに筐体２０に固定される。フィルムコンデンサ１および筐体２０については、後に詳述する。

導体板１６０は、不図示の正極導体板と負極導体板とをシート状の不図示の絶縁部材（絶縁紙や樹脂）を介して積層したラミネートバスバーである。なお、不図示の正極導体板および負極導体板は幅広の板状導体から成る。このように面積の大きな正極導体板および負極導体板を積層構造とすることにより、導体板１６０の抵抗値およびインダクタンスを低減できる。導体板１６０は、筐体２０および筐体２０に固定された台座１０の上方に固定される。

基板ベース１５０は、筐体２０および上蓋１１０との間に挟まれるアルミニウム製の板であり、ゲート・制御基板１３０で発生する熱を、筐体２０を介して冷媒に逃がす役割を果たす。直流バスバー１４０は、導体板１６０と接続されたバスバーであり、外部の不図示の二次電池に接続される。交流バスバー１２０は、パワー半導体モジュール２１の交流端子と接続されたバスバーであり、外部の不図示のモータジェネレータに接続される。ゲート・制御基板１３０は、インバータ装置１００の制御回路やドライバ回路を内蔵する基板である。なお、制御回路は、不図示のモータジェネレータをモータとして運転するか発電機として運転するかを演算し、演算結果に基づいて制御パルスを発生し、その制御パルスをドライバ回路へ供給する。また、ドライバ回路は、供給された制御パルスに基づいて、インバータ回路を制御するための駆動パルスを発生する。

−−−本実施の形態で用いられるフィルムコンデンサ１について−−−
従来のＨＥＶ、ＥＶ用インバータ装置では、インバータの機種毎に用意された専用の樹脂ケースにあらかじめフィルムコンデンサ素子が収納されたコンデンサモジュールを用いていた。これに対して、本実施の形態で用いられるフィルムコンデンサ１は、図３に示すように、フィルムコンデンサ素子１ａに一対の端子２，２が取り付けられて絶縁外装被覆３が被せられた、コンデンサの単体の部品である。なお、図３において、１ｂは、フィルムコンデンサ素子１ａの集電電極（メタリコン電極）である。

フィルムコンデンサ素子１ａは、金属が蒸着された有機誘電体フィルムを２枚重ねて巻回した断面が角丸長方形状（すなわち二つの等しい長さの平行線と二つの半円形からなるからなる形状）である巻回体と、巻回体の両端面に形成した集電電極（メタリコン電極）とを有する。このようにフィルムコンデンサ素子１ａの断面が角丸長方形状であるので、絶縁外装被覆３が被せられたフィルムコンデンサ１も断面形状が角丸長方形状となる。説明の便宜上、以下の説明では、フィルムコンデンサ１の２つの電極２，２が設けられている面をフィルムコンデンサ１の端面と呼び、両端面の間で端子２と同じ方向に延在する平面部分をフィルムコンデンサ１の側面と呼ぶ。

図３に示したフィルムコンデンサ１の端子２，２は、導体板１６０に直接電気的に接続される。しかし、本実施の形態のインバータ装置１００のように、ＨＥＶや、ＰＨＥＶ、ＥＶ等の車両に搭載される場合には、フィルムコンデンサ１に車両の振動が伝わる。そのため、フィルムコンデンサ１の端子２，２と導体板１６０との電気的および機械的な接続だけでは、フィルムコンデンサ素子１ａと端子２との接続部（図３におけるＡ部）、あるいは図３では不図示の導体板１６０と端子２，２との接続部（図３におけるＢ部）が破断するおそれがある。

また、上述したようにフィルムコンデンサ素子１ａは絶縁外装被覆３で覆われているが、端子２，２と絶縁外装被覆３の樹脂の境界面から水分が浸入して、フィルムコンデンサ素子１ａの金属化フィルムの薄膜電極が酸化されて、結果として容量が低下するおそれがある。さらに、複数個のフィルムコンデンサ１を一つずつ個々に導体板１６０に位置決めして、電気的に接続する必要があるため、生産性を阻害するおそれがある。

そこで、本実施の形態では、フィルムコンデンサ１をあらかじめ台座１０に固定することで、上述した懸念を払拭した。以下、具体的に説明する。

−−−台座１０について−−−
図４は、導体板１６０、台座１０、フィルムコンデンサ１、およびパワー半導体モジュール２１の筐体２０への取り付け状態を模式的に示す断面図である。図５は、台座１０の上面１０ａ側から見た台座１０の斜視図であり、図６は、台座１０の底面１０ｂ側から見た台座１０の斜視図である。本実施の形態の台座１０では、１つのフィルムコンデンサ１を収納する台座側コンデンサ収容凹部（収容凹部）１１が６箇所に設けられている。

収容凹部１１は、上面１０ａから底面１０ｂに向かって凹んでいる凹部であり、一対の端子用貫通孔１４，１４と、突起部１５と、絶縁封止材挿入口１６とを有する。図６に示すように、台座１０の底面１０ｂには、底面凹部１２が設けられている。また、台座１０には、後述するように導体板１６０とともに筐体２０に対してボルト止めによって固定するためのボルト孔１０ｃが設けられている。

収容凹部１１は、たとえば、円柱を縦に２等分した半円柱形状に凹んでいる凹部である。収容凹部１１の形状について、円柱の表面に相当する曲面の曲率半径は、角丸長方形状の断面を有するフィルムコンデンサ１の半円部分の断面における曲率半径より大きい。収容凹部１１のうち、円柱の両端面に相当する壁面と円柱の表面に相当する曲面との境界近傍には、一対の端子用貫通孔１４，１４が設けられている。

一対の貫通孔１４，１４は、フィルムコンデンサ１を収容凹部１１に配設したときに一対の端子２，２が挿通される孔である。突起部１５は、収容凹部１１の底部から突出した突起物であり、収容凹部１箇所につき、たとえば円柱の長手方向に離間して２つ設けられている。絶縁封止材挿入口１６は、たとえば、図５に示すように収容凹部１１の円柱の端面に相当する壁面に設けられた溝状の部位である。

底面凹部１２は、端子用貫通孔１４の底面側の開口の周囲を取り囲むように設けられた凹部であり、すべての端子用貫通孔１４について設けられている。

−−−フィルムコンデンサ１の台座１０への固定−−−
このように構成された台座１０に対して、フィルムコンデンサ１は次のように固定される。まず、台座１０の収容凹部１１に形成した端子用貫通孔１４，１４に、フィルムコンデンサ１の一対の端子２，２を挿入貫通させ、フィルムコンデンサ１を台座１０の収容凹部１１に配置する。フィルムコンデンサ１が収容凹部１１に配置されると、一対の端子２，２は、それぞれ一対の端子用貫通孔１４，１４に挿通されて、底面１０ｂから突出する。

また、フィルムコンデンサ１が収容凹部１１に配置されると、フィルムコンデンサ１の一対の端子２の間の部位が突起物１５と当接するため、フィルムコンデンサ１は、収容凹部１１の曲面から（特に収容凹部１１の底部から）、突起物１５の高さで規定される分だけ離間して隙間が形成される。

次いで、台座１０の底面１０ｂに形成された底面凹部１２に、樹脂粘度が約85,000mPa・sのエポキシ系絶縁封止樹脂（第２絶縁封止材１８）を流し込み、樹脂を固化させる。底面凹部１２は、上述したように、底面１０ｂに設けられた凹部であって、後述するように底面１０ｂと対向して配設される導体板１６０に向かって突出した端子２の周囲を取り囲んで形成されている。そのため、底面凹部１２に流し込んだ第２絶縁封止１８を固化させることで、台座１０とフィルムコンデンサ１とを仮固定でき、端子用貫通孔１４と端子２との隙間が埋まる。このように、端子用貫通孔１４と端子２との隙間を第２絶縁封止１８で埋めることで、後述する第１絶縁封止材が端子用貫通孔１４と端子２との隙間から流出を防止する。

次いで、台座１０の収容凹部１１に形成した絶縁封止材挿入口１６に、樹脂粘度がたとえば約800mPa・sのエポキシ系絶縁樹脂（第１絶縁封止材１７）を流し込む。第１絶縁封止材１７の粘度が十分に低いため、第１絶縁封止材１７は、突起物１５によって形成された収容凹部１１の底部とフィルムコンデンサ１との隙間にも流れ込む。なお、第１絶縁封止材１７は、角丸長方形状の断面を有するフィルムコンデンサ１の半円部分と直線部分との境界付近の高さまで充填される。

第１絶縁封止材１７の充填後、フィルムコンデンサ１が配置された台座１０を高温槽内に入れて、第１絶縁封止材１７を硬化させ、台座１０とフィルムコンデンサ１とを第１絶縁封止材１７で固定する。

その後、フィルムコンデンサ１が固定された台座１０と、パワー半導体モジュール２１とを筺体２０にそれぞれ配置する。なお、図２，４に示すように、筐体２０には、フィルムコンデンサ１および台座１０を収容するコンデンサ・台座収容部２０Ａと、パワー半導体モジュール２１を収容するパワー半導体モジュール収容部２０Ｂとが設けられている。なお、パワー半導体モジュール収容部２０Ｂは、冷媒の出入口１７２から出入りする冷媒が通過するように構成されている。

フィルムコンデンサ１が固定された台座１０はコンデンサ・台座収容部２０Ａへ、パワー半導体モジュール２１はパワー半導体モジュール収容部２０Ｂへそれぞれ配置される。なお、フィルムコンデンサ１が固定された台座１０は、収容凹部１１に固定されたフィルムコンデンサ１を筐体２０側に向けて状態でコンデンサ・台座収容部２０Ａに配置される。

その後、導体板１６０を台座１０の底面１０ｂと向かい合わせとなるように配置し、導体板１６０および台座１０をボルト２４により筺体２０に固定する。そして、導体板１６０とフィルムコンデンサ１の端子２、導体板１６０とパワー半導体モジュールの端子２２とを、たとえば溶接にて電気的に接続する。これにより、インバータ装置１００の主回路部分が完成する。

さらに、交流バスバー１２０および直流バスバー１４０と、基板ベース１５０と、ゲート・制御基板１３０とを取り付けて、電気的な接続を行い、上蓋１１０を被せて不図示のボルトで固定することで、インバータ装置１００が完成する。

本実施の形態のインバータ装置１００では、次の作用効果を奏する。
（１）フィルムコンデンサ素子１ａに一対の端子２，２が取り付けられて絶縁外装被覆３が被せられただけの部品としてのフィルムコンデンサ１を、収納凹部１１を有する台座１０に第１絶縁封止材１７によって固定した。そして、フィルムコンデンサ１が固定された台座１０を導体板１６０とともにボルト２４で筐体２０に固定した。

これにより、車両の振動に起因する、端子２とフィルムコンデンサ素子１ａや導体板１６０との接続部での破断のおそれがなくなり、端子２，２と絶縁外装被覆３との境界面から浸入した水分によるフィルムコンデンサ素子１ａの金属化フィルムの薄膜電極酸化のおそれがなくなる。さらに、複数個のフィルムコンデンサ１の導体板１６０に対する位置決めが容易となり、生産性にも寄与する。したがって、フィルムコンデンサ素子１ａに一対の端子２，２が取り付けられて絶縁外装被覆３が被せられただけの部品としてのフィルムコンデンサ１を導体板１６０に直接実装できるようになる。これにより、開発スピードの向上、コスト低減を図れる。

（２）台座１０の底面１０ｂと導体板１６０とを向かい合わせに配置して、台座１０から突出したフィルムコンデンサ１の端子２を導電板１６０に直接接続した。これにより、端子２を導体板１６０に直接接続でき、配線長を短縮してインダクタンスを低減できるので、損失が低下する。

（３）収容凹部１１の底部に突起物１５を設けるように構成した。これにより、フィルムコンデンサ１が収容凹部１１に配置されると、フィルムコンデンサ１が収容凹部１１の底部から突起物１５の高さで規定される分だけ離間して隙間が形成される。したがって、粘度が低い第１絶縁封止材１７がフィルムコンデンサ１と収容凹部１１の曲面との隙間に流れ込むので、絶縁外装被覆３が端子２との境界面で剥離等することを防止できる。これにより、端子２と絶縁外装被覆３との境界面から水分が浸入しないので、フィルムコンデンサ１の容量低下を防止でき、耐久性を向上できる。また、フィルムコンデンサ１と台座１０との固定強度を十分確保でき、振動に対するインバータ装置１００の耐久性を向上できる。

（４）台座１０の底面１０ｂに形成された底面凹部１２に、樹脂粘度が高い第２絶縁封止材１８を流し込み、樹脂を固化させるように構成した。これにより、端子２と台座１０との固定強度が向上する。したがって、端子２と導電板１６０との接続部分への不所望な応力が作用することを抑制でき、端子２と導電板１６０との接続部分の信頼性、耐久性を向上できる。また、端子用貫通孔１４と端子２との隙間が第２絶縁封止１８で埋まるので、第１絶縁封止材が端子用貫通孔１４と端子２との隙間から流出を防止でき、フィルムコンデンサ１を台座１０へ固定する工程での生産性を向上できる。

−−−第２の実施の形態−−−
図７〜９を参照して、本発明による電力変換装置の第２の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、突起部１５が設けられていない点で、第１の実施の形態と異なる。

図７は、本実施の形態における導体板１６０、台座１０、フィルムコンデンサ１、およびパワー半導体モジュール２１の筐体２０への取り付け状態を模式的に示す断面図である。図８は、台座１０の上面１０ａ側から見た台座１０の斜視図であり、図９は、台座１０の底面１０ｂ側から見た台座１０の斜視図である。本実施の形態の台座１０では、突起部１５が設けられていない。

そして、本実施の形態の台座１０では、各端子用貫通孔１４の収容凹部１１の底部での開口近傍に、この開口の周囲を取り囲むように設けられた凹部である、コンデンサ端子基端側凹部（端子基端側凹部）１３がそれぞれ設けられている。その他の点については、第１の実施の形態の台座１０と本実施の形態の台座１０とで変更点はない。

−−−フィルムコンデンサ１の台座１０への固定−−−
このように構成された本実施の形態の台座１０に対して、フィルムコンデンサ１は次のように固定される。まず、台座１０の収容凹部１１に形成した端子用貫通孔１４，１４に、フィルムコンデンサ１の一対の端子２，２を挿入貫通させ、フィルムコンデンサ１を台座１０の収容凹部１１に配置する。フィルムコンデンサ１が収容凹部１１に配置されると、一対の端子２，２は、それぞれ一対の端子用貫通孔１４，１４に挿通されて、底面１０ｂから突出する。

本実施の形態では突起物１５が設けられていないので、フィルムコンデンサ１が収容凹部１１に配置されると、フィルムコンデンサ１の一対の端子２の間の部位が収容凹部１１の底部と当接する。しかし、収容凹部１１を形成する曲面の曲率半径は、上述したように、角丸長方形状の断面を有するフィルムコンデンサ１の半円部分の断面における曲率半径より大きい。そのため、フィルムコンデンサ１が収容凹部１１に配置されると、フィルムコンデンサ１は、（収容凹部１１の最も深い底部近傍を除いて）収容凹部１１の曲面から離間して隙間が形成される。

次いで、台座１０の底面１０ｂに形成された底面凹部１２に、樹脂粘度が約85,000mPa・sである第２絶縁封止材１８を流し込み、樹脂を固化させる。底面凹部１２に第２絶縁封止材１８を充填することによる作用効果は、第１の実施の形態と同じである。

次いで、台座１０の収容凹部１１に形成した絶縁封止材挿入口１６に、樹脂粘度がたとえば約500mPa・sのエポキシ系絶縁樹脂（第１絶縁封止材１７）を流し込む。第１絶縁封止材１７の粘度が十分に低いため、第１絶縁封止材１７は、収容凹部１１とフィルムコンデンサ１との隙間、および、端子基端側凹部１３にも流れ込む。なお、第１絶縁封止材１７は、角丸長方形状の断面を有するフィルムコンデンサ１の半円部分と直線部分との境界付近の高さまで充填される。また、本実施の形態の第１絶縁封止材１７の粘度（約500mPa・s）が第１の実施の形態の第１絶縁封止材１７の粘度（約800mPa・s）よりも低いが、第１の実施の形態の第１絶縁封止材１７の粘度（約800mPa・s）と同等であってもよい。

第１絶縁封止材１７の充填後、第１の実施の形態と同様に、フィルムコンデンサ１が配置された台座１０を高温槽内に入れて、第１絶縁封止材１７を硬化させ、台座１０とフィルムコンデンサ１とを第１絶縁封止材１７で固定する。なお、この後に行われるフィルムコンデンサ１が固定された台座１０と、パワー半導体モジュール２１とを筺体２０にそれぞれ配置する工程などは第１の実施の形態と同じである。

本実施の形態のインバータ装置１００では、第１の実施の形態における作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。
（１）収容凹部１１の底部での端子用貫通孔１４の開口近傍に、端子基端側凹部１３を設けるように構成した。これにより、突起部１５を設けなくても、端子基端側凹部１３に充填される第１絶縁封止材１７が、絶縁外装被膜３から突出する端子２の基端部（フィルムコンデンサ１の端子２の根元部分）を覆う。したがって、車両の振動に起因する、端子２とフィルムコンデンサ素子１ａとの接続部での破断のおそれがなくなり、端子２，２と絶縁外装被覆３との境界面から浸入した水分によるフィルムコンデンサ素子１ａの金属化フィルムの薄膜電極酸化のおそれがなくなる。

（２）突起部１５が設けられていないため、収容凹部１１へのフィルムコンデンサ１の挿入深さが突起部１５の高さ分だけ第１の実施の形態よりも深くなる。そのため、第１の実施の形態と同様に、第１絶縁封止材１７を、角丸長方形状の断面を有するフィルムコンデンサ１の半円部分と直線部分との境界付近の高さまで充填しても、充填に要する第１絶縁封止材１７の量を減らすことができ、コストダウンに貢献する。

−−−第３の実施の形態−−−
図１０〜１２を参照して、本発明による電力変換装置の第３の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１および第２の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１および第２の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、台座１０の底面１０ｂに底面凹部１２が設けられていない点で、第１および第２の実施の形態と異なる。

図１０は、本実施の形態における導体板１６０、台座１０、フィルムコンデンサ１、およびパワー半導体モジュール２１の筐体２０への取り付け状態を模式的に示す断面図である。図１１は、台座１０の上面１０ａ側から見た台座１０の斜視図であり、図１２は、台座１０の底面１０ｂ側から見た台座１０の斜視図である。本実施の形態の台座１０では、上述したように、台座１０の底面１０ｂに底面凹部１２が設けられていない（図１２）。

−−−フィルムコンデンサ１の台座１０への固定−−−
このように構成された台座１０に対して、フィルムコンデンサ１は次のように固定される。まず、フィルムコンデンサ１を収容凹部１１に配置するのに先だって、フィルムコンデンサ１の端子２と外装絶縁被覆３との境界部分、すなわち、絶縁外装被膜３から突出する端子２の基端部（フィルムコンデンサ１の端子２の根元部分）に、樹脂粘度がたとえば約150,000mPa・sのエポキシ系絶縁樹脂（第２絶縁封止材１８）を塗布する。

その後、台座１０の収容凹部１１に形成した端子用貫通孔１４，１４に、フィルムコンデンサ１の一対の端子２，２を挿入貫通させ、フィルムコンデンサ１を台座１０の収容凹部１１に配置して、第２絶縁封止材１８を固化させる。このように、絶縁外装被膜３から突出する端子２の基端部にあらかじめ第２絶縁封止材１８を塗布して、フィルムコンデンサ１の配置後に、第２絶縁封止材１８を固化させることで、第１の実施の形態における底面凹部１２に、第２絶縁封止材１８を流し込んで固化させた場合と同様の作用効果を奏する。

また、本実施の形態では、収容凹部１１に突起部１５が形成されている。したがって、フィルムコンデンサ１が収容凹部１１に配置されると、フィルムコンデンサ１の一対の端子２の間の部位が突起物１５と当接し、フィルムコンデンサ１は、収容凹部１１の曲面から、突起物１５の高さで規定される分だけ離間して隙間が形成される。

第１絶縁封止材１７の充填後、第１の実施の形態と同様に、フィルムコンデンサ１が配置された台座１０を高温槽内に入れて、第１絶縁封止材１７を硬化させ、台座１０とフィルムコンデンサ１とを第１絶縁封止材１７で固定する。

この後に行われるフィルムコンデンサ１が固定された台座１０と、パワー半導体モジュール２１とを筺体２０にそれぞれ配置する工程などは第１の実施の形態と同じである。

なお、本実施の形態では、フィルムコンデンサ１が固定された台座１０を筺体２０に配置するにあたり、あらかじめ筐体２０のコンデンサ・台座収容部２０Ａに、たとえば第１絶縁封止材１７のように樹脂粘度が低い熱硬化性の絶縁樹脂を流し込んでおいてもよい。そして、フィルムコンデンサ１が固定された台座１０をコンデンサ・台座収容部２０Ａへ、パワー半導体モジュール２１をパワー半導体モジュール収容部２０Ｂへそれぞれ配置する。

この場合には、その後、導体板１６０を台座１０の底面１０ｂと向かい合わせとなるように配置し、導体板１６０および台座１０をボルト２４により筺体２０に固定する。その後、これらを高温槽内に入れて、コンデンサ・台座収容部２０Ａに流し込んだ絶縁樹脂を硬化させて、筺体２０とフィルムコンデンサ１とを絶縁樹脂で固定する。そして、導体板１６０とフィルムコンデンサ１の端子２、導体板１６０とパワー半導体モジュールの端子２２とを、たとえば溶接にて電気的に接続する。

このように、コンデンサ・台座収容部２０Ａに流し込んだ絶縁樹脂を硬化させて、筺体２０とフィルムコンデンサ１とを絶縁樹脂で固定するようにしてもよい。また、本実施の形態に限らず、第１および第２の実施の形態において、筺体２０とフィルムコンデンサ１とを絶縁樹脂で固定するようにしてもよい。なお、筺体２０とフィルムコンデンサ１とを絶縁樹脂で固定することは必須ではない。

本実施の形態のインバータ装置１００では、第１および第２の実施の形態における作用効果に加えて、次の作用効果を奏する。
（１）フィルムコンデンサ１を収容凹部１１に配置するのに先だって、フィルムコンデンサ１の端子２と外装絶縁被覆３との境界部分に、たとえば第２絶縁封止材１８を塗布するようにした。これにより、絶縁外装被覆３が端子２との境界面で剥離等することを防止できる。これにより、端子２と絶縁外装被覆３との境界面から水分が浸入しないので、フィルムコンデンサ１の容量低下を防止でき、耐久性を向上できる。

（２）台座１０で固定されているフィルムコンデンサ１の端部とは反対側の端部を絶縁樹脂によってコンデンサ・台座収容部２０Ａと固定することにより、筐体２０とフィルムコンデンサ１との固定強度をさらに向上できる。これにより、車両の振動に起因する、端子２とフィルムコンデンサ素子１ａや導体板１６０との接続部での破断のおそれがさらになくなり、端子２，２と絶縁外装被覆３との境界面から浸入した水分によるフィルムコンデンサ素子１ａの金属化フィルムの薄膜電極酸化のおそれがさらになくなる。したがって、インバータ装置１００の耐久性をさらに向上できる。

−−−比較例１−−−
図１３は、比較例１として用いたフィルムコンデンサ１を直接導体板１６０に接続した電力変換装置の主回路部分の断面構造を示す図である。比較例１では、第１〜第３の実施の形態における台座１０は存在しない。

−−−フィルムコンデンサ１の固定−−−
比較例１の電力変換装置では、フィルムコンデンサ１を次のように固定する。まず、フィルムコンデンサ１の一対の端子２，２を導体板１６０の所定に位置に配置し、溶接にて一対の端子２，２を導体板１６０にそれぞれ接続する。フィルムコンデンサ１は導体板１６０に一対の端子２との接続部分だけで支えられている。

パワー半導体モジュール２１はパワー半導体モジュール収容部２０Ｂへ配置される。その後、フィルムコンデンサ１が取り付けられた導体板１６０を配置する。これによりフィルムコンデンサ１は、筐体２０に設けられたコンデンサ収容部２０Ｃに配置される。

その後、導体板１６０をボルト２４により筺体２０に固定する。そして、導体板１６０とパワー半導体モジュールの端子２２とを、溶接にて電気的に接続する。これにより、比較例１の電力変換装置の主回路部分が完成する。

−−−比較例２−−−
図１４は、比較例１として用いたフィルムコンデンサ１を直接導体板１６０に接続した電力変換装置の主回路部分の断面構造を示す図である。比較例２では、比較例１と同様に第１〜第３の実施の形態における台座１０は存在しない。

−−−フィルムコンデンサ１の固定−−−
比較例２の電力変換装置では、フィルムコンデンサ１を次のように固定する。まず、比較例１と同様に、フィルムコンデンサ１の一対の端子２，２を導体板１６０の所定に位置に配置し、溶接にて一対の端子２，２を導体板１６０にそれぞれ接続する。

そして導体板１６０と一対の素子２，２との間にエポキシ系接着剤２６を塗布し、絶縁外装被膜３から突出する端子２の基端部と導体板１６０とをエポキシ系接着剤２６で接着固定する。フィルムコンデンサ１は導体板１６０に一対の端子２、２との接続部分とエポキシ系接着剤２６とで支えられている。

その後、導体板１６０をボルト２４により筺体２０に固定する。そして、導体板１６０とパワー半導体モジュールの端子２２とを、溶接にて電気的に接続する。これにより、比較例２の電力変換装置の主回路部分が完成する。

−−−振動解析−−−
第１〜第３の実施の形態および比較例１，２の電力変換装置に対し、本願発明の効果を検証するために、発明者らは、振動時にフィルムコンデンサ素子１ａと端子２との接続部（図３におけるＡ部）、および、導体板１６０と端子２，２との接続部（図３におけるＢ部）にかかる応力解析を実施した。

図１５は、第１〜第３の実施の形態および比較例１，２の電力変換装置において、0〜2000Hzの周波数範囲の振動を与えた時のフィルムコンデンサ素子１ａと端子２との接続部（図３におけるＡ部）に作用する最大応力の解析結果を示す図である。図１５において、縦軸は、比較例１のフィルムコンデンサ１におけるＸ方向の応力を１（基準）とした場合の、応力の比を示している。なお、Ｘ方向とは、図１３，１４における紙面左右方向を指し、Ｙ方向とは、図１３，１４における紙面奥行き方向を指し、Ｚ方向とは、図１３，１４における紙面上下方向を指す。

比較例１では、フィルムコンデンサ１が一対の端子２と導体板１６０との溶接部分のみでしか支えられていないため、振動を与えると大きくフィルムコンデンサ１が揺さぶられ、フィルムコンデンサ素子１ａと端子２との接合部に大きな応力が発生する。比較例２では、フィルムコンデンサ１が一対の端子２と導体板１６０との溶接部分、および、エポキシ系接着剤２６によって導体板１６０に固定されているので、比較例１に対してＹ方向およびＺ方向の応力が抑えられている。しかし、フィルムコンデンサ１が一対の端子２，２，および絶縁外装被覆３を介したフィルムコンデンサ素子１ａの端子２の近傍でしか支えられていないためにＸ方向の応力は依然として高い値である。

第１および第２の実施の形態のフィルムコンデンサ１は、一対の端子２と導体板１６０との溶接部分で導体板１６０に固定され、第１絶縁封止材１７が充填された部分を介して台座１０に固定されている。この場合、Ｘ，Ｙ、Ｚ全ての方向において振動が抑制され、フィルムコンデンサ素子１ａと端子２との接合部にかかる応力を抑制できる。

図１６は、同じく第１〜第３の実施の形態および比較例１、２において、0〜2000Hzの範囲で振動を与えた場合のフィルムコンデンサ１の端子２と導体板１６０との接合部に作用する最大応力の解析結果である。フィルムコンデンサ１の端子２と導体板１６０との接合部に作用する応力も、比較例１、２に対し第１〜第３の実施の形態ではフィルムコンデンサ１が台座１０と絶縁封止材１７で固定されているため振動が抑えられ、応力が低減できる。

−−−耐湿性試験−−−
第１〜第３の実施の形態および比較例１，２の電力変換装置に対し、本願発明の効果を検証するために、発明者らは、フィルムコンデンサ１の耐湿性試験を実施した。図１７は、耐湿性評価結果を示す図であり、第１および第２の実施の形態、および、比較例１の電力変換装置を85℃／85％RHの高温高湿槽内に置き、所定時間毎にフィルムコンデンサ１の容量を測定した結果である。

図１７では、横軸は85℃/85％RHの雰囲気に曝された時間、縦軸は試験前初期のコンデンサ容量を１とした場合の容量変化率を表わしている。縦軸の値が負の値である場合にはコンデンサ容量が初期に比べて低下している。

図１７から分かるように、比較例１では、時間経過とともに容量が低下傾向にある。これはフィルムコンデンサ１の外装絶縁被覆３と端子２との境界面から水分が浸入し、フィルムコンデンサ素子１ａの金属化フィルムの薄膜電極が酸化されたためと考えられる。

比較例１に対し、第１および第２の実施の形態では、フィルムコンデンサ１の外装絶縁被覆３と端子２との境界部分（絶縁外装被膜３から突出する端子２の基端部）が台座１０および絶縁封止材２６で覆われているので、吸湿が抑えられ、容量の低下が抑制できる。

−−−変形例−−−
（１）上述した第３の実施の形態では、台座１０の底面１０ｂに底面凹部１２が設けられていないが、本発明はこれに限定されず、第３の実施の形態において、台座１０の底面１０ｂに底面凹部１２を設けてもよい。そして、第１および第２の実施の形態のように、底面凹部１２に第２絶縁封止材１８を流し込み、樹脂を固化させるようにしてもよい。

（２）上述の説明では、各絶縁封止材について具体的な樹脂粘度を挙げて説明しているが、これらの樹脂粘度の数値は一例であり、本発明はこれに限定されない。また、エポキシ系絶縁樹脂に限らず、電気絶縁性を有する各種の樹脂を用いてもよい。

（３）上述の説明では、台座１０に固定されるフィルムコンデンサ１の数がそれぞれ６つであるが、本発明はこれに限定されない。台座１０に固定されるフィルムコンデンサ１の数は、要求される容量に応じてたとえば１つであってもよく、２個以上の任意の複数個であってもよい。

（４）上述の説明では、フィルムコンデンサ１の断面が角丸長方形状であるが、本発明はこれに限定されない。たとえば、円形断面を有する円柱形状のコンデンサを用いてもよい。
（５）上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。

なお、本発明は、上述した実施の形態のものに何ら限定されず、直流電力を交流電力とを相互に変換するパワー半導体モジュールと、絶縁外装被覆で覆われて絶縁外装被覆から一対の端子が突設された直流電力を平滑化するフィルムコンデンサと、パワー半導体モジュールとフィルムコンデンサとを電気的に接続する回路が形成された板状の導体板と、フィルムコンデンサが固定される台座と、パワー半導体モジュールを収容するパワー半導体収容部と、台座に固定されたフィルムコンデンサを収容する筐体側コンデンサ収容部を有し、パワー半導体モジュールを固定するとともに、導体板の板面と台座の底面とを向かい合わせた状態で導体板と台座とを固定する筐体とを備え、台座は、底面とは反対側の面から底面に向かって凹んでいる凹部であってフィルムコンデンサを配置する台座側コンデンサ収容凹部と、台座側コンデンサ収容凹部の底部から底面まで貫通する一対の端子用貫通孔とを有し、フィルムコンデンサは、台座側コンデンサ収容凹部と一部が当接した状態で第１凹部との間の空間に充填された絶縁封止材により台座に固定され、一対の端子は、一対の端子用貫通孔を介し底面から台座の外部に突出して導体板の回路に電気的に接続されていることを特徴とする各種構造の電力変換装置を含むものである。

１フィルムコンデンサ、１ａフィルムコンデンサ素子、２端子、３絶縁外装被覆、１０台座、１１台座側コンデンサ収容凹部（収容凹部）、１２底面凹部、１３コンデンサ端子基端側凹部（端子基端側凹部）、１４端子用貫通孔、１５突起部、１６絶縁封止材挿入口、１７エポキシ系絶縁樹脂（第１絶縁封止材）、１８エポキシ系絶縁封止樹脂（第２絶縁封止材）、２０水路／ケース（筐体）、２１パワー半導体モジュール、１００電力変換装置（インバータ装置）、１６０導体板

Claims

直流電力を交流電力とを相互に変換するパワー半導体モジュールと、
絶縁外装被覆で覆われて前記絶縁外装被覆から一対の端子が突設された直流電力を平滑化するフィルムコンデンサと、
前記パワー半導体モジュールと前記フィルムコンデンサとを電気的に接続する回路が形成された板状の導体板と、
前記フィルムコンデンサが固定される台座と、
前記パワー半導体モジュールを収容するパワー半導体収容部と、前記台座に固定された前記フィルムコンデンサを収容する筐体側コンデンサ収容部を有し、前記パワー半導体モジュールを固定するとともに、前記導体板の板面と前記台座の底面とを向かい合わせた状態で前記導体板と前記台座とを固定する筐体とを備え、
前記台座は、前記底面とは反対側の面から前記底面に向かって凹んでいる凹部であって前記フィルムコンデンサを配置する台座側コンデンサ収容凹部と、前記台座側コンデンサ収容凹部の底部から前記底面まで貫通する一対の端子用貫通孔とを有し、
前記フィルムコンデンサは、前記台座側コンデンサ収容凹部と一部が当接した状態で前記第１凹部との間の空間に充填された絶縁封止材により前記台座に固定され、
前記一対の端子は、前記一対の端子用貫通孔を介し前記底面から前記台座の外部に突出して前記導体板の回路に電気的に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記台座は、前記底面に設けられた凹部であって前記底面から前記導体板に向かって突出した前記端子の周囲を取り囲んで形成された底面凹部をさらに有し、
前記底面凹部は、絶縁封止材が充填されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記台座は、前記台座側コンデンサ収容凹部の底部から突出する突起部をさらに有し、
前記フィルムコンデンサは、前記突起部と当接して前記突起の突出距離だけ前記台座側コンデンサ収容凹部の底部から離間した状態で前記台座に固定されることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
前記台座は、前記台座側コンデンサ収容凹部の底部から前記底面に向かって凹んでいる凹部であって前記前記端子の基端側の周囲を取り囲んで形成されたコンデンサ端子基端側凹部をさらに有し、
前記コンデンサ端子基端側凹部は、絶縁封止材が充填されることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記台座は、前記底面とは反対側の面を前記筐体側コンデンサ収容部に向けた状態で前記筐体に固定され、
前記フィルムコンデンサは、前記筐体側コンデンサ収容部の底面と絶縁樹脂によって固定されていることを特徴とする電力変換装置。