JP2014239616A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
簡易で安全な方法で電力変換装置内部の平滑コンデンサの温度を精度よく計測する方法を提案し、コンデンサの温度保護における精度を高めることである。
【解決手段】
本発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの駆動を制御する制御回路部を有する回路基板２０と、前記直流電力を平滑化するコンデンサ５００と、を備え、前記回路基板２０は、前記コンデンサ５００と対向する領域に配置され、前記回路基板２０は、当該回路基板が前記コンデンサと対向する領域に前記コンデンサの表面温度を計測する非接触式の温度センサ３０を有する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、車両用電力変換装置に係り、電圧平滑用コンデンサの温度計測方法に関する。

電力変換装置の一例であるモータ駆動インバータ装置は、パワー半導体素子を内蔵したパワー半導体モジュール、直流電流を平滑化するためのコンデンサ等の部品から成り立っている。特に、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）用インバータの場合、パワー半導体モジュールからモータへ出力される交流電流は、最大で４００Ａｒｍｓ程度の大電流を通電させる。このとき、パワー半導体モジュールのスイッチングにより、コンデンサにはリプル電流が流れ、コンデンサの内部抵抗でジュール熱が発生する。

これに対し特許文献１では、平滑コンデンサを搭載するプリント基板上にサーミスタを用意し、サーミスタを平滑コンデンサ近傍の配線パターン上に配置することで平滑コンデンサの温度を計測し、当該温度が所定値になると、モータ出力を制限しコンデンサの温度保護を行う方法を提案している。

特開２００４−９６８４８号公報

しかしながら、特許文献１の構成は、平滑コンデンサの電極端子に接続される配線パターン上にサーミスタを搭載することで等価的に平滑コンデンサ内部の温度を計測しようとしているため、配線パターンのパターン幅や周辺レイアウト、更には平滑コンデンサと配線パターンの熱容量の違いなどに起因する影響を受けやすく、平滑コンデンサ内部温度を精度よく計測することは困難となる場合がある。

そこで本発明は、電力変換装置内部の平滑コンデンサの温度を精度よく計測することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの駆動を制御する制御回路部を有する回路基板と、前記直流電力を平滑化するコンデンサと、を備え、前記回路基板は、前記コンデンサと対向する領域に配置され、前記回路基板は、当該回路基板が前記コンデンサと対向する領域に前記コンデンサの表面温度を計測する非接触式の温度センサを有する。

本発明によれば、電力変換装置内部の平滑コンデンサの温度を精度よく計測することができる。

モータ駆動インバータ装置２００の構成を示す図である。 インバータ装置２００の分解斜視図である。 コンデンサモジュール５００内に配置されるコンデンサセル７００の斜視図である。 コンデンサモジュール５００の断面図である。 コンデンサモジュール５００と回路基板２０に搭載された非接触式温度センサ３０との位置関係を示す図である。 第２の実施形態に係る電力変換装置について説明する図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

図１は、電力変換装置の一例であるモータ駆動インバータ装置２００の構成を示す図である。９００はモータ、２００はモータ駆動用インバータ装置、９０１はバッテリー、９０２はインバータ装置２００とバッテリー９０１の接続をコントロールするコンタクタである。

モータ駆動用インバータ装置２００は、バッテリー９０１からの直流電圧をモータ９００を駆動するための交流電圧に変換する機能を有している。図示しない上位コントローラが、モータ９００を駆動するためのトルクや回転指令などの指令を制御回路部２０ｂに与える。制御回路部２０ｂは、指令に応じたＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号を駆動回路部２０ａに与える。駆動回路部２０ａは、入力されたＰＷＭ信号に応じて、パワー半導体モジュール３００のスイッチング素子をスイッチング制御する。

ここで、モータ駆動用インバータ装置２００の場合、モータ９００のトルクをコントロールするのに、トルクに比例するモータ電流を制御するため、パワー半導体モジュール３００の出力端子とインバータ装置２００の出力端子の間に電流センサ８０３を搭載し電流フィードバック制御を行っている。電流センサ８０３は、通常、パワー半導体モジュール３００の出力端子と、インバータ出力端子とを接続するバスバを貫通するように搭載される。

図２は、本実施形態に係るインバータ装置２００の一例について、全体構成を説明するために構成要素に分解した斜視図である。インバータ装置２００は、回路基板２０、基板ベース１１、バスバーアッセンブリ８００、パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃ、コンデンサモジュール５００を備える。これらの部材は、第１ケース２１０及び第２ケース２２０に収納される。

パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃは、直流電力を交流電力に変換する。コンデンサモジュール５００は、直流電力を平滑化する。回路基板２０は、パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃを駆動する駆動信号を出力する駆動回路部２０ａを搭載する。また、回路基板２０は、駆動回路部２０ａにパワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃを制御するための制御信号を出力する制御回路部２０ｂを搭載する。

第１ケース２１０は、インバータ装置２００の最下部に配置される。第２ケース２２０は、第１ケース２１０の上部に配置される。これら第１ケース２１０及び第２ケース２２０は、パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｂやコンデンサモジュール５００を冷却するための冷媒を流す流路を形成する。

バスバーアッセンブリ８００は、直流側導体板と、交流端子８０２ａ乃至８０２ｃと、これらを保持する保持部材を備えており、さらに電流センサ８０３を備えている。直流側導体板は、コンデンサモジュール５００からパワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃへ直流電力を伝達する。パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃで交流に変換された電力は、交流端子８０２ａ乃至８０２ｃから出力される。交流端子８０２ａ乃至８０２ｃは、電流センサ８０３の貫通孔を通って配置される。

図３は、コンデンサモジュール５００内に配置されるフィルムコンデンサセル７００の斜視図である。本実施形態においては、コンデンサモジュール５００は、６個のフィルムコンデンサセル７００を有する。それぞれのフィルムコンデンサセル７００は、一方の面に第１電極７０１ａを有し、他方の面に第２電極７０１ｂを有する。２個のフィルムコンデンサセル７００は、それぞれの第２電極７０１ｂが互いに対向するように配置される。

第２電極７０１ｂ同士が対向し合った２個のフィルムコンデンサセル７００を１組として、同様のフィルムコンデンサ７００の組が３組配置され、合計６個のフィルムコンデンサセル７００が使用される。フィルムコンデンサセル７００の電極は、正極又は負極のどちらか一方の極を近接対向して配置することにより、絶縁対策のための構造をより簡素化することが可能となる。

第１電極７０１ａ及び第２電極７０１ｂには、リード端子７０３が接続される。第１電極７０１ａ及び第２電極７０１ｂは、リード端子７０３を介してバスバーアッセンブリ８００の直流側導体板と接続される。

図４は、コンデンサモジュール５００の断面図である。フィルムコンデンサセル７００は、コンデンサケース７２０に収納され、封止材５０１が充填される。リード端子７０３は、封止材５０１の露出面５０１ａから突出して形成される。リード端子の一部７０３ａは、封止材５０１に封止される。すなわち、リード端子７０３は、コンデンサモジュール５００の上側の一方の面から同一方向に向かって突出している。

図５は、コンデンサモジュール５００と、回路基板２０に搭載された非接触式温度センサ３０との位置関係を示す図である。回路基板２０は、コンデンサモジュール５００と対向して配置される。コンデンサモジュール５００と回路基板２０の間には、バスバーアッセンブリ８００と、金属製の基板ベース１１が配置される。回路基板２０は、基板ベース１１に搭載されている。バスバーアッセンブリ８００は、コンデンサのリード端子７０３と接続される。

回路基板２０において、コンデンサモジュール５００が配置される側の面には非接触式温度センサ３０が実装される。非接触式温度センサ３０として、本実施形態においては赤外線検知式のものを用いている。

回路基板２０とコンデンサモジュール５００の間に配置される基板ベース１１には、開口部１１ａが形成される。同様に、回路基板２０とコンデンサモジュール５００の間に配置されるバスバーアッセンブリ８００には、開口部８００ａが形成される。開口部１１ａ及び開口部８００ａは、非接触式温度センサ３０と対向する領域に形成される。

開口部１１ａ及び開口部８００ａは、回路基板２０に搭載された非接触式温度センサ３０から、垂直にコンデンサモジュール５００へ向けて、一定の角度θをもった範囲部分がくり貫かれた構造となっている。これにより、コンデンサモジュール５００の表面温度によって変化する赤外線を、回路基板２０上の非接触式温度センサ３０が検知し、回路基板２０上の図示しないマイコン等に入力させることで、コンデンサモジュール５００の温度を簡易で安全な方法で計測し、温度保護を行うことができる。

次に、本実施形態にかかるコンデンサの温度保護方法について説明する。

コンデンサの温度上昇はコンデンサに流れるリプル電流により増加し、コンデンサのリプル電流はインバータ装置の出力電流に比例すること、コンデンサの周囲を取り囲む筐体の温度はほぼ筐体の冷却流路内を流れる冷媒の温度と等しくなることから、本来あるべきコンデンサの温度をＴｅ＊、冷媒の温度をＴｗ、平均出力電流をＩｃとすると、
（数１） Ｔｅ＊＝ ｆ（Ｉｃ）＋ Ｔｗ ……（１）
により推定することができる。ここで、ｆ（Ｉｃ）は、平均出力電流Ｉｃにより定まる関数である。

そこで、計測した冷媒温度Ｔｗと平均出力電流式（１）により、本来あるべきコンデンサ温度Ｔｅ＊を推定する。そして、この温度と実際のコンデンサ温度の計測値Ｔｅと比較することで、コンデンサの異常等を検知することや、出力電流を絞ることでコンデンサの保護を行うことができる。

例えば、Ｔｅが式（２）に示されるように、Ｔｅ＊より所定値α以上高い場合は、コンデンサに異常があると判断し、出力電流を低減する。
（数２） Ｔｅ ＞ Ｔｅ＊ ＋ α ……（２）

次に、本実施形態のインバータ装置での構造上の特徴について説明する。本実施例では、コンデンサモジュール５００の回路基板２０に対向する面において、コンデンサセル７００が封止材５０１で２ｍｍ以下の厚さで薄く覆われているため、コンデンサモジュール５００の中でも、特に発熱体であるコンデンサセル７００の温度を効率よく計測することができる。

非接触式温度センサ３０はサーモパイルを使用し、角度θは非接触式温度センサ３０が効率よくコンデンサモジュール５００の温度を計測するため、６０〜８０度の角度としている。

図５を用いて非接触温度センサ３０を用いたコンデンサモジュール５００の温度保護について説明したが、温度保護対象は昇圧コンバータ用大型インダクタや、パワーモジュール等主要部品の温度計測にも適用可能である。また、非接触式温度センサ３０としてサーモパイルを使用しているが、高感度のサーミスタ等別方式の非接触式温度センサを用いてもよい。また、角度θは６０度〜８０度の角度としているが、温度計測ができる角度であれば他の角度で問題ない。

以上述べたように、本実施例の電力変換装置によれば、高電圧が印加されるコンデンサから一定距離を置いた場所から、配線なしにコンデンサの温度を計測することができるので、簡易で安全な方法でコンデンサの温度を計測することが可能となる。

また、非接触式温度センサとして赤外線を計測するタイプの非接触式温度センサを用いているため、コンデンサからの距離が数センチ以上離れた箇所からでも精度良くコンデンサの温度を計測することができる。

従来のサーミスタによる計測のように、温度保護を担当する制御コントローラと温度センサの間を接続するハーネスやコネクタ等の部材を用意する必要が無くなり、装置の小型化や低コスト化に寄与できる。また、配線が不要となるため、配線上に重畳するノイズの影響を受けにくくなる。また、一般的にサーミスタ素子そのものの耐圧は通常の抵抗体と同じであることから、４００〜７００Ｖ程度の高電圧が印加される電力変換装置用平滑コンデンサには使用することができないが、非接触式温度センサの場合、温度センサ自体は回路基板上に搭載されるため、平滑コンデンサの使用状況によらず用いることができる。

また、本実施形態の電力変換装置は、コンデンサの上方にバスバー及び基板ベースが配置されているが、コンデンサモジュール５００と回路基板２０の間に配置される部品にコンデンサの温度を計測するための開口部を有しているため、コンデンサ、バスバ、基板ベース、回路基板が積層構造である場合においても、コンデンサの温度を計測することができる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置について説明する図である。本実施例においては、実施例１の非接触式温度センサ３０に替えて、送信回路付き温度センサ３６と温度情報読み込み回路３５を用いる。

送信回路付き温度センサ３６は、コンデンサモジュール５００内のコンデンサセル７００近傍に配置される。当該送信回路付き温度センサ３６は、コンデンサセル７００の温度を計測し、計測された温度情報を温度情報読み込み回路３５に送信する。

温度情報読み込み回路３５は、送信回路付き温度センサ３６が送信した温度情報を受信し、回路基板に実装されるマイコン（不図示）等へ伝達する。マイコンでは、伝達された温度情報を基に、前述のような温度保護動作を行う。

本実施例の電力変換装置によれば、コンデンサモジュール５００と回路基板２０の間にある部品に開口部を設けることなく、コンデンサの温度情報をマイコンへと伝達することができる。また、コンデンサモジュールと温度情報読み込み回路３５との位置関係に制約がないため、電力変換装置内部部品の構成自由度が向上する。

また、本実施例の送信回路付き温度センサ３６は、固有のＩＤ情報を有している。これにより、例えば昇圧コンバータ用大型インダクタや、パワー半導体モジュール等、コンデンサモジュール以外の主要部品の温度計測においても本実施例の温度センサを適用する場合に、各部品に対応する温度センサそれぞれが固有のＩＤを有しているため、各部品の温度情報を混線することなく読み取ることができる。

また、本実施例の送信回路付き温度センサ３６の電力は、熱電変換素子を用いることで、温度センサ３６自身で賄っている。しかし、温度センサ３６の電力源としてはこれに限らず、例えば温度情報読み込み回路３５から電磁誘導により温度センサ３６に電力を送り込む方式としても問題ない。

以上のように、送信回路付き温度センサ３６を用いることにより、実施例１のような赤外線を用いた非接触式温度センサを用いる方法同様、簡易で安全な方法でコンデンサモジュール５００の温度を検出し、温度保護を行うことができる。

１１ 基板ベース
１１ａ 開口部
２０ 回路基板
２０ａ 駆動回路部
２０ｂ 制御回路部
３０ 非接触式温度センサ
３５ 温度情報読み込み回路
３６ 送信回路付き温度センサ
２００ インバータ装置
２１０ 第１ケース
２２０ 第２ケース
３００ パワー半導体モジュール
５００ コンデンサモジュール
５０１ 封止材
７００ コンデンサセル
７０１ａ 第１電極
７０１ｂ 第２電極
７０３ リード端子
７２０ コンデンサケース
８００ バスバーアッセンブリ
８００ａ 開口部
８０２ 交流端子
８０３ 電流センサ
９００ モータ
９０１ バッテリー
９０２ コンタクタ

Claims (6)

1. 直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュールと、
   前記パワー半導体モジュールの駆動を制御する制御回路部を有する回路基板と、
   前記直流電力を平滑化するコンデンサと、を備え、
   前記回路基板は、当該回路基板の実装面の法線方向において前記コンデンサと対向する領域に配置され、
   前記回路基板は、当該回路基板が前記コンデンサと当該回路基板の実装面の法線方向において対向する領域に前記コンデンサの表面温度を計測する非接触式の温度センサを有する電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記温度センサは、赤外線検知式の温度センサである電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   前記回路基板が載置される基板ベースを備え、
   前記基板ベースは、前記回路基板と前記コンデンサの間に配置され、
   前記基板ベースは、前記温度センサと対向する領域に開口部が形成される電力変換装置。
4. 請求項１ないし３に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   前記パワー半導体モジュールと前記コンデンサを接続するバスバを備え、
   前記バスバは、前記回路基板と前記コンデンサの間に配置され、
   前記バスバは、前記非接触式温度センサと対向する領域に開口部が形成される電力変換装置。
5. 直流電力を交流電力に変換するパワー半導体モジュールと、
   前記パワー半導体モジュールの駆動を制御する制御回路部を有する回路基板と、
   前記直流電力を平滑化するコンデンサと、を備え、
   前記回路基板は、前記コンデンサと対向する領域に配置され、
   前記コンデンサは、当該コンデンサの温度を計測し、計測された温度情報を送信する機能を備えた温度センサを有し、
   前記回路基板は、前記温度センサから送信された前記温度情報を受信する受信部を有する電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置であって、
   前記温度センサは、当該温度センサの個体特有のＩＤ情報を有する電力変換装置。