JP2015136223A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、電圧コンバータ回路とインバータ回路を含む電力変換器に関し、回路に用いるコンデンサあるいはリアクトルを従来よりも小型小容量のものを採用可能とする技術を提供する。【解決手段】電力変換器２の積層ユニット２０は、電圧コンバータ回路のスイッチング素子を収容するパワーカードＰＣ７と、インバータ回路のスイッチング素子を収容するパワーカードＰＣ１−ＰＣ６と、複数の冷却器２１を積層したデバイスである。電圧コンバータ回路に並列に接続されているコンデンサ２３は、積層ユニット２０に隣接配置されている。バスバ３、４は、パワーカードＰＣ１−ＰＣ７とコンデンサ２３を接続する。パワーカードＰＣ７が他のパワーカードよりもコンデンサ２３の近くに配置されており、コンデンサ２３からパワーカードＰＣ７までのバスバ長さが、コンデンサから他のパワーカードまでのバスバ長さよりも短い。【選択図】図２Ａ

Description

本明細書が開示する技術は、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路と昇圧後の電力を交流に変換して走行用のモータに供給するインバータ回路を含む電力変換器に関する。

ハイブリッド車を含む電動車両には、バッテリの電力を走行用モータに供給する電力に変換するための電力変換器が搭載される。電力変換器には、電圧コンバータ回路とインバータ回路が備えられている。電圧コンバータ回路は、バッテリの出力電圧を昇圧したり、モータからの回生電力を降圧したりする。インバータ回路は、電圧コンバータで昇圧されたバッテリの電力を交流に変換する。インバータ回路は、モータが発電した交流を直流に変換して電圧コンバータ回路に供給することもある。電圧コンバータ回路は、インバータ回路から供給された直流電力の電圧を降圧し、バッテリを充電する。

電圧コンバータ回路やインバータ回路は、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子（トランジスタ）を複数用いることが多い。例えば、３相交流モータを駆動するためのインバータでは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続されている。各直列回路の中点から交流が出力される。また、電圧コンバータも、２個のスイッチング素子の直列回路を備える。また、インバータ回路や電圧コンバータ回路には、電流の脈流を抑制するためのコンデンサが、それらの回路に並列に接続されている。

電動車両では、扱う電力が大きいため、トランジスタなどのスイッチング素子やコンデンサの発熱量が大きい。他方、車載機器にはコンパクト性も求められる。多数のスイッチング素子（トランジスタ）を集約してコンパクトに効率よく冷却する構造が特許文献１−３に開示されている。それらの文献が開示する技術では、スイッチング素子を収容した平板型のモジュール（パワーカード）と複数の冷却器を交互に積層する。複数の平板型パワーカードと複数の冷却器を交互に積層することで、少ないスペースでパワーカードと冷却器の大きな接触面積を確保し、省スペースで効率のよい冷却を実現している。以下ではそのような積層体を積層ユニットと称する。特許文献３では、積層ユニットの端の冷却器にさらにコンデンサを接触させている。なお、特許文献２では、積層方向と交差する方向でコンデンサが積層ユニットに隣接配置されている。

また、大電流を扱うため、スイッチング素子（トランジスタ）とコンデンサの接続には、細いケーブルではなく、板状又は棒状の金属部材が用いられる。大電流を低抵抗で通すためのこれらの金属部材は、一般にバスバと呼ばれる。スイッチング素子のスイッチング動作により、スイッチング素子とコンデンサを繋ぐバスバに高周波の交流が流れ、その交流がバスバにインダクタンスを生じさせる。インダクタンスは電力損失をもたらす。

本明細書が開示する技術もパワーカードとコンデンサを接続するバスバのインダクタンスに関する。バスバのインダクタンスに関係する技術として、特許文献２と３の技術を紹介しておく。

特許文献２と３に開示された技術は、電力損失の抑制を目的としてバスバのインダクタンスを抑制するものである。特許文献２や３の技術では、正極用のバスバと負極用のバスバをできるだけ併走させる。正極用のバスバと負極用のバスバを並走させることにより、平行な２本のバスバに逆方向の電流が流れる。逆方向の電流が生じる磁界は互いに打ち消し合い、その結果、バスバのインダクタンスが低減される。

特開２００６−２１０６０５号公報 特開２０１２−２４９４５２号公報 特開２０１３−０９０４０８号公報

本明細書は、電力変換器を小型化すべく、電圧コンバータ回路に、従来よりも小容量のコンデンサ、あるいは、従来よりも許容電流の小さいリアクトルを採用することを可能とする技術を提供する。本明細書が開示する技術は、積層ユニットの構造とバスバの関係に着目して上記目的を達成する。

従来よりも小容量のコンデンサ、あるいは、従来よりも許容電流の小さいリアクトルを採用するには、電圧コンバータ回路のキャリア周波数（スイッチング素子に供給するＰＷＭ信号を生成するためのベースとなるキャリア信号の周波数）を高めるとよい。キャリア周波数を高めることで、トランジスタのスイッチング動作に起因するリプル電流の周波数が高まるとともにリプル電流の大きさ（電流の絶対値）が小さくなるからである。リプル電流が小さくなればコンデンサを出入りする電流が小さくなる。すなわち、コンデンサの小容量化が可能となる。また、リプル電流が小さくなれば、リアクトルに流れる電流の交流成分が小さくなるのでリアクトルの許容電流を下げることができる。即ち小型のリアクトルを採用できるようになる。

但し、単純にキャリア周波数を高めると、電圧コンバータ回路のトランジスタ（スイッチング素子）のスイッチング損失が増加してしまうので、トランジスタのスイッチング速度も高める必要がある。ところがスイッチング速度を高めると、サージ電圧が上昇してしまい、トランジスタの負荷が増大してしまう。電圧コンバータ回路のサージ電圧は、スイッチング速度と回路のインダクタンス（トランジスタとコンデンサの回路のインダクタンス）の積に比例する。そこで、電圧コンバータ回路のトランジスタとコンデンサを接続するバスバのインダクタンス低減がサージ電圧の抑制に貢献する。ひいては、トランジスタに過剰な負荷を課すことなくキャリア周波数を高めることができ、上述した理由によりコンデンサの小容量化あるいはリアクトルの小型化（許容電流が小さいリアクトルの採用）が可能となる。

なお、インバータ回路の場合はスイッチング素子とモータが直結しているので、電圧コンバータ回路よりもキャリア周波数を上げ難い。前述したようにキャリア周波数を上げる場合はスイッチング素子の応答速度も高めなければならないが、スイッチング素子の応答速度を高めるとサージ電圧が高まる。モータに高いサージ電圧が印加されるとモータのコイルの絶縁が破壊される虞がある。即ち、インバータ回路には、電圧コンバータの周辺デバイスよりもサージ電圧の耐性が低いデバイス（即ちモータ）が直結しているので、キャリア周波数はインバータ回路よりも電圧コンバータ回路の方が上げ易いのである。そして、電圧コンバータ回路のキャリア周波数を高めることができれば、コンデンサやリアクトルの小型化（小容量化、あるいは、許容電流の小さいリアクトルの採用）が実現できる。一例では、電圧コンバータ回路のキャリア周波数は数十ｋＨｚであり、インバータ回路のキャリア周波数は数ｋＨｚである。

本明細書が開示する技術は、積層ユニットに積層されているパワーカードが２種類に分類できることに着目する。即ち、電圧コンバータ回路のスイッチング素子を収容するパワーカードとインバータ回路のスイッチング素子を収容するパワーカードである。以下、前者を第１パワーカードと称し、後者を第２パワーカードと称する。そのいずれもが、積層ユニットに積層されるとともに、コンデンサと接続される。他方、インダクタンスは、スイッチング素子（パワーカード）とコンデンサの間のバスバの長さが短いほど小さくなる。即ち、積層ユニット内において第１パワーカードと第２パワーカードの並び順に自由度があるならば、第１パワーカードをコンデンサの近くに配置すれば、逆の場合よりも電圧コンバータ回路のスイッチング動作に起因するインダクタンスを小さくすることができる。本明細書は、上記の技術的思想のもと、具体的な新しい電力変換器の態様を開示する。

本明細書が開示する電力変換器の一つの態様を以下に記す。その電力変換器は、電動車両に搭載されるデバイスであり、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路と昇圧後の電力を交流に変換して走行用モータに供給するインバータ回路を含む。電力変換器は、ハードウエアとしては、電圧コンバータ回路のスイッチング素子を収容する第１パワーカードと、インバータ回路のスイッチング素子を収容する第２パワーカードと、複数の冷却器を備える。第１パワーカードと第２パワーカードが複数の冷却器と交互に積層されて積層ユニットを構成している。さらに、電力変換器は、第１パワーカード（電圧コンバータ回路のスイッチング素子）と第２パワーカード（インバータ回路のスイッチング素子）と接続されているコンデンサを含む。そのコンデンサは、積層ユニットの積層方向でその積層ユニットに隣接配置されている。第１パワーカード（第１パワーカード内のスイッチング素子）と第２パワーカード（第２パワーカード内のスイッチング素子）とコンデンサがバスバで接続されている。そして、第１パワーカードが第２パワーカードよりもコンデンサの近くに配置されており、コンデンサから第１パワーカードまでのバスバの長さが、コンデンサから第２パワーカードまでのバスバの長さよりも短い。なお、コンデンサと第１パワーカードを接続するバスバと、コンデンサと第２パワーカードを接続するバスバは、物理的に一つのバスバであってもよいし、分離していてもよい。

上記の電力変換器は、コンデンサを積層ユニットの積層方向で隣接配置するとともにコンデンサの近くに第１パワーカード（電圧コンバータのスイッチング素子を含むパワーカード）を配置する。第２パワーカードとコンデンサの間のバスバの長さが長くなるのでその間のインダクタンスは上昇するが、その代わりに第１パワーカードとコンデンサの間のインダクタンスが下がる。それゆえ、電圧コンバータのスイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号のキャリア周波数を上げることができ、ひいては小型のコンデンサ、あるいは許容電流の小さいリアクトルを採用することが可能となる。

本明細書が開示する技術は、バスバ全体のインダクタンスを下げるのではなく、インバータ回路のスイッチング素子とコンデンサの間のインダクタンスよりも電圧コンバータ回路のスイッチング素子とコンデンサの間のインダクタンスを優先して下げる、という発想に基づく技術である。本明細書が開示する技術は、コンデンサに対する第１パワーカードと第２パワーカードの並び順を特定することで、電圧コンバータ回路に小型の部品（小容量のコンデンサあるいは許容電流の小さいリアクトル）を採用することを可能とし、電力変換器の小型化を実現する。

なお、好ましくは、第１パワーカードが冷却器を挟んでコンデンサと隣接しているのがよい。この場合、その冷却器とコンデンサが接触している。ここで、冷却器とコンデンサは絶縁材を挟んで接触しても良いし、さらに好ましくはその冷却器がコンデンサと直接接触していても良い。そのようなレイアウトが、パワーカードとコンデンサの発熱対策を確保するとともに電圧コンバータのスイッチング素子とコンデンサの間のインダクタンスを最も小さくすることができる。なお、第１パワーカードとコンデンサの間に挟む冷却器は、積層ユニットの冷却器であってもよいし、別の冷却器であってもよい。別の冷却器を以下ではサブ冷却器と称する。

また、電圧コンバータのリアクトルも冷却されるように、コンデンサとともにリアクトルも積層ユニットの積層方向に配置することが好ましい。本明細書で開示する技術の特徴は、第２パワーカードよりも第１パワーカードの近くにコンデンサを配置することで、電圧コンバータ回路のスイッチング素子とコンデンサの間のインダクタンスを優先して下げることにある。この特徴を持つ本明細書で開示する電力変換装置において、積層ユニットにコンデンサが隣接配置されているという場合、コンデンサと積層ユニットの間にサブ冷却器やリアクトル等の部品が介在する場合も含まれる。上記のリアクトルは、積層ユニットの冷却器と接触するように配置されても良いし、さらにリアクトルの冷却器と接触する反対側の面で上述のサブ冷却器と接触するように配置されても良い。

本明細書が開示する技術は、電圧コンバータ回路のインダクタンスをインバータ回路のインダクタンスに比べて優位に低減化することで、電圧コンバータ回路に付随するデバイス（コンデンサあるいはリアクトル）に小型のものを採用することができ、ひいては電力変換器を小型化することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換器を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 電力変換器の平面図である。 電力変換器のケース内部の側面図である。 電力変換器の平面図である（バスバレイアウトの変形例）。 第２実施例の電力変換器の平面図である。 第３実施例の電力変換器の平面図である。 第４実施例の電力変換器の平面図である。 第５実施例の電力変換器の平面図である。

（第１実施例）図面を参照して実施例の電力変換器を説明する。図１に電力変換器を含む電動車両１００の電力系のブロック図を示す。電動車両１００は、２個のモータ８３ａ、８３ｂを備える。それゆえ、電力変換器２は、２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備える。なお、２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、動力分配機構８５で合成／分配されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。

電力変換器２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力変換器２は、バッテリ８１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを含む。なお、インバータ回路１３ａ、１３ｂと電圧コンバータ回路１２は、車両の制動時にモータ８３ａ、８３ｂが発生した電力（回生電力）を直流に変換し、その後降圧してバッテリを充電することもある。

電圧コンバータ回路１２は、２個のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路、一端がその直列回路の中点に接続されており他端が高電位側の入力端に接続されているリアクトル７、及び、高電位側の入力端と低電位側の入力端の間に接続されているフィルタコンデンサ５、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。低電位側のラインは電圧コンバータ回路１２の入力側と出力側で直接接続されており、これらは回路のグランド電位に保持される。

電圧コンバータ回路１２は、バッテリ８１の電圧を昇圧してインバータ回路１３ａ（１３ｂ）へ供給する動作（昇圧動作）と、インバータ回路１３ａ（１３ｂ）側から入力される直流電力（モータ８３ａ又は８３ｂが発生する回生電力）を降圧してバッテリ８１へ供給する動作（降圧動作）の双方を行うことができる。前者の場合はスイッチング素子Ｔ８が主に貢献し、後者の場合はスイッチング素子Ｔ７が主に貢献する。図１の電圧コンバータ回路はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号ＰＣ７が示す破線矩形の範囲の回路が、後述するパワーカードＰＣ７に対応する。符号Ｐｔ、Ｎｔは、パワーカードＰＣ７から延出している端子であって、夫々、スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８の直列回路の高電位側の電極と接続されている端子（正極端子Ｐｔ）と、低電位側の電極と接続されている端子（負極端子Ｎｔ）を表している。次に説明するように、正極端子Ｐｔ、負極端子Ｎｔという呼称は、他のパワーカードでも用いる。

インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、Ｔ３とＴ６）。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路の高電位側の端子（正極端子端子Ｐｔ）が電圧コンバータ回路１２の高電位側の出力端に接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子（負極端子Ｎｔ）は電圧コンバータ回路１２の低電位側の出力端に接続されている。３セットの直列回路の中点から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。３セットの直列回路の夫々が、後述するパワーカードＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３に対応する。

インバータ回路１３ｂの構成はインバータ回路１３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略している。インバータ回路１３ｂもインバータ回路１３ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。各直列回路に対応するハードウエアのモジュールをパワーカードＰＣ４、ＰＣ５、ＰＣ６と称する。

インバータ回路１３ａ、１３ｂの入力端に平滑化コンデンサ６が並列に接続されている。平滑化コンデンサ６は、別言すれば、電圧コンバータ回路１２の出力端に並列に接続されている。平滑化コンデンサ６は、電圧コンバータ回路１２の出力電流に重畳しているノイズ（スイッチング動作に伴う電流の脈動）を除去する。

スイッチング素子Ｔ１−Ｔ８は、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。あるいは、将来的には異なるタイプのスイッチング素子が電力変換器に用いられるかもしれない。本明細書が開示する技術の主な特徴はパワーカードとバスバのレイアウトにあり、スイッチング素子のタイプに依存しない。また、ここでいうスイッチング素子は、大電流の電力を変換することに用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。

図１に破線ＰＣ１−ＰＣ７で囲んだように、電力変換器２は、２個のスイッチング素子の直列回路を７セット備えている。ハードウエアとしては、２個のスイッチング素子の直列回路、およびこれに付随するダイオードが一つのパッケージに収容されている。具体的には、２個のスイッチング素子とダイオードが樹脂で封止されており、その樹脂パッケージの内部でスイッチング素子が直列に接続されているとともに、各スイッチング素子にダイオードが逆並列に接続されている。また、半導体基板にスイッチング素子とダイオードがペアで作り込まれているデバイスもある。そのような樹脂パッケージを本明細書ではパワーカードと称する。即ち、電力変換器２は、７個のパワーカードＰＣ１−ＰＣ７を備える。前述したように、各パワーカードに付されている符号Ｐｔは、２個のスイッチング素子の直列回路の高電位側の電極に接続されている正極端子を表しており、符号Ｎｔは、低電位側の電極に接続されている負極端子を表している。

図１において、符号３が示す破線内の導電経路は、複数のパワーカードの正極端子Ｐｔと平滑化コンデンサ６を相互に接続するＰバスバに対応し、符号４が示す破線内の導電経路は、複数の負極端子Ｎｔと平滑化コンデンサ６を相互に接続するＮバスバに対応する。Ｐバスバ３、Ｎバスバ４については後述する。

次に、電力変換器２のハードウエア構成を説明する。大電流を扱うスイッチング素子は発熱量も多い。複数のスイッチング素子を効率よく冷却するため、電力変換器２は、７個のパワーカードＰＣ１−ＰＣ７と複数の冷却器２１を交互に積層した積層ユニット２０を備える。図２Ａ、図２Ｂに積層ユニット２０を含む電力変換器２の部品レイアウトを示す。図２Ａは、電力変換器２の平面図（カバーを外した状態）を示しており、図２Ｂは、筐体２６だけを断面で表し、内部の部品を側面図として表している。

積層ユニット２０は、７枚のパワーカードＰＣ１−ＰＣ７と８枚の冷却器２１を交互に積層したものであり、各パワーカードはその両側を冷却器２１で挟まれている。複数の冷却器２１の内部は冷媒が通る空洞である。各冷却器２１の長手方向（図中のＹ軸方向）の両側に孔が設けられており、隣接する冷却器２１が連結管３３ａ、３３ｂで連結されている。図中で積層方向（Ｘ軸方向）の左端に位置する冷却器２１には冷媒供給管３１と冷媒排出管３２が接続されている。冷媒供給管３１から供給された冷媒は、連結管３３ａを通じて全ての冷却器２１に分配される。冷媒は、各冷却器２１の内部を通過する間に隣接するパワーカードの熱を吸収し、他方の連結管３３ｂを通じて冷媒排出管３２へと送られる。なお、冷媒は、液体であり、例えば、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

積層ユニット２０の図中右端の冷却器２１の外側にコンデンサユニット２３が配置されている。コンデンサユニット２３は、図１の回路ブロック図の平滑化コンデンサ６に相当する。コンデンサユニット２３は、積層ユニット２０の積層方向に配置されており、積層方向と直交する一方の側面が冷却器２１に接触しており、他方の側面がサブ冷却器２４に接触している。別言すれば、サブ冷却器２４が積層ユニット２０の積層方向でコンデンサユニット２３に接触している。サブ冷却器２４は、電力変換器２の筐体２６に固定されている。サブ冷却器２４は、積層ユニット２０の冷却器２１とは独立した冷却器である。

積層ユニット２０は、コンデンサユニット２３とともに、積層方向の一端（図中の左端）を板バネ２７を介して筐体側壁に支持されており、他端をサブ冷却器２４で支持されている。板バネ２７は積層ユニット２０とコンデンサユニット２３をその積層方向に加圧している。積層ユニット２０の各パワーカードＰＣ１−ＰＣ７は、板バネ２７の荷重により、隣接する冷却器２１と密着する。また、コンデンサユニット２３も、板バネ２７の荷重により、冷却器２１とサブ冷却器２４に密着する。パワーカードＰＣ１−ＰＣ７とコンデンサユニット２３は、冷却器と密着することによって効率よく冷却される。

前述したようにコンデンサユニット２３は、図１の平滑化コンデンサ６に対応する。そして、図１に示されているように、平滑化コンデンサ６は、パワーカードＰＣ１−ＰＣ７の夫々と並列に接続される。物理的には、コンデンサユニット２３とパワーカードＰＣ１−ＰＣ７はＰバスバ３（正極用バスバ）とＮバスバ４（負極用バスバ）で電気的に接続される。Ｐバスバ３、Ｎバスバ４は、細長の金属板であり、ケーブルの導電部材よりも内部抵抗が小さく、さらに耐熱性も高く、大電力を輸送するのに適している導電部材である。

Ｐバスバ３は、一端がコンデンサユニット２３の一方の電極（不図示）に接続されているとともに積層ユニット２０の積層方向に沿って伸びているＰバスバ本体３ａと、Ｐバスバ本体３ａから分岐している複数のＰバスバ枝部３ｂで構成されている。各Ｐバスバ枝部３ｂが、各パワーカードの正極端子Ｐｔと接合している。Ｎバスバ４も、一端がコンデンサユニット２３の他方の電極（不図示）に接続されているとともに積層ユニット２０の積層方向に伸びているＮバスバ本体４ａと、Ｎバスバ本体４ａから分岐している複数のＮバスバ枝部４ｂで構成されている。各Ｎバスバ枝部４ｂが、各パワーカードの負極端子Ｎｔと接合している。バスバ枝部と正極端子（負極端子）は、例えば溶接で接合される。

サブ冷却器２４も内部を冷媒が通る。サブ冷却器２４のコンデンサユニット２３とは反対側の面には、リアクトルユニット２５が接触している。リアクトルユニット２５は、ボルト８７によってサブ冷却器２４に固定されている。リアクトルユニット２５は、図１のブロック図においてリアクトル７に相当する。リアクトルユニット２５は、サブ冷却器２４に接触しており、これによって冷却される。

パワーカードＰＣ１−ＰＣ７と、コンデンサユニット２３の配置関係について説明する。パワーカードＰＣ１−ＰＣ７は、ハードウエア的には同一のユニットである。図１のブロック図をみても、パワーカードＰＣ１−ＰＣ７は、いずれも、２個のスイッチング素子の直列回路と各スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードで構成されている。しかし、パワーカードＰＣ７は、電圧コンバータ回路１２に用いられているスイッチング素子を収容しており、他のパワーカードは、インバータ回路に用いられているスイッチング素子を収容している。電力変換器２の積層ユニット２０では、パワーカードＰＣ７が、他のパワーカードよりもコンデンサユニット２３の近くとなるように各パワーカードを配置している。詳しく述べると、電圧コンバータ回路１２のスイッチング素子を収容するパワーカードＰＣ７を、インバータ回路のスイッチング素子を収容する他のパワーカードＰＣ１−ＰＣ６よりもコンデンサユニット２３の近くに配置している。従って、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３との接続箇所からパワーカードＰＣ７との接続箇所までの長さ（図２Ｂにて符号Ｌ１が示す距離）が、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３との接続箇所から他のいずれのパワーカードＰＣ１−ＰＣ６との接続箇所までの長さよりも短くなっている。つまり、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３とパワーカードＰＣ７の間の導電経路の長さが、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３と他のいずれのパワーカードＰＣ１−ＰＣ６の導電経路の長さよりも短くなっている。このことは、図１の回路図を使って表現すれば、電圧コンバータ回路１２のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８から平滑化コンデンサ６までの導電経路の長さが、インバータ回路１３ａ、１３ｂのスイッチング素子Ｔ１−Ｔ６から平滑化コンデンサ６までの導電経路の長さよりも短いことに相当する。

上記した導電経路の長さより、次の利点を得られる。コンデンサユニット２３（平滑化コンデンサ６）からパワーカードＰＣ７（電圧コンバータ回路１２のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８）までの導電経路を短くする方が、コンデンサユニット２３からインバータ回路１３ａ、１３ｂのスイッチング素子Ｔ１−Ｔ６までの導電経路を短くするよりも電力変換器２の電力損失を抑制することができる。これは、一般に、キャリア周波数（スイッチング素子に与えるＰＷＭ信号の基礎となる周波数）が高いほど、導電経路のインダクタンスに起因する電力損失が大きくなるので、高いキャリア周波数の電流が通る導電経路のインダクタンスを低減することで、低いキャリア周波数の電流が通る導電経路のインダクタンスを下げるよりも大きな電力損失低減効果が得られるからである。なお、電圧コンバータ回路のキャリア周波数がインバータ回路のキャリア周波数より高くし易い。その理由は、インバータ回路にはモータが接続されているからである。キャリア周波数を上げる場合、スイッチング速度の速い半導体素子を使う必要があるが、スイッチング速度の高速化はサージ電圧の増加を招き、モータがそのサージ電圧に耐えられないからである。一方、電圧コンバータには、モータなど耐サージ電圧が比較的に低いデバイスが接続されていないため、キャリア周波数を高め、スイッチング動作の高速な半導体素子を採用することで、電力損失を減らすことができる。そして、コンデンサ６と電圧コンバータ用の半導体素子との間のインダクタンスを抑制することで、電力損失をさらに抑制することができる。なお、電気自動車の一例では、電圧コンバータ回路のキャリア周波数は１０ｋＨｚ程度であり、他方、インバータ回路のスイッチング素子のキャリア周波数は５ｋＨｚ程度である。

そして、電圧コンバータ回路１２のキャリア周波数を高めることで、リプル電流が高周波数化するとともに電流の絶対値が小さくなる。それゆえ、平滑化コンデンサ６に出入りする電流が小さくなるのでその容量を小さくすることができる。また、リプル電流が小さくなることは、リアクトル７に流れる交流電流が小さくなることを意味するので、許容電流の小さいリアクトルを選定することができるようになる。即ち、実施例の電力変換器２は、平滑化コンデンサ６の小容量化、あるいは、許容電流の小さいリアクトルの選択を可能とする。即ち、上記の技術を適用することによって、電力変換器を小型化することができる。

なお、「背景技術」の欄で述べたように、ＰバスバとＮバスバを併走させることによってもバスバのインダクタンスを低減することができる。その技術は、バスバ全体のインダクタンスを下げるという技術的思想である。本実施例の技術は、バスバ全体のインダクタンスを下げるという技術思想ではなく、電圧コンバータ回路のスイッチング素子と平滑化コンデンサを接続するバスバのインダクタンスを、インバータ回路のスイッチング素子と平滑化コンデンサを接続するバスバよりも優先させて下げる、という技術思想に基づく。例えば、図２Ｃに示すように、Ｐバスバ３とＮバスバ１０４を併走させるようにすると、図２Ａ、図２Ｂのバスバレイアウトの態様よりもバスバ全体のインダクタンスを下げることができる。なお、図２Ｃに示した電力変換器２ａは、Ｎバスバ１０４だけが電力変換器２と異なる。実施例の技術は、図２Ｃのバスバレイアウトにおいても有効である。即ち、ＰバスバとＮバスバを併走させた上で、パワーカードＰＣ７を他のパワーカードよりもコンデンサユニット２３の近くに配置することで、平滑化コンデンサのより一層の小型化、あるいは、許容電流のより小さいリアクトルの選定を可能にする。

（第２実施例）図３に、第２実施例の電力変換器１０２の平面図を示す。電力変換器１０２の回路構成は図１に示した電力変換器２と同一である。この実施例では、積層ユニット２０に対するコンデンサユニット２３とリアクトルユニット２５のレイアウトが第１実施例の場合と異なる。電力変換器１０２では、積層ユニット２０の積層方向の一方側（図中の左側）でコンデンサユニット２３が隣接しており、他方側（図中の右側）でリアクトルユニット２５が隣接している。コンデンサユニット２３は、積層ユニット２０の左端の冷却器２１と接触しており、リアクトルユニット２５は、積層ユニット２０の右端の冷却器２１と接触している。リアクトルユニット２５は、ボルト８７で筐体２６に固定されている。他方、コンデンサユニット２３は、積層ユニット２０とともに、板バネ２７で積層方向に荷重を受けて支持されている。なお、コンデンサユニット２３と板バネ２７の間には絶縁板２８が配置されている。

電力変換器１０２も、電圧コンバータ回路１２のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８を収容したパワーカードＰＣ７が他のパワーカードよりもコンデンサユニット２３の近くに配置されている。そして、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３との接続箇所からパワーカードＰＣ７との接続箇所までの長さＬ１が、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３との接続箇所から他のパワーカードとの接続箇所までの長さよりも短い。つまり、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３とパワーカードＰＣ７の間の導電経路の長さが、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３と他のパワーカードの間の導電経路の長さよりも短い。図１の回路図を参照して表現すれば、平滑化コンデンサ６から電圧コンバータ回路１２のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８までの導電経路の距離が、平滑化コンデンサ６からインバータ回路１３ａ（１３ｂ）のスイッチング素子Ｔ１−Ｔ６までの導電経路の距離よりも短い。第２実施例の電力変換器１０２も、第１実施例の電力変換器２と同じ利点を有する。

（第３実施例）図４に、第３実施例の電力変換器２０２の平面図を示す。電力変換器２０２の回路構成も図１に示した電力変換器２と同一である。この実施例では、積層ユニット２０に対するコンデンサユニット２３とリアクトルユニット２５と板バネ２７のレイアウトが第１実施例の場合と異なる。電力変換器２０２では、積層ユニット２０の積層方向の一端（図中左側）にリアクトルユニット２５が接触しており、積層ユニット２０の積層方向の他端（図中右側）は、筐体２６に固定されたサブ冷却器２４に当接している。積層ユニット２０とリアクトルユニット２５は、板バネ２７により積層方向の荷重を受けて支持されている。なお、リアクトルユニット２５と板バネ２７の間に絶縁板２８が配置されている。また、サブ冷却器２４の積層ユニット２０とは反対側の面にコンデンサユニット２３が配置されている。コンデンサユニット２３は、サブ冷却器２４に固定され、これによって冷却される。コンデンサユニット２３が積層ユニット２０の積層方向に配置されている点は先の電力変換器２、１０２と同じである。

電力変換器２０２も、電圧コンバータ回路１２のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８を収容したパワーカードＰＣ７が他のパワーカードよりもコンデンサユニット２３の近くに配置されている。そして、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３との接続箇所からパワーカードＰＣ７との接続箇所までの長さＬ１が、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３との接続箇所から他のパワーカードとの接続箇所までの長さよりも短い。つまり、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３とパワーカードＰＣ７の間の導電経路の長さが、Ｐバスバ３（Ｎバスバ４）のコンデンサユニット２３と他のパワーカードの間の導電経路の長さよりも短い。図１の回路図を参照して表現すれば、平滑化コンデンサ６から電圧コンバータ回路１２のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８までの導電経路の距離が、平滑化コンデンサ６からインバータ回路１３ａ（１３ｂ）のスイッチング素子Ｔ１−Ｔ６までの導電経路の距離よりも短い。第３実施例の電力変換器２０２も、第１実施例の電力変換器２と同じ利点を有する。

（第４実施例）図５に、第４実施例の電力変換器３０２の平面図を示す。電力変換器３０２の回路構成も図１に示した電力変換器２と同一である。この実施例では、板バネ２７とリアクトルユニット２５の配置が、第３実施例の電力変換器２０２と逆である。それ以外のレイアウトは第３実施例の電力変換器３０２と同じである。第４実施例の電力変換器３０２は、第３実施例の電力変換器２０２と同じ利点を有する。

（第５実施例）図６に、第５実施例の電力変換器４０２の平面図を示す。電力変換器４０２の回路構成も図１に示した電力変換器２と同一である。この実施例では、コンデンサユニット２３とリアクトルユニット２５の配置が、第１実施例の電力変換器２と逆である（図２Ａ参照）。つまり、積層ユニット２０の端の冷却器に電圧コンバータ回路のリアクトルユニット２５が接触している。そして、リアクトルユニット２５の積層ユニット２０とは反対側の面に、サブ冷却器２４が接触している。さらに、サブ冷却器２４のリアクトルユニット２５とは反対側の面にコンデンサユニット２３が接触している。それ以外のレイアウトは第１実施例の電力変換器２と同じである。第５実施例の電力変換器４０２は、第１実施例の電力変換器２と同じ利点を有する。なお、電力変換器２では、コンデンサユニット２３が冷却器２１とサブ冷却器２４に挟まれて冷却され、リアクトルユニット２５は片面だけがサブ冷却器２４で冷却される。これに対して、電力変換器４０２では、コンデンサユニット２３が片面だけサブ冷却器２４で冷却され、リアクトルユニット２５は冷却器２１とサブ冷却器２４に挟まれて冷却される点で電力変換器２と相違する。

さらに、他の実施例として、第５実施例における、リアクトル２５と板バネ２７の配置が逆の電力変換器がある。つまり、積層ユニット２０の端側に板バネ２７が配置されている。そして、板バネ２７の積層ユニット２０とは反対側に、サブ冷却器２４が配置されている。さらに、サブ冷却器２４の板バネ２７とは反対側の面にコンデンサユニット２３が接触している。このような場合でも、第１実施例の電力変換器２と同じ利点を有する。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。電圧コンバータ回路のスイッチング素子Ｔ７、Ｔ８を収容したパワーカードＰＣ７が、第１パワーカードの一例に相当する。インバータ回路のスイッチング素子Ｔ１−Ｔ６のいずれかを収容したパワーカードＰＣ１−ＰＣ６が、第２パワーカードの一例に相当する。

本明細書が開示した技術は、走行用にモータとともにエンジンを備えるハイブリッド車エンジンを備えない電気自動車、あるいは燃料電池車に適用することも好適である。

また、上記の実施例において、電力変換器には、２個のモータが接続されていたが、このような構成には限らない。１個のモータが接続されても良いし、２個以上のモータが接続されても良い。また、上記の実施例において、コンデンサと冷却器が接触していると言う場合、コンデンサと冷却器が直接接触していても良いし、コンデンサと冷却器の間に絶縁材を挟んで接触しても良い。コンデンサとサブ冷却器との間及びリアクトルと冷却器（サブ冷却器）との接触についても同様である。

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。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。

２、２ａ、１０２、２０２、３０２、４０２：電力変換器
３：Ｐバスバ
３ａ：Ｐバスバ本体
３ｂ：Ｐバスバ枝部
４、１０４：Ｎバスバ
４ａ：Ｎバスバ本体
４ｂ：Ｎバスバ枝部
５：フィルタコンデンサ
６：平滑化コンデンサ
７：リアクトル
１２：電圧コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
２０：積層ユニット
２１：冷却器
２３：コンデンサユニット
２４：サブ冷却器
２５：リアクトルユニット
２６：筐体
２７：板バネ
２８：絶縁板
３１：冷媒供給管
３２：冷媒排出管
３３ａ、３２ｂ：連結管
８１：バッテリ
８２：システムメインリレー
８３ａ、８３ｂ：モータ
１００：電気自動車
Ｎｔ：負極端子
Ｐｔ：正極端子
ＰＣ１−ＰＣ７：パワーカード
Ｔ１−Ｔ８：スイッチング素子

Claims (6)

1. バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路と昇圧後の電力を交流に変換して走行用モータに供給するインバータ回路を含む電力変換器であり、
   前記電圧コンバータ回路のスイッチング素子を収容する第１パワーカードと、前記インバータ回路のスイッチング素子を収容する第２パワーカードと、複数の冷却器と、が積層されている積層ユニットと、
   前記積層ユニットの積層方向で当該積層ユニットに隣接配置されているコンデンサと、
   前記第１パワーカードと前記第２パワーカードと前記コンデンサを接続しているバスバと、を備えており、
   前記第１パワーカードが前記第２パワーカードよりも前記コンデンサの近くに配置されており、
   前記バスバの前記コンデンサから前記第１パワーカードまでの長さが、前記バスバの前記コンデンサから前記第２パワーカードまでの長さよりも短い、
   ことを特徴とする電力変換器。
2. 前記積層ユニットの積層方向の端に配置されている冷却器が前記コンデンサに接触していることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記冷却器とは別のサブ冷却器が前記積層方向で前記コンデンサに接触していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換器。
4. 前記電圧コンバータ回路のリアクトルが、前記積層方向において前記コンデンサの反対側で前記サブ冷却器に接触していることを特徴とする請求項３に記載の電力変換器。
5. 前記積層ユニットの端の冷却器に前記電圧コンバータ回路のリアクトルが接触しており、当該リアクトルの前記積層ユニットとは反対側の面に、前記冷却器とは別のサブ冷却器が接触しており、前記サブ冷却器の前記リアクトルとは反対側の面に前記コンデンサが接触していることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
6. 前記冷却器を挟んで前記第１パワーカードと前記コンデンサが隣接していることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換器。

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