JP2015146714A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒューズの熱の影響を抑制することができる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】直流電源から入力される直流電力を電力変換する主回路部１１と、主回路部１１と並列接続されると共に直流電力を外部機器へ供給する分岐回路部１２とを有する電力変換装置１。主回路部１１は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール２と、半導体モジュール２に接続された平滑コンデンサ３とを有する。分岐回路部１２は、プリント配線板４に実装されたヒューズ５を有する。プリント配線板４は、半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３とヒューズ５との間に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源から入力される直流電力を電力変換する主回路部と、該主回路部と並列接続されると共に上記直流電力を外部機器へ供給する分岐回路部とを有する電力変換装置に関する。

例えば、直流電源から入力される直流電力を電力変換する電力変換装置として、電力変換を行う主回路部と共に、該主回路部と並列接続されると共に直流電力を外部機器へ供給する分岐回路部を備えたものがある。そして、分岐回路部には、外部機器における短絡等の要因で生じる過電流が流れ続けないようにすべく、ヒューズが設けられている。
特許文献１に記載の電力変換装置においても、ヒューズが設けられている。そして、ヒューズは、電力変換装置内におけるプリント配線板上に実装されている。

特開２０１１−２３６３４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の電力変換装置においては、コンデンサや半導体素子等の発熱部品が、プリント配線板におけるヒューズと同じ側に配されている。それゆえ、上記発熱部品がヒューズから受熱しやすく、発熱部品の熱的余裕度が減少するという問題がある。かかる問題を解決すべく、部品間距離を大きくするなどの必要があり、これは電力変換装置の大型化を招く要因となる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、ヒューズの熱の影響を抑制することができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、直流電源から入力される直流電力を電力変換する主回路部と、該主回路部と並列接続されると共に上記直流電力を外部機器へ供給する分岐回路部とを有する電力変換装置であって、
上記主回路部は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続された平滑コンデンサとを有し、
上記分岐回路部は、プリント配線板に実装されたヒューズを有し、
上記プリント配線板は、上記半導体モジュール及び上記平滑コンデンサと上記ヒューズとの間に配置されていることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、プリント配線板が、半導体モジュール及び平滑コンデンサとヒューズとの間に配置されている。それゆえ、ヒューズの熱は、プリント配線板に遮断され、半導体モジュール及び平滑コンデンサへ伝わり難い。その結果、電力変換装置の主要な発熱部品である半導体モジュール及び平滑コンデンサが、ヒューズから受熱することを、抑制することができる。
これに伴い、半導体モジュール及び平滑コンデンサとヒューズとの間の距離や、発熱部品同士の間隔を特に大きくするなどの必要がなくなり、電力変換装置の小型化を容易にすることができる。

以上のごとく、本発明によれば、ヒューズの熱の影響を抑制することができる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の断面説明図。 実施例１における、プリント配線板のヒューズ実装面の平面図。 実施例１における、プリント配線板のヒューズ実装面の反対側面の平面図。 実施例２における、電力変換装置の断面説明図。 実施例２における、プリント配線板のヒューズ実装面の反対側面の平面図。 実施例３における、電力変換装置の断面説明図。 実施例３における、プリント配線板のヒューズ実装面の反対側面及び分岐コネクタの平面図。 実施例４における、プリント配線板のヒューズ実装面の平面図。 実施例５における、プリント配線板のヒューズ実装面の反対側面及び分岐コネクタの平面図。 実施例６における、電力変換装置の断面説明図。 実施例６における、プリント配線板のヒューズ実装面の反対側面の平面図。

上記電力変換装置は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両に搭載され、車両の駆動源となる回転電機へ供給される交流電力を生成することができる。
また、上記外部機器としては、例えば、空調用ヒータ、エアコン用コンプレッサ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、充電器等がある。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例につき、図１〜図３を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すごとく、直流電源から入力される直流電力を電力変換する主回路部１１と、主回路部１１と並列接続されると共に直流電力を外部機器へ供給する分岐回路部１２とを有する。

主回路部１１は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール２と、該半導体モジュール２に接続された平滑コンデンサ３とを有する。
分岐回路部１２は、プリント配線板４に実装されたヒューズ５を有する。
プリント配線板４は、半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３とヒューズ４との間に配置されている。

本例において、電力変換装置１は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両に搭載され、車両の駆動源となる回転電機へ供給される交流電力を生成するインバータである。すなわち、主回路部１１はインバータ回路を構成している。
主回路部１１及び分岐回路部１２は、ケース１３内に配置されている。主回路部１１は、複数の半導体モジュール２によって構成されており、該複数の半導体モジュール２は、これらを冷却する複数の冷却管１５１と共に積層されている。複数の冷却管１５１は互いに連結されて積層型の冷却器１５を構成している。

半導体モジュール２は、積層方向と直交する方向に突出した制御端子２１と、制御端子２１の反対側に突出した主電極端子２２とを有する。複数の半導体モジュール２の制御端子２１は、主回路部１１を制御する制御回路が形成された制御回路基板１４に接続されている。主電極端子２２は、図示しないバスバーに接続されている。なお、本明細書において、特に示さない限り、制御端子２１の突出方向をＺ方向、半導体モジュール２と冷却管１５１との積層方向をＸ方向という。

冷却器１５及び制御回路基板１４も、ケース１３内に配置されている。また、平滑コンデンサ３は、Ｘ方向における冷却器１５の一端側に配置されている。また、ヒューズ５を実装したプリント配線板４は、Ｚ方向に平滑コンデンサ３、半導体モジュール２及び冷却器１５を挟んで制御回路基板１４と反対側に配置されている。そして、プリント配線板４は、ヒューズ５が実装された面を半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３と反対側に向けて配置されている。なお、プリント配線板４におけるヒューズ５が実装された面を、以下において適宜、ヒューズ実装面４１という。

また、本例においては、ヒューズ５はプリント配線板４とケース１３の底壁部１３１との間に配置され、底壁部１３１に面している。プリント配線板４及び制御回路基板１４は、法線方向がＺ方向を向くように配置されている。図２に示すごとく、Ｚ方向から見たとき、ヒューズ５は、プリント配線板４の外形の内側に配置されている。
平滑コンデンサ３は、直流電源の正極と負極との間に電気的に接続されている。すなわち、平滑コンデンサ３における一対の端子３１の一方と他方とが、それぞれ正極と負極とに電気的に接続されている。

図２に示すごとく、プリント配線板４のヒューズ実装面４１には、ヒューズクリップ４１１を介してヒューズ５の一対の端子５１が接続されることによって、ヒューズ５が実装されている。これにより、ヒューズ５の一対の端子５１は、ヒューズ実装面４１と反対側の面に形成されたランド４２（図３）と、スルーホール（図示略）を介して電気的に接続されている。このランド４２の一方に、平滑コンデンサ３の端子３１が、ワイヤーハーネス６１１を介して電気的に接続されている。また、一対のランド４２の他方は、ケース１３から突出した分岐コネクタ１６の一方の端子に、ワイヤーハーネス６１２を介して電気的に接続されている。また、分岐コネクタ１６における他方の端子は、コンデンサ３の端子３１にワイヤーハーネス６１３を介して接続されている。なお、本例においては、ワイヤーハーネス６１１、６１２の一端は、ランド４２に固定されたネジ端子４２１にビス４２２によって締結されている。

分岐コネクタ１６には、図示しない外部機器のコネクタを接続できるよう構成されている。外部機器としては、例えば、空調用ヒータ、エアコン用コンプレッサ、ＤＣ−ＤＣコンバータ、充電器等がある。
なお、プリント配線板４へのヒューズ５の実装状態は、特に限定されるものではなく、例えば、ヒューズ実装面４１に形成されたランドにヒューズ５の端子をハンダ付けされた状態としてもよいし、ヒューズ５の本体部に形成された端子面を、ヒューズ実装面４１のランドに表面実装してもよい。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、プリント配線板４が、半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３とヒューズ５との間に配置されている。それゆえ、ヒューズ５の熱は、プリント配線板４に遮断され、半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３へ伝わり難い。その結果、電力変換装置１の主要な発熱部品である半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３が、ヒューズ５から受熱することを、抑制することができる。
これに伴い、半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３とヒューズ５との間の距離や、発熱部品（半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３）同士の間隔を特に大きくするなどの必要がなくなり、電力変換装置１の小型化を容易にすることができる。

以上のごとく、本例によれば、ヒューズの熱の影響を抑制することができる電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図４、図５に示すごとく、分岐回路部１２が、直流電源の正極及び負極にそれぞれ接続される正極配線４３ｐ及び負極配線４３ｎを、プリント配線板４に形成してなる例である。
すなわち、プリント配線板４におけるヒューズ実装面４１と反対側の面に、正極配線４３ｐと負極配線４３ｎとの双方を形成してある。本例において、負極配線４３ｎは、一対のランド４２からなり、正極配線４３ｐは線状パターンからなる。正極配線４３ｐは、一端が、平滑コンデンサ３の端子とワイヤーハーネス６１４を介して電気的に接続され、他端が、分岐コネクタ１６とワイヤーハーネス６１５を介して電気的に接続される。また、負極配線４３ｎを構成する一対のランド４２は、実施例１と同様に、ヒューズ５に接続される。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、実施例１に示したような長いワイヤーハーネス６１３を削減もしくは省略することができる。また、正極配線４３ｐ及び負極配線４３ｎをプリント配線板４に形成する分、プリント配線板４の面積が大きくなることがあるが、この場合には、ヒューズ５と半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３との間の遮熱効果が向上する。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図６、図７に示すごとく、分岐回路部１２に外部機器を接続するための分岐コネクタ１６がプリント配線板４に実装されている例である。
すなわち、分岐コネクタ１６の一対の端子１６１が、それぞれプリント配線板４にパターン形成された正極配線４３ｐと負極配線４３ｎに、半田等によって接続されている。
その他は、実施例２と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例２において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例２と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、コネクタ１６とプリント配線板４との間のワイヤーハーネス等が不要となり、部品点数を削減することができる。その結果、小型化、組付工数低減を実現することができる。その他、実施例２と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図８に示すごとく、平滑コンデンサ３の電荷を放電するための放電抵抗１７が、プリント配線板４におけるヒューズ５と同じ側の面に実装されている例である。
すなわち、プリント配線板４のヒューズ実装面４１に、放電抵抗１７が実装されている。これにより、放電抵抗１７及びヒューズ５と、半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３との間に、プリント配線板４が介在した状態となっている。

放電抵抗１７は、平滑コンデンサ３に対して電気的に並列に接続されている。放電抵抗１７は、電力変換装置１の稼働が停止した際に、平滑コンデンサ３に溜まっていた電荷を放電するよう構成されている。また、電力変換装置１の通常運転時も、放電抵抗１７には多少の電流が流れて、電荷が熱となって放電される。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、ヒューズ５の熱と共に放電抵抗１７の熱も、プリント配線板４によって遮断して、半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３がこれらの熱を受熱することを抑制することができ0る。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図９に示すごとく、プリント配線板４に、分岐回路部１２と外部機器との接続を検出するインターロック回路１８が形成されている例である。
インターロック回路１８には、分岐コネクタ１６に設けられた検出用端子１６２が接続されている。そして、例えば、分岐コネクタ１６に外部機器のコネクタ（図示略）が正常に接続されたとき、検出用端子１６２を介してインターロック回路１８に信号電流が流れるよう構成されている。これにより、分岐回路部１２と外部機器との正常な接続を検出することができる。

このインターロック回路１８が、プリント配線板４におけるヒューズ実装面４１と反対側の面に形成されている。なお、インターロック回路１８は、プリント配線板４におけるヒューズ実装面４１に形成されていてもよい。
その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、インターロック回路１８をプリント配線板４に形成してあるため、分岐コネクタ１６とインターロック回路１８との間におけるワイヤーハーネス等を省略もしくは削減することができる。また、インターロック回路１８をプリント配線板４に形成する分、プリント配線板４の面積が大きくなることがあるが、この場合には、ヒューズ５と半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３との間の遮熱効果が向上する。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図１０、図１１に示すごとく、プリント配線板４が、半導体モジュール２の制御端子２１と接続された制御回路基板１４と一体化されている例である。
すなわち、本例の電力変換装置１は、図１０に示すごとく、プリント配線板４と制御回路基板１４との双方の機能を備えた一体化基板１４０を有する。一体化基板１４０は、実施例１の電力変換装置１における制御回路基板１４と同様に、半導体モジュール２に対して、Ｚ方向における制御端子２１側に配置されている。

そして、一体化基板１４０には、半導体モジュール２の制御端子２１が接続されていると共に、ヒューズ５が実装されている。ヒューズ５は、一体化基板１４０における半導体モジュール２及び平滑コンデンサ３と反対側の面に実装されている。また、一体化基板１４０には、分岐コネクタ１６の端子１６１が接続されている。

一体化基板１４０（制御回路基板１４）には、高電圧部１４１と低電圧部１４２とがあり、ヒューズ５及び分岐コネクタ１６は高電圧部１４１の領域内に実装されている。また、平滑コンデンサ３の一対の端子３１は、ワイヤーハーネス６１６を介して一体化基板１４０に接続されている。そして、一対のワイヤーハーネス６１６は、一体化基板１４０にパターン形成された正極配線及び負極配線（図示略）を介して、ヒューズ５の一方の端子５１及び分岐コネクタ１６の一方の端子１６１と、それぞれ電気的に接続されている。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、部品点数を削減することができ、電力変換装置１の小型化を図ることができる。その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

本発明は、上述した実施例に限られるものではなく、例えば、上記実施例の複数を適宜組み合わせた態様とすることもできる。
また、上記実施例においては、直流電源の負極側にヒューズを接続した例を示したが、ヒューズは、正極側に接続してもよいし、正極と負極との双方に接続してもよい。

１ 電力変換装置
１１ 主回路部
１２ 分岐回路部
２ 半導体モジュール
３ 平滑コンデンサ
４ プリント配線板
５ ヒューズ

Claims (6)

1. 直流電源から入力される直流電力を電力変換する主回路部（１１）と、該主回路部（１１）と並列接続されると共に上記直流電力を外部機器へ供給する分岐回路部（１２）とを有する電力変換装置（１）であって、
   上記主回路部（１１）は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（２）と、該半導体モジュール（２）に接続された平滑コンデンサ（３）とを有し、
   上記分岐回路部（１２）は、プリント配線板（４）に実装されたヒューズ（５）を有し、
   上記プリント配線板（４）は、上記半導体モジュール（２）及び上記平滑コンデンサ（３）と上記ヒューズ（５）との間に配置されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記分岐回路部（１２）は、上記直流電源の正極及び負極にそれぞれ接続される正極配線（４３ｐ）及び負極配線（４３ｎ）を、上記プリント配線板（４）に形成してなることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
3. 上記プリント配線板（４）には、上記分岐回路部（１２）に上記外部機器を接続するための分岐コネクタ（１６）が実装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記プリント配線板（４）には、上記平滑コンデンサ（３）の電荷を放電するための放電抵抗（１７）が、上記ヒューズ（５）と同じ側の面に実装されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
5. 上記プリント配線板（４）には、上記分岐回路部（１２）と上記外部機器との接続を検出するインターロック回路（１８）が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
6. 上記プリント配線板（４）は、上記半導体モジュール（２）の制御端子（２１）と接続された制御回路基板（１４）と一体化されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。

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