JP2016019339A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の設計の自由度を向上する。
【解決手段】パワーモジュール２、平滑コンデンサ３、制御基板４，５、及びゲート駆動基板６、を有する電力変換装置１である。パワーモジュール２上に、平滑コンデンサ３を収納したコンデンサケース３ａを設ける。パワーモジュール２内に組み込まれているスイッチング素子に駆動信号を出力するゲート駆動基板６を、パワーモジュール２とコンデンサケース３ａとの間に設ける。上位コントローラの指令信号を受信し、受信した指令信号に基づいてゲート駆動基板６に制御信号を出力する制御基板４，５をコンデンサケース３ａの側面部に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に電力変換装置の制御基板の取付構造に関する。

電力変換装置は、例えば、スイッチング素子を有するパワーモジュールと、パワーモジュールの直流電源端子に並列接続される複数の平滑コンデンサから成るコンデンサモジュールと、スイッチング素子を制御する制御回路とから構成される（例えば、特許文献１）。

特許文献１では、パワーモジュール上に、パワーモジュールの動作を行うスイッチング駆動回路基板が設けられ、さらにその上に平滑コンデンサを備えたコンデンサモジュールが設けられている。そして、コンデンサモジュールの上に、スイッチング駆動回路基板の制御を行う回転電機制御回路基板が設けられている。

近年の自動車に適用される電力変換装置は、多車種共用化設計の傾向が強く、また電装品が増加している。特許文献２では、電動パワーステアリング用のコントローラユニットを、モータを駆動する駆動基板と、駆動基板を制御する制御基板とを直交して設けることで、異形状の狭い空間にコントローラユニットを配置容易とする技術が提案されている。

特開２００７−２８２３６９号公報 特開２００４−２３７８３２号公報

このように、電力変換装置は、設置スペースが限られる場合があり、例えば、電力変換装置の搭載可能なスペースに収めるために複雑な形状となり、設計の自由度が低下するおそれがある。

上記事情に鑑み、本発明は、電力変換装置の設計の自由度を向上させる制御基板の取付構造を提供することを目的としている。

上記目的を達成する、本発明の電力変換装置は、スイッチング素子を有するパワーモジュールと、略直方体形状のコンデンサケース内に配置され前記パワーモジュールに接続される平滑コンデンサと、を備える電力変換装置であって、前記コンデンサケースを前記パワーモジュールと対向して設け、前記パワーモジュールの前記コンデンサケースとの対向面に、前記スイッチング素子へ駆動信号を出力するゲート駆動基板を設け、前記コンデンサケースの前記パワーモジュールとの対向面に隣接する面に、前記ゲート駆動基板に制御信号を送信する制御基板を設けることを特徴としている。

以上の本発明によれば、電力変換装置の設計の自由度が向上する。

（ａ）本発明の実施形態に係る電力変換装置の正面図、（ｂ）本発明の実施形態に係る電力変換装置の側面図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 平滑コンデンサの概略断面図である。 振動対策の一例を示す説明図である。

本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照しながら説明する。なお、図面は本発明の実施形態に係る電力変換装置の概略を示す図であるので、図面の寸法比率は、説明のため誇張されたものとなっている。また、実施形態の説明では、便宜的にパワーモジュールのコンデンサケースが設けられる面を上面として説明するが、上下方向は本発明をなんら限定するものではない。

図１（ａ），（ｂ）は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１の概略を示す図である。図１（ａ），（ｂ）に示すように、電力変換装置１は、パワーモジュール２、平滑コンデンサ３、制御基板４，５、及びゲート駆動基板６、を有する。

電力変換装置１が、例えば、図２に示すようなインバータである場合、上位コントローラ（図示せず）からのトルク指令等の指令信号が制御基板４，５に送信され、制御基板４，５が前記指令信号に基づく制御信号を生成する。この制御信号がゲート駆動基板６を介してゲート駆動信号となり、ゲート駆動信号によってパワーモジュール２内に組み込まれているスイッチング素子（ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等）がオンオフ制御され、モータ７が駆動あるいは回生される。

パワーモジュール２は、スイッチング素子やダイオードを結線した回路をパッケージとして組み込んだものである。例えば、このパワーモジュール２は、スイッチング素子を各相上下アームにより成るブリッジに接続した三相出力インバータを構成し、図示省略の筐体に固設される。また、平滑コンデンサ３は、略直方体形状のコンデンサケース３ａ内に配置されており、正極端子および負極端子（図示せず）が主回路電源８の正極および負極と前記スイッチング素子をブリッジ接続した三相出力インバータの直流側正負極間に接続され、主回路電源８のリプル（脈動）を除去する。

なお、図１（ａ），（ｂ）では図示していないが、パワーモジュール２、平滑コンデンサ３および主回路電源８を接続する導体（例えば、Ｐ導体、Ｎ導体等）がパワーモジュール２上に固設される。

コンデンサケース３ａは、パワーモジュール２上に螺設される。図１（ｂ）に示すように、コンデンサケース３ａの下面には固定部３ｂ，３ｃが突設されており、固定部３ｂ，３ｃを介してコンデンサケース３ａがパワーモジュール２上または筐体に固定される。

制御基板４，５は、コンデンサケース３ａの側面部に設けられ、ゲート駆動基板６に制御信号を出力する。コンデンサケース３ａの側面部には、例えば、制御基板４（または、制御基板５）の四隅に対応した樹脂製の突起部３ｄ（ボス）が形成されており、突起部３ｄにタッピングねじ３ｅを螺合することで、制御基板４，５がコンデンサケース３ａの側面部に固定される。

図１（ａ）に示すように、制御基板４，５は、コンデンサケース３ａの複数の側面に分割して設けられる。例えば、ブリッジに接続した三相出力インバータの上アームのスイッチング素子を制御する制御基板４と、ブリッジに接続した三相出力インバータの下アームのスイッチング素子を制御する制御基板５とを、コンデンサケース３ａの側面部にそれぞれ設けることで、コンデンサケース３ａの側面部の面積に応じて制御基板４，５を分割することができる。

ゲート駆動基板６は、パワーモジュール２上に螺設され、パワーモジュール２内に組み込まれているスイッチング素子のオンまたはオフを行う。ゲート駆動基板６の側端部には配線導体９の一端が設けられており、配線導体９の他端は、制御基板４（または、制御基板５）に接続される。

以上のような本発明の実施形態に係る電力変換装置１によれば、コンデンサケース３ａの側面部に制御基板４，５を配置することで、電力変換装置１の高さ（上下方向）が高くなることを抑制することができる。

高さ方向の制限が緩和されることで、電力変換装置１の設計自由度が向上するとともに、平滑コンデンサ３の設計自由度が向上する。

例えば、図３に示すように、平滑コンデンサ３は、複数個のフィルムコンデンサ１０を並列に接続して、大容量のフィルムコンデンサを形成している。また、フィルムコンデンサ１０に接続されるＰ導体１１（Ｎ導体１２）は、配線インダクタンスを小さくするために平板状であり、Ｐ導体１１とＮ導体１２は平滑コンデンサ３の下面と平行に絶縁を確保しながら積層して配置される。なお、平滑コンデンサ３は、コンデンサケース３ａ内に、フィルムコンデンサ１０、Ｐ導体１１及びＮ導体１２を格納し、コンデンサケース３ａ内に樹脂が注入されて構成される。したがって、フィルムコンデンサ１０及びＰ導体１１（Ｎ導体１２）は、樹脂に埋まった状態となっている。

本発明の実施形態に係る電力変換装置１によれば、従来、制御基板４，５が設けられていた空間に平滑コンデンサ３を拡張することができ、平滑コンデンサ３の高さ方向の自由度が向上する。フィルムコンデンサ１０は、高さ方向に積重されている場合が多く、平滑コンデンサ３の高さを高くすることで、平滑コンデンサ３の容量を確保することができる。このように、平滑コンデンサ３の特性は、平滑コンデンサ３の内部素子の配置形態によって異なることとなる。よって、平滑コンデンサ３の設計自由度が向上することで、平滑コンデンサ３の特性が向上する。

また、制御基板４，５をコンデンサケース３ａの側面部に設けることで、制御基板４，５とゲート駆動基板６とが略Ｌ字状（垂直）に配置されることとなり、制御基板４，５の端部とゲート駆動基板６の端部との距離が短くなる。すなわち、制御基板４，５とゲート駆動基板６との間を接続する配線導体９の長さが短くなるので、振動等の対策のための固定部等を削除することができる。

例えば、振動は、振幅が大きいものは一般的に固有振動数が低い。そこで、筐体内部の部材（例えば、ワイヤハーネス等）は、固有振動数が高くなるように設計される。具体的には、図４に示すようなコネクタ等の固定点Ａ，Ｂ間に固定されたワイヤハーネス１３があった場合、振動対策としてワイヤハーネス１３の重さを軽くできない場合には、固定点Ａと固定点Ｂとの間にラッチバンド等による固定点Ｃを追加してワイヤハーネス１３の固有振動数を高くして振幅を小さくするようにする。

本発明の実施形態に係る電力変換装置１では、制御基板４，５とゲート駆動基板６とを接続する配線導体９の長さを短くすることができるので、振動対策のための固定部材が不要となる。よって、電力変換装置１の省コスト化及び省スペース化することができる。

また、コンデンサケース３ａの側面部に制御基板４，５を設けることで、制御基板４，５の基板面がコンデンサケース３ａの側面と平行に配置されることとなる。その結果、制御基板４，５において、筐体内部で発生した水滴や筐体内に混入した異物が落下し、制御基板４，５と接触するおそれがある面積が小さくなり、且つこれら水滴や異物が制御基板４，５に留まらず筐体の下方に落下する。すなわち、制御基板４，５をコンデンサケース３ａの側面部に設けることで、電力変換装置１の内部で発生した結露や異物等により制御基板４，５の回路がショート等の悪影響を受けることを低減することができる。

また、本発明の実施形態に係る電力変換装置１は、堅牢で振動に強く且つ設計自由度が高いので、例えば、車載用のインバータといった、電力変換装置の搭載可能なスペースに収めるため、限られた空間に設置が要求される電力変換装置として好適に用いることができる。

以上、本発明の電力変換装置について、好ましい形態を例示して説明したが、本発明の電力変換装置は、実施形態に限定されるものではなく、発明の技術的特徴を損なわない範囲で適宜設計変更が可能であり、設計変更された形態も本発明の技術的範囲に属する。

例えば、実施形態では、電力変換装置としてインバータを例示して説明したが、本発明の電力変換装置は、パワーモジュールのゲート駆動基板を制御する制御基板をコンデンサケースの側面部に設けることを特徴としているので、電力変換装置の回路構成は、実施形態に限定されるものではなく、スイッチング素子の数及び回路構成等は、用途に応じて適宜変更可能である。

また、実施形態では、制御基板を２つに分割しているが、制御基板の面積が平滑コンデンサの側面の面積より小さい場合は、分割せずコンデンサケースの一側面部に制御基板を設けることもできる。また、パワーモジュールの各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を制御する制御基板をそれぞれコンデンサケースの各側面部に設けることもできる。

１…電力変換装置
２…パワーモジュール
３…平滑コンデンサ
３ａ…コンデンサケース、３ｂ，３ｃ…固定部、３ｄ…突起部、３ｅ…タッピングねじ
４，５…制御基板
６…ゲート駆動基板
７…モータ
８…主回路電源
９…配線導体
１０…フィルムコンデンサ
１１…Ｐ導体
１２…Ｎ導体
１３…ワイヤハーネス

Claims (2)

1. スイッチング素子を有するパワーモジュールと、略直方体形状のコンデンサケース内に配置され前記パワーモジュールに接続される平滑コンデンサと、を備える電力変換装置であって、
   前記コンデンサケースを前記パワーモジュールと対向して設け、
   前記パワーモジュールの前記コンデンサケースとの対向面に、前記スイッチング素子へ駆動信号を出力するゲート駆動基板を設け、
   前記コンデンサケースの前記パワーモジュールとの対向面に隣接する面に、前記ゲート駆動基板に制御信号を送信する制御基板を設ける
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御基板を、前記ゲート駆動基板に対して垂直に配置する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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