JP2016134944A

JP2016134944A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2016134944A
Application number: JP2015006184A
Authority: JP
Inventors: 成北澤; Sei Kitazawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2016-07-25

Abstract

【課題】筐体や電力変換素子の保護を図る。【解決手段】端子３０，４０を、空気が清浄なときに先端３０ａ，４０ａが筐体５０から絶縁を保つ距離離間し、且つ、先端４０ａと筐体５０との距離Ｄが先端３０ａと筐体５０との距離ｄより長くなるよう配置する。これにより、端子３０，４０と筐体５０との間の空気に塵やホコリなどの異物が混入したときに、アーク放電による端子３０と端子４０との短絡や端子３０と端子４０と筐体５０とを循環する電流ループの発生を抑制できる。これにより、筐体５０のパワー半導体素子２４の保護を図ることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関し、詳しくは、電力を変換する電力変換素子と、電力変換素子に接続された第１および第２端子と、導電材料から形成され第１および第２端子とを収納する筐体と、を備える電力変換装置に関する。

従来、この種の電力変換装置としては、パワーモジュールと、プラス母線と、マイナス母線とを、インバータケースに収納したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。プラス母線およびマイナス母線は、パワーモジュールに接続されており、比較的高い電圧をパワーモジュールに供給している。この装置では、プラス母線の先端とインバータケースとの距離と、マイナス母線の先端とインバータケースとの距離とが等しくなるよう、プラス母線とマイナス母線とが並んで配置されている。

特開２０１２−１２４９７５号公報

しかしながら、上述の電力変換装置では、プラス母線やマイナス母線，インバータケースの間の空隙に塵やホコリなどの異物が混入すると、プラス母線とマイナス母線とインバータケースとの間の絶縁を保持できなくなる。絶縁が保持できなくなると、プラス母線とマイナス母線との間やプラス母線やマイナス母線，インバータケースの間にアーク放電が生じる場合がある。こうしたアーク放電が生じると、プラス母線とマイナス母線とがインバータケースを介さず短絡したり、プラス母線とマイナス母線とがインバータケースを介して短絡したりして、短絡電流が流れる。こうした短絡電流が流れると、筐体やインバータケース内のパワーモジュールに好ましくない影響を与えてしまう。

本発明の電力変換装置は、筐体や電力変換素子の保護を図ることを主目的とする。

本発明の電力変換装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電力変換装置は、
電力を変換する電力変換素子と、前記電力変換素子に接続された第１および第２端子と、導電材料から形成され前記第１および第２端子とを収納する筐体と、を備える電力変換装置であって、
前記第１および前記第２端子は、各々の先端が前記筐体から少なくとも所定の絶縁距離離間し、且つ、前記第１端子の先端と前記筐体との間の距離と前記第２端子の先端と前記筐体との間の距離とが異なるよう並んで配置されている、
ことを特徴とする。

この本発明の電力変換装置では、第１および第２端子は、各々の先端が筐体から少なくとも所定の絶縁距離離間し、且つ、第１端子の先端と筐体との間の距離と第２端子の先端と筐体との間の距離とが異なるよう配置されている。第１端子の先端と筐体との間の距離と第２端子の先端と筐体との間の距離とが異なるよう配置することにより、第１端子の先端と筐体との間の距離と第２端子の先端と筐体との間の距離とが等しくなるよう配置したものより、第１端子の先端と第２端子の先端との距離を長くすることができる。これにより、第１端子や第２端子と筐体との間に塵やホコリなどの異物が混入したときに、第１端子と第２端子との間にアーク放電が生じるのを抑制でき、第１端子と第２端子との短絡を抑制できる。また、第１端子や第２端子と筐体との間に塵やホコリなどの異物が混入すると、第１および第２端子のうち筐体との距離が近いほうの端子と筐体との間で放電が起きて短絡しやすくなり、第１および第２端子のうち筐体との距離が遠いほうの端子と筐体との間で放電が抑制される。これにより、第１端子と第２端子との短絡を抑制できる。よって、筐体や電力変換素子の保護を図ることができる。

こうした本発明の電力変換装置において、前記第１および第２端子を表面に取り付ける端子台を備え、前記第１端子の前記筐体側の先端と前記筐体との間の距離を前記第２端子の前記筐体側の先端と前記筐体との間の距離より短くし、前記第１端子の前記端子台の深さ方向における先端の位置と前記第２端子の前記端子台の深さ方向における先端の位置とが等しくなるよう前記第２端子の前記端子台の深さ方向における長さを調整するものとしてもよい。こうすれば、端子台の深さ方向における寸法の増大を抑制することができる。

本発明の一実施例としての電力変換装置２０の平面の概略を示す概略図である。図１のＡＡ線での断面の概略を示す概略図である。２つの電極間の距離Ｄｒｅｆに２つの電極間の気体圧力Ｐａを乗じた積Ｐと電極間にアーク放電による火花が生じる最小火花電圧Ｖｍｉｎとの関係を示すパッシェン曲線である。電力変換装置２０における端子４０を六角ボルトとし距離Ｄを距離ｄと等しくした比較例の電力変換装置１２０の構成の概略を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は本発明の一実施例としての電力変換装置２０の平面の概略を示す概略図であり、図２は図１のＡＡ線での断面の概略を示す概略図である。電力変換装置２０は、パワーコントロールユニット（以下、ＰＣＵという）２２と、筐体５０とを備えている。

筐体５０は、鉄やアルミニウム（Ａｌ）などの導電材料により形成されており、内部にＰＣＵ２２を収納している。筐体５０は、外部からの電磁ノイズ等がＰＣＵ２２に与える影響を抑制するために、接地（アース）されている。

ＰＣＵ２２は、パワー半導体素子２４と、バスバ２６，２８と、端子３０，４０と、を備えている。

パワー半導体素子２４は、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor、IGBT）やダイオードなど比較的高電圧を供給される素子であり、直流電力を交流電力に変換するインバータの一部を構成している。パワー半導体素子２４は、ケース４８の内部に収納されている。

バスバ２６は、アルミニウムなどの導電材料により形成され、端子３０とパワー半導体素子２４の図示しない電圧端子とを接続している。バスバ２８は、バスバ２６と同様に、アルミニウムなどの導電材料により形成され、端子４０とパワー半導体素子２４の図示しない電圧端子（端子３０が接続された電圧端子とは異なる電圧端子）とを接続している。バスバ２６，２８は、端子３０，４０によりケース４８の図２における上部に設けられた端子台４９に取り付けられている。

端子３０は、六角ボルトとして構成されており、アルミニウムなどの導電材料により形成されている。端子３０は、図２に示すように、筐体５０側の先端３０ａと筐体５０とが距離ｄだけ離間するよう配置されている。ここで、距離ｄは、例えば、２．５ｍｍ、３．０ｍｍ、３．５ｍｍなど、先端３０ａと筐体５０との間の空隙に塵やホコリなどの異物の混入が少なく空気が清浄なときに、先端３０ａと筐体５０との絶縁を保持できる距離として予め実験や解析などで定めたものとした。なお、端子３０としては、六角ボルトとは異なる種類のボルトを用いてもよい。

端子４０は、アルミニウムなどの導電材料により形成されたスタッドボルト４２とナット４４とから構成されている。端子４０は、中心軸が端子３０の中心軸から距離Ｌｓだけ離間するよう配置されている。また、端子４０は、図２に示すように、筐体５０側の先端４０ａ（スタッドボルト４２の先端）と筐体５０とが距離Ｄだけ離間するよう配置されている。端子４０は、軸長Ｌｂ（スタッドボルト４２の軸長）が端子３０の軸長Ｌａより長さ（Ｄ−ｄ）だけ短くなるよう形成されている。さらに、端子４０は、軸長Ｌｂ（スタッドボルト４２の軸長）が端子３０の軸長Ｌａより長さ（Ｄ−ｄ）短くなるよう形成されている。ここで、距離Ｌｓは、例えば、１０ｍｍ、１１ｍｍ、１２ｍｍなど、端子３０と端子４０との間の空隙の空気が清浄なときに、端子３０の先端３０ａと端子４０の先端４０ａとの絶縁を保持できる距離として予め実験や解析などで定めたものとした。また、距離Ｄは、例えば、４．５ｍｍ，５．０ｍｍ，５．５ｍｍなど、距離ｄより長いものとした。なお、スタッドボルト４２に代えて、ウェルドボルトなど他のボルトを用いてもよい。

距離Ｄを距離ｄより長くした理由を以下の通りである。図３は、２つの電極間の距離Ｄｒｅｆに２つの電極間の気体圧力Ｐａを乗じた積Ｐ（Ｄｒｅｆ・Ｐａ）と電極間にアーク放電による火花が生じる最小火花電圧Ｖｍｉｎとの関係を示すパッシェン曲線である。図３中、実線は、空気が清浄であるときの積Ｐと最小火花電圧Ｖｍｉｎとの関係を示しており、破線は、例えば空気中に塵やホコリなどの異物が混入したときなど空気が清浄でないときの積Ｐと最小火花電圧Ｖｍｉｎとの関係を示している。図３に示すように、気体圧力Ｐが一定の場合には、距離Ｄｒｅｆが大きくなるほど最小火花電圧Ｖｍｉｎが大きくなって放電が生じにくくなる。また、空気が清浄ではなくなると、最小火花電圧Ｖｍｉｎが小さくなり、放電が生じやすくなる。

図４は、電力変換装置２０における端子４０を六角ボルトとし距離Ｄを距離ｄと等しくした比較例の電力変換装置１２０の構成の概略を示す説明図である。電力変換装置２０では、端子３０の中心軸と端子４０の中心軸とは距離Ｌｓだけ離れているものとした。比較例の電力変換装置１２０では、空気が清浄でないときには、端子３０の先端３０ａと端子４０の先端４０ａと筐体５０との間にアーク放電が生じやすい。先端３０ａと先端４０ａとの間にアーク放電が生じると、端子３０と端子４０とが短絡して、端子３０と端子４０との間に短絡電流が流れてしまう。また、先端４０ａや先端３０ａと筐体５０との間にアーク放電が生じると、端子３０と端子４０と筐体５０とが短絡して，筐体５０を介して端子３０と端子４０との間で短絡電流が流れてしまう。そして、このような短絡電流が流れると、筐体５０やパワー半導体素子２４に好ましくない影響を与えてしまう。

実施例では、距離Ｄを距離ｄより長くすることにより、比較例の電力変換装置１２０より、先端３０ａと先端４０ａとの距離を長くすることができる。これにより、端子３０，４０と筐体５０との間の空気が清浄でないときに、先端３０ａと先端４０ａとの間のアーク放電を抑制でき、端子３０と端子４０との短絡を抑制できる。また、距離Ｄを距離ｄより長くすることにより、先端４０ａより先端３０ａのほうが筐体５０に近くなる。そのため、先端３０ａと筐体５０との間でアーク放電が生じて短絡しやくなり、端子４０と筐体５０との間でアーク放電が抑制される。これにより、筐体５０を介して端子３０，４０とが短絡することを抑制することができる。このように、空気が清浄でないときに、端子３０と端子４０との短絡を抑制し、短絡電流が生じることを抑制できるから、筐体５０やパワー半導体素子２４の保護を図ることができる。

また、軸長Ｌｂを軸長Ｌａより長さ（Ｄ−ｄ）だけ短くすることにより、端子台４９の深さ方向で先端３０ｂと先端４０ｂとの位置を揃えることができる。これにより、先端３０ｂと先端４０ｂとの位置が揃えられていない場合と比較すると、端子台の軸方向の寸法を短くすることができる。これにより、装置全体の寸法の増大を抑制することができる。

以上説明した実施例の電力変換装置２０によれば、端子３０，４０を、先端３０ａ，４０ａが筐体５０から空気が清浄なときに絶縁を保つ距離だけ離間し、且つ、先端４０ａと筐体５０との距離Ｄが先端３０ａと筐体５０との距離ｄより長くなるよう配置することにより、端子３０，４０と筐体５０との間の空気に塵やホコリなどの異物が混入したときに、アーク放電による端子３０と端子４０との短絡を抑制できる。これにより、筐体５０やパワー半導体素子２４の保護を図ることができる。

実施例の電力変換装置２０では、筐体５０が接地されるものとしたが、接地されずに所定の電圧が印加されるものとしても構わない。

実施例の電力変換装置２０では、軸長Ｌｂを軸長Ｌａより長さ（Ｄ−ｄ）だけ短くするものとしたが、軸長Ｌｂを軸長Ｌａと等しくしても構わない。

実施例の電力変換装置２０では、端子３０，４０を一つのボルトや一組のボルトおよびナットにより構成するものとしたが、複数のボルトや複数組のボルトおよびナットにより構成するものとしてもよい。こうすれば、端子３０，４０を一つのボルトや一組のボルトおよびナットにより構成するものより、端子３０の締結力を高めることができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、端子３０が「第１端子」に相当し、端子４０が「第２端子」に相当し、筐体５０が「筐体」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電力変換装置の製造産業などに利用可能である。

２０，１２０電力変換装置、２２パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）、２４パワー半導体素子、２６，２８バスバ、３０，４０端子、３０ａ，４０ａ，３０ｂ，４０ｂ先端、４２スタッドボルト、４４ナット、４８ケース、４９端子台、５０筐体。

Claims

電力を変換する電力変換素子と、前記電力変換素子に接続された第１および第２端子と、導電材料から形成され前記第１および第２端子とを収納する筐体と、を備える電力変換装置であって、
前記第１および前記第２端子は、各々の先端が前記筐体から少なくとも所定の絶縁距離離間し、且つ、前記第１端子の先端と前記筐体との間の距離と前記第２端子の先端と前記筐体との間の距離とが異なるよう並んで配置されている、
電力変換装置。