JP2016139702A - コンデンサの取付構造及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】平滑コンデンサの電流分担の偏りを低減し、回路のインダクタンスを低減する。
【解決手段】平滑コンデンサ２と、半導体パワーモジュール３と、を有する電力変換装置１である。板状のＰ側導体４と板状のＮ側導体５とを絶縁板６を介して積層して積層体７を構成する。この積層体７の両面に平滑コンデンサ２を設ける。平滑コンデンサ２を、Ｐ側導体４上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂの接続部と、Ｎ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂの接続部と、が重ならないように交互に積層体７の両面に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置の構造に関する。特に、電力変換装置におけるコンデンサの取付構造に関する。

一般的な電力変換装置１４は、図７に示すように、平滑コンデンサ２と、半導体パワーモジュール３と、を有する。平滑コンデンサ２は、Ｐ側導体１５またはＮ側導体１６のいずれか一方の導体上に並べて設けられる。

Ｐ側導体１５は平滑コンデンサ２の電極２ａに接続される板状の導体であり、Ｎ側導体１６は平滑コンデンサ２の電極２ｂに接続される板状の導体である。Ｐ側導体１５及びＮ側導体１６は絶縁板６を介して積層され積層体１７を構成する。この積層体１７の一方の面上に平滑コンデンサ２が並設される。また、積層体１７の一端部からＰ側導体１５の接続部１５ａ及びＮ側導体１６の接続部１６ａが突出しており、この接続部１５ａ，１６ａに半導体パワーモジュール３が接続される。

このように、従来技術に係る電力変換装置１４では、平滑コンデンサ２は導体１５または導体１６の同一側に並べられ、平滑コンデンサ２にＰ側導体１５及びＮ側導体１６が接続される（例えば、特許文献１）。

特開２００６−１９３６７号公報 特開２００８−２６９８３３号公報 実開２０１２−７９９０４号公報

しかしながら、積層体の一方の面に平滑コンデンサを並べて配置し、積層体の平滑コンデンサ配置面と同じ面に半導体パワーモジュールを設けた場合、半導体パワーモジュールと各平滑コンデンサとの距離が異なることとなる。半導体パワーモジュールの近くに設けられる平滑コンデンサと半導体パワーモジュールから遠い位置に設けられる平滑コンデンサの距離の差が大きくなると各平滑コンデンサの電流分担が偏るおそれがある。また、平滑コンデンサ全体として半導体パワーモジュールからの距離が離れてしまい、回路ループが大きくなる。その結果、回路のインダクタンスが増大するおそれがある。

上記事情に鑑み、本発明は、コンデンサの電流分担の偏りを低減し、回路のインダクタンスの低減に貢献する技術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コンデンサの取付構造は、複数のコンデンサと、該コンデンサの電極が接続される第１導体板及び第２導体板と、前記第１導体板または前記第２導体板に接続されるスイッチング素子と、を有する電力変換装置のコンデンサの取付構造であって、前記第１導体板と前記第２導体板とを絶縁板を介して積層して積層体を形成し、積層体の一方の面に設けられたコンデンサの電極接続部と、積層体の他方の面に設けられたコンデンサの電極接続部とが重ならないように、積層体の一方の面と積層体の他方の面とにコンデンサを設けることを特徴としている。

また、上記目的を達成する本発明の電力変換装置は、上記コンデンサの取付構造を有することを特徴としている。

以上の発明によれば、平滑コンデンサの電流分担の偏りを低減し、回路のインダクタンスを低減することができる。

（ａ）本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の要部正面図、（ｂ）同電力変換装置のＡ方向矢視図、（ｃ）同電力変換装置の背面図、（ｄ）同電力変換装置のＢ方向矢視図である。 （ａ）支持板金が設けられた本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の要部正面図、（ｂ）同電力変換装置のＣ方向矢視図、（ｃ）同電力変換装置の背面図、（ｄ）同電力変換装置のＤ方向矢視図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の要部分解斜視図である。 （ａ）本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の要部正面図、（ｂ）同電力変換装置のＥ方向矢視図、（ｃ）同電力変換装置のＦ方向矢視図、（ｄ）支持板金を取り外した同電力変換装置のＥ方向矢視図、（ｅ）支持板金を取り外した同電力変換装置のＦ方向矢視図、（ｆ）同電力変換装置のＧ方向矢視図、（ｇ）半導体パワーモジュールを省略した同電力変換装置のＧ方向矢視図である。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の半導体パワーモジュールを省略した要部斜視図である。 （ａ）従来技術に係る電力変換装置の要部正面図、（ｂ）同電力変換装置のＨ方向矢視図、（ｃ）同電力変換装置の背面図、（ｄ）同電力変換装置のＩ方向矢視図である。

本発明の実施形態に係るコンデンサの取付構造及び電力変換装置について、図面を参照して詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１（ａ）に示すように、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１は、平滑コンデンサ２と、半導体パワーモジュール３と、を有する。平滑コンデンサ２は、Ｐ側導体４上またはＮ側導体５上に設けられる。Ｐ側導体４及びＮ側導体５は板状の導体であり、絶縁板６を介して積層され積層体７を構成する。

図１（ｂ）に示すように、平滑コンデンサ２はＰ側導体４またはＮ側導体５上に設けられる。各平滑コンデンサ２の電極２ａはＰ側導体４に接続され、電極２ｂはＮ側導体５に接続される。

具体的に説明すると、図１（ａ）に示すように、Ｎ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａは、端子部ビス８によりＰ側導体４と導通した状態で固定される。また、Ｎ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ｂは、端子部ビス８によりＮ側導体５と導通して状態で固定される。つまり、Ｎ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ｂ近傍のＰ側導体４には孔４ａが形成されており、Ｐ側導体４側から電極２ｂに端子部ビス８を設けることで、電極２ｂがＮ側導体５と導通して設けられることとなる。なお、絶縁板６には、この孔４ａと連通する孔６ａが形成されている。同様に、図１（ｃ）に示すように、Ｐ側導体４上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａは、端子部ビス８によりＰ側導体４と導通して設けられ、Ｐ側導体４上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ｂは、端子部ビス８によりＮ側導体５と導通して設けられる。つまり、Ｎ側導体５は、半導体パワーモジュール３への取り出す部分の位置は異なるが、平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂの接続部はＰ側導体４と同じ形状である。したがって、Ｎ側導体５には、Ｎ側導体５側からＰ側導体４上に設けられた電極２ａに端子部ビス８を設けるための孔５ａが形成されている。そして、絶縁板６には、この孔５ａと連通する孔６ａが形成されている。

また、図１（ｄ）に示すように、Ｐ側導体４上に設けられた平滑コンデンサ２と、Ｎ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２は、積層体７を挟み互い違いに配置される。すなわち、Ｐ側導体４上に設けられた平滑コンデンサ２と、Ｎ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２は、積層体７を挟み込むように対向して千鳥状に取り付けられる。具体的に説明すると、図１（ａ）に示すように、Ｐ側導体４上に設けられる平滑コンデンサ２は、Ｐ側導体４の中央（図中Ｘで示す）に対して右側にずれた位置に設けられる。同様に、図１（ｃ）に示すように、Ｎ側導体５上に設けられる平滑コンデンサ２は、Ｎ側導体５の中央に対して右側にずれた位置に設けられる。このように平滑コンデンサ２を積層体７の両面に配置することで、Ｐ側導体４上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂにＰ側導体４及びＮ側導体５を接続する際に、Ｎ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２が干渉しなくなる。その結果、Ｐ側導体４上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂにＮ側導体５側から端子部ビス８を設けることができる。同様に、Ｎ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂに、Ｐ側導体４側から端子部ビス８を設けることができる。

また、図２（ａ）乃至（ｄ）に示すように、平滑コンデンサ２は、支持板金９に固定される。図２（ｂ）に示すように、平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂが設けられる面と反対側の面には、ボルト２ｃが設けられており、このボルト２ｃにナット１０を締結することで支持板金９に平滑コンデンサ２が固定される。なお、支持板金９に平滑コンデンサ２を取り付ける方法としては、実施形態の例の他に、固定金具を用いて取り付ける方法（例えば、実開平５−３１２１９号公報）や支持板金９に平滑コンデンサ２が挿通される孔を形成し、この孔の周囲に平滑コンデンサ２を保持する突起部を設けて支持板金９に平滑コンデンサ２を取り付ける方法（例えば、実開昭６１−７９５３０号公報）等を用いることができる。

半導体パワーモジュール３は、例えば、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子の駆動回路や自己保護機能を組み込んだ電力用半導体素子である。半導体パワーモジュール３は、Ｐ側導体４から突出した接続部４ｂ及びＮ側導体５から突出した接続部５ｂに接続される。接続部４ｂは、平滑コンデンサ２の並設方向（千鳥状に並べた列）と平行なＰ側導体４の端部から突出している。同様に、接続部５ｂは、平滑コンデンサ２の並設方向と平行なＮ側導体５の端部から突出している。

図３は、電力変換装置１の回路図（単相インバータ回路図）である。図３に示すように、半導体パワーモジュール３（例えば、ＩＧＢＴｕ）は、Ｐ側導体４に接続されるスイッチング素子３ａと、Ｎ側導体５に接続されるスイッチング素子３ｂと、を有する。二つのスイッチング素子３ａ，３ｂの間には、出力導体Ｕが設けられる。したがって、半導体パワーモジュール３（例えば、ＩＧＢＴｕ）は、Ｐ側導体４及びＮ側導体５並びに出力導体Ｕに接続される端子を有する。同様に、半導体パワーモジュール３（例えば、ＩＧＢＴｖ）は、Ｐ側導体４及びＮ側導体５並びに出力導体Ｖに接続される端子を有する。

ここで、図４を参照して、電力変換装置１の組立工程について説明する。まず、Ｐ側導体４とＮ側導体５とを絶縁板６を介して積層して積層体７が構成される。次に、端子部ビス８を用いて、平滑コンデンサ２の電極２ａとＰ側導体４との接続、平滑コンデンサの電極２ｂとＮ側導体５との接続、半導体パワーモジュール３とＰ側導体４、Ｎ側導体５及び出力導体Ｕ（または、出力導体Ｖ）との接続が行われる。そして、ボルト２ｃにナット１０が締結され支持板金９に平滑コンデンサ２が固定される。

以上のような、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１及び平滑コンデンサ２の取付構造によれば、Ｐ側導体４上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂの接続部と、Ｎ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂの接続部と、が重ならないように交互に積層体７の両面に平滑コンデンサ２を設けることで、各平滑コンデンサ２と半導体パワーモジュール３と間の距離の差が小さくなり、平滑コンデンサ２の電流分担が改善される。

また、平滑コンデンサ２全体として、半導体パワーモジュール３との距離が近づくので、回路ループが小さくなることから、回路のインダクタンスが低減し、ターンオフ時に発生するサージ電圧が抑制される。

また、平滑コンデンサ２の実装密度が上がるので、導体（Ｐ側導体４及びＮ側導体５）を小さくすることができ、電力変換装置１のコスト削減と、電力変換装置１の小型化に寄与する。

また、平滑コンデンサ２に支持板金９を設けることで、電力変換装置１の耐震性が向上する。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係る電力変換装置及びコンデンサの取付構造について、図５及び図６を参照して詳細に説明する。第２実施形態に係る電力変換装置１１は、Ｐ側導体４及びＮ側導体５を積層した積層体７に対して千鳥状に平滑コンデンサ２を配置することは、第１実施形態に係る電力変換装置１と同様である。よって、第１実施形態に係る電力変換装置１と同様の構成については、同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図５（ａ）に示すように、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１１は、平滑コンデンサ２と、半導体パワーモジュール１２とを有する。図５（ｆ）に示すように、平滑コンデンサ２は、積層体７のＰ側導体４上またはＮ側導体５上に設けられる。そして、平滑コンデンサ２の電極２ａはＰ側導体４に接続され、平滑コンデンサ２の電極２ｂはＮ側導体５に接続される。

図５（ｄ）及び（ｅ）に示すように、Ｐ側導体４上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂの固定部と、Ｎ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂの固定部は、積層体７の両面で重なりあわないように設けられる。すなわち、Ｐ側導体４上に設けられた平滑コンデンサ２とＮ側導体５上に設けられた平滑コンデンサ２とは積層体７に対して千鳥状に交互に配置される。また、図５（ｆ）に示すように、平滑コンデンサ２の電極２ａ，２ｂが設けられている面の反対側の面にはボルト２ｃが設けられており、このボルト２ｃにナット１０を締結して支持板金９に平滑コンデンサ２が固定される。

半導体パワーモジュール１２は、ヒートシンク１３上に設けられる。ヒートシンク１３は積層体７に対して垂直であって、平滑コンデンサ２の並列方向に対して平行となるように支持板金９に固定される。なお、Ｐ側導体４の平滑コンデンサ２の並列方向と平行な両端部は、平滑コンデンサ２が設けられる方向に延在しており、この延在した一方のＰ側導体部４ｃに半導体パワーモジュール１２が接続される。また、延在した他方のＰ側導体部４ｄは、直流電源への接続端子が設けられる。同様に、Ｎ側導体５の平滑コンデンサ２の並列方向と平行な両端部は、平滑コンデンサ２が設けられる方向に延在しており、この延在した一方のＮ側導体部５ｃに半導体パワーモジュール１２が接続される。また、延在した他方のＮ側導体部５ｄには、直流電源への接続端子が設けられる。

半導体パワーモジュール１２は、Ｐ側導体４またはＮ側導体５を介して平滑コンデンサ２に接続されインバータを構成する。具体的に説明すると、電力変換装置１１は、１パッケージに１素子のＩＧＢＴが設けられた半導体パワーモジュール１２が設けられており、取り出し電極構造は図示していないが、１アーム２並列で３相インバータを構成している。

以上のような、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１１及び平滑コンデンサ２の取付構造によれば、積層体７の表裏面から積層体７対して千鳥状に平滑コンデンサ２を設けることで、第１実施形態に係る電力変換装置１と同様に、平滑コンデンサ２の電流分担が改善される。そして、回路のインダクタンスが低減し、ターンオフ時に発生するサージ電圧が抑制される。

また、支持板金９で平滑コンデンサ２及び半導体パワーモジュール１２を固定することで、電力変換装置１１の耐振動性が向上する。

また、第１実施形態に係る電力変換装置１と同様に、平滑コンデンサ２の実装密度が向上するので、電力変換装置１１を小型化することができる。特に、Ｐ側導体４の端部をＰ側導体４に設けられた平滑コンデンサ２方向に延在させる（及び、Ｎ側導体５の端部をＮ側導体５に設けられた平滑コンデンサ２方向に延在させる）ことで、半導体パワーモジュール１２や平滑コンデンサ２の実装密度がさらに向上し、電力変換装置１１をさらに小型化することができる。

以上、本発明のコンデンサの取付構造及び電力変換装置について、具体的な実施形態を示して詳細に説明したが、本発明のコンデンサの取付構造及び電力変換装置は、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、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、適宜所定の回路構成を有する電力変換装置に対して、本発明のコンデンサの取付構造を適用することができる。したがって、スイッチング素子の種類、半導体パワーモジュールの構成または電力変換装置の回路構成等は、適宜適用される電力変換装置によって異なることとなる。

また、実施形態では、積層体７に対して両面から千鳥状に配列された平滑コンデンサ２を２列並べた形態を例示しているが、平滑コンデンサ２は、積層体７に対して両面から千鳥状に配列したものであれば、１列または３列以上配置する態様であってもよい。また、Ｐ側導体４上に設けられる平滑コンデンサ２とＮ側導体５上に設けられる平滑コンデンサ２を縦方向及び横方向に交互に積層体７上に配置する態様とすることで、平滑コンデンサ２の実装密度をさらに向上させることができる。

１，１１…電力変換装置
２…平滑コンデンサ（コンデンサ）
２ａ，２ｂ…電極
２ｃ…ボルト
３，１２…半導体パワーモジュール
３ａ，３ｂ…スイッチング素子
４…Ｐ側導体（第１導体板）
４ａ，５ａ…孔
４ｂ，５ｂ…接続部
４ｃ，４ｄ，５ｃ，５ｄ…延在した導体部
５…Ｎ側導体（第２導体板）
６…絶縁板
７…積層体
８…端子部ビス
９…支持板金（固定板）
１０…ナット
１３…ヒートシンク

Claims (4)

1. 複数のコンデンサと、
   該コンデンサの電極が接続される第１導体板及び第２導体板と、
   前記第１導体板または前記第２導体板に接続されるスイッチング素子と、を有する電力変換装置のコンデンサの取付構造であって、
   前記第１導体板と前記第２導体板とを絶縁板を介して積層して積層体を形成し、
   積層体の一方の面に設けられたコンデンサの電極接続部と、積層体の他方の面に設けられたコンデンサの電極接続部とが重ならないように、積層体の一方の面と積層体の他方の面とにコンデンサを設ける
   ことを特徴とするコンデンサの取付構造。
2. 前記コンデンサの電極が設けられた端部と反対側の端部近傍に固定板を設け、該固定板で前記コンデンサを固定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンデンサの取付構造。
3. 前記第１導体板を該第１導体板に設けられたコンデンサ方向に延在させ、延在させた第１導体板にスイッチング素子を接続し、
   前記第２導体板を該第２導体板に設けられたコンデンサ方向に延在させ、延在させた第２導体板にスイッチング素子を接続する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンデンサの取付構造。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のコンデンサの取付構造を有することを特徴とする電力変換装置。

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