JP2017060311A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化でき、かつヒューズとコンデンサとの温度上昇を抑制できる電力変換装置を提供すること。【解決手段】コンデンサ２と、半導体モジュール３と、分岐バスバー４と、電力分岐線５と、ヒューズ６とを備える。分岐バスバー４は、金属板からなり、コンデンサ２に接続している。電力分岐線５は、分岐バスバー４に接続している。ヒューズ６は、電力分岐線５上に設けられている。分岐バスバー４と電力分岐線５とヒューズ６とにより、コンデンサ２から直流電力の一部を分岐して外部機器８に供給するための電力供給経路Ｐが構成されている。ヒューズ６とコンデンサ２との間に、分岐バスバー４が介在している。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体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加わる直流電圧を平滑化するコンデンサとを備える電力変換装置に関する。

直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換装置として、半導体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し、該半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化するコンデンサとを備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。この電力変換装置は、上記半導体モジュールをスイッチング動作させることにより、直流電力を交流電力に変換するよう構成されている。

上記コンデンサには、電力分岐線が接続している。この電力分岐線を用いて、コンデンサから直流電力の一部を分岐し、エアコン等の外部機器に供給するよう構成されている。また、上記電力分岐線には、ヒューズが設けられている。電力分岐線に過電流が流れると、ヒューズが溶断する。これにより、外部機器を過電流から保護している。

外部機器を稼働している間は、ヒューズに電流が流れるため、ヒューズが発熱する。また、電力変換装置を使用すると、コンデンサにリップル電流が流れるため、コンデンサが発熱する。上記電力変換装置では、小型化のため、ヒューズ及びコンデンサを、互いに近い位置に配置している。

特開２０１０−３３８４５号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、ヒューズとコンデンサとが接近して配されているため、これらヒューズ及びコンデンサから発生した熱が互いに干渉し、温度が上昇しやすい。この問題を解決するため、ヒューズとコンデンサとを離して配置すると、これらの間に余分なスペースが形成されてしまい、電力変換装置が大型化しやすくなる。そのため、小型化でき、かつヒューズとコンデンサとの温度上昇を抑制できる電力変換装置が望まれている。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、小型化でき、かつヒューズとコンデンサとの温度上昇を抑制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（１０）から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（３９）を構成する半導体モジュール（３）と、
該半導体モジュールに接続し、該半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化するコンデンサ（２）と、
金属板からなり、上記コンデンサに接続した分岐バスバー（４）と、
該分岐バスバーに接続した電力分岐線（５）と、
該電力分岐線上に設けられたヒューズ（６）とを備え、
上記分岐バスバーと上記電力分岐線と上記ヒューズとによって、上記コンデンサから上記直流電力の一部を分岐して外部機器（８）に供給するための電力供給経路（Ｐ）が構成されており、
上記ヒューズと上記コンデンサとの間に、上記分岐バスバーが介在している、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置においては、コンデンサに、金属板からなる分岐バスバーを接続してある。この分岐バスバーに電力分岐線を接続し、該電力分岐線上にヒューズを設けてある。つまり、コンデンサとヒューズとの双方に、放熱性が高い、金属板からなる分岐バスバーを電気接続している。
そのため、コンデンサ及びヒューズから発生した熱を、分岐バスバーに伝導させ、この分岐バスバーから放熱させることができる。したがって、コンデンサとヒューズの温度上昇を抑制できる。

また、上記電力変換装置においては、分岐バスバーを、コンデンサとヒューズとの間に介在させてある。そのため、コンデンサ及びヒューズから発生した放射熱を、分岐バスバーによって遮蔽することができる。したがって、コンデンサとヒューズとが熱干渉することを抑制できる。

このように、上記分岐バスバーを形成することにより、コンデンサ及びヒューズから発生した熱を、分岐バスバーに伝導させて放熱できると共に、コンデンサ及びヒューズから発生した放射熱を分岐バスバーによって遮蔽でき、熱干渉を抑制できる。そのため、コンデンサ及びヒューズの温度上昇を抑制できる。したがって、コンデンサ及びヒューズの発熱量を増やすことが可能になる。つまり、外部機器や半導体モジュールに送る電力量を増加させることが可能になる。

また、分岐バスバーを形成すれば、ヒューズとコンデンサとの熱干渉を抑制できるため、これらを接近して配置することが可能になる。そのため、電力変換装置を小型化できる。

以上のごとく、上記態様によれば、小型化でき、かつヒューズとコンデンサとの温度上昇を抑制できる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電力変換装置の断面図であって、図２のI-I断面図。 図１のII-II断面図。 図１のIII-III断面図。 図１の要部拡大図。 図２のV-V断面図。 図２のVI矢視図。 図１のVII矢視図。 図１のVIII-VIII断面図。 実施形態１における、電力変換装置の回路図。 実施形態１における、電力変換装置の製造工程説明図。 図１０に続く図。 実施形態２における、電力変換装置の拡大断面図。 実施形態３における、電力変換装置の拡大断面図。 参考形態１における、電力変換装置の断面図であって、図１５のXIV-XIV断面図。 図１４のXV-XV断面図。

上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置とすることができる。

（実施形態１）
上記電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図１１を参照して説明する。図１、図２に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、半導体モジュール３と、コンデンサ２と、分岐バスバー４と、電力分岐線５と、ヒューズ６とを備える。半導体モジュール３は、直流電源１０から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路３９（図９参照）を構成している。コンデンサ２は、図示しない直流バスバーを介して、半導体モジュール３に接続している。コンデンサ２は、半導体モジュール３に加わる直流電圧を平滑化する。

分岐バスバー４は、金属板からなり、コンデンサ２に接続している。
電力分岐線５は、分岐バスバー４に接続している。図９に示すごとく、ヒューズ６は、電力分岐線５上に設けられている。

分岐バスバー４と電力分岐線５とヒューズ６とによって、コンデンサ２から直流電力の一部を分岐して外部機器８へ供給するための電力供給経路Ｐが構成されている。
図４、図５に示すごとく、ヒューズ６とコンデンサ２との間に、分岐バスバー４（４ａ，４ｂ）が介在している。

本形態の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車に搭載するための、車載用電力変換装置である。図９に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール３を備える。個々の半導体モジュール３は、半導体素子３０（ＩＧＢＴ素子）を内蔵している。これら複数の半導体モジュール３によって、インバータ回路３９が構成されている。また、コンデンサ２は、直流電源１０に接続している。このコンデンサ２を用いて、半導体モジュール３に加わる、直流電源１０の直流電圧を平滑化している。

半導体モジュール３には、制御回路基板１４が接続している。この制御回路基板１４によって半導体素子３０をスイッチング動作させることにより、直流電力を交流電力に変換している。

また、コンデンサ２には、分岐バスバー４が接続している。この分岐バスバー４に、電力分岐線５が接続している。電力分岐線５上に、ヒューズ６が設けられている。上述したように、本形態では、分岐バスバー４と電力分岐線５とヒューズ６とによって、コンデンサ２から直流電力の一部を分岐して外部機器８に供給するための電力供給経路Ｐが構成されている。本形態の外部機器８は、車載エアコンである。

図１に示すごとく、電力変換装置１は、ケース１１を備える。このケース１１内に、コンデンサ２と半導体モジュール３とが収容されている。ケース１１には、開口部１１０と補助開口部１１１とが形成されている。補助開口部１１１は、開口部１１０の開口方向（Ｚ方向）において、開口部１１０とは反対側に形成されている。開口部１１０はカバー１２によって塞がれており、補助開口部１１１は補助カバー１３によって塞がれている。

コンデンサ２は、コンデンサ素子２１と、該コンデンサ素子２１を収容するコンデンサケース２２と、コンデンサ素子２１をコンデンサケース２２内に封止する封止部２３と、コンデンサ素子２１に接続した一対の電極板２４とを備える。この電極板２４から、コンデンサ入力端子２５（図２参照）およびコンデンサ出力端子２６が延出している。

図２に示すごとく、コンデンサ入力端子２５に、分岐バスバー４が締結されている。電力変換装置１は、第１分岐バスバー４ａと第２分岐バスバー４ｂとの、一対の分岐バスバー４を備える。分岐バスバー４は、コンデンサ入力端子２５に接続する接続板部４１と、該接続板部４１の厚さ方向（Ｚ方向）に立設するリブ部４２とを備える。接続板部４１には、ボルト４９によってコンデンサ入力端子２５に締結するためのコンデンサ側締結部４１０が形成されている。

また、分岐バスバー４には、コンデンサ側締結部４１０とは反対側に、電力分岐線５に締結するための電力線側締結部４１１が形成されている。図４に示すごとく、電力線側締結部４１１は、締結部材７（ボルト）によって、電力分岐線５に締結されている。

図３に示すごとく、カバー１２内には、電力分岐線５と、ヒューズ６と、ヒューズ保持部６１とが収容されている。電力変換装置１は、第１電力分岐線５ａと、第２電力分岐線５ｂと、第３電力分岐線５ｃとの、３本の電力分岐線５を備える。第１電力分岐線５ａは、第１分岐バスバー４ａと、ヒューズ６の一端６８とに接続している。第２電力分岐線５ｂは、第２分岐バスバー４ｂと、後述する分岐コネクタ５１とに接続している。第３電力分岐線５ｃは、ヒューズ６の他端６９と、分岐コネクタ５１とに接続している。これらの電力分岐線５ａ〜５ｃは、ヒューズ保持部６１内に保持されている。

図４、図５に示すごとく、直線Ｌ１，Ｌ２上において、ヒューズ６とコンデンサ２との間に、分岐バスバー４（４ａ，４ｂ）が介在している。分岐バスバー４とコンデンサ２との間、及び分岐バスバー４とヒューズ６との間に、空気層Ａが形成されている。また、ヒューズ６と分岐バスバー４との間に、ヒューズ保持部６１が介在している。ヒューズ保持部６１は樹脂からなる。

図６、図７に示すごとく、カバー１２には、分岐コネクタ５１と、制御コネクタ１４１と、蓋部６２とが形成されている。分岐コネクタ５１には、外部機器８（図９参照）のケーブルが接続する。制御コネクタ１４１は、ＥＣＵ等の外部制御装置１４３に接続する。制御コネクタ１４１は、ケース１１内において、信号線１４２（図８参照）を介して、上記制御回路基板１４に接続している。

電力分岐線５に過電流が流れると、ヒューズ６が溶断する。これにより、外部機器８を過電流から保護している。ヒューズ６が溶断した場合、上記蓋部６２を取り外し、ヒューズ６を交換するよう構成されている。

一方、図１、図２に示すごとく、半導体モジュール３は、本体部３１と、該本体部３１から突出したパワー端子３２と、制御端子３３とを備える。本体部３１は、上記半導体素子３０を内蔵している。パワー端子３２には、コンデンサ２に接続する正極端子３２ｐ及び負極端子３２ｎと、交流電力を出力する交流端子３２ｃとがある。正極端子３２ｐと負極端子３２ｎとは、図示しない直流バスバーを介して、コンデンサ２のコンデンサ出力端子２６に接続している。また、交流端子３２ｃには、交流バスバー７９０が接続している。交流バスバー７９０の端部は、三相交流モータ８１（図９参照）に接続するための交流出力端子７９となっている。

また、図２に示すごとく、本形態では、複数の半導体モジュール３と、該半導体モジュール３を冷却する複数の冷却管１５とを積層して、積層体１００を構成してある。積層体１００の積層方向（Ｘ方向）に隣り合う２本の冷却管１５は、Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）における両端にて、連結管１６によって接続されている。また、複数の冷却管１５のうち、Ｘ方向における一端に位置する端部冷却管１５ａには、冷媒１９を導入するための導入管１７と、冷媒１９を導出するための導出管１８とが接続している。冷媒１９を導入管１７に導入すると、冷媒１９は連結管１６を通って全ての冷却管１５内を流れ、導出管１８から導出する。これにより、半導体モジュール３を冷却するよう構成されている。

また、図２に示すごとく、ケース１１内には、締結用貫通部１１８と、信号用貫通部１１９とが形成されている。これら締結用貫通部１１８と信号用貫通部１１９とは、Ｚ方向において、ケース１１の開口部１１０から補助開口部１１１まで貫通している。締結用貫通部１１８は、電力変換装置１の製造時に、分岐バスバー４と電力分岐線５とを締結するために用いられる。また、信号用貫通部１１９は、信号線１４２を通すために用いられる。

また、図２に示すごとく、Ｙ方向においてコンデンサ２に隣り合う位置には、端子台７８が配されている。この端子台７８において、コンデンサ入力端子２５と交流出力端子７９とを、図示しないコネクタに締結するよう構成されている。このコネクタを介して、コンデンサ入力端子２５を直流電源１０（図９参照）に電気接続し、交流出力端子７９を三相交流モータ８１に電気接続している。

次に、電力変換装置１の製造方法について説明する。電力変換装置１を製造する際には、図１０に示すごとく、まず、ケース１１内にコンデンサ２を収容する。次いで、ケース１１に半導体モジュール３と冷却管１５とを収容し、積層体１００を形成する。その後、図示しない直流バスバーを用いてコンデンサ２と半導体モジュール３とを接続する。また、補助開口部１１１から制御回路基板１４を収容し、この制御回路基板１４を半導体モジュール３の制御端子３３に接続する。

次いで、ボルト４９（図２参照）を用いて、コンデンサ２のコンデンサ入力端子２５に、分岐バスバー４を接続する。その後、図１１に示すごとく、カバー１２内に、ヒューズ６と電力分岐線５とヒューズ保持部６１とを収容し、このカバー１２をケース１１に取り付ける。このようにすると、分岐バスバー４と電力分岐線５とが重なり合う。

次いで、補助開口部１１１から締結用貫通部１１８内に締結部材７を差し込み、この締結部材７を用いて、分岐バスバー４と電力分岐線５とを締結する。また、信号用貫通部１１９（図８参照）に信号線１４２を通し、この信号線１４２を用いて、制御回路基板１４と制御コネクタ１４１とを接続する。その後、補助開口部１１１に補助カバー１３（図１参照）を取り付ける。以上の工程を行うことにより、電力変換装置１を製造する。

また、電力変換装置１の顧客によっては、電力供給経路Ｐが不要になる場合がある。この場合は、図１４、図１５に示すごとく、コンデンサ入力端子２５に分岐バスバー４を取り付けない。また、内部にヒューズ６や電力分岐線５等を収容していない薄型のカバー１２’を、ケース１１に取り付ける。これにより、電力供給経路Ｐを備えない電力変換装置１’を製造する。

次に、本形態の作用効果について説明する。図１、図２に示すごとく、本形態においては、コンデンサ２に、金属板からなる分岐バスバー４を接続してある。この分岐バスバー４に電力分岐線５が接続し、該電力分岐線５上にヒューズ６が設けられている。つまり、コンデンサ５とヒューズ６との双方に、放熱性が高い、金属板からなる分岐バスバー４を電気接続してある。
そのため、コンデンサ２及びヒューズ６から発生した熱を、分岐バスバー４に伝導させ、この分岐バスバー４から放熱させることができる。したがって、コンデンサ２とヒューズ６との温度上昇を抑制できる。

また、本形態においては、分岐バスバー４を、コンデンサ２とヒューズ６との間に介在させてある。そのため、コンデンサ２及びヒューズ６から発生した放射熱を、分岐バスバー４によって遮蔽することができる。したがって、コンデンサ２とヒューズ６との熱干渉を抑制できる。

このように、分岐バスバー４を形成することにより、コンデンサ２及びヒューズ６から発生した熱を、分岐バスバー４に伝導させて放熱できると共に、コンデンサ２及びヒューズ６から発生した放射熱を分岐バスバー４によって遮蔽でき、熱干渉を抑制できる。そのため、コンデンサ２及びヒューズ６の温度上昇を抑制できる。したがって、コンデンサ２及びヒューズ６の発熱量を増やすことが可能になる。つまり、外部機器８や半導体モジュール２に送る電力量を増加させることが可能になる。

また、本形態では、分岐バスバー４によって、ヒューズ６とコンデンサ２との熱干渉を抑制できるため、これらを接近して配置することが可能になる。そのため、電力変換装置１を小型化できる。

また、本形態のように分岐バスバー４を形成すると、コンデンサ２やヒューズ６から発生する放射熱を遮蔽するための、専用の遮蔽板を設ける必要がなくなる。そのため、電力変換装置１の部品点数が増加することを抑制できる。

また、本形態では、図４、図５に示すごとく、分岐バスバー４とコンデンサ２との間、および分岐バスバー４とヒューズ６との間に、空気層Ａを形成してある。
そのため、コンデンサ２やヒューズ６から分岐バスバー４に伝導した熱を、空気層Ａに放熱させることができる。したがって、分岐バスバー４の放熱性を高めることができ、コンデンサ２やヒューズ６の温度上昇を効果的に抑制できる。

また、図４、図５に示すごとく、本形態では、ヒューズ６と分岐バスバー４との間に、ヒューズ保持部６１が介在している。
そのため、ヒューズ６やコンデンサ２から発生した放射熱を、ヒューズ保持部６１によって遮蔽できる。したがって、ヒューズ６とコンデンサ２との間で熱干渉がより生じにくくなり、これらヒューズ６とコンデンサ２との温度上昇を、より効果的に抑制できる。

また、図２、図５に示すごとく、本形態の分岐バスバー４は、コンデンサ２に接続した接続板部４１と、該接続板部４１からＺ方向に立設したリブ部４２とを備える。
このように、リブ部４２を形成することにより、分岐バスバー４の表面積を増やすことができ、分岐バスバー４の放熱性を向上させることが可能になる。そのため、ヒューズ６やコンデンサ２から発生し分岐バスバー４に伝導した熱を、効率的に放熱でき、これらヒューズ６およびコンデンサ２の温度上昇をより効果的に抑制できる。また、リブ部４２を形成することにより、分岐バスバー４の剛性を高めることが可能となる。

また、図２、図１４に示すごとく、本形態の分岐バスバー４は、コンデンサ２に着脱可能に構成されている。
そのため、電力供給経路Ｐが必要となる場合には、分岐バスバー４をコンデンサ２に取り付けて電力変換装置１を製造し、電力供給経路Ｐが必要とされない場合には、分岐バスバー４をコンデンサ２に取り付けないで、電力変換装置１’を組み立てることができる。そのため、電力供給経路Ｐが必要になる場合と、必要とされない場合とで、コンデンサ２を共通して使用することが可能になる。そのため、電力変換装置１，１’の製造工場において、保管するコンデンサ２の種類を少なくすることができる。

また、図２、図４に示すごとく、本形態の分岐バスバー４は、コンデンサ２のうち、Ｘ方向におけるコンデンサ２の中央位置Ｍよりも積層体１００から遠い位置に存在する部位である遠方部分２９と、ヒューズ６との間に介在している。
このようにすると、分岐バスバー４の遮熱効果をより高めることができる。すなわち、コンデンサ２のうち、中央位置Ｍよりも積層体１００に近い位置に存在する近傍部分２８は、冷却管１５によって冷却されるため、温度が比較的低くなりやすい。これに対して、上記遠方部分２９は、冷却管１５から離れているため、冷却管１５によって冷却されにくい。本形態の分岐バスバー４は、遠方部分２９とヒューズ６との間に介在している。そのため、冷却管１５によって冷却されにくく、放射熱の発生量が多くなりやすい遠方部分２９を遮蔽できる。したがって、分岐バスバー４による、放射熱の遮蔽効果を高めることができる。

また、図２に示すごとく、分岐バスバー４は、コンデンサ入力端子２５に接続している。コンデンサ入力端子２５は、遠方部分２９に設けられている。
そのため、遠方部分２９から発生した熱を、コンデンサ入力端子２５を介して、分岐バスバー４に伝導させることができる。したがって、冷却管１５によって冷却されにくい遠方部分２９を、分岐バスバー４によって効果的に放熱することができる。

以上のごとく、本形態によれば、小型化でき、かつヒューズとコンデンサとの温度上昇を抑制できる電力変換装置を提供することができる。
（実施形態２）

以下の実施形態においては、図面に用いた符号のうち、実施形態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、実施形態１と同様の構成要素等を表す。

本形態は、ヒューズ６の配置位置を変更した例である。図１２に示すごとく、本形態では、ヒューズ６を、ヒューズ保持部６１よりもコンデンサ２側に配置してある。本形態では、実施形態１と同様に、ヒューズ６とコンデンサ２との間に、分岐バスバー４が介在している。また、分岐バスバー４とコンデンサ２との間、及び分岐バスバー４とヒューズ６との間に、空気層Ａが形成されている。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態３）
本形態は、分岐バスバー４とヒューズ６との位置関係を変更した例である。本形態では図１３に示すごとく、Ｚ方向における、ヒューズ６とコンデンサ２との間に、分岐バスバー４を介在させてある。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

１ 電力変換装置
１０ 直流電源
２ コンデンサ
３ 半導体モジュール
３９ インバータ回路
４ 分岐バスバー
５ 電力分岐線
６ ヒューズ
Ｐ 電力供給経路

Claims (5)

1. 直流電源（１０）から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路（３９）を構成する半導体モジュール（３）と、
   該半導体モジュールに接続し、該半導体モジュールに加わる直流電圧を平滑化するコンデンサ（２）と、
   金属板からなり、上記コンデンサに接続した分岐バスバー（４）と、
   該分岐バスバーに接続した電力分岐線（５）と、
   該電力分岐線上に設けられたヒューズ（６）とを備え、
   上記分岐バスバーと上記電力分岐線と上記ヒューズとによって、上記コンデンサから上記直流電力の一部を分岐して外部機器（８）に供給するための電力供給経路（Ｐ）が構成されており、
   上記ヒューズと上記コンデンサとの間に、上記分岐バスバーが介在している、電力変換装置（１）。
2. 上記分岐バスバーと上記コンデンサとの間、および上記分岐バスバーと上記ヒューズとの間に、空気層（Ａ）が形成されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記ヒューズを保持するヒューズ保持部（６１）を備え、該ヒューズ保持部は、上記ヒューズと上記分岐バスバーとの間に介在している、請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記分岐バスバーは、上記コンデンサに着脱可能に構成されている、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 上記分岐バスバーは、上記コンデンサに接続した接続板部（４１）と、該接続板部から該接続板部の厚さ方向に立設したリブ部（４２）とを備える、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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