JP2017108521A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の大型化を抑制する技術を提供する。【解決手段】本明細書で開示する電圧コンバータでは、スイッチングアームを構成する複数のスイッチング素子を有する半導体モジュール１３と、半導体モジュール１３に対して別体に設けられスイッチングアームをオンオフ制御するコントローラ１９を実装するプリント基板１１と、半導体モジュール１３とプリント基板１１の間に配置されてこれらの間を電磁シールドするシールド板１２と、を備え、スイッチングアームに接続されるスナバ回路は、そのスナバ抵抗１７がシールド板１２に取り付けられる。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、スナバ回路を備えた電力変換装置に関する。本明細書における電力変換装置には、直流電圧を昇圧したり降圧したりする電圧コンバータや、直流電力を交流電力に変換したり交流電力を直流電力に変換したりするインバータを含む。

電圧コンバータやインバータに代表される電力変換装置では、典型的には、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子を直列に接続したスイッチングアームを備えており、これらのスイッチング素子をオンオフ制御することによって電力変換を行う。このような電力変換装置では、スイッチング素子のオンオフ動作に伴い過渡的な高電圧などが発生し得る。そのため、スイッチングアームには、例えば、抵抗とコンデンサを直列接続したスナバ回路を、並列に接続することにより、スイッチング素子のオフ動作の際に生じ得るリンギングや電磁ノイズなどの発生を抑制する。

例えば、下記特許文献１に開示される電気車用制御装置では、直流電力を三相交流電力に変換する回路において、各相のスイッチングアームに対しスナバ回路を並列に接続する構成を採っている。このスナバ回路では、直列接続した抵抗とコンデンサに加えて、抵抗（スナバ抵抗）に並列に接続したダイオードを備えている。これにより、スナバ回路に流れる電流の一部がダイオードを経由して流れるため、スナバ抵抗の値を大きく設定することができ、スイッチング素子の耐電圧値の低減を可能にしている。

特開平１０−１４２５４号公報

このようにスナバ抵抗にはスイッチング動作に伴い電流が流れる。そのため、スナバ抵抗の値を大きくしたり、スイッチング動作の繰返し周波数を高めたり、また変換電力を高めたりすることにより、スナバ抵抗で消費される電力や発生する熱が増大することから、大電力仕様の抵抗器、つまり体格の大きなスナバ抵抗が必要になる。例えば、上記特許文献１では、大柄なスナバ抵抗は、ヒートシンクに配設している。

スナバ抵抗をヒートシンクに設けることによって、発生する熱をヒートシンクに逃がすことが可能になり、スナバ抵抗の体格も小型になり得る。しかし、スナバ抵抗のために、別途、ヒートシンクを設ける構成を採れば、装置全体の体格の大型化を招く。本明細書は、電力変換装置の大型化を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置では、スイッチングアームを構成する複数のスイッチング素子を有するスイッチユニットと、スイッチユニットに対して別体に設けられスイッチングアームをオンオフ制御する駆動回路を実装する回路基板と、スイッチユニットと回路基板の間に配置されてこれらの間を電磁シールドするシールド板と、を備える。そして、スイッチングアームに接続されるスナバ回路は、スナバ抵抗がシールド板に取り付けられている。なお、「スイッチユニット」の典型例は、スイッチング素子を収容した半導体モジュールや、スイッチング素子を実装したプリント基板である。

これにより、スナバ抵抗が発生する熱をシールド板に逃がすことが可能になるので、それ自体で放熱可能な体格の大きな大電力仕様のスナバ抵抗を用いる必要がない。また、スナバ抵抗のために、別途、ヒートシンクなどを設ける必要もない。したがって、装置の大型化を抑制する。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例の電圧コンバータの回路図である。 電圧コンバータを構成する第１実施例の回路ユニットの側面図である。 電圧コンバータを構成する第１実施例の回路ユニットの平面図である。 電圧コンバータを構成する第２実施例の回路ユニットの側面図である。 電圧コンバータを構成する第３実施例の回路ユニットの側面図である。 電圧コンバータを構成する第４実施例の回路ユニットの側面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。以下説明する各実施例では、ハイブリッド車や電気自動車に搭載されるパワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ」と称する）の電圧コンバータに、当該電力変換装置の技術を適用した場合について説明する。ＰＣＵは、メインバッテリの電力を昇圧した後に交流に変換してモータへ出力する回路と、メインバッテリの電力を降圧して別の電気デバイスへ供給する回路を備える。典型的には、前者は、電圧コンバータとインバータであり、後者は降圧コンバータである。

まず、電圧コンバータの説明をする前に、ハイブリッド車の電力系について説明する。ハイブリッド車は、走行用の駆動源として、エンジンとモータを備えている。これらの出力トルクは、動力分配機構で適宜に分配／合成され、プロペラシャフトへ伝達される。モータを駆動するための電力はメインバッテリから供給される。メインバッテリの出力電圧は、例えば３００ボルトである。また、ハイブリッド車は、メインバッテリの他に、カーナビゲーション装置やルームランプなど、メインバッテリの出力電圧よりも低い電圧で駆動するデバイス群に電力を供給するための補機バッテリも備える。

ＰＣＵは、メインバッテリと走行用のモータとの間に介在する電子回路である。ＰＣＵは、メインバッテリの電圧をモータの駆動に適した電圧（例えば６００ボルト）まで昇圧する電圧コンバータ、昇圧後の直流電力を交流電力に変換するインバータ、メインバッテリの直流電力を補機の駆動に適した電圧（例えば１２ボルト）に降圧する降圧コンバータなどを含んで構成されている。以下説明する各実施例では、図１に示すように、電圧コンバータ２は、メインバッテリ３の電圧を走行用のモータの駆動に適した電圧まで昇圧する。図１に、実施例の電力変換装置として、電圧コンバータ２の回路図を図示する。

電圧コンバータ２は、コンデンサ４、６とリアクトル５と回路ユニット１０により構成されている。負荷７は、例えば、走行用のモータに対して、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相の交流電流を生成可能に構成されるインバータである。即ち、電圧コンバータ２は、メインバッテリ３に並列に接続されるコンデンサ４と、メインバッテリ３の正極側に一端側が直列に接続されるリアクトル５と、このリアクトル５の他端側及びメインバッテリ３の負極側に入力側の端子台２８が接続される回路ユニット１０と、この回路ユニット１０の出力側の端子台２９に並列に接続されるコンデンサ６と、から構成されており、その出力が負荷７としてのインバータに接続されている。

なお、メインバッテリ３とコンデンサ４の間には、典型的には、不図示のシステムメインリレーが接続されており、このシステムメインリレーが上位コントローラにオンオフされて電圧コンバータ２による昇圧動作が制御される。また、電圧コンバータ２には、前述した補機バッテリ８が接続されており、電圧コンバータ２は、この補機バッテリ８から供給される低圧の直流電力によって駆動される。

回路ユニット１０は、電気的には、スイッチングアームと、スイッチングアームに並列に接続されるスナバ回路と、スイッチングアームを制御するコントローラ１９と、により構成されている。スイッチングアームは、互いに直列に接続されるスイッチング素子１５ａ、１５ｂと、これらのスイッチング素子１５ａ、１５ｂに逆並列に接続された還流ダイオード１６ａ、１６ｂとを備えている。なお、ここでは、スイッチング素子１５ａ、１５ｂとして、ＮチャネルＭＯＳトランジスタを例示しているが、ＩＧＢＴでもよい。また、半導体スイッチング素子であれば、ＳｉＣやＧａＮなどの半導体からなるスイッチングデバイスであってもよい。

スイッチング素子１５ａ、１５ｂは、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）としてパッケージ化されている。本明細書では、そのようなパワーモジュールパッケージのことを半導体モジュール１３と称する。半導体モジュール１３はパワーカードと称されることもある。なお、高電圧側に接続されるスイッチング素子１５ａは上アーム（アッパーアーム）であり、低電圧側に接続されるスイッチング素子１５ｂは下アーム（ロアアーム）である。これらの上下の各アームで構成されるスイッチング回路のことを本明細書ではスイッチングアームと称する。半導体モジュール１３からは、３本の板状のリード線が引き出されている。即ち、スイッチング素子１５ａとスイッチング素子１５ｂの接続部に接続される入力線１３ａと、スイッチングアームの高電圧側（スイッチング素子１５ａの高電位側）に接続される高電圧側線１３ｂと、スイッチングアームの低電圧側（スイッチング素子１５ｂの低電位側）に接続される低電圧側線１３ｃと、が半導体モジュール１３から突出している。

半導体モジュール１３のスイッチング素子１５ａ、１５ｂで構成されるスイッチングアームには、スナバ回路が並列に接続されている。スナバ回路は、直列接続されたスナバ抵抗１７及びスナバコンデンサ１８である。この回路は、スイッチ回路に並列に接続されることにより、スイッチング素子のオンオフ動作に伴い過渡的に生じ得る高電圧を吸収し、リンギングや電磁ノイズなどの発生を抑制する。実施例のスナバ回路は、スイッチ回路としてのスイッチングアームに並列に接続されている。

スイッチングアームの入力、即ちスイッチング素子１５ａとスイッチング素子１５ｂの間には、入力用の端子台２８を介してリアクトル５の他端側が接続されている。これに対して、スイッチングアームの出力、即ちスイッチングアームの両端には、出力用の端子台２９を介して平滑用のコンデンサ６と負荷７が並列に接続されている。スイッチング素子１５ａ、１５ｂの制御端子（ＭＯＳトランジスタのゲート）には、コントローラ１９の制御線１９ａが接続されている。

コントローラ１９は、不図示の上位コントローラからの指示に従って、半導体モジュール１３のスイッチング素子１５ａ、１５ｂのスイッチング動作を制御し得るように構成されている。例えば、コントローラ１９は、スイッチング素子１５ａ、１５ｂが交互にオンオフするようにスイッチング素子１５ａ、１５ｂのオンオフのタイミングを調整してデューティ比を最適な値にＰＷＭ制御する。これにより、電圧コンバータ２は、メインバッテリ３からの入力電圧を負荷７に適した出力電圧に昇圧する。

例えば、スイッチング素子１５ｂのオン期間（スイッチング素子１５ａのオフ期間）にメインバッテリ３からリアクトル５に電気エネルギが蓄積されると、その蓄積された電気エネルギが、その次のスイッチング素子１５ａのオン期間（スイッチング素子１５ｂのオフ期間）にコンデンサ６側に流れる。スイッチング素子１５ａ、１５ｂのオンオフのタイミングを適切にＰＷＭ制御することにより、コンデンサ４側から入力された電圧（メインバッテリ３の電圧）が昇圧されてコンデンサ６側に出力される。つまり、電圧コンバータ２による昇圧動作が行われる。なお、コントローラ１９には、低圧配線８ａを介して補機バッテリ８が接続されることにより駆動電力が供給される。

このように電気的に構成される回路ユニット１０は、機械的には、例えば、次のように構成される。ここから、図１に加えて、図２及び図３も参照しながら、回路ユニット１０の構成を説明する。なお、図２及び図３は、特に、回路ユニットの機械的な構成を中心に図示している。そのため、これらの図には、メインバッテリ３、コンデンサ４、６、リアクトル５や補機バッテリ８は、描かれていないことに注意されたい。

（第１実施例）図２に、第１実施例の回路ユニット１０ａの側面図を示す。また、図３に、第１実施例の回路ユニット１０の平面図を示す。回路ユニット１０ａは、主に、プリント基板１１、シールド板１２、ケース１４、端子台２８、２９により構成されている。プリント基板１１は、前述のコントローラ１９や制御線１９ａを実装するとともに、駆動電力受電用のコネクタ３１や、その他の不図示の回路部品を実装している。プリント基板１１は、ケース１４の上方（図２，３に示す座標系のＺ軸先端方向）に所定間隔を隔ててケース１４に取り付けられている。

ケース１４は、例えば、樹脂製であり、半導体モジュール１３とヒートシンク２０を収容可能な矩形の薄箱形状に形成されている。実施形態では、ケース１４は、不図示の固定手段によりハイブリッド車のボディ９に固定されている。ヒートシンク２０は、例えば、ボディ９に放熱可能な形状、かつ、半導体モジュール１３のヒートスプレッダ（不図示）に対して熱結合可能な形状に構成されている（図２では板形状に形成されている）。これにより、半導体モジュール１３が動作時に発する熱は、ヒートシンク２０やボディ９に逃がされる。ボディ９は、典型的には、鋼板などからなる金属製である。

ケース１４の上面１４ａには、４本の樹脂製のポスト２１が立設されている。これらのポスト２１にプリント基板１１がボルト２２よりねじ締め固定されることによって、プリント基板１１とケース１４の間に所定隙間を確保しつつ、プリント基板１１がボディ９に取り付けられる。また、ケース１４には、出力用の端子台２９が形成されており、この端子台２９には、後述する端子板２９ａが取り付けられている。なお、実施例では、ケース１４やポスト２１が樹脂製であるため、プリント基板１１は、金属製のボディ９に対して電気的に絶縁を確保している。

シールド板１２は、例えば、アルミニウム製の電磁遮蔽板であり、基準電位（グランド電位）に接続されるとともにプリント基板１１とケース１４の間に介在している。即ち、シールド板１２は、長方形の板状に形成される平坦部１２ａとこの平坦部１２ａの四隅にＬアングル状に形成される脚部１２ｂとを備えており、プリント基板１１とケース１４の間において、ケース１４の上面１４ａのほぼ全面を覆うように、ボルト２４によりボディ９に取り付けられている。ボディ９は、典型的には、ハイブリッド車においては基準電位（グランド電位）である。そのため、シールド板１２の平坦部１２ａがボルト２４によりねじ締結されることにより、シールド板１２は電気的に基準電位になる。

これにより、ケース１４に収容される半導体モジュール１３は、共に基準電位になるボディ９とシールド板１２に挟まれるように覆われる。そのため、スイッチング素子１５ａ、１５ｂのスイッチング動作に伴って半導体モジュール１３から放射される電磁ノイズが、プリント基板１１に到達することが抑制される。なお、実施例では、シールド板１２の一端部に切欠部を形成することにより、シールド板１２がケース１４の端子台２９と機械的に抵触することを回避している。

また、実施例では、シールド板１２には、スナバ回路を構成するスナバ抵抗１７が取り付けられている。即ち、スナバ抵抗１７は、シールド板１２の平坦部１２ａのうち、プリント基板１１側の表面に放熱シート２３を介して、例えば、耐熱性の樹脂製ボルト及びナットによりねじ締め固定されている。放熱シート２３は、熱伝導特性が良好な樹脂シートであり、電気的にも良好な絶縁特性を有する。そのため、スナバ抵抗１７は、そのヒートスプレッダ１７ｂとシールド板１２の間において熱的に結合するとともに電気的には絶縁を保つ。スナバ抵抗１７のリード線１７ａは、その両方が端子台２９の端子板２９ａに配線されている。この端子板２９ａには、スナバ抵抗１７に直列に接続されるスナバコンデンサ１８が実装されている。

スナバ抵抗１７の一方のリード線１７ａには、スナバコンデンサ１８の一端側が電気的に接続される。このスナバコンデンサ１８の他端側は、ボルト２６を介して半導体モジュール１３の高電圧側線１３ｂが電気的に接続される。また、スナバ抵抗１７の他方のリード線１７ａには、不図示のバスバとボルト２６を介して半導体モジュール１３の低電圧側線１３ｃが電気的に接続される。なお、スナバ抵抗１７の両端に２つのスナバコンデンサ１８を夫々直列に接続する回路構成を採ってもよい。この場合、例えば、図３に示すように、２つのスナバコンデンサ１８がスナバ抵抗１７の各リード線１７ａに対して端子板２９ａを介して取り付けられる。図１に示す回路構成のように、スナバコンデンサ１８が１つの場合には、図３に示す２つのスナバコンデンサ１８のうち、いずれか一方がジャンパ線（短絡線）に置き換わる構成を採る。

実施例では、半導体モジュール１３の入力側、即ち入力線１３ａ及び低電圧側線１３ｃは、ケース１４と別体に設けられた端子台２８に取り付けられる。端子台２８は、ケース１４と同様に、例えば樹脂製である。端子台２８には、半導体モジュール１３から延びる入力線１３ａ及び低電圧側線１３ｃがボルト２５によりねじ締結されている。実施例では、夫々のボルト２５により入力バスバ４１、４２も端子台２８に共締めされている。高圧側の入力バスバ４１は、前述したリアクトル５の他端側に接続されており、また低圧側の入力バスバ４２は、メインバッテリ３及びコンデンサ４の負極側に接続されている。なお、端子台２９の端子板２９ａには、平滑用のコンデンサ６と負荷７に接続される出力バスバ４３がボルト２７によりねじ締結されている。

このように第１実施例の電圧コンバータ２の回路ユニット１０ａでは、スイッチングアームを構成する複数のスイッチング素子１５ａ、１５ｂを有する半導体モジュール１３と、半導体モジュール１３に対して別体に設けられスイッチングアームをオンオフ制御する駆動回路を実装するプリント基板１１と、半導体モジュール１３とプリント基板１１の間に配置されてこれらの間を電磁シールドするシールド板１２と、を備える。そして、スイッチングアームに接続されるスナバ回路は、スナバ抵抗１７がシールド板１２に取り付けられている。これにより、スナバ抵抗１７が発する熱をシールド板１２に逃がすことが可能になるので、それ自体で放熱可能な体格の大きな大電力仕様のスナバ抵抗を用いる必要がない。またスナバ抵抗１７のために、別途、ヒートシンクなどを設ける必要もない。したがって、電圧コンバータ２の大型化を抑制することが可能になる。

（第２実施例）図４に、第２実施例の回路ユニット１０ｂの側面図を示す。図４に示す回路ユニット１０ｂは、第１実施例の回路ユニット１０ａに対して、端子台２９に端子板２９ａを設けることなくスナバ抵抗１７のリード線１７ａをプリント基板１１に接続し、かつ、ボルト２６に接続した配線３３を介して出力バスバ４３を電気的にプリント基板１１に接続している点が異なる。そのため、これ以外の実質的に同一の構成部分については同一符号を付して説明を省略する。

回路ユニット１０ｂでは、プリント基板１１にスナバ抵抗１７のリード線１７ａ及びスナバコンデンサ１８を実装するとともに、配線３３が電気的に接続されるコネクタ３２をプリント基板１１に実装する。そして、一端側をスナバ抵抗１７に接続したスナバコンデンサ１８の他端側を、このコネクタ３２に電気的に接続する。配線３３の先端には、端子３４が接続されている。これにより、スナバコンデンサ１８の他端側は、配線３３を介して、ボルト２６により出力バスバ４３と共締めされるに端子３４により電気的に接続される。そのため、端子台２９に端子板２９ａを設けることなく、スイッチングアームの高電圧側（半導体モジュール１３の高電圧側線１３ｂ）を出力バスバ４３に接続することが可能になる。

（第３実施例）図５に、第３実施例の回路ユニット１０ｃの側面図を示す。図５に示す回路ユニット１０ｃは、第１実施例の回路ユニット１０ａに対して、スナバ抵抗１７とプリント基板１１の裏面側との間に伝熱スペーサ３５を介在させる点が異なる。そのため、これ以外の実質的に同一の構成部分については同一符号を付して説明を省略する。

回路ユニット１０ｃでは、スナバ抵抗１７のヒートスプレッダ１７ｂが設けられている側の反対側（ヒートスプレッダ１７ｂが設けられていない側）の表面と、プリント基板１１の裏側面（コントローラ１９が実装されていない側の面）との間に、熱伝導特性の良好な伝熱スペーサ（伝熱部材）３５を両者夫々の面に密着して接するように介在させる。これにより、スナバ抵抗１７が発する熱を、スナバ抵抗１７の裏側（ヒートスプレッダ１７ｂ側）からシールド板１２に逃がすだけでなく、スナバ抵抗１７の表面からプリント基板１１に逃がすことが可能になる。そのため、スナバ抵抗１７の放熱効率をさらに高めることが可能になるので、スナバ抵抗１７のさらなる小型化が可能になる。したがって、電圧コンバータ２の大型化を一層抑制することが可能になる。

（第４実施例）図６に、第４実施例の回路ユニット１０ｄの側面図を示す。図６に示す回路ユニット１０ｄは、第１実施例の回路ユニット１０ａに対して、シールド板１２の一部が上方（図６に示す座標系のＺ軸先端方向）に垂直に立ち上がるよう折り曲げられるとともに、その立ち上がり部分にスナバ抵抗１７を取り付ける点が異なる。そのため、これ以外の実質的に同一の構成部分については同一符号を付して説明を省略する。

回路ユニット１０ｄでは、端子台２９を避ける切欠部が形成されるシールド板１２の一端部に、上方（図６に示す座標系のＺ軸先端方向）に垂直に立ち上がる、立ち上がり部１２ｃを形成する。そして、この立ち上がり部１２ｃにスナバ抵抗１７を取り付けるとともに、スナバ抵抗１７のリード線１７ａを端子台２９の端子板２９ａに接続する。これにより、例えば、プリント基板１１とシールド板１２の間に形成される隙間間隔が狭く、その隙間にスナバ抵抗１７を収容することができないような制約条件がある場合においても、スナバ抵抗１７が発する熱をシールド板１２に放熱することが可能になる。

なお、上記の各実施例では、当該電力変換装置の技術として、電圧コンバータ２に適用した場合を例示したが、スイッチングアームを備えた電力変換装置であれば、例えば、上述したＰＣＵを構成するインバータや降圧コンバータ、即ち直流電力を交流電力に変換するインバータや、メインバッテリ３の直流電力を補機の駆動に適した電圧に降圧する降圧コンバータなどにも、当該電力変換装置の技術を適用することが可能である。

また、上記の各実施例では、スイッチングユニットとして、スイッチング素子１５ａ、１５ｂを収容した半導体モジュール１３を例示して説明したが、ディスクリート部品のスイッチング素子１５ａ、１５ｂを実装したプリント基板（プリント配線板）でもよい。

さらに、上記の実施例では、入力用の端子台２８とケース１４を別々に構成したが、これらを一体に形成してもよい。即ち、出力用の端子台２９が設けられていないケース１４の端部に一体に、入力用の端子台２８を端子台２９と同様に形成してもよい。この場合、シールド板１２の他端部にも切欠部を形成することで、ケース１４の端部に一体に形成される端子台２８とシールド板１２の抵触を回避する。

実施例技術に関する留意点を述べる。電圧コンバータ２が電力変換装置の一例に相当する。半導体モジュール１３がスイッチングユニットの一例に相当する。プリント基板１１が回路基板の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電圧コンバータ
３：メインバッテリ
４、６：コンデンサ
５：リアクトル
７：負荷
８：補機バッテリ
９：ボディ
１０：回路ユニット
１１：プリント基板
１２：シールド板
１３：半導体モジュール
１４：ケース
１５ａ、１５ｂ：スイッチング素子
１６ａ、１６ｂ：ダイオード
１７：スナバ抵抗
１８：スナバコンデンサ
１９：コントローラ
２０：ヒートシンク
２３：放熱シート
４１、４２：入力バスバ
４３：出力バスバ

Claims (1)

1. スイッチングアームを構成する複数のスイッチング素子を有するスイッチユニットと、
   前記スイッチユニットに対して別体に設けられ前記スイッチングアームをオンオフ制御する駆動回路を実装する回路基板と、
   前記スイッチユニットと前記回路基板の間に配置されてこれらの間を電磁シールドするシールド板と、を備えた電力変換装置であり、
   前記スイッチングアームにはスナバ回路が接続されており、前記スナバ回路のスナバ抵抗は前記シールド板に取り付けられている、ことを特徴とする電力変換装置。
   

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