JP2018121418A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサの検出精度を高めるとともに、静電誘導ノイズを低減すること。【解決手段】電力変換装置１０は、パワーモジュールを収納するパワーモジュールケース２０と、このパワーモジュールケース２０に設けられ前記パワーモジュールからモータへ接続されるバスバー３０と、このバスバー３０に流れる電流を検出する電流センサ４０とを備える。この電流センサ４０は、前記パワーモジュールケース２０の中に配置された磁気コア４１と、この磁気コア４１のギャップに配置されたホール素子４２とからなる。前記パワーモジュールケース２０は、１つの面２３に冷却器５０を備える。この冷却器５０は、前記磁気コア４１に接触して熱交換をすることが可能な突出部５４を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置の改良技術に関する。

電力変換装置は、例えばバッテリとモータの間に配置されバッテリで貯えた電力を制御してモータへ供給する。車両に搭載されたモータを電力変換装置によって制御する場合には、パワーモジュールといわれる３相のインバータ回路によって、直流電流を３相の交流電流に変換している。

この際、パワーモジュールからモータへ出力される電流は、電流センサによって検出している。電流センサを、パワーモジュールに内蔵もしくは隣接させることにより、発熱源であるバスバーからの熱伝達経路は、３相出力バスバーから電流センサケースやパワーモジュールケース、磁気コア及びホール素子への経路となる。磁気コア及びホール素子の周囲には、熱抵抗が高い空気層が少ない。このため、磁気コア及びホール素子は、熱害を受けやすくなっている。この結果、弊害として高温での使用範囲が増加して、精度悪化に繋がってしまう。これに対し、冷却技術が各種提案されてきた（例えば、特許文献１）。

また、磁気コア及びホール素子をパワーモジュールケースに内蔵した場合に、バスバーと磁気コアとの間隔が増すので、静電誘導ノイズによる耐性が悪化しないような配慮が必要である。

特許文献１で知られている電力変換装置は、ヒートシンクに固定されたセンサモジュールを備える。このセンサモジュールは、樹脂製ケースに電流センサを内蔵した構成である。この電流センサは、パワーモジュールからモータへ接続されたバスバーに流れる電流を検出する。この電流センサは、樹脂製ケースの中に配置された磁気コアと、この磁気コアのギャップに配置されたホール素子とからなる。

しかし、バスバーが発生した熱は、樹脂製ケースを介してヒートシンクに間接的に伝わる。バスバーから磁気コア及びホール素子へ伝わる熱量を抑制して、電流センサの検出精度を高めるには、更なる改良の余地がある。また、静電誘導ノイズを低減するには、改良の余地がある。

特開２０１１−１８５６４７号公報

本発明は電流センサの検出精度を高めるとともに、静電誘導ノイズを低減することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、モータをスイッチングするパワーモジュールを収納するパワーモジュールケースと、このパワーモジュールケースに設けられ前記パワーモジュールから前記モータへ接続されるバスバーと、このバスバーに流れる電流を検出する電流センサと、を備える電力変換装置において、
前記電流センサは、前記パワーモジュールケースの中に配置された磁気コアと、この磁気コアのギャップに配置されたホール素子とからなり、
前記パワーモジュールケースは、１つの面に冷却器を備え、
この冷却器は、フレームグラウンドの機能を有するとともに、前記磁気コアに接触した突出部を有し、
前記パワーモジュールケースには、前記突出部を嵌め込んで位置決め可能な空間部が設けられていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、ウォータージャケット等の冷却器の突出部が、電流センサの磁気コアに接触している。バスバーが発生した熱は磁気コアに伝わる。この熱を、磁気コアから突出部を介して冷却器へ伝えることができる。磁気コアの温度が下がることにより、この磁気コアの周囲の温度も下がる。これにより、パワーモジュールケースに磁気コアを固定するコア固定部材の熱膨張を低減することができる。コア固定部材が熱膨張することによって、このコア固定部材から磁気コアやホール素子へ加わる応力を、低減することができる。この結果、電流センサの検出精度を高めることができる。

また、冷却器は、フレームグラウンドの機能を有している。磁気コアは、冷却器の突出部と接触することによって、冷却器に電気的に接続される。パワーモジュールのオン時に、バスバーと磁気コアとホール素子との間に発生した、浮遊容量によって生じるノイズ電量を、磁気コアから冷却器へ逃がすことができる。この結果、静電誘導ノイズを低減することができる。

また、パワーモジュールケースの空間部に、突出部を嵌め込むことによって、パワーモジュールケースに対する冷却器の位置決めを容易に行うことができる。

本発明による電力変換装置の構成を示す図であり、（ａ）は電力変換装置を上から見た斜視図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿った断面図である。 図１に示される電力変換装置の要部の構成を示す図であり、（ａ）は図１（ｂ）の要部を拡大した図、（ｂ）は（ａ）に示される突出部を冷却器側から見た断面図、（ｃ）は図１（ａ）に示された冷却器を底面側から見た図、（ｄ）は（ａ）に示される突出部の変形例図である。

本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。

実施例に係る電力変換装置について、図１〜図２に基づき説明する。

図１（ａ），（ｂ）及び図２（ａ）に示されるように、電力変換装置１０は、モータをスイッチングするパワーモジュールを収納するパワーモジュールケース２０と、このパワーモジュールケース２０に設けられパワーモジュールからモータへ接続される複数（例えば６個）のバスバー３０と、この複数のバスバー３０に流れる電流を検出する複数の電流センサ４０と、を備える。バッテリ及びモータは周知であるため、図示は省略する。

パワーモジュールケース２０は樹脂製品であって、上面２１に回路基板２２を備え、下面２３（１つの面２３）に冷却器５０を備える。回路基板２２及び冷却器５０は、パワーモジュールケース２０にビス等の固定部材により固定されている。パワーモジュールケース２０には、下面２３に開放された複数のコア装着孔２４と、この複数のコア装着孔２４の上面から複数のコア装着孔２４へ向かって突出した複数のバスバー装着凸部２５とが形成されている。バスバー装着凸部２５の先端部分には、バスバー３０が埋設されている。バスバー装着凸部２５の基端部分には、センサ挿入孔２６が形成されている。

各電流センサ４０は、それぞれ磁気コア４１とホール素子４２とからなる、ホール素子方式電流センサである。磁気コア４１は、略Ｃ形状を呈しており、パワーモジュールケース２０の中に配置されている。つまり、この磁気コア４１は、Ｃ形のギャップを、上向き且つバスバー装着凸部２５に嵌合した状態で、コア装着孔２４内に位置している。この磁気コア４１は、コア装着孔２４内に充填されたコア固定部材２７によって、パワーモジュールケース２０に固定されている。

ホール素子４２は、回路基板２２に実装されるとともに、センサ挿入孔２６に所定深さまで挿入されている。この挿入位置は、磁気コア４１のギャップの位置に相当する。この結果、ホール素子４２は、磁気コア４１のギャップに配置されている。

冷却器５０は、平板状の下板５１と上板５２との間の流路５３を冷媒が流れるものである。この冷却器５０は、例えばアルミニウム合金製等の導電性を有したウォータージャケットによって構成されることにより、フレームグラウンドの機能を有する。流路５３を流れる冷却水等の冷媒によって、電力変換装置１０を冷却することができる。

この冷却器５０は、複数の磁気コア４１に個別に接触した複数の突出部５４を有する。この突出部５４は、例えば、上板５２が磁気コア４１の底面４１ａに向かって膨出している。冷却器５０がパワーモジュールケース２０に組み付けられた状態において、膨出した突出部５４の先端面５４ａ（上端面５４ａ）は、磁気コア４１の底面４１ａに面接触している。つまり、磁気コア４１の底面４１ａに対して、突出部５４の先端面５４ａが概ね全面にわたって接触している。

突出部５４の先端面５４ａの大きさは、伝熱面積を広げるために、極力大きいことが好ましい。例えば、図２（ａ），（ｂ）に示されるように、突出部５４の先端面５４ａは、磁気コア４１の幅Ｗｃと同等の幅を有した四角形である。このようにすることによって、突出部５４を、磁気コア４１の底面４１ａに完全に面接触することが可能な、いわゆる台座のような形状とすることができる。

図１（ｂ）及び図２（ａ）に示されるように、パワーモジュールケース２０には、突出部５４を嵌め込んで位置決め可能な空間部２８が設けられている。詳しく述べると、この空間部２８は、コア装着孔２４内に充填されたコア固定部材２７に形成されている。突出部５４をパワーモジュールケース２０の空間部２８に嵌め込むことによって、パワーモジュールケース２０に対する冷却器５０の位置決めを容易に行うことができる。

図２（ｃ）に示されるように、複数の突出部５４は、複数のバスバー３０の配置に合わせて冷却器５０に配置されている。

なお、複数の突出部５４は、図２（ｄ）に示される変形例の構成とすることができる。変形例の突出部５４Ａは、冷却器５０とは別部材によって構成されている。つまり、変形例の突出部５４Ａは、アルミニウム合金等の熱伝導性且つ導電性の良好な材質によって構成されており、冷却器５０の上板５２に接合等によって固定されている。この変形例の突出部５４Ａの形状及び大きさは、上記図２（ａ）に示される突出部５４と同等である。

以上の説明をまとめると、次の通りである。突出部５４，５４Ａが磁気コア４１に接触している。バスバー３０が発生した熱は磁気コア４１に伝わる。この熱を、磁気コア４１から突出部５４，５４Ａを介して冷却器５０へ伝えることができる。磁気コア４１の温度が下がることにより、この磁気コア４１の周囲の温度も下がる。これにより、パワーモジュールケース２０に磁気コア４１を固定するコア固定部材２７の熱膨張を低減することができる。コア固定部材２７が熱膨張することによって、コア固定部材２７から磁気コア４１やホール素子４２へ加わる応力を、低減することができる。この結果、電流センサ４０の検出精度を高めることができる。

また、磁気コア４１は、フレームグラウンドの機能を有している冷却器５０の、突出部５４，５４Ａと接触することによって、冷却器５０に電気的に接続される。パワーモジュールのオン時に、バスバー３０と磁気コア４１とホール素子４２との間に発生した、浮遊容量によって生じるノイズ電量を、磁気コア４１から冷却器５０へ逃がすことができる。この結果、静電誘導ノイズを低減することができる。

本発明は、車両に搭載される電力変換装置に好適である。

１０…電力変換装置、２０…パワーモジュールケース、２８…空間部、３０…バスバー、４０…電流センサ、４１…磁気コア、４２…ホール素子、５０…冷却器、５４，５４Ａ…突出部。

Claims (1)

1. モータをスイッチングするパワーモジュールを収納するパワーモジュールケースと、このパワーモジュールケースに設けられ前記パワーモジュールから前記モータへ接続されるバスバーと、このバスバーに流れる電流を検出する電流センサと、を備える電力変換装置において、
   前記電流センサは、前記パワーモジュールケースの中に配置された磁気コアと、この磁気コアのギャップに配置されたホール素子とからなり、
   前記パワーモジュールケースは、１つの面に冷却器を備え、
   この冷却器は、フレームグラウンドの機能を有するとともに、前記磁気コアに接触した突出部を有し、
   前記パワーモジュールケースには、前記突出部を嵌め込んで位置決め可能な空間部が設けられていることを特徴とする電力変換装置。

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