JP2019017246A - 電力変換装置 - Google Patents

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圭祐 水尻
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Abstract

【課題】コンデンサ温度の上昇を抑制して、信頼性の高い電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置1は、半導体モジュール10、主Pバスバ30p、主Nバスバ30n、コンデンサモジュール40、入力Pバスバ5p及び入力Nバスバ5nを備える。入力Nバスバ5nは直流電源に接続される。主Nバスバ30nは半導体モジュール10の負極端子に接続されて直流電力を通電させる。コンデンサモジュール40においてコンデンサ41をモールドするコンデンサモールド樹脂46には、第1コンデンサ41の負極端子41nに接続されるコンデンサNバスバ42nがモールドされている。入力Nバスバ5nは、コンデンサNバスバ42nに接続される第1N接続部51nと、主Nバスバ30nに接続される第2N接続部52nとを有する。主Nバスバ30nは、コンデンサモールド樹脂46の外に配される。【選択図】図1

Description

本発明は、電力変換装置に関する。
電極変換装置には、直流電力を交流電力に変換するための半導体モジュール、電力を平滑化するためのコンデンサ、直流電源に接続される入力バスバ、コンデンサと入力バスバとを接続するコンデンサバスバなどが備えられている。特許文献1に開示の構成では、コンデンサ及びコンデンサバスバが一体的に樹脂材料にモールドされて、コンデンサモジュールが形成されている。そして、コンデンサバスバには、半導体モジュールに接続されて電力を通電させる主バスバが接続されており、主バスバを通電する電力は、コンデンサモジュールにモールドされたコンデンサバスバを通じて入力バスバを通電することとなる。
特開2013−55840号公報
しかしながら、特許文献1に開示の構成では、コンデンサバスバに直流成分を含む電力が通電されることとなるため、コンデンサバスバが発熱しやすくなる。そして、コンデンサバスバはコンデンサモジュールにモールドされているため、コンデンサバスバから発せられた熱がコンデンサモジュールにモールドされたコンデンサへ伝播して、当該コンデンサが高温となり、コンデンサの破損が発生したり、劣化が早まってコンデンサ寿命が短くなったりするおそれがある。これにより、電力変換装置の信頼性の低下を招く。
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、コンデンサ温度の上昇を抑制して、信頼性の高い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、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
半導体素子を内蔵するとともに、正極端子、負極端子、出力端子及び制御端子を備える半導体モジュールと、
上記制御端子に接続されて上記半導体素子を駆動制御する制御回路が設けられた制御基板と、
上記半導体モジュールの正極端子に接続される主Pバスバと、
上記半導体モジュールの負極端子に接続される主Nバスバと、
コンデンサと、該コンデンサの正極端子に接続されるコンデンサPバスバと、上記コンデンサの負極端子に接続されるコンデンサNバスバと、をコンデンサモールド樹脂によってモールドしてなるコンデンサモジュールと、
直流電源の正極端子に接続される入力Pバスバと、
直流電源の負極端子に接続される入力Nバスバと、
を備え、
上記入力Nバスバは、上記コンデンサNバスバに接続される第1N接続部と、上記主Nバスバに接続される第2N接続部とを有し、上記主Nバスバは、上記コンデンサモールド樹脂の外に配されていることを特徴とする電力変換装置にある。
上記電力変換装置においては、主Nバスバは、コンデンサモールド樹脂にモールドされたコンデンサNバスバを介さずに入力Nバスバに接続されているとともに、コンデンサモールド樹脂の外に配されている。これにより、直流電力がコンデンサモジュール内を流通することがない。その結果、直流電力の通電によって生じる熱がコンデンサモジュールにおいてコンデンサモールド樹脂にモールドされたコンデンサに伝播することが防止されて、コンデンサ温度の上昇が抑制される。これにより、熱によるコンデンサの破損や劣化が防止されて、電力変換装置の信頼性を高めることができる。
以上のごとく、本発明によれば、コンデンサ温度の上昇を抑制して、信頼性の高い電力変換装置を提供することができる。
実施例1における、電力変換装置の断面模式図。 実施例1における、入力バスバモジュールの上面図。 実施例1における、入力バスバモジュールに各バスバを取り付けた状態の上面図。 図3における、IV-IV線位置断面図。 実施例1における、半導体モジュールの正面図。 実施例1における、電力変換装置の回路図。
本発明の電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド自動車に使用することができる。
(実施例1)
実施例に係る電力変換装置につき、図1〜図6を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う。そして、図1に示すように、電力変換装置1は、半導体モジュール10、制御基板20、主Pバスバ30p、主Nバスバ30n、コンデンサモジュール40、入力Pバスバ5p及び入力Nバスバ5nを備える。
半導体モジュール10は、半導体素子11を内蔵している。
制御基板20には、半導体モジュール10の制御端子13に接続されて半導体素子11を駆動制御する制御回路が設けられている。
主Pバスバ30pは、半導体モジュール10の正極端子11pに接続されている。
主Nバスバ30nは、半導体モジュール10の負極端子11nに接続されている。
コンデンサモジュール40は、コンデンサ41と、コンデンサ41の正極端子41pに接続されるコンデンサPバスバ42pと、コンデンサ41の負極端子41nに接続されるコンデンサNバスバ42nと、をコンデンサモールド樹脂46によってモールドしてなる。
入力Pバスバ5pは、直流電源2の正極端子2p(図6参照)に接続される。
入力Nバスバ5nは、直流電源2の負極端子2n(図6参照)に接続される。
そして、入力Nバスバ5nは、コンデンサNバスバ42nに接続される第1N接続部51nと、主Nバスバ30nに接続される第2N接続部52nとを有し、主Nバスバ30nは、コンデンサモールド樹脂46の外に配されている。
以下、本例の電力変換装置1について、詳述する。
電力変換装置1は、図6に示す回路を有しており、複数の半導体モジュール10によって直流電源2の直流電力を三相交流電力に変換し、当該交流電力を用いて交流負荷3を駆動するように構成されている。
図1に示すように、電力変換装置1は、上側ケース81、下側ケース82及びカバー83を備える。上側ケース81は、矩形の天板81aと、天板81aの四辺において天板81aに垂直にそれぞれ立設された側壁81bとを備える。上側ケース81は、天板81aと反対側が開口している。天板81a及び側壁81bによって囲まれた空間が第1収容部8aとなっている。本例では、天板81aの面方向の一方をX方向とし、天板81aの面方向のうちX方向に直交する方向をY方向とし、側壁81bの立設方向をZ方向とする。
図1に示すように、上側ケース81の開口側には、下側ケース82が設けられる。下側ケース82は、天板81aに平行な仕切板82aと、仕切板82aの四辺において仕切板82aに垂直に設けられた4つの側壁82bを備える。仕切板82a及び側壁82bによって囲まれた空間が第2収容部8bとなっている。仕切板82aには、上側ケース81に向かって立設された立壁82cと、仕切板82aをZ方向に貫通する第1貫通孔82d及び第2貫通孔82eが設けられる。
図1に示すように、側壁82bは仕切板82aよりも上側ケース81と反対側に延出しており、側壁82bの延出方向端部には、下側ケース82の延出方向側を覆うようにカバー83が取り付けられている。仕切板82a及び側壁82bによって囲まれた空間が第3収容部8cとなっている。
図1に示すように、第1収容部8aには、コンデンサモジュール40、リアクトル60が収納されている。コンデンサモジュール40は、コンデンサーケース40aを備えている。コンデンサーケース40aの内側には、第1コンデンサとしてのフィルタコンデンサ41とコンデンサPバスバ42p及びコンデンサNバスバ42nがコンデンサモールド樹脂46によってモールドされている。本例では、コンデンサモジュール40には、第2コンデンサとしての平滑コンデンサ44、正極バスバ45p及び負極バスバ45nもコンデンサモールド樹脂46によってモールドされている。
図1に示すように、第2収容部8bには、複数の半導体モジュール10が収納されている。図5に示すように、半導体モジュール10は、2個の半導体素子11が内蔵された2in1型であって、正極端子11p、負極端子11n、出力端子12及び制御端子13を備えている。図1に示すように、本例では、半導体モジュール10は、複数備えられており、複数の冷却管15とともに半導体モジュール10と冷却管15とが交互にX方向に積層されて積層体18を形成している。そして、積層体18は加圧部材19によりX方向に押圧されて半導体モジュール10と冷却管15とが密着するように構成されている。複数の冷却管15は、冷媒導入部16から供給された冷媒が順次流通して、図1において、冷媒導入部16と紙面奥行き方向(Y方向)に並んで設置された冷媒導出部17から排出されるように構成されている。
また、図1及び図3に示すように、電極変換装置1は、コンデンサPバスバ42p、コンデンサNバスバ42n、入力Pバスバ5p、入力Nバスバ5n、検出用バスバ70、主Pバスバ30p、主Nバスバ30n、正極バスバ45p及び負極バスバ45nを備える。
図1に示すように、コンデンサPバスバ42pはフィルタコンデンサ41の正極端子41pに接続されているとともに、コンデンサP接続部43pを備える。また、コンデンサNバスバ42nは、フィルタコンデンサ41の負極端子41nに接続されているとともに、コンデンサN接続部43nを備える。
入力Pバスバ5pは、図1に示すように、直流電源2の正極2p(図6参照)に接続される入力P接続部50pと、リアクトル60に接続されるリアクトル接続部51pと、コンデンサP接続部43pに接続される第2P接続部52pと、制御回路基板20に接続される制御回路P接続部53pを備える。
入力Nバスバ5nは、直流電源2の負極2n(図6参照)に接続される入力N接続部50nと、コンデンサN接続部43nに接続される第1N接続部51nと、主Nバスバ30nに備えられる主Nバスバ接続部31nに接続される第2N接続部52nと、制御回路基板20に接続される制御回路N接続部53nを備える。
検出用バスバ70は、主Pバスバ30pの主Pバスバ接続部31pに接続される第1P接続部71pと、制御回路基板20に接続される制御回路接続部72を有する。
主Nバスバ30nは、図1に示すように、複数の半導体モジュール10の各負極端子11n(図5参照)に接続されているとともに、主Nバスバ接続部31nにおいて入力Nバスバ5nに接続されている。そして、主Nバスバ30nは、コンデンサモールド樹脂46の外に配されている。すなわち、主Nバスバ30nは、その通電部の全体が、コンデンサモールド樹脂46にモールドされていない。
主Pバスバ30pは、図1に示すように、複数の半導体モジュール10の各正極端子11p(図5参照)に接続されているとともに、主Pバスバ接続部31pにおいて入力Pバスバ5pに接続されている。そして、主Pバスバ30pは、主Nバスバ30nと同様に、コンデンサモールド樹脂46の外に配されている。
正極バスバ45pは、図1に示すように、平滑コンデンサ44の正極端子44pに接続されているとともに、正極バスバ接続部46pを備える。そして、正極バスバ接続部46pは、主Pバスバ接続部31pとともに、入力Nバスバ5nに接続されている。
負極バスバ45nは、図1に示すように、平滑コンデンサ44の負極端子44nに接続されているとともに、負極バスバ接続部46nを備える。そして、負極バスバ接続部46nは、主Nバスバ接続部31nとともに、入力Nバスバ5nに接続されている。
図1に示すように、第3収容部8cには、制御基板20が収容されている。制御基板20には、半導体モジュール10を駆動させる駆動回路が形成されている。制御基板20には、第1貫通孔82dを介して第3収容部8c内に突出している制御回路P接続部53p、制御回路N接続部53N及び制御回路接続部72と、第2貫通孔82eを介して第3収容部8c内に突出している複数の制御端子13とが接続されている。
図1及び図2に示すように、入力Pバスバ5p、入力Nバスバ5n及び検出用バスバ70は、入力バスバモールド樹脂54によってモールドされて、入力バスバモジュール5を構成している。なお、図1においては、便宜的に第1N接続部51n、第2N接続部52n、第1P接続部71p及び第2P接続部52pがZ方向に並ぶように記載したが、実際には、図2に示すように、第1N接続部51n、第2N接続部52n、第1P接続部71p及び第2P接続部52pはY方向に配列している。
図2に示すように、第1N接続部51n、第2N接続部52n、第1P接続部71p、第2P接続部52p、入力P接続部50p、入力N接続部50n及びリアクトル接続部51pは、入力バスバモジュール5から露出している。本例では、第1N接続部51nと第2N接続部52nとは隣り合っている。また、第1P接続部71pと第2N接続部52nとは隣り合っている。そして、第1N接続部51n、第2N接続部52n、第1P接続部71p及び第2P接続部52pは、この順にY方向に線状に並んでいる。
図2に示すように、第1N接続部51n、第2N接続部52n、第1P接続部71p及び第2P接続部52pはいずれも帯状となっている。同様に、図3に示すように、コンデンサN接続部43n、主Nバスバ接続部31n、主Pバスバ接続部31p、コンデンサP接続部43p、正極バスバ接続部46p及び負極バスバ接続部46nはいずれも帯状となっている。
そして、第1N接続部51nには、コンデンサN接続部43nが図示しないボルトを介して互いに接合されている。同様に、第2P接続部52pには、コンデンサP接続部43pが、図示しないボルトを介して互いに接合されている。
一方、第2N接続部52nには、主Nバスバ接続部31nと負極バスバ接続部46nとがこの順で、図示しないボルトを介して共締めされている。
同様に、第1P接続部71pには、主Pバスバ接続部31pと正極バスバ接続部46pとがこの順で、図示しないボルトを介して互いに接合されている。
図2、図3に示すように、第1N接続部51n、第2N接続部52n、第1P接続部71p及び第2P接続部52pは、これらの並び方向(Y方向)に直交するように同一方向(X方向)に延出している。
そして、図4に示すように、該延出方向(X方向)に垂直でかつ並び方向(Y方向)に平行な断面において、第1N接続部51nとコンデンサNバスバ42n(コンデンサN接続部43n)との接合部における第1N接続部51nと反対側の面が第1反対側面431nとなっている。
同様に、上記断面において、第2N接続部52nと主Nバスバ30n(主Nバスバ接続部31n)と負極バスバ45n(負極バスバ接続部46n)との接合部における第2N接続部52nと反対側の面が第2反対側面461nとなっている。
また、上記断面において、第1P接続部71pと主Pバスバ30p(主Pバスバ接続部31p)と正極バスバ45pとの接合部における第1P接続部71pと反対側の面が第3反対側面461pとなっている。
また、上記断面において、第2P接続部52pとコンデンサPバスバ42p(コンデンサP接続部43p)との接合部における第2P接続部52pと反対側の面が第4反対側面431pとなっている。
そして、図4に示すように、第1反対側面431n、第2反対側面461n、第3反対側面461p及び第4反対側面431pが、仮想直線L上に位置している。
上述の如く、電力変換装置1は、各バスバにより電気的に接続されて、図6に示す回路を構成している。なお、当該回路図には、入力バスバモジュール5、コンデンサモジュール40、主Pバスバ30p及び主Nバスバ30nを模式的に示してある。
次に、本例の電力変換装置1における作用効果について、詳述する。
電力変換装置1によれば、主Nバスバ30nは、コンデンサモールド樹脂46にモールドされたコンデンサNバスバ42nを介さずに入力Nバスバ5nに接続されているとともに、コンデンサモールド樹脂46にモールドされていない。そのため、直流電力がコンデンサモジュール40内を流通することがない。その結果、直流電力の通電によって生じる熱がコンデンサモジュール40においてコンデンサモールド樹脂46にモールドされたフィルタコンデンサ41、平滑コンデンサ44に伝播することが防止されて、コンデンサ温度の上昇が抑制される。これにより、熱によるフィルタコンデンサ41、平滑コンデンサ44の破損が防止されて、電力変換装置1の信頼性を高めることができる。
また、本例では、第1N接続部51nと第2N接続部52nとが隣り合っている。第1N接続部51n及び第2N接続部52nはいずれも、入力Nバスバ5nに形成されており、両者を通電する電力が同電位であるため、両者間の絶縁性を考慮する必要がない。そのため、両者の間隔を十分小さくすることができる。その結果、絶縁性を維持することが必要な接続部を隣り合わせにした場合に比べて、小型化することができる。なお、本例では、第1N接続部51n及び第2N接続部52nはそれぞれ、別個に形成しているが、両者を一体的に形成してもよい。
また、本例では、制御基板20には主Pバスバ30pに接続される第1P接続部71pを有する検出用バスバが接続されており、第1P接続部71pと第2N接続部52nとが隣り合っている。これにより、両者間に生じるインダクタンスの低減が図られ、ノイズの発生を抑制できる。
また、本例では、入力Pバスバ5p、入力Nバスバ5n及び検出用バスバ70は、入力バスバモモールド樹脂54にモールドされて入力バスバモジュール5を構成している。これにより、入力Pバスバ5p、入力Nバスバ5n及び検出用バスバ70を一体的に取り扱うことができるため、組み付け作業性が向上する。
本例では、電力変換装置1は、第2コンデンサ(平滑コンデンサ44)と、平滑コンデンサ44に接続されるとともに第1P接続部71pに接続される正極バスバ45pと、平滑コンデンサ44に接続されるとともに第2N接続部52nに接続される負極バスバ45nを備えている。また、第1N接続部51n、第2N接続部52n、第1P接続部71p及び第2P接続部52pは、これらの並び方向(Y方向)に直交するように同一方向(X方向)に延出している。そして、図4に示すように、該延出方向(X方向)に垂直でかつ並び方向(Y方向)に平行な断面において、第1N接続部51nとコンデンサNバスバ42nとの接合部における第1N接続部51nと反対側の第1反対側面431nと、第2N接続部52nと主Nバスバ30nと負極バスバ45nとの接合部における第2N接続部52nと反対側の第2反対側面461nと、第1P接続部71pと主Pバスバ30pと正極バスバ45pとの接合部における第1P接続部71pと反対側の第3反対側面461pと、第2P接続部52pとコンデンサPバスバ42pとの接合部における第2P接続部52pと反対側の第4反対側面431pとが、仮想直線L上に位置している。これにより、第1N接続部51n、第2N接続部52n、第1P接続部71p及び第2P接続部52pに各バスバを接続する際の作業性が向上する。
本例では、第1コンデンサとしてフィルタコンデンサを備え、第2コンデンサとして平滑コンデンサを備えることとしたが、これに替えて、変形例として、第1コンデンサとして平滑コンデンサを備え、第2コンデンサを有さない構成とすることもできる。この場合には、第1コンデンサとしての平滑コンデンサに接続される負極バスバ45nの負極バスバ接続部46nが第1N接続部51nに接続され、第1コンデンサとしての平滑コンデンサに接続される正極バスバ45pの正極バスバ接続部46pが第2P接続部52pに接続される。そして、リアクトル接続部51p及び検出用バスバ70を有さない。
かかる変形例においても、主Nバスバ30nは、コンデンサモールド樹脂46にモールドされた負極バスバ45nを介さずに入力Nバスバ5nに接続されているとともに、コンデンサモールド樹脂46にモールドされていないことから、本例の場合と同等の作用効果を奏する。
また、本例では、入力バスバモジュール5において、検出用バスバ70が入力バスバモールド樹脂54によってモールドされることとしたが、検出用バスバ70が入力バスバモールド樹脂54によってモールドされていないこととしてもよい。
以上のごとく、本例によれば、コンデンサ温度の上昇を抑制して、信頼性の高い電力変換装置1を提供することができる。
1 電力変換装置
10 半導体モジュール
20 制御基板
30p 主Pバスバ
30n 主Nバスバ
40 コンデンサモジュール
41 コンデンサ(フィルタコンデンサ)
42p コンデンサPバスバ
42n コンデンサNバスバ
46 コンデンサモールド樹脂
5p 入力Pバスバ
52p 第2P接続部
5n 入力Nバスバ
51n 第1N接続部
52n 第2N接続部
70 検出用バスバ
71p 第1P接続部

Claims (1)

  1. 直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置(1)であって、
    半導体素子(11)を内蔵する半導体モジュール(10)と、
    上記半導体モジュール(10)の制御端子(13)に接続されて上記半導体素子(11)を駆動制御する制御回路が設けられた制御基板(20)と、
    上記半導体モジュール(10)の正極端子(11p)に接続されて直流電力を通電させる主Pバスバ(30p)と、
    上記半導体モジュール(10)の負極端子(11n)に接続されて直流電力を通電させる主Nバスバ(30n)と、
    第1コンデンサ(41)と、該第1コンデンサ(41)の正極端子(41p)に接続されるコンデンサPバスバ(42p)と、上記第1コンデンサ(41)の負極端子(41n)に接続されるコンデンサNバスバ(42n)と、をコンデンサモールド樹脂(46)によってモールドしてなるコンデンサモジュール(40)と、
    直流電源(2)の正極端子(2p)に接続される入力Pバスバ(5p)と、
    直流電源(2)の負極端子(2n)に接続される入力Nバスバ(5n)と、
    を備え、
    上記入力Nバスバ(5n)は、上記コンデンサNバスバ(42n)に接続される第1N接続部(51n)と、上記主Nバスバ(30n)に接続される第2N接続部(52n)とを有し、上記主Nバスバ(30n)は、上記コンデンサモールド樹脂(46)の外に配されていることを特徴とする電力変換装置(1)。
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