JP2019075917A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、低価格化を妨げず、回路の安定動作を確保すると共に、外部へのノイズ流出を抑制する電力変換装置を得る。【解決手段】導電性の遮蔽壁９により金属製のケース８１内に２つの収容部１２、１３を形成する。一方には、入力電流に含まれる伝導ノイズを減衰する入力フィルタ回路部６を収容し、他方には、電力の変換を行う主回路部４と制御回路部５及び出力電流に含まれる伝導ノイズを減衰する出力フィルタ回路部７を収容する。金属性ケース８１に設けた導電性の遮蔽壁９と金属製ケースの開口部を覆う金属製カバー８２とを当接することで、入力フィルタ回路部６とその他の回路部４、５、７を各々分離された閉空間で分離する。【選択図】図３

Description

この発明は、車両に搭載される電力変換装置に関するものである。

電気自動車やハイブリット自動車のように、モータを駆動源の一つとする車両においては、商用の交流電源から直流電源に変換して高圧バッテリに充電する充電器、高圧バッテリの直流電源から補機用のバッテリ電圧（例えば１２Ｖ等）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ、バッテリからの直流電力をモータへの交流電力に変換するインバータ等の電力変換装置が搭載されている。
これらの電力変換装置の内部構成は、一般的にチョッパ回路やブリッジ回路などの高周波ノイズの発生が大きいスイッチング回路が用いられており、このノイズ対策のため、様々なフィルタ回路やシールド構造が用いられている。

近年、電動車両に搭載される各種電力変換装置の低コスト化、軽量化による電動車両の燃費向上に加え、電動車両における電力変換装置の実装スペース縮小化による小型化要求が非常に強くなってきている。
これらの電力変換装置の小型、低コスト化を実現する有力な手法の一つにスイッチング周波数の高速化がある。スイッチング周波数の高速化は、大きくて重い上に高価な、チョークコイル、トランス、リアクトルを小型、低コスト化できることから、各種電力変換装置においては非常に重要な技術開発要素の一つである。

ところが、大電流や高電圧をスイッチングする電力変換装置のパワー系回路では、サージ電圧を含めた伝導ノイズ、輻射ノイズが増大、高周波化することから、その周辺回路や制御回路に重畳し、回路の安定的動作を損なうといった不具合が発生する。また、大電流スイッチングによる伝導ノイズ、または輻射ノイズが入出力のフィルタ回路や筐体外内部を電気的に接続する端子に重畳すると、フィルタリングしたラインに再度ノイズが重畳するなどの現象により、筐体外部へノイズが流出してしまうといった課題がある。

また、電力変換装置に搭載されるトランス、リアクトル等の小型化は、発熱密度が増大するといった新たな課題を生むことから、発熱部品自身の温度上昇によって自己の最大動作温度を超えたり、磁性部品としての性能低下を招いたり、さらには、周辺部品を高温環境にさらすといった課題が生じる。発熱部品の放熱性を向上させるためには、有効な放熱経路を形成するための構造が必要となり、構造制約、周辺部品との絶縁を含め設計の自由度が奪われるばかりか小型化を困難にし、追加部材によるコスト上昇をも招く。

従来では、例えば特開２０１３−９０５３３号公報（特許文献１）に低コストでトランスからの漏れ磁束を低減できる電源装置の一例が開示されている。特許文献１に開示された電源装置は、トランスとフィルタ機構との間に第１遮蔽部を配置すると共に、フィルタ機構を構成するフィルタ部と出力安定部との間にも第２遮蔽部を配置する構成である。
すなわち、第１遮蔽部の配置により、トランスの漏れ磁束を含むノイズがフィルタ機構に重畳することを防止し、第２遮蔽部の配置により、フィルタ部に含まれるコイルの漏れ磁束を含むノイズが出力安定部に重畳することを防止するものである。

特開２０１３−９０５３３号公報

特許文献１に開示された電源装置では、入力フィルタ部や入力コネクタと第１基板との間の接続線については何らシールドされていない。そのため、入力フィルタ部に隣接して配置されているトランスやスイッチング素子からの輻射ノイズが、入力フィルタ部や、入力コネクタと入力フィルタ部とを電気的に接続する入力端子に重畳することにより、ノイズを外部に流出させてしまう課題がある。

また、高発熱部品のトランスおよびリアクトルと、低許容温度部品を搭載している入力フィルタ部が同一収容部内に収納されている。そのため、入力フィルタ部に隣接して配置されているトランス、リアクトルの熱により入力フィルタ部の低許容温度部品があおられ、最大動作温度を超えてしまう課題もある。
上述したノイズの重畳及び温度上昇を抑制するには、入力フィルタ部に局部シールドを設けることや、接続線にシールド線を用いる構成が考えられる。しかし、この構成では、シールドケースや高価なシールド線によるコスト上昇を招くばかりか、シールドケースの固定構造や周辺部品との絶縁距離が必要となり小型化をも困難にすることになる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型、低コスト化を妨げず、回路の安定的動作を確保すると共に、外部へのノイズ流出を抑制する電力変換装置を得ることを目的とするものである。

この発明の電力変換装置は、トランスとリアクトルを搭載して電力変換を行うパワー系主回路部、パワー系主回路部の動作を制御する制御回路部、交流電源と記パワー系主回路部との間に設けられ、チョークコイルとコンデンサにより入力電流に含まれる伝導ノイズを減衰させる入力フィルタ回路部、パワー系主回路部と外部負荷との間に設けられ、チョークコイルとコンデンサにより出力電流に含まれる電源ノイズを減衰させる出力フィルタ回路部、交流電源と入力フィルタ回路部とを電気的に接続する入力電線、出力フィルタ回路部と外部負荷とを電気的に接続する出力電線、外部装置と制御回路部とを電気的に接続する制御電線を備え、底面全面と側面が金属材料で形成された上面が開放のケースと、ケースの上面を覆う金属材料で形成されたカバーを設け、ケースの底面から鉛直方向に遮蔽壁を立設して、遮蔽壁により隔離された第１の収容部と第２の収容部を形成し、第１の収容部には入力フィルタ回路部を収納し、第２の収容部にはパワー系主回路部と制御回路部と出力フィルタ回路部を収納し、カバーは遮蔽壁に当接するようにしたものである。

この発明によれば、入力フィルタ回路部と、パワー系主回路部、制御回路部、出力フィルタ回路部との間をケース底面から立設する遮蔽壁と、この遮蔽壁に当接されたカバーが介在するので、入力フィルタ回路部にパワー系主回路部の輻射ノイズが重畳することを抑制でき、また、入力フィルタ回路部とパワー系主回路部、制御回路部、出力フィルタ回路部との間でのノイズの重畳及び熱の影響を抑制できる。よって各回路の安定的動作を保障すると共に、外部へのノイズ流出を抑制することができる。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す部品配置図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す側断面図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置を示すカバー平面図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置を示すカバー側面図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置を示すケース平面図である。

以下、この発明の電力変換装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。
図１はこの発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示すブロック図であり、図２はその部品配置図、図３はその側断面図である。
図１から図３において、電力変換装置１は、モータを駆動源の一つとする電気自動車やハイブリット自動車等の車両に搭載されている。また、電力変換装置１は、交流電源２から供給される所定の電力（例えば商用の交流電力等）を別の所定の電力（例えば直流電力等）に変換し、負荷３（例えば高圧バッテリ、モータ等）に電力を供給するものである。

電力変換装置１は、電力変換を行うパワー系主回路部４と、パワー系主回路部４の動作を制御する制御回路部５と、電力変換装置１の外部へのノイズの流出を抑制する入力フィルタ回路部６及び出力フィルタ回路部７と、制御回路部５と電力変換装置１の外部装置２６とを電気的に接続する制御電線１４と、交流電源２と入力フィルタ回路部６とを電気的に接続する入力電線１５と、出力フィルタ回路部７と負荷３とを接続する出力電線１６と、パワー系主回路部４と制御回路部５、入力フィルタ回路部６、及び出力フィルタ回路部７とを接続する接続線１７、１８、１９と、これらを収容する筐体８とで構成される。

筐体８は、底面と側面で形成され、側面に少なくとも１つの貫通穴を有するケース８１と、ケース８１の上面を覆い、密閉状態を形成するカバー８２とにより構成されており、共に例えばアルミニウム等の金属材料で形成されている。
ケース８１は、アルミダイカスト成形により形成されており、複数のボス部８３と遮蔽壁９とを有している。各ボス部８３は、ケース８１の底部から上方の開口部に向けてそれぞれ突出しており、各ボス部８３の先端面（上端面）には、ねじ穴が設けられている。
パワー系主回路部４、制御回路部５、及び出力フィルタ回路部７の各回路部を構成する部品は、各ボス部８３の高さに応じた高さ位置に配置されており、各ボス部８３に締結具（図示せず）で固定、支持される１枚の多層プリント基板４６に電気的に接続され、ケース８１及びカバー８２のそれぞれと絶縁距離を確保した状態で筐体８の内部に収納されている。

また、入力フィルタ回路部６を構成する部品も、各ボス部８３の高さに応じた高さ位置に配置されており、各ボス部８３に締結具（図示せず）で固定される多層プリント基板７４に電気的に接続され、ケース８１及びカバー８２のそれぞれと絶縁距離を確保した状態で筐体８の内部に収納されている。
遮蔽壁９は、導電性を有する金属製（例えばアルミニウム等）の平板で形成されており、本発明においては、ケース８１と一体成形により形成されている。遮蔽壁９は、少なくとも一端がケース８１の側壁８４に電気的に接続された状態で、ケース８１の底面８８から上方の開口部に向けて鉛直方向に立設されている。本実施の形態においては、交流電源２からの電力を筐体８内に入力する入力電線１５側の遮蔽壁９の端とケース８１の側壁８４を電気的に接続した。また、遮蔽壁９は、下端がケース８１の底面８８に当接されており、側壁８４、８５、８６、８７と同一の高さ位置まで設けられている。

遮蔽壁９は、側壁８４、８５、８６及び遮蔽壁９で囲まれた収容部１２と、側壁８４、８５、８７及び遮蔽壁９で囲まれた収容部１３を形成する。収容部１２には、パワー系主回路部４、制御回路部５、出力フィルタ回路部７がそれぞれ収容されている。収容部１３には、入力フィルタ回路部６が収納されている。それぞれの収納部１２、１３の大きさあるいは形状は、収容する部品の形状、大きさなどに応じて変化する。
また、本実施の形態においては、遮蔽壁９の上面の一部が切り欠けられて、ケース側壁８５との間に間隙が設けられ、パワー系主回路部４と入力フィルタ回路部６を電気的に接続する接続線１８、及び外部装置２６と制御回路部５を電気的に接続する制御電線１４が通るようになっている。
ケース側壁８５と遮蔽壁９の切欠き部との間隙は、輻射ノイズを通過しない大きさであり、制御電線１４、接続線１８のそれぞれの数、形状に合わせて設けられていればよい。また、制御電線１４及び接続線１８とケース側壁８５及び遮蔽壁９との間に隙間が生じる場合には、この隙間に遮蔽部材を充填してもよい。

また、ケース８１には、底面８８と対抗する平面８９から、底面８８とは反対方向に垂直に伸びた複数のフィン２１が形成されており、これらフィン２１は本実施の形態においては、ケース８１と一体成形により形成されている。
フィン２１の先端側には流路カバー２４を設け、フィン２１と流路カバー２４で流路２５（図３の波線で示す）を形成し、この流路２５に冷媒を流すことで、特にパワー系主回路部４の構成部品であるリアクトル４１、４２、トランス４３を冷却する。

カバー８２は、金属材料（例えば、アルミニウムや鋼板等）の平板で形成されており、図３、図４に示すように、本実施の形態では、プレス加工により形成されている。プレス加工により、段差を設けたカバー８２をケース８１の側壁８４、８５、８６、８７、及び遮蔽壁９の上端と強固に当接させることで、それぞれの収容部１２、１３を閉空間にする。カバー８２は、端部がケース８１の側壁８４、８５、８６、８７と当接させた状態で締結具（図示せず）により固定されている。

パワー系主回路部４は、リアクトル４１、４２、トランス４３、コンデンサ４４、及びスイッチング素子４５を有しており、これらの部品が多層プリント基板４６により電気的に接続されている。
リアクトル４１、４２、及びトランス４３は、ケース８１に、各々の形状に合わせて設けた凹部に充填した高熱伝導率を有する放熱絶縁樹脂２２（例えばシリコーンポッティング）を介してケース８１の底面８８または側面９０に伝熱可能に接続されている。
スイッチング素子４５は、例えばＭＯＳＦＥＴで構成される。なお、スイッチング素子４５はＩＧＢＴ等でもよい。

制御回路部５は、マイコン（図示せず）やスイッチング素子４５を動作させるのに必要な電気電子部品（図示せず）を有しており、これらの電気電子部品が多層プリント基板４６により、電気的に接続されている。搭載される部品の大きさ、形状、個数、配置はこの発明の要点に関係しないので詳細な説明は省略する。また制御回路部５は、収容部１２の内部で制御電線１４を介して、外部装置２６と電気的に接続されている。

入力フィルタ回路部６は、交流電源２とパワー系主回路部４との間に設けられ、交流電源２とパワー系主回路部４との間の伝導ノイズを抑制する機能を担う。入力フィルタ回路部６は、ラインに発生した高周波ノイズをループさせることで後続部品へのノイズ伝達を防止する機能を担うアクロスザラインコンデンサ６１と、チョークコイル６２と、ラインに発生したノイズをグランドに伝え、ライン内のノイズを減衰させる機能を担うラインバイパスコンデンサ６３とを有し、これらの部品が多層プリント基板７４により、それぞれ電気的に接続されている。

また、出力フィルタ回路部７は、パワー系主回路部４と負荷３の間の伝導ノイズを抑制する機能を担う。本実施の形態において、出力フィルタ回路部７は、アクロスザラインコンデンサ７１と、チョークコイル７２を有し、これらの部品が多層プリント基板４６により、それぞれ電気的に接続されている。

チョークコイル６２、７２は、ケース８１に、各々の形状に合わせて設けた凹部に充填した高熱伝導率を有する放熱絶縁樹脂２２（例えばシリコーンポッティング）を介してケース８１の底面８８または側面９０に伝熱可能に接続されている。
また、入力フィルタ回路部６は、収容部１３の内部で入力電線１５を介して、交流電源２と電気的に接続されている。出力フィルタ回路部７は収容部１２の内部で出力電線１６を介して、負荷３と電気的に接続されている。

制御電線１４、入力電線１５、出力電線１６は、被覆電線（例えば銅線）であり、コネクタ１４ａ、１５ａ、１６ａと一体成形で構成されている。
制御電線１４が、多層プリント基板４６に電気的に接続されることにより、外部装置２６からの信号を制御回路部５へ供給し、入力電線１５が、多層プリント基板７４に電気的に接続されることで、交流電源２から入力フィルタ回路部６へ電力が供給される。
また、多層プリント基板４６に電気的に接続された出力電線１６を介して、出力フィルタ回路部７から負荷３へ電力を供給する。

コネクタ１４ａ、１５ａ、１６ａは樹脂材料で構成されており、ケース８１の側壁８６、８７に締結具（図示せず）により固定されている。また、コネクタ１４ａ、１５ａ、１６ａは、各外部インターフェース（図示せず）と機械的に接続する嵌合構造を有している。
パワー系主回路部４と制御回路部５及び出力フィルタ回路部７との電気的な接続は、接続線１７、１９が、多層プリント基板４６内の基板パターンで接続されることでなされている。入力フィルタ回路部６を構成する多層プリント基板７４と、パワー系主回路部４、制御回路部５及び出力フィルタ回路部７を構成する多層プリント基板４６とは、接続線１８で電気的に接続される。接続線１８は金属製（例えば銅等）のバスバーで構成されており、基板実装面に半田付けにより接続されている。

実施の形態１による電力変換装置１においては、入力フィルタ回路部６は遮蔽壁９で隔壁された収容部１２に収納され、パワー系主回路部４と制御回路部５及び出力フィルタ回路部７は遮蔽壁９で隔壁された収容部１３の空間内に各々収納されると共に、各回路部が、各空間内で各電線を介してそれぞれ多層プリント基板４６、７４と電気的に接続されているので、各回路部間や各電線へのノイズの重畳、及び熱干渉を抑制することができ、各回路の安定的動作を確保すると共に、外部へのノイズ流出を抑制することが出来る。
また、遮蔽壁９は平板で構成されており、ケース８１と一体成形により形成されているとともに、開口部を覆うカバー８２と遮蔽壁９を当接させることで各空間を形成しているため、別途、部品を新たに追加する必要がなく、小型化、低コスト化を実現することが出来る。
また、カバー８２と遮蔽壁９とは防水性の樹脂を介して当接させたり、カバー８２と遮蔽壁９とは導電性部材を介して当接させたりすることで、より一層に電線へのノイズの重畳、及び熱干渉を抑制することができ、各回路の安定的動作を確保すると共に、外部へのノイズ流出を抑制することが出来る。

更に、自己発熱部品であるリアクトル４１、４２、トランス４３、及びチョークコイル６２、７２は、図６に示すように、ケース８１に、各々の形状に合わせて設けた凹部に充填した高熱伝導率を有する放熱絶縁樹脂２２（例えばシリコーンポッティング）を介してケース８１の底面８８または側面９０に伝熱可能に接続されているため、自己発熱部品の発熱を効率よくケース８１に伝えることで、周辺空気への放熱を抑制することができ、周辺空気の温度上昇を低減することが出来る。

実施の形態２．
なお、本実施の形態１においては、ケース８１はアルミダイカスト成形により形成されているが、剛性の高い金属材料（例えば、鉄）で形成された板金により構成しても良い。
また、遮蔽壁９及びフィン２１は、ケース８１と一体成形により構成されているが、ケース８１とは別体に形成したうえで、ケース８１に固定する構成にしても良い。固定の手段としては、例えば締結具等による固定、または、溶接や半田付等による接合等がある。

この構成においても、遮蔽壁９及びフィン２１はケース８１と電気的、及び熱的に接続されているので、同様の効果を得ることが出来る。この場合、各部位ごとに材質を変化させても良く、例えば、遮蔽壁９には電磁シールド効果に優れた金属材料（例えば鉄）を使用し、フィン２１には熱伝導率が優れた金属材料（例えば銅）を使用しても良い。これにより、輻射ノイズ、電伝導ノイズの低減や、自己発熱部品の熱を効率よく放熱することが出来る。
遮蔽壁９とケース側壁８５との間隙は、遮蔽部９の上面から少なくとも一部が切り欠かれているが、輻射ノイズが通過しない大きさ、形状であればよく、円形、長方形を有する貫通穴で合っても良い。

以上、この発明の実施の形態を記述したが、この発明は実施の形態に限定されるものではなく、種々の設計変更を行うことが可能であり、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１：電力変換装置、２：交流電源、３：負荷、４：パワー系主回路部、
５：制御回路部、６：入力フィルタ回路部、７：出力フィルタ回路部、８：筐体、
９：遮蔽壁、１２、１３：収容部、１４：制御電線、１５：入力電線、１６：出力電線、
１４ａ、１５ａ、１６ａ：コネクタ、１７、１８、１９：接続線、２１：フィン、
２２：放熱絶縁樹脂、２４：流路カバー、２５：流路、２６：外部装置、
４１、４２：リアクトル、４３：トランス、４４：コンデンサ、
４５：スイッチング素子、６１、７１：アクロスザラインコンデンサ、
６２、７２：チョークコイル、６３：ラインバイパスコンデンサ、
４６、７４：多層プリント基板、８１：ケース、８２：カバー、８３：ボス部、
８４、８５、８６、８７：側壁、８８：底面、８９：平面、９０：側面。

この発明の電力変換装置は、トランスとリアクトルを搭載して電力変換を行うパワー系主回路部、パワー系主回路部の動作を制御する制御回路部、交流電源とパワー系主回路部との間に設けられ、チョークコイルとコンデンサにより入力電流に含まれる伝導ノイズを減衰させる入力フィルタ回路部、パワー系主回路部と外部負荷との間に設けられ、チョークコイルとコンデンサにより出力電流に含まれる電源ノイズを減衰させる出力フィルタ回路部、交流電源と入力フィルタ回路部とを電気的に接続する入力電線、出力フィルタ回路部と外部負荷とを電気的に接続する出力電線、外部装置と制御回路部とを電気的に接続する制御電線を備え、底面全面と側面が金属材料で形成された上面が開放のケースと、ケースの上面を覆う金属材料で形成されたカバーを設け、ケースの底面から鉛直方向に遮蔽壁を立設して、遮蔽壁により隔離された第１の収容部と第２の収容部を形成し、第１の収容部には入力フィルタ回路部を収納し、第２の収容部にはパワー系主回路部と制御回路部と出力フィルタ回路部を収納し、入力フィルタ回路部とパワー系主回路部とを接続する接続線は、遮蔽壁の上面の一部が切り欠けられてケースの側壁との間に形成された間隙に通し、パワー系主回路部と制御回路部及び出力フィルタ回路部とを接続する接続線は、パワー系主回路部と制御回路部と出力フィルタ回路部を構成するプリント基板内のパターンで構成され、カバーは遮蔽壁に当接するようにしたものである。

Claims (7)

1. トランスとリアクトルを搭載して電力変換を行うパワー系主回路部、前記パワー系主回路部の動作を制御する制御回路部、交流電源と前記パワー系主回路部との間に設けられ、チョークコイルとコンデンサにより入力電流に含まれる伝導ノイズを減衰させる入力フィルタ回路部、前記パワー系主回路部と外部負荷との間に設けられ、チョークコイルとコンデンサにより出力電流に含まれる電源ノイズを減衰させる出力フィルタ回路部、前記交流電源と前記入力フィルタ回路部とを電気的に接続する入力電線、前記出力フィルタ回路部と前記外部負荷とを電気的に接続する出力電線、外部装置と前記制御回路部とを電気的に接続する制御電線を備え、
   底面全面と側面が金属材料で形成された上面が開放のケースと、前記ケースの上面を覆う金属材料で形成されたカバーを設け、前記ケースの底面から鉛直方向に遮蔽壁を立設して、前記遮蔽壁により隔離された第１の収容部と第２の収容部を形成し、前記第１の収容部には前記入力フィルタ回路部を収納し、前記第２の収容部には前記パワー系主回路部と前記制御回路部と前記出力フィルタ回路部を収納し、前記カバーは前記遮蔽壁に当接するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記パワー系主回路部のトランスとリアクトル、前記入力フィルタ回路部及び前記出力フィルタ回路部のチョークコイルの少なくとも１つは、部品形状に合わせて前記ケースに設けた凹部に充填した放熱樹脂を介して前記ケースに伝熱可能に当接するようにした請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記遮蔽壁の上面の少なくとも一部が切り欠かれていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記カバーと前記遮蔽壁とは防水性の樹脂を介して当接させたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記カバーと前記遮蔽壁とは導電性部材を介して当接させたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記ケースの底部にケースと一体成形で設けたフィンと流路カバーにより、冷却用の流路を形成したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記入力フィルタ回路部を構成する部品間を電気的に接続する多層プリント基板と、前記パワー系主回路部と前記制御回路部と前記出力フィルタ回路部を構成する部品間を電気的に接続する多層プリント基板を分離したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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