JP2019193443A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バスバーの熱を効率的に放熱しやすく、コンデンサ素子の温度上昇を抑制しやすい電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、スイッチング回路部２０と、コンデンサモジュール３と、を有する。コンデンサモジュール３は、コンデンサ素子とコンデンサケース３２と封止樹脂とコンデンサバスバー４とを有する。コンデンサバスバー４は、封止樹脂の内部においてコンデンサ素子に接続される素子接続部と、封止樹脂の外部においてパワー端子２１と接続される端子接続部４２と、封止樹脂の外部において直流電源に電気的に接続された電源配線に接続される電源接続部４３と、を有する。コンデンサバスバー４における、端子接続部４２と電源接続部４３との間の電流経路を構成する直流経路部４４は、封止樹脂の外部に露出している。【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング回路部とコンデンサモジュールとを有する電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ等の電力変換装置は、スイッチング回路部及びコンデンサモジュールを備えている。特許文献１には、コンデンサ素子を封止樹脂にて封止してなるコンデンサモジュールが開示されている。そして、コンデンサモジュールとスイッチング回路部とをバスバー（以下において、コンデンサバスバーという。）にて接続した構成が開示されている。

コンデンサバスバーは、コンデンサ素子及びスイッチング回路部と接続されると共に、直流電源にも電気的に接続されている。すなわち、コンデンサバスバーは、直流電源とスイッチング回路部との間の電流経路ともなり、直流電源とコンデンサとの間の電流経路ともなり、コンデンサとスイッチング回路部との間の電流経路ともなる。

特開２０１４−２０７４２７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電力変換装置においては、以下の課題がある。
すなわち、近年の電力変換装置の高出力化に伴い、直流電源からスイッチング回路部へ流れる電流が大きくなる傾向にある。そうすると、コンデンサバスバーにおける発熱量も大きくなりやすい。

特許文献１に記載の電力変換装置においては、コンデンサバスバーの一部がコンデンサモジュールの封止樹脂内に配置されている。そして、コンデンサバスバーは、スイッチング回路部と接続される部位と、直流電源に接続される部位とを、封止樹脂の互いに異なる部分から露出させている。それゆえ、直流電源からスイッチング回路部へ流れる電流は、一旦コンデンサモジュールの封止樹脂内を通ることとなる。そうすると、この電流経路に大きな電流が流れたとき、この電流に起因する熱を放熱し難いという課題が生じうる。また、コンデンサ素子への伝熱量が大きくなりやすく、コンデンサ素子の温度上昇を招くおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、コンデンサバスバーの熱を効率的に放熱しやすく、コンデンサ素子の温度上昇を抑制しやす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、スイッチング回路部（２０）と、
該スイッチング回路部に電気的に接続されたコンデンサモジュール（３）と、を有し、
上記コンデンサモジュールは、コンデンサ素子（３１）と、
該コンデンサ素子を収容するコンデンサケース（３２）と、
該コンデンサケース内において上記コンデンサ素子を封止する封止樹脂（３３）と、
上記コンデンサ素子と上記スイッチング回路部のパワー端子とを接続するコンデンサバスバー（４）と、を有し、
上記コンデンサバスバーは、上記封止樹脂の内部において上記コンデンサ素子に接続される素子接続部（４１）と、
上記封止樹脂の外部において上記パワー端子と接続される端子接続部（４２）と、上記封止樹脂の外部において直流電源に電気的に接続された電源配線（５４）に接続される電源接続部（４３）と、を有し、
上記コンデンサバスバーにおける、上記端子接続部と上記電源接続部との間の電流経路を構成する直流経路部（４４）は、上記封止樹脂の外部に露出している、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置において、上記コンデンサバスバーにおける、上記端子接続部と上記電源接続部との間の電流経路を構成する直流経路部は、上記封止樹脂の外部に露出している。これにより、電源接続部から端子接続部への直流経路部に大電流が流れたとき、その電流に起因する熱を、効率的に放熱しやすい。そして、直流経路部において発生した熱が、コンデンサモジュールの封止樹脂内にこもることを抑制することができる。その結果、コンデンサ素子の温度上昇を効果的に抑制することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、バスバーの熱を効率的に放熱しやすく、コンデンサ素子の温度上昇を抑制しやすい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、電力変換装置の平面説明図。 実施形態１における、図１とは反対側から見た電力変換装置の平面説明図。 実施形態１における、コンデンサモジュールの斜視図。 図３のIV−IV線矢視断面図。 図４のＶ−Ｖ線矢視断面図。 図４のVI−VI線矢視断面図。 図３のVII視図。 図３のVIII視図。 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、付属コンデンサモジュールの断面説明図。 実施形態１における、コンデンサバスバー（正極バスバー）における電流経路を示す説明図。 実施形態１における、コンデンサバスバー（負極バスバー）における電流経路を示す説明図。

（実施形態１）
電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図１２を参照して説明する。
本形態の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、スイッチング回路部２０と、スイッチング回路部２０に電気的に接続されたコンデンサモジュール３と、を有する。

コンデンサモジュール３は、図３〜図８に示すごとく、コンデンサ素子３１と、コンデンサケース３２と、封止樹脂３３と、コンデンサバスバー４と、を有する。コンデンサケース３２は、コンデンサ素子３１を収容するケースである。封止樹脂３３は、コンデンサケース３２内においてコンデンサ素子３１を封止する。コンデンサバスバー４は、コンデンサ素子３１とスイッチング回路部２０のパワー端子２１（図１参照）とを接続する。

図４、図５に示すごとく、コンデンサバスバー４は、素子接続部４１と、端子接続部４２と、電源接続部４３と、を有する。素子接続部４１は、封止樹脂３３の内部においてコンデンサ素子３１に接続される部位である。端子接続部４２は、封止樹脂３３の外部においてパワー端子２１と接続される部位である。電源接続部４３は、封止樹脂３３の外部において直流電源に電気的に接続された電源配線に接続される部位である。なお、本形態において、電源配線は、後述する付属バスバー５４にて構成されている（図２参照）。

図１〜図４に示すごとく、コンデンサバスバー４における、端子接続部４２と電源接続部４３との間の電流経路を構成する直流経路部４４は、封止樹脂３３の外部に露出している。

本形態の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載され、図９の回路図に示すように、直流電源ＢＡＴと交流の回転電機ＭＧとの間に接続される。そして、電力変換装置１は、スイッチング回路部２０におけるスイッチング動作によって、直流電力と交流電力との間の電力変換を行うことができるよう構成されている。

スイッチング回路部２０は、スイッチング素子２ｕ、２ｄを内蔵した半導体モジュール２を複数個備えている。複数の半導体モジュール２は、図１、図２に示すごとく、複数の冷却管２２と共に積層配置されている。冷却管２２は、内部に冷媒流路を有する。複数の冷却管２２は互いの冷媒流路を連結している。

各半導体モジュール２は、パワー端子２１を積層方向Ｘに直交する方向に突出している。これらのパワー端子２１に、コンデンサバスバー４の端子接続部４２が接続される。なお、以下において、積層方向Ｘを、単にＸ方向ともいう。また、パワー端子２１の突出方向を、適宜、Ｚ方向といい、Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する方向を、適宜Ｙ方向という。

複数の半導体モジュール２は、コンデンサモジュール３に対してＹ方向に並ぶ位置に配置されている。コンデンサモジュール３は、Ｘ方向に長尺な形状を有している。この長手方向の略半分の領域において、コンデンサモジュール３に対して半導体モジュール２の積層体（すなわち、スイッチング回路部２０）が、Ｙ方向に対向している。また、コンデンサモジュール３は、コンデンサケース３２の開口面３２１を、Ｙ方向におけるスイッチング回路部２０側に向けている。つまり、封止樹脂３３のポッティング面が、Ｙ方向におけるスイッチング回路部２０側を向いている。

各半導体モジュール２は、図９に示すごとく、スイッチング素子として、互いに直列接続された上アームスイッチング素子２ｕと下アームスイッチング素子２ｄとを内蔵している。そして、上アームスイッチング素子２ｕの高電位側が正極のパワー端子２１に接続され、下アームスイッチング素子２ｄの低電位側が負極のパワー端子２１に接続されている。上アームスイッチング素子２ｕと下アームスイッチング素子２ｄとの接続部は、図示を省略する出力用の交流端子に接続されている。この交流端子は、回転電機ＭＧに接続されている。

図３〜図９に示すごとく、コンデンサバスバー４としては、コンデンサ素子３１における互いに反対側の電極に接続された正極バスバー４Ｐ及び負極バスバー４Ｎがある。正極バスバー４Ｐの端子接続部４２が、正極のパワー端子２１に接続され、負極バスバー４Ｎの端子接続部４２が、負極のパワー端子２１に接続される。また、正極バスバー４Ｐの電源接続部４３が、直流電源ＢＡＴの正極に電気的に接続され、負極バスバー４Ｎの電源接続部４３が、直流電源ＢＡＴの負極に電気的に接続される。

電力変換装置１は、図１、図２、図９に示すごとく、コンデンサモジュール３と並列接続された付属コンデンサモジュール５を有する。付属コンデンサモジュール５は、コンデンサバスバー４の電源接続部４３に接続されている。これにより、コンデンサモジュール３と付属コンデンサモジュール５とは、互いに並列接続されている。図２に示すごとく、付属コンデンサモジュール５は、電源接続部４３に、締結部材１１によって着脱可能に固定されている。

図１、図２に示すごとく、付属コンデンサモジュール５は、コンデンサモジュール３に対してＹ方向に並ぶように配され、スイッチング回路部２０に対してＸ方向に並ぶように配されている。

図１０に示すごとく、付属コンデンサモジュール５も、コンデンサモジュール３と同様に、コンデンサケース５２内に、コンデンサ素子５１を内蔵してなる。コンデンサ素子５１は、コンデンサケース５２内において、封止樹脂５３によって封止されている。コンデンサケース５２は、開口面５２１を、Ｙ方向における、コンデンサモジュール３側に向けている。すなわち、付属コンデンサモジュール５は、封止樹脂５３のポッティング面を、Ｙ方向におけるコンデンサモジュール３側に向けている。

付属コンデンサモジュール５は、コンデンサ素子５１の一対の電極にそれぞれ接続された、一対の付属バスバー５４を有する。これらの付属バスバー５４は、コンデンサケース５２の外側面に延設されている。なお、正極側の付属バスバー５４Ｐは、コンデンサケース５２の開口面５２１から突出して、コンデンサケース５２の外側面に延びている。図１０には表れていないが、負極側の付属バスバー５４Ｎも同様に、開口面５２１から突出して、コンデンサケース５２の外側面に延びている。図２において主として破線にて示すごとく、付属バスバー５４Ｎは、正極側の付属バスバー５４Ｐと絶縁を保ちつつ厚み方向に重なってＹ方向に延びるＹ方向延設部５４Ｎｙを有する。また、付属バスバー５４Ｎは、Ｙ方向延設部５４Ｎｙの一部に重なると共に接続されて、Ｘ方向に延びるように、コンデンサケース５２の外側面に配されたＸ方向延設部５４Ｎｘを有する。本形態においては、Ｙ方向延設部５４ＮｙとＸ方向延設部５４Ｎｙとが、互いに別部材によって構成されている。

図２、図９に示すごとく、コンデンサバスバー４の電源接続部４３は、付属バスバー５４を介して、直流電源ＢＡＴに接続される。すなわち、付属バスバー５４は、一方の端部に、コンデンサバスバー４と接続される第１接続部５４１を有する。この第１接続部５４１が、締結部材１１によって、コンデンサバスバー４の電源接続部４３に接続されている。また、付属バスバー５４の他方の端部に、直流電源ＢＡＴからの接続配線が接続される第２接続部５４２が形成されている。

電力変換装置１は、スイッチング回路部２０、コンデンサモジュール３及び付属コンデンサモジュール５を収容する装置ケース１２を有する。図１に示すごとく、コンデンサモジュール３は、固定部材１３３によって装置ケース１２に固定されている。図２に示すごとく、付属コンデンサモジュール５は、固定部材１３５によって装置ケース１２に固定されている。

付属コンデンサモジュール５を固定する固定部材１３５と、締結部材１１とは、固定方向が互いに同一である。すなわち、固定部材１３５及び締結部材１１は、図２における紙面の表から裏へ向かう方向に、締結されている。一方、図１に示す、コンデンサモジュール３を固定する固定部材１３３は、固定部材１３５及び締結部材１１と反対向きの固定方向となっている。
なお、本形態においては、締結部材１１も、固定部材１３３、１３５も、ボルトにて構成することができる。

上述のように、コンデンサモジュール３は、コンデンサバスバー４として、正極バスバー４Ｐ及び負極バスバー４Ｎを有する。図５、図６に示すごとく、正極バスバー４Ｐと負極バスバー４Ｎとは、互いの直流経路部４４の一部において、絶縁層４６を介して厚み方向に対向配置した対向部４５を有する。電源接続部４３は、厚み方向（本形態においては、Ｚ方向）から見たとき、対向部４５及び絶縁層４６から突出している。電源接続部４３は、対向部４５及び絶縁層４６から、Ｘ方向の一方側に突出している。

対向部４５は、平板状の本体対向部４５１と立設対向部４５２とを有する。立設対向部４５２は、本体対向部４５１から本体対向部４５１の厚み方向（すなわちＺ方向）に立設した部位である。絶縁層４６は、本体絶縁部４６１と立設絶縁部４６２とを有する。本体絶縁部４６１は、一対の本体対向部４５１の間に介在する部位である。立設絶縁部４６２は、一対の立設対向部４５２の間に介在する部位である。

電源接続部４３は、立設対向部４５２から、立設対向部４５２の厚み方向（すなわちＸ方向）に屈曲してなる。電源接続部４３は、本体対向部４５１と平行に形成されている。なお、電源接続部４３と本体対向部４５１とが平行であるとは、両者の厚み方向が略同じ方向となる状態を意味する。また、絶縁層４６は、樹脂成形体からなる。

図４、図７、図８に示すごとく、本体対向部４５１は、Ｘ方向に長尺の長尺対向部４５１ａと、長尺対向部４５１ａにおけるＸ方向の端部から、Ｙ方向におけるコンデンサ素子３１と反対側に突出した突出対向部４５１ｂとを有する。また、長尺対向部４５１ａから、Ｙ方向におけるコンデンサ素子３１と反対側に、複数の端子接続部４２が突出している。突出対向部４５１ｂの、Ｙ方向における、端子接続部４２と反対側の端縁から、立設対向部４５２が立設している。

なお、コンデンサモジュール３は、Ｘ方向における、コンデンサバスバー４が突出していない領域の一部において、放電基板３６を配設している。放電基板３６は、コンデンサモジュール３内のコンデンサ素子３１に電気的に接続されている。コンデンサモジュール３に充電された電荷を、放電基板３６において放電することができるよう構成されている。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１において、コンデンサバスバー４における、端子接続部４２と電源接続部４３との間の電流経路を構成する直流経路部４４は、封止樹脂３３の外部に露出している。これにより、図１１、図１２に示すごとく、電源接続部４３から端子接続部４２への直流経路部４４に大電流が流れたとき、その電流に起因する熱を、効率的に放熱しやすい。そして、直流経路部４４において発生した熱が、コンデンサモジュール３の封止樹脂３３内にこもることを抑制することができる。その結果、コンデンサ素子３１の温度上昇を効果的に抑制することができる。

例えば、回転電機ＭＧによる車両走行時等において、直流電源ＢＡＴとスイッチング回路部２０との間の直流経路部４４に大電流が流れることもある（図１１、図１２の矢印ｉ参照）。このとき、直流経路部４４が発熱するが、直流経路部４４が封止樹脂３３内に配置されていると、放熱が困難となり、コンデンサ素子３１の温度上昇にもつながりかねない。これに対して、上記ように、直流経路部４４が封止樹脂３３の外に配置されている。そのため、直流経路部４４の熱を放熱しやすく、コンデンサ素子３１の温度上昇も抑制することができる。

電力変換装置１は、付属コンデンサモジュール５を有し、付属コンデンサモジュール５は、コンデンサバスバー４の電源接続部４３に接続されている。これにより、コンデンサモジュール３と付属コンデンサモジュール５とをコンデンサバスバー４を介して互いに接続することができる。それゆえ、コンデンサモジュール３と付属コンデンサモジュール５との間の電流経路を短くすることができる。そのため、コンデンサ素子３１とコンデンサ素子５１との間のインダクタンス偏差を抑制することができる。それゆえ、コンデンサ素子間の電流共振を抑制することができる。その結果、コンデンサ素子３１、５１における発熱を抑制することができる。

付属コンデンサモジュール５は、電源接続部４３に、締結部材１１によって着脱可能に固定されている。これにより、付属コンデンサモジュール５の交換作業を容易にすることができる。つまり、付属コンデンサモジュール５を、コンデンサモジュール３やスイッチング回路部２０と分離することが容易となる。それゆえ、例えば、付属コンデンサモジュール５のみを交換することが容易となる。

また、付属コンデンサモジュール５を装置ケース１２に固定する固定部材１３５と、付属コンデンサモジュール５と電源接続部４３とを固定する締結部材１１とは、固定方向が互いに同一である。これにより、付属コンデンサモジュール５の組み付け作業あるいは交換作業を容易に行うことができる。

正極バスバー４Ｐと負極バスバー４Ｎとは、互いの直流経路部４４の一部において、絶縁層４６を介して厚み方向に対向配置した対向部４５を有する。電源接続部４３は、厚み方向から見たとき、対向部４５及び絶縁層４６から突出している。これにより、電源接続部４３における接続作業を行う場合、電源接続部４３に作用する負荷が封止樹脂３３に伝わることを抑制しやすい。それゆえ、コンデンサバスバー４が突出した部分における封止樹脂３３に、クラックが入るなどの不具合を抑制することができる。

対向部４５は、本体対向部４５１と立設対向部４５２とを有し、絶縁層４６は、本体絶縁部４６１と立設絶縁部４６２とを有する。そして、電源接続部４３は、立設対向部４５２から、立設対向部４５２の厚み方向に屈曲してなり、本体対向部４５１と平行に形成されている。このような構成とすることで、電源接続部４３に作用する応力が、封止樹脂３３に伝わることを一層効果的に抑制することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、バスバーの熱を効率的に放熱しやすく、コンデンサ素子の温度上昇を抑制しやすい電力変換装置を提供することができる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 電力変換装置
２０ スイッチング回路部
３ コンデンサモジュール
３１ コンデンサ素子
３２ コンデンサケース
３３ 封止樹脂
４ コンデンサバスバー
４１ 素子接続部
４２ 端子接続部
４３ 電源接続部

Claims (6)

1. スイッチング回路部（２０）と、
   該スイッチング回路部に電気的に接続されたコンデンサモジュール（３）と、を有し、
   上記コンデンサモジュールは、コンデンサ素子（３１）と、
   該コンデンサ素子を収容するコンデンサケース（３２）と、
   該コンデンサケース内において上記コンデンサ素子を封止する封止樹脂（３３）と、
   上記コンデンサ素子と上記スイッチング回路部のパワー端子とを接続するコンデンサバスバー（４）と、を有し、
   上記コンデンサバスバーは、上記封止樹脂の内部において上記コンデンサ素子に接続される素子接続部（４１）と、
   上記封止樹脂の外部において上記パワー端子と接続される端子接続部（４２）と、上記封止樹脂の外部において直流電源に電気的に接続された電源配線（５４）に接続される電源接続部（４３）と、を有し、
   上記コンデンサバスバーにおける、上記端子接続部と上記電源接続部との間の電流経路を構成する直流経路部（４４）は、上記封止樹脂の外部に露出している、電力変換装置（１）。
2. 上記コンデンサモジュールと並列接続された付属コンデンサモジュール（５）を有し、該付属コンデンサモジュールは、上記コンデンサバスバーの上記電源接続部に接続されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記付属コンデンサモジュールは、上記電源接続部に、締結部材（１１）によって着脱可能に固定されている、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記スイッチング回路部、上記コンデンサモジュール及び上記付属コンデンサモジュールを収容する装置ケース（１２）を有し、上記付属コンデンサモジュールを固定する固定部材（１３５）と、上記締結部材とは、固定方向が互いに同一である、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 上記コンデンサモジュールは、上記コンデンサバスバーとして、上記コンデンサ素子における互いに反対側の電極に接続された正極バスバー（４Ｐ）及び負極バスバー（４Ｎ）を有し、上記正極バスバーと上記負極バスバーとは、互いの上記直流経路部の一部において、絶縁層（４６）を介して厚み方向に対向配置した対向部（４５）を有し、上記電源接続部は、厚み方向から見たとき、上記対向部及び上記絶縁層から突出している、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 上記対向部は、平板状の本体対向部（４５１）と、該本体対向部から該本体対向部の厚み方向に立設した立設対向部（４５２）とを有し、上記絶縁層は、一対の上記本体対向部の間に介在する本体絶縁部（４６１）と、一対の上記立設対向部の間に介在する立設絶縁部（４６２）とを有し、上記電源接続部は、上記立設対向部から、該立設対向部の厚み方向に屈曲してなり、上記本体対向部と平行に形成されている、請求項５に記載の電力変換装置。

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