JP2020526171A - 電圧変換器、電気システム、自動車、及び関連する製造方法 - Google Patents

電圧変換器、電気システム、自動車、及び関連する製造方法 Download PDF

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Abstract

電圧変換器(104)は、第1及び第2バスバー(106、108)と、少なくとも1対の第1及び第2制御可能スイッチ(112、114)を含む少なくとも1つの電力モジュール(110)と、を含む。1つのキャパシタが各電力モジュールに設けられ、キャパシタは、少なくとも500マイクロファラッド、好適には少なくとも560マイクロファラッドの値を有するとともに、制御可能スイッチ(112、114)に十分に近接して配置されることにより、バスバー(106、108、22)が、制御可能スイッチ(112、114)の各対に対して、キャパシタの前記第1端子から2つの制御可能スイッチ(112、114)のそれぞれを連続して通過してキャパシタの第2端子で終端する導電性経路(408)を画定し、導電性経路(408)は、最大で40ナノヘンリー、好適には最大で30ナノヘンリーのインダクタンスを有する。

Description

本発明は、電圧変換器、電気システム、自動車、及び関連する製造方法に関する。
電圧変換器であって、
−第1及び第2バスバーと、
−少なくとも1つの電力モジュールと、
を有するタイプの電圧変換器であって、
前記電力モジュールは、
−少なくとも1対の第1及び第2コマンド可能スイッチであって、2つの主端子と、前記2つの主端子間において前記コマンド可能スイッチを選択的に開閉するための制御端子とをそれぞれ有し、前記第1コマンド可能スイッチの前記第1主端子が前記第1バスバーに接続され、前記第2コマンド可能スイッチの前記第2主端子が前記第2バスバーに接続されている、第1及び第2コマンド可能スイッチと、
−コマンド可能スイッチの各対に対する第3バスバーであって、前記第1コマンド可能スイッチの第2主端子及び前記第2コマンド可能スイッチの前記第1主端子が接続される第3バスバーと、
−前記第1及び第2バスバーにそれぞれ接続される第1及び第2端子を有する少なくとも1つのキャパシタと、を有する、電圧変換器を使用することが知られている。
第1及び第2バスバーは、高いDC供給電圧を受けることが意図されている。単数又は複数のキャパシタの役割は、この供給電圧をフィルタリングすることである。フィルタリングを有効にすべく、単数又は複数のキャパシタは、少なくとも500マイクロファラッドに等しい高い静電容量を有するとともに、供給電圧が印加される第1及び第2バスバーの端部に近接して配置されたキャパシタブロックに配置される。
本発明の目的は、供給電圧のフィルタリングを向上させた電圧変換器を提案することである。
この目的のために、上述のタイプの電圧変換器において、キャパシタが各電力モジュールに設けられ、前記キャパシタは、少なくとも500マイクロファラッド、好適には少なくとも560マイクロファラッドの値を有するとともに、前記コマンド可能スイッチに十分に近接して配置されることにより、前記バスバーが、コマンド可能スイッチの各対に対して、前記キャパシタの前記第1端子から2つの前記コマンド可能スイッチのそれぞれを連続して通過して前記キャパシタの前記第2端子で終端する導電性パスを画定し、前記導電性パスは、最大で40ナノヘンリー、好適には最大で30ナノヘンリーのインダクタンスを有することを特徴とするものが提案される。
本発明によれば、キャパシタを各電力モジュールの前記コマンド可能スイッチに可能な限り近接して配置することにより、フィルタリングを改善できる。この解決策は、キャパシタブロックの他に、セラミックキャパシタ等の小型のキャパシタを電力モジュールに近接して追加配置することにより構成され得る解決策よりはるかに有益である。具体的には、本発明が提案する解決策は、電子部品の点数、ひいては電圧変換器のコスト及び大きさを制限しつつ、同時に同じ結果を達成することができる。
選択的に、各導電性パスは、最大で100mm、好適には最大で70mmの長さを有する。
同じく選択的に、各電力モジュールの前記コマンド可能スイッチのそれぞれは、前記キャパシタがセンタリングされる軸から、10乃至30mm、好適には15乃至25mmの距離を置いて配置される。
同じく選択的に、前記電圧変換器は、単数又は複数の前記電力モジュール及び対応する単数又は複数の前記キャパシタを包囲する水平周縁部を有するヒートシンクハウジングを更に有し、前記ヒートシンクハウジングは、前記水平周縁部に空気入口開口を有するとともに、中央に下向きの空気出口開口を有し、単数又は複数の前記キャパシタは、前記コマンド可能スイッチよりも、前記空気出口開口を通る鉛直軸に近接して配置される。
同じく選択的に、各対の前記コマンド可能スイッチは、チョッピングアームを形成するように配設される。
同じく選択的に、前記電圧変換器は、2対のコマンド可能スイッチをそれぞれ有する3つの電力モジュールを有する。
同様に提案されるものは、電気システムであって、
−本発明による電圧変換器と、
−前記電力モジュールにそれぞれ対応付けられる相を有する電気モータと、
を有する電気システムであって、前記電気モータの各相は、対応する前記電力モジュールの2つの前記第3バスバーにそれぞれ接続される2つの端部を有する、電気システムである。
選択的に、前記電気モータは、自動車の車輪を駆動するように設計される。
同様に提案されるものは、本発明による電気システムを有する自動車である。
同様に提案されるものは、本発明による電圧変換器を製造するための方法であって、
−各電力モジュールに対して、対応する前記キャパシタの位置を決定するステップであって、前記位置が前記コマンド可能スイッチに十分に近接していることにより、前記バスバーは、前記コマンド可能スイッチの各対に対して、前記キャパシタの前記第1端子から前記2つのコマンド可能スイッチのそれぞれを連続的に通過して前記キャパシタの前記第2端子で終端する導電性パスを画定し、前記導電性パスは、最大で40ナノヘンリー、好適には最大で30ナノヘンリーのインダクタンスを有する、ステップと、
−各電力モジュールについて、対応する前記キャパシタを決定された前記位置に配置することにより、前記電圧変換器を製造するステップと、
を備える、方法である。
本発明を実施する電圧変換器を有する電気システムの回路図。 電圧変換器に配置された電力モジュール及び対応するキャパシタの三次元図。 キャパシタのみの三次元図。 キャパシタを省略した電力モジュールの三次元図。 電圧変換器の三次元図。 電圧変換器を製造するための方法のステップを示すブロック図。
本発明を実施する電気システム100について、図1を参照して説明する。
電気システム100は、例えば自動車に設置されることが意図されている。
電気システム100は、例えば20V乃至100V、例えば48VのDC電圧Uを供給するように設計された電源102を有する。電源102は、例えばバッテリを有する。
電気システム100は、複数の相(図示せず)を有する電気機械130を更に有する。これらの相は、それぞれの相電圧を有することが意図されている。
電気システム100は、DC電圧Uと相電圧との変換を実行するように電源102と電気機械130との間に接続された電圧変換器104を更に有する。
電圧変換器104は、正バスバー106と負バスバー108とを有し、これらは、DC電圧Uを受けるように電源102に接続されることが意図されている。正バスバー106は高電位を受け、負バスバー108は低電位を受ける。
電圧変換器104は、単数又は複数の相バスバー122を有する少なくとも1つの電力モジュール110を更に有する。単数又は複数の相バスバー122は、電気機械130の単数又は複数の相にそれぞれ接続されることで、そのそれぞれの相電圧を提供することが意図されている。
説明例において、電圧変換器104は、3つの電力モジュール110を有し、各電力モジュール110は、電気機械130の2つの相に接続される2つの相バスバー122を有する。
より正確には、説明例において、電気機械130は、2つの三相システムを有する。各三相システムは、3つの相を有するとともに、120°で互いに電気的に相オフセットされることが意図されている。好適には、電力モジュール110の第1相バスバー122は、第1三相システムの3つの相にそれぞれ接続される。また、電力モジュール110の第2相バスバー122は、第2三相システムの3つの相にそれぞれ接続される。
各電力モジュール110は、各相バスバー122について、ハイサイドスイッチ112とローサイドスイッチ114とを有する。ハイサイドスイッチ112は、正バスバー106と相バスバー122との間に接続され、ローサイドスイッチ114は、相バスバー122と負バスバー108との間に接続される。したがって、スイッチ112、114は、相バスバー122がセンタータップを形成するチョッピングアームを形成するように配設される。
各スイッチ112、114は、第1及び第2主端子116、118と、制御端子120とを有する。制御端子120は、適用される制御信号に応じて、2つの主端子116、118の間でスイッチ112、114を選択的に開閉することが意図されている。好適には、スイッチ112、114は、制御端子120を形成するゲートと、主端子116、118をそれぞれ形成するドレイン及びソースとを有する、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFETs)等のトランジスタである。
説明例において、スイッチ112、114は、例えば実質的に長方形のプレートであって上面及び下面を有するプレートの形状をそれぞれ有する。第1主端子116は下面を覆って延び、第2主端子118は上面を覆って延びる。更に、下面はヒートシンク面を形成する。
電圧変換器104は、各電力モジュール110について、正端子126と負端子128とを有するキャパシタ124を更に有する。正端子126及び負端子128は、正バスバー106及び負バスバー108にそれぞれ接続される。
正バスバー106、負バスバー108、及び相バスバー122は、少なくとも1Aの電力に耐えるように設計された剛性要素であることを理解されたい。これらは、好適には少なくとも1mmの厚さを有する。
更に、説明例において、電気機械130は、オルタネータ及び電気モータ機能を同時に有している。より具体的には、自動車は、出力軸を有する熱燃焼機関(図示せず)を更に有する。出力軸には、電気機械130がベルト(図示せず)を介して接続される。熱燃焼機関は、その出力軸を介して自動車の車輪を駆動することが意図されている。したがって、オルタネータモードでの動作中、電気機械は、出力軸の回転から電源102の方向に電気エネルギーを供給する。この時、電圧変換器104は、整流器として動作する。電気モータモードでの動作中、電気機械は、(熱燃焼機関に加えて、又はこれに代えて)出力軸を駆動する。この時、電圧変換器104は、インバータとして動作する。
電気機械130は、例えば、自動車のトランスミッション又はクラッチに、或いはオルタネータの代わりに配置される。
以下の説明において、電圧変換器104の諸要素の構造及び配置を、「H」が上方を示し「B」が下方を示す鉛直方向H‐Bを基準としてより詳細に説明する。
図2を参照すると、説明例において、バスバー106,108、122は、互いに隣接して延びる水平方向の同一平面にある平面部分202、204、206をそれぞれ有している。
更に、各コマンド可能スイッチ112、114は、実質的に長方形のプレートの形状を有する。その第1主端子116は、下面(図示せず)を少なくとも部分的に覆って延び、その第2主端子118は、上面を覆って延びる。
コマンド可能スイッチ112、114の各対について、第1スイッチ112の後面は、第1バスバー106の平面部分202及び第3バスバー122の平面部分206のうちの一方に対して押し付けられることで、その第1主端子116は、第1バスバー106又は第3バスバー122に接続される。説明例において、第1コマンド可能スイッチ112の後面は、第1バスバー106の平面部分202に対して押し付けられている。更に、第1スイッチ112の上面は、少なくとも1つの導電性タブ208を介して、第1バスバー106の平面部分202及び第3バスバー122の平面部分206のうちの他方に接続されることで、その第2主端子116は、第1バスバー106又は第3バスバー122に接続される。説明例において、第1スイッチ112の上面は、3つのタブ208を介して、第3バスバー122の平面部分206に接続されている。
更に、コマンド可能スイッチ112、114の各対について、第2コマンド可能スイッチ114の後面は、第2バスバー108の平面部分204及び第3バスバー122の平面部分206のうちの一方に対して押し付けられることで、その第1主端子116は第2バスバー108又は第3バスバー122に接続される。説明例において、第2スイッチ114の後面は、第3バスバー122の平面部分206に対して押し付けられている。更に、第2スイッチ114の上面は、少なくとも1つのタブ210を介して、第2バスバー108の平面部分204及び第3バスバー122の平面部分206のうちの他方に接続されることで、その第2主端子118は、第2バスバー108又は第3バスバー122に接続される。説明例において、第2スイッチ114の上面は、少なくとも1つの導電性タブ210を介して、第2バスバー108の平面部分204に接続されている。
したがって、積み重なるのではなく互いに隣接して延びるバスバー106、108、122の構成配置により、電力モジュール110の鉛直方向の大きさを制限することができる。
更に、コマンド可能スイッチ112、114の制御端子120は、説明例において、それらの上面を覆って延びるとともに、制御ピン212に接続されている。
図3を参照すると、各キャパシタ124は、少なくとも500マイクロファラッド、好適には少なくとも560マイクロファラッドの値を有する。各キャパシタ124は、例えばケミカルコンデンサである。
キャパシタ124は、大きいサイズを有する。例えば、各キャパシタ124の最大寸法は、少なくとも15mmである。一般的には、この最大寸法は、少なくとも30mmである。例えば、各キャパシタ124は、5乃至15mmの半径、及び18mm乃至40mm、好適には20mm乃至35mmの高さを有する円筒形状を全体として有する。
更に、各キャパシタ124は、下方円形面に、その第1端子126を形成する中央ピンと、その第2端子128を形成する2つのラグを有する。
図4を参照すると、各電力モジュール110に対して、対応するキャパシタ124は、軸402にセンタリングされることが意図されている。更に、第1バスバー106は、キャパシタ124の第1端子126を形成するピンを受容することが意図された貫通孔404を有する。また、第2バスバー108は、その第2端子128を形成する2つのラグをそれぞれ受容することが意図された2つの貫通孔406を有する。
コマンド可能スイッチ112、114の各対に対して、バスバー106、108、122は、導電性パス408を画定する。導電性パス408は、(図4に貫通孔404を介して示す)キャパシタ124の第1端子126を始点として、これら2つのコマンド可能スイッチ112、114を連続して通過し、(図4に貫通孔406のうちの一方を介して示す)キャパシタ124の第2端子で終端する。図4では、2対のコマンド可能スイッチ112、114のうちの一方の導電性パス408のみを示す。当然ながら、もう1つの同様の導電性パスが、他方の対のコマンド可能スイッチ112、114にも存在する。
軸402、したがってキャパシタ124は、コマンド可能スイッチ112、114に十分に近接して配置されることにより、各導電性パス408は最大で40ナノヘンリー、好適には最大で30ナノヘンリーのインダクタンスを有す。このような低いインダクタンスを達成するように、導電性パス408は、好適には最大で100mm、より好適には最大で70mmの長さを有する。更に、同じくこのような低いインダクタンスを達成するように、各コマンド可能スイッチ112、114は、好適には、軸402から10乃至30mm、より好適には15乃至25mmの距離を置いて配置される。したがって、コマンド可能スイッチ112、114は、キャパシタ124の設置を可能とするように軸402から十分に離間していると同時に、各誘導パス408を比較的短いものとして所望のインダクタンスを呈すべく十分に近接している。説明例において、コマンド可能スイッチ112、114は、短い底部(2つのハイサイドスイッチ112間の距離)と長い底部(2つのローサイドスイッチ間の距離)とを有する台形の四隅に配置されている。軸402は、長い底部の中央から10mm未満離間している。このように、スイッチ112、114は、キャパシタ124を包囲することで、キャパシタ124に近接して配置され得る。
図5を参照すると、電圧変換器104は、電力モジュール110及びキャパシタ124を包囲する水平周縁部を有するヒートシンクハウジング502を更に有している。この水平周縁部には複数のフィン504が設けられ、フィン同士の間に空気入口開口が画成されている。ヒートシンクハウジング502は、中央に下向きの空気出口開口508を更に有する。この空気は、電気機械130を冷却することが意図されている。
好適には、キャパシタ124は、電力モジュール110よりも、特にコマンド可能スイッチ112、114よりも、空気出口開口508に近接して配置される。したがって、キャパシタ124は中央に位置し、電力モジュール110は電圧変換器104の周縁部に位置する。
説明例において、電圧変換器104は、電気モータ130に装着される。電気モータ130は、空気出口開口508を介して空気を引き込むファンを形成するロータ(図示せず)を有する。これにより、空気入口開口506から空気出口開口508に延びる空気流であって、電力モジュール110、特にコマンド可能スイッチ112、114を冷却する空気流が形成される。
キャパシタ124は、電力モジュール110にできるだけ近接してそれぞれ配置されていつつも電圧変換器104の中央に位置しているため、このような空気流が電力モジュール110を通過することが妨げられることはない。
次に、図6を参照して、電圧変換器104を製造するための方法を説明する。
各電力モジュール110に対して、ステップ602において、対応するキャパシタ124の位置が決定される。この位置がコマンド可能スイッチ112、114に十分に近接していることにより、バスバー106、108、122は、コマンド可能スイッチ112、114の各対に対して、キャパシタ124の第1端子126を始点として、これら2つのコマンド可能スイッチ112、114のそれぞれを連続的に通過し、キャパシタ124の第2端子128で終端する導電性パス408であって、最大で40ナノヘンリー、好適には最大で30ナノヘンリーのインダクタンスを有する導電性パス408を画定する。
ステップ604において、各電力モジュール110に対して、対応するキャパシタ124をステップ602で決定された決定位置に配置することにより、電圧変換器104が製造される。
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲により定義される。実際に、当業者には、上述の実施形態を変更し得ることが明らかであろう。
更に、特許請求の範囲で使用される用語は、上述の実施形態の要素に限定されると理解されるべきではなく、当業者がその一般知識から推測可能な同等の全ての要素を包含すると理解されるべきである。

Claims (10)

  1. 電圧変換器(104)であって、
    −第1及び第2バスバー(106、108)と、
    −少なくとも1つの電力モジュール(110)と、を有し、
    前記電力モジュール(110)は、
    −少なくとも一対の第1及び第2コマンド可能スイッチ(112、114)であって、2つの主端子(116、118)と、前記2つの主端子(116、118)間において前記コマンド可能スイッチ(112、114)を選択的に開閉するための制御端子(120)とをそれぞれ有し、前記第1コマンド可能スイッチ(112)の前記第1主端子(116)が前記第1バスバー(106)に接続され、前記第2コマンド可能スイッチ(114)の前記第2主端子(118)が前記第2バスバー(108)に接続される、第1及び第2コマンド可能スイッチ(112、114)と、
    −コマンド可能スイッチ(112、114)の各対に対する第3バスバー(122)であって、前記第1コマンド可能スイッチ(112)の前記第2主端子(118)及び前記第2コマンド可能スイッチ(114)の前記第1主端子(116)が接続される第3バスバー(122)と、
    −前記第1及び第2バスバー(106、108)にそれぞれ接続される第1及び第2端子(126、128)を有する少なくとも1つのキャパシタ(124)と、を有し、
    1つのキャパシタ(124)が、各電力モジュール(110)に設けられており、
    前記キャパシタ(124)は、少なくとも500マイクロファラッド、好適には少なくとも560マイクロファラッドの値を有するとともに、前記コマンド可能スイッチ(112、114)に十分に近接して配置されることにより、前記バスバー(106、108、122)が、コマンド可能スイッチ(112、114)の各対に対して、前記キャパシタ(124)の前記第1端子(126)から2つの前記コマンド可能スイッチ(112、114)のそれぞれを連続して通過して前記キャパシタ(124)の前記第2端子(128)で終端する導電性パス(408)を画定し、
    前記導電性パス(408)は、最大で40ナノヘンリー、好適には最大で30ナノヘンリーのインダクタンスを有する、
    ことを特徴とする電圧変換器(104)。
  2. 各導電性パス(408)は、最大で100mm、好適には最大で70mmの長さを有する、
    請求項1に記載の電圧変換器(104)。
  3. 各電力モジュール(110)の前記コマンド可能スイッチ(112、114)のそれぞれは、前記キャパシタ(124)がセンタリングされる軸(402)から、10乃至30mm、好適には15乃至25mmの距離を置いて配置される、
    請求項1又は2に記載の電圧変換器(104)。
  4. 前記電圧変換器(104)は、単数又は複数の前記電力モジュール(110)及び対応する単数又は複数の前記キャパシタ(124)を包囲する水平周縁部を有するヒートシンクハウジング(502)を更に有し、
    前記ヒートシンクハウジング(502)は、前記水平周縁部に空気入口開口(506)を有するとともに、中央に下向きの空気出口開口(508)を有し、
    単数又は複数の前記キャパシタ(124)は、前記コマンド可能スイッチ(112、114)よりも、前記空気出口開口(508)を通る鉛直軸(510)に近接して配置される、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電圧変換器(104)。
  5. 各対の前記コマンド可能スイッチ(112、114)は、チョッピングアームを形成するように配設される、
    請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電圧変換器(104)。
  6. 2対のコマンド可能スイッチ(112、114)をそれぞれ有する3つの電力モジュール(110)を有する、
    請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電圧変換器(104)。
  7. 電気システム(100)であって、
    −請求項1乃至6のいずれか一項に記載の電圧変換器(104)と、
    −前記電力モジュール(110)にそれぞれ対応付けられる相を有する電気モータ(130)と、を有し、
    前記電気モータ(130)の各相は、対応する前記電力モジュール(110)の2つの前記第3バスバー(122)にそれぞれ接続される2つの端部を有する、
    電気システム(100)。
  8. 前記電気モータ(130)は、自動車の車輪を駆動するように設計される、
    請求項7に記載の電気システム(100)。
  9. 請求項7又は8に記載の電気システム(100)を有する自動車。
  10. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の電圧変換器(104)を製造するための方法(600)であって、
    −各電力モジュール(110)に対して、対応する前記キャパシタ(124)の位置を決定するステップ(602)であって、前記位置が前記コマンド可能スイッチ(112、114)に十分に近接していることにより、前記バスバー(106、108、122)は、前記コマンド可能スイッチ(112、114)の各対に対して、前記キャパシタ(124)の前記第1端子(126)から前記2つのコマンド可能スイッチ(112、114)のそれぞれを連続的に通過して前記キャパシタ(124)の前記第2端子(128)で終端する導電性パス(408)を画定し、前記導電性パス(408)は、最大で40ナノヘンリー、好適には最大で30ナノヘンリーのインダクタンスを有する、ステップ(602)と、
    −各電力モジュール(110)に対して、対応する前記キャパシタ(124)を決定された前記位置に配置することにより、前記電圧変換器(104)を製造するステップ(604)と、
    を備える、方法(600)。
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