JP2021015911A - 電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱部品とバスバで接続されている端子を支持している端子台を有している電気機器において、発熱部品の熱の端子台への影響を抑える技術を提供する。【解決手段】電力変換器２（電気機器）は、端子台４０と、端子台４０を収容しているケース３０と、を備えている。端子台４０は、パワーモジュール８ｂ（発熱部品）とバスバ２４で接続されている接続端子２３を支持している。ケース３０は、外部のコネクタが接続される開口３３１を有しており、その開口を通じて接続端子２３が露出するように端子台４０を収容している。電力変換器２は、さらに、接続端子２３に接するとともに開口３３１を通じて外部に露出している放熱板３４０を備えている。【選択図】図４

Description

本明細書が開示する技術は、発熱部品とバスバで接続されている端子を支持している端子台を有している電気機器に関し、発熱部品の熱の端子台への影響を抑える技術を提供する。

発熱部品を含んでいる電気機器では、冷却手段を伴う場合が多い。冷却手段の典型は、放熱板である。特許文献１に、放熱板を発熱部品に取り付けた電気機器が開示されている。

特開２０１６−１００９４０号公報

発熱部品が端子とバスバで接続されている場合、発熱部品の熱がバスバを通じて端子へ伝達する。端子は端子台に支持されている。発熱部品の熱が端子台へ伝わると、端子台が熱変形するおそれがある。端子台の変形は、端子とその端子に接続されている導体との締結部位のゆるみの一因になり得る。

本明細書が開示する電気機器は、発熱部品とバスバで接続されている端子を支持している端子台と、端子台を収容しているケースを備えている。ケースは、外部のコネクタが接続される開口を有しており、その開口を通じて端子が露出するように端子台を収容している。その電気機器は、さらに、端子に接するとともに開口を通じて外部に露出している放熱板を備えている。

本明細書が開示する技術は、端子に接する放熱板を、ケースの開口を通じて露出するように配置する。別言すれば、開口に隣接するように放熱板を配置する。放熱板が端子から熱を吸収して放熱するので端子を支持する端子台の温度上昇が抑えられる。放熱板はケースの開口を通じて露出しているので放熱性がよい。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電気機器（電力変換器）の回路図である。 電力変換器の側面図である。 側板をカットした電力変換器の断面図である。 図３のIV−IV線でカットした電力変換器の断面図である。

図面を参照して実施例の電気機器を説明する。実施例の電気機器は、電気自動車１００に搭載される電力変換器２である。図１に、電力変換器２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。実施例の電気自動車１００は、走行用モータ８３ａ、８３ｂを備えている。電力変換器２は、バッテリ８１の直流電力を走行用モータ８３ａ、８３ｂの駆動電力に変換するデバイスである。２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、ギアボックス８５で合成されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。

電力変換器２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力変換器２は、バッテリ８１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備えている。第１インバータ回路１３ａが走行用モータ８３ａの駆動電力を生成し、第２インバータ回路１３ｂが走行用モータ８３ｂの駆動電力を生成する。

電圧コンバータ回路１２は、バッテリ側の端子に印加された電圧を昇圧してインバータ側の端子に出力する昇圧動作と、インバータ側の端子に印加された電圧を降圧してバッテリ側の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。説明の便宜上、以下では、バッテリ側（低電圧側）の端子を入力端１８と称し、インバータ側（高電圧側）の端子を出力端１９と称する。また、入力端１８の正極と負極を夫々、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂと称する。出力端１９の正極と負極を夫々、出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂと称する。「入力端１８」、「出力端１９」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるので、出力端１９から入力端１８へ電力が流れる場合がある。

電圧コンバータ回路１２は、２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路、リアクトル７、フィルタコンデンサ５、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。リアクトル７は、一端が入力正極端１８ａに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ５は、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂの間に接続されている。入力負極端１８ｂは、出力負極端１９ｂと直接に接続されている。スイッチング素子９ｂが主に昇圧動作に関与し、スイッチング素子９ａが主に降圧動作に関与する。図１の電圧コンバータ回路１２はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号８ａが示す破線矩形の範囲の回路が、後述するパワーモジュール８ａに対応する。符号１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、パワーモジュール８ａから延出している端子を示している。符号１１ａは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の高電位側と導通している端子（正極端子１１ａ）を示している。符号１１ｂは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の低電位側と導通している端子（負極端子１１ｂ）を表している。符号１１ｃは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の中点と導通している端子（中点端子１１ｃ）を表している。

インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。スイッチング素子９ｃと９ｄ、スイッチング素子９ｅと９ｆ、スイッチング素子９ｇと９ｈがそれぞれ直列回路を構成している。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路の高電位側の端子（正極端子１１ａ）が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子（負極端子１１ｂ）が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。３セットの直列回路の中点端子から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。３セットの直列回路の夫々が、後述するパワーモジュール８ｂ、８ｃ、８ｄに対応する。

インバータ回路１３ｂの構成はインバータ回路１３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略している。インバータ回路１３ｂもインバータ回路１３ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。３セットの直列回路の高電位側の端子が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。各直列回路に対応するハードウエアをパワーモジュール８ｅ、８ｆ、８ｇと称する。

インバータ回路１３ａ、１３ｂの入力端に平滑コンデンサ６が並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、別言すれば、電圧コンバータ回路１２の出力端１９に並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、電圧コンバータ回路１２とインバータ回路１３ａ、１３ｂの間を流れる電流の脈動を除去する。

スイッチング素子９ａ−９ｈは、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また、ここでいうスイッチング素子は、電力変換に用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。パワーモジュール８ｅ−８ｇに含まれているスイッチング素子も同様である。

図１において、破線８ａ−８ｇの夫々がパワーモジュールに相当する。電力変換器２は、２個のスイッチング素子の直列回路を７セット備えている。ハードウエアとしては、直列回路を構成する２個のスイッチング素子、および各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードが一つのパッケージ（パワーモジュール）に収容されている。以下では、パワーモジュール８ａ−８ｇのいずれか一つを区別なく示すときにはパワーモジュール８と表記する。

７個のパワーモジュール（７セットの直列回路）の高電位側の端子（正極端子１１ａ）が平滑コンデンサ６の正極電極に接続され、低電位側の端子（負極端子１１ｂ）が平滑コンデンサ６の負極電極に接続される。

パワーモジュール８ｂ−８ｄの夫々の中点端子１１ｃがモータ８３ａと接続されており、パワーモジュール８ｅ−８ｇの夫々の中点端子１１ｃがモータ８３ｂと接続されている。電力変換器２のハードウエア構造は次に詳しく説明するが、６個のパワーモジュール８ｂ−８ｇの中点端子１１ｃは、バスバ２４（図４参照）にて、６個の接続端子２３に接続されている。６個の接続端子２３は、電力変換器２のケースのコネクタ接続用の開口３３１に露出するように配置されている。６個の接続端子２３は、モータ８３ａ、８３ｂから延びているパワーケーブル８７に接続される。

次に、電力変換器２のハードウエア構造について説明する。図２に、電力変換器２の側面図を示す。図３に、図２における手前側の側板をカットした電力変換器２の断面図を示す。図２における手前側の側板には開口３３１が設けられており、図３では、開口３３１の位置を破線で示した。図４に、図３のIV−IV線でカットした電力変換器２の断面図を示す。図４は、パワーモジュール８ｂの手前でカットした電力変換器２の断面を示している。

電力変換器２のケース３０は、アッパーカバー３１、アッパーケース３２、ロアケース３３に分割されている。アッパーケース３２は、上下が開口しており、上側の開口がアッパーカバー３１で塞がれ、下側の開口はロアケース３３で塞がれる。アッパーカバー３１は複数のボルト７１でアッパーケース３２に取り付けられる。ロアケ−ス３３は、複数のボルト７２でアッパーケース３２に取り付けられる。ロアケース３３には、モータ８３ａ、８３ｂから延びるパワーケーブル８７（図１参照）のコネクタ（不図示）が接続される開口３３１が設けられている。パワーケーブル８７のコネクタに接続される６個の接続端子２３が開口３３１に面している。開口３３１は、ロアケース３３の側面３３６に設けられている。先に述べたように、６個の接続端子２３は、それぞれ、６個のパワーモジュール８ｂ−８ｇのそれぞれの中点端子１１ｃと導通している。

図３に示すように、７個のパワーモジュール８ａ−８ｇは、複数の冷却器２８と１個ずつ交互に積層されている。図３では、パワーモジュール８ａと８ｂと８ｇにのみ符号を付し、その間のパワーモジュール８ｃから８ｆまでは符号を省略した。また、図３において左端の２個の冷却器にのみ符号２８を付し、残りの冷却器には符号を省略した。複数のパワーモジュール８と複数の冷却器２８の積層体２０は、アッパーケース３２に収容され、固定されている。アッパーケース３２は、中板３２１を備えている。図３に示すように、中板３２１から支持壁３２２が延びており、積層体２０は、支持壁３２２と、アッパーケース３２の側板３２４の間に挟まれている。積層体２０と支持壁３２２の間にバネ３２３が挟まれている。バネ３２３は、積層体２０を積層方向に加圧する。加圧によって、積層体２０のパワーモジュール８と冷却器２８が密着し、パワーモジュール８に対する高い冷却性能が確保される。

制御基板２９も、アッパーケース３２の中板３２１に固定されている。ただし、制御基板２９は、アッパーケース３２の外に位置している。制御基板２９は、アッパーカバー３１に覆われる。アッパーカバー３１を外すことで、制御基板２９の交換を含むメンテナンスが可能となる。制御基板２９には、パワーモジュール８から延びている制御端子１１ｄが接続されている。制御端子１１ｄは、パワーモジュール８に収容されているスイッチング素子のゲートと導通しているゲート端子や、スイッチング素子の温度を計測する温度センサと導通しているセンサ端子などである。制御基板２９には、パワーモジュール８に収容されているスイッチング素子を制御する制御回路が実装されており、その制御回路は、制御端子１１ｄを介してスイッチング素子へ駆動信号を送る。

図１の平滑コンデンサ６に相当するコンデンサ素子は、コンデンサモジュール６０に内蔵されている。コンデンサモジュール６０も、アッパーケース３２に固定される。図４に示すように、アッパーケース３２の内壁から支持部３２６が延びており、その支持部３２６の先端に、コンデンサモジュール６０のタブ６２がボルト７５で固定されている。コンデンサモジュール６０と、パワーモジュール８ｂの正極端子１１ａは正極バスバ２１で接続されており、負極端子１１ｂは負極バスバ２２で接続されている。図では隠れて見えないが、パワーモジュール８ａ、８ｃ−８ｄの正極端子１１ａも正極バスバ２１によってコンデンサモジュール６０と接続されている。パワーモジュール８ａ、８ｃ−８ｄの負極端子１１ｂも負極バスバ２２によってコンデンサモジュール６０と接続されている。

パワーモジュール８ｂ−８ｇの中点端子１１ｃとバスバ２４（後述）を介して導通している接続端子２３は、端子台４０に支持されている。接続端子２３の夫々は、開口３３１に接続されるパワーケーブル８７（図１参照）のコネクタ側の端子の夫々と接続される。端子台４０は、アッパーケース３２の内壁から延びる支持部３２５に取り付けられている。端子台４０の端にタブ４１が設けられており、そのタブ４１が、ボルト７４によって支持部３２５（アッパーケース３２）に固定されている。

図４に示されているように、パワーモジュール８ｂの中点端子１１ｃには、バスバ２４の一端が接続されている。バスバ２４の他端側は、端子台４０に支持されている。バスバ２４の他端は、先に述べた接続端子２３を構成している。

端子台４０には、バスバ２４を流れる電流を計測する電流センサ４４が内蔵されている。図４では、パワーモジュール８ｂの中点端子１１ｃがバスバ２４で接続端子２３に接続されているとともに、バスバ２４に電流センサ４４が隣接している構造が示されている。パワーモジュール８ｃ−８ｇも同様の構造を有している。パワーモジュール８ｃ−８ｇのそれぞれの中点端子１１ｃがバスバ２４で接続端子２３に接続されているとともに、それぞれのバスバ２４に電流センサ４４が隣接している。すなわち、端子台４０には、６個の接続端子２３を流れる電流（即ち、モータ８３ａ、８３ｂへ供給する電流）を計測する電流センサ４４が内蔵されている。複数の電流センサ４４の計測データを伝達するセンサ端子４４１は、制御基板２９に接続されている。センサ端子４４１は図４にのみ示してあり、図３ではセンサ端子４４１の図示を省略した。

電力変換用のスイッチング素子９ａ−９ｈ、すなわち、パワーモジュール８ａ−８ｇは発熱量が大きい。それゆえ、先に述べたように、複数のパワーモジュール８ａ−８ｇはそれぞれ、両側を冷却器２８に挟まれている。パワーモジュール８ａ−８ｇは、動作中は冷却器２８に冷却されるが、熱の一部はバスバ２４を通じて端子台４０へ伝わる。端子台４０は樹脂で作られており、耐熱温度が高くない。そこで、端子台４０の下部に放熱板３４０が取り付けられている（図３、図４参照）。放熱板３４０の一部は、開口３３１に面している。別言すれば、放熱板３４０の一部は、開口３３１を通じて外部に露出している。放熱板３４０が端子台４０（および、バスバ２４、接続端子２３）を冷却する。放熱板３４０は開口３３１に面しているので、ケース３０の奥深くに位置する場合と比較して放熱性が高い。

また、放熱板３４０には複数の突起３４１が設けられている。複数の突起３４１のそれぞれは、接続端子２３に接している。先に述べたように、接続端子２３はバスバ２４の端に相当する。バスバ２４で伝えられる熱の一部は、接続端子２３に接している突起３４１を介して直接に放熱板３４０に吸収される。なお、放熱板３４０は、絶縁性を有するとともに高い熱伝達率を有する物質（例えば電熱用炭素素材）で作られている。放熱板３４０は、高い熱伝達率を有するが導電性も有する金属（例えば銅）に絶縁コーティングを施したものであってもよい。放熱板３４０の突起３４１は複数の接続端子２３に接するが、放熱板３４０を介して複数の接続端子２３が短絡することはない。

接続端子２３には、モータから延びているパワーケーブルの一端がボルトで固定される。突起３４１は接続端子２３の直線的な縁（側面）に接しており、ボルトとともに接続端子２３が回転してしまうことを防止する機能も果たす。

さらに、放熱板３４０の下部には、図４に示すように、開口３３１の側に折れ曲がるように段差が設けられている。段差により、開口３３１の下側の縁３３１ａと放熱板３４０との隙間が小さくなっている。さらに、放熱板３４０の段差の裏面には遮蔽板３３２が当接している。遮蔽板３３２は、ロアケース３３の底面から立設している。放熱板３４０と遮蔽板３３２が開口３３１の隙間を塞いでおり、ボルト３４３などの小さい部品がケース３０の内部へ落下することを防ぐ。

実施例の電気機器（電力変換器２）の特徴を以下にまとめる。電力変換器２は、発熱部品として複数のパワーモジュール８を備えている。パワーモジュール８は、ケース３０に収容されている。ケース３０の側面には開口３３１が設けられている。開口３３１は、モータから延びるパワーケーブルのコネクタが接続される。バスバ２４を介してパワーモジュール８と接続されている複数の接続端子２３は、端子台４０に支持されている。パワーモジュール８の熱の一部はバスバ２４（接続端子２３）を介して端子台４０に伝わり、端子台４０の温度を高める。

端子台４０は、支持している複数の接続端子２３が開口３３１を通じて外部に露出するように配置されている。その端子第４０の下部に放熱板３４０が取り付けられている。放熱板３４０は複数の突起３４１を備えており、それぞれの突起３４１が接続端子２３に接する。放熱板３４０は、直接に接している接続端子２３から熱を吸収するとともに、端子台４０に伝わった熱を吸収し、端子台４０の過熱を防ぐ。放熱板３４０は、開口３３１に面しているので高い放熱効果が期待できる。また、放熱板３４０は、ロアケース３３の底面から立設している遮蔽板３３２の先端と接しており、遮蔽板３３２とともに、開口３３１からケース内部へ遺物が入ることを防ぐ。

本明細書が開示する技術は、電力変換器２以外の電気機器に適用されてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換器
８、８ａ−８ｇ：パワーモジュール
９ａ−９ｈ：スイッチング素子
１１ｃ：中点端子
２０：積層体
２１：正極バスバ
２２：負極バスバ
２３：接続端子
２４：バスバ
２８：冷却器
３０：ケース
４０：端子台
４４：電流センサ
１００：電気自動車
３３１：開口
３３２：遮蔽板
３４０：放熱板
３４１：突起

Claims (1)

1. 発熱部品とバスバで接続されている端子を支持している端子台と、
   外部のコネクタが接続される開口を有しており、前記開口を通じて前記端子が露出するように前記端子台を収容しているケースと、
   前記端子に接するとともに前記開口を通じて外部に露出している放熱板と、
   を備えている、電気機器。

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