JP2022135590A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サイズの増大を抑制しつつノイズ影響を抑制することが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換回路と、当該電力変換回路を制御する制御回路と、電力変換回路と電力の入出力を行うバスバーとが導電性筐体内に収容された電力変換装置において、バスバーは、電力変換回路と導電性筐体との間に配置され、導電性筐体には、バスバーの一部を覆う突部が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

下記特許文献１には、ＤＣ－ＤＣコンバータ部とインバータ部との間のノイズの影響を抑制しつつ、特定方向の小型化を実現することが可能な電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、直流電源と接続される一対の主入力端子と、該主入力端子に入力された直流電力を平滑化するコンデンサと、上記直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、上記直流電力を異なる電圧の直流電力に変換するＤＣ－ＤＣコンバータ部とを備え、ＤＣ－ＤＣコンバータ部は、インバータ部及びコンデンサの少なくとも一方に対して、インバータ部とコンデンサとの並び方向である縦方向と直交する高さ方向に配置され、ＤＣ－ＤＣコンバータ部は、主入力端子と電気的に接続されるコンバータ入力端子を引き出してなり、コンデンサは、主入力端子と電気的に接続される一対の第１端子とインバータ部と電気的に接続される一対の第２端子とを引き出してなり、主入力端子を一端に有する一対の入力バスバーの他端に設けたバスバー端子にコンバータ入力端子とコンデンサの第１端子とが接続されており、コンバータ入力端子は、高さ方向から見たときコンデンサ及びインバータ部よりも主入力端子に近い位置に配置されている。

特開２０１３－０８５３２０号公報

ところで、上記背景技術は、主端子台を備えることによりコンデンサ、ＤＣ－ＤＣコンバータ部及び直流電源を入力バスバーに容易に接続するが、主端子台の設置スペースが余分に必要となる関係で電力変換装置のサイズが大きくなる虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、サイズの増大を抑制しつつノイズ影響を抑制することが可能な電力変換装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電力変換装置に係る第１の解決手段として、電力変換回路と、当該電力変換回路を制御する制御回路と、前記電力変換回路と電力の入出力を行うバスバーとが導電性筐体内に収容された電力変換装置において、前記バスバーは、前記電力変換回路と前記導電性筐体との間に配置され、前記導電性筐体には、前記バスバーの一部を覆う突部が形成されている、という手段を採用する。

本発明では、電力変換装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記突部は、前記導電性筐体から前記電力変換回路の方向に突出するリブである、という手段を採用する。

本発明では、電力変換装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記電力変換回路には、前記バスバーの他部を覆う金属板が設けられている、という手段を採用する。

本発明では、電力変換装置に係る第４の解決手段として、上記第１～第３のいずれかの解決手段において、前記突部は、前記バスバーが前記制御回路に電源を供給する電源回路と対向する部分に形成されている、という手段を採用する。

本発明では、電力変換装置に係る第５の解決手段として、上記第１～第４のいずれかの解決手段において、前記電源回路は、主電源回路及び副電源回路から構成されている、という手段を採用する。

本発明によれば、サイズの増大を抑制しつつノイズ影響を抑制することが可能な電力変換装置を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の機械的な全体構成を示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の電気的構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の要部構成を示す分解正面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
最初に、図１及び図２を参照して本実施形態に係る電力変換装置Ａの全体構成を説明する。

この電力変換装置Ａは、車両に搭載されるＰＣＵ（Power Control Unit）であり、走行時に車輪を駆動する電動機（走行用モータ）の駆動や走行用モータの回生電力及び別途設けられた発電機の発電電力の二次電池への充電等を行う。当該二次電池、走行用モータ及び発電機は、電力変換装置Ａに電気的に接続される電気機器である。

このような電力変換装置Ａは、図１に示すように、中央ケース１、下ケース２及び上カバー３からなる導電性の金属筐体Ｂ（導電性筐体）を備えている。この金属筐体Ｂは、各接触面にシール材が挿入された状態で中央ケース１、下ケース２及び上カバー３を相互にネジ締結することによって、略密閉状の内部空間を形成する。詳細については後述するが、この内部空間は、上記ＰＣＵを構成する各種回路を収容する回路収容室である。

ここで、上記各種回路は、図２に示すように、変圧回路Ｋ１、走行用インバータ回路Ｋ２、発電用インバータ回路Ｋ３、制御回路Ｋ４、主電源回路Ｋ５、副電源回路Ｋ６及び６つの電流センサＳ１～Ｓ６等から構成されている。このような各種回路のうち、変圧回路Ｋ１、走行用インバータ回路Ｋ２及び発電用インバータ回路Ｋ３は、本発明の電力変換回路である。なお、この各種回路の詳細については後述する。

また、この金属筐体Ｂは、ＰＣＵを構成する各種回路を強制冷却する機能を備えている。すなわち、この金属筐体Ｂには、外部から冷却水を取り込む取込口ｂ１と、冷却水を外部に排出する排出口ｂ２、また取込口ｂ１と排出口ｂ２との間に設けられ、各種回路の熱を受熱する受熱流路（図示略）が設けられている。

さらに、金属筐体Ｂには、各種回路を上記電気機器や上位制御装置（図示略）と電気的に接続するための端子（接続端子）が設けられている。なお、図１では、上記電気機器のうち、二次電池を変圧回路Ｋ１、主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６に接続するための一次端子ｂ３及び１２Ｖ電源に電力を供給するためのバッテリ端子ｂ７が示されている。

ここで、走行用モータを走行用インバータ回路Ｋ２に接続するための第１の二次端子ｂ４（図２参照）、発電機を発電用インバータ回路Ｋ３に接続するための第２の二次端子ｂ５（図２参照）及び上位制御装置を制御回路Ｋ４に接続するための制御端子ｂ６（図２参照）は、図１において金属筐体Ｂの裏側に設けられている。

中央ケース１は、上記回路収容室を上下に二分する仕切り部が設けられたアルミダイキャスト製の金属部材である。この中央ケース１において、上側の回路収容室（第１収容室）には、変圧回路Ｋ１、走行用インバータ回路Ｋ２及び発電用インバータ回路Ｋ３や電流センサＳ１～Ｓ６が少なくとも収容される。また、上述した一次端子ｂ３は、図１に示すように中央ケース１の周縁近傍部位に固定されている。

なお、上記仕切り部には、上述した受熱流路が形成されている。すなわち、第１収容室に収容された変圧回路Ｋ１、走行用インバータ回路Ｋ２及び発電用インバータ回路Ｋ３は、強制冷却が必要な発熱回路であり、受熱流路を流れる冷却水によって除熱されることにより、所望の動作温度以下に維持される。

また、下側の回路収容室（第２収容室）には、制御回路Ｋ４、主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６が少なくとも収容される。さらに、この第２収容室には、上記一次端子ｂ３を変圧回路Ｋ１、主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６に接続する一対のバスバーＬｐ、Ｌｎ（図２参照）が収容されている。

これら一対のバスバーＬｐ、Ｌｎの詳細については後述するが、銅等の導電性に優れた金属材料によって形成された板部材である。また、これら一対のバスバーＬｐ、Ｌｎは、殆どの部位が所定の間隔を隔てて平行対峙することにより、電気的には平滑コンデンサを形成している。

下ケース２は、このような中央ケース１の下部に装着（締結）されるアルミダイキャスト製の金属部材である。この下ケース２は、中央ケース１と共に第２収容室を形成するものであり、制御回路Ｋ４、主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６並びに一対のバスバーＬｐ、Ｌｎを収容する。なお、第２収容室における一対のバスバーＬｐ、Ｌｎの実装形態は、本実施形態に係る電力変換装置Ａの主な特徴部分である。

上カバー３は、中央ケース１の上部に装着（締結）されるアルミダイキャスト製の金属部材である。この上カバー３は、中央ケース１と共に第１収容室を形成するものであり、変圧回路Ｋ１、走行用インバータ回路Ｋ２、発電用インバータ回路Ｋ３及び電流センサＳ１～Ｓ６を略密閉状態に保持する。

続いて、図２の変圧回路Ｋ１、走行用インバータ回路Ｋ２、発電用インバータ回路Ｋ３、制御回路Ｋ４、主電源回路Ｋ５、副電源回路Ｋ６及び６つの電流センサＳ１～Ｓ６について説明する。

変圧回路Ｋ１は、双方向チョッパ回路であり、所定インダクタンスを有するコイル、複数のスイッチングトランジスタ及び一対の入出力用平滑コンデンサ等を備えている。この変圧回路Ｋ１は、制御回路Ｋ４から入力される変圧用ゲート信号に基づいて各スイッチングトランジスタがＯＮ／ＯＦＦ動作することにより、昇圧動作あるいは降圧動作を択一的に行う。

すなわち、この変圧回路Ｋ１は、二次電池から一次端子ｂ３に入力された所定電圧（一次電圧）の直流電力を昇圧して二次電圧の直流電力に変換して走行用インバータ回路Ｋ２に出力する昇圧動作と、走行用インバータ回路Ｋ２から入力される所定電圧の回生電力あるいは発電用インバータ回路Ｋ３から入力される二次電圧の直流電力を降圧して一次電圧の直流電力に変換して二次電池に出力する降圧動作とを択一的に行う。

走行用インバータ回路Ｋ２は、複数のスイッチングトランジスタ及び入出力用平滑コンデンサ等を備えている。この走行用インバータ回路Ｋ２は、制御回路Ｋ４から入力される走行用ゲート信号に基づいて各スイッチングトランジスタがＯＮ／ＯＦＦ動作することにより、力行動作と回生動作とを択一的に行う。

すなわち、この走行用インバータ回路Ｋ２は、変圧回路Ｋ１から入力される直流電力を所定周波数の走行電力（三相交流電力）に変換して走行用モータに出力する昇圧動作と、走行用モータから入力される回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換して変圧回路Ｋ１に出力する回生動作とを択一的に行う。

発電用インバータ回路Ｋ３は、複数のスイッチングトランジスタ及び入出力用平滑コンデンサ等を備えている。この発電用インバータ回路Ｋ３は、制御回路Ｋ４から入力される発電用ゲート信号に基づいて各スイッチングトランジスタがＯＮ／ＯＦＦ動作することにより、発電機から入力される所定周波数の発電電力（三相交流電力）を直流電力に変換して変圧回路Ｋ１に出力する。

制御回路Ｋ４は、図示するようにＥＣＵ及びゲートドライバを備えており、変圧回路Ｋ１、走行用インバータ回路Ｋ２及び発電用インバータ回路Ｋ３を制御する。すなわち、この制御回路Ｋ４は、内部の記憶装置に予め記憶された制御プログラムに基づいて変圧用ゲート信号、走行用ゲート信号及び発電用ゲート信号を生成することにより、変圧回路Ｋ１、走行用インバータ回路Ｋ２及び発電用インバータ回路Ｋ３を制御するソフトウエア制御装置である。

また、この制御回路Ｋ４は、変圧用ゲート信号、走行用ゲート信号及び発電用ゲート信号の生成に際して、制御プログラムに加えて、上位制御装置から制御端子ｂ６に入力される制御指令及び電流センサＳ１～Ｓ６から入力される各電流検出値を参照する。すなわち、制御回路Ｋ４は、制御指令及び各電流検出値に基づいて変圧用ゲート信号、走行用ゲート信号及び発電用ゲート信号を生成するフィードバック制御装置でもある。

主電源回路Ｋ５は、このような制御回路Ｋ４に電源を供給し、かつ１２Ｖ電源への降圧電力を供給するＤＣ－ＤＣコンバータである。この主電源回路Ｋ５は、チョッパ回路であり、所定インダクタンスを有するコイル、スイッチングトランジスタ及び出力用平滑コンデンサ等を備えている。このような主電源回路Ｋ５は、スイッチングトランジスタがＯＮ／ＯＦＦ動作することにより、一次電圧の直流電力を制御回路Ｋ４の定格電源電圧の直流電力に降圧する。

すなわち、この主電源回路Ｋ５は、一次端子ｂ３及び一対のバスバーＬｐ、Ｌｎを介して二次電池から入力される一次電圧の直流電力をコイル及びスイッチングトランジスタを用いて導通／遮断することによって、上記定格電源電圧の直流電力を生成して制御回路Ｋ４の電源端子に出力する。

副電源回路Ｋ６は、上記主電源回路Ｋ５の補助（例えば二次電池からの電力供給遮断時や主電源回路Ｋ５の故障時等）として備えられるＤＣ－ＤＣコンバータである。この副電源回路Ｋ６は、上述した主電源回路Ｋ５と同様にチョッパ回路であり、所定インダクタンスを有するコイル、スイッチングトランジスタ及び出力用平滑コンデンサ等を備えている。このような副電源回路Ｋ６は、スイッチングトランジスタがＯＮ／ＯＦＦ動作することにより、一次電圧の直流電力を制御回路Ｋ４の定格電源電圧の直流電力に降圧する。

すなわち、この副電源回路Ｋ６は、一次端子ｂ３及び一対のバスバーＬｐ、Ｌｎを介して二次電池から入力される一次電圧の直流電力をコイル及びスイッチングトランジスタを用いて導通／遮断することによって、上記定格電源電圧の直流電力を生成して制御回路Ｋ４の電源端子に出力する。

ここで、主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６は、一次電圧の直流電力を所定周期でスイッチングするチョッパ回路であり、当該スイッチングに起因して外部にノイズを放射する。特に、主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６の構成素子であるコイルは、上記スイッチングに同期して電流が所定周期で間欠的に流れるので、他の回路にとって外乱となり得る磁界性の放射ノイズを発生する。

６つの電流センサＳ１～Ｓ６は、三相交流電力における各相の電流値を検出する検出器である。これら６つの電流センサＳ１～Ｓ６のうち、第１の電流センサＳ１は、走行電力におけるＵ相の電流値を検出して制御回路Ｋ４に出力する。第２の電流センサＳ２は、走行電力におけるＶ相の電流値を検出して制御回路Ｋ４に出力する。第３の電流センサＳ３は、走行電力におけるＷ相の電流値を検出して制御回路Ｋ４に出力する。

第４の電流センサＳ４は、発電電力におけるＵ相の電流値を検出して制御回路Ｋ４に出力する。第５の電流センサＳ５は、発電電力におけるＶ相の電流値を検出して制御回路Ｋ４に出力する。第６の電流センサＳ６は、発電電力におけるＷ相の電流値を検出して制御回路Ｋ４に出力する。

続いて、上述した一対のバスバーＬｐ、Ｌｎの実装形態、つまり本実施形態に係る電力変換装置Ａの主な特徴部分について、図３を参照して詳しく説明する。

図３（ａ）は、中央ケース１とともに第２収容室を形成する下ケース２の内面を示す斜視図である。アルミダイキャスト製の金属部材である下ケース２は、制御回路Ｋ４、主電源回路Ｋ５、副電源回路Ｋ６及び一対のバスバーＬｐ、Ｌｎを収容する第２収容室を中央ケース１とともに形成している。

また、この図３（ａ）では、下ケース２の内面に一対のバスバーＬｐ、Ｌｎが実装された状態を示している。この図３（ａ）に示すように、一対のバスバーＬｐ、Ｌｎは、全体としてＬ字形状に形成されており、複数の絶縁材４によって長手方向に順次被覆された状態で下ケース２の内面に対向する状態で配置されている。

これら一対のバスバーＬｐ、Ｌｎには、一端に一対の第１端子部５ｐ、５ｎが設けられ、また他端に一対の第２端子部６ｐ、６ｎが設けられている。さらに、一対のバスバーＬｐ、Ｌｎのうち、二次電池のプラス電極に接続される第１のバスバーＬｐの途中部位には、第３端子部７ｐが設けられている。

第１端子部５ｐ、５ｎは、中央ケース１に固定された一次端子ｂ３にネジ止めされる接続部である。また、第２端子部６ｐ、６ｎは、変圧回路Ｋ１の一次側入出力端子（一対の入出力用平滑コンデンサ）、主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６におけるプラス側入力端子に接続される接続部である。さらに、第３端子部７ｐは、変圧回路Ｋ１の一次側入出力端子（所定インダクタンスを有するコイル）に接続される接続部である。

このような一対のバスバーＬｐ、Ｌｎは全体としてＬ字状の形状を有し、途中部位に直線部８を備えている。この直線部８は、一対のバスバーＬｐ、Ｌｎが平行平板として直線状に延在する部位（平行平板部位）であり、一端に上述した第２端子部６ｐ、６ｎが設けられ、また途中部位に分岐直線部９を介して第３端子部７ｐが設けられている。なお、この分岐直線部９は、直線部８の延在方向に対して直交する方向に直線部８から分岐する平行平板部位である。

このような直線部８及び分岐直線部９は、一面が下ケース２の内面に対向し、他面が第２収容室の内方に向いている。また、直線部８及び分岐直線部９は、図示するように下ケース２に埋め込まれた状態に実装されている。すなわち、下ケース２には直線部８及び分岐直線部９の側面（一部）を覆うようにリブ１０が設けられている。

このリブ１０は、下ケース２の内面から垂直方向に突出する突部であり、下ケース２の機械的強度を補強するための部位である。また、リブ１０は、このような機械的な機能だけではなく電気的な機能をも併せ持つ。

すなわち、本実施形態に係る電力変換装置Ａでは、下ケース２に設けられたリブ１０（突部）が直線部８及び分岐直線部９の側面（一部）を覆うので、放射ノイズが直線部８及び分岐直線部９に飛来することを抑制する。

また、このような直線部８及び分岐直線部９の他面側つまり第２収容室の内方側には、図３（ｂ）に示すようにシールド板１１（金属板）が実装される。このシールド板１１は、第２収容室の内方側に実装される主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６と直線部８及び分岐直線部９との間に設けられ、直線部８及び分岐直線部９の他面（他部）に加え、リブ１０をも覆う形状に設定された略平板状の金属部材である。

すなわち、本実施形態に係る電力変換装置Ａでは、直線部８及び分岐直線部９の他面（他部）側にシールド板１１が設けられるので、直線部８及び分岐直線部９の他面（他部）に放射ノイズが飛来することを抑制する。

このような本実施形態によれば、直線部８及び分岐直線部９の周囲が導電性の下ケース２及びシールド板１１によって覆われているので放射ノイズが一対のバスバーＬｐ、Ｌｎに飛来することを抑制することができる。特に、本実施形態によれば、シールド板１１の内方側に実装される主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６の放射ノイズが一対のバスバーＬｐ、Ｌｎに飛来することを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、下ケース２に設けられたリブ１０（突部）によって直線部８及び分岐直線部９の側面（一部）を覆うことで放射ノイズの飛来を抑制するので、電力変換装置Ａのサイズの増大つまり中央ケース１、下ケース２及び上カバー３の重ね方向における電力変換装置Ａの大型化を抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、電力変換装置Ａのサイズの増大を抑制しつつノイズの影響を抑制することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、下ケース２に設けられたリブ１０（突部）によって直線部８及び分岐直線部９の側面（一部）を覆ったが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明における突部は、下ケース２の機械的強度を補強する機能を備えるものである必要はなく、電気的な機能として直線部８及び分岐直線部９に放射ノイズが飛来することを抑制するものであれば良い。

（２）上記実施形態では、特に主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６の放射ノイズの影響を抑制するためにリブ１０（突部）及びシールド板１１（金属板）を設けたが、本発明はこれに限定されない。主電源回路Ｋ５及び副電源回路Ｋ６以外の回路から発生する放射ノイズの影響を抑制するようにリブ１０（突部）及びシールド板１１（金属板）を設けてもよい。

例えば、第２収容室において直線部８及び分岐直線部９と対向する位置にゲートドライバが実装される場合、リブ１０（突部）及びシールド板１１（金属板）は、ゲートドライバから発生する放射ノイズの影響を抑制するように機能する。

Ａ 電力変換装置
Ｂ 金属筐体（導電性筐体）
ｂ１ 取込口
ｂ２ 排出口
ｂ３ 一次端子
ｂ４ 第１の二次端子
ｂ５ 第２の二次端子
ｂ６ 制御端子
ｂ７ １２Ｖ電源端子
Ｌｐ、Ｌｎ バスバー
１ 中央ケース
２ 下ケース
３ 上カバー
４ 絶縁材
５ｐ、５ｎ 第１端子部
６ｐ、６ｎ 第２端子部
７ｐ 第３端子部
８ 直線部
９ 分岐直線部
１０ リブ（突部）
１１ シールド板（金属板）
Ｋ１ 変圧回路（電力変換回路）
Ｋ２ 走行用インバータ回路（電力変換回路）
Ｋ３ 発電用インバータ回路（電力変換回路）
Ｋ４ 制御回路
Ｋ５ 主電源回路
Ｋ６ 副電源回路
Ｓ１～Ｓ６ 電流センサ

Claims (5)

1. 電力変換回路と、当該電力変換回路を制御する制御回路と、前記電力変換回路と電力の入出力を行うバスバーとが導電性筐体内に収容された電力変換装置において、
   前記バスバーは、前記電力変換回路と前記導電性筐体との間に配置され、
   前記導電性筐体には、前記バスバーの一部を覆う突部が形成されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記突部は、前記導電性筐体から前記電力変換回路の方向に突出するリブであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電力変換回路には、前記バスバーの他部を覆う金属板が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記突部は、前記バスバーが前記制御回路に電源を供給する電源回路と対向する部分に形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記電源回路は、主電源回路及び副電源回路から構成されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
   

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