JP2023012927A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化と信頼性とを両立させた電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、複数のスイッチング素子により構成されるインバータ回路と、前記インバータ回路と並列に接続される第１キャパシタ及び第２キャパシタと、前記インバータ回路を制御する制御回路部と、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとを接続する接続導体部と、を備え、前記制御回路部と前記接続導体部との間には、導電性部材が配置される。【選択図】図５

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

本発明の背景技術として、下記の特許文献１は、スイッチング時の急激な電流変化（サージ）を低減するために、制御回路（ゲート端子）が左右に配置される構成が開示されている。

特開２０２０－１５６３１０号公報

特許文献１の構成を踏まえて、顧客要請として小型化にも対応させつつ磁気干渉抑制も実現する必要があるため、本発明では、薄型化と信頼性とを両立させた電力変換装置を提供することが目的である。

電力変換装置は、複数のスイッチング素子により構成されるインバータ回路と、前記インバータ回路と並列に接続される第１キャパシタ及び第２キャパシタと、前記インバータ回路を制御する制御回路部と、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとを接続する接続導体部と、を備え、前記制御回路部と前記接続導体部との間には、導電性部材が配置される。

本発明によれば、薄型化と信頼性とを両立させた電力変換装置を提供できる。

本発明の構成を備える電力変換装置の全体斜視図と筐体カバーを外した図 図１の電力変換装置の回路図と主回路上の電流の動きを説明する図 図１の電力変換装置のスイッチング素子の構成を説明する図 図３のスイッチング素子と主回路基板との接続斜視図 本発明の第１の実施形態に係る、図１の電力変換装置のＡ－Ａ断面図 図５において共振電流の動きを説明する図 図６において誘導電流と磁束を説明する図 本発明の第２の実施形態に係る、電力変換装置の断面図 図８に筐体を備えた図 本発明の第３の実施形態に係る、電力変換装置の上方断面図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

図１は、本発明の構成を備える電力変換装置の全体斜視図と筐体カバーを外した図である。

電力変換装置の筐体２は、筐体２の内部に備えるインバータ回路に直流電流を供給する直流入力端子１６と、インバータ回路から交流電流を外部の図示しないモータへ出力する交流導体１９と、インバータ回路を冷却する冷媒を筐体２の内部に供給する冷媒流入口１７と、インバータ回路の制御信号を外部の制御装置に伝送する制御信号入出力端子１８と、を有している。制御信号入出力端子１８の一部は、筐体２の周辺装置と接続するために筐体２より突出している。筐体２が内部を密閉することによって、インバータ回路に外部から異物や水が侵入することを防いでいる。筐体２は、アルミニウムや鉄などで構成される。

筐体２の内部には、直流入力端子１６から入力される直流電流を平滑化するコンデンサである第１キャパシタ１と、直流電流を交流電流に変換する主回路部３と、主回路部３を冷却する冷媒水路である冷却器１３と、外部制御装置から入力される指令に基づきインバータ回路を制御する制御回路部７と、が搭載されている。

図２は、図１の電力変換装置の回路図と主回路上の電流の動きを説明する図である。

インバータ回路の主回路部３は、直流入力端子１６と、第２キャパシタ８と、ＩＧＢＴ素子５ａと、ダイオード素子５ｂと、交流導体１９と、により構成されている。第１キャパシタ１は直流入力端子１６の正極及び負極と並列接続されている。

ＩＧＢＴ素子５ａはダイオード素子５ｂと直列接続されている。ＩＧＢＴ素子５ａとダイオード素子５ｂとは、第２キャパシタ８と並列接続されている。ＩＧＢＴ素子５ａは制御回路部７からの信号に基づいてオンまたはオフすることによって直流電流を交流電流に変換している。ＩＧＢＴ素子５ａと、ダイオード素子５ｂと、第２キャパシタ８と、をユニットとして３相分それぞれ構成することで、３相インバータを構成している。

ＩＧＢＴ素子５ａのオンオフに伴って発生するダイオードリカバリ電流などの過渡電流１０ａは、図示のとおり第２キャパシタ８から点線の経路を流れている。

また、第１キャパシタ１と第２キャパシタ８を繋ぐ接続導体部４および主回路配線部材３ａの配線インダクタンスに起因して発生する共振電流１０は、図示のとおり黒色太線の経路を流れている。

なお、第１キャパシタ１には、フィルムコンデンサなど静電容量の大きなキャパシタが用いられ、周囲を覆う絶縁性樹脂と端子により構成されている。また、第１キャパシタ１は、主回路配線部材３ａを介して直流入力端子１６に接続される。

図３は、図１の電力変換装置のスイッチング素子の構成を説明する図である。図４は、図３のスイッチング素子と主回路基板との接続斜視図である。

ＩＧＢＴ素子５ａの上面には第１リードフレーム６ａ、下面には第２リードフレーム６ｂがはんだなどの接合部材によって電気的に接続され、その上下表面は前述の冷却器１３によって冷却される。第１リードフレーム６ａおよび第２リードフレーム６ｂの端部にはそれぞれ端子が設けられ、はんだなどにより主回路配線部材３ａと電気的に接続される。主回路配線部材３ａは、各リードフレームを搭載する基板であり、プリント基板や銅バスバーなどが用いられる。

ダイオード素子５ｂの上面には第３リードフレーム６ｃ、下面には第４リードフレーム６ｄがはんだなどの接合部材によって電気的に接続され、その上下面は後述の冷却器１３によって冷却される。第３リードフレーム６ｃおよび第４リードフレーム６ｄの端部にはそれぞれ端子が設けられ、はんだなどにより主回路配線部材３ａと電気的に接続される。

第２キャパシタ８は、主回路配線部材３ａを介してＩＧＢＴ素子５ａとダイオード素子５ｂと電気的に接続される。第２キャパシタ８は、ＩＧＢＴ素子５ａとダイオード素子５ｂとの間に配置することによって、主回路配線部材３ａの配線パターンの経路長を短縮させている。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る、図１の電力変換装置のＡ－Ａ断面図である。

主回路部３は、複数のスイッチング素子５と、第１キャパシタ１と、第２キャパシタ８と、主回路配線部材３ａと、封止樹脂９と、によって構成されている。スイッチング素子５は、前述したＩＧＢＴ素子５ａやダイオード素子５ｂ、ＭＯＳＦＥＴ素子などが用いられる。主回路部３にはリードフレーム６（図３で前述した第１リードフレーム６ａ～第４リードフレーム６ｄ）などの導電性の部材が設けられ、スイッチング素子５とリードフレーム６とは、はんだなどの接合材料によって電気的に接続されている。リードフレーム６は、はんだ付けや溶接などにより主回路配線部材３ａと電気的に接続されている。

第２キャパシタ８は、セラミックコンデンサなど小型で周波数特性の優れたキャパシタが用いられ、スイッチング素子５がオンからオフ、またはオフからオンへとスイッチングした直後の過渡的な電流を供給している。第２キャパシタ８は、第１キャパシタ１と並列接続され、ＩＧＢＴ素子５ａおよびダイオード素子５ｂとの配線インダクタンスが第１キャパシタ１よりも小さくなる位置に配置されている。第１キャパシタ１及び第２キャパシタ８はインバータ回路と並列に接続される。

封止樹脂９は、第１キャパシタ１と、複数のスイッチング素子５と、リードフレーム６と、主回路配線部材３ａと、を覆うことで主回路部３に異物が混入することを抑制している。

導電性部材２は、図１で記載した筐体２と同じものであり、アルミニウム、鉄、銅などで構成される。導電性部材２は、第１キャパシタ１、主回路部３、制御回路部７の固定用部材として用いることもできる。導電性部材２は、主回路部３などの発熱部品と接触させることにより、放熱性能を向上させることもできる。また、導電性部材２は、第２キャパシタ８、主回路部３、制御回路部７と、第１キャパシタ１との周囲には、それぞれの部品の高さの差に合わせて凹凸形状を設けている。これにより、導電性部材２を、第２キャパシタ８、主回路部３、制御回路部７のそれぞれを通る各電流経路に近接させることができ、後述する磁束の打ち消し効果を向上させることができる。

制御回路部７は、コネクタ、主回路配線部材３ａ、ワイヤーボンディングなどを介してスイッチング素子５に接続され、スイッチング素子５のオン、オフを制御している。制御回路部７には、スイッチング素子５のゲートを駆動するゲート駆動回路や、モータの回転速度やトルクに応じたゲート信号を生成するモータ制御回路や、各制御回路の動作に必要な電源を供給する電源回路などが搭載されている。

接続導体部４は、第１キャパシタ１の端子であり、主回路配線部材３ａに接続されており、第１キャパシタ１と第２キャパシタ８との間に存在する配線インダクタンスに起因して発生する後述の共振電流１０が流れる。

図６は、図５において共振電流の動きを説明する図である。

第２キャパシタ８は、複数のスイッチング素子５で構築される電流経路の配線インダクタンスを小さくするため、スイッチング素子５の近傍に配置されており、主回路配線部材３ａを介して第１キャパシタ１と並列に接続される。

第１キャパシタ１は、スイッチング素子５がオンまたはオフしている間の定常的な電流を供給する。このとき、第１キャパシタ１と第２キャパシタ８とを繋ぐ電気配線には配線インダクタンスが存在するため、第１キャパシタ１と第２キャパシタ８との間には共振電流１０が生じる。

図７は、図６において誘導電流と磁束を説明する図である。

導電性部材２は、その一部が、第１キャパシタ１と第２キャパシタ８を繋ぐ接続導体部４と、制御回路部７と、の間に配置される。これにより導電性部材２には、接続導体部４を流れる共振電流１０に起因して誘導電流１１が生じる。また、誘導電流１１が生成する磁束１２ａにより共振電流１０の磁束１２ｂを打ち消す。その結果、接続導体部４を流れる共振電流１０の磁束１２ｂが制御回路部７に対して磁気干渉することを抑制できる。これにより、制御回路部７の安定動作を実現することができる。

また、上記の共振電流１０に起因する誘導電流１１と同様に、主回路配線部材３ａにおいて前述したスイッチング素子５と第２キャパシタ８との間に過渡電流１０ａが流れることによっても、主回路配線部材３ａの上下面にそれぞれ対向して配置されている導電性部材２において誘導電流が発生する。この誘導電流によって過渡電流１０ａの経路の配線インダクタンスは低減される。さらに過渡電流１０ａに起因する磁束の漏洩が、導電性部材２に発生する誘導電流によって抑制される。

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る、電力変換装置の断面図である。

冷却器１３は、アルミニウムや銅などの熱伝導性に優れる素材で構築され、フィンを設けることで放熱表面積を増加させ、外部から供給される冷却風や冷却水により、冷却性能を向上させることができる。この冷却器１３は、主回路部３の上下両面に設けることでインバータ回路の冷却性能を向上させることができる。なお、冷却器１３は、絶縁部材を介してリードフレーム６と接している。この絶縁部材は、リードフレーム６および冷却器１３との密着性を高めるために放熱グリスなどが塗布される。ゲート端子１４は、制御回路部７側に配置されている。

これにより、インバータ回路の上下、とくに発熱量の大きいスイッチング素子５の上下に導電性の冷却器１３を設けることにより、インバータ回路の冷却性能向上および小型化を実現するだけでなく、前述した導電性部材２と同様に、接続導体部４を流れる共振電流に起因した誘導電流が生成する磁束により共振電流の磁束を打ち消すことが可能となり、制御回路部７と接続導体部４の磁気干渉抑制を両立することができる。

図９は、図８に筐体を備えた図である。

第１キャパシタ１と、冷却器１３と、主回路部３と、制御回路部７と、は、筐体２の下面に固定される。筐体２は、冷却器１３との隙間が狭くなるように配置することで磁気干渉低減効果をさらに向上させることができる。また、筐体２は接続導体部４と近接させることにより配線インダクタンスを低減し、前述した共振電流を抑制することができる。このとき、筐体２と接続導体部４の隙間に絶縁性の放熱部材を設けることによって、接続導体部４の冷却性能向上も可能になる。

また、第１キャパシタ１は、絶縁性の放熱部材を介して筐体２に固定され、かつ冷却器１３も同様の放熱部材を介して筐体２に固定されることにより、筐体２を介して第１キャパシタ１で発生した熱を冷却器１３内に流れる冷媒に放出することができる。これにより、接続導体部４と冷却器１３の上面と下面が導電性の筐体２で覆われることで、冷却器１３だけでは打ち消すことのできなかった共振電流の磁束を、導電性の筐体２に生じる誘導電流の磁束で打ち消すことができる。

（第３の実施形態）
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る、電力変換装置の上方断面図である。

筐体２に設けられた冷媒流入口１７は、ファンやポンプなど外部の冷媒供給装置と接続され、冷却風、冷却水、冷却油などの冷媒が筐体２内部に供給される。また、冷媒流入口１７は、冷却器１３と接続され、その接続点はＯリングなどのシール部材によりシールされている。冷媒流入口１７は、第１キャパシタ１と、主回路部３と、制御回路部７と、が配列される方向に対して、直角方向かつ冷却器１３の側方に配置される。これにより、第１キャパシタ１や主回路部３などの他部品との配置干渉を避けつつ、冷媒の流路長を短縮することができる。さらに、冷媒流入口１７を冷却器１３の側方に配置することによって冷却部全体が薄型化される。

以上説明した本発明の第１～３の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電力変換装置は、複数のスイッチング素子により構成されるインバータ回路と、インバータ回路と並列に接続される第１キャパシタ１及び第２キャパシタ８と、インバータ回路を制御する制御回路部７と、第１キャパシタ１と第２キャパシタ８とを接続する接続導体部４と、を備え、制御回路部７と接続導体部４との間には、導電性部材２が配置される。このようにしたことで、薄型化と信頼性とを両立させた電力変換装置を提供できる。

（２）導電性部材２は、インバータ回路を冷却する冷却器１３である。このようにしたことで、インバータ回路の冷却性能向上および小型化を実現するだけでなく、接続導体部４を流れる共振電流に起因した誘導電流が生成する磁束により共振電流の磁束を打ち消す。

（３）電力変換装置は、接続導体部４と冷却器１３との上下面に導電性部材２を設けている。このようにしたことで、冷却器１３だけでは打ち消すことのできなかった共振電流の磁束を、導電性の筐体２に生じる誘導電流の磁束で打ち消す。

（４）電力変換装置は、冷却器１３の側方に、冷媒流入口１７を設けている。このようにしたことで、第１キャパシタ１や主回路部３などの他部品との配置干渉を避けつつ、冷媒の流路長を短縮することができる。さらに、冷媒流入口１７を冷却器１３の側方に配置することによって冷却部全体が薄型化される。

なお、本発明は上記の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内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

１ 第１キャパシタ
２ 筐体（導電性部材）
３ 主回路部
３ａ 主回路配線部材
４ 接続導体部
５ スイッチング素子
５ａ ＩＧＢＴ素子
５ｂ ダイオード素子
６ リードフレーム
６ａ 第１リードフレーム
６ｂ 第２リードフレーム
６ｃ 第３リードフレーム
６ｄ 第４リードフレーム
７ 制御回路部
８ 第２キャパシタ
９ 封止樹脂
１０ 共振電流
１０ａ 過渡電流
１１ 誘導電流
１２ａ 磁束（誘導電流側）
１２ｂ 磁束（共振電流側）
１３ 冷却器
１４ ゲート端子
１６ 直流入力端子
１６ａ 直流入力端子接続部
１７ 冷媒流入口
１８ 制御信号入出力端子
１９ 交流導体

Claims (4)

1. 複数のスイッチング素子により構成されるインバータ回路と、
   前記インバータ回路と並列に接続される第１キャパシタ及び第２キャパシタと、
   前記インバータ回路を制御する制御回路部と、
   前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとを接続する接続導体部と、を備え、
   前記制御回路部と前記接続導体部との間には、導電性部材が配置される
   電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記導電性部材は、前記インバータ回路を冷却する冷却器である
   電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記接続導体部と前記冷却器との上下面に前記導電性部材を設けた
   電力変換装置。
4. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記冷却器の側方に、冷媒流入口を設けた
   電力変換装置。

Images