JP4866680B2 - Ｄｃｄｃコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に係り、特に、ＤＣ／ＤＣコンバータを有する自動車用の電力変換装置に関する。

ＤＣ／ＤＣコンバータのような半導体スイッチング素子を備えるパワーモジュールは、大電流のスイッチングにより動作しているため、許容リプル電流の大きなコンデンサとコイルが必要となる。このため、通常は大型の電解コンデンサが使用され、コンバータが巨大化する。したがって、コンバータを最小化するために、コンデンサとコイルを最大限接近させコンバータの最小化を図っている。

一般に、上記電解コンデンサの寿命は、使用中の温度が１０℃上昇すると半減することが知られている。従って、例えば特開２００４−２１５３３９号公報（特許文献１）のように、コンデンサの周りに水路を形成し、強制的にコンデンサを冷却している。

コンデンサ周りに水路を形成すると、コンデンサとコイルとの距離が離れるため、コンデンサとコイルを接続している電機的接続体に大きなリアクタンスが生じ、ノイズの発生原因となることがある。

特開２００４−２１５３３９号公報

しかしながら、コンデンサとコイルを接近させると、コイルの発熱により、隣接するコンデンサの温度上昇を招くという問題があった。そこで、コンデンサが、コイルの発熱の影響を受けないコンバータの構造が必要とされる。さらにコンバータのサイズダウンの要求も高い。

また、特許文献１のように、コンデンサの周りに水路を形成するとコンバータが巨大化してしまい、さらにコンバータのコストアップにつながる。したがって、水路等の冷却機能をコイルとコンデンサ周りに設けることなく、コンデンサの温度上昇を低減し、コンデンサ寿命を維持する必要がある。

上記目的を達成するため、本発明の電力変換装置のうち代表的な一つは、複数のスイッチング素子を有するパワーモジュールと、スイッチング素子から出力された電圧を変圧して平滑化するためのコイル及びコンデンサと、コイル及びコンデンサを設置するための筐体とを有し、コイルとコンデンサとの間は、側壁が設けられており、コイルは、少なくともその一部が、伝導絶縁材料により封止されているものである。

本発明によれば、小型で信頼性の良い電力変換装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、エンジンルーム内に搭載されるハイブリッド用の電力変換装置１の斜視図である。電力変換装置１の内部には、直流−交流変換を行うためのインバータ部と、直流−直流変換を行うためのＤＣ／ＤＣコンバータ部が搭載されている。

ＡＣケーブル３は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相からなり、図示しないモータへ接続されるように、電力変換装置１から延びている。また、ＤＣケーブル２は、図示しない１２Ｖバッテリ及び３６Ｖバッテリに接続されるように、電力変換装置１の交流端子２６から延びている。これらの接地電位は、良熱伝導材である筐体４に接地されることにより確保される。

図２は、図１に示す電力変換装置１の回路を示したものである。電力変換装置１は、図示しない３６Ｖバッテリからの直流電圧を交流電圧に変換して、モータ８を駆動するインバータ部を有する。

３６Ｖバッテリから得られた直流電圧は、平滑用の電解コンデンサであるコンデンサ
１２（第２コンデンサ）を介して、Ｕ相の上下スイッチング素子（５ａ，５ｂ），Ｖ相の上下スイッチング素子（６ａ，６ｂ）、及び、Ｗ相の上下スイッチング素子(７ａ，７ｂ)に接続されている。これらのスイッチング素子のゲート端子には、図示しない駆動回路から出力される駆動信号が印加され、各スイッチング素子は、ＯＮ／ＯＦＦ制御される。

例えば、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が代表的な制御であり、このような制御により、上下スイッチング素子からは交流電流がモータ８に印加され、モータ８が駆動制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部を構成するスイッチング素子９ａ，９ｂ，コイル１０（第１コイル）、及び、電解コンデンサであるコンデンサ１１（第１コンデンサ）は、１２Ｖバッテリの電圧値が小さくなった場合に、３６Ｖバッテリからの電圧に基づいて、１２Ｖバッテリを充電する機能を有する。

ＭＯＳＦＥＴで構成される上アームのスイッチング素子９ａのソース端子は、同じく
ＭＯＳＦＥＴで構成される下アームのスイッチング素子９ｂのドレイン端子と接続されている。この接続部には、コイル１０の一端が接続されており、コイル１０の他の一端は、コンデンサ１１の一端、及び、コイル１３（第２コイル）の一端に接続されている。コンデンサ１１の他の一端は、接地されており、コイル１３の他の一端は、１２Ｖバッテリ接続用の直流端子（第１直流端子）に接続されている。

コイル１０は、変圧すなわち昇圧または降圧するように作用する。コンデンサ１１は、スイッチング素子９ａ，９ｂからの出力を平滑化すなわち整流するように作用する。コイル１３は、ＥＭＣ対策用すなわちノイズフィルタとして作用する。コイル１３は、１２Ｖバッテリ接続用の直流端子との間のインダクタンスを低減するため、直流端子の近傍に配置されることが望ましい。

なお、このＤＣ／ＤＣコンバータは、逆に、３６Ｖバッテリの電圧値が小さくなった場合に、１２Ｖバッテリからの電圧に基づいて、３６Ｖバッテリを充電するように動作することも可能である。

また、本実施例では、平滑用のコンデンサ１１，１２として電解コンデンサを用いているが、これに代えて、フィルムコンデンサを用いるか、または、両者を併用するものであってもよい。

また、本実施例では、スイッチング素子としてダイオードが内蔵されたＭＯＳＦＥＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴの代わりに、ＩＧＢＴとダイオードを用いることもできる。

図３は、図２の回路の具体的な配置図を示したものであり、コイル１０，１３とコンデンサ１１の周辺部における斜視図である。

筐体４は、アルミ等の金属から形成される良熱伝導材料からなる。パワーモジュール
１９は、インバータ部を構成するスイッチング素子５ａ〜７ｂと、ＤＣ／ＤＣコンバータ部を構成するスイッチング素子９ａ，９ｂとを有する。

スイッチング素子９ａ，９ｂは、本図の一番右側に配置されている。このような配置にすることによりコイル１０，１３、及び、コンデンサ１１に最も近くなるため、ＤＣ／
ＤＣコンバータ部におけるインダクタンスを低減することができる。

パワーモジュール１９の横（本図の下側）には、３６Ｖバッテリに接続されたインバータ部における電流を平滑するためのコンデンサ１２（第２コンデンサ）が設けられている。本実施例では、三つのコンデンサを組み合わせて一つのコンデンサ１２を構成しているが、特にこれに限られるものではなく、必要に応じて、適宜変更することが可能である。

パワーモジュール１９の下部（本図の裏側）には、パワーモジュール１９を冷却するため、後述する水路部２２が設けられている。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ部の一部を構成するコイル１０，コンデンサ１１，コイル１３は、本図の右側に並んで設けられている。コイル１０，１３とコンデンサ１１の底面は、筐体４に固定されている。これらは、略同一平面上に設けられている。

ここで、コイル１３は、本図の上部に位置する１２Ｖバッテリ用の直流端子の近くに設置される。本実施例では、本図中の上からコイル１３，コンデンサ１１，コイル１０の順に並べている。すなわち、直流端子とコイル１３との間の距離を、直流端子とコンデンサ１１との間の距離、及び、直流端子とコイル１０との間の距離より短くしている。

このように、直流端子に最も近い位置にコイル１３を設けることにより、直流端子とコイル１３との間の距離が短くなるため、直流端子とコイルとの間のインダクタンスを低減することができる。この結果、コイル１３は、ノイズフィルタとしての機能を効果的に発揮することが可能になる。

インバータ部の一部を構成するコンデンサ１２、及び、ＤＣ／ＤＣコンバータ部の一部を構成するコイル１０，１３，コンデンサ１１は、パワーモジュール１９を取り囲むように、略同一平面上に設けられている。インバータ部とＤＣ／ＤＣコンバータ部をこのように配置することにより、電力変換装置１の小型化を図ることができる。

図４は、コイル１０，コンデンサ１１、及び、コイル１３が配置されている部分の断面構造図である。筐体４の中において、直流端子２５側にノイズフィルタ用のコイル１３が配置されている。その中央部には、コンデンサ１１が配置されており、その左に、コイル１０が配置されている。これらは、バスバー１６を用いて電気的に接続されている。

直流端子２５とコイル１３との間の距離を、直流端子２５とコンデンサ１１との距離、及び、直流端子２５とコイル１０との距離より小さくすることにより、直流端子２５からコイル１３までのバスバーにおけるインダクタンスを低減することができる。その結果、コイル１３のノイズフィルタとしての機能を効果的に発揮させることが可能になる。

コイル１０，１３により発せられた熱は、バスバー１６もしくは空気を介して、とりわけバスバー１６を介し、コンデンサ１１へと伝えられる。このため、本実施例では、コイル１０，１３とコンデンサ１１との間に、遮熱壁２０を設け、コンデンサ１１の周りのみ良熱伝導絶縁材２１を充填しないことにより、コイル１０，１３からコンデンサ１１への伝熱を防ぐように構成している。また、本図には示していないが、後述するように、コイル１０，１３は、良熱伝導絶縁材２１を用いて充填される。

このような構成により、コイル１０，１３から発せられた熱は、後述する良熱伝導絶縁材２１を介して、筐体４へと効果的に放熱される。この結果、バスバー１６や空気を介したコンデンサ１１への伝熱を防止することができる。

図５は、コイル１０，１３とコンデンサ１１の配置の要部を拡大した断面斜視図である。

コンデンサ１１，コイル１０，１３は、良熱伝導材料である筐体４に固定されている。また、コイル１０とコンデンサ１１との間、及び、コイル１３とコンデンサ１１との間には、側壁である遮熱壁２０が設けられている。本実施例においては、筐体４は、コイル
１０，１３，コンデンサ１１を収納するための収納部を有している。コイル１０，１３，コンデンサ１１は、筐体４の各々の収納部に収納されており、収納部の側壁が、遮熱壁
２０として機能している。

遮熱壁２０は、コイル１０とコンデンサ１１との間の第１側壁、及び、コイル１３とコンデンサ１１との間の第２側壁、として分けて考えられるが、これらは一体に構成されているものでも、別構成とされているものでも構わない。

コイル１０，１３は、良熱伝導絶縁材２１で封止されている。良熱伝導絶縁材２１は、コイル１０，１３が配置される収納部に充填される。良熱伝導絶縁材２１は、コイル１０，１３の全てを覆うように充填されるものでも良いし、コイル１０，１３の少なくとも一部を覆うように充填されているものでも良い。

なお、本実施例では、良熱伝導絶縁材２１として、熱伝導率約１（Ｗ／ｍ・Ｋ）のシリコングリースを用いているが、特にこれに限られず、伝導性の他の材料を用いることもできる。また、良熱伝導絶縁材２１は、通常、樹脂にフィラを入れることにより得られるが、特にこれに限られるものではなく、他の材料を用いたものでもよい。

このような良熱伝導絶縁材２１を用いると、コイル１０，１３から発せられる熱が、最小の熱抵抗経路となる良熱伝導絶縁材２１を経て、強制的に筐体４に伝導する。このため、コイル１０，１３からの熱は、コンデンサ１１に伝熱しにくくなり、熱の影響によるコンデンサ１１の寿命低減を抑制することができる。また、コンデンサ１１の熱影響による性能低下を防ぐことができ、安定した電力変換装置の性能を維持することが可能になる。

本実施例では、コイル１０，１３の周りに遮熱壁２０を設け、良熱伝導絶縁材２１を充填することにより、コイル１０，１３の発熱をコンデンサ１１へ伝達しにくくしたため、各々の部品、すなわちコイル１０，１３，コンデンサ１１をそれぞれ近接させて設置させることができる。

また、以上のように構成することにより、インバータ部の一部を構成するコンデンサ
１２、及び、ＤＣ／ＤＣコンバータ部の一部を構成するコイル１０，１３，コンデンサ
１１は、パワーモジュール１９を取り囲むように、略同一平面上に配置することが可能になる。

このとき、インバータ部の一部を構成するコンデンサ１２とＤＣ／ＤＣコンバータ部におけるコイル１０との間には、遮熱壁（第３側壁）が設けられているため、コンデンサ
１２をコイル１０の近傍に配置させることができる。この結果、インバータ部とＤＣ／
ＤＣコンバータ部を備えた電力変換装置１の小型化を図ることが可能になる。

なお、本実施例では、コンデンサ１２の近傍にコイル１０が配置されているが、コイル１３の近傍にコンデンサ１２を配置させる構成を採用することも可能である。また、第３側壁は、上述の遮熱壁２０と一体に形成されているものでもよいし、別体で形成されているものでもよい。

図６は、電力変換装置のうち水路部２２の周辺構成を示したものである。図６は、図３の構造を裏側から見ている。

冷媒通路部である水路部２２は、パワーモジュール１９の直下に備えられている。水路部２２の内部には、周囲に設けられているパワーモジュール１９等を冷却するため、冷却水等の冷却媒体が流れる。

水路部２２の周囲には、水路部２２を取り囲むように、コンデンサ１２，コイル１０，コンデンサ１１，コイル１３（これらの部品は、本図中には示されていない。），直流端子２５，交流端子２６が配置されている。

本実施例の水路部２２は、筐体４で完全な冷却冷媒通路が形成されており、その上にパワーモジュール１９が搭載されている。ただし、このような構造に限られず、パワーモジュール１９を搭載した銅ベース等の金属ベースを冷媒通路の開口部上に直接搭載する直冷構造とすることもできる。

また、水路部２２の冷却冷媒通路の内部に、ピン形状やストレート形状等の冷却フィンを形成することができる。このような構成によれば、冷却効率を向上させることが可能になる。

良熱伝導絶縁材２１で封止されているコイル１０，１３からの発熱は、良熱伝導絶縁材２１を介して、アルミ等の良熱伝導材料からなる筐体４に熱が伝わる。このため、コイル１０，１３が発した熱を、水路部２２に逃がすことにより、コイル１０，１３の熱を効率良く放熱することができる。

この結果、コイル１０，１３が発する熱が、このコイル１０，１３に構造上挟まれた電解コンデンサ１１に伝達することを効果的に抑制することができる。このため、電解コンデンサ１１の温度上昇を低減し、電解コンデンサ１１の寿命を延ばすことが可能になる。

本実施例では、コイル１０，１３の周りに遮熱壁２０を設け、コイル１０，１３の発熱をコンデンサ１１へ伝達しにくくしたため、各々の部品、すなわちコイル１０，１３，コンデンサ１１をそれぞれ接近させて設置することができる。

以上のように構成することにより、小型で信頼性の良い電力変換装置を実現させることが可能になる。

図７は、上述の実施例における電力変換装置１を搭載した車両の一実施形態を示した図である。本図において、車両９１０は、エンジン９２０を備えている。エンジン９２０の駆動力は、トランスミッション９２２及び第１の車軸９２４Ａ，９２４Ｂを介して、前輪９２６Ａ，９２６Ｂに伝達され、前輪９２６Ａ，９２６Ｂを駆動する。

以上の説明では、前輪９２６Ａ，９２６Ｂをエンジン９２０で駆動する車両として説明しているが、後輪をエンジンで駆動するようにしてもよい。また、トラックのような６輪以上の車両，トレーラのような、牽引車両にも適用可能である。

エンジンルーム内には、エンジン９２０とベルト９４１で連結された交流電動機からなるモータジェネレータ９４０を備える。モータジェネレータ９４０は、ベルト９４１を介してエンジン９２０の駆動、または、駆動補助と、エンジン９２０とトランスミッション９２２を介して前輪９２６Ａ，９２６Ｂを駆動する。また、ベルト９４１を介して、エンジン９２０により駆動され、または、エンジン９２０とトランスミッション９２２を介して前輪９２６Ａ，９２６Ｂにより駆動されて、車載バッテリ９４２の充電，車両のその他補器類９４３の電源、及び、１２Ｖバッテリ９４４の充電を兼ねる。

なお、モータジェネレータ９４０は、例えば、巻線界磁形３相交流電動機を用い、車載バッテリ電圧、例えば１２Ｖよりは、通常は高い電圧、例えば４２Ｖでの駆動及び発電が可能である。

以上の説明では、モータジェネレータ９４０はエンジン９２０にベルト９４１で連結しているが、チェーン等の他の連結手段も適応可能である。また、モータジェネレータ940は、エンジン９２０とトランスミッション９２２との間や、トランスミッション９２２内に設けても同じ効果を得ることができる。

モータジェネレータ９４０，車載バッテリ９４２とその他補器類９４３、及び、１２Ｖバッテリ９４４は、電力変換装置１００を介して接続される。電力変換装置１００は、モータジェネレータ９４０の発電電力のその他補器類９４３、及び、１２Ｖバッテリ９４４、または、車載バッテリ９４２への供給と、車載バッテリ９４２の電力のモータジェネレータ９４０への供給を行う。以上の構成によるモータ・ジェネレータシステムにより、車両９１０は、アイドルストップやブレーキ回生の機能を有し、燃費が改善される。

以上のとおり、上記実施例の構成によれば、ノイズによる他の電気機器への悪影響を抑制することができる。また、電力変換装置の小型化が可能となり、電力変換装置の自由度の拡大，重量低減，スペースの有効活用を図ることが可能になる。

本実施例における電力変換装置の全体斜視図である。 本実施例における電力変換装置の回路図である。 本実施例における電力変換装置の構成を示す斜視図である。 本実施例における電力変換装置のコイル及びコンデンサ配置部の断面図である。 本実施例における電力変換装置のコイル及びコンデンサ配置部の要部を拡大した断面斜視図である。 本実施例における電力変換装置の水路部斜視図である。 本実施例における電力変換装置を搭載した車両の一実施形態である。

符号の説明

１…電力変換装置、２…ＤＣケーブル、３…ＡＣケーブル、４…筐体、５，６，７，９…ＭＯＳＦＥＴ、８…モータ、１０，１３…コイル、１１，１２…コンデンサ、１９…パワーモジュール、２０…遮熱壁、２１…良熱伝導絶縁材、２２…水路部、２５…直流端子、２６…交流端子。

Claims (2)

1. 電圧を変換するためのスイッチング素子と、
   第１コイルとコンデンサが直列に接続されて構成されるとともに前記スイッチング素子と電気的に並列に接続される直列体と、
   前記第１コイルと前記コンデンサとの接続部から出力端子との間に介装された第２コイルと、
   前記スイッチング素子と前記第１コイルと前記第２コイルと前記コンデンサを収納する筐体と、を備え、
   前記第１コイルと前記第２コイルと前記コンデンサは、一列に並べられるとともに前記コンデンサは前記第１コイルと前記第２コイルとの間に配置され、
   前記筐体は、前記第１コイルと前記コンデンサとの間の空間に配置された第１壁と、前記第２コイルと前記コンデンサとの間の空間に配置された第２壁と、を有し、
   前記第１コイルは、前記第１壁によって構成される収納空間内において樹脂材によって封止され、
   前記第２コイルは、前記第２壁によって構成される収納空間内において樹脂材によって封止され、
   前記コンデンサは、前記第１壁及び前記第２壁によって構成される収納空間において封止材によって封止されることなく配置されるＤＣＤＣコンバータ。
2. 請求項１に記載されたＤＣＤＣコンバータであって、
   前記筐体は、冷却冷媒を流すための流路を形成するＤＣＤＣコンバータ。

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