JP5250443B2

JP5250443B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5250443B2
Application number: JP2009025494A
Authority: JP
Inventors: 賢市郎中嶋; 晴喜浜田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2029-02-06
Also published as: JP2010183749A

Description

本発明は、車両駆動用モータに用いる電力変換装置に関する。

エンジンを使用しないでモータの出力で動かされる純粋な電気自動車や、エンジンとの併用であるハイブリッドタイプの自動車で、車両全体の容積に対する室内の割合をできるだけ大きくし、居住性を良くすることが望まれている。このためできるだけ小さなスペースに搭載できるように、モータ制御用の電力変換装置をより小型化することが望まれている。

特許文献１に記載の電力変換装置は、直流電流と交流電流を相互に変換するためのパワーモジュールと、当該パワーモジュールを制御する複数の制御回路基板と、当該複数の制御回路基板を相互に接続する信号線を設けている。

しかしながら、これら部品を備える電力変換装置の更なる小型化が求められている。

特開２００６−１２１８３４号公報

本発明が解決しようとする課題は、電力変換装置の更なる小型化である。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、パワーモジュールの上部に重ねて配置された複数の回路基板上のそれぞれに備えられ、かつ信号線を介して当該複数の回路基板及び電流検出器が相互に信号のやりとりを行うための複数のコネクタと、を備え、前記電流検出器は、前記回路基板の所定の一辺の側部に配置され、前記複数のコネクタは、前記回路基板の前記所定の一辺側に揃って配置される。

これにより、信号線の配線を短くすることができ、電力変換装置の信号線の配線を小さくすることができるので、電力変換装置の更なる小型化が可能となる。

また、好ましくは、本発明に係る電力変換装置は、パワーモジュールに直流電力を供給するための直流側配線を備え、前記直流側配線は、前記パワーモジュールを介して、前記複数のコネクタとは反対側に配置される。

これにより、ノイズ源となる直流側配線から通信線を遠ざけることができ、通信線に混入するノイズを低減することができる。

本発明により、電力変換装置の更なる小型化が可能である。

本実施形態による電力変換装置の一実施例を示す外観斜視図である。本実施形態による電力変換装置の一実施例を側面側から観た図である。本実施形態による電力変換装置の一実施例を正面側から観た図である。本実施形態による電力変換装置の一実施例を上面側から観た図である。本実施形態による信号ハーネスの一実施例を示す外観斜視図である。本実施形態による信号ハーネス固定方法の一実施例を示す外観斜視図である。

以下、本発明による電力変換装置の実施形態を図面を用いて説明をする。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置２００における、上側の蓋（不図示）を取り除いた概観斜視図である。図２は、筐体４００を取り除いた電力変換装置２００の側面側から観た図である。図３は、図１のＡ−Ａを通る断面図である。

図３に示すとおり、電力変換装置２００は、直流電源の電圧変動を押さえる複数の平滑コンデンサを有するコンデンサモジュール３００と、複数のパワー半導体を内蔵するパワーモジュール１００、このパワーモジュール１００のスイッチング動作を制御するゲート駆動回路を備えたドライバ回路基板１１０ｂ、および前記スイッチング動作の時間幅を決める信号すなわちパルスワイドモデュレーションの制御を行うＰＷＭ信号を発生するモータ制御回路を備えた制御基板１１０ａから構成されている。なお、本実施形態においては、パワーモジュール１００は２つ備えられる。各パワーモジュールはＵ，Ｖ，Ｗ相の３相の交流端子ＯＴを備えるため、交流端子ＯＴは計６つ備えられている。

上記パワーモジュール１００は、複数のパワー半導体素子によって構成されたインバータ回路を備える。当該複数のパワー半導体素子を制御するための信号が制御基板１１０ａで作られ、上記ドライバ回路基板１１０ｂへ送られる。上記ドライバ回路基板１１０ｂは、各パワー半導体のゲートへ供給するゲート駆動信号を発生し、そのゲート駆動信号が各パワー半導体素子のゲートに送られ、ゲート駆動信号に基づき各パワー半導体素子がスイッチング動作を行う。

次に、図３に示した電力変換装置２００の各構成部材それぞれの詳細な構成について順次説明をする。

パワーモジュール１００は、電力変換装置２００の内部において高さ方向の略中央部に配置されている。図３に示すようにパワーモジュール１００と接続された直流端子ＩＴは、電力変換装置２００において幅方向の略中央部に配置される。また、直流端子ＩＴは、板状の正極端子と、板状の負極端子と、当該正極端子と負極端子の間に介装された絶縁シートとにより構成される。

コンデンサモジュール３００は、直流電源から直流電力が供給される直流端子（不図示）を備える。また、コンデンサモジュール３００は、直流端子ＩＴまで延びる直流側バスバー１４０を備える。直流側バスバー１４０は、板状の正極端子と、板状の負極端子と、当該正極端子と負極端子の間に介装された絶縁シートとにより構成され、前記直流端子ＩＴと電気的に接続される。

交流端子ＯＴは、パワーモジュール１００の一辺側に並べられ、かつ電流センサが設けられた筐体４００の内壁の近傍に設けられる。また、パワーモジュール１００の交流端子ＯＴは、電力変換装置２００から外側に突出させた交流側バスバー１５０と、電気的に接続される。電流センサ１３０は、交流端子ＯＴと交流側バスバー１５０を貫通させるための貫通孔を有し、当該貫通孔内の磁束の変化に基づいて交流電流値を検出する。

制御基板１１０ａは、電力変換装置２００の内部で最上部に配置されている。制御基板１１０ａは、複数のマイクロコンピュータ１１５を備え、電力変換装置２００の外部からの入力信号、たとえばモータの回転位置センサおよび温度センサからの信号，エンジンの回転速度およびアクセル開度の信号等、種々の情報に基づいて運転モードを判定する役割と、その判定結果に基づいてモータを制御する役割を持つ。

ここで、運転モードは、たとえば、車両の発進時あるいは低速走行時，通常走行時（中速，高速走行時），加速時，減速あるいは制動時の各モードを言う。前記複数のマイクロコンピュータ１１５のうちのひとつが運転モードを判定し、その他のマイクロコンピュータ１１５に判定結果を送信し、この結果に基づきモータを制御する。

運転モードに対応する制御内容は、たとえば、車両の発進時あるいは低速走行時においては主にモータを動力として車両を動作させる。車両の通常走行時においてはエンジンとモータを併用して運転し、両方のトルクで車両が走行する。車両の減速あるいは制動時においては、モータを発電機として運転し、これらによって得られた三相交流電力を直流電力に電力変換装置２００で変換してバッテリに供給し、充電する。

ひとつのマイクロコンピュータ１１５からの運転モード情報を受け取ったその他のマイクロコンピュータ１１５は、電力変換装置２００を構成するパワー半導体素子の動作タイミングを演算処理により求める。マイクロコンピュータ１１５の演算結果に基づくタイミング信号は、インターフェース回路を介してドライバ回路基板１１０ｂに送出される。

なお、モータのステータ巻線の各相を流れる電流値を検出する電流センサ１３０の出力とパワーモジュール１００に組み込まれた温度センサの出力とが、インターフェース回路を介してマイクロコンピュータ１１５に取り込まれる。マイクロコンピュータ１１５は取り込んだ電流センサ１３０の出力を使用して、運転モード判定に基づく制御が行われるように、パワー半導体素子の動作タイミングの演算処理を行い、フィードバック制御する。上記温度センサの出力は動作の異常を診断するのに使用する。

ドライバ回路基板１１０ｂは、前述した制御基板１１０ａとパワーモジュール１００との間に配置されている。ドライバ回路基板１１０ｂには、前記制御基板１１０ａのインターフェース回路を介してマイクロコンピュータ１１５が発生するスイッチングのタイミング信号が入力される。これらのタイミング信号は、たとえばフォトカプラ等からなる絶縁回路を介して三相交流出力の各相のドライバ回路にそれぞれ入力される。これらドライバ回路からの各出力は、前記パワーモジュール１００内の各パワー半導体素子のスイッチング動作を制御する駆動信号として用いられる。

また、ドライバ回路基板１１０ｂには、前記ドライバ回路における電圧を検知する電圧センサ回路が設けられている。電圧センサ回路の出力は、前記絶縁回路と前記制御基板１１０ａのインターフェース回路を介してマイクロコンピュータ１１５に送られる。

前述した制御基板１１０ａおよびドライバ回路基板１１０ｂは、それぞれの基板間および前記電流センサ１３０との間で種々の信号を通信するための複数のコネクタ１２０ａ〜１２０ｄを備えており、それら複数のコネクタ間を接続するための手段として信号ハーネス１２５が使用される。

小型化を図った電力変換装置においては、筐体４００内の部品実装密度が非常に高く、制御基板１１０ａ，ドライバ回路基板１１０ｂ，電流センサ１３０が空間を隔てて電力変換装置の筐体内に配置されるような場合、それぞれの部品の電気的接続の組立作業が困難となる問題がある。

そこで、本実施形態の電力変換装置においては、制御基板１１０ａ上に設けられた複数のコネクタ１２０ａ〜１２０ｃは、制御基板１１０ａの所定の一辺側に並んで配置される。また、ドライバ回路基板１１０ｂ上に設けられた複数のコネクタ１２０ｄは、複数のコネクタ１２０ａ〜１２０ｃに近い側のドライバ回路基板１１０ｂの一辺付近に配置される。さらに、複数のコネクタ１２０ａ〜１２０ｄは、電流センサ１３０が設けられた筐体４００の内壁に近い側に設けられる。

これにより、信号ハーネス１２５の長さを短くすることできる。さらに、信号ハーネス１２５は、筐体４００の内壁の一面に集中的に配置されたため、制御基板１１０ａとドライバ回路基板１１０ｂ間、及び制御基板１１０ａと電流センサ１３０間を繋ぐハーネスを束ねることができるようになり、電力変換装置の組立作業性が向上することになる。

なお、電流センサ１３０の配置は、交流電流を検出するという機能を満足するために、電力変換装置２００の内部において交流出力側に配置する必要があり、たとえば交流側バスバー１５０と一体的に形成されている場合もある。

図５は、信号ハーネス１２５の拡大図を示す。信号ハーネス１２５は、前述した複数のコネクタ１２０ａ〜１２０ｃ間で電気信号をやりとりするために、相互に接続された複数の通信線１２５ｂ〜１２５ｆを、成形部材１２５ａを用いて束ねた形状となっている。成形部材１２５ａは、たとえばチューブ状の部材を使用したり、テープを巻きつけたり、バンド状の部材を使用したりするなど様々な方法がある。

図６は、信号ハーネス１２５の固定方法を示す図である。前述した信号ハーネス１２５は、固定部材ＨＤを用いて筐体４００の内壁に固定することができる。固定部材ＨＤの固定箇所は、筐体４００の側壁以外にも電流センサ１３０や基板保持用ブラケット４１０等でも良い。

これにより、車両に振動が電力変換装置２００に伝わっても、信号ハーネス１２５を強固に固定することができ、コネクタとの接続信頼性を向上させることができる。また、信号ハーネス１２５が筐体４００の内壁に取り付けられた状態で、信号ハーネス１２５と複数のコネクタ１２０ａ〜１２０ｄとを接続すると、信号ハーネス１２５を筐体４００内に誤って落とすことがなくなり、組立性を向上させることができる。

次に、本実施形態に係る電力変換装置２００のノイズ対策について説明する。

それぞれの部品を電気的に接続する信号ハーネス１２５に電磁ノイズが混入することを抑えるために、当該信号ハーネス１２５はできるだけ短いことが望ましい。さらに、電力変換装置の筐体内部には、それ自体が大きなノイズ源となるような部品、例えばパワーモジュール１００とコンデンサモジュール３００を電気的に接続するための直流側バスバー１４０が存在する。このようなノイズ源に対して、前述の信号ハーネス１２５をどのように配置するかが、ノイズ対策にとって重要となる。

直流側バスバー１４０は、パワーモジュール１００を介して交流側バスバー１５０とは反対側に配置されている。前述したように、電流センサ１３０は交流側バスバー１５０側に配置されていることから、電流センサ１３０の近傍に信号ハーネス１２５を配置することで、ノイズ源となる直流側バスバー１４０から信号ハーネス１２５を遠ざけることが可能になる。

さらに図４に示すように、基板上に配置された複数のコネクタ１２０ａ〜１２０ｄは、それぞれ電力変換装置２００の高さ方向において重ならないように配置されている。つまり、複数のコネクタ１２０ａ〜１２０ｄは、電力変換装置２００の奥行き方向（交流バスバーは並べられた方向）にずれるように配置される。

また、ドライバ回路基板１１０ｂ上に搭載されたコネクタ１２０ｄは、制御基板１１０ａに搭載されたコネクタ１２０ａ〜１２０ｃよりも電流センサ１３０側に突出している。つまり、制御基板１１０ａが筐体４００に搭載された後であっても、コネクタ１２０ｄは組立作業者から目視できるように配置されている。

これにより、コネクタ接続時の作業性が向上するほか、コネクタ接続の作業を基板や電流センサを組付けた後に行うことも可能になる。

また、図３に示されるように、信号ハーネス１２５は、交流端子ＯＴや電流センサ１３０よりも上部に設けられる。すなわち、信号ハーネス１２５は、筐体４００の作業用開口部と電流センサ１３０との間に配置される。さらに、電流センサ１３０に設けられたコネクタは、筐体４００の作業用開口部に向かって突出する。これにより、制御基板１１０ａとドライバ回路基板１１０ｂと電流センサ１３０によって形成される筐体４００の内部空間に信号ハーネス１２５を収納することができ、電力変換装置２００の小型化を図ることができる。さらに、信号ハーネス１２５と電流センサ１３０との組みつけも容易になる。

上述した各実施形態に係る構成はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。各実施形態に係る構成での効果を単独であるいは相乗して奏することができる。

１００パワーモジュール
１１０ａ制御基板
１１０ｂドライバ回路基板
１１５マイクロコンピュータ
１２０ａ〜１２０ｄコネクタ
１２５信号ハーネス
１３０電流センサ
１４０直流側バスバー
１５０交流側バスバー
２００電力変換装置
３００コンデンサモジュール
４００筐体
４１０基板保持用ブラケット
ＩＴ直流端子
ＯＴ交流端子
ＨＤ固定部材

Claims

直流電流と交流電流を相互に変換し、かつ該交流電流を交流駆動モータに供給するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの駆動を制御する複数の回路基板と、
前記交流電流の電流値を検出するための電流検出器と、
前記複数の回路基板上のそれぞれに備えられ、かつ信号線を介して前記複数の回路基板及び前記電流検出器が相互に信号のやりとりを行うための複数のコネクタと、を備え、
前記複数の回路基板は、前記パワーモジュールに対して重ねて配置され、
前記電流検出器は、前記回路基板の所定の一辺の側部に配置され、
前記複数のコネクタは、前記回路基板の前記所定の一辺側に揃って配置され、
前記パワーモジュールと前記複数の回路基板と前記電流検出器を収納する筐体と、を備え、
前記電流検出器は、前記筐体の内壁に設置され、
前記ドライバ回路基板に搭載されたコネクタは、前記制御基板の搭載されたコネクタよりも、前記電流検出器に近づいて配置される電力変換装置。
直流電流と交流電流を相互に変換し、かつ該交流電流を交流駆動モータに供給するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの駆動を制御する複数の回路基板と、
前記交流電流の電流値を検出するための電流検出器と、
前記複数の回路基板上のそれぞれに備えられ、かつ信号線を介して前記複数の回路基板及び前記電流検出器が相互に信号のやりとりを行うための複数のコネクタと、を備え、
前記複数の回路基板は、前記パワーモジュールに対して重ねて配置され、
前記電流検出器は、前記回路基板の所定の一辺の側部に配置され、
前記複数のコネクタは、前記回路基板の前記所定の一辺側に揃って配置され、
複数のコネクタは、前記複数の回路基板が重ねて配置された方向において、互いに対向しないように配置される電力変換装置。
請求項１又は２記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記パワーモジュールに直流電力を供給するための直流側配線を備え、
前記直流側配線は、前記パワーモジュールを介して、前記複数のコネクタとは反対側に配置される電力変換装置。
請求項１又は２記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記信号線は複数備えられ、
前記複数の信号線を束ねて保持するための保持部材を備える電力変換装置。
請求項１又は４に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
前記電流検出器に近い側の前記筐体の内壁と前記信号線とを固定するための固定部材と、を備える電力変換装置。
請求項１又は２記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記複数の回路基板は、前記パワーモジュールを駆動するためのドライバ回路基板と、
前記パワーモジュールを制御するための制御信号を前記ドライバ回路基板に出力するための制御基板とから構成され、
前記ドライバ回路基板は、前記制御基板と前記パワーモジュールとの間に配置される電力変換装置。
請求項２記載の電力変換装置であって、
前記パワーモジュールと前記複数の回路基板とを収納し、かつ上部に当該パワーモジュールと当該複数の回路基板を収納するための開口部を有する筐体と、
前記パワーモジュールに接続され、かつ前記電流検出器に備えられた貫通孔を通って前記筐体の外部に延びる交流出力端子と、を備え、
前記通信線は、前記交流出力端子と前記開口部との間に配置される電力変換装置。