JP5682550B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサ及びリアクトルを備えた電力変換装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等には、インバータ、コンバータ等の電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、例えば、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと半導体モジュールを冷却する冷却器とを有する主回路部を備えている。
そして、特許文献１には、主回路部にコンデンサを積層して配置した電力変換装置が開示されている。また、特許文献２には、主回路部と並ぶようにしてリアクトルを配置した電力変換装置が開示されている。

また、電力変換装置には、コンデンサ及びリアクトルの両方を備えた構造のものもある。このような構造の電力変換装置９１は、例えば、図９に示すごとく、半導体モジュール９２１と冷却器９２２とを有する主回路部９２と、主回路部９２の半導体モジュール９２１から突出してなるパワー端子９２３に接続されたバスバ９３と、バスバ９３を介して半導体モジュール９１のパワー端子９２３に電気的に接続されたコンデンサ９４とを備えている。コンデンサ９４は、主回路部９２と並んで配置されている。また、主回路部９２におけるバスバ９３が配置されている側には、コンデンサ９４と対向するようにリアクトル９６が配置されている。

また、図９、図１０に示すごとく、コンデンサ９４は、コンデンサ素子９４１を絶縁性の封止材９４２により封止してケース９４３内に収容してなると共に、バスバ９３に接続される第１端子部９４５をケース９４３外に引き出してなる。コンデンサ素子９４１は、コンデンサバスバ９４４を介して第１端子部９４５に接続されている。また、コンデンサ９４における第１端子部９４５と外部に接続される第２端子部９４６との間には、両者を接続する接続用バスバ（接続部）９５が配置されている。

特開２０１１−１１４９６６号公報 特開２００８−２２００４２号公報

しかしながら、上記構造の電力変換装置９１では、対向して配置されたコンデンサ９４とリアクトル９６との間に接続用バスバ９５が配置される。そのため、接続用バスバ９５とリアクトル９６との間の絶縁性を確保する必要がある。例えば、接続用バスバ９５とリアクトル９６との間の距離を大きくしたり、接続用バスバ９５とリアクトル９６との間に絶縁体を配置したりする必要がある。その結果、電力変換装置９１が高さ方向（コンデンサ９４とリアクトル９６とが対向する方向）に大きくなってしまうという問題が生じる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、コンデンサとリアクトルとが対向する方向の小型化を図り、部品間の絶縁性を十分に確保することができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一の態様は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却器とを有する主回路部と、
該主回路部の上記半導体モジュールから突出してなるパワー端子に接続されたバスバと、
上記主回路部と並んで配置されていると共に、上記バスバを介して上記半導体モジュールの上記パワー端子に電気的に接続されたコンデンサと、
上記主回路部と上記コンデンサとの並び方向に直交する高さ方向であって、上記主回路部に対して上記バスバが配置されている側において、上記コンデンサと対向するように配置されたリアクトルとを備え、
上記コンデンサは、コンデンサ素子を絶縁性の封止材により封止してケース内に収容してなると共に、上記バスバに接続される第１端子部と外部に接続される第２端子部とを上記ケース外に引き出してなり、かつ、上記コンデンサ素子が上記第１端子部を介して上記バスバに電気的に接続されるよう構成されており、
上記コンデンサにおける上記第１端子部と上記第２端子部との間を接続する接続部は、上記封止材の内部に埋設されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置において、リアクトルは、主回路部とコンデンサとの並び方向に直交する高さ方向であって、主回路部に対してバスバが配置されている側において、コンデンサと対向するように配置されている。そして、コンデンサにおける第１端子部と第２端子部との間を接続する接続部は、コンデンサ素子を封止する絶縁性の封止材の内部に埋設されている。

すなわち、従来、コンデンサのケース外において、コンデンサとリアクトルとの間に配置されていた接続部は、コンデンサのケース内に収容されている封止材の内部に埋設されている。そのため、コンデンサとリアクトルとが対向している上記高さ方向において、両者の間の距離を小さくすることができる。これにより、電力変換装置における上記高さ方向の小型化を図ることができる。

また、上述のごとく、コンデンサにおける第１端子部と第２端子部との間を接続する接続部は、絶縁性の封止材の内部に埋設されている。そのため、接続部とリアクトルとの間には、必ず絶縁性の封止材が介在することになる。これにより、上記高さ方向において、コンデンサとリアクトルとの間の距離を小さくしても、接続部とリアクトルとの間の絶縁性を十分に確保することができる。

このように、コンデンサとリアクトルとが対向する方向の小型化を図り、部品間の絶縁性を十分に確保することができる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置を示す説明図。 実施例１における、主回路部及びコンデンサを示す説明図。 実施例１における、コンデンサの構造を示す説明図。 実施例１における、リアクトルの配置を示す説明図。 実施例１における、電力変換回路を示す説明図。 実施例２における、コンデンサの構造を示す説明図。 実施例３における、電力変換装置を示す説明図。 実施例３における、リアクトルの配置を示す説明図。 背景技術における、電力変換装置を示す説明図。 背景技術における、コンデンサの構造を示す説明図。

上記電力変換装置において、上記コンデンサは、上述のごとく、上記コンデンサ素子を絶縁性の上記封止材により封止して上記ケース内に収容してなる。このような構成としては、例えば、ケース内においてコンデンサ素子を封止材によりポッティング（注型封止）する構成、コンデンサ素子を封止材によりモールドしてケース内に収容する構成等を採用することができる。

また、上記リアクトルは、上記高さ方向において、上記コンデンサの上記第１端子部及び上記第２端子部と重ならないように配置されている構成とすることができる（請求項２）。
この場合には、上記高さ方向において、コンデンサとリアクトルとの間の距離を小さくすることができる。これにより、電力変換装置における上記高さ方向の小型化をより一層図ることができる。

また、上記リアクトルは、少なくとも一部が上記高さ方向において上記主回路部と重なるように配置されており、上記バスバは、正極側バスバと負極側バスバとを有し、両者の少なくとも一方は、上記高さ方向において上記リアクトルと重ならないように配置されている構成とすることができる（請求項３）。
この場合には、上記高さ方向において、主回路部とリアクトルとの間の距離を小さくすることができる。これにより、電力変換装置における上記高さ方向の小型化をより一層図ることができる。

（実施例１）
電力変換装置にかかる実施例について、図を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１〜図５に示すごとく、半導体素子２１１を内蔵した半導体モジュール２１と半導体モジュール２１を冷却する冷却器２２とを有する主回路部２と、主回路部２の半導体モジュール２１から突出してなるパワー端子２１２（正極側パワー端子２１２ａ、負極側パワー端子２１２ｂ）に接続されたバスバ３（正極側バスバ３ａ、負極側バスバ３ｂ）と、主回路部２と並んで配置されていると共に、バスバ３を介して半導体モジュール２１のパワー端子２１２に電気的に接続されたコンデンサ４と、主回路部２とコンデンサ４との並び方向Ｘに直交する高さ方向Ｚであって、主回路部２に対してバスバ３が配置されている側において、コンデンサ４と対向するように配置されたリアクトル６ａとを備えている。

同図に示すごとく、コンデンサ４は、コンデンサ素子４１を絶縁性の封止材４２により封止してケース４３内に収容してなると共に、バスバ３に接続される第１端子部４５と外部に接続される第２端子部４６とをケース４３外に引き出してなり、かつ、コンデンサ素子４１が第１端子部４５を介してバスバ３に電気的に接続されるよう構成されている。
また、コンデンサ４における第１端子部４５と第２端子部４６との間を接続する接続部５は、封止材４２の内部に埋設されている。
以下、これを詳説する。

図１に示すごとく、電力変換装置１は、電気自動車、ハイブリッド自動車等に搭載されるＤＣ−ＤＣコンバータを構成するものである。
電力変換装置１は、電力変換回路８（図５）を構成する主回路部２、バスバ３、コンデンサ４、リアクトル６ａ、６ｂ等を備えている。また、電力変換装置１は、これらの部品を筐体（図示略）に収容している。

図２に示すごとく、主回路部２は、半導体素子２１１を内蔵した複数の半導体モジュール２１と、その複数の半導体モジュール２１を冷却する冷却器２２とを有する。なお、図２では、バスバ３の図示を省略している。
各半導体モジュール２１は、後述するように、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等からなるスイッチング素子２１１ａ（図５）とそのスイッチング素子２１１ａに逆並列接続されたＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等からなるダイオード２１１ｂ（図５）との２つの半導体素子２１１を内蔵している。

同図に示すごとく、冷却器２２は、半導体モジュール２１を冷却する冷媒を流通させる複数の冷却管２２１を有する。冷却管２２１は、並び方向Ｘにおいて、半導体モジュール２１と交互に積層されている。すなわち、半導体モジュール２１は、並び方向Ｘの両側から冷却管２２１によって挟持されている。また、各冷却管２２１同士の間には、２つの半導体モジュール２１が並んで配置されている。

同図に示すごとく、複数の冷却管２２１は、その長手方向（横方向Ｙ）の両端部において、隣り合う冷却管２２１同士が変形可能な連結管２２２によって連結されている。また、複数の冷却管２２１のうち、並び方向Ｘの一端に配置された冷却管２２１の両端部には、外部から冷媒を導入する冷媒導入管２２３と、外部に冷媒を排出する冷媒排出管２２４とが連結されている。

そして、冷却器２２において、冷媒導入管２２３から導入された冷媒は、冷媒導入管２２３側の連結管２２２を適宜通り、各冷却管２２１に分配されると共にその長手方向（横方向Ｙ）に流通する。そして、冷媒は、各冷却管２２１内を流通する間に、半導体モジュール２１との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷媒は、冷媒排出管２２４側の連結管２２２を適宜通り、冷媒排出管２２４から排出される。

なお、冷却器２２内に流通させる冷媒としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷媒を用いることができる。

また、同図に示すごとく、各半導体モジュール２１は、高さ方向Ｚ（図４）の一方側に複数のパワー端子２１２を突出させている。また、横方向Ｙに並んで配置されている２つの半導体モジュール２１において、複数のパワー端子２１２には、正極側バスバ３ａが接続される正極側パワー端子２１２ａと、負極側バスバ３ｂが接続される負極側パワー端子２１２ｂと、交流バスバ３ｃ（図４）が接続される交流パワー端子２１２ｃとがある。なお、交流バスバ３ｃは、図１、図２において図示を省略している。
また、各半導体モジュール２１は、高さ方向Ｚの他方側に複数の制御端子２１３（図４）を突出させている。制御端子２１３は、制御回路基板（図示略）に接続されている。

また、図１に示すごとく、冷却器２２における冷媒導入管２２３と冷媒排出管２２４との間には、コンデンサ４が配置されている。コンデンサ４は、主回路部２と並んで配置されている。なお、主回路部２とコンデンサ４との並び方向Ｘは、主回路部２における半導体モジュール２１と冷却管２２１との積層方向と同じである。また、コンデンサ４は、後述するように、バスバ３（正極側バスバ３ａ、負極側バスバ３ｂ）を介して主回路部２における半導体モジュール２１のパワー端子２１２（正極側パワー端子２１２ａ、負極側パワー端子２１２ｂ）に電気的に接続されている。

また、図３に示すごとく、コンデンサ４は、コンデンサ素子４１と、コンデンサ素子４１を封止する絶縁性の封止材４２と、コンデンサ素子４１及び封止材４２を収容するケース４３とを有する。なお、図３では、コンデンサ素子４１とケース４３とを点線で示し、両者の間を封止材４２としている。
ケース４３内には、３つのコンデンサ素子４１が横方向Ｙに並んで配置されている。そして、３つのコンデンサ素子４１は、ケース４３内において、封止材４２によりポッティング（注型封止）されている。また、ケース４３には、正極側バスバ３ａと負極側バスバ３ｂとにそれぞれ接続される一対の第１端子部４５（４５ａ、４５ｂ）と、外部に接続される一対の第２端子部４６（４６ａ、４６ｂ）とが外側に露出して設けられている。

また、同図に示すごとく、コンデンサ素子４１には、一対のコンデンサバスバ４４（４４ａ、４４ｂ）が接続されている。一対のコンデンサバスバ４４（４４ａ、４４ｂ）は、３つのコンデンサ素子４１における高さ方向Ｚの両側にそれぞれ配置されており、３つのコンデンサ素子４１と共に封止材４２によりポッティング（注型封止）されている。また、一対のコンデンサバスバ４４（４４ａ、４４ｂ）は、それぞれ一対の第１端子部４５（４５ａ、４５ｂ）に接続されている。そして、コンデンサ素子４１は、一対の第１端子部４５（４５ａ、４５ｂ）を介して正極側バスバ３ａ及び負極側バスバ３ｂに接続されている。

また、図１に示すごとく、コンデンサ４における一対の第１端子部４５（４５ａ、４５ｂ）には、それぞれ正極側バスバ３ａの一端、負極側バスバ３ｂの一端がボルト（図示略）を用いて締結固定されている。また、正極側バスバ３ａの他端は、主回路部２における半導体モジュール２１の正極側パワー端子２１２ａに溶接されている。また、負極側バスバ３ｂの他端は、主回路部２における半導体モジュール２１の負極側パワー端子２１２ｂに溶接されている。これにより、コンデンサ４は、バスバ３（正極側バスバ３ａ、負極側バスバ３ｂ）を介して主回路部２における半導体モジュール２１のパワー端子２１２（正極側パワー端子２１２ａ、負極側パワー端子２１２ｂ）に電気的に接続されている。

また、図３に示すごとく、コンデンサ４における一対の第１端子部４５（４５ａ、４５ｂ）と一対の第２端子部４６（４６ａ、４６ｂ）とは、それぞれ一対の接続部５（５ａ、５ｂ）によって接続されている。一対の接続部５（５ａ、５ｂ）は、ケース４３内の封止材４２の内部に埋設されている。また、一方の接続部５ａは、一方のコンデンサバスバ４４ａと一体的に形成されている。また、他方の接続部５ｂは、他方のコンデンサバスバ４４ｂとその一部を共有するように形成されている。

また、図１に示すごとく、電力変換装置１は、２つのリアクトル６ａ、６ｂを備えている。
リアクトル６ａは、高さ方向Ｚであって、主回路部２に対してバスバ３が配置されている側において、コンデンサ４と対向するように配置されている。リアクトル６ｂは、並び方向Ｘにおいて、リアクトル６ａと並んで配置されている。

また、同図に示すごとく、リアクトル６ａは、高さ方向Ｚにおいて、コンデンサ４の第１端子部４５及び第２端子部４６と重ならないように配置されている。また、リアクトル６ａは、少なくとも一部が高さ方向Ｚにおいて主回路部２と重なるように配置されている。そして、バスバ３のうち、正極側バスバ３ａは、高さ方向Ｚにおいてリアクトル６ａと重ならないように配置されている（図４）。

また、図４に示すごとく、リアクトル６ａは、外部に接続される外部端子６１を有する。外部端子６１は、交流バスバ３ｃを介して、主回路部２における半導体モジュール２１のパワー端子２１２（交流パワー端子２１２ｃ）に電気的に接続されている。具体的には、外部端子６１は、第１リアクトル６ａにおける横方向Ｙの一方の側面から主回路部２側に向けて形成されている。また、交流バスバ３ｃの一端は、主回路部２における半導体モジュール２１の交流パワー端子２１２ｃに溶接されている。そして、外部端子６１と交流バスバ３ｃの他端とは、ボルト６９を用いて締結固定されている。
また、リアクトル６ｂも、上述したリアクトル６ａと同様に、主回路部２に接続されている。

次に、図５に示すごとく、電力変換装置１における電力変換回路８について説明する。
同図に示すごとく、電力変換回路８は、直流電源８１の電圧を昇圧する昇圧回路を構成している。電力変換回路８は、直流電源８１、２つのコンデンサ（コンデンサ４、コンデンサ４９）、２つのリアクトル（リアクトル６ａ、６ｂ）、１２個の半導体モジュール２１等によって構成されている。

同図に示すごとく、２つのコンデンサのうち、一方のコンデンサ４９は、昇圧前の電圧を平滑化するためのフィルタコンデンサである。また、他方のコンデンサ４は、昇圧後の電圧を平滑化するための平滑コンデンサである。
各半導体モジュール２１は、２つの半導体素子２１１を備えている。一方は、ＩＧＢＴ等からなるスイッチング素子２１１ａであり、他方は、スイッチング素子２１１ａに逆並列接続されたＦＷＤ等からなるダイオード２１１ｂである。

同図に示すごとく、１２個の半導体モジュール２１は、２つの半導体モジュール２１を１セットとして、全部で６つのモジュール部２０ａ〜２０ｆを構成している。そのうち、３つのモジュール部２０ａ〜２０ｃは、交流バスバ３ｃを介して一方のリアクトル６ａに接続されている。また、残り３つのモジュール部２０ｄ〜２０ｆは、交流バスバ３ｃを介して他方のリアクトル６ｂに接続されている。

次に、本例の電力変換装置１の作用効果について説明する。
電力変換装置１において、リアクトル６ａは、主回路部２とコンデンサ４との並び方向Ｘに直交する高さ方向Ｚであって、主回路部２に対してバスバ３が配置されている側において、コンデンサ４と対向するように配置されている。そして、コンデンサ４における第１端子部４５と第２端子部４６との間を接続する接続部５は、コンデンサ素子４１を封止する絶縁性の封止材４２の内部に埋設されている。

すなわち、従来（図９、図１０参照）、コンデンサ４のケース４３外において、コンデンサ４とリアクトル６ａとの間に配置されていた接続部５は、コンデンサ４のケース４３内に収容されている封止材４２の内部に埋設されている。そのため、コンデンサ４とリアクトル６ａとが対向している高さ方向Ｚにおいて、両者の間の距離を小さくすることができる。これにより、電力変換装置１における高さ方向Ｚの小型化を図ることができる。

また、上述のごとく、コンデンサ４における第１端子部４５と第２端子部４６との間を接続する接続部５は、絶縁性の封止材４２の内部に埋設されている。そのため、接続部５とリアクトル６ａとの間には、必ず絶縁性の封止材４２が介在することになる。これにより、高さ方向Ｚにおいて、コンデンサ４とリアクトル６ａとの間の距離を小さくしても、接続部５とリアクトル６ａとの間の絶縁性を十分に確保することができる。

また、本例では、リアクトル６ａは、高さ方向Ｚにおいて、コンデンサ４の第１端子部４５及び第２端子部４６と重ならないように配置されている。そのため、高さ方向Ｚにおいて、コンデンサ４とリアクトル６ａとの間の距離を小さくすることができる。これにより、電力変換装置１における高さ方向Ｚの小型化をより一層図ることができる。

また、リアクトル６ａは、少なくとも一部が高さ方向Ｚにおいて主回路部２と重なるように配置されており、バスバ３は、正極側バスバ３ａと負極側バスバ３ｂとを有し、両者の少なくとも一方は、高さ方向Ｚにおいてリアクトル６ａと重ならないように配置されている。そのため、高さ方向Ｚにおいて、主回路部２とリアクトル６ａとの間の距離を小さくすることができる。これにより、電力変換装置１における高さ方向Ｚの小型化をより一層図ることができる。

このように、本例によれば、コンデンサ４とリアクトル６ａとが対向する方向の小型化を図り、部品間の絶縁性を十分に確保することができる電力変換装置１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図６に示すごとく、コンデンサ４の構造を変更した例である。
本例では、同図に示すごとく、一対のコンデンサバスバ４４（４４ａ、４４ｂ）は、３つのコンデンサ素子４１における並び方向Ｘの両側にそれぞれ配置されており、一対の第１端子部４５（４５ａ、４５ｂ）にそれぞれ接続されている。
また、一方の接続部５ａは、一方のコンデンサバスバ４４ａとその一部を共有するように形成されている。また、他方の接続部５ｂは、他方のコンデンサバスバ４４ｂとその一部を共有するように形成されている。
その他は、実施例１と同様の構成であり、同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図７、図８に示すごとく、主回路部２とリアクトル６ａ、６ｂとの接続構造を変更した例である。
本例では、同図に示すごとく、リアクトル６ａの外部端子６１は、リアクトル６ａにおける横方向Ｙの一方の側面から主回路部２側に向けて形成されている。また、交流バスバ３ｃの一端は、主回路部２における半導体モジュール２１の交流パワー端子２１２ｃに溶接されている。そして、外部端子６１と交流バスバ３ｃの他端とは、リアクトル６ａと主回路部２との間において、ボルト６９を用いて締結固定されている。
また、リアクトル６ｂも、上述したリアクトル６ａと同様に、主回路部２に接続されている。
その他は、実施例１と同様の構成である。

本例の場合には、高さ方向Ｚに重なって配置されたリアクトル６ａ、６ｂと主回路部２との間であって、正極側バスバ３ａ及び負極側バスバ３ｂが配置されていない空間において、リアクトル６ａ、６ｂと主回路部２とを接続する構造となっている。そのため、電力変換装置１における横方向Ｙの小型化を図ることができる。また、リアクトル６ａ、６ｂと主回路部２との接続箇所と、リアクトル６ａ、６ｂ、主回路部２等を収容する筐体（図示略）との間の絶縁距離を十分に確保することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

１ 電力変換装置
２ 主回路部
２１ 半導体モジュール
２１１ 半導体素子
２１２ パワー端子
２２ 冷却器
３ バスバ
４ コンデンサ
４１ コンデンサ素子
４２ 封止材
４３ ケース
４５ 第１端子部
４６ 第２端子部
５ 接続部
６ａ リアクトル

Claims (3)

1. 半導体素子を内蔵した半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却器とを有する主回路部と、
   該主回路部の上記半導体モジュールから突出してなるパワー端子に接続されたバスバと、
   上記主回路部と並んで配置されていると共に、上記バスバを介して上記半導体モジュールの上記パワー端子に電気的に接続されたコンデンサと、
   上記主回路部と上記コンデンサとの並び方向に直交する高さ方向であって、上記主回路部に対して上記バスバが配置されている側において、上記コンデンサと対向するように配置されたリアクトルとを備え、
   上記コンデンサは、コンデンサ素子を絶縁性の封止材により封止してケース内に収容してなると共に、上記バスバに接続される第１端子部と外部に接続される第２端子部とを上記ケース外に引き出してなり、かつ、上記コンデンサ素子が上記第１端子部を介して上記バスバに電気的に接続されるよう構成されており、
   上記コンデンサにおける上記第１端子部と上記第２端子部との間を接続する接続部は、上記封止材の内部に埋設されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、上記リアクトルは、上記高さ方向において、上記コンデンサの上記第１端子部及び上記第２端子部と重ならないように配置されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置において、上記リアクトルは、少なくとも一部が上記高さ方向において上記主回路部と重なるように配置されており、上記バスバは、正極側バスバと負極側バスバとを有し、両者の少なくとも一方は、上記高さ方向において上記リアクトルと重ならないように配置されていることを特徴とする電力変換装置。

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