JP5785119B2 - 電力供給装置 - Google Patents

Description

本明細書では、電源から供給される電力をスイッチングしてモータ等の電気機器に駆動電力を供給する装置を開示する。

特許文献１に電力供給装置の一例が開示されている。図１０に示すように、特許文献１の電力供給装置８０は、３個のモジュール１０，２０，３０を利用して３相交流を供給するインバータ回路を構成する。各モジュールは、上段スイッチング素子と下段スイッチング素子を直列に接続した回路を備えており、各スイッチング素子に並列に接続されているフリーホイールダイオードを備えている。各モジュールは、正極端子１１，２１，３１を備えており、正極端子１１，２１，３１をバスバ７０でコンデンサ６の正極に接続して用いる。また、各モジュールは、負極端子１４，２４，３４を備えており、負極端子１４，２４，３４をバスバ７２でコンデンサ６の負極に接続して用いる。さらに各モジュールは、中間端子１５，２５，３５を備えており、モータ等の電気機器に接続して用いる。具体的には中間端子１５をバスバ７３で電気機器のｕ相に接続し、中間端子２５をバスバ７４で電気機器のｖ相に接続し、中間端子３５をバスバ７５で電気機器のｗ相に接続して用いる。コンデンサ６は直流電源２に接続される。直流電源２とコンデンサ６の間に昇圧回路４を挿入する場合もある。

特許文献２にも電力供給装置の一例が開示されている。図１０に示すように、特許文献２の電力供給装置は、３個のモジュール１０，２０，３０に加えて３個のモジュール４０，５０，６０を利用して２組の３相交流を供給する。特許文献２の電力供給装置は、２つの電気機器に異なる３相交流を供給する。図１０では、ｕ，ｖ，ｗに続く添字１が第１の３相交流を示し、添字２が第２の３相交流を示している。
図１０の端子４１，５１，６１は正極端子であり、４４，５４，６４は負極端子であり、４５，５５，６５は中間端子であり、７６，７７，７８はバスバである。また、端子１２，１３，２２，２３，３２，３３，４２，４３，５２，５３，６２，６３は、対応するスイッチング素子のオン・オフを切換えるゲート電圧を接続する端子である。

図９は、特許文献２に開示されている電力供給装置の外観を模式的に示している。６個のモジュール１０，２０，３０，４０，５０，６０が一列に配置されている。モジュールの上端から、負極端子１４，２４，３４，４４，５４，６４が伸びている。同様に、モジュールの上端から、正極端子１１，２１，３１，４１，５１，６１が伸びている。特許文献２のモジュールは、図９の一転鎖線に示すように、２個のモジュールで一相分が完成する。すなわち、上段スイッチング素子と上段ダイオードを内蔵する上段モジュールと、下段スイッチング素子と下段ダイオードを内蔵する下段モジュールに分割されている。上段用のモジュールから中間端子１５ａ，２５ａ，３５ａ，４５ａ，５５ａ，６５ａが伸びており、下段用のモジュールから中間端子１５ｂ，２５ｂ，３５ｂ，４５ｂ，５５ｂ，６５ｂが伸びている。
中間端子１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂ，４５ａ，４５ｂ，５５ａ，５５ｂ，６５ａ，６５ｂは低く、図９のＡで示す高さ範囲にのみ存在する。負極端子１４，２４，３４，４４，５４，６４は高く、図９のＡ〜Ｃで示す高さ範囲に存在する。正極端子１１，２１，３１，４１，５１，６１は中間高さにまで伸びており、図９のＡ〜Ｂで示す高さ範囲に存在する。
図１０に示したように、特許文献１のモジュールは１相分の回路を構成するが、各モジュールが、図９の添え字ａ，ｂで示す一対の中間端子を備えている。

中間端子１５ａと１５ｂは、図示しない中間バスバで接続される。同様に、中間端子２５ａと２５ｂ、３５ａと３５ｂ、４５ａと４５ｂ、５５ａと５５ｂ、６５ａと６５ｂも中間バスバで接続される。図９では、中間端子６５ａと６５ｂを接続する中間バスバ６５ｃのみを図示している。中間バスバの各々は、さらに図示しないバスバによって、図示しない電気機器の各相に接続される。
正極端子１１，２１，３１，４１，５１，６１には正極バスバ７０が接続される。正極バスバ７０には、負極端子１４，２４，３４，４４，５４，６４が通過する穴が形成されており、正極バスバ７０と負極端子１４，２４，３４，４４，５４，６４は絶縁される。負極端子１４，２４，３４，４４，５４，６４には、負極バスバ７２が接続される。なお図１０の端子１２，１３，２２，２３，３２，３３，４２，４３，５２，５３，６２，６３等は、モジュールの下面から下方に伸びており、各々が図９では図示しない制御線に接続される。

中間端子同士ならびに中間端子と電気機器の各相を接続する中間バスバは、図９のＡに示す高さ範囲に配置される。正極バスバ７０は図９のＢに示す高さ範囲に配置される。負極バスバ７２は図９のＣに示す高さ範囲に配置される。バスバの配置高さを変えることで、バスバ同士が干渉することを防止している。

特開２００８−２５３０５５号公報 特開２０１１−１０４９６号公報

図１は、モジュール６０の端子とバスバの関係を図示している。モジュール１０〜５０についても同様である。前記したように、中間端子６５ｂ等はバスバによって電気機器に接続する必要があり、図１に示すＡの高さ範囲に、正極バスバ７０や負極バスバ７２等を配置することができない。このために、正極端子６１と正極バスバ７０と負極端子６４とモジュール６０によって取り囲まれる閉ループ（図１でドットで示す範囲）が形成されており、その面積Ｓ１が広い。その広い閉ループ面積Ｓ１によって、図１０に示したインバータ回路では、スイッチング素子のスイッチング動作にともなって電流値が変化する回路のインダクタンスが増大する。
回路のインダクタンスが大きいと、スイッチング素子のスイッチング動作にともなってスイッチング素子に大きなサージ電圧が印加される。サージ電圧が大きいと、スイッチング素子に必要とされる耐圧能力が厳しいものとなってしまう。あるいは、スイッチング素子に印加されるサージ電圧を抑えるためにスイッチング速度を遅くする必要がある。その場合にはスイッチング損失が大きくなってしまう。
上記事情から、スイッチング素子のスイッチング動作にともなって電流値が変化する回路のインダクタンスを低く抑えることが要求されている。すなわち、正極バスバと正極端子と負極端子とモジュールによって取り囲まれる閉ループの面積Ｓ１を小さくしてインダクタンスの増大を防止する技術が必要とされている。負極バスバ７２がモジュール６０側に配置されている場合には、負極バスバと正極端子と負極端子とモジュールによって取り囲まれる閉ループの面積を小さくしてインダクタンスの増大を防止する技術が必要とされている。

特許文献１の技術によると、中間端子６５ａと６５ｂの間に中間バスバ６５ｃ（図９参照）を配置するので、閉ループの面積を小さく押さえることができる。中間端子６５ａと６５ｂはモジュール内で導通しており、必ずしも中間バスバ６５ｃで接続する必要はない。実際、上段のスイッチング素子と下段のスイッチング素子を１個にモジュール化したもののなかには、一個の中間端子しか備えていないものもある。特許文献１の技術によると、閉ループの面積を小さく押さえることができるものの、本来的には必要とされない部品（中間端子同士を接続する中間バスバ）を必要とする。

本明細書では、本来的に必要とされる部品のみを用いて、スイッチング動作にともなって電流値が変化する回路のインダクタンスを低く抑える技術を開示する。

本明細書で開示する電力供給装置は、スイッチング素子を内蔵しているとともに正極端子と負極端子が露出しているモジュールと、正極端子に接続されている正極バスバと、負極端子に接続されている負極バスバを備えている。この電力供給装置では、正極バスバとモジュールの間隙を正極端子から負極端子に向けて伸びている正極端子側凸部、及び／又は、正極バスバとモジュールの間隙を負極端子から正極端子に向けて伸びている負極端子側凸部が形成されている。あるいは、負極バスバとモジュールの間隙を正極端子から負極端子に向けて伸びている正極端子側凸部、及び／又は、負極バスバとモジュールの間隙を負極端子から正極端子に向けて伸びている負極端子側凸部が形成されている。

上記によると、正極端子側凸部、及び／又は、負極端子側凸部によって、閉ループの面積が減少する。正極端子側凸部、及び／又は、負極端子側凸部によって、正極端子とバスバと負極端子を巡る回路のインダクタンスが低減される。電流のスイッチング時に生じるサージ電圧が低減し、スイッチング素子に必要とされる耐圧能力が緩和される。あるいは、スイッチング素子が備えている耐圧能力の範囲内でスイッチング速度を高速化することができ、スイッチング損失を低減することができる。

正極端子側凸部と負極端子側凸部の両者を備えている場合、正極端子側凸部を形成する板状部と負極端子側凸部を形成する板状部が間隙を隔てて対向する位置関係にあることが好ましい。
この場合、対向する正極端子側凸部と負極端子側凸部に誘起される電流方向が逆になって、ループを通過する磁束を低減する。またループを通過する磁束に及ぼす影響についてみると、正極端子側凸部と負極端子側凸部の間に実質的な隙間がないと評価することができ、インダクタンスを増大させる閉ループ面積が極小化される。

正極端子と負極端子の間を伸びているバスバは、一方の端子に隣接する位置を通過して他方の端子に接続されている。その場合、一方の端子から他方の端子に向けて、そのバスバに沿って伸びている延長部が形成されていることが好ましい。そのバスバと延長部は重複しているものの絶縁されている。
この場合、バスバを流れる電流によって生じる磁束を打ち消す電流が延長部に誘起される。インダクタンスを低減することができる。

本明細書で開示する電力供給装置によると、正極端子及び／又は負極端子という必須不可欠な部品を用いてインダクタンスを低減することができる。インダクタンスの低減のために別部材を必要することがない。

モジュールから突出する端子群と端子から伸びるバスバ群によって形成される閉ループを説明する。（ａ）は、正極端子と負極端子の伸張方向から観測した状態を示し、(ｂ)は正極バスバの伸張方向に直交する方向から観測した状態を示している。 正極端子から負極端子に向けて伸びる凸部と負極端子から正極端子に向けて伸びる凸部が形成されている第１実施例を示す。 正極端子から負極端子に向けて伸びる凸部と負極端子から正極端子に向けて伸びる凸部が形成されている第２実施例を示す。 正極端子から負極端子に向けて伸びる凸部と負極端子から正極端子に向けて伸びる凸部が形成されている第３実施例を示す。 負極端子から正極端子に向けて伸びる凸部が形成されている第４実施例を示す。 負極端子から正極端子に向けて伸びる凸部が形成されている第５実施例を示す。 負極端子から正極バスバに沿って伸びる延長部が形成されている実施例を示す。 負極端子から正極バスバに沿って伸びる延長部が形成されている実施例を示す。 モジュール群と、モジュール群から伸びる端子群と、正極バスバと、負極バスバと、中間バスバの配置関係を示す。 モジュールとバスバを組み合わせて構成される回路を示す。

下記に説明する実施例の主要な特徴を列記する。下記の特徴は、それぞれが技術的有用性を備えており、他の特徴と組み合わせてなくても有用な技術である。
特徴１：インバータの１相分に相当する一対のスイッチング素子と一対のダイオードがモジュール化されている。モジュール内において一対のスイッチング素子は直列に接続されている。モジュールから、正極端子と負極端子と中間端子が露出している。正極端子は一対のスイッチング素子の直列回路の一端に接続されており、負極端子はその直列回路の他端に接続されており、中間端子はスイッチング素子とスイッチング素子を接続する配線に接続されている。
特徴２：インバータの１相分の半分に相当するスイッチング素子とダイオードがモジュール化されており、２個のモジュールを接続して１相分が完成する。一方のモジュールは、正極端子と、中間端子と、その間に挿入されているスイッチング素子を備えている。他方のモジュールは、中間端子と、負極端子と、その間に挿入されているスイッチング素子を備えている。一方のモジュールの中間端子と他方のモジュールの中間端子を接続して用いる。
特徴３：モジュールの同一面から、正極端子と負極端子と中間端子が伸びている。
特徴４：中間端子から伸びているバスバがモジュールに近い位置を伸びており、正極端子から伸びているバスバと負極端子から伸びているバスバがモジュールから遠い位置を伸びている。
特徴５：正極バスバとモジュールの間、あるいは負極バスバとモジュールの間に距離があり、その距離内に、正極端子側凸部、及び／又は、負極端子側凸部が存在する。
特徴６：一方の端子に隣接する位置を通過して他方の端子に接続されているバスバに沿って、一方の端子から他方の端子に向けて伸びている延長部が形成されている。例えば、直流電源と負極端子と正極端子の順で配置されている場合、正極バスバは負極端子に隣接する位置を通過して正極端子に接続されている。その場合、負極端子から正極端子に向けて正極バスバに沿って伸びている延長部が形成されていることが有用である。延長部を形成すると、バスバを流れる電流によって生じる磁束を打ち消す電流が延長部に誘起されるので、インダクタンスを低減することができる。この技術は、正極端子側凸部及び／又は負極端子側凸部と組み合わせて用いてもいし、単独で用いてもよい。

（実施例１）
図２は図１の端子形状を改善してインダクタンスを低減した実施例１を示している。実施例１では、Ａに示す高さ範囲内において、正極端子６１から負極端子６４に向けて伸びている正極端子側凸部６１ａ、及び、負極端子６４から正極端子６１に向けて伸びている負極端子側凸部６４ａが形成されている。これによって、図１に示した閉ループの面積Ｓ１が減少し、閉ループの存在によってインダクタンスが増大する現象を抑制している。正極端子側凸部６１ａ、及び、負極端子側凸部６４ａには、閉ループを通過する磁束を打ち消す電流が誘起される。
高さ範囲Ａは、中間バスバを配置するために、正極バスバを配置することができない高さである。正極端子側凸部６１ａと負極端子側凸部６４ａは、正極端子６１と正極バスバ７０の接続箇所７０ａとモジュール６０の間に位置する高さ範囲に形成されている。すなわち、正極バスバ７０とモジュール６０の間隙に、正極端子側凸部６１ａと負極端子側凸部６４ａが形成されている。
図２において、左下がりハッチ範囲７０ａ，７２ａは、端子とバスバが接続されている範囲を示し、右下がりハッチ範囲７０ｂは端子に隣接する位置をバスバが通過している範囲を示している。正極バスバ７０は、負極端子６４に隣接する位置を通過しており、負極端子６４に接触していない。図１（ａ）に示すように、両者間には間隙Ｇが設けられている。間隙Ｇによって、正極バスバ７０と負極端子６４が絶縁されている。
図２では、正極バスバ７０がモジュール６０に近く、負極バスバ７２がモジュール６０から遠い。逆に、負極バスバ７２がモジュール６０に近く、正極バスバ７０がモジュール６０から遠い場合もある。この場合は、負極バスバ７２とモジュール６０の間隙に、正極端子側凸部６１ａと負極端子側凸部６４ａを形成する。
図２では、正極端子側凸部６１ａと負極端子側凸部６４ａの双方を形成している。これに代えて、正極端子側凸部６１ａのみを設けてもよいし、負極端子側凸部６４ａのみを設けてもよい。正極端子側凸部６１ａのみを設けてもループ面積Ｓ１を減少することができる。負極端子側凸部６４ａのみを設けてもループ面積Ｓ１を減少することができる。正極端子側凸部６１ａのみを設ける場合には、負極端子６４に十分に接近する長さとすることが好ましい。同様に、負極端子側凸部６４ａのみを設ける場合には、正極端子６１に十分に接近する長さとすることが好ましい。

（実施例２）
図３に示す実施例２では、正極端子側凸部６１ｂと負極端子側凸部６４ｂが、ｘ方向にずれており、ｘ方向から見ると重複している実施例を示す。この実施例では、正極端子側凸部６１ｂを形成する板状部と、負極端子側凸部６４ｂを形成する板状部が、ｘ方向に距離を隔てて対向している。正極端子側凸部６１ｂと負極端子側凸部６４ｂは、空間距離によって絶縁されている。
この実施例の場合、重複する正極端子側凸部６１ｂと負極端子側凸部６４ｂに誘起される電流方向が逆になって、ループを通過する磁束を低減する。またループを通過する磁束に及ぼす影響についてみると、正極端子側凸部６１ｂと負極端子側凸部６４ｂの間に実質的な隙間がないと評価することができ、インダクタンスを増大させる閉ループ面積が極小化される。なお、先に説明した実施例と同じ事象については重複説明を省略する。

（実施例３）
図４に示す実施例３では、実施例１に加えて、負極端子６４から正極端子６１に向けて正極バスバ７０に沿って伸びる延長部６４ｃが形成されている。延長部６４ｃと正極バスバ７０の間は絶縁されている。すなわち、図１（ａ）に示すようにして、延長部６４ｃと正極バスバ７０の間に距離がおかれている。
この実施例では、正極バスバ７０を流れる電流によって生じる磁束を打ち消す電流が延長部６４ｃに誘起される。インダクタンスを実施例１よりもさらに低減することができる。

（実施例４）
正極端子側凸部６１ｂと負極端子側凸部６４ｂを設ける代わりに、図５に示すように、負極端子側凸部６４ｅのみを設けてもよい。負極端子側凸部６４ｅを正極端子６１に近づくまで突出させれば、正極端子側凸部６１ｂと負極端子側凸部６４ｂの両者を設けるのと同等の作用効果を得ることができる。図示はしないが、逆に、正極端子側凸部のみを設けてもよい。
また、延長部６４ｄを正極端子６１に十分に近づくまで延長させてもよい。

（実施例５）
図６に示すように、正極バスバ７０に沿って伸びる庇状の延長部６４ｆを付加してもよい。

（実施例６）
実施例１から５では、正極バスバとモジュールの間に凸部を形成している。あるいは、負極バスバとモジュールの間に凸部を形成している。延長部のみを形成し、凸部を用いない技術も有用である。
図７と図８では、正極バスバ７０とモジュール６０が接近しており、正極バスバ７０とモジュール６０の間に、凸部を形成する必要がない場合を示している。インバータの１相分に相当する一対のスイッチング素子と一対のダイオードがモジュール化されており、それぞれが１個の正極端子と負極端子と中間端子が露出しているモジュールを用いる場合には、中間バスバとの干渉を避けながら、正極バスバと負極バスバをモジュールに近づけることができる。
そのよう場合でも、図７に示すように、延長部６４ｄを設けることが有用であり、インダクタンスを低減することができる。図８に示すように、庇状の延長部６４ｆを設けることもインダクタンスの低減に有用である。

上記実施例では、正極端子６１と負極端子６４の間を正極バスバ７０が伸びている。これに代えて、正極端子６１と負極端子６４の間を、負極バスバ７２が伸びていることもある。この場合には、負極バスバとモジュールの間に位置する高さ範囲に、正極端子側凸部６１ａ及び／又は負極端子側凸部６４ａを形成する。あるいは、正極端子６１から負極端子６４に向けて負極バスバ７２に沿って伸びる延長部を形成すればよい。
上記実施例では、モジュール６０について説明した。モジュール１０から５０についても同様である。各々のモジュールは、特許文献２に示されているように、上段用と下段用に分割されていてもよいし、特許文献１に示されているように、上段用と下段用が一つのモジュールに集約されていてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電源（バッテリ）
４：昇圧回路
６：コンデンサ
１０，２０，３０，４０，５０，６０：モジュール
１１，２１，３１，４１，５１，６１：正極端子
６１ａ，６１ｂ：正極側凸部
１２，１３，２２，２３，３２，３３，４２，４３，５２，５３，６２，６３：制御端子
１４，２４，３４，４４，５４，６４：負極端子
６４ａ，６４ｂ，６４ｅ；負極側凸部
６４ｃ，６４ｄ，：６４ｆ：延長部
１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３５ａ，３５ｂ，４５ａ，４５ｂ，５５ａ，５５ｂ，６５ａ，６５ｂ：中間端子
７０：正極バスバ
７２：負極バスバ

Claims (3)

1. スイッチング素子を内蔵しているとともに正極端子と負極端子が露出しているモジュールと、
   前記正極端子に接続されている正極バスバと、
   前記負極端子に接続されている負極バスバを備えており、
   前記正極端子と前記負極端子の間を前記正極バスバと前記負極バスバの一方が延びており、
   前記一方のバスバと前記モジュールの間隙を前記正極端子から前記負極端子に向けて伸びている正極端子側凸部、及び／又は、前記間隙を前記負極端子から前記正極端子に向けて伸びている負極端子側凸部が形成されており、
   前記正極端子側凸部、及び／又は、前記負極端子側凸部の存在によって、前記正極端子側凸部と前記負極端子側凸部が形成されていなければ前記一方のバスバと前記正極端子と前記負極端子と前記モジュールの間に形成される閉ループの面積が減少していることを特徴とする電力供給装置。
2. 前記正極端子側凸部と前記負極端子側凸部の両者を備えており、
   前記正極端子側凸部を形成する板状部と前記負極端子側凸部を形成する板状部が間隙を隔てて対向する位置関係にあることを特徴とする請求項１の電力供給装置。
3. 前記正極端子と前記負極端子の一方の端子に隣接する位置を通過して他方の端子に接続されている前記一方のバスバに沿って、前記一方の端子から前記他方の端子に向けて伸びている延長部が形成されていることを特徴とする請求項１または２の電力供給装置。

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