JP6039193B2

JP6039193B2 - 電力変換用途用のバスバー

Info

Publication number: JP6039193B2
Application number: JP2012033478A
Authority: JP
Inventors: リチャード・アルフレッド・ビュープレ; ジョセフ・ルシアン・スモレンスキ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: EP2493043B1; EP2493043A3; US20120217032A1; CA2768534A1; JP2012182978A; EP2493043A2; CA2768534C; US8772634B2

Description

本発明は、一般にバスバー設計に関し、より詳細には電力変換用途に用いるための改良されたバスバーに関する。

現在の電力変換用途は、ますますより高速な電力モジュール（たとえば半導体）を有する。この電力変換アセンブリの増加する電力および速度に伴う目標は、システム内の相互接続全体にわたるインダクタンスを最小にして電圧オーバシュートを低減することである。リングアップまたは電力スパイクの大きさを減少することによってシステムを稼働するのに必要な電力が少なくなり、最終的に結果としてより効率的なシステムをもたらす。

したがって、その中のバスバー設計を含む、電力変換アセンブリのための全体的なシステム効率の向上に継続的な必要性がある。

米国特許第６７５７１７５号明細書

本発明は、改良されたバスバー設計を提供することによって上述の欠点の少なくとも一部を克服する。より具体的には本発明は、バスバー、および低減されたインダクタンスおよび改善されたシステム効率を結果として生じるバスバー設計を組み入れた電力変換アセンブリを対象とする。

したがって本発明の一態様によれば、バスバーは、複数の端子位置を有する第１の平面導体と、複数の端子位置を有する第２の平面導体と、第１の平面導体と第２の平面導体の間に配置された第１の平面絶縁体と、第１の平面導体に電気的に接続された第１のインピーダンス素子であって、第１の平面導体とは同一平面上にない平面内に延びる、第１のインピーダンス素子と、第２の平面導体に電気的に接続された第２のインピーダンス素子であって、第２の平面導体とは同一平面上にない平面内に延び、さらに第１のインピーダンス素子および第２のインピーダンス素子は、それらの間に間隙を画定するように構成される、第２のインピーダンス素子と、間隙内に配置された第２の平面絶縁体とを備える。

本発明の他の態様によれば、電力変換アセンブリは、バスバーであって、複数の端子位置を有する第１の平面導体と、複数の端子位置を有する第２の平面導体と、第１の平面導体と第２の平面導体の間に配置された第１の平面絶縁体と、第１の平面導体に電気的に接続された第１のインピーダンス素子であり、第１の平面導体とは同一平面上にない平面内に延びる、第１のインピーダンス素子と、第２の平面導体に電気的に接続された第２のインピーダンス素子であり、第２の平面導体とは同一平面上にない平面内に延び、さらに第１のインピーダンス素子および第２のインピーダンス素子が、それらの間に間隙を画定するように構成される、第２のインピーダンス素子と、間隙内に配置された第２の平面絶縁体とを備えるバスバーと、バスバーに接続されたエネルギー源と、バスバーに接続された電力スイッチとを備える。

本発明の様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。

図面は、本発明を実施するための現在企図される一実施形態を示す。

本発明の態様によるバスバーの分解組立図で表した正面斜視図である。本発明の態様によるバスバーの一部分の拡大上面図である。本発明の態様による図２のバスバーの一部分の側面図である。本発明の態様による図２のバスバーの一部分の正面図である。本発明の態様による電力変換アセンブリの一部分の概略図である。本発明の態様による電力変換アセンブリの概略図である。本発明の態様による、単一接続のベースラインバスバーに対するＱ３ＤＥｘｔｒａｃｔｏｒ電流密度解析の上面図である。本発明の態様による、Ｍｏｄ１を有するバスバーに対するＱ３ＤＥｘｔｒａｃｔｏｒ電流密度解析の上面図である。本発明の態様による、Ｍｏｄ２を有するバスバーに対するＱ３ＤＥｘｔｒａｃｔｏｒ電流密度解析の上面図である。本発明の態様による、ソースおよびシンク端子のラベルが付けられた、Ｑ３ＤＥｘｔｒａｃｔｏｒからの有限要素モデルの正面斜視図である。本発明の態様による、第１の変更（Ｍｏｄ１）を有するバスバーに対するＱ３ＤＥｘｔｒａｃｔｏｒからの有限要素モデルの正面斜視図である。本発明の態様による図１１ＡからのＭｏｄ１の拡大図である。本発明の態様による、第２の変更（Ｍｏｄ２）を有するバスバーに対するＱ３ＤＥｘｔｒａｃｔｏｒからの有限要素モデルの正面斜視図である。本発明の態様による図１２ＡからのＭｏｄ２の拡大図である。

本発明の態様が従来のバスバーに対して利点をもたらすこと、および前記バスバーを使用した電力変換アセンブリについて示した。バスバー導体は、電圧オーバシュートを低減するようにインダクタンスを最小化するのに役立つインピーダンス素子を含む。最終的にバスバー全体にわたるインダクタンスは低減され、結果として改良されたバスバーを用いた電力変換アセンブリの性能および効率が改善される。

図１を参照すると、本発明の態様によるバスバー１０の分解組立図で表した正面斜視図が示される。図示のようにバスバー１０は、第１の平面絶縁体４０がそれらの間に配置された、２つのほぼ平面の導体２０、３０を備えることができる。第２の平面絶縁体４５は、図を見やすくするためにのみ省いている（たとえば、図２〜５を参照）。第１の平面導体２０は下部導体を構成することができ、第２の平面導体３０は上部導体を構成することができる。第１の平面導体すなわち下部平面導体２０は、１つまたは複数の電力スイッチ（たとえば図６参照）に接続するための複数の端子コネクタ２２を含むことができる。同様に第２の平面導体すなわち上部平面導体３０は、１つまたは複数の電力スイッチ（たとえば図６参照）に接続するための複数の端子コネクタ３２を含むことができる。上部導体３０および下部導体２０はそれぞれさらに、バスバー１０を１つまたは複数のエネルギー源（たとえば図６参照）にさらに接続するための複数の端子コネクタ３２、２２を含む。このようにしてバスバー１０は、電力変換アセンブリ１００（図６）を構成するために、複数の電力スイッチ７０（図６）および複数のエネルギー源６０（図６）に接続可能となるように適切に組み立てられる。

下部導体２０はさらに、下部導体２０に電気的に接続するように構成された、第１のインピーダンス素子２４を備えることができる。第１のインピーダンス素子２４は、下部導体２０の平面から離れて平面的に延びることができる。たとえば第１のインピーダンス素子２４は、下部導体２０の平面にほぼ垂直になるように延びることができる。第１のインピーダンス素子２４は、下部導体２０に固定することができ、または他の実施形態では下部導体２０に着脱可能に取り付けることができる。一実施形態では図示のように第１のインピーダンス素子２４は、Ｌ字形とすることができる。

同様に第２の導体３０はさらに、上部導体３０に電気的に接続するように構成された第２のインピーダンス素子３４を備えることができる。第２のインピーダンス素子３４は、上部導体３０の平面から離れて平面的に延びることができる。たとえば第２のインピーダンス素子３４は、上部導体３０の平面にほぼ垂直になるように延びることができる。第２のインピーダンス素子３４は、上部導体３０に固定することができ、または他の実施形態では上部導体３０に着脱可能に取り付けることができる。一実施形態では図示のように第２のインピーダンス素子３４は、Ｌ字形とすることができる。第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４は、他の形状、たとえば湾曲形、直線などとすることができる。

第１の導体２０および第２の導体３０は、適当な導電率および／または低い電気抵抗特性をもたらす任意の適当な材料または材料の組み合わせから構成することができる。たとえば第１の導体２０および第２の導体３０は、銅、アルミニウム、銀、金、それらの合金、金属、およびそれらの組み合わせの少なくとも１つを含むことができる。同様に第１の導体２０と第２の導体３０の間に挟まれた第１の平面絶縁体４０は、第１の導体２０と第２の導体３０の間に適当な電気絶縁特性をもたらす任意の適当な材料または材料の組み合わせを含むことができる。たとえば第１の平面絶縁体４０は、ポリイミド、エポキシガラス（たとえばＦＲ４）、ポリテトラフルオロエチレン、その他の非導電性絶縁体（たとえばアイソレータ）などを含むことができる。同様に第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４は、適当な導電率および／または低い電気抵抗をもたらす任意の適当な材料または材料の組み合わせから構成することができる。

当業者には、本発明の意図から逸脱せずに、図１に示すもの以外の形状、サイズ、および構成を使用できることが明らかであろう。例のみとして図示のバスバー１０は、３つの電力スイッチおよび３つのエネルギー源に接続するための端子接続２２、３２を有するが、明らかに、バスバー１０は、他の数量およびタイプのデバイスに接続するように構成することができる。

いずれにしても図２を参照すると、バスバー１０の端子接続領域の１つの拡大図が示される。バスバー１０は、第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４がほぼ隣接し、それによってそれらの間に間隙５０を画定するように構成される。一実施形態では、第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４がほぼ平行になるように構成される。このようにしてインピーダンスは、バスバー１０全体にわたってさらに低下される。

第２の平面絶縁体４５は、間隙５０内に配置される。第１の平面絶縁体４０のように、第２の平面絶縁体４５は、ポリイミド（たとえばカプトン）、エポキシガラス（たとえばＦＲ４）、ポリテトラフルオロエチレン（たとえばテフロン（登録商標））、その他の非導電性絶縁体（たとえばアイソレータ）などを含むことができる。

また図３および４を参照すると端面図および正面図は、第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４と、それらの間の間隙５０との関係を示す。間隙５０は、実施形態に応じて約５ミルから約５０ミルの範囲内とすることができる間隔ｄを有する。他の実施形態では間隙５０の間隔ｄは、約１ミルから約７０ミルとすることができる。第２の平面絶縁体４５は間隙５０内に配置され、部分的にまたは全体に間隙５０を満たすことができる。

第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４の高さは、第１の平面導体２０および第２の平面導体３０の平面からの任意の適当な高さとすることができる。例としてのみおよび非限定的に、第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４の高さは、約０．２５インチから約１．０インチの範囲内とすることができる。明らかに、本発明から逸脱せずに他の適当なサイズを用いることができる。

図５は、本発明によるバスバー１０の一部分の概略図を示す。図示のように少なくとも１つの電力スイッチ７０が、バスバー１０に接続される。さらに少なくとも１つの電流ソース６０が、バスバー１０に接続される。第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４は、それらの間に間隙５０を画定するように構成される。第２の平面絶縁体４５は間隙５０内に配置される。さらに第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４は、間隙５０が、少なくとも１つの電力スイッチ７０と少なくとも１つの電流ソース６０の間のほぼ電流経路７５の近くおよび／または電流経路７５内に位置するように構成される。第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４の総平面領域、および間隙５０およびそれらの間の第２の平面絶縁体４５の両方が、バスバー１０全体にわたるインピーダンスに影響を与える。このようにして諸素子を、バスバー１０全体にわたるインピーダンスが大幅に低減されるように構成することができる。

図６は、電力変換アセンブリすなわちアセンブリ１００を示し、アセンブリ１００は、共にバスバー１０に電気的に接続された、複数の電力スイッチ７０および複数のエネルギー源６０を備える。複数の電力スイッチ７０はさらに負荷８０に接続される。負荷８０は、多相電気モータ（たとえばリニアまたはロータリ）、ＤＣ電気モータ（たとえばリニアまたはロータリ）および／または、ＤＣ電力、ＡＣ電力または電流を必要とする電気負荷（たとえば、電流は必要であるが電力は大きくないＭＲＩ傾斜磁場コイル）などの、任意の適当な電気負荷とすることができる。図示のように、複数の第１のインピーダンス素子２４および第２のインピーダンス素子３４は、ほぼ、複数の電力スイッチ７０と複数のエネルギー源６０の間の電流経路内にあるように構成される。このようにしてバスバー１０全体にわたるインダクタンスは効果的に低減され、それに伴ってアセンブリ１００の全体的な効率および性能が改善される。

当業者には本発明の態様から逸脱せずに、図６に示すもの以外の実施形態が明らかであろう。たとえばアセンブリ１００において、３つの電力スイッチ７０および３つのエネルギー源６０とは異なる数量を用いることができる。バスバーに接続された電力スイッチ７０およびエネルギー源６０の数量は、１つから任意の複数とする（たとえばｎ個で、ｎは無限に近い数量に近付く）ことができる。任意の機械的素子および任意の固体素子を含む、任意の適当なタイプの電力スイッチ７０を用いることができる。適当な電力スイッチ７０には、たとえば単一スイッチ、６個パック、複数スイッチデバイス、電力モジュール、ハーフブリッジなどが含まれる。同様にたとえばコンデンサ、電気化学電池などを含む、任意の適当なエネルギー源６０を用いることができる。

一実施形態では、バスバーのサイズは、ヒートシンク上の電力モジュールの幅（たとえば、３）、およびモジュールの正および負端子とコンデンサ上の電気的接続との間の距離によって確定することができる。バスバー内のインダクタンスを低減するには、正および負プレートの間に絶縁材料の薄い層を有することが望ましい。適当な絶縁材料は、たとえば０．００５インチの厚さのカプトン材料などの誘電材料とすることができる。

正および負電圧プレートは、モジュール端子およびコンデンサ上の接続点の近傍に沿面距離を組み入れるように設計することができる。解析は、寄生インダクタンスを計算するためにＡｎｓｏｆｔＱ３ＤＥｘｔｒａｃｔｏｒを用いて行った。バスバー上の計算を行うために、解析には電力モジュールおよびコンデンサは含まれない。ソースおよびシンク位置を特定し、コンデンサ端子は短絡した。

図７はＡ相のソースおよびシンク端子の解析結果を示し、銅の正および負電圧プレート内のベースライン電流密度を示す。ベースライン構成は、下部および上部導体においてそれぞれの第１および第２のインピーダンス素子を除く。Ｂ相およびＣ相構成の解析も行われた。図１０はソースおよびシンク端子のラベルが付けられた、Ｑ３ＤＥｘｔｒａｃｔｏｒからの有限要素モデルの正面斜視図を示す。

第１の変更（すなわちＭｏｄ１）は、モジュール端子位置にて、垂直に（バスバーの平面にほぼ垂直に）延びる平行な導電経路を形成した。図８は、銅の正および負電圧プレート内の電流密度を示す解析結果を示している。図１１Ａおよび１１Ｂはそれぞれ、第１の変更（Ｍｏｄ１）を有するバスバーに対するＱ３ＤＥｘｔｒａｃｔｏｒからの有限要素モデルの正面斜視図および拡大図を示す。

第２の変更（すなわちＭｏｄ２）は、モジュール端子位置にて、直角（たとえばＬ字形）に垂直に（バスバーの平面にほぼ垂直に）延びる平行な導電経路を形成した。図９は、銅の正および負電圧プレート内の電流密度を示す解析結果を示している。図１２Ａおよび１２Ｂはそれぞれ、第２の変更（Ｍｏｄ２）を有するバスバーに対するＱ３ＤＥｘｔｒａｃｔｏｒからの有限要素モデルの正面斜視図および拡大図を示す。

表１は、行ったすべての解析に対する、計算されたインダクタンスおよび抵抗を要約している。

試験したアセンブリの一実施形態は、３個の１２００Ｖ、４５０Ａのカスタム電力モジュールのそれぞれの正および負端子をＤＣリンクコンデンサ（たとえば、３個のＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｃｅｐｔｓＵＬ３１ポリプロピレンコンデンサ）に相互接続するための積層されたバスバーを組み込んだ電力増幅器を含む。３つの幾何学的構成について解析した。正電圧端子からコンデンサまで、および負電圧に戻るまでのループインダクタンスは、３つの構成に対してそれぞれ、１０．９５ｎＨ、７．７５ｎＨ、および６．７２ｎＨであった。

一実施形態では電力増幅器設計またはアセンブリは、３つの４５０Ａ、１２００Ｖハーフブリッジモジュール、ヒートシンク、バスバー、ＤＣリンクコンデンサ、ゲート駆動カード、およびコントローラカードを組み込む。モジュールは、一体化された液体冷却用の１ｍｍ×３ｍｍの深さの流路を有するアルミニウム−シリコン（ＡｌＳｉ）金属基複合材料（ｍｅｔａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅ：ＭＭＣ）ベースプレートを含む。電力モジュールは、３つのハーフブリッジモジュールへのマニホルドおよび液圧相互接続を組み込んだアルミニウムＡ１６０６１−Ｔ６ヒートシンクに取り付けられる。バスバーは、モジュールおよびＤＣリンクコンデンサに取り付けられる。ゲート駆動カードは、電力モジュールとゲート駆動カードの間に配置されたバスバーによって、各１２００Ｖ、４５０Ａモジュールの上に直接取り付けられる。コントローラカードは、ゲート駆動カードの上に取り付けられる。

したがって本発明の一実施形態によれば、バスバーは、複数の端子位置を有する第１の平面導体と、複数の端子位置を有する第２の平面導体と、第１の平面導体と第２の平面導体の間に配置された第１の平面絶縁体と、第１の平面導体に電気的に接続された第１のインピーダンス素子であって、第１の平面導体とは同一平面上にない平面内に延びる、第１のインピーダンス素子と、第２の平面導体に電気的に接続された第２のインピーダンス素子であって、第２の平面導体とは同一平面上にない平面内に延び、さらに第１のインピーダンス素子および第２のインピーダンス素子はそれらの間に間隙を画定するように構成される、第２のインピーダンス素子と、間隙内に配置された第２の平面絶縁体とを備える。

本発明の他の実施形態によれば、電力変換アセンブリは、バスバーであって、複数の端子位置を有する第１の平面導体と、複数の端子位置を有する第２の平面導体と、第１の平面導体と第２の平面導体の間に配置された第１の平面絶縁体と、第１の平面導体に電気的に接続された第１のインピーダンス素子であって、第１の平面導体とは同一平面上にない平面内に延びる、第１のインピーダンス素子と、第２の平面導体に電気的に接続された第２のインピーダンス素子であって、第２の平面導体とは同一平面上にない平面内に延び、さらに第１のインピーダンス素子および第２のインピーダンス素子はそれらの間に間隙を画定するように構成される、第２のインピーダンス素子と、間隙内に配置された第２の平面絶縁体とを備えるバスバーと、バスバーに接続されたエネルギー源と、バスバーに接続された電力スイッチとを備える。

本発明について好ましい実施形態によって説明してきたが、明示的に述べたものとは別に等価物、代替形態、変更形態が可能であり、添付の特許請求の範囲に含まれることを理解されたい。

１０バスバー
２０第１の平面導体
２２端子コネクタ
２４第１のインピーダンス素子
３０第２の平面導体
３２端子コネクタ
３４第２のインピーダンス素子
４０第１の平面絶縁体
４５第２の平面絶縁体
５０間隙
６０エネルギー源
７０電力スイッチ
７５電流経路
８０負荷
１００電力変換アセンブリ

Claims

複数の第１の端子位置（２２）を有する第１の平面導体（２０）と、
複数の第２の端子位置（３２）を有する第２の平面導体（３０）と、
前記第１の平面導体（２０）と前記第２の平面導体（３０）の間に配置された第１の平面絶縁体（４０）と、
前記第１の平面導体（２０）に電気的に接続された第１のインピーダンス素子（２４）であって、前記第１の平面導体（２０）とは同一平面上にない平面内に延びる、第１のインピーダンス素子（２４）と、
前記第２の平面導体（３０）に電気的に接続された第２のインピーダンス素子（３４）であって、前記第２の平面導体（３０）とは同一平面上にない平面内に延び、さらに前記第１のインピーダンス素子（２４）および前記第２のインピーダンス素子（３４）は、それらの間に間隙（５０）を画定するように構成される、第２のインピーダンス素子（３４）と、
前記間隙（５０）内に配置された第２の平面絶縁体（４５）と
を備え、
前記第１のインピーダンス素子（２４）および前記第２のインピーダンス素子（３４）が前記第１の平面導体（２０）とは同一平面上にない２つの平面内に延びるＬ字形であり、
前記第２の平面絶縁体（４５）が前記第１のインピーダンス素子（２４）と同一面にある
バスバー（１０）。
前記間隙（５０）が約１ミルから約７０ミルの範囲内である、請求項１記載のバスバー（１０）。
前記第１のインピーダンス素子（２４）の第１の部分と前記第２のインピーダンス素子（３４）の第１の部分と、前記第２の平面絶縁体（４５）の第１の部分とがほぼ平行であり、
前記第１のインピーダンス素子（２４）の第２の部分と前記第２のインピーダンス素子（３４）の第２の部分と、前記第２の平面絶縁体（４５）の第２の部分とがほぼ平行である、請求項１または２に記載のバスバー（１０）。
前記第１の平面絶縁体（４０）および前記第２の平面絶縁体（４５）の１つが、ポリイミド、エポキシガラス、およびポリテトラフルオロエチレンからなる、請求項１乃至３のいずれか記載のバスバー（１０）。
前記第１のインピーダンス素子（２４）および前記第２のインピーダンス素子（３４）は、前記間隙（５０）が、前記第１の端子位置（２２）の１つと前記第２の端子位置（３２）の１つとの間に位置するように配置される、請求項１乃至４のいずれか記載のバスバー（１０）。
前記第１のインピーダンス素子（２４）および前記第２のインピーダンス素子（３４）の１つが、前記第１の平面導体（２０）および前記第２の平面導体（３０）にほぼ垂直である、請求項１乃至５のいずれか記載のバスバー（１０）。
前記第１及び第２の端子位置（２２、３２）が、エネルギー源（６０）および電力スイッチ（７０）の１つに接続するように構成された、請求項１乃至６のいずれか記載のバスバー（１０）。
前記エネルギー源（６０）が、コンデンサおよび電気化学電池の１つを備える、請求項７記載のバスバー（１０）。
実質的に前記第１の平面導体（２０）および前記第２の平面導体（３０）の電流経路（７５）内で、前記第１のインピーダンス素子（２４）および前記第２のインピーダンス素子（３４）が、前記第１の平面導体（２０）および前記第２の平面導体（３０）に接続される、請求項１乃至８のいずれか記載のバスバー（１０）。
請求項１乃至９のいずれかに記載のバスバー（１０）と、
前記複数の第１の端子位置（２２）及び前記複数の第２の端子位置（３２）の一方と負荷との間に電気的に接続された、複数の電力スイッチ（７０）と、
を備え、
前記複数の第１の端子位置（２２）及び前記複数の第２の端子位置（３２）の他方に複数のエネルギー源（６０）が電気的に接続され、
前記バスバー（１０）が複数の第１及び第２のインピーダンス素子（２４、３４）の組を備え、
前記複数の第１及び第２のインピーダンス素子（２４、３４）の組の各々が、対応する電力スイッチ（７０）と対応するエネルギー源（６０）の間の電流経路内にあるように配置される、電力変換アセンブリ。