JP6175556B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動モータによって駆動動力を得る自動車（電気自動車やハイブリッド自動車）等へ搭載される、ＤＣ-ＤＣコンバータを含む電力変換装置に関する。

電気自動車やプラグインハイブリッド車は、動力駆動用の高電圧バッテリでモータ駆動するためのインバータ装置と、車両のライトやラジオなどの補機を作動させるための低電圧バッテリを搭載している。このような車両においては、高電圧バッテリから低電圧バッテリへの電力変換または低電圧バッテリから高電圧バッテリへの電力変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータ装置を搭載している。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置は、高電圧の直流電流を交流電流に変換する高電圧側スイッチング回路、交流高電圧を交流低電圧に変換するトランス、低電圧交流電圧を直流電流に変換する低電圧側スイッチング回路、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置外部へのノイズ伝導を低減させるフィルタ回路、スイッチング回路の制御信号を生成する制御基板等を備えている。

このようなＤＣ−ＤＣコンバータ装置においては、スイッチング回路およびトランスから漏れる電磁ノイズ（放射ノイズ）が、フィルタ回路や制御基板にノイズ伝播することで、ハーネスなどを伝わって電力変換装置の外に漏れ、その電磁ノイズが問題になる。このようなノイズ伝播を抑制する方法としては、例えば、ノイズ源（トランスやスイッチング回路）とフィルタ回路との間にノイズを遮蔽する遮蔽部を有する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

日本国特開２０１３−９０５３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、装置筐体内にさらに遮蔽部を追加することになるため、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置の大型化を招くという問題がある。また、一般的にＤＣ−ＤＣコンバータ装置の筐体はケース外縁で封止される構造であるため、遮蔽壁とケース蓋との間には隙間が生じ易い。そのため、スイッチング回路からフィルタ回路および制御基板にノイズ伝播し、制御回路の精度劣化や誤動作、またはケース外部へノイズが漏れ出す等の問題がある。

本発明の第１の態様によると、電力変換装置は、スイッチング回路およびトランスを含み、高電圧電源側の電圧と低電圧電源側の電圧とを一方向又は双方向に変換するコンバータ回路部と、コンバータ回路部の低電圧側に接続され、インダクタおよびコンデンサを有するフィルタ回路部と、スイッチング回路を制御する制御部が実装される制御基板と、冷却液流路を有する隔壁によって筐体内部空間が第１収納空間と第２収納空間とに仕切られている金属筐体と、を備え、第１収納空間にコンバータ回路部を配置し、第２収納空間にフィルタ回路部および制御基板を配置し、隔壁は、コンバータ回路部とフィルタ回路部とを接続する電力配線が通過する出入り口を有し、インダクタは出入り口に配置されている。

本発明によれば、装置筐体の小型化を図りつつフィルタ回路へのノイズ伝播を防止し、装置外部に伝達されるノイズの低減を図ることができる。

図１は、本発明による電力変換装置を電気自動車のＤＣ−ＤＣコンバータ装置に適用した場合の一例を示す図である。 図２は、コンバータ回路部１００およびフィルタ回路１３０の一例を示す回路図である。 図３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１の分解斜視図である。 図４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１の断面図である。 図５は、収納空間１１ａに配置される電子部品を示す図である。 図６は、収納空間１１ｂに配置される電子部品を示す図である。 図７は、変形例を示す断面図である。 図８は、変形例を示す斜視図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。本実施の形態の電力変換装置は、例えば、図１に示すような電気自動車等のＤＣ−ＤＣコンバータ装置に適用される。図１において、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１には高電圧バッテリ２と低電圧バッテリ３とが接続され、高電圧バッテリ２から低電圧バッテリ３への電力変換、または低電圧バッテリ３から高電圧バッテリ２への電力変換が行われる。高電圧バッテリ２にはインバータ４が接続され、高電圧バッテリ２の電力によりモータ５が駆動される。一方、低電圧バッテリ３は、ヘッドライトやオーディオ等の補機６や補機用制御部（不図示）に電力を供給している。

図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータ装置１は、上述したように双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであって、高電圧側スイッチング回路部１１０、トランス１１５および低電圧側スイッチング回路部１２０を含むコンバータ回路部１００と、そのコンバータ回路部１００の低電圧側すなわち低電圧側スイッチング回路部１２０の出力側に設けられたフィルタ回路１３０とを備えている。ドライバ回路１５０は制御回路１４０からの指令に基づいて、高電圧側スイッチング回路部１１０に設けられた複数のスイッチング素子（図２参照）のスイッチング制御を行う。ドライバ回路１６０は制御回路１４０からの指令に基づいて、低電圧側スイッチング回路部１２０に設けられた複数のスイッチング素子（図２参照）のスイッチング制御を行う。

図２は、コンバータ回路部１００およびフィルタ回路１３０の一例を示す回路図である。高電圧側スイッチング回路部１１０は、Ｈブリッジ型スイッチング回路として接続されたＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）Ｈ１〜Ｈ４と、共振コイルＬｒと、コンデンサＣｃと、平滑コンデンサＣｉｎと、ＩＧＢＴスイッチＨ０と、ＩＧＢＴスイッチＨ０に接続されるシャント抵抗Ｒｉとを備える。平滑コンデンサＣｉｎは、Ｈブリッジ型スイッチング回路の入力側に配置され、高電圧側スイッチング回路部１１０に入力される入力電流を平滑する。スイッチング素子Ｈ１〜Ｈ４のゲート端子には図示しないゲート抵抗が接続されている。これらの電子部品および高電圧側スイッチング回路部１１０を構成するその他の電子部品は、同一の高電圧回路基板上に実装されている。

制御回路１４０は、シャント抵抗Ｒｉの両端の電位差を測定することにより高電圧系の電流を検出することができる。不図示の高電圧電源（図１の高電圧バッテリ２）と平滑コンデンサＣｉｎとの間にはコモンモードフィルタＬｃｍｎとコンデンサＣｙが備えられており、高電圧電源およびバッテリケーブルにコモンモードノイズが伝導するのを防いでいる。

低電圧側スイッチング回路部１２０は、低電圧側での高出力を確保するために、同期整流回路を構成するＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）Ｓ３、Ｓ４と、アクティブクランプ回路を構成するＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）Ｓ１、Ｓ２と、全波整流型の倍電流（カレントダブラー）として構成されたリアクトルＬ１、Ｌ２と、平滑コンデンサＣoutとを備えている。フィルタ回路１３０は、インダクタＬｆおよびコンデンサＣｆを備えている。ＭＯＳＦＥＴＳ１〜Ｓ４のゲート抵抗は図示を省略した。低電圧側スイッチング回路部１２０を構成する電子部品の内、リアクトルＬ１、Ｌ２および平滑コンデンサＣoutを除く電子部品は、同一の低電圧回路基板上に実装されている。

低電圧側スイッチング回路部１２０およびリアクトルＬ１、Ｌ２は、対称性を持たせるように２回路並列配置とすることで高出力化している。加えて、還流ダイオードを持つＭＯＳＦＥＴＳ１、Ｓ２を用いたアクティブクランプ回路を設けることで、スイッチング時のサージ電圧発生を抑制してスイッチング素子の耐圧を低減させ、回路部品の低耐圧化および装置小型化を図っている。

図２に示すようなコンバータ回路部１００およびフィルタ回路１３０を備えるＤＣ−ＤＣコンバータ装置１では、高電圧側スイッチング回路部１１０、トランス１１５および低電圧側スイッチング回路部１２０が漏れ磁束やスイッチングノイズの発生源となる。高電圧側スイッチング回路部１１０や低電圧側スイッチング回路部１２０からの放射ノイズが、制御回路１４０やドライバ回路１５０，１６０が実装されている制御基板１４１（図３参照）やフィルタ回路１３０に重畳すると、そのノイズが原因で、制御基板１４１のハーネスや低電圧側のラインから外部に伝達される伝導ノイズが増加し、例えば、図１に示した補機側の制御回路等に悪影響を及ぼす。そこで、本実施の形態では、筐体構造および各電子部品の配置を工夫することにより、筐体の大型化を避けつつ、外部へのノイズ漏洩の少ないＤＣ−ＤＣコンバータ装置を可能とした。

図３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１の分解斜視図である。また、図４はＤＣ−ＤＣコンバータ装置１の断面図を模式的に示したものである。ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１の筐体は、ケース本体１１、上面ケース蓋１４および下面ケース蓋１５で構成されている。なお、本実施の形態では筐体の外観形状を直方体としているが、直方体に限定されるものではない。また、ケース本体１１、上面ケース蓋１４および下面ケース蓋１５は金属で構成されるが、全体の一部または全部について使用環境条件を満たす他の材料で形成しても良い。なお、図３では、筐体の上下を逆に図示しており、図示上側に下面ケース蓋１５が配置され、図示下側に上面ケース蓋１４が配置されている。

図４に示すように、ケース本体１１の上下方向（図示上下方向）の中程には、冷却流路１３が形成された冷却隔壁１０が形成されている。その結果、ケース本体１１には、冷却隔壁１０の上側の収納空間１１ａと、冷却隔壁１０の下側の収納空間１１ｂとが形成されている。収納空間１１ａの上部開口は上面ケース蓋１４により覆われ、収納空間１１ｂの下部開口は下面ケース蓋１５により覆われる。このように、電子部品が配置される収納空間１１ａ，１１ｂを金属筐体で覆うことにより、放射ノイズの外部への放出および外部からの侵入を低減している。

図３に示すように、冷却隔壁１０には冷却流路１３が形成されており、冷却隔壁１０の下面側には冷却流路１３を覆う金属製の隔壁カバー１３２が固定されている。冷却流路１３と隔壁カバー１３２との間には、冷却媒体が漏れ出ないように、Ｏリングなどのシール（図示せず）が設けられている。ケース本体１１の側壁には、冷却流路１３に冷却液の流入するための流入口１１１および冷却液を排出するための排出口１１２が設けられている。本実施の形態では、冷却媒体としては不凍液と水を１：１で混合したものが一般的に適している。しかし、それ以外の冷却媒体を用いることもできる。

図５は、収納空間１１ａに配置される電子部品を示す図であり、上面ケース蓋１４を取り外した状態を示す。この収納空間１１ａには、図１のコンバータ回路部１００、すなわち図２に示すコモンモードフィルタＬｃｍｎから平滑コンデンサＣoutまでの電子部品が配置される。これらの電子部品は冷却隔壁１０と熱的に接触するように配置されており、各電子部品で発生した熱は、冷却隔壁１０を介して冷却流路１３の冷却媒体へと放熱される。なお、図５では、コンデンサＣout、リアクトルＬ１，Ｌ２は、低電圧側スイッチング回路部１２０の他の部品が搭載される基板とは別に設けられている。

図６は、収納空間１１ｂに配置される電子部品を示す図であり、下面ケース蓋１５を取り外した状態を示す。収納空間１１ｂには、図１に示した制御回路１４０やドライバ回路１５０，１６０が実装された制御基板１４１、およびフィルタ回路１３０を構成するインダクタＬｆ、コンデンサＣｆが配置されている。

このように、本実施の形態においては、筐体内を冷却流路１３が形成された冷却隔壁１０で仕切り、冷却隔壁１０で仕切られた２つの収納空間１１ａ、１１ｂを形成する。そして、収納空間１１ａには、漏れ磁束やスイッチングノイズの発生源である高電圧側スイッチング回路部１１０、トランス１１５および低電圧側スイッチング回路部１２０を配置し、放射ノイズの影響を抑えたい制御基板１４１およびフィルタ回路１３０は、冷却隔壁１０によって収納空間１１ａから隔離された収納空間１１ｂに配置するようにした。その結果、フィルタ回路１３０や制御基板１４１に漏れ磁束やスイッチングノイズ（放射ノイズ）が重畳することによってＤＣ−ＤＣコンバータ装置１の外に漏れるノイズを、本実施の形態では低減することができる。

制御基板１４１には、複数層のプリント回路基板が用いられる。制御基板１４１は冷却隔壁１０の下面側に設けられた隔壁カバー１３２に固定される。隔壁カバー１３２には雌ねじが形成されたボス１３１が複数形成されており、制御基板１４１はそのボス１３１に対してネジ止めされる。もちろん、ボス１３１を設けずに、隔壁カバー面に制御基板１４１を固定しても良い。制御基板１４１のグラウンド（例えば、グラウンドパターン）は、隔壁カバー１３２に電気的に接続される。ケース本体１１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１において最も大きい導体を構成しており、車両のシャーシへ直接ネジ止めまたは金属編組線等のストラップを介して接続されるため、最も電位的に安定するグラウンドとして働く。

そのため、制御基板１４１をケース本体１１の冷却隔壁１０に直接固定することにより、制御基板１４１を安定したグラウンドに接続でき、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１の外に漏れる電磁ノイズの増加を防止できる。また、制御基板１４１を冷却流路１３が形成された冷却隔壁１０に直接固定しているので、制御基板１４１上に実装されたマイコン等の電子部品の放熱性を高めることができる。

上述のように、本実施の形態の電力変換装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１）では、高電圧側スイッチング回路部１１０、低電圧側スイッチング回路部１２０およびトランス１１５を含み、高電圧電源側の電圧と低電圧電源側の電圧とを一方向又は双方向に変換するコンバータ回路部１００と、コンバータ回路部１００の低電圧側に接続され、インダクタＬｆおよびコンデンサＣｆを有するフィルタ回路１３０と、コンバータ回路部１００を制御する制御部（制御回路１４０、ドライバ回路１５０，１６０）と、制御部が実装される制御基板１４１と、冷却流路１３を有する冷却隔壁１０によって筐体内部空間が収納空間１１ａと収納空間１１ｂとに仕切られている金属筐体（ケース本体１１）と、を備え、収納空間１１ａにコンバータ回路部１００を配置し、収納空間１１ｂにフィルタ回路１３０および制御基板１４１を配置した。

冷却流路１３は主にコンバータ回路部１００および制御基板１４１の冷却の為に設けられているものであるが、本実施の形態では、この冷却流路１３が形成されている冷却部を冷却隔壁１０としてケース本体１１の中程に形成することで、収納空間１１ａに配置されたコンバータ回路部１００の放射ノイズや漏れ磁束が、収納空間１１ｂに配置されたフィルタ回路１３０や制御基板１４１に侵入するのを防止している。その結果、フィルタ回路１３０や制御基板１４１から装置外部への伝導ノイズを低減することができる。

また、冷却隔壁１０は、従来、冷却部としてケース本体底面に形成されたものをケース本体１１の中程に移動した構成とほぼ等しく、従来のように新たに電磁ノイズ遮蔽壁を追加する構成に比べて金属筐体の大きさを小さく抑えることができる。さらにまた、冷却隔壁１０では、隔壁の上下両面を冷却面として利用することができるので、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１の設置面積を抑えることも可能となる。

なお、冷却流路１３が形成された冷却隔壁１０は、ケース本体１１と同様に金属で構成されるが、ノイズの影響を低減または遮断できる電磁シールドであれば、形状、厚み、材料（素材）等は任意である。また、冷却隔壁１０は、上述した実施の形態のようにケース本体１１と一体であっても良いし、別体であっても良い。さらにまた、収納空間１１ａおよび収納空間１１ｂの大きさは、収容する基板や回路素子等の大きさなどに応じて設定すれば良く、それに応じて冷却隔壁１０の高さ方向位置を設定する。

ところで、収納空間１１ａに配置されたコンバータ回路部１００の平滑コンデンサＣoutには金属バスバー２０が接続され、この電力配線である金属バスバー２０に収納空間１１ｂに配置されたフィルタ回路１３０が接続されている（図３〜５参照）。そのため、金属バスバー２０は、平滑コンデンサＣoutが配置された収納空間１１ａから、冷却隔壁１０に設けられた出入り口１１４を通って収納空間１１ｂ側に引き出されている。

本実施の形態では、フィルタ回路１３０のインダクタＬｆを上述した出入り口１１４に配置することで、収納空間１１ｂへのノイズ侵入経路となり得る出入り口１１４をインダクタＬｆの磁性体により遮蔽し、ノイズ低減効果を高めるようにした。図４では、インダクタＬｆは出入り口１１４を覆うように配置されており、インダクタＬｆと冷却隔壁１０との隙間は非常に狭くなっている。隙間は無いのが好ましいが、隙間の大きさが放射ノイズを遮蔽できる程度に十分小さければ、隙間があっても構わない。

図７，８は本実施の形態の変形例を示す図である。図７は断面図、図８はケース本体１１の収納空間１１ｂ側を示す斜視図である。この変形例では、図７に示すように、冷却隔壁１０の収納空間１１ｂ側の面に凹部１６を形成し、インダクタＬｆをその凹部１６内に配置した。凹部１６の底面には出入り口１１４が形成されており、その出入り口１１４はインダクタＬｆにより覆われている。

ところで、ノイズフィルタ用のインダクタＬｆの磁性体コアには、磁気飽和を防ぐためにギャップが形成されている。そのギャップにより生じる漏れ磁束が、収納空間１１ｂに配置された制御基板１４１やフィルタ回路１３０のコンデンサＣｆに重畳するおそれがある。しかしながら、上述のように、冷却隔壁１０の収納空間１１ｂに面する壁面に、出入り口１１４が設けられた凹部１６を形成し、その凹部１６内にインダクタＬｆを収納することにより、漏れ磁束が冷却隔壁１０により遮蔽され、漏れ磁束の重畳を防止することができる。また、インダクタＬｆの周囲を冷却隔壁１０で囲むことにより、インダクタＬｆの冷却効果も向上させることができる。発明者による解析では、以上のような本願発明の構造を採用した場合には、ノイズ源をシールド壁と上蓋とで覆うことでノイズ電波を遮蔽ような従来の構造と比べて、約２０dB程度ノイズが低減できることが確認された。

なお、図４に示すように、インダクタＬｆの漏れ磁束のコンデンサＣｆへの悪影響を抑えるために、ケース本体１１に凹部１１７を形成して、その凹部１１７内にコンデンサＣｆを配置するようにしても良い。

また、図４に示す例では、フィルタ回路１３０のコンデンサＣｆにセラミックコンデンサを使用し、制御基板１４１とは別に配置する構成とした。一方、図７，８に示す変形例では、コンデンサＣｆを制御基板１４１上に実装したことにより、コンデンサＣｆ用の基板を削減することができ、さらなる小型化を図ることができる。また、コンデンサの種類に関しても、静電容量を蓄積できれば、プラスチックフィルムコンデンサ等を使用しても良い。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置１は、本発明の電力変換装置の一実施の形態を示すものであり、各装置の形状・構造等は、種々、変形して適用が可能である。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ装置に限らず、ＡＣ−ＤＣコンバータ装置等にも適用することができる。さらにまた、冷却流路１３に液体の冷却媒体を流通させる構成としたが、他に、空気等の冷却気体を冷却媒体に用いても差し支えはない。

次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１４年第４０４０９号（２０１４年３月３日出願）

１…ＤＣ−ＤＣコンバータ装置、２…高電圧バッテリ、３…低電圧バッテリ、１０…冷却隔壁、１１…ケース本体、１１ａ、１１ｂ…収納空間、１３…冷却流路、１４…上面ケース蓋、１５…下面ケース蓋、１６，１１７…凹部、１００…コンバータ回路部、１１０…高電圧側スイッチング回路部、１１４…出入り口、１１５…トランス、１２０…低電圧側スイッチング回路部、１３０…フィルタ回路、１４１…制御基板

Claims (3)

1. スイッチング回路およびトランスを含み、高電圧電源側の電圧と低電圧電源側の電圧とを一方向又は双方向に変換するコンバータ回路部と、
   前記コンバータ回路部の低電圧側に接続され、インダクタおよびコンデンサを有するフィルタ回路部と、
   前記スイッチング回路を制御する制御部が実装される制御基板と、
   冷却液流路を有する隔壁によって筐体内部空間が第１収納空間と第２収納空間とに仕切られている金属筐体と、を備え、
   前記第１収納空間に前記コンバータ回路部を配置し、前記第２収納空間に前記フィルタ回路部および前記制御基板を配置し、
   前記隔壁は、前記コンバータ回路部と前記フィルタ回路部とを接続する電力配線が通過する出入り口を有し、
   前記インダクタは前記出入り口に配置されている電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記隔壁の前記第２収納空間に面する壁面には凹部が形成され、該凹部に前記出入り口が設けられており、
   前記インダクタは前記凹部内に収納されている電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記制御基板は前記隔壁に固定され、前記制御基板のグラウンドが前記隔壁に電気的に接続されている電力変換装置。

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