JP6180489B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石式交流同期モータを代表とする回転電機を駆動する電力変換装置に関するものである。

近年、ハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車、電気自動車等の電動パワ
ートレインコンポーネントを搭載した自動車が普及している。これらの車両では、駆動力
を得るためのモータ（回転電機）とそれを駆動するためのインバータ、即ち電力変換装置
とを搭載している。この電力変換装置はパワー半導体素子を使用してバッテリーの電力を
直流から交流に変換しており、その変換に際して発生するリプルの除去等を目的に、平滑コンデンサを搭載している。この電力変換装置については、その搭載容易性を要求し小型化のニーズがある。電力変換装置の中で平滑コンデンサが占める容積割合は大きく、従ってそのサイズを小型化するための提案が従来からなされている。

コンデンサを小型化するためには、温度上昇を抑制することが効果的とされる。例えば、特開２００８−１４８５３０号公報（特許文献１）では、コンデンサのエレメントを接続する結線導体について、その一部をコンデンサ正負端子とし、別の一部を伝熱部として、かつ、この結線導体の伝熱部と接触する電気絶縁性の放熱板を備えた構成とすることにより、コンデンサエレメントから冷却器までの伝熱経路の熱抵抗を低減し、小型化を可能とするインバータ装置を提案している。

特開２００８−１４８５３０号公報

一方、近年においては、電力変換装置の小型、高効率化を求めて、炭化珪素（ＳｉＣ）等のワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子に適用することも考えられている。そして、高周波駆動とすることで、受動部品を小型化することができる。このような高周波駆動化を考えた場合、コンデンサの温度上昇をエレメントとエレメントから正負端子に接続する結線導体（以下、バスバーという。)で比べると、バスバーの温度上昇が大きい。即ち、高周波駆動化を考慮した場合、コンデンサはエレメントよりもバスバーを積極的に冷却する構成が有効と言える。

ここで、前記特許文献１を見ると、高周波駆動化してバスバーの温度上昇がエレメントの温度上昇より大きくなった場合に、バスバーの熱がエレメントに移る点を考慮できていない。即ち、エレメントからバスバー(伝熱部)を介して放熱板に伝熱する経路として放熱、冷却する提案であるが、バスバー(伝熱部)からエレメントへの伝熱に対しては対処できていないと言える。

この発明は係る問題点を解決し、高温となるスイッチング素子を冷却しつつ、高周波駆動対応化のため、バスバーを積極的に冷却し、コンデンサのエレメントを高温としない電力変換装置を実現することを目的とする。

この発明に係る電力変換装置は、車両に搭載された回転電機と電力の授受を行う電力変換装置において、オン、オフの切り替えにより入力電力の変換を行うスイッチング素子と、前記入力電力を平滑化するコンデンサと、前記スイッチング素子と前記コンデンサを同一平面上に配置して冷却する冷却器と、一端が前記スイッチング素子に接続されて前記スイッチング素子の前記冷却器に接する面に近接した位置から取り出され、他端が前記コンデンサに接続されて前記コンデンサの前記冷却器に接する面に近接した位置から取り出された一つの接続部と、前記接続部に一面が接し、他面が前記冷却器に接する電気絶縁性熱伝導材と、を備えたものである。

この発明に係る電力変換装置によれば、前記構成により、高温となるスイッチング素子を冷却しつつ、コンデンサのエレメントよりもバスバーを積極的に冷却することができる。このため、高周波駆動化を図った場合、コンデンサのエレメントよりもバスバーの温度上昇が大きくなるとしても、バスバーを積極的に冷却して温度上昇を緩和し、かつバスバーの熱がコンデンサのエレメントに伝搬することも抑止できる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を用いた電動パワートレインコンポーネントを搭載した自動車の概略構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の部品配置と接続構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の部品配置と接続構成を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る電力変換装置の部品配置と接続構成を示す図である。

以下、この発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を用いた電動パワートレインコンポーネントを搭載した自動車の概略構成を示している。
図１において、符号１０は電力変換装置を示し、電力変換装置１０は、電力を蓄える高電圧バッテリー２０とモータ３０との間で直流と交流の電力変換を行う。電力変換装置１０は、電力を平滑化するコンデンサ１１、制御によって駆動されるスイッチング素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、スイッチング素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆのそれぞれに逆方向に併設されたダイオード１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆを備えている。なお、本実施の形態においては、高電圧バッテリー２０はニッケル水素電池やリチウムイオン電池を、スイッチング素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆはシリコン（Ｓｉ）のＩＧＢＴや炭化珪素（ＳｉＣ）のＭＯＳＦＥＴを、コンデンサ１１はフィルムコンデンサをそれぞれ用いるが、これ以外であっても構わない。

図２は、実施の形態１に係る電力変換装置１０の部品配置と接続構成を示している。
図２において、コンデンサ１１には第１の接続部１４が設けられている。コンデンサ１１は、エレメントが樹脂などのケースに内包されており、このエレメントに接続された第１の接続部１４がコンデンサ１１の外部に引き出された構成となっている。また、スイッチング素子１２ａには第２の接続部１５が設けられている。コンデンサ１１とスイッチング素子１２ａは冷却器１６に配置されている。

符号１７は電気絶縁性熱伝導材を示し、電気絶縁性熱伝導材１７は電気絶縁材１７ａと伝熱材１７ｂとから構成されている。なお、前記においては、スイッチング素子１２ａとコンデンサ１１、及び冷却器１６との関係について説明したが、スイッチング素子１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆのそれぞれとコンデンサ１１、及び冷却器１６との関係についても同様に構成されている。また、図２の破線で示すように、冷却器１６に流体路Ｌを形成し、この流体路Ｌに冷却流体を通すように構成してもよい。この場合、スイッチング素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、電気絶縁性熱伝導材１７、及びコンデンサ１１の冷却効果を一層高めることが可能になる。ここで、コンデンサ１１は、発熱部がエレメントでこのエレメントがケースで覆われていることを考慮すると、流体路Ｌは、冷却器１６の電気絶縁性熱伝導材１７と接する部位に形成して、コンデンサ１１の下の部位には形成しない構成としてもよい。このようにすることで、冷却器１６の構造を簡素化して開発、製造工程を削減し、低コスト化が可能となり効果的である。

本実施の形態においては、コンデンサ１１はリプルの除去用を想定しているが、たとえばノイズフィルタ用のコンデンサを含めるなどとしてもよい。また、図２においてスイッチング素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆとしているが、複数のスイッチング素子を内蔵したモジュールであってもよく、またダイオード１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆを内蔵してもよい。

また、電気絶縁材１７ａは樹脂を、伝熱材１７ｂはグリスをそれぞれ用いている。更に、第１の接続部１４と第２の接続部１５は溶接により接続されていることを想定するが、第１の接続部１４と第２の接続部１５の接続手段はこれに限らなくてもよい。また、本実施の形態において、電気絶縁性熱伝導材１７は冷却器１６にあらかじめ実装してもよく、あるいは第１の接続部１４または第２の接続部１５にあらかじめ固定する構成としてもよい。

前記のように、実施の形態１に係る電力変換装置１０は、第１の接続部１４をコンデンサ１１の冷却器１６に接する面に近接した位置から取り出すと共に、第２の接続部１５をスイッチング素子１２ａの冷却器１６に接する面に近接した位置から取り出している。また、第１の接続部１４と第２の接続部１５は互いに接続される構成とし、第１の接続部１４と第２の接続部１５の接続部分に一方が接し、他方は冷却器１６に接する電気絶縁性熱伝導材１７を設けている。これにより、高温となるスイッチング素子１２ａを冷却しつつ、コンデンサ１１のエレメントよりも第１の接続部１４と第２の接続部１５、即ちバスバーを積極的に冷却することができる。このため、高周波駆動化を図った場合でも、この状況でコンデンサ１１のエレメントよりもバスバーの温度上昇が大きくなるとしても、バスバーを積極的に冷却することからその温度上昇を緩和し、かつバスバーの熱がコンデンサ１１のエレメントに伝搬することも抑止できる。

また、電気絶縁性熱伝導材１７は、電気絶縁材１７ａとして樹脂を使用すると共に、伝熱材１７ｂとしてグリスを使用することにより、電気絶縁を確保しつつバスバーの熱を積極的に放熱することができる。

また、電気絶縁性熱伝導材１７は、電気絶縁材１７ａとして樹脂を使用すると共に、伝熱材１７ｂとしてグリスを使用し、冷却器１６に接する構成としていることから、第１の接続部１４と第２の接続部１５の寸法の変化を吸収する弾性変形部を備えることになり、コンデンサ１１と第１の接続部１４ないしスイッチング素子１２ａと第２の接続部１５の寸法公差を吸収することができる。

更に、電気絶縁性熱伝導材１７が冷却器１６、あるいは第１の接続部１４ないし第２の接続部１５にあらかじめ固定された構成とすることで、組み立ての容易性を確保しつつ、バスバーの積極的冷却を実現することができる。

また、本実施の形態においては、電気絶縁性熱伝導材１７の一面を第１の接続部１４と第２の接続部１５の接続部分に接する構成について説明したが、第１の接続部１４と第２の接続部１５の何れかに接する構成にしても前記と同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置について説明する。実施の形態２に係る電力変換装置は、実施の形態１で説明した電力変換装置１０において、第１の接続部１４と第２の接続部１５をボルトを介して接続し、電気絶縁性熱伝導材１７に袋ナット部を設け、ボルトを袋ナット部に螺合することにより第１の接続部１４と第２の接続部１５が締結されるように構成したものである。以下、実施の形態２に係る電力変換装置を図３を用いて説明する。

図３は、実施の形態２に係る電力変換装置の部品配置と接続構成を示している。図３において、符号１７ｃは電気絶縁性熱伝導材１７に設けられた袋ナット部を示し、ボルト１８が袋ナット部１７ｃに螺合することにより、第１の接続部１４と第２の接続部１５が締結される。

なお、本実施の形態において、袋ナット部１７ｃを設けた電気絶縁性熱伝導材１７は、冷却器１６にあらかじめ実装してもよく、あるいは第１の接続部１４ないし第２の接続部１５にあらかじめ固定して成す構成としてもよい。

以上のようにすることにより、第１の接続部１４と第２の接続部１５はボルト１８を介して接続され、電気絶縁性熱伝導材１７は袋ナット部１７ｃを設けており、第１の接続部１４と第２の接続部１５はボルト１８によって袋ナット部１７ｃに締結されることにより、ナットを追加して第１の接続部１４と第２の接続部１５をボルト１８で締結することによる熱抵抗の増加による冷却器１６への伝熱性の低下や、ナットの追加スペースを必要とすることによる小型化の阻害要因を抑止することができる。

また、電気絶縁性熱伝導材１７が冷却器１６、あるいは第１の接続部１４ないし第２の接続部１５にあらかじめ固定された構成とすることにより、組み立ての容易性を確保しつつ、バスバーの積極的冷却を実現することができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る電力変換装置について説明する。図４は、実施の形態３に係る電力変換装置の部品配置と接続構成を示す図である。
実施の形態１では、コンデンサ１１に第１の接続部１４を設けると共に、スイッチング素子１２ａに第２の接続部１５を設け、第１の接続部１４と第２の接続部１５を溶接により接続されている実施の形態を説明した。また、実施の形態２では、コンデンサ１１に第１の接続部１４を設けると共に、スイッチング素子１２ａに第２の接続部１５を設け、第１の接続部１４と第２の接続部１５を電気絶縁性熱伝導材１７に設けた袋ナット部にボルトを螺合して第１の接続部１４と第２の接続部１５を接続する実施の形態を説明した。

実施の形態３に係る電力変換装置１０は、コンデンサ１１とスイッチング素子１２ａとを一つの接続部１９で接続したものである。即ち、接続部１９は、一端がスイッチング素子１２ａに接続されてスイッチング素子１２ａの冷却器１６に接する面に近接した位置から取り出され、他端がコンデンサ１１に接続されてコンデンサ１１の冷却器１６に接する面に近接した位置から取り出されている。なお、その他の構成については、実施の形態１と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。

この実施の形態３に係る電力変換装置１０においても、実施の形態１で説明した効果と同様の効果を得ることができる。

以上、この発明の実施の形態１から３に係る電力変換装置について説明したが、この発明は、その発明の範囲において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１０ 電力変換装置、１１ コンデンサ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ スイッチング素子、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ ダイオード、１４ 第１の接続部、１５ 第２の接続部、１６ 冷却器、１７ 電気絶縁性熱伝導材、１７ａ 電気絶縁材、１７ｂ 伝熱材、１７ｃ 袋ナット部、１８ ボルト、１９ 接続部、２０ 高電圧バッテリー、３０ モータ、Ｌ 流体路

Claims (6)

1. 車両に搭載された回転電機と電力の授受を行う電力変換装置において、
   オン、オフの切り替えにより入力電力の変換を行うスイッチング素子と、
   前記入力電力を平滑化するコンデンサと、
   前記スイッチング素子と前記コンデンサを同一平面上に配置して冷却する冷却器と、
   一端が前記スイッチング素子に接続されて前記スイッチング素子の前記冷却器に接する面に近接した位置から取り出され、他端が前記コンデンサに接続されて前記コンデンサの前記冷却器に接する面に近接した位置から取り出された一つの接続部と、
   前記接続部に一面が接し、他面が前記冷却器に接する電気絶縁性熱伝導材と、
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記電気絶縁性熱伝導材は、前記接続部の寸法の変化を吸収する弾性変形部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電気絶縁性熱伝導材は、電気絶縁性を有する樹脂と伝熱性を有するグリスにより構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記電気絶縁性熱伝導材は、前記冷却器にあらかじめ固定されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記電気絶縁性熱伝導材は、前記接続部にあらかじめ固定されていることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記冷却器は、少なくとも前記電気絶縁性熱伝導材と接する部位に冷却流体を通す流体路を有することを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の電力変換装置。