JP6180805B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
電力変換装置では、大電流の充放電が必要とされるため、コンデンサ装置内部のESR(Equivalent Series Resistance:等価直列抵抗)を小さくして損失を少なくすること、および外部への放熱性を良好にすることが望まれる。また、車両などに搭載されると振動を受けるので、耐振動性が要求される。
電気二重層コンデンサの一対の集電体電極板の一方に、接続リードを介して一方の電極板を接続し、集電体電極板の他方に、接続リードを介して他方の電極板を接続する。電気二重層コンデンサの外周にリング状のスペーサ部材を取り付け、ケース内に収納する。一方・他方の電極板の中央部には突起が設けられており、該両突起がケース設けられた開口部から外部に突出され、電気二重層コンデンサとケースとの間には、スペース部材の幅に対応する空間が形成されている(例えば、特許文献1参照)。
[コンデンサ装置]
図1〜図6を参照して、本発明のコンデンサ装置の一実施の形態を説明する。
図1は、本発明のコンデンサ装置の一実施の形態を示す外観斜視図であり、図1(A)は一方の電極側から観た図、図1(B)は他方の電極側から観た図である。図2は、図1に図示されたコンデンサ装置の断面図あり、図3〜図6は、図1(A)、図1(B)に図示されたコンデンサ装置の製造方法を説明するための分解斜視図である。
コンデンサ装置100は、内部にフィルムコンデンサ素子101を内蔵し、ほぼ円柱形状を有する。
コンデンサ装置100の軸方向の一端側には、第1電極110が設けられ、他端側には第2電極120が設けられている。コンデンサ装置100における柱部の外周面、および軸方向の両側面は、第1電極110および第2電極それぞれの中央部を露出して被覆膜131で覆われている。
第1電極110および第2電極は、導電性金属部材により形成されており、それぞれの中心軸は、フィルムコンデンサ素子101の一側面101aまたは他側面101bの中心と同軸上に配設されている。
第1電極110は、フィルムコンデンサ素子101の一側面101a、すなわち、導電性接合材102aに接合されている。同様に、第2電極120は、フィルムコンデンサ素子101の他側面101b、すなわち、導電性接合材102bに接合されている。
フィルムコンデンサ素子101を構成する一対の導電性フィルムの金属膜の各々は、各導電性フィルムに形成された金属膜非形成領域により、導電性接合材102a、102bにより第1電極110または第2電極120のみに接続されている。
第2電極120は、平面視で円板状の周縁部121と、この周縁部121に連なって中央に形成された突出部122を有している。周縁部121はフィルムコンデンサ素子101の他側面101bの導電性接合材102bに接合される。突出部122は、周縁部121から立ち上げて形成され、頭部を有する円筒形形状を有する。突出部122は、第1電極110の突出部112とは異なり、外周縁に張出部を備えていない。すなわち、スナップボタン構造ではない。
開口部131a、131bの径は、それぞれ、第1電極110の周縁部111、121の径より小さく、突出部112、122の径より大きい。よって、被覆膜131は、フィルムコンデンサ素子101の一側面101a側および他側面101b側において、それぞれ、第1電極110の周縁部111の外周側または第2電極120の周縁部121の外周側を覆って形成されている。
図3〜図6を参照して、コンデンサ装置100の製造方法を説明する。
図3は、図1に図示されたコンデンサ装置の製造方法を説明するための分解斜視図であり、図4は、図3に続く工程を説明するための分解斜視図であり、図4(A)は一方の電極側から観た図、図4(B)は他方の電極側から観た図である。図5は図4に続く工程を説明するための図であり、図5(A)は一方の電極側から観た斜視図であり、図5(B)は図5(A)における電極接合部の平面図である。また、図6は図4に続く工程を説明するための図であり、図6(A)は他方の電極側から観た斜視図であり、図6(B)は図6(A)における電極接合部の平面図である。
先ず、フィルムコンデンサ素子101を準備する。上述した如く、フィルムコンデンサ素子101を形成する対向する一対の導電性フィルムは、それぞれ、他方の導電性フィルムとは反対側の側面に金属膜非形成領域を有している。
同様に、図6(a)に図示されるように、フィルムコンデンサ素子101の他側面101bに被着された導電性接合材102bに第2電極120を溶接する。図6(b)に図示されるように、第2電極120の周縁部121を、周方向に沿う複数個所を溶接部123で溶接することが好ましい。溶接法としては、レーザ溶接が好ましい。
この後、フィルムコンデンサ素子101および第1電極110と第2電極120のそれぞれの外周側を被覆膜131で覆う。
次に、コンデンサ装置100の被覆膜形成方法の一例を説明する。
図7(A)、図7(B)は、図1に図示されたコンデンサ装置の被覆膜形成方法を説明するための図である。
コンデンサ装置100の被覆膜131の形成は、図6に図示された被覆膜形成前のコンデンサ装置(以下、「電極付きフィルムコンデンサ素子」という)を保持治具150に取り付けた状態で行う。
保持治具150は、治具本体151、保持部材155a、155bおよび摺動部材152を備えている。治具本体151は、把持部151bと、L字形状に屈曲された支持部151aとを有する。治具本体151には、溝または貫通孔が形成されており、この溝または貫通孔に摺動部材152が摺動可能に取り付けられている。摺動部材152はL字状に屈曲された支持部152aおよび摺動時の操作部152bを有する。治具本体151には、摺動部材152の移動をロックするロック機構部153が設けられている。ロック機構部153は、図示はしないが、例えば、摺動部材152の長手方向に等間隔に設けられた切欠きと、この切欠きに係脱される係止片とから構成される。
摺動部材152の支持部152aに保持部材155bが取り付けられている。保持部材155bには、円筒形の覆い部161bが形成され、覆い部161bには、コンデンサ装置100の第2電極120を嵌入する凹部157が設けられている。覆い部161bの径は、第2電極120の突出部122の径より大きく、第2電極120の周縁部121の径より小さい。
この後、保持部材155aの雌型スナップボタン156に電極付きフィルムコンデンサ素子の第1電極110の突出部112を係入する。また、操作部152bを掴んで摺動部材152を引込めながら、換言すれば、保持部材155aと保持部材155b間の間隔を狭めながら、保持部材155bの凹部157を電極付きフィルムコンデンサ素子の第2電極120の突出部122に嵌入する。これにより、電極付きフィルムコンデンサ素子が、保持治具150の保持部材155a、155bにより保持された状態となる。この状態で、ロック機構部153を操作して、摺動部材152をロックする。この状態を図7(B)に図示する。
従って、電極付きフィルムコンデンサ素子の柱部の外周の外表面、一側面101aにおける覆い部161aから表出する外表面、および他側面101bにおける覆い部161bから表出する外表面には被覆膜131が被着する。
また、被覆膜131の厚さは、限定する意味ではないが、典型的には1〜2mm程度とすることができる。
コンデンサ装置100の被覆膜形成方法の他の一例を説明する。
図8(A)、(B)は、図1に図示されたコンデンサ装置の被覆膜形成方法の他の例を説明するための図であり、図9は図8に図示されたコンデンサ装置の回転保持具の分解斜視図である。
第2の被覆膜形成方法は、図6に図示された状態の、被覆膜形成前のコンデンサ装置(以下、「電極付きフィルムコンデンサ素子」という)を回転保持具170に取り付け、回転保持具170を被覆膜の材料が収容された被膜液槽180上で転動させることにより行う。
従って、電極付きフィルムコンデンサ素子の柱部の外周の外表面、一側面101aにおける第1電極支持部材171から表出する外表面、他側面101bにおける第2電極支持部材173から表出する外表面には被覆膜131が被着する。
(1)フィルムコンデンサ素子101の一側面101a、他側面101bのそれぞれに設けられている導電性接合材102a、102bを介して、第1電極110、第2電極120の板面を接合した。このため、フィルムコンデンサ素子101の導電性接合材(メタリコン)102a、102bと第1電極110、第2電極120との接続面積が広くなり、従来の接続リードによる接続に比し、ESRを小さくし、損失を低減することができる。
(3)上述した如く、コンデンサ装置100の保護部材を、フィルムコンデンサ素子101の外表面に被着された被覆膜131としたので、周囲の実装部品との接触による損傷や、振動時におけるコンデンサ装置100内部の部材、例えば、フィルムコンデンサ素子101と保護用ケースとの擦れによる損傷を防止することができる。
(5)第1電極110の周縁部111の外周側および第2電極120の周縁部121の外周側を被覆膜131により覆うことにより、コンデンサ装置100は、第1電極110、第2電極120および被覆膜131により外部から密封される。このため、コンデンサ装置100の耐湿性、耐薬品性、異物侵入防止機能等、耐環境性の向上を図ることができる。
次に、上記一実施の形態に示されたコンデンサ装置100を備える電力変換装置について説明する。
図10は、図1に図示されたコンデンサ装置が搭載された本発明の電力変換装置の一実施の形態を示す外観斜視図であり、図11は、図10における電力変換装置の上部カバーを取り外した状態の外観斜視図であり、図12は、電力変換装置におけるベースケースと該ベースケース内に収納されたコンデンサ装置集合体との分解斜視図である。また、図13は、図12に図示されたベースケースを裏面側から観た外観斜視図であり、図14は、図12に図示されたコンデンサ装置集合体において、ゲート制御基板を取り外した状態を示す外観斜視図である。
ハイブリッド自動車や電気自動車には、モータに駆動用電力を供給する電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、電池から供給された直流電力を交流電力に変換してモータを駆動し、また、逆にモータで回生した交流電力を直流電力に変換し電池に蓄電する。
電力変換装置は、パワー半導体素子を有するパワーモジュールを備え、高い出力を得るため高電圧で、半導体素子のオン・オフ動作を制御してモータを駆動する。
オン・オフ動作に伴って、半導体素子から発生される発熱量は大きいため、パワーモジュールは、放熱性能の高い構造であることが要求される。
ベースケース2と上部カバー3とは、アルミニウムダイキャストのような金属製材料により形成されている。ベースケース2は、上部および底部が開口された、枠型ボックス状に形成されている。図12、13に図示されるように、ベースケース2の上部側には、コンデンサ装置集合体500に設けられたゲート制御基板501に接続されたモータ制御基板11が取り付けられている。
コンデンサ装置集合体500は、電力変換を行うための複数のパワー半導体モジュール200(図23参照;電力変換部)を備えている。
図11に示すように、ベースケース2には、冷却水等の冷却媒体を流入する入口配管21および冷却媒体を流出する出口配管22が設けられている。また、ベースケース2には、パワー半導体モジュール200に高電圧の電力を供給する入力コネクタ31、パワー半導体モジュール200の交流出力端子に接続される出力コネクタ32およびパワー半導体モジュール200の信号端子に接続される信号コネクタ33が取り付けられている。
コンデンサ装置集合体500は、パワーモジュール400と、バスバユニット300と、複数のACバスバ351と、複数のコンデンサ装置100とを備えている。
パワーモジュール400は、メインケース401と、複数(本実施形態では6個として例示)のパワー半導体モジュール200とを備えている。メインケース401は、アルミニウムダイキャスト等の金属材料により形成されており、図21〜図23に図示されるように、ベース板410、および冷却媒体流路を形成する周壁部430と上部壁420とが一体に形成されている。周壁部430と上部壁420は、流路形成体を構成する。上部壁420には、パワー半導体モジュール200が挿通される貫通孔421が設けられている。貫通孔421は、各パワー半導体モジュール200が相互に間隔をおいて配置されるように、所定の間隔で直線状に配列されている。ベース板410には、開口部411が設けられており、開口部411は、Oリング等のシール部材491を介在して、ボルト等の締結部材によりベース板410に固定される蓋体412により閉塞されている。ベース板410の開口部411を塞ぐ蓋体412、周壁部430および上壁部420により冷却流路用空間が形成される。
各パワー半導体モジュール200は、図23に図示されるように、放熱用フィン201が設けられた金属製ケース210内に、不図示のパワー半導体素子およびダイオードが接続された金属板により挟持された半導体素子ユニットを収納して、樹脂を充填した構造を有する。金属製ケース210は、フランジ211を有する。各パワー半導体モジュール200は、直流正極端子221、直流負極端子222、信号端子223、交流出力端子225を備えている。
パワー半導体モジュール200の構造およびパワー半導体モジュール200に内蔵される上下直列アーム回路の詳細は、例えば、特開2013−051363号公報に開示されている。
貫通孔の深さは、パワー半導体モジュール200の高さより小さく、パワー半導体モジュール200は上部壁420に固定された状態で、放熱用フィン201が冷却用空間内に配置される。
ACバスバ351のそれぞれは、先端351a側が電流検出部材460の開口部461内を挿通された状態で、ボルト等の締結部材によりACバスバホルダ451に固定されている。各ACバスバ351は、電流検出部材460の開口部461内を挿通された状態で、先端351aがパワー半導体モジュール200の交流出力端子225に溶接される。
図19に図示されるように、バスバユニット300は、メインケース401の第1側壁431に対向する第1対向側壁311およびメインケース401の第2側壁432に対向する第2対向側壁312を有する、ほぼL字形状に形成されている。
第1対向側壁311および第2対向側壁312には、半円筒状の溝321が設けられている。
なお、コンデンサ装置集合体500の小型化を図るため、各コンデンサ固定用バンド601は、その高さが、コンデンサ装置100の高さの半分以下とされ、第1対向側壁311および第2対向側壁312における高さ方向にずれた位置に取り付けられる。
図24(A)は、バスバユニットを一面側から観た斜視図であり、図24(B)は、図24(A)に図示されたバスバユニットを裏面側から上下を反転して観た斜視図である。図25(A)は、バスバユニットを構成する正極側保持板を一面側から観た斜視図であり、図25(B)は図25(A)に図示された正極側保持板を裏面側から上下を反転して観た図であり、図25(C)は、図25(B)に図示された正極側保持板にスナップボタン型の接続端子を溶接した図である。また、図26は、図25に続く工程を説明するための図であり、図26(A)、図26(B)は、正極側保持板に絶縁板を取り付ける方法を説明するための斜視図であり、図27は、図26に続く工程を説明するための図である。
図24(A)、図24(B)に図示されたバスバユニット300は、図27に図示される金属製の正極側保持板(第1の保持板)361および負極側保持板(第2の保持板)371を樹脂により一体成形して形成された部材である。
図25(A)、図25(B)に図示されるように、正極側保持板361は、L字状に折曲された形状を有し、上端側に上側縁部361aが形成されている。また、正極側保持板361には、各パワー半導体モジュール200に対応する位置に矩形状の切欠き361bが形成されている。
正極側バスバ362は、先端362aと反対側に、ほぼ直角に折曲された根元部362bを有する。各正極側バスバ362を、正極側保持板361の外側から内側に向けて、先端362aから切欠き361bを挿通する。正極側バスバ362の根元部362bをレーザ溶接またはスポット溶接等により正極側バスバ362に接合する。
図17に図示されるように、メインケース401の第2側壁432は、第1側壁431より低い高さに形成されており、正極側バスバ362および負極側バスバ372は、第2側壁432上を内方に向かって延出され、パワー半導体モジュール200の直流正極端子221および直流負極端子222に接合される。
上述した如く、負極側保持板371の端子形成部371aは、絶縁体である樹脂部310の下側縁部310bを介在してメインケース401のベース板410上に積層されているため、上下方向に変位することはできない。しかし、正極側保持板361の端子形成部361aおよびバスバユニット300の上側縁部310aは弾性を有しており、換言すれば、弾性構造部を有しており、先端側が上下に変位させることができる。
このため、コンデンサ装置100の取付け作業を効率的に行うことができる。また、この取付け作業では、コンデンサ装置100には圧縮応力が作用するので、第1電極110とフィルムコンデンサ素子101との接合、および第2電極120とフィルムコンデンサ素子101との接合に対する負荷を小さくすることができる。逆に、コンデンサ装置100に引っ張り応力が作用する場合には、電気的接続に悪影響が生じる。
さらに、取付け後は、正極側保持板361の端子形成部361aの復元力により、コンデンサ装置100は正極側保持板361の端子形成部361aと負極側保持板371の端子形成部371aとの間に挟圧される。このため、コンデンサ装置100の第1電極110と接続端子365との接続、およびコンデンサ装置100の第2電極120と端子形成部371aとの接続は確実となり、耐振動性に優れている。なお、正極側保持板361の端子形成部361aは、上下方向に変位できないように、剛性の大きい材料で形成してもよい。
入口流路481から流入した冷却媒体は、矢印に示すように、各パワー半導体モジュール200の間を通り、各パワー半導体モジュール200を冷却して出口流路482から流出する。
コンデンサ装置100が取り付けられたバスバユニット300は、第1対向側壁311と第2対向側壁312が、それぞれ、メインケース401の第1側壁431と第2側壁432に接触している。このため、各コンデンサ装置100を、第1対向側壁311と第2対向側壁312、およびメインケース401の第1側壁431と第2側壁432を介して、メインケース401を循環する冷却媒体により冷却することができる。つまり、コンデンサ装置100から発生する熱を、効率的に冷却経路路に放出することができる。
(1)コンデンサ装置100を、弾性構造部を有する正極側保持板361により支持するようにした。コンデンサ装置100は、発生する熱により伸縮するが、正極側保持板361の弾性構造部がコンデンサ装置100の伸縮に追随して変形するので、コンデンサ装置100内部における熱応力が抑制される
(2)コンデンサ装置100を、弾性構造部を有する正極側保持板361により支持するようにした。コンデンサ装置100は、第1電極110を弾性構造部側に当接し、コンデンサ装置100を開放側に移動して弾性構造部を開放側に変位させて、接続端子365と負極側保持板371の端子形成部371aとの間にコンデンサ装置100を取り付けることができる。このため、コンデンサ装置100の取付け作業性がよい。
また、この取付け作業では、コンデンサ装置100には圧縮応力が作用するので、第1電極110とフィルムコンデンサ素子101との接合、および第2電極120とフィルムコンデンサ素子101との接合に対する負荷を小さくすることができる。
さらに、取付け後は、弾性構造部の復元力により、コンデンサ装置100は正極側保持板361の端子形成部361aと負極側保持板371の端子形成部371aとの間に挟圧される。このため、コンデンサ装置100の第1電極110と接続端子365との接続、およびコンデンサ装置100の第2電極120と端子形成部371aとの接続は確実となり、耐振動性に優れている。
また、コンデンサ装置100としては、電力変換装置1以外にも、種々の電気回路装置に適用が可能である。
100 コンデンサ装置
101 フィルムコンデンサ素子
101a 一側面
101b 他側面
102a、102b 導電性接合材
110 第1電極
111、121 周縁部
112、122 突出部
120 第2電極
131 被覆膜
150 保持治具
170 回転保持具
200 パワー半導体モジュール
300 バスバユニット
310 樹脂部
311 第1対向側壁
312 第2対向側壁
361 正極側保持板(第1の保持板)
361a 端子形成部(弾性構造部)
362 正極側バスバ
365 接続端子(第1の接続部)
371 負極側保持板(第2の保持板)
372 負極側バスバ
400 パワーモジュール
401 メインケース(ケース)
410 ベース板
431 第1側壁
432 第2側壁
500 コンデンサ装置集合体
Claims (4)
- 積層された導電性フィルムの対向する一対の側端により、ほぼ平面状の一側面および他側面が形成されたフィルムコンデンサ素子と、前記フィルムコンデンサ素子の前記一側面に導電性接合材を介して接合された第1電極と、前記フィルムコンデンサ素子の前記他側面に導電性接合材を介して接合された第2電極と、前記フィルムコンデンサ素子における前記一側面と前記他側面間の外表面全体、および前記フィルムコンデンサ素子における前記一側面および前記他側面それぞれの周縁側の外表面を覆って被着された被覆膜と、を備え、前記被覆膜は、前記第1電極および前記第2電極それぞれの少なくとも外周側を覆って被着されている、複数個のコンデンサ装置と、
電力変換部と、
前記各コンデンサ装置の前記第1電極に接続される第1の接続部を有する第1の保持板と、
前記各コンデンサ装置の前記第2電極に接続される第2の接続部を有する第2の保持板と、
前記第1の保持板の前記第1の接続部と前記電力変換部を接続する第1の導電手段と、
前記第2の保持板の前記第2の接続部と前記電力変換部を接続する第2の導電手段と、を備え、
前記第1の保持板および前記第2の保持板の一方は弾性構造部を有し、前記各コンデンサ装置は、前記弾性構造部の弾性力により前記第1の保持板と前記第2の保持板との間に挟圧されており、
さらに、前記電力変換部を構成する複数個のパワー半導体モジュールと、
前記複数個のパワー半導体モジュールが、前記各パワー半導体モジュール間に冷却流路が形成されるように取り付けられる流路形成部を有するケースと、を備え、
前記第1の保持板および前記第2の保持板は、前記パワー半導体モジュールに接続されるバスバを備えたバスバユニットとして一体化され、
前記バスバユニットと前記ケースとは少なくとも一部が面接触している、電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
さらに、前記各コンデンサ装置を前記第1の保持板または前記第2の保持板に固定するコンデンサ固定用バンドを備えている、電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記ケースは、前記パワー半導体モジュールが取り付けられる領域の外周に、前記バスバユニットに接触する側壁を有する、電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記第1の接続部および前記第2の接続部の少なくとも一方はスナップボタン型接続端子である、電力変換装置。
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