JP6457895B2 - コンデンサモジュール - Google Patents

Description

本発明は直流電力を交流電力に変換しあるいは交流電力を直流電力に変換するために使用する電力変換装置に関し、特にハイブリッド自動車や電気自動車に用いられる電力変換装置と、その電力変換装置を構成するためのコンデンサモジュールに関する。

近年は、電力変換装置の小型化が求められている。特にハイブリッド自動車や電気自動車の分野においては、車室外のとりわけエンジンルームのできるだけ小さなスペースに搭載されることが望まれており、車両への搭載性を向上させるため、更なる小型化が要求されている。また、駆動源として用いるモータの運転時間や運転条件（高出力トルク条件）が拡大する傾向にあり、電力変換の大電流化・高電圧化も同時に求められている。

インバータ回路とコンデンサモジュールでは、直流電力を供給する電源と接続される電源端子と、直流電力を交流電力へ変換する動作を行うパワー半導体モジュールが、バスバーによって接続され、そのバスバーに直流電力を平滑化するコンデンサセルが接続される構成となっている。上記の小型化、電力変換の大電流化・高電圧化に伴い、コンデンサセルにおいては、高温環境化で電力変換時の電力損失による熱の流入を受け、劣化などの悪影響を受けるおそれがある。

コンデンサセルを耐熱温度以下で運用するために、金属製のケースを用い、且つコンデンサセル封止用の樹脂に高熱伝導率の材料を使用する一例が、特許文献１（特許第５１５２１７４号）に開示されている。

また、電力変換の大電流化・高電圧化は、パワー半導体モジュール内の素子がスイッチング動作を行う際に発生する瞬時の電圧の跳ね上がり（サージ電圧）の増加に影響する。このサージ電圧は、コンデンサセルからパワー半導体素子に至るまでのバスバーの寄生インダクタンス値の合計と、スイッチング時の電流変化、の乗算で発生する。サージ電圧を抑制し、パワー半導体素子を安全動作領域で駆動するための有効な手段の１つとして、低いインダクタンス値を持つバスバー構造のコンデンサモジュールが求められている。

特許第５１５２１７４号

コンデンサセルに流入する熱の主な源は、直流電力を交流電力へ変換する動作とモータジェネレータからの還流電流により大電流が流れるパワー半導体モジュールと、バスバーにおけるパワー半導体モジュールとの接続部、電源側との接続部の、電力損失による発熱である。コンデンサセル自身も、平滑化の動作による電力損失で自己発熱するが、前述された熱源から流入する熱の方が大きい場合がある。

本発明の課題は、熱源からコンデンサセルを効率的に冷却するとともにバスバーの低インダクタンス化によるサージ電圧の抑制を実現することである。

上記課題を解決するために本発明に係るコンデンサモジュールは、直流電力を交流電流に変換するパワー半導体モジュールと接続されるパワー側端子と、前記直流電力を平滑化するコンデンサセルと、前記コンデンサセル及び前記パワー側端子と接続されるバスバーと、前記コンデンサセルを収納するための金属ケースと、前記バスバーと前記金属ケースとの間を絶縁するとともに前記バスバーの発熱を前記金属ケースへ放熱する絶縁伝熱部材と、を備え、前記金属ケースの壁面の一部は、前記バスバーに沿うように前記パワー側端子の配置された方向に向かって延長され、当該バスバーから生じる磁束により渦電流が誘起される。

本発明により、コンデンサセルを効率的に冷却するとともにバスバーの低インダクタンス化によるサージ電圧の抑制することができる。

電力変換装置における、コンデンサモジュール２０周辺の回路図である。 コンデンサモジュール２０の内部構造を説明するための分解斜視図である。 コンデンサモジュール２０の外観斜視図である。 図３の平面Ａの矢印方向から見た拡大断面図である。 渦電流によるインダクタンス低減の原理を示す図である。 他の実施形態に係るコンデンサモジュール２１の内部構造を説明するための分解斜視図である。 他の実施形態に係るコンデンサモジュール２１の外観斜視図である。 図７の平面Ｂの矢印方向から見た拡大断面図である。 他の実施形態に係るコンデンサモジュール２０ｃの内部構造を説明するための分解斜視図である。 他の実施形態に係るコンデンサモジュール２０ｃの外観斜視図である。 図１０の平面Ｃの矢印方向から見た拡大断面図である。 導体の積層構造によるによるインダクタンス低減の原理を示す図である。 他の実施形態に係るコンデンサモジュール２０ｄの構造を説明するための分解斜視図である。 他の実施形態に係るコンデンサモジュール２０ｄの外観斜視図である。 図１４の平面Ｄの矢印方向から見た拡大断面図である。

図１は、電力変換装置における、コンデンサモジュール２０周辺の回路図である。

ＭＧはモータジェネレータである。１は高電圧バッテリーである。２は電力変換装置である。３は、バッテリー１の直流電力を、モータジェネレータＭＧを駆動するための交流電力に変換するインバータ回路である。３ａは、インバータ回路３を構成し、モータジェネレータＭＧのＵ相と接続される、パワー半導体モジュールである。３ｂは、インバータ回路３を構成し、モータジェネレータＭＧのＶ相と接続される、パワー半導体モジュールである。３ｃは、インバータ回路３を構成し、モータジェネレータＭＧのＷ相と接続される、パワー半導体モジュールである。

２０は、インバータ回路３に供給される直流電力を平滑化するためのコンデンサモジュールである。９はノイズ除去用コンデンサセルである。１０は、コンデンサモジュール２０において、直流電力を供給するバッテリー１と接続される電源端子である。１１は、コンデンサモジュール２０において、直流電力を交流電流に変換するインバータ回路３に接続されるパワー側端子である。１２は、直流電力を平滑化するコンデンサセルである。

１３は、電源端子１０及びパワー側端子１１と接続されるバスバー（導体）である。 １４は、コンデンサセル１２とバスバー１３を接続するコンデンサ端子である。

図２は、コンデンサモジュール２０の内部構造を説明するための分解斜視図である。図３は、コンデンサモジュール２０の外観斜視図である。図４は、図３の平面Ａの矢印方向から見た拡大断面図である。

図２に示される１５は、コンデンサセル１２、バスバー１３、コンデンサ端子１４を収納するための金属ケースである。金属ケース１５は、上面が開口している。１６は、バスバー１３と金属ケース１５との間を絶縁し、且つバスバー１３の発熱を金属ケース１５へ放熱するための、高熱伝導性の絶縁伝熱部材である。

図３に示される１７は、金属ケース１５内にコンデンサセル１２、バスバー１３、コンデンサ端子１４、絶縁伝熱部材１６を封止するための樹脂である。

図４に示されるように、金属ケース１５は、バスバー１３に沿って、パワー側端子１１に向かって延長される壁面部３０を有する。

図１に示される電力変換装置２において、インバータ回路３とコンデンサモジュール２０では、直流電力を供給する電源と接続される電源端子１０と、直流電力を交流電力へ変換する動作を行うパワー半導体モジュール３ａ〜３ｃが、バスバー１３によって接続され、そこに直流電力を平滑するコンデンサセル１２が接続された構成となっている。

上記の小型化、電力変換の大電流化・高電圧化に伴い、コンデンサセル１２においては、高温環境化で電力変換時の電力損失による熱の流入を受け、破壊や劣化などの悪影響が顕在化している。コンデンサセル１２に流入する熱の主な源は、直流電力を交流電力へ変換する動作とモータジェネレータＭＧからの還流電流により大電流が流れるパワー半導体モジュール３ａ〜３ｃと、バスバー１３におけるパワー半導体モジュールとの接続部であるパワー側端子１１の、電力損失による発熱である。コンデンサセル１２自身も、平滑化の動作による電力損失で自己発熱するが、上記した熱源から流入する熱の方が大きい場合がある。

上記熱源からコンデンサセル１２に流入する熱量を低減するために、コンデンサモジュール２０に高熱伝導性の金属ケース１５を使用し、その壁面の一部は、バスバー１３に沿って熱源であるパワー側端子１１に向かって延長され、バスバー１３と金属ケース１５の間に高熱伝導性の絶縁伝熱部材１６を備える。

これにより、熱源であるパワー側端子１１からコンデンサセル１２に至るまでのバスバー１３途中に、金属ケース１５へ伝熱経路を形成し、更に金属ケース１５は電力変換装置２の水路筐体に固定され、効率的に冷却を行う。

また、図５に、渦電流によるインダクタンス低減の原理を示す。

電力変換の大電流化・高電圧化は、パワー半導体モジュール内の素子がスイッチング動作を行う際に発生する瞬時の電圧の跳ね上がり（サージ電圧）の増加に影響する。

パワー半導体モジュール３ａの上アームＩＧＢＴのコレクタ端子・エミッタ端子間に発生するサージ電圧△Ｖｃｅは、コンデンサモジュール２０のバスバー１３における、コンデンサ端子１４とパワー側端子１１の間の寄生インダクタンス値と、パワー半導体モジュール３ａの寄生インダクタンス値の合計、と、上アームＩＧＢＴのスイッチング時の電流変化との乗算で発生する。他のパワー半導体モジュール３ｂ、３ｃについても同様である。

上記寄生インダクタンス値低減の手段として、金属ケース１５の壁面を、バスバー１３に沿ってパワー側端子１１まで延長する構造３０により、バスバー１３から発生する磁束を金属ケース１５の壁面で渦電流に変換して消費する。

図６は、他の実施形態に係るコンデンサモジュール２０ｂの内部構造を説明するための分解斜視図である。図７は、他の実施形態に係るコンデンサモジュール２０ｂの外観斜視図である。図８は、図７の平面Ｂの矢印方向から見た拡大断面図である。

図６に示される１６ｂは、バスバー１３と金属ケース１５との間を絶縁し、且つバスバー１３の発熱を金属ケース１５へ放熱するための、高熱伝導性の絶縁伝熱部材である。

金属ケース１５は、バスバー１３に沿って、電源側端子１０に向かって延長される壁面部３１を有する。

バスバー１３において電源側との接続部である電源端子１０の電力損失による発熱も、コンデンサセル１２の自己発熱より大きい場合がある。

上記熱源からコンデンサセル１２に流入する熱量を低減する手段として、コンデンサモジュール２０ｂの金属ケース１５の壁面の一部は、バスバー１３に沿って熱源である電源側端子１０に向かって延長され、バスバー１３と金属ケース１５の間に高熱伝導性の絶縁伝熱部材１６ｂを備える。

これにより、熱源である電源側端子１０からコンデンサセル１２に至るまでのバスバー１３途中に、金属ケース１５へ伝熱経路を形成し、更に金属ケース１５は電力変換装置２の水路筐体に固定され、効率的に冷却を行う。

図９は、他の実施形態に係るコンデンサモジュール２０ｃの内部構造を説明するための分解斜視図である。図１０は、他の実施形態に係るコンデンサモジュール２０ｃの外観斜視図である。図１１は、図１０の平面Ｃの矢印方向から見た拡大断面図である。

１３ｐは、バスバー１３における正極側導体である。１３ｎは、バスバー１３における負極側導体である。２１は、正極側導体１３ｐ及び負極側導体１３ｎにおいて、パワー側端子１１からコンデンサ端子１４までの配線が互いの主面が対向する積層構造部分である。

１６ｎは、絶縁伝熱部材１６における、負極側導体１３ｎと金属ケース１５との間を絶縁し、且つ負極側導体１３ｎの発熱を前記金属ケース１５へ放熱するための、高熱伝導性の絶縁伝熱部材である。

１６ｍは、絶縁伝熱部材１６における、正極側導体１３ｐと負極側導体１３ｎとの間を絶縁し、且つ正極側導体１３ｐの発熱を負極側導体１３ｎへ放熱するための、高熱伝導性の絶縁伝熱部材である。

図１２は、導体の積層構造によるによるインダクタンス低減の原理を示す図である。

図５で述べた寄生インダクタンス値低減の手段に加え、正極側導体１３ｐと負極側導体１３ｎにおいて、パワー側端子１１からコンデンサ端子１４までの配線が互いの主面が対向する積層構造部分２１をなすことで、近接した同相双方向電流による磁束を打ち消す手法を用いる。

バスバー１３を上記の積層構造部分２１とした際、絶縁伝熱部材１６ｎを介した金属ケース１５への物理的接触は負極側導体１３ｎのみで可能となる。ここで、正極側導体１３ｐから金属ケース１５への伝熱経路を形成するために、正極側導体１３ｐと負極側導体１３ｎの間に高熱伝導性の絶縁伝熱部材１６ｍを備える。

これにより、正極側導体１３ｐの発熱を、負極側導体１３ｎを経由して金属ケース１５へ伝える経路を形成し、更に金属ケース１５は電力変換装置２の水路筐体に固定され、効率的に冷却を行う。尚、正極側導体１３ｐと正極側導体１３ｎの位置関係は入れ替えても良い。

図１３は、他の実施形態に係るコンデンサモジュール２０ｄの構造を説明するための分解斜視図である。図１４は、他の実施形態に係るコンデンサモジュール２０ｄの外観斜視図である。図１５は、図１４の平面Ｄの矢印方向から見た拡大断面図である。

２２は、金属製の冷却板である。１６ｐは、正極側導体１３ｐと冷却板２２との間を絶縁し、且つ正極側導体１３ｐの発熱を冷却板２２へ放熱するための、高熱伝導性の絶縁伝熱部材である。２３は、冷却板２２を金属ケース１５に固定するためのネジ等の固定部材である。

本実施形態においては、金属製の冷却板２２を、正極側導体１３ｐに、高熱伝導性の絶縁伝熱部材１６ｐを介して物理的に接触させる。また、冷却版２２は、固定部材２３により金属ケース１５に固定される。これにより、正極側導体１３ｐの発熱を、冷却板２２、ネジ等２３を経由して金属ケース１５へ伝える経路を形成し、金属ケース１５は電力変換装置２の水路筐体に固定され、効率的に冷却を行う。

また、上記の冷却板２２の追加により、図５で述べた渦電流発生による寄生インダクタンスの低減効果を、金属ケース１５壁面と、冷却板２２の両方で発生させ、効果を高める。

１…高電圧バッテリー、２…電力変換装置、３…インバータ回路、３ａ〜３ｃ…パワー半導体モジュール、９…ノイズ除去用コンデンサセル、１０…電源端子、１１…パワー側端子、１２…コンデンサセル、１３…バスバー、１３ｎ…負極側導体、１３ｐ…正極側導体、１４…コンデンサ端子、１５…金属ケース、１６…絶縁伝熱部材、１６ｂ…絶縁伝熱部材、１６ｍ…絶縁伝熱部材、１６ｎ…絶縁伝熱部材、１６ｐ…絶縁伝熱部材、１７…樹脂、２０…コンデンサモジュール、２０ｂ…コンデンサモジュール、２０ｃ…コンデンサモジュール、２０ｄ…コンデンサモジュール、２１…積層構造部分、２２…冷却板、２３…固定部材、３０…壁面部、３１…壁面部、ＭＧ…モータジェネレータ

Claims (4)

1. 直流電力を交流電流に変換するパワー半導体モジュールと接続されるパワー側端子と、
   前記直流電力を平滑化するコンデンサセルと、
   前記コンデンサセル及び前記パワー側端子と接続されるバスバーと、
   前記コンデンサセルを収納する収納空間と、当該収納空間に繋がる開口とを有する金属ケースと、
   前記バスバーと前記金属ケースとの間を絶縁するとともに前記バスバーの発熱を前記金属ケースへ放熱する絶縁伝熱部材と、
   前記金属ケース内で、前記コンデンサセル、前記バスバー、及び前記絶縁伝熱部材を封止する樹脂部材と、を備え、
   前記バスバーは、前記収納空間内において前記コンデンサセルに対し前記開口側に配置されるとともに、前記開口から前記金属ケースの外部に向かって延伸され、
   前記金属ケースの壁面の一部は、前記バスバーに沿うように前記パワー側端子の配置された方向に向かって延長され、当該バスバーから生じる磁束により渦電流が誘起されるコンデンサモジュール。
2. 請求項１に記載のコンデンサモジュールであって、
   前記直流電力を供給する電源側と接続される電源端子を備え、
   前記金属ケースの壁面の一部は、前記バスバーに沿うように前記電源端子の配置された方向まで延長されるコンデンサモジュール。
3. 請求項１または２に記載のコンデンサモジュールであって、
   前記バスバーは、正極側導体と負極側導体により構成され、
   前記正極側導体及び前記負極側導体は、前記コンデンサセルと接続されるコンデンサ端子を有し、
   前記正極側導体及び前記負極側導体は、前記パワー側端子から前記コンデンサ端子までの配線が互いの主面が対向する積層構造部分を含み、
   前記絶縁伝熱部材は、前記負極側導体と前記金属ケースとの間を絶縁しかつ前記負極側導体の発熱を前記金属ケースへ放熱するための第１絶縁伝熱部材と、前記正極側導体と前記負極側導体との間を絶縁しかつ前記正極側導体の発熱を前記負極側導体へ放熱するための第２絶縁伝熱部材と、を有するコンデンサモジュール。
4. 請求項３に記載のコンデンサモジュールであって、
   冷却板と、
   前記正極側導体と前記冷却板との間を絶縁しかつ前記正極側導体の発熱を前記冷却板へ放熱するための第３絶縁伝熱部材と、を備え、
   前記冷却板は、前記金属ケースに固定されるコンデンサモジュール。

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