JP6500491B2 - 電力変換装置、および電力変換装置一体形モータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置、および電力変換装置とモータとを一体化した電力変換装置一体形モータ装置に関する。

近年、走行用駆動源としてエンジンおよびモータを備えたハイブリッド車両や、モータのみを備えた電気自動車が急速に普及しつつあり、各種方式の駆動装置が実用化されている。モータは、三相同期電動発電機が多用され、力行時には車載のバッテリからの給電で駆動輪を駆動し、制動時には回生発電を行ってバッテリを充電する。ここで、モータに給電する駆動電圧を可変に調整することで車速を制御できるが、一方でバッテリの充電電圧は時間的に変動する。このため、モータとバッテリとの間に電力変換装置を設けて、双方向の電力変換を行わせることが一般的になっている。電力変換装置は、コンバータユニットやインバータユニットなどにより構成される。この種の電力変換装置は、車載の用途に限定されず、分散型発電設備などにも広く用いられる。

例えば、車載の用途に好適な電力変換装置、およびその関連技術は、特許文献１〜３に開示されている。これらの装置および関連技術では、中空筒型構造を採用することで小型軽量化を図り、車両への搭載性を向上している。そして、直流回路の高圧側と低圧側とを同軸内外に配置するとともに交流三相回路を回転対称に配置し、さらにはリード長の削減やバスバーの構成にも配慮してノイズの発生を抑制している。

特開２００９−８８４６６号公報 特開２０１３−１９７４８６号公報 特開２０１４−２１６４５５号公報

ところで、特許文献３に開示された中空筒型コンバータ装置では、入力コンデンサ、リアクトル、電力変換部、および出力コンデンサが軸線方向に沿って配置されることで、小型軽量化が実現されている。しかしながら、搭載性の向上を考慮した場合に、より一層の小型化、特に軸線方向の長さを短縮することが好ましい。

そこで、本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、装置の軸線方向の長さを短縮して小型化を図った電力変換装置を提供すること、ならびに、この電力変換装置を含んで小型化された電力変換装置一体形モータ装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の請求項１の電力変換装置は、中空筒型形状を呈し、直流電源に対し第１端子および第２端子を介して電気的に接続される入力コンデンサと、中空筒型形状を呈し、前記入力コンデンサの内径側に配設され、前記第１端子と電気的に接続される入力側の第３端子、および中間電極に電気的に接続される出力側の第４端子を有するリアクトルと、前記リアクトルの内径側に配設され、スイッチング制御を行う上側スイッチ部と、前記第２端子と電気的に接続されてスイッチング制御を行う下側スイッチ部とを有し、前記上側スイッチ部および前記下側スイッチ部は前記中間電極を介して前記第４端子と電気的に接続される電力変換部と、中空筒型形状を呈し、前記上側スイッチ部と電気的に高圧側で接続される第５端子、および前記第２端子と電気的に低圧側で接続される第６端子を有する出力コンデンサと、を備える。

本発明の請求項７の電力変換装置一体形モータ装置は、請求項５または６に記載の電力変換装置の中心軸線上に、三相モータを一体で設けた。

本発明の請求項１の電力変換装置によれば、従来技術で軸線方向に沿って配置されていた入力コンデンサ、リアクトル、および電力変換部が同軸内外の三重構造となり、従来に比べ、装置の軸線方向の長さが短縮されて小型化が図られる。したがって、例えば電力変換装置を車両へ搭載する場合に、搭載性が大幅に向上する。

本発明の請求項７の電力変換装置一体形モータ装置によれば、一体化によるモータ装置の小型化が可能になり、車両への搭載性が大幅に向上する。

第１実施形態の電力変換装置の全体を示す回路図であり、上部はコンバータユニットの回路構成を示し、下部はインバータユニットの回路構成を示している。 第１実施形態の電力変換装置の構造を説明する中心軸線に対して片側の断面図である。 図２に示された第１層〜第６層の断面の中心角の６０°相当分をそれぞれ示した矢視図である。 第２実施形態の電力変換装置の構造を説明する中心軸線に対して片側の断面図である。 第２実施形態の変形例の電力変換装置の構造を説明する中心軸線に対して片側の断面図である。 第３実施形態の電力変換装置の構造を説明する中心軸線に対して片側の断面図である。 インバータユニットの三相ゲート駆動回路の近傍の構成を説明する側面図である。 第４実施形態の電力変換装置一体形モータ装置を模式的に示す断面図である。

本発明の第１実施形態の電力変換装置１Ａについて、図１〜図３を参考にして説明する。図１は、第１実施形態の電力変換装置１Ａの全体を示す回路図であり、上部はコンバータユニット１の回路構成を示し、下部はインバータユニット６の回路構成を示している。電力変換装置１Ａは、コンバータユニット１により直流電源９１の電源電圧Ｖｄ１を昇圧して直流出力電圧Ｖｄ２を生起し、インバータユニット６により直流出力電圧Ｖｄ２を交流出力電圧Ｖａに変換して三相交流負荷９９に出力する。

コンバータユニット１は、入力コンデンサ２、リアクトル３、電力変換部４、および出力コンデンサ５で回路構成されている。入力コンデンサ２の第１端子２１１は、内部導体９２１を経由して直流電源９１の高圧側端子９１Ｐに電気的に接続されている。入力コンデンサ２の第２端子２１２は、外部導体９２２を経由して直流電源９１の低圧側端子９１Ｎに電気的に接続されている。リアクトル３の入力側の第３端子３１１は、入力コンデンサ２の第１端子２１１に電気的に接続されている。リアクトル３の出力側の第４端子３１２は、高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。

電力変換部４は、上側スイッチ部４１および下側スイッチ部４２を含んで回路構成されている。上側スイッチ部４１および下側スイッチ部４２は、それぞれスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓとダイオード４１Ｄ、４２Ｄの並列接続で構成されている。スイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓとして、本願出願人が特許文献１に開示した正六角形の板形状のパワー半導体モジュールや公知のＩＧＢＴ素子を例示でき、これらに限定されない。

高圧側のスイッチング素子４１Ｓのコレクタ端子４１Ｃおよびダイオード４１Ｄのカソード端子４１Ｋは、高圧側出力電極４３を経由して出力コンデンサ５の第５端子５１１に電気的に高圧側で接続されている。また、スイッチング素子４１Ｓのエミッタ端子４１Ｅおよびダイオード４１Ｄのアノード端子４１Ａは、高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。

一方、低圧側のスイッチング素子４２Ｓのコレクタ端子４２Ｃおよびダイオード４２Ｄのカソード端子４２Ｋは、高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。また、スイッチング素子４２Ｓのエミッタ端子４２Ｅおよびダイオード４２Ｄのアノード端子４２Ａは、低圧側共通電極２４を経由して、入力コンデンサ２の第２端子２１２および出力コンデンサ５の第６端子５１２に電気的に低圧側で接続されている。出力コンデンサ５の第５端子５１１および第６端子５１２は、インバータユニット６に電気的に接続されている。

インバータユニット６は、三相の上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗ、および下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗを含んで回路構成されている。各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗ、および各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗは、それぞれスイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓとダイオード６１Ｄ、６２Ｄの並列接続で構成されている。スイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓとして、本願出願人が特許文献１に開示した正六角形の板形状のパワー半導体モジュールや公知のＩＧＢＴ素子を例示でき、これらに限定されない。

図１に示されるように、インバータユニット６の回路構成はＵ相、Ｖ相、およびＷ相で同じであるので、Ｕ相を例にして詳細に説明し、Ｖ相およびＷ相の説明は省略する。Ｕ相上側スイッチ部６１Ｕのスイッチング素子６１Ｓのコレクタ端子６１Ｃおよびダイオード６１Ｄのカソード端子６１Ｋは、コンバータユニット１の出力コンデンサ５の第５端子５１１に電気的に接続されている。また、Ｕ相上側スイッチ部６１Ｕのスイッチング素子６１Ｓのエミッタ端子６１Ｅおよびダイオード６１Ｄのアノード端子６１Ａは、Ｕ相インバータ出力電極６３Ｕに電気的に接続されている。

一方、Ｕ相下側スイッチ部６２Ｕのスイッチング素子６２Ｓのコレクタ端子６２Ｃおよびダイオード６２Ｄのカソード端子６２Ｋは、Ｕ相インバータ出力電極６３Ｕに電気的に接続されている。また、Ｕ相下側スイッチ部６２Ｕのスイッチング素子６２Ｓのエミッタ端子６２Ｅおよびダイオード６２Ｄのアノード端子６２Ａは、出力コンデンサ５の第６端子５１２に電気的に接続されている。そして、各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗが三相交流負荷９９に電気的に接続される。

次に、第１実施形態の電力変換装置１Ａの構造について説明する。図２は、第１実施形態の電力変換装置１Ａの構造を説明する中心軸線ＣＬに対して片側の断面図である。電力変換装置１Ａは、中心軸線ＣＬの周りに回転対称に形成されており、図２には電力変換装置１Ａの片側の断面が示されている。また、図３は、図２に示された第１層〜第６層の断面の中心角の６０°相当分をそれぞれ示した矢視図である。電力変換装置１Ａを構成する入力コンデンサ２、リアクトル３、および出力コンデンサ５は、それぞれ中空筒型形状を呈している。

入力コンデンサ２の内径側には、リアクトル３が配設されている。リアクトル３の内径側には、電力変換部４が配設されている。つまり、入力コンデンサ２、リアクトル３、および電力変換部４は、中心軸線ＣＬの周りに同軸内外三重構造となっている。なお、三重構造の配置順序は、上記以外に変更することもできる、例えば、同軸外側から内側へリアクトル３、入力コンデンサ２、および電力変換部４の順序に配置してもよい。同軸内外三重構造の軸線方向に並んで（図２では下側に並んで）、出力コンデンサ５およびインバータユニット６が同軸内外二重構造に配置されている。出力コンデンサ５は、入力コンデンサ２およびリアクトル３の軸線方向に並んで配設されている。インバータユニット６は、電力変換部４の軸線方向に並んで配設されている。

入力コンデンサ２および出力コンデンサ５は、例えば、本願出願人が特許文献２に開示した中空筒型コンデンサとすることができる。すなわち、入力コンデンサ２および出力コンデンサ５は、内周筒部およびこの内周筒部の一方の端部から外周側に延在する一側面部を有する一方極接続部と、内周筒部と中心軸線上に同軸に配置された外周筒部およびこの外周筒部の他方の端部から内周側に延在する他側面部を有する他方極接続部と、一方極接続部に接続される一方電極板、この一方電極板と対向し他方極接続部に接続される他方電極板、および一方電極板と他方電極板との間に介在される誘電体を有する静電容量部とを備え、内周筒部、一側面部、外周筒部、および他側面部の間に形成される環状空間内に静電容量部が高密度に収容されている中空筒型コンデンサとすることができる。

図２に示されるように、入力コンデンサ２および出力コンデンサ５は、本体が中空筒型形状を呈し、互いに外径が等しい。入力コンデンサ２および出力コンデンサ５は、外周電極２３および低圧側共通電極２４を共有している。外周電極２３は、円筒状であって、入力コンデンサ２および出力コンデンサ５の本体の外周に配置される。低圧側共通電極２４は、円環状であって、外周電極２３の内側面の軸線方向の概ね中間位置に接続されている。低圧側共通電極２４は、入力コンデンサ２と出力コンデンサ５の間に配置され、出力コンデンサ５よりも径方向内側まで延在している。

直流電源９１とコンバータユニット１との接続には、円筒状の内部導体９２１、および内部導体９２１の同軸外側に配置された円筒状の外部導体９２２が用いられる。外部導体９２２は、フレームグラウンドに接地しても、接地しなくてもよい。接地しない場合には、筒状のフレームグラウンドを外部導体９２２の外周に配置することが好ましい。内部導体９２１および外部導体９２２は、コンバータユニット１に近い側の端部がそれぞれ径方向外向きに延在するフランジ状電極９３１、９３２を有している。外部導体９２２のフランジ状電極９３２の外縁は、外周電極２３に電気的に接続されている。

入力コンデンサ２の本体の出力コンデンサ５から離れた面（図２では上面）に第１端子２１１が形成されている。第１端子２１１は、内部導体９２１のフランジ状電極９３１に接触して接続されている。さらに、第１端子２１１は、中空筒型形状の内周側に折り曲げられており、内周に接続面２５を有する。また、入力コンデンサ２の本体の出力コンデンサ５に対向する面（図２では下面）に第２端子２１２が形成されている。第２端子２１２は、低圧側共通電極２４に接触配置されており、外周電極２３およびフランジ状電極９３２を経由して外部導体９２２に電気的に接続されている。

リアクトル３は、例えば、本願出願人が特許文献３に開示した中空筒型リアクトル装置とすることができる。すなわち、リアクトル３は、絶縁被覆された導体を巻回したコイル３５を中心軸線ＣＬの周りに有するインダクタンス素子を往路に備え、リターン導体を復路に備えたリアクトル装置であって、インダクタンス素子は、中心軸線ＣＬが中空の筒状または環状であり、リターン導体は、中心軸線ＣＬを共通とする筒状であってインダクタンス素子の同軸外周側に配置されている中空筒型リアクトル装置とすることができる。ここで、リターン導体の役割は、外周電極２３が担っている。第１実施形態において、コイル３５は、中心軸線ＣＬの周りにトロイダル形状に形成され、コイル３５の外側にギャップを有するコア３６が配置されている。

リアクトル３の第３端子３１１は、中空筒型形状の本体の外周面に設けられている。第３端子３１１は、入力コンデンサ２の第１端子２１１の接続面２５と同軸内外に対向配置されて相互に接触し、リード線を用いることなく直接的に電気的に接続されている。リアクトル３の第４端子３１２は、本体の内周面に設けられている。第４端子３１２の内側には、円環状の高圧側中間電極３２ｍが配置されている。高圧側中間電極３２ｍは、外周に接続面３３を有している。第４端子３１２と、高圧側中間電極３２ｍの接続面３３とは、同軸内外に対向配置されて相互に接触し、直接的に電気的に接続されている。

電力変換部４は、例えば、本願出願人が特許文献３に開示した中空筒型コンバータ装置に用いられる中空筒型電力変換部とすることができる。電力変換部４は、接続される電極とともに中心軸線ＣＬの軸線方向に沿って配置されている。すなわち、図２に示される上側から下側へと順番に、高圧側出力電極４３、上側スイッチ部４１、高圧側中間電極３２ｍ、下側スイッチ部４２、チャンネル材４４、および低圧側共通電極２４が配置されている。高圧側出力電極４３は、内周側が軸線方向に折り曲げられて、インバータユニット６の内側まで延在している。

ここで、上側スイッチ部４１および下側スイッチ部４２のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓは、板形状であって、表面にコレクタ端子４１Ｃ、４２Ｃが形成され、裏面にゲート端子４１Ｇ、４２Ｇおよびエミッタ端子４１Ｅ、４２Ｅが形成されている。そして、高圧側のスイッチング素子４１Ｓのコレクタ端子４１Ｃは、はんだ付けを用いて直接的に高圧側出力電極４３に電気的に接続されている。また、スイッチング素子４１Ｓのエミッタ端子４１Ｅも、はんだ付けを用いて直接的に高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。はんだ付けに用いるはんだ材料は、高融点タイプが好ましいがこれに限定されない（以降に説明する他のはんだ付け箇所も同様）。図２に省略された高圧側のダイオード４１Ｄは、高圧側出力電極４３と高圧側中間電極３２ｍとの間に配置されて電気的に接続されている。

一方、低圧側のスイッチング素子４２Ｓのコレクタ端子４２Ｃは、はんだ付けを用いて直接的に高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。また、スイッチング素子４２Ｓのエミッタ端子４２Ｅは、断面コ字形状のチャンネル材４４を用いて、低圧側共通電極２４に電気的に接続されている。図２に省略された低圧側のダイオード４２Ｄは、高圧側中間電極３２ｍと低圧側共通電極２４との間に配置されて電気的に接続されている。

出力コンデンサ５の本体の入力コンデンサ２に対向する面（図２では上面）に第６端子５１２が形成されている。第６端子５１２は、低圧側共通電極２４に接触配置されており、低圧側共通電極２４を経由して電力変換部４およびインバータユニット６に電気的に接続されている。つまり、低圧側共通電極２４は、低圧側インバータ入力電極を兼ねる。出力コンデンサ５の本体の入力コンデンサ２から離れた面（図２では下）に第５端子５１１が形成されている。第５端子５１１は、高圧側インバータ入力電極５３に接触して電気的に接続されている。

高圧側インバータ入力電極５３は、円環状であって、出力コンデンサ５よりも径方向内側まで延在している。高圧側インバータ入力電極５３の内周寄りに、インバータユニット６が電気的に接続されている。高圧側インバータ入力電極５３の内縁は、電力変換部４の高圧側出力電極４３の軸線方向に延在する端部に電気的に接続されている。

上記したコンバータユニット１において、高圧側および低圧側のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓの各ゲート端子４１Ｇ、４２Ｇには、図略のゲート駆動回路からゲート制御信号が入力される。これにより、コンバータユニット１は、直流電源９１の電源電圧Ｖｄ１を昇圧して直流出力電圧Ｖｄ２を生起し、インバータユニット６に出力する。なお、インバータユニット６を備えないコンバータユニット１のみの構成でも、直流出力電圧Ｖｄ２を調整可能な電力変換装置として用いることができる。

さらに、電力変換部４およびインバータユニット６は、低圧側共通電極２４を介在させて配設されている。インバータユニット６は、例えば、本願出願人が特許文献１や特許文献２に開示したインバータ装置とすることができる。すなわち、インバータユニット６は、６つの正三角形のパワー半導体モジュール（スイッチング素子）を正六角形状に配置し、これを三相の上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗおよび下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗにそれぞれ用いた構成のインバータ装置とすることができる。各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのスイッチング素子６１Ｓは、中心軸線ＣＬの周りに１２０°ピッチで回転対称に配置されている。同様に、各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのスイッチング素子６２Ｓも、中心軸線ＣＬの周りに１２０°ピッチで回転対称に配置されている。

また、インバータユニット６は、接続される電極とともに中心軸線ＣＬの軸線方向に沿って配置されている。すなわち、図２に示される上側から下側へと順番に、低圧側インバータ入力電極に相当する低圧側共通電極２４、チャンネル材６４、各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗ、インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗ、各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗ、および高圧側インバータ入力電極５３が配置されている。

ここで、各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗおよび各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのスイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓは、板形状であって、表面にコレクタ端子６１Ｃ、６２Ｃが形成され、裏面にゲート端子６１Ｇ、６２Ｇおよびエミッタ端子６１Ｅ、６２Ｅが形成されている。そして、各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのスイッチング素子６１Ｓのコレクタ端子６１Ｃは、はんだ付けを用いて直接的に高圧側インバータ入力電極５３に電気的に接続されている。また、スイッチング素子６１Ｓのエミッタ端子６１Ｅも、はんだ付けを用いて直接的に各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗに電気的に接続されている。図２に省略された各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのダイオード６１Ｄは、高圧側インバータ入力電極５３と各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗとの間に配置されて電気的に接続されている。

一方、各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのスイッチング素子６２Ｓのコレクタ端子６２Ｃは、はんだ付けを用いて直接的に各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗに電気的に接続されている。また、スイッチング素子６２Ｓのエミッタ端子６２Ｅは、断面コ字形状のチャンネル材６４を用いて低圧側共通電極２４に電気的に接続されている。図２に省略された各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのダイオード６２Ｄは、各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗと低圧側共通電極２４との間に配置されて、電気的に接続されている。

三相のインバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗは、中心軸線ＣＬの周りに１２０°ピッチで回転対称に配置されている。各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗは、出力コンデンサ５とインバータユニット６との間で折り曲げられて軸線方向（図２の下方）に引き出され、三相交流負荷９９に電気的に接続される。

図３の第１層には、内部導体９２１と、外部導体９２２のフランジ状電極９３２とが示されている。第２層には、内部導体９２１のフランジ状電極９３１が示されている。第３層には、入力コンデンサ２、リアクトル３、および電力変換部４（上側スイッチ部４１）の同軸内外三重構造が示されている。第４層には、低圧側共通電極２４が示されている。第５層には、出力コンデンサ５およびインバータユニット６の同軸内外二重構造が示されている。第６層には、出力コンデンサ５の第５端子５１１およびインバータユニット６の各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのスイッチング素子６１Ｓが示されている。

インバータユニット６の各スイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓのゲート端子６１Ｇ、６２Ｇには、図略の三相ゲート駆動回路からゲート制御信号が入力される。これにより、インバータユニット６は、直流出力電圧Ｖｄ２を交流出力電圧Ｖａに変換して三相交流負荷９９に出力する。

第１実施形態の電力変換装置１Ａは、直流電源９１がバッテリであって電源電圧Ｖｄ１が変化しても、コンバータユニット１の可変昇圧機能により所望する直流出力電圧Ｖｄ２を生起できる。また、インバータユニット６により所望する周波数および実効値の交流出力電圧Ｖａを三相交流負荷９９に出力できる。さらに、電力変換装置１Ａは、逆方向の電力変換機能を有する。つまり、電力変換装置１Ａは、三相交流負荷９９に相当するモータジェネレータから入力された三相交流電力を直流に変換して、直流電源９１に相当するバッテリを充電できる。

第１実施形態の電力変換装置１Ａを構成するコンバータユニット１は、中空筒型形状を呈し、直流電源５１に対し第１端子２１１および第２端子２１２を介して電気的に接続される入力コンデンサ２と、中空筒型形状を呈し、入力コンデンサ２の内径側に配設され、第１端子２１１と電気的に接続される入力側の第３端子３１１、および中間電極３２ｍに電気的に接続される出力側の第４端子３１２を有するリアクトル３と、リアクトル３の内径側に配設され、スイッチング制御を行う上側スイッチ部４１と、第２端子２１２と電気的に接続されてスイッチング制御を行う下側スイッチ部４２とを有し、上側スイッチ部４１および下側スイッチ部４２は中間電極３２ｍを介して第４端子３１２と電気的に接続される電力変換部４と、中空筒型形状を呈し、上側スイッチ部４１と電気的に高圧側で接続される第５端子５１１、および第２端子２１２と電気的に低圧側で接続される第６端子５１２を有する出力コンデンサ５と、を備える。

これによれば、従来技術で軸線方向に沿って配置されていた入力コンデンサ２、リアクトル３、および電力変換部４が同軸内外の三重構造となり、従来に比べ、装置の軸線方向の長さが短縮されて小型化が図られる。したがって、例えばコンバータユニット１を車両へ搭載する場合に、搭載性が大幅に向上する。また、中空筒型構造の特徴である直流回路の良好な平衡性を確保できるので、ノイズが抑制されてＥＭＣ（Electro-Magnetic Compatibility）問題に有利となる。

さらに、第１実施形態のコンバータユニット１において、入力コンデンサ２および出力コンデンサ５は、軸線方向に並んで配設され、互いに外径が等しい。これによれば、出力コンデンサ５を含んで、小型化が可能になる。

さらに、第１実施形態のコンバータユニット１において、上側スイッチ部４１は、第５端子５１１と高圧側出力電極４３を介して電気的に接続され、下側スイッチ部４２は、入力コンデンサ２と出力コンデンサ５との間に径方向に介在する低圧側共通電極２４とチャンネル材４４を介して電気的に接続される。これによれば、最小長さのリードとして高圧側出力電極４３およびチャンネル材４４が用いられる。したがって、浮遊インダクタンスがさらに一層低減されてノイズが抑制される。

さらに、第１実施形態のコンバータユニット１において、第１端子２１１は、径方向に延在するフランジ状電極９３１を介して中心軸線ＣＬの周囲の円筒状の内部導体９２１まで導かれ、第２端子２１２および第６端子５１２は、円筒状の外周電極２３および径方向に延在するフランジ状電極９３２を介して内部導体９２１の周囲の円筒状の外部導体９２２まで導かれ、内部導体９２１および外部導体９２２は、同軸内外に配置されて直流電源９１に電気的に接続される。これによれば、低圧側の入出力間にリードが不要となるため、浮遊インダクタンスが低減される。また、内部導体９２１および外部導体９２２でも直流回路の良好な平衡性を確保できる。したがって、ノイズをさらに一層抑制できる。加えて、低圧側の外周電極２３を中空筒型形状の外周に共有する構成であるので、高圧部分を電気的にシールドでき、安全性が高い。

さらに、第１実施形態のコンバータユニット１において、入力コンデンサ２の第１端子２１１の接続面２５と、リアクトル３の第３端子３１１とが相互に接触して直接的に接続され、リアクトル３の第４端子３１２と、高圧側中間電極３２ｍの接続面３３とが相互に接触して直接的に電気的に接続される。これによれば、端子同士が直接的に接続される箇所でリードが不要になって、浮遊インダクタンスが低減される。したがって、さらにノイズが抑制されてＥＭＣ問題に有利となる。

また、第１実施形態の電力変換装置１Ａにおいて、出力コンデンサ５の内径側に、第５端子５１１および第６端子５１２に電気的に接続されるインバータユニット６が配設されている。これによれば、コンバータユニット１とインバータユニット６との一体化による電力変換装置１Ａの小型化が可能になり、ハイブリッド車両や電気自動車への搭載性が大幅に向上する。また、電力変換装置１Ａを構成する全ての回路要素を同軸にかつ回転対称に配置して協調した構成にできるので、直流回路の平衡性および三相交流回路の回転対称性が極めて良好になる。さらに、コンバータユニット１とインバータユニット６とを接続するリードの長さを短くできる。したがって、浮遊インダクタンスが低減され、ノイズが抑制されてＥＭＣ問題に有利となる。

さらに、第１実施形態の電力変換装置１Ａにおいて、電力変換部４とインバータユニット６とが低圧側共通電極２４を介在させて配設され、インバータユニット６の軸線方向に並んで配設された上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗと下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗとの間に、インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗが設けられている。これによれば、インバータユニット６とコンバータユニット１とがコンパクトに組み合わせられて高密度に配置される。加えて、インバータユニット６自体がコンパクトに構成される。したがって、電力変換装置１Ａが格段に小型軽量化される。

さらに、第１実施形態の電力変換装置１Ａにおいて、電力変換部４のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓは、板形状であって、一面にコレクタ端子４１Ｃ、４２Ｃが形成され、他面にゲート端子４１Ｇ、４２Ｇおよびエミッタ端子４１Ｅ、４２Ｅが形成されており、コレクタ端子４１Ｃ、４２Ｃがはんだ付けを用いて直接的に電極４３Ｐ、３２ｍに電気的に接続されるとともに、エミッタ端子４２Ｅがチャンネル材４４を用いて低圧側共通電極２４に電気的に接続されている。また、インバータユニット６のスイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓは、板形状であって、一面にコレクタ端子６１Ｃ、６２Ｃが形成され、他面にゲート端子６１Ｇ、６２Ｇおよびエミッタ端子６１Ｅ、６２Ｅが形成されており、コレクタ端子６１Ｃ、６２Ｃがはんだ付けを用いて直接的に電極５３Ｐ、６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗに電気的に接続されるとともに、エミッタ端子６２Ｅがチャンネル材６４を用いて低圧側共通電極２４に電気的に接続されている。

これによれば、コレクタ端子４１Ｃ、４２Ｃでリードが不要になり、エミッタ端子４２Ｅでは最小長さのリードとしてチャンネル材４４が用いられる。同様に、コレクタ端子６１Ｃ、６２Ｃでリードが不要になり、エミッタ端子６２Ｅでは最小長さのリードとしてチャンネル材６４が用いられる。したがって、電力変換部４内およびインバータユニット６内の浮遊インダクタンスがさらに一層低減されてノイズが抑制される。また、コレクタ端子４１Ｃ、４２Ｃ、６１Ｃ、６２Ｃがはんだ付けされることにより、スイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓで発生した熱が効率的に電極４３Ｐ、３２ｍ、５３Ｐ、６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗに伝達されて等価的に放熱表面積が増加する。したがって、スイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓの冷却に有利となる。

次に、第２実施形態の電力変換装置１Ｂについて、第１実施形態の電力変換装置１Ａと異なる点を主に説明する。図４は、第２実施形態の電力変換装置１Ｂの構造を説明する中心軸線ＣＬに対して片側の断面図である。第２実施形態の電力変換装置１Ｂにおいて、入力コンデンサ２、リアクトル３、および電力変換部４からなる同軸内外三重構造と、出力コンデンサ５およびインバータユニット６からなる同軸内外二重構造とが中心軸線ＣＬの軸線方向に並ぶ基本構成は変わらない。

第２実施形態において、内部導体９２１のフランジ状電極９３１と、外部導体９２２のフランジ状電極９３２との間に、絶縁部材９４１が介挿されている。同様に、外周電極２３と入力コンデンサ２との間に絶縁部材９４２が介挿され、外周電極２３と出力コンデンサ５との間に絶縁部材９４３が介挿されている。さらに、リアクトル３のコア３６とフランジ状電極９３１との間に絶縁部材９４４が介挿され、コア３６と低圧側共通電極２４との間に絶縁部材９４５が介挿されている。また、フランジ状電極９３１と高圧側出力電極４３との間にも、絶縁部材９４６が介挿されている。これらの絶縁部材９４１〜９４６により、所定の絶縁距離が確保されて絶縁性能が維持される。

また、入力コンデンサ２の第２端子２１２は省略されており、低圧側共通電極２４が第２端子２１２を兼ねている。

さらに、電力変換部４において、高圧側のスイッチング素子４１Ｓと高圧側中間電極３２ｍとの間に若干の隙間がある。このため、スイッチング素子４１Ｓのエミッタ端子４１Ｅは、最小長さのリード部材４５を用いて高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。一方、低圧側のスイッチング素子４２Ｓのエミッタ端子４２Ｅも、最小長さのリード部材４６を用いて低圧側共通電極２４に電気的に接続されている。

同様に、インバータユニット６において、上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのスイッチング素子６１Ｓと高圧側インバータ入力電極５３との間に若干の隙間がある。このため、スイッチング素子６１Ｓのエミッタ端子６１Ｅは、最小長さのリード部材６５を用いてインバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗに電気的に接続されている。一方、下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのスイッチング素子６２Ｓのエミッタ端子６２Ｅも、最小長さのリード部材６６を用いて低圧側共通電極２４に電気的に接続されている。また、三相のインバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗは、径方向内側で折り曲げられて軸線方向（図４の下方）に引き出され、三相交流負荷９９に接続される。

次に、第２実施形態から寸法諸元を変更した変形例の電力変換装置１Ｃについて説明する。図５は、第２実施形態の変形例の電力変換装置１Ｃの構造を説明する中心軸線に対して片側の断面図である。第２実施形態の変形例では、電力変換部４およびインバータユニット６の軸線方向の高さ寸法が削減されている。これにより、リード部材４５、４６、６５、６６が不要になり、各エミッタ端子４１Ｅ、４２Ｅ、６１Ｅ、６２Ｅは、はんだ付けを用いて直接的に電極３２ｍ、２４、６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗに電気的に接続される。

また、第２実施形態の変形例では、入力コンデンサ２とリアクトル３との径方向寸法比（Ｗ２１／Ｗ２２）が、第２実施形態の径方向寸法比（図４のＷ１１／Ｗ１２）から変更されている。同様に、入力コンデンサ２と出力コンデンサ５との軸線方向寸法比（Ｈ２１／Ｈ２２）が、第２実施形態の軸線方向寸法比（図４のＨ１１／Ｈ１２）から変更されている。このように寸法諸元を変更することで、入力コンデンサ２および出力コンデンサ５の静電容量値、ならびにリアクトル３のインダクタンス値を自由に変更できる。

第２実施形態およびその変形例の電力変換装置１Ｂ、１Ｃの効果は、第１実施形態と同様であるので、説明は省略する。

次に、第３実施形態の電力変換装置１Ｄについて、第１および第２実施形態の電力変換装置１Ａ〜１Ｃと異なる点を主に説明する。図６は、第３実施形態の電力変換装置１Ｄの構造を説明する中心軸線ＣＬに対して片側の断面図である。第３実施形態の電力変換装置１Ｄは、電力変換部４Ｄのゲート駆動回路４７の配置を特定し、かつ、インバータユニット６Ｄの三相ゲート駆動回路６７の配置を特定したものである。

第３実施形態では、電力変換部４Ｄのゲート駆動回路４７が、中心軸線ＣＬの軸線方向の配置の途中に介挿されている。図６に示されるように、ゲート駆動回路４７は、上側スイッチ部４１と高圧側中間電極３２ｍとの間に介挿されている。別法として、ゲート駆動回路４７は、高圧側中間電極３２ｍと下側スイッチ部４２との間に介挿されてもよい。ゲート駆動回路４７は、高圧側および低圧側のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓのゲート端子４１Ｇ、４２Ｇにゲート制御信号を送出する。

また、インバータユニット６Ｄの三相ゲート駆動回路６７が、中心軸線ＣＬの軸線方向の配置の途中に介挿されている。三相ゲート駆動回路６７は、上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗと三相のインバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗとの間に介挿されている。別法として、三相ゲート駆動回路６７は、インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗと下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗとの間に介挿されてもよい。三相ゲート駆動回路６７は、インバータユニット６Ｄのスイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓのゲート端子６１Ｇ、６２Ｇにゲート制御信号を送出する。

図７は、インバータユニット６Ｄの三相ゲート駆動回路６７の近傍の構成を説明する側面図である。三相ゲート駆動回路６７は、相単位に分割されている。各相の三相ゲート駆動回路６７は、各相の上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのスイッチング素子６１Ｓおよび下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのスイッチング素子６２Ｓをそれぞれ駆動する。各相の三相ゲート駆動回路６７は、円環が６等分された形状のプリント基板６７Ｐを用いて形成されている。プリント基板６７Ｐの一面（図７では下側の面）に３個の抵抗６８１〜６８３が実装されて、上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗの駆動回路が形成されている。また、プリント基板６７Ｐの他面（図７では上側の面）に３個の抵抗６８４〜６８６が実装されて、下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗの駆動回路が形成されている。

図７において、上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのスイッチング素子６１Ｓのコレクタ端子６１Ｃは、モジュール底面の概ね全体に形成されている。このコレクタ端子６１Ｃは、はんだ付け６９１を用いて直接的に高圧側インバータ入力電極５３に電気的に接続されている。スイッチング素子６１Ｓのエミッタ端子６１Ｅは、チャンネル材６４または最小長さのリード部材６６を用いてＵ相インバータ出力電極６３Ｕに電気的に接続されている。スイッチング素子６１Ｓのゲート端子６１Ｇは、直近の三相ゲート駆動回路６７に直接的に電気的に接続されている。

一方、下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのスイッチング素子６２Ｓのコレクタ端子６２Ｃは、はんだ付け６９２を用いて直接的にＵ相インバータ出力電極６３Ｕに電気的に接続されている。スイッチング素子６２Ｓのエミッタ端子６２Ｅは、図略のチャンネル材または最小長さのリード部材を用いて低圧側共通電極２４に電気的に接続されている。スイッチング素子６２Ｓのゲート端子６２Ｇは、最小長さのリード部材６９５を用いて三相ゲート駆動回路６７に電気的に接続されている。

第３実施形態の電力変換装置１Ｄを構成するコンバータユニット１において、スイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓのゲート端子４１Ｇ、４２Ｇにゲート制御信号を送出するゲート駆動回路４７が、中心軸線ＣＬの軸線方向の配置の途中に介挿されている。これによれば、スイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓとゲート駆動回路４７を接続するリードを最小長さにできる。したがって、コンバータユニット１内の浮遊インダクタンスが低減されてノイズが抑制される。

また、第３実施形態の電力変換装置１Ｄにおいて、インバータユニット６Ｄのスイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓのゲート端子６１Ｇ、６２Ｇにゲート制御信号を送出する三相ゲート駆動回路６７が、中心軸線ＣＬの軸線方向の配置の途中に介挿されている。これによれば、スイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓと三相ゲート駆動回路６７を接続するリードを最小長さにできる。したがって、インバータユニット６Ｄ内の浮遊インダクタンスが低減されてノイズが抑制される。

次に、第４実施形態の電力変換装置一体形モータ装置７について説明する。図８は、第４実施形態の電力変換装置一体形モータ装置７を模式的に示す断面図である。このインバータ一体形モータ装置７は、第３実施形態の電力変換装置１Ｄと三相モータ８とが、大きな円筒状のハウジング８９内で中心軸線ＣＬ上に配置されて一体化された構成となっている。三相モータ８は、三相交流負荷９９に相当しており、例えば、発電も可能な三相同期モータとすることができる。

三相モータ８は、内周側のロータ８１および外周側のステータ８５で構成されている。ロータ８１は、ロータコア８２、出力軸８３、および図略の磁極などで構成されている。ロータコア８２は、多数枚の環状の電磁鋼板が中心軸線ＣＬ方向に積層されて円筒状に形成されている。出力軸８３は、ロータコア８２の円筒状の中心に挿通されて固定され、ロータコア８２と一体的に回転する。出力軸８３の前方側および後方側の２箇所は、ハウジング８９側の軸受部材８９１、８９２により回転自在に軸承されている。さらに、ロータコア８２の外周面寄りには、周方向に等ピッチでＮ極およびＳ極が交互に配置されるように磁極が埋め込まれている。

ステータ８５は、ロータ８２の周りにわずかな間隙を有してハウジング８９に固設されている。ステータ８５は、ステータコア８６および三相の電機子巻線８８などで構成されている。ステータコア８６は、ロータコア８２側よりも大径の多数枚の環状の電磁鋼板が積層されて円筒状に形成されている。ステータコア８６は、周方向に等ピッチで配置されて中心方向に突出する磁極ティース８７を有している。電機子巻線８８は、各磁極ティース８７の周りのスロットに導体が巻回されて形成されている。

電力変換装置１Ｄは、図略の絶縁物を用いて、ハウジング８９内に絶縁取り付けされている。電力変換装置１Ｄの三相のインバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗは、ハウジング８９に対する絶縁を維持しつつ、電機子巻線８８に電気的に接続されている。

第４実施形態の電力変換装置一体形モータ装置７は、第３実施形態の電力変換装置１Ｄの中心軸線上に、三相モータ８を一体で設けている。

これによれば、一体化によるモータ装置７の小型化が可能になり、ハイブリッド車両や電気自動車への搭載性が大幅に向上する。また、電力変換装置１Ｄおよび三相モータ８を中心軸線ＣＬの周りに回転対称に構成できるので、直流回路の平衡性および三相交流回路の回転対称性が極めて良好になる。さらに、電力変換装置１Ｄと三相モータ８とを接続するインバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗの長さを短くできる。したがって、浮遊インダクタンスが低減され、ノイズが抑制されてＥＭＣ問題に有利となる。

なお、第１〜第３実施形態の電力変換装置１Ａ〜１Ｄにおいて、リアクトル３、電力変換部４、およびインバータユニット６での温度上昇が厳しい場合には、装置１Ａ〜１Ｄ内に冷却液を強制循環する冷却構造を適宜採用できる。また、入力コンデンサ２、リアクトル３、および電力変換部４からなる同軸内外三重構造と、出力コンデンサ５およびインバータユニット６からなる同軸内外二重構造とを、中心軸線ＣＬの軸線方向に並べずに離隔して配置することも可能である。本発明は、その他にも様々な応用や変形などが可能である。

本発明の電力変換装置、および電力変換装置一体形モータ装置は、ハイブリッド車両や電気自動車へ搭載して利用できる。また、本発明の電力変換装置は、三相モータと一体化せずに利用して、分散型発電設備や各種電源設備に用いることができる。

１Ａ〜１Ｄ：電力変換装置 １：コンバータユニット
２：入力コンデンサ ２１１：第１端子 ２１２：第２端子
２３：外周電極 ２４：低圧側共通電極（低圧側インバータ入力電極）
３：リアクトル ３１１：第３端子 ３１２：第４端子
３２ｍ：高圧側中間電極 ３５：コイル ３６：コア
４、４Ｄ：電力変換部
４１：上側スイッチ部 ４２：下側スイッチ部
４１Ｓ、４２Ｓ：スイッチング素子
４３：高圧側出力電極 ４４：チャンネル材 ４７：ゲート駆動回路
５：出力コンデンサ ５１１：第５端子 ５１２：第６端子
５３：高圧側インバータ入力電極
６、６Ｄ：インバータユニット
６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗ：各相上側スイッチ部
６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗ：各相下側スイッチ部
６１Ｓ、６２Ｓ：スイッチング素子
６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗ：各相インバータ出力電極
６４：チャンネル材 ６７：三相ゲート駆動回路
７：インバータ一体形モータ装置
８：三相モータ ８１：ロータ ８５：ステータ ８９：ハウジング
９１：直流電源 ９２１：内部導体 ９２２：外部導体
９９：三相交流負荷
ＣＬ：中心軸線

Claims (7)

1. 中空筒型形状を呈し、直流電源に対し第１端子および第２端子を介して電気的に接続される入力コンデンサと、
   中空筒型形状を呈し、前記入力コンデンサの内径側に配設され、前記第１端子と電気的に接続される入力側の第３端子、および中間電極に電気的に接続される出力側の第４端子を有するリアクトルと、
   前記リアクトルの内径側に配設され、スイッチング制御を行う上側スイッチ部と、前記第２端子と電気的に接続されてスイッチング制御を行う下側スイッチ部とを有し、前記上側スイッチ部および前記下側スイッチ部は前記中間電極を介して前記第４端子と電気的に接続される電力変換部と、
   中空筒型形状を呈し、前記上側スイッチ部と電気的に高圧側で接続される第５端子、および前記第２端子と電気的に低圧側で接続される第６端子を有する出力コンデンサと、
   を備える電力変換装置。
2. 前記入力コンデンサおよび前記出力コンデンサは、軸線方向に並んで配設され、互いに外径が等しい請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記上側スイッチ部は、前記第５端子と高圧側出力電極を介して電気的に接続され、
   前記下側スイッチ部は、前記入力コンデンサと前記出力コンデンサとの間に径方向に介在する低圧側共通電極とチャンネル材を介して電気的に接続される請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１端子は、径方向に延在する電極を介して中心軸線の周囲の円筒状の内部導体まで導かれ、
   前記第２端子および前記第６端子は、円筒状の電極および径方向に延在する電極を介して前記内部導体の周囲の円筒状の外部導体まで導かれ、
   前記内部導体および前記外部導体は、同軸内外に配置されて前記直流電源に電気的に接続される請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記出力コンデンサの内径側に、前記第５端子および前記第６端子に電気的に接続されるインバータユニットが配設された請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記電力変換部と前記インバータユニットとが前記低圧側共通電極を介在させて配設され、
   前記インバータユニットの軸線方向に並んで配設された前記インバータユニット内の上側スイッチ部と前記インバータユニット内の下側スイッチ部との間にインバータ出力電極が設けられた、
   請求項３を引用する請求項５に記載の電力変換装置。
7. 請求項５または６に記載の電力変換装置の中心軸線上に、三相モータを一体で設けた電力変換装置一体型モータ装置。

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