JP6532567B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電圧のリップルを平滑するための平滑素子と平滑素子を冷却する冷却器から構成される電力変換装置において、平滑素子ケースを冷却器に接触させる場合、平滑素子ケース内部のＰバスバとＮバスバに放熱差が生じるため、平滑素子を十分に冷却出来ない。【解決手段】平滑素子に繋がっている平滑素子外部バスバに対して、並行平板ＰＮバスバを設け、平滑素子内で発熱しやすい側のバスバを並行平板バスバでは冷却面側に配置して接続し、冷却器で積極的に冷却する事によって、バスバの温度を下げる。【選択図】図２

Description

本願は、平滑素子の温度上昇を抑制する電力変換装置に関するものである。

電力を変換する電力変換装置であるインバータは複数の半導体素子を制御することで、電源からモータの各コイルへの電流供給経路を切り替え、モータの駆動制御を行っている。インバータの直流回路には直流電圧のリップルを平滑するための大容量の平滑素子が使用される。

平滑素子には整流された交流電流が入力され、スイッチングによるパルス電流が出力される。したがって、平滑素子には常に交流のリップル電流が流れるため、電力を消費し発熱する。また、平滑素子は半導体素子とバスバを介して接続されるため、半導体素子が高温になるとバスバを介して平滑素子も高温になってしまう。特に、大電力のインバータではバスバからの伝熱が大きく、平滑素子温度が上昇する。平滑素子の温度上昇は素子寿命を低下させるため、平滑素子の耐熱不足が課題となっている。

一般的に、平滑素子が収納されている平滑素子ケースを、冷却器に接触させて平滑素子の熱を直接逃がす構成にする事で、平滑素子の温度上昇を抑える事が出来る。平滑素子と半導体素子を接続するＰバスバ及びＮバスバの一方又は双方を平滑素子ケースの内部表面に絶縁材を介して接触させる事で、平滑素子の発熱が平滑素子ケースへ容易に熱伝導する構造とし、平滑素子ケースの外表面から放熱する事によって平滑素子を効果的に冷却する事が出来る（例えば、特許文献１参照）。また、バスバからの伝熱は平滑素子ケースの外表面から放熱するので、平滑素子には到達しにくく、平滑素子を熱保護できる構造になっている。

特開２０１３−１４６１７９号公報

特許文献１では冷却器上に平滑素子と半導体素子を並べ、直接バスバを接続する事によって、低配線インダクタンスで高い冷却効果が得られる簡素かつ小型な構成としている。
低配線インダクタンス化を目的として平滑素子バスバと半導体素子バスバを直接つなぐ場合、平滑素子ケース内部のＰバスバ、及びＮバスバのうちどちらか一方がレイアウトの都合上冷却器から離れる場合がある。例えば、Ｐバスバが平滑素子ケース内部の冷却器側に配置され、Ｎバスバが冷却器側面に配置されない場合に、Ｐ側平滑素子は冷えやすく、Ｎ側平滑素子は冷えにくい。

半導体素子バスバと平滑素子バスバは接続されているため、半導体素子の熱が半導体素子バスバを介し、平滑素子バスバに伝熱される。そのため、ＰバスバとＮバスバの間に放熱差が生じ、Ｎバスバの方がＰバスバより発熱しやすくなる。平滑素子は発熱しやすいＮバスバの影響を受けて温度上昇するため、発熱しやすいＮバスバの温度を下げる必要がある。

平滑素子内部で生じる放熱差を軽減するためには、平滑素子内部のバスバを平滑素子外部へ延長し、冷却器に接触させれば平滑素子内部の発熱するバスバ温度を下げる事が出来る。しかし、半導体素子と平滑素子ケース内部から延長したバスバとを接続する場合には、延長したバスバによって配線インダクタンスが増加するため、インバータ性能が低下してしまう。

本願は、上述の問題を解決するためになされたもので、平滑素子ケース内で発熱しやすいバスバを、冷却器で積極的に冷却する事によって、バスバの温度を下げることが出来る電力変換装置を提供する事を目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、スイッチング素子と平滑素子とを有し、電力変換を行う電力変換装置において、平滑素子を格納するためのケース、ケース外面の一部と接触している冷却器、ケースに格納されている平滑素子の一端と一方が接続され、冷却器と接触しているケースの内面側に配線され、他方がケース外に引き出されている第１のバスバ、平滑素子の他端と一方が接続され、冷却器と接触しているケースの内面側に配線されることなく、他方がケース外に引き出される第２のバスバを備え、第１のバスバは、前記冷却器と接触していない第３のバスバとケース外で接続され、第２のバスバは、前記冷却器と絶縁材を介して接触している第４のバスバとケース外で接続されていることを特徴とする。

本願に開示される電力変換装置によれば、ケース内に配線されるバスバのうち、冷えにくい側の第２のバスバの温度を下げる事が出来、冷却器動作時の平滑素子に使用するバスバ温度は均等に冷却できる。

実施の形態１に係る電力変換装置の概略構成図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の平滑素子に使用するバスバの構造を説明する斜視図である。 図２の矢印Ａ側からみた側面図である。 実施の形態１に係る電力変換装置のバスバ毎の冷却性能と温度の関係を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の平滑素子に使用するバスバの構造を説明する他の斜視図である。

以下、本願に係る電力変換装置に使用するバスバの好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図面中、同一又は相当する部分には、同一符号を付している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の概略構成図である。図１中、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換器１０と、電力変換器１０より電力を供給されて駆動される回転機２０と、電力変換器１０を制御する制御装置３０を備えている。
電力変換器１０の直流母線は直流電源１１に接続される。電力変換器１０は、直流母線に、直流電源と並行に平滑素子（コンデンサ）１２が接続され、直流電圧のリップルを平滑している。電力変換器１０は、スイッチング素子１３からなり、三相インバータを構成する。スイッチング素子１３は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-semiconductor field-effect transistor）などの半導体素子で構成される。回転機２０は、各相の電流を検出する電流検出器２１、回転子角度を検出する角度検出器２２を備える。

図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の平滑素子１２に使用するバスバの構造を説明する斜視図、図３は、図２の矢印Ａ方向から見た側面図である。図１で示された平滑素子１２のバスバは、図２又は図３に示された平滑素子ケース１、平滑素子ケース１の内部で平滑素子１２の負側と配線される平滑素子内部Ｎバスバ２、及び平滑素子１２の正側と配線される平滑素子内部Ｐバスバ３、平滑素子内部Ｎバスバ２から延長される平滑素子外部Ｎバスバ４、平滑素子内部Ｐバスバ３から延長される平滑素子外部Ｐバスバ５、平滑素子外部Ｐバスバ５と接続される並行平板Ｐバスバ６、及び平滑素子外部Ｎバスバ４と接続される並行平板Ｎバスバ７により構成されている。

図２及び図３のように構成されている平滑素子１２に使用するバスバの構造をさらに詳細に説明する。平滑素子ケース１は冷却器８上に設置されている。平滑素子内部Ｐバスバ３は平滑素子ケース１内部の冷却器面側に配置される。すなわち、絶縁材を介して平滑素子内部Ｐバスバ３と平滑素子ケース１内面は接触している。平滑素子内部Ｎバスバ２は平滑素子内部の冷却器面側ではない、平滑素子ケース１の天面側に配置されている。並行平板Ｐバスバ６が平滑素子外部Ｐバスバ５と接続され、並行平板Ｎバスバ７が平滑素子外部Ｎバスバ４と接続されている。並行平板Ｎバスバ７は、冷却器８と絶縁材を介して接触しており、並行平板Ｐバスバ６は並行平板Ｎバスバ上に配置され、冷却器８とは接触していない。

上述のような構成による、各バスバの温度状態を説明したのが図４である。冷却器面側に配置される平滑素子内部Ｐバスバ３は平滑素子ケース１を通して冷却器８へ容易に熱を伝える事が出来るため冷えやすく冷却性能は高い。一方で、平滑素子内部Ｎバスバ２は冷却面から距離があり、冷却性能が低いため、平滑素子内部Ｐバスバ３より発熱しやすい。そこで、並行平板Ｐバスバ６、並行平板Ｎバスバ７をそれぞれ、平滑素子外部Ｐバスバ５、平滑素子外部Ｎバスバ４に接続している。これにより、平滑素子ケース１内部で発熱しやすい平滑素子内部Ｎバスバ２を、より冷却効果の高い並行平板Ｎバスバ７に接続するため、平滑素子内部Ｎバスバ２の温度を下げる事ができる。なお、平滑素子内部Ｐバスバ３は、冷却性能が並行平板Ｎバスバ７より低い並行平板Ｐバスバ６と接続されるため、結果として、図４に示すように、冷却器動作時の平滑素子に使用するバスバ温度は全て均等に冷却できることがわかる。

図５は、図２、図３で説明した冷却器８上に、さらに、スイッチング素子１３を構成する半導体素子９を搭載した構造を示す。平滑素子外部Ｎバスバ４、平滑素子外部Ｐバスバ５と半導体素子９の間に並行平板Ｐバスバ６、並行平板Ｎバスバ７を配置している。半導体素子９に接続されるバスバ（図示せず）は、並行平板Ｎバスバ７及び並行平板Ｐバスバ６と接続される。さらに、並行平板Ｎバスバ７と平滑素子外部Ｎバスバ４が接続され、並行平板Ｐバスバ６と平滑素子外部Ｐバスバ５とが接続されている。
半導体素子９のスイッチング時のサージ電圧（インダクタンス）への影響を考慮し、平滑素子外部Ｎバスバ４と並行平板Ｎバスバ７とを接続する箇所、及び平滑素子外部Ｐバスバ５と並行平板Ｐバスバ６とを接続する箇所で冷却面を入れ替える構造としている。

すなわち、平滑素子外部Ｐバスバ５と半導体素子バスバ（図示せず）とを並行平板Ｐバスバ６を介して接続し、平滑素子外部Ｎバスバ４と半導体素子バスバとを、並行平板Ｎバスバ７を介して接続している。ここで、並行平板Ｎバスバ７は、冷却器８に接触しており、各バスバの温度状態は図４と同様となる。これにより、発熱しやすい側のバスバを冷却器で積極的に冷却することにより、低インダクタンス構造で平滑素子に接続されるバスバ温度の均等化が可能となる。また、半導体素子９で構成されるインバータ性能の低下を防ぎ、低配線インダクタンスとすることができる。さらに、並行平板Ｎバスバ７、並行平板Ｐバスバ６を配置することにより、低配線インダクタンス構造のまま熱が伝わる経路長を長くする事ができ、インバータ性能の低下を抑えつつ、平滑素子内部で発熱しやすいＮバスバの温度を下げる事が出来る。

なお、本願では、インバータ回路における、半導体素子９と平滑素子１２との接続におけるバスバの構造で説明したが、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路でも同様の構造を構成でき、同様の効果を奏することが出来る。また、平滑素子１２は、本実施の形態では、平滑コンデンサで説明したが、スナバコンデンサ、フィルタコンデンサ等でもよい。

本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１：平滑素子ケース、２：平滑素子内部Ｎバスバ、３：平滑素子内部Ｐバスバ、４：平滑素子外部Ｎバスバ、５：平滑素子外部Ｐバスバ、６：並行平板Ｐバスバ、７：並行平板Ｎバスバ、８：冷却器、９：半導体素子、１０：電力変換器、１１：直流電源、１２：平滑素子、１３：スイッチング素子、２０：回転機、２１：電流検出器、２２：角度検出器、３０：制御装置

Claims (4)

1. スイッチング素子と平滑素子とを有し、電力変換を行う電力変換装置において、前記平滑素子を格納するためのケース、前記ケース外面の一部と接触している冷却器、前記ケースに格納されている前記平滑素子の一端と一方が接続され、前記冷却器と接触している前記ケースの内面側に配線され、他方が前記ケース外に引き出されている第１のバスバ、前記平滑素子の他端と一方が接続され、前記冷却器と接触している前記ケースの内面側に配線されることなく、他方が前記ケース外に引き出される第２のバスバを備え、前記第１のバスバは、前記冷却器と接触していない第３のバスバと前記ケース外で接続され、前記第２のバスバは、前記冷却器と絶縁材を介して接触している第４のバスバと前記ケース外で接続されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第４のバスバの前記冷却器と接触している部分で前記第２のバスバと接続され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. 前記第３のバスバと前記第４のバスバは前記スイッチング素子を構成する半導体素子と接続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. 前記半導体素子は前記冷却器と絶縁材を介して接触していることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。

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