JP6541859B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】カップリングによるノイズの発生を抑止しつつ、基板の小型化を図ることができる電力変換装置を得ることを目的とする。【解決手段】電力変換装置１０００において、主回路部品４００を接続して主回路を構成する主回路配線は、基板１００上において互いに離間して配線された第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２を有している。第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２の間には第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２と絶縁された制御配線３００が配線されており、第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２は、制御配線３００から基板１００の厚さ方向に離間して配置された主回路部品４００を介して接続されている。【選択図】図２Ａ

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。
近年、電力変換装置の高周波駆動化が進められており、インバータ回路のスイッチング素子としてＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）またはＧａＮ（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）等のワイドギャップ半導体が適用されている。電力変換装置の高周波駆動化は、リアルタイム制御のような高速制御を実現可能にするなどのメリットがある一方で、スイッチング損失の増加に伴う半導体スイッチング素子の発熱増加に加え、銅損および鉄損失の増加に伴うリアクトルおよびトランスなどの電気部品の発熱増加というデメリットがある。
そこで、電気部品を収容する凹部を有し、表面側の平面に半導体スイッチング素子が搭載される蓋と、この凹部の側面部に冷媒が流れるように冷却流路を形成されたケースとを備えた電力変換装置が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の電力変換装置においては、蓋の表面側に回路基板が固定される。
特許第５８２３０２０号公報
特許文献１の電力変換装置は、回路基板がケースおよび蓋の上方に固定され、主回路配線と制御配線が１つの回路基板に配線される。主回路配線と制御配線を１つの回路基板に配線する場合、主回路配線と制御配線の位置関係によっては両者が接触しないように一方の配線を迂回させる必要があり、基板面積の増大および電力変換装置の大型化を招いてしまう。周辺機器と接続するための入力コネクタ、出力コネクタ、および制御コネクタの位置を工夫（例えば、入力コネクタと出力コネクタの間には制御コネクタを配置しない）することにより配線の迂回を防ぐことも考えられるが、例えば車載用電力変換装置の場合のように、周辺機器と接続するためのコネクタの位置が制限されていることもある。また、多層配線基板を用いて制御配線と主回路配線とを異なる配線層に配線し、互いに交差させることで配線の迂回を防ぐことができるが、配線が交差する箇所では主回路配線と制御配線のカップリングによるノイズが生じてしまう。カップリングによるノイズはノイズフィルタにより除去することができるが、ノイズフィルタを構成するためにコイルまたはコンデンサを追加することにより、電力変換装置が大型化してしまう。このように、従来の電力変換装置ではカップリングによるノイズ発生の抑制と基板の小型化を両立することが困難であった。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、カップリングによるノイズの発生を抑制しつつ、基板の小型化を図ることができる電力変換装置を得ることを目的とする。
本願に開示される電力変換装置は、主回路部品および複数のスイッチング素子を互いに接続して主回路を構成する主回路配線と、複数のスイッチング素子を駆動制御する制御回路と複数のスイッチング素子を接続する制御配線とが１つの基板に配線された電力変換装置において、主回路配線は、基板上において互いに離間して配線された第１の主回路配線および第２の主回路配線を有し、制御配線は、基板上において第１の主回路配線および第２の主回路配線の間に配線され、制御配線および基板から基板の厚さ方向に離間して配置され、第１の主回路配線および第２の主回路配線にそれぞれ接続される第１の端子および第２の端子が基板の面方向についての一端部および他端部にそれぞれ設けられた主回路部品を介して第１の主回路配線および第２の主回路配線が接続されているものである。
本願に開示される電力変換装置によれば、カップリングによるノイズの発生を抑制しつつ、基板の小型化を図ることができる。
実施の形態１における電力変換装置を示す概略回路図である。 実施の形態１における電力変換装置を示す部分側面図である。 実施の形態１における電力変換装置を示す部分平面図である。 実施の形態２における電力変換装置を示す部分側面図である。
実施の形態１．
以下に、実施の形態１を図１から図２Ｂに基づいて説明する。図１は、実施の形態１における電力変換装置を示す概略回路図である。電力変換装置１０００は、交流電源９０１から出力される交流電力を所望の電圧の直流電力に変換して負荷９０２に供給するもので、交流電源９０１からの電流が流れる主回路９００と、主回路９００が備える複数のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４を駆動制御する制御回路９０３を備えている。複数のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４および種々の主回路部品は、主回路配線２００により互いに接続され、主回路９００を構成している。また、複数のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４と制御回路９０３は、主回路配線２００と電気的に絶縁された制御配線３００によりそれぞれ接続されている。なお、実施の形態１における「主回路部品」はリアクトル４０１、コンデンサ４０２、トランス４０３、およびリアクトル４０４であるが、「主回路部品」はこれらに限らず、電力変換装置において主回路を構成する全ての電気部品およびこれらの組み合わせが含まれる。
主回路９００は、交流電源９０１が接続された１次側と負荷９０２が接続された２次側とで構成されており、交流電源９０１から出力される交流電流を整流する整流部９１１と、整流部９１１により整流された電流を平滑化し、直流電圧を出力するコンデンサ４０２と、コンデンサ４０２から出力される直流電圧を所望の周波数を持つ交流電圧に変換し、トランス４０３の１次コイルに出力するインバータ部９１２と、インバータ部９１２からの交流電圧の電圧値を所望の大きさに変化させ、２次コイルから出力するトランス４０３と、トランス４０３からの交流電圧により流れる電流を整流する整流部９１３と、整流部９１３により整流された電流を平滑化して直流電流を負荷９０２に出力するリアクトル４０４とを備えている。
整流部９１１は、ダイオードＤ１１とダイオードＤ１２の直列接続体と、ダイオードＤ１３とダイオードＤ１４の直列接続体とを並列に接続して構成したものである。交流電源９０１の一方は平滑用のリアクトル４０１を介してダイオードＤ１１とダイオードＤ１２の接続点に接続され、交流電源９０１の他方はダイオードＤ１３とダイオードＤ１４の接続点に接続されている。
コンデンサ４０２は、例えばフィルムコンデンサまたはアルミ電解コンデンサであり、整流部９１１とインバータ部９１２の間に並列に接続されている。
インバータ部９１２は、例えばＳｉＣまたはＧａＮなどのワイドギャップ半導体を用いたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である複数のスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４をブリッジ接続することで構成されている。スイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４は、それぞれのベース端子が制御配線３００を介して制御回路９０３に接続されている。制御回路９０３は、それぞれのスイッチング素子に対応する制御信号を生成し、制御配線３００を介して送信することでそれぞれのスイッチング素子を駆動制御する。なお、ここではスイッチング素子Ｓ１１〜Ｓ１４としてＩＧＢＴを用いているが、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）など、他の半導体スイッチング素子を用いてもよい。
トランス４０３は、主回路９００の１次側に接続された１次コイルと、主回路９００の２次側に接続され、１次コイルと極性が同方向の２次コイルとを鉄心などの磁性体コア（図示なし）に巻き回したもので、主回路９００の１次側と２次側を電気的に絶縁している。トランス４０３の１次コイルと２次コイルは、磁性体コアにより磁気的に接続されており、１次コイルに交流電流が流れることで生じる磁束が磁性体コアを介して２次コイルに伝達され、この磁束により２次コイルに誘導起電力を発生し、２次コイルから整流部９１３に交流電圧が出力される。２次コイルから整流部９１３に出力される交流電圧の大きさは、トランス４０３の１次コイルと２次コイルの巻き数の比を調整することで所望の値に調整される。
整流部９１３は、ダイオードＤ２１とダイオードＤ２２の直列接続体と、ダイオードＤ２３とダイオードＤ２４の直列接続体とを並列に接続して構成したものである。上述したトランス４０３の２次コイルの一端は、ダイオードＤ２１とダイオードＤ２２の接続点に接続され、他端はダイオードＤ２３とダイオードＤ２４の接続点に接続されている。
リアクトル４０４は、整流部９１３と負荷９０２の間に直列に接続されており、整流部９１３から出力される電流から脈動を除去して平滑化する。
負荷９０２は、例えばバッテリーであり、その一方がリアクトル４０４に接続されており、他方がダイオードＤ２４のアノード端子に接続されている。
なお、図１で示した電力変換装置は一例でこれに限られものではなく、例えばＤＣ−ＤＣコンバータでもよい。すなわち、主回路に接続されたスイッチング素子を制御回路により駆動制御することで入力電力を変換して所望の電力を出力させるものであればよい
次に、主回路配線２００と制御配線３００の配線について説明する。図２Ａは、実施の形態１における電力変換装置を示す部分側面図であり、図２Ｂは部分平面図である。図２Ａおよび図２Ｂは、電力変換装置１０００のうち、主回路部品４００の周辺を側方および上方から見た場合の図である。図２Ａおよび図２Ｂに示す主回路部品４００は、図１で示した種々の主回路部品、すなわちリアクトル４０１、コンデンサ４０２、トランス４０３、またはリアクトル４０４のうちの１つまたはいずれかの組み合わせを表す。主回路配線２００は、図に示すように基板１００上において第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２に分割されて配線されており、第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２は、基板１００の面方向について互いに離間して配線されている。第１の主回路配線２０１と第２の主回路配線２０２の間には制御配線３００が配線されており、第１の主回路配線２０１と第２の主回路配線２０２は、制御配線３００と絶縁されている。なお、基板１００は、単層の配線基板でもよいし、多層配線基板でもよい。また、図示省略しているが、制御配線３００は一端が外部機器と接続される制御コネクタに接続され、他端が制御回路および電圧電流の検知回路などに接続されている。
主回路部品４００は、図２Ａにおける制御配線３００の直下に実装されており、基板１００の厚さ方向について、基板１００から予め定められた距離Ｌだけ離れた位置に配置されている。すなわち、主回路部品４００は、制御配線３００から基板１００の厚さ方向に離間して配置されている。基板１００と主回路部品４００の間には、後述する端子４００ａおよび端子４００ｂがそれぞれ貫通する孔（図示なし）が設けられ、接地された板状の金属部材５００が配置されており、主回路部品４００の基板１００と対向する面が金属部材５００により覆われている。また図２Ｂに示すように、金属部材５００の基板１００上への投影面５００Ａの面積は、主回路部品４００の投影面４００Ａの面積よりも大きく、主回路部品４００の投影面４００Ａが金属部材５００の投影面５００Ａの内部に納まっている。なお、実施の形態１では金属部材５００と主回路部品４００を当接させているが、金属部材５００が基板１００と主回路部品４００の間に配置されるのであれば、金属部材５００を主回路部品４００から離間させてもよい。また距離Ｌの大きさは、後述する主回路部品の端子の長さにもよるが、数ｃｍ程度あればよい。
主回路部品４００は、基板１００の面方向についての一端部および他端部にそれぞれ設けられた端子４００ａおよび端子４００ｂを介して第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２と接続される。このように第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２が主回路部品４００と接続されることにより、第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２は、主回路部品４００を介して接続される。すなわち、主回路部品４００は主回路配線接続部に相当する。端子４００ａおよび端子４００ｂは、主回路部品４００の基板１００と対向する面から基板１００に向かって延び、基板１００に形成された孔（図示なし）を貫通して第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２とそれぞれ接続される。このため、第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２は端子４００ａおよび端子４００ｂの位置に合わせてそれぞれ配線され、それぞれの一部は投影面４００Ａと重なっている。また、主回路部品４００は制御配線３００の直下に実装されているため、制御配線３００の一部は投影面４００Ａに重なっている。なお、実施の形態１では第１の主回路配線２０１、第２の主回路配線２０２、および制御配線３００について、それぞれ一部が投影面４００Ａと重なる配置となっているが、それぞれについて全体が投影面４００Ａと重なる配置にしてもよい。
上述したように、端子４００ａおよび端子４００ｂは基板１００の面方向についての一端部および他端部にそれぞれ設けられ、第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２は、主回路部品４００の端子４００ａおよび端子４００ｂの位置に合わせて配線されるので、第１の主回路配線２０１と第２の主回路配線２０２の間の距離は投影面４００Ａと概ね等しくなる。このため、主回路部品４００の投影面４００Ａが大きいほど第１の主回路配線２０１と第２の主回路配線２０２の間の領域が大きくなるので、主回路部品４００がトランス４０３およびリアクトル４０１、４０４のように大型のものを含み投影面４００Ａが大きい場合、第１の主回路配線２０１と第２の主回路配線２０２の間の領域も大きくなり、制御配線３００を配線できる領域も大きくなる。
なお、実施の形態１では端子４００ａおよび４００ｂを主回路部品４００の基板１００と対向する面に設けているが、第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２との間の距離が、投影面４００Ａの幅と概ね等しくなればよいので、基板１００の方向に折れ曲がるＬ字状の端子を主回路部品４００の側面に設けてもよい。要は、第１の主回路配線２０１と第２の主回路配線２０２の間に制御配線３００が配線できる領域が形成されるように、主回路部品４００と第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２とをそれぞれ接続する端子を設ける位置が、基板１００の面方向についての主回路部品４００の一端部および他端部であればよい。
また、実施の形態１では主回路配線接続部として主回路部品４００を用いているが、例えばバスバーを用いて第１の主回路配線２０１と第２の主回路配線２０２を接続してもよい。また、第１の主回路配線２０１と第２の主回路配線２０２の間に、制御配線３００を配線するのみでなく制御配線３００に接続される制御部品を配置してもよい。
実施の形態１によれば、カップリングによるノイズの発生を抑制しつつ、基板の小型化を図ることができる。より具体的には、基板上において、主回路配線を構成する第１の主回路配線および第２の主回路配線が互いに離間して配線され、第１の主回路配線および第２の主回路配線の間に制御配線が配線される。主回路部品は、基板の厚さ方向について制御配線から離間して配置され、第１の主回路配線および第２の主回路配線は主回路部品を介して互いに接続される。このため、第１の主回路配線と第２の主回路配線を接続させるために、第１の主回路配線または第２の主回路配線と制御配線を交差させる必要がなく、主回路配線と制御配線との間のカップリングによるノイズの発生を抑制することができる。また、第１の主回路配線および第２の主回路配線は制御配線を迂回する必要がないので、配線の迂回による基板の大型化を防ぎ、小型化を図ることができる。さらに、ノイズカットのためのコイルおよびコンデンサが不要であるため、電力変換装置全体の小型化および低コスト化を図ることができる。
また、基板と主回路部品は基板の厚さ方向について予め定められた距離離して配置されているので、主回路配線および主回路部品と制御配線のカップリングをより確実に抑制することができる。
また、接地された板状の金属部材が主回路部品と基板の間に配置されているので、シールド効果により主回路配線および主回路部品と制御配線のカップリングをさらに確実に抑制することができる。
また、主回路部品の基板への投影面が板状の金属部材の基板への投影面内に納まっているので、主回路部品の基板と対向する面の全体が板状の金属部材により覆われている。このため、主回路部品の全体に亘ってシールド効果を得ることができる。
また、主回路部品がリアクトルまたはトランスのように大型のものを含む場合、第１の主回路配線と第２の主回路配線の間の領域が大きくなり制御配線を配線できる領域も大きくなるので、第１の主回路配線と第２の主回路配線の間に制御配線を集中的に配線することが可能となり、さらなる基板の小型化を図ることができる。
なお、主回路部品の端子の引き回しを変更し、第１の主回路配線と第２の主回路配線の接続点を設計することで、主回路部品の投影面における制御配線の配線自由度を高めてもよい。この場合、基板１００のさらなる小型化を図ることができる。
実施の形態２．
以下に、実施の形態２を図３に基づいて説明する。なお、図１から図２Ｂと同一または相当部分については同一符号を付し、その説明を省略する。図３は、実施の形態２における電力変換装置を示す部分側面図である。図３は、実施の形態１の電力変換装置１０００に対応する電力変換装置１０１０のうち、任意の主回路部品４００周辺を側方から見た場合の図である。実施の形態２は、第１の主回路配線および第２の主回路配線と主回路部品を接続する端子を２つの分割端子に分割したものである。
主回路部品４００は、基板１００の面方向についての一端部および他端部にそれぞれ第１の分割端子４００ａ１および第１の分割端子４００ｂ１が設けられている。第１の分割端子４００ａ１および第１の分割端子４００ｂ１は、基板１００の方向に向かって延び、金属部材５００と基板１００の間に配置された導電性の中間部材６０１、６０２の下面、すなわち主回路部品４００と対向する面にそれぞれ接続されている。中間部材６０１、６０２の上面、すなわち基板１００と対向する面には、基板１００に形成された孔（図示なし）を貫通して第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２にそれぞれ接続される第２の分割端子４００ａ２および第２の分割端子４００ｂ２がそれぞれ接続されている。
中間部材６０１は、基板１００の面方向に沿って制御配線３００側から第１の主回路配線２０１側に向かって延びる板状または棒状の導電性部材であり、中間部材６０１と第２の分割端子４００ａ２の接続位置は、中間部材６０１と第１の分割端子４００ａ１の接続位置よりも外側、すなわち第１の主回路配線２０１側にある。また、中間部材６０２は、基板１００の面方向に沿って制御配線３００側から第２の主回路配線２０２側に向かって延びる板状または棒状の導電性部材であり、中間部材６０２と第２の分割端子４００ｂ２の接続位置は、中間部材６０２と第１の分割端子４００ａ１の接続位置よりも外側、すなわち第２の主回路配線２０２側にある。また、第１の主回路配線２０１および第２の主回路配線２０２は、第２の分割端子４００ａ２、４００ｂ２の位置に合わせてそれぞれ配線される。これにより、主回路部品４００は、第１の分割端子４００ａ１、中間部材６０１および第２の分割端子４００ａ２を介して第１の主回路配線２０１と接続され、第１の分割端子４００ｂ１、中間部材６０２および第２の分割端子４００ｂ２を介して第２の主回路配線２０２と接続される。すなわち、第１の分割端子４００ａ１、中間部材６０１および第２の分割端子４００ａ２が実施の形態１における端子４００ａに相当し、第１の分割端子４００ｂ１、中間部材６０２および第２の分割端子４００ｂ２が実施の形態１における端子４００ｂに相当する。その他については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。
実施の形態２によれば、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、主回路部品が小さい場合でも第１の主回路配線と第２の主回路配線との間の領域を大きくし、制御配線を配線するための領域を確保することができる。より具体的には、第１の主回路配線および第２の主回路配線と主回路部品をそれぞれ接続する端子を、主回路部品に接続される第１の分割端子、および第１の主回路配線および第２の主回路配線に接続される第２の分割端子にそれぞれ分割し、第１の分割端子および第２の分割端子を導電性の中間部材を介して電気的に接続した。この際、第２の分割端子と中間部材の接続位置を第１の分割端子と中間部材の接続位置よりも外側になるようにしたため、主回路部品が小さく第１の分割端子同士の間が狭いときであっても、第２の分割端子同士の間の距離を大きくすることができ、第１の主回路配線と第２の主回路配線の間の領域を大きくすることができる。
なお、実施の形態２では第１の主回路配線および第２の主回路配線と主回路部品を接続する端子を２つの分割端子に分割したが、３つ以上に分割してもよい。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の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、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１００ 基板、２００ 主回路配線、２０１ 第１の主回路配線、２０２ 第２の主回路配線、３００ 制御配線、４００ 主回路部品、４００ａ、４００ｂ 端子、４００ａ１、４００ｂ１ 第１の分割端子、４００ａ２、４００ｂ２ 第２の分割端子、４００Ａ 投影面、４０１ リアクトル、４０２ コンデンサ、４０３ トランス、４０４ リアクトル、５００ 金属部材、５００Ａ 投影面、６０１、６０２ 中間部材、９００ 主回路、９０１ 交流電源、９０２ 負荷、９０３ 制御回路、９１１、９１３ 整流部、９１２ インバータ部、１０００、１０１０ 電力変換装置、Ｄ１１〜Ｄ１４、Ｄ２１〜Ｄ２４ ダイオード、Ｓ１１〜Ｓ１４ スイッチング素子

Claims (6)

  1. 主回路部品および複数のスイッチング素子を互いに接続して主回路を構成する主回路配線と、前記複数のスイッチング素子を駆動制御する制御回路と前記複数のスイッチング素子を接続する制御配線とが１つの基板に配線された電力変換装置において、
    前記主回路配線は、前記基板上において互いに離間して配線された第１の主回路配線および第２の主回路配線を有し、
    前記制御配線は、前記基板上において前記第１の主回路配線および前記第２の主回路配線の間に配線され、
    前記制御配線および前記基板から前記基板の厚さ方向に離間して配置され、前記第１の主回路配線および前記第２の主回路配線にそれぞれ接続される第１の端子および第２の端子が前記基板の面方向についての一端部および他端部にそれぞれ設けられた主回路部品を介して前記第１の主回路配線および前記第２の主回路配線が接続されていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記制御配線の一部または全部は、前記主回路部品の前記基板への投影面に重ねて配置されている請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記主回路部品と前記基板の間には、接地された板状の金属部材が配置されている請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記主回路部品の前記基板への投影面は、前記金属部材の前記基板への投影面内に納まっている請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記第１の端子および前記第２の端子が、前記主回路部品に接続される第１の分割端子、前記第１の主回路配線および前記第２の主回路配線に接続される第２の分割端子、および前記第１の分割端子と前記第２の分割端子を電気的に接続する導電性の中間部材により構成され、前記第２の分割端子と前記中間部材の接続位置が、前記第１の分割端子と前記中間部材の接続位置よりも外側に配置されている請求項1から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  6. 前記主回路部品は、リアクトルまたはトランスを含む請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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