JP6719021B2

JP6719021B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6719021B2
Application number: JP2019508636A
Authority: JP
Inventors: 旭石井; 斎藤　博之; 博之斎藤; 裕大久保; 龍二栗原; 裕二曽部
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-03-30
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2020-07-08
Anticipated expiration: 2038-01-29
Also published as: WO2018179773A1; CN110447164A; US20190386577A1; US11011996B2; DE112018000388T5; CN110447164B; JPWO2018179773A1

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特にパワー半導体回路部とＤＣＤＣコンバータ回路部とが一体に構成された一体型電力変換装置に関するものである。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両には、高電圧と低電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ回路部と、直流電力を交流電力に変換するパワー半導体回路部を備えるインバータ回路部と、を備える。車両の小型化に伴い、ＤＣＤＣコンバータ回路部とインバータ回路部の小型化も求められている。

そこで、特許文献１は、ＤＣＤＣコンバータ回路部とインバータ回路部が同じ筐体内に収納される技術が開示されている。

しかしながら、車両に用いられる電動品が高電圧になる伴い、ＤＣＤＣコンバータ回路部とインバータ回路部をそれぞれ構成する部品は電磁ノイズに対する更なる対策を講じる必要がある。

特開２０１４−７２９３８号公報

そこで本発明が解決しようとする課題は、電力変換装置の電磁ノイズに対する信頼性を向上させることである。

本発明に係る電力変換装置は、直流電力を駆動用モータへ供給する交流電力に変換するパワー半導体回路部と、直流電力の電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ回路部と、前記パワー半導体回路部へ駆動信号を出力する第１駆動回路基板と、前記ＤＣＤＣコンバータ回路部へ駆動信号を出力する第２駆動回路基板と、前記第１駆動回路基板を制御する第１制御信号及び前記第２駆動回路基板を制御する第２制御信号を出力する制御回路基板と、を備え、前記制御回路基板は、前記パワー半導体回路部及び前記ＤＣＤＣコンバータ回路部を挟んで前記第２駆動回路基板と対向する位置に配置され、前記第１駆動回路基板は、当該第１駆動回路基板の主面が前記制御回路基板と前記第２駆動回路基板の配列方向と略平行になるように配置され、かつ前記パワー半導体回路部と対向する位置に配置され、前記第１駆動回路基板は、前記制御回路基板から出力される前記第２制御信号を前記第２駆動回路基板に中継する中継配線を有する。

本発明により、電力変換装置の電磁ノイズに対する信頼性を向上させることができる。

パワー半導体回路部２０とＤＣＤＣコンバータ回路部とが一体に構成された一体型電力変換装置１の全体斜視図である。上側カバーを外した図１の一体型電力変換装置１の全体斜視図である。図１の一体型電力変換装置１の分解斜視図である。一体型電力変換装置１の主回路部２の分解斜視図である。図１の一体型電力変換装置１を面Ａの矢印方向から見た断面図である。図２の一体型電力変換装置１のＢの矢印方向から見た断面図である。図６の断面Ｃの矢印方向から見た断面図である。図７の領域Ｄの拡大断面図である。制御信号の流れを示すブロック構成図である。本実施形態に係る第１駆動回路基板１２の断面図である。

本発明に係る実施形態を図１から図１０を用いて説明する。

図１は、パワー半導体回路部２０とＤＣＤＣコンバータ回路部とが一体に構成された一体型電力変換装置１の全体斜視図である。図２は、上側カバーを外した図１の一体型電力変換装置１の全体斜視図である。図３は、図１の一体型電力変換装置１の分解斜視図である。図４は、一体型電力変換装置１の主回路部２の分解斜視図である。さらに図５は、図１の一体型電力変換装置１を面Ａの矢印方向から見た断面図である。図９は、制御信号の流れを示すブロック構成図である。

図３に示されるように、一体型電力変換装置１は、主回路２と、制御回路基板１１と、第１駆動回路基板１２と、第２駆動回路基板１３と、第１駆動回路基板１２を保持する支持部材１４と、これらの部品を収納する筐体１０と、を備える。

主回路２は、直流電力を駆動用モータへ供給する交流電力に変換するパワー半導体回路部２０と、直流電力の電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ回路部２１と、により構成される。

図４に示されるように、直流電流は、入力端子２５０に入力され、直流バスバー２００を介してパワー半導体モジュール２０３に入力される。また直流電流は、Ｘコンデンサモジュール２０４及びＥＭＣフィルターモジュール２０５へも供給され、平滑及びノイズ除去される。

パワー半導体モジュール２０３は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を有する。Ｘコンデンサモジュール２０４は、インバータ回路に供給される直流電力を平滑化する。直流バスバー２００は、パワー半導体モジュール２０３とＸコンデンサモジュール２０４を電気的に接続する。交流バスバー２０１は、電流を検出する電流センサ２０７を貫通する。

流路形成体２０６は、パワー半導体モジュール２０３を中心に冷却するための流路を形成し、アルミダイキャスト製で形成される。なお、流路形成体２０６の流路は、Ｘコンデンサモジュール２０４やＤＣＤＣコンバータ回路部２１の下部や側部に流すように形成され、Ｘコンデンサモジュール２０４やＤＣＤＣコンバータ回路部２１を冷却するようにしてもよい。

ベースプレート２０２は、パワー半導体モジュール２０３を覆うように、流路形成体２０６に固定する。これにより、パワー半導体モジュール２０３が流路形成体２０６から離れる方向に移動することを抑制している。

図３及び図５に示される第１駆動回路基板１２は、パワー半導体モジュール２０３へ駆動信号を出力する。図４及び図５に示される第２駆動回路基板１３は、ＤＣＤＣコンバータ回路部２１へ駆動信号を出力する。

図９に示されるように、制御回路基板１１は、第１駆動回路基板１２を制御する第１制御信号１１０と、第２駆動回路基板１３を制御する第２制御信号１１１と、を出力する。

本実施形態のような一体型電力変換装置１の要求サイズは非常に小さくなっており、パワー半導体回路部２０とＤＣＤＣコンバータ回路部２１の一体化や同じ筐体内に内蔵されるような同梱包化が求められる。しかしながら、パワー半導体回路部２０とＤＣＤＣコンバータ回路部２１の一体化や同梱包化は、双方の回路部のノイズ干渉により、ＥＭＣ性能が悪化する傾向にある。

第１駆動回路基板１２はパワー半導体モジュール２０３へ駆動信号を出力する。パワー半導体モジュール２０３では直流電流から交流電流へ変換する際のスイッチングノイズが発生する。

第２駆動回路基板１３は、ＤＣＤＣコンバータ回路部２１へ駆動信号を出力する。高電圧（数百Ｖ）から低電圧（１２Ｖ）へ変換する際のスイッチングノイズが発生する。

制御回路基板１１は、第１駆動回路基板１２を制御する第１制御信号１１０及び前記第２駆動回路基板を制御する第２制御信号１１１を出力する。他基板を制御すると共に、信号伝達のための外部インターフェイスと接続する。

図５に示されるように、制御回路基板１１をパワー半導体回路部２０及びＤＣＤＣコンバータ回路部２１を挟んで第２駆動回路基板１３から離れた対向する位置に配置することで、第２駆動回路基板１３から放射されるノイズによる干渉の影響を低減することができる。

また、第１駆動回路基板１２は、主面が制御回路基板１１と第２駆動回路基板１３の配列方向と略平行になるように配置されかつパワー半導体回路部２０と対向する位置に配置する。

第１駆動回路基板１２は、制御回路基板１１から出力される第２制御信号１１１を伝達するための配線をパターン上に形成しかつ第２駆動回路基板１３に中継する中継配線を備える。これにより、制御回路基板１１から出力される第２制御信号１１１を中継するハーネスを用いていた場合よりも、組立性を向上させ小型化を図ることができる。

図１０は、本実施形態に係る第１駆動回路基板１２の断面図である。

第１駆動回路基板１２は、制御回路基板１１から第２駆動回路基板１３を制御するために出力される第２制御信号１１１を中継する中継配線１２０を有する。

第１駆動回路基板１２は複数の内層パターンを有しており、中継配線１２０を構成するパターン層とパワー半導体回路部２０やＤＣＤＣコンバータ回路部２１との間に、少なくとも１層の第１導電層１２１を配置することで、回路部からのノイズに対するシールド効果が得られるため、より耐ノイズ性が向上する。

また第１駆動回路基板１２は、中継配線１２０を挟んで第１導電層１２１とは反対側に配置される第２導電層１２２を有する。これにより、一体型電力変換装置１の外側からの外来ノイズに対するシールド効果が得られる。

つまり、第１導電層１２１と第２導電層１２２で中継配線１２０を挟み込むことで、両面に対する外来ノイズへのシールド効果が得られるため、より耐ノイズ性が向上する。

図６は、図２の一体型電力変換装置１のＢの矢印方向から見た断面図である。図７は、図６の断面Ｃの矢印方向から見た断面図である。図８は、図７の領域Ｄの拡大断面図である。

図６に示されるように、第１駆動回路基板１２は、パワー半導体モジュール２０３へ出力する駆動信号を生成する駆動回路部１２４と、それ以外の機能を含む電源回路部１２５と、に大別される。駆動回路部１２４の点線で囲まれた部分は、駆動回路部１２４の回路搭載範囲である。電源回路部１２５の点線で囲まれた部分は、電源回路部１２５の回路搭載範囲である。

図７に示されるように、制御回路基板１１は、他部品とは別の空間である第１空間３へ配置され、例えば第１駆動回路基板１２が配置される第２空間４やパワー半導体回路部２０が配置される空間やＤＣＤＣコンバータ回路部２１が配置される空間とは壁１００でより仕切られる。

制御回路基板１１は電気的に外部インターフェースと接続されるため、ノイズ影響を受けるとそのノイズは外部インターフェースを経由し、外へ出てしまうため、他基板よりも、耐ノイズ性が特に要求される。

そこで図６及び図８に示されるように、第１駆動回路基板１２に搭載される第２コネクタ１２３は、制御回路基板１１に搭載される第１コネクタ１１２と貫通孔１０１を介して接続される。この貫通孔１０１は、壁１００に形成される。これにより、他部品から発生する放射ノイズの影響を抑制する。

また、第１駆動回路基板１２と制御回路基板１１との接続部に２つコネクタを用いて直接接続することで、ハーネスを廃止でき短い距離で接続することができるため、第２空間４内にて受ける放射ノイズの影響を低減することができる。

なお第１駆動回路基板１２と第２駆動回路基板１３との接続部においても同様に、２つコネクタを用いて直接接続することで放射ノイズの影響を低減することもできる。

また図７に示されるトランス２１０は、ＤＣＤＣコンバータ回路部２１を構成しかつ、高電圧から低電圧と電圧の変換を行うための回路部品である。そのためトランス２１０は、ＤＣＤＣコンバータ回路部２１を構成する他の部品に比べて多くのノイズを発生する。

そこでトランス２１０は、パワー半導体回路部２０を挟んで、第１駆動回路基板１２と対向する位置に配置される、これにより第１駆動回路基板１２と物理的な距離とともにパワー半導体回路部２０が電磁ノイズ遮蔽部材として機能し、ノイズ影響を低減することができる。

また図７に示される低電圧側回路２１１は外部インターフェースを有し、ノイズ影響を受けるとそのノイズは外部インターフェースを経由し、外へ出てしまうため、耐ノイズ性が要求される。

そこで、低電圧側回路２１１が高電圧側回路２１２よりも制御回路基板１１に近い側に配置され、制御回路基板１１との配線長さを短くする。これにより、制御回路基板１１への耐ノイズ性を向上させるとともに、低電圧側回路２１１へのノイズ影響も低減するため、低電圧電源へのノイズ影響も低減する。

また図６に示される第１駆動回路基板１２の駆動回路部１２４は、パワー半導体回路部２０へ出力する駆動信号を生成している。その際に生じるノイズの影響を中継配線１２０が受けないよう、中継配線１２０を電源回路部１２５側へ配置し、物理的な距離を設けることで、ノイズ影響を低減する。

また図６に示されるように、制御回路基板１１との接続する第１コネクタ１２３及び第２駆動回路基板１３と接続する第２コネクタ１２６が電源回路部１２５側へ配置することで、物理的な距離を設けノイズ影響を低減する。

また一般的に、基板に搭載されるコネクタは基板の主面から出張るため、基板と対向する部品はコネクタを避ける等の対策が必要である。しかしながら、本実施形態に係る支持部材１４がコネクタ１２３を避けるために貫通孔が形成された場合には、コネクタ１２３が剥き出しとなるため、ノイズの影響を受けやすくなってしまう。

そこで、支持部材１４に第１コネクタ１２３を収納するような凹部１４０を設けることで、第１コネクタ１２３に掛かる放射ノイズの影響を低減する。さらに、凹部１４０は第１コネクタ１２３を覆って、第１コネクタ１２３を物理的に保護することにも寄与する。

１…一体型電力変換装置、２…主回路部、３…第１空間、４…第２空間、１０…筐体、１１…制御回路基板、１２…第１駆動回路基板、１３…第２駆動回路基板、１４…支持部材、２０…パワー半導体回路部、２１…ＤＣＤＣコンバータ回路部、１００…壁、１０１…貫通孔、１１０…第１制御信号、１１１…第２制御信号、１１２…第１コネクタ、１２０…中継配線、１２１…第１導電層、１２２…第２導電層、１２３…第２コネクタ、１２４…駆動回路部、１２５…電源回路部、１２６…第２コネクタ、凹部１４０、２００…直流バスバー、２０２…ベースプレート、２０３…パワー半導体モジュール、２０４…Ｘコンデンサモジュール、２０５…ＥＭＣフィルターモジュール、２０６…流路形成体、２１０…トランス、２１１…低電圧側回路、２１２…高電圧側回路、２５０…入力端子

Claims

直流電力を駆動用モータへ供給する交流電力に変換するパワー半導体回路部と、
直流電力の電圧を変換するＤＣＤＣコンバータ回路部と、
前記パワー半導体回路部へ駆動信号を出力する第１駆動回路基板と、
前記ＤＣＤＣコンバータ回路部へ駆動信号を出力する第２駆動回路基板と、
前記第１駆動回路基板を制御する第１制御信号及び前記第２駆動回路基板を制御する第２制御信号を出力する制御回路基板と、を備え、
前記制御回路基板は、前記パワー半導体回路部及び前記ＤＣＤＣコンバータ回路部を挟んで前記第２駆動回路基板と対向する位置に配置され、
前記第１駆動回路基板は、当該第１駆動回路基板の主面が前記制御回路基板と前記第２駆動回路基板の配列方向と略平行になるように配置され、かつ前記パワー半導体回路部と対向する位置に配置され、
前記第１駆動回路基板は、前記制御回路基板から出力される前記第２制御信号を前記第２駆動回路基板に中継する中継配線を有する電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記第１駆動回路基板は、第１導電層を有し、
前記第１導電層は、前記パワー半導体回路部又は前記ＤＣＤＣコンバータ回路部と前記中継配線との間に配置される電力変換装置。
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記第１駆動回路基板は、前記中継配線を挟んで前記第１導電層とは反対側に配置される第２導電層を有する電力変換装置。
請求項１ないし３に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記パワー半導体回路部と前記ＤＣＤＣコンバータ回路部と第１駆動回路基板と前記第２駆動回路基板と前記制御回路基板とを収納しかつ導電性部材により構成されるハウジングを備え、
前記ハウジングは、第１空間と第２空間を仕切る壁を有し、
前記制御回路基板は、前記第１空間に配置され、
前記パワー半導体回路部と前記ＤＣＤＣコンバータ回路部と前記第１駆動回路基板と前記第２駆動回路基板は、前記第２空間に配置され、
前記壁は、前記制御回路基板と前記第１駆動回路基板を接続する接続部材を貫通する貫通孔を形成する電力変換装置。
請求項１ないし４に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記第１駆動回路基板において、前記第２駆動回路基板との接続部と前記制御回路基板との接続部の少なくとも一方は、雄側コネクタと雌側コネクタを直接接続するコネクタ構造である電力変換装置。
請求項１ないし５に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記ＤＣＤＣコンバータ回路部は、トランスを含んで構成され、
前記トランスは、前記パワー半導体回路部を挟んで前記第１駆動回路基板と対向する位置に配置される電力変換装置。
請求項１ないし６に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記ＤＣＤＣコンバータ回路部は、トランスと、当該トランスと低電圧電源の間に電気的に接続された低電圧側回路と、当該トランスと高電圧電源の間に電気的に接続された高電圧側回路と、を含んで構成され、
前記低電圧側回路は、前記高電圧側回路よりも前記制御回路基板に近い側に配置されかつ当該制御回路基板からの制御信号により制御される電力変換装置。
請求項１ないし６に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記第１駆動回路基板は、前記パワー半導体回路部を駆動する駆動回路部と、当該駆動回路部に電力を供給する電源回路部と、を含んで構成され、
前記中継配線は、前記駆動回路部よりも前記電源回路部に近い側に配置される電力変換装置。
請求項８に記載の電力変換装置であって、
前記第１駆動回路基板は、前記制御回路基板と接続するための第１コネクタと、前記第２駆動回路基板と接続するための第２コネクタと、を含んで構成され、
前記第１コネクタ及び前記第２コネクタは、前記駆動回路部よりも前記電源回路部に近い側に配置される電力変換装置。
請求項１ないし８に記載のいずれかの電力変換装置であって、
前記第１駆動回路基板を支持する支持部材を備え、
前記第１駆動回路基板は、前記制御回路基板と接続するための第１コネクタを含んで構成され、
前記支持部材は、前記第１コネクタを収納する凹部を形成する電力変換装置。