JP6728591B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
このような電力変換装置としては、複数のスイッチング素子および平滑コンデンサを備えたパワーモジュールと、スイッチング素子の切り替えを制御する制御回路とを備えたものが周知である。
このような電力変換装置では、パワーモジュールや回路基板の発熱が問題となる。
そこで、パワーモジュールおよび回路基板を収容した筐体に、冷却媒体が供給される冷却装置を設け、パワーモジュールや制御回路が実装された回路基板を冷却するようにしたものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
この冷却装置は、パワーモジュールと熱交換を行う放熱部材と、筐体を介して回路基板およびコンデンサを冷却する冷却パイプを備えている。
したがって、パワーモジュールにより放熱部材へ流れるコモンモード電流が、放熱部材から筐体および回路基板を通り、パワーモジュールへと流れるループ共振を引き起こす。そして、このループ共振では、特に共振周波数においてインピーダンスが低下するため、この共振周波数が、例えば、FMラジオ帯などの所定の周波数帯と重なり、大きなノイズピークを引き起こす場合があった。
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、冷却性能を維持しつつ、所望の周波数帯におけるノイズを抑制可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
さらに、放熱部材に取り付けた回路基板の制御回路を、放熱部材の少なくとも一部と対面させた。このため、パワーモジュールから放熱部材へ流れるコモンモード電流は、放熱部材から筐体を介することなく回路基板に流れ、制御回路から対面するパワーモジュールに戻るループとなる。
したがって、コモンモード電流の流れるループを小さくして全誘導成分を低下させることが可能となり、インピーダンスが低下する共振周波数を変更することができる。
よって、共振周波数を所定の周波数帯から離し、所定の周波数帯のインピーダンスを高めることにより、所定の周波数帯のノイズピークを抑制することが可能となる。
(実施の形態1)
まず、実施の形態1における電力変換装置Aの構成を説明する。
この電力変換装置Aは、例えば、図3に示す回転電機Mを駆動する駆動システムのインバータとして用いている。
また、パワーモジュール20は、上アーム側のスイッチング素子21〜23と、下アーム側のスイッチング素子24〜26とを備えている。そして、各スイッチング素子21〜26は、制御回路40から配線28を介して得られる信号により、各スイッチング素子(スイッチングデバイス)21〜26を開閉し、回転電機Mにおいて所望の回転力を得るための三相交流電力を生成する。
平滑コンデンサ30は、直流電源10とパワーモジュール20とを接続する給電母線11,12に接続され、スイッチング動作による電圧の変動を抑制する。
図1および図2は、筺体50の内部の構造を示しており、図1は、図2のS1−S1線に沿って切断した状態を示している。
放熱部材60は、主としてパワーモジュール20を冷却するためのもので、金属などの導電性を有した素材により、図示のように直方体形状に形成され、最も大きな面積の主面61にパワーモジュール20が取り付けられている。また、パワーモジュール20と放熱部材60との間には、絶縁フィルム27による絶縁層が介在されている。
また、放熱部材60は前述のように直方体形状であり、主面61に隣接して4つの側面62〜65(図1、図2参照)を有し、主面61とは反対側に位置し、主面61と同面積の面を、反対主面66と称する。
そして、回路基板41に実装された制御回路40は、その一部が、回路基板41を間に介して放熱部材60の側面63と対面して配置されている。
次に、実施の形態1の作用を説明する。
まず、コモンモード電流のループ共振について説明する。
図4は、ループ共振の説明図である。
図4において、特許文献1と同様に、放熱部材60および回路基板41をそれぞれ、筐体50により支持した比較例の構造を実線により示している。
この比較例は、従来技術で説明したように、放熱部材60が筐体50を介して回路基板41を冷却する構造である。
この比較例では、パワーモジュール20から漏れ出たコモンモード電流は、放熱部材60との結合容量Caと、放熱部材60から筺体50および回路基板41の全誘導成分Laにより直列共振回路を形成し、図において実線の矢印により示すループを形成する。
Freq=1/(2π(La・Ca)1/2) ・・・(1)
この所定の周波数帯Fnにおけるノイズを抑制するには、全誘導成分Laあるいは結合容量Caを、減少あるいは増加させることにより、共振周波数Freqを、所定の周波数帯Fnから外して、所定の周波数帯Fnのインピーダンスを高めることが有効である。
したがって、共振周波数Freqは、上記式(1)により比較例と比べて高くなり、所定の周波数帯Fnよりも高い値とすることができる。これにより、所定の周波数帯Fnのインピーダンスが高くなり、所定の周波数帯Fnにおいてコモンモード電流が流れにくくなる。
すなわち、上記(1)式に示すように、共振周波数Freqは、結合容量Caによっても設定することができる。
Ca=ε(S/d) ・・・(2)
εは、誘電率であり、本実施の形態1では絶縁フィルム27(絶縁層)の材質に基づいて設定することができる。
Sは、極板面積であり、本実施の形態1ではパワーモジュール20の主面61との当接面積により設定することができる。
dは距離であり、本実施の形態1では絶縁フィルム27(絶縁層)の厚さにより設定することができる。
一方、誘電率εおよび極板面積Sを小さくすること、ならびに、距離dを大きくすることにより、結合容量Caを小さくでき、この場合、共振周波数Freqを上げることができる。
以下に、実施の形態1の効果を列挙する。
1)実施の形態1の電力変換装置は、
スイッチングデバイスとしてのスイッチング素子21〜26を実装したパワーモジュール20と、
パワーモジュール20の放熱を行うとともに、導電性を有した放熱部材60と、
パワーモジュール20を制御する制御回路40を実装した回路基板41と、
を備えた電力変換装置であって、
パワーモジュール20は、放熱部材60に熱伝導可能に設置され、
回路基板41は、放熱部材60に取り付けられ、
制御回路40は、少なくとも一部が、回路基板41を間に介して放熱部材60と対面して配置されていることを特徴とする。
したがって、制御回路40およびパワーモジュール20とが筐体50を介して接続されているのと比較して、パワーモジュール20から漏れ出たコモンモード電流のループを小さくして、その全誘導成分La(インダクタンス)を抑えることが可能となる。
しかも、制御回路40を放熱部材60に対面させていることにより、この対面を行っていないものと比較して、そのループをより一層小さくすることができる。
これにより、共振周波数Freqを低下させ、所定の周波数帯Fnから外し、所定の周波数帯Fnのコモンモード電流のピーク値を抑え、ノイズを低減することができる。すなわち、共振周波数Freqの設定自由度が高くなり、その分、ノイズ抑制が可能となる。
回路基板41は、放熱部材60のパワーモジュール20が設置された主面61と、この主面61の反対側の反対主面66とを除いた面としての側面63に設置されていることを特徴とする。
したがって、パワーモジュール20を主面61に配置して、冷却性能を確保することができる。
しかも、回路基板41は、主面61から最も遠い反対主面66を除いた側面63に配置していることから、回路基板41とパワーモジュール20との距離を近付けることができる。これにより、コモンモード電流によるループを、回路基板41を反対主面66に配置した場合よりも小さくでき、コモンモード電流の流れるループの全誘導成分La(インダクタンス)を、より一層小さくすることが可能となる。
したがって、共振周波数Freqを、より一層低下させることが可能となり、その分、共振周波数Freqの設定自由度が高くなり、より一層、ノイズ低減効果を得ることが可能となる。
回路基板41の制御回路40が実装された面の少なくとも一部に、導電性を有する導電部材としてのグランドライン42が設けられ、このグランドライン42と放熱部材60とが取付部材43を介して電気的に接続されていることを特徴とする。
したがって、パワーモジュール20から漏れ出たコモンモード電流のループを、一層小さくして、その全誘導成分La(インダクタンス)を、一層小さく抑えることが可能となる。
これにより、共振周波数Freqを、より一層低下させることが可能となり、その分、共振周波数Freqの設定自由度が高くなり、より一層、ノイズ低減効果を得ることが可能となる。
パワーモジュール20と放熱部材60との間に、絶縁層としての絶縁フィルム27が介在されていることを特徴とする。
したがって、パワーモジュール20と放熱部材60との結合容量Caの設定自由度が得られ、これにより、さらに共振周波数Freqの設定自由度が高くなり、ノイズ低減効果が高まる。
加えて、絶縁層を厚さが薄い絶縁フィルム27により得るようにしたため、パワーモジュール20と放熱部材60との間隔をより狭めて配置し、放熱性能の向上が可能となる。
次に、他の実施の形態の電力変換装置について説明する。
なお、他の実施の形態は、実施の形態1の変形例であるため、実施の形態1と共通する構成には実施の形態1と同じ符号を付して説明を省略し、実施の形態1との相違点のみ説明する。
図8は、実施の形態2の電力変換装置の要部を示す断面図(図9のS8−S8線の位置での断面)であり、図9は実施の形態2の電力変換装置の要部を示す斜視図である。
実施の形態2では、上記1)〜4)の効果に加え下記の効果を得ることができる。
2-1)実施の形態2の電力変換装置は、
回路基板41と放熱部材60との間の少なくとも一部に、導電性を有するシールド部材201が挿入され、このシールド部材201と放熱部材60とが、電気的に接続されていることを特徴とする。
したがって、実施の形態2の電力変換装置では、回路基板41の下面に沿って設けたシールド部材201を放熱部材60に電気的に接続したため、回路基板41の広範囲における放熱効果、パワーモジュール20からの電界および磁界のシールド効果が得られる。
図10は、実施の形態3の電力変換装置の要部を示す断面図(図11のS10−S10線の位置での断面)であり、図11は実施の形態3の電力変換装置の要部を示す斜視図である。
この実施の形態3の電力変換装置は、放熱部材360の形状が実施の形態1と異なるとともに、パワーモジュール320および回路基板341の配置が、実施の形態1と異なる。
そして、主面361に、パワーモジュール320と回路基板341とが、並んで設置されている。
パワーモジュール320は、実施の形態1と同様に、主面361との間に絶縁フィルム327を介在して設置されている。
また、制御回路340の一部と回路基板341との間には、グランドライン342が介在されている。そして、回路基板341を放熱部材360に取り付ける取付部材343は、このグランドライン342に接した状態で放熱部材360に結合され、導電部材としてのグランドライン342と放熱部材360とが電気的に接続されている。
なお、パワーモジュール320と制御回路340とを接続する配線328は、図11に示すように、回路基板341の表面に沿って配索されている。
実施の形態3では、上記1)3)4)の効果に加え下記の効果を得ることができる。
回路基板341は、放熱部材360のパワーモジュール320が設置された主面361に設置されていることを特徴とする。
したがって、回路基板341を放熱部材360の主面361により広範囲に冷却することができる。
図12は、実施の形態4の電力変換装置の要部を示す断面図(図13のS12−S12線の位置での断面)であり、図13は実施の形態4の電力変換装置の要部を示す斜視図である。
この実施の形態4の電力変換装置は、回路基板341を主面361に設置した実施の形態3の変形例である。
一方、回路基板441は、主面461に設置するのにあたり、主面461およびパワーモジュール420に対して間隔を空けた位置で、主面461と略平行に配置して設置されている。
また、柱部材442aは、回路基板441を貫通してグランドライン442に接触し、電気的に接続されている。そして、グランドライン442は、取付部材443により回路基板441と共に柱部材442aに固定されている。
また、制御回路440は、回路基板441を間に介してパワーモジュール420と対面して配置され、配線428によりパワーモジュール420と接続されている。
また、実施の形態4では、放熱部材460の主面461と対面することで、間接的に熱交換を行って、冷却することができる。
図14は、実施の形態5の電力変換装置の要部を示す断面図である。
この実施の形態5は、回路基板41の配置が実施の形態1と異なる例であり、回路基板41を放熱部材60の反対主面66に取り付けた例である。なお、その取付構造は、実施の形態1と同様である。
5-1)実施の形態5の電力変換装置は、
回路基板41は、放熱部材60のパワーモジュール20が設置された主面61とは反対側の反対主面66に設置されていることを特徴とする。
したがって、回路基板41は、反対主面66との接触面積を確保して、効率の良い冷却を行うことができる。
また、絶縁層を形成するのにあたり、実施の形態では、絶縁フィルムにより絶縁層を形成した例を示したが、絶縁層を形成するのは絶縁フィルム以外にも、絶縁紙などの他の構成を用いることができる。特に、結合容量の設定において絶縁層の厚さを確保したい場合になどには、厚みを有した絶縁樹脂などを介在させてもよい。
また、実施の形態では、放熱部材として直方体形状のものを示したが、その形状は、直方体形状に限定されるものではなく、他の多角形の筒状のものや、円形、楕円形の筒状のものとしてもよい。
また、実施の形態では、電力変換装置を筐体に収容し、その形状として、概略形状として長方形断面形状のものを示したが、この電力変換装置を収容するケーシング(筐体)の形状は、長方形断面形状に限定されない。
20 パワーモジュール
21-26 スイッチング素子(スイッチングデバイス)
27 絶縁フィルム(絶縁層)
40 制御回路
41 回路基板
42 グランドライン(導電部材)
50 筐体
60 放熱部材
61 主面
66 反対主面
201 シールド部材
261 主面
320 パワーモジュール
327 絶縁フィルム(絶縁層)
340 制御回路
341 回路基板
342 グランドライン(導電部材)
360 放熱部材
361 主面
420 パワーモジュール
427 絶縁フィルム(絶縁層)
440 制御回路
441 回路基板
442 グランドライン(導電部材)
442a 柱部材(導電部材)
460 放熱部材
461 主面
A 電力変換装置
Fn 所定の周波数帯
Freq 共振周波数
M 回転電機
Claims (5)
- スイッチングデバイスを実装したパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの放熱を行うとともに、導電性を有した放熱部材と、
前記パワーモジュールに配線を介して接続されて前記パワーモジュールを制御する制御回路を実装した回路基板と、
を備えた電力変換装置であって、
前記放熱部材に重なって設けられた前記回路基板と前記放熱部材との間の少なくとも一部に、前記放熱部材に直接接触して挿入され、前記回路基板および前記放熱部材と電気的に接続された導電性を有するシールド部材と、
前記回路基板の前記制御回路が実装された面の少なくとも一部に設けられ、前記回路基板の前記制御回路と前記放熱部材とを電気的に接続するグランドラインと、
を有し、
前記パワーモジュールは、熱伝導可能に前記放熱部材に重なって設置され、
前記制御回路は、少なくとも一部が、前記回路基板を間に介して前記放熱部材と対面して配置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記回路基板は、前記放熱部材の前記パワーモジュールが設置された主面と、この主面の反対側の反対主面とを除いた面に設置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記回路基板は、前記放熱部材の前記パワーモジュールが設置された主面に設置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記回路基板は、前記放熱部材の前記パワーモジュールが設置された主面とは反対側の反対主面に設置されていることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
前記パワーモジュールと前記放熱部材との間に、絶縁層が介在されていることを特徴とする電力変換装置。
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