JP6869309B2 - 電力変換装置および電力変換装置一体型回転電機 - Google Patents

電力変換装置および電力変換装置一体型回転電機 Download PDF

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Description

本願は、電力変換装置および電力変換装置一体型回転電機に関するものである。
電気自動車およびハイブリッド自動車をはじめとする車両走行にモータを用いる自動車が多く開発されている。これらのモータ駆動用の電力変換装置は、バッテリを電源として、モータの駆動回路に高電圧の駆動電力を供給する。
そのためモータ駆動用の電力変換装置は、パワーエレクトロニクスの分野においてキーデバイスとして重要性がますます高まっている。
この電力変換装置では、配線間の短絡事故等に起因する過電流から電力用半導体素子を保護するため、配線にヒューズが接続され、過電流に対応して配線遮断を行う。このようなヒューズには、一般にチップ型の過電流遮断ヒューズが用いられるが、高価でありコストダウンのため、例えば以下の遮断方法が提案されている。
半導体素子の主電極に接続されたパワーリードの一部に幅狭部分を形成しヒューズ部とする(特許文献1)。この半導体素子のパワーリードに設けられたヒューズ部に過電流が流れると、ヒューズが溶断され、過電流を遮断することができる。
半導体素子に接続された主回路配線を備え、主回路配線にバネ力が作用してバスバーが接続された構造が示されている(特許文献2)。この主回路配線では、過電流が流れるとバネ力を維持する封止樹脂が断裂して、主回路配線が分離される。
特開2003−068967号公報 特開2008−153463号公報
特許文献1では、半導体素子に電力を供給するパワーリードにヒューズ部を設けたことにより、半導体素子に過電流が印加されるとヒューズ部が溶断され、電流を遮断することができる。しかし、溶断部分では非常な高温となり、再度ヒューズ部での接触、接続が生じる場合があるという問題があった。
また、特許文献2の、バスバーの接続をバネ力で維持する構成の場合、強力なバネ力を有する装置を配置する広い実装面積が必要であり、接合部に力がかかり、長期信頼性の確保にも問題があった。
本願は上記のような課題を解決するためになされたものであって、過電流を確実に遮断し、半導体素子を短絡事故等から保護することができる小型、低コストのヒューズ部を備えた電力変換装置を得ることを目的とする。
本願の電力変換装置は、
回路基板に実装され、電力変換モジュールを構成する半導体素子、
電力変換モジュールに供給される電力を受ける正極用配線と負極用配線、
電力変換モジュールで変換し出力する出力用配線、
スナバコンデンサ、
半導体素子にスナバコンデンサを並列に接続するスナバ回路用配線、
スナバ回路用配線の一部に形成されたヒューズ部、
回路基板上に配置され、半導体素子、正極用配線、負極用配線、出力用配線、スナバコンデンサ、スナバ回路用配線、ヒューズ部とを覆う取り外し可能な樹脂製のカバー
を備え
正極用配線、負極用配線、出力用配線およびスナバ回路用配線は、樹脂製のカバーと一体に形成されており、前記回路基板の表面および前記半導体素子から間隙を維持して離間して配置されているとともに、樹脂製のカバーのヒューズ部に対応する部分に開口が形成され、開口にヒューズ部を覆う金属片の飛散防止および消弧効果を有する樹脂を配置している。

本願の電力変換装置では、小型、低コストのヒューズ部により、過電流を確実に遮断し、半導体素子を短絡故障等から保護することができる。
実施の形態1に係る電力変換装置の回路図である。 実施の形態1に係る電力変換モジュールの斜視図である。 実施の形態1に係るカバーを外した電力変換モジュールの斜視図である。 実施の形態1に係る電力変換モジュールの断面図である。 実施の形態1に係る電力変換モジュールの分解図である。 実施の形態1に係るヒューズ部の形状を示す図である。 実施の形態1に係るヒューズ部の具体例を示す図である。 実施の形態1に係るヒューズ部の形状を示す図である。 実施の形態1に係るヒューズ部の具体例を示す図である。 実施の形態1に係る電力変換装置一体型回転電機の概略構成を示す図である。 実施の形態2に係るヒューズ部の形状を示す図である。
実施の形態の説明及び各図において、同一の符号を付した部分は、同一又は相当する部分を示すものである。
実施の形態1.
実施の形態1の電力変換装置について、図1〜図9を用いて説明する。
図1は実施の形態1の電力変換装置100の回路図を示している。図2は、電力変換装置100を構成する電力変換モジュール101の斜視図であり、図3は、電力変換モジュール101のカバー125を外し、内部の構成を示した斜視図である。図4は、図2に示した電力変換モジュール101の樹脂材料130を横切る部分で切断した断面図で、図5は、電力変換モジュール101を主な構成部材に分けた分解図である。図6〜図9はヒューズ部200の形状および具体例を示している。
<電力変換装置の構成>
まず、本実施の形態1の電力変換装置100の構成を述べる。
図1は電力変換装置100と回転電機104を示している。実施の形態1の電力変換装置100は、複数の電力変換モジュール101で構成されている。電力変換モジュール101は、制御回路からの信号によりスイッチングを行う半導体素子102を備え、半導体素子102と並列に接続されたスナバコンデンサ103が配置され、スナバ回路を形成するスナバ回路用配線113が備えられている。
図1の回路図には示されていないが、スナバ回路用配線113には、後述するように、切欠き等を形成して断面積を小さくしたヒューズ部200が形成されている。
図2は実施の形態1の電力変換モジュール101の斜視図を示しており、図3は、電力変換モジュール101のカバー125を取り外し、半導体素子102および各種配線が形成された電力変換モジュール101の内部構造を示している。
電力変換モジュール101は、図4の断面図および図5の分解図に示すように、放熱用のフィン116が形成されたヒートシンク115に、放熱部材131を介して回路基板120が配置されている。回路基板120上には導体パターン105が形成され、半導体素子102およびスナバコンデンサ103が実装されている。
稼働時の半導体素子102等の発熱は、放熱部材131、ヒートシンク115によりフィン116から外部へ放出することができる。
配線は、図3等に示すようにバッテリ等から電力変換モジュール101へ供給される電力を受ける正極用配線111と負極用配線112、電力変換モジュール101で変換し出力する出力用配線110とを備えている。さらに、スナバコンデンサ103を半導体素子102と並列に接続するためのスナバ回路用配線113が備えられている。なお、図5においては、スナバ回路用配線113はカバー125の内に位置しており、図示されていない。
各種配線は、回路基板120に実装された半導体素子102およびスナバコンデンサ103の端子部に接続され、電力変換モジュール101の外部へ導く配線の引き回し部分は、回路基板120の表面および半導体素子102の表面から間隙を維持して離間して配置されている。
回路基板120上には、樹脂製のカバー125が取り付けられている。
配線は、カバー125を構成する樹脂のインサート成形、アウトサート成形およびラミネート法等によりカバー125と一体に形成することができる。また、絶縁テープを巻いた配線および粉体塗装により表面に絶縁被膜を形成した配線をカバー125に取付けて用いることもできる。
スナバ回路用配線113は、スナバコンデンサ103を半導体素子102と並列に接続し、さらにスナバ回路用配線113の一部にはヒューズ部200が形成されている。ヒューズ部200は、図3に破線で囲んで一例を示すように、スナバ回路用配線113に切欠き部202が形成されている。
図6〜図9で詳しく説明するが、ヒューズ部200は、スナバ回路用配線113の一部に穴明け部201または切欠き部202が形成され、断面積が局所的に小さくなっている。つまり、ヒューズ部200の断面積は、スナバ回路用配線113の他の部分よりも小さく形成されている。
このような電力変換モジュール101においては、スナバコンデンサ103が正常に動作した場合には、半導体素子102のスイッチングに起因する急激な過電圧を防止することができる。スナバコンデンサ103が異常の場合、バッテリから過電流が印加される。この時ヒューズ部200では過電流により温度が上昇し、溶断することで過電流を確実に遮断し、半導体素子102およびバッテリ等の破損を防止することができる。
ヒューズ部200は樹脂材料130で覆われ、さらにヒューズ部200はカバー125と一体に形成することもできる。また、図2〜図4等に記載しているように、カバー125のヒューズ部200に対応する部分には開口が形成され、開口にはヒューズ部200を覆う樹脂材料130が配置される。
本実施の形態1において用いたヒートシンク115およびフィン116は、半導体素子102の稼働時の発熱を放出することができる材料であることが必要であり、アルミニウム、アルミニウム合金などのように80W/m・K以上の熱伝導率を有することが好ましい。
半導体素子102には、電力用の電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)および絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)などを用いることができる。これらは、モータなどの機器の電力変換に用いられ、数アンペアから数百アンペアの定格電流を制御する。
半導体素子102の素材は、シリコン(Si)の他に、シリコンカーバイド(SiC)、ガリウムナイトライド(GaN)なども用いることができる。
本実施の形態1においては、スナバコンデンサ103はセラミックコンデンサを用いたが、これに限定するものではない。半導体素子102の遮断時の過電圧を吸収することができれば、その他の種類のコンデンサであっても同様に用いることができる。ただし、コンデンサの大きさ、耐熱特性等を考慮するとセラミックコンデンサが最も適当と言える。
回路基板120に用いる基板は、通常のガラス繊維を芯材に用いたプリント基板、セラミック基板、アルミニウム芯基板等を用いることができ、基板面に用いる絶縁材料は、1W/m・K〜数十W/m・Kの熱伝導率を有するウレタン、シリコーン、エポキシ等の樹脂材料を用いることができる。
また、回路基板120上への半導体素子102等の実装に関しては、導電性接着剤、半田、拡散接合、超音波溶接、レーザ溶接等、所定のスペース内において、電気的および熱的な接続を確保することができる接続方法であれば用いることができる。
正極用配線111、負極用配線112等の配線材料は、電気抵抗率の低い銅、アルミニウム等の金属材料を用いることができる。
また、スナバ回路用配線113に形成したヒューズ部200を覆う樹脂材料130は、ヒューズ部200が溶断した場合の、金属片等の飛散防止および消弧効果のために有効な材料を用いる。
飛散防止のためには、樹脂材料130のヤング率は10MPa以上、100MPa未満が好ましい。10MPa未満では樹脂材料130の強度が不十分で飛散物を閉じ込めることができず、また100MPa以上では溶断時にヒューズ部200と同時に破損してしまい、金属片の飛散を防止することができない場合がある。
樹脂材料130は、消弧効果の観点からは例えばシリコーンゴム、シリコーンゲルが適している。また、ヒューズ部200の周囲には電子部品を配置せず、一定の距離を開けて離間して配置することで、飛散の影響、アークの影響を低減することができる。
<ヒューズ部の形状>
次に、ヒューズ部200の形状について説明する。
図6〜図9を用いてヒューズ部200の形状および具体例を説明する。これらはヒューズ部200として用いることができる形状の一例であり、断面積がスナバ回路用配線113の他の部分よりも小さく形成されているものであれば、ここに示した形状以外であっても本実施の形態1と同様の効果を奏することができる。
図6は、スナバ回路用配線113に形成したヒューズ部200の例を示しており、図7は、スナバ回路用配線113に穴明け部201または切欠き部202を形成しヒューズ部200を形成した具体例を示している。また、図8はスナバ回路用配線113の断面積を2段階で変化させたヒューズ部200の例を示しており、図9は、2段階で断面積を変化させたヒューズ部200の具体例を示している。
図7および図9にはそれぞれ13種および7種の具体例を示したが、上述したように断面積がスナバ回路用配線113の他の部分よりも小さく形成されていればよく、これらの具体例に限定されるものではない。
ここで示したヒューズ部200は、スナバ回路用配線113の一部に穴明け部201および切欠き部202が形成されており、それぞれの断面積は、一例としてスナバ回路用配線113:ヒューズ部200=9:1のように、スナバ回路用配線113の断面積の方がヒューズ部200の断面積より十分に大きく形成されている。
スナバ回路用配線113の一部に穴明け部201および切欠き部202が形成され、断面積をスナバ回路用配線113の他の部分よりも小さくすることで、ヒューズ部200では電流密度が増加し、さらに以下の式に示すように、断面積が小さくなるため熱抵抗が増加する。これにより、電流が流れた場合の発熱密度が増加し、放熱性は低下するので、ヒューズ部200では局所的に温度が上昇し、溶断することができる。
熱抵抗=長さ÷(熱伝導率×断面積) ・・・(1)
スナバコンデンサ103が何かの原因で短絡故障等し、バッテリからスナバ回路用配線113に過電流が印加された場合、ヒューズ部200のうち最も断面積が小さな部分が短時間のうちに急激に温度上昇し、金属の溶融温度まで温度が上がると溶断する。
溶断時に、スナバ回路用配線113のヒューズ部200が樹脂材料130で覆われている場合、樹脂材料130の消弧効果により溶断時に発生するアークは消弧され電流を遮断することができる。また、ヒューズ部200の幅および長さを変えることで、溶断までの電流と時間の関係を調整することができ、所望の溶断特性を得ることができる。
本実施の形態1においては、スナバ回路用配線113に穴明け部201および切欠き部202を形成して断面積をスナバ回路用配線113の他の部分よりも小さくし、過電流に対応して溶断するヒューズ部200を形成した。しかし、スナバ回路用配線113の一部に、スナバ回路用配線113の他の部分を構成する金属材料よりも電気抵抗率の高い金属材料または溶融温度の低い金属材料を接合して用いても同様の効果を得ることができる。また、電気抵抗率の高い金属材料および溶融温度の低い金属材料を用いる構成と、断面積をスナバ回路用配線113の他の部分よりも小さくする構成とを組み合わせても用いることができる。
以上のように、本実施の形態1では、スナバ回路用配線113に穴明け部201および切欠き部202を設けて、スナバ回路用配線113の一部に断面積が小さいヒューズ部200を形成した。さらに、ヒューズ部200をシリコーンゴム、シリコーンゲルなどの消弧効果のある樹脂材料130で覆い、溶断時に発生するアークを消弧し、電流を確実に遮断する。これにより過電流による電力変換装置100の短絡事故を防止することができる。
本実施の形態1では、新たな過電流遮断ヒューズを追加する必要がないため、部品点数の追加がなく、実装部品も増加しないため、高い生産性を達成することができる。
スナバ回路用配線113にヒューズ部200を設けることによりスナバ回路用配線113の剛性が低くなるため、温度変化に伴う熱応力は小さくなり、回路基板120の接合部等にかかる応力を低減することができ、信頼性を向上させることも期待できる。
スナバコンデンサ103を用いることにより、スナバ回路用配線113にはほとんど電流は流れず、半導体素子102のスイッチング時の過電圧の影響も軽減することができる。スナバコンデンサ103の故障時には電流が流れるため、スナバコンデンサ103の故障時と正常時とでは、流れる電流は大きく異なり、故障時のみ溶断するヒューズ部200を設計することは容易であると言える。
一方、正極用配線111、負極用配線112等のように電力供給を目的とし、正常時に所定の電流が流れている配線に、このヒューズ部200を形成した場合、故障時に流れる過電流と正常時に流れる電流の差が小さいため、ヒューズの設計が困難となる。
したがって、このヒューズ部200は、電力供給用の正極用配線111、負極用配線112等に用いることは適当でなく、スナバコンデンサ103が配置されたスナバ回路用配線113に形成することが適当と言える。
図6〜図9に示すように、ヒューズ部200の穴明け部201および切欠き部202の形状は、円形、楕円形、三角形、四角形、ひし形、台形等とすることができ、またそれらの組み合わせとすることができる。図8および図9に示すように断面積の変化を2段階とする場合、第一の切欠き部211、第二の切欠き部212の形状も円形、楕円形、四角形等を用いることができる。
以上のように、本実施の形態1の電力変換装置100は、スナバコンデンサ103の短絡故障時においても、電力用の半導体素子102をバッテリからの過電流の影響から保護することができる。
本実施の形態1の電力変換装置100は、車両に搭載されエンジンを発電、駆動する回転電機の制御用装置に用いることができる。
電力変換装置100は車両用のバッテリ(直流電源)に接続されて電力変換を行い、回転電機の固定子巻線に交流電流を供給する。
図10は、本実施の形態1に示した電力変換装置100と回転電機本体250とを一体に構成した電力変換装置一体型回転電機300の概略構成図である。
図10において回転電機本体250の一方の端部に延びるシャフト255にはプーリ257が固定されており、回転電機本体250のプーリ側をフロント側、反プーリ側をリア側と呼ぶ。
フロント側ハウジング251とリア側ハウジング252に固定子253が固定され、2つのハウジング251、252の内部には回転子(図示せず)が回転可能に支持されている。回転子からフロント側へ延びるシャフト255には前述のようにプーリ257が固定され、プーリ257に取付けられたトルク伝達ベルト(図示せず)により、エンジンに動力が伝達される。
リア側ハウジング252のリア側の面には、電力変換モジュール101等を有する電力変換装置100が配置されており、電力変換装置100の中央部分にはシャフト256を通す空間が形成されている。
なお、ここでは説明の簡略化のため、配線等は省略している。また電力変換装置100の外周部に用いる保護カバーも省略した。
ここで示した電力変換装置一体型回転電機300は、ヒューズ部200を備えた電力変換装置100と回転電機本体250を一体に構成するため、外付けのヒューズが不要となり、小型化が可能となる。さらに、部品数の追加も必要としないため、実装工程を簡略化でき、高い生産性を得ることができる。
実施の形態2.
本実施の形態2に係るスナバ回路用配線113のヒューズ部200の形状を図11に示す。図11の上図は、スナバ回路用配線113の平面図で、下図は側面図を示している。なお、本実施の形態2に係るスナバ回路用配線113を用いる電力変換装置100および電力変換モジュール101等は、実施の形態1で示した構造と基本的に同じである。
本実施の形態2で用いたヒューズ部200は、スナバ回路用配線113と同一平面に形成されているのではなく、図11の下図に示した側面図からわかるように、図の上方向に凸状に突出している。このスナバ回路用配線113が電力変換モジュール101を構成する回路基板120上に配置された場合、ヒューズ部200が回路基板120に実装された半導体素子102等の電子部品から遠ざかる方向へ突出して配置される。これにより溶断時の飛散物が回路基板120側に飛びにくく、電子部品を保護することができる。
ヒューズ部200は、ヒューズ部200に穴明け部201および切欠き部202を形成する工程で、同時に凸状とすることができる。また、カバー125の樹脂材料130を用い、インサート成形等によりカバー125と各配線とを一体に形成する工程において凸状とすることも可能である。
以上のように、ヒューズ部200を、回路基板120から遠ざかる方向に突出した凸状とすることで、溶断時の飛散物から電子部品等を保護することができ、信頼性を高くすることができる。
本実施の形態2の電力変換装置100も図10に概略構成を示したように、回転電機104と電力変換装置100を一体として構成し、電力変換装置一体型回転電機300を得ることができる。
電力変換装置一体型回転電機300では、ヒューズ部200を備えた電力変換装置100と回転電機104を一体に構成するため、外付けのヒューズが不要となり、小型化が可能となる。さらに、部品数の追加も必要としないため、実装工程を簡略化でき、高い生産性を得ることができる。
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、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 電力変換装置、101 電力変換モジュール、102 半導体素子、103 スナバコンデンサ、104 回転電機、105 導体パターン、110 出力用配線、111 正極用配線、112 負極用配線、113 スナバ回路用配線、115 ヒートシンク、116 フィン、120 回路基板、125 カバー、130 樹脂材料、131 放熱部材、200 ヒューズ部、201 穴明け部、202 切欠き部、211 第一の切欠き部、212 第二の切欠き部、250 回転電機本体、251 フロント側ハウジング、252 リア側ハウジング、253 固定子、255 シャフト、256 シャフト、257 プーリ、300 電力変換装置一体型回転電機。

Claims (4)

  1. 回路基板に実装され、電力変換モジュールを構成する半導体素子、
    前記電力変換モジュールに供給される電力を受ける正極用配線と負極用配線、
    前記電力変換モジュールで変換し出力する出力用配線、
    スナバコンデンサ、
    前記半導体素子に前記スナバコンデンサを並列に接続するスナバ回路用配線、
    前記スナバ回路用配線の一部に形成されたヒューズ部、
    前記回路基板上に配置され、前記半導体素子、前記正極用配線、前記負極用配線、前記出力用配線、前記スナバコンデンサ、前記スナバ回路用配線、前記ヒューズ部とを覆う取り外し可能な樹脂製のカバー
    を備え
    前記正極用配線、前記負極用配線、前記出力用配線および前記スナバ回路用配線は、前記樹脂製のカバーと一体に形成されており、前記回路基板の表面および前記半導体素子から間隙を維持して離間して配置されているとともに、前記樹脂製のカバーの前記ヒューズ部に対応する部分に開口が形成され、前記開口に前記ヒューズ部を覆う金属片の飛散防止および消弧効果を有する樹脂を配置した電力変換装置。
  2. 前記ヒューズ部は、断面積が前記スナバ回路用配線の他の部分よりも小さくなるように切り欠かれ、または穴があけられており、前記回路基板に実装された前記半導体素子から離間して配置されるとともに、切り欠かれ、または穴があけられた部分が前記回路基板から遠ざかる方向へ突出するように形成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. 前記ヒューズ部に配置される樹脂は、ヤング率が10MPa以上100MPa未満であることを特徴とする請求項1または2に記載の電力用変換装置。
  4. 請求項1から請求項のいずれか1項に記載の電力変換装置を回転電機と一体に備えた電力変換装置一体型回転電機。
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