JP6887521B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に係り、特にハイブリッド自動車や電気自動車に関する電力変換装置に係る。
ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載されるインバータの主回路とコンデンサモジュールでは、直流電力を交流電力へ変換する動作を行うパワー半導体回路部が、バスバーによって接続され、そのバスバーに直流電力を平滑化するコンデンサが接続された構成となっている。
特許文献1には、直流電力を交流電力へ変換する動作を行うパワー半導体回路部と接続するバスバーは平滑用コンデンサとも電気的に接続する必要があり、バスバーはコンデンサ素子の電極面まで延ばされて当該電極面と接続される点が記載されている。
しかしながら、このバスバーは発熱部品であり、一方でコンデンサ素子はバスバーの発熱温度に対して放熱や遮熱等の熱対策を講じる必要がある。
特開2011−233795号公報
本発明の課題は、コンデンサ素子周辺の熱経路を適切に確保して、コンデンサ素子の信頼性を確保することである。
本発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するパワー半導体回路部と、前記直流電力を平滑化するコンデンサ素子と、前記直流電力を伝達する直流側バスバーと、前記コンデンサ素子の電極面と前記直流側バスバーに接続するコンデンサ端子と、前記コンデンサ素子を収納するコンデンサ収納部を形成するケースと、前記コンデンサ素子の側面に形成された前記電極面以外の面である扁平面と前記ケースとの間に配置され、前記直流側バスバーに接続する延材部と、を備え、前記直流側バスバーは、電源側端子と、前記コンデンサ素子を挟んで前記コンデンサ収納部の底部と対向する位置に配置され、前記ケースと前記コンデンサ素子の間であって、前記延材部は、前記直流側バスバーから前記コンデンサ収納部の前記底部に向かって形成されかつ前記電極面と接触せず、熱伝導性を持つ材料で構成されている延材部と、を有する。
本発明により、コンデンサ素子の信頼性を向上させることができる。
本実施形態に係る電力変換装置100の展開図である。 本実施形態に係る平滑用コンデンサ103の展開図である。 本実施形態に係る電力変換装置100の上面図である。 図3に示されるA-Aで切断した電力変換装置100 の断面図である。 図4の点線で囲まれた部分400の拡大図である。 他の実施形態に係る電力変換装置600の展開図である。 図6に係る電力変換装置600の部分断面図である。 図6の電力変換装置600の他の実施形態に係る断面図である。 他の実施形態に係る電力変換装置900の断面図である。 他の実施形態に係る電力変換装置1000の断面図である。 他の実施形態に用いられる電力変換装置1100の断面図である。 図1ないし図11に用いることができる平滑用コンデンサ1200の全体斜視図である。 平滑用コンデンサ1200の側面図である。 図12(b)の面BBの矢印方向から見た平滑用コンデンサ1200の断面図である。
以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。
図1は、本実施形態に係る電力変換装置100の展開図である。
電力変換装置100は、バッテリからの直流電力を交流電力に変換し、本実施形態においては、特に車両駆動用モータに交流電力を供給する大電力用の電力変換装置である。
ハウジング101は、金属製、例えばアルミニウム合金より構成され、一対の短辺壁部と長辺壁部とを有する箱状の直方体である。ハウジング101は、パワー半導体回路部102、平滑用コンデンサ103、電源側端子104、交流側バスバー105、直流側バスバー106等を収納する。ハウジング101の開口面とは反対側のケース底面が冷却面である。
平滑用コンデンサ103は、パワー半導体回路部102のスイッチングによる電流変化を吸収して出力を安定させている。
電源側端子104は、入力側端子でありバッテリと接続される。交流側バスバー105は、出力側端子でありモータと接続される。
直流側バスバー106は、電源側端子104と交流側バスバー105とを接続し入力から出力をつなぐ。また直流側バスバー106は、平滑用コンデンサ103とも電気的に接続している。大電流が流れる直流側バスバー106は発熱体となり、その熱が平滑用コンデンサを経由してハウジング101の底面である冷却面107に到達する。熱は直流側バスバー106から冷却面107へ到達するとき平滑用コンデンサ103を通過するので温度が上昇し、熱的影響をうける。
図2は、本実施形態に係る平滑用コンデンサ103の展開図である。
コンデンサケース200は、樹脂製であり、コンデンサ素子201と延材部204と不図示のエポキシ樹脂を収納する。エポキシ樹脂は、コンデンサ素子201と延材部204を封止する。
コンデンサ端子203は、コンデンサ素子201の素子電極面202に溶接される。
コンデンサ素子201は、ポリプロピレンフィルムで作られている。そのためコンデンサ素子201の許容温度は例えば105℃である。コンデンサ素子201の温度が105℃以上になるとコンデンサの保安機構が低下し短絡モードになる可能性がある。
コンデンサ端子203は、コンデンサケース200の開口面上部にある直流側バスバー106(図1参照)と接続する。
大電流が流れる直流側バスバー106は、発熱体となり、コンデンサ端子203を経由して、コンデンサ素子201に熱を流入させ、コンデンサ素子201の温度を上昇させる。
延材部204は、熱伝導率の高い材料、例えば銅などで構成されており、直流側バスバー106と接続している。延材部204は、コンデンサケース200とコンデンサ素子201の間にあり、コンデンサケース200の底部に向かって形成される。
このためコンデンサ端子203に集中していた熱は、延材部204にも流れることになり、熱を分散させ、コンデンサ素子201の温度上昇を抑えることができる。
延材部204は、コンデンサ素子201と電気的な接続の必要がないため、素子電極面202には接続していない。素子扁平面205は、コンデンサ素子201の側面であり、素子電極面202以外の面である。
図3は、本実施形態に係る電力変換装置100の上面図である。図4は、図3に示されるA-Aで切断した電力変換装置100 の断面図である。図5は、図4の点線で囲まれた部分400の拡大図である。
ハウジング505に、平滑用コンデンサ103が接着剤503で固定されている。コンデンサ素子201は、コンデンサケース200に収容されエポキシ樹脂508で封止されている。
直流側バスバー106は、負極側バスバー500と正極側バスバー501とにより構成されている。
直流側バスバー106の発熱は2通りの経路でハウジング505の底面の冷却面504に到達する。
第1経路は、直流側バスバー106の負極側バスバー500または正極側バスバー501と電気的に接続しているコンデンサ端子203からコンデンサ素子201を経由して冷却面504に到達する経路である。
第2経路は、負極側バスバー500または正極側バスバー501に接続している延材部204を経由して冷却面に到達する経路である。
第1経路は、熱抵抗の高いコンデンサ素子201が経路になっていて、第2経路は熱抵抗の低い延材部204が経路となっている。
直流側バスバー106の発熱の多くは、第2経路を通過して冷却面504に放熱することができコンデンサ素子201の発熱を抑えることができる。
図6は、他の実施形態に係る電力変換装置600の展開図である。図6に示される図面番号にうち図1の図面番号と同じものは、同一の機能を有する。
介装部材601は、ハウジング101と平滑用コンデンサ103のコンデンサケース200とに接する。これにより平滑用コンデンサ103の位置決め機能と共に熱伝導率の高い部材が、コンデンサケース200とハウジング101の間にあることで熱の伝わりがよくなり、より放熱することができる。
図7は、図6に係る電力変換装置600の部分断面図である。
ハウジング101は、平滑用コンデンサ103のコンデンサケース200を収納する。介装部材601は、平滑用コンデンサ103のコンデンサケース200とハウジング101に接している。
延材部204は、平滑用コンデンサ103のコンデンサケース200において、コンデンサケース200と介装部材601とが接する部分705と対向する領域まで延ばされている。これにより介装部材601と延材部204の距離が近くなり放熱効果も高くなる。
図8は、図6の電力変換装置600の他の実施形態に係る断面図である。
平滑用コンデンサ103は、ハウジング101に配置されている。延材部802は、ハウジング101と平滑用コンデンサ103のコンデンサ素子201とで挟まれた領域804まで延ばされる。これによりコンデンサ素子201の下部との接触面積が増え、またハウジング101の底面にある冷却面805と延材部802の距離が近くなるため放熱効果が高くなる。
図9は、他の実施形態に係る電力変換装置900の断面図である。
コンデンサ素子901は、複数設けられている。延材部902は、複数のコンデンサ素子901のそれぞれ一つずつに設けられ、さらに複数の延材部902のそれぞれは、複数のコンデンサ素子901の間の空間903に配置されている。これにより熱が溜まりやすい空間903の放熱が可能になり温度上昇を抑えることができる。
図10は、他の実施形態に係る電力変換装置1000の断面図である。
コンデンサ素子1001は、コンデンサケース1003内にあり、エポキシ樹脂1002で封止されている。
本実施形態に係る延材部1005は、コンデンサケース1003と接続され、コンデンサケース1003の一部として構成される。延材部1005は、コンデンサケース1003と一体に構成されていてもよい。そして、延材部1005は、負極側バスバー1008と正極側バスバー1004と接している。接着剤1006は、ハウジング1007にコンデンサケース1003を固定する。
負極側バスバー1008と正極側バスバー1004の発熱は、延材部1005及びコンデンサケース1003を経てハウジング1007に達し、ハウジング1007の底面の冷却部に放熱される。これにより、延材部1005及びコンデンサケース1003を介した高い放熱性の向上を達成できる。
図11は、他の実施形態に用いられる電力変換装置1100の断面図である。
本実施形態に係る延材部1101は、複数設けられている。直流側バスバー1102は、負極側バスバー1103と、正極側バスバー1104と、により構成されている。
複数の延材部1101は、どちらか一方の極性側のバスバーに接続される。例えば負極側バスバー1103に接続される。直流側バスバー1102で発生した発熱は延材部1101、介装部材1106を経てハウジング1105に達しハウジング1105の底面の冷却部に放熱される。
これにより、例えば、負極側バスバー1103が正極側バスバー1104とコンデンサ素子1001に挟まれて負極側バスバー1103の放熱経路を確保することが難しい場合であって、延材部1101を介してより効率的に放熱することができる。
図12(a)は、図1ないし図11に用いることができる平滑用コンデンサ1200の全体斜視図である。図12(b)は、平滑用コンデンサ1200の側面図である。図12(c)は、図12(b)の面B-Bの矢印方向から見た平滑用コンデンサ1200の断面図である。
図12(c)に示されるように、コンデンサケース1205の開口面側から見た場合、コンデンサ端子1203の断面と延材部1204の断面が確認できる。
延材部1204の断面積は、コンデンサ端子1203の断面積より大きく形成されている。これによりコンデンサ端子1203の断面に流入する熱を抑え、また延材部1204の断面に流入する熱を多くすることにより熱をコンデンサケース1205の底面からハウジングの底面の冷却面に放熱することができる。
100…電力変換装置、101…ハウジング、102…パワー半導体回路部、103…平滑用コンデンサ、104…電源側端子、105…交流側バスバー、106…直流側バスバー、107…冷却面、200…コンデンサケース、201…コンデンサ素子、202…素子電極面、203…コンデンサ端子、204…延材部、205…素子扁平面、400…部分、500…負極側バスバー、501…正極側バスバー、503…接着剤、504…冷却面、505…ハウジング、508…エポキシ樹脂、600…電力変換装置、601…介装部材、705…部分、802…延材部、804…領域、805…冷却面、901…コンデンサ素子、902…延材部、903…空間、1001…コンデンサ素子、1002…エポキシ樹脂、1003…コンデンサケース、1004…正極側バスバー、1005…延材部、1006…接着剤、1007…ハウジング、1008…負極側バスバー、1101…延材部、1102…直流側バスバー、1103…負極側バスバー、1104…正極側バスバー、1105…ハウジング、1106…介装部材、1200…平滑用コンデンサ、1203…コンデンサ端子、1204…延材部、1205…コンデンサケース

Claims (8)

  1. 直流電力を交流電力に変換するパワー半導体回路部と、
    前記直流電力を平滑化するコンデンサ素子と、
    前記直流電力を伝達する直流側バスバーと、
    前記コンデンサ素子の電極面と前記直流側バスバーに接続するコンデンサ端子と、
    前記コンデンサ素子を収納するコンデンサ収納部を形成するケースと、
    前記コンデンサ素子の側面に形成された前記電極面以外の面である扁平面と前記ケースとの間に配置され、前記直流側バスバーに接続する延材部と、を備え、
    前記直流側バスバーは、
    前記コンデンサ素子を挟んで前記コンデンサ収納部の底部と対向する位置に配置され、
    前記延材部は、前記直流側バスバーから前記コンデンサ収納部の前記底部に向かって形成されかつ前記電極面と接触せず、導電性を持つ材料で構成されている電力変換装置。
  2. 請求項1に記載された電力変換装置であって、
    前記ケースを配置するハウジングと、
    前記ケースと前記ハウジングに接する介装部材と、を備える電力変換装置。
  3. 請求項2に記載された電力変換装置であって、
    前記ケースを配置するハウジングと、
    前記ケースと前記ハウジングに接する介装部材と、を備え、
    前記延材部は、前記ケースにおいて前記介装部材と接する部分と対向する領域まで延ばされる電力変換装置。
  4. 請求項3に記載された電力変換装置であって、
    前記延材部は、前記コンデンサ素子と前記ハウジングの間の領域まで延ばされる電力変換装置。
  5. 請求項1ないし4に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
    前記コンデンサ素子は、複数設けられ、
    前記延材部は、前記複数のコンデンサ素子それぞれ一つずつ設けられ、
    さらに前記複数の延材部のそれぞれは、前記複数のコンデンサ素子の間に配置される電力変換装置。
  6. 請求項1ないし5に記載されたいずれかの電力変換装置であって、
    前記延材部は、前記ケースと一体に形成される電力変換装置。
  7. 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、
    前記延材部は、複数設けられ、
    前記直流側バスバーは、正極側バスバーと、負極側バスバーと、により構成され、
    前記複数の延材部は、前記正極側バスバー又は前記負極側バスバーの一方側に接続される電力変換装置。
  8. 請求項1ないし7に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    前記延材部の断面積は、前記コンデンサ端子の断面積よりも大きく形成される電力変換装置。
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