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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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に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。 - 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。 - 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。 - 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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