JP7024592B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関する。
インバータとＤＣ－ＤＣコンバータとを備えた電力変換装置として、例えば、特許文献１に開示されているように、フィルタコンデンサと平滑コンデンサとを有するものがある。フィルタコンデンサは、直流電源に接続され、直流電源のリプルを吸収する。また、平滑コンデンサは、昇圧後の直流電圧を平滑化する。また、ＤＣ－ＤＣコンバータの温度上昇を防ぐべく、ケースにおけるＤＣ－ＤＣコンバータと対向する位置に、冷媒流路を形成している。
特開２０１６－１００９１３号公報
しかしながら、近年の電力変換装置に求められる高出力化等に伴い、平滑コンデンサの大型化が余儀なくされることがある。かかる場合において、電力変換装置の筐体内のスペースを有効活用して、電力変換装置の小型化を図ることが求められる。その際、共に直流電源に接続されるフィルタコンデンサとＤＣ－ＤＣコンバータとの位置関係、さらには冷媒流路の形成領域も考慮しながら、各部品の位置関係を規定することが求められる。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、小型化が容易となる電力変換装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、直流電源（ＢＡＴ）に接続されるフィルタコンデンサ（２）及びＤＣ－ＤＣコンバータ（３）と、
電力変換回路（１０２）に接続された平滑コンデンサ（４）と、
上記フィルタコンデンサ、上記ＤＣ－ＤＣコンバータ、及び上記平滑コンデンサを収容する筐体（５）と、
上記ＤＣ－ＤＣコンバータを冷却する冷媒流路（６）と、を有し、
上記冷媒流路は、上記筐体と、該筐体に固定された流路カバー（１１）との間に形成されており、
上記冷媒流路は、上記ＤＣ－ＤＣコンバータの少なくとも一部と対向するコンバータ対向部（６１）を有し、
上記コンバータ対向部と上記ＤＣ－ＤＣコンバータとが対向する方向であるＺ方向において、上記ＤＣ－ＤＣコンバータに上記フィルタコンデンサの少なくとも一部が、上記コンバータ対向部と反対側から重なり、
上記平滑コンデンサは、上記Ｚ方向から見たとき、上記ＤＣ－ＤＣコンバータに重ならず、上記Ｚ方向に直交するＸ方向から見たとき、上記ＤＣ－ＤＣコンバータの少なくとも一部と重なるように配置されており、
上記流路カバーを上記筐体に締結する締結部（１２）は、上記Ｚ方向から見たとき、上記平滑コンデンサと重ならない位置に配置されている、電力変換装置（１）にある。
上記電力変換装置においては、上記ＤＣ－ＤＣコンバータに上記フィルタコンデンサの少なくとも一部が、Ｚ方向において重なっている。これにより、共に直流電源に接続されるＤＣ－ＤＣコンバータとフィルタコンデンサとを近接配置することが可能となる。それゆえ、直流電源とＤＣ－ＤＣコンバータ及びフィルタコンデンサとの接続配線（以下、適宜、入力配線ともいう）を短くすることができる。その結果、入力配線の省スペース化を図ると共に、入力配線におけるインダクタンスの低減を図ることができる。
そして、上記平滑コンデンサは、Ｚ方向から見たとき、ＤＣ－ＤＣコンバータに重ならず、Ｘ方向から見たとき、ＤＣ－ＤＣコンバータの少なくとも一部と重なるように配置されている。これにより、ＤＣ－ＤＣコンバータに対してＸ方向に重なる空間を、平滑コンデンサの配置空間として、有効利用することができる。それゆえ、平滑コンデンサの大型化に伴う、電力変換装置の体格の大型化を抑制することができる。
また、上記流路カバーを筐体に締結する締結部は、Ｚ方向から見たとき、平滑コンデンサに重ならない位置に配置されている。それゆえ、筐体を大型化することなく、平滑コンデンサの配置スペースをＺ方向に大きく確保することができる。その結果、電力変換装置の小型化を容易にすることができる。
以上のごとく、上記態様によれば、小型化が容易となる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態１における、上方から見た電力変換装置の断面説明図。 実施形態１における、電力変換装置の下面説明図。 実施形態１における、冷媒流路の記載を省略した、電力変換装置の断面説明図。 図１のIV－IV線矢視断面図。 図１のＶ－Ｖ線矢視断面図。 図１のVI－VI線矢視断面図。 図１のVII－VII線矢視断面図。 実施形態１における、電力変換装置の回路図。 実施形態２における、上方から見た電力変換装置の断面説明図。 実施形態２の変形形態における、上方から見た電力変換装置の断面説明図。 実施形態３における、上方から見た電力変換装置の断面説明図。 実施形態３における、電力変換装置の下面説明図。 図１１のXIII－XIII線矢視断面図。
（実施形態１）
電力変換装置に係る実施形態について、図１～図８を参照して説明する。
本実施形態の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、フィルタコンデンサ２と、ＤＣ－ＤＣコンバータ３と、平滑コンデンサ４と、筐体５と、冷媒流路６と、を有する。
フィルタコンデンサ２及びＤＣ－ＤＣコンバータ３は、図８に示すごとく、直流電源ＢＡＴに接続される。平滑コンデンサ４は、電力変換回路（インバータ部１０２）に接続されている。図１～図７に示すごとく、筐体５は、フィルタコンデンサ２、ＤＣ－ＤＣコンバータ３、及び平滑コンデンサ４を収容する。冷媒流路６は、ＤＣ－ＤＣコンバータ３を冷却する。
図５～図７に示すごとく、冷媒流路６は、筐体５と、筐体５に固定された流路カバー１１との間に形成されている。
図１、図２、図５、図７に示すごとく、冷媒流路６は、ＤＣ－ＤＣコンバータ３の少なくとも一部と対向するコンバータ対向部６１を有する。
コンバータ対向部６１とＤＣ－ＤＣコンバータ３とが対向する方向を、Ｚ方向とする。このＺ方向において、図１～図４、図７に示すごとく、ＤＣ－ＤＣコンバータ３にフィルタコンデンサ２の少なくとも一部が、コンバータ対向部６１と反対側から重なっている。なお、図示を省略するが、ＤＣ－ＤＣコンバータ３は、例えば、トランス等を設けた本体部以外にも、入力フィルタ部、出力フィルタ部等を備えている。そして、これらのうちの一部（例えば入力フィルタ部又は出力フィルタ部）のみが、Ｚ方向から見たとき、フィルタコンデンサ２の一部と重なった構成とすることもできる。
また、冷媒流路６は、Ｚ方向から見たとき、ＤＣ－ＤＣコンバータ３の本体部と重なるように形成されていることが好ましい。
平滑コンデンサ４は、図３に示すごとく、Ｚ方向から見たとき、ＤＣ－ＤＣコンバータ３に重ならず、図６に示すごとく、Ｚ方向に直交するＸ方向から見たとき、ＤＣ－ＤＣコンバータ３の少なくとも一部と重なるように配置されている。
図１、図２に示すごとく、流路カバー１１を筐体５に締結する締結部１２は、Ｚ方向から見たとき、平滑コンデンサ４に重ならない位置に配置されている。また、本形態においては、複数の締結部１２のうちの少なくとも一つが、Ｚ方向から見たとき、冷媒流路６と平滑コンデンサ４との間に配置されている。図１、図２に示す複数の締結部１２のうち、締結部１２ａは、Ｚ方向から見たとき、冷媒流路６と平滑コンデンサ４との間に配置されている。
本実施形態の電力変換装置１は、図８に示すごとく、直流電源ＢＡＴと三相交流の回転電機ＭＧとの間に接続され、直流電力と交流電力との間の電力変換を行うことができるよう構成されている。電力変換装置１は、直流電源ＢＡＴの電圧を昇圧する昇圧部１０１と、昇圧部１０１によって昇圧された高圧の直流電力を交流電力に変換するインバータ部１０２とを有する。また、電力変換装置１は、上述のように、ＤＣ－ＤＣコンバータ３を備え、ＤＣ－ＤＣコンバータ３において、直流電力の電圧を変換することができるよう構成されている。
電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、インバータ部１０２において変換された交流電力によって、回転電機ＭＧを駆動することができる。また、ＤＣ－ＤＣコンバータ３によって、直流電源ＢＡＴの電圧を降圧して、補機用のバッテリ（図示略）に低圧の直流電力を供給することができる。
昇圧部１０１とインバータ部１０２との間には、平滑コンデンサ４が接続されている。平滑コンデンサ４は、インバータ部１０２に供給される直流電力の電圧を平滑化している。昇圧部１０１は、リアクトル７と、複数のスイッチング素子１０３とによって構成されている。なお、図示を省略するが、インバータ部１０２は、複数のスイッチング素子を有して電力変換回路を構成する。
図１～図３に示すごとく、リアクトル７は、フィルタコンデンサ２、ＤＣ－ＤＣコンバータ３、平滑コンデンサ４と共に、筐体５内に収容されている。
リアクトル７は、図６に示すごとく、Ｘ方向から見たとき、ＤＣ－ＤＣコンバータ３の少なくとも一部と重なる位置に配されている。図４に示すごとく、Ｙ方向からみたとき、リアクトル７は、平滑コンデンサ４の少なくとも一部と重なるように配置されている。ここで、Ｙ方向は、Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する方向である。
また、Ｚ方向から見たとき、リアクトル７と平滑コンデンサ４との間に、複数の締結部１２のうちの一部（すなわち締結部１２ａ）が配置されている。
本形態において、筐体５は、略直方体形状を有する。また、筐体５は、Ｚ方向から見たとき、図１～図３に示すごとく、Ｘ方向の長さがＹ方向の長さよりも長い、略長方形状を有する。そして、Ｘ方向における一方側に偏った位置に、フィルタコンデンサ２及びＤＣ－ＤＣコンバータ３が配置されている。以下において、適宜、Ｘ方向における、フィルタコンデンサ２及びＤＣ－ＤＣコンバータ３が配置された側を、前側、その反対側を、後側という。また、Ｚ方向において、ＤＣ－ＤＣコンバータ３に対して冷媒流路６が配置された側を、下側、その反対側を、上側と、適宜いうものとする。ただし、これらの前後、上下の表現は、便宜的なものであり、電力変換装置１の配置姿勢等を特に限定するものではない。
また、図３、図４に示すごとく、筐体５内には、入力端子台１３が配設されている。入力端子台１３は、直流電源ＢＡＴからの入力端子（図示略）を、フィルタコンデンサ２及びＤＣ－ＤＣコンバータ３に電気的に接続するための端子台である。つまり、直流電源ＢＡＴ側の入力端子と、フィルタコンデンサ２及びＤＣ－ＤＣコンバータ３にそれぞれ接続された入力配線とを、入力端子台１３において、互いに接続することができるよう構成されている。
この入力端子台１３は、筐体５内における、前端部付近に配置されている。すなわち、筐体５における前側壁部５１の近傍に配置されている。また、入力端子台１３は、図３に示すごとく、Ｚ方向から見て、ＤＣ－ＤＣコンバータ３の前端部の一部と重なる位置に配置されている。
図１に示すごとく、Ｚ方向から見たとき、平滑コンデンサ４は、冷媒流路６から離隔した位置に配置されている。すなわち、Ｚ方向から見たとき、平滑コンデンサ４は、冷媒流路６と重ならない位置に配置されている。なお、図４、図６に示すごとく、平滑コンデンサ４の下面は、筐体５の底壁部５２から離れて配置されている。また、図５、図６に示すごとく、ＤＣ－ＤＣコンバータ３及びリアクトル７は、筐体５の底壁部５２の上面に接触している。
図１、図２に示すごとく、冷媒流路６は、Ｚ方向から見たとき、リアクトル７よりもＤＣ－ＤＣコンバータ３に近い位置に、冷媒導入口６２１を備えている。冷媒流路６は、筐体５の前端部付近に、冷媒導入口６２１と冷媒排出口６２２とを有する。冷媒流路６は、Ｚ方向から見たとき、略Ｕ字状に形成されている。すなわち、冷媒導入口６２１から導入された冷媒は、冷媒流路６に沿って、まず後方へ向かう。そして、冷媒は、筐体５の後端部付近において、折り返されて前方へ向かい、前端部における冷媒排出口６２２から排出される。なお、冷媒導入口６２１と冷媒排出口６２２とを逆にして、冷媒流路６における冷媒の流れを、上記とは逆向きの流れとすることもできる。
冷媒流路６は、筐体５の底壁部５２を介して、ＤＣ－ＤＣコンバータ３及びリアクトル７に面している。それゆえ、上述のように、冷媒流路６を冷媒が流れることにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ３及びリアクトル７が冷却される。
冷媒流路６は、Ｚ方向からみたとき、フィルタコンデンサ２の少なくとも一部と重なるよう形成されている。本形態においては、冷媒流路６における冷媒導入口６２１付近の一部が、Ｚ方向から見て、フィルタコンデンサ２の一部と重なっている。なお、Ｚ方向から見て、冷媒流路６がフィルタコンデンサ２の一部と重ならない構成とすることもできる。
冷媒流路６は、図５～図７に示すごとく、筐体５の底壁部５２と、底壁部５２の下面に固定された流路カバー１１との間に形成されている。なお、図においては、流路カバー１１に、冷媒流路６となる凹部が設けられた状態を示しているが、底壁部５２の下面に溝部を設けた構成とすることもできる。流路カバー１１は、複数の締結部１２において、底壁部５２に締結されている。本形態において、締結部１２は、ボルト１２１によって構成されている。ボルト１２１は、その先端側が上側を向く姿勢にて、配設されている。
流路カバー１１は、冷媒流路６の外周部に、複数の締結部１２を設けている。図４～図７に示すごとく、筐体５は、締結部１２を構成するボルト１２１と螺合する雌ネジ部が形成されたボス部５２１を有する。ボス部５２１は、底壁部５２から上方へ、すなわち筐体５の内側に突出している。つまり、Ｚ方向から見たとき、締結部１２が形成されている位置に、ボス部５２１が形成されている。
また、複数の締結部１２のうちの一部が、ＤＣ－ＤＣコンバータ３と、Ｚ方向に重なる位置に設けられているが、この締結部１２は、ボス部５２１がＤＣ－ＤＣコンバータ３の構成部品と干渉しないような位置に配置されている。つまり、ＤＣ－ＤＣコンバータ３は、複数の構成部品からなり、実際には、図３等に示すように下面のすべてが底壁部５２に接しているわけではない。それゆえ、構成部品の間の空間に、締結部１２（すなわちボス部５２１）が配置されるようにしてある。
なお、筐体５内には、上述したインバータ部１０２等も配置されているが、その記載を省略する。また、筐体５は、アルミニウム等、熱伝導性に優れた金属によって構成することができる。そして、筐体５は、複数部材を組み合わせて構成されているものとすることができる。
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、ＤＣ－ＤＣコンバータ３にフィルタコンデンサ２の少なくとも一部が、Ｚ方向において重なっている。これにより、共に直流電源ＢＡＴに接続されるＤＣ－ＤＣコンバータ３とフィルタコンデンサ２とを近接配置することが可能となる。それゆえ、直流電源ＢＡＴとＤＣ－ＤＣコンバータ３及びフィルタコンデンサ２との接続配線（入力配線）を短くすることができる。その結果、入力配線の省スペース化を図ると共に、入力配線におけるインダクタンスの低減を図ることができる。
そして、平滑コンデンサ４は、Ｚ方向から見たとき、ＤＣ－ＤＣコンバータ３に重ならず、Ｘ方向から見たとき、ＤＣ－ＤＣコンバータ３の少なくとも一部と重なるように配置されている。これにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ３に対してＸ方向に重なる空間を、平滑コンデンサ４の配置空間として、有効利用することができる。それゆえ、平滑コンデンサの大型化に伴う、電力変換装置１の体格の大型化を抑制することができる。
また、Ｚ方向から見たとき、締結部１２が、平滑コンデンサ４に重ならない位置に配置されている。それゆえ、筐体５を大型化することなく、平滑コンデンサ４の配置スペースをＺ方向に大きく確保することができる。その結果、電力変換装置１の小型化を容易にすることができる。
Ｚ方向から見たとき、平滑コンデンサ４は、冷媒流路６から離隔した位置に配置されている。これにより、締結部１２を、Ｚ方向において、平滑コンデンサ４に重ならない位置に配置しやすくなる。その結果、平滑コンデンサ４の大型化に伴う筐体５の大型化を、一層容易に防ぐことができる。
リアクトル７は、Ｘ方向から見たとき、ＤＣ－ＤＣコンバータ３の少なくとも一部と重なる位置に配され、Ｙ方向からみたとき、平滑コンデンサ４の少なくとも一部と重なるように配置されている。これにより、筐体５内のスペースを有効活用しながら、リアクトル７を配置することができる。それゆえ、電力変換装置１の小型化を図りやすい。
冷媒流路６は、Ｚ方向からみたとき、リアクトル７よりもＤＣ－ＤＣコンバータ３に近い位置に、冷媒導入口６２１を備えている。これにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ３を効率的に冷却することができる。すなわち、例えばＤＣ－ＤＣコンバータ３の発熱量が比較的大きくなりやすい場合などに、効果的な冷却を行うことができる。
以上のごとく、本実施形態によれば、小型化が容易となる電力変換装置を提供することができる。
（実施形態２）
本形態の電力変換装置１は、図９に示すごとく、冷媒流路６は、Ｚ方向からみたとき、ＤＣ－ＤＣコンバータ３よりもリアクトル７に近い位置に、冷媒導入口６２１を備えている。
本形態においては、冷媒導入口６２１を、筐体５における、Ｘ方向の後端部付近に設けてある。冷媒排出口６２２も、筐体５における、Ｘ方向の後端部付近に設けてある。
そして、冷媒流路６における冷媒導入口６２１及び冷媒排出口６２２の配置に対する、ＤＣ－ＤＣコンバータ３とリアクトル７とのＸ方向の位置関係が、実施形態１とは逆の位置関係となるように形成されている。ただし、冷媒流路６は、Ｚ方向からみたとき、平滑コンデンサ４と重ならないように形成されている。
その他の構成は、実施形態１と同様である。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
本形態においては、リアクトル７を効果的に冷却しやすくなる。一方、ＤＣ－ＤＣコンバータ３は、構成部品の配置を、冷媒流路６との関係において適切にすることで、充分に冷却できる場合もある。すなわち、ＤＣ－ＤＣコンバータ３は、例えば、トランス、半導体素子、チョークコイル、コンデンサ等、比較的多種の構成部品を備えている。それゆえ、これらの構成部品のレイアウトを工夫する余地がある。そのような配置が可能な場合、比較的構成部品の少ないリアクトル７を、冷媒流路６の上流側の位置に対向させることで、全体としての冷却性能を確保しやすい。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
なお、上記実施形態２の変形形態として、図１０に示すごとく、冷媒流路６の一部を、Ｚ方向から見て、フィルタコンデンサ２の一部と重なるように形成してもよい。
（実施形態３）
本実施形態は、図１１～図１３に示すごとく、フィルタコンデンサ２と平滑コンデンサ４とを一体化したコンデンサモジュール１４を有する、電力変換装置１の形態である。
すなわち、コンデンサモジュール１４は、例えば、樹脂ケース１４０内に、フィルタコンデンサ２と平滑コンデンサ４とを備えてなる。そして、樹脂ケース１４０内において、フィルタコンデンサ２及び平滑コンデンサ４が、バスバーの一部とともに、樹脂封止された構成とすることができる。
このようなコンデンサモジュール１４を、図１１～図１３に示すごとく、電力変換装置１の筐体５内に配置してある。コンデンサモジュール１４内に配設されたフィルタコンデンサ２及び平滑コンデンサ４は、他の部品（ＤＣ－ＤＣコンバータ３、リアクトル７、冷媒流路６等）との位置関係が、実施形態１と同様となるように構成されている。
これに伴い、図１３に示すごとく、Ｙ方向から見た形状において、コンデンサモジュール１４は、平滑コンデンサ４が配置された部位が、フィルタコンデンサ２が配置された部位よりも、下方へ突出している。
その他の構成は、実施形態１と同様である。
本形態においては、電力変換装置１の組み立てを、容易にすることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。
１ 電力変換装置
１０２ 電力変換回路（インバータ部）
１１ 流路カバー
１２ 締結部
２ フィルタコンデンサ
３ ＤＣ－ＤＣコンバータ
４ 平滑コンデンサ
５ 筐体
６ 冷媒流路
６１ コンバータ対向部

Claims (5)

  1. 直流電源（ＢＡＴ）に接続されるフィルタコンデンサ（２）及びＤＣ－ＤＣコンバータ（３）と、
    電力変換回路（１０２）に接続された平滑コンデンサ（４）と、
    上記フィルタコンデンサ、上記ＤＣ－ＤＣコンバータ、及び上記平滑コンデンサを収容する筐体（５）と、
    上記ＤＣ－ＤＣコンバータを冷却する冷媒流路（６）と、を有し、
    上記冷媒流路は、上記筐体と、該筐体に固定された流路カバー（１１）との間に形成されており、
    上記冷媒流路は、上記ＤＣ－ＤＣコンバータの少なくとも一部と対向するコンバータ対向部（６１）を有し、
    上記コンバータ対向部と上記ＤＣ－ＤＣコンバータとが対向する方向であるＺ方向において、上記ＤＣ－ＤＣコンバータに上記フィルタコンデンサの少なくとも一部が、上記コンバータ対向部と反対側から重なり、
    上記平滑コンデンサは、上記Ｚ方向から見たとき、上記ＤＣ－ＤＣコンバータに重ならず、上記Ｚ方向に直交するＸ方向から見たとき、上記ＤＣ－ＤＣコンバータの少なくとも一部と重なるように配置されており、
    上記流路カバーを上記筐体に締結する締結部（１２）は、上記Ｚ方向から見たとき、上記平滑コンデンサと重ならない位置に配置されている、電力変換装置（１）。
  2. 上記Ｚ方向から見たとき、上記平滑コンデンサは、上記冷媒流路から離隔した位置に配置されている、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 上記Ｘ方向から見たとき、上記ＤＣ－ＤＣコンバータの少なくとも一部と重なる位置に配されたリアクトル（７）を有し、上記Ｘ方向と上記Ｚ方向との双方に直交するＹ方向からみたとき、上記リアクトルは、上記平滑コンデンサの少なくとも一部と重なるように配置されている、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 上記冷媒流路は、上記Ｚ方向からみたとき、上記リアクトルよりも上記ＤＣ－ＤＣコンバータに近い位置に、冷媒導入口（６２１）を備えている、請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 上記冷媒流路は、上記Ｚ方向からみたとき、上記ＤＣ－ＤＣコンバータよりも上記リアクトルに近い位置に、冷媒導入口（６２１）を備えている、請求項３に記載の電力変換装置。
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