JP7426315B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置は、半導体素子のスイッチングノイズを吸収する平滑コンデンサ、Ｙキャパシタ、ノイズフィルタが配置・内蔵され、回路を接続するバスバによって構成されている。この平滑コンデンサを効率的に冷却するため、電力変換装置の冷却通路を形成する筐体において熱接続する際に、平滑コンデンサと筐体間をポッティング材によって充填する必要がある。このポッティング材の充填に関しての技術が日々改良されている。

本願発明の背景技術として、下記の特許文献１が知られている。特許文献１では、ケース内に設けられたリブによって形成された収納空間に、トランス及びインダクタ素子を配置すると共に、トランス及びインダクタ素子とリブの間に放熱性と絶縁性とを有した樹脂を充填することで、磁気部品の発する熱をケースの効率よく放散する構成が開示されている。

特開２０１９－０９４０２３号公報

特許文献１の構成では、トランスやインダクタ素子の周囲にリブを設けているため、放熱樹脂を充填する隙間には、平滑コンデンサとの接触面積を確保するため、充分な量の放熱樹脂が充填されることが望ましい。しかしながら、部品寸法ばらつきを考慮すると、リブとこれらの部品間で放熱樹脂を充電可能な空間は、放熱樹脂の充填量を抑えることが必要になるほど、どの方向においても狭い。つまり、従来のリブで囲まれた領域の容量では、ポッティング樹脂の充填量に限界がある。さらに、放熱効率向上のために充填量を確保しようとリブで囲まれた領域を拡大すると、トランスやコンダクタ素子の安定性・信頼性に干渉する可能性も考えられる。

これを鑑みて、本発明は、耐熱性の低い平滑コンデンサと熱伝達のためのポッティング材の充填量を増加させることができ、平滑コンデンサの冷却を効率的に行うことができる電力変換装置を提供することが課題であった。

電力変換装置は、直流電力を平滑化するコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を収納する収納部及び冷媒流路を有する金属ケースと、前記コンデンサ素子と前記収納部との間の隙間を埋めるポッティング樹脂と、を備え、前記収納部の一部は、前記ポッティング樹脂が充填され当該ポッティング樹脂の露出面の高さを調整するための溜まり部が形成されている。

本発明によれば、平滑コンデンサの冷却を効率的に行うことができる電力変換装置を提供できる。

電力変換装置の全体分解斜視図 電力変換装置の回路図 ＤＣバスバの分解斜視図 コンデンサ素子の分解斜視図 本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の内部図 本発明の一実施形態に係る、溜まり部を表す図 本発明の一実施形態に係る、コンデンサ素子と溜まり部を表す図 図７のＡ－Ａ断面図 本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の内部の斜視図 図９のＡ－Ａ断面図とＢ－Ｂ断面図

（一実施形態および電力変換装置の構成）
以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、電力変換装置の全体分解斜視図である。

電力変換装置は、半導体素子を内蔵した複数の電力変換モジュール１を備えている。また、電力変換装置は、バッテリー（後述）から供給される直流電流を電力変換モジュール１に伝達するＤＣバスバ２と、スイッチングにより交流電流に変換された電力をモータ（後述）などの外部機器に伝達するＡＣバスバ３と、を備えている。

電力変換装置は、電力変換モジュール１のスイッチングによって発生するリプル電流を平滑化させるコンデンサ素子６を備えている。ポッティング樹脂８によってコンデンサ素子６とその収納部との間の隙間が埋められ、これによりコンデンサ素子６は金属ケース７内の収納部に固定される。

電力変換装置は、金属ケース７に設けられた電力変換モジュール１を冷却する冷媒流路を内部に備え、さらに、この冷媒流路の一部を形成する水路カバー９を備えている。金属ケース７には、冷媒流路の出入り口として外部から冷媒を導入する入口１０と出口１１が設けられている。

電力変換モジュール１を制御する板状のベース板４には、コントロール基板５が固定されている。電力変換モジュール１は、ベース板４を貫通してコントロール基板５に電気的に接続されている。コントロール基板５は、外部の上位制御信号によって電力変換モジュール１のスイッチングを制御する。

電力変換装置が備える前述の部品は、金属ケース７に固定される。金属ケース７の開口部端面においてカバー１２が接続固定されることで、金属ケース７内の部品が防塵される。

図２は、電力変換装置の回路図である。

電力変換装置は、外部モータ２００に接続され、電力変換モジュール１とバッテリー１００との間には、電力変換モジュール１のスイッチングによって発生するリプル電流を平滑化させるコンデンサ素子６が配置接続されている。

図３は、ＤＣバスバの分解斜視図である。

ＤＣバスバ２は、Ｐバスバ１４およびＮバスバ１５と絶縁板１３が積層状に配置され、樹脂８によりモールドされて一体となっており、金属ケース７（図１）にネジ固定されている。Ｐバスバ１４はバッテリー１００の正極側に接続され、Ｎバスバ１５はバッテリー１００の負極側に接続される。Ｐバスバ１４とＮバスバ１５の間は、絶縁板１３によって電気的に絶縁されている。

ＤＣバスバ２は、バッテリー１００から供給される直流電流を電力変換モジュール１に伝達するとともに、電力変換モジュール１のスイッチングによって発生するリプル電流をコンデンサ素子６に伝達し、平滑化させる。

図４は、コンデンサ素子の分解斜視図である。

コンデンサ素子６は、容量素子１７と素子ケース１８と端子１９とポッティング８により構成される。端子１９は、ＤＣバスバ２のＰバスバ１４およびＮバスバ１５（図３）に溶接接続されている。これにより、容量素子１７とＤＣバスバ２が電気的に接続される。容量素子１７は、素子ケース１８との隙間にポッティング８が充填された状態で、素子ケース１８内に収納される。

図５（ａ）は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の内部図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

電力変換装置の筐体である金属ケース７において、コンデンサ素子６の設置によって、ポッティング樹脂８がコンデンサ素子６の収納部分から押し出される。従来であれば、この樹脂８がコンデンサ素子６の収納部から収納部外に押し出されることによって、要求される樹脂８の充填量を確保できなかった。

しかし、本発明の構成によれば、ポッティング樹脂８は金属ケース７の隙間が広い部分である溜まり部に流れ込ませることで、ポッティング樹脂８の液面（露出面）の高さを要求される充填量に対して調整することができ、その液面を金属ケース７のリブ、つまり側壁の端面以下までに抑えられる。そのため、要求されるポッティング材８の充填量を確保できる。詳しくは後述する。

図６は、本発明の一実施形態に係る、溜まり部を表す図である。

溜まり部２１は、前述したように、側壁２２と発熱体であるコンデンサ素子６の隙間の間隔が一部広くなっている箇所として形成されている。これにより、放熱の役割をになう熱伝導性の樹脂の量の充填幅を広げることができるため、生産性があがり、かつポッティング樹脂８とコンデンサ素子６の熱回路の接触面積を増やすことができる。

また、ポッティング樹脂８が側壁２２の端面２８を乗り越えることなく、要求されるポッティング樹脂８の充填量を満たすことができるため、コンデンサ素子６の固定性を高めることができる。

図７は、本発明の一実施形態に係る、コンデンサ素子と溜まり部を表す図である。Ａ－Ａ断面図は図８で後述する。

コンデンサ素子６の収納部の側壁２２に沿って、コンデンサ素子６が並べられており、その紙面右側に、溜まり部２１が設けられている。溜まり部２１は、収納部内において、コンデンサ素子６の巻回軸方向２４に対向して形成されており、コンデンサ素子６の収納部の一部の壁面において、この収納部の外側向きに形成される凹空間である。

これにより、ポッティング樹脂８を充填した金属ケース７の収納部にコンデンサ６を組み込ませる際に、収納部から押し出されるポッティング樹脂８が溜まり部２１に流れ込む。前述したように溜まり部２１に入ったポッティング樹脂８の露出した液面は金属ケース７の側壁端面２８以下に抑えられる。

これにより、従来はポッティング樹脂８が溢れないようにポッティング樹脂８の量を少なくしていたところを、本発明により、図7に示したように最大で側壁端面２８までポッティング樹脂８を増量させることによって熱伝導性を上げることができる。よって、コンデンサ素子６の冷却効率および固定性の向上に貢献することができる。

図８は、図７のＡ－Ａ断面図である。

コンデンサ素子６は、金属化フィルムを扁平形状に巻回してなる巻回型のフィルムコンデンサ素子である。また、金属ケース７の収納部の底面には、コンデンサ素子６の扁平形状に沿った形状の、波型仕切り部２５が形成されている。なお、収納部の底面は、電力変換装置においての内周側壁面である。これに加えて、前述した溜まり部２１がコンデンサ素子６の巻回軸方向２４に対向して形成（紙面奥側）されている。

これにより、平らなコンデンサ素子６の収納部の底面の形状に比べて、コンデンサ素子６の搭載時のポッティング樹脂８の流れ方向を制御できる。これにより、ポッティング樹脂８が充填された金属ケース７の収納部内にコンデンサ素子６を組み込む時に、ポッティング樹脂８に生じる気泡の排出を効率化できる。

また、溜まり部２１は、コンデンサ素子６の卷回軸方向に対向する壁面に形成される。こうすることで、コンデンサ素子６間のポッティング樹脂８の余剰分が、波型仕切り部２５に沿って巻回軸方向に流動が促され、溜まり部２１へ向かう。これにより、発生する気泡の排出方向を一定にできる。

図９は、本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の内部の斜視図である。

金属ケース７は、冷媒流路の入口１０または出口１１が形成される流路側の側面２７を有しており、溜まり部２１は、金属ケース７においてコンデンサ素子６の収納部と側面２７との間の側壁２２の一部に形成される。溜まり部２１は、耐久性を高めるために溜まり部２１を形成する側壁２２の一部に厚みがあるため、熱抵抗が高く、コンデンサ素子６からの発生熱の冷媒への伝熱性が悪化する。そのため、流路近くに溜まり部２１を形成することで、冷媒への伝熱性が改善されるため、コンデンサ素子６の放熱性を均一化させることができる。

図１０（ａ）は図９のＡ－Ａ断面図、図１０（ｂ）はＢ－Ｂ断面図である。

冷媒流路は、金属ケース７の収納部の底面側に形成される。溜まり部２１を区画する金属ケース７の内周側壁面、つまり収納部の底面において、前述したように、溜まり部２１は冷媒流路の入口１０または出口１１側に近い面に形成されている。さらに、収納部の底面の冷媒流路入口１０および冷媒流路出口１１の近くには、溜まり部２１の側壁２２に沿って傾斜面２６が形成されている。

これにより、金属ケース７の溜まり部２１の底面も傾斜しており、コンデンサ素子６およびコンデンサ素子６の収納部の金属ケース７の寸法ばらつきによって起こる、ポッティング樹脂８の液面のばらつき（変動）が抑制され、ポッティング樹脂８が側壁端面２８からあふれ出ることを防止できる。

また、収納部の底面側からポッティング樹脂８の露出面側、つまり、図１０（ａ）の紙面上側に向かうにつれて、収納部の底面に略平行なポッティング樹脂８の断面積が大きくなるように形成されている。これにより、樹脂８の液面が高くなるにつれて、液面高さの変動が抑制される。なお、液面変動を抑制するための傾斜面２６は、金属ケース７内において、流路入口１０側から出口１１側への冷媒の流れを誘導する役割も兼ねている。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電力変換装置は、直流電力を平滑化するコンデンサ素子６と、コンデンサ素子６を収納する収納部及び冷媒流路を有する金属ケース７と、コンデンサ素子６と収納部との間の隙間を埋めるポッティング樹脂８と、を備え、収納部の一部は、ポッティング樹脂８が充填されポッティング樹脂８の露出面の高さを調整するための溜まり部２１が形成されている。このようにしたので、平滑コンデンサ６の冷却を効率的に行うことができる電力変換装置を提供できる。

（２）電力変換装置の溜まり部２１は、収納部に対して外側向きに形成されている凹空間である。このようにしたので、樹脂８が一か所にまとめられて要求される充填量を満たすことができる。

（３）電力変換装置のコンデンサ素子６は、金属化フィルムを扁平形状に巻回して形成される巻回型のフィルムコンデンサ素子６であって、コンデンサ素子６の巻回軸が溜まり部２１に対して軸方向になるように設置され、溜まり部２１は、収納部内において、コンデンサ素子６の巻回軸方向に対向する壁面２２に形成される。このようにしたので、樹脂８の押し出される方向に合わせて、気泡の排出方向を一定にできる。

（４）電力変換装置の収納部の底面は、コンデンサ素子６の扁平形状に沿って形成されている。このようにしたので、収納部の形状に沿って樹脂８をコンデンサ素子６と収納部との隙間に充填させることができる。

（５）電力変換装置の金属ケース７は、冷媒流路の入口１０または出口１１が形成される側面２７を有し、溜まり部２１は、金属ケース７の収納部と側面２７との間に形成される。このようにしたので、樹脂８の熱伝達の効率を均一化させ、コンデンサ素子６の放熱効率を上げることができる。

（６）電力変換装置の溜まり部２１は、収納部の底面側からポッティング樹脂８の露出面側に向かうにつれて、底面に対して略平行であるポッティング樹脂８の断面積が大きくなるように形成されている。このようにしたので、樹脂８の液面変動による充填漏れを防ぐことができる。

（７）電力変換装置の冷媒流路は、金属ケース７において、収納部の底面側に形成され、収納部の底面において、冷媒流路の入口１０または出口１１側に近い面は、傾斜面２６を有する。このようにしたので、樹脂８の液面変動による充填漏れを防ぐことができ、冷却流路の入口１０から流入する冷媒によって、コンデンサ素子６の放熱効率を上げることができる。

以上、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能であり、その態様も本発明の範囲内に含まれる。

１ 電力変換モジュール
２ ＤＣバスバ
３ ＡＣバスバ
４ ベース板
５ コントロール基板
６ コンデンサ素子
７ 金属ケース
８ ポッティング樹脂
９ 水路カバー
１０ 水路入口
１１ 水路出口
１２ カバー
１３ 絶縁版
１４ Ｐバスバ
１５ Ｎバスバ
１７ 容量素子
１８ 素子ケース
１９ 端子
２１ 溜まり部
２２ 側壁
２４ 巻回軸方向
２５ 波型仕切り部
２６ 傾斜面
２７ 側面（流路側）
２８ 側壁端面
１００ バッテリー
２００ モータ

Claims (7)

1. 直流電力を平滑化する複数のコンデンサ素子と、
   前記複数のコンデンサ素子を収納する収納部及び冷媒流路を有する金属ケースと、
   前記複数のコンデンサ素子と前記収納部との間の隙間を埋めるポッティング樹脂と、を備え、
   前記収納部は、前記ポッティング樹脂を前記収納部内に収める側壁と、前記ポッティング樹脂が充填され当該ポッティング樹脂の露出面の高さを調整するための溜まり部と、を有し、
   前記側壁は、断面上において、前記ポッティング樹脂が充填される領域と前記ポッティング樹脂が充填されない領域とを区別し、
   前記側壁は、前記ポッティング樹脂が充填される領域における前記ポッティング樹脂の充填量の上限を定める端面を有する
   電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記溜まり部は、前記収納部の外側向きに形成されている凹空間である
   電力変換装置。
3. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記コンデンサ素子は、金属化フィルムを扁平形状に巻回して形成される巻回型のフィルムコンデンサ素子であって、前記コンデンサ素子の巻回軸は前記側壁の立設方向に対して垂直方向になるように設置される
   電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記収納部の底面は、前記複数のコンデンサ素子がそれぞれ有する前記底面への設置部分の形状に沿って、前記底面全体が波形に形成されている前記複数のコンデンサ素子に対する仕切り部を有する
   電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記金属ケースは、前記冷媒流路の入口または出口が形成される側面を有し、
   前記溜まり部は、前記金属ケースの前記収納部と前記側面との間に形成される
   電力変換装置。
6. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記溜まり部は、前記収納部の底面側から前記ポッティング樹脂の露出面側に向かうにつれて、前記底面に対して略平行である前記ポッティング樹脂の断面積が大きくなるように形成されている
   電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置において、
   前記冷媒流路は、前記金属ケースにおいて、前記収納部の底面側に形成され、
   前記収納部の前記底面において、前記冷媒流路の入口または出口側に近い面は、傾斜面を有する
   電力変換装置。

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