JP7467366B2 - フィルタユニット、電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィルタユニットおよび電力変換装置に関する。

電力変換装置は、ノイズ除去のためのフィルタユニットが必要不可欠である。特許文献１には、陽極バスバと、陰極バスバと、前記陽極バスバとグラウンドに接続されるグラウンド接続体との間に接続される第１の容量素子と、前記陰極バスバと前記グラウンド接続体との間に接続される第２の容量素子と、前記陽極バスバと前記陰極バスバとの間に接続される第３の容量素子と、を備え、前記第１の容量素子の陽極端子と前記第３の容量素子の陰極端子とが隣接して配置され、前記第２の容量素子の陰極端子と前記第３の容量素子の陽極端子とが隣接して配置される高電圧フィルタが開示されている。

特開２０２０－０５４０５９号公報

特許文献１に記載されている発明では、小型化に改善の余地がある。

本発明の第１の態様によるフィルタユニットは、正極および負極のバスバーが積層配置された積層バスバーと、前記積層バスバーに電気的に接続されたフィルタ用コンデンサと、を備えたフィルタユニットであって、前記積層バスバーは、第１積層領域と、前記第１積層領域と主面同士が対向しあうように配置された第２積層領域と、前記第１積層領域および前記第２積層領域を接続する折り返し部と、を有する略Ｕ字形状に形成され、前記積層バスバーの前記第１積層領域と前記第２積層領域との間には、接地電位に接続されるグラウンドバスバーが配置され、前記フィルタ用コンデンサは、前記第１積層領域と前記グラウンドバスバーとの間に配置される第１コンデンサ、および前記第２積層領域と前記グラウンドバスバーとの間に配置される第２コンデンサと、を含む。
本発明の第２の態様による電力変換装置は、前述のフィルタユニットと、前記積層バスバーに接続される電力変換回路と、前記フィルタユニット及び電力変換回路とを収納するハウジングと、を備えた電力変換装置であって、前記ハウジングは、底面および側面を有し、前記フィルタユニットは、前記積層バスバーの前記折り返し部が前記ハウジングの前記底面上に載置されるように、配置される。

本発明によれば、フィルタユニットの床面積を低減できる。

インバータの分解斜視図 フィルタユニットの外観図 フィルタユニットの分解斜視図 フィルタユニットにおける回路図 変形例における積層バスバーを構成するパーツのバリエーションを示す図

―第１の実施の形態―
以下、図１～図４を参照して、フィルタユニット、電力変換装置の第１の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係るフィルタユニットを含むインバータ１００の分解斜視図である。

インバータ１００は、ハウジング１、ＤＣコネクタ２、フィルタユニット３、ＤＣリンクコンデンサ４、パワーモジュール５、制御基板６、およびＡＣコネクタ７を備える。インバータ１００は、車載の高圧バッテリーから供給される直流電力を交流電力に変換し、電気自動車のメインモータなどを駆動する。またインバータ１００は昇圧、回生制動などの機能も有する。ハウジング１は、フィルタユニット３、ＤＣリンクコンデンサ４、パワーモジュール５、および制御基板６を収容し、過酷な外部条件からこれらを保護する。

ＤＣコネクタ２は、高圧バッテリーから供給される直流電力をインバータ１００に取り込む、アセンブリインターフェイスとして機能する。フィルタユニット３は、電磁干渉（Electro-Magnetic Interference；ＥＭＩ）などの望ましくない影響や、運用機器の物理的な損傷を引き起こす可能性のある電磁エネルギーの不用意な発生、伝播、および受信を制限する。フィルタユニット３の詳細構成は後述する。ＤＣリンクコンデンサ４は、ＤＣリンク電圧を調整し、スイッチングリップル電流を吸収する。

パワーモジュール５は、複数のパワー半導体を含んで構成される。パワーモジュール５は、たとえばパルス幅変調によりモータのトルクや回転数を制御する。制御基板６は、インバータ１００の外部からの指令に基づきパワーモジュール５を制御する。ＡＣコネクタ７は、インバータ１００が変換した交流電力をモータなどに出力するインタフェースである。

図２は、フィルタユニット３の外観図である。フィルタユニット３は、Ｕ字の形状を有する積層バスバー１０と、磁性体コア６０と、複数のコンデンサと、シールド板５０とを含む。

積層バスバー１０は、長さが略Ｈの対向する２辺と、対向する２辺を接続する長さ略Ｌの１辺とを有する、Ｕ字の形状を有する。積層バスバー１０は、奥行きＷの長さを有する。積層バスバー１０は、たとえば銅板である正極バスバー１１と負極バスバー１２との間に誘電材を挟んで積層されることで構成される。積層バスバー１０はたとえば、長さが２Ｈ＋Ｌ、幅がＷの矩形の積層銅板を曲げ加工することで作成される。

以下では、積層バスバー１０の図示右側の領域を第１積層領域Ｕ１、図示左側の領域を第２積層領域Ｕ２と呼ぶ。また、積層バスバー１０における第１積層領域Ｕ１と第２積層領域Ｕ２とを接続する領域を折り返し部Ｕ３と呼ぶ。第１積層領域Ｕ１および第２積層領域Ｕ２は、内側の面を「主面」と呼び、主面に直行する方向を「側面」と呼ぶ。

図２に示す積層バスバー１０において、Ｕ字の内周側が正極バスバー１１、Ｕ字の外周側が負極バスバー１２である。正極バスバー１１と負極バスバー１２とが積層されることにより、インダクタンスが低減され、ＥＭＣ性能が向上される。フィルタユニット３の詳細構成を、分解図を参照して説明する。

図３は、フィルタユニット３の分解斜視図である。フィルタユニット３が備えるコンデンサは、第１Ｘコンデンサ３１、第２Ｘコンデンサ３２、第１Ｙコンデンサ４１、第２Ｙコンデンサ４２、第３Ｙコンデンサ４３、および第４Ｙコンデンサ４４である。以下では、第１Ｘコンデンサ３１および第２Ｘコンデンサ３２をまとめて、Ｘコンデンサ３０と呼ぶ。また以下では、第１Ｙコンデンサ４１、第２Ｙコンデンサ４２、第３Ｙコンデンサ４３、および第４Ｙコンデンサ４４をまとめて、Ｙコンデンサ４０と呼ぶ。Ｘコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０は、熱伝導性の接着剤を用いてシールド板５０に接着される。さらに、Ｘコンデンサ３０とＹコンデンサ４０とをまとめて、「フィルタ用コンデンサ」とも呼ぶ。

なお以下では、第１積層領域Ｕ１とシールド板５０との間に配される第３Ｙコンデンサ４３および第４Ｙコンデンサ４４を「第１コンデンサ」とも呼ぶ。また第２積層領域Ｕ２とシールド板５０との間に配される、第１Ｘコンデンサ３１、第２Ｘコンデンサ３２、第１Ｙコンデンサ４１、および第２Ｙコンデンサ４２を「第２コンデンサ」とも呼ぶ。

積層バスバー１０は、ＤＣコネクタ２とＤＣリンクコンデンサ４との間の電気的接続を提供する。正極バスバー１１および負極バスバー１２のそれぞれには複数の端子が溶接され、Ｘコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０と接続される。積層バスバー１０は、電気的絶縁を目的として樹脂の中にモールドされる。モールドされる範囲は端子を除く範囲でもよいし、端子がＸコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０と接続された後に端子を含む範囲がモールドされてもよい。

それぞれのＸコンデンサ３０は、正極バスバー１１および負極バスバー１２に接続され、差動モードノイズをフィルタする。それぞれのＹコンデンサ４０は、正極バスバー１１または負極バスバー１２と、第１グラウンド端子５１または第２グラウンド端子５２とに接続され、コモンモードノイズをフィルタする。第１Ｙコンデンサ４１および第２Ｙコンデンサ４２は、第２グラウンド端子５２に接続され、第２グラウンド端子５２を介してシールド板５０と接続される。第３Ｙコンデンサ４３および第４Ｙコンデンサ４４は、第１グラウンド端子５１と接続され、この第１グラウンド端子５１を介してシールド板５０と接続される。以下では、シールド板５０と、第１グラウンド端子５１と、第２グラウンド端子５２と、をあわせて「グラウンドバスバー」と呼ぶ。

磁性体コア６０は、ドーナツ状のトロイダルコアであり、高周波ノイズを抑制するチョークとして機能する。磁性体コア６０は、貫通孔を有する磁性体コアとも言える。磁性体コア６０の中心の空洞を積層バスバー１０が貫通している。磁性体コア６０は、第３Ｙコンデンサ４３および第４Ｙコンデンサ４４よりも折り返し部Ｕ３に近い領域に配される。図３に示す視点では、図示左側に２つのＸコンデンサ３０と２つのＹコンデンサ４０が配され、図示右側に２つのＹコンデンサ４０と磁性体コア６０が配される。そのため、積層バスバー１０の左右両側に配される部品の高さが略同一となり、フィルタユニット３の体積が小さい。

シールド板５０は、積層バスバー１０の対向する２辺の長さＨに略同一の長さを有し、積層バスバー１０の奥行きＷと略同一の奥行きを有し、積層バスバー１０の対向する２辺の間に配される。シールド板５０は、積層バスバー１０の２つの腕の間の結合を抑制する。またシールド板５０は、１組のＹコンデンサ４０をグラウンドに接続する役割も有する。具体的にはシールド板５０は、第３Ｙコンデンサ４３および第４Ｙコンデンサと第１グラウンド端子５１を介して接続される。別々の接地バスバーを使用することで、シールド板５０を介してパワーモジュール５からの高周波ノイズのバイパスを抑制している。なおシールド板５０は、Ｘコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０のヒートシンクとしても機能する。シールド板５０は、ネジ締結によりハウジング１と接続され、接地電位を有する。そのため、シールド板５０と、第１グラウンド端子５１と、第２グラウンド端子５２と、をあわせた前述の「グラウンドバスバー」は、接地電位を有する。

図４は、フィルタユニット３における回路図である。図示左から、ＤＣコネクタ２、フィルタユニット３、ＤＣリンクコンデンサ４、パワーモジュール５、およびＡＣコネクタ７が示されている。パワーモジュール５は、図４では不図示である制御基板６により制御される。ＤＣコネクタ２における図示上部の端子が正、すなわちプラス側である。フィルタユニット３において、ＤＣコネクタ２の上部の端子に接続され、図示左右方向に延びる直線が正極バスバー１１である。フィルタユニット３において、ＤＣコネクタ２の下部の端子に接続され、図示左右方向に延びる直線が負極バスバー１２である。フィルタユニット３において、ハウジング１のフレームグランドに接続される、図示左右方向に延びる直線がシールド板５０、および第２グラウンド端子５２である。

正極バスバー１１と負極バスバー１２に接続する２つのコンデンサがＸコンデンサ３０であり、第１グラウンド端子５１および第２グラウンド端子５２と正極バスバー１１または負極バスバー１２に接続する４つのコンデンサがＹコンデンサ４０である。Ｘコンデンサ３０、第１Ｙコンデンサ４１、および第２Ｙコンデンサ４２が第２積層領域Ｕ２に属し、第３Ｙコンデンサ４３、第４Ｙコンデンサ４４、および磁性体コア６０が第１積層領域Ｕ１に属する。

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）フィルタユニット３は、正極バスバー１１および負極バスバー１２が積層配置された積層バスバー１０と、積層バスバー１０に電気的に接続されたフィルタ用コンデンサ、すなわちＸコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０を備える。積層バスバー１０は、第１積層領域Ｕ１と、第１積層領域Ｕ１と主面同士が対向しあうように配置された第２積層領域Ｕ２と、第１積層領域Ｕ１および第２積層領域Ｕ２を接続する折り返し部Ｕ３と、を有する略Ｕ字形状に形成される。積層バスバー１０の第１積層領域Ｕ１と第２積層領域Ｕ２との間には、接地電位に接続されるシールド板５０が配置される。フィルタユニット３が有するコンデンサは、第１積層領域Ｕ１とシールド板５０との間に配置される第１コンデンサ、および第２積層領域とシールド板５０との間に配置される第２コンデンサと、を含む。前述のとおり、第１コンデンサとは、第３Ｙコンデンサ４３と第４Ｙコンデンサ４４であり、第２コンデンサとは第１Ｘコンデンサ３１、第２Ｘコンデンサ３２、第１Ｙコンデンサ４１、および第２Ｙコンデンサ４２である。そのため、図２に示すように複数のコンデンサを垂直に積み重ねるので、フィルタユニット３の床面積が低減でき、インバータ１００のハウジング１においてフィルタユニット３の配置が容易になる。また、接地電位に接続されるシールド板５０が第１積層領域Ｕ１と第２積層領域Ｕ２との間に配されるので、ＥＭＣ性能が向上する。さらに、積層バスバー１０とシールド板５０との間にコンデンサを配置することで、コンデンサから積層バスバー１０またはシールド板５０までの端子長を短くし、低インピーダンス化を実現できる。

（２）Ｘコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０は、シールド板５０に熱伝導性の接着剤を用いて接着される。そのため、Ｘコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０が発する熱をシールド板５０の両面を用いて放熱できる。

（３）フィルタユニット３は、貫通孔を有する磁性体コアである磁性体コア６０を備える。磁性体コア６０は、第３Ｙコンデンサ４３と第４Ｙコンデンサ４４の側部において磁性体コア６０の貫通孔を第１積層領域Ｕ１が貫通するように配置される。第２コンデンサは、一端が正極バスバー１１に接続されるとともに他端が第１グラウンド端子５１および第２グラウンド端子５２に接続される第１Ｙコンデンサ４１および第２Ｙコンデンサ４２と、を含む。そのため、磁性体コア６０を含むフィルタユニット３の全体を小型化できる。第１積層領域Ｕ１には２つのＹコンデンサ４０と磁性体コア６０が配され、第２積層領域Ｕ２には２つのＸコンデンサ３０と２つのＹコンデンサ４０が配されるので、両者の高さを揃え、この高さに基づき積層バスバー１０の寸法を決定することで、フィルタユニット３の高さを小さくできる。

（４）磁性体コア６０は、第３Ｙコンデンサ４３および第４Ｙコンデンサ４４よりも、折り返し部Ｕ３に近い位置に配される。そのため、磁性体コア６０はハウジング１の底面に近い位置に配されるので、ハウジングを用いた放熱がしやすい。

（５）シールド板５０は、折り返し部Ｕ３に接して配される。そのためシールド板５０は、第１積層領域Ｕ１と第２積層領域Ｕ２との間の潜在的なカップリングを遮蔽する。

（６）グラウンドバスバーは、第１コンデンサ、すなわち第３Ｙコンデンサ４３と第４Ｙコンデンサ４４に接続される第１グラウンド端子５１と、第２コンデンサに含まれるＹコンデンサに接続される第２グラウンド端子５２とを含む。そのため、２組のうち１組のＹコンデンサ４０のために別々の接地バスバーを使用することで、パワーモジュール５の近傍に配される１組のＹコンデンサ４０から、他方の１組のＹコンデンサ４０への高スイッチングノイズのバイパスを防止できる。なお図４に示すように、パワーモジュール５の近傍に配される１組のＹコンデンサ４０とは、第３Ｙコンデンサ４３および第４Ｙコンデンサである。

（７）インバータ１００は、フィルタユニット３と、積層バスバー１０に接続されるパワーモジュール５と、フィルタユニット３およびパワーモジュール５を収納するハウジング１と、を備える。ハウジング１は、底面および側面を有し、フィルタユニット３は、積層バスバー１０の折り返し部Ｕ３がハウジング１の底面上に載置されるように配置される。そのため、フィルタユニット３の床面積が小さく、インバータ１００における配置の自由度が高い。また、フィルタユニット３の放熱性および耐振動性が向上する。

（変形例１）
積層バスバー１０は、複数のパーツを結合することで作成されてもよい。図５は、積層バスバー１０を構成するパーツのバリエーションを示す図である。図５（ａ）～図５（ｄ）のそれぞれは結合されることで積層バスバー１０となる。

図５（ａ）に示す例は、第１積層領域Ｕ１、第２積層領域Ｕ２、および折り返し部Ｕ３のそれぞれに相当する部分をあらかじめ作成し、これら３つのパーツを結合することで積層バスバー１０を作成する例を示す。図５（ｂ）に示す例は、図５（ａ）に示す例において第１積層領域Ｕ１および第２積層領域Ｕ２に相当するパーツをより長く作成し、その代わりに、折り返し部Ｕ３に相当する領域の両端を省いたパーツを用いる例である。図５（ｃ）に示す例は、図５（ａ）に示す例において、第２積層領域Ｕ２と第３積層領域に相当するパーツを一体に成型する例である。

図５（ｄ）に示す例は、折り返し部Ｕ３と、第１積層領域Ｕ１の一部と、第２積層領域Ｕ２の一部と、に相当する部分を一体に作成し、第１積層領域Ｕ１および第２積層領域Ｕ２の残りの部分と結合することで積層バスバー１０を作成する例を示す。この例において、折り返し部Ｕ３と一体に形成される第１積層領域Ｕ１の長さは、磁性体コア６０の貫通孔に挿入される第１積層領域Ｕ１の部分が継ぎ目とならない長さに設定される。

（変形例２）
フィルタユニット３は、第１Ｙコンデンサ４１および第２Ｙコンデンサ４２を備えなくてもよいし、第１Ｘコンデンサ３１および第２Ｘコンデンサ３２のいずれか一方を備えなくてもよい。すなわち本実施の形態では図３に示したようにフィルタユニット３は６つのコンデンサを備えたが、少なくとも３つのコンデンサ、すなわち１個のＸコンデンサと２個１組のＹコンデンサを備えればよい。フィルタユニット３がコンデンサが３つのみの場合は、磁性体コア６０は第２積層領域Ｕ２に配されてもよい。

（変形例３）
上述した実施の形態では、Ｘコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０は、熱伝導性の接着剤により、シールド板５０に接着された。しかし、Ｘコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０の全てが熱伝導性の接着剤によりシールド板５０に接着されなくてもよい。たとえば、Ｘコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０のうち少なくとも１つが、熱伝導性の接着剤によりシールド板５０に接着されてもよい。また、接着剤の代わりに放熱シートを用いて、放熱シートの弾性力を利用することで、Ｘコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０のうち少なくとも１つをシールド板５０に接触させてもよい。さらに、熱伝導性の接着剤の代わりに熱伝導性が優れる材料、たとえばグリースを用いて、Ｘコンデンサ３０およびＹコンデンサ４０のうち少なくとも１つをシールド板５０に接触させてもよい。

（変形例４）
シールド板５０は、ハウジング１の一部として設けられてもよい。

（変形例５）
フィルタユニット３は、折り返し部Ｕ３以外がハウジング１の底部に接して配されてもよい。たとえばフィルタユニット３は、図２における左手前の面がハウジング１の底部に接するように配置してもよい。

上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…ハウジング
２…ＤＣコネクタ
３…フィルタユニット
４…ＤＣリンクコンデンサ
５…パワーモジュール
６…制御基板
７…ＡＣコネクタ
１０…積層バスバー
１１…正極バスバー
１２…負極バスバー
３０…Ｘコンデンサ
３１…第１Ｘコンデンサ
３２…第２Ｘコンデンサ
４０…Ｙコンデンサ
４１…第１Ｙコンデンサ
４２…第２Ｙコンデンサ
４３…第３Ｙコンデンサ
４４…第４Ｙコンデンサ
５０…グラウンドバスバー、シールド板
５１…第１グラウンド端子
５２…第２グラウンド端子
６０…磁性体コア
１００…インバータ

Claims (7)

1. 正極バスバーおよび負極バスバーが積層配置された積層バスバーと、
   前記積層バスバーに電気的に接続されたフィルタ用コンデンサと、を備えたフィルタユニットであって、
   前記積層バスバーは、第１積層領域と、前記第１積層領域と主面同士が対向しあうように配置された第２積層領域と、前記第１積層領域および前記第２積層領域を接続する折り返し部と、を有する略Ｕ字形状に形成され、
   前記積層バスバーの前記第１積層領域と前記第２積層領域との間には、接地電位に接続されるグラウンドバスバーが配置され、
   前記フィルタ用コンデンサは、前記第１積層領域と前記グラウンドバスバーとの間に配置される第１コンデンサ、および前記第２積層領域と前記グラウンドバスバーとの間に配置される第２コンデンサと、を含むフィルタユニット。
2. 請求項１に記載のフィルタユニットであって、
   前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの少なくとも一方は、前記グラウンドバスバーに熱伝導性の接着剤を用いて接着される、フィルタユニット。
3. 請求項１に記載のフィルタユニットであって、
   貫通孔を有する磁性体コアを更に備え、
   前記磁性体コアは、前記第１コンデンサの側部において、当該磁性体コアの前記貫通孔を前記第１積層領域が貫通するように配置され、
   前記第２コンデンサは、一端が前記正極バスバーに接続されるとともに他端が前記負極バスバーに接続されるＸコンデンサと、一端が前記正極バスバーまたは前記負極バスバーに接続されるとともに他端が前記グラウンドバスバーに接続されるＹコンデンサと、を含むフィルタユニット。
4. 請求項３に記載のフィルタユニットであって、
   前記磁性体コアは、前記第１コンデンサよりも前記折り返し部に近い位置に配される、フィルタユニット。
5. 請求項３に記載のフィルタユニットであって、
   前記グラウンドバスバーは、前記折り返し部に接して配されるフィルタユニット。
6. 請求項３に記載のフィルタユニットであって、
   前記グラウンドバスバーは、前記第１コンデンサに接続される第１グラウンド端子と、前記第２コンデンサに含まれる前記Ｙコンデンサに接続される第２グラウンド端子とを含むフィルタユニット。
7. 請求項１に記載のフィルタユニットと、
   前記積層バスバーに接続される電力変換回路と、
   前記フィルタユニット及び電力変換回路とを収納するハウジングと、を備えた電力変換装置であって、
   前記ハウジングは、底面および側面を有し、
   前記フィルタユニットは、前記積層バスバーの前記折り返し部が前記ハウジングの前記底面上に載置されるように、配置される電力変換装置。

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