WO2016121445A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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current sensor
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current
conversion device
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旭 石井
広之 山井
加藤　剛
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Hitachi Automotive Systems Ltd
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20927—Liquid coolant without phase change
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device.
  • the present invention relates to a power converter that converts a direct current used in a vehicle into an alternating current or converts an alternating current into a direct current.
  • Patent Document 1 aims to reduce heat generation by obtaining the maximum bus bar cross-sectional area in a limited space, but it occurs when a large current flows. It is not enough when treating the amount of heat.
  • Patent Document 2 attempts to reduce the thermal effect by moving the Hall element away from the generated bus bar, but the generated electromagnetic field may be disturbed by distorting the bus bar cross-sectional shape. is assumed.
  • the problem to be solved by the present invention is to further reduce the temperature of the bus bar penetrating the current sensor.
  • a power conversion device includes a bus bar that transmits current, a current sensor that includes a core part that forms a through hole that penetrates the bus bar, and an interior of the through hole of the core part. And a base part disposed at a position facing the bus bar, and a heat transfer member, the base part having a extending part protruding from the through hole, and the extending part is It extends to the heat transfer member and is in thermal contact with the heat transfer member.
  • the heat dissipation efficiency of the bus bar that penetrates the current sensor can be improved.
  • FIG. 1 is an overall perspective view of a main circuit assembly 2.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of a main circuit assembly 2.
  • FIG. 4 is a cross section of the main circuit assembly 2 as seen from the direction of the arrow in the plane A of FIG. 3.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the main circuit assembly 2 in part C of FIG. 5. It is an enlarged view of the main circuit assembly 2 from the arrow direction of FIG.
  • FIG. 1 is an overall perspective view of the power conversion apparatus 1 according to the present embodiment, with a lid (not shown) removed.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the power conversion device 1.
  • FIG. 3 is an overall perspective view of the main circuit assembly 2.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the main circuit assembly 2.
  • FIG. 5 is a cross section of the main circuit assembly 2 as viewed from the direction of the arrow on the plane A in FIG.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the main circuit assembly 2 in part C of FIG.
  • FIG. 7 is an enlarged view of the main circuit assembly 2 from the direction of the arrow in FIG.
  • the housing 10 houses the main circuit assembly 2 and the relay bus bar 11.
  • the housing 10 is made of metal such as aluminum die cast in order to suppress noise and improve cooling performance.
  • the main circuit assembly 2 is connected to an external interface 15 included in the housing 10 via the relay bus bar 11.
  • the relay bus bar 11 includes a DC bus bar 12 that relays a molded bus bar 200 and an external interface 15 described later, and an AC relay bus bar 13 that relays an AC bus bar 201 and an external interface 15 described later.
  • the power semiconductor module 203 shown in FIG. 4 has an inverter circuit that converts DC power into AC power. Three power semiconductor modules 203 are provided and output a U-phase AC current, a V-phase AC current, and a W-phase AC current, respectively.
  • the capacitor module 204 shown in FIG. 4 smoothes the DC power supplied to the power semiconductor module 203.
  • the noise removing capacitor 205 removes the noise of the DC current mixed in the DC relay bus bar 12.
  • the connecting portion between the noise removing capacitor 205 and the molded bus bar 200 is disposed closer to the DC relay bus bar 12 than the connecting portion between the capacitor module 204 and the molded bus bar 200.
  • the mold bus bar 200 includes a metal bus bar that electrically connects the power semiconductor module 203 and the capacitor module 204, and a mold material that covers the bus bar.
  • the flow path of the flow path forming body 208 is mainly formed so as to cool the power semiconductor module 203, but may be formed below the capacitor module 204 so as to cool the capacitor module 204.
  • the main circuit assembly 2 includes a DCDC converter module 21 that boosts or lowers the voltage of DC power.
  • the DCDC converter module 21 is secured to a flow path forming body 208 that is different from the surface on which the power semiconductor module 203 and the capacitor module 204 are arranged, so that the DCDC converter module 21 can sufficiently secure a heat dissipation surface.
  • the base plate 202 shown in FIG. 4 is fixed to the flow path forming body 208 so as to press the power semiconductor module 203 against the flow path forming body 208.
  • the current sensor case 301 is formed of an insulating resin.
  • the core portion 302 is a magnetic body made of ferrite, silicon steel, or the like, and is formed in an annular shape so as to surround the space serving as the through hole 304.
  • the Hall element 303 is disposed in the gap portion of the core portion 302 and detects a magnetic flux that changes according to the current passing through the through hole 304.
  • the terminal block 209 is disposed on the opposite side of the power semiconductor module 203 via the current sensor 30.
  • a part of the AC bus bar 201 penetrating the core portion 302 is sandwiched between the terminal block 209 and the AC relay bus bar 13, whereby the AC bus bar 201 is connected to the AC relay bus bar 13 and the AC bus bar 201 is connected to the terminal block 209.
  • the terminal block 209 is a resin molded product and forms a female screw for fixing the AC bus bar 201.
  • the protrusion 220 shown in FIGS. 3 and 4 supports the terminal block 209.
  • the protrusion 220 is connected to the flow path forming body 208 so as to be thermally connected to the flow path forming body 208.
  • the AC bus bar 201 is cooled by the refrigerant flowing through the flow path forming body 208 via the terminal block 209 and the protruding portion 220.
  • the temperature environment in which the power conversion device 1 used for a drive motor of a hybrid vehicle or an electric vehicle is placed is extremely severe, and further downsizing is required.
  • the AC bus bar 201 that transmits the current flowing through the drive motor generates a large amount of heat.
  • the core portion 302, the hall element 303, and the current sensor case 301 through which the AC bus bar 201 penetrates have lower heat resistance than the other components of the power conversion device 1. Therefore, in order to suppress the heat generation of the AC bus bar 201, the cross-sectional area of the AC bus bar 201 is increased.
  • downsizing of the power conversion device 1 is required, and there is a limit to increase in the cross-sectional area of the AC bus bar 201.
  • the heat resistance of the Hall element 303 is about 125 ° C.
  • the heat resistance of the resin current sensor case 301 is 120 ° C.
  • the ambient temperature at which the power conversion device 1 is placed is 105 ° C.
  • the flow path having a cooling structure is formed.
  • the body 208 generally has a water cooling structure, and the temperature of the refrigerant is 85 ° C.
  • the internal space of the power conversion device 1, that is, the ambient temperature of the AC bus bar 201 is increased by the ambient temperature (105 ° C.) where the power conversion device 1 is placed. And only by radiating the heat of the AC bus bar 201 to the internal space of the power converter 1, the heat of the AC bus bar 201 is transmitted to the current sensor 30, and the current sensor 30 is heated. Therefore, the “temperature gradient” between the internal space of the power conversion device 1 and the current sensor 30 becomes small, and the heat dissipation of the current sensor 30 is not sufficient.
  • the alternating current flowing through the alternating current bus bar 201 is as large as about 500 A, and the alternating current bus bar 201 temperature passing through the through hole 304 of the current sensor 30 rises to about 160 ° C.
  • the base portion 206 is disposed inside the through hole 304 of the core portion 302 of the current sensor 30 and at a position facing the AC bus bar 201.
  • the base portion 206 has an extended material portion 207 that protrudes from the through hole 304.
  • the extended material portion 207 is extended to the flow path forming body 208 and is in thermal contact with the flow path forming body 208.
  • the heat of the AC bus bar 201 is transferred to the base portion 206 and further transferred to the flow path forming body 208 via the extended material portion 207.
  • the reliability of the current sensor 30 with respect to heat can be improved.
  • the cross-sectional area of the AC bus bar 201 can be reduced, the size of the core portion 302 of the current sensor 30 can also be reduced, and the size of the power conversion device 1 itself can be reduced.
  • the present invention can be applied to any bus bar for current transmission that generates a large amount of heat.
  • the base portion 206 may be integrated with the current sensor 30 to form a current sensor module body of the current sensor 30 and the base portion 206.
  • the base portion 206 of the current sensor module body is thermally connected to the extended material portion 207 protruding from the flow path forming body 208.
  • the flow path forming body 208 functions as a heat transfer member, but the housing 10 may function as a heat transfer member. In that case, the housing 10 includes the extended material portion 207 and the base portion 206.
  • the base portion 206, the extended material portion 207, and the flow path forming body 208 are integrally formed, but each is configured as a separate member. Each of them may be thermally connected by mechanically connecting them.
  • the core portion 302 of the current sensor 30 is provided with a gap between the inner periphery of the core portion 302 and the AC bus bar 201 in order to ensure an insulation distance from the AC bus bar 201. Therefore, the current sensor case 301 is made of resin, and the core portion 302 is embedded by transfer molding or the like so that the core portion 302 is included. Thereby, a gap can be made small between the inner periphery of the core part 302 and the alternating current bus bar 201, and the size of the core part 302 can be reduced. However, the core portion 302 is easily affected by heat from the AC bus bar 201.
  • the base portion 206 facing the AC bus bar 201 is embedded in the current sensor case 301, and the extending material portion 207 connected to the base portion 206 is in thermal contact with the flow path forming body 208, so that the AC bus bar 201 The temperature can be lowered. Further, since the base portion 206 is embedded in the current sensor 30 by a transfer mold or the like, the assembly man-hour is reduced.

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Abstract

本発明の目的は、電流センサーを貫通するバスバーの温度をさらに低減させることである。本発明に係る電力変換装置は、電流を伝達するバスバー（２０１）と、前記バスバー（２０１）を貫通させる貫通孔（３０４）を形成するコア部（３０２）を有する電流センサー（３０）と、前記コア部（３０２）の前記貫通孔（３０４）の内部であって前記バスバー（２０１）と対向する位置に配置されるベース部（２０６）と、伝熱部材（２０８）と、を備え、前記ベース部（２０６）は、前記貫通孔（３０４）から突出する延材部（２０７）を有し、前記延材部（２０７）は、前記伝熱部材（２０８）まで延ばされかつ当該伝熱部材（２０８）と熱的に接触する。

Description

電力変換装置
　本発明は、電力変換装置に係る。車両に用いられる直流電流を交流電流に変換又は交流電流を直流電流に変換する電力変換装置に係る。
　近年、ハイブリッド自動車や電気自動車など電圧・電流値は年々増加しており、また、車両に搭載されるため、小型化も同時に求められる。特開２０１２－５８１９９号公報（特許文献１）では、限られたスペース内にて最大限のバスバー断面積を得ることで発熱を下げることを目的としているが、大電流が流れた際に発生してしまった熱量を処理する場合には十分ではない。
　また、特開２０１２－１６３４５４号公報（特許文献２）では、発熱したバスバーからホール素子を遠ざけることで熱影響を低減しようとしているが、バスバー断面形状が歪むことにより、発生する電磁場が乱れることが想定される。
特開２０１２－５８１９９号公報 特開２０１２－１６３４５４号公報
　本発明が解決しようとする課題は、電流センサーを貫通するバスバーの温度をさらに低減させることである。
　上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、電流を伝達するバスバーと、前記バスバーを貫通させる貫通孔を形成するコア部を有する電流センサーと、前記コア部の前記貫通孔の内部であって前記バスバーと対向する位置に配置されるベース部と、伝熱部材と、を備え、前記ベース部は、前記貫通孔から突出する延材部を有し、前記延材部は、前記伝熱部材まで延ばされかつ当該伝熱部材と熱的に接触する。
　本発明ニよれば、電流センサーを貫通するバスバーの放熱効率を向上させることができる。
不図示の蓋を取り除いた、本実施形態に係る電力変換装置１の全体斜視図である。 電力変換装置１の分解斜視図である。 主回路アッセンブリ２の全体斜視図である。 主回路アッセンブリ２の分解斜視図である。 図３の平面Ａの矢印方向から見た主回路アッセンブリ２の断面である。 図５の部分Ｃの主回路アッセンブリ２の拡大図である。 図６の矢印方向からの主回路アッセンブリ２の拡大図である。
　以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
　図１は、不図示の蓋を取り除いた、本実施形態に係る電力変換装置１の全体斜視図である。図２は、電力変換装置１の分解斜視図である。図３は、主回路アッセンブリ２の全体斜視図である。図４は、主回路アッセンブリ２の分解斜視図である。図５は、図３の平面Ａの矢印方向から見た主回路アッセンブリ２の断面である。図６は、図５の部分Ｃの主回路アッセンブリ２の拡大図である。図７は、図６の矢印方向からの主回路アッセンブリ２の拡大図である。
　図２に示されるように、筐体１０は、主回路アッセンブリ２ 及び中継バスバー１１を収納する。筐体１０は、ノイズの抑制や冷却性を向上させるために、アルミダイキャスト等の金属で形成される。主回路アッセンブリ２は、中継バスバー１１を介して筐体１０が有する外部インターフェース１５と接続される。中継バスバー１１は、後述するモールドバスバー２００と外部インターフェース１５を中継する直流中継バスバー１２と、後述する交流バスバー２０１と外部インターフェース１５を中継する交流中継バスバー１３と、により構成される。
　図４に示されるパワー半導体モジュール２０３は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を有する。パワー半導体モジュール２０３は、３つ設けられ、それぞれＵ相交流電流、Ｖ相交流電流及びＷ相交流電流を出力する。
　図４に示されるコンデンサモジュール２０４は、パワー半導体モジュール２０３に供給される直流電力を平滑化する。ノイズ除去用コンデンサ２０５は、直流中継バスバー１２に混入されている直流電流のノイズを除去する。ノイズを除去する機能を向上させるために、ノイズ除去用コンデンサ２０５とモールドバスバー２００との接続部は、コンデンサモジュール２０４とモールドバスバー２００との接続部よりも直流中継バスバー１２に近づけて配置される。
　モールドバスバー２００は、パワー半導体モジュール２０３とコンデンサモジュール２０４を電気的に接続する金属製のバスバーと、このバスバーを覆うモールド材と、を備える。
　図４に示される流路形成体２０８は、パワー半導体モジュール２０３を収納する空間と、コンデンサモジュール２０４を収納する空間と、冷媒を流すための流路と、を形成する。流路形成体２０８の流路は、主にパワー半導体モジュール２０３を冷却するように形成されるが、コンデンサモジュール２０４を冷却するようにコンデンサモジュール２０４の下部に形成されていてもよい。
　図４に示されるように本実施形態においては、主回路アッセンブリ２は、直流電力の電圧を昇圧又は降圧するＤＣＤＣコンバータモジュール２１を備えている。このＤＣＤＣコンバータモジュール２１はパワー半導体モジュール２０３及びコンデンサモジュール２０４が配置された面とは異なる流路形成体２０８に固定されることにより、ＤＣＤＣコンバータモジュール２１は放熱面を十分に確保することができる。
　図４に示されるベースプレート２０２は、パワー半導体モジュール２０３を流路形成体２０８に押し付けるように、流路形成体２０８に固定される。
　図４に示される電流センサー３０は、パワー半導体モジュール２０３から出力される交流電流を検出する。図６に示されるように、電流センサー３０は、コア部３０２と、交流電流を検出するためのホール素子３０３と、コア部３０２及びホール素子３０３を収納する電流センサーケース３０１と、を備える。電流センサーケース３０１は、絶縁性の樹脂にて形成される。コア部３０２は、フェライトまたはケイ素鋼などからなる磁性体であり、貫通孔304となる空間の周囲を囲んで環状に形成されている。ホール素子３０３は、コア部３０２のギャップ部に配置され貫通孔３０４を通過する電流に応じて変化する磁束を検出する。
　図４及び図６に示される交流バスバー２０１は、パワー半導体モジュール２０３と接続され、電流センサー３０に向かって延ばされ、さらにコア部３０２を貫通する。
　図３及び図４に示されるように、端子台 ２０９は、電流センサー３０を介してパワー半導体モジュール２０３とは反対側に配置される。コア部３０２を貫通した交流バスバー２０１の一部が端子台 ２０９と交流中継バスバー１３との間に挟まれることにより、交流バスバー２０１が交流中継バスバー１３と接続されかつ交流バスバー２０１が端子台２０９に支持される。また端子台 ２０９は、樹脂成型品であり、交流バスバー２０１を固定するための雌ネジを形成する。
　図３及び図４に示される突出部２２０は、端子台 ２０９を支持する。この突出部２２０は、流路形成体２０８と熱的に接続されるように、流路形成体２０８に接続される。これにより、交流バスバー２０１は、端子台 ２０９及び突出部２２０を介して流路形成体２０８に流れる冷媒により冷却される。
　ハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用モータに用いられる電力変換装置１が置かれる温度環境は、非常に厳しく、また更なる小型化が求められる。駆動用モータに流れる電流を伝達する交流バスバー２０１は大きく発熱する。一方、交流バスバー２０１が貫通するコア部３０２やホール素子３０３や電流センサーケース３０１は、電力変換装置１の他の構成部品に比較して、耐熱性は低い。そこで、交流バスバー２０１の発熱を抑えるために、交流バスバー２０１の断面積を大きくしていた。しかしながら、電力変換装置１の小型化が求められ、交流バスバー２０１の断面積の増大には限界がある。
　例えば、ホール素子３０３の耐熱が 約１２５℃であり、樹脂製の電流センサーケース３０１の耐熱が１２０℃であり、電力変換装置１が置かれる雰囲気温度１０５℃であり、冷却構造を有する流路形成体２０８は一般的に水冷構造を有しており冷媒の温度は８５℃である。電力変換装置１の内部空間つまり交流バスバー２０１の周囲温度は、電力変換装置１が置かれる雰囲気温度（１０５℃）によって高くなる。そして、交流バスバー２０１の熱を電力変換装置１の内部空間に放熱するのみでは、交流バスバー２０１の熱は、電流センサー３０に伝達され、電流センサー３０は高温化する。そのため、電力変換装置１の内部空間と電流センサー３０の「温度勾配」が小さくなり、電流センサー３０の放熱が十分ではない。
　本実施形態における交流バスバー２０１に流れる交流電流は５００Ａ程度と非常に大きく  また電流センサー３０の貫通孔３０４を貫通する交流バスバー２０１温度は１６０℃程度まで上昇する。
　そこで、図６及び図７に示されるように、ベース部２０６は、電流センサー３０のコア部３０２の貫通孔３０４の内部であって交流バスバー２０１と対向する位置に配置される。またベース部２０６は、貫通孔３０４から突出する延材部２０７を有する。そして延材部２０７は、流路形成体２０８まで延ばされかつこの流路形成体２０８と熱的に接触する。
　これにより、交流バスバー２０１の熱はベース部２０６へ伝熱され、さらに延材部２０７を介して流路形成体２０８へ伝熱される。電流センサー３０の熱に対する信頼性を向上させることができる。また別の効果として、交流バスバー２０１の断面積を縮小することができるため、電流センサー３０のコア部３０２のサイズも縮小することができ、電力変換装置１のサイズ自体を縮小することができる。
　なお本実施形態においては交流バスバー２０１を用いたが、発熱が大きい電流伝達用のバスバーであれば、本発明を適用できる。
　またベース部２０６は電流センサー３０と一体となり、電流センサー３０とベース部２０６との電流センサーモジュール体を形成してもよい。その場合、電流センサーモジュール体のベース部２０６は、流路形成体２０８から突出する延材部２０７と熱的に接続される。
　また本実施形態においては、流路形成体２０８が伝熱部材として機能していたが、筐体１０が伝熱部材として機能してもよい。その場合、筐体１０が延材部２０７及びベース部２０６を備える。
　また本実施形態においては、伝熱経路の熱抵抗を低減するために、ベース部２０６と延材部２０７と流路形成体２０８が一体に形成されているが、それぞれを別部材として構成して、それぞれを機械的に接続することによりそれぞれを熱的に接続しても良い。
　また電流センサー３０のコア部３０２は交流バスバー２０１との絶縁距離を確保するため、コア部３０２の内周と交流バスバー２０１との間にギャップを設けている。そこで、電流センサーケース３０１は樹脂製としかつコア部３０２をトランスファーモールド等により埋設し、コア部３０２を内包させている。これによりコア部３０２の内周と交流バスバー２０１との間にギャップを小さくすることができ、コア部３０２のサイズを縮小することができる。しかしながら、コア部３０２は、交流バスバー２０１からの熱影響を受けやすくなる。
　そこで、交流バスバー２０１と対向するベース部２０６を電流センサケース３０１に埋設させ、ベース部２０６と接続される延材部２０７が流路形成体２０８と 熱的に接触することで、交流バスバー２０１の温度を下げることが出来る。またベース部２０６がトランスファーモールド等により電流センサー３０に埋設されるため、組立て工数削減に繋がる。
１…電力変換装置、２…主回路アッセンブリ、１０…筐体、１１…中継バスバー、１２…直流中継バスバー、１３…交流中継バスバー、１５…外部インターフェース、２１…ＤＣＤＣコンバータモジュール、２００…モールドバスバー、２０１…交流バスバー、２０２…ベースプレート、２０３…パワー半導体モジュール、２０４…コンデンサモジュール、２０５…ノイズ除去用コンデンサ、２０６…ベース部、２０７…延材部、２０８…冷却形成体、２０９…端子台、２２０…突出部、３０…電流センサー、３０１…電流センサーケース、３０２…コア部、３０３…ホール素子、３０４…貫通孔

Claims (4)

  1. 　電流を伝達するバスバーと、
    　前記バスバーを貫通させる貫通孔を形成するコア部を有する電流センサーと、
    　前記コア部の前記貫通孔の内部であって前記バスバーと対向する位置に配置されるベース部と、
    　伝熱部材と、を備え、
    　前記ベース部は、前記貫通孔から突出する延材部を有し、
    　前記延材部は、前記伝熱部材まで延ばされかつ当該伝熱部材と熱的に接触する電力変換装置。
  2. 　請求項１に記載の電力変換装置であって、
    　前記ベース部と前記延材部と前記伝熱部材は一体に形成される電力変換装置。
  3. 　請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
    　直流電流を交流電流に変換するパワー半導体モジュールを有し、
    　前記伝熱部材は、前記パワー半導体モジュールを冷却するための冷媒を流す流路を形成する流路形成体である電力変換装置。
  4. 　請求項１ないし３に記載のいずれかの電力変換装置であって、
    　前記電流センサーは、前記コア部及び前記ベース部を埋設する樹脂ケースを有する電力変換装置。
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