WO2019082363A1 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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WO2019082363A1
WO2019082363A1 PCT/JP2017/038800 JP2017038800W WO2019082363A1 WO 2019082363 A1 WO2019082363 A1 WO 2019082363A1 JP 2017038800 W JP2017038800 W JP 2017038800W WO 2019082363 A1 WO2019082363 A1 WO 2019082363A1
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WO
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case
power module
noise
frequency band
metal structure
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Inventor
圭史 小柳津
百瀬 友昭
康紀 北島
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日産自動車株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS 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
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present invention relates to a power converter.
  • the conductive case includes an electrically conductive case having an opening, and a multilayer printed wiring board on which at least one layer is a GND plane.
  • a multilayer printed wiring board is assembled on a surface to form a closed space, and a circuit portion is accommodated in the closed space (Patent Document 1).
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a power converter that suppresses noise in a predetermined frequency band.
  • the present invention comprises a power module and a metal case for accommodating the power module in a plurality of case surfaces, and a punching metal structure is provided in a range where the conductive portion is projected on the case surface, and the noise level is a predetermined frequency
  • the above-mentioned problem is solved by setting the surface area of the punching metal structure so that the resonance point of noise falls below a predetermined value in the region and the resonance point of noise deviates from the predetermined frequency band.
  • the coupling capacitance between the specific range of the case surface and the conductive portion is suppressed, and the resonance point of the noise is shifted from the predetermined frequency band, so that the noise in the predetermined frequency band can be suppressed.
  • FIG. 1 is a plan view of the power conversion device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG.
  • FIG. 3 is a plan view showing the bottom of the power module, the smoothing capacitor, and the outer case.
  • FIG. 4 is a plan view of the bottom of the outer case.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the power conversion device according to the present embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a power conversion device according to a comparative example.
  • FIG. 7 is a graph showing noise characteristics of the power conversion device according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is a graph showing noise characteristics of the power conversion device according to the comparative example.
  • FIG. 1 shows a plan view of a power conversion device 100 according to this embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of FIG.
  • FIG. 1 represents the top view of the power converter device 100 in the state which abbreviate
  • Power converter 100 is mounted on a vehicle such as an electric car or a hybrid vehicle, is connected between a battery and a motor, and converts power between the battery and the motor.
  • Power conversion device 100 may be mounted not only on a vehicle but also on another device.
  • Power converter 100 includes power module 10, power module case (PM case) 11, bus bar 20, smoothing capacitor 30, smoothing capacitor case (capacitor case) 31, cooler 40, resin tray 50, flow path 60, external A case 70 is provided.
  • the power module 10 When the power converter 100 is viewed from the top surface 71 to the bottom surface 73 of the outer case 70, the power module 10 is disposed in the area on the left side of the bottom surface 73, and the smoothing capacitor 30 is in the area on the right side of the bottom surface 73. It is arranged.
  • the bottom surface 73 is a reference plane, the heights of the power module 10, the cooler 40, the resin tray 50, and the flow passage 60 are higher in the order of the flow passage 60, the resin tray 50, the cooler 40, and the power module 10. Each part is stacked to become.
  • the respective components are stacked so that the heights of the smoothing condenser 30, the resin tray 50, and the flow path 60 become higher in the order of the flow path 60, the resin tray 50, and the smoothing condenser 30.
  • the resin tray 50 is disposed above the bottom surface 73 via the flow path 60.
  • the power module 10 and the smoothing capacitor 30 are disposed on the resin tray 50.
  • the power module 10 is a component in which an inverter circuit, a drive circuit, and the like are modularized.
  • the inverter circuit is a circuit in which a plurality of switching elements are connected in series in each phase of UVW, converts input power by the switching operation of the switching elements, and outputs the converted power.
  • the switching element is a transistor such as an IGBT or a MOSFET.
  • the power module 10 is formed in a rectangular parallelepiped shape, and the power module 10 is installed on the cooling surface of the cooler 40 such that the bottom surface 10a of the power module 10 faces the bottom surface 73 of the cooler.
  • the bottom surface 10a of the power module 10 corresponds to a mounting surface of a circuit element such as a switching element, and has conductivity due to a metal member, solder or the like contained in the element.
  • the bottom surface 10a corresponds to a conductive portion of the power module 10 having conductivity.
  • the PM case 11 is a case for housing the power module 10.
  • the PM case 11 is formed of resin or the like.
  • the bus bar 20 is a transmission path that electrically connects the circuit elements in the power conversion device 100, and is formed of a plate-like member made of metal.
  • the bus bar 20 is bent in accordance with the layout of the power module 10 and the smoothing capacitor 30.
  • the bus bar 20 has a metal plate 21 connecting between an output terminal (not shown) and the power module 10, and a metal plate 22 connecting between the power module 10 and the smoothing capacitor 30.
  • the metal plate 21 is composed of three metal plates corresponding to the respective phases of UVW.
  • the metal plate 21 enters the inside of the power conversion device 100 from the bottom surface 73 of the outer case 70, and extends along the side surface 72 with a certain distance from the side surface 72 of the outer case 70.
  • the metal plate 21 is bent at the height of the power module 10 and extends toward the power module 10.
  • the front end portion of the metal plate 21 is connected to the power module 10 in the PM case 11.
  • the metal plate 22 is a transmission path connecting the plurality of switching elements corresponding to the upper arm circuit in each phase of UVW and the plurality of switching elements corresponding to the lower arm circuit in each phase of UVW to the smoothing capacitor 30 respectively.
  • the metal plate 22 has six members 22a to 22f corresponding to upper and lower arms of each phase of UVW, a member 22g, and a member 22h.
  • the member 22g is a plate-like member in which the respective tips of the six members 22a to 22f are connected.
  • the member 22 g is disposed in the capacitor case 31 such that the main surface of the member 22 g is parallel to the side surface 72 of the outer case 70.
  • the tip portion of the member 22g is bent, and the member 22h extends along the bottom surface of the smoothing capacitor 30 from the bending point of the member 22g.
  • the member 22 h is connected to the smoothing capacitor 30.
  • the member 22 h corresponds to a conductive portion housed in the outer case 70.
  • the smoothing capacitor 30 smoothes the input / output voltage between the battery (not shown) and the power module 10.
  • the volume of the smoothing capacitor 30 is larger than the volume of the power module 10, and the width of the smoothing capacitor 30 (corresponding to the length in the x-axis direction in FIG. 2) is substantially the same as the width of the power module 10.
  • the capacitor case 31 is a case for housing the smoothing capacitor 30.
  • the capacitor case 31 is formed of resin or the like.
  • the cooler 40 cools the power module 10.
  • the cooler 40 is made of, for example, a metal fin.
  • the switching operation of the switching elements included in the power module 10 generates heat from the power module 10.
  • the power module 10 is installed on the cooler 40 such that the cooling surface of the cooler 40 overlaps the connection surface of the power module 10, whereby the temperature rise of the power module 10 is suppressed.
  • the resin tray 50 supports the power module 10, the smoothing capacitor 30, and the cooler 40 in the outer case 70.
  • the resin tray 50 is fixed to the bottom surface 73 by, for example, a screw or the like.
  • the condenser case 31 and the cooler 40 are fixed to the upper surface of the resin tray 50.
  • the flow passage 60 is a passage through which air is formed, and is formed between the lower surface of the resin tray 50 and the bottom surface of the outer case 70.
  • the passage of air through the flow passage 60 promotes the release of heat from the cooler 40.
  • the flow channel 60 is not limited to the air flow channel, but may be a water channel or the like.
  • the outer case 70 is a housing made of metal such as aluminum, and accommodates the power module 10, the bus bar 20, the smoothing capacitor 30, the cooler 40, the resin tray 50, and the flow path 60.
  • the outer case 70 is configured of a metal plate to be the bottom surface 73, a plurality of metal plates to be the side surface 72, and a metal plate to be the top surface 71.
  • a rectangular parallelepiped hexahedron is formed by each metal plate. Further, the surface areas of the bottom surface 73 and the top surface 71 are larger than the surface areas of the side surfaces 72.
  • the outer case 70 also functions as a shield plate for preventing noise leakage. This prevents noise generated in the power module 10 from leaking to the outside of the device.
  • a punching metal structure 73a is formed on the plane portion 73b of the main surface of the bottom surface 73.
  • the punching metal structure 73a has a shape in which a plurality of through holes are arranged at predetermined intervals on the bottom surface 73.
  • the punching metal structure 73a is provided in a range where the power module 10 is projected on the case surface.
  • the punching metal structure 73a is provided in a range where the member 22h is projected on the case surface. In the portion where the punching metal structure is formed, the surface area of the metal portion is smaller than the surface area of the portion where the punching metal structure 73a is not formed.
  • the bottom surface 73 has a bent portion 73c.
  • the bent portion 73c is located on the bottom surface 73 outside the flat portion 73b in which the punching metal structure 73a is formed.
  • the bottom surface 73 has a bent portion 73 c, so that the bottom surface 73 has a two-step structure, and the height of the outer peripheral portion of the bottom surface 73 is higher than the height of the central portion of the bottom surface 73.
  • the flow path 60 is disposed in a portion where the bottom surface is lowered.
  • FIG. 3 shows a plan view of the power converter 100
  • FIG. 4 shows a plan view of the outer case 70.
  • the power module 10 the member 22, and the bottom surface 73 of the outer case 70 are illustrated, and the other components are omitted.
  • the black parts in FIG. 4 represent metal parts
  • the white parts represent penetration parts.
  • the white dotted line is not a penetrating portion, but is illustrated to explain the area.
  • Region A represents a range where the bottom surface 10a of the power module 10 is projected onto the bottom surface 73 of the outer case 70. That is, the area A represents a range in which the conductive portion of the power module 10 is projected on the bottom surface 73 of the outer case 70.
  • the region A is the bottom surface 10a of the power module 10 and the bottom surface 73 of the outer case 70 It corresponds to the overlapping part with.
  • the negative direction of the z axis is the projection direction.
  • Region B represents a range in which the member 22 h included in the bus bar 20 is projected on the bottom surface 73 of the outer case 70. That is, the region B represents a range in which the member 22 b which is a conductive portion is projected on the bottom surface 73 of the outer case 70. In other words, when the member 22 h and the bottom surface 73 of the outer case 70 are viewed from above (when viewed in the negative direction of the z axis), the region B is in the overlapping portion of the member 22 h and the bottom surface 73 of the outer case 70. Equivalent to.
  • the punching metal structure 73a is formed in the area A and in the area B, respectively.
  • the occupancy rate of metal per unit area is less than 100%, preferably less than 50%, in the regions A and B.
  • the occupancy rate of metal per unit area is 100%.
  • the surface area of the punching metal structure 73a formed in the region A is set such that the noise level generated by the operation of the switching element is below a predetermined value and the resonance point of the noise is out of a predetermined frequency band such as a radio band. ing.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of the power converter 100.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of a power conversion device according to a comparative example.
  • the power converter according to the comparative example does not have a punching metal structure in the region A and the region B, and the bottom surface of the outer case 70 is formed of a single metal plate without holes, and is a flat surface without steps. It has become.
  • the bottom surface 10a of the power module 10 has conductivity, and is disposed to face the bottom surface of the outer case 70. Further, the member 22 h has conductivity, and is disposed to face the bottom surface of the outer case 70. The bottom surface 73 of the outer case 70 is conductive.
  • Noise is generated by the switching operation of the switching element included in the power module 10.
  • the resin tray 50 supporting the power module 10 can not shield noise because it is made of resin. Therefore, the power conversion device 100 has a metal outer case 70 in order to shield noise.
  • the conductive surface of the component and the metal case surface face each other, so that capacitive coupling occurs between a pair of facing surfaces. .
  • the bottom surface 10a of the power module 10 and the member 22h of the bus bar 20 face the bottom surface 73 of the outer case 70. Therefore, capacitive coupling occurs between the region A of the bottom surface 73 and the bottom surface 10a, and capacitive coupling occurs between the region B of the bottom surface 73 and the member 22h.
  • the occupation ratio of metal per unit area is 100% in the region A and the region B, so the bottom surface 10a and the member The area of the metal part that faces 22h is large. Then, when the area of the metal portion is large, the coupling capacity is increased, so that noise peaks occur in a frequency band that affects external devices, such as an FM frequency band. For example, when the power conversion device 100 is mounted on a vehicle, noise resonating due to capacitive coupling may affect the operation of the car radio.
  • the power converter 100 forms a punching metal structure in the area A and the area B as shown in FIG. 5, and as described later, noise generated by the switching operation of the switching element is predetermined.
  • the surface area of the punching metal structure is set such that the frequency band becomes equal to or less than a predetermined value and the resonance point of noise deviates from the predetermined frequency band.
  • the area of the metal portion in the region A and the region B is smaller than the surface area of the case surface where the punching metal structure is not formed, and the coupling capacitance (C 1 , C 2 ) is suppressed.
  • the transfer characteristics of the noise generated in the power conversion device 100 differ depending on the shape of the housed components such as the power module 10, the smoothing capacitor 30, and the bus bar 20, the layout of each component, and the like.
  • the noise transfer characteristic in the power converter 100 is grasped in advance by simulation or the like. Then, the surface area of the punching metal structure in the region A such that the noise level falls below a predetermined level within a predetermined frequency band affecting external equipment and the resonance point of the noise deviates from the predetermined frequency band. Is set. Similarly, in the region B, the surface area of the punching metal structure is set such that the noise level falls below a predetermined level within a predetermined frequency band and the resonance point of the noise deviates from the predetermined frequency band.
  • the predetermined level represents the tolerance of the noise level affecting external devices.
  • the setting of the coupling capacitance is performed by adjusting the area (electrode area) of the metal portion in the region A or the region B. Specifically, the coupling capacitance is determined by the area of the region A or the region B from which the plurality of holes forming the punching metal structure are removed. In addition, the diameter of the hole of the punching metal structure is sufficiently smaller than the noise wavelength in a predetermined frequency band.
  • the distance between the bottom surface 10a of the power module 10 and the c-plane is d
  • the opposing area between the bottom surface 10a and the surface surrounded by the area A is S
  • the dielectric constant between the bottom surface 10a and the bottom surface 73 of the power module 10 (coupling Let ⁇ be a dielectric constant)
  • C be a coupling capacitance between the bottom surface 10 a of the power module 10 and the surface surrounded by the region A.
  • the opposing area S is represented by the following formula (1).
  • the distance d is determined by the position of the power module 10 in the power converter 100.
  • the dielectric constant is determined by the material, shape, and the like of the resin tray 50.
  • the coupling capacitance C is correlated with the resonance point of the noise. Therefore, the opposing area S is determined by determining the capacitance value so that the noise resonance point deviates from the predetermined frequency band. Since the facing area S corresponds to the area of the metal part of the region A, the shape of the hole forming the punching metal structure and the number of holes so that the area of the metal part becomes the area (S) determined by the above (1) Is set.
  • the coupling capacitance between the member 22 h and the case surface surrounded by the region B can also be expressed in the same manner as the above equation (1). Therefore, the shape of the holes forming the punching metal structure and the number of the holes are set such that the area of the metal portion in the region B becomes the area (S) determined by the above (1).
  • FIG. 7 shows noise transfer characteristics of the power conversion device 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 8 shows noise transfer characteristics of the power conversion device 100 according to the comparative example.
  • the vertical axis shows the magnitude of noise, and the horizontal axis shows frequency.
  • F represents a frequency band of noise affecting external devices, and is an FM frequency band.
  • f th represents an allowable value (upper limit value) of the noise level affecting the external device.
  • the noise resonance point does not exist in the frequency band (F), and the noise level in the frequency band (F) is equal to or less than the allowable value (f th ) It is suppressed by
  • the noise resonance point exists in the frequency band (F), and the noise level in the frequency band (F) is the allowable value (f th ) It is getting higher.
  • the noise when noise is generated due to the operation of the switching element, the noise does not easily resonate in the capacitive coupling portion, and thus noise in the frequency band (F) can be suppressed.
  • the power conversion device 100 includes the power module 10 and the metal outer case 70 for housing the power module 10, and the components or the power module 10 accommodated in the outer case 70.
  • the punching metal structure 73a is provided in a range in which the conductive portion having conductivity is projected on the case surface. Then, the surface area of the panning metal structure is set such that the noise level becomes less than or equal to a predetermined value in a predetermined frequency region, and the resonance point of the noise deviates from the predetermined frequency band. As a result, the resonance point of the noise can be shifted from the predetermined frequency band that affects the external device, and the noise in the predetermined frequency band can be suppressed.
  • the area of a portion obtained by removing the plurality of holes forming the area punching metal structure is set such that the resonance point of the noise deviates from the predetermined frequency band. Therefore, noise in a predetermined frequency band can be suppressed.
  • the diameter of the hole is smaller than the noise wavelength in the predetermined frequency band. Therefore, noise in a predetermined frequency band can be suppressed.
  • the bottom surface 73 of the outer case 70 has a flat portion 73 b having a punching metal structure 73 a and a bent portion 73 c bent relative to the flat portion, and the bent portion 73 c is flat on the bottom surface 73. It is located outside the portion 73b. Thereby, the rigidity of the outer case 70 can be enhanced. Further, on the bottom surface, a punching metal structure is not formed outside the bent portion 73c. Thereby, the rigidity of the outer case 70 can be enhanced.
  • the flow passage 60 is disposed at the upper portion of the bottom surface 73 having a punching metal structure. This can enhance the cooling performance.
  • the conductive portion facing the case 70 is not limited to the bottom surface 10 a and the member 22 h of the power module 10, and may be other components accommodated in the outer case 70.
  • the conductive portion may be another portion of the bus bar 20 other than the member 22h, or may be a terminal included in the smoothing capacitor 30 or the like. That is, when the conductive portion faces the case surface of the case 70, capacitive coupling occurs with the case surface, and the capacitive coupling causes a resonance point of noise that affects external devices. It may be any component that can be used.
  • the hole of the punching metal structure 73a is not limited to a circle, and may be, for example, a polygon. Further, the shapes of the plurality of holes do not have to be the same.
  • the punching metal structure 73a may be provided not only on the bottom surface 73 but also on the top surface 71.

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Abstract

電力変換装置において、スイッチング素子を含むパワーモジュール10と、複数のケース面で、パワーモジュール10を収容する金属製のケースとを備え、ケースに収容される部品又は前記パワーモジュールのうち導電性をもつ導電部をケース面に投影させた範囲にパンチングメタル構造を設け、スイッチング素子の動作により生じるノイズのレベルが所定の周波数帯域で所定値以下となり、かつ、ノイズの共振点が所定の周波数帯域から外れるように、パンチングメタル構造の表面積が設定されている。

Description

電力変換装置
 本発明は、電力変換装置に関するものである。
 電動自動車に搭載される電力変換装置において、開口がある導電性筐体と、回路部が実装され、少なくとも1層がGNDプレーンである多層プリント配線板とを備え、導電性筐体の開口の開口面に多層プリント配線板を組み付けて閉空間を形成し、閉空間内に回路部を収容するものが知られている(特許文献1)。
国際公開第2014/033852号
 しかしながら、閉空間内に収容された電気部品と導電性筐体との間の共振特性により、外部機器に影響を及ばす周波数帯域でノイズが大きくなるという問題がある。
 本発明が解決しようとする課題は、所定の周波数帯域におけるノイズを抑制する電力変換装置を提供することである。
 本発明は、パワーモジュールと、複数のケース面でパワーモジュールを収容する金属製のケースとを備え、ケース面のうち導電部を投影させた範囲にパンチングメタル構造を設け、ノイズレベルが所定の周波数領域で所定値以下となり、かつ、ノイズの共振点が当該所定の周波数帯域から外れるように、パンチングメタル構造の表面積を設定することによって上記課題を解決する。
 本発明によれば、ケース面の特定範囲と導電部との間の結合容量を抑制して、ノイズの共振点を所定の周波数帯域からシフトするため、当該所定の周波数帯域におけるノイズを抑制できる。
図1は、本実施形態に係る電力変換装置の平面図である。 図2は、図1のII-II線に沿った断面図である。 図3は、パワーモジュール、平滑コンデンサ、及び外部ケースの底面を示す平面図である。 図4は、外部ケースの底面の平面図である。 図5は、本実施形態に係る電力変換装置の断面図である。 図6は、比較例に係る電力変換装置の断面図である。 図7は、本実施形態に係る電力変換装置のノイズ特性を示すグラフである。 図8は、比較例に係る電力変換装置のノイズ特性を示すグラフである。
 以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
 図1は本実施形態に係る電力変換装置100の平面図を示し、図2は図1のII-II線に沿った断面図である。なお、図1は、ケースの上面を省いた状態での、電力変換装置100の平面図を表している。電力変換装置100は、例えば電気自動車又はハイブリッド車両等の車両に搭載され、バッテリとモータとの間に接続され、バッテリとモータとの間で電力を変換する装置である。なお、電力変換装置100は車両に限らず、他の装置に搭載されてもよい。
 電力変換装置100は、パワーモジュール10、パワーモジュール用ケース(PMケース)11、バスバ20、平滑コンデンサ30、平滑コンデンサ用ケース(コンデンサケース)31、冷却器40、樹脂トレイ50、流路60、外部ケース70を備えている。
 外部ケース70の天面71から底面73に向かって電力変換装置100をみたときに、パワーモジュール10は、底面73の左側の領域に配置されており、平滑コンデンサ30は底面73の右側の領域に配置されている。底面73を基準面としたときに、パワーモジュール10、冷却器40、樹脂トレイ50、及び流路60の各高さは、流路60、樹脂トレイ50、冷却器40、パワーモジュール10の順に高くなるように、各部品が積まれている。また、平滑コンデンサ30、樹脂トレイ50、及び流路60の各高さは、流路60、樹脂トレイ50、及び平滑コンデンサ30の順に高くなるように、各部品が積まれている。底面73の上方には、流路60を介して、樹脂トレイ50が配置されている。パワーモジュール10及び平滑コンデンサ30は、樹脂トレイ50上に配置されている。
 パワーモジュール10は、インバータ回路及び駆動回路等をモジュール化した部品である。インバータ回路は、複数のスイッチング素子をUVWの各相でそれぞれ直列に接続した回路であり、スイッチング素子のスイッチング動作により入力電力を変換して、変換された電力を出力する。スイッチング素子は、IGBTやMOSFET等のトランジスタである。パワーモジュール10は直方体状に形成されており、パワーモジュール10の底面10аが冷却器の底面73と対向するように、パワーモジュール10は冷却器40の冷却面上に設置されている。パワーモジュール10の底面10аは、スイッチング素子等の回路素子の実装面に相当し、素子に含まれる金属部材や半田等により導電性を有している。底面10аは、パワーモジュール10のうち導電性をもった導電部に相当する。
 PMケース11は、パワーモジュール10を収容するケースである。PMケース11は樹脂等により形成されている。
 バスバ20は、電力変換装置100内の回路素子を電気的に接続する伝送路であり、金属製の板状の部材で構成されている。バスバ20は、パワーモジュール10及び平滑コンデンサ30のレイアウトに合わせて屈曲している。バスバ20は、出力用端子(図示しない)とパワーモジュール10との間を接続する金属板21、パワーモジュール10と平滑コンデンサ30との間を接続する金属板22を有している。金属板21は、UVWの各相に対応した3つの金属板で構成されている。金属板21は、外部ケース70の底面73から、電力変換装置100の内部に入り、外部ケース70の側面72と一定の間隔を空けつつ、側面72に沿って延在する。また金属板21は、パワーモジュール10の高さの位置で屈曲し、パワーモジュール10に向かって延在している。金属板21の先端部分は、PMケース11内で、パワーモジュール10に接続されている。
 金属板22は、UVWの各相で上アーム回路に相当する複数のスイッチング素子と、UVWの各相で下アーム回路に相当する複数のスイッチング素子を、平滑コンデンサ30にそれぞれ接続する伝送路である。金属板22は、UVWの各相の上下アームに対応した6つの部材22а~22fと、部材22gと、部材22hを有している。部材22gは、6つの部材22а~22fの各先端を接続した板状の部材である。部材22gは、部材22gの主面が外部ケース70の側面72と平行になるように、コンデンサケース31内に配置されている。部材22gの先端部分は屈曲しており、部材22hは、部材22gの屈曲点から平滑コンデンサ30の底面に沿って延在している。部材22hは平滑コンデンサ30に接続されている。部材22hは、外部ケース70内に収容される導電部に相当する。
 平滑コンデンサ30は、図示しないバッテリとパワーモジュール10との間の入出力電圧を平滑する。平滑コンデンサ30の体積は、パワーモジュール10の体積より大きく、平滑コンデンサ30の幅(図2において、x軸方向の長さに相当)は、パワーモジュール10の幅とほぼ同じ長さである。
 コンデンサケース31は、平滑コンデンサ30を収容するケースである。コンデンサケース31は、樹脂等により形成されている。
 冷却器40は、パワーモジュール10を冷却する。冷却器40は、例えば金属製のフィンで構成されている。パワーモジュール10に含まれるスイッチング素子のスイッチング動作により、パワーモジュール10から熱が発生する。冷却器40の冷却面がパワーモジュール10の接続面と重なるように、パワーモジュール10が冷却器40上に設置されることで、パワーモジュール10の温度上昇が抑制される。
 樹脂トレイ50は、パワーモジュール10、平滑コンデンサ30、冷却器40を、外部ケース70内で支持している。樹脂トレイ50は、例えばネジ等により底面73に固定されている。樹脂トレイ50の上面には、コンデンサケース31及び冷却器40が固定されている。
 流路60は、空気を通る通路になっており、樹脂トレイ50の下面と、外部ケース70の底面との間に形成されている。流路60を空気が通ることで、冷却器40の熱の放出が促進される。なお、流路60は、空気流路に限らず、水路等でもよい。
 外部ケース70は、アルミなどの金属製の筐体であり、パワーモジュール10、バスバ20、平滑コンデンサ30、冷却器40、樹脂トレイ50、及び流路60を収容する。外部ケース70は、底面73となる金属板、側面72となる複数の金属板、天面71となる金属板で構成されている。各金属板で、直方体形状の六面体を形成している。また、底面73及び天面71の各表面積は、側面72の各表面積より大きい。また外部ケース70は、ノイズ漏洩を防ぐためのシールド板としても機能する。これにより、パワーモジュール10で発生するノイズが装置の外部に漏れることを防ぐ。
 底面73の主面のうち、平面部73bには、パンチングメタル構造73аが形成されている。パンチングメタル構造73аは、底面73上で複数の貫通孔を所定の間隔で並べた形状になっている。パンチングメタル構造73аは、パワーモジュール10をケース面に投影させた範囲に設けられている。また、パンチングメタル構造73аは、部材22hをケース面に投影させた範囲に設けられている。パンチングメタル構造が形成されている部分では、金属部分の表面積が、パンチングメタル構造73аが形成されていない部分の表面積よりも小さくなる。底面73は屈曲部73cを有している。屈曲部73cは、底面73上で、パンチングメタル構造73aが形成されている平面部73bよりも外側に位置する。底面73は屈曲部73cを有することで、底面73が二段構造になっており、底面73の外周部分の高さが、底面73の中央部分の高さよりも高くなっている。底面73に段差を設けることで、底面が低くなって部分に、流路60が配置されている。底面73に屈曲部73cを設けることで、外部ケース70の剛性を高めることができる。
 次に、図3及び図4を用いて、パンチングメタル構造73аの位置について説明する。図3は電力変換装置100の平面図を示し、図4は外部ケース70の平面図を示す。図3は、電力変換装置100の各構成のうち、パワーモジュール10、部材22、及び外部ケース70の底面73が図示されており、その他の構成の図示は省略している。図4の黒塗りの部分は金属部分を表しており、白抜きの部分は貫通部分を表している。ただし、白色の点線は貫通部分ではなく、エリアを説明するために図示したものである。
 領域Aは、パワーモジュール10の底面10аを、外部ケース70の底面73に投影させた範囲を表している。すなわち、領域Aは、パワーモジュール10の導電部を外部ケース70の底面73に投影させた範囲を表している。言い換えると、パワーモジュール10及び外部ケース70の底面73を、上方からみたときに(z軸の負方向に見たときに)、領域Aは、パワーモジュール10の底面10аと外部ケース70の底面73との重なり部分に相当する。z軸の負方向が投影方向となる。
 領域Bは、バスバ20に含まれる部材22hを、外部ケース70の底面73に投影させた範囲を表している。すなわち、領域Bは、導電部である部材22bを外部ケース70の底面73に投影させた範囲を表している。言い換えると、部材22h及び外部ケース70の底面73を、上方からみたときに(z軸の負方向に見たときに)、領域Bは、部材22hと外部ケース70の底面73との重なり部分に相当する。
 図4に示すように、パンチングメタル構造73аは、領域A内と領域B内にそれぞれ形成されている。底面73において、単位面積あたりの金属の専有率は、領域Aと領域Bは、100%未満、好ましくは50%未満になっている。一方、底面73のうち、領域Aと領域B以外の部分では単位面積あたりの金属の専有率は100%になっている。領域A内に形成されたパンチングメタル構造73аの表面積は、スイッチング素子の動作により生じるノイズレベルが所定値以下となり、ノイズの共振点が、ラジオ帯域などの所定の周波数帯域から外れるように、設定されている。
 次に、電力変換装置100のノイズ特性について、図5及び図6を用いて説明する。図5は電力変換装置100の断面図を示す。図6は比較例に係る電力変換装置の断面図を示す。
 比較例に係る電力変換装置は、領域A及び領域Bにパンチングメタル構造を有しておらず、外部ケース70の底面は、孔のない一枚の金属板で形成されており、段差のない平面になっている。
 パワーモジュール10の底面10аは、導電性を有しており、外部ケース70の底面と対向するように配置されている。また部材22hは、導電性を有しており、外部ケース70の底面と対向するように配置されている。外部ケース70の底面73は導電性を有している。
 パワーモジュール10に含まれるスイッチング素子のスイッチング動作により、ノイズ(コモンモードノイズ)が発生する。パワーモジュール10を支持する樹脂トレイ50は、樹脂製のため、ノイズを遮蔽できない。そのため、電力変換装置100は、ノイズを遮蔽するために、金属製の外部ケース70を有している。電力変換装置100内の導電性を有する部品を金属ケースで覆った場合には、部品の導電面と、金属製のケース面が対向するため、対向する一対の面の間で、容量結合が生じる。
 図6に示すように、比較例に係る電力変換装置では、パワーモジュール10の底面10а及びバスバ20の部材22hが外部ケース70の底面73と対向している。そのため、底面73の領域Aと底面10аとの間で容量結合が生じ、底面73の領域Bと部材22hとの間で容量結合が生じる。
 比較例のように、領域Aと領域Bがパンチングメタル構造になっていない場合には、領域A及び領域B内で、単位面積あたりの金属の専有率が100%となるため、底面10а及び部材22hと対向する、金属部分の面積が大きい。そして、金属部分の面積が大きい場合には結合容量が大きくなるため、FM周波数帯域など、外部機器に影響を及ぼす周波数帯域でノイズのピークが発生する。例えば、電力変換装置100が車両に搭載された場合には、容量結合により共振するノイズが、カーラジオの動作に影響を及ぼす可能性がある。
 本実施形態に係る電力変換装置100は、図5に示すように、領域A及び領域Bの部分にパンチングメタル構造を形成し、後述するように、スイッチング素子のスイッチング動作により発生するノイズが所定の周波数帯域で所定値以下となり、ノイズの共振点が当該所定の周波数帯域から外れるように、パンチングメタル構造の表面積が設定されている。領域A及び領域B内の金属部分の面積は、パンチングメタル構造が形成されていないケース面の表面積より小さくなり、結合容量(C、C)が抑制される。電力変換装置100内で発生したノイズの伝達特性は、パワーモジュール10、平滑コンデンサ30、バスバ20等の収容部品の形状や、各部品のレイアウト等によって異なる。本実施形態では、電力変換装置100内のノイズ伝達特性をシミュレーション等で予め把握する。その上で、ノイズレベルが外部機器に影響を及ぼす所定の周波数帯域内で所定レベル以下になり、かつ、ノイズの共振点が所定の周波数帯域から外れるように、領域Aにおいて、パンチングメタル構造の表面積が設定されている。同様に、ノイズレベルが所定の周波数帯域内で所定レベル以下になり、かつ、ノイズの共振点が所定の周波数帯域から外れるように、領域Bにおいて、パンチングメタル構造の表面積が設定されている。所定レベルは、外部機器に影響及ぼすノイズレベルの許容値を表している。
 結合容量の設定は、領域A又は領域B内における金属部分の面積(電極面積)の調整により行われる。具体的には、領域A又は領域Bのうち、パンチングメタル構造を形成する複数の孔を抜いた部分の面積により結合容量が決まる。また、パンチングメタル構造の孔の直径は、所定の周波数帯域のおけるノイズ波長より十分に小さくなっている。
 ここで、結合容量の設定について式を用いて説明する。パワーモジュール10の底面10аとc面との距離をdとし、底面10аと領域Aで囲われる面との対向面積をSとし、パワーモジュール10の底面10aと底面73との間の誘電率(結合誘電率)をεとし、パワーモジュール10の底面10aと領域Aで囲われる面との間の結合容量をCとする。対向面積をSは下記式(1)で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 距離dは、電力変換装置100内におけるパワーモジュール10の位置で決まる。誘電率は、樹脂トレイ50の材質や形状等により決まる。結合容量Cはノイズの共振点と相関性を有している。そのため、ノイズ共振点が所定の周波数帯域から外れるように、容量値を決めることで、対向面積Sが決まる。対向面積Sは、領域Aの金属部分の面積に相当するため、金属部分の面積が上記(1)で決まる面積(S)になるように、パンチングメタル構造を形成する孔の形状、孔の数が設定される。
 部材22hと領域Bで囲われるケース面との間の結合容量も、上記の式(1)と同様に表すことができる。そのため、領域B内の金属部分の面積が上記(1)で決まる面積(S)になるように、パンチングメタル構造を形成する孔の形状、孔の数が設定される。
 図7は本実施形態に係る電力変換装置100のノイズの伝達特性を示す。図8は比較例に係る電力変換装置100のノイズの伝達特性を示す。図7及び図8において、縦軸はノイズの大きさを示し、横軸は周波数を示す。Fは、外部機器に影響を及ぼすノイズの周波数帯域を表しており、FM周波数帯域である。fthは、外部機器に影響及ぼすノイズレベルの許容値(上限値)を表している。
 図7に示すように、本実施形態に係る電力変換装置100では、ノイズ共振点が周波数帯域(F)内に存在せず、周波数帯域(F)内のノイズレベルが許容値(fth)以下に抑えられている。一方、図8に示すように、比較例に係る電力変換装置では、ノイズ共振点が周波数帯域(F)内に存在しており、周波数帯域(F)内のノイズレベルが許容値(fth)より高くなっている。これにより、本実施形態では、スイッチング素子の動作によりノイズが発生した場合に、当該ノイズが容量結合の部分で共振し難くなっているため、周波数帯域(F)におけるノイズを抑制することができる。
 上記のように、本実施形態に係る電力変換装置100は、パワーモジュール10と、パワーモジュール10を収容する金属製の外部ケース70とを備え、外部ケース70に収容される部品又はパワーモジュール10のうち導電性をもつ導電部をケース面に投影させた範囲にパンチングメタル構造73аを設ける。そして、ノイズレベルが所定の周波数領域で所定値以下となり、かつ、ノイズの共振点が当該所定の周波数帯域から外れるように、パンリングメタル構造の表面積が設定されている。これにより、ノイズの共振点を、外部機器に影響を及ばす所定の周波数帯域からシフトさせて、所定の周波数帯域におけるノイズを抑制できる。
 また本実施形態では、ノイズの共振点が所定の周波数帯域から外れるように、領パンチングメタル構造を形成する複数の孔を抜いた部分の面積が設定されている。これにより、所定の周波数帯域におけるノイズを抑制できる。
 また本実施形態では、孔の径は、所定の周波数帯域のおけるノイズ波長より小さい。これにより、所定の周波数帯域におけるノイズを抑制できる。
 また本実施形態では、外部ケース70の底面73は、パンチングメタル構造73aを有する平面部73bと、当該平面部に対して屈曲した屈曲部73cを有し、屈曲部73cは、底面73上で平面部73bより外側に位置する。これにより、外部ケース70の剛性を高めることができる。また底面上では、屈曲部73cよりも外側には、パンチングメタル構造が形成されていない。これにより、外部ケース70の剛性を高めることができる。
 また本実施形態では、流路60は、パンチングメタル構造を有する底面73の上部に配置されている。これにより冷却性能を高めることができる。
 なお、本実施形態において、ケース70と対向する導電部は、パワーモジュール10の底面10a及び部材22hに限らず、外部ケース70内に収容される他の部品でもよい。例えば、導電部は、部材22h以外のバスバ20の他の部分でもよく、平滑コンデンサ30に含まれる端子などでもよい。すなわち、導電部は、ケース70のケース面と対向することで、ケース面との間で容量結合が発生し、かつ当該容量結合により、外部機器に対して影響の及ぼすようなノイズの共振点になり得るような構成部品であればよい。
 なお、パンチングメタル構造73аの孔は円形に限らず、例えば多角形などでもよい。また、複数の孔の形状は全て同一形状にしなくてもよい。また、パンチングメタル構造73аは、底面73に限らず、天面71に設けてもよい。
10…パワーモジュール
10a…底面
11…パワーモジュール用ケース(PMケース)
20…バスバ
21…金属板
22…金属板
 22h…部材
30…平滑コンデンサ
31…平滑コンデンサ用ケース(コンデンサケース)
40…冷却器
50…樹脂トレイ
60…流路
70…外部ケース
71…天面
72…側面
73…底面
73a…パンチングメタル構造
73b…平面部
73c…屈曲部
100…電力変換装置

Claims (5)

  1.  スイッチング素子を含むパワーモジュールと、
     複数のケース面で、前記パワーモジュールを収容する金属製のケースとを備え、
    前記ケースに収容される部品又は前記パワーモジュールのうち導電性をもつ導電部を前記ケース面に投影させた範囲にパンチングメタル構造を設け、
    前記スイッチング素子の動作により生じるノイズのレベルは所定の周波数帯域で所定値以下となり、かつ、前記ノイズの共振点が前記所定の周波数帯域から外れるように、前記パンチングメタル構造の表面積が設定されている電力変換装置。
  2.  前記パンチングメタル構造は複数の孔で形成されており
    前記ノイズの共振点が前記所定の周波数帯域から外れるように、前記範囲のうち前記複数の孔を抜いた部分の面積が設定されている請求項1記載の電力変換装置。
  3.  前記孔の径は、前記所定の周波数帯域のおけるノイズ波長より小さい請求項2記載の電力変換装置。
  4.  前記複数のケース面は、前記パンチングメタル構造を有する平面部と、前記平面部に対して屈曲した屈曲部を有し、
     前記屈曲部は、前記ケース面上で前記平面部より外側に位置する請求項1~3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5.  冷媒を流すことで、前記ケースに収容される発熱体を冷却する流路を有し、
    前記流路は、前記パンチングメタル構造を有する前記ケース面上に配置されている請求項1~4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1174455A (ja) * 1997-08-28 1999-03-16 Kyocera Corp 電子部品
JP2013143418A (ja) * 2012-01-10 2013-07-22 Pioneer Electronic Corp シールドケース、シールドケースの板取方法、電子機器
JP2017017881A (ja) * 2015-07-01 2017-01-19 株式会社日本自動車部品総合研究所 電力変換器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1174455A (ja) * 1997-08-28 1999-03-16 Kyocera Corp 電子部品
JP2013143418A (ja) * 2012-01-10 2013-07-22 Pioneer Electronic Corp シールドケース、シールドケースの板取方法、電子機器
JP2017017881A (ja) * 2015-07-01 2017-01-19 株式会社日本自動車部品総合研究所 電力変換器

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7301120B1 (ja) 2021-12-23 2023-06-30 三菱電機株式会社 電力変換装置
JP2023097454A (ja) * 2021-12-23 2023-07-10 三菱電機株式会社 電力変換装置

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