WO2021090520A1

WO2021090520A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2021090520A1
Application number: PCT/JP2020/009686
Authority: WO
Inventors: 亮磨林
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2019-11-07
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-05-14
Also published as: JP2021078203A; US20220286059A1; JP6910412B2; EP4057490A4; CN114600357A; EP4057490A1

Abstract

入力電力を出力電力に変換する電力変換部（３）と、外部と接続するためのコネクタ（２）とを備えた電力変換装置（１００）であって、コネクタ（２）と一方の側で接続され、他方の側に端子（１１）を備えた配線（１０）と、端子（１１）に接続された第一の電気部品（６）とを備えており、第一の電気部品（６）は、配線（１０）の伸長する方向の垂直方向から見て、配線（１０）に重なるよう設けられているものである。

Description

電力変換装置

　本願は、電力変換装置に関するものである。

　電気自動車又はハイブリッド自動車のように、駆動源にモータが用いられている電動車両には、複数の電力変換装置が搭載されている。電力変換装置としては、商用の交流電源から直流電源に変換して高圧バッテリに充電する充電器、高圧バッテリの直流電源から補助機器用のバッテリの電圧（例えば１２Ｖ）に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ、バッテリからの直流電力をモータへの交流電力に変換するインバータ等が挙げられる。

　近年、電動車両に設けられる電力変換装置の実装スペースを縮小する理由などから、電力変換装置の小型化が検討されている。小型化の検討において、電力変換装置に搭載される電気部品の部品配置による小型化の重要性が高くなっている。

　一方、従来の電力変換装置では、外部と接続するためのコネクタと内部の電力変換部とを接続する配線として、一般的にハーネスを利用することが開示されている（例えば特許文献１参照）。

国際公開第２０１４／０５７６２２号

　電力変換装置に用いるハーネスにおいて、ハーネスと電力変換部とを容易に接続するための端子を、ハーネスの端部に取り付けておく場合がある。このような端子を予め付与した端子付きハーネスの製造工程においては、ハーネスに端子をかしめる際にハーネスを保持しなければならない。そのため、ハーネスは、端子をかしめるための箇所とは別に、ハーネスを保持するための必要最低限の長さを備えることになる。よって、電力変換装置に用いる端子付きハーネスは、製造上の制約により、ある程度の長さが必要となる。

　電力変換装置の配線にハーネスを用いた場合、電力変換装置を例えば上方から観察したとき、コネクタと電力変換部の間で投影される面積は、ハーネスの長さの分だけ大きくなる。ハーネスを用いることで、電力変換装置の小型化が困難になるという課題があった。

　本願は前記のような課題を解決するためになされたものであり、配線と電気部品とを効率よく実装することで、小型化を実現した電力変換装置を得ることを目的としている。

　本願に開示される電力変換装置は、入力電力を出力電力に変換する電力変換部と、外部と接続するためのコネクタとを備えた電力変換装置であって、コネクタと一方の側で接続され、他方の側に端子を備えた配線と、端子に接続された第一の電気部品とを備え、第一の電気部品は、配線の伸長する方向の垂直方向から見て、前記配線に重なるよう設けられている。

　本願に開示される電力変換装置によれば、配線と電気部品とを効率よく実装することで、小型化を実現することができる。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成の概略を示す図である。実施の形態１に係る電力変換装置の一部の側面図である。実施の形態１に係る電力変換装置の一部の平面図である。実施の形態１に係る電力変換装置の第一の電気部品の外観の概略を示す斜視図である。実施の形態１に係る別の電力変換装置の一部の平面図である。実施の形態２に係る電力変換装置の一部の側面図である。図６の一点鎖線Ａ－Ａにおける断面図である。

　以下、本願の実施の形態による電力変換装置を図に基づいて説明する。各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
　図１は実施の形態１に係る電力変換装置１００の構成の概略を示す図である。電力変換装置１００は、交流電源１から入力された交流を、電力変換部３で予め定められた電圧の直流に変換し、負荷２０に供給する装置である。電力変換装置１００は、コネクタ２、電力変換部３、ノイズフィルタ回路４、およびヒューズ５を備える。各部は、配線１０で接続される。コネクタ２は、電力変換装置１００の外部と接続するための入出力端であり、コネクタ２ａ、２ｂとして、入力側と出力側の双方に設けられる。交流電源１から出力された交流は、入力側のコネクタ２ａを介して、電力変換装置１００の内部に入力される。負荷２０は、出力側のコネクタ２ｂを介して、電力変換装置１００の内部と接続される。コネクタ２ａ、２ｂにはそれぞれ配線１０ａ、１０ｂが接続されており、これらの配線１０には、例えば、低背なハーネスが使用される。

　電力変換部３は、ダイオードおよびトランジスタなど、複数の半導体スイッチング素子により構成される。これらの半導体スイッチング素子は、電力変換時のスイッチング動作に伴って、高周波電圧・電流成分を発生する。この高周波電圧・電流成分から電磁ノイズが発生し、電磁ノイズは周辺機器に対して電磁ノイズ障害を引き起こす原因となる。この電磁ノイズ障害を防止するために、交流電源１と電力変換部３との間に、ノイズフィルタ回路４が設けられる。

　ノイズフィルタ回路４は、外部への電磁ノイズの流出を低減する。ノイズフィルタ回路４は、例えば、交流電源ライン間に接続されるＸコンデンサ、交流電源ラインとグラウンド間に接続されるＹコンデンサ、１つの磁心に２本の巻線を巻きつけた構造のコモンモードチョークコイル等により構成される。

　電力変換装置１００には、一般的に、故障発生時に溶断して、交流電源１と電力変換部３とを切り離すためのヒューズ５が設けられる。ヒューズ５は、例えば、ノイズフィルタ回路４とコネクタ２ａの間に配置される。

　図１に示した電力変換装置１００は、一例として入力電源を交流電源１としているが、入力電源はこれに限るものではなく、直流電源を入力電源としても構わない。入力電源を直流電源として予め定められた電圧の直流電力に変換する場合、電力変換部３の構成には絶縁型フルブリッジＤＣ／ＤＣ回路等が設けられる。また、電力変換部３は予め定められた電圧の交流に変換するものであっても構わない。

　電力変換装置１００の内部の配線１０ａと、配線１０ａに接続された第一の電気部品６であるヒューズ５の実装の例について説明する。図２は配線１０ａと第一の電気部品６の周囲を示した実施の形態１に係る電力変換装置１００の入力側の一部の側面図、図３は図２に示した側面図を配線１０ａの伸長する方向の垂直方向から見た電力変換装置１００の一部の平面図である。配線１０ａは、コネクタ２ａと一方の側で接続され、他方の側に端子１１を備える。端子１１は、端子１１のかしめ部１１ａを配線１０ａの端部にかしめることで配線１０ａと接続されている。

　第一の電気部品６は、第一の電気部品６の本体部分の対向するそれぞれの側面に、端子６ａと端子６ｂを備える。端子６ｂは、端子１１と接続される。端子１１と端子６ｂとの接続は、ネジによる締結、溶接、もしくは半田付け等で行われる。端子６ａはノイズフィルタ回路４または電力変換部３に接続される。端子６ａの具体的な接続については図２、図３に図示していないが、例えば、端子６ａが配線基板に接続され、配線基板を介して他の電気部品に接続されてもよいし、端子６ａがハーネスまたはバスバーなどに接続され、ハーネスまたはバスバーを介して配線基板に接続されても構わない。

　第一の電気部品６は、配線１０ａの伸長する方向の垂直方向から見て、配線１０ａに重なるよう設けられる。図２においては、第一の電気部品６の配線１０ａの伸長する方向の長さの全てが、配線１０ａと重なっている。重ねた配置が必要な理由について説明する。端子１１を取り付ける配線１０ａの製造工程では、端子１１のかしめ部１１ａをかしめる際に配線１０ａを保持しなければならないため、配線１０ａを保持するための必要最低限の長さを配線１０ａは備えることになる。よって配線１０ａは、製造上の制約により、ある程度の長さが必要となる。そのため、コネクタ２と第一の電気部品６の接続に配線１０ａを用いるとコネクタ２から第一の電気部品６までの距離が長くなり、電力変換装置１００が大型化することになる。例えば図３のように配線１０ａを配線１０ａの伸長する方向の垂直方向から見た場合、配線１０ａと第一の電気部品６とを重ねて配置することで、配線１０ａのみが投影される面積を、第一の電気部品６の投影面積の分だけ減らすことができる。ひいては、電力変換装置１００を小型化することができる。

　電力変換装置１００は、図２に示すように、第一の電気部品６を冷却する冷却器７を備える。冷却器７は、図３に示すように、配線１０ａの伸長する方向の垂直方向から見て、第一の電気部品６に重なるよう配置され、電力変換装置１００の筐体（図示せず）に設けられる。図３において、冷却器７は第一の電気部品６の周囲に収まる大きさにて示したが冷却器７の大きさはこれに限るものではなく、拡大して他の部位を含めて冷却するものであっても構わない。冷却器７は、例えば、冷却器７の内部に形成された冷媒流路に冷媒を流すことで、第一の電気部品６を冷媒により冷却するものである。第一の電気部品６の冷却が必要な理由について説明する。入力側に配置される第一の電気部品６は、高電力部品である。そのため、第一の電気部品６は発熱するので、発熱密度を小さくするためには第一の電気部品６を大型化させることになる。第一の電気部品６に重ねて冷却器７を配置することで、第一の電気部品６は冷却される。第一の電気部品６の冷却により第一の電気部品６の発熱は抑制されるため、第一の電気部品６の大型化を防ぐことができる。ひいては、電力変換装置１００を小型化することができる。

　第一の電気部品６は、例えば図１におけるヒューズ５である。高電力が印加される電力変換装置１００において、一般的に使用されるヒューズ５は、低背かつ投影面積が大きく、管ヒューズタイプのものである。低背である配線１０ａとヒューズ５を重ねて配置することにより、他に設けられる電気部品と同等の高さで電力変換装置１００の内部に配置することができる。つまり、電力変換装置１００の高さを変えることなく配線１０ａとヒューズ５を重ねることができ、配線１０ａのみが投影される面積を減らすことができる。第一の電気部品６をヒューズ５として説明したが、第一の電気部品６は電力変換部３もしくはノイズフィルタ回路４に含まれる電気部品の一部であっても構わない。

　第一の電気部品６は、ポリブチレンテレフタレートなどの絶縁樹脂６ｃで覆われている。図４は、実施の形態１に係る電力変換装置１００の第一の電気部品６の外観の概略を示す斜視図である。図４において、端子６ａと端子６ｂは省略している。第一の電気部品６を絶縁樹脂で覆う理由について説明する。第一の電気部品６は高電力部品であるため、第一の電気部品６と冷却器７、つまり電力変換装置１００の筐体とは印加される電力値に応じてある一定の絶縁距離を離す必要があり、電力変換装置１００を大型化させることになる。第一の電気部品６が絶縁樹脂で覆われていると、離さなければならない絶縁距離を小さくすることができる。ひいては、電力変換装置１００を小型化することができる。また第一の電気部品６が絶縁樹脂で覆われていることにより、第一の電気部品６を冷却器７に接近させることが可能となる。接近により、第一の電気部品６の発熱をさらに抑制することができるため、第一の電気部品６および電力変換装置１００を小型化することができる。

　以上では、図２に示したように、第一の電気部品６の本体部分の対向するそれぞれの側面に端子６ａと端子６ｂを備えた例について説明したが、第一の電気部品６が備える端子６ａと端子６ｂの構成はこれに限るものではない。図５は、配線１０ａと第一の電気部品６の周囲を示した実施の形態１に係る別の電力変換装置１００の一部の平面図である。端子６ａと端子６ｂとは、第一の電気部品６の片側から同一方向に突出して設けられている。端子６ａと端子６ｂとが第一の電気部品６の同一の側面に設けられていても、配線１０ａの伸長する方向の垂直方向から見て、配線１０ａに重なるよう第一の電気部品６を設けることで、配線１０ａのみが投影される面積を、配線１０ａと重なる第一の電気部品６の投影面積の分だけ減らすことができる。

　図２においては、第一の電気部品６の配線１０ａの伸長する方向の長さの全てが、配線１０ａと重なっている例について示したが、第一の電気部品６と配線１０ａの重なりの程度は、全てに限るものではない。第一の電気部品６の配線１０ａの伸長する方向の長さの一部が配線１０ａと重なっていても、配線１０ａのみが投影される面積を配線１０ａと重なる第一の電気部品６の投影面積の分だけ減らすことができ、電力変換装置１００を小型化することができる。

　以上のように、実施の形態１による電力変換装置１００は、コネクタ２と一方の側で接続され、他方の側に端子１１を備えた配線１０ａと、端子１１に接続される第一の電気部品６とを備え、第一の電気部品６は、配線１０ａの伸長する方向の垂直方向から見て、配線１０ａに重なるよう設けられているため、配線１０ａのみが投影される面積を配線１０ａと重なる第一の電気部品６の投影面積の分だけ減らすことができ、配線１０ａと第一の電気部品６との効率のよい実装により電力変換装置１００を小型化することができる。また、配線１０ａの伸長する方向の垂直方向から見て、冷却器７を第一の電気部品６に重なるよう配置した場合、第一の電気部品６の発熱が抑制されるため、第一の電気部品６の大型化を防ぐことができ、電力変換装置１００を小型化することができる。また、第一の電気部品６が絶縁樹脂で覆われている場合、第一の電気部品６と周囲との間の離さなければならない絶縁距離を小さくすることができ、電力変換装置１００を小型化することができる。また、第一の電気部品６が絶縁樹脂で覆われていることにより、第一の電気部品６を冷却器７に接近させることが可能となるため、第一の電気部品６の発熱をさらに抑制でき、第一の電気部品６および電力変換装置１００を小型化することができる。また、第一の電気部品６が電力変換部３と接続されるヒューズである場合、他に設けられる電気部品と同等の高さで電力変換装置１００の内部に配置することができ、電力変換装置１００の高さを変えることなく配線１０ａとヒューズ５を重なるよう配置することができる。

　なお、以上では、入力側である配線１０ａと配線１０ａに接続される第一の電気部品６の実装の例について説明したがこれに限るものではなく、出力側である配線１０ｂと配線１０ｂに接続される電気部品についても同様の構成とすることで、電力変換装置１００を小型化することができる。配線１０ｂに接続された電気部品は、例えばヒューズである。

実施の形態２．
　実施の形態２に係る電力変換装置１００について説明する。図６は配線１０ａと第一の電気部品６の周囲を示した電力変換装置１００の入力側の一部の側面図、図７は図６の一点鎖線Ａ－Ａにおける矢視方向から見た断面図である。実施の形態２に係る電力変換装置１００は、実施の形態１で示した電力変換装置１００の構成に加えて、第二の電気部品８を、配線１０ａと第一の電気部品６に重なるよう設けた構成になっている。

　電力変換装置１００は、第二の電気部品８を備え、第二の電気部品８と配線１０ａと第一の電気部品６とは重なるよう配置されている。第二の電気部品８は、配線１０ａの伸長する方向の垂直方向から見て、配線１０ａに重なるよう設けられる。実施の形態２においては、第二の電気部品８の配線１０ａの伸長する方向の長さの全てが、配線１０ａと重なっている。第二の電気部品８は、例えば、ノイズフィルタ回路４に用いられるＸコンデンサまたはＹコンデンサである。ＸコンデンサまたはＹコンデンサは、低背な部品である。そのため、電力変換装置１００の高さを変えることなく、配線１０ａと第一の電気部品６にさらにこれらの部品の何れか、もしくは双方を重ねることが可能である。低背な部品の効率のよい実装により、電力変換装置１００を小型化することができる。

　第二の電気部品８が配線基板９に実装されている場合、第二の電気部品８と配線１０ａと第一の電気部品６の配置は、配線１０ａを挟んで第一の電気部品６と第二の電気部品８とが設けられる。この配置とするのは、配線１０ａと第一の電気部品６の接続を妨げる位置に配線基板９を設けないためである。配線基板９が、配線１０ａと第一の電気部品６との間に設けられた場合、配線１０ａと第一の電気部品６とを接続するためには配線基板９に穴を設け、配線基板９を介して配線１０ａと第一の電気部品６を接続する必要があり、実装の工程が困難になる。そのため、配線１０ａを挟んで第一の電気部品６と第二の電気部品８とを対向させた配置で、第二の電気部品８と配線１０ａと第一の電気部品６とは設けられる。

　図７に示すように、第一の電気部品６と第二の電気部品８の接続において、端子６ａは配線１０ａとの接触を回避するために、第一の電気部品６の左側から上方に伸長させている。第一の電気部品６と第二の電気部品８の接続はこの構成に限るものではなく、端子６ａを第一の電気部品６の右側から上方に伸長させる構成でも構わない。

　以上では、第一の電気部品６と第二の電気部品８とを端子６ａを介して接続しているが、第一の電気部品６と第二の電気部品８との接続構成はこれに限るものではなく、第二の電気部品８がＸコンデンサまたはＹコンデンサとは異なる電気部品であり、第一の電気部品６と第二の電気部品８とが接続されていない構成であっても構わない。また、配線基板９に実装された第二の電気部品８の例について示したが、第二の電気部品８は配線基板９に実装された構成に限るものではなく、第一の電気部品６と同様に単体で配置される電気部品であっても構わない。

　以上のように、実施の形態２による電力変換装置１００は、第二の電気部品８を備え、配線１０ａの伸長する方向の垂直方向から見て、第二の電気部品８は配線１０ａに重なるよう設けられているため、効率のよい実装により電力変換装置１００を小型化することができる。また、第二の電気部品８は配線基板９に実装されており、配線１０ａを挟んで第一の電気部品６と第二の電気部品８とが設けられている場合、第二の電気部品８と配線１０ａと第一の電気部品６を容易に実装することができる。

　また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１　交流電源、２　コネクタ、３　電力変換部、４　ノイズフィルタ回路、５　ヒューズ、６　第一の電気部品、６ａ　端子、６ｂ　端子、６ｃ　絶縁樹脂、７　冷却器、８　第二の電気部品、９　配線基板、１０　配線、１１　端子、１１ａ　かしめ部、２０　負荷、１００　電力変換装置

Claims

　入力電力を出力電力に変換する電力変換部と、
外部と接続するためのコネクタと、を備えた電力変換装置であって、
前記コネクタと一方の側で接続され、他方の側に端子を備えた配線と、
前記端子に接続された第一の電気部品と、を備え、
前記第一の電気部品は、前記配線の伸長する方向の垂直方向から見て、前記配線に重なるよう設けられていることを特徴とする電力変換装置。
　前記第一の電気部品を冷却する冷却器を備え、
前記冷却器は、前記配線の伸長する方向の垂直方向から見て、前記第一の電気部品に重なるよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
　前記第一の電気部品は、絶縁樹脂で覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
　前記第一の電気部品は、前記電力変換部と接続されるヒューズであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　第二の電気部品を備え、
前記第二の電気部品は、前記配線の伸長する方向の垂直方向から見て、前記配線に重なるよう設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
　前記第二の電気部品は、配線基板に実装されており、
前記配線を挟んで前記第一の電気部品と前記第二の電気部品とが設けられていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。