WO2023218681A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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寛文 井上
耕平 安東
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Mitsubishi Electric Corp
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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
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion 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

  • This application relates to a power conversion device.
  • Vehicles such as electric cars and hybrid cars are equipped with power conversion devices that convert power between DC power and AC power.
  • the power conversion device is equipped with a power conversion module such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and performs a converter operation that converts DC power into three-phase AC power and regenerates energy.
  • a power conversion module such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the shield plate, bus bar, and resin member are each mounted as separate members, and there were issues with increasing the number of parts, reducing assembly man-hours, and downsizing.
  • the present application has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a power conversion device that is easy to assemble and can be downsized by reducing the number of parts.
  • the power conversion device disclosed in this application includes: A power conversion module that has a switching element and performs power conversion between DC and AC by turning on and off the switching element, and has a positive electrode and a negative electrode that are connected to the DC terminal of the power conversion module and input and output DC current.
  • a control board equipped with an electronic circuit, the DC bus bar is composed of a flat DC bus bar positive electrode and a flat DC bus bar negative electrode, and the DC bus bar positive electrode, the DC bus bar negative electrode, and the shield plate are made of non-conductive members.
  • a bus bar assembly is formed by stacking the AC bus bar and the sensor core together with resin, and the bus bar assembly is disposed between the power conversion module and the control board.
  • a busbar assembly is formed in which the shield plate is integrally molded with the DC bus bar, AC bus bar, and sensor core, so screw fastening of the shield plate can be eliminated and the number of parts can be reduced. becomes.
  • the height can be reduced, and miniaturization is also possible.
  • FIG. 1 is a perspective view of a power conversion device according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a power conversion device according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a perspective view of the bus bar assembly according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a top view of the bus bar assembly according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the bus bar assembly according to the first embodiment.
  • 1 is a top view of the power conversion module according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a top view of the power conversion module according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a perspective view of a shield plate according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a perspective view of a DC bus bar positive electrode according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a perspective view of the power converter 1 according to the first embodiment
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the power converter 1 of FIG.
  • a power conversion device 1 controls on/off of a power conversion module 4 that constitutes a power conversion section housed in a housing 5, and switching elements such as IGBTs included in the power conversion module 4.
  • the control board 2 includes an electronic circuit such as an IC (not shown in the figure) for the control board 2, and a bus bar assembly 3 electrically connected to the power conversion module 4.
  • the power conversion module 4 is arranged in the case 5
  • the busbar assembly 3 is arranged on the power conversion module 4 so as to cover the power conversion module 4, and the busbar assembly 3 is installed in the case 5. It is fastened with screws 15.
  • a control board 2 is attached to the top of the bus bar assembly 3.
  • the busbar assembly 3 includes a DC busbar positive electrode 6 and a DC busbar negative electrode 7 that input and output DC current, and an AC busbar 8 that is connected to a motor (not shown) and inputs and outputs the AC current converted by the power conversion module 4. It includes a shield plate 9 that shields noise generated from the power conversion module 4 due to switching of IGBTs and the like during power conversion, and a sensor core 10 that detects alternating current. For example, a capacitor (not shown) is connected to both ends of the DC bus bar positive electrode 6 and the DC bus bar negative electrode 7.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the bus bar assembly 3
  • FIGS. 6 and 7 are top views of the power conversion module 4
  • FIGS. 8 to 11 are perspective views of the parts that make up the bus bar assembly.
  • the DC busbar positive electrode 6, the DC busbar negative electrode 7, and the AC busbar 8 are arranged in the metal casing 5, if they come into direct contact with each other, they become electrical connection points and breakage occurs. Therefore, by integrally molding the DC busbar positive electrode 6, DC busbar negative electrode 7, and AC busbar 8 using a non-conductive resin 13 (hereinafter referred to as resin 13) that can provide an appropriate dielectric strength, Insulation between the DC bus bar positive electrode 6, the DC bus bar negative electrode 7, and the AC bus bar 8 and the housing 5 is maintained.
  • resin 13 non-conductive resin 13
  • the shield plate 9 is arranged between the DC bus bar positive electrode 6, the DC bus bar negative electrode 7, and the control board 2 (see FIGS. 5 and 2). Further, it is arranged on an extension of the flat part of the power conversion module 4 facing the switching element 16 . That is, as shown in FIG. 6, a plane part that covers at least a range 17 onto which the switching element 16 of the power conversion module 4 is projected (a plane part that covers a predetermined range on the power conversion module 4 where the switching element 16 is present) part) 9a, and is arranged on an extension of the range 17 of the power conversion module 4. As shown in FIG. 7, there are cases where a part of the shield plate is cut out and does not cover all of the individual switching elements 16, but the area is sufficient to reduce the noise of the power conversion module 4. There is no problem as long as it is covered.
  • the shield plate 9 is made of aluminum material, and as shown in FIG. Suppress the deviation from 13. Holes 9d through which the screws 15 pass are formed in some of the bent portions 9c. The metal collars 11 overlap corresponding to the through holes 9d, and are connected to the housing 5 with screws 15, so that the noise generated from the power conversion module 4 is connected to the vehicle body via the shield plate 9. casing 5 to reduce noise.
  • a DC busbar positive electrode 6, a DC busbar negative electrode 7 thereon, and a shield plate 9 thereon are stacked (parallel flat plates) in this order. Therefore, heat from the power conversion module 4, the DC bus bar positive electrode 6, and the DC bus bar negative electrode 7 can be efficiently radiated to the housing 5.
  • the surface of the shield plate 9 may be plated for corrosion resistance. When using a pre-plated material, it is best to select a plating that can withstand the molding temperature. Further, holes may be provided in the flat portion 9a of the shield plate 9 to improve formability within a range that does not affect noise.
  • the bus bar assembly 3 by integrally molding the resin 13 will be described in detail.
  • the four sides of almost the entire extended portions 6a and 7a are covered with resin 13, except for the extended portions 6a and 7a.
  • the four side surfaces of the extended portions 6a and 7a refer to the two faces (flat parts of the extended portions 6a and 7a) that face each other in the thickness direction of the extended portions 6a and 7a, and those two sides. These are the two surfaces (side surfaces of the extensions 6a and 7a) that connect the two surfaces in the thickness direction. Therefore, the extending portion 6a and the extending portion 7a penetrate the resin 13 in the longitudinal direction, and the resin 13 surrounds the four sides of the extending portion 6a and the extending portion 7a.
  • the two DC bus bar positive electrodes 6 and the DC bus bar negative electrodes 7 are kept parallel to each other and separated from each other, and the resin 13 is interposed between them.
  • the shield plate 9 also maintains a parallel and separated state, with a resin 13 interposed therebetween.
  • a non-conductive molded member 14a and a non-conductive molded member 14b may be interposed.
  • the DC bus bar positive electrode 6 and the DC bus bar negative electrode 7 are arranged on the lower side where the shield plate 9 is arranged, and the AC bus bar 8 and the sensor core are connected to each other except for the flat part 9a of the shield plate 9 facing the control board 2. Together with 10, it is integrally molded with non-conductive resin 13.
  • the AC bus bar 8 has an AC connecting portion 8b at one end. Note that in this embodiment, there are three AC bus bars 8, but the number is not particularly limited.
  • the DC busbar positive electrode 6, the DC busbar negative electrode 7, and the AC busbar 8 are preferably made of copper from the viewpoint of power efficiency.
  • the linear expansion coefficient of the resin 13 close to the thermal expansion coefficient of the DC busbar positive electrode 6, the DC busbar negative electrode 7, and the AC busbar 8
  • at least one of the DC busbar positive electrode 6, the DC busbar negative electrode 7, and the AC busbar 8 It is possible to eliminate resin peeling or cracking due to temperature rise.
  • the bus bar assembly 3 is formed in which the shield plate 9 is integrally molded with the DC bus bar positive electrode 6, the DC bus bar negative electrode 7, the AC bus bar 8, and the sensor core 10. Therefore, screw fastening of the shield plate 9 can be eliminated. This makes it possible to reduce the number of parts. This simplifies the assembly process, improving work efficiency and yield. In addition, by being integrally molded with the bus bar, the height can be reduced, and miniaturization is also possible. Note that the shield plate 9 may be covered with the resin 13 as long as the components mounted on the control board 2 are not affected.
  • the nut 12 may be integrally molded with the resin 13 and used as a terminal block. Further, the metal collar 11 may be integrally molded with the DC bus bar positive electrode 6, the DC bus bar negative electrode 7, the AC bus bar 8, the shield plate 9, and the sensor core 10. The resin 13 is tightened and fixed to the casing by screws 15 while facing or in contact with the casing 5. Such a structure makes it possible to withstand on-vehicle vibrations.

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Abstract

電力変換モジュールから発生するノイズによる制御基板への影響を軽減させるためにシールドプレートが用いられ、シールドプレートはバスバを備えた樹脂部材に上方からネジ固定で締結される構成である。これによりそれぞれが別個の部材として搭載されており、部品点数増加と組立工数の削減と小型化に課題があった。本開示は、直流バスバ正極（６）、直流バスバ負極（７）、シールドプレート（９）は非導電性の部材を介して積層され、交流バスバ（８）およびセンサコア（１０）と共に樹脂（１３）により一体化されたバスバアセンブリ（３）が構成され、バスバアセンブリ（３）が電力変換モジュール（４）と制御基板（２）との間に配設されていることを特徴とする。

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、ハイブリッド自動車等の車両は、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置を搭載している。電力変換装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの電力変換モジュールが備えられ、直流電力を三相交流電力に変換してエネルギーを回生するコンバータ動作を行う。この電力変換モジュールから発生するノイズが制御基板へ与える影響を軽減するためのシールドプレートを、バスバを備えた樹脂部材に上方からネジ固定で締結する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１４－１６８３６０号公報
　シールドプレート、バスバ、および樹脂部材は、それぞれが別個の部材として搭載されており、部品点数増加と組立工数の削減と小型化に課題があった。
　本願は、上述のような問題に鑑みてなされたものであり、部品点数を削減することにより、組立性に優れ、小型化が可能な電力変換装置を提供する。
　本願に開示される電力変換装置は、
　スイッチング素子を有し、スイッチング素子のオン、オフにより直流と交流との電力変換を行う電力変換モジュールと、電力変換モジュールの直流端子と接続され、直流電流を入出力するための正極、負極を有する直流バスバと、電力変換モジュールの交流端子と接続され、交流電流を入出力するための交流バスバと、交流電流を検出するセンサコアと、シールドプレートと、電力変換モジュールのオン、オフを制御するための電子回路を備えた制御基板と、を備え、直流バスバは、平板状の直流バスバ正極と平板状の直流バスバ負極とからなり、直流バスバ正極、直流バスバ負極、シールドプレートは非導電性の部材を介して積層され、交流バスバおよびセンサコアと共に樹脂により一体化されたバスバアセンブリが構成され、バスバアセンブリが電力変換モジュールと制御基板との間に配設されていることを特徴とする。
　本願に開示される電力変換装置によれば、シールドプレートを直流バスバ、交流バスバおよびセンサコアと共に一体成形したバスバアセンブリを構成するため、シールドプレートのネジ締結を廃止することができ、部品点数削減が可能となる。また、バスバと共に一体成形されることにより高さが低くなり、小型化も可能となる。
実施の形態１に係る電力変換装置の斜視図である。 実施の形態１に係る電力変換装置の分解斜視図である。 実施の形態１に係るバスバアセンブリの斜視図である。 実施の形態１に係るバスバアセンブリの上面図である。 実施の形態１に係るバスバアセンブリの分解斜視図である。 実施の形態１に係る電力変換モジュールの上面図である。 実施の形態１に係る電力変換モジュールの上面図である。 実施の形態１に係るシールドプレートの斜視図である。 実施の形態１に係る直流バスバ正極の斜視図である。 実施の形態１に係る直流バスバ負極の斜視図である。 実施の形態１に係る交流バスバの斜視図である。
　以下、本願に係る電力変換装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。
実施の形態１．
　図１は、実施の形態１の電力変換装置１の斜視図、図２は、図１の電力変換装置１の分解斜視図である。図１、図２において、電力変換装置１は、筐体５に収容される電力変換部を構成する電力変換モジュール４と、電力変換モジュール４が有するＩＧＢＴなどのスイッチング素子のオン、オフを制御するためのＩＣなどの電子回路（図中、省略）を備えた制御基板２と、電力変換モジュール４と電気的に接続されるバスバアセンブリ３とを備える。
　図２で示すように、筐体５に電力変換モジュール４が配設され、電力変換モジュール４上に電力変換モジュール４を覆うようにバスバアセンブリ３が配置され、バスバアセンブリ３は、筐体５にネジ１５により締結されている。バスバアセンブリ３の上部に制御基板２が取り付けられる。
　図３は、バスバアセンブリ３の斜視図、図４は、バスバアセンブリ３の上面図である。バスバアセンブリ３は、直流電流を入出力する直流バスバ正極６、直流バスバ負極７と、図示していないモータへ接続され、電力変換モジュール４で変換された交流電流を入出力する交流バスバ８と、電力変換時のＩＧＢＴなどのスイッチングにより、電力変換モジュール４から発生するノイズを遮蔽するシールドプレート９と、交流電流を検出するセンサコア１０とを備えている。直流バスバ正極６、直流バスバ負極７の両端には、例えばコンデンサ（図示しない）などが接続される。
　図５は、バスバアセンブリ３の分解斜視図であり、図６、図７は、電力変換モジュール４の上面図、図８から図１１は、バスバアセンブリを構成する部品の斜視図である。直流バスバ正極６、直流バスバ負極７、交流バスバ８を金属製の筐体５に配置する場合、それぞれが直接接すると電気的接続点となり、破損が生じる。このため、適切な絶縁耐圧が得られる非導電性の樹脂１３（以下、樹脂１３と称す）を用いて、直流バスバ正極６、直流バスバ負極７、および交流バスバ８と一体に成形することで、直流バスバ正極６、直流バスバ負極７、および交流バスバ８と筐体５との間の絶縁性が保持される。
　シールドプレート９は、直流バスバ正極６および直流バスバ負極７と、制御基板２（図５および図２参照）との間に配置されている。そして、スイッチング素子１６と対向する電力変換モジュール４の平面部延長上に配置されている。すなわち、図６に示すように、少なくとも電力変換モジュール４のスイッチング素子１６を投影する範囲１７を覆うような平面部（スイッチング素子１６が存在する電力変換モジュール４上のあらかじめ定められた範囲を覆う平面部）９ａを有し、電力変換モジュール４の範囲１７の延長上に配置される。なお、図７に示すように、シールドプレートの一部が切り欠かれ、個々のスイッチング素子１６の全てを覆っていない場合も存在するが、電力変換モジュール４のノイズを低減するのに十分な範囲を覆っていれば問題ない。
　シールドプレート９はアルミ材で形成されており、図８で示すように、制御基板２と対向する平面部９ａには複数の折り曲げ加工部９ｂを有し、樹脂１３にて覆われることにより、樹脂１３からの抜けを抑制する。一部の折り曲げ部９ｃにはネジ１５が貫通する穴９ｄが形成されている。貫通する穴９ｄに対応して金属カラー１１が重なり合っており、ネジ１５にて筐体５に接続されることで、電力変換モジュール４から発生したノイズは、シールドプレート９を介して車体と接続された筐体５に流れ、ノイズを低減する。
　また、図５に示すように、電力変換モジュール４の上に、直流バスバ正極６、その上に直流バスバ負極７、その上にシールドプレート９の順に積層されて(平行平板で)配置されているため、電力変換モジュール４、直流バスバ正極６、および直流バスバ負極７からの熱を効率よく筐体５に放熱させることができる。
　また、耐腐食性のために、シールドプレート９の表面にメッキ処理を施してもよい。先メッキ材を使用する場合は、成形温度に耐えられるメッキを選定するのが良い。さらに、ノイズに影響がない範囲でシールドプレート９の平面部９ａに成形性向上のため、穴を設けてもよい。
　次に、樹脂１３を用いて一体に成形してバスバアセンブリ３を構成することについて詳細に説明する。２本の直流バスバ正極６，直流バスバ負極７は、樹脂１３を用いて一体化する場合、図９に示す直流バスバ正極６および図１０に示す直流バスバ負極７は、延設部６ｂ、７ｂを除いて、延設部６ａ、延設部７ａのほぼ全体に亘って四側面が樹脂１３に覆われる。なお、延設部６ａ、延設部７ａの四側面とは、延設部６ａ、延設部７ａの厚み方向に対向する二つの面（延設部６ａ、７ａの平面部）と、それら二つの面を厚み方向に繋ぐ二つの面（延設部６ａ、７ａの側面部）のことである。よって、延設部６ａおよび延設部７ａは、樹脂１３を長手方向に貫通し、樹脂１３は延設部６ａ、延設部７ａの四側面を取り囲んでいる。
　また、２本の直流バスバ正極６、直流バスバ負極７は、互いに平行で、かつ離れた状態を保持しており、その間に樹脂１３が介在している。シールドプレート９も直流バスバ正極６、直流バスバ負極７と同様に平行で、かつ離れた状態を保持しており、その間に樹脂１３が介在している。
　なお、直流バスバ正極６と直流バスバ負極７との間、シールドプレート９と直流バスバ正極６との間、またはシールドプレート９と直流バスバ負極７との間に樹脂１３を介在させる代わりに、図５に示すように、非導電性の成形部材１４ａ、非導電性の成形部材１４ｂを介在させてもよい。
　このように、シールドプレート９が配置される下側には、直流バスバ正極６、直流バスバ負極７が配置され、制御基板２と対向するシールドプレート９の平面部９ａを除いて交流バスバ８とセンサコア１０と共に非導電性の樹脂１３で一体成形される。
　図１１に示す交流電流を入出力する３本の交流バスバ８も直流バスバ正極６、直流バスバ負極７と同様に延設部８ａのほぼ全体に亘って四側面が樹脂１３によって覆われている。交流バスバ８の一旦には、交流接続部８ｂを有する。なお、本実施の形態では、交流バスバ８は３本だが、本数は特に限定されない。
　直流バスバ正極６、直流バスバ負極７、および交流バスバ８は、電力効率の観点から材質は銅が好ましい。また、直流バスバ正極６、直流バスバ負極７、および交流バスバ８の熱膨張係数に樹脂１３の線膨張係数を近づけることで、直流バスバ正極６、直流バスバ負極７、および交流バスバ８の少なくとも１つの温度上昇による樹脂の剥がれ、またはクラックを無くすことができる。
　以上のような構成により、シールドプレート９を直流バスバ正極６、直流バスバ負極７、交流バスバ８およびセンサコア１０と共に一体成形したバスバアセンブリ３を構成するため、シールドプレート９のネジ締結を廃止することができ、部品点数削減が可能となる。これにより、組み付け工程が簡略化できるため、作業効率を改善し、歩留まりを向上させることができる。また、バスバと共に一体成形されることにより高さが低くなり、小型化も可能となる。なお、制御基板２に実装される部品に影響が無い範囲で、シールドプレート９に樹脂１３を被せてもよい。
　上述したように、制御基板２の固定する方法としてネジ１５を用いるため、ナット１２を樹脂１３にて一体成形することで端子台として使用してもよい。また、直流バスバ正極６、直流バスバ負極７、交流バスバ８、シールドプレート９、およびセンサコア１０と共に金属カラー１１を一体成形してもよい。樹脂１３は、筐体５に対面、あるいは接触状態でネジ１５により筐体に締め付けられ、固定される。このような構造により、車載の振動に耐えることが可能となる。
　本願は、例示的な実施形態が記載されているが、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、本願に開示される技術の範囲内において想定する場合が含まれるものとする。
１：電力変換装置、２：制御基板、３：バスバアセンブリ、４：電力変換モジュール、５：筐体、６：直流バスバ正極、７：直流バスバ負極、８：交流バスバ、９：シールドプレート、１０：センサコア、１１：金属カラー、１２：ナット、１３：樹脂、１４ａ、１４ｂ：非導電性の成形部材、１５：ネジ、１６：スイッチング素子。

Claims (5)

  1. 　スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のオン、オフにより直流と交流との電力変換を行う電力変換モジュールと、前記電力変換モジュールの直流端子と接続され、直流電流を入出力するための正極、負極を有する直流バスバと、前記電力変換モジュールの交流端子と接続され、交流電流を入出力するための交流バスバと、前記交流電流を検出するセンサコアと、シールドプレートと、前記電力変換モジュールのオン、オフを制御するための電子回路を備えた制御基板と、を備え、前記直流バスバは、平板状の直流バスバ正極と平板状の直流バスバ負極とからなり、前記直流バスバ正極、前記直流バスバ負極、前記シールドプレートは非導電性の部材を介して積層され、前記交流バスバおよび前記センサコアと共に非導電性の樹脂により一体化されたバスバアセンブリが構成され、前記バスバアセンブリは前記電力変換モジュールと前記制御基板との間に配設されていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 　前記シールドプレートは、前記電力変換モジュールで発生するノイズを筐体に流すために、前記スイッチング素子が存在する前記電力変換モジュール上のあらかじめ定められた範囲を覆う平面部を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記シールドプレートは、端部に折り曲げ部を有し、前記折り曲げ部は前記非導電性の樹脂に覆われ、前記制御基板との対向面は、前記非導電性の樹脂から露出していることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記シールドプレートは、金属カラーを介して筐体と接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 　前記金属カラーは、前記バスバアセンブリに前記非導電性の樹脂により一体化されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
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