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公開番号2020171182
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201015
出願番号2019073011
出願日20190405
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社デンソー
代理人個人,個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20200918BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】車載スペースの有効活用を促進させる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置は、半導体ユニット10と、端子ユニット30と、コンデンサユニット20と、制御基板4と、ケース60,70,80と、を備える。半導体ユニット10は、制御基板4の板面に対向する位置に配置されている。端子ユニット30およびコンデンサユニット20は、半導体ユニット10に対して制御基板4の反対側において、制御基板4の板面に沿うx方向に並べて配置されている。コンデンサユニット20または端子ユニット30の少なくとも一部は、x方向において、半導体ユニット10の第1端部10aより外側に位置する。ケースのうち第1端部10aに対向する部分には、第1電気配線110が配索される第1凹部62aが、ケースの内側に凹む形状に形成されている。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
車載モータ(3)へ供給する電力を上下アーム回路(5U,5L,6U,6L)で変換する電力変換装置において、
前記上下アーム回路のスイッチング素子(5i,6i)が樹脂封止されてなる半導体モジュール(5,6)と、前記半導体モジュールを冷却する冷却器(11)と、を有する半導体ユニット(10)と、
前記半導体モジュールの出力端子(6o)および前記車載モータの巻線を電気接続する中継出力端子(34)と、前記中継出力端子を保持する端子台(33)と、を有する端子ユニット(30)と、
前記上下アーム回路に並列接続されて電圧脈動を平滑化する平滑コンデンサ(7b)と、前記平滑コンデンサを収容するコンデンサケース(21)と、を有するコンデンサユニット(20)と、
前記スイッチング素子の作動を制御する制御基板(4)と、
前記制御基板、前記半導体ユニット、前記端子ユニット、および前記コンデンサユニットを内部に収容するケース(60,70,80)と、
を備え、
前記半導体ユニットは、前記制御基板の板面に対向する位置に配置され、
前記端子ユニットおよび前記コンデンサユニットは、前記半導体ユニットに対して前記制御基板の反対側において、前記板面に沿う方向に並べて配置され、
前記制御基板の板面に垂直な方向をz方向とし、前記端子ユニットと前記コンデンサユニットが並ぶ方向をx方向とし、前記z方向および前記x方向に対して垂直な方向をy方向とし、
前記x方向における前記半導体ユニットの両端のうち、一方の端部を第1端部(10a)とし、他方の端部を第2端部(10b)とし、
前記コンデンサユニットまたは前記端子ユニットの少なくとも一部は、前記x方向において前記第1端部より外側に位置し、
前記ケースのうち前記第1端部に対向する部分には、電気配線(110)が配索される凹部(62a)が、前記ケースの内側に凹む形状に形成されている電力変換装置。
続きを表示(約 650 文字)【請求項2】
前記ケースは、前記z方向に並ぶカバー(80)、上ケース(60)および下ケース(70)を有し、
前記凹部は、前記上ケースに形成されており、
前記上ケースには、前記カバーに締結される上フランジ(64)、および前記下ケースに締結される下フランジ(65)が形成されており、
前記下フランジの全体が、前記z方向から見て前記上フランジの内側に位置する請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記コンデンサユニットおよび前記端子ユニットの全体が、前記z方向から見て、前記制御基板の周縁の内側に位置する請求項1または2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記半導体ユニットは、前記半導体モジュールを複数有し、
複数の前記半導体モジュールは、y方向に並べて積層配置されている請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記凹部を第1凹部とし、
前記電気配線を第1電気配線とし、
前記端子ユニットの少なくとも一部は、前記x方向において前記第1端部より外側に位置し、
前記コンデンサユニットの少なくとも一部は、前記x方向において前記第2端部より外側に位置し、
前記ケースのうち前記第2端部に対向する部分には、第2電気配線(120)が配索される第2凹部(62b)が、前記ケースの内側に凹む形状に形成されている請求項1〜4のいずれか1つに記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
この明細書における開示は、車載モータへ供給する電力を変換する電力変換装置に関する。
続きを表示(約 8,700 文字)【背景技術】
【0002】
特許文献1には、コンバータおよびインバータ等の電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、積層ユニット、端子ユニット、コンデンサ素子および制御基板等の構成部品と、これらの構成部品を収容するケースと、を備える。積層ユニットは、積層配置された複数のパワーカードおよび冷却器を備える。パワーカードは、アームを構成するスイッチング素子等を樹脂モールドした部品である。
【0003】
ケース内において、積層ユニット、端子ユニットおよびコンデンサ素子は、制御基板の下方に配置されている。また、積層ユニット、端子ユニットおよびコンデンサ素子は、制御基板の板面に沿って水平方向に並べて配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2015−213406号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
さて、従来のケースは、平坦な板面からなる直方体形状であることが慣例である。そして、そのような形状のケース内に各種の構成部品を収容させようとすると、上述したように、水平方向に並べて配置することが、ケース内の占積率を高める上で有効である。
【0006】
しかしながら、電力変換装置の入力端子や出力端子には、外部機器の電気配線が接続される。そのような電気配線は、ケースの外面に沿って配索されることとなる。そのため、電力変換装置に電気配線も加えた搭載スペースを、車両側に確保させる必要がある。よって、ケース内の占積率を高めて電力変換装置を小型化させるだけでは、電気配線も含めた車載スペースを十分に有効活用できているとは言えない。
【0007】
本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、車載スペースの有効活用を促進させる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。
【0009】
本開示のひとつは、
車載モータ(3)へ供給する電力を上下アーム回路(5U,5L,6U,6L)で変換する電力変換装置において、
上下アーム回路のスイッチング素子(5i,6i)が樹脂封止されてなる半導体モジュール(5,6)と、半導体モジュールを冷却する冷却器(11)と、を有する半導体ユニット(10)と、
半導体モジュールの出力端子(6o)および車載モータの巻線を電気接続する中継出力端子(34)と、中継出力端子を保持する端子台(33)と、を有する端子ユニット(30)と、
上下アーム回路に並列接続されて電圧脈動を平滑化する平滑コンデンサ(7b)と、平滑コンデンサを収容するコンデンサケース(21)と、を有するコンデンサユニット(20)と、
スイッチング素子の作動を制御する制御基板(4)と、
制御基板、半導体ユニット、端子ユニット、およびコンデンサユニットを内部に収容するケース(60,70,80)と、
を備え、
半導体ユニットは、制御基板の板面に対向する位置に配置され、
端子ユニットおよびコンデンサユニットは、半導体ユニットに対して制御基板の反対側において、板面に沿う方向に並べて配置され、
制御基板の板面に垂直な方向をz方向とし、端子ユニットとコンデンサユニットが並ぶ方向をx方向とし、z方向およびx方向に対して垂直な方向をy方向とし、
x方向における半導体ユニットの両端のうち、一方の端部を第1端部(10a)とし、他方の端部を第2端部(10b)とし、
コンデンサユニットまたは端子ユニットの少なくとも一部は、x方向において第1端部より外側に位置し、
ケースのうち第1端部に対向する部分には、電気配線(110)が配索される凹部(62a)が、ケースの内側に凹む形状に形成されている電力変換装置である。
【0010】
上記開示によれば、端子ユニットおよびコンデンサユニットは、半導体ユニットに対して制御基板の反対側に配置される。そして、x方向において、半導体ユニットの第1端部が端子ユニットまたはコンデンサユニットの内側に位置することになる。したがって、そのような内側に位置する第1端部に対向する部分に凹部が形成されたケースによれば、ケース内の占積率を高めることができる。それでいて、その凹部には電気配線が配索されるので、電力変換装置に電気配線も加えた車両搭載スペースを十分に小さくすることができ、車載スペースの有効活用を促進できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
第1実施形態に係る電力変換装置について、回路構成を示す図である。
第1実施形態に係る電力変換装置について、構成部品の位置関係を模式的に示す断面図である。
カバーおよび制御基板を取り除いた状態における、図2のIII矢視図である。
図3に示す状態の電力変換装置に、制御基板を取り付けた状態を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび/又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。以下において、電力変換装置が車両に搭載された状態における上下方向をz方向、z方向に直交する一方向をx方向と示す。また、z方向およびx方向の両方向に直交する方向をy方向と示す。
【0013】
(第1実施形態)
先ず、図1に基づき、電力変換装置の回路構成について説明する。
【0014】
<電力変換装置の回路構成>
電力変換装置1は、たとえば電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載される。電力変換装置1は、車両に搭載された直流電源2から供給される直流電圧を、三相交流に変換して、三相交流方式のモータ3(車載モータ)に出力する。モータ3は、車両の走行駆動源として機能する。電力変換装置1は、モータ3により発電された電力を、直流に変換して直流電源2に充電することもできる。電力変換装置1は、双方向の電力変換が可能となっている。
【0015】
電力変換装置1は、制御基板4、半導体モジュール5,6、フィルタコンデンサ7a、平滑コンデンサ7b、およびリアクトル8を備える。
【0016】
半導体モジュール5は、DC−DC変換部であり、直流電圧を異なる値の直流電圧に変換するコンバータ回路として機能する。半導体モジュール5は、互いに直列接続される上アーム5Uと下アーム5Lを有する。上アーム5Uと下アーム5Lは、スイッチング素子5iおよびダイオード5dにより構成される。上アーム5Uと下アーム5Lをまとめて上下アーム回路と呼ぶ。
【0017】
半導体モジュール6は、DC−AC変換部であり、入力された直流電力を所定周波数の三相交流に変換してモータ3に出力する、インバータ回路として機能する。このインバータ回路は、モータ3により発電された交流電力を直流電力に変換する機能も有する。半導体モジュール6は、モータ3の三相の各々に設けられている。半導体モジュール6は、互いに直列接続される上アーム6Uと下アーム6Lを有する。上アーム6Uと下アーム6Lは、スイッチング素子6iおよびダイオード6dにより構成される。上アーム6Uと下アーム6Lをまとめて上下アーム回路と呼ぶ。
【0018】
本実施形態では、各アームを構成するスイッチング素子5i,6iとして、nチャネル型の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)が採用されている。上アーム5U,6UのIGBTのコレクタ電極が、高電位電力ラインHiに接続されている。下アーム5L,6LのIGBTのエミッタ電極が、低電位電力ラインLoに接続されている。そして、上アーム5U,6UのIGBTのエミッタ電極と、下アーム5L,6LのIGBTのコレクタ電極が相互に接続されている。
【0019】
フィルタコンデンサ7aは、直流電源2の正極と負極の間に接続されている。フィルタコンデンサ7aは、直流電源2から入力される直流電流を平滑化する。
【0020】
平滑コンデンサ7bは、高電位電力ラインHiと低電位電力ラインLoの間に接続されている。平滑コンデンサ7bは、半導体モジュール5,6と並列に接続されている。平滑コンデンサ7bは、半導体モジュール5によるコンバータ回路により昇圧された直流電流を平滑化する。平滑コンデンサ7bは、昇圧された直流電圧の電荷を蓄積する。
【0021】
リアクトル8は、半導体モジュール5のスイッチング作動に伴い、直流電源2の電圧を昇圧する。
【0022】
制御基板4は、半導体モジュール5,6のスイッチング素子5i,6iを動作させるための駆動指令を生成し、図示しない駆動回路部(ドライバ)に出力する。制御基板4は、図示しない上位ECUから入力されるトルク要求や各種センサにて検出された信号に基づいて、駆動指令を生成する。制御基板4は、具体的には、駆動指令としてPWM信号を出力する。制御基板4は、たとえばマイコン(マイクロコンピュータ)を備えて構成されている。
【0023】
各種センサの具体例としては、電流センサ31、電圧センサ、回転角センサなどが挙げられる。電流センサ31は、モータ3の各相の巻線に流れる相電流を検出する。電圧センサの1つは、フィルタコンデンサ7aの高電位側端子の電圧を検出する。電圧センサの1つは、平滑コンデンサ7bの高電位側端子の電圧を検出する。回転角センサは、モータ3の回転子の回転角を検出する。
【0024】
駆動回路部は、制御基板4からの駆動指令に基づいて駆動信号を生成し、対応する半導体モジュール5,6のスイッチング素子5i,6iのゲート電極に出力する。これにより、スイッチング素子5i,6iを駆動、すなわちオン駆動、オフ駆動させる。本実施形態では、駆動回路部が半導体モジュール5,6ごとに設けられている。
【0025】
次に、図2〜図4に基づき、電力変換装置の構成部品の配置について説明する。
【0026】
<電力変換装置の構成部品の配置>
電力変換装置1は、制御基板4、半導体ユニット10、コンデンサユニット20、端子ユニット30、リアクトルユニット40およびケースを備える。これらの制御基板4、半導体ユニット10、コンデンサユニット20、端子ユニット30およびリアクトルユニット40は、ケースの内部に収容されている。
【0027】
ケースは、カバー80、上ケース60および下ケース70を有する。カバー80、上ケース60および下ケース70はz方向に並べて配置されている。ケースは、金属製であり、例えばアルミニウム系材料を用いてダイカスト法により成形されている。ケースは、カバー80、上ケース60および下ケース70を図示しないボルトで締結することにより形成される。
【0028】
具体的には、上ケース60は両端が開口する筒形状である。カバー80は、上ケース60の一方の開口を覆う。下ケース70は、上ケース60の他方の開口を覆う。上ケース60に形成されたフランジ64(上フランジ)と、カバー80に形成されたフランジ81とが、ボルト穴64aに挿入されたボルトにより締結されている。上ケース60に形成されたフランジ65(下フランジ)と、下ケース70に形成されたフランジ71とが、ボルトにより締結されている。
【0029】
これらのフランジ64,65,71,81は、z方向から見て環状に延びる形状である。そして、環状のフランジ65(下フランジ)の全体が、z方向から見て、フランジ64(上フランジ)の環状の内側に位置する。具体的には、下フランジの外周縁が上フランジの外周縁の内側に位置する。より望ましくは、下フランジの外周縁が上フランジの内周縁の内側に位置する。
【0030】
上ケース60は、制御基板4の全体と半導体ユニット10の全体を収容する。さらに上ケース60は、コンデンサユニット20の一部と端子ユニット30の一部を収容する。下ケース70は、リアクトルユニット40の全体を収容する。さらに下ケース70は、コンデンサユニット20の一部と端子ユニット30の一部を収容する。
【0031】
半導体ユニット10は、先述した半導体モジュール5,6と、半導体モジュール5,6を冷却する冷却器11と、を有する。冷却器11は、熱交換部11a、流入配管11b、および流出配管11cを有し、液冷媒を循環させる循環経路の一部を形成する。熱交換部11aは、流入配管11bおよび流出配管11cと連通する。流入配管11bから流入した液冷媒は、熱交換部11aへ流入する。熱交換部11aへ流入した液冷媒は、流出配管11cへ流出する。熱交換部11aは、熱伝導性が良好な絶縁体を介して半導体モジュール5,6に接触し、スイッチング素子5i,6iの発熱で温度上昇する半導体モジュール5,6を冷却する。
【0032】
複数の半導体モジュール5,6は、y方向に並べて積層配置されている。熱交換部11aは、隣り合う半導体モジュール5,6の間に配置されている。つまり、冷却器11は複数の熱交換部11aを有する。複数の熱交換部11aは、半導体モジュール5,6と交互に積層配置されている。熱交換部11a、流入配管11bおよび流出配管11cは、x方向に並べて配置されている。流入配管11bおよび流出配管11cは、y方向から見て熱交換部11aの両側に位置する。
【0033】
半導体モジュール5,6の主端子6pは、上アーム5U,6Uのエミッタ電極と接続されている。主端子6pは、バスバにより高電位電力ラインHiに接続されている。半導体モジュール6の主端子6nは、下アーム5L,6Lのコレクタ電極と接続されている。主端子6nは、バスバにより低電位電力ラインLoに接続されている。半導体モジュール5,6の信号端子6sは、スイッチング素子5i,6iのゲート電極と接続されている。信号端子6sは、制御基板4に実装されている。
【0034】
制御基板4と半導体ユニット10は、z方向に並べて配置されている。半導体ユニット10は、制御基板4の板面に対向する位置に配置されている。制御基板4は、z方向から見て矩形形状である。z方向から見て半導体ユニット10の全体が、制御基板4の内側に位置する。換言すれば、半導体ユニット10の全体が、制御基板4のz方向投影範囲に位置する。
【0035】
コンデンサユニット20は、フィルタコンデンサ7a、平滑コンデンサ7b、電圧センサ配線22およびコンデンサケース21を有する。フィルタコンデンサ7aおよび平滑コンデンサ7bは、コンデンサケース21内に収容されている。これらのコンデンサには、フィルムを巻き回した形状のフィルムコンデンサが用いられている。フィルムの幅や巻き数、フィルムコンデンサの使用数量を調整することで、コンデンサの形状と個数が調整されている。そして、これらのコンデンサの配置を調整することで、コンデンサケース21を所望の形状にすることを実現させている。
【0036】
端子ユニット30は、先述した電流センサ31、電流センサ配線32、端子台33、中継出力端子34,35およびバスバ(導電部材)を有する。電流センサ31およびバスバは、端子台33に保持されている。端子台33は、電気絶縁性を有する樹脂で形成されている。
【0037】
バスバの一端は、半導体モジュール6の出力端子6oに接続されている。出力端子6oは、上アーム6UのIGBTのエミッタ電極と、下アーム6LのIGBTのコレクタ電極に接続されている。バスバの他端は、中継出力端子34,35として機能する。
【0038】
バスバは、3つの半導体モジュール6の各々に対して設けられている。各バスバは、分岐する複数の中継出力端子34,35を有する。複数の中継出力端子34,35は、y方向に1列に並べて配置されている。
【0039】
本実施形態に係る端子ユニット30は、3相の各々に対する第1の中継出力端子34と、3相の各々に対する第2の中継出力端子35を有する。3つの第1の中継出力端子34は、モータ3の3相巻線(図示せず)の各々に電気接続される。3つの第2の中継出力端子35は、他の電動モータの3相巻線(図示せず)に電気接続される。
【0040】
他の電動モータの具体例として、ハイブリッドシステムに設けられた走行用モータや発電用モータが挙げられる。例えば、中継出力端子34には走行用モータが接続され、中継出力端子35には発電用モータが接続されている。
【0041】
下ケース70には、図示しない端子開口部が形成されている。中継出力端子34,35が端子開口部から露出するように、端子ユニット30はケース内に配置されている。
【0042】
端子ユニット30およびコンデンサユニット20は、半導体ユニット10に対して制御基板4の反対側に配置されている。端子ユニット30およびコンデンサユニット20は、制御基板4の板面に沿う方向に並べて配置されている。具体的には、端子ユニット30およびコンデンサユニット20は、x方向に並べて配置されている。
【0043】
電圧センサ配線22は、先述した電圧センサと制御基板4とを電気接続する配線である。電圧センサ配線22は、半導体ユニット10を跨ぐようにz方向に延びる。電流センサ配線32は、先述した電流センサ31と制御基板4とを電気接続する配線である。電流センサ配線32は、半導体ユニット10を跨ぐようにz方向に延びる。
【0044】
リアクトルユニット40は、リアクトル8およびケース41を有する。リアクトル8はケース41内に収容されている。リアクトルユニット40は、半導体ユニット10に対して制御基板4の反対側に配置されている。より詳細には、リアクトルユニット40は、端子ユニット30に対して制御基板4の反対側に配置されている。
【0045】
上述したx方向、y方向およびz方向は、以下のように定義される。z方向は、制御基板4の板面に垂直な方向である。x方向は、端子ユニット30とコンデンサユニット20が上記板面に沿って並ぶ方向である。y方向は、z方向およびx方向に対して垂直な方向である。
【0046】
x方向における半導体ユニット10の両端のうち、一方の端部を第1端部10aとし、他方の端部を第2端部10bとする。本実施形態では、熱交換部11aのx方向両端が第1端部10aおよび第2端部10bに相当する。
【0047】
端子ユニット30の一部は、x方向において第1端部10aより外側に位置する。コンデンサユニット20の一部は、x方向において第2端部10bより外側に位置する。
【0048】
上ケース60は、第1収容部61、第2収容部62および第3収容部63を有する。第1収容部61は、上ケース60のうち制御基板4を収容する部分である。第2収容部62は、上ケース60のうち半導体ユニット10を収容する部分である。第3収容部63は、上ケース60のうちコンデンサユニット20および端子ユニット30を収容する部分である。
【0049】
上ケース60のうち第1端部10aに対向する部分には、y方向から見て上ケース60の内側に凹む形状の第1凹部62aが形成されている。第1凹部62aには、図2〜図4に示す第1電気配線110が配索されている。第1凹部62aは、zy平面に沿って延びる形状である。
【0050】
第1端部10aが、積層配置された熱交換部11aの端部であることに起因して、複数の第1端部10aがy方向に離散的に分布している。第1凹部62aは、第1端部10aが分布する位置に沿ったy方向に延びる部分を有する。第1凹部62aの全体は、z方向において端子ユニット30と制御基板4の間に位置する。
(【0051】以降は省略されています)

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