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公開番号2021013235
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210204
出願番号2019125886
出願日20190705
発明の名称電力変換装置
出願人日立オートモティブシステムズ株式会社
代理人特許業務法人サンネクスト国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20210108BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】電力変換装置を小型化する場合、内部空間が狭くなり、回路の接合部を避けるように金属ベース板に開口部を設ける必要があるが、この開口部を通って伝搬するノイズの影響を受けるという課題があった。
【解決手段】金属ベース板200は、第2回路と回路基板300との間に設けられ、接合部に対応して開口部210が設けられる。筐体100は、回路基板300と第2回路と金属ベース板200を収納し、回路基板300の第2の基板GNDパターン320と金属ベース板200に電気的に接続される。第2回路の接合部は、金属ベース板200の開口部210を介して、第2グランドと対応して配置される。また、金属蓋400は電力変換装置10における筐体100の一部を形成するものである。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
第1回路のグランドを構成する第1グランドと、前記第1グランドとは電気的に分離して形成された第2グランドとを有する回路基板と、
接合部が形成された第2回路と、
前記第2回路と前記回路基板との間に設けられ、前記接合部に対応して開口部が設けられた金属ベース板と、
前記回路基板と前記第2回路と前記金属ベース板を収納し、前記回路基板の前記第2グランドと前記金属ベース板に、電気的に接続された筐体と、を備え、
前記第2回路の前記接合部は、前記金属ベース板の前記開口部を介して、前記第2グランドと対応して配置される電力変換装置。
続きを表示(約 820 文字)【請求項2】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記第2回路の前記接合部は、前記金属ベース板の前記開口部を介して、前記第2グランドと対向して配置される電力変換装置。
【請求項3】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記回路基板の実装面に対して直角な方向から見た場合、前記第2回路と、前記金属ベース板がない領域と、前記第2グランドとが、少なくとも一部重なるように形成される電力変換装置。
【請求項4】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記金属ベース板の前記開口部の周囲の少なくとも一部は接続部材を介して前記回路基板の前記第2グランドと接続される電力変換装置。
【請求項5】
請求項4に記載の電力変換装置において、
前記金属ベース板の前記開口部の周囲は壁状の前記接続部材を介して前記回路基板の前記第2グランドと接続される電力変換装置。
【請求項6】
請求項4または請求項5に記載の電力変換装置において、
前記回路基板の前記第2グランドは、前記接続部材を介して前記金属ベース板を経て、前記筐体と接続される電力変換装置。
【請求項7】
請求項1に記載の電力変換装置において、
前記接合部は、陽極バスバ、および陰極バスバとスイッチング素子とを接続する接合箇所である電力変換装置。
【請求項8】
請求項7に記載の電力変換装置において、
前記第1回路は、低電圧であるモータ制御用回路を含み、
前記第2回路は、高電圧である陽極バスバ、陰極バスバ、スイッチング素子を含む電力変換装置。
【請求項9】
請求項7または請求項8に記載の電力変換装置において、
前記金属ベース板は、少なくとも前記陽極バスバ及び前記陰極バスバを覆う位置に配置される電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置に関する。
続きを表示(約 7,800 文字)【背景技術】
【0002】
スイッチング素子を含む高電圧の主回路の収納室と、スイッチング素子を駆動するための制御信号を発生する制御回路の収納室とを、金属ベース板により筐体内で二分した電力変換装置が知られている。
特許文献1には、ノイズを軽減するため、金属製の筐体の内部空間は金属ベース板により2つの空間に分割され、一方の空間内には制御回路が搭載され、もう一方の空間にはドライバ回路およびパワーモジュールが搭載される電力変換装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2010−183763号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
電力変換装置を小型化する場合、内部空間が狭くなり、回路の接合部を避けるように金属ベース板に開口部を設ける必要があるが、この開口部を通って伝搬するノイズの影響を受けるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明による電力変換装置は、第1回路のグランドを構成する第1グランドと、前記第1グランドとは電気的に分離して形成された第2グランドとを有する回路基板と、接合部が形成された第2回路と、前記第2回路と前記回路基板との間に設けられ、前記接合部に対応して開口部が設けられた金属ベース板と、前記回路基板と前記第2回路と前記金属ベース板を収納し、前記回路基板の前記第2グランドと前記金属ベース板に、電気的に接続された筐体と、を備え、前記第2回路の前記接合部は、前記金属ベース板の前記開口部を介して、前記第2グランドと対応して配置される。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、金属ベース板の開口部を通って伝搬するノイズの影響を抑制することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の発明を実施する形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
電力変換装置の構成と電力変換装置を適用したモータ駆動システムとの構成を示す回路構成図である。
第1の実施形態に係る電力変換装置の構造の一例を示す分解斜視図である。
第1の実施形態に係る電力変換装置の構造の一例を示す断面投影図である。
第1の実施形態に係る電力変換装置の金属ベース板の開口部周辺の一例を示す上面図である。
第2の実施形態に係る電力変換装置の構造の一例を示す分解斜視図である。
第2の実施形態に係る電力変換装置の金属ベース板の開口部周辺の一例を示す上面図である。
第3の実施形態に係る電力変換装置の構造の一例を示す分解斜視図である。
第3の実施形態に係る電力変換装置の構造の一例を示す断面投影図である。
第3の実施形態に係る電力変換装置の金属ベース板の開口部周辺の一例を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
【0009】
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
【0010】
[第1の実施形態]
以下、本発明の第1の実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。
図1は、本実施形態に係る電力変換装置10の構成と電力変換装置10を適用したモータ駆動システムとの構成を示す回路構成図である。図1に示すモータ駆動システムは、電気自動車やハイブリッド自動車などのモータを駆動するために、直流電圧を交流電圧に変換する例で示す。
【0011】
図1において、電力変換装置10は、金属の筐体100に収納される。また、低電圧電源20から電力変換装置10のモータ制御回路170を駆動するための低電圧直流電力、例えば9〜14Vが低電圧コネクタ101を介して供給される。更に、高電圧電源30から電力変換装置10に高電圧直流電力、例えば320〜900Vが高電圧コネクタ102を介して供給されている。この電力変換装置10の筐体100には、種々の回路ブロックおよび素子が格納されており、図1ではそれらの回路ブロックおよび素子のうち、説明に必要なもののみが描かれている。また、図1には、電力変換装置10によって生成された交流電圧によって駆動されるモータ40が示されている。
【0012】
高電圧電源30はバッテリまたは交流電源をコンバータにより直流電圧に変換したものが一般的に用いられる。例えばハイブリッド自動車の駆動用インバータは数百ボルトの高電圧バッテリを高電圧電源30として用いる。また、例えばX線診断装置などの医療装置は商用の交流電源を用いるため、整流回路またはコンバータを用いて直流の高電圧電源30に変換する。
【0013】
モータ40は、特に制限されないが、3相電気モータによって構成されている。このモータ40は、回転子(図示省略)と固定子(図示省略)を備え、固定子に3個のコイルが配置されている。電力変換装置10は3相の交流電圧を形成し、3個のコイルに供給することで三相交流電圧に応じた磁界を発生し、回転子を回転させる。
【0014】
次に、電力変換装置10の構成を説明する。電力変換装置10は、筐体100内に、低電圧コネクタ101、高電圧コネクタ102、モータハーネスコネクタ103、陽極バスバ111、陰極バスバ112、陽極用Yキャパシタ121、陰極用Yキャパシタ122、陽極-陰極間Xキャパシタ130、スイッチング素子141〜143、ACバスバ151〜153、電流センサ161〜163、モータ制御回路170、ゲートドライバ回路180を備えている。
【0015】
ここで、前述のとおり高電圧電源30から供給された高電圧直流電力は、陽極バスバ111と陰極バスバ112によりスイッチング素子141〜143に供給される。スイッチング素子141〜143は、スイッチングする際に高周波の切り替え電流および電圧が発生するため、これを平滑化するXキャパシタ130が一般的に用いられている。図1には図示していないが、数十マイクロファラッド程度のキャパシタンスを持つコンデンサを複数並列に接続される。ここでXキャパシタ130の陽極側端子は陽極バスバ111に接続され、Xキャパシタ130の陰極側端子は陰極バスバ112に接続される。これらの陽極バスバ111及び陰極バスバ112は、特に制限されないが、銅によって構成された銅板である。また、陽極バスバ111と筐体100との間にはYキャパシタ121が接続され、陰極バスバ112と筐体100との間にはYキャパシタ122が接続されることで、陽極バスバ111と陰極バスバ112に重畳するコモンモードノイズを低減している。
【0016】
スイッチング素子141〜143として、IGBT、MOSFET、SiCなどの半導体素子が一般的に用いられ、これらの半導体素子をスイッチング(オンとオフの切り替え)することにより所望の電圧や電流を生成する。更に、スイッチング素子141〜143のスイッチング出力は、それぞれACバスバ151〜153からモータハーネスコネクタ103を介してモータ40に接続される。それぞれのACバスバ151〜153には、それぞれ電流センサ161〜163が取り付けられており、それぞれのACバスバ151〜153に流れる電流値をAC電流モニタ信号182としてモータ制御回路170に供給している。
【0017】
AC電流モニタ信号182を受け取ったモータ制御回路170は、PWM信号を生成してゲートドライバ回路180に供給する。ゲートドライバ回路180は、スイッチング素子141〜143のゲート端子にゲートドライブ信号181を入力して、スイッチング素子141〜143を動作させる。
【0018】
このように構成された電力変換装置10において、ゲートドライバ回路180からのゲートドライブ信号181によってスイッチング素子141〜143がスイッチングされてACバスバ151〜153から周期的に陽極電圧と陰極電圧が出力されることで、周期的にオン状態/オフ状態となるため、陽極バスバ111と陰極バスバ112における電圧/電流が変化し、ノイズが発生することになる。
【0019】
図2〜図4は、電力変換装置10の構造の一例を示す図である。
図2は本実施形態に係る電力変換装置10の構造の一例を示す分解斜視図である。同図において、電力変換装置10を展開すると、蓋を取り外した箱状の筐体100の底部にYキャパシタ121〜122、Xキャパシタ130、スイッチング素子141〜143が格納される。陽極バスバ111と陰極バスバ112が離間して積層され、Yキャパシタ121〜122とXキャパシタ130の端子と接続される。さらに、高電圧部である陽極バスバ111と陰極バスバ112は、高電圧部であるスイッチング素子141〜143の入力端子と接合ネジ191〜196で接続される。接合ネジ191〜196は、陽極バスバ111、陰極バスバ112と、スイッチング素子141〜143とを電気的に接続するための接合部である。図2においては、分解図の特性上、全ての接合ネジを図示できないが、図1の陽極バスバ111及び陰極バスバ112とスイッチング素子141〜143との6個の接続箇所において、6箇所で接合される。陽極バスバ111、陰極バスバ112と、接合ネジ(接合部)191〜196と、スイッチング素子141〜143とよりなる回路を第2回路と称する。
【0020】
高電圧部であるスイッチング素子141〜143のスイッチング動作に伴って発生する高周波ノイズが、電力変換装置10内の低電圧部であるモータ制御回路170に伝搬することを抑制するため、金属ベース板200が高電圧部である第2回路の上部に位置する。そして、金属ベース板200の上部には、モータ制御回路170等が配置される回路基板300が位置する。
【0021】
この回路基板300には、図1で示したモータ制御回路170とゲートドライバ回路180と、第1の基板GNDパターン310と第2の基板GNDパターン320が配置される。この第1の基板GNDパターン310と第2の基板GNDパターン320は、回路基板300上では互いに電気的に接続されていない。ここで、モータ制御回路170は低電圧電源20から供給される低電圧源で動作する回路であり、第1の基板GNDパターン310を基準GNDとして用いる。回路基板300上のモータ制御回路170を第1回路と称する。
【0022】
一方、ゲートドライバ回路180は、高電圧部であるスイッチング素子141〜143と接続される回路であり、高電圧部に属するため、第1の基板GNDパターン310を基準とはしない。
【0023】
なお、この金属ベース板200には、接合ネジ191〜196との接触を避けるための開口部210が存在し、この開口部210を介して低電圧部にノイズが伝搬する。この開口部210の四隅には、金属ベース板200の更に上部に位置する回路基板300と電気的に接続するためのボス(第2の基板GNDパターン接続用ボス231〜234)が備えられ、回路基板300の第2の基板GNDパターン320と電気的に接続される。この電気的接続方法は、例えば、第2の基板GNDパターン320に保護膜を施さずに、直接第2の基板GNDパターン接続用ボス231〜234を接触させる方法や、ガスケットを挟む方法、バネにより接触する方法、ネジ止めするなどが想定されるが、本実施形態において限定させるものではない。
【0024】
また、金属ベース板200には、回路基板300を固定するための基板固定用ボス221〜226を備え、基板固定用ボス221、222、225、226により金属ベース板200と回路基板300の第1の基板GNDパターン310との接続を行う。
【0025】
図3は本実施形態に係る電力変換装置10の構造の一例を示す断面投影図である。同図においては、図2に示した矢印500から見た場合の断面投影図であるが、ある一直線の平面ではなく、電力変換装置10の構造を説明するために奥行き方向を投影した図となっている。同図において、低電圧コネクタ101、高電圧コネクタ102、モータハーネスコネクタ103、陽極バスバ111、陰極バスバ112、Yキャパシタ121〜122、スイッチング素子141〜143、ゲートドライブ信号181、接合ネジ191〜196、金属ベース板200、開口部210、基板固定用ボス221〜226、第2の基板GNDパターン接続用ボス231〜234、回路基板300、第1の基板GNDパターン310、第2の基板GNDパターン320については、図1及び図2で既に説明したとおりであり、その説明は省略する。なお、図3における回路基板300上の第1回路の搭載領域171は前述のように、モータ制御回路170を中心とした低電圧回路が搭載される領域であり、第2回路の搭載領域183は前述のように、陽極バスバ111、陰極バスバ112と、接合ネジ(接合部)191〜196と、スイッチング素子141〜143とよりなる回路を中心として高電圧回路が搭載される領域である。
【0026】
金属ベース板200は、第2回路と回路基板300との間に設けられ、接合ネジ(接合部)191〜196に対応して開口部210が設けられる。筐体100は、回路基板300と第2回路と金属ベース板200を収納し、回路基板300の第2の基板GNDパターン320と金属ベース板200に電気的に接続される。第2回路の接合部は、金属ベース板200の開口部210を介して、第2の基板GNDパターン320と対応して配置される。なお、「対応して配置」とは、第2回路の接合部と、第2の基板GNDパターン320とが互いに対応する位置関係にあり、且つ、両者の間に金属ベース板200の開口部210が位置することである。なお、「対応して配置」には、第2回路の接合部と、第2の基板GNDパターン320とが互いに対向して配置され、両者の間に金属ベース板200の開口部210が位置する形態を含む。さらに、「対応して配置」には、回路基板300の実装面に対して直角な方向から見た場合、第2回路の接合部と、金属ベース板200がない領域、例えば開口部210と、第2の基板GNDパターン320とが、少なくとも一部重なるように位置する形態を含む。また、金属蓋400は電力変換装置10における筐体100の一部を形成するものである。
【0027】
ここで、図3を参照して金属ベース板200の開口部210周辺の構造について、更に詳しく説明する。電力変換装置10に対する性能指標の一つとして筐体サイズが挙げられ、高さ方向の制約条件も厳しくなっている。このような場合、陽極バスバ111と陰極バスバ112やスイッチング素子141〜143から成る第2回路である高電圧部に対し、金属ベース板200は絶縁に必要な最低限の距離で離間して配置される必要がある。このような場合、第2回路の搭載領域183には、陽極バスバ111及び陰極バスバ112とスイッチング素子141〜143とを接合する接合ネジ191〜196のネジ頭の高さを回避して金属ベース板200との絶縁距離を確保するため、換言すれば、接合部のための容積が必要になるため、図3に示したような開口部210を金属ベース板200に設けている。第2の基板GNDパターン接続用ボス231〜234は開口部210の端に位置するか、開口部210の端から例えば10mm程度離した位置においても良い。
【0028】
図4は本実施形態に係る電力変換装置10の金属ベース板200の開口部210周辺の一例を示す上面図である。同図において、陽極バスバ111、陰極バスバ112、Yキャパシタ121〜122、スイッチング素子141〜143、接合ネジ191〜196、開口部210、第2の基板GNDパターン接続用ボス231〜234、第2の基板GNDパターン320については、図1から図3を参照して説明したとおりであり、その説明を省略する。
【0029】
図4を用いて金属ベース板200の開口部210と回路基板300の第2の基板GND320、及び、第2の基板GNDパターン接続用ボス231〜234の位置関係について、更に詳しく説明する。まず、金属ベース板200の開口部210は、接合ネジ191〜196との絶縁距離を保持するためのものであり、開口部210の大きさは絶縁距離に応じて決定される。第2の基板GNDパターン接続用ボス231〜234は、金属ベース板200の開口部210の四隅の外側に接するように配置され、第2の基板GNDパターン320は、第2の基板GNDパターン接続用ボス231〜234で形成される長方形と同等の位置と大きさで配置される。第2の基板GNDパターン320は第2の基板GNDパターン接続用ボス231〜234等の接続部材を介して金属ベース板200へ接続され、金属ベース板200は筐体100と接続される。
【0030】
本実施形態に係る電力変換装置10では、金属ベース板200に設けられた開口部210に対して、開口部210の大きさより第2の基板GNDパターン320を広く取り、開口部210を覆う形状で構成された第2の基板GNDパターン320を形成した。この構造により、陽極バスバ111、陰極バスバ112とスイッチング素子141〜143とを接続する接合部から金属ベース板200までの絶縁距離を保持するために金属ベース板200に接合部を避けるような開口部210が存在しても、高電圧部から第1の基板GNDパターン310や第1回路の搭載領域171などの低電圧部に伝搬するノイズ量の増大を抑制することが可能な電力変換装置10を提供することができる。
(【0031】以降は省略されています)

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