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公開番号2021182821
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211125
出願番号2020087532
出願日20200519
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 20070101AFI20211029BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】電流センサユニットに対する冷却性能の改善を図る電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置1は、一体に形成された半導体モジュール2と冷却器6とを含むパワーモジュールユニット5と、電流センサユニット4とを備える。電流センサユニット4は、電源と電気負荷とを接続する電流経路における電流を計測する。電力変換装置1は、半導体モジュール2、冷却器6および電流センサユニット4を収容するケース11を備える。冷却器6は、外部からの冷却用流体が流入する流入管61と、外部へ冷却用流体が流出する流出管65とを備える。流入管61と流出管65は、ケース11において同じ第1側壁11bから半導体モジュール2に向けて延び出している。電流センサユニット4は、半導体モジュール2よりも第1側壁11bに近接して設けられている。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
電源(300)から入力される電力の電力変換を行い、電流を電気負荷(310)に供給する電力変換部(2)と、
内部を流れる冷却用流体によって前記電力変換部を冷却する冷却器(6)と、
前記電源と前記電気負荷とを接続する電流経路における電流を計測する電流センサユニット(4;104;204)と、
前記電力変換部、前記冷却器および前記電流センサユニットを収容するケース(11)と、
を備え、
前記冷却器は、外部からの冷却用流体が流入する流体流入部(61)と、外部へ冷却用流体が流出する流体流出部(65)とを含み、
前記流体流入部と前記流体流出部は、前記ケースにおける同一壁(11b)から前記電力変換部に向けて延び出しており、
前記電流センサユニットは、前記電力変換部よりも前記同一壁に近接して設けられている電力変換装置。
続きを表示(約 550 文字)【請求項2】
前記電流センサユニットは、前記流体流入部と前記流体流出部との間に設けられている請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記電流センサユニットは、前記流体流出部よりも前記流体流入部寄りに位置している請求項2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記電流センサユニットは、前記流体流入部と前記流体流出部との両方に重なる位置に設けられている請求項2または請求項3に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記電流センサユニットは、前記ケースに固定されている被固定部(142)を備えている請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記電流センサユニットは、前記流体流出部よりも前記流体流入部寄りの位置において、前記ケースの底壁(11a)に固定されている請求項5に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記電流センサユニットは、電流センサ部品(43)と、前記電流センサ部品を実装している回路基板(42)とを内蔵しており、
前記回路基板は、前記電流センサユニットの内部において前記同一壁寄りの位置に設けられている請求項1から請求項4のいずれか一項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、電力変換装置に関する。
続きを表示(約 6,500 文字)【背景技術】
【0002】
特許文献1には、半導体モジュールと冷却管とを積層した積層体の横に電流センサを配置して、冷却管によって電流センサを冷却す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2019−37049号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献1の装置は、耐熱性が低い電流センサを冷却する冷却能力に関して改良の余地がある。
【0005】
この明細書に開示する目的の一つは、電流センサユニットに対する冷却性能の改善を図る電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この明細書に開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。また、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、一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一例であって、技術的範囲を限定するものではない。
【0007】
開示された電力変換装置の一つは、電源(300)から入力される電力の電力変換を行い、電流を電気負荷(310)に供給する電力変換部(2)と、内部を流れる冷却用流体によって電力変換部を冷却する冷却器(6)と、電源と電気負荷とを接続する電流経路における電流を計測する電流センサユニット(4;104;204)と、電力変換部、冷却器および電流センサユニットを収容するケース(11)と、を備え、
冷却器は、外部からの冷却用流体が流入する流体流入部(61)と、外部へ冷却用流体が流出する流体流出部(65)とを含み、
流体流入部と流体流出部は、ケースにおける同一壁(11b)から電力変換部に向けて延び出しており、
電流センサユニットは、電力変換部よりも同一壁に近接して設けられている。
【0008】
この電力変換装置によれば、流体流入部と流体流出部は同じ壁から延び出しているため、この同一壁を冷却用流体によって冷やすことができる。さらにこの同一壁は電力変換部よりも電流センサユニットが近接しているため、電流センサユニットの放熱を同一壁が吸熱してケース面から外部に放出する放熱経路を形成できる。これにより、電流センサユニットの冷却を促進させることができ、例えば、回路基板や、電流センサ部品などの基板実装部品の耐熱温度を低くすることに寄与する。このような開示技術によれば、電流センサユニットに対する冷却性能の改善を図る電力変換装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
第1実施形態の電力変換装置に係る回路図である。
電力変換装置のケース内部を上から見た図である。
電力変換装置のケース内部を横から見た図である。
第2実施形態の電力変換装置についてケース内部を上から見た図である。
電力変換装置のケース内部を横から見た図である。
第3実施形態の電力変換装置についてケース内部を上から見た図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【0011】
<第1実施形態>
車両の駆動システムおよび電力変換装置の一例を開示する第1実施形態について、図1〜図3を参照しながら説明する。電力変換装置は、電気自動車、燃料電池車等の車両に搭載された車載用電力変換装置に適用することができる。車両には、乗用車、バス、建設作業車、農業機械車両等が含まれる。明細書に明示の目的を達成可能な電力変換装置は、例えば、インバータ装置、コンバータ装置等に適用することができる。このコンバータ装置は、交流入力直流出力の電源装置、直流入力直流出力の電源装置、交流入力交流出力の電源装置を含む。この実施形態では、電力変換装置の一例としてインバータ装置に適用した装置を以下に説明する。
【0012】
図1に示すように、車両の駆動システム10は、車両に搭載され、直流電源300、モータジェネレータ310および電力変換装置1を備えている。
【0013】
電力変換装置1は、インバータ回路200、制御回路210、平滑コンデンサ3を少なくとも備えている。図1に示すように、インバータ回路200は、複数の半導体モジュール2を備えて電力変換部を構成する。電力変換部は、電源から入力される電力の電力変換を行い、電流を電気負荷に供給する。平滑コンデンサ3は、半導体モジュール2に並列に接続されている。電力変換部は、半導体モジュール2が備える半導体素子20をオンオフさせることにより、直流電源300から供給される直流電力を交流電力に変換する。直流電源300は、例えば複数の二次電池である。二次電池には、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、および有機ラジカル電池などを採用することができる。
【0014】
モータジェネレータ310は、三相交流方式の回転電機、つまり三相交流モータを含む。モータジェネレータ310は、車両の走行駆動源である電動機として機能する。モータジェネレータ310は回生時に発電機として機能する。電力変換装置1は、直流電源300とモータジェネレータ310との間において電力変換を行う。
【0015】
電力変換装置1は、制御回路210によるスイッチング制御にしたがって、直流電圧を三相交流電圧に変換してモータジェネレータ310へ出力する。これにより、車両は、電力変換部によって直流電力から電力変換された交流電力を用いてモータジェネレータ310を駆動して走行する。電力変換装置1は、モータジェネレータ310の発電によって生成された交流電力を直流電力に変換し、回路における高電位側の電力ラインに出力する。電力変換装置1は、直流電源300とモータジェネレータ310との間で双方向の電力変換を行う。
【0016】
モータジェネレータ310は、電気自動車の車軸に連結されている。モータジェネレータ310の回転エネルギは、車軸を介して電気自動車の走行輪に伝達される。走行輪の回転エネルギは、車軸を介してモータジェネレータ310に伝達される。モータジェネレータ310は電力変換装置1から供給される交流電力によって力行する。これにより推進力が走行輪に付与される。モータジェネレータ310は走行輪から伝達される回転エネルギによって回生する。この回生で発生した交流電力は、電力変換装置1によって直流電力に変換される。この直流電力が直流電源300に供給される。この直流電力は、車両に搭載された各種の電気負荷にも供給される。
【0017】
インバータ回路200には、電力変換部に対して、入力側に平滑コンデンサ3が接続され、出力側に電気負荷の一例であるモータジェネレータ310が接続されている。平滑コンデンサ3は、主として、直流電源300から供給される直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサ3は、高電位側の電力ラインと低電位側の電力ラインとの間に接続されている。高電位側の電力ラインは直流電源300の正極に接続されている。低電位側の電力ラインは直流電源300の負極に接続されている。平滑コンデンサ3の正極は、直流電源300と半導体モジュール2との間において高電位側の電力ラインに接続されている。平滑コンデンサ3の負極は、直流電源300と半導体モジュール2との間において低電位側の電力ラインに接続されている。
【0018】
高電位側の電力ラインにはPバスバが設けられている。低電位側の電力ラインにはNバスバが設けられている。PバスバとNバスバは、電力変換部に対して入力側の電力ラインに設けられている。Pバスバの端部、Nバスバの端部には、電力変換部に対して入力側の電力ラインに設けられた接続端子151が設けられている。接続端子151には、直流電源300からの電力を供給する電力供給線の端部に設けられた出力端子が、接続される。
【0019】
電力変換装置1は、直流電源300の正極に接続されたPバスバと直流電源300の負極に接続されたNバスバとの間で並列に接続された3相のレグを備える。各相のレグは、PバスバとNバスバとの間で直列接続された複数の半導体素子20を備える。インバータ回路200は、直列に接続された2つのアームを含む上下アーム回路を3個備えているともいえる。3個の上下アーム回路は、例えば、平滑コンデンサ3側からU相、V相、W相とする。各上下アーム回路の高電位側のアームは、上アームともいえる。低電位側のアームは、下アームともいえる。
【0020】
各アームは、スイッチング素子であるIGBTとダイオードとを有している。IGBTは、トランジスタの一種である絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。IGBTおよびダイオードは、半導体基板に設けられている。IGBTおよびダイオードが設けられた半導体チップは、半導体素子20に相当する。上アームにおいて、コレクタは高電位側の電力ラインに接続されている。下アームにおいて、エミッタは低電位側の電力ラインに接続されている。上アーム側のエミッタと、下アーム側のコレクタは、互いに接続されている。ダイオードのアノードは対応するIGBTのエミッタに接続され、カソードは対応するIGBTのコレクタに接続されている。
【0021】
制御回路210は、IGBTを動作させるための駆動指令を生成し、駆動回路に出力する。制御回路210は、例えば上位のECUから入力されるトルク要求、各種センサによって検出された信号に基づいて、駆動指令を生成する。各種センサには、電流センサユニット4、回転角センサ、電圧センサがある。制御回路210は、例えば、駆動指令としてPWM信号を出力する。制御回路210は、マイクロコンピュータを備えている。
【0022】
電流センサユニット4は、電源と電気負荷とを接続する電流経路における電流を計測する。電流センサユニット4は、アームの出力電流、つまり各相の巻線に流れる相電流を検出する電流センサを含む。電流センサは、アームの出力電流に対応する電気信号を制御回路210に出力する。この電気信号はフィードバック信号である。フィードバック信号は、出力電流に相当する信号である。回転角センサは、モータジェネレータ310の回転子の回転角を検出し制御回路210に出力する。電圧センサは、平滑コンデンサ3の両端電圧を検出し制御回路210に出力する。
【0023】
駆動回路は、制御回路210の駆動指令に基づいて、対応するアームのIGBTのゲートに駆動電圧を供給するドライバである。駆動回路は、駆動電圧の印加により、対応するIGBTを駆動、すなわちオン駆動、オフ駆動させる。この実施形態の電力変換装置1は、一つのアームに対して一つの駆動回路を備えている。
【0024】
電力変換装置1は、入力側バスバと出力側バスバを備えている。このようなバスバは、電力経路の一つをなし発熱するため、周囲の部品に対して放熱する。入力側バスバは、直流電源300から電力が給電される導電性部材である。入力側バスバは、例えばPバスバとNバスバである。
【0025】
出力側バスバは、例えばアームの出力電流がモータジェネレータ310へ流れる電力経路に設けられたバスバ44を含む。電流センサは、出力側バスバを流れる出力電流を検出する。出力側バスバは、U相における上アームと下アームとの接続部とモータジェネレータ310の巻線とを連絡する電力経路に設けられている。出力側バスバは、V相における上アームと下アームとの接続部とモータジェネレータ310の巻線とを連絡する電力経路に設けられている。出力側バスバは、W相における上アームと下アームとの接続部とモータジェネレータ310の巻線とを連絡する電力経路に設けられている。出力側バスバは、U相バスバ、V相バスバ、W相バスバを含んでいる。
【0026】
U相バスバ、V相バスバ、W相バスバは、電力変換部に対して出力側の電力ラインに設けられている。U相バスバ、V相バスバおよびW相バスバの各端部には、電力変換部に対して出力側の電力ラインに設けられた接続端子141が設けられている。接続端子141には、モータジェネレータ310の各相の巻線に電力を供給する電力供給線の端部に設けられた入力端子が、接続される。
【0027】
図2〜図3を参照して電力変換装置1の内部構成について説明する。電力変換装置1は、複数の電気部品を収容するケース11を備える。ケース11は一つの容器を形成する。ケース11は、パワーモジュールユニット5、電流センサユニット4、コンデンサユニット等を収容している。
【0028】
コンデンサユニットは、少なくとも平滑コンデンサ3を含んでいる。コンデンサユニットは、他の電気部品と接続される端子を露出させた状態で樹脂封止された平滑コンデンサ3を内蔵している。平滑コンデンサ3は樹脂封止されたコンデンサ素子を内蔵している。封止する樹脂は、例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂からなる。封止樹脂部は、コンデンサ素子および端子と平滑コンデンサ3の収容部との間の隙間に充填されている。平滑コンデンサ3の端子等の一部は、封止樹脂部から突出している。コンデンサユニットは、ボルト、ねじ、リベット等の固定具、溶接結合、ろう付け結合等の結合手段により、例えばケース11の底壁11aに固定されている。
【0029】
ケース11は、複数のケース部材を組み合わせて形成されている筐体である。ケース11は、例えば、少なくとも第1ケース部材と第2ケース部材とを含んでいる。第2ケース部材は、第1ケース部材である下部ケースの内部空間を覆うように第1ケース部材に装着されている部材である。図3は、電力変換装置1の構成を説明するため、ケース11において、内部空間を覆う部材を除いた状態を示している。ケース11は、金属材料によって形成されている。ケース11は、例えば、アルミダイカストによる成形体を含んでいる。図面におけるX方向、Y方向は、電力変換装置1の横方向、縦方向である。図面におけるZ方向は、電力変換装置1の高さ方向である。また、ケース11は、樹脂材料を含んで形成されている構成でもよい。
【0030】
ケース11は、例えば、底壁11aと、底壁11aの周縁から立設する複数の側壁とを備えている。複数の側壁は、X方向に対向する第1側壁11bおよび第2側壁11cと、Y方向に対向する第3側壁11dおよび第4側壁11eとを含んでいる。第1側壁11bは、第3側壁11dと第4側壁11eに隣り合っている。第2側壁11cは、第3側壁11dと第4側壁11eに隣り合っている。
(【0031】以降は省略されています)

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