JP2013126360A - 電力変換装置の放電およびノイズ低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電抵抗とＹコンデンサ専用の冷却器が不要のため装置を小型化できるとともに、Ｙコンデンサがパワーモジュールの直近にあるため配線インダクタンスの影響が少なくノイズ低減を効果的に行う電力変換装置を提供する。
【解決手段】平滑コンデンサ６の残留電荷を放電する放電抵抗２と、スイッチングにより発生したノイズを低減させるＹコンデンサ３とを同一ユニットの集合体４になし、スイッチング素子７が収納され冷却体１３を有するパワーモジュール１２の外側部に設けられスイッチング素子７とバスバー１７を介して接続されるＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂに集合体４を取り付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置における平滑コンデンサの放電装置およびスイッチングノイズを低減させる装置に関する。

電気自動車などには、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置が多く用いられている。電力変換装置には多数のスイッチング素子や平滑コンデンサ等が搭載されている。

電力変換装置の平滑コンデンサは、大きな静電容量を有するため、平滑コンデンサに蓄積された電荷は容易に放電せず、作業時の安全性が問題となる。そのため、平滑コンデンサの残留電荷を放電させる放電抵抗が設けられる。

特許文献１には、この放電抵抗を平滑コンデンサ及びＹコンデンサ（ラインバイパスコンデンサとも呼ばれる）とともに同一の基板に実装してパワーモジュール内に収納する技術が開示されている。

特開２００４−１０４８６０号公報

しかしながら、特許文献１の技術によれば、平滑コンデンサ、放電抵抗及びＹコンデンサを冷却する冷却器がスイッチング素子用の冷却器とは別に必要となり、電力変換装置は大型となる。また、Ｙコンデンサはパワーモジュールの直近にないため配線インダクタンスが大きくなりＹコンデンサのノイズ低減効果が十分得られない。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、放電抵抗とＹコンデンサ専用の冷却器が不要のため装置を小型化できるとともに、Ｙコンデンサがパワーモジュールの直近にあり配線インダクタンスの影響が少なくノイズ低減を効果的に行う電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、直流電源の正負両極間に接続される平滑コンデンサと、直流電源の正負両極間に三相交流の各相毎に直列接続されるスイッチング素子とを備え、前記直流電源の直流電力を交流電力に変換して交流負荷に給電する電力変換装置において、前記平滑コンデンサの残留電荷を放電する放電抵抗と、前記スイッチング素子のスイッチングにより発生したノイズを低減させるＹコンデンサとを同一ユニットの集合体になし、前記スイッチング素子が収納され冷却体を有するパワーモジュールのバスバーを介して接続されるＰ端子及びＮ端子に前記集合体を取り付けることを特徴とする。

この構成によれば、Ｐ端子及びＮ端子がバスバーを介してスイッチング素子に接続されているので、放電抵抗及びＹコンデンサの発熱量をバスバーに熱伝導させて冷却器から効果的に放熱させることができる。そのため、放電抵抗用の冷却器が不要となり電力変換装置を小型化することができるという優れた効果を奏する。また、集合体をパワーモジュールの直近に配設できることにより配線インダクタンスが減少してノイズ低減が効果的に行えるという優れた効果を奏する。

請求項２に記載の発明は、前記Ｐ端子及び前記Ｎ端子が、前記パワーモジュールの外側面に沿うように設けられることを特徴とする。

この構成によれば、高さの低い集合体をパワーモジュールのＰ端子及びＮ端子に取り付けたとき、パワーモジュールの側面からの突出寸法が小さくなって、省スペース化に有効となる。

請求項３に記載の発明は、前記集合体が、前記放電抵抗の両端部に前記Ｙコンデンサを設け、前記放電抵抗及び前記Ｙコンデンサ双方の両端面に前記Ｐ端子及び前記Ｎ端子に接続される端子をそれぞれ立設させた形態であることを特徴とする。

この構成によれば、簡易かつ低コストに集合体を形成することができる。

請求項４に記載の発明は、前記集合体が、前記放電抵抗の両端部に前記Ｙコンデンサを設け、前記放電抵抗の前記Ｙコンデンサが設けられた面と直交する両面の前記両Ｙコンデンサが設けられた方向のそれぞれ相反する外方向へ、前記Ｐ端子及び前記Ｎ端子にそれぞれ接続される端子を前記放電抵抗及び前記Ｙコンデンサ双方の両端面縁部に立設させた形態であることを特徴とする。

この構成によれば、パワーモジュールのＰ端子とＮ端子との距離を短くすることに対応して集合体内の導体距離も短くなり配線インダクタンスが減少するので、ノイズが低減する。

請求項５に記載の発明は、前記集合体が、前記放電抵抗と前記Ｙコンデンサを一のプリント基板上に設けた形態であることを特徴とする。

この構成によれば、表面実装部品を採用できるので、放電およびノイズ低減装置の小型軽量化を図ることができる。

請求項６に記載の発明は、前記集合体が、三相の各相毎に設けた前記Ｐ端子及び前記Ｎ端子に対応する接続部を有することを特徴とする。

この構成によれば、放電抵抗とＹコンデンサを各相に分散して配置することができるので、放熱を促進させることができるとともに、Ｙコンデンサを各アーム直近に配置することができるので、Ｙコンデンサがスナバコンデンサとして機能しサージ電圧を吸収することができる。また、放電抵抗がＹコンデンサに近接することにより、放電抵抗はノイズ成分を減衰するという効果も生ずる。

請求項７に記載の発明は、前記プリント基板が、多層構造であることを特徴とする。

この構成によれば、プリント基板の板厚が増すことにより、熱容量と熱伝導性が良好となって、放電抵抗の発熱量を効率的にバスバーへ伝導させるため、冷却効果を向上させることができる。

請求項８に記載の発明は、前記プリント基板が、基板裏面にも部品を実装することを特徴とする。

この構成によれば、部品配置の制約が減少して小型化が可能になるとともに、部品をバスバーの近傍に配置可能となって冷却効率が向上する。

本発明の放電およびノイズ低減装置（集合体）を備えた電力変換装置の一実施形態を示す縦断面構成図である。 集合体のＰ端子及びＮ端子への取り付け状況を示す平面構成図である。 集合体の他の取り付け状況を示す縦断面構成図である。 集合体を備えた電力変換装置の概要回路構成を示す回路ブロック図である。 集合体の第１態様を示す斜視図である。 集合体の第２態様をその取り付け状況とともに示す斜視図である。 集合体の第３態様をその取り付け状況とともに示す平面図である。 集合体の第４態様をその取り付け状況とともに示す平面図と斜視図である。

以下、本発明を具体化した一実施形態として、電力変換装置１とそれに設けられている集合体４について、図１から図８までを参照しつつ説明する。

直流電源５は、電力変換装置１の外部に設けられた蓄電池やＤＣ−ＤＣコンバータの出力等の直流電源である。直流電源５の正負両極端子からバスバー等の導電体が、電力変換装置１内部のパワーモジュール１２のＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂまでそれぞれ延設され接続されている。パワーモジュール１２のＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂまでの導電体には、平滑コンデンサ６が接続されている。

パワーモジュール１２は、Ｐ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂから延長された両バスバー１７間に接続され三相交流の各相毎に二個直列接続されたスイッチング素子７を有する。スイッチング素子７は冷却器１３に密着して取り付けられ、バスバー１７も冷却器の近傍に敷設されるので、両者は良好に冷却される。各スイッチング素子７には、フリーホイールダイオード８が並列に接続されている。フリーホイールダイオード８は、スイッチング時に発生する負荷のインダクタンスによるサージ電流を還流させてスイッチング素子７を保護するものである。スイッチング素子７は、そのゲートが制御回路部９に接続されており、制御回路部９からの信号によりスイッチングが制御される。スイッチング素子７の各相毎に直列に接続された接続点から取り出された三相交流の各相の出力は、交流負荷１０である駆動モータ等に供給される。

このように、パワーモジュール１２は、その外側部の直近に設けた一対のＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂと、Ｐ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂから内部に導通して設けた一対のバスバー１７と、そのバスバー１７に接続された六個又はその倍数のスイッチング素子７と、六個のフリーホイールダイオード８と、一個の冷却器１３と、交流出力のバスバーとで構成されている。

集合体４は、平滑コンデンサ６の残留電荷を放電する放電抵抗２と、スイッチング素子７のスイッチングにより発生したノイズを低減させるＹコンデンサ３とを同一ユニットに纏めたものである。

集合体４はＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂに架設するので、集合体４の発熱量は、図１に破線の矢印で示すように、Ｐ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂからバスバー１７を経由して冷却器１３まで熱伝導する。そのため、集合体４は、冷却器を備えずとも良好に冷却可能となる。また、集合体４をパワーモジュール１２の直近に設けることができるので、配線インダクタンス低減に伴う効率的なノイズ低減が可能となる。

パワーモジュール１２のＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂは集合体４を取り付け可能であれば、端子の引き出し方向に制限はなく、図３に示すように、パワーモジュール１２の外側面に沿うように屈曲したＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂに設けてもよい。この場合には、省スペース化が可能になる。

次に、集合体４の種々の態様に関して、図５から図８に基づいて説明する。

集合体４の第１態様を図５に示す。Ｙコンデンサ３は、放電抵抗２の両端部にそれぞれ設けられる。Ｐ端子１４及びＮ端子１５は、併設された放電抵抗２とＹコンデンサ３の両端面に渡設して接続され、放電抵抗２とＹコンデンサ３の両端面に立設される。ＧＮＤ端子１６は、二個のＹコンデンサ３の間に設けられる。Ｐ端子１４、Ｎ端子１５、ＧＮＤ端子１６、放電抵抗２及びＹコンデンサ３相互間の接続は、部材同士の直接接続か又は導電体を介して行う。このように接続されたものは、Ｐ端子１４、Ｎ端子１５及びＧＮＤ端子１６を除いて樹脂等で封止され集合体４となる。Ｐ端子１４及びＮ端子１５はパワーモジュール１２のＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂにそれぞれ螺子等により締めつけて取り付けられる。また、ＧＮＤ端子１６はアースに取り付けられる。

集合体４の第２態様を図６（ａ）に示す。Ｙコンデンサ３は、放電抵抗２の両端部にそれぞれ設けられる。集合体４は、放電抵抗２のＹコンデンサ３が設けられた面と直交する両面の両Ｙコンデンサ３が設けられた方向のそれぞれ相反する外方向へ、パワーモジュール１２のＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂにそれぞれ接続されるＰ端子１４及びＮ端子１５を放電抵抗２及びＹコンデンサ３双方の両端面縁部に立設させた形態を有する。ＧＮＤ端子１６は、二個のＹコンデンサ３の間に設けられる。Ｐ端子１４、Ｎ端子１５、ＧＮＤ端子１６、放電抵抗２及びＹコンデンサ３相互間の接続は、部材同士の直接接続か又は導電体を介して行う。このように接続されたものは、Ｐ端子１４、Ｎ端子１５及びＧＮＤ端子１６を除いて絶縁材２０で封止され集合体４となる。図６（ｂ）に示すように、Ｐ端子１４及びＮ端子１５はパワーモジュール１２のＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂにそれぞれ接触するように取り付けられる。ＧＮＤ端子１６はアースに接触する。

集合体４の第３態様を図７（ａ）に示す。この集合体４は、単一のプリント基板１８ａ上に設けた配線パターンに表面実装部品の放電抵抗２及びＹコンデンサ３を実装して成るものである。プリント基板１８ａは、単層又は多層であり、片面実装であっても、両面実装であってもよい。プリント基板１８ａが多層であるときは、基板の厚さが厚くなって放電抵抗２の発熱量を効率的にバスバー１７へ移動させることができる。図７（ｂ）に示すように、Ｐ端子１４及びＮ端子１５はパワーモジュール１２のＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂにそれぞれ螺子１９により締めつけて取り付けられる。また、ＧＮＤ端子１６はアース端子に螺着される。

集合体４の第４態様を図８（ａ）に示す。この集合体４は、単一のプリント基板１８ｂ上に設けた配線パターンに表面実装部品の放電抵抗２及びＹコンデンサ３を実装して成るものである。プリント基板１８ｂは、三相の各相毎に設けたパワーモジュール１２のＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂに対応する接続部であるＰ端子１４、Ｎ端子１５及びＧＮＤ端子１６の組を三組有している。放電抵抗２及びＹコンデンサ３は、三相の各相毎に分散して各相のＰ端子１４、Ｎ端子１５及びＧＮＤ端子１６の直近に設けられる。プリント基板１８ｂは、単層又は多層であり、片面実装であっても、両面実装であってもよい。プリント基板１８ｂが多層であるときは、基板の厚さが厚くなって放電抵抗２の発熱量を効率的にバスバー１７へ移動させることができる。図８（ｂ）に示すように、各相のＰ端子１４及び各相のＮ端子１５はパワーモジュール１２の対応する各相のＰ端子１１ａ及び各相のＮ端子１１ｂにそれぞれ螺子１９により締めつけて取り付けられる。また、ＧＮＤ端子１６はアース端子に螺着される。

以上詳述したことから明らかなように、本実施形態の電力変換装置の放電およびノイズ低減装置によれば、平滑コンデンサ６の残留電荷を放電する放電抵抗２と、スイッチング素子７のスイッチングにより発生したノイズを低減させるＹコンデンサ３とを同一ユニットにした集合体４を、スイッチング素子７が収納され冷却体１３を有するパワーモジュール１２の外側部に設けられスイッチング素子７とバスバー１７を介して接続されるＰ端子１１ａ及びＮ端子１１ｂに取り付けるので、放電抵抗２及びＹコンデンサ３の発熱量をバスバー１７に熱伝導させて冷却器１３から効果的に放熱させることができる。そのため、放電抵抗用の冷却器が不要となり電力変換装置１を小型化することができるという優れた効果を奏する。また、集合体４をパワーモジュール１２の直近に配設できることにより配線インダクタンスが減少してノイズ低減が効果的に行えるという優れた効果を奏する。

尚、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々に変更を施すことが可能である。

１ 電力変換装置
２ 放電抵抗
３ Ｙコンデンサ
４ 集合体
５ 直流電源
６ 平滑コンデンサ
７ スイッチング素子
８ フリーホイールダイオード
９ 制御回路部
１０ 交流負荷
１１ａ Ｐ端子
１１ｂ Ｎ端子
１２ パワーモジュール
１６ ＧＮＤ端子
１８ａ，１８ｂ プリント基板

Claims (8)

1. 直流電源の正負両極間に接続される平滑コンデンサと、直流電源の正負両極間に三相交流の各相毎に直列接続されるスイッチング素子とを備え、前記直流電源の直流電力を交流電力に変換して交流負荷に給電する電力変換装置において、
   前記平滑コンデンサの残留電荷を放電する放電抵抗と、前記スイッチング素子のスイッチングにより発生したノイズを低減させるＹコンデンサとを同一ユニットの集合体になし、
   前記スイッチング素子が収納され冷却体を有するパワーモジュールのバスバーを介して接続されるＰ端子及びＮ端子に前記集合体を取り付けることを特徴とする電力変換装置の放電およびノイズ低減装置。
2. 前記Ｐ端子及び前記Ｎ端子は、前記パワーモジュールの外側面に沿うように設けられることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の放電およびノイズ低減装置。
3. 前記集合体は、前記放電抵抗の両端部にＧＮＤ端子を介して前記Ｙコンデンサを設け、前記放電抵抗及び前記Ｙコンデンサ双方の両端面に前記Ｐ端子及び前記Ｎ端子に接続される端子をそれぞれ立設させた形態であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置の放電およびノイズ低減装置。
4. 前記集合体は、前記放電抵抗の両端部にＧＮＤ端子を介して前記Ｙコンデンサを設け、前記放電抵抗の前記Ｙコンデンサが設けられた面と直交する両面の前記両Ｙコンデンサが設けられた方向のそれぞれ相反する外方向へ、前記Ｐ端子及び前記Ｎ端子にそれぞれ接続される端子を前記放電抵抗及び前記Ｙコンデンサ双方の両端面縁部に立設させた形態であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置の放電およびノイズ低減装置。
5. 前記集合体は、前記放電抵抗と前記Ｙコンデンサを一のプリント基板上に設けた形態であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置の放電およびノイズ低減装置。
6. 前記集合体は、三相の各相毎に設けた前記Ｐ端子及び前記Ｎ端子に対応する接続部を有することを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置の放電およびノイズ低減装置。
7. 前記プリント基板は、多層構造であることを特徴とする請求項５又は６に記載の電力変換装置の放電およびノイズ低減装置。
8. 前記プリント基板は、基板裏面にも部品を実装することを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の電力変換装置の放電およびノイズ低減装置。

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