特開 2024-129187 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024129187

(43)【公開日】2024-09-27

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240919BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023038217

(22)【出願日】2023-03-13

(71)【出願人】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】秋山 浩慶

(72)【発明者】

【氏名】徳永 翔平

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA24

5H770BA01

5H770DA03

5H770DA41

5H770FA13

5H770HA02Y

5H770QA06

5H770QA12

5H770QA16

5H770QA22

(57)【要約】

【課題】コンデンサを備えた電力変換装置において、工数を削減して組み立てを容易にする。
【解決手段】電力変換装置は、直流電圧を平滑化するコンデンサＣと、コンデンサＣに接続されたパワーモジュール１と、コンデンサＣとパワーモジュール１とを接続し、コンデンサＣ上で平行に沿うように配置されたＰ導体６およびＮ導体７と、を備える。コンデンサＣの接続部９ａはプレスフィット形状またはスナップフィット形状とする。Ｐ導体６およびＮ導体７にはコンデンサＣの接続部９ａに係合し電気的に接続される孔６ｃ、７ｃが形成される。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電圧を平滑化するコンデンサと、
前記コンデンサに接続されたパワーモジュールと、
前記コンデンサと前記パワーモジュールとを接続し、前記コンデンサ上で平行に沿うように配置されたＰ導体およびＮ導体と、
を備え、
前記コンデンサの接続部はプレスフィット形状またはスナップフィット形状とし、
前記Ｐ導体および前記Ｎ導体には前記コンデンサの前記接続部に係合し電気的に接続される孔が形成されたことを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記Ｐ導体と前記Ｎ導体のうち前記コンデンサに近い位置に配置された方には、前記Ｐ導体と前記Ｎ導体のうち前記コンデンサから遠い位置に配置された方と接続される前記コンデンサの前記接続部が貫通する切り欠きが形成されたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記コンデンサの前記接続部と前記Ｐ導体、前記Ｎ導体の係合箇所を半田で固定したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記パワーモジュールの４つの辺のうち前記パワーモジュールのＰ端子およびＮ端子に近い辺側に前記コンデンサをＩ（Ｉ：自然数）個配置した列をＪ（Ｊ：自然数）列配列したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記パワーモジュールは、前記Ｐ導体と接続される３つのスイッチング素子と前記Ｎ導体と接続される３つのスイッチング素子と、を備え、
前記コンデンサは３Ｊ個有し、
前記パワーモジュールの４つの辺のうち前記パワーモジュールの前記Ｐ端子および前記Ｎ端子に近い辺側に前記コンデンサを３個配置した列をＪ列配列したことを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。

【請求項6】

複数個の前記コンデンサを有し、
前記コンデンサのうち少なくとも１個は前記パワーモジュールの４つの辺のうち前記パワーモジュールのＰ端子およびＮ端子に近い辺側に配置し、
前記コンデンサのうち少なくとも１個は前記パワーモジュールの４つの辺のうち前記パワーモジュールの前記Ｐ端子および前記Ｎ端子に近い辺の隣の辺側に配置したことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、コンデンサを備えた電力変換装置の組立技術に関する。

【背景技術】

【0002】

図１に代表的な電力変換装置であるインバータユニットの回路図を示す。図１の左側のＰ端子、Ｎ端子は、バッテリやダイオード整流器などの直流電源と接続される。

【0003】

ＤＣリンク電圧を平滑する役目を担うコンデンサは、図１に示すようにインバータユニットのＰ端子およびＮ端子に接続される。

【0004】

従来のコンデンサの構成を図１１に示す。コンデンサは、ケース３内で複数のコンデンサ素子Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３とＰ端子のバスバー４、Ｎ端子のバスバー５が電気的に接続され、エポキシ等の樹脂で封止して一体構成としたものが広く用いられている。

【0005】

このコンデンサの先行技術文献として、特許文献１が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１４－７９０３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従来のコンデンサは、ケース内でコンデンサ素子とＰ端子バスバー、Ｎ端子バスバーを接続し樹脂で封止するため、工数が多く組み立てが容易ではなかった。

【0008】

また、コンデンサは、装置に合わせた形状、端子位置等の制約があることが多く、基本的にコンデンサは専用パッケージとなり拡張性に乏しい構成であった。

【0009】

以上示したようなことから、コンデンサを備えた電力変換装置において、工数を削減して組み立てを容易とすることが課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、直流電圧を平滑化するコンデンサと、前記コンデンサに接続されたパワーモジュールと、前記コンデンサと前記パワーモジュールとを接続し、前記コンデンサ上で平行に沿うように配置されたＰ導体およびＮ導体と、を備え、前記コンデンサの接続部はプレスフィット形状またはスナップフィット形状とし、前記Ｐ導体および前記Ｎ導体には前記コンデンサの前記接続部に係合し電気的に接続される孔が形成されたことを特徴とする。

【0011】

また、その一態様として、前記Ｐ導体と前記Ｎ導体のうち前記コンデンサに近い位置に配置された方には、前記Ｐ導体と前記Ｎ導体のうち前記コンデンサから遠い位置に配置された方と接続される前記コンデンサの前記接続部が貫通する切り欠きが形成されたことを特徴とする。

【0012】

また、その一態様として、前記コンデンサの前記接続部と前記Ｐ導体、前記Ｎ導体の係合箇所を半田で固定したことを特徴とする。

【0013】

また、その一態様として、前記パワーモジュールの４つの辺のうち前記パワーモジュールのＰ端子およびＮ端子に近い辺側に前記コンデンサをＩ（Ｉ：自然数）個配置した列をＪ（Ｊ：自然数）列配列したことを特徴とする。

【0014】

また、その一態様として、前記パワーモジュールは、前記Ｐ導体と接続される３つのスイッチング素子と前記Ｎ導体と接続される３つのスイッチング素子と、を備え、前記コンデンサは３Ｊ個有し、前記パワーモジュールの４つの辺のうち前記パワーモジュールの前記Ｐ端子および前記Ｎ端子に近い辺側に前記コンデンサを３個配置した列をＪ列配列したことを特徴とする。

【0015】

また、その一態様として、複数個の前記コンデンサを有し、前記コンデンサのうち少なくとも１個は前記パワーモジュールの４つの辺のうち前記パワーモジュールのＰ端子およびＮ端子に近い辺側に配置し、前記コンデンサのうち少なくとも１個は前記パワーモジュールの４つの辺のうち前記パワーモジュールの前記Ｐ端子および前記Ｎ端子に近い辺の隣の辺側に配置したことを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、コンデンサを備えた電力変換装置において、工数を削減して組み立てを容易とすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】インバータユニットを示す回路図。

【図2】実施形態１における電力変換装置を示す斜視図。

【図3】実施形態１におけるコンデンサを示す斜視図。

【図4】実施形態１におけるコンデンサとＰ導体、Ｎ導体の接続箇所を示す拡大図。

【図5】実施形態１におけるコンデンサとＰ導体と絶縁部材とＮ導体を示す分解斜視図。

【図6】実施形態２におけるコンデンサを示す斜視図。

【図7】実施形態２におけるコンデンサの接続部とＰ導体、Ｎ導体の接続構造を示す説明図。

【図8】実施形態３における電力変換装置を示す斜視図。

【図9】実施形態３におけるパワーモジュールとコンデンサを示す斜視図。

【図10】実施形態４におけるパワーモジュールとコンデンサを示す斜視図。

【図11】従来のコンデンサの一例を示す斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本願発明における電力変換装置の実施形態１～４を図１～図１０に基づいて詳述する。

【0019】

［実施形態１］
図１に、電力変換装置の一例としてインバータユニットの電気回路図を示す。以下、実施形態１～４では電力変換装置をインバータユニットと称する。図１に示すように、Ｐ端子とＮ端子との間にコンデンサ（例えばフィルムコンデンサ）Ｃが接続される。また、Ｐ端子とＮ端子との間にスイッチング素子Ｓｕ，Ｓｘ、スイッチング素子Ｓｖ，Ｓｙ、スイッチング素子Ｓｗ，Ｓｚが直列接続される。スイッチング素子は例えばＩＧＢＴであり、スイッチング素子Ｓｕ～Ｓｚで逆変換器（ＩＧＢＴパッケージ）１を構成している。

【0020】

逆変換器１の交流側（スイッチング素子Ｓｕ，Ｓｘの接続点、スイッチング素子Ｓｖ，Ｓｙの接続点、スイッチング素子Ｓｗ，Ｓｚの接続点）にはモータＭが接続される。また、逆変換器１とモータＭとの間には電流センサ２が設けられている。

【0021】

コンデンサＣはＤＣリンク電圧を平滑する役目を担う。また、コンデンサＣに対して並列に放電抵抗Ｒが接続される。放電抵抗Ｒは、インバータユニットの入力電源オフ時にコンデンサＣの電荷を放電させるために設けられている。これにより感電事故を防止している。

【0022】

本実施形態１におけるインバータユニットのコンデンサおよびＰ導体、Ｎ導体の構成を図２～図５に示す。図２はインバータユニットの斜視図を示し、図３はコンデンサの斜視図を示し、図４はコンデンサとＰ導体、Ｎ導体の接続箇所の拡大図を示し、図５はコンデンサ、Ｐ導体、絶縁部材、Ｎ導体の分解斜視図を示す。

【0023】

なお、図２のパワーモジュール１は図１のＩＧＢＴパッケージ１に相当し、各相のＩＧＢＴ（スイッチング素子Ｓｕ～Ｓｚ）が６個搭載されている。

【0024】

図２～図５に示すように、パワーモジュール１の隣（パワーモジュール１の４つの辺のうちパワーモジュール１のＰ端子１０、Ｎ端子１０に近い辺の隣）にはコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３が配置される。コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の上にはＮ導体７、絶縁部材（絶縁紙または樹脂）８、Ｐ導体６が沿うように平行に配置される。

【0025】

図３に示すように、コンデンサＣの上部にはＰ導体６、Ｎ導体７との接続部９ａが設けられる。１つのコンデンサＣに対して２つの接続部９ａが設けられているが、１つはＰ導体６との接続部であり、もう一つはＮ導体７との接続部である。接続部９ａはいわゆるプレスフィット形状となっている。具体的に、接続部９ａには後述するＰ導体６、Ｎ導体７の丸孔６ａ、７ａに挿入された際に弾性変形する弾性部が形成されている。

【0026】

図５に示すように、Ｐ導体６は平板状に形成され、丸孔６ａと切り欠き６ｂが形成される。Ｎ導体７は平板状に形成され、丸孔７ａと切り欠き７ｂが形成される。絶縁部材８は、平板状に形成され、切り欠き８ａが形成される。

【0027】

また、図２～図５ではコンデンサＣ１～Ｃ３の３個の例を示しているが、必要な容量に合わせてコンデンサＣの数を増加させることが可能である。インバータユニットでは、負荷が大きくなるほど直流電圧を平滑にするためのコンデンサ容量を大きくする必要がある。１個あたり同容量のコンデンサをＮ（Ｎ：自然数）個並列接続すれば、コンデンサ総容量はＮ倍となる。そのため、大容量インバータほど多数のコンデンサＣを用いることが多くなる。

【0028】

以下、コンデンサＣとＰ導体６、Ｎ導体７の組立方法について説明する。

【0029】

図５に示すように、コンデンサＣ１～Ｃ３の上部にＮ導体７が載置され、コンデンサＣ１～Ｃ３の一方の接続部９ａとＮ導体７の丸孔７ａが接続される。コンデンサＣ１～Ｃ３の他方の接続部９ａはＮ導体７の切り欠き７ｂを貫通する。

【0030】

Ｎ導体７の上に絶縁部材８が載置される。コンデンサＣ１～Ｃ３の接続部９ａは絶縁部材８の切り欠き８ａ内を貫通する。

【0031】

絶縁部材８の上にＰ導体６が載置される。コンデンサＣ１～Ｃ３の一方の接続部９ａはＰ導体６の切り欠き６ｂを貫通する。コンデンサＣ１～Ｃ３の他方の接続部９ａはＰ導体６の丸孔６ａに接続される。

【0032】

本実施形態１はコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の接続部９ａの端子形状がいわゆるプレスフィット式となった構成である。接続部９ａに弾性部が形成されているため、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３の接続部９ａをＰ導体６、Ｎ導体７の丸孔６ａ、７ａに挿入すると、接続部９ａの弾性部の弾性変形によって発生する復元力により接続部９ａと丸孔６ａ、７ａが係合して電気的に接続される。このように、コンデンサＣ１～Ｃ３にＰ導体６、Ｎ導体７をワンタッチで取り付けることが可能となり、インバータユニットの組み立てが容易となる。また、コンデンサＣの接続部９ａとＰ導体６、Ｎ導体７の係合箇所を半田付け等により固定して強固にすることも可能である。

【0033】

なお、図２～図５では、プレスフィット式の接続構造の一例について説明したが、いわゆるプレスフィット式であれば他の接続構造でもよい。

【0034】

以上示したように、本実施形態１によれば、コンデンサＣの接続部９ａとＰ導体６、Ｎ導体７の接続をプレスフィット式とすることにより、ワンタッチで取り付けることが可能となり工数が削減されインバータユニットの組み立てが容易となる。また、設計、製作期間を短縮することが可能となる。

【0035】

また、Ｐ導体６、Ｎ導体７は図２、図４、図５に示すように平行に沿わせる配置をとることで、スイッチング素子Ｓｕ～Ｓｚのターンオフ時に発生するサージ電圧を低減する効果が得られる。

【0036】

また、Ｐ導体６、Ｎ導体７に切り欠き６ｂ、７ｂを形成して絶縁距離を確保し、切り欠き６ｂ、７ｂで絶縁距離を確保できない部分は絶縁部材８を利用することによりＰ導体６とＮ導体７間の絶縁を確保することが可能となる。

【0037】

さらに、切り欠き６ｂ、７ｂを形成することにより、他方の導体の丸孔（６ａまたは７ａ）とコンデンサＣの接続部９ａの接続部分が容易に視認できるようになるため、組立性が向上する。Ｐ導体６、Ｎ導体７、絶縁部材８を一体化することでさらなる作業性の向上が図れる。よって、組み立て作業の工数を低減できる。

【0038】

なお、本実施形態１では、Ｎ導体７をコンデンサＣに近い位置、Ｐ導体６をＮ導体７よりもコンデンサＣから遠い位置に配置しているが、Ｐ導体６、Ｎ導体７の位置は逆でもよい。Ｐ導体６とＮ導体７のうちコンデンサＣに近い位置に配置された方には、Ｐ導体６とＮ導体７のうちコンデンサＣから遠い位置に配置された方と接続されるコンデンサＣの接続部９ａと接触しないように切り欠き６ｂまたは７ｂが形成される。

【0039】

［実施形態２］
実施形態１では図６（ａ）に示すようにコンデンサＣの接続部９ａをいわゆるプレスフィット形状としたが、本実施形態２は図６（ｂ）に示すようにコンデンサＣの接続部９ｂをいわゆるスナップフィット形状としたものである。接続部９ｂは先端の両側に凸部（保持部）が形成される。

【0040】

また、実施形態１ではＰ導体６、Ｎ導体７に丸孔６ａ、７ａが形成されていたが、本実施形態２では図７に示すようにＰ導体６、Ｎ導体７にコンデンサＣの接続部９ｂの形状に合わせた長孔６ｃ（図示省略）、７ｃが形成される。

【0041】

図７（ａ）に示すように、コンデンサＣ１～Ｃ３の接続部９ｂをＮ導体７に設けた長孔７ｃに挿入すると、接続部９ｂの先端の凸部が長孔７ｃの縁に接触して内側に撓む。最後まで接続部９ｂを挿入すると、接続部９ｂの先端は内側に撓んだ状態から弾性力により元に戻り、図７（ｂ）、図７（ｃ）に示すように、接続部９ｂの先端の凸部（保持部）がＮ導体７の長孔７ｃに係止される。Ｐ導体６の長孔６ｃも同様である。すなわち、接続部９ｂが長孔６ｃ、７ｃに係合し電気的に接続される。このように、コンデンサＣ１～Ｃ３にＰ導体６とＮ導体７をワンタッチで取り付けることが可能となり、インバータユニットの組立性が向上する。

【0042】

なお、図６、図７では、スナップフィット式の接続構造の一例について説明したが、いわゆるスナップフィット式であれば他の接続構造でもよい。

【0043】

以上示したように、本実施形態２によれば、実施形態１と同様の作用効果を奏する。

【0044】

［実施形態３］
本実施形態３は、実施形態１及び実施形態２の構成において、図８、図９に示すようにコンデンサＣの数量を増加した構成である。例としてコンデンサＣの数量を６個としたが、数量はその限りでは無く必要な容量に合わせて増減可能である。

【0045】

図９に示すように、パワーモジュール１の４つの辺のうちパワーモジュール１のＰ端子１０、Ｎ端子１０に近い辺（以下、長辺と称する）側にコンデンサＣをＩ（Ｉ：自然数）個配置した列をＪ（Ｊ：自然数）列配列する。

【0046】

本実施形態３では、パワーモジュール１は、Ｐ導体６と接続される３つのスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｖ、ＳｗとＮ導体７と接続される３つのスイッチング素子Ｓｘ、Ｓｙ、Ｓｚと、を備える。図８、図９に示すように、パワーモジュール１の長辺側の隣にコンデンサＣをＩ＝３個配置した列をＪ＝２列配列する。コンデンサＣはＩ（＝３）×Ｊ（＝２）で６個となる。

【0047】

なお、図８、図９では、一列当たりのコンデンサの個数をＩ＝３個とし、列数をＪ＝２として配置した例を示したが、一列当たりのコンデンサＣの個数（Ｉ）、列数（Ｊ）は適宜変更してよい。一列当たりのコンデンサＣの個数（Ｉ）、列数（Ｊ）はパワーモジュール１およびコンデンサＣの寸法やコンデンサＣの容量等により設定されるものである。また、コンデンサＣとＰ導体６、Ｎ導体７の接続方法は実施形態１、２どちらも適用可能である。

【0048】

以上示したように、本実施形態３によれば、実施形態１，２と同様の作用効果を奏する。また、構成を単純化することでコンデンサの容量拡大・容量縮小といった容量の拡張性の向上を図ることが可能となり、電力変換装置の容量別のシリーズ化が容易となる。

【0049】

また、パワーモジュール１のＰ端子１０、Ｎ端子１０に近い辺側に複数のコンデンサを集中させている。この構成によって、コンデンサＣの接続部９ａとパワーモジュール１のＰ端子１０、Ｎ端子１０とを接続するＰ導体６、Ｎ導体７の距離を低減できる。これにより両者間のインダクタンスが低減でき、スイッチング素子のターンオフ時のサージ電圧を低減できるため、スイッチング素子の過電圧破壊が起こりにくくなる。

【0050】

［実施形態４］
実施形態１～実施形態３の構成において、スペースに対してコンデンサＣの配置を変更することで、デッドスペースを無くすことができる。

【0051】

図１０に示すように、本実施形態４は、複数個のコンデンサＣを有する。コンデンサＣのうち少なくとも１個はパワーモジュール１の長辺側に配置する。コンデンサＣのうち少なくとも１個はパワーモジュール１の長辺の隣の辺（以下、短辺と称する）側に配置する。

【0052】

パワーモジュール１の短辺側にコンデンサＣをＫ（Ｋ：自然数）個配置した列をＬ（Ｌ：自然数）列配列する。パワーモジュール１の短辺側に配置されたコンデンサおよび長辺側にコンデンサＣをＩ（Ｉ：自然数）個配置した列をＪ（Ｊ：自然数）列配列する。

【0053】

図１０では、パワーモジュール１の短辺側にコンデンサＣをＫ＝１個配置した列をＬ＝１列配列する。また、パワーモジュール１の短辺側に配置されたコンデンサＣおよび長辺側にコンデンサＣをＩ＝４個配置した列をＪ＝１列配列する。

【0054】

なお、図１０では、短辺側の一列当たりのコンデンサＣの個数をＫ＝１個、短辺側の列数をＬ＝１、長辺側の一列当たりのコンデンサＣの個数をＩ＝４個、長辺側の列数をＪ＝１として配置した例を示したが、短辺側の一列当たりのコンデンサＣの個数（Ｋ）、短辺側の列数（Ｌ）、長辺側の一列当たりのコンデンサＣの個数（Ｉ）、長辺側の列数（Ｊ）は適宜変更してよい。短辺側の一列当たりのコンデンサＣの個数（Ｋ）、短辺側の列数（Ｌ）、長辺側の一列当たりのコンデンサＣの個数（Ｉ）、長辺側の列数（Ｊ）はパワーモジュール１およびコンデンサＣの寸法やコンデンサＣの容量等により設定されるものである。また、コンデンサＣとＰ導体６、Ｎ導体７の接続方法は実施形態１、２どちらも適用可能である。

【0055】

以上示したように、本実施形態４によれば、実施形態１～３と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態４によれば、コンデンサの容量の拡張性向上、省スペース化を図ることが可能となる。

【0056】

なお、本発明は、インバータに限らず、直流平滑コンデンサとパワーモジュールを備える電力変換装置全般（コンバータ、チョッパ）に適用可能な技術である。

【0057】

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

【符号の説明】

【0058】

１…パワーモジュール（ＩＧＢＴパッケージ）
２…電流センサ
Ｍ…モータ
Ｓｕ～Ｓｚ…スイッチング素子
３…ケース
Ｃ、Ｃ１～Ｃ３…コンデンサ
４…Ｐ端子のバスバー
５…Ｎ端子のバスバー
６…Ｐ導体
６ａ…丸孔（孔）
６ｂ…切り欠き
７…Ｎ導体
７ａ…丸孔（孔）
７ｂ…切り欠き
８…絶縁部材
８ａ…切り欠き
９ａ、９ｂ…接続部
１０…パワーモジュールのＰ端子、Ｎ端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】