7643497 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-03-03

(45)【発行日】2025-03-11

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20250304BHJP

   H01G 2/08 20060101ALI20250304BHJP

   H01G 2/10 20060101ALI20250304BHJP

   H01G 4/224 20060101ALI20250304BHJP

   H01G 4/32 20060101ALI20250304BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 Z

H01G2/08 A

H01G2/10 A

H01G2/10 C

H01G4/32 301F

H01G4/32 540

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023142648

(22)【出願日】2023-09-04

【審査請求日】2024-09-04

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【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】遠藤 優

(72)【発明者】

【氏名】秋山 浩慶

(72)【発明者】

【氏名】徳永 翔平

【審査官】尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２３－００３９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１２６６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１１００２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４２－ ７／９８

Ｈ０１Ｇ ２／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平滑用のコンデンサを備えた電力変換装置であって、
前記コンデンサは、
コンデンサ素子と、
前記コンデンサ素子を収納する金属製のコンデンサケースと、
前記コンデンサケースの内側に充填される樹脂と、を備え、
前記コンデンサケースを成形する板金は、前記コンデンサケースの内面側にプラスチックフィルムを貼り付けた金属樹脂複合板金であることを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記電力変換装置の筐体、または、前記電力変換装置の前記筐体に取り付けられたヒートシンクに、前記コンデンサを熱伝導性接着剤によって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3】

前記電力変換装置の前記筐体、または、前記ヒートシンクに冷媒が流通する流路が形成されていることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記コンデンサケースの材質はアルミニウムである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、電力変換装置におけるコンデンサの構成に関する。

【背景技術】

【0002】

図１は一般的な電力変換装置の一例としてのインバータユニットの回路構成を示し、図２は従来のインバータユニットの構成を示す。

【0003】

インバータユニット１０において、ＤＣリンク電圧を平滑する役目を担うコンデンサＣは、常時電流が流れるため発熱部品となる。そのため、コンデンサＣの冷却が必要となる。

【0004】

図２は、水冷でインバータユニット１０内のパワー半導体（ＩＧＢＴパッケージ）１とコンデンサＣを冷却する構造の一例である。これ以外にも自冷フィンや風冷フィンに発熱部品をとりつけて冷却する構造もある。これらの構造の先行技術として、特許文献１が開示されている。

【0005】

既存の構成では、図２に示すように、コンデンサＣの底面（場合によっては上面）に配置した熱伝導シート３を介しインバータユニット１０の筐体４と接するように配置することにより冷却を実現していた。

【0006】

一方、重量センサ用コンデンサにアルミニウム樹脂複合パネルを用いる先行技術として、特許文献２が開示されている。ただし、特許文献２には、重量センサ用コンデンサに所定量以上の電流が流れて発熱をすることと特許文献２の構成が冷却効果を備えていることについては、記載されていない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０２１－１９７８３８号公報

【文献】特開２０１１－２２１２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかし、コンデンサＣの実際の発熱部はモールドされたコンデンサＣの内部（コンデンサ素子や内部導体）である。コンデンサＣの内部で発生した熱は樹脂モールド→コンデンサＣのケース→熱伝導シート３→インバータユニット１０の筐体４→流路５を介して放熱しているため十分な冷却性能が得られない。

【0009】

インバータユニット１０の小型化（高出力密度）実現において、個々のアイテムのダウンサイジング及び発熱が課題となる。コンデンサＣは、インバータユニット１０内でも大型部品であるため（図１の電気回路内に示す電気部品の中で、最も体積が大きいことが多い）、このコンデンサＣの発熱がネックとなっていた。

【0010】

以上示したようなことから、電力変換装置において、コンデンサの冷却効率を向上させることが課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0011】

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、平滑用のコンデンサを備えた電力変換装置であって、前記コンデンサは、コンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を収納する金属製のコンデンサケースと、前記コンデンサケースの内側に充填される樹脂と、を備え、前記コンデンサケースを成形する板金は、前記コンデンサケースの内面側にプラスチックフィルムを貼り付けた金属樹脂複合板金であることを特徴とする。

【0012】

また、その一態様として、前記電力変換装置の筐体、または、前記電力変換装置の前記筐体に取り付けられたヒートシンクに、前記コンデンサを熱伝導性接着剤によって固定したことを特徴とする。

【0013】

また、その一態様として、前記電力変換装置の前記筐体、または、前記ヒートシンクに冷媒が流通する流路が形成されていることを特徴とする。

【0014】

また、一態様として、前記コンデンサケースの材質はアルミニウムであることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、電力変換装置において、コンデンサの冷却効率を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】一般的な電力変換装置の回路構成を示す図。

【図2】従来の電力変換装置の構成を示す断面図。

【図3】実施形態におけるコンデンサを示す斜視図。

【図4】実施形態におけるコンデンサと電力変換装置の筐体を示す斜視図。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本願発明における電力変換装置の実施形態を図１、図３、図４に基づいて詳述する。

【0018】

［実施形態］
まず、図１の電気回路図に基づいて、一般的な電力変換装置（例えばインバータユニット、以下インバータユニットと称する）を説明する。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でパワー半導体（ＩＧＢＴパッケージ）１を構成している。

【0019】

パワー半導体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、パワー半導体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。

【0020】

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１０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ている。これにより感電事故を防止している。

【0021】

本実施形態におけるコンデンサＣを図３に示す。図３の左側はコンデンサＣの分解斜視図であり、図３の右側がコンデンサＣの組立後の斜視図である。

【0022】

コンデンサＣは、コンデンサ素子１１と、Ｐ側導体１２と、Ｎ側導体１３と、コンデンサケース１４と、を備える。コンデンサ素子１１はＰ側導体１２とＮ側導体１３が接続された状態でコンデンサケース１４内に収納される。そして、樹脂１５でコンデンサケース１４内を充填する。

【0023】

コンデンサケース１４の材料は、ＰＰＳ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ：ポリフェニレンスルファイド）などの樹脂材料が一般的であるが、冷却性能を向上させるため熱伝導率が高いアルミニウムや他の金属などを用いる。

【0024】

ただし、ポッテイング（充填）する樹脂１５とコンデンサケース１４の金属の相性が悪いため、膨張収縮にてコンデンサケース１４から樹脂１５が剥離する可能性が高くなる。

【0025】

そこで、コンデンサケース１４を成形する板金にプラスチックフィルム（図示せず）を貼り付けた金属樹脂複合板金を使用して，コンデンサケース１４の内面側がプラスチックフィルム側となるようにコンデンサケースを製作する。金属のコンデンサケース１４とプラスチックフィルム、および、充填された樹脂１５とプラスチックフィルムの相性が良いため、コンデンサケース１４から樹脂５が剥離するおそれが抑制される。

【0026】

図４は、本実施形態におけるコンデンサＣとインバータユニット１０の筐体４を示す斜視図である。なお、本実施形態ではインバータユニット１０の筐体４に冷媒（例えば水）が流通する流路が形成されているものとする。

【0027】

従来はコンデンサケース１４の底面に熱伝導シートを張り付け、熱伝導シートを介してインバータユニット１０の筐体４と接するようにコンデンサＣを設置することにより、コンデンサケース１４の底面からのみインバータユニット１０の筐体４に放熱していた。

【0028】

本実施形態では、インバータユニット１０の筐体４にコンデンサケース１４を熱伝導性接着剤によって固定する。コンデンサケース１４は、底面だけでなく側面もインバータユニット１０の筐体４と接する。インバータユニット１０の筐体４の底から点線までの部分がコンデンサケース１４の側面と接することとなる。熱伝導性接着剤はコンデンサケース１４の底面と側面に塗布してインバータユニット１０の筐体４に固定する。その結果、コンデンサケース１４の底面だけでなく側面からもインバータユニット１０の筐体４に放熱することが可能となる。

【0029】

［作用・動作の説明］
コンデンサケース１４の材料はアルミニウムや他の金属などを用いる。熱伝導率の高い金属をコンデンサケース１４に用いることでコンデンサＣからインバータユニット１０の筐体４への放熱性能の向上が期待できる。

【0030】

また、コンデンサケース１４の金属と充填する樹脂１５は相性が悪いためコンデンサケース１４から樹脂１５が剥離する可能性がある。そこで、コンデンサケース１４の板金にプラスチックフィルムを貼り付けた金属樹脂複合板金を使用して、コンデンサケースの内面側がプラスチックフィルム側となるように製作する。金属のコンデンサケース１４とプラスチックフィルム、および、樹脂１５とプラスチックフィルムの相性が良いため、コンデンサケース１４から樹脂１５が剥離する恐れを抑制することが可能となる。

【0031】

また、従来はコンデンサケース１４の底面に熱伝導シートを貼り付けてインバータユニット１０の筐体４に設置することにより、コンデンサケース１４の底面からのみインバータユニット１０の筐体４に放熱していた。本実施形態では、熱伝導シートではなく熱伝導性接着剤をコンデンサケース１４の底面および側面に使用してインバータユニット１０の筐体４に設置する事でコンデンサケース１４の底面からだけでなく側面からの放熱も可能となる。

【0032】

［効果］
本実施形態によれば、コンデンサケース１４の材料に熱伝導率の高い金属を用いること、および、熱伝導接着剤を用いてコンデンサケース１４の底面および側面からインバータユニット１０の筐体４に放熱すること、によりコンデンサＣの冷却能力を向上させることが可能となる。

【0033】

また、コンデンサケース１４は板金にプラスチックフィルムを貼り付けた金属樹脂複合板金を使用して、コンデンサケースの内面側がプラスチックフィルム側となるように製作することでコンデンサケース１４から樹脂１５が剥離する恐れを抑制することが可能となる。これによりコンデンサＣの不良が低減し、電力変換装置の信頼性を向上することができる。

【0034】

さらに、コンデンサＣの冷却能力が向上することにより、コンデンサＣのＥＳＲ（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：等価直列抵抗）の条件が緩和する。すなわち、従来と比較してコンデンサＣのＥＳＲを大きくできるため、コンデンサフィルムの厚さを低減することが可能となる。また、コンデンサＣの冷却能力が向上することにより、静電容量あたりの電流許容値を増加することができる。これらにより、コンデンサＣの小型化を図ることが可能となる。

【0035】

また、従来はインバータユニット１０の筐体４とコンデンサケース１４をボルト等により固定していたが、本実施形態では熱伝導性接着剤によってインバータユニット１０の筐体４にコンデンサケース１４を固定している。これにより、ボルトを削減することができ、部品点数を削減することが可能となる。

【0036】

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。

【0037】

例えば、本実施形態ではインバータユニット１０の筐体４にコンデンサＣ（コンデンサケース１４）を設置する構成について説明したが、インバータユニット１０の筐体４に別途取り付ける水冷ヒートシンクや風冷ヒートシンクにコンデンサＣ（コンデンサケース１４）を設置してもよい。水冷ヒートシンクの場合、ヒートシンクに冷媒（水）が流通する流路が形成される。

【0038】

また、実施形態では平滑用のコンデンサが設けられるインバータユニット１０について説明したが、インバータユニット以外の電力変換装置（例えば、コンバータ、チョッパ等）にも適用可能である。

【符号の説明】

【0039】

Ｃ…コンデンサ
Ｒ…放電抵抗
Ｓｕ～Ｓｚ…スイッチング素子
Ｍ…モータ
１…パワー半導体（ＩＧＢＴモジュール）
２…電流センサ
３…熱伝導シート
４…インバータユニットの筐体
５…流路
１０…電力変換装置（インバータユニット）
１１…コンデンサ素子
１２…Ｐ側導体
１３…Ｎ側導体
１４…コンデンサケース
１５…樹脂

【要約】

【課題】電力変換装置において、コンデンサの冷却効率を向上させる。
【解決手段】平滑用のコンデンサＣを備えた電力変換装置において、コンデンサＣは、コンデンサ素子１１と、コンデンサ素子１１を収納する金属製のコンデンサケース１４と、プラスチックフィルムと、樹脂１５と、を備える。コンデンサケース１４を成形する板金は、コンデンサケース１４の内面側にプラスチックフィルムを貼り付けた金属樹脂複合板金とする。樹脂１５は、コンデンサケース１４の内側に充填される。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】