JP2015104146A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部へ伝搬する騒音または振動を低減させるとともに、小型化を図ることができる電力変換装置を得る。
【解決手段】スイッチング素子を有し、スイッチング素子のスイッチング動作によって直流と交流との間の電力変換を行う電力変換部と、スイッチング素子に供給される直流電力の変動を抑制する平滑用コンデンサ４と、スイッチング素子および平滑用コンデンサ４を収納するケース１と、ケース１に設けられ、スイッチング素子および平滑用コンデンサ４を覆うカバー５と、平滑用コンデンサ４とカバー５との間に設けられた第１防振部材９とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、自動車等に搭載される車載用の電力変換装置であって、特に、インバータ等の電力変換部を構成する半導体スイッチング素子を備えた電力変換装置に関する。

従来、電気自動車等の車両においては、インバータ等の電力変換部によりバッテリからの直流電力を所定の交流電力に変換してモータに供給し、車両の運転者によるアクセル操作等に応じて、電力変換部を構成する半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御して、モータの出力トルクが制御されている。電力変換部のスイッチング動作の制御は、半導体スイッチング素子に与えるゲート信号の発生タイミングを制御回路部により制御することによって行われる。

電力変換部のスイッチング動作の制御には、電力変換部に供給される直流電圧または直流電流の脈動を抑制することが必要であり、通常は、大容量の平滑用コンデンサを用いて、これらの脈動を抑制している。大容量の平滑用コンデンサとしては、一般的に容易に大静電容量が得られるアルミ電解コンデンサ、またはフィルムコンデンサ等が使用される。また、従来、電力変換部に供給される直流電圧または直流電流の脈動によって発生する騒音または振動をさらに低減させる電力変換装置としては、大容量の平滑用コンデンサとして強めのテンションでフィルムを巻き取って形成された円筒巻きフィルムコンデンサを用い、円筒巻きフィルムコンデンサの特性を利用する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３０４４１０号公報

しかしながら、複数個の円筒巻きフィルムコンデンサを並列接続して必要な静電容量を確保しているので、電力変換部に供給される直流電圧または直流電流の脈動による騒音または振動が低減するものの、並列接続された複数個の円筒巻きフィルムコンデンサ間におけるデッドスペースが大きくなってしまい、電力変換装置が大型化してしまうという問題点があった。

この発明は、外部へ伝搬する騒音または振動を低減させるとともに、小型化を図ることができる電力変換装置を提供するものである。

この発明に係る電力変換装置は、スイッチング素子を有し、スイッチング素子のスイッチング動作によって直流と交流との間の電力変換を行う電力変換部と、スイッチング素子に供給される直流電力の変動を抑制する平滑用コンデンサと、スイッチング素子および平滑用コンデンサを収納するケースと、ケースに設けられ、スイッチング素子および平滑用コンデンサを覆うカバーと、平滑用コンデンサとカバーとの間に設けられた第１防振部材とを備えている。

この発明に係る電力変換装置によれば、平滑用コンデンサに発生する振動または騒音が第１防振部材によって吸収され、また、平滑用コンデンサに発生する騒音のカバーへの空気伝搬が第１防振部材によって減少するので、電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を低減させることができる。また、円筒巻きフィルムコンデンサを用いることなく、電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を低減させるので、電力変換装置の小型化を図ることができる。

この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す構成図である。 図１の電力変換装置の変形例を示す構成図である。 この発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す構成図である。 図３の移動規制部および第１防振部材が設けられていない状態の電力変換装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す構成図である。図において、電力変換装置は、ケース１と、ケース１に収納されたスイッチングパワーモジュール２と、ケース１の底面に裏側から固定された冷却部材３と、ケース１に収納された平滑用コンデンサ４と、ケース１に設けられ、スイッチングパワーモジュール２および平滑用コンデンサ４を覆うカバー５とを備えている。

スイッチングパワーモジュール２は、スイッチング素子およびフリーホイールダイオードを有している。また、スイッチングパワーモジュール２は、スイッチング素子およびフリーホイールダイオードを樹脂封止することによってモジュール化されている。この例では、電力変換装置は、６個のスイッチングパワーモジュール２を備えている。６個のスイッチングパワーモジュール２は、三相ブリッジ回路から構成されるインバータ等の電力変換部（図示せず）における各相の正極側アームおよび負極側アームを構成している。つまり、６個のスイッチングパワーモジュール２は、電力変換部を構成している。

冷却部材３は、ケース１の底面に冷却部材３の一部分が接触した状態でケース１に固定されている。冷却部材３は、ケース１に接触する冷却部材本体３１と、冷却部材本体３１に設けられ、ケース１から離れる方向に冷却部材本体３１から延びた冷却フィン３２とを有している。６個のスイッチングパワーモジュール２は、冷却部材本体３１に接触した状態でケース１に固定されている。また、６個のスイッチングパワーモジュール２は、ケース１の内側に配置されている。スイッチングパワーモジュール２に発生する熱は、冷却部材本体３１に伝達され、冷却フィン３２を介して大気中に放出される。

平滑用コンデンサ４は、扁平巻きフィルムコンデンサから構成されている。平滑用コンデンサ４は、ケース１の内側に配置されている。電力変換装置は、平滑用コンデンサ４をケース１に固定するための平滑用コンデンサ固定ねじ６をさらに備えている。平滑用コンデンサ固定ねじ６は、ケース１に取り付けられている。なお、平滑用コンデンサ固定ねじ６は、ケース１を貫通して、冷却部材３に取り付けられてもよい。平滑用コンデンサ４は、電力変換部に供給される直流電圧または直流電流の脈動を抑制するために設けられている。したがって、平滑用コンデンサ４は、必要な静電容量を確保するために複数個設けられており、さらに、これらは互いに並列接続されている。並列接続された複数個の平滑用コンデンサ４は、電力変換部の直流側端子間に接続される。図示していないが、複数個の平滑用コンデンサ４は、隣接して並置された状態でケース１に固定されている。

スイッチングパワーモジュール２は、直流側入力端子２１と、交流側入力端子２２とを有している。電力変換装置は、直流側入力端子２１をケース１に固定するための端子固定ねじ７と、交流側入力端子２２をケース１に固定するための端子固定ねじ８とをさらに備えている。直流側入力端子２１は、平滑用コンデンサ４の一方の端子４１とともに、端子固定ねじ７を用いてケース１に固定されている。スイッチングパワーモジュール２の直流側入力端子２１および平滑用コンデンサ４の端子４１は、相互に電気的に接続されており、さらに、バッテリ等の主電源（図示せず）に電気的に接続されている。スイッチングパワーモジュール２の交流側入力端子２２は、車両のモータ（図示せず）に接続されている。

カバー５は、複数個の平滑用コンデンサ４、および６個のスイッチングパワーモジュール２に対する異物の混入および結露の発生から保護している。平滑用コンデンサ４に対向するカバー５の部分には、凹部５１が形成されている。凹部５１の形状は、平滑用コンデンサ４の上面（表面）および側面と凹部５１の内面との隙間がわずかとなるような形状となっている。平滑用コンデンサ４の上面とは、ケース１の底面に対向する平滑用コンデンサ４の面（底面）とは反対側に位置する面である。電力変換装置は、平滑用コンデンサ４の上面と凹部５１との間に設けられたシート状の第１防振部材９をさらに備えている。第１防振部材９の面積は、凹部５１の底面の面積と同等となっている。したがって、第１防振部材９は、凹部５１に取り付けられることによって、凹部５１に位置決めされ、カバー５に対する第１防振部材９の位置が決められる。第１防振部材９は、平滑用コンデンサ４の上面と凹部５１の底面部分との間に、圧接された状態で挿入されている。

次に、電力変換装置の組立手順について説明する。まず、平滑用コンデンサ４およびスイッチングパワーモジュール２をケース１に収納し、平滑用コンデンサ固定ねじ６、端子固定ねじ７および端子固定ねじ８を用いて、平滑用コンデンサ４およびスイッチングパワーモジュール２をケース１に固定する。

その後、第１防振部材９を凹部５１に取り付けた状態で、カバー５をケース１に組み付ける。第１防振部材９が凹部５１によって位置決めされた状態でカバー５をケース１に組み付けることによって、第１防振部材９が平滑用コンデンサ４に圧接される。以上により、電力変換装置の組立手順が終了する。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置によれば、平滑用コンデンサ４に発生する振動または騒音が第１防振部材９によって吸収され、また、平滑用コンデンサ４に発生する騒音のカバー５への空気伝搬が第１防振部材９によって減少するので、電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を低減させることができる。また、円筒巻きフィルムコンデンサを用いることなく、電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を低減させるので、電力変換装置の小型化を図ることができる。

また、カバー５には凹部５１が形成され、第１防振部材９が凹部５１によって位置決めされた状態でカバー５をケース１に組み付けることによって、第１防振部材９が平滑用コンデンサ４に圧接されるので、第１防振部材９の挿入位置を所定の位置に規制することができ、また、電力変換装置の外形サイズを変更することなく電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を大幅に低減させることができる。

また、第１防振部材９の位置決めをしていない場合には、ヒートサイクル等の伸縮によって第１防振部材９の位置が変化して遮音性能が減少してしまう可能性があるが、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置によれば、第１防振部材９の大きさを、平滑用コンデンサ４の形状に対応した凹部５１の底面の面積と同等にし、また、凹部５１の形状が、平滑用コンデンサ４の上面および側面との隙間が僅かとなるような形状となっているので、第１防振部材９の大きさに対して移動可能な隙間がなくなり、第１防振部材９にヒートサイクル等の伸縮が発生しても、第１防振部材９が挿入位置からずれることを防止することができ、遮音性能を維持することができる。

また、第１防振部材９の種類および挿入範囲を任意に変更することによって、遮音性能を任意にコントロールすることができる。例えば、遮音性能を向上させる場合には、ゴムまたは樹脂などの発泡体を第１防振部材９として使用すればよい。第１防振部材９が平滑用コンデンサ４に密着していない場合には、遮音効果が低下してしまうが、ゴムまたは樹脂などの発泡体は、非常に小さな力でも圧縮することができるので、カバー５の変形を伴わずに簡単にそれぞれを密着させることができ、防音性および防振性に非常に優れているので、絶大な遮音性能を得ることができる。

また、平滑用コンデンサ４は、扁平巻きフィルムコンデンサから構成されているので、複数の平滑用コンデンサ４の並置によるデッドスペースが少なくなり、小型で低騒音または低振動の電力変換装置を得ることができる。

なお、上記実施の形態１では、ケース１と冷却部材３とが接触する構成について説明したが、平滑用コンデンサ４に発生する振動および騒音における、ケース１を経由した冷却部材３への伝搬を低減させる場合には、図２に示すように、ケース１と冷却部材３との間に第２防振部材１０を挿入してもよい。これにより、平滑用コンデンサ４からケース１に伝搬した振動および騒音が第２防振部材１０によって吸収され、電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を大幅に低減させることができる。第２防振部材１０を構成する材料としては、第１防振部材９と同様に、ゴムまたは樹脂などの発泡体が挙げられる。

また、上記実施の形態１では、第１防振部材９が挿入される凹部５１がカバー５に形成された構成について説明したが、第１防振部材９が挿入される凹部が平滑用コンデンサ４に形成された構成であってもよい。この場合であっても、第１防振部材９が凹部によって位置決めされる。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る電力変換装置を示す構成図である。図において、電力変換装置は、カバー５に設けられた移動規制部１１をさらに備えている。カバー５には、実施の形態１と異なり、凹部５１（図１）が形成されていない。移動規制部１１は、平滑用コンデンサ４の上面における外周形状に対応するように形成されている。つまり、移動規制部１１の形状は、平滑用コンデンサ４の上面とカバー５との隙間がわずかとなるとともに、移動規制部１１の内周面と平滑用コンデンサ４の側面との隙間がわずかとなるような形状となっている。第１防振部材９の面積は、移動規制部１１によって区切られる空間を高さ方向に見た場合の面積と同等となっている。したがって、第１防振部材９は、移動規制部１１に取り付けられることによって、移動規制部１１に位置決めされ、カバー５に対する第１防振部材９の位置が決められる。第１防振部材９は、平滑用コンデンサ４の上面と平滑用コンデンサ４の上面に対向するカバー５の部分との間に、圧接された状態で挿入されている。その他の構成は、実施の形態１と同様である。

次に、電力変換装置の組立手順について説明する。まず、平滑用コンデンサ４およびスイッチングパワーモジュール２をケース１に収納し、平滑用コンデンサ固定ねじ６、端子固定ねじ７および端子固定ねじ８を用いて、平滑用コンデンサ４およびスイッチングパワーモジュール２をケース１に固定する。

その後、第１防振部材９を移動規制部１１に取り付けた状態で、カバー５をケース１に組み付ける。第１防振部材９が移動規制部１１によって位置決めされた状態でカバー５をケース１に組み付けることによって、第１防振部材９が平滑用コンデンサ４に圧接される。以上により、電力変換装置の組立手順が終了する。

以上説明したように、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置によれば、実施の形態１と同様に、平滑用コンデンサ４に発生する振動または騒音が第１防振部材９によって吸収され、また、平滑用コンデンサ４に発生する騒音のカバー５への空気伝搬が第１防振部材９によって減少するので、電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を低減させることができ、また、円筒巻きフィルムコンデンサを用いることなく、電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を低減させるので、電力変換装置の小型化を図ることができる。

また、この電力変換装置は、カバー５に設けられ、カバー５に対する第１防振部材９の移動を規制する移動規制部１１をさらに備え、第１防振部材９が移動規制部１１によって位置決めされた状態でカバー５をケース１に組み付けることによって、第１防振部材９が平滑用コンデンサ４に圧接されるので、第１防振部材９の挿入位置を所定の位置に規制することができ、また、電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を大幅に低減させることができる。特に、第１防振部材９の面積を遮音性能に必要な最小面積にすることによって、騒音対策に要するコストアップをさらに最低限に抑えることができる。

また、図４に示す電力変換装置において、カバー５に移動規制部１１を取り付け、移動規制部１１に第１防振部材９を取り付けるだけで、電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を低減させることができるので、電力変換装置の外形サイズを変更することがなく、騒音対策に要するコストアップを最低限に抑えることができる。

また、第１防振部材９の位置決めをしていない場合には、ヒートサイクル等による伸張によって第１防振部材９の位置が変化してしまい、遮音性能が減少してしまう可能性があるが、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置によれば、カバー５に設けられ、第１防振部材９の位置を規制するための移動規制部１１を備えているので、第１防振部材９にヒートサイクル等による伸張が発生する場合であっても、第１防振部材９が挿入位置からずれてしまうことを防止することができ、遮音性能を維持することができる。

また、実施の形態１と同様に、第１防振部材９の種類と挿入範囲を任意に変更することによって、遮音性能を任意にコントロールすることができる。例えば、遮音性能を向上させる場合には、ゴムまたは樹脂などの発泡体を第１防振部材９として使用すればよい。第１防振部材９が平滑用コンデンサ４に密着していない場合には、遮音効果が薄れてしまうが、ゴムまたは樹脂などの発泡体は非常に小さな力でも圧縮することができるので、カバー５の変形を伴わずに、簡単にそれぞれを密着させることができ、また、防音性および防振性に非常に優れているので、絶大な遮音性能を得ることができる。

また、実施の形態１と同様に、平滑用コンデンサ４として扁平巻きフィルムコンデンサを使用しているので、複数の平滑用コンデンサ４の並置によるデッドスペースが少なく、小型で低騒音または低振動の電力変換装置を得ることができる。

なお、上記実施の形態２では、ケース１と冷却部材３とが接触する構成について説明したが、平滑用コンデンサ４に発生する振動および騒音における、ケース１を経由した冷却部材３への伝搬を低減させる場合には、実施の形態１と同様に、ケース１と冷却部材３との間に第２防振部材１０（図２）を挿入してもよい。これにより、平滑用コンデンサ４からケース１に伝搬した振動および騒音が第２防振部材１０によって吸収され、電力変換装置の外部へ伝搬する振動または騒音を大幅に低減させることができる。第２防振部材１０を構成する材料としては、第１防振部材９と同様に、ゴムまたは樹脂などの発泡体が挙げられる。

また、上記実施の形態２では、移動規制部１１がカバー５に設けられた構成について説明したが、移動規制部１１が平滑用コンデンサ４に設けられた構成であってもよい。この場合であっても、第１防振部材９が移動規制部１１によって位置決めされる。

１ ケース、２ スイッチングパワーモジュール、３ 冷却部材、４ 平滑用コンデンサ、５ カバー、６ 平滑用コンデンサ固定ねじ、７ 端子固定ねじ、８ 端子固定ねじ、９ 第１防振部材、１０ 第２防振部材、１１ 移動規制部、２１ 直流側入力端子、２２ 交流側入力端子、３１ 冷却部材本体、３２ 冷却フィン、４１ 端子、５１ 凹部。

Claims (6)

1. スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のスイッチング動作によって直流と交流との間の電力変換を行う電力変換部と、
   前記スイッチング素子に供給される直流電力の変動を抑制する平滑用コンデンサと、
   前記スイッチング素子および前記平滑用コンデンサを収納するケースと、
   前記ケースに設けられ、前記スイッチング素子および前記平滑用コンデンサを覆うカバーと、
   前記平滑用コンデンサと前記カバーとの間に設けられた第１防振部材と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記平滑用コンデンサに対応する前記カバーの部分には、前記平滑用コンデンサの形状に対応する凹部が形成されており、
   前記第１防振部材が前記凹部によって位置決めされた状態で前記カバーを前記ケースに組み付けることによって、前記第１防振部材が前記平滑用コンデンサに圧接されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記カバーに設けられ、前記カバーに対する前記第１防振部材の移動を規制する移動規制部をさらに備え、
   前記第１防振部材が前記移動規制部によって位置決めされた状態で前記カバーを前記ケースに組み付けることによって、前記第１防振部材が前記平滑用コンデンサに圧接されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記ケースと前記スイッチング素子を冷却する冷却部材との間に設けられた第２防振部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記第１防振部材は、ゴムまたは樹脂を用いた発泡体から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記平滑用コンデンサは、扁平巻きフィルムコンデンサから構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の電力変換装置。

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