JP5184218B2 - コンデンサ搭載型インバータユニット - Google Patents

Description

この発明は、コンデンサ搭載型インバータユニットに関する。

従来のコンデンサ搭載型インバータユニットの中には、インバータを一方のケースに、コンデンサを他方のケースに収容して、これら２つのケースの開口部を合わせるようにしてた構造のものがある。コンデンサが収容されたケース内には樹脂が充填されコンデンサが固定されている（特許文献１参照）。
特開２００７−２２０７９４号公報

しかしながら、上記従来技術にあっては、例えば、ハイブリッド車両等のように高振動環境下に晒される環境で使用する場合にはケース自体の強度剛性を高める必要があり、そのためリブを設けたりケースの肉厚を増加したりすると、装置が大型化したり、重量が増加するという問題がある。とりわけ、比較的容量の大きいコンデンサを収容している部分は、振動に晒されると充填された樹脂とケース内面とが分離する虞があり、取り付け信頼性を高める要望がある。

そこで、この発明は、ユニット全体を大型化することなく、耐振動性能を向上させ、コンデンサの取り付け信頼性を高めることができるコンデンサ搭載型インバータユニット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、請求項１に記載した発明は、複数相のスイッチング素子（例えば、実施形態におけるトランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬ）を含むインバータ（例えば、実施形態における第１インバータ５、第２インバータ６）と、該インバータの制御基板（例えば、実施形態における制御基板８）と、平滑用コンデンサ（例えば、実施形態におけるコンデンサユニット１２）とを有するコンデンサ搭載型のインバータユニットであって、前記インバータを支持する第１のケース（例えば、実施形態におけるウォータージャケット３２）と、該第１のケースと共に前記平滑用コンデンサと前記制御基板とを収容する第２のケース（例えば、実施形態におけるユニットケース３１）とを具備し、前記第２のケース内に前記制御基板を支持する支持フレーム（例えば、実施形態における支持フレーム６０）が収容されると共に、該支持フレームが前記第２のケースに締結され、かつ前記第２のケース内に、前記支持フレームから突出する柱状支持部（例えば、実施形態における柱状支持部６２）が露出するように該支持フレームと前記平滑用コンデンサとを埋没させる樹脂材料（例えば、実施形態における樹脂材料６７）が充填され、前記柱状支持部に固定された前記制御基板と前記インバータとを対向させるように前記第１のケースと前記第２のケースとを付き合わせて構成したことを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記支持フレームは金属材料からなる板状のフレーム本体（例えば、実施形態におけるフレーム本体６１）を備え、前記フレーム本体は前記平滑用コンデンサの前記インバータ対向側の面を覆うように配設されていることを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、第２のケース内に樹脂により平滑用コンデンサを固定することにより、部品点数削減及び小型化が可能となる効果がある。この場合に制御基板を支持する支持フレームを平滑用コンデンサと共に樹脂内に埋設でき、支持フレーム自体が樹脂により抑えられることとなるため、薄肉、軽量の支持フレームを用いたとしても高い強度を保つことができる。そして、支持フレームを第２のケースに固定してあるため、振動環境に置かれた場合に、第２のケース内に充填された樹脂の第２のケースからの剥離を抑え、コンデンサの取り付け信頼性を高めることができる効果がある。したがって、耐振動性能を向上することができる。

請求項２に記載した発明によれば、支持フレームの金属材料からなるフレーム本体を平滑用コンデンサのインバータ対向側の面を覆うように配設したため、コンデンサから放射される電気的ノイズを遮断して、支持フレームの柱状支持部に固定された制御基板がノイズに晒されるのを防止できる効果がある。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１はハイブリッド車両用のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）１を含む回路構成を示している。このハイブリッド車両はエンジン（図示せず）と、エンジンの機械的出力により駆動される発電機（ＧＥＮ）２と、発電機２の発電出力により充電される高圧系のバッテリ（ＢＡＴ）３と、バッテリ３の放電出力と発電機２の発電出力の少なくとも一方を用いて駆動輪（図示せず）を駆動するモータ（ＭＯＴ）４を備えている。

パワーコントロールユニット１は、バッテリ３から供給される電力により昇圧回路として機能するコンバータ７を介してモータ４を駆動すると共にモータ４を回生作動させた際の電力を降圧回路として機能するコンバータ７を介してバッテリ３に供給する第１インバータ（Ｔｒ／Ｍ ＰＤＵ）５と、発電機２により発生する電力を降圧回路として機能するコンバータ７を介してバッテリ３に供給し、あるいは発電機２により発生する電力でモータ４を駆動する第２インバータ（ＧＥＮ ＰＤＵ）６を備えている。
これらコンバータ７、第１インバータ５及び第２インバータ６は、制御基板（ＥＣＵ）８からの制御指令によりゲートドライブ基板（ＧＤＣＢ）９を介して駆動制御される。

第１インバータ５は、例えば、トランジスタのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を複数用いブリッジ接続してなるブリッジ回路５ａと平滑コンデンサ５ｂとを具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、この第１インバータ５にはモータ４とコンバータ７が接続されている。コンバータ７は、リアクトル７ａと２つのトランジスタのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）からなるチョッパ回路７ｂとを備え、第１インバータ５の入力側に設けた電圧変換装置であって、このチョッパ回路７ｂの下流側に２次平滑コンデンサ７ｃ、リアクトル７ａの上流側に１次平滑コンデンサ７ｄが各々並列接続されている。

コンバータ７と第１インバータ５との間には第１インバータ５と同様の構成を備えた第２インバータ６が正極側端子Ｐｔと負極側端子Ｎｔに接続され、この第２インバータ６に発電機２が接続されている。この第２インバータ６は、第１インバータ５と同様に、トランジスタのスイッチング素子を複数用いブリッジ接続してなるブリッジ回路６ａと平滑コンデンサ６ｂとを具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータであって、この第２インバータ６には発電機２とコンバータ７が接続されている。この第２インバータ６は発電機２の出力電圧をコンバータ７により降圧してバッテリ３に充電を行ったり、第１インバータ５を経由してモータ４を駆動する。

第１インバータ５、第２インバータ６は、各相毎に対をなすハイ側，ロー側Ｕ相トランジスタＵＨ，ＵＬ及びハイ側，ロー側Ｖ相トランジスタＶＨ，ＶＬ及びハイ側，ロー側Ｗ相トランジスタＷＨ，ＷＬをブリッジ接続してなるブリッジ回路５ａ，６ａと、平滑コンデンサ５ｂ，６ｂとを備えている。各トランジスタＵＨ，ＶＨ，ＷＨはコンバータ７の正極側端子Ｐｔに接続されてハイサイドアームを構成し、各トランジスタＵＬ，ＶＬ，ＷＬはコンバータ７の負極側端子Ｎｔに接続されローサイドアームを構成しており、各相毎に対をなす各トランジスタＵＨ，ＵＬ及びＶＨ，ＶＬ及びＷＨ，ＷＬはコンバータ７に対して直列に接続されている。トランジスタＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬのコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにして、ダイオードＤＵＨ，ＤＵＬ，ＤＶＨ，ＤＶＬ，ＤＷＨ，ＤＷＬが各々接続されている。

コンバータ７のリアクトル７ａは、一端がバッテリ３に接続されてバッテリ電圧が印加されるものであり、チョッパ回路７ｂはこのリアクトル７ａの他端に接続される第１及び第２のスイッチング素子である第１トランジスタＳ１及び第２トランジスタＳ２から構成されている。トランジスタＳ１，Ｓ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタからコレクタに向けて順方向となるようにして、各々ダイオードＤＳ１，ＤＳ２が接続されている。
そして、リアクトル７ａの一端はバッテリ３の正極側端子に接続され、リアクトル７ａの他端は、第１トランジスタＳ１のコレクタ及び第２トランジスタＳ２のエミッタに接続されている。第１トランジスタＳ１のエミッタはバッテリ３の負極側端子及びコンバータ７の負極側端子Ｎｔに接続されている。また、第２トランジスタＳ２のコレクタはコンバータ７の正極側端子Ｐｔに接続されている。

ここで、コンバータ７のトランジスタＳ２から第１インバータ５のトランジスタＷＨ間のバス及びこれに接続される第１インバータ５（コンバータ７）の正極側端子Ｐｔから第２インバータ６のトランジスタＷＨ間のバスがＰＯｕｔバスバー２０として構成されている。また、コンバータ７のトランジスタＳ１から第１インバータ５のトランジスタＷＬ間のバス及びこれに接続される第１インバータ５（コンバータ７）の負極側端子Ｎｔから第２インバータ６のトランジスタＷＬ間のバスがＮバスバー２１として構成されている。

また、第１インバータ５からモータ４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続される３本のバスがＯｕｔバスＴｒＵ２２、ＯｕｔバスＴｒＶ２３、ＯｕｔバスＴｒＷ２４を構成し、第２インバータ６から発電機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続される３本のバスがＯｕｔバスＧＥＮＵ２５、ＯｕｔバスＧＥＮＶ２６、ＯｕｔバスＧＥＮＷ２７を構成し、リアクトル７ａからコンバータ７の第１トランジスタＳ１と第２トランジスタＳ２との間に接続されるバスがＰＩＮバスバー２８を構成している。
ＯｕｔバスＴｒＵ２２、ＯｕｔバスＴｒＶ２３、ＯｕｔバスＴｒＷ２４、ＯｕｔバスＧＥＮＵ２５、ＯｕｔバスＧＥＮＶ２６、ＯｕｔバスＧＥＮＷ２７の各々には制御基板８に信号を送る電流センサ３０が接続されている。そして、第１インバータ５、第２インバータ６、コンバータ７の各トランジスタのゲートにゲートドライブ基板９からの信号線が接続されている。

図２〜図１０はパワーコントロールユニット１のハードウエア構成を示している。パワーコントロールユニット１は、例えばハイブリッド車両のエンジンルームに搭載されるもので、図２に示すように、上部には全体を覆うアルミダイキャスト製のユニットケース３１が設けられ、下部にウォータージャケット３２が設けられている。ユニットケース３１の開口部とウォータージャケット３２の周縁とが後述するベースフレーム５０を挟み込んで付き合わされ、両者がボルトＢにより固定されている。ウォータージャケット３２には冷媒の流入口３３が設けられ（図５参照）、ウォータージャケット３２の前面に冷媒の流出口３４が設けられている。この流入口３３と流出口３４が冷却装置ＣＯのポンプ等の機器類に接続されている。

図３はユニットケース３１及びウォータージャケット３２を鎖線で示した全体構成図である。同図に示すように、ユニットケース３１内には下から順にリアクトル７ａ、ウォータージャケット３２、７つのパワーモジュール４０ａ〜４０ｇ（図６参照）を固定したベースフレーム５０、複数のバスバー２０〜２８（図１参照）を一体としたバスバープレートコンポーネント２９、シールドプレート１１、ゲートドライブ基板９、制御基板８、コンデンサユニット１２が配置されている。

図４に示すように、基板３５上にはリアクトル７ａが設置され、このリアクトル７ａの上方に、アルミニウム製のウォータージャケット３２が配置されている。
図５に示すように、ウォータージャケット３２の上面のコーナ部には凹部３６が形成され、この凹部３６にリアクトル７ａから延びるＰＩＮバスバー２８用の端子と、Ｎバスバー２１用の端子が引き出されている。ウォータージャケット３２の上面には凹部３６の残りの部分に、蛇行する凹溝３７が形成されている。凹溝３７はまずＵ字状に曲がった後に凹部３６の手前まで折り返すような経路を形成している。経路の始端底部には流入口３３が形成され、経路の終端はケースの流出口３４に連通している。このウォータージャケット３２の蛇行する凹溝３７はベースフレーム５０に装着されたパワーモジュール４０ａ〜４０ｇ（図６参照）の各ヒートシンク４１（図７参照）に対応して、このヒートシンク４１を受け入れるようになっている。

図６はパワーモジュール４０ａ〜４０ｇをベースフレーム５０に装着した斜視図、図７はべースフレーム５０を下側から見た斜視図である。
図６、図７に示すように、ウォータージャケット３２の上方には、アルミダイキャスト製のベースフレーム５０が配置されている。このベースフレーム５０には開口部５１が７つ形成され、この開口部５１に７個のパワーモジュール４０ａ〜４０ｇが樹脂により固定されてモジュールユニットＭＵを構成している。ここで、パワーモジュール４０ａ〜４０ｇをベースフレーム５０に固定する樹脂で樹脂部５５が形成され、この樹脂部５５が縦壁５６を形成し、ウォータージャケット３２との間に冷媒流路５７を形成している。

各パワーモジュール４０ａ〜４０ｇはヒートシンク４１一体型のもので、前述した回路構成におけるコンバータ７の第１トランジスタＳ１と第２トランジスタＳ２を実装した１個のパワーモジュール４０ａと、第２インバータ６において、各々ハイサイド側とローサイド側とで対となったトランジスタＵＨ，ＵＬ、トランジスタＶＨ，ＶＬ、トランジスタＷＨ，ＷＬの３個のパワーモジュール４０ｂ，４０ｃ，４０ｄと、第１インバータ５において、各々ハイサイド側とローサイド側とで対となったトランジスタＵＨ，ＵＬ、トランジスタＶＨ，ＶＬ、トランジスタＷＨ，ＷＬの３個のパワーモジュール４０ｅ，４０ｆ，４０ｇとが図６の手前側から奥側へ順に装着されている。図７に示すように、ヒートシンク４１のフィン４２は冷媒が流れる冷媒流路５７に沿う方向に放熱面が配置されている。

図８に示すように、べースフレーム５０の上部には、各々板状のＰＯｕｔバスバー２０、Ｎバスバー２１、３枚のＯｕｔバスＴｒ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）２２，２３，２４と３枚のＯｕｔバスＧＥＮ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）２５，２６，２７、ＰＩＮバスバー２８を樹脂モールドで一体化したバスバープレートコンポーネント２９が配置されている。このバスバープレートコンポーネント２９の上部に、図９に示すように、更にこれを覆うようにシールドプレート１１が配置されている。

図１０に示すように、シールドプレート１１の上方にはベースフレーム５０に突出して設けた固定用ボス５２にゲートドライブ基板９が固定され、ゲートドライブ基板９の上部に制御基板８が配置されている。ここで、制御基板８はユニットケース３１（図３参照）側に固定されている。
そして、図３に示すように、制御基板８の上部にはユニットケース３１の内部に装着されるコンデンサユニット１２が配置されている。

ここで、図１１、図１２に示すように、ユニットケース３１はアルミダイキャスト製の箱形の部材であって、ユニットケース３１の内部には、底壁５８にコンデンサユニット１２が載置されている。コンデンサユニット１２は第１インバータ５の平滑コンデンサ５ｂ、第２インバータ６の平滑コンデンサ６ｂ、コンバータ７の１次平滑コンデンサ７ｄ及び２次平滑コンデンサ７ｃをユニット化したものであり、ユニットケース３１の奥側（図２の手前側）にはＰＯｕｔバスバー２０とＮバスバー２１とＰＩＮバスバー２８の接続端が設けられている。コンデンサユニット１２の上部には樹脂シート５９が載置され、この樹脂シート５９上にアルミダイキャスト製の支持フレーム６０が配置されている。支持フレーム６０は板状のフレーム本体６１とこのフレーム本体６１から突出する円中継状の柱状支持部６２とで構成されている。

フレーム本体６１は三角形の開口部６３を複数備えた部材であって、開口部６３の頂点部分に柱状支持部６２を立設して備えている。柱状支持部６２の頂部には取付孔６４が形成されている。フレーム本体６１の４隅にはビス６５が装着され、ユニットケース３１の内面に形成された４つの取付座６６に図１３に示すように締結固定されるようになっている。

ここで、支持フレーム６０はコンデンサユニット１２に対して一定の間隔ｄ（図１６参照）を隔てた状態でユニットケース３１に取り付けられており、図１３に示すように、コンデンサユニット１２及び支持フレーム６０を収容した状態で、図１４に示すように、ユニットケース３１内に支持フレーム６０の柱状支持部６２の上半部が露出するように支持フレーム６０とコンデンサユニット１２を埋没させポッティングにより樹脂材料６７が充填されている。ポッティングに際しては、バキューム圧をかけて樹脂材料６７内のエアー抜きを行う。

図１４に示すように、柱状支持部６２の上部に制御基板８が載置され、柱状支持部６２の頂部を制御基板８の挿通孔６８に合わせ、この挿通孔６８にボルト６９を挿通し、柱状支持部６２の取付孔６４にボルト６９を締め付けて、柱状支持部６２に制御基板８が締め付け固定される。
その結果、図１５、図１６に制御基板８を省略して示すように、ユニットケース３１内にはコンデンサユニット１２とコンデンサユニット１２よりも上方に間隔ｄを隔て、ユニットケース３１の取付座６６に固定された支持フレーム６０が樹脂材料６７の内部に埋没した状態となる。尚、図１５に示すように樹脂材料６７はユニットケース３１の底壁５８とコンデンサユニット１２との間にも回り込ませることが望ましい。
このように構成されたユニットケース３１が図２に示すようにボルトＢを用いてウォータージャケット３２に締め付け固定されている。

上記実施形態によれば、ユニットケース３１内に樹脂材料６７によりコンデンサユニット１２を固定することにより、特別な部材を用いて固定した場合に比較して、部品点数を削減でき、かつ小型化が可能となる。この場合に制御基板８を支持する支持フレーム６０をコンデンサユニット１２と共に樹脂材料６７内に埋設でき、支持フレーム６０自体が樹脂により抑えられることとなるため、薄肉、軽量の支持フレーム６０を用いたとしても高い強度を保つことができる。

そして、支持フレーム６０をユニットケース３１に固定してあるため、振動環境に置かれた場合に、ユニットケース３１内に充填された樹脂材料６７のユニットケース３１からの剥離を抑え、コンデンサユニット１２の取り付け信頼性を高めることができる。したがって、耐振動性能を向上することができる。

また、支持フレーム６０の金属材料からなるフレーム本体６１をコンデンサユニット１２の第１インバータ５、第２インバータ６対向側の面を覆うように配設したため、コンデンサユニット１２から放射される電気的ノイズを遮断して、支持フレーム６０の柱状支持部６２に固定された制御基板８がノイズに晒されるのを防止できる。この場合には支持フレーム６０のフレーム本体６１の開口部６３は、ノイズの種類に応じて、その大きさが設定される。
また、制御基板８はゲートドライブ基板９と共にシールドプレート１１（図９参照）により、第１インバータ５、第２インバータ６等からの電気的ノイズからも保護される。

ここで、支持フレーム６０とコンデンサユニット１２に樹脂材料６７をバキューム圧をかけながらポッティングする場合に、支持フレーム６０のフレーム本体６１の開口部６３からエアーが抜けるので、気泡が樹脂材料６７内に残存することによる取付強度の低下を防止できる。

そして、図１７に示すように、冷熱サイクルによって各部の線膨張係数が異なるため、樹脂材料６７とユニットケース３１の内面等の境界面で樹脂材料６７に剥離が生じた場合であっても、支持フレーム６０がビス６５を介して物理的にユニットケース３１の取付座６６に固定され、剥離した樹脂材料６７のユニットケース３１からの抜けを防止できるため、コンデンサユニット１２が脱落することはない。

尚、この発明は上述した実施形態に限られるものではなく、図１８に示すように、支持フレーム６０のフレーム本体の開口部６３を閉塞したフレーム本体６１’としてもよい。この場合には樹脂材料６７をポッティングする際にユニットケース３１を傾ける等の手段を用いて、フレーム本体６１’の周縁部とユニットケース３１との隙間からエアー抜きを行うことができる。尚、図１８において前述した実施形態と同一部分には同一符号を付す。
また、ハイブリッド車両に適用する場合を例に説明したが、電気自動車のコンデンサ搭載型インバータユニットに適用できる。

この発明の実施形態のパワーコントロールユニットを含む回路図である。 この発明のパワーコントロールユニットの斜視図である。 図２の内部構造を示す斜視図である。 リアクトルの斜視図である。 リアクトル上にウォータージャケットを載置した斜視図である。 ウォータージャケット上にモジュールユニットを載置した斜視図である。 図３からウォータージャケットを外し下から見た斜視図である。 モジュールユニット上にバスバープレートコンポーネントを載置した斜視図である。 モジュールユニット上にシールドプレートを載置し斜視図である。 シールドプレート上にゲートドライブ基板、制御基板を載置した斜視図である。 ユニットケースの分解斜視図である。 コンデンサユニット及び支持フレームの配置状態を示す斜視図である。 コンデンサユニット及び支持フレームの収納状態を示す斜視図である。 ポッティング後のユニットケース及び制御基板の取付状態斜視図である。 図１４のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図１５の部分拡大断面図である。 樹脂材料が剥離した状態を示す図１５に相当する断面図である。 支持フレームの他の実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

５ 第１インバータ
６ 第２インバータ
８ 制御基板
１２ コンデンサユニット（平滑用コンデンサ）
３２ ウォータージャケット（第１のケース）
３１ ユニットケース（第２のケース）
６０ 支持フレーム
６１ フレーム本体
６２ 柱状支持部材
６７ 樹脂材料
ＵＨ，ＶＨ，ＷＨ，ＵＬ，ＶＬ，ＷＬ トランジスタ（スイッチング素子）

Claims (2)

1. 複数相のスイッチング素子を含むインバータと、該インバータの制御基板と、平滑用コンデンサとを有するコンデンサ搭載型のインバータユニットであって、
   前記インバータを支持する第１のケースと、
   該第１のケースと共に前記平滑用コンデンサと前記制御基板とを収容する第２のケースとを具備し、
   前記第２のケース内に前記制御基板を支持する支持フレームが収容されると共に、該支持フレームが前記第２のケースに締結され、かつ前記第２のケース内に、前記支持フレームから突出する柱状支持部が露出するように該支持フレームと前記平滑用コンデンサとを埋没させる樹脂材料が充填され、
   前記柱状支持部に固定された前記制御基板と前記インバータとを対向させるように前記第１のケースと前記第２のケースとを付き合わせて構成したことを特徴とするコンデンサ搭載型インバータユニット。
2. 前記支持フレームは金属材料からなる板状のフレーム本体と柱状支持部を備え、前記フレーム本体は前記平滑用コンデンサの前記インバータ対向側の面を覆うように配設されていることを特徴とする請求項１記載のコンデンサ搭載型インバータユニット。

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