JP7119923B2

JP7119923B2 - 電力変換器

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Publication number: JP7119923B2
Application number: JP2018209827A
Authority: JP
Inventors: 正隆野村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-11-07
Filing date: 2018-11-07
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2038-11-07
Also published as: JP2020078168A

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換器に関する。特に、リアクトルを備えている第１電圧コンバータと第２電圧コンバータが並列に接続されている電力変換器に関する。

特許文献１に、複数のリアクトルを備えた電力変換器が開示されている。リアクトルは発熱量が大きいため、複数のリアクトルは冷却器に接している。特許文献１の電力変換器では、発熱量の大きいリアクトルが、発熱量の小さいリアクトルよりも冷媒の上流側に配置されている。また、特許文献２には、リアクトルを効率よく冷却するために、リアクトルのコイルと冷却器の間に柔軟な放熱シートを挟む技術が開示されている。

特開２０１５－１８０１１８号公報特開２００７－１２９１４６号公報

本明細書は、２個のリアクトルのそれぞれが電圧コンバータに用いられており、２個の電圧コンバータが並列に接続されている電力変換器において、それぞれのリアクトルの温度が過度に高くなることを適切に抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換器は、第１リアクトルを有している第１電圧コンバータと、第２リアクトルを有している第２電圧コンバータと、コントローラを備えている。第１電圧コンバータと第２電圧コンバータは並列に接続されている。コントローラは、第１電圧コンバータと第２電圧コンバータを制御する。コントローラは、第１リアクトルの温度が第１温度閾値を超えているとともに第２リアクトルの温度が第２温度閾値を下回っている場合は第２リアクトルに流れる電流が第１リアクトルに流れる電流よりも多くなるように第１、第２電圧コンバータを制御する。コントローラは、第２リアクトルの温度が第２温度閾値を超えているとともに第１リアクトルの温度が第１温度閾値を下回っている場合は第１リアクトルに流れる電流が第２リアクトルに流れる電流よりも多くなるように第１、第２電圧コンバータを制御する。上記のように制御することで、それぞれのリアクトルの温度が過度に高くなることを適切に抑えることができる。

本明細書が開示する電力変換器は、放熱シートを挟んで第１リアクトルに対向している冷却器と、第１リアクトルに隣接して配置されているとともに第２リアクトルから離れて配置されている別の部品を備えていてもよい。別の部品の耐熱温度は第１リアクトルの耐熱温度よりも低い。別の部品は電気部品に限られない。

第１リアクトルの温度が過度に高くなることが抑えられるので、第１リアクトルが熱膨張することによる放熱シートのはみ出し（リアクトルと冷却器の間からのはみ出し）を抑制することができる。同時に、別の部品への熱害を抑制することができる。例えば、リアクトルの従来の到達温度では、コンデンサなど、リアクトルと比較して耐熱温度が低い部品はリアクトルに隣接配置できなかった。本明細書が開示する技術によってリアクトルの到達温度を低く抑えることができたことで、コンデンサなど、リアクトルと比較して耐熱温度が低い部品をリアクトルに隣接配置できるようになった。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換器を含む電気自動車のブロック図である。コントローラが実行する制御のフローチャートである。電力変換器のケース内部の部品配置を示す断面図である（１）。電力変換器のケース内部の部品配置を示す断面図である（２）。

図面を参照して実施例の電力変換器１０を説明する。電力変換器１０は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力を走行用モータの駆動電力に変換するデバイスである。図１に、電力変換器１０を含む電気自動車１００のブロック図を示す。

先に述べたように、電力変換器１０は、バッテリ３の電力を、走行用の２個のモータ１９ａ、１９ｂの駆動電力に変換するデバイスである。電力変換器１０は、２個の電圧コンバータ１１ａ、１１ｂ、２個のインバータ６ａ、６ｂ、コンデンサ４、５を備えている。

２個の電圧コンバータ１１ａ、１１ｂは、共通の低圧端８（低圧正極端８ａ、低圧負極端８ｂ）と、共通の高圧端９（高圧正極端９ａ、高圧負極端９ｂ）の間に並列に接続されている。低圧正極端８ａと低圧負極端８ｂの間にコンデンサ４が接続されている。高圧正極端９ａと高圧負極端９ｂの間にコンデンサ５が接続されている。コンデンサ４、５は、電圧コンバータ１１ａ、１１ｂに入出力する電力の電圧脈動（または電流脈動）を抑えるために備えられている。

電圧コンバータ１１ａ、１１ｂは、同じ構造を有しており、低圧端８に入力された直流電力を昇圧して高圧端９から出力する昇圧機能と、高圧端９に入力された直流電力を降圧して低圧端８から出力する降圧機能を有している。すなわち、電圧コンバータ１１ａ、１１ｂは、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータである。

高圧端９に、２個のインバータ６ａ、６ｂが並列に接続されている。インバータ６ａ、６ｂの回路構成は図示を省略した。インバータ６ａ（６ｂ）は、電圧コンバータ１１ａ、１１ｂから供給される直流電力をモータ１９ａ（１９ｂ）の駆動に適した交流電力に変換する。変換された交流電力がモータ１９ａ（１９ｂ）に供給される。図示は省略しているが、モータ１９ａ、１９ｂの出力軸は、ギアセットを介して車軸と連結されている。

モータ１９ａ、１９ｂは、電力を使って駆動トルクを出力することが可能であるとともに、車両の慣性エネルギを使って発電することもできる。モータ１９ａ、１９ｂが発電した電力（回生電力）は、インバータ６ａ、６ｂによって交流から直流に変換され、電圧コンバータ１１ａ、１１ｂに供給される。

電圧コンバータ１１ａの回路構成について説明する。電圧コンバータ１１ａは、２個のスイッチング素子１３ａ、１４ａ、２個のダイオード１５ａ、１６ａ、リアクトル１２ａ、温度センサ１７ａを備えている。２個のスイッチング素子１３ａ、１４ａは、高圧正極端９ａと高圧負極端９ｂの間に直列に接続されている。スイッチング素子１３ａが高圧正極端９ａに近い側に位置しており、スイッチング素子１４ａが高圧負極端９ｂに近い側に位置している。

スイッチング素子１３ａ（１４ａ）にダイオード１５ａ（１６ａ）が逆並列に接続されている。スイッチング素子１３ａ、１４ａの直列接続の中点と、低圧正極端８ａの間にリアクトル１２ａが接続されている。温度センサ１７ａは、リアクトル１２ａの近傍に配置されており、リアクトル１２ａの温度を計測する。

スイッチング素子１３ａとダイオード１６ａが主に降圧動作に関与し、スイッチング素子１４ａとダイオード１５ａが主に昇圧動作に関与する。スイッチング素子１３ａ、１４ａは、コントローラ７によって制御される。コントローラ７は、不図示の上位コントローラから低圧端８の電圧と高圧端９の電圧の目標電圧比を受信し、目標電圧比が実現されるように、スイッチング素子１３ａ、１４ａを制御する。スイッチング素子１３ａ、１４ｂは、所定のデューティ比のＰＷＭ信号によって駆動される。コントローラ７は、目標電圧比が実現するようにデューティ比を決定する。コントローラ７は、スイッチング素子１３ａがオンのときにスイッチング素子１４ａがオフし、スイッチング素子１４ａがオンのときにスイッチング素子１３ａがオフとなるように駆動信号（ＰＷＭ信号）を生成し、それぞれのスイッチング素子１３ａ、１４ａに供給する。そうすると、低圧端８の電圧と高圧端９の電圧のバランスにより、昇圧と高圧が受動的に切り換わるようになる。昇圧に関与するスイッチング素子１４ａのデューティ比を高くし、降圧に関与するスイッチング素子１３ａのデューティ比を小さくすると、低圧端８と高圧端９の電圧比が大きくなる。

電圧コンバータ１１ｂの回路構成は電圧コンバータ１１ａの回路構成と同じであるので詳しい説明は省略する。図１から明らかなとおり、上記した電圧コンバータ１１ａの説明において符号の添え字「ａ」を「ｂ」に変えることで、電圧コンバータ１１ｂの説明になる。

バッテリ３の出力は数十キロワットであり、そのような大電力が流れるとリアクトル１２ａ、１２ｂは、発熱し、温度が上昇する。コントローラ７は、リアクトル１２ａ、１２ｂの温度が過度に高くなることを防止するため、リアクトル１２ａ、１２ｂの温度に応じて電圧コンバータ１１ａ、１１ｂのそれぞれに流す電流の分担比率を調整する。電圧コンバータ１１ａの電圧比が電圧コンバータ１１ｂの電圧比よりもわずかに高くなるように、スイッチング素子１３ａ、１４ａ、１３ｂ、１４ｂのデューティ比を調整することで、電圧コンバータ１１ａ（リアクトル１２ａ）に流れる電流が電圧コンバータ１１ｂ（リアクトル１２ｂ）に流れる電流よりも多くなる。逆に、電圧コンバータ１１ｂの電圧比が電圧コンバータ１１ａの電圧比よりもわずかに高くなるように、スイッチング素子１３ａ、１４ａ、１３ｂ、１４ｂのデューティ比を調整することで、電圧コンバータ１１ｂ（リアクトル１２ｂ）に流れる電流が電圧コンバータ１１ａ（リアクトル１２ａ）に流れる電流よりも多くなる。

温度センサ１７ａ、１７ｂの計測データはコントローラ７に送られる。コントローラ７は、温度センサ１７ａ、１７ｂが計測するリアクトル１２ａ、１２ｂの温度に応じて電圧コンバータ１１ａ、１１ｂに流れる電流の分担比率を調整する。

図２にコントローラ７が実行する電流分担比率調整処理のフローチャートを示す。図２の処理は、走行中、定期的に実行される。以下では説明の便宜のため、電圧コンバータ１１ａを第１電圧コンバータ１１ａと称し、電圧コンバータ１１ｂを第２電圧コンバータ１１ｂと称する。また、リアクトル１２ａを第１リアクトル１２ａと称し、リアクトル１２ｂを第２リアクトル１２ｂと称する。図２の記号「ＤＤＣ」は「電圧コンバータ」を意味する。

コントローラ７は、まず、第１リアクトル１２ａの温度ＴＲ１と第２リアクトル１２ｂの温度ＴＲ２を温度センサ１７ａ、１７ｂから取得する（ステップＳ２）。第１リアクトル１２ａの温度ＴＲ１が所定の第１温度閾値ＴＲｔｈ１を越えており、かつ、第２リアクトル１２ｂの温度ＴＲ２が所定の第２温度閾値ＴＲｔｈ２を下回っている場合は、コントローラ７は、第２電圧コンバータ１１ｂに流れる電流が第１電圧コンバータ１１ａに流れる電流よりも多くなるように、第１、第２電圧コンバータ１１ａ、１１ｂ（すなわち、スイッチング素子１３ａ、１４ａ、１３ｂ、１４ｂ）を制御する（ステップＳ３：ＹＥＳ、Ｓ４）。先に述べたように、第２電圧コンバータ１１ｂの電圧比を第１電圧コンバータ１１ａの電圧比よりもわずかに高く設定することで、第１電圧コンバータ１１ａよりも第２電圧コンバータ１１ｂに多くの電流を流すことができる。その結果、第２リアクトル１２ｂに流れる電流が第１リアクトル１２ａに流れる電流よりも多くなる。

第１温度閾値ＴＲｔｈ１は、第１リアクトル１２ａの耐熱上限温度から所定の安全マージンを減じた値に設定されている。第２温度閾値ＴＲｔｈ２は、第２リアクトル１２ｂの耐熱上限温度から所定の安全マージンを減じた値に設定されている。

一方、第２リアクトル１２ｂの温度ＴＲ２が第２温度閾値ＴＲｔｈ２を越えており、かつ、第１リアクトル１２ａの温度ＴＲ１が第１温度閾値ＴＲｔｈ１を下回っている場合は、コントローラ７は、第１電圧コンバータ１１ａに流れる電流が第２電圧コンバータ１１ｂに流れる電流よりも多くなるように、第１、第２電圧コンバータ１１ａ、１１ｂ（すなわち、スイッチング素子１３ａ、１４ａ、１３ｂ、１４ｂ）を制御する（ステップＳ５：ＹＥＳ、Ｓ６）。その結果、第１リアクトル１２ａに流れる電流が第２リアクトル１２ｂに流れる電流よりも多くなる。

ステップＳ３の条件とステップＳ５の条件のいずれもがＮＯの場合、コントローラ７は、第１電圧コンバータ１１ａに流れる電流と第２電圧コンバータ１１ｂに流れる電流が等しくなるように、第１、第２電圧コンバータ１１ａ、１１ｂ（すなわち、スイッチング素子１３ａ、１４ａ、１３ｂ、１４ｂ）を制御する（ステップＳ３：ＮＯ、Ｓ５：ＮＯ、Ｓ７）。そうすると、第１リアクトル１２ａと第２リアクトル１２ｂに等しく電流が流れる。

上記の処理の効果は次の通りである。コントローラ７は、第１リアクトル１２ａの温度ＴＲ１が高くなっており（ＴＲ１＞ＴＲｔｈ１）、かつ、第２リアクトル１２ｂには温度の余裕がある場合（ＴＲ２＜ＴＲｔｈ２）、第２電圧コンバータ１１ｂ（すなわち第２リアクトル１２ｂ）により多くの電流を流し、第１リアクトル１２ａの温度上昇を抑制する。逆に、コントローラ７は、第２リアクトル１２ｂの温度ＴＲ２が高くなっており（ＴＲ２＞ＴＲｔｈ２）、かつ、第１リアクトル１２ａには温度の余裕がある場合（ＴＲ１＜ＴＲｔｈ１）、第１電圧コンバータ１１ａ（すなわち第１リアクトル１２ａ）により多くの電流を流し、第２リアクトル１２ｂの温度上昇を抑制する。図２の処理によって、第１リアクトル１２ａと第２リアクトル１２ｂのそれぞれの温度が過度に高くなることを抑制することができる。

なお、第１リアクトル１２ａの温度ＴＲ１が第１温度閾値ＴＲｔｈ１よりも高く、かつ、第２リアクトル１２ｂの温度ＴＲ２が第２温度閾値ＴＲｔｈ２よりも高い場合は、コントローラ７は、第１電圧コンバータ１１ａに流れる電流が第２電圧コンバータ１１ｂに流れる電流と等しくなるように、スイッチング素子１３ａ、１４ａ、１３ｂ、１４ｂを制御する。

電力変換器１０のハードウエアの構造について説明する。図３に、電力変換器１０のケースの一側板をカットした断面図を示す。図４に、ケースの別の一側板をカットした断面図を示す。図３は、図４の座標系において＋Ｙ側の側板をカットした断面に相等する。図４は、図３の座標系において－Ｘ側の側板をカットした断面に相当する。

ケース２１は、複数の冷却器３２と複数の半導体モジュール３３の積層体、基板３１、第１リアクトル１２ａ、第２リアクトル１２ｂ、冷却器３４、コンデンサモジュール３６、電圧コンバータ３７を収容している。図３では、左端の２個の冷却器のみに符号３２を付し、積層体内の他の冷却器には符号を省略した。同様に、左端の半導体モジュールにのみ符号３３を付し、積層体内の他の半導体モジュールには符号を省略した。

電圧コンバータ３７は、図１では図示していないが、バッテリ３の電圧を降圧して補機バッテリ（不図示）に供給するデバイスである。図４では、電圧コンバータ３７は仮想線で描いてあり、その後側に位置する第２リアクトル１２ｂが見えるようにしてある。

複数の半導体モジュール３３のそれぞれには、２個のスイッチング素子と２個のダイオードが収容されている。半導体モジュール３３の本体は樹脂製のパッケージであり、そのパッケージの内部で２個のスイッチング素子は直列に接続されている。パッケージの内部でそれぞれのスイッチング素子にダイオードが逆並列に接続されている。

１個の半導体モジュール３３が図１のスイッチング素子１３ａ、１４ａ、ダイオード１５ａ、１６ｂを収容しており、別の半導体モジュール３３がスイッチング素子１３ｂ、１４ｂ、ダイオード１５ｂ、１６ｂを収容している。残りの半導体モジュール３３は、インバータ６ａ、６ｂのスイッチング素子（不図示）を収容している。

複数の半導体モジュール３３のそれぞれから制御端子３９が伸びており、制御端子３９は基板３１に接続されている。基板３１には、図１に示したコントローラ７を構成する回路が実装されており、基板３１から制御端子３９を通して半導体モジュール３３の内部のスイッチング素子が制御される。

半導体モジュール３３には、内部のスイッチング素子の直列接続の高電位端、中点、低電位端のそれぞれと接続されるパワー端子が延びているが、その図示は省略した。それぞれのパワー端子と他のデバイスを接続するバスバも図示を省略してある。例えば、２個のスイッチング素子の直列接続の中点とリアクトルを接続するバスバは図示が省略されている。

第１リアクトル１２ａは、放熱シート３５を挟んで冷却器３４と対向している。冷却器３４は、ケース２１の中仕切り板２２に固定されている。図４に示されているように、第１リアクトル１２ａに隣接してコンデンサモジュール３６が位置している。コンデンサモジュール３６の内部には複数のコンデンサ素子が収容されている。いくつかのコンデンサ素子が図１のコンデンサ４に対応しており、残りのコンデンサ素子が図１のコンデンサ５に対応している。

第２リアクトル１２ｂは、ケース２１の底面２３に固定されている。第２リアクトル１２ｂには冷却器が触れておらず、また、第２リアクトル１２ｂは、コンデンサモジュール３６から遠い位置に配置されている。

上記したハードウエア構成の場合、第１リアクトル１２ａの温度が過度に高くなることが抑えられるので、第１リアクトル１２ａが熱膨張することによる放熱シート３５のはみ出し（第１リアクトル１２ａと冷却器３４の間からのはみ出し）を抑制することができる。また、第１リアクトル１２ａに隣接しているコンデンサモジュール３６への熱害を抑制することができる。コンデンサモジュール３６は、第１リアクトル１２ａと比較すると耐熱温度が低い。従来の技術では、コンデンサモジュール３６を第１リアクトル１２ａに隣接配置することができなかった。上記した制御によって第１リアクトル１２ａの温度が過度に高くなることが抑えられることで、耐熱温度の低いコンデンサモジュール３６を第１リアクトル１２ａに隣接配置できるようになった。

図３、図４で示したハードウエア構成は、本明細書が開示する技術の一例である。ただし、図３、図４のハードウエア構成を有している場合、コントローラ７は、第２リアクトル１２ｂの温度ＴＲ２＞第２温度閾値ＴＲｔｈ２であり、かつ、第１リアクトル１２ａの温度ＴＲ１＜第１温度閾値ＴＲｔｈ１が成立するが、第１リアクトル１２ａの温度ＴＲ１が上昇中である場合は、第１電圧コンバータ１１ａ（第１リアクトル１２ａ）と第２電圧コンバータ１１ｂ（第２リアクトル１２ｂ）に流れる電流が等しくなるように、スイッチング素子１３ａ、１４ａ、１３ｂ、１４ｂを制御してもよい。第１リアクトル１２ａは冷却器３４に接しており、第２リアクトル１２ｂは冷却器に接していない場合、上記の条件は通常では成立し得ない。上記の条件が成立する場合とは、温度センサあるいは電流センサで異常が生じている可能性がある。そのような場合は、第１リアクトル１２ａと第２リアクトル１２ｂに等しく電流を流すことが望ましい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図３、図４で示した部品レイアウトは一例である。本明細書が開示する技術は、放熱シートを挟んで第１リアクトルに対向している冷却器と、第１リアクトルに隣接して配置されているとともに第２リアクトルから離れて配置されている別の電気部品とを備えた電力変換器に適用することができる。

図２のフローチャートのステップＳ３において、ＴＲ１＞ＴＲｔｈ１を、ＴＲ１≧ＴＲｔｈ１としてもよい。あるいは逆に、ＴＲ２＜ＴＲｔｈ２を、ＴＲ２≦ＴＲｔｈ２としてもよい。同様にステップＳ５において、ＴＲ２＞ＴＲｔｈ２を、ＴＲ２≧ＴＲｔｈ２としてもよいし、あるいは逆に、ＴＲ１＜ＴＲｔｈ１を、ＴＲ１≦ＴＲｔｈ１としてもよい。

第１リアクトル１２ａに隣接配置される部品は、コンデンサモジュール３６に限られない。第１リアクトル１２ａに隣接配置される部品は、電気部品に限られない。第１リアクトル１２ａに隣接配置される部品は、リアクトル１２ａよりも耐熱温度の低い部品であってもよく、もちろん、リアクトル１２ａよりも耐熱温度の高い部品であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

３：バッテリ
４、５：コンデンサ
６ａ、６ｂ：インバータ
７：コントローラ
１０：電力変換器
１１ａ、１１ｂ：電圧コンバータ
１２ａ、１２ｂ：リアクトル
１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ：スイッチング素子
１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ：ダイオード
１７ａ、１７ｂ：温度センサ
１９ａ、１９ｂ：モータ
２１：ケース
２２：中仕切り板
２３：底面
３１：基板
３２、３４：冷却器
３３：半導体モジュール
３５：放熱シート
３６：コンデンサモジュール
３７：電圧コンバータ
１００：電気自動車

Claims

第１リアクトルを有している第１電圧コンバータと、
第２リアクトルを有しており、前記第１電圧コンバータに並列に接続されている第２電圧コンバータと、
前記第１電圧コンバータと前記第２電圧コンバータを制御するコントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、
前記第１リアクトルの温度が第１温度閾値を超えているとともに前記第２リアクトルの温度が第２温度閾値を下回っている場合は前記第２リアクトルに流れる電流が前記第１リアクトルに流れる電流よりも多くなるように前記第１、第２電圧コンバータを制御し、
前記第２リアクトルの温度が前記第２温度閾値を超えているとともに前記第１リアクトルの温度が前記第１温度閾値を下回っている場合は前記第１リアクトルに流れる電流が前記第２リアクトルに流れる電流よりも多くなるように前記第１、第２電圧コンバータを制御する、電力変換器。
放熱シートを挟んで前記第１リアクトルに対向している冷却器と、
前記第１リアクトルに隣接して配置されているとともに前記第２リアクトルから離れて配置されており、耐熱性が前記第１リアクトルの耐熱性よりも低い部品と、
を備えている、請求項１に記載の電力変換器。