JP2006196678A - コンデンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱よく自己放電をおこなうことができるコンデンサ装置を提供する。
【解決手段】 コンデンサ素子５０を充填する樹脂部４８として導電性樹脂を使用する。樹脂部４８に導電性を持たせておくことで、電源遮断時に一定時間内にコンデンサに蓄積されていた電荷を放電することができる。電極間の抵抗値は数十ｋΩに設定される。放電抵抗を端子間につける場合には抵抗素子の大きさが小さいと熱が抵抗素子に集中してしまい放熱の問題が生じるが、樹脂部４８は比較的大きさが大きく放熱も広い領域で起こるため、温度上昇を抑えることができる。好ましくは、樹脂ケース４４と金属ケース４２の両方に密着している薄い樹脂部４６を形成し放熱性を向上させる。この金属ケース４２は、車両が走行すると走行風によって冷却されコンデンサの放電による熱を良好に外部に放出することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、コンデンサ装置に関し、より特定的には、平滑用の大容量コンデンサ装置に関する。

特開平２−４５９０７号公報（特許文献１）には、２つの電極間の誘電体セラミックス素体またはコーティングする絶縁樹脂に導電性を付与して、コンデンサ自体に自己放電機能を設けることにより、放電用回路を特別に設ける必要がないコンデンサ装置が開示されている。
特開平２−４５９０７号公報 特開２００２−１７９１８４号公報 特開２００２−１５４５９５号公報 特開２００４−２０１４３９号公報 特開平２−２８９１０号公報

自動車用モータを駆動するインバータ回路の平滑用コンデンサにおいても、電源が遮断された後も電荷が残留するので、安全に配慮し放電抵抗を接続して速やかに電荷を放電させている。

しかし、このような用途では、特開平２−４５９０７号公報（特許文献１）に開示されるようなセラミックス素体を誘電体とするコンデンサは、耐圧、容量値および価格等が合わないので用いられない。

また、このような用途の平滑用コンデンサは、高周波大電流、大容量化の要望を満たすために複数個のコンデンサ素子が並列接続されて用いられる。さらに、車両のボンネット内部に設置されるとはいっても屋外で使用されるものであり、高耐湿性が必要でありまた機械的強度も要求されるため、金属ケースに収容されまた内部を防湿樹脂で充填している。つまり、コンデンサは素子保護のため熱がこもりやすい構造となっている。

放電抵抗で放電を行なう際には熱が生じるため、このような構造のコンデンサでは、放電抵抗を設置する位置に注意しないと、放電抵抗付近が高温となってしまい放電抵抗の焼損する恐れがある。したがって、放電による熱により温度が上昇しないようにしておくことが必要である。

本発明の目的は、放熱よく自己放電をおこなうことができるコンデンサ装置を提供することである。

この発明は、要約すると、コンデンサ装置であって、第１、第２の電極を有するコンデンサと、コンデンサを収容するケースと、コンデンサとケースとの隙間に充填され、第１の電極および第２の電極に接触する、導電性を有する第１の樹脂部とを備える。

好ましくは、コンデンサ装置は、ケースを収容する外装ケースと、ケースと外装ケースとの間に充填された第２の樹脂部とをさらに備える。

好ましくは、コンデンサは、第１、第２の電極間に並列接続された複数のコンデンサ素子を含む。

この発明の他の局面に従うと、コンデンサ装置であって、第１、第２の電極を有するコンデンサと、第１、第２の電極に接続される導電体とを備える。導電体は、第１の電極に接続される第１のバスバーと、第１のバスバーに少なくとも一部が平行に配置され、第２の電極に接続される第２のバスバーと、第１のバスバーおよび第２のバスバーに接触する、導電性を有する第１の樹脂部とを含む。

好ましくは、コンデンサ装置は、コンデンサを収容するケースと、コンデンサとケースとの隙間に充填され、第１の電極および第２の電極に接触する、導電性を有する第２の樹脂部とをさらに備える。

より好ましくは、コンデンサ装置は、ケースを収容する外装ケースと、ケースと外装ケースとの間に充填された第３の樹脂部とをさらに備える。

好ましくは、コンデンサは、第１、第２の電極間に並列接続された複数のコンデンサ素子を含む。

本発明によれば、放電抵抗素子を別途設ける必要が無くかつ放熱が広い領域で起こるため、温度上昇を抑えることができ放熱の面で有利である。また、コンデンサの放電による熱を良好に外部に放出することができる。さらに、ケース内に樹脂を充填するので製造がしやすくまた構造的にも強度が高い。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当部品には同一の符号を付してそれらについての説明は繰返さない。

［コンデンサ装置の用いられるシステムの構成］
図１は、本発明のコンデンサ装置が用いられるモータ駆動システムの構成を示した回路図である。このようなモータ駆動システムは、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車などに搭載されるシステムである。

図１に示されるモータ駆動システムは、バッテリ１と、システムメインリレー４１と、コンデンサ装置３と、インバータ２と、モータ４０と、モータ制御回路３０とを含む。

バッテリ１は、たとえばニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池である。システムメインリレー４１は、モータ制御回路３０からの信号によりオン／オフされる。

インバータ２は、コンデンサ装置３によって平滑化された電源電位を受けて交流モータ４０を駆動する。また、インバータ２は、回生制動に伴い交流モータ４０において発電された電力をバッテリ１に戻す。

交流モータ４０は、車両の図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生するためのモータである。このモータは、たとえば、ハイブリッド自動車に搭載される場合には、エンジンによって駆動される発電機の機能を持ち、かつ、エンジンに対して電動機として動作しエンジンの始動を行ない得るようなものであってもよい。

インバータ２は、Ｕ相アームＵＡと、Ｖ相アームＶＡと、Ｗ相アームＷＡと、電流センサ２１と、電流センサ２１の出力を受けて各相アームの制御を行なうＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）制御回路２０とを含む。インバータ２は、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）として１つのケースに収められていても良い。

Ｕ相アームＵＡ、Ｖ相アームＶＡ、およびＷ相アームＷＡは、コンデンサ装置３の両端子に接続されるバスバー１ｃ、１ｄ間に並列に接続される。

Ｕ相アームＵＡは、直列接続されたＩＧＢＴ素子４，５と、ＩＧＢＴ素子４，５とそれぞれ並列に接続されるダイオード１０，１１とを含む。ダイオード１０のカソードはＩＧＢＴ素子４のコレクタと接続され、ダイオード１０のアノードはＩＧＢＴ素子４のエミッタと接続される。ダイオード１１のカソードはＩＧＢＴ素子５のコレクタと接続され、ダイオード１１のアノードはＩＧＢＴ素子５のエミッタと接続される。

Ｖ相アームＶＡは、直列接続されたＩＧＢＴ素子６，７と、ＩＧＢＴ素子６，７とそれぞれ並列に接続されるダイオード１２，１３とを含む。ダイオード１２のカソードはＩＧＢＴ素子６のコレクタと接続され、ダイオード１２のアノードはＩＧＢＴ素子６のエミッタと接続される。ダイオード１３のカソードはＩＧＢＴ素子７のコレクタと接続され、ダイオード１３のアノードはＩＧＢＴ素子７のエミッタと接続される。

Ｗ相アームＷＡは、直列接続されたＩＧＢＴ素子８，９と、ＩＧＢＴ素子８，９とそれぞれ並列に接続されるダイオード１４，１５とを含む。ダイオード１４のカソードはＩＧＢＴ素子８のコレクタと接続され、ダイオード１４のアノードはＩＧＢＴ素子８のエミッタと接続される。ダイオード１５のカソードはＩＧＢＴ素子９のコレクタと接続され、ダイオード１５のアノードはＩＧＢＴ素子９のエミッタと接続される。

各相アームの中間点は、交流モータ４０の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、交流モータ４０は、三相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中点に共に接続されている。そして、Ｕ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子４，５の接続ノードに接続される。またＶ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子６，７の接続ノードに接続される。またＷ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子８，９の接続ノードに接続される。

モータ制御回路３０は、インバータ２に対して、直流電圧をモータ４０を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示とモータ４０で発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１側に戻す回生指示とを出力する。

［実施の形態１］
図２は、図１のコンデンサ装置３の平面図である。

図３は、図２のコンデンサ装置３のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。

図４は、図２のコンデンサ装置３のＩＶ−ＩＶにおける断面図である。

図２〜図４を参照して、コンデンサ装置３は、金属製のケース４２と、ケース４２
の内側に収容される樹脂ケース４４と、樹脂ケース４４の内部に配置される複数のコンデンサ素子５０と、複数のコンデンサ素子５０の各々の正電極に接続される金属板５２と、複数のコンデンサ素子５０の各々の負電極に接続される金属板５４とを含む。金属板５２には、＋端子１ａが接続されており、金属板５４には−端子１ｂが接続されている。

コンデンサ素子５０は、たとえば耐圧性の高いポリエステルやポリプロピレンなどのフィルムを誘電体として用いたフィルムコンデンサである。

コンデンサ素子５０の各々は、ベースのフィルム材に金属薄膜を蒸着したものを巻回して構成する。巻回後には両端部に正負それぞれの電極金属薄膜が露出しているので、露出している電極薄膜部分にメタリコンと呼ばれる溶射金属を形成し、メタリコンの部分と金属板５２，５４とをはんだ付けで接続する。コンデンサ素子５０は、金属板５２，５４の間に複数が並列接続される。

金属製のケース４２は、例えば大量生産が可能なアルミダイカスト製である。金属製のケース４２により内部のコンデンサ素子５０は外部からの衝撃等から保護される。また、インバータ２と組み合わされたときにおいて、インバータ２から発生する電磁的ノイズを外部に漏洩させないためのシールドとしての効果も有する。

樹脂ケース４４は絶縁性および耐湿性が良好な樹脂でできており、たとえばＰＰＳ樹脂が使用される。樹脂ケース４４は、その外側に配置される金属製のケース４２と内部のコンデンサ素子５０との絶縁を確実にし、また、コンデンサ素子５０を湿気から保護するために用いられている。ケース内に樹脂を充填するので製造がしやすくまた構造的にも強度が高い。

さらに、コンデンサ素子５０の耐湿性をいっそう確保し、振動に対する機械的強度を向上させるために、樹脂ケース４４にはエポキシ樹脂等が充填され樹脂部４８が形成されている。

端子１ａおよび１ｂは樹脂ケース４４に充填された樹脂部４８から上方に突出しており、各々の先端部分にボルト取付け用の孔が設けられている。

樹脂部４８としては、たとえばエポキシ樹脂に導電性の粉末を分散させたものを使用することができる。導電性粉末の密度を調整することにより、電極間の抵抗値を数十ｋΩに調整することができる。導電性粉末の例としては、フレーク状銀粉、球状銀粉やカーボン粉末を使用することができる。なお、導電性粉末は導電フィラーとも呼ばれる。

樹脂部４８に導電性を持たせておくことで、電源遮断時に一定時間内にコンデンサに蓄積されていた電荷を放電することができる。この放電は比較的ゆっくりでよいので電極間の抵抗値は数十ｋΩに設定される。

放電抵抗を端子間につける場合には抵抗素子の大きさが小さいと熱が抵抗素子に集中してしまい放熱の問題が生じるが、樹脂部４８は比較的大きさが大きく放熱も広い領域で起こるため、温度上昇を抑えることができ放熱の面でも有利である。

本発明のコンデンサ素子は、樹脂ケース４４と金属ケース４２との間に充填されて形成された樹脂部４６をさらに含む。金属ケース４２もコンデンサ装置の強度を高めるために有効である。樹脂ケース４４を金属ケース４２に収容した場合、樹脂部４６がなければ樹脂ケース４４と金属ケース４２はいくつかの点で点接触することになる。樹脂ケース４４と金属ケース４２との間の大部分は薄い空気層を介在して熱伝達を行なうので、熱伝達は良好ではない。

このため樹脂ケース４４と金属ケース４２の両方に密着している薄い樹脂部４６を形成し放熱性を向上させている。この金属ケース４２は、車両が走行すると走行風によって冷却されるので、コンデンサの放電による熱を良好に外部に放出することができる。

好ましくは、樹脂部４６として高熱伝導性樹脂を用いることでさらに良好に熱を外部に放出できる。例えば、内部のコンデンサ素子と金属ケース４２との間の絶縁は樹脂ケース４４で確保されているので、樹脂部４６にも金属粉末を分散させれば樹脂部４６自身の熱伝導率も良くすることができ、コンデンサ素子５０から金属ケース４２外部への放熱をさらに良くすることができる。

［実施の形態２］
実施の形態１ではコンデンサ装置内部の充填樹脂に導電性を持たせることにより、この部分で蓄積電荷を放電させる放電抵抗を形成した。

これに対し実施の形態２では、コンデンサ装置は端子部分にバスバーが取付けられこのバスバー部分で放電を行なう。

図５は、図２〜図４で示したコンデンサ装置に接続されるパワーモジュールを示した図である。

図５を参照して、モジュールＩＰＭは、冷却器６０上に設けられた回路基板６１，６２，６３と、回路基板上に搭載されたＩＧＢＴ素子４，５と、ＩＧＢＴ素子４，５と隣接基板とを接続するワイヤ６４，６５とを含む。基板６１にはバスバー１ｃが接続され、基板６３にはバスバー１ｄが接続される。バスバー１ｃ、１ｄはバスバーユニットＢＢを構成している。このバスバーユニットＢＢは、樹脂でその一部が覆われて一体構造となっている。

バスバーユニットＢＢに含まれているバスバー１ｃ、１ｄの他方端は、図２、図３における端子１ａ、１ｂとそれぞれ接続される。

図６は、図５のＶＩ−ＶＩ断面における断面図である。

図６を参照して、バスバー１ｃ、１ｄは直流電源に接続される機器の内部に配策される正極、負極用の金属導体で一般的にはインダクタンスを低減させるために絶縁層７０を介在させて積層されている。実施の形態２ではバスバー１ｃ、１ｄを導電性樹脂７１，７３で接続する。導電性樹脂７１、７３は放電抵抗として機能する。

導電性樹脂７１，７３およびバスバー１ｃ，１ｄは絶縁被覆７２で外装されている。したがってバスバーユニットＢＢを走行風で冷却される金属ケース４２に密着させて放熱性を高めることができる。

なお、バスバー１ｃ，１ｄの少なくとも一部分を実施の形態１の場合と同様に抵抗値を調整した導電性樹脂でモールドしてもよい。

実施の形態２でも、放熱が良好な放電抵抗を実現することができる。

なお、図２〜図３で説明したようにコンデンサ素子を充填する樹脂に導電性を持たせ、かつバスバーの平行部分にも図６で示した構成を用いても良い。この場合の導電性樹脂の抵抗値は、２つの抵抗の合成抵抗値が数十ｋΩとなるように調整する。このようにすれば発熱部分をさらに分散させることができ、温度上昇を抑えることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のコンデンサ装置が用いられるモータ駆動システムの構成を示した回路図である。 図１のコンデンサ装置３の平面図である。 図２のコンデンサ装置３のＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。 図２のコンデンサ装置３のＩＶ−ＩＶにおける断面図である。 図２〜図４で示したコンデンサ装置に接続されるパワーモジュールを示した図である。 図５のＶＩ−ＶＩ断面における断面図である。

符号の説明

１ バッテリ、１ａ，１ｂ 端子、１ｃ，１ｄ バスバー、２ インバータ、３ コンデンサ装置、４〜９ ＩＧＢＴ素子、１０〜１５ ダイオード、２０ ＩＧＢＴ制御回路、２１ 電流センサ、３０ モータ制御回路、４０ モータ、４１ システムメインリレー、４２ 金属ケース、４４ 樹脂ケース、４６，４８ 樹脂部、５０ コンデンサ素子、５２，５４ 金属板、６０ 冷却器、６１，６２，６３ 回路基板、６４，６５ ワイヤ、７０ 絶縁層、７１，７３ 導電性樹脂、７２ 絶縁被覆、ＢＢ バスバーユニット、ＩＰＭ モジュール、ＵＡ Ｕ相アーム、ＶＡ Ｖ相アーム、ＷＡ Ｗ相アーム。

Claims (7)

1. 第１、第２の電極を有するコンデンサと、
   前記コンデンサを収容するケースと、
   前記コンデンサと前記ケースとの隙間に充填され、前記第１の電極および前記第２の電極に接触する、導電性を有する第１の樹脂部とを備える、コンデンサ装置。
2. 前記ケースを収容する外装ケースと、
   前記ケースと前記外装ケースとの間に充填された第２の樹脂部とをさらに備える、請求項１に記載のコンデンサ装置。
3. 前記コンデンサは、
   前記第１、第２の電極間に並列接続された複数のコンデンサ素子を含む、請求項１または２に記載のコンデンサ装置。
4. 第１、第２の電極を有するコンデンサと、
   前記第１、第２の電極に接続される導電体とを備え、
   前記導電体は、
   前記第１の電極に接続される第１のバスバーと、
   前記第１のバスバーに少なくとも一部が平行に配置され、前記第２の電極に接続される第２のバスバーと、
   前記第１のバスバーおよび前記第２のバスバーに接触する、導電性を有する第１の樹脂部とを含む、コンデンサ装置。
5. 前記コンデンサを収容するケースと、
   前記コンデンサと前記ケースとの隙間に充填され、前記第１の電極および前記第２の電極に接触する、導電性を有する第２の樹脂部とをさらに備える、請求項４に記載のコンデンサ装置。
6. 前記ケースを収容する外装ケースと、
   前記ケースと前記外装ケースとの間に充填された第３の樹脂部とをさらに備える、請求項５に記載のコンデンサ装置。
7. 前記コンデンサは、
   前記第１、第２の電極間に並列接続された複数のコンデンサ素子を含む、請求項４〜６のいずれか１項に記載のコンデンサ装置。

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