WO2019244491A1

WO2019244491A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2019244491A1
Application number: PCT/JP2019/018332
Authority: WO
Inventors: 陽一郎古田; 賢市郎中嶋; 雄太沼倉
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2019-05-08
Publication date: 2019-12-26
Also published as: CN112313870B; JP6964192B2; JPWO2019244491A1; US20210249967A1; US11923781B2; CN112313870A; DE112019002391T5

Abstract

コストの増加、装置の大型化を抑制することのできる電力変換装置を提供する。　信号を伝達する信号コネクタ１１４が接続される接続部１４０を有する制御基板１１３と、制御基板１１３を支持すると共に導電性を有するベース部材１２０と、制御基板１１３とベース部材１２０を収納しかつグランドに接続されるケース１１０とを備え、ベース部材１２０は、制御基板１１３の一方の面に接続された支持部１４１と、一方が支持部１４１と接続され他方がケース１１０に向かって延在しかつケース１１０に接続された第１延在部１３０とを備え、制御基板１１３にはノイズを発生する電子部品１１３ａが実装され、第１延在部１３０、支持部１４１にて電気的な経路を形成し、第１延在部と電子部品１１３ａとの距離が、接続部１４０と電子部品１１３ａとの距離より短くなる位置に第１延在部１３０を配置した。

Description

電力変換装置

　本発明は、電力変換装置に関する。

　ハイブリッド自動車や電気自動車には、インバータやＤＣ／ＤＣコンバータなどの電力変換装置が搭載されている。これらの電力変換装置では、半導体素子をスイッチングすることにより、直流電圧を交流電圧や他の直流電圧に変換している。たとえばＤＣ／ＤＣコンバータでは、バッテリから供給される数百ボルトの直流高電圧を、車両補機類に供給される十数ボルトの直流低電圧に変換している。

　電力変換装置は一般的に、強電系回路と弱電系回路といった電気回路装置を備えている。たとえばＤＣ／ＤＣコンバータの強電系回路には、直流電圧を交流電圧に、または交流電圧を直流電圧に変換するスイッチング回路や、交流電圧変換を行うトランス等が含まれる。また弱電系回路には、スイッチング回路の動作を制御するための制御信号を生成する制御回路や、フィルタ回路等が含まれる。車両に搭載される電力変換装置では、小型化および一体化のために、これらの回路が同一の金属筐体内に収納されることが好ましい。しかし、強電系回路と弱電系回路を同一の金属筐体内に収納すると、強電系回路から発生する電磁ノイズが弱電系回路に電磁結合されることで、外部への伝導ノイズが発生することがある。このような場合、伝導ノイズのレベルによっては、法規制や車両側の要求に応じて定まるノイズ規制値を満たせないという問題が生じる。

　この課題を解決するために、ノイズの発生源となる強電系回路（ノイズ発生回路部）と弱電系回路（制御基板）との間に金属製のベース板を配置し、このベース板を第１ベース板と第２ベース板とに分割し、これらのベース板の間に高インピーダンス機構として作用するスリットを設けた技術が提案されている。このように電力変換装置においては、外部への伝達ノイズを低減させる対策が行われている。このような技術として、例えば特許文献１がある。

ＷＯ２０１７／１４５４４９

　しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、ノイズ低減のために金属性のベース板を新たに設けているので、コストが増加する可能性があった。

　また、ベース板は強電系回路（ノイズ発生回路部）と弱電系回路（制御基板）との間に配置され、しかもスリットが形成されるように分割して設けるようにしているので、高さ方向の寸法が大きくなり、装置が大型化する可能性があった。

　本発明は上記課題を解決し、コストの増加、装置の大型化を抑制することのできる電力変換装置を提供することにある。

　上記目的を達成するために本発明の特徴とするところは、信号を伝達する信号コネクタが接続される接続部を有する制御基板と、前記制御基板を支持すると共に導電性を有するベース部材と、前記制御基板と前記ベース部材を収納しかつグランドに接続されるケースとを備えた電力変換装置において、前記ベース部材は、前記制御基板の一方の面に接続された支持部と、一方が前記支持部と接続され他方が前記ケースに向かって延在しかつ前記ケースに接続された第１延在部と、を備え、前記制御基板にはノイズを発生する電子部品が実装され、前記第１延在部、前記支持部にて電気的な経路を形成し、前記第１延在部と前記電子部品との距離が、前記接続部と前記電子部品との距離より短くなる位置に前記第１延在部を配置したことにある。

　本発明によれば、コストの増加、装置の大型化を抑制することのできる電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施例に係る電力変換装置の分解斜視図である。本発明の実施例に係るサブモジュールの分解斜視図である。本発明の実施例に係るサブモジュールの上面図である。本発明の実施例に係る電力変換装置の上面図である。図４におけるＶ部の拡大図である。図５におけるVI方向から見た斜視図である。図６におけるVII方向から見た斜視図である。本発明の実施例に係る制御基板の正面図である。

　以下、本発明に係る電力変換装置の実施例を図面に基づいて説明する。本発明は以下の実施例に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例もその範囲に含むものである。

　図１は本発明の実施例に係る電力変換装置の分解斜視図である。図１において、電力変換装置１００は上部が開口したケース１１０と、ケース１１０の開口部を塞ぐカバー１１１とにより、外郭が構成されている。ケース１１０には、サブモジュール１１２と、制御基板１１３と、信号コネクタ１１４が収納され、カバー１１１によって覆われている。ケース１１０は図示しないグランドに接続されている。

　サブモジュール１１２は、バッテリからの直流電流を交流電流に変換する機器を備えると共に、冷媒を流すための流路が形成されている。信号コネクタ１１４は信号を伝達するものであり、自動車等の車両側接続部（図示せず）と制御基板１１３のそれぞれに接続され、車両側と制御基板１１３との間で信号の送受信を行う。

　次にサブモジュール１１２の構成について説明する。図２は本発明の実施例に係るサブモジュールの分解斜視図である。

　図２において、ベース部材１２０は導電性を有しており、複数のパワーモジュール１２１（１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ）を収納すると共に、冷媒を流すための流路が形成されている。パワーモジュール１２１はＵ相、Ｖ相及びＷ相のそれぞれに一つずつ設けられ、合計３つ存在する（パワーモジュール１２１ａ，１２１ｂ，１２１ｃ）。また、パワーモジュール１２１は直流電流を交流電流へ変換するスイッチング素子を有し、ＤＣバスバ１２２から入力される直流電流を交流電流に変換し、ＡＣバスバ１２３へ出力する。さらにパワーモジュール１２１は駆動回路基板１２４と接続される。駆動回路基板１２４はパワーモジュール１２１のスイッチング素子を駆動するための信号を出力する。フラットケーブル１２５は制御基板１１３と駆動回路基板１２４とを接続している。制御基板１１３は、パワーモジュールを制御する制御信号を出力する。制御基板１１３と駆動回路基板１２４とはベース部材１２０を挟んで対向するように配置されている。ベース部材１２０の流路には冷媒が流れ、パワーモジュール１２１を冷却する。制御基板１１３及び駆動回路基板１２４は、基板の平面部が鉛直方向（上下方向）に沿うようにし、一方の面がベース部材１２０に対向するように配置されている。本実施例では、制御基板１１３、ベース部材１２０、ケース１１０で電気回路装置を構成している。

　次に図３を用いてサブモジュール１１２を組み立てた状態について説明する。図３は本発明の実施例に係るサブモジュールの上面図である。ベース部材１２０には、ケース１１０に向けて外側に延在する延在部が備えられている。本実施例では、延在部として第１延在部１３０と第２延在部１３１（複数の延在部）から構成されている。第１延在部１３０及び第２延在部１３１はベース部材１２０と一体に形成されており、導電性を有している。第１延在部１３０にはケース１１０に固定するための第１固定部１３２を備えており、同様に第２延在部１３１にはケース１１０に固定するための第２固定部１３３を備えている。第１延在部１３０及び第２延在部１３１の機能については後述する。

　ベース部材１２０には、ケース１１０に固定するための第３固定部１３４、第４固定部１３５、第５固定部１３６、第６固定部１３７、第７固定部１３８を備えており、各固定部に螺子を挿入して締結することにより、ベース部材１２０がケース１１０に固定される。

　電力変換装置１００が駆動すると、制御基板１１３に実装された電子部品からノイズが発生する。発生したノイズは制御基板１１３上を伝搬し、ベース部材１２０を介して第３固定部１３４～第７固定部１３８へ伝搬される。さらに第３固定部１３４～第７固定部１３８へ伝搬したノイズはケース１１０へと伝搬される。第３固定部１３４～第７固定部１３はケース１１０の四隅に配置されている。第３固定部１３４～第７固定部１３８のうち、制御基板１１３に近い距離に配置される第３固定部１３４が最もノイズ除去の効果が高い。

　しかしながら、制御基板１１３には、車両側と信号の送受信を行う信号コネクタ１１４が接続されるので、制御基板１１３に実装された電子部品からのノイズが信号コネクタ１１４を介して車両側に伝搬し、車両側の制御基板が誤動作を起こす可能性があった。第３固定部１３４～第７固定部１３８によって一部のノイズは除去可能であるが、ノイズ伝達経路となるノイズ発生部と第３固定部１３４～第７固定部１３８との間に信号コネクタ１１４が配置されていると、ノイズが第３固定部１３４～第７固定部に到達する前に信号コネクタ１１４へ伝搬してしまう。このため、第３固定部１３４～第７固定部１３８のみでは、信号コネクタ１１４から車両側に伝搬するノイズ除去には十分な効果を発揮できなかった。この課題を解決するための手段について、図４から図８を用いて説明する。

　図４は本発明の実施例に係る電力変換装置の上面図、図５は図４におけるＶ部の拡大図、図６は図５におけるVI方向から見た斜視図、図７は図６におけるVII方向から見た斜視図、図８は本発明の実施例に係る制御基板の正面図である。

　図４は電力変換装置１００のカバー１１１を外した状態を示すものであり、ケース１１０にはサブモジュール１１２が収納されている。図４に示すようにサブモジュール１１２を構成するベース部材１２０は、前述した第３固定部１３４～第７固定部１３８を介してケース１１０に螺子１６２等で固定されている。図中の螺子１６２は第３固定部１３４に配置された螺子である。

　図５～８に示すように、ベース部材１２０には、ケース１１０に向けて外側に延在する第１延在部１３０と第２延在部１３１が備えられている。第１延在部１３０の先端部にはケース１１０に固定するための第１固定部１３２を備えており、同様に第２延在部１３１の先端部にはケース１１０に固定するための第２固定部１３３を備えている。第１固定部１３２と第２固定部１３３には螺子１６０，１６１が挿入され、第１固定部１３２と第２延在部１３１をケース１１０に固定する。このように第１延在部１３０と第２延在部１３１は、一方がベース部材１２０に接続され、他方がケース１１０に接続されている。制御基板１１３には、信号コネクタ１１４の一端が接続される接続部１４０が備えられている。本実施例の接続部１４０は、図８に示すように、制御基板１１３の角部側に寄って配置されている。

　図５～図７に示すように第１延在部１３０と第２延在部１３１は、基板の平面部が鉛直方向（上下方向）に沿うように配置された制御基板１１３を跨いで延在している。本実施例における「跨ぐ」とは、制御基板１１３の一方の面から他方の面へ延在することを言い、延在部が制御基板１１３を挟む必要はないものとする。また、接続部１４０は、第１延在部１３０と第２延在部１３１によって挟まれる空間に配置されている。

　ベース部材１２０における第２延在部１３１が形成された位置には、図７に示すように制御基板１１３を支持する支持部１４２が形成されている。図７には示されていないが、ベース部材１２０における第１延在部１３０が形成された位置においても、制御基板１１３を支持する支持部１４１が形成されている。支持部１４１，１４２はベース部材１２０と一体に形成され、導電性を有している。そして、支持部１４１と第１延在部１３０、支持部１４２と第２延在部１３１は共に導電性を有しており、電気的に接続されている。さらに第１延在部１３０，第２延在部１３１がグランドに接続されたケース１１０に接続固定されることにより、電気的な経路が構成される。

　支持部１４１,１４２と対向する位置における制御基板１１３には、それぞれ螺子１６２,１６３が配置され、制御基板１１３を支持部１４１,１４２に固定する。これにより、制御基板１１３は支持部１４１,１４２を介してベース部材１２０における第１延在部１３０,第２延在部１３１と接続される。

　また、制御基板１１３の上部には、切欠部１５０,１５１が形成されており、この切欠部１５０，１５１に第１延在部１３０,第２延在部１３１を配置するようにしている。本実施例では、制御基板１１３に第１延在部１３０,第２延在部１３１が位置する切欠部１５０,１５１を備えているので、ベース部材１２０に制御基板１１３を取付けるにあたり第１延在部１３０,第２延在部１３１に沿って位置決めすることができ、制御基板１１３の取付作業性を向上することができる。なお、本実施例では切欠部１５０,１５１としているが、切欠部１５０,１５１に代えて貫通孔とし、この貫通孔に第１延在部１３０,第２延在部１３１を挿入するようにしても良い。

　制御基板１１３には、ノイズの発生源となる電子部品１１３ａ,１１３ｂが実装されている。電力変換装置１００が駆動すると、制御基板１１３に実装された電子部品１１３ａ，１１３ｂからノイズが発生する。発生したノイズは、接続部１４０から信号コネクタ１１４に伝搬され、車両側制御回路に伝搬される可能性があるが、本実施例では接続部１４０を挟むようにして配置した第１延在部１３０，第２延在部１３１により、接続部１４０へのノイズの伝搬を抑制している。

　例えば、電子部品１１３ａで発生したノイズの一部は、図８に示すように制御基板１１３を伝搬し、ノイズ伝搬経路１５３に従い、第３固定部１３４側に向かう。第３固定部１３４側に向かう途中には、接続部１４０が配置されているが、電子部品１１３ａと接続部１４０の間には、第１延在部１３０が配置されているので、制御基板１１３を伝搬してきたノイズは、支持部１４１を介して制御基板１１３と接続された第１延在部１３０へと伝搬される。電子部品１１３ａと接続部１４０の間に第１延在部１３０が配置されたことにより、ノイズを発生源の電子部品１１３ａから第３固定部１３４までの距離より、電子部品１１３ａから第１延在部１３０までの距離が短くなり、インピーダンスの低下によって第１延在部１３０へのノイズが伝搬し易くなる。第１延在部１３０にはノイズ伝搬経路１４３が形成され、ノイズ伝搬経路１４３を伝搬したノイズは、第１延在部１３０の第１固定部１３２からケース１１０へと伝搬される（図５）。加えて、本実施例では、電子部品１１３ａと第１延在部１３０とを結ぶ距離Ｌ１が、電子部品１１３ａと接続部１４０とを結ぶ距離Ｌ２よりも短くなるように、第１延在部１３０を配置している（Ｌ１＜Ｌ２）。電子部品１１３ａから発生したノイズは、ノイズ伝搬経路１５３に従い、接続部１４０側へと向かうが、電子部品１１３ａで発生したノイズは接続部１４０より距離が短い第１延在部１３０へと伝搬される。

　本実施例では、接続部１４０の近傍であって電子部品１１３ａと接続部１４０の間に第１延在部１３０を設けたことにより、電子部品１１３ａから発生したノイズが接続部１４０へ伝搬されるのを抑制することができる。

　また、例えば制御基板１１３には、第１延在部１３０よりも接続部１４０に近い位置にノイズ発生源の電子部品１１３ｂが実装されることがある。電子部品１１３ｂで発生したノイズは第１延在部１３０に伝搬する前に接続部１４０に伝搬してしまう可能性がある。そこで、本実施例では第２延在部１３１を設けている。電子部品１１３ｂで発生したノイズの一部は、制御基板１１３を伝搬し、ノイズ伝搬経路１５４に従い、接続部１４０側に向かう。電子部品１１３ａと接続部１４０の間には、制御基板１１３を伝搬してきたノイズは、支持部１４２を介して制御基板１１３と接続された第２延在部１３１へと伝搬される。第２延在部１３１にはノイズ伝搬経路１４４が形成され、ノイズ伝搬経路１４４を伝搬したノイズは、第２延在部１３１の第２固定部１３４からケース１１０へと伝搬される。本実施例では、接続部１４０の近傍であって電子部品１１３ｂと接続部１４０の間に第２延在部１３１を設けたことにより、電子部品１１３ｂから発生したノイズが接続部１４０へ伝搬されるのを抑制することができる。

　以上説明したように本実施例によれば、一方が支持部１４１を介して制御基板１１３に接続され、他方がケース１１０に接続される第１延在部１３０を設け、第１延在部１３０と電子部品１１３ａとの距離が、接続部１４０と電子部品１１３ａとの距離より短くなる位置第１延在部１３０を配置するようにしているので、電子部品１１３ａ（電子部品１１３ｂ）から発生したノイズが接続部１４０を介して車両側へ伝達するのを抑制することができる。

　また、本実施例によれば、一方が制御基板１１３に接続され、他方がケース１１０に接続される第１延在部１３０及び第２延在部１３１（複数の延在部）を設け、制御基板１１３に設けた接続部１４０を第１延在部１３０と第２延在部１３１との間に設けるようにしているので、電子部品１１３ａ，１１３ｂから発生したノイズが接続部１４０を介して車両側へ伝達するのを抑制することができる。

　なお、本発明は、上述した実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。上述した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。

１００　電力変換装置
１１０　ケース
１１２　サブモジュール
１１３　制御基板
１１３ａ　電子部品
１１３ｂ　電子部品
１１４　信号コネクタ
１２０　ベース部材
１２１　パワーモジュール
１２４　駆動回路基板
１３０　第１延在部
１３１　第２延在部
１３２　固定部
１３３　固定部
１４１　支持部
１４２　支持部
１４３　ノイズ伝搬経路
１４４　ノイズ伝搬経路
１５０　切欠部
１５１　切欠部
１５３　ノイズ伝搬経路

Claims

　信号を伝達する信号コネクタが接続される接続部を有する制御基板と、
　前記制御基板を支持すると共に導電性を有するベース部材と、
　前記制御基板と前記ベース部材を収納しかつグランドに接続されるケースとを備えた電力変換装置において、
　前記ベース部材は、
　前記制御基板の一方の面に接続された支持部と、一方が前記支持部と接続され他方が前記ケースに向かって延在しかつ前記ケースに接続された第１延在部と、を備え、
　前記制御基板にはノイズを発生する電子部品が実装され、
　前記第１延在部、前記支持部にて電気的な経路を形成し、
　前記第１延在部と前記電子部品との距離が、前記接続部と前記電子部品との距離より短くなる位置に前記第１延在部を配置したことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１において、
　前記制御基板は基板の平面部が上下方向に沿うように配置され、前記第１延在部は前記制御基板を跨ぐように一方の面から他方の面に向かって延在することを特徴とする電力変換装置。
　請求項２において、
　前記制御基板は切欠部を備え、前記第１延在部を前記切欠部に配置したことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１において、
前記第１延在部は、前記電子部品と前記接続部との間に配置したことを特徴とする電力変換装置。
　請求項１において、
　一方が前記支持部と接続され他方が前記ケースに向かって延在しかつ前記ケースに接続された第２延在部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
　請求項５において、
　前記接続部は前記第１延在部と前記第２延在部との間に配置したことを特徴とする電力変換装置。