(57)【要約】  電力変換装置において、スイッチング素子を含むパワーモジュール１０と、複数のケース面で、パワーモジュール１０を収容する金属製のケースとを備え、ケースに収容される部品又は前記パワーモジュールのうち導電性をもつ導電部をケース面に投影させた範囲にパンチングメタル構造を設け、スイッチング素子の動作により生じるノイズのレベルが所定の周波数帯域で所定値以下となり、かつ、ノイズの共振点が所定の周波数帯域から外れるように、パンチングメタル構造の表面積が設定されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を含むパワーモジュールと、
複数のケース面で、前記パワーモジュールを収容する金属製のケースとを備え、
前記ケースに収容される部品又は前記パワーモジュールのうち導電性をもつ導電部を前記ケース面に投影させた範囲にパンチングメタル構造を設け、
前記スイッチング素子の動作により生じるノイズのレベルは所定の周波数帯域で所定値以下となり、かつ、前記ノイズの共振点が前記所定の周波数帯域から外れるように、前記パンチングメタル構造の表面積が設定されている電力変換装置。
【請求項２】
前記パンチングメタル構造は複数の孔で形成されており
前記ノイズの共振点が前記所定の周波数帯域から外れるように、前記範囲のうち前記複数の孔を抜いた部分の面積が設定されている請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記孔の径は、前記所定の周波数帯域のおけるノイズ波長より小さい請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記複数のケース面は、前記パンチングメタル構造を有する平面部と、前記平面部に対して屈曲した屈曲部を有し、
前記屈曲部は、前記ケース面上で前記平面部より外側に位置する請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
冷媒を流すことで、前記ケースに収容される発熱体を冷却する流路を有し、
前記流路は、前記パンチングメタル構造を有する前記ケース面上に配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動自動車に搭載される電力変換装置において、開口がある導電性筐体と、回路部が実装され、少なくとも１層がＧＮＤプレーンである多層プリント配線板とを備え、導電性筐体の開口の開口面に多層プリント配線板を組み付けて閉空間を形成し、閉空間内に回路部を収容するものが知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０３３８５２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、閉空間内に収容された電気部品と導電性筐体との間の共振特性により、外部機器に影響を及ばす周波数帯域でノイズが大きくなるという問題がある。【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、所定の周波数帯域におけるノイズを抑制する電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、パワーモジュールと、複数のケース面でパワーモジュールを収容する金属製のケースとを備え、ケース面のうち導電部を投影させた範囲にパンチングメタル構造を設け、ノイズレベルが所定の周波数領域で所定値以下となり、かつ、ノイズの共振点が当該所定の周波数帯域から外れるように、パンチングメタル構造の表面積を設定することによって上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ケース面の特定範囲と導電部との間の結合容量を抑制して、ノイズの共振点を所定の周波数帯域からシフトするため、当該所定の周波数帯域におけるノイズを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態に係る電力変換装置の平面図である。
【図２】図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。
【図３】図３は、パワーモジュール、平滑コンデンサ、及び外部ケースの底面を示す平面図である。
【図４】図４は、外部ケースの底面の平面図である。
【図５】図５は、本実施形態に係る電力変換装置の断面図である。
【図６】図６は、比較例に係る電力変換装置の断面図である。
【図７】図７は、本実施形態に係る電力変換装置のノイズ特性を示すグラフである。
【図８】図８は、比較例に係る電力変換装置のノイズ特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本実施形態に係る電力変換装置１００の平面図を示し、図２は図１のII-II線に沿った断面図である。なお、図１は、ケースの上面を省いた状態での、電力変換装置１００の平面図を表している。電力変換装置１００は、例えば電気自動車又はハイブリッド車両等の車両に搭載され、バッテリとモータとの間に接続され、バッテリとモータとの間で電力を変換する装置である。なお、電力変換装置１００は車両に限らず、他の装置に搭載されてもよい。
【００１１】
電力変換装置１００は、パワーモジュール１０、パワーモジュール用ケース（ＰＭケース）１１、バスバ２０、平滑コンデンサ３０、平滑コンデンサ用ケース（コンデンサケース）３１、冷却器４０、樹脂トレイ５０、流路６０、外部ケース７０を備えている。
【００１２】
外部ケース７０の天面７１から底面７３に向かって電力変換装置１００をみたときに、パワーモジュール１０は、底面７３の左側の領域に配置されており、平滑コンデンサ３０は底面７３の右側の領域に配置されている。底面７３を基準面としたときに、パワーモジュール１０、冷却器４０、樹脂トレイ５０、及び流路６０の各高さは、流路６０、樹脂トレイ５０、冷却器４０、パワーモジュール１０の順に高くなるように、各部品が積まれている。また、平滑コンデンサ３０、樹脂トレイ５０、及び流路６０の各高さは、流路６０、樹脂トレイ５０、及び平滑コンデンサ３０の順に高くなるように、各部品が積まれている。底面７３の上方には、流路６０を介して、樹脂トレイ５０が配置されている。パワーモジュール１０及び平滑コンデンサ３０は、樹脂トレイ５０上に配置されている。
【００１３】
パワーモジュール１０は、インバータ回路及び駆動回路等をモジュール化した部品である。インバータ回路は、複数のスイッチング素子をＵＶＷの各相でそれぞれ直列に接続した回路であり、スイッチング素子のスイッチング動作により入力電力を変換して、変換された電力を出力する。スイッチング素子は、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタである。パワーモジュール１０は直方体状に形成されており、パワーモジュール１０の底面１０аが冷却器の底面７３と対向するように、パワーモジュール１０は冷却器４０の冷却面上に設置されている。パワーモジュール１０の底面１０аは、スイッチング素子等の回路素子の実装面に相当し、素子に含まれる金属部材や半田等により導電性を有している。底面１０аは、パワーモジュール１０のうち導電性をもった導電部に相当する。
【００１４】
ＰＭケース１１は、パワーモジュール１０を収容するケースである。ＰＭケース１１は樹脂等により形成されている。
【００１５】
バスバ２０は、電力変換装置１００内の回路素子を電気的に接続する伝送路であり、金属製の板状の部材で構成されている。バスバ２０は、パワーモジュール１０及び平滑コンデンサ３０のレイアウトに合わせて屈曲している。バスバ２０は、出力用端子（図示しない）とパワーモジュール１０との間を接続する金属板２１、パワーモジュール１０と平滑コンデンサ３０との間を接続する金属板２２を有している。金属板２１は、ＵＶＷの各相に対応した３つの金属板で構成されている。金属板２１は、外部ケース７０の底面７３から、電力変換装置１００の内部に入り、外部ケース７０の側面７２と一定の間隔を空けつつ、側面７２に沿って延在する。また金属板２１は、パワーモジュール１０の高さの位置で屈曲し、パワーモジュール１０に向かって延在している。金属板２１の先端部分は、ＰＭケース１１内で、パワーモジュール１０に接続されている。
【００１６】
金属板２２は、ＵＶＷの各相で上アーム回路に相当する複数のスイッチング素子と、ＵＶＷの各相で下アーム回路に相当する複数のスイッチング素子を、平滑コンデンサ３０にそれぞれ接続する伝送路である。金属板２２は、ＵＶＷの各相の上下アームに対応した６つの部材２２а〜２２ｆと、部材２２ｇと、部材２２ｈを有している。部材２２ｇは、６つの部材２２а〜２２ｆの各先端を接続した板状の部材である。部材２２ｇは、部材２２ｇの主面が外部ケース７０の側面７２と平行になるように、コンデンサケース３１内に配置されている。部材２２ｇの先端部分は屈曲しており、部材２２ｈは、部材２２ｇの屈曲点から平滑コンデンサ３０の底面に沿って延在している。部材２２ｈは平滑コンデンサ３０に接続されている。部材２２ｈは、外部ケース７０内に収容される導電部に相当する。
【００１７】
平滑コンデンサ３０は、図示しないバッテリとパワーモジュール１０との間の入出力電圧を平滑する。平滑コンデンサ３０の体積は、パワーモジュール１０の体積より大きく、平滑コンデンサ３０の幅（図２において、ｘ軸方向の長さに相当）は、パワーモジュール１０の幅とほぼ同じ長さである。
【００１８】
コンデンサケース３１は、平滑コンデンサ３０を収容するケースである。コンデンサケース３１は、樹脂等により形成されている。
【００１９】
冷却器４０は、パワーモジュール１０を冷却する。冷却器４０は、例えば金属製のフィンで構成されている。パワーモジュール１０に含まれるスイッチング素子のスイッチング動作により、パワーモジュール１０から熱が発生する。冷却器４０の冷却面がパワーモジュール１０の接続面と重なるように、パワーモジュール１０が冷却器４０上に設置されることで、パワーモジュール１０の温度上昇が抑制される。
【００２０】
樹脂トレイ５０は、パワーモジュール１０、平滑コンデンサ３０、冷却器４０を、外部ケース７０内で支持している。樹脂トレイ５０は、例えばネジ等により底面７３に固定されている。樹脂トレイ５０の上面には、コンデンサケース３１及び冷却器４０が固定されている。
【００２１】
流路６０は、空気を通る通路になっており、樹脂トレイ５０の下面と、外部ケース７０の底面との間に形成されている。流路６０を空気が通ることで、冷却器４０の熱の放出が促進される。なお、流路６０は、空気流路に限らず、水路等でもよい。
【００２２】
外部ケース７０は、アルミなどの金属製の筐体であり、パワーモジュール１０、バスバ２０、平滑コンデンサ３０、冷却器４０、樹脂トレイ５０、及び流路６０を収容する。外部ケース７０は、底面７３となる金属板、側面７２となる複数の金属板、天面７１となる金属板で構成されている。各金属板で、直方体形状の六面体を形成している。また、底面７３及び天面７１の各表面積は、側面７２の各表面積より大きい。また外部ケース７０は、ノイズ漏洩を防ぐためのシールド板としても機能する。これにより、パワーモジュール１０で発生するノイズが装置の外部に漏れることを防ぐ。
【００２３】
底面７３の主面のうち、平面部７３ｂには、パンチングメタル構造７３аが形成されている。パンチングメタル構造７３аは、底面７３上で複数の貫通孔を所定の間隔で並べた形状になっている。パンチングメタル構造７３аは、パワーモジュール１０をケース面に投影させた範囲に設けられている。また、パンチングメタル構造７３аは、部材２２ｈをケース面に投影させた範囲に設けられている。パンチングメタル構造が形成されている部分では、金属部分の表面積が、パンチングメタル構造７３аが形成されていない部分の表面積よりも小さくなる。底面７３は屈曲部７３ｃを有している。屈曲部７３ｃは、底面７３上で、パンチングメタル構造７３ａが形成されている平面部７３ｂよりも外側に位置する。底面７３は屈曲部７３ｃを有することで、底面７３が二段構造になっており、底面７３の外周部分の高さが、底面７３の中央部分の高さよりも高くなっている。底面７３に段差を設けることで、底面が低くなって部分に、流路６０が配置されている。底面７３に屈曲部７３ｃを設けることで、外部ケース７０の剛性を高めることができる。
【００２４】
次に、図３及び図４を用いて、パンチングメタル構造７３аの位置について説明する。図３は電力変換装置１００の平面図を示し、図４は外部ケース７０の平面図を示す。図３は、電力変換装置１００の各構成のうち、パワーモジュール１０、部材２２、及び外部ケース７０の底面７３が図示されており、その他の構成の図示は省略している。図４の黒塗りの部分は金属部分を表しており、白抜きの部分は貫通部分を表している。ただし、白色の点線は貫通部分ではなく、エリアを説明するために図示したものである。
【００２５】
領域Ａは、パワーモジュール１０の底面１０аを、外部ケース７０の底面７３に投影させた範囲を表している。すなわち、領域Ａは、パワーモジュール１０の導電部を外部ケース７０の底面７３に投影させた範囲を表している。言い換えると、パワーモジュール１０及び外部ケース７０の底面７３を、上方からみたときに（ｚ軸の負方向に見たときに）、領域Ａは、パワーモジュール１０の底面１０аと外部ケース７０の底面７３との重なり部分に相当する。ｚ軸の負方向が投影方向となる。
【００２６】
領域Ｂは、バスバ２０に含まれる部材２２ｈを、外部ケース７０の底面７３に投影させた範囲を表している。すなわち、領域Ｂは、導電部である部材２２ｂを外部ケース７０の底面７３に投影させた範囲を表している。言い換えると、部材２２ｈ及び外部ケース７０の底面７３を、上方からみたときに（ｚ軸の負方向に見たときに）、領域Ｂは、部材２２ｈと外部ケース７０の底面７３との重なり部分に相当する。
【００２７】
図４に示すように、パンチングメタル構造７３аは、領域Ａ内と領域Ｂ内にそれぞれ形成されている。底面７３において、単位面積あたりの金属の専有率は、領域Ａと領域Ｂは、１００％未満、好ましくは５０％未満になっている。一方、底面７３のうち、領域Ａと領域Ｂ以外の部分では単位面積あたりの金属の専有率は１００％になっている。領域Ａ内に形成されたパンチングメタル構造７３аの表面積は、スイッチング素子の動作により生じるノイズレベルが所定値以下となり、ノイズの共振点が、ラジオ帯域などの所定の周波数帯域から外れるように、設定されている。
【００２８】
次に、電力変換装置１００のノイズ特性について、図５及び図６を用いて説明する。図５は電力変換装置１００の断面図を示す。図６は比較例に係る電力変換装置の断面図を示す。
【００２９】
比較例に係る電力変換装置は、領域Ａ及び領域Ｂにパンチングメタル構造を有しておらず、外部ケース７０の底面は、孔のない一枚の金属板で形成されており、段差のない平面になっている。
【００３０】
パワーモジュール１０の底面１０аは、導電性を有しており、外部ケース７０の底面と対向するように配置されている。また部材２２ｈは、導電性を有しており、外部ケース７０の底面と対向するように配置されている。外部ケース７０の底面７３は導電性を有している。
【００３１】
パワーモジュール１０に含まれるスイッチング素子のスイッチング動作により、ノイズ（コモンモードノイズ）が発生する。パワーモジュール１０を支持する樹脂トレイ５０は、樹脂製のため、ノイズを遮蔽できない。そのため、電力変換装置１００は、ノイズを遮蔽するために、金属製の外部ケース７０を有している。電力変換装置１００内の導電性を有する部品を金属ケースで覆った場合には、部品の導電面と、金属製のケース面が対向するため、対向する一対の面の間で、容量結合が生じる。
【００３２】
図６に示すように、比較例に係る電力変換装置では、パワーモジュール１０の底面１０а及びバスバ２０の部材２２ｈが外部ケース７０の底面７３と対向している。そのため、底面７３の領域Ａと底面１０аとの間で容量結合が生じ、底面７３の領域Ｂと部材２２ｈとの間で容量結合が生じる。
【００３３】
比較例のように、領域Ａと領域Ｂがパンチングメタル構造になっていない場合には、領域Ａ及び領域Ｂ内で、単位面積あたりの金属の専有率が１００％となるため、底面１０а及び部材２２ｈと対向する、金属部分の面積が大きい。そして、金属部分の面積が大きい場合には結合容量が大きくなるため、ＦＭ周波数帯域など、外部機器に影響を及ぼす周波数帯域でノイズのピークが発生する。例えば、電力変換装置１００が車両に搭載された場合には、容量結合により共振するノイズが、カーラジオの動作に影響を及ぼす可能性がある。
【００３４】
本実施形態に係る電力変換装置１００は、図５に示すように、領域Ａ及び領域Ｂの部分にパンチングメタル構造を形成し、後述するように、スイッチング素子のスイッチング動作により発生するノイズが所定の周波数帯域で所定値以下となり、ノイズの共振点が当該所定の周波数帯域から外れるように、パンチングメタル構造の表面積が設定されている。領域Ａ及び領域Ｂ内の金属部分の面積は、パンチングメタル構造が形成されていないケース面の表面積より小さくなり、結合容量（Ｃ１、Ｃ２）が抑制される。電力変換装置１００内で発生したノイズの伝達特性は、パワーモジュール１０、平滑コンデンサ３０、バスバ２０等の収容部品の形状や、各部品のレイアウト等によって異なる。本実施形態では、電力変換装置１００内のノイズ伝達特性をシミュレーション等で予め把握する。その上で、ノイズレベルが外部機器に影響を及ぼす所定の周波数帯域内で所定レベル以下になり、かつ、ノイズの共振点が所定の周波数帯域から外れるように、領域Ａにおいて、パンチングメタル構造の表面積が設定されている。同様に、ノイズレベルが所定の周波数帯域内で所定レベル以下になり、かつ、ノイズの共振点が所定の周波数帯域から外れるように、領域Ｂにおいて、パンチングメタル構造の表面積が設定されている。所定レベルは、外部機器に影響及ぼすノイズレベルの許容値を表している。
【００３５】
結合容量の設定は、領域Ａ又は領域Ｂ内における金属部分の面積（電極面積）の調整により行われる。具体的には、領域Ａ又は領域Ｂのうち、パンチングメタル構造を形成する複数の孔を抜いた部分の面積により結合容量が決まる。また、パンチングメタル構造の孔の直径は、所定の周波数帯域のおけるノイズ波長より十分に小さくなっている。
【００３６】
ここで、結合容量の設定について式を用いて説明する。パワーモジュール１０の底面１０аとｃ面との距離をｄとし、底面１０аと領域Ａで囲われる面との対向面積をＳとし、パワーモジュール１０の底面１０ａと底面７３との間の誘電率（結合誘電率）をεとし、パワーモジュール１０の底面１０ａと領域Ａで囲われる面との間の結合容量をＣとする。対向面積をＳは下記式（１）で表される。
【数１】
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【００３７】
距離ｄは、電力変換装置１００内におけるパワーモジュール１０の位置で決まる。誘電率は、樹脂トレイ５０の材質や形状等により決まる。結合容量Ｃはノイズの共振点と相関性を有している。そのため、ノイズ共振点が所定の周波数帯域から外れるように、容量値を決めることで、対向面積Ｓが決まる。対向面積Ｓは、領域Ａの金属部分の面積に相当するため、金属部分の面積が上記（１）で決まる面積（Ｓ）になるように、パンチングメタル構造を形成する孔の形状、孔の数が設定される。
【００３８】
部材２２ｈと領域Ｂで囲われるケース面との間の結合容量も、上記の式（１）と同様に表すことができる。そのため、領域Ｂ内の金属部分の面積が上記（１）で決まる面積（Ｓ）になるように、パンチングメタル構造を形成する孔の形状、孔の数が設定される。
【００３９】
図７は本実施形態に係る電力変換装置１００のノイズの伝達特性を示す。図８は比較例に係る電力変換装置１００のノイズの伝達特性を示す。図７及び図８において、縦軸はノイズの大きさを示し、横軸は周波数を示す。Ｆは、外部機器に影響を及ぼすノイズの周波数帯域を表しており、ＦＭ周波数帯域である。ｆｔｈは、外部機器に影響及ぼすノイズレベルの許容値（上限値）を表している。
【００４０】
図７に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１００では、ノイズ共振点が周波数帯域（Ｆ）内に存在せず、周波数帯域（Ｆ）内のノイズレベルが許容値（ｆｔｈ）以下に抑えられている。一方、図８に示すように、比較例に係る電力変換装置では、ノイズ共振点が周波数帯域（Ｆ）内に存在しており、周波数帯域（Ｆ）内のノイズレベルが許容値（ｆｔｈ）より高くなっている。これにより、本実施形態では、スイッチング素子の動作によりノイズが発生した場合に、当該ノイズが容量結合の部分で共振し難くなっているため、周波数帯域（Ｆ）におけるノイズを抑制することができる。
【００４１】
上記のように、本実施形態に係る電力変換装置１００は、パワーモジュール１０と、パワーモジュール１０を収容する金属製の外部ケース７０とを備え、外部ケース７０に収容される部品又はパワーモジュール１０のうち導電性をもつ導電部をケース面に投影させた範囲にパンチングメタル構造７３аを設ける。そして、ノイズレベルが所定の周波数領域で所定値以下となり、かつ、ノイズの共振点が当該所定の周波数帯域から外れるように、パンリングメタル構造の表面積が設定されている。これにより、ノイズの共振点を、外部機器に影響を及ばす所定の周波数帯域からシフトさせて、所定の周波数帯域におけるノイズを抑制できる。
【００４２】
また本実施形態では、ノイズの共振点が所定の周波数帯域から外れるように、領パンチングメタル構造を形成する複数の孔を抜いた部分の面積が設定されている。これにより、所定の周波数帯域におけるノイズを抑制できる。
【００４３】
また本実施形態では、孔の径は、所定の周波数帯域のおけるノイズ波長より小さい。これにより、所定の周波数帯域におけるノイズを抑制できる。
【００４４】
また本実施形態では、外部ケース７０の底面７３は、パンチングメタル構造７３ａを有する平面部７３ｂと、当該平面部に対して屈曲した屈曲部７３ｃを有し、屈曲部７３ｃは、底面７３上で平面部７３ｂより外側に位置する。これにより、外部ケース７０の剛性を高めることができる。また底面上では、屈曲部７３ｃよりも外側には、パンチングメタル構造が形成されていない。これにより、外部ケース７０の剛性を高めることができる。
【００４５】
また本実施形態では、流路６０は、パンチングメタル構造を有する底面７３の上部に配置されている。これにより冷却性能を高めることができる。
【００４６】
なお、本実施形態において、ケース７０と対向する導電部は、パワーモジュール１０の底面１０ａ及び部材２２ｈに限らず、外部ケース７０内に収容される他の部品でもよい。例えば、導電部は、部材２２ｈ以外のバスバ２０の他の部分でもよく、平滑コンデンサ３０に含まれる端子などでもよい。すなわち、導電部は、ケース７０のケース面と対向することで、ケース面との間で容量結合が発生し、かつ当該容量結合により、外部機器に対して影響の及ぼすようなノイズの共振点になり得るような構成部品であればよい。
【００４７】
なお、パンチングメタル構造７３аの孔は円形に限らず、例えば多角形などでもよい。また、複数の孔の形状は全て同一形状にしなくてもよい。また、パンチングメタル構造７３аは、底面７３に限らず、天面７１に設けてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１０…パワーモジュール
１０ａ…底面
１１…パワーモジュール用ケース（ＰＭケース）
２０…バスバ
２１…金属板
２２…金属板
２２ｈ…部材
３０…平滑コンデンサ
３１…平滑コンデンサ用ケース（コンデンサケース）
４０…冷却器
５０…樹脂トレイ
６０…流路
７０…外部ケース
７１…天面
７２…側面
７３…底面
７３ａ…パンチングメタル構造
７３ｂ…平面部
７３ｃ…屈曲部
１００…電力変換装置
【図１】
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【図２】
2019082363.tif 000005
【図３】
2019082363.tif 000006
【図４】
2019082363.tif 000007
【図５】
2019082363.tif 000008
【図６】
2019082363.tif 000009
【図７】
2019082363.tif 000010
【図８】
2019082363.tif 000011
【国際調査報告】
2019082363.tif 000012
2019082363.tif 000013