(57)【要約】【課題】電流検出器を効果的に冷却することができなかった。【解決手段】電流検出器５は、Ｕ相電路体１５をＵ相磁性体コア５ａ１、５ａ２の略中央に非接触状態で囲んで配置する。更に、電流検出器５は、磁気センサ素子５ｂをＵ相磁性体コア５ａ１、５ａ２の他端部の間に非接触状態で挟んで配置する。電流検出器５の下側のＵ相磁性体コア５ａ２は、冷却器１２に設けられた凹部５ｃに嵌合する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換素子より構成されるインバータ回路を冷却する冷却器と、
前記インバータ回路によって駆動されるモータと前記インバータ回路とを結ぶ電路体に流れる電流を検出する電流検出器とを備え、
前記電流検出器は、前記冷却器に当接して設置される電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記電流検出器は、前記電路体に近接して設けられた磁性体コアと、プリント基板上に設けられ、前記磁性体コアに生ずる磁束を検出する磁気センサ素子とを備え、
前記電流検出器の前記磁性体コアは、前記冷却器に当接して設置される電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記電流検出器は、前記電路体に近接して設けられた磁性体コアと、プリント基板上に設けられ、前記磁性体コアに生ずる磁束を検出する磁気センサ素子とを備え、
前記電流検出器の前記プリント基板は、前記冷却器に当接して設置される電力変換装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の電力変換装置において、
前記電流検出器は、前記電路体に対応して複数設けられ、
複数の前記電流検出器の各々の前記磁気センサ素子は、一枚の前記プリント基板上に設けられる電力変換装置。
【請求項５】
請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記電流検出器の磁性体コアは、少なくとも、２つに分割され、その内１つは、前記冷却器に当接される電力変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電力変換装置において、
前記分割された複数の前記磁性体コアは、接着剤により互いに接合固定される電力変換装置。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の電力変換装置において、
前記磁性体コアの１つが当接される冷却器は、熱伝導性のグリス、または弾性体を前記磁性体コアと接する面に配置した電力変換装置。
【請求項８】
請求項５から請求項７までのいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記冷却器は、冷媒が流通する空間を有する筐体を備え、
前記磁性体コアは、前記筐体に形成された凹部に収納して当接される電力変換装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電力変換装置において、
前記磁性体コアはコの字形に２つに分割され、分割された前記磁性体コアの一方は前記筐体に収納され、他方は樹脂部材により前記一方の磁性体コアに固定される電力変換装置。
【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。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や電気自動車では、モータを駆動するために電力変換装置が用いられている。電力変換装置は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor  Field Effect Transistor）などの電力変換素子を用いたインバータ回路を備えている。そして電力変換装置は、小型化や低損失化、高信頼化が求められる。
【０００３】
インバータ回路は、モータとの間に流れる３相電流を電流検出器により検出し、この検出値が電流指令に追従するように、マイクロプロセッサなどにより所定の制御演算が行われ、その結果に応答して、電力変換素子をオンオフ制御する。そして、モータは通電電流に応答してトルクを発生する。
【０００４】
特許文献１には、被検出電流が流れる通電経路を、導電性の金属板からなるバスバーにすることにより、通電経路の断面積を拡大して通電抵抗を小さくし、通電経路の発熱を抑制する電流検出器が記載されている。具体的には、導電性のバスバーと、磁性体からなるバスバー側コアと、磁束検出部を設けたプリント基板と、磁性体からなる基板側コアとを近接して配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３００１７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した、特許文献１に記載の装置では、電流検出器を効果的に冷却することができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による電力変換装置は、電力変換素子より構成されるインバータ回路を冷却する冷却器と、前記インバータ回路によって駆動されるモータと前記インバータ回路とを結ぶ電路体に流れる電流を検出する電流検出器とを備え、前記電流検出器は、前記冷却器に当接して設置される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電流検出器を効果的に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電力変換装置を用いたモータ駆動システムを示す図である。
【図２】電力変換装置の外観図である。
【図３】冷却器の断面図である。
【図４】（Ａ）電流検出器の上面図、（Ｂ）電流検出器の断面図である。
【図５】電流検出器の要部拡大図である。
【図６】（Ａ）固定部材の上面図、（Ｂ）固定部材を磁性体コアに装着する例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、電力変換装置１００を用いたモータ駆動システムを示す図である。
図１に示すように、電力変換装置１００は、インバータ回路２、平滑コンデンサＣｓ、電流検出器５、６、７を備える。インバータ回路２は平滑コンデンサＣｓを介して高圧バッテリ１と電気的に接続されており、高圧バッテリ１とインバータ回路２との相互において電力の授受が行われる。平滑コンデンサＣｓは、インバータ回路２に供給される直流電力を平滑化する。電流検出器５、６、７は、インバータ回路２の交流側とモータ３の間のＵＶＷ相の電路に設けられ、ＵＶＷ相の電流を検出する。
【００１１】
直流電圧検出器４は、高圧バッテリ１の電圧を検出し、制御回路９へ出力する。回転角検出器８は、モータ３の回転位置を検出し、制御回路９へ出力する。スイッチング電源１０は、低圧バッテリ１１より電源が供給され、その電圧を安定化して制御回路９に定電圧電源を供給する。制御回路９は、直流電圧検出器４、電流検出器５、６、７、回転角検出器８の情報に基づき、所定の制御演算を行い、モータ３へ所定電流を流すべく、インバータ回路２を駆動する。
【００１２】
インバータ回路２は、電力変換素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を使用した例で説明する。インバータ回路２は、トランジスタTu+、Tv+、Tw+のコレクタ端子が高圧バッテリ１の正極への接続導体に、トランジスタTu-、Tv-、Tw-のエミッタ端子が高圧バッテリ１の負極への接続導体にそれぞれ接続される。そして、トランジスタTu+、Tv+、Tw+の各エミッタ端子は対になるトランジスタTu-、Tv-、Tw-の各コレクタ端子に接続されると共に、その接続点はモータのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電路に接続される。
【００１３】
そして、すべてのトランジスタTu+、Tv+、Tw+、Tu-、Tv-、Tw-のコレクタ端子には対になるダイオードDu+、Dv+、Dw+、Du-、Dv-、Dw-のカソード端子が、すべてのトランジスタTu+、Tv+、Tw+、Tu-、Tv-、Tw-のエミッタ端子には対になるダイオードDu+、Dv+、Dw+、Du-、Dv-、Dw-のアノード端子が接続される。制御回路９は、インバータ回路２を構成するトランジスタTu+、Tv+、Tw+、Tu-、Tv-、Tw-の各ゲートに駆動信号を出力する。なお、電力変換素子として、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor  Field Effect Transistor）を用いてもよく、この場合、ダイオードDu+、Dv+、Dw+、Du-、Dv-、Dw-は不要である。
【００１４】
図２は、電力変換装置１００の外観図である。図２に示すように、電力変換装置１００は、平滑コンデンサＣｓ、インバータ回路２、電流検出器５、６、７を冷却器１２に設置して構成する。冷却器１２は、冷媒が流通する空間を有する筐体を備え、吸入口１２ａより冷媒を流入させ、筐体内を循環した後、吐出口１２ｂより冷媒を流出させる。冷媒駆動機構は図示を省略している。平滑コンデンサＣｓは、冷却器１２の筐体上面に設置され、高圧バッテリ１へ接続される接続端子１ａ、１ｂを備えている。インバータ回路２は、平滑コンデンサＣｓに併設して冷却器１２の筐体上面に設置され、平滑コンデンサＣｓと接続される。電流検出器５、６、７は、インバータ回路２に併設して冷却器１２の筐体上面に設置される。インバータ回路２からＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電路体１５、１６、１７が導出され、図示省略したモータ３へ接続される。なお、制御回路９が搭載された基板は、平滑コンデンサＣｓやインバータ回路２の上面に配置されるが、図示を省略する。
【００１５】
電流検出器５は、上下にコの字形に２分割されたＵ相磁性体コア５ａ１と５ａ２とを備え、下側のＵ相磁性体コア５ａ２は、冷却器１２に設けられた凹部に嵌合する。上側のＵ相磁性体コア５ａ１の一端は、下側のＵ相磁性体コア５ａ２との間にＵ相電路体１５を非接触状態で挟むように、下側のＵ相磁性体コア５ａ２の一端と図示矢印に示すように上方から接着剤により接着して固定される。
【００１６】
電流検出器６は、上下にコの字形に２分割されたＶ相磁性体コア６ａ１と６ａ２とを備え、Ｖ相電路体１６を挟み、下側のＶ相磁性体コア６ａ２は、冷却器１２に設けられた凹部に嵌合する。上側のＶ相磁性体コア６ａ１の一端は、下側のＶ相磁性体コア６ａ２の一端と図示矢印に示すように上方から接着剤により接着して固定される。
【００１７】
電流検出器７は、上下にコの字形に２分割されたＷ相磁性体コア７ａ１と７ａ２とを備え、Ｗ相電路体１７を挟み、下側のＷ相磁性体コア７ａ２は、冷却器１２に設けられた凹部に嵌合する。上側のＷ相磁性体コア７ａ１の一端は、下側のＷ相磁性体コア７ａ２の一端と図示矢印に示すように上方から接着剤により接着して固定される。
【００１８】
さらに、電流検出器５、６、７は、プリント基板１３上に設けられた磁気センサ素子５ｂ、６ｂ、７ｂを有する。磁気センサ素子５ｂは、上側のＵ相磁性体コア５ａ１の他端と下側のＵ相磁性体コア５ａ２の他端との間に配置される。磁気センサ素子６ｂは、上側のＶ相磁性体コア６ａ１の他端と下側のＶ相磁性体コア６ａ２の他端との間に配置される。磁気センサ素子７ｂは、上側のＷ相磁性体コア７ａ１の他端と下側のＷ相磁性体コア７ａ２の他端との間に配置される。磁気センサ素子５ｂは、Ｕ相磁性体コア５ａ１、５ａ２に生ずる磁束を検出する。磁気センサ素子６ｂは、Ｖ相磁性体コア６ａ１、６ａ２に生ずる磁束を検出する。磁気センサ素子７ｂは、Ｗ相磁性体コア７ａ１、７ａ２に生ずる磁束を検出する。
【００１９】
図３は、図２に示す冷却器１２のＸ-Ｘ断面図である。空間１２ｃの上側に平滑コンデンサＣｓが、空間１２ｅの上側にインバータ回路２が配置される。さらに、冷却器１２は熱伝達性に優れたアルミニウムが用いられ、冷却器１２には、凹部５ｃ、６ｃ、７ｃが形成される。凹部５ｃ、６ｃ、７ｃには、それぞれＵ相磁性体コア５ａ２、Ｖ相磁性体コア６ａ２、Ｗ相磁性体コア７ａ２が収納される。
【００２０】
電流検出器５を電力変換装置１００に組み込む手順は、まず、下側のＵ相磁性体コア５ａ２、Ｖ相磁性体コア６ａ２、Ｗ相磁性体コア７ａ２を冷却器１２の凹部５ｃ、６ｃ、７ｃに設置する。次に、その上にＵ相電路体１５、Ｖ相電路体１６、Ｗ相電路体１７を配置する。そして、上側のＵ相磁性体コア５ａ１、Ｖ相磁性体コア６ａ１、Ｗ相磁性体コア７ａ１を下側のＵ相磁性体コア５ａ２、Ｖ相磁性体コア６ａ２、Ｗ相磁性体コア７ａ２に接着剤で固着する。
【００２１】
冷却器１２は、吸入口１２ａより図示矢印で示すように冷媒を流入させ、空間１２ｃから連結路１２ｄを経由して、空間１２ｅを循環した後、吐出口１２ｂより冷媒を流出させる。冷却器１２の冷媒の流れにより、冷却器１２に取り付けた平滑コンデンサＣｓ、インバータ回路２、電流検出器５、６、７で生ずる熱が排出され、それぞれの温度上昇を抑える。
【００２２】
電流検出器５、６、７のＵ相磁性体コア５ａ２、Ｖ相磁性体コア６ａ２、Ｗ相磁性体コア７ａ２と冷却器１２の凹部５ｃ、６ｃ、７ｃの間には、後述する図５に示す熱伝導性グリス５ａ３、または熱伝導性弾性体を配することにより、電流検出器５、６、７と冷却器１２との間の熱抵抗を小さくする。電流検出器５、６、７のＵ相磁性体コア５ａ２、Ｖ相磁性体コア６ａ２、Ｗ相磁性体コア７ａ２は、冷却器１２に当接して設置するので、電流検出器５、６、７の冷却効果を高めることができる。
【００２３】
図４（Ａ）は、電流検出器５、６、７の上面図、図４（Ｂ）は、電流検出器５の断面図である。Ｕ相電路体１５、Ｖ相電路体１６、Ｗ相電路体１７を囲むように、Ｕ相磁性体コア５ａ１、５ａ２、Ｖ相磁性体コア６ａ１、６ａ２、Ｗ相磁性体コア７ａ１、７ａ２が配置される。１枚のプリント基板１３上には、磁気センサ素子５ｂ、６ｂ、７ｂが備えられ、また、図示を省略した制御回路９とプリント基板１３との間で信号、電源を接続するための信号コネクタ１３ａが実装されている。プリント基板１３は、取り付けネジ１３ｂで冷却器１２に固定される。プリント基板１３を、冷却器１２に当接して設置するので、プリント基板１３上の磁気センサ素子５ｂ、６ｂ、７ｂの冷却効果を高めることができる。
【００２４】
図４（Ｂ）に示すように、電流検出器５は、Ｕ相電路体１５をＵ相磁性体コア５ａ１、５ａ２の略中央に非接触状態で配置する。更に、電流検出器５は、磁気センサ素子５ｂをＵ相磁性体コア５ａ１、５ａ２の他端部の間に非接触状態で挟んで配置する。電流検出器５の下側のＵ相磁性体コア５ａ２は、冷却器１２に設けられた凹部５ｃに嵌合する。なお、図示を省略したが、電流検出器６、７も同様の構成である。以下では、電流検出器５を代表例として、電流検出器５、６、７における冷却の効果を説明する。
【００２５】
Ｕ相磁性体コア５ａ１、５ａ２の渦電流に伴う損失は、Ｕ相電路体１５で発生する損失に比べて、１/１０以下と十分に小さい。また、Ｕ相磁性体コア５ａ１、５ａ２とＵ相電路体１５は非接触としている。このため、Ｕ相電路体１５の損失による熱はＵ相磁性体コア５ａ１、５ａ２に空気を介して、伝播するため、Ｕ相電路体１５とＵ相磁性体コア５ａ１、５ａ２と間の熱抵抗が高い。
【００２６】
図５は、図４（Ｂ）に示した電流検出器の要部拡大図である。図５において、Ｕ相磁性体コア５ａ１、プリント基板１３は図示を省略している。また、図５では、電流検出器の直下に冷媒がある例で説明するが、電流検出器の側方に冷媒が有ってもよい。
【００２７】
図５を参照して、冷却の効果を示すために磁気センサ素子５ｂの表面温度を算出する。Ｕ相磁性体コア５ａ２は珪素鋼板とし、Ｕ相磁性体コア５ａ２の磁気センサ素子５ｂと対向する面Ａから冷却器１２の凹部５ｃと対向する面Ｂまでの長さをLcとする。冷却器１２はアルミニウムとし、Ｕ相磁性体コア５ａ２と対向する面と冷媒までの距離をL、Ｕ相磁性体コア５ａ２と冷却器１２との間にある熱伝導性グリス５ａ３の厚みをtgとする。
【００２８】
この場合、冷媒から面Ａまでの単位面積当たりの熱抵抗θ[m2K/W]は、次の式（１）により求まる。ここで、熱伝導率はそれぞれ、珪素鋼板は84[W/m・K]、アルミニウムは236[W/m・K]、熱伝導性グリス５ａ３は3.5[W/m・K]としている。
θ  =Lc/84+tg/3.5+L/236            （１）
【００２９】
式（１）に定数Lc=10e-3[m]、tg=0.1e-3、L=70e-3[m] を代入すると、θは4.44e-4[m2K/W]となる。珪素鋼板の損失は4.0[W/m2]とすると、冷媒から面Ａまでの間で生ずる温度差△Tは1.7e-4℃程度である。このため、面Ａの温度は、冷媒の温度と近似することになる。
【００３０】
Ｕ相磁性体コア５ａ２の面Ａと磁気センサ素子５ｂとの空隙Lgを1e-3[m]として、例えば、Ｕ相磁性体コア５ａ２の表面温度Tcは50[℃]（すなわち、冷媒温度50[℃]）とする。そして、Ｕ相電路体１５の損失により、Ｕ相電路体１５の周囲の雰囲気温度Taは130[℃]となったとし、磁気センサ素子５ｂの表面温度Ts[℃]を求める。
【００３１】
ここで、Ｕ相磁性体コア５ａ２の面Ａの放射率k=0.5とし、その外気への対流熱伝導率hcaを７[W/m2K]とし、空気の熱伝導率haを0.0234 [W/mK]とする。そして、単位体積当たりのＵ相磁性体コア５ａ２の放射熱量と空気を通過する熱量が等しくなるとすると、次の式（２）を得る。
（Ts-Ta）*hca+((Ts+273.15)4-(Ta+273.15)4)*k*5.67051e-8=ha/Lg*(Tc-Ts)  （２）
ここで、Ts’=Ts+273.15[K]とし、式（２）から式（３）に示すTs’の４次方程式が得られる。
2.835255e-8* Ts’4+30.4*Ts’-11132.6=0              （３）
【００３２】
式（３）よりTs’は351.9[K]となり、よってTsは78.75[℃]となる。すなわち、磁気センサ素子５ｂの表面温度Tsは、雰囲気温度Taに比べて低くできる。なお、冷媒が電流検出器の直下ではなく、電流検出器の側方に有る場合は、冷却器１２は同じアルミニウムとし、Ｕ相磁性体コア５ａ２の側面と冷媒までの距離をLとすれば上述した説明と同様に、磁気センサ素子５ｂの表面温度Tsを、雰囲気温度Taに比べて低くできる。
【００３３】
本実施形態によれば、磁気センサ素子５ｂ、６ｂ、７ｂの表面温度を冷媒の温度近傍に保つことができる。また、電力変換装置１００の小型化のために、磁気センサ素子５ｂ、６ｂ、７ｂをＵ相電路体１５、Ｖ相電路体１６、Ｗ相電路体１７により近接して配置しても、Ｕ相電路体１５、Ｖ相電路体１６、Ｗ相電路体１７の発熱による温度上昇を低く抑えることができる。また、１枚のプリント基板１３に、３相分の磁気センサ素子５ｂ、６ｂ、７ｂを配置しているので、３相分の磁気センサ素子５ｂ、６ｂ、７ｂを個別に実装する場合に比べて、部品点数を削減して小型化できる。
【００３４】
図６（Ａ）は、固定部材２０の上面図であり、図６（Ｂ）は、固定部材２０を磁性体コアに装着する例を示す図である。
【００３５】
固定部材２０は、Ｕ相磁性体コア５ａ１、Ｖ相磁性体コア６ａ１、Ｗ相磁性体コア７ａ１の各々の上部及び周囲４辺を覆う凹部を樹脂により一体成型して構成される。固定部材２０の凹部を、Ｕ相磁性体コア５ａ１、Ｖ相磁性体コア６ａ１、Ｗ相磁性体コア７ａ１の上部から図示矢印方向へ装着する。そして、Ｕ相磁性体コア５ａ１、Ｖ相磁性体コア６ａ１、Ｗ相磁性体コア７ａ１の各々を上部及び周囲４辺から完全に覆った後、固定部材２０の両端をネジ２１、２２でそれぞれケースボス２３、２４に固定する。このような固定部材２０を用いれば、上側のＵ相磁性体コア５ａ１と下側のＵ相磁性体コア５ａ２とを接着剤で固着する必要はない。また、両者を接着剤で固着して、且つ固定部材２０で固定した場合は、電流検出器５、６、７をより強固に構成することができる。なお、冷却器１２は図示を省略したが、冷却器１２に形成された凹部５ｃ、６ｃ、７ｃに、それぞれＵ相磁性体コア５ａ２、Ｖ相磁性体コア６ａ２、Ｗ相磁性体コア７ａ２が収納される。
【００３６】
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電力変換装置１００は、電力変換素子より構成されるインバータ回路２を冷却する冷却器１２と、インバータ回路２によって駆動されるモータ３とインバータ回路２とを結ぶ電路体１５、１６、１７に流れる電流を検出する電流検出器５、６、７とを備え、電流検出器５、６、７は、冷却器１２に当接して設置される。これにより、電流検出器を効果的に冷却することができる。
【００３７】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００３８】
１  高圧バッテリ
２  インバータ回路
３  モータ
４  直流電圧検出器
５、６、７  電流検出器
５ａ１、５ａ２  Ｕ相磁性体コア
５ｂ、６ｂ、７ｂ  磁気センサ素子
５ｃ、６ｃ、７ｃ  凹部
６ａ１、６ａ２  Ｖ相磁性体コア
７ａ１、７ａ２  Ｗ相磁性体コア
８  回転角検出器
９  制御回路
１０  スイッチング電源
１１  低圧バッテリ
１２  冷却器
１３  プリント基板
１４  信号コネクタ
１５  Ｕ相電路体
１６  Ｖ相電路体
１７  Ｗ相電路体
２０  固定部材
Ｃｓ  平滑コンデンサ
１００  電力変換装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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