(57)【要約】【課題】電力変換装置で使用される平滑コンデンサを十分に冷却すると共に電力変換動作の際の電気振動を抑制できる電力変換装置用コンデンサを得る。【解決手段】電力変換装置用コンデンサは、コンデンサ素子と磁性体とを樹脂でモールドし、これを冷却する冷却器を備え、電力変換の際にコンデンサ素子に発生する熱を冷却器で冷却すると共に、コンデンサ素子に流れる振動電流を磁性体の磁気ヒステリシス特性で抑制する。【選択図】図１
2019216132.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサ素子、
磁気ヒステリシス特性を有する磁性体、
前記コンデンサ素子と前記磁性体とをモールドする樹脂、
前記モールドされた前記コンデンサ素子を冷却する冷却器、
を備え、電力変換の際に前記コンデンサ素子に発生する熱を前記冷却器で冷却すると共に、前記コンデンサ素子に流れる振動電流を前記磁性体の磁気ヒステリシス特性で抑制することを特徴とする電力変換装置用コンデンサ。
【請求項２】
前記磁性体は前記コンデンサ素子の一部に沿う形状で、前記コンデンサ素子を囲うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置用コンデンサ。
【請求項３】
前記磁性体と前記コンデンサ素子とが接触していることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置用コンデンサ。
【請求項４】
前記コンデンサ素子に、前記磁性体の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導材料のシートが接触し、前記高熱伝導材料のシートに前記磁性体が接触していることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置用コンデンサ。
【請求項５】
インバータ回路を備え、交流電源からの交流電力を変換する電力変換装置において、前記インバータ回路に接続された平滑コンデンサを請求項１から４のいずれか一項に記載した電力変換装置用コンデンサで構成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
前記インバータ回路を構成するトランジスタ或いはダイオードが、ワイドギャップ半導体からなることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、電力変換装置で使用されるコンデンサ及びこのコンデンサを用いた電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置で使用されるコンデンサは小型化と信頼性が求められており、コンデンサを冷却することがその一つの手段である。例えば、特許文献１にはコンデンサを外部から冷却するための冷却装置の構造が示されている。また、特許文献２ではコンデンサ素子を囲むケースにウエーブ構造を設けることでコンデンサ素子が生成する熱を効率よく放熱出来るとしている。
【０００３】
一方、従来の電力変換装置では、半導体デバイスがスイッチングする際に発生する電気的振動が原因となって、電気的ノイズが発生するという問題がある。電気的振動を抑制するために電力変換器内にスナバ回路を設けること（例えば特許文献３参照）、又はフェライト等の磁性体からなる磁性体コアを設けるなどの対策が成されている（例えば特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２４５４７８号公報（図１）
【特許文献２】特開２００７−２２０７９４号公報（３頁３９〜４９行、図３）
【特許文献３】特開２００８−２２０００５号公報（４頁３〜２１行、図２）
【特許文献４】特開２００７−４３７９７号公報（３頁４２〜５０行、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の電力変換装置で使用されるコンデンサは、コンデンサ素子がケース内で樹脂モールドにより一体化された構造となっている。このようなコンデンサにあっては、樹脂モールドに使用される樹脂の熱伝導率が低いため、冷却することが困難であるという問題があった。
【０００６】
また、従来の電力変換装置にあっては、電気振動を抑制するためのスナバ回路又はフェライト等の磁性体からなる磁性体コアを電力変換器回路内に付加的に設けるため、電力変換器の体積が増大するといった問題があった。
【０００７】
本願は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、コンデンサ内のコンデンサ素子が効率的に冷却されることで、信頼性が高く、かつ小型となるコンデンサを得ることをできる。また、該コンデンサが接続される電力変換器はその体積を増大することなく低ノイズとなることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願に開示される電力変換装置用コンデンサは、電力変換器回路に電気的に接続され、冷却器と接触し、コンデンサ素子と、磁気ヒステリシス特性を有する磁性体と、前記コンデンサ素子と前記磁性体を囲む樹脂とを備えたコンデンサにおいて、前記冷却器と前記コンデンサ素子間に前記樹脂の熱伝導率より大きな熱伝導率を有する材料から成る前記磁性体を設けたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本願に開示される電力変換装置用コンデンサによれば、磁気ヒステリシス特性を有し、かつ樹脂の熱伝導率より大きな熱伝導率を有する磁性体を、冷却器とコンデンサ素子間に設け、前記磁性体とコンデンサ素子を樹脂で囲んだことにより、コンデンサ素子を冷却する効率が高くなり、かつコンデンサ素子に流れる電流振動が抑制され、コンデンサ素子と磁性体がコンデンサとして一体化されたため、該コンデンサが接続される電力変換器はその体積を増大することなく低ノイズとなり、信頼性の高い小型のコンデンサを得るといった従来にない顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係る電力変換装置用コンデンサを示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係る電力変換装置用コンデンサが接続される電力変換回路を示す図である。
【図３】電力変換回路中で発生する電気的振動のメカニズムを説明する図である。
【図４】実施の形態１に係る電力変換装置用コンデンサにより、電気振動が抑制される仕組みを説明する図であり、図４Ａは、コンデンサ素子に流れる振動電流を示す斜視図、図４Ｂは、磁性体内の交流磁束を示す側面図である。
【図５】実施の形態２に係る電力変換装置用コンデンサ内の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本願に係る電力変換装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。
【００１２】
実施の形態1．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置に用いるコンデンサ１と冷却器６を示す図である。
金属端子３を有するフィルムコンデンサ、又はセラミックコンデンサ等のコンデンサ素子２と磁気ヒステリシス特性を有するＮｉ−Ｚｎフェライト等の磁性体５はコンデンサケース４内で、樹脂によってモールドされ、一体化されている。磁性体５がコンデンサ素子２と冷却器６との間に挟まれる構成となり、コンデンサ１と冷却器６は熱的に接触している。コンデンサに使用されるモールド用樹脂の熱伝導率は通常、１Ｗ／ｍ・Ｋ以下程度である。一方、Ｎｉ−Ｚｎフェライトの熱伝導率は、１Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。なお、磁性体５は、モールドする容積を低減するため、及びコンデンサ素子２で発生する熱の伝導を容易にするため、コンデンサ素子２の一部に沿う形状で、コンデンサ素子２を囲うように、接触して配置されているが、後述するコンデンサ素子２に流れる振動電流による交流磁束を磁性体５内に生じさせることができるとともに、コンデンサ素子２の熱を冷却器６に伝導できる配置であればコンデンサ素子２と磁性体５の配置はどのように配置されていてもよい。
【００１３】
図２は、実施の形態１に係る電力変換装置のコンデンサ１が、電力変換器１１に平滑コンデンサとして接続される構成を示す図である。電力変換器１１は整流回路９と３相のインバータ回路８から構成されている。整流回路９は半導体ダイオードにより構成されている。インバータ回路８は半導体トランジスタ、例えばMOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）と、これら半導体トランジスタと逆並列に接続されるダイオードから構成されている。コンデンサ１の金属端子３は、整流回路９とインバータ回路８の間に並列に接続される。電力変換器１１は、交流電源１０からの交流電力をモータ７が動作出来る交流電力に変換する機能を有している。インバータ回路８を構成する半導体トランジスタが、制御回路（図示せず）からの制御信号によりスイッチング動作を繰り返すことでモータ７を制御する。コンデンサ１は電力変換器１１の上下アーム間の電圧を安定にする機能を有している。
【００１４】
ここで電力変換装置において、電気的ノイズの原因となる電気的振動が、スイッチング動作の際に生ずる一つのメカニズムを、図３を用いて説明する。説明を明確にするため、図３は図２のインバータ回路８のＵ相とそれと繋がるコンデンサ１とモータ７の一部を取り出している。上アーム寄生コンデンサ１６は、上アームトランジスタ１２と上アームダイオード１４の寄生容量を等価的に示したものである。同様に下アーム寄生コンデンサ１７は、下アームトランジスタ１３と下アームダイオード１５の寄生容量を等価的に示したものである。ここでは、下アームトランジスタ１３がスイッチング動作するとして、モータ７の動作を負荷インダクタンス１８で等価的に代用している。回路上の寄生インダクタンス成分を寄生インダクタンス１９としている。
【００１５】
図３の下アームトランジスタ１３がスイッチオンした後は、寄生インダクタンス１９と上アーム寄生コンデンサ１６によってＬＣ共振回路が形成される。スイッチング時に寄生インダクタンス１９に蓄積されたエネルギーは、寄生インダクタンス１９と上アーム寄生コンデンサ１６間でコンデンサ１、下アームトランジスタ１３、下アームダイオード１５を通して授受される。このとき発生する振動エネルギーは振動電流としてコンデンサ１に流れる。
【００１６】
次に図４Ａ及び図４Ｂを用いて本実施の形態１のコンデンサ１によって電気振動が抑制される仕組みを説明する。上述したように、振動エネルギーは振動電流としてコンデンサ１に流れる。図４Ａ中、振動電流２０はこれを模式的に示したものである。振動電流２０はコンデンサの金属端子３を通してインバータ回路８に流れる。図４Ｂには、コンデンサ１に振動電流２０が通電したときに磁性体５中に発生する交流磁束２１を模式的に示している。磁性体５はヒステリシス特性を有しているため磁気エネルギーを消費することが出来る。この磁気エネルギーの消費が振動電流の抵抗として作用して、振動が抑制される。
【００１７】
従って本実施の形態１の図１及び図２に示した構成によれば、コンデンサ１内のコンデンサ素子２と冷却器６間に樹脂の熱伝導率より大きな熱伝導率を有する磁性体５を用いたことによって、コンデンサ素子２を冷却器６によって効率的に冷却することが出来る。さらに、インバータ回路８で発生した電気的な振動はコンデンサ１内に設置される磁気ヒステリシス特性を有する磁性体５によって抑制することが出来る。よって、コンデンサ１が接続される電力変換器１１はその体積を増大することなく低ノイズとなり、信頼性の高い小型のコンデンサを得るといった従来にない顕著な効果を奏するものである。
【００１８】
本実施の形態１では、半導体トランジスタで構成されるインバータ回路８を昇降圧コンバータ回路としても同様の効果を奏する。
【００１９】
また本実施の形態１では、コンデンサ１を平滑コンデンサとして使用しているが、ノイズ低減用のフィルタコンデンサとして使用しても同様の効果を奏する。
【００２０】
実施の形態２．
また、図５に示すように、コンデンサ素子２と磁気ヒステリシスを有する磁性体５との間に、磁性体５の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する熱伝導シートなどの高熱伝導材料２２を設けても良い。なお、本実施の形態では、高熱伝導材料２２と磁性体５は、モールドする容積を低減するため、及びコンデンサ素子２で発生する熱の伝導を容易にするため、コンデンサ素子２の一部に沿う形状で、コンデンサ素子２を囲うように、互いに接触して配置されているが、コンデンサ素子２に流れる振動電流による交流磁束を磁性体５内に生じさせることができるとともに、コンデンサ素子２の熱を冷却器６に伝導できる配置であれば、コンデンサ素子２と磁性体５と高熱伝導材料２２の配置はどのように配置されていてもよい。
【００２１】
この構成により、コンデンサ素子２と磁性体５が高熱伝導材料２２により熱的に強く結合するためコンデンサ素子２の冷却性能が高くなり、信頼性の高い小型のコンデンサを得ることが出来る。
【００２２】
本実施の形態１及び２では、電力変換器内のトランジスタ或いはダイオードの半導体母材に関して述べていないが、ワイドギャップ半導体から成るトランジスタ或いはダイオードが使用されている回路では高周波のスイッチング動作が行われるため、実施の形態１および２で示したコンデンサが平滑コンデンサとして使用される電力変換器においてはその体積が増大することなく小型化できるとともに、ノイズ抑制効果が大きくなる。
【００２３】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２４】
１：コンデンサ、２：コンデンサ素子、３：金属端子、４：コンデンサケース、５：磁性体、６：冷却器、７：モータ、８：インバータ回路、９：整流回路、１０：交流電源、１１：電力変換器、１２：上アームトランジスタ、１３：下アームトランジスタ、１４：上アームダイオード、１５：下アームダイオード、１６：上アーム寄生コンデンサ、１７：下アーム寄生コンデンサ、１８：負荷インダクタンス、１９：寄生インダクタンス、２０：振動電流、２１：交流磁束、２２：高熱伝導材料
【図１】
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【図２】
2019216132.tif 000004
【図３】
2019216132.tif 000005
【図４】
2019216132.tif 000006
【図５】
2019216132.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月4日(2019.2.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサ素子、
前記コンデンサ素子に接触し磁気ヒステリシス特性を有する磁性体、
前記コンデンサ素子と前記磁性体とをモールドする樹脂、
前記モールドされた前記コンデンサ素子を冷却する冷却器、
を備え、電力変換の際に前記コンデンサ素子に発生する熱を前記冷却器で冷却すると共に、前記コンデンサ素子に流れる振動電流を前記磁性体の磁気ヒステリシス特性で抑制することを特徴とする電力変換装置用コンデンサ。
【請求項２】
前記磁性体は前記コンデンサ素子の一部に沿う形状で、前記コンデンサ素子を囲うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置用コンデンサ。
【請求項３】
コンデンサ素子、
前記コンデンサ素子に接触している高熱伝導材料のシート、
前記高熱伝導材料のシートに接触し磁気ヒステリシス特性を有する磁性体、
前記コンデンサ素子と前記高熱伝導材料のシートと前記磁性体とをモールドする樹脂、
前記モールドされた前記コンデンサ素子を冷却する冷却器、
を備え、前記磁性体の熱伝導率よりも前記高熱伝導材料のシートの熱伝導率が高く、電力変換の際に前記コンデンサ素子に発生する熱を前記冷却器で冷却すると共に、前記コンデンサ素子に流れる振動電流を前記磁性体の磁気ヒステリシス特性で抑制することを特徴とする電力変換装置用コンデンサ。
【請求項４】
前記高熱伝導材料のシートおよび前記磁性体は前記コンデンサ素子の一部に沿う形状で、前記コンデンサ素子を囲うように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置用コンデンサ。
【請求項５】
インバータ回路を備え、交流電源からの交流電力を変換する電力変換装置において、前記インバータ回路に接続された平滑コンデンサを請求項１から４のいずれか一項に記載した電力変換装置用コンデンサで構成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
前記インバータ回路を構成するトランジスタ或いはダイオードが、ワイドギャップ半導体からなることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本願に開示される電力変換装置用コンデンサは、
コンデンサ素子、
コンデンサ素子に接触し磁気ヒステリシス特性を有する磁性体、
コンデンサ素子と磁性体とをモールドする樹脂、
モールドされたコンデンサ素子を冷却する冷却器、
を備え、電力変換の際にコンデンサ素子に発生する熱を冷却器で冷却すると共に、コンデンサ素子に流れる振動電流を磁性体の磁気ヒステリシス特性で抑制することを特徴とするものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本願に開示される電力変換装置用コンデンサによれば、磁気ヒステリシス特性を有し、かつ樹脂の熱伝導率より大きな熱伝導率を有する磁性体を、コンデンサ素子に接触して設け、磁性体とコンデンサ素子を樹脂でモールドしたことにより、コンデンサ素子を冷却する効率が高くなり、かつコンデンサ素子に流れる電流振動が抑制され、コンデンサ素子と磁性体がコンデンサとして一体化されたため、該コンデンサが接続される電力変換器はその体積を増大することなく低ノイズとなり、信頼性の高い小型のコンデンサを得るといった従来にない顕著な効果を奏するものである。