(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電力を所定の電力に変換して出力する主回路を有するものであって、前記主回路に電気的に接続されたシャント抵抗器に流れる電流を検出して前記主回路の動作を制御する電力変換装置において、
前記シャント抵抗器の発熱を放熱するための熱拡散板と、
接着機能を有し、前記熱拡散板の片面に固着された樹脂絶縁層と、
該樹脂絶縁層の表面に設けられ、少なくとも前記樹脂絶縁層よりも粘度が低く、前記シャント抵抗器を前記樹脂絶縁層に接着する樹脂接着層とを有し、
前記シャント抵抗器は、
板状抵抗体により構成されたシャント抵抗部と、
該シャント抵抗部の両端部に固着され、前記シャント抵抗部の電流の入出力端子を構成する主電極部とを有しており、
前記シャント抵抗部及び前記主電極部は前記樹脂接着層によって前記樹脂絶縁層に固着されており、
前記樹脂接着層は、少なくとも前記樹脂絶縁層よりも電気抵抗率が小さく、前記シャント抵抗部よりも電気抵抗率が大きい電気伝導性接着層であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記シャント抵抗部及び前記主電極部は、前記樹脂絶縁層に対する各接着面が同一平面と成るように、前記樹脂接着層によって前記樹脂絶縁層に固着されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電力変換装置において、
前記樹脂絶縁層には高熱伝導性粒子が混合されていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置において、
前記シャント抵抗器は、少なくとも前記主電極部，前記主電極部の一部に設けられた検出端子の一部及び前記熱拡散板の一部を除き、コーティング樹脂によって覆われていることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シャント抵抗を備えた電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ装置は、誘導電動機など交流電動機の運転に広く用いられ、近年では乗物の動力源のコントローラとしても用いられるようになり、インバータ装置による可変速運転の利点が充分に享受できるようになっている。インバータ装置の制御には、負荷電流の検出を要する場合があり、この負荷電流の検出にホール素子型電流センサや、シャント抵抗器及び検出回路が採用されている。
【０００３】
シャント抵抗器に関連する技術として、特開平８−１１５８０２号公報に打ち抜き加工にて所定の形状を整え両端に主電極を設ける方式，特開平１１−97203号公報に絶縁層に固着した後エッチング加工施し所定の形状を整える方式が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
今回発明者らは、インバータ装置に関する問題点を種々検討した。まず、図８を用いて説明する。ここで、ホール素子型電流センサ２８とは、環状の磁性体の一部にホール素子を設け、この磁性体に負荷電流が流れる電線を巻付けたり貫通させたりすることにより、負荷電流が作り出す磁束をホール素子で電圧に変換する電流センサのことであり、この場合、検出対象となる電路から電気的に隔離された検出信号が得られるというメリットがある。
【０００５】
同じく、ここでシャント抵抗器１３及び検出回路１８とは、負荷電流が流れる電路に直列に挿入した抵抗器を用い、その両端子間に、負荷電流により現われる電圧降下を取り出し、検出信号とする回路のことである。従って、かなり低コストで済む。
【０００６】
ここで、図８は、ＰＷＭ(パルス・ワイド・モジュレーション：パルス幅変調)制御方式の電力変換装置を対象として、これにホール素子型電流センサ２８と、シャント抵抗器１３及び検出回路１８の双方を適用した場合について示したものである。ここで、ホール素子型電流センサ２８と、シャント抵抗器１３及び検出回路１８の双方が示されているのは説明のためであり、実際には何れか一方を設ける。
【０００７】
図８は、ダイオード整流器からなるコンバータ部（順変換部）１４と、このコンバータ部１４から出力される直流電力が入力されるＰＷＭ制御方式のインバータ部（逆変換部）１５、それにコンバータ部１４とインバータ部１５の間の直流部に接続された平滑用のコンデンサ（キャパシタ）１６で構成された主回路を備えている。
【０００８】
そして、コンバータ部１４に、電力源となる商用電源２９から交流電力が入力されると、コンデンサ１６で平滑化された直流電力がインバータ部１５に供給され、ここで、インバータ部１５のＩＧＢＴ（インシュレーテッド・ゲート・バイポーラ・トランジスタ）に代表される半導体スイッチング素子５がＰＷＭ制御されることにより、直流電力が所定の電圧と所定の周波数の交流電力に変換され、この結果、誘導電動機などの負荷に可変電圧可変周波数の電力が供給される。
【０００９】
当然、図９に示すようにバッテリー等の蓄電装置３０が出力する直流電力をインバータ部１５に供給して成る電力変換装置でも、前記と同様インバータ部１５の半導体スイッチング素子５がＰＷＭ制御されることにより、直流電力が所定の電圧と所定の周波数の交流電力に変換され、この結果、乗物の動力源，冷却装置の冷却ファン，冷却水の循環用ポンプ駆動電動機，油圧機具向け油圧ポンプ駆動電動機，エアコン用コンプレッサ駆動電動機などの負荷である電動機１７に可変電圧可変周波数の電力が供給される。
【００１０】
このとき、インバータ部１５にある半導体スイッチング素子５のＰＷＭ信号によるオン（導通），オフ（遮断）制御は、図７に示すように、ドライバ回路を介して、計算機（コンピュータ）１９により実行されるが、このとき、計算機１９による制御には、負荷である電動機１７に流れる電流の値、つまり負荷電流値が必要になる。
【００１１】
ここで、この検出には、上記したように、ホール素子型電流センサ２８を用いる方法と、シャント抵抗器１３及び検出回路１８を用いる方法が考えられる。
【００１２】
そして、まず、ホール素子型電流センサ２８を用いたときは、この電流センサをインバータ部１５と負荷である電動機１７の間に直列に接続し、これによる検出結果をＡ／Ｄ変換して計算機１９に入力する。
【００１３】
一方、シャント抵抗器１３及び検出回路１８を用いたときは、シャント抵抗器１３をコンデンサ１６とインバータ部１５の間に直列に接続する。そして、このシャント抵抗器１３に負荷電流が流れることにより現われる電圧降下を、フィルタと増幅器等を介してＡ／Ｄ変換し、計算機１９に入力するようになっている。ここで、シャント抵抗器１３の接続位置だが、インバータ部１５と電動機１７の間に直列に接続してもよい。
【００１４】
ここで、シャント抵抗器１３の構造は、一般に温度特性に優れたマンガニン材（銅とマンガンの合金）から成る板状抵抗体６であり、特開平８−１１５８０２号記載の打ち抜き加工にて所定の形状を整え両端に主電極部７を設ける方式や、特開平１１−９７２０３号記載の絶縁層４に固着した後エッチング加工施し所定の形状を整える方式が有り、シャント抵抗部８とシャント抵抗部８に負荷電流を流し込む主電極部７とシャント抵抗部８で発生した電圧を検出する検出電極部
３１を同一抵抗材で構成している場合や、板状抵抗体６の両端に銅等の低抵抗金属体で構成した主電極部７を固着し、固着した前記主電極部７を金属箔３にはんだ２等で固着し構成されており、図１０−１及び図１０−２に示すようにインバータ部１５の半導体スイッチング素子５が実装される放熱特性に優れたパワーモジュールの放熱ベース板１上に絶縁層４を介して実装される。
【００１５】
シャント抵抗器１３の発熱は、シャント抵抗部８と主電極部７に負荷電流が流れる為、シャント抵抗部８と主電極部７両方で発生し、発生した発熱は放熱ベース板１へと流れ温度の上昇が押さえられるようになっている。
【００１６】
上記技術は、ホール素子型電流センサ２８やシャント抵抗器１３及び検出回路１８を用いて電力変換装置のＰＷＭ制御を行っていたが、ホール素子型電流センサ２８の場合、比較的高価なホール素子や大きな磁性体を必要とするため、低価格化と小形化に問題があった。
【００１７】
一方、シャント抵抗器１３及び検出回路１８は、小形で安価な電子部品で構成できるが、電力線に直列に接続され、数アンペアから数千アンペアの負荷電流を検出する為発熱が生じ、抵抗温度変化率の小さいマンガニン材等を用いて精度の向上を図るが、マンガニン材固有の電気抵抗率が銅材に比べ数十倍と大きく、検出電流による発熱が通常配線に用いる銅材に比べ大幅に増加する。これに対し、発熱を押さえる為に抵抗値を極小（約０.５〜０.６ｍΩ程度）とし、発熱量を低減したり、高熱伝導な絶縁層４に板状抵抗体６を固着し主電極部７とシャント抵抗部８をエッチング処理等で成形しシャント抵抗器１３の全体を放熱できる構成となっているが、５００μｍを超える厚い板状抵抗体６を片面よりエッチングすると時間がかかり製造コストが嵩むといった問題があったり、同一材料でシャント抵抗器１３を構成している為、負荷電流が主電極部７に流れ発熱の増加を招く等の問題もあり、さらに主電極部７に銅材等を用い発熱量を低減したシャント抵抗器１３では主電極部７とシャント抵抗部８を検出電流に対して並列に接続する必要があり、一般にはんだ材２による接続や溶接による接続が行われ、主電極部７とシャント抵抗部８が一体化されたシャント抵抗器１３を高熱伝導の放熱基板１２上に用意された検出電流の金属箔３にはんだ等２により直列に挿入されるが、シャント抵抗部８が金属箔３やはんだ層２の厚さにより放熱基板１２から離れたり均一に密着できない為、シャント抵抗部８の温度が上昇すると言った問題があった。
【００１８】
本発明の目的は、シャント抵抗器及び検出回路による負荷電流の検出方式を大容量の電力変換装置へ適用できる電力変換装置を提供することである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、入力電力を所定の電力に変換して出力する主回路を有するものであって、主回路に電気的に接続されたシャント抵抗器に流れる電流を検出して主回路の動作を制御する電力変換装置において、シャント抵抗器の発熱を放熱するための熱拡散板と、接着機能を有し、熱拡散板の片面に固着された樹脂絶縁層と、この樹脂絶縁層の表面に設けられ、少なくとも樹脂絶縁層よりも粘度が低く、シャント抵抗器を樹脂絶縁層に接着する樹脂接着層とを有し、シャント抵抗器が、板状抵抗体により構成されたシャント抵抗部と、このシャント抵抗部の両端部に固着され、シャント抵抗部の電流の入出力端子を構成する主電極部とを有しており、シャント抵抗部及び主電極部が樹脂接着層によって樹脂絶縁層に固着されており、樹脂接着層が、樹脂絶縁層よりも電気抵抗率が小さく、シャント抵抗部よりも電気抵抗率が大きい電気伝導性接着層であることを特徴とする。かかる構成により、２つの電極部での発熱を大幅に低減でき、発熱部であるシャント抵抗部の熱抵抗を大幅に低減でき、さらに樹脂接着層を柔らかくしたことで接着時に発生する空気の巻き込みによるボイドを低減でき局所的な熱抵抗の増加を避けられると共に、シャント抵抗器の接着時に生じる空気の巻き込みによるボイドが生じても、コロナ放電現象等の発生を抑制できることから高信頼な大容量の電力変換機を提供できる。また、電気伝導性接着層は、シャント抵抗部よりも厚さが薄い。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、電力変換装置について、図示の実施形態により詳細に説明する。
【００２３】
図１は、第１の実施形態に係るシャント抵抗器１３の一例であり、図２は実施形態に係るシャント抵抗器１３を用いた電力変換装置の構成の一例である。一般的な電力変換装置の構成は、図８でも示したようにダイオード整流器からなるコンバータ部１４と、このコンバータ部１４から出力される直流電力が入力されるＰＷＭ制御方式のインバータ部１５、それにコンバータ部１４とインバータ部１５の間の直流部に接続された平滑用のコンデンサ１６で構成された主回路を備えている。
【００２４】
シャント抵抗器１３は、インバータ１５から負荷である交流電動機１７へ電力を供給する配線に挿入される場合とコンデンサ１６とインバータ１５間を電気的に接続する配線に挿入する場合が一般的であり、負荷電流とシャント抵抗器１３の抵抗値で決まる電圧を検出回路１８を介して計算機１９に伝え、計算機１９で所定の計算を行い半導体スイッチング素子５をＯＮ，ＯＦＦ制御して負荷電流を指定の値に制御する。
【００２５】
当然、バッテリー等の蓄電装置３０が出力する直流電力をインバータ部１５に供給して成る電力変換装置でも前記と同様にコンバータ部１４の代わりにバッテリー等の蓄電装置３０を接続することで構成できる。
【００２６】
ここで、シャント抵抗器１３はインバータ部１５の構成部品である半導体スイッチング素子５が実装されるパワーモジュール内に配置され、図１０−１で示すように絶縁層４の片面に板状抵抗体６が固着され、板状抵抗体６でシャント抵抗部８とシャント抵抗部８に負荷電流を流し込む主電極部７、さらにシャント抵抗部８で発生する電圧を取り出す検出電極３１を作りシャント抵抗器１３を構成し、絶縁層４の反対側に金属箔３がさらに固着され、モジュールの放熱ベース１上に前記金属箔３をはんだ２等により固着し実装され、前記シャント抵抗器１３に設けた主電極部７にメッキを掛けアルミワイヤー１０などの配線を固着させ電気的にインバータの主回路を構成する配線に接続される。また、図１０−２で示すように板状抵抗体６の両端に銅等の電気抵抗率の小さい金属体で構成した主電極部７を溶接などにより固着し、固着した前記主電極部７を絶縁層４上の金属箔３にはんだ２等で固着し、電気的にインバータの主回路を構成する配線に接続される。シャント抵抗器１３に用いる板状抵抗体６は、抵抗温度係数が小さなマンガニン材（銅とマンガンの合金）やニクロム材等が用いられているが、図１０−１及び図１０−２で示した技術と同じである。
【００２７】
従って、この図１及び図２に示した実施形態が、図８，図９，図１０−１，図１０−２の技術と異なる点は、前記板状抵抗体６で構成したシャント抵抗部８と銅等の電気抵抗率の小さい金属体で構成した主電極部７をシャント抵抗部８の両端に溶接などにより固着したシャント抵抗器１３において、熱伝導率の良い銅等で構成され表面にニッケル等のメッキを施した熱拡散板１１の片面にエポキシ等の接着機能を有する厚さ数十μｍから数百μｍの樹脂絶縁層９を設け、前記樹脂絶縁層９に前記シャント抵抗部８と前記主電極部７を接着しシャント抵抗器１３を構成し、前記熱拡散板１１をパワーモジュール内の放熱ベース板１にはんだ２により固着する。
【００２８】
さらに、樹脂絶縁層９に高熱伝導性粒子であるシリカやアルミナ等のフィラーを混ぜ合わせ、シャント抵抗器１３の放熱抵抗を改善すると共に主電極部７とシャント抵抗部８の片面で樹脂絶縁層９と接する各接続面を同一平面になるように主電極部７とシャント抵抗部８を接続した点である。
【００２９】
このようにすると、シャント抵抗器１３全体が熱伝導に優れた熱拡散板１１に密着できシャント抵抗部８の熱抵抗の低減が可能になり、樹脂絶縁層９に熱伝導粒子を加えることによりさらにシャント抵抗器１３の熱抵抗が低減でき、主電極部７とシャント抵抗部８の樹脂絶縁層９との接続面を同一平面になるように構成したことでシャント抵抗器１３下の樹脂絶縁層９の厚さを均等化できることから局所的な熱抵抗の違いを無くすことができ、シャント抵抗器１３の温度分布を均一化できることから高精度で大電流を流せるシャント抵抗器１３を構成でき高性能な電力変換装置が提供できる。
【００３０】
図３は、第２の実施形態に係るシャント抵抗器の一例で、この実施形態が、図１で説明した実施形態と異なる点は、図１のエポキシ等の樹脂を含んだ樹脂絶縁層９を熱拡散板１１の片面に固着させ、前記樹脂絶縁層９の表面に少なくとも前記樹脂絶縁層９より接着時に粘度が低く流動性のある樹脂接着層２０を設け、前記シャント抵抗部８と前記主電極部７を樹脂接着層２０に固着した点である。
【００３１】
このようにすると、樹脂接着層２０を柔らかくしたことで接着時に発生する空気の巻き込みによるボイド２１を低減できることから、シャント抵抗器１３の局所的な熱抵抗の増加を緩和できることから、シャント抵抗部８の局所的な温度上昇を低減し高精度で大電流を流せるシャント抵抗器１３を構成でき高性能な電力変換装置が提供できる。
【００３２】
図４は、第３の実施形態に係るシャント抵抗器の一例で、この実施形態が、前記実施例で説明した実施形態と異なる点は、図１のエポキシ等の樹脂を含んだ樹脂絶縁層９を熱拡散板１１の片面に固着させ、前記樹脂絶縁層９の所定の表面にのみ少なくとも前記樹脂絶縁層９より接着時に粘度が低く流動性があり、前記樹脂絶縁層９より少なくとも電気抵抗率が小さく、前記シャント抵抗部８より電気抵抗率が大きく、前記シャント抵抗部８より厚さが薄い電気伝導性接着層２２を設け、前記シャント抵抗部８と前記主電極部７を前記電気伝導性接着層２２に固着した点である。
【００３３】
このようにすると、シャント抵抗部８より前記電気伝導性接着層２２を薄くし電気抵抗率を大きくしたことで前記電気伝導性接着層２２を十分に高抵抗化でき検出電流の流れ込みを十分に抑制できるのでシャント抵抗器１３の精度を悪化させる事無く電気伝導性接着層２２を用い、シャント抵抗器１３の接着時にシャント抵抗器１３と前記電気伝導性接着層２２の界面に空気の巻き込みによってボイド２１が生じるが、接着層が電気伝導性の為にボイド２１周辺での電界の集中が生じないのでコロナ放電現象等への悪影響を抑制でき高信頼の大容量の電力変換機を提供できる。
【００３４】
図５は、第４の実施形態に係るシャント抵抗器の一例で、この実施形態が、図１で説明した実施形態と異なる点は、前記主電極部７及び前記主電極部の一部に設けた検出端子３１の一部と前記熱拡散板１１の一部を除き、前記シャント抵抗器１３をシリカ等に代表される熱伝導性の優れた粒子を含んだコーティング樹脂２３にて覆った点である。
【００３５】
このようにすると、前記シャント抵抗器１３で発生した熱がコーティング樹脂２３を伝熱して前記熱拡散板１１に広がり、前記シャント抵抗部８の熱抵抗を低減で、シャント抵抗部８の局所的な温度上昇を低減し高精度で大電流を流せるシャント抵抗器１３を構成でき高性能な電力変換装置が提供できる。
【００３６】
図６に示す様な太陽電池３２と電力変換装置で構成される太陽光発電システムの電源系統連係用電力変換装置や、図７で示す内燃機関と電動機１７もしくは電動機１７のみを動力源とし、バッテリー等の蓄電装置３０から供給される電力をシャント抵抗器１３で検出し電動機１７を制御する動力システムを用いミッションを通して内燃機関と電動機の力をタイヤに伝えて移動する乗物及び乗物に搭載されるエアコン，油圧ポンプ，ブレーキ駆動用電動機１７等の全てのインバータ装置や、さらに家庭用及び業務用のエアコンに用いるコンプレッサやファン用電動機駆動のインバータ装置や洗濯機の洗濯層を回す電動機や掃除機の吸い込みファンの電動機や電気調理機の磁界生成用インダクタンス駆動用電力変換装置等にも前記した実施例の電力変換装置が適用できる。
【００３７】
以上述べた各実施例によれば、熱拡散板１１の表面に用意した樹脂絶縁層９にシャント抵抗器１３を接着したことで熱抵抗の低減をすると共に、樹脂絶縁層９の表面に低粘度の樹脂接着層２０をさらに設け接着時のボイド２１の発生を抑制したり、樹脂接着層２０の電気抵抗率を樹脂絶縁層９よりも小さく、シャント抵抗部８より大きくし、ボイド２１に起因したコロナ放電現象を低減でき高信頼で高精度な大容量向けシャント抵抗器１３を構成でき制御特性に優れた電力変換装置を提供することができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、シャント抵抗器及び検出回路による負荷電流の検出方式を大容量の電力変換装置へ適用できる電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シャント抵抗器の第１の実施形態を示す構成図。
【図２】第１の実施形態のシャント抵抗器を用いた電力変換装置を説明するための構成図。
【図３】シャント抵抗器の第２の実施形態を示す構成図。
【図４】シャント抵抗器の第３の実施形態を示す構成図。
【図５】シャント抵抗器の第４の実施形態を示す構成図。
【図６】シャント抵抗器の第５の実施形態を示す構成図。
【図７】シャント抵抗器の第６の実施形態を示す構成図。
【図８】シャント抵抗器とそれを用いた電力変換装置の構成図。
【図９】シャント抵抗器とそれを用いた電力変換装置の構成図。
【図１０−１】シャント抵抗器の構成図。
【図１０−２】シャント抵抗器の構成図。
【符号の説明】
１…モジュールの放熱ベース、２…はんだ層、３…金属箔、４…絶縁層、５…半導体スイッチング素子、６…板状抵抗体、７…主電極部、８…シャント抵抗部、９…樹脂絶縁層、１０…アルミワイヤー、１１…熱拡散板、１２…放熱基板、１３…シャント抵抗器、１４…コンバータ、１５…インバータ、１６…コンデンサ、１７…電動機、１８…検出回路、１９…計算機、２０…樹脂接着層、２１…ボイド、２２…電気伝導性接着層、２３…コーティング樹脂、２８…ホール素子型電流センサ、２９…商用電源、３０…バッテリー等の蓄電装置、３１…検出電極、３２…太陽電池。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０−１】
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【図１０−２】
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