JP7690252B2 - フィルムコンデンサおよび電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、フィルムコンデンサおよび当該フィルムコンデンサを備える電力変換装置に関する。

従来から、ハイブリッド車や電気自動車等の電動車のモータに三相交流電力を供給する電力変換装置が知られている。電力変換装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータと、インバータと、フィルムコンデンサとを備える。ＤＣ／ＤＣコンバータは、バッテリから供給された直流電力を昇圧して出力し、インバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータが出力した昇圧直流電力を三相交流電力に変換してモータに供給する。フィルムコンデンサは、ＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとの間に設けられ、平滑コンデンサとして機能する。

図６（Ａ）に示すように、上記フィルムコンデンサの出力端子は、陰極（Ｎ極）のＵ相端子、Ｖ相端子、Ｗ相端子と、陽極（Ｐ極）のＵ相端子、Ｖ相端子、Ｗ相端子とで構成され、同相の端子が隣り合い、かつ陰極の端子と陽極の端子とが交互に配置されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３－２５１３５１号公報

上記フィルムコンデンサにおいて、出力端子を構成する各端子のインダクタンスは、各端子の幅ｗによって決まり、幅ｗが大きいほどインダクタンスは小さくなる。しかしながら、各端子が近接して配置されていると、各端子の幅ｗを十分に確保できないため、インダクタンスは大きくなるという問題がある。

一方で、出力端子の端子間に十分な隙間があり、各端子の幅を大きくした場合、各端子に形成されている締結用の貫通穴ＴＨ間の距離（異極同相の貫通穴ＴＨ間の距離）が大きくなり、各相間のインダクタンスが大きくなる。例えば、図６（Ｂ）に示すように、各端子の幅をｗからｗ’に大きくすると、異極同相の貫通穴ＴＨ間の距離がｄからｄ’に大きくなるため、各相間のインダクタンスは大きくなるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、低インダクタンス化を図ることが可能なフィルムコンデンサおよび当該フィルムコンデンサを備える電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るフィルムコンデンサは、
第１電極および第２電極を有する複数のフィルムコンデンサ素子と、
前記第１電極に接続される第１極性の第１バスバと、
前記第２電極に接続される第２極性の第２バスバと、
を備えるフィルムコンデンサであって、
前記第１バスバは、第１極主板と、第１極入力端子と、第１極出力端子を構成する、第１相用の第１極第１相端子および第２相用の第１極第２相端子と、
を備え、
前記第２バスバは、第２極主板と、第２極入力端子と、第２極出力端子を構成する、前記第１相用の第２極第１相端子および前記第２相用の第２極第２相端子と、
を備え、
前記第２極第１相端子は、前記第１極第１相端子を挟んで引き出された第１端子および第２端子を備え、
前記第２極第２相端子は、第３端子を備え、
前記第２端子と前記第３端子は、共通化された単一の第１共通端子であることを特徴とする。

この構成によれば、第２極第１相端子が、第１極第１相端子を挟んで引き出された第１端子および第２端子を備えるため、第２極第１相端子の出力部（例えば、締結用の貫通穴）と第１極第１相端子の出力部（例えば、締結用の貫通穴）との距離を大きくすることなく、第２極第１相端子の幅を大きくすることができる。その結果、低インダクタンス化を図ることができる。

さらに、この構成によれば、第２端子と第３端子とが共通化された単一の第１共通端子であるため、端子幅をより大きくすることができ、さらなる低インダクタンス化を図ることができる。

上記フィルムコンデンサにおいて、
前記第１バスバは、複数の前記第１極出力端子を備え、
前記第２バスバは、前記第１極出力端子と同数の前記第２極出力端子を備えるよう構成できる。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、
直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置であって、
前記直流電力を昇圧して昇圧直流電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記昇圧直流電力を平滑して少なくとも二相用の直流電力を出力する、本発明に係るフィルムコンデンサと、
前記少なくとも二相用の直流電力に基づいて少なくとも二相の前記交流電力を生成するインバータと、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、低インダクタンス化を図ることが可能なフィルムコンデンサおよび当該フィルムコンデンサを備える電力変換装置を提供することができる。

本発明に係る電力変換装置のブロック図である。 本発明に係るフィルムコンデンサの斜視図である。 本発明に係るフィルムコンデンサの分解斜視図である。 （Ａ）はＮバスバの出力端子を示す図である。（Ｂ）はＰバスバの出力端子を示す図である。 ＮバスバおよびのＰバスバの出力端子に形成された貫通穴間の距離を示す図である。 従来のフィルムコンデンサの問題点を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るフィルムコンデンサおよび電力変換装置の実施形態について説明する。なお、図中の矢印で示す前後方向Ｘ、左右方向Ｙ、上下方向Ｚは、互いに直交する直線方向である。

図１に、本発明の一実施形態に係る電力変換装置１を示す。電力変換装置１は、ＤＣ／ＤＣコンバータＡと、インバータＢ１，Ｂ２と、本発明の一実施形態に係るフィルムコンデンサＣと、制御回路Ｄとを備える。

電力変換装置１は、例えば、ハイブリッド車や電気自動車等の電動車に搭載され、バッテリ２（本発明の「直流電源」に相当）から供給された直流電力を交流電力に変換してモータ３，４（本発明の「負荷」に相当）に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータＡは、制御回路Ｄの制御下で、バッテリ２から入力された直流電力を昇圧し、昇圧した直流電力をフィルムコンデンサＣに出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータＡは、例えば、絶縁トランスと、１次側のスイッチング回路と、２次側の整流平滑回路とで構成できる。

インバータＢ１は、制御回路Ｄの制御下で、フィルムコンデンサＣから入力された三相用の直流電力を三相の交流電力に変換し、当該三相の交流電力をモータ３に出力する。同様に、インバータＢ２は、制御回路Ｄの制御下で、フィルムコンデンサＣから入力された三相用の直流電力を三相の交流電力に変換し、当該三相の交流電力をモータ４に出力する。インバータＢ１，Ｂ２は、Ｕ相の交流電力を生成するＵ相スイッチ回路と、Ｖ相の交流電力を生成するＶ相スイッチ回路と、Ｗ相の交流電力を生成するＷ相スイッチ回路とを備える。各スイッチ回路は、例えば、直列接続されたスイッチング素子で構成できる。

本実施形態では、インバータＢ１，Ｂ２は、フィルムコンデンサＣの出力端子に対応した入力端子を備える。具体的には、インバータＢ１，Ｂ２の各相のスイッチ回路が、Ｎ入力端子、第１のＰ入力端子、第２のＰ入力端子を備える。例えば、第１のＰ入力端子および第２のＰ入力端子はスイッチ回路の一端に接続され、Ｎ入力端子はスイッチ回路の他端に接続される。

制御回路Ｄは、上記のとおり、ＤＣ／ＤＣコンバータＡおよびインバータＢ１，Ｂ２を制御する。制御回路Ｄは、アナログ制御回路、マイクロコントローラ等を含むデジタル制御回路、または両者を組み合わせた回路で構成できる。

フィルムコンデンサＣは、ＤＣ／ＤＣコンバータＡとインバータＢ１，Ｂ２との間に設けられ、平滑コンデンサとして機能する。図２に、フィルムコンデンサＣの斜視図を示し、図３に、フィルムコンデンサＣの分解斜視図を示す。

フィルムコンデンサＣは、コンデンサ素子部１０と、本発明の「第１極性の第１バスバ」に相当するＮバスバ２０と、本発明の「第２極性の第２バスバ」に相当するＰバスバ３０と、ケース４０と、絶縁部５０と、封止樹脂６０とを備える。なお、図３では、封止樹脂６０を省略している。

コンデンサ素子部１０は、平滑用のコンデンサとして機能する８個のフィルムコンデンサ素子１１（本発明の「フィルムコンデンサ素子」に相当）を備える。

フィルムコンデンサ素子１１は、誘電体フィルムの表面に内部電極（陰極、陽極）としての金属膜が形成された一対の金属化フィルムを重ねて巻回し、その両巻回端に外部電極としてのメタリコン部を形成したものである。一方のメタリコン部（本発明の「第１電極」に相当）は、一方の金属化フィルムの内部電極（陰極）に接続され、他方のメタリコン部（本発明の「第２電極」に相当）は、他方の金属化フィルムの内部電極（陽極）に接続される。フィルムコンデンサ素子１１は、第１電極が下側、第２電極が上側になるようにケース４０内に配置される。

Ｎバスバ２０は、金属板を加工して形成された電極端子部品であり、陰極用のバスバである。Ｎバスバ２０は、本発明の「第１極主板」に相当するＮ主板２１と、本発明の「第１極入力端子」に相当するＮ入力端子２２と、本発明の「第１極出力端子」に相当するＮ出力端子２３とを備える。

Ｎ主板２１は、ケース４０内に収納され、フィルムコンデンサ素子１１の下側の第１電極に接続される。Ｎ入力端子２２は、Ｎ主板２１の前端から引き出されてケース４０の前面に露出しており、ＤＣ／ＤＣコンバータＡの陰極用の出力端子に接続される。Ｎ出力端子２３は、Ｎ主板２１の左端および右端からケース４０外に引き出されている。Ｎ出力端子２３の詳細については、後述する。

Ｐバスバ３０は、金属板を加工して形成された電極端子部品であり、陽極用のバスバである。Ｐバスバ３０は、本発明の「第２極主板」に相当するＰ主板３１と、本発明の「第２極入力端子」に相当するＰ入力端子３２と、本発明の「第２極出力端子」に相当するＰ出力端子３３とを備える。

Ｐ主板３１は、ケース４０内に収納され、フィルムコンデンサ素子１１の上側の第２電極に接続される。Ｐ入力端子３２は、Ｐ主板３１の前端から引き出されてＮ入力端子２２と隣り合うようにケース４０の前面に露出しており、ＤＣ／ＤＣコンバータＡの陽極用の出力端子に接続される。Ｐ出力端子３３は、Ｐ主板３１の左端および右端からケース４０外に引き出されている。Ｐ出力端子３３の詳細については、後述する。

ケース４０は、絶縁性樹脂により形成された筐体であり、底部４１と、周壁部４２とを備える。底部４１および周壁部４２は、同一の絶縁性樹脂により一体的に形成される。

底部４１は、Ｎバスバ２０のＮ主板２１の下方に位置するように設けられ、周壁部４２は、Ｎ主板２１の側方（前方、後方、左方、右方）を囲むように設けられている。すなわち、底部４１および周壁部４２により、Ｎバスバ２０のＮ主板２１、コンデンサ素子部１０、Ｐバスバ３０のＰ主板３１を収納するための収納空間が形成される。

絶縁部５０は、Ｎバスバ２０とＰバスバ３０との短絡を防止するために設けられている。絶縁部５０は、第１絶縁部材５１と、第２絶縁部材５２と、第３絶縁部材５３とを備える。第１絶縁部材５１は、Ｎ主板２１の前端部とＰ主板３１の前端部との間に配置される。第２絶縁部材５２は、Ｎ主板２１の左端部とＰ主板３１の左端部との間に配置される。第３絶縁部材５３は、Ｎ主板２１の右端部とＰ主板３１の右端部との間に配置される。

封止樹脂６０は、ケース４０内の収納空間に収納されているコンデンサ素子部１０を保護するための樹脂である。封止樹脂６０は、例えば、エポキシ樹脂等のポッティング樹脂を、ディスペンサーによってケース４０内に所定量だけ充填し、硬化させたものである。

図４（Ａ）に、Ｎバスバ２０の左側のＮ出力端子２３を示し、図４（Ｂ）に、Ｐバスバ３０の左側のＰ出力端子３３を示す。なお、Ｎバスバ２０の右側のＮ出力端子２３は、左側のＮ出力端子２３と同様の構成であり、Ｐバスバ３０の右側のＰ出力端子３３は、左側のＰ出力端子３３と同様の構成である。

Ｎ出力端子２３は、本発明の「第１極第１相端子」に相当するＵ相用のＮ出力端子２３Ｕと、本発明の「第１極第２相端子」に相当するＶ相用のＮ出力端子２３Ｖと、本発明の「第１極第３相端子」に相当するＷ相用のＮ出力端子２３Ｗとを備える。Ｎ出力端子２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗは、それぞれ所定の幅ｗ１，ｗ２，ｗ３を有する。本実施形態では、ｗ１＝ｗ２＝ｗ３である。

Ｎ出力端子２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗには、出力部として、インバータＢ１の各相におけるＮ入力端子との締結用の貫通穴ＴＨ（本実施形態では、丸穴）が形成されている。Ｎ出力端子２３Ｕは、インバータＢ１のＵ相スイッチ回路のＮ入力端子に接続される。Ｎ出力端子２３Ｖは、インバータＢ１のＶ相スイッチ回路のＮ入力端子に接続される。Ｎ出力端子２３Ｗは、インバータＢ１のＷ相スイッチ回路のＮ入力端子に接続される。

Ｐ出力端子３３は、本発明の「第２極第１相端子（第１端子、第２端子）」に相当するＵ相用のＰ出力端子３３Ｕ，３３Ｕ’と、本発明の「第２極第２相端子（第３端子、第４端子）」に相当するＶ相用のＰ出力端子３３Ｖ，３３Ｖ’と、本発明の「第２極第３相端子（第５端子、第６端子）」に相当するＷ相用のＰ出力端子３３Ｗ，３３Ｗ’とを備える。ただし、Ｐ出力端子３３Ｕ’とＰ出力端子３３Ｖとは、共通化された単一の第１共通端子３３ＵＶであり、Ｐ出力端子３３Ｖ’とＰ出力端子３３Ｗとは、共通化された単一の第２共通端子３３ＶＷである。

Ｐ出力端子３３ＵおよびＰ出力端子３３Ｗ’は、それぞれ所定の幅ｗ４，ｗ５を有する。本実施形態では、ｗ４＝ｗ５であり、ｗ４（＝ｗ５）はｗ１（＝ｗ２＝ｗ３）よりも小さい。

第１共通端子３３ＵＶおよび第２共通端子３３ＶＷは、それぞれ所定の幅ｗ６，ｗ７を有する。本実施形態では、ｗ６＝ｗ７である。ｗ６は、Ｐ出力端子３３Ｕの幅ｗ４の２倍の値よりも大きい。ｗ７は、Ｐ出力端子３３Ｗ’の幅ｗ５の２倍の値よりも大きい。

Ｐ出力端子３３Ｕ、第１共通端子３３ＵＶ、第２共通端子３３ＶＷ、およびＰ出力端子３３Ｗ’には、出力部として、インバータＢ１の各相におけるＰ入力端子との締結用の貫通穴ＴＨ（本実施形態では、丸穴）が形成されている。第１共通端子３３ＵＶおよび第２共通端子３３ＶＷには、各２つの貫通穴ＴＨが形成されている。

Ｐ出力端子３３Ｕは、インバータＢ１のＵ相スイッチ回路の第１のＰ入力端子に接続される。第１共通端子３３ＵＶは、Ｐ出力端子３３Ｕ側においてインバータＢ１のＵ相スイッチ回路の第２のＰ入力端子に接続され、第２共通端子３３ＶＷ側においてインバータＢ１のＶ相スイッチ回路の第１のＰ入力端子に接続される。第２共通端子３３ＶＷは、第１共通端子３３ＵＶ側においてインバータＢ１のＶ相スイッチ回路の第２のＰ入力端子に接続され、Ｐ出力端子３３Ｗ’側においてインバータＢ１のＷ相スイッチ回路の第１のＰ入力端子に接続される。Ｐ出力端子３３Ｗ’は、インバータＢ１のＷ相スイッチ回路の第２のＰ入力端子に接続される。

図５に示すように、Ｐ出力端子３３Ｕの貫通穴ＴＨとＮ出力端子２３Ｕの貫通穴ＴＨとの間の距離をｄ１とし、Ｎ出力端子２３Ｕの貫通穴ＴＨと第１共通端子３３ＵＶのＵ相用の貫通穴ＴＨとの間の距離をｄ１’とすると、ｄ１＝ｄ１’となる。第１共通端子３３ＵＶのＶ相用の貫通穴ＴＨとＮ出力端子２３Ｖの貫通穴ＴＨとの間の距離をｄ２とし、Ｎ出力端子２３Ｖの貫通穴ＴＨと第２共通端子３３ＶＷのＶ相用の貫通穴ＴＨとの間の距離をｄ２’とすると、ｄ２＝ｄ２’となる。第２共通端子３３ＶＷのＷ相用の貫通穴ＴＨとＮ出力端子２３Ｗの貫通穴ＴＨとの間の距離をｄ３とし、Ｎ出力端子２３Ｗの貫通穴ＴＨとＰ出力端子３３Ｗ’の貫通穴ＴＨとの間の距離をｄ３’とすると、ｄ３＝ｄ３’となる。

換言すれば、ｄ１＝ｄ１’およびｄ２＝ｄ２’となるように、第１共通端子３３ＵＶにＵ相用およびＶ相用の各貫通穴ＴＨを形成している。同様に、ｄ２＝ｄ２’およびｄ３＝ｄ３’となるように、第２共通端子３３ＶＷにＶ相用およびＷ相用の各貫通穴ＴＨを形成している。

本実施形態に係るフィルムコンデンサＣは、各相においてＮ出力端子２３（２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗ）の両側にＰ出力端子３３（３３Ｕ，３３Ｕ’，３３Ｖ，３３Ｖ’，３３Ｗ，３３Ｗ’）が配置されているので、各相において異極性の出力部間（貫通穴ＴＨ間）の距離を大きくすることなく、Ｐ出力端子３３の端子幅を大きくすることができる。その結果、低インダクタンス化を図ることができる。

さらに、本実施形態に係るフィルムコンデンサＣは、Ｐ出力端子３３Ｕ’とＰ出力端子３３Ｖとが共通化された単一の第１共通端子３３ＵＶであり、Ｐ出力端子３３Ｖ’とＰ出力端子３３Ｗとが共通化された単一の第２共通端子３３ＶＷであるため、Ｐ出力端子３３の端子幅をより大きくすることができる。その結果、さらなる低インダクタンス化を図ることができる。

また、第１共通端子３３ＵＶとすることで、Ｐ出力端子３３Ｕ’とＰ出力端子３３Ｖとが必然的に同一平面上に位置するため、Ｐ出力端子３３Ｕ’とＰ出力端子３３Ｖとを別々に設けた場合と比較して、端子の寸法出し（例えば、端子の高さ調整等）が容易になり、組立治具の複雑化を抑制できる。第２共通端子３３ＶＷについても、同様の効果が生じる。

［変形例］
以上、本発明に係るフィルムコンデンサおよび電力変換装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

本発明に係るフィルムコンデンサは、複数のフィルムコンデンサ素子と、第１極性の第１バスバと、第２極性の第２バスバとを備える。第１バスバは、第１極主板と、第１極入力端子と、少なくとも二相用の第１極出力端子とを備え、第２バスバは、第２極主板と、第２極入力端子と、少なくとも二相用の第２極出力端子とを備える。そして、少なくとも二相の各相において、第１極出力端子の両側に第２極出力端子が配置され、かつ隣り合う異相の第２極出力端子が共通化された共通端子となるのであれば、適宜構成を変更できる。

本発明に係るフィルムコンデンサは、封止樹脂６０のない、いわゆる樹脂レスフィルムコンデンサでもよい。また、本発明に係るフィルムコンデンサは、コンデンサ素子部１０、Ｎバスバ２０のＮ主板２１、Ｐバスバ３０のＰ主板３１を外装樹脂で被覆した、いわゆるケースレスフィルムコンデンサでもよい。

上記実施形態では、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相に対応しているが、本発明に係るフィルムコンデンサは、二相に対応したものでもよく、四相以上に対応したものでもよい。

上記実施形態では、各相においてＮ出力端子２３（２３Ｕ，２３Ｖ，２３Ｗ）の両側にＰ出力端子３３（３３Ｕ，３３Ｕ’，３３Ｖ，３３Ｖ’，３３Ｗ，３３Ｗ’）が配置されているが、各相においてＰ出力端子３３の両側にＮ出力端子２３を配置してもよい。その場合、Ｐバスバ３０の代わりに、Ｎバスバ２０が第１共通端子および第２共通端子を備える構成となる。

本発明に係る電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置であって、直流電力を昇圧して昇圧直流電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、昇圧直流電力を平滑して少なくとも二相用の直流電力を出力する本発明のフィルムコンデンサと、少なくとも二相用の直流電力に基づいて少なくとも二相の交流電力を生成するインバータとを備えるのであれば、適宜構成を変更できる。

Ａ ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｂ１，Ｂ２ インバータ
Ｃ フィルムコンデンサ
Ｄ 制御回路
１ 電力変換装置
２ バッテリ
３，４ モータ
１０ コンデンサ素子部
１１ フィルムコンデンサ素子
２０ Ｎバスバ
２１ Ｎ主板
２２ Ｎ入力端子
２３ Ｎ出力端子
３０ Ｐバスバ
３１ Ｐ主板
３２ Ｐ入力端子
３３ Ｐ出力端子
３３ＵＶ 第１共通端子
３３ＶＷ 第２共通端子
４０ ケース
４１ 底部
４２ 周壁部
５０ 絶縁部
５１ 第１絶縁部材
５２ 第２絶縁部材
５３ 第３絶縁部材
６０ 封止樹脂

Claims (3)

1. 第１電極および第２電極を有する複数のフィルムコンデンサ素子と、
   前記第１電極に接続される第１極性の第１バスバと、
   前記第２電極に接続される第２極性の第２バスバと、
   ケースと、
   を備えるフィルムコンデンサであって、
   前記第１バスバは、第１極主板と、第１極入力端子と、第１極出力端子を構成する、第１相用の第１極第１相端子および第２相用の第１極第２相端子と、
   を備え、
   前記第２バスバは、第２極主板と、第２極入力端子と、第２極出力端子を構成する、前記第１相用の第２極第１相端子および前記第２相用の第２極第２相端子と、
   を備え、
   前記第２極第１相端子は、前記第１極第１相端子を挟んで引き出された第１端子および第２端子を備え、
   前記第２極第２相端子は、第３端子を備え、
   前記第２端子と前記第３端子は、共通化された単一の第１共通端子であり、
   前記ケースは、前記フィルムコンデンサ素子、前記第１極主板および前記第２極主板を収納し、
   前記第１極出力端子は、前記第１極主板の左端および右端から左右対称に延びて前記ケース外に引き出されており、
   前記第２極出力端子は、前記第２極主板の左端および右端から左右対称に延びて前記ケース外に引き出されている
   ことを特徴とするフィルムコンデンサ。
2. 前記第１バスバは、複数の前記第１極出力端子を備え、
   前記第２バスバは、前記第１極出力端子と同数の前記第２極出力端子を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のフィルムコンデンサ。
3. 直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置であって、
   前記直流電力を昇圧して昇圧直流電力を出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記昇圧直流電力を平滑して少なくとも二相用の直流電力を出力する請求項１または２に記載のフィルムコンデンサと、
   前記少なくとも二相用の直流電力に基づいて少なくとも二相の前記交流電力を生成するインバータと、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。

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