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JP2024025514A - 電力変換装置、電力変換装置の製造方法 - Google Patents

電力変換装置、電力変換装置の製造方法 Download PDF

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JP2024025514A JP2022129019A JP2022129019A JP2024025514A JP 2024025514 A JP2024025514 A JP 2024025514A JP 2022129019 A JP2022129019 A JP 2022129019A JP 2022129019 A JP2022129019 A JP 2022129019A JP 2024025514 A JP2024025514 A JP 2024025514A
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Yusaku Katsube
敦成 浜口
Atsunari Hamaguchi
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Abstract

【課題】低ノイズ化と低コスト化を両立した電力変換装置および電力変換装置の製造方法を提供する。【解決手段】直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を有するパワーモジュールを備える電力変換装置であって、前記スイッチング素子に前記直流電力を供給する直流バスバと、前記スイッチング素子を収容する金属製の筐体と、前記直流バスバと前記筐体とを接続するキャパシタと、を備え、前記キャパシタと前記筐体は、導電性の接着剤である第1接続部材によって電気的に接続される。【選択図】図5

Description

本発明は、電力変換装置、電力変換装置の製造方法に関する。
電力変換装置は、実装しているYキャパシタの共振によって、大きなコモンモードノイズがバッテリシステムに漏洩する。これにより、EMC規制(ノイズ規格)を満たせない課題をかかえることがある。このような課題の対策として、例えば、下記の特許文献1では、インダクタを導電性シートにより水路と接続する構成を有することで、絶縁層の静電容量及びインダクタのインダクタンスを調整して、ノイズを低減している半導体装置について開示されている。
特開2015-223010号公報
従来では、Yキャパシタの共振対策として、大きな抵抗を持たせるために、例えばYキャパシタの接続部材の低効率を大きくするような物性値への変更が必要である課題や、ダンピング抵抗を直列に入れてノイズを低下させる対策をしても、PCB基板を用いた抵抗実装を行っているため、コストが増加したりする課題が生じていた。また、ダンピング抵抗が無い場合でも、YキャパシタのGND端子は溶接用金具を介して筐体と接続しており、溶接用金具と実装のコスト増加の懸念もあった。
本発明は、低ノイズ化と低コスト化を両立した電力変換装置および電力変換装置の製造方法を提供することが目的である。
直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を有するパワーモジュールを備える電力変換装置であって、前記スイッチング素子に前記直流電力を供給する直流バスバと、前記スイッチング素子を収容する金属製の筐体と、前記直流バスバと前記筐体とを接続するキャパシタと、を備え、前記キャパシタと前記筐体は、導電性の接着剤である第1接続部材によって電気的に接続される。
また、本発明の電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子に前記直流電力を供給する直流バスバと、前記スイッチング素子を収容する金属製の筐体と、前記直流バスバと前記筐体とを接続するキャパシタと、を備え、前記筐体に、上部に突出する段差部を形成し、前記キャパシタと前記段差部を、第1の接着剤容器内に充填した、熱硬化樹脂かつ導電性の接着剤である第1接続部材によって電気的に接続し、前記キャパシタと前記筐体を、前記筐体において前記段差部とは異なる部分に形成される充填部に充填される第2接続部材によって電気的に接続し、前記第1の接続部材と前記第2の接続部材を同時に加熱する製造方法を採用する。
本発明によれば、低ノイズ化と低コスト化を両立した電力変換装置および電力変換装置の製造方法を提供できる。
車両に実装される電力変換装置および駆動に関わるその他の実装部品についての説明図 図1の電力変換装置の機能ブロック図 図2の電力変換装置が備えるフィルタ回路の構成図 本発明の一実施形態に係る、フィルタ回路の説明図 図4のA-A断面図 本発明の一実施形態に係る、フィルタ回路に備える樹脂蓋の説明図 本発明の一実施形態に係る、第1の接続材容器の変形例 図7をフィルタ回路に適用した図 第1変形例 第2変形例 第3変形例 第4変形例
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
(本発明の一実施形態と装置の全体構成)
(図1)
車両には、電力変換装置200、バッテリシステム136、モータジェネレータMG(Motor Generator)、トランスミッションTM(Transmission)、が実装されている。電力変換装置200は、内部にフィルタ回路1、平滑キャパシタ500、パワーモジュール150、ドライバ回路174、制御回路部172を有している。
バッテリシステム136は、車両の走行に必要な電気エネルギーを蓄えており、電力変換装置200に直流電力を供給している。直流コネクタ138は、バッテリシステム136の直流電力を電力変換装置200に入力するために使用されるコネクタである。
フィルタ回路1は、電力変換装置200で発生するノイズをフィルタリングし、バッテリシステム136へノイズが混入することを防ぐ。平滑コンデンサ500は、バッテリシステム136からの直流電力を平滑化することによって、パワーモジュール150が有するインバータ回路部に安定した直流電力を供給している。
パワーモジュール150が有するインバータ回路部は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を有している。制御回路部172は、制御コネクタ430を介して上位の制御装置(図示なし)から指令を受け、ドライバ基板上のドライバ回路174に駆動信号を送信する。ドライバ回路174は、制御基板上の制御回路部172からの信号によって、パワーモジュール150を駆動する。これにより、パワーモジュール150が有するインバータ回路部のスイッチング素子が稼働して、交流電流をモータジェネレータMGに対して出力する。
交流端子420は、パワーモジュール150から出力される三相交流をモータジェネレータMGに伝達する。モータジェネレータMGで発生した動力は、トランスミッションTMを介して、タイヤに伝達される。
(図2)
電流センサ180は、パワーモジュール150からモータジェネレータMGに出力される交流電流を検知するため、交流バスバ421の近傍に設置されている。電流センサ180で検知した電流値は、制御回路部172に入力され、フィードバック処理に使用される。モータ制御コネクタ420aは、モータジェネレータMG1からの信号を入力し、モータ制御配線435を通して、制御回路部172に信号を伝達する。
(図3)
フィルタ回路1は、スイッチング素子に直流電力を供給する正極バスバ5aと接続されるYキャパシタ4と、負極バスバ5bと接続されるYキャパシタ4、また、それぞれのYキャパシタ4を筐体104と接続する第1接続部材7を有している。Yキャパシタ4は、電力変換装置200のノイズ除去キャパシタとしての役割を持つ。
(図4、図5)
フィルタ回路1は、スイッチング素子に直流電力を供給する直流バスバ5と、スイッチング素子を収容する金属製の筐体104と、直流バスバ5と筐体104とを接続するYキャパシタ4と、を備え、Yキャパシタ4と筐体104は、導電性の接着剤である第1接続部材7によって電気的に接続される。
Yキャパシタ4は、GND端子9(第1端子)とHV端子6(第2端子)を有している。一方のYキャパシタ4のHV端子6はHVバスバ(直流バスバ)の正極バスバ5aに、他方のYキャパシタ4のHV端子6は負極バスバ5bに接続されている。Yキャパシタ4のGND端子9は、第1接続部材7にそれぞれ接続される。第1接続部材7は、導電性接着剤であり、第1の接着剤容器10に充填されている。
筐体104は、上部に突出する段差部104aを有している。第1の接着剤容器10の底面は、段差部104aと接触している。第1の接着剤容器10は非導電性であり、Yキャパシタ4のGND端子9と筐体104の位置決めピン8が貫通する貫通穴を有している。位置決めピン8は、第1の接着剤容器10の貫通穴を通って段差部104aに接続されている。これにより、筐体104へのリターン電流が第1接続部材7の内部でGND端子9から位置決めピン8に流れるのに対し、位置決めピン8から筐体104全体に拡散しながらノイズ源(スイッチング源)に戻る電流は逆方向の成分を有する。これにより、互いの電流で磁界を打ち消し、低インダクタンス化できる。この結果、低ノイズ化できる。
第1の接着剤容器10に、導電性接着剤である第1接続部材7が充填されることで、位置決めピン8とGND端子9が電気的に接続される。これにより、正極バスバ5aと負極バスバ5bのノイズを筐体104にバイパスして、ノイズをフィルタできる。また、これにより、接着剤容器10の筐体104における位置決めと、第1接続部材7と筐体104との接続を両立できる。
筐体104は、段差部104a以外の部分でもYキャパシタ4と接続されており、Yキャパシタ4の底面(図5下側の面)と第2接続部材7aで接続されている。これによりYキャパシタ4は筐体104に固定される。
第1の接着剤容器10に充填される第1接続部材7は、容器10に充填されてGND端子9と筐体104との間で電気的に接続されることで抵抗を有するようになる。この第1接続部材7の充填量を調整することで、ノイズ性能が悪化しないような所望のダンピング抵抗値を得られる。これは、第1接続部材7が導電性接着剤として材料固有の抵抗率を持っており、これを利用して所望のダンピング抵抗値に調整を図ることができるためである。また第1接続部材7は、容器10に充填されることで、筐体104の不要な箇所に第1接続部材7が付着することを防ぐ。
第1接続部材7は、2種類の液体が混合されることで形成されていてもよい。つまり、第1の接着剤容器10の筐体104においての位置決め後に、容器10内で2種類の接着剤を混合して第1接続部材7を形成できる。そのため、予め2種類の第1接続部材7を混合させた後に容器10内に充填させるような工程が不要になり、工程全体の自由度が向上し、かつ生産性が向上する。
また、本発明は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子に直流電力を供給する正極バスバ5aと負極バスバ5bから構成される直流バスバ5と、スイッチング素子を収容する金属製の筐体104と、直流バスバ5と筐体104とを接続するYキャパシタ4と、を備える装置である。本装置の製造工程として、筐体104に、上部に突出する段差部104aを形成し、Yキャパシタ4と段差部104aを、第1の接着剤容器10内に充填した、熱硬化樹脂かつ導電性の接着剤である第1接続部材7によって電気的に接続し、Yキャパシタ4と筐体104を、筐体104において段差部104aとは異なる部分に形成される充填部19に充填される第2接続部材7aによって電気的に接続し、第1接続部材7と第2接続部材7aを同時に加熱するプロセスを採用する。
このような製造工程を採用することで、加熱による樹脂硬化工程が1回で済むため、組み立て時間の長時間化を防ぐことができる。第2接続部材7aとして、例えばFIPG(Formed In Place Gasket)が用いられる。第2接続部材7aは、第1接続部材7と異なる種類の接着剤でなく、第1接続部材7と同様の導電性接着剤を用いることもできるため、低コスト化できる。
本発明の構成によれば、従来Yキャパシタ4に用いていたGND端子9用の溶接用金具等も不要となる。また、低コストでYキャパシタ4を筐体104に実装することで、共振を減衰させることができる。これにより、低ノイズ化と低コスト化を両立した電力変換装置200を提供できる。
(図6)
第1の接着剤容器10は、コンタミ対策用にその上部に容器10の蓋として樹脂蓋12を有していてもよく、これにより、第1接続部材7は容器10内に密閉される。また、これにより、第1接続部材7が容器10から漏れたり、飛び散ったりすることを防止できる。さらに、容器10の耐振動性が向上し、GND端子9と位置決めピン8への接着が保たれる。
また、第1の接着剤容器10をYキャパシタ4の上部面と段差部104aの上部面とによって形成される基準線11上(平面上)に置くことで、第1の接着剤容器10の配置を筐体104上で限定できるだけでなく、容器10内の第1接続部材7が平面に溜まるように充填されるため、偏って溜まることがない。これにより、位置決めピン8とGND端子9を、容器10内において同程度の高さで互いに第1接続部材7により接着できる。また、振動に対する第1接続部材7の応力も分散し、耐振動性の向上が期待できる。
(図7、図8)
図示するように、第1の接着剤容器10は、複数の内部壁10bを有し、第1接続部材7が、第1の接着剤容器10内で複数の内部壁10bに沿って折り返されるように充填される構成であってもよい。このように、容器10への第1接続部材7の充填量によるダンピング抵抗値の調整のため、抵抗の増大と低インダクタンスの両立を考慮しながら、容器10においての充填部分の長さによってダンピング抵抗値の調整を行ってもよい。また、このような構成にすることで、容器10の折り返し部分で、第1接続部材7に流れる電流が互いに逆向きとなるため、磁束がキャンセルされてインダクタンスの低減に貢献する。すなわち、抵抗値の調整だけでなく、抵抗の増大と低インダクタンスの両立が可能となる。
第1の接着剤容器10には、前述した筐体104に固定するための位置決めピン8を挿通するための貫通穴13と、GND端子9用の貫通穴14が設けられていることが図示されている。この貫通穴13,14について、容器10に2か所の貫通穴を設けることにより筐体104への第1の接着剤容器10の位置決めができ、実装を容易にできる。また、あえて接着剤容器10の下部に内部の第1接続部材7を漏洩させて、接着剤容器10を筐体104とYキャパシタ4に対してより大面積で固定を図る目的で、貫通穴13の径は位置決めピン8の直径に対して2mm以上大きくしてもよい。これにより、容器10の耐振動性が向上する。
(第1変形例)
(図9)
フィルタ回路1において、Yキャパシタ4の第1端子9は、第1の接着剤容器10の貫通穴に挿通され、また、第2端子6は、直流バスバ5と接続される第2の接着剤容器10aに形成される貫通穴に挿通される。このとき、第2端子6と直流バスバ5とは、第2の接着剤容器10aに充填される第1接続部材7によって電気的に接続される。このように、HV端子6と直流バスバ5a,5bとの接続にも第1接続部材7および容器10aを設けることで、HV端子6と直流バスバ5a,5bとの接続に溶接が不要になる。
また、第2の接着剤容器10aは、直流バスバ5a,5bをモールドする樹脂15の一部として形成されていてもよく、これにより、第2の接着剤容器10aを新たに製造するコストを削減でき、低コスト化を図ることができる。
(第2変形例)
(図10)
第1の接着剤容器10と筐体104の段差部104aとの間に固定部材17を配置する。容器10の位置が筐体104の位置決めピン8以外で決まるならば、位置決めピン8をネジ16に置き換えて、段差部104aに固定されていてもよい。これにより、筐体104に対して第1の接着剤容器10の固定性がさらに高まる。
(第3変形例)
(図11)
筐体104は、第1接続部材7を充填する接続部材充填部19を有する構成であってもよい。導電性の第1接続部材7を溜める(充填できる)凹部のみを筐体104が有していることで、Yキャパシタ4のGND端子9は第1接続部材7を通して筐体104に電気的に接続され、かつ固定されている。また、筐体104は微小凹凸部18を有する。GND端子9と筐体104との抵抗値を増減させてダンピング抵抗の調整を行いたい場合、微小凹凸部18を増減して表面積を増減させることで実現できる。このように、接着剤容器10がない構成であっても、直流バスバ5a,5bからのノイズを逃がすことができる。
(第4変形例)
(図12)
Yキャパシタ4のGND端子9とHV端子6は、曲げ加工が施されてL字形状(カギ形状)のGND端子9aとHV端子6aであってもよい。これにより、例えば、図11の構成においてこのL字形状のYキャパシタ4を適用すると、正極バスバ5aとHV端子6との溶接面積を増やすことができる。さらに、GND端子9aがより筐体104に近づくため、第1接続部材7を減らすことが可能となる。また、筐体104においてYキャパシタ4は図面左右方向の揺れに対して強くなる。
図4や図5の構成にこのL字形状のYキャパシタ4を適用した場合は、接着剤容器10の貫通穴を、GND端子9が通る大きさにすればよく、直線の端子ではないことで、縦方向ないしは横方向の振動により発生する応力に対し、振動方向とそれぞれ垂直の構造を持つため、耐振動性が向上する。
以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
(1)直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を有するパワーモジュール150を備える電力変換装置200であって、スイッチング素子に直流電力を供給する直流バスバ5と、スイッチング素子を収容する金属製の筐体104と、直流バスバ5と筐体104とを接続するYキャパシタ4と、を備え、Yキャパシタ4と筐体104は、導電性の接着剤である第1接続部材7によって電気的に接続される。このようにしたことで、低ノイズ化と低コスト化を両立した電力変換装置200を提供できる。
(2)第1接続部材7は、非導電性の第1の接着剤容器10に充填される。このようにしたことで、所望のダンピング抵抗の値に調整できる。
(3)筐体104は、上部に突出する段差部104aを有し、Yキャパシタ4の上部面と段差部104aの上部面とによって形成される基準線11上に、第1の接着剤容器10の底面が設置される。このようにしたことで、容器10の内部において第1接続部材7が偏ることなく平面に充填でき、かつ耐振動性向上を図ることができる。
(4)第1の接着剤容器10の底面は、段差部104aと接触している。このようにしたことで、低インダクタンス化、低ノイズ化を実現できる。
(5)第1の接着剤容器10は、筐体104に固定するための位置決めピン8を挿通する貫通穴13を有する。このようにしたことで、実装を容易にできる。
(6)貫通穴13の径は、位置決めピン8の直径に対して2mm以上大きい。このようにしたことで、固定性と耐振動性を向上させることができる。
(7)Yキャパシタ4は、第1端子9と第2端子6を有し、第1端子9は、第1の接着剤容器10の貫通穴14に挿通され、第2端子6は、直流バスバ5と接続される第2の接着剤容器10aに形成される貫通穴に挿通され、第2端子6と直流バスバ5とは、第2の接着剤容器10aに充填される第1接続部材7によって電気的に接続される。このようにしたことで、溶接が不要になる。
(8)第2の接着剤容器10aは、直流バスバ5をモールドする樹脂15の一部として形成される。このようにしたことで、接着剤容器10を削減でき、低コスト化できる。
(9)第1の接着剤容器10は、その上部に樹脂蓋12を有する。このようにしたことで、コンタミ対策を実施できる。
(10)第1の接着剤容器10は、複数の内部壁10bを有し、第1接続部材7は、第1の接着剤容器10内で複数の内部壁10bに沿って折り返されるように充填される。このようにしたことで、インダクタンスを低減できる。
(11)第1の接着剤容器10は、ネジ16によって段差部104aに固定される。このようにしたことで、振動対策を実施できる。
(12)筐体104は、第1接続部材7を充填する接続部材充填部19を有する。このようにしたことで、容器10を削減して低コスト化できる。
(13)電力変換装置200は、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子に直流電力を供給する直流バスバと、スイッチング素子を収容する金属製の筐体104と、直流バスバ5と筐体104とを接続するYキャパシタ4と、を備える。そして、筐体104に、上部に突出する段差部104aを形成し、Yキャパシタ4と段差部104aを、第1の接着剤容器10内に充填した熱硬化樹脂かつ導電性の接着剤である第1接続部材7によって電気的に接続し、Yキャパシタ4と筐体104を、筐体104において段差部104aとは異なる部分に形成される充填部19に充填される第2接続部材7aによって電気的に接続し、第1接続部材7と第2接続部材7aを同時に加熱する。このような電力変換装置200の製造方法を採用することで、工程を容易化でき、かつ低ノイズ化と低コスト化を両立する。
(14)第1の接着剤容器10内で、第1接続部材7を2種類の液体を混合して形成する。このようにしたことで、第1接続部材7の接着剤種類を限定でき、組み立て工程の自由度が向上する。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。
1 フィルタ回路
4 Yキャパシタ
5 HVバスバ
5a 正極バスバ
5b 負極バスバ
6 HV端子(第2端子)
6a L字状のHV端子
7 第1接続部材
7a 第2接続部材
8 位置決めピン
9 GND端子(第1端子)
9a L字状のGND端子
10 第1の接着剤容器
10a 第2の接着剤容器
10b 内部壁
11 基準線
12 樹脂蓋
13 位置決めピン用穴
14 GND端子用穴
15 モールド樹脂
16 ネジ
17 固定部材
18 微小凹凸部
19 接続部材充填部
104 筐体
104a 段差部

Claims (14)

  1. 直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子を有するパワーモジュールを備える電力変換装置であって、
    前記スイッチング素子に前記直流電力を供給する直流バスバと、前記スイッチング素子を収容する金属製の筐体と、前記直流バスバと前記筐体とを接続するキャパシタと、を備え、
    前記キャパシタと前記筐体は、導電性の接着剤である第1接続部材によって電気的に接続される
    電力変換装置。
  2. 請求項1に記載の電力変換装置であって、
    前記第1接続部材は、非導電性の第1の接着剤容器に充填される
    電力変換装置。
  3. 請求項2に記載の電力変換装置であって、
    前記筐体は、上部に突出する段差部を有し、
    前記キャパシタの上部面と前記段差部の上部面とによって形成される基準線上に、前記第1の接着剤容器の底面が設置される
    電力変換装置。
  4. 請求項3に記載の電力変換装置であって、
    前記第1の接着剤容器の底面は、前記段差部と接触している
    電力変換装置。
  5. 請求項2に記載の電力変換装置であって、
    前記第1の接着剤容器は、前記筐体に固定するための位置決めピンを挿通する貫通穴を有する
    電力変換装置。
  6. 請求項5に記載の電力変換装置であって、
    前記貫通穴の径は、前記位置決めピンの直径に対して2mm以上大きい
    電力変換装置。
  7. 請求項5に記載の電力変換装置であって、
    前記キャパシタは、第1端子と第2端子を有し、
    前記第1端子は、前記第1の接着剤容器の前記貫通穴に挿通され、
    前記第2端子は、前記直流バスバと接続される第2の接着剤容器に形成される貫通穴に挿通され、
    前記第2端子と前記直流バスバとは、前記第2の接着剤容器に充填される前記第1接続部材によって電気的に接続される
    電力変換装置。
  8. 請求項7に記載の電力変換装置であって、
    前記第2の接着剤容器は、前記直流バスバをモールドする樹脂の一部として形成される
    電力変換装置。
  9. 請求項2に記載の電力変換装置であって、
    前記第1の接着剤容器は、その上部に樹脂蓋を有する
    電力変換装置。
  10. 請求項2に記載の電力変換装置であって、
    前記第1の接着剤容器は、複数の内部壁を有し、
    前記第1接続部材は、前記第1の接着剤容器内で複数の前記内部壁に沿って折り返されるように充填される
    電力変換装置。
  11. 請求項3に記載の電力変換装置であって、
    前記第1の接着剤容器は、ネジによって前記段差部に固定される
    電力変換装置。
  12. 請求項1に記載の電力変換装置であって、
    前記筐体は、前記第1接続部材を充填する接続部材充填部を有する
    電力変換装置。
  13. 直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子に前記直流電力を供給する直流バスバと、前記スイッチング素子を収容する金属製の筐体と、前記直流バスバと前記筐体とを接続するキャパシタと、を備え、
    前記筐体に、上部に突出する段差部を形成し、
    前記キャパシタと前記段差部を、第1の接着剤容器内に充填した、熱硬化樹脂かつ導電性の接着剤である第1接続部材によって電気的に接続し、
    前記キャパシタと前記筐体を、前記筐体において前記段差部とは異なる部分に形成される充填部に充填される第2接続部材によって電気的に接続し、
    前記第1の接続部材と前記第2の接続部材を同時に加熱する
    電力変換装置の製造方法。
  14. 請求項13に記載の電力変換装置の製造方法であって、
    前記第1の接着剤容器内で、前記第1接続部材を2種類の液体を混合して形成する
    電力変換装置の製造方法。
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