CN111478606B - 电力变换器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及电力变换器及其制造方法，在板状的第1汇流条与第2汇流条之间夹有具有筒部的绝缘板，在利用激光焊接第1汇流条和半导体模块的端子时，降低由于激光的反射光引起的筒部损伤。电力变换器(2)具备：层叠单元(20)，在相邻的冷却器之间夹有半导体模块(8)；电容器(60)，配置在层叠单元的旁边；以及第1汇流条(30)、第2汇流条(40)及绝缘板(50)。绝缘板被第1汇流条和第2汇流条夹着，并且具有筒部(53)。筒部通过第2汇流条的第3孔(45)，并且第1汇流条的分支部(33)和半导体模块的端子(25a)在筒部内部通过。将对正极端子和分支部进行焊接的激光的照射角度调整为反射光到达筒部。筒部被涂敷成包含激光的波长的颜色。

Description

电力变换器及其制造方法
技术领域
本说明书公开的技术涉及电力变换器及其制造方法。特别涉及具有层叠单元的电力变换器及其制造方法，该层叠单元排列配置有多个冷却器，在相邻的冷却器之间夹有半导体模块。
背景技术
例如，专利文献1、2中公开了具备上述层叠单元的电力变换器。专利文献1、2公开的电力变换器除了具备层叠单元以外，还具备电容器、第1汇流条、第2汇流条以及绝缘板。电容器配置在层叠单元的旁边。第1汇流条和第2汇流条是板状的导电部件。第1汇流条与从多个半导体模块各自的一个面延伸出的第1端子接合，并且与电容器的一个电极连接。第2汇流条与第1汇流条相向配置。第2汇流条与从各个半导体模块的一个面延伸出的第2端子接合，并且与电容器的另一个电极连接。绝缘板夹在第1汇流条与第2汇流条之间。
第1汇流条具有供多个第1端子的各端子穿过的多个第1孔。第1汇流条具有：从各个第1孔的边缘延伸且与各个第1端子接合的第1分支部。第2汇流条与层叠单元关于第1汇流条位于相对侧，且具有供多个第2端子的各端子穿过的多个第2孔。第2汇流条具有：从各个第2孔的边缘延伸且与各个第2端子接合的第2分支部。第2汇流条还具备：供各个第1端子和各个第1分支部穿过的多个第3孔。绝缘板具备：由各个第1端子和第1分支部贯通的多个筒部。各个筒部通过第2汇流条的各个所述第3孔。具备筒部的绝缘板防止第1汇流条与第2汇流条之间的短路。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-042309号公报
专利文献2：日本特开2018-073915号公报
发明内容
在层叠单元中，半导体模块在层叠方向上排列，多个半导体模块的端子(第1端子或者第2端子)也排成一列。若端子的间隔狭窄，则端子和汇流条的焊接作业将难以实施。激光适合狭窄的场所中的焊接。但是，存在如下风险：照射到第1端子或者第1分支部的激光的反射光照到层叠单元，层叠单元受到损伤。在专利文献2公开的技术中，将第1端子的前端和第1分支部的前端折弯。将激光的照射方向调整为照射到第1端子或者第1分支部的前端的激光的反射光朝向远离层叠单元的方向。然而，在专利文献2的技术中，需要将第1端子和第1分支部的前端延长得较长并折弯。本说明书提供一种用于减轻激光的反射光照到其他零件时的损伤的技术。
本说明书提供一种电力变换器及其制造方法。本说明书公开的电力变换器具备：层叠单元、电容器、第1汇流条、第2汇流条以及绝缘板。层叠单元是排列配置有多个冷却器、且在相邻的冷却器之间夹有半导体模块的组件。电容器配置在层叠单元的旁边。第1汇流条和第2汇流条都为板状。第1汇流条与从多个半导体模块各自的一个面延伸出的第1端子接合。第1汇流条与电容器的一个电极连接。第2汇流条与第1汇流条相向配置。第2汇流条与从各个半导体模块的一个面延伸出的第2端子接合。第2汇流条与电容器的另一个电极连接。绝缘板也为板状。绝缘板夹在第1汇流条与第2汇流条之间。
第1汇流条具有供多个第1端子的各端子穿过的多个第1孔。第1汇流条具有从各个第1孔的边缘延伸且与各个第1端子接合的第1分支部。第2汇流条与所述层叠单元关于第1汇流条位于相对侧。第2汇流条具有供多个第2端子的各端子穿过的多个第2孔。第2汇流条具有从各个第2孔的边缘延伸且与各个第2端子接合的第2分支部。第2汇流条具备供各个第1端子和各个第1分支部穿过的多个第3孔。绝缘板具备供各个第1端子和第1分支部贯通的多个筒部，并且各个筒部通过第2汇流条的各个第3孔。筒部的颜色为白色或者包含后述激光的波长的颜色。
本说明书公开的制造方法具备利用激光将第1端子和第1分支部接合起来的工序。将激光的照射方向调整为照射到第1端子或者第1分支部的激光的反射光到达筒部。筒部的颜色为包含激光的波长的颜色。由于被照射反射光的筒部的颜色包含激光的波长，所以反射光的大部分在筒部的表面被反射，仅反射光的剩余部分被筒部吸收。因此，能够减轻由于激光的反射光而使筒部受到的损伤。筒部可以为白色。其原因在于，白色包含所有波长的缘故。也可以利用与由第1汇流条和第2汇流条夹着的绝缘板的主体相同的树脂材料一体形成筒部。
上述构造的电力变换器适合于第1端子与第1分支部之间的利用激光实施的焊接。在以下的“具体实施方式”中，说明本说明书公开的技术的详情以及进一步的改良。
附图说明
图1是包括实施例的电力变换器的电动汽车的电力体系的框图。
图2是层叠单元、汇流条以及电容器单元的组装体的立体图。
图3是层叠单元、汇流条以及电容器单元的分解立体图。
图4是沿着图2的IV-IV线的剖面图(是用于说明实施例的制造方法的图)。
图5是沿着图2的IV-IV线的剖面图(从其他方向照射激光)。
(符号说明)
2：电力变换器；5：滤波电容器；6：平滑电容器；7：电抗器；8、8a-8g：半导体模块；9a-9h：开关元件；12：电压转换器电路；13a、13b：逆变器电路；20：层叠单元；22：冷却器；25a：正极端子；25b：负极端子；25c：中点端子；30：正极汇流条；31、41：基部；32：第1孔；33、43：分支部；39、49：电极部；40：负极汇流条；42：第2孔；45：第3孔；50：绝缘板；51：主体；53：筒部；60：电容器；61：电容器元件；61a：正极电极；61b：负极电极；70：激光照射器；100：电动汽车。
具体实施方式
参照附图，说明实施例的电力变换器。实施例的电力变换器是如下装置：其搭载于电动汽车，将电池的电力变换为行驶用马达的驱动电力。图1示出包括电力变换器2的电动汽车100的电力体系的框图。电动汽车100具备2个行驶用马达83a、83b。因此，电力变换器2具备2组逆变器电路13a、13b。此外，利用变速器85对2个马达83a、83b的输出进行合成/分配并传递给车轴86(即驱动轮)。
电力变换器2经由系统主继电器82与电池81连接。电力变换器2具备：电压转换器电路12，对电池81的电压进行升压；以及2组逆变器电路13a、13b，将升压后的直流电力变换为交流。
电压转换器电路12是能够进行以下两个动作的双向DC-DC转换器，即：对施加到电池侧的端子的电压进行升压并输出到逆变器侧的端子的升压动作；和对施加到逆变器侧的端子的电压进行降压并输出到电池侧的端子的降压动作。为便于说明，以下，将电池侧(低电压侧)的端子称为输入端18，将逆变器侧(高电压侧)的端子称为输出端19。另外，将输入端18的正极和负极分别称为输入正极端18a和输入负极端18b。将输出端19的正极和负极分别称为输出正极端19a和输出负极端19b。“输入端18”、“输出端19”这样的表述是为了便于说明，如上所述，电压转换器电路12是双向DC-DC转换器，所以有时会从输出端19向输入端18流过电力。
电压转换器电路12包括：2个开关元件9a、9b的串联电路、电抗器7、滤波电容器5、与各开关元件反向并联连接的二极管。电抗器7的一端与输入正极端18a连接，另一端与串联电路的中点连接。滤波电容器5连接在输入正极端18a与输入负极端18b之间。输入负极端18b与输出负极端19b直接连接。图1的电压转换器电路12众所周知，所以省略了详细的说明。此外，由符号8a示出的虚线矩形范围的电路与后述的半导体模块8a对应。符号25a、25b表示从半导体模块8a延伸出的端子。符号25a表示与开关元件9a、9b的串联电路的高电位侧导通的端子(正极端子25a)。符号25b表示与开关元件9a、9b的串联电路的低电位侧导通的端子(负极端子25b)。如以下说明，正极端子25a、负极端子25b这样的表述也用在其他半导体模块中。
逆变器电路13a具有将2个开关元件的串联电路并联连接3组的结构。开关元件9c和9d、开关元件9e和9f、开关元件9g和9h分别构成串联电路。对各开关元件反向并联连接有二极管。3组串联电路的高电位侧的端子(正极端子25a)与电压转换器电路12的输出正极端19a连接，3组串联电路的低电位侧的端子(负极端子25b)与电压转换器电路12的输出负极端19b连接。从3组串联电路的中点输出3相交流(U相、V相、W相)。3组串联电路的各组串联电路与后述的半导体模块8b、8c、8d对应。
逆变器电路13b的结构与逆变器电路13a相同，所以在图1中省略了具体的电路图示。逆变器电路13b也与逆变器电路13a同样地具有将2个开关元件的串联电路并联连接3组的结构。3组串联电路的高电位侧的端子与电压转换器电路12的输出正极端19a连接，3组串联电路的低电位侧的端子与电压转换器电路12的输出负极端19b连接。将与各串联电路对应的硬件称为半导体模块8e、8f、8g。
在逆变器电路13a、13b的输入端并联连接有平滑电容器6。平滑电容器6去除电压转换器电路12的输出电流的脉动。
开关元件9a-9h为晶体管，典型地是IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)，也可以是其他晶体管，例如也可以是MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。另外，此处所称的开关元件是用于电力变换的元件，还有时被称为功率半导体元件。
在图1中，虚线8a-8g的每一个与半导体模块相当。电力变换器2设置有7组由2个开关元件构成的串联电路。作为硬件，将构成串联电路的2个开关元件以及与各开关元件反向并联连接的二极管收容于一个封装。以下，在不区分地示出半导体模块8a-8g的任意一个时，记载为半导体模块8。
7个半导体模块(7组串联电路)的高电位侧的端子(正极端子25a)与平滑电容器6的正极电极连接，低电位侧的端子(负极端子25b)与平滑电容器6的负极电极连接。在图1中，符号30示出的虚线内的导电路径与将多个半导体模块8的正极端子25a和平滑电容器6的正极电极相互连接的汇流条(正极汇流条)对应。符号40示出的虚线内的导电路径与将多个负极端子25b和平滑电容器6的负极电极相互连接的汇流条(负极汇流条)对应。接下来，说明多个半导体模块8和正极汇流条30、负极汇流条40的构造。
图2示出电力变换器2的硬件的立体图。此外，在图2中，省略了电力变换器2的外壳和部分零件的图示。多个半导体模块8(8a-8g)与多个冷却器22一起构成层叠单元20。半导体模块8a-8g全部为相同的形状，所以在图2和后述图3中，作为代表，仅对左端的半导体模块附加有符号8，对其他半导体模块省略了符号。另外，在图2和后述图3中，仅对左端的2个冷却器附加有符号22，对其他冷却器省略了符号。
图2是电力变换器2的立体图，但仅描绘出层叠单元20、正极汇流条30、负极汇流条40以及电容器60的组装体，省略了其他零件的图示。层叠单元20是如下组件：其平行地配置有多个卡类型的冷却器22，并且在相邻的冷却器22之间夹有卡类型的半导体模块8。卡类型的半导体模块8以其幅宽面与冷却器22相向的方式层叠。3个端子(正极端子25a、负极端子25b、中点端子25c)从各半导体模块8的一个侧面80a延伸出。在图2和图3中，仅对位于层叠单元20的左端的半导体模块8的端子附加有符号25a、25b、25c，对剩余的半导体模块8省略了表示端子的符号。
如上所述，正极端子25a和负极端子25b是收容于半导体模块8的串联电路的高电位侧的端子和低电位侧的端子。中点端子25c是与串联电路的中点导通的端子。3个端子25a-25c从半导体模块8的与幅宽面交叉的一个侧面80a向图中的Z轴正向延伸。多个控制端子从与一个侧面80a相反的那一侧的侧面向图中的Z轴负方向延伸。控制端子是与内置于半导体模块8的开关元件的栅电极导通的栅极端子、以及与内置于半导体模块8的温度传感器、电流传感器导通的信号端子等。
以下，为便于说明，将层叠单元20中的冷却器22和半导体模块8的层叠方向简单地称为“层叠方向”。图中坐标系的X方向与层叠方向相当。
在图中右端的冷却器22设置有制冷剂供给口28和制冷剂排出口29。相邻的冷却器22彼此用2个连结管连接起来。从层叠方向观察，一个连结管设置为与制冷剂供给口28重叠。从层叠方向观察，另一个连结管设置为与制冷剂排出口29重叠。对制冷剂供给口28和制冷剂排出口29连接有未图示的制冷剂循环装置。将从制冷剂供给口28供给的制冷剂经由一个连结管分配到所有的冷却器22。制冷剂在通过冷却器22的期间从相邻的半导体模块8吸收热量。吸收热量后的制冷剂经由另一个连结管和制冷剂排出口29而从层叠单元20排出。各半导体模块8由于从其两侧被冷却，所以层叠单元20针对半导体模块8的冷却性能高。
各半导体模块8的3个端子25a-25c都利用金属的平板形成。多个半导体模块8的正极端子25a以与相邻的半导体模块8的正极端子25a的平坦面相向的方式在层叠方向上排成一列。多个半导体模块8的负极端子25b也以与相邻的半导体模块8的负极端子25b的平坦面相向的方式在层叠方向上排成一列。多个半导体模块8的中点端子25c也是同样的。
电容器60包括多个电容器元件61(参照图3)。多个电容器元件61利用后述的正极汇流条30和负极汇流条40而并联连接。电容器60(电容器元件61)配置在层叠单元20的旁边。电容器元件61与图1的平滑电容器6相当。
图3示出正极汇流条30、负极汇流条40、层叠单元20以及电容器60(电容器元件61)的组装体的分解立体图。此外，在图2的电容器60中收容有2个电容器元件61。在图3中，省略了电容器60的壳体，描绘出内部的电容器元件61。
多个半导体模块8的正极端子25a和电容器元件61的正极电极61a利用正极汇流条30连接起来，多个负极端子25b和电容器元件61的负极电极61b利用负极汇流条40连接起来。
正极汇流条30具备板状的电极部39、板状的基部31以及多个分支部33。电极部39与电容器元件61的正极电极61a连接。在正极汇流条30的基部31设置有多个第1孔32，分支部33从各第1孔32的边缘在Z方向上延伸。各半导体模块8的正极端子25a穿过各第1孔32，该正极端子25a和分支部33被接合在一起。
负极汇流条40具备板状的电极部49、板状的基部41以及多个分支部43。电极部49与电容器元件61的负极电极61b连接。在负极汇流条40的基部41设置有多个第2孔42，分支部43从各第2孔42的边缘在Z方向上延伸。各半导体模块8的负极端子25b穿过各第2孔42，该负极端子25b和分支部43被接合在一起。
负极汇流条40与层叠单元20关于正极汇流条30位于相对侧。在负极汇流条40上设置有多个第3孔45，半导体模块8的正极端子25a和正极汇流条30的分支部33通过各第3孔45。正极汇流条30的板状的基部31和负极汇流条40的板状的基部41近距离相向配置。
在正极汇流条30与负极汇流条40之间夹有板状的绝缘板50。绝缘板50使正极汇流条30与负极汇流条40之间绝缘。在绝缘板50的板状的主体51上设置有多个筒部53。筒部53的内侧形成有从主体51的表面侧通到背侧的贯通孔。绝缘板50的主体51和筒部53由相同的树脂材料形成。通过注塑成形一体形成主体51和筒部53。
在装配层叠单元20、正极汇流条30、负极汇流条40、绝缘板50以及电容器60时，筒部53的筒的周围的外侧嵌合到负极汇流条40的第3孔45。另外，正极汇流条30的分支部33和正极端子25a在筒部53的内侧穿过。即，筒部53使负极汇流条40的第3孔45的边缘与分支部33以及正极端子25a之间绝缘。筒部53的高度与分支部33(正极端子25a)和第3孔45的边缘之间的沿面距离相当(参照图2)。沿面距离是指，沿着使正极导体和负极导体绝缘的绝缘部件的表面的正极导体与负极导体之间的距离。筒部53的高度根据分支部33(正极端子25a)与第3孔45的边缘之间的期望的沿面距离来决定。
说明电力变换器2的制造方法。特别地，说明正极汇流条30的分支部33和正极端子25a之间的接合。如图2所示，多个分支部33排成一列，相邻的分支部33的间隔狭窄。激光焊接适合在狭窄的空间中对分支部33和正极端子25a进行焊接。然而，若照射到正极端子25a或者分支部33的激光的反射光到达其他零件，则存在该零件过热的风险。在本说明书公开的制造方法中，将激光的照射方向调整为激光的反射光到达特定的部位，并且反射光所到达的部位被利用包含激光的波长的颜色或者白色涂敷。由于利用包含激光的波长的颜色或者白色涂敷的部位良好地反射激光(反射光)，所以不会过热。
图4示出沿着图2的IV-IV线的层叠单元20的剖面图。在图4中，还描绘出对分支部33和正极端子25a进行焊接的激光照射器70。在图4中，从正极端子25a的一侧照射激光。激光的照射光L1被照射到正极端子25a，使正极端子25a的一部分熔融，正极端子25a和分支部33(正极汇流条30)被接合在一起。激光的照射光L1的一部分在正极端子25a处反射。将激光照射器70的角度(激光的照射方向)调整为激光的反射光L2到达绝缘板50的筒部53。筒部53的颜色是包含激光的波长的颜色或者白色。换言之，筒部53被涂敷成良好地反射激光的颜色。因此，激光的反射光不会被筒部53吸收，筒部53不会过热。图4的双点划线表示即使在对正极端子25a的其他点照射激光的情况下，激光的照射方向仍被调整为反射光L2到达筒部53。
图5示出从分支部33的一侧照射激光的情况的剖面图。即使在从分支部33的一侧照射激光的情况下，如图5所示，仍将激光L1的照射方向调整为激光的反射光L2到达筒部53。图5的双点划线表示即使在对分支部33的其他点照射激光的情况下，仍将激光的照射方向调整为反射光L2到达筒部53。
说明与在实施例中说明的技术有关的需要留意的点。实施例的正极汇流条30是第1汇流条的一个例子，负极汇流条40是第2汇流条的一个例子。实施例的正极端子25a是第1端子的一个例子，负极端子25b是第2端子的一个例子。实施例的正极汇流条30的分支部33是第1分支部的一个例子，负极汇流条40的分支部43是第2分支部的一个例子。实施例的“正极”和“负极”也可以颠倒过来。
以上，详细说明了本发明的具体例，但这些仅为例示，未不限定权利要求书。在权利要求书记载的技术中，包括对以上例示的具体例进行各种各样的变形、变更的例子。本说明书或者附图中说明的技术要素单独或者通过各种组合来发挥技术上的有用性，而不限定于申请时权利要求记载的组合。另外，本说明书或者附图中例示的技术能够同时达成多个目的，达成其中的一个目的本身就具有技术上的有用性。

Claims (6)

1.一种电力变换器的制造方法，其中，
所述电力变换器具备：
层叠单元，排列配置有多个冷却器，在相邻的所述冷却器之间夹有半导体模块；
电容器，配置在所述层叠单元的旁边；
板状的第1汇流条，与从多个所述半导体模块各自的一个面延伸出的第1端子接合，并且与所述电容器的一个电极连接；
板状的第2汇流条，与板状的所述第1汇流条相向配置，与从各个所述半导体模块的所述一个面延伸出的第2端子接合，并且与所述电容器的另一个电极连接；以及
板状的绝缘板，夹在所述第1汇流条与所述第2汇流条之间，
所述第1汇流条具有供多个所述第1端子的各端子穿过的多个第1孔，并且具有从各个第1孔的边缘延伸且与各个所述第1端子接合的第1分支部，
所述第2汇流条与所述层叠单元关于所述第1汇流条位于相对侧，具有供多个所述第2端子的各端子穿过的多个第2孔，并且具有从各个所述第2孔的边缘延伸且与各个所述第2端子接合的第2分支部，且具备供各个所述第1端子和各个所述第1分支部穿过的多个第3孔，
所述绝缘板具备供各个所述第1端子和所述第1分支部贯通的多个筒部，并且各个所述筒部通过所述第2汇流条的各个所述第3孔，
所述制造方法具备利用激光将所述第1端子和所述第1分支部接合起来的工序，
将所述激光的照射方向调整为照射到所述第1端子或者所述第1分支部的激光的反射光到达所述筒部，
所述筒部的颜色为包含所述激光的波长的颜色。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其中，
所述筒部的颜色为白色。
3.根据权利要求1或者2所述的制造方法，其中，
利用与被所述第1汇流条和所述第2汇流条夹着的所述绝缘板的主体相同的树脂材料一体形成所述筒部。
4.一种电力变换器，具备：
层叠单元，排列配置有多个冷却器，在相邻的所述冷却器之间夹有半导体模块；
电容器，配置在所述层叠单元的旁边；
板状的第1汇流条，与从多个所述半导体模块各自的一个面延伸出的第1端子接合，并且与所述电容器的一个电极连接；
板状的第2汇流条，与板状的所述第1汇流条相向配置，与从各个所述半导体模块的所述一个面延伸出的第2端子接合，并且与所述电容器的另一个电极连接；以及
板状的绝缘板，夹在所述第1汇流条与所述第2汇流条之间，
所述第1汇流条具有供多个所述第1端子的各端子穿过的多个第1孔，并且具有从各个第1孔的边缘延伸且与各个所述第1端子接合的第1分支部，
所述第2汇流条与所述层叠单元关于所述第1汇流条位于相对侧，具有供多个所述第2端子的各端子穿过的多个第2孔，并且具有从各个所述第2孔的边缘延伸且与各个所述第2端子接合的第2分支部，且具备供各个所述第1端子和各个所述第1分支部穿过的多个第3孔，
所述绝缘板具备供各个所述第1端子和所述第1分支部贯通的多个筒部，并且各个所述筒部通过所述第2汇流条的各个所述第3孔，
所述筒部的颜色为包含照射到所述第1端子或者所述第1分支部的激光的波长的颜色。
5.根据权利要求4所述的电力变换器，其中，
所述筒部的颜色为白色。
6.根据权利要求4或5所述的电力变换器，其中，
利用与被所述第1汇流条和所述第2汇流条夹着的所述绝缘板的主体相同的树脂材料一体形成所述筒部。
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