JP2011004502A

JP2011004502A - 短絡保護装置

Info

Publication number: JP2011004502A
Application number: JP2009144989A
Authority: JP
Inventors: Takashi Hirota; 崇広田; Akihiro Shibuya; 彰弘渋谷
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2011-01-06

Abstract

【課題】インバータの大型化及びコストの増大を回避することのできる短絡保護装置を提供する。
【解決手段】パワーモジュールの端子接続部１９における第１端子１７と第２端子１８間に、半導体素子２０とこの半導体素子２０に接続される電極２１間に設けた第１金属体２２とは異なる第２金属体２４を設け、その第１金属体２２を、両端子１７、１８間に設けた第２金属体２４の融点よりも高くした。第２金属体２４には、第１金属体２２よりも融点の低い共晶金属を使用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、短絡保護装置に関する。

例えば、インバータでは、異常動作時（例えば、短絡故障等）に半導体素子（スイッチング素子）に大電流が流れるため、安全性を確保する目的で電気回路に短絡保護装置を設けている（例えば、特許文献１等に記載）。

特許文献１では、半導体素子間にヒューズを設け、大電流が流れた場合にはヒューズを溶断して電流を遮断することで安全性を確保している。

特開昭６０−３２５１９号公報

しかし、特許文献１におけるように短絡保護装置としてヒューズを使用するとコストが増加してしまう問題点がある。

そこで、本発明は、コストの増大を回避することのできる短絡保護装置を提供する。

本発明の短絡保護装置は、パワーモジュールの端子接続部における両端子間に、半導体素子とこの半導体素子に接続される電極間に設けた第１金属体とは異なる第２金属体を設ける。そして、第１金属体を、両端子間に設けた第２金属体の融点よりも高くした。

本発明の短絡保護装置によれば、半導体素子と電極間に設けた第１金属体の融点が、パワーモジュールの端子接続部における両端子間に設けた第２金属体の融点よりも高いので、インバータで異常動作による大電流が電気回路に流れた時に、第１金属体よりも融点の低い第２金属体が溶け出して両端子間をオープンにし、電気回路に流れる大電流を遮断することができる。このように、本発明によれば、従来技術のようにヒューズを使用する必要がないので、コストを低減することができる。

図１はバッテリーからの直流電源をモータへ３相交流に変換するインバータの一例を示す電気回路図である。図２は図１の電気回路に使用される第１実施形態の短絡保護装置の一例を示す図である。図３は第２実施形態の短絡保護装置を示す図である。図４は第３実施形態の短絡保護装置を示す図である。図５は第４実施形態の短絡保護装置を示す図である。図６は第５実施形態の短絡保護装置を示す図である。図７は第６実施形態の短絡保護装置を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「第１実施形態」
一般的な電気自動車（電動車両）では、バッテリーからの直流電源をモーターへ３相交流に変換して流すためインバータが用いられている。このインバータには、電流の変換を行うためのパワーモジュールが搭載されており、そのパワーモジュール中のＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子の導通、非導通を制御することにより電流の変換を行っている。このパワーモジュールに流れる電流の大きさは非常に大きく、インバータ故障による異常動作時には半導体素子（スイッチング素子）に大電流が流れる。そこで、異常動作時の半導体素子への大電流を遮断するヒューズに代わる本実施形態の短絡保護装置を電気回路に設ける。

図１は一般的な電気自動車に使用されるインバータの一例を示す電気回路図である。短絡保護装置１〜６は、バッテリー７からＩＧＢＴ８及びダイオード９を備えた半導体モジュール１０〜１５を通じてモータ１６へと電流が流れる経路に配置される。短絡保護装置１〜３は、モータ１６への電流を遮断し、残りの短絡保護装置４〜６は、短絡を防ぐ。この実施形態では、短絡保護装置１〜６は主回路の部品間に設けているが、これは部品間に限るものではなく母線に設けることもできる。

図２は図１の電気回路に使用される短絡保護装置の一例を示す図である。例えば、この図２では、図１における半導体モジュール１０のＩＧＢＴ８の電極から伸び出た第１端子１７と、もう一方の半導体モジュール１３のＩＧＢＴ８の電極から伸び出た第２端子１８との端子接続部１９に、短絡保護装置１を設けている。

先ず、ＩＧＢＴ８の構成について簡単に説明すると、半導体素子２０を上下の電極２１に半田からなる第１金属体２２にて接続し、その半導体素子２０に生じる熱を放熱して冷却するための冷却器２３を各電極２１に取り付けることによりＩＧＢＴ８を構成している。

前記端子接続部１９における第１端子１７と第２端子１８間には、前記第１金属体２２とは異なる第２金属体２４が設けられている。第２金属体２４は、第１金属体２２である半田（例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ半田）の融点（一般的には２００℃程度）よりも低い温度で溶ける共晶合金からなる。共晶合金には、例えば融点が１３８．５℃であるＳｎ−Ｂｉ共晶金属、融点が１２４℃であるＳｎ-Ｐｂ共晶金属、融点が１３０℃であるＳｎ−Ｂｉ−Ｚｎ共晶金属、融点が１７６℃であるＳｎ−Ｃｄ共晶金属が使用できる。第２金属体２４には、前記した共晶金属の何れかが使用される。

また、第２金属体２４には、半導体素子２２へ異常電流が流れることにより第１金属体２２よりも先に溶ける必要がある他、第２金属体２４が溶けて溶融状態になった際に端子接合部１９に滞留し難い低粘性を持つ必要がある。先に挙げた共晶合金は、この条件に当てはまる。また、第２金属体２４は、異常電流が流れない通常動作時において溶融しないことも必要とされるが、共晶金属であればこの条件も満たす。さらに、第２金属体２４は、電流経路に設けられることから、その電気抵抗も低いものであることも求められるが、共晶金属であればこの条件も満たす。このような共晶合金は、半田よりも低融点で電気抵抗が低い上、大電流が流れることで瞬時に溶ける性質を持つものである。

前記第２金属体２４の形状は、第１端子１７と第２端子１８をネジ２５にてそれらの端子間に固定する構造であるため、中心にネジ穴２６を形成した円盤形状とされる。この実施形態では、第２金属体２４を円盤形状としたが、特にその外形状は限定されることはなく矩形状でも多角形状でも構わない。

第１端子１７には、ネジ２５を挿通させるネジ挿通孔２７が形成されている。これに対して第２端子１８には、ネジ２５に形成された雄ねじ２８を螺合させる雌ねじ２９が形成されている。

前記ネジ２５は、第２金属体２４の溶融時において電流パスとして機能しないように、絶縁性を持った樹脂材料で形成されている。例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂でネジ２５が形成されている。また、このネジ２５は、締め付けトルク（例えば５．５Ｎ／ｍ程度）に耐えられるだけの強度が必要となるが、前記ＰＥＥＫ樹脂及びＰＰＳ樹脂であればこの条件を満たす。このネジ２５を形成するには、例えばプリフォーム成形することで簡単に形成することができる。

第２金属体２４は、第１端子１７と第２端子１８の端子接続部１９においてこれら端子間１７、１８に挟み込まれた後、絶縁性樹脂からなるネジ２５で固定されることにより、短絡保護装置１を構成する。

以上のように構成された短絡保護装置１を設けたインバータで異常電流が流れた場合、これら第１端子１７及び第２端子１８が高温となり、第１金属体２２は溶けることなく該第１金属体２２よりも融点が低い第２金属体２４のみが全電気回路の中で最初に溶け出し、両端子間をオープンにする。共晶合金からなる第２金属体２４は、瞬時に溶けて端子接合部１９に滞留することなく流れ落ちる。これにより、短絡保護装置１で異常電流を遮断することができ、半導体素子２０を保護することができる。

第１実施形態の短絡保護装置によれば、半導体素子１と電極２１間に設けた第１金属体２２の融点が、パワーモジュールの端子接続部１９における両端子１７、１８間に設けた第２金属体２４の融点よりも高いので、インバータで異常動作による大電流が電気回路に流れた時に、第１金属体２１は溶けることなく第２金属体２４が溶け出して両端子１７、１８間をオープンにし、電気回路に流れる大電流を遮断することができる。このように、第１実施形態の短絡保護装置によれば、インバータの大型化及びコストアップの原因となっていたヒューズを使用することなく異常動作時における安全性を確保することができる。これにより、短絡保護装置の小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。
また、第１実施形態の短絡保護装置によれば、第２金属体２４を共晶金属としたので、大電流が電気回路に流れた時に瞬時に溶けることから、直ちに両端子１７、１８間をオープンさせて異常電流を遮断することができる。

また、第１実施形態の短絡保護装置によれば、共晶金属にはＳｎ−Ｂｉ共晶金属、Ｓｎ-Ｐｂ共晶金属、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｚｎ共晶金属、Ｓｎ−Ｃｄ共晶金属の何れかを使用することで、第２金属体２４は第１金属体２２に使用される半田の融点よりも低い融点となる。

以上、第１実施形態の短絡保護装置について説明したが、本発明は、前記第１実施形態に限定されるものではない。例えば、図２では半導体素子としてＩＧＢＴ８を例にとり説明したが、ダイオード９であってもよく、或いはパワーＭＯＳ−ＦＥＴなどであってもよい。

また、第１実施形態では、第２金属体２４を第１金属体２２よりも融点の低い低融点合金である共晶合金としたが、インバータの主回路において最も先に溶け出す機能を持つものであれば、特に第１金属体２２の融点よりも低い共晶金属を第２金属体２４としなくとも良い。また、第２金属体２４は共晶合金に限らず、半導体素子２０と電極２１との接合に用いられる半田などの第１金属体２２よりも融点が低く、異常電流発生時において半田の融解よりも先に溶融状態となり、端子間接続部１９を瞬時に遮断することが可能な金属であれば、そのような金属を第２金属体２２に使用することもできる。

「第２実施形態」
図３は第２実施形態の短絡保護装置を示す図であり、端子接続部のみを取り出して示してある。第２実施形態の短絡保護装置３０では、第１実施形態で用いた第２金属体２４を第１端子１７と第２端子１８の端子接続部１９にネジ２５で固定するのではなく、平面視矩形状とした第２金属体２４を第１端子１７と第２端子１８間に配置してろう付けすることで固定している。なお、第２金属体２４は、実施形態１と同じ共晶合金であるため、その説明は省略する。

このように構成された短絡保護装置においては、第１実施形態と同様、インバータで異常電流が流れた場合、第１金属体２２は溶けることなく該第１金属体２２よりも融点が低い第２金属体２４のみが全電気回路の中で最初に溶け出し、両端子間をオープンにし異常電流を遮断する。

「第３実施形態」
図４は第３実施形態の短絡保護装置を示す図であり、端子接続部のみを取り出して示してある。第３実施形態の短絡保護装置３１では、端子接続部１９の第１端子１７と第２端子１８に板厚方向に貫通する貫通孔３２、３３を形成している。貫通孔３２、３３は、第１端子１７及び第２端子１８のそれぞれに例えばドリル加工で２つ以上形成することが好ましい。貫通孔３２、３３の数が増えることで、異常電流通電時に溶融する第２金属体２４を、速やかに貫通孔３２、３３へと流出させることができる。

前記第２金属体２４を第１端子１７と第２端子１８間にろう付けする際には、貫通孔３２、３３にレジストを充填してろう付けを行うことで、当該貫通孔３２、３３内に第２金属体２４を構成する共晶合金が付着しないようにする。なお、第２金属体２４は、実施形態１と同じ共晶合金であるため、その説明は省略する。

このように構成された短絡保護装置３１においては、第１実施形態と同様、インバータで異常電流が流れた場合、第１金属体２２は溶けることなく該第１金属体２２よりも融点が低い第２金属体２４のみが全電気回路の中で最初に溶け出し、両端子間をオープンにし異常電流を遮断する。特に、この短絡保護装置３１では、溶融した第２金属体２４は貫通孔３２、３３へ流れ込むため、流れ出す領域が増えることにより、各端子間１７、１８に滞留し難くなる。また、この短絡保護装置３１によれば、第２金属体２４の溶融時において共晶金属が表面張力によって端子１７、１８間に張り付くことが防止され、異常電流の遮断性を向上させることができる。

「第４実施形態」
図５は第４実施形態の短絡保護装置を示す図であり、端子接続部のみを取り出して示してある。第４実施形態の短絡保護装置３４では、第２金属体２４が配置される部位の両端子１７、１８間の体積に対して、該第２金属体２４の体積を小さくしている。具体的には、第２実施形態の短絡保護装置３０における第２金属体２４の体積に比べて、この短絡保護装置３４で使用する第２金属体２４の体積が小さくなるように、半田ボールを適宜の間隔を置いて第１端子１７と第２端子１８との間に配置してろう付けすることにより形成している。こうすることで、第２金属体２４が配置される部位の両端子１７、１８間の体積に対して、実際の第２金属体２４の体積が小さくなる。なお、第２金属体２４は、実施形態１と同じ共晶合金であるため、その説明は省略する。

このように構成された短絡保護装置３４においては、インバータで異常電流が流れた場合、第１金属体２２は溶けることなく該第１金属体２２よりも融点が低い第２金属体２４のみが全電気回路の中で最初に溶け出し、両端子間をオープンにし異常電流を遮断する。特に、この短絡保護装置３４では、第２金属体２４の体積の絶対量が端子１７、１８間の第２金属体２４が配置される部位の空隙に対して小さいので、異常電流により第２金属体２４が溶け出し易く瞬時に電気的な接続を遮断することができる。また、この短絡保護装置３４によれば、第２金属体２４が柱状であるため、安定して溶け易くなる。

「第５実施形態」
図６は第５実施形態の短絡保護装置を示す図であり、端子接続部のみを取り出して示してある。第５実施形態の短絡保護装置３５では、端子接続部１９における両端子１７、１８の第２金属体２４と接する面に、第１端子１７及び第２端子１８に用いられる金属よりも剛性の高い金属３６を設けている。

前記金属３６は、例えば銅などからなる第１端子１７及び第２端子１８に比べて剛性が高く且つ線膨張係数の大きなアルミニウムなどの金属とされる。かかる金属３６は、第１端子１７及び第２端子１８に対して熱間圧延などにより接合されることにより形成される。なお、第２金属体２４は、実施形態１と同じ共晶合金であるため、その説明は省略する。

このように構成された短絡保護装置３５においては、インバータで異常電流が流れた場合、第１金属体２２は溶けることなく該第１金属体２２よりも融点が低い第２金属体２４のみが全電気回路の中で最初に溶け出し、両端子間をオープンにし異常電流を遮断する。特に、この短絡保護装置３５では、アルミニウムからなる金属３６の線膨張係数が銅からなる第１端子１７及び第２端子１８の線膨張係数よりも大きいため、両端子１７、１８間の距離がより広がる方向に変形する。その結果、溶融状態となった第２金属体２４との電気的な接続をより素早く遮断することができる。

「第６実施形態」
図７は第６実施形態の短絡保護装置を示す図であり、端子接続部のみを取り出して示してある。第６実施形態の短絡保護装置３７では、アルミニウムからなる金属３６を接合した第１端子１７及び第２端子１８に、その一部厚みを薄くした部位３８、３９を設けている。例えば、第１端子１７には、金属３６が設けられる側とは反対側の面に切り欠きを形成して厚みを薄くした部位３８を形成している。また、第２端子１８には、金属３６が設けられる側とは反対側の面に同様の切り欠きを形成して厚みを薄くした部位３９を形成している。

このように構成された短絡保護装置３７においては、インバータで異常電流が流れた場合、第１金属体２２は溶けることなく該第１金属体２２よりも融点が低い第２金属体２４のみが全電気回路の中で最初に溶け出し、両端子間をオープンにし異常電流を遮断する。特に、この短絡保護装置３７では、第５実施形態に比べて異常電流発生時の両端子１７、１８の反りが大きくなるので、端子間距離が更に広がり電流遮断速度がより一層早まる。

本発明は、電気回路に異常電流が流れた時に回路を遮断する短絡保護装置に利用することができる。

１〜６、３０、３１、３４、３５、３７…短絡保護装置
７…バッテリー
８…ＩＧＢＴ
９…ダイオード
１０〜１５…半導体モジュール
１６…モータ
１７…第１端子（端子）
１８…第２端子（端子）
１９…端子接続部
２０…半導体素子
２１…電極
２２…第１金属体
２４…第２金属体
２５…ネジ

Claims

パワーモジュールの端子接続部に設けられた短絡保護装置において、
前記端子接続部における両端子間に、半導体素子と当該半導体素子に接続される電極間に設けた第１金属体とは異なる第２金属体を設け、前記第１金属体を前記第２金属体の融点よりも高くした
ことを特徴とする短絡保護装置。
請求項１に記載の短絡保護装置であって、
前記第２金属体を挟む前記端子に、板厚方向に貫通する貫通孔を形成した
ことを特徴とする短絡保護装置。
請求項１に記載の短絡保護装置であって、
前記第２金属体が配置される部位の前記両端子間の体積に対して、該第２金属体の体積を小さくした
ことを特徴とする短絡保護装置。
請求項１に記載の短絡保護装置であって、
前記端子接続部における前記端子の前記第２金属体と接合する面に、該端子に用いられる金属よりも剛性の高い金属を設けた
ことを特徴とする短絡保護装置。
請求項４に記載の短絡保護装置であって、
前記第２金属体を挟む前記両端子に、一部厚みを薄くした部位を設けた
ことを特徴とする短絡保護装置。
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の短絡保護装置であって、
前記第２金属体が共晶金属である
ことを特徴とする短絡保護装置。
請求項６に記載の短絡保護装置であって、
前記共晶金属は、少なくともＳｎ−Ｂｉ共晶金属、Ｓｎ-Ｐｂ共晶金属、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｚｎ共晶金属、Ｓｎ−Ｃｄ共晶金属の何れかである
ことを特徴とする短絡保護装置。