JP2011061924A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサを設けた場合であれ、小型化を図ることのできるインバータ装置を提供する。
【解決手段】このインバータ装置は、直流電力を交流電力に変換するパワーモジュールと、パワーモジュールに設けられた端子２ａにボルト１３によって締結固定されるバスバー９とを有し、パワーモジュールを通じて変換された交流電力をバスバー９を含む給電経路を介してモータに供給する。ここでは、電流センサ１０の挿通孔１０ａにボルト１３を挿通しつつ、パワーモジュールの端子２ａとバスバー９との間に電流センサ１０を介装し、ボルトを流れる電流を電流センサ１０を通じて検出することで、給電経路を流れる電流を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換するとともに、変換した交流電力を電流供給対象に供給するインバータ装置に関する。

近年、排出ガスの低減や燃費の向上を図るべく、内燃機関及び電動機（モータ）の双方を駆動源として用いるようにした、いわゆるハイブリッド車両が周知である。このハイブリッド車両には、一般に、車載バッテリから供給される直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置が設けられており、このインバータ装置で変換された三相交流電力が電力供給対象であるモータに供給される。また、このようなハイブリッド車両では、インバータ装置内に設けられるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）などのパワーモジュールとモータとを接続する給電用の導体、例えばバスバーやケーブルなどに電流センサが取り付けられている。そして、この電流センサを通じてバスバーやケーブルなどを流れる電流が検出されるとともに、検出された電流に基づいてモータに供給される電力が制御される。そして従来、このような電流センサを備えたインバータ装置としては、例えば特許文献１に記載の装置が知られている。

この特許文献１に記載の装置は、パワーモジュールにバスバーの基端部をボルトによって締結固定するようにしている。また、バスバーの先端部を、集磁用コアやホール素子などの電子部品と共に樹脂部材によりモールド封止し、このモールド封止した部分によって電流センサを構成するようにしている。そして、この装置では、電流センサを形成する樹脂部材をインバータ装置の出力端子台として利用することで部品点数の削減を図り、これによってインバータ装置の構造の簡素化やその小型化を図るようにしている。

特開２００６−１９４６５０号公報

このように電流センサをインバータ装置の出力端子台として利用することで、確かにインバータ装置の構造の簡素化やその小型化を図ることができるようにはなる。ただし、この装置の場合、パワーモジュール及び電流センサがバスバーを介して接続されているため、それらがバスバーの長さの分だけ離れて配置されることとなる。そして、このようにパワーモジュール及び電流センサが離間して配置されることに起因してインバータ装置が大型化してしまうといった問題があった。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流センサを設けた場合であれ、小型化を図ることのできるインバータ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、直流電力を交流電力に変換するパワーモジュールと、該パワーモジュールにボルトによって締結固定されるバスバーとを有し、前記パワーモジュールを通じて変換された交流電力を前記バスバーを含む給電経路を介して電流供給対象に供給するとともに、前記給電経路を流れる電流を電流センサを通じて検出するインバータ装置であって、前記電流センサは、被検出体を挿通するための挿通孔を有するものであり、該挿通孔に前記ボルトを挿通しつつ前記パワーモジュールと前記バスバーとの間に前記電流センサを介装し、前記ボルトを流れる電流を前記電流センサを通じて検出することで、前記給電経路を流れる電流を検出するようにしたことを要旨としている。

同構成によるように、パワーモジュールとバスバーとの間に電流センサを介装すれば、パワーモジュールと電流センサとを互いに近接させることができるため、インバータ装置の小型化を図ることができるようになる。また、ボルトを流れる電流を電流センサを通じて検出すれば、電流供給対象の給電経路を流れる電流を検出することもできる。したがって、電流供給対象の給電経路を流れる電流を的確に検出しつつ、インバータ装置の小型化を図ることができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のインバータ装置において、前記パワーモジュールが実装されている基板に、前記電流センサを実装してなることを要旨としている。
従来のインバータ装置のように、パワーモジュール及び電流センサが離間して配置されているインバータ装置にあっては、パワーモジュールが実装されている基板と電流センサとを、例えばハーネスなどの接続部材を介して接続するといった構造が採用されることが多い。ただし、このような構造からなるインバータ装置にあっては、電流センサから基板に出力される信号がハーネスを通る際に、例えば電磁波ノイズなどの影響を受けるおそれがあり、これに起因して電流検出精度の低下を招く懸念がある。この点、上記請求項１に記載の発明のように、パワーモジュールと電流センサとを互いに近接させることができれば、請求項２に記載の発明のような構成、すなわちパワーモジュールが実装されている基板に電流センサを実装するといった構成を採用することが可能となる。そしてこのようにパワーモジュールが実装されている基板に電流センサを実装すれば、電流センサ及び基板の間をハーネスなどによって中継する必要がなくなり、最短の配線で電流センサ及び基板の間を結ぶことができる。これにより、電流センサから基板に出力される信号が電磁波ノイズなどの影響を受け難くなるため、電流検出精度を高めることができるようになる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のインバータ装置において、前記挿通孔の内部に、前記パワーモジュールと前記バスバーとを電気的に接続するための導通部材を設けたことを要旨としている。

上述のように、パワーモジュールとバスバーとの間に電流センサを介装した場合には、パワーモジュールとバスバーとがボルトを介して電気的に接続されるようになる。ただしこの場合、ボルトの大きさや材質などによっては、電流供給対象に大電流を供給しようとしたときに、ボルトの部分が局所的に発熱してしまうおそれがある。この点、上記構成によるように、電流センサの挿通孔の内部に導通部材を設けるとともに、この導通部材を介してパワーモジュールとバスバーとを電気的に接続すれば、ボルトを流れる電流量を少なくすることができるため、その発熱を抑制することができるようになる。

本発明にかかるインバータ装置によれば、電流センサを設けた場合であれ、小型化を図ることができるようになる。

本発明にかかるインバータ装置の第１の実施形態についてその分解斜視構造を示す斜視図。 同第１の実施形態のインバータ装置についてモータのＵ相に接続されるバスバーとパワーモジュールのＵ相端子との接続部分の分解斜視構造を示す斜視図。 同第１の実施形態のインバータ装置についてモータのＵ相に接続されるバスバーとパワーモジュールのＵ相端子との接続部分の断面構造を示す断面図。 本発明にかかるインバータ装置の第２の実施形態についてモータのＵ相に接続されるバスバーとパワーモジュールのＵ相端子との接続部分の分解斜視構造を示す斜視図。 同第２の実施形態のインバータ装置についてモータのＵ相に接続されるバスバーとパワーモジュールのＵ相端子との接続部分の断面構造を示す断面図。

（第１の実施形態）
以下、本発明にかかるインバータ装置の第１の実施形態について図１〜図３を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかるインバータ装置の分解斜視構造を示したものであり、はじめに、この図１を参照して、インバータ装置の概略構成について説明する。なお、本実施形態にかかるインバータ装置も、ハイブリッド車両に搭載されるものであって、車載バッテリから供給される直流電力を三相交流電力に変換するとともに、変換した三相交流電力を駆動源たるモータに供給するものである。

同図１に示されるように、このインバータ装置は、車載バッテリから供給される直流電力を平滑化するための平滑コンデンサ１と、同平滑コンデンサ１を通じて平滑化された直流電力を三相交流電力に変換するための３つのパワーモジュール２〜４と、パワーモジュール２〜４の放熱を促進するためのヒートシンク５とを基本的に備える構成となっている。そして、図示しないボルトなどによってヒートシンク５の上部に組み付けられるアッパケース８によって、上記平滑コンデンサ１やパワーモジュール２〜４などの電子部品を外部環境から保護する構造となっている。

ここで、平滑コンデンサ１の背面には、パワーモジュール２〜４に接続されるバスバー６が設けられており、平滑コンデンサ１で平滑化された直流電力がバスバー６を介してパワーモジュール２〜４にそれぞれ供給される。

一方、上記パワーモジュール２〜４は、上記ＩＧＢＴなどの半導体素子を有してそれぞれ構成されるものであって、上記ヒートシンク５の上面に設けられた搭載面５ａに並設されるとともに、平滑コンデンサ１との間に配設されている制御基板７に実装されている。また、パワーモジュール２〜４の背面には、上記バスバー６に接続される入力端子（図示略）がそれぞれ設けられるとともに、それらの正面には、三相交流電力の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電力を出力するいずれも導電性材料からなるＵ相端子２ａ、Ｖ相端子３ａ、及びＷ相端子４ａがそれぞれ設けられている。ちなみに、各端子２ａ，３ａ，４ａは板状に突出した部材であって、それらの先端部には、雌ねじが螺刻されたねじ穴２ｂ，３ｂ，４ｂがそれぞれ形成されている。そして、このパワーモジュール２〜４は、入力端子から入力される平滑化された直流電力を三相交流電力に変換するとともに、変換した三相交流電力を各端子２ａ，３ａ，４ａからそれぞれ出力する。

また一方、制御基板７には、上記各端子２ａ，３ａ，４ａに対向するかたちで３つの電流センサ１０〜１２が実装されている。そして、制御基板７から飛び出た電流センサ１０〜１２の先端部には、上記ねじ穴２ｂ，３ｂ，４ｂと同軸上に位置するように挿通孔１０ａ，１１ａ，１２ａがそれぞれ形成されており、この挿通孔１０ａ，１１ａ，１２ａによって被検出体が挿通される部分が形成されている。ここで、各電流センサ１０〜１２は、挿通孔１０ａ，１１ａ，１２ａに挿通された被検出体に電流が流れた際にその周辺に生じる磁界を検出し、検出した磁界に基づいて被検出体を流れる電流を検出する。

ところで、上述した従来のインバータ装置のように、パワーモジュール及び電流センサが離間して配置されているインバータ装置にあっては、パワーモジュールが実装されている基板と電流センサとを、例えばハーネスなどの接続部材を介して接続するといった構造が採用されることが多い。ただし、このような構造からなるインバータ装置にあっては、電流センサから基板に出力される信号がハーネスを通る際に、例えば電磁波ノイズなどの影響を受けるおそれがあり、これに起因して電流検出精度の低下を招く懸念がある。この点、本実施形態にかかるインバータ装置のように、制御基板７に電流センサ１０〜１２を実装すれば、電流センサ１０〜１２及び制御基板７の間をハーネスなどによって中継する必要がなくなり、最短の配線で電流センサ１０〜１２及び制御基板７を結ぶことができるようになる。これにより、電流センサ１０〜１２から制御基板７に出力される信号が磁気ノイズなどの影響を受け難くなるため、電流検出精度を高めることができるようになる。

そして、このインバータ装置では、上記各端子２ａ，３ａ，４ａにそれぞれ接続されるバスバーを通じて、パワーモジュールで変換された三相交流電力を上記モータの各層（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に供給する。

次に、図２及び図３を参照して、モータの各相に接続されるバスバー（Ｕ相バスバー、Ｖ相バスバー、Ｗ相バスバー）と各端子２ａ，３ａ，４ａとを接続する部分、及び電流センサ１０〜１２の構造、電流検出方法について具体的に説明する。なおここでは、説明の便宜上、Ｕ相バスバーとＵ相端子２ａとを接続する部分の構造、及び電流センサ１０の構造、電流検出方法についてのみ説明する。図２及び図３は、Ｕ相バスバーとＵ相端子２ａとの接続部分の分解斜視構造及び断面構造をそれぞれ示したものである。

同図２及び図３に示されるように、Ｕ相バスバー９は平板状の導電性部材であって、上記電流センサ１０の上部に配置されるとともに、その先端部にボルト１３が挿通される挿通孔９ａを有して形成されている。なお、ボルト１３は、導電性を有する非磁性材料、例えばステンレス鋼などによって形成されている。そして、Ｕ相バスバー９の挿通孔９ａから挿通されて上記ねじ穴２ｂに螺入されたボルト１３によって、Ｕ相バスバー９が電流センサ１０を介してＵ相端子２ａに締結固定されている。したがって、Ｕ相端子２ａから出力されるＵ相電力は、ボルト１３及びＵ相バスバー９を給電経路としてモータのＵ相に供給される。なお、こうした接続部分の構造は、Ｖ相バスバーとＶ相端子３ａとの接続部分、及びＷ相バスバーとＷ相端子４ａとの接続部分についても同様である。

一方、図３に示されるように、電流センサ１０は、ボルト１３を流れる電流に起因して発生する磁界を集磁するための磁気回路としての集磁用コア１０ｂと、ホール素子１０ｃを含む各種電子部品等が実装される基板１０ｄと、これらの部品を収容する箱体状の樹脂材料からなるケース１０ｅとから構成されている。ちなみに、集磁用コア１０ｂは、上記挿通孔１０ａを囲繞するかたちで環状に形成されるとともに、その一部に、ホール素子１０ｃを挿入するためのギャップが形成されている。また、基板１０ｄは、端子１０ｆを介して上記制御基板７に接続されている。そして、この電流センサ１０では、上記ボルト１３を流れる電流に起因して発生する磁界が集磁用コア１０ｂにより集磁増幅されると、上記ギャップに漏れ磁束が発生し、この漏れ磁束がホール素子１０ｃに作用する。すなわち、この電流センサ１０では、ホール素子１０ｃに付与される漏れ磁束に応じたホール電圧が発生し、このホール電圧を通じてボルト１３を流れる電流を検出する。なお、こうした電流センサの構造、電流検出方法は、電流センサ１１，１２についても同様である。

インバータ装置としてのこうした構成によれば、パワーモジュール２〜４と電流センサ１０〜１２とを互いに近接させることができるため、モータの各相に接続されるバスバーに電流センサを取り付けた構造を有する従来のインバータ装置と比較すると、インバータ装置の小型化を図ることができるようになる。また、ボルトを流れる電流を電流センサを通じて検出すれば、モータの各相の給電経路を流れる電流を検出することもできる。したがって、モータの各相の給電経路を流れる電流を的確に検出しつつ、インバータ装置の小型化を図ることができるようになる。

以上説明したように、本実施形態にかかるインバータ装置によれば、以下のような効果が得られるようになる。
（１）電流センサ１０〜１２の挿通孔１０ａ，１１ａ，１２ａにボルトを挿通しつつ、パワーモジュール２〜４の各端子２ａ，３ａ，４ａと、モータの各相に接続されるバスバーとの間に電流センサ１０〜１２を介装するようにした。そして、ボルトを流れる電流を電流センサ１０〜１２を通じて検出することで、モータの各相の電流経路を流れる電流を検出するようにした。これにより、パワーモジュール２〜４と電流センサ１０〜１２とを互いに近接させることができるため、モータの各相の給電経路を流れる電流を的確に検出しつつ、インバータ装置の小型化を図ることができるようになる。

（２）制御基板７に電流センサ１０〜１２を実装するようにした。これにより、電流センサ１０〜１２から制御基板７に出力される信号が電磁波ノイズなどの影響を受け難くなるため、電流検出精度を高めることができるようになる。

（第２の実施形態）
続いて、本発明にかかるインバータ装置の第２の実施形態について図４及び図５を参照して説明する。なお、この第２の実施形態にかかるインバータ装置もその基本構造は先の図１〜図３に示した構造に準ずるものであり、ここでは先の図２及び図３に対応する図として、モータのＵ相に接続されるＵ相バスバー９とＵ相端子２ａとの接続部分についてその分解斜視構造及び断面構造を図４及び図５にそれぞれ示す。また、これら図４及び図５において、先の図２及び図３に示した要素と同一の要素にはそれぞれ同一の符号を付すことにより重複する説明を割愛し、以下では、両者の相違点を中心に説明する。

上述のように、Ｕ相端子２ａとＵ相バスバー９との間に電流センサ１０を介装した場合には、Ｕ相端子２ａとＵ相バスバー９とがボルト１３を介して電気的に接続されるようになる。ただしこの場合、ボルト１３の大きさや材質などによっては、モータに大電流を供給しようとしたときに、ボルト１３の部分が局所的に発熱してしまうおそれがある。

そこで、図４に示すように、本実施形態にかかるインバータ装置では、上記電流センサ１０の挿通孔１０ａを拡径した上で、その挿通孔１０ａの内部に、Ｕ相端子２ａとＵ相バスバー９とを電気的に接続するための円筒状の導通部材１４を設けるようにしている。ここで、図５に示すように、導通部材１４は、挿通孔１０ａの軸方向（図中の軸線ｍの方向）の長さと同等の長さを有して且つ、挿通孔１０ａの内径と略同等の外径を有する部材であって、中心軸に沿って上記ボルト１３が挿通される挿通孔１４ａを有して形成されている。ちなみに、この導通部材１４は、例えば銅などの導電性材料によって形成されている。そして、導通部材１４の上下方向の両端面に上記Ｕ相バスバー９及びＵ相端子２ａがそれぞれ当接することで、それらが導通部材１４を介して互いに電気的に接続されている。これにより、Ｕ相端子２ａからＵ相バスバー９に流れる電流の一部が導通部材１４を流れるようになるため、ボルト１３を流れる電流量を少なくすることができ、ひいてはその発熱を抑制することができるようになる。ちなみに、電流センサ１０は、ボルト１３に流れる電流に起因して発生する磁界と、導通部材１４を流れる電流に起因して発生する磁界との合成磁界をホール電圧として検出することで、モータのＵ相の給電経路を流れる電流の検出を行う。

なお、こうした接続部分の構造は、Ｖ相バスバーとＶ相端子３ａとの接続部分、及びＷ相バスバーとＷ相端子４ａとの接続部分についても同様である。
以上説明したように、本実施形態によれば、先の第１の実施形態による上記（１）及び（２）のそれぞれの効果に加え、以下のような効果が得られるようになる。

（３）電流センサ１０〜１２の挿通孔１０ａ，１１ａ，１２ａの内部に、モータの各相に接続されるバスバーとパワーモジュール２〜４の各端子２ａ，３ａ，４ａとを電気的に接続するための導通部材を設けるようにした。これにより、モータに大電流を供給する場合であっても、ボルトを流れる電流量を少なくすることができるため、その発熱を抑制することができるようになる。

（他の実施の形態）
なお、上記各実施の形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・上記第２の実施形態では、導通部材１４を円筒状に形成するようにしたが、例えば上記挿通孔１０ａ，１１ａ，１２ａが断面矩形状に形成されている場合には、導通部材１４を四角筒状に形成するなど、導通部材１４の形状を適宜変更してもよい。要は、挿通孔１０ａ，１１ａ，１２ａの内部に挿入されて、モータの各相に接続されるバスバーとパワーモジュール２〜４の各端子２ａ，３ａ，４ａとを電気的に接続することのできる部材であればよい。

・上記各実施形態では、制御基板７に電流センサ１０〜１２を実装するようにしたが、例えば各端子２ａ，３ａ，４ａと制御基板７とが互いに離間した構造を有するインバータ装置にあっては、各端子２ａ，３ａ，４ａに電流センサ１０〜１２を近接させたときに、制御基板７に電流センサ１０〜１２を実装することが難しい場合もある。この場合には、制御基板７と電流センサ１０〜１２とを、例えばハーネスなどの接続部材によって接続してもよい。このような構成を採用したとしても、インバータ装置の小型化を図ることができるといった効果を得ることはできる。

・上記各実施形態では、パワーモジュールがＩＧＢＴなどの半導体素子から構成されるものであったが、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などの半導体素子から構成されるものであってもよい。

・上記各実施形態では、本発明にかかるインバータ装置を、ハイブリッド車両のモータに三相交流電力を供給するインバータ装置に適用したが、これに代えて、例えば電気自動車の駆動源であるモータに三相交流電力を供給するインバータ装置に適用してもよい。

（付記）
次に、上記実施形態及びその変形例から把握できる技術的思想について追記する。
（イ）請求項３に記載のインバータ装置において、前記導通部材は、前記挿通孔の軸方向の長さと同等の長さを有して且つ、前記挿通孔の内径と略同等の外径を有するとともに、中心軸に沿って前記ボルトが挿通される挿通孔が形成された筒状の部材であることを特徴とするインバータ装置。同構成によれば、導通部材を挿通孔に挿通するだけでパワーモジュールの端子とバスバーとを接続することができるため、上記請求項３に記載の発明を容易に実現することができるようになる。

（ロ）請求項１〜３、及び付記イに記載のインバータ装置において、前記電流供給対象が、ハイブリッド車両の駆動源として機能するモータであることを特徴とするインバータ装置。上述のように、内燃機関及びモータの双方を駆動源とするハイブリッド車両では、インバータ装置からモータに供給される電力を制御するために電流センサが設けられることが多い。したがって、ハイブリッド車両のモータを電流供給対象とするインバータ装置にあっては、上記請求項１〜３及び付記イに記載の構成を採用することの意義は大きい。

１…平滑コンデンサ、２〜４…パワーモジュール、２ａ…Ｕ相端子、２ｂ，３ｂ，４ｂ…ねじ穴、３ａ…Ｖ相端子、４ａ…Ｗ相端子、５…ヒートシンク、５ａ…搭載面、６…バスバー、７…制御基板、８…アッパケース、９…Ｕ相バスバー、９ａ…挿通孔、１０〜１２…電流センサ、１０ａ，１１ａ，１２ａ…挿通孔、１０ｂ…集磁用コア、１０ｃ…ホール素子、１０ｄ…基板、１０ｅ…ケース、１０ｆ…端子、１３…ボルト、１４…導通部材、１４ａ…挿通孔。

Claims (3)

1. 直流電力を交流電力に変換するパワーモジュールと、該パワーモジュールにボルトによって締結固定されるバスバーとを有し、前記パワーモジュールを通じて変換された交流電力を前記バスバーを含む給電経路を介して電流供給対象に供給するとともに、前記給電経路を流れる電流を電流センサを通じて検出するインバータ装置であって、
   前記電流センサは、被検出体を挿通するための挿通孔を有するものであり、該挿通孔に前記ボルトを挿通しつつ前記パワーモジュールと前記バスバーとの間に前記電流センサを介装し、前記ボルトを流れる電流を前記電流センサを通じて検出することで、前記給電経路を流れる電流を検出するようにした
   ことを特徴とするインバータ装置。
2. 前記パワーモジュールが実装されている基板に、前記電流センサを実装してなる
   請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記挿通孔の内部に、前記パワーモジュールと前記バスバーとを電気的に接続するための導通部材を設けた
   請求項１又は２に記載のインバータ装置。

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