JP2011134813A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御端子と制御回路基板とのはんだ付け部及び、パワー端子とバスバーとの溶接部の寿命を長くすることができる車両用電力変換装置を提供する。
【解決手段】車両用電力変換装置１は、複数個の半導体モジュール２と複数個の冷却チューブ３とを積層した積層体４を備える。また、パワー端子２０にバスバー１０が溶接されている。また、制御端子２１に制御回路基板７がはんだ付けされている。積層体４は、収納ケース５に収納されている。積層体４は、積層方向Ｘの両端から積層方向Ｘに押圧された状態で収納ケース５に保持されている。積層体４の積層方向Ｘにおける中央部１１に、パワー端子２０または制御端子２１の突出方向Ｙに積層体４を固定する固定部材６が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却チューブとを積層した積層体を有する車両用電力変換装置に関する。

従来から、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う車両用電力変換装置が知られている（下記特許文献１参照）。従来の車両用電力変換装置は、図１１、図１２に示すごとく、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール９１と、該半導体モジュール９１を冷却する冷却チューブ９２とを積層した積層体９３を備える。この積層体９３は、ばね部材９４によって積層方向ｘに押圧された状態で、収納ケース９５に収納されている。

個々の半導体モジュール９１は、図１２に示すごとく、スイッチング素子に導通したパワー端子９７と制御端子９６を備える。パワー端子９７には、直流電源の正電極に接続された正極端子と、直流電源の負電極に接続されて負極端子と、交流負荷に接続された交流端子とがある。パワー端子９７にはバスバー９９が溶接されている。

また、制御端子９６には制御回路基板９８が接続されている。この制御回路基板９８は、スイッチング素子の動作を制御している。これにより、上述した正極端子と負極端子との間に印加された直流電圧を交流電圧に変換し、交流端子から出力する。

特開２００９−９４２５７号公報

しかしながら従来の車両用電力変換装置９０は、車両の走行に伴って、パワー端子９７または制御端子９６の突出方向ｙへ積層体９３が振動するという問題があった。この振動は、図１２の曲線（定常波ｗ）にて表すように、積層体９３の積層方向ｘの両端を節として発生し、積層方向ｘにおける中央部分が振動の腹に相当するため、特に中央部分が大きく変位する。そのため、パワー端子９７とバスバー９９との溶接部９９０に応力が加わりやすく、クラック等が生じやすい。そのため、溶接部９９０の寿命が短くなりやすいという問題があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、パワー端子とバスバーとの溶接部の寿命を長くすることができる車両用電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、車両に搭載される車両用電力変換装置であって、
電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した本体部を有し、上記スイッチング素子に導通したパワー端子と制御端子とが上記本体部から互いに反対方向に、かつ該本体部の主面に平行な方向に突出した複数個の半導体モジュールと、該半導体モジュールを上記本体部の両主面から冷却する複数個の冷却チューブとを積層した積層体と、
上記パワー端子に溶接されたバスバーと、
上記積層体を収納する収納ケースとを備え、
上記積層体は、積層方向の両端から該積層方向に押圧された状態で上記収納ケースに保持されており、
上記積層体の上記積層方向における中央部に、上記パワー端子または上記制御端子の突出方向に上記積層体を固定する固定部材を設けたことを特徴とする車両用電力変換装置にある（請求項１）。

本発明の作用効果について説明する。本発明では、積層体の積層方向における中央部に、該積層体を上記突出方向に固定する固定部材を設けた。これにより、積層体の中央部を振動の節にすることができ、この中央部における、積層体の上記突出方向への変位を小さくすることができる。上述したように、積層体は積層方向における両端を節とした振動をしている。そのため、中央部を固定することにより、積層体は両端の節と中央部の節との、合計３個の節を有する振動をすることになる。この場合、中央部の節と、両端の節との間が腹になるが、節と節の間隔が狭くなっているため、腹の振幅が小さくなる。その結果、パワー端子とバスバーとの溶接部に応力が加わりにくくなり、クラック等が生じなくなって、溶接部の寿命を長くすることが可能になる。

以上のごとく、本発明によれば、パワー端子とバスバーとの溶接部の寿命を長くすることができる車両用電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、車両用電力変換装置の断面図であって、図２のＣ−Ｃ断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 図１のＢ−Ｂ断面図。 実施例１における、車両用電力変換装置の断面図であって、固定部材に切欠部を形成したもの。 実施例２における、車両用電力変換装置の断面図であって、図６のＥ−Ｅ断面図。 図５のＤ−Ｄ断面図。 実施例３における、車両用電力変換装置の断面図。 実施例４における、車両用電力変換装置の断面図。 実施例５における、車両用電力変換装置の断面図であって、図１０のＧ−Ｇ断面図。 図９のＦ−Ｆ断面図。 従来例における、車両用電力変換装置の断面図であって、図１２のＩ−Ｉ断面図。 図１１のＨ−Ｈ断面図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記収納ケースは、上記突出方向の一端側から上記積層体を支承する支承部を有し、上記固定部材は、上記突出方向の他端側から上記積層体を上記一端側へ押さえていることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、固定部材と支承部を使って、積層体を上記突出方向に押さえることができる。これにより、積層体を収納ケースにしっかりと固定することができ、積層体の、突出方向への変位をより小さくできる。そのため、溶接部に加わる応力を小さくでき、この溶接部の寿命をより長くすることが可能になる。

また、上記固定部材は、上記積層方向と上記突出方向との双方に直交する方向における、上記積層体の一方の端部から他方の端部まで繋がった一個の部材として構成され、該固定部材が、上記積層体を上記一方の端部から上記他方の端部にわたって固定していることが好ましい（請求項３）。
このようにすると、固定部材を使って、積層体を上記一方の端部から上記他方の端部にわたって固定できる。これにより、積層体をしっかりと固定でき、積層体の、上記突出方向への変位をより小さくすることができる。そのため、溶接部に加わる応力を小さくでき、この溶接部の寿命をさらに長くすることが可能になる。

また、上記固定部材に、上記パワー端子または上記制御端子との干渉を避けるための貫通孔または切欠部が形成されていることが好ましい（請求項４）。
このようにすると、積層部品の公差や半導体モジュールの発熱によるパワー端子や制御端子の位置ずれによる、固定部材との干渉を避けることができるため、より広い範囲で固定部材が積層体を固定することが可能となる。これにより、積層体をより安定して固定しやすくなる。

また、上記積層方向と上記突出方向との双方に直交する方向における、上記積層体の一方の端部を固定する第１固定部材と、他方の端部を固定する第２固定部材との２個の固定部材を備えていてもよい（請求項５）。
このようにすると、積層体の、上記一方の端部と上記他方の端部のみを固定すればよいので、固定部材を構成する材料を少なくすることができる。これにより、固定部材の製造コストを下げることができる。

また、上記固定部材は、平板状に形成されていてもよい（請求項６）。
このようにすると、固定部材を折り曲げ加工等する必要がなくなるため、固定部材の製造コストを下げることができる。

また、上記スイッチング素子の動作制御をする制御回路基板が上記制御端子に接続されており、上記固定部材は、上記制御回路基板を固定する基板固定ブラケットを兼ねていることが好ましい（請求項７）。
このようにすると、固定部材が基板固定ブラケットを兼ねているため、車両用電力変換装置を構成する部品の点数を減らすことができる。そのため、車両用電力変換装置の製造コストを下げることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる車両用電力変換装置につき、図１〜図４を用いて説明する。
図１に示すごとく、本例の車両用電力変換装置１は、複数個の半導体モジュール２と複数個の冷却チューブ３とを積層した積層体４を備える。図２、図３に示すごとく、個々の半導体モジュール２は、電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した本体部２３を有し、スイッチング素子に導通したパワー端子２０と制御端子２１とが該本体部２３から互いに反対方向に、かつ本体部２３の主面２４に平行な方向に突出している。また、冷却チューブ３は、半導体モジュール２を本体部２３の両主面から冷却している。

また、図２に示すごとく、車両用電力変換装置１は、パワー端子２０に溶接されたバスバー１０と、積層体４を収納する収納ケース５とを備える。
積層体４は、図１に示すごとく、積層方向Ｘの両端から積層方向Ｘに押圧された状態で収納ケース５に保持されている。
図１〜図３に示すごとく、積層体４の積層方向Ｘにおける中央部１１に、パワー端子２０または制御端子２１の突出方向Ｙに積層体４を固定する固定部材６が設けられている。
以下、詳説する。

図１に示すごとく、本例の車両用電力変換装置１は、隣り合う２個の冷却チューブ３の間に、２個の半導体モジュール２を介在させている。また、図２に示すごとく、半導体モジュール２は、それぞれ２個のパワー端子２０を備えている。パワー端子２０には、直流電源の正電極に接続される正極端子２０ａと、直流電源の負電極に接続される負極端子２０ｂと、交流負荷に接続される交流端子２０ｃとがある。正極端子２０ａと負極端子２０ｂには、それぞれ板状のバスバー１０が溶接されている。また、交流端子２０ｃにも、図示しないバスバーが溶接されている。

制御端子２１には、制御回路基板７が接続されている。制御回路基板７は、半導体モジュール２内のスイッチング素子の動作制御をする。これにより、正極端子２０ａと負極端子２０ｂとの間に印加される直流電圧を交流電圧に変換し、交流端子２０ｃから出力する。この交流電圧を使って三相交流モータ（図示しない）を駆動し、車両を走行させている。

図１に示すごとく、収納ケース５内には、電力変換回路を構成する部品であるリアクトル１３と、ばね部材１２が収納されている。積層体４は、リアクトル１３または収納ケース５の壁部１３ａとばね部材１２とによって挟持されており、ばね部材１２の付勢力によって、積層方向Ｘに押圧されている。

また、冷却チューブ３はＺ方向に長く、長手方向に冷媒１５が流れる。Ｘ方向に隣り合う冷却チューブ３は長手方向の両端部付近において、連結管３０によって接続されている。導入管３１から冷媒１５を導入すると、連結管３０を通って全ての冷却チューブ３内に冷媒１５が流れる。これにより、半導体モジュール２を冷却している。

図２に示すごとく、収納ケース５は、突出方向Ｙの一端側から積層体４を支承する支承部５０を有し、固定部材６は、突出方向Ｙの他端側から積層体４を押さえている。
支承部５０は、収納ケース５の、相対向する２つの壁部５ａ，５ｂの内面にそれぞれ突出形成されたリブであり、積層方向Ｘに壁部５ａ，５ｂの全体にわたって延びている（図３参照）。この支承部５０に、積層体４のＺ方向における両端部４０ａ，４０ｂが載置されている。また、固定部材６は、積層体４を支承部５０に向けて押さえている。

図１、図２に示すごとく、固定部材６は、積層方向Ｘと突出方向Ｙとの双方に直交する方向Ｚにおける、積層体４の一方の端部４０ａから他方の端部４０ｂまで繋がった一個の部材として構成され、固定部材６が、積層体４を一方の端部４０ａから他方の端部４０ｂにわたって固定している。

支承部５０は、冷却チューブ３の長手方向（Ｚ方向）の両端を支えることで、積層体４を支承している。固定部材６は半導体モジュール２の本体部２３の端面に接触することで、支承部５０と共に積層体４を固定している。積層体４は、ばね部材１２により積層方向Ｘに大きな加圧力で保持されているため、Ｙ方向の一端側が冷却チューブ３において支承され、他端側が半導体モジュール２において支承されていても、振動によって、冷却チューブ３と半導体モジュール２とがＹ方向にずれることはない。そのため、積層体４を確実にＹ方向に固定できる。

図２に示すごとく、固定部材６は、一方の支承部５０ａに支承される第１部分６０ａと、該第１部分６０ａから制御回路基板７に向かって延びる第２部分６０ｂと、該第２部分６０ｂからＺ方向に延びる第３部分６０ｃと、該第３部分６０ｃから他方の支承部５０ｂに向かって延びる第４部分６０ｄと、該第４部分６０ｄからＺ方向に延び、他方の支承部５０ｂに支承される第５部分６０ｅとからなる。また、収納ケース５の壁部５ｂには凹部５００が形成されている。この凹部５００に、固定部材６の第１部分６０ａが係合している。また、固定部分６の第５部分６０ｅは、他方の支承部５０ｂに、ボルト１４によって固定されている。

また、本例の車両用電力変換装置１は、図１〜図３に示すごとく、固定部材６に、パワー端子２０または制御端子２１との干渉を避けるための貫通孔６３が形成されている。
貫通孔６３は２個形成され、それぞれの貫通孔６３に、１つの半導体モジュール２の５本の制御端子２１が挿通されている。

なお、図１〜図３の車両用電力変換装置１は、制御端子２１を挿通するための貫通孔６３を固定部材６に形成したが、図４に示すごとく、固定部材６に切欠部６１を設けてもよい。図４では、固定部材６の側部６２に４箇所の切欠部６１を設け、この切欠部６１によって、半導体モジュール２の制御端子２１が固定部材６に干渉しないようにしている。

次に、本例の作用効果について説明する。
本例の車両用電力変換装置１では、積層体４の積層方向Ｘにおける中央部１１に、積層体４を突出方向Ｙに固定する固定部材６を設けた。これにより、図３の曲線（定常波Ｗ）にて表すように、中央部１１を振動の節にすることができ、この中央部１１における、積層体４の突出方向Ｙへの変位を小さくすることができる。また、積層体４は積層方向Ｘにおける両端４０１，４０２を節とした振動をしている。そのため、中央部１１を固定することにより、積層体は両端４０１，４０２の節と中央部１１の節との、合計３個の節を有する振動をすることになる。この場合、中央部１１の節と、両端４０１，４０２の節との間が腹になるが、節と節の間隔が狭くなっているため、中央部１１を固定しない場合（図１２参照）の振幅ａよりも腹の振幅Ａが小さくなる。その結果、パワー端子２０とバスバー１０との溶接部１６に応力が加わりにくくなり、クラック等が生じなくなって、該溶接部１６の寿命を長くすることが可能になる。

また、本例では、図２に示すごとく、収納ケース５は、突出方向Ｙの一端側から積層体４を支承する支承部５０を有し、固定部材６は、突出方向Ｙの他端側から積層体４を一端側へ押さえている。
このようにすると、固定部材６と支承部５０を使って、積層体４を突出方向Ｙに押さえることができる。これにより、積層体４を収納ケース５にしっかりと固定することができ、積層体４の、突出方向Ｙへの変位をより小さくできる。そのため、溶接部１６に加わる応力を小さくでき、この溶接部１６の寿命をより長くすることが可能になる。

また、図２に示すごとく、本例では、固定部材６が、Ｚ方向の一方の端部４０ａから他方の端部４０ｂにわたって積層体４を固定している。
このようにすると、固定部材６を使って、積層体４を一方の端部４０ａから他方の端部４０ｂにわたって固定できる。これにより、積層体４をしっかりと固定でき、積層体４の、突出方向Ｙへの変位をより小さくすることができる。そのため、溶接部１６に加わる応力を小さくでき、この溶接部１６の寿命をさらに長くすることが可能になる。

また、本例では、固定部材６に、パワー端子２０または制御端子２１との干渉を避けるための貫通孔６３または切欠部６１が形成されている。
このようにすると、パワー端子２０や制御端子２１と、固定部材６との干渉を避けることができるため、より広い範囲で固定部材６が積層体４を固定することが可能となる。これにより、積層体４をより安定して固定しやすくなる。

以上のごとく、本例によれば、パワー端子２０とバスバー１０との溶接部１６の寿命を長くすることができる車両用電力変換装置１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、固定部材６の形状を変更した例である。図５、図６に示すごとく、本例では、積層方向Ｘと突出方向Ｙとの双方に直交する方向Ｚにおける、積層体４の一方の端部４０ａを固定する第１固定部材６ａと、他方の端部４０ｂを固定する第２固定部材６ｂとの２個の固定部材６を備える。
第１固定部材６ａ，第２固定部材６ｂは、図６に示すごとく、支承部５０にボルト１４で固定される第１部分６０ａと、該第１部分６０ａから制御回路基板７側に突出する第２部分６０ｂと、該第２部分６０ｂからＺ方向に伸び、半導体モジュール２の端面を押さえる第３部分６０ｃとを各々備える。そして、第１固定部材６ａの第３部分６０ｃと、第２固定部材６ｂの第３部分６０ｃとの間に、半導体モジュール２の制御端子２１が位置している。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。
上記構成にすると、積層体４の、Ｚ方向における一方の端部４０ａと他方の端部４０ｂのみを固定すればよいので、固定部材６を構成する材料を少なくすることができる。これにより、固定部材６の製造コストを下げることができる。また、半導体モジュール２のパワー端子２０や制御端子２１が固定部材６と干渉しないので、積層方向Ｘの寸法が大きい固定部材６を使用することができる。これにより、積層体４を固定しやすくなる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（実施例３）
本例は、固定部材６の形状を変更した例である。図７に示すごとく、本例では、収納ケース５は支承部５０を有さず、第１固定部材６ａと第２固定部材６ｂを、収納ケース５の壁部に固定している。第１固定部材６ａ，第２固定部材６ｂは、積層体４のＺ方向における両端部４０ａ，４０ｂを突出方向Ｙに挟持する第１部分６０ａ及び第３部分６０ｃと、該第１部分６０ａと第３部分６０ｃを繋ぐ第２部分６０ｂとをそれぞれ備える。第２部分６０ｂは、ボルト１４により、収納ケース５の壁部に固定されている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。
上記構成にすると、積層体４の、Ｙ方向における一方の端部４０ａと他方の端部４０ｂのみを固定すればよいので、固定部材６を構成する材料を少なくすることができる。そのため、固定部材６の製造コストを下げることができる。また、半導体モジュール２のパワー端子２０や制御端子２１が固定部材６と干渉しないので、積層方向Ｘの寸法が大きい固定部材６を使用することができる。そのため、積層体４を固定しやすい。
また、本例では、収納ケース５に支承部５０を形成する必要がないので、少ない材料で収納ケース５を製造でき、収納ケース５の製造コストを下げることもできる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、固定部材６の形状を変更した例である。図８に示すごとく、本例の固定部材６は、平板状に形成されている。この固定部材６は、収納ケース５の端面５０１にボルト１４を使って固定されている。また、固定部材６には貫通孔６３が形成されており、半導体モジュール２の制御端子２１が貫通孔６３を通っている。
このように平板状にすると、固定部材６を折り曲げ加工等する必要がなくなるため、固定部材６の製造コストを下げることができる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、固定部材６の形状を変更した例である。本例では、図９、図１０に示すごとく、固定部材６は、制御回路基板７を固定する基板固定ブラケットを兼ねている。本例では、図１０に示すごとく、一方の半導体モジュール２ａを固定する第１固定部材６ａと、他方の半導体モジュール２ｂを固定する第２固定部材６ｂとの２個の固定部材６を備える。個々の固定部材６は、積層方向Ｘに延び（図９参照）、支承部５０に立設する支柱５０２（図１０参照）の先端に固定された第１部分６５と、該第１部分６５の中央部にてＺ方向に延出する第２部分６６と、該第２部分６６から半導体モジュール２側に突出し（図１０参照）、半導体モジュール２に当接する第３部分６７とからなる。また、図９に示すごとく、第１部分６５には、ボルト１４を使って制御回路基板７を固定するためのボルト挿通孔６５０が複数箇所、形成されている。制御回路基板７にも複数箇所の貫通孔（図示しない）が形成されており、この貫通孔とボルト挿通孔６５０を位置合わせして、ボルト１４を挿入することにより、制御回路基板７を固定部材６に固定する。
その他、実施例１と同様の構成を有する。

本例の作用効果について説明する。
本例では、固定部材６と基板固定ブラケットとを共通化できるため、車両用電力変換装置１を構成する部品の点数を減らすことができる。そのため、車両用電力変換装置１の製造コストを下げることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

１ 車両用電力変換装置
２ 半導体モジュール
２０ パワー端子
２１ 制御端子
３ 冷却チューブ
４ 積層体
５ 収納ケース
６ 固定部材

Claims (7)

1. 車両に搭載される車両用電力変換装置であって、
   電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した本体部を有し、上記スイッチング素子に導通したパワー端子と制御端子とが上記本体部から互いに反対方向に、かつ該本体部の主面に平行な方向に突出した複数個の半導体モジュールと、該半導体モジュールを上記本体部の両主面から冷却する複数個の冷却チューブとを積層した積層体と、
   上記パワー端子に溶接されたバスバーと、
   上記積層体を収納する収納ケースとを備え、
   上記積層体は、積層方向の両端から該積層方向に押圧された状態で上記収納ケースに保持されており、
   上記積層体の上記積層方向における中央部に、上記パワー端子または上記制御端子の突出方向に上記積層体を固定する固定部材を設けたことを特徴とする車両用電力変換装置。
2. 請求項１において、上記収納ケースは、上記突出方向の一端側から上記積層体を支承する支承部を有し、上記固定部材は、上記突出方向の他端側から上記積層体を上記一端側へ押さえていることを特徴とする車両用電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２において、上記固定部材は、上記積層方向と上記突出方向との双方に直交する方向における、上記積層体の一方の端部から他方の端部まで繋がった一個の部材として構成され、該固定部材が、上記積層体を上記一方の端部から上記他方の端部にわたって固定していることを特徴とする車両用電力変換装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記固定部材に、上記パワー端子または上記制御端子との干渉を避けるための貫通孔または切欠部が形成されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
5. 請求項１または請求項２において、上記積層方向と上記突出方向との双方に直交する方向における、上記積層体の一方の端部を固定する第１固定部材と、他方の端部を固定する第２固定部材との２個の固定部材を備えることを特徴とする車両用電力変換装置。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか１項において、上記固定部材は、平板状に形成されていることを特徴とする車両用電力変換装置。
7. 請求項１〜請求項５のいずれか１項において、上記スイッチング素子の動作制御をする制御回路基板が上記制御端子に接続されており、上記固定部材は、上記制御回路基板を固定する基板固定ブラケットを兼ねていることを特徴とする車両用電力変換装置。

Images