JP2016025701A

JP2016025701A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2016025701A
Application number: JP2014147016A
Authority: JP
Inventors: 啓三高松; Keizo Takamatsu
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2016-02-08
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: JP6281432B2

Abstract

【課題】制御回路基板に熱応力がかかることを防止し、かつ、締結部材と被締結部との締結力が低下することを防ぐことができる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置１は、制御回路基板２と、基板支持部材３とを有する。制御回路基板２は、基板支持部材３に固定される被固定部２１を複数箇所に有する。複数の被固定部２１のうちの少なくとも１つは、金属製の基板固定部３１と、金属製の締結部材４と、弾性部材５とによって、基板支持部材３に固定されている。基板固定部３１は、被締結部３１１と、圧接面３１２と、支承面３１３とを有する。締結部材４は、支承面３１３との間に制御回路基板２及び弾性部材５を挟持する挟持部４１を有する。制御回路基板２に設けられた挿通孔２０に、締結部材４の一部が挿通されている。挿通孔２０の内壁面２２と、挿通孔２０に挿通された締結部材４との間には、隙間１０が形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体モジュールを制御する制御回路基板を備えた電力変換装置に関する。

例えば直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置が知られており、この電力変換回路の一部として、半導体モジュールが用いられている。半導体モジュールのパワー端子はバスバに接続され、半導体モジュールの制御端子は、制御回路基板に接続されている。上記制御回路基板は、複数箇所において、例えば、ボルト締結によってケースに固定されている（例えば、特許文献１）。

特許第５１０４２１８号公報

しかしながら、制御回路基板が熱によって広がり方向に膨張しようとしたとき、複数の固定部間の部位は、広がり方向への膨張が規制されるため、制御回路基板に熱応力がかかることとなる。そして、制御回路基板に、反りや歪みが生じてしまうおそれもある。さらに、制御回路基板の反りや歪みに伴い、制御回路基板における電子部品の実装部分に応力がかかり、はんだに割れが生じる等の不具合を招くおそれもある。

また、特許文献１では、制御回路基板は、雄ネジと雌ネジとに挟み込まれるようにして雄ネジと雌ネジとの締結力によって固定されている。それゆえ、制御回路基板にクリープが生じ、雄ネジと雌ネジとの締結力が低下するおそれがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、制御回路基板に熱応力がかかることを防止し、かつ、締結部材と被締結部との締結力が低下することを防ぐことができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、電力変換回路を制御する制御回路基板と、該制御回路基板を支持する基板支持部材とを有する電力変換装置であって、
上記制御回路基板は、上記基板支持部材に固定される被固定部を複数箇所に有し、
複数の上記被固定部のうちの少なくとも１つは、上記基板支持部材に形成された金属製の基板固定部と、該基板固定部に螺合する金属製の締結部材と、該締結部材と上記制御回路基板との間に介設された弾性部材とから構成される弾性固定部によって、上記基板支持部材に固定されており、
上記基板固定部は、上記締結部材と螺合する被締結部と、該被締結部の周囲に設けられて締結方向において上記締結部材と圧接する圧接面と、該圧接面の周囲に設けられて上記制御回路基板を支承する支承面とを有し、
上記締結部材は、上記支承面との間に上記制御回路基板及び上記弾性部材を挟持する挟持部を有し、
上記制御回路基板に設けられた挿通孔に、上記締結部材の一部又は上記被締結部の一部が挿通されており、
上記挿通孔の内壁面と、上記挿通孔に挿通された上記締結部材又は上記被締結部との間には、隙間が形成されていることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置において、複数の被固定部のうちの少なくとも１つは、弾性固定部によって、基板支持部材に固定されている。そして、挿通孔の内壁面と、挿通孔に挿通された締結部材又は被締結部との間には、隙間が形成されている。それゆえ、制御回路基板を、締結方向については弾性部材の復元力によって基板固定部に保持しつつ、制御回路基板の広がり方向については、弾性部材の弾性変形によって制御回路基板の被固定部が変位できるように保持することができる。これにより、制御回路基板の熱膨張によって制御回路基板に熱応力がかかることを防ぎ、制御回路基板に反りや歪みが生じることを防ぐことができる。また、その結果、制御回路基板における電子部品の実装部分に応力がかかり、はんだに割れが生じる等の不具合を防ぐことができる。

また、基板固定部は、締結方向において締結部材と圧接する圧接面を有する。すなわち、基板固定部と締結部材とは、金属面同士が圧接された状態で締結されている。それゆえ、締結部材と基板固定部との締結力の低下を防ぐことができる。

以上のごとく、本発明によれば、制御回路基板に熱応力がかかることを防止し、かつ、締結部材と被締結部との締結力が低下することを防ぐことができる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、制御回路基板の上面図。実施例１における、電力変換装置の一部の断面説明図。実施例１における、弾性固定部周辺の断面説明図。実施例１における、弾性固定部の上面図。実施例１における、制御回路基板が熱膨張したときの電力変換装置の一部の断面説明図。実施例１における、制御回路基板が熱膨張したときの弾性固定部付近の断面説明図。基板固定部が圧接面を有しない電力変換装置の制御回路基板の固定構造の断面説明図。実施例２における、電力変換装置の一部の断面説明図。実施例２における、弾性固定部付近の断面説明図。

上記電力変換装置は、電気自動車又はハイブリッド自動車に搭載され、直流電源と車両の駆動源としての三相交流回転電機との間の電力変換を行うものである。

（実施例１）
電力変換装置の実施例につき、図１〜図７を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図２に示すごとく、電力変換回路を制御する制御回路基板２と、制御回路基板２を支持する基板支持部材３とを有する。図１に示すごとく、制御回路基板２は、基板支持部材３に固定される被固定部２１を複数箇所に有する。

図２、図３に示すごとく、複数の被固定部２１のうちの少なくとも１つは、基板支持部材３に形成された金属製の基板固定部３１と、基板固定部３１に螺合する金属製の締結部材としてのボルト４と、ボルト４と制御回路基板２との間に介設された弾性部材５とから構成される弾性固定部１００によって、基板支持部材３に固定されている。

基板固定部３１は、ボルト４と螺合する被締結部としての雌ネジ部３１１と、雌ネジ部３１１の周囲に設けられて締結方向においてボルト４と圧接する圧接面３１２と、圧接面３１２の周囲に設けられて制御回路基板２を支承する支承面３１３とを有する。ボルト４は、支承面３１３との間に制御回路基板２及び弾性部材５を挟持する挟持部４１を有する。制御回路基板２に設けられた挿通孔２０に、ボルト４の一部が挿通されている。挿通孔２０の内壁面２２と、挿通孔２０に挿通されたボルト４との間には、隙間１０が形成されている。

また、本例において、基板支持部材３は、半導体モジュール等の電力変換装置１の構成部品を内側に収容するフレームであり、基板固定部３１は、フレーム本体部３２から突出したボス部３３である。

制御回路基板２は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール（図示略）と接続されている。半導体モジュールは、複数のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子やＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等のダイオードを内蔵している。

図１に示すごとく、制御回路基板２は、厚み方向から見た形状が略長方形状を有する。制御回路基板２は、樹脂からなる。制御回路基板２の主面には、制御回路を構成する電子部品１１がはんだ１２により接合されている。
なお、以下において、便宜上、制御回路基板２の厚み方向を、「上下方向」という。また、適宜、上下方向における、制御回路基板側を上側、基板支持部材側を下側という。

図１〜図３に示すごとく、制御回路基板２には、上下方向に貫通した挿通孔２０が複数箇所に形成されている。図２、図３に示すごとく、挿通孔２０は、制御回路基板２における被固定部２１に形成されており、上述のごとく、この被固定部２１のうち少なくとも１つが、弾性固定部１００により、基板支持部材３に固定されている。なお、弾性固定部１００は、複数の被固定部２１のうちの全部を固定してもよいし、一部を固定してもよい。以下において、この弾性固定部１００について、説明する。

基板固定部３１は、ボス部３３からなる。ボス部３３の一部は、フレーム本体部３２とともにアルミニウム合金によって一体形成されているが、圧接面３１２及び支承面３１３を構成する部位は、鉄からなるナット３４によって構成されている。ナット３４は、アルミ成形体に設けた凹部３２１に圧入され、固定されている。
ただし、基板固定部３１の構造は、これに限定されるものではなく、例えば、フレーム本体部３２と一体成形された部位に、被締結部（雌ネジ）が形成されていてもよい。

本例においては、ナット３４のネジ孔が雌ネジ部３１１であり、ナット３４は、ネジ孔の軸方向が制御回路基板２の主面の法線方向となるように配されている。ナット３４の上端面の一部がボルト４と圧接される圧接面３１２であり、ナット３４の上端面のうち、圧接面３１２の外側部分が、制御回路基板２を支承する支承面３１３である。

ボルト４は、制御回路基板２の挿通孔２０に挿通されるとともに、ナット３４の雌ネジ部３１１に螺合されている。ボルト４は、雌ネジ部３１１に螺合する雄ネジ部４２と、雄ネジ部４２の軸方向基端部の周囲に設けられた中径部４３と、中径部４３の軸方向基端部の周囲に設けられた大径部４４とを有する。中径部４３の先端面が圧接面３１２に当接し、大径部４４が、支承面３１３との間に制御回路基板２及び弾性部材５を挟持する挟持部４１を構成している。

本例において、ボルト４は、円環状のワッシャーにボルト本体を挿通させることにより構成されており、ワッシャーが大径部４４（挟持部４１）を構成している。なお、本例においては、ボルト４は、ボルト本体とワッシャーとが別体となっているが、これらが一体形成されたボルトを用いてもよい。

中径部４３の一部は、制御回路基板２の挿通孔２０に配されており、中径部４３と挿通孔２０の内壁面２２との間に隙間１０が形成されている。すなわち、挿通孔２０は、中径部４３の直径よりも大きい。

大径部４４（ワッシャー）と制御回路基板２との間には、弾性部材５が配置されている。弾性部材５は、例えば、略円環状のゴムからなる。弾性部材５は、上下方向の長さが、自然長よりも短い状態になるよう圧縮されて配されている。これにより、弾性部材５に上下方向の弾性力が生まれ、この弾性力（復元力）により、制御回路基板２が基板固定部３１側に押し付けられて固定される。以上により、弾性固定部１００が構成されている。

次に、本例の弾性固定部１００の組み付け工程の一例について説明する。
各基板固定部３１に各被固定部２１が配されるように、制御回路基板２を基板支持部材３の上に載置する。このとき、制御回路基板２の各挿通孔２０を、基板固定部３１の各雌ネジ部３１１に、位置合わせする。そして、弾性部材５及びボルト４を、基板固定部３１の雌ネジ部３１１に螺合させる。

そして、大径部４４の挟持部４１を弾性部材５に当接させる。そこから、さらにボルト４を締めることで、弾性部材５を上下方向に弾性変形させる。そして、ボルト４の中径部４３の先端面を、基板固定部３１の圧接面３１２に圧接させることにより、ボルト４の締結方向における位置決めがなされる。以上により、弾性固定部１００が組み付けられる。

次に、本例の作用効果について、説明する。
上記電力変換装置において、複数の被固定部２１のうちの少なくとも１つは、弾性固定部１００によって、基板支持部材３に固定されている。そして、挿通孔２０の内壁面２２と、挿通孔２０に挿通されたボルト４又は雌ネジ部３１１との間には、隙間１０が形成されている。それゆえ、制御回路基板２を、締結方向については弾性部材５の復元力によって基板固定部３１に保持しつつ、制御回路基板２の広がり方向については弾性部材の弾性変形によって制御回路基板２の被固定部２１が変位できるように保持することができる。

すなわち、制御回路基板２は、弾性部材５の弾性力により固定されているため、図５に示すごとく、弾性部材５が圧縮されている上下方向の動きは制限されるが、上下方向に直交する方向についての変位は許容される。また、制御回路基板２が熱膨張した場合、制御回路基板２が隙間１０に侵入できる。

これにより、制御回路基板２の熱膨張によって制御回路基板２に熱応力がかかることを防ぎ、制御回路基板２に反りや歪みが生じることを防ぐことができる。また、その結果、制御回路基板２における電子部品１１の実装部分に応力がかかり、はんだ１２に割れが生じる等の不具合を防ぐことができる。

また、基板固定部３１は、締結方向においてボルト４と圧接する圧接面３１２を有する。すなわち、基板固定部３１とボルト４とは、金属面同士が圧接された状態で締結されている。それゆえ、ボルト４と基板固定部３１との締結力の低下を防ぐことができる。

すなわち、仮に、図７に示すように、基板固定部３１とボルト４とが締結方向において当接していない場合には、ボルト４と基板固定部３１との締結力が低下するおそれがある。つまり、この場合、ボルト４によって弾性部材５を上下方向に押し込むことにより生じる弾性力がボルト４の軸力となることにより、ボルト４が基板固定部３１に固定される。しかし、時間の経過に伴い、弾性部材５にクリープが生じると、ボルト４の軸力が減少し、ボルト４と基板固定部３１との締結力が低下する。

これに対し、本例においては、図３に示すごとく、基板固定部３１とボルト４とは、金属面同士が締結方向に圧接しているため、ボルト４の軸力が低下してボルト４と基板固定部３１との締結力が低下することを防止できる。

また、ボルト４は、雄ネジ部４２と中径部４３と大径部４４とを有し、中径部４３の先端面が圧接面３１２に当接し、大径部４４が挟持部４１を構成している。それゆえ、制御回路基板２の熱応力を吸収すると共に、ボルト４と基板固定部３１との締結力の低下を防ぐことのできる弾性固定部１００を容易に構成することができる。

以上のごとく、本例によれば、制御回路基板に熱応力がかかることを防止し、かつ、締結部材と被締結部との締結力が低下することを防ぐことができる電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図８、図９に示すごとく、締結部材を雌ネジであるナット４０、被締結部を雄ネジ部１３１とした例である。
本例において、基板支持部材３の基板固定部３１は、制御回路基板２を載置する支承面３１３と、支承面３１３から上側に突出する突出段部３０１と、突出段部３０１からさらに上側に突出する雄ネジ部１３１を有する。制御回路基板２は、挿通孔２０に突出段部３０１及び雄ネジ部１３１を挿通しており、突出段部３０１の一部が挿通孔２０に配されている。突出段部３０１と挿通孔２０の内壁面２２との間に隙間１０が形成されている。すなわち、挿通孔２０は、突出段部３０１の直径よりも大きい。

基板固定部３１の雄ネジ部１３１に、ナット４０が螺合されている。ナット４０は、下端面の一部が、突出段部３０１の上端面である圧接面３１２に当接している。また、ナット４０の下端面のうち、突出段部３０１と当接する部分の外周側の部分が、支承面３１３との間に制御回路基板２及び弾性部材５を挟持する挟持部４１となっている。

次に、本例の弾性固定部１００の組み付け工程の一例について説明する。
各基板固定部３１に各被固定部２１が配されるように、制御回路基板２を基板支持部材３の上に載置する。このとき、制御回路基板２の挿通孔２０に、突出段部３０１及び雄ネジ部１３１を挿通させることにより、基板支持部材３に対する制御回路基板２の、上下方向に直交する方向における位置決めがなされる。そして、制御回路基板２の被固定部２１に、弾性部材５を載置する。

そして、ナット４０を基板固定部３１の被固定部２１に螺合させ、弾性部材５に当接させる。そこから、さらにナット４０を締めることで、弾性部材５を上下方向に弾性変形させる。そして、ナット４０の先端面を、基板固定部３１の突出段部３０１の圧接面３１２に圧接させることにより、ナット４０の締結方向における位置決めがなされる。以上により、弾性固定部１００が組み付けられる。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
本例においても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

なお、上記実施例１、２における断面図は、あくまでも説明図であり、図に表れる各部品の大きさ、及びそれらの位置関係を特に限定するものではない。

１電力変換装置
１０隙間
２制御回路基板
２０挿通孔
２１被固定部
２２内壁面
３基板支持部材
３１基板固定部
３１１被締結部
３１２圧接面
３１３支承面
４締結部材
４１挟持部
５弾性部材

Claims

電力変換回路を制御する制御回路基板（２）と、該制御回路基板（２）を支持する基板支持部材（３）とを有する電力変換装置（１）であって、
上記制御回路基板（２）は、上記基板支持部材（３）に固定される被固定部（２１）を複数箇所に有し、
複数の上記被固定部（２１）のうちの少なくとも１つは、上記基板支持部材（３）に形成された金属製の基板固定部（３１）と、該基板固定部（３１）に螺合する金属製の締結部材（４）と、該締結部材（４）と上記制御回路基板（２）との間に介設された弾性部材（５）とから構成される弾性固定部（１００）によって、上記基板支持部材（３）に固定されており、
上記基板固定部（３１）は、上記締結部材（４）と螺合する被締結部（３１１）と、該被締結部（３１１）の周囲に設けられて締結方向において上記締結部材（４）と圧接する圧接面（３１２）と、該圧接面（３１２）の周囲に設けられて上記制御回路基板（２）を支承する支承面（３１３）とを有し、
上記締結部材（４）は、上記支承面（３１３）との間に上記制御回路基板（２）及び上記弾性部材（５）を挟持する挟持部（４１）を有し、
上記制御回路基板（２）に設けられた挿通孔（２０）に、上記締結部材（４）の一部又は上記被締結部（３１１）の一部が挿通されており、
上記挿通孔（２０）の内壁面（２２）と、上記挿通孔（２０）に挿通された上記締結部材（４）又は上記被締結部（３１１）との間には、隙間（１０）が形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
上記締結部材（４）は、雌ネジからなる上記被締結部（３１１）に螺合する雄ネジ部（４２）と、該雄ネジ部（４２）の軸方向基端部の周囲に設けられた中径部（４３）と、該中径部（４３）の軸方向基端部の周囲に設けられた大径部（４４）とを有し、上記中径部（４３）の先端面が上記圧接面（３１２）に当接し、上記大径部（４４）が、上記挟持部（４１）を構成していることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。