JP2017028747A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
耐振動性の改善と、生産性の向上を両立した電力変換装置を提供することである。
【解決手段】
コンデンサセルと、前記コンデンサセルを収納するケースと、前記コンデンサセルと接続され直流電力を伝達する導体板と、前記コンデンサセルと前記導体板とを接続するリードと、を備えた電力変換装置であって、前記リード５６０は、当該リード５６０にかかる応力を緩和するための低剛性構造を有し、前記ケース５９０は、前記リード５６０を保持するためのリード保持部材５８０を有する電力変換装置。
【選択図】 図５

Description

本発明は直流電力を交流電力に変換しあるいは交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関し、特に車両に搭載されるのに適する電力変換装置に関する。

ハイブリッド自動車又は電気自動車の市場拡大と共に、これらに用いられる電力変換装置を含めた車両部品の生産性向上が求められている。そこで、電力変換装置の部品を簡素化することによりコスト低減や組立性の改善について技術開発が行われている。部品の簡素化における重要課題として、固定方法改善と応力緩和が挙げられ、市場では従来と同等以上の性能が求められている。特許文献１では、振動や温度変化による変位応力を抑制するため、封止材によりコンデンサ電極端子と導体板の接続部を固定し、剛性を高める方法を提示している。

しかしながら、市場における電力変換装置への低コスト高品質の要求は、コンデンサ電極接続部の形状、固定方法、製造コストにおいてさらなる改善、簡素化を必要としている。

特開２０１０−６３３５５号公報

本発明の課題は、耐振動性の改善と、生産性の向上を両立した電力変換装置を提供することである。

本発明に係る電力変換装置は、コンデンサセルと、前記コンデンサセルを収納するケースと、前記コンデンサセルと接続される導体板と、前記コンデンサセルと前記導体板とを接続するリードと、を備え、前記リードは、当該リードにかかる応力を緩和するための低合成構造を有し、前記ケースは、前記リードを保持するための保持部材を有することを特徴とする。

本発明により、電気接続部に発生する応力が緩和され、電気接続部の振動による損傷の回避が可能となり、電力変換装置の耐振動性及び耐温度変化の性能が改善される。

電力変換装置２００の全体構成を構成要素に分解した斜視図である。 導体板アセンブリ８００を構成要素に分解した斜視図である。 コンデンサモジュール５００の外観斜視図である。 コンデンサモジュール５００を構成要素に分解した斜視図である。 リードバンド５８０の装着状態を示す拡大斜視図である。 リードバンド５８０の外観斜視図である。 リード５６０と導体板８００の接合部を示す斜視図である。 コンデンサセル収納部品５０２と保持部材５９０の構成を示す斜視図である。 コンデンサセル５１４の保持部材５９０への装着状態を示した斜視図である。 ケース２２０にコンデンサセル５１４を収納した実施例に係る斜視図である。 図１０のコンデンサモジュール５００を構成要素に分解した斜視図である。 コンデンサモジュール５００の別の構成例を示す斜視図である。 セル１個毎に外装に収納されたコンデンサセル５１４の斜視図である。 パワー半導体モジュール３００の形状を示す斜視図である。 リード５６０の別の形状例を示した斜視図である。 リード５６０の別の形状例を示した斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る電力変換装置２００は、主にハイブリッド自動車や電気自動車に用いられるものである。その車両システムの一例は、特開２０１０−６３３５５号公報に記載されている。なお、本実施形態に係る電力変換装置２００は、その効果を達成するために他の用途に用いられてもよい。例えば生産性向上や冷却性能向上を目的とした冷蔵庫やエアコンの家電用インバータに用いられてもよい。また使用環境が車両用インバータと類似した産業機器用インバータに用いられてもよい。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置２００の全体構成を説明するために構成要素に分解した斜視図である。電力変換装置２００は、回路基板２０、金属製ベース板１１、導体板アセンブリ８００、パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃ、コンデンサモジュール５００を備える。これらの部材は、例えばネジ締めなどの手法によりケース２２０に取付られる。

パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃは、直流電力を交流電力に変換する。コンデンサモジュール５００は、直流電力を平滑化する。回路基板２０は、パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃを駆動する駆動信号を出力する駆動回路部を搭載する。また、回路基板２０は、駆動回路にパワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃを制御するための制御信号を出力する制御回路部を搭載する。これらの回路システムの一例は、特開２０１０−６３３５５号公報に記載されている。

ケース２２０は、パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃや、コンデンサモジュール５００を冷却するための冷媒を流す流路形成体を形成する。

導体板アセンブリ８００は、コンデンサモジュール５００からパワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃへ直流電力を伝達する。パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃで交流に変換された電力は、交流端子８０４ａ乃至８０４ｃから出力される。

本実施形態の電力変換装置２００は、コンデンサモジュールに接続され直流電力を伝達する導体板（導体板アセンブリ８００）がコンデンサモジュール５００とは分離された状態で構成されている。このように、バスバーアセンブリ８００とコンデンサモジュール５００との間に空気層を設けることで、コンデンサモジュールの受熱の主要因である直流側導体板の発熱を、コンデンサモジュール５００へ伝わりにくい構造としている。

コンデンサモジュール５００内に設けられるコンデンサセル５１４（図４参照）の保証温度は、電力変換装置２００に搭載されるその他の部品に比べて低い。コンデンサセル５１４（図４参照）の温度が保証温度以上になった場合、コンデンサセル５１４（図４参照）の寿命が急激に減少し、平滑用コンデンサとしての機能を満足しない。そのため、コンデンサモジュール５００の冷却性能向上は重要な課題である。本実施形態においては、コンデンサモジュール５００の下部には、流路を形成するケース２２０が配置され、その他の部品よりも保証温度の低いコンデンサモジュール５００に対する上下からのあおり熱の影響を抑えることができる。

導体板アッセンブリ８００と回路基板２０との間には、金属製のベース板１１が配置されており、コンデンサモジュール５００や直流側導体板からの強電ノイズが、回路基板２０に影響を与える事を防ぐ。また、回路基板２０に実装された電子部品の発熱を、金属ベース板１１を介してケース２２０に逃がす事により冷却性能とノイズの除去を行いながら必要最小限の金属板の量とする事が可能となる。

図２は、導体板アセンブリ８００を構成要素に分解した斜視図である。導体板アッセンブリ８００は、正極側導体板８０１ａと、負極側導体板８０１ｂと、第１保持部材８０２ａと、第２保持部材８０２ｂと、電流センサ８０３と、交流端子８０４ａ乃至８０４ｃと、絶縁部材８０５と、を備える。絶縁部材８０５は、正極側導体板８０１ａと負極側導体板８０１ｂの間に配置される。正極側導体板８０１ａは、絶縁部材８０５が配置される側の面が露出された状態で、第１保持部材８０２ａにより覆われている。負極側導体板８０１ｂは、絶縁部材８０５が配置される側の面が露出された状態で、第２保持部材８０２ｂにより覆われている。第１保持部材８０２ａ及び第２保持部材８０２ｂは、たとえば電気的に絶縁性を有する樹脂により形成される。交流端子８０４ａ乃至８０４ｃは、電流センサ８０３の貫通孔を通って配置される。

直流側導体板８０１ａ及び８０１ｂを覆う保持部材８０２ａ及びは、ケース２２０にボルト締結により固定される。直流側導体板８０１ａ及び８０１ｂを有する導体板アセンブリ８００の重量をケース２２０で支持することで、コンデンサモジュール５００と直流側導体板８０１ａ、８０１ｂの接続部や、パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃと直流側導体板８０１ａ、８０１ｂの接続部などに応力が集中することを抑制し、信頼性を向上させている。接合部には、例えば溶接などの工法を用い、小型化や部品点数の削減が可能となる。

導体板アセンブリ８００を構成する交流端子８０４ａ乃至８０４ｃは、パワー半導体モジュール３００ａ乃至３００ｃと電気的に接続される。パワー半導体モジュール３００は、図１４で後述されるように、パワーモジュール端子３９９を有する。パワーモジュール端子３９９は、交流端子８０４ａ乃至８０４ｃと接続される。

図３は、コンデンサモジュール５００の外観を示している。コンデンサモジュール５００は、一面に開口が形成されたコンデンサ収納部品５０２を有する。コンデンサ収納部品５０２は、後述されるコンデンサセル５１４が収納される収納空間が形成される。コンデンサ収納部品５０２の開口は、封止材５１１に覆われている。封止材５１１の表面からは、コンデンサセル５１４（図４参照）に接続されるリード５６０（図４参照）が突出し、リード突出部５６２を形成している。なお、図面の簡略化のために、コンデンサ収納部品５０２に形成されるケース２２０への取付部の形状は、図３では図示していない。

図４は、コンデンサモジュール５００を構成要素に分解した斜視図である。コンデンサモジュール５００は、コンデンサ収納部品５０２と、コンデンサセル５１４と、リード５６０と、リード保持部材５８０と、コンデンサセル保持部材５９０と、を有する。前述のように、コンデンサ収納部品５０２は、収納空間が形成され、当該収納空間に、コンデンサセル５１４と、リード５６０と、リードバンド５８０と、コンデンサセル保持部材５９０と、が収納された状態で封止材５１１によって封止される。

コンデンサセル５１４は、通常複数個用意される。本実施例で用いるコンデンサセル５１４は、略扁平形状をなしている。コンデンサセル５１４の一方の面と、前記一方の面とは反対側の他方の面において、コンデンサ電極が形成される。コンデンサ電極には、リード５６０が接合され、リード‐セル接合部５６１が形成される。リード‐セル接合部５６１は、例えば半田付けや溶接などの工法により形成される。

図５は、リード保持部材であるリードバンド５８０の装着状態を示す拡大斜視図である。コンデンサセル５１４に接合されるリード５６０は、低剛性の導電性材料により構成される。具体的に本実施例では、複数本のケーブル状部材により、リード５６０が構成される。ケーブル状部材を複数本用いてリード５６０を形成することにより、リード５６０の形状変化が容易となる。低剛性のリード５６０は、リード保持部材５８０によって、コンデンサセル保持部材５９０に形成されたバンド取付部５９２の近傍位置に掛止される。

このように、低剛性のリード５６０を用いることによって、導体板アセンブリ８００とコンデンサモジュール５００の相対変位によってリード接合部に発生する応力を緩和することができる。電力変換装置では、搭載される環境によって発生する振動や、温度変化に伴う部品材料の熱膨張係数差によって、部材間の相対変位が発生し得る。

図６は、リード保持部材５８０の外観斜視図である。リードバンド５８０は、バンド保持部５８２と、リード保持部５８４を有する。バンド保持部５８２は、リード保持部材であるリードバンド５８０を、コンデンサセル保持部材５９０に掛止するために形成される。リード保持部５８４は、リード５６０を保持するために形成される。本実施形態では、バンド保持部５８２及びリード保持部５８４は、貫通孔形状に形成される。貫通孔形状のバンド保持部５８２にコンデンサセル保持部材５９０のバンド取付部５９２を挿入することで、リードバンド５８０は、コンデンサセル保持部材５９０に掛止される。同様にリード５６０は、貫通孔形状のリード保持部５８４にリード５６０を挿入することで、リードバンド５８０に掛止される。なお、バンド保持部５８２及びリード保持部５８４の形状としては、図６に示されるような貫通孔形状に限られず、上述したそれぞれの部材の機能を達成できる形状であれば構わない。例えば、バンド保持部５８２をリードバンド５８０に凹部を形成することで構成しても良いし、リード保持部５８４をクリップ状に形成しても良い。

図７は、リード５６０と導体板８００の接合部を示す斜視図である。リード５６０は、導体板アセンブリ８００の対応する接合部と対向するように、リードバンド５８０のリード保持部５８４に保持される。これにより、リード５６０は、導体板アセンブリ８００との接合部となる先端位置に仮決めされる。リード５６０は、リードバンド５８０に仮決めされた位置において、例えば溶接、半田付け、または固定部品を用いた接続により、導体板アセンブリ８００との接合部であるリード‐導体板接合部５６４を形成する。

なお、リードバンド５８０は、剛性の低いリード５６０の先端部の位置を仮決めするために用いられる部材であるため、導体板アセンブリ８００との接続作業後は取り除いても構わない。例えば、リードバンド５８０は、リード保持部５８４と繋がる切れ目が形成されていて、リード５６０から取り外し可能な形状とすればよい。

このように、コンデンサセル５１４を収納するケース（本実施例では、コンデンサ収納部品５０２及びコンデンサセル保持部材５９０）に、低剛性のリード５６０を保持するためのリード保持部材（リードバンド５８０）を設けることで、導体板アセンブリ８００との接続作業を容易にすることができる。

本実施例のように、リード５６０としてケーブル状部材を用いる場合、ケーブルの長さは、リード‐セル接合部５６１とリード‐導体板接合部５６４を最短距離で繋ぐ長さに加えて、コンデンサモジュール５００と導体板アッセンブリ８００の最大相対変位差を足し合わせた長さよりも長くすることで、変位が生じたときにはリード５６０が変形して応力緩和の効果を発揮できる。

図８は、コンデンサセル保持部材５９０とコンデンサ収納部品５０２の組み付け配置を示す図である。コンデンサ収納部品５０２の収納空間を形成する底部には、位置決めピン５２１ａ及び５２１ｂが形成される。コンデンサセル保持部材５９０の底部には、コンデンサ収納部品５０２の位置決めピン５２１ａ及５２１ｂに対応して、位置決め穴５２２ａ及び５２２ｂが形成される。コンデンサセル保持部材５９０は、位置決めピン５２１ａ及び５２１ｂが位置決め穴５２２ａ及び５２２ｂに嵌合することにより、コンデンサ収納部品５０２に対して位置が決定される。

コンデンサモジュール５００は、図１に示す位置決めボス５９８ａ及びｂをケース２２０に挿入することにより位置が決定される。前述の通り、コンデンサセル５１４に接続されるリード５６０とコンデンサセル保持部材５９０とは、リードバンド５８０により位置決めがなされている。したがって、リード５６０の先端部は、電力変換装置の組立工程において、リード‐導体板接合部５６４を形成すべき位置のごく近傍に配置されるため、導体板アセンブリ８００との接続工程の位置調整が容易となる。

また、コンデンサセル保持部材５９０は、コンデンサ収納部品５０２と一体化して形成することも可能である。特許文献１では、封止材によりコンデンサ電極端子と導体板の接続部を固定する構造を用いているため、コンデンサセルと導体板を接合した後に封止材を充填して、封止材を硬化する工程を行う。コンデンサセルと導体板のアッセンブリは、コンデンサ収納部品と位置決めをなすための形状を持たず、封止材を硬化する工程において、導体板とコンデンサ収納部品をそれぞれ位置決めしながら固定するための治具を用いる必要がある。前記治具は、コンデンサ収納部品とインバータケースの位置決めを基準として、封止材が硬化する際の流動による部品移動を抑えて寸法の高精度化を図るため、コンデンサ収納部品及び導体板のそれぞれの形状全体を覆うように固定する大型の治具となっていた。前記治具は大型であるため、製造工程を流す際に、限られた硬化炉の収容に対して大きな容量が必要になることや、重量も大きいため取り扱いに時間が掛かることが原因で生産効率が低下していた。前記治具は、大型であるために製作費用も大きい。本発明では、前記治具を廃止することが可能となり、代用としてコンデンサセル保持部材５９０が必要な位置決めの機能を持つ。

図９は、コンデンサセル５１４をコンデンサセル保持部材５９０に取り付けた状態を示す図である。コンデンサセル５１４は、コンデンサセル保持部材５９０の一部であるコンデンサセル保持部５９４ａ及び５９４ｂにより、固定される。

図１０は、コンデンサセル５１４が直接、ケース２２０に収納されて封止材５１１により固定されている状態を示している。図面簡略化のために、ケース２２０はコンデンサセル収納部周辺の形状のみ図示している。

図１１は、図１０の部品展開図である。本実施形態においては、コンデンサ収納部品５０２の代用としてケース２２０を用いている。コンデンサセル保持部材５９０は、ケース２２０と別部品で形成してもよいし、または同一部品として一体に形成してもよい。

図１２は、図３のコンデンサモジュールとは異なり、コンデンサセルが個々に封止されたモジュールを組み立てた形態を示す図である。本実施形態のコンデンサモジュール５００は、図１３に示されるような、コンデンサモジュール外装５７２に収納され、封止材５１１で封止された単体コンデンサセルモジュール５７０を複数個用いる。単体コンデンサモジュール５７０は、ケース２２０に収納される。本実施形態においては、バンド取付部５９２は、ケース２２０の一部に形成されている。単体コンデンサモジュール５７０は、封止材５１１から突出したリード突出部５６２に装着されたリードバンド５８０をバンド取付部５９２に固定することで、リード５６０の先端部の位置決めを行う。

上述した実施形態に係るコンデンサモジュールによれば、コンデンサモジュールの樹脂封止工程において必要となる位置決め治具を廃止でき、コンデンサモジュール製造における生産性が向上するとともに、簡素化されたコンデンサモジュールのリード端子と、導体板の接続が容易となり電力変換装置の生産性が向上する。

図１４は、パワー半導体モジュール３００の形状を示す斜視図である。パワー半導体モジュール３００は、導体板アセンブリ８００の導体板と接続されるパワーモジュール端子３９９を有する。パワーモジュール端子３９９は、コンデンサモジュール５００のリード５６０と同様に、低剛性の部材で形成される。したがって、コンデンサモジュールと同様に、パワー半導体モジュール３００と導体板アセンブリ８００の相対変位によって生じる応力を緩和することができる。

図１５及び図１６は、リード５６０を低剛性構造に形成するためのその他の形状例を示す図である。図１５は、バネのように螺旋構造を持ち、螺旋部が伸び縮みにより変形することで、コンデンサモジュール５００と導体板アッセンブリ８００の相対変位により発生する応力を緩和する。図１６は、板状の形成体に曲げ部を１箇所または複数個所持ち、曲げ部の変形により同様の応力緩和を発揮する。

１１：金属製ベース板
２０：回路基板
２００：電力変換装置
２２０：ケース
３００：パワー半導体モジュール
３９９：パワーモジュール端子
４２０：パワー半導体モジュール収納部
５００：コンデンサモジュール
５０２：コンデンサ収納部品
５１１：封止材
５１４：コンデンサセル
５２１：位置決めピン
５２２：位置決め穴
５６０：リード
５６１：リード-セル接合部
５６２：リード突出部
５６４：リード-導体板接合部
５７０：単体コンデンサモジュール
５７２：コンデンサモジュール外装
５８０：リードバンド
５８２：バンド保持部
５８４：リード保持部
５９０：コンデンサセル保持部材
５９２：バンド取付部
５９４：コンデンサセル保持部
５９８：位置決めボス
８００：導体板アセンブリ
８０１:直流側導体板
８０２：絶縁部材
８０３：電流センサ
８０４：交流端子
８０５：絶縁部

Claims (6)

1. コンデンサセルと、
   前記コンデンサセルを収納するケースと、
   前記コンデンサセルと接続され直流電力を伝達する導体板と、
   前記コンデンサセルと前記導体板とを接続するリードと、を備え、
   前記リードは、当該リードにかかる応力を緩和するための低剛性構造を有し、
   前記ケースは、前記リードを保持するためのリード保持部材を有する電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記リードは、当該リードにかかる応力を緩和するための屈曲部が形成される電力変換装置。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置であって、
   前記リードは、前記導体板の配置方向に向かって延伸し、
   前記リードは、当該リードの延伸方向先端において、前記導体板と接続される接続部を形成し、
   前記リード保持部材は、前記リードの延伸方向から投影した場合に、当該リード保持部材の射影部が前記接続部の射影部と重なるように、配置される電力変換装置。
4. 請求項１ないし３に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   前記ケースは、前記コンデンサセルを保持するコンデンサセル保持部材を有する電力変換装置。
5. 請求項１ないし４に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   前記ケースは、前記導体板と嵌合される位置決め構造を有する電力変換装置。
6. 請求項１ないし５に記載のいずれかの電力変換装置であって、
   前記導体板は、正極導体と負極導体とを対向するように重なり合わせたラミネート構造を有する電力変換装置。