JP2017050486A - 電力制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本明細書は、コンデンサと半導体モジュールを接続するバスバに生じる応力を低減する電力制御装置を提供する。【解決手段】電力制御装置10は、平滑コンデンサ2と積層ユニット20と正極バスバ30を備える。平滑コンデンサ2は、X方向の両端の2か所と、X方向において正極バスバ30と重なる範囲内の1か所の合計3か所でケース12に固定されている。正極バスバ30は、積層ユニット20に積層されている複数の半導体モジュール21の夫々の端子25aと平滑コンデンサ2を電気的に接続する。正極バスバ30は、ベース板31と複数の枝部32で構成される。夫々の枝部32は、途中でYZ平面に平行になるように折り曲げられており、その折り曲げられた部分の縁であって折り曲げ線の端子25a側の端から続く縁が、枝部32の内側へ窪むように半径2.0mmの円弧をなしている。【選択図】図2

Description

本発明は、走行用のモータに駆動電力を供給する電力制御装置に関する。
走行用のモータに駆動電力を供給する電力制御装置は、電力変換用の半導体素子を収容した複数の半導体モジュールを備える。半導体素子は、典型的には、インバータ回路に用いられるスイッチング素子である。走行用のモータの駆動電力が流れる半導体モジュールは発熱量が大きい。複数の半導体モジュールを効果的に冷却する構造が例えば特許文献1に開示されている。特許文献1の電力制御装置(特許文献1では「電力変換装置」と称している)は、複数の半導体モジュールと複数の冷却器を積層した構造を採用している。以下では、説明の便宜上、複数の半導体モジュールと複数の冷却器を積層したデバイスを積層ユニットと称する。
一方、電力制御装置は、直流電源から供給される電力を平滑化するコンデンサを備えている。走行用のモータを駆動するための直流電源は出力電力が大きいため、コンデンサの体格も大きくなる。平滑用のコンデンサはインバータ回路の前段に挿入されるため、コンデンサとインバータ回路の複数の半導体素子が電気的に接続されることになる。すなわち、積層ユニットの複数の半導体モジュールとコンデンサが電気的に接続されることになる。
特許文献1に開示されている電力制御装置では、細長い形状を有するコンデンサは、その長手方向を積層ユニットの積層方向に一致させて、積層ユニットに隣接して配置されている。コンデンサはバスバによって、積層ユニットの中の複数の半導体モジュールの夫々と電気的に接続されている。なお、「バスバ」とは、大電力を低損失で伝送するための細長い金属板(あるいは金属棒)である。
以下では、説明の便宜上、コンデンサの長手方向をX方向とする直交XYZ座標系を定義する。直交XYZ座標系を用いると特許文献1の電力制御装置のコンデンサと積層ユニットとバスバの関係は次の通りである。積層ユニットは、半導体モジュールと冷却器の積層方向をX方向に一致させるとともに、Y方向でコンデンサに隣接している。複数の半導体モジュールの夫々から、Z方向に端子が延びている。コンデンサと各半導体モジュールの端子を接続するバスバは、ベース板と、複数の枝部を備えている。ベース板は、コンデンサから積層ユニットへ向けて延びており、XY平面に広がっている。複数の枝部は、ベース板の積層ユニット側の端から延びているとともにX方向に並んでいる。各枝部は、その途中でYZ平面に平行になるように折り曲げられている。そして、夫々の枝部の先端が対応する半導体モジュールの端子に接合されている。
特開2015−2592号公報
ところで、走行用のモータに駆動電力を供給する電力制御装置は車に搭載されるため、走行中に振動を受ける。さらに、例えば、電力制御装置はモータを収容するハウジングの上に支持されることがあるが、その場合、モータの振動も加わるため、電力制御装置は相当の振動を受けることになる。
一方、コンデンサと積層ユニットは夫々個別に電力制御装置のケースに固定されている。そして、コンデンサはその体格が大きいため、振動によって変形する。そうすると、コンデンサと積層ユニットを接続しているバスバに応力が集中し、バスバがダメージを受ける虞がある。本明細書は、コンデンサと積層ユニットとそれらを接続するバスバを備えた電力制御装置に関し、振動によってバスバに生じる応力を低減する技術を提供する。
本明細書が開示する電力制御装置の一態様は次の通りである。電力制御装置は、コンデンサと積層ユニットとバスバとそれらを収容するケースを備える。コンデンサは、細長い形状を有している。積層ユニットは、複数の半導体モジュールと複数の冷却器が積層されたデバイスである。X方向をコンデンサの長手方向に一致させた直交XYZ座標系を使うとコンデンサと積層ユニットとバスバの関係は次の通りである。積層ユニットは、半導体モジュールと冷却器の積層方向をX方向に一致させるとともに、Y方向でコンデンサに隣接するようにケースに固定されている。複数の半導体モジュールの夫々は、Z方向に延びている端子を備えている。バスバは、コンデンサから積層ユニットへ向けて延びており、XY平面に広がるベース板と、ベース板の積層ユニット側の端から延びているとともにX方向に並んでいる複数の枝部を備えている。夫々の枝部の先端は、対応する半導体モジュールの端子に接合されている。そして、本明細書が開示する電力制御装置は、バスバの振動対策として、次の構造的特徴を備える。コンデンサは、X方向の両端の2か所と、X方向においてバスバと重なる範囲内の1か所の合計3か所でケースに固定されている。そして、複数の枝部の夫々は、途中でYZ平面に平行になるように折り曲げられており、その折り曲げられた部分の縁であって折り曲げ線の半導体モジュール端子側の端から続く縁が、枝部の内側へ窪むように半径2.0mmの円弧をなしている。
本明細書が開示する電力制御装置は、まず、コンデンサを3点でケースに支持している。特に、X方向(コンデンサの長手方向)においてバスバと重なる範囲で1か所を支持することにより、バスバに影響を及ぼす箇所でコンデンサの振動を抑える。そして、バスバの枝部において、応力が集中する箇所、即ち、YZ平面に平行になるように折り曲げられた部分の半導体モジュール端子側の縁が、枝部の内側に窪むように半径2.0mmの円弧に形成されている。本明細書が開示する電力制御装置は、コンデンサの3点支持と、枝部の縁の半径2.0mmの円弧形状により、バスバに生じる応力を下げることに成功した。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
実施例の電力制御装置を含むハイブリッド車の前部エンジンコンパートメントの斜視図である。 電力制御装置の内部の部品レイアウトを示す平面図である。 図2におけるIII−III線に沿った断面図である。 積層ユニットとコンデンサの斜視図である。 バスバの斜視図である。 バスバの展開図である。 振動周波数とバスバの歪みの関係の一例を示すグラフである。
図面を参照して実施例の電力制御装置を説明する。実施例の電力制御装置10は、走行用のモータ92とエンジン98の双方を備えたハイブリッド車100に搭載されている。図1に、ハイブリッド車100のエンジンコンパートメント90におけるデバイスの配置を示す。図1は、エンジンコンパートメント90を斜め上方からみた斜視図である。ハイブリッド車100のエンジンコンパートメント90は、車両前部に位置する。なお、図中の座標系は、F軸が車両前方を示しており、V軸が車両上方を示しており、H軸は車幅方向(車両の側方)を示している。
エンジンコンパートメント90には、エンジン98、電力制御装置10、トランスアクスル91などが配置されている。エンジンコンパートメント90には他にも様々なデバイスが配置されているが、それらの説明は省略する。図1ではトランスアクスル91やエンジン98などは模式化して描いてある。
トランスアクスル91は、走行用のモータ92と、動力分配機構93とデファレンシャルギア94をまとめたデバイスである。動力分配機構93は、エンジン98の出力トルクとモータ92の出力トルクを合成/分配するギアセットである。動力分配機構93は、高トルクが要求されたときには、エンジン98の出力トルクとモータ92の出力トルクを合成してデファレンシャルギア94へ伝達する。また、動力分配機構93は、状況に応じて、エンジン98の出力トルクを分割してデファレンシャルギア94とモータ92へ伝達する。その場合、ハイブリッド車100は、エンジントルクで走行しながらモータ92で発電する。なお、トランスアクスル91は、走行用のモータ92を含んでいるので、その筐体はモータハウジングと呼んでもよい。
エンジン98とトランスアクスル91は、車幅方向で隣り合うように連結されている。エンジン98とトランスアクスル91は、車両の構造強度を担保する2本のサイドメンバ97に懸架されている。なお、図1では、一方のサイドメンバは見えていない。
電力制御装置10は、モータ92に駆動電力を供給するデバイスである。より詳しくは、電力制御装置10は、不図示の高電圧バッテリの電力を昇圧した後、交流に変換してモータ92へ供給する。また、電力制御装置10は、モータ92が発電した交流電力を直流電力に変換し、さらに降圧することもある。降圧された電力によって高電圧バッテリが充電される。
電力制御装置10は、トランスアクスル91の上面との間に隙間を有して支持される。電力制御装置10は、その前側がフロントブラケット96によって支持されており、後側がリアブラケット95によって支持されている。
電力制御装置10をトランスアクスル91の上方に配置するのは次の2つの利点を得るためである。一つは、電力制御装置10からモータ92へ電力を供給するパワーケーブルを短くできることである。もう一つは、前方衝突に対して電力制御装置10を保護するためである。トランスアクスル91は強度が高く、また体格が大きい。それゆえ、トランスアクスル91の上方の空間は、衝突に対して比較的に安全性が高い。
ただし、トランスアクスル91の上部に支持されているデバイスには、車両の走行振動に加え、トランスアクスル91に内蔵されているモータ92の振動と、トランスアクスル91と連結されているエンジン98の振動が加わる。電力制御装置10は、振動によってそのケースに収容された部品、特に、後述するバスバに生じる応力を低減する構造を有している。次に、その耐振動構造について説明する。
図2に、電力制御装置10の平面図を示す。図3に、図2のIII−III線に沿った断面図を示す。図2は、カバーを外した電力制御装置10の平面図であり、ケース12の内部に収容された部品のレイアウトが示されている。ケース12の中には、平滑コンデンサ2、積層ユニット20、リアクトル6、フィルタコンデンサ7などが収容されている。これらの部品のほか、積層ユニット20の下方には回路基板8が収容されている(図3参照)。ケース12の中には他の部品も収容されているが、それらの図示と説明は省略する。
平滑コンデンサ2は、電力制御装置10が備えるインバータ回路への入力電流を平滑化するために備えられている。なお、電力制御装置10は、インバータ回路の前段に昇圧回路を備えている。平滑コンデンサ2は、昇圧回路とインバータ回路の間に並列に接続されている。インバータ回路への入力電流(即ち、高電圧バッテリの出力電流)は数十アンペアに達するため、平滑コンデンサ2は、TTLレベルの論理回路に用いられるコンデンサなどと異なり、体格が大きい。平滑コンデンサ2は、細長い形状を有している。以下、説明の便宜上、平滑コンデンサ2の長手方向をX方向とする直交XYZ座標系を導入する。図2及び以降の図では、この、平滑コンデンサ2の長手方向をX方向とする直交XYZ座標系を描いてある。
平滑コンデンサ2に隣接して積層ユニット20が配置されている。積層ユニット20は、複数の半導体モジュール21と複数の冷却器22が1個ずつ交互に積層されているデバイスである。積層ユニット20は、半導体モジュール21と冷却器22の積層方向をX方向に一致させるとともに、Y方向で平滑コンデンサ2に隣接するようにケース12に固定されている。なお、図2、及び、以降の図では、複数の半導体モジュールのうち、一つのみに符号21を付し、他の半導体モジュールへは符号を省略した。冷却器22についても同様である。
各半導体モジュール21には2個のスイッチング素子(半導体素子)が収容されている。積層ユニット20は、ケース12に設けられた支持壁5と、2本の支持柱4の間に挿入されている。図示を省略しているが、支持柱4と積層ユニット20の間には板バネが挿入されており、その板バネにより、積層ユニット20はその積層方向に加圧されつつ、ケース12に支持される。積層方向の加圧によって半導体モジュール21と冷却器22の密着性が高まり、冷却性能が向上する。また、積層ユニット20の一端には冷媒供給管23と冷媒排出管24が接続されており、それら管の先端はケース12を貫通し、ケース12の外に開いている。冷媒供給管23から供給された冷媒は全ての冷却器22に分配される。冷媒は冷却器22の内部を通過する間に隣接する半導体モジュール21から熱を吸収する。冷却器22を通過した冷媒は、冷媒排出管24を通じて電力制御装置10の外へと排出される。積層ユニット20は、複数の半導体モジュール21と複数の冷却器22を一つずつ交互に積層する構造によって、各半導体モジュール21に収容されているスイッチング素子を効率よく冷却することができる。
各半導体モジュール21に収容されている2個のスイッチング素子は、半導体モジュール21の内部で直列に接続されている。スイッチング素子の直列接続の高電位側の端子25a、低電位側の端子25b、及び、中点の端子25cが、各半導体モジュール21の本体からZ方向に延びている。複数の半導体モジュール21が収容する複数のスイッチング素子のいくつかは昇圧回路に用いられ、残りのスイッチング素子はインバータ回路に用いられる。なお、図2に示すリアクトル6も、昇圧回路の一部品である。また、図2に示すフィルタコンデンサ7は、昇圧回路に入力される電流を平滑化するために備えられている。リアクトル6、フィルタコンデンサ7については、詳しい説明を省略する。また、半導体モジュール21の端子25cには、交流出力を外部へ伝達するためのバスバが接続されているが、そのバスバと、そのバスバの先端に接続されているコネクタ端子の図示は省略している。
先に述べたように、平滑コンデンサ2は、昇圧回路とインバータ回路の間に並列に接続される。従って、平滑コンデンサ2は、半導体モジュール21の多くと接続されることになる。正極バスバ30と負極バスバ40が、平滑コンデンサ2と複数の半導体モジュール21を電気的に接続している。正極バスバ30は、ベース板31と複数の枝部32で構成されている。正極バスバ30の構造については後に詳しく説明する。
なお、各半導体モジュール21は、端子25a、25b、25cとは反対側に制御端子27を備えており、その制御端子27が回路基板8と接続されている。制御端子27は、スイッチング素子のゲート電極につながっており、回路基板8は、スイッチング素子に与えるゲート信号を生成する。
平滑コンデンサ2は、長手方向(X方向)の両端にリブ2a、2bを備えているとともに、長手方向(X方向)の中間付近にもリブ2cを備えている。これらのリブ2a−2cは、平滑コンデンサ2をケース12に固定するボルト3a−3cを通す貫通孔を備えている。平滑コンデンサ2は、長手方向(X方向)の両端の2か所(図2におけるリブ2aと2b)と、X方向の中間付近の1か所(図2におけるリブ2c)の合計3か所でそれぞれボルト3a−3cによってケース12に固定されている。長手方向の中間のボルト3cは、長手方向(X方向)において正極バスバ30と重なる範囲内に位置している。即ち、平滑コンデンサ2は、X方向の両端の2か所と、X方向において正極バスバ30と重なる範囲内の1か所の合計3か所でケース12に固定されている。X方向において正極バスバ30と重なる範囲は、図2において符号Wが示す範囲である。
図3に示すように、平滑コンデンサ2は、コンデンサ素子41を樹脂のモールド体42で覆ったものである。正極バスバ30はモールド体42の内部でコンデンサ素子41の正極端41aに接続しており、負極バスバ40はモールド体42の内部でコンデンサ素子の負極端41bに接続している。
図4を参照して平滑コンデンサ2と積層ユニット20と正極バスバ30の関係を説明する。なお、図4は、電力制御装置10において、平滑コンデンサ2と積層ユニット20と正極バスバ30のみを取り出した斜視図である。なお、図4では、負極バスバ40の図示は省略した。さらに、図5に、平滑コンデンサ2から露出している部分の正極バスバ30の斜視図を示す。正極バスバ30は、一枚の金属板から形成されている。図6に、平滑コンデンサ2から露出している部分の正極バスバ30の展開図を示す。図4−図6では座標系の向きが異なることに留意されたい。先に述べたように、図2以降の図では、座標系のX方向が平滑コンデンサ2の長手方向を示している。
正極バスバ30は、説明の都合上、ベース板31と複数の枝部32に分けることができる。ベース板31は、平滑コンデンサ2から積層ユニット20へ向けて延びており、XY平面に広がっている板部材である。複数の枝部32は、ベース板31の積層ユニット20に近い端から延びている。複数の枝部32は、X方向に並んでいる。なお、図5と図6において符号31aが示す破線が、「ベース板31の積層ユニット20に近い側の端」を示している。複数の枝部32の夫々の先端32bが、対応する半導体モジュール21の端子25aに接合されている。図5では、夫々の半導体モジュール21から延びている端子25aを仮想線で描いてある。端子25aも平板状であり、その平坦面はX方向に向けられている。別言すれば、平板状の端子25aは、その平坦面がYZ面と平行になっている。複数の枝部32の夫々は、ベース板31に近い側ではXY平面に広がっており、途中でYZ平面に平行になるように半導体モジュール21から遠い側へ向けて折り曲げられている。その平坦面をYZ面に平行に向けている枝部32の先端32bが、端子25aの平坦面と接合される。図5と図6において、符号32aが示す線が折り曲げ線を示している。さらに、枝部32は、折り曲げられた部分の縁であって折り曲げ線32aの端子25a側の縁32cが、枝部32の内側へ窪むように円弧Rをなしている。図6に示すように、枝部32の縁32cは、半径2.0mmの円弧Rをなしている。
上記した電力制御装置10は、次の特徴を備えている。第一の特徴は、平滑コンデンサ2が、X方向の両端の2か所と、X方向において正極バスバ30と重なる範囲内の1か所の合計3か所でケース12に固定されていることである。第二の特徴は、正極バスバ30の次の構造である。正極バスバ30は、ベース板31と複数の枝部32を備えている。各枝部32は、ベース板31に近い側ではXY平面に広がっており、途中でYZ平面に平行になるように半導体モジュール21から遠い側へ向けて折り曲げられている。各枝部32は、折り曲げられた部分の縁であって折り曲げ線32aの端子25a側の縁32cが、枝部32の内側へ窪むように円弧Rをなしている。円弧Rの半径は2.0mmである。これらの特徴が、車両振動などによって正極バスバ30に生じる応力を低減する。第一の特徴によって、平滑コンデンサ2の振動が抑えられる。特に、長手方向(X方向)の中央付近であって長手方向(X方向)で正極バスバ30と重なる範囲でケース12に固定されている。長尺の平滑コンデンサ2がその両端のみで固定されている場合、平滑コンデンサ2の中央付近が振動の腹となる。その場合、正極バスバ30に振幅の大きい振動が加わることになる。これに対して実施例の電力制御装置10では、長手方向(X方向)の中央付近で固定されている箇所は振動の節となり、正極バスバ30に大きな振幅の振動を与えることがない。
また、第二の特徴、即ち、枝部32の縁32cに半径2.0mmの円弧Rを付すことによって、応力の集中が緩和される。
図7に、振動によって正極バスバ30に生じる歪みの試験結果の一例を示す。図7は、電力制御装置10を加振器で加振したときの試験結果である。横軸は加振周波数を示す。縦軸は、正極バスバ30の計測箇所に生じる歪みの計測値を示す。計測箇所は、図5において符号SPが示す箇所である。なお、試験に用いた正極バスバ30の厚みは0.8mmである。グラフG1が、計測結果を示している。グラフG2は、比較対象の電力制御装置の計測結果を示している。比較対象の電力制御装置は、平滑コンデンサ2を長手方向(X方向)の両端の2点のみでケース12に支持するとともに、正極バスバ30の縁32cの円弧Rの半径を0.5mmとしたデバイスである。比較対象の電力制御装置と比較して本実施例の電力制御装置10は、共振周波数が約420Hzから約480Hzに高くなり、歪み量のピーク値が1/4に低下した。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。負極バスバ40については説明を省略した。図2、図3に示すように、負極バスバ40が接続する端子25bと平滑コンデンサ2との間の距離が正極バスバ30の場合と比較して長いため、負極バスバ40に生じる応力は正極バスバ30の場合と比較して高くない。それゆえ、実施例の電力制御装置では、負極バスバ40の枝部の縁には半径2.0mmの円弧を設けなかった。もちろん、負極バスバ40の縁にも半径2.0mmの円弧を設けてもよい。
正極バスバ30は全ての半導体モジュールに接続されている必要はない。正極バスバ30は、積層ユニット20に積層されている複数の半導体モジュール21のいくつかに接続されていればよい。平滑コンデンサ2は、上記した3か所を含んでいれば、3か所以上で固定されていてもよい。
実施例の平滑コンデンサ2が請求項の「コンデンサ」の一例に相当する。実施例の正極バスバ30が請求項の「バスバ」の一例に相当する。半導体モジュール21の端子25aが請求項の「端子」の一例に相当する。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
2:平滑コンデンサ
2a−2c:リブ
6:リアクトル
7:フィルタコンデンサ
8:回路基板
10:電力制御装置
12:ケース
20:積層ユニット
21:半導体モジュール
22:冷却器
25a−25c:端子
30:正極バスバ
31:ベース板
32:枝部
32a:折り曲げ線
32b:先端
32c:縁
40:負極バスバ
41:コンデンサ素子
42:モールド体
90:エンジンコンパートメント
91:トランスアクスル
92:モータ
100:ハイブリッド車

Claims (1)

  1. 走行用のモータに駆動電力を供給する電力制御装置であり、
    細長い形状を有しているコンデンサと、
    複数の半導体モジュールと複数の冷却器が積層されている積層ユニットと、
    前記コンデンサと複数の前記半導体モジュールを電気的に接続するバスバと、
    前記コンデンサと前記積層ユニットと前記バスバを収容するケースと、
    を備えており、
    前記コンデンサの長手方向をX方向とする直交XYZ座標系を定義したときに、
    前記積層ユニットは、前記半導体モジュールと前記冷却器の積層方向をX方向に一致させるとともに、Y方向で前記コンデンサに隣接するように前記ケースに固定されており、
    複数の前記半導体モジュールの夫々は、Z方向に延びている端子を備えており、
    前記バスバは、前記コンデンサから前記積層ユニットへ向けて延びており、XY平面に広がるベース板と、当該ベース板の前記積層ユニット側の端から延びているとともにX方向に並んでいる複数の枝部であって、夫々の前記枝部の先端が対応する前記半導体モジュールの前記端子に接合されている複数の枝部と、
    を備えており、
    複数の前記枝部の夫々は、途中でYZ平面に平行になるように折り曲げられており、折り曲げられた部分の縁であって折り曲げ線の前記端子側の端から続く縁が、枝部の内側へ窪むように半径2.0mmの円弧をなしており、
    前記コンデンサは、前記X方向の両端の2か所と、前記X方向において前記バスバと重なる範囲内の1か所の合計3か所で前記ケースに固定されている、
    ことを特徴とする電力制御装置。
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