JP2017073445A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御基板を容易に支えることができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】パワー部３０と制御部３１とを備える。パワー部３０は、絶縁基板３３と、絶縁基板３３の表面に接合された金属板３４と、絶縁基板３３の裏面に接合された応力緩和層３７と、応力緩和層３７に接合された金属ベース板３８と、金属板のパッド３４ａに実装されたパワー素子３６と、を有する。制御部３１は、金属板３４に重ねられて接合される端子部３９ａを備えた制御基板３９と、金属板３４に重ならない制御基板３９のパターンに実装された磁性部品４０と、を有する。金属板３４に重ならない制御基板３９の下面における縁部から金属ベース板３８の側面にかけての空間を所定の厚みの樹脂４１が覆っている。
【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

特許文献１に開示の電子回路の実装装置においては、図７に示すように、電子部品１００を実装した金属基板１０１と、電子部品１０２を実装した樹脂基板１０３とを有し、金属基板１０１を冷却フィン１０４に、ねじ１０５で固定している。また、冷却フィン１０４から樹脂基板１０３の下方に支持部１０６を延設し、支持部１０６からボス１０７を立設してボス１０７の上面において樹脂基板１０３を、ねじ１０８で固定している。

特開平５−２７５８２２号公報

ところが、このような構成を採用した場合においては放熱が不要な制御基板（樹脂基板１０３）を支えるために金属製の支持部１０６およびボス１０７が必要である。
本発明の目的は、制御基板を容易に支えることができる電力変換装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、パワー部と制御部とを備える電力変換装置において、前記パワー部は、絶縁基板と、前記絶縁基板の表面に接合された導体パターン層と、前記絶縁基板の裏面に接合された応力緩和層と、前記応力緩和層に接合された金属ベース板と、前記導体パターン層のパッドに実装されたパワー素子と、を有し、前記制御部は、前記導体パターン層に重ねられて接合される端子部を備えた制御基板と、前記導体パターン層に重ならない前記制御基板のパターンに実装された磁性部品と、を有し、前記導体パターン層に重ならない前記制御基板の下面における縁部から前記金属ベース板の側面にかけての空間を所定の厚みの樹脂が覆っていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、導体パターンに重ならない制御基板の下面における縁部から金属ベース板の側面にかけての空間を所定の厚みの樹脂が覆っているので、樹脂により制御基板は金属ベース板に支持され、制御基板を容易に支えることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の電力変換装置において、前記制御部の外形の一部は電動コンプレッサの基体の外形と同じ形状であり、前記制御部の外形の一部が前記基体の外形の内側になるように配置されることを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、基体の外側に突出しない。これにより電動コンプレッサ自体の小型化を図ることができるとともに意匠性を向上させることができる。
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の電力変換装置において、前記パワー部の外形の一部は電動コンプレッサの基体の外形と同じ形状であり、前記パワー部の外形の一部が前記基体の外形の内側になるように配置されることを要旨とする。

請求項３に記載の発明によれば、基体の外側に突出しない。これにより電動コンプレッサ自体の小型化を図ることができるとともに意匠性を向上させることができる。
請求項４に記載の発明では、請求項１に記載の電力変換装置において、前記パワー部の外形の一部および前記制御部の外形の一部は電動コンプレッサの基体の外形と同じ形状であり、前記パワー部の外形の一部および前記制御部の外形の一部が前記基体の外形の内側になるように配置されることを要旨とする。

請求項４に記載の発明によれば、基体の外側に突出しない。これにより電動コンプレッサ自体の小型化を図ることができるとともに意匠性を向上させることができる。

本発明によれば、制御基板を容易に支えることができる。

電動コンプレッサの一部を破断して示す側面図。 インバータの平面図。 図２のＡ−Ａ線での縦断面図。 インバータの分解断面図。 別例のインバータの縦断面図。 別例のインバータの縦断面図。 背景技術を説明するための図。

以下、本発明を車載用の電動コンプレッサ用インバータに具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、電動コンプレッサ１０は、ハウジング１１を有している。ハウジング１１は、有底円筒状の第１ハウジング１２と、第１ハウジング１２の開口部に設けられる有蓋円筒状の第２ハウジング１３とを有している。ハウジング１１は、第１ハウジング１２と第２ハウジング１３とを連結することで構成されている。第１ハウジング１２には、第１ハウジング１２内に冷媒を流入させる流入口１４が第１ハウジング１２の径方向に貫通して設けられている。第１ハウジング１２には、冷媒を圧縮する圧縮部１５と、圧縮部１５を駆動するモータ１６とが収容されている。第１ハウジング１２の軸方向の外面１７（第１ハウジング１２の軸方向の端面）には、モータ１６を駆動させる電動コンプレッサ用インバータとしてのインバータ１８が設けられている。インバータ１８は、第１ハウジング１２の外面１７に設けられたカバー１９に覆われている。

電力変換装置としてのインバータ１８は、三相インバータであって、磁性部品（コイル類）、コンデンサ、抵抗、ＩＣ、インバータ回路等を備えている。インバータ回路は、複数のスイッチング素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）を有する。スイッチング素子により、各相の上下のアームを構成しており、スイッチング素子のスイッング動作により車載バッテリから供給される直流を適宜の周波数の３相交流に変換して負荷としてのモータ１６の各相の巻線に供給する。即ち、スイッチング素子のスイッチング動作により３相交流モータ１６の各相の巻線が通電されて３相交流モータ１６を駆動することができる。

図２および図３に示すように、インバータ１８は、パワー部３０と制御部３１とを備える。図２，３において、パワー部３０が左側に位置し、制御部３１が右側に位置している。

パワー部３０は、絶縁基板３３と、絶縁基板３３の表面に接合された導体パターン層としての第１の金属板３４と、絶縁基板３３の裏面に接合された応力緩和層３７と、応力緩和層３７に接合された金属ベース板３８と、導体パターン層のパッドとしての第１の金属板３４のパッド３４ａに実装されたパワー素子３６と、を有する。詳しくは、パワー部３０は絶縁回路基板３２を有する。絶縁基板３３の一方の面である上面に第１の金属板（アルミ板）３４が接合されるとともに絶縁基板３３の他方の面である下面に第２の金属板（アルミ板）３５が接合されている。絶縁基板３３はセラミック基板よりなる。第１の金属板３４は、所望の形状にパターニングされている。金属板３４，３５が絶縁基板３３に加圧・接着されている。

第１の金属板３４によるパターンにはパワー素子（半導体素子）３６がはんだ付けされることにより第１の金属板３４にパワー素子３６が実装されている。パワー素子３６は、インバータ回路における各相の上下のアームを構成するスイッチング素子としてのＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等である。

第２の金属板３５の下面に平板状の応力緩和層３７の上面が、ろう付けにより接合されている。応力緩和層３７はアルミ板よりなり、厚さ方向に貫通する貫通孔３７ａが多数形成されている。

パワー部３０は、応力緩和層３７が接合される金属ベース板３８を有する。金属ベース板３８は、アルミダイカスト成型されている。金属ベース板３８の一方の面である上面３８ａが平坦面となっている。また、金属ベース板３８の他方の面である下面３８ｂは平坦面となっている。

金属ベース板３８の上面３８ａと絶縁基板３３とが対向している。金属ベース板３８の上面３８ａに応力緩和層３７が、ろう付けにて接合されている。
金属ベース板３８の平坦な下面３８ｂが第１ハウジング１２の外面１７と面接触している。金属ベース板３８は、パワー素子３６のヒートシンクとして機能するとともに絶縁回路基板３２および制御基板３９の固定台として機能する。

制御部３１は、第１の金属板（導体パターン層）に重ねられて接合される端子部３９ａを備えた制御基板３９と、第１の金属板（導体パターン層）３４に重ならない制御基板３９のパターンに実装された磁性部品４０と、を有する。

制御基板３９は、両面基板であって、絶縁基板の両面に導電性の配線パターンが形成されている。制御基板３９として、例えばプリント配線板が用いられる。制御基板３９は、第１の金属板３４による導体パターンに電気的に接続される。具体的には、パワー部３０の第１の金属板３４と制御基板３９とは、一部が重なる状態で積層して配置されている。図４に示すように、第１の金属板３４には上方に突出する電極（導体部）４２が形成されている。電極４２は制御部３１とパワー部（駆動部）３０を繋ぐ配線として用いられる。一方、制御基板３９には貫通孔４３が形成されている。そして、電極４２を貫通孔４３に挿入した後に、はんだ付けにより第１の金属板３４と制御基板３９とが電気的に接続されている。

また、制御基板３９の上面には磁性部品４０が実装されている。磁性部品４０はコイル類であり、コイル類は銅の巻線やコアを含むので重い部品である。さらに、制御基板３９の上面および下面には磁性部品４０以外にも、ＩＣ（チップ）、コンデンサ、抵抗等が実装されている。

絶縁回路基板３２の上に制御部３１の制御基板３９が配置され、かつ、絶縁回路基板３２の右端部と制御基板３９の左端部が重なるように配置されている。絶縁回路基板３２の第１の金属板３４と制御部３１の制御基板３９とは電気的に接続される。パワー部３０（絶縁回路基板３２）は高放熱部であり、制御部３１（制御基板３９）は放熱不要部である。

図３に示すように、パワー部３０および制御部３１は樹脂４１で封止（モールド）されている。即ち、パワー部３０と制御部３１とは樹脂モールドにより一体形成されている。詳しくは、金属ベース板３８の下面３８ｂを除く金属ベース板３８の周囲、応力緩和層３７の周囲、第１の金属板３４および第２の金属板３５の周囲、絶縁基板３３の周囲、パワー素子３６の周囲、制御基板３９の下側を含む制御基板３９の周囲、磁性部品４０の周囲が、樹脂４１で覆われている。

このとき、少なくとも、制御基板３９の下側から金属ベース板３８の側面にかけての部位が樹脂４１で封止されている。つまり、制御部３１における制御基板３９の下側から金属ベース板３８の側面にかけての部位が樹脂４１で成形されていることにより、制御基板３９は金属ベース板３８に支持されている。

このように、導体パターン層としての第１の金属板３４に重ならない制御基板３９の下面における縁部から金属ベース板３８の側面にかけての空間を所定の厚みの樹脂４１が覆っている。

図２に示すように、制御部３１の右側の外形３１ａの形状として円弧形状をなしている。一方、これに対向するカバー１９の形状、即ち、電動コンプレッサの基体としてのカバー１９の外形１９ａの形状として円形をなしている。よって、制御部３１の右側の外形３１ａの形状とカバー１９の外形１９ａの形状とが同じ形状である。また、制御部３１の右側の外形３１ａはカバー１９の内側になるように配置されている。

このようにして、制御部３１の外形の一部（３１ａ）は電動コンプレッサの基体としてのカバー１９の外形１９ａと同じ形状であり、制御部３１の外形の一部（３１ａ）が基体としてのカバー１９の外形１９ａの内側になるように配置されている。

なお、図２に示すように、パワー部３０の左側の外形３０ａの形状として直線形状をなしている。
次に、作用について説明する。

製造の際には、図４に示すように、パワー部３０における金属ベース板（アルミベース板）３８、応力緩和層３７、絶縁回路基板３２の第２の金属板３５を、ろう付けで接合する。このとき、絶縁回路基板３２の第１の金属板３４にはパワー素子３６が、はんだ付けされている。

そして、磁性部品４０を実装した制御基板３９を、絶縁回路基板３２の第１の金属板３４の上に配置する。このとき、第１の金属板３４の電極４２を制御基板３９の貫通孔４３に挿入するとともに、電極４２と制御基板３９とを、はんだ付けして第１の金属板３４と制御基板３９とを電気的に接続する。

さらに、図３に示すように、パワー部３０および制御部３１を樹脂４１でモールドする。モールドしたインバータ１８を、金属ベース板３８の下面（平坦面）３８ｂが第１ハウジング１２の外面１７と面接触するように組み付ける。そして、カバー１９を装着する。

このようにして組み立てられたインバータ１８においては、熱サイクルが加わる環境において使用される。
金属ベース板３８がアルミであると、アルミの線膨張係数が２０ｐｐｍ／℃程度であるのに対し、絶縁基板３３がセラミックであると数ｐｐｍ／℃であり、膨張の度合いの違いにより金属ベース板３８と絶縁基板３３との間の界面には応力が加わる。即ち、アルミに比べてセラミックは伸びにくいので界面に応力が加わりやすく、クラック等の発生原因になり得る。ここで、応力緩和層３７により金属ベース板３８と絶縁基板３３との間の応力が緩和される。

また、高放熱部であるパワー部３０において、放熱グリスを介さないで金属ベース板３８に放熱できるので放熱効率が高い。
さらに、パワー部３０と制御部３１とが樹脂４１で封止されている。ここで、制御基板３９の下側から金属ベース板３８の側面にかけての部位に配した樹脂４１により制御部３１の制御基板３９は金属ベース板３８に支持されている。つまり、図７の支持部１０６およびボス１０７に代わり放熱が不要な制御部３１の制御基板３９を支えるために樹脂４１が用いられている。よって、図７で示した支持部１０６、ボス１０７が不要になり、これにより小型化が図られる。

特に、放熱不要部である制御部３１において、コイル類などの磁性部品４０は銅製の巻線部やコアがあるので重い部品であり、この重い部品が制御基板３９に実装される。しかし、樹脂４１によって、制御部３１の制御基板３９を金属ベース板３８に確実に固定することができ、信頼性が高い。

さらには、図７の場合においてはボス１０７があり高さ方向に大型化を招くとともに、ねじ１０５，１０８で固定していたので、ねじ１０５，１０８が必要であり、しかも２枚の基板１０１，１０３が離れて配置されているので大型化を招く。また、高価な絶縁回路基板のみを用いてパワー素子および磁性部品を実装するとともに絶縁回路基板の下の全体に金属ベース板を設けると、コストが高いものになってしまう。

これに対し、本実施形態では、同一平面方向にパワー部３０の絶縁回路基板３２と制御部３１の基板３９を配置することにより高さ方向での大型化を招くことなくインバータを構成することができる。つまり、２枚の基板を高さ方向にずらして立体配置するのではなく横置きにすることにより高さを低くできる。また、絶縁回路基板３２にパワー素子３６を実装するとともに制御基板（プリント配線板）３９に磁性部品４０を実装して絶縁回路基板３２の下のみに金属ベース板３８を設け、制御基板３９を封止樹脂４１で支える構成とした。よって、安価なプリント基板を用いること、および、小型の金属ベース板を用いることにより、コストダウンおよび小型化が図られる。さらに、図７においては金属基板１０１を冷却フィン１０４に、ねじ１０５で固定する必要があったが、本実施形態では、金属ベース板（アルミベース板）３８、応力緩和層３７、絶縁回路基板３２を、ろう付けで接合することにより、ねじ止め工程を不要にできる。また、ねじが不要となることにより小型化が図られる。同様に、図７においては樹脂基板１０３をボス１０７に、ねじ１０８で固定する必要があったが、本実施形態では、樹脂４１でモールドすることにより、ねじ止め工程を不要にできる。また、ねじが不要となることにより小型化が図られる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電力変換装置としてのインバータ１８の構成として、パワー部３０と制御部３１とを備えるインバータ１８である。パワー部３０は、絶縁基板３３と、絶縁基板３３の表面に接合された導体パターン層としての第１の金属板３４と、絶縁基板３３の裏面に接合された応力緩和層３７と、応力緩和層３７に接合された金属ベース板３８と、導体パターン層のパッドとしての第１の金属板３４のパッド３４ａに実装されたパワー素子３６と、を有する。制御部３１は、導体パターン層としての第１の金属板３４に重ねられて接合される端子部３９ａを備えた制御基板３９と、導体パターン層としての第１の金属板３４に重ならない制御基板３９のパターンに実装された磁性部品４０と、を有する。導体パターン層としての第１の金属板３４に重ならない制御基板３９の下面における縁部から金属ベース板３８の側面にかけての空間を所定の厚みの樹脂４１が覆っている。よって、樹脂４１により制御基板３９は金属ベース板３８に支持され、制御基板３９を容易に支えることができる。また、図７の金属製の支持部１０６およびボス１０７が不要になり、小型化を図ることが可能となる。

また、導体パターン層としての第１の金属板３４と制御基板３９とは、一部が重なる状態で積層して配置されている。これにより、小型化を図ることができる。
つまり、限られた空間に２枚の基板を配置する場合、２枚の基板を高さ方向にずらして立体配置すると高さ方向において大きくなってしまい、また、２枚の基板を同一平面方向に並べて配置すると高さ方向には大きくならないが横方向には大きくなる。これに対し本実施形態では、重ねることにより横方向に小さくでき、かつ、制御基板３９の裏面に部品を実装でき、小型化することができる。

（２）制御部３１の外形の一部（３１ａ）は電動コンプレッサの基体としてのカバー１９の外形１９ａと同じ形状であり、制御部３１の外形の一部（３１ａ）が基体としてのカバー１９の外形１９ａの内側になるように配置されている。よって、基体としてのカバー１９の外側に突出しない。これにより電動コンプレッサ自体の小型化を図ることができるとともに意匠性を向上させることができる。

（３）図７に示した構成とした場合には、金属基板１０１と冷却フィン１０４との間には通常放熱グリスが設けられ、放熱グリスは熱伝導性が悪く、冷却効率が悪い。これに対し本実施形態では、放熱性をよくするために放熱グリス（シリコーングリス等）を用いない。しかし、当該部位には応力が加わりやすい。そこで、高放熱部における金属ベース板（アルミベース板）３８に対して応力緩和層３７を介して絶縁回路基板３２を、ろう付けで接合している。これにより、高放熱部において、放熱グリスを介さないで金属ベース板３８に放熱でき、放熱効率が高いとともに応力に起因したクラックが発生することもない。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図３に代わり図５に示すように構成してもよい。つまり、図５においては、制御基板３９の下側から金属ベース板３８の側面にかけての部位のみが樹脂４１で封止されている。

要は、制御部３１は、少なくとも、制御基板３９の下側から金属ベース板３８の側面にかけての部位が樹脂４１で封止されていればよく、樹脂４１により制御基板３９を金属ベース板３８に支持した構成となっていればよい。

・図２に代わり図６に示すように構成してもよい。図６に示すように、制御部３１の右側の外形３１ｂの形状として直線形状をなしている。また、パワー部３０の左側の外形３０ｂの形状として円弧形状をなしている。一方、これに対向するカバー１９の形状、即ち、電動コンプレッサの基体としてのカバー１９の外形１９ｂの形状として円弧形状をなしている。よって、パワー部３０の左側の外形３０ｂの形状とカバー１９の外形１９ｂの形状とが同じ形状である。また、パワー部３０の左側の外形３０ｂはカバー１９の内側になるように配置されている。

このようにして、パワー部３０の外形の一部（３０ｂ）は電動コンプレッサの基体としてのカバー１９の外形１９ｂと同じ形状であり、パワー部３０の外形の一部（３０ｂ）が基体としてのカバー１９の外形１９ｂの内側になるように配置されている。よって、基体としてのカバー１９の外側に突出しない。これにより電動コンプレッサ自体の小型化を図ることができるとともに意匠性を向上させることができる。

なお、パワー部３０の外形の一部および制御部３１の外形の一部は電動コンプレッサの基体としてのカバー１９の外形と同じ形状であり、パワー部３０の外形の一部および制御部３１の外形の一部が基体としてのカバー１９の外形の内側になるように配置してもよい。よって、カバー１９の外側に突出しない。これにより電動コンプレッサ自体の小型化を図ることができるとともに意匠性を向上させることができる。

・絶縁回路基板３２での絶縁基板３３に形成する金属板３４，３５として、アルミ板に代わり例えば銅板であってもよい。
・絶縁回路基板３２の裏面の金属板３５はなくてもよい。即ち、絶縁回路基板３２を用いて絶縁基板３３の一方の面（上面）に第１の金属板３４が接合されているとともに絶縁基板３３の他方の面（下面）に第２の金属板３５が形成されていたが、絶縁基板３３の他方の面（下面）の第２の金属板３５は無くてもよい。

・第１の金属板３４に代わり、薄膜導体で構成してもよい。他にも、印刷による厚膜導体で構成してもよい。
・応力緩和層３７に貫通孔３７ａを形成したが、これに限るものではない。つまり、応力緩和部材として純度が高いアルミ板を用いることにより応力を緩和するようにしてもよい。

１８…インバータ、１９…カバー、１９ａ…外形、１９ｂ…外形、３０…パワー部、３０ｂ…外形、３１…制御部、３１ａ…外形、３３…絶縁基板、３４…第１の金属板、３４ａ…パッド、３６…パワー素子、３７…応力緩和層、３８…金属ベース板、３９…制御基板、３９ａ…端子部、４０…磁性部品、４１…樹脂。

Claims (4)

1. パワー部と制御部とを備える電力変換装置において、
   前記パワー部は、
   絶縁基板と、
   前記絶縁基板の表面に接合された導体パターン層と、
   前記絶縁基板の裏面に接合された応力緩和層と、
   前記応力緩和層に接合された金属ベース板と、
   前記導体パターン層のパッドに実装されたパワー素子と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記導体パターン層に重ねられて接合される端子部を備えた制御基板と、
   前記導体パターン層に重ならない前記制御基板のパターンに実装された磁性部品と、
   を有し、
   前記導体パターン層に重ならない前記制御基板の下面における縁部から前記金属ベース板の側面にかけての空間を所定の厚みの樹脂が覆っていることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部の外形の一部は電動コンプレッサの基体の外形と同じ形状であり、前記制御部の外形の一部が前記基体の外形の内側になるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記パワー部の外形の一部は電動コンプレッサの基体の外形と同じ形状であり、前記パワー部の外形の一部が前記基体の外形の内側になるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記パワー部の外形の一部および前記制御部の外形の一部は電動コンプレッサの基体の外形と同じ形状であり、前記パワー部の外形の一部および前記制御部の外形の一部が前記基体の外形の内側になるように配置されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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