JP2017077140A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power converter.
電力の交流/直流間の変換、電圧の変換などを行う電力変換装置がハイブリッド車両に用いられている。特許文献1には、電力変換装置において、インバータ及び昇圧コンバータの複数の半導体モジュールの端子と、バスバーの端子とを接続することが記載されている。
A power conversion device that performs AC / DC conversion of power, voltage conversion, and the like is used in hybrid vehicles.
背景技術に係る電力変換装置では、複数の半導体モジュールの板状の端子を隣接して配置している。このため、これらの端子とバスバーの板状の端子とを接触させてレーザ光で溶接により接合するときに、バスバーの端子に対してレーザ光を斜め上方向から走査しながら照射する必要があった。 In the power converter according to the background art, plate-like terminals of a plurality of semiconductor modules are arranged adjacent to each other. For this reason, when these terminals and the bus bar plate-shaped terminals are brought into contact with each other and joined by welding with laser light, it is necessary to irradiate the bus bar terminals while scanning the laser light obliquely from above. .
そして、レーザ光の入射方向と端子表面の法線とがなす角度(以下、「レーザ入射角」という。)がバスバーの端子表面上の照射位置によって異なり、この照射位置によってレーザ光の反射率も異なるため、レーザ光の照射光量が一定である場合には照射位置によって端子間の未接合やレーザ光が端子を貫通するなどの接合不良が発生することが考えられた。 The angle formed between the incident direction of the laser beam and the normal of the terminal surface (hereinafter referred to as “laser incident angle”) differs depending on the irradiation position on the terminal surface of the bus bar, and the reflectance of the laser beam depends on the irradiation position. Because of the difference, it was considered that when the laser light irradiation amount is constant, bonding failure such as non-bonding between the terminals or laser light penetrating the terminal may occur depending on the irradiation position.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、接合のためのビームを半導体モジュール又はバスバーの端子の斜め方向から走査して照射した場合でも、これらの端子間の接合が安定した電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and even when a beam for bonding is scanned and irradiated from an oblique direction of a terminal of a semiconductor module or a bus bar, the bonding between these terminals is not performed. An object is to provide a stable power conversion device.
本発明に係る電力変換装置は、隣接して配置された複数の半導体モジュールと、当該複数の半導体モジュールの端子にそれぞれ接合された端子を有するバスバーとを備え、半導体モジュールの端子又はバスバーの端子は接合のためのビームが照射される面に凹凸部を有し、凹凸部表面の傾斜は、接合のためのビームのビーム源からの距離が大きくなるほど大きくなるように形成されているものである。 The power conversion device according to the present invention includes a plurality of semiconductor modules arranged adjacent to each other and a bus bar having terminals respectively joined to terminals of the plurality of semiconductor modules, and the terminals of the semiconductor module or the terminals of the bus bar are The surface irradiated with the beam for bonding has an uneven portion, and the inclination of the surface of the uneven portion is formed so as to increase as the distance from the beam source of the beam for bonding increases.
本発明により、接合のためのビームを半導体モジュール又はバスバーの端子の斜め方向から走査して照射した場合でも、これらの端子間の接合が安定した電力変換装置を提供することができる。 According to the present invention, even when a beam for bonding is scanned and irradiated from an oblique direction of a terminal of a semiconductor module or a bus bar, a power conversion device in which the bonding between these terminals is stable can be provided.
以下、図面を参照して各実施の形態に係る電力変換装置について説明する。
(実施の形態1)
本実施の形態1に係る電力変換装置は、バスバーの端子の表面におけるレーザ光を走査して照射する領域(以下、「レーザ照射領域」という。)に略三角波形状の凹凸部を設け、レーザ照射領域のどの部分においてもレーザ入射角が略0度になるようにし、レーザ光の照射光量が一定である場合に、レーザ照射領域の全領域においてレーサ光の反射光量が略一定になるようにして、端子間の安定した接合を得るようにしたものである。
Hereinafter, the power converter according to each embodiment will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
The power conversion device according to the first embodiment is provided with a substantially triangular wave-shaped uneven portion in a region (hereinafter referred to as “laser irradiation region”) that scans and irradiates a laser beam on the surface of a bus bar terminal. In any part of the region, the laser incident angle is set to approximately 0 degrees, and when the laser light irradiation amount is constant, the reflected light amount of the laser light is substantially constant in the entire laser irradiation region. A stable joint between the terminals is obtained.
本実施の形態1に係る電力変換装置は、インバータ又は昇圧コンバータを構成する複数の半導体モジュール、コンデンサ、複数の半導体モジュールとコンデンサとを電気的に接続するバスバーなど、背景技術に係る電力変換装置と概略同等の構成を備えており、本明細書では、本実施の形態1に係る電力変換装置の各構成の詳細についての図示及び説明を省略する。電力変換装置の各構成の詳細については、例えば、特許文献1を参考にされたい。
The power conversion device according to the first embodiment includes a power conversion device according to the background art such as a plurality of semiconductor modules, capacitors, and a bus bar that electrically connects the plurality of semiconductor modules and the capacitors constituting the inverter or boost converter. In the present specification, illustration and description of details of each component of the power conversion device according to the first embodiment are omitted. For details of each configuration of the power conversion device, refer to
図1は、本実施の形態1に係る電力変換装置1の端子11、21間の接合を説明するための図である。
電力変換装置1の筐体(ケース)40の中には複数の半導体モジュール(半導体カード)10が隣接して配置されており、また、半導体モジュール10の間には半導体モジュール10を冷却するための冷却器30がそれぞれ配置されている。すなわち、電力変換装置1の筐体40中には半導体モジュール10が冷却器30を介して多段に積層されている。
FIG. 1 is a diagram for explaining the connection between the
A plurality of semiconductor modules (semiconductor cards) 10 are disposed adjacent to each other in a case (case) 40 of the
そして、半導体モジュール10の板状のパワー端子(電極)11と、この端子11に通電するためのバスバー(図示せず)の板状の端子(電極)21とを溶接により接合するときには、端子11と端子21とを接触させ、固定レーザ光源(図示せず)が出力したレーザ光60をガルバノレンズのようなレーザ光レンズ61を介して端子21の斜め上方向から照射して端子21表面で走査する。
When the plate-like power terminal (electrode) 11 of the
図2は、本実施の形態1に係る電力変換装置1の端子11、21間の接合を説明するための別の図である。図1の楕円形の破線で囲んだ部分を中心に拡大した図である。バスバーの端子21の一部がハッチングで示されているが、これはレーザ照射領域22を分りやすくするためのものであり、この部分が別の部品や材料で構成されていることを意味するものではない。なお、半導体モジュール10の端子11及びバスバーの端子21は、銅、アルミ、鉄などで構成される。
FIG. 2 is another diagram for explaining the connection between the
図2からも明らかなように、仮にレーザ照射領域22の表面が平坦ならば、レーザ光60をレーザ照射領域22の上側部分(A部)で走査したときのレーザ入射角θは小さく、また、レーザ光60をレーザ照射領域22の下側部分(C部)で走査したときのレーザ入射角θは大きく、照射位置(A部〜C部)によりレーザ入射角θが大きく変化する。このため、レーザ光60の照射位置によってレーザ光60の反射率も大きく変化して、溶接による接合の安定性(均一性)が失われることがある。そこで、本実施の形態1に係るレーザ照射領域22は、次に説明する略三角波状の凹凸部を有して、レーザ入射角θができるだけ0度に近くなるように、すなわち、レーザ光60が端子21の表面に対してできるだけ垂直に入射するようにしている。
As apparent from FIG. 2, if the surface of the
図3は、本実施の形態1に係るレーザ照射領域22の断面形状を説明するための図である。図2のハッチング部分を拡大した図である。図3(a)はレーザ照射領域22の上側部分(すなわち、図2のA部)の断面を示し、図3(b)はレーザ照射領域22の中央部分(図2のB部)の断面を示し、図3(c)はレーザ照射領域22の下側部分(図2のC部)の断面を示す。
FIG. 3 is a diagram for explaining a cross-sectional shape of the
なお、本明細書では説明を分りやすくするために、仮にレーザ照射領域22に凹凸部がなく表面が平坦であった場合の、当該レーザ照射領域22を含むような平面を「仮想端子平面」と呼び、当該仮想端子平面の法線を「仮想端子法線」と呼ぶ。例えば、図3(a)中の一点鎖線aは仮想端子平面と平行な面の位置を示し、一点鎖線bは仮想端子法線の方向を示す。
In addition, in order to make the description easy to understand in this specification, a plane including the
図3(a)に示すように、レーザ照射領域22の上側部分では、凹凸部(微細構造部)23Aの表面は、単位面積当たりの凹凸数が少なく、仮想端子法線となす角度β1が大きく、仮想端子平面に対して傾斜が小さく形成されている。
また、図3(b)に示すように、レーザ照射領域22の中央部分では、凹凸部23Bの表面は、単位面積当たりの凹凸数が少し多く、仮想端子法線となす角度β2が角度β1よりも小さく、仮想端子平面に対して傾斜が少し大きく形成されている。
As shown in FIG. 3A, in the upper portion of the
As shown in FIG. 3B, in the central portion of the
更に、図3(c)に示すように、レーザ照射領域22の下側部分では、凹凸部23Cの表面は、単位面積当たりの凹凸数が多く、仮想端子法線となす角度β3が角度β2よりも更に小さく、仮想端子平面に対して傾斜が大きく形成されている。
このような凹凸部23の構成により、レーザ光60の入射方向と凹凸部23の表面とがなす角度α1〜α3はそれぞれ90度近くになり、レーザ入射角θ1〜θ3はそれぞれ0度に近くなる。
Further, as shown in FIG. 3C, in the lower portion of the
With such a configuration of the uneven portion 23, the angles α1 to α3 formed by the incident direction of the
なお、凹凸部23は、バスバーの端子21に機械加工、プレス加工、レーザ加工、エッチングなどの処理を行い、表面の凹凸の高低差が数μm〜数mm程度になるように成型されている。
The uneven portion 23 is formed such that the height difference of the unevenness on the surface is about several μm to several mm by performing processing such as machining, pressing, laser processing, etching, etc. on the
図4は、本実施の形態1に係るレーザ光60の照射位置と角度α、βとの関係を示す図である。
レーザ光60の照射位置が下側になる(A部→C部)に従って、レーザ光60の入射方向と仮想端子法線となす角度βを小さくして、レーザ光60の入射方向と凹凸部23表面とがなす角度αを90度近くに維持している。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the irradiation position of the
As the irradiation position of the
このように、レーザ照射領域22の上側から下側にかけて、凹凸部23表面を仮想端子平面に対して徐々に傾斜が大きくなるように形成することで、レーザ照射領域22内のどの位置においてもレーザ入射角θを略0度にして、レーザ反射率を略同等にし、端子11、21間の安定した接合を得ることができるようになる。
つまり、本実施の形態1に係る電力変換装置1は、レーザ照射領域22において、レーザ光60の反射を抑制でき、レーザ光60の仮想端子平面への入射角θが大きくなっても端子11、21間の接合が可能になり、半導体モジュール10間の配列のピッチを小さくでき、電力変換装置を小型化することができる。
As described above, the surface of the concavo-convex portion 23 is formed so as to gradually increase with respect to the virtual terminal plane from the upper side to the lower side of the
That is, the
なお、本実施の形態1に係る電力変換装置1では、凹凸部23を略三角波形状としたが、レーザ照射領域22の上側から下側にかけてレーザ光60の入射方向と凹凸部23表面とがなす角度αを90度近くにできるのであれば、どのような形状であっても良く、例えば、凹凸部23を略正弦波形状としても良い。
また、本実施の形態1に係る電力変換装置1では、バスバーの端子21の表面を加工して凹凸部23を設けたが、初めから表面に凹凸部23又は凸部(隆起部)があるようにバスバーを製造しても良い。
In the
Moreover, in the
また、本実施の形態1に係る電力変換装置1では、バスバーの端子21の表面に凹凸部23を設け、レーザ光60を凹凸部23に照射したが、半導体モジュール10の端子11の表面に凹凸部を設け、レーザ光60を半導体モジュール10の端子11の凹凸部に照射するようにしても良い。
また、本実施の形態1に係る電力変換装置1では、レーザ光60を用いて端子11、21間の接合を行ったが、電子ビームを用いて端子11、21間の接合を行っても良い。すなわち、レーザ光、電子ビームなどの接合のためのビームを用いて端子11、21間の接合を行っても良い。
Further, in the
In the
以上、説明したように、本実施の形態1に係る電力変換装置1は、隣接して配置された複数の半導体モジュール10と、複数の半導体モジュール10の端子11にそれぞれ接合された端子21を有するバスバーとを備え、半導体モジュール10の端子11又はバスバーの端子21は接合のためのビーム60が照射される領域22に凹凸部23を有し、凹凸部23表面の傾斜は、接合のためのビーム60のビーム源からの距離が大きくなるほど大きくなるように形成されているものである。
As described above, the
このような構成により、接合のためのビームを半導体モジュール又はバスバーの端子の斜め方向から走査して照射した場合でも、これらの端子間の接合が安定した電力変換装置を提供することができる。 With such a configuration, even when the beam for bonding is scanned and irradiated from the oblique direction of the terminals of the semiconductor module or the bus bar, a power conversion device in which the bonding between these terminals is stable can be provided.
(実施の形態2)
実施の形態1に係る電力変換装置1は、レーザ照射領域22に略三角波形状の凹凸部23を設けて、端子11、21間の接合を安定させるものであったが、本実施の形態2に係る電力変換装置は、レーザ照射領域に表面処理を施し、レーザ照射領域の上側部分から下側部分にかけてレーザ光の入射角が変化してもレーザ光の反射率が変化しないように、すなわち、レーザ光の照射光量が一定である場合に、レーザ照射領域全領域においてレーサ光の反射光量が略一定になるようにして、端子間の安定した接合を得るようにするものである。
本実施の形態2に係る電力変換装置も、背景技術に係る電力変換装置と概略同等の構成を備えており、本明細書では、本実施の形態2に係る電力変換装置の各構成の詳細についての図示及び説明を省略する。
(Embodiment 2)
The
The power conversion device according to the second embodiment also has a configuration approximately equivalent to that of the power conversion device according to the background art, and in this specification, details of each configuration of the power conversion device according to the second embodiment are described. The illustration and description of are omitted.
図5は、本実施の形態2に係るレーザ光60の照射位置と表面状態に基づく反射との関係を示す図である。図5(a)はレーザ照射領域122の上側部分(A’部(図2のA部に相当する部分))を示し、図5(b)はレーザ照射領域122の中央部分(B’部(図2のB部に相当する部分))を示し、図5(c)はレーザ照射領域122の下側部分(C’部(図2のC部に相当する部分))を示す。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the irradiation position of the
レーザ照射領域122は表面処理が施されているが、レーザ照射領域122の表面に凹凸はなく、略平坦になっている。
図5(a)に示すように、レーザ照射領域122の上側部分では入射角θ1は小さいが、この入射角度にしてはレーザ光が多く反射するように表面処理が施されており、入射したレーザ光60の一部が反射されている。
The
As shown in FIG. 5A, the incident angle θ1 is small in the upper portion of the
また、図5(b)に示すように、レーザ照射領域122の中央部分では、入射角θ2は入射角θ1よりも大きいが、この入射角度にしてはレーザ光を少し反射するように表面処理が施されており、やはり入射したレーザ光60の一部が反射されている。
更に、図5(c)に示すように、レーザ照射領域122の下側部分では、入射角θ3は入射角θ2よりも更に大きいが、この入射角度にしてはレーザ光をあまり反射しないように表面処理が施されており、やはり入射したレーザ光60の一部が反射されている。
Further, as shown in FIG. 5B, the incident angle θ2 is larger than the incident angle θ1 in the central portion of the
Further, as shown in FIG. 5C, in the lower portion of the
このように、バスバーの端子に表面処理を施すことにより、レーザ光60の反射光量、すなわち、レーザ光60の反射率が、レーザ照射領域122の上側部分から下側部分にかけて、略同等になるようにしている。
表1は、本実施の形態2に係る電力変換装置の表面処理を説明するための表である。
レーザ光60の照射位置が下側になる(A’部→C’部)に従って、表面状態に基づくレーザ光の反射が小さくなるように、バスバーの端子に表面処理を施している。
表面処理方法としては、酸化、メッキ、塗装などを採用することができる。例えば、酸化度合が大きくなると、レーザ光の反射率が低下することを用いる。また、染料にはアゾ系金属錯塩、フタロシアニンなどを、顔料にはカーボンブラック、有機顔料などを用いることができる。
Table 1 is a table for explaining the surface treatment of the power conversion device according to the second embodiment.
As the irradiation position of the
As the surface treatment method, oxidation, plating, painting or the like can be employed. For example, it is used that the reflectivity of laser light decreases when the degree of oxidation increases. Further, azo metal complex salts and phthalocyanines can be used as the dye, and carbon black, organic pigments and the like can be used as the pigment.
図6は、本実施の形態2に係るレーザ光の照射位置とレーザ光の反射率との関係を示す図である。
表面処理がない場合には、レーザ光60の照射位置が下側になる(A’部→C’部)に従って、レーザ光の反射率が大きくなり、反射されるレーザ光の光量も多くなるが、表面処理がある場合には、レーザ光60の照射位置が下側になってもレーザ光の反射率は略一定であり、反射されるレーザ光の光量も略一定である。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the laser light irradiation position and the laser light reflectance according to the second embodiment.
When there is no surface treatment, the reflectance of the laser beam increases as the irradiation position of the
このように、レーザ照射領域122の上側から下側にかけて、表面状態に基づくレーザ光の反射が小さくなっていくように少なくともレーザ照射領域122に対して表面処理を施すことで、レーザ照射領域122内のどの位置においても入射角θの変化にもかかわらずレーザ光の反射率を略一定とし、端子間の安定した接合を得ることができるようになる。
As described above, at least surface treatment is performed on the
つまり、本実施の形態2に係る電力変換装置は、レーザ照射領域122において、レーザ光60の反射率を一定でき、レーザ光60の仮想端子平面への入射角θが大きくなっても端子11、21間の安定した接合が可能になり、半導体モジュール間の配列のピッチを小さくでき、電力変換装置を小型化することができる。
That is, in the power conversion device according to the second embodiment, the reflectance of the
なお、本実施の形態2に係る電力変換装置では、バスバーの端子に表面処理を施し、レーザ光をバスバーの端子に照射したが、半導体モジュールの端子に表面処理を施し、レーザ光を半導体モジュールの端子に照射するようにしても良い。 In the power conversion device according to the second embodiment, the bus bar terminal is subjected to surface treatment and the laser beam is irradiated to the bus bar terminal. However, the semiconductor module terminal is subjected to surface treatment, and the laser beam is applied to the semiconductor module. The terminal may be irradiated.
1 電力変換装置
10 半導体モジュール
11 半導体モジュールの端子
21 バスバーの端子
22、122 レーザ照射領域
23 凹凸部
60 レーザ光
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記複数の半導体モジュールの端子にそれぞれ接合された端子を有するバスバーとを備え、
前記半導体モジュールの端子又は前記バスバーの端子は前記接合のためのビームが照射される領域に凹凸部を有し、
前記凹凸部表面の傾斜は、前記接合のためのビームのビーム源からの距離が大きくなるほど大きくなるように形成されている
電力変換装置。 A plurality of semiconductor modules arranged adjacent to each other;
A bus bar having terminals respectively joined to the terminals of the plurality of semiconductor modules;
The terminal of the semiconductor module or the terminal of the bus bar has a concavo-convex portion in a region irradiated with the beam for bonding,
The power conversion device is configured such that the inclination of the surface of the concavo-convex portion increases as the distance from the beam source of the beam for the bonding increases.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019107669A (en) * | 2017-12-18 | 2019-07-04 | トヨタ自動車株式会社 | Welding device |
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- 2015-10-16 JP JP2015204842A patent/JP2017077140A/en active Pending
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