JP2018042424A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、近接対向する正極バスバと負極バスバの変形を軽減する技術を提供する。【解決手段】正極バスバ３０と負極バスバ４０は、夫々、複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａと負極端子２５ｂをコンデンサ素子６１に接続する。正極バスバ３０は、平板部３１と、平板部３１から延びており、正極端子２５ａと接続される複数の枝部３３を備えている。負極バスバ４０は、平板部４１と、平板部４１から延びており、負極端子２５ｂと接続される複数の枝部４３を備えている。平板部３１と平板部４１の夫々の両端に、直角に折れ曲がっているリブ３７、３８、４７、４８が設けられている。リブ３７、３８、４７、４８の一部は、コンデンサユニット内の充填材に埋設されている。【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。特に、複数の冷却器が平行に配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットを有する電力変換装置に関する。

上記した積層ユニットを備えた電力変換装置が例えば特許文献１に開示されている。各半導体モジュールは、１個乃至数個のスイッチング素子を収容している。半導体モジュールの本体からは、内部でスイッチング素子と導通している複数の端子（正極端子と負極端子）が延びている。複数の半導体モジュールの夫々の端子は、半導体モジュールと冷却器の積層方向に一例に並ぶことになる。正極端子群と負極端子群が２列に並ぶことになる。積層ユニットの隣には、コンデンサが配置されている。夫々の半導体モジュールの正極端子とコンデンサの一方の電極が正極バスバで接続され、夫々の半導体モジュールの負極端子とコンデンサの他方の電極が負極バスバで接続される。正極バスバと負極バスバは、夫々、板状の平板部（基部）を有しており、その平板部から、夫々の端子と接合される複数の枝部が延びている。正極バスバの平板部と負極バスバの平板部は近接して対向配置される。２枚の平板部を近接して対向配置することで、バスバのインダクタンスが低減される。

特開２０１４−１１０４００号公報

正極バスバは、一枚の平板部から複数の枝部が延びている。平板部が変形していると、各枝部と正極端子の相対位置がばらつき、両者を接続する作業が難しくなる。負極バスバについても同様である。本明細書は、平板部から複数の枝部が延びているバスバを有する電力変換装置に関し、バスバの平板部の変形を抑える技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、積層ユニットと、コンデンサユニットと、正極バスバと、負極バスバを備えている。積層ユニットは、複数の冷却器が並んで配置されており、隣り合う冷却器の間に、スイッチング素子を収容している半導体モジュールが挟まれているデバイスである。コンデンサユニットは、積層ユニットの隣りに配置されており、コンデンサ素子を収容しているとともにコンデンサ素子の周囲に充填材が充填されている。正極バスバは、複数の半導体モジュールの夫々の側面から延びている正極端子と接合しているとともに、コンデンサ素子の一方の電極と接続している。負極バスバは、夫々の半導体モジュールの側面から延びている負極端子と接合しているとともに、コンデンサ素子の他方の電極と接続している。複数の半導体モジュールの正極端子は、積層ユニットにおける冷却器と半導体モジュールの積層方向に沿って一列に並んでおり、複数の負極端子は、正極端子の列と平行に一列に並んでいる。正極バスバは、コンデンサユニットから半導体モジュールの側面に沿って延びている板状の正極バスバ平板部と、正極バスバ平板部から各正極端子へ向けて延びているとともに各正極端子と接続されている複数の正極枝部を備えている。負極バスバは、コンデンサユニットから正極バスバ平板部と平行に延びている板状の負極バスバ平板部と、負極バスバ平板部から各負極端子へ向けて延びているとともに各負極端子と接続されている複数の負極枝部を備えている。正極バスバ平板部と負極バスバ平板部は、夫々、積層方向の両端が直角に折り曲げられているとともにその折り曲げられた部分の一部がコンデンサユニットの充填材に埋設されている。

上記の電力変換装置では、バスバの平板部の両端が直角に折り曲げられているので、平板部の剛性が向上し、変形し難くなる。その上、折り曲げられた部分の一部がコンデンサユニットの充填材に埋設されることで、平板部の両端がしっかりと保持される。この点も、平板部の変形防止に貢献する。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。

実施例の電力変換装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 積層ユニットとバスバとコンデンサユニットのアセンブリの斜視図である。 積層ユニットとバスバとコンデンサユニットのアセンブリの分解斜視図である。 図２のIV−IV線に沿った断面図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は電気自動車に搭載され、バッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換するデバイスである。図１に、電力変換装置２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、２個の走行用モータ８３ａ、８３ｂを備える。それゆえ、電力変換装置２は、２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備える。なお、２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、ギアボックス８５で合成／分配されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。

電力変換装置２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力変換装置２は、バッテリ８１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備えている。

電圧コンバータ回路１２は、バッテリ側の端子に印加された電圧を昇圧してインバータ側の端子に出力する昇圧動作と、インバータ側の端子に印加された電圧を降圧してバッテリ側の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。説明の便宜上、以下では、バッテリ側（低電圧側）の端子を入力端１８と称し、インバータ側（高電圧側）の端子を出力端１９と称する。また、入力端１８の正極と負極を夫々、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂと称する。出力端１９の正極と負極を夫々、出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂと称する。「入力端１８」、「出力端１９」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるので、出力端１９から入力端１８へ電力が流れる場合がある。

電圧コンバータ回路１２は、２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路、リアクトル７、フィルタコンデンサ５、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。リアクトル７は、一端が入力正極端１８ａに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ５は、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂの間に接続されている。入力負極端１８ｂは、出力負極端１９ｂと直接に接続されている。スイッチング素子９ｂが主に昇圧動作に関与し、スイッチング素子９ａが主に降圧動作に関与する。図１の電圧コンバータ回路１２はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号８ａが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール８ａに対応する。符号２５ａ、２５ｂは、半導体モジュール８ａから延出している端子を示している。符号２５ａは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の高電位側と導通している端子（正極端子２５ａ）を示している。符号２５ｂは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の低電位側と導通している端子（負極端子２５ｂ）を表している。次に説明するように、正極端子２５ａ、負極端子２５ｂという表記は、他の半導体モジュールでも用いる。

インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。スイッチング素子９ｃと９ｄ、スイッチング素子９ｅと９ｆ、スイッチング素子９ｇと９ｈがそれぞれ直列回路を構成している。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路の高電位側の端子（正極端子２５ａ）が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子（負極端子２５ｂ）が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。３セットの直列回路の中点から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。３セットの直列回路の夫々が、後述する半導体モジュール８ｂ、８ｃ、８ｄに対応する。

インバータ回路１３ｂの構成はインバータ回路１３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略している。インバータ回路１３ｂもインバータ回路１３ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。３セットの直列回路の高電位側の端子が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。各直列回路に対応するハードウエアを半導体モジュール８ｅ、８ｆ、８ｇと称する。

インバータ回路１３ａ、１３ｂの入力端に平滑コンデンサ６が並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、別言すれば、電圧コンバータ回路１２の出力端１９に並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、電圧コンバータ回路１２の出力電流の脈動を除去する。

スイッチング素子９ａ−９ｈは、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また、ここでいうスイッチング素子は、電力変換に用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。

図１において、破線８ａ−８ｇの夫々が半導体モジュールに相当する。電力変換装置２は、２個のスイッチング素子の直列回路を７セット備えている。ハードウエアとしては、直列回路を構成する２個のスイッチング素子、および各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードが一つのパッケージに収容されている。以下では、半導体モジュール８ａ−８ｇのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール８と表記する。

７個の半導体モジュール（７セットの直列回路）の高電位側の端子（正極端子２５ａ）が平滑コンデンサ６の正極電極に接続され、低電位側の端子（負極端子２５ｂ）が平滑コンデンサ６の負極電極に接続される。図１において、符号３０が示す破線内の導電経路は、複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａと平滑コンデンサ６の正極電極を相互に接続するバスバ（正極バスバ）に対応する。符号４０が示す破線内の導電経路は、複数の負極端子２５ｂと平滑コンデンサ６の負極電極を相互に接続するバスバ（負極バスバ）に対応する。次に、複数の半導体モジュール８と正極バスバ３０、負極バスバ４０の構造について説明する。

図２に電力変換装置２のハードウエアの斜視図を示す。なお、図２では、電力変換装置２のハウジングと一部の部品の図示を省略している。複数の半導体モジュール８（８ａ−８ｇ）は、複数の冷却器２２とともに積層ユニット２０を構成している。半導体モジュール８ａ−８ｇは全て同じ形状であるので、図２と後述する図３では、代表して左端の半導体モジュールにのみ、符号８を付し、他の半導体モジュールには符号を省略した。また、図２と後述する図３では、左端の２個の冷却器にのみ、符号２２を付し、他の冷却器には符号を省略した。

図２は、電力変換装置２の斜視図であるが、積層ユニット２０、正極バスバ３０、負極バスバ４０、及び、コンデンサユニット６０のアセンブリのみを描いてあり、他の部品は図示を省略した。積層ユニット２０は、複数のカードタイプの冷却器２２が平行に配置されているとともに、隣り合う冷却器２２の間にカードタイプの半導体モジュール８が挟まれているデバイスである。カードタイプの半導体モジュール８は、その幅広面を冷却器２２に対向させて積層されている。各半導体モジュール８の一つの側面８０ａから３個の端子（正極端子２５ａ、負極端子２５ｂ、中点端子２５ｃ）が延びている。図２と後述する図３では、積層ユニット２０の左端に位置する半導体モジュール８の端子にのみ符号２５ａ、２５ｂ、２５ｃを付し、残りの半導体モジュール８には端子を示す符号を省略した。

正極端子２５ａと負極端子２５ｂは、先に述べたように、半導体モジュール８に収容されている直列回路の高電位側の端子と低電位側の端子である。中点端子２５ｃは、直列回路の中点と導通している端子である。別言すれば、３個の端子２５ａ−２５ｃは、いずれも、半導体モジュール８の内部でスイッチング素子と導通している。３個の端子２５ａ−２５ｃは、半導体モジュール８の幅広面と交差する一側面８０ａから図中のＺ軸正方向に延びている。一側面８０ａの反対側の側面から複数の制御端子が図中のＺ軸負方向に延びている。制御端子は、半導体モジュール８に内蔵されているスイッチング素子のゲート電極と導通しているゲート端子、及び、半導体モジュール８に内蔵されている温度センサや電流センサと導通している信号端子などである。

以下、説明の便宜上、積層ユニット２０における冷却器２２と半導体モジュール８の積層方向を単純に「積層方向」と称する。図中のＸ方向が積層方向に相当する。

図中の右端の冷却器２２には、冷媒供給口２８と冷媒排出口２９が設けられている。隣接する冷却器２２同士は、２個の連結管で接続されている。一方の連結管は、積層方向からみて冷媒供給口２８と重なるように位置している。他方の連結管は、積層方向からみて冷媒排出口２９と重なるように位置している。冷媒供給口２８と冷媒排出口２９には、不図示の冷媒循環装置が接続される。冷媒供給口２８から供給される冷媒は、一方の連結管を通じて全ての冷却器２２に分配される。冷媒は冷却器２２を通る間に隣接する半導体モジュール８から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管と冷媒排出口２９を通じて積層ユニット２０から排出される。各半導体モジュール８は、その両側から冷却されるので、積層ユニット２０は冷却性能が高い。

各半導体モジュール８の３個の端子２５ａ−２５ｃはいずれも平板状である。複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａは、隣接する半導体モジュール８の正極端子２５ａの平坦面と対向するように、積層方向に一列に並んでいる。複数の半導体モジュール８の負極端子２５ｂも、隣接する半導体モジュール８の負極端子２５ｂの平坦面と対向するように、積層方向に一列に並んでいる。複数の半導体モジュール８の中点端子２５ｃも同様である。複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａ、負極端子２５ｂ、中点端子２５ｃは、３列に並んでいる。

積層ユニット２０の横にコンデンサユニット６０が配置されている。コンデンサユニット６０は、積層ユニット２０の冷却器２２と半導体モジュール８の積層方向（図中のＸ方向）に長尺であり、積層方向と交差する方向で積層ユニットと並んでいる。コンデンサユニット６０のケースの中には、２個のコンデンサ素子６１（後述）が収容されている。正極バスバ３０は、複数の半導体モジュール８の夫々の正極端子２５ａと、コンデンサユニット６０の中のコンデンサ素子を接続する導体であり、負極バスバ４０は、複数の半導体モジュール８の夫々の負極端子２５ｂとコンデンサユニット６０の中のコンデンサ素子を接続する導体である。

図３に、正極バスバ３０と負極バスバ４０と積層ユニット２０とコンデンサ素子６１（コンデンサユニット６０）のアセンブリの分解斜視図を示す。なお、図２のコンデンサユニット６０には、２個のコンデンサ素子６１が収容されている。図３では、コンデンサユニット６０のケースを省略し、内部のコンデンサ素子６１を描いてある。詳しくは後述するが、コンデンサユニット６０のケースの中でコンデンサ素子６１の周囲は充填材で満たされている。コンデンサ素子６１は、図１の平滑コンデンサ６に相当する。

複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａとコンデンサ素子６１の正極電極６１ａが正極バスバ３０で接続され、複数の負極端子２５ｂとコンデンサ素子６１の負極電極６１ｂが負極バスバ４０で接続される。

正極バスバ３０は、板状の電極部３９、板状の平板部３１、及び、複数の正極端子孔３２、及び、複数の枝部３３を備えている。電極部３９が、コンデンサ素子６１の正極電極６１ａに接続される。正極バスバ３０の平板部３１には、複数の正極端子孔３２が設けられており、各正極端子孔３２の縁から枝部３３がＺ方向に延びている。各正極端子孔３２を各半導体モジュール８の正極端子２５ａが通り、その正極端子２５ａと枝部３３が溶接にて接合される。

負極バスバ４０は、板状の電極部４９、板状の平板部４１、複数の負極端子孔４２、及び、複数の枝部４３を備えている。電極部４９が、コンデンサ素子６１の負極電極６１ｂに接続される。負極バスバ４０の平板部４１には、複数の負極端子孔４２が設けられており、各負極端子孔４２の縁から枝部４３がＺ方向に延びている。各負極端子孔４２を各半導体モジュール８の負極端子２５ｂが通り、その負極端子２５ｂと枝部４３が接合される。

負極バスバ４０は、正極バスバ３０の積層ユニット２０とは反対側に位置している。負極バスバ４０には、複数の正極端子孔４５が設けられており、各正極端子孔４５を、半導体モジュール８の正極端子２５ａと、正極バスバ３０の枝部３３が通過する。正極バスバ３０の平板部３１と、負極バスバ４０の平板部４１は、共に板状であり、相互に近接対向する。一方のバスバに電流が流れると、その電流に起因してバスバの周囲に磁界が発生する。磁界の大きさとバスバのインダクタンスには正の相関がある（磁界が大きいほど、インダクタンスも大きくなる）。正極バスバ３０と負極バスバ４０の平板部が対向していると、一方のバスバの磁界によって他方のバスバに渦電流が生じる。渦電流の発生は、一方のバスバの磁界を弱める。磁界が弱まるということは、インダクタンスが小さくなることを意味する。バスバの平板部３１、４１を近接配置することで、バスバのインダクタンスを小さくすることができる。

正極バスバ３０の平板部３１の積層方向（Ｘ方向）の両端は、直角に折り曲げられている。直角に折り曲げられた部分を補強リブ３７、３８と称する。負極バスバ４０の平板部４１の積層方向（Ｘ方向）の両端も、直角に折り曲げられている。直角に折り曲げられた部分を補強リブ４７、４８と称する。先に述べたように、コンデンサ素子６１は、ケース６８（図４参照）に収容されるとともに、ケース６８の中で充填材に埋設される。従って、正極バスバ３０の一部と負極バスバ４０の一部もコンデンサユニット６０のケース６８の中で充填材に埋設される。当然、電極部３９、４９は、充填材に埋設されることになる。正極バスバ３０の平板部３１の一部３１ａも充填材に埋設され、負極バスバ４０の平板部４１の一部４１ａも充填材に埋設される。符号３１ｂ、４１ｂが示す箇所は、平板部３１、４１のなかでコンデンサユニット６０から露出する露出部である。

補強リブ３７、３８、４７、４８の一部３７ａ、３８ａ、４７ａ、４８ａも、充填材に埋設される。図４に、図２のII−II線に沿った断面図を示す。図４の断面図は、積層方向において積層ユニット２０の手前でコンデンサユニット６０をカットした断面である。図４では、半導体モジュール８（積層ユニット２０）の一部の図示を省略した。図４に示すように、補強リブ３７、４７の一部３７ａ、４７ａが、充填材６９に埋設されている。図４では見えないが、反対側で補強リブ３７、４８の一部３８ａ、４８ａも、充填材６９に埋設されている。グレーの塗りつぶしが充填材６９を示している。充填材６９は、例えば、シリコン含有のポッティング材である。

正極バスバ３０の補強リブ３７、３８の効果を説明する。図３によく示されているように、正極バスバ３０は１個の平板部３１から複数の枝部３３が一列に延びている。各枝部３３に各半導体モジュール８の正極端子２５ａが接続される。平板部３１が変形していると、各枝部３３と各正極端子２５ａの相対位置がばらつき、各枝部３３と各正極端子２５ａの接合作業に要するコストが嵩む。また、各枝部３３と各正極端子２５ａは、接合時にチャックにより挟まれるが、各枝部３３と各正極端子２５ａの相対位置がばらついていると、全ての正極端子２５ａと枝部３３の組をチャックで挟む結果、平板部３１の変形が大きくなる。平板部３１の変形により、平板部３１の一部が半導体モジュール８の本体に近づくと、バスバと半導体モジュールとの間の絶縁性能が低下してしまう。正極バスバ３０の補強リブ３７、３８は、平板部３１の剛性を高め、平板部３１の変形を小さくする。補強リブ３７、３８の一部がコンデンサユニット６０の充填材６９に埋設されていることも、補強リブ３７、３８がしっかりと固定されることになるので、平板部３１の剛性を高めることに貢献する。負極バスバ４０の平板部４１の補強リブ４７、４８についても同様の利点が得られる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の正極バスバ３０の平板部３１と枝部３３が、夫々、請求項の「正極バスバ平板部」と「正極枝部」の一例に相当する。実施例の負極バスバ４０の平板部４１と枝部４３が、夫々、請求項の「負極バスバ平板部」と「負極枝部」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：電力変換装置
５：フィルタコンデンサ
６：平滑コンデンサ
７：リアクトル
８、８ａ−８ｇ：半導体モジュール
９ａ−９ｈ：スイッチング素子
１２：電圧コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
２０：積層ユニット
２２：冷却器
２５ａ：正極端子
２５ｂ：負極端子
２５ｃ：中点端子
３０：正極バスバ
３１、４１：平板部
３２、４５：正極端子孔
３３、４３：枝部
３９、４９：電極部
４０：負極バスバ
４２：負極端子孔
６０：コンデンサユニット
６１：コンデンサ素子
６１ａ：正極電極
６１ｂ：負極電極
６８：ケース
６９：充填材
８１：バッテリ
８２：システムメインリレー
８３ａ、８３ｂ：モータ
８５：ギアボックス
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 複数の冷却器が並んで配置されており、隣り合う前記冷却器の間に、スイッチング素子を収容している半導体モジュールが挟まれている積層ユニットと、
   前記積層ユニットの隣りに配置されており、コンデンサ素子を収容しているとともに前記コンデンサ素子の周囲に充填材が充填されているコンデンサユニットと、
   複数の前記半導体モジュールの夫々の側面から延びている正極端子と接合しているとともに、前記コンデンサ素子の一方の電極と接続している正極バスバと、
   夫々の前記半導体モジュールの前記側面から延びている負極端子と接合しているとともに、前記コンデンサ素子の他方の電極と接続している負極バスバと、
   を備えており、
   複数の前記半導体モジュールの前記正極端子は、前記冷却器と前記半導体モジュールの積層方向に沿って一列に並んでおり、複数の前記負極端子は、前記正極端子の列と平行に一列に並んでおり、
   前記正極バスバは、前記コンデンサユニットから前記半導体モジュールの前記側面に沿って延びている板状の正極バスバ平板部と、当該正極バスバ平板部から各前記正極端子へ向けて延びているとともに各前記正極端子と接続されている複数の正極枝部と、を備えており、
   前記負極バスバは、前記コンデンサユニットから前記正極バスバ平板部と平行に延びている板状の負極バスバ平板部と、当該負極バスバ平板部から各前記負極端子へ向けて延びているとともに各前記負極端子と接続されている複数の負極枝部とを備えており、
   前記正極バスバ平板部と前記負極バスバ平板部は、夫々、前記積層方向の両端が直角に折り曲げられているとともに当該折り曲げられた部分の一部が前記コンデンサユニットの充填材に埋設されている、電力変換装置。