JP2019134649A - インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ装置の入力端子の加工を行いやすくする。【解決手段】インバータは、パワー基板と、制御基板と、コンデンサ基板と、を備える。インバータは、パワー基板に実装された２つの入力端子２５を備える。入力端子２５は、基部２６と、基部２６から突出する柱状部２７と、柱状部２７の外周面から突出する台座部２８と、を備える。台座部２８には、制御基板が搭載される。基部２６の板厚方向の両面のうち、パワー基板に向かい合う面の反対面２９は、搭載面３０を備える。基部２６は、台座部２８を柱状部２７の軸線方向に投影した部分に設けられた凹部３１を備える。凹部３１は、搭載面３０から凹んでいる。【選択図】図４

Description

本発明は、インバータに関する。

直流電力を交流電力に変換して出力するインバータとしては、例えば、特許文献１に記載されている。
特許文献１に記載のインバータは、パワー素子が実装されたパワー基板と、コンデンサが実装されたコンデンサ基板と、制御基板と、を備える。また、インバータは、パワー基板に実装された２つの入力端子を備える。入力端子は、パワー基板に固定される基部と、基部からパワー基板の板厚方向に延びる柱状部と、柱状部の外周面から突出する台座部と、を備える。基部には、コンデンサ基板が搭載されている。これにより、入力端子とコンデンサ基板とが電気的に接続されている。また、台座部には制御基板が搭載されている。このように、入力端子にコンデンサ基板と、制御基板とを支持させることで、パワー基板、コンデンサ基板、及び、制御基板は、互いに間隔を空けて配置されている。

ここで、コンデンサ基板と基部の界面に生じる接触抵抗を減らすため、基部のうちコンデンサ基板と接触する面については、面が滑らかになるように加工を施している。この加工は、加工具によって行われる。

特開２０１７−２２９０８号公報

ところで、インバータを小型化するため、コンデンサ基板とパワー基板との間隔を短くすると、台座部を基部に近付ける必要がある。すると、台座部と基部との間の間隔が短くなり、台座部と基部との間に加工具が入りにくくなる。

本発明の目的は、入力端子の加工を行いやすいインバータを提供することにある。

上記課題を解決するインバータは、パワー素子が実装されたパワー基板と、コンデンサが実装されたコンデンサ基板と、前記パワー素子を制御する電子部品が実装された制御基板と、前記パワー基板に実装された２つの入力端子と、を備え、前記入力端子は、前記パワー基板に固定される基部と、前記基部から前記パワー基板の板厚方向に延びる柱状部と、前記柱状部の外周面から突出し、前記制御基板が搭載される台座部と、を備え、前記基部は、前記パワー基板に向かい合う面の反対面に設けられ、前記コンデンサ基板が搭載されることで前記コンデンサ基板と電気的に接続される搭載面と、前記基部において、前記台座部を前記柱状部の軸線方向に投影した部分に設けられ、前記搭載面から凹む凹部と、を備え、前記搭載面は、前記凹部の底面に比べて平滑である。

コンデンサ基板は、搭載面に搭載されるため、搭載面よりも凹む凹部を設けた部分にはコンデンサ基板が接触しない。したがって、コンデンサ基板と接触しない非接触面となる凹部の底面には、接触抵抗を減らすために加工を施す必要がない。搭載面は、加工が施されることで、凹部の底面よりも平滑となっている。これにより、入力端子とコンデンサ基板との接触抵抗は低減されている。基部において、台座部を投影した部分がコンデンサ基板と接触しないようにすることで、加工を施すために台座部と基部との間に加工具を挿入する必要がない。このため、入力端子の加工が容易となる。

上記インバータについて、前記コンデンサと、前記制御基板とは、前記制御基板の板厚方向の面に沿う方向に重ねて配置されていてもよい。
これによれば、制御基板とコンデンサ基板との間にコンデンサを配置する場合に比べて、制御基板の板厚方向に対するインバータの小型化が図られる。

本発明によれば、入力端子の加工が行いやすくなる。

インバータの分解斜視図。 パワー基板及びコンデンサ基板の斜視図。 インバータの側面図。 入力端子の斜視図。 入力端子の基部を拡大して示す斜視図。 入力端子の正面図。 入力端子をパワー基板に実装するときの図。 比較例のインバータの側面図。

以下、インバータの一実施形態について説明する。なお、本実施形態のインバータは、バッテリ式の産業車両（フォークリフトなど）に搭載されるインバータである。インバータは、バッテリから入力された直流電力を交流電力（三相交流）に変換して、三相モータに出力する。これにより、三相モータが駆動する。

図１、図２、及び、図３に示すように、インバータ１０は、ヒートシンク１１を備える。ヒートシンク１１は、アルミニウム系金属や銅等の金属製である。ヒートシンク１１は、板状の固定部１２と、固定部１２の板厚方向の一面から突出するフィン１３と、を備える。

インバータ１０は、パワー基板２０と、制御基板６０と、コンデンサ基板５０と、を備える。制御基板６０は、パワー基板２０の板厚方向に対して、パワー基板２０と間隔を空けて配置されている。コンデンサ基板５０は、パワー基板２０と、制御基板６０との間に配置されている。パワー基板２０の板厚方向と、制御基板６０の板厚方向と、コンデンサ基板５０の板厚方向は一致している。ヒートシンク１１、及び、３つの基板２０，５０，６０は、層状に配置されているといえる。

パワー基板２０は、固定部１２の板厚方向の両面のうちフィン１３が設けられた面の反対面に固定されている。本実施形態のパワー基板２０は、絶縁金属基板（ＩＭＳ基板）であり、金属製のベースに絶縁層を設けたものである。パワー基板２０は、図示しない導体パターンを備える。

インバータ１０は、複数のパワー素子２４と、２つの入力端子２５と、３つの出力端子３５と、２つのスペーサ４０と、ピンヘッダ４６と、を備える。パワー素子２４、入力端子２５、出力端子３５、スペーサ４０、及び、ピンヘッダ４６は、パワー基板２０に実装されている。本実施形態のパワー素子２４は、ＭＯＳＦＥＴである。なお、パワー素子２４としては、ＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子（例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いることもできる。複数のパワー素子２４は、６つのパワー素子群Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５，Ｇ６に分かれて配置されている。各パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６において、各パワー素子２４は、一列に並んでいる。以下、各パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６を構成するパワー素子２４の並ぶ方向を第１方向とする。

各パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６は、間隔を空けて並んで配置されている。詳細にいえば、各パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６は、パワー基板２０の板厚方向の面に沿う方向のうち、第１方向に交差する方向に並んでいる。以下、各パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６の並ぶ方向を第２方向とする。各パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６は、インバータ１０における三相の上下アームを構成している。

２つの入力端子２５と、３つの出力端子３５は、第２方向に間隔を空けて並んでいる。２つの入力端子２５は、各パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６を挟んで配置されている。即ち、入力端子２５は、第２方向において、パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６よりもパワー基板２０の外縁に寄って配置されている。３つの出力端子３５は、２つの入力端子２５同士の間に配置されている。入力端子２５、及び、出力端子３５は、アルミニウム系金属製である。入力端子２５、及び、出力端子３５は、ダイカスト成型によって製造されている。

図４、及び、図５に示すように、入力端子２５は、基部２６と、基部２６から突出する柱状部２７と、柱状部２７の外周面から突出する台座部２８と、を備える。
基部２６は、板状である。基部２６の板厚方向の両面のうち、パワー基板２０に向かい合う面は、パワー基板２０の導体パターンに電気的に接続される。基部２６の板厚方向の両面のうち、パワー基板２０に向かい合う面の反対面２９は、搭載面３０を備える。搭載面３０は、台座部２８を柱状部２７の軸線方向に対して基部２６に投影した場合に、台座部２８が投影されない位置に設けられている。搭載面３０と、台座部２８とは向かい合わないようになっている。

基部２６は、台座部２８を柱状部２７の軸線方向に投影した部分に設けられた凹部３１を備える。凹部３１は、コンデンサ基板５０を間に挟んで、台座部２８と対向している部分に設けられているとも言える。凹部３１は、搭載面３０から凹んでいる。凹部３１を設けることで、反対面２９は、搭載面３０と、柱状部２７の軸線方向に対して搭載面３０よりも台座部２８から離間した非接触面３２と、を備える。非接触面３２は、凹部３１の底面となる。

搭載面３０には、表面を滑らかにする加工（切削加工や研削加工）が施されている。これにより、ダイカスト成型によって製造された段階よりも、搭載面３０は滑らかとなっている。一方で、非接触面３２には、加工が施されていない。したがって、搭載面３０は、非接触面３２に比べて平滑である。入力端子２５は、基部２６に設けられた挿通孔３３と、台座部２８に設けられた締結穴３４と、を備える。

図１に示すように、出力端子３５は、基部３６と、基部３６から突出する柱状部３７と、を備える。入力端子２５の基部２６、及び、出力端子３５の基部３６は、パワー基板２０の導体パターンに接続されている。入力端子２５には、バッテリが接続される。出力端子３５には、三相モータが接続される。２つのスペーサ４０は、第２方向に間隔を空けて並んでいる。各スペーサ４０は、出力端子３５同士の間に配置されている。スペーサ４０は、アルミニウム系金属や銅などの金属製である。ピンヘッダ４６は、第１方向において、パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６よりもパワー基板２０の外縁に寄って配置されている。

コンデンサ基板５０は、入力端子２５の基部２６、出力端子３５の基部３６、及び、スペーサ４０に重ねて配置されている。コンデンサ基板５０は、導体パターン５２を備える。コンデンサ基板５０は、板厚方向に貫通した第１挿通孔Ｈ１を備える。入力端子２５の基部２６、及び、スペーサ４０を介して、コンデンサ基板５０とパワー基板２０とは、電気的に接続されている。

図６に示すように、コンデンサ基板５０は、基部２６の搭載面３０に接触することで入力端子２５に電気的に接続される。一方で、非接触面３２は、搭載面３０よりもコンデンサ基板５０から離間しており、コンデンサ基板５０に接触していない。

図１に示すように、インバータ１０は、コンデンサ基板５０に実装された複数のコンデンサ５４を備える。コンデンサ５４は、円柱状であり、軸線方向とコンデンサ基板５０の板厚方向とが一致するように配置されている。コンデンサ５４は、コンデンサ基板５０に立設しているといえる。本実施形態において、コンデンサ５４は、コンデンサ基板５０の一端に集約して配置されている。詳細にいえば、コンデンサ基板５０において、第１方向の両縁部のうち一方の縁部に沿って複数のコンデンサ５４が配置されている。これにより、コンデンサ基板５０において、コンデンサ５４が配置されない領域を形成している。

制御基板６０は、コンデンサ基板５０のうち、コンデンサ５４が配置されない領域と向かい合うように配置されている。制御基板６０は、板厚方向の面に沿う方向（板厚方向に直交する方向）にコンデンサ５４と重なり合うように配置されている。制御基板６０は、台座部２８に搭載されている。

制御基板６０は、板厚方向に貫通した出力孔６１を３つ備える。出力端子３５の柱状部３７は、出力孔６１を挿通している。制御基板６０は、ピンヘッダ４６が挿入されるスルーホール６２を備える。制御基板６０は、板厚方向に貫通した第２挿通孔Ｈ２を複数備える。インバータ１０は、制御基板６０に実装された複数の電子部品６３、電流センサ６５、及び、接続部６７を備える。電子部品６３は、各パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６を制御する制御回路を構成している。制御回路により各パワー素子群Ｇ１〜Ｇ６が制御（スイッチング制御）されることで、電力変換が行われる。

スルーホール６２にピンヘッダ４６が挿入されることで、制御基板６０とパワー基板２０との接続が行われる。電流センサ６５は、３つの出力端子３５のうちの２つに設けられている。電流センサ６５は、コア６６と、図示しないホール素子と、を備える。接続部６７は、制御基板６０の板厚方向の両面のうちパワー基板２０に向かい合う面の反対面に設けられている。接続部６７は、インバータ１０を制御する制御装置（上位制御装置）とインバータ１０とを接続するコネクタが挿入される雌コネクタである。

インバータ１０は、制御基板６０をヒートシンク１１に固定するために設けられたブラケット７０を備える。ブラケット７０は、板状の本体７１と、本体７１の板厚方向に突出する複数の締結ボス７２と、を備える。締結ボス７２により、パワー基板２０と、制御基板６０との間隔が維持されている。ブラケット７０は、アルミニウム系金属や銅などの金属製である。

インバータ１０は、ブラケット７０と制御基板６０との間に配置された熱伝導部材９１と、ブラケット７０とコンデンサ基板５０との間に配置された介在熱伝導部材９２と、を備える。熱伝導部材９１及び介在熱伝導部材９２の配置箇所は、電流の集中する箇所や、発熱素子となる電子部品６３の近くになるように定められている。熱伝導部材９１は、制御基板６０からブラケット７０に熱を伝導させる。介在熱伝導部材９２は、コンデンサ基板５０からブラケット７０に熱を伝導させる。

インバータ１０は、パワー基板２０、制御基板６０、及び、コンデンサ基板５０をヒートシンク１１に固定するための複数のネジＳ１，Ｓ２，Ｓ３と、絶縁性のカラーＣと、を備える。複数のネジＳ１，Ｓ２，Ｓ３は、第１ネジＳ１と、第２ネジＳ２と、第３ネジＳ３と、を含む。

複数の第１ネジＳ１は、カラーＣとともにコンデンサ基板５０の第１挿通孔Ｈ１と、パワー基板２０とを挿通して、ヒートシンク１１の固定部１２に締結されている。これにより、第１ネジＳ１は、パワー基板２０とコンデンサ基板５０とを共締めしている。また、複数の第１ネジＳ１のうち一部の第１ネジＳ１は、入力端子２５の挿通孔３３を挿通することで、入力端子２５をパワー基板２０に固定している。

複数の第２ネジＳ２は、制御基板６０の第２挿通孔Ｈ２とパワー基板２０とを挿通してヒートシンク１１の固定部１２に締結されている。これにより、第２ネジＳ２は、制御基板６０とパワー基板２０とを共締めしている。

複数の第３ネジＳ３は、制御基板６０の第２挿通孔Ｈ２を挿通して、入力端子２５の台座部２８に設けられた締結穴３４に締結されている。これにより、制御基板６０は、入力端子２５に固定されている。また、複数の第３ネジＳ３のうち一部の第３ネジＳ３は、制御基板６０の第２挿通孔Ｈ２を挿通して、ブラケット７０に締結されている。

次に、本実施形態のインバータ１０の作用について説明する。
図７に示すように、入力端子２５をパワー基板２０に実装する際には、ヒートシンク１１の固定部１２、パワー基板２０、及び、コンデンサ基板５０を位置決めした状態で、パワー基板２０とコンデンサ基板５０との間に基部２６を挿入する。この際、台座部２８と基部２６との間隔が短いと、台座部２８と基部２６との間にコンデンサ基板５０が入りにくい。凹部３１を設けて、台座部２８と基部２６との間隔を長くすることで、コンデンサ基板５０が台座部２８と基部２６との間に入りやすくなる。したがって、入力端子２５の組み付け性が向上する。

次に、比較例のインバータについて説明する。
図８に示すように、比較例のインバータ１００は、コンデンサ基板５０と、制御基板６０との間にコンデンサ５４が配置されている。コンデンサ５４は、コンデンサ基板５０から立設した状態で配置されている。このため、コンデンサ基板５０と、制御基板６０との間隔は、コンデンサ５４の軸線方向の寸法以上となっている。コンデンサ基板５０と、制御基板６０との間隔は、実施形態のインバータ１０に比べて長い。

入力端子１１０は、実施形態と同様に、基部１１１と、柱状部１１２と、台座部１１３と、を備える。コンデンサ基板５０と、制御基板６０との間隔が長いため、基部１１１と台座部１１３との間隔も長くなっている。比較例のインバータ１００では、各基板２０，５０，６０の板厚方向にインバータが大型化しやすい一方で、基部２６の加工を行いやすい。

これに対し、本実施形態のように、コンデンサ５４と、制御基板６０とを制御基板６０の板厚方向の面に沿う方向に重なり合うように配置することで、インバータの小型化を図ることができる。一方で、図６に仮想線で示すように、台座部２８を基部２６に近付ける必要があり、台座部２８と基部２６との間に加工具が入りにくくなる。

本実施形態では、凹部３１を設けることで、基部２６の反対面２９のうち台座部２８に向かい合う部分はコンデンサ基板５０とは接触しない。このため、凹部３１の底面となる非接触面３２については、接触抵抗を減らすための加工を行う必要がなく、搭載面３０のみを加工すればよい。

したがって、上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）コンデンサ基板５０は、搭載面３０に搭載されている。搭載面３０には、加工が施されており、非接触面３２よりも平滑である。このため、入力端子２５とコンデンサ基板５０との接触抵抗を小さくできる。基部２６において、台座部２８を投影した部分には、コンデンサ基板５０が接触しないように凹部３１を設けている。凹部３１の底面となる非接触面３２には加工を施す必要がないため、パワー基板２０と制御基板６０との間隔を短くすることで、台座部２８と基部２６との間隔が短くなっても、入力端子２５の加工が容易である。

なお、基部２６に凹部３１を設けず、台座部２８を投影した部分については、加工を施さない場合、コンデンサ基板５０は、加工を施していない部分にも接触することになる。加工を施していない部分は、加工を施した部分（搭載面３０）よりも盛り上がっており、コンデンサ基板５０ががたつく原因となる。凹部３１を設けて、コンデンサ基板５０と非接触面３２とを非接触とすることで、コンデンサ基板５０のがたつきを抑制できる。

（２）コンデンサ５４と、制御基板６０とは、制御基板６０の板厚方向の面に沿う方向に重ねて配置されている。コンデンサ基板５０と、制御基板６０との間隔をコンデンサ５４の軸線方向の寸法以上にする必要がなく、コンデンサ基板５０と、制御基板６０との間隔を短くできる。このように、コンデンサ基板５０と制御基板６０との間隔が短くなる配置を採用するときに、実施形態の入力端子２５を用いることが好ましい。これにより、インバータ１０の小型化と、入力端子２５の両立を図ることができる。

なお、実施形態は、以下のように変更してもよい。
○コンデンサ５４と、制御基板６０とは、制御基板６０の板厚方向の面に沿う方向に重なり合っていなくてもよい。この場合、例えば、コンデンサ５４の軸線方向がコンデンサ基板５０の板厚方向の面に沿う方向と一致するようにコンデンサ５４を配置することで、言い換えれば、コンデンサ５４の周面とコンデンサ基板５０とが向かい合うようにコンデンサ５４を配置することで、制御基板６０とコンデンサ基板５０との間隔を短くできる。

○入力端子２５は、ダイカスト成型で製造されていればよく、例えば、マグネシウム製であってもよい。
○ヒートシンク１１は、フィン１３を有さない放熱板などでもよい。なお、放熱部としては、気体状の冷媒によって冷却されるものでもよいし、液状の冷媒によって冷却されるものでもよい。

○各基板２０，５０，６０は、絶縁金属基板や、プリント基板などどのような基板であってもよい。
○インバータ１０は、産業車両に搭載されるものでなくてもよい。

１０…インバータ、２０…パワー基板、２５…入力端子、２６…基部、２７…柱状部、２８…台座部、３０…搭載面、３１…凹部、３２…非接触面（凹部の底面）、５０…コンデンサ基板、５４…コンデンサ、６０…制御基板。

Claims (2)

1. パワー素子が実装されたパワー基板と、
   コンデンサが実装されたコンデンサ基板と、
   前記パワー素子を制御する電子部品が実装された制御基板と、
   前記パワー基板に実装された２つの入力端子と、を備え、
   前記入力端子は、
   前記パワー基板に固定される基部と、
   前記基部から前記パワー基板の板厚方向に延びる柱状部と、
   前記柱状部の外周面から突出し、前記制御基板が搭載される台座部と、を備え、
   前記基部は、
   前記パワー基板に向かい合う面の反対面に設けられ、前記コンデンサ基板が搭載されることで前記コンデンサ基板と電気的に接続される搭載面と、
   前記基部において、前記台座部を前記柱状部の軸線方向に投影した部分に設けられ、前記搭載面から凹む凹部と、を備え、
   前記搭載面は、前記凹部の底面に比べて平滑であるインバータ。
2. 前記コンデンサと、前記制御基板とは、前記制御基板の板厚方向の面に沿う方向に重ねて配置されている請求項１に記載のインバータ。