JP2019193576A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を低減でき、製造コストを低減できる電力変換装置を提供すること。【解決手段】電力変換装置１は、三相交流モータに電気的に接続される半導体素子を内蔵すると共に、出力端子２２、及び三相交流モータを駆動する直流電源と接続される入力端子２４、２６を有し、三相交流モータの各相に対応した複数の半導体モジュール２と、半導体モジュール２の出力端子２２に接続され、各相個別に形成された複数のバスバー３ｕ、３ｖ、３ｗと、半導体モジュール２を収容するケース５と、半導体モジュール２とケース５とを密着させる金属製部材６と、各相個別に形成された複数のバスバー３ｕ、３ｖ、３ｗ間を絶縁する第１絶縁部４１と、を有する。バスバー３ｕ、３ｖ、３ｗと金属製部材６との間には、第１絶縁部４１と一体に形成された第２絶縁部４２が介在している。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールの出力端子に接続したバスバーとを備える電力変換装置に関する。

直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、ＩＧＢＴ等の半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールの出力端子に接続したバスバーとを備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。この電力変換装置は、上記半導体素子をスイッチング動作させることにより、直流電力を交流電力に変換し、上記出力端子から出力するよう構成されている。

上記バスバーには、電流センサが取り付けられている。上記電力変換装置は、上記電流センサを用いて、バスバーに流れる電流を測定し、その測定値を、半導体素子のフィードバック制御に利用している。

上記半導体モジュールとバスバーと電流センサとは、金属製のケースに収容されている。半導体モジュールは、ボルト等の締結部材によって、ケースに締結されている。締結部材は、バスバーの近傍に配されている。

バスバーには高圧電流が流れるため、バスバーから締結部材を介してケースに漏電しないように、バスバーと締結部材との間を充分に絶縁する必要がある。そのため、上記電力変換装置では、絶縁材料からなる絶縁キャップを、締結部材に取り付けている（図１６参照）。

国際公開第２０１５／０２５５９４号

しかしながら、上記電力変換装置は、バスバーと締結部材との間を絶縁するために、専用の部品（絶縁キャップ）を設けているため、部品点数が多くなるという問題がある。そのため、電力変換装置の製造コストが上昇しやすい。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、部品点数を低減でき、製造コストを低減できる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、三相交流モータ（８）に電気的に接続される半導体素子（２０）を内蔵すると共に、出力端子（２２）、及び前記三相交流モータを駆動する直流電源（８１）と接続される入力端子（２４、２６）を有し、前記三相交流モータの各相に対応した複数の半導体モジュール（２）と、
前記半導体モジュールの前記出力端子に接続され、各相個別に形成された複数のバスバー（３ｕ、３ｖ、３ｗ）と、
前記半導体モジュールを収容するケース（５）と、
前記半導体モジュールと前記ケースとを密着させる金属製部材（６）と、
前記各相個別に形成された複数のバスバー間を絶縁する第１絶縁部（４１）と、を有し、
前記バスバーと前記金属製部材との間には、前記第１絶縁部と一体に形成された第２絶縁部（４２）が介在している、電力変換装置（１）にある。
本発明の参考態様は、半導体素子（２０）を内蔵したモジュール本体部（２１）と、該モジュール本体部から突出した出力端子（２２）とを有する半導体モジュール（２）と、
上記出力端子に接続したバスバー（３）と、
該バスバーに取り付けられた電流センサ（４）と、
上記半導体モジュールと上記バスバーと上記電流センサとを収容するケース（５）と、
上記半導体モジュールを上記ケースに締結する締結部材（６）とを備え、
上記電流センサは、上記バスバーに流れる電流を測定するセンサ素子（４０）と、該センサ素子を被覆するセンサ被覆部（４１）と、該センサ被覆部から上記出力端子に向かって延出した延出部（４２）とを有し、上記センサ被覆部と上記延出部とは、それぞれ絶縁材料からなり、一体的に形成されており、
上記延出部は、上記締結部材と上記バスバーとの間に介在している、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置の電流センサは、絶縁材料からなり上記センサ被覆部と一体的に形成された延出部を備える。延出部は、締結部材とバスバーとの間に介在している。
そのため、電流センサの延出部を用いて、バスバーと締結部材とを絶縁することが可能になる。したがって、これらを絶縁するための専用の部品を設ける必要がなくなり、部品点数を低減することができる。そのため、電力変換装置の製造コストを低減することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、部品点数を低減でき、製造コストを低減できる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電力変換装置の断面図であって、図２のI-I断面図。 図１のII-II断面図。 図１のIII-III断面図。 図１の要部拡大図。 図１から、バスバー及び電流センサを取り除いた電力変換装置の断面図。 図５から、半導体モジュール及びコンデンサをさらに取り除いた図。 実施形態１における、半導体モジュールの斜視図。 実施形態１における、電流センサの斜視図。 実施形態１における、電力変換装置の回路図。 実施形態１における、延出部を短くした電力変換装置の断面図。 実施形態１における、延出部の長さを変更した電力変換装置の断面図。 実施形態２における、電力変換装置の断面図。 実施形態２における、電流センサの斜視図。 実施形態３における、電力変換装置の断面図。 実施形態４における、電力変換装置の断面図。 比較形態における、電力変換装置の断面図。

上記電力変換装置は、ハイブリッド車や電気自動車等に搭載するための、車載用電力変換装置とすることができる。

（実施形態１）
上記電力変換装置に係る実施形態につき、図１〜図１１を参照して説明する。本形態の電力変換装置１は、図１、図３に示すごとく、半導体モジュール２と、バスバー３と、電流センサ４と、ケース５と、締結部材６とを備える。
図３に示すごとく、半導体モジュール２は、モジュール本体部２１と、出力端子２２とを有する。モジュール本体部２１には、半導体素子２０（図９参照）が内蔵されている。出力端子２２はモジュール本体部２１から突出している。

上記バスバー３は、出力端子２２に接続している。出力端子２２は、バスバー３を介して、交流負荷８（図９参照）に電気的に接続されている。また、バスバー３には、上記電流センサ４が取り付けられている。

半導体モジュール２と、バスバー３と、電流センサ４とは、ケース５に収容されている。
本形態では、締結部材６によって、半導体モジュール２をケース５に締結してある。ケース５と締結部材６とは、それぞれ金属製である。

電流センサ４は、センサ素子４０と、センサ被覆部４１と、延出部４２とを備える。センサ素子４０は、バスバー３に流れる電流を測定する。センサ被覆部４１は、センサ素子４０を被覆している。延出部４２は、センサ被覆部４１から出力端子２２に向かって延出している。延出部４２とセンサ被覆部４１とは、それぞれ絶縁材料からなり、一体的に形成されている。
延出部４２は、締結部材６とバスバー３との間に介在している。

本形態の電力変換装置１は、ハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。図９に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２を備える。個々の半導体モジュール２には、半導体素子２０（ＩＧＢＴ）が封止されている。また、電力変換装置１には、半導体モジュール２に加わる直流電圧を平滑化するためのコンデンサ１１が設けられている。

半導体モジュール２には、制御部１２が接続している。この制御部１２によって、半導体素子２０をスイッチング動作させている。これにより、直流電源８１から供給される直流電力を交流電力に変換し、交流負荷８（三相交流モータ）を駆動している。これによって、上記車両を走行させている。

半導体モジュール２の出力端子２２には、上述したようにバスバー３が接続している。バスバー３には、Ｕ相用のバスバー３ｕと、Ｖ相用のバスバー３ｖと、Ｗ相用のバスバー３ｗとがある。

図７に示すごとく、半導体モジュール２は、上記モジュール本体部２１から突出した正入力端子２６と、負入力端子２４と、制御端子２５とを備える。正入力端子２６及び負入力端子２４には、図示しない直流バスバーが接続される。この直流バスバーを介して、正入力端子２６及び負入力端子２４を、コンデンサ１１（図９参照）に接続してある。制御端子２５は、制御部１２に接続している。

また、図３、図７に示すごとく、出力端子２２の突出方向（Ｚ方向）における、モジュール本体部２１の出力端子２２側の端部２１０には、鍔部２３が形成されている。鍔部２３は、端部２１０から、Ｚ方向に直交する方向に延出している。また、鍔部２３には、締結部材６を挿入するための貫通孔２３０が形成されている。１個の半導体モジュール２に、２個の貫通孔２３０が形成されている。これら２個の貫通孔２３０は、モジュール本体部２１をＹ方向から挟む位置に設けられている。

図４に示すごとく、本形態では、個々のバスバー３（３ｕ，３ｖ，３ｗ）に、それぞれ電流センサ４を取り付けてある。個々の電流センサ４のセンサ被覆部４１から、上記延出部４２が延出している。複数の電流センサ４は、センサ被覆部４１同士が連結して一部品化され、連結電流センサ４００を構成している。また、複数の延出部４２は、互いに連結され、一枚の板状の連結延出板部４２０を構成している。

図８に示すごとく、連結電流センサ４００は、複数のバスバー３の配列方向（Ｘ方向：図４参照）に細長い形状を呈している。個々の電流センサ４は、バスバー挿入孔４１０を備える。個々のバスバー挿入孔４１０に、バスバー３（３ｕ，３ｖ，３ｗ）が挿入される。また、各電流センサ４のセンサ被覆部４１は、上述したように、センサ素子４０（図４参照）を被覆している。本形態では、センサ素子４０として、ホール素子を用いている。

また、図３に示すごとく、延出部４２の先端部４２１は、延出部４２の延出方向（Ｙ方向）において、締結部材６よりも出力端子２２側に位置している。これにより、バスバー３から締結部材６までの空間距離を長くし、これらの絶縁性を高めている。

図２、図３に示すごとく、ケース５には、冷媒１０が流れる流路５２が形成されている。流路５２は、Ｚ方向に開口した開口部５１を備える。本形態では、半導体モジュール２の鍔部２３によって開口部５１を塞ぎつつ、モジュール本体部２１を流路５２内に配置してある。電力変換装置１を稼働すると半導体素子２０が発熱してモジュール本体部２１の温度が上昇する。そのため、冷媒１０を用いてモジュール本体部２１を冷却している。

ケース５内には、隔壁５０が形成されている。この隔壁５０によって、ケース５内の空間を、バスバー３が配されたバスバー側空間Ｓと、流路５２とに区画している。隔壁５０に、上記開口部５１が形成されている。

鍔部２３と隔壁５０との間には、ガスケット１４が介在している。このガスケット１４により、冷媒１０が、流路５２からバスバー側空間Ｓに漏出することを防止している。

図２に示すごとく、ケース５の端部５８には、第１蓋部５５が取り付けられている。第１蓋部５５と隔壁５０との間に、流路５２を形成してある。第１蓋部５５には、冷媒１０を流路５２に導入するための導入管５３と、冷媒１０を導出するための導出管５４（図５、図６参照）とが取り付けられている。図５、図６に示すごとく、流路５２は、蛇行した一本の川状に形成されている。導入管５３から冷媒１０を導入すると、冷媒１０は、流路５２内を流れ、半導体モジュール２と熱交換をして、導出管５４から導出する。これにより、半導体モジュール２を冷却するよう構成されている。

また、図２に示すごとく、Ｚ方向における、ケース５の、第１蓋部５５を設けた側とは反対側の端部５９には、第２蓋部５６が取り付けられている。この第２蓋部５６によって、バスバー側空間Ｓを密閉している。

また、図３に示すごとく、隔壁５０には、上記開口部５１と、雌螺子部５７とが形成されている。電力変換装置１を製造する際には、半導体モジュール２のモジュール本体部２１を、バスバー側空間Ｓから開口部５１に挿入し、締結部材６を貫通孔２３０に挿入する。そして、締結部材６を雌螺子部５７に螺合する。これにより、半導体モジュール２をケース５に固定する。

図３、図４に示すごとく、出力端子２２に接続したバスバー３は、Ｙ方向に延出している。バスバー３は、ケース５に形成された側壁開口部５０１を通って、ケース外へ延出している。３本のバスバー３は、封止部材１３によって封止され、一部品化されている。

図４に示すごとく、本形態では、Ｚ方向から見たときに、バスバー３と締結部材６とが互いに重なり合うよう構成してある。また、複数のバスバー３（３ｕ，３ｖ，３ｗ）と、該バスバーの近傍に配された締結部材６との間に、それぞれ延出部４２が介在している。

本形態の作用効果について説明する。図３に示すごとく、本形態の電流センサ４は、絶縁材料からなりセンサ被覆部４１と一体的に形成された延出部４２を備える。延出部４２は締結部材６とバスバー３との間に介在している。
そのため、電流センサ４の延出部４２を用いて、バスバー３と締結部材６とを絶縁することが可能になる。したがって、これらを絶縁するための専用の部品を設ける必要がなくなり、部品点数を低減することができる。そのため、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。

すなわち、仮に延出部４２を形成しなかったとすると、締結部材６とバスバー３とを絶縁するための専用の部品を設ける必要が生じる。例えば図１６に示すごとく、締結部材６に絶縁樹脂製の絶縁キャップ９を取り付ける必要がある。そのため、部品点数が多くなり、電力変換装置１の製造コストが上昇しやすくなる。

また、図４に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、Ｚ方向から見たときに、バスバー３と締結部材６とが重なり合うよう構成されている。
すなわち、締結部材６がバスバー３に近い位置に配されている。そのため、仮に延出部４２が無かったとすると、バスバー３から締結部材６を介してケース５に漏電しやすくなる。したがって、延出部４２を設け、締結部材６とバスバー３とを充分に絶縁したことによる効果は大きい。

また、図７に示すごとく、本形態の半導体モジュール２は、Ｚ方向における出力端子２２側の端部２１０から延出した鍔部２３を備える。すなわち、Ｚ方向において出力端子２２に近い位置に、鍔部２３を形成してある。また、図３に示すごとく、この鍔部２３によって流路５２の開口部５１を塞ぎ、締結部材６によって鍔部２３を、バスバー３を配した側からＺ方向に締結してある。
そのため、鍔部２３を締結する締結部材６と、出力端子２２に接続したバスバー３とが、互いに接近しやすい構造になっている。したがって、これら締結部材６とバスバー３との間に、絶縁材料からなる延出部４２を介在させ、絶縁性を高めたことによる効果は大きい。

また、図４に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、複数のバスバー３（３ｕ，３ｖ，３ｗ）を備える。個々のバスバー３に電流センサ４が取り付けられている。
そのため、全てのバスバー３を、延出部４２によって絶縁できる。

また、本形態では図４に示すごとく、個々の電流センサ４を構成するセンサ被覆部４１同士が連結している。そのため、複数の電流センサ４を一部品化することができ、部品点数をより低減することができる。

また、本形態では図４に示すごとく、個々の電流センサ４を構成する延出部４２同士が連結している。そのため、延出部４２の強度を高めることができる。

また、図３に示すごとく、Ｙ方向における延出部４２の先端部４２１は、Ｙ方向において、締結部材６よりも出力端子２２側に位置している。
そのため、バスバー３から締結部材６までの空間距離を長くすることができる。したがって、バスバー３と締結部材６との絶縁性をより高めることができる。

以上のごとく、本形態によれば、部品点数を低減でき、製造コストを低減できる電力変換装置を提供することができる。

なお、図３に示すごとく、本形態では、延出部４２の先端部４２１が、Ｙ方向において締結部材６よりも出力端子２２側に位置しているが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、図１０に示すごとく、先端部４２１よりも出力端子２２側に、締結部材６の一部が配されていてもよい。また、図１１に示すごとく、延出部４２の先端面４２９と、Ｙ方向における締結部材６の出力端子２２側の側面６９とが、面一にされていてもよい。

以下の実施形態においては、図面に用いた符号のうち、実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１と同様の構成要素等を表す。

（実施形態２）
本形態は、延出部４２の形状を変更した例である。図１２、図１３に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、実施形態１と同様に、複数のバスバー３を備える。個々のバスバー３に、電流センサ４が取り付けられている。各電流センサ４のセンサ被覆部４１から、延出部４２が延出している。個々の電流センサ４を構成するセンサ被覆部４１同士は、互いに連結している。また、実施形態１と異なり、個々の電流センサ４に設けられた延出部４２は、互いに連結していない。

このようにすると、延出部４２同士が絶縁材料によって連結されていないため、絶縁材料の使用量を低減することができる。そのため、電力変換装置１の製造コストを低減できる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態３）
本形態は、電流センサ４の形状を変更した例である。図１４に示すごとく、本形態では、延出部４２の先端部４２１に突部４３を形成してある。突部４３は、先端部４２１から、Ｚ方向における流路５２側に突出している。突部４３は、センサ被覆部４１および延出部４２と一体的に形成されており、絶縁材料からなる。

このようにすると、バスバー３から締結部材６までの空間距離をさらに長くすることができる。そのため、バスバー３と締結部材６とを、さらに良好に絶縁することができる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態４）
本形態は、電流センサ４の構成を変更した例である。図１５に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、実施形態１と同様に、複数のバスバー３を備える。個々のバスバー３に電流センサ４が取り付けられている。個々の電流センサ４を構成するセンサ被覆部４１及び延出部４２は、実施形態１と異なり、連結されていない。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
２２ 出力端子
３ バスバー
４ 電流センサ
４１ センサ被覆部
４２ 延出部
５ ケース
６ 締結部材

Claims (4)

1. 三相交流モータ（８）に電気的に接続される半導体素子（２０）を内蔵すると共に、出力端子（２２）、及び前記三相交流モータを駆動する直流電源（８１）と接続される入力端子（２４、２６）を有し、前記三相交流モータの各相に対応した複数の半導体モジュール（２）と、
   前記半導体モジュールの前記出力端子に接続され、各相個別に形成された複数のバスバー（３ｕ、３ｖ、３ｗ）と、
   前記半導体モジュールを収容するケース（５）と、
   前記半導体モジュールと前記ケースとを密着させる金属製部材（６）と、
   前記各相個別に形成された複数のバスバー間を絶縁する第１絶縁部（４１）と、を有し、
   前記バスバーと前記金属製部材との間には、前記第１絶縁部と一体に形成された第２絶縁部（４２）が介在している、電力変換装置（１）。
2. 前記バスバーと前記出力端子との接続箇所と、前記金属製部材との間には、前記第２絶縁部の一部が介在している、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記ケースには、前記半導体モジュールを冷却し、内部に冷媒（１０）の通る冷媒流路（５２）が形成されている、請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記金属製部材は、前記入力端子及び前記出力端子の並び方向において前記入力端子及び前記出力端子の両側にそれぞれ配置されており、
   一方の前記金属製部材と前記バスバーとの間には前記第２絶縁部が介在しており、他方の前記金属製部材と前記入力端子との間の領域には、前記半導体素子のスイッチング制御を行うための制御端子（２５）が介在している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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