JP2019198173A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、コストを抑えつつ組立性の良い電力変換器を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電力変換器２、電力変換用のスイッチング素子を収容している半導体モジュール１２と、端子台３と、制御基板２４を備えている。制御基板２４には、半導体モジュールから延びている複数の制御信号ピン１４が通過している複数の第１スルーホール４１と、端子台３から延びている複数のセンサ信号ピン１９が通過している複数の第２スルーホール４２が設けられている。第２スルーホール４２の直径Ｄ２は第１スルーホール４１の直径Ｄ１よりも大きい。また、制御信号ピンはハンダで第１スルーホール４１に接合されており、センサ信号ピン１９はハンダで第２スルーホール４２に接合されている。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換器に関する。

特許文献１に、バッテリの電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器が開示されている。その電力変換器は、電力変換用のスイッチング素子を収容している複数の半導体モジュールと、端子台と、基板を備えている。基板には、半導体モジュールから延びている複数の第１信号ピンが接続されている。複数の第１信号ピンのなかには、半導体モジュールの中でスイッチング素子のゲート電極に接続されているものがある。一方、端子台は、半導体モジュールの出力（変換された電力）を伝えるバスバを支持している部品であるとともに、半導体モジュールの出力電流を計測する電流センサを内蔵している。バスバは、端子台にて、モータから延びているパワーケーブルに接続される。電流センサの計測データを伝える複数の第２信号ピンが端子台から延びており、その先端は基板に接続されている。基板には、スイッチング素子を駆動する制御回路が実装されている。制御回路は、第２信号ピンを通じて電流センサの計測データをフィードバックし、生成したゲート駆動信号を、第１信号ピンを通じて各スイッチング素子のゲートに供給する。

特開２０１４−１３０８９４号公報

信号ピンを基板に接続するには、コネクタを用いるか、あるいは、基板にスルーホールを設けてそこに信号ピンを通してハンダ付けする方法がある。基板に信号ピンを組み付ける組立性を向上させるためにコネクタには信号ピンを案内するガイドを設けることができるがコストが嵩む。スルーホールは低コストで実現できるが孔に信号ピンを通すべく接合前にスルーホールと信号ピンを正確に位置決めしなければならず、組立性が劣る。スルーホールを大きくすれば組立性は向上するが、ハンダ付けが難しくなる。本明細書は、コストを抑えつつ組立性の良い電力変換器を提供する。

本明細書が開示する電力変換器は、電力変換用のスイッチング素子を収容している半導体モジュールと、端子台と、基板を備えている。基板には、半導体モジュールから延びている複数の第１信号ピンが通過している複数の第１スルーホールと、端子台から延びている複数の第２信号ピンが通過している複数の第２スルーホールが設けられている。第２スルーホールの直径は第１スルーホールの直径よりも大きい。また、第１信号ピンはハンダで第１スルーホールに接合されており、第２信号ピンはハンダで第２スルーホールに接合されている。第２スルーホールの直径を第１スルーホールの直径よりも大きくすることで、組立性が改善される。

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。

実施例の電力変換器の分解斜視図である。 電力変換器の斜視図である（上カバーを外した状態）。

図面を参照して実施例の電力変換器２を説明する。図１に、電力変換器２の分解斜視図を示し、図２に電力変換器２の斜視図を示す。図２は、上カバーを外した状態を示している。電力変換器２は、電気自動車に搭載されるデバイスであり、バッテリの直流電力を、走行用の２個のモータの駆動電力に変換する。電力変換器２は、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路と、昇圧した直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を含む。回路の具体的な説明は省略するが、電圧コンバータ回路とインバータ回路は、電力変換用の多数のスイッチング素子を備えている。スイッチング素子は、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。

電力変換器２の筺体２０には、複数の半導体モジュール１２と、複数の冷却プレート１５と、コンデンサ素子２１、２３と、リアクトル２２と、端子台３が収容されている。

一個の半導体モジュール１２には、２個の半導体チップがモールドされている。一つの半導体チップには、一つのスイッチング素子と一つのダイオードの逆並列回路が実装されている。２個の半導体チップは、半導体モジュール１２の中で直列に接続されている。即ち、半導体モジュール１２の内部では２個のスイッチング素子が直列に接続されている。ここで、モールドとは、樹脂で封止することを意味する。半導体チップは平板型であり、半導体モジュール１２もまた平板型である。複数の半導体モジュール１２は、平板型の複数の冷却プレート１５と交互に積層されて積層ユニット１０を構成する。冷却プレート１５は内部を冷媒が流れる中空の平板型の流路であり、２個の冷却プレート１５の間に半導体モジュール１２が挟まれ、半導体モジュール１２は両面から冷却される。なお、図１では、５個の半導体モジュール１２と６個の冷却プレート１５が描かれているが、積層ユニット１０には、さらに多くの半導体モジュール１２と冷却プレート１５が含まれている。

夫々の半導体モジュール１２の下面から正極パワー端子１３ｂ、負極パワー端子１３ｃ、出力パワー端子１３ａが延びており、上面から制御信号ピン１４が延びている。正極パワー端子１３ｂと負極パワー端子１３ｃは、半導体モジュール１２の内部の２個のスイッチング素子の直列接続の正極と負極と導通している。出力パワー端子１３ａは、２個のスイッチング素子の直列接続の中点と導通している。以下では、正極パワー端子１３ｂと負極パワー端子１３ｃと出力パワー端子１３ａをパワー端子１３と総称する場合がある。

スイッチング素子は電力変換用であり、そのドレイン／ソース間（コレクタ／エミッタ間）には大電流が流れる。一方、制御信号ピン１４には、それほど大きな電流は流れない。それゆえ、パワー端子１３には、制御信号ピン１４よりも断面積が大きい金属板が使われている。図１では、出力パワー端子１３ａにバスバ９の一端が接続している。正極パワー端子１３ｂと負極パワー端子１３ｃは、別のバスバを介してコンデンサ素子２１と接続される。図１では、正極パワー端子１３ｂ／負極パワー端子１３ｃとコンデンサ素子２１を接続するバスバは図示を省略している。

走行用のモータには３相交流モータが用いられるため、一つのインバータ回路の出力も３相（ＵＶＷ）である。詳しい回路構成の説明は省略するが、積層ユニット１０には７個の半導体モジュール１２が含まれており、そのうちの３個の半導体モジュール１２がインバータ回路を構成し、別の３個の半導体モジュール１２が別のインバータ回路を構成する。残りの１個の半導体モジュール１２は昇圧コンバータ回路の部品である。インバータ回路を構成する３個の半導体モジュール１２の出力パワー端子１３ａから交流が出力される。電力変換器２は２個のモータを駆動する。ＵＶＷ３相の出力が２セットで合計６本のバスバ９の夫々の一端が半導体モジュール１２の出力パワー端子１３ａに接続されている。バスバ９の他端（積層ユニット１０に接続している端とは反対側の端部）は端子台３に埋め込まれている。端子台３は、バスバ９とモータから延びているパワーケーブルの端子５０を接続するためのデバイスである。バスバ９の他端９ａは、端子台３の一面３ａに面して露出している。

バスバ９の端子台側の先端９ａは直角に屈曲しており、端子台３の一面３ａの面上に位置する。端子台３の一面３ａを以後、端子取付面３ａと称する。また、端子取付面３ａの面上に位置するバスバ先端をバスバ端面９ａと称する。端子台３が電力変換器２の筺体２０に固定されると、端子取付面３ａが筺体２０に設けられた開口２０ａに面し、バスバ端面９ａが開口２０ａから露出する。

バスバ端面９ａは筺体２０の開口２０ａに面しており、開口２０ａを通じて、バスバ端面９ａにモータ（不図示）から延びるパワーケーブル５１の端子５０がボルト５２にて接続される。なお、図３では、２個のパワーケーブル５１のみを示しているが、６個全ての端面９ａにパワーケーブルが接続される。

端子台３の本体４の両側にはフランジ３ｂが設けられている。フランジ３ｂには貫通孔が設けられており、その貫通孔にボルトを通して端子台３は電力変換器２の筺体２０に固定される。

端子台３の本体４は樹脂製であり、内部に電流センサがインサート成形により埋設されている。バスバ９もインサート成形により電流センサと一緒に埋設される。電流センサは各バスバ９を流れる電流を計測する。本体４の上部には、センサ回路基板１８が取り付けられている。電流センサの出力は、センサ回路基板１８で処理され、複数のセンサ信号ピン１９を通じて制御基板２４へ送られる。端子台３から延びている複数のセンサ信号ピン１９は、途中までカバー１７に覆われている。

先に述べたように、半導体モジュール１２の上面から複数の制御信号ピン１４が上方へ向かって延びている。複数の制御信号ピン１４は、スイッチング素子のゲート電極と導通しているピン、センスエミッタと導通しているピン、半導体モジュール１２の内部の温度センサと導通しているピンなどが含まれる。複数の制御信号ピン１４は、制御基板２４に接続される。

制御基板２４には、半導体モジュール１２の内部のスイッチング素子を駆動するための制御回路が実装されている。制御回路は、制御基板２４に取り付けられている複数の電子部品４３で構成される。制御回路は、不図示の上位制御器から２個のモータの目標出力指令を受け取る。制御回路は、目標出力指令が実現されるように、各スイッチング素子のゲート駆動信号を生成する。制御回路は、センサ信号ピン１９を介して電流センサの計測データを受け取り、計測データをフィードバックしながら、制御信号ピン１４を通じて各スイッチング素子へゲート駆動信号を供給する。制御基板２４は、不図示のボルトでケース２０の内部に固定される。

制御基板２４には複数の第１スルーホール４１と複数の第２スルーホール４２が設けられている。第１スルーホール４１には、半導体モジュール１２から延びる複数の制御信号ピン１４が挿通される。夫々の制御信号ピン１４は、ハンダ４５で対応する第１スルーホール４１に接合されている。第２スルーホール４２には、端子台３から延びる複数のセンサ信号ピン１９が挿通される。夫々のセンサ信号ピン１９は、ハンダ４６で対応する第２スルーホール４２に接合されている。図２に示すように、第２スルーホール４２の直径Ｄ２は、第１スルーホール４１の直径Ｄ１よりも大きい。

電力変換器２を組み立てる際、積層ユニット１０に含まれている複数の半導体モジュール１２の複数の制御信号ピン１４を制御基板２４に取り付けるとともに、端子台３から延びている複数のセンサ信号ピン１９を制御基板に取り付ける必要がある。先に述べたように、複数の制御信号ピン１４は対応する複数の第１スルーホール４１に挿通され、複数のセンサ信号ピン１９は対応する複数の第２スルーホール４２に挿通される。スルーホールは小さすぎると信号ピンを通しづらく、大きすぎるとハンダで固定し難くなる。

図１に示されているように、センサ信号ピン１９は、途中までカバー１７に覆われているが、その全長は制御信号ピン１４よりも長い。全長の長いセンサ信号ピン１９の先端（上端）の位置のばらつきは、全長の短い制御信号ピン１４の先端（上端）の位置のばらつきよりも大きい。そこで、信号ピンの先端位置のばらつきの大きさに対応させ、先端位置のばらつきの大きいセンサ信号ピン１９を挿通する第２スルーホール４２の直径Ｄ２を、先端位置のばらつきの小さい制御信号ピン１４を挿通する第１スルーホール４１の直径Ｄ１よりも大きくする。先端位置のばらつきに応じてスルーホールの直径を定めることで、ピンの挿通とハンダ付を含む組立性が改善される。

実施例の電力変換器２の特徴をまとめると以下の通りである。電力変換器２は、複数の半導体モジュール１２が積層された積層ユニット１０と、端子台３と、制御基板２４を備えている。夫々の半導体モジュール１２には、電力変換用のスイッチング素子が収容されている。積層ユニット１０と端子台３と制御基板２４は、筺体２０に収容されている。端子台３には、半導体モジュール１２の出力（変換された電力）を伝達する複数のバスバ９が支持されているとともに、各バスバに流れる電流を計測する電流センサが備えられている。電流センサの計測データを伝達するセンサ信号ピン１９は、端子台３から延びており、制御基板２４に接続される。半導体モジュール１２からは複数の制御信号ピン１４が延びており、制御基板２４に接続される。制御基板２４には、制御回路が実装されており、その制御回路は、センサ信号ピン１９を介して送られるセンサデータに基づいて、スイッチング素子の駆動信号を生成する。生成した駆動信号は、制御信号ピン１４を介して各半導体モジュール１２（その中のスイッチング素子）に供給される。

制御信号ピン１４は、制御基板２４に設けられている第１スルーホール４１に挿通され、ハンダ４５で接合されている。センサ信号ピン１９は、制御基板２４に設けられている第２スルーホール４２に挿通され、ハンダ４６で接合されている。センサ信号ピン１９は、制御信号ピン１４よりも長く、先端位置のばらつきも制御信号ピン１４のそれよりも大きい。センサ信号ピン１９が挿通される第２スルーホール４２の直径Ｄ２は、制御信号ピン１４が挿通される第１スルーホール４１の直径Ｄ１よりも大きい。先端位置のばらつきの大きいセンサ信号ピン１９が挿通される第２スルーホール４２の直径Ｄ２を第１スルーホール４１の直径Ｄ１よりも大きくすることで、センサ信号ピン１９の挿通とハンダ付けの作業が改善される。一方、先端位置のばらつきの小さい制御信号ピン１４が挿通される第１スルーホール４１の直径Ｄ１は小さくすることで、ピン挿入の作業性はかわらず、ハンダ付け作業性が改善される。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。制御基板２４に接続されるセンサ信号ピンには、電流センサの計測データを伝えるピンのほか、リアクトル２２に備えられている温度センサ（不図示）の計測データを伝えるピンや、コンデンサ素子２１、２３に備えられている温度センサ（不図示）の計測データを伝えるピンが含まれていてもよい。

制御信号ピン１４が第１信号ピンの一例に相当し、センサ信号ピン１９が第２信号ピンの一例に相当する。制御基板２４が基板の一例に相当する。

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：電力変換器
３：端子台
４：本体
９：バスバ
１０：積層ユニット
１２：半導体モジュール
１３：パワー端子
１４：制御信号ピン
１５：冷却プレート
１７：カバー
１８：センサ回路基板
１９：センサ信号ピン
２０：筺体
２１、２３：コンデンサ素子
２２：リアクトル
２４：制御基板
４１：第１スルーホール
４２：第２スルーホール
４３：電子部品
４５、４６：ハンダ

Claims (1)

1. 電力変換用のスイッチング素子を収容している半導体モジュールと、
   端子台と、
   前記半導体モジュールから延びている複数の第１信号ピンが通過している複数の第１スルーホールと、前記端子台から延びている複数の第２信号ピンが通過している複数の第２スルーホールとが設けられている基板と、
   を備えており、
   前記第２スルーホールの直径が前記第１スルーホールの直径よりも大きく、前記第１信号ピンはハンダで前記第１スルーホールに接合されており、前記第２信号ピンはハンダで前記第２スルーホールに接合されている、電力変換器。

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