JP2020156206A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、電力変換器に関する。 The techniques disclosed herein relate to power converters.
特許文献１に、電気自動車に搭載される電力変換器が開示されている。電気自動車の電力変換器は、電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換するデバイスである。電力変換器は、典型的にはインバータである。電力変換器は、電力変換用の複数のスイッチング素子を備えている。電力変換用のスイッチング素子は発熱量が大きい。特許文献１の電力変換器では、電力変換用のスイッチング素子を収容した複数のパワーモジュールが複数の冷却器と積層されている。それぞれのパワーモジュールの両側に冷却器が位置し、それぞれのパワーモジュールは両側から効率よく冷却される。 Patent Document 1 discloses a power converter mounted on an electric vehicle. An electric vehicle power converter is a device that converts power from a power source into drive power for a traveling motor. The power converter is typically an inverter. The power converter includes a plurality of switching elements for power conversion. Switching elements for power conversion generate a large amount of heat. In the power converter of Patent Document 1, a plurality of power modules accommodating a switching element for power conversion are laminated with a plurality of coolers. Coolers are located on both sides of each power module, and each power module is efficiently cooled from both sides.
特許文献１の電力変換器は、筐体の側壁であってパワーモジュールと冷却器の積層方向を向く側壁に外部のコネクタが接続されている。 In the power converter of Patent Document 1, an external connector is connected to the side wall of the housing, which faces the stacking direction of the power module and the cooler.
特許文献２に開示されている電力変換器では、筐体の側壁に、外部のコネクタを取り付けるコネクタ開口が設けられている。電力変換器側の金属端子とコネクタ側の端子は、そのコネクタ開口よりも筐体内側で接続される。
In the power converter disclosed in
複数のパワーモジュールと複数の冷却器の積層ユニットは、積層方向に長くなる。特許文献２の構造を特許文献１の構造に適用すると、積層方向を向く筐体側壁にコネクタ開口を設けることになり、さらに、筐体内部の金属端子とコネクタ側の端子との接続箇所をコネクタ開口よりも筐体内側に設けることになる。積層ユニットとコネクタ開口の間に端子接続箇所を設けるために、筐体の積層方向における長さが比較的に長くなってしまう。本明細書は、積層ユニットを備えているとともに積層方向を向く側壁にコネクタ開口を備えている電力変換器に関し、筐体の積層方向の長さを短くする技術を提供する。
The stacking unit of the plurality of power modules and the plurality of coolers becomes longer in the stacking direction. When the structure of
本明細書が開示する電力変換器は、積層ユニットと、筐体と、端子台と、バスバを備えている。積層ユニットは、電力変換用のスイッチング素子を収容した複数のパワーモジュールと複数の冷却器が積層されているデバイスである。筐体は、積層ユニットと端子台とバスバを収容する。筐体には、複数のパワーモジュールと複数の冷却器の積層方向を向く側壁に外部のコネクタが取り付けられるコネクタ開口が設けられている。端子台は、金属端子を支持している。端子台は、金属端子の一端がコネクタ開口に位置するとともに他端が筐体内部に位置するように筐体に固定されている。バスバは、金属端子の他端（筐体内部に位置する端）とパワーモジュールの端子を接続する。金属端子の他端とバスバは、筐体の底面の法線方向に沿って挿通されるボルトで固定されている。 The power converter disclosed in the present specification includes a laminated unit, a housing, a terminal block, and a bus bar. A stacking unit is a device in which a plurality of power modules accommodating switching elements for power conversion and a plurality of coolers are laminated. The housing houses the laminated unit, the terminal block, and the bus bar. The housing is provided with a connector opening in which an external connector is attached to a side wall facing the stacking direction of a plurality of power modules and a plurality of coolers. The terminal block supports metal terminals. The terminal block is fixed to the housing so that one end of the metal terminal is located in the connector opening and the other end is located inside the housing. The bus bar connects the other end of the metal terminal (the end located inside the housing) to the terminal of the power module. The other end of the metal terminal and the bus bar are fixed with bolts inserted along the normal direction of the bottom surface of the housing.
本明細書が開示する電力変換器は、外部のコネクタと接続される金属端子の一端がコネクタ開口よりも筐体の内側ではなく、コネクタ開口に位置している。別言すれば、金属端子の一端は、筐体底面の法線方向からみて側壁と重なるように位置している。特許文献２の構造よりも金属端子の一端（コネクタ側の端子と接続される端）を筐体側壁と重なるように配置できるので、筐体の積層方向の長さを従来よりも短くすることができる。そのような構造が実現できるのは、パワーモジュールの端子とコネクタ側の端子を接続する導電部材をバスバと金属端子の２部品で構成するとともに、金属端子の他端（筐体内部に位置する端）とバスバを筐体底面の法線方向に沿って挿通されるボルトで相互に固定する構造を採用したからである。そのような構造を採用することで、金属端子の一端を開口に差し入れてから、金属端子の他端とバスバを相互に固定することが可能となった。
In the power converter disclosed herein, one end of a metal terminal connected to an external connector is located in the connector opening rather than inside the housing with respect to the connector opening. In other words, one end of the metal terminal is positioned so as to overlap the side wall when viewed from the normal direction of the bottom surface of the housing. Since one end of the metal terminal (the end connected to the terminal on the connector side) can be arranged so as to overlap the side wall of the housing as compared with the structure of
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。 Details and further improvements to the techniques disclosed herein will be described in the "Modes for Carrying Out the Invention" section below.
図面を参照して実施例の電力変換器２を説明する。電力変換器２は、複数の走行用のモータを備える電気自動車に搭載される。電力変換器２は、バッテリの直流電力をそれぞれのモータの駆動電力に変換するデバイスである。
The
図１に、電力変換器２の斜視図を示す。電力変換器２は、積層ユニット４０、バスバモジュール２０、端子台３０を備えている。電力変換器２は、それらの部品以外にも多数の部品を備えているが、それらの図示と説明は省略する。
FIG. 1 shows a perspective view of the
電力変換器２の主要部品は積層ユニット４０である、積層ユニット４０は、複数のパワーモジュール４１−４４と、複数の冷却器４６が積層されたデバイスである。図１では、パワーモジュール４１とパワーモジュール４２の間にあるパワーモジュールには符号を省略した。符号の無いパワーモジュールを含めてパワーモジュール４１と総称する。また、図１では、左端の２個の冷却器にのみ符号４６を付し、残りの冷却器には符号を省略した。
The main component of the
パワーモジュール４１−４４のそれぞれは、電力変換用の２個の半導体素子を収容している。半導体素子は、電力変換用のスイッチング素子であり、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのトランジスタである。それぞれのパワーモジュールの中で、２個の半導体素子は直列に接続されている。直列接続の高電位側の端子、低電位側の端子、中点端子はそれぞれのパワーモジュールの上面から上方（図中の座標系の＋Ｚ方向）に延びている。 Each of the power modules 41-44 accommodates two semiconductor elements for power conversion. The semiconductor element is a switching element for power conversion, and is, for example, a transistor such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). In each power module, two semiconductor elements are connected in series. The high-potential side terminal, low-potential side terminal, and midpoint terminal connected in series extend upward (in the + Z direction of the coordinate system in the figure) from the upper surface of each power module.
以下では、パワーモジュール４２−４４と、その中点端子４２ａ−４４ａに接続されるバスバ２２−２４について説明し、その他の端子に接続されるバスバについては説明を省略する。図では、バスバ２２−２４以外のバスバについては符号を省略し、さらにいくつかのバスバについては図示を省略してある。
In the following, the power module 42-44 and the bus bars 22-24 connected to the
パワーモジュール４２−４４は、１個のモータのインバータを構成する。パワーモジュール４２−４４の中点端子は、バスバ２２−２４を介して金属端子３２−３４に接続される。詳しくは後述するが、金属端子３２−３４は端子台３０に支持されており、それらの一端は、筐体１０の側壁１０ａに設けられているコネクタ開口１１に位置している。金属端子３２−３４の中央部分は端子台３０の本体３１に覆われており、金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａと他端３２ｂ−３４ｂが本体３１から露出する。金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａは、図１では筐体１０の側壁１０ａに隠れて見えない。一端３２ａ−３４ａは、後の図２に描かれている。金属端子３２−３４の他端３２ｂ−３４ｂのそれぞれは、バスバ２２−２４の他端２２ｂ−２４ｂの下に位置しているが、図１では符号を省略している。金属端子３２−３４の他端３２ｂ−３４ｂについても図２に示してある。
The power modules 42-44 constitute an inverter for one motor. The midpoint terminal of the power module 42-44 is connected to the metal terminal 32-34 via the bus bar 22-24. As will be described in detail later, the metal terminals 32-34 are supported by the
バスバ２２−２４は、バスバモジュール２０に支持されており、筐体１０に収容されている。コネクタ開口１１には、モータから延びるパワーケーブルのコネクタ（不図示）が接続される。コネクタが接続されると、コネクタ側の３個の端子が金属端子３２−３４のそれぞれに接続される。すなわち、パワーケーブルのコネクタ側の端子がインバータを構成するパワーモジュール４２−４４の中点端子と接続される。パワーモジュール４２−４４のそれぞれの中点から１２０度の位相差で交流が出力される。３本のバスバ２２−２４、３本の金属端子３２−３４は、三相交流を伝達する。
The bus bar 22-24 is supported by the
いくつかのパワーモジュール４１は、別のモータ用のインバータを構成する。また、他のいくつかのパワーモジュール４１は、直流電源の電圧を昇圧する電圧コンバータを構成する。電圧コンバータで昇圧された直流電力がインバータを構成するパワーモジュール４１−４４の正極と負極に供給される。バスバ２２−２４以外のパワーモジュール４１の結線は図示を省略してある。
Some
図２に、バスバモジュール２０と端子台３０を筐体１０から分離した斜視図を示す。積層ユニット４０は、筐体１０に収容され、固定されている。積層ユニット４０は、複数のパワーモジュール４１−４４と、複数の冷却器４６が１個ずつ交互に積層されているデバイスであり、複数のパワーモジュール４１−４４と、複数の冷却器４６の積層方向が筐体１０の長手方向に一致するように収容されている。図中の座標系のＸ方向が、筐体１０の長手方向に相当するとともに、複数のパワーモジュール４１−４４と、複数の冷却器４６の積層方向に相当する。以下では、複数のパワーモジュール４１−４４と、複数の冷却器４６の積層方向を単に積層方向と表記する場合がある。筐体１０の積層方向を向く側壁１０ａにコネクタ開口１１が設けられている。
FIG. 2 shows a perspective view in which the
先に述べたように、パワーモジュール４２−４４は、特定のモータに三相交流を共有するインバータを構成する。パワーモジュール４２−４４の夫々の上面から上方へ中点端子４２ａ、４３ａ、４４ａが延びている。中点端子４２ａ、４３ａ、４４ａのそれぞれから、ｕ相、ｖ相、ｗ相の交流が出力される。
As mentioned earlier, the power modules 42-44 constitute an inverter that shares three-phase alternating current with a particular motor.
中点端子４２ａにはバスバ２２の一端２２ａが接合される。中点端子４３ａ（４４ａ）には、バスバ２３（２４）の一端２３ａ（２４ａ）が接合される。図２と後述する図３−図６は、バスバ２２−２４が中点端子４２ａ−４４ａと接合される前の状態を示している。バスバ２２−２４は、細長の金属板であり、バスバモジュール２０の本体２１に支持されている。本体２１は、樹脂製であり、バスバモジュール２０は、樹脂のインサート成形により、バスバ２２−２４の一部を覆うように形成される。
One
バスバモジュール２０の本体２１の＋Ｘ方向の先端からは、バスバ２２−２４の他端２２ｂ−２４ｂが露出している。
The
端子台３０の本体３１に、３個の金属端子３２−３４が支持されている。本体３１は樹脂製であり、端子台３０は、樹脂のインサート成形により、金属端子３２−３４の一部を覆うように形成される。端子台３０の＋Ｘ方向の側には、金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａが露出している。端子台３０の−Ｘ方向の側には、金属端子３２−３４の他端３２ｂ−３４ｂが露出している。金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａが、コネクタ側の端子と接続される。
Three metal terminals 32-34 are supported on the
端子台３０は、筐体１０の底面１０ｂの法線方向に沿って筐体１０に入れられる。図２の黒い矢印線が、端子台３０の筐体１０への挿入方向を示している。
The
図３に、端子台３０を筐体１０に入れた状態を示す。図４は、図３に対応する模式的平面図である。図４は、筐体１０を、その底面１０ｂの法線方向からみた図である。図４では、端子台３０の本体３１と、バスバモジュール２０の本体２１は仮想線で模式的に描いてある。また、理解を助けるために、バスバ２２、２３、２４は、グレーで示してある。図４では、パワーモジュール４１に対応するバスバは図示を省略した。
FIG. 3 shows a state in which the
図４に示すように、端子台３０は、積層方向（Ｘ方向）の側壁１０ａに設けられたコネクタ開口１１の近傍に入れられる。図４に示すように、筐体１０の底面１０ｂの法線方向から端子台３０が入れられた際、端子台３０の全体は、側壁１０ａの内側に位置している。端子台３０の＋Ｘ方向の先端はコネクタ開口１１の開口面積よりも小さい。図３、図４に黒矢印で示すように、端子台３０は、底面１０ｂの法線方向に沿って筐体１０に入れられた後、コネクタ開口１１へ向けて移動される。
As shown in FIG. 4, the
図５に、端子台３０の一部をコネクタ開口１１に差し入れた状態の電力変換器２の斜視図を示す。図６に、図５に対応する模式的平面図を示す。図６でも、端子台３０の本体３１と、バスバモジュール２０の本体２１は仮想線で模式的に描いてある。また、理解を助けるために、バスバ２２、２３、２４は、グレーで示してある。図６でも、パワーモジュール４１に対応するバスバは図示を省略した。
FIG. 5 shows a perspective view of the
図６に示すように、端子台３０をコネクタ開口１１へ向けて移動した後は、金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａとともに、端子台３０の＋Ｘ方向の先端がコネクタ開口１１に位置する。コネクタ開口１１は筒状をなしており、金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａとともに、端子台３０の＋Ｘ方向の先端は、コネクタ開口１１の筒の内側に位置する。別言すれば、図６に示されているように、筐体１０の底面１０ｂの法線方向（図中のＺ方向）からみたときに、端子台３０の先端と金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａは、積層方向を向く側壁１０ａ、及びコネクタ開口１１と重なる。
As shown in FIG. 6, after the
図５には、端子台３０を筐体１０に固定するボルト５５、バスバモジュール２０を筐体１０に固定するボルト５４、および、バスバ２２−２４のそれぞれを金属端子３２−３４のそれぞれに相互に締結するボルト５１も図示されている。まず端子台３０が、金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａがコネクタ開口１１に位置した状態で、ボルト５５によって筐体１０に固定される。
In FIG. 5,
次いで、バスバモジュール２０が、ボルト５４で筐体１０に固定される。バスバモジュール２０が筐体１０に固定されると、バスバ２２−２４の一端２２ａ−２４ａのそれぞれが中点端子４２ａ−４４ａのそれぞれと対向し、バスバ２２−２４の他端２２ｂ−２４ｂのそれぞれが金属端子３２−３４の他端３２ｂ−３４ｂのそれぞれと対向する。
Next, the
バスバ２２−２４の一端２２ａ−２４ａのそれぞれは、中点端子４２ａ−４４ａのそれぞれに溶接され、接合される。バスバ２２−２４の他端２２ｂ−２４ｂのそれぞれは、金属端子３２−３４の他端３２ｂ−３４ｂのそれぞれとボルト５５で端子台３０の本体３１に共締めされる。ボルト５５は、筐体１０の底面１０ｂの法線方向（図中のＺ方向）に沿って挿通される。その後、不図示の他の部品が筐体１０に取り付けられ、図１に示した電力変換器２が完成する。
Each of the
実施例の電力変換器２の利点を説明する。電力変換器２の筐体１０は、積層ユニット４０の積層方向を向く側壁１０ａにコネクタ開口１１を有している。コネクタ開口１１には、モータから延びるパワーケーブルのコネクタが接続される。そのモータは、パワーモジュール４２−４４が出力する三相交流で駆動される。コネクタ開口１１の近傍で、パワーモジュール４２−４４の中点端子４２ａ−４４ａと導通している金属端子３２−３４と、コネクタ側の端子が接続される。金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａがコネクタ開口１１よりも筐体１０の内側に位置すると、その分だけ、筐体１０の長手方向の長さが長くなる。実施例の電力変換器２では、金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａが端子台３０の先端部分とともに、コネクタ開口１１に位置している。より詳しくは、コネクタ開口１１は、筐体１０の外側に突出する筒状であり、金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａは端子台３０の先端部分とともに、コネクタ開口１１の筒の内側に位置している。金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａをコネクタ開口１１の筒部まで進出させることによって、筐体１０の長さを短くすることができる。
The advantages of the
金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａをコネクタ開口１１の筒の内側に配置できるのは、パワーモジュール４２−４４の中点端子４２ａ−４４ａと、コネクタ側の端子を接続する導電経路をバスバ２２−２４と金属端子３２−３４で二分割し、バスバ２２−２４を支持するバスバモジュール２０と、金属端子３２−３４を支持する端子台３０を別部品とし、バスバ２２と金属端子３２（バスバ２３と金属端子３３、バスバ２４と金属端子３４）を、底面１０ｂの法線方向に沿って挿通されるボルト５１で共締めする構成を採用したからである。仮に、バスバモジュール２０と端子台３０が一体になっていると、バスバモジュール２０に支持されているバスバ２２−２４の一端２２ａ−２４ａが積層ユニット４０と干渉してしまい、端子台３０の先端をコネクタ開口１１へ入れることができない。
One
実施例の電力変換器２では、バスバモジュール２０と端子台３０を別部品とし、まず、端子台３０だけを底面１０ｂに沿って筐体１０に入れたのち、端子台３０を積層方向（Ｘ方向）に沿って移動させ、その一部を金属端子３２−３４の一端３２ａ−３４ａとともにコネクタ開口１１に配置する。バスバモジュール２０と端子台３０を分離したことで、端子台３０を筐体１０にセットし、その後にバスバモジュール２０を接続することができるようになった。この構造により、筐体１０の長手方向の長さを短くすることに成功した。
In the
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。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above. The technical elements described in the present specification or drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques illustrated in the present specification or drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.
２：電力変換器 １０：筐体 １０ａ：側壁 １０ｂ：底面 １１：コネクタ開口 ２０：バスバモジュール ２１：本体 ２２−２４：バスバ ２２ａ−２４ａ：一端 ２２ｂ−２４ｂ：他端 ３０：端子台 ３１：本体 ３２−３４：金属端子 ３２ａ−３４ａ：一端 ３２ｂ−３４ｂ：他端 ４０：積層ユニット ４１−４４：パワーモジュール ４２ａ−４４ａ：中点端子 ４６：冷却器 ５１、５４、５５：ボルト
2: Power converter 10:
Claims (1)
前記積層ユニットを収容しており、複数の前記パワーモジュールと複数の前記冷却器の積層方向を向く側壁に外部のコネクタが取り付けられるコネクタ開口が設けられている筐体と、
金属端子を支持している端子台であって、前記金属端子の一端が前記コネクタ開口に位置するとともに他端が前記筐体内部に位置するように前記筐体に固定されている端子台と、
前記金属端子の前記他端と前記パワーモジュールの端子を接続するバスバと、
を備えており、
前記金属端子の前記他端と前記バスバが前記筐体の底面の法線方向に沿って挿通されるボルトで固定されている、電力変換器。 A stacking unit in which a plurality of power modules accommodating switching elements for power conversion and a plurality of coolers are laminated, and
A housing that houses the stacking unit and is provided with a connector opening on a side wall facing the stacking direction of the plurality of power modules and the plurality of coolers to which an external connector is attached.
A terminal block that supports metal terminals and is fixed to the housing so that one end of the metal terminal is located in the connector opening and the other end is located inside the housing.
A bus bar connecting the other end of the metal terminal and the terminal of the power module,
Is equipped with
A power converter in which the other end of the metal terminal and the bus bar are fixed by bolts inserted along the normal direction of the bottom surface of the housing.
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