JP2021019485A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサの磁性体コアがパワーモジュールケースに固定された電力変換装置において、リフロー工程や高温環境での動作時等におけるパワーモジュールケースの熱伸縮に起因して電流センサの検出特性が意図せず変化することを防止する。【解決手段】電流が流れるバスバー１０ｂと、バスバー１０ｂを囲う磁性体コア１３ａを有する電流センサ１３と、磁性体コア１３ａを収容する収容凹部２０を有するパワーモジュールケース１０ａとを備える電力変換装置であって、収容凹部２０の一部を埋設すると共に磁性体コア１３ａの一部を露出状態で磁性体コア１３ａをパワーモジュールケース１０ａに固定する埋設固定材４０を備えている。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

電気自動車等の車両には、バッテリとモータとの間に電力変換装置（ＰＣＵ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が設けられている。このような電力変換装置は、複数の半導体パワーチップや、これらのパワーチップを収容するパワーモジュールケースを備えている。パワーモジュールケースには、電送路となるバスバーが内包されており、特許文献１には、このようなバスバーに流れる電流を検出するための電流センサを備える電力変換装置が開示されている。

特開２０１７−１８４３８４号公報

ところで、上述のような電流センサは、磁性体コアを備えている。例えば、特許文献１に示されているように、この磁性体コアは、全体が封止材でモールドされている。しかしながら、このように磁性体コアの全体をモールドした場合には、パワーモジュールを製造する際のリフロー工程や高温環境での動作時等における熱伸縮に起因する応力が磁性体コアに対して強く作用する。磁性体コアは、一端と他端とが隙間を介して対向配置されたＣ形とされており、一端と他端との距離を一定に保つことが、検出特性を維持する上で重要である。上述のように、磁性体コアに対してパワーモジュールケースの熱伸縮に起因する応力が強く作用すると、磁性体コアの一端と他端との距離が変化し、電流センサの検出特性を意図せずに変化させてしまう可能性がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、電流センサの磁性体コアがパワーモジュールケースに固定された電力変換装置において、リフロー工程や高温環境での動作時等におけるパワーモジュールケースの熱伸縮に起因して電流センサの検出特性が意図せず変化することを防止することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、電流が流れるバスバーと、上記バスバーを囲う磁性体コアを有する電流センサと、上記磁性体コアを収容する収容凹部を有するパワーモジュールケースとを備える電力変換装置であって、上記収容凹部の一部を埋設すると共に上記磁性体コアの一部を露出状態で上記磁性体コアを上記パワーモジュールケースに固定する埋設固定材を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記磁性体コアが、一端と他端とが隙間を介して対向配置された環状形状とされ、上記埋設固定材が、上記磁性体コアの上記一端と上記他端とを内包しているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記パワーモジュールケースが、上記収容凹部の底面から上記収容凹部の入口開口に向けて立設されると共に上記バスバーを内包するバスバー保持部を有し、上記磁性体コアが、上記一端と上記他端との隙間に上記バスバー保持部が差し込まれた状態で固定されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記磁性体コアが、上記バスバー保持部の先端面に当接されているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第４の発明において、上記バスバー保持部の先端面が、接着剤によって上記磁性体コアに固定されているという構成を採用する。

第６の発明は、上記第３〜第５いずれかの発明において、上記埋設固定材が、収容凹部の底面から上記収容凹部の入口開口に向かう方向にて、上記バスバー保持部の上記バスバーが内包された領域の少なくとも一部を露出して上記収容凹部の一部を埋設しているという構成を採用する。

本発明においては、パワーモジュールケースの収容凹部内に磁性体コアが収容されており、この磁性体コアが収容凹部の一部を埋設する埋設固定材によってパワーモジュールケースに固定されている。ここで、本発明においては、埋設固定材が収容凹部の一部のみを埋設しており、磁性体コアの一部を露出した状態としている。つまり、本発明においては、収容凹部の内部に磁性体コアを露出する空隙が設けられている。このような空隙が設けられることによって、パワーモジュールケースが熱伸縮した場合の応力が磁性体コアに伝達されることを抑制し、磁性体コアの形状が変形することを防止することができる。したがって、本発明によれば、電流センサの磁性体コアがパワーモジュールケースに固定された電力変換装置において、リフロー工程や高温環境での動作時等におけるパワーモジュールケースの熱伸縮に起因して電流センサの検出特性が意図せず変化することを防止することが可能となる。

本発明の一実施形態における電力変換装置の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置の電流センサを含む模式的な部分断面図である。 磁性体コアをパワーモジュールケースに取り付ける工程を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の電力変換装置１の概略構成を示す分解斜視図である。本実施形態の電力変換装置１は、電気自動車等の車両に搭載され、不図示のモータ（負荷）とバッテリとの間に設けられている。このような本実施形態の電力変換装置１は、図１に示すように、インテリジェントパワーモジュール２と、コンデンサ３と、本体ケース４とを備えている。

インテリジェントパワーモジュール２は、パワーモジュール１０、回路基板１１及び電流センサ１３（図２参照）等を備えている。パワーモジュール１０は、パワー半導体素子を有する不図示の複数のパワーチップ、これらのパワーチップを保持するパワーモジュールケース１０ａ、パワーチップに接続されたバスバー１０ｂ（図３参照）、及び、冷却用のウォータジャケット１０ｃ等を備えている。回路基板１１は、パワーモジュール１０に積層されており、パワーチップを駆動する駆動回路等を備えている。電流センサ１３は、バスバー１０ｂを流れる電流を検出するセンサである。この電流センサ１３を含む部位の詳細構造については、後に説明する。

コンデンサ３は、インテリジェントパワーモジュール２と接続されており、パワーモジュール１０を挟んで回路基板１１と反対側に配置されている。本体ケース４は、インテリジェントパワーモジュール２及びコンデンサ３を収容するケースであり、上部ケース４ａと、中央ケース４ｂと、下部ケース４ｃとを備えている。これらの上部ケース４ａ、中央ケース４ｂ及び下部ケース４ｃは、パワーモジュール１０と回路基板１１との積層方向に分割可能に接続されている。上部ケース４ａは、回路基板１１側からインテリジェントパワーモジュール２を覆っており、中央ケース４ｂと接続されている。中央ケース４ｂは、リアクトルが内蔵されると共に、インテリジェントパワーモジュール２の周囲を覆っている。下部ケース４ｃは、インテリジェントパワーモジュール２とモータとを接続するための接続コネクタが設けられており、中央ケース４ｂに締結されている。

この電力変換装置１は、パワーチップ、コンデンサ３及びリアクトル等で構成される昇降圧回路や、インバータ回路を備えており、バッテリから供給された電力を三相交流電力に変換してモータに供給したり、モータからの回生電力をバッテリに回送したりする。

図２は、電流センサ１３が設置される部位における電力変換装置１の模式的な断面図である。電力変換装置１は、パワーモジュール１０に複数のバスバー１０ｂを備えている。このため、電流センサ１３も、複数の箇所に設置されている。図２に示すように、各々の電流センサ１３は、磁性体コア１３ａと、ホールセンサ１３ｂとを備えている。

磁性体コア１３ａは、磁性体によって形成されており、図２に示すように、一端１３ａ１と他端１３ａ２とが隙間Ｓを介して対向配置されたＣ形の環状形状とされている。この磁性体コア１３ａは、バスバー１０ｂを電流が流れる方向と直交する方向から囲うように配置されている。ホールセンサ１３ｂは、磁性体コア１３ａの一端１３ａ１と他端１３ａ２との間（すなわち隙間Ｓ）に配置されている。このホールセンサ１３ｂは、回路基板１１に対して実装されており、磁性体コア１３ａの一端１３ａ１と他端１３ａ２との間に生じる磁界を電気信号に変換して出力する。

図２に示すように、本実施形態の電力変換装置１においてパワーモジュールケース１０ａは、磁性体コア１３ａを収容する収容凹部２０を有している。この収容凹部２０は、パワーモジュールケース１０ａの回路基板１１と反対側の表面から回路基板１１側に向けて窪んだ凹部である。つまり、収容凹部２０は、回路基板１１側に底面２１が位置し、回路基板１１と反対側に向けて開口された入口開口２２を有する形状とされている。この収容凹部２０の深さ寸法（底面２１から入口開口２２までの距離寸法）は、磁性体コア１３ａの高さ寸法よりも大きく設定されている。この収容凹部２０は、磁性体コア１３ａの全体が収容可能な容積を有している。

また、図２に示すように、本実施形態の電力変換装置１においてパワーモジュールケース１０ａは、収容凹部２０の底面２１から入口開口２２に向けて立設されたバスバー保持部２３を備えている。このバスバー保持部２３は、表裏面が回路基板１１の表面に沿った方向に向けられたバスバー１０ｂを内包している。また、バスバー保持部２３は、バスバー１０ｂにおける電流の流れ方向と直交する断面（図２に示す断面）にて、回路基板１１の表面に沿った方向の幅寸法が高さ寸法（底面２１から入口開口２２に向かう方向の寸法）よりも小さい板状とされている。

このバスバー保持部２３は、磁性体コア１３ａの隙間Ｓに差し込まれており、先端部が磁性体コア１３ａによって囲まれた領域に配置されている。また、バスバー保持部２３は、磁性体コア１３ａによって囲まれた領域に配置された部位にてバスバー１０ｂを内包している。このため、図２に示すように、バスバー１０ｂは、磁性体コア１３ａによって囲まれた領域に配置されている。

このようなバスバー保持部２３は、内包するバスバー１０ｂの一方の表面と平行な第１側面２４と、バスバー１０ｂの他方の表面と平行な第２側面２５と、入口開口２２側に向けられた先端面２６と有している。本実施形態の電力変換装置１は、図２に示すように、磁性体コア１３ａをバスバー保持部２３に固着させる接着剤３０を備えている。第１側面２４には、磁性体コア１３ａの一端１３ａ１が対向配置されている。また、第２側面２５には、磁性体コア１３ａの他端１３ａ２が対向配置されている。また、先端面２６には、接着剤３０を介して磁性体コア１３ａの途中部位が接合されている。

なお、先端面２６は、磁性体コア１３ａの一端１３ａ１と他端１３ａ２との間の中央部において磁性体コア１３ａの内壁面に対して当接されている。このような本実施形態の電力変換装置１において磁性体コア１３ａは、途中部位が先端面２６に当接されることで、収容凹部２０内において位置決めされている。

また、図２に示すように、回路基板１１側に向けて開口されたホールセンサ挿入穴２７が設けられている。このホールセンサ挿入穴２７は、磁性体コア１３ａの一端１３ａ１及び他端１３ａ２との隙間Ｓを通過する深さ寸法とされている。このようなホールセンサ挿入穴２７に上述のホールセンサ１３ｂが挿入された状態で配置されている。

また、図２に示すように、本実施形態の電力変換装置１は、収容凹部２０の一部を埋設すると共に磁性体コア１３ａをパワーモジュールケース１０ａに対して固定する埋設固定材４０を備えている。この埋設固定材４０は、図２に示すように、収容凹部２０の底面２１に接触した状態にて収容凹部２０の底部に配置されている。本実施形態において、埋設固定材４０の収容凹部２０の底面２１からの高さ寸法（底面２１から入口開口２２に向かう方向における寸法）は、収容凹部２０の深さ寸法の３分の１程度とされている。このように、埋設固定材４０が収容凹部２０の一部のみを埋設しているため、本実施形態の電力変換装置１においては、収容凹部２０の内部の一部に空隙Ｋが設けられている。磁性体コア１３ａの一部分は、この空隙Ｋにおいて露出された状態とされている。

このような埋設固定材４０は、図２に示すように、埋設固定材４０は、磁性体コア１３ａの一端１３ａ１及び他端１３ａ２を内包している。一方で、埋設固定材４０は、収容凹部２０の底面２１から収容凹部２０の入口開口２２に向かう方向にて、バスバー保持部２３のバスバー１０ｂが内包された領域の少なくとも一部を露出して収容凹部２０の一部を埋設している。本実施形態においてバスバー１０ｂは、バスバー保持部２３の高さ方向における中央よりも先端部側に配置されている。この高さ方向においてバスバー１０ｂが内包されたバスバー保持部２３の一部分が、収容凹部２０内の空隙Ｋに露出されている。つまり、本実施形態においては、バスバー保持部２３のバスバー１０ｂが内包された部位が、埋設固定材４０に覆われておらず、空隙Ｋに露出されている。このため、バスバー１０ｂの熱をより効率的に外部に排出することが可能となっている。

このような埋設固定材４０は、リフロー工程における温度よりも耐熱温度が高い絶縁材料によって形成されており、パワーモジュールケース１０ａの形成材料よりもヤング率が低い材料によって形成されていることが好ましい。埋設固定材４０の形成材料のヤング率をパワーモジュールケース１０ａの形成材料よりも低くすることにより、パワーモジュールケース１０ａが熱変形する場合に磁性体コア１３ａに作用する応力を低減することができる。

図３は、磁性体コア１３ａをパワーモジュールケース１０ａに取り付ける工程を示す模式図である。図３（ａ）に示すように、磁性体コア１３ａをパワーモジュールケース１０ａに取り付ける場合には、収容凹部２０の入口開口２２が上方に向くようにパワーモジュールケース１０ａを配置する。その後、図３（ｂ）に示すように、バスバー保持部２３の先端面２６に対して軟化状態の接着剤３０を供給し、収容凹部２０に対して軟化状態の埋設固定材４０を供給する。その後、図３（ｃ）に示すように、磁性体コア１３ａを隙間Ｓが下方に向けられた状態で、収容凹部２０に差し込む。このとき、磁性体コア１３ａの途中部位をバスバー保持部２３の先端面２６に接着剤３０を介して当接させる。そして、接着剤３０及び埋設固定材４０を硬化させることで磁性体コア１３ａをパワーモジュールケース１０ａに対して接合する。

このように磁性体コア１３ａが収容凹部２０に配置されたパワーモジュールケース１０ａは、その後にパワーチップ等をハンダ付けするリフロー工程を通過する。

以上のような本実施形態の電力変換装置１においては、電流が流れるバスバー１０ｂと、バスバー１０ｂを囲う磁性体コア１３ａを有する電流センサ１３と、磁性体コア１３ａを収容する収容凹部２０を有するパワーモジュールケース１０ａとを備えている。さらに、本実施形態の電力変換装置１においては、収容凹部２０の一部を埋設すると共に磁性体コア１３ａの一部を露出状態で磁性体コア１３ａをパワーモジュールケース１０ａに固定する埋設固定材４０を備えている。

このような本実施形態の電力変換装置１においては、埋設固定材４０が収容凹部２０の一部のみを埋設しており、磁性体コア１３ａの一部が露出された状態とされている。つまり、本実施形態の電力変換装置１においては、収容凹部２０の内部に磁性体コア１３ａを露出する空隙Ｋが設けられている。このような空隙Ｋが設けられることによって、パワーモジュールケース１０ａが熱伸縮した場合の応力が磁性体コア１３ａに伝達されることを抑制し、磁性体コア１３ａの形状が変形することを防止することができる。したがって、本実施形態の電力変換装置１によれば、リフロー工程や高温環境での動作時等におけるパワーモジュールケース１０ａの熱伸縮に起因して電流センサ１３の検出特性が意図せず変化することを防止することが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、磁性体コア１３ａが、一端１３ａ１と他端１３ａ２とが隙間Ｓを介して対向配置された環状形状とされ、埋設固定材４０が、磁性体コア１３ａの一端１３ａ１と他端１３ａ２とを内包している。このため、一端１３ａ１と他端１３ａ２とが埋設固定材４０によって固定され、一端１３ａ１から他端１３ａ２までの距離寸法が変化することをより確実に抑制することが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、パワーモジュールケース１０ａが、収容凹部２０の底面２１から収容凹部２０の入口開口２２に向けて立設されると共にバスバー１０ｂを内包するバスバー保持部２３を有し、磁性体コア１３ａが、一端１３ａ１と他端１３ａ２との隙間Ｓにバスバー保持部２３が差し込まれた状態で固定されている。このため、収容凹部２０の内部に空隙Ｋが設けられる場合であっても、確実にバスバー１０ｂと磁性体コア１３ａに囲まれた領域に挿通することが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、磁性体コア１３ａが、バスバー保持部２３の先端面２６に当接されている。このため、磁性体コア１３ａをバスバー保持部２３の先端面２６に当接させることで磁性体コア１３ａを位置決めすることができる。したがって、本実施形態の電力変換装置１によれば、磁性体コア１３ａの収容凹部２０内での位置決めを容易に行うことが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、バスバー保持部２３の先端面２６が、接着剤３０によって磁性体コア１３ａに固定されている。このため、パワーモジュールケース１０ａの熱変形等によって、バスバー保持部２３から磁性体コア１３ａが離れることを防止し、磁性体コア１３ａが意図せずに移動することを防止することができる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、埋設固定材４０が、収容凹部２０の底面２１から収容凹部２０の入口開口２２に向かう方向にて、バスバー保持部２３のバスバー１０ｂが内包された領域の少なくとも一部を露出して収容凹部２０の一部を埋設している。このため、バスバー１０ｂで発生した熱を、空隙Ｋを通じて効率的に電力変換装置１の外部に排出することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、バスバー保持部２３の先端面２６が接着剤３０を介して磁性体コア１３ａと接合された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。バスバー保持部２３の先端面２６が磁性体コア１３ａに接着剤３０を用いずに当接された構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、磁性体コア１３ａの一端１３ａ１の全部と他端１３ａ２の全部とが埋設固定材４０に内包された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものでない。例えば、磁性体コア１３ａの一端１３ａ１及び他端１３ａ２の一部のみが埋設固定材４０に内包された構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、バスバー保持部２３のバスバー１０ｂを保持する部位の一部のみが空隙Ｋに露出された構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、バスバー保持部２３の高さ方向にて、バスバー保持部２３のバスバー１０ｂを保持する部位の全部が空隙Ｋに露出された構成を採用することも可能である。つまり、バスバー保持部２３の高さ方向と直交する方向から見て、バスバー１０ｂと埋設固定材４０とが重ならない構成を採用することも可能である。

１……電力変換装置、２……インテリジェントパワーモジュール、３……コンデンサ、４……本体ケース、１０……パワーモジュール、１０ａ……パワーモジュールケース、１０ｂ……バスバー、１０ｃ……ウォータジャケット、１１……回路基板、１３……電流センサ、１３ａ……磁性体コア、１３ａ１……一端、１３ａ２……他端、１３ｂ……ホールセンサ、２０……収容凹部、２１……底面、２２……入口開口、２３……バスバー保持部、２４……第１側面、２５……第２側面、２６……先端面、２７……ホールセンサ挿入穴、３０……接着剤、４０……埋設固定材、Ｋ……空隙、Ｓ……隙間

Claims (6)

1. 電流が流れるバスバーと、前記バスバーを囲う磁性体コアを有する電流センサと、前記磁性体コアを収容する収容凹部を有するパワーモジュールケースとを備える電力変換装置であって、
   前記収容凹部の一部を埋設すると共に前記磁性体コアの一部を露出状態で前記磁性体コアを前記パワーモジュールケースに固定する埋設固定材を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記磁性体コアは、一端と他端とが隙間を介して対向配置された環状形状とされ、
   前記埋設固定材は、前記磁性体コアの前記一端と前記他端とを内包している
   ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記パワーモジュールケースは、前記収容凹部の底面から前記収容凹部の入口開口に向けて立設されると共に前記バスバーを内包するバスバー保持部を有し、
   前記磁性体コアは、前記一端と前記他端との隙間に前記バスバー保持部が差し込まれた状態で固定されている
   ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記磁性体コアは、前記バスバー保持部の先端面に当接されていることを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記バスバー保持部の先端面は、接着剤によって前記磁性体コアに固定されていることを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
6. 前記埋設固定材は、収容凹部の底面から前記収容凹部の入口開口に向かう方向にて、前記バスバー保持部の前記バスバーが内包された領域の少なくとも一部を露出して前記収容凹部の一部を埋設していることを特徴とする請求項３〜５いずれか一項に記載の電力変換装置。

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