JP2021526004A - 電気回路、スイッチングアーム、および電圧変換器 - Google Patents

電気回路、スイッチングアーム、および電圧変換器 Download PDF

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Abstract

電気回路は、主導電体(106B)と、主導電体(106B)に押し付けられた電気部品(112)と、主導電体(106B)および電気部品(112)を覆う電気絶縁体(302)であって、主導電体(106B)の反対側に上面(304)を有する電気絶縁体(302)と、を備える。電気回路は、電気絶縁体(302)の上面(304)の部分(604)の少なくとも85%に対して延在するか、または電気絶縁体(302)の上面(304)の部分(604)の少なくとも85%の所定の距離に延在する防火要素(404)をさらに備え、この部分(604)は、電気部品(112)に最も近い、電気絶縁体(302)の上面(304)の1つ以上の点を集めたものである。

Description

本発明は、電気回路、スイッチングアーム、および電圧変換器に関する。
国際公開第2007003824号で公開されているPCT国際出願は、
−主導電体と呼ばれる第1の導電体と、
−第1の主導電体に押し付けられた電気部品と、
−第1の主導電体および電気部品を覆う電気絶縁体であって、第1の主導電体の反対側に上面を有する電気絶縁体と、
を備える、電気回路を説明している。
より正確には、電気部品は、電圧変換器のスイッチングアームの制御可能なスイッチである。電力モジュールは、スイッチが配置される窪みを形作るケーシングを備える。窪みは、電気絶縁体、ゲル、またはエポキシ樹脂で満たされ、プラスチックカバーで閉じられる。
しかしながら、電気部品の過熱している場合、例えば制御可能なスイッチだと短絡している場合、熱が電気絶縁体に拡散して、その上面が発火する危険性があり、周囲の要素が危険にさらされる。
本発明の目的は、上記の問題を少なくとも部分的に克服することである。
この目的のために、提案されているものは、
−主導電体と呼ばれる第1の導電体と、
−第1の主導電体に押し付けられている電気部品と、
−第1の主導電体および電気部品を覆う電気絶縁体であって、第1の主導電体の反対側に上面を有する電気絶縁体と、
を備える電気回路であって、
電気回路が、電気絶縁体(302)の上面(304)の部分(604)の少なくとも85%に対して延在するか、または電気絶縁体の上面の部分の少なくとも85%の所定の距離に延在する防火要素をさらに備え、この部分が、電気部品に最も近い電気絶縁体上面の1つ以上の点を集めたものであることを特徴とする電気回路である。
したがって、防火要素のおかげで、延焼が止められるか、または少なくとも制限される。
1つの追加の特徴によれば、所定の距離は、1mm未満、好ましくは0.5mm未満、さらにより好ましくは0.2mm未満である。
防火要素と電気絶縁体の上面との間の距離は、好ましくは、電気部品のできるだけ近くで延焼を止めるためにできるだけ小さくされる。しかしながら、特に防火要素と電気絶縁体との間の支持力の良好な分散を促進するために、防火要素と電気絶縁体の上面との間に接着剤または樹脂の層を挿入することが可能である。1mm未満、好ましくは0.5mm未満、さらにより好ましくは0.2mm未満の、防火要素と電気絶縁体の上面との間の距離により、防火要素が、延焼を止めるまたは制限する良好な度合いの能力を保有することを可能にする。
選択的に、防火要素は、金属製、例えば鋼製である。
また、選択的に、防火要素はプレートの形態である。
また、選択的に、電気絶縁体はエポキシ樹脂である。したがって、電気絶縁体は、保護ケーシング自体を形成するのに十分に硬いため、もはや窪みを形作るケーシングを用意する必要がない。
また、選択的に、電気回路は、電気部品を主導電体と呼ばれる第2の導電体に接続するように意図された少なくとも1つの電気的接続をさらに備え、電気的接続のそれぞれは、第1の主導電体の導電断面(electrically conductive section)の10分の1未満の導電断面を有する。
また、選択的に、電気部品は、制御可能なスイッチ、例えば絶縁ゲート電界効果トランジスタである。
それぞれが本発明による第1の電気回路および第2の電気回路と、磁気トーラスとを備えるスイッチングアームであって、第2の電気回路の第1の主導電体が、互いに電気的に接続された、部分導電体と呼ばれる第1の導電体および第2の導電体を備え、磁気トーラスが、第2の部分導電体を包囲しており、第1の電気回路の電気的接続のそれぞれが、第1の電気回路の電気部品を第1の部分導電体に接続しているスイッチングアームも提案される。
選択的に、第2の部分導電体は、はんだ付け、ろう付け、またはねじ止めによって第1の部分導電体に電気的に接続される。
また、選択的に、スイッチングアームは、磁気トーラスおよび第2の部分導電体を取り囲むプラスチック材料のオーバーモールドをさらに備え、防火要素は、プラスチック材料のオーバーモールドに取り付けられる。
また、選択的に、防火要素は、少なくとも1つの舌部を有し、舌部のそれぞれは、防火要素をプラスチック材料のオーバーモールド(402)に取り付けるためにプラスチック材料のオーバーモールドでオーバーモールドされる。
本発明によるスイッチングアームと、これらの間にスイッチングアームが延在するように意図されている2つの部分と、を備える電圧変換器であって、防火要素が、2つの部分の一方によって変形されてスイッチングアームを2つの部分の他方に押し付けるように意図された少なくとも1つの可撓性ブレードを有する電圧変換器も提案される。
選択的に、2つの部分の一方はヒートシンクである。
本発明を実施する電気システムの回路図である。 オーバーモールドまたは防火要素がない、図1の電気システムの電圧変換器の電力モジュールの三次元図である。 電力モジュールの第1のサブモジュールの三次元図である。 電力モジュールの第2のサブモジュールの三次元図である。 オーバーモールドがない、図4のそれと同様の図である。 防火要素の配置を示す、電力モジュールの一部の断面図である。 電力モジュールの位置を示す電圧変換器の断面図である。 電力モジュールを製造するための方法のステップを示すブロック図である。
次に、本発明を実施する電気システム100が、図1を参照して説明される。
電気システム100は、例えば、自動車に組み込まれるように意図されている。
電気システム100は、第1に、例えば20Vから100Vの間の、例えば48VのDC電圧Uを供給するように設計された電源102を有している。電源102は、例えば電池を有している。
電気システム100は、それぞれの相電圧を有するように意図された複数の相(図示せず)を含む電気機械130をさらに備えている。
電気システム100は、DC電圧Uと相電圧との間の変換を実行するために、電源102と電気機械130との間に接続された電圧変換器104をさらに備えている。
電圧変換器104は、第1に、DC電圧Uを受け取るために電源102に接続されるように意図された正のバスバー106および負のバスバー108を備えており、正のバスバー106は高い電位を受け取り、負のバスバー108は低い電位を受け取る。
電圧変換器104は、それぞれの相電圧を提供するために電気機械130の1つ以上の相にそれぞれ接続されるように意図された1つ以上の相バスバー122を備える少なくとも1つの電力モジュール110をさらに備えている。
説明されている例では、電圧変換器104は、3つの電力モジュール110を備えており、3つの電力モジュール110のそれぞれが、電気機械130の2つの相に接続された2つの相バスバー122を備えている。
より正確には、説明されている例では、電気機械130は、2つの三相系を備えており、2つの三相系のそれぞれが、3つの相を含んでいる。2つの三相系は、互いに120°電気的に位相オフセットされるように意図されている。好ましくは、電力モジュール110の第1の相バスバー122は、それぞれ、第1の三相系の3つの相に接続され、一方、電力モジュール110の第2の相バスバー122は、それぞれ、第2の三相系の3つの相に接続されている。
各電力モジュール110は、各相バスバー122に関して、正のバスバー106と相バスバー122との間に接続されたハイサイドスイッチ112と、相バスバー122と負のバスバー108との間に接続されたローサイドスイッチ114と、を備えている。したがって、スイッチ112、114は、相バスバー122がセンタータップを形成するスイッチングアームを形成するように配置されている。
各スイッチ112、114は、第1の主端子116および第2の主端子118と、制御端子120と、を備えており、制御端子120は、それに加えられる制御信号に応じてその2つの主端子116、118間でスイッチ112、114を選択的に開閉するように意図されている。スイッチ112、114は、好ましくはトランジスタであり、例えば、制御端子120を形成するゲートと主端子116、118をそれぞれ形成するドレインおよびソースとを有する金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET:metal−oxide semiconductor field−effect transistor)である。
説明されている例では、スイッチ112、114はそれぞれ、例えば略矩形でありかつ上面および下面を有する、プレートの形態を有している。第1の主端子116は下面上に延在し、一方、第2の主端子118は上面上に延在している。
正のバスバー106、負のバスバー108、および相バスバー122は、少なくとも1Aの電流に耐えるように設計された剛性のある導電体であることが理解されよう。それらは、好ましくは、少なくとも1mmの厚さおよび/または少なくとも1mmの導電断面を有している。
さらに、説明されている例では、正のバスバー106は、第1に、電力モジュール110を接続する正の共通バスバー106Aと、各電力モジュール110内の、正の共通バスバー106Aに接続された正のローカルバスバー106Bと、を備えている。同様に、負のバスバー108は、電力モジュール110を接続する負の共通バスバー108Aと、各電力モジュール110内の、各ローサイドスイッチ114用の負のローカルバスバー108Bであって、負の共通バスバー108Aに接続された負のローカルバスバー108Bと、を備えている。図1では、接続は菱形で示されている。
さらに、説明されている例では、正の共通バスバー106Aおよび負の共通バスバー108Aはそれぞれ、単一の導電性部分で形成されている。
さらに、説明されている例では、電気機械130は、オルタネータおよび電気モータの機能を同時に有している。より正確には、自動車は、電気機械130がベルト(図示せず)を介して接続された出力シャフトを有する熱燃焼エンジン(図示せず)をさらに備えている。熱燃焼エンジンは、その出力シャフトを介して自動車の車輪を駆動するように意図されている。したがって、オルタネータモードでの動作中、電気機械は、出力シャフトの回転から電源102の方向に電気エネルギーを供給する。そのとき、電圧変換器104は、整流器として機能する。電気モータモードでの動作中、電気機械は、(熱燃焼エンジンに加えて、あるいは熱燃焼エンジンの代わりに)出力シャフトを駆動する。そのとき、電圧変換器104は、インバータとして機能する。
電気機械130は、例えば、自動車のトランスミッションあるいはクラッチに、あるいはオルタネータの代わりに配置されている。
説明の残りの部分では、電圧変換器104の要素の構造およびレイアウトが、「H」が上を表し、「B」が下を表す垂直方向H−Bを参照してより詳細に説明される。
次に、図2から図7を参照して、電力モジュール110のうちの1つが、他の電力モジュール110が類似していることに留意して、より詳細に説明される。
図2を参照すると、電力モジュール110は、第1のサブモジュールおよび第2のサブモジュールを備えている。
第1のサブモジュールは、正のローカルバスバー106Bおよび負のローカルバスバー108Bを備えている。それは、各相バスバー122に関して、当該の相バスバー122の一部を形成する部分バスバー202をさらに備えている。それは、スイッチ112、114をさらに備えている。
バスバー106B、202、108Bは、1mmから1.5mmの間の、例えば1.2mmの厚さを有し、かつ水平で平坦な上面を有する水平平坦プレートの形態をとる。さらに、バスバー106B、202、108Bは、同一平面上にあり、互いに隣接して延在している。このことは、電力モジュール110の垂直方向の嵩を制限することを可能にしている。
各ハイサイドスイッチ112の下面は、ハイサイドスイッチ112を機械的に取り付けるために、正のローカルバスバー106Bの上面に押し付けられ、これにろう付けされている。この取り付けはさらに、その第1の主端子を正のローカルバスバー106Bに電気的に接続することを可能にしている。さらに、第1のサブモジュールは、各ハイサイドスイッチ112に関して、当該のハイサイドスイッチ112の上面から部分バスバー202のそれぞれの1つまで、これらを電気的に接続するために延在する、例えばアルミニウム製の、1つまたは好ましくは複数の導電性ストリップ210を備えている。導電性ストリップ210は、好ましくは、バスバー106B、202、108Bの導電断面の10分の1未満の導電断面を有している。
同様に、各ローサイドスイッチ114の下面は、ローサイドスイッチ114を機械的に取り付けるために、部分バスバー202の上面に押し付けられ、これにろう付けされている。この取り付けはさらに、その第1の主端子を相バスバー122に電気的に接続することを可能にしている。
さらに、第1のサブモジュールは、各ローサイドスイッチ114に関して、ローサイドスイッチ114の上面から負のローカルバスバー108Bのそれぞれの1つまで、これらを電気的に接続するために延在する、例えばアルミニウム製の、1つまたは好ましくは複数の導電性ストリップ212を備えている。導電性ストリップ212は、好ましくは、バスバー106B、202、108Bの導電断面の10分の1未満の導電断面を有している。
第2のサブモジュールは、例えばろう付け、はんだ付け、またはねじ止めによって部分バスバー202に取り付けられた別の部分バスバー204を有し、その結果、2つは、互いに機械的に取り付けられ、電気的に接続されている。したがって、各相バスバー122は、2つの部分バスバー202、204を備えている。
その端部を除いて、部分バスバー204もまた、1mmから1.5mmの間の、例えば1.2mmの厚さを有する水平平坦プレートの形態をとる。部分バスバー204の端部の1つは、部分バスバー202へのその取り付けを容易にするために、湾曲した形態をとり得る。
部分バスバー204は、電気機械130の相に接続されるように意図された接続端子206をさらに備えている。一般に、接続端子206の形態は、電気機械130の相端子の形態に関連付けられる。
第2のサブモジュールは、各部分バスバー204の周りに、エアギャップが設けられた磁気トーラス208を備えている。エアギャップでは、対応する接続端子206を通って流れる相電流を測定するために、ホール効果センサ(図示せず)が配置されるように意図されている。
図3を参照すると、参照符号200によって示されている第1のサブモジュールは、正のローカルバスバー106B、負のローカルバスバー108B、部分バスバー202、スイッチ112、114、および導電性ストリップ210、212の周りに、これらを保護するために延在するエポキシ樹脂オーバーモールド302をさらに備えている。したがって、エポキシ樹脂オーバーモールド302は、特にバスバー106B、202、108Bおよびスイッチ112、114を覆う電気絶縁体を形成している。エポキシ樹脂オーバーモールド302は、バスバー106B、202、108Bの反対側に上面304を有している。この上面304は平坦で水平である。オーバーモールド302に使用される材料は、例えば、80N/mmを上回る、好ましくは100N/mmを上回る曲げ限界を有する。例えば、オーバーモールド302に使用される材料は、曲げ限界が140N/mmである、品目名G720EタイプHを有するエポキシ樹脂、または曲げ限界が105N/mmである、品目名XE8495を有するエポキシ樹脂であり得る。
図4を参照すると、参照符号201によって示されている第2のサブモジュールは、磁気トーラス208を部分バスバー204に機械的に取り付けた状態にしておくために、磁気トーラス208および部分バスバー204の周りに延在するプラスチック材料のオーバーモールド402をさらに備えている。第2のサブモジュール201は、説明されている例ではオーバーモールド402の下面に取り付けられて、そこから突出する水平金属プレートで形成された防火要素404をさらに備えている。金属プレートは、例えば鋼板である。防火要素404は、少なくとも1つの可撓性ブレード406(説明されている例では3つ)を有しており、好ましくは、オーバーモールド402の下面から突出する領域の1つに配置されている。説明されている例では、各可撓性ブレード406の形状は矩形であり、その一端は、上向きの折り目によって防火要素404の残りの部分に接続されている。各可撓性ブレード406は、例えば、防火要素404を形成する金属プレートを切断し折り曲げることによって得られる。防火要素404は、例えば、0.5から1mmの間の厚さを有する。
したがって、完全な電力モジュール110は、互いに取り付けられた、図3に示されているような第1のサブモジュール200および図4に示されているような第2のサブモジュール201を備えている。
図5を参照すると、防火要素404は、防火要素404をオーバーモールド402に取り付けるために、オーバーモールド402に埋め込まれるように意図された3つの舌部502をさらに有している。
図6を参照すると、各スイッチ112、114に関して、防火要素404は、1mm以内で、好ましくは0.2mm以内で、当該のスイッチ112、114に最も近い、電気絶縁体302の上面304の部分604の少なくとも85%(説明されている例では100%)に延在している。より正確には、この部分604(図6では太い点線で表されている)は、当該のスイッチ112、114に最も近い、電気絶縁体302の上面304の点を少なくとも集めたものである。スイッチ112、114に最も近いこれらの点は、図6では参照符号606によって示されている。説明されている例では、スイッチ112、114に最も近い点は、スイッチ112、114に沿って垂直に位置する点である。したがって、説明されている例では、防火要素404は、スイッチ112、114を覆うように、少なくともスイッチ112、114の上方に延在している。
一般に、部分604は、当該のスイッチ112、114から所定の距離D以下の距離に位置する電気絶縁体302の上面304の点を集めたものである。この所定の距離Dは、当該のスイッチ112、114とオーバーモールド302の上面304との間のオーバーモールド302の厚さEよりも大きい。厚さEは、当該のスイッチ112、114とオーバーモールド302の上面304との間の最小距離に対応している。所定の距離Dは、例えば4mm未満である。説明されている例では、それは約2mmである。
電力モジュール110の短絡の場合、導電性ストリップ210、212は、それらが破損するまで次第に熱くなる。しかしながら、それらは硬いエポキシ樹脂に埋め込まれているため、導電性ストリップ210、212の破片は接触したままであり、電流を流す。次に、流れる電流は、スイッチ110、112を加熱し、熱は、オーバーモールド302の上面304までオーバーモールド302内に拡散して、上面304が発火する。各スイッチ110、112に最も近い点は、スイッチ110、112の近接性により最初に温度が上昇する点であり、したがって、優先的に保護されるべき点である。したがって、防火要素404の存在は、延焼を防止すること、または少なくともそれを遅らせることを可能にする。
図7を参照すると、電圧変換器104は、スイッチ112、114を制御するための回路基板(図示せず)、例えばプリント回路基板を収容するためのハウジングを形作るケーシング702を備えている。電圧変換器104は、特にスイッチ112、114からの熱を放散するように意図されたヒートシンク704をさらに備えている。ヒートシンク704は、特に熱放散フィン706を備えている。それは、ケーシング702をヒートシンク704に取り付けるためのねじ(図示せず)を受け入れるためのシャフトをさらに備えている。
各電力モジュール110は、ケーシング702とヒートシンク704との間に延在するように意図されている。ケーシング702がヒートシンク704に取り付けられるとき、ケーシング702は、1つ以上の可撓性ブレード406を押圧して可撓性ブレード406を変形させて、電力モジュール110をヒートシンク704に押し付けるように意図されている。好ましくは、1つ以上の可撓性ブレード406は、ケーシング702によって変形されると、それらが少なくとも70Nの垂直力を電力モジュール110に伝達するように設計される。したがって、この押圧は、バスバーが時間の経過とともにヒートシンク704から離れるのを防止することを可能にする。この押圧は、電力モジュール110をヒートシンク704に取り付けるためのねじの使用を回避することも可能にする。
好ましくは、回路基板は、ケーシング702がヒートシンク704に取り付けられ、1つ以上の可撓性ブレード406を押圧する前に、ケーシング702に収容され、これに取り付けられる。
次に、図8を参照して、電力モジュール110の1つを製造するための方法800が説明される。
ステップ802において、オーバーモールド302、402がない第1のサブモジュール200および第2のサブモジュール201が得られる。
ステップ804において、エポキシ樹脂オーバーモールド302を形成するために、エポキシ樹脂が低圧で注入され、次に架橋される。低圧注入は、破損しやすい導電性ストリップ210、212の損傷を回避することを可能にする。
ステップ806において、プラスチック材料のオーバーモールド402を形成するために、プラスチック材料が高圧で注入される。
ステップ808において、2つのサブモジュール200、201が互いに取り付けられる。このために、防火要素404は、エポキシ樹脂オーバーモールド302の上面304に接着され、部分バスバー204は、部分バスバー202に取り付けられる。
本発明は、上で説明された実施の形態に限定されない。実際、当業者には、それに修正が加えられ得ることは明らかである。
例えば、オーバーモールド302は、エポキシ樹脂以外の材料であり得る。
さらに、使用されている用語は、上で説明された実施の形態の要素に限定されるものとして理解されるべきではなく、むしろ、当業者が自分の一般知識から推論することができるすべての同等の要素を包含するものとして理解されるべきである。

Claims (13)

  1. −主導電体と呼ばれる第1の導電体(106B、122)と、
    −前記第1の主導電体(106B、122)に押し付けられている電気部品(112、114)と、
    −前記第1の主導電体(106B、122)および前記電気部品(112、114)を覆う電気絶縁体(302)であって、前記第1の主導電体(106B、122)の反対側に上面(304)を有する電気絶縁体(302)と、
    を備える電気回路であって、
    前記電気回路が、前記電気絶縁体(302)の前記上面(304)の部分(604)の少なくとも85%に対して延在するか、または前記電気絶縁体(302)の前記上面(304)の部分(604)の少なくとも85%の所定の距離に延在する防火要素(404)をさらに備え、前記部分(604)が、前記電気部品(112、114)に最も近い、前記電気絶縁体(302)の前記上面(304)の1つ以上の点を集めたものであることを特徴とする、電気回路。
  2. 前記所定の距離が、1mm未満、好ましくは0.5未満、さらにより好ましくは0.2mm未満である、請求項1に記載の電気回路。
  3. 前記防火要素(404)が、金属製、例えば鋼製である、請求項1または2に記載の電気回路。
  4. 前記防火要素(404)が、プレートの形態である、請求項1から3のいずれか一項に記載の電気回路。
  5. 前記電気絶縁体(302)が、エポキシ樹脂である、請求項1から4のいずれか一項に記載の電気回路。
  6. 前記電気部品(112、114)を主導電体と呼ばれる第2の導電体(122、108B)に接続するように意図された少なくとも1つの電気的接続(210、212)をさらに備え、前記電気的接続(210、212)のそれぞれが、前記第1の主導電体(106B、122)の導電断面の10分の1未満の導電断面を有する、請求項1から5のいずれか一項に記載の電気回路。
  7. 前記電気部品(112、114)が、制御可能なスイッチ、例えば絶縁ゲート電界効果トランジスタである、請求項1から6のいずれか一項に記載の電気回路。
  8. 請求項6及び7にまとめて記載の第1の電気回路および第2の電気回路と、磁気トーラス(208)と、を備えるスイッチングアームであって、前記第2の電気回路の前記第1の主導電体(122)が、互いに電気的に接続された、部分導電体と呼ばれる第1の導電体(202)および第2の導電体(204)を備え、前記磁気トーラス(208)が、前記第2の部分導電体(204)を包囲しており、前記第1の電気回路の前記電気的接続(210)のそれぞれが、前記第1の電気回路の前記電気部品(112)を前記第1の部分導電体(202)に接続している、スイッチングアーム。
  9. 前記第2の部分導電体(204)が、はんだ付け、ろう付け、またはねじ止めによって前記第1の部分導電体(202)に電気的に接続されている、請求項8に記載のスイッチングアーム。
  10. 前記磁気トーラス(208)および前記第2の部分導電体(204)を取り囲むプラスチック材料のオーバーモールド(402)をさらに備え、前記防火要素(404)が、前記プラスチック材料のオーバーモールド(402)に取り付けられている、請求項8または9に記載のスイッチングアーム。
  11. 前記防火要素(404)が、少なくとも1つの舌部(502)を有し、前記舌部(502)のそれぞれが、前記防火要素(404)を前記プラスチック材料のオーバーモールド(402)に取り付けるために前記プラスチック材料のオーバーモールド(402)でオーバーモールドされている、請求項10に記載のスイッチングアーム。
  12. 請求項8から11のいずれか一項に記載のスイッチングアームと、間に前記スイッチングアームが延在するように意図されている2つの部分(702、704)と、を備え、前記防火要素(404)が、少なくとも1つの可撓性ブレード(406)を有し、前記可撓性ブレード(406)は、前記2つの部分の一方(702)によって変形されて前記スイッチングアームを前記2つの部分の他方(704)に押し付けるように意図される、電圧変換器。
  13. 前記2つの部分の一方(704)が、ヒートシンクである、請求項12に記載の電圧変換器。
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