JP2022183480A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ギャップが設けられた磁性体コアを有する電力変換装置において、二次成形体の形成時の樹脂圧によってギャップが変化することを抑止する。【解決手段】電力変換装置であって、環状形状の一部が切り欠かれることで形成されたギャップＧを有する磁性体コア３０と、ギャップＧを間に介して対向配置された磁性体コア３０の第１端部３１及び第２端部３２を磁性体コア３０の径方向外側から覆って磁性体コア３０を保持する樹脂製の一次成形体２１と、一次成形体２１の第１端部３１及び第２端部３２を覆う上壁部２１ａの表面を露出させる露出部２２ｂを有して一次成形体２１を内包する樹脂製の二次成形体２２とを備える。【選択図】図３

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いる。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。磁性体コアは、ホール素子を配置するためのギャップが設けられたＣ形の環状形状に形成されている。電力変換装置を製造する場合には、例えば磁性体コアを樹脂製の一次成形体で保持し、磁性体コアを保持した一次成形体を内包するように樹脂製の二次成形体を形成するインサート成形を行うことが考えられる。ところが、二次成形体を射出成形する場合に溶融樹脂から受ける圧力によって磁性体コアのギャップ距離が変化する恐れがある。磁性体コアのギャップ距離が設計値に対して変化すると、電流センサの性能が低下してしまう。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ギャップが設けられた磁性体コアを有する電力変換装置において、二次成形体の形成時の樹脂圧によってギャップが変化することを抑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の態様は、電力変換装置であって、環状形状の一部が切り欠かれることで形成されたギャップを有する磁性体コアと、上記ギャップを間に介して対向配置された上記磁性体コアの第１端部及び第２端部を上記磁性体コアの径方向外側から覆って上記磁性体コアを保持する樹脂製の一次成形体と、上記一次成形体の上記第１端部及び上記第２端部を覆う部位の表面を露出させる露出部を有して上記一次成形体を内包する樹脂製の二次成形体とを備えるという構成を採用する。

第２の態様は、上記第１の態様において、上記一次成形体が、上記第１端部の上記ギャップに露出された第１端面及び上記第２端部の上記ギャップに露出された第２端面を露出させる溝部を有するという構成を採用する。

第３の態様は、上記第２の態様において、上記二次成形体は、上記第１端面と上記第２端面とを露出させた状態で、上記溝部の上記第１端面側の内壁面から上記第２端面側の内壁面に至る嵌合壁部を有するという構成を採用する。

第４の態様は、上記第２または第３の態様において、上記二次成形体が、上記一次成形体の表面に上記磁性体コアの径方向外側から径方向内側に向けて係止される爪部を有するという構成を採用する。

第５の態様は、上記第１～第４いずれかの態様において、上記磁性体コアの径方向内側に挿通されるバスバーの端部が締結される締結構造体を有し、上記締結構造体が、上記一次成形体に保持され上記磁性体コアに隣接して配置されているという構成を採用する。

本発明の電力変換装置は、一次成形体が磁性体コアの第１端部及び第２端部を磁性体コアの径方向外側から覆う部位を有している。また、二次成形体は、一次成形体を内包する二次成形体が、当該部位の表面を露出する露出部を有している。このため、本発明によれば、二次成形体を形成する場合に、第１端部及び第２端部を覆う一次成形体の部位に溶融樹脂が当たらない。したがって、磁性体コアの第１端部及び第２端部に溶融樹脂による圧力が作用することを抑止することができ、第１端部と第２端部との間に設けられたギャップが変形することを抑止することができる。よって、本発明によれば、ギャップが設けられた磁性体コアを有する電力変換装置において、二次成形体の形成時の樹脂圧によってギャップが変化することを抑止することが可能となる。

本発明の第１実施形態における電力変換装置の概略的な構成を示す分解斜視図である。 本発明の第１実施形態における電力変換装置が備えるパワーモジュールの一部を示す平面図である。 図２のＡ－Ａ断面図である。 （ａ）が図３のＢ－Ｂ断面図であり、（ｂ）が図３のＣ－Ｃ断面図である。 本発明の第２実施形態における電力変換装置が備えるパワーモジュールの図３と同位置における断面図である。

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。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の電力変換装置１の概略的な構成を示す分解斜視図である。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、リアクトル４と、ＤＣＤＣコンバータ５と、本体ケース６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複数のパワーデバイス１０ａと、これらのパワーデバイス１０ａを収容する樹脂製のパワーモジュールケース１０ｂと、パワーデバイス１０ａと接続されたバスバー１０ｃとを備えている。また、パワーモジュール１０は、冷却用のウォータジャケット等を備えている。このパワーモジュール１０については、後により詳しく説明する。

回路基板１１は、パワーデバイス１０ａによって形成される昇降圧コンバータやインバータの駆動信号を生成するゲートドライバやゲートドライバ等を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）等が設けられた基板である。このような回路基板１１は、パワーモジュール１０に積層されている。なお、回路基板１１には、バスバー１０ｃに流れる電流を測定するための電流センサの一部である不図示のホール素子が複数実装されている。各々のホール素子は、パワーモジュールケース１０ｂに保持された後述する磁性体コア３０のギャップＧに配置されている。

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の側方に配置されている。本実施形態のリアクトル４は、インテリジェントパワーモジュール２の下方に配置されている。本実施形態のリアクトル４の構成については、後に詳細に説明する。ＤＣＤＣコンバータ５は、リアクトル４の側方であって、インテリジェントパワーモジュール２の下方に配置されている。なお、ＤＣＤＣコンバータ５は、バッテリ電力を周囲の電子部品（回路基板１１に実装された電子部品等）に適した電圧に変換する。

本体ケース６は、インテリジェントパワーモジュール２、コンデンサ３、リアクトル４及びＤＣＤＣコンバータ５を収容するケースであり、上部ケース６ａと、中央ケース６ｂと、下部ケース６ｃとを備えている。これらの上部ケース６ａ、中央ケース６ｂ及び下部ケース６ｃは、パワーモジュール１０と回路基板１１の積層方向に分割可能に接続されている。上部ケース６ａ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６ｂと締結されている。中央ケース６ｂは、インテリジェントパワーモジュール２、コンデンサ３、リアクトル４及びＤＣＤＣコンバータ５の周囲を覆っている。下部ケース６ｃは、リアクトル４及びＤＣＤＣコンバータ５を下方から覆っており、インテリジェントパワーモジュール２と不図示のモータとを接続するための接続コネクタが設けられ、中央ケース６ｂに締結されている。

続いて、パワーモジュール１０について、より詳細に説明する。図２は、パワーモジュール１０の一部を示す平面図である。なお、図２においては、パワーモジュール１０のバスバー１０ｃは省略して図示している。また、図３は、図２のＡ－Ａ断面図である。また、図４（ａ）は図３のＢ－Ｂ断面図であり、図４（ｂ）は図３のＣ－Ｃ断面図である。

これらの図に示すように、パワーモジュール１０のパワーモジュールケース１０ｂは、一次成形体２１と、二次成形体２２とを備えている。一次成形体２１は、樹脂によって形成された成形体であり、例えば図３に示すように、磁性体コア３０、補強樹脂部４０及び締結ナット５０（締結構造体）を保持している。

ここで、磁性体コア３０は、磁性体によって形成された環状の部材である。より詳細には、磁性体コア３０は、図３に示すように、環状形状の一部が切り欠かれることで形成されたギャップＧを有したＣ形に形成されている。この磁性体コア３０は、ギャップＧに配置される不図示のホール素子と共に電流センサの一部を形成している。

このような磁性体コア３０において、ギャップＧは、磁性体コア３０を径方向に貫通して設けられている。また、磁性体コア３０は、ギャップＧを間に介して対向配置された第１端部３１と第２端部３２とを有した形状に形成されている。なお、第１端部３１のギャップＧに臨む面を第１端面３３、第２端部３２のギャップＧに臨む面を第２端面３４と称する。つまり、磁性体コア３０は、第１端部３１の第１端面３３と第２端部３２の第２端面３４との間にギャップＧが設けられた環状形状に形成されている。

磁性体コア３０は、バスバー１０ｃごとに配置されることで複数設けられている。各々の磁性体コア３０は、環状形状の軸芯に沿った方向（図３の紙面垂直方向）から見て、ギャップＧが回路基板１１側に向くように配置されている。

補強樹脂部４０は、一次成形体２１よりも剛性が高い樹脂部材であり、磁性体コア３０の第１端部３１と第２端部３２との各々に設けられている。第１端部３１に対して設けられた補強樹脂部４０は、第１端面３３を露出させた状態で第１端部３１を覆うように設けられている。第２端部３２に対して設けられた補強樹脂部４０は、第２端面３４を露出させた状態で第２端部３２を覆うように設けられている。

締結ナット５０は、図３に示すように、磁性体コア３０に対して側方に隣接して配置されている。締結ナット５０は、磁性体コア３０（すなわちバスバー１０ｃ）ごとに配置されることで複数設けられている。これらの締結ナット５０に対してバスバー１０ｃの端部が不図示のボルトによって締結される。各々の締結ナット５０は、一次成形体２１及び二次成形体２２よりも剛性が高い金属製のナットである。

一次成形体２１は、図３に示すように、磁性体コア３０を径方向から覆うように保持している。このような一次成形体２１は、磁性体コア３０の第１端部３１及び第２端部３２を径方向外側から覆う上壁部２１ａを有している。この上壁部２１ａは、一次成形体２１の第１端部３１及び第２端部３２を覆う部位である。上壁部２１ａの外壁面２１ｂは、回路基板１１側に向けられており、平らに形成されている。この上壁部２１ａの外壁面２１ｂは、多くの範囲が二次成形体２２によって被覆されていない露出面である。

また、一次成形体２１の上壁部２１ａに、磁性体コア３０のギャップＧに合わせて設けられた溝部２１ｃを複数有している。これらの溝部２１ｃは、外壁面２１ｂからギャップＧに到達する深さで形成されており、磁性体コア３０の第１端面３３と第２端面３４とを露出させている。これらの溝部２１ｃの各々に対して回路基板１１に実装された不図示のホール素子が挿入される。

また、このような一次成形体２１は、パワーデバイス１０ａが接続される複数のパッドや、パッドと回路基板１１とを接続するための接続ピン等の不図示の導電部材が設けられている。このような一次成形体２１は、二次成形体２２に内包され、二次成形体２２と一体的に設けられている。このような一次成形体２１は、溶融樹脂を金型の内部に射出して冷却する射出成形によって形成される。例えば、磁性体コア３０、補強樹脂部４０及び締結ナット５０を嵌合する凹部を有する一次成形体２１が射出成形により形成され、成形後にこれらの凹部に磁性体コア３０、補強樹脂部４０及び締結ナット５０が嵌合される。

二次成形体２２は、一次成形体２１を内包する樹脂製の成形体であり、図２に示すように、パワーデバイス１０ａを収容する複数の収容凹部２２ａ等を有している。また、二次成形体２２は、本体ケース６に固定される不図示の固定部等を有している。また、本実施形態において二次成形体２２は、例えば図２に示すように、露出部２２ｂと、爪部２２ｃと、嵌合壁部２２ｄとを有している。

露出部２２ｂは、一次成形体２１に設けられた上壁部２１ａの外壁面２１ｂを露出させる部位である。つまり、本実施形態において二次成形体２２は、外壁面２１ｂを多くの範囲を露出させるようにして、一次成形体２１を内包している。

爪部２２ｃは、例えば図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、一次成形体２１に設けられた上壁部２１ａの外壁面２１ｂに係止される部位であり、複数設けられている。各々の爪部２２ｃは、一次成形体２１の表面である外壁面２１ｂに磁性体コア３０の径方向外側から径方向内側に向けて当接されるようにして係止される。

露出部２２ｂが設けられることによって一次成形体２１と二次成形体２２との接触面積が減少するが、爪部２２ｃが一次成形体２１の上壁部２１ａに係止されることで、一次成形体２１と二次成形体２２との接合強度を保持することができる。

嵌合壁部２２ｄは、一次成形体２１の溝部２１ｃに嵌合するようにして配置された壁部である。図４（ｂ）図に示すように、嵌合壁部２２ｄは、磁性体コア３０の第１端面３３を露出させた状態で、溝部２１ｃに配置されている。同様に、嵌合壁部２２ｄは、磁性体コア３０の第２端面３４を露出させた状態で、溝部２１ｃに配置されている。

また、図２及び図３に示すように、嵌合壁部２２ｄは、溝部２１ｃの一方側の内壁面から他方側の内壁面に至る幅寸法で形成されている。つまり、嵌合壁部２２ｄは、第１端面３３側の内壁面から第２端面３４側の内壁面に至る幅寸法を有している。

露出部２２ｂが設けられることによって一次成形体２１と二次成形体２２との接触面積が減少するが、嵌合壁部２２ｄが溝部２１ｃに嵌合されていることで、一次成形体２１と二次成形体２２との接合強度を保持することができる。

このような二次成形体２２は、磁性体コア３０等を保持する一次成形体２１を金型の内部に配置し、溶融樹脂を金型の内部に射出して冷却する射出成形によって形成される。すなわち、一次成形体２１及び二次成形体２２を有するパワーモジュールケース１０ｂは、インサート成形によって形成される。

以上のような本実施形態の電力変換装置１は、環状形状の一部が切り欠かれることで形成されたギャップＧを有する磁性体コア３０を備えている。また、電力変換装置１は、樹脂製の一次成形体２１と樹脂製の二次成形体２２とを備えている。一次成形体２１は、ギャップＧを間に介して対向配置された磁性体コア３０の第１端部３１及び第２端部３２を磁性体コア３０の径方向外側から覆って磁性体コア３０を保持する。また、二次成形体２２は、一次成形体２１の第１端部３１及び第２端部３２を覆う上壁部２１ａの外壁面２１ｂを露出させる露出部２２ｂを有して一次成形体２１を内包する。

このような本実施形態の電力変換装置１は、一次成形体２１が磁性体コア３０の第１端部３１及び第２端部３２を磁性体コア３０の径方向外側から覆う上壁部２１ａを有している。また、二次成形体２２は、一次成形体２１を内包する二次成形体２２が、当該上壁部２１ａの外壁面２１ｂを露出する露出部２２ｂを有している。このため、本実施形態の電力変換装置１によれば、二次成形体２２を形成する場合に、第１端部３１及び第２端部３２を覆う一次成形体２１の上壁部２１ａに溶融樹脂が当たらない。

したがって、本実施形態の電力変換装置１においては、磁性体コア３０の第１端部３１及び第２端部３２に溶融樹脂による圧力が作用することを抑止することができる。このため、第１端部３１と第２端部３２との間に設けられたギャップＧが変形することを抑止することができる。よって、本実施形態の電力変換装置１によれば、ギャップＧが設けられた磁性体コア３０を有する電力変換装置において、二次成形体２２の形成時の樹脂圧によってギャップＧが変化することを抑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、一次成形体２１は、第１端部３１のギャップＧに露出された第１端面３３及び第２端部３２のギャップＧに露出された第２端面３４を露出させる溝部２１ｃを有している。このような本実施形態の電力変換装置１によれば、溝部２１ｃにホール素子を挿入することによって、ホール素子と磁性体コア３０の端面（第１端面３３及び第２端面３４）を障害物なく近接配置することが可能になる。

また、本実施形態の電力変換装置１において、二次成形体２２は、第１端面３３と第２端面３４とを露出させた状態で、溝部２１ｃの第１端面３３側の内壁面から第２端面３４側の内壁面に至る嵌合壁部２２ｄを有している。このような本実施形態の電力変換装置１では、露出部２２ｂが設けられることによって一次成形体２１と二次成形体２２との接触面積が減少する。一方で、爪部２２ｃが一次成形体２１の上壁部２１ａに係止されることで、一次成形体２１と二次成形体２２との接合強度を保持することができる。

また、本実施形態の電力変換装置１において、二次成形体２２は、一次成形体２１の表面に磁性体コア３０の径方向外側から径方向内側に向けて係止される爪部２２ｃを有している。このような本実施形態の電力変換装置１では、露出部２２ｂが設けられることによって一次成形体２１と二次成形体２２との接触面積が減少するが、嵌合壁部２２ｄが溝部２１ｃに嵌合されていることで、一次成形体２１と二次成形体２２との接合強度を保持することができる。

また、本実施形態の電力変換装置１は、磁性体コア３０の径方向内側に挿通されるバスバー１０ｃの端部が締結される締結ナット５０を有している。また、締結ナット５０は、一次成形体２１に保持され磁性体コア３０に隣接して配置されている。このような本実施形態の電力変換装置１によれば、一次成形体２１よりも剛性が高い締結ナット５０が一次成形体２１に保持されている。このため、一次成形体２１の磁性体コア３０の近くの剛性を締結ナット５０によって補強することが可能となる。したがって、本実施形態の電力変換装置１によれば、二次成形体２２の形成時の樹脂圧によってギャップＧが変化することをより確実に抑止することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図５を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図５は、本実施形態の電力変換装置が備えるパワーモジュールの図３と同位置における断面図である。この図に示すように、本実施形態の電力変換装置では、上記第１実施形態の電力変換装置１が備えていた締結ナット５０が設けられていない。

このような締結ナット５０を備えない構成を採用することも可能である。このような構成を採用する場合であっても、一次成形体２１が磁性体コア３０の第１端部３１及び第２端部３２を磁性体コア３０の径方向外側から覆う上壁部２１ａを有している。また、二次成形体２２は、一次成形体２１を内包する二次成形体２２が、当該上壁部２１ａの外壁面２１ｂを露出する露出部２２ｂを有している。このため、本実施形態の電力変換装置によれば、上記第１実施形態の電力変換装置１と同様に、二次成形体２２を形成する場合に、第１端部３１及び第２端部３２を覆う一次成形体２１の上壁部２１ａに溶融樹脂が当たらない。

したがって、本実施形態の電力変換装置においても、磁性体コア３０の第１端部３１及び第２端部３２に溶融樹脂による圧力が作用することを抑止することができ、第１端部３１と第２端部３２との間に設けられたギャップＧが変形することを抑止可能である。

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、本発明の趣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、二次成形体２２が爪部２２ｃ及び嵌合壁部２２ｄを有する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。本発明は、二次成形体２２が爪部２２ｃ及び嵌合壁部２２ｄのいずれかあるいは両方を備えない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、補強樹脂部４０を備える構成について説明した。このような補強樹脂部４０を備えることによって、磁性体コア３０のギャップＧが変形することを抑止することができる。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、補強樹脂部４０を備えない構成を採用することも可能である。

１……電力変換装置、１０……パワーモジュール、１０ａ……パワーデバイス、１０ｂ……パワーモジュールケース、１０ｃ……バスバー、１１……回路基板、２１……一次成形体、２１ａ……上壁部（部位）、２１ｂ……外壁面（表面）、２１ｃ……溝部、２２……二次成形体、２２ａ……収容凹部、２２ｂ……露出部、２２ｃ……爪部、２２ｄ……嵌合壁部、３０……磁性体コア、３１……第１端部、３２……第２端部、３３……第１端面、３４……第２端面、４０……補強樹脂部、５０……締結ナット（締結構造体）、Ｇ……ギャップ

Claims (5)

1. 電力変換装置であって、
   環状形状の一部が切り欠かれることで形成されたギャップを有する磁性体コアと、
   前記ギャップを間に介して対向配置された前記磁性体コアの第１端部及び第２端部を前記磁性体コアの径方向外側から覆って前記磁性体コアを保持する樹脂製の一次成形体と、
   前記一次成形体の前記第１端部及び前記第２端部を覆う部位の表面を露出させる露出部を有して前記一次成形体を内包する樹脂製の二次成形体と
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記一次成形体は、前記第１端部の前記ギャップに露出された第１端面及び前記第２端部の前記ギャップに露出された第２端面を露出させる溝部を有することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記二次成形体は、前記第１端面と前記第２端面とを露出させた状態で、前記溝部の前記第１端面側の内壁面から前記第２端面側の内壁面に至る嵌合壁部を有することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記二次成形体は、前記一次成形体の表面に前記磁性体コアの径方向外側から径方向内側に向けて係止される爪部を有することを特徴とする請求項２または３記載の電力変換装置。
5. 前記磁性体コアの径方向内側に挿通されるバスバーの端部が締結される締結構造体を有し、
   前記締結構造体は、前記一次成形体に保持され前記磁性体コアに隣接して配置されている
   ことを特徴とする請求項１～４いずれか一項に記載の電力変換装置。

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