JP2022191539A

JP2022191539A - バスバー放熱構造及びインバータ装置

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Publication number: JP2022191539A
Application number: JP2021098711A
Authority: JP
Inventors: 翔太鈴木; Shota Suzuki
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-12-28
Anticipated expiration: 2041-06-14
Also published as: JP7192918B1; CN117597840A; WO2022264864A1; CN117597840B; EP4350969A1

Abstract

【課題】インバータ装置の平滑コンデンサとパワー半導体モジュールに接続されるバスバーの放熱性及び剛性の向上と共にインバータ装置の小型化を図る。【解決手段】インバータ装置１において、一対のバスバーＰ，Ｎは、平滑コンデンサ２とパワー半導体モジュール３との間で互いに沿って配置され、平滑コンデンサ２及びパワー半導体モジュール３に接続される。放熱板５は、バスバーＰ，Ｎに沿ってバスバーＰ，Ｎの間に配置される。絶縁部材６は、バスバーＰと放熱板５との間及びバスバーＮと放熱板５との間に配置される。放熱板５の一部は、パワー半導体モジュール３が搭載されるケース４に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置に適用されるバスバーの放熱構造に関する。

インバータ装置は、直流電力を交流電力に変換してモータ等を駆動する装置である。

インバータ装置の直流電力部には直流電圧を平滑化する平滑コンデンサが実装される。直流電力から交流電力への変換は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体モジュールのスイッチング動作によって行われる。

平滑コンデンサとパワー半導体モジュールとの電気的接続には、バスバー（具体的には正極側のバスバーＰと負極側のバスバーＮ）を用いることが多い。また、平滑コンデンサの正極に接続するバスバーと負極に接続するバスバーとを沿わせることで、低インダクタンス化を実現できる。

従来、直流入力用のバスバーＰとバスバーＮは、インバータ装置の電圧等に応じた絶縁距離を確保する必要があり、絶縁を確保した上で省スペース化を図るため、バスバーＰとバスバーＮを樹脂により一体成型し、同じく一体成型されたカラーを介して、インバータケース等にねじで固定される。この直流入力バスバーは、一体成型する樹脂の耐熱温度や内気温度の上昇を満足する電流密度となるように、断面積を設計する必要がある。

しかし、直流入力バスバーは平滑コンデンサとパワー半導体モジュールの間に位置し、構造上のスペース制約や平滑コンデンサのインダクタンス低減の観点から、バスバー断面積を大きくすることで発熱を抑えるのが困難な場合が多い。このことから、直流入力バスバーに放熱構造を設けることが求められている。直流入力バスバーの放熱構造としては、例えば特許文献１に開示のインバータ装置に備えられた放熱構造が挙げられる。

特開２００９－２１４４５号公報

特許文献１等の従来の放熱構造は、バスバーＰ及びバスバーＮの下部に面積の広い放熱板を必要とするので、インバータ装置の小型化の観点から好ましくない。

本発明は、以上の事情を鑑み、インバータ装置の平滑コンデンサとパワー半導体モジュールに接続されるバスバーの放熱性及び剛性の向上と共にインバータ装置の小型化を図ることを課題とする。

そこで、本発明の一態様は、平滑コンデンサとパワー半導体モジュールとの間で互いに沿って配置され、当該平滑コンデンサ及び当該パワー半導体モジュールに接続される一対のバスバーと、この一対のバスバーに沿って当該一対のバスバーの間に配置される放熱板と、前記一対のうち一方のバスバーと前記放熱板との間及び前記一対のうち他方のバスバーと当該放熱板との間に配置される絶縁部材と、前記パワー半導体モジュールが搭載されるケースと、を有し、前記放熱板は、前記一対のバスバーの間に配置される放熱本体部と、この放熱本体部の一端側で前記ケースに締結されるケース側固定脚部と、を備えたバスバー放熱構造である。

本発明の一態様は、前記バスバー放熱構造において、前記一対のバスバーと前記放熱板とを一体化する樹脂部材をさらに有する。

本発明の一態様は、前記バスバー放熱構造において、固定穴が形成された基板をさらに有し、前記放熱板は、前記放熱本体部の他端側で前記固定穴を介して前記基板に締結される基板側固定脚部をさらに備え、前記基板の前記固定穴の周囲には、この基板上の電子部品と接続するパターンが設けられている。

本発明の一態様は、上記のバスバー放熱構造を備えたインバータ装置である。

以上の本発明によれば、インバータ装置の平滑コンデンサとパワー半導体モジュールに接続されるバスバーの放熱性及び剛性の向上と共にインバータ装置の小型化が図られる。

本発明の実施形態１のインバータ装置におけるバスバー放熱構造の側面図。実施形態１のバスバー放熱構造の平面図。（ａ）実施形態１のバスバー放熱構造の分解斜視図、（ｂ）当該放熱構造における正極バスバーと負極バスバーと放熱板と絶縁部材の配置関係を示した斜視図、（ｃ）パワー半導体モジュール側からの当該放熱構造の斜視図、（ｄ）平滑コンデンサ側からの当該放熱構造の斜視図。（ａ）実施形態２のバスバー放熱構造の平面図、（ｂ）当該放熱構造における正極バスバーと負極バスバーと放熱板の配置関係を示した斜視図。

以下に図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

［実施形態１］
図１に示された本発明の一態様であるバスバー放熱構造が適用されたインバータ装置１は、平滑コンデンサ２、パワー半導体モジュール３及び一対のバスバーＰ，Ｎを備える。

パワー半導体モジュール３は、平滑コンデンサ２の近傍位置において、平滑コンデンサ２と並行にケース４に搭載される。

一方のバスバーであるバスバーＰは正極バスバーに相当する。他方のバスバーであるバスバーＮは負極バスバーに相当する。そして、このバスバーＰ,Ｎは、平滑コンデンサ２とパワー半導体モジュール３との間で互いに沿って配置され、平滑コンデンサ２及びパワー半導体モジュール３に接続される。

また、図１，３のように、バスバーＰ，Ｎの間には、放熱板５がバスバーＰ，Ｎに沿って配置される。さらに、このバスバーＰと放熱板５との間、及び、バスバーＮと放熱板５との間には、絶縁部材６が配置される。そして、このバスバーＰ，Ｎ及び放熱板５は樹脂部材７により一体化している。

図３を参照してバスバーＰ，Ｎ、放熱板５、絶縁部材６及び樹脂部材７の具体的な態様例を説明する。

（バスバーＰ）
バスバーＰは、銅，アルミ等に例示される周知の鋼材からなり、バスバーＰ本体部Ｐ１、モジュール側端子部Ｐ２及びコンデンサ側端子部Ｐ３を一体的に備える。

バスバーＰ本体部Ｐ１は、コンデンサ側端子部Ｐ３がバスバーＮのコンデンサ側端子部Ｎ３と並行配置されるようにクランク状に折り曲げ加工された矩形板状に形成される。また、このバスバーＰ本体部Ｐ１には、樹脂部材７（係止本体部７１）の突起部７４が挿通される挿通孔Ｐ４が形成されている。

モジュール側端子部Ｐ２は、バスバーＰ本体部Ｐ１に対して鉛直に突出してネジ等の固定具８によりパワー半導体モジュール３の端子台３０に締結される三つ（三相）の端子からなる。

コンデンサ側端子部Ｐ３は、バスバーＰ本体部Ｐ１の一端側でモジュール側端子部Ｐ２と反対方向に突出して固定具８により平滑コンデンサ２の端子台２０に締結される単一の端子からなる。

（バスバーＮ）
バスバーＮは、バスバーＰと同様に、銅，アルミ等に例示される周知の鋼材からなり、バスバーＮ本体部Ｎ１、モジュール側端子部Ｎ２及びコンデンサ側端子部Ｎ３を備える。

バスバーＮ本体部Ｎ１は、コンデンサ側端子部Ｎ３がバスバーＰのコンデンサ側端子部Ｐ３と並行配置されるように曲げ加工された矩形板状に形成される。また、このバスバーＮ本体部Ｎ１には、樹脂部材７の突起部７４が挿通される挿通孔Ｎ４が形成されている。

モジュール側端子部Ｎ２は、バスバーＮ本体部Ｎ１に対して鉛直に突出してバスバーＰの三つのモジュール側端子部Ｐ２と各々並行して固定具８によりパワー半導体モジュール３の端子台３０に締結される三つ（三相）の端子からなる。

コンデンサ側端子部Ｎ３は、バスバーＮ本体部Ｎ１の一端側でモジュール側端子部Ｎ２と同方向に突出してバスバーＰのコンデンサ側端子部Ｐ３と並行して固定具８により平滑コンデンサ２の端子台２０に締結される単一の端子からなる。

（放熱板５）
放熱板５は、銅鋼、鉄鋼、銅合金、アルミニウム合金等に例示される周知の熱伝導性の鋼材からなり、放熱本体部５１及びケース側固定脚部５２を備える。

放熱本体部５１は、バスバーＰ本体部Ｐ１とバスバーＮ本体部Ｎ１との間に配置される矩形の板状に形成される。また、この放熱本体部５１には、樹脂部材７の突起部７４が挿通される挿通孔５３が形成されている。

ケース側固定脚部５２は、放熱本体部５１の一端側にて、固定具８によりケース４に締結される。

（絶縁部材６）
絶縁部材６は、周知の樹脂材料または熱伝導性の絶縁材からなり、バスバーＰと放熱板５との間、及び、バスバーＮと放熱板５との間に配置される矩形シート状に形成される。また、この絶縁部材６には、樹脂部材７の突起部７４が挿通される挿通孔６１が形成されている。

（樹脂部材７）
樹脂部材７は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）系樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）系樹脂に例示される耐熱性及び絶縁性の樹脂からなり、係止本体部７１、バスバーＰ係止部７２及びコンデンサ係止部７３を備える。

係止本体部７１は、バスバーＰに当接してバスバーＰ、放熱板５及びバスバーＮに係止可能に横断面Ｌ型板状に形成される。また、この係止本体部７１には、図３のようにバスバーＰ，絶縁部材６，放熱板５，絶縁部材６，バスバーＮの挿通孔Ｐ４，６１，５３，６１，Ｎ４に挿通される突起部７４が設けられている。

バスバーＰ係止部７２は、係止本体部７１の一端でバスバーＰに係止可能に板状に形成される。また、バスバーＰ係止部７２と係止本体部７１との間には、バスバーＰ本体部Ｐ１、バスバーＮ本体部Ｎ１が各々差し込まれる一対の溝７５が確保される。

コンデンサ係止部７３は、係止本体部７１の他端寄りの部位にてケース４に係止可能に板状に形成される。また、このコンデンサ係止部７３には、平滑コンデンサ２の筐体２１にける挿入穴２２に挿入される突起部７６が設けられている。

（バスバー放熱構造の組み立て）
図１～３を参照して本実施形態のバスバー放熱構造の組み立て手順例を説明する。

先ず、図１，３（ａ）のようにバスバーＰと放熱板５との間及びバスバーＮと放熱板５との間に絶縁部材６を介在させて、図３（ｂ）のようにバスバーＰ，Ｎ、放熱板５及び絶縁部材６が組み込まれる。

次いで、同図（ｃ）（ｄ）のように樹脂部材７の溝７５にバスバーＰ本体部Ｐ１、バスバーＮ本体部Ｎ１が差し込まれ、さらに、樹脂部材７の突起部７４がバスバーＰ，絶縁部材６，放熱板５，絶縁部材６，バスバーＮの挿通孔Ｐ４，６１，５３，６１，Ｎ４に挿通される。

そして、図１のように平滑コンデンサ２の筐体２１の挿入穴２２に樹脂部材７のコンデンサ係止部７３の突起部７４が挿入された状態でバスバーＰ，Ｎのモジュール側端子部Ｐ２，Ｎ２が固定具８によりパワー半導体モジュール３の端子台３０に締結される。また、放熱板５のケース側固定脚部５２は、固定具８によりケース４に締結される。さらに、バスバーＰ，Ｎのコンデンサ側端子部Ｐ３，Ｎ３は、インバータ装置１の直流電源部（図示省略）に繋がる図２の導体１１，１２と共に固定具８により平滑コンデンサ２の端子台２０に各々締結される。このとき、バスバーＰ，Ｎ、放熱板５及び絶縁部材６は樹脂部材７により一体化する。

尚、本実施形態においては絶縁部材６と樹脂部材７は別体となっている。樹脂部材７は絶縁性を備えているため、絶縁部材６と樹脂部材７とを予め一体成型した態様としてもよい。本態様によれば、絶縁部材６と樹脂部材７が別体である構成と比較して組立工数を低減できる。

（本実施形態の効果）
以上のバスバー放熱構造によれば、放熱板５とバスバーＰ，Ｎ及び絶縁部材６の一体化により、バスバーＰ，Ｎの発熱を放熱板５の放熱本体部５１及びケース側固定脚部５２を介してケース４に解放できると共に、前記一体化されたバスバーＰ，Ｎの剛性が増す。

また、平滑コンデンサ２とパワー半導体モジュール３との間での前記一体化により、バスバーＰ，Ｎからパワー半導体モジュール３に電流が分流される直前の最も電流密度が高い部位に放熱板５のケース側固定脚部５２を配置できる。

さらに、特許文献１の放熱構造のようにバスバーＰ及びバスバーＮの下部に面積の広い放熱板を必要としないので、インバータ装置を小型化できる。
さらに、ノイズ耐性の低い電子部品（後述の基板９と基板９上の電子部品）とパワー半導体モジュール３との間に前記一体化したバスバーＰ，Ｎの配置が可能となる。これにより、パワー半導体モジュール３から図１の白矢印方向で発生するノイズの電界がバスバーＰ，Ｎによりシールドされると共に放熱板５により当該ノイズの磁界がシールドされるので、前記電子部品の誤動作を防止できる。

したがって、本実施形態のバスバー放熱構造によれば、インバータ装置１の平滑コンデンサ２及びパワー半導体モジュール３に接続されるバスバーＰ，Ｎの放熱性及び剛性が向上すると共にインバータ装置１の小型化を図ることができる。また、パワー半導体モジュール３から他の電子部品へのノイズも遮断できる。

［実施形態２］
図１のインバータ装置１は、半導体パワーモジュールのスイッチング信号の生成等を実行するＣＰＵやコンデンサ等の電子部品を搭載した基板９を備える。この基板９に実装された三相交流コンデンサ（以下Ｙコンデンサと称する）はその中性点の接地（ＧＮＤ接続）を必要とすることがある。従来は、基板９の接地端子とケース４との間をバスバーやハーネス等で接続し、さらに、ケース４を接地することで、基板９の前記Ｙコンデンサの接地が施されている。

そこで、図４に示された本実施形態の放熱板５は、実施形態１の放熱板５の態様において、基板９に形成された固定穴を介して基板９及び平滑コンデンサ２の筐体２１に締結される基板側固定脚部５４をさらに備える。

基板側固定脚部５４は、放熱本体部５１の他端側（基板９側）において、ケース側固定脚部５２と反対方向に設けられ、導電性のある固定具８により基板９の固定穴を介して基板９及び平滑コンデンサ２の筐体２１に締結される。基板９には、この基板９に実装されるＣＰＵやＹコンデンサ等の電子部品が接続されるパターンが設けられている。さらに、このパターンは、前記固定穴の周囲（固定具８が当接する箇所）にも設けられている。

以上のバスバー放熱構造によれば、放熱板５の一部である基板側固定脚部５４が基板９の固定穴を介して平滑コンデンサ２の筐体２１に締結されることで、バスバーＰ，Ｎ周辺の基板９上のＹコンデンサの接地用端子が放熱板５を介してケース４に電気的に接続される。そして、このケース４を接地することで、基板９の前記Ｙコンデンサの接地が確保される。

したがって、以上の実施形態２のバスバー放熱構造によれば、実施形態１のバスバー放熱構造の作用効果に加えて、基板９内の部品の接地を確保できる。また、従来の基板の接地端子とケース４を接続するバスバーやハーネスが不要となる。

尚、実施形態１，２のバスバー放熱構造は、平滑コンデンサ２以外の直流電源（例えばバッテリ）とパワー半導体モジュール３とを接続するバスバーにも適用できる。

１…インバータ装置
２…平滑コンデンサ、２０…端子台、２１…筐体、２２…挿入孔
３…パワー半導体モジュール、３０…端子台
４…ケース
５…放熱板、５１…放熱本体部、５２…ケース側固定脚部、５３…挿通孔、５４…基板側固定脚部
６…絶縁部材、６１…挿通孔
７…樹脂部材、７１…係止本体部、７２…バスバーＰ係止部、７３…コンデンサ係止部、７４…突起部、７５…溝、７６…突起部
８…固定具
９…基板
Ｐ…バスバー、Ｐ１…バスバーＰ本体部、Ｐ２…モジュール側端子部、Ｐ３…コンデンサ側端子部、Ｐ４…挿通孔
Ｎ…バスバー、Ｎ１…バスバーＮ本体部、Ｎ２…モジュール側端子部、Ｎ３…コンデンサ側端子部、Ｎ４…挿通孔
１１，１２…導体

Claims

平滑コンデンサとパワー半導体モジュールとの間で互いに沿って配置され、当該平滑コンデンサ及び当該パワー半導体モジュールに接続される一対のバスバーと、
この一対のバスバーに沿って当該一対のバスバーの間に配置される放熱板と、
前記一対のうち一方のバスバーと前記放熱板との間及び前記一対のうち他方のバスバーと当該放熱板との間に配置される絶縁部材と、
前記パワー半導体モジュールが搭載されるケースと
を有し、
前記放熱板は、
前記一対のバスバーの間に配置される放熱本体部と、
この放熱本体部の一端側で前記ケースに締結されるケース側固定脚部と、
を備えたことを特徴とするバスバー放熱構造。
前記一対のバスバーと前記放熱板とを一体化する樹脂部材をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のバスバー放熱構造。
固定穴が形成された基板をさらに有し、
前記放熱板は、前記放熱本体部の他端側で前記固定穴を介して前記基板に締結される基板側固定脚部をさらに備え、
前記基板の前記固定穴の周囲には、この基板上の電子部品と接続するパターンが設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のバスバー放熱構造。
請求項１から３のいずれか１項に記載のバスバー放熱構造を備えたことを特徴とするインバータ装置。