JP4052241B2

JP4052241B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP4052241B2
Application number: JP2003425642A
Authority: JP
Inventors: 佳彦大山
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: JP2005185063A

Description

本発明は，パワー端子を有する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、上記パワー端子に接続されるバスバーとを備えた電力変換装置に関する。

従来より、図１６に示すごとく、複数の半導体モジュール９２と、該半導体モジュール９２を冷却する冷却器９３と、上記半導体モジュール９２のパワー端子に接続されるバスバー（図示略）とを備えた電力変換装置９がある（特許文献１参照）。上記冷却器９３は、半導体モジュール９２を挟持するように配設された複数の冷却管９３１を有する。
上記電力変換装置９においては、冷却器９３を介して半導体モジュール９２の熱を放熱している。

ところが、現在電気自動車やハイブリッド自動車等では、市場拡大に向けて大型車種への展開や動力性能の向上が図られており、交流モータから大きな駆動トルクを確保するため大きな駆動電流が必要となってきている。
それ故、その交流モータ向けの駆動電流を生成する上記電力変換装置９においては、該電力変換装置を構成するＩＧＢＴ等の電力用半導体素子を含む半導体モジュール９２からの発熱が大きくなる傾向にある。半導体モジュール９２の発熱量が大きいと、冷却器９３の冷却能力を上げる必要が生ずる。そのために、冷却器９３の大型化を余儀なくされる。

そこで、上記半導体モジュール９２の熱を、該半導体モジュール９２のパワー端子から、これに接続されるバスバーを介して放熱することが考えられる。
しかし、上記バスバーの断面積がパワー端子の断面積よりも小さいと、パワー端子における電流密度よりも、バスバーにおける電流密度の方が大きくなる。そのため、上記バスバーの温度がパワー端子の温度よりも高くなり、この熱が半導体モジュール９２に伝わり、却って冷却器９３の冷却能力を更に向上させる必要が生ずる。その結果、冷却器９３の大型化を余儀なくされ、ひいては電力変換装置９の大型化を招くこととなる。

また、バスバーが温度上昇することにより、半導体素子や、パワー端子とバスバーとの接続部に熱的ストレスを与えることとなるため、電力変換装置９の耐久性、信頼性を低下させるおそれがある。
なお、半導体モジュールのパワー端子をバスバーに直接接続した構造については、特許文献２に開示されているが、パワー端子及びバスバーの断面積に関する記載はない。

特開２００１−３２０００５号公報特開２００３−１８９６２１号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、耐久性、信頼性に優れた小型の電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を内蔵してなると共にパワー端子を有する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、上記パワー端子に接続され電力ラインを構成するバスバーとを備えた電力変換装置であって、
上記パワー端子と上記バスバーとの接続部における、上記パワー端子の断面積Ｓｐと上記バスバーの断面積Ｓｂとは、Ｓｐ＜Ｓｂの関係を有することを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置においては、パワー端子の断面積Ｓｐとバスバーの断面積Ｓｂとが、Ｓｐ＜Ｓｂの関係を有するため、パワー端子における電流密度よりも、バスバーにおける電流密度の方が大きくなることがない。それ故、上記バスバーが温度上昇することによって半導体モジュールにその熱が伝わるという不具合を防ぐことができる。

そして、半導体モジュールの熱を上記バスバーを通じて放熱することができるため、半導体モジュールの冷却器による冷却を補助することができる。その結果、冷却器の小型化を可能とし、ひいては電力変換装置の小型化を実現することができる。
また、バスバーがパワー端子よりも温度上昇することがないため、半導体素子や、パワー端子とバスバーとの接続部に熱的ストレスを与えることがなく、電力変換装置の耐久性、信頼性を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、耐久性、信頼性に優れた小型の電力変換装置を提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記パワー端子の断面積及び上記バスバーの断面積は、電流の流れる方向に対して直交する平面による断面の断面積をいう。

また、上記バスバーは、その経路内における最も断面積の小さい部分における断面積Ｓｂ₀が、Ｓｐ≦Ｓｂ₀を満たすことが好ましい（請求項２）。
この場合には、バスバーを通じた半導体モジュールの放熱を、確実に行うことができる。仮に、上記バスバーの経路内に、パワー端子の断面積Ｓｐよりも小さい断面積となる部分があった場合、その部分の温度が著しく上昇し、その熱がパワー端子にまで伝わることも考えられる。そこで、Ｓｐ≦Ｓｂ₀を満たすことにより、上記バスバーにおける発熱を充分に抑制し、バスバーを通じた半導体モジュールの放熱を、確実に行うことができる。

また、上記パワー端子と上記バスバーとの接続部における、上記パワー端子の厚みＴｐと上記バスバーの厚みＴｂとは、Ｔｐ≦Ｔｂの関係を有することが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記バスバーの幅を大きくする必要がないため、省スペース化を図ることができる。これにより、一層、電力変換装置の小型化を容易とすることができる。

また、上記バスバーは、その経路内における最も厚みの小さい部分における厚みＴｂ₀が、Ｔｐ≦Ｔｂ₀を満たすことが好ましい（請求項４）。
この場合には、バスバーを通じた半導体モジュールの放熱を、確実に行うことができると共に、電力変換装置の小型化を容易とすることができる。

また、上記電力変換装置はインバータであって、上記半導体モジュールはＩＧＢＴ素子やＭＯＳ型ＦＥＴ素子等の電力用スイッチング素子であることが好ましい（請求項５）。
この場合には、耐久性、信頼性に優れた小型の電力変換装置を提供することができる。
なお、上記インバータとしては、例えば、自動車用インバータ、産業機器用のモータ駆動インバータ、ビル空調用のエアコンインバータ等がある。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図９を用いて説明する。
図１〜図３に示すごとく、本例の電力変換装置１は、半導体素子を内蔵してなると共にパワー端子２１を有する複数の半導体モジュール２と、該半導体モジュール２を冷却する冷却器３と、上記パワー端子２１に接続され電力ラインを構成するバスバー４とを備えている。
上記電力変換装置１はハイブリッド自動車用或いは電気自動車用インバータであって、上記半導体モジュール２はＩＧＢＴ素子やＭＯＳ型ＦＥＴ素子等の電力用スイッチング素子である。

図５〜図８に示すごとく、上記パワー端子２１と上記バスバー４との接続部１２における、上記パワー端子２１の断面積Ｓｐと上記バスバー４の断面積Ｓｂとは、Ｓｐ＜Ｓｂの関係を有する。
上記パワー端子２１の断面積Ｓｐ及び上記バスバー４の断面積Ｓｂは、電流の流れる方向に対して直交する平面による断面の断面積をいう。
また、上記パワー端子２１と上記バスバー４との接続部１２における、パワー端子２１の厚みＴｐとバスバー４の厚みＴｂとは、Ｔｐ≦Ｔｂの関係を有する。

図３に示すごとく、上記冷却器３は、積層配置された複数の冷却管３１と、該複数の冷却管３１を連結する連通部材３２とを有する。また、冷却器３は冷媒入口３３と冷媒出口３４とを設けてなり、冷媒入口３３から導入された冷却媒体は、連通部材３２を介して各冷却管３１を流れ、冷媒出口３４から排出されるよう構成されている。
また、複数の冷却管３１の間には、上記半導体モジュール２が配設されており、半導体モジュール２は冷却管３１によって挟持されている。
これにより、上記冷却管３１を流れる冷却媒体によって、半導体モジュール２を冷却する。

半導体モジュール２は、２つのパワー端子２１と複数の制御端子２２とを有する。そして、一方のパワー端子２１は、モータに接続されたバスバー４ａに電気的に接続されており、他方のパワー端子２１は、電源に接続されたバスバー４ｂに電気的に接続されている。

上記バスバー４ａは、図２、図４に示すごとく、板状体であって、パワー端子２１に重なり合うと共に、互いの方向が直交するように接続されている。また、各半導体モジュール２のパワー端子２１にそれぞれ接続された各バスバー４ａは、図１に示すごとく、互いの絶縁を確保しつつ、モールド樹脂１１によって一体化されている。

また、図１、図４、図７に示すごとく、バスバー４ｂは、基部４１と該基部４１から突出した複数の突出部４２とからなり、該突出部４２の一方の側面にパワー端子２１が接続される。
バスバー４とパワー端子２１とは、図２、図７に示すごとく溶接されている。図２、図７において、符号２３が溶接部を示す。

また、上記バスバー４は、その経路内における最も断面積の小さい部分における断面積Ｓｂ₀が、Ｓｐ≦Ｓｂ₀を満たし、最も厚みの小さい部分における厚みＴｂ₀が、Ｔｐ≦Ｔｂ₀を満たす。具体的には、図９に示すごとく、バスバー４ｂにおける基部４１の断面積が、上記断面積Ｓｂ₀となる。なお、本例においては、バスバー４ａ、４ｂは共に厚みが一定であるため、Ｔｂ₀＝Ｔｂである。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、パワー端子２１の断面積Ｓｐとバスバー４の断面積Ｓｂとが、Ｓｐ＜Ｓｂの関係を有するため、パワー端子２１における電流密度よりも、バスバー４における電流密度の方が大きくなることがない。それ故、上記バスバー４の温度上昇により半導体モジュール２にその熱が伝わるという不具合を防ぐことができる。

そして、半導体モジュール２の熱を上記バスバー４を通じて放熱することができるため、半導体モジュール２の冷却器３による冷却を補助することができる。その結果、冷却器３の小型化を可能とし、ひいては電力変換装置１の小型化を実現することができる。
また、バスバー４がパワー端子２１よりも温度上昇することがないため、半導体素子や、パワー端子２１とバスバー４との接続部１２に熱的ストレスを与えることがなく、電力変換装置１の耐久性、信頼性を向上させることができる。

また、パワー端子２１の厚みＴｐとバスバーの厚みＴｂとは、Ｔｐ≦Ｔｂの関係を有する。これにより、上記バスバー４の幅を大きくする必要がないため、省スペース化を図ることができる。それ故、一層、電力変換装置１の小型化を容易とすることができる。

また、上記バスバー４は、その経路内における最も断面積の小さい部分における断面積Ｓｂ₀が、Ｓｐ≦Ｓｂ₀を満たす。そのため、バスバー４を通じた半導体モジュール２の放熱を、確実に行うことができる。仮に、上記バスバー４の経路内に、パワー端子２１の断面積Ｓｐよりも小さい断面積となる部分があった場合、その部分の温度上昇により、その熱がパワー端子２１にまで伝わることも考えられる。そこで、Ｓｐ≦Ｓｂ₀を満たすことにより、バスバー４における発熱を充分に抑制し、バスバー４を通じた半導体モジュール２の放熱を、確実に行うことができる。

なお、仮に、バスバー４の経路内に、パワー端子２１の断面積Ｓｐよりも小さい断面積となる部分があっても、パワー端子２１との接続部１２から離れていれば影響は少ないが、究極的には、そのような部分がバスバー４の経路内にないことが好ましく、本例はそのような状態となっている。
ただし、パワー端子２１の断面積Ｓｐよりも小さい断面積となる部分が接続部１２以外にあっても、本発明の技術的範囲には含まれる。

以上のごとく、本例によれば、耐久性、信頼性に優れた小型の電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図１０〜図１２に示すごとく、バスバー４ｃが、板棒状の平板部４３と、該平板部４３の端部から幅方向に突出すると共に約９０°屈曲して立上がる立上部４４とからなり、該立上部４４においてバスバー４と半導体モジュール２のパワー端子２１とを接続した例である。

この場合は、図１２に示すごとく、パワー端子２１とバスバー４ｃとを、両者の接続部１２における同一平面で切断した断面（図１１のＧ−Ｇ線矢視断面）において、パワー端子２１の断面積Ｓｐ及び厚みＴｐと、バスバー４ｃの断面積Ｓｂ及び厚みＴｂとを比較して、Ｓｐ＜Ｓｂ、Ｔｐ≦Ｔｂとなるようにする。
その他は、実施例１と同様である。
本例の場合にも、耐久性、信頼性に優れた小型の電力変換装置を提供することができる。その他、実施例１と同様の作用効果を奏する。

（実施例３）
本例は、図１３〜図１５に示すごとく、種々の形状のバスバー４と、それぞれのバスバー４と半導体モジュール２のパワー端子２１との接続状態を示した例である。
図１３に示すバスバー４ｄは、実施例１におけるバスバー４ａと同様に平板状の形状を有し、パワー端子２１に重ね合わせると共に互いの方向が直交するように接続されている。
図１４に示すバスバー４ｅは、実施例１におけるバスバー４ｂと同様の形状を有し、基部４１と複数の突出部４２とを有する。そして、該突出部４２においてパワー端子２１と接続されている。

図１５は、図１３に示すバスバー４ｄを一方のパワー端子２１に接続し、実施例２に示すバスバー４ｃを他方のパワー端子２１に接続した状態を示す。
これらの場合にも、上記実施例１、２において示した方法で、パワー端子２１の断面積Ｓｐ及び厚みＴｐと、バスバー４の断面積Ｓｂ及び厚みＴｂとを比較して、Ｓｐ＜Ｓｂ、Ｔｐ≦Ｔｂとなるようにする。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合にも、耐久性、信頼性に優れた小型の電力変換装置を提供することができる。その他、実施例１と同様の作用効果を奏する。

実施例１における、パワー端子とバスバーとの接続状態を示す電力変換装置の平面図。実施例１における、図１のＡ−Ａ線矢視断面相当の電力変換装置の断面図。実施例１における、バスバーを省略した電力変換装置の平面図。実施例１における、パワー端子にバスバーを接続した半導体モジュールの斜視図。図４のＢ−Ｂ線矢視断面図。図５のＣ−Ｃ線矢視断面図。図４のＤ−Ｄ線矢視断面図。図７のＥ−Ｅ線矢視断面図。図７のＦ−Ｆ線矢視断面図。実施例２における、パワー端子にバスバーを接続した半導体モジュールの斜視図。実施例２における、パワー端子にバスバーを接続した半導体モジュールの側面図。図１１のＧ−Ｇ線矢視断面図。実施例３における、パワー端子にバスバー４ｄを接続した半導体モジュールの斜視図。実施例３における、パワー端子にバスバー４ｅを接続した半導体モジュールの斜視図。実施例３における、パワー端子にバスバー４ｃ、４ｄを接続した半導体モジュールの斜視図。従来例における、パワー端子とバスバーとの接続状態を示す電力変換装置の平面図。

符号の説明

１電力変換装置
１２接続部
２半導体モジュール
２１パワー端子
３冷却器
４、４ａ〜４ｅバスバー
Ｓｂバスバーの断面積
Ｓｐパワー端子の断面積

Claims

半導体素子を内蔵してなると共にパワー端子を有する複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器と、上記パワー端子に接続され電力ラインを構成するバスバーとを備えた電力変換装置であって、
上記パワー端子と上記バスバーとの接続部における、上記パワー端子の断面積Ｓｐと上記バスバーの断面積Ｓｂとは、Ｓｐ＜Ｓｂの関係を有することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、上記バスバーは、その経路内における最も断面積の小さい部分における断面積Ｓｂ₀が、Ｓｐ≦Ｓｂ₀を満たすことを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２において、上記パワー端子と上記バスバーとの接続部における、上記パワー端子の厚みＴｐと上記バスバーの厚みＴｂとは、Ｔｐ≦Ｔｂの関係を有することを特徴とする電力変換装置。
請求項３において、上記バスバーは、その経路内における最も厚みの小さい部分における厚みＴｂ₀が、Ｔｐ≦Ｔｂ₀を満たすことを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜４のいずれか一項において、上記電力変換装置はインバータであって、上記半導体モジュールはＩＧＢＴ素子やＭＯＳ型ＦＥＴ素子等の電力用スイッチング素子であることを特徴とする電力変換装置。