JP4391959B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電動機等の電力負荷に対して電力を供給する電源系からの電力を調整するための電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置においては、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）等のスイッチング素子を内蔵した電力半導体モジュールの主端子であるＰ，Ｎ端子及び交流入力端子（Ｕ，Ｖ，Ｗ端子）は、電力半導体モジュールの側面から横方向に延在し、電力半導体モジュールに隣接した端子台で外部導体とネジ締結によって接続されたものがあった。

また、電力半導体モジュールの上面部に主端子と接続された端子台が設けられており、これらの複数個の電力半導体モジュールがヒートシンク上面に並べられ、各電力半導体モジュールの端子台と電源系及び負荷に接続するための板状の外部接続導体とがネジ締結されて接続されていた（例えば、特許文献１）。

特開平１０−７４８８９号公報（第３頁、図１）

従来の電力変換装置においては、外部接続導体と電力半導体モジュールの主端子がネジ締結されていたため、主端子の端子台、及び端子台と外部接続導体とをナットあるいはボルトで締結するための面積が必要で、コンパクト化の阻害要因となっていた。ネジ締結は、接触接続方式であるため、大きな電流を制御する電力変換装置では、ネジ締結部の接触抵抗を低減する必要があり、このためにも大きな接続面積が必要となっていた。

また、ネジを締結するためにドライバやラチェットなどの締め付け工具をネジの軸方向からアプローチさせて作業する必要があり、工具がアプローチする方向に対しては、干渉しないように装置に大きな空間を確保する必要があった。

本発明は、上記のような従来の電力変換装置の状況に鑑みなされたものであり、電力変換装置内部の電力半導体モジュールの主端子の接続構造をコンパクト化して接続に要する占有体積を低減し、結果的に電力変換装置を小形化することを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、電源から供給される電力をスイッチングするトランジスタ素子と負荷からの電力を還流するダイオード素子とを有し、かつ、上記トランジスタ素子及びダイオード素子は入力端子及び出力端子となる複数の主端子とトランジスタ素子を駆動するための信号端子とを有する複数個の電力半導体モジュール、
上記複数個の電力半導体モジュールを平面上に並べて搭載する搭載面を有する搭載部、
上記電源または負荷と上記主端子それぞれとを接続するための端子部を有する導電バスバー構造体、
を有する電力変換装置において、
上記主端子は、上記電力半導体モジュールそれぞれの上記搭載面と平行な方向における外側端に設けられ、上記電力半導体モジュールから上記搭載面と平行な方向に突出するとともに、上記搭載面に垂直な方向に曲げられた部位が形成され、
上記導電バスバー構造体の端子部は、上記主端子の垂直な方向に曲げられた部位と平行な方向に突出し、
上記主端子の垂直な方向に曲げられた部位と上記端子部とが重ね合わせられて溶接またはろう付けにより接合されているものである。

本発明に係る電力変換装置によれば、従来のネジ締結接合に比べて、電力変換装置内部の電力半導体モジュールの主端子の接続構造をコンパクト化して接続に要する占有体積を低減し、結果的に電力変換装置を小形化することができる。

また、主端子と導電バスバー構造体の端子部のみで接合できるため（ナット、端子台が不要）、主端子の配置の自由度が高い。

また、従来のネジ締め機器のアプローチに必要な空間ほど大きな空間を必要としない。

また、溶接またはろう付けによる接合であるために、ネジ締結による接触構造に比べて接合面積が少なくてすむ。

実施の形態１．
図１及び図２は、本発明に係る電力変換装置の実施の形態１における要部を示す側面図である。図１に示したように、本実施の形態１は、複数個の電力半導体モジュール１が放熱器（ヒートシンク）２上に搭載されているものであり、上位アームのモジュールと下位アームのモジュールの組合せ、あるいは大容量化を図るために、複数の電力半導体モジュールを並列に接続する電力変換装置の例である。電力半導体モジュール１から電源系側及び負荷側に入出力線が導電バスバー構造体５として接続されている。

電力半導体モジュール１は発熱するので。発熱の多くは搭載部から放熱されるので搭載部の放熱面積を大きくする必要があるが、図１及び図２に示したように、電力半導体モジュール１の搭載部を、搭載面と反対側の面にフィンを有する放熱器（ヒートシンク）２とすることによって、搭載部を小型にすることができる。

電力半導体モジュール１は、電源から供給される電力をスイッチングするトランジスタ素子と負荷からの電力を還流するダイオード素子とを内蔵し、電源と電気的に繋がった入力端子及び負荷と電気的に繋がった出力端子といった複数の主端子４並びにトランジスタ素子を駆動するための信号端子８を有する。

電力半導体モジュール１の主端子４は、電源側に接続されるＰ、Ｎ端子（入力端子）、負荷側に接続されるＡＣ（Ｕ，Ｖ，Ｗ）端子（出力端子）があり、図中、紙面と垂直方向にそれぞれの端子に対応する導電バスバー構造体５がある。

なお、電力半導体モジュール１を制御するための制御基板３がヒートシンク２と反対側の電力半導体モジュール１平面部の上方に配置されており、制御基板３には、電力半導体モジュール１のゲート端子、エミッタ電圧端子あるいは温度などの各種センサ端子といった信号端子８が接続されている。

本実施の形態１における電力半導体モジュール１の主端子４は、外装９の平面部９ａと側面部９ｂとを有する電力半導体モジュール１の側面部９ｂより外部に突出した形状となっており、主端子４の幅広の面と導電バスバー構造体５の端子部６の面とを重ねて後述の溶接方法で接合し継ぎ手部（溶接部）７としている。

この実施の形態１によれば、主端子４と端子部６とを重ね合わせて溶接で接合した継ぎ手部７とすることによって、従来のネジ締結する際のネジ座面並びに端子台に相当する大きな容積が不要となり、また、継ぎ手部７上方にアーク溶接の電極が入る程度のスペースがあればよく、ネジの締め付け作業のような大きな空間が不要になり、コンパクト化を図ることができる。

また、主端子４を突出方向から垂直に曲げることにより接合に必要なスペースを小さくすることができる。

また、主端子４を側面部９ｂより外部に突出させる構造、例えば、主端子が形成された金属板のリードフレームの搭載部上に素子部を搭載してアセンブリし、素子部を樹脂モールドして、樹脂モールドから主端子を水平に突出させた構造とすることにより、インダクタンスを低減することができる。

なお、電力半導体モジュール１には、例えば、プラスチックケースに主端子４と電力半導体素子部とをつなぐ電流リードをインサート成形した、あるいは成形したプラスチックケースに電流リードを取り付けたＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオードといった電力半導体素子を内蔵したケース構造のもの、あるいは、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ダイオードといった電力半導体素子をエポキシ樹脂、ＰＰＳ、ＰＢＴなどの熱可塑性樹脂などでモールドしたモールド構造のものがある。いずれの構造においても、板状のリードフレームのような金属の骨格形状により一体的に繋がった主端子や信号端子を用い、リードフレーム上に素子部を搭載してアセンブリする方法が量産性が高い構造であり、この場合、素子部をモールドあるいはケースに内蔵し、平面的に配線された主端子及び信号端子をモールド構造あるいはケース構造の側面に突出させて折り曲げ、導電バスバー構造体５の端子部６と溶接する。

また、図２に示すように、主端子４を搭載部の面と平行な方向における外側とし、信号端子８を搭載部の中心側とし、導電バスバー構造体５の両端に端子部６を設け、主端子４の面と端子部６の面とを重ね合わせて溶接することにより接合し、継ぎ手部７とすることで、制御基板３と継手７の高さ方向の干渉を避けることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明に係る電力変換装置の実施の形態２における要部を示す側面図である。図３に示したように、本実施の形態２における電力半導体モジュール１の主端子４は、ヒートシンク２へ搭載する電力半導体モジュール１の搭載面と反対側の平面部９ａから上方に突出しており、バスバー構造体５から垂直方向に立ち上がった端子部６と主端子４とが重ねられ溶接により接合されて継ぎ手部７を形成している。

このように、端子部６と主端子４とを重ねて溶接で接合した継ぎ手部７とすることによって、従来のネジ締結する際のネジ座面ならびに端子台に相当する容積が不要となり、また、ネジの締め付け作業のための空間が不要になり、コンパクト化を図ることができる。

また、図１に示したように電力半導体モジュール１の側面部９ｂから主端子４を引き出した場合に比べて電力半導体モジュール１の平面部９ａから主端子４を突出させた場合は、図１における主端子４の引き出し部の長さ分、電力半導体モジュール１を搭載するヒートシンク２の床面積を小さくすることができるので、電力変換装置をさらに小型化することができる。

実施の形態３．
図４は、本発明に係る電力変換装置の実施の形態３における要部を示す側面図である。電力変換装置は、負荷容量が大きくなると制御する電力容量が増大するため、単一の電力半導体モジュールでは容量不足となる。この場合、同一の電力半導体モジュールを並列に接続して必要容量を確保するのが一般的であり、この場合には、図４に示したように、並列接続する電力半導体モジュール１、１の主端子４、４同士を導電バスバー構造体５の一つの端子部６に重ね合わせて溶接により接合して継ぎ手部７を形成する。

本実施の形態３によれば、並列接続の主端子４，４を導電バスバー構造体５の同一の端子部６に接合することで、継ぎ手部７の占有容積を小さくすることができ、電力変換装置をコンパクト化することができる。

上記実施の形態１〜３における継手７の接合方法としては、主端子４と端子部６とを挟持した電極に通電し加熱する抵抗溶接による方法、レーザをはじめとする光ビームを主端子４と端子部６との重ね合わせ面上方より照射して溶接するビーム溶接による方法、重ね合わせ面上方からアーク溶接する方法が実用上有用である。特に、アーク溶接は、抵抗溶接のように溶融部が必ずしも重ね合せ面である必要がないために、接合に必要な主端子４などの面積を小さくすることができる。また、アーク溶接は、ビーム溶接よりも比較的安価な設備で溶接作業ができるので実用上の価値が高い。

図５は、継ぎ手部７の接合方法を示す側面図であり、図５（ａ）及び（ｂ）のアーク溶接による接合方法を、図５（ｃ）の従来のネジ締めで接合した場合と共に示している。従来のようなネジ端子を重ね継手に適用しようとすれば、図５（ｃ）のように、ネジ締め用のボルト２８とナット２９を締め付ける大きなネジ締め治具２７ａ、２７ｂが必要になり、継手部分の高さ方向は大きな治具干渉スペース３１がネジ締めのために使用できなくなる。それに対して、アーク溶接の場合、図５（ａ）及び（ｂ）のように電極棒２４を主端子４と端子部６との重ね合わせ部あるいは主端子４と端子部６とを突き合わせたＬ字突合せ部の上方に配置し、アース電極２３を主端子４と端子部６あるいはバスバー構造体５に接触させて、電極棒２４と被溶接部間にアーク２５を発生させる。この場合、デッドスペースは、一対の給電電極２２あるいはアース電極２３の治具干渉スペース３１のみであるので、従来のネジ締めと比較してデッドスペースを小さくでき、装置のコンパクト化が図れる。

また、上記のような抵抗加熱、光ビーム等の熱源を用いて、主端子４と端子部６との突き合わせ面にろう材を供給して接合するろう付法も接合面積が必要な場合において特に有用である。この場合、電力変換装置で使用されているプラスティックなどの高分子材料への熱影響、あるいは電子部品への熱影響に配慮して溶融温度の低いはんだ材をろう材に用いることが好ましい。ろう材の供給方法としては、あらかじめ主端子４及びバスバー構造体５の端子部６にメッキなどの方法で被覆しておく方法、あるいは接合作業中に差しろうする方法等がある。

図６は、アーク溶接で接合した継手形状の斜視図である。図６（ａ）は、主端子４と端子部６を重ね合わせた継手構造であり、図５で説明したように、重ね合わせ面上方よりアーク溶接して溶接部２６が形成される。図６（ｂ）はＬ型突合せ構造の溶接継ぎ手、図６（ｃ）はＴ型構造の溶接継ぎ手である。ネジ締めのように接合部の接触抵抗があるものでは大きな接合部が必要になるが、このような溶接（あるいはろう付け）による継手構造は、溶接（あるいはろう付け）部のみの電流流路で電流容量を導電バスバー構造体５あるいは主端子４の電流容量と同等にすることができるので、特に装置のコンパクト化に対して有用である。

また、主端子４と端子部６と重ね部の上端部に溝を設けて複数の凹凸部を形成し、複数の凸部を溶融した溶接を行うことにより、低出力のアーク溶接設備の使用を可能にする、あるいは、溶接部に大電流を流すことが可能になる。継手構造に関しては、図６（ｂ）のＬ型突合せ継ぎ手構造、図６（ｃ）のＴ型突合わせ継手構造でもよい。

また、電力半導体モジュール１の主端子４と導電バスバー構造体５の端子部６との突き合わせ部を溶接するためには、両者をギャップなく接触させることが重要である。アーク溶接におけるアース電極２３は、同時に突き合わせ部の接触状態を確保する作用も兼ね備えたものとするために、アース電極２３が溶接部の近傍に必要となる。例えば、図５（ａ）のように電力半導体モジュール１の側面から主端子４が突出する場合には、溶接部２６とアース電極２３は、電力半導体モジュール１の外周面などと干渉しないように外周面の上方において重ね合わせた主端子４と端子部６とを狭持して接触させるような配慮が必要である。また、図６（ｄ）に示したように、Ｔ型継手で下方から伸びる主端子４の突き出し部を上方側の端子部６に貫通させて上下当り面で接触固定させ、突き出し部をアーク照射によって溶融して溶接を行うことで、図５（ｂ）のようなアース電極構造でも継手同士の接触を確保することができる。なお、外筒２２はＡｒガス等の不活性ガスの通路を形成するものであり、不活性ガスを溶接部２６に吹き付けることより、溶接部２６の酸化を防止する。

本発明の電力変換装置は、電動機等の電力負荷に対して供給する電源系からの電力を調整することに有用に利用することができる。

本発明に係る電力変換装置の実施の形態１における要部を示す側面図である。 本発明に係る電力変換装置の実施の形態１における要部を示す側面図である。 本発明に係る電力変換装置の実施の形態２における要部を示す側面図である。 本発明に係る電力変換装置の実施の形態３における要部を示す側面図である。 重ね継手の接合方法を示す側面図である。 アーク溶接で接合した継手形状の斜視図である。

符号の説明

１ 電力半導体モジュール、２ ヒートシンク、３ 制御基板、４ 主端子、
５ 導電バスバー構造体、６ 端子部、７ 継ぎ手部（溶接部）、８ 信号端子、
９ａ 平面部、９ｂ 側面部、２２ 外筒、２３ アース電極、２４ 電極棒、
２５ アーク、２６ 溶接部、２７ａ，２７ｂ ネジ締め治具、２８ ボルト、
２９ ナット、３１ 治具干渉スペース。

Claims (4)

1. 電源から供給される電力をスイッチングするトランジスタ素子と負荷からの電力を還流するダイオード素子とを有し、かつ、上記トランジスタ素子及びダイオード素子は入力端子及び出力端子となる複数の主端子とトランジスタ素子を駆動するための信号端子とを有する複数個の電力半導体モジュール、
   上記複数個の電力半導体モジュールを平面上に並べて搭載する搭載面を有する搭載部、
   上記電源または負荷と上記主端子それぞれとを接続するための端子部を有する導電バスバー構造体、
   を有する電力変換装置において、
   上記主端子は、上記電力半導体モジュールそれぞれの上記搭載面と平行な方向における外側端に設けられ、上記電力半導体モジュールから上記搭載面と平行な方向に突出するとともに、上記搭載面に垂直な方向に曲げられた部位が形成され、
   上記導電バスバー構造体の端子部は、上記主端子の垂直な方向に曲げられた部位と平行な方向に突出し、
   上記主端子の垂直な方向に曲げられた部位と上記端子部とが重ね合わせられて溶接またはろう付けにより接合されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 上記主端子と上記端子部との接合はアーク溶接によるものであり、上記重ね合わせた主端子の部位と上記端子部とを上記アーク溶接におけるアース電極が狭持する領域が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記複数個の電力半導体モジュールが同一のものであり、上記複数個の電力半導体モジュールの主端子それぞれが上記導電バスバー構造体の同一の端子部に接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 上記搭載部が放熱器であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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