JP4905254B2 - コンデンサ一体バスバーの製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、コンデンサ一体バスバーの製造方法に関する。
ハイブリッド電気自動車などにおいては、従来のエンジンに加えて電気駆動システムが搭載されている。この電気駆動システムは、直流電源であるバッテリや、電力変換装置であるインバータ装置、電動機である交流モータなどを備えている。この電気駆動システムを備えた車輌では、バッテリから供給される直流電力をインバータ装置によって交流電力に変換し、この交流電力を用いて交流モータを駆動することによって車輌の推進力を得ている。
図１４は、車輌に搭載される一般的な電気駆動システムの回路構成図である。上述したように、電気駆動システムは、バッテリ１と、バッテリ１から得られる直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、インバータ装置から出力される交流電力によって駆動される交流モータ８とを備える。
インバータ装置は、スイッチング素子６を含むスイッチングモジュール２と、スイッチング素子６を制御するスイッチング制御回路（図示せず）と、スイッチング素子６に供給される直流電力を平滑化する平滑用コンデンサ３と、スイッチングモジュール２と平滑用コンデンサ３とを電気的に接続するバスバー４，５とを備えている。
スイッチング素子６としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor）などが用いられる。また、スイッチング制御回路は、図示しないＥＣＵ（Electrical Control Unit）からの信号を受けて、スイッチング素子６のＯＮ／ＯＦＦ動作をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することにより、車輌の走行状態に応じた最適の条件にてインバータ装置を動作させる。
スイッチングモジュール２としては、上述のスイッチング制御回路をスイッチングモジュール２の筐体外部に配置したものと、筐体内部に組込んだＩＰＭ（Integrated Power Module）と呼ばれるものとがある。近年では、組付け性の向上やインバータ装置の小型化の要請に伴い、ＩＰＭが主流となっている。
図１４に示すように、スイッチングモジュール２の正極および負極であるＰ，Ｎ端子は、バッテリ１の正極および負極に電気的に接続される。また、スイッチングモジュール２とバッテリ１との間には、バッテリ１から供給される直流電力の平滑化を行なうための平滑用コンデンサ３が並列に接続される。
スイッチングモジュール２のＰ端子およびＮ端子と、平滑用コンデンサ３の正極および負極を接続する接続配線には、導電材料からなる板状体であるバスバー４，５が用いられる。一方、スイッチングモジュール２の出力側の端子であるＵ，Ｖ，Ｗ端子は、３相交流モータ８のそれぞれの入力端子に電気的に接続される。
平滑用コンデンサ３としては非常に大きい容量を有するものが必要となる。実用化されているハイブリッド電気自動車に使用されている平滑用コンデンサ３としては、数百μＦから数千μＦの容量を有するコンデンサが使用されている。このため、平滑用コンデンサ３が非常に大型のコンデンサとなるため、通常はスイッチングモジュール２の筐体の外部に設置される。
上述のインバータ装置にあっては、スイッチング素子６は、たとえば１０ｋＨｚなどの高速動作にてスイッチングが行なわれる。このため、スイッチングモジュール２の内部配線や、バスバー４，５の配線インダクタンスが無視できなくなる。
これら接続配線による浮遊インダクタンスは、スイッチングの際に大きなサージ電圧をスイッチング素子６に印加する原因となる。スイッチング素子６の耐圧が電源電圧に対して十分に高く設定されている場合には問題は生じないが、余裕がない場合にはこのサージ電圧によってスイッチング素子６が破壊されてしまうおそれがある。
このため、配線インダクタンスを低減するために、平滑用コンデンサ３とスイッチングモジュール２とを近接配置することが必要になる。これにより、接続配線を短縮化することが可能になるため、配線インダクタンスが低減される。また、接続配線の往復線路を近接配置することによっても配線インダクタンスの低減が図られる。これは、往復線路を互いに近付けて配置することにより、相互インダクタンスによって配線インダクタンスが低減されるためである。
しかしながら、これだけでは完全にサージ電圧の発生を抑止することはできない。このため、スナバ回路と呼ばれるスイッチング素子６保護用の回路を別途設けることにより、回路内にて発生したサージ電圧を吸収し、スイッチング素子６にサージ電圧が印加されないように回路を構成したインバータ装置がある。
特許文献１（特開２００３−３１９６６５号公報）には、スナバ回路をバスバーにより構成したインバータ装置が開示されている。
図１５は、特許文献１のインバータ装置の構造を示す概略斜視図である。図に示すように、平滑用コンデンサ３とスイッチングモジュール２とは一対のバスバー１５，１６によって接続されている。スイッチングモジュール２は、筐体に内蔵されている。
なお、図では省略しているが、一対のバスバー１５，１６はさらにバッテリ１に接続される。また、平滑用コンデンサ３は、その容量が非常に大きいため、３つに分割されて配置され、並列にスイッチングモジュール２に接続されている。
一対のバスバー１５，１６は、スイッチングモジュール２と平滑用コンデンサ３とを接続する領域において、互いにその主面が対面し、かつ近接するように配置された対面領域を有している。この対面領域は、上述した配線インダクタンスの低減のために設けられるものである。この対面領域において、一対のバスバー１５，１６間には高誘電体９が設けられている。
高誘電体９を一対のバスバー１５，１６間に介在させることによりコンデンサを構成している。このコンデンサはスナバ回路を構成する。
このスナバ回路を設けることにより、スイッチング動作時にスイッチング素子６に印加されるサージ電圧が吸収され、スイッチング素子６の破壊を抑制することができる。
また、特許文献２（特開２００４−３１２９２５号公報）には、平滑用コンデンサとインバータ回路とをひとつの筐体の内部に配設した電気機器が開示されている。
特許文献３（特開２００５−２０９５３号公報）には、樹脂モールドされたバスバーが開示されている。
特開２００３−３１９６６５号公報 特開２００４−３１２９２５号公報 特開２００５−２０９５３号公報
上記特許文献１には、一対のバスバー１５，１６の間に高誘電体９を介在させる構造は開示されているが、それを製造するための具体的な工程については開示されていない。
また、高誘電体９とバスバー１５，１６とからなるコンデンサは、スイッチングモジュール２の筐体の外部に設けられている。そのため、スイッチングモジュール２を構成するスイッチング素子６とコンデンサとの距離が大きくなる。サージ電圧を緩和する十分な効果を得るためには、コンデンサの静電容量が十分に大きいものでなければならないという問題がある。
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、一対のバスバーの間に高誘電体を挟持したコンデンサを容易に製造することが可能な、コンデンサ一体バスバーの製造方法を提供することを目的とする。
この発明に基づいたコンデンサ一体バスバーの製造方法の他の局面に従えば、樹脂材料を基材とする高誘電性の板状樹脂と、相互に向かい合う対面領域を有し、該対面領域が上記板状樹脂の両面に密着する一対の金属導体とを備えたコンデンサ一体バスバーの製造方法であって、相互に対向する面を有する一対の金属導体を、間隔を隔てて対向配置する工程と、上記対向配置された金属導体の間隔に流動性を有する状態の樹脂材料を注入する工程と、上記注入した樹脂材料を硬化させて板状樹脂を形成する工程とを含んでいる。
本発明に係るコンデンサ一体バスバーの製造方法によると、一対のバスバーの間に高誘電体を挟持したコンデンサを容易に製造することが可能となる。
以下、この発明に基づいた各実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法および電力変換装置について、図を参照しながら説明する。なお、各実施の形態において、同一または相当箇所については同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さないこととする。
図１は、本実施の形態の電気駆動システムの回路構成図である。図１に示す電気駆動システムは、バッテリ１と、バッテリ１から得られる直流電力を交流電力に変換するインバータ装置と、インバータ装置から出力される交流電力によって駆動される交流モータ８とを備えている。
インバータ装置は、スイッチング素子６を含むスイッチングモジュール２と、スイッチング素子６を制御するスイッチング制御回路（図示せず）と、スイッチング素子６に供給される直流電力を平滑化する平滑用コンデンサ３と、スイッチングモジュール２と平滑用コンデンサ３とを電気的に接続するバスバー４，５とを備えている。
スイッチングモジュール２の筐体の内部にはスイッチングモジュール２のＰ端子と複数のスイッチング素子６との間に介在するバスバー３１と、スイッチングモジュール２のＮ端子と複数のスイッチング素子６との間に介在するバスバー３２とが設けられている。バスバー３１とバスバー３２との間には後述するように高誘電体が配置されており、これらによりコンデンサ４１を構成している。
スイッチング素子６としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが用いられる。また、スイッチング制御回路は、図示しないＥＣＵ（Electrical Control Unit）からの信号を受けて、スイッチング素子６のＯＮ／ＯＦＦ動作をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することにより、車輌の走行状態に応じた最適の条件にてインバータ装置を動作させる。
回生動作時の電流経路を形成するために、スイッチング素子６と並列にダイオード素子７が設けられている。
図２は、本実施の形態のインバータ装置の構造を示す斜視図である。図２に示すように、スイッチングモジュール２の正極であるＰ端子および負極であるＮ端子は、それぞれバッテリ１の正極および負極に電気的に接続される。
また、スイッチングモジュール２とバッテリ１との間には、バッテリ１から供給される直流電力を平滑化するための平滑用コンデンサ３が並列に接続される。
スイッチングモジュール２のＰ端子およびＮ端子と、平滑用コンデンサ３の正極および負極を接続する接続配線には、導電材料からなる板状体であるバスバー４，５が用いられる。一方、スイッチングモジュール２の出力側の端子であるＵ，Ｖ，Ｗ端子は、３相交流モータ８のそれぞれの入力端子に電気的に接続される。
通常、車輌に搭載される電気駆動システムは、非常に大きい駆動力を発生させる必要があるため、定格電圧および定格電流の大きい大電力に対応した部品が用いられる。このため、平滑用コンデンサ３も非常に大きい容量を有するコンデンサが必要となる。
実用化されているハイブリッド自動車に使用されている平滑用コンデンサ３としては、数百μＦから数千μＦの容量を有するコンデンサが使用されている。このため、平滑用コンデンサ３は非常に大型のコンデンサとなるため、本実施の形態ではスイッチングモジュール２の筐体の外部に設置される。
図３は、スイッチングモジュールの内部の構造を示す斜視図である。なお、図１および図２では、ひとつのモータ８を駆動するスイッチングモジュールを示した。図３においては、二つのモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動するための、スイッチングモジュール２を示している。
各スイッチング素子には図示しない出力端子が設けられている。スイッチングモジュール２の外表面に設けられた、Ｕ端子、Ｖ端子、Ｗ端子（図２参照）と、対応する各スイッチング素子の出力端子との間には、両者を接続する図示しないバスバーが配設されている。
図３に示すように、本実施の形態のスイッチングモジュール２は、複数のスイッチング素子６および図示しないダイオード素子と、コンデンサ４１（図１参照）を形成する、バスバー３１，３２などを含む。
バスバー３１，３２は、Ｎ側アームの３個のスイッチング素子６と、Ｐ側アームの３個のスイッチング素子６との間に配置されている。
バスバー３１，３２は、相互に向かい合う対面領域を有している。バスバー３１，３２の間には、樹脂材料を基材とする高誘電性の板状樹脂３６が対面領域に密着して設けられている。各スイッチング素子６には、バスバー３１，３２により電力が供給される。
一対のバスバー３１，３２は、複数のスイッチング素子６とＰ端子，Ｎ端子を接続する領域において、互いにその主面が対面し、かつ近接するように配置された対面領域を有している。この対面領域に密着するように、高誘電性の板状樹脂が配設されてコンデンサ４１を構成している。
バスバー３１，３２とスイッチング素子６とはワイヤボンディングや、リード線などにより接続されている。ここでは、図３の左側に位置するＰ側アームのスイッチング素子６と上段のバスバー３１とが接続され、右側に位置するＮ側アームのスイッチング素子６と下段のバスバー３２とが接続されている。
図３に示す構造において、下段のバスバー３２とＮ側アームのスイッチング素子６とのワイヤボンディングによる接続を容易にするため、バスバー３２のＮ側アームの側を、側面から突出させるようにしてもよい。
高誘電性の板状樹脂３６の材料としては、高誘電性の樹脂材料としては、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂やエポキシ樹脂などを主原料とし、セラミック粉末などを混合させることで誘電率を向上させたものを用いることができる。
また、バスバー３１，３２の対面領域に微小な凹凸を設けることにより、表面積を増大させてコンデンサ４１の静電容量を大きくしてもよい。
図３に示した構造においては、板状樹脂３６の端部を、バスバー３１，３２の端面に回りこむようにしている。すなわち、バスバー３１，３２の端面は、板状樹脂３６の突出した端部に覆われている。このようにすることで、バスバー３１とバスバー３２との間の沿面距離を確保することができる。これにより、バスバー３１とバスバー３２との間隔を小さくしても両者の絶縁を確保することができる。
コンデンサ４１により、スナバ回路が構成されている。これにより、スイッチング動作時にスイッチング素子６に印加されるサージ電圧を吸収することができる。これにより、スイッチング素子６の破壊を防止することができる。
また、コンデンサ４１は、複数のスイッチング素子６が収容されたスイッチングモジュール２の筐体の内部に設けられている。これにより、スイッチング素子６とコンデンサ４１との距離を短くすることができる。その結果、コンデンサ４１によりサージ電圧をより効果的に吸収することができる。すなわち、コンデンサ４１の容量が小さくても大きなサージ電圧吸収効果を得ることができる。
次に、バスバー３１，３２と一体に構成されたコンデンサ４１の製造方法について説明する。
（コンデンサ一体バスバーの製造方法１）
図４から図８を用いて、本実施の形態のコンデンサ一体バスバーの製造方法について説明する。まず、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂やエポキシ樹脂などを主原料とし、セラミック粉末などを混合させることで誘電率を向上させた板状材料１０１を準備する。
図４を参照して、板状材料１０１の表面を化学エッチングして粗化し、凹凸を設ける。このとき、図４に示すように、凹部１０１ａは、その表面よりその内部の径が大きくなるようにすることが好ましい。
具体的には、板状材料１０１の表面を、クロム酸などを用いて化学エッチングする。これにより、板状材料１０１の表面が粗化し、凹凸が形成される。クロム酸を用いて処理すると、板状材料１０１の表面にはクロム化合物が付着している。このクロム化合物は、塩酸などを用いて除去する。
図５を参照して、化学エッチングされた板状材料１０１に触媒金属１０２を吸着させる。この触媒は、無電解めっきの核となるものである。触媒金属としては、たとえば、Ｐｄ−Ｓｎ錯体を用いることができる。
図６を参照して、スズ塩を溶解させ、酸化還元反応により金属パラジウム１０３を生成する。
図７を参照して、板状材料１０１の表面に化学めっきにより金属膜を形成する。具体的には、金属パラジウム１０３が付着した板状材料１０１をめっき液に浸漬する。めっき液に含まれる還元剤が、触媒活性なパラジウム表面で酸化される。このとき放出される電子によってニッケルイオンが還元され、板状材料１０１の表面にニッケルの被膜からなるめっき被膜１０４が形成される（図８参照）。
図９を参照して、めっき被膜１０４が形成された板状材料１０１を電気めっきし、めっき被膜の上にさらに電気めっき被膜１０５を形成する。具体的には、めっき被膜１０４を設けたことで通電が可能となるので、板状材料１０１をめっき液に浸漬し、めっき被膜１０４をマイナス極として通電する。
めっき液中の金属イオンを、めっき被膜１０４の表面に析出させ電気めっき被膜１０５を形成する。この工程を所定時間継続し、めっき被膜１０４および電気めっき被膜１０５によりバスバー３１，３２を形成する。
本実施の形態のバスバーの製造方法によると、板状材料１０１の表面にめっきにより金属膜を形成することでバスバー３１，３２を形成するので、板状材料１０１とバスバー３１，３２とを完全に密着させることができる。これにより、バスバー３１，３２と板状材料１０１とで構成されるコンデンサの特性を向上させることができる。
また、板状材料１０１の表面に凹凸が設けられているので、バスバー３１，３２の対向する面の表面積を拡大させることができる。これにより、コンデンサの容量を増大させることができる。
さらに、板状材料１０１の凹部１０１ａを、図に示すように、表面より内部が拡大した形状にすることで、めっき被膜１０４の一部が凹部に入り込む。これにより、めっき被膜１０４と板状材料１０１との固定をより確実にすることができる。
（コンデンサ一体バスバーの製造方法２）
次に、図９から図１１を参照して、本実施の形態のコンデンサ一体バスバーの製造方法について説明する。
まず、図９を参照して、一対のバスバー３１，３２を所定の距離隔てて対向配置する。このとき、その外周には型枠１１１を設けて、注入する樹脂の流出を防止する。バスバー３１，３２の外周と型枠１１１の内周との間には隙間Ｇを設けておく。
図１０を参照して、バスバー３１，３２の間に流動性を有する樹脂を、ノズル１０２により注入する。このとき隙間Ｇにも樹脂が行き渡るようにすることで、バスバー３１，３２の外周を樹脂で覆うような形状に成型することができる。
注入する樹脂としては、流動性を有する、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂やエポキシ樹脂などを主原料とし、セラミック粉末などを混合させることで誘電率を向上させたものを用いることができる。
注入した樹脂を硬化させることで、バスバー３１，３２に密着した板状樹脂３６を形成することができる。
図１１に示すように、予めバスバー３１，３２に凹部Ｃを設けておいてもよい。このような凹部Ｃは次のような工程により形成することができる。バスバー３１，３２の表面に凹部Ｃを形成する部分を除いてマスクを形成する。マスクを形成したバスバー３１，３２をエッチングして窪ませ、凹部Ｃを形成する。
バスバー３１，３２の対面領域に凹部Ｃを設けておくことで、対向領域の表面積を拡大させることができる。これによりコンデンサの容量を増大させることができる。また、バスバー３１，３２と板状樹脂との固定をより確実にすることができる。
（コンデンサ一体バスバーの製造方法３）
次に、図１２および図１３を参照して、本実施の形態のコンデンサ一体バスバーの製造方法について説明する。
まず、図１２に示すような形状の板状樹脂３６を予め準備する。ここでは、バスバー３１，３２の外周に回り込む部分を形成するため、板状樹脂３６の端部を表面側に突出させている。
この板状樹脂３６を構成する材料としては、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂などの熱可塑性の樹脂にセラミック粉末などを混合させることで誘電率を向上させたものを用いることができる。
図１２を参照して、バスバー３１，３２を、板状樹脂３６の表面に当接させる。すなわち、バスバー３１，３２で板状樹脂３６を挟み込む。
次に図１３を参照して、バスバー３１，３２の外表面にヒータを当接し、バスバー３１，３２を加熱するとともに板状樹脂３６に向かって適度に加圧する。これにより、板状樹脂３６の表面が溶融しバスバー３１，３２に隙間無く密着する。バスバー３１，３２を冷却することで、バスバー３１，３２と板状樹脂３６とが完全に密着したコンデンサ一体バスバーを形成することができる。
上記の製造方法と同様に、バスバー３１，３２の対面領域に凹部を設けておくことで、対向領域の表面積を拡大させることができる。これによりコンデンサの容量を増大させることができる。また、バスバー３１，３２と板状樹脂との固定をより確実にすることができる。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施の形態のみによって解釈されるのではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
この発明に基づいた実施の形態における電気駆動システムの回路構成図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるインバータ装置の構造を示す斜視図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるスイッチングモジュールの内部の構造を示す斜視図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法を示す工程図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法を示す工程図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法を示す工程図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法を示す工程図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法を示す工程図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法を示す工程図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法を示す工程図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法を示す工程図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法を示す工程図である。 この発明に基づいた実施の形態におけるコンデンサ一体バスバーの製造方法を示す工程図である。 車輌に搭載される一般的な電気駆動システムの回路構成図である。 従来のインバータ装置の構造を示す概略斜視図である。
符号の説明
１ バッテリ、２ スイッチングモジュール、３ 平滑用コンデンサ、４，５ バスバー、６ スイッチング素子、７ ダイオード素子、８ モータ、９ 高誘電体、３１，３２ バスバー、３６ 板状樹脂、４１ コンデンサ、１０１ 板状材料、１０１ａ 凹部、１０２ 触媒金属、１０３ 金属パラジウム、１０４ めっき被膜、１０５ 電気めっき被膜、１１１ 型枠、１１２ ノズル、Ｃ 凹部、Ｇ 隙間、ＭＧ１，ＭＧ２ モータ。

Claims (2)

  1. 樹脂材料を基材とする高誘電性の板状樹脂と、相互に向かい合う対面領域を有し、該対面領域が前記板状樹脂の両面に密着する一対の金属導体と、を備えたコンデンサ一体バスバーの製造方法であって、
    相互に対向する面を有する一対の金属導体を、間隔を隔てて対向配置する工程と、
    前記対向配置された金属導体の間隔に流動性を有する状態の樹脂材料を注入する工程と、
    前記注入した樹脂材料を硬化させて板状樹脂を形成する工程と、を含むコンデンサ一体バスバーの製造方法。
  2. 前記一対の金属導体の対面領域には微小な凹凸が予め設けられている、請求項１に記載のコンデンサ一体バスバーの製造方法。
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