JP4934567B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は車載用の電力変換装置に関するものであり、特に大電力を得るために半導体モジュールを並列に配置して駆動したり、あるいは複数の半導体モジュールを接続することにより複数の電力変換装置を一体的に構成するための構造に関するものである。

近年、車両には各種の交流電動機が搭載されるようになり、車両に搭載されたバッテリからインバータ（以下、電力変換装置と称す）により交流電力を得て交流電動機に供給している。

このようなインバータの設置場所は、従来は後部座席の裏側など比較的振動の少ない場所に設置されていたが、最近では振動の激しいエンジンルームなどに設置されるようになり、さらには他の車載機器と一体的に構成されるようになっている。

他の車載機器、例えば電動機やトランスミッション等と電力変換装置とを一体的に構成した場合、当該電力変換装置を搭載するためのスペースが充分確保できなくなったり、あるいは一体化される機器の形状の影響を受けて、設置するための面積が制限されるような場合が生じてしまう。

一方、電力変換装置においては、それぞれに機能を有するような複数の半導体チップを樹脂封止してモジュールを構成するようになっている。そして同じ単位構成のものを大量生産することによるマスメリットでコストを抑えることができ、また１つの機能を有する箇所が１ヶ所故障しても、そこを交換するだけで補修することができ、補修費を抑えることができるような効果がある。

従来、このような半導体モジュールとして、内部に冷却液通路を有する液冷型のヒートシンクと、ヒートシンクの両面に装着され、それぞれが半導体モジュールと制御回路と平滑用のコンデンサとを有する二組の電力変換器とを備え、二組の電力変換器の内、一方の電力変換器には電源から電力供給を受ける入力端子を有しており、他方の電力変換器は二組の電力変換器の間を接続する電源ラインから電力供給を受けるように構成することにより、二組の電力変換器を一体化し、小型軽量化と、配線作業の容易化と、耐振性の向上とを図るものがあった。

特開２００４−２５４３５８号公報

従来の電力変換装置においては、複数の半導体モジュールの端子間を電気的に接続する際、配線用バスバーを樹脂ケース側壁及び樹脂ケースに設けられた各半導体モジュールの間に設けられた樹脂部に内包させる構造となっている。

しかし実際の配線を考えると、電位の異なるバスバーが複数本通ることになり、これらが平行に設置された場所では、バスバーの厚みと絶縁を確保するための樹脂の肉厚で設置面積を大幅に広げる必要が生じてしまう。

このことは、特に電力変換装置を並列に駆動させる場合や、あるいは電力変換装置と昇圧機能などを有する複数の機能を備えた構造とを一体化するため、半導体モジュールを複数接続する場合に特に顕著となる。

さらに、配線の長さが長くなることにより、配線インダクタンスが大きくなり、スイッチング時のサージ電圧が大きくなってしまうこともある。サージ電圧が高くなるとそれに応じて半導体チップの耐電圧特性を大きくする必要がありコストアップにつながる。

先に述べたように、最近ではエンジンルーム内やトランスミッションの上など、振動の激しい領域に電力変換装置が搭載されることも多く、電力変換装置のケースの固定箇所を増やす必要があり、設置面積の増大を招くこととなる。

また、搭載場所周辺のスペースによる都合や、一体化する機器の形状の影響などによって設置面積や外部機器との接続位置について厳しい制約を受けることが多い。このような時、半導体モジュール主端子から外部機器接続部までを配線するバスバーを狭い部分に通すことが必要となる場合がある。

このような狭い部分に配線する場合、バスバーの配線方向によっては、バスバーの必要とされる断面積を確保することができないことがあり、又逆に必要とされる断面積を確保するために装置全体の設置面積が増大してしまうこともある。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、車載用の電力変換装置、特に大電力を得るために半導体モジュールを並列に配置して駆動したり、あるいは複数の半導体モジュールを接続することにより複数の電力変換装置を一体的に構成する構造において、設置するためのスペースを小さくするとともに、配線の密度を大きくし、更には配線インダクタンスを小さくできるようにすることを目的とするものである。

この発明に係る電力変換装置は、１又は複数の半導体チップを樹脂でモールドした半導体モジュールと、半導体モジュールを固定するためのベース板と、半導体モジュールをベース板に固定するための固定部材と、半導体モジュールと装置外部との導通を図る導通バスバーを内包した入力側端子台と、半導体モジュールの制御端子に制御信号を送るための制御基板からなるものであって、導通バスバーを半導体モジュールの上部に配置するとともに、入力側端子台を固定部材に固定するものである。

この発明に係る電力変換装置によれば、１又は複数の半導体チップを樹脂でモールドした半導体モジュールと、半導体モジュールを固定するためのベース板と、半導体モジュールをベース板に固定するための固定部材と、半導体モジュールと装置外部との導通を図る導通バスバーを内包した入力側端子台と、半導体モジュールの制御端子に制御信号を送るための制御基板からなるものであって、導通バスバーを半導体モジュールの上部に配置するとともに、入力側端子台を固定部材に固定したので、従来ケースの側壁やモジュール間の樹脂部に内包されていた配線部材を、半導体モジュール上方に立体的に配置することができ、少ない設置面積で配線が行え、また配線構造も高密度化できる。

さらに半導体モジュールの面内方向に配線幅を広げることができるようになるので、低インダクタンス化を図ることができる。また、入力側端子台を固定部材に固定することにより、設置スペースを広げることなく耐振性を強化することができる。

実施の形態１．
以下、この発明の一実施形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による電力変換装置を示す分解斜視図である。図において、１又は複数の半導体チップを樹脂でモールドすることにより半導体モジュール２を構成する。そして、ベース板１上に複数の半導体モジュール２を固定用部材３，４により固定し、ベース板１は半導体モジュール２で発生した熱を放出する。

半導体モジュール２はスイッチング回路における１つのアームを形成し、更に半導体モジュール２は、図３に示す回路における電位の異なる点に対応する主端子２０１と、スイッチングの制御信号や半導体チップの温度を検出するための制御端子群２０２を有している。

図２は入力側端子台とその内部に配置された導通バスバーを示す分解斜視図であり、入力側端子台５は半導体モジュール２の主回路を構成する導通バスバー５０１、５０２を樹脂で覆うことにより構成され、この入力側端子台５は半導体モジュール２の上方に配置されるとともに、固定ねじ７ａ、７ｂによって電力変換装置に固定される。

入力側端子台５をベース板１に対して固定ネジ７ａのみにより固定することも考えられるが、このような構造では、半導体モジュール２と導通バスバー５０１，５０２との締結部に大きな振動による力が発生することが実験により確かめられている。

そこで、固定部材４上にナット４１を取付け、入力側端子台５を固定部材４に強固に固定することにより、設置スペースを大きく採る必要がなく、また、共振周波数を耐震スペック以上の高周波域に設定することが出来るようになるので耐震性を高いものにすることが出来る。このように立体配線構造を採用することにより、固定部材３，４上のスペースを有効に利用することができ、設置面積を増やすことなく耐振性を確保することができる。

図２において、正極側バスバー５０１と負極側バスバー５０２は、導線の長さを短くしてインダクタンス（抵抗、自己インダクタンス、相互インダクタンス）を低減させるために、半導体モジュール２との接続部ａ及び外部との接続部ｂ以外は重ね合わせて配線されている。

自己インダクタンスを低減するためには、配線における断面積を大きくすればよい。導通バスバー５０１，５０２はコストを下げるために板材を曲げて製作するものであり、曲げ易くする必要があるためあまり厚く構成することはできない。よって断面積を大きくするためにはバスバー５０１，５０２の幅を大きくすることとなる。

本発明の主たる目的は上記のように自己インダクタンスを低減させることであるが、正極側バスバー５０１と負極側バスバー５０２において、半導体モジュール２との接続部ａ及び外部との接続部ｂ以外を重ね合わせて配線することにより、重ね合った部分においては正極側バスバー５０１と負極側バスバー５０２に流れる電流の向きは逆になるので、この部分における相互インダクタンスも低減することができることとなる。

従来のようにケース側壁にバスバーを設置する場合は、幅を大きくすると、半導体モジュールの高さが高くなってしまうため、あまり幅を大きくすることができなかった。一方本発明の構造においては、図２のＣで示した部分において正極側バスバー５０１と負極側バスバー５０２の幅を大きくしても、電力変換装置の設置スペースの範囲内において広げることになるため、電力変換装置の高さを高くすることなく、インダクタンスの低減を図ることができる。

さらに、本発明では入力側端子台５を半導体モジュール２の上部に配置したので、半導体モジュール２の上部に設けられたスペースを有効に活用することによって、図２に示す２つの経路Ｐ，Ｑを設けることができるようになり、経路１本あたりの電流密度を低減することができ、さらにインダクタンスを低減することができる。

また、ケース側壁にバスバーを配置する場合に比べ、各半導体モジュール２の主端子２０１（接続部ａ）から外部接続端子（外部との接続部ｂ）までの各経路の距離をほとんど同じにすることができるので、各半導体モジュール２に流れる電流のバランスをとることができるようになる。

図３（ａ）、図４（ａ）は制御基板をベース板１に固定する状態を示す平面図、図３（ｂ）、図４（ｂ）は同じく側面図である。半導体モジュール２はモジュール固定ねじ１０によりベース板１に固定されるとともに、ベース板１にねじにより固定された支持部材８を介して制御基板９を固定する。制御基板９は半導体モジュールの制御端子２０２に制御信号を送るものである。

ここで支持部材８は半導体モジュール２の両側にしか設置できない。よって振動の激しい場所に電力変換装置が設置される場合は、図３（ａ）、（ｂ）に示した構造においては、各固定ねじ１１から最も遠い距離にある半導体モジュール２中央部において大きな振幅がおこるため、制御基板９上に載置された部品に大きな力がかかり、場合によっては部品が制御基板９から抜け落ちてしまう恐れもある。

そのため本発明においては、半導体モジュール２の上部にモジュール固定用ホルダ６を設けるとともに、このモジュール固定用ホルダ６の頭部に雌ねじを設け、固定ねじ１２を雌ねじ内に締め付けることにより強固に制御基板９を固定することができる。

このように半導体モジュールのモジュール固定用ホルダ６の頭頂部に雌ねじを設け、この雌ねじを利用してより強固に制御基板９を固定することで、振動に弱く固定の難しい制御基板９を半導体モジュール２上方に固定し、耐振性を強化することができる。

以上のように本発明においては、高い耐振性を確保できるとともに、電力変換装置の設置面積は概ね半導体モジュール２及び接続端子の設置面積のみで構成することができ、また電力変換装置の上部の空間を有効に利用した高密度な配線構造を構築することが出来るとともに、容積を増大させずにインダクタンスを低減することが可能となる。

実施の形態２．
図５（ａ）、（ｂ）はこの発明の実施の形態２による電力変換装置を示す部分側面図である。制御基板９をねじ１１，１２により固定した後に、制御端子２０２と制御基板９とを部分噴流はんだ付け装置により部分的にはんだ付けを行うことにより接続する。

この部分噴流はんだ付けにおいては、図５に示すように、はんだが噴出する部分噴流ノズル２１を接合部分にあてがう。通常、はんだ付けされる面の裏面にはんだが飛ばないよう噴流ノズル２１の先端が制御基板９によって覆われるようにする必要がある。

そのため、制御基板９は制御端子２０２の先端から一定量はみ出る部分（図５（ｂ）のＬ）が必要となるため、図５（ｂ）に示すように、制御基板９の縁９ａが電力変換装置の最外周部Ａに近くなり、制御基板９の設置面積が増大してしまう。

本発明による半導体モジュール２の制御端子２０２は図５（ａ）に示すように、多段階に亘って曲げられるように構成することにより、部分噴流はんだによる接合部分が電力変換装置の最外周部Ａよりかなり内側に位置するようになる。

このような構造を採用することにより、制御端子２０２の先端から制御基板９が一定量はみ出していても、制御基板９の設置面積は半導体モジュール２の設置面積とほぼ同等になり、制御基板９の設置面積を小さくすることができる。

また、図５（ｂ）に示した構造では、制御基板９にＺ方向の振動が生じた場合、半導体モジュール２の側面部の制御端子２０２の根元部分で振動を受けることになり、振動による繰返し応力で制御端子２０２が折れる恐れがある。

これに対して図５（ａ）に示した構造では、制御端子２０２はその先端部が最外周部Ａより内側に位置するように、即ち制御基板９の縁９ａが最外周部Ａより内側に位置するように多段階に曲げられているので、曲げ部分のたわみで振動のエネルギーを吸収することができるため、制御端子２０２自体の耐振動性も向上させることができる。

以上のように本実施形態においては、部分噴流ノズル２１をあてがうための制御基板９の設置面積の増加を回避することができ、また制御端子２０２自体の耐振動性も向上させることができる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による電力変換装置を示す分解斜視図、図７は入力側端子台とその内部に配置された導通バスバーを示す分解斜視図、図８は導通バスバーを半導体モジュールに組み付けた状態を示す斜視図である。尚図８においては、導通バスバーの状態をわかり易く示すために樹脂部分を省いた状態を示している。

本実施形態においても、実施の形態１の場合と同様に正極側バスバー５０１と負極側バスバー５０２は外部との接続部以外では重ねて配置されている。また、インダクタンスを低減するため、２つの経路が設けられている。

図９は図８におけるＸ−Ｘ線断面図、図１０は実施の形態１における図９に相当する断面図である。図９、図１０に示すように、導通バスバー５０１，５０２を通すための制御端子２０２の間の間隙は非常に狭いものである。実施の形態１に示した構成においては、この間隙に導通バスバー５０１，５０２を図１０に示すように配置することとなるので、導通バスバー５０１，５０２の幅寸法は、制御端子２０２間の間隙寸法により制限されることとなる。

これに対し本実施形態においては、図８のＹ部において示されるように、導通バスバー５０１，５０２に曲げ加工を施しているので、図９に示すように、制御端子２０２間の間隙において、導通バスバー５０１，５０２を垂直に立てて配置することができるため、導通バスバー５０１，５０２の幅を更に大きくすることができ、インダクタンスを低減することができるようになる。

図１１は図７に示す負極側バスバー５０２の加工前を示す展開図、図１２は加工後を示す斜視図である。図１３は複数の経路を持ち、制御端子２０２間の間隙において垂直に配置することができるとともに、外部との接続部を１つのみ設けた導通バスバーを示す加工前の展開図、図１４は加工後を示す斜視図である。尚図１１，１３において、太線で示されている部分は曲げ部である。

図１４に示すように、外部との接続部が１つの場合、導通バスバーの経路Ｐ、Ｑが制御端子２０２間の間隙を通過後外部との接続部近傍で経路Ｐ、Ｑの延長部分が再接続することになる。図１３から明らかなように、図１３に示される導通バスバーに曲げ加工のみを施すことにより、図１４に示されるような導通バスバーにすることは幾何学的に不可能であり、図１４に示されるような導通バスバーを製作するためにはブロックを切削で切り出すことになり、大きなコスト増となる。

そこで図１１，図１２に示すように、導通バスバーにおける経路Ｐ、Ｑの延長上にそれぞれ外部との接続部を設けるように、導通バスバーを構成する。図１１に示される導通バスバーは曲げ加工を施すのみで容易に図１２に示される最終的な導通バスバーの形状にすることができる。

以上のように導通バスバーを複数の経路に分割することにより、導通バスバーのインダクタンスを低減することができるとともに、制御端子２０２間の狭い間隙に導通バスバーを垂直に立てて通すことにより設置スペースを小さくでき、更に１枚の板金による曲げ加工のみを施すことにより、導通バスバーを低コストに製造できる。

更には配線自由度が高く、設置スペースが小さく、又低コストの電力変換装置を提供するができる。 本実施形態では経路及び外部との接続部を２つ設けた場合を示したが、外部との接続部を３つ以上設けるようにしても良い。

この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す分解斜視図である。 入力側端子台とその内部に配置された導通バスバーを示す分解斜視図である。 制御基板をベース板に固定する状態を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 制御基板をベース板に固定する状態を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置を示す部分側面図（ａ）及び（ｂ）である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置を示す分解斜視図である。 入力側端子台とその内部に配置された導通バスバーを示す分解斜視図である。 導通バスバーを半導体モジュールに組み付けた状態を示す斜視図である。 図８におけるＸ−Ｘ線断面図である。 実施の形態１における図９に相当する断面図である。 負極側バスバーの加工前を示す展開図である。 負極側バスバーの加工後を示す斜視図である。 複数の経路を持つとともに、外部との接続部を１つのみ設けた導通バスバーを示す加工前の展開図である。 複数の経路を持つとともに、外部との接続部を１つのみ設けた導通バスバーを示す加工後の斜視図である。

符号の説明

１ ベース板、２ 半導体モジュール、３，４ 固定用部材、５ 入力側端子台、
６ モジュール固定用ホルダ、９ 制御基板、１２ 固定ねじ、２０１ 主端子、
２０２制御端子、５０１，５０２ バスバー。

Claims (7)

1. １又は複数の半導体チップを樹脂でモールドした半導体モジュールと、
   上記半導体モジュールを固定するためのベース板と、
   上記半導体モジュールを上記ベース板に固定するための固定部材と、
   上記半導体モジュールと装置外部との導通を図る導通バスバーを内包した入力側端子台と、
   上記半導体モジュールの制御端子に制御信号を送るための制御基板からなる電力変換装置において、
   上記導通バスバーを上記半導体モジュールの上部に配置するとともに、上記入力側端子台を上記固定部材に固定することを特徴とする電力変換装置。
2. 上記半導体モジュールの上部にモジュール固定用ホルダを設けるとともに、このモジュール固定用ホルダに固定ねじによって上記制御基板を取り付けたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 上記制御端子はその先端部が当該装置の最外周部より内側に位置するように多段階に曲げられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電力変換装置。
4. 上記制御端子間の間隙に上記導通バスバーを垂直に立てて通過させたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 上記導通バスバーにおける上記半導体モジュールの主端子から外部接続部に至る経路が複数であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 上記複数の経路の距離が略同じであることを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
7. 上記外部接続部が複数あることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の電力変換装置。

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