JP5344012B2

JP5344012B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5344012B2
Application number: JP2011191560A
Authority: JP
Inventors: 秀晃立花
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2031-09-02
Also published as: US9312782B2; CN102983766B; JP2013055763A; US20130058143A1; CN102983766A

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールのパワー端子に接続した複数のバスバーとを備えた電力変換装置に関する。

従来から、例えば直流電力と交流電力との間で電力変換を行うための電力変換装置として、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールを備えたものが知られている（下記特許文献１参照）。図１３、図１４に、従来の電力変換装置の一例を示す。この電力変換装置９では、複数の半導体モジュール９２と、半導体モジュール９２を冷却する複数の冷却管９１とを積層して積層体９０を構成している。

積層体９０は、金属製のフレーム９６内に固定されている。また、個々の半導体モジュール９２は、パワー端子９３を備える。パワー端子９３には、正極端子９３１と、負極端子９３２と、交流端子９３３とがある。正極端子９３１は、図示しない正極バスバーを介して直流電源（図示しない）の正電極に接続される。負極端子９３２は、図示しない負極バスバーを介して直流電源の負電極に接続される。交流端子９３３は、交流バスバー９４を介して交流負荷に接続される。

電力変換装置９は、フレーム９６に固定した樹脂製の枠部９９を備える。交流バスバー９４の一部は、枠部９９に封止されている。上記正極バスバーと負極バスバーは、枠部９９に固定される。

また、図１３、図１４に示すごとく、電力変換装置９は、交流バスバー９４の端子９８を載置するための端子台９７を備える。端子台９７は、ボルト９７１によって、フレーム９６に固定されている。交流バスバー９４の端子９８は、上記交流負荷の接続端子（図示しない）に接続される。

電力変換装置９は、交流バスバー９４に流れる電流を測定するための電流センサ９５を備える。電力変換装置９の有する３本の交流バスバー９４のうち、２本の交流バスバー９４に流れる電流を、電流センサ９５によって測定している。

電流センサ９５はいわゆるホール素子で、交流バスバー９４を挿入するための貫通孔９５０を有する。また、端子台９７には凹部９７０が形成されている。電流センサ９５はこの凹部９７０に挿入され、固定されている。

電力変換装置９を製造する際には、枠部９９をフレーム９６に固定し、交流バスバー９４を交流端子９３３に溶接する。そして、上記凹部９７０に電流センサ９５を挿入した状態で、端子台９７を図１３に示すＹ方向からフレーム９６に近づけ、電流センサ９５の貫通穴９５０に交流バスバー９４の端子９８を入れる。その後、ボルト９７１を使って端子台９７をフレーム９６に固定する。

特開２０１０−１１５０６１号公報

しかしながら、従来の電力変換装置９は、枠部９９と端子台９７とが別部材になっているため、枠部９９を成形するための金型と、端子台９７を成形するための金型との、２種類の金型が必要であった。そのため、電力変換装置９の製造コストが上昇しやすいという問題があった。

枠部９９と端子台９７とを一体成形すれば、金型の種類を減らすことができるが、交流バスバー９４を枠部９９に封止した状態で、枠部９９と端子台９７とを一体成形すると、成形した後で、交流バスバー９４の端子９８に電流センサ９５を取り付ける必要が生じる。上述したように、端子９８は端子台９７に載置されているため、電流センサ９５の貫通孔９５０に端子９８を挿入し、かつ電流センサ９５を凹部９７０内に入れようとしても、電流センサ９５が端子台９７に干渉してしまい、容易に行うことはできない。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、製造コストを低減でき、電流センサを交流バスバーに容易に取り付けることができる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、半導体素子を封止した本体部からパワー端子が突出した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媒が流れる複数の冷媒流路とを積層した積層体と、
上記パワー端子に接続した複数のバスバーとを備えた電力変換装置であって、
上記複数のバスバーには、直流電源の正電極に接続される正極バスバーと、上記直流電源の負電極に接続される負極バスバーと、交流負荷に接続される複数の交流バスバーとがあり、
上記パワー端子の突出方向から見た場合に、上記積層体を少なくとも３方向から取り囲み、上記複数のバスバーが固定される枠部と、
上記交流バスバーの端子を載置する載置面を有する端子台と、
上記複数の交流バスバーのうち少なくとも一部の交流バスバーに流れる電流を測定する電流センサとを備え、
上記枠部と上記端子台とは互いに一体成形されて一つの樹脂成形体を構成しており、上記複数の交流バスバーと上記樹脂成形体とは別体であり、上記複数の交流バスバーは上記樹脂成形体に締結され、
上記電流センサは、上記載置面よりも上記枠部寄りの位置において、上記端子台に固定され、
上記複数の交流バスバーのうち少なくとも一部の交流バスバーは、上記電流センサに形成した貫通孔に挿入されていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置においては、上記枠部と上記端子台とを一体成形して一つの樹脂成形体を構成してある。このようにすると、枠部と端子台とを、１個の金型により成形することができる。そのため、金型に必要な費用を減らすことができ、電力変換装置の製造コストを低減することが可能になる。

また、上記電力変換装置においては、交流バスバーと上記樹脂成形体とを別体に構成し、交流バスバーを電流センサの上記貫通孔に挿入してある。このようにすると、交流バスバーに電流センサを容易に取り付けることができる。すなわち、仮に、交流バスバーを上記樹脂成形体に封止して一体化したとすると、成形した後で、電流センサを交流バスバーに取り付ける必要が生じる。交流バスバーの端子は端子台に載置されているため、電流センサの貫通孔に端子を挿入しようとしても、電流センサが端子台に干渉してしまい、容易に行うことができない。
しかし、樹脂成形体と交流バスバーとを別体にすれば、樹脂成形体に電流センサを予め固定しておき、その後、電流センサの上記貫通孔に交流バスバーを差し込むことができる。そのため、交流バスバーに電流センサを取り付ける作業を容易に行うことが可能になる。

以上のごとく、本例によれば、製造コストを低減でき、電流センサを交流バスバーに容易に取り付けることができる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、樹脂成形体および交流バスバーの平面図。実施例１における、フレームと積層体の平面図。図２に示すフレームに、図１に示す樹脂成形体および交流バスバーを取り付けた図。実施例１における、電力変換装置の平面図。図４のＡ−Ａ断面図。図５の要部拡大図。図６のＢ−Ｂ断面図。実施例１における、電力変換装置の回路図。実施例１における、半導体モジュールと冷媒流路とを一体化した例。実施例２における、樹脂成形体の拡大断面図。実施例３における、樹脂成形体の拡大断面図。図１１のＣ−Ｃ断面図。従来例における、電力変換装置の平面図。図１３のＤ−Ｄ断面図。

上記電力変換装置において、上記複数のバスバーは上記パワー端子に溶接され、上記枠部の側面の一部は、上記バスバーとパワー端子との溶接部に近接した溶接近接面となっており、上記交流バスバーは、上記溶接近接面の少なくとも一部を覆うように屈曲していることが好ましい（請求項２）。
この場合には、交流バスバーによって、枠部の上記溶接近接面を、上記溶接部を溶接する際に生じる放射熱から保護することが可能になる。そのため、溶接近接面が上記放射熱によって炭化したり、溶解したりする不具合を防止できる。

また、上記樹脂成形体は凹部を有し、上記樹脂成形体と上記電流センサとは別体に形成され、上記凹部に上記電流センサが挿入されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、樹脂成形体と電流センサとが別体にされているため、電流センサが故障した場合に、電流センサを容易に交換することが可能になる。

また、上記電流センサは、上記樹脂成形体に封止されていてもよい（請求項４）。
この場合には、樹脂成形体と電流センサを一体にできるため、部品点数を減らすことができる。そのため、電力変換装置の製造コストを低減することができる。

また、上記交流バスバーは、上記突出方向に貫通したバスバー貫通穴を備え、上記枠部は突部を有し、該突部が上記バスバー貫通穴に嵌合していることが好ましい（請求項５）。
この場合には、ボルトやナット等を用いなくても、交流バスバーを樹脂成形体に締結できる。そのため、電力変換装置の製造コストを低減できる。

（実施例１）
上記電力変換装置に係る実施例について、図１〜図９を用いて説明する。
図３、図４に示すごとく、本例の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２と複数の冷媒流路１２とを積層した積層体１０を備える。半導体モジュール２は、半導体素子を封止した本体部２９を有する。この本体部２９からパワー端子２０が突出している。冷媒流路１２には、半導体モジュール２を冷却する冷媒１７が流れる。

電力変換装置１は、パワー端子２０に接続した複数のバスバー３を備える。複数のバスバー３には、直流電源７０（図８参照）の正電極７１に接続される正極バスバー３１と、直流電源７０の負電極７２に接続される負極バスバー３２と、交流負荷７３に接続される複数の交流バスバー３３とがある。

電力変換装置１は、枠部４０と、端子台４１と、電流センサ５とを備える。枠部４０は、パワー端子２０の突出方向（Ｚ方向）から見た場合に、積層体１０を３方向から取り囲むよう構成されている。複数のバスバー３（正極バスバー３１、負極バスバー３２、交流バスバー３３）は、枠部４０に固定される。
端子台４１は、交流バスバー３３の端子３３０を載置する載置面４２を有する。
電流センサ５は、複数の交流バスバー３３のうち一部の交流バスバー３３（３３ａ，３３ｂ）に流れる電流を測定する。

枠部４０と端子台４１とは互いに一体成形されて一つの樹脂成形体４を構成している。複数の交流バスバー３３と樹脂成形体４とは別体である。すなわち、複数の交流バスバー３３は樹脂成型体４に封止されていない。複数の交流バスバー３３は、ボルト３９０によって、樹脂成形体４に締結されている。
電流センサ５は、載置面４２よりも枠部４０寄りの位置において、端子台４１に固定されている。
複数の交流バスバー３３のうち一部の交流バスバー３３（３３ａ，３３ｂ）は、電流センサ５に形成した貫通孔５０に挿入されている。

図１、図３に示すごとく、枠部４０は、第１部分４０１と、第２部分４０２と、第３部分４０３とを備え、平面視コ字状を呈する。第１部分４０１と第２部分４０２は、Ｚ方向から見た場合に、積層体１０の積層方向（Ｘ方向）において、積層体１０を両側から挟む位置に配されている。また、第３部分４０３は、冷媒流路１２の長手方向（Ｙ方向）における、第１部分４０１の一方の端部４８１と、第２部分４０２の一方の端部４９１との間を繋いでいる。Ｙ方向における、第１部分４０１の他方の端部４８２と、第２部分４０２の他方の端部４９２との間は、樹脂材料によって繋がれていない。また、端子台４１は、第３部分４０３に形成されている。

３本の交流バスバー３３のうち２本の交流バスバー３３ａ，３３ｂは、電流センサ５の貫通孔５０に挿入され、ボルト３９０によって枠部４０の第３部分４０３に締結されている。また、残りの１本の交流バスバー３３ｃは、電流センサ５の貫通孔５０に挿入されていない。この１本の交流バスバー３３ｃも、ボルト３９０によって、枠部４０の第３部分４０３に締結されている。

図１に示すごとく、枠部４０には、複数のボルト挿入孔４８が形成されている。また、図２に示すごとく、フレーム６には複数の雌螺子部６０が形成されている。枠部４０のボルト挿入孔４８に枠部固定ボルト４９（図３参照）を挿入し、フレーム６の雌螺子部６０に螺合することにより、枠部４０をフレーム６に固定するようになっている。

また、図１に示すごとく、枠部４０の第１部分４０１と第２部分４０２には、正極バスバー３１（図４参照）と負極バスバー３２とをボルト固定するためのナット４７が複数個、インサートされている。

また、図６に示すごとく、端子台４１にはバスバー固定ナット４６がインサートされている。上記交流負荷７３の接続端子（図示しない）を、交流バスバー３３の端子３３０に重ね合わせ、ボルトを挿入してバスバー固定ナット４６に螺合することにより、上記接続端子と、端子３３０とを締結するようになっている。

図２に示すごとく、本例では、内部に上記冷媒流路１２を形成した複数の冷却管１２０と、複数の半導体モジュール２とを積層して積層体１０を構成してある。Ｘ方向に隣り合う２個の冷却管１２０は、連結管１８によって連結されている。また、複数の冷却管１２０のうち、Ｘ方向における一端に位置する冷却管１２０ａには、積層体１０に冷媒１７を導入するための導入管１５と、積層体１０から冷媒１７が導出する導出管１６とが取り付けられている。導入管１５から冷媒１７を導入すると、冷媒１７は連結管１８を通って全ての冷却管１２０を流れ、導出管１６から導出する。これにより、半導体モジュール２を冷却するようになっている。

フレーム６の、Ｘ方向に直交する２つの内壁面６１ａ，６１ｂのうち、一方の内壁面６１ａと積層体１０との間には、弾性部材１４（板ばね）が介在している。この弾性部材１４によって、積層体１０を他方の内壁面６１ｂに向けて押圧し、固定している。

なお、本例では、上記一方の内壁面６１ａと積層体１０との間に弾性部材１４を設けたが、他方の内壁面６１ｂ（パイプ１５，１６を設けた側の内壁面）と積層体１０との間に弾性部材１４を設けてもよい。この場合は、積層体１０は、一方の内壁面６１へ向けて押圧されることになる。

図５に示すごとく、半導体モジュール２のパワー端子２０には、正極バスバー３１が溶接される正極端子２０ａと、負極バスバー３２が溶接される負極端子２０ｂと、交流バスバー３３が溶接される交流端子２０ｃとがある。

また、半導体モジュール２は、パワー端子２０とは反対側に突出した複数の制御端子２１を備える。この制御端子２１に制御回路基板１９が接続されている。制御回路基板１９に形成した制御回路が半導体モジュール２のスイッチング動作を制御することにより、正極端子２０ａと負極端子２０ｂとの間に印加される直流電圧を交流電圧に変換し、交流端子２０ｃから出力している。

なお、制御回路基板１９と電流センサ５とは、ケーブル５４によって接続してある。制御回路基板１９は、交流バスバー３３ａ，３３ｂに流れる電流を電流センサ５によって測定し、その測定値を、半導体モジュール２の制御に利用している。

図４に示すごとく、正極バスバー３１は、樹脂成形体４に締結される板状本体部３００と、該板状本体部３００に形成された櫛歯状部３１０とを備える。この櫛歯状部３１０が、半導体モジュールの正極端子２０ａに溶接されている。負極バスバー３２も、正極バスバー３１と同様の構造になっている。

枠部４０の第３部分４０３の側面４３は、正極バスバー３１とパワー端子２０との溶接部１１に近接している。交流バスバー３３は、この側面（溶接近接面４３）の少なくとも一部を覆うように屈曲している。これにより、溶接部１１を溶接した際に生じる放射熱から、溶接近接面４３を保護している。

図６に示すごとく、交流バスバー３３は、Ｙ方向に延びる第１部分３３１と、第１部分３３１からＸ方向に延びる第２部分３３２と、第２部分３３２からＹ方向に延びる第３部分３３３とを備える。第１部分３３１に、半導体モジュール２の交流端子２０ｃ（図３参照）が溶接される。第２部分３３２は、溶接隣接面４３の一部を保護している。

第３部分３３３は電流センサ５の貫通孔５０に挿通されている。第３部分３３３の先端は、上述した端子３３０となっている。第３部分３３３にはボルト挿入孔３９１が挿入されている。このボルト挿入孔３９１にボルト３９０を挿入し、樹脂成形体４にインサートしたナット３９２に螺合することにより、交流バスバー３３を樹脂成形体４に固定するようになっている。

図６、図７に示すごとく、電流センサ５は、ホール素子５１と、ホール素子５１に接続した回路基板５２と、これらホール素子５１と回路基板５２とを封止した封止部５３とを備える。ホール素子５１の中心に設けた貫通孔５０に、交流バスバー３３の第３部分３３３が挿入されている。回路基板５２には上記ケーブル５４が繋がっている。

本例の電力変換装置１では、電流センサ５と樹脂成形体４とは別体に形成されている。樹脂成形体４はＺ方向に凹んだ凹部４４を有し、この凹部４４に電流センサ５が挿入されている。

次に、電力変換装置１の回路図の説明をする。図８に示すごとく、本例の電力変換装置１は、６個の半導体素子２２（ＩＧＢＴ素子）を備える。半導体素子２２には、正極バスバー３１に接続される上アーム半導体素子２２ａと、負極バスバー３２に接続される下アーム半導体素子２２ｂとがある。上アーム半導体素子２２ａのコレクタ端子は上記正極端子２０ａとなっている。下アーム半導体素子２２ｂのエミッタ端子は上記負極端子２０ｂとなっている。また、上アーム半導体素子２２ａのエミッタ端子と、下アーム半導体素子２２ｂのコレクタ端子とは、上記交流端子２０ｃに繋がっている。全ての半導体素子２２のゲート端子は、制御回路基板１９（図５参照）に接続している。

正極端子２０ａは、正極バスバー３１を介して、直流電源７０の正電極７１に接続している。負極端子２０ｂは、負極バスバー３２を介して、直流電源７０の負電極７２に接続している。また、交流端子２０ｃは、交流バスバー３３を介して、交流負荷７３（三相交流モータ）に接続している。

本例の作用効果について説明する。本例では図１に示すごとく、枠部４０と端子台４１とを一体成形して一つの樹脂成形体４を構成してある。このようにすると、枠部４０と端子台４１とを、１個の金型により成形することができる。そのため、金型に必要な費用を減らすことができ、電力変換装置１の製造コストを低減することが可能になる。

また、本例では、交流バスバー３３と樹脂成形体４とを別体に構成し、交流バスバー３３を電流センサ５の貫通孔５０に挿入してある。このようにすると、交流バスバー３３に電流センサ５を容易に取り付けることができる。すなわち、仮に、交流バスバー３３を樹脂成形体４に封止して一体化したとすると、成形した後で、電流センサ５を交流バスバー３３に取り付ける必要が生じる。交流バスバー３３の端子３３０は端子台４１に載置されているため、貫通孔５０に端子３３０を挿入し、かつ凹部４４に電流センサ５を入れようとしても、電流センサ５が端子台４１に干渉してしまい、容易に行うことができない。
しかし、樹脂成形体４と交流バスバー３３とを別体にすれば、樹脂成形体４に電流センサ５を予め凹部４４に収納しておき、その後、電流センサ５の貫通孔５０に交流バスバー３３を差し込むことができる。そのため、交流バスバー３３に電流センサ５を取り付ける作業を容易に行うことが可能になる。

また、図４に示すごとく、枠部４０の側面の一部は、上記溶接近接面４３となっている。そして交流バスバー３３は、溶接近接面４３の少なくとも一部を覆うように屈曲している。
このようにすると、交流バスバー３３によって、溶接近接面４３を、溶接部１１を溶接する際に生じる放射熱から保護することが可能になる。そのため、溶接近接面４３が放射熱によって炭化したり、溶解したりする不具合を防止できる。

また、図６に示すごとく、樹脂成形体４と電流センサ５とは別体に形成されている。そして、樹脂成形体４に形成した凹部４４に電流センサ５を挿入してある。
このようにすると、樹脂成形体４と電流センサ５とが別体にされているため、電流センサ５が故障した場合に、電流センサ５を容易に交換することが可能になる。

なお、本例では、冷媒流路１２を内部に有する複数の冷却管１２０と、複数の半導体モジュール２とを積層して積層体１０を構成したが、図９に示すごとく、半導体素子を内蔵した本体部２９と枠体２７とを一体に備えた冷却器一体型半導体モジュール２８を積層することにより、半導体モジュール２と冷媒流路１２とが積層される構造にしてもよい。冷却器一体型半導体モジュール２８の枠体２７は、本体部２９よりもＸ方向における幅が大きい。また、枠体２７と本体部２９との間には空間が設けられている。この空間が、冷媒流路１２となる。

（実施例２）
本例は、交流バスバー３３と樹脂成形体４の構造を変更した例である。図１０に示すごとく、本例の交流バスバー３３は、Ｚ方向に貫通したバスバー貫通穴３３９を備える。バスバー貫通穴３３９は、交流バスバー３３の第３部分３３３における、枠部４０に接触する部位に形成されている。また、枠部４０は、Ｚ方向に突出した突部４５を有し、この突部４５がバスバー貫通穴３３９に嵌合している。これにより、交流バスバー３３を樹脂成形体４に固定するようになっている。

このように、突部４５をバスバー貫通穴３３９に嵌合することにより、交流バスバー３３を樹脂成形体４に固定しているため、本例の電力変換装置１は、ボルト３９０（図６参照）やナット３９２を備えていない。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。上記構成にすると、ボルト３９０（図６参照）やナット３９２を用いなくても、交流バスバー３３を樹脂成形体４に締結できる。そのため、電力変換装置１の製造コストを低減できる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は図１１、図１２に示すごとく、電流センサ５を樹脂成形体４に封止した例である。本例の電流センサ５は、実施例１と同様に、ホール素子５１と、回路基板５２とを備える。そして、これらホール素子５１と回路基板５２とを、樹脂成形体４を構成する樹脂によって封止している。

このように、樹脂成形体４を構成する樹脂によってホール素子５１と回路基板５２とを封止しているため、本例の電力変換装置１は、封止部５３（図６、図７参照）を備えていない。
その他、実施例１と同様の構成を有する。

本例の作用効果について説明する。上記構成にすると、樹脂成形体４と電流センサ５を一体にできるため、部品点数を減らすことができる。そのため、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

１電力変換装置
１０積層体
２半導体モジュール
３バスバー
３１正極バスバー
３２負極バスバー
３３交流バスバー
４樹脂成形体
４０枠部
４１端子台
４２載置面
５電流センサ

Claims

半導体素子を封止した本体部からパワー端子が突出した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媒が流れる複数の冷媒流路とを積層した積層体と、
上記パワー端子に接続した複数のバスバーとを備えた電力変換装置であって、
上記複数のバスバーには、直流電源の正電極に接続される正極バスバーと、上記直流電源の負電極に接続される負極バスバーと、交流負荷に接続される複数の交流バスバーとがあり、
上記パワー端子の突出方向から見た場合に、上記積層体を少なくとも３方向から取り囲み、上記複数のバスバーが固定される枠部と、
上記交流バスバーの端子を載置する載置面を有する端子台と、
上記複数の交流バスバーのうち少なくとも一部の交流バスバーに流れる電流を測定する電流センサとを備え、
上記枠部と上記端子台とは互いに一体成形されて一つの樹脂成形体を構成しており、上記複数の交流バスバーと上記樹脂成形体とは別体であり、上記複数の交流バスバーは上記樹脂成形体に締結され、
上記電流センサは、上記載置面よりも上記枠部寄りの位置において、上記端子台に固定され、
上記複数の交流バスバーのうち少なくとも一部の交流バスバーは、上記電流センサに形成した貫通孔に挿入されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、上記複数のバスバーは上記パワー端子に溶接され、上記枠部の側面の一部は、上記バスバーとパワー端子との溶接部に近接した溶接近接面となっており、上記交流バスバーは、上記溶接近接面の少なくとも一部を覆うように屈曲していることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、上記樹脂成形体は凹部を有し、上記樹脂成形体と上記電流センサとは別体に形成され、上記凹部に上記電流センサが挿入されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、上記電流センサは、上記樹脂成形体に封止されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、上記交流バスバーは、上記突出方向に貫通したバスバー貫通穴を備え、上記枠部は突部を有し、該突部が上記バスバー貫通穴に嵌合していることを特徴とする電力変換装置。