JP5556599B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、被制御電流を測定するための電流センサを備えた電力変換装置に関する。

直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、図６に示すごとく、半導体モジュール９２と、バスバー９７と、制御回路基板９５と、電流センサ９６とを備えるものが従来から知られている（下記特許文献１参照）。

半導体モジュール９２は、スイッチング素子等の半導体素子を封止した本体部９２１と、該本体部９２１から突出したパワー端子９４及び信号端子９２２を備える。パワー端子９４と信号端子９２２とは、互いに反対方向へ突出している。信号端子９２２には、半導体素子を制御するための制御回路基板９５が取り付けられている。

パワー端子９４には、直流電源（図示しない）の正電極に接続される正極端子９４ａと、直流電源の負電極に接続される負極端子９４ｂと、交流負荷に接続される交流端子９４ｃとがある。これらのパワー端子９４には、金属板からなるバスバー９７が接続されている。バスバー９７（９７ａ〜９７ｃ）のうち、交流端子９４ｃに接続された交流バスバー９７ｃには、ホール素子等からなる電流センサ９６が取り付けられている。この電流センサ９６を使って、交流バスバー９７ｃに流れる出力電流Ｉを測定している。また、電流センサ９６と制御回路基板９５とは、ワイヤー９８によって接続されている。電流センサ９６による、出力電流Ｉの測定値は、ワイヤー９８を通って制御回路基板９５に送信される。

制御回路基板９５が半導体素子の動作を制御することにより、正極端子９４ａと負極端子９４ｂとの間に印加される直流電力を交流電力に変換し、交流端子９４ｃから出力している。制御回路基板９５は、電流センサ９６による、出力電流Ｉの測定値を、半導体素子の制御に利用している。

特開２００６−１５６６２４号公報

ところが従来の電力変換装置９は、ワイヤー９８およびコネクタ９９を使って、電流センサ９６と制御回路基板９５とを接続しているため、これらワイヤー９８及びコネクタ９９によって部品点数が増え、製造コストが上昇しやすくなるという問題があった。

また、電力変換装置９を製造する際には、半導体モジュール９２や制御回路基板９５を組み付けた後、これらをケース（図示しない）に収納し、蓋をする。従来の電力変換装置９は、製造時に、ケースと蓋との間でワイヤー９８を挟んでしまう場合があった。そのため、製造時には、ワイヤー９８を挟まないよう作業者が注意する必要があり、作業効率が低下しやすいという問題があった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、製造コストを低減でき、製造時の作業効率を高められる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した本体部を備え、上記半導体素子に導通した信号端子およびパワー端子が上記本体部の端面から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複数の冷却チューブとを、上記本体部の主面の法線方向へ積層した積層体と、
上記信号端子に接続され、上記半導体素子の動作を制御する制御回路基板と、
上記パワー端子から出力される被制御電流の量を測定する電流センサとを備え、
該電流センサは、上記制御回路基板との間で信号を送受信するためのセンサ用信号端子を有し、該センサ用信号端子が上記制御回路基板に直接、接続しており、
上記パワー端子には、直流電源の正極または負極につながる入力端子と、上記被制御電流を出力する出力端子とがあり、上記入力端子及び上記出力端子は、上記本体部から、上記信号端子の突出方向とは反対方向へ突出しており、
上記出力端子にはバスバーが接続し、該バスバーは、上記出力端子から上記信号端子の突出方向に延びて、上記積層体の積層方向と上記突出方向との双方に直交する幅方向において上記積層体に隣り合う位置を通過し、
上記バスバーに上記電流センサが取り付けられ、該電流センサの一部が、上記幅方向において上記バスバーと上記信号端子との間に介在し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、電流センサに、制御回路基板との間で信号の送受信をするためのセンサ用信号端子を設けた。そして、該センサ用信号端子を、制御回路基板に直接、接続した。
このようにすると、ワイヤーやコネクタ等を用いなくても、電流センサと制御回路基板とを接続できる。そのため、部品点数を少なくすることができ、電力変換装置の製造コストを低くすることが可能になる。また、上記電力変換装置はワイヤーを設けていないので、電力変換装置を製造するにあたり、例えば半導体モジュールや制御回路基板を組み付けた後、これらをケースに入れて蓋をする際に、ケースと蓋との間でワイヤーを挟むといった不具合が生じない。そのため、電力変換装置を製造する際に、ワイヤーを挟まないよう作業者が特に注意する必要がなくなり、作業効率の低下を防止することができる。

以上のごとく、本発明によれば、製造コストを低減でき、製造時の作業効率を高められ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、電力変換装置の側面図であって、図３のＣ−Ｃ断面図。 図１のＡ−Ａ断面図。 図１のＢ−Ｂ断面図。 参考例１における、電力変換装置の側面図。 参考例２における、電力変換装置の側面図。 従来例における、電力変換装置の側面図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記パワー端子には、直流電源の正極または負極につながる入力端子と、上記被制御電流を出力するための出力端子とがあり、上記入力端子及び上記出力端子は、上記信号端子の突出方向とは反対方向へ突出しており、上記出力端子には、上記本体部における上記信号端子が突出する側の上記端面よりも上記信号端子の突出方向へ伸びるバスバーが接続されており、該バスバーに上記電流センサが取り付けられている。
このようにすると、パワー端子と信号端子とが本体部から互いに反対方向へ突出しているため、信号端子に取り付けた制御回路基板と、パワー端子との間に本体部を介在させることができる。パワー端子には比較的大きな被制御電流が流れるため、この被制御電流が原因となって大きなノイズが発生しやすいが、上記構造にすると、パワー端子から発生したノイズを本体部で遮蔽できるため、該ノイズの影響を制御回路基板が受けにくくなる。そのため、制御回路基板が誤動作しにくくなる。
また、本発明では、上記入力端子と上記出力端子とが同一方向に突出しているため、これら入力端子および出力端子にバスバーを接続する際には、同一方向から接続作業を行うことができる。そのため、接続作業が容易になる。
また、上記出力端子には、本体部における信号端子が突出する側の端面よりも信号端子の突出方向へ伸びるバスバーが接続されている。このようにすると、制御回路基板の近傍をバスバーが通過するようにすることが可能となる。そのため、バスバーのうち、制御回路基板の近傍に位置する部分に電流センサを取り付けることができる。そのため、電流センサを制御回路基板に直接、接続しやすくなる。

また、上記パワー端子には、直流電源の正極または負極につながる入力端子と、上記被制御電流を出力するための出力端子とがあり、上記信号端子と上記出力端子とは上記本体部から同一方向へ突出し、上記出力端子にはバスバーが接続され、上記電流センサは、上記出力端子または上記バスバーに取り付けられていても良い。
このようにすると、出力端子と信号端子とが同一方向に突出しているため、信号端子に取り付けた制御回路基板と、出力端子とを近づけることができる。また、電流センサは、出力端子または上記バスバーに取り付けられている。そのため、電流センサを制御回路基板に近づけることができ、該電流センサを制御回路基板に直接、接続しやすくなる。

また、上記信号端子の突出方向から見た場合に、上記電流センサの少なくとも一部が、上記半導体モジュールの上記本体部と重なるように、上記電流センサが取り付けられていることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、信号端子の突出方向から見た場合に、電流センサの少なくとも一部が本体部と重なるため、信号端子の突出方向と、積層体の積層方向との双方に直交する方向における、電力変換装置の寸法を短くすることができる。そのため、電力変換装置を小型化しやすくなる。

また、上記積層体の積層方向と、上記信号端子の突出方向との双方に垂直な方向から見た場合に、上記電流センサの少なくとも一部が、上記半導体モジュールの上記本体部と重なるように、上記電流センサが取り付けられていることが好ましい（請求項３）。
このようにすると、信号端子の突出方向における、電力変換装置の寸法を短くすることができる。そのため、電力変換装置を小型化しやすくなる。

（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３を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図３に示すごとく、複数の半導体モジュール２と複数の冷却チューブ３とを積層した積層体４を備える。半導体モジュール２は、図１に示すごとく、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した本体部２１を備え、該半導体素子に導通した信号端子２２およびパワー端子２３が本体部２１の端面１０から突出している。また、図３に示すごとく、冷却チューブ３は、半導体モジュール２を冷却している。半導体モジュール２と冷却チューブ３とは、本体部２１の主面１１の法線方向Ｘへ積層されている。

また、図１に示すごとく、信号端子２２には、半導体素子の動作を制御する制御回路基板５が接続されている。電力変換装置１は、パワー端子２３から出力される被制御電流の量を測定する電流センサ６を備える。
電流センサ６は、制御回路基板５との間で信号を送受信するためのセンサ用信号端子６０を有する。そして、センサ用信号端子６０が制御回路基板５に直接、接続している。
以下、詳説する。

図１に示すごとく、パワー端子２３には、直流電源の正極または負極につながる入力端子２３ａ，２３ｂと、被制御電流を出力するための出力端子２３ｃとがある。入力端子２３ａ，２３ｂ及び出力端子２３ｃは、信号端子２２の突出方向とは反対方向へ突出している。出力端子２３ｃには、本体部２１における信号端子２２が突出する側の端面１０ｂよりも信号端子２２の突出方向（Ｚ方向）へ伸びるバスバー７ｃが接続されている。そして、バスバー７ｃに電流センサ６が取り付けられている。また、図２に示すごとく、電流センサ６はボルト６５０によって制御回路基板５に固定されている。電流センサ６は、電流測定用の貫通穴６６０を有する。バスバー７ｃはこの貫通穴６６０内を通っている。

入力端子２３には、直流電源（図示しない）の正電極に接続される正極端子２３ａと、直流電源の負電極に接続される負極端子２３ｂとがある。出力端子２３ｃは、交流負荷に接続されている。また、正極端子２３ａには正極用バスバー７ａが接続され、負極端子２３ｂには負極用バスバー７ｂが接続されている。半導体モジュール２内の半導体素子を制御回路基板５が制御することにより、正極端子２３ａと負極端子２３ｂとの間に印加される直流電力を交流電力に変換し、出力端子２３ｃから出力している。

また、図３に示すごとく、電力変換装置１は３本のバスバー７ｃを備える。電力変換装置１は直流電力を三相交流電力に変換している。３本のバスバー７ｃは、それぞれ三相交流電力のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電力を出力する。

また、図１に示すごとく、信号端子２２の突出方向（Ｚ方向）から見た場合に、電流センサ６の一部が、半導体モジュール２の本体部２１と重なるように、電流センサ６が取り付けられている。

本例の作用効果について説明する。図１に示すごとく、本例では、電流センサ６に、制御回路基板５との間で信号の送受信をするためのセンサ用信号端子６０を設けた。そして、該センサ用信号端子６０を、制御回路基板５に直接、接続した。
このようにすると、ワイヤーやコネクタ等を用いなくても、電流センサ６と制御回路基板５とを接続できる。そのため、部品点数を少なくすることができ、電力変換装置１の製造コストを低くすることが可能になる。また、電力変換装置１はワイヤー（図６参照）を設けていないので、電力変換装置１を製造するにあたり、例えば半導体モジュール２や制御回路基板５を組み付けた後、これらをケースに入れて蓋をする際に、ケースと蓋との間でワイヤーを挟むといった不具合が生じない。そのため、電力変換装置１を製造する際に、ワイヤーを挟まないよう作業者が特に注意する必要がなくなり、作業効率の低下を防止することができる。

また、図１に示すごとく、入力端子２３ａ，２３ｂ及び出力端子２３ｃは、信号端子２２の突出方向とは反対方向へ突出している。
このようにすると、パワー端子２３と信号端子２２とが本体部２１から互いに反対方向へ突出しているため、信号端子２２に取り付けた制御回路基板５と、パワー端子２３との間に本体部２１を介在させることができる。パワー端子２３には比較的大きな被制御電流が流れるため、この被制御電流が原因となって大きなノイズが発生しやすいが、上記構造にすると、パワー端子２３から発生したノイズを本体部２１で遮蔽できるため、該ノイズの影響を制御回路基板５が受けにくくなる。そのため、制御回路基板５が誤動作しにくくなる。

また、本例では、入力端子２３ａ，２３ｂと出力端子２３ｃとが同一方向に突出しているため、これら入力端子２３ａ，２３ｂおよび出力端子２３ｃにバスバー７ａ〜７ｃを接続する際には、同一方向から接続作業を行うことができる。そのため、接続作業が容易になる。

また、出力端子２３ｃには、本体部２１における信号端子２２が突出する側の端面１０ｂよりも信号端子２２の突出方向へ伸びるバスバー７ｃが接続されている。このようにすると、制御回路基板５の近傍をバスバー７ｃが通過するようにすることが可能となる。そのため、バスバー７ｃのうち、制御回路基板５の近傍に位置する部分に電流センサ６を取り付けることができる。そのため、電流センサ６を制御回路基板５に直接、接続しやすくなる。

また、図１に示すごとく、本例では、信号端子２２の突出方向（Ｚ方向）から見た場合に、電流センサ６の一部が、半導体モジュール２の本体部２１と重なるように、電流センサ６が取り付けられている。
このようにすると、積層方向（Ｘ方向）とＺ方向との双方に直交する方向（Ｙ方向）における、電力変換装置１の寸法を短くすることができる。そのため、電力変換装置１を小型化しやすくなる。

以上のごとく、本例によれば、製造コストを低減でき、製造時の作業効率を高められる電力変換装置を提供することができる。

（参考例１）
本例は、半導体モジュール２の形状を変更した例である。図４に示すごとく、パワー端子２３には、実施例１と同様に、入力端子２３ａ，２３ｂと、出力端子２３ｃとがある。本例では、信号端子２２と出力端子２３ｃとは本体部２１から同一方向へ突出している。また、出力端子２３ｃにはバスバー７ｃが接続されている。そして電流センサ６は、バスバー７ｃに取り付けられている。入力端子２３ａ，２３ｂは、信号端子２２とは反対側に突出している。
バスバー７ｃは、出力端子２３ｃからＹ方向へ伸びる第１部分７１と、該第１部分７１からＺ方向へ伸びる第２部分７２とがある。Ｚ方向から見た場合に、第１部分７１の一部と制御回路基板５とは重なっている。そして、この重なった部分に、電流センサ６が取り付けられている。
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。
本例では、出力端子２３ｃと信号端子２２とが同一方向に突出しているため、信号端子２２に取り付けた制御回路基板５と、出力端子２３ｃとを近づけることができる。また、電流センサ６は、出力端子２３ｃまたはバスバー７ｃに取り付けられている。そのため、電流センサ６を制御回路基板５に近づけることができ、該電流センサ６を制御回路基板５に直接、接続しやすくなる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（参考例２）
本例は、半導体モジュール２に対する電流センサ６の位置を変更した例である。本例では図５に示すごとく、積層体４の積層方向（Ｘ方向）と、信号端子２２の突出方向（Ｚ方向）との双方に垂直な方向（Ｙ方向）から見た場合に、電流センサ６の少なくとも一部が、半導体モジュール２の本体部２１と重なるように、電流センサ６が取り付けられている。
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。上述のようにすると、Ｙ方向から見た場合に、電流センサ６の少なくとも一部が本体部２１と重なるため、Ｚ方向における、電力変換装置１の寸法を短くすることができる。そのため、電力変換装置１を小型化しやすくなる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
２１ 本体部
２２ 信号端子
２３ パワー端子
２３ａ 入力端子（正極端子）
２３ｂ 入力端子（負極端子）
２３ｃ 出力端子
３ 冷却チューブ
４ 積層体
５ 制御回路基板
６ 電流センサ
６０ センサ用信号端子
７ バスバー

Claims (3)

1. 電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した本体部を備え、上記半導体素子に導通した信号端子およびパワー端子が上記本体部の端面から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複数の冷却チューブとを、上記本体部の主面の法線方向へ積層した積層体と、
   上記信号端子に接続され、上記半導体素子の動作を制御する制御回路基板と、
   上記パワー端子から出力される被制御電流の量を測定する電流センサとを備え、
   該電流センサは、上記制御回路基板との間で信号を送受信するためのセンサ用信号端子を有し、該センサ用信号端子が上記制御回路基板に直接、接続しており、
   上記パワー端子には、直流電源の正極または負極につながる入力端子と、上記被制御電流を出力する出力端子とがあり、上記入力端子及び上記出力端子は、上記本体部から、上記信号端子の突出方向とは反対方向へ突出しており、
   上記出力端子にはバスバーが接続し、該バスバーは、上記出力端子から上記信号端子の突出方向に延びて、上記積層体の積層方向と上記突出方向との双方に直交する幅方向において上記積層体に隣り合う位置を通過し、
   上記バスバーに上記電流センサが取り付けられ、該電流センサの一部が、上記幅方向において上記バスバーと上記信号端子との間に介在していることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記信号端子の突出方向から見た場合に、上記電流センサの少なくとも一部が、上記半導体モジュールの上記本体部と重なるように、上記電流センサが取り付けられていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１において、上記積層体の積層方向と、上記信号端子の突出方向との双方に垂直な方向から見た場合に、上記電流センサの少なくとも一部が、上記半導体モジュールの上記本体部と重なるように、上記電流センサが取り付けられていることを特徴とする電力変換装置。

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