JP5671417B2 - バスバー - Google Patents

Description

本発明は、バスバーに関する。

例えば、車両用の交流モータに交流電力を供給するために、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置が利用されている。このような電力変換装置は、スイッチング素子と、そのスイッチング素子に電気的に接続されているバスバーを備えている。バスバーは、直流電力を整流するための平滑コンデンサのような外部の回路素子にも電気的に接続可能に構成されている。このような電力変換装置の一例が特許文献１及び２に開示されている。

特開２０１１−１１４３０８号公報 特開２０１１−１１４３０７号公報

本発明者らの検討によると、電力変換装置で扱われる電流量が増加すると、スイッチング素子の発熱量が増加し、その熱がバスバーを介して外部の回路素子にまで伝熱されてしまうことが分かってきた。外部の回路素子には、例えば平滑コンデンサのような耐熱性の弱いものが多い。このため、この種の電力変換装置では、バスバーを介した伝熱によって外部の回路素子が熱破壊される虞があることが分かってきた。

外部の回路素子の熱破壊を抑えるためには、スイッチング素子と外部の回路素子の間を伸びているバスバーの長さを十分に確保し、外部の回路素子に伝わる熱量を抑えればよい。しかしながら、バスバーを長くすると、寄生インダクタンスが増加し、スイッチング素子のスイッチング損失が増加してしまう。

本明細書で開示される技術は、スイッチング素子で発生した熱が外部の回路素子まで伝熱されるのを抑制可能なバスバーを提供することを目的としている。

本明細書で開示されるバスバーは、スイッチング素子と外部の回路素子を電気的に接続可能に構成されている。バスバーは、高圧側バスバーと低圧側バスバーを有している。高圧側バスバーと低圧側バスバーの少なくともいずれか一方は、第１部位と第２部位を介して往復する往復構造部を含んでいる。往復構造部の第１部位と第２部位は、間隙を置いて対向するように配置されている。本明細書で開示される技術では、高圧側バスバーと低圧側バスバーの少なくともいずれか一方が、往復構造部を有することを特徴としている。例えば、高圧側バスバーが往復構造部を有する場合、その往復構造部が高圧側バスバーのみで構成される。このため、往復構造部において絶縁を保証する必要がない。一方で、往復構造部の第１部位と第２部位を対向させることにより、寄生インダクタンスの増加が抑えられている。本明細書で開示されるバスバーの往復構造部は、寄生インダクタンスの増加を抑えながら長さを確保することができるので、スイッチング損失の増加を抑えながら伝熱を抑えることができる。

往復構造部の第１部位は、開放面を有する箱状の形態を有していてもよい。さらに、往復構造部の第２部位は、第１部位の内部を伸びるとともに、第１部位の底面で接続されていてもよい。この形態の往復構造部は、小型で強固な構造とすることができる。

往復構造部は、第１部位と第２部位の間の間隙に設けられている充填材料を有していてもよい。充填材料は、バスバーよりも熱伝導率が低いことを特徴としている。この形態の往復構造部によると、往復構造部における熱の伝熱が第１部位と第２部位を介して優先的に行われるので、熱の伝熱経路を長く確保することができ、その結果、高い伝熱抑制効果を得ることができる。また、充填材料が真空であってもよい。より高い伝熱抑制効果を得ることができる。

本明細書で開示されるバスバーは、スイッチング素子から外部の回路素子に伝わる熱量を抑えることができ、外部の回路素子が熱破壊されるのを抑制することができる。

図１は、電力変換装置の回路を示す。 図２は、電力変換装置の斜視図を模式的に示す。 図３は、図２のｙｚ面に沿った往復構造部の断面図を示す。 図４は、図２のｘｚ面に沿った高圧側往復構造の断面図を示す。

本願明細書で開示される技術の特徴を整理しておく。
（第１特徴）本明細書で開示されるバスバーは、スイッチング素子と外部の回路素子を電気的に接続するために用いられる。スイッチング素子は、電力変換用のパワースイッチング素子であってもよい。特に、炭化ケイ素、窒化ガリウム等の化合物半導体を材料とするパワースイッチング素子は、扱う電流量が大きく発熱量が大きいことから、本明細書で開示されるバスバーの適用が有用である。
（第２特徴）外部の回路素子には様々なものがあり、一例では平滑コンデンサ、スナバコンデンサ、リアクトルである。これらの回路素子は熱に対して弱いものが多い。このような回路素子とスイッチング素子を接続するバスバーには、本明細書で開示される技術の適用が有用である。
（第３特徴）本明細書で開示されるバスバーは、スイッチング素子と様々な手法で接続される。一例では、ワイヤボンディング、テープボンディング、はんだ接合である。特に、縦型のスイッチング素子の表面電極と裏面電極のそれぞれにバスバーを適当な導電材を介して接続し、縦型のスイッチング素子をバスバーによって挟むような形態の場合、スイッチング素子で発生した熱の多くがバスバーを介して伝熱されるので、本明細書で開示されるバスバーの適用が有用である。
（第４特徴）本明細書で開示される往復構造部には、様々な形態を採用することができる。一例では、往復構造部が一対の平板状の導電部位を有し、一方の導電部位が往路を構成し、他方の導電部位が復路を構成してもよい。また、他の一例では、往復構造部が箱状の外側部位と外側部位の内部を伸びている内側部位を有していてもよい。この場合、箱状の外側部位は、円柱状の形態でもよく、直方体状の形態でもよく、その他の形態でもよい。内側部位は、外側部位の形態に合わせた形態であればよい。

図１に示されるように、電力変換装置１０は、直流電源１１と交流モータ１３の間に接続されており、直流電源１１から供給される直流電圧をスイッチングすることにより、その直流電圧を交流電圧に変換して交流モータ１３に供給する。直流電源１１と電力変換装置１０の間には、整流用の平滑コンデンサ１２（外部の回路素子の一例）が接続されている。

電力変換装置１０は、直流電源１１の高圧側及び平滑コンデンサ１２の一端に接続可能に構成される高圧側バスバー１４Ｐと、直流電源の低圧側及び平滑コンデンサ１２の他端に接続可能に構成される低圧側バスバー１４Ｎと、高圧側バスバー１４Ｐと低圧側バスバー１４Ｎの間で並列に接続されている３つの相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗを備えている。

Ｕ相アーム１０Ｕは、直列に接続された第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２を有しており、第１スイッチング素子ＳＷ１には第１還流ダイオードＤ１が並列に接続されており、第２スイッチング素子ＳＷ２には第２還流ダイオードＤ２が並列に接続されている。第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２の接続点が交流モータ１３に接続されている。Ｖ相アーム１０Ｖは、直列に接続された第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４を有しており、第３スイッチング素子ＳＷ３には第３還流ダイオードＤ３が並列に接続されており、第４スイッチング素子ＳＷ４には第４還流ダイオードＤ４が並列に接続されている。第３スイッチング素子ＳＷ３と第４スイッチング素子ＳＷ４の接続点が交流モータ１３に接続されている。Ｗ相アーム１０Ｗは、直列に接続された第５スイッチング素子ＳＷ５と第６スイッチング素子ＳＷ６を有しており、第５スイッチング素子ＳＷ５には第５還流ダイオードＤ５が並列に接続されており、第６スイッチング素子ＳＷ６には第６還流ダイオードＤ６が並列に接続されている。第５スイッチング素子ＳＷ５と第６スイッチング素子ＳＷ６の接続点が交流モータ１３に接続されている。一例では、スイッチング素子ＳＷ１〜６にＩＧＢＴが用いられており、還流ダイオードＤ１〜６にショットキーダイオードが用いられている。

図２に示されるように、電力変換装置１０は、冷却器１６上にロウ付けされている絶縁基板１５の表面に設けられている。冷却器１６は、アルミニウム製であり、内部に冷却媒体が流動可能に構成されている。絶縁基板１５は、セラミック製の絶縁層の表裏面にアルミニウム又はアルミニウム合金製の回路層が被膜された形態を有している。各スイッチング素子ＳＷ１〜６及び還流ダイオードＤ１〜６は、絶縁基板１５の表面にはんだ付けによって取り付けられている。絶縁基板１５上には、図示しない配線が形成されており、図１に示す回路が構成されている。

図２に示されるように、バスバー１４Ｐ，１４Ｎは、ｘ軸方向に沿って伸びているメイン部２４と、メイン部２４から側方に向けて伸びている往復構造部３４を有する。バスバー１４Ｐ，１４Ｎの材料には、銅（Ｃｕ）が用いられている。メイン部２４のバスバー１４Ｐ，１４Ｎは、扁平な平板状の形態を有するとともに、平滑コンデンサ１２からｘ軸方向に沿って各相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗの上方を伸びている。メイン部２４では、高圧側バスバー１４Ｐと低圧側バスバー１４Ｎが、ｚ軸方向に対向した状態でｘ軸方向に沿って直線的に伸びている。往復構造部３４は、平滑コンデンサ１２と各相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗの間に設けられており、高圧側バスバー１４Ｐの一部で構成される高圧側往復構造部３４Ｐと、低圧側バスバー１４Ｎの一部で構成される低圧側往復構造部３４Ｎを有している。

図３及び図４に示されるように、高圧側往復構造部３４Ｐは、箱状の形態を有する外側部位３１Ｐと、外側部位３１Ｐの内部を伸びているとともに扁平な平板状の形態を有する内側部位３２Ｐと、外側部位３１Ｐと内側部位３２Ｐの間に充填されている充填部材３３Ｐを有する。図３に示されるように、外側部位３１Ｐは、紙面右側に開放面を有しており、端部３４Ｐａが各相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ側を伸びているメイン部２４の高圧側バスバー１４Ｐに接続されている。内側部位３２Ｐは、一端３４Ｐｂが平滑コンデンサ１２側のメイン部２４の高圧側バスバー１４Ｐに接続されており、他端３４Ｐｂが外側部位３１Ｐの底面に接続されている。充填部材３３Ｐには、熱伝導率の低い材料が用いられており、一例ではエポキシ樹脂が用いられている。この例に代えて、外側部位３１Ｐの開放面を封止した状態で充填部材３３Ｐを真空としてもよい。高圧側往復構造部３４Ｐでは、外側部位３１Ｐと内側部位３２Ｐが対向するように構成されている。図３の矢印で示すように、高圧側往復構造部３４Ｐを流れる電流は、外側部位３１Ｐでは図示右向きに流れ、内側部位３２Ｐでは図示左向きに流れる。このように、外側部位３１Ｐと内側部位３２Ｐでは、電流の流れが逆向きとなっており、寄生インダクタンスが低減されている。なお、外側部位３１Ｐの外周面にエポキシ樹脂を介してアルミニウム製の冷却フィンを設けてもよい。

低圧側往復構造部３４Ｎも、箱状の形態を有する外側部位３１Ｎと、外側部位３１Ｎの内部を伸びているとともに扁平な平板状の形態を有する内側部位３２Ｎと、外側部位３１Ｎと内側部位３２Ｎの間に充填されている充填部材３３Ｎを有する。図３に示されるように、外側部位３１Ｎは、紙面左側に開放面を有しており、端部３４Ｎａが平滑コンデンサ１２側のメイン部２４の低圧側バスバー１４Ｎに接続されている。内側部位３２Ｎは、一端３４Ｎｂが各相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗ側のメイン部２４の低圧側バスバー１４Ｎに接続されており、他端３４Ｎｂが外側部位３１Ｎの底面に接続されている。充填部材３３Ｎには、熱伝導率の低い材料が用いられており、一例では樹脂が用いられている。この例に代えて、外側部位３１Ｎの開放面を封止した状態で充填部材３３Ｎを真空としてもよい。低圧側往復構造部３４Ｎでは、外側部位３１Ｎと内側部位３２Ｎが対向するように構成されている。図３の矢印で示すように、低圧側往復構造部３４Ｎを流れる電流は、外側部位３１Ｎでは図示右向きに流れ、内側部位３２Ｎでは図示左向きに流れる。このように、外側部位３１Ｎと内側部位３２Ｎでは、電流の流れが逆向きとなっており、寄生インダクタンスが低減されている。なお、外側部位３１Ｎの外周面にエポキシ樹脂を介してアルミニウム製の冷却フィンを設けてもよい。

上記したように、電力変換装置１０のバスバー１４Ｐ，１４Ｎは、往復構造部３４を有することを特徴としている。往復構造部３４は、外側部位３１Ｐ，３１Ｎと内側部位３２Ｐ，３２Ｎが往復する構造であり、これにより、相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗと平滑コンデンサ１２の間に存在するバスバー１４Ｐ，１４Ｎの長さが長く確保されることになる。この結果、相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗのスイッチング素子ＳＷ１〜６で発生した熱が平滑コンデンサ１２に伝熱されることが抑えられている。

例えば、往復構造部３４に代えて、高圧側バスバー１４Ｐと低圧側バスバー１４Ｎが対向した状態で、相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗと平滑コンデンサ１２の間を伸びていれば、同様に寄生インダクタンスの増加を抑えながら、バスバーを介した伝熱を抑えることができるかもしれない。しかしながら、高圧側バスバー１４Ｐと低圧側バスバー１４Ｎの間には、数百ボルト以上の電位差が加わることがあり、高圧側バスバー１４Ｐと低圧側バスバー１４Ｎを対向させた状態で絶縁性を保証する構造は信頼性が問題となる。一方、本実施例の往復構造部３４では、外側部位３１Ｐと内側部位３２Ｐの間、及び外側部位３１Ｎと内側部位３２Ｎの間に略電位差が加わらない。このため、本実施例の往復構造部３４は信頼性が高い。

さらに、往復構造部３４は、絶縁基板１５を介して冷却器１６上に搭載されている。このため、往復構造部３４を伝熱する熱の一部は、絶縁基板１５を介して冷却器１６に放熱される。この結果、相アーム１０Ｕ，１０Ｖ，１０Ｗのスイッチング素子ＳＷ１〜６で発生した熱が平滑コンデンサ１２に伝熱されることが効果的に抑えられている。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：電力変換装置
１１：直流電源
１２：平滑コンデンサ
１３：交流モータ
１４Ｎ：低圧側バスバー
１４Ｐ：高圧側バスバー
３１Ｐ，３１Ｎ：外側部位
３２Ｐ，３２Ｎ：内側部位
３３Ｐ，３３Ｎ：充填部材
３４：往復構造部

Claims (3)

1. スイッチング素子と外部の回路素子を電気的に接続可能に構成されているバスバーであって、
   前記バスバーは、高圧側バスバーと低圧側バスバーを有しており、
   前記高圧側バスバーと前記低圧側バスバーの少なくともいずれか一方は、第１部位と第２部位を介して往復する往復構造部を含んでおり、
   前記往復構造部の前記第１部位と前記第２部位が間隙を置いて対向するように構成されており、
   前記第１部位が、開放面を有する箱状の形態を有しており、
   前記第２部位が、前記第１部位の内部を伸びるとともに、前記第１部位の底面で接続されているバスバー。
2. スイッチング素子と外部の回路素子を電気的に接続可能に構成されているバスバーであって、
   前記バスバーは、高圧側バスバーと低圧側バスバーを有しており、
   前記高圧側バスバーと前記低圧側バスバーの少なくともいずれか一方は、第１部位と第２部位を介して往復する往復構造部を含んでおり、
   前記往復構造部の前記第１部位と前記第２部位が間隙を置いて対向するように構成されており、
   前記往復構造部は、前記第１部位と前記第２部位の間の間隙に充填されている充填材料を有しており、
   前記充填材料は、前記バスバーよりも熱伝導率が低いバスバー。
3. 前記充填材料が真空である請求項２に記載のバスバー。
   

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