JP5672259B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、ＤＣＤＣコンバータやインバータなど、多数のパワー半導体素子を備える電力変換装置に関する。

電気自動車のモータ駆動用のインバータなど、大電流を扱う電力変換装置は、ＩＧＢＴなどのパワー半導体素子を多数備えている。パワー半導体素子は発熱量が大きいため、他の素子の回路とは別に、パワー半導体素子だけを集積して集中的に冷却する構造が採用されることがある。そのような構造の一つに、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールと複数の平板型の冷却器を交互に積層してユニット化する技術が知られている。本明細書では、そのような積層体を半導体積層ユニットと称する。半導体積層ユニットの例が特許文献１に開示されている。

特開２０１１−１５１９９２号公報

パワー半導体の一つが故障した場合、即ち、一つの半導体モジュールが故障した場合、半導体積層ユニット全体を交換するのではなく、故障した半導体モジュールだけを交換する方が経済的である。それゆえ、個々の半導体モジュールが着脱可能に構成されていることが望ましい。しかしながら、従来は、半導体モジュールから延びている端子（内部の半導体素子と導通する端子）と他の回路を接続する導電線（バスバ）は溶接されており、簡単には取り外せない構造となっていた（例えば特許文献１）。なお、バスバ（ＢＵＳ ＢＡＲ）とは、流す電流が比較的に大きい場合に用いられる導体であり、平板状の細長金属部材の一般名称である。また、以下説明の簡単化のため、半導体モジュールから延びている端子をモジュール側端子と称することがある。

半導体モジュールを交換可能とするには、バスバとモジュール側端子を、着脱が可能（接続と分離が可能）とする必要がある。他方、半導体積層ユニットでは、平行に並ぶ半導体モジュールから狭い間隔でモジュール側端子が並んで立設しており、モジュール側端子とバスバを着脱可能に接続する空間が狭い。本明細書は、半導体積層ユニットを備えた電力変換装置であり、積層された半導体モジュールの端子とバスバを、狭い空間で着脱可能に接続する技術を提供する。

半導体積層ユニットの半導体素子（パワー半導体素子）は大電流を扱うため、電力や信号の通信にはワイヤ線ではなく、平板状の導体が用いられる。前述したように、大電流を流すための平板状の導体は一般にバスバと呼ばれる。バスバと接続されるモジュール側端子も大電流が流れるために平板状であることが多い。本明細書が開示する技術は、モジュール側端子と、その端子と接続すべきバスバがともに平板状であることを利用し、それらをクリップにて接続することによって、狭い空間でバスバとモジュール側端子を着脱可能とする。

本明細書は、上記した半導体積層ユニットを有する新規な電力変換装置を提供する。半導体積層ユニットは、半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールと複数の平板型の冷却器を交互に積層したユニットである。半導体積層ユニットの各半導体モジュールからは、平板状の端子（モジュール側端子）が平行に延びている。モジュール側端子は、電力変換装置内の他の回路から延びている平板状のバスバと接続される。モジュール側端子とバスバはクリップにて挟持保持される。本明細書が開示する電力変換装置は、さらに、複数の半導体モジュールの夫々に対応して複数のクリップを並べて保持するクリップハウジングと、クリップの並び方向に延びる回転軸を有してクリップハウジングに回動可能に取り付けられており、回動すると各クリップを挟み込んで端子とバスバを重ねて挟持保持するスリットが設けられているレバーを備える。以下では、クリップハウジングとレバーで構成されるモジュールをクリップホルダと称することがある。

上記の電力変換装置は、複数のクリップを支持するクリップホルダを採用することで、狭い間隔で並んでいるバスバとモジュール側端子の組を容易に着脱することができる。端子とバスバを重ねたものを挟持保持する場所にクリップが位置するようにクリップハウジングを配置した上で、レバーを回動させればバスバとモジュール側端子の組を固定することができる。レバーを元に戻せばバスバとモジュール側端子の組を開放することができる。クリップはバスバとモジュール側端子の複数の組に対して用意されており、レバーの回動によってその複数の組を同時に挟持／開放することができる。本明細書が開示する電力変換装置は、狭い空間でバスバとモジュール側端子を容易に着脱することができる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

電力変換装置の内部を示す斜視図である。 クリップホルダをバスバとモジュール側端子の接続部分から外した図である。 クリップホルダをバスバとモジュール側端子の接続部分にセットした図である（クリップは開放状態）。 クリップホルダをバスバとモジュール側端子の接続部分にセットした図である（クリップがバスバとモジュール側端子を挟持した状態）。 レバーとクリップの部分拡大平面図である（レバーがクリップに係合する前）。 レバーとクリップの部分拡大平面図である（レバーがクリップに係合する途中）。 レバーとクリップの部分拡大平面図である（係合完了）。 クリップホルダの変形例を示す。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は、電気自動車に搭載され、数十キロワット程度のモータに電力を供給するインバータ２である。インバータ２は、バッテリの電力を昇圧する昇圧コンバータ回路と、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を含んでいる。図１は、インバータ２の内部構造を示す斜視図である。

インバータ２は、主として、基板、コンデンサ、リアクトル、及び、半導体積層ユニット３で構成される。図１には、半導体積層ユニット３に取り付けられている電流センサユニット４０とクリップホルダ５０が描かれている。図１では、その他の部品、即ち、基板、コンデンサ、及び、リアクトルの図示は省略している。

例えば、モータの出力を５０キロワットとし、モータの定格入力電圧を５００ボルトとすると、流れる電流は１００アンペアとなる。昇圧コンバータ回路とインバータ回路のスイッチング素子（半導体素子）には１００アンペア程度の電流が流れることになる。２個のスイッチング素子を並列に使ったとしても、１つのスイッチング素子には５０アンペア流れることになる。スイッチング素子は、典型的にはＩＧＢＴに代表されるパワートランジスタと、パワートランジスタと逆並列に接続されるダイオードである。それらの素子にはトータルで１００アンペア（２個並列の場合は５０アンペア）の電流が流れるので、発熱量が大きい。そのため、スイッチング素子は、その他の回路（スイッチング素子を駆動するＰＷＭ信号を生成する制御回路など）とは別に、半導体積層ユニット３に集積されている。

半導体積層ユニット３は、上記したスイッチング素子を内蔵した複数の平板型の半導体モジュール５と、複数の平板型の冷却プレート４（冷却器）を交互に積層したユニットである。冷却プレート４の内部は冷媒が流れる冷媒流路となっている。隣接する冷却プレート同士は接続パイプで繋がれる。端部の冷却プレートには外部から冷媒を供給するための供給管と、半導体モジュール５を冷却した後の冷媒を外部へ戻す排出管が接続する。供給管から供給された冷媒は、接続パイプを通じて全ての冷却プレート４へと拡がり、排出管を通じて外部へ排出される。平板型の半導体モジュール５はその両側から冷やされ、スイッチング素子の発熱が抑えられる。なお、スイッチング素子を制御する回路は、半導体積層ユニット３とは別体の基板（不図示）に実装される。

電流センサユニット４０は、半導体モジュール５に内蔵されたスイッチング素子に流れる電流を計測する。電流センサユニット４０からバスバ７が延びており、そのバスバ７が半導体モジュール５の端子（モジュール側端子６ａ）と接続される。

電流センサユニット４０に隣接するようにクリップホルダ５０が配置される。クリップホルダ５０は、バスバ７とモジュール側端子６ａを挟み込んで固定する複数のクリップを備えたモジュールである。クリップホルダ５０は電流センサユニット４０と一体化され、ケース１４に固定される（具体的には後述する）。なお、図１では、半導体積層ユニット３と電流センサユニット４０とクリップホルダ５０はインバータ２のケース１４から外した状態で描いてあることに留意されたい。半導体モジュール５内のスイッチング素子は、モジュール側端子６ａ、バスバ７、及び、電流センサユニット４０を介して基板の回路と接続される。コンデンサやリアクトルも基板と接続される。一部のスイッチング素子は、モジュール側端子６ａ、バスバ７、及び、電流センサユニット４０を介してコンデンサやリアクトルと接続される。なお、半導体モジュール５からは３本のモジュール側端子６ａ、６ｂ、及び、６ｃが延びているが、図では、バスバとモジュール側端子の接続構造を見せるため、モジュール側端子６ｂ、６ｃと接続されるバスバは図示を省略している。クリップホルダ５０も、バスバ７とモジュール側端子６ａを挟み込むクリップのみを示しており、他のモジュール側端子をバスバとともに挟み込みクリップについては図示を省略していることに留意されたい。以下では、モジュール側端子６ａについて説明するが、モジュール側端子６ｂ、６ｃについても同様である。

モジュール側端子６ａとバスバ７との接続構造をさらに詳しく説明する。夫々の半導体モジュール５の上面から３本の端子（モジュール側端子６ａ、６ｂ、６ｃ）が延びている。昇圧コンバータ回路とインバータ回路では、パワートランジスタ（ＩＧＢＴ）とダイオードの組が一つの半導体モジュール５に収められている。モジュール側端子６ａは直列接続の正極（Ｐ極）用電極であり、モジュール側端子６ｂは直列接続の負極（Ｎ極）用の電極である。なお、半導体モジュール５の下面からは、パワートランジスタのゲートに信号を供給する端子が出ているが、その端子は図示を省略している。ゲートに加える信号は小電流で済むため、モジュール側端子６ａに用いるバスバ７と同じ太さのバスバを用いる必要はない。

前述したように、スイッチング素子には数十〜１００アンペア程度の電流が流れるため、モジュール側端子６ａは平板状であり、モジュール側端子６ａに電力を供給する導電部品にも平板状のバスバ７が用いられる。図１に示されているように、モジュール側端子６ａは、積層された半導体モジュール５の夫々から平行に延びている。そのため、積層方向に隣接するモジュール側端子６ａの間の空間は狭い。半導体モジュール５を個別に着脱可能にするには、バスバ７とモジュール側端子６ａの接続を取り外し可能にしなければならない。隣接するモジュール側端子６ａの間の空間は狭いが、その狭い空間でバスバ７とモジュール側端子６ａを着脱可能に接続する構造を次に説明する。なお、以下の説明は他のモジュール側端子６ｂ、６ｃにも該当することに留意されたい。

バスバ７とモジュール側端子６ａは、クリップ２０で接続される。バスバ７とモジュール側端子６ａの組に対して一つのクリップが対応し、バスバ７とモジュール側端子６ａの組の数だけクリップが用意される。複数のクリップ２０はクリップホルダ５０に支持される。詳しくは後述するが、クリップ２０は、平板状のモジュール側端子６ａと平板状のバスバ７を重ねた状態で両者を挟持し、それらの接続を保持する。なお、図１に示すように、複数の半導体モジュール５のそれぞれからモジュール側端子６ａが延びており、各々はいずれもクリップ２０でバスバ７と個別に接続される。

図２に、バスバ７とモジュール側端子６ａの接続部分、及び、クリップホルダ５０の拡大図を示す。バスバ７は、半導体積層ユニット３の側方（図中のＹ方向）からモジュール側端子６ａに近づき、モジュール側端子６ａと重なりつつ上方へ屈曲している。バスバ７とモジュール側端子６ａが重なった部分がクリップ２０によって挟持保持される。クリップ２０は、クリップホルダ５０に固定されている。クリップホルダ５０は、複数のクリップを支持するハウジング５２（クリップハウジング）と、ハウジング５２に対して回動するレバー５１で構成される。ハウジング５２とレバー５１は例えば樹脂の射出成形にて製造される。ハウジング５２とレバー５１はそれぞれ複数の梁（固定梁５２ａ、可動梁５１ａ）を有している。複数の固定梁５２ａは複数の可動梁５１ａと交互に重なりあう。それぞれのクリップ２０は一対の湾曲した金属板であり、その根元部分がハウジング５２の固定梁５２ａの先端に圧入され固定されている。また、ハウジング５２の両側にはクリップホルダ５０を固定するためのリブ５６が設けられている。電流センサユニット４０とクリップホルダ５０は一体化され、このリブ５６を使ってケース１４に固定される。具体的には、リブ５６の孔にボルトを通し、電流センサユニット４０とクリップホルダ５０が一体化したアセンブリが、ケース１４に設けられたボス（不図示）に固定される。

図３と図４に、クリップホルダ５０を電流センサユニット４０にセットした状態の斜視図を示す。図３は、レバー５１が上げられており、クリップ２０が開放された状態を示している。図４は、レバー５１が下げられてクリップ２０に係合している状態を示している。ハウジング５２の複数の固定梁５２ａの夫々は、クリップホルダ５０が電流センサユニット４０に組み合わせられてセットされると、バスバ７とモジュール側端子６ａが接触している部分の上方に位置する。クリップ２０の根元は固定梁５２ａの先端の下面に固定され、バスバ７とモジュール側端子６ａの組に向けて下方に延びている。レバー５１は、ハウジング５２に回動可能に支持されている。レバー５１は、複数のクリップ２０の並び方向に延びる回転軸Ｃ１の周りに回動することができる。レバー５１は、図３の矢印Ａが示す方向に回動する。レバー５１には、回動すると各クリップをその両側から挟み込む複数の可動梁５１ａと、隣接する可動梁５１ａの間でモジュール側端子６ａとバスバ７を重ねて挟持保持するスリット５１ｂが設けられている。スリット５１ｂは、隣接する２つの可動梁５１ａの間の空間に相当する。図４に示すように、レバー５１を下げると、複数のスリット５１ｂのそれぞれにクリップ２０が挟まれ、複数のクリップ２０が同時にバスバ７とモジュール側端子６ａの組を挟持する。なお、可動梁５１ａの先端（図におけるスリット５１ｂの開口部の両側）は、本来、相互に連結されているが、図ではスリット５１ｂ、及び、スリット５１ｂに係合するクリップ２０が理解し易いように連結部の図示を省略している。

図５Ａ−図５Ｃに、スリット５１ｂにクリップ２０が係合し、クリップ２０が閉じてバスバ７とモジュール側端子６ａを挟持保持する様子を示す。図５Ａは、レバー５１（スリット５１ｂ）がクリップ２０に係合する前を示しており、図５Ｂはレバー５１（スリット５１ｂ）がクリップ２０に係合する途中を示しており、図５Ｃは係合が完了した状態を示している。なお、レバー５１は回動式であるが、図５Ａ−図５Ｃではクリップ２０がスリット５１ｂに係合する様子が理解し易いように、レバー５１は上方（Ｚ軸方向）から並進して降下するように描いてあることに留意されたい。

図５Ａ−図５Ｃによく示されているように、クリップ２０は一対の湾曲金属板で構成されている。一対の金属板全体を平面視すると（図のＹ方向から観察すると）、クリップ２０は、上側の外湾曲部２０ａと下側の外湾曲部２０ｂとそれらの間にはさまれたくびれ部２０ｃで構成される瓢箪型をなしている。図５Ａに示されているように、クリップ２０は外側から荷重を受けていない状態（無荷重状態）では先端とくびれ部２０ｃが拡がっており、バスバ７とモジュール側端子６ａを重ねたものがクリップ２０の内側に触れることなく位置することができる。即ち、クリップ２０は、無荷重のときにはモジュール側端子６ａとバスバ７を重ねた厚みよりも幅広の内幅を有する。また、可動梁５１ａの先端にはテーパ５１ｃが形成されており、スリット５１ｂの開口が末広がりになっている。このテーパ５１ｃにより、クリップ２０はスリット５１ｂにスムーズに係合することができる。図５Ｂは、レバー５１が下降し、クリップ２０の上側外湾曲部２０ａが可動梁５１ａの側面によって荷重を受けている状態を示している。この状態でバスバ７とモジュール側端子６ａはくびれ部２０ｃによって挟持される。しかし下側外湾曲部２０ｂが開放されており、クリップ２０によるバスバ７とモジュール側端子６ａの挟持は十分ではない。図５Ｃはクリップ２０が完全にスリット５１ｂ内に収まって係合が完了した状態を示している。クリップ２０の上側外湾曲部２０ａと下側外湾曲部２０ｂが共に可動梁５１ａの側面から荷重を受け、クリップ２０の内幅が狭まり、バスバ７とモジュール側端子６ａが挟持保持される。特に、瓢箪型のクリップ２０の上側外湾曲部２０ａと下側外湾曲部２０ｂが共に可動梁５１ａの側面から荷重を受け、それらの間のくびれ部２０ｃがバスバ７とモジュール側端子６ａをしっかりと挟持する。さらに、下側外湾曲部２０ｂはクリップの支持点（固定梁５２ａに支持されている点）に対してくびれ部２０ｃよりも遠い位置にあり、てこの原理によりくびれ部２０ｃは強い力でバスバ７とモジュール側端子６ａを挟持保持する。

図６を参照してクリップホルダの変形例を説明する。図６は、図４に対応する図である。変形例のクリップホルダ１５０は、ハウジング１５２が突部１５２ｃを有する点で前述のクリップホルダ５０と異なる。その他はクリップホルダ５０と同じであるので符号は省略した。突部１５２ｃは、レバー５１が回動の途中に可動梁５１ａの側面が通過する位置に設けられている。レバー５１が突部１５２ｃを乗り越えて完全に通過すると、レバー５１がクリップ２０と係合するように位置する。突部１５２ｃを乗り越えたレバー５１は、上方に戻り難くなる。突部１５２ｃを設けることによって、クリップ２０がレバー５１から外れ難くなる。クリップホルダ１５０は、車両が振動してもレバー５１が外れ難い。また、レバー５１を操作する作業者は、突部１５２ｃを完全に超えると手ごたえが変化するのでその手ごたえの変化でレバー５１が完全にクリップ２０に係合したことを知ることができる。

実施例にて説明した技術の利点、及び、留意点を述べる。クリップホルダ５０（１５０）は、レバー操作のワンタッチで複数のバスバ７とモジュール側端子６ａを挟持したり開放したりすることができる。即ち、ワンタッチでバスバ７とモジュール側端子６ａを着脱することができる。さらに、クリップホルダが、櫛歯状の固定梁５２ａと可動梁５１ａを有する上記構造を備えることによって、狭い間隔で平行に並ぶ複数のモジュール側端子６ａの夫々に対してバスバ７を同時に着脱することができる。さらに、係合する前はクリップ２０の内幅がバスバ７とモジュール側端子６ａを重ねたものよりも広いので、ほとんど摩擦なくクリップ２０を嵌めることができる。すなわち、ＺＩＦ（Zero Insertion Force）が実現される。上記の利点により、半導体モジュール５の交換が容易となる。インバータ２では、半導体モジュール５の一つが故障した場合、半導体積層ユニット３を交換する必要がなく、故障した半導体モジュールのみを交換することができるので経済性に優れる。

クリップ２０は金属板で作られたものでよいが、樹脂で作られたものであってもよい。金属板で作る場合はプレス加工で成形するのがよい。樹脂で作る場合は射出成型で成形するのがよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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するものであり、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。

２：インバータ（電力変換装置）
３：半導体積層ユニット
４：冷却プレート（冷却器）
５：半導体モジュール
６ａ、６ｂ、６ｃ：モジュール側端子
７：バスバ
１４：ケース
２０：クリップ
２０ａ：上側外湾曲部
２０ｂ：下側外湾曲部
２０ｃ：くびれ部
４０：電流センサユニット
５０、１５０：クリップホルダ
５１：レバー
５１ａ：可動梁
５１ｂ：スリット
５１ｃ：テーパ部
５２：ハウジング
５２ａ：固定梁
１５２ｃ：突起
Ｃ：レバーの回動軸

Claims (1)

1. 半導体素子を収めた平板型の複数の半導体モジュールと複数の平板型の冷却器が交互に積層された半導体積層ユニットであり、各半導体モジュールから平板状の端子が平行に延びている半導体積層ユニットと、
   端子と接続される平板状のバスバと、
   端子とバスバを重ねて挟持保持するクリップと、
   複数の半導体モジュールの夫々に対応して複数のクリップを並べて保持するクリップハウジングと、
   クリップの並び方向に延びる回転軸の周りに回動可能にクリップハウジングに取り付けられており、回動すると各クリップを挟み込んで端子とバスバを重ねて挟持保持するスリットが設けられているレバーと、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。

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