JP5702963B2

JP5702963B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5702963B2
Application number: JP2010165675A
Authority: JP
Inventors: 志貴小山; 高久金子; 憲治舩橋; 幸司堀田
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: JP2012029459A

Description

本発明は、バスバー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１０、図１１に示すごとく、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュール９２と、該半導体モジュール９２を冷却する複数の冷却チューブ９１０とを積層したものが従来から知られている（下記特許文献１参照）。

図１０に示すごとく、個々の半導体モジュール９２は、上記半導体素子を内蔵した本体部９２０と、該本体部９２０から突出したパワー端子９８及び制御端子９２２を備える。パワー端子９８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９８ａと、直流電源の負電極に接続される負極端子９８ｂと、交流負荷に接続される交流端子９８ｃとがある。個々のパワー端子９８にはバスバー９３が溶接されている。このバスバー９３を介して、上記直流電源および交流負荷と、パワー端子９８とを電気的に接続している。

また、制御端子９２２には、図示しない制御回路基板が接続される。この制御回路基板によって半導体モジュール９２の制御を行うことにより、正極端子９８ａと負極端子９８ｂ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９８ｃから出力している。

一方、パワー端子９８には、幅を部分的に狭くしたヒューズ部９４が形成されている。パワー端子９８に過電流が流れた場合には、ヒューズ部９４が溶断する。これにより、半導体モジュール９２内の半導体素子を過電流から保護している。

特開２００９−１４２０００号公報

電力変換装置９１を製造する際には、パワー端子９８をバスバー９３に溶接する必要がある。溶接部９７の近傍にヒューズ部９４を形成すると、溶接時に発生した熱によってヒューズ部９４が溶けてしまうことがある。そのため従来の電力変換装置９１は、溶接熱によってヒューズ部９４が溶けないよう、ヒューズ部９４を溶接部９７から離れた位置に形成する必要があった。そのため、パワー端子９８の長さＬを長くする必要が生じ、ひいては電力変換装置９１が大型化しやすくなる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、半導体モジュールを過電流から保護でき、かつパワー端子を短くす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有し、上記半導体素子に導通した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上記本体部の両主面から冷却する複数の冷却チューブとを積層した積層体と、
上記パワー端子に接続したバスバーとを備え、
所定値以上の電流が流れた場合に溶断するヒューズ部が上記バスバーに形成されており、
上記バスバーは、該バスバーの厚さ方向が上記パワー端子の突出方向に一致するように配され、
上記バスバーは、複数の接続端子と、該複数の接続端子に電気的に接続した板状本体部とを有し、個々の上記接続端子は上記パワー端子に接続しており、個々の上記接続端子と上記板状本体部とを繋ぐ位置に上記ヒューズ部が形成され、上記複数の接続端子と、上記板状本体部と、複数の上記ヒューズ部とは一体に形成され、上記積層体の積層方向における上記ヒューズ部の長さは、上記接続端子の上記積層方向における長さよりも短く、かつ、上記板状本体部の上記積層方向における長さより短く形成され、
上記ヒューズ部は、上記板状本体部と上記接続端子とのいずれよりも上記突出方向における剛性が低い低剛性部となっており、
複数の上記ヒューズ部は、上記積層方向に配列しており、
上記パワー端子の主面を上記接続端子の端面に重ね合わせ、上記パワー端子と上記接続端子とを溶接してあることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

本発明の作用効果について説明する。本発明では、所定値以上の電流が流れた場合に溶断するヒューズ部をバスバーに形成した。
このようにすると、パワー端子にヒューズ部を形成しなくてすむので、パワー端子の長さを短くすることができる。

上記ヒューズ部は、溶接時の熱によって溶けないよう、パワー端子とバスバーとの溶接部から離れた場所に形成する必要がある。バスバーは比較的大きい部品であるため、溶接部から離れた場所にヒューズ部を形成することができる。すなわち、ヒューズ部を形成しても、バスバーを大型化する必要は特にない。
したがって、上記構造にすることにより、パワー端子を短くでき、かつバスバーは大型化しなくてすむので、電力変換装置を小型化することが可能になる。

また、過電流が流れた場合には、バスバーに設けたヒューズ部が溶断するので、半導体モジュールを過電流から保護することができる。

以上のごとく、本例によれば、半導体モジュールを過電流から保護でき、かつパワー端子を短くす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、電力変換装置の分解斜視図。実施例１における、電力変換装置の斜視図。実施例１における、バスバーの平面図。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、ヒューズ部の形状を変更したバスバーの平面図。実施例１における、中央に貫通孔を形成したヒューズ部を有するバスバーの平面図。参考例１における、バスバーの平面図。比較例における、電力変換装置の分解斜視図。比較例における、パワー端子をバスバーに押し当てた状態での拡大断面図。従来例における、半導体モジュールの平面図。図１０のＡ矢視図。

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、上記バスバーは、電流が流れる方向に垂直な面による断面積が、上記ヒューズ部において最も小さくなるよう構成されていることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、ヒューズ部を備えたバスバーを、プレス機等で打ち抜き形成できる。そのため、バスバーを容易に製造することができる。

また、上記パワー端子の主面を上記バスバーの端面に重ね合わせ、上記パワー端子と上記バスバーとを溶接してある。
パワー端子の主面と、バスバーの端面とは密着させやすいので、上記構造にすると、パワー端子とバスバーとを容易に溶接することができる。

（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４を用いて説明する。
図１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と複数の冷却チューブ１０とを積層した積層体１１を備える。
半導体モジュール２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２０を有する。そして、半導体素子に導通したパワー端子２１が本体部２０の端面から突出している。また、冷却チューブ１０は、半導体モジュール２を本体部２０の両主面から冷却している。
パワー端子２１には、バスバー３が接続している。
そして、所定値以上の電流が流れた場合に溶断するヒューズ部４がバスバー３に形成されている。
以下、詳説する。

図１、図２に示すごとく、本例の電力変換装置１は、積層方向Ｘに隣り合う２個の冷却チューブ１０の間に２個の半導体モジュール２が介在している。半導体モジュール２は、それぞれ２個のパワー端子２１を有する。パワー端子２１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２１ａと、直流電源の負電極に接続される負極端子２１ｂと、交流負荷に接続される交流端子２１ｃとがある。

図１、図２に示すごとく、正極端子２１ａと負極端子２１ｂとに、それぞれ板状のバスバー３ａ，３ｂが接続されている。バスバー３は、板状本体部３０と、該板状本体部３０の側部に形成された複数個の接続端子３１とを備える。
電力変換装置１を製造する際には、図３に示すごとく、個々の接続端子３１の端面３１０に、パワー端子２１の主面２１０を重ね合わせ、アーク溶接等を行って溶接する。これにより、半導体モジュール２とバスバー３とを電気的に接続している。
なお、上記交流端子２１（図２参照）にも、図示しない別のバスバーが溶接される。

また、図２に示すごとく、半導体モジュール２は複数本の制御端子２２を備える。制御端子２２には、図示しない制御回路基板が接続される。この制御回路基板を使って複数の半導体モジュール２を制御することにより、正極端子２１ａと負極端子２１ｂ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２１ｃから出力している。

一方、図１、図２に示すごとく、積層方向Ｘに隣り合う２個の冷却チューブ１０は、その両端において、連結管５で連結されている。また、積層方向Ｘにおける一方の端部に位置する冷却チューブ１０ａには、一対のパイプ６ａ，６ｂが接続されている。一方のパイプ６ａから冷媒１８を導入すると、冷媒１８は連結管５を通って全ての冷却チューブ１０内を流れ、他方のパイプ６ｂから導出する。これにより、半導体モジュール２を冷却している。

図３に示すごとく、本例では、バスバー３の板状本体部３０と接続端子３１との連結部分にヒューズ部４を形成してある。ヒューズ部４は、接続端子３１よりも幅が狭くなっており、その両側が切り欠かれている。幅を狭くすることにより、電流が流れる方向に対して垂直な面における断面積が、ヒューズ部４において最小となるようにしてある。これにより、ヒューズ部４で最も多くの抵抗熱が発生することとなり、過電流が流れた場合にヒューズ部４を溶断させることが可能となる。
なお、ヒューズ部４は、図３に示すごとく両側を切り欠いた形状にしてもよく、また、図５に示すごとく、片側を切り欠いた形状にしてもよい。また、図６に示すごとく、板状本体部３０と接続端子３１との連結部分に貫通孔４０を形成することにより、ヒューズ部４を形成してもよい。

図４に示すごとく、本例の電力変換装置１は、インバータ部１２とコンバータ部１３とを備える。直流電源１４の電圧をコンバータ部１３によって昇圧した後、その昇圧した直流電圧をインバータ部１２で交流電圧に変換する。インバータ部１２は複数個の半導体モジュール２によって構成されている。個々の半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ素子等の半導体素子１６とフリーホイールダイオード１７とを備える。半導体モジュール２の正極端子２１ａにはバスバー３ａが接続され、負極端子２１ｂにはバスバー３ｂが接続されている。また、交流端子２１ｃは三相交流モータ１５ａ，１５ｂに接続されている。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッドカー等の車両に搭載して用いられる。車両に搭載された２個の三相交流モータ１５ａ，１５ｂのうち、一方の三相交流モータ１５ａは車両の走行に用いるものであり、他方の三相交流モータ１５ｂは電力回生用である。
車両を走行させる時は、電力変換装置１によって得られた交流電力を使って、一方の三相交流モータ１５ａを駆動する。また、電力を回生する際には、他方の三相交流モータ１５ｂを使って交流電力を発生させる。この交流電力をインバータ部１２によって直流電力に変換し、直流電源１４を充電する。

本例の作用効果について説明する。本例では、図２、図３に示すごとく、所定値以上の電流が流れた場合に溶断するヒューズ部４をバスバー３に形成した。
このようにすると、パワー端子２１にヒューズ部４を形成しなくてすむので（図１０参照）、パワー端子２１の長さを短くすることができる。

ヒューズ部４は、溶接時の熱によって溶けないよう、パワー端子２１とバスバー３との溶接部１９から離れた場所に形成する必要がある。図３に示すごとく、バスバー３は比較的大きい部品であるため、溶接部１９から離れた場所にヒューズ部４を形成することができる。すなわち、ヒューズ部４を形成しても、バスバー３を大型化する必要は特にない。
したがって、上記構造にすることにより、パワー端子２１を短くでき、かつバスバー３は大型化しなくてすむので、電力変換装置１を小型化することが可能になる。

また、過電流が流れた場合には、バスバー３に設けたヒューズ部４が溶断するので、半導体モジュール２を過電流から保護することができる。

また、図３に示すごとく、本例では、バスバー３は、電流が流れる方向に垂直な面による断面積が、ヒューズ部４において最も小さくなるよう構成されている。
このようにすると、ヒューズ部４を備えたバスバー３を、プレス機等で打ち抜き形成できる。そのため、バスバー３を容易に製造することができる。

また、本例では、図３に示すごとく、パワー端子２１の主面２１０をバスバー３の端面３１０に重ね合わせ、パワー端子２１とバスバー３とを溶接している。
パワー端子２１の主面２１０と、バスバー３の端面３１０とは密着させやすいので、上記構造にすると、パワー端子２１とバスバー３とを容易に溶接することができる。

すなわち、図８の比較例に示すごとく、パワー端子８の先端を折り曲げて折曲部８０を形成し、この折曲部８０を接続端子８２に押し当てて、接続端子８２と折曲部８０の端面に溶接工程を行うことも可能である。しかしながら、このようにすると、図９に示すごとく、パワー端子８を押し当てた場合に、接続端子８２が撓んでしまい、折曲部８０の端面８００と接続端子８２の端面８２０との間に隙間ができることがある。隙間ができた状態では、溶接工程を行いにくくなる。

しかしながら、本例のように、パワー端子２１の主面２１０を接続端子３１の端面３１０に重ね合わせれば、接続端子３１は撓まないため、これらを密着させることができる。そのため、パワー端子２１と接続端子３１とを容易に溶接することができる。

以上のごとく、本例によると、半導体モジュールを過電流から保護でき、かつパワー端子を短くすることができ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、ヒューズ部４の構造を変更した例である。図７に示すごとく、本例では、バスバー３の板状本体部３０と接続端子３１とを第１の金属で形成し、板状本体部３０と接続端子３１との間に、第１の金属よりも融点が低い第２の金属を用いてヒューズ部４を形成した。また、電流が流れる方向に垂直な面における断面積が、ヒューズ部４と接続端子３１とで等しくなるよう構成した。第１の金属としては、例えば銅を用いることができる。また、第２の金属としては、例えば錫を含有する合金を用いることができる。
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。本例ではヒューズ部４の上記断面積が大きいため、ヒューズ部４に多くの電流を流すことが可能になる。これにより、バスバー３全体に流れる電流の量を多くすることができる。また、融点が低い金属をヒューズ部４に用いているため、過電流が流れた場合には確実にヒューズ部４を溶断させることができる。
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
１０冷却チューブ
１１積層体
２半導体モジュール
２０本体部
２１パワー端子
３バスバー
４ヒューズ部

Claims

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有し、上記半導体素子に導通した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上記本体部の両主面から冷却する複数の冷却チューブとを積層した積層体と、
上記パワー端子に接続したバスバーとを備え、
所定値以上の電流が流れた場合に溶断するヒューズ部が上記バスバーに形成されており、
上記バスバーは、該バスバーの厚さ方向が上記パワー端子の突出方向に一致するように配され、
上記バスバーは、複数の接続端子と、該複数の接続端子に電気的に接続した板状本体部とを有し、個々の上記接続端子は上記パワー端子に接続しており、個々の上記接続端子と上記板状本体部とを繋ぐ位置に上記ヒューズ部が形成され、上記複数の接続端子と、上記板状本体部と、複数の上記ヒューズ部とは一体に形成され、上記積層体の積層方向における上記ヒューズ部の長さは、上記接続端子の上記積層方向における長さよりも短く、かつ、上記板状本体部の上記積層方向における長さより短く形成され、
上記ヒューズ部は、上記板状本体部と上記接続端子とのいずれよりも上記突出方向における剛性が低い低剛性部となっており、
複数の上記ヒューズ部は、上記積層方向に配列しており、
上記パワー端子の主面を上記接続端子の端面に重ね合わせ、上記パワー端子と上記接続端子とを溶接してあることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、上記バスバーは、電流が流れる方向に垂直な面による断面積が、上記ヒューズ部において最も小さくなるよう構成されていることを特徴とする電力変換装置。