JP5924163B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換して負荷に出力するインバータ装置に関する。

この種のインバータ装置としては、特許文献１に記載の電子機器装置が知られている。
特許文献１の電子機器装置において、半導体素子のエミッタ電極には、半田を介して導電部材が接合されている。導電部材には、貫通孔が形成されている。そして、導電部材は、この貫通孔に供給された半田によって、導電部材と略平行に配置された出力端子と接合されている。半導体素子のコレクタ電極には、半田を介して金属板が接合されている。また、金属板は、入力端子と接合されている。入力端子には、貫通孔が形成されている。そして、入力端子は、この貫通孔に供給された半田によって金属板と接合されている。そして、電子機器装置は、三相交流モータなどの交流負荷を駆動させるインバータ装置として使用される。

特開２０１１−２３７４８号公報

ところで、インバータ装置は、電気自動車等への搭載性を向上させることが望まれている。
本発明の目的は、搭載性を向上させることができるインバータ装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、電源に接続される正極及び負極の入力端子と、複数の上アーム用スイッチング素子と、複数の下アーム用スイッチング素子と、負荷に接続される出力端子と、を備え、複数の上アーム用スイッチング素子は、第１の配置面上に配置されるとともに、複数の下アーム用スイッチング素子は、前記第１の配置面に沿う方向に隣り合う第２の配置面上に配置され、前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子のスイッチング動作によって直流電力を交流電力に変換して前記負荷に出力するインバータ装置であって、前記上アーム用スイッチング素子と前記下アーム用スイッチング素子は、電極板によって直列接続されており、前記第１の配置面と前記第２の配置面は、各面に沿う方向に隣り合うとともに、同一面上に位置しており、前記電極板には、該電極板と別構成の前記出力端子が接合されており、該出力端子が前記第１の配置面と前記第２の配置面に沿う方向に並んで設けられているとともに、前記第１の配置面及び前記第２の配置面の少なくとも一方を覆う状態で配設されていることを要旨とする。

これによれば、出力端子は、第１の配置面と第２の配置面に沿う方向に並んで設けられるため、出力端子が高さ方向に並ぶことはなく、高さ方向への大型化が抑えられている。また、出力端子は、第１の配置面及び第２の配置面の少なくとも一方を覆うように設けられることから、出力端子は、インバータ装置の平面視での外形内に納められる。よって、インバータ装置の投影面積が増加しない。したがって、インバータ装置の大型化が抑えられ、インバータ装置の搭載性を向上させることができる。

また、前記正極の入力端子は、前記負極の入力端子の少なくとも一部を覆っていてもよい。
これによれば、２つの入力端子を流れる電流の向きが逆向きになることから、相互誘導作用によって、インダクタンスが低減する。

また、前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子はそれぞれ３個配置されていてもよい。
これによれば、インバータ装置を三相インバータ装置として使用することができる。

また、前記第１の配置面及び前記第２の配置面と異なる第３の配置面には、前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子の制御を行う制御装置と電気的に接続される導電材を有する樹脂製の端子台が配置されており、前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子と前記導電材とがワイヤを介した状態で接合されていてもよい。

これによれば、加熱装置によって半田を加熱しながら、出力端子を電極板に接合するときには、端子台が存在しない。このため、出力端子を電極板に接合する工程で端子台が加熱されることで端子台を形成する樹脂が溶融することがない。

本発明によれば、搭載性を向上させることができる。

実施形態における駆動装置の電気的構成を示す図。 実施形態におけるインバータ装置の斜視図。 実施形態におけるインバータ装置の平面図。 比較例のインバータ装置の平面図。

以下、本発明を電気自動車に搭載される駆動装置に用いられるインバータ装置に具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
図１に示すように、電気自動車に搭載される駆動装置１は、電源としてのバッテリＢから供給される直流電力を、インバータ装置１０によって交流電力に変換して負荷としての三相モータＭＧに出力する。電気自動車は、インバータ装置１０から出力された交流電力によって駆動する三相モータＭＧを駆動源として走行する。インバータ装置１０は、３個の上アーム用スイッチング素子としての第１のスイッチング素子Ｑ１、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第５のスイッチング素子Ｑ５と、３個の下アーム用スイッチング素子としての第２のスイッチング素子Ｑ２、第４のスイッチング素子Ｑ４及び第６のスイッチング素子Ｑ６とを備えた三相インバータ装置である。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに接続された制御装置３によって制御され、制御装置３によって制御されることでスイッチング動作を行う。各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６としては、例えば絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（insulated gatebipolar transistor：ＩＧＢＴ）やパワーＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field effect transistor）等のパワー半導体素子が用いられる。

次に、インバータ装置１０について詳しく説明する。
図２に示すように、インバータ装置１０は、ケース１１に収容された回路基板２０上に６個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６が接合されるとともに、回路基板２０に冷却器１２が熱的に結合されて構成されている。

回路基板２０は、絶縁基板２１と、絶縁基板２１の上面に形成された４つの配線層２２〜２５から構成されている。第１のスイッチング素子Ｑ１、第３のスイッチング素子Ｑ３及び第５のスイッチング素子Ｑ５の図示しないコレクタ電極は、第１の配線層２２に接合されている。第１の配線層２２には、バッテリＢの正極に接合される正極の入力端子としての正極端子２６が接合されている。正極端子２６において、第１の配線層２２に接合される部分には、半田滴下用の貫通孔Ｈ４が形成されている。そして、この貫通孔Ｈ４に供給された半田３０によって正極端子２６は第１の配線層２２に接合されている。これにより、第１のスイッチング素子Ｑ１のコレクタ、第３のスイッチング素子Ｑ３のコレクタ及び第５のスイッチング素子Ｑ５のコレクタは、第１の配線層２２を介してバッテリＢの正極と接続されている。また、第１の配線層２２には、第１のスイッチング素子Ｑ１，第３のスイッチング素子Ｑ３及び第５のスイッチング素子Ｑ５のそれぞれに逆並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５のカソードが接合されている。

第２のスイッチング素子Ｑ２のエミッタ電極Ｅ２、第４のスイッチング素子Ｑ４のエミッタ電極Ｅ４及び第６のスイッチング素子Ｑ６のエミッタ電極Ｅ６は、バスバー２８によって接続されている。バスバー２８には、バッテリＢの負極に接続される負極の入力端子としての負極端子２９が一体に設けられている。したがって、負極端子２９を含むバスバー２８全体が負極の入力端子であると捉えることもできる。そして、負極端子２９は、正極端子２６と上下方向に対向している。すなわち、負極端子２９は、正極端子２６に覆われている。また、バスバー２８は、第２のスイッチング素子Ｑ２、第４のスイッチング素子Ｑ４及び第６のスイッチング素子Ｑ６に逆並列に接続されるダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６のアノードに接続されている。

第２のスイッチング素子Ｑ２の図示しないコレクタ電極は、第２の配線層２３に接合されている。第４のスイッチング素子Ｑ４の図示しないコレクタ電極は、第３の配線層２４に接合されている。第６のスイッチング素子Ｑ６の図示しないコレクタ電極は、第４の配線層２５に接合されている。

第２の配線層２３には、電極板２７の一端が接合されるとともに、電極板２７の他端は、ダイオードＤ１のアノード及び第１のスイッチング素子Ｑ１のエミッタ電極Ｅ１に接合されている。電極板２７において、第２の配線層２３に接合される部分、ダイオードＤ１のアノードに接合される部分及び第１のスイッチング素子Ｑ１のエミッタ電極Ｅ１に接合される部分には半田滴下用の貫通孔Ｈ１が形成されている。そして、この貫通孔Ｈ１に供給された半田３０によって電極板２７は第２の配線層２３、ダイオードＤ１のアノード及び第１のスイッチング素子Ｑ１のエミッタ電極Ｅ１に接合されている。第３の配線層２４には、電極板３１の一端が接合されるとともに、電極板３１の他端は、ダイオードＤ３のアノード及び第３のスイッチング素子Ｑ３のエミッタ電極Ｅ３に接合されている。電極板３１において、第３の配線層２４に接合される部分、ダイオードＤ３のアノードに接合される部分及び第３のスイッチング素子Ｑ３のエミッタ電極Ｅ３に接合される部分には、半田滴下用の貫通孔Ｈ１が形成されている。そして、この貫通孔Ｈ１に供給された半田３０によって、電極板３１は、第３の配線層２４、ダイオードＤ３のアノード及び第３のスイッチング素子Ｑ３のエミッタ電極Ｅ３に接合されている。第４の配線層２５には、電極板３２の一端が接合されるとともに、電極板３２の他端は、ダイオードＤ５のアノード及び第５のスイッチング素子Ｑ５のエミッタ電極Ｅ５に接合されている。電極板３２において、第４の配線層２５に接合される部分、ダイオードＤ５のアノードに接合される部分及び第５のスイッチング素子Ｑ５のエミッタ電極Ｅ５に接合される部分には半田滴下用の貫通孔Ｈ１が形成されている。そして、この貫通孔Ｈ１に供給された半田３０によって、電極板３２は、第４の配線層２５，ダイオードＤ５のアノード及び第５のスイッチング素子Ｑ５のエミッタ電極Ｅ５に接合されている。

これにより、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２、第３のスイッチング素子Ｑ３と第４のスイッチング素子Ｑ４、第５のスイッチング素子Ｑ５と第６のスイッチング素子Ｑ６は、それぞれ直列に接続されている。したがって、上アーム用スイッチング素子と下アーム用スイッチング素子は、電極板２７，３１，３２によって直列接続されている。また、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、それぞれダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列に接続されている。

次に、電極板２７，３１，３２に接合される出力端子３３について図３にしたがって説明する。なお、上アームスイッチング素子は、第１の配線層２２に設けられているため、回路基板２０において、第１の配線層２２と対向する領域を上アーム用スイッチング素子が配置される第１の配置面Ｓ１とする。また、下アーム用スイッチング素子は、第２の配線層２３、第３の配線層２４及び第４の配線層２５に設けられているため、回路基板２０において、第２の配線層２３、第３の配線層２４及び第４の配線層２５と対向する領域を全て含む領域を下アーム用スイッチング素子が配置される第２の配置面Ｓ２とする。第１の配置面Ｓ１と第２の配置面Ｓ２は、各面Ｓ１，Ｓ２に沿う方向に隣り合うとともに、同一面上に位置している。また、第１の配線層２２、第２の配線層２３、第３の配線層２４及び第４の配線層２５は、絶縁基板２１に設けられるため、第１の配置面Ｓ１及び第２の配置面Ｓ２は、絶縁基板２１に対向する領域であると捉えることもできる。また、第１の配置面Ｓ１及び第２の配置面Ｓ２と異なる領域を第３の配置面Ｓ３とする。

図３に示すように、電極板２７，３１，３２には、それぞれ出力端子３３が接合されている。出力端子３３には、電極板２７，３１，３２と接合される部分に半田滴下用の貫通孔Ｈ３が形成されている。そして、貫通孔Ｈ３に供給された半田３０によって出力端子３３が電極板２７，３１，３２に接合されている。

各出力端子３３は、第１の配置面Ｓ１を基準としたときには、第１の配置面Ｓ１に沿う方向に並んで設けられている。また、各出力端子３３は、第２の配置面Ｓ２を基準としたときには、第２の配置面Ｓ２に沿う方向に並んで設けられている。また、出力端子３３は、第１の配置面Ｓ１及び第２の配置面Ｓ２の少なくとも一方を覆うように設けられている（各配線層２２〜２５と対向するように設けられている）。具体的にいえば、電極板２７，３１に接合された出力端子３３は、第１の配置面Ｓ１及び第２の配置面Ｓ２を覆っている。電極板３２に接合された出力端子３３は、第２の配置面Ｓ２を覆っている。出力端子３３は、電極板２７，３１，３２に形成された貫通孔Ｈ１と対向している。したがって、出力端子３３は、電極板２７，３１，３２に形成された貫通孔Ｈ１を覆っている。

ケース１１（第３の配置面Ｓ３）には、樹脂製の端子台４１が設けられている。端子台４１には、制御装置３と電気的に接合される導電材としての第３の電極４２が設けられている。第３の電極４２は、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲート電極Ｇ１〜Ｇ６とワイヤＷを介して接続されている。これにより、制御装置３と、ゲート電極Ｇ１〜Ｇ６は電気的に接合されている。

次に、本実施形態のインバータ装置１０の製造方法について説明する。
まず、回路基板２０の各配線層２２〜２５のそれぞれに、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタ電極、ダイオードＤ１〜Ｄ６のカソードを接合する。次に、第２のスイッチング素子Ｑ２のエミッタ電極Ｅ２、第４のスイッチング素子Ｑ４のエミッタ電極Ｅ４、第６のスイッチング素子Ｑ６のエミッタ電極Ｅ６及びダイオードＤ２，Ｄ４，Ｄ６のアノード上にバスバー２８を載置する。更に、第１のスイッチング素子Ｑ１のエミッタ電極Ｅ１、ダイオードＤ１のアノード及び第２の配線層２３上に電極板２７を載置する。更に、第３のスイッチング素子Ｑ３のエミッタ電極Ｅ３、ダイオードＤ３のアノード及び第３の配線層２４上に電極板３１を載置する。更に、第５のスイッチング素子Ｑ５のエミッタ電極Ｅ５、ダイオードＤ５のアノード及び第４の配線層２５上に電極板３２を載置する。

そして、回路基板２０が加熱された状態で、電極板２７，３１，３２に形成された貫通孔Ｈ１及びバスバー２８に形成された貫通孔Ｈ２に半田を滴下する。その後、回路基板２０を冷却して、半田を凝固させることで、電極板２７，３１，３２及びバスバー２８が接合される。

次に、電極板２７，３１，３２に出力端子３３を載置する。そして、出力端子３３の貫通孔Ｈ３に半田を滴下する。すなわち、出力端子３３は、電極板２７，３１，３２が接合された後に、電極板２７，３１，３２に接合される。

次に、正極端子２６を第１の配線層２２に配置する。そして、正極端子２６の貫通孔Ｈ４に半田を滴下する。
なお、電極板２７，３１，３２に形成された貫通孔Ｈ１及びバスバー２８に形成された貫通孔Ｈ２に半田を滴下する工程及び正極端子２６の貫通孔Ｈ４に半田を滴下する工程を組み合わせて同時に行ってもよい。また、出力端子３３の貫通孔Ｈ３に半田を滴下する工程及び正極端子２６の貫通孔Ｈ４に半田を滴下する工程を組み合わせて同時に行ってもよい。

次に、第３の電極４２が設けられた樹脂製の端子台４１をケース１１上に接着材によって取り付ける。そして、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲート電極Ｇ１〜Ｇ６と、第３の電極４２にワイヤＷを超音波接合することで、ゲート電極Ｇ１〜Ｇ６と第３の電極４２が接合される。

次に、比較例のインバータ装置１００について説明する。
図４に示すように、インバータ装置１００の電極板２７，３１，３２それぞれには、出力端子１０１が一体に設けられている。電極板２７，３１，３２に出力端子１０１を一体で設けられる場合、出力端子１０１が電極板２７に形成された貫通孔Ｈ１を覆うと、貫通孔Ｈ１に半田を滴下できない。このため、電極板２７，３１，３２に形成された貫通孔Ｈ１と出力端子１０１が対向しないように出力端子１０１を設ける必要がある。したがって、出力端子１０１を負荷（三相モータＭＧ）に接続するためには、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の間隔を広げてスペースを確保し、そのスペースに出力端子１０１を設けたり、回路基板２０の外側を迂回して出力端子１０１を設ける必要がある。このため、インバータ装置１００全体の投影面積が増加してしまい、インバータ装置１００が収容されるケース１１の大型化や、インバータ装置１００をモールドする場合には、モールドに必要となる樹脂の量が増加してしまう。

次に、本実施形態のインバータ装置１０の作用について説明する。
インバータ装置１０において、負荷に接続される出力端子３３は、基準面となる第１の配置面Ｓ１又は第２の配置面Ｓ２に沿う方向に並んで設けられているため、出力端子３３は高さ方向に突出していない。また、出力端子３３は、第１の配置面Ｓ１及び第２の配置面Ｓ２の一方を覆うように設けられているため、インバータ装置１０の投影面積も増加していない。

したがって、上記実施形態によれば以下のような効果を得ることができる。
（１）負荷（三相モータＭＧ）に接続される出力端子３３は、基準面となる第１の配置面Ｓ１又は第２の配置面Ｓ２に沿う方向に並んで設けられている。このため、複数の出力端子３３が高さ方向に並ぶことはなく、インバータ装置１０の高さ方向への大型化が抑えられている。また、電極板２７，３１に接合された出力端子３３は、第１の配置面Ｓ１及び第２の配置面Ｓ２を覆うように設けられ、電極板３２に接合された出力端子３３は、第２の配置面Ｓ２を覆うように設けられることから、出力端子３３は、インバータ装置１０の平面視での外形内に収められる。よって、インバータ装置１０の投影面積が増加しない。したがって、インバータ装置１０の大型化が抑えられ、インバータ装置１０の搭載性を向上させることができる。

（２）正極端子２６は、負極端子２９を覆っている。したがって、２つの入力端子を流れる電流の向きが逆向きになることから、相互誘導作用によって、インダクタンスが低減する。

（３）上アーム用スイッチング素子及び下アーム用スイッチング素子は、それぞれ３個ずつ設けられている、したがって、インバータ装置１０を三相のインバータ装置とすることができる。

（４）端子台４１は、出力端子３３が、それぞれ電極板２７，３１，３２に半田３０で接合された後に第３の配置面Ｓ３に接着材で固定される。したがって、加熱装置によって半田を加熱しながら、出力端子３３を電極板２７，３１，３２に接合するときには、端子台４１が存在しない。このため、出力端子３３を電極板２７，３１，３２に接合する工程で端子台４１が加熱されることで端子台４１を形成する樹脂が溶融することがない。

（５）電極板２７，３１，３２と出力端子３３を別部材とすることで、電極板２７，３１，３２を配線層２３，２４，２５、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及びダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５に接合したあとに、電極板２７，３１，３２のそれぞれに出力端子３３，を接合することができる。したがって、出力端子３３を電極板２７，３１，３２に接合するときには、電極板２７，３１，３２は既に配線層２３，２４，２５、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５及びダイオードＤ１，Ｄ３，Ｄ５に接合されているため、出力端子３３を電極板２７，３１，３２の貫通孔Ｈ１と対向させて接合することができる。このため、出力端子３３を第１の配置面Ｓ１及び第２の配置面Ｓ２内に設けることができ、出力端子３３を設けるために、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の間にスペースを設ける必要がない。同様に、出力端子３３を回路基板２０の外側を迂回させる必要もない。したがって、電極板２７，３１，３２に出力端子を一体で設ける場合に比べて、インバータ装置１０が小型化される。したがって、インバータ装置１０を収容するためのケース１１を小型化や、インバータ装置１０をモールドするために必要とする樹脂の量が低減する。

なお、実施形態は、以下のように変更してもよい。
○ 実施形態において、スイッチング素子の並列数を増やしてもよい。例えば、三相の場合は、スイッチング素子の数は３の倍数になる。

○ 実施形態において、正極端子２６は、負極端子２９の一部を覆っていてもよい。また、正極端子２６が負極端子２９を覆っていなくてもよい。
○ 実施形態において、インバータ装置１０として単層インバータ装置を用いてもよい。この場合、上アーム用スイッチング素子及び下アーム用スイッチング素子は２個ずつ設けられる。

○ 実施形態において、出力端子３３は、第１の配置面Ｓ１及び第２の配置面Ｓ２の両方を覆っていてもよい。
○ 実施形態において、ゲート電極Ｇ１〜Ｇ６と第３の電極４２を接続するワイヤＷは、樹脂が溶融しない温度で接合できればよく、他の方法で接合されていてもよい。

○ 実施形態において、電極板２７と出力端子３３は、一体の部品でもよい。
○ 実施形態において、交流電源を用いてもよい。この場合、交流電源と負荷との間に整流器を設けて交流電力を直流電力に変換してインバータ装置１０に供給する。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記電極板には、半田が滴下される貫通孔が形成され、前記出力端子は、前記電極板が前記貫通孔に供給された半田によって接合された後に前記電極板に接合されることを特徴とする請求項１〜請求項４のうちいずれか１項に記載のインバータ装置。

Ｑ１〜Ｑ６…スイッチング素子、Ｗ…ワイヤ、Ｓ１…第１の配置面、Ｓ２…第２の配置面、Ｓ３…第３の配置面、３…制御装置、１０…インバータ装置、２６…正極の入力端子としての正極端子、２７，３１，３２…電極板、２９…負極の入力端子としての負極端子、３０…半田、３３…出力端子、４１…端子台、４２…導電材としての第３の電極。

Claims (4)

1. 電源に接続される正極及び負極の入力端子と、
   複数の上アーム用スイッチング素子と、
   複数の下アーム用スイッチング素子と、
   負荷に接続される出力端子と、を備え、複数の上アーム用スイッチング素子は、第１の配置面上に配置されるとともに、複数の下アーム用スイッチング素子は、前記第１の配置面に沿う方向に隣り合う第２の配置面上に配置され、前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子のスイッチング動作によって直流電力を交流電力に変換して前記負荷に出力するインバータ装置であって、
   前記上アーム用スイッチング素子と前記下アーム用スイッチング素子は、電極板によって直列接続されており、
   前記第１の配置面と前記第２の配置面は、各面に沿う方向に隣り合うとともに、同一面上に位置しており、
   前記電極板には、該電極板と別構成の前記出力端子が接合されており、該出力端子が前記第１の配置面と前記第２の配置面に沿う方向に並んで設けられているとともに、前記第１の配置面及び前記第２の配置面の少なくとも一方を覆う状態で配設されていることを特徴とするインバータ装置。
2. 前記正極の入力端子は、前記負極の入力端子の少なくとも一部を覆っている請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子はそれぞれ３個配置される請求項１又は請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記第１の配置面及び前記第２の配置面と異なる第３の配置面には、前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子の制御を行う制御装置と電気的に接続される導電材を有する樹脂製の端子台が配置されており、前記上アーム用スイッチング素子及び前記下アーム用スイッチング素子と前記導電材とがワイヤを介した状態で接合されている請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載のインバータ装置。