JP6185402B2

JP6185402B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6185402B2
Application number: JP2014025567A
Authority: JP
Inventors: 智史井口
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2017-08-23
Anticipated expiration: 2034-02-13
Also published as: JP2015154558A

Description

本発明は、１以上の半導体モジュールとコンデンサとを備えた電力変換装置に関し、特に、半導体モジュールとコンデンサとの電気的接続に関する。

直流電力を交流電力に変換し、また逆に交流電力を直流電力に変換する電力変換回路、いわゆるインバータが知られている。また、直流電圧を昇圧または降圧する電力変換回路、いわゆる昇圧または降圧コンバータが知られている。このような、電力の特性（交流／直流、電圧等）を変換する電力変換回路を１以上組み合わせて一体として一つの電力変換装置を構成する場合がある。

電力変換装置の使用例として、回転電機を備えた車両、例えばハイブリッド車両や電気自動車が知られている。かかる車両では、回転電機を駆動源（電動機）として用いたり、車両の慣性により回転軸を駆動して発電を行う発電機として用いたりする。この回転電機を、車両に搭載された二次電池等の直流電源により駆動するために、また回転電機で回生された電力を二次電池に充電するためにインバータが用いられている。また、二次電池の端子電圧を昇圧して電動機に供給するために昇圧コンバータを備える場合もある。さらに、回転電機を２機備えるハイブリッド車両も知られ、この場合、２機の電動機のそれぞれに対応してインバータが用いられる。

かかる電力変換装置では、１以上の半導体モジュールやコンデンサ、リアクトル等が設けられている。各半導体モジュールとコンデンサは、各半導体モジュールから突出する端子、および、コンデンサから突出するバスバを互いに接続することで電気的に接続される。こうした半導体モジュールとコンデンサとの電気的接続に関する技術は、特許文献１〜３等に開示されている。

特開２００６−２９５９９７号公報特開２０１１−１５１９９２号公報特開２０１１−１０９７６７号公報

ところで、コンデンサからは、二種類のバスバ、すなわち、正極バスバおよび負極バスバが延びているが、レイアウトの関係上、この二種類のバスバのうち一方のバスバは、他方のバスバよりも経路長が長くなる。その結果、一方のバスバは、他方のバスバに比べて、剛性が低下する。振動などの外力が付加された場合、この剛性の乏しい一方のバスバ、特に、最も剛性の乏しい一方のバスバの先端部分（すなわち対応する極の端子との接続部分）に、応力が集中するという問題があった。

特に、近年は、スペースの有効活用の観点から、電力変換装置を、トランスアクスルのケース上に設置することが提案されている。トランスアクスルは、回転電機とこれらの出力軸に連結されるギヤ列をユニット化したものである。この場合、トランスアクスルの駆動に伴い生じた振動が、電力変換装置にも伝達され、コンデンサおよび半導体モジュールがそれぞれ振動する。その結果、一方のバスバと端子との接続部における応力集中の問題がより深刻になっていた。

そこで、本発明では、バスバと端子との接続部における応力集中を効果的に防止できる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の電力変換装置は、１以上の半導体モジュールと、前記１以上の半導体モジュールと電気的に接続されるコンデンサと、を備えた電力変換装置であって、前記コンデンサは、互いに経路長が異なる正極バスバおよび負極バスバを有し、各半導体モジュールは、前記正極バスバに接続される正極端子および前記負極バスバに接続される負極端子を有し、前記正極端子および負極端子のうち、前記経路長の長いバスバに接続される端子は、経路長の短いバスバに接続される端子より、前記端子が前記半導体モジュールから前記バスバとの接続部分に向かって延びる方向と垂直な方向で前記端子を切断したときの断面積が大きい、ことを特徴とする。

好適な態様では、前記正極端子および負極端子のうち、前記経路長の長いバスバに接続される端子は、経路長の短いバスバに接続される端子より、幅が大きい。他の好適な態様では、前記正極端子および負極端子は、並んで配設されるとともに、前記配設方向に直交する方向に延びており、前記正極バスバおよび負極バスバは、前記正極端子および負極端子の配設方向に向かって延びて対応する極の端子に接続される。他の好適な態様では、前記半導体モジュールは、複数積層されており、前記コンデンサは、複数の半導体モジュールから延びる正極端子および負極端子に接続される複数の正極バスバおよび複数の負極バスバを有しており、同極の複数のバスバは、一枚の導体板を屈曲して構成される。

本発明によれば、経路長の長い極のバスバと接続される端子の断面積を大きくしているため、当該極の接続経路全体としての剛性を高めることができる。結果として、正極の接続経路の剛性および負極の接続経路の剛性が均一化されるため、接続部における応力集中を効果的に防止できる。

本発明の実施形態である電力変換装置を含む制御システムの回路構成図である。電力変換装置の一部の概観を示す斜視図である。半導体モジュールの積層方向に直交する断面図である。屈曲前の正極バスバを示す図である。屈曲前の負極バスバを示す図である。屈曲後の正極バスバおよび負極バスバを示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の電力変換装置１０を含む制御システムの回路構成図である。図１は、ハイブリッド車両の駆動用原動機としての第一および第二回転電機７２，７４を駆動する制御システムを示す図である。二つの回転電機７２，７４は、二次電池７０からの電力により回転駆動され、また回転電機７２，７４により発電された電力が二次電池７０に充電される。この駆動および充電を行うのが電力変換装置１０である。電力変換装置１０は、二次電池７０の電圧を昇圧する昇圧コンバータ１２と、二次電池７０の直流電力を三相交流電力に変換し、また回転電機７２，７４の発電した交流電力を直流電力に変換するインバータ１６，１８とを含む。第一回転電機７２に対して第一インバータ１６が、第二回転電気７４に対して第二インバータ１８が設けられている。昇圧コンバータ１２は、電圧という電力の特性値を変換する電力変換装置または回路であり、インバータ１６，１８は、交流、直流という電力の特性を変換する電力変換装置または回路である。この実施形態の二つの回転電機７２，７４は、いずれも電動機、発電機として機能するが、電動機および発電機のいずれか一方として機能する回転電機であってもよい。

昇圧コンバータ１２は、リアクトル２０とＩＧＢＴ等のパワートランジスタを含む半導体モジュール３０を有する。半導体モジュール３０は、インバータ１６，１８の正極端子と接続される正極端子３２、インバータ１６，１８の負極端子と接続される負極端子３４、リアクトル２０と接続される出力端子３６を有する。

第一インバータ１６および第二インバータ１８は、ほぼ同じ構成となっている。すなわち、第一、第二インバータ１６，１８は、ＩＧＢＴ等のパワートランジスタを含む同一構造の三つの半導体モジュール３０を有する。三つの半導体モジュール３０の各々は、回転電機７２，７４に供給される三相交流電力の各相に対応している。半導体モジュール３０は、正極端子３２、負極端子３４および出力端子３６を有する。三つの半導体モジュール３０の正極端子３２同士は母線３８により接続され、さらに母線３８により昇圧コンバータ１２の正極端子３２とも接続される。一方、三つの半導体モジュール３０の負極端子３４同士は、母線４０により接続され、さらに母線４０により昇圧コンバータ１２の負極端子３４とも接続される。三つの出力端子３６は、それぞれ回転電機７２，７４のコイルに電力を供給する三相の動力線に接続される。

母線３８と母線４０の間には、平滑用のコンデンサ１４が配置される。さらに、昇圧コンバータ１２、第一および第二インバータ１６，１８の動作を制御する制御装置４９を電力変換装置１０は備える。制御装置４９は、各半導体モジュール３０のパワートランジスタを制御することにより、昇圧コンバータ１２、第一および第二インバータ１６，１８の動作を制御する。

図２は、電力変換装置１０の一部の概観を示す斜視図である。また、図３は、半導体モジュール３０の積層方向に直交する断面を示す図である。

図２に示すように、各半導体モジュール３０は、その厚み方向に積層されている。好適には、各半導体モジュール３０は、等ピッチで積層される。本実施形態では、第一インバータ１６に属する３個の半導体モジュール３０と、第二インバータ１８に属する３個の半導体モジュール３０が積層方向両側に配置され、これらの間に昇圧コンバータ１２に属する１個の半導体モジュール３０が配置されている。第一および第二インバータ１６，１８に属する半導体モジュール３０は、三相交流電力の相数に対応して３個でセットであるが、昇圧コンバータ１２については、半導体モジュール３０の個数は１個に限定されない。半導体モジュール３０の数を決定するのは、半導体モジュール３０に属するトランジスタ等の素子の許容電流値に因る。半導体モジュール３０の数を増やすことにより、１個当たりの電流を減らすことができ、使用条件に基づき、モジュールの個数が決定される。

ＩＧＢＴ等の半導体モジュール３０の構成要素は、ケース内に収容されて、モジュール化されている。半導体モジュール３０の外観は共通である。各半導体モジュール３０の上面からは奥側（コンデンサ１４側）から順に、正極端子３２、負極端子３４、出力端子３６が突出している。各端子３２，３４，３６は、端子の配設方向および積層方向と直交する方向に延びている。また、三つの端子３２，３４，３６は、いずれも、積層方向と直交する同一平面内で並んで配設されている。したがって、半導体モジュール３０が等ピッチで積層される場合、各端子３２，３４，３６も等ピッチで配列される。

電力変換装置１０には、更に、各半導体モジュール３０を冷却する冷却器が設けられている。冷却器は、各半導体モジュール３０を挟むように配置される冷却板２２と送液管２３，２４を含む。冷却板２２は中空であり、内部の空間は送液管２３，２４と連通している。一方の送液管２３から送られた冷却液は、複数ある冷却板２２に分配され、各冷却板２２内を流れて、もう一方の送液管２４に達する。冷却板２２を流れる冷却液が半導体モジュール３０から熱を奪い、これらの半導体モジュール３０が冷却される。送液管２４に集まった冷却液は、送液管２４を介して不図示の放熱器に送られ、放熱後再び送液管２３により冷却板２２に送られる。

半導体モジュール３０の側方には、コンデンサ１４が配置されている。コンデンサ１４の端面からは、半導体モジュール３０の正極端子３２に接続される複数の正極バスバ４６、および、負極端子３４に接続される複数の負極バスバ４８が突出している。この複数の正極バスバ４６および複数の負極バスバ４８は、コンデンサ１４と一体化されている。正極バスバ４６および負極バスバ４８は、いずれも対応する極の端子に接続されるバスバであり、半導体モジュール３０と同じ個数分だけ設けられている。

正極バスバ４６は、固定台２６上面に固定され、支持される。負極バスバ４８は、固定台２６の下面に固定され、支持されている。正極バスバ４６はコンデンサ１４内部の正極端子に接続され、負極バスバ４８はコンデンサ１４内部の負極端子に接続されている。コンデンサ１４の正極端子および負極端子は、コンデンサケース１４ａに収められるコンデンサ１４に、ケース内部で接続されている。

ここで、図２から明らかなとおり、複数の正極バスバ４６は、半導体モジュール３０の積層方向に間隔をあけて並んでおり、各正極バスバ４６は、端子の配設方向に延びている。換言すれば、各正極バスバ４６は、正極端子３２と直交する方向に延びており、正極端子３２と略９０度を成す状態で正極端子３２に接続（容着や締結等）される。

複数の正極バスバ４６は、一枚の導体板に切り込みを形成し、屈曲させることで構成されている。図４は、複数の正極バスバ４６を構成する正極導体板５０の一例を示す図である。正極導体板５０は、コンデンサ１４の正極端子に接続され、コンデンサ１４とともにコンデンサケース１４ａ内に収容される導体板である。この正極導体板５０の一端には、複数の切り込みが形成されており、この切り込みにより、片持ち梁状の複数の正極バスバ４６が形成される。正極バスバ４６は、正極導体板５０の一辺５０ａから延長するように延びており、その延長方向に延びる折れ線４６ａに沿って略９０度屈曲させられる。その結果、各正極バスバ４６は、半導体モジュール３０の正極端子３２とほぼ同一平面に位置することになる。この正極バスバ４６の先端と、正極端子３２の先端を互いに接続することで、各半導体モジュール３０の正極端子３２とコンデンサ１４の正極端子４２が電気的に接続される。

ここで、当然ながら、複数の正極バスバ４６の配設ピッチは、正極端子３２の配設ピッチ（半導体モジュール３０の積層ピッチ）と同じである。また、屈曲前の段階において、複数の正極バスバ４６は、半導体モジュール３０の積層方向と平行な平面内にある。そのため、複数の正極バスバ４６の幅は、半導体モジュール３０の積層ピッチを超えない値に制限される。

複数の負極バスバ４８も、正極バスバ４６と同様に、一枚の導体板に切り込みを形成し、屈曲させることで構成される。ただし、本実施形態では、半導体モジュール３０の負極端子３４は、正極端子３２よりもコンデンサ１４から離れている。そのため、負極バスバ４８は、正極バスバ４６よりも長くなっている。また、負極バスバ４８は、正極バスバ４６および正極端子３２との干渉を避けるために、その屈曲の態様が正極バスバ４６と若干異なる。これについて図５、図６を参照して説明する。図５は、複数の負極バスバ４８を構成する負極導体板５２の一例を示す図である。また、図６は、屈曲させた正極バスバ４６および負極バスバ４８を重ねた際の図である。正極バスバ４６と同様に、負極バスバ４８は、負極導体板５２の一辺５２ａから延長するように延びている。コンデンサ１４から延びた負極バスバ４８は、正極端子３２を超えた位置で、折れ線４８ａに沿って略９０度屈曲させられた後、さらに、複数の折れ線４８ｂに沿って屈曲させられる。これにより、図６に示すように、負極バスバ４８は、正極端子３２および負極端子３４と同一平面に位置する。そして、この負極バスバ４８の先端と、負極端子３４の先端を互いに接続することで、各半導体モジュール３０の負極端子３４とコンデンサ１４の負極端子４４が電気的に接続される。なお、負極バスバ４８の幅も、正極バスバ４６と同様に、半導体モジュール３０の積層ピッチを超えない値に制限される。

なお、ここで説明した正極バスバ４６および負極バスバ４８の形状は一例であり、コンデンサ１４から、半導体モジュール３０の端子配設方向に延びて、対応する極の端子３２，３４に接続されるのであれば、各バスバ４６，４８の形状は適宜変更されてもよい。ただし、いずれの場合でも、正極バスバ４６、負極バスバ４８の幅は、必ず、半導体モジュール３０の積層ピッチ以下に限定される。

ところで、これまでの説明で明らかな通り、本実施形態では、半導体モジュール３０の負極端子３４が、正極端子３２よりもコンデンサ１４から離れているため、当該負極端子３４に接続される負極バスバ４８の経路長が、正極バスバ４６よりも長くなってしまう。その結果、負極バスバ４８は、正極バスバ４６に比べて、剛性が低下する。振動などの外力が付加された場合、この剛性の乏しい負極バスバ４８、特に、最も剛性の乏しい負極バスバ４８の先端部分（すなわち負極端子３４との接続部分）に、応力が集中するという問題があった。

特に、近年は、スペースの有効活用の観点から、電力変換装置１０を、トランスアクスルのケース上に設置することが提案されている。この場合、トランスアクスルの駆動に伴い生じた振動が、電力変換装置１０にも伝達され、コンデンサ１４および半導体モジュール３０がそれぞれ振動する。その結果、負極端子３４と負極バスバ４８との接続部における応力集中の問題がより深刻になっていた。

かかる問題を避けるためには、負極バスバ４８の幅を広げて、負極バスバ４８の剛性を向上させることが考えられる。しかし、既述した通り、複数の負極バスバ４８は、一枚の負極導体板５２から構成されており、複数の負極バスバ４８の幅は、半導体モジュール３０の積層ピッチを超えることはできない。特に、近年は、電力変換装置１０の小型化のために、半導体モジュール３０の積層ピッチは、極力小さく抑えられており、負極バスバ４８の幅を広げる余裕は、殆ど無くなっている。

そこで、本実施系形態では、負極バスバ４８の幅を広げることなく、上述したような応力の集中を避けるために、経路長が長く、強度に乏しい負極バスバ４８と接続される負極端子３４の幅Ｗｎを、正極端子３２の幅Ｗｐよりも大きくしている。より具体的には、負極端子３４の幅Ｗｎを、負極端子３４と負極バスバ４８から構成される負極接続経路全体としての剛性が、正極端子３２と正極バスバ４６から構成される正極接続経路全体としての剛性と、ほぼ同じになるように大きくする。かかる構成とすることで、接続経路全体としての剛性が均一化されるため、一方の接続経路への応力の集中が防止される。その結果、負極バスバ４８にかかるストレスが軽減され、負極バスバ４８の破損や、接続部の破損が効果的に防止される。また、一方の接続経路への応力集中が防止されることにより、各端子３４，３６、各バスバ４６，４８に入力されるストレスを均等に分散でき、これら端子、バスバの薄肉化等も可能となる。さらに、断面積が等しい場合には、経路長の長い接続経路のほうが電気抵抗が大きくなるが、本実施形態では、経路長の長い負極の端子３４の幅Ｗｎを大きくしているため、負極、正極での接続経路の電気抵抗の差も小さくすることができる。さらに、負極端子３４の肉厚を変えず、幅Ｗｎだけを変えるのであれば、負極端子３４と正極端子３２を同一肉厚の導体板から製造することができ、材料の共通化も可能となる。

ただし、当然ながら、負極端子３４の幅Ｗｎを大きくすることに加えて、あるいは、替えて、負極端子３４の肉厚を大きくするようにしてもよい。この場合であっても、負極の接続経路全体としての剛性は向上するため、正極、負極で接続経路全体としての剛性を均一化でき、ひいては、一方への応力集中を防止できる。また、負極端子３４の幅Ｗｎを大きくすることに加え、さらに、負極端子３４を正極端子３２に比べて短くしてもよい。負極端子３４が短くなれば、その分、負極端子３４の剛性が向上するため、正極、負極で接続経路全体としての剛性を均一化でき、ひいては、一方への応力集中を防止できる。さらに、負極端子３４の幅Ｗｎを大きくすることに加えて、負極バスバ４８の肉厚を大きくしてもよい。この場合でも、負極の接続経路全体としての剛性を向上することができる。

また、上述した例では、負極端子３４が正極端子３２よりもコンデンサ１４から離れているが、この配置は逆であってもよい。正極端子３２を負極端子３４よりもコンデンサ１４から離した場合、正極バスバ４６が、負極バスバ４８よりも長くなる。したがって、この場合には、正極端子３２の幅Ｗｐを大きくすればよい。

いずれにしても、経路長が長いバスバと接続される端子の断面積を、経路長が短いバスバと接続される端子の断面積よりも大きくすることで、正極接続経路、負極接続経路の剛性を均一化でき、一方の接続経路への応力集中を防止できる。

１０電力変換装置、１２昇圧コンバータ、１４コンデンサ、１６，１８インバータ、２０リアクトル、２２冷却板、２３，２４送液管、３０半導体モジュール、３２正極端子、３４負極端子、３６出力端子、３８，４０母線、４６正極バスバ、４８負極バスバ、４９制御装置、５０正極導体板、５２負極導体板、７０二次電池、７２，７４回転電機。

Claims

１以上の半導体モジュールと、前記１以上の半導体モジュールと電気的に接続されるコンデンサと、を備えた電力変換装置であって、
前記コンデンサは、互いに経路長が異なる正極バスバおよび負極バスバを有し、
各半導体モジュールは、前記正極バスバに接続される正極端子および前記負極バスバに接続される負極端子を有し、
前記正極端子および負極端子のうち、前記経路長の長いバスバに接続される端子は、経路長の短いバスバに接続される端子より、前記端子が前記半導体モジュールから前記バスバとの接続部分に向かって延びる方向と垂直な方向で前記端子を切断したときの断面積が大きい、
ことを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記正極端子および負極端子のうち、前記経路長の長いバスバに接続される端子は、経路長の短いバスバに接続される端子より、幅が大きい、ことを特徴とする電力変換装置。
請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
前記正極端子および負極端子は、並んで配設されるとともに、前記配設方向に直交する方向に延びており、
前記正極バスバおよび負極バスバは、前記正極端子および負極端子の配設方向に向かって延びて対応する極の端子に接続される、
ことを特徴とする電力変換装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
前記半導体モジュールは、複数積層されており、
前記コンデンサは、複数の半導体モジュールから延びる正極端子および負極端子に接続される複数の正極バスバおよび複数の負極バスバを有しており、
同極の複数のバスバは、一枚の導体板を屈曲して構成される、
ことを特徴とする電力変換装置。