JP6303961B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続した一対の直流バスバーと、これらを収納するケースとを備える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、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールに接続した一対の直流バスバーとを備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。この電力変換装置は、上記半導体モジュールをスイッチング動作させることにより、上記一対の直流バスバーを介して直流電源から供給される直流電力を、交流電力に変換するよう構成されている。

一対の直流バスバーは、互いに対向するよう配され、これらの間に絶縁用の空隙を設けつつ保持されている。これら一対の直流バスバーを、互いになるべく接近させることにより、該直流バスバーに寄生するインダクタンスが小さくなるようにしてある。

また、上記半導体モジュール及び上記直流バスバーは、半導体モジュールを冷却する冷却器と、板ばね等の加圧部材と共に、ケース内に収納されている。この加圧部材によって、半導体モジュールと冷却器との積層体を、ケースの壁部に押し当てて固定している。これにより、半導体モジュールと冷却器とを密着させ、半導体モジュールの冷却効率を高めている。

上記加圧部材を用いると、ケースの壁部に、加圧部材の加圧力が加わることになる。そのため、この加圧力によって変形しないように、ケースには、高い剛性が要求される。

特開２０１１−１１４１９３号公報

しかしながら、上記電力変換装置は、加圧部材の加圧力に対して、ケースが必ずしも充分な剛性を備えているとは言えなかった。そのため、より剛性が高く、変形しにくいケースを備えた電力変換装置が望まれている。

また、上述したように、上記電力変換装置では、インダクタンスを低減するために、一対の直流バスバーを相対向配置し、互いに接近させている。直流バスバーの間隔が狭いほど、インダクタンスを低減できる。しかしながら、上記電力変換装置では、一対の直流バスバーの間に上記空隙を設けることによって、直流バスバー同士を絶縁している。そのため、直流バスバーの間隔を狭くしすぎると、外部から振動が伝わった場合等に直流バスバーが揺動し、互いに接触する可能性がある。したがって上記電力変換装置は、直流バスバー間の間隔を狭くするのに限界があり、インダクタンスを充分に低減できないという問題があった。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、ケースの剛性を高めることができ、直流バスバーに寄生するインダクタンスをより低減できる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器とからなる構造体と、
上記半導体モジュールに接続し、直流電源と上記半導体素子との間における直流電流の経路をなすと共に、互いに対向した一対の直流バスバーと、
上記構造体及び上記一対の直流バスバーを収納するケースと、
該ケースに収納され、上記構造体を加圧することにより、該構造体を上記ケース内に固定すると共に、上記半導体モジュールと上記冷却器とを密着させる加圧部材とを備え、
上記構造体と上記加圧部材と上記一対の直流バスバーとは、上記ケースを構成する壁部のうち互いに対向する一対の被加圧壁部の間に介在し、上記加圧部材の加圧力が上記一対の被加圧壁部に加わっており、
上記ケース内に、上記一対の被加圧壁部を繋ぐ補強リブが形成され、
該補強リブは、上記一対の直流バスバーの間に設けられ、上記直流バスバーと上記補強リブとの間に、これらを絶縁する絶縁層が介在していることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、上記ケース内に、上記一対の被加圧壁部を繋ぐ補強リブを設けてある。そのため、ケースの剛性を高めることができ、上記加圧部材の加圧力が加わってケースが変形することを抑制できる。

また、上記電力変換装置においては、補強リブを、上記一対の直流バスバーの間に設けてある。そして、直流バスバーと補強リブとの間に、これらを絶縁する絶縁層を設けてある。
そのため、外部からの振動によって一対の直流バスバーが揺動しても、これらの間に補強リブ及び絶縁層を設けてあるため、直流バスバー同士が互いに接触することを防止できる。したがって、従来のように、一対の直流バスバーの間に単に空隙を設けた場合よりも、直流バスバー間の間隔を狭くすることができ、直流バスバーに寄生するインダクタンスを低減することができる。

以上のごとく、本発明によれば、ケースの剛性を高めることができ、かつ直流バスバーに寄生するインダクタンスを低減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、電力変換装置の断面図であって、図２のI-I断面図。 図１のII-II断面図。 図１のIII-III断面図。 図２のIV-IV断面図。 実施例１における、直流バスバーの斜視図。 図１の要部拡大図。 図６のVII-VII断面図。 実施例１における、ケースの分解斜視図。 実施例１における、電力変換装置の回路図。 実施例２における、電力変換装置の拡大断面図。 実施例３における、電力変換装置の拡大断面図であって、図１２のXI-XI断面図。 図１1のXII矢視図。

上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載される、車載用電力変換装置とすることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置に係る実施例について、図１〜図９を用いて説明する。図１〜図４に示すごとく、本例の電力変換装置１は、半導体モジュール２と冷却器３とからなる構造体１０と、加圧部材４と、一対の直流バスバー６（６ｐ，６ｎ）と、これらを収納するケース５とを備える。

半導体モジュール２には半導体素子２０（図９参照）が内蔵されている。冷却器３は半導体モジュール２を冷却している。直流バスバー６は、半導体モジュール２に接続しており、直流電源８（図９参照）と半導体素子２０との間における直流電流の経路をなしている。一対の直流バスバー６は、互いに対向するよう配されている。加圧部材４は、構造体１０を加圧している。これにより、構造体１０をケース５内に固定すると共に、半導体モジュール２と冷却器３とを密着させている。

構造体１０と加圧部材４と一対の直流バスバー６とは、ケース５を構成する壁部のうち互いに対向する一対の被加圧壁部５１，５２の間に介在している。加圧部材４は、被加圧壁部５１，５２の壁厚方向（Ｘ方向）に、上記構造体１０を加圧している。加圧部材４の加圧力Ｆが、一対の被加圧壁部５１，５２に加わっている。

ケース５内には、一対の被加圧壁部５１，５２を繋ぐ補強リブ５３が形成されている。
図６、図７に示すごとく、補強リブ５３は、一対の直流バスバー６の間に設けられている。直流バスバー６と補強リブ５３との間には、これらを絶縁する絶縁層７が介在している。

本例の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。

図９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を備える。該半導体モジュール２に内蔵された半導体素子２０（ＩＧＢＴ素子）によって、インバータ回路２００を構成してある。また、本例の電力変換装置１は、コンデンサ１１を備える。このコンデンサ１１によって、直流電源８の直流電圧を平滑化している。そして、半導体素子２０をスイッチング動作させることにより、直流電力を交流電力に変換し、得られた交流電力を用いて、三相交流モータ８１を駆動するよう構成されている。これにより、上記車両を走行させている。

図４に示すごとく、本例では、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３０とを積層してある。複数の冷却管３０によって、上記冷却器３を構成している。ケース５は、第１被加圧壁部５１と第２加圧壁部５２とを備える。第１加圧壁部５１と構造体１０との間に、加圧部材４（板ばね）が配されている。この加圧部材４によって、構造体１０を第２被加圧壁部５２に押し当てている。これにより、冷却管３０と半導体モジュール２との接触圧を確保しつつ、構造体１０をケース５内に固定している。

個々の半導体モジュール２は、図２に示すごとく、半導体素子２０を内蔵する本体部２１と、該本体部２１から突出するパワー端子２２と、制御端子２３とを備える。パワー端子２２には、直流電圧が加わる正極端子２２ｐ及び負極端子２２ｎと、三相交流モータ８１に接続される交流端子２２ｃとがある。正極端子２２ｐ及び負極端子２２ｎに、上記直流バスバー６が接続している。交流端子２２ｃには、交流バスバー１３１が接続している。

制御端子２３は、制御回路基板１８に接続している。この制御回路基板１８によって、半導体素子２０をスイッチング動作させている。これにより、正極端子２２ｐ及び負極端子２２ｎから供給される直流電力を交流電力に変換し、交流端子２２ｃから出力している。

図６、図７に示すごとく、直流バスバー６には、直流電源８（図９参照）の正電極８０１と半導体モジュール２との間の電流経路をなす正極バスバー６ｐと、直流電源８の負電極８０２と半導体モジュール２との間の電流経路をなす負極バスバー６ｎとがある。これら正極バスバー６ｐ及び負極バスバー６ｎは、後述するコンデンサ１１の電極板１１３，１１４（図３参照）と一体的に形成されている。

また、正極端子２２ｐと負極端子２２ｎとの間に、上記補強リブ５３が配されている。上記絶縁層７は、接着層７１によって、補強リブ５３の表面に接着されている。本例の絶縁層７は、エポキシ樹脂等の絶縁樹脂からなる。また、補強リブ５３は板状に形成されている。直流バスバー６（６ｐ，６ｎ）は、補強リブ５３を、該補強リブ５３の厚さ方向（Ｙ方向）から挟む位置に設けられている。直流バスバー６は、絶縁層７に接触している。

図５に示すごとく、直流バスバー６は、板状に形成されたバスバー本体部６１と、Ｕ字状部６３と、副板部６２０と、複数の端子部６２（６２ａ〜６２ｃ）とを備える。Ｕ字状部６３は、バスバー本体部６１に接続しており、上記第１被加圧壁部５１（図３参照）を跨いでいる。

副板部６２０は、バスバー本体部６１に対して平行に配されている。また、端子部６２は、半導体モジュール２に接続している。これらバスバー本体部６１、Ｕ字状部６３、副板部６２０、端子部６２は、一枚の金属板によって形成されている。

バスバー本体部６１はＸ方向に延出している。複数の端子部６２（６２ａ〜６２ｃ）のうち、一部の端子部６２ａは、バスバー本体部６１からＹ方向に延出している。また、他の一部の端子部６２ｂ，６２ｃは、副板部６２０からＹ方向に延出している。図７に示すごとく、端子部６２は、上記パワー端子２２に重ね合わされている。そして、端子部６２の端面６２５と、パワー端子２２の先端面２２０とを溶接してある。

図８に示すごとく、ケース５は、上記被加圧壁部５１，５２の他に、側壁部５５、内壁部５６、底壁部５７、補強壁部５４を備える。ケース５は、金属からなる。また、上記補強リブ５３は、ケース５と一体的に形成されている。

第２被加圧壁部５２は、内側壁部５２ａと外側壁部５２ｂとからなる。内側壁部５２ａには、Ｘ方向に貫通した貫通孔５２０が形成されている。この貫通孔５２０を、外側壁部５２ｂによって塞いでいる。

補強壁部５４は、ケース５の剛性をより高め、ケース５の変形を抑制している。補強壁部５４は複数枚、形成されている。図２に示すごとく、Ｙ方向における補強壁部５４ａ，５４ｂの間隔Ｌは、冷却管３０のＹ方向長さよりも短い。そのため、電力変換装置１を製造する際に、冷却管３０をパワー端子２２の突出方向（Ｚ方向）に移動して、補強壁部５４ａ，５４ｂの間の隙間Ｇから、冷却管３０をケース５内に入れることはできない。したがって本例では、上記内側壁部５２ａに上記貫通孔５２０（図８参照）を形成してある。電力変換装置１の製造時には、冷却管３０をＸ方向に移動して、冷却管３０をケース５内に収納するよう構成されている。

図４に示すごとく、Ｘ方向に隣り合う２つの冷却管３０は、Ｙ方向における両端部にて、連結管１７によって連結されている。また、複数の冷却管３０のうち、Ｘ方向における一方の端部に位置する端部冷却管３０ａには、冷媒１６を導入するための導入管１４と、冷媒１６を導出する導出管１５とが接続している。導入管１４から冷媒１６を導入すると、冷媒１６は連結管１７を通って全ての冷却管３０を流れ、導出管１５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。

また、図１に示すごとく、本例の電力変換装置１は、入力端子１２と、出力端子１３とを備える。これら入力端子１２と出力端子１３とは、端子台１９上に載置されている。入力端子１２は直流電源８（図９参照）に接続され、出力端子１３は三相交流モータ８１に接続される。

また、図３に示すごとく、本例のコンデンサ１１は、コンデンサ素子１１１と、該コンデンサ素子１１１を封止する封止部材１１２と、コンデンサ素子１１１に接続した電極板１１３，１１４とを備える。電極板１１３，１１４は、直流バスバー６及び入力端子１２と一体に形成されている。

本例の作用効果について説明する。本例では図６、図７に示すごとく、ケース５内に、一対の被加圧壁部５１，５２を繋ぐ補強リブ５３を設けてある。そのため、ケース５の剛性を高めることができ、加圧部材４の加圧力によってケース５が変形することを抑制できる。

また、本例では、補強リブ５３を、一対の直流バスバー６の間に設けてある。そして、直流バスバー６と補強リブ５３との間に、これらを絶縁する絶縁層７を設けてある。
そのため、外部からの振動によって一対の直流バスバー６（６ｐ，６ｎ）が揺動しても、これらの間に補強リブ５３及び絶縁層７を設けてあるため、一対の直流バスバー６（６ｐ，６ｎ）が互いに接触することを防止できる。したがって、従来のように、一対の直流バスバーの間に単に空隙を設けた場合よりも、直流バスバー６ｐ，６ｎ間の間隔を狭くすることができ、直流バスバー６に寄生するインダクタンスを低減することができる。そのため、このインダクタンスが原因となって、半導体素子２０のスイッチング動作時に大きなサージが発生することを抑制できる。

また、図５に示すごとく、本例の直流バスバー６は、板状のバスバー本体部６１と、該バスバー本体部６１に連結し半導体モジュール２に接続した端子部６２とを備える。図７に示すごとく、バスバー本体部６１と補強リブ５３とは、それぞれの厚さ方向が一致するように配されている。そして、バスバー本体部６１と絶縁層７と補強リブ５３とを上記厚さ方向（Ｙ方向）に積層してある。
そのため、直流バスバー６ｐ，６ｎが重なり合う面積を増やすことができる。したがって、インダクタンスをより効果的に低減することができる。

また、本例の絶縁層７は、絶縁樹脂からなる。絶縁樹脂は安価であり、耐久性に優れている。また、製造時には、予め形成された絶縁層７を補強リブ５３に接着するだけでよいので、容易に製造できる。

また、本例では、補強リブ５３を、ケース５と一体的に形成してある。補強リブ５３をケース５とは別部材として構成することも可能であるが、この場合、部品点数が増えるという問題が生じる。また、補強リブ５３を被加圧壁部５１，５２に、ボルト等を用いて固定する必要が生じるため、電力変換装置１の製造工数が増加してしまう。これに対して、本例のように、補強リブ５３をケース５と一体化すれば、部品点数や製造工数の増加を抑制できる。そのため、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。

また、本例では図３に示すごとく、コンデンサ１１の電極板１１３，１１４と、直流バスバー６とを一体化してある。そのため、部品点数を低減でき、電力変換装置１の製造コストをより低減することができる。

また、図８に示すごとく、本例のケース５は、補強リブ５３の他に、複数の補強板５４を備える。そのため、ケース５の剛性をより高めることができる。したがって、加圧部材４の加圧力Ｆによってケース５が変形する不具合を、より効果的に抑制できる。

また、本例では、複数の半導体モジュール２と冷却管３０とを積層して構造体１０を形成してある。この場合には、構造体１０のＸ方向長さが長くなりやすいため、振動が加わったときに、Ｘ方向に直交する向きに、構造体１０が揺動しやすくなる。そのため、ばね定数が高い加圧部材４を用いて、構造体１０を強く加圧し、構造体１０をケース５内にしっかり保持する必要が生じる。したがって、ケース５に加圧部材４の強い加圧力Ｆが加わりやすくなる。そのため、補強リブ５３を設け、ケース５の剛性を高めたことにより得られる効果は大きい。

また、本例の電力変換装置１は、車両に搭載される。そのため、車両の走行に伴って大きな振動が生じやすい。したがって本例のように、一対の直流バスバー６の間に補強リブ５３及び絶縁層７を設けて、振動が加わっても直流バスバー６同士が接触しないようにしたことによる効果は大きい。

以上のごとく、本例によれば、ケースの剛性を高めることができ、かつ直流バスバーに寄生するインダクタンスを低減できる電力変換装置を提供することができる。

なお、本例では、絶縁層７として絶縁樹脂を用いているが、本発明はこれに限るものではなく、絶縁紙を用いることもできる。絶縁紙は安価であるため、電力変換装置１の製造コストを低減することができる。

（実施例２）
以下の実施例については、図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例は、絶縁層７を構成する材料を変更した例である。本例の絶縁層７は、絶縁塗料からなる。図１０に示すごとく、絶縁層７は、補強リブ５３に直接、塗布されており、絶縁層７と補強リブ５３の間に接着層７１（図７参照）が介在していない。絶縁層７は、補強リブ５３全体を被覆している。

本例の作用効果について説明する。絶縁層７として絶縁塗料を用いると、絶縁層７を補強リブ５３に直接、塗布できるため、絶縁層７と補強リブ５３との間に接着層７１を設ける必要がなくなる。そのため、直流バスバー６を補強リブ５３により接近させることができる。したがって、一対の直流バスバー６（６ｐ，６ｎ）間の間隔をより狭くすることができ、直流バスバー６に寄生するインダクタンスをより低減することが可能となる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。

なお、絶縁塗料の代わりに、熱硬化性樹脂を補強リブ５３に直接塗布し、加熱して、硬化させてもよい。この場合にも、接着層７１が不要となるため、一対の直流バスバー６（６ｐ，６ｎ）間の間隔をより狭くすることができる。そのため、直流バスバー６に寄生するインダクタンスを低減することができる。

（実施例３）
本例は、直流バスバー６の形状を変更した例である。図１１、図１２に示すごとく、本例の直流バスバー６は、板状のバスバー本体部６１と、該バスバー本体部６１に接続したＵ字状部６３とを備える。バスバー本体部６１は、その厚さ方向が、パワー端子２２の突出方向（Ｚ方向）と一致するように、配されている。本例では、バスバー本体部６１を、パワー端子２２の先端面２２０に接触させ、レーザ光線や電子ビーム等を照射することにより、バスバー本体部６１とパワー端子２２とを溶接してある。バスバー本体部６１には、溶接痕６１０が残っている。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を備える。

１ 電力変換装置
１０ 構造体
２ 半導体モジュール
２０ 半導体素子
３ 冷却器
４ 加圧部材
５ ケース
５１，５２ 被加圧壁部
５３ 補強リブ
６ 直流バスバー
７ 絶縁層
８ 直流電源
Ｆ 加圧力

Claims (6)

1. 半導体素子（２０）を内蔵した半導体モジュール（２）と、該半導体モジュール（２）を冷却する冷却器（３）とからなる構造体（１０）と、
   上記半導体モジュール（２）に接続し、直流電源（８）と上記半導体素子（２０）との間における直流電流の経路をなすと共に、互いに対向した一対の直流バスバー（６）と、
   上記構造体（１０）及び上記一対の直流バスバー（６）を収納するケース（５）と、
   該ケース（５）に収納され、上記構造体（１０）を加圧することにより、該構造体（１０）を上記ケース（５）内に固定すると共に、上記半導体モジュール（２）と上記冷却器（３）とを密着させる加圧部材（４）とを備え、
   上記構造体（１０）と上記加圧部材（４）と上記一対の直流バスバー（６）とは、上記ケース（５）を構成する壁部のうち互いに対向する一対の被加圧壁部（５１，５２）の間に介在し、上記加圧部材（４）の加圧力（Ｆ）が上記一対の被加圧壁部（５１，５２）に加わっており、
   上記ケース（５）内に、上記一対の被加圧壁部（５１，５２）を繋ぐ補強リブ（５３）が形成され、
   該補強リブ（５３）は、上記一対の直流バスバー（６）の間に設けられ、上記直流バスバー（６）と上記補強リブ（５３）との間に、これらを絶縁する絶縁層（７）が介在していることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記直流バスバー（６）は、板状のバスバー本体部（６１）と、該バスバー本体部（６１）に連結し上記半導体モジュール（２）に接続した端子部（６２）とを備え、上記補強リブ（５３）は板状に形成され、上記バスバー本体部（６１）と上記補強リブ（５３）とは、それぞれの厚さ方向が一致するように配されており、上記バスバー本体部（６１）と上記絶縁層（７）と上記補強リブ（５３）とを上記厚さ方向に積層してあることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
3. 上記補強リブ（５３）は、上記ケース（５）と一体的に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記絶縁層（７）は絶縁紙からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
5. 上記絶縁層（７）は絶縁塗料からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置（１）。
6. 上記絶縁層（７）は絶縁樹脂からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置（１）。

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