JP6383614B2 - コンデンサモジュール及びパワーユニット - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサモジュール及びパワーユニットに関する。

従来、電気自動車等の車載用のインバータ装置が知られている。インバータ装置は、スイッチングモジュールと、コンデンサとを、備える。

また、インバータ装置用のコンデンサを搭載したモジュールとして、貫通孔が開けられ、上面及び下面にそれぞれ第１の導体、第２の導体を設けた基板と、当該基板の上面上に搭載された複数の積層コンデンサと、を備えるコンデンサモジュールが知られている（特許文献１参照）。積層コンデンサは、第１のリード端子、第２のリード端子を有する。第１及び第２のリード端子を基板の貫通孔を通して基板の下面に半田付けすることで、積層コンデンサが基板に固定されている。当該半田付けにより、第１のリード端子は、第１の導体に電気的に接続され、第２のリード端子は、第２の導体に電気的に接続されている。

第１の導体、第２の導体が、それぞれ、基板の上面、下面のほぼ全面積を示すように形成されているので、第１の導体、第２の導体において様々な方向に電流が流れ、スイッチングモジュールと積層コンデンサとの間の電気的接続部のインダクタンスの発生を抑制していた。

特開２００１−１７８１５１号公報

しかし、上記従来のコンデンサモジュールでは、コンデンサの搭載領域に貫通孔が配置され、第１の導体と第２の導体とが短絡しないように、第１のリード端子を通す貫通孔の周縁部に第２の導体の切欠部が形成され、第２のリード端子を通す貫通孔の周縁部に第１の導体の切欠部が形成されている。このため、第１の導体及び第２の導体の切欠部によって、電流経路が限定されて狭くなる部分ができるため、この部分により電流経路となる第１の導体及び第２の導体のインダクタンスが増加していた。

本発明の課題は、電流経路となる導体のインダクタンスを低減することである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
パワーモジュールのベースユニットと電源とに電気的に接続されるＰバスバ及びＮバスバを積層したＰＮバスバ部を備え、当該ＰＮバスバ部上のコンデンサ搭載領域に複数個のコンデンサを搭載したコンデンサモジュールであって、
前記Ｐバスバ及びＮバスバにおける前記コンデンサ搭載領域は、前記電源からの電流の主電流経路であり、
前記ＰＮバスバ部は、
前記コンデンサと前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバとの間に形成され、当該コンデンサのコンデンサ端子に電気的に接続され、前記コンデンサ搭載領域外で前記Ｐバスバに電気的に接続されるＰ電極パターン層と、
前記コンデンサと前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバとの間に形成され、当該コンデンサのコンデンサ端子に電気的に接続され、前記コンデンサ搭載領域外で前記Ｎバスバに電気的に接続されるＮ電極パターン層と、
を備え、
前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバは、円環状に形成され、
前記Ｐ電極パターン層、前記ベースユニットの回路部のＰ電極及び前記Ｐバスバの３つを相互に電気的に接続する第１の共通端子と、前記Ｎ電極パターン層、前記ベースユニットの回路部のＮ電極及び前記Ｎバスバの３つを相互に電気的に接続する第２の共通端子と、が前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバの円環の外周側又は内周側に配置されることを特徴する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のコンデンサモジュールにおいて、
前記第１、第２の共通端子は、前記ベースユニットのＰ端子、Ｎ端子であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のコンデンサモジュールにおいて、
前記複数のコンデンサは、前記円環状の前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバ上で略等間隔に配列されることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載のコンデンサモジュールにおいて、
前記ベースユニットの回路部の信号端子は、前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバの内周側又は外周側に配置され、
前記コンデンサ搭載領域は、前記信号端子と前記第１及び第２の共通端子との間に配置されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明のパワーユニットは、
請求項１から４のいずれか一項に記載のコンデンサモジュールと、
前記ベースユニットと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、電流経路となる導体としてのＰバスバ及びＮバスバのインダクタンスを低減できる。

本発明の実施の形態のパワーモジュールの斜視図である。 （ａ）は、Ｐ側の貫通孔におけるベースユニット及びＰＮバスバ部の断面図である。（ｂ）は、Ｎ側の貫通孔におけるベースユニット及びＰＮバスバ部の断面図である。 パワーモジュールの平面透視図である。 パワーユニットの平面透視概略図である。

添付図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は、図示例に限定されるものではない。

図１〜図４を参照して、本実施の形態の装置構成を説明する。図１は、本実施の形態のパワーモジュール１の斜視図である。図２（ａ）は、Ｐ側の貫通孔１１６におけるベースユニット２００及びＰＮバスバ部１１０の断面図である。図２（ｂ）は、Ｎ側の貫通孔１１５におけるベースユニット２００及びＰＮバスバ部１１０の断面図である。図３は、パワーモジュール１の平面透視図である。

本実施の形態のパワーモジュール１が、電気自動車等の車載用のパワーモジュールであって、直流を交流に変換するインバータ装置を含むものとして説明する。しかし、パワーモジュール１は、他の用途のパワーモジュールとしてもよい。

図１に示すように、パワーモジュール１は、コンデンサモジュール１００と、ベースユニット２００と、を備える。ベースユニット２００は、インバータ装置の構成部品としての回路部（図示略）を備える。インバータ装置の回路部は、スイッチング素子としてのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等からなる回路素子を備える。

ベースユニット２００は、ベースプレート２０１と、Ｎ（負）端子２０２，２０３と、Ｐ（正）端子２０４と、ＡＣ（Alternating Current）端子２０５，２０６と、信号端子２０７と、位置決め部２０８，２０９，２１０（図１上図示略）と、を備える。

ベースプレート２０１は、パワーモジュール１の土台となるプレートであり、平面が略台形である形状を有する。ベースプレート２０１上に、インバータ装置の回路部が搭載されている。Ｎ端子２０２，２０３は、インバータ装置の回路部に電気的に接続された直流のＮ電極（ＩＧＢＴのＮ層）を引き出したＮ極側の端子である。Ｐ端子２０４は、インバータ装置の回路部に電気的に接続された直流のＰ電極（ＩＧＢＴのＰ層）を引き出したＰ極側の端子である。ＡＣ端子２０５，２０６は、インバータ装置の回路部に電気的に接続された交流の端子である。信号端子２０７は、インバータ装置の回路部のスイッチング素子のスイッチングの制御信号の入力端子である。

Ｎ端子２０２，２０３、Ｐ端子２０４、ＡＣ端子２０５，２０６、信号端子２０７は、ベースプレート２０１から垂直方向に突出された導体の端子である。Ｎ端子２０２，２０３は、略板状であり、先端側が垂直方向に延在する１つの棒状に加工されている。Ｐ端子２０４は、略板状であり、先端側が垂直方向に延在する３つの棒状に加工されている。ＡＣ端子２０５，２０６は、板状である。信号端子２０７は、先端側が垂直方向に延在する複数の棒状である。

コンデンサモジュール１００は、ベースユニット２００上に搭載される。コンデンサモジュール１００は、コンデンサ１０１，１０２と、ＰＮバスバ（bus bar）部１１０と、を備える。

コンデンサ１０１，１０２は、セラミックスコンデンサ等で構成され、Ｎ端子２０２，２０３とＰ端子２０４での間の電流を平滑する平滑コンデンサである。コンデンサ１０１，１０２は、ＰＮバスバ部１１０上の所定のコンデンサ搭載領域に搭載されている。コンデンサ１０１，１０２は、コンデンサ端子を有する。

ＰＮバスバ部１１０は、平面が円形状の基板であり、他のパワーモジュール１と共通の部品である。図１においては、１つのパワーモジュール１に対応する略扇形状のＰＮバスバ部１１０が図示されている。ＰＮバスバ部１１０は、絶縁層１２１を有する。絶縁層１２１は、ガラスエポキシ樹脂等の絶縁体からなる層である。

また、ＰＮバスバ部１１０は、上面に、Ｎ電極パターン層１１１，１１２と、Ｐ電極パターン層１１３と、を備え、貫通孔１１４，１１５，１１６，１１７が形成されている。Ｎ電極パターン層１１１は、銅箔等の導電体からなり、Ｎ端子２０２、コンデンサ１０１のコンデンサ端子に電気的に接続される。Ｎ電極パターン層１１２は、銅箔等の導電体からなり、Ｎ端子２０３、コンデンサ１０２のコンデンサ端子に電気的に接続される。Ｐ電極パターン層１１３は、銅箔等の導電体からなり、Ｐ端子２０４、コンデンサ１０１，１０２のコンデンサ端子に電気的に接続される。貫通孔１１４，１１５，１１６，１１７は、それぞれ、Ｎ端子２０２，２０３、Ｐ端子２０４、信号端子２０７を通すための貫通孔である。ＡＣ端子２０５，２０６は、ＰＮバスバ部１１０の切欠部を通されている。

図２（ａ）に示すように、貫通孔１１６におけるＰＮバスバ部１１０の断面において、ＰＮバスバ部１１０は、ベースプレート２０１側からコンデンサ１０１，１０２側へ、絶縁層１２１、Ｎバスバ１２２、絶縁層１２１、Ｐバスバ１２３、絶縁層１２１が順に積層され、Ｐ電極パターン層１１３がさらに積層されている。Ｎバスバ１２２は、銅板等の板状の導電体であり、電源（図示略）の陰極に電気的に接続される。Ｐバスバ１２３は、銅板等の板状の導電体であり、電源（図示略）の陽極に電気的に接続される。

貫通孔１１６は、孔の内壁に導電体１１６ａを有する。導電体１１６ａは、Ｐバスバ１２３、Ｐ電極パターン層１１３に電気的に接続されているとともに、Ｐ端子２０４を貫通させることで、Ｐ端子２０４に接触して電気的に接続される。このようにして、Ｐバスバ１２３、Ｐ電極パターン層１１３及びＰ端子２０４は、貫通孔１１６を介して、互いに電気的に接続されている。

図２（ｂ）に示すように、Ｎバスバ１２２、Ｎ電極パターン層１１２及びＮ端子２０３は、貫通孔１１５の導電体１１５ａを介して、互いに電気的に接続されている。同様に、Ｎバスバ１２２、Ｎ電極パターン層１１１及びＮ端子２０２は、貫通孔１１４の導電体を介して、互いに電気的に接続されている。このように、Ｎ電極パターン層１１１，１１２、Ｐ電極パターン層１１３は、コンデンサ１０１，１０２とＰバスバ１２３、Ｎバスバ１２２との間に形成されている。

図３に示すように、ＰＮバスバ部１１０は、ベースユニット２００上に配置されている。コンデンサ１０１は、平面上で、ＰＮバスバ部１１０のＮ電極パターン層１１１及びＰ電極パターン層１１３に一部重なるコンデンサ搭載領域に配置されている。コンデンサ１０２は、平面上で、ＰＮバスバ部１１０のＮ電極パターン層１１２及びＰ電極パターン層１１３に一部重なるコンデンサ搭載領域に配置されている。

コンデンサ１０１，１０２は、平面上で、ＰＮバスバ部１１０のＮバスバ１２２、Ｐバスバ１２３の領域内のコンデンサ搭載領域に配置されている。Ｎバスバ１２２、Ｐバスバ１２３におけるコンデンサ搭載領域に対応する領域は、電源（図示略）とＰ端子２０４、Ｎ端子２０２，２０３（コンデンサ１０１，１０２、ベースユニット２００の回路部）との間に流れる電流の主電流経路となる。しかし、コンデンサ１０１，１０２のコンデンサ搭載領域に対応するＰＮバスバ部１１０に貫通孔が配置されていない。このため、コンデンサ１０１，１０２のコンデンサ搭載領域に対応するＮバスバ１２２、Ｐバスバ１２３に切欠部を形成する必要もない。

次いで、図４を参照して、複数のパワーモジュール１からなるパワーユニット２について説明する。図４は、パワーユニット２の平面透視概略図である。

図４に示すように、パワーユニット２は、５個のパワーモジュール１を有し、平面で円形状に形成されている。図４の実線は、コンデンサモジュール１００を示し、同じく点線は、ベースユニット２００を示している。パワーユニット２におけるパワーモジュール１の配置により、ＰＮバスバ部１１０のＮバスバ１２２及びＰバスバ１２３も略円環状に配置される。

これらの配置により、Ｎ端子２０２，２０３、Ｐ端子２０４は、Ｎバスバ１２２及びＰバスバ１２３の円環の外周側に配置されている。信号端子２０７は、Ｎバスバ１２２及びＰバスバ１２３の円環の内周側に配置されている。また、５個のパワーモジュール１におけるコンデンサ１０１，１０２の全１０個のコンデンサは、Ｎバスバ１２２及びＰバスバ１２３の円環上で略等間隔位置に配列されている。また、５個のベースユニット２００は、例えば、ＰＮバスバ部１１０と同様の大きさで円盤形状の冷却器（ヒートシンク）（図示略）に搭載されているものとする。

以上、本実施の形態によれば、コンデンサモジュール１００は、ＰＮバスバ部１１０を備え、ＰＮバスバ部１１０上のコンデンサ搭載領域にコンデンサ１０１，１０２が搭載される。Ｐバスバ１２３及びＮバスバ１２２におけるコンデンサ搭載領域は、電源からの電流の主電流経路である。ＰＮバスバ部１１０は、コンデンサ１０１，１０２とＰバスバ１２３及びＮバスバ１２２との間に形成され、コンデンサ１０１，１０２のコンデンサ端子に電気的に接続され、コンデンサ搭載領域外でＰバスバ１２３に電気的に接続されるＰ電極パターン層１１３と、コンデンサ１０１，１０２とＰバスバ１２３及びＮバスバ１２２との間に形成され、コンデンサ１０１，１０２のコンデンサ端子に電気的に接続され、コンデンサ搭載領域外でＮバスバ１２２に電気的に接続されるＮ電極パターン層１１１，１１２と、を備える。

このため、Ｐバスバ１２３及びＮバスバ１２２の主電流経路となるコンデンサ搭載領域に、電流経路を狭める貫通孔を形成することなく、コンデンサ１０１，１０２とＰバスバ１２３及びＮバスバ１２２とを電気的に接続するため、主電流経路となるＰバスバ１２３及びＮバスバ１２２のインダクタンスを低減できる。なお、コンデンサモジュール１００により、従来技術の構成に比べて、上記インダクタンスを約２２％低減できる。

また、Ｐバスバ１２３及びＮバスバ１２２は、円環状に形成され、Ｐ電極パターン層１１３、ベースユニット２００の回路部のＰ電極及びＰバスバ１２３の３つを相互に電気的に接続する第１の共通端子と、Ｎ電極パターン層１１１，１１２、ベースユニット２００の回路部のＮ電極及びＮバスバ１２２の３つを相互に電気的に接続する第２の共通端子と、がＰバスバ１２３及びＮバスバ１２２の円環の外周側に配置される。このため、パワーモジュール１のベースユニット２００の回路部、コンデンサ１０１，１０２、Ｐバスバ１２３、Ｎバスバ１２２を低インダクタンスで電気的に接続できる。

また、上記第１、第２の共通端子は、ベースユニット２００のＰ端子２０４、Ｎ端子２０２，２０３である。このため、Ｐ端子２０４、Ｎ端子２０２，２０３により、ベースユニット２００の回路部と、コンデンサ１０１，１０２、Ｐバスバ１２３、Ｎバスバ１２２とを直接電気的に接続することで、低インダクタンス化を実現できる。

また、コンデンサ１０１，１０２は、円環状のＰバスバ１２３及びＮバスバ１２２上で略等間隔に配列される。このため、コンデンサ間のインダクタンスを均一にできる。

また、ベースユニット２００の回路部の信号端子２０７は、Ｐバスバ１２３及びＮバスバ１２２の円環の内周側に配置され、コンデンサ搭載領域は、信号端子２０７とＰ端子２０４、Ｎ端子２０２，２０３との間に配置される。このため、電気接続を容易にすることができる。

なお、上記実施の形態における記述は、本発明に係る好適なコンデンサモジュール及びパワーモジュールの一例であり、これに限定されるものではない。

例えば、上記実施の形態では、１つのパワーモジュール１のＰＮバスバ部１１０に、２つのコンデンサを搭載する構成としたが、これに限定されるものではない。１つのパワーモジュールのＰＮバスバ部に、３つ以上のコンデンサを搭載する構成としてもよい。さらに、これら３つ以上のコンデンサは、円環状のＰバスバ及びＮバスバ上で略等間隔に配列されることが好ましい。

また、上記実施の形態では、Ｐ端子２０４、Ｎ端子２０２，２０３がＰバスバ１２３及びＮバスバ１２２の円環の外周側に配置され、信号端子２０７が、同じく内周側に配置される構成としたが、これに限定されるものではない。Ｐ端子２０４、Ｎ端子２０２，２０３がＰバスバ１２３及びＮバスバ１２２の円環の内周側に配置され、信号端子２０７が、同じく外周側に配置される構成としてもよい。

また、上記実施の形態では、パワーユニット２が、５個のパワーモジュール１を備える構成としたが、これに限定するものではなく、５以外の個数としてもよい。また、上記実施の形態では、パワーモジュール１が、２個のコンデンサ１０１，１０２を備える構成としたが、これに限定するものではなく、２以外の個数としてもよい。

また、以上の実施の形態におけるパワーユニット２を構成する各部の細部構成及び細部動作に関して本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

１ パワーモジュール
２ パワーユニット
１００ コンデンサモジュール
１０１，１０２ コンデンサ
１１０ ＰＮバスバ部
１２１ 絶縁層
１２２ Ｎバスバ
１２３ Ｐバスバ
１１１，１１２ Ｎ電極パターン層
１１３ Ｐ電極パターン層
１１４，１１５，１１６，１１７ 貫通孔
１１５ａ，１１６ａ 導電体
２００ ベースユニット
２０１ ベースプレート
２０２，２０３ Ｎ端子
２０４ Ｐ端子
２０５，２０６ ＡＣ端子
２０７ 信号端子
２０８，２０９，２１０ 位置決め部

Claims (5)

1. パワーモジュールのベースユニットと電源とに電気的に接続されるＰバスバ及びＮバスバを積層したＰＮバスバ部を備え、当該ＰＮバスバ部上のコンデンサ搭載領域に複数個のコンデンサを搭載したコンデンサモジュールであって、
   前記Ｐバスバ及びＮバスバにおける前記コンデンサ搭載領域は、前記電源からの電流の主電流経路であり、
   前記ＰＮバスバ部は、
   前記コンデンサと前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバとの間に形成され、当該コンデンサのコンデンサ端子に電気的に接続され、前記コンデンサ搭載領域外で前記Ｐバスバに電気的に接続されるＰ電極パターン層と、
   前記コンデンサと前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバとの間に形成され、当該コンデンサのコンデンサ端子に電気的に接続され、前記コンデンサ搭載領域外で前記Ｎバスバに電気的に接続されるＮ電極パターン層と、
   を備え、
   前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバは、円環状に形成され、
   前記Ｐ電極パターン層、前記ベースユニットの回路部のＰ電極及び前記Ｐバスバの３つを相互に電気的に接続する第１の共通端子と、前記Ｎ電極パターン層、前記ベースユニットの回路部のＮ電極及び前記Ｎバスバの３つを相互に電気的に接続する第２の共通端子と、が前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバの円環の外周側又は内周側に配置されることを特徴するコンデンサモジュール。
2. 前記第１、第２の共通端子は、前記ベースユニットのＰ端子、Ｎ端子であることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサモジュール。
3. 前記複数のコンデンサは、前記円環状の前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバ上で略等間隔に配列されることを特徴とする請求項１又は２に記載のコンデンサモジュール。
4. 前記ベースユニットの回路部の信号端子は、前記Ｐバスバ及び前記Ｎバスバの内周側又は外周側に配置され、
   前記コンデンサ搭載領域は、前記信号端子と前記第１及び第２の共通端子との間に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のコンデンサモジュール。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のコンデンサモジュールと、
   前記ベースユニットと、を備えることを特徴とするパワーユニット。

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