JP6714136B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置において、リフロー工程におけるバスバーの昇温時間を短縮化する。【解決手段】バスバー１０ｃと、バスバー１０ｃを保持するパワーモジュールケース１０ｂと、バスバー１０ｃにはんだ接続されるパワーデバイス１０ａとを備える電力変換装置であって、バスバー１０ｃとして、平行に対向配置された上側バスバー１０ｅと下側バスバーとを備え、パワーモジュールケース１０ｂが上側バスバー１０ｅの下側バスバーの対向面と反対側の面を露出するバスバー露出開口１０ｂ３を有している。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関するものである。

電気自動車等の車両には、バッテリとモータとの間に電力変換装置（ＰＣＵ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が設けられている。このような電力変換装置は、複数のパワーデバイス（パワー半導体チップ）や、これらのパワーデバイスを収容するパワーモジュールケースを備えている。例えば特許文献１に開示されているように、パワーモジュールケースには電送路となるバスバーが内包されており、バスバーとパワーデバイスとがはんだ接続されている。

特開２０１４−１８７８１８号公報

ところで、このようなバスバーとパワーデバイスとをはんだ付けする場合には、一般的にリフロー炉によってはんだを溶融させ、バスバーとパワーデバイスの端子とを接続している。ところが、リフロー工程においては、バスバーを内包するパワーモジュールケースの全体がリフロー炉にて加熱される。リフロー工程では、バスバーを目標温度まで昇温する必要があるため、バスバーが目標温度に到達するまではリフロー炉にてパワーモジュールが高温状態を保持されることとなる。このため、リフロー工程におけるパワーモジュールケースの負荷を低減するため、バスバーの昇温時間を短縮することが望まれている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、電力変換装置において、リフロー工程におけるバスバーの昇温時間を短縮化することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、バスバーと、上記バスバーを保持するパワーモジュールケースと、上記バスバーにはんだ接続されるパワーデバイスとを備える電力変換装置であって、上記バスバーとして、平行に対向配置された第１バスバーと第２バスバーとを備え、上記パワーモジュールケースは、上記第１バスバーの上記第２バスバーの対向面と反対側の面を露出するバスバー露出開口を有するという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記第１バスバーの延伸方向に沿って、上記バスバー露出開口が分散して複数設けられているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記パワーモジュールケースは、上記バスバー露出開口同士の間に配置されると共に、上記第１バスバーを跨ぐブリッジ電送路を内包する架橋部を有するという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記バスバーが長尺状の板形状と基部と、上記基部の側縁部から突出すると共に上記パワーデバイスにはんだ接続される接続部とを有し、上記パワーモジュールケースが、上記基部の上記側縁部を露出させることなくモールドしているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記第１バスバーと上記第２バスバーとの配列方向から見て、上記第１バスバーの延伸方向と直交する方向から上記第１バスバーを挟んで複数の上記パワーデバイスが配置されているという構成を採用する。

本発明によれば、第１バスバーと第２バスバーとが平行に対向配置され、さらに第１バスバーの第２バスバーとの対向面と反対側の面の一部が、パワーモジュールケースに設けられたバスバー露出開口によって露出されている。このため、リフロー工程にて、バスバー露出開口にて露出された領域では、リフロー炉内の熱がパワーモジュールによって遮蔽されることなく第１バスバーに到達する。このため、第１バスバーを短時間で昇温させることができる。さらに、第１バスバーと第２バスバーとが対向配置されているため、第１バスバーを介して第２バスバーも短時間で昇温することができる。したがって、本発明によれば、電力変換装置において、リフロー工程におけるバスバーの昇温時間を短縮化することが可能となる。

本発明の一実施形態における電力変換装置の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置が備えるパワーモジュールの模式的な平面図である。 本発明の一実施形態における電力変換装置が備えるバスバーを実線にて示したパワーモジュールの模式的な平面図である。 （ａ）が図２のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）が図２のＢ−Ｂ断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態の電力変換装置１の概略構成を示す分解斜視図である。本実施形態の電力変換装置１は、電気自動車等の車両に搭載され、不図示のモータ（負荷）とバッテリとの間に設けられている。このような本実施形態の電力変換装置１は、図１に示すように、インテリジェントパワーモジュール２と、コンデンサ３と、本体ケース４とを備えている。

インテリジェントパワーモジュール２は、パワーモジュール１０、回路基板１１及び不図示の電流センサ等を備えている。パワーモジュール１０は、パワー半導体素子を有する不図示の複数のパワーデバイス１０ａ（図２参照）、これらのパワーデバイス１０ａを保持するパワーモジュールケース１０ｂ、パワーデバイス１０ａに接続されたバスバー１０ｃ（図２参照）、及び、冷却用のウォータジャケット１０ｄ等を備えている。回路基板１１は、パワーモジュール１０に積層されており、パワーデバイス１０ａを駆動する駆動回路等を備えている。不図示の電流センサは、バスバー１０ｃを流れる電流を検出するセンサでありパワーモジュールケース１０ｂに保持されている。

コンデンサ３は、インテリジェントパワーモジュール２と接続されており、パワーモジュール１０を挟んで回路基板１１と反対側に配置されている。本体ケース４は、インテリジェントパワーモジュール２及びコンデンサ３を収容するケースであり、上部ケース４ａと、中央ケース４ｂと、下部ケース４ｃとを備えている。これらの上部ケース４ａ、中央ケース４ｂ及び下部ケース４ｃは、パワーモジュール１０と回路基板１１との積層方向に分割可能に接続されている。上部ケース４ａは、回路基板１１側からインテリジェントパワーモジュール２を覆っており、中央ケース４ｂと締結されている。中央ケース４ｂは、リアクトルが内蔵されると共に、インテリジェントパワーモジュール２の周囲を覆っている。下部ケース４ｃは、インテリジェントパワーモジュール２とモータとを接続するための接続コネクタが設けられており、中央ケース４ｂに締結されている。

この電力変換装置１は、パワーデバイス、コンデンサ３及びリアクトル等で構成される昇降圧回路や、インバータ回路を備えており、バッテリから供給された電力を三相交流電力に変換してモータに供給したり、モータからの回生電力をバッテリに回送したりする。

図２は、本実施形態の電力変換装置１が備えるパワーモジュール１０の平面図である。上述のように、インテリジェントパワーモジュール２が備えるパワーモジュール１０は、複数のパワーデバイス１０ａと、これらのパワーデバイス１０ａを保持するパワーモジュールケース１０ｂと、パワーデバイス１０ａに接続されたバスバー１０ｃとを備えている。

パワーデバイス１０ａは、回路基板１１に設けられた駆動回路によって駆動されるスイッチング素子を含むチップ化されたスイッチングデバイスであり、例えばインバータ回路のアームを形成している。このようなパワーデバイス１０ａは、図２に示すように、後述する上側バスバー１０ｅ（及び後述する下側バスバー１０ｆ）を平面視にて挟み込むように複数配置されており、上側バスバー１０ｅの一方側の領域（上側バスバー１０ｅの延伸方向と直交する方向における上側バスバー１０ｅの一方側の領域）と、他方側の領域（上側バスバー１０ｅの延伸方向と直交する方向における上側バスバー１０ｅの他方側の領域）との各々の領域にて、上側バスバー１０ｅの延伸方向に沿って配列されている。本実施形態においては、上側バスバー１０ｅの一方側の領域と上側バスバー１０ｅの他方側の領域との各々に７つで合計１４個のパワーデバイス１０ａが配列されている。

パワーモジュールケース１０ｂは、絶縁性の樹脂材料によって形成されており、上側バスバー１０ｅ（及び下側バスバー１０ｆ）が延びる方向を長手方向とする略長方形状とされている。このパワーモジュールケース１０ｂは、パワーデバイス１０ａを収容するための収容凹部１０ｂ１をパワーデバイス１０ａと同数有している。

また、パワーモジュールケース１０ｂは、平面視の短手方向における略中央部に、長手方向に直線状に延びる中央バスバー保持部１０ｂ２を有している。この中央バスバー保持部１０ｂ２は、上側バスバー１０ｅ及び下側バスバー１０ｆを内包する部位である。さらに、本実施形態のパワーモジュールケース１０ｂは、中央バスバー保持部１０ｂ２に対して形成された複数のバスバー露出開口１０ｂ３を有している。

これらのバスバー露出開口１０ｂ３は、上側バスバー１０ｅの表面の一部を露出する開口部である。このようなバスバー露出開口１０ｂ３は、上側バスバー１０ｅが延びる方向（延伸方向）に沿って配列されている。つまり、本実施形態においては、パワーモジュールケース１０ｂは、上側バスバー１０ｅの延伸方向に沿ってバスバー露出開口１０ｂ３が分散して複数設けられている。

バスバー露出開口１０ｂ３同士の間には、架橋部１０ｂ４が設けられている。つまり、架橋部１０ｂ４は、複数設けられており、バスバー露出開口１０ｂ３と同様に上側バスバー１０ｅに沿って配列されている。これらの架橋部１０ｂ４の内部には、後述するブリッジバスバー１０ｇ（上側バスバー１０ｅを跨ぐブリッジ電送路）が内包されている。このように、本実施形態においてパワーモジュールケース１０ｂは、バスバー露出開口１０ｂ３同士の間に配置されると共に、上側バスバー１０ｅを跨ぐブリッジバスバー１０ｇを内包する架橋部１０ｂ４を備えている。

また、このようなパワーモジュールケース１０ｂの側面部には、コンデンサ３やモータのコネクタ等と電気的に接続するための接続端子１０ｂ５が複数設けられている。これらの接続端子１０ｂ５のいくつかは、例えばブリッジバスバー１０ｇと接続されている。さらに、このようなパワーモジュールケース１０ｂには、パワーデバイス１０ａを回路基板１１に電気的に接続するための端子が複数設けられている。

バスバー１０ｃは、不図示のバッテリと不図示のモータとの間で電流を流すための電送路であり、例えば銅によって形成されている。本実施形態においてパワーモジュール１０は、バスバー１０ｃとして、上側バスバー１０ｅ（第１バスバー）と、下側バスバー１０ｆ（第２バスバー）と、ブリッジバスバー１０ｇとを備えている。

図３は、バスバー１０ｃを実線にて示したパワーモジュール１０の模式的な平面図である。また、図４（ａ）は図２のＡ−Ａ断面図であり、図４（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。例えば、図４に示すように、上側バスバー１０ｅと下側バスバー１０ｆとは、対向配置されるようにして平行に配置されている。上側バスバー１０ｅは下側バスバー１０ｆの上方に配置されており、下側バスバー１０ｆは上側バスバー１０ｅの下側に配置されている。これらの上側バスバー１０ｅと下側バスバー１０ｆとは、平面視にて（上側バスバー１０ｅと下側バスバー１０ｆとの配列方向から見て）、パワーデバイス１０ａの長手方向に沿って略直線状に延伸されている。これらの上側バスバー１０ｅと下側バスバー１０ｆとは、パワーモジュールケース１０ｂに設けられた接続端子１０ｂ５を介して不図示のバッテリ（昇圧回路）、コンデンサ３等と接続されている。

上側バスバー１０ｅと下側バスバー１０ｆとの間には、絶縁層１０ｈが設けられている。この絶縁層１０ｈは、例えば樹脂によって形成されており、パワーモジュールケース１０ｂの一部によって形成されていても良いし、パワーモジュールケース１０ｂとは別体の部材とされていても良い。

また、図４（ａ）に示すように、上側バスバー１０ｅ及び下側バスバー１０ｆは、各々が長尺状の板形状とされた基部１０ｉと、基部１０ｉの側縁部から突出して上方に向けられた接続部１０ｊとを有している。接続部１０ｊは、はんだ１０ｋを介してパワーデバイス１０ａの端子１０ａ１と接続される部位である。接続部１０ｊは、上側バスバー１０ｅ及び下側バスバー１０ｆとの延伸方向にて、パワーデバイス１０ａの端子１０ａ１の配置位置に応じて離散的に設けられている。

本実施形態においては、上側バスバー１０ｅの板状とされた基部１０ｉの表裏面のうち、下側バスバー１０ｆとの対向面と反対側の面が、バスバー露出開口１０ｂ３を介して露出されている。一方で、板状とされた基部１０ｉの側縁部は、接続部１０ｊが設けられた領域を除いてパワーモジュールケース１０ｂによって覆われている。つまり、基部１０ｉの側縁部は、パワーモジュールケース１０ｂによって露出されることなくモールドされている。

ブリッジバスバー１０ｇは、平面視において上側バスバー１０ｅの一方側の領域に配置されたパワーデバイス１０ａと、平面視において上側バスバー１０ｅの他方側の領域に配置されたパワーデバイス１０ａとを接続、またはコンデンサ３やモータのコネクタ等と接続するバスバー１０ｃである。このブリッジバスバー１０ｇは、図４（ｂ）に示すように、上側バスバー１０ｅ及び下側バスバー１０ｆを跨ぐように設けられており、パワーモジュールケース１０ｂの架橋部１０ｂ４に上方から覆われた状態で内包されている。

このような本実施形態の電力変換装置１を製造する場合において、パワーモジュール１０を組み立てる場合には、リフロー工程にて、バスバー１０ｃとパワーデバイス１０ａとをはんだ１０ｋによって接合する。具体的には、まず、接続部１０ｊを露出させた状態でバスバー１０ｃを内包するパワーモジュールケース１０ｂを形成し、このパワーモジュールケース１０ｂの収容凹部１０ｂ１にパワーデバイス１０ａを配置する。その後、接続部１０ｊとパワーデバイス１０ａの端子１０ａ１とに接触するようにはんだを配置し、パワーモジュールケース１０ｂ及びパワーデバイス１０ａをリフロー炉に入れ加熱することで、バスバー１０ｃとパワーデバイス１０ａとをはんだ１０ｋによって接合する。

以上のような本実施形態の電力変換装置１は、バスバー１０ｃと、バスバー１０ｃを保持するパワーモジュールケース１０ｂと、バスバー１０ｃにはんだ接続されるパワーデバイス１０ａとを備えている。さらに、本実施形態の電力変換装置１においては、バスバー１０ｃとして、平行に対向配置された上側バスバー１０ｅと下側バスバー１０ｆとを備え、パワーモジュールケース１０ｂが、上側バスバー１０ｅの下側バスバー１０ｆの対向面と反対側の面を露出するバスバー露出開口１０ｂ３を有している。

このような本実施形態の電力変換装置１によれば、上側バスバー１０ｅと下側バスバー１０ｆとが平行に対向配置され、さらに上側バスバー１０ｅの下側バスバー１０ｆとの対向面と反対側の面の一部が、パワーモジュールケース１０ｂに設けられたバスバー露出開口１０ｂ３によって露出されている。このため、リフロー工程にて、バスバー露出開口１０ｂ３にて露出された領域では、リフロー炉内の熱がパワーモジュールケース１０ｂによって遮蔽されることなく上側バスバー１０ｅに到達する。このため、上側バスバー１０ｅを短時間で昇温させることができる。さらに、上側バスバー１０ｅと下側バスバー１０ｆとが対向配置されているため、上側バスバー１０ｅを介して下側バスバー１０ｆも短時間で昇温することができる。したがって、本実施形態の電力変換装置１によれば、リフロー工程におけるバスバー１０ｃの昇温時間を短縮化することが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、上側バスバー１０ｅの延伸方向に沿って、バスバー露出開口１０ｂ３が分散して複数設けられている。このような本実施形態の電力変換装置１によれば、局所的にバスバー露出開口１０ｂ３を設ける場合よりも、上側バスバー１０ｅの延伸方向における複数箇所にて上側バスバー１０ｅの表面が露出されるため、上側バスバー１０ｅを延伸方向にて均等に昇温させることができる。さらに、下側バスバー１０ｆも延伸方向にて均等に昇温させることができる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、パワーモジュールケース１０ｂが、バスバー露出開口１０ｂ３同士の間に配置されると共に、上側バスバー１０ｅを跨ぐブリッジバスバー１０ｇを内包する架橋部１０ｂ４を有している。このような本実施形態の電力変換装置１によれば、ブリッジバスバー１０ｇを内包する架橋部１０ｂ４がバスバー露出開口１０ｂ３同士の間に配置されているため、パワーモジュールケース１０ｂの強度を向上させることが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、上側バスバー１０ｅ及び下側バスバー１０ｆが長尺状の板形状と基部１０ｉと、基部１０ｉの側縁部から突出すると共にパワーデバイス１０ａにはんだ接続される接続部１０ｊとを有し、パワーモジュールケース１０ｂが、基部１０ｉの側縁部を露出させることなくモールドしている。このような本実施形態の電力変換装置１によれば、少なくとも上側バスバー１０ｅ及び下側バスバー１０ｆの基部１０ｉがパワーモジュールケース１０ｂにモールドされているため、上側バスバー１０ｅ及び下側バスバー１０ｆをパワーモジュールケース１０ｂにて確実に保持し、パワーモジュール１０の絶縁を確保することが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置１においては、上側バスバー１０ｅと下側バスバー１０ｆとの配列方向（上側バスバー１０ｅの露出領域の法線方向）から見て、上側バスバー１０ｅの延伸方向と直交する方向から上側バスバー１０ｅを挟んで複数のパワーデバイス１０ａが配置されている。このような本実施形態の電力変換装置１によれば、多数のパワーデバイス１０ａを短時間で昇温される上側バスバー１０ｅ（及び下側バスバー１０ｆ）に近づけて配置することができ、多数のパワーデバイス１０ａを短時間で上側バスバー１０ｅ（及び下側バスバー１０ｆ）に接合することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、バスバー露出開口１０ｂ３を複数設ける構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、単一のバスバー露出開口１０ｂ３を備える構成を採用することも可能である。

また、上記実施形態においては、ブリッジバスバー１０ｇを架橋部１０ｂ４が内包する構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、架橋部１０ｂ４がブリッジバスバー１０ｇを内包しない構成を採用することも可能である。

１……電力変換装置、２……インテリジェントパワーモジュール、３……コンデンサ、４……本体ケース、１０……パワーモジュール、１０ａ……パワーデバイス、１０ａ１……端子、１０ｂ……パワーモジュールケース、１０ｂ１……収容凹部、１０ｂ２……中央バスバー保持部、１０ｂ３……バスバー露出開口、１０ｂ４……架橋部、１０ｂ５……接続端子、１０ｃ……バスバー、１０ｄ……ウォータジャケット、１０ｅ……上側バスバー（第１バスバー）、１０ｆ……下側バスバー（第２バスバー）、１０ｇ……ブリッジバスバー（ブリッジ電送路）、１０ｈ……絶縁層、１０ｉ……基部、１０ｊ……接続部、１０ｋ……はんだ、１１……回路基板

Claims (5)

1. バスバーと、前記バスバーを保持するパワーモジュールケースと、前記バスバーにはんだ接続されるパワーデバイスとを備える電力変換装置であって、
   前記バスバーとして、平行に対向配置された第１バスバーと第２バスバーとを備え、
   前記パワーモジュールケースは、前記第１バスバーの前記第２バスバーの対向面と反対側の面を露出するバスバー露出開口を有する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１バスバーの延伸方向に沿って、前記バスバー露出開口が分散して複数設けられていることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記パワーモジュールケースは、前記バスバー露出開口同士の間に配置されると共に、前記第１バスバーを跨ぐブリッジ電送路を内包する架橋部を有することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記バスバーが長尺状の板形状と基部と、前記基部の側縁部から突出すると共に前記パワーデバイスにはんだ接続される接続部とを有し、
   前記パワーモジュールケースは、前記基部の前記側縁部を露出させることなくモールドしている
   ことを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記第１バスバーと前記第２バスバーとの配列方向から見て、前記第１バスバーの延伸方向と直交する方向から前記第１バスバーを挟んで複数の前記パワーデバイスが配置されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載の電力変換装置。

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