JP6745386B1

JP6745386B1 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6745386B1
Application number: JP2019115518A
Authority: JP
Inventors: 寛明飯田
Original assignee: Keihin Corp
Current assignee: Keihin Corp
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2039-06-21
Also published as: CN112117916A; JP2021002938A

Abstract

【課題】フレームグラウンドを簡易な構成にすること。【解決手段】電力変換装置１０は、半導体素子５０と、前記半導体素子５０を制御する制御回路６１を備えた制御回路用基板６０と、前記半導体素子５０を収容するとともに前記制御回路用基板６０を配置した樹脂製ケース４０と、前記樹脂製ケース４０を収容した導電性を有する筐体２０と、を含む。電力変換装置１０は、前記制御回路用基板６０前記筐体２０との間を電気的に接続する導電性部材７０を有する。前記導電性部材７０は、少なくとも一部を前記樹脂製ケース４０に埋設されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置の改良技術に関する。

ハイブリッド車両や電動車両に搭載される電力変換装置は、例えばバッテリとモータとの間に配置されており、バッテリに貯えられている電力を制御してモータへ供給する。このような電力変換装置では、電気回路の基準電位を決めるために、導電性を有している筐体に回路基板を電気的に接続している。この筐体は、フレームグラウンドの機能を有する。フレームグラウンドの技術は各種提案されてきた（例えば、特許文献１）。

特許文献１で知られている回路基板は、電気回路に配線が施された配線基板を導電性のケースに収納し、配線基板の外周側端面の一部分に金属メッキが施されたメッキ側端部を有し、メッキ側端部と電気回路のグラウンドとケースとが導電部材によって電気的に接続されている、というものである。この導電部材は、バネ性を有しており、ケースの内壁面に片持ち固定されている。導電部材の自由端は、メッキ側端部に弾性を有して接触している。

特開２０１３−１６２０８３号公報

特許文献１で知られている技術では、フレームグラウンドの構成が複雑であり、改良の余地がある。

本発明は、簡易な構成によって、フレームグラウンドを構成することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明では、
半導体素子と、
前記半導体素子を制御する制御回路を備えた制御回路用基板と、
前記半導体素子を収容するとともに前記制御回路用基板を配置した樹脂製ケースと、
前記樹脂製ケースを収容した導電性を有する筐体と、
を含む電力変換装置において、
前記制御回路用基板と前記筐体との間を電気的に接続する導電性部材を有し、
前記導電性部材は、少なくとも一部を前記樹脂製ケースに埋設されており、
前記半導体素子を冷却する導電性のヒートシンクを有し、
前記ヒートシンクは、前記樹脂製ケースと一体成形品であって、前記筐体の内部且つ内底面に重ねられており、
前記導電性部材の一端部は、前記ヒートシンクと共に、固定部材によって前記筐体に固定されることで、前記筐体に電気的に接続且つ固定されている、
ことを特徴とする電力変換装置が提供される。

請求項２に係る発明では、前記樹脂製ケースは、平面視矩形状の構成であり、前記導電性部材の前記一端部が前記筐体に固定される部位は、前記平面視矩形状である前記樹脂製ケースの縁である。

請求項３に係る発明では、前記導電性部材の他端部は、前記制御回路用基板に対して半田部分により固定されている。

請求項４に係る発明では、前記電力変換装置は、前記制御回路用基板を前記樹脂製ケースに固定する固定部材を、更に有している。前記固定部材は、前記半田部分の近傍に位置している。

請求項５に係る発明では、前記導電性部材は、バスバーによって構成されており、
前記バスバーのなかの、前記他端部を含む一部は、他の部分よりも細く構成されている。

請求項１に係る発明では、制御回路用基板と筐体とを電気的に接続している、フレームグラウンド用の導電性部材は、少なくとも一部を樹脂製ケースに埋設されている。例えば、樹脂製ケースを成型時に、この樹脂製ケースに導電性部材を一体成型することができる。このため、樹脂製ケースに対して、導電性部材を確実に固定することができるとともに、簡易な構成によって、フレームグラウンドを構成することができる。しかも、電力変換装置を組み立てるときに、樹脂製ケースに対する導電性部材の位置決めをする必要はない。

請求項２に係る発明では、矩形状である樹脂製ケースの縁の部位で、導電性部材の一端部を筐体に固定している。このため、導電性部材の固定位置とは関係なく、半導体素子を収容する樹脂製ケースの内部のスペースや、制御回路用基板の配置スペースを十分に確保することができる。

請求項３に係る発明では、フレームグラウンド用の導電性部材の他端部を、フロー半田等の半田工程によって制御回路用基板に確実に且つ容易に固定することができる。

請求項４に係る発明では、制御回路用基板を樹脂製ケースに固定する固定部材が、半田部分の近傍に位置しているので、制御回路用基板が振動した場合や半田工程の場合に、半田部分に過大な外力がかかりにくい。このため、半田部分の信頼性を高めることができる。

請求項５に係る発明では、導電性部材を構成しているバスバーのなかの、他端部を含む一部は、他の部分よりも細い。このため、フロー半田等の半田工程において、バスバーを予め加熱するときに、このバスバーから筐体へ放熱しにくい。この結果、半田付けの仕上がりが良好となるので、半田付け部分の品質を高めることができる。

本発明による電力変換装置のフレームグラウンド用の導電性部材周りの断面図である。図１に示されるヒートシンク、樹脂製ケース及び制御回路用基板の組立状態の斜視図である。図２の３部の拡大図である。図３に示されるヒートシンク、樹脂製ケース及び制御回路用基板の分解した斜視図である。

本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１に示されるように、電力変換装置１０は、例えばバッテリとモータとの間に配置されており、バッテリに貯えられている電力を制御してモータへ供給するために、ハイブリッド車両や電動車両に搭載される。

この電力変換装置１０は、導電性を有する有底の筐体２０と、この筐体２０の内部且つ内底面２１に重ねられた導電性を有する平板状のヒートシンク３０と、このヒートシンク３０の上面３１に一体に形成されてなるとともに筐体２０に収容された矩形状の樹脂製ケース４０と、この樹脂製ケース４０に収容された半導体素子５０と、樹脂製ケース４０の上部に配置された制御回路用基板６０（第１基板６０）と、少なくとも１つの第１導電性部材７０と、複数の第２導電性部材８０（図２参照）と、を含む。

筐体２０とヒートシンク３０とに囲まれた冷媒路３２には、冷媒が流れる。つまり、ヒートシンク３０は冷媒路３２のリッドの機能を兼ねる。筐体２０の上部開口は、カバー２２によって塞がれている。

上述のように、ヒートシンク３０と樹脂製ケース４０は、一体成形品（例えばモールド成型品）であることが好ましい。

図１及び図２に示されるように、樹脂製ケース４０は、この樹脂製ケース４０を筐体２０に向かって見て矩形状（略矩形、略正方形を含む）、つまり平面視矩形状の構成である。さらに樹脂製ケース４０は、上下方向に開放された枠状の部材であって、外枠の周壁４１と、この周壁４１によって囲まれている内部を仕切る仕切壁（図示せず）とからなる。

ヒートシンク３０は、樹脂製ケース４０と同様に、この樹脂製ケース４０を筐体２０に向かって見て矩形状（略矩形、略正方形を含む）、つまり平面視矩形状の構成である。樹脂製ケース４０の下端部の縁４１ａ（周壁４１の縁４１ａ）には、この縁４１ａの全周囲または一部にフランジ４２が一体に設けられている。このフランジ４２は、樹脂製ケース４０の縁４１ａから外方へ、ヒートシンク３０の上面３１に沿って延びている。さらに、このフランジ４２は、樹脂製ケース４０と共にヒートシンク３０の上面３１に一体に形成されてなる。

このフランジ４２には、導電性を有する複数の鍔付き環状のカラー４３が一体に設けられている。ヒートシンク３０とフランジ４２とは、導電性を有する複数の固定部材４４（第１固定部材４４）によって、筐体２０の内底面２１に固定されている。筐体２０に対し、ヒートシンク３０とフランジ４２とが複数の固定部材４４によって固定される部位は、平面視矩形状である樹脂製ケース４０の少なくとも四隅に、位置していることが好ましい。この複数の固定部材４４は、例えばカラー４３を挿通したボルトによって構成される。

図１に示されるように、半導体素子５０は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等の発熱性が高いパワー半導体であり、半導体素子用基板５１（第２基板５１）に実装されている。この半導体素子用基板５１は、ヒートシンク３０の上面３１に設けられている（実装されている）。このため、半導体素子５０をヒートシンク３０によって冷却することができる。例えば、半導体素子５０とフリーホイールダイオード（環流ダイオード）との組み合わせによって、パワーモジュールが構成される。

制御回路用基板６０は、半導体素子５０を制御する複数の制御回路６１を備えている。つまり、この制御回路用基板６０の板面６０ａには、半導体素子５０のスイッチングを制御するための複数の制御回路６１（スイッチング制御回路６１）が設けられている。例えば、半導体素子５０がＩＧＢＴである場合には、制御回路用基板６０に設けられるスイッチング制御回路６１は、ＩＧＢＴのゲートを駆動するゲートドライバ回路によって構成される。

さらに、この制御回路用基板６０の板面６０ａには、図１、図３及び図４に示されるように、少なくとも１つのフレームグラウンド用端子６２と、複数の信号用端子６３と、が設けられている。フレームグラウンド用端子６２は、制御回路６１の電圧の基準（基準電位）を決めるために、制御回路６１と筐体２０とを電気的に接続する端部である。複数の信号用端子６３は、制御回路６１と半導体素子５０とを電気的に接続する端部である。制御回路用基板６０は、フレームグラウンド用端子６２と複数の信号用端子６３とに位置する、複数の挿通孔６４を有している。この複数の挿通孔６４は、各端子６２，６３を個別に貫通している。

第１導電性部材７０は、筐体２０と制御回路用基板６０とを電気的に接続している、いわゆる「フレームグラウンド用の導電性部材」となる。より詳しく述べると、この第１導電性部材７０は、一端部７０ａを筐体２０に電気的に接続されるとともに、他端部７０ｂを制御回路用基板６０のフレームグラウンド用端子６２に電気的に接続されている。以下、第１導電性部材７０のことを、適宜「フレームグラウンド用の導電性部材７０」と言い換える。

前記第１導電性部材７０は、導電性を有しているＬ字状の部材（例えばＬ字状に屈曲した板材）から成る、バスバー（ピン）である。より具体的には、この第１導電性部材７０は、樹脂製ケース４０のフランジ４２に設けられた横板部７１と、この横板部７１の端から起立した縦板部７２と、から成る。第１導電性部材７０の少なくとも一部、つまり縦板部７２の下半分と横板部７１とは、樹脂製ケース４０に埋設されている。

詳しくは、横板部７１は樹脂製ケース４０のなかの、フランジ４２に埋設している。但し、横板部７１のなかの先端部７１ａは、固定部材４４を挿通可能な環状の平板に構成されており、この先端部７１ａの下面（ヒートシンク３０の上面３１側の面）は、樹脂製ケース４０から露出している。この先端部７１ａは、第１導電性部材７０の一端部７０ａを構成する。

この先端部７１ａのなかの、樹脂製ケース４０から露出した下面と、ヒートシンク３０の上面３１とは、互いに重なり合って電気的に接続している。この先端部７１ａは、フランジ４２及びヒートシンク３０と共に、固定部材４４によって筐体２０に固定される。この結果、第１導電性部材７０の一端部７０ａは、筐体２０に電気的に接続且つ固定される。

縦板部７２の下半分７２ａは、樹脂製ケース４０の周壁４１に埋設されている。縦板部７２の上半分７２ｂ、つまり上端部７２ｂは、樹脂製ケース４０の上（周壁４１の上端）から上方へ突出している。この上端部７２ｂは、縦板部７２のなかの、上端（先端）から制御回路用基板６０よりも下位までの範囲である。この上端部７２ｂは、第１導電性部材７０の他端部７０ｂを構成する。

この上端部７２ｂは、下半分７２ａよりも細く構成（例えば幅狭に構成）されている。従って、第１導電性部材７０のなかの、少なくとも他端部７０ｂを含む一部は、他の部分７１，７２ａよりも細く構成されている。

上端部７２ａは、フレームグラウンド用端子６２に位置している挿通孔６４を挿通するとともに、フレームグラウンド用端子６２に対して、図１に示される半田部分６５（半田付け部６５、半田層６５ともいう）により固定されている。この結果、第１導電性部材７０の他端部７０ｂは、制御回路用基板６０に対して半田部分６５により固定されている。

図１及び図３に示されるように、制御回路６１が、フレームグラウンド用端子６２と第１導電性部材７０とヒートシンク３０とを介して筐体２０に接続されることにより、筐体２０をフレームグラウンドとして用いて、制御回路６１の電圧の基準（基準電位）を決めることができる。

図３及び図４に示されるように、前記複数の第２導電性部材８０は、制御回路用基板６０と半導体素子５０（図１参照）とを電気的に接続している、いわゆる「制御信号用の導電性部材」となる。より詳しく述べると、複数の第２導電性部材８０は、図示せぬ一端部を半導体素子５０に電気的に接続されるとともに、他端部８０ａを制御回路用基板６０の複数の信号用端子６３に電気的に接続されている。第２導電性部材８０の個数は、信号用端子６３の個数と同じである。第２導電性部材８０のことを、適宜「制御信号用の導電性部材８０」と言い換える。

複数の第２導電性部材８０は、全て同じ構成であって、それぞれ導電性を有している細長い板材から成るバスバー（ピン）によって構成される。第２導電性部材８０の下半分は、樹脂製ケース４０に埋設されている。第２導電性部材８０の上半分８０ａ、つまり他端部８０ａは、樹脂製ケース４０の上（周壁４１の上端）から上方へ突出しており、第２導電性部材８０のなかの他の部分よりも細く構成されている。

複数の他端部８０ａは、複数の信号用端子６３に位置している複数の挿通孔６４を挿通するとともに、複数の信号用端子６３に対して個別に半田部分６５（半田付け部６５、半田層６５ともいう）により固定されている。

図１及び図２に示されるように、制御回路用基板６０は、樹脂製ケース４０に固定部材９１（第２固定部材９１）によって固定されている。この固定部材９１は、少なくともいずれか１つの半田部分６５の近傍に位置している。詳しく述べると、樹脂製ケース４０は、周壁４１の上端から上方へ突出した複数のボス９２を有する。制御回路用基板６０は、ボス９２の上端面に複数の固定部材９１によって固定される。制御回路用基板６０の四隅には、複数の固定部材９１を挿通可能な複数の貫通孔６６が形成されてなる。この固定部材９１は、ボス９２の上端面にネジ止めするビスによって構成される。

以上の説明をまとめると、次の通りである。
図１〜図４に示されるように、電力変換装置１０は、
半導体素子５０と、
前記半導体素子５０を制御する制御回路６１を備えた制御回路用基板６０と、
前記半導体素子５０を収容するとともに前記制御回路用基板６０を配置した樹脂製ケース４０と、
前記樹脂製ケース４０を収容した導電性を有する筐体２０と、を含み、
前記制御回路用基板６０と前記筐体２０との間を電気的に接続する導電性部材７０（第１導電性部材７０）を有し、
前記導電性部材７０は、少なくとも一部を前記樹脂製ケース４０に埋設されている。

このように、制御回路用基板６０と筐体２０とを電気的に接続している、フレームグラウンド用の導電性部材７０は、少なくとも一部を樹脂製ケース４０に埋設されている。例えば、樹脂製ケース４０を成型時に、この樹脂製ケース４０に導電性部材７０を一体成型することができる。このため、樹脂製ケース４０に対して、導電性部材７０を確実に固定することができるとともに、簡易な構成によって、フレームグラウンドを構成することができる。しかも、電力変換装置１０を組み立てるときに、樹脂製ケース４０に対する導電性部材７０の位置決めをする必要はない。

さらには、前記導電性部材７０の一端部７０ａは、前記筐体２０に対して電気的に接続且つ固定されている。このため、筐体２０に対して導電性部材７０の一端部７０ａを確実に固定することができる。

さらには、前記樹脂製ケース４０は、前記樹脂製ケース４０を前記筐体２０に向かって見て矩形状の構成であり（図２参照）、前記導電性部材７０の前記一端部７０ａが前記筐体２０に固定される部位は、前記矩形状である前記樹脂製ケース４０の縁４１ａ（つまり、縁４１ａに設けられたフランジ４２）である。
このように、矩形状である樹脂製ケース４０の縁４１ａの部位で、導電性部材７０の一端部７０ａが筐体２０に固定されている。このため、導電性部材７０の固定位置とは関係なく、半導体素子５０を収容する樹脂製ケース４０の内部のスペースや、制御回路用基板６０の配置スペースを十分に確保することができる。

さらには、前記導電性部材７０の他端部７０ｂは、前記制御回路用基板６０に対して半田部分６５により固定されている。このため、フレームグラウンド用の導電性部材７０の他端部７０ｂを、フロー半田等の半田工程によって制御回路用基板６０に確実に且つ容易に固定することができる。

さらには、前記電力変換装置１０は、前記制御回路用基板６０を前記樹脂製ケース４０に固定する固定部材９１（第２固定部材９１）を有している。前記固定部材９１は、前記半田部分６５の近傍（例えば、フレームグラウンド用端子６２を固定する半田部分６５の近傍）に位置している。
このように、制御回路用基板６０を樹脂製ケース４０に固定する固定部材９１が、半田部分６５の近傍に位置しているので、制御回路用基板６０が振動した場合や半田工程の場合に、半田部分６５に過大な外力がかかりにくい。このため、半田部分６５の信頼性を高めることができる。

さらには、前記導電性部材７０は、バスバーによって構成されており、
前記バスバー７０（導電性部材７０）のなかの、前記他端部７０ｂを含む一部は、他の部分７１，７２ａよりも細く構成されている。
このように、導電性部材７０を構成しているバスバーのなかの、他端部７０ｂを含む一部は、他の部分７１，７２ａよりも細い。このため、フロー半田等の半田工程において、バスバーを予め加熱するときに、このバスバーから筐体２０へ放熱しにくい。この結果、半田付けの仕上がりが良好となるので、半田付け部分の品質を高めることができる。

本発明は、車両に搭載される電力変換装置に好適である。

１０…電力変換装置、２０…筐体、４０…樹脂製ケース、５０…半導体素子、６０…制御回路用基板、６１…制御回路、７０…フレームグラウンド用の導電性部材、７０ａ…一端部、７０ｂ…他端部、９１…固定部材。

Claims

半導体素子と、
前記半導体素子を制御する制御回路を備えた制御回路用基板と、
前記半導体素子を収容するとともに前記制御回路用基板を配置した樹脂製ケースと、
前記樹脂製ケースを収容した導電性を有する筐体と、
を含む電力変換装置において、
前記制御回路用基板と前記筐体との間を電気的に接続する導電性部材を有し、
前記導電性部材は、少なくとも一部を前記樹脂製ケースに埋設されており、
前記半導体素子を冷却する導電性のヒートシンクを有し、
前記ヒートシンクは、前記樹脂製ケースと一体成形品であって、前記筐体の内部且つ内底面に重ねられており、
前記導電性部材の一端部は、前記ヒートシンクと共に、固定部材によって前記筐体に固定されることで、前記筐体に電気的に接続且つ固定されている、
ことを特徴とする電力変換装置。
前記樹脂製ケースは、平面視矩形状の構成であり、
前記導電性部材の前記一端部が前記筐体に固定される部位は、前記平面視矩形状である前記樹脂製ケースの縁である、ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記導電性部材の他端部は、前記制御回路用基板に対して半田部分により固定されている、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。
前記制御回路用基板を前記樹脂製ケースに固定する固定部材を、更に有しており、
前記固定部材は、前記半田部分の近傍に位置している、ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
前記導電性部材は、バスバーによって構成されており、
前記バスバーのなかの、前記他端部を含む一部は、他の部分よりも細く構成されている、ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電力変換装置。