JP6981379B2

JP6981379B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6981379B2
Application number: JP2018144061A
Authority: JP
Inventors: 政徳小林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2018-07-31
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2038-07-31
Also published as: DE112019003838T5; WO2020026660A1; JP2020022265A; US11557980B2; CN112514234B; CN112514234A; US20210159806A1

Description

本発明は、半導体モジュールとバスバーとを備えた電力変換装置に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載されるインバータ等の電力変換装置として、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、半導体モジュールのパワー端子に接続される複数のバスバーとを備えたものがある（特許文献１参照）。これらのバスバーは、例えばコンデンサ等に接続され、バスバーを介して半導体モジュールに電力が入力されるよう構成されている。

特開２０１１−１０９７６７号公報

しかしながら、電力変換装置においては、近年の小型化、高出力化の要請に伴い、スイッチング速度の高速化、大電流化等が求められている。そのために、バスバーにおけるインダクタンスの低減が一層求められることとなる。
例えば、特許文献１に開示された電力変換装置においては、バスバーの端縁に設けられた接続端子に、パワー端子が接続されている。それゆえ、接続端子の周囲において、電流経路が制限されやすく、インダクタンスを低減し難い。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、インダクタンスを低減することが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、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（２）と、
上記半導体モジュールのパワー端子（２１）に接続される一対のバスバー（３）と、を有し、
上記一対のバスバーは、一部が互いに厚み方向（Ｚ）に対向配置された本体板部（３１）と、該本体板部から分岐して上記パワー端子が接続される複数の端子接続部（３２）と、を有し、
上記一対のバスバーの少なくとも一方は、上記複数の端子接続部のそれぞれを含むように環状に形成された複数の環状部（３３）を有し、
複数の上記環状部は、上記厚み方向に直交する方向に一直線状に並んで配置されており、上記バスバーは、上記複数の環状部の並び方向に沿った端縁（３１９）において、上記厚み方向に屈曲した端縁屈曲部（３５）を有する、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置において、上記一対のバスバーの少なくとも一方は、上記複数の端子接続部のそれぞれを含むように環状に形成された複数の環状部を有する。これにより、端子接続部の周囲における電流経路を増加させることができ、バスバーのインダクタンスを低減することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、インダクタンスを低減することができる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

参考形態１における、電力変換装置の平面説明図。図１のII矢視相当の、端子接続部とパワー端子との接続部分の正面図。参考形態１における、コンデンサ及び一対のバスバーの斜視図。参考形態１における、コンデンサ及び一対のバスバーの上から見た平面図。参考形態１における、コンデンサ及び一対のバスバーの下から見た平面図。図４のVI−VI線矢視断面相当の、一対のバスバーの断面図。参考形態１における、正極バスバーの一部の平面説明図。参考形態１における、負極バスバーの一部の平面説明図。図８のIX−IX線矢視断面相当の、端子接続部の断面図。参考形態１における、Ｘ方向から見た端子接続部の電流経路を示す説明図。参考形態１における、Ｚ方向から見た端子接続部の電流経路を示す説明図。実施形態１における、一対のバスバーの断面図。実施形態１における、コンデンサ及び一対のバスバーの平面図。参考形態２における、電力変換装置の平面説明図。図１４のXV−XV線矢視断面相当の、端子接続部とパワー端子との接続部分の断面図。参考形態３における、電力変換装置の平面説明図。

（参考形態１）
電力変換装置に係る参考形態について、図１〜図１１を参照して説明する。
本形態の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、半導体モジュール２と一対のバスバー３と、を有する。半導体モジュール２は、スイッチング素子を内蔵している。一対のバスバー３は、半導体モジュール２のパワー端子２１に接続される。

図３〜図６に示すごとく、一対のバスバー３は、本体板部３１と、複数の端子接続部３２と、を有する。一対のバスバー３における本体板部３１は、一部が互いに厚み方向Ｚに対向配置されている。複数の端子接続部３２は、本体板部３１から分岐している。そして、図１、図２に示すごとく、端子接続部３２には、パワー端子２１が接続される。

図３〜図６に示すごとく、一対のバスバー３の少なくとも一方は、複数の端子接続部３２のそれぞれを含むように環状に形成された複数の環状部３３を有する。本形態においては、図７、図８に示すごとく、一対のバスバー３の双方が、それぞれ複数の環状部３３を有する。

図６に示すごとく、端子接続部３２は、本体板部３１に対して厚み方向Ｚに立設している。以下において、本体板部３１の厚み方向Ｚを、単にＺ方向ともいう。
図９に示すごとく、端子接続部３２は、本体板部３１との間の立上り屈曲部３４の外側面に、本体板部３１の主面３１１と端子接続部３２の端子配置面３２１との間を繋ぐ曲面部３４１を有する。そして、パワー端子２１の先端と端子接続部３２の先端とは、互いに同じ方向を向いている。なお、曲面部３４１は、例えば、曲率半径がバスバー３の板厚以上となるように形成されている。

本形態においては、パワー端子２１の先端と端子接続部３２の先端とは、Ｚ方向における同じ側を向いている。また、一対のバスバー３の双方の端子接続部３２は、Ｚ方向における同じ方向を向いている。便宜的に、これらの端子接続部３２の突出方向を上側といい、その反対側を下側という。

図１０に示すごとく、端子接続部３２は、端子配置面３２１の法線方向Ｘから見た形状が、厚み方向Ｚに沿った中心線Ｃを基準とした線対称形状を有する。以下において、端子配置面３２１の法線方向Ｘを、単にＸ方向ともいう。また、Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する方向を、Ｙ方向という。

端子接続部３２は、Ｙ方向の２か所に設けた脚部３２２において、立上り屈曲部３４と連続するように、Ｚ方向の上側に立設している。２つの脚部３２２は、上側において互いに連結されて、一つの端子接続部３２を構成している。端子接続部３２の上端部は、略台形状に形成されており、Ｙ方向の両側に、それぞれ傾斜端縁３２３を有し、２つの傾斜端縁３２３の間に、先端縁３２４を有する。

電力変換装置１は、図１に示すごとく、Ｘ方向に並んだ複数の半導体モジュール２を有する。各半導体モジュール２は、スイッチング素子を内蔵したモジュール本体部２０と、モジュール本体部２０から突出した複数のパワー端子２１とを有する。図１、図２に示すごとく、複数のパワー端子２１の突出方向は、Ｚ方向における上側である。パワー端子２１は、板状を有し、その厚み方向が、Ｘ方向を向いている。

パワー端子２１は、Ｘ方向において、バスバー３の端子接続部３２に重なり合う状態で、端子接続部３２に接続されている。パワー端子２１と端子接続部３２とは、端子接続部３２の先端縁３２４において溶接されている。

電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２に電気的に接続されるコンデンサ４を有する。コンデンサ４は、半導体モジュール２に入力される直流電圧を平滑化する平滑コンデンサとして機能する。バスバー３は、コンデンサ４と複数の半導体モジュール２とを接続する。一対のバスバー３としては、正極バスバー３Ｐと負極バスバー３Ｎとがある。正極バスバー３Ｐは、コンデンサ４と、複数の半導体モジュール２の正極のパワー端子２１とを接続するバスバー３である。負極バスバー３Ｎは、コンデンサ４と、複数の半導体モジュール２の負極のパワー端子２１とを接続するバスバー３である。

一対のバスバー３は、その一端を、コンデンサ４の一対の電極に接続している。すなわち、コンデンサ４の内部に設けられたコンデンサ素子（図示略）の一対の電極に、正極バスバー３Ｐと負極バスバー３Ｎとが、それぞれ接続されている。そして、図３に示すごとく、一対のバスバー３は、互いに厚み方向Ｚに重なり合った状態で、コンデンサ４のポッティング面４１から、Ｙ方向に突出している。

図３〜図６に示すごとく、バスバー３の本体板部３１は、平板状に形成されており、互いの一部を、Ｚ方向に重ねてある。そして、一対のバスバー３の本体板部３１の間には、互いの電気的絶縁を図るために、絶縁板１１が介在している。絶縁板１１は、例えば、樹脂成形体等によって形成されている。正極バスバー３Ｐは、絶縁板１１の上面側に配置され、負極バスバー３Ｎは、絶縁板１１の下面側に配置されている。

バスバー３は、本体板部３１の、Ｙ方向におけるコンデンサ４と反対側の端縁付近に、複数の端子接続部３２を設けている。２つのバスバー３は、Ｙ方向におけるコンデンサ４と反対側の端縁（以下において、板端縁３１９という。）の位置が、互いに異なる。本形態においては、負極バスバー３Ｎが、正極バスバー３Ｐよりも、コンデンサ４と反対側に延びている。

負極バスバー３Ｎは、正極バスバー３Ｐの板端縁３１９よりも、Ｙ方向におけるコンデンサ４と反対側の位置に、複数の端子接続部３２を有する。一方、正極バスバー３Ｐは、負極バスバー３Ｎと重なる部分において、複数の端子接続部３２を形成してなる。これに伴い、図５、図６、図８に示すごとく、負極バスバー３Ｎの本体板部３１には、正極バスバー３Ｐの端子接続部３２に重なる部位付近に、Ｚ方向に貫通する貫通孔３１２を設けてある。この貫通孔３１２を貫通するように、半導体モジュール２の正極のパワー端子２１が配置される（図１０参照）。

図４、図５に示すごとく、いずれのバスバー３においても、複数の端子接続部３２は、Ｘ方向に並んで一直線状に配置されている。複数の端子接続部３２は、Ｙ方向の両側において、互いに連結されている。すなわち、複数の端子接続部３２における、Ｙ方向の両側に、本体板部３１が形成されている。換言すると、本体板部３１は、端子接続部３２よりも、コンデンサ４側に配置された大面積部３１７と、板端縁３１９側に配置された連結部３１８とを有する。

大面積部３１７は、比較的広い面積にて板状に形成された部分であって、一対のバスバー３の重なり部分を有する。連結部３１８は、板端縁３１９に沿ってＸ方向に連続して形成された部分であり、Ｘ方向に並んだ複数の端子接続部３２を連結している。端子接続部３２は、大面積部３１７と連結部３１８との間に形成され、両者と接続されている。これにより、図７、図８に示すごとく、バスバー３に、複数の環状部３３が形成されている。

すなわち、環状部３３は、Ｘ方向に隣り合う２つの端子接続部３２と、大面積部３１７の一部と、連結部３１８の一部とによって、環状に連続した部位として、形成されている。また、Ｘ方向の一端に配された環状部３３は、一つの端子接続部３２と、大面積部３１７の一部と、連結部３１８の一部とを有する。そして、この環状部３３は、端子接続部３２に対してＸ方向に並んで、大面積部３１７と連結部３１８との間に形成された並走部３１６を含むことにより、環状に形成されている。

環状部３３の内側は、Ｚ方向に貫通した開口部３３０となっている。この開口部３３０を貫通するように、各パワー端子２１が配置されている。特に、正極のパワー端子２１は、負極バスバー３Ｎの貫通孔３１２と、正極バスバー３Ｐの開口部３３０との双方を、Ｚ方向に貫通するように、配置されている。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１において、一対のバスバー３の少なくとも一方は、複数の端子接続部３２のそれぞれを含むように環状に形成された複数の環状部３３を有する。これにより、端子接続部３２の周囲における電流経路を増加させることができ、バスバー３のインダクタンスを低減することができる。

すなわち、図１０、図１１に示すごとく、端子接続部３２を含むように環状部３３が形成されていることにより、端子接続部３２に、その両側から電流ｉが流れ込むようにすることができる。つまり、端子接続部３２に流れ込む電流ｉの経路として、端子接続部３２における大面積部３１７からの電流経路と、連結部３１８からの電流経路との、２つの経路を確保することができる。それゆえ、インダクタンスの低減を図ることができる。

また、端子接続部３２が、Ｙ方向の両側において、それぞれ大面積部３１７と連結部３１８とに接続されているため、溶接時の熱を、Ｙ方向の両側へ分散して逃しやすくなる。この熱の経路は、図１０、図１１に示す矢印ｉの逆向きとなる。
また、連結部３１８を設けることにより、端子接続部３２が両持ち梁構造となり、バスバー３の剛性を向上させることができる。

また、バスバー３が複数の環状部３３を有することにより、各パワー端子２１を、各環状部３３の内側の開口部３３０に挿通させることができる。これにより、バスバー３と半導体モジュール２との組み付けの際に、端子接続部３２とパワー端子２１との位置合わせが容易となる。その結果、電力変換装置１の生産性を向上させることができる。

また、負極バスバー３Ｎが複数の貫通孔３１２を有する。これにより、広い範囲にて一対のバスバー３をＺ方向に重ね合わせつつ、正極のパワー端子２１と負極のパワー端子２１との双方を各バスバー３に容易に接続することができる。

また、一対のバスバー３の双方が、それぞれ複数の環状部３３を有する。これにより、一対のバスバー３においてインダクタンスの低減を図ることができ、スイッチング損失を一層低減することができる。

端子接続部３２は、本体板部３１に対して厚み方向Ｚに立設している。これにより、Ｚ方向に立設したパワー端子２１と、端子接続部３２との接続を、容易かつ確実に行うことができる。

端子接続部３２は、立上り屈曲部３４の外側面に、曲面部３４１を有する。そして、パワー端子２１の先端と端子接続部３２の先端とは、同じ方向、すなわちＺ方向の上側を向いている。これにより、端子接続部３２に対して、下側からパワー端子２１を近付けて、端子接続部３２とパワー端子２１とを重ね合わせる際に、曲面部３４１をガイド面として機能させることができる。それゆえ、半導体モジュール２とバスバー３との組み付け作業を、より円滑に行うことができる。

端子接続部３２は、Ｘ方向から見た形状が、中心線Ｃを基準とした線対称形状を有する。これにより、端子接続部３２の熱を、Ｙ方向の両側に均等に放熱させることができる。すなわち、端子接続部３２の先端縁３２４にて、パワー端子２１との溶接を行ったとき、その熱を、Ｙ方向の両側に均等に逃しやすくなる。その結果、効率的な放熱を可能とし、半導体モジュール２への熱負荷をより効果的に抑制することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、インダクタンスを低減することができる電力変換装置を提供することができる。

（実施形態１）
本実施形態は、図１２、図１３に示すごとく、バスバー３が端縁屈曲部３５を有する、電力変換装置１の形態である。
複数の環状部３３は、厚み方向Ｚに直交する方向に一直線状に並んで配置されている。本形態においては、Ｘ方向に一直線状に、複数の環状部３３が並んで配置されている。バスバー３は、複数の環状部３３の並び方向、すなわちＸ方向に沿った端縁において、厚み方向Ｚに屈曲した端縁屈曲部３５を有する。

つまり、端縁屈曲部３５は、連結部３１８における端子接続部３２から遠い側の端縁に形成されている。そして、端縁屈曲部３５は、Ｘ方向に連続して形成されている。
また、端縁屈曲部３５は、バスバー３の本体板部３１からＺ方向の上側に突出している。
その他の構成は、参考形態１と同様である。なお、実施形態１以降において用いた符号のうち、既出の形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態においては、連結部３１８の剛性を向上させることができ、バスバー３の剛性を一層向上させることができる。これにより、バスバー３とパワー端子２１との間の接続信頼性を向上させることができる。
その他、参考形態１と同様の作用効果を有する。

（参考形態２）
本形態は、図１４、図１５に示すごとく、バスバー３に、半導体モジュール２の出力端子２１Ａを貫通させる、貫通窓部３６を設けた形態である。

すなわち、半導体モジュール２は、直流電力が入力されるパワー端子２１Ｐ、２１Ｎの他に、交流電力を出力する出力端子２１Ａを有する。そして、本形態においては、出力端子２１Ａは、パワー端子２１Ｐ、２１Ｎと同じ方向、すなわちＺ方向の上側に突出している。さらに、出力端子２１Ａは、パワー端子２１Ｐ、２１Ｎよりも、コンデンサ４に近い側に配置されている。それゆえ、この出力端子２１Ａがバスバー３と干渉しないようにすべく、バスバー３に、貫通窓部３６を形成してある。

図１５に示すごとく、貫通窓部３６は、一対のバスバー３の双方に、それぞれ複数形成されている。そして、一対のバスバー３は、貫通窓部３６同士がＺ方向に重なるように配置されている。このＺ方向に重なって配置された貫通窓部３６を貫通して、出力端子２１Ａが配置されている。また、出力端子２１Ａと貫通窓部３６の内周縁との間は、空隙が設けられ、出力端子２１Ａとバスバー３との電気的な絶縁が保たれるよう構成されている。

そして、２つのバスバー３よりもＺ方向の上側において、出力端子２１Ａは、出力バスバー（図示略）と接続される。出力バスバーは、回転電機等の交流負荷に電気的に接続される。
その他の構成は、参考形態１と同様である。

本形態においては、出力端子２１Ａとバスバー３との干渉を効果的に防ぐことができる。また、出力端子２１Ａをコンデンサ４に近い側に配置できるため、省スペース化を図ることができ、電力変換装置１の小型化を図りやすい。
その他、参考形態１と同様の作用効果を有する。

（参考形態３）
本形態は、図１６に示すごとく、コンデンサ４とバスバー３との位置関係を、参考形態１とは異ならせた形態である。
すなわち、バスバー３は、コンデンサ４に対して、Ｘ方向に隣り合う位置に配置されている。つまり、バスバー３は、コンデンサ４からＸ方向に突出している。

一対のバスバー３は、互いに本体板部３１の一部をＺ方向に重ね合わせた状態で配置されている。そして、負極バスバー３Ｎの本体板部３１の一部を、正極バスバー３Ｐよりも、Ｙ方向の一方に突出させるように配置されている。負極バスバー３Ｎにおいては、正極バスバー３ＰとＺ方向に重ならない部位に、複数の端子接続部３２を設けてある。

また、複数の半導体モジュール２の積層方向は、Ｘ方向であり、半導体モジュール２の主面とコンデンサ４とがＸ方向に対向している。ただし、半導体モジュール２の主面とコンデンサ４との間に、他の部品が配置されていてもよい。
その他の構成は、参考形態１と同様である。
本形態においても、参考形態１と同様の作用効果を奏することができる。

上記実施形態以外にも、各実施形態を種々変形した形態を採用することもできる。
例えば、一対のバスバー３及びパワー端子２１の極性を逆にした構成とすることもできる。すなわち、正極バスバー３Ｐと負極バスバー３Ｎとを入れ替えて、両者の位置関係及び形状を逆にすることも考えられる。
また、一対のバスバーのうちの一方のみに、複数の環状部を設けた構成とすることもできる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１電力変換装置
２半導体モジュール
２１パワー端子
３バスバー
３１本体板部
３２端子接続部
３３環状部

Claims

スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（２）と、
上記半導体モジュールのパワー端子（２１）に接続される一対のバスバー（３）と、を有し、
上記一対のバスバーは、一部が互いに厚み方向（Ｚ）に対向配置された本体板部（３１）と、該本体板部から分岐して上記パワー端子が接続される複数の端子接続部（３２）と、を有し、
上記一対のバスバーの少なくとも一方は、上記複数の端子接続部のそれぞれを含むように環状に形成された複数の環状部（３３）を有し、
複数の上記環状部は、上記厚み方向に直交する方向に一直線状に並んで配置されており、上記バスバーは、上記複数の環状部の並び方向に沿った端縁（３１９）において、上記厚み方向に屈曲した端縁屈曲部（３５）を有する、電力変換装置（１）。
上記一対のバスバーの双方が、それぞれ複数の上記環状部を有する、請求項１に記載の電力変換装置。
上記端子接続部は、上記本体板部に対して上記厚み方向に立設している、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
上記端子接続部は、上記本体板部との間の立上り屈曲部（３４）の外側面に、上記本体板部の主面（３１１）と上記端子接続部の端子配置面（３２１）との間を繋ぐ曲面部（３４１）を有し、上記パワー端子の先端と上記端子接続部の先端とは、互いに同じ方向を向いている、請求項３に記載の電力変換装置。
上記端子接続部は、端子配置面（３２１）の法線方向（Ｘ）から見た形状が、上記厚み方向に沿った中心線（Ｃ）を基準とした線対称形状を有する、請求項３又は４のいずれか一項に記載の電力変換装置。