JP7017993B2 - 電力変換装置及びバスバ - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置及びバスバに関するものである。

電力変換装置においては、電子部品同士を接続するためにバスバを用いる場合がある。例えば、特許文献１には、一端が中間部材を介してはんだにより下部電極板と接続され、他端が外部端子とボルトにより締結された上部電極板（バスバ）を備える半導体装置が開示されている。

特開２０１４－７８５６４号公報

特許文献１の上部電極板においては、一方がはんだ付けされているために、一端側の高さと他端側の高さとが必ずしも一致せず、固定された両端において応力集中が発生する可能性がある。また、同様に、両端がボルトにより対象物と締結されるバスバにおいても、バスバが取り付けられる対象物の位置によっては、一端側の高さと他端側の高さとが一致しない場合があり、その際もバスバの変形により応力集中する部分が出来る為、振動による破断の虞がある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、バスバの局所的な応力集中を抑制させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電力変換装置に係る第１の手段として、パワー半導体素子を含む電子部品と、前記電子部品に接続されるバスバとを備える電力変換装置であって、前記バスバは、前記電子部品と締結される両端部の断面二次モーメントが大きく、両端部の間の中央部の断面二次モーメントが小さくなるように形状設定される、という構成を採用する。

電力変換装置に係る第２の手段として、前記バスバは、前記両端部から前記中央部に向かうにつれて幅が減少するように形状設定されている、という構成を採用する。

電力変換装置に係る第３の手段として、前記バスバは、平面から突出したビード形状を有し、前記両端部から前記中央部に向かうにつれて前記ビード形状の高さが減少するように形状設定されている、という構成を採用する。

電力変換装置に係る第４の手段として、前記バスバは、前記両端部から前記中央部に向かうにつれて板厚が薄くなるように形状設定されている、という構成を採用する。

電力変換装置に係る第５の手段として、前記電子部品が配置されると共に前記バスバの前記両端部を囲う壁部を有するケースを備え、前記バスバは、前記壁部に当接する位置決め部を有する、という構成を採用する。

バスバに係る第１の手段として、両端において電子部品と接続されるバスバであって、電子部品と締結される両端部の断面二次モーメントが大きく、両端部に挟まれる中央部の断面二次モーメントが小さくなるように形状設定される、という構成を採用する。

本発明によれば、バスバは、中央部の断面二次モーメントが小さいため、中央部が弾性変形し、両端部は変形しない。したがって、バスバにおいて、両端の高さ位置が異なる場合にも、両端に応力集中が発生せず、従来形状と比較してバスバにかかる局所的な応力を分散させることが可能であり、結果、バスバの破断を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置の一部を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態におけるバスバを示す図であり、（ａ）が上面図であり、（ｂ）が断面図である。 本発明の一実施形態におけるバスバの変形例を示す図である。

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。
本実施形態に係る電力変換装置１は、ハイブリッド車や電気自動車等、モータを動力源として走行する車両に搭載される。

［第１実施形態］
本実施形態に係る電力変換装置１は、不図示のモータを駆動するパワーモジュールを備える装置であり、モータ及び車載バッテリと電気的に接続されている。電力変換装置１は、図１に示すように、パワーモジュールケース２と、パワーモジュール３と、複数の電極接続端子４と、信号端子５と、回路基板６と、冷却器７と、バスバ８と、コンデンサ（図１には不図示）とを備えている。また、電力変換装置１は、パワーモジュールケース２、パワーモジュール３、複数の電極接続端子４、信号端子５、回路基板６及びコンデンサを収容するケース（不図示）を備えている。パワーモジュール３とモータ（不図示）とは、電極接続端子４及びバスバ８を介して接続されている。

パワーモジュールケース２は、パワーモジュール３を収容する樹脂製のケースである。また、パワーモジュールケース２は、上面２ａから立設される壁部２ｂを有しており、壁部２ｂにより区切られた各空間にパワーモジュール３が配置されている。また、パワーモジュールケース２の上面２ａ縁部には、上面２ａから上方へと突出した端子台２ｃが形成されている。また、パワーモジュールケース２の下側には、冷却器７が設けられている。また、パワーモジュールケース２には、バスバ８を固定するためのボルト孔が形成されており、該ボルト孔にはインサートナットＮが挿入されている。

パワーモジュール３は、パワー半導体素子を含む電力変換回路である。このようなパワーモジュール３は、信号端子５とワイヤボンディング（不図示）により電気的に接続されている。

電極接続端子４は、パワーモジュール３と電力線とを接続する金属板（例えば銅板）である。本実施形態においては、３つの電極接続端子４が１組として設けられている。電極接続端子４の一端は、パワーモジュールケース２内においてパワーモジュール３と接続される。電極接続端子４の他端は、パワーモジュールケース２の側面に設けられる接続端子４ａとされる。本実施形態においては、３つの接続端子４ａが１組として、側面に所定の間隔を開けて配列される。このような電極接続端子４は、図１及び図２（ｂ）に示すように、中央部にボルトＢが挿通する開口が設けられている。

なお、電力変換装置１の設置姿勢は特に限定されない。ただし、以下の説明においては、説明の便宜上、接続端子４ａの配列方向を電力変換装置１の左右方向と、側面に平行かつ接続端子４ａの配列方向に直交する方向（図１の上下方向）を電力変換装置１の上下方向と定義する。

信号端子５は、図１及び２に示すように、パワーモジュールケース２に一部が埋設されて固定された金属部品である。信号端子５は、一端５ａが端子台２ｃから突出して設けられた細長状とされ、他端５ｂが上面２ａ上に露出している。すなわち、信号端子５は、中央部が屈曲されると共にパワーモジュールケース２にモールドされて固定されている。信号端子５の一端５ａは、先細形状とされ、電磁シールド６及び絶縁シート７からも露出しており、回路基板６と電気的に接続されている。また、信号端子５の他端５ｂは、上面２ａより露出する面を有しており、該面において、パワー半導体素子にボンディングワイヤ（信号配線）により接続されている。これにより、信号端子５は、パワー半導体素子と回路基板６とを電気的に接続している。

回路基板６は、パワーモジュールケース２の上面に固定配置されている。回路基板６には、不図示の制御回路が実装される。回路基板６（制御回路）は、所定の通信ケーブルなどを介してモータＥＣＵ等の上位制御装置と接続されており、上位制御装置から入力される制御指令に基づいて車両に搭載される昇降圧コンバータ、インバータ等を制御する。

冷却器７は、冷媒入口７ａ及び冷媒出口７ｂを有する扁平な容器状とされている。冷却器７の内部には、冷媒が流通し、パワー半導体素子３ａ等から伝えられる熱を冷媒へと伝達することにより、パワー半導体素子３ａ等を冷却している。

バスバ８は、図２（ａ）に示すように、両端部にボルト締結孔８ａが形成されている細長形状の金属板（例えば銅板）である。バスバ８は、図２（ｂ）に示すように一端がパワーモジュール３の接続端子４ａに対してボルトＢにより締結され、他端がコンデンサ（電子部品）の接続端子Ｃに対してボルトＢで接続されることにより、電気的に接続されている。すなわち、バスバ８は、パワーモジュール３とコンデンサとを電気的に接続している。バスバ８は、ボルト締結孔８ａの近傍において短手方向に突出した突出部８ｂを有し、突出部８ｂから中央部、すなわち２つのボルト締結孔８ａの中間点に向かって、徐々に幅が減少するように形状設定されている。すなわち、バスバ８は、端部の幅が太く設定されると共に中央部の幅が狭くなっていることで、端部の断面積が大きく、中央部の断面積が小さい形状とされている。なお、バスバ８において最も幅が狭くなる部位においても、電気的に必要とされる幅を満たすように設定されている。

なお、コンデンサは、電力変換装置１のケース内において、パワーモジュール３よりも下側に設けられており、バスバ８によってパワーモジュールと電気的に接続されている。

このような電力変換装置１は、バッテリから供給される電力を、直流から交流へと変換すると共にモータへと伝える装置であり、モータへの供給電力を制御する。

このようなバスバ８において、接続端子４ａ及びコンデンサの接続端子ＣとボルトＢにより締結される際に、接続端子４ａとコンデンサの接続端子Ｃとが高さ方向（図２（ｂ）における上下方向）における位置が異なる場合がある。このとき、バスバ８は、中央部の断面二次モーメントが小さいため、中央部が弾性変形し、ボルト締結孔８ａを含む端部は変形しない。したがって、バスバ８において、両端の高さ位置が異なる場合にも、両端に応力集中が発生せず、従来形状と比較してバスバ８の応力を分散させることが可能である。また、振動が発生した場合にも、中央部へと力を逃がすことが可能であり、両端部に応力が集中しないため、バスバ８の破断を抑制させることが可能である。

［第２実施形態］
続いて、上記第１実施形態の変形例を第２実施形態として説明する。なお、上記第１実施形態と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。
本実施形態においては、図３（ａ）に示すように、パワーモジュールケース２は、バスバ８が設置される位置において、ボルト孔を囲う円弧状に立設される絶縁壁部２ｄを備えている。絶縁壁部２ｄは、パワーモジュールケース２と共に樹脂により構成され、バスバ８の先端が内側に配置されることで、バスバ８からその他のパワーモジュールケース２に配置される部材へと通電することを防止している。バスバ８は、先端が絶縁壁部２ｄの円弧の内側に設けられると共に突出部８ｂが絶縁壁部２ｄの端部と接触するように配置される。

このような配置とすることにより、突出部が絶縁壁部２ｄの端部に当接することで、バスバ８がボルト締結孔８ａを中心として回転することがない。したがって、バスバ８の位置決めが容易であり、バスバ８を締結する際に、バスバ８がボルト締結孔８ａの周方向において固定された状態となるため端部に応力が集中せず、両端部と中央部とにおいて発生する応力を均一とすることが可能である。また、本実施形態に係るバスバ８は、突出部８ｂがバスバ８端部の最大幅部であるため、殆どサイズ・重量の増加無しに装置に対して適用可能である。

［第３実施形態］
続いて、上記第１実施形態の変形例を第３実施形態として説明する。なお、上記第１実施形態と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。

本実施形態において、電力変換装置１は、バスバ８に代えて図３（ｂ）に示すバスバ８Ａを備えている。バスバ８Ａは、屈曲されることにより幅方向における中間点が頂点となるように突出したビード形状８ｃを有している。ビード形状８ｃは、両端部のボルト締結孔８ａの間の部位において長手方向に沿って形成されている。また、ビード形状８ｃは、バスバ８Ａにおける長手方向の両端部から中央部に向けて頂点の高さが徐々に低くなるように形状設定されている。なお、このようなビード形状８ｃは、パンチ加工等により形成される。

このようなバスバ８Ａによれば、ビード形状８ｃの頂点高さが相対的に高い両端部側において断面二次モーメントが大きく、ビード形状８ｃの頂点高さが相対的に低い中央部において断面二次モーメントが小さい。したがって、中央部が変形することで応力を逃がすことが可能であり、バスバ８Ａの端部に応力が集中することなく、従来形状と比較してバスバ８Ａの応力を分散させることが可能である。

［第４実施形態］
続いて、上記第１実施形態の変形例を第４実施形態として説明する。なお、上記第１実施形態と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。

本実施形態において、電力変換装置１は、バスバ８に代えて図３（ｃ）に示すバスバ８Ｂを備えている。バスバ８Ｂは、両端のボルト締結孔８ａの間において、板厚（長手方向及び幅方向に対して垂直な方向の厚さ）が徐々に中央部に向けて薄くなるように形状設定されている。

このようなバスバ８Ｂによれば、バスバ８Ｂの厚さが相対的に厚い両端部側において断面二次モーメントが大きく、バスバ８Ｂの厚さが相対的に薄い中央部において断面二次モーメントが小さい。したがって、中央部が変形することで応力を逃がすことが可能であり、バスバ８Ｂの端部に応力が集中することなく、従来形状と比較してバスバ８Ｂの応力を分散させることが可能である。

以上、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るものではない。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、本発明の趣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。

上記実施形態においては、バスバ８は、コンデンサの接続端子Ｃと接続端子４ａとを接続するものとしたが、本発明はこれに限定されない。バスバ８は、電力変換装置１において、他の電子部品同士を接続するものとしてもよい。また、バスバ８は、外部装置とパワーモジュール３または回路基板６とを接続するものとしてもよい。

１……電力変換装置
３……パワーモジュール
８……バスバ
８ａ……ボルト締結孔
８Ａ……バスバ
８ｂ……突出部
８Ｂ……バスバ
８ｃ……ビード形状

Claims (4)

1. パワー半導体素子を含む電子部品と、前記電子部品に接続されるバスバとを備える電力変換装置であって、
   前記バスバは、前記電子部品と締結される両端部の断面二次モーメントが大きく、両端部の間の中央部の断面二次モーメントが小さくなるように形状設定され、前記両端部から前記中央部に向かうにつれて幅が減少するように形状設定されていることを特徴とする電力変換装置。
2. パワー半導体素子を含む電子部品と、前記電子部品に接続されるバスバとを備える電力変換装置であって、
   前記バスバは、前記電子部品と締結される両端部の断面二次モーメントが大きく、両端部の間の中央部の断面二次モーメントが小さくなるように形状設定され、前記バスバの主面から突出したビード形状を有し、前記両端部から前記中央部に向かうにつれて前記ビード形状の高さが減少するように形状設定されていることを特徴とする電力変換装置。
3. パワー半導体素子を含む電子部品と、前記電子部品に接続されるバスバとを備える電力変換装置であって、
   前記バスバは、前記電子部品と締結される両端部の断面二次モーメントが大きく、両端部の間の中央部の断面二次モーメントが小さくなるように形状設定され、前記両端部から前記中央部に向かうにつれて板厚が薄くなるように形状設定されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 前記電子部品が配置されると共に前記バスバの前記両端部を囲う壁部を有するケースを備え、
   前記バスバは、前記壁部に当接する位置決め部を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
   

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