JP7040334B2

JP7040334B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7040334B2
Application number: JP2018135997A
Authority: JP
Inventors: 智也三浦; 健一大濱; 晋太郎木暮
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2038-07-19
Also published as: US20200028443A1; CN110739863B; CN110739863A; US10763757B2; JP2020014343A

Description

本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、一対の直流バスバーとを備える電力変換装置に関する。

従来から、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、一対の直流バスバーとを備える電力変換装置が知られている（下記特許文献１参照）。この電力変換装置では、複数の上記半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管とを積層して積層体を構成してある。上記半導体モジュールは、ＩＧＢＴ等の半導体素子を内蔵した本体部と、該本体部から突出した一対の直流端子とを備える。個々の直流端子に、上記直流バスバーを接続してある。この直流バスバーを介して、直流電源から半導体モジュールに直流電力を供給している。上記電力変換装置は、上記半導体素子をスイッチング動作させることにより、供給された上記直流電力を交流電力に変換するよう構成されている。

個々の直流バスバーは、上記直流端子の突出方向において、絶縁部材を介して互いに重ね合わされた重なり部を有する（図１２、図１３参照）。直流バスバーには、突出方向において上記本体部に近い位置に配された近方バスバーと、該近方バスバーよりも本体部から遠い位置に配された遠方バスバーとがある。また、直流端子には、一対の直流端子の配列方向において、重なり部に近い位置に配された近方端子と、該近方端子よりも重なり部から遠い位置に配された遠方端子とがある。近方バスバーは遠方端子に接続し、遠方バスバーは近方端子に接続している。

また、近方バスバーには貫通穴を形成してあり、この貫通穴に近方端子を挿通させてある。これにより、近方バスバーが近方端子に接触することを抑制している。

特開２０１１－１１４１９３号公報

しかしながら、上記電力変換装置では、近方バスバーに上記貫通穴を形成してあるため、一対の直流バスバーが互いに対向する面積が小さい。そのため、直流バスバーに大きなインダクタンスが寄生しやすい。また、貫通穴を形成すると（図１３参照）、積層体の積層方向において２個の貫通穴が繋がらないように、積層方向における、２つの近方端子の間隔（すなわち、半導体モジュールの間隔）を広げる必要がある。そのため、電力変換装置が大型化しやすい。

また、上記電力変換装置では、近方端子が、貫通穴を通って遠方バスバーに接続しているため、近方端子の長さが長い（図１２参照）。そのため、近方端子に大きなインダクタンスが寄生しやすい。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、直流端子や直流バスバーに寄生するインダクタンスを低減でき、かつ小型化が可能な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、半導体素子（２０）を内蔵した複数の半導体モジュール（２）と、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管（１１）とを積層した積層体（１０）と、
直流電源（８）と上記半導体モジュールとの間の電流経路をなす一対の直流バスバー（３）とを備え、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵した本体部（２１）と、該本体部から突出しそれぞれ上記直流バスバーに接続した一対の直流端子（２２）とを備え、
個々の上記直流バスバーは、上記直流端子の突出方向（Ｚ）において絶縁部材（４）を介して互いに重ね合わされた重なり部（３０）を有し、個々の該重なり部は、上記一対の直流端子の配列方向（Ｙ）において上記一対の直流端子の一方側に配されており、
上記直流端子には、上記配列方向において相対的に上記重なり部に近い位置に配された近方端子（２２_A）と、該近方端子よりも上記重なり部から遠い位置に配された遠方端子（２２_B）とがあり、
上記直流バスバーには、上記突出方向において上記重なり部が相対的に上記本体部に近い位置に配された近方バスバー（３_A）と、該近方バスバーよりも上記重なり部が上記本体部から遠い位置に配された遠方バスバー（３_B）とがあり、上記近方バスバーは上記近方端子に接続し、上記遠方バスバーは上記遠方端子に接続しており、
上記遠方バスバーは、
上記重なり部と、
該重なり部に連なり、上記近方端子を上記突出方向から覆うと共に、その厚さ方向が上記突出方向と一致するよう配された平板部（３１）と、
該平板部から延出し、上記配列方向における上記遠方端子側に向かうほど、上記突出方向において上記本体部に近づくよう傾斜した傾斜部（３２）と、
該傾斜部に連なり上記遠方端子に接続した接続部（３３）とを備える、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置では、近方バスバーは近方端子に接続し、遠方バスバーは遠方端子に接続している。
そのため、直流バスバー（近方バスバー及び遠方バスバー）に、接続していない直流端子を挿通させるための貫通穴を形成する必要がなくなる。したがって、一対の直流バスバーが互いに対向する面積を増やすことができ、直流バスバーに寄生するインダクタンスを低減できる。
また、従来のように、直流バスバーに貫通穴を形成する場合は、上述したように、積層体の積層方向に隣り合う２つの貫通穴が繋がらないように、個々の貫通穴に挿入される直流端子の、積層方向における間隔を広げる必要がある。そのため、電力変換装置が大型化しやすい。これに対して、上記電力変換装置では、直流バスバーに貫通穴を形成しなくてすむため、個々の直流端子の、積層方向における間隔を狭くすることができる。そのため、電力変換装置を小型化できる。

また、上記電力変換装置では、遠方バスバーに上記傾斜部を形成してある。
このようにすると、傾斜部に連なる上記接続部を、本体部に近い位置に配置することができる。そのため、遠方端子を短くすることが可能になる。したがって、遠方端子に寄生するインダクタンスを低減でき、半導体素子をスイッチング動作させたときに大きなサージが生じることを抑制できる。

以上のごとく、上記態様によれば、直流端子や直流バスバーに寄生するインダクタンスを低減でき、かつ小型化が可能な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。

実施形態１における、電力変換装置の断面図であって、図４のI-I断面図。図１の要部拡大図。実施形態１における、電力変換装置の要部拡大斜視図。図１のIV-IV断面図。図４から、遠方バスバーを取り除いた図。図５から、近方バスバーを取り除いた図。実施形態１における、電力変換装置の要部拡大平面図。実施形態１における、電力変換装置の回路図。実施形態２における、電力変換装置の要部拡大断面図。実施形態３における、電力変換装置の要部拡大断面図。実施形態４における、電力変換装置の要部拡大断面図。比較形態における、電力変換装置の断面図。図１２のXIII-XIII断面図。

（実施形態１）
上記電力変換装置に係る実施形態について、図１～図８を参照して説明する。図１、図６に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２と冷却管１１とを積層した積層体１０と、一対の直流バスバー３（３_A，３_B）とを備える。半導体モジュール２は、半導体素子２０（図８参照）を内蔵している。冷却管１１は、半導体モジュール２を冷却する。また、一対の直流バスバー３は、直流電源８と半導体モジュール２との間の電流経路をなしている。

図１、図２に示すごとく、半導体モジュール２は、半導体素子２０を内蔵した本体部２１と、該本体部２１から突出しそれぞれ直流バスバー３に接続した一対の直流端子２２（２２_A，２２_B）とを備える。個々の直流バスバー３は、直流端子２２の突出方向（Ｚ方向）において、絶縁部材４を介して互いに重ね合わされた重なり部３０を有する。個々の重なり部３０は、一対の直流端子２２（２２_A，２２_B）の配列方向（Ｙ方向）において、一対の直流端子２２の一方側に配されている。

直流端子２２には、近方端子２２_Aと遠方端子２２_Bとがある。近方端子２２_Aは、Ｙ方向において、相対的に重なり部３０に近い位置に配されている。遠方端子２２_Bは、Ｙ方向において、近方端子２２_Aよりも重なり部３０から遠い位置に配されている。

また、直流バスバー３には、近方バスバー３_Aと遠方バスバー３_Bとがある。近方バスバー３_Aは、重なり部３０が、Ｚ方向において相対的に本体部２１に近い位置に配されている。遠方バスバー３_Bは、重なり部３０が、Ｚ方向において近方バスバー３_Aよりも本体部２１から遠い位置に配されている。近方バスバー３_Aは近方端子２２_Aに接続し、遠方バスバー３_Bは遠方端子２２_Bに接続している。

遠方バスバー３_Bは、上記重なり部３０と、平板部３１と、傾斜部３２と、接続部３３とを備える。平板部３１は、重なり部３０に連なり、近方端子２２_AをＺ方向から覆うと共に、その厚さ方向がＺ方向と一致するよう配されている。傾斜部３２は、平板部３１から延出し、Ｙ方向における遠方端子２２_B側へ向かうほど、Ｚ方向において本体部２１に近づくよう傾斜している。また、接続部３３は、傾斜部３２に連なり、遠方端子２２_Bに接続している。

本形態の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載するための、車載用電力変換装置である。図８に示すごとく、本形態の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２を備える。個々の半導体モジュール２は、半導体素子２０（ＩＧＢＴ）を内蔵している。これら複数の半導体モジュール２によって、インバータ回路を構成している。上記半導体素子２０をスイッチング動作させることにより、直流電源８から供給される直流電力を交流電力に変換している。これにより、三相交流モータ８２を駆動し、上記車両を走行させている。

図１に示すごとく、半導体モジュール２は、上記本体部２１と直流端子２２の他に、交流電力を出力する交流端子２３と、制御端子２４とを備える。制御端子２４は、制御回路部１９に接続している。この制御回路部１９を用いて、半導体素子２０（図８参照）の動作制御を行っている。また、交流端子２３には、図示しない交流バスバーが接続する。この交流バスバーを介して、交流電力を上記三相交流モータ８２へ供給するよう構成されている。

また、図１に示すごとく、本形態では、電力変換装置１のケース１３内に、コンデンサ１２を収容してある。このコンデンサ１２を用いて、直流電源８（図８参照）の直流電圧を平滑化している。上記一対の直流バスバー３は、それぞれコンデンサ１２に接続している。近方バスバー３_Aは、コンデンサ１２の正電極１２１に電気接続し、遠方バスバー３_Bは、コンデンサ１２の負電極１２２に電気接続している。

また、上述したように、本形態では図６に示すごとく、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管１１とを積層して積層体１０を構成してある。複数の冷却管１１のうち、積層体１０の積層方向（Ｘ方向）における一端に位置する端部冷却管１１_aには、冷媒１７を導入するための導入管１４と、冷媒１７を導出するための導出管１５とが接続している。Ｘ方向において互いに隣り合う２本の冷却管１１の間には、連結管１６が設けられている。連結管１６は、冷却管１１の、Ｙ方向における両端部に配されている。導入管１４から冷媒１７を導入すると、冷媒１７は連結管１６を通って全ての冷却管１１を流れ、導出管１５から導出される。これにより、個々の半導体モジュール２を冷却している。

また、電力変換装置１のケース１３の壁部１３１と、積層体１０との間には、加圧部材１８（板ばね）が介在している。この加圧部材１８を用いて、積層体１０をＸ方向に加圧している。これにより、半導体モジュール２と冷却管１１との接触圧を確保すると共に、積層体１０をケース１３内に固定している。

図２に示すごとく、遠方バスバー３_Bは、上述したように、重なり部３０と、平板部３１と、傾斜部３２と、接続部３３とを備える。また、遠方バスバー３_Bは、これらの他に、重なり部３０と平板部３１とを繋ぐ立設部３６を備える。立設部３６は、重なり部３０から立設し、Ｙ方向における近方端子２２_A側に向かうほど、Ｚ方向において本体部２１から遠くなるよう傾斜している。

また、遠方バスバー３_Bの重なり部３０（３０_B）と、近方バスバー３_Aの重なり部３０（３０_A）との間には、絶縁部材４が介在している。本形態の絶縁部材４は、絶縁紙からなる。絶縁部材４の厚さは、個々の直流バスバー３の厚さよりも薄い。

また、図３、図４、図７に示すごとく、遠方バスバー３_Bの傾斜部３２には、Ｚ方向に貫通したスリット３４が形成されている。スリット３４は、傾斜部３２から平板部３１まで延びている。図２、図７に示すごとく、Ｚ方向から見たときに、スリット３４のうち平板部３１に形成された部位３４_Aから、近方端子２２_Aの、Ｙ方向における遠方端子２２_B側の角部２２１を視認できるよう構成してある。

また、図７に示すごとく、遠方バスバー３_Bの接続部３３には、Ｚ方向に貫通した端子挿通孔３５が形成されている。この端子挿通孔３５に、遠方端子２２_Bを挿入してある。そして、溶接部３８において、遠方端子２２_Bを接続部３３に溶接してある。

図７に示すごとく、端子挿通孔３５とスリット３４とは、連結している。また、Ｘ方向において、スリット３４の長さＬ₁は、端子挿通孔３５の長さＬ₂よりも長い。
なお、上記「端子挿通孔３５の長さＬ₂」とは、端子挿通孔３５のうち最も狭い部分の長さを意味する。「スリット３４の長さＬ₁」も同様である。

また、図３、図５に示すごとく、近方バスバー３_Aには、Ｚ方向に貫通した近方側端子挿通孔３９が形成されている。この近方側端子挿通孔３９に近方端子２２_Aを挿入してある。そして、近方端子２２_Aを近方バスバー３_Aに溶接してある。

また、図２に示すごとく、本形態では、絶縁部材４の一部が、重なり部３０（３０_A，３０_B）から近方端子２２_A側へ延出している。これにより、近方バスバー３_Aと遠方バスバー３_Bとの沿面距離Ｌ₃を長くし、一対の直流バスバー３_A，３_B間の絶縁性を確保している。

本形態の作用効果について説明する。図２に示すごとく、本形態では、近方バスバー３_Aを近方端子２２_Aに接続し、遠方バスバー３_Bを遠方端子２２_Bに接続してある。
そのため、個々の直流バスバー３に、接続していない直流端子２２を挿通させるための貫通穴を形成する必要がなくなる。したがって、一対の直流バスバー３_A，３_Bが互いに対向する面積を増やすことができ、直流バスバー３_A，３_Bに寄生するインダクタンスを低減できる。

図１２、図１３に示すごとく、従来の電力変換装置１は、近方バスバー３_Aを遠方端子２２_Bに接続し、遠方バスバー３_Bを近方端子２２_Aに接続していた。そのため、近方バスバー３_Aが近方端子２２_Aに接触しないように、近方バスバー３_Aに貫通穴９を形成し、この貫通穴９に近方端子２２_Aを挿入する必要があった。貫通穴９は、近方バスバー３_Aと近方端子２２_Aとの絶縁性を確保するため、十分な大きさを確保する必要がある。そのため、貫通穴９を形成すると、一対の直流バスバー３の、互いに対向する面積が小さくなり、直流バスバー３_A，３_Bに寄生するインダクタンスが増加しやすい。これに対して、図２に示すごとく、本形態のように、近方バスバー３_Aを近方端子２２_Aに接続し、遠方バスバー３_Bを遠方端子２２_Bに接続すれば、直流バスバー３に、接続していない直流端子２２を挿通するための貫通穴９を形成しなくてすむ。そのため、一対の直流バスバー３の対向面積を大きくすることができ、インダクタンスを低減できる。

また、従来のように、直流バスバー３に貫通穴９を形成する場合（図１３参照）は、Ｘ方向に隣り合う２つの貫通穴９が繋がらないように、個々の貫通穴９に挿入される直流端子２２_Aの、Ｘ方向間隔を広げる必要がある。そのため、電力変換装置１が大型化しやすい。これに対して、本形態では、直流バスバー３に貫通穴９を形成しなくてすむため、個々の直流端子２２の、Ｘ方向間隔を狭くすることができる。そのため、電力変換装置１を小型化できる。

また、本形態では図２に示すごとく、遠方バスバー３_Bに上記傾斜部３２を形成してある。
このようにすると、傾斜部３２に連なる上記接続部３３を、本体部２１に近づけることができる。そのため、遠方端子２２_BのＺ方向長さを短くすることが可能になる。したがって、遠方端子２２_Bに寄生するインダクタンスを低減できる。そのため、半導体素子２０をスイッチング動作させたときに大きなサージが生じることを抑制できる。

また、図３に示すごとく、本形態の傾斜部３２には、Ｙ方向において個々の近方端子２２_Aに隣り合う位置に、Ｚ方向に貫通したスリット３４が形成されている。
このようにすると、遠方バスバー３_Bの剛性を低減することができる。そのため、外部から振動が加わったときに、遠方バスバー３_Bを撓ませることができる。したがって、遠方端子２２_Bと遠方バスバー３_Bとの溶接部３８に、高い応力が加わることを抑制できる。
また、スリット３４を形成すると、傾斜部３２と近方端子２２_Aとの間の最短距離を長くすることができる。すなわち、スリット３４を形成すると、傾斜部３２のうち、Ｘ方向において２つのスリット３４の間に存在する部位３２０から、近方端子２２_Aまでの距離が、最短距離になる。そのため、傾斜部３２から近方端子２２_Aまでの最短距離を長くすることができ、これらの間の絶縁性を高めることが可能になる。

また、図３、図７に示すごとく、本形態のスリット３４は、傾斜部３２から平板部３１まで延びている。そして、Ｚ方向から見たときに、スリット３４のうち平板部３１に形成された部位３４_Aから、近方端子２２_Aの、Ｙ方向における遠方端子２２_B側の角部２２１を視認できるよう構成してある。
このようにすると、角部２２１から遠方バスバー３_Bまでの最短距離を長くすることができる。角部２２１は、電界強度が高くなりやすい部位であるため、この角部２２１から遠方バスバー３_Bまでの最短距離を長くすると、これらの間の絶縁性を特に高くしやすい。

また、図７に示すごとく、遠方バスバー３_Bの接続部３３には、Ｚ方向に貫通し遠方端子２２_Bが挿通された端子挿通孔３５が形成されている。端子挿通孔３５とスリット３４とは連結している。
このようにすると、端子挿通孔３５とスリット３４とを別々に形成した場合と比べて、遠方バスバー３_Bの剛性をより低減することができる。そのため、外部から振動が加わったとき、遠方バスバー３_Bが撓みやすくなり、遠方バスバー３_Bと遠方端子２２_Bとの溶接部３８に大きな応力が加わることを抑制できる。

また、図７に示すごとく、Ｘ方向において、スリット３４の長さＬ₁は、端子挿通孔３５の長さＬ₂よりも長い。
このようにすると、スリット３４のＸ方向長さＬ₁を十分に長くすることができる。したがって、遠方バスバー３_Bの剛性を十分に低減でき、外部から振動が加わったときに、遠方バスバー３_Bをより撓ませることができる。そのため、上記溶接部３８に大きな応力が加わることを抑制できる。

また、本形態では図２に示すごとく、絶縁部材４の厚さＬ₄は、個々の直流バスバー３の厚さよりも薄い。
そのため、一対の直流バスバー３_A，３_Bをより接近させることができ、これら一対の直流バスバー３_A，３_B間に寄生するインダクタンスをより低減できる。

また、図２に示すごとく、本形態では、絶縁部材４の一部が、重なり部３０よりも近方端子２２_A側に延出している。
このようにすると、近方バスバー３_Aから遠方バスバー３_Bまでの沿面距離Ｌ₃を長くすることができる。そのため、これら一対の直流バスバー３_A，３_B間の絶縁性をより高めることができる。

以上のごとく、本形態によれば、直流端子や直流バスバーに寄生するインダクタンスを低減でき、かつ小型化が可能な電力変換装置を提供することができる。

以下の実施形態においては、図面に用いた符号のうち、実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１と同様の構成要素等を表す。

（実施形態２）
本形態は、直流バスバー３の形状を変更した例である。図９に示すごとく、本形態では、遠方バスバー３_Bの重なり部３０_Bと、平板部３１との、Ｚ方向における位置が互いに等しい。すなわち、重なり部３０_Bと平板部３１との間で、遠方バスバー３_Bが折り曲げられていない。

このようにすると、実施形態１と比べて、遠方バスバー３_Bの曲げ回数を低減することができる。そのため、遠方バスバー３_Bを容易に製造することができる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態３）
本形態は、直流端子２２（２２_A，２２_B）の形状を変更した例である。図１０に示すごとく、本形態では、近方端子２２_Aの角部２２１をテーパ状にしてある。

このようにすると、角部２２１の電界集中を抑制できる。そのため、角部２２１と遠方バスバー３_Bとの間の絶縁性をより高めることができる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

（実施形態４）
本形態は、直流端子２２（２２_A，２２_B）の形状を変更した例である。図１０に示すごとく、本形態では、近方端子２２_Aの角部２２１をアール状にしてある。

このようにすると、実施形態３と同様に、角部２２１の電界集中を抑制できる。そのため、角部２２１と遠方バスバー３_Bとの間の絶縁性をより高めることができる。
その他、実施形態１と同様の構成および作用効果を備える。

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
２２_A 近方端子
２２_B 遠方端子
３_A 近方バスバー
３_B 遠方バスバー
３０重なり部
３１平板部
３２傾斜部
３３接続部

Claims

半導体素子（２０）を内蔵した複数の半導体モジュール（２）と、該半導体モジュールを冷却する複数の冷却管（１１）とを積層した積層体（１０）と、
直流電源（８）と上記半導体モジュールとの間の電流経路をなす一対の直流バスバー（３）とを備え、
上記半導体モジュールは、上記半導体素子を内蔵した本体部（２１）と、該本体部から突出しそれぞれ上記直流バスバーに接続した一対の直流端子（２２）とを備え、
個々の上記直流バスバーは、上記直流端子の突出方向（Ｚ）において絶縁部材（４）を介して互いに重ね合わされた重なり部（３０）を有し、個々の該重なり部は、上記一対の直流端子の配列方向（Ｙ）において上記一対の直流端子の一方側に配されており、
上記直流端子には、上記配列方向において相対的に上記重なり部に近い位置に配された近方端子（２２_A）と、該近方端子よりも上記重なり部から遠い位置に配された遠方端子（２２_B）とがあり、
上記直流バスバーには、上記突出方向において上記重なり部が相対的に上記本体部に近い位置に配された近方バスバー（３_A）と、該近方バスバーよりも上記重なり部が上記本体部から遠い位置に配された遠方バスバー（３_B）とがあり、上記近方バスバーは上記近方端子に接続し、上記遠方バスバーは上記遠方端子に接続しており、
上記遠方バスバーは、
上記重なり部と、
該重なり部に連なり、上記近方端子を上記突出方向から覆うと共に、その厚さ方向が上記突出方向と一致するよう配された平板部（３１）と、
該平板部から延出し、上記配列方向における上記遠方端子側に向かうほど、上記突出方向において上記本体部に近づくよう傾斜した傾斜部（３２）と、
該傾斜部に連なり上記遠方端子に接続した接続部（３３）とを備える、電力変換装置（１）。
上記傾斜部には、上記配列方向において個々の上記近方端子に隣り合う位置に、上記突出方向に貫通したスリット（３４）が形成されている、請求項１に記載の電力変換装置。
上記スリットは、上記傾斜部から上記平板部まで延びており、上記突出方向から見たときに、上記スリットのうち上記平板部に形成された部位から、上記配列方向における上記近方端子の上記遠方端子側の角部（２２１）を視認可能に構成されている、請求項２に記載の電力変換装置。
上記接続部には、上記突出方向に貫通し上記遠方端子が挿通された端子挿通孔（３５）が形成され、該端子挿通孔と上記スリットとが連結している、請求項２又は３に記載の電力変換装置。
上記積層体の積層方向（Ｘ）において、上記スリットの長さ（Ｌ₁）は、上記端子挿通孔の長さ（Ｌ₂）よりも長い、請求項４に記載の電力変換装置。