JP7047445B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載された電力変換装置は、半導体モジュールと制御基板とを備えている。そして、半導体モジュールの信号端子が、制御基板に接続される。

ここで、電力変換装置に加わる振動等によって、制御基板に対する半導体モジュールの相対変位が生じたとき、半導体モジュールの信号端子と制御基板との間の接続部に負荷がかかることが懸念される。そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、制御基板に実装されたコネクタに、半導体モジュールの信号端子を接続する構成が提案されている。これにより、信号端子と制御基板との間の相対変位を、コネクタにおいて吸収することにより、接続部にかかる負荷を低減することができる。

特開２０１６－２０７３３７号公報

しかしながら、半導体モジュールと制御基板との接続に、コネクタを用いると、接続部の電気抵抗が大きくなりやすく、損失が大きくなりやすいという課題がある。また、コネクタを用いた接続構造を採用する場合、信号端子の長さが長くなりやすい。そのため、半導体モジュールと制御基板との間の電流経路が長くなり、インダクタンスが大きくなりやすい。それゆえ、サージ電圧を抑えるためにスイッチング速度を抑制する必要が生じる。その結果、損失が大きくなりやすいという課題も生じ得る。

その一方で、信号端子と制御基板との間の相対変位に起因する、両者の接続部への負荷を低減して、接続信頼性を確保することも要求される。なお、信号端子と制御基板との接続部への負荷は、制御基板に接続された、半導体モジュール以外の電子部品が、半導体モジュールに対して相対変位することによって生じるものが大きい。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、接続信頼性を確保しつつ、損失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信号端子（２１）が接続される制御基板（３）と、
上記制御基板に接続される接続端子（４１）を備えた電子部品（４）と、
上記半導体モジュール、上記制御基板、及び上記電子部品を収容した筐体（５）と、を有し、
上記信号端子と上記制御基板との接続部は、溶着によって接合された溶着接合部（１１）であり、
上記接続端子と上記制御基板との接続部は、コネクタ（１２０）によって接続されたコネクタ接続部（１２）であり、
上記コネクタ接続部は、上記接続端子と上記制御基板とに、上記制御基板の法線方向に沿った相対変位を許容する接続部であり、
上記制御基板は、上記溶着接合部を視覚的に検査する検査具を挿入することができる検査用開口部（３３）を、厚み方向に貫通形成してなる、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置においては、上記信号端子と上記制御基板との接続部は、上記溶着接合部であり、上記接続端子と上記制御基板との接続部は、上記コネクタ接続部である。これにより、電力変換装置において、接続信頼性を確保しつつ、損失を低減することができる。

まず、接続端子と上記制御基板との接続部は、コネクタ接続部である。そして、コネクタ接続部は、接続端子と制御基板とに、制御基板の法線方向に沿った相対変位を許容する。これにより、電子部品と制御基板とは、互いに相対変位が生じても、接続部にかかる負荷を低減できる。それゆえ、電子部品と制御基板との間の接続信頼性を確保することができる。

また、これに伴い、電子部品と半導体モジュールとの間の相対変位が生じても、上記コネクタ接続部において相対変位が吸収されるため、信号端子と制御基板との間の接続部には、負荷がかかりにくい。これにより、信号端子と制御基板との間の接続信頼性も確保することができる。

そして、信号端子と制御基板との接続部は、溶着接合部である。これにより、信号端子と制御基板との間の電気抵抗を小さくすることができる。また、信号端子の長さを比較的短くすることが可能となる。そのため、半導体モジュールと制御基板との間の電流経路を短くすることができ、インダクタンスを低減しやすい。その結果、電力変換装置の損失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、接続信頼性を確保しつつ、損失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、電力変換装置の断面説明図。 図１のII矢視相当の説明図。 参考形態１における、溶着接合部の断面説明図。 参考形態１における、コネクタ接続部の断面説明図。 実施形態１における、電力変換装置の断面説明図。 図５のVI矢視相当の説明図。 参考形態２における、電力変換装置の平面説明図。 図７のVIII－VIII線矢視断面相当の説明図。 実施形態２における、電力変換装置の平面説明図。 図９のＸ－Ｘ線矢視断面相当の説明図。 実施形態３における、電力変換装置の平面説明図。 実施形態４における、電力変換装置の平面説明図。 実施形態５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４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、制御基板３と、電子部品としてのコンデンサ４と、筐体５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。制御基板３には、半導体モジュール２の信号端子２１が接続されている。コンデンサ４は、制御基板３に接続される接続端子４１を備えている。筐体５は、半導体モジュール２、制御基板３、及びコンデンサ４を収容している。

信号端子２１と制御基板３との接続部は、溶着によって接合された溶着接合部１１である。
接続端子４１と制御基板３との接続部は、コネクタ１２０によって接続されたコネクタ接続部１２である。
コネクタ接続部１２は、接続端子４１と制御基板３とに、制御基板３の法線方向Ｚに沿った相対変位を許容する接続部である。

本形態において、溶着接合部１１は、はんだ１１０によって接合されたはんだ接合部である。すなわち、本形態において、図３に示すごとく、溶着接合部１１は、信号端子２１と制御基板３とに、はんだ１１０を溶着させることによって、信号端子２１と制御基板３とを接合した接合部である。

図１、図２に示すごとく、半導体モジュール２とコンデンサ４とは、制御基板３における同じ主面側に配置されている。信号端子２１と接続端子４１とは、制御基板３の法線方向Ｚに立設している。以下、制御基板３に対して半導体モジュール２の本体部２０及びコンデンサ４の本体部４０が配置された側を、下側、その反対側を上側という。ただし、この上下の表現は、便宜的なものであり、特に、電力変換装置１の配置姿勢を限定するものではない。

半導体モジュール２は、複数の信号端子２１を、本体部２０の上側に突出してなる。複数の信号端子２１は、互いに略平行に立設している。信号端子２１は、制御基板３に形成されたスルーホール３２に挿通されている。そして、信号端子２１は、スルーホール３２において、制御基板３の配線導体に、はんだ１１０にて接合されている。

半導体モジュール２は、本体部２０にＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタの略）等のスイッチング素子を内蔵している。そして、複数の信号端子２１のうちの一部は、スイッチング素子のゲート等に接続された端子である。また、複数の信号端子２１のうちの一部は、例えば、スイッチング素子と共に本体部２０に内蔵されたセンサ等に接続されている。なお、図示を省略するが、半導体モジュール２は、信号端子２１の他に、パワー端子を突出してなる。

本形態において、コンデンサ４は、本体部４０から上方へ、接続端子４１を１本突出してなる。ただし、接続端子４１の本数は特に限定されるものではなく、複数本突出していてもよい。

コンデンサ４の接続端子４１は、例えば、コンデンサ素子と共に本体部４０に内蔵された温度センサ、電流センサ等に接続された端子とすることができる。なお、図示を省略するが、コンデンサ４は、接続端子４１の他に、コンデンサ素子に接続されたコンデンサ端子を突出してなる。
コンデンサ４は、半導体モジュール２よりも質量が大きい。

図４に示すごとく、コネクタ１２０は、制御基板３に実装されている。コネクタ１２０は、制御基板３の上面に固定されていると共に、制御基板３に形成された配線導体に電気的に接続されている。コネクタ１２０は、コンデンサ４の接続端子４１を挿入するための挿入空間１２１を、下側に開口させている。挿入空間１２１は、制御基板３におけるスルーホール３４に連通している。

また、コネクタ１２０を配置した位置における制御基板３の下面には、ガイド部材１３が固定されている。ガイド部材１３は、スルーホール３４に連通する貫通孔１３１を有すると共に、貫通孔１３１の下端においてテーパ状に拡開したガイド面１３２を有する。接続端子４１は、ガイド面１３２にガイドされながら、スルーホール３４に挿通され、コネクタ１２０の挿入空間１２１に挿入されるよう構成されている。

挿入空間１２１には、接続端子４１に圧接される端子部材１２２が配置されている。端子部材１２２が、制御基板３の配線に電気的に接続されている。端子部材１２２は、接続端子４１の挿入方向に直交する方向に弾性変形可能となっている。そして、端子部材１２２は、コネクタ１２０の挿入空間１２１に挿入された接続端子４１に、接続端子４１の挿入方向に直交する方向から、弾性的に圧接する。

このようにして、接続端子４１は、端子部材１２２に対して、挿入方向、すなわち上下方向に摺動可能に保持されている。つまり、接続端子４１は、コネクタ１２０に対して上下方向に進退可能に保持されている。これにより、コンデンサ４と制御基板３との、制御基板３の法線方向Ｚにおける相対変位が許容されている。

半導体モジュール２の本体部２０及びコンデンサ４の本体部４０は、それぞれ、直接的又は間接的に、筐体５に固定されている。半導体モジュール２の本体部２０は、例えば図示を省略する冷却器を介して、間接的に筐体５に固定された構成とすることができる。コンデンサ４の本体部４０は、例えば、図示を省略する締結部材等によって、筐体５に固定された構成とすることができる。
筐体５は、上方に開口部５１を有する。この開口部５１は、図示を省略する蓋体によって塞がれる。制御基板３は、筐体５における開口部５１付近に配置されている。

次に、本形態の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１においては、信号端子２１と制御基板３との接続部は、溶着接合部１１であり、接続端子４１と制御基板との接続部は、コネクタ接続部１２である。これにより、電力変換装置１において、接続信頼性を確保しつつ、損失を低減することができる。

まず、接続端子４１と制御基板３との接続部は、コネクタ接続部１２である。そして、コネクタ接続部１２は、接続端子４１と制御基板３とに、制御基板３の法線方向Ｚに沿った相対変位を許容する。これにより、コンデンサ４と制御基板３とは、互いに相対変位が生じても、接続部にかかる負荷を低減できる。それゆえ、コンデンサ４と制御基板３との間の接続信頼性を確保することができる。

また、これに伴い、コンデンサ４と半導体モジュール２との間の相対変位が生じても、コネクタ接続部１２において相対変位が吸収されるため、信号端子２１と制御基板３との間の接続部には、負荷がかかりにくい。これにより、信号端子２１と制御基板３との間の接続信頼性も確保することができる。

そして、信号端子２１と制御基板３との接続部は、溶着接合部１１である。これにより、信号端子２１と制御基板３との間の電気抵抗を小さくすることができる。また、信号端子２１の長さを比較的短くすることが可能となる。そのため、半導体モジュール２と制御基板３との間の電流経路を短くすることができ、インダクタンスを低減しやすい。その結果、電力変換装置１の損失を低減することができる。

半導体モジュール２とコンデンサ４とは、制御基板３における同じ主面側（すなわち下面側）に配置されており、信号端子２１と接続端子４１とは、制御基板３の法線方向Ｚに立設している。これにより、コンデンサ４と制御基板３との間の相対変位及びコンデンサ４と半導体モジュール２との相対変位を、コネクタ接続部１２において、より吸収しやすい構成とすることができる。また、筐体５内の省スペース化を図りやすく、電力変換装置１の小型化を図りやすい。

また、制御基板３は、溶着接合部１１によって半導体モジュール２の複数の信号端子２１に固定されている。これにより、半導体モジュール２との接続部分付近において、筐体５に対する制御基板３の固定部を少なくすることも可能となる。その結果、電力変換装置１の小型化、低コスト化を図りやすくなる。

以上のごとく、上記態様によれば、接続信頼性を確保しつつ、損失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５、図６に示すごとく、制御基板３が、検査用開口部３３を、厚み方向に貫通形成してなる。検査用開口部３３は、溶着接合部１１を視覚的に検査する検査具を挿入することができるよう形成されている。

溶着接合部１１は、制御基板３の上側面のみならず、下側面にも形成される。制御基板３の上側面は、目視等によって、容易にその状態を検査することができる。すなわち、溶着接合部１１において、例えば、はんだ１１０（図３参照）の形成状態を、外観検査することがある。かかる場合に、制御基板３の上面側からの検査は容易であっても、下面側からの検査は困難となるおそれがある。例えば、制御基板３が、筐体５の開口面を広い範囲にて覆うような場合には、例えば、ファイバースコープ等の検査具を、制御基板３の外周側から下方へ通すことが困難となる場合がある。特に、電力変換装置１の小型化、構成部品の集積化等に伴い、制御基板３の下面側における溶着接合部１１の検査が困難となりやすい。

そこで、本形態においては、検査用開口部３３を、制御基板３に設けている。特に本形態においては、溶着接合部１１の近傍に、検査用開口部３３を設けてある。より具体的には、図６に示すごとく、制御基板３の法線方向Ｚから見て、半導体モジュール２の複数の信号端子２１の間となる位置に、検査用開口部３３が設けてある。

半導体モジュール２は、複数の信号端子２１を、制御基板３の主面に平行な方向に、一列に並べて設けてある。これに対応して、制御基板３には、半導体モジュール２の複数の信号端子２１を挿入する複数のスルーホール３２を、一列に並べて形成してなる。これらの一列のスルーホール３２の配列群は、中央部分に、他の部分よりも間隔の大きい部分を有する。この部分に、検査用開口部３３が形成されている。
検査用開口部３３の直径は、例えば、スルーホール３２の直径よりも大きいものとすることができる。

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、既出の実施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、既出の実施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、上述のように、制御基板３が検査用開口部３３を有するため、溶着接合部１１の検査を容易かつ確実に行うことができる。また、検査用開口部３３を用いて、溶着接合部１１の検査を行うことができるため、筐体５内の部品の配置等の制約が少なくなる。その結果、電力変換装置１の小型化を図りやすくなる。
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）
本形態の電力変換装置１は、図７、図８に示すごとく、制御基板３の主面に沿った方向に複数の半導体モジュール２が積層配置された積層体２００を有する。

本形態において、複数の半導体モジュール２は、同じ姿勢にて、一列に積層配置されている。半導体モジュール２の本体部２０は、略直方体形状を有する。そして、半導体モジュール２は、本体部２０の最も広い面である一対の主面を積層方向Ｘに向けて、積層されている。
図示を省略するが、半導体モジュール２は、両主面に配置された冷却管と共に、積層体２００を構成することができる。

制御基板３は、図７に示すごとく、法線方向Ｚから見た形状において、積層体２００の積層方向Ｘにおける長さＬ１が、積層方向Ｘに直交する方向における長さＬ２よりも長い。制御基板３は、法線方向Ｚから見た形状が、略長方形状であり、その長辺が積層方向Ｘに沿っている。コンデンサ４は、積層方向Ｘに長尺な形状を有する。そして、制御基板３の法線方向Ｚから見て、コンデンサ４は、積層体２００に対して、積層方向Ｘと直交する方向に並んで配置されている。

コンデンサ４は、接続端子４１を複数本有し、これらが、積層方向Ｘに並んで配置されている。これに対応して、制御基板３には、接続端子４１を挿通する複数のスルーホール３４を設けている。そして、コネクタ接続部１２が複数形成されている。なお、複数のコネクタ接続部１２は、複数のコネクタを一体化してなるコネクタモジュール１２０ｍにて構成されている。ただし、複数のコネクタ接続部１２は、互いに独立した複数のコネクタのそれぞれにて構成してもよい。

本形態においては、積層体２００を構成する複数の半導体モジュール２の信号端子２１に、制御基板３が、溶着接合部１１にて接合されることとなる。それゆえ、溶着接合部１１の数を多く形成することができる。すなわち、制御基板３の固定点を多くすることができ、制御基板３の耐振性を向上させることができる。そして、これに伴い、筐体５等への制御基板３の締結箇所を少なくすることができる。その結果、電力変換装置１の小型化、低コスト化を図りやすくなる。

また、制御基板３は、積層体２００の積層方向Ｘにおける長さＬ１が、積層方向Ｘに直交する方向における長さＬ２よりも長い。つまり、制御基板３の長手方向に沿って、積層体２００が配置されているため、制御基板３の耐振性を向上させやすい。
その他、参考形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態２）
本実施形態は、図９、図１０に示すごとく、積層体２００を有すると共に、制御基板３に検査用開口部３３を設けた、電力変換装置１の形態である。
すなわち、参考形態２と同様に、本形態の電力変換装置１は、積層体２００を有する。そして、制御基板３には、実施形態１に示したものと同様の検査用開口部３３が形成されている。

本形態においては、図９に示すごとく、制御基板３の法線方向Ｚから見て、検査用開口部３３が、積層方向Ｘに隣り合う複数の半導体モジュール２の間に配設されている。すなわち、積層方向Ｘにおいて、隣り合う半導体モジュール２の信号端子２１の間に、検査用開口部３３が形成されている。換言すると、各半導体モジュール２の複数の信号端子２１を挿入する複数のスルーホール３２の配列群に対して、積層方向Ｘにずれた位置に、検査用開口部３３が形成されている。

法線方向Ｚから見て、検査用開口部３３と半導体モジュール２とは、積層方向Ｘに交互に配置されている。これに伴い、複数のスルーホール３２の配列群と、複数の検査用開口部３３とが、積層方向Ｘに交互に配置されている。

また、積層方向Ｘの端部に配置された半導体モジュール２に対して、積層方向Ｘの外側となる位置にも、検査用開口部３３が形成されている。
その他の構成は、参考形態２と同様である。

本形態においては、制御基板３に、複数の検査用開口部３３を設けているため、複数の溶着接合部１１の検査を容易かつ確実に行うことができる。また、制御基板３の法線方向Ｚから見て、検査用開口部３３が、積層方向Ｘに隣り合う複数の半導体モジュール２の間に配設されている。これにより、一つの検査用開口部３３から、検査具（例えばファイバースコープ等）を挿通して、複数箇所の溶着接合部１１の検査を行いやすくなる。
その他、参考形態２と同様の作用効果を有する。

（実施形態３）
本実施形態は、図１１に示すごとく、制御基板３に形成した検査用開口部３３の数を少なくした形態である。
すなわち、積層方向Ｘに隣り合う２つの半導体モジュール２に対して、検査用開口部３３を１個設けている。つまり、１個の検査用開口部３３が、２個の半導体モジュール２に対応するように設けてある。

各検査用開口部３３は、制御基板３の法線方向Ｚから見て、半導体モジュール２の幅方向の中央位置であって、積層方向Ｘに隣り合う２個の半導体モジュール２の間となる位置に、設けてある。
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、検査用開口部３３の数を少なくすることで、制御基板３における配線形成領域を確保しやすくなる。その結果、制御基板３の小型化を図りやすくなり、電力変換装置１の小型化を図りやすくなる。また、制御基板３の強度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。

（実施形態４）
本実施形態は、図１２に示すごとく、制御基板３における検査用開口部３３の位置を、半導体モジュール２の複数の信号端子２１に対して、コンデンサ４と反対側の位置とした、電力変換装置１の形態である。

積層方向Ｘに隣り合う２つの半導体モジュール２に対して、検査用開口部３３を１個設けている点については、実施形態３と同様である。
その他の構成は、実施形態３と同様である。

本形態においては、積層体２００に対して、幅方向の端部付近に検査用開口部３３を設けている。そのため、検査用開口部３３の下側に空間が形成されやすい。その結果、検査具を、検査用開口部３３から制御基板３の下側へ挿入しやすい。また、半導体モジュール２の複数の信号端子２１における溶着接合部１１の配列方向の端部付近に検査用開口部３３が形成されている。そのため、検査用開口部３３から挿入した検査具に対して複数の溶着接合部１１が存在する方向が、互いに近くなる。それうえ、検査具によって複数の溶着接合部１１を検査しやすい。
その他、参考形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態５）
本実施形態は、図１３に示すごとく、制御基板３における検査用開口部３３の位置を、半導体モジュール２の複数の信号端子２１よりも、コンデンサ４に近い側の位置とした、電力変換装置１の形態である。

積層方向Ｘに隣り合う２つの半導体モジュール２に対して、検査用開口部３３を１個設けている点については、実施形態３及び実施形態４と同様である。
その他の構成は、実施形態３及び実施形態４と同様である。
本形態においても、実施形態４と同様の作用効果を得ることができる。

上記実施形態においては、電子部品として、コンデンサを設けた形態を示したが、これに限られるものではない。電子部品として、例えば、出力電流や入力電流を検出する電流センサ、電力変換装置と外部インターフェースとの接続を検出するセンサなど、制御基板と接続される種々の電子部品を適用することができる。

また、溶着接合部として、はんだを用いた形態を示したが、これに限られず、例えば、ろう付けや、溶接等によって、溶着接合部を構成することもできる。

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
１１ 溶着接合部
１２ コネクタ接続部
２ 半導体モジュール
２１ 信号端子
３ 制御基板
４ コンデンサ（電子部品）
４１ 接続端子
５ 筐体

Claims (6)

1. 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信号端子（２１）が接続される制御基板（３）と、
   上記制御基板に接続される接続端子（４１）を備えた電子部品（４）と、
   上記半導体モジュール、上記制御基板、及び上記電子部品を収容した筐体（５）と、を有し、
   上記信号端子と上記制御基板との接続部は、溶着によって接合された溶着接合部（１１）であり、
   上記接続端子と上記制御基板との接続部は、コネクタ（１２０）によって接続されたコネクタ接続部（１２）であり、
   上記コネクタ接続部は、上記接続端子と上記制御基板とに、上記制御基板の法線方向（Ｚ）に沿った相対変位を許容する接続部であり、
   上記制御基板は、上記溶着接合部を視覚的に検査する検査具を挿入することができる検査用開口部（３３）を、厚み方向に貫通形成してなる、電力変換装置（１）。
2. 上記半導体モジュールと上記電子部品とは、上記制御基板における同じ主面側に配置されており、上記信号端子と上記接続端子とは、上記制御基板の法線方向に立設している、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記制御基板の主面に沿った方向に複数の上記半導体モジュールが積層配置された積層体（２００）を有する、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 上記制御基板は、法線方向から見た形状において、上記積層体の積層方向（Ｘ）における長さ（Ｌ１）が、該積層方向に直交する方向における長さ（Ｌ２）よりも長い、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 上記制御基板の主面に沿った方向に複数の上記半導体モジュールが積層配置された積層体（２００）を有し、上記検査用開口部は、上記法線方向から見て、積層方向（Ｘ）に隣り合う複数の上記半導体モジュールの間に配設されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 上記法線方向から見て、上記検査用開口部と上記半導体モジュールとは、上記積層方向に交互に配置されている、請求項５に記載の電力変換装置。

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