JP7074028B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。特に、複数の冷却器が平行に配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットを有する電力変換装置に関する。

上記した積層ユニットを備えた電力変換装置が例えば特許文献１に開示されている。各半導体モジュールは、１個乃至数個のスイッチング素子を収容している。半導体モジュールの本体からは、内部でスイッチング素子と導通している複数の端子（例えば第１端子と第２端子）が延びている。複数の半導体モジュールのそれぞれの端子は、半導体モジュールと冷却器の積層方向に一例に並ぶことになる。第１端子群と第２端子群が２列に並ぶことになる。積層ユニットの隣には、コンデンサが位置している。それぞれの半導体モジュールの第１端子とコンデンサ素子の一方の電極が第１バスバで接続されており、それぞれの半導体モジュールの第２端子とコンデンサ素子の他方の電極が第２バスバで接続されている。

第１バスバの板状の基部は、複数の第１端子のそれぞれが通る複数の第１孔を有しているとともに、それぞれの第１孔の縁から延びておりそれぞれの第１端子と接合される第１枝部を有している。第２バスバは、第１バスバの積層ユニットとは反対側に位置している。第２バスバの板状の基部は、複数の第２端子のそれぞれが通る複数の第２孔を有しているとともに、それぞれの第２孔の縁から延びておりそれぞれの第２端子と接合される第２枝部を有している。第２バスバの基部はさらに、第１端子のそれぞれと第１枝部のそれぞれが通る複数の第３孔を備えている。

第１バスバと第２バスバの短絡を防ぐため、それらの間には板状の絶縁板が挟まれている。絶縁板の板状の本体は、それぞれの第１端子と第１枝部が貫通する複数の筒部を備えている。それぞれの筒部が第２バスバのそれぞれの第３孔を通過している。すなわち、筒部は、第２バスバの第３孔の縁と、第１端子及び第１枝部の間に位置しており、両者の短絡を防いでいる。

特開２０１８－０８５９０３号公報

一般に、表面の絶縁性が高い材料は、溶融したときの流動性が低い。表面の絶縁性が高いとは、表面抵抗率が大きいということを意味する。流動性の低い材料で絶縁板を作る場合、金型キャビティにおける流動性不足、強度低下、寸法精度の低下などを引き起こしやすいために製造コストが嵩む。本明細書は、板状の第１バスバと第２バスバの間に、筒部を有する絶縁板が挟まれている電力変換装置に関し、絶縁性確保とコスト抑制を両立させる技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、積層ユニットと、コンデンサと、板状の第１バスバと、板状の第２バスバと、板状の絶縁板を備えている。積層ユニットは、複数の冷却器が並んで配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれているデバイスである。コンデンサは、積層ユニットの隣に配置されている。第１バスバは、複数の半導体モジュールのそれぞれの一面から延びている第１端子と接合しているとともに、コンデンサの一方の電極と接続している。第２バスバは、板状の第１バスバと対向配置されており、それぞれの半導体モジュールの一面から延びている第２端子と接合しているとともに、コンデンサの他方の電極と接続している。絶縁板は、第１バスバと第２バスバの間に挟まれている。第１バスバは、複数の第１端子のそれぞれが通る複数の第１孔を有しているとともに、それぞれの第１孔の縁から延びている第１枝部を有している。それぞれの第１枝部がそれぞれの第１端子と接合される。第２バスバは、第１バスバの積層ユニットとは反対側に位置しており、複数の第２端子のそれぞれが通る複数の第２孔を有しているとともに、それぞれの第２孔の縁から延びている第２枝部を有している。それぞれの第２枝部がそれぞれの第２端子と接合される。第２バスバは、さらに、第１端子のそれぞれと第１枝部のそれぞれが通る複数の第３孔を備えている。絶縁板は、それぞれの第１端子と第１枝部が貫通する複数の筒部を備えているとともに、それぞれの筒部が第２バスバのそれぞれの第３孔を通過している。

第２バスバの第３孔の縁と、第１バスバの第１枝部の間の絶縁が厳しいため、筒部は表面の絶縁性が高い材料で作られているのがよい。他方、第１バスバと第２バスバの間に挟まれる絶縁板の板状の本体は、広い面積を有しているため、筒部ほど高い絶縁性は求められない。そこで、本明細書が開示する電力変換装置では、筒部は、溶融したときの流動性が前記絶縁板の板状の本体の材料が溶融したときの流動性よりも低い材料で作られている。また、筒部は、絶縁板の本体の材料よりも表面の絶縁性が高い材料で作られている。本体に比べて流動性は低いが絶縁性は高い材料で筒部を作ることで、第１バスバと第２バスバの間の絶縁性確保と、絶縁板のコスト抑制を両立させることができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 積層ユニットとバスバとコンデンサユニットのアセンブリの斜視図である。 積層ユニットとバスバとコンデンサユニットの分解斜視図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置を説明する。実施例の電力変換装置は電気自動車に搭載され、バッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換するデバイスである。図１に、電力変換装置２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、２個の走行用モータ８３ａ、８３ｂを備える。それゆえ、電力変換装置２は、２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備える。なお、２個のモータ８３ａ、８３ｂの出力は、ギアボックス８５で合成／分配されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。

電力変換装置２は、システムメインリレー８２を介してバッテリ８１と接続されている。電力変換装置２は、バッテリ８１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路１２と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路１３ａ、１３ｂを備えている。

電圧コンバータ回路１２は、バッテリ側の端子に印加された電圧を昇圧してインバータ側の端子に出力する昇圧動作と、インバータ側の端子に印加された電圧を降圧してバッテリ側の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能な双方向ＤＣ－ＤＣコンバータである。説明の便宜上、以下では、バッテリ側（低電圧側）の端子を入力端１８と称し、インバータ側（高電圧側）の端子を出力端１９と称する。また、入力端１８の正極と負極をそれぞれ、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂと称する。出力端１９の正極と負極をそれぞれ、出力正極端１９ａと出力負極端１９ｂと称する。「入力端１８」、「出力端１９」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路１２は双方向ＤＣ－ＤＣコンバータであるので、出力端１９から入力端１８へ電力が流れる場合がある。

電圧コンバータ回路１２は、２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路、リアクトル７、フィルタコンデンサ５、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。リアクトル７は、一端が入力正極端１８ａに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ５は、入力正極端１８ａと入力負極端１８ｂの間に接続されている。入力負極端１８ｂは、出力負極端１９ｂと直接に接続されている。図１の電圧コンバータ回路１２はよく知られているので詳細な説明は省略する。なお、符号８ａが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール８ａに対応する。符号２５ａ、２５ｂは、半導体モジュール８ａから延出している端子を示している。符号２５ａは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の高電位側と導通している端子（正極端子２５ａ）を示している。符号２５ｂは、スイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路の低電位側と導通している端子（負極端子２５ｂ）を表している。次に説明するように、正極端子２５ａ、負極端子２５ｂという表記は、他の半導体モジュールでも用いる。

インバータ回路１３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。スイッチング素子９ｃと９ｄ、スイッチング素子９ｅと９ｆ、スイッチング素子９ｇと９ｈがそれぞれ直列回路を構成している。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路の高電位側の端子（正極端子２５ａ）が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子（負極端子２５ｂ）が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。３セットの直列回路の中点から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。３セットの直列回路のそれぞれが、後述する半導体モジュール８ｂ、８ｃ、８ｄに対応する。

インバータ回路１３ｂの構成はインバータ回路１３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略している。インバータ回路１３ｂもインバータ回路１３ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。３セットの直列回路の高電位側の端子が電圧コンバータ回路１２の出力正極端１９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側の端子が電圧コンバータ回路１２の出力負極端１９ｂに接続されている。各直列回路に対応するハードウエアを半導体モジュール８ｅ、８ｆ、８ｇと称する。

インバータ回路１３ａ、１３ｂの入力端に平滑コンデンサ６が並列に接続されている。平滑コンデンサ６は、電圧コンバータ回路１２の出力電流の脈動を除去する。

スイッチング素子９ａ－９ｈは、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また、ここでいうスイッチング素子は、電力変換に用いられるものであり、パワー半導体素子と呼ばれることもある。

図１において、破線８ａ－８ｇのそれぞれが半導体モジュールに相当する。電力変換装置２は、２個のスイッチング素子の直列回路を７セット備えている。ハードウエアとしては、直列回路を構成する２個のスイッチング素子、および各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードが一つのパッケージに収容されている。以下では、半導体モジュール８ａ－８ｇのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール８と表記する。

７個の半導体モジュール（７セットの直列回路）の高電位側の端子（正極端子２５ａ）が平滑コンデンサ６の正極電極に接続され、低電位側の端子（負極端子２５ｂ）が平滑コンデンサ６の負極電極に接続される。図１において、符号３０が示す破線内の導電経路は、複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａと平滑コンデンサ６の正極電極を相互に接続するバスバ（正極バスバ）に対応する。符号４０が示す破線内の導電経路は、複数の負極端子２５ｂと平滑コンデンサ６の負極電極を相互に接続するバスバ（負極バスバ）に対応する。次に、複数の半導体モジュール８と正極バスバ３０、負極バスバ４０の構造について説明する。

図２に電力変換装置２のハードウエアの斜視図を示す。なお、図２では、電力変換装置２のハウジングと一部の部品の図示を省略している。複数の半導体モジュール８（８ａ－８ｇ）は、複数の冷却器２２とともに積層ユニット２０を構成している。半導体モジュール８ａ－８ｇは全て同じ形状であるので、図２と後述する図３では、代表して左端の半導体モジュールにのみ、符号８を付し、他の半導体モジュールには符号を省略した。また、図２と後述する図３では、左端の２個の冷却器にのみ、符号２２を付し、他の冷却器には符号を省略した。

図２は、電力変換装置２の斜視図であるが、積層ユニット２０、正極バスバ３０、負極バスバ４０、及び、コンデンサ６０のアセンブリのみを描いてあり、他の部品は図示を省略した。積層ユニット２０は、複数のカードタイプの冷却器２２が平行に配置されているとともに、隣り合う冷却器２２の間にカードタイプの半導体モジュール８が挟まれているデバイスである。カードタイプの半導体モジュール８は、その幅広面を冷却器２２に対向させて積層されている。各半導体モジュール８の一つの側面８０ａから３個の端子（正極端子２５ａ、負極端子２５ｂ、中点端子２５ｃ）が延びている。図２と後述する図３では、積層ユニット２０の左端に位置する半導体モジュール８の端子にのみ符号２５ａ、２５ｂ、２５ｃを付し、残りの半導体モジュール８には端子を示す符号を省略した。

正極端子２５ａと負極端子２５ｂは、先に述べたように、半導体モジュール８に収容されている直列回路の高電位側の端子と低電位側の端子である。中点端子２５ｃは、直列回路の中点と導通している端子である。３個の端子２５ａ－２５ｃは、半導体モジュール８の幅広面と交差する一側面８０ａから図中のＺ軸正方向に延びている。一側面８０ａの反対側の側面から複数の制御端子が図中のＺ軸負方向に延びている。制御端子は、半導体モジュール８に内蔵されているスイッチング素子のゲート電極と導通しているゲート端子、及び、半導体モジュール８に内蔵されている温度センサや電流センサと導通している信号端子などである。

以下、説明の便宜上、積層ユニット２０における冷却器２２と半導体モジュール８の積層方向を単純に「積層方向」と称する。図中のＸ方向が積層方向に相当する。

図中の右端の冷却器２２には、冷媒供給口２８と冷媒排出口２９が設けられている。隣接する冷却器２２同士は、２個の連結管で接続されている。一方の連結管は、積層方向からみて冷媒供給口２８と重なるように位置している。他方の連結管は、積層方向からみて冷媒排出口２９と重なるように位置している。冷媒供給口２８と冷媒排出口２９には、不図示の冷媒循環装置が接続される。冷媒供給口２８から供給される冷媒は、一方の連結管を通じて全ての冷却器２２に分配される。冷媒は冷却器２２を通る間に隣接する半導体モジュール８から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管と冷媒排出口２９を通じて積層ユニット２０から排出される。各半導体モジュール８は、その両側から冷却されるので、積層ユニット２０は半導体モジュール８に対する冷却性能が高い。

各半導体モジュール８の３個の端子２５ａ－２５ｃはいずれも平板状である。複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａは、隣接する半導体モジュール８の正極端子２５ａの平坦面と対向するように、積層方向に一列に並んでいる。複数の半導体モジュール８の負極端子２５ｂも、隣接する半導体モジュール８の負極端子２５ｂの平坦面と対向するように、積層方向に一列に並んでいる。複数の半導体モジュール８の中点端子２５ｃも同様である。

図３に、正極バスバ３０と負極バスバ４０と積層ユニット２０とコンデンサ６０（コンデンサ素子６１）のアセンブリの分解斜視図を示す。なお、図２のコンデンサ６０には、２個のコンデンサ素子６１が収容されている。図３では、コンデンサ６０のケースを省略し、内部のコンデンサ素子６１を描いてある。コンデンサ素子６１は、図１の平滑コンデンサ６に相当する。

複数の半導体モジュール８の正極端子２５ａとコンデンサ素子６１の正極電極６１ａが正極バスバ３０で接続され、複数の負極端子２５ｂとコンデンサ素子６１の負極電極６１ｂが負極バスバ４０で接続される。

正極バスバ３０は、板状の電極部３９、板状の基部３１、及び、複数の枝部３３を備えている。電極部３９が、コンデンサ素子６１の正極電極６１ａに接続される。正極バスバ３０の基部３１には、複数の第１孔３２が設けられており、各第１孔３２の縁から枝部３３がＺ方向に延びている。各第１孔３２を各半導体モジュール８の正極端子２５ａが通り、その正極端子２５ａと枝部３３が接合される。

負極バスバ４０は、板状の電極部４９、板状の基部４１、及び、複数の枝部４３を備えている。電極部４９が、コンデンサ素子６１の負極電極６１ｂに接続される。負極バスバ４０の基部４１には、複数の第２孔４２が設けられており、各第２孔４２の縁から枝部４３がＺ方向に延びている。各第２孔４２を各半導体モジュール８の負極端子２５ｂが通り、その負極端子２５ｂと枝部４３が接合される。

負極バスバ４０は、正極バスバ３０の積層ユニット２０とは反対側に位置している。負極バスバ４０には、複数の第３孔４５が設けられており、各第３孔４５を、半導体モジュール８の正極端子２５ａと、正極バスバ３０の枝部３３が通過する。正極バスバ３０の板状の基部３１と、負極バスバ４０の板状の基部４１が近接対向する。

正極バスバ３０と負極バスバ４０の間に板状の絶縁板５０が挟まれている。絶縁板５０は、正極バスバ３０と負極バスバ４０の間を絶縁する。絶縁板５０の板状の本体５１には、複数の筒部５３が設けられている。筒部５３の内側は、本体５１のおもて側から裏側に通じる貫通孔になっている。

積層ユニット２０と正極バスバ３０と負極バスバ４０と絶縁板５０とコンデンサ６０を組み立てると、筒部５３の筒の周囲の外側が負極バスバ４０の第３孔４５に嵌合する。また、筒部５３の内側を、正極バスバ３０の枝部３３と正極端子２５ａが通る。すなわち、筒部５３は、負極バスバ４０の第３孔４５の縁と、枝部３３及び正極端子２５ａの間を絶縁する。筒部５３の高さが、枝部３３（正極端子２５ａ）と第３孔４５の縁との間の沿面距離に相当する（図２参照）。沿面距離とは、正極導体と負極導体を絶縁する絶縁部材の表面に沿った正極導体と負極導体の間の距離である。沿面距離が短いと短絡（絶縁破壊）が生じ易くなるため、表面の絶縁性の高い材質が必要となる。表面の絶縁性が高いとは、表面抵抗率が高いことを意味する。また、枝部３３と正極端子２５ａは溶接にて接合されるが、筒部５３は、溶接の際の熱の影響を受ける。熱の影響も絶縁破壊（短絡）を誘発する一因となる。この点でも、筒部５３には、表面の絶縁性（表面抵抗率）の高い材料が要求される。

一方、絶縁板５０の本体５１は、正極バスバ３０の基部３１と負極バスバ４０の基部４１の間に挟まれている板状の部材であるが、本体５１、基部３１、４１は、広い面積で接している。それゆえ、絶縁破壊（短絡）が生じ難い。

ところで、耐電圧の高い材料（樹脂）は、溶融したときの流動性が、耐電圧の低い材料（樹脂）の流動性と比較して低い傾向がある。流動性の低い材料（樹脂）を用いた射出成型では、金型キャビティにおける流動性不良、強度低下、反りなどが生じ易い。それゆえ、流動性の低い材料を使った射出成形は、流動性の高い材料を使った射出成形に比べてコストが嵩む。そこで、実施例の電力変換装置２の絶縁板５０では、筒部５３には、本体５１と比較して、溶融したときの流動性は低いが表面抵抗率が高い材料で作られている。筒部５３よりも体積の大きい本体５１を、表面抵抗率は低いが流動性の高い材料で作ることで、絶縁板５０の全体のコストを下げることができる。一方、筒部５３には流動性は低いが表面抵抗率が高い材料を使うことで、第３孔４５の縁（負極バスバ４０）と枝部３３（正極バスバ３０）の間に高い絶縁性を確保することができる。２種類の材料を使い分けることで、正極バスバ３０と負極バスバ４０の間の絶縁性の確保と、絶縁板５０のコスト抑制を両立することができる。

絶縁板５０の製造には、例えば、筒部５３に対応する複数の孔を備えた本体５１と、複数の筒部５３を、別々の材料で別々に製造し、後で筒部５３を本体５１に接合する加工方法が採用される。あるいは、絶縁板５０の製造には、２種類の材料をキャビティの別々の場所に流し込むことができる成形装置を用いてもよい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の正極バスバ３０が第１バスバの一例であり、負極バスバ４０が第２バスバの一例である。実施例の正極端子２５ａが第１端子の一例であり、負極端子２５ｂが第２端子の一例である。実施例の正極バスバ３０の枝部３３が第１枝部の一例であり、負極バスバ４０の枝部４３が第２枝部の一例である。実施例の「正極」と「負極」が逆転していてもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換装置
５：フィルタコンデンサ
６：平滑コンデンサ
７：リアクトル
８、８ａ－８ｇ：半導体モジュール
９ａ－９ｈ：スイッチング素子
１２：電圧コンバータ回路
１３ａ、１３ｂ：インバータ回路
２０：積層ユニット
２２：冷却器
２５ａ：正極端子
２５ｂ：負極端子
２５ｃ：中点端子
３０：正極バスバ
３１、４１：基部
３２：第１孔
３３、４３：枝部
３９、４９：電極部
４０：負極バスバ
４２：第２孔
４５：第３孔
５０：絶縁板
５１：本体
５３：筒部
６０：コンデンサ
６１：コンデンサ素子
６１ａ：正極電極
６１ｂ：負極電極
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 複数の冷却器が並んで配置されており、隣り合う前記冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットと、
   前記積層ユニットの隣に配置されているコンデンサと、
   複数の前記半導体モジュールのそれぞれの一面から延びている第１端子と接合しているとともに、前記コンデンサの一方の電極と接続している板状の第１バスバと、
   板状の前記第１バスバと対向配置されており、それぞれの前記半導体モジュールの前記一面から延びている第２端子と接合しているとともに、前記コンデンサの他方の電極と接続している板状の第２バスバと、
   前記第１バスバと前記第２バスバの間に挟まれている板状の絶縁板と、
   を備えており、
   前記第１バスバは、複数の前記第１端子のそれぞれが通る複数の第１孔を有しているとともに、それぞれの第１孔の縁から延びておりそれぞれの前記第１端子と接合される第１枝部を有しており、
   前記第２バスバは、前記第１バスバの前記積層ユニットとは反対側に位置しており、複数の前記第２端子のそれぞれが通る複数の第２孔を有しているとともに、それぞれの前記第２孔の縁から延びておりそれぞれの前記第２端子と接合される第２枝部を有しており、前記第１端子のそれぞれと前記第１枝部のそれぞれが通る複数の第３孔を備えており、
   前記絶縁板は、それぞれの前記第１端子と前記第１枝部が貫通する複数の筒部を備えているとともに、それぞれの筒部が前記第２バスバのそれぞれの前記第３孔を通過しており、
   前記筒部は、溶融したときの流動性が、前記絶縁板の板状の本体の材料が溶融したときの流動性よりも低い材料で作られているとともに、前記本体よりも表面の絶縁性が高い材料で作られている、電力変換装置。

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