JP7161863B2 - 直流電圧接続素子を備えたパワーエレクトロニクス装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置モジュールと第１及び第２直流電圧接続素子とを有するパワーエレクトロニクス装置であって、前記モジュールは、第１及び第２直流電圧導体トラックを備えた基板を有する開閉装置（スイッチング装置）と、当該導体トラックに正しい極性で導電接続した第１及び第２直流電圧ターミナル素子と、ハウジングとを有し、前記第１及び第２直流電圧接続素子の各々は、正しい極性で関連する前記直流電圧ターミナル素子に導電接続している。直流電圧接続素子は好ましくは、コンデンサ装置への接続部を形成し、電力変換モジュール用の中間回路コンデンサとして設計されている。

特許文献１は、冷却装置、パワー半導体モジュール及び電流変換アセンブリにつき１つのコンデンサ装置を備えた多数のパワーコンバーターアセンブリを有するパワーコンバーター装置を開示している。この場合、パワー半導体モジュールはコンデンサ装置に隣接して配されている。パワー半導体モジュールの直流負荷ターミナル素子が、平坦バスバー（母線）によってコンデンサ装置に接続されており、平坦バスバーは絶縁中間層を有する第１及び第２金属成形体（metal shaped body）から形成され、これが少なくとも１つの向きにおいてコンデンサ装置を覆っている。２つの隣接するパワーコンバーターアセンブリのバスバーは、第１接続体及び第１接続手段を用いて接続された第１金属成形体と、第２接続体及び第２接続手段を用いて接続された第２金属成形体とによって低インダクタンスで互いに接続され得る。第１接続体は第２接続体によりさらに覆われる。

ＤＥ１０２００９０４３１８１Ａ１

言及した従来技術に関して、本発明の目的は、電力変換モジュールを備えたパワーエレクトロニクス装置であって、電力変換モジュールの直流電圧ターミナル素子と電力変換モジュールの外部接続用の直流電圧接続素子との接続が低インダクタンスで実施され、簡単に機械的に実施されるパワーエレクトロニクス装置を提供することである。この接続は好ましくは、ひずみ除去（strain relief）などの更なる利点を有する。

この目的は、本発明によれば請求項１の特徴を有するパワーエレクトロニクス装置によって達成される。好ましい実施形態は従属請求項に記載されている。

本発明に従うパワーエレクトロニクス装置は、電力変換装置モジュール及び第１及び第２直流電圧接続素子を有して設計され、本モジュールは、第１及び第２直流電圧導体トラックを備えた基板を有する開閉装置と、当該導体トラックに正しい極性で導電接続した第１及び第２直流電圧ターミナル素子と、ハウジングとを有する。第１及び第２直流電圧接続素子の各々は正しい極性で関連する直流電圧ターミナル素子に導電接続しており、常に、直流電圧ターミナル素子と直流電圧接続素子の間の接続部のそれぞれの領域では、
・第１及び第２直流電圧ターミナル素子、並びに第１及び第２直流電圧接続素子が、それぞれそれらの間に配置された絶縁装置によってスタックを形成し、
・第１直流電圧ターミナル素子は、第１主面においてそれによって好ましくは完全に囲まれた第１凹所を有し、
・第２直流電圧接続素子は、第３主面においてそれによって好ましくは完全に囲まれ、第１主面と整列された第２凹所を有し、
・第２直流電圧ターミナル素子及び第１直流電圧接続素子は、第１主面と第３主面の間に配置された第２主面に配置され、前記凹所の領域で互いから側方に離間している。

この装置では、クランプ装置が、絶縁的に第１及び第２凹所を通って延び、それにより第１直流電圧ターミナル素子と第１直流電圧接続素子の間の導電クランプ接続を形成し、且つ第２直流電圧ターミナル素子と第２直流電圧接続素子の間の導電クランプ接続を形成する。それぞれの電位、第２直流電圧素子の電位から第１直流電圧素子の電位は互いに電気絶縁される。

クランプ装置が、好ましくは通しボルトとして設計された、１つの、特に好ましくはまさに１つのクランプ要素と、ばね装置とによって実施されると特に有利である。クランプ装置、特にボルトが、第１及び第２凹所と整列されたハウジングの第３凹所を通って延び、特に冷却装置として設計されたベースプレートに固定、特にボルト止めされるとやはり有利である。特に、クランプ装置は、クランプ要素が通過する、絶縁材料から作られたスリーブを有してもよい。

２つのスタックの絶縁装置が凹所の領域で相互に重なり合い、この重なり領域で他の凹所と整列された更なる共通の凹所を形成すると特に有利である。

ハウジングは好ましくは、耐熱性プラスチックの材料群から選択される材料、特にポリフェニレンサルファイドから又はポリブチレンテレフタレートから作られる。直流電圧ターミナル素子は、及び好ましくは直流電圧接続素子も、好ましくは３００μｍ～２０００μｍ、特に好ましくは５００μｍ～１５００μｍの厚さを有する金属膜又は金属板として実施されるとやはり好ましい。それぞれの絶縁装置は、高い絶縁破壊の強さを有するプラスチックの材料群から選択される材料、特に、好ましくは５０μｍ～５００μｍ、特に好ましくは７５μｍ～１５０μｍの厚さを有するポリイミド、エチレン テトラフルオロエチレン コポリマー又は液晶ポリマーから作られるとやはり好ましい。

直流電圧接続素子は好ましくは、電力変換装置モジュールの直流電圧電源を形成する。

特に有利な設計では、ハウジングは、第１直流電圧ターミナル素子用の第１支持表面を有する第１結合装置を有する。第２直流電圧接続素子が、好ましくはコンデンサ装置の一部である第２結合装置に配置される。直流電圧ターミナル素子と直流電圧接続素子が更なる調節無しに互いに対して位置決めされるように、２つの結合装置が交互配置される。それぞれの結合装置が好ましくは、この目的のためにトラック要素及びストッパ要素を有する。ゆえに、特に簡単な低インダクタンスアセンブリと直流電圧ターミナル素子と直流電圧接続素子の導電接続が実施される。

もちろん、これが固有に又は明確に排除されなければ、単数で述べた特徴、特に電力変換装置モジュールは、本発明に従う装置において複数存在してもよい。

言うまでもなく、改良を達成するため、本発明の種々の実施形態は個々に又はどの組み合わせでも実施できる。特に、上述の特徴及び以下に述べる特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく特定の組み合わせのみならず、他の組み合わせ又は単独にも適用できる。

第１パワーエレクトロニクス装置の部分分解図の詳細を示す断面図である。 組み立て状態における第１パワーエレクトロニクス装置を示す図である。 第２パワーエレクトロニクス装置の断面を示す断面図である。 ３次元図での第３パワーエレクトロニクス装置の２つの構成部品を示す図である。 ３次元図での第３パワーエレクトロニクス装置の２つの構成部品を示す図である。 この第３パワーエレクトロニクス装置の平面図である。

図１～３に従う本発明に係るパワーエレクトロニクス装置１の第１及び第２設計に共通するのは、電力変換装置モジュール２であり、これは、ここでは液冷装置として設計された金属ベースプレート３上に配置された開閉装置４を有する。液冷装置３からの電気絶縁と液冷装置３への熱結合をもたらすために、この開閉装置は、セラミック体として実施された絶縁材料体４０を有する。液冷装置３から離れる側には、このセラミック体４０が、開閉装置の操作において異なる電位を有する多数の導体トラック４２を有する。これらの導体トラック４２のうちの１つ、第１直流電圧導体トラックが、第１直流電圧電位を有する一方、別な第２直流電圧導体トラックが、第２直流電圧電位を有する。例として、開閉装置は電力変換装置回路を形成する。

絶縁材料体と共に開閉装置の基板を形成するこれら導体トラック４２のうちの少なくとも１つの上には、パワー半導体装置４４が標準的な態様で配置され、回路を形成している。この実施形態における接続部は、交互に積み重なった導電性薄膜と絶縁性薄膜からできた標準薄膜複合体４６として実施されている。

外部接続のために、電力変換装置モジュール２は２つの直流電圧ターミナル素子５０，５２を有し、これら素子はそれぞれ、直流電圧電位を担う直流電圧導体トラック４２のうちの１つに導電的に接続している。この接続は標準的な方法で、この場合一般性の制限なしに、半田接合として実施される。

これらの直流電圧ターミナル素子５０，５２は、好ましくはコンデンサ装置に接続した、関連する直流電圧接続素子６０，６２への接続のために使用される（図６参照）。

クランプ装置７により実施される、直流電圧ターミナル素子５０，５２と直流電圧接続素子６０，６２との接続部の領域では、第１直流電圧ターミナル素子５０及び第２直流電圧ターミナル素子５２がスタックを形成し、２つの直流電圧ターミナル素子５０，５２の間には、図３にのみ示されるように、絶縁装置５４が配置されている。第１直流電圧ターミナル素子５０は、部分的にのみ示された、電力変換装置モジュール２のハウジング２０の支持表面２４０上に載っている。この設計におけるこのハウジング２０はハウジングの一部として実施されているだけであり、よって可能であって慣例的でもあるように、開閉装置４を完全には取り囲まない。

ここで電力変換装置モジュール２のハウジング２０は、高い曲げ強度をも有する耐熱性プラスチック、ここではポリフェニレンサルファイドから形成されている。直流電圧ターミナル素子５０，５２及び直流電圧接続素子６０，６２は、７００μｍの厚さを有する薄い金属シート（薄板）、ここではより正確には銅板として実施される。直流電圧ターミナル素子５０，５２の間及び直流電圧接続素子６０，６２の間の絶縁装置５４，６４はともに、高い絶縁破壊の強さを有するプラスチック、ここでは１００μｍの厚さを有するエチレン テトラフルオロエチレン コポリマー又は液晶ポリマーから作られる。

図１は、断面図で第１パワーエレクトロニクス装置１の詳細を示し、断面はクランプ装置７をも含む平面内で延びている。前述した特徴に加えて、クランプ装置７及び直流電圧接続素子６０，６２がここでは分解図で示されているのに対して、図２は、組み立て状態の第１パワーエレクトロニクス装置１を示す。

上述したように、直流電圧ターミナル素子５０，５２と直流電圧接続素子６０，６２との接続部の領域では、第１直流電圧ターミナル素子５０がハウジング２０の支持表面２４０上に載っており、第１直流電圧ターミナル素子５０により完全に取り囲まれた第１凹所５００を有する。言い換えれば、第１凹所５００は第１直流電圧ターミナル素子５０において貫通孔を形成する（図４も参照）。この断面では、第１直流電圧接続素子６０との導電接触がなされる第１直流電圧ターミナル素子５０の接触領域（再び図４参照）は、基板から横方向に見て、第１凹所５００の遠いサイドに載っている。接続部の領域では、第１直流電圧ターミナル素子５０の広さが第１主面ＨＥ１を画定する。

第２直流電圧ターミナル素子５２は第１直流電圧ターミナル素子５０に対して引っ込めて作られており、その結果、基板からの横視野で第２直流電圧接続素子６２へのその接触領域（図４参照）は、第１凹所５００のこのサイド上にある。接続部の領域では、第２直流電圧ターミナル素子５２の広さが、冷却装置から離れる方向に、したがって正のｚ方向に第１直流電圧ターミナル素子５０にすぐ続く第２主面ＨＥ２を画定する。

直流電圧ターミナル素子５０，５２のそれぞれの接触領域は、冷却装置３の複数の反対側に位置する一方（図４参照）、直流電圧接続素子６０，６２のそれぞれの接触領域は、それぞれに、冷却装置３に面する側にある（図５参照）。もちろん、代わりの設計に関連して、この構成全体が鏡像になるように設計されてもよい。

基板から横に見た、従って正のｘ方向に見た第２主面ＨＥ２では、第１直流電圧接続素子６０は、第２直流電圧ターミナル素子５２から離れて位置しており、こうして第１直流電圧ターミナル素子５０の接触領域に導電接続している。

第２直流電圧接続素子６２は、ｚ方向に第２主面ＨＥ２にすぐ隣接する第３主面ＨＥ３内に配置されている。この第２直流電圧接続素子６２は第２直流電圧ターミナル素子５２と導電接触しており、具体的には上で述べたようにその接触表面と導電接触している。第２直流電圧接続素子６２は、第１直流電圧ターミナル素子５０の第１凹所５００と本質的に同様に設計された第２凹所６２０を有する（図５参照）。この第２凹所６２０は、ｚ方向に第１凹所５００と整列して配置されている。

さらに、その第２支持表面２４０の領域では、ハウジング２０が、第１及び第２凹所と整列した、よってやはりｚ方向に第３凹所２００を有する。これら凹所２００，５００，６２０の全てに、必要な空気とクリーページギャップを含む、それぞれの電位の電気絶縁をもたらす絶縁材料スリーブ７４が配置される。このスリーブ７４には、ボルト７０が配置され、これは、ここでは皿ばねワッシャーとして実施されたばね装置７２と共に、第１直流電圧ターミナル素子５０と第１直流電圧接続素子６０の間の導電クランプ接続を形成し、同時に第２直流電圧ターミナル素子５２と第２直流電圧接続素子６２の間の導電クランプ接続を形成する。この目的のために、ねじ７０が、冷却装置３のめねじ止まり穴３２に単純にねじ込まれる。

これら構成部品はここでは、装置のクランプ装置７を形成する。この設計は、多数の異なる方法で有利である。まず、直流電圧ターミナル素子５０，５２に関する直流電圧接続素子６０，６２の配置は、生産技術の観点から簡単である、というのも積み重なった直流電圧接続素子６０，６２は、やはり積み重なった直流電圧ターミナル素子５０，５２上に単純な方法で配置され、正しい極性の電気接続が単一のねじ接続によって形成されるからである。ここで第２の主な利点は、直流電圧接続素子６０，６２のための優れたひずみ除去を形成する、冷却装置３への取り付けである。言い換えれば、この設計は、基板へのいかなる力の作用を防止する。加えて、形成される導電接続は特に低いインダクタンスを有する。

図３は、断面図で第２パワーエレクトロニクス装置１の詳細を示し、断面はクランプ装置７も含む平面内で延びる。

図１及び２の設計を含む本設計の説明のために、絶縁装置５４，６４がここでは明瞭に示されている。２つのスタックのこの絶縁装置５４，６４は、第２直流電圧ターミナル素子５２が第１直流電圧接続素子６０から横に離れている領域で互いに重なる。この設計は同時に、第１及び第２凹所５００，６２０と整列された絶縁装置５４，６４の領域に本質的に一致する。絶縁装置５４，６４は、この重なり領域で重なり（図４，５参照）、他の凹所５００，６２０とぴったり（一直線に）整列された更なる共通の凹所を形成する（図４，５参照）。

図１及び２に従う第１の設計とは対照的に、クランプ装置７はここでは冷却装置３に固定されていない。代わりに、ハウジング３がポケットにねじ付きナット７６とばね装置７２を有し、それにボルト７０がねじ込まれている。これにより、冷却装置の又はより一般的にはベースプレートの設計のより大きな自由度が可能になる一方、クランプ装置７による効果的なひずみ除去が維持される。

第１凹所の適切な設計が与えられれば、従って電力変換装置の動作電圧に適合していて絶縁要件のために必要な、適切に寸法決めされたこの凹所の直径によって、図１及び２に示される別個の絶縁材料スリーブを省くことができる。

図４及び５は、３次元図での第３パワーエレクトロニクス装置１の２つの構成部品を示すのに対し、図６はこの第３パワーエレクトロニクス装置の平面図を示す。この設計は、原則として図１及び２に示される第１パワーエレクトロニクス装置と同じであるが、非常に抽象的な方法で構造を描く図１及び２よりもより構造的な詳細が示されている。図４は、開閉装置４を取り囲むがそれを覆っていない電力変換装置モジュール２のハウジング２０を示す。熱伝導接続を創出するために、開閉装置４は、基板を冷却装置（不図示）に押し付ける加圧装置２６によって基本的に覆われている。

ハウジング２０は、第１直流電圧ターミナル素子５０が端部分に載っている第１支持表面２４０を有する第１結合装置２４を有する。この第１直流電圧ターミナル素子５０と図５に示される第１直流電圧接続素子との接触領域がここではハッチングされている。第１直流電圧ターミナル素子５０はさらに第１凹所５００を有する。ハウジング２０は、この第１凹所５００とぴったり整列された第３凹所を有する。両方の凹所は、それらを通過するねじ７０を有する絶縁スリーブの形態のクランプ装置を受容するように設計されている（図６参照）。

第１直流電圧ターミナル素子５０のすぐ上に、第１支持表面２４０の上にそれをもってスタックを形成するように、絶縁装置５４と第２直流電圧ターミナル素子５２が配置されている。この第２直流電圧ターミナル素子５２は、ハッチングで示された、第２直流電圧接続素子とのそれ自体の接触表面を有する（図５参照）。絶縁装置５４の端部分は、基板の方向に、第１直流電圧ターミナル素子５０の端部分に対して引っ込んでいる。加えて、第２直流電圧ターミナル素子５２の端部分は、絶縁装置５４の端部分に対して同じ方向に引っ込んでいる。したがって、これら端部分は複数の段を形成する。絶縁装置５４はまた、やはり第１及び第３凹所とぴったり整列された更なる凹所５４０を有する。

コンデンサ装置８が図５に示されており、該コンデンサ装置は、多数のコンデンサ８０を支持するフレーム要素８２を有し、電力変換装置モジュールの直流電圧電源を形成する。このフレーム要素８２は、この設計において該フレーム要素と一体的に形成された第２結合装置８４を有する。第２直流電圧接続素子６２は、この第２結合装置８４に配置され、固定されている。第２直流電圧接続素子６２は、第１及び第３凹所とぴったり整列されていてやはり上述したクランプ装置を収容するように設計された第２凹所６２０を有する。

第２直流電圧接続素子６２は、絶縁装置６４と第１直流電圧接続素子６０と共にスタックを形成し、これは直流電圧ターミナル素子のスタックに対応する。生産技術の点で配置により簡単に生み出される、第１、第２及び第３凹所が互いに整列されるような電力変換装置モジュール２に対するコンデンサ装置８の配置、及びクランプ装置の配置によって、導電クランプ接続が、第１直流電圧ターミナル素子と第１直流電圧接続素子の間及び第２直流電圧ターミナル素子と第２直流電圧接続素子の間に形成される。結局、同じハッチングで示された接触表面は互いに当接することになる。これは図６に平面図で示されている。位置決めのために、ハウジング２０は第１トラック要素２４２を有し、コンデンサ装置８は第２トラック要素８４２及びストッパ要素８４４を有する。

この位置決めの際、絶縁装置のそれぞれの端部分は、重なり合うそれらの他の凹所５４０，６４０により互いに載り、それらのそれぞれの凹所は、クランプ装置を受容するために、もちろん第１、第２及び第３凹所と整列された更なる共通の凹所を形成する。

１ パワーエレクトロニクス装置
２ 電力変換装置モジュール
４ 開閉装置
４２ 第１直流電圧導体トラック
４８ 第２直流電圧導体トラック
５０ 第１直流電圧ターミナル素子
５２ 第２直流電圧ターミナル素子
５４，６４ 絶縁装置
６０ 第１直流電圧接続素子
６２ 第２直流電圧接続素子

Claims (12)

1. 電力変換装置モジュール（２）と第１及び第２直流電圧接続素子（６０，６２）とを有するパワーエレクトロニクス装置（１）であって、
   前記モジュールは、第１及び第２直流電圧導体トラック（４２，４８）を備えた基板を有する開閉装置（４）と、当該導体トラックに正しい極性で導電接続した第１及び第２直流電圧ターミナル素子（５０，５２）と、ハウジング（２０）とを有し、
   前記第１及び第２直流電圧接続素子（６０，６２）の各々は、正しい極性で関連する前記直流電圧ターミナル素子（５０，５２）に導電接続しており、
   常に、前記直流電圧ターミナル素子と前記直流電圧接続素子の間の接続部のそれぞれの領域では、前記第１及び第２直流電圧ターミナル素子（５０，５２）、並びに第１及び第２直流電圧接続素子（６０，６２）が、それぞれそれらの間に配置された絶縁装置（５４，６４）によってスタックを形成し、
   前記第１直流電圧ターミナル素子（５０）は、第１主面（ＨＥ１）においてそれによって囲まれた第１凹所（５００）を有し、
   前記第２直流電圧接続素子（６２）は、第３主面（ＨＥ３）においてそれによって囲まれ、前記第１主面と整列された第２凹所（６２０）を有し、
   前記第２直流電圧ターミナル素子（５２）及び前記第１直流電圧接続素子（６０）は、前記第１主面（ＨＥ１）と前記第３主面（ＨＥ３）の間に配置された第２主面（ＨＥ２）に配置され、前記凹所（５００，６２０）の領域で互いから側方に離間しており、
   １つのクランプ装置（７）が、絶縁的に前記第１及び第２凹所（５００，６２０）を通って延び、それにより前記第１直流電圧ターミナル素子（５０）と前記第１直流電圧接続素子（６０）の間の導電クランプ接続を形成し、且つ前記第２直流電圧ターミナル素子（５２）と前記第２直流電圧接続素子（６２）の間の導電クランプ接続を形成するパワーエレクトロニクス装置。
2. 前記クランプ装置（７）は、通しボルト（７０）として設計されたクランプ要素と、ばね装置（７２）とによって実施される、請求項１に記載の装置。
3. 前記クランプ装置（７）、特に前記ボルト（７０）は、前記第１及び第２凹所に整列された前記ハウジング（２０）の第３凹所（２００）を通って延び、特に冷却装置として設計されたベースプレート（３）に固定されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記クランプ装置（７）は、前記クランプ要素（７０）が通過する絶縁材料のスリーブ（７４）を有する、請求項２又は３に記載の装置。
5. ２つの前記スタックの前記絶縁装置（５４，６４）は前記凹所（５００，６２０）の領域で相互に重なり合い、この重なり領域で、他の前記凹所（５００，６２０）と整列された更なる共通の凹所（５４０，６４０）を形成する、請求項１～４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記ハウジング（２０）は、耐熱性プラスチックの材料群から選択される材料、特にポリフェニレンサルファイドから又はポリブチレンテレフタレートから作られる、請求項１～５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記直流電圧ターミナル素子（５０，５２）は、３００μｍ～２０００μｍの厚さを有する金属膜又は金属板として設計される、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
8. それぞれの前記絶縁装置（５４，６４）は、高い絶縁破壊の強さを有するプラスチックの材料群から選択される材料で、５０μｍ～５００μｍの厚さを有するポリイミド、エチレン テトラフルオロエチレン コポリマー又は液晶ポリマーから作られる、請求項１～７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記直流電圧接続素子（６０，６２）が前記電力変換装置モジュール（２）の直流電圧電源を形成する、請求項１～８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記ハウジング（２０）は、前記第１直流電圧ターミナル素子（５０）用の第１支持表面（２４０）を有する第１結合装置（２４）を有し、前記第２直流電圧接続素子（６２）が、コンデンサ装置（８）の一部である第２結合装置（８４）に配置される、請求項１～９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記直流電圧ターミナル素子（５０，５２）と前記直流電圧接続素子（６０，６２）が更なる調節無しに互いに対して位置決めされるように、２つの前記結合装置（２４，８４）が交互配置される、請求項１０に記載の装置。
12. それぞれの前記結合装置（２４，８４）がトラック要素（２４２，８４２）及びストッパ要素（８４４）を有する、請求項１０又は１１に記載の装置。
    

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