JP7460559B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

近年の電力変換装置は、車体取り付け構造としてセミインテグレイト構造を採用する傾向が高い。セミインテグレイト構造は、電力変換装置の内部部品をモータハウジングとインバータケースに挟んで収納する構造である。そのため、電力変換装置の内部部品は剥き出しとなっている。この剥き出しになった内部部品を保護する構造についての公知技術がある。

本願発明の背景技術として、下記の特許文献１には、インバータモジュールの樹脂製ケースに把持部を設けることによって、ラインハンドリングの際の基板を保護する技術が開示されている。

特開２００９－２３５９６５号公報

特許文献１の構成では、ラインハンドリングの際の基板の保護が目的であるが、インテグレイト構造のインバータを組付ける時にも、基板の保護を目的とする構造を採用することが必要である。例えば、基板ベースに基板が搭載され、接触面に対して基板が必ず先当たりする構造である場合、搬送時やモータへの組付け時に基板破損による不良率が高まる上に、防止策として専用のカバー等を作製して出荷することでコストがかかる課題がある。

以上を鑑みて、本発明は、部品点数の削減とコスト低減とを両立させた電力変換装置を提供することが目的である。

本発明は、ハウジング内にモータおよび電力変換装置を収容するモータ一体型インバータ装置であって、前記ハウジングは、前記電力変換装置を収容するインバータハウジングと、前記インバータハウジングが組付けられることで前記電力変換装置の一部を収容し、かつモータを収容する前記モータハウジングと、を含み、前記電力変換装置は、パワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの駆動を制御する制御回路基板と、前記制御回路基板を保持する金属ベース板と、を有し、前記パワー半導体モジュール、前記制御回路基板、および前記金属ベース板は、前記インバータハウジングにそれぞれ収容されて固定され、前記制御回路基板は、前記モータハウジングに対する前記インバータハウジングの取付け面よりも前記モータハウジング側に配置され、前記金属ベース板は、前記制御回路基板の外周を囲むとともに、前記モータハウジング側に向かって突出する、保護壁を有する。

本発明によれば、部品点数の削減とコスト低減とを両立させた電力変換装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の展開斜視図。 本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の外観斜視図。 本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の断面図。 本発明の一実施形態に係る、ベース板の外観図。 本発明の一実施形態に係る、インバータハウジングの取り付け工程図。 本発明の第１の変形例。 本発明の第２の変形例。 本発明の第３の変形例。 本発明の第４の変形例。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

（一実施形態および電力変換装置の構成）
図１は、本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の展開斜視図である。

電力変換装置１は、箱型の形状を成したインバータハウジングであるケース２を有している。このケース２の底部には水路が設けられており、ケース２に圧入されたパイプ３から流入する冷却水が水路内を循環している。水路は、ボトムカバー４にてシールされることで形成されている。

平滑コンデンサ５は、ケース２に収容され、ポッティング樹脂にて固定される。ＥＭＣフィルタ９は、ケース２に収容され、ポッティング樹脂とネジ止めとの両方でケース２に固定される。

パワー半導体モジュール８は、ケース２の水路上に配置され、その上からＰＭプレート１４がネジ止めされることで固定される。ＤＣモールドバスバ７は、パワー半導体モジュール８、平滑コンデンサ５の上部に配置され、ケース２の固定ボス部に固定され、平滑コンデンサ５、ＥＭＣフィルタ９、パワー半導体モジュール８、と電気的に接続される。

ＰＭＡＣバスバ１０は、パワー半導体モジュール８の上部に配置され、ケース２の固定ボス部に固定されることで、パワー半導体モジュール８と電気的に接続される。パワー半導体モジュール８の端子の絶縁を目的とするＰＭキャップ１１は、従来はＰＣＢベース１５の下面により上部から押さえられて固定する構造だった。しかし、レイアウトの都合により、制御回路基板をＰＣＢベース１５の上下に固定する構造に変更したため、ＰＭキャップ１１は、スナップフィット構造にてＰＭＡＣバスバ１０の上部に固定する構造に変更している。

ＨＶＡＣバスバ１３は、ＡＣセンサ１２をスナップフィット構造にて保持しており、ＰＭＡＣバスバ１０とモータに電気的に接続される。ＡＣセンサ１２は、ＰＭＡＣバスバ１０が貫通するように配置され、ケース２の固定ボス部にて固定される。

ＰＣＢベース１５は、ＤＣモールドバスバ７、ＰＭＡＣバスバ１０の上部に配置され、ケース２の固定用ボス部で固定される金属ベース板であり、ＰＣＢベース１５の構成部品であるＧＤ基板のコネクタ類、ＡＣセンサ１２、パワー半導体モジュール８、と電気的に接続される。

図２は、本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の外観斜視図である。

図２に示す電力変換装置１は、図１の展開されている搭載部品を収納した後の装置１である。ケースフランジ部１６は、ケース２とモータを収容するモータハウジングとを組み付けたときの取り付け面になる。

ＰＣＢベース１５は、竪壁部１８を有しており、制御回路基板であるＭＣ基板１７の外周を囲んで、モータハウジング（後述）に向かって突出している保護壁である。また、竪壁部１８は、その一部が切り欠き形状になっている切り欠き部２５を有しており、これにより、ケース２の内部の部品と制御回路基板１７と電気的に接続している信号配線（不図示）を挿通している。なお、切り欠き部２５は、信号配線を挿通できる最小限の範囲を切り欠くだけでよく、これにより基板１７を保護する性能を維持しつつ、最短距離で信号配線を挿通できる。

図３は、本発明の一実施形態に係る、電力変換装置の断面図である。図３（ａ）は電力変換装置の上面図（図１および図２において上方から見た図）、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

図３（ｂ）に示すように、ケースフランジ部１６は、高さ方向においてＰＣＢベース１５より下の位置に形成されている。これにより、インバータハウジング（ケース２）とモータハウジングとが組付けられるときに、インバータハウジングに組付けられているＰＣＢベース１５がモータハウジング内に収まる構造になっている。なお、インバータハウジングとモータハウジングとの組付け時の構造については、後で図５を参照して詳しく説明する。

ＰＣＢベース竪壁部１８は、例えば、電力変換装置１を搬送した場合、ケースフランジ部１６より突出した基板１７に対して、組付け時に面当たりすることを防ぐために形成されているものである。これにより、ＥＭＣ性能向上、ＨＶＡＣバスバからの熱影響を低減させる効果がある。竪壁部１８が無い場合は、基板１７を保護するカバーが必要となる。

このような構成により、電力変換装置１の組付け時、または搬送時に、ＭＣ基板１７に対しての干渉や破損防止ができるため、装置１の品質向上へ繋げることができる。なお、ＰＣＢベース１５の固定位置の高さは、ＡＣセンサ１２とＧＤ基板の位置関係とケース２側のボスの成形性の観点と、から決定される。

図４は、本発明の一実施形態に係る、ベース板の外観図である。

ＧＤ基板２０は、ＰＣＢベース１５にネジ止めにて固定され、コネクタ２１はＧＤ基板２０に複数はんだ付けされており、パワー半導体モジュール８の端子とコネクタ２１とは電気的に接続される。

なお、本発明で説明する電力変換装置はデュアルインバータのため、必要な基板面積を確保するに当たり、ＰＣＢベース１５の下面（ケース２側）にＧＤ基板２０を配置するレイアウトとなっている。なお、ＧＤ基板２０の高さの位置は、ＡＣセンサ１２の端子の高さによって決まる。

ＭＣ基板１７はＰＣＢベース１５に固定され、トランス１９はＭＣ基板１７にはんだ付けされている。また、図には無いがＧＤ基板２０とＭＣ基板１７とは、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）等で電気的に接続されている。ＰＣＢベース１５と組付け部品は、ケース２の固定部にネジ止めにて固定される。

組付け時のＭＣ基板１７の保護を目的として、トランス１９よりもモータハウジング側に突出して高く竪壁部１８が設けられている。なお、竪壁部１８とＰＣＢベース１５はダイカストによる一体成型である。また、金属板である竪壁部１８でＭＣ基板１７を遮蔽することにより、ＥＭＣフィルタ９の性能を向上させつつ、搭載されている別のバスバ部品からの熱影響を低減する効果もある。

竪壁部１８の設置する位置は、ＭＣ基板１７の全周に形成することが推奨されるが、レイアウト制限によっては、ＦＰＣラインを切り欠いたり、ＭＣ基板１７の背高部品（トランス１９）の近傍に最低限の高さを有する竪壁部１８を設置したりして対応することが望ましい。また、竪壁部１８は、ＭＣ基板１７の外周側のみに形成されるだけではなく、ＭＣ基板１７を切り欠いて内側にレイアウトしてもよい。

図５は、本発明の一実施形態に係る、インバータハウジングの取り付け工程図である。図５（ａ）は取り付け時の様子を表す図、図５（ｂ）は取り付け前の様子を表す図である。なお、図５では図１～図３と比べて、電力変換装置１の向きが上下逆になっている。

電力変換装置１は、モータ２２および電力変換装置１を収容するモータ一体インバータ装置の一部として構成される装置である。この電力変換装置１（インバータハウジング２）をモータハウジング２３に対して取り付ける場合、電力変換装置１のケースフランジ部１６がその取り付け面として機能し、モータハウジングフランジ面２４とでネジ止めすることで取付固定される。これにより、電力変換装置１においてケースフランジ部１６よりも下側に位置するＰＣＢベース１５を含む部分が、モータハウジング２３内に収容される。

電力変換装置１は、ケースフランジ部１６からＰＣＢベース１５の竪壁部１８がモータハウジング２３側へ飛び出している。そのため、電力変換装置１をモータハウジング２３に組付ける際に、位置ずれ等でモータハウジングフランジ面２４がＭＣ基板１７へ接触することを防いでいる。

図６は、本発明の第１の変形例である。

図６に示す第１の変形例では、電力変換装置１はさらにＰＣＢベースカバー２６を有する。ＰＣＢベースカバー２６は、ＰＣＢベース１５の竪壁部に囲われた基板を保護するカバーである。ＰＣＢベースカバー２６は金属材にて成形され、ＰＣＢベース１５の竪壁部にＰＣＢベースカバー２６を固定するために形成されているフランジ部に、ネジ止めにて固定されている。この場合、ＰＣＢベース１５に囲われた基板は、竪壁部による保護に加えて品質の安定を図ることができ、ＥＭＣ性能と冷却性とを向上させる効果が期待できる。

図７は、本発明の第２の変形例である。

図７に示す第２の変形例では、電力変換装置１は、第１の変形例で説明した図６のＰＣＢベースカバー２６に代えて、ＰＣＢベースカバー２７を有する。ＰＣＢベースカバー２７は樹脂にて成形され、ＰＣＢベースの竪壁フランジ部にスナップフィット部２８を組み合わせた構造にて固定される。第２の変形例は、第１の変形例よりもコスト低減を狙ったモデルである。これにより、低コストでＰＣＢベース１５内の基板を保護できる。

図８は、本発明の第３の変形例である。

図８に示す第３の変形例では、電力変換装置１は、第１の変形例と同様にＰＣＢベースカバー２６を有する。ＰＣＢベースカバー２６は金属にて成形され、ＰＣＢベース１５の竪壁フランジ部にヒンジ構造部２９とネジ止めにて固定される。第３の変形例は、第１の変形例のコスト低減を狙ったモデルである。これにより、低コストで、ＥＭＣ性能および冷却性能を維持することができる。

図９は、本発明の第４の変形例である。

図９に示す第４の変形例では、電力変換装置１は、第２の変形例と同様にＰＣＢベースカバー２７を有する。ＰＣＢベースカバー２７は樹脂にて成形され、ＰＣＢベース１５の竪壁部にスナップフィット部２８にて固定される。ここでＰＣＢベースカバー２７は全面を覆うサイズのカバーではなく一部を覆うような一定のサイズにしておき、他機種との汎用性を持たせる構造としている。

第４の変形例は、第１及び第２の変形例のコスト低減を狙ったモデルである。これにより、低コストでカバーのサイズを一定にすることで、汎用効果を持たせることができる。また、カバーに伸縮機構を持たせることで、さらに汎用化を狙うこともできる。

以上説明した第１～第４の変形例では、ＰＣＢベース１５の竪壁部の先端縁部にＰＣＢベースカバー２６，２７がそれぞれ取り付けられている。そのため、ＰＣＢベース１５内の基板をより確実に保護することができる。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）ハウジング内にモータ２２および電力変換装置１を収容するモータ一体型インバータ装置は、電力変換装置１を収容するインバータハウジング２と、インバータハウジング２が組付けられることで電力変換装置１の一部を収容し、かつモータ２２を収容するモータハウジング２３と、で構成される。電力変換装置１は、パワー半導体モジュール８と、パワー半導体モジュール８の駆動を制御する制御回路基板１７と、制御回路基板１７を保持する金属ベース板１５と、を有し、パワー半導体モジュール８、制御回路基板１７、および金属ベース板１５は、インバータハウジング２に固定される。制御回路基板１７は、モータハウジング２３に対するインバータハウジング２の取付け面よりもモータハウジング２３側に配置され、金属ベース板１５は、制御回路基板１７の外周を囲むとともに、モータハウジング２３側に向かって突出する、保護壁１８を有する。このようにしたことで、部品点数の削減とコスト低減とを両立させた電力変換装置１を提供できる。

（２）金属ベース板１５の保護壁１８は、制御回路基板１７上に実装された回路部品１９よりもモータハウジング２３側へ突出している。このようにしたことで、電力変換装置１のモータハウジング２３への組付け時に、制御回路基板１７が破損することを防ぐ。

（３）金属ベース板１５の保護壁１８は、制御回路基板１７に接続される信号配線を挿通するための切り欠き部２５を有する。このようにしたことで、制御回路基板１７の保護性能を確保しつつ、最短経路の配線を挿通できる。

（４）モータ一体型インバータ装置は、金属ベース板１５の保護壁１８の先端縁部に取り付けられ、制御回路基板１７を覆うカバー部材２６（２７）を備える。このようにしたことで、制御回路基板１７の保護効果を高めることができる。

なお、本発明は上記の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内で様々な変形や他の構成を組み合わせることができる。また本発明は、上記の実施形態で説明した全ての構成を備えるものに限定されず、その構成の一部を削除したものも含まれる。

１…電力変換装置
２…ケース
３…パイプ
４…ボトムカバー
５…平滑コンデンサ
７…ＤＣモールドバスバ
８…パワー半導体モジュール
９…ＥＭＣフィルタ
１０…ＰＭＡＣバスバ
１１…ＰＭキャップ
１２…ＡＣセンサ
１３…ＨＶＡＣバスバ
１４…ＰＭプレート
１５…ＰＣＢベース
１６…ケースフランジ部
１７…ＭＣ基板
１８…竪壁部
１９…トランス
２０…ＧＤ基板
２１…コネクタ
２２…モータ
２３…モータハウジング
２４…モータハウジングフランジ面
２５…切り欠き部
２６…ＰＣＢベースカバー（金属）
２７…ＰＣＢベースカバー（樹脂）
２８…スナップフィット部
２９…ヒンジ構造部

Claims (4)

1. ハウジング内にモータおよび電力変換装置を収容するモータ一体型インバータ装置であって、
   前記ハウジングは、前記電力変換装置を収容するインバータハウジングと、前記インバータハウジングが組付けられることで前記電力変換装置の一部を収容し、かつ前記モータを収容するモータハウジングと、を含み、
   前記電力変換装置は、パワー半導体モジュールと、前記パワー半導体モジュールの駆動を制御する制御回路基板と、前記制御回路基板を保持する金属ベース板と、を有し、
   前記パワー半導体モジュール、前記制御回路基板、および前記金属ベース板は、前記インバータハウジングにそれぞれ収容されて固定され、
   前記制御回路基板は、前記モータハウジングに対する前記インバータハウジングの取付け面よりも前記モータハウジング側に配置され、
   前記金属ベース板は、前記制御回路基板の外周を囲むとともに、前記モータハウジング側に向かって突出する、保護壁を有する
   モータ一体型インバータ装置。
2. 請求項１に記載のモータ一体型インバータ装置であって、
   前記保護壁は、前記制御回路基板上に実装された回路部品よりも前記モータハウジング側へ突出している
   モータ一体型インバータ装置。
3. 請求項１に記載のモータ一体型インバータ装置であって、
   前記保護壁は、前記制御回路基板に接続される信号配線を挿通するための切り欠き部を有する
   モータ一体型インバータ装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のモータ一体型インバータ装置であって、
   前記保護壁の先端縁部に取り付けられ、前記制御回路基板を覆うカバー部材を備える
   モータ一体型インバータ装置。