JPWO2018131336A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

パワー半導体モジュールと駆動回路基板の間の耐ノイズ性および絶縁性を確保しつつ、小型化が可能な電力変換装置を提供する。本発明に係る電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換する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を駆動する駆動信号を出力する駆動信号回路基板と、前記駆動信号回路基板を支持する樹脂製の支持部材と、を備え、前記パワー半導体モジュールは、前記駆動信号を伝達する信号端子と、前記直流電力の入力および前記交流電力の出力を伝達する主端子と、を有し、前記支持部材は、前記駆動信号回路基板と前記パワー半導体モジュールの間に配置され、前記信号端子および前記主端子は、前記パワー半導体モジュールの前記支持部材と対向する側に設けられ、前記支持部材における前記駆動信号回路基板と前記主端子との間の領域に金属製の遮蔽板が埋設されていることを特徴とする。

Description

本発明は、電力変換装置の構造に係り、特に、パワー半導体モジュールおよび駆動回路基板を内蔵する電力変換装置に適用して有効な技術に関する。
自動車の電動化、電気部品の実装密度の増大により、車載部品の信頼性を向上するためのノイズ対策が重要となっている。特に、EV(Electric Vehicle)、HEV(Hybrid Electric Vehicle)、PHEV(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)などに搭載されるインバータは高出力化する一方で小型化が進み、ノイズ対策とともに、絶縁性の確保も重要な課題である。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「直流電流を交流電流に変換するパワー半導体素子を有するパワーモジュールと、前記パワー半導体素子を制御する制御信号を出力する制御回路基板と、前記制御信号に基づき前記パワー半導体素子を駆動する駆動信号を出力するドライバ回路基板と、前記ドライバ回路基板と前記制御回路基板との間の空間に配置され、細長い配線開口部が形成された導電性のベース板と、を備える電力変換装置」が開示されている。
特許文献１では、導電性のベース板（金属製遮蔽版）によりドライバ回路基板と制御回路基板との間のノイズを遮蔽している。
また、特許文献２には「複数相のスイッチング素子を含むインバータと、該インバータの制御基板と、平滑用コンデンサとを有するコンデンサ搭載型のインバータユニットであって、前記インバータを支持する第１のケースと、該第１のケースと共に前記平滑用コンデンサと前記制御基板とを収容する第２のケースとを具備し、前記第２のケース内に前記制御基板を支持する支持フレームが収容されると共に、該支持フレームが前記第２のケースに締結され、かつ前記第２のケース内に、前記支持フレームから突出する柱状支持部が露出するように該支持フレームと前記平滑用コンデンサとを埋没させる樹脂材料が充填され、前記柱状支持部に固定された前記制御基板と前記インバータとを対向させるように前記第１のケースと前記第２のケースとを付き合わせて構成したコンデンサ搭載型インバータユニット」が開示されている。
特許文献２では、支持フレームを金属材料で形成し、平滑用コンデンサのインバータ対向側の面を覆うように配設することで、コンデンサから放射される電気的ノイズを遮断して、支持フレームの柱状支持部に固定された制御基板がノイズに晒されるのを防止できるとしている。
特許第５４１７３１４号公報 特許第５１８４２１８号公報
上述したように、車載用のインバータにおいては、インバータの小型化、高出力化により部品実装密度が高まり、インバータに内蔵されるパワー半導体モジュールと駆動信号を出力する駆動回路基板の間の距離が短くなり、ノイズ遮蔽性や絶縁性の確保が課題となっている。
また、従来のインバータでは、樹脂製支持構造、電流を流すためのバスバー(Bus bar：母線)、ヒューズの状態を検知するための電流を流すバスバーがそれぞれ別個の部品として搭載されており、小型化のためには部品点数削減も課題である。
さらに、ノイズ遮蔽のためインバータ内に金属製遮蔽版を設ける場合、限られたスペースの中で金属遮蔽版を設置する方法も問題となる。
上記特許文献１では、ドライバ回路基板と制御回路基板間のノイズは遮蔽されるものの、パワー半導体モジュールとドライバ回路基板間のノイズ遮蔽および絶縁性は不十分であり、部品点数も多く小型化の点で不利である。また、上記特許文献２では、インバータに内蔵される制御基板の支持フレームとコンデンサを樹脂の充填により固定するため、コンデンサの取付け信頼性を確保するための十分な量の樹脂を充填する必要があり、やはりインバータの小型化には不利である。
そこで、本発明の目的は、パワー半導体モジュールおよび駆動回路基板を内蔵する電力変換装置において、パワー半導体モジュールと駆動回路基板の間の耐ノイズ性および絶縁性を確保しつつ、小型化が可能な電力変換装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、直流電力を交流電力に変換する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を駆動する駆動信号を出力する駆動信号回路基板と、前記駆動信号回路基板を支持する樹脂製の支持部材と、を備え、前記パワー半導体モジュールは、前記駆動信号を伝達する信号端子と、前記直流電力の入力および前記交流電力の出力を伝達する主端子と、を有し、前記支持部材は、前記駆動信号回路基板と前記パワー半導体モジュールの間に配置され、前記信号端子および前記主端子は、前記パワー半導体モジュールの前記支持部材と対向する側に設けられ、前記支持部材における前記駆動信号回路基板と前記主端子との間の領域に金属製の遮蔽板が埋設されていることを特徴とする。
本発明によれば、パワー半導体モジュールおよび駆動回路基板を内蔵する電力変換装置において、パワー半導体モジュールと駆動回路基板の間の耐ノイズ性および絶縁性を確保しつつ、小型化が可能な電力変換装置を実現できる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
本発明の一実施形態に係る樹脂製支持構造を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る樹脂製支持構造を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係るパワー半導体モジュールを示す図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の全体概要を示す図である。 図３Ａの電力変換装置の部品構成を示す分解図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の駆動信号回路基板を示す平面図である。 図４ＡのＢ−Ｂ’断面を示す図である。 図４ＢのＣ部拡大図である。 本発明の一実施形態に係る樹脂製支持構造を示す平面図である。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
図１Ａから図４Ｃを用いて、実施例１の電力変換装置について説明する。先ず、図１Ａから図２を参照して、本実施例の電力変換装置に内蔵される駆動信号回路基板の支持部材を説明する。図１Ａは本実施例の樹脂製支持部材（樹脂製支持構造）１００の概略構成を示す平面図（上面図）であり、図１Ｂは図１Ａの内部構造を示す平面図（透過図）である。また、図２は電力変換装置に搭載されるパワー半導体モジュールを示す図である。
樹脂製支持部材１００は、パワー半導体モジュール１０９とともに電力変換装置に内蔵される駆動信号回路基板を電力変換装置内で支持するための樹脂製部品である。図１Ａに示すように、樹脂製支持部材１００には、パワー半導体モジュール１０９が有する信号端子１１０を挿通させるための挿通孔１０２が複数設けられている。ここでは、２つの挿通孔１０２を一対として、三対の挿通孔１０２が設けられている例を示す。また、樹脂製支持部材１００には、電力変換装置の筐体となるケースの位置決めピンを挿入するための挿通孔（貫通孔）１０３も設けられている。
樹脂製支持部材１００の一端には、樹脂製支持部材１００を電力変換装置の筐体（ケース）に固定するためのネジ留め点となる固定部１０１が設けられている。また、後述するハーネス（配線）を係止するための突起部である係止部１０４が複数設けられている。
樹脂製支持部材１００の内部には、図１Ｂに示すように、金属製遮蔽板１０５、ヒューズ断線検知バスバー１０７、高電圧バスバー１０８が埋設されている。金属製遮蔽板１０５は、固定部１０１へ延びる延設部１０６を有する。金属製遮蔽板１０５はパワー半導体モジュール１０９と駆動信号回路基板との間のノイズを遮蔽するための金属製部品である。延設部１０６は樹脂製支持部材１００とケースとの固定点（固定部１０１）へ金属遮蔽板１０５を接続するために延在して設けられる金属遮蔽板の一部である。
ヒューズ断線検知バスバー１０７は図示しないヒューズと駆動信号回路基板を接続するための直流回路体であり、高電圧バスバー１０８は高圧電流を駆動信号回路基板に供給するための直流回路体である。
本実施例の樹脂製支持部材１００は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、金属製遮蔽板１０５およびその延長部分である延設部１０６、ヒューズ断線検知バスバー１０７、高電圧バスバー１０８を樹脂でモールドすることで、これらの金属製部材（導電部材）を樹脂内に埋設するように形成されている。
パワー半導体モジュール１０９は、電力変換装置内に供給された直流電流（直流電力）を交流電流（交流電力）に変換するためのインバータ部品であり、図２に示すように、その一辺に信号端子１１０および主端子１１１が設けられている。信号端子１１０はパワー半導体モジュール１０９と駆動信号回路基板を接続するための端子であり、駆動信号回路基板からパワー半導体モジュール１０９へ駆動信号を伝達する。
また、主端子１１１はパワー半導体モジュール１０９と高電圧直流回路体を接続するための端子であり、外部電源（図示せず）からパワー半導体モジュール１０９への高電圧電源（直流電流（直流電力））の入力およびパワー半導体モジュール１０９から外部負荷（図示せず）への交流電流（交流電力）の出力を伝達する。なお、図２では、主端子１１１の右側の細い端子４本が直流電流の入力端子であり、左側の太い端子１本が交流電流の出力端子となる例を示している。
次に、図３Ａおよび図３Ｂを参照して、本実施例の電力変換装置の全体概要と部品構成を説明する。図３Ａは本実施例の電力変換装置の全体概要を示す斜視図である。図３Ｂは図３Ａの電力変換装置の部品構成を示す分解図であり、図３ＡのＡ−Ａ’方向から見た状態を示している。
図３Ａに示すように、電力変換装置の前面には駆動信号回路基板１１２が組み込まれており、上面には直流電流バスバー１１５が組み込まれている。駆動信号回路基板１１２は上述したように、パワー半導体モジュール１０９を駆動する信号を供給するための基板である。また、直流電流バスバー１１５はパワー半導体モジュール１０９に直流電流を供給するための直流回路体である。
電力変換装置の上面にはハーネス１１８が組み込まれている。ハーネス１１８は実施例２（図５）において後述するように、電流センサと制御信号回路基板を接続するための配線である。
図３Ｂの分解図を参照して、本実施例の電力変換装置（インバータ）の部品構成と各部品の組み立て方法について説明する。
電力変換装置の筐体となる金属製のケース１１３にパワー半導体モジュール１０９、キャパシタ１１６を挿入する。ケース１１３はパワー半導体モジュール１０９の収納空間を形成する。キャパシタ１１６は直流電流のノイズを除去するための素子である。
次に、ケース１１３に直流電流バスバー１１５、交流電流バスバー１１９、電流センサ１２０、交流電流バスバー１１７を取り付ける。交流電流バスバー１１７，１１９はパワー半導体モジュール１０９からの交流電流を伝達するための交流回路体である。
次に、ケース１１３に樹脂製支持部材１００を取り付け、パワー半導体モジュール１０９の信号端子１１０を樹脂製支持部材１００の挿通孔１０２に挿通させる。
続いて、ハーネス１１８を電流センサ１２０と制御信号回路基板１１４に接続し、樹脂製支持部材１００の係止部１０４に固定する。制御信号回路基板１１４はパワー半導体モジュール１０９を制御する信号を共有するための基板である。
最後に、樹脂製支持部材１００に駆動信号回路基板１１２を取り付けて、図３Ａに示す電力変換装置が完成する。
図４Ａから図４Ｃを参照して、パワー半導体モジュール１０９、駆動信号回路基板１１２および樹脂製支持部材１００の配置（位置関係）について説明する。図４Ａは図３ＡのＡ−Ａ’方向から駆動信号回路基板１１２を見た図である。図４Ｂは図４ＡのＢ−Ｂ’断面を示す図である。また、図４Ｃは図４ＢのＣ部の拡大図である。
樹脂製支持部材１００は、図４Ｃに示すように、パワー半導体モジュール１０９の主端子１１１を囲むように設置される。また、それと同時に、樹脂製支持部材１００に埋設されている金属製遮蔽板１０５は主端子１１１と駆動信号回路基板１１２の間に設置される。なお、金属製遮蔽板１０５は少なくとも主端子１１１と駆動信号回路基板１１２の間に設置する必要があるが、図４Ｃの左端部の符号１０５のように、それ以外の領域に設けてもよい。
上述したように、近年、インバータの小型化の要求によりパワー半導体モジュール１０９と駆動回路基板１１２の距離Ｌ１は小さくなってきており、同時にパワー半導体モジュール１０９と主端子１１１の距離Ｌ２も小さくなってきている。これに伴い、各部材間の絶縁性とノイズ耐性の確保が問題となる。
本実施例の電力変換装置では、図４Ｃに示すように、高電圧が印加される主端子１１１と駆動信号回路基板１１２との間に、駆動信号回路基板１１２を支持する樹脂製の支持部材（樹脂製支持部材１００）を配置することで、絶縁性を確保することができる。
また、樹脂製支持部材１００における駆動信号回路基板１１２と主端子１１１との間の領域に電磁シールドとなる金属製遮蔽板１０５を埋設することで、ノイズ耐性を確保することができる。
従って、パワー半導体モジュール１０９の主端子１１１と駆動信号回路基板１１２との間の絶縁性および耐ノイズ性を確保しつつ、駆動信号回路基板１１２とパワー半導体モジュール１０９との距離Ｌ１および駆動信号回路基板１１２と主端子１１１の先端との距離Ｌ２を小さくすることができるため、電力変換装置を小型化することができる。
以上説明したように、本実施例の電力変換装置によれば、駆動信号回路基板とパワー半導体モジュールの間、特に、駆動信号回路基板と高電圧が印加されるパワー半導体モジュールの主端子との間に、金属製遮蔽板が埋設された樹脂製支持部材を配置することで、駆動信号回路基板とパワー半導体モジュール間の絶縁性、耐ノイズ性を確保しつつ、電力変換装置の小型化が可能となる。
また、樹脂製支持部材１００にはヒューズ断線を検知するためのヒューズ断線検知バスバー１０７と、電流を伝達する高電圧バスバー１０８が埋設されているため、従来は別個の構成部品として製作していた樹脂製支持部材、高電圧バスバー、ヒューズ断線検知バスバーを個別に製作する必要がなくなり、部品点数の削減が可能になる。これにより、電力変換装置の組み立て性が高まり、省スペース化にもつながる。
また、金属製遮蔽板１０５は固定部１０１まで延在する延設部１０６を有しており、樹脂製支持部材１００はケース１１３と固定部１０１で接続されるため、ケース１１３と金属製遮蔽板１０５の接続が可能となる。これにより、金属製遮蔽板１０５はケース１１３に接地され、ノイズを遮蔽する効果が得られる。
また、金属遮蔽板１０５に延設部１０６を設け、延設部１０６を介して筐体であるケース１１３に接地されるため、金属遮蔽板１０５を接地するための別部品を製作する必要がない。同時に、金属遮蔽板１０５および延設部１０６が樹脂製支持部材１００の補強材の役目を果たすため、樹脂製支持部材１００の強度が向上する。
図５を用いて、実施例２の電力変換装置について説明する。図５は図１Ａの樹脂製支持部材１００にハーネス１１８、電流センサ１２０を取り付けた状態を示している。
樹脂製支持部材１００には、フック状の係止部１０４が複数備え付けられており、この係止部１０４によりハーネス１１８を係止することができる。ハーネス１１８のコネクタの一方は電流センサ１２０に接続（挿入）され、もう一方のコネクタは図示しない制御信号回路基板１１４に接続（挿入）される。これにより、電流センサ１２０と制御信号回路基板１１４が接続される
本実施例の電力変換装置によれば、樹脂製支持部材１００の係止部１０４にハーネス１１８を係止することで、ハーネス１１８が緩むことを防止して組み立て作業が容易になる。また、電流センサ１２０と制御信号回路基板１１４を接続する配線を別個に設ける必要がないため、配線スペースの省スペース化が可能となり、電力変換装置の小型化に寄与できる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１００…樹脂製支持部材（樹脂製支持構造）、１０１…固定部、１０２…挿通孔、１０３…挿通孔、１０４…係止部、１０５…金属製遮蔽板、１０６…延設部、１０７…ヒューズ断線検知バスバー、１０８…高電圧バスバー、１０９…パワー半導体モジュール、１１０…信号端子、１１１…主端子、１１２…駆動信号回路基板、１１３…ケース、１１４…制御信号回路基板、１１５…直流電流バスバー、１１６…キャパシタ、１１７…交流電流バスバー、１１８…ハーネス、１１９…交流電流バスバー、１２０…電流センサ、Ｌ１…駆動信号回路基板１１２とパワー半導体モジュール１０９との距離、Ｌ２…駆動信号回路基板１１２と主端子１１１の先端との距離。

Claims (5)

  1. 直流電力を交流電力に変換する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を駆動する駆動信号を出力する駆動信号回路基板と、
    前記駆動信号回路基板を支持する樹脂製の支持部材と、を備え、
    前記パワー半導体モジュールは、前記駆動信号を伝達する信号端子と、前記直流電力の入力および前記交流電力の出力を伝達する主端子と、を有し、
    前記支持部材は、前記駆動信号回路基板と前記パワー半導体モジュールの間に配置され、
    前記信号端子および前記主端子は、前記パワー半導体モジュールの前記支持部材と対向する側に設けられ、
    前記支持部材における前記駆動信号回路基板と前記主端子との間の領域に金属製の遮蔽板が埋設されていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
    前記支持部材は、電流を伝達するバスバーが埋設されていることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項１または２に記載の電力変換装置であって、
    前記パワー半導体モジュールの収納空間を形成する金属製のケースを備え、
    前記支持部材は、当該支持部材を前記ケースに固定する固定部と、前記遮蔽板が前記固定部まで延びる延設部と、を有し、
    前記延設部を介して、前記遮蔽板を前記ケースと接地することを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置であって、
    前記支持部材は、ハーネスを係止する係止部を有することを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項４に記載の電力変換装置であって、
    前記ハーネスは、前記パワー半導体モジュールを制御する制御信号を共有する制御信号回路基板と、前記パワー半導体モジュールからの交流電流を伝達する交流電流バスバーに流れる電流を測定する電流センサを接続することを特徴とする電力変換装置。
JP2018561853A 2017-01-13 2017-12-06 電力変換装置 Active JP6854834B2 (ja)

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