WO2014045499A1

WO2014045499A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2014045499A1
Application number: PCT/JP2013/004141
Authority: WO
Inventors: 鈴木　健太
Original assignee: 日産自動車株式会社
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2014-03-27
Also published as: JPWO2014045499A1; US20150208545A1; EP2899864A1; EP2899864A4; CN104620488A

Abstract

　電力変換装置の径を小型化することを目的としている。電力変換装置は、放熱板（１）の一方の面側に、パワーモジュール（２）、遮蔽板（３）、及び上記パワーモジュール（２）に電気的に接続されるバスバー（６）を、この順番で積層配置して構成される。複数のパワーモジュール（２）は、上記放熱板（１）の面に沿って円環状に配置される。そして、その円環状に配置されたパワーモジュール（２）、上記遮蔽板（３）、及び上記バスバー（６）は、上記積層方向からみて重なりがあるように設計されている。

Description

電力変換装置

　　本発明は、電動機に電気的に接続するインバータとして好適な電力変換装置に関する。

　電力変換装置としては例えば特許文献１に記載の装置がある。この装置では、輪板形状の素子冷却用金属部材に対し、複数のスイッチング素子が、所定間隔を隔てて周方向に並ぶように配置、つまりパワーモジュールが円環状に配置されている。またリング状または円弧状のバスバーをパワーモジュールの内周側よりも内側に配置している。

特開２００７－１１６８４０号公報

　上記電力変換装置では、円環状のパワーモジュールの内側にバスバーを配置する必要があるため、その分、円環状のパワーモジュールの内径が大型化する。この結果、電力変換装置全体の径が大きくなってしまうという課題がある。
　本発明は、上記のような点に着目したもので、電力変換装置の径を小型化することを目的としている。

　上記課題を解決するために、本発明の一態様は、放熱板の一方の面側に、パワーモジュール、遮蔽板、及び上記パワーモジュールに電気的に接続されるバスバーを、この順番で積層配置する。上記パワーモジュールは、上記放熱板の面に沿って円環状に配置される。さらに、その円環状に配置されたパワーモジュール、上記遮蔽板、及び上記バスバーは、上記積層方向からみて重なりがあるように配置される。

　本発明の一態様によれば、円環状に配置されるパワーモジュール、遮蔽板、バスバーをこの順番で積層配置することで、遮蔽板でパワーモジュールとバスバーとの間の不要な干渉を抑えつつ、電力変換装置の径を小型化することが可能となる。

本発明に基づく実施形態に係る電力変換装置の断面斜視図である。本発明に基づく実施形態に係る電力変換装置の積層構造を模式的に説明する概念図である。遮蔽板及びバスバーを説明する図である。ドライバ回路基板の放熱板への支持構造を説明する側面図である。遮蔽板の放熱板への支持構造を説明する側面図である。他のバスバーの構成を説明する図である。

　次に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（第１実施形態）
　図１は、本実施形態に係る電力変換装置を切断した状態の断面説明図である。図２は、その電力変換装置の積層構造を模式的に説明する概念図である。
　ここで、以下に説明する電力変換装置は、制御する電動機（不図示）と一体構造になっていても良いし、電動機（不図示）と電力変換装置が別体の構成となっていても良い。また下記の説明では、電力変換装置の外形を形成するケース（不図示）が円筒形状の場合を想定して説明しているが、電力変換装置の外形は円筒形状に限定されない。

（構成）
　本実施形態の電力変換装置は、図１に示すように、放熱板１、パワーモジュール２、遮蔽板３、バスバー６、平滑用コンデンサ７、ドライバ回路基板８を、この順番に円環軸方向（図１では上下方向）にそって積み重ねることで構成されている。なお、各図は、電力変換装置の使用する際の向きを示すものでは無い。
　上記放熱板１は、円環形状となっていて、図１中では、放熱板１の下面に複数の冷却フィン１ａが一体成形されている。その放熱板１の上面には、その放熱板１の周方向に沿って予め設定した間隔毎に複数のパワーモジュール２が取り付けられている。すなわち、複数のパワーモジュール２が円環状に配置されている。パワーモジュール２は例えばスイッチング素子である。パワーモジュール２は放熱板１に対し、パワーモジュール２の発熱を放熱するために高熱伝導な状態で組み付けられている。なお、放熱板１は、必ずしも円環形状でなくても良い。

　上記円環状に配置された複数のパワーモジュール２の上に、同軸に、円板状の遮蔽板３が積層配置される。遮蔽板３は、パワーモジュール２に接着剤で固定される。
　その遮蔽板３の上に、円環軸方向に同軸に、円板状のバスバー６が積層配置される。バスバー６は、円環軸方向に同軸に積層された平板状のＰ導体５とＮ導体４とから構成される。本実施形態の例では、積層方向において、Ｎ導体４が遮蔽板３側に位置し、Ｐ導体５が平滑用コンデンサ７側に位置する。Ｐ導体５とＮ導体４の各内径側には内径方向に張り出した端子４ｂ、５ｂを有し、その端子４ｂ、５ｂが、パワーモジュール２の出力端子２ａに接続する。これによって、バスバー６は、パワーモジュール２の半導体素子への電力を供給可能に電気的に接続する。その電気的接続は低抵抗な状態での接続が好ましい。

　遮蔽板３とＮ導体４とは、その間に介挿された接着性絶縁シート９によって接着して一体化している。同様に、Ｎ導体４とＰ導体５とは、その間に介挿された接着性絶縁シート１０によって接着して一体化している。これによって、バスバー６は、遮蔽板３を介してパワーモジュール２の上面に接着固定されている。
　ここで、図３に示すように、下側に位置するＮ導体４の幅は、Ｐ導体５の幅よりも大きく設定されて、Ｐ導体５は、上面視でＮ導体４の外周側に円環状に露出する部分を有する構成となっている。すなわち、Ｎ導体４は、上側のＰ導体５に比べて外径側に張り出した形状となっている。すなわち、Ｎ導体４は、その外径がＰ導体５の外径よりも大きい円板形状となっている。そして上記張り出した部分が非重なり部を構成し、その非重なり部のうち、平滑用コンデンサ７の出力端子と対向する径方向位置が上側に張り出して段差部４ａを形成している。その段差部４ａの上面である張り出し面が、上記Ｐ導体５の上面（平滑用コンデンサ７側の面）と同じ高さとなるように、段差部４ａの上方への張り出し量が設定されている。ここで上記段差部４ａは、図２では板厚を厚くすることで形成されている場合を例示しているが、Ｎ導体４を構成する板の一部を上側に屈曲成形することで上記段差部４ａを設けても良い。

　ここで、上記円板状の遮蔽板３は、その外径は、バスバー６の外径よりも大きい寸法に設定されている。すなわち、遮蔽板は、上記積層方向からみて、上記バスバーと完全に重なる遮蔽板本体部と、その遮蔽板本体部から内径方向及び外径方向の少なくとも一方の方向に張り出して上記バスバーと重ならない張出部と、を有する。本実施形態では、外形側にだけ張出部を形成する場合で例示している。

　上記積層されたＮ導体４及びＰ導体５からなるバスバー６の上面（遮蔽板３と対向する面とは反対側の面）に、平滑用コンデンサ７が実装されている。本実施形態では、複数の平滑用コンデンサ７が、バスバー６の周方向に沿って予め設定した間隔で配置されることで、複数の平滑用コンデンサ７は円環状に配置されている。各平滑用コンデンサ７は、下側に向けて一対の端子７ａが突出している。その一対の端子７ａは、一般には、下方への突出量が同じに設定されている。また上記一対の端子７ａは、上記バスバー６の径方向に並ぶように配置され、内側の端子７ａがＰ導体５に接触すると共に、外側の端子７ａが、上記Ｎ導体４の段差部４ａの上面に接触する。このように平滑用コンデンサ７とバスバー６とは、バスバー６内の電気的なリプルを抑制するために電気的に接続されている。接続は、電気的に低抵抗な状態での接続が好ましい。

　また上記円環状の平滑用コンデンサ７の上側に、ドライバ回路基板８が積層配置されている。ドライバ回路基板８は、図４に示すように、放熱板１にボルト止めされて当該放熱板１に支持されている。具体的には、図４に示すように、放熱板１から上方（上記積層方向）に支柱１０が立設している。支柱１０の上端から上方にねじ軸１１が突出している。そのねじ軸１１に対し、ドライバ回路基板８に形成された取付け部８ａの取付け穴（不図示）を挿入させて、上記支柱１０に上記ドライバ回路基板８を支持させた状態で、ねじ軸１１にナット１２を螺合して取り付ける。また、上記パワーモジュール２を制御するために、ドライバ回路基板８の素子は、図２に示すように、基板２２を介して当該パワーモジュール２に対し電気的に接続されている。接続は、電気的に低抵抗な状態での接続が好ましい。

　ここで、上記説明では、パワーモジュール２及び平滑用コンデンサ７が、それぞれ周方向に沿って分割した所謂、周方向分割型の場合で説明した。上記パワーモジュール２及び平滑用コンデンサ７は、それぞれ円筒形状の所謂、一体円筒型等であっても良い。また、平滑用コンデンサ７は、アルミ電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサ等、コンデンサの種類は限定しない。
　上記バスバー６を構成するＮ導体４及びＰ導体５には、それぞれ電気供給経路４ｃ、５ｃが一体に形成されている。各電気供給経路４ｃ、５ｃは、それぞれ上方（放熱板１から離れる方向）に立ち上がり、その先端部に、電力供給ケーブル２０，２１が接続されている。電力供給ケーブル２０，２１は、電力変換装置の上記各モジュールを収容するケース（不図示）の外部に引き出される。

　（変形例１）
　上記実施形態では、遮蔽板３及びバスバー６は、接着によって、パワーモジュール２を介して放熱板１に固定されている。
　上記とは別に、遮蔽板３を放熱板１に直接固定しても良い。遮蔽板３を放熱板１に直接固定することで、遮蔽板３に接着しているバスバー６が放熱板１に支持固定されて、当該バスバー６の位置決めがより確実となる。
　図５に遮蔽板３の放熱板１への取付けの例を示す。
　この例では、遮蔽板３は、外方に張り出した板状の取付け部１５を有する。その取付け部１５には、上下に貫通する穴１５ａが形成されている。

　また放熱板１から上方に立ち上がる筒体１３が形成されている。その筒体１３の内径面には雌ねじが形成されている。そして、上記取付け部１５の穴１５ａと、上記筒体１３の穴とを同軸に配置して、上側からボルト１４を差し込んでボルト締めを行う。これによって、遮蔽板３は放熱板１に固定される。上記取付け部や筒体は、周方向に沿って２以上形成されていても良い。なお、取付けは、かしめや溶着その他の公知の固定手段で固定されていればよい。

　（変形例２）
　上記説明のバスバーは、図３に示すように、内周側に接続端子４ｂ、５ｂが突出していると共に、外周側に段差部４ａ及び電気供給経路４ｃ、５ｃが形成される場合を例示した。バスバー６はこれに限定しない。
　図６に示すように、内周側に段差部４ａ及び電気供給経路４ｃ、５ｃを設けても良い。この図では、外周側に接続端子４ｂ、５ｂを形成している。
　ここで、上記段差部４ａは、積層方向から見て、一部が切り欠かれた円環形状つまり、Ｃ字形状となっている。そして、上記切欠き部で上記電気供給経路４ｃ、５ｃを上方に立ち上げている。図３においても同様である。
　ここで、Ｎ導体４が第１導体を構成し、Ｐ導体５が第２導体を構成する。

（作用その他）
　（１）本実施形態の電力変換装置では、パワーモジュール２を周方向に並べることで、複数のパワーモジュール２が円環形状に配置されている。またその円環形状に配置された複数のパワーモジュール２の上に円板状のバスバー６を積層配置している。これによって、複数のパワーモジュール２が互いに均等な関係となって、配線インダクタンスの低減や各相パラ駆動時の電流不均一（発熱バラツキ）を回避する。
　（２）上記Ｐ導体５、Ｎ導体４及び遮蔽板３は、薄膜状の粘着絶縁シートによって近接した状態で一体化される。
　これによって、Ｐ導体５、Ｎ導体４及び遮蔽板３を近接した状態で積層配置出来ると共に、Ｐ導体５，Ｎ導体４及び遮蔽板３を一体化することも可能となる。
　なお、バスバー６と遮蔽板３を接着することで、遮蔽板３を固定することで、間接的にバスバー６の位置決めも可能となる。

　（３）また、Ｐ導体５及びＮ導体４とからなるバスバー６を、円環状に配置されたパワーモジュール２の上に積層配置する。
　すなわち、パワーモジュール２の内径側にバスバー６を配置することなく積層配置することから、円環状のパワーモジュール２の径をその分小さく設計することが可能となる。このとき、遮蔽板３が、ＰＮ導体４とパワーモジュール２の間に配置される。この構成によって、ノイズ発生源となる強電経路であるバスバー６とノイズ受信側であるパワーモジュール２とを接近させて、本実施形態では、バスバー６をパワーモジュール２に近接して上記のように積層配置することが可能となる。すなわち、ＰＮ導体４とパワーモジュール２との間の距離を小さくすることが可能となる。以上のことから、電力変換装置をより小型化することが可能となる。

　（４）上記遮蔽板３を上記放熱板１に取り付ける。
　この構成によれば、上記遮蔽板３と一体化したバスバー６を、遮蔽板３を介して放熱板１に支持させることが可能となる。この結果、バスバー６の位置決めがより確実となる。
　また、近接一体化した遮蔽板３によってバスバー６を支持・固定する構成により、強電経路であるＰＮ導体４から絶縁距離を考慮した固定構造が不要な構成となる。これによって、電力変換装置を小型化できる。

　（５）また、遮蔽板３の外径をバスバー６の外径よりも大きくする。すなわち、遮蔽板３は、積層方向からみて、バスバー６よりも外径方向に張り出す張り出した部分を有する。
　この構成によれば、バスバー６とパワーモジュール２とが対向する経路に対して、遮蔽板３による遮蔽領域が大きな構成になる。これによって、遮蔽板３を回り込むノイズを抑制できるため、パワーモジュール２の誤動作を低減できる。

　ここで、遮蔽板３及びバスバー６が円板形状の場合を例にして説明した。遮蔽板３及びバスバー６の形状は円板状である必要は無い。上記遮蔽板３は、上記積層方向からみて、上記バスバー６と完全に重なる遮蔽板３本体部と、その遮蔽板３本体部から内径方向及び外径方向の少なくとも一方の方向に張り出して上記バスバー６と重ならない張出部と、を有する形状になっていればよい。

　（６）バスバー６の上記遮蔽板３と対向する面とは反対側の面側に、平滑用コンデンサが実装されている。
　この構成によれば、平滑用コンデンサ７をバスバー６の軸方向の投影面積内に配置する構成にすることが可能となる。この結果、より電力変換装置に必要な体積内容の余白を削減することができるため、出力密度を向上できる。

　（７）バスバー６は、上記積層方向で積層し且つ上記平滑用コンデンサの端子にそれぞれ電気的に接続する、遮蔽板３側のＮ導体４（第１導体）と平滑用コンデンサ７側のＰ導体５（第２導体）とを備える。Ｎ導体４は、上記積層方向からみてＰ導体５と重ならない非重なり部を有し、その非重なり部には、少なくとも上記平滑用コンデンサ７の端子に接続する部分が当該接続する端子側に張り出した段差部４ａが形成されている。
　なお、Ｐ導体５を第１導体とし、Ｎ導体４を第２導体としても良い。
　この構成によれば、平滑用コンデンサ７の一対の端子先端部７ａの接続高さ位置に、Ｐ導体５（第２導体）の上面及びＮ導体４（第１導体）の張り出し面が共に同等な高さに設定される。平滑用コンデンサ７の一対の端子の長さが等しい汎用コンデンサを上記平滑用コンデンサ７として使用可能となる。このため、平滑用コンデンサ７の取付けが簡易になったり、平滑用コンデンサ７のコストを削減することが可能となる。
　なお、平滑用コンデンサ７の一対の端子の長さが異なっていても、段差部４ａの高さを変更することで対処可能である。

　（８）上記積層方向から見て、上記第１導体及び第２導体は共に円板状となっていると共に、上記非重なり部は第２導体よりも内径側又は外径側に位置し、上記段差部４ａは、一部に切欠きが形成された円環状に形成され、その切欠き位置に上記第１導体及び第２導体への電気供給経路４ｃ、５ｃが配置される。
　この構成によれば、切欠き位置に通す形で対となる導体への電気供給経路４ｃ、５ｃを設けることができる。すなわち、上記段差部４ａとの干渉を抑えつつ、電気供給経路４ｃ、５ｃをバスバー６の径方向への張り出しを小さくして配置が可能となって、バスバー６の小型化が可能となる。

　以上、本願が優先権を主張する、日本国特許出願２０１２－２０５９５８（２０１２年９月１９日出願）の全内容は、参照により本開示の一部をなす。
　ここでは、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく各実施形態の改変は当業者にとって自明なことである。

１放熱板
２パワーモジュール
３遮蔽板
４Ｎ導体（第１導体）
４ａ段差部
４ｃ電気供給経路
５Ｐ導体（第２導体）
６バスバー
７平滑用コンデンサ
８ドライバ回路基板
９、１０接着性絶縁シート
１３筒体
１４ボルト
１５取付け部
１５ａ取付け穴

Claims

　放熱板の一方の面側に、パワーモジュール、遮蔽板、及び上記パワーモジュールに電気的に接続されるバスバーが、この順番で積層され、
　上記パワーモジュールは、上記放熱板の面に沿って円環状に配置され、
　その円環状に配置されたパワーモジュール、上記遮蔽板、及び上記バスバーは、上記積層方向からみて少なくとも一部が重なった状態に配置されることを特徴とする電力変換装置。
　上記遮蔽板と上記バスバーとは接着されていることを特徴とする請求項１に記載した電力変換装置。
　上記遮蔽板を上記放熱板に支持させることを特徴する請求項２に記載した電力変換装置。
　上記積層方向からみて、上記バスバー及び遮蔽板は円環形状となっていて
　上記遮蔽板は、上記積層方向からみて、上記バスバーと完全に重なる遮蔽板本体部と、その遮蔽板本体部から内径方向及び外径方向の少なくとも一方の方向に張り出して上記バスバーと重ならない張出部と、を有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載した電力変換装置。
　上記バスバーの上記遮蔽板と対向する面とは反対側の面側に、平滑用コンデンサが実装されていることを特徴とする請求項１～請求項４のいずれか１項に記載した電力変換装置。
　上記バスバーは、上記積層方向で積層し且つ上記平滑用コンデンサの端子にそれぞれ電気的に接続する、遮蔽板側の第１導体と平滑用コンデンサ側の第２導体とを備え、
　上記第１導体は、上記積層方向からみて第２導体と重ならない非重なり部を有し、その非重なり部には、少なくとも上記平滑用コンデンサの端子に接続する部分が当該接続する端子側に張り出した段差部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載した電力変換装置。
　上記積層方向から見て、上記第１導体及び第２導体は共に円環形状となっていると共に、上記非重なり部は第２導体よりも内径側又は外径側に位置し、上記段差部は、一部に切欠きが形成された円環状に形成され、その切欠き位置に上記第１導体及び第２導体への電気供給経路が配置されることを特徴とする請求項６に記載した電力変換装置。